JP5631034B2 - 窒化物半導体エピタキシャル基板 - Google Patents
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Description
従来、GaNまたはAlN単結晶層をエピタキシャル成長させるための基板には、サファイア、6H−SiC、Si等が用いられていた。
さらに、Si基板上への窒化物半導体単結晶層の形成は、その後のデバイス工程が、現在のデバイス工程をそのまま使用することができるため、開発コスト面においても優位であり、実用化が求められている。
例えば、非特許文献1には、AlN層厚を5nm、GaN層厚を20nm以上のAlN/GaNの多層膜からなる多層構造バッファ領域を設けることにより、膜厚に対する反りが低減され、ひび割れの導入も防ぐことができることが記載されている。
このような2種の多層バッファ領域を設けることにより、デバイス活性層でのクラック発生を抑制し、かつ、転位密度の低減等の結晶性の向上を図ることができ、また、窒化物半導体の厚膜化に伴う反りも抑制することができる。
成長初期バッファとしては、Si、GaNとの親和性が高く、メルトバックエッチング反応を起こさないAlN単結晶が適しており、また、AlN単結晶層表面の段差を平坦化するためには、GaNとAlNの混晶であるAlGaN単結晶層も挿入して、上記のような初期バッファ領域を形成しておくことが好ましい。
さらに、本発明に係る窒化物半導体エピタキシャル基板は、製造効率に優れているという利点も有しており、また、デバイスプロセスにおける歩留の向上にも寄与し得るものである。
図1に、本発明に係る窒化物半導体エピタキシャル基板の層構造の概略を示す。図1に示す窒化物半導体エピタキシャル基板は、Si基板1上に、初期バッファ領域2、第1の多層バッファ領域3、第2の多層バッファ領域4、GaN単結晶層5、AlxGa1-xN単結晶層6が、順次積層された構造を備えているものである。
前記GaN単結晶層5は、デバイス活性層として形成されているものであり、その上にAlxGa1-xN(0<x<1)単結晶層6が積層されることにより、HEMT構造が形成される。
前記厚さが2nm未満の場合は、平坦に成膜するのが困難であり、平坦性が損なわれ、応力制御性の低下を招く。一方、前記厚さが10nmを超える場合は、エピタキシャル成長中にクラックが発生する。
Ga組成の高い単結晶層32を厚さ10nm未満で平坦に成膜することは困難であり、前記厚さが10nm未満の場合は、平坦性が損なわれ、応力制御性の低下を招く。
一方、前記厚さが30nmを超える場合は、単結晶層32の平坦性、応力制御性の点では問題はない。しかしながら、転位を効率よく屈曲、消滅させるためには、Al組成の高い単結晶層31/Ga組成の高い単結晶層32(AlN/GaN)界面の数(単位厚さ当たり)をより多く形成することが好ましいという点からは、膜厚が大きいことは、不利に働く。
GaN単結晶層5は、AlcGa1-cN単結晶層41/AldGa1-dN単結晶層42(AlN/GaN)界面からの距離が近すぎても離れすぎていても応力制御性が低下する。GaN単結晶層5と接するAldGa1-dN単結晶層42の厚さが、AlN/GaN界面からGaN単結晶層5までの距離に相当することから、AldGa1-dN単結晶層42の厚さは上記範囲内であることが好ましい。
逆に、第2バッファ層を先に形成し、その上に、第1バッファ層を形成した場合は、反りの抑制効果は十分に得られるが、成膜過程において、転位密度を十分に低減化させることができず、結晶性に劣ることとなる。
また、前記AlbGa1-bN単結晶層32およびAldGa1-dN単結晶層42は、0≦b≦0.1、0≦d≦0.1であること好ましく、特に、b=d=0であるGaN単結晶層であることが好ましい。
このように、AlとGaの組成比が大きく異なる2種のAlGaN単結晶層を交互に繰り返し積層させることにより、第1および第2バッファ領域における応力緩和効果をより効果的に発揮させることができる。
また、このような多層バッファ領域の各層の組成構成および各膜厚は、多様に変化させる必要はないため、制御が容易である。
したがって、転位密度の低減効果により優れた第1のバッファ領域3を形成した後、その上に、成長速度のより速い第2のバッファ領域4を形成することにより、厚膜化した場合においても、窒化物半導体エピタキシャル基板の製造効率の向上を図ることができる。
AlaGa1-aN単結晶層31およびAlbGa1-bN単結晶層32の各層が薄すぎたり、積層組数が少なすぎたりすると、膜成長過程において、多層バッファ領域による応力緩和が十分でなく、クラックや反りの抑制効果が十分に得られず、また、結晶性(低転位密度)も低下する。
一方、各層が厚すぎたり、積層組数が多すぎたりする場合、コスト高となり、製造効率の点でも劣り、好ましくない。
第2の多層バッファ領域4を構成するAlcGa1-cN単結晶層41とAldGa1-dN単結晶層42の積層についても、同様である。
窒化物半導体をSi単結晶基板上にエピタキシャル成長させることにより、従来のSi半導体製造プロセスにおいて用いられている装置および技術を利用することができ、大口径かつ低コストでの製造が可能となる。
SiとGaは非常に反応性が高く、成長初期においてSi基板表面にGaが付着した場合、メルトバックエッチング反応により、Si基板表面に荒れが生じる。
このため、成長初期バッファとして、Si、GaNとの親和性が高く、前記メルトバックエッチング反応を起こさないAlN単結晶層を形成しておくことが好ましい。
しかしながら、前記AlN単結晶の成長は、Siの融点を考慮すると、本来の最適な成長温度よりも低い温度となるため、AlN単結晶層表面は非常に多くの段差を含む形状となる。この上に、GaN、AlN等の窒化物半導体結晶の成長を行った場合であっても、良質な結晶を得ることは困難である。
したがって、AlN単結晶層表面の段差を平坦化するためには、さらに、GaNとAlNの混晶であるAlyGa1-yN(0<y<1)単結晶層を挿入して、初期バッファ領域2を形成することが好ましい。
なお、前記初期バッファ領域を設けない場合には、例えば、特殊な基板洗浄前処理等を行っておくことが好ましい。
本来は、転位の低減や応力制御の観点からは、組成比が大きく異なる界面とする方が好ましいが、AlyGa1-yN単結晶層22が形成された段階では、まだ十分な結晶性が得られていない。このため、成長初期の結晶性をより早く高める観点からは、上記のような組成比が近い界面を設けることが、その上に形成される層の転位の低減や応力制御に対して有利に働くため好ましい。
また、AlyGa1-yN単結晶層22も、AlN単結晶層21に存在する段差を平滑化するために、相応の膜厚が必要となり、厚さ100〜200nm程度であることが好ましい。
したがって、GaN単結晶層5は、良好な結晶性および平坦性を確保する観点から、厚さ500〜3000nm程度で形成されることが好ましい。
また、AlxGa1-xN単結晶層6は、クラックの発生を回避するため、厚さ20〜50nm程度で形成されることが好ましい。
[実施例1]
図1に示すような層構造を備えた窒化物半導体エピタキシャル基板を、以下の工程により作製した。
まず、直径4インチのSi基板1をMOCVD装置にセットし、原料としてトリメチルアルミニウム(TMA)、およびNH3を用い、1100℃での気相成長により、厚さ100nmのAlN単結晶層21を形成し、さらにその上に、原料としてトリメチルガリウム(TMG)、TMAおよびNH3を用い、1000℃での気相成長により厚さ200nmのAlyGa1-yN(y=0.1)単結晶層(Al0.1Ga0.9N単結晶層)22を積層させ、初期バッファ領域2を形成した。
前記AlN単結晶層31上に、原料としてTMGおよびNH3を用い、1000℃での気相成長により、厚さ20nmのAlbGa1-bN(b=0)単結晶層(GaN単結晶層)32を積層させた。
前記AlN単結晶層31およびGaN単結晶層32を、同様の工程にて、交互に繰り返し積層させ、積層数を50として、第1の多層バッファ領域を形成した。
さらに、前記第1の多層バッファ領域3上に、厚さ5nmのAlcGa1-cN(c=1)単結晶層(AlN単結晶層)41および厚さを250nmのAldGa1-dN(d=0)単結晶層(GaN単結晶層)42を交互に繰り返し積層させ、積層数を24として、それ以外は、前記第1の多層バッファ領域3の形成と同様の工程にて、第2の多層バッファ領域4を形成した。
さらに、前記GaN単結晶層5上に、原料としてTMG、TMA、およびNH3を用い、1000℃での気相成長により、厚さ20nmのAlxGa1-xN(x=0.25)単結晶層(Al0.25Ga0.75N単結晶層)6を積層させ、窒化物半導体エピタキシャル基板を得た。
なお、気相成長により形成した各層の厚さの調整は、各原料の流量および供給時間の調整により行った。
初期バッファ領域2を形成せずに、それ以外は、実施例1と同様の工程にて、窒化物半導体エピタキシャル基板を作製した。
第2の多層バッファ領域4を形成せずに、前記第1の多層バッファ領域3のみをAlN単結晶層31およびGaN単結晶層32の繰り返しの積層数を150として形成し、それ以外は、実施例1と同様の工程にて、窒化物半導体エピタキシャル基板を作製した。
第2の多層バッファ領域4を形成せずに、前記第1の多層バッファ領域3のみをAlN単結晶層31およびGaN単結晶層32の繰り返しの積層数を290として形成し、前記第1の多層バッファ領域3上には、厚さ1000nmのGaN単結晶層5を積層させた。それ以外は、実施例1と同様の工程にて、窒化物半導体エピタキシャル基板を作製した。
第1の多層バッファ領域3を形成せずに、前記第2の多層バッファ領域4のみをAlN単結晶層41およびGaN単結晶層42の繰り返しの積層数を28として形成し、前記第2の多層バッファ領域4上には、厚さ1000nmのGaN単結晶層5を積層させた。それ以外は、実施例1と同様の工程にて、窒化物半導体エピタキシャル基板を作製した。
第1の多層バッファ領域3のAlaGa1-aN単結晶層31およびAlbGa1-bN単結晶層32の各厚さ、第2の多層バッファ領域4のAlcGa1-cN単結晶層41およびAldGa1-dN単結晶層42の各組成比および積層回数を表1(実施例)または表2(比較例)に示すように変化させた。また、第1の多層バッファ領域3においてはAlbGa1-bN単結晶層32を、第2の多層バッファ領域4においてはAldGa1-dN単結晶層42を最初に積層し、それ以外は、実施例1と同様の工程にて、窒化物半導体エピタキシャル基板を作製した。
なお、実施例3〜28および比較例2〜27においては、総膜厚が約5μmになるように各層の厚さおよび積層数を調整した。
これらの結果をまとめて、表3(実施例)および表4(比較例)に示す。
表3,4において、反りの評価は、○:31μm以下、△:31μm超50μm以下、×:50μm超とした。また、転位密度の評価は、○:5×109/cm2以下、×:5×109/cm2超とした。
なお、膜形成のプロセス時間は、基板特性に特に影響しないが、製造効率やコストの点では短い方が好ましく、参考指標として記載した。
なお、第2の多層バッファ領域4を形成しない場合(比較例1,2)は、転位密度の観点からは最も優れていたが、クラックの発生と反りの増大が生じており、さらに、プロセス時間が非常に長いという欠点を有していた。
また、第1の多層バッファ領域を形成しない場合(比較例3)は、クラックの発生もなく、プロセス時間の観点からは最も優れていたが、転位密度の軽減効果は低下した。
2 初期バッファ領域
21 AlN単結晶層
22 AlyGa1-yN単結晶層
3 第1の多層バッファ領域
31 AlaGa1-aN単結晶層
32 AlbGa1-bN単結晶層
4 第2の多層バッファ領域
41 AlcGa1-cN単結晶層
42 AldGa1-dN単結晶層
5 GaN単結晶層
6 AlxGa1-xN単結晶層
Claims (3)
- Si基板と、前記Si基板上に、厚さ2nm以上10nm以下のAlaGa1-aN(0.9≦a≦1.0)単結晶層および厚さ10nm以上30nm以下のAlbGa1-bN(0≦b≦0.1)単結晶層が交互に繰り返し積層された第1の多層バッファ領域と、前記第1の多層バッファ領域上に、厚さ2nm以上10nm以下のAlcGa1-cN(0.9≦c≦1.0)単結晶層および厚さ200nm以上500nm以下のAldGa1-dN(0≦d≦0.1)単結晶層が交互に繰り返し積層された第2の多層バッファ領域と、前記第2の多層バッファ領域上に形成されたGaN単結晶層と、前記GaN単結晶層上に形成されたAlxGa1-xN(0<x<1)単結晶層とを備えていることを特徴とする窒化物半導体エピタキシャル基板。
- 前記Al a Ga 1-a N(0.9≦a≦1.0)単結晶層が厚さ5nmのAlN単結晶層であり、前記Al b Ga 1-b N(0≦b≦0.1)単結晶層が厚さ20nmのGaN単結晶層であり、前記Al c Ga 1-c N(0.9≦c≦1.0)単結晶層が厚さ5nmのAlN単結晶層であり、前記Al d Ga 1-d N(0≦d≦0.1)単結晶層が厚さ200nm以上500nm以下のGaN単結晶層であることを特徴とする請求項1記載の窒化物半導体エピタキシャル基板。
- 前記Si基板と第1の多層バッファ領域との間に、前記Si基板上に、AlN単結晶層、AlyGa1-yN(0<y<1)単結晶層の順に積層された初期バッファ領域を備えていることを特徴とする請求項1または2記載の窒化物半導体エピタキシャル基板。
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