JP6437083B2 - 半導体ウェーハ及び半導体素子 - Google Patents
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Description
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。
図1(a)及び図1(b)は、第1の実施形態に係る半導体ウェーハを示す模式図である。
図1(a)は、本実施形態の半導体ウェーハ110を示す模式的断面図である。図1(b)は、半導体ウェーハ110におけるAl組成比(CAl)を例示するグラフ図である。
基板10は、例えば、シリコン(Si)基板、炭化シリコン(SiC)基板、酸化亜鉛(ZnO)基板、ガリウムリン(GaP)基板及びインジウムリン(InP)基板のいずれかである。基板10の熱膨張係数は、窒化物半導体の熱膨張係数と同じか、大きくても良い。基板10は、例えば、サファイア、ガリウム砒素(GaAs)でもよい。
図2は、第1の実施形態に係る半導体ウェーハを示す図である。
図2は、半導体ウェーハ110の断面SEM(Scanning Electron Microscopy)像を示している。
図3(a)は、後述する第2高Ga組成層60の成長段階における断面SEM像である。
図3(b)は、後述する第2高Ga組成層60の成長段階における斜視SEM像である。
図3(c)は、第2高Ga組成層60の成長段階における模式的断面図である。図中の矢印は、第2高Ga組成層60の成長方向を示している。
図3(c)に表したように、中間部50は、例えば不連続に設けられる。中間部50は、高Al組成層42が露出した複数の開口部50aを有する。中間部50は、例えば島状に設けられる。
第2高Ga組成層60は、中間部50の上に設けられる。第2Ga組成層60は、窒化物半導体を含む。第2高Ga組成層60のGa組成比は、低Al組成層44のGa組成比よりも高い。第2高Ga組成層60におけるIII族元素中のAl組成比は例えば0.01以下である。第2高Ga組成層60には、例えば窒化ガリウム(GaN)が用いられる。
図4は、半導体ウェーハの特性を例示するグラフ図である。
図4は、半導体ウェーハ110のラマン分光結果を例示している。同図においては、GaNに対応するラマンスペクトルが表されている。
図4の横軸は、ラマンシフトRS(波数、cm−1)である。図4の縦軸は、ラマン散乱の強度Ir(任意単位)である。
図5は、半導体ウェーハの特性を例示するグラフ図である。
図5は、X線回折測定によって測定した(11−24)面の逆格子マッピング像の一例である。
図5の横軸は、積層方向に対して垂直な方向の(11−20)面の格子間隔の逆数Qxである。Qxは、a軸の格子間隔の逆数に比例する値である。
図5の縦軸は、積層方向に対して平行な方向の(0004)面の格子間隔の逆数Qzである。Qzは、c軸の格子間隔の逆数に比例する値である。
測定値の精度を高めるために、例えば、GaN層の歪みをラマン分光から求めて、測定されるピーク位置を補正してもよい。例えば、成長中のウェーハの反り変化からAlNバッファ層の歪みを算出し、測定されるピーク位置の補正をしてもよい。
図6では、低Al組成層のAl組成が、概ね0.4〜0.6のウェーハについて示している。
図6の横軸は、高Al組成層42の格子間隔と、前記高Al組成層42と同一組成の窒化物半導体の無歪みの格子間隔との差の、前記無歪みの格子間隔に対する比率S(以下、引っ張り歪みS)(%)である。
図6の縦軸は、刃状転位の密度Dm(以下、転位密度Dm)(cm−2)である。この転位密度Dmは、X線回折ロッキングカーブ測定によって得られたX線回折スペクトルの半値幅から算出される。
図7の横軸は、低Al組成層44(Aly1Ga1−y1N)のAl組成y1である。図7の縦軸は、転位密度Dm(cm−2)である。この転位密度Dmは、X線回折ロッキングカーブ測定によって得られたX線回折スペクトルの半値幅から算出される。
図7に表したように、転位密度Dmは、低Al組成層44のAl組成y1に対して下に凸である。この結果から、低Al組成層44のAl組成は、0.2以上0.8以下が好ましく、0.2以上0.7以下がさらに好ましい。低Al組成層44のAl組成が上記範囲であることにより、転位密度Dmが低下する。
図8(a)、図8(b)及び図8(c)は、参考例に係る半導体ウェーハを示す図である。
図8(a)は、第1参考例の半導体ウェーハ191を示す図である。
図8(b)は、第2参考例の半導体ウェーハ192を示す図である。
図8(c)は、第3参考例の半導体ウェーハ193を示す図である。
基板10として、(111)面のSi基板が用いられる。
AlNバッファ層22には、AlNが用いられる。AlNバッファ層22の厚さは120nmである。
下地層24は、Al0.5Ga0.5Nの第1層と、Al0.3Ga0.7Nの第2層と、Al0.15Ga0.85Nの第3層と、を有する。下地層24の全体の厚さは、550nmである。
第1高Ga組成層30には、GaNが用いられる。第1高Ga組成層30の厚さは、400nmである。
高Al組成層42には、AlNが用いられる。高Al組成層42の厚さは12nmである。
低Al組成層44には、Al0.5Ga0.5Nが用いられる。低Al組成層44の厚さは25nmである。
中間部50は、Siを含む層である。中間部50は、SiNを含んでも良い。中間部50の厚さは、例えば0.2原子層相当〜3nmである。
第2高Ga組成層60には、GaNが用いられる。第2高Ga組成層60の厚さは、2マイクロメートル(μm)である。
第1参考例の半導体ウェーハ191における刃状転位の密度は、7.5×109cm−2である。
第2参考例の半導体ウェーハ192における刃状転位の密度は、1.5×109cm−2である。
第3参考例の半導体ウェーハ193における刃状転位の密度は、1.5×109cm−2である。
これに対して、半導体ウェーハ110の刃状転位の密度は、4.7×108cm−2である。このように、本実施形態の半導体ウェーハ110では、刃状転位密度は、低い。
第1の実施形態の半導体ウェーハ110において、低Al組成層44は、高Al組成層42の上に設けられる。第2高Ga組成層60の引っ張り歪みは、第1高Ga組成層30の引っ張り歪みよりも大きい。これにより、半導体ウェーハ110における刃状転位の密度は、第1〜第3参考例の半導体ウェーハ191〜193における刃状転位の密度よりも顕著に低くなる。
図9は、第2の実施形態に係る窒化物半導体層の製造方法を示すフローチャートである。
図10は、第2の実施形態における成長温度を示すグラフ図である。同図において、昇温過程、及び降温過程は、省略されている。
例えば、アンモニア分圧は、0.01以上、0.2以下が好ましく、より好ましくは、0.02以上0.15以下である。
例えば、V/III比は、1000以上、40000以下が好ましく、より好ましくは、2000以上20000以下である。この様な条件により、高Al組成層42は引っ張り歪みを有しながら成長する。これは、成長中の基板の反りモニターにより確認される。成長後は、基板との熱膨張係数差により、さらに引っ張り歪みを受ける。室温で観測される引っ張り歪みは、無歪みの状態を基準として、0.6%以上1.4%以下である。
図11は第3の実施形態に係る半導体ウェーハを示す模式図である。
本実施形態に係る半導体ウェーハ120は、基板10と、AlNバッファ層22と、下地層24と、第1圧縮応力蓄積層30と、高Al組成層42と、低Al組成層44と、中間部50と、第2高Ga組成層60と、を含む。
高Ga組成層30aの厚さは、例えば300nm以上2μm以下が好ましく、例えば400nmである。高Ga組成層30aには、圧縮応力が印加される。高Ga組成層30aが厚くなるにしたがい、圧縮応力が小さくなる。高Ga組成層30aは、圧縮応力が維持できる範囲で厚くしてもよい。
第2高Ga組成層60の引っ張り歪みは、高Ga組成層30dの引っ張り歪みよりも大きい。または、第2高Ga組成層60の圧縮歪みは、高Ga組成層30dの圧縮歪みよりも小さい。または、第2高Ga組成層60は引っ張り歪みを有し、高Ga組成層30dは圧縮歪みを有する。これにより、第2高Ga組成層60における転位密度が低下する。
図12は、第4の実施形態に係る半導体素子を示す模式図である。
実施形態に係る半導体素子130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。この例では、半導体素子130は、半導体発光素子である。
Claims (17)
- 主面を有する基板と、
前記基板の前記主面上に設けられたAlNのAlNバッファ層と、
前記AlNバッファ層の上に設けられ、Al及びGaを含む窒化物半導体を含む下地層と、
前記下地層の上に設けられ、Gaを含む窒化物半導体を含み、ラマンシフトの第1ピーク波数を有する第1高Ga組成層と、
前記第1高Ga組成層の上に設けられ、Alを含む窒化物半導体を含み、前記第1高Ga組成層のGa組成比よりもGa組成比が低い高Al組成層と、
前記高Al組成層の上に設けられ、Al及びGaを含む窒化物半導体を含み、前記第1高Ga組成層の前記Ga組成比よりも低いGa組成比を有し、前記高Al組成層のAl組成比よりも低いAl組成比を有する、平坦な低Al組成層と、
前記低Al組成層の上に設けられ、Si、Mg及びBのいずれかを含み0.2原子層以上3ナノメートル以下の厚さの中間部と、
前記中間部の上に設けられ、前記第1高Ga組成層と同じ組成で、ラマンシフトの第2ピーク波数を有する第2高Ga組成層と、
を備え、
前記第1ピーク波数は、前記第2高Ga組成層と同じ組成の窒化物半導体の無歪におけるラマンシフトの第3ピーク波数よりも大きく、
前記第2ピーク波数は、前記第3ピーク波数よりも小さい、半導体ウェーハ。 - 前記中間部は、SiN、MgN及びBNのいずれかを含む、請求項1記載の半導体ウェーハ。
- 主面を有する基板と、
前記基板の前記主面上に設けられたAlNのAlNバッファ層と、
前記AlNバッファ層の上に設けられ、Al及びGaを含む窒化物半導体を含む下地層と、
前記下地層の上に設けられ、Gaを含む窒化物半導体を含み、ラマンシフトの第1ピーク波数を有する第1高Ga組成層と、
前記第1高Ga組成層の上に設けられ、Alを含む窒化物半導体を含み、前記第1高Ga組成層のGa組成比よりもGa組成比が低い高Al組成層と、
前記高Al組成層の上に設けられ、Al及びGaを含む窒化物半導体を含み、前記第1高Ga組成層の前記Ga組成比よりも低いGa組成比を有し、前記高Al組成層のAl組成比よりも低いAl組成比を有する低Al組成層と、
前記低Al組成層の上に設けられ、Si、Mg及びBのいずれかを含む窒化物を含み0.2原子層以上3ナノメートル以下の厚さの中間部と、
前記中間部の上に設けられ、Gaを含む窒化物半導体を含み、前記低Al組成層の前記Ga組成比よりも高いGa組成比を有し、ラマンシフトの第2ピーク波数を有する第2高Ga組成層と、
前記第1ピーク波数は、前記第1高Ga組成層と同じ組成の窒化物半導体の無歪におけるラマンシフトの第3ピーク波数よりも小さく、前記第2ピーク波数は、前記第2高Ga組成層と同じ組成の窒化物半導体の無歪におけるラマンシフトの第4ピーク波数よりも小さく、前記第1ピーク波数と第3ピーク波数との差の絶対値は、前記第2ピーク波数と第4ピーク波数との差の絶対値よりも小さい、または、
前記第1ピーク波数は、前記第3ピーク波数よりも大きく、前記第2ピーク波数は、前記第4ピーク波数よりも大きく、前記第1ピーク波数と第3ピーク波数との差の絶対値は、前記第2ピーク波数と第4ピーク波数との差の絶対値よりも大きい、半導体ウェーハ。 - 前記基板の熱膨張係数は、窒化物半導体の熱膨張係数よりも小さい、請求項1〜3のいずれか1つに記載の半導体ウェーハ。
- 前記高Al組成層は、引っ張り歪みを受けており、
前記高Al組成層の前記主面と平行な第1軸の格子間隔と、前記高Al組成層と同一組成の窒化物半導体の無歪みの前記第1軸の格子間隔と、の差は、前記無歪みの前記第1軸の格子間隔の0.6%以上1.4%以下である、請求項1〜4のいずれか1つに記載の半導体ウェーハ。 - 前記高Al組成層及び前記低Al組成層におけるアクセプタまたはドナーの不純物の濃度は、1×1018cm−3以下である、請求項1〜5のいずれか1つに記載の半導体ウェーハ。
- 前記中間部の厚さは、前記高Al組成層の厚さよりも薄い、請求項1〜6のいずれか1つに記載の半導体ウェーハ。
- 前記中間部は、島状に設けられた、請求項1〜7のいずれか1つに記載の半導体ウェーハ。
- 前記高Al組成層の厚さは、2ナノメートル以上50ナノメートル以下である、請求項1〜8のいずれか1つに記載の半導体ウェーハ。
- 前記低Al組成層におけるIII族元素中のAl組成比は、0.2以上0.8以下である、請求項1〜9のいずれか1つに記載の半導体ウェーハ。
- 前記低Al組成層の厚さは、10ナノメートル以上50ナノメートル以下である、請求項1〜10のいずれか1つに記載の半導体ウェーハ。
- 前記第1高Ga組成層の厚さは、100ナノメートル以上5マイクロメートル以下である、請求項1〜11のいずれか1つに記載の半導体ウェーハ。
- 前記第2高Ga組成層の厚さは、100ナノメートル以上5マイクロメートル以下である、請求項1〜12のいずれか1つに記載の半導体ウェーハ。
- 前記基板は、Si基板、SiC基板、GaP基板及びInP基板のいずれかである、請求項1〜13のいずれか1つに記載の半導体ウェーハ。
- 前記第2高Ga組成層における転位密度は、2×109/cm2以下である、請求項1〜14のいずれか1つに記載の半導体ウェーハ。
- 請求項1〜15のいずれか1つに記載の前記半導体ウェーハの上で形成された半導体素子。
- 前記第2高Ga組成層の上に設けられた機能層をさらに備えた請求項16記載の半導体素子。
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