JP5685555B2 - 窒化物半導体素子、窒化物半導体ウェーハ及び窒化物半導体層の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明の別の実施形態によれば、シリコン、酸化シリコン、及び、石英のいずれかの基板と、前記基板の上に形成された、酸化シリコン、アモルファスシリコン、及び、非晶質金属のいずれかを含む非晶質層と、前記非晶質層の上に形成され、面心立方格子構造及び体心立方格子構造のいずれかを有する下層と、前記下層の上に形成され、圧縮歪または引張歪を有し、前記基板とは異なる結晶性を有する窒化アルミニウムの上層と、前記上層の上に形成され、窒化物半導体を含む機能層と、を備えたことを特徴とする窒化物半導体ウェーハが提供される。
本発明の別の実施形態によれば、シリコン、酸化シリコン、及び、石英のいずれかの基板の上に酸化シリコン、アモルファスシリコン、及び、非晶質金属のいずれかを含む非晶質層を形成し、前記非晶質層の上に、面心立方格子構造及び体心立方格子構造のいずれかを有する下層を形成し、前記下層の上に、圧縮歪または引張歪を有し、前記基板とは異なる結晶性を有する窒化アルミニウムの上層をスパッタにより形成し、前記上層の上に窒化物半導体を含む機能層を形成することを特徴とする窒化物半導体層の製造方法が提供される。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
本実施形態は、窒化物半導体素子に係る。実施形態に係る窒化物半導体素子は、半導体発光素子、半導体受光素子、及び、電子デバイスなどの半導体装置を含む。半導体発光素子は、例えば、発光ダイオード(LED)及びレーザダイオード(LD)などを含む。半導体受光素子は、フォトダイオード(PD)などを含む。電子デバイスは、例えば、高電子移動度トランジスタ(HEMT)、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ(HBT)、電界トランジスタ(FET)及びショットキーバリアダイオード(SBD)などを含む。
図1に表したように、本実施形態に係る窒化物半導体素子110は、下地層60(第1層)と、機能層10sと、を備える。下地層60は、非晶質層50の上に形成されている。下地層60は、窒化アルミニウム(AlN)を含む。非晶質層50は、例えば、基板40の上に設けられている。機能層10sは、窒化物半導体を含む。
図2は、第1の実施形態に係る窒化物半導体素子の構成を例示する模式的断面図である。
図2に表したように、本実施形態に係る1つの例である窒化物半導体素子111において、機能層10sは、第1半導体層10と、発光部30と、第2半導体層20と、を含む。第1半導体層10は、下地層60の上に形成される。第1半導体層10は、窒化物半導体を含み、第1導電形である。発光部30は、第1半導体層10の上に設けられる。第2半導体層20は、発光部30の上に設けられる。第2半導体層20は、窒化物半導体を含み、第2導電形である。第2導電形は、第1導電形と異なる。
図3に表したように、発光部30は、複数の障壁層31と、複数の障壁層31どうしの間に設けられた井戸層32と、を含む。例えば、複数の障壁層31と、複数の井戸層32と、がZ軸に沿って交互に積層される。
発明者は、Si(100)基板上に種々の非晶質層を形成し、その非晶質層上にAlN層を形成した。非晶質層としては、TaAl、SiO2膜またはa−Si膜を形成した。
同図は、非晶質層としてTaAl膜を形成し、その上にAlN層を形成した試料のRHEED像を示す。
図4に表したように、RHEED像において、スポット状(ドット状)の輝点が観察される。このことは、AlN層の面方位が揃っていることを示す。
同図は、非晶質層としてSiO2膜またはa−Si膜を形成し、それぞれの上にAlN層を形成した試料のXRD半値幅の測定結果を示す。横軸は、AlN層の厚さであり、縦軸はXRD半値幅である。
図5に表したように、SiO2膜及びa−Si膜のいずれの場合にも、AlN層において高い配向性が得られる。
図6に表したように、本実施形態に係る別の窒化物半導体素子112においては、非晶質層50が凹凸形状を有している。例えば、基板40の主面上に凹凸を形成することで、非晶質層50に凹凸が形成される。このような窒化物半導体素子112においても、非晶質層50の上にAlNの下地層60を形成することにより、面内において良好かつ均一な結晶性を有する下地層60が得られる。これにより、良好な特性の機能層10sが得られる。
図7に表したように、本実施形態に係る別の窒化物半導体素子113においては、基板40の上に設けられる非晶質層50がパターニングされ、部分的に設けられている。また、この例では、下地層60が部分的に設けられている。さらに、機能層10sが部分的に設けられている。このように、非晶質層50、下地層60及び機能層10sの少なくともいずれかをX−Y平面内の複数の領域に設けることができる。これらの層を有する領域と有していない領域とで、それぞれの領域の上に形成する層の結晶性を変化させ、欠陥の選択集中が可能になる。これにより、必要な領域において欠陥が少ない良好な結晶が得られる。
図9は、第1の実施形態に係る別の窒化物半導体素子の構成を例示する模式的断面図である。
図8及び図9に表したように、本実施形態に係る別の窒化物半導体素子120及び121においては、下地層60は、非晶質層50の上に設けられた配向性層55(第2層)上に設けられる。これ以外は、窒化物半導体素子110及び111と同様なので説明を省略する。以下、配向性層55について説明する。配向性層55には、例えばAlが用いられる。
図10の横軸は、角度ωであり、縦軸は、XRDの強度である。
図10に表したように、非晶質層50(TaAl膜)の上に形成された配向性層55(Al膜)は、高い配向性を示すことがわかった。この例では、配向性層55(Al膜)のXRD半値幅は、0.6度であった。このように、高配向性の配向性層55の上に下地層60(AlN層)を形成することで、高配向性の下地層60が得られる。そして、高配向性の機能層10sが得られる。
本実施形態は、窒化物半導体ウェーハに係る。このウェーハには、例えば、半導体装置の少なくとも一部、または、半導体装置の少なくとも一部となる部分が設けられている。この半導体装置は、例えば、半導体発光素子、半導体受光素子、及び、電子デバイスなどを含む。
図11(a)に表したように、本実施形態に係る窒化物半導体ウェーハ130は、基板40と、基板40の上に設けられた非晶質層50と、非晶質層50の上に設けられ、窒化アルミニウムを含む下地層60と、下地層60の上に形成され窒化物半導体を含む機能層10sと、を備える。
図12(a)及び図12(b)は、第3の実施形態に係る窒化物半導体層の製造方法を例示するフローチャート図である。
図12(a)に表したように、本製造方法においては、基板40の上に非晶質層50を形成する(ステップS110)。そして、非晶質層50の上に窒化アルミニウムを含む下地層60を形成する(ステップS120)。そして、下地層60の上に窒化物半導体を含む機能層10sを形成する(ステップS130)。
図13は、第3の実施形態に係る窒化物半導体層の製造方法における特性を例示するグラフ図である。
図13は、非晶質層50としてSiO2膜を用い、この上に、スパッタ法でAlNを形成したときのAlN層の応力の測定結果を示している。スパッタにおいては、Alのターゲットを用い、高周波電力Pwを150W(ワット)とし、N2ガス流量を10sccm(Standard Cubic Centimeter per Minutes)とし、Arガス流量を変えている。図13の横軸は、Arガス流量FAr(sccm)であり、縦軸は、AlN層の応力St(残留応力)(MPa:メガパスカル)である。応力Stが正であるときは引張応力であり、応力Stが負であるときは圧縮応力である。応力Stが正であるときは、AlN層において引張歪が形成され、応力Stが負であるときは、AlN層において圧縮歪が形成される。
図14は、非晶質層50としてSiO2膜を用い、この上に、スパッタ法でAlNを形成し、このときの高周波電力Pwを変えたときのAlN層の応力Stを示している。図14の横軸は、高周波電力Pw(任意目盛)であり、縦軸は、応力St(任意目盛である)。
本実施形態に係る窒化物半導体素子は、第1及び第2の実施形態に係る窒化物半導体素子と同様の構成を有する。ただし、本実施形態においては、下地層60(AlN)は、圧縮歪または引張歪を有する。すなわち、下地層60は、圧縮応力または引張応力の残留応力を有する。この残留応力(歪)は、機能層10sの結晶成長に適するように設計される。例えば、基板40としてシリコン基板を用い、非晶質層50としてSIO2膜を用い、機能層10sがGaN層を含む場合の例について説明する。
図15(a)及び図15(b)は、下地層60が残留応力(歪)を有していない窒化物半導体素子219に対応し、図15(c)及び図15(d)は、下地層60が圧縮応力(圧縮歪)を有する窒化物半導体素子210に対応する。図15(a)及び図15(c)は、機能層10sを結晶成長しているときの状態を例示している。機能層10sを結晶成長しているときの温度は、例えば900℃以上1200℃以下の高温である。図15(b)及び図15(d)は、機能層10sの結晶成長が終了し、室温まで降温したときの状態を例示している。
図16は、第4の実施形態に係る窒化物半導体素子の特性を例示するグラフ図である。 図16は、基板40としてシリコンの(111)基板を用い、非晶質層50の上に、下地層60となるAlN層をスパッタで形成した試料のX線回折解析結果を示している。図16には、スパッタ条件が異なる2種類の試料(第1試料SP1及び第2試料SP2)の結果が示されている。図16の横軸は、X線回折解析の回転角2θ(度)であり、縦軸は、強度Int(任意目盛)である。なお、図16において、回転角2θが約28.5度におけるピークは、基板40であるSi(111)のピークである。
また、図11(b)に例示したように、窒化物半導体ウェーハ211は、窒化物半導体ウェーハ220の構成において、配向性層55をさらに備えている。
また、各具体例のいずれか2つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
Claims (14)
- シリコン、酸化シリコン、及び、石英のいずれかの基板の上に形成された非晶質層の上に形成された下層の上に形成され、圧縮歪または引張歪を有し、前記基板とは異なる結晶性を有する窒化アルミニウムの上層と、
前記上層の上に形成され、窒化物半導体を含む機能層と、
を備え、
前記非晶質層は、酸化シリコン、アモルファスシリコン、及び、非晶質金属のいずれかを含み、
前記下層は、面心立方格子構造及び体心立方格子構造のいずれかを有することを特徴とする窒化物半導体素子。 - 前記下層は、Al、Cu、Au、Ag、Ir、Ni、Pt、Mo及びWの少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項1記載の窒化物半導体素子。
- 前記上層は、圧縮歪を有することを特徴とする請求項1又は2に記載の窒化物半導体素子。
- 前記機能層は、
前記上層の上に形成され、窒化物半導体を含み第1導電形の第1半導体層と、
前記第1半導体層の上に形成され、複数の障壁層と、前記複数の障壁層どうしの間に形成された井戸層と、を含む発光部と、
前記発光部の上に形成され、窒化物半導体を含み、前記第1導電形とは異なる第2導電形の第2半導体層と、を含むことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の窒化物半導体素子。 - 前記上層は、前記上層の層面に対して垂直な方向に配向していることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載の窒化物半導体素子。
- 前記基板は、シリコン基板である請求項1〜5のいずれか1つに記載の窒化物半導体素子。
- シリコン、酸化シリコン、及び、石英のいずれかの基板と、
前記基板の上に形成された、酸化シリコン、アモルファスシリコン、及び、非晶質金属のいずれかを含む非晶質層と、
前記非晶質層の上に形成され、面心立方格子構造及び体心立方格子構造のいずれかを有する下層と、
前記下層の上に形成され、圧縮歪または引張歪を有し、前記基板とは異なる結晶性を有する窒化アルミニウムの上層と、
前記上層の上に形成され、窒化物半導体を含む機能層と、
を備えたことを特徴とする窒化物半導体ウェーハ。 - 前記下層は、Al、Cu、Au、Ag、Ir、Ni、Pt、Mo及びWの少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項7記載の窒化物半導体ウェーハ。
- 前記上層は、圧縮歪を有することを特徴とする請求項7又は8に記載の窒化物半導体ウェーハ。
- 前記上層は、前記上層の層面に対して垂直な方向に配向していることを特徴とする請求項7〜9のいずれか1つに記載の窒化物半導体ウェーハ。
- 前記基板は、シリコン基板であることを特徴とする請求項7〜10のいずれか1つに記載の窒化物半導体ウェーハ。
- シリコン、酸化シリコン、及び、石英のいずれかの基板の上に酸化シリコン、アモルファスシリコン、及び、非晶質金属のいずれかを含む非晶質層を形成し、
前記非晶質層の上に、面心立方格子構造及び体心立方格子構造のいずれかを有する下層を形成し、
前記下層の上に、圧縮歪または引張歪を有し、前記基板とは異なる結晶性を有する窒化アルミニウムの上層をスパッタにより形成し、
前記上層の上に窒化物半導体を含む機能層を形成することを特徴とする窒化物半導体層の製造方法。 - 前記下層は、Al、Cu、Au、Ag、Ir、Ni、Pt、Mo及びWの少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項12に記載の窒化物半導体層の製造方法。
- 前記上層は圧縮歪を有し、
前記基板はシリコン基板であることを特徴とする請求項12又は13に記載の窒化物半導体層の製造方法。
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