JP2013191861A - 半導体デバイス及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体デバイス50は、支持基板12と、窒化物半導体層14と、支持基板12と窒化物半導体層14との間に設けられた接合層16と、を備え、窒化物半導体層14の転位密度は1×108個/cm2以下であり、窒化物半導体層14は、接合層16側の第1面と第1面とは反対側の第2面とを有しており、第1面における転位密度と第2面における転位密度との差が1×102個/cm2以下である、複合基板10と、複合基板10の窒化物半導体層14上に、順に設けられているバリア層52、ドリフト層54及びショットキー電極58と、を備える。
【選択図】図7
Description
窒化物半導体層は、単結晶の窒化物半導体からなってもよい。
図1は、実施形態に係る複合基板を模式的に示す断面図である。図2は、図1に示す断面図に対応する透過型電子顕微鏡(TEM)写真を示す図である。図1に示される複合基板10は、支持基板12と、窒化物半導体層14と、支持基板12と窒化物半導体層14との間に設けられた接合層16とを備える。窒化物半導体層14は、接合層16側の第1面14aと、第1面14aとは反対側の第2面14bとを有している。複合基板10は例えば直径50mm以上のウェハ形状を有している。複合基板10の側面は面取りされてもよい。
窒化物半導体層14は、例えばGaN、AlN、InN、BN、又はこれらの混晶(AlGaN、InGaN若しくはInAlGaN)等のIII族窒化物半導体からなる。窒化物半導体層14は、単結晶からなることが好ましく、六方晶(ウルツ鉱型)の単結晶からなることがより好ましい。窒化物半導体層14は、例えばn型であり、酸素がドープされたGaNからなる。窒化物半導体層14の第1面14aには、N面が配置されてもよいし、III族面(例えばGa面)が配置されてもよいし、III族面とN面とがストライプ状に配置されてもよいし、ドット状に配置されてもよい。とくに規則的にIII族面とN面とが配置されていなくてもよい。
入することが困難になる傾向にある。
支持基板12の材料は、窒化物半導体層14の材料より安価であることが好ましい。支持基板12は導電性を有することが好ましい。この場合、複合基板10の厚み方向に電流を流すことができるので、複合基板10を縦型の電子デバイスの製造に用いることができる。導電性を有する支持基板12の材料としては、カーボン、SiC(例えば焼結SiC)等の炭化物、Si、GaAs等の半導体、Ga2O3等の酸化物、Mo(例えば多結晶Mo)、Au、Ag、Pt、WC、W、Ti等の金属等が挙げられる。支持基板12は、GaN(例えば焼結GaN、多結晶GaN)からなってもよい。
接合層16は、支持基板12と窒化物半導体層14との間の格子不整合を緩和するために高密度に結晶欠陥が導入された歪層(図2のTEM写真において黒く見える層)である。接合層16は、窒化物半導体層14中に転位が導入された構造(結晶方位は例えばc軸に配向されている)、又は窒化物半導体層14中の結晶方位が乱れたアモルファス構造であると考えられる。
図3は、実施形態に係る複合基板の製造方法を模式的に示す工程断面図である。
まず、支持基板12と窒化物半導体基板26を準備する。窒化物半導体基板26は、例えば特開2000−12900号公報、特開2000−22212号公報等に記載された方法によって製造される。窒化物半導体基板26は、例えばHVPE法により製造される。窒化物半導体基板26の製造方法は、高圧溶融法、アモノサーマル法、フラックス法等の液相成長法、窒化物半導体材料(例えばGaN)の粉末を昇華させる昇華法であってもよい。
準備工程の後、必要に応じて支持基板12の表面12aと窒化物半導体基板26の表面26aとを洗浄してもよい。洗浄は例えば以下のように行われる。まず60℃に加熱したイソプロピルアルコール(IPA)を用いた超音波洗浄を10分間行う。次に、70℃に加熱したSC−1(NH4OH/H2O2/H2O)を用いた洗浄を10分間行う。次に、純水リンスを10分間行う。次に、70℃に加熱したSC−2(HCl/H2O2/H2O)を用いた洗浄を10分間行う。次に、純水リンスを10分間行う。次に、希フッ酸(希フッ化水素酸)洗浄を5分間行う。次に、王水洗浄を5分間行う。次に、純水リンスを10分間行う。次に、IPAの蒸気乾燥を10分間行う。なお、窒化物半導体基板26に保護膜(例えばSiO2膜等)が形成されている場合には、希フッ酸洗浄を実施する必要はない。
洗浄工程の後、必要に応じて窒化物半導体基板26の表面26aをRIE(反応性イオンエッチング)により活性化してもよい。表面26aは、例えば(000−1)面(N面)である。例えば1Paの圧力下でアルゴンプラズマにより表面層を1nm以上5nm以下エッチングする。アルゴン(Ar)に替えて、ヘリウム(He)、ネオン(Ne)等の希ガス、窒素(N2)等の不活性ガス、GaNとの反応性を有するガス(例えばアンモニア(NH3)、塩素(Cl2)、三塩化ホウ素(BCl3)、四塩化ケイ素(SiCl4))を用いることもできる。
次に、図3(a)に示されるように、支持基板12と窒化物半導体基板26とを圧着により貼り合わせる。これにより、図3(b)に示されるように、支持基板12と窒化物半導体基板26との間に接合層16が形成される。圧着は、100〜400℃の温度、800〜1200N/cm2の圧力で行われることが好ましい。支持基板12及び窒化物半導体基板26にかかる最大圧力と最小圧力との差を5N/cm2以下とすることが好ましい。支持基板12と窒化物半導体基板26とを接着剤によって貼り合わせてもよい。
次に、図3(b)に示されるように、窒化物半導体基板26の表面26aに平行な平面Pに沿って窒化物半導体基板26をスライスする。これにより、図1に示されるように、支持基板12上に窒化物半導体層14を形成する。スライス時のカーフロス(切り代)は100μm以下であることが好ましい。スライスには、例えば、マルチワイヤソー、ワイヤー放電加工、ブレード(内周刃、外周刃等)を用いることができる。カーフロスを小さくする観点から、直径0.1mm以下のマルチワイヤソーを用いることが好ましい。スライス方法としては、特開2006−190909号公報に記載された方法を用いることができる。カーフロスを小さくするには、ブラスメッキワイヤーとダイヤモンドスラリー(遊離砥粒)を用いることが好ましい。
次に、必要に応じて窒化物半導体層14の第2面14b(例えばGa面)を研磨してもよい。研磨する厚さは、50μm以下が好ましい。研磨方法としては、特開2006−196609号公報や特開2004−311575号公報に記載された方法を用いることができる。さらに、第2面14bを鏡面研磨してもよい。鏡面研磨では、例えばダイヤモンドスラリーを使用したメカニカル研磨を行った後に、ケミカルメカニカル研磨を行う。第2面14bの表面粗さ(Ra)が1.5nm以下となるように鏡面研磨することが好ましい。
次に、必要に応じて窒化物半導体層14の第2面14bを洗浄してもよい。洗浄は例えば以下のように行われる。まず60℃に加熱したイソプロピルアルコール(IPA)を用いた超音波洗浄を10分間行う。次に、70℃に加熱したSC−1(NH4OH/H2O2/H2O)を用いた洗浄を10分間行う。次に、純水リンスを10分間行う。次に、70℃に加熱したSC−2(HCl/H2O2/H2O)を用いた洗浄を10分間行う。次に、純水リンスを10分間行う。次に、希フッ酸洗浄を5分間行う。次に、純水リンスを10分間行う。次に、IPAの蒸気乾燥を10分間行う。
図5は、実施形態に係るエピタキシャル基板を模式的に示す断面図である。図5に示されるエピタキシャル基板30は、複合基板10と、複合基板10の窒化物半導体層14上に設けられたエピタキシャル層32とを備える。エピタキシャル層32は、中間層32aと、n型クラッド層32bと、活性層32cと、p型クラッド層32dと、p型コンタクト層32eとを順に窒化物半導体層14上に備える。エピタキシャル層32は少なくとも1つ以上の窒化物半導体層を含むことが好ましい。
図6は、参考形態に係る半導体デバイスを模式的に示す断面図である。図6に示される半導体デバイス40は、LDやLED等の発光デバイスである。半導体デバイス40は、複合基板10を備える。複合基板10の窒化物半導体層14上には、エピタキシャル層32の一部をn型クラッド層32bに至るまでエッチングしたエピタキシャル構造33が設けられている。このため、エピタキシャル構造33の表面には、p型コンタクト層32e及びn型クラッド層32bが露出している。露出したp型コンタクト層32e上にはp側電極42aが設けられている。露出したn型クラッド層32b上にはn側電極42bが設けられている。p側電極42a及びn側電極42bは、それぞれバンプ44a及び44bによってヒートシンク46に電気的に接続されている。半導体デバイス40では、活性層
32cから発光する光が複合基板10を透過して外部に照射される。
HVPE法を用いてGaNインゴットを成長させた。GaNインゴット(GaN基板)は、酸素がドープされたn型GaNからなる。GaNインゴットの直径は50.8mm(2インチ)、厚みは1mm、表面はC面(オフ角0.5度)であった。
(実施例2)
サファイア基板上に厚さ200μmのGaN層が残るようにGaNインゴットをスライスし、サファイア基板上に厚さ170μmのGaN層が残るように研磨したこと以外は実施例1と同様にして、実施例2の複合基板を作製した。
サファイア基板上に厚さ150μmのGaN層が残るようにGaNインゴットをスライスし、サファイア基板上に厚さ120μmのGaN層が残るように研磨したこと以外は実施例1と同様にして、実施例3の複合基板を作製した。
サファイア基板上に厚さ100μmのGaN層が残るようにGaNインゴットをスライスし、サファイア基板上に厚さ70μmのGaN層が残るように研磨したこと以外は実施例1と同様にして、実施例4の複合基板を作製した。
サファイア基板上に厚さ50μmのGaN層が残るようにGaNインゴットをスライスし、サファイア基板上に厚さ20μmのGaN層が残るように研磨したこと以外は実施例1と同様にして、実施例5の複合基板を作製した。
サファイア基板上に厚さ25μmのGaN層が残るようにGaNインゴットをスライスし、サファイア基板上に厚さ5μmのGaN層が残るように研磨したこと以外は実施例1と同様にして、実施例6の複合基板を作製した。
実施例1〜6の複合基板について、サファイア基板及びGaN層にクラックが発生するか否かを観測し、複合基板の反りを測定した。結果を表1に示す。その結果、GaN層の厚みが50μm以下が特に好ましいことが分かった。
水素原子:2×1017個/cm3
炭素原子:3×1016個/cm3
酸素原子:6×1018個/cm3
ケイ素原子:3×1017個/cm3。
Si:220×1010atoms/cm2
Cl:48×1010atoms/cm2
Mn:5×1010atoms/cm2
Fe:5×1010atoms/cm2
Ni:3×1010atoms/cm2
Cu:4×1010atoms/cm2
Zn:5×1010atoms/cm2。
Ra:1.5nm
P−V:15nm。
反り:15μm
TTV:8μm。
サファイア基板に代えて表2に示される各支持基板を用いたこと以外は実施例2(GaN層の厚み170μm)と同様にして、実施例7〜17の複合基板を作製した。なお、支持基板の表面粗さが1.5nm以下にならないものについては、プラズマCVD法(400℃)により厚さ100nmのSiO2膜を支持基板の表面に形成した後、研磨することによって、表面粗さを1.5nm以下とした。表中、評価Cは好ましく、評価Bは評価Cより好ましく、評価Aは最も好ましいことを示している。
実施例5の複合基板を用いて以下のようにLEDを作製した。まず、複合基板のGaN層上に、MOCVD法により、エピタキシャル層を形成した。具体的には、まず、MOCVD炉の反応室内に配置されたサセプタ上に、サファイア基板をサセプタ側にして複合基板を配置した。
上述のようにして得られたLEDに、電流密度が100A/cm2となるように電流を印加した。このときLEDから発光する波長450nmの光の発光強度と、発光波長のバラツキを測定した。また、比較のために、複合基板に代えてGaN自立基板を用いて上記と同様に作製したLEDの発光強度及び発光波長のバラツキも測定した。ここで、発光強度は、同一の複合基板から得られた複数のLEDについて測定した発光強度の平均値とした。また、同一の複合基板から得られた複数のLEDのうち最も発光強度が高かったLEDの発光強度を100とした場合の相対値を発光強度とした。また、同一の複合基板から得られた複数のLEDの発光波長の最大値と最小値との差を発光波長のバラツキとした。結果を表3に示す。
実施例17の複合基板を用いて以下のようにショットキーバリアダイオードを作製した。まず、複合基板のGaN層上に、MOCVD法により、エピタキシャル層を形成した。具体的には、まず、MOCVD炉の反応室内に配置されたサセプタ上に、Mo基板をサセプタ側にして複合基板を配置した。
Claims (10)
- 支持基板と、窒化物半導体層と、前記支持基板と前記窒化物半導体層との間に設けられた接合層と、を備え、前記窒化物半導体層の転位密度は、1×108個/cm2以下であり、前記窒化物半導体層は、前記接合層側の第1面と、前記第1面とは反対側の第2面とを有しており、前記第1面における転位密度と前記第2面における転位密度との差が1×102個/cm2以下である、複合基板と、
前記複合基板の前記窒化物半導体層上に、順に設けられているバリア層、ドリフト層及びショットキー電極と、を備える半導体デバイス。 - 前記複合基板の前記支持基板側に設けられているオーミック電極をさらに備える請求項1に記載の半導体デバイス。
- 前記接合層は、前記支持基板と前記窒化物半導体層とを圧着により貼り合わせることによって形成される、請求項1または請求項2に記載の半導体デバイス。
- 前記窒化物半導体層の厚みは200μm以下である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の半導体デバイス。
- 前記接合層の厚みは100nm以下である、請求項1〜4のいずれか一項に記載の半導体デバイス。
- 前記窒化物半導体層は、単結晶の窒化物半導体からなる、請求項1〜5のいずれか一項に記載の半導体デバイス。
- 前記支持基板は導電性を有する、請求項1〜6のいずれか一項に記載の半導体デバイス。
- 支持基板と、窒化物半導体層と、前記支持基板と前記窒化物半導体層との間に設けられた接合層と、を備え、前記窒化物半導体層の転位密度は、1×108個/cm2以下であり、前記窒化物半導体層は、前記接合層側の第1面と、前記第1面とは反対側の第2面とを有しており、前記第1面における転位密度と前記第2面における転位密度との差が1×102個/cm2以下である、複合基板を準備する工程と、
前記複合基板の前記窒化物半導体層上にバリア層を成長させる工程と、
前記バリア層上にドリフト層を成長させる工程と、
前記ドリフト層上にショットキー電極を形成する工程と、
を含む半導体デバイスの製造方法。 - 前記複合基板を準備する工程は、
支持基板と窒化物半導体基板とを圧着により貼り合わせる貼り合わせ工程と、
前記貼り合わせ工程の後、前記窒化物半導体基板をスライスすることによって、前記支持基板上に窒化物半導体層を形成するスライス工程と、
を含む請求項8に記載の半導体デバイスの製造方法。 - 前記複合基板を準備する工程は、
第1窒化物半導体基板をスライスすることによって、前記第1窒化物半導体基板よりも薄い第2窒化物半導体基板を形成するスライス工程と、
前記スライス工程の後、前記第2窒化物半導体基板と支持基板とを圧着により貼り合わせることによって、前記支持基板上に窒化物半導体層を形成する貼り合わせ工程と、
を含む請求項8に記載の半導体デバイスの製造方法。
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