JP6230196B2 - 結晶性半導体膜および半導体装置 - Google Patents
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Description
特許文献4〜6には、コランダム型結晶構造を有する下地基板上に、コランダム型結晶構造を有する半導体層と、コランダム型結晶構造を有する絶縁膜とが積層された多層構造体が記載されている。
なお、特許文献3〜6に記載のInAlGaO系半導体は500℃以上では結晶構造が壊れやすく、アニールが容易ではない等の問題があり、特に、熱耐性や表面平滑性において、必ずしも満足のいくものではなかった。
また、本発明者らは、上記した各種知見を得た後、さらに検討を重ねて、本発明を完成させるに至った。
下地基板は、上記の結晶性半導体膜の支持体となるものであれば特に限定されない。絶縁体基板であってもよいし、半導体基板であってもよいし、導電性基板であってもよいが、前記下地基板が、絶縁体基板であるのが好ましく、表面に金属膜を有する基板であるのも好ましい。本発明においては、前記下地基板が、コランダム構造を有する結晶物を主成分として含む基板、またはβ−ガリア構造を有する結晶物を主成分として含む基板であるのも好ましい。コランダム構造を有する結晶物を主成分として含む基板は、基板中の組成比で、コランダム構造を有する結晶物を50%以上含むものであれば、特に限定されないが、本発明においては、70%以上含むものであるのが好ましく、90%以上であるのがより好ましい。コランダム構造を有する結晶を主成分とする基板としては、例えば、サファイア基板(例:c面サファイア基板)や、α型酸化ガリウム基板などが挙げられる。β−ガリア構造を有する結晶物を主成分とする基板は、基板中の組成比で、β−ガリア構造を有する結晶物を50%以上含むものであれば、特に限定されないが、本発明においては、70%以上含むものであるのが好ましく、90%以上であるのがより好ましい。β−ガリア構造を有する結晶物を主成分とする基板としては、例えばβ−Ga2O3基板、又はGa2O3とAl2O3とを含みAl2O3が0wt%より多くかつ60wt%以下である混晶体基板などが挙げられる。その他の下地基板の例としては、六方晶構造を有する基板(例:SiC基板、ZnO基板、GaN基板)などが挙げられる。六方晶構造を有する基板上には、直接または別の層(例:緩衝層)を介して、前記結晶性半導体膜を形成するのが好ましい。下地基板の厚さは、本発明においては特に限定されないが、好ましくは、50〜2000μmであり、より好ましくは200〜800μmである。
なお、下地基板が、表面に金属膜が形成されている基板である場合には、基板部分のみを剥離してもよく、金属膜が半導体層表面に残っていてもよい。金属膜を半導体層表面に残すことで、半導体表面上の電極形成が容易かつ良好なものとすることができる。
本発明においては、上記のようにして成膜することにより、厚さを1μm以上、好ましくは5μm以上、より好ましくは10μm以上とすることができる。
図1は、本発明に係るショットキーバリアダイオード(SBD)の一例を示している。図1のSBDは、n−型半導体層101a、n+型半導体層101b、ショットキー電極105aおよびオーミック電極105bを備えている。
図4は、本発明に係る金属半導体電界効果トランジスタ(MESFET)の一例を示している。図4のMESFETは、n−型半導体層111a、n+型半導体層111b、緩衝層(バッファ層)118、半絶縁体層114、ゲート電極115a、ソース電極115bおよびドレイン電極115cを備えている。
図5は、本発明に係る光電子移動度トランジスタ(HEMT)の一例を示している。図5のHEMTは、バンドギャップの広いn型半導体層121a、バンドギャップの狭いn型半導体層121b、n+型半導体層121c、半絶縁体層124、ゲート電極125a、ソース電極125bおよびドレイン電極125cを備えている。
図5のHEMTでは、ゲート電極下に良好な空乏層が形成されるので、ドレイン電極からソース電極に流れる電流を効率よく制御することができる。また、本発明においては、さらにリセス構造とすることで、ノーマリーオフを発現することができる。
本発明の半導体装置がMOSFETである場合の一例を図6に示す。図6のMOSFETは、トレンチ型のMOSFETであり、n−型半導体層131a、n+型半導体層131b及び131c、ゲート絶縁膜134、ゲート電極135a、ソース電極135bおよびドレイン電極135cを備えている。
図9は、本発明の半導体装置がSITである場合の一例を示す。図9のSITは、n−型半導体層141a、n+型半導体層141b及び141c、ゲート電極145a、ソース電極145bおよびドレイン電極145cを備えている。
図9のSITのオン状態では、前記ソース電極145bと前記ドレイン電極145cとの間に電圧を印可し、前記ゲート電極145aに前記ソース電極145bに対して正の電圧を与えると、前記n−型半導体層141a内にチャネル層が形成され、電子が前記n−型半導体層に注入され、ターンオンする。オフ状態は、前記ゲート電極の電圧を0Vにすることにより、チャネル層ができなくなり、n−型半導体層が空乏層で満たされた状態になり、ターンオフとなる。
本発明の半導体装置が発光ダイオード(LED)である場合の一例を図16に示す。図16の半導体発光素子は、第2の電極165b上にn型半導体層161を備えており、n型半導体層161上には、発光層163が積層されている。そして、発光層163上には、p型半導体層162が積層されている。p型半導体層162上には、発光層163が発生する光を透過する透光性電極167を備えており、透光性電極167上には、第1の電極165aが積層されている。なお、図16の半導体発光素子は、電極部分を除いて保護層で覆われていてもよい。
1.成膜装置
図18を用いて、本実施例で用いたミストCVD装置19を説明する。ミストCVD装置19は、基板20を載置するサセプタ21と、キャリアガスを供給するキャリアガス供給手段22aと、キャリアガス供給手段22aから送り出されるキャリアガスの流量を調節するための流量調節弁23aと、キャリアガス(希釈)を供給するキャリアガス(希釈)供給手段22bと、キャリアガス(希釈)供給手段22bから送り出されるキャリアガスの流量を調節するための流量調節弁23bと、原料溶液24aが収容されるミスト発生源24と、水25aが入れられる容器25と、容器25の底面に取り付けられた超音波振動子26と、内径40mmの石英管からなる供給管27と、供給管27の周辺部に設置されたヒーター28を備えている。サセプタ21は、石英からなり、基板20を載置する面が水平面から傾斜している。成膜室となる供給管27とサセプタ21をどちらも石英で作製することにより、基板20上に形成される膜内に装置由来の不純物が混入することを抑制している。
下記表1に示す成長条件にて、AlGaO系半導体膜を成膜し、アルミニウム含有率が、9.5%(比較例)、18.5%(実施例1)、23.3%(実施例2)、29.8%(実施例3)、43.2%(実施例4)、65.0%(実施例5)、76.6%(実施例6)である半導体膜をそれぞれ得た。アルミニウムの含有率をX線にて測定した。XRD測定結果を図19に示す。
成膜後、下記表2に示すアニール条件にて、得られたAlGaO系半導体膜をアニール処理した。成膜後およびアニール後にXRD測定を実施し、各膜の構造相転移温度を分析し、それぞれの熱安定性を調べた。結果を図20に示す。
前記3.において、x=43.2%の950℃アニール処理前後の膜表面をAFMにて測定した。結果を、図21に示す。この結果から、アニール処理によって、表面平坦性が向上していることが分かる。
20 基板
21 サセプタ
22a キャリアガス供給手段
22b キャリアガス(希釈)供給手段
23a 流量調節弁
23b 流量調節弁
24 ミスト発生源
24a 原料溶液
25 容器
25a 水
26 超音波振動子
27 供給管
28 ヒーター
29 排気口
51 サセプタ
52 ミスト加速手段
53 基板保持部
54 支持部
55 供給管
61 基板・サセプタ領域
62 排出領域
101a n−型半導体層
101b n+型半導体層
102 p型半導体層
103 金属層
104 絶縁体層
105a ショットキー電極
105b オーミック電極
111a n−型半導体層
111b n+型半導体層
114 半絶縁体層
115a ゲート電極
115b ソース電極
115c ドレイン電極
118 緩衝層
121a バンドギャップの広いn型半導体層
121b バンドギャップの狭いn型半導体層
121c n+型半導体層
123 p型半導体層
124 半絶縁体層
125a ゲート電極
125b ソース電極
125c ドレイン電極
128 緩衝層
129 基板
131a n−型半導体層
131b 第1のn+型半導体層
131c 第2のn+型半導体層
132 p型半導体層
134 ゲート絶縁膜
135a ゲート電極
135b ソース電極
135c ドレイン電極
138 緩衝層
139 半絶縁体層
141a n−型半導体層
141b 第1のn+型半導体層
141c 第2のn+型半導体層
142 p型半導体層
145a ゲート電極
145b ソース電極
145c ドレイン電極
151 n型半導体層
151a n−型半導体層
151b n+型半導体層
152 p型半導体層
154 ゲート絶縁膜
155a ゲート電極
155b エミッタ電極
155c コレクタ電極
161 n型半導体層
162 p型半導体層
163 発光層
165a 第1の電極
165b 第2の電極
167 透光性電極
169 基板
Claims (4)
- コランダム構造を有する酸化物半導体を主成分として含む結晶性半導体膜の製造方法において、前記酸化物半導体が、アルミニウムおよびガリウムを含み、アルミニウムとガリウムとの総和に対して、アルミニウム量が18.5〜76.6原子%であり、前記コランダム構造が、少なくとも800℃の熱安定性を有しており、前記結晶性半導体膜をアニール処理し、前記アニール処理の温度が、750℃以上であることを特徴とする結晶性半導体膜の製造方法。
- アルミニウム量が、アルミニウムとガリウムとの総和に対して、65原子%以下である請求項1記載の結晶性半導体膜の製造方法。
- アルミニウム量が、アルミニウムとガリウムとの総和に対して、23.3原子%以上である請求項1または2に記載の結晶性半導体膜の製造方法。
- アルミニウム量が43.2原子%以上である請求項1〜3のいずれかに記載の結晶性半導体膜の製造方法。
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