JP6784861B1 - 窒化物半導体基板 - Google Patents
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Abstract
Description
シリコン基板上に窒化物半導体層が積層された窒化物半導体基板であって、
前記窒化物半導体層は、
組成の異なる複数の窒化物半導体結晶層が積層されて形成される第1層と、
前記第1層上に形成され、炭素を含む第2層と、を備え、
前記第2層の下層部分の平均炭素濃度は、前記第2層の上層部分の平均炭素濃度より低い、窒化物半導体基板が提供される。
まず、発明者が得た知見について説明する。
次に、本発明の一実施形態を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
(1)窒化物半導体基板100の構成
まず、本実施形態の窒化物半導体基板100の構成について説明する。
図2は、本実施形態の窒化物半導体基板100の炭素(C)、水素(H)および酸素(O)の不純物濃度プロファイルと、アルミニウム(Al)組成プロファイルとの一例である。具体的には、図2は、応力発生層150の一部と、高抵抗層160と、低抵抗層170の一部とにおける、深さ方向のC、HおよびOの不純物濃度プロファイルと、Al組成プロファイルとの一例である。本実施形態の不純物濃度プロファイルおよびAl組成プロファイルは、2次イオン質量分析(SIMS)により測定した。図2において、C、HおよびOの不純物濃度については、左側の軸(Concentration(Atoms/cm3))の表示により、各不純物濃度を示す。Al組成については、右側の軸(Secondary ion intensity(counts/sec))の表示により、Al組成を、Al組成に対応するSIMSのカウント数として示す。なお、図2は、ノイズ的な細かい凹凸を均したプロファイルを示す。SIMSの測定条件は、以下の通りである。
イオン源:セシウムイオン(Cs+)
イオンエネルギ:14.5keV
深さ方向分解能:10〜20nm
測定部面積:30μmφ
図2からわかるように、本実施形態の炭素濃度プロファイルにおいて、界面近傍202に特徴的な凹みが観察される。本実施形態の窒化物半導体基板100は、このような炭素濃度プロファイルを有するため、耐圧を確保しつつ、その結晶性を向上させることができる。以下、本実施形態の炭素濃度プロファイルの詳細について説明する。
図2からわかるように、本実施形態の高抵抗層160の不純物濃度プロファイルにおいて、炭素濃度はその値が大きく変化しているのに対して、水素濃度はその変動量が小さい。本実施形態の窒化物半導体基板100は、このような水素濃度プロファイルを有するため、トラップとして働く欠陥の密度変動を抑制することができる。以下、本実施形態の水素濃度プロファイルの詳細について説明する。
図2からわかるように、本実施形態の高抵抗層160の不純物濃度プロファイルにおいて、炭素濃度はその値が大きく変化しているのに対して、酸素濃度はその変動量が小さい。本実施形態の窒化物半導体基板100は、このような酸素濃度プロファイルを有するため、電気特性を安定化することができる。以下、本実施形態の水素濃度プロファイルの詳細について説明する。
次に、本実施形態の窒化物半導体基板100の製造方法について説明する。
図3は、窒化物半導体基板100の製造方法に用いられる結晶成長装置300の概略構成図である。図3に示すように、結晶成長装置300は、反応炉310と、制御部370とを備えている。反応炉310内には、シリコン基板110を載置するためのサセプタ320が配置されている。サセプタ320の上方には、サセプタ320の上面と相互に間隔をあけて対向するように、石英(酸化シリコン)からなる天板342が支持固定されている。
まず、基板準備工程S101では、シリコン基板110を準備する。シリコン基板110は、反応炉310内(開口部331内)に載置する。
シリコン基板110を反応炉310内に載置したら、シリコン基板110上に、例えば、MOCVD法によりAlGaN(好ましくはAlN)を成長させることで反応抑制層130を形成する。III族原料ガスGa1のうちGa原料ガスとしては、例えば、トリメチルガリウム(Ga(CH3)3、TMG)ガスおよびトリエチルガリウム(Ga(C2H5)3、TEG)ガスの少なくとも一方を用いることができる。III族原料ガスGa1のうちAl原料ガスとしては、例えば、トリメチルアルミニウム(Al(CH3)3、TMA)ガスを用いることができる。V族原料ガスGa2である窒素(N)原料ガスとしては、例えば、アンモニア(NH3)ガスを用いることができる。キャリアガスGb1としては、例えば、窒素(N2)ガスおよび水素(H2)ガスの少なくとも一方を用いることができる。冷却ガスGb2としては、例えば、N2ガスおよびH2ガスの少なくとも一方を用いることができる。なお、以降の工程においても、ガスGa1、Ga2、Gb1およびGb2としては、上述した各種ガスを用いることができる。
反応抑制層130を形成したら、反応抑制層130上に、例えば、MOCVD法によりAlGaNを成長させることで中間層140を形成する。
中間層140を形成したら、中間層140上に、例えば、MOCVD法により、第1の窒化物半導体結晶層151としてのAlNと、第2の窒化物半導体結晶層152としてのAlGaNを交互に積層させることで応力発生層150を形成する。第1の窒化物半導体結晶層151を形成する際は、例えば、III族原料ガスGa1としてTMAガスを空間350に供給し、第2の窒化物半導体結晶層152を形成する際は、例えば、III族原料ガスGa1としてTMAガスおよびTMGガスを空間350に供給する。
応力発生層150を形成したら、シリコン基板110と、表面改質工程S105を行う前(応力発生層形成工程S104を行った後)までに形成された窒化物半導体層120とを、NH3ガス雰囲気中で一定時間保持することで応力発生層150の表面を改質する。これにより、応力発生層150の表面が再配置され、表面を平坦化することができる。また、応力発生層150の表面から炭素を脱離させ、界面近傍202の炭素濃度を低くすることができる。すなわち、低炭素領域240を界面近傍202に存在させることが可能となる。その結果、後述する高抵抗層形成工程S106において、結晶性の良好な窒化物半導体結晶を成長させることができる。
応力発生層150の表面を改質したら、応力発生層150上に、例えば、MOCVD法によりAlGaN(好ましくはGaN)を成長させることで高抵抗層160を形成する。表面改質工程S105にて応力発生層150の表面を改質しているため、高抵抗層形成工程S106では、結晶性の良好な窒化物半導体結晶を成長させることができる。
高抵抗層160を形成したら、高抵抗層160上に、例えば、MOCVD法によりAlGaN(好ましくはGaN)を成長させることで低抵抗層170を形成する。低抵抗層形成工程S107では、低抵抗層170の炭素濃度が、高抵抗層160の炭素濃度より低くなるような成長条件に制御する。これにより、窒化物半導体基板100の電気特性を向上させることができる。
低抵抗層170を形成したら、低抵抗層170上に、例えば、MOCVD法によりAlGaNを成長させることでバリア層180を形成する。
本実施形態によれば、以下に示す1つまたは複数の効果を奏する。
以上、本発明の実施形態について具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
以下、本発明の好ましい態様を付記する。
本発明の一態様によれば、
シリコン基板上に窒化物半導体層が積層された窒化物半導体基板であって、
前記窒化物半導体層は、
組成の異なる複数の窒化物半導体結晶層が積層されて形成される第1層と、
前記第1層上に形成され、炭素を含む第2層と、を備え、
前記第2層の下層部分の平均炭素濃度は、前記第2層の上層部分の平均炭素濃度より低い、窒化物半導体基板が提供される。
好ましくは、前記第1層は、第1の窒化物半導体結晶層と、前記第1の窒化物半導体結晶層より格子定数が大きい第2の窒化物半導体結晶層とが交互に積層された歪超格子構造を有する。
好ましくは、前記窒化物半導体層は、前記第2層上に形成され、平均炭素濃度が前記第2層の平均炭素濃度より低い第3層をさらに備える。
付記1に記載の窒化物半導体基板であって、
前記第2層の前記下層部分の平均炭素濃度は、前記第1層の平均炭素濃度より低い。
好ましくは、前記第1層の平均炭素濃度は、2×1019cm−3以上8×1019cm−3以下である。
付記1または付記2に記載の窒化物半導体基板であって、
炭素濃度が前記第1層の平均炭素濃度の70%以下(好ましくは60%以下、より好ましくは50%以下)となる低炭素領域が、前記第1層と前記第2層との界面近傍に存在する。
付記3に記載の窒化物半導体基板であって、
前記低炭素領域における炭素濃度の極小値は、3×1018cm−3以上(好ましくは5×1018cm−3以上、より好ましくは1×1019cm−3以上)3×1019cm−3以下である。
付記3または付記4に記載の窒化物半導体基板であって、
前記低炭素領域の厚さが、前記第2層の厚さの2%以上50%以下である。
付記3から付記5のいずれか1つに記載の窒化物半導体基板であって、
前記低炭素領域が、前記第1層と前記第2層との界面にまたがって存在する。
付記1から付記6のいずれか1つに記載の窒化物半導体基板であって、
炭素濃度が前記第1層の平均炭素濃度の70%以上(好ましくは80%以上、より好ましくは90%以上)となる高炭素領域が、前記第2層の前記上層部分に存在する。
付記7に記載の窒化物半導体基板であって、
前記高炭素領域における炭素濃度の極大値は、前記第1層の平均炭素濃度の95%以上120%以下である。
本発明の他の態様によれば、
シリコン基板上に窒化物半導体層が積層された窒化物半導体基板であって、
前記窒化物半導体層は、
組成の異なる複数の窒化物半導体結晶層が積層されて形成される第1層と、
前記第1層上に形成され、炭素を含む第2層と、を備え、
前記第2層の平均水素濃度は、前記第1層の平均水素濃度の15%以上100%以下である、窒化物半導体基板が提供される。
好ましくは、前記第1層は、第1の窒化物半導体結晶層と、前記第1の窒化物半導体結晶層より格子定数が大きい第2の窒化物半導体結晶層とが交互に積層された歪超格子構造を有する。
好ましくは、前記窒化物半導体層は、前記第2層上に形成され、平均炭素濃度が前記第2層の平均炭素濃度より低い第3層をさらに備える。
好ましくは、前記第2層の平均水素濃度は、4×1017cm−3以上1×1018cm−3以下である。
付記9に記載の窒化物半導体基板であって、
前記第2層の水素濃度の変動量は、±20%以下である。
付記9または付記10に記載の窒化物半導体基板であって、
前記第2層の下層部分の平均炭素濃度は、前記第2層の上層部分の平均炭素濃度より低い。
付記9から付記11のいずれか1つに記載の窒化物半導体基板であって、
前記第2層の下層部分の平均炭素濃度は、前記第1層の平均炭素濃度より低い。
好ましくは、前記第1層の平均炭素濃度は、2×1019cm−3以上8×1019cm−3以下である。
付記9から付記12のいずれか1つに記載の窒化物半導体基板であって、
炭素濃度が前記第1層の平均炭素濃度の70%以下(好ましくは60%以下、より好ましくは50%以下)となる低炭素領域が、前記第1層と前記第2層との界面近傍に存在する。
付記13に記載の窒化物半導体基板であって、
前記低炭素領域における炭素濃度の極小値は、3×1018cm−3以上(好ましくは5×1018cm−3以上、より好ましくは1×1019cm−3以上)3×1019cm−3以下である。
付記13または付記14に記載の窒化物半導体基板であって、
前記低炭素領域の厚さが、前記第2層の厚さの2%以上50%以下である。
付記13から付記15のいずれか1つに記載の窒化物半導体基板であって、
前記低炭素領域が、前記第1層と前記第2層との界面にまたがって存在する。
付記9から付記16のいずれか1つに記載の窒化物半導体基板であって、
炭素濃度が前記第1層の平均炭素濃度の70%以上(好ましくは80%以上、より好ましくは90%以上)となる高炭素領域が、前記第2層の上層部分に存在する。
付記17に記載の窒化物半導体基板であって、
前記高炭素領域における炭素濃度の極大値は、前記第1層の平均炭素濃度の95%以上120%以下である。
本発明の他の態様によれば、
シリコン基板上に窒化物半導体層が積層された窒化物半導体基板であって、
前記窒化物半導体層は、
組成の異なる複数の窒化物半導体結晶層が積層されて形成される第1層と、
前記第1層上に形成され、炭素を含む第2層と、を備え、
前記第2層の平均酸素濃度は1×1016cm−3未満である、窒化物半導体基板が提供される。
好ましくは、前記第1層は、第1の窒化物半導体結晶層と、前記第1の窒化物半導体結晶層より格子定数が大きい第2の窒化物半導体結晶層とが交互に積層された歪超格子構造を有する。
好ましくは、前記窒化物半導体層は、前記第2層上に形成され、平均炭素濃度が前記第2層の平均炭素濃度より低い第3層をさらに備える。
好ましくは、前記第2層の平均酸素濃度は、1×1015cm−3以上である。
付記19に記載の窒化物半導体基板であって、
前記第2層の酸素濃度の変動量は、±50%以下である。
付記19または付記20に記載の窒化物半導体基板であって、
前記第2層の下層部分の平均炭素濃度は、前記第2層の上層部分の平均炭素濃度より低い。
好ましくは、前記第2層の平均炭素濃度は、1×1018cm−3以上1×1020cm−3以下である。
付記19から付記21のいずれか1つに記載の窒化物半導体基板であって、
前記第2層の下層部分の平均炭素濃度は、前記第1層の平均炭素濃度より低い。
好ましくは、前記第1層の平均炭素濃度は、2×1019cm−3以上8×1019cm−3以下である。
付記19から付記22のいずれか1つに記載の窒化物半導体基板であって、
炭素濃度が前記第1層の平均炭素濃度の70%以下(好ましくは60%以下、より好ましくは50%以下)となる低炭素領域が、前記第1層と前記第2層との界面近傍に存在する。
付記23に記載の窒化物半導体基板であって、
前記低炭素領域における炭素濃度の極小値は、3×1018cm−3以上(好ましくは5×1018cm−3以上、より好ましくは1×1019cm−3以上)3×1019cm−3以下である。
付記23または付記24に記載の窒化物半導体基板であって、
前記低炭素領域の厚さが、前記第2層の厚さの2%以上50%以下である。
付記23から付記25のいずれか1つに記載の窒化物半導体基板であって、
前記低炭素領域が、前記第1層と前記第2層との界面にまたがって存在する。
付記19から付記26のいずれか1つに記載の窒化物半導体基板であって、
炭素濃度が前記第1層の平均炭素濃度の70%以上(好ましくは80%以上、より好ましくは90%以上)となる高炭素領域が、前記第2層の上層部分に存在する。
付記27に記載の窒化物半導体基板であって、
前記高炭素領域における炭素濃度の極大値は、前記第1層の平均炭素濃度の95%以上120%以下である。
110 シリコン基板
120 窒化物半導体層
130 反応抑制層
140 中間層
150 応力発生層
151 第1の窒化物半導体結晶層
152 第2の窒化物半導体結晶層
153 多重結晶層
160 高抵抗層
170 低抵抗層
180 バリア層
200 界面
201 上部
202 界面近傍
210 界面
220 下層部分
230 上層部分
240 低炭素領域
250 高炭素領域
300 結晶成長装置
310 反応炉
320 サセプタ
330 回転機構
331 開口部
341 サセプタカバー
342 天板
350 空間
351 空間
361 外周側ヒータ
362 内周側ヒータ
370 制御部
S101 基板準備工程
S102 反応抑制層形成工程
S103 中間層形成工程
S104 応力発生層形成工程
S105 表面改質工程
S106 高抵抗層形成工程
S107 低抵抗層形成工程
S108 バリア層形成工程
Claims (8)
- シリコン基板上に窒化物半導体層が積層された窒化物半導体基板であって、
前記窒化物半導体層は、
組成の異なる複数の窒化物半導体結晶層が積層されて形成される第1層と、
前記第1層上に形成され、炭素を含む第2層と、を備え、
前記第2層の下層部分の平均炭素濃度は、前記第2層の上層部分の平均炭素濃度より低く、
炭素濃度が前記第1層の平均炭素濃度の70%以下となる低炭素領域が、前記第1層と前記第2層との界面近傍に存在し、
前記低炭素領域における炭素濃度の極小値は、3×10 18 cm −3 以上3×10 19 cm −3 以下であり、
炭素濃度が前記第1層の平均炭素濃度の70%以上となる高炭素領域が、前記第2層の前記上層部分に存在し、
前記高炭素領域における炭素濃度の極大値は、前記第1層の平均炭素濃度の95%以上120%以下である、窒化物半導体基板。 - シリコン基板上に窒化物半導体層が積層された窒化物半導体基板であって、
前記窒化物半導体層は、
組成の異なる複数の窒化物半導体結晶層が積層されて形成される第1層と、
前記第1層上に形成され、炭素を含む第2層と、を備え、
前記第2層の下層部分の平均炭素濃度は、前記第2層の上層部分の平均炭素濃度より低く、
炭素濃度が前記第1層の平均炭素濃度の70%以下となる低炭素領域が、前記第1層と前記第2層との界面にまたがって存在し、
炭素濃度が前記第1層の平均炭素濃度の70%以上となる高炭素領域が、前記第2層の前記上層部分に存在し、
前記高炭素領域における炭素濃度の極大値は、前記第1層の平均炭素濃度の95%以上120%以下である、窒化物半導体基板。 - シリコン基板上に窒化物半導体層が積層された窒化物半導体基板であって、
前記窒化物半導体層は、
組成の異なる複数の窒化物半導体結晶層が積層されて形成される第1層と、
前記第1層上に形成され、炭素を含む第2層と、を備え、
前記第2層の下層部分の平均炭素濃度は、前記第2層の上層部分の平均炭素濃度より低く、
炭素濃度が前記第1層の平均炭素濃度の70%以下となる低炭素領域が、前記第1層と前記第2層との界面にまたがって存在し、
前記低炭素領域における炭素濃度の極小値は、3×10 18 cm −3 以上3×10 19 cm −3 以下であり、
炭素濃度が前記第1層の平均炭素濃度の70%以上となる高炭素領域が、前記第2層の前記上層部分に存在し、
前記高炭素領域における炭素濃度の極大値は、前記第1層の平均炭素濃度の95%以上120%以下である、窒化物半導体基板。 - 前記第1層の平均炭素濃度は、2×1019cm−3以上8×1019cm−3以下である請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の窒化物半導体基板。
- 前記第2層の平均水素濃度は、前記第1層の平均水素濃度の15%以上100%以下である請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の窒化物半導体基板。
- 前記第2層の平均酸素濃度は、1×1016cm−3未満である請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の窒化物半導体基板。
- 前記第2層の前記下層部分の平均炭素濃度は、前記第1層の平均炭素濃度より低い請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の窒化物半導体基板。
- 前記低炭素領域の厚さが、前記第2層の厚さの2%以上50%以下である請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の窒化物半導体基板。
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