JPWO2008012877A1 - ＳｉＣ基板を用いた化合物半導体装置とその製造方法 - Google Patents

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Abstract

導電性ＳｉＣ基板を用いた、良好な特性を有するＧａＮ系化合物半導体装置とその製造方法を提供する。化合物半導体装置の製造方法は、（１）導電性ＳｉＣ基板上に、Ｈ−ＶＰＥで第１ＡｌＮバッファ層を厚さ１０μｍ以上成長する工程と、（２）前記第１ＡｌＮバッファ層の上に、ＭＯＣＶＤで第２ＡｌＮバッファ層を成長する工程と、（３）前記第２ＡｌＮバッファ層の上に、ＡｌＧａＮ層を成長する工程（４）前記第２ＡｌＮバッファ層の上にＭＯＣＶＤで素子構成層を成長する工程と、を有する。

Description

本発明は、化合物半導体装置とその製造方法に関し、特にＳｉＣ基板を用いた化合物半導体装置とその製造方法に関する。
ＧａＮ系化合物半導体とは、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１．０、０≦ｙ≦１．０）を指す。
ＧａＮまたはＧａＮ系化合物半導体を用いた化合物半導体装置の開発が活発である。ＧａＮは、バンドギャップが３．４ｅＶと高く、高耐圧動作が可能である。ＧａＮ系化合物半導体を用いてヘテロ接合を形成することにより、種々の半導体装置を作成することができる。結晶成長方法としては、主に有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）が用いられる。近年、ハイドライド気相エピタキシ（Ｈ−ＶＰＥ）と呼ばれるＨＣｌとＩＩＩ族金属を反応させて金属塩化物を発生させ、さらにアンモニア等と反応させて窒化物半導体を成長する方法が研究されている。
ＧａＮ系化合物半導体を用いた半導体発光装置は青色光または紫外光を発光でき、蛍光体を用いることにより白色光源も形成できる。サファイア基板、またはＳｉＣ基板上にＧａＮ系化合物半導体結晶を成長し、種々の半導体発光装置を作製することが行われている。
また、ＧａＮは高耐圧であり、例えば携帯電話の基地局用高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）等、高電圧、高速動作が要求される用途での応用が期待されている。サファイア、ＳｉＣ，ＧａＮ，Ｓｉ等の基板上に、ＧａＮ／ＡｌＧａＮを結晶成長し、ＧａＮ層を電子走行層とするＧａＮ−ＨＥＭＴが種々報告されている。現在、電流オフ時の耐圧として３００Ｖを超える値が報告されている。ＳｉＣ基板を用いたＧａＮ−ＨＥＭＴにおいて最も良好な出力特性が得られている。ＳｉＣの熱伝導率が高いことが寄与している。高速動作ＧａＮデバイスを作製するためには、寄生容量を制限するため、半絶縁性ＳｉＣ基板を用いる。しかし、半絶縁性単結晶ＳｉＣ基板の価格は高く、ＧａＮ系半導体デバイス普及の阻害となる可能性がある。導電性ＳｉＣ基板は、半絶縁性ＳｉＣ基板と較べて、安価に入手できる。しかし、導電性ＳｉＣ基板上に半導体デバイスを作成すると、寄生容量が大きくなる。
特開２００２−３５９２５５号は、抵抗率が１×１０５Ωｃｍ未満の導電性ＳｉＣ基板上に、下地層として、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）により、ＡｌＮ層を２μｍ以上成長し、下地上に素子構成層を形成することを提案する。
特開２００３―３０９０７１号は、サファイア、ＳｉＣ等の結晶基板上に、ＭＯＣＶＤにより、ＡｌＮ低温成長バッファ層を介して、ＡｌＧａＮ下地層を成長し、下地層上にＡｌＧａＮ層を設けることを提案する。
特表２００４−５２４６９０号は、同一チャンバ内でＭＯＣＶＤモードの成長もＨ−ＶＰＥモードの成長も行え、さらに両モードを同時に行うこともできるハイブリッド成長システムを提案する。
特開２００５−２５２２４８号は、サファイアないしＳｉ基板上へのＡｌＮ結晶のＨ−ＶＰＥにおいて、成長室内温度を堆積を生じない７５０℃以下に抑制し、基板は高周波加熱により９００℃から１７００℃の温度に維持することを提案する。
ＭＯＣＶＤは、成長速度を高くすることが難しく、厚いＧａＮ系半導体層を成長するのには適していない。Ｈ−ＶＰＥは、成長速度が高いメリットは知られているが、開発途上の結晶成長方法であり、問題点の発見やその解明などは今後の課題である。
特開２００２−３５９２５５号公報 特開２００３―３０９０７１号公報 特表２００４−５２４６９０号公報 特開２００５−２５２２４８号公報
本発明の目的は、導電性ＳｉＣ基板を用いた、良好な特性を有するＧａＮ系化合物半導体装置とその製造方法を提供することである。
本発明のさらに他の目的は、ＳｉＣ基板上に化合物半導体層を有する半導体装置の特性を高めることである。
本発明の１観点によれば、
導電性ＳｉＣ基板と、
前記導電性ＳｉＣ基板上に形成され、Ｃｌを含むＡｌＮ層と、
前記Ｃｌを含むＡｌＮ層の上に形成され、Ｃｌを含まないＡｌＮ層と、
前記Ｃｌを含まないＡｌＮ層上方に形成された素子構成層と、
を有する化合物半導体装置
が提供される。
本発明の他の観点によれば、
（１）導電性ＳｉＣ基板上に、Ｈ−ＶＰＥで第１ＡｌＮバッファ層を成長する工程と、
（２）前記第１ＡｌＮバッファ層の上に、ＭＯＣＶＤで第２ＡｌＮバッファ層を成長する工程と、
（３）前記第２ＡｌＮバッファ層の上にＭＯＣＶＤで素子構成層を成長する工程と、
を有する化合物半導体装置の製造方法
が提供される。
導電性ＳｉＣ基板を用いた、良好な特性を有するＧａＮ系化合物半導体装置とその製造方法が提供される。
Ｈ−ＶＰＥを用いて厚い高抵抗層を成長し、かつＣｌの拡散を抑制できる。成長層の表面を平坦化できる。
ＦＩＧ．１Ａ、１Ｂ，１Ｃは、第１の実施例及び比較例によるＧａＮ系ＨＥＭＴの概略断面図およびオーミックコンタクト抵抗の経時変化を比較して示すグラフである。 ＦＩＧ．２Ａ，２Ｂは、ハイドライドＶＰＥ装置とＭＯＣＶＤ装置の概略断面図である。 ＦＩＧ．３Ａ、３Ｂは、成長した結晶層のスケッチおよびその基となるＴＥＭ像である。 ＦＩＧ．４Ａ，４Ｂは、組成測定に用いたＥＤＸの信号波形およびＳｉＣ基板上にＨ−ＶＰＥでＡｌＮ層を成長したサンプルの深さ方向の４点（ＡｌＮ内２点、およびＳｉＣ内２点）において測定した組成を示す表である。 ＦＩＧ．５は、第２の実施例によるＧａＮ系ＨＥＭＴの概略断面図である。 ＦＩＧ．６Ａ，６Ｂは、第２の実施例の変形例の積層構造の断面ＴＥＭ写真、およびスポット７におけるＥＤＸの信号波形である。 ＦＩＧ．７Ａ，７Ｂは、第２の実施例の変形例における成長面の顕微鏡写真である。 ＦＩＧ．８は、第２の実施例の変形例における成長面の顕微鏡写真である。 ＦＩＧ．９は、第３の実施例によるＧａＮ系発光ダイオード（ＬＥＤ）の概略断面図である。
半絶縁性ＳｉＣ基板の価格は非常に高く、ＧａＮ−ＨＥＭＴ普及の阻害要因となる可能性がある。導電性ＳｉＣ基板は、半絶縁性ＳｉＣ基板と較べて、安価に入手できる。導電性ＳｉＣ基板を用いて、特性の良好なＧａＮ系デバイスが作成できれば、普及に貢献する。
導電性ＳｉＣ基板を用いれば、ＳｉＣの高熱伝導率を備えたＧａＮ系化合物半導体装置を安価に作成できる。しかし、導電性基板を用いると、半導体装置の寄生容量が大きくなり、高速動作を妨げる。導電性基板と半導体装置の構成要素との間に厚い半絶縁性ないし高抵抗の化合物半導体層を介在させることにより、寄生容量を低減することができる。
ＧａＮ系化合物半導体を成長する結晶成長方法として、代表的に有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）とハイドライド気相エピタキシ（Ｈ−ＶＰＥ）が知られている。
ＦＩＧｓ．２Ａ，２ＢにＨ−ＶＰＥ装置とＭＯＣＶＤ装置との構成を概略的に示す。
ＦＩＧ．２Ａは、Ｈ−ＶＰＥ装置の構成を概略的に示す断面図である。石英製反応管３０の周囲には誘導加熱用の高周波コイル３１が巻回され、その内部には基板１を載置するためのカーボンサセプタ３２が配置されている。図中左側に示す反応管３０の上流端には２つのガス導入管３４、３５が接続され、反応管３０の下流端には１本のガス排出管３６が接続されている。反応管３０内のサセプタ３２よりも上流側にボート３８が配置され、その内部には成長すべき化合物のＩＩＩ族元素のソース３９が収容される。ソース３９は、例えばＡｌＮ成長の場合はＡｌであり、ＧａＮ成長の場合はＧａである。ガス導入管３４からＮソースガスとしてアンモニアＮＨ３が導入され、ガス導入管３５からＨＣｌが導入される。ＨＣｌはボート３８中のＩＩＩ族ソース３９と反応し、ＩＩＩ族元素塩化物ＡｌＣｌを生成する。ソースガスＡｌＣｌとＮＨ３は基板１上に運ばれ、基板表面で反応してＡｌＮを成長させる。余剰のガスはガス排出管３６から除害塔へ排出される。
ＦＩＧ．２Ｂは、ＭＯＣＶＤ装置の構成を概略的に示す断面図である。石英製反応管４０の外側に高周波コイル４１が配置され、反応管４０の内側には基板１を載置するためのカーボンサセプタ４２が配置される。反応管４０の上流側には２つのガス導入管４４、４５が接続され、化合物のソースガスが供給される。例えば、ガス導入管４４からＮソースガスとしてＮＨ３を導入し、ガス導入管４５からＩＩＩ族元素のソースガスとしてトリメチルアルミニウム、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム等の有機ＩＩＩ族化合物原料を導入する。基板１上で結晶成長が行われ、余剰のガスはガス排出管４６から除害塔へ排出される。なお、ＭＯＣＶＤを減圧雰囲気で行う場合は、ガス排出管４６は真空ポンプへ接続され、真空ポンプの排出口が除害塔に接続される。
ＭＯＣＶＤは、化合物半導体の結晶成長方法として広く用いられてきた方法であり、良好な結晶性を得ることが可能である。不純物添加、厚さ制御の技術も種々確立されている。ただし、成長速度は、たかだか１μｍ／時間（ｈ）である。
Ｈ−ＶＰＥは、ＩＩＩ族元素のソースとして塩化物を用いる。成長速度は、数１０μｍ／時間も可能であるように、極めて速い。成長した結晶層はソースガスに起因する塩素（Ｃｌ）を含むであろう。１０μｍ以上の厚い化合物半導体層を成長するには、ＭＯＣＶＤの成長速度は小さすぎ、成長速度を大きくできるＨ−ＶＰＥが適している。
導電性ＳｉＣ基板上にＧａＮ−ＨＥＭＴを作成するには、まず導電性ＳｉＣ基板上に厚さ１０μｍ以上、例えば厚さ２０μｍ〜５０μｍの半絶縁性ないし高抵抗ＡｌＮ層をＨ−ＶＰＥで成長するのがよい。厚いＡｌＮ層をＨ−ＶＰＥで成長すると、転位が減少し、結晶性が改善される効果もある。
ＦＩＧ．１Ａは、第１の実施例によるＧａＮ−ＨＥＭＴ装置の構成を概略的に示す断面図である。（０００１）面を有する単結晶導電性ＳｉＣ基板１の上に、第１ＡｌＮバッファ層２を、例えば厚さ約２０μｍ、Ｈ−ＶＰＥで成長する。Ｈ−ＶＰＥ装置は、ＦＩＧ．２Ａに示すものであり、ボート３８内のＩＩＩ族元素原料３９はＡｌである。Ｈ−ＶＰＥの条件は、例えば、以下のように設定する。
圧力： 常圧
ガス流量： ＨＣｌ：１００ｃｃｍ、
ＮＨ３：１０ＬＭ（リットルパーミニッツ）、
温度： １１００℃。
第１ＡｌＮバッファ層２の抵抗率は、たとえば１×１０５（１Ｅ５の様に表記する）Ωｃｍより格段に高くすることができる。但し、第１ＡｌＮバッファ層２は、塩素を含むであろう。塩素が例えば電極まで拡散すると悪影響を及ぼす可能性が高い。厚い第１ＡｌＮバッファ層２の上に、ＭＯＣＶＤで第２ＡｌＮバッファ層３を成長し、第２ＡｌＮバッファ層３の上に、ＧａＮ系ＨＥＭＴ構成層を成長する。
ＦＩＧ．２Ｂに示すＭＯＣＶＤ装置を用い、ＭＯＣＶＤの条件は例えば以下のように設定する。
原料とその流量： トリメチルガリウム（ＴＭＧ）： ０〜５０ｓｃｃｍ、
トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）： ０〜５０ｓｃｃｍ、
アンモニア（ＮＨ３）： ２０ＳＬＭ、
ｎ型不純物： シラン（ＳｉＨ４）、
ｐ型不純物： ビスシクロペンタディエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）、
圧力： １００ｔｏｒｒ、
温度： １１００℃。
まず、Ｈ−ＶＰＥにより塩素を含むであろうＡｌＮ層２を成長し、その上に、ＭＯＣＶＤによりＴＭＡとＮＨ３を供給して、例えば厚さ３００ｎｍの塩素を含まない第２ＡｌＮバッファ層３を成長する。次に、ＭＯＣＶＤでＴＭＧとＮＨ３を供給して（ＴＭＡは供給せず）、第２ＡｌＮバッファ層３の上に、例えば厚さ３μｍのＧａＮ層４を成長する。このＧａＮ層４はノンドープであり、２次元電子ガスが走行する活性層（電子走行層）となる領域である。
ＧａＮ層４の成長に続き、ＡｌのソースガスであるＴＭＡを５ｓｃｃｍ追加し、例えば厚さ５ｎｍのノンドープＡｌＧａＮ層５を成長し、続いてｎ型不純物Ｓｉのソースガスとしてシラン（ＳｉＨ４）も導入し、Ｓｉを４Ｅ１８ｃｍ−３ドープした、厚さ２０ｎｍのｎ型ＡｌＧａＮ層６を成長する。ノンドープＡｌＧａＮ層５はスペーサ層となり、ｎ型ＡｌＧａＮ層６を活性層４から隔離する。ｎ型ＡｌＧａＮ層６は、電子供給層となり、キャリアとなる電子を活性層４へ供給する。このようにして、ＨＥＭＴの基本構成が形成される。ＭＯＣＶＤにより成長した各結晶層は、本来Ｃｌを含まない。
さらに、ＴＭＡの供給を止め、ｎ型ＡｌＧａＮ層６の上に、Ｓｉを例えば５×１０１８ｃｍ-3程度ドープした、厚さ７ｎｍのｎ型ＧａＮ層７を保護層として成長する。ｎ型ＡｌＧａＮ層６は、より低抵抗率のｎ型ＧａＮ層７で覆われる。
基板をＭＯＣＶＤ装置から取出し、ＢＣｌ３のリセスエッチングで素子分離領域を形成する。素子分離は表面からｎ型ＧａＮ７、ｎ型ＡｌＧａＮ層６、ノンドープＡｌＧａＮ層５を貫通し、ノンドープＧａＮ層４の一部に入り込む、例えば深さ１００ｎｍ程度のリセスをエッチングすることで行う。素子分離後、基板表面にプラズマＣＶＤでＳｉＮ膜８を堆積する。ソース／ドレインコンタクト領域のＳｉＮ膜に開口を形成し、Ｃｌ２のドライエッチングでｎ型ＧａＮ層７をエッチング除去する。例えば厚さ１０ｎｍのＴａ層、その上に厚さ３００ｎｍのＡｌ層を蒸着し、ソース電極Ｓ，ドレイン電極Ｄを、例えばリフトオフ法により形成することができる。６００℃でアニールしてオーミック接触を形成する。ゲートコンタクト領域のＳｉＮ膜８をエッチングし、例えば厚さ２０ｎｍのＮｉ層、厚さ４００ｎｍのＡｕ層を蒸着し、ゲート電極Ｇをリフトオフ法により形成することができる。ゲート電極はショットキ接触を形成する。
半絶縁性ＡｌＮ層２を厚く、少なくとも厚さ１０μｍ成長することにより、ＨＥＭＴの寄生容量を抑制できると期待される。ＡｌＮ層は成長と共に転位が減少し、結晶性が向上する効果も有する。この点から厚さ２０μｍ以上のＡｌＮ層を成長するのが特に好ましい。厚さの上限はウエハの反りとクラックによって決まるが、例えば５０μｍを上限としてよいであろう。動作中にオン抵抗が変化する電流コラプス現象は、ｎ型ＡｌＧａＮ電子供給層６の上に、ＧａＮ保護層７とＳｉＮ層８を形成することにより回避できる。ＳｉＣは熱伝導率が高く、高耐圧の高速動作が実現できると期待される。
ＦＩＧ．３Ａは、ＳｉＣ基板１上に第１ＡｌＮバッファ層２、第２ＡｌＮバッファ層３、ＧａＮ層４を成長した状態を、ＴＥＭで観察した像のスケッチを示す。ＦＩＧ．３Ｂは、スケッチの基となったＴＥＭ像を示す。第１ＡｌＮバッファ層２は厚いので、中間を省略している。第１ＡｌＮバッファ層２を成長すると、転位が縦方向に伸びるが、その密度は厚さと共に急激に減少する。厚さ２０μｍ程度のＡｌＮ層をＨ−ＶＰＥで成長すると、転位密度は１０１０ｃｍ−２程度から１０５ｃｍ−２程度まで減少することが観察された。Ｈ−ＶＰＥで成長したＡｌＮ層２の上に、ＭＯＣＶＤでＡｌＮ層３を成長すると、転位が横方向に形成されるように観察される。即ち、Ｈ−ＶＰＥによるＡｌＮ層２と、ＭＯＣＶＤによるＡｌＮ層３とは物性が大きく異なる。
ＳｉＣ基板１上にＡｌＮ層２をＨ−ＶＰＥで成長したとき塩素が取り込まれるか否かを調べた。測定方法はエネルギ分散型蛍光Ｘ線分析（ＥＤＸ）を用いた。
ＦＩＧ．４Ａは、ＥＤＸの信号波形を示す。Ａｌのピークの右側にＳｉのピーク、そのさらに右側にＣｌのピークが観察される。深さを変え、ＡｌＮ層２内で２点、およびＳｉＣ基板内で２点組成を測定した。
ＦＩＧ．４Ｂは、測定した４点の組成をまとめて示す表である。なお、ＣおよびＮは観察対象から外し、Ｓｉ，Ａｌ，Ｃｌの総和を１００％とした相対的組成を算出してある。４点のいずれにおいても、Ｓｉ，Ａｌ，Ｃｌが観察され、Ｃｌは成長したＡｌＮ層２のみでなく、ＳｉＣ基板にも拡散していることがわかる。ＡｌＮ層２中のＣｌ組成１．２８％は、濃度約１Ｅ２０ｃｍ−３に相当し、Ｃｌ組成０．３１％は、Ｃｌ濃度約２Ｅ１９ｃｍ−３に相当する。Ｈ−ＶＰＥで成長したＡｌＮ層はかなり高濃度のＣｌを含むことが示された。さらに、ＳｉＣ基板中に、Ａｌが拡散し、ＡｌＮ層中にＳｉが拡散していることがわかる。
ＦＩＧ．１Ｂは、比較例によるＧａＮ系ＨＥＭＴの構成を示す断面図である。第１実施例と比較すると、第２ＡｌＮバッファ層３は成長しない。第１実施例同様、（０００１）面を有する単結晶導電性ＳｉＣ基板１の上に、第１ＡｌＮバッファ層２を、厚さ約２０μｍ、Ｈ−ＶＰＥで成長する。基板をＭＯＣＶＤ装置に搬入し、第１ＡｌＮバッファ層２の上に、ＭＯＣＶＤで、厚さ３μｍのノンドープＧａＮ層４を成長する。
以後、第１実施例同様、ＧａＮ層４の成長に続き、ＡｌのソースガスであるＴＭＡの供給を開始し、例えば厚さ５ｎｍのノンドープＡｌＧａＮ層５を成長し、続いてｎ型不純物Ｓｉのソースガスとしてシラン（ＳｉＨ４）も導入し、Ｓｉを４Ｅ１８ｃｍ−３ドープした、厚さ２０ｎｍのｎ型ＡｌＧａＮ層６を成長する。さらに、ＴＭＡの供給を止め、ｎ型ＡｌＧａＮ層６の上に、Ｓｉを例えば５×１０１８ｃｍ-3程度ドープした、厚さ７ｎｍのｎ型ＧａＮ層７を保護層として成長する。基板をＭＯＣＶＤ装置から取出し、ＢＣｌ３のリセスエッチングで素子分離領域を形成する。素子分離後、基板表面にプラズマＣＶＤでＳｉＮ膜８を堆積する。ソース／ドレインコンタクト領域のＳｉＮ膜に開口を形成し、ｎ型ＧａＮ層７をエッチング除去し、厚さ１０ｎｍのＴａ層、その上に厚さ３００ｎｍのＡｌ層を蒸着し、ソース電極Ｓ，ドレイン電極Ｄをリフトオフ法で形成する。６００℃でアニールしてオーミック接触を形成する。ゲートコンタクト領域のＳｉＮ膜８をエッチングし、例えば厚さ２０ｎｍのＮｉ層、厚さ４００ｎｍのＡｕ層を蒸着し、ショットキ接触を形成するゲート電極Ｇをリフトオフ法で形成する。
第１実施例によるＧａＮ系ＨＥＭＴおよび比較例によるＧａＮ系ＨＥＭＴに対して、２５０℃で通電試験を行い、オーミック電極のコンタクト抵抗の経時変化を調べた。
ＦＩＧ．１Ｃは、結果を示すグラフである。横軸が通電時間を時間（ｈ）で示し、縦軸がコンタクト抵抗をΩｃｍ２で示す。コンタクト抵抗は、±１５％以内に維持されることが望ましい。曲線ｃ０は、図１Ｂに示す第２ＡｌＮバッファ層のない比較例の特性を示す。通電時間約２時間でコンタクト抵抗は１Ｅ−７から突如１Ｅ−４程度まで急増している。２５０℃での寿命は約２時間となる。寿命が短く、実用に耐えないと考えられる。ＦＩＧｓ．４Ａ，４Ｂに示されたＣｌの拡散によりオーミック電極がダメージを受けたと考えられる。Ｈ−ＶＰＥを用いれば、安価な（０００１）導電性ＳｉＣ基板上に厚い高抵抗ＡｌＮバッファ層を成長でき、寄生容量を低減できるが、このようにして成長したＡｌＮ層上に、ＧａＮデバイスを形成するとコンタクト抵抗が短時間で急激に増大し、欠陥デバイスとなってしまうことが判明した。
曲線ｃ１は、図１Ａに示す第１実施例による、Ｈ−ＶＰＥによる厚い第１ＡｌＮバッファ層２の上にＭＯＣＶＤによる薄い第２ＡｌＮバッファ層３を設けたサンプルの特性を示す。通電時間約８００時間でコンタクト抵抗が急増している。２５０℃での寿命は約８００時間である。比較例と較べ、寿命が約４００倍に延長されたことがわかる。
ＦＩＧｓ．３Ａ，３Ｂに示す成長層の構造から、Ｈ−ＶＰＥによるＡｌＮ層２の上にＭＯＣＶＤでＡｌＮ層３を成長したことにより、転位が横方向に形成され、Ｃｌの拡散をブロックするのではないかと考えられる。厚さ約３μｍのＧａＮ層４ではブロックできないＣｌが、厚さ３００ｎｍのＡｌＮ層３によって大幅にブロックできたことになる。ＭＯＣＶＤで成長したＣｌを含まないＡｌＮ層は、Ｃｌに対する拡散防止層として機能すると考えられる。ＭＯＣＶＤによるＡｌＮ層３中のＣｌ濃度は、少なくとも層の上部においては１Ｅ１５以下であった。Ｈ−ＶＰＥによるＡｌＮ層中のＣｌ濃度と比較すると無視できる程度であり、Ｃｌを含まないと表記する。ＡｌＮ層のＣＬ拡散防止効果には界面の影響が大きいことも考えられる。１層のＡｌＮ層の代わりに、ＡｌＮ層とＡｌＧａＮ層との積層を用いることを考えた。
ＦＩＧ．５は、第２の実施例によるＧａＮ系ＨＥＭＴの構成を概略的に示す断面図である。第１の実施例の厚さ３００ｎｍのＭＯＣＶＤによるＡｌＮ層３に代え、厚さ１００ｎｍのＡｌＮ層１３ｘと厚さ２００ｎｍのＡｌＧａＮ層１３ｙをＭＯＣＶＤで成長した。その他の点は第１の実施例同様である。第２の実施例によるサンプルを作成した。ＡｌＮ／ＡｌＧａＮ界面でも転位が横に曲がる効果が見られた。実施例１のサンプル同様、実施例２のサンプルに対して、オーミック電極のコンタクト抵抗に対する通電試験を行った。
ＦＩＧ．１Ｃの曲線ｃ２が第２の実施例によるサンプルの特性を示す。良好な状態を保つ通電時間は、２５０℃で１６００時間まで延長した。１５０℃の温度に換算すると、約２０年の通電時間が確保されることになる。ＡｌＮ／ＡｌＧａＮヘテロ界面がＣｌの拡散をさらにブロックしたのであろうと考えられる。なお、ＡｌＮ層上に成長するＡｌＧａＮ層をＡｌＧａＩｎＮ層としてもよいであろう。Ｉｎの添加は、転位をさらに曲げ、Ｃｌの拡散をブロックすることが期待される。
第２の実施例では、Ｈ−ＶＰＥによるＡｌＮ層の上に、厚さ１００ｎｍのＡｌＮ層と厚さ２００ｎｍのＡｌＧａＮ層とを積層した。これらＣｌ拡散防止効果を有する層の厚さは種々変更可能であろう。
図６Ａは、Ｈ−ＶＰＥによるＡｌＮ層の上に、ＭＯＣＶＤで厚さ１５０ｎｍのＡｌＮ層と厚さ２０ｎｍ弱のＡｌＧａＮ層を積層し、その上にＧａＮ層を成長した場合のＴＥＭ写真を示す。ＡｌＧａＮ層の初期成長層は表面がガサガサしたように観察される。転移が方向を変えていることが考えられる。この初期成長層の拡散防止効果が大きいことが考えられれる。なお、図中に示す点でＣｌ濃度をＥＤＸで測定したが、全て検出限界以下であった。
図６Ｂは、図６Ａ中のスポット７で測定したＥＤＸスペクトルを示す。Ｃｌピークは観察されない。より薄い拡散防止層を用いても、Ｃｌの拡散を十分防止できることが期待される。
また、Ｈ−ＶＰＥで成長したＡｌＮ層は、ＴＥＭでは観察が難しいが、表面に目視でも観察できる緩やかな凹凸が観察される。
Ｈ−ＶＰＥで成長したＡｌＮ層の上に、ＭＯＣＶＤでＡｌＮ層を成長し、さらにＡｌＧａＮ層を成長すると、表面の凹凸が急激に減少し、表面が平坦化されることが判った。Ｈ−ＶＰＥによるＡｌＮ層の上にＭＯＣＶＤで層を成長すると凹凸が緩和されることが考えられる。ＭＯＣＶＤで成長する層はＡｌＮ層に限られない可能性が大きい。
図７Ａは、Ｈ−ＶＰＥで成長したＡｌＮ層表面の顕微鏡写真を示す。５μｍ角の領域を示す。図中の矩形は２．５μｍ角の領域である。最大段差４０ｎｍ程度の凹凸が形成されている。
図７Ｂは、図６Ａに示すＨ−ＶＰＥによるＡｌＮ層上にＭＯＣＶＤによりＧａＮ層を成長した成長面の顕微鏡写真を示す。５μｍ角の領域を示す。最大段差は２ｎｍ程度に減少している。Ｈ−ＶＰＥによるＡｌＮ層の上にＭＯＣＶＤでＧａＮ層を成長しても、表面平坦化効果が得られたことが判る。第２の実施例の変形例と考えられる。
Ｈ−ＶＰＥ成長に続くＭＯＣＶＤ成長による表面平坦化効果は、表面の凹凸が特性に影響する半導体デバイスの場合、特性改善効果が大きいことが期待される。
光デバイスにおいては、厚さ３−４μｍ程度のＧａＮ系化合物半導体層を用いることが多い。第２の実施例の変形例として、導電性ＳｉＣ基板上に厚さ２０−２５μｍのＡｌＮ層をＨ−ＶＰＥで成長し、その上にＭＯＣＶＤで厚さ１００ｎｍのＡｌＮ層、厚さ２００ｎｍのＡｌＧａＮ層を成長し、さらに厚さ３−４ｎｍのＧａＮ層を成長した。ＧａＮ層表面にはＳｉをドープした。
図８は、ＧａＮ層表面の顕微鏡写真を示す。２０μｍ角の領域である。ポツポオツのない平坦化した表面が観察され、転位が減少していると考えられる。
ＦＩＧ．９は、第３の実施例による紫外発光ダイオード（ＬＥＤ）の構成を概略的に示す断面図である。導電性単結晶ＳｉＣ基板１の上にＨ−ＶＰＥでＡｌＮ層２を厚さ２０μｍ成長し、その上にＭＯＣＶＤでＡｌＮ層１３ｘを厚さ１００ｎｍ成長し、さらにＳｉを４Ｅ１８ｃｍ−３ドープしたｎ型ＡｌＧａＮ層１４を厚さ５００ｎｍ、ノンドープのＡｌＧａＮ層１５を厚さ１００ｎｍ、Ｍｇを４Ｅ１８ｃｍ−３ドープしたｐ型ＡｌＧａＮ層１６を厚さ１００ｎｍ成長する。ノンドープのＡｌＧａＮ層１５のバンドギャップは、両側のドープしたＡｌＧａＮ層１４，１６より狭く選択し、クラッド層に挟まれた発光層の構成とする。ｎ型ＡｌＧａＮ層１４は、ＬＥＤのｎ型領域であると共に、第２の実施例のＡｌＧａＮ層１３ｙ同様Ｃｌの拡散をブロックする層、表面を平坦化する層としても機能すると考えられる。
ＭＯＣＶＤの後、基板をＭＯＣＶＤ装置から取り出し、ｎ型ＡｌＧａＮ層に入り込むリセスエッチングを行い、ｎ型ＡｌＧａＮ層を露出すると共に素子分離を行う。基板表面にＳｉＮ層１７をプラズマＣＶＤで成膜する。レジストマスクを用いたＣｌ２エッチングで開口を形成し、Ｎｉ／Ａｕ積層によるアノード電極Ａ，Ｔａ／Ａｌ積層によるカソード電極Ｋを作成する。
本実施例によれば、Ｈ−ＶＰＥによるＡｌＮ層２の上に、ＭＯＣＶＤでＡｌＮ層１３ｘ、ＡｌＧａＮ層１４を成長することにより、表面を平坦化する効果が得られ、転位密度を従来より約２桁低い１Ｅ６ｃｍ−２程度まで減少でき、かつＣｌの拡散をＣｌ濃度１Ｅ１５ｃｍ−３以下に抑制できる。紫外ＬＥＤの信頼度性能を１０００時間から１００００時間へと長寿命化できることがわかった。なお、ＭＯＣＶＤによるＡｌＮ層上のＡｌＧａＮ層をＡｌＧａＩｎＮ層としてもよい。Ｉｎの添加により、平坦性がさらに向上し、転位が減少し、信頼度がさらに向上すると考えられる。ＡｌＧａＩｎＮ組成を選択することにより、紫外ＬＥＤ同様、青色発光ＬＥＤを作成することもできる。ｐｉｎ構造のｉ型活性層の代わりに、量子井戸構造や多重量子井戸構造や量子ドット構造等を用いることもできる。
発光装置においては、ＳｉＣ基板の高熱伝導率は必ずしも必要ない。基板に発光波長における透光性が要求されることもある。この観点から、ＳｉＣ基板の代わりにサファイア基板を用いることが考えられる。サファイア基板もＧａＮ系化合物半導体と格子不整を有し、サファイア基板上に成長したＧａＮ系化合物半導体結晶は転位を含む。サファイア基板上に厚いＡｌＮ層をＨ−ＶＰＥで成長することにより転位を大幅に減少できるであろう。Ｈ−ＶＰＥによるＡｌＮ層はＣｌを含み、特性に悪影響を与えることが予想されるが、Ｈ−ＶＰＥによるＡｌＮ層の上にＭＯＣＶＤによりＡｌＮ層を成長することにより、Ｃｌの拡散を大幅に防止できるであろう。Ｈ−ＶＰＥによるＡｌＮ層の上に、ＭＯＣＶＤにより、ＡｌＮ層とＡｌＧａＮ層（またはＡｌＧａＩｎＮ層）を積層すれば、表面の平坦化を行え、Ｃｌの拡散をさらに抑制できるであろう。
以上実施例に沿って、本発明を説明したが本発明はこれらの限られるものではない。ＧａＮ系ＨＥＭＴ、ＬＥＤを作製する場合を説明したが、作成する電子デバイスはＨＥＭＴ、ＬＥＤに限らない。他の電子デバイスや、光デバイスを作製することも可能である。デバイス構成層をＭＯＣＶＤで成長する場合を説明したが、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）等他の方法を用いることも可能であろう。その他、種々の変形、改良、置換、組合せなどが可能なことは当業者に自明であろう。
ＧａＮ系化合物半導体装置、およびその製造方法に適用できる。
本発明は、化合物半導体装置とその製造方法に関し、特にＳｉＣ基板を用いた化合物半導体装置とその製造方法に関する。
ＧａＮ系化合物半導体とは、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１．０、０≦ｙ≦１．０）を指す。
ＧａＮまたはＧａＮ系化合物半導体を用いた化合物半導体装置の開発が活発である。ＧａＮは、バンドギャップが３．４ｅＶと高く、高耐圧動作が可能である。ＧａＮ系化合物半導体を用いてヘテロ接合を形成することにより、種々の半導体装置を作成することができる。結晶成長方法としては、主に有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）が用いられる。近年、ハイドライド気相エピタキシ（Ｈ−ＶＰＥ）と呼ばれるＨＣｌとＩＩＩ族金属を反応させて金属塩化物を発生させ、さらにアンモニア等と反応させて窒化物半導体を成長する方法が研究されている。
ＧａＮ系化合物半導体を用いた半導体発光装置は青色光または紫外光を発光でき、蛍光体を用いることにより白色光源も形成できる。サファイア基板、またはＳｉＣ基板上にＧａＮ系化合物半導体結晶を成長し、種々の半導体発光装置を作製することが行われている。
また、ＧａＮは高耐圧であり、例えば携帯電話の基地局用高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）等、高電圧、高速動作が要求される用途での応用が期待されている。サファイア、ＳｉＣ，ＧａＮ，Ｓｉ等の基板上に、ＧａＮ／ＡｌＧａＮを結晶成長し、ＧａＮ層を電子走行層とするＧａＮ−ＨＥＭＴが種々報告されている。現在、電流オフ時の耐圧として３００Ｖを超える値が報告されている。ＳｉＣ基板を用いたＧａＮ−ＨＥＭＴにおいて最も良好な出力特性が得られている。ＳｉＣの熱伝導率が高いことが寄与している。高速動作ＧａＮデバイスを作製するためには、寄生容量を制限するため、半絶縁性ＳｉＣ基板を用いる。しかし、半絶縁性単結晶ＳｉＣ基板の価格は高く、ＧａＮ系半導体デバイス普及の阻害となる可能性がある。導電性ＳｉＣ基板は、半絶縁性ＳｉＣ基板と較べて、安価に入手できる。しかし、導電性ＳｉＣ基板上に半導体デバイスを作成すると、寄生容量が大きくなる。
特開２００２−３５９２５５号は、抵抗率が１×１０５Ωｃｍ未満の導電性ＳｉＣ基板上に、下地層として、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）により、ＡｌＮ層を２μｍ以上成長し、下地上に素子構成層を形成することを提案する。
特開２００３―３０９０７１号は、サファイア、ＳｉＣ等の結晶基板上に、ＭＯＣＶＤにより、ＡｌＮ低温成長バッファ層を介して、ＡｌＧａＮ下地層を成長し、下地層上にＡｌＧａＮ層を設けることを提案する。
特表２００４−５２４６９０号は、同一チャンバ内でＭＯＣＶＤモードの成長もＨ−ＶＰＥモードの成長も行え、さらに両モードを同時に行うこともできるハイブリッド成長システムを提案する。
特開２００５−２５２２４８号は、サファイアないしＳｉ基板上へのＡｌＮ結晶のＨ−ＶＰＥにおいて、成長室内温度を堆積を生じない７５０℃以下に抑制し、基板は高周波加熱により９００℃から１７００℃の温度に維持することを提案する。
ＭＯＣＶＤは、成長速度を高くすることが難しく、厚いＧａＮ系半導体層を成長するのには適していない。Ｈ−ＶＰＥは、成長速度が高いメリットは知られているが、開発途上の結晶成長方法であり、問題点の発見やその解明などは今後の課題である。
特開２００２−３５９２５５号公報 特開２００３―３０９０７１号公報 特表２００４−５２４６９０号公報 特開２００５−２５２２４８号公報
本発明の目的は、導電性ＳｉＣ基板を用いた、良好な特性を有するＧａＮ系化合物半導体装置とその製造方法を提供することである。
本発明のさらに他の目的は、ＳｉＣ基板上に化合物半導体層を有する半導体装置の特性を高めることである。
本発明の１観点によれば、
導電性ＳｉＣ基板と、
前記導電性ＳｉＣ基板上に形成され、Ｃｌを含むＡｌＮ層と、
前記Ｃｌを含むＡｌＮ層の上に形成され、Ｃｌを含まないＡｌＮ層と、
前記Ｃｌを含まないＡｌＮ層上方に形成された素子構成層と、
を有する化合物半導体装置
が提供される。
本発明の他の観点によれば、
（１）導電性ＳｉＣ基板上に、Ｈ−ＶＰＥで第１ＡｌＮバッファ層を成長する工程と、
（２）前記第１ＡｌＮバッファ層の上方に、ＭＯＣＶＤで第２ＡｌＮバッファ層を成長する工程と、
（３）前記第２ＡｌＮバッファ層の上にＭＯＣＶＤで素子構成層を成長する工程と、
を有する化合物半導体装置の製造方法
が提供される。
導電性ＳｉＣ基板を用いた、良好な特性を有するＧａＮ系化合物半導体装置とその製造方法が提供される。
Ｈ−ＶＰＥを用いて厚い高抵抗層を成長し、かつＣｌの拡散を抑制できる。成長層の表面を平坦化できる。
ＦＩＧ．１Ａ、１Ｂ，１Ｃは、第１の実施例及び比較例によるＧａＮ系ＨＥＭＴの概略断面図およびオーミックコンタクト抵抗の経時変化を比較して示すグラフである。 ＦＩＧ．２Ａ，２Ｂは、ハイドライドＶＰＥ装置とＭＯＣＶＤ装置の概略断面図である。 ＦＩＧ．３Ａ、３Ｂは、成長した結晶層のスケッチおよびその基となるＴＥＭ像である。 ＦＩＧ．４Ａ，４Ｂは、組成測定に用いたＥＤＸの信号波形およびＳｉＣ基板上にＨ−ＶＰＥでＡｌＮ層を成長したサンプルの深さ方向の４点（ＡｌＮ内２点、およびＳｉＣ内２点）において測定した組成を示す表である。 ＦＩＧ．５は、第２の実施例によるＧａＮ系ＨＥＭＴの概略断面図である。 ＦＩＧ．６Ａ，６Ｂは、第２の実施例の変形例の積層構造の断面ＴＥＭ写真、およびスポット７におけるＥＤＸの信号波形である。 ＦＩＧ．７Ａ，７Ｂは、第２の実施例の変形例における成長面の顕微鏡写真である。 ＦＩＧ．８は、第２の実施例の変形例における成長面の顕微鏡写真である。 ＦＩＧ．９は、第３の実施例によるＧａＮ系発光ダイオード（ＬＥＤ）の概略断面図である。
半絶縁性ＳｉＣ基板の価格は非常に高く、ＧａＮ−ＨＥＭＴ普及の阻害要因となる可能性がある。導電性ＳｉＣ基板は、半絶縁性ＳｉＣ基板と較べて、安価に入手できる。導電性ＳｉＣ基板を用いて、特性の良好なＧａＮ系デバイスが作成できれば、普及に貢献する。
導電性ＳｉＣ基板を用いれば、ＳｉＣの高熱伝導率を備えたＧａＮ系化合物半導体装置を安価に作成できる。しかし、導電性基板を用いると、半導体装置の寄生容量が大きくなり、高速動作を妨げる。導電性基板と半導体装置の構成要素との間に厚い半絶縁性ないし高抵抗の化合物半導体層を介在させることにより、寄生容量を低減することができる。
ＧａＮ系化合物半導体を成長する結晶成長方法として、代表的に有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）とハイドライド気相エピタキシ（Ｈ−ＶＰＥ）が知られている。
ＦＩＧｓ．２Ａ，２ＢにＨ−ＶＰＥ装置とＭＯＣＶＤ装置との構成を概略的に示す。
ＦＩＧ．２Ａは、Ｈ−ＶＰＥ装置の構成を概略的に示す断面図である。石英製反応管３０の周囲には誘導加熱用の高周波コイル３１が巻回され、その内部には基板１を載置するためのカーボンサセプタ３２が配置されている。図中左側に示す反応管３０の上流端には２つのガス導入管３４、３５が接続され、反応管３０の下流端には１本のガス排出管３６が接続されている。反応管３０内のサセプタ３２よりも上流側にボート３８が配置され、その内部には成長すべき化合物のＩＩＩ族元素のソース３９が収容される。ソース３９は、例えばＡｌＮ成長の場合はＡｌであり、ＧａＮ成長の場合はＧａである。ガス導入管３４からＮソースガスとしてアンモニアＮＨ３が導入され、ガス導入管３５からＨＣｌが導入される。ＨＣｌはボート３８中のＩＩＩ族ソース３９と反応し、ＩＩＩ族元素塩化物ＡｌＣｌを生成する。ソースガスＡｌＣｌとＮＨ３は基板１上に運ばれ、基板表面で反応してＡｌＮを成長させる。余剰のガスはガス排出管３６から除害塔へ排出される。
ＦＩＧ．２Ｂは、ＭＯＣＶＤ装置の構成を概略的に示す断面図である。石英製反応管４０の外側に高周波コイル４１が配置され、反応管４０の内側には基板１を載置するためのカーボンサセプタ４２が配置される。反応管４０の上流側には２つのガス導入管４４、４５が接続され、化合物のソースガスが供給される。例えば、ガス導入管４４からＮソースガスとしてＮＨ３を導入し、ガス導入管４５からＩＩＩ族元素のソースガスとしてトリメチルアルミニウム、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム等の有機ＩＩＩ族化合物原料を導入する。基板１上で結晶成長が行われ、余剰のガスはガス排出管４６から除害塔へ排出される。なお、ＭＯＣＶＤを減圧雰囲気で行う場合は、ガス排出管４６は真空ポンプへ接続され、真空ポンプの排出口が除害塔に接続される。
ＭＯＣＶＤは、化合物半導体の結晶成長方法として広く用いられてきた方法であり、良好な結晶性を得ることが可能である。不純物添加、厚さ制御の技術も種々確立されている。ただし、成長速度は、たかだか１μｍ／時間（ｈ）である。
Ｈ−ＶＰＥは、ＩＩＩ族元素のソースとして塩化物を用いる。成長速度は、数１０μｍ／時間も可能であるように、極めて速い。成長した結晶層はソースガスに起因する塩素（Ｃｌ）を含むであろう。１０μｍ以上の厚い化合物半導体層を成長するには、ＭＯＣＶＤの成長速度は小さすぎ、成長速度を大きくできるＨ−ＶＰＥが適している。
導電性ＳｉＣ基板上にＧａＮ−ＨＥＭＴを作成するには、まず導電性ＳｉＣ基板上に厚さ１０μｍ以上、例えば厚さ２０μｍ〜５０μｍの半絶縁性ないし高抵抗ＡｌＮ層をＨ−ＶＰＥで成長するのがよい。厚いＡｌＮ層をＨ−ＶＰＥで成長すると、転位が減少し、結晶性が改善される効果もある。
ＦＩＧ．１Ａは、第１の実施例によるＧａＮ−ＨＥＭＴ装置の構成を概略的に示す断面図である。（０００１）面を有する単結晶導電性ＳｉＣ基板１の上に、第１ＡｌＮバッファ層２を、例えば厚さ約２０μｍ、Ｈ−ＶＰＥで成長する。Ｈ−ＶＰＥ装置は、ＦＩＧ．２Ａに示すものであり、ボート３８内のＩＩＩ族元素原料３９はＡｌである。Ｈ−ＶＰＥの条件は、例えば、以下のように設定する。
圧力： 常圧
ガス流量： ＨＣｌ：１００ｃｃｍ、
ＮＨ３：１０ＬＭ（リットルパーミニッツ）、
温度： １１００℃。
第１ＡｌＮバッファ層２の抵抗率は、たとえば１×１０５（１Ｅ５の様に表記する）Ωｃｍより格段に高くすることができる。但し、第１ＡｌＮバッファ層２は、塩素を含むであろう。塩素が例えば電極まで拡散すると悪影響を及ぼす可能性が高い。厚い第１ＡｌＮバッファ層２の上に、ＭＯＣＶＤで第２ＡｌＮバッファ層３を成長し、第２ＡｌＮバッファ層３の上に、ＧａＮ系ＨＥＭＴ構成層を成長する。
ＦＩＧ．２Ｂに示すＭＯＣＶＤ装置を用い、ＭＯＣＶＤの条件は例えば以下のように設定する。
原料とその流量： トリメチルガリウム（ＴＭＧ）： ０〜５０ｓｃｃｍ、
トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）： ０〜５０ｓｃｃｍ、
アンモニア（ＮＨ３）： ２０ＳＬＭ、
ｎ型不純物： シラン（ＳｉＨ４）、
ｐ型不純物： ビスシクロペンタディエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）、
圧力： １００ｔｏｒｒ、
温度： １１００℃。
まず、Ｈ−ＶＰＥにより塩素を含むであろうＡｌＮ層２を成長し、その上に、ＭＯＣＶＤによりＴＭＡとＮＨ３を供給して、例えば厚さ３００ｎｍの塩素を含まない第２ＡｌＮバッファ層３を成長する。次に、ＭＯＣＶＤでＴＭＧとＮＨ３を供給して（ＴＭＡは供給せず）、第２ＡｌＮバッファ層３の上に、例えば厚さ３μｍのＧａＮ層４を成長する。このＧａＮ層４はノンドープであり、２次元電子ガスが走行する活性層（電子走行層）となる領域である。
ＧａＮ層４の成長に続き、ＡｌのソースガスであるＴＭＡを５ｓｃｃｍ追加し、例えば厚さ５ｎｍのノンドープＡｌＧａＮ層５を成長し、続いてｎ型不純物Ｓｉのソースガスとしてシラン（ＳｉＨ４）も導入し、Ｓｉを４Ｅ１８ｃｍ−３ドープした、厚さ２０ｎｍのｎ型ＡｌＧａＮ層６を成長する。ノンドープＡｌＧａＮ層５はスペーサ層となり、ｎ型ＡｌＧａＮ層６を活性層４から隔離する。ｎ型ＡｌＧａＮ層６は、電子供給層となり、キャリアとなる電子を活性層４へ供給する。このようにして、ＨＥＭＴの基本構成が形成される。ＭＯＣＶＤにより成長した各結晶層は、本来Ｃｌを含まない。
さらに、ＴＭＡの供給を止め、ｎ型ＡｌＧａＮ層６の上に、Ｓｉを例えば５×１０１８ｃｍ-3程度ドープした、厚さ７ｎｍのｎ型ＧａＮ層７を保護層として成長する。ｎ型ＡｌＧａＮ層６は、より低抵抗率のｎ型ＧａＮ層７で覆われる。
基板をＭＯＣＶＤ装置から取出し、ＢＣｌ３のリセスエッチングで素子分離領域を形成する。素子分離は表面からｎ型ＧａＮ層７、ｎ型ＡｌＧａＮ層６、ノンドープＡｌＧａＮ層５を貫通し、ノンドープＧａＮ層４の一部に入り込む、例えば深さ１００ｎｍ程度のリセスをエッチングすることで行う。素子分離後、基板表面にプラズマＣＶＤでＳｉＮ膜８を堆積する。ソース／ドレインコンタクト領域のＳｉＮ膜に開口を形成し、Ｃｌ２のドライエッチングでｎ型ＧａＮ層７をエッチング除去する。例えば厚さ１０ｎｍのＴａ層、その上に厚さ３００ｎｍのＡｌ層を蒸着し、ソース電極Ｓ，ドレイン電極Ｄを、例えばリフトオフ法により形成することができる。６００℃でアニールしてオーミック接触を形成する。ゲートコンタクト領域のＳｉＮ膜８をエッチングし、例えば厚さ２０ｎｍのＮｉ層、厚さ４００ｎｍのＡｕ層を蒸着し、ゲート電極Ｇをリフトオフ法により形成することができる。ゲート電極はショットキ接触を形成する。
半絶縁性ＡｌＮ層２を厚く、少なくとも厚さ１０μｍ成長することにより、ＨＥＭＴの寄生容量を抑制できると期待される。ＡｌＮ層は成長と共に転位が減少し、結晶性が向上する効果も有する。この点から厚さ２０μｍ以上のＡｌＮ層を成長するのが特に好ましい。厚さの上限はウエハの反りとクラックによって決まるが、例えば５０μｍを上限としてよいであろう。動作中にオン抵抗が変化する電流コラプス現象は、ｎ型ＡｌＧａＮ電子供給層６の上に、ＧａＮ保護層７とＳｉＮ層８を形成することにより回避できる。ＳｉＣは熱伝導率が高く、高耐圧の高速動作が実現できると期待される。
ＦＩＧ．３Ａは、ＳｉＣ基板１上に第１ＡｌＮバッファ層２、第２ＡｌＮバッファ層３、ＧａＮ層４を成長した状態を、ＴＥＭで観察した像のスケッチを示す。ＦＩＧ．３Ｂは、スケッチの基となったＴＥＭ像を示す。第１ＡｌＮバッファ層２は厚いので、中間を省略している。第１ＡｌＮバッファ層２を成長すると、転位が縦方向に伸びるが、その密度は厚さと共に急激に減少する。厚さ２０μｍ程度のＡｌＮ層をＨ−ＶＰＥで成長すると、転位密度は１０１０ｃｍ−２程度から１０５ｃｍ−２程度まで減少することが観察された。Ｈ−ＶＰＥで成長したＡｌＮ層２の上に、ＭＯＣＶＤでＡｌＮ層３を成長すると、転位が横方向に形成されるように観察される。即ち、Ｈ−ＶＰＥによるＡｌＮ層２と、ＭＯＣＶＤによるＡｌＮ層３とは物性が大きく異なる。
ＳｉＣ基板１上にＡｌＮ層２をＨ−ＶＰＥで成長したとき塩素が取り込まれるか否かを調べた。測定方法はエネルギ分散型蛍光Ｘ線分析（ＥＤＸ）を用いた。
ＦＩＧ．４Ａは、ＥＤＸの信号波形を示す。Ａｌのピークの右側にＳｉのピーク、そのさらに右側にＣｌのピークが観察される。深さを変え、ＡｌＮ層２内で２点、およびＳｉＣ基板内で２点組成を測定した。
ＦＩＧ．４Ｂは、測定した４点の組成をまとめて示す表である。なお、ＣおよびＮは観察対象から外し、Ｓｉ，Ａｌ，Ｃｌの総和を１００％とした相対的組成を算出してある。４点のいずれにおいても、Ｓｉ，Ａｌ，Ｃｌが観察され、Ｃｌは成長したＡｌＮ層２のみでなく、ＳｉＣ基板にも拡散していることがわかる。ＡｌＮ層２中のＣｌ組成１．２８％は、濃度約１Ｅ２０ｃｍ−３に相当し、Ｃｌ組成０．３１％は、Ｃｌ濃度約２Ｅ１９ｃｍ−３に相当する。Ｈ−ＶＰＥで成長したＡｌＮ層はかなり高濃度のＣｌを含むことが示された。さらに、ＳｉＣ基板中に、Ａｌが拡散し、ＡｌＮ層中にＳｉが拡散していることがわかる。
ＦＩＧ．１Ｂは、比較例によるＧａＮ系ＨＥＭＴの構成を示す断面図である。第１実施例と比較すると、第２ＡｌＮバッファ層３は成長しない。第１実施例同様、（０００１）面を有する単結晶導電性ＳｉＣ基板１の上に、第１ＡｌＮバッファ層２を、厚さ約２０μｍ、Ｈ−ＶＰＥで成長する。基板をＭＯＣＶＤ装置に搬入し、第１ＡｌＮバッファ層２の上に、ＭＯＣＶＤで、厚さ３μｍのノンドープＧａＮ層４を成長する。
以後、第１実施例同様、ＧａＮ層４の成長に続き、ＡｌのソースガスであるＴＭＡの供給を開始し、例えば厚さ５ｎｍのノンドープＡｌＧａＮ層５を成長し、続いてｎ型不純物Ｓｉのソースガスとしてシラン（ＳｉＨ４）も導入し、Ｓｉを４Ｅ１８ｃｍ−３ドープした、厚さ２０ｎｍのｎ型ＡｌＧａＮ層６を成長する。さらに、ＴＭＡの供給を止め、ｎ型ＡｌＧａＮ層６の上に、Ｓｉを例えば５×１０１８ｃｍ-3程度ドープした、厚さ７ｎｍのｎ型ＧａＮ層７を保護層として成長する。基板をＭＯＣＶＤ装置から取出し、ＢＣｌ３のリセスエッチングで素子分離領域を形成する。素子分離後、基板表面にプラズマＣＶＤでＳｉＮ膜８を堆積する。ソース／ドレインコンタクト領域のＳｉＮ膜に開口を形成し、ｎ型ＧａＮ層７をエッチング除去し、厚さ１０ｎｍのＴａ層、その上に厚さ３００ｎｍのＡｌ層を蒸着し、ソース電極Ｓ，ドレイン電極Ｄをリフトオフ法で形成する。６００℃でアニールしてオーミック接触を形成する。ゲートコンタクト領域のＳｉＮ膜８をエッチングし、例えば厚さ２０ｎｍのＮｉ層、厚さ４００ｎｍのＡｕ層を蒸着し、ショットキ接触を形成するゲート電極Ｇをリフトオフ法で形成する。
第１実施例によるＧａＮ系ＨＥＭＴおよび比較例によるＧａＮ系ＨＥＭＴに対して、２５０℃で通電試験を行い、オーミック電極のコンタクト抵抗の経時変化を調べた。
ＦＩＧ．１Ｃは、結果を示すグラフである。横軸が通電時間を時間（ｈ）で示し、縦軸がコンタクト抵抗をΩｃｍ２で示す。コンタクト抵抗は、±１５％以内に維持されることが望ましい。曲線ｃ０は、図１Ｂに示す第２ＡｌＮバッファ層のない比較例の特性を示す。通電時間約２時間でコンタクト抵抗は１Ｅ−７から突如１Ｅ−４程度まで急増している。２５０℃での寿命は約２時間となる。寿命が短く、実用に耐えないと考えられる。ＦＩＧｓ．４Ａ，４Ｂに示されたＣｌの拡散によりオーミック電極がダメージを受けたと考えられる。Ｈ−ＶＰＥを用いれば、安価な（０００１）導電性ＳｉＣ基板上に厚い高抵抗ＡｌＮバッファ層を成長でき、寄生容量を低減できるが、このようにして成長したＡｌＮ層上に、ＧａＮデバイスを形成するとコンタクト抵抗が短時間で急激に増大し、欠陥デバイスとなってしまうことが判明した。
曲線ｃ１は、図１Ａに示す第１実施例による、Ｈ−ＶＰＥによる厚い第１ＡｌＮバッファ層２の上にＭＯＣＶＤによる薄い第２ＡｌＮバッファ層３を設けたサンプルの特性を示す。通電時間約８００時間でコンタクト抵抗が急増している。２５０℃での寿命は約８００時間である。比較例と較べ、寿命が約４００倍に延長されたことがわかる。
ＦＩＧｓ．３Ａ，３Ｂに示す成長層の構造から、Ｈ−ＶＰＥによるＡｌＮ層２の上にＭＯＣＶＤでＡｌＮ層３を成長したことにより、転位が横方向に形成され、Ｃｌの拡散をブロックするのではないかと考えられる。厚さ約３μｍのＧａＮ層４ではブロックできないＣｌが、厚さ３００ｎｍのＡｌＮ層３によって大幅にブロックできたことになる。ＭＯＣＶＤで成長したＣｌを含まないＡｌＮ層は、Ｃｌに対する拡散防止層として機能すると考えられる。ＭＯＣＶＤによるＡｌＮ層３中のＣｌ濃度は、少なくとも層の上部においては１Ｅ１５以下であった。Ｈ−ＶＰＥによるＡｌＮ層中のＣｌ濃度と比較すると無視できる程度であり、Ｃｌを含まないと表記する。ＡｌＮ層のＣＬ拡散防止効果には界面の影響が大きいことも考えられる。１層のＡｌＮ層の代わりに、ＡｌＮ層とＡｌＧａＮ層との積層を用いることを考えた。
ＦＩＧ．５は、第２の実施例によるＧａＮ系ＨＥＭＴの構成を概略的に示す断面図である。第１の実施例の厚さ３００ｎｍのＭＯＣＶＤによるＡｌＮ層３に代え、厚さ１００ｎｍのＡｌＮ層１３ｘと厚さ２００ｎｍのＡｌＧａＮ層１３ｙをＭＯＣＶＤで成長した。その他の点は第１の実施例同様である。第２の実施例によるサンプルを作成した。ＡｌＮ／ＡｌＧａＮ界面でも転位が横に曲がる効果が見られた。実施例１のサンプル同様、実施例２のサンプルに対して、オーミック電極のコンタクト抵抗に対する通電試験を行った。
ＦＩＧ．１Ｃの曲線ｃ２が第２の実施例によるサンプルの特性を示す。良好な状態を保つ通電時間は、２５０℃で１６００時間まで延長した。１５０℃の温度に換算すると、約２０年の通電時間が確保されることになる。ＡｌＮ／ＡｌＧａＮヘテロ界面がＣｌの拡散をさらにブロックしたのであろうと考えられる。なお、ＡｌＮ層上に成長するＡｌＧａＮ層をＡｌＧａＩｎＮ層としてもよいであろう。Ｉｎの添加は、転位をさらに曲げ、Ｃｌの拡散をブロックすることが期待される。
第２の実施例では、Ｈ−ＶＰＥによるＡｌＮ層の上に、厚さ１００ｎｍのＡｌＮ層と厚さ２００ｎｍのＡｌＧａＮ層とを積層した。これらＣｌ拡散防止効果を有する層の厚さは種々変更可能であろう。
図６Ａは、Ｈ−ＶＰＥによるＡｌＮ層の上に、ＭＯＣＶＤで厚さ１５０ｎｍのＡｌＮ層と厚さ２０ｎｍ弱のＡｌＧａＮ層を積層し、その上にＧａＮ層を成長した場合のＴＥＭ写真を示す。ＡｌＧａＮ層の初期成長層は表面がガサガサしたように観察される。転移が方向を変えていることが考えられる。この初期成長層の拡散防止効果が大きいことが考えられれる。なお、図中に示す点でＣｌ濃度をＥＤＸで測定したが、全て検出限界以下であった。
図６Ｂは、図６Ａ中のスポット７で測定したＥＤＸスペクトルを示す。Ｃｌピークは観察されない。より薄い拡散防止層を用いても、Ｃｌの拡散を十分防止できることが期待される。
また、Ｈ−ＶＰＥで成長したＡｌＮ層は、ＴＥＭでは観察が難しいが、表面に目視でも観察できる緩やかな凹凸が観察される。
Ｈ−ＶＰＥで成長したＡｌＮ層の上に、ＭＯＣＶＤでＡｌＮ層を成長し、さらにＡｌＧａＮ層を成長すると、表面の凹凸が急激に減少し、表面が平坦化されることが判った。Ｈ−ＶＰＥによるＡｌＮ層の上にＭＯＣＶＤで層を成長すると凹凸が緩和されることが考えられる。ＭＯＣＶＤで成長する層はＡｌＮ層に限られない可能性が大きい。
図７Ａは、Ｈ−ＶＰＥで成長したＡｌＮ層表面の顕微鏡写真を示す。５μｍ角の領域を示す。図中の矩形は２．５μｍ角の領域である。最大段差４０ｎｍ程度の凹凸が形成されている。
図７Ｂは、図６Ａに示すＨ−ＶＰＥによるＡｌＮ層上にＭＯＣＶＤによりＧａＮ層を成長した成長面の顕微鏡写真を示す。５μｍ角の領域を示す。最大段差は２ｎｍ程度に減少している。Ｈ−ＶＰＥによるＡｌＮ層の上にＭＯＣＶＤでＧａＮ層を成長しても、表面平坦化効果が得られたことが判る。第２の実施例の変形例と考えられる。
Ｈ−ＶＰＥ成長に続くＭＯＣＶＤ成長による表面平坦化効果は、表面の凹凸が特性に影響する半導体デバイスの場合、特性改善効果が大きいことが期待される。
光デバイスにおいては、厚さ３−４μｍ程度のＧａＮ系化合物半導体層を用いることが多い。第２の実施例の変形例として、導電性ＳｉＣ基板上に厚さ２０−２５μｍのＡｌＮ層をＨ−ＶＰＥで成長し、その上にＭＯＣＶＤで厚さ１００ｎｍのＡｌＮ層、厚さ２００ｎｍのＡｌＧａＮ層を成長し、さらに厚さ３−４ｎｍのＧａＮ層を成長した。ＧａＮ層表面にはＳｉをドープした。
図８は、ＧａＮ層表面の顕微鏡写真を示す。２０μｍ角の領域である。ポツポツのない平坦化した表面が観察され、転位が減少していると考えられる。
ＦＩＧ．９は、第３の実施例による紫外発光ダイオード（ＬＥＤ）の構成を概略的に示す断面図である。導電性単結晶ＳｉＣ基板１の上にＨ−ＶＰＥでＡｌＮ層２を厚さ２０μｍ成長し、その上にＭＯＣＶＤでＡｌＮ層１３ｘを厚さ１００ｎｍ成長し、さらにＳｉを４Ｅ１８ｃｍ−３ドープしたｎ型ＡｌＧａＮ層１４を厚さ５００ｎｍ、ノンドープのＡｌＧａＮ層１５を厚さ１００ｎｍ、Ｍｇを４Ｅ１８ｃｍ−３ドープしたｐ型ＡｌＧａＮ層１６を厚さ１００ｎｍ成長する。ノンドープのＡｌＧａＮ層１５のバンドギャップは、両側のドープしたＡｌＧａＮ層１４，１６より狭く選択し、クラッド層に挟まれた発光層の構成とする。ｎ型ＡｌＧａＮ層１４は、ＬＥＤのｎ型領域であると共に、第２の実施例のＡｌＧａＮ層１３ｙ同様Ｃｌの拡散をブロックする層、表面を平坦化する層としても機能すると考えられる。
ＭＯＣＶＤの後、基板をＭＯＣＶＤ装置から取り出し、ｎ型ＡｌＧａＮ層に入り込むリセスエッチングを行い、ｎ型ＡｌＧａＮ層を露出すると共に素子分離を行う。基板表面にＳｉＮ層１７をプラズマＣＶＤで成膜する。レジストマスクを用いたＣｌ２エッチングで開口を形成し、Ｎｉ／Ａｕ積層によるアノード電極Ａ，Ｔａ／Ａｌ積層によるカソード電極Ｋを作成する。
本実施例によれば、Ｈ−ＶＰＥによるＡｌＮ層２の上に、ＭＯＣＶＤでＡｌＮ層１３ｘ、ＡｌＧａＮ層１４を成長することにより、表面を平坦化する効果が得られ、転位密度を従来より約２桁低い１Ｅ６ｃｍ−２程度まで減少でき、かつＣｌの拡散をＣｌ濃度１Ｅ１５ｃｍ−３以下に抑制できる。紫外ＬＥＤの信頼度性能を１０００時間から１００００時間へと長寿命化できることがわかった。なお、ＭＯＣＶＤによるＡｌＮ層上のＡｌＧａＮ層をＡｌＧａＩｎＮ層としてもよい。Ｉｎの添加により、平坦性がさらに向上し、転位が減少し、信頼度がさらに向上すると考えられる。ＡｌＧａＩｎＮ組成を選択することにより、紫外ＬＥＤ同様、青色発光ＬＥＤを作成することもできる。ｐｉｎ構造のｉ型活性層の代わりに、量子井戸構造や多重量子井戸構造や量子ドット構造等を用いることもできる。
発光装置においては、ＳｉＣ基板の高熱伝導率は必ずしも必要ない。基板に発光波長における透光性が要求されることもある。この観点から、ＳｉＣ基板の代わりにサファイア基板を用いることが考えられる。サファイア基板もＧａＮ系化合物半導体と格子不整を有し、サファイア基板上に成長したＧａＮ系化合物半導体結晶は転位を含む。サファイア基板上に厚いＡｌＮ層をＨ−ＶＰＥで成長することにより転位を大幅に減少できるであろう。Ｈ−ＶＰＥによるＡｌＮ層はＣｌを含み、特性に悪影響を与えることが予想されるが、Ｈ−ＶＰＥによるＡｌＮ層の上にＭＯＣＶＤによりＡｌＮ層を成長することにより、Ｃｌの拡散を大幅に防止できるであろう。Ｈ−ＶＰＥによるＡｌＮ層の上に、ＭＯＣＶＤにより、ＡｌＮ層とＡｌＧａＮ層（またはＡｌＧａＩｎＮ層）を積層すれば、表面の平坦化を行え、Ｃｌの拡散をさらに抑制できるであろう。
以上実施例に沿って、本発明を説明したが本発明はこれらの限られるものではない。ＧａＮ系ＨＥＭＴ、ＬＥＤを作製する場合を説明したが、作成する電子デバイスはＨＥＭＴ、ＬＥＤに限らない。他の電子デバイスや、光デバイスを作製することも可能である。デバイス構成層をＭＯＣＶＤで成長する場合を説明したが、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）等他の方法を用いることも可能であろう。その他、種々の変形、改良、置換、組合せなどが可能なことは当業者に自明であろう。
ＧａＮ系化合物半導体装置、およびその製造方法に適用できる。

Claims (20)

  1. 導電性ＳｉＣ基板と、
    前記導電性ＳｉＣ基板上に形成され、Ｃｌを含むＡｌＮバッファ層と、
    前記Ｃｌを含むＡｌＮ層の上に形成され、Ｃｌを含まない化合物半導体バッファ層と、
    前記Ｃｌを含まないＡｌＮ層上方に形成された素子構成層と、
    を有する化合物半導体装置。
  2. 前記Ｃｌを含むＡｌＮバッファ層が１０μｍ以上の厚さを有する請求項１記載の化合物半導体装置。
  3. 前記化合物半導体バッファ層がＡｌＮ層である請求項１記載の化合物半導体装置。
  4. 前記化合物半導体バッファ層がＧａＮ層である請求項１記載の化合物半導体装置。
  5. 前記化合物半導体バッファ層の上に形成され、Ｃｌを含まないＡｌＧａＩｎＮ層、またはＡｌＧａＮ層をさらに有する請求項３記載の化合物半導体装置。
  6. 前記素子構成層が、ノンドープＧａＮ層、ノンドープＡｌＧａＮ層、ｎ型ＡｌＧａＮ層を含み、ＨＥＭＴを構成する請求項３記載の化合物半導体装置。
  7. 前記素子構成層が、前記ｎ型ＡｌＧａＮ層の上に形成されたｎ型ＧａＮ層をさらに含み、前記ｎ型ＧａＮ層上に形成されたＳｉＮ層をさらに有する請求項６記載の化合物半導体装置。
  8. （１）導電性ＳｉＣ基板上に、Ｈ−ＶＰＥで第１ＡｌＮバッファ層を成長する工程と、
    （２）前記第１ＡｌＮバッファ層の上に、ＭＯＣＶＤで化合物半導体の第２バッファ層を成長する工程と、
    （３）前記第２バッファ層の上方に素子構成層を成長する工程と、
    を有する化合物半導体装置の製造方法。
  9. 前記第２バッファ層がＡｌＮ層である請求項８記載の化合物半導体装置の製造方法。
  10. 前記第２バッファ層がＧａＮ層である請求項８記載の化合物半導体装置の製造方法。
  11. 前記工程（１）が、前記第１Ａｌバッファ層を厚さ１０μｍ以上成長する請求項８記載の化合物半導体装置の製造方法。
  12. 前記工程（２）と（３）の間に、
    （４）前記第２ＡｌＮバッファ層の上に、ＭＯＣＶＤでＡｌＧａＮ層を成長する工程を有する請求項９記載の化合物半導体装置の製造方法。
  13. 前記工程（３）が、ノンドープＧａＮ層、ノンドープＡｌＧａＮ層、ｎ型ＡｌＧａＮ層を成長し、ＨＥＭＴ構造を形成する請求項９記載の化合物半導体装置の製造方法。
  14. 導電性ＳｉＣまたはサファイアの基板と、
    前記基板上に形成され、Ｃｌを含むＡｌＮバッファ層と、
    前記Ｃｌを含むＡｌＮ層の上に形成され、Ｃｌを含まない化合物半導体バッファ層と、
    前記Ｃｌを含まない化合物半導体バッファ層上方に形成された光素子構成層と、
    を有する光化合物半導体装置。
  15. 前記化合物半導体バッファ層の表面は、前記ＡｌＮバッファ層の表面より平坦である請求項１４記載の光化合物半導体装置。
  16. 前記化合物半導体バッファ層がＡｌＮ層である請求項１４記載の光化合物半導体装置。
  17. 前記化合物半導体バッファ層がＧａＮ層である請求項１４記載の光化合物半導体装置。
  18. 前記光素子構成層が、前記化合物半導体バッファ層の上に形成され、Ｃｌを含まない第１ＡｌＧａＩｎＮ層を有する請求項１６記載の光化合物半導体装置。
  19. 前記第１ＡｌＧａＩｎＮ層が、第１導電型の不純物をドープされ、前記光素子構成層が前記ＡｌＧａＩｎＮ層の上に形成したノンドープＡｌＧａＩｎＮ発光層と、ノンドープ発光層の上に形成され、第１導電型と逆の第２導電型の不純物をドープされた第２ＡｌＧａＩｎＮ層をさらに含む請求項１８記載の光化合物半導体装置。
  20. 前記ＡｌＧａＩｎＮ発光層が、第１および第２ＡｌＧａＩｎＮ層より狭いバンドギャップを有する請求項１９記載の光半導体装置。
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