JP3654307B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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【産業上の利用分野】
本発明は、GaN系の化合物半導体層を形成する方法、及びGaN系の化合物半導体層を有する半導体装置に関する。GaN系の化合物半導体は、青色から紫外領域の発光をする材料として注目されている。
【0002】
【従来の技術】
従来、GaN層は有機金属気相成長法を用いて、サファイア(α−Al2 O3 )基板上に形成されていた。サファイア基板上へのGaN層の形成は、例えば、基板温度を500℃とし、トリメチルガリウム(TMGa)とアンモニア(NH3 )を供給して厚さ約30nmの多結晶のGaNバッファ層を堆積する。次に基板温度を1030℃とし、上記と同じ原料ガスを用いてGaN層を堆積する。このように、GaN層堆積開始時の基板温度を500℃程度として多結晶のバッファ層を形成しておくことにより、その上に高品質な単結晶のGaN層を形成することができる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
従来の技術を用いてサファイア基板上に単結晶のGaN層を形成することができる。しかし、サファイア基板には導電性がないため、基板裏面から電極を取り出すことができない。基板の表面のみから電極を引き出すと、正負両方の電極形成領域を確保する必要があるため、チップ面積の縮小が困難になる。
【0004】
また、サファイア基板には劈開性がない。劈開により反射面を形成することができないため、レーザダイオードへの適用が困難になる。
本発明の目的は、導電性及び劈開性を有するSiC基板上にGaN系の化合物半導体層を形成する技術を提供することである。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置の製造方法は、上面を有するSiC基板を準備する工程と、前記SiC基板の温度を、多結晶のGa 1−x−y Al x In y N層(0≦x≦0.2、0≦y≦0.3)が成長する第1の温度から、該第1の温度よりも300℃以上高く、かつGa 1−i−j Al i In j N層(0≦i≦0.2、0≦j≦0.3)がエピタキシャル成長する第2の温度まで上昇させながら、前記SiC基板の上面にGa1−x−yAlxInyN層(0≦x≦0.2、0≦y≦0.3)を堆積する工程と、前記SiC基板の温度を前記第2の温度に維持したまま、前記Ga1−x−yAlxInyN層の上に他のGa1−i−jAliInjN層(0≦i≦0.2、0≦j≦0.3)を堆積する工程とを含む。
【0007】
前記SiC基板として、{0001}、{10−10}、{11−20}面のうち少なくとも1つの面に垂直な面が表出した上面を有する基板を用いてもよい。
【0009】
【作用】
SiC基板の表面に比較的低温でGa1-x-y Alx Iny N層(0≦x≦0.2、0≦y≦0.3)を形成すると、多結晶のGaAlInN層が得られる。さらに、基板温度をエピタキシャル成長する温度まで徐々に上昇させながらGaAlInN層を形成し、エピタキシャル成長する温度で一定時間GaAlInN層を形成すると、高品質のGaAlInN層を得ることができる。
【0010】
これは、基板温度を徐々に上昇させるため、多結晶のGaAlInN層の特定の一部の結晶粒のみが大きく成長することなく、各結晶粒が平均的に成長するためと考えられる。
【0011】
SiC基板の表面にバッファ層としてIII族元素としてAlを含み、V族元素がNであり、III族元素中のAlの組成比が0.5以上であるIII−V族化合物半導体層を形成し、このバッファ層の上にGaAlInN層を形成すると、高品質のGaAlInN層を得ることができる。
【0012】
SiC基板として、{0001}、{10−10}、{11−20}面のうち少なくとも1つの面に垂直な面が表出した上面を有する基板を用いると、上面に垂直な面で劈開することができる。従って、レーザ共振器の作製が容易になる。
【0013】
【実施例】
まず、サファイア基板上にGaN層を成長させる方法と同様の方法で、SiC基板上にGaN層を形成する予備実験を行った結果について説明する。
【0014】
図1は、GaN層の形成に用いた有機金属気相成長(MOCVD)装置の概略断面図を示す。内部空間を有する処理容器1の一端から、原料ガス導入管4及びパージ用ガス導入管5が挿入されており、処理容器1の内部に原料ガス及びパージ用ガスが導入される。処理容器1の他端にはガス排気管6が接続されており、ガス排気管6から処理容器1内のガスが排気される。
【0015】
処理容器1の内部空間にはカーボン製の基板保持台2が配置されており、GaN層形成時には、基板保持台2の下面に基板7が保持される。処理容器1の外部には、基板保持台2を取り囲むように高周波コイル3が巻かれている。高周波コイル3に高周波電流を流すことにより、基板保持台2を加熱し、基板保持台2からの熱伝導により基板7を加熱することができる。
【0016】
図6は、GaN層成長中の基板温度の時間変化及び原料ガスの供給時期を示す。横軸は成長開始時からの時間、縦軸は基板温度を表す。SiC基板を基板保持台に保持し、基板を500℃に加熱する。処理容器内にH2 ガスをキャリアガスとしてトリメチルガリウム(TMGa)とアンモニア(NH3 )を導入し約30nmのGaNバッファ層を形成する。TMGaの供給を停止し基板温度が1030℃になるまで加熱する。
【0017】
基板温度が1030℃になると再びTMGaを供給し、GaN層を成長させる。所望の厚さのGaN層が形成されるとTMGaの供給及び基板の加熱を停止する。基板温度が約500℃まで低下するとNH3 の供給を停止する。
【0018】
サファイア基板を用いた場合には、図6に示す条件で良好なGaN層を形成することができる。しかし、SiC基板上に形成されたGaN層を顕微鏡で観察したところ、層内に隙間が多く見られた。また、SiC基板表面には、小さな結晶粒が観察された。
【0019】
顕微鏡による観察結果から、図6に示す方法によるGaN層の成長過程は以下のように推察できる。
図7は、GaN層の成長過程を説明するための基板断面図を示す。基板温度500℃でTMGaとNH3 を供給すると、図7(A)に示すようにSiC基板7の表面に小さな結晶粒8が堆積する。基板温度を1030℃に上昇してTMGaとNH3 を供給すると、図7(B)に示すように結晶粒が成長する。さらに成長を続けると、図7(C)に示すように、特定の結晶粒9aのみが大きく成長すると考えられる。
【0020】
図7(D)に示すように、特定の結晶粒9aが横方向に成長して形成されたGaNの塊9bによって基板表面が覆われるものと考えられる。このとき、基板表面の小さな結晶粒8の隙間が完全には埋まらず、GaN層内に隙間が形成されるものと考えられる。
【0021】
次に、図2、図3を参照して、本発明の実施例について説明する。使用したMOCVD装置は図1に示すものと同様のものである。
(0001)面が表出したSiC基板を洗浄し乾燥させた後、基板表面の酸化と酸化膜除去とを繰り返し実行し、清浄な表面を露出させる。このSiC基板を図1に示すMOCVD装置の基板保持台2に取り付け、圧力40Torrの水素雰囲気中で1100℃、10分間の熱処理を行う。その後、基板温度を500℃まで低下させ、GaNがエピタキシャル成長しない温度とする。
【0022】
図2は、GaN層成長中の基板温度の時間変化及び原料ガスの供給時期を示す。処理容器1内の圧力が200Torrになるようにキャリアガスとして水素を流し、原料ガスとして流量0.5sccmのTMGaと流量4slmのNH3 とを供給する。キャリアガス及び原料ガスを流しながら基板温度を1030℃まで徐々に上昇させ、GaNがエピタキシャル成長する温度とする。基板温度の上昇速度は、約35℃/分である。この条件におけるGaN層の成長速度は約2μm/hである。
【0023】
基板温度が1030℃に達すると、この温度を維持しGaN層の成長を行う。所望の厚さのGaN層が形成された後、TMGaの供給を停止し、基板温度を徐々に低下させる。基板温度が500℃になったところでNH3 の供給を停止する。
【0024】
図2に示す条件で形成した厚さ約2μmのGaN層を干渉顕微鏡で観察したところ、10×10mm2 以上の領域にわたって隙間の発生はなく表面は鏡面であった。また、X線回折によりGaN層はc軸配向していることがわかった。このときのGaN層の成長過程は、以下のように推察される。
【0025】
図3は、GaN層の成長過程を説明するための基板断面図を示す。基板温度500℃でTMGaとNH3 を供給すると、GaNはエピタキシャル成長しないため、図3(A)に示すようにSiC基板7の表面に小さな結晶粒8が堆積する。基板温度を徐々に上昇させると、図3(B)に示すように各結晶粒8が徐々に成長する。このとき、温度上昇が緩やかであるため、特定の結晶粒のみが大きく成長することなく、各結晶粒が平均的に成長するものと考えられる。
【0026】
さらに成長が進むと、図3(C)に示すように、結晶粒8が表面全体を覆いGaN層10が形成される。基板温度がGaNのエピタキシャル成長温度まで上昇すると、図3(D)に示すようにGaN層10の上にさらにGaN層が層状にエピタキシャル成長すると考えられる。このように、GaN層が層状に堆積するため、隙間がなく表面が鏡面のGaN層を得ることができるものと考えられる。
【0027】
上記考察から、GaN層成長開始時の基板温度は、SiC表面上にエピタキシャル成長せず多結晶が形成される温度であることが好ましく、GaN層が層状に成長するときにはエピタキシャル成長する程度の温度とすることが好ましいと考えられる。従って、成長開始時の基板温度は、GaN層がエピタキシャル成長する温度よりも約300℃以上低くすることが好ましいであろう。
【0028】
また、図3(B)から図3(C)の成長過程で、特定の結晶粒のみが大きく成長しないようにするためには、基板温度を徐々に上昇させる必要がある。図2では、温度上昇速度が約35℃/分である場合を示したが、20℃/分〜100℃/分程度の温度上昇速度が好適であろう。
【0029】
図2では、基板温度をほぼ一定の速度で上昇させる場合を示したが、温度上昇速度は必ずしも一定である必要はない。例えば、温度の変化率が一定になるように時間に対して双曲線にそって温度を上昇させてもよいであろう。また、階段状に温度を上昇させてもよいであろう。
【0030】
図4は、基板温度を階段状に上昇させる場合の基板温度の時間変化及び原料ガスの供給時期を示す。図4に示すように、基板温度を500℃から1030℃まで、階段状に温度を上昇させている。なお、図4では温度を急激に上昇させる期間、TMGaの供給を一時停止している場合を示しているが、TMGaを連続的に供給してもよい。
【0031】
このように、GaN層の成長開始温度とエピタキシャル成長温度との間に少なくとも1つの階段状部分を設けることにより、特定の結晶粒のみが大きく成長することを抑制でき、良好なGaN層を得ることができると考えられる。
【0032】
上記実施例では、GaN層を成長させる場合を説明したが、上記成長方法はGa1-x-y Alx Iny N層(0≦x≦0.2、0≦y≦0.3)を成長させる場合にも適用できるであろう。III族元素としてAlもしくはInを添加することにより、バンドギャップが変化する。従って、発光素子として使用する場合には、発光波長を変化させることができる。
【0033】
次に、本発明の他の実施例について説明する。
上記実施例ではバッファ層としてGaNの多結晶層を用いたが、本実施例ではAlN層を用いる。まず、SiC基板上に、原料ガスとしてトリメチルアルミニウム(TMAl)とアンモニア(NH3 )を使用し、MOCVDにより厚さ約30nmのAlN層を形成する。成長時の基板温度は約1150℃である。次に、基板温度を1030℃とし、原料ガスとしてTMGaとNH3 を使用したMOCVDにより厚さ約2μmのGaN層を形成する。
【0034】
このように、バッファ層としてAlN層を用いることにより、隙間のない良好なGaN層を形成することができた。X線回折により、このGaN層はc軸配向していることが確認された。この場合のGaN層の成長の過程は以下のように推察される。
【0035】
図5は、SiC基板上にAlN層、つづいてGaN層が成長する過程を説明するための基板断面図を示す。図5(A)に示すように、SiC基板7の上にAlN層11が形成される。AlN層11は、SiC基板7の表面上に比較的均一に成長すると考えられる。AlN層11の上に1030℃でGaN層を堆積すると、まず、図5(B)に示すように小さい結晶粒12が形成される。成長を続けると、図5(C)に示すように結晶粒12が横方向に成長し結晶粒同士がつながると考えられる。
【0036】
さらに成長を続けると、図5(D)に示すようにほとんどの結晶粒がつながりGaN層12aになる。その後、GaN層12aの上に層状に成長が進み、図5(E)に示すように隙間がなく表面が鏡面のGaN層12bが形成されると考えられる。
【0037】
上記他の実施例では、バッファ層としてAlN層を用いる場合を説明したが、III族元素としてAlを含み、V族元素がNであり、III族元素中のAlの組成比が0.5以上であるIII−V族化合物半導体層をバッファ層として使用しても同様の効果が得られると考えられる。また、AlN層の上に、GaN層の代わりにGa1-x-y Alx Iny N層(0≦x≦0.2、0≦y≦0.3)を形成する場合にも同様の効果が期待できるであろう。
【0038】
バッファ層としてAlN層を用いた積層構造において、SiC基板の裏面とGaN層の表面にInを接触させて電極とし、厚さ方向の導電性を確認できた。また、バッファ層として多結晶GaN層を用いる場合にも導電性を有することは当業者に自明であろう。上記実施例のように、基板としてSiCを用いれば基板自体が導電性を有するため、基板裏面から電極を取り出すことができる。
【0039】
また、SiC基板として、{0001}、{10−10}、{11−20}面のうち少なくとも1つの面に垂直な面が表出した上面を有する基板を用いることにより、上面に垂直な面で劈開することができる。GaN層をレーザダイオードに適用する場合には、基板の劈開を利用することにより、容易にレーザ共振器を作製することができる。
【0040】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【0041】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、SiC基板の上に高品質なGaAlInN層を得ることができる。SiC基板は導電性を有するため、基板の裏面から電極を取り出すことができる。このため、チップ面積を縮小することが可能になる。また、SiCは劈開性を有するため、劈開により、レーザ共振器を容易に作製することができる。GaAlInN層のレーザダイオードへの応用が可能になり、青色から紫外領域の発光素子の実現が期待される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例で使用したMOCVD装置の概略断面図である。
【図2】本発明の実施例によるGaN層成長方法における基板温度の時間変化及び原料の供給時期を示すグラフである。
【図3】本発明の実施例によるGaN層の成長過程を説明するための基板の断面図である。
【図4】本発明の実施例によるGaN層成長方法において、基板温度の上昇を階段状にした場合の基板温度の時間変化及び原料の供給時期を示すグラフである。
【図5】本発明の他の実施例によるGaN層の成長過程を説明するための基板の断面図である。
【図6】SiC基板状にGaN層を成長させる予備実験における基板温度の時間変化及び原料の供給時期を示すグラフである。
【図7】図6に示す予備実験におけるGaN層の成長過程を説明するための基板の断面図である。
【符号の説明】
1 処理容器
2 基板保持台
3 高周波コイル
4 原料ガス導入管
5 パージ用ガス導入管
6 ガス排気管
7 SiC基板
8、12 結晶粒
9a、9b GaNの塊
10、12a、12b GaN層
11 AlN層
Claims (2)
- 上面を有するSiC基板を準備する工程と、
前記SiC基板の温度を、多結晶のGa 1−x−y Al x In y N層(0≦x≦0.2、0≦y≦0.3)が成長する第1の温度から、該第1の温度よりも300℃以上高く、かつGa 1−i−j Al i In j N層(0≦i≦0.2、0≦j≦0.3)がエピタキシャル成長する第2の温度まで上昇させながら、前記SiC基板の上面にGa1−x−yAlxInyN層(0≦x≦0.2、0≦y≦0.3)を堆積する工程と、
前記SiC基板の温度を前記第2の温度に維持したまま、前記Ga1−x−yAlxInyN層の上に他のGa1−i−jAliInjN層(0≦i≦0.2、0≦j≦0.3)を堆積する工程と
を含む半導体装置の製造方法。 - 前記SiC基板は、{0001}、{10−10}、{11−20}面のうち少なくとも1つの面に垂直な面が表出した上面を有する請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
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