JP5023230B1 - 窒化物半導体素子、窒化物半導体ウェーハ及び窒化物半導体層の製造方法 - Google Patents
窒化物半導体素子、窒化物半導体ウェーハ及び窒化物半導体層の製造方法 Download PDFInfo
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Abstract
【解決手段】実施形態によれば、積層下地層と、機能層と、を備えた窒化物半導体素子が提供される。積層下地層は、シリコン基板の上に形成されたAlNバッファ層の上に形成され、交互に積層された複数のAlN下地層と複数のGaN下地層とを含む。機能層は、積層下地層の上に設けられ、窒化物半導体を含み低Si濃度の機能部低濃度層と、機能部低濃度層の上に設けられ、高Si濃度の機能部高濃度層と、を含む。複数のGaN下地層のうちでシリコン基板に最も近い基板側GaN下地層は、低Si濃度の第1、第2低濃度下地部と、高Si濃度で、第1、第2低濃度下地部の厚さの合計よりも薄い局所高濃度下地部と、を有する。
【選択図】図1
Description
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
本実施形態は、窒化物半導体素子に係る。実施形態に係る窒化物半導体素子は、半導体発光素子、半導体受光素子、及び、電子デバイスなどの半導体装置を含む。半導体発光素子は、例えば、発光ダイオード(LED)及びレーザダイオード(LD)などを含む。半導体受光素子は、フォトダイオード(PD)などを含む。電子デバイスは、例えば、高電子移動度トランジスタ(HEMT)、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ(HBT)、電界トランジスタ(FET)及びショットキーバリアダイオード(SBD)などを含む。
図1に表したように、本実施形態に係る窒化物半導体素子110は、積層下地層50と、機能層10sと、を備える。
図2は、第1の実施形態に係る窒化物半導体素子の構成を例示する模式的断面図である。
図2に表したように、本実施形態に係る1つの例である窒化物半導体素子111においては、機能層10sは、発光部30と、p形半導体層20と、をさらに備える。
図3に表したように、発光部30は、複数の障壁層31と、複数の障壁層31どうしの間に設けられた井戸層32と、を含む。例えば、複数の障壁層31と、複数の井戸層32と、がZ軸に沿って交互に積層される。
図4は、本実施形態に対応する第1試料151の構成を示している。第1試料151においては、複数のGaN下地層51のうちでシリコン基板40に最も近い基板側GaN下地層51sに、Siのδドープ層51d(局所高濃度下地部51c)が設けられている。ただし、第1試料151においては、機能部高濃度層10hが設けられていない。すなわち、第1試料151は、実施形態の構成において、機能部低濃度層10lの上に機能部高濃度層10hを設ける前の状態である。
これにより、第1試料151が得られる。
図8(a)〜図8(d)は、第1〜第4試料の特性を例示するノマルスキ顕微鏡像である。
図8(a)に示したように、第1試料151においては、クラックがない表面が得られた。また、X線回折装置を用いてウェーハのロッキングカーブ測定を行った。第1試料151においては、(002)面のX線半値全幅は364秒であり、(101)面のX線半値全幅は817秒であった。なお、(002)面のX線半値全幅は、らせん転位密度との相関が強く、(101)面のX線半値全幅は、刃状転位密度との相関が強い。このように、第1試料151においては、欠陥密度が低かった。
図9に表したように、本実施形態に係る別の窒化物半導体素子120にいては、機能層10sは、機能部低濃度層10lを複数含み、機能部高濃度層10hを複数含む。そして、複数の機能部高濃度層10hの厚さは、機能部低濃度層10lのそれぞれの厚さよりも薄い。複数の機能部低濃度層10lと複数の機能部高濃度層10hとは、交互に配置されている。すなわち、複数の機能部低濃度層10lと複数の機能部高濃度層10hとが、Z軸に沿って交互に積層される。この例では、機能部高濃度層10hのそれぞれが、Siのδドープ層10dである。これ以外は、窒化物半導体素子110と同様なので説明を省略する。
窒化物半導体素子120において、n形半導体層10の厚さは、例えば2.1μmである。
図10に表したように、第5試料155の窒化物半導体素子においては、積層下地層50の上に、n形半導体層10が直接設けられている。この場合もn形半導体層10の厚さは例えば2.1μmである。第5試料155においては、n形半導体層10中に、δドープ層10dは設けらない。すなわち、n形半導体層10のZ軸に沿う広い領域に渡ってSiがドープされている。
図11(a)に示したように、本実施形態に係る窒化物半導体素子120においては、表面にクラックCRは観察されなかった。
図12に表したように、本実施形態に係る別の窒化物半導体素子130は、シリコン基板40の上に形成されたAlNバッファ層55の上に形成された機能層10sを備える。この例では、AlNバッファ層55の上に中間層54が設けられ、機能層10sは、中間層54の上に設けられている。中間層54は、必要に応じて設けられ、場合によっては省略しても良い。機能層10sは、交互に積層された、複数の機能部低濃度層10lと、複数の機能部高濃度層10h(例えばδドープ層10d)と、を含む。
本実施形態は、窒化物半導体ウェーハに係る。このウェーハには、例えば、半導体装置の少なくとも一部、または、半導体装置の少なくとも一部となる部分が設けられている。この半導体装置は、例えば、半導体発光素子、半導体受光素子、及び、電子デバイスなどを含む。
図13に表したように、本実施形態に係る窒化物半導体ウェーハ210は、シリコン基板40と、AlNバッファ層55と、積層下地層50と、機能層10sと、を備える。この例では、窒化物半導体ウェーハ210は、中間層54をさらに備える。中間層54は、省略しても良い。
図14に表したように、本実施形態に係る別の窒化物半導体ウェーハ230は、シリコン基板40と、シリコン基板40上に設けられたAlNバッファ層55と、AlNバッファ層55上に設けられた機能層と、を備える。この例では、窒化物半導体ウェーハ230は、中間層54をさらに備える。中間層54は、省略しても良い。
図15は、第3の実施形態に係る窒化物半導体層の製造方法を例示するフローチャート図である。
図15に表したように、本製造方法においては、シリコン基板40の上に設けられたAlNバッファ層55の上に、複数のAlN下地層52と複数のGaN下地層51とを交互に積層して積層下地層50を形成する(ステップS110)。さらに、積層下地層50の上に、窒化物半導体を含みSi濃度が5×1018cm−3未満の機能部低濃度層10lを形成し、機能部低濃度層10lの上に、Si濃度が5×1018cm−3以上の機能部高濃度層10hを形成して機能層10sを形成する(ステップS120)。
本製造方法は、シリコン基板40の上に形成されたAlNバッファ層55の上に機能層10sを形成する工程(ステップS200)を備える。機能層10sを形成する工程は、窒化物半導体を含みSi濃度が5×1018cm−3未満の複数の機能部低濃度層10lの形成(ステップS210)と、Si濃度が5×1018cm−3以上の複数の機能部高濃度層10hの形成(ステップS220)と、を複数回繰り返す。複数の機能部高濃度層10hのそれぞれの厚さは、機能部低濃度層10lのそれぞれの厚さよりも薄い。
また、各具体例のいずれか2つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
Claims (7)
- シリコン基板の上に形成されたAlNバッファ層の上に形成され、交互に積層された複数のAlN下地層と複数のGaN下地層とを含む積層下地層と、
前記積層下地層の上に設けられ、窒化物半導体を含みSi濃度が1×1018cm−3未満の機能部低濃度層と、前記機能部低濃度層の上に設けられ、Si濃度が1×1018cm−3以上の機能部高濃度層と、を含む機能層と、
を備え、
前記複数のGaN下地層のうちで前記シリコン基板に最も近い基板側GaN下地層は、Si濃度が5×1018cm−3未満の第1低濃度下地部と、Si濃度が5×1018cm−3未満の第2低濃度下地部と、前記第1低濃度下地部と前記第2低濃度下地部との間に設けられ、Si濃度が5×1018cm−3以上で、前記第1低濃度下地部の厚さ及び前記第2低濃度下地部の厚さの合計よりも薄い局所高濃度下地部と、を有することを特徴とする窒化物半導体素子。 - 前記局所高濃度下地部の厚さは、0.1ナノメートル以上50ナノメートル以下であることを特徴とする請求項1記載の窒化物半導体素子。
- 前記複数のGaN下地層のうちの前記基板側GaN下地層を除く全ての前記GaN下地層は、前記Si濃度が5×1018cm−3未満であることを特徴とする請求項1または2に記載の窒化物半導体素子。
- 前記機能部高濃度層の厚さは、1.5マイクロメートル以上、4マイクロメートル以下であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の窒化物半導体素子。
- 前記機能層は、
前記機能部高濃度層の上に設けられ、複数の障壁層と、前記複数の障壁層どうしの間に設けられた井戸層と、を含む発光部と、
前記発光部の上に設けられ、窒化物半導体を含み、Mg、Zn及びCの少なくともいずれかを含むp形半導体層と、
をさらに含むことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載の窒化物半導体素子。 - シリコン基板と、
前記シリコン基板の上に設けられたAlNバッファ層と、
前記AlNバッファ層の上に設けられ、交互に積層された複数のAlN下地層と複数のGaN下地層とを含む積層下地層と、
前記積層下地層の上に設けられ、窒化物半導体を含みSi濃度が5×1018cm−3未満の機能部低濃度層と、前記機能部低濃度層の上に設けられ、Si濃度が5×1018cm−3以上の機能部高濃度層と、を含む機能層と、
を備え、
前記複数のGaN下地層のうちで前記シリコン基板に最も近い基板側GaN下地層は、Si濃度が5×1018cm−3未満の第1低濃度下地部と、Si濃度が5×1018cm−3未満の第2低濃度下地部と、前記第1低濃度下地部と前記第2低濃度下地部との間に設けられ、Si濃度が5×1018cm−3以上で、前記第1低濃度下地部の厚さ及び前記第2低濃度下地部の厚さの合計よりも薄い局所高濃度下地部と、を有することを特徴とすることを特徴とする窒化物半導体ウェーハ。 - シリコン基板の上に設けられたAlNバッファ層の上に、複数のAlN下地層と複数のGaN下地層とを交互に積層して積層下地層を形成し、
前記積層下地層の上に、窒化物半導体を含みSi濃度が5×1018cm−3未満の機能部低濃度層を形成し、前記機能部低濃度層の上に、Si濃度が5×1018cm−3以上の機能部高濃度層を形成して機能層を形成し、
前記積層下地層の形成は、
前記複数のGaN下地層のうちで前記シリコン基板に最も近い基板側GaN下地層の形成において、Si濃度が5×1018cm−3未満の第1低濃度下地部と、Si濃度が5×1018cm−3未満の第2低濃度下地部と、前記第1低濃度下地部と前記第2低濃度下地部との間に設けられ、Si濃度が5×1018cm−3以上で、前記第1低濃度下地部の厚さ及び前記第2低濃度下地部の厚さの合計よりも薄い局所高濃度下地部と、形成することを含むことを特徴とする窒化物半導体層の製造方法。
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