JP6302254B2 - 窒化物半導体素子、窒化物半導体ウェーハ、及び、窒化物半導体素子の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明の別の実施形態によれば、積層体の上に形成された機能層を含む窒化物半導体素子が提供される。前記積層体は、GaN中間層と、前記GaN中間層と前記機能層との間に設けられ第1Al組成比の窒化物半導体の低Al組成層と、前記GaN中間層と前記低Al組成層との間に設けられ前記第1Al組成比よりも高い第2Al組成比の窒化物半導体の高Al組成層と、前記GaN中間層と前記高Al組成層との間に設けられた第1Si含有層と、を含む。前記第1Si含有層は、前記GaN中間層の平坦性よりも大きな、前記GaN中間層から前記高Al組成層に向かう積層方向に対して垂直な面内における厚さの揺らぎを有している。
本発明の別の実施形態によれば、機能層と、積層体と、を含む窒化物半導体素子が提供される。前記積層体は、GaN中間層と、前記GaN中間層と前記機能層との間に設けられ第1Al組成比の窒化物半導体の低Al組成層と、前記GaN中間層と前記低Al組成層との間に設けられ前記第1Al組成比よりも高い第2Al組成比の窒化物半導体の高Al組成層と、前記低Al組成層と前記高Al組成層との間に設けられた第2Si含有層と、を含む。前記第2Si含有層は、前記GaN中間層の平坦性よりも大きな、前記GaN中間層から前記高Al組成層に向かう積層方向に対して垂直な面内における厚さの揺らぎを有している。
本発明の別の実施形態によれば、基板と、機能層と、前記基板と前記機能層との間に設けられた積層体と、を含む窒化物半導体ウェーハが提供される。前記積層体は、GaN中間層と、前記GaN中間層と前記機能層との間に設けられ第1Al組成比の窒化物半導体の低Al組成層と、前記GaN中間層と前記低Al組成層との間に設けられ前記第1Al組成比よりも高い第2Al組成比の窒化物半導体の高Al組成層と、前記GaN中間層と前記高Al組成層との間に設けられた第1Si含有層と、を含む。前記第1Si含有層は、前記GaN中間層の平坦性よりも大きな、前記GaN中間層から前記高Al組成層に向かう積層方向に対して垂直な面内における厚さの揺らぎを有している。
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(a)は、本実施形態に係る窒化物半導体素子110を例示する模式的断面図である。図1(b)は、積層体におけるAl組成比CAlを例示するグラフ図である。図1(c)は、積層体における成長温度GT(形成温度)を例示するグラフ図である。図1(d)は、積層体におけるa軸の格子間隔Ldを例示するグラフ図である。
AlNバッファ層62上にAlGaN下地層63を形成することで、AlNバッファ層62とAlGaN下地層63との界面で転位を低減できる。
GaN中間層51は、基板40と機能層10との間に設けられる。低Al組成層54は、GaN中間層51と機能層10との間に設けられる。高Al組成層53は、GaN中間層51と低Al組成層54との間に設けられる。第1Si含有層52は、GaN中間層51と高Al組成層53との間に設けられる。
低Al組成層54の積層方向に垂直な第1軸(例えば、a軸)の無歪みの格子間隔(格子定数)は、GaN中間層51の第1軸の無歪みの格子間隔(格子定数)よりも小さい。高Al組成層53の積層方向に垂直な第1軸(例えば、a軸)の無歪みの格子間隔(格子定数)は、低Al組成層54の第1軸の無歪みの格子間隔(格子定数)よりも小さい。
高Al組成層53(第1積層部50aの高Al組成層53a)は、例えば、Alx1Ga1−x1N(0<x1≦1)及びAlNの少なくともいずれかを含む。高Al組成層53(第1積層部50aの高Al組成層53a)には、例えば、Alx1Ga1−x1N(0<x1≦1)、または、AlNが用いられる。低Al組成層54(第1積層部50aの低Al組成層54a)は、例えば、Aly1Ga1−y1N(0<y1<1、y1<x1)を含む。
図1(b)の横軸は、Al組成比CAlである。図1(b)に表したように、積層体50において、Al組成比CAlは、GaN中間層51において実質的に0であり、高Al組成層52において実質的に1であり、低Al組成層53において0よりも高く1よりも低い。
低Al組成層54のAlの組成比が、高Al組成層53の緩和率αよりも大きいと、低Al組成層53に引っ張り歪み(応力)が生じ、クラックが生じやすい。格子緩和が生じ、転位が増大しやすい。
図2(a)は、本実施形態に係る別の窒化物半導体素子120を例示する模式的断面図である。図2(b)〜図2(d)は、積層体における、Al組成比(CAl)、成長温度GT、及び、a軸の格子間隔Ldをそれぞれ例示するグラフ図である。
窒化物半導体素子120においては、積層体50は、第1積層部50aと、第2積層部50bと、を含む。第1積層部50aは、下地層60と機能層10の間に設けられる。第2積層部50bは、第1積層部50aと機能層10との間に設けられる。
第1Si含有層52の厚さについては、このSi濃度の総和(Si面密度)を用いて見積もることができる。すなわち、第1Si含有層52の中のSi原子が、一様に、GaN層のGa原子(III族原子)と置換される場合における、Siに置換されるGaN層の厚さとして見積もることができる。
本願明細書においては、第1Si含有層52の中のSi原子の数がGaN層の1層分に相当するGa原子を置換する数である場合に、第1Si含有層52の厚さを1原子層とする。
例えば、GaN層における(0001)面のGa原子(III族原子)の面密度は、約1×1015/cm2である。したがって、膜中のSiの面密度が1×1015/cm2程度の場合に、第1Si含有層52の厚さが1原子層であることに相当する。
SIMS分析において、例えば、Si濃度のピーク値が2×1020/cm3であって、幅200nmの拡がりを有する場合は、面密度に換算すると、1×1015/cm2程度のSi面密度に相当する。
図4は、窒化物半導体素子125及び126における結晶成長中の基板の反りを例示している。
窒化物半導体素子125においても、基板40と、下地層60と、AlGaN下地層63と、積層体50と、機能層10と、が設けられる。基板40と下地層60と機能層10とには、窒化物半導体素子120に関して説明した構成が適用できる。窒化物半導体素子125の積層体50においては、GaN中間層51、第1Si含有層52、高Al組成53層及び低Al組成層54を含む組(周期)が4つ設けられている。積層中間層の周期数は、4である。
基板40には、シリコンが用いられる。基板40の主面は、(111)面である。基板40を、硫酸と過酸化水素との混合薬液、及び、希フッ酸を用いて、洗浄を行う。その後、基板40をMOCVD装置の反応室内に導入する。
図5は、窒化物半導体素子125及び126における基板の反りWP(μm)を例示している。基板の反りWPは、結晶成長終了後の室温における反りである。基板の反りWPは、反り測定器によって基板40(シリコン基板)の反りを計測することで導かれる。
図6は、窒化物半導体素子125と同様の構成を有する窒化物半導体素子における、第1Si含有層52のSi濃度CSi(/cm3)と、基板の反りWP(μm)と、の関係を例示している。
実施形態においては、例えば、第1Si含有層52のSi濃度は、2.5×1019(/cm3)以上5.0×1020(/cm3)以下とされる。これにより、基板の反りを抑制することができる。第1Si含有層52のSi濃度が、2.5×1019(/cm3)よりも小さいと、高Al組成層53の三次元成長が生じ難く、高Al組成層53が緩和し難い。第1Si含有層52のSi濃度が、5.0×1020(/cm3)よりも大きいと、第1Si含有層52のGaN中間層51に対する被覆率が高く、平坦な高Al組成層53が得られ難い。そのため、高Al組成層53の上に形成する層(例えば、機能層10)の圧縮応力が形成され難い。
図7(a)〜図7(d)は、第2の実施形態に係る窒化物半導体素子を例示する模式図である。
図7(a)は、本実施形態に係る窒化物半導体素子130を例示する模式的断面図である。図7(b)は、積層体におけるAl組成比(CAl)を例示するグラフ図である。図7(c)は、積層体における成長温度GT(形成温度)を例示するグラフ図である。図7(d)は、積層体におけるa軸の格子間隔Ldを例示するグラフ図である。
窒化物半導体素子130においては、積層体50は、GaN中間層51(第1積層部50aのGaN中間層51a)と、高Al組成層53(第1積層部50aの高Al組成層53a)と、第2Si含有層55と、低Al組成層54(第1積層部50aの低Al組成層54a)と、を含む。
図8(a)は、本実施形態に係る別の窒化物半導体素子140を例示する模式的断面図である。図8(b)〜図8(d)は、積層体における、Al組成比(CAl)、成長温度GT、及び、a軸の格子間隔Ldをそれぞれ例示するグラフ図である。
図9は、窒化物半導体素子140のSIMSによって得られた測定結果を示している。図9の左縦軸は、Siの濃度CSiである。図9の右縦軸は、Alの二次イオン強度IAlである。図9の横軸は、試料のZ軸方向に沿った深さDzである。図9は、窒化物半導体素子140の積層体50に対応する部分を拡大して表している。
窒化物半導体素子140の製造方法は、窒化物半導体素子110および120に関して説明した製造方法を、適宜変更して、適用することができる。以下、積層体50の形成について説明する。
図10は、窒化物半導体素子140の積層体50に対応する部分を拡大して示したTEM像である。
図11は、窒化物半導体素子の特性を例示するグラフ図である。
図11は、窒化物半導体素子140及び141の刃状転位密度De/平方センチメートル(/cm2)を表している。
刃状転位密度Deは、X線回折測定における、(0002)面、(0004)面、(10−11)面及び(20−22)面のロッキングカーブ半値幅から導かれる。
第2参考例の窒化物半導体素子141の刃状転位密度Deは、1.2×109(/cm2)であり、第2実施例の窒化物半導体素子140の刃状転位密度Deよりも高い。これは、例えば、第2Si含有層55による転位の遮蔽が生じないためである。
図12は、窒化物半導体素子140と同様の構成を有する窒化物半導体素子における、第2Si含有層55のSi濃度CSi(/cm3)と、転位密度De(/cm2)と、の関係を例示している。
図13(a)〜図13(d)は、第3の実施形態に係る窒化物半導体素子を例示する模式図である。
図13(a)は、本実施形態に係る窒化物半導体素子150を例示する模式的断面図である。図13(b)は、積層体におけるAl組成比(CAl)を例示するグラフ図である。図13(c)は、積層体における成長温度GT(形成温度)を例示するグラフ図である。図13(d)は、積層体におけるa軸の格子間隔Ldを例示するグラフ図である。
窒化物半導体素子150においては、積層体50は、GaN中間層51(第1積層部50aのGaN中間層51a)と、第1Si含有層52と、高Al組成層53(第1高Al組成層53a)と、第2Si含有層55と、低Al組成層54(第1積層部50aの低Al組成層54a)と、を有する。
図14(a)は、本実施形態に係る別の窒化物半導体素子160を例示する模式的断面図である。図14(b)は、積層体におけるAl組成比(CAl)を例示するグラフ図である。図14(c)は、積層体における成長温度GT(形成温度)を例示するグラフ図である。図14(d)は、積層体におけるa軸の格子間隔Ldを例示するグラフ図である。
第4の実施形態は、窒化物半導体ウェーハに係る。本実施形態に係る窒化物半導体ウェーハ200は、基板40と、機能層10と、積層体50と、下地層60と、AlGaN下地層63と、GaN層11iを含む。積層体50は、GaN中間層51と、第1Si含有層52と、高Al組成層53と、第2Si含有層55と、低Al組成層54と、を含む。これらには、窒化物半導体素子150に関して説明した構成が適用できる。
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 (20)
- 機能層と、
積層体と、
を備え、
前記積層体は、
GaN中間層と、
前記GaN中間層と前記機能層との間に設けられ第1Al組成比の窒化物半導体の低Al組成層と、
前記GaN中間層と前記低Al組成層との間に設けられ前記第1Al組成比よりも高い第2Al組成比の窒化物半導体の高Al組成層と、
前記GaN中間層と前記高Al組成層との間に設けられた第1Si含有層と、
を含み、
前記第1Si含有層は、前記GaN中間層の平坦性よりも大きな、前記GaN中間層から前記高Al組成層に向かう積層方向に対して垂直な面内における厚さの揺らぎを有している、窒化物半導体素子。 - 積層体の上に形成された機能層を備え、
前記積層体は、
GaN中間層と、
前記GaN中間層と前記機能層との間に設けられ第1Al組成比の窒化物半導体の低Al組成層と、
前記GaN中間層と前記低Al組成層との間に設けられ前記第1Al組成比よりも高い第2Al組成比の窒化物半導体の高Al組成層と、
前記GaN中間層と前記高Al組成層との間に設けられた第1Si含有層と、
を含み、
前記第1Si含有層は、前記GaN中間層の平坦性よりも大きな、前記GaN中間層から前記高Al組成層に向かう積層方向に対して垂直な面内における厚さの揺らぎを有している、窒化物半導体素子。 - 前記積層体の少なくとも一部は、前記積層体の上に前記機能層が形成された後に除去されている請求項2記載の窒化物半導体素子。
- 前記第1Si含有層のSi濃度は、2.5×1019/立方センチメートル以上5.0×1020/立方センチメートル以下である請求項1〜3のいずれか1つに記載の窒化物半導体素子。
- 前記第1Si含有層の厚さは、0.1ナノメートル以上20ナノメートル未満である請求項1〜4のいずれか1つに記載の窒化物半導体素子。
- 前記第1Si含有層は、窒素とシリコンとを含む化合物を含む請求項1〜5のいずれか1つに記載の窒化物半導体素子。
- 前記積層体は、前記低Al組成層と前記高Al組成層との間に設けられた第2Si含有層をさらに含む請求項1〜6のいずれか1つに記載の窒化物半導体素子。
- 機能層と、
積層体と、
を備え、
前記積層体は、
GaN中間層と、
前記GaN中間層と前記機能層との間に設けられ第1Al組成比の窒化物半導体の低Al組成層と、
前記GaN中間層と前記低Al組成層との間に設けられ前記第1Al組成比よりも高い第2Al組成比の窒化物半導体の高Al組成層と、
前記低Al組成層と前記高Al組成層との間に設けられた第2Si含有層と、
を含み、
前記第2Si含有層は、前記GaN中間層の平坦性よりも大きな、前記GaN中間層から前記高Al組成層に向かう積層方向に対して垂直な面内における厚さの揺らぎを有している、窒化物半導体素子。 - 前記第2Si含有層のSi濃度は、5.0×1019/立方センチメートル以上4.0×1020/立方センチメートル以下である請求項7または8に記載の窒化物半導体素子。
- 前記第2Si含有層の厚さは、0.1ナノメートル以上20ナノメートル未満である請求項7〜9のいずれか1つに記載の窒化物半導体素子。
- 前記第2Si含有層は、窒素とシリコンとを含む化合物を含む請求項7〜10のいずれか1つに記載の窒化物半導体素子。
- 基板と、
下地層と、
をさらに備え、
前記積層体は、前記基板と前記機能層との間に設けられ、
前記下地層は、前記基板と前記積層体との間に設けられた請求項1〜11のいずれか1つに記載の窒化物半導体素子。 - 前記高Al組成層は、Alx1Ga1−x1N(0<x1≦1)及び窒化アルミニウムのすくなくともいずれか含む請求項1〜12のいずれか1つに記載の窒化物半導体素子。
- 前記低Al組成層は、Aly1Ga1−y1N(0<y1<1、y1<x1)を含む請求項13記載の窒化物半導体素子。
- 前記基板は、シリコンを含む請求項12〜14のいずれか1つに記載の窒化物半導体素子。
- 前記下地層は、窒化アルミニウムを含む請求項12〜15のいずれか1つに記載の窒化物半導体素子。
- 基板と、
機能層と、
前記基板と前記機能層との間に設けられた積層体と、
を備え、
前記積層体は、
GaN中間層と、
前記GaN中間層と前記機能層との間に設けられ第1Al組成比の窒化物半導体の低Al組成層と、
前記GaN中間層と前記低Al組成層との間に設けられ前記第1Al組成比よりも高い第2Al組成比の窒化物半導体の高Al組成層と、
前記GaN中間層と前記高Al組成層との間に設けられた第1Si含有層と、
を含み、
前記第1Si含有層は、前記GaN中間層の平坦性よりも大きな、前記GaN中間層から前記高Al組成層に向かう積層方向に対して垂直な面内における厚さの揺らぎを有している、窒化物半導体ウェーハ。 - 前記第1Si含有層のSi濃度は、2.5×1019/立方センチメートル以上5.0×1020/立方センチメートル以下であり、
前記第1Si含有層の厚さは、0.1ナノメートル以上20ナノメートル未満である請求項17記載の窒化物半導体ウェーハ。 - 基板に第1温度でGaN中間層を形成し、
前記GaN中間層に第1温度よりも低い第2温度で第1Si含有層を形成し、
前記第1Si含有層に前記第2温度よりも低い第3温度で窒化物半導体の高Al組成層を形成し、
前記高Al組成層に前記第3温度よりも高い第4温度で前記高Al組成層におけるAl組成比よりも低いAl組成比の窒化物半導体の低Al組成層を形成し、
前記低Al組成層に機能層を形成する、
窒化物半導体素子の製造方法。 - 基板に第1温度でGaN中間層を形成し、
前記GaN中間層に前記第1温度よりも低い第2温度で窒化物半導体の高Al組成層を形成し、
前記高Al組成層に前記第1温度よりも低く前記第2温度よりも高い第3温度で第2Si含有層を形成し、
前記第2Si含有層に前記第2温度よりも高い第4温度で前記高Al組成層におけるAl組成比よりも低いAl組成比の窒化物半導体の低Al組成層を形成し、
前記低Al組成層に機能層を形成する、
窒化物半導体素子の製造方法。
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