JP4420128B2 - Iii−v族窒化物系半導体デバイス及びその製造方法 - Google Patents
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Description
III族窒化物系半導体のデバイス構造を形成するためのエピタキシャル成長には、MOVPE法がしばしば用いられている。MOVPE法によりサファイア下地基板上にIII族窒化物系半導体をエピタキシャル成長させる場合、サファイア下地基板表面の汚れを除去するために、サファイア下地基板を水素ガス雰囲気中、1000℃以上で一定時間以上加熱する、いわゆるサーマルクリーニングが一般的に行われている。
本発明のIII−V族窒化物系半導体基板の特徴は、表面近傍のIII−V族窒化物系半導体単結晶中の水素原子濃度[H](水素原子数/cm3)と単結晶表面における転位密度[D](個/cm2)との積([H]×[D])が1×1025以下であることである。以下特に断りのない限り、水素原子濃度[H]は、SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry)により基板表面の直径に沿って5mm間隔で測定した水素原子濃度の平均値である。また転位密度[D]は、燐酸と硫酸の加熱混合液中に基板を浸漬し、エッチングにより生じたピットを基板の任意の9箇所で計数した場合の平均値である。
III−V族窒化物系半導体結晶を成長させる方法として、MOVPE法、MBE法、HVPE法等の公知の方法を用いることができる。中でもHVPE法は結晶成長速度が速く、基板の作製に適しているので好ましい。
上記の通り、III−V族窒化物系半導体基板に鏡面研磨加工を施すと、基板表面にダメージを受けて欠陥が生じる。従って、鏡面研磨した基板表面に直接エピタキシャル層を成長させると、基板表面の欠陥の影響により、エピタキシャル層の表面状態が悪化する。このため、エピタキシャル成長前に、基板表面にサーマルクリーニングを行う。サーマルクリーニングの温度は1200℃以下である。1200℃超では基板表面の欠陥がかえって増大し、その上に形成するデバイスの性能が悪化する。サーマルクリーニング温度の下限は550℃が好ましい。550℃未満では基板表面の清浄化が十分に行われない。サーマルクリーニング時間は温度に応じて異なるが、一般に5〜30分程度で良い。
MOVPE法、MBE法又はHVPE法により故意に成長条件を変えて、転位密度及び水素原子濃度が異なるGaNテンプレート及びGaN自立基板を15種類作製した。各基板の製造条件を表1に示す。VAS法で成長させたGaN自立基板の表面には、鏡面研磨を施した。
面方位をm軸方向に0.2°オフさせた直径2インチのC面の単結晶サファイア下地基板を用い、この基板に対して、水素ガス雰囲気中で1200℃で10分間サーマルクリーニングを行い、表面を清浄化した。サファイア下地基板の温度を600℃に下げ、当該基板上に、トリメチルガリウム(TMG)とNH3を原料ガスとし、成長圧力を常圧としてMOVPE法によりGaN低温バッファ層を20 nm成長させた。次に下地基板の温度を1050℃まで昇温して、GaN低温バッファ層を1050℃で5分間熱処理して、微結晶化させた(この熱処理工程により、次に成長するGaN結晶の初期の核発生密度を減少させることができ、結果として転位密度を比較的低減することができた。)。得られた基板上に引き続き原料ガスを供給することにより、GaNエピタキシャル層を4μm成長させた。その際、キャリアガスとして水素と窒素の混合ガスを用い、結晶の成長速度を約4μm/時とした。成長したGaN層を炉内で800℃まで冷却したところで、脱水素処理と同様の効果を得るため、雰囲気ガスを窒素ガスのみに切り替え、水素ガスを含まない雰囲気中で100℃以下になるまで約3時間かけて徐冷した。こうして、比較的低転位かつ含有水素濃度の低いGaNテンプレートを得た。このGaNテンプレートの表面を50μm×50μmの範囲で測定した算術平均粗さRaは、任意のどこの点を測定しても、2nm以下であった。
面方位をm軸方向に0.2°オフさせた直径2インチのC面の単結晶サファイア下地基板を用い、この基板に対して、水素ガス雰囲気中で1200℃で10分間サーマルクリーニングを行い、表面を清浄化した。サファイア下地基板の温度を600℃に下げ、当該基板上に、TMGとNH3を原料ガスとし、成長圧力を常圧としてMOVPE法によりGaN低温バッファ層を20 nmの厚さに成長させた。次に下地基板の温度を1050℃まで昇温して、GaN層を2μmの厚さに成長させた(低温バッファ層の熱処理は行わなかった。)。成長時のキャリアガスとしては、水素と窒素の混合ガスを用い、結晶の成長速度は約4μm/時とした。成長したGaN層を、成長雰囲気と同様のアンモニアと水素及び窒素の混合ガス中で100℃まで冷却し、GaNテンプレートを得た。このGaNテンプレートの表面を50μm×50μmの範囲で測定した算術平均粗さRaは実施例2と遜色なかった。
実施例2及び比較例1のGaNテンプレートの各々を半分に割り、半円状の実施例2のGaNテンプレートと半円状の比較例1のGaNテンプレートとを組み合わせて、基板サセプタ上に並べ、MOVPE反応容器内にセットした。これらのGaNテンプレートをNH3とH2との混合気流(NH3:H2=1:2)中で1100℃まで昇温し、20分間保持してサーマルクリーニングを行い、表面を清浄化した。基板上にTMGとNH3を供給して、GaN層を2μmの厚さにホモエピタキシャル成長させた。その際、成長圧力を常圧とし、キャリアガスとして水素と窒素の混合ガスを用いた。
直径2インチの単結晶サファイア下地基板のC面上に、TMGとNH3を原料ガスとしてMOVPE法によりアンドープGaN層を300 nmの厚さに成長させた。このアンドープGaN層上に、金属Tiの薄膜を20 nmの厚さに蒸着した。得られた基板を電気炉に入れ、20%のNH3を含有するH2気流中で1050℃で20分間熱処理した。その結果、GaN層の一部がエッチングされて高密度の空隙(ボイド層)が発生し、またTi層は窒化されてサブミクロンの微細な穴が高密度に形成されたTiN層に変化した。
Claims (3)
- 少なくとも表面がIII−V族窒化物系半導体の単結晶からなる基板であって、表面の前記単結晶中の水素原子濃度[H](水素原子数/cm3)と前記単結晶の表面における転位密度[D](個/cm2)との積([H]×[D])が1×1025以下であるIII−V族窒化物系半導体基板を用い、前記III−V族窒化物系半導体基板の上に、III−V族窒化物系半導体結晶からなるエピタキシャル層が形成されていることを特徴とするIII−V族窒化物系半導体デバイス。
- 請求項1記載のIII−V族窒化物系半導体デバイスを製造する方法であって、前記III−V族窒化物系半導体基板を水素ガスとアンモニアガスの混合ガス中で1200℃以下の温度で熱処理した後、前記III−V族窒化物系半導体基板上にIII−V族窒化物系半導体結晶をエピタキシャル成長させることを特徴とするIII−V族窒化物系半導体デバイスの製造方法。
- 複数のIII−V族窒化物系半導体基板から構成されるIII−V族窒化物系半導体基板の製造ロットであって、前記製造ロットを構成するすべての基板が、前記III−V族窒化物系半導体基板である製造ロットを用い、前記製造ロット内の各III−V族窒化物系半導体基板上にIII−V族窒化物系半導体結晶を同じ条件でエピタキシャル成長させることにより、III−V族窒化物系半導体デバイスを製造することを特徴とする請求項2に記載のIII−V族窒化物系半導体デバイスの製造方法。
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