JP5668602B2 - 半絶縁性窒化物半導体層の成長方法及び成長装置 - Google Patents
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Description
本発明の実施の形態に係る半絶縁性窒化物半導体層の成長方法は、基板上にIII族原料、窒素原料、及び半絶縁性を付与する半絶縁性ドーパント原料を供給して前記基板上に半絶縁性窒化物半導体層を成長させる半絶縁性窒化物半導体層の成長方法において、前記III族原料は、連続的又は断続的に前記基板上に供給し、前記窒素原料と前記半絶縁性ドーパント原料は、交互に前記基板上に供給するものである。
本実施の形態によれば、以下の効果を奏する。
(1)均一で高い抵抗率を有し、かつ結晶性の良好な半絶縁性窒化物半導体ウエハ及び自立基板が初めて実現される。すなわち、高い抵抗率(例えば、1×105Ωcm以上、1×1012Ωcm以下)、良好な抵抗率の均一性(例えば、ウエハ表面積の80%に相当するウエハ内周側の位置での抵抗率のバラツキが±30%以下)、及び良好な結晶性(例えば、X線(004)回折の半値幅が30〜300秒)を有する半絶縁性窒化物半導体層が得られる。
(2)また、これらのウエハや自立基板上に成長したHEMT構造は、従来法による同様のウエハや自立基板上に形成したものよりも膜厚・組成の均一性が高くできるため、特性の均一性が高くなる。また、ゲートリーク電流も大幅に低減することができる。
図4は、比較例に係るHVPE成長装置の概略の構成を示す図である。比較例1においては、図4に示す構成のHVPE成長装置1Bを用いて基板10、例えばサファイア基板上に、低温成長GaNバッファ層を介して窒化物半導体層としての5μmのGaN層を成長した。HVPE成長装置1Bは、原料部3aと成長部3bに分かれており、それぞれが別々の原料部ヒータ4a、成長部ヒータ4bによりそれぞれ約800℃、500〜1200℃に加熱される。
HVPE成長は、以下のように実施した。サファイア基板をHVPE成長装置1Bのトレー5にセットした後、純窒素を流し、反応炉2内の大気を追い出す。次に、水素3slmと窒素7slmの混合ガス中で基板温度を1100℃とし、10分間保持した。その後、基板温度を550℃とし、低温成長GaNバッファ層を1200nm/時の成長速度で20nm成長した。この際に流すガスとしては、III族ライン62からHClを1sccm、水素を2slm、窒素を1slm、V族ライン61からアンモニアを1slm、水素を2slm、エッチング/ドープライン63から水素を3slmとした。
図5は、比較例1により得られたGaN層の特性を示す。図5(a)は、[Cp2Fe]/[GaCl]比と抵抗率との関係を示す図、図5(b)は、[Cp2Fe]/[GaCl]比と抵抗率のバラツキとの関係を示す図、図5(c)は、[Cp2Fe]/[GaCl]比とX線(004)回折の半値幅(秒)との関係を示す図である。
図1は、ガス供給シーケンスの一例を示し、(a)〜(c)は本発明の実施例のシーケンス図、(d)は比較例のシーケンス図である。
比較例5は、図2に示すHVPE成長装置1Bを用い、図1(d)の比較例と同じガス供給シーケンスを用いた。この場合、比較例1と同様の結果しか得られなかった。
図3は、実施例1により得られたGaN層の特性を示す。図3(a)は、[Cp2Fe]/[GaCl]比と抵抗率との関係を示す図、図3(b)は、[Cp2Fe]/[GaCl]比と抵抗率のバラツキとの関係を示す図、図3(c)は、[Cp2Fe]/[GaCl]比とX線(004)回折の半値幅(秒)との関係を示す図である。
実施例1では、直径100mmに対して行ったが、変形例1では、実施例1〜6と同様の実験を、直径5〜200mmのウエハに対して行った。ウエハ径が直径10mm未満の場合には、比較例でもある程度の抵抗率の均一性は確保されたが、ウエハ径が直径10mm以上の場合には均一性を得るためには、本実施例の方法を用いる必要があった。抵抗率自体と、結晶性に関しては実施例1〜6とほぼ同様の結果が得られた。
実施例1では、サファイア基板の表面がC面からM軸方向に0.3°傾斜したものを用いたが、変形例2では、実施例1〜6、変形例1と同様の実験を、サファイア基板の表面をC面から0.1〜2度、A軸、M軸あるいはその中間の方向に傾いた面や、A面、M面、R面やその他の半極性面や、それらの微傾斜面などとした場合にも行った。これらの場合得られるGaN層の表面は、Ga極性のC面、N極性のC面、A面、M面、R面やその他の半極性面やその微傾斜面となったが、実施例1〜6及び変形例1とほぼ同様の結果が得られた。
変形例3では、実施例1〜6、変形例1、2と同様の実験を、サファイア基板をサファイア、SiC、ZnO、Si、GaAs基板に代えて行ったが、実施例1〜6、変形例1、2と同様に、本発明の効果が確認された。
変形例4では、実施例1〜6、変形例1〜3と同様の実験を、バッファ層を低温成長GaNバッファ層から、低温成長AlNバッファ層、高温成長AlNバッファ層に変えて行った。各バッファ層の厚さは10nm〜2μmの間であった。いずれの場合においても、実施例1〜6、変形例1〜3と同様の結果が得られた。
変形例5として、成長方法をHVPE法からMOVPE、MBE法、昇華法に変えたものである。この場合においても、本発明の適用が可能である。
変形例6は、GaN以外の窒化物半導体材料、例えば、AlN、InN、BNや、GaNを含むこれらの材料の混晶に対しても適用したものである。この場合においても、本発明の適用が可能である。
変形例7は、半絶縁性ドーパントとして鉄のかわりに、Cr、Mo、W、Mn、Co、Niを用いたものである。この場合においても、本発明の適用が可能である。
Claims (10)
- 基板上にIII族原料を連続的又は断続的に供給するとともに、窒素原料と半絶縁性を付与する半絶縁性ドーパント原料としての有機金属とを交互に供給して前記基板上に半絶縁性窒化物半導体層を成長させる、金属のシアノ錯体からなる微粒子を1×10 12 /cm 3 以上の濃度で含まない1×10 5 Ωcm以上、1×10 12 Ωcm以下の抵抗率を有する半絶縁性窒化物半導体層の成長方法であって、
前記III族原料、前記窒素原料及び前記半絶縁性ドーパント原料の各原料の前記基板上への供給は、前記各原料を前記基板の上方から前記基板の表面の中央部に導入し、前記基板の表面の中央部に導入した前記各原料を前記基板の表面に沿って前記基板の表面全体に導く整流部材を用いて行う半絶縁性窒化物半導体層の成長方法。 - 前記半絶縁性窒化物半導体層に半絶縁性を付与する、前記半絶縁性ドーパント原料に含まれる不純物は、Cr、Mo、W、Mn、Fe、Co、Niから選択される少なくとも1つの金属である請求項1に記載の半絶縁性窒化物半導体層の成長方法。
- 前記シアノ錯体中の金属が、遷移金属であるCr、Mo、W、Mn、Fe、Co、Niから選択される少なくとも1つの金属である請求項1又は2に記載の半絶縁性窒化物半導体層の成長方法。
- 前記基板は、直径10mm以上であり、ウエハ表面積の80%に相当するウエハ内周側の位置での室温から200℃における抵抗率の平均値が1×10 5 Ωcm以上、1×10 12 Ωcm以下であり、その抵抗率のバラツキ(=±{((前記基板面内の分散した複数の位置で測定した前記抵抗率の最大値−同最小値)/前記平均値)/2}×100)が±30%以内である(但し、前記複数の位置は、前記基板表面における所定の方向の半径(線分)における、ウエハ外周縁よりαmmの位置(αは前記基板の半径をRmmとしたときに((R−α) 2 /R 2 )×100=80%を満たす値)と、ウエハ中心と、これら2点間の線分を4等分する3点との合計5点及び当該所定の方向の半径(線分)に対し中心角で±45°、±90°異なる半径(線分)上における、ウエハ外周縁から内側にαmmの位置と、ウエハ外周縁から内側にαmmの位置とウエハ中心との間の線分を4等分する3点との合計4点×4の合計21点である)請求項1〜3のいずれか1項に記載の半絶縁性窒化物半導体層の成長方法。
- 前記半絶縁性窒化物半導体層は、Si若しくは酸素、又はそれらの両方をn型不純物として含み、ウエハ表面積の80%に相当するウエハ内周側の位置で、前記n型不純物の濃度の合計が前記遷移金属の濃度の10分の1以下である請求項3に記載の半絶縁性窒化物半導体層の成長方法。
- III族原料、窒素原料、及び半絶縁性を付与する半絶縁性ドーパント原料としての有機金属の各原料を、供給管を介して基板上に供給する原料供給手段と、
前記原料供給手段の前記供給管と前記基板との間に設けられ、前記各原料を前記基板の上方から前記基板の表面の中央部に導入し、前記基板の表面の中央部に導入した前記各原料を前記基板の表面に沿って前記基板の表面全体に導く整流部材とを備え、
前記原料供給手段は、前記基板上に前記III族原料を連続的又は断続的に供給するとともに、前記窒素原料と前記半絶縁性ドーパント原料とを交互に供給する、金属のシアノ錯体からなる微粒子を1×10 12 /cm 3 以上の濃度で含まない1×10 5 Ωcm以上、1×10 12 Ωcm以下の抵抗率を有する半絶縁性窒化物半導体層の成長装置。 - 前記半絶縁性窒化物半導体層に半絶縁性を付与する、前記半絶縁性ドーパント原料に含まれる不純物は、Cr、Mo、W、Mn、Fe、Co、Niから選択される少なくとも1つの金属である請求項6に記載の半絶縁性窒化物半導体層の成長装置。
- 前記シアノ錯体中の金属が、遷移金属であるCr、Mo、W、Mn、Fe、Co、Niから選択される少なくとも1つの金属である請求項6又は7に記載の半絶縁性窒化物半導体層の成長装置。
- 前記基板は、直径10mm以上であり、ウエハ表面積の80%に相当するウエハ内周側の位置での室温から200℃における抵抗率の平均値が1×10 5 Ωcm以上、1×10 12 Ωcm以下であり、その抵抗率のバラツキ(=±{((前記基板面内の分散した複数の位置で測定した前記抵抗率の最大値−同最小値)/前記平均値)/2}×100)が±30%以内である(但し、前記複数の位置は、前記基板表面における所定の方向の半径(線分)における、ウエハ外周縁よりαmmの位置(αは前記基板の半径をRmmとしたときに((R−α) 2 /R 2 )×100=80%を満たす値)と、ウエハ中心と、これら2点間の線分を4等分する3点との合計5点及び当該所定の方向の半径(線分)に対し中心角で±45°、±90°異なる半径(線分)上における、ウエハ外周縁から内側にαmmの位置と、ウエハ外周縁から内側にαmmの位置とウエハ中心との間の線分を4等分する3点との合計4点×4の合計21点である)請求項6〜8のいずれか1項に記載の半絶縁性窒化物半導体層の成長装置。
- 前記半絶縁性窒化物半導体層は、Si若しくは酸素、又はそれらの両方をn型不純物として含み、ウエハ表面積の80%に相当するウエハ内周側の位置で、前記n型不純物の濃度の合計が前記遷移金属の濃度の10分の1以下である請求項8に記載の半絶縁性窒化物半導体層の成長装置。
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