JP5524235B2 - 半導体素子用エピタキシャル基板および半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法 - Google Patents
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Description
<エピタキシャル基板の概略構成>
図1は、本発明の第1の実施の形態に係るエピタキシャル基板10の構成を概略的に示す模式断面図である。
初期層3と第1中間層4との界面I1(初期層3の表面)は、初期層3を構成する柱状結晶等の外形形状を反映した三次元的凹凸面となっている。界面I1がこのような形状を有することは、図2に例示する、エピタキシャル基板10のHAADF(高角散乱電子)像において、明瞭に確認される。なお、HAADF像とは、走査透過電子顕微鏡(STEM)によって得られる、高角度に非弾性散乱された電子の積分強度のマッピング像である。HAADF像においては、像強度は原子番号の二乗に比例し、原子番号が大きい原子が存在する箇所ほど明るく(白く)観察される。
上述のように、エピタキシャル基板10は、下地基板1と初期層3の間に界面層2を備える態様であってもよい。界面層2は、数nm程度の厚みを有し、アモルファスのSiAlxOyNzからなるのが好適な一例である。
次に、傾斜組成層6についてより詳細に説明する。
さらに、上述のように傾斜組成層6を形成した場合、第1中間層4から伝播した転位は傾斜組成層6の内部で消滅する。傾斜組成層6の形成は、その上に形成する機能層5の転位密度を低減させる効果もある。
HEMT素子のような電子デバイスの作成に用いるエピタキシャル基板10に、上述のように傾斜組成層6を設けることには、以下のような利点がある。
次に、MOCVD法を用いる場合を例として、エピタキシャル基板10を製造する方法について概説する。
図5は、本発明の第2の実施の形態に係るエピタキシャル基板20の構成を概略的に示す模式断面図である。
図6は、本発明の第3の実施の形態に係るエピタキシャル基板30の構成を概略的に示す模式断面図である。
図7は、本発明の第4の実施の形態に係るエピタキシャル基板40の構成を概略的に示す模式断面図である。
上述の各実施の形態においては、傾斜組成層6は残留ドナーによってn型の導電型を呈するが、その形成時にアクセプタ元素を補償ドーピングすることで、傾斜組成層6が高抵抗化されてなる態様であってもよい。例えば、1×1018/cm3〜(1×1020/cm3程度のMgをドープするのが好適な一例である。MOCVD法でエピタキシャル基板を形成する場合であれば、Mgのドープは、Cp2Mgバブリングガスを原料ガスとすることで実現される。
実施例1として、AlqGa1-qN(0≦q≦1)なる組成式で表される傾斜組成層6の形成条件を違えた5種のエピタキシャル基板10(試料a−1〜a−5)を作製した。また、比較例1として、傾斜組成層6を備えない2種のエピタキシャル基板(試料b−1〜b−2)を作製した。さらに、比較例2として、傾斜組成層6に代え、同じくAlqGa1-qN(0≦q≦1)なる組成式で表されるものの、階段状に組成が変化してなる層(不連続組成層と称する)を設けたほかは、実施例1と同様の手順によって、2種のエピタキシャル基板(試料c−1〜c−2)を作製した。ただし、いずれの試料においても、界面層2の形成は省略した。
傾斜組成層6と機能層5としてのGaN層の膜厚を種々に違えたほかは、実施例1と同様の手順で10種のエピタキシャル基板(試料d−1〜d−10)を作製した。なお、傾斜組成層6における組成変化率は実施例1の試料a−1と同じ約0.05%/nmとなるようにした。また、試料d−1〜d−7については、傾斜組成層6と機能層5の膜厚が(1)式の関係をみたすようにした。
比較例3として、下地基板にSiCウェハーを用いたエピタキシャル基板を作製した。
図9に示した実施例1に係るエピタキシャル基板の評価結果と上述した比較例3に係るエピタキシャル基板の評価結果とを対比すると、実施例1に係るエピタキシャル基板が、比較例3に係るエピタキシャル基板と同等あるいはそれ以上の特性を有していることが明らかである。特に、両者の総膜厚はほぼ同程度であるのに関わらず、実施例1に係るエピタキシャル基板を用いたショットキーバリアダイオードにおいては、より高い耐電圧が得られている。係る結果は、SiCウェハーよりも安価なSiウェハーを用いて、より特性の優れたエピタキシャル基板を提供することができることを示している。
実施例3として、GaN層の形成までは実施例1の試料a−1と同様に行い、続いて、基板温度を1100℃、リアクタ内圧力を10kPaとして、TMA、TMG、NH3をリアクタ内に導入し、障壁層としてのAl0.2Ga0.8N層を25nmの厚みに形成した。
実施例4として、単位体積あたりのMg濃度が1018/cm3程度となるように、傾斜組成層6の形成中にCp2Mgのバブリングガスを導入したこと以外は、実施例1の試料a−1と同様にエピタキシャル基板を作製した。さらには、実施例1と同様にショットキーバリアダイオードを作製した。
実施例5として、第1中間層としてのAl0.3Ga0.7N層における単位体積あたりのSi濃度が、7×1016/cm3程度となるように、Al0.3Ga0.7N層の形成中にSiH4ガスを導入したこと以外は、実施例1の試料a−1と同様にエピタキシャル基板を作製した。さらには、実施例1と同様にショットキーバリアダイオードを作製した。
実施例6においては、第2の実施の形態に係るエピタキシャル基板を作製した。具体的には、傾斜組成層6の形成を実施例1の試料a−1と同様に2回繰り返した後、その上に実施例1と同様に、機能層としてのGaN層を1μmの厚みに形成した。得られたエピタキシャル基板の総膜厚は、5.15μmであった。
実施例7においては、第3の実施の形態に係るエピタキシャル基板として、第2中間層7としてのAlN層の厚みが異なる3種のエピタキシャル基板を作製した。AlN層の目標膜厚はそれぞれ、5、10、20nmとした。具体的には、傾斜組成層6の形成までは実施例1と同様に行い、続いて、目標膜厚のAlN層を形成した後、その上に機能層としてのGaN層を1μmの厚みに形成した。作製したエピタキシャル基板の総膜厚は、3.15μm前後であった。
実施例8においては、第4の実施の形態に係るエピタキシャル基板を作製した。具体的には、第1中間層4の形成までは実施例1と同様に行った後、続いて、第1単位層8aをGaN層とし、第2単位層8bをAlN層とするペア層を40周期分形成することにより、超格子構造層8を形成した。その際、AlN層の目標膜厚を5nm、GaN層の目標膜厚を20nmとした。得られた超格子構造層の厚みは、1μmであった。係る周期構造層の上に、傾斜組成層6と機能層5としてのGaN層とを実施例1の試料a−1と同様に形成した。得られたエピタキシャル基板の総膜厚は、4.15μmであった。
Claims (10)
- (111)方位の単結晶シリコンである下地基板の上に、前記下地基板の基板面に対し(0001)結晶面が略平行となるようにIII族窒化物層群を形成してなる、半導体素子用のエピタキシャル基板であって、
前記下地基板の上に形成された、AlNからなる第1のIII族窒化物層と、
前記第1のIII族窒化物層の上に形成され、AlpGa1−pN(0≦p<1)からなる第2のIII族窒化物層と、
前記第2のIII族窒化物層の上にエピタキシャル形成され、AlqGa1−qN(0≦q≦1)なる組成式で表される第3のIII族窒化物層と、
前記第3のIII族窒化物層の上にエピタキシャル形成された少なくとも1つの第4のIII族窒化物層と、
を備え、
前記第1のIII族窒化物層が、柱状あるいは粒状の結晶もしくはドメインの少なくとも一種から構成される多結晶欠陥含有性層であり、
前記第1のIII族窒化物層と前記第2のIII族窒化物層との界面が3次元的凹凸面であり、
前記第3のIII族窒化物層が、前記第2のIII族窒化物層との第1の境界部分から前記第4のIII族窒化物層との第2の境界部分に向かうにつれてIII族元素中のAlの存在比率が連続的に小さくなる傾斜組成層として形成されてなり、
前記第2のIII族窒化物層と前記第3のIII族窒化物層との間に、相異なる組成の2種類以上のIII族窒化物層を周期的に積層した超格子構造層をさらに備える、
ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板。 - 請求項1に記載の半導体素子用エピタキシャル基板であって、
前記第3のIII族窒化物層に、アクセプタ元素がドープされてなることを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板。 - 請求項2に記載の半導体素子用エピタキシャル基板であって、
前記アクセプタ元素がMgであることを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板。 - 請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の半導体素子用エピタキシャル基板であって、
前記第2のIII族窒化物層に、ドナー元素がドープされてなることを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板。 - 請求項4に記載の半導体素子用エピタキシャル基板であって、
前記ドナー元素がSiであることを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板。 - (111)方位の単結晶シリコンである下地基板の上に、前記下地基板の基板面に対し(0001)結晶面が略平行なIII族窒化物層群を形成してなる半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法であって、
前記下地基板の上にAlNからなる第1のIII族窒化物層を形成する第1形成工程と、
前記第2のIII族窒化物層の上にAlpGa1−pN(0≦p<1)からなる第2のIII族窒化物層を形成する第2形成工程と、
前記第2のIII族窒化物層の上にAlqGa1−qN(0≦q≦1)なる組成式で表される第3のIII族窒化物層をエピタキシャル形成する第3形成工程と、
前記第3のIII族窒化物層の上に少なくとも1つの第4のIII族窒化物層をエピタキシャル形成する第4形成工程と、
を備え、
前記第1形成工程においては、前記第1のIII族窒化物層を、柱状あるいは粒状の結晶もしくはドメインの少なくとも一種から構成され、表面が三次元的凹凸面である多結晶欠陥含有性層として形成し、
前記第3形成工程においては、前記第3のIII族窒化物層を、前記第2のIII族窒化物層との第1の境界部分から前記第4のIII族窒化物層との第2の境界部分に向かうにつれてIII族元素中のAlの存在比率が連続的に小さくなる傾斜組成層として形成し、
前記第2形成工程の後、前記第2のIII族窒化物層の上に、相異なる組成の2種類以上のIII族窒化物層を周期的に積層した超格子構造層を形成し、
前記第3形成工程においては、前記超格子構造層の上に前記第3のIII族窒化物層を形成する、
ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法。 - 請求項6に記載の半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法であって、
前記第3形成工程においては、アクセプタ元素をドープしつつ前記第3のIII族窒化物層を形成する、
ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法。 - 請求項7に記載の半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法であって、
前記アクセプタ元素がMgであることを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法。 - 請求項6ないし請求項8のいずれかに記載の半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法であって、
前記第2形成工程においては、ドナー元素をドープしつつ前記第2のIII族窒化物層を形成することを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法。 - 請求項9に記載の半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法であって、
前記ドナー元素がSiであることを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法。
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