JP5274245B2 - 化合物半導体構造とその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、化合物半導体構造とその製造方法に関し、特に導電性SiC基板を用いたGaN系化合物半導体構造とその製造方法に関する。
GaN系化合物半導体とは、AlInGa1−x−yN(0≦x≦1.0、0≦y≦1.0)を指す。
GaNまたはGaN系化合物半導体を用いた化合物半導体装置の開発が活発である。GaNは、バンドギャップが3.4eVと高く、高耐圧動作が可能である。GaN系化合物半導体を用いてヘテロ接合を形成することにより、種々の半導体装置を作成することができる。結晶成長方法としては、主に有機金属気相成長(MOCVD)が用いられる。
GaNは高耐圧であり、例えば携帯電話の基地局用高電子移動度トランジスタ(HEMT)等、高電圧、高速動作が要求される用途での応用が期待されている。サファイア、SiC,GaN,Si等の基板上に、GaN/AlGaNを結晶成長し、GaN層を電子走行層とするGaN−HEMTが種々報告されている。
特開2002−359256号は、例えばc面サファイア基板上に、MOCVDにより、i型GaN電子走行層、i型AlGaNスペーサ層、Siドープn型AlGaN電子供給層、およびSiドープn型GaN保護層を積層し、CVDでSiN膜を堆積し、開口を形成してソース/ドレインのオーミック電極,ゲートのショットキ電極を形成した、オン耐圧を高めると共に、I−V特性を改善したGaN系HEMTを提案している。
特開2004−221325号は、SiC基板上に、i型GaN電子走行層、i型AlGaNスペーサ層、Siドープn型AlGaN電子供給層、およびSiドープn型GaNキャップ層を積層し、ソース/ドレインのオーミック電極を形成した後、CVDで第1のSiN保護膜を堆積し、開口を形成して,ゲートのショットキ電極を形成し、さらに第2のSiN保護膜を形成したHEMTを提案している。本構成によれば、電流コラプスcollapse、即ち動作中のオン抵抗の変化、を抑制することができる。
現在、電流オフ時の耐圧として300Vを超える値が報告されている。SiC基板を用いたGaN−HEMTにおいて、最も良好な出力特性が得られている。SiCの熱伝導率が高いことが寄与している。高速動作GaNデバイスを作製するためには、寄生容量を制限するため、半絶縁性SiC基板を用いている。
特開2002−359256号公報 特開2004−221325号公報
半絶縁性SiC基板の価格は非常に高く、GaN−HEMT普及の阻害要因となる可能性がある。導電性SiC基板は、半絶縁性SiC基板と較べて、安価に入手できる。導電性SiC基板を用いて、特性の良好なGaN系デバイスが作成できれば、普及に貢献する。
本発明の目的は、導電性SiC基板を用い、特性の優れたGaN系化合物半導体構造およびその製造方法を提供することである。
本発明の1観点によれば、
導電性SiC基板であって、基板の主たる色が黒色、導電型がp型、抵抗率が1×10Ωcm以上、1×10Ωcm未満であるか、基板の主たる色が青色、導電型がp型、抵抗率が10Ωcm以上、1×10Ωcm未満である、導電性SiC基板と、
前記導電性SiC基板上に形成され、厚さ10μm以上の半絶縁性AlN層と、
を有する化合物半導体構造、または
導電性SiC基板であって、基板の主たる色が緑色、導電型がn型、抵抗率が0.08Ωcm以上、1×10Ωcm未満である導電性SiC基板と、
前記導電性SiC基板上に形成され、厚さ10μm以上のAlN層と、
を有し、前記SiC基板の光吸収スペクトルのピーク値の吸収係数が、波長0.5μmの吸収係数の2倍以内である化合物半導体構造
が提供される。
本発明の他の観点によれば、
(a)導電性SiC基板の色と抵抗率を検出する工程と、
前記工程(a)で検出した色と抵抗率が、予め設定した複数のカテゴリのいずれかに属するか否かを決定する工程と、
前記工程(a)で検出した色と抵抗が、予め設定したカテゴリのいずれかに属すると前記工程(b)で決定した場合、前記導電性SiC基板上に半絶縁性AlN層を厚さ10μm以上エピタキシャルに成長する工程と、
を含む化合物半導体構造の製造方法
が提供される。
導電性SiC基板を用いれば、SiCの高熱伝導率を備えたGaN系化合物半導体装置を安価に作成できる。しかし、導電性基板を用いると、半導体装置の寄生容量が大きくなり、高速動作を妨げる。導電性基板と半導体装置の構成要素との間に厚い半絶縁性ないし高抵抗の化合物半導体層を介在させることにより、寄生容量を低減することができる。
図1Aは、GaN−HEMT装置の構成を概略的に示す断面図である。(0001)単結晶導電性SiC基板101上に、半絶縁性ないし高抵抗AlNバッファ層103を厚く成長する。GaN系化合物半導体を成長する結晶成長方法として、代表的に有機金属気相成長法(MOCVD)とハイドライド気相エピタキシ(VPE)が知られている。
図2A,2BにハイドライドVPE装置とMOCVD装置との構成を概略的に示す。
図2Aは、ハイドライドVPE装置の構成を概略的に示す断面図である。石英製反応管30の周囲には誘導加熱用の高周波コイル31が巻回され、その内部には基板1を載置するためのカーボンサセプタ32が配置されている。図中左側に示す反応管30の上流端には2つのガス導入管34、35が接続され、反応管30の下流端には1本のガス排出管36が接続されている。反応管30内のサセプタ32よりも上流側にボートboat38が配置され、その内部には成長すべき化合物のIII族元素のソース39が収容される。ソース39は、例えばAlN成長の場合はAlであり、GaN成長の場合はGaである。ガス導入管34からNソースガスとしてアンモニアNHが導入され、ガス導入管35からHClが導入される。HClはボート38中のIII族ソース39と反応し、III族元素塩化物AlClを生成する。ソースガスAlClとNHは基板1上に運ばれ、基板表面で反応してAlNを成長させる。余剰のガスはガス排出管36から除害塔へ排出される。
図2Bは、MOCVD装置の構成を概略的に示す断面図である。石英製反応管40の外側に高周波コイル41が配置され、反応管40の内側には基板1を載置するためのカーボンサセプタ42が配置される。反応管40の上流側には2つのガス導入管44、45が接続され、化合物のソースガスが供給される。例えば、ガス導入管44からNソースガスとしてNHを導入し、ガス導入管45からIII族元素のソースガスとしてトリメチルアルミニウム又はトリメチルガリウム等の有機III族化合物原料を導入する。基板1上で結晶成長が行われ、余剰のガスはガス排出管46から除害塔へ排出される。なお、MOCVDを減圧雰囲気で行う場合は、ガス排出管46は真空ポンプへ接続され、真空ポンプの排出口が除害塔に接続される。
MOCVDは、化合物半導体の結晶成長方法として広く用いられてきた方法であり、良好な結晶性を得ることが可能である。不純物添加、厚さ制御の技術も種々確立されている。ただし、成長速度は、たかだか1μm/時間(H)である。
ハイドライドVPEは、III族元素のソースとして塩化物を用いる。成長速度は、数10μm/時間も可能であるように、極めて速い。成長した結晶層はソースガスに依存する塩素(Cl)を含む可能性が高い。10μm以上の厚い化合物半導体層を成長するには、MOCVDの成長速度は小さすぎ、成長速度を大きくできるハイドライドVPEが適している。
導電性SiC基板上にGaN−HEMTを作成するには、まず導電性SiC基板上に厚さ10μm以上、例えば厚さ20μm〜50μmの半絶縁性ないし高抵抗AlN層103をハイドライドVPEで成長するのがよい。厚いAlN層をハイドライドVPEで成長すると、転位が減少し、結晶性が改善される。その後、MOCVDでHEMT構成層を成長する。
図1Aに示すように、(0001)面を有する単結晶導電性SiC基板101の上に、AlN層103を例えば厚さ約25μmハイドライドVPEで成長する。ハイドライドVPE装置は、図2Aに示すものであり、ボート38内のIII族元素原料はAlである。ハイドライドVPEの条件は、
圧力: 常圧
ガス流量:
HCl:100ccm、
NH:10LM(リットルパーミニッツ)
温度: 1100℃
である。AlN層の抵抗率は、たとえば1E5(1×10)Ωcmより格段に高くすることができる。
AlNバッファ層103の上にHEMT構成層をMOCVDで成長する。
図2Bに示すMOCVD装置を用い、MOCVDの条件は例えば以下のようにする。
原料とその流量:
トリメチルガリウム(TMG): 50sccm、
トリメチルアルミニウム(TMA): (必要に応じて)5sccm、
アンモニア(NH): 20SLM、
n型不純物: シラン(SiH
p型不純物: ビスシクロペンタディエニルマグネシウム(Cp2Mg)
圧力: 100torr、
温度: 1100℃。
TMGとNHを供給して(TMAは供給せず)、AlNバッファ層103の上に、例えば厚さ3μmのGaN層104を成長する。このGaN層104はノンドープであり、2次元電子ガスが走行する活性層となる領域である。
GaN層104の成長に続き、AlのソースガスであるTMAの供給を開始し、例えば厚さ5nmのノンドープAlGaN層105を成長し、続いてn型不純物Siのソースガスとしてシラン(SiH)も導入し、厚さ20nmのn型AlGaN層106を成長する。n型AlGaN層106のSi不純物のドープ量は、例えば4×1018cm-3程度とする。ノンドープAlGaN層105はスペーサ層となり、n型AlGaN層106を活性層104から隔離する。n型AlGaN層106は、電子供給層となり、キャリアとなる電子を活性層104へ供給する。このようにして、HEMTの基本構成が形成される。
さらに、n型AlGaN層106の上に、TMAの供給を止め、厚さ7nmのn型GaN107を保護層として成長する。Siのドープ量は、例えば5×1018cm-3程度とする。n型AlGaN106は、より低抵抗率のn型GaN107で覆われる。
基板をMOCVD装置から取出し、BClのリセスエッチングで素子分離領域を形成した後、プラズマCVDでSiN膜108を堆積する。ソース/ドレインコンタクト領域のSiN膜に開口を形成し、Clのドライエッチングでn型GaN層をエッチング除去する。例えば厚さ10nmのTa層、その上に厚さ300nmのAl層を形成し、ソース電極S,ドレイン電極Dをパターニングする。これらの電極は、例えばリフトオフ法によりパターニングすることができる。600℃でアニールしてオーミック接触を形成する。ゲートコンタクト領域のSiN膜108をエッチングし、例えば厚さ20nmのNi層、厚さ400nmのAu層を形成し、ゲート電極をパターニングする。この電極も、例えばリフトオフ法によりパターニングすることができる。ゲート電極はショットキ接触を形成する。
半絶縁性AlN層103を厚く、少なくとも厚さ10μm成長することにより、HEMTの寄生容量を抑制できると期待される。AlN層は成長と共に転位が減少し、結晶性が向上する効果も有する。この点から厚さ20μm以上のAlN層を成長するのが特に好ましい。厚さの上限はウエハの反りとクラックによって決まるが、例えば50μmを上限としてよいであろう。動作中にオン抵抗が変化する電流コラプス現象は、n型AlGaN電子供給層の上に、GaN保護層とSiN層を形成することにより回避できる。SiCは熱伝導率が高く、高耐圧の高速動作が実現できると期待される。
しかし、実際に、導電性SiC基板上にGaN系結晶層を成長して形成したGaN−HEMTのデバイス特性は再現性がなかった。
図3は、単位ゲート幅当たりのパワー密度を、各実験のラン毎に測定した結果を示す。曲線c0が、実験の結果を示す。ばらつきが大きく、とても実用に耐えないことが判った。本発明者らは、期待した性能が何故実現できなかったのか、その原因を検討した。
半絶縁性SiC基板が透明であるのに対し、導電性SiC基板は種々の着色を呈する。含有される種々の不純物に起因する色である。B起因の黒色基板はp型の導電性を示す。N起因の緑色基板はn型の導電性を示す。Al起因の青色基板はp型の導電性を示す。導電性SiC基板の色は不純物や準位の密度で支配され、抵抗率が低いほど色が強くなる。
図4A、4Bは、緑色基板の例の一部を示す。図4Aは、抵抗率の例を示す表である。図4Bは、緑色基板の例における、光吸収スペクトルのグラフである。横軸が波長を単位μmで示し、縦軸が吸収係数を単位cm−1で示す。図4Aのサンプルに対応するスペクトルにS1−S4の識別記号を付している。波長0.6μm付近にピークを持つ吸収帯が観察される。抵抗率が低いほど、吸収係数が高いことがわかる。光吸収スペクトルのピーク値の吸収係数が、波長0.5μmの吸収係数の2倍以内であることが望ましい。
GaN系化合物半導体層は、通常1000℃以上、例えば1100℃の白熱状態で成長される。加熱源は、図2A,2Bに示したカーボンサセプタ32,42からの輻射熱である。導電性SiC基板が、例えば波長0.6μm周辺で吸収を示すと、カーボンサセプタからの輻射熱は少なくとも一部SiC基板に吸収されてしまうであろう。すると、結晶成長中の最表面の温度が低下すると考えられる。
図4Cは、表面温度1100℃で結晶成長を行う設定において、緑色SiC基板の抵抗率によって、結晶成長最表面の温度が実際何度になるかを測定した結果を示すグラフである。横軸がSiC基板の抵抗率を示し、縦軸が成長最表面の表面温度を示す。抵抗率が低くなると表面温度が低下することが明瞭に示されている。表面温度の低下量が10℃以内の場合は、成長温度を微調整することにより対応可能であった。しかし、それ以上に温度が下がる場合は、強制的に昇温しても、結晶の均一性や良好なデバイス特性は得られなかった。成長装置内の結晶成長の条件が余りに変化してしまうからと考えられる。即ち、グラフ中ハッチングで示した領域、抵抗率で示すと0.08Ωcm以上が現状での利用可能範囲である。
各種抵抗率の緑色SiC基板上にエピタキシャル層を成長して、そのトラップ濃度を測定した。また、HEMT構造を形成し、シート抵抗を測定した。
図5A,5Bは、各種抵抗率のSiCを用いたときの、成長層のトラップ濃度と、シート抵抗との関係を示すグラフである。図5Aは、SiC基板の抵抗率が低下するとトラップ濃度が増加することを示している。結晶中にカーボンが取り込まれたり、点欠陥が増加したりすることにより、トラップ濃度が増加すると考えられる。設定温度を調整してもトラップ形成を抑制できていないことも示されている。
図5Bは、SiC基板の抵抗率が低下すると、シート抵抗が増加ずることを示している。トラップが増加することにより、2次元電子ガスが減少し、シート抵抗が増加すると考えられる。
これらの結果も、緑色SiC基板の抵抗率が0.08Ωcm以上の場合に、良好なデバイス特性が得られることを示した。
図6A,6B,6Cは、抵抗率0.06Ωcm、0.08Ωcm、半絶縁性基板(抵抗率としては1E5Ωcmより大)の緑色SiC基板上に形成したGaN−HEMTのI−V特性を示す。抵抗率が0.08Ωcm以上の場合は、成長設定温度は1100℃である。抵抗率0.06Ωcmの基板に対しては成長設定温度を1100℃から1120℃に昇温して、表面温度を調整した。抵抗率0.08ΩcmのSiC基板上では、ほぼ半絶縁性基板上に近いI−V特性が得られている。抵抗率0.06Ωcmの基板上では、ドレイン電流の低下が明らかである。
図7は、ゲート幅1mmのデバイスで、オンウエハパワー測定を行った結果を示す。半絶縁性SiC基板を用いた場合と同等範囲のパワーが得られるのは、緑色基板の場合は抵抗率0.08Ωcm以上、青色基板の場合は10Ωcm以上、黒色基板の場合は1E3Ωcm以上であった。
なお、抵抗率1E5Ωcm以上は、半絶縁性とされる領域である。従って、導電性各色SiC基板の抵抗率の上限は1E5Ωcmと言える。
図1Bは、導電性基板の色、抵抗率の範囲、光吸収帯のピーク波長をまとめて示す表である。各色に応じて光吸収帯のピーク波長には差が有り、選択基準となる抵抗率の範囲も異なる。緑色導電性SiC基板の場合は、抵抗率0.08Ωcm〜1E5Ωcmの導電性基板を選択すればよい。青色導電性SiC基板の場合は、抵抗率10Ωcm〜1E5Ωcmの導電性基板を選択すればよい。黒色導電性SiC基板の場合は、抵抗率1E3Ωcm〜1E5Ωcmの導電性基板を選択すればよい。
図3の曲線c1は、上記選択基準に従って、導電性SiC基板を選択した後、その上に図1Aに示すGaN−HEMT構成を形成した時のラン毎のパワー密度を示す。ばらつきが大幅に減少し、均一な特性が得られていることが判る。このように、図1Bに示す選択基準に従って選択した導電性SiC基板を、図1Aに示す導電性SiC基板101として用い、その上にGaN−HEMT構成を形成することにより、低コストで、高耐圧、高速動作可能なGaN−HEMTを製作できる。
GaN−HEMTを作製する場合を説明したが、導電性単結晶SiC基板上に、AlN,GaN,AlGaNを含めた,AlInGa1−x−yN(0≦x≦1.0、0≦y≦1.0)のGaN系化合物半導体を成長できるであろう。AlNバッファ層を成長したウエハ、その上のGaN層/ノンドープAlGaN層/n型AlGaN層/n型GaN層の積層またはその一部を成長したウエハ等のGaN系化合物半導体ウエハを製品としてもよい。これら、半導体装置と半導体ウエハとを含めた対象を半導体構造と呼ぶ。
GaN−HEMTを作製する場合を説明したが、作成する電子デバイスもHEMTに限らない。他の電子デバイスや、光デバイスを作製することも可能であろう。
その他、種々の変形、改良、置換、組合わせなどが可能なことは当業者に自明であろう。
GaN系化合物半導体装置、およびそのためのウエハを提供できる。
図1A、1Bは、実施例による導電性SiC基板を用いたGaN−HEMTの構成を示す断面図および導電性SiC基板の特性を示す表である。 図2A,2Bは、ハイドライドVPE装置とMOCVD装置の概略断面図である。 図3は、選択基準なく導電性SiC基板を用いた時と、選択基準に従って選択した導電性SiC基板を用いた時の、ラン毎のパワー密度を示すグラフである。 図4A,4B、4Cは、緑色導電性SiC基板の例における抵抗率の表、抵抗率に依存した吸収スペクトル、および抵抗率と結晶成長における表面温度の関係を示すグラフである。 図5A,5Bは、導電性SiC基板の抵抗率に依存した、成長層のトラップ濃度およびシート抵抗を示すグラフである。 図6A,6B,6Cは、導電性SiC基板および半絶縁性SiC基板上に形成したGaN−HEMTのI−V特性を示すグラフである。 図7は、HEMTのパワー密度から導き出した導電性SiC基板の選択基準となる抵抗率の範囲を示すグラフである。

Claims (8)

  1. 導電性SiC基板であって、基板の主たる色が黒色、導電型がp型、抵抗率が1×10Ωcm以上、1×10Ωcm未満であるか、基板の主たる色が青色、導電型がp型、抵抗率が10Ωcm以上、1×10Ωcm未満である、導電性SiC基板と、
    前記導電性SiC基板上に形成され、厚さ10μm以上の半絶縁性AlN層と、
    を有する化合物半導体構造。
  2. 導電性SiC基板であって、基板の主たる色が緑色、導電型がn型、抵抗率が0.1Ωcm以上、1×10Ωcm未満である導電性SiC基板と、
    前記導電性SiC基板上に形成され、厚さ10μm以上のAlN層と、
    を有し、前記SiC基板の光吸収スペクトルのピーク値の吸収係数が、波長0.5μmの吸収係数の2倍以内である化合物半導体構造。
  3. 前記AlN層が、Clを含む請求項1または2記載の化合物半導体構造。
  4. 前記AlN層の上に積層された、i型GaN層、i型AlGaN層、n型AlGaN層と、
    前記n型AlGaN層の上にオーミックコンタクトする1対のソース/ドレイン電極と、
    前記1対のソース/ドレイン電極の間の、前記n型AlGaN層の上に形成されたn型GaN層と、
    前記n型GaN層上に堆積されたSiN膜と、
    前記1対のソース/ドレイン電極の間で前記SiN膜に形成された開口と、
    前記開口を通じて前記n型GaN層上にショットキコンタクトするゲート電極と、
    をさらに有する請求項1〜3のいずれか1項記載の化合物半導体構造。
  5. (a)導電性SiC基板の色と抵抗率を検出する工程と、
    (b)前記工程(a)で検出した色と抵抗率が、予め設定したカテゴリ、(1)基板の主たる色が緑色、導電型がn型、抵抗率が0.1Ωcm以上、1×10 Ωcm未満であるか、(2)基板の主たる色が黒色、導電型がp型、抵抗率が1×10 Ωcm以上、1×10 Ωcm未満であるか、(3)基板の主たる色が青色、導電型がp型、抵抗率が10Ωcm以上、1×10 Ωcm未満であるか、のいずれかに属するか否かを決定する工程と、
    (c)前記工程(a)で検出した色と抵抗が、予め設定したカテゴリのいずれかに属すると前記工程(b)で決定した場合、前記導電性SiC基板上に半絶縁性AlN層を厚さ10μm以上エピタキシャルに成長する工程と、
    を含む化合物半導体構造の製造方法。
  6. (d)前記工程(c)で形成したAlN層の上にデバイス層を成長する工程
    をさらに含む請求項記載の化合物半導体構造の製造方法。
  7. 前記工程(d)が、前記工程(c)の後、前記AlN層の上に、MOCVDにより、i型GaN層、i型AlGaN層、n型AlGaN層を積層する工程を含む請求項記載の化合物半導体構造の製造方法。
  8. 前記工程(d)における基板加熱温度を、前記色と抵抗率に依存して調整する請求項記載の化合物半導体構造の製造方法。
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