JP5917849B2 - Semiconductor substrate and electronic device - Google Patents
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本発明は、半導体基板および電子デバイスに関する。 The present invention relates to a semiconductor substrate and an electronic device.
GaN、AlGaN等の窒化物半導体は、絶縁破壊電圧が高い、飽和ドリフト速度が大きい、化学的・熱的に安定である、バンドギャップが大きい等の特徴がある。これらの特徴を生かして、各種電子デバイスへの適用が見込まれている。 Nitride semiconductors such as GaN and AlGaN have features such as a high breakdown voltage, a high saturation drift velocity, chemical and thermal stability, and a large band gap. Utilizing these features, application to various electronic devices is expected.
しかし、従来の製造方法で作成された窒化物半導体においては、高密度の転位が発生しやすい。このような高密度に転位を有する窒化物半導体を用いて電子デバイスを製造すると、耐電圧、電子移動度などの特性において理論的に期待できる値を下回ることが多い。 However, high density dislocations are likely to occur in a nitride semiconductor produced by a conventional manufacturing method. When an electronic device is manufactured using such a nitride semiconductor having dislocations at a high density, the characteristics such as withstand voltage and electron mobility are often lower than expected theoretically.
一方、窒化物半導体は、その組成により熱膨張係数、格子定数が異なる。このため、組成の異なる窒化物半導体層を積層すると、各層に応力が発生し、この応力が弾性限界を超えると結晶が破壊する。結晶の破壊を免れるには、発生する応力が弾性限界を超えないよう制御する必要がある。 On the other hand, nitride semiconductors have different thermal expansion coefficients and lattice constants depending on their compositions. For this reason, when nitride semiconductor layers having different compositions are stacked, stress is generated in each layer, and the crystals are destroyed when the stress exceeds the elastic limit. In order to avoid crystal breakage, it is necessary to control the generated stress so as not to exceed the elastic limit.
非特許文献1は、Si基板上にAlGaN層とGaN層とを繰り返しエピタキシャル成長し、その上にInGaN多重量子井戸からなる活性層をエピタキシャル成長すると、当該活性層の転位密度が低下することを開示する。特許文献1は、格子定数あるいは熱膨張係数が異なる結晶層を積層した積層体の繰り返し構造において、繰り返し構造を構成する結晶層の組み合わせ方等を制御することで発生する応力を制御し、繰り返し構造の破壊を避けることができる技術を開示する。非特許文献2は、GaN結晶にシリコン原子をドーピングすると、GaN結晶の格子定数が変化すること、および結晶層に発生する応力が増大すること、を開示する。 Non-Patent Document 1 discloses that when an AlGaN layer and a GaN layer are repeatedly epitaxially grown on a Si substrate, and an active layer made of InGaN multiple quantum wells is epitaxially grown thereon, the dislocation density of the active layer decreases. Patent Document 1 discloses a repetitive structure of a laminate in which crystal layers having different lattice constants or different thermal expansion coefficients are laminated, and controls the stress generated by controlling the combination of crystal layers constituting the repetitive structure. Disclosed is a technique capable of avoiding the destruction of the device. Non-Patent Document 2 discloses that when a GaN crystal is doped with silicon atoms, the lattice constant of the GaN crystal changes and the stress generated in the crystal layer increases.
なお、特許文献2は、シリコン基板とバッファ領域とから成る基板と、発光ダイオードを構成するための第1、第2及び第3の主半導体領域とを有する板状基体を開示する。バッファ領域として、第1及び第2の窒化物系化合物半導体層を交互に積層したn型バッファ領域が記載され、第1の主半導体領域として、GaN等のn型窒化ガリウム系化合物半導体が記載されている。 Patent Document 2 discloses a plate-like substrate having a substrate composed of a silicon substrate and a buffer region, and first, second, and third main semiconductor regions for constituting a light emitting diode. An n-type buffer region in which first and second nitride-based compound semiconductor layers are alternately stacked is described as the buffer region, and an n-type gallium nitride-based compound semiconductor such as GaN is described as the first main semiconductor region. ing.
非特許文献1に記載の繰り返し構造により、窒化物半導体の活性層の転位密度を低減できる可能性がある。また、特許文献1に記載の繰り返し構造により、窒化物半導体結晶の応力が制御でき、結晶破壊を免れる目的に一定の効果が期待できる。 With the repeating structure described in Non-Patent Document 1, there is a possibility that the dislocation density of the active layer of the nitride semiconductor can be reduced. In addition, with the repetitive structure described in Patent Document 1, the stress of the nitride semiconductor crystal can be controlled, and a certain effect can be expected for the purpose of avoiding crystal breakdown.
しかし、窒化物半導体からなる活性層の伝導型をn型にするために、n型不純物原子であるシリコン原子を活性層にドーピングすると、非特許文献2に記載のように、活性層に発生する応力が増大する。この結果、活性層である窒化物半導体結晶の転位が増加する可能性があり、結晶破壊の抑制が十分ではなくなる可能性がある。本発明の目的は、窒化物半導体からなる活性層にn型不純物原子をドーピングした場合であっても、活性層に発生する転位を減少することができる技術、あるいは、活性層の結晶破壊を抑制することができる技術を提供することにある。 However, when silicon atoms, which are n-type impurity atoms, are doped into the active layer in order to make the conductivity type of the active layer made of a nitride semiconductor n-type, it is generated in the active layer as described in Non-Patent Document 2. Stress increases. As a result, dislocations in the nitride semiconductor crystal that is the active layer may increase, and the suppression of crystal breakage may not be sufficient. An object of the present invention is a technique capable of reducing dislocations generated in an active layer even when an active layer made of a nitride semiconductor is doped with n-type impurity atoms, or suppressing crystal breakdown of the active layer. It is to provide a technology that can do.
上記課題を解決するために、本発明の第1の態様においては、ベース基板と、第1結晶層と第2結晶層とが交互に複数積層された積層構造体と、第3結晶層とを有し、前記ベース基板、前記積層構造体および前記第3結晶層が、前記ベース基板、前記積層構造体、前記第3結晶層の順に位置し、前記第1結晶層が、AlxGa1−xN、(但し0≦x≦1)からなり、前記第2結晶層が、AlyGa1−yN、(但し0≦y≦1、x≠y)からなり、前記第3結晶層が、AlzGa1−zN、(但し0≦z≦1)からなり、前記第1結晶層、前記第2結晶層および前記第3結晶層にシリコン原子を含む半導体基板を提供する。 In order to solve the above problems, in a first aspect of the present invention, a base substrate, a stacked structure in which a plurality of first crystal layers and second crystal layers are alternately stacked, and a third crystal layer are provided. The base substrate, the stacked structure, and the third crystal layer are positioned in the order of the base substrate, the stacked structure, and the third crystal layer, and the first crystal layer is Al x Ga 1− xN , (where 0 ≦ x ≦ 1), and the second crystal layer is composed of Al y Ga 1-y N (where 0 ≦ y ≦ 1, x ≠ y), and the third crystal layer is And a semiconductor substrate comprising Al z Ga 1-z N (where 0 ≦ z ≦ 1) and containing silicon atoms in the first crystal layer, the second crystal layer, and the third crystal layer.
前記ベース基板として、シリコン結晶からなるものが挙げられる。前記第3結晶層の厚みは、0.5μm以上10μm以下であることが好ましい。前記第3結晶層のアルミニウム組成比zは、0以上0.05以下であることが好ましい。前記第1結晶層のアルミニウム組成比xと前記第2結晶層のアルミニウム組成比yとが、|y−x|>0.5、の関係を満足することが好ましい。前記積層構造体における前記第1結晶層および前記第2結晶層の繰り返し数が、2以上160以下であることが好ましい。前記シリコン原子の濃度が、1×1017atoms/cm3以上であることが好ましい。 Examples of the base substrate include those made of silicon crystals. The thickness of the third crystal layer is preferably not less than 0.5 μm and not more than 10 μm. The aluminum composition ratio z of the third crystal layer is preferably 0 or more and 0.05 or less. It is preferable that the aluminum composition ratio x of the first crystal layer and the aluminum composition ratio y of the second crystal layer satisfy a relationship of | y−x |> 0.5. The number of repetitions of the first crystal layer and the second crystal layer in the stacked structure is preferably 2 or more and 160 or less. It is preferable that the concentration of the silicon atoms is 1 × 10 17 atoms / cm 3 or more.
本発明の第2の態様においては、前記した半導体基板を用いた電子デバイスであって、前記半導体基板における前記第3結晶層の一部を活性領域とし、前記活性領域内のキャリアが前記半導体基板の縦方向に移動する縦型構造を備えた電子デバイスを提供する。 According to a second aspect of the present invention, there is provided an electronic device using the semiconductor substrate described above, wherein a part of the third crystal layer in the semiconductor substrate is an active region, and carriers in the active region are the semiconductor substrate. An electronic device having a vertical structure that moves in the vertical direction is provided.
図1は、半導体基板100の断面を示す。半導体基板100は、ベース基板102と、バッファ層104と、第1結晶層106および第2結晶層108からなる積層構造体110と、第3結晶層112とを有する。ベース基板102、積層構造体110および第3結晶層112は、ベース基板102、積層構造体110、第3結晶層112の順に位置している。
FIG. 1 shows a cross section of a
ベース基板102は、その上に積層構造体110および第3結晶層112が形成できる限りにおいて、任意の材料および構造が選択できる。すなわち、ベース基板102の材料として、GaAs、InP、GaN、SiC、Si、サファイア(Al2O3)等が選択でき、ベース基板102の構造として、単結晶、多結晶あるいはアモルファス(非晶質)が選択できる。ベース基板102としてシリコン基板、SOI(Silicon on Insulator)基板が挙げられる。ベース基板102として、特に、シリコン結晶基板(たとえばシリコンウェハ)が好ましい。シリコン結晶基板を用いることで、高価な化合物半導体結晶基板を用いる必要がなく、既存の製造装置および既存の製造プロセスが利用できるので、製造コストを低くすることができる。
Any material and structure can be selected for the
バッファ層104は、積層構造体110の結晶性を高めるために、ベース基板102と積層構造体110との間に形成する結晶層である。バッファ層104の結晶性は必ずしも高くなくてよい。バッファ層104として、AlN層が挙げられる。また、バッファ層104は、不純物原子をドープしないノンドープ層であることが好ましい。たとえばノンドープAlN層が挙げられる。バッファ層104としてノンドープAlN層を用いることで、バッファ層104の電気抵抗を高め、第3結晶層112に形成される電子デバイスとベース基板102とを電気的に分離することができる。
The
積層構造体110は、第1結晶層106と第2結晶層108とが交互に複数積層されてなる結晶層である。積層構造体110は、第1結晶層106と第2結晶層108とからなる繰り返し構造であり、積層構造体110の上に形成される第3結晶層112の結晶性を高め、第3結晶層112の転位密度が低減される。また、積層構造体110の繰り返し構造により積層構造体110の応力を制御し、積層構造体110自体の結晶破壊を免れる。結果として積層構造体110の上に形成される第3結晶層112の結晶破壊を免れる。
The stacked
積層構造体110における第1結晶層106および第2結晶層108の繰り返し数は、2以上160以下であることが好ましい。2以上の繰り返し数とすることで、繰り返し構造を形成できる。ただし、繰り返し数は、前記した繰り返し構造の効果(第3結晶層112の転位密度を低減する効果および積層構造体110自体の結晶破壊を免れる効果)が発現する程度の繰り返し数とすることがより好ましい。繰り返し数が160を超えると、繰り返し構造の効果が概ね飽和する一方、製造コストが増大する。よって、繰り返し数は160以下とするのが適切である。
The number of repetitions of the
積層構造体110は、ベース基板102から第3結晶層112に向かう方向に沿って、第1結晶層106/第2結晶層108/・・・/第1結晶層106/第2結晶層108の順に形成される第1の場合(図1に示す場合)と、第2結晶層108/第1結晶層106/・・・/第2結晶層108/第1結晶層106順に形成される第2の場合(図示しない場合)の何れの場合であってもよい。
The laminated
第1の場合のとき、バッファ層104と第1結晶層106の組成および不純物濃度が一致する場合にはバッファ層104と第1結晶層106の区別がつかなくなる。この場合、バッファ層104の厚さが若干厚くなり、ベース基板102/バッファ層104/第2結晶層108/・・・/第1結晶層106/第2結晶層108のような層構成として把握できる。また、第1の場合のとき、第2結晶層108と第3結晶層112の組成および不純物濃度が一致する場合には第2結晶層108と第3結晶層112の区別がつかなくなる。この場合、第3結晶層112の厚さが若干厚くなり、第1結晶層106/第2結晶層108/・・・/第1結晶層106/第3結晶層112のような層構成として把握できる。
In the first case, when the composition and impurity concentration of the
第2の場合のとき、バッファ層104と第2結晶層108の組成および不純物濃度が一致する場合にはバッファ層104と第2結晶層108の区別がつかなくなる。この場合、バッファ層104の厚さが若干厚くなり、ベース基板102/バッファ層104/第1結晶層106/・・・/第2結晶層108/第1結晶層106のような層構成として把握できる。また、第2の場合のとき、第1結晶層106と第3結晶層112の組成および不純物濃度が一致する場合には第1結晶層106と第3結晶層112の区別がつかなくなる。この場合、第3結晶層112の厚さが若干厚くなり、第2結晶層108/第1結晶層106/・・・/第2結晶層108/第3結晶層112のような層構成として把握できる。
In the second case, when the composition and impurity concentration of the
第1結晶層106は、AlxGa1−xN、(但し0≦x≦1)からなり、第2結晶層108は、AlyGa1−yN、(但し0≦y≦1、x≠y)からなる。第1結晶層106と第2結晶層108は、互いに組成が異なるものの、共にアルミニウム・ガリウム窒素系化合物半導体の結晶層である。第1結晶層106および第2結晶層108の組成および厚さを制御して、積層構造体110の応力、結晶性等を制御できる。また、第1結晶層106および第2結晶層108の何れか一方のアルミニウム組成比を高めてバンドギャップを大きくし、積層構造体110の絶縁性を高くできる。あるいは、他方のガリウム組成比を高めて第3結晶層112と接する層の組成を第3結晶層112に近づけ、第3結晶層112の転位密度を低減することができる。たとえば、第1結晶層106のアルミニウム組成比xと第2結晶層108のアルミニウム組成比yとが、|y−x|>0.5、の関係を満足するようにすることができる。xとyが0.5を超えて異なれば、前記した積層構造体110の応力制御および第3結晶層112の転位密度の低減が共に充足できるようになる。
The
第3結晶層112は、AlzGa1−zN、(但し0≦z≦1)からなる。第3結晶層112は、電子デバイスの活性層として機能する結晶層であり、転位の少ない良質な結晶であることが求められる。活性層として機能することを考慮して、第3結晶層112のアルミニウム組成比zは、0以上0.05以下とすることが好ましい。
The
第3結晶層112の厚みとして、0.5μm以上10μm以下が挙げられる。第3結晶層112の厚さが0.5μm以上になると、第3結晶層112の膜応力が大きくなり、転位等による結晶性の低下、膜剥離(結晶破壊)等の問題が顕在化してくる。本発明は、このような状況においても第3結晶層112の結晶性を良好にし、剥離を抑制するものであり、第3結晶層112の厚みが0.5μm以上の場合に本発明の効果がより顕著に発揮される。ただし、第3結晶層112の厚みが10μmを超えると膜剥離(結晶破壊)が避けられない。よって第3結晶層112の厚みは10μm以下とするのが好適である。
Examples of the thickness of the
第1結晶層106、第2結晶層108および第3結晶層112には、シリコン原子を含む。第3結晶層112をn型の活性層として機能させる場合、n型伝導を示す不純物原子としてシリコン原子をドーピングする必要がある。このような場合、第3結晶層112の応力が増加し、結晶性の低下および膜剥離が発生しやすくなる。しかし、本発明では、第1結晶層106および第2結晶層108(積層構造体110)にもシリコン原子を導入する。この結果、第1結晶層106および第2結晶層108の応力が、第3結晶層112の応力増加に見合う程度に増加し、積層構造体110と第3結晶層112とが格子整合しやすくなる。この結果、第3結晶層112の結晶性を高め(転位を減少し)、第3結晶層112の積層構造体110からの剥離を抑制できる。
The
なお、第1結晶層106および第2結晶層108にシリコン原子を導入することで、積層構造体110の電気抵抗が低下する可能性があるが、前記した通り、第1結晶層106または第2結晶層108の何れか一方のアルミニウム組成比を高めること、あるいは繰り返し構造の繰り返し数を増加することで積層構造体110の電気抵抗の低下を抑制できる。第1結晶層106、第2結晶層108および第3結晶層112に含まれるシリコン原子の濃度は、1×1017atoms/cm3以上とすることが好ましい。1×1017atoms/cm3以上とすることで、第3結晶層112に必要な導電性が確保できる。
Note that introduction of silicon atoms into the
以上説明した半導体基板100によれば、n型不純物原子としてシリコン原子を第3結晶層112に含む場合であっても、第1結晶層106および第2結晶層108(積層構造体110)にシリコン原子を含むため、活性層として機能する第3結晶層112の結晶性を良くすることができる。この結果、第3結晶層112に形成する電子デバイスの性能を高めることができる。
According to the
なお、本発明は、第3結晶層112の一部を活性領域とする電子デバイスとして把握することも可能である。この場合、第3結晶層112が、その厚さを0.5μm以上10μm以下と厚く形成できる利点を活かして、活性領域内のキャリアが半導体基板100の縦方向に移動する縦型構造を備えた電子デバイスとすることができる。縦型構造を備えた電子デバイスとして、ショットキーバリアダイオード、PINダイオード、絶縁ゲートバイポーラトランジスタが挙げられる。
The present invention can also be understood as an electronic device having a part of the
上記したバッファ層104、第1結晶層106、第2結晶層108、第3結晶層112は、エピタキシャル結晶成長法により形成できる。エピタキシャル結晶成長法としてMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法を用いる場合、原料ガスとして、TMA(トリメチルアルミニウム)、TMG(トリメチルガリウム)、NH3(アンモニア)を用いることができ、シリコンドーピングガスとしてSi2H6(ジシラン)、SiH4(シラン)を用いることができ、キャリアガスとして、H2(水素ガス)、N2(窒素ガス)を用いることができる。
The
(実施例)
半導体基板100のバッファ層104、第1結晶層106、第2結晶層108および第3結晶層112を、各々AlN層、AlN層、GaN層およびGaN層とし、各層の厚み、シリコン原子濃度および繰り返し数を表1の通りとした実施例1の半導体基板を作成した。
The
比較のため、実施例1の半導体基板における第3結晶層112にシリコン原子をドーピングしない比較例1の半導体基板を作成した(表2参照)。
また、AlN層、AlN層、GaN層およびGaN層の各層の厚み、シリコン原子濃度および繰り返し数を表3の通りとした実施例2の半導体基板を作成した。
比較のため、実施例2の半導体基板における第1結晶層106および第2結晶層108にシリコン原子をドーピングしない比較例2の半導体基板を作成した(表4参照)。
上記した実施例1、比較例1、実施例2および比較例2の各半導体基板について、クラック密度と転位密度を測定した結果を表5に示す。
また、実施例2と比較例2を比較すれば、クラック密度および転位密度の両方で実施例2の方が低い値を示している。これは、第2結晶層108および第3結晶層112にシリコン原子をドーピングしない比較例2に対し、第1結晶層106、第2結晶層108および第3結晶層112の全ての層にシリコン原子をドーピングした実施例2の結晶性改善の効果を示しているといえる。
Further, when Example 2 and Comparative Example 2 are compared, Example 2 shows lower values in both crack density and dislocation density. This is because, compared to Comparative Example 2 in which the
100 半導体基板、102 ベース基板、104 バッファ層、106 第1結晶層、108 第2結晶層、110 積層構造体、112 第3結晶層。 100 semiconductor substrate, 102 base substrate, 104 buffer layer, 106 first crystal layer, 108 second crystal layer, 110 stacked structure, 112 third crystal layer.
Claims (6)
前記ベース基板、前記積層構造体および前記第3結晶層が、前記ベース基板、前記積層構造体、前記第3結晶層の順に位置し、
前記第1結晶層が、AlxGa1−xN、(但し0≦x≦1)からなり、
前記第2結晶層が、AlyGa1−yN、(但し0≦y≦1、x≠y)からなり、
前記第3結晶層が、AlzGa1−zN、(但し0≦z≦1)からなり、
前記第1結晶層、前記第2結晶層および前記第3結晶層に、1×10 17 atoms/cm 3 以上、2×10 18 atoms/cm 3 以下の濃度のシリコン原子を含み、
前記第3結晶層の厚みが、1.4μm以上10μm以下である
半導体基板。 A base substrate, a stacked structure in which a plurality of first crystal layers and second crystal layers are alternately stacked, and a third crystal layer functioning as an active layer of an electronic device,
The base substrate, the stacked structure, and the third crystal layer are positioned in the order of the base substrate, the stacked structure, and the third crystal layer,
The first crystal layer is made of Al x Ga 1-x N (where 0 ≦ x ≦ 1),
The second crystal layer is made of Al y Ga 1-y N (where 0 ≦ y ≦ 1, x ≠ y);
The third crystal layer is made of Al z Ga 1-z N (where 0 ≦ z ≦ 1);
The first crystal layer, the second crystal layer, and the third crystal layer contain silicon atoms having a concentration of 1 × 10 17 atoms / cm 3 or more and 2 × 10 18 atoms / cm 3 or less ,
The semiconductor substrate, wherein the third crystal layer has a thickness of 1.4 μm or more and 10 μm or less.
請求項1に記載の半導体基板。 The semiconductor substrate according to claim 1, wherein the base substrate is made of silicon crystal.
請求項1または請求項2に記載の半導体基板。 The semiconductor substrate according to claim 1, wherein an aluminum composition ratio z of the third crystal layer is 0 or more and 0.05 or less.
請求項1から請求項3の何れか一項に記載の半導体基板。
(数1)
|y−x|>0.5 4. The semiconductor substrate according to claim 1, wherein an aluminum composition ratio x of the first crystal layer and an aluminum composition ratio y of the second crystal layer satisfy the relationship of Equation 1. 5.
(Equation 1)
| Y-x |> 0.5
請求項1から請求項4の何れか一項に記載の半導体基板。 The semiconductor substrate according to any one of claims 1 to 4, wherein a number of repetitions of the first crystal layer and the second crystal layer in the stacked structure is 2 or more and 160 or less.
前記半導体基板における前記第3結晶層の一部を活性領域とし、
前記活性領域内のキャリアが前記半導体基板の縦方向に移動する縦型構造を備えた
電子デバイス。 An electronic device using the semiconductor substrate according to any one of claims 1 to 5 ,
A part of the third crystal layer in the semiconductor substrate is an active region,
An electronic device comprising a vertical structure in which carriers in the active region move in the vertical direction of the semiconductor substrate.
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