JP2007067077A - 窒化物半導体素子およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 AlxGa1-xNから成る第1のバッファ層のAl組成xおよびAlyGa1-yNから成る第2のバッファ層のAl組成yを厳密に規定することにより、形成される窒化物半導体の表面の平坦性およびクラック発生の防止を両立する最適な条件を明らかにした。第1のバッファ層と第2のバッファ層との界面が平滑で、しかも、結晶性の良いAlN系超格子バッファ層を作製することができる。窒化物半導体を使用した信頼性の高い電子デバイス・光デバイス等を作成することができる。
【選択図】 図3
Description
そこで、シリコン基板および窒化物半導体層の間にバッファ層を挿入し、上述したクラックや貫通転位を低減することが通例となっている。このようなバッファ層の例として、AlNから成る第1のバッファ層およびGaNから成る第2のバッファ層を交互に複数積層した超格子状の多層膜(以下、AlN系格子バッファ層とする)が提案されている(非特許文献1)。
[実施例1]
図3は、本発明にかかる窒化物半導体素子の断面図を示す。この窒化物半導体素子においては、直径が3インチで、(111)から±5度以内の主方位面を持つシリコン基板31上に、AlN系超格子バッファ層12が形成されている。このバッファ層32は、厚さが5nmのAlNから成る第1のバッファ層32aおよび厚さが20nmのAl0.04Ga0.96Nから成る第2のバッファ層32bを、各々交互に20層積ずつ積層して構成されている。さらに、このバッファ層32の上に、厚さが1μmのGaNから成る窒化物半導体層33を形成した。
本実施例においては、図3と同様な構造の窒化物半導体素子において、AlyGa1-yNから成る第2のバッファ層32bのAl組成yを様々に変化させた。そして、GaNから成る窒化物半導体層33の表面のRMS粗さをAFMによって、また、クラックの密度を光学顕微鏡によって、それぞれ評価をした。
次に、本実施例においては、図3と同様な構成の窒化物半導体素子において、第1のバッファ層のAlの組成xについて検討する。直径が3インチで、(111)から±5度以内の主方位面を持つシリコン基板31上に、AlN系超格子バッファ層32が形成された。バッファ層32は、厚さが5nmのAlxGa1-xNから成る第1のバッファ層32aおよび厚さが20nmのAl0.01Ga0.99Nから成る第2のバッファ層32bを、各々20層ずつ交互に積層し構成した。さらに、バッファ層32に上に、厚さが1μmのGaNから成る窒化物半導体層33を形成した。本実施例においては、第1のバッファ層32aのAl組成xを様々に変化させた。
以下、本発明の窒化物半導体素子の製造方法の一例を記述する。本発明においては、一般の結晶成長装置、すなわち、液層成長装置や気相成長装置を用いることができる。結晶品質、薄膜の膜厚制御性、大量生産性、または、大面積化への適応性等を考えると、有機金属気相成長法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:MOCVD)を用いることにより、本発明の効果を特に発揮できる。製造方法は以下の手順の通りである。
1.直径が3インチで、(111)から±5度以内に主方位面を持つシリコン基板を、アセトンやアルコール類のような有機溶媒中で超音波洗浄した後、MOCVD装置の反応炉内に設置する。
2.基板温度を1000〜1200℃に上げ、キャリアガスとして少なくとも水素を流しながら基板をクリーニングする。この工程において、シリコン基板の自然酸化膜が除去され、清浄なシリコンの表面が得られる。
3.引続き、基板温度を700〜1200℃に変化させ、原料ガスであるアンモニア、トリメチルガリウム(TMG)、および、トリメチルアルミニウム(TMA)を適量流し、第1のバッファ層であるAlxGa1-xN(0.5≦x≦1)を0.5nm以上100nm以下の厚さで堆積させる。なお、第1のバッファ層がAlN(すなわち、x=1)でない場合、シリコンの表面がTMGと反応しないように、5〜100nmの厚さのAlNをまず成長させてから、第1のバッファ層を堆積させるとさらに好ましい結果が得られる。
4.引続き、アンモニア、TMGおよびTMAの流量を適宜変化させ、第2のバッファ層であるAlyGa1-yN(0.01≦y≦0.2)を2nm以上80nm以下の厚さで堆積させる。
5.同様にして、第1のバッファ層と第2のバッファ層を交互に10〜100層積層し、AlN系超格子バッファ層を形成する。
6.最後に、原料ガスとして、アンモニア、TMA、TMG、トリエチルボロン、および、トリメチルインジウム等を反応炉内に流して、窒化物半導体AlaBbGacIn1-a-b-cNを成長させる。この時、すべての原料ガスの流量を適宜調整して、窒化物半導体AlaBbGacIn1-a-b-cNの格子定数が前記AlN系超格子バッファ層の格子定数よりも大きくなるように、各III族元素の組成a、b、cを調整する。
12、32 AlN系超格子バッファ層
12a、32a 第1のバッファ層
12b、32b 第2のバッファ層
13、33 窒化物半導体層
Claims (5)
- 基板と、
前記基板上に形成され、AlxGa1-xN(0.5≦x≦1)から成る第1のバッファ層と、AlyGa1-yN(0.01≦y≦0.2)から成る第2のバッファ層とを交互に各々複数層を積層して形成されたAlN系超格子バッファ層と、
前記AlN系超格子バッファ層上に形成された窒化物半導体層と、
を備えたことを特徴とする窒化物半導体素子。 - 前記基板の熱膨張係数は、前記窒化物半導体層の熱膨張係数より小さいことを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体素子。
- 前記第1のバッファ層の厚さは0.5nm以上100nm以下であり、前記第2のバッファ層の厚さは2nm以上80nm以下であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の窒化物半導体素子。
- 前記窒化物半導体層の格子定数は、前記AlN系超格子バッファ層の格子定数よりも大きいことを特徴とする請求項1乃至請求項3に記載の窒化物半導体。
- 基板と、前記基板上に形成されたAlN系超格子バッファ層と、前記AlN系超格子バッファ層の上に形成された窒化物半導体層とからなる窒化物半導体素子の製造方法であって、
前記基板上に、AlxGa1-xN(0.5≦x≦1)の組成を持つ第1のバッファ層を形成するステップと、
前記第1のバッファ層の上に、AlyGa1-yN(0.01≦y≦0.2)の組成を持つ第2のバッファ層を形成するステップと、
前記第1のバッファ層を形成するステップおよび前記第2のバッファ層を形成するステップを交互に繰り返して前記AlN系超格子バッファ層を形成するステップと、
を備えたことを特徴とする窒化物半導体素子の製造方法。
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