JP2019161029A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
このような半導体装置において、逆バイアス印加時の耐圧を向上させるためには、低ドナー濃度(〜1×1017cm-3)のn型ドリフト層を設ける必要がある。しかし、従来の方法を用いてn型ドリフト層を成膜した場合、その成長方法由来のC、O、Caなどの不純物の混入が避けられなかった。窒化物半導体に対して、C及びCaは補償アクセプタとして働き、Oはドナーとして働く。そのため、従来の成長方法では、低濃度のn型ドリフト層を設計濃度通りに作製することが難しいという問題があった。
この場合において、例えば、C不純物が5×1016cm-3存在している時には、補償効果により自由電子濃度は5×1016cm-3(=1×1017cm-3−5×1016cm-3)となる。また、O不純物が5×1016cm-3存在している時には、O不純物は意図しないドナー不純物となるため、自由電子濃度は1.5×1017cm-3(=1×1017cm-3+5×1016cm-3)となる。そのため、設計通りの自由電子濃度を持つn型ドリフト層は得られない。
例えば、特許文献1には、
(a)ドナー濃度NDがアクセプタとして機能する炭素の濃度NA以上であり、かつ、
(b)NDとNAとの差が、基板側からドリフト層の表面側に向かって徐々に減少している
ドリフト層を備えた窒化物半導体基板が開示されている。
(A)ドナー原料(モノシランガス)の流量を徐々に減少させると、ドナー濃度NDを積層方向に向かって徐々に減少させることができる点、及び
(B)III族有機金属原料(トリメチルガリウム(TMG))の流量、TMGの流量に対するV族原料(アンモニア)の流量の比、成長温度等を調整することにより、ドナー濃度NDが炭素の全濃度NCの1/3倍以上となる点
が記載されている。
HVPE法を用いてGaNを成長させる場合、原料に塩化ガリウムを用いるため、成長結晶へのC不純物の混入はない。しかし、反応容器である石英からのオートドープにより、成長結晶にO不純物が混入する。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、窒化物半導体からなるpn接合を備え、かつ、p型層とn型層との界面にSiが偏析した領域、あるいは、Caが偏析した領域を含まない半導体装置、及びその製造方法を提供することにある。
さらに、本発明が解決しようとする他の課題は、耐圧の高いn型ドリフト層を備えた半導体装置、及びその製造方法を提供することにある。
(1)前記半導体装置は、
基板と、
前記基板の表面に形成された、窒化物半導体(A)からなるn型層と
を備えている。
(2)前記n型層は、
ドナー不純物(Oを除く)の濃度が1×1015cm-3以上1×1020cm-3以下であり、
C不純物の濃度が1×1016cm-3以下であり、
O不純物の濃度が1×1016cm-3以下であり、
Ca不純物の濃度が1×1016cm-3以下であり、かつ、
前記C不純物、前記O不純物、及び前記Ca不純物の濃度の総量が前記ドナー不純物の濃度より低い。
(3)前記半導体装置は、
前記n型層の上面又は下面に隣接して形成されたp型層をさらに備え、
前記p型層は、前記n型層を構成する窒化物半導体(A)と同種又は異種の窒化物半導体(C)からなり、
アクセプタ不純物(C、及びCaを除く)の濃度が1×1015cm-3以上1×1020cm-3以下であり、
C不純物の濃度が1×1016cm-3以下であり、
O不純物の濃度が1×1016cm-3以下であり、
Ca不純物の濃度が1×1016cm-3以下であり、かつ、
前記C不純物、前記O不純物、及び前記Ca不純物の濃度の総量が前記アクセプタ不純物の濃度より低い。
(4)前記n型層の前記p型層側の表面に、Siの濃度が前記n型層内の前記Siの濃度の2倍以上であるSi偏析領域を含まない。
(5)前記n型層の前記p型層側の表面に、Caの濃度が1×1016cm-3以上であるCa偏析領域を含まない。
また、前記半導体装置は、前記n型層と前記p型層との間に形成されたi型層をさらに備えていても良い。
(1)前記半導体装置の製造方法は、
ハロゲンフリー気相成長(HF−VPE)装置を用いて、基板の表面に、
(a)ドナー不純物(Oを除く)の濃度が1×1015cm-3以上1×1020cm-3以下であり、C不純物の濃度が1×1016cm-3以下であり、O不純物の濃度が1×1016cm-3以下であり、Ca不純物の濃度が1×1016cm-3以下であり、かつ、前記C不純物、前記O不純物、及び前記Ca不純物の濃度の総量が前記ドナー不純物の濃度より低い窒化物半導体(A)からなるn型層、又は、
(b)前記n型層を構成する窒化物半導体(A)と同種又は異種の窒化物半導体(C)からなり、かつ、アクセプタ不純物(C及びCaを除く)の濃度が1×1015cm-3以上1×1020cm-3以下であり、C不純物の濃度が1×1016cm-3以下であり、O不純物の濃度が1×1016cm-3以下であり、Ca不純物の濃度が1×1016cm-3以下であり、かつ、前記C不純物、前記O不純物、及び前記Ca不純物の濃度の総量が前記アクセプタ不純物の濃度より低いp型層
のいずれか一方を形成する第1工程と、
前記基板を大気開放することなく、引き続き前記HF−VPE装置内において、前記n型層又は前記p型層が形成された前記基板の表面に、さらに前記p型層又は前記n型層を形成する第2工程と
を備えている。
(2)前記HF−VPE装置は、
前記基板を保持するためのサセプタを備えた結晶成長部と、
金属源から発生させた金属含有ガス(金属蒸気を含むガス)、及びこれと反応して無機化合物を生成する反応ガスを前記基板に向かって供給するためのガス供給部と、
前記基板及び前記金属源を加熱するための加熱装置を備えた加熱部と
を備えている。
(3)前記ガス供給部は、
前記サセプタから離間して配置された、前記金属源を保持するための第1ルツボと、
前記第1ルツボ内にキャリアガスを供給し、前記金属含有ガスと前記キャリアガスとの混合ガスを前記種結晶に向かって供給するためのキャリアガス供給装置と、
前記反応ガスを前記種結晶に向かって供給するための反応ガス供給装置と、
を備えている。
(4)第1ルツボの開口部には、多孔バッフル板が設けられている。
そのため、HF-VPE装置を用いると、
(a)ドナー不純物濃度が相対的に低く、かつ、C、O、Ca不純物の濃度が従来に比べて低いn型層(ドリフト層)を備えた半導体装置、
(b)p型層とn型層との界面に、SiやCaが偏析した領域を含まないpn接合を備えた半導体装置、あるいは、
(c)耐圧の高いn型層(ドリフト層)を備えた半導体装置
を作製することができる。
[1. 半導体装置]
本発明に係る半導体装置は、以下の構成を備えている。
(1)前記半導体装置は、
基板と、
前記基板の表面に形成された、窒化物半導体(A)からなるn型層と
を備えている。
(2)前記n型層は、
ドナー不純物(Oを除く)の濃度が1×1015cm-3以上1×1020cm-3以下であり、
C不純物の濃度が1×1016cm-3以下であり、
O不純物の濃度が1×1016cm-3以下であり、
Ca不純物の濃度が1×1016cm-3以下であり、かつ、
前記C不純物、前記O不純物、及び前記Ca不純物の濃度の総量が前記ドナー不純物の濃度より低い。
(a)n型層の上面又は下面に隣接して形成されたp型層、あるいは、
(b)n型層とp型層との間に形成されたi型層
をさらに備えていても良い。
基板は、n型層、並びに、これに隣接して形成されるp型層及びi型層を支持するためのものである。本発明において、基板の材料は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な材料を選択することができる。基板の材料としては、例えば、
(a)サファイア、
(b)SiC、
(c)n型層を構成する窒化物半導体(A)と同種又は異種の窒化物半導体(B)
などがある。
(a)縦方向へ電流を流すことができるため、横方向へ電流を流すデバイスに比べて電流密度を一桁程度上げることが可能となる、
(b)異種基板を用いた場合に発生するミスフィット転位が発生しないため、同一材料の基板を用いることで転位密度の低い結晶性の高いn型層の形成が可能となる
などの理由による。
基板を構成する窒化物半導体(B)は、特に、GaNが好ましい。これは、
(a)GaNは濃度制御が容易なため導電性の高い基板が作製可能であること、及び、
(b)n型層を形成する窒化物半導体(A)との格子定数のミスマッチがない(若しくは、少ない)ため、その他の材料を用いた基板よりも理想的なデバイス特性が得られるため
である。窒化物半導体の詳細については、後述する。
[1.2.1. 窒化物半導体(A)]
n型層は、窒化物半導体(A)からなる。「窒化物半導体」とは、III族元素(Ga、Al、Inなど)と窒素との化合物からなる半導体をいう。窒化物半導体(A)としては、例えば、GaN、InN、AlN、BN、BGaN、BInN、BAlN、InGaN、AlGaN、InAlN、InAlGaN、BInAlN、BAlGaN、BInGaN、BInAlGaNなどがある。
窒化物半導体(A)は、特にGaNが好ましい。これは、ドリフト層にGaNを用いることでパワーデバイス基板に好適なGaN基板との格子定数差もないため、転位密度の低い結晶性の高いドリフト層が成長可能であるためである。また、GaNは、その他の材料に比べてバンドギャップが比較的大きく、かつn層の不純物濃度が広範囲に制御可能であり、パワーデバイスの耐圧やオン抵抗などの設計自由度が高いという利点があるためである。
[A. 種類]
n型層は、ドナー不純物を含む。ドナー不純物としては、例えば、Si、Ge、Oなどがある。n型層は、これらのいずれか1種のドナー不純物を含むものでも良く、あるいは、2種以上を含むものでも良い。
ドナー不純物は、特に、Si及び/又はGeが好ましい。これは、Si及びGeのいずれも濃度を広範囲に制御可能なためである。
なお、Oは窒化物半導体(A)のドナーとして機能するが、本願において「ドナー」という時は、Oは除かれる。この理由は、Oは成長方法由来の不純物であり、制御が難しいこと、また、GaN中にOが高濃度に含まれると格子の伸びによる結晶性の劣化を引き起こすためである。
n型層のドナー不純物濃度は、半導体装置の電気的特性に影響を与える。用いるn型層のドナー不純物濃度は、半導体装置内のn型層の役割によって決定される。n型層として働くためには、n型層のドナー不純物濃度は、1×1014cm-3以上である必要がある。ドナー不純物濃度は、好ましくは、1×1015cm-3以上である。
例えば、後述する図4のn型層104a領域には、1×1018cm-3以上1×1020cm-3以下程度のドナー不純物を含むn型層が用いられる。また、例えば、電極とのオーミック特性を得るためには、ドナー不純物濃度は高い方が好ましく、1×1020cm-3以上が好ましい。
(a)ドナー不純物濃度が1×1017cm-3以上1×1019cm-3以下である窒化物半導体(A)からなるn型層(A)(電子注入層)と、
(b)n型層(A)の上面又は下面に隣接して形成された、ドナー不純物濃度が1×1015cm-3以上1×1018cm-3以下である窒化物半導体(A)からなるn型層(B)(耐圧保持層)と
を備えているものでも良い。
この場合、p型層は、n型層(B)に隣接して形成される。
O不純物は、窒化物半導体(A)のドナーとして機能する。一方、C、Ca不純物は、いずれも窒化物半導体(A)の補償アクセプタとして機能する。これらは、いずれも成長方法由来の不純物であり、混入量を制御するのが難しい。また、従来の成長方法を用いると、相対的に多量のC、O及び/又はCaが混入しやすい。
具体的には、後述する方法を用いると、C不純物の濃度は、1×1016cm-3以下となる。成長条件を最適化すると、C不純物の濃度は、1×1014cm-3以下、あるいは、5×1013cm-3以下となる。
同様に、後述する方法を用いると、O不純物の濃度は、1×1016cm-3以下となる。成長条件を最適化すると、O不純物の濃度は、1×1014cm-3以下、あるいは、5×1013cm-3以下となる。
同様に、後述する方法を用いると、Ca不純物の濃度は、1×1016cm-3以下となる。成長条件を最適化すると、Ca不純物の濃度は、1×1014cm-3以下となる。
さらに、後述する方法を用いると、C不純物、O不純物、前記Ca不純物の濃度の総量は、ドナー不純物の濃度より低くなる。
逆方向のバイアス電圧がかけられた場合、空乏層の大部分はn型ドリフト層領域にできる。従って、n型ドリフト層の厚みは、半導体装置の耐圧を決定する重要なパラメータである。半導体装置のオン抵抗と絶縁破壊電圧とのトレードオフ関係は、下記(1)式のように表される。
RonA=4VB 2/εE3μ (1)
ここで、RonAはオン抵抗、VBは絶縁破壊電圧、εは半導体層の材料固有の誘電率、μは半導体層での電子(若しくはホール)移動度、Eは半導体層材料固有の絶縁破壊電界を示している。このように、耐圧とオン抵抗はトレードオフ関係にあり、ドリフト層の厚みを薄くする、又はドリフト層のドナー不純物濃度を高くすることでオン抵抗を下げることができるが、それと同時に耐圧が低くなる。従って、n型ドリフト層を薄くし過ぎると、逆バイアスを印加したときの耐圧が低下する可能性がある。従って、一般的に窒化物パワーデバイスに期待される耐圧が300〜1200V程度であることを考慮すると、n型層の厚みは3μm以上が好ましい。n型層の厚みは、好ましくは、5μm以上、さらに好ましくは、10μm以上である。
半導体装置は、n型層の上面又は下面に隣接して形成されたp型層をさらに備えていても良い。すなわち、半導体装置は、pn接合を備えていても良い。
p型層は、n型層を構成する窒化物半導体(A)と同種又は異種の窒化物半導体(C)からなる。窒化物半導体(C)は、特に、GaNが好ましい。窒化物半導体(C)に関するその他の点については、窒化物半導体(A)と同様であるので、説明を省略する。
[A. 種類]
p型層は、アクセプタ不純物を含む。アクセプタ不純物としては、例えば、Mg、C、Ca、Znなどがある。p型層は、これらのいずれか1種のアクセプタ不純物を含むものでも良く、あるいは、2種以上を含むものでも良い。
アクセプタ不純物は、特に、Mgが好ましい。これは、その他のアクセプタ不純物と比較してMgがGaN中での活性化率が高く、広い濃度範囲での制御が可能なためである。
なお、C及びCaは窒化物半導体(C)のアクセプタとして機能するが、本願において「アクセプタ」という時は、C及びCaは除かれる。C及びCaは成長方法由来の不純物であり、制御が難しい、アクセプタとしての活性化率が低いなどといった問題があるためである。
p型層のアクセプタ不純物濃度は、半導体装置の電気的特性に影響を与える。用いるp型層のアクセプタ不純物濃度は、半導体装置内のp型層の役割によって決定される。p型層として働くためには、p型層のアクセプタ不純物濃度は、1×1014cm-3以上である必要がある。アクセプタ不純物濃度は、好ましくは、1×1015cm-3以上である。
例えば、後述する図5のp型層(B)106bベース領域には、1×1018cm-3以上1×1020cm-3以下程度のアクセプタ不純物を含むp型層が用いられる。また、例えば、電極とのオーミック特性を得るためには、アクセプタ不純物濃度は高い方が好ましく、1×1020cm-3以上が好ましい。
また、p型層においても、後述するHF−VPE法で成長させた場合、C、O、及びCa不純物の混入量が少ないp型層が得られる。
具体的には、後述する方法を用いると、C不純物の濃度は、1×1016cm-3以下となる。成長条件を最適化すると、C不純物の濃度は、1×1014cm-3以下、あるいは、5×1013cm-3以下となる。
同様に、後述する方法を用いると、O不純物の濃度は、1×1016cm-3以下となる。成長条件を最適化すると、O不純物の濃度は、1×1014cm-3以下、あるいは、5×1013cm-3以下となる。
同様に、後述する方法を用いると、Ca不純物の濃度は、1×1016cm-3以下となる。成長条件を最適化すると、Ca不純物の濃度は、1×1014cm-3以下となる。
さらに、後述する方法を用いると、C不純物、O不純物、及びCa不純物の濃度の総量は、アクセプタ不純物の濃度より低くなる。
[A. Si偏析領域]
「Si偏析領域」とは、n型層とp型層の界面に形成される領域であって、Si濃度がn型層内のSi濃度の2倍以上である領域をいう。
n型層を形成した後、さらにp型層を形成する場合において、n型層の表面を大気に曝すと、n型層の表面にSi偏析領域が形成される場合がある。また、この現象は、p型層を形成した後、n型層を形成する前に、p型層の表面を大気に曝した場合においても同様に確認される。
本発明に係る半導体装置は、後述するように、ハロゲンフリー気相成長(HF−VPE)装置を用いて製造される。HF−VPE装置は、大気開放することなく、n型層とp型層を連続して成長させることができる。そのため、本発明に係る半導体装置は、n型層とp型層(又は、p型層とn型層)の界面にSi偏析領域を含まない。
「Ca偏析領域」とは、n型層とp型層の界面に形成される領域であって、Caの濃度が1×1016cm-3以上である領域をいう。
本発明に係るn型層は、上述したように、Ca不純物の濃度が1×1016cm-3以下である。しかし、n型層を形成した後、さらにp型層を形成する場合において、n型層の表面を大気に曝すと、n型層の表面にCa偏析領域が形成される場合がある。この現象は、p型層を形成した後、n型層を形成する前に、p型層の表面を大気に曝した場合においても同様に確認される。
本発明に係る半導体装置は、HF−VPE装置を用いて製造されるため、大気開放することなく、n型層とp型層を連続して成長させることができる。そのため、本発明に係る半導体装置は、n型層とp型層の界面にCa偏析領域を含まない。
p型層の厚みは、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な厚みを選択することができる。例えば、電極とコンタクトを得る目的(図5の106a)であれば、数十〜数百nm程度の厚みで良い。また、MOSFETのチャネル部(図5の106b)については、数十nm〜数μmの間で求めるMOSFETの特性に応じて決定される。
半導体装置は、n型層とp型層の間に形成されたi型層をさらに備えていても良い。すなわち、半導体装置は、pin接合を備えていても良い。
i型層は、n型層を構成する窒化物半導体(A)と同種又は異種の窒化物半導体(D)からなる。窒化物半導体(D)は、特に、GaNが好ましい。これは、GaNが濃度制御が容易なため、i型層を作製しやすいこと、及びその他の窒化物半導体層(例えば、A、B、C)に用いることが容易なGaNとの格子定数のミスマッチがない(若しくは、少ない)ためである。
窒化物半導体(D)に関するその他の点については、窒化物半導体(A)と同様であるので、説明を省略する。
本発明において、「i型層」とは、ドナー不純物濃度がn型層より2桁以上低く、かつ、アクセプタ不純物の濃度がp型層より2桁以上低い層をいう。
i型層は、理想的には、意図的に添加されたドナー不純物及びアクセプタ不純物を含まない真性半導体層である。しかし、実用上において真性半導体からなるi型層を形成することは困難な場合があるため、1×1015cm-3〜1×1017cm-3程度のドナー不純物又はアクセプタ不純物をドープした層をi型層の代わりに用いることもある。
i型層の厚みは、特に限定されるものではなく、使用する半導体装置の耐圧やオン抵抗に応じて最適な厚みを選択することができる。
[1.5.1. 具体例1]
図1に、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の断面模式図を示す。図1において、半導体装置100aは、基板102と、基板102の表面に形成されたn型層104とを備えている。
図1において、基板102には、サファイア基板、SiC基板、GaN基板などが用いられる。また、n型層104は、n型GaN層であって、ドナー不純物濃度及びC、O、Ca不純物濃度が所定の範囲内にあるものからなる。なお、半導体装置100aを各種の用途に用いる場合には、通常、電極や他の層(いずれも、図示せず)などが必要に応じて形成される。
図2に、本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置の断面模式図を示す。図2において、半導体装置100bは、基板102と、基板102の表面に形成されたn型層104とを備えている。基板102の裏面には、第1電極112が形成され、n型層104の表面には、第2電極114が形成されている。
図2に示す半導体装置100bは、いわゆるショットキーバリアダイオードである。図2において、基板102は、n+GaN基板からなる。基板102の抵抗値は低いほど良いため、基板102のドナー濃度は高いほど良い。具体的には、基板(n+GaN基板)102のドナー濃度は、5×1018cm-3以上が好ましい。
一方、n型層104は、n−GaN層(ドリフト層)からなる。n型層104のドナー濃度は、ショットキーバリアダイオードの耐圧等によって決定されるが、おおよそ1×1015cm-3以上1×1017cm-3以下の濃度範囲が用いられる。
また、n型層104の表面には、第2電極114が形成される。第2電極114の材料は、ショットキー特性が得られるものである限りにおいて、特に限定されない。第2電極114としては、例えば、Ni/Au、Au、TiN、W、Ni、Alなどがある。
図3に、本発明の第3の実施の形態に係る半導体装置の断面模式図を示す。図3において、半導体装置100cは、基板102と、基板102の表面に形成されたn型層104と、n型層104の表面に設けられたp型層106とを備えている。また、基板102の裏面には、第1電極112が形成され、p型層106の表面には、第2電極114が形成されている。
さらに、n型層104は、高濃度のドナー不純物を含むn型層(A)104aと、低濃度のドナー不純物を含むn型層(B)104bの二層構造になっている。
n型層(B)104bは、n−GaN層(n−GaNドリフト層)からなる。n型層(B)104bのドナー濃度は、耐圧等によって決定されるが、おおよそ1×1015cm-3以上1×1017cm-3以下の濃度範囲が用いられる。
第1電極112及び第2電極114には、それぞれ、オーミック特性が得られるものを選択すれば良い。例えば、第1電極112としては、例えば、Ti/Al/Ni/Au、Ti/Al/Ti/Au、Ti/Al/Mo/Auなどがある。また、第2電極114としては、例えば、Pd/Au、Ag、Pd、Ni/Auなどがある。
図4に、本発明の第4の実施の形態に係る半導体装置の断面模式図を示す。図4において、半導体装置100dは、基板102と、基板102の表面に形成されたn型層104と、n型層104の表面に形成されたi型層108と、i型層108の表面に形成されたp型層106とを備えている。基板102の裏面には、第1電極112が形成され、p型層106の表面には、第2電極114が形成されている。
図5に、本発明の第5の実施の形態に係る半導体装置の断面模式図を示す。図5において、半導体装置100eは、
基板102と、
基板102の表面に形成されたn型層(B)104bと、
n型層14の表面に形成されたp型層(B)106bと、
p型層(B)106bの表面に形成されたn型層(A)104a及びp型層(A)106aと
を備えている。
基板102の裏面には、ドレイン電極116が形成されている。n型層(A)104a及びp型層(A)106aの表面には、ソース電極118が形成されている。さらに、n型層(B)104(b)の表面、並びに、p型層(B)106b及びn型層(A)104aの側面には、絶縁膜120を介して、ゲート電極122が形成されている。
図6に、本発明の第1の実施の形態に係るハロゲンフリー気相成長装置(以下、「HF−VPE装置」ともいう)の断面模式図を示す。図6において、HF−VPE装置10aは、以下の構成を備えている。
(1)HF−VPE装置10aは、
種結晶22を保持するためのサセプタ24を備えた結晶成長部20と、
金属源50から発生させた金属含有ガス(金属蒸気を含むガス)、及びこれと反応して無機化合物を生成する反応ガスを種結晶22に向かって供給するためのガス供給部40と、
種結晶22及び金属源50を加熱するための加熱装置62を備えた加熱部60と
を備えている。
(2)ガス供給部40は、
サセプタ24から離間して配置された、金属源50を保持するための第1ルツボ42と、
第1ルツボ42内にキャリアガスを供給し、金属含有ガスとキャリアガスとの混合ガスを種結晶22に向かって供給するためのキャリアガス供給装置と、
反応ガスを種結晶22に向かって供給するための反応ガス供給装置と、
を備えている。
(3)第1ルツボ42の開口部には、多孔バッフル板48が設けられている。
[2.1.1. サセプタ]
結晶成長部20は、種結晶22(すなわち、基板102)を保持するためのサセプタ24を備えている。サセプタ24は、反応容器26内に設置されている。反応容器26内は、排気装置(図示せず)を用いて雰囲気や圧力を制御できるようになっている。
サセプタ24の構造は、特に限定されるものではなく、目的に応じて、最適な構造を選択することができる。また、反応容器26の材料は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な材料を選択することができる。反応容器26としては、例えば、石英チャンバーなどがある。
図6に示す例において、サセプタ24は、第1ルツボ42の上方に配置されている。多孔バッフル板48を通って排出された混合ガスは、サセプタ24に向かって上昇する。
サセプタ24(又は、種結晶22)は、多孔バッフル板48(又は、第1ルツボ42の開口部)から所定の距離だけ離して配置される。多孔バッフル板48とサセプタ24の表面との間の距離(以下、「バッフル−サセプタ間距離」ともいう)は、固定されていても良く、あるいは、変更可能であっても良い。
(a)第1ルツボ42を固定した状態で、サセプタ24を移動可能なもの、
(b)サセプタ24を固定した状態で、第1ルツボ42を移動可能なもの、あるいは、
(c)サセプタ24と第1ルツボ42の双方を移動可能なもの
のいずれであっても良い。
単結晶の成長を安定して継続するためには、各部の温度をアクティブに制御するのが好ましい。そのためには、第1可動装置28は、サセプタ24を移動可能なものが好ましい。
種結晶22の表面の傾き角度は、固定されていても良く、あるいは、変更可能であっても良い。ここで、「種結晶の表面の傾き角度(以下、単に「傾き角度」ともいう)」とは、種結晶22の表面の法線方向と混合ガスの供給方向とのなす角をいう。
混合ガスは、通常、種結晶22の表面の法線方向から供給される。しかし、種結晶22の表面に対して斜め方向から混合ガスを供給すると、成長速度が増大する場合がある。このような場合、結晶成長部20に、傾き角度を変更するための角度変更装置30を設けるのが好ましい。
ガス供給部40は、金属含有ガス、及びこれと反応して無機化合物を生成する反応ガスを種結晶22に向かって供給するためのものである。金属含有ガスは、金属源50を所定の温度に加熱することにより発生させる。
ここで、「金属含有ガス」とは、溶融金属を蒸発させることにより得られる金属蒸気を含むガスをいう。金属源50は、金属のみからなるものでも良く、あるいは、金属と金属化合物の混合物でも良い。金属源50に適量の金属化合物が含まれる場合、金属化合物に含まれる元素を成長結晶にドープすることができる。
サセプタ24から離間して配置された、金属源50を保持するための第1ルツボ42と、
第1ルツボ42内にキャリアガスを供給し、金属含有ガスとキャリアガスとの混合ガスを種結晶22に向かって供給するためのキャリアガス供給装置と、
反応ガスを種結晶22に向かって供給するための反応ガス供給装置と、
を備えている。
また、第1ルツボ42の開口部には、多孔バッフル板48が設けられている。
本発明において、第1ルツボ42の開口部には、多孔バッフル板48が設けられている。この点が従来とは異なる。ここで、「多孔バッフル板」とは、複数の小径の貫通孔が形成された板状部材をいう。多孔バッフル板48は、
(a)混合ガスを第1ルツボ42の内部から外部に排出する機能、及び、
(b)第1ルツボ42の外部から内部への反応ガスの逆流を抑制する機能
を備えている必要がある。そのため、これらの機能が両立するように、貫通孔の直径及び数を選択するのが好ましい。
[A. 第1ルツボの構造]
第1ルツボ42の構造は、上述した機能を奏するものである限りにおいて、特に限定されない。図6に示す例において、第1ルツボ42は、
(a)金属源50を保持するための内ルツボ42aと、内ルツボ42aを収容するための外ルツボ42bとを備えており、
(b)内ルツボ42aの外壁面と外ルツボ42bの内壁面との間には、キャリアガスを内ルツボ42aの内部に向かって流すためのキャリアガス流路42cが設けられ、
(c)外ルツボ42bの底面には、キャリアガス流路42cにキャリアガスを導入するためのキャリアガス導入孔42dが設けられている。
なお、図6に示す例において、キャリアガス導入孔42dは、外ルツボ42bの底面に設けられているが、外ルツボ42bの側面に設けることもできる。
第1ルツボ42の材料は、特に限定されるものではなく、金属源50の種類に応じて、最適な材料を選択することができる。
第1ルツボ42の材料としては、例えば、黒鉛、SiCコート黒鉛、pBNコート黒鉛、TaCコート黒鉛などがある。特に、不純物濃度の低いドリフト層を成長させるためには、第1ルツボ42には、TaCコート黒鉛を用いるのが好ましい。
キャリアガス供給装置は、第1ルツボ42内にキャリアガスを供給し、金属含有ガスとキャリアガスとの混合ガスを種結晶22に向かって供給するためのものである。キャリアガス供給装置の構造は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な構造を選択することができる。図6に示す例において、キャリアガス供給装置は、キャリアガスを流すための配管44を備えており、その一端は外ルツボ42bのキャリアガス導入孔42dに接続され、他端はキャリアガス供給源(図示せず)に接続されている。
反応ガス供給装置は、反応ガスを種結晶22に向かって供給するためのものである。反応ガス供給装置は、反応ガスのみを供給するものでも良く、あるいは、反応ガスと希釈ガス(キャリアガス)との混合物を供給するものでも良い。また、ドーパントがガスである場合、反応ガス供給装置を用いてドーパントを供給することもできる。
一方、反応容器26内に導入された反応ガスは、反応容器26内を上昇し、第1ルツボ42の側方を通って中空円板の下面に衝突する。中空円板の下面に衝突した反応ガスは、流れの方向が水平方向(第1ルツボ42の開口部の方向)に変えられ、多孔バッフル板48の上方において混合ガスと合流する。合流ガス(混合ガスと反応ガスの混合物)は、中空円板の開口部で再び流れの方向が鉛直上方に変えられ、種結晶22の表面に供給される。
[2.3.1. 加熱装置]
加熱部60は、種結晶22(又は、サセプタ24)及び金属源50(又は、第1ルツボ42)を加熱するための加熱装置62を備えている。加熱装置62の構造は特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な構造を選択することができる。
加熱装置62としては、例えば、
(a)ヒーターを用いて種結晶22及び金属源50を加熱する抵抗加熱装置、
(b)RFコイルを用いて種結晶22及び金属源50を加熱する高周波加熱装置
などがある。
一方、高周波加熱装置は、反応容器26の材料を最適化することにより、反応容器26を直接加熱することなく、種結晶22及び金属源50を直接加熱することができる。そのため、高周波加熱装置は、特に単結晶の成長温度が反応容器26の耐熱温度より高い場合に有効である。
一方、1個の加熱装置62を用いる場合、装置の構造は比較的単純となるが、各部の温度をアクティブに制御するのが難しい。この場合、後述する第2可動装置64を用いて、加熱装置62と第1ルツボ42との間の位置を制御するのが好ましい。
加熱装置62は、反応容器26の外部であって、種結晶22及び第1ルツボ42の周囲に配置される。加熱装置62と第1ルツボ42との間の距離(以下、「加熱装置−ルツボ間距離」という)は、固定されていても良く、あるいは、変更可能になっていても良い。
ここで、「加熱装置−ルツボ間距離」とは、加熱装置62の垂直方向の基準点(例えば、中心軸が垂直方向に配置されたRFコイルの下端)と第1ルツボ42の垂直方向の基準点(例えば、第1ルツボ42内の金属源50の表面)との間の距離(垂直方向距離)をいう。
(a)第1ルツボ42を固定した状態で、加熱装置62を移動可能なもの、
(b)加熱装置62を固定した状態で、第1ルツボ42を移動可能なもの、あるいは、
(c)加熱装置62と第1ルツボ42の双方を移動可能なもの
のいずれであっても良い。
単結晶の成長を安定して継続するためには、各部の温度をアクティブに制御するのが好ましい。そのためには、第2可動装置64は、加熱装置62を移動可能なものが好ましい。
HF−VPE装置10aは、サセプタ24(又は、成長結晶)の温度、第1ルツボ42の温度、キャリアガス流量、反応ガス流量などを制御するための制御部(図示せず)を備えている。HF−VPE装置10aが第1可動装置28、第2可動装置64、あるいは角度変更装置30を備えている場合、制御部は、これらの動作の制御も行う。
第1ルツボ42に金属源50を入れ、所定の温度に加熱すると、金属蒸気が発生する。これと同時に、反応ガス供給装置を用いて反応ガスを供給すると、種結晶22(又は、基板102)の表面に無機化合物(例えば、窒化物半導体)が成長する。この時、反応ガスにドナーを含む原料ガスを添加すると、n型層を形成することができる。一方、反応ガスにアクセプタを含む原料ガスを添加すると、p型層を形成することができる。さらに、原料温度、成長面の温度、及び多孔バッフル板の温度を最適化すると、良質の無機化合物を形成することができる。
例えば、GaNを成長させる場合、金属源50には金属Gaを用い、反応ガスには、NH3を用いるのが好ましい。また、金属蒸気及び反応ガスを輸送するためのキャリアガスには、N2、Arなどの不活性ガスを用いるのが好ましい。但し、金属源50としてInを用いる場合、あるいは、アクセプタとしてMgを用いる場合、これらはN2と反応する。このような場合、キャリアガスには、希ガス(He、Ar、Ne、Xe等)を用いる方が良い。
ドナーとしてGeを用いる場合、ドナーを含む原料ガスには、四塩化ゲルマニウム(GeCl4)などを用いるのが好ましい。
さらに、アクセプタとしてMgを用いる場合、アクセプタを含む原料ガスには、ビス(シクロペンタジエニル)マグネシウム(Cp2Mg)などを用いるのが好ましい。
GaNの分解温度は、約1200℃である。金属源50の温度がGaNの分解温度以下であると、第1ルツボ42内に微量に混入した反応ガスと金属Gaとが反応し、金属Gaの表面に不動態膜(蒸発速度の遅い膜)が形成される。その結果、成長速度が低下する。従って、金属源50の温度は、1200℃超が好ましい。
一方、金属源50の温度が高くなりすぎると、第1ルツボ42から排出された金属蒸気を含むキャリアガスと反応ガスとが混合した時に、反応ガスの分解が過度に進行する。その結果、種結晶22表面における実質的な反応ガスの分圧が低下する。従って、金属源50の温度は、1350℃未満が好ましい。
一方、成長部の温度が高くなりすぎると、成長したGaN層が分解し、Ga液膜が生じる.従って、成長部の温度は、1200℃未満が好ましい。
GaN以外の窒化物半導体を成長させる場合も同様であり、上述した観点から、各部の温度を制御するのが好ましい。
図7に、本発明の第2の実施の形態に係るHF−VPE装置の断面模式図を示す。図7において、HF−VPE装置10bは、以下の構成を備えている。
(1)HF−VPE装置10bは、
種結晶22を保持するためのサセプタ24を備えた結晶成長部20と、
金属源50から発生させた金属含有ガス、及びこれと反応して無機化合物を生成する反応ガスを種結晶22に向かって供給するためのガス供給部と、
種結晶22及び金属源50を加熱するための加熱装置62を備えた加熱部60と、
を備えている。
(2)ガス供給部40は、
サセプタ24から離間して配置された、金属源50を保持するための第1ルツボ42と、
第1ルツボ42内にキャリアガスを供給し、金属含有ガスとキャリアガスとの混合ガスを種結晶22に向かって供給するためのキャリアガス供給装置と、
反応ガスを種結晶22に向かって供給するための反応ガス供給装置と、
を備えている。
(3)第1ルツボ42の開口部には、多孔バッフル板48が設けられている。
(4)HF−VPE装置10bは、
ドナー原料74を保持するための第2ルツボ72と、
第2ルツボ72を加熱するための加熱装置76と
をさらに備え、
第2ルツボ72のキャリアガス導入孔72dは、キャリアガス供給装置に接続されており、
第2ルツボ72の開口部は、第1ルツボ42のキャリアガス導入孔42dに接続されている。
第2ルツボ72は、ドナー原料74を保持するためのものである点を除き、第1ルツボ42と同様の構造を備えている。すなわち、第2ルツボ72は、
(a)ドナー原料74を保持するための内ルツボ72aと、内ルツボ72aを収容するための外ルツボ72bとを備えており、
(b)内ルツボ72aの外壁面と外ルツボ72bの内壁面との間には、キャリアガスを内ルツボ72aの内部に向かって流すためのキャリアガス流路72cが設けられ、
(c)外ルツボ72bの底面には、キャリアガス流路72cにキャリアガスを導入するためのキャリアガス導入孔72dが設けられている。
さらに、外ルツボ72bの上部には、内ルツボ72aの先端に達したキャリアガスの流れをドナー原料74に向かう方向に変更するためのキャリアガス流方向調整器72eが設けられている。
第2ルツボ72には、固体のドナー原料74が充填される。ドナー原料74は、ドナーの種類に応じて、最適なものを選択するのが好ましい。
例えば、ドナーとしてSiを用いる場合、ドナー原料に74は、高純度のSi固体を用いるのが好ましい。また、ドナーとしてGeを用いる場合、ドナー原料74には、高純度のGe固体を用いるのが好ましい。成長結晶の不純物を低くするには、ドナー原料74は、塩化物を含まない固体原料が好ましい。
Siの飽和蒸気圧は、次の式(1)の実験式(アントワン式)で見積もることができる。ここで、PsatはSiの飽和蒸気圧、A、B、Cは材料固有の定数、Tは絶対温度を表す。
Psat=10A-B/T/TC ・・・(1)
ドナー原料74として、Ge固体を用いる場合も同様であり、式(1)を用いてGeの飽和蒸気圧を計算することができる。
図7に示すように第1ルツボ42及び第2ルツボ72を配置する場合、金属源50及びドナー原料74の蒸気が種結晶22の表面に供給される。例えば、第2ルツボ72よりも第1ルツボ42の温度が低い場合、第2ルツボ72で蒸発した原料(又は、ドープ不純物)ガスが第1ルツボ42で冷却され、原料(又は、ドープ不純物)の液滴が形成される可能性がある。そのため、種結晶22側には高温のルツボを配置し、キャリアガスの流入側に低温のルツボを配置するのが好ましい。また、各ルツボの原料(又はドープ原料)の温度は、原料(又は、ドープ原料)の各温度における飽和蒸気圧に基づいた供給量を勘案して決定するのが好ましい。
HF−VPE装置10bのその他の点については、第1の実施の形態に係るHF−VPE装置10aと同様であるので、説明を省略する。
第1ルツボ42に金属源50を入れ、所定の温度に加熱すると、金属蒸気が発生する。これと同時に、反応ガス供給装置を用いて反応ガスを供給すると、種結晶22(又は、基板102)の表面に無機化合物(例えば、窒化物半導体)が成長する。この時、固体のドナー原料74が充填された第2ルツボ72を加熱すると、ドナーを含む蒸気が発生し、第1ルツボ42に供給される。その結果、種結晶22(基板102)の表面に、ドナー不純物を含むn型層を形成することができる。
なお、第2ルツボ72にドナー原料74に代えて、アクセプタ原料を入れると、種結晶22(基板102)の表面に、アクセプタ不純物を含むp型層を形成することもできる。
図8に、本発明の第3の実施の形態に係るHF−VPE装置の断面模式図を示す。図8において、HF−VPE装置10cは、以下の構成を備えている。
(1)HF−VPE装置10cは、
種結晶22を保持するためのサセプタ24を備えた結晶成長部20と、
金属源50から発生させた金属含有ガス、及びこれと反応して無機化合物を生成する反応ガスを種結晶22に向かって供給するためのガス供給部と、
種結晶22及び金属源50を加熱するための加熱装置62を備えた加熱部60と、
を備えている。
(2)ガス供給部40は、
サセプタ24から離間して配置された、金属源50を保持するための第1ルツボ42と、
第1ルツボ42内にキャリアガスを供給し、金属含有ガスとキャリアガスとの混合ガスを種結晶22に向かって供給するためのキャリアガス供給装置と、
反応ガスを種結晶22に向かって供給するための反応ガス供給装置と、
を備えている。
(3)第1ルツボ42の開口部には、多孔バッフル板48が設けられている。
(4)HF−VPE装置10bは、
ドナー原料74を保持するための第2ルツボ72と、
第2ルツボ72を加熱するための加熱装置76と
をさらに備え、
第2ルツボ72のキャリアガス導入孔72dは、キャリアガス供給装置に接続されており、
第2ルツボ72の開口部は、第1ルツボ42の第1キャリアガス導入孔42dに接続されている。
(5)HF−VPE装置10bは、
アクセプタ原料80を保持するための第3ルツボ78と、
第3ルツボ78を加熱するための加熱装置82と
をさらに備え、
第3ルツボ78のキャリアガス導入孔78dは、キャリアガス供給装置に接続されており、
第3ルツボ78の開口部は、第1ルツボ42の第2キャリアガス導入孔42d’に接続されている。
第3ルツボ78は、アクセプタ原料80を保持するためのものである点を除き、第1ルツボ42及び第2ルツボ72と同様の構造を備えている。すなわち、第3ルツボ78は、
(a)アクセプタ原料80を保持するための内ルツボ78aと、内ルツボ78aを収容するための外ルツボ78bとを備えており、
(b)内ルツボ78aの外壁面と外ルツボ78bの内壁面との間には、キャリアガスを内ルツボ78aの内部に向かって流すためのキャリアガス流路78cが設けられ、
(c)外ルツボ78bの底面には、キャリアガス流路78cにキャリアガスを導入するためのキャリアガス導入孔78dが設けられている。
さらに、外ルツボ78bの上部には、内ルツボ78aの先端に達したキャリアガスの流れをアクセプタ原料80に向かう方向に変更するためのキャリアガス流方向調整器78eが設けられている。
第3ルツボ78には、固体のアクセプタ原料80が充填される。アクセプタ原料80は、アクセプタの種類に応じて、最適なものを選択するのが好ましい。
例えば、アクセプタとしてMgを用いる場合、アクセプタ原料に80は、高純度のMg固体を用いるのが好ましい。成長結晶の不純物を低くするには、アクセプタ原料80は、塩化物を含まない固体原料が好ましい。
アクセプタ原料80としてMg固体を用いる場合、上述した式(1)を用いて飽和蒸気圧を計算することができる。
また、固体のドナー原料74と同様の理由から、第3ルツボ78を加熱するための加熱装置82には、低温側の制御が容易な抵抗加熱を用いるのが好ましい。
なお、Mgは、800℃以下ではN2と反応してMg3N2を形成する。Mg原料の表面にMg3N2が形成されると、Mg供給量が式(1)で計算される量から大幅にずれてしまう。そのため、Mgを供給するためのキャリアガスには、N2ガスではなく、希ガスを用いるのが好ましい。
図8に示すHF−VPE装置10cにおいて、第2ルツボ72及び第3ルツボ78は、第1ルツボ42に対して並列に接続されている。そのため、ドナー原料74の蒸気、又はアクセプタ原料80の蒸気のいずれか一方を第1ルツボ42に供給することができる。
HF−VPE装置10cのその他の点については、第1及び第2の実施の形態に係るHF−VPE装置10a、10bと同様であるので、説明を省略する。
第1ルツボ42に金属源50を入れ、所定の温度に加熱すると、金属蒸気が発生する。これと同時に、反応ガス供給装置を用いて反応ガスを供給すると、種結晶22(又は、基板102)の表面に無機化合物(例えば、窒化物半導体)が成長する。この時、固体のドナー原料74が充填された第2ルツボ72を加熱すると、ドナーを含む蒸気が発生し、第1ルツボ42に供給される。その結果、種結晶22(基板102)の表面に、ドナー不純物を含むn型層を形成することができる。
一方、固体のアクセプタ原料80が充填された第2ルツボ78を加熱すると、アクセプタを含む蒸気が発生し、第1ルツボ42に供給される。その結果、種結晶22(基板102)の表面に、アクセプタ不純物を含むp型層を形成することができる。
本発明に係る半導体装置の製造方法は、
ハロゲンフリー気相成長(HF−VPE)装置を用いて、基板の表面に、
(a)ドナー不純物(Oを除く)の濃度が1×1015cm-3以上1×1020cm-3以下であり、C不純物の濃度が1×1016cm-3以下であり、O不純物の濃度が1×1016cm-3以下であり、Ca不純物の濃度が1×1016cm-3以下あり、かつ、前記C不純物、前記O不純物、及び前記Ca不純物の濃度の総量が前記ドナー不純物の濃度より低い窒化物半導体(A)からなるn型層、又は、
(b)前記n型層を構成する窒化物半導体(A)と同種又は異種の窒化物半導体(C)からなり、かつ、アクセプタ不純物(C及びCaを除く)の濃度が1×1015cm-3以上1×1020cm-3以下であり、C不純物の濃度が1×1016cm-3以下であり、O不純物の濃度が1×1016cm-3以下であり、Ca不純物の濃度が1×1016cm-3以下であり、かつ、前記C不純物、前記O不純物、及び前記Ca不純物の濃度の総量が前記アクセプタ不純物の濃度より低いp型層
のいずれか一方を形成する第1工程と、
前記基板を大気開放することなく、引き続き前記HF−VPE装置内において、前記n型層又は前記p型層が形成された前記基板の表面に、さらに前記p型層又は前記n型層を形成する第2工程と
を備えている。
そのため、HF-VPE装置を用いると、
(a)ドナー不純物濃度が相対的に低く、かつ、C、O、Ca不純物の濃度が従来に比べて低いn型層(ドリフト層)を備えた半導体装置、
(b)p型層とn型層との界面にSiやCaが偏析した領域を含まないpn接合を備えた半導体装置、あるいは、
(c)耐圧の高いn型層(ドリフト層)を備えた半導体装置
を作製することができる。
HF−VPE法を用いると、装置又は原料由来のC、H、O不純物の混入がなく、低濃度のn型ドリフト層の自由電子濃度制御を容易に行うことができる。また、HF−VPE法では、窒化物半導体のn型層とp型層の両方を形成可能であるため、n型層成長後、p型層を形成する前に(又は、p型層成長後、n型層を形成する前に)、大気開放を行う必要がない。そのため、n型層とp型層の界面における、意図しないSi偏析領域、及びCa偏析領域の形成を抑制でき、理想的な特性を持つpn接合を作製できる。
さらに、HF−VPE法では、一般的に用いられるハイドライド気相成長(HVPE法)と異なり、n型層だけでなく、Mgをドープしたp型層の成長も容易に実施することができる。そのため、n型層とp型層の連続成長が可能となり、大気開放によるSi不純物の表面付着を回避できる。また、これによって、pn界面にスパイク状のSi不純物を含まないpn接合を作製することができる。
n型層とp型層の連続成長が可能となるため、大気開放に伴ってpn接合界面に形成されていた偏析(濃度5×1018cm-3程度のSiの偏析、あるいは、濃度1×1016cm-3以上のCaの偏析)を抑制することができる。
また、MOCVD法では、p型GaN層及びn型GaN層の双方を大気開放せずに連続的に成長させることができる。しかし、原料として用いる有機金属原料由来のC不純物の混入が避けられないため、C不純物フリーのドリフト層を作製することができない。また、成長速度も最大で10μm/h程度であるため、パワーデバイスに用いられる厚さ10μm程度のドリフト層の成長に用いることは、成長時間が長くなるため、コストや生産性の観点から現実的ではない。
これに対し、HF-VPE法は、表1に示すように、濃度設計通りのpn接合を歩留まり高く、かつ高速(10μm/h以上)に作製することが可能である。また、p型層とn型層の双方の作製が可能であり、意図しない不純物を限りなく低減することができる。
[1. 試料の作製]
図7に示すHF−VPE装置10bを用いて、Siをドープしたn型GaN層を成長させた。金属Gaを第1ルツボ42(材質:TaCコート黒鉛)の内ルツボ42aに配置し、内ルツボ42aと外ルツボ42bの間にキャリアガス(N2)を流し、Ga蒸気を種結晶22(基板102)に輸送した。また、反応ガスには、N2で希釈したNH3を用いた。
キャリアガス(N2)流量は1slm、NH3流量は4slm、希釈ガス(N2)流量は1slmとし、圧力は2kPaとした。金属源50の温度は1300℃、サセプタ24の温度は1100℃とした。
図9に、HF−VPE法で作製したn型ドリフト層の不純物濃度のSIMS分析結果を示す。図9より、Si不純物濃度が約1×1017cm-3で均一に成長できていることが確認できる。さらに、HF−VPE法では、成長に用いるガスとして、成長装置内部の部材を腐食させやすい塩化水素(HCl)ガスを用いていない。また、III族原料に有機金属を用いていないため、装置部材や原料からのC、H、O不純物の混入を限りなく低減することができる。そのため、C、H、O不純物は、SIMS分析のバックグラウンドレベル以下となっている。
Ca不純物の濃度は、本成長条件では2×1015cm-3程度であったが、成長条件によってはSIMSのバックグラウンドレベル以下まで低減可能であることを確認している。Ca不純物は、ドリフト層の目的の自由電子濃度である1×1017cm-3よりも2桁程度小さく、自由電子濃度に影響を与えていないことが確認された。Ca不純物濃度についても、1×1017cm-3よりも1桁程度低い1×1016cm-3以下であることが求められる。
[1. 試料の作製]
各種成長法を用いて、n−GaN層を形成した。成長方法には、HF-VPE法(実施例2)、HVPE法(比較例1)、及びMOCVD法(比較例2)を用いた。
n−GaN層の低温カソードルミネッセンス(CL)分析を行い、スペクトル評価を行った。加速電圧は、5kV又は10kVとした。図10に、各種成長法で成長させたn−GaN層の低温カソードルミネッセンス分析結果を示す。
HVPE法及びMOCVD法で成長させたn−GaN層には、不純物由来の欠陥に起因する発光であるYL、GLが確認された。一方、HF−VPE法で成長させたn−GaN層には、YL及びGLが確認されなかった。すなわち、HF−VPE法では、非常に高純度のGaN成長が可能であるため、不純物が形成する欠陥準位密度が非常に少ないことを示している。
102 基板
104 n型層
106 p型層
108 i型層
Claims (14)
- 以下の構成を備えた半導体装置。
(1)前記半導体装置は、
基板と、
前記基板の表面に形成された、窒化物半導体(A)からなるn型層と
を備えている。
(2)前記n型層は、
ドナー不純物(Oを除く)の濃度が1×1015cm-3以上1×1020cm-3以下であり、
C不純物の濃度が1×1016cm-3以下であり、
O不純物の濃度が1×1016cm-3以下であり、
Ca不純物の濃度が1×1016cm-3以下であり、かつ、
前記C不純物、前記O不純物、及び前記Ca不純物の濃度の総量が前記ドナー不純物の濃度より低い。 - 前記n型層は、前記ドナー不純物の濃度が5×1015cm-3以上1×1018cm-3以下である請求項1に記載の半導体装置。
- 前記窒化物半導体(A)は、GaNからなり、
前記ドナー不純物は、Si及び/又はGeからなる
請求項1又は2に記載の半導体装置。 - 前記n型層の厚みが3μm以上である請求項1から3までのいずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記基板は、
(a)サファイア、
(b)SiC、又は、
(c)前記n型層を構成する窒化物半導体(A)と同種又は異種の窒化物半導体(B)
からなる請求項1から4までのいずれか1項に記載の半導体装置。 - 前記窒化物半導体(B)は、GaNからなる請求項5に記載の半導体装置。
- 以下の構成をさらに備えた請求項1から6までのいずれか1項に記載の半導体装置。
(3)前記半導体装置は、
前記n型層の上面又は下面に隣接して形成されたp型層をさらに備え、
前記p型層は、前記n型層を構成する窒化物半導体(A)と同種又は異種の窒化物半導体(C)からなり、
アクセプタ不純物(C、及びCaを除く)の濃度が1×1015cm-3以上1×1020cm-3以下であり、
C不純物の濃度が1×1016cm-3以下であり、
O不純物の濃度が1×1016cm-3以下であり、
Ca不純物の濃度が1×1016cm-3以下であり、かつ、
前記C不純物、前記O不純物、及び前記Ca不純物の濃度の総量が前記アクセプタ不純物の濃度より低い。
(4)前記n型層の前記p型層側の表面に、Siの濃度が前記n型層内の前記Siの濃度の2倍以上であるSi偏析領域を含まない。
(5)前記n型層の前記p型層側の表面に、Caの濃度が1×1016cm-3以上であるCa偏析領域を含まない。 - 前記窒化物半導体(C)は、GaNからなり、
前記アクセプタ不純物は、Mgである
請求項7に記載の半導体装置。 - 前記n型層と前記p型層との間に形成されたi型層をさらに備え、
前記i型層は、前記n型層を構成する窒化物半導体(A)と同種又は異種の窒化物半導体(D)からなり、前記ドナー不純物の濃度が前記n型層より2桁以上低く、かつ、前記アクセプタ不純物の濃度が前記p型層より2桁以上低い
請求項7又は8に記載の半導体装置。 - 前記窒化物半導体(D)は、GaNからなる請求項9に記載の半導体装置。
- 以下の構成を備えた半導体装置の製造方法。
(1)前記半導体装置の製造方法は、
ハロゲンフリー気相成長(HF−VPE)装置を用いて、基板の表面に、
(a)ドナー不純物(Oを除く)の濃度が1×1015cm-3以上1×1020cm-3以下であり、C不純物の濃度が1×1016cm-3以下であり、O不純物の濃度が1×1016cm-3以下であり、Ca不純物の濃度が1×1016cm-3以下であり、かつ、前記C不純物、前記O不純物、及び前記Ca不純物の濃度の総量が前記ドナー不純物の濃度より低い窒化物半導体(A)からなるn型層、又は、
(b)前記n型層を構成する窒化物半導体(A)と同種又は異種の窒化物半導体(C)からなり、かつ、アクセプタ不純物(C及びCaを除く)の濃度が1×1015cm-3以上1×1020cm-3以下であり、C不純物の濃度が1×1016cm-3以下であり、O不純物の濃度が1×1016cm-3以下であり、Ca不純物の濃度が1×1016cm-3以下であり、かつ、前記C不純物、前記O不純物、及び前記Ca不純物の濃度の総量が前記アクセプタ不純物の濃度より低いp型層
のいずれか一方を形成する第1工程と、
前記基板を大気開放することなく、引き続き前記HF−VPE装置内において、前記n型層又は前記p型層が形成された前記基板の表面に、さらに前記p型層又は前記n型層を形成する第2工程と
を備えている。
(2)前記HF−VPE装置は、
前記基板を保持するためのサセプタを備えた結晶成長部と、
金属源から発生させた金属含有ガス(金属蒸気を含むガス)、及びこれと反応して無機化合物を生成する反応ガスを前記基板に向かって供給するためのガス供給部と、
前記基板及び前記金属源を加熱するための加熱装置を備えた加熱部と
を備えている。
(3)前記ガス供給部は、
前記サセプタから離間して配置された、前記金属源を保持するための第1ルツボと、
前記第1ルツボ内にキャリアガスを供給し、前記金属含有ガスと前記キャリアガスとの混合ガスを前記種結晶に向かって供給するためのキャリアガス供給装置と、
前記反応ガスを前記種結晶に向かって供給するための反応ガス供給装置と、
を備えている。
(4)第1ルツボの開口部には、多孔バッフル板が設けられている。 - 前記窒化物半導体(A)及び前記窒化物半導体(C)は、それぞれ、GaNからなり、
前記ドナー不純物は、Si及び/又はGeからなり、
前記アクセプタ不純物は、Mgからなる
請求項11に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記第1工程と前記第2工程との間に、i型層を形成する第3工程をさらに備え、
前記i型層は、前記n型層を構成する窒化物半導体(A)と同種又は異種の窒化物半導体(D)からなり、前記ドナー不純物の濃度が前記n型層より2桁以上低く、かつ、前記アクセプタ不純物の濃度が前記p型層より2桁以上低い
請求項11又は12に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記窒化物半導体(D)は、GaNからなる請求項13に記載の半導体装置の製造方法。
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Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009269816A (ja) * | 2006-03-13 | 2009-11-19 | Tohoku Univ | 窒化ガリウム系材料及びその製造方法 |
JP2014073918A (ja) * | 2012-10-03 | 2014-04-24 | Tokuyama Corp | N型iii族窒化物半導体及びその製造方法 |
WO2015053341A1 (ja) * | 2013-10-09 | 2015-04-16 | 国立大学法人大阪大学 | Iii族元素窒化物結晶の製造方法、iii族元素窒化物結晶、半導体装置、およびiii族元素窒化物結晶製造装置 |
WO2016017480A1 (ja) * | 2014-08-01 | 2016-02-04 | 株式会社トクヤマ | n型窒化アルミニウム単結晶基板 |
WO2017159311A1 (ja) * | 2016-03-15 | 2017-09-21 | 三菱ケミカル株式会社 | GaN結晶の製造方法 |
WO2018042792A1 (ja) * | 2016-08-31 | 2018-03-08 | 国立研究開発法人科学技術振興機構 | 化合物半導体及びその製造方法ならびに窒化物半導体 |
Family Cites Families (15)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH08157295A (ja) | 1994-12-01 | 1996-06-18 | Crystal Device:Kk | 薄膜形成方法 |
JPH11209199A (ja) | 1998-01-26 | 1999-08-03 | Sumitomo Electric Ind Ltd | GaN単結晶の合成方法 |
JP2000290777A (ja) | 1999-04-07 | 2000-10-17 | Tokyo Electron Ltd | ガス処理装置、バッフル部材、及びガス処理方法 |
JP3961750B2 (ja) | 2000-08-21 | 2007-08-22 | 独立行政法人産業技術総合研究所 | 単結晶の成長装置および成長方法 |
JP4670002B2 (ja) | 2004-07-20 | 2011-04-13 | 学校法人早稲田大学 | 窒化物単結晶の製造方法 |
JP4462251B2 (ja) | 2006-08-17 | 2010-05-12 | 日立電線株式会社 | Iii−v族窒化物系半導体基板及びiii−v族窒化物系発光素子 |
JP4751373B2 (ja) | 2007-07-09 | 2011-08-17 | 住友電気工業株式会社 | GaN単結晶の合成方法 |
JP5520455B2 (ja) | 2008-06-11 | 2014-06-11 | 東京エレクトロン株式会社 | プラズマ処理装置 |
JP5888317B2 (ja) | 2009-06-29 | 2016-03-22 | 住友電気工業株式会社 | Iii族窒化物結晶 |
JP5446622B2 (ja) | 2009-06-29 | 2014-03-19 | 住友電気工業株式会社 | Iii族窒化物結晶およびその製造方法 |
JP6197897B2 (ja) | 2010-03-15 | 2017-09-20 | 株式会社リコー | 窒化ガリウム結晶、13族窒化物結晶、結晶基板、およびそれらの製造方法 |
JP5887697B2 (ja) | 2010-03-15 | 2016-03-16 | 株式会社リコー | 窒化ガリウム結晶、13族窒化物結晶、結晶基板、およびそれらの製造方法 |
JP2013227202A (ja) | 2012-03-30 | 2013-11-07 | Mitsubishi Chemicals Corp | 周期表第13族金属窒化物半導体結晶の製造方法、および、当該製造方法によって得られた周期表第13族金属窒化物半導体結晶を用いた半導体発光デバイス |
JP5772941B2 (ja) | 2013-12-25 | 2015-09-02 | 東レ株式会社 | プラズマcvd装置 |
JP6396939B2 (ja) | 2016-03-31 | 2018-09-26 | 株式会社サイオクス | 窒化物半導体基板、半導体装置、および窒化物半導体基板の製造方法 |
-
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Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009269816A (ja) * | 2006-03-13 | 2009-11-19 | Tohoku Univ | 窒化ガリウム系材料及びその製造方法 |
JP2014073918A (ja) * | 2012-10-03 | 2014-04-24 | Tokuyama Corp | N型iii族窒化物半導体及びその製造方法 |
WO2015053341A1 (ja) * | 2013-10-09 | 2015-04-16 | 国立大学法人大阪大学 | Iii族元素窒化物結晶の製造方法、iii族元素窒化物結晶、半導体装置、およびiii族元素窒化物結晶製造装置 |
WO2016017480A1 (ja) * | 2014-08-01 | 2016-02-04 | 株式会社トクヤマ | n型窒化アルミニウム単結晶基板 |
WO2017159311A1 (ja) * | 2016-03-15 | 2017-09-21 | 三菱ケミカル株式会社 | GaN結晶の製造方法 |
WO2018042792A1 (ja) * | 2016-08-31 | 2018-03-08 | 国立研究開発法人科学技術振興機構 | 化合物半導体及びその製造方法ならびに窒化物半導体 |
Also Published As
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