JP6625536B2 - n型窒化アルミニウム単結晶基板 - Google Patents
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Description
本発明において、n型窒化アルミニウム単結晶基板は、シリコンをドナーとして含む窒化アルミニウム単結晶からなる基板である。n型基板とは、電圧の印加により電流を生じ、電荷を運ぶキャリアとして自由電子が使われる半導体基板である。負の電荷を持つ自由電子がキャリアとして移動することで電流が生じる。つまり、多数キャリアが電子となる半導体基板である。
次に、本発明のn型窒化アルミニウム単結晶基板の製造方法について説明する。先ず、n型窒化アルミニウム単結晶基板を製造するために使用する、窒化アルミニウム単結晶種基板を準備する。この窒化アルミニウム単結晶種基板上に、各種の方法によりn型窒化アルミニウム単結晶層を成長させた後、該種基板を分離することにより、n型窒化アルミニウム単結晶基板を製造する。
窒化アルミニウム単結晶種基板の転位密度は、104cm−2以下、さらには10−3cm−2以下であることが好ましい。転位密度が104cm−2を超える場合には、窒化アルミニウム単結晶種基板上にn型窒化アルミニウム単結晶層を形成する際に、n型窒化アルミニウム単結晶膜中に応力が蓄積され、膜厚が厚くなるにしたがってクラックが発生しやすくなる傾向にある。また、転位密度が104cm−2を超える場合には、得られるn型窒化アルミニウム単結晶層(n型窒化アルミニウム単結晶基板)の転位密度を106cm−2以下とすることが難しくなる傾向にある。そして、n型窒化アルミニウム単結晶層の転位密度が106cm−2を超えている場合には、成長時のn型窒化アルミニウム単結晶層表面に多数のヒロックが形成されており、それに伴って表面平滑性が低下する傾向にある。このような現象が生じると、n型窒化アルミニウム単結晶層の結晶品質が低下するのみでなく、n型窒化アルミニウム単結晶層中に意図せず混入するシリコン以外の不純物濃度が高くなり、得られるn型窒化アルミニウム単結晶基板のn型導電性を低下させる要因となる。
次に、この窒化アルミニウム単結晶種基板上に成長させる、n型窒化アルミニウム単結晶層の成長方法ついて説明する。
HVPE法を採用する場合は、アルミニウム源としてハロゲン化アルミニウム(例えば、3塩化アルミニウムガス等)、窒素源としてアンモニア、及びシリコン源としてSiH αCl4−α(αは0〜3の整数である)のガスを窒化アルミニウム単結晶種基板上に、水素および窒素などのキャリアガスと共に供給し、n型窒化アルミニウム単結晶層を成長させることが好ましい。その他、シリコン源として石英(SiO2)やシリコン(Si)などのシリコン供給源材料を使用することもできる。
以上の種基板の温度、V/III比、成長速度の条件は、使用する装置の大きさ、形状により最適値が異なるため、上記の例示範囲で最適値を決定すればよい。
上述の方法により窒化アルミニウム単結晶種基板上にn型窒化アルミニウム単結晶層が形成された積層基板を作製した後、種基板とn型窒化アルミニウム単結晶層とを分離する方法について説明する。
このようにして得られたn型窒化アルミニウム単結晶基板において、基板の両面(例えば、基板の上下の面)に動作電極を形成することによって、縦型の半導体デバイスを作製することができる。また、この縦型の窒化物半導体デバイスにおいて、一方の主面側(例えば、上面)にオーミック電極層を形成し、他方の主面(例えば、下面)にショットキー電極層を形成することにより、縦型ショットキーバリアダイオードとすることができる。その他の態様として、本発明のn型窒化アルミニウム単結晶基板と電極との間に、適宜窒化アルミニウムガリウム(AlXGa1−XN、0≦X≦1)層を形成することもできる。窒化アルミニウムガリウム層は、目的に応じて、シリコンをドーピングしたn型、Mgをドーピングしたp型にすることもできるし、不純物をドーピングしないアンドープ層であってもよい。また、本発明のn型窒化アルミニウム単結晶基板は、横型の窒化物半導体デバイスの製造にも当然に使用できる。
本発明のn型窒化アルミニウム単結晶基板を作製するための窒化アルミニウム単結晶種基板にはC面窒化アルミニウム単結晶種基板(15mm×15mm×厚み500μm)を用いた。この窒化アルミニウム単結晶種基板の転位密度(エッチピット密度)は、1×104cm−2であった。なお、この転位密度は、下記に記述するn型窒化アルミニウム単結晶基板の転位密度の測定方法と同じ方法で求めた。
厚みを200μm形成し、成長温度を1450℃にした以外は、実施例1と同様の条件でn型窒化アルミニウム単結晶層を成長し、同様の評価を行った。基板厚みから見積もったn型窒化アルミニウム単結晶層の成長速度は22μm/hであった。フォトルミネセンス測定から得られたピーク強度の比(I1/I2)は0.22であった。実施例1と同様に、7mm角程度の正方形形状B1〜B4に切断し、同様の評価を行った。
塩化アルミニウムガスの供給量を0.043体積%に変更し、成長温度を1520℃とした以外は、実施例1と同様の条件で、n型窒化アルミニウム単結晶層を100μm形成した。ここで、V/III比は11.6である。成長速度は32μm/hであった。フォトルミネセンス測定から得られたピーク強度の比(I1/I2)は0.81であった。実施例1と同様に、7mm角程度の正方形形状C1〜C4に切断し、同様の評価を行った。
サセプター上に設置する石英片(2mm×2mm×厚み1mm)を3個にした以外は、比較例1と同様にn型窒化アルミニウム単結晶層を成長し、同様の評価を行った。フォトルミネセンス測定から得られたピーク強度の比(I1/I2)は9.8であった。基板厚みから見積もったn型窒化アルミニウム単結晶層の成長速度は23μm/hであった。実施例1と同様に、7mm角程度の正方形形状D1〜D4に切断し、同様の評価を行った。
サセプター上に設置する石英片数を2個にした以外は、実施例1と同様の条件でn型窒化アルミニウム単結晶層を成長し、同様の評価を行った。フォトルミネセンス測定から得られたピーク強度の比(I1/I2)は0.42であった。基板厚みから見積もったn型窒化アルミニウム単結晶層の成長速度は20μm/hであった。実施例1と同様に、7mm角程度の正方形形状E1〜E4に切断し、同様の評価を行った。
成長温度を1450℃、塩化アルミニウムガスの体積流量比を0.05体積%にした以外は、実施例1と同様の条件でn型窒化アルミニウム単結晶層を成長し、同様の評価を行った。ここで、V/III比は10である。フォトルミネセンス測定から得られたピーク強度の比(I1/I2)は0.37であった。基板厚みから見積もったn型窒化アルミニウム単結晶層の成長速度は32μm/hであった。実施例1と同様に、7mm角程度の正方形形状F1〜F4に切断し、同様の評価を行った。
市販されている昇華法により作製された窒化アルミニウム基板において、同様の評価を行った。エッチピット密度は9×103cm−2であった。シリコン濃度は5×1018cm−3、酸素濃度は2×1019cm−3であり、炭素濃度は3×1019cm−3であった。また、ホール効果測定を行ったところ、抵抗値が高いため正確な測定結果は得られなかった。この結果より、昇華法により作製された窒化アルミニウム基板は、絶縁体であり、比抵抗値は106Ωcm以上と見積もられた。フォトルミネセンス測定から得られたピーク強度の比(I1/I2)は10以上であった。
Claims (7)
- シリコンがドーピングされたn型窒化アルミニウム単結晶基板であって、
ドナー不純物として機能するシリコン以外の不純物濃度がシリコン濃度以下であり、
23℃におけるフォトルミネセンス測定において、370〜390nmにピークを有する発光スペクトル強度(I1)と窒化アルミニウムのバンド端の発光ピーク強度(I2)の比(I1/I2)が0.5以下であり、
厚みが25〜500μmであり、
23℃における電子濃度とシリコン濃度の比(電子濃度/シリコン濃度)が0.0005〜0.001であるn型窒化アルミニウム単結晶基板。 - アクセプター濃度が1018cm−3以下であり、かつシリコン濃度を超えない請求項1に記載のn型窒化アルミニウム単結晶基板。
- 転位密度が106cm−2以下である請求項1または2に記載のn型窒化アルミニウム単結晶基板。
- 23℃における電子濃度が1×1013〜1×1017cm−3である請求項1〜3の何れかに記載のn型窒化アルミニウム単結晶基板。
- 請求項1〜4の何れかに記載のn型窒化アルミニウム単結晶基板の上下の主面に電極層を備えた縦型窒化物半導体デバイス。
- 請求項5に記載の縦型窒化物半導体デバイスにおいて、一方の主面側にオーミック電極層を有し、他方の主面にショットキー電極層を有する縦型ショットキーバリアダイオード。
- シリコン以外のドナー不純物濃度が1017cm−3以下である請求項1に記載のn型窒化アルミニウム単結晶基板。
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