JP4933513B2

JP4933513B2 - 窒化物半導体成長用基板

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Publication number: JP4933513B2
Application number: JP2008264967A
Authority: JP
Inventors: 正伸廣木; 小林　　隆; 春喜横山; 俊樹牧本; 一英熊倉
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2008-10-14
Filing date: 2008-10-14
Publication date: 2012-05-16
Anticipated expiration: 2024-06-14
Also published as: JP2009038395A

Description

本発明は、特性のよい窒化物半導体の層が形成可能な窒化物半導体成長用基板に関するものである。

窒化物半導体は、遠赤外から紫外領域のバンドギャップを有するため、遠赤外から紫外領域での受光や発光素子用の材料として有望である。また、窒化物半導体は、原子結合力が強く、絶縁破壊電界が高く、飽和電子速度が大きいことから、耐高温・高出力・高周波トランジスタなどの電子デバイスの材料としても有望である。

窒化物半導体を用いて実用的な素子を形成するためには、窒化物半導体の薄膜を所定の基板上に形成し、所定の素子構造を形成する必要がある。しかしながら、窒化物半導体を格子整合する大きな面積を有する基板が得られていない。現状では、サファイア、炭化珪素、シリコンなど、窒化物半導体とは格子不整合が大きな材料が、基板として用いられている。この中で、シリコン基板を用いると、基板上への窒化物半導体素子構造が、低コストで製造できる可能性を有している。また、シリコン系の集積回路と窒化物半導体素子とを、同一の基板上に形成できるなど、有利な点が多くある。

しかしながら、サファイア基板や炭化珪素基板に比較し、シリコン基板の上に良質な窒化物半導体の薄膜を形成することは、次に示す理由により非常に困難である。まず、シリコンの熱膨張係数と窒化物半導体との熱膨張係数との間には大きな差がある。また、シリコンの格子定数と窒化物半導体の格子定数との間にも、差がある。加えて、窒化物半導体を気相成長するときに用いる原料ガスが、シリコンと化合物を形成しやすいため、シリコン基板の上には窒化物半導体が平坦に成長せず、高密度の欠陥が発生し、かつクラックが発生しやすい。

以上のような問題点を解消するために、シリコン基板の上に数十ｎｍから数百ｎｍの厚さの窒化アルミニウムの膜を緩衝層として形成し、この上に窒化物半導体を形成する技術が提案されている（非特許文献１参照）。この技術では、例えば、平坦な平面状態の窒化ガリウムの膜を、シリコン基板の上に形成することが容易になる。また、上記技術によれば、欠陥密度が低く、クラックの発生が抑制された状態で、窒化ガリウムの膜が形成されている。

非特許文献１に示された技術では、窒化アルミニウムがシリコン基板の表面に、平坦に成長しやすいという特性を利用し、上述した効果を得ている。
なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
D.M.Follstaedt, J.Han, P.Provencio, and J.G.Fleming, "MICROSTRUCTURE OF GaN FROWN ON (111)Si BY MOCVD", MRS Internet J.Nitride Semicond. Res. 4SI, G3. 72. (1999).

しかしながら、非特許文献１に記載された技術により作成した窒化ガリウムの膜においても、およそ１０¹⁰ｃｍ^-2という高密度の転位が発生しており、サファイア基板や炭化珪素基板の上に形成した窒化ガリウム膜に比較して、転位の密度が高い状態である。このように、現状では、シリコン基板の上へ高品質な窒化物半導体の結晶成長が非常に困難な状態である。

シリコンと窒化物半導体との大きな格子定数の差や結晶形の違いにより、シリコン基板の上に形成した窒化物半導体には高密度の欠陥が発生しやすく、これを用いた素子の特性を大きく阻害する。前述したように、従来の技術ではこの問題を解消するまでには至っていなく、いまだ、シリコン基板の上の窒化物半導体を用いた素子の実用化がなされていない。
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、シリコン基板の上に高品質な窒化物半導体の層が形成できるようにすることを目的とする。

本発明に係る窒化物半導体成長用基板は、シリコン基板とこの上に形成され、所定の酸素組成比ｘ及び所定の窒素組成比ｙとされた酸窒化アルミニウムからなるＡｌＯ_xＮ_y層と、このＡｌＯ_xＮ_y層の上に形成された窒化アルミニウムからなるＡｌＮ層とを少なくとも備えるようにしたものである。
従って、シリコン基板の上に形成されている各層間の格子定数の差が小さく、転位の発生が抑制されるようになり、ＡｌＮ層においては、転位の密度の増加が抑制された状態となっている。

上記窒化物半導体成長用基板において、酸化アルミニウムからなり、シリコン基板とＡｌＯ_xＮ_y層との間に形成されたＡｌ₂Ｏ₃層を備えるようにしてもよい。
また、上記窒化物半導体成長用基板において、ＡｌＯ_xＮ_y層の酸素組成比ｘは、シリコン基板の側からＡｌＮ層の側にかけて減少し、ＡｌＯ_xＮ_y層の窒素組成比ｙは、シリコン基板の側からＡｌＮ層の側にかけて増加するようにすることで、各層間の格子定数の差がほぼない状態とすることができる。

また、本発明に係る他の窒化物半導体成長用基板は、シリコン基板とこの上に形成された酸化アルミニウムからなるＡｌ₂Ｏ₃層と、このＡｌ₂Ｏ₃層の上に形成された窒化アルミニウムからなるＡｌＮ層とを少なくとも備えるようにしたものである。この窒化物半導体成長用基板の上に結晶成長した窒化物半導体は、高抵抗な状態が得られる。
なお、上述した窒化物半導体成長用基板において、ＡｌＮ層の上に酸化アルミニウムからなるキャップ層を備えることで、ＡｌＮ層の表面における自然酸化を抑制できるようになる。

以上説明したように、本発明によれば、シリコン基板の上にＡｌＯ_xＮ_y層を介してＡｌＮ層を備えておき、ＡｌＮ層における転位の密度を抑制するようにしたので、シリコン基板の上に高品質な窒化物半導体の層が形成できるようになるという優れた効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態における窒化物半導体成長用基板の構成例を示す模式的な断面図である。図１に示す窒化物半導体成長用基板は、単結晶シリコンからなるシリコン基板１０１の上に，酸化アルミニウムからなるＡｌ₂Ｏ₃層１０２，酸窒化アルミニウムからなるＡｌＯ_xＮ_y層１０３，窒化アルミニウムからなるＡｌＮ層１０４，及び酸化アルミニウムからなるＡｌ₂Ｏ₃キャップ層１０５を備えるようにしたものである。

ＡｌＯ_xＮ_y層１０３は、Ａｌ₂Ｏ₃層１０２の側からＡｌＮ層１０４の側にかけて、酸素の組成比ｘが減少し、窒素の組成比ｙが増加している層である。この変化は、連続的であってもよく、段階的（非連続）であってもよい。なお、Ａｌ₂Ｏ₃層１０２は、化学量論的組成の酸化アルミニウムから構成され、ＡｌＮ層１０４は、化学量論的組成の窒化アルミニウムから構成されたものである。

以下、図１に示す窒化物半導体成長用基板の製造方法例について説明する。なお、以降に示す数値などは、すべて一例であり、以下に示した数値に本発明が限られるものではない。
まず、直径３インチのシリコン基板１０１を用意し、ＥＣＲ（Electro Cyclotron Resonance）プラズマを用いた反応性スパッタ法により、ターゲットにアルミニウムを用い、反応性ガスに酸素を用い、膜厚１０ｎｍ程度にＡｌ₂Ｏ₃層１０２が形成された状態とする。

次に、同様の反応性スパッタ法により、反応性ガスに酸素と共に窒素を用い、供給する酸素ガスの量を変化させることで、Ａｌ₂Ｏ₃層１０２の上に膜厚１０ｎｍ程度のＡｌＯ_xＮ_y層１０３が形成された状態とする。
次に、上記同様の反応性スパッタ法により、反応性ガスに窒素を用い、ＡｌＯ_xＮ_y層１０３の上に膜厚１０ｎｍ程度のＡｌＮ層１０４が形成された状態とする。

引き続いて、反応性ガスを酸素ガスとし、ＡｌＮ層１０４の上に膜厚５ｎｍ程度のが形成された状態とすることで、図１に示す窒化物半導体成長用基板が得られる。
上述したスパッタ法による各層の形成は、同じ装置内において、連続して行うようにしてもよい。例えば、供給する反応性ガスを、酸素から徐々に窒素へと変えるようにすることで、同じ装置内で連続して各層を形成することができる。また、各層を個別の装置で形成するようにしてもよいことは、いうまでもない。

ところで、Ａｌ₂Ｏ₃層１０２は、膜厚１〜２００ｎｍの範囲で形成されていればよく、より好ましくは、膜厚２〜２０ｎｍ程度に形成されていればよい。また、ＡｌＯ_xＮ_y層１０３は、膜厚１〜２００ｎｍの範囲で形成されていればよく、より好ましくは、膜厚２〜７０ｎｍ程度に形成されていればよい。また、ＡｌＮ層１０４は、膜厚１〜２００ｎｍの範囲で形成されていればよく、より好ましくは、膜厚２〜５０ｎｍ程度に形成されていればよい。

次に、図１に示した窒化物半導体成長用基板の上に、窒化ガリウム（ＧａＮ）の層を形成した場合について説明する。
図２の断面は、図１に示した窒化物半導体成長用基板の上に、ＧａＮ層１０６が形成された状態を示している。ＧａＮ層１０６は、例えば、以降に条件を示す有機金属気相成長法により形成できる。ＧａＮ層１０６は、まず、図１に示す窒化物半導体成長用基板を所定の成長炉中に搬入し、成長炉の中をアンモニア雰囲気として１０００℃まで昇温し、ここにソースガスとしてトリメチルガリウムを供給する。

上述した有機金属気相成長法により、基板（Ａｌ₂Ｏ₃キャップ層１０５）の上に、ＧａＮ結晶が成長し、ＧａＮ層１０６が形成される。また、Ａｌ₂Ｏ₃キャップ層１０５が形成されていても、ＧａＮ層１０６が形成される。原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）の観察により、上記ＧａＮの結晶成長時には、Ａｌ₂Ｏ₃キャップ層１０５に部分的に開口部が形成されて下層のＡｌＮ層１０４が露出していることが判明している。このことから、上記開口部に露出しているＡｌＮ層１０４より、ＧａＮが結晶成長しているものと考えられる。

Ａｌ₂Ｏ₃キャップ層１０５は、ＡｌＮ層１０４の表面に自然酸化膜が形成されることを抑制するために備えている。Ａｌ₂Ｏ₃キャップ層１０５を備えることで、ストイキオメトリーの乱れから発生する表面の不安定性を生じさせるＡｌＮ層１０４の表面の不規則な自然酸化が、防げるようになる。言い換えると、Ａｌ₂Ｏ₃キャップ層１０５により、ＡｌＮ層１０４の表面に、ストイキオメトリーの乱れが無く規則的な酸化膜が形成されている状態が得られるようになる。従って、Ａｌ₂Ｏ₃キャップ層１０５は、必ずしも必要はなく、例えば、ＡｌＮ層１０４の表面に自然酸化膜が形成されない状態が得られれば、Ａｌ₂Ｏ₃キャップ層１０５は無くてもよい。

上述したことにより図１に示す窒化物半導体成長用基板の上に形成したＧａＮ層１０６は、転位密度が５×１０⁸ｃｍ^-2程度となり、従来より得られているシリコン基板上のＧａＮ層の１×１０¹⁰ｃｍ^-2に比較して、転位密度が大幅に減少している。
以下、図１に示す窒化物半導体成長用基板における、転位密度の低減効果について説明する。シリコンは、格子定数０．５４３０１ｎｍの立方晶であり、Ａｌ₂Ｏ₃は、格子定数０．４７５８ｎｍの六方晶であり、ＡｌＮは、格子定数０．３１１２ｎｍの六方晶であり、ＡｌＯ_xＮ_yは、Ａｌ₂Ｏ₃とＡｌＮとの間の格子定数の六方晶であり、ＧａＮは、格子定数０．３１８９ｎｍの六方晶である。

従って、図１に示す窒化物半導体成長用基板では、各格子定数が、シリコン基板１０１＞Ａｌ₂Ｏ₃層１０２＞ＡｌＯ_xＮ_y層１０３＞ＡｌＮ層１０４となっている。
このように、図１に示す窒化物半導体成長用基板では、シリコン基板１０１からＡｌＮ層１０４にかけて、ＡｌＯ_xＮ_yからなる層を用いることで、各層の間で格子定数の差が小さくなるようにし、貫通転位の密度が従来に比較して小さくなるようにした。

例えば、図１に示すように、酸素の組成比ｘが減少して窒素の組成比ｙが増加しているＡｌＯ_xＮ_y層１０３を用いるようにした。ＡｌＯ_xＮ_y層１０３は、Ａｌ₂Ｏ₃層１０２との界面近傍においては、ほぼ酸化アルミニウムの状態であり、ＡｌＮ層１０４との界面においては、ほぼ窒化アルミニウムの状態である。このため、Ａｌ₂Ｏ₃層１０２からＡｌＮ層１０４にかけて、各層間の格子定数の差が、ほぼない状態となる。

なお、ＡｌＯ_xＮ_y層１０３は、所定の酸素組成比ｘ及び所定の窒素組成比ｙとされていてもよいが、酸素組成比ｘがＡｌＮ層１０４の側にかけて減少し、窒素組成比ｙがＡｌＮ層１０４の側にかけて増加する状態とすることで、各層間の格子定数の差がほぼない状態が得られる。

上述したように、図１に示す窒化物半導体成長用基板によれば、シリコン基板１０１の上に、ＡｌＯ_xＮ_y層１０３を介してＡｌＮ層１０４を備えるようにしたので、転位などの欠陥が抑制されたＧａＮ層１０６が形成できる。
また、図１に示す窒化物半導体成長用基板では、ＡｌＯ_xＮ_y層１０３を介してＡｌＮ層１０４を備えるようにしたので、反応性スパッタによりＡｌＮ層１０４が形成できるようになる。この結果、より高温が必要な有機金属気相成長法などを用いることなく、窒化物半導体の結晶成長を行う前に、ＡｌＮの層を用意しておくことが可能となる。

従来では、有機金属気相成長法によりＧａＮの層を結晶成長させる時に、前処理として、ＡｌＮの層を結晶成長させている。有機金属気相成長法によるＡｌＮの層の成長では、基板温度を１１００℃とする必要があり、ＧａＮの結晶成長温度である１０００℃より高い温度が必要となっていた。

これに対し、図１に示す窒化物半導体成長用基板を用いる場合、すでにＡｌＮの層が存在しているので、有機金属気相成長法によりＡｌＮの層を形成してからＧａＮの結晶成長を行う必要が無い。この結果、図１に示す窒化物半導体成長用基板用いることで、ＧａＮを結晶成長する際には、ＧａＮが結晶成長する温度にまでとすればよくなる。このことにより、例えば、基板を加熱するためのヒータの寿命を延長することができ、また、ＧａＮの層をより短い時間で形成することが可能となる。

また、ＧａＮ層１０６のシート抵抗測定による絶縁性評価は、１０⁶Ω／ｓｑｒ以上と、高い絶縁性が得られている。
従来より得られているシリコン基板上のＧａＮ層の絶縁性は、１０³〜１０⁴Ω／ｓｑｒと低く、このＧａＮ層の上に電界効果トランジスタを形成すると、ＧａＮ層へのリーク電流が問題となる。従って、図１に示す窒化物半導体成長用基板の上にＧａＮ層１０６を形成することで、前述したように高い絶縁性が得られ、上述したリーク電流の問題も解消できるようになる。

次に、本発明の実施の形態における窒化物半導体成長用基板の他の構成例について説明する。図３は、本実施の形態における窒化物半導体成長用基板の上に、ＧａＮ層２０６を形成した状態を示す模式的な断面図である。図３に示す窒化物半導体成長用基板は、シリコン基板１０１の上に、Ａｌ₂Ｏ₃層を用いずに、ＡｌＯ_xＮ_y層１０３を介してＡｌＮ層１０４を形成したものである。図３に示す窒化物半導体成長用基板は、図１に示す窒化物半導体成長用基板に比較してＡｌ₂Ｏ₃層のない点で異なり、他の構成は同様である。

図３に示す窒化物半導体成長用基板の上に形成したＧａＮ層２０６は、転位密度が２×１０⁹ｃｍ^-2程度となり、従来より得られているシリコン基板上のＧａＮ層の１×１０¹⁰ｃｍ^-2に比較して、転位密度が大幅に減少している。ただし、図２に示したＧａＮ層１０６に比較すると、転位密度は高い状態となっている。

また、ＧａＮ層２０６のシート抵抗測定による絶縁性評価は、５×１０⁵Ω／ｓｑｒと、従来技術によるＧａＮ層に比較して、高い絶縁性が得られている。ただし、絶縁特性についても、ＧａＮ層１０６に比較すると低い状態となっている。
これらのことにより、図１，２に示したように、シリコン基板１０１の上に所定の厚さのＡｌ₂Ｏ₃層を用意しておくことで、より特性のよい窒化物半導体が得られることがわかる。

次に、図１，２に示した窒化物半導体成長用基板を用いた、電界効果トランジスタの構成例について説明する。図４は、本発明の窒化物半導体成長用基板を利用して形成した、高電子移動度トランジスタの構成を概略的に示す模式的な断面図である。図４に示すトランジスタは、図１に示す窒化物半導体成長用基板の上に形成されたバッファ層となるＧａＮ層１０６の上に、まず、例えば、アルミニウムとガリウムの組成比が３：７とされたアンドープのＡｌＧａＮからなる半導体層１０７を備える。

また、図４に示すトランジスタは、半導体層１０７の上に、例えばシリコンが約１０¹⁸ｃｍ^-3程度ドープされたｎ形のＡｌＧａＮからなる電子供給層１０８を備え、電子供給層１０８の上にアンドープのＡｌＧａＮからなる半導体層１０９を介して、ゲート電極１１０を備える。また、半導体層１０９の上において、ゲート電極１１０を挾むように、ソース電極１１１とドレイン電極１１２が備えられている。

ゲート電極１１０は、例えば、ニッケル層とこの上に形成された金層とから構成された積層構造の電極である。
また、ソース電極１１１及びドレイン電極１１２は、チタン層／アルミニウム層／チタン層／金層の順に積層して形成される。このように積層されて形成された後、加熱処理によるシンターで、ソース電極１１１及びドレイン電極は、半導体層１０７に形成されるチャネルとのオーミック接続を得ている。

図４に示すトランジスタでは、電子供給層１０８にドープされているドナー不純物から供給された電子が、半導体層１０７とＧａＮ層１０６とのヘテロ接合界面のＧａＮ層１０６側の近傍に蓄積してチャネルを形成している。このチャネルの厚さは非常に薄く、２次元電子チャネルと称されている。

図４に示すトランジスタの電気的特性は、ホール測定によれば、上記２次元電子チャネルにおけるキャリアの移動度が１２００ｃｍ／Ｖｓであり、シート電子濃度が１．３×１０¹³ｃｍ^-2である。これらの特性は、サファイア基板や炭化珪素基板の上に、同様のトランジスタを形成した場合とほぼ同様に良好な結果である。

高電子移動度トランジスタでは、よく知られているように、ヘテロ接合面の界面近傍における半導体層の結晶性が、上述した各特性の良否に大きく関わっている。従って、上述した特性の結果は、図４に示すトランジスタでは、ヘテロ接合面の界面近傍における半導体層の結晶性がよいことを示している。
このように、図１に示した窒化物半導体成長用基板によれば、結晶性のより窒化物半導体の層が得られる。

また、図４に示すトランジスタは、ピンチオフ状態でソース電極１１１とドレイン電極１１２との間に５０Ｖまでの電圧を印加しても、バッファリーク電流が数μＡ以下と、ほとんど流れない。このような特性のトランジスタは、高出力の用途として有用である。このように、図１に示した窒化物半導体成長用基板によれば、高い絶縁性を備えた状態のバッファ層が形成できる。

ところで、図５に示す窒化物半導体成長用基板を用いることで、高い絶縁性を備えた窒化物半導体の層（バッファ層）を形成することができる。図５に示す窒化物半導体成長用基板は、単結晶シリコンからなるシリコン基板１０１の上に，酸化アルミニウムからなるＡｌ₂Ｏ₃層１０２，窒化アルミニウムからなるＡｌＮ層１０４，及び酸化アルミニウムからなるＡｌ₂Ｏ₃キャップ層１０５を備えるようにしたものである。Ａｌ₂Ｏ₃層１０２は、化学量論的組成の酸化アルミニウムから構成され、ＡｌＮ層１０４は、化学量論的組成の窒化アルミニウムから構成されたものである。

図５に示す窒化物半導体成長用基板の上に形成したＧａＮ層３０６は、シート抵抗測定による絶縁性評価が１０⁶Ω／ｓｑｒ以上と、高い絶縁性が得られている。このように、シリコン基板１０１の上にＡｌ₂Ｏ₃層１０２を介してＡｌＮ層１０４を形成しておくことで、高い絶縁性を持つ窒化物半導体層が得られることがわかる。ただし、ＧａＮ層３０６は、転位密度が５×１０⁹ｃｍ^-2程度となり、従来より得られているシリコン基板上のＧａＮ層の転位密度と同程度であり、転位密度の減小は得られていない。

なお、上述した実施の形態では、窒化物半導体としてＧａＮを例示したが、これに限るものではなく、ＡｌＧａＮやＩｎＧａＮなど、他の窒化物半導体にも同様に適用できる。また、適用可能な窒化物半導体の層においては、不純物の添加の有無や、添加された不純物によりキャリアの極性、及び半導体層の組成比には依存することなく、上述した効果が得られる。

本発明の実施の形態における窒化物半導体成長用基板の構成例を示す模式的な断面図である。図１に示した窒化物半導体成長用基板の上に、ＧａＮ層１０６が形成された状態を示す模式的な断面図である。本発明の実施の形態における他の窒化物半導体成長用基板の上に、ＧａＮ層２０６を形成した状態を示す模式的な断面図である。本発明の窒化物半導体成長用基板を利用して形成した、高電子移動度トランジスタの構成を概略的に示す模式的な断面図である。本発明の実施の形態における他の窒化物半導体成長用基板の上に、ＧａＮ層３０６を形成した状態を示す模式的な断面図である。

符号の説明

１０１…シリコン基板、１０２…Ａｌ₂Ｏ₃層、１０３…ＡｌＯ_xＮ_y層、１０４…ＡｌＮ層、１０５…Ａｌ₂Ｏ₃キャップ層。

Claims

窒化物半導体層が結晶成長により形成される窒化物半導体成長用基板であって、
シリコン基板とこの上に形成された酸化アルミニウムからなるＡｌ₂Ｏ₃層と、
このＡｌ₂Ｏ₃層の上に形成された窒化アルミニウムからなるＡｌＮ層と
を少なくとも備える
ことを特徴とする窒化物半導体成長用基板。
請求項１記載の窒化物半導体成長用基板において、
前記ＡｌＮ層の上に形成された酸化アルミニウムからなるキャップ層を備える
ことを特徴とする窒化物半導体成長用基板。