JP3757339B2 - 化合物半導体装置の製造方法 - Google Patents
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【発明の属する技術分野】
本発明は化合物半導体装置の製造方法に関するものであり、特に、六方晶系の6H−SiC基板上に、GaN等のウルツ鉱型化合物半導体を整合性良くヘテロエピタキシャル成長させる化合物半導体装置の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、青色発光素子として用いられているGaNは、ウルツ鉱型化合物半導体であるため、類似の結晶構造を有する六方晶系の6H−SiC基板上にMOVPE法(有機金属気相成長法)を用いてエピタキシャル成長させていた。
【0003】
例えば、(0001)Si面の6H−SiC基板、即ち、Si面が露出した6H−SiC基板を用意し、TMA(トリメチルアルミニウム)を20〜200μmol/分、アンモニア(NH3 )を20000〜200000μmol/分(0.02〜0.2mol/分)、及び、キャリアガスとしての水素を流し、成長圧力を70〜760Torr、基板温度を800〜1100℃とした状態で、0.02〜0.1μmのAlN中間層を成長させたのち、引き続いて、TMG(トリメチルガリウム)を10〜100μmol/分、アンモニア(NH3 )を0.02〜0.2mol/分、及び、キャリアガスとしての水素を流し、成長圧力を70〜760Torr、基板温度を800〜1100℃とした状態で、GaNエピタキシャル層を成長させている。
【0004】
なお、この場合の成長層速度は、AlN中間層が0.1〜1μm/時であり、GaNエピタキシャル層が0.5〜5μm/時である。
また、この場合、GaNエピタキシャル層のa軸及びc軸は、6H−SiC基板のa軸及びc軸方向に一致することになる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のヘテロエピタキシャル成長においては、GaNエピタキシャル層を2μm程度堆積させると、結晶成長終了後、結晶成長温度、即ち、1000℃から室温まで降温する過程で、GaNエピタキシャル層の表面に約200〜250μm間隔でクラッキングが発生し、発光素子等のデバイスを形成する妨げになっている。
【0006】
即ち、デバイスを形成するためには、2μm以上、例えば、4μm程度の厚さのエピタキシャル層が必要になるが、約1μmを越えたあたりからクラッキングの発生が始まり、膜厚の増大に伴って、クラッキングの発生頻度も増加し、2μmの厚さにおいて、約200〜250μm間隔でクラッキングが発生し、チップ面積、例えば、青色発光ダイオードの300〜500μm□に比べて間隔が小さいので、各チップにクラックが存在することになり、このクラックがデバイスの発光特性の劣化に影響を与えるためである。
【0007】
この事情を図3を参照して説明する。
図3参照
図3において、符号14は(0001)Si面、即ち、成長面の法線がC軸方向である6H−SiC基板上にエピタキシャル成長させたGaNエピタキシャル層であり、結晶成長終了直後に破線で示す形状であったものが、室温までの降温過程において、実線で示す形状に変形する。
【0008】
これは、GaNと6H−SiCとの線熱膨張係数が異なるためであり、例えば、a軸方向の線熱膨張係数αa は、GaNが5.59×10-6/Kであるのに対して、6H−SiCは4.2×10-6/Kと小さく、また、c軸方向の線熱膨張係数αc は、GaNが3.17×10-6/Kであるのに対して、6H−SiCは4.68×10-6/Kと大きく、両者とも熱膨張係数に異方性を有している。
【0009】
したがって、結晶成長終了時に6H−SiC基板と格子整合していたGaNエピタキシャル層14は、降温過程においてa軸方向、即ち、x方向及びy方向の線熱膨張係数が6H−SiCより大きいので、x方向及びy方向に6H−SiCよりも収縮しようとするが、逆に、6H−SiCが相対的に収縮しないので引張応力が働く。
なお、x方向及びy方向に引っ張られる結果、z方向、即ち、c軸方向においては圧縮応力が働き、c軸方向には縮むことになる。
【0010】
このx方向及びy方向に働く引張応力が、クラッキング発生の原因となるため、GaNエピタキシャル層14の厚さが厚くなるにつれて、クラッキングが発生しやすくなるものである。
【0011】
したがって、本発明は、エピタキシャル成長層にクラッキングが発生することを防止し、高品質の化合物半導体装置を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
図1は本発明の原理的構成の説明図であり、この図1を参照して本発明における課題を解決するための手段を説明する。
図1参照
(1)本発明は、6H−SiC基板1上に III 族元素がGa,Al,Inの内の少なくとも一種類の元素からなり且つV族元素がNからなる III- V族化合物半導体層2を有機金属気相成長法によってエピタキシャル成長させる工程を有する化合物半導体装置の製造方法において、6H−SiC基板1の主面を、{10−10}面或いは{11−20}面のどちらか一方の面から〔0001〕方向に、オフ角θを10°<θ≦15°だけオフした面にするとともに、6H−SiC基板1の主面の面膨張係数βと、この主面に面するIII- V族化合物半導体層2の面膨張係数αとが、結晶成長温度から室温までの温度差をΔTとした場合に、
(α−β)・ΔT≦1.4×10-3
の関係を満たす結晶成長温度でエピタキシャル成長を行うことを特徴とする。
【0013】
この様に、互いに熱膨張係数に異方性を有する6H−SiC基板1と III- V族化合物半導体層2を用いた場合にも、6H−SiC基板1の主面を、{10−10}面或いは{11−20}面のどちらか一方の面から〔0001〕方向に、オフ角θを10°<θ≦15°だけオフした面にするとともに、6H−SiC基板1の主面の面膨張係数βと、この主面に面するIII- V族化合物半導体層2の面膨張係数αとが、結晶成長温度から室温までの温度差をΔTとした場合に、
(α−β)・ΔT≦1.4×10-3
の関係を満たす結晶成長温度でエピタキシャル成長を行うことによって、x方向及びy方向の少なくとも一方の応力を圧縮応力にすることができるので、クラッキングの発生を低減することができる。
【0014】
なお、6H−SiC基板1の{10−10}面或い{11−20}面から〔0001〕方向、即ち、(10−10)面或いは(11−20)面から<0001>方向、或いは、<000−1>方向に、オフ角θを12°オフした面が、(α−β)・ΔT=0、即ち、α=βの関係を満たすGaNの(0001)面と面熱膨張係数の等しくなる面であり、10°<θ≦15°は12°オフした面を出すためのマージンである。
なお、本明細書においては、通常“1バー”或いは“2バー”で表される指数を便宜的に、“−1”或いは“−2”等で表記する。
【0015】
(2)また、本発明は、上記(1)において、6H−SiC基板1と III- V族化合物半導体層2との間に、厚さ0.1μm以下のAlN中間層を介在させたことを特徴とする。
【0016】
この様に、厚さ0.1μm以下のAlN中間層を介在させることによって、その上に設けるGaN等の半導体エピタキシャル層2の結晶性を良好にすることができる。
【0018】
(3)また、本発明は、上記(1)または(2)において、III-V族化合物半導体層2がGaNからなることを特徴とする。
【0019】
上記(1)または(2)の条件は、特に、III- V族化合物半導体層2がGaNの場合に有用である。
【0026】
【発明の実施の形態】
図2を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
図2(a)参照
まず、基板の主面が(10−10)面から<0001>方向に12°オフした6H−SiCオフ基板11を用意し、TMA(トリメチルアルミニウム)を20〜200μmol/分、好適には180μmol/分、アンモニア(NH3 )を0.02〜0.2mol/分、好適には0.1mol/分、及び、キャリアガスとしての水素を500〜3000sccm、好適には1500sccm流し、成長圧力を70〜760Torr、好適には100Torr、基板温度を800〜1100℃、好適には1000℃とした状態で、0.02〜0.1μm、好適には0.05μmのAlNエピタキシャル層12を成長させる。
【0027】
引き続いて、TMG(トリメチルガリウム)を10〜100μmol/分、好適には44μmol/分、アンモニア(NH3 )を0.02〜0.2mol/分、好適には0.1mol/分、及び、キャリアガスとしての水素を500〜3000sccm、好適には1500sccmを流し、成長圧力を70〜760Torr、好適には100Torr、基板温度を800〜1100℃、好適には1000℃とした条件のMOVPE法を用いて、厚さ3μmのGaNエピタキシャル層13を成長させる。
【0028】
なお、この場合の成長速度も、AlNエピタキシャル層12が0.1〜1μm/時であり、GaNエピタキシャル層13が0.5〜5μm/時であり、また、GaNエピタキシャル層13のa軸及びc軸は、6H−SiCオフ基板11のa軸及びc軸方向に一致することになり、光学顕微鏡で表面観察した結果、クラッキングの発生は見られなかった。
【0029】
図2(b)参照
6H−SiCオフ基板11上に成長したGaNエピタキシャル層13は、降温過程において6H−SiCオフ基板11のa軸方向、即ち、図におけるx方向の線熱膨張係数が6H−SiCより大きいので、x方向においては、従来と同様の引張応力が作用する。
【0030】
一方、y方向、即ち、6H−SiCのc軸から12°離れた方向においては、6H−SiCより線膨張係数が小さいので圧縮応力が作用し、全体として破線で示す形状から実線で示す形状に変化することになるが、12°オフした面における全体の面膨張係数βは、GaNの(0001)面の面膨張係数αと略等しくなるのでクラッキングが発生しないことになる。
【0031】
即ち、6H−SiCオフ基板11の主面とSiCのC軸のなす角をθとし、GaNエピタキシャル層13の面膨張係数、a軸方向の線膨張係数、及び、c軸方向の線膨張係数を、夫々α、αa1、及び、αc1とし、また、6H−SiCオフ基板11の面膨張係数、a軸方向の線膨張係数、及び、c軸方向の線膨張係数を、夫々をβ、αa2、及び、αc2とし、さらに、結晶成長温度から室温までの温度差をΔTとした場合、面膨張係数の差と温度差の積(α−β)・ΔTは、
で表される。
【0032】
ここで、α=βであるならば、
となり、
となる。
【0033】
したがって、
sin2 θ=0.12÷2.9≒0.0414
∴ θ≒12°
となり、上記の実施の形態において、オフ角を12°にすることによって、6H−SiCオフ基板11とGaNエピタキシャル層14の面膨張係数を略等しくすることができる。
【0034】
一方、θ=90°、即ち、(0001)Si面の6H−SiC基板上にGaNエピタキシャル層を成長させた場合には、
(α−β)・ΔT≒2(αa1−αa2)・ΔT≒2.78×10-6×ΔT
となり、ΔT≒1000°とした場合に、
(α−β)・ΔT≒2.78×10-3≒2.8×10-3
となる。
【0035】
この(0001)Si面の6H−SiC基板上にGaNを1μm以上成長させた場合にクラッキングが発生するので、発光素子に必要な2μm以上の膜厚においてクラッキングを発生させないためには、面膨張係数の関係が2.8×10-3の半分以下、即ち、
(α−β)・ΔT≦1.4×10-3
にする必要がある。
【0036】
ここで、(α−β)・ΔT=1.4×10-3となるθを求めると、
となる。
【0037】
そして、温度差ΔTを、結晶成長温度の下限である、ΔT≒800°とした場合には、
{−0.12+2.9sin2 θ}=1.4÷800×103 =1.75
よって、
sin2 θ=(1.75+0.12)÷2.9≒0.6448
となり、よって、
θ≒53°
となる。
【0038】
したがって、上記の(α−β)・ΔT≦1.4×10-3の条件を満たすためには、800〜1100℃の成長温度条件において、6H−SiCオフ基板11の主面とSiCのC軸のなす角θを、
0≦θ≦53°
にする必要がある。
【0039】
なお、上記の実施の形態の説明においては、単一層の成長工程しか説明していないが、基板として(10−10)面から<0001>方向にオフした基板を用いているため、基板の劈開が可能であり、劈開により対向する1対の端面を共振器とすることによって青色半導体レーザを得ることができる。
【0040】
また、上記の実施の形態の説明においては、c軸、即ち、<0001>方向からのオフ角を12°としたが、純粋に12°である必要はなく、12°オフした面を面出しする際のマージンを考慮して12±3°であれば良く、オフする方向は<000−1>方向でも同じである。
【0041】
また、上記の実施の形態の説明においては、オフする方向を(10−10)面から<0001>方向にオフしているが、(11−20)面から<0001>方向、或いは、<000−1>方向にオフした面でも良く、さらに、これらの結晶面に結晶学的に等価な面であれば良い。
【0042】
即ち、6H−SiCオフ基板の主面は、{10−10}面、或いは、{11−20}面から〔0001〕方向に0°≦θ≦53°を満たすθだけ傾いた面であれば良い。
【0044】
また、上記の実施の形態においては、従来例と同様に、GaNエピタキシャル層13を成長する前に、0.02〜0.1μmのAlNエピタキシャル層12を成長させているが、これは、結晶成長核の発生密度を大きくして、その上に設けるGaNエピタキシャル層13の結晶性を良好にするためであり、原理的には必要のないものであるので、AlNエピタキシャル層12の成長を省略して、6H−SiCオフ基板11上にGaNエピタキシャル層13を直接成長させても良い。
【0045】
さらに、上記の実施の形態においては、半導体エピタキシャル層として、GaNを用いているが、GaNに限られるものではなく、同じウルツ鉱型結晶構造を有するAlN或いはInNを用いても良く、さらには、これらの混晶であるAlx Gay In1-x-y Nを用いても良いものである。
【0046】
【発明の効果】
本発明によれば、有機金属気相成長法によって、6H−SiC等の半導体基板上にクラッキングを発生させずにGaN系化合物半導体層をエピタキシャル成長させることができ、高品質の青色発光ダイオード、或いは、青色半導体レーザを作製することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の原理的構成の説明図である。
【図2】本発明の実施の形態の説明図である。
【図3】従来のエピタキシャル層の歪みの説明図である。
【符号の説明】
1 半導体基板
2 半導体エピタキシャル層
11 6H−SiCオフ基板
12 AlNエピタキシャル層
13 GaNエピタキシャル層
14 GaNエピタキシャル層
Claims (3)
- 6H−SiC基板上に III 族元素がGa,Al,Inの内の少なくとも一種類の元素からなり且つV族元素がNからなる III- V族化合物半導体層を有機金属気相成長法によってエピタキシャル成長させる工程を有する化合物半導体装置の製造方法において、前記6H−SiC基板の主面を、{10−10}面或いは{11−20}面のどちらか一方の面から〔0001〕方向に、オフ角θを10°<θ≦15°だけオフした面にするとともに、前記6H−SiC基板の主面の面膨張係数βと、前記主面に面するIII- V族化合物半導体層の面膨張係数αとが、結晶成長温度から室温までの温度差をΔTとした場合に、
(α−β)・ΔT≦1.4×10-3
の関係を満たす結晶成長温度でエピタキシャル成長を行う工程を有することを特徴とする化合物半導体装置の製造方法。 - 上記6H−SiC基板とIII- V族化合物半導体層との間に、厚さ0.1μm以下のAlN中間層を介在させたことを特徴とする請求項1記載の化合物半導体装置の製造方法。
- 上記 III- V族化合物半導体層がGaNからなることを特徴とする請求項1または2に記載の化合物半導体装置の製造方法。
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