FR2898606A1 - Film monocristallin semi-conducteur a base de nitrure - Google Patents

Film monocristallin semi-conducteur a base de nitrure Download PDF

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Abstract

La présente invention fournit un cristal monocristallin semi-conducteur à base de nitrure comprenant du nitrure de gallium (GaN) ou du nitrure d'aluminium (AlN) que l'on met sous la forme d'un film pour avoir une bonne cristallinité sans former une couche de 3C-SiC sur un substrat en Si, et qui peut être utilisé de manière appropriée pour une diode électroluminescente, un élément émettant une lumière laser, un élément électronique pouvant fonctionner à vitesse élevée et à température élevée, etc., ainsi qu'un dispositif à haute fréquence.Un film monocristallin à base de GaN (0001) ou de AlN (0001), ou une structure en super réseau à base de GaN (0001) et de AlN (0001) est formé sur un substrat de Si (110) via une couche tampon à base de 2H-AlN.

Description

FILM MONOCRISTALLIN SEMI-CONDUCTEUR À BASE DE NITRURE
La présente invention concerne un cristal monocristallin semi-conducteur à base de nitrure comprenant du nitrure de gallium (GaN) et/ou du nitrure d'aluminium (A1N) qui est utilisé de manière appropriée pour une diode électroluminescente, une diode laser, une diode électronique pouvant fonctionner à température élevée et être manipulées à une puissance élevée et à des fréquences élevées. Un semi-conducteur à base de nitrure représenté par GaN et AIN possède une bande interdite large et on s'attend à ce que ce matériau puisse trouver des applications en tant que diode électroluminescente, diode laser, diode électronique pouvant fonctionner à vitesse élevée et à température élevée, comme semi- conducteur à bande interdite large ayant des caractéristiques exceptionnelles, telles qu'un champ de claquage électrique plus élevé et une vitesse de dérive saturée des électrons plus grande. Puisque le semi-conducteur à base de nitrure mentionné ci-dessus possède un point de fusion élevé et que la pression de vapeur à l'équilibre de l'azote est très élevée, la croissance d'un gros cristal à partir de la matière fondue est difficile. Pour cette raison, un monocristal est produit par croissance hétéroépitaxiale sur divers substrats monocristallins. Par exemple, la croissance d'un film monocristallin de GaN (0001) ou de A1N (0001) est réalisée sur plusieurs substrats, comme le saphir (0001), le 6H-SIC (0001), le Si (111) et ainsi de suite par l'intermédiaire de diverses couches tampons. Parmi les substrats utilisés traditionnellement, en comparaison avec les substrats de Si, un saphir (0001) et un 6H-SiC (0001) de gros diamètre sont difficiles à fabriquer et leur coût est élevé. Pour ces raisons, comme substrat pour réaliser la croissance d'un film de monocristallin semi-conducteur à base de nitrure, il est préférable d'utiliser le substrat de Si du point de vue du faible coût de fabrication. En outre, puisqu'il est possible d'utiliser les actuelles technologies associées au silicium pour réaliser la croissance du film semi-conducteur à base de nitrure sur le substrat de Si, l'utilisation de cette technique est très prometteuse. Cependant, dans le cas où la croissance des films de nitrure est réalisée sur le substrat de Si, puisque des craquelures sont formées dans les films de nitrure du fait d'une différence de coefficient de dilatation thermique entre le Si et les films de nitrure et que de nombreux défauts cristallins sont produits à cause d'une différence de constante de réseau entre le Si et les films de nitrure, il a été difficile de former un film monocristallin ayant une épaisseur de 1 pm ou plus.
Pour cette raison, il est nécessaire d'utiliser une couche tampon appropriée pour réaliser la croissance des films à base de nitrure. Comme exemple de couche tampon, il est proposé d'employer une couche à base de 3C-SiC (111).
Traditionnellement, afin de correspondre à un cristal hexagonal de GaN ou de A1N (cristaux de wurtzite), un substrat de Si (111) est utilisé pour réaliser la croissance d'une couche de 3C-SiC (111) en tant que couche tampon. Cependant, des craquelures sont souvent produites sur le substrat de Si (111) quand la couche de 3C-SiC (111) est formée sous la forme d'un film possédant une épaisseur de 1 pm ou plus. Afin de résoudre ce problème, la croissance du 3C-SiC (111) est réalisée sur un substrat de Si (110) 35 car l'inégalité des paramètres de mailles entre le Si et le 3C-SiC est davantage réduite qu'en utilisant un substrat de Si (111), ce qui améliore la cristallinité du 3C-SiC (111) (par exemple, voir la publication de brevet japonais (Kokai) No. 2005.223206).
De plus, dans un dispositif à haute fréquence, si sa fréquence de fonctionnement est élevée, un courant de Foucault est généré dans le substrat et l'effet joule perturbe le fonctionnement du dispositif, de sorte qu'un substrat isolant est nécessaire.
Par ailleurs, puisque le 3C-SiC utilisé comme couche tampon possède une conductivité électrique, un substrat avec une couche de 3C-SiC n'est pas approprié en tant que dispositif à haute fréquence. Par conséquent, dans le but de réaliser la croissance de films monocristallins à base de nitrure sur un substrat de Si sans la couche de 3C-SiC, les présents inventeurs ont réalisé diverses études et ont trouvé que la croissance d'un film monocristallin de GaN (0001) et de A1N (0001) possédant une épaisseur de 1 pm ou plus peut être réalisée en utilisant le substrat de Si (110). La présente invention a pour objectif de fournir un cristal monocristallin semi-conducteur à base de nitrure comprenant du A1N ou du GaN dont la croissance a été réalisée sur un substrat de Si sans couche de 3C-SiC, et qui peut être également utilisé de manière appropriée pour un dispositif à haute fréquence. Le cristal monocristallin semi-conducteur à base de nitrure selon la présente invention est caractérisé par le fait que sa croissance est réalisée par l'intermédiaire d'une couche tampon de 2H-A1N sur un substrat de Si (110) et qu'il contient du GaN (0001) et du A1N (0001). D'après la structure mentionnée ci-dessus, la 35 croissance d'un cristal monocristallin semi-conducteur à base de nitrure ayant une bonne cristallinité peut être réalisée sans la couche de 3C-SiC sur le substrat de Si. En outre, le cristal monocristallin semi- conducteur à base de nitrure d'un autre mode de réalisation préféré selon la présente invention est caractérisé par le fait que sa croissance est réalisée par l'intermédiaire d'une couche tampon de 2H-A1N sur le substrat de Si (110) et qu'il possède une structure en super réseau à base de GaN (0001) et de A1N (0001). Par conséquent, la cristallinité d'un cristal monocristallin semi-conducteur à base nitrure peut être davantage améliorée en formant une structure en super réseau à base de GaN et de A1N.
Comme décrit ci-dessus, selon la présente invention, le film monocristallin de GaN et de AIN possédant une borine cristallinité peut être obtenu avec une épaisseur de 1 }gym ou plus sans la couche de 3C-SiC sur le substrat de Si.
En outre, la cristallinité du cristal monocristallin semi-conducteur à base nitrure peut être davantage améliorée en formant la structure en super réseau à base de GaN et de A1N. Par conséquent, le cristal monocristallin semi- conducteur à base nitrure selon la présente invention peut être utilisé de manière appropriée pour une diode électroluminescente, une diode laser et une diode électronique pouvant fonctionner à température élevée, ainsi que pour un dispositif à haute fréquence, et améliore les fonctions leurs éléments. La figure 1 représente un spectre de diffraction X avec un balayage G-20 d'une couche tampon de 2H-A1N dont la croissance a été réalisée sur un substrat de Si (110).
La figure 2 représente un spectre de diffraction X avec un balayage cl) de la couche tampon de 2H-A1N dont la croissance a été réalisée sur un substrat de Si (110).
La figure 3 représente un spectre de diffraction X avec un balayage c de la couche tampon de 2H-A1N dont la croissance a été réalisée sur un substrat de Si (110) et un substrat de Si (111). La figure 4 représente un spectre de diffraction X avec un balayage e-2e d'une couche monocristalline de GaN (exemple 1) dont la croissance a été réalisée par l'intermédiaire de la couche tampon de 2H-A1N sur le substrat de Si (110). Ci-après, la présente invention sera décrite en détail. Un cristal monocristallin semi-conducteur à base de nitrure selon la présente invention est un cristal monocristallin. de GaN ou un cristal monocristallin de A1N dont la croissance a été réalisée par l'intermédiaire d'une couche tampon de 2H-A1N sur un substrat monocristallin de Si. La croissance de ce cristal monocristallin semi-conducteur à base nitrure est réalisée sur le substrat de Si sans couche de 3C-SiC, et sa cristallinité peut également être améliorée par rapport à celle des cristaux traditionnels. En outre, puisque sa croissance est réalisée sur un substrat de Si, un avantage supplémentaire est que les appareils et les technologies utilisés dans un procédé traditionnel de fabrication de semi-conducteurs peuvent être utilisés, et des substrats de Si de grand diamètre peuvent être obtenus à faible coût. En ce qui concerne le substrat monocristallin de Si utilisé dans la présente invention, son procédé de fabrication n'est pas particulièrement limité. Il peut être fabriqué selon le procédé de Czochralski (CZ) ou selon le procédé de la zone flottante (FZ). En outre, la croissance de la couche monocristalline de Si peut être réalisée de manière épitaxiale sur ces substrats monocristallins de Si par croissance en phase vapeur (substrat épitaxial de Si). En outre, afin de réduire l'inégalité des paramètres de maille pour la couche tampon et un film monocristallin semi-conducteur à base nitrure dont la croissance est réalisée sur le substrat monocristallin de Si mentionné ci-dessus, un substrat de Si (110) est utilisé à la place d'un substrat de Si (111) traditionnellement utilisé. Sur le substrat monocristallin de Si mentionné ci-15 dessus, une couche de 2H-A1N est formée en tant que couche tampon. A la place de la couche traditionnelle de 3C-SiC, la couche de 2H-A1N rend possible une isolation électrique du substrat. Par conséquent, le cristal 20 monocristallin semi-conducteur à base de nitrure dont la croissance est réalisée sur la couche mentionnée ci-dessus est approprié pour un dispositif à haute fréquence. En outre, la couche tampon mentionnée ci-dessus 25 recouvre la surface du substrat monocristallin de Si et protège donc également la surface de Si contre un décapage ou une nitruration quand le substrat est chauffé à température élevée pour réaliser la croissance du cristal monocristallin semi-conducteur à 30 base de nitrure. En termes de coût de fabrication, bien qu'il soit préférable que l'épaisseur de la couche de A1N soit aussi mince que possible, la couche de A1N est formée avec une épaisseur qui rend possible la réduction de 35 l'inégalité des paramètres de maille entre le substrat de Si (110) et le GaN (0001) ou le A1N (0001). En particulier, il est préférable que l'épaisseur soit approximativement de 10 à 500 nm. La croissance de la couche de A1N mentionnée ci-5 dessus peut être réalisée de manière épitaxiale sur le substrat de Si (110) mentionné ci-dessus, par exemple par croissance en phase vapeur. Ces cristaux monocristallins semi-conducteurs à base de nitrure peuvent être formés avec une épaisseur 10 de 1 pm ou plus par croissance épitaxiale du GaN (0001) ou du A1N (0001) sur la couche de A1N mentionnée ci-dessus. De plus, le GaN (0001) et la A1N (0001) sont alternativement empilés sous la forme d'un film mince 15 sur la couche de A1N mentionnée ci-dessus pour former une structure en super-réseau, moyennant quoi la cristallinité de ces cristaux monocristallins semi-conducteurs à base de nitrure peut être davantage améliorée. 20 Exemples Ci-après, la présente invention sera plus particulièrement décrite en se référant à des exemples. Cependant, la présente invention n'est pas limitée aux 25 exemples suivants.
Exemple 1 Un substrat de Si (110) a été placé sur une surface de croissance dans une chambre réactionnelle, 30 puis le substrat de Si (110) a été chauffé jusqu'à 1100 C tout en introduisant de l'hydrogène, en tant que gaz porteur, pour nettoyer le substrat. Ensuite, en maintenant la température du substrat, du triméthyl aluminium (TMA) et de l'ammoniac ont été 35 introduits, respectivement, en tant que sources d'aluminium et d'azote, et une couche tampon de 2H-AlN ayant une épaisseur de 10 à 500 nm a été formée sur le substrat de Si (110) mentionné ci-dessus. La couche tampon de 2H-A1N formée sur ce substrat de Si (110) a été examinée par diffraction X avec un balayage e-2e et un balayage (1), et les orientations du film dans une direction de croissance (direction de l'épaisseur) et dans son plan ont été évaluées. Ces spectres mesurés sont représentés sur les figures 1 et 2, respectivement. Comme on peut le voir sur la figure 1, il a été confirmé que la direction de croissance <0001> du film de A1N utilisé en tant que couche tampon était orientée par rapport à la direction normale du substrat de Si 15 (110). En outre, comme on peut le voir sur la figure 2, sur la diffraction par rayons X avec un balayage d?, des pics symétriques ont été confirmés six fois par rapport à 2H-A1N, de sorte qu'il a été confirmé qu'il n'y avait 20 pas de rotation du 2H-A1N dans le plan et qu'un film monocristallin était formé en tant que couche tampon. En outre, une diffraction par rayons X avec un balayage o a été réalisée pour étudier la cristallinité de 2H-A1N. Le spectre mesuré est représenté sur la 25 figure 3. Ensuite, la température du substrat a été abaissée jusqu'à approximativement 1000 C, du triméthyl gallium (TMG) et de l'ammoniac ont été introduits, respectivement, en tant que sources de gallium et 30 d'azote, et une couche monocristalline de GaN a été formée sur la couche tampon de 2H-A1N mentionnée ci-dessus. Quand la couche monocristalline de GaN mentionnée ci-dessus a été formée avec une épaisseur de 1 pm ou 35 plus, aucune craquelure n'a été observée.
En outre, une diffraction par rayons X avec un balayage 0-2e a été réalisée par rapport à la couche monocristalline de GaN mentionnée ci-dessus, et l'orientation du cristal dans la direction de la croissance cristalline (direction de l'épaisseur) a été étudiée. Le spectre mesuré est représenté sur la figure 4. Comme on peut le voir sur la figure 4, il a été confirmé que la couche monocristalline de GaN (0001) s'était formée sur la couche tampon de 2H-A1N (0001).
Exemple 2 Comme dans l'exemple 1, une couche tampon de 2H-A1N a été formée sur un substrat de Si (110).
Ensuite, la température du substrat a été portée à 1200 C ou plus, du TMA et de l'ammoniac ont été introduits en tant que source de matière, et une couche monocristalline de A1N (0001) a été formée. Quand la couche monocristalline de A1N (0001) 20 mentionnée ci--dessus a été formée avec une épaisseur de 1 pm ou plus, aucune craquelure n'a été observée.
Exemples comparatifs 1 et 2 Un substrat de Si (1:L1) a été utilisé à la place 25 du substrat de Si (110) et les autres procédures étaient identiques à celles des exemples 1 et 2. Un cristal monocristallin de GaN (0001) (exemple comparatif 1) et un cristal monocristallin de A1N (0001) (exemple comparatif 2) ont été formés, et des 30 craquelures sont apparues dans les films. De plus, une diffraction par rayons X avec un balayage w a été réalisée par rapport à la couche tampon de 2H-A1N formée sur le substrat de Si (111), afin d'étudier la cristallinité de A1N. Le spectre 35 mesuré est représenté sur la figure 3 conjointement avec le spectre où le substrat de Si (110) mentionné ci-dessus (exemple 1) est utilisé. Comme on peut le vcir sur la figure 3, sur la diffraction par rayons X avec un balayage w, la comparaison des valeurs de la largeur à mi-hauteur de A1N sur Si (110) et Si (111) montre que celles sur Si (110) sont plus petites et possèdent une cristallinité plus élevée. Par conséquent, proportionnellement à la cristallinité d'une telle couche tampon de 2H-A1N, la cristallinité du cristal monocristallin de GaN ou d'une couche monocristalline de A1N formée sur la couche tampon est également améliorée, et on peut dire que les exemples 1 et 2 fournissent une cristallinité plus élevée que les exemples comparatifs 1 et 2.
Exemple 3 Comme dans l'exemple 1, une couche tampon de 2H-A1N a été formée sur un substrat de Si (110). Ensuite, la température du substrat a été fixée à 10000C, du TMG ou du TMA en tant que source du groupe III et de l'ammoniac en tant que source d'azote ont été introduits pour former 80 paires de films où une paire de films comprenait la couche monocristalline (0001) de GaN d'une épaisseur de 25 nm et la couche monocristalline de A1N (0001) d'une épaisseur de 5 nm. Une couche de GaN (0001) a été formée dessus, et il a été confirmé qu'un film pouvait être formé avec une épaisseur de 2 pm ou plus sans la formation de craquelures.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour autant sortir du cadre de l'invention.20

Claims (2)

REVENDICATIONS
1. Cristal monocristallin semi-conducteur à base de nitrure dont la croissance est réalisée sur un substrat de Si (110) avec une couche tampon à base de 2H-A1N et comprenant du GaN (0001) ou du A1N (0001).
2. Cristal monocristallin semi-conducteur à base de nitrure dont la croissance est réalisée sur un substrat de Si (110) avec une couche tampon à base de 2H-A1N et une structure en super-réseau à base de GaN (0001) et de A1N (0001).
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