JP2016062937A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、半導体装置に関する。 Embodiments described herein relate generally to a semiconductor device.
半導体発光素子や、次世代のパワー半導体素子の材料として、GaNやAlGaNなどのGaN系半導体が用いられる。GaN系半導体を用いた素子では、材料固有の特性劣化要因が存在する。高い性能、高い信頼性を備えるGaN系半導体素子を実現するためには、材料固有の特性劣化要因に対する対策が必要となる。 GaN-based semiconductors such as GaN and AlGaN are used as materials for semiconductor light emitting devices and next-generation power semiconductor devices. In an element using a GaN-based semiconductor, there is a characteristic deterioration factor unique to the material. In order to realize a GaN-based semiconductor device having high performance and high reliability, it is necessary to take measures against the characteristic deterioration factors specific to the material.
本発明が解決しようとする課題は、性能及び信頼性が向上した半導体装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a semiconductor device with improved performance and reliability.
実施形態の半導体装置は、基板と、前記基板上にエピタキシャル成長法により形成され、ボロン(B)濃度が1×1017cm−3以下であるGaN系半導体層と、を備える。 The semiconductor device according to the embodiment includes a substrate and a GaN-based semiconductor layer formed on the substrate by an epitaxial growth method and having a boron (B) concentration of 1 × 10 17 cm −3 or less.
本明細書中、同一または類似する部材については、同一の符号を付し、重複する説明を省略する場合がある。 In the present specification, the same or similar members are denoted by the same reference numerals, and redundant description may be omitted.
本明細書中、「GaN系半導体」とは、GaN(窒化ガリウム)、AlN(窒化アルミニウム)、InN(窒化インジウム)およびそれらの中間組成を備える半導体の総称である。 In this specification, “GaN-based semiconductor” is a generic term for semiconductors having GaN (gallium nitride), AlN (aluminum nitride), InN (indium nitride), and intermediate compositions thereof.
また、本明細書中、「上」、「下」とは、構成要件の相対的位置関係を示す用語であり、必ずしも重力方向に対する上下関係を示すものではない。 In the present specification, “upper” and “lower” are terms indicating the relative positional relationship of the constituent elements, and do not necessarily indicate the vertical relationship with respect to the direction of gravity.
(第1の実施形態)
本実施形態の半導体装置は、基板と、基板上にエピタキシャル成長法により形成され、ボロン(B)濃度が1×1017cm−3以下であるGaN系半導体層と、を備える。
(First embodiment)
The semiconductor device according to the present embodiment includes a substrate and a GaN-based semiconductor layer formed on the substrate by an epitaxial growth method and having a boron (B) concentration of 1 × 10 17 cm −3 or less.
図1は、本実施形態の半導体装置の模式断面図である。本実施形態の半導体装置は、GaN系半導体を用いたリッジ導波路型の半導体レーザである。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the semiconductor device of this embodiment. The semiconductor device of this embodiment is a ridge waveguide type semiconductor laser using a GaN-based semiconductor.
図1に示すように、本実施形態の半導体装置は、n型GaN基板10と、GaN系半導体層11を備える。GaN系半導体層11は、n型AlGaNクラッド層12、n型GaN光ガイド層14、活性層16、p型AlGaNオーバーフロー防止層18、p型GaN光ガイド層20、p型AlGaNクラッド層22、p型GaNコンタクト層24を備えている。
As shown in FIG. 1, the semiconductor device of this embodiment includes an n-
p型AlGaNクラッド層22の一部とp型GaNコンタクト層24でリッジ導波路26が形成される。リッジ導波路26の側面と、p型AlGaNクラッド層22の上面は、絶縁膜の保護膜28で覆われる。保護膜28は、例えば、シリコン酸化膜である。
A
p型GaNコンタクト層24上にp型電極30が設けられる。p型電極30は金属電極である。また、n型GaN基板10の下面にn型電極32が設けられる。n型電極32は金属電極である。
A p-
活性層16は、GaN系半導体の多重量子井戸構造(Miltiple Quantum Well(MQW))構造を備える。活性層30は、井戸層と障壁層の積層構造で形成される。井戸層および障壁層には、例えばIn濃度を変えたInGaN層が用いられる。
The
GaN系半導体層11を構成する少なくともいずれかの層は、ボロン(B)濃度が1×1017cm−3以下である。GaN系半導体層11を構成する少なくともいずれかの層が、ボロン(B)濃度が1×1016cm−3以下であることが望ましい。
At least one of the layers constituting the GaN-based
特に、活性層16のボロン(B)濃度が1×1017cm−3以下であることが望ましく、1×1016cm−3以下であることがより望ましい。
In particular, the boron (B) concentration of the
次に、本実施形態の半導体装置の製造方法について説明する。本実施形態では、n型GaN基板10上に、GaN系半導体層11を、有機金属化学気相成長(MOCVD)法により成長させる。GaN系半導体層11は、エピタキシャル成長法により形成される単結晶層である。
Next, a method for manufacturing the semiconductor device of this embodiment will be described. In this embodiment, the GaN-based
本実施形態では、GaN系半導体層11を形成する成長炉内の部材及び結晶成長に必要なガスが接する部材には、ボロン(B)を含有しない部材を選定して使用する。成長炉内の部材とは、例えば、基板を載置するサセプタである。結晶成長に必要なガスとは、例えば、有機金属ガス、V族ガス、キャリアガス等である。
In the present embodiment, a member that does not contain boron (B) is selected and used as the member in the growth furnace for forming the GaN-based
ボロン(B)を含有しない部材とは、例えば、炭化珪素(SiC)部材、石英部材等である。また、ボロン(B)を含有する部材としては、窒化ボロン(BN)部材が挙げられる。 Examples of the member not containing boron (B) include a silicon carbide (SiC) member and a quartz member. Examples of the member containing boron (B) include a boron nitride (BN) member.
まず、n型GaN基板10を成長炉内のサセプタ上へ載置する。そして、成膜用のガスを成長炉内に供給し、n型GaN基板10上に、n型AlGaNクラッド層12、n型GaN光ガイド層14、活性層16、p型AlGaNオーバーフロー防止層18、p型GaN光ガイド層20、p型AlGaNクラッド層22、p型GaNコンタクト層24を順次エピタキシャル成長させる。
First, the n-
次に、p型GaNコンタクト層24と、p型AlGaNクラッド層22の一部をエッチングし、リッジ導波路26を形成する。次に、リッジ導波路26の上部以外の全面に、例えば、シリコン酸化膜の保護膜28を形成する。
Next, the p-type
次に、p型GaNコンタクト層24上にp型電極30、n型GaN基板10の下面にn型電極32を形成する。
Next, a p-
なお、GaN系半導体のn型不純物としては、例えば、シリコン(Si)が用いられる。また、GaN系半導体のp型不純物としては、例えば、マグネシウム(Mg)が用いられる。 For example, silicon (Si) is used as the n-type impurity of the GaN-based semiconductor. In addition, as the p-type impurity of the GaN-based semiconductor, for example, magnesium (Mg) is used.
次に、p型電極30及びn型電極32を形成した後に、スクライブ等により個々のチップに分割する。以上の製造方法により、図1に示す、リッジ導波路型の半導体レーザが製造される。
Next, after the p-
次に、本実施形態の半導体装置の作用および効果について説明する。 Next, functions and effects of the semiconductor device of this embodiment will be described.
本実施形態の半導体装置のGaN系半導体層11は、ボロン(B)濃度が1×1017cm−3以下である。発明者らの検討により、GaN系半導体層11、特に、活性層16のボロン(B)濃度を低減することにより、動作電流の変動が抑制されることが明らかになった。
The GaN-based
図2は、本実施形態の半導体装置のボロン濃度と動作電流の変動率との関係を示す図である。本実施形態の半導体レーザをパッケージに組み込み、出力が10mWとなるレーザの動作電流を初期と40時間通電後に測定し、動作電流の変動率を求めた。活性層のボロン濃度の異なるサンプルについて測定を行い、ボロン濃度と動作電流の変動率との関係を求めた。 FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the boron concentration and the operating current fluctuation rate of the semiconductor device of this embodiment. The semiconductor laser of this embodiment was incorporated into a package, and the operating current of the laser with an output of 10 mW was measured initially and after 40 hours of energization to determine the operating current fluctuation rate. Measurements were performed on samples having different boron concentrations in the active layer, and the relationship between the boron concentration and the fluctuation rate of the operating current was determined.
なお、ボロン濃度は、SIMS(Secondary Ion Mass Spectometry)により求めた。また、ボロン濃度の異なるサンプルは、反応炉のボロンを含有する部材の数を変化させることで作成した。 The boron concentration was determined by SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry). Samples with different boron concentrations were prepared by changing the number of boron-containing members in the reactor.
図2から明らかなように、活性層中のボロン濃度が増加するに従い、動作電流の変動率が大きくなる。ボロンがGaN系半導体の結晶内に存在することにより、非発光性の深い準位や結晶欠陥を形成し、発光効率が低下するためと考えられる。このため、同じレーザ出力を得るための動作電流が増大すると考えられる。 As is apparent from FIG. 2, the fluctuation rate of the operating current increases as the boron concentration in the active layer increases. Presumably, the presence of boron in the crystal of the GaN-based semiconductor forms a deep non-luminous level or crystal defect, resulting in a decrease in luminous efficiency. For this reason, it is considered that the operating current for obtaining the same laser output increases.
本実施形態の半導体装置のGaN系半導体層11は、ボロン(B)濃度が1×1017cm−3以下である。したがって、非発光性の深い準位や結晶欠陥が低減し、動作電流の変動が抑制される。
The GaN-based
図2から明らかなように、ボロン濃度を1×1017cm−3以下とすることで、動作電流の変動率が10%以下に抑制される。GaN系半導体層11の、ボロン濃度を1×1016cm−3以下とすることにより、更に、動作電流の変動が抑制できる。
As is apparent from FIG. 2, the fluctuation rate of the operating current is suppressed to 10% or less by setting the boron concentration to 1 × 10 17 cm −3 or less. By setting the boron concentration of the GaN-based
本実施形態によれば、動作電流の変動が抑制された半導体レーザが実現できる。 According to this embodiment, a semiconductor laser in which fluctuations in operating current are suppressed can be realized.
以上、本実施形態の半導体装置によれば、性能及び信頼性が向上する。 As described above, according to the semiconductor device of this embodiment, performance and reliability are improved.
(第2の実施形態)
本実施形態の半導体装置は、フリップチップ型のLED(Light Emitting Device)である点で、第1の実施形態と異なる。以下、第1の実施形態と重複する内容については記述を省略する。
(Second Embodiment)
The semiconductor device of this embodiment is different from that of the first embodiment in that it is a flip chip type LED (Light Emitting Device). Hereinafter, the description overlapping with the first embodiment will be omitted.
図3は、本実施形態の半導体装置の模式断面図である。本実施形態の半導体装置は、フリップチップ型のLEDである。 FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the semiconductor device of this embodiment. The semiconductor device of this embodiment is a flip chip type LED.
図3に示すように、本実施形態の半導体装置は、サファイア基板(基板)40と、GaN系半導体層41を備える。GaN系半導体層41は、GaNバッファ層42、n型GaN層44、活性層46、p型AlGaN層48、p型GaN層50を備えている。
As shown in FIG. 3, the semiconductor device of this embodiment includes a sapphire substrate (substrate) 40 and a GaN-based
p型GaN層50上にp型電極52が設けられる。p型電極52は金属電極である。また、n型GaN層44上にn型電極54が設けられる。n型電極54は金属電極である。
A p-
活性層46は、GaN系半導体の多重量子井戸構造(Miltiple Quantum Well(MQW))構造を備える。活性層46は、井戸層と障壁層の積層構造で形成される。井戸層および障壁層には、例えばIn濃度を変えたInGaN層が用いられる。
The
GaN系半導体層41を構成する少なくともいずれかの層は、ボロン(B)濃度が1×1017cm−3以下である。GaN系半導体層41を構成する少なくともいずれかの層が、ボロン(B)濃度が1×1016cm−3以下であることが望ましい。
At least one of the layers constituting the GaN-based
特に、活性層46のボロン(B)濃度が1×1017cm−3以下であることが望ましく、1×1016cm−3以下であることがより望ましい。
In particular, the boron (B) concentration of the
次に、本実施形態の半導体装置の製造方法について説明する。本実施形態では、サファイア基板40上に、GaN系半導体層41を、有機金属化学気相成長法(MOCVD)により成長させる。GaN系半導体層41は、エピタキシャル成長法により形成される単結晶層である。
Next, a method for manufacturing the semiconductor device of this embodiment will be described. In this embodiment, the GaN-based
本実施形態では、第1の実施形態同様、GaN系半導体層41を形成する成長炉内の部材及び結晶成長に必要なガスが接する部材には、ボロン(B)を含有しない部材を選定して使用する。
In the present embodiment, as in the first embodiment, a member that does not contain boron (B) is selected as the member in the growth furnace for forming the GaN-based
まず、サファイア基板40を成長炉内のサセプタ上へ載置する。そして、成膜用のガスを成長炉内に供給し、サファイア基板40上に、GaNバッファ層42、n型GaN層44、活性層46、p型AlGaN層48、p型GaN層50を順次エピタキシャル成長させる。
First, the
次に、p型GaN層50からn型GaN層44の途中までをエッチングする。次に、p型GaN層50上にp型電極52、n型GaN層44上にn型電極54を形成する。
Next, the p-
その後、スクライブ等により個々のチップに分割する。以上の製造方法により、図3に示す、フリップチップ型のLEDが製造される。 Thereafter, the chip is divided into individual chips by scribing or the like. The flip chip type LED shown in FIG. 3 is manufactured by the above manufacturing method.
本実施形態のフリップチップ型のLEDでは、GaN系半導体層41のボロン濃度が低減されることで、非発光性の深い準位や結晶欠陥が低減する。よって、発光効率に優れ、動作電流の変動が抑制されたLEDが実現される。
In the flip chip type LED of the present embodiment, the boron concentration of the GaN-based
以上、本実施形態の半導体装置によれば、性能及び信頼性が向上する。 As described above, according to the semiconductor device of this embodiment, performance and reliability are improved.
(第3の実施形態)
本実施形態の半導体装置は、GaN基板を使用するLEDである点で、第1の実施形態と異なる。以下、第1の実施形態と重複する内容については記述を省略する。
(Third embodiment)
The semiconductor device of this embodiment is different from the first embodiment in that it is an LED using a GaN substrate. Hereinafter, the description overlapping with the first embodiment will be omitted.
図4は、本実施形態の半導体装置の模式断面図である。本実施形態の半導体装置は、GaN基板を使用するLEDである。 FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of the semiconductor device of this embodiment. The semiconductor device of this embodiment is an LED that uses a GaN substrate.
図4に示すように、本実施形態の半導体装置は、GaN基板(基板)60と、GaN系半導体層61を備える。GaN系半導体層61は、GaNバッファ層62、n型GaN層64、活性層66、p型AlGaN層68、p型GaN層70を備えている。
As shown in FIG. 4, the semiconductor device of this embodiment includes a GaN substrate (substrate) 60 and a GaN-based
p型GaN層70上にp型電極72が設けられる。p型電極72は金属電極である。また、GaN基板60の下面にn型電極74が設けられる。n型電極74は金属電極である。
A p-
活性層66は、GaN系半導体の多重量子井戸構造(Miltiple Quantum Well(MQW))構造を備える。活性層66は、井戸層と障壁層の積層構造で形成される。井戸層および障壁層には、例えばIn濃度を変えたInGaN層が用いられる。
The
GaN系半導体層61を構成する少なくともいずれかの層は、ボロン(B)濃度が1×1017cm−3以下である。GaN系半導体層61を構成する少なくともいずれかの層が、ボロン(B)濃度が1×1016cm−3以下であることが望ましい。
At least one of the layers constituting the GaN-based
特に、活性層66のボロン(B)濃度が1×1017cm−3以下であることが望ましく、1×1016cm−3以下であることがより望ましい。
In particular, the boron (B) concentration of the
本実施形態のGaN系半導体層61は、第1及び第2の実施形態と同様の方法で、GaN基板上60に形成される。
The GaN-based
本実施形態のLEDでは、GaN系半導体層61のボロン濃度が低減されることで、非発光性の深い準位や結晶欠陥が低減する。よって、発光効率に優れ、動作電流の変動が抑制されたLEDが実現される。
In the LED of this embodiment, the boron concentration of the GaN-based
以上、本実施形態の半導体装置によれば、性能及び信頼性が向上する。 As described above, according to the semiconductor device of this embodiment, performance and reliability are improved.
(第4の実施形態)
本実施形態の半導体装置は、HEMT(High Electron Mobility Transistor)である点で、第1の実施形態と異なる。以下、第1の実施形態と重複する内容については記述を省略する。
(Fourth embodiment)
The semiconductor device of this embodiment is different from that of the first embodiment in that it is a HEMT (High Electron Mobility Transistor). Hereinafter, the description overlapping with the first embodiment will be omitted.
図5は、本実施形態の半導体装置の模式断面図である。本実施形態の半導体装置は、GaN系半導体を用いたHEMTである。 FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of the semiconductor device of this embodiment. The semiconductor device of the present embodiment is a HEMT using a GaN-based semiconductor.
図5に示すように、本実施形態の半導体装置は、GaN基板(基板)80と、GaN系半導体層81を備える。GaN系半導体層81は、バッファ層82、GaNチャネル層84、AlGaNバリア層86を備えている。
As shown in FIG. 5, the semiconductor device of this embodiment includes a GaN substrate (substrate) 80 and a GaN-based
AlGaNバリア層86上にゲート電極88、ソース電極90、ドレイン電極92を備える。AlGaNバリア層86とゲート電極88との間はショットキーコンタクトである。また、AlGaNバリア層86と、ソース電極90及びドレイン電極92との間はオーミックコンタクトである。
A
GaN系半導体層81を構成する少なくともいずれかの層は、ボロン(B)濃度が1×1017cm−3以下である。GaN系半導体層81を構成する少なくともいずれかの層が、ボロン(B)濃度が1×1016cm−3以下であることが望ましい。
At least one of the layers constituting the GaN-based
本実施形態のGaN系半導体層81は、第1及び第2の実施形態と同様の方法で、GaN基板80上に形成される。
The GaN-based
本実施形態のHEMTでは、GaN系半導体層81のボロン濃度が低減されることで、深い準位や結晶欠陥が低減する。よって、高耐圧で電流リークの小さいHEMTが実現する。
In the HEMT of the present embodiment, deep levels and crystal defects are reduced by reducing the boron concentration of the GaN-based
以上、本実施形態の半導体装置によれば、性能及び信頼性が向上する。 As described above, according to the semiconductor device of this embodiment, performance and reliability are improved.
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。例えば、一実施形態の構成要素を他の実施形態の構成要素と置き換えまたは変更してもよい。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. For example, a component in one embodiment may be replaced or changed with a component in another embodiment. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
10 n型GaN基板(基板)
11 GaN系半導体層
14 n型GAN光ガイド層(n型GaN系半導体層)
16 活性層
20 p型GaN光ガイド層(p型GaN系半導体層)
40 サファイア基板(基板)
41 GaN系半導体層
44 n型GaN層(n型GaN系半導体層)
46 活性層
48 p型AlGaN層(p型GaN系半導体層)
60 GaN基板(基板)
61 GaN系半導体層
64 n型GaN層(n型GaN系半導体層)
66 活性層
68 p型AlGaN層(p型GaN系半導体層)
80 GaN基板(基板)
81 GaN系半導体層
10 n-type GaN substrate (substrate)
11 GaN-based semiconductor layer 14 n-type GAN optical guide layer (n-type GaN-based semiconductor layer)
16 Active layer 20 p-type GaN light guide layer (p-type GaN-based semiconductor layer)
40 Sapphire substrate (substrate)
41 GaN-based semiconductor layer 44 n-type GaN layer (n-type GaN-based semiconductor layer)
46 Active layer 48 p-type AlGaN layer (p-type GaN-based semiconductor layer)
60 GaN substrate (substrate)
61 GaN-based semiconductor layer 64 n-type GaN layer (n-type GaN-based semiconductor layer)
66 Active layer 68 p-type AlGaN layer (p-type GaN-based semiconductor layer)
80 GaN substrate (substrate)
81 GaN-based semiconductor layer
Claims (2)
前記基板上にエピタキシャル成長法により形成され、ボロン(B)濃度が1×1017cm−3以下であるGaN系半導体層と、
を備える半導体装置。 A substrate,
A GaN-based semiconductor layer formed on the substrate by an epitaxial growth method and having a boron (B) concentration of 1 × 10 17 cm −3 or less;
A semiconductor device comprising:
前記活性層のボロン(B)濃度が1×1017cm−3以下である請求項1記載の半導体装置。
The GaN-based semiconductor layer is provided between an n-type GaN-based semiconductor layer, a p-type GaN-based semiconductor layer, and the n-type GaN-based semiconductor layer and the p-type GaN-based semiconductor layer, and has a multiple quantum well structure. With an active layer,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the boron (B) concentration in the active layer is 1 × 10 17 cm −3 or less.
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