JP5665676B2 - Iii族窒化物エピタキシャル基板およびその製造方法 - Google Patents
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Description
(1)Si基板と、該Si基板と接する初期層と、該初期層上に形成され、Al組成比が0.5超え1以下のAlGaNからなる第1層およびAl組成比が0超え0.5以下のAlGaNからなる第2層を順次有する積層体を複数組有する超格子積層体と、を有し、
前記第2層のAl組成比が、前記基板から離れるほど漸減することを特徴とするIII族窒化物エピタキシャル基板。
前記超格子積層体中の前記超格子層の第2層のAl組成比が、前記Si基板から離れる位置の超格子層ほど小さい上記(1)に記載のIII族窒化物エピタキシャル基板。
該初期層上に、Al組成比が0.5超え1以下のAlGaNからなる第1層およびAl組成比が0超え0.5以下のAlGaNからなる第2層を順次有する積層体を複数組有する超格子積層体を形成する第2工程と、を有し、
前記第2工程では、前記第2層のAl組成比を、前記基板から離れるほど漸減させることを特徴とするIII族窒化物エピタキシャル基板の製造方法。
本発明の一実施形態であるIII族窒化物エピタキシャル基板10は、図1に示すように、Si基板11と、このSi基板11上に形成されたバッファ層12とを有する。そして、このバッファ層12上にIII族窒化物層をエピタキシャル成長することにより形成された主積層体13を具えることができる。バッファ層12は、Si基板11と接する初期層14と、この初期層14上に形成され、Al組成比が0.5超え1以下のAlGaNからなる第1層およびAl組成比が0超え0.5以下のAlGaNからなる第2層を順次有する積層体を複数組有する超格子積層体15と、を有する。本実施形態では、超格子積層体15が、例えばAlNからなる第1層15A1および一定のAl組成比0.10を有するAl0.1Ga0.9Nからなる第2層15A2を交互に複数組積層してなる第1超格子層15Aと、例えばAlNからなる第1層15B1および一定のAl組成比0.05を有するAl0.05Ga0.95Nからなる第2層15B2を交互に複数組積層してなる第2超格子層15Bと、の2層の超格子層を有する。
500〜2000μmの範囲内である。
本発明の他の実施形態であるIII族窒化物エピタキシャル基板20は、図2に示すように、Si基板21と、このSi基板21上に形成されたバッファ層22とを有する。そして、このバッファ層22上にIII族窒化物層をエピタキシャル成長することにより形成された主積層体23を具えることができる。バッファ層22は、Si基板11と接する初期層24と、この初期層24上に形成され、Al組成比が0.5超え1以下のAlGaNからなる第1層およびAl組成比が0超え0.5以下のAlGaNからなる第2層を順次有する積層体を複数組有する超格子積層体25と、を有する。本実施形態では、超格子積層体25が、例えばAlNからなる第1層25A1および一定のAl組成比0.10を有するAl0.1Ga0.9Nからなる第2層25A2を交互に複数組積層してなる第1超格子層25Aと、例えばAlNからなる第1層25B1および一定のAl組成比0.08を有するAl0.08Ga0.92Nからなる第2層25B2を交互に複数組積層してなる第2超格子層25Bと、例えばAlNからなる第1層25C1および一定のAl組成比0.06を有するAl0.06Ga0.94Nからなる第2層25C2を交互に複数組積層してなる第3超格子層25Cと、例えばAlNからなる第1層25D1および一定のAl組成比0.04を有するAl0.04Ga0.96Nからなる第2層25D2を交互に複数組積層してなる第4超格子層25Dと、例えばAlNからなる第1層25E1および一定のAl組成比0.02を有するAl0.02Ga0.98Nからなる第2層25E2を交互に複数組積層してなる第5超格子層25Eと、の5層の超格子層を有する。
上述したところはいずれも代表的な実施形態の例を示したものであって、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような実施形態をも包含するものである。
次に、本発明のIII族窒化物エピタキシャル基板の製造方法の実施形態について説明する。本発明のIII族窒化物エピタキシャル基板の製造方法は、例えば図1に示すように、Si基板11上に、このSi基板11と接する初期層14を形成する第1工程と、この初期層14上に、Al組成比が0.5超え1以下のAlGaNからなる第1層15A1(15B1)およびAl組成比が0超え0.5以下のAlGaNからなる第2層15A2(15B2)を順次有する積層体を複数組有する超格子積層体15を形成する第2工程と、を有し、この第2工程では、第2層のAl組成比を、第1超格子層15Aよりも第2超格子層15Bで、すなわち、Si基板11から離れるほど漸減させることを特徴とする。これにより、超格子積層体15を形成した状態での基板の反りを抑制することができ、その後窒化物半導体層からなる主積層体を形成し、さらにデバイス化の工程を行った後の段階で、割れが発生することを抑制することが可能となる。
(111)面6インチp型Si単結晶基板(Bドープ、比抵抗0.02Ω・cm、厚さ:625μm)上に、バッファ層として、AlN(厚さ:120nm)とAl0.3Ga0.7N(厚さ:50nm)を順に積層した初期層を形成した。その後、初期層上に、AlN(厚さ:4.5nm)およびAl0.1Ga0.9N(厚さ:21nm)を交互に50組積層した第1超格子層と、AlN(厚さ:4.5nm)およびAl0.05Ga0.95N(厚さ:21nm)を交互に50組積層した第2超格子層とを順次エピタキシャル成長させ、超格子積層体とした。その後、超格子積層体上に、GaNチャネル層(厚さ:1.2μm)およびAl0.25Ga0.75N電子供給層(厚さ:30nm)をエピタキシャル成長させて、HEMT構造を持つ実施形態1のようなIII族窒化物エピタキシャル基板を作製した。このチャネル層および電子供給層の組合せを「半導体層1」とする。なお、成長方法としては、原料として、TMA(トリメチルアルミニウム)、TMG(トリメチルガリウム)、アンモニアを用いたMOCVD法を用いた。キャリアガスとしては、窒素・水素を用いた。各層の成長条件(圧力・温度)は、いずれも20kPa、1000℃、V/III比を2000とした。また、第2層の成長時の有機金属ガスの供給量は、第1超格子層および第2超格子層それぞれで、膜組成と同じモル比になるように調整した。
超格子積層体を、AlN(厚さ:4.5nm)およびAl0.1Ga0.9N(厚さ:21nm)を交互に20組積層した第1超格子層と、AlN(厚さ:4.5nm)およびAl0.08Ga0.92N(厚さ:21nm)を交互に20組積層した第2超格子層と、AlN(厚さ:4.5nm)およびAl0.06Ga0.94N(厚さ:21nm)を交互に20組積層した第3超格子層と、AlN(厚さ:4.5nm)およびAl0.04Ga0.96N(厚さ:21nm)を交互に20組積層した第4超格子層と、AlN(厚さ:4.5nm)およびAl0.02Ga0.98N(厚さ:21nm)を交互に20組積層した第5超格子層と、を順次エピタキシャル成長させたものとした以外は、実施例1と同様にして、HEMT構造を持つ実施形態2のような3種類のIII族窒化物エピタキシャル基板を作製した。成長温度および成長圧力は実施例1と同様とし、第2層におけるAl組成比の制御は、TMAとTMGとの混合比を適宜制御することにより行った。以下の各実施例および各比較例においても同様である。
超格子積層体を、AlN(厚さ:4.5nm)およびAl0.14Ga0.86N(厚さ:21nm)を交互に20組積層した第1超格子層と、AlN(厚さ:4.5nm)およびAl0.13Ga0.87N(厚さ:21nm)を交互に20組積層した第2超格子層と、AlN(厚さ:4.5nm)およびAl0.12Ga0.88N(厚さ:21nm)を交互に20組積層した第3超格子層と、AlN(厚さ:4.5nm)およびAl0.11Ga0.89N(厚さ:21nm)を交互に20組積層した第4超格子層と、AlN(厚さ:4.5nm)およびAl0.10Ga0.90N(厚さ:21nm)を交互に20組積層した第5超格子層と、を順次エピタキシャル成長させたものとした以外は、実施例1と同様にして、HEMT構造を持つ3種類のIII族窒化物エピタキシャル基板を作製した。
超格子積層体を、AlN(厚さ:4.5nm)およびAl0.1Ga0.9N(厚さ:21nm)を交互に100組積層した超格子層をエピタキシャル成長させたものとした以外は、実施例1と同様にして、HEMT構造を持つ比較例1にかかる3種類のIII族窒化物エピタキシャル基板を作製した。
超格子積層体を、AlN(厚さ:4.5nm)およびAl0.05Ga0.95N(厚さ:21nm)を交互に100組積層した超格子層をエピタキシャル成長させたものとした以外は、実施例1と同様にして、HEMT構造を持つ比較例2にかかる3種類のIII族窒化物エピタキシャル基板を作製した。
超格子積層体を、AlN(厚さ:4.5nm)およびGaN(厚さ:21nm)を交互に100組積層した超格子層をエピタキシャル成長させたものとした以外は、実施例1と同様にして、HEMT構造を持つ比較例3にかかる3種類のIII族窒化物エピタキシャル基板を作製した。
超格子積層体を、AlN(厚さ:4.5nm)およびAl0.05Ga0.95N(厚さ:21nm)を交互に50組積層した第1超格子層と、AlN(厚さ:4.5nm)およびAl0.1Ga0.9N(厚さ:21nm)を交互に50組積層した第2超格子層と、を順次エピタキシャル成長させたものとした以外は、実施例1と同様にして、HEMT構造を持つ比較例4にかかる3種類のIII族窒化物エピタキシャル基板を作製した。
光学干渉方式による反り測定装置(Nidek社製、FT−900)を用いて、超格子積層体の形成後、半導体層の形成前における基板の反り量AをSEMI規格に準じて測定し、結果を表1に示す。本発明における「反り量」は、SEMI規格に準じて測定したものを意味するものとする。また、同様の方法で、3種類の半導体層を形成した後の反りBも、それぞれ測定し、表1に示す。なお、表1では、下側に凸となる反りを「−(マイナス)」で、上側に凸となる反りを「+(プラス)」で表示する。
実施例および比較例の基板をそれぞれ10枚作成し、これらの基板に対して、以下のデバイス化工程を行った。まず、基板上に電極を形成し、次に、窒化物半導体層の個片化のために、エッチングで溝を形成した。各実施例および比較例について、10枚中何枚で割れが生じたかを検査し、結果を表1に示す。
電子供給層上に、80μmφからなるTi/Au積層構造のオーミック電極を形成し、オーミック電極外側を50nmの厚みでエッチングした後、Si基板裏面を金属板に接地し、両電極間に流れる電流値を電圧に対して測定した。この際、空気中の放電を抑制するため、絶縁油で両電極間を絶縁している。また、基板裏面へのリークの影響をなくすため、基板下には絶縁板を配置している。本実験例において、縦方向耐圧は縦方向の電流値を上記オーミック電極の面積で単位面積当たりの値に換算した値が10−4A/cm2に達する電圧値とした。
11 Si基板
12 バッファ層
13 主積層体
14 初期層
15 超格子積層体
15A 第1超格子層
15A1 第1層(AlN)
15A2 第2層(Al0.1Ga0.9N)
15B 第2超格子層
15B1 第1層(AlN)
15B2 第2層(Al0.05Ga0.95N)
16 チャネル層(GaN)
17 電子供給層(AlGaN)
Claims (8)
- Si基板と、該Si基板と接する初期層と、該初期層上に形成され、Al組成比が0.5超え1以下のAlGaNからなる第1層およびAl組成比が0超え0.5以下のAlGaNからなる第2層を順次有する積層体を複数組有する超格子積層体と、を有し、
前記第2層のAl組成比が、前記基板から離れるほど漸減することを特徴とするIII族窒化物エピタキシャル基板。 - 前記超格子積層体が、前記第1層および一定のAl組成比を有するAlGaNである前記第2層を交互に複数組積層してなる超格子層を複数有してなり、
前記超格子積層体中の前記超格子層の第2層のAl組成比が、前記Si基板から離れる位置の超格子層ほど小さい請求項1に記載のIII族窒化物エピタキシャル基板。 - 前記Si基板に最も近い前記第2層のAl組成比と、前記Si基板から最も遠い前記第2層のAl組成比との差が0.02以上である請求項1または2に記載のIII族窒化物エピタキシャル基板。
- 前記第1層がAlNである請求項1〜3のいずれか1項に記載のIII族窒化物エピタキシャル基板。
- 前記初期層が、AlN層と該AlN層上のAlGaN層とを含み、該AlGaN層のAl組成比が、第2層のうち前記基板に最も近いAlGaN層のAl組成比よりも大きい請求項1〜4のいずれか1項に記載のIII族窒化物エピタキシャル基板。
- 前記超格子積層体上に、少なくともGaN層を含むIII族窒化物層をエピタキシャル成長することにより形成された主積層体をさらに有する請求項1〜5のいずれか1項に記載のIII族窒化物エピタキシャル基板。
- 前記超格子積層体を最上層とした状態の下側に凸となる反り量が、130μm以下である請求項1〜6のいずれか1項に記載のIII族窒化物エピタキシャル基板。
- Si基板上に、該Si基板と接する初期層を形成する第1工程と、
該初期層上に、Al組成比が0.5超え1以下のAlGaNからなる第1層およびAl組成比が0超え0.5以下のAlGaNからなる第2層を順次有する積層体を複数組有する超格子積層体を形成する第2工程と、を有し、
前記第2工程では、前記第2層のAl組成比を、前記基板から離れるほど漸減させることを特徴とするIII族窒化物エピタキシャル基板の製造方法。
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