JP4908886B2

JP4908886B2 - 半導体装置

Info

Publication number: JP4908886B2
Application number: JP2006080195A
Authority: JP
Inventors: 則之渡邉; 正伸廣木; 春喜横山; 隆小林
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2006-03-23
Filing date: 2006-03-23
Publication date: 2012-04-04
Anticipated expiration: 2026-03-23
Also published as: JP2007258406A

Description

本発明は半導体装置に関わり、特に、発光ダイオード(ＬＥＤ)、レーザーダイオード(ＬＤ)、ヘテロ接合電界効果型トランジスタ(ＨＦＥＴあるいはＨＥＭＴ)、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ(ＨＢＴ)等の作製に用いられる窒化物半導体の積層構造に関わる。

ＧａＮをはじめとした窒化物半導体は、高い絶縁破壊電界強度、高い熱伝導率および高い電子飽和速度等の特性を有しており、高周波のハイパワーデバイス向けの材料として優れている。例えば、基板上にＧａＮバッファ層およびＡｌＧａＮバリア層を有するヘテロ接合構造において、ヘテロ接合界面近傍に電子が高濃度に蓄積され、いわゆる２次元電子ガス(２ＤＥＧ)を形成する。この２ＤＥＧは散乱要因となる導電性不純物が存在しないアンドープＧａＮ層内を走行できるために高い電子移動度を示し、いわゆる高電子移動度トランジスタ(ＨＥＭＴ)として動作させることが可能である。

上に述べた例をはじめ、窒化物半導体から構成される積層構造を利用した光デバイス・電子デバイスを作製する場合、窒化物半導体結晶を基板上に順次成長することにより所望の積層構造を作製するが、窒化物半導体結晶を成長するための基板として通常用いられるのは、サファイア、ＳｉＣあるいはＳｉといった、いわゆる異種材料基板である。これは、窒化物半導体基板の作製が技術的に非常に難しく、容易に入手できないためである。異種材料基板を用いるため、基板とその基板上に形成する窒化物半導体結晶との間には格子不整合が存在する、いわゆる“metamorphic”な成長となる。基板と半導体結晶の間の格子不整合は、貫通転位やミスフィット転位、クラックを発生させて結晶品質を劣化させる原因となる。

こうした結晶品質の劣化を抑制するため、格子不整合とそれに起因した転位を核形成層とバッファ層で吸収させることが一般的である。また、III族窒化物半導体結晶の成長は、他のIII-Ｖ族半導体(ＩｎＰやＧａＡｓ系)の成長に比べて成長温度が高いため、基板と窒化物半導体結晶の熱膨張係数の差に起因した転位やクラックの発生も起きやすく、特に、基板としてＳｉを用いた場合に熱膨張係数の差に起因した結晶品質劣化が顕著である。こうした熱膨張係数の差に起因した転位等を吸収できるようなバッファ構造として、ＡｌＧａＮ組成傾斜層が提案されている（下記非特許文献１参照）。たとえば、Ｓｉ基板上に高温あるいは低温成長ＡｌＮ核形成層を堆積後、高Ａｌ組成から低Ａｌ組成へ連続的にあるいはステップ的に変化させたＡｌＧａＮ層を形成してからＧａＮ層を成長する構造は、窒化物半導体結晶の格子定数をＡｌＮからＧａＮへ連続的に変化させることでミスフィット転位の発生を抑制していると同時にＧａＮが歪を内包しつつ成長させて熱膨張係数の違いにより生じる引っ張り応力を緩和させている。

このようにして得られたＧａＮ層には上述のように歪が内包されている。窒化物半導体では、ヘテロ接合界面に結晶内の歪に起因したピエゾ電界によって電荷が発生し、これによりデバイス特性が決定されている。たとえば、ＡｌＧａＮ/ＧａＮＨＥＭＴにおいては、ＧａＮよりも格子定数の小さいＡｌＧａＮに引っ張り歪が存在し、これによって誘起されたピエゾ電界によってヘテロ接合界面に２次元電子ガスが発生する。ＧａＮにも歪が内包されているとピエゾ電界が増幅あるいは相殺されて、もくろみどおりの２次元電子ガス濃度を得られないといった問題があった。

また、ハイパワーデバイスなど、特に高耐圧動作を求められるデバイスを作製するためにはＧａＮ層の層厚を増すことが求められるが、上記の手法ではＡｌＧａＮ組成傾斜層の層厚・組成プロファイルのわずかの違いで応力バランスが崩れてクラックやミスフィット転位が発生してしまい、高品質窒化物半導体結晶を再現性よく得ることが困難であった。

図１は、ＡｌＧａＮ組成傾斜層の組成プロファイルを、図２に示す格子定数プロファイルが得られるように設定し、ＡｌＧａＮ組成傾斜層の総層厚を変化させた際にＳｉ基板上に形成した窒化物半導体結晶ウェハのそりがどのように変化するかを示した図面である。図２の縦軸は半導体結晶ウェハのそりを表し、横軸は組成傾斜層の層厚を表している。

図１においては、負の値のそりは半導体結晶ウェハが下に凸になっている状態を示し、この方向にそりが大きくなると基板が平坦に戻ろうとするために半導体結晶に引っ張り応力が加わり、クラックが発生する原因となる。また、正の値のそりは半導体結晶ウェハが上に凸になっている状態を示し、この方向にそりが大きくなると基板が平坦に戻ろうとする際に半導体結晶に圧縮応力が加わる。クラックは発生しにくいが半導体結晶中に強い圧縮歪みを内包することになり、２次元電子ガス濃度が大きく変化し、デバイス特性を変化させる原因となる。高品質窒化物半導体結晶を得るには、図の斜線で示した領域にそりを制御する必要があるが、ＡｌＧａＮ組成傾斜層を用いた構造（従来技術）では、わずか数％層厚がずれただけで高品質領域をはずれてしまい、また、ＧａＮ層厚が厚いほど再現性よく制御することが困難であつた。
A. Able et al., Journal of Crystal Growth, Vol. 276, pp. 415-418, 2005年

上記のように、格子定数や熱膨張係数の不整合を吸収するためのＡｌＧａＮ組成傾斜層では、その上に形成されるＧａＮ層内に歪を内包させたまま成長することになり、所望のデバイス特性を得られない恐れがあった。さらに、高耐圧デバイス応用のためにＧａＮ層厚を厚くした場合には結晶品質の良好な窒化物半導体結晶を再現性よく得ることが難しいという問題点があった。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、半導体装置において、所望のデバイス特性を得るために、層厚の厚い高品質な窒化物半導体結晶層が、該結晶層内の歪を緩和させた状態で、再現性よく得られる半導体装置を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明においては、請求項１に記載のように、
基板上に核形成層、バッファ層および窒化物半導体結晶層を順次積層してなる積層構造を有する半導体装置において、上記半導体装置がヘテロ接合バイポーラトランジスタであって、上記バッファ層がＩｎＡｌＮ階段組成傾斜層からなり、上記窒化物半導体結晶層が、上記バッファ層側から、ｎ型ＩｎＡｌＮコレクタ電極層、アンドーブＩｎＡｌＮコレクタ層、アンドープＩｎＡｌＧａＮコレクタ層、ｐ型ＩｎＧａＮベース層、ｎ型ＩｎＡｌＮエミッタ層、ｎ型ＩｎＡｌＮエミッタ層およびｎ型ＧａＮエミッタ電極層を順次積層してなる積層構造を有することを特徴とする半導体装置を構成する。

また、本発明においては、請求項２に記載のように、
前記バッファ層の前記窒化物半導体結晶層と接する面における基板面と平行な方向の格子定数が、前記窒化物半導体結晶層の前記バッファ層と接する面における該方向の格子定数よりも０.３％以上大きいことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置を構成する。

また、本発明においては、請求項３に記載のように、
前記核形成層がＡｌＮであることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置を構成する。

また、本発明においては、請求項４に記載のように、
前記基板がＳｉ基板であることを特徴とする請求項１、２または３に記載の半導体装置を構成する。

バッファ層が、ＩｎおよびＡｌを含有する窒化物半導体を構成要素とするから、層厚の厚い高品質な窒化物半導体結晶層が、該結晶層内の歪を緩和させた状態で、再現性よく得られる半導体装置を提供することが可能となる。

本発明の目的は、従来のバッファ層を、ＩｎおよびＡｌを含有する窒化物半導体を構成要素とする層、たとえばＩｎＡｌＮの層に置き換えることによって達成される。

バッファ層としてＩｎＡｌＮ（組成式：Ｉｎ_１−ＸＡｌ_ＸＮ）を用いた場合に、Ｉｎ組成１−Ｘ＝０.１７において、ＧａＮとａ軸の格子定数が整合するため、ＡｌＮ（Ｘ＝１）からＩｎ_０．１７Ａｌ_０．８３ＮまでＩｎ組成を連続的にあるいは階段的に変化させることで、基本的には従来のＡｌＧａＮ組成傾斜層と同じ効果が期待できる。さらに一般に、バッファ層の窒化物半導体結晶層と接する面における基板面と平行な方向の格子定数と、窒化物半導体結晶層のバッファ層と接する面における該方向の格子定数との差が後者の格子定数の−０.１％以上０.１％以下であるようにすれば、本発明の効果が得られる。

上記の効果に加えて、Ｉｎ_１−ＸＡｌ_ＸＮにおけるＩｎ組成を０.１７よりも大きくすることによって、ＧａＮよりもａ軸の格子定数が大きいＩｎＡｌＮを得ることができるため、ＡｌＧａＮを用いた場合（従来技術）と異なり、そのようなＩｎ組成まで組成傾斜させることで、いわゆる“Inverse Step”とよばれる、格子歪みを緩和させる効果も得られる。こうした効果により、層内の歪みを緩和させた状態で、ＧａＮ層をバッファ層上に成長させることができる。さらに一般に、バッファ層の窒化物半導体結晶層と接する面における基板面と平行な方向の格子定数が、窒化物半導体結晶層のバッファ層と接する面における該方向の格子定数よりも０.３％以上大きいようにすれば、バッファ層上の窒化物半導体結晶層の格子歪みを緩和させる効果が得られる。この場合には、すでに格子不整合が起こっているので、バッファ層の格子定数に上限を設ける必要はない。

また、原子半径の大きいＩｎを含むことにより、ＩｎＡｌＮ層の原子の結合が相対的にＡｌＧａＮよりも弱くなるため、熱膨張係数の不整合による転位の発生もＩｎＡｌＮ層内の結合が動くことで吸収でき、それにより結晶品質を損なうことなくバッファ層上に形成する窒化物半導体結晶の層厚を厚くすることが可能となる。

さらに、ＩｎＡｌＮの熱膨脹係数（３.８〜４.２×１０^−６/Ｋ）はＡｌＧａＮのそれ（４.２〜５.６×１０^−６/Ｋ）に比べてＳｉの熱膨脹係数（２.６×１０^−６/Ｋ）に近いため、熱膨脹係数の差に起因した結晶品質の劣化を低減することができる。

図１には、すでに説明した従来例に加えて、本発明の実施形態の一例であるところのＩｎＡｌＮ組成傾斜層を有する積層構造における半導体基板結晶ウェハのそりと組成傾斜層の層厚との関係が示されている。この例では、従来技術の説明で用いたＡｌＧａＮ組成傾斜層と同じ格子定数変化のプロファイル（図２）を与えるように組成傾斜プロファイルを設定してある。組成傾斜層厚に対する半導体結晶ウェハのそりの変化は、ＡｌＧａＮ組成傾斜層を採用した場合よりも緩やかであることがわかり、本発明が高品質な窒化物半導体結晶を得る上で再現性に優れていることが示されている。なお、図１に示した値は、本実施形態で採用した組成傾斜層の組成プロファイルに対してのものであり、組成傾斜層の組成プロファイルを変えることにより、実用上使用可能な反りを与える層厚の範囲も移動するが、本発明の効果が得られるという点で、本質的に全く問題はない。

以下に、実施の形態例によって、本発明を詳細に説明する。

［参考例１］
本参考例は、Ｓｉ基板上に形成したＡｌＧａＮ/ＧａＮＨＥＭＴである。以下、図３に沿って説明する。

図３において、基板１であるＳｉ基板上に、核形成層２であるＡｌＮ層(層厚１５０ｎｍ)、バッファ層３であるＩｎＡｌＮ組成傾斜層(Ｉｎ_１−ＸＡｌ_ＸＮ、層厚２１０ｎｍ、Ｉｎ組成１−Ｘは、上から下に向けて、０.１７から０.１まで連続的に変化、組成変化率層厚３０ｍｎあたり０.０１)、窒化物半導体結晶層４である、ＧａＮ層(層厚１０００ｎｍ)およびＡｌＧａＮバリア層(層厚２５ｎｍ、Ａｌ組成０.２５)を、順次積層して積層構造が構成されている。

本参考例におけるウェハの反りは上に凸で２０μｍであり、ウェハ全面でクラックは発生しなかった。また、本参考例で得られたＡｌＧａＮ/ＧａＮＨＥＭＴ構造における２次元電子ガスのシートキャリア濃度は９.６×１０^１２ｃｍ^−２、移動度は−１４５０ｃｍ^２/Ｖｓ、シート抵抗は正方形当たり４５０Ωで、本参考例で採用したＡｌＧａＮバリア層の構造から予測される典型的な値を示した。

［参考例２］
本参考例は、Ｓｉ基板上に形成した発光ダイオード（ＬＥＤ）である。以下、図４に沿って説明する。

図４において、基板１であるｎ型Ｓｉ基板上に、核形成層２であるＡｌＮ層(層厚３０ｎｍ)、バッファ層３であるＳｉドープｎ型ＩｎＡｌＮ層(層厚１５０ｎｍ、Ｉｎ組成＝０.１７、キャリア濃度５×１０^１８ｃｍ^−３)、窒化物半導体結晶層４である、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層(層厚１００ｎｍ、キャリア濃度５×１０^１８ｃｍ^−３)、アンドープＧａＮ層(層厚５００ｎｍ)およびＭｇドープｐ型ＧａＮ層(層厚１０００ｎｍ、キャリア濃度２×１０^１７ｃｍ^−３)を、順次積層して積層構造が構成されている。

本参考例におけるウェハの反りは下に凸で２０μｍであり、ウェハ全面でクラックは観測されなかった。

［実施の形態例］
本実施の形態例は、Ｓｉ基板上に形成したヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）である。以下、図５に沿って説明する。

図５において、基板１であるＳｉ基板上に、核形成層２であるＡｌＮ層(層厚１５０ｎｍ)、バッファ層３であるＩｎ_１−ＸＡｌ_ＸＮ階段組成傾斜層(層厚３００ｎｍ、Ａｌ組成Ｘは、下から上に向けて、０.９から０.７５まで、層厚２０ｎｍ毎に０.０１の組成段差で階段的に変化)、窒化物半導体結晶層４である、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ_０．２Ａｌ_０．８Ｎコレクタ電極層(層厚５００ｎｍ、キャリア濃度１×ｌ０^１９ｃｍ^−３)、アンドーブＩｎ_０．２Ａｌ_０．８Ｎコレクタ層(層厚３００ｎｍ)、アンドープＩｎ_{０．２−０．１ｚ}Ａｌ_{０．８（１−ｚ）}Ｇａ_０．９ｚＮコレクタ層(層厚１００ｎｍ、ｚは、下から上に向けて、０から１まで、層厚１０ｎｍにつき０.１変化)、Ｍｇドープｐ型Ｉｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎべ一ス層(層厚１００ｎｍ、キャリア濃度２×ｌ０^１７ｃｍ^−３)、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ_０．２Ａｌ_０．８Ｎエミッタ層(層厚１００ｎｍ、キャリア濃度５×ｌ０^１７ｃｍ^−３)、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ_１−ＸＡｌ_ＸＮエミッタ層(層厚３０ｎｍ、Ｉｎ組成１−Ｘは、下から上に向けて、０.２から０.１７まで、層厚１０ｎｍにつき０.０１変化、キャリア濃度５×ｌ０^１８ｃｍ^−３)およびＳｉドープｎ型ＧａＮエミッタ電極層(層厚１００ｎｍ、キャリア濃度１×ｌ０^１９ｃｍ^−３)を順次積層して積層構造が構成されている。

この場合に、バッファ層３であるＩｎ_１−ＸＡｌ_ＸＮ階段組成傾斜層は、Ｉｎ組成の相異なる２つ以上の、ＩｎおよびＡｌを含有する窒化物半導体層から構成されていることになる。

本実施の形態例におけるウェハの反りは上に凸で３０μｍであり、ウェハ全面でクラックは観測されなかった。

以上に説明したように、本発明によれば、たとえば、Ｓｉ基板上のＡｌＮ核形成層、ＩｎＡｌＮバッファ層、窒化物半導体結晶という積層構造を取ることにより、所望のデバイス特性を得られるよう歪みを内包しない状態で、高品質の窒化物半導体結晶の厚膜を再現性よく形成することができる。

従来技術における問題点と本発明における効果を説明する図である。図１を補足する図であり、組成傾斜層内における格子定数のプロファイルを示した図である。参考例１を説明する図である。参考例２を説明する図である。実施の形態例を説明する図である。

符号の説明

１：基板、２：核形成層、３：バッファ層、４：窒化物半導体結晶層。

Claims

基板上に核形成層、バッファ層および窒化物半導体結晶層を順次積層してなる積層構造を有する半導体装置において、
上記半導体装置がヘテロ接合バイポーラトランジスタであって、
上記バッファ層がＩｎＡｌＮ階段組成傾斜層からなり、
上記窒化物半導体結晶層が、上記バッファ層側から、ｎ型ＩｎＡｌＮコレクタ電極層、アンドーブＩｎＡｌＮコレクタ層、アンドープＩｎＡｌＧａＮコレクタ層、ｐ型ＩｎＧａＮベース層、ｎ型ＩｎＡｌＮエミッタ層、ｎ型ＩｎＡｌＮエミッタ層およびｎ型ＧａＮエミッタ電極層を順次積層してなる積層構造を有する
ことを特徴とする半導体装置。
前記バッファ層の前記窒化物半導体結晶層と接する面における基板面と平行な方向の格子定数が、前記窒化物半導体結晶層の前記バッファ層と接する面における該方向の格子定数よりも０.３％以上大きいことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記核形成層がＡｌＮであることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
前記基板がＳｉ基板であることを特徴とする請求項１、２または３に記載の半導体装置。