JP2017143139A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
また、本願明細書と各図において、既に説明したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
第1実施形態に係る半導体装置の一例について、図1を参照して説明する。
図1は、第1実施形態に係る半導体装置100の断面図である。
半導体装置100は、例えば、発光ダイオード(Light Emitting Diode)である。
本実施形態の説明には、XYZ直交座標系を用いる。n形窒化物半導体層103からp形窒化物半導体層109に向かう方向をZ方向(第1方向)とし、Z方向に対して垂直であり相互に直交する2方向をX方向およびY方向とする。
中間層107は、例えば、高いp形不純物濃度を有する窒化ガリウム層や窒化インジウムガリウム層、窒化アルミニウムガリウム層などである。中間層107におけるp形不純物濃度は、例えば、1.0×1021〜1.0×1022(atoms/cm3)である。中間層107におけるp形不純物濃度は、p形窒化物半導体層109におけるp形不純物濃度よりも高い。
あるいは、中間層107は、アモルファス構造を有する窒化シリコン層や酸化シリコン層、窒化アルミニウム層などであってもよい。
図2は、六方晶構造を表す模式図である。
図2では、六方晶における4つの基本ベクトルa1、a2、a3、cを示している。基本ベクトルcは、[0001]方向に延びており、以下の実施形態では、この方向をc軸方向と呼ぶ。また、c軸方向に対して垂直な面を、c面と呼ぶ。
具体的な一例として、n形窒化物半導体層103および発光層105において、c軸方向はZ方向に対して傾斜しており、c軸方向以外のいずれかの方向がZ方向と平行である。すなわち、n形窒化物半導体層103および発光層105において、例えば、<11−20>方向、<1−100>方向、<1−101>方向、または<11−20>方向が、Z方向と平行である。これに対して、p形窒化物半導体層109においては、c軸方向がZ方向と平行である。
図3は、第1実施形態に係る半導体装置100の製造工程を表す工程断面図である。
この結果、中間層107は、例えば、発光層105よりも多くの結晶欠陥を含む単結晶構造となる。すなわち、中間層107の単位体積あたりに含まれる結晶の体積の割合は、発光層105の単位体積あたりに含まれる結晶の体積の割合よりも小さい。
あるいは、中間層107は、発光層105に含まれる結晶と同じ方位を向いた結晶粒を含む多結晶構造、またはアモルファス構造であってもよい。中間層107がこれらの構造を有する場合においても、同様に、中間層107の単位体積あたりに含まれる結晶の体積の割合は、発光層105の単位体積あたりに含まれる結晶の体積の割合よりも小さい。
以上により、n形窒化物半導体層103および発光層105のc軸方向と、p形窒化物半導体層109のc軸方向と、が互いに異なる窒化物半導体層の積層構造が形成される。
以上の工程により、図1に表す半導体装置100が得られる。
図4は、窒化物半導体層におけるc軸方向の傾きと分極との関係を表すグラフである。
図5は、図4の各点におけるc軸方向の傾きおよび成長面を表す模式図である。
図6は、窒化物半導体層の分析結果である。
図5(a)〜図5(e)のそれぞれは、図4のa〜eの各点に対応している。
また、図6は、p形窒化物半導体層に含まれる一部の元素の、深さ方向における濃度分布の分析結果を表す。図6(a)は、c軸方向がZ方向と平行であるp形窒化物半導体層の分析結果であり、図6(b)は、<11−22>方向がZ方向と平行であるp形窒化物半導体層の分析結果である。図6において、横軸は窒化物半導体層の上面からの深さDを表し、縦軸は、各元素の濃度Nを表している。また、図6において、実線は、マグネシウムの濃度を表し、破線は、水素の濃度を表す。
なお、図6(a)の分析結果に係るp形窒化物半導体層と、図6(b)の分析結果に係るp形窒化物半導体層と、は、ともに同じ原料ガスを用いてエピタキシャル成長させ、同じマグネシウム含有ガスを用いてマグネシウムをドープしたものである。また、それぞれのp形窒化物半導体層を成長させる際の各ガスの流量は、同じ値に設定されている。
図6(a)の結果から、c軸方向がZ方向と平行であるp形窒化物半導体層おいて、マグネシウムの濃度が、大凡2.0×1019〜3.0×1019であることがわかる。また、図6(b)の結果から、c軸方向がZ方向に対して傾斜したp形窒化物半導体層おいて、マグネシウムの濃度が、大凡1.0×1019〜2.0×1019であることがわかる。一方で、図6(a)と図6(b)からは、2つのp形窒化物半導体層における水素の濃度は、ともに、大凡1.0×1019〜4.0×1019であり、ほぼ等しいことがわかる。
すなわち、c軸方向がZ方向に対して傾斜したp形窒化物半導体層では、c軸方向がZ方向と平行であるp形窒化物半導体層に比べて、マグネシウム濃度に対する水素濃度の比率が高く、水素がp形窒化物半導体層中に比較的多く取り込まれていることがわかる。
水素は、活性化したマグネシウムを補償するため、p形窒化物半導体層中に水素が多く取り込まれると、p形窒化物半導体層におけるキャリア密度が低下し、半導体装置の電気抵抗が増加してしまう。
このような構造を採用することで、発光層105におけるピエゾ分極を抑制して発光効率を向上させるとともに、p形窒化物半導体層109における水素とマグネシウムとの補償を抑制してキャリア密度を高め、電気抵抗を低下させることが可能となる。
すなわち、本実施形態に係る半導体装置の製造方法によれば、n形窒化物半導体層103および発光層105のc軸方向と、p形窒化物半導体層109のc軸方向と、が互いに異なる半導体装置を製造することが可能となる。
または、窒化物半導体層の断面をTEM(透過型電子顕微鏡)で観察することで、各窒化物半導体層の結晶構造を確認しても良い。
各窒化物半導体に含まれる不純物濃度については、例えば、SIMS(二次イオン質量分析)装置を用いて確認することができる。
次に、第2実施形態に係る半導体装置の一例について、図7を参照しつつ説明する。
図7は、第2実施形態に係る半導体装置200の断面図である。
半導体装置200は、例えば、ノーマリーオフ型の高電子移動度トランジスタ(High Electron Mobility Transistor)である。
図7に表すように、半導体装置200は、基板201、チャネル層203、バリア層205(第1窒化物半導体層)、中間層207、キャップ層209(第2窒化物半導体層)、ソース電極211、ドレイン電極213、およびゲート電極215を有する。
Claims (10)
- 六方晶構造を有する第1窒化物半導体層と、
前記第1窒化物半導体層の上に設けられ、c軸方向が前記第1窒化物半導体層のc軸方向と異なる、六方晶構造を有する第2窒化物半導体層と、
を備えた半導体装置。 - 前記第1窒化物半導体層は、アンドープまたはn形であり、
前記第2窒化物半導体層は、p形であり、
前記第1窒化物半導体層の前記c軸方向は、前記第1窒化物半導体層から前記第2窒化物半導体層に向かう第1方向に対して傾斜し、
前記第2窒化物半導体層の前記c軸方向は、前記第1方向と平行である請求項1記載の半導体装置。 - 前記第1窒化物半導体層と前記第2窒化物半導体層との間に設けられた発光層をさらに備えた請求項2記載の半導体装置。
- 前記発光層と前記第2窒化物半導体層との間に設けられた中間層をさらに備え、
前記中間層の単位体積あたりに含まれる結晶の体積の割合は、前記発光層の単位体積あたりに含まれる結晶の体積の割合よりも小さい請求項3記載の半導体装置。 - 前記第1窒化物半導体層は、アンドープまたはn形であり、
前記第2窒化物半導体層は、p形であり、
前記第1窒化物半導体層の前記c軸方向は、前記第1窒化物半導体層から前記第2窒化物半導体層に向かう第1方向に平行であり、
前記第2窒化物半導体層の前記c軸方向は、前記第1方向に対して傾斜している請求項1記載の半導体装置。 - 前記第1窒化物半導体層の上に設けられたソース電極と、
前記第1窒化物半導体層の上に設けられたドレイン電極と、
前記第2窒化物半導体層の上に設けられたゲート電極と、
をさらに備え、
前記第2窒化物半導体層と、前記ソース電極と、前記ドレイン電極と、は、互いに離間し、
前記第2窒化物半導体層は、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に位置する請求項5記載の半導体装置。 - 前記第1窒化物半導体層と前記第2窒化物半導体層との間に設けられた中間層をさらに備え、
前記中間層の単位体積あたりに含まれる結晶の体積の割合は、前記第1窒化物半導体層の単位体積あたりに含まれる結晶の体積の割合よりも小さい請求項6記載の半導体装置。 - 前記第2窒化物半導体層は、マグネシウムを含む請求項4または7に記載の半導体装置。
- 前記配向制御層は、マグネシウムを含む窒化物半導体層であり、
前記配向制御層におけるマグネシウムの濃度は、前記第2窒化物半導体層におけるマグネシウムの濃度よりも高い請求項8記載の半導体装置。 - 六方晶構造を有する第1導電形の第1窒化物半導体層を形成し、
前記第1窒化物半導体層の上に、単位体積あたりに含まれる結晶の体積の割合が、前記第1窒化物半導体層の単位体積あたりに含まれる結晶の体積の割合よりも小さい中間層を形成し、
前記中間層の上に、六方晶構造を有する第2導電形の第2窒化物半導体層を、前記第2窒化物半導体層のc軸方向が前記第1窒化物半導体層のc軸方向と異なるように、形成する半導体装置の製造方法。
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