JP2014241387A - Substrate, method of manufacturing the same, and electronic equipment - Google Patents

Substrate, method of manufacturing the same, and electronic equipment Download PDF

Info

Publication number
JP2014241387A
JP2014241387A JP2013124108A JP2013124108A JP2014241387A JP 2014241387 A JP2014241387 A JP 2014241387A JP 2013124108 A JP2013124108 A JP 2013124108A JP 2013124108 A JP2013124108 A JP 2013124108A JP 2014241387 A JP2014241387 A JP 2014241387A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
substrate
nitride semiconductor
graphene
sic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2013124108A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
博一 吹留
Hirokazu Fukitome
博一 吹留
眞希 末光
Maki Suemitsu
眞希 末光
焦 賽
Jiao Sai
焦 賽
泰範 舘野
Yasunori Tateno
泰範 舘野
勇夫 眞壁
Isao Makabe
勇夫 眞壁
隆志 中林
Takashi Nakabayashi
隆志 中林
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tohoku University NUC
Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Tohoku University NUC
Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tohoku University NUC, Sumitomo Electric Industries Ltd filed Critical Tohoku University NUC
Priority to JP2013124108A priority Critical patent/JP2014241387A/en
Publication of JP2014241387A publication Critical patent/JP2014241387A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a substrate having a graphene layer with an excellent film quality, and to provide a method of manufacturing the same and to provide an electronic equipment.SOLUTION: The substrate includes: a nitride semiconductor layer 12 provided on a top surface of a silicon substrate 10 of which the top surface is (111) plane; a silicon carbide layer 14 provided on the top surface of the nitride semiconductor layer 12; and a graphene layer 16 provided on a top surface of the silicon carbide layer 14. A graphene layer with an excellent film quality, for instance, such as, a D/G value of 1.1 or less, may be obtained.

Description

本発明は、基板、基板の製造方法、及び電子装置に関し、例えばグラフェン層を有する基板、基板の製造方法、及び電子装置に関する。   The present invention relates to a substrate, a method for manufacturing the substrate, and an electronic device, for example, a substrate having a graphene layer, a method for manufacturing the substrate, and an electronic device.

近年、炭素原子が形成する六角形の骨格をシート状に延ばしたナノカーボン材料であるグラフェンの研究が様々な分野でなされている。例えば、グラフェンは、キャリア移動度が高いという特長を有することから、グラフェンをチャネルに利用したトランジスタの研究がなされている。   In recent years, research on graphene, which is a nanocarbon material obtained by extending a hexagonal skeleton formed by carbon atoms into a sheet shape, has been made in various fields. For example, since graphene has a feature of high carrier mobility, a transistor using graphene as a channel has been studied.

グラフェンの製造方法は、様々な方法が提案されている。例えば、炭化シリコン基板を用い、炭化シリコン基板上にグラフェン層を形成する方法が提案されている。しかしながら、この方法では、炭化シリコン基板が高価であり、基板の大口径化が難しいとの課題がある。そこで、安価で大口径化が容易なシリコン基板上に炭化シリコン層を形成し、この炭化シリコン層上にグラフェン層を形成する方法が提案されている。   Various methods for producing graphene have been proposed. For example, a method of forming a graphene layer on a silicon carbide substrate using a silicon carbide substrate has been proposed. However, this method has a problem that the silicon carbide substrate is expensive and it is difficult to increase the diameter of the substrate. Therefore, a method has been proposed in which a silicon carbide layer is formed on a silicon substrate that is inexpensive and easy to increase in diameter, and a graphene layer is formed on the silicon carbide layer.

例えば、シリコン基板の(100)面上に窒化アルミニウム層と炭化シリコン層とを順に形成し、炭化シリコン層上にグラフェン層を形成する方法が提案されている(例えば、非特許文献1参照)。また、シリコン基板の(100)面上に窒化アルミニウム層と炭化シリコン層とを形成した構造についての研究もなされている(例えば、非特許文献2参照)。   For example, a method has been proposed in which an aluminum nitride layer and a silicon carbide layer are sequentially formed on a (100) surface of a silicon substrate, and a graphene layer is formed on the silicon carbide layer (see, for example, Non-Patent Document 1). Research has also been conducted on a structure in which an aluminum nitride layer and a silicon carbide layer are formed on the (100) surface of a silicon substrate (see, for example, Non-Patent Document 2).

Benjamin Hsia、外5名、「Epitaxial Graphene Growth on 3C-SIC(111)/AlN(0001)/Si(100)」、Electrochemical and Solid-State Letters、2011年、14巻、p.K13−K15Benjamin Hsia, 5 others, “Epitaxial Graphene Growth on 3C-SIC (111) / AlN (0001) / Si (100)”, Electrochemical and Solid-State Letters, 2011, 14, p. K13-K15 Wei-Cheng Lien、外5名、「Growth of 3C-SiC Thin Film on AlN/Si(100) with Atomically Abrupt Interface via Tailored Precursor Feeding Procedure」、Electrochemical and Solid-State Letters、2010年、13巻、p.D53−D56Wei-Cheng Lien, 5 others, “Growth of 3C-SiC Thin Film on AlN / Si (100) with Atomically Abrupt Interface via Tailored Precursor Feeding Procedure”, Electrochemical and Solid-State Letters, 2010, 13, p. D53-D56

しかしながら、シリコン基板の(100)面上に形成した炭化シリコン層を利用してグラフェン層を形成する方法では、グラフェン層の膜質の点で改善の余地が残されていた。   However, the method of forming a graphene layer using a silicon carbide layer formed on the (100) surface of a silicon substrate leaves room for improvement in terms of the film quality of the graphene layer.

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、膜質の良好なグラフェン層を有する基板、基板の製造方法、及び電子装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a substrate having a graphene layer with good film quality, a method for manufacturing the substrate, and an electronic device.

本発明は、(111)面を上面とするシリコン基板の前記上面に設けられた窒化物半導体層と、前記窒化物半導体層の上面に設けられた炭化シリコン層と、前記炭化シリコン層の上面に設けられたグラフェン層と、を備えることを特徴とする基板である。本発明によれば、膜質の良好なグラフェン層を得ることができる。   The present invention provides a nitride semiconductor layer provided on the upper surface of a silicon substrate having a (111) plane as an upper surface, a silicon carbide layer provided on the upper surface of the nitride semiconductor layer, and an upper surface of the silicon carbide layer. And a provided graphene layer. According to the present invention, a graphene layer with good film quality can be obtained.

上記構成において、前記グラフェン層に対するラマン分光法におけるGバンドに対するDバンドの強度比(D/G)の値が1.1以下である構成とすることができる。   In the above structure, the intensity ratio (D / G) of the D band to the G band in the Raman spectroscopy for the graphene layer may be 1.1 or less.

上記構成において、前記窒化物半導体層は、窒化アルミニウム層である構成とすることができる。   In the above configuration, the nitride semiconductor layer may be an aluminum nitride layer.

上記構成において、前記窒化アルミニウム層の厚さは、100nm以上且つ700nm以下である構成とすることができる。   In the above structure, the aluminum nitride layer may have a thickness of 100 nm to 700 nm.

上記構成において、前記炭化シリコン層は、立方晶炭化シリコン層である構成とすることができる。   In the above structure, the silicon carbide layer may be a cubic silicon carbide layer.

本発明は、(111)面を上面とするシリコン基板の前記上面に、窒化物半導体層を形成する工程と、前記窒化物半導体層の上面に、炭化シリコン層を形成する工程と、前記炭化シリコン層の上面に、グラフェン層を形成する工程と、を備えることを特徴とする基板の製造方法である。本発明によれば、良好な膜質のグラフェン層を得ることができる。   The present invention includes a step of forming a nitride semiconductor layer on the upper surface of a silicon substrate having a (111) plane as an upper surface, a step of forming a silicon carbide layer on the upper surface of the nitride semiconductor layer, and the silicon carbide. And a step of forming a graphene layer on the upper surface of the layer. According to the present invention, a good quality graphene layer can be obtained.

上記構成において、前記炭化シリコン層の上面に対して熱処理を行うことによって、前記グラフェン層を形成する構成とすることができる。   In the above structure, the graphene layer can be formed by performing heat treatment on the upper surface of the silicon carbide layer.

上記構成において、前記窒化物半導体層は、窒化アルミニウム層である構成とすることができる。   In the above configuration, the nitride semiconductor layer may be an aluminum nitride layer.

本発明は、上記いずれかに記載の基板を備えることを特徴とする電子装置である。   The present invention is an electronic device comprising any of the above-described substrates.

上記構成において、前記グラフェン層上に設けられたゲート電極と、前記ゲート電極を挟んで設けられたソース電極およびドレイン電極と、を備え、前記ゲート電極下の前記グラフェン層にチャネルが形成される構成とすることができる。   In the above structure, a structure including a gate electrode provided on the graphene layer and a source electrode and a drain electrode provided with the gate electrode interposed therebetween, and a channel is formed in the graphene layer under the gate electrode It can be.

本発明によれば、膜質の良好なグラフェン層を得ることができる。   According to the present invention, a graphene layer with good film quality can be obtained.

図1は、実施例1に係る基板を示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating the substrate according to the first embodiment. 図2は、AlN層の膜厚と半値幅との関係を示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating the relationship between the film thickness of the AlN layer and the full width at half maximum. 図3は、SiC層の成長温度と半値幅との関係を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the growth temperature of the SiC layer and the full width at half maximum. 図4は、SiC層の成長温度と成長速度との関係を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the growth temperature and the growth rate of the SiC layer. 図5(a)は、実施例1の基板に備わるグラフェン層に対するラマン分光法の測定結果であり、図5(b)は、比較例1の基板に備わるグラフェン層に対するラマン分光法の測定結果である。FIG. 5A is a measurement result of Raman spectroscopy for the graphene layer provided on the substrate of Example 1, and FIG. 5B is a measurement result of Raman spectroscopy for the graphene layer provided on the substrate of Comparative Example 1. is there. 図6は、実施例2に係る電子装置を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating the electronic apparatus according to the second embodiment. 図7は、AlN層の絶縁性を評価した実験結果である。FIG. 7 shows the experimental results of evaluating the insulating properties of the AlN layer. 図8は、SiC層からSi基板に流れる電流を計算したシミュレーション結果である。FIG. 8 shows a simulation result of calculating a current flowing from the SiC layer to the Si substrate.

以下、本発明を実施するための形態を説明する。   Hereinafter, modes for carrying out the present invention will be described.

図1は、実施例1に係る基板を示す断面図である。図1のように、実施例1の基板100は、シリコン(Si)基板10上に、窒化物半導体層12、炭化シリコン(SiC)層14、及びグラフェン層16がこの順に積層された構造をしている。Si基板10の上面は、(111)面である。窒化物半導体層12は、Si基板10の上面への結晶成長によって、Si基板10の上面に接して設けられている。窒化物半導体層12は、例えば六方晶の結晶構造を有する窒化物半導体層であり、(0001)面(c面)を結晶成長面としている。つまり、窒化物半導体層12の(0001)面は、Si基板10の上面である(111)面上に存在する。窒化物半導体層12は、例えば六方晶の結晶構造を有する窒化アルミニウム(4H−AlN)層である場合が好ましい。   FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating the substrate according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the substrate 100 of Example 1 has a structure in which a nitride semiconductor layer 12, a silicon carbide (SiC) layer 14, and a graphene layer 16 are stacked in this order on a silicon (Si) substrate 10. ing. The upper surface of the Si substrate 10 is a (111) plane. The nitride semiconductor layer 12 is provided in contact with the upper surface of the Si substrate 10 by crystal growth on the upper surface of the Si substrate 10. The nitride semiconductor layer 12 is a nitride semiconductor layer having a hexagonal crystal structure, for example, and has a (0001) plane (c plane) as a crystal growth plane. That is, the (0001) plane of the nitride semiconductor layer 12 exists on the (111) plane that is the upper surface of the Si substrate 10. The nitride semiconductor layer 12 is preferably an aluminum nitride (4H—AlN) layer having a hexagonal crystal structure, for example.

SiC層14は、窒化物半導体層12の上面への結晶成長によって、窒化物半導体層12の上面に接して設けられている。SiC層14は、例えば立方晶炭化シリコン(3C−SiC)層であり、(111)面を結晶成長面としている。つまり、SiC層14の(111)面は、窒化物半導体層12の上面である(0001)面上に存在する。   The SiC layer 14 is provided in contact with the upper surface of the nitride semiconductor layer 12 by crystal growth on the upper surface of the nitride semiconductor layer 12. The SiC layer 14 is a cubic silicon carbide (3C—SiC) layer, for example, and has a (111) plane as a crystal growth surface. That is, the (111) plane of the SiC layer 14 exists on the (0001) plane that is the upper surface of the nitride semiconductor layer 12.

グラフェン層16は、SiC層14の上面に接して設けられている。グラフェン層16は、炭素原子の六員環が連なった構造をしていて、このような構造のシートが1層又は数層に積層されて設けられている。グラフェン層16は、ラマン分光法におけるGバンドに対するDバンドの強度比(D/G)、即ち1590cm−1付近のピーク強度Gに対する1350cm−1付近のピーク強度Dの比の値が1.1以下となっている。この点の詳細ついては後述する。 The graphene layer 16 is provided in contact with the upper surface of the SiC layer 14. The graphene layer 16 has a structure in which six-membered rings of carbon atoms are connected, and a sheet having such a structure is provided by being laminated in one layer or several layers. Graphene layer 16, the intensity ratio of D band relative to G band in Raman spectroscopy (D / G), i.e. the value of the ratio of the peak intensity D of around 1350 cm -1 to the peak intensity G in the vicinity of 1590 cm -1 is 1.1 or less It has become. Details of this point will be described later.

ここで、窒化物半導体層12がAlN層である場合での、窒化物半導体層12の好ましい膜厚を調べた実験について説明する。実験には、Si基板の上面である(111)面に、有機金属気相成長(MOVPE:Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy)法を用いて、六方晶の結晶構造を有するAlN層を以下の条件で結晶成長させた複数の基板を用いた。なお、Si基板の大きさは、4インチである。
原料ガス:トリメチルアルミニウム(TMA)、アンモニア(NH
成長温度:1100℃
成長圧力:100Torr(133hPa)
膜厚 :140nm〜300nm
Here, an experiment in which a preferable film thickness of the nitride semiconductor layer 12 is examined in the case where the nitride semiconductor layer 12 is an AlN layer will be described. In the experiment, an AlN layer having a hexagonal crystal structure was formed on the (111) surface, which is the upper surface of the Si substrate, using a metal-organic vapor phase epitaxy (MOVPE) method under the following conditions. A plurality of substrates on which crystals were grown were used. The size of the Si substrate is 4 inches.
Source gas: trimethylaluminum (TMA), ammonia (NH 3 )
Growth temperature: 1100 ° C
Growth pressure: 100 Torr (133 hPa)
Film thickness: 140 nm to 300 nm

上記方法で作製した複数の基板に対して、AlN層の(0002)面でのX線解析におけるロッキングカーブの半値幅を測定した。図2は、AlN層の膜厚と半値幅との関係を示す図である。図2の横軸はAlN層の膜厚であり、縦軸はAlN層の(0002)面でのX線解析におけるロッキングカーブの半値幅である。図2のように、AlN層が厚くなるに従い、半値幅が小さくなっていくことが分かる。つまり、AlN層が厚くなると、AlN層の結晶性が良好になることが分かる。これは、AlN層が薄い場合では、AlN層に生じる欠陥が多いが、厚くなると、このような欠陥が減少するためであると考えられる。しかしながら、AlN層が厚くなりすぎると、AlN層にクラックが発生し易くなってしまう。   The full width at half maximum of the rocking curve in the X-ray analysis on the (0002) plane of the AlN layer was measured for the plurality of substrates manufactured by the above method. FIG. 2 is a diagram illustrating the relationship between the film thickness of the AlN layer and the full width at half maximum. The horizontal axis in FIG. 2 is the film thickness of the AlN layer, and the vertical axis is the half width of the rocking curve in the X-ray analysis on the (0002) plane of the AlN layer. As can be seen from FIG. 2, the full width at half maximum decreases as the thickness of the AlN layer increases. That is, it can be seen that as the AlN layer becomes thicker, the crystallinity of the AlN layer becomes better. This is presumably because when the AlN layer is thin, many defects are generated in the AlN layer, but when the AlN layer is thick, such defects are reduced. However, if the AlN layer becomes too thick, cracks are likely to occur in the AlN layer.

このことから、AlN層の欠陥による結晶性の劣化を考慮すると、AlN層の膜厚は、100nm以上が好ましく、150nm以上がより好ましく、200nm以上がさらに好ましい。AlN層に生じるクラックを考慮すると、AlN層の膜厚は、700nm以下が好ましく、500nm以下がより好ましく、300nm以下がさらに好ましい。したがって、窒化物半導体層12がAlN層である場合、窒化物半導体層12の膜厚は、100nm以上且つ700nm以下が好ましく、150nm以上且つ500nm以下がより好ましく、200nm以上且つ300nm以下がさらに好ましい。   From this, considering the deterioration of crystallinity due to defects in the AlN layer, the thickness of the AlN layer is preferably 100 nm or more, more preferably 150 nm or more, and further preferably 200 nm or more. Considering cracks generated in the AlN layer, the thickness of the AlN layer is preferably 700 nm or less, more preferably 500 nm or less, and further preferably 300 nm or less. Therefore, when the nitride semiconductor layer 12 is an AlN layer, the thickness of the nitride semiconductor layer 12 is preferably 100 nm or more and 700 nm or less, more preferably 150 nm or more and 500 nm or less, and further preferably 200 nm or more and 300 nm or less.

次に、Si基板10とSiC層14との間に窒化物半導体層12を設けることで、SiC層14に与える影響を調べた実験について説明する。実験に用いた基板(以下、実験基板1と称す)は、次の製造方法によって作製した。まず、Si基板の上面である(111)面に、MOVPE法を用いて、六方晶の結晶構造を有するAlN層を以下の条件で結晶成長させた。AlN層は、(0001)面を結晶成長面として、Si基板の上面である(111)面に形成される。なお、Si基板の大きさは、4インチである。
原料ガス:TMA、NH
成長温度:1100℃
成長圧力:100Torr(133hPa)
膜厚 :250nm
Next, an experiment for examining the influence on the SiC layer 14 by providing the nitride semiconductor layer 12 between the Si substrate 10 and the SiC layer 14 will be described. The substrate used in the experiment (hereinafter referred to as “experimental substrate 1”) was produced by the following manufacturing method. First, an AlN layer having a hexagonal crystal structure was grown on the (111) plane, which is the upper surface of the Si substrate, under the following conditions using the MOVPE method. The AlN layer is formed on the (111) plane, which is the upper surface of the Si substrate, with the (0001) plane as the crystal growth plane. The size of the Si substrate is 4 inches.
Source gas: TMA, NH 3
Growth temperature: 1100 ° C
Growth pressure: 100 Torr (133 hPa)
Film thickness: 250nm

AlN層の上面に、ガスソース分子線エピタキシー(GSMBE:Gas-Source Molecular Beam Epitaxy)法を用いて、SiC層を以下の条件で結晶成長させた。ここで、Si基板の融点は低いことから、SiC層を高温で成長させることが難しい。したがって、SiC層を低めの温度で成長させることになるが、この場合、SiC層は立方晶の結晶構造を取り易くなる。SiC層は、(111)面を結晶成長面として、AlN層の上面である(0001)面に形成される。
原料ガス:モノメチルシラン(MMS:CHSiH
成長温度:800℃〜1050℃
成長圧力:2.5×10−2Pa、4.0×10−2Pa
膜厚 :100nm
The SiC layer was crystal-grown on the upper surface of the AlN layer under the following conditions by using a gas source molecular beam epitaxy (GSMBE) method. Here, since the melting point of the Si substrate is low, it is difficult to grow the SiC layer at a high temperature. Therefore, the SiC layer is grown at a lower temperature. In this case, the SiC layer easily takes a cubic crystal structure. The SiC layer is formed on the (0001) plane that is the upper surface of the AlN layer with the (111) plane as the crystal growth plane.
Source gas: Monomethylsilane (MMS: CH 3 SiH 3 )
Growth temperature: 800 ° C to 1050 ° C
Growth pressure: 2.5 × 10 −2 Pa, 4.0 × 10 −2 Pa
Film thickness: 100 nm

上記方法で作製した複数の実験基板1に対して、SiC層の(111)面でのX線解析におけるロッキングカーブの半値幅を測定した。また、比較のために、次の製造方法で作製した実験基板2に対しても、SiC層の(111)面でのX線解析におけるロッキングカーブの半値幅を測定した。実験基板2は、Si基板の上面である(111)面に、AlN層を介さずに、GSMBE法を用いて、SiC層を以下の条件で結晶成長させた。SiC層は、(111)面を結晶成長面として、Si基板の上面である(111)面に形成される。
原料ガス MMS
成長温度 800℃〜1050℃
成長圧力 2.5×10−2Pa
膜厚 100nm
The full width at half maximum of the rocking curve in the X-ray analysis on the (111) plane of the SiC layer was measured for the plurality of experimental substrates 1 manufactured by the above method. For comparison, the full width at half maximum of the rocking curve in the X-ray analysis on the (111) plane of the SiC layer was also measured for the experimental substrate 2 manufactured by the following manufacturing method. In the experimental substrate 2, a SiC layer was grown on the (111) plane, which is the upper surface of the Si substrate, using the GSMBE method without an AlN layer under the following conditions. The SiC layer is formed on the (111) plane, which is the upper surface of the Si substrate, with the (111) plane as the crystal growth plane.
Source gas MMS
Growth temperature 800 ℃ ~ 1050 ℃
Growth pressure 2.5 × 10 −2 Pa
Film thickness 100nm

図3は、SiC層の成長温度と半値幅との関係を示す図である。図3の横軸はSiC層の成長温度であり、縦軸はSiC層の(111)面でのX線解析におけるロッキングカーブの半値幅である。図3中の丸印はSiC層の成長圧力を4.0×10−2Paとした実験基板1の測定結果であり、三角印はSiC層の成長圧力を2.5×10−2Paとした実験基板1の測定結果であり、四角印は実験基板2の測定結果である。図3のように、成長圧力が2.5×10−2Pa及び4.0×10−2Paのいずれの場合の実験基板1も、実験基板2と比べて、半値幅が小さく、SiC層の結晶性が良好である結果が得られた。これは、以下の理由によるものと考えられる。 FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the growth temperature of the SiC layer and the full width at half maximum. The horizontal axis in FIG. 3 is the growth temperature of the SiC layer, and the vertical axis is the half width of the rocking curve in the X-ray analysis on the (111) plane of the SiC layer. The circles in FIG. 3 are the measurement results of the experimental substrate 1 where the growth pressure of the SiC layer is 4.0 × 10 −2 Pa, and the triangles are the growth pressure of the SiC layer as 2.5 × 10 −2 Pa. The square board is the measurement result of the experimental substrate 2. As shown in FIG. 3, the experimental substrate 1 in the case where the growth pressure is 2.5 × 10 −2 Pa and 4.0 × 10 −2 Pa is smaller in half width than the experimental substrate 2, and the SiC layer As a result, a good crystallinity was obtained. This is considered to be due to the following reasons.

表1は、Si、4H−AlN、3C−SiCの格子定数、熱膨張係数、及びエネルギーバンドギャップを示す表である。なお、参考として、GaN、サファイア、4H−SiC、6H−SiCの格子定数、熱膨張係数、及びバンドギャップエネルギーについても示す。

Figure 2014241387
Table 1 is a table showing lattice constants, thermal expansion coefficients, and energy band gaps of Si, 4H—AlN, and 3C—SiC. For reference, the lattice constant, thermal expansion coefficient, and band gap energy of GaN, sapphire, 4H—SiC, and 6H—SiC are also shown.
Figure 2014241387

表1のように、Siの格子定数は5.43Åで、3C−SiCの格子定数は4.36Åである。このため、実験基板2のように、Si基板の上面である(111)面に、立方晶の結晶構造を有するSiC層の(111)面を直接形成した場合、Si基板とSiC層との間には、約20%程度の格子歪みが生じてしまう。一方、実験基板1では、Si基板の上面である(111)面に、六方晶の結晶構造を有するAlN層の(0001)面を介して、立方晶の結晶構造を有するSiC層14の(111)面を形成している。この場合、AlN層とSiC層との間の格子歪みは約1%程度と小さくなる。このようなことから、実験基板1では、実験基板2と比べて、SiC層に加わる格子歪みを低下させることができ、その結果、SiC層の結晶性が良好になったものと考えられる。   As shown in Table 1, the lattice constant of Si is 5.43Å, and the lattice constant of 3C-SiC is 4.36Å. For this reason, when the (111) plane of the SiC layer having a cubic crystal structure is directly formed on the (111) plane, which is the upper surface of the Si substrate, as in the experimental substrate 2, it is between the Si substrate and the SiC layer. Causes lattice distortion of about 20%. On the other hand, in the experimental substrate 1, the (111) plane of the SiC layer 14 having the cubic crystal structure is formed on the (111) plane, which is the upper surface of the Si substrate, via the (0001) plane of the AlN layer having the hexagonal crystal structure. ) The surface is formed. In this case, the lattice strain between the AlN layer and the SiC layer is as small as about 1%. Therefore, it is considered that the experimental substrate 1 can reduce the lattice strain applied to the SiC layer as compared with the experimental substrate 2, and as a result, the crystallinity of the SiC layer is improved.

また、表1から、AlN層の代わりにGaN層を用いた場合でも、SiC層に加わる格子歪みを抑えることができ、SiC層の結晶性を良好にできることが分かる。さらに、AlN層又はGaN層をSi基板とSiC層との間に形成することで、Si基板とSiC層との間の熱膨張係数の差を緩和できることが分かる。これらのことから、Si基板とSiC層との間に窒化物半導体層を形成することで、SiC層の結晶性を良好にできることが分かる。   Table 1 also shows that even when a GaN layer is used instead of the AlN layer, lattice strain applied to the SiC layer can be suppressed and the crystallinity of the SiC layer can be improved. Furthermore, it can be seen that the difference in thermal expansion coefficient between the Si substrate and the SiC layer can be reduced by forming the AlN layer or the GaN layer between the Si substrate and the SiC layer. From these, it can be seen that the crystallinity of the SiC layer can be improved by forming the nitride semiconductor layer between the Si substrate and the SiC layer.

上述の実験基板1と実験基板2とにおけるSiC層の成長速度について説明する。図4は、SiC層の成長温度と成長速度との関係を示す図である。図4の横軸の上側はSiC層の成長温度であり、横軸の下側は成長温度で1000を割った値である。図4の縦軸はSiC層の成長速度である。図4中の丸印はSiC層の成長圧力を4.0×10−2Paとした実験基板1の測定結果であり、三角印はSiC層の成長圧力を2.5×10−2Paとした実験基板1の測定結果であり、四角印は実験基板2の測定結果である。図4のように、実験基板2では、SiC層の成長温度が900℃を超えた高温になると、成長速度の低下が生じている。一方、実験基板1では、成長圧力が2.5×10−2Pa及び4.0×10−2Paのいずれの場合でも、SiC層の成長温度が900℃以上の高温になっても、成長速度の低下は抑えられていることが分かる。 The growth rate of the SiC layer on the experimental substrate 1 and the experimental substrate 2 will be described. FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the growth temperature and the growth rate of the SiC layer. The upper side of the horizontal axis in FIG. 4 is the growth temperature of the SiC layer, and the lower side of the horizontal axis is a value obtained by dividing 1000 by the growth temperature. The vertical axis in FIG. 4 represents the growth rate of the SiC layer. The circles in FIG. 4 are the measurement results of the experimental substrate 1 where the growth pressure of the SiC layer is 4.0 × 10 −2 Pa, and the triangles are the growth pressure of the SiC layer as 2.5 × 10 −2 Pa. The square board is the measurement result of the experimental substrate 2. As shown in FIG. 4, in the experimental substrate 2, when the growth temperature of the SiC layer exceeds 900 ° C., the growth rate is reduced. On the other hand, in the experimental substrate 1, even when the growth pressure is 2.5 × 10 −2 Pa and 4.0 × 10 −2 Pa, the growth is possible even when the growth temperature of the SiC layer is a high temperature of 900 ° C. or higher. It can be seen that the decrease in speed is suppressed.

上述した実験結果を踏まえ、窒化物半導体層12がAlN層である場合での、図1に示した実施例1の基板100の製造方法について説明する。まず、上面が(111)面であるSi基板10を準備する。Si基板10の上面に、MOVPE法を用いて、以下に示す条件によって、六方晶の結晶構造を有するAlN層からなる窒化物半導体層12を結晶成長させる。窒化物半導体層12は、(0001)面を結晶成長面として、Si基板の上面である(111)面に形成される。
原料ガス:TMA、NH
成長温度:1100℃
成長圧力:100Torr(133hPa)
膜厚 :100nm〜700nm
Based on the experimental results described above, a method for manufacturing the substrate 100 of Example 1 shown in FIG. 1 when the nitride semiconductor layer 12 is an AlN layer will be described. First, the Si substrate 10 whose top surface is the (111) plane is prepared. A nitride semiconductor layer 12 made of an AlN layer having a hexagonal crystal structure is grown on the upper surface of the Si substrate 10 using the MOVPE method under the following conditions. The nitride semiconductor layer 12 is formed on the (111) plane, which is the upper surface of the Si substrate, with the (0001) plane as the crystal growth plane.
Source gas: TMA, NH 3
Growth temperature: 1100 ° C
Growth pressure: 100 Torr (133 hPa)
Film thickness: 100 nm to 700 nm

窒化物半導体層12の上面に、GSMBE法を用いて、以下に示す条件によって、SiC層14を結晶成長させる。上述したように、SiC層14は、立方晶の結晶構造を取り易く、(111)面を結晶成長面として、窒化物半導体層12の上面である(0001)面に形成される。また、GSMBE法によってSiC層14を成長させることで、低圧力での成長が可能となり、これは、SiC層14の結晶性の点から好ましい。
原料ガス:MMS
成長温度:800℃〜1050℃
成長圧力:2.5×10−2Pa〜4.0×10−2Pa
膜厚 :50nm〜500nm
The SiC layer 14 is crystal-grown on the upper surface of the nitride semiconductor layer 12 using the GSMBE method under the following conditions. As described above, SiC layer 14 has a cubic crystal structure, and is formed on the (0001) plane that is the upper surface of nitride semiconductor layer 12 with the (111) plane as the crystal growth plane. Further, by growing the SiC layer 14 by the GSMBE method, it is possible to grow at a low pressure, which is preferable from the viewpoint of the crystallinity of the SiC layer 14.
Source gas: MMS
Growth temperature: 800 ° C to 1050 ° C
Growth pressure: 2.5 × 10 -2 Pa~4.0 × 10 -2 Pa
Film thickness: 50 nm to 500 nm

SiC層14の上面に対して、高真空中で、例えば約1200℃〜1300℃程度の温度で熱処理を行う。これにより、SiC層14の上面において、Siが昇華してCだけが残存し、残存したCが六員環に連なった構造となるグラフェン化が生じて、グラフェン層16が形成される。このような製造工程を含んで、実施例1の基板100が形成される。   A heat treatment is performed on the upper surface of the SiC layer 14 at a temperature of, for example, about 1200 ° C. to 1300 ° C. in a high vacuum. As a result, on the upper surface of the SiC layer 14, Si sublimates and only C remains, and graphene formation occurs in which the remaining C is connected to a six-membered ring, and the graphene layer 16 is formed. The substrate 100 of Example 1 is formed including such a manufacturing process.

次に、実施例1の基板100に備わるグラフェン層16の膜質を評価した実験について説明する。実験に用いた基板100は、次の製造方法によって作製した。まず、Si基板10の上面である(111)面に、MOVPE法を用いて、以下に示す条件で、六方晶の結晶構造を有するAlN層からなる窒化物半導体層12を結晶成長させた。
原料ガス:TAM、NH
成長温度:1100℃
成長圧力:100Torr(133hPa)
膜厚 :150nm
Next, an experiment for evaluating the film quality of the graphene layer 16 provided on the substrate 100 of Example 1 will be described. The substrate 100 used in the experiment was manufactured by the following manufacturing method. First, the nitride semiconductor layer 12 made of an AlN layer having a hexagonal crystal structure was grown on the (111) plane, which is the upper surface of the Si substrate 10, using the MOVPE method under the following conditions.
Source gas: TAM, NH 3
Growth temperature: 1100 ° C
Growth pressure: 100 Torr (133 hPa)
Film thickness: 150nm

窒化物半導体層12の上面に、GSMBE法を用いて、以下に示す条件で、立方晶の結晶構造を有するSiC層14を結晶成長させた。
原料ガス:MMS
成長温度:1050℃
成長圧力:2.5×10−2Pa
膜厚 :100nm
The SiC layer 14 having a cubic crystal structure was grown on the upper surface of the nitride semiconductor layer 12 using the GSMBE method under the following conditions.
Source gas: MMS
Growth temperature: 1050 ° C
Growth pressure: 2.5 × 10 −2 Pa
Film thickness: 100 nm

1.0×10−8Pa〜1.0×10−9Paの高真空中で、Si基板10を1200℃に昇温させて数秒経過させ、その後、800℃に降温させることを3回〜5回程度繰り返して、SiC層14の上面の異物及び水分を除去する表面クリーニングを行った。その後、SiC層14の上面に対して1250℃で10分間の熱処理を行い、SiC層14の上面をグラフェン化させて、グラフェン層16を形成した。 In a high vacuum of 1.0 × 10 −8 Pa to 1.0 × 10 −9 Pa, the Si substrate 10 is heated to 1200 ° C. for several seconds, and then cooled to 800 ° C. three times to Repeated about 5 times, the surface cleaning which removes the foreign material and the water | moisture content of the upper surface of the SiC layer 14 was performed. Thereafter, the upper surface of the SiC layer 14 was heat-treated at 1250 ° C. for 10 minutes to grapheneize the upper surface of the SiC layer 14 to form the graphene layer 16.

上記方法で作製した実施例1の基板100に備わるグラフェン層16の膜質を、ラマン分光法を用いて評価した。グラフェン層16の膜質は、グラフェン層16に対するラマン分光法におけるGバンドに対するDバンドの強度比であるD/Gの値で評価することができる。つまり、ラマン分光法における1590cm−1付近のピーク強度Gに対する1350cm−1付近のピーク強度Dの比であるD/Gの値で評価することができる。グラフェン層16のグレインの端部分に起因するスペクトルがDバンドで、中央部分に起因するスペクトルがGバンドであることから、グレインサイズが大きくなるとD/Gの値は小さくなる。したがって、D/Gの値が小さいほど、グラフェン層16の膜質が良好であることが言える。また、比較のために、窒化物半導体層12を形成しない点を除いて、上記の方法と同じ方法で作製した比較例1の基板に備わるグラフェン層16の膜質も、ラマン分光法を用いて評価した。なお、ラマン分光法による評価は、室温の状態で、2.41eVのレーザ光を用いて行った。 The film quality of the graphene layer 16 provided on the substrate 100 of Example 1 manufactured by the above method was evaluated using Raman spectroscopy. The film quality of the graphene layer 16 can be evaluated by the value of D / G, which is the intensity ratio of the D band to the G band in Raman spectroscopy for the graphene layer 16. That is, it is possible to evaluate the value of D / G is a ratio of the peak intensity D of around 1350 cm -1 to the peak intensity G in the vicinity of 1590 cm -1 in Raman spectroscopy. Since the spectrum attributed to the edge portion of the grain of the graphene layer 16 is the D band and the spectrum attributed to the center portion is the G band, the value of D / G decreases as the grain size increases. Therefore, it can be said that the smaller the D / G value, the better the film quality of the graphene layer 16. For comparison, the film quality of the graphene layer 16 provided on the substrate of Comparative Example 1 manufactured by the same method as described above, except that the nitride semiconductor layer 12 is not formed, is also evaluated using Raman spectroscopy. did. Note that the evaluation by Raman spectroscopy was performed using a 2.41 eV laser beam at room temperature.

図5(a)は、実施例1の基板100に備わるグラフェン層16に対するラマン分光法の測定結果であり、図5(b)は、比較例1の基板に備わるグラフェン層16に対するラマン分光法の測定結果である。図5(b)のように、比較例1の基板に備わるグラフェン層16のD/Gの値は1.18である。これに対し、図5(a)のように、実施例1の基板100に備わるグラフェン層16のD/Gの値は1.03である。このように、実施例1は、比較例1に比べて、グラフェン層16の膜質が向上する結果が得られた。実施例1において、グラフェン層16の膜質が向上した理由は、次のように考えられる。   FIG. 5A is a measurement result of Raman spectroscopy for the graphene layer 16 provided on the substrate 100 of Example 1, and FIG. 5B is a graph of Raman spectroscopy for the graphene layer 16 provided on the substrate of Comparative Example 1. It is a measurement result. As shown in FIG. 5B, the D / G value of the graphene layer 16 provided in the substrate of Comparative Example 1 is 1.18. On the other hand, as shown in FIG. 5A, the D / G value of the graphene layer 16 provided in the substrate 100 of Example 1 is 1.03. As described above, the result of Example 1 that the film quality of the graphene layer 16 was improved as compared with Comparative Example 1 was obtained. The reason why the film quality of the graphene layer 16 is improved in Example 1 is considered as follows.

1つ目の理由は、図3で説明したように、Si基板10上に窒化物半導体層12を介してSiC層14を形成することで、Si基板10上にSiC層14を直接形成した場合に比べて、SiC層14の結晶性が良好になる。このため、SiC層14の上面に形成されるグラフェン層16の膜質も向上したものと考えられる。   The first reason is that the SiC layer 14 is directly formed on the Si substrate 10 by forming the SiC layer 14 on the Si substrate 10 via the nitride semiconductor layer 12 as described in FIG. Compared to the above, the crystallinity of the SiC layer 14 is improved. For this reason, it is considered that the film quality of the graphene layer 16 formed on the upper surface of the SiC layer 14 is also improved.

2つ目の理由は、SiC層14に対して熱処理を行うことで、グラフェン層16を形成しているが、これは、上述したように、熱処理によってSiが昇華されて、残存したCがグラフェン化することで形成されるものである。この場合に、Si基板10上にSiC層14を直接形成した場合では、熱処理によってSi基板10のSiがSiC層14に拡散され、その結果、グラフェン化が阻害されて、良好な膜質のグラフェン層16を形成することが難しくなると考えられる。一方、実施例1のように、Si基板10とSiC層14との間に窒化物半導体層12が形成されている場合では、窒化物半導体層12によって、Si基板10のSiの拡散が抑制される。このような理由からも、良好な膜質のグラフェン層16が形成されたものと考えられる。なお、Si基板10のSiの拡散を抑制する点からは、Si基板10とSiC層14との間に酸化膜層を形成することも考えられる。しかしながら、この場合、SiC層14に対する熱処理において、酸化膜層の酸素(O)がCと反応して、良好な膜質のグラフェン層16の形成が難しくなることが考えられる。したがって、Si基板10とSiC層14との間の層は、窒化物半導体層12であることが好ましい。   The second reason is that the graphene layer 16 is formed by performing a heat treatment on the SiC layer 14. This is because, as described above, Si is sublimated by the heat treatment, and the remaining C is graphene. It is formed by forming. In this case, when the SiC layer 14 is directly formed on the Si substrate 10, Si of the Si substrate 10 is diffused into the SiC layer 14 by the heat treatment, and as a result, graphene formation is hindered, and the graphene layer having good film quality It may be difficult to form 16. On the other hand, when the nitride semiconductor layer 12 is formed between the Si substrate 10 and the SiC layer 14 as in the first embodiment, the nitride semiconductor layer 12 suppresses the diffusion of Si in the Si substrate 10. The For this reason, it is considered that the graphene layer 16 having good film quality was formed. In view of suppressing the diffusion of Si in the Si substrate 10, an oxide film layer may be formed between the Si substrate 10 and the SiC layer 14. However, in this case, it is conceivable that in the heat treatment for the SiC layer 14, oxygen (O) in the oxide film layer reacts with C to make it difficult to form the graphene layer 16 having good film quality. Therefore, the layer between the Si substrate 10 and the SiC layer 14 is preferably the nitride semiconductor layer 12.

以上説明したように、実施例1の基板100は、(111)面であるSi基板10の上面に窒化物半導体層12が設けられ、窒化物半導体層12の上面にSiC層14が設けられ、SiC層14の上面にグラフェン層16が設けられている。これにより、図5(a)で説明したように、ラマン分光法におけるD/Gの値が1.1以下のような、良好な膜質のグラフェン層16を得ることができる。また、図5(a)のように、上記構造の基板100では、ラマン分光法におけるD/Gの値が1.08以下のグラフェン層16や、D/Gの値が1.05以下のグラフェン層16を得ることも可能である。   As described above, in the substrate 100 of Example 1, the nitride semiconductor layer 12 is provided on the upper surface of the Si substrate 10 that is the (111) plane, and the SiC layer 14 is provided on the upper surface of the nitride semiconductor layer 12. A graphene layer 16 is provided on the upper surface of the SiC layer 14. As a result, as described with reference to FIG. 5A, it is possible to obtain a graphene layer 16 having a good film quality such that the D / G value in Raman spectroscopy is 1.1 or less. As shown in FIG. 5A, in the substrate 100 having the above structure, the graphene layer 16 having a D / G value of 1.08 or less in the Raman spectroscopy, or the graphene having a D / G value of 1.05 or less. It is also possible to obtain a layer 16.

SiC層14の上面のグラフェン層16を、SiC層14の上面に対して熱処理を行うことで形成する場合を例に示したが、その他の方法によって形成してもよい。例えば、Cを含む気体又は固体を原料としたGSMBE法又はMBE法を用い、SiC層14の上面の結晶をテンプレートとしてグラフェン層16を形成してもよい。原料としては、例えばメタン、エタン、プロパン、フラーレンなどが挙げられる。   Although the case where the graphene layer 16 on the upper surface of the SiC layer 14 is formed by performing heat treatment on the upper surface of the SiC layer 14 is shown as an example, it may be formed by other methods. For example, the graphene layer 16 may be formed using a GSMBE method or MBE method using a gas containing C or a solid as a raw material, and using crystals on the upper surface of the SiC layer 14 as a template. Examples of the raw material include methane, ethane, propane, fullerene and the like.

窒化物半導体層12は、表1に示したAlN層やGaN層以外の層、例えばAlGaN層、InN層、InGaN層、InAlGaN層等の場合でもよい。窒化物半導体層12は、III−V族窒化物半導体層である場合が好ましく、SiC層14に加わる格子歪みをより小さくする観点から、AlN層である場合がより好ましい。   The nitride semiconductor layer 12 may be a layer other than the AlN layer and the GaN layer shown in Table 1, for example, an AlGaN layer, an InN layer, an InGaN layer, an InAlGaN layer, or the like. The nitride semiconductor layer 12 is preferably a group III-V nitride semiconductor layer, and more preferably an AlN layer from the viewpoint of further reducing the lattice strain applied to the SiC layer 14.

実施例2は、実施例1の基板100を備えた電子装置の例である。図6は、実施例2に係る電子装置を示す断面図である。実施例2では、電子装置として電界効果トランジスタの場合を例に説明する。図6のように、実施例2の電子装置200は、実施例1の基板100に備わるグラフェン層16上に、ゲート絶縁膜20を介して、ゲート電極22が設けられている。ゲート絶縁膜20は、例えばグラフェン層16側から膜厚5nmの酸化アルミニウム(Al)層と膜厚30nmの酸化シリコン(SiO)層とが積層された絶縁膜である。Al層は、例えばアルミニウム(Al)を蒸着法を用いて堆積させた後、自然酸化させることで形成できる。SiO層は、例えばプラズマ化学気相成長(PCVD:Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)法を用いて形成できる。ゲート電極22は、例えばゲート絶縁膜20側からチタン(Ti)と金(Au)が積層された金属膜である。 The second embodiment is an example of an electronic device including the substrate 100 of the first embodiment. FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating the electronic apparatus according to the second embodiment. In the second embodiment, a case of a field effect transistor as an electronic device will be described as an example. As shown in FIG. 6, in the electronic device 200 of Example 2, the gate electrode 22 is provided on the graphene layer 16 provided on the substrate 100 of Example 1 with the gate insulating film 20 interposed therebetween. The gate insulating film 20 is an insulating film in which an aluminum oxide (Al 2 O 3 ) layer having a thickness of 5 nm and a silicon oxide (SiO 2 ) layer having a thickness of 30 nm are stacked from the graphene layer 16 side, for example. The Al 2 O 3 layer can be formed, for example, by depositing aluminum (Al) by vapor deposition and then natural oxidation. The SiO 2 layer can be formed using, for example, a plasma enhanced chemical vapor deposition (PCVD) method. The gate electrode 22 is, for example, a metal film in which titanium (Ti) and gold (Au) are stacked from the gate insulating film 20 side.

ゲート電極22の両側には、グラフェン層16上に、ソース電極24とドレイン電極26とが設けられている。ソース電極24とドレイン電極26とは、例えば膜厚15nmのニッケル(Ni)からなる金属膜である。ゲート電極22、ソース電極24、及びドレイン電極26は、例えば蒸着法を用いて形成できる。ゲート電極22下であって、ソース電極24とドレイン電極26との間のグラフェン層16にチャネル28が形成される。ソース電極24上にはソースパッド30が設けられ、ドレイン電極26上にはドレインパッド32が設けられている。ソースパッド30及びドレインパッド32は、例えば電極側からTiとAuが積層された金属膜である。ソースパッド30及びドレインパッド32も、例えば蒸着法を用いて形成できる。   On both sides of the gate electrode 22, a source electrode 24 and a drain electrode 26 are provided on the graphene layer 16. The source electrode 24 and the drain electrode 26 are metal films made of nickel (Ni) with a film thickness of 15 nm, for example. The gate electrode 22, the source electrode 24, and the drain electrode 26 can be formed using, for example, a vapor deposition method. A channel 28 is formed in the graphene layer 16 below the gate electrode 22 and between the source electrode 24 and the drain electrode 26. A source pad 30 is provided on the source electrode 24, and a drain pad 32 is provided on the drain electrode 26. The source pad 30 and the drain pad 32 are, for example, metal films in which Ti and Au are stacked from the electrode side. The source pad 30 and the drain pad 32 can also be formed using a vapor deposition method, for example.

実施例2の電子装置200は、実施例1の基板100に備わるグラフェン層16上にゲート電極22が設けられ、ゲート電極22を挟んでソース電極24とドレイン電極26とが設けられた電界効果トランジスタであり、ゲート電極22下のグラフェン層16にチャネル28が形成される。実施例1の基板100に備わるグラフェン層16の膜質は良好であることから、実施例2の電子装置200は、良好な特性を得ることができる。   The electronic device 200 according to the second embodiment includes a field effect transistor in which a gate electrode 22 is provided on the graphene layer 16 provided on the substrate 100 according to the first embodiment, and a source electrode 24 and a drain electrode 26 are provided with the gate electrode 22 interposed therebetween. The channel 28 is formed in the graphene layer 16 below the gate electrode 22. Since the film quality of the graphene layer 16 provided on the substrate 100 of the first embodiment is good, the electronic device 200 of the second embodiment can obtain good characteristics.

次に、実施例2の電子装置200に生じるリーク電流について説明する。まず、窒化物半導体層12にAlN層を用いた場合を考え、AlN層の絶縁性を評価した実験について説明する。実験には、Si基板上に厚さ150nmのAlN層を形成した基板を用い、AlN層の上面に50μm×50μmの大きさの2つのパッドを10μm間隔で配置し、パッド間に流れる電流を測定することで、AlN層の絶縁性を評価した。   Next, a leakage current generated in the electronic device 200 according to the second embodiment will be described. First, considering the case where an AlN layer is used for the nitride semiconductor layer 12, an experiment for evaluating the insulating properties of the AlN layer will be described. In the experiment, a substrate in which an AlN layer with a thickness of 150 nm was formed on a Si substrate was used, and two pads of 50 μm × 50 μm size were placed on the top surface of the AlN layer at 10 μm intervals, and the current flowing between the pads was measured. As a result, the insulating properties of the AlN layer were evaluated.

図7は、AlN層の絶縁性を評価した実験結果である。図7の横軸は、パッド間の電圧であり、縦軸はパッド間を流れた電流である。図7のように、パッド間に−4V〜+4Vの電圧を印加した場合に、パッド間を流れた電流は、ほぼ測定限界以下の約1.0×10−10A/mm〜1.0×10−12A/mm程度であった。つまり、AlN層は、少なくとも1.0×1012Ω/sq.以上の高抵抗であることが確認できた。 FIG. 7 shows the experimental results of evaluating the insulating properties of the AlN layer. The horizontal axis in FIG. 7 is the voltage between the pads, and the vertical axis is the current flowing between the pads. As shown in FIG. 7, when a voltage of −4 V to +4 V is applied between the pads, the current flowing between the pads is about 1.0 × 10 −10 A / mm to 1.0 ×, which is substantially below the measurement limit. It was about 10 −12 A / mm. That is, the AlN layer has at least 1.0 × 10 12 Ω / sq. It was confirmed that the resistance was high.

次に、実施例2に備わる基板100において、SiC層14からSi基板10に流れる電流をシミュレーションにより計算した。シミュレーションは、厚さ1μmのSi基板10上に、厚さ120nmのAlN層からなる窒化物半導体層12と厚さ100nmのSiC層14とが順に積層されているとした。そして、Si基板10の下面とSiC層14の上面とに、50μm×50μmの大きさのパッドを設けて、パッド間に流れる電流を計算することで行った。また、比較のために、厚さ1μmのSi基板上に厚さ100nmのSiC層が設けられた構造の比較例2に対しても、同様な方法によって電流を計算するシミュレーションを行った。   Next, in the substrate 100 provided in Example 2, the current flowing from the SiC layer 14 to the Si substrate 10 was calculated by simulation. In the simulation, a nitride semiconductor layer 12 made of an AlN layer having a thickness of 120 nm and an SiC layer 14 having a thickness of 100 nm are sequentially stacked on the Si substrate 10 having a thickness of 1 μm. Then, a pad having a size of 50 μm × 50 μm was provided on the lower surface of the Si substrate 10 and the upper surface of the SiC layer 14, and the current flowing between the pads was calculated. For comparison, a simulation for calculating a current by a similar method was performed for Comparative Example 2 having a structure in which a SiC layer having a thickness of 100 nm was provided on a Si substrate having a thickness of 1 μm.

図8は、SiC層からSi基板に流れる電流を計算したシミュレーション結果である。図8の横軸は、パッド間の電圧であり、縦軸はパッド間を流れた電流である。図8中の実線は実施例2のシミュレーション結果であり、破線は比較例2のシミュレーション結果である。   FIG. 8 shows a simulation result of calculating a current flowing from the SiC layer to the Si substrate. The horizontal axis in FIG. 8 is the voltage between the pads, and the vertical axis is the current flowing between the pads. The solid line in FIG. 8 is the simulation result of Example 2, and the broken line is the simulation result of Comparative Example 2.

図8のように、実施例2は、比較例2と比べて、SiC層14からSi基板10へ流れる電流が低減された結果が得られた。これは、Si基板10とSiC層14との間に設けられた窒化物半導体層12は、表1のように、バンドギャップエネルギーが大きい(例えばAlN層:6.2eV、GaN層:3.39)。このため、電流経路にポテンシャル障壁が形成されることによって、SiC層14からSi基板10に流れる電流が減少したものと考えられる。   As shown in FIG. 8, Example 2 obtained a result in which the current flowing from SiC layer 14 to Si substrate 10 was reduced as compared with Comparative Example 2. This is because the nitride semiconductor layer 12 provided between the Si substrate 10 and the SiC layer 14 has a large band gap energy as shown in Table 1 (for example, AlN layer: 6.2 eV, GaN layer: 3.39). ). For this reason, it is considered that the current flowing from the SiC layer 14 to the Si substrate 10 is reduced by forming a potential barrier in the current path.

このように、Si基板10とSiC層14との間に窒化物半導体層12を形成することで、SiC層14の上面のグラフェン層16の膜質を良好にでき、電子装置200の特性を良好にできることに加え、リーク電流を低減できる効果も得られることが分かる。   Thus, by forming the nitride semiconductor layer 12 between the Si substrate 10 and the SiC layer 14, the film quality of the graphene layer 16 on the upper surface of the SiC layer 14 can be improved, and the characteristics of the electronic device 200 are improved. In addition to this, it can be seen that the effect of reducing the leakage current can be obtained.

実施例2では、実施例1の基板100を備えた電界効果トランジスタの場合を例に説明したが、その他の電子デバイス、光デバイス、センサデバイスなどの電子装置の場合でもよい。   In the second embodiment, the case of the field effect transistor including the substrate 100 of the first embodiment has been described as an example.

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。   Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to such specific embodiments, and various modifications and changes can be made within the scope of the gist of the present invention described in the claims. It can be changed.

10 Si基板
12 窒化物半導体層
14 SiC層
16 グラフェン層
20 ゲート絶縁膜
22 ゲート電極
24 ソース電極
26 ドレイン電極
28 チャネル
30 ソースパッド
32 ドレインパッド
100 基板
200 電子装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Si substrate 12 Nitride semiconductor layer 14 SiC layer 16 Graphene layer 20 Gate insulating film 22 Gate electrode 24 Source electrode 26 Drain electrode 28 Channel 30 Source pad 32 Drain pad 100 Substrate 200 Electronic device

Claims (10)

(111)面を上面とするシリコン基板の前記上面に設けられた窒化物半導体層と、
前記窒化物半導体層の上面に設けられた炭化シリコン層と、
前記炭化シリコン層の上面に設けられたグラフェン層と、を備えることを特徴とする基板。
A nitride semiconductor layer provided on the upper surface of the silicon substrate having the (111) plane as an upper surface;
A silicon carbide layer provided on an upper surface of the nitride semiconductor layer;
And a graphene layer provided on an upper surface of the silicon carbide layer.
前記グラフェン層に対するラマン分光法におけるGバンドに対するDバンドの強度比(D/G)の値が1.1以下であることを特徴とする請求項1記載の基板。   The substrate according to claim 1, wherein a value of an intensity ratio (D / G) of a D band to a G band in Raman spectroscopy for the graphene layer is 1.1 or less. 前記窒化物半導体層は、窒化アルミニウム層であることを特徴とする請求項1または2記載の基板。   The substrate according to claim 1, wherein the nitride semiconductor layer is an aluminum nitride layer. 前記窒化アルミニウム層の厚さは、100nm以上且つ700nm以下であることを特徴とする請求項3記載の基板。   4. The substrate according to claim 3, wherein the thickness of the aluminum nitride layer is not less than 100 nm and not more than 700 nm. 前記炭化シリコン層は、立方晶炭化シリコン層であることを特徴とする請求項1から4のいずれか一項記載の基板。   The substrate according to any one of claims 1 to 4, wherein the silicon carbide layer is a cubic silicon carbide layer. (111)面を上面とするシリコン基板の前記上面に、窒化物半導体層を形成する工程と、
前記窒化物半導体層の上面に、炭化シリコン層を形成する工程と、
前記炭化シリコン層の上面に、グラフェン層を形成する工程と、を備えることを特徴とする基板の製造方法。
Forming a nitride semiconductor layer on the upper surface of the silicon substrate having the (111) plane as an upper surface;
Forming a silicon carbide layer on the top surface of the nitride semiconductor layer;
And a step of forming a graphene layer on the upper surface of the silicon carbide layer.
前記炭化シリコン層の上面に対して熱処理を行うことによって、前記グラフェン層を形成することを特徴とする請求項6記載の基板の製造方法。   The method for manufacturing a substrate according to claim 6, wherein the graphene layer is formed by performing a heat treatment on an upper surface of the silicon carbide layer. 前記窒化物半導体層は、窒化アルミニウム層であることを特徴とする請求項6または7記載の基板の製造方法。   The method for manufacturing a substrate according to claim 6, wherein the nitride semiconductor layer is an aluminum nitride layer. 請求項1から5のいずれか一項記載の基板を備えることを特徴とする電子装置。   An electronic device comprising the substrate according to claim 1. 前記グラフェン層上に設けられたゲート電極と、
前記ゲート電極を挟んで設けられたソース電極およびドレイン電極と、を備え、
前記ゲート電極下の前記グラフェン層にチャネルが形成されることを特徴とする請求項9記載の電子装置。
A gate electrode provided on the graphene layer;
A source electrode and a drain electrode provided across the gate electrode, and
The electronic device according to claim 9, wherein a channel is formed in the graphene layer under the gate electrode.
JP2013124108A 2013-06-12 2013-06-12 Substrate, method of manufacturing the same, and electronic equipment Pending JP2014241387A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013124108A JP2014241387A (en) 2013-06-12 2013-06-12 Substrate, method of manufacturing the same, and electronic equipment

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013124108A JP2014241387A (en) 2013-06-12 2013-06-12 Substrate, method of manufacturing the same, and electronic equipment

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2014241387A true JP2014241387A (en) 2014-12-25

Family

ID=52140491

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2013124108A Pending JP2014241387A (en) 2013-06-12 2013-06-12 Substrate, method of manufacturing the same, and electronic equipment

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2014241387A (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017087513A (en) * 2015-11-06 2017-05-25 住友電気工業株式会社 Laminate and electronic element
JP2018509776A (en) * 2015-01-09 2018-04-05 スウェガン、アクチボラグSwegan Ab Semiconductor device structure and manufacturing method thereof
WO2023210656A1 (en) * 2022-04-27 2023-11-02 ローム株式会社 Heating processing device and method for operating same

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2018509776A (en) * 2015-01-09 2018-04-05 スウェガン、アクチボラグSwegan Ab Semiconductor device structure and manufacturing method thereof
USRE49285E1 (en) 2015-01-09 2022-11-08 Swegan Ab Semiconductor device structure and methods of its production
JP2017087513A (en) * 2015-11-06 2017-05-25 住友電気工業株式会社 Laminate and electronic element
WO2023210656A1 (en) * 2022-04-27 2023-11-02 ローム株式会社 Heating processing device and method for operating same

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4685961B2 (en) Epitaxial substrate for electronic device and manufacturing method thereof
JP4677499B2 (en) Epitaxial substrate for electronic device and manufacturing method thereof
CN108140563B (en) Epitaxial substrate for semiconductor element, and method for manufacturing epitaxial substrate for semiconductor element
KR102171509B1 (en) N-type aluminum nitride single-crystal substrate and vertical nitride semiconductor device
JP5465469B2 (en) Epitaxial substrate, semiconductor device substrate, and HEMT element
JP5702058B2 (en) Epitaxial substrate for semiconductor element, semiconductor element, and method for producing epitaxial substrate for semiconductor element
WO2009119357A1 (en) Epitaxial substrate for semiconductor element, semiconductor element, and process for producing epitaxial substrate for semiconductor element
JP2009049121A (en) Heterojunction type field effect transistor and production method thereof
JP6729416B2 (en) Nitride semiconductor device and method for manufacturing nitride semiconductor device
JP2014240340A (en) Substrate, method of producing substrate, and electronic apparatus
TWI791495B (en) Compound semiconductor substrate
JP5622499B2 (en) Epitaxial substrate for electronic device and manufacturing method thereof
JP6239017B2 (en) Nitride semiconductor substrate
JP5914999B2 (en) Manufacturing method of semiconductor device
JP2014241387A (en) Substrate, method of manufacturing the same, and electronic equipment
JP6163024B2 (en) Substrate manufacturing method
JP2014022698A (en) Si SUBSTRATE FOR NITRIDE SEMICONDUCTOR GROWTH, EPITAXIAL SUBSTRATE FOR ELECTRONIC DEVICE USING THE SAME AND MANUFACTURING METHODS OF THOSE
JP5399021B2 (en) Epitaxial substrate for forming high-frequency semiconductor element and method for producing epitaxial substrate for forming high-frequency semiconductor element
JP4933513B2 (en) Nitride semiconductor growth substrate
JP2013145782A (en) Epitaxial wafer for hetero-junction field effect transistor
JP5776344B2 (en) Semiconductor device
JP2012064977A (en) Group iii nitride semiconductor stacked wafer and group iii nitride semiconductor device
JP5616420B2 (en) Epitaxial substrate for forming high-frequency semiconductor element and method for producing epitaxial substrate for forming high-frequency semiconductor element
JP6176064B2 (en) Group III nitride semiconductor devices
US20170256635A1 (en) Nitride semiconductor and nitride semiconductor manufacturing method