JP2016167473A - Nitride semiconductor lamination substrate, nitride semiconductor device, and method of manufacturing nitride semiconductor lamination substrate - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、窒化物半導体積層基板、窒化物半導体装置および窒化物半導体積層基板の製造方法に関する。 The present invention relates to a nitride semiconductor multilayer substrate, a nitride semiconductor device, and a method for manufacturing a nitride semiconductor multilayer substrate.
窒化物半導体は、一般式InxAlyGa1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)で表される。この窒化物半導体は、その組成によって、バンドギャップを1.95eV〜6eVの範囲で変化させることができることから、紫外域から赤外域に及ぶ広波長範囲の発光デバイスの材料として研究開発され、実用化されている。 Nitride semiconductor is represented by the general formula In x Al y Ga 1-x -y N (0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1,0 ≦ x + y ≦ 1). Since this nitride semiconductor can change the band gap in the range of 1.95 eV to 6 eV depending on its composition, it has been researched and developed as a material for light emitting devices in a wide wavelength range from the ultraviolet region to the infrared region, and put into practical use. Has been.
また、窒化物半導体を用いた制御デバイスは、高周波かつ高出力で動作するパワー素子などに用いられており、中でも、高周波帯域での増幅に適した制御デバイスとして、例えば高電子移動度トランジスタ(HEMT)などのFETが知られている。 A control device using a nitride semiconductor is used for a power element that operates at high frequency and high output. Among them, as a control device suitable for amplification in a high frequency band, for example, a high electron mobility transistor (HEMT) is used. ) And the like are known.
従来、窒化物半導体積層基板としては、特開2008−166349号公報(特許文献1)に記載のものがある。この従来の窒化物半導体積層基板は、Si基板上に、バリア層としてAlN層と、Al組成を層厚方向に変化させたバッファ層としてのAlGaN層と、GaN層を順次エピタキシャル成長している。 Conventionally, as a nitride semiconductor multilayer substrate, there is one described in JP 2008-166349 A (Patent Document 1). In this conventional nitride semiconductor multilayer substrate, an AlN layer as a barrier layer, an AlGaN layer as a buffer layer in which the Al composition is changed in the layer thickness direction, and a GaN layer are sequentially epitaxially grown on a Si substrate.
このように、上記従来の窒化物半導体積層基板は、Si基板を用いているから、サファイア基板やSiC(炭化シリコン)基板を用いる場合に比べて、安価であり、また、AlN層とGaN層との間に、Al組成を層厚方向に変化させたAlGaN層を挟み込んでいるから、反り、クラックの発生が少ないという利点を有する。 Thus, since the conventional nitride semiconductor multilayer substrate uses a Si substrate, it is less expensive than the case of using a sapphire substrate or a SiC (silicon carbide) substrate, and the AlN layer and the GaN layer Since an AlGaN layer having an Al composition changed in the layer thickness direction is sandwiched between them, there is an advantage that warpage and generation of cracks are small.
しかしながら、上記従来の窒化物半導体積層基板には、Si基板上に形成されたAlN層の表面、および、そのAlN直上のAlGaN層の表面にピットが発生しやすいという問題がある。 However, the conventional nitride semiconductor multilayer substrate has a problem that pits are easily generated on the surface of the AlN layer formed on the Si substrate and the surface of the AlGaN layer immediately above the AlN.
このピットは、SiとAlNの格子定数差から生じる貫通転位が発生起源になっていると考えられ、そのピット上にGaN層などの窒化物半導体層を成長させて、窒化物半導体装置を製造した場合、リーク等の要因となるため、発光デバイスならびに制御デバイスともに、その特性に悪い影響を与える。 These pits are thought to originate from threading dislocations resulting from the difference in lattice constant between Si and AlN, and a nitride semiconductor layer such as a GaN layer was grown on the pits to produce a nitride semiconductor device. In this case, since it becomes a factor such as a leak, both the light emitting device and the control device adversely affect the characteristics.
そこで、この発明の課題は、窒化物半導体層にピットが発生するのを抑制することが可能な窒化物半導体積層基板、窒化物半導体装置および窒化物半導体積層基板の製造方法を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a nitride semiconductor multilayer substrate, a nitride semiconductor device, and a method for manufacturing the nitride semiconductor multilayer substrate capable of suppressing the occurrence of pits in the nitride semiconductor layer. .
上記課題を解決するため、この発明の窒化物半導体積層基板は、
(111)面から(011)方向に、0.11度以上、0.50度以下のオフ角で傾斜した面を主面とするSi基板と、
このSi基板の上にエピタキシャル成長した少なくとも1つの窒化物半導体層と
を備えることを特徴としている。
In order to solve the above problems, the nitride semiconductor multilayer substrate of the present invention is
A Si substrate having a main surface that is inclined at an off angle of 0.11 degrees or more and 0.50 degrees or less in the (011) direction from the (111) plane;
And at least one nitride semiconductor layer epitaxially grown on the Si substrate.
また、この発明の窒化物半導体装置は、
上述の窒化物半導体積層基板と、
上記窒化物半導体積層基板上に積層された窒化物半導体層と、
上記窒化物半導体層上に設けた電極と
を備えることを特徴としている。
The nitride semiconductor device of the present invention is
The above-mentioned nitride semiconductor multilayer substrate;
A nitride semiconductor layer stacked on the nitride semiconductor multilayer substrate;
And an electrode provided on the nitride semiconductor layer.
また、この発明の窒化物半導体積層基板の製造方法は、
(111)面から(011)方向に、0.11度以上、0.50度以下のオフ角で傾斜した面を主面とするSi基板を準備する工程と、
上記Si基板の主面の上に、少なくとも1つの窒化物半導体層をエピタキシャル成長する工程と
を備えることを特徴としている。
In addition, the method for manufacturing the nitride semiconductor multilayer substrate of the present invention includes:
Preparing a Si substrate whose main surface is a plane inclined at an off angle of 0.11 degree or more and 0.50 degree or less in the (011) direction from the (111) plane;
And a step of epitaxially growing at least one nitride semiconductor layer on the main surface of the Si substrate.
この発明によれば、窒化物半導体層のピットを抑制することができて、窒化物半導体装置の特性を大幅に改善することができる。 According to the present invention, pits in the nitride semiconductor layer can be suppressed, and the characteristics of the nitride semiconductor device can be greatly improved.
(第1実施形態)(AlN層/Si基板 オフ角依存性)
図1に示すように、第1実施形態の窒化物半導体積層基板111は、Si基板101と、このSi基板101上にエピタキシャル成長した窒化物半導体層の一例としてのAlN層102と、このAlN層102上にエピタキシャル成長した窒化物半導体層の一例としてのAlGaN層103とからなる。
First Embodiment (AlN layer / Si substrate off angle dependency)
As shown in FIG. 1, a nitride
上記Si基板101は、(111)面から(011)方向に、0.11度以上、0.50度以下のオフ角で傾斜した面を主面としている。
The
上記AlN層102は、バリア層として機能し、AlGaN層103は、バッファ層として機能する。
The
この明細書で、窒化物半導体とは、例えば、GaN、AlN、AlGaN、InGaN等のことを言い、より詳しくは、一般式InxAlyGa1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)で表される半導体のことを言う。 In this specification, the nitride semiconductor, e.g., GaN, said AlN, AlGaN, that of InGaN or the like, and more particularly, the general formula In x Al y Ga 1-x -y N (0 ≦ x ≦ 1, A semiconductor represented by 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1).
次に、上記窒化物半導体積層基板111の製造工程を、比較例と対比しつつ、説明する。下記のサンプル1,5は、比較例であり、サンプル2〜4は、この第1実施形態に含まれるものである。
Next, the manufacturing process of the nitride
まず、Si基板のサンプルとして、
(111)面から(011)方向に、0.07度のオフ角度で傾斜した面を主面とするサンプル1のSi基板(図示せず)と、
(111)面から(011)方向に、0.11度のオフ角度で傾斜した面を主面とするサンプル2のSi基板101と、
(111)面から(011)方向に、0.20度のオフ角度で傾斜した面を主面とするサンプル3のSi基板101と、
(111)面から(011)方向に、0.50度のオフ角度で傾斜した面を主面とするサンプル4のSi基板101と、
(111)面から(011)方向に、0.60度のオフ角度で傾斜した面を主面とするサンプル5のSi基板(図示せず)と
の5種類のサンプルのSi基板を準備した。
First, as a sample of the Si substrate,
A Si substrate (not shown) of
Si
Si
Si
Five types of sample Si substrates were prepared: a
比較例のサンプル1,5のSi基板(図示せず)は、図1に示すSi基板101に相当しなく、一方、サンプル2〜4のSi基板101は、図1に示すSi基板101に相当する。
The Si substrates (not shown) of
この5種類のサンプルのSi基板を希釈フッ酸で処理し、Si基板の自然酸化膜を除去した。その後、Si基板をMOCVD(有機金属気相成長:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)装置のリアクタ内に導入した。次に、5種類のサンプルのSi基板の温度を1100℃に昇温した後、NH3(アンモニア)およびTMA(トリメチルアルミニウム)を供給し、Si基板の主面に、AlN層102を成長速度400nm/hrで、180nm成長した。
The Si substrates of these five types of samples were treated with diluted hydrofluoric acid to remove the natural oxide film on the Si substrate. Thereafter, the Si substrate was introduced into a reactor of a MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) apparatus. Next, after raising the temperature of the Si substrate of the five types of samples to 1100 ° C., NH 3 (ammonia) and TMA (trimethylaluminum) are supplied, and an
次に、5種類のサンプルのSi基板の温度を1100℃にしたまま、NH3、TMAおよびTMG(トリメチルガリウム)を供給し、上記AlN層102上に、厚さ200nmでAl組成比0.6のAlGaNバッファ層103をエピタキシャル成長した。
Next, NH 3 , TMA, and TMG (trimethylgallium) are supplied while keeping the temperature of the Si substrate of the five types of samples at 1100 ° C., and an Al composition ratio of 0.6 nm is formed on the
以上の製造工程により、Si基板101の主面上に、AlN層102、AlGaNバッファ層103が設けられた窒化物半導体積層基板が得られた。
Through the above manufacturing process, a nitride semiconductor multilayer substrate in which the
上記製造方法により製造した
上述の0.07度のオフ角度のサンプル1のSi基板を用いた窒化物半導体積層基板(サンプル1−1:比較例)と、
上述の0.11度のオフ角度のサンプル2のSi基板101を用いた窒化物半導体積層基板111(サンプル1−2)と、
上述の0.20度オフ角度のサンプル3のSi基板101を用いた窒化物半導体積層基板111(サンプル1−3)と、
上述の0.50度のオフ角度のサンプル4のSi基板を用いた窒化物半導体積層基板111(サンプル1−4)と、
上述の0.60度のオフ角度のサンプル5のSi基板を用いた窒化物半導体積層基板111(サンプル1−5:比較例)と
の5種類の窒化物半導体積層基板夫々に対して、AlGaN層103の表面状態をSEM(走査型電子顕微鏡)で観察した。
A nitride semiconductor multilayer substrate (sample 1-1: comparative example) using the Si substrate of
A nitride semiconductor multilayer substrate 111 (sample 1-2) using the
A nitride semiconductor multilayer substrate 111 (sample 1-3) using the
A nitride semiconductor multilayer substrate 111 (sample 1-4) using the Si substrate of sample 4 having an off angle of 0.50 degrees as described above;
For each of the five types of nitride semiconductor multilayer substrates with the above-described nitride semiconductor multilayer substrate 111 (sample 1-5: comparative example) using the Si substrate of
その結果、AlGaN層103の表面において、直径10nm以上、50nm以下のサイズのピットの数について、20μm□エリア(5箇所)内の平均数は、
サンプル1−1は15.5個、
サンプル1−2は0.9個、
サンプル1−3は0.5個、
サンプル1−4は0.8個、
サンプル1−5は11.3個
であった。
As a result, with respect to the number of pits having a diameter of 10 nm or more and 50 nm or less on the surface of the
Sample 1-1 is 15.5 pieces,
Sample 1-2 is 0.9 pieces,
Sample 1-3 is 0.5 pieces,
Sample 1-4 is 0.8 pieces
Sample 1-5 was 11.3 pieces.
この状態を、図2に片対数グラフで示している。 This state is shown in a semilogarithmic graph in FIG.
この図2から、この第1実施形態にように、Si基板101が、(111)面から(011)方向に、0.11度以上、0.50度以下のオフ角を有すると、窒化物半導体積層基板111の表面において、直径10nm以上、50nm以下のサイズのピットの数が著しく低減できることが分かる。この第1実施形態のように、窒化物半導体積層基板111の表面のピット数が少ないと、この窒化物半導体積層基板111を用いた窒化物半導体装置(図示せず)のリーク電流を低減できる。
As shown in FIG. 2, when the
上記の現象に関して、上記オフ角が0.11度以上の場合は、成長表面のテラス幅が短くなり、AlNとSiの格子定数差から生じる歪を緩和しやすくでき、貫通転位の発生、しいては貫通転位から生じるピットを抑制することができると推定される。また、上記オフ角が0.50度より大きい場合は、AlNが成長表面をマイグレーションする能力が小さいため、テラス上に核が形成されて、マクロ的には3次元状に成長し、核同士が会合したエリアで転位が発生すると考えられる。 Regarding the above phenomenon, when the off angle is 0.11 degrees or more, the terrace width of the growth surface is shortened, the strain caused by the difference in lattice constant between AlN and Si can be easily relaxed, and threading dislocations are generated. Is presumed to be able to suppress pits resulting from threading dislocations. When the off angle is larger than 0.50 degrees, AlN has a small ability to migrate the growth surface, so that nuclei are formed on the terrace and grow macroscopically in a three-dimensional manner. Dislocations are thought to occur in the meeting area.
この第1実施形態では、Si基板101が、(111)面から(011)方向に、0.11度以上、0.50度以下のオフ角を有するので、エピタキシャル成長表面のテラス幅が短くなって、AlNとSiの格子定数差から生じる歪を緩和しやすくでき、貫通転位の発生を抑制でき、ひいては、貫通転位から生じるピットの発生を抑制することができる。
In the first embodiment, since the
(第2実施形態)(AlN層/Si基板 AlN層層厚依存性)
図3は、第2実施形態の窒化物半導体積層基板211の断面模式図であり、この窒化物半導体積層基板211は、Si基板201上に、AlN層202と、AlGaN層203とを積層してなる。
Second Embodiment (AlN Layer / Si Substrate AlN Layer Thickness Dependence)
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the nitride
上記窒化物半導体積層基板211は、第1実施形態と同様の方法で作製し、Si基板201上に、バリア層として機能するAlN層202と、バッファ層として機能するAlGaN層203とを順次エピタキシャル成長している。
The nitride
詳細は、以下の通りである。上記Si基板201は、(111)面から(011)方向に、0.20度のオフ角で傾斜した面を主面としている。
Details are as follows. The
上記Si基板201上のAlN層202は、層厚が
40nm(サンプル2−1)と、
50nm(サンプル2−2)と、
100nm(サンプル2−3)と、
180nm(サンプル2−4)と、
400nm(サンプル2−5)と、
450nm(サンプル2−6)と、
500nm(サンプル2−7)と
の7種類のものを作成し、それらのAlN層202上に、同じAlGaN層203を積層して、7種類の半導体積層基板211を製造した。
The
50 nm (Sample 2-2),
100 nm (Sample 2-3),
180 nm (sample 2-4),
400 nm (sample 2-5),
450 nm (sample 2-6),
Seven types of 500 nm (sample 2-7) were prepared, and the
上述の7種類の半導体積層基板211の夫々に対して、AlGaN層203の表面状態をSEM(走査型電子顕微鏡)で観察した。
The surface state of the
その結果、上記AlGaN層203の表面において、直径10nm以上、50nm以下のサイズのピットの数について、20μm□エリア(5箇所)内の平均数は、
サンプル2−1は25.6個、
サンプル2−2は1.3個、
サンプル2−3は0.8個、
サンプル2−4は0.5個、
サンプル2−5は1.4個
サンプル2−6は13.8個、
サンプル2−7は21.7個
であった。
As a result, with respect to the number of pits having a diameter of 10 nm or more and 50 nm or less on the surface of the
Sample 2-1 is 25.6,
1.3 samples 2-2
Sample 2-3 is 0.8 pieces,
Sample 2-4 is 0.5 pieces,
Sample 2-5 is 1.4 Sample 2-6 is 13.8
There were 21.7 samples 2-7.
この状態を、図4に片対数グラフで示している。 This state is shown in a semilogarithmic graph in FIG.
この図4から、AlN層203の層厚が50nm以上、400nm以下であると、AlGaN層203の表面において、直径10nm以上、50nm以下のサイズのピットの数が著しく減少することが分かる。この第2実施形態では、AlN層202の層厚を、50nm以上、400nm以下にしている。
4 that the number of pits having a diameter of 10 nm or more and 50 nm or less on the surface of the
なお、ここでは、上記Si基板201は、(111)面から(011)方向に、0.20度のオフ角で傾斜した面を主面としているが、Si基板201が、(111)面から(011)方向に、0.11から0.50度のオフ角で傾斜した面を主面としていても、図4と同じ傾向が得られた。
Here, the
この第2施形態のように、窒化物半導体積層基板21の表面のピット数が少ないと、この窒化物半導体積層基板211を用いた窒化物半導体装置(図示せず)は、リーク電流の低減等の電気的な特性が改善できる。
If the number of pits on the surface of the nitride semiconductor multilayer substrate 21 is small as in the second embodiment, a nitride semiconductor device (not shown) using the nitride
上記の現象に関して、AlN層202の層厚が50nmより薄い場合、AlN層202がバリア層つまりカバー層として充分に機能せず、AlGaN層203の成長時に使用するTMGのGaとSi基板が反応して、基板表面を荒らして、ピット等の発生要因となる貫通転位が発生しやすくなったと推定される。
Regarding the above phenomenon, when the thickness of the
また、AlN層202の層厚が400nmよりも厚い場合、AlN層202およびAlGaN層203の成長中に、SiとAlNの格子定数差が要因となる基板の反りが大きくなって、AlN層202、AlGaN層203に歪応力が加わって、ピットが発生しやすくなったと考えられる。
Further, when the thickness of the
(第3実施形態)(AlN層/Si基板 結晶性依存性)
図5は、第3実施形態の窒化物半導体積層基板311の断面模式図であり、この窒化物半導体積層基板311は、Si基板301上に、AlN層302、AlGaN層303をエピタキシャル成長してなる。
Third Embodiment (AlN layer / Si substrate crystallinity dependency)
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of the nitride
上記窒化物半導体積層基板311は、第1および第2実施形態と同様の方法で作製し、Si基板301上に、バリア層として機能するAlN層302と、バッファ層として機能するAlGaN層303とを順次エピタキシャル成長している。
The nitride
詳細は、以下の通りである。上記Si基板301は、(111)面から(011)方向に、0.20度のオフ角で傾斜した面を主面としている。上記AlN層302は、層厚が180nmであり、そのAlN層302の成長速度を変化させて、(0002)面のX線回折におけるロッキングカーブの半値幅が異なるサンプルを製造した。AlN層302の(0002)面のX線回折におけるロッキングカーブの半値幅の調整は、Si基板301上に、各AlN層302を成長させるときの成長速度を変化させて行った。
Details are as follows. The
そして、AlN層302の(0002)面のX線回折におけるロッキングカーブの半値幅が
1900arcsec(サンプル3−1)と、
2200arcsec(サンプル3−2)と、
2500arcsec(サンプル3−3)と、
2650arcsec(サンプル3−4)と
の4種類の窒化物半導体積層基板311を製造した。
And the half width of the rocking curve in the X-ray diffraction of the (0002) plane of the
2200 arcsec (sample 3-2),
2500 arcsec (sample 3-3),
Four types of nitride
この4種類の窒化物半導体積層基板311の夫々に対して、AlGaN層303の表面状態をSEM(走査型電子顕微鏡)で観察した。
The surface state of the
その結果、上記AlGaN層303の表面において、直径10nm以上、50nm以下のサイズのピットの数について、20μm□エリア(5箇所)内の平均数は、
サンプル3−1は0.5個、
サンプル3−2は0.8個、
サンプル3−3は1.8個、
サンプル3−4は12.3個、
であった。
As a result, with respect to the number of pits having a diameter of 10 nm or more and 50 nm or less on the surface of the
Sample 3-1 is 0.5 pieces,
Sample 3-2 is 0.8 pieces,
Sample 3-3 is 1.8 pieces,
Sample 3-4 has 12.3 pieces,
Met.
この状態を、図6に片対数グラフで示している。 This state is shown in a semilogarithmic graph in FIG.
この図6から、Si基板301上のAlN層302の(0002)面のX線回折におけるロッキングカーブの半値幅は、2500arcsec以下が好ましいことが分かる。
FIG. 6 shows that the half-value width of the rocking curve in the X-ray diffraction of the (0002) plane of the
この現象に関して、AlN層302の(0002)面のX線回折におけるロッキングカーブの半値幅が2500arcsecよりも大きくなると、結晶性が悪い場合に、ピットの要因となる貫通転位等が入り易くなったと考えられる。
Regarding this phenomenon, it is considered that when the half-value width of the rocking curve in the X-ray diffraction of the (0002) plane of the
逆に、上記AlN層302の(0002)面のX線回折におけるロッキングカーブの半値幅が2500arcsec以下であると貫通転位が比較的少なくなって、AlGaN層30を積層する際に、SiとGaの反応を抑制し、また結晶性が良好なため貫通転位の発生、ひいてはピットの発生を抑制することが可能となったと考えられる。
Conversely, if the half-value width of the rocking curve in the X-ray diffraction of the (0002) plane of the
なお、ここでは、上記Si基板301は、(111)面から(011)方向に、0.20度のオフ角で傾斜した面を主面としているが、Si基板201が、(111)面から(011)方向に、0.11から0.50度のオフ角で傾斜した面を主面としていても、図6と同じ傾向が得られる。また、上記AlN層302は、層厚が180nmであったが、AlN層302の層厚が50nm以上、400nm以下であっても、層厚が180nmの場合と略同様の結果が得られた。
Here, the
(第4実施形態)(GaN層/AlGaN層/AlN層/Si基板 AlN層混晶比、GaN層の層厚)
図7は、第4実施形態の窒化物半導体積層基板411の断面模式図である。この窒化物半導体積層基板411は、Si基板101上に、AlN層102とAlGaN層403とGaN層404とを順次エピタキシャル成長してなる。
(Fourth Embodiment) (GaN layer / AlGaN layer / AlN layer / Si substrate AlN layer mixed crystal ratio, GaN layer thickness)
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of the nitride
上記Si基板101およびAlN層102は、第1実施形態のSi基板101およびAlN層102と同じ構成を有するので、第1実施形態と同じ参照番号を付して、詳しい説明は省略する。
Since the
上記AlGaN層403は、AlxGa1−xN層(0.3≦x≦0.8)である。つまり、上記AlGaN層403のAl組成は、30%以上、80%以下である。また、上記GaN層404は、100nm以上の層厚を有する。
The
上記構成の窒化物半導体積層基板411によれば、その窒化物半導体積層基板411全体の反りを抑えることができて、窒化物半導体層、つまり、AlN層102,AlGaN層403,GaN層404に与える歪応力を低減して、転位およびピットの発生を抑制することができる。
According to the nitride
(第5実施形態)(AlN層/Si基板 Si基板を凹凸加工)
この第5実施形態の窒化物半導体積層基板は、図示しないが、図1の第1実施形態の窒化物半導体積層基板111とは、Si基板の表面を除いて同じ構成を有する。したがって、第1実施形態の構成要素と同じ構成要素については、第1実施形態の図1を援用する。
(Fifth Embodiment) (AlN layer / Si substrate Si substrate is processed unevenly)
Although not shown, the nitride semiconductor multilayer substrate of the fifth embodiment has the same configuration as the nitride
この第5実施形態の窒化物半導体積層基板のSi基板は、(111)面から(011)方向に、0.11度以上、0.50度以下のオフ角で傾斜した面が上記Si基板の表面の30%以上となるように、上記Si基板の表面に凹凸を有する。 The Si substrate of the nitride semiconductor multilayer substrate of the fifth embodiment has a surface inclined from the (111) plane in the (011) direction at an off angle of 0.11 degrees or more and 0.50 degrees or less of the Si substrate. The surface of the Si substrate has irregularities so as to be 30% or more of the surface.
こうした場合でも、第1実施形態で検証した結果と略同じ結果が得られた。また、この第5実施形態のSi基板に、第2および第3実施形態と同じ窒化物半導体層を積層しても、第2および第3実施形態と略同じ効果が得られた。 Even in such a case, substantially the same result as the result verified in the first embodiment was obtained. Even when the same nitride semiconductor layer as in the second and third embodiments was stacked on the Si substrate of the fifth embodiment, substantially the same effect as in the second and third embodiments was obtained.
この第5実施形態の窒化物半導体積層基板によれば、上記Si基板の表面の30%以上の領域で、成長表面のテラス幅が短くなって、AlNとSiの格子定数差から生じる歪を緩和しやすくでき、貫通転位の発生を少なくでき、ひいては貫通転位から生じるピットを抑制することができる。したがって、この窒化物半導体積層基板を用いて、窒化物半導体装置を作れば、リーク電流の減少等ができて、電気的特性を改善できる。 According to the nitride semiconductor multilayer substrate of the fifth embodiment, the terrace width of the growth surface is shortened in a region of 30% or more of the surface of the Si substrate, and the strain caused by the difference in lattice constant between AlN and Si is alleviated. Therefore, the occurrence of threading dislocations can be reduced, and as a result, pits generated from threading dislocations can be suppressed. Therefore, if a nitride semiconductor device is made using this nitride semiconductor multilayer substrate, the leakage current can be reduced and the electrical characteristics can be improved.
(第6実施形態)(窒化物半導体装置)
図8は、この発明の窒化物半導体装置の一例としての第6実施形態のヘテロ接合電界効果トランジスタ(HFET)の要部を示す断面図である。図8において、Si基板101、AlN層102、AlGaN層103および窒化物半導体積層基板111は、図1に示す第1実施形態のSi基板101、AlN層102、AlGaN層103および窒化物半導体積層基板111と全く同じ構成を有するので、第1実施形態と同じ参照番号を付して、その詳しい説明は省略する。
Sixth Embodiment (Nitride Semiconductor Device)
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a main part of a heterojunction field effect transistor (HFET) of a sixth embodiment as an example of the nitride semiconductor device of the present invention. In FIG. 8, the
図8に示すように、この第6実施形態のHFETは、上記AlGaN層103上に、アンドープGaN層2、アンドープAlGaN層3をエピタキシャル成長により形成している。このアンドープGaN層2とアンドープAlGaN層3とがヘテロ接合を有するGaN系積層体5を構成している。上記アンドープGaN層2とアンドープAlGaN層3との界面に2DEG(2次元電子ガス)6が発生する。
As shown in FIG. 8, in the HFET of the sixth embodiment, an
また、上記GaN系積層体5には、アンドープGaN層2に達するリセスを形成し、このリセスにドレイン電極11とソース電極12とをオーミック電極として形成している。このドレイン電極11とソース電極12は、例えば、一例として、Ti層、Al層、TiN層が順に積層されたTi/Al/TiN電極である。また、上記アンドープAlGaN層3上に、ゲート電極13を形成している。このゲート電極13は、例えば、アンドープAlGaN層3とショットキー接合するショットキー電極であり、例えば、TiNで作製している。尤も、ゲート電極は、絶縁膜上に形成して、絶縁ゲート電極構造としてもよい。
Further, a recess reaching the
上記アンドープAlGaN層3、ドレイン電極11、ソース電極12およびゲート電極13上に、図示しない層間絶縁膜を形成し、この層間絶縁膜上に図示しないドレイン電極パッド、ソース電極パッドおよびゲート電極パッドを設けている。そして、上記ドレイン電極11、ソース電極12およびゲート電極13を、夫々、図示しないビアホールを介して、ドレイン電極パッド、ソース電極パッドおよびゲート電極パッドに電気接続している。
An interlayer insulating film (not shown) is formed on the undoped AlGaN layer 3, the
この第6実施形態のHFETは、第1実施形態の窒化物半導体積層基板111を有するので、貫通転位に起因するピットの発生を抑制することができ、したがって、リーク電流等を低減できる。
Since the HFET of the sixth embodiment has the nitride
なお、第1実施形態の窒化物半導体積層基板111に代えて、第2〜第5実施形態の窒化物半導体積層基板211,311,411を用いても、同様の効果が得られる。
The same effect can be obtained by using the nitride
この第6実施形態では、GaN系積層体5は、アンドープGaN層2とアンドープAlGaN層3を積層して構成していたが、GaN系積層体は、AlXInYGa1−X−YN(X≧0、Y≧0、0≦X+Y<1)で表されるGaN系半導体層を積層したものであればよい。例えば、GaN系積層体は、AlGaN、GaN、InGaN等を含むものであってもよい。
In the sixth embodiment, the GaN-based
また、この第6実施形態では、AlGaN層3に、アンドープGaN層2に達するリセスを形成し、このリセスにドレイン電極11とソース電極12をオーミック電極として形成したが、上記リセスを形成しないで、上記アンドープGaN層上のアンドープAlGaN層上にドレイン電極とソース電極を形成し、アンドープAlGaN層の層厚を薄くすることによってドレイン電極とソース電極がオーミック電極になるようにしてもよい。
In the sixth embodiment, a recess reaching the
この第6実施形態では、窒化物半導体装置の一例として、HFETについて説明したが、この発明の窒化物半導体装置は、第1〜第5実施形態等の窒化物半導体積層基板111,211,311,411等を用いるものであればどのようなものであってもよく、例えば、HEMT(高電子移動度トランジスタ:High Electron Mobility Transistor)、MISFET(金属−絶縁体−半導体 電界効果トランジスタ:Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)、接合型FET、LED(発光ダイオード)、半導体レーザ等であってもよい。
In the sixth embodiment, the HFET has been described as an example of the nitride semiconductor device. However, the nitride semiconductor device of the present invention includes the nitride
また、窒化物半導体装置の種類に応じて、電極は、ドレイン電極、ソース電極、ゲート電極、エミッタ電極、コレクタ電極、ベース電極、アノード電極、カソード電極等となることは勿論である。 Of course, depending on the type of the nitride semiconductor device, the electrode may be a drain electrode, a source electrode, a gate electrode, an emitter electrode, a collector electrode, a base electrode, an anode electrode, a cathode electrode, or the like.
また、上記第1〜第6実施形態では、バリア層としてAlN層102,202,302を用いていたが、それに代えて、例えば、p−GaN、p−AlGaN等からなる層を用いることができる。また、バッファ層としてのAlGaN層は、特許文献1のように、Al組成を層厚方向に変化させてもよい。
In the first to sixth embodiments, the AlN layers 102, 202, and 302 are used as the barrier layer. Instead, for example, a layer made of p-GaN, p-AlGaN, or the like can be used. . Further, the AlGaN layer as the buffer layer may change the Al composition in the layer thickness direction as in
この発明および実施形態を纏めると、次のようになる。 The present invention and the embodiment are summarized as follows.
この発明の窒化物半導体積層基板111,211、311,411は、
(111)面から(011)方向に、0.11度以上、0.50度以下のオフ角で傾斜した面を主面とするSi基板101,201,301と、
このSi基板101,201,301の上にエピタキシャル成長した少なくとも1つの窒化物半導体層102,103,202,203,302,303,403,404と
を備えることを特徴としている。
The nitride
It is characterized by comprising at least one
上記構成の窒化物半導体積層基板によれば、Si基板101,201,301が、(111)面から(011)方向に、0.11度以上、0.50度以下のオフ角を有するので、エピタキシャル成長表面のテラス幅が短くなって、例えばAlNとSiの格子定数差から生じる歪を緩和しやすくでき、貫通転位の発生を抑制でき、ひいては、貫通転位から生じるピットを抑制することができる。
According to the nitride semiconductor multilayer substrate having the above structure, the
このように、上記窒化物半導体積層基板111,211、311,411の表面のピット数が少ないので、この窒化物半導体積層基板111,211、311,411を用いた窒化物半導体装置のリーク電流等を低減できる。
As described above, since the number of pits on the surface of the nitride
1実施形態では、
上記Si基板201上に、層厚が50nm以上、400nm以下のAlN層202を積層している。
In one embodiment,
An
上記実施形態によれば、AlN層203の層厚が50nm以上、400nm以下であるので、SiとGaとの反応を抑制して、例えば、AlGaN層203の表面において、直径10nm以上、50nm以下のサイズのピットの数を著しく減少することができる。
According to the embodiment, since the layer thickness of the
1実施形態では、
上記AlN層302は、(0002)面のX線回折におけるロッキングカーブの半値幅が2500arcsec以下である。
In one embodiment,
In the
上記実施形態によれば、上記AlN層302の(0002)面のX線回折におけるロッキングカーブの半値幅が2500arcsec以下であるので、貫通転位の発生、ひいてはピットの発生を抑制することが可能となる。
According to the above embodiment, since the half-value width of the rocking curve in the X-ray diffraction of the (0002) plane of the
1実施形態の窒化物半導体積層基板411は、
上記AlN層102上に、AlxGa1−xN層403(0.3≦x≦0.8)を積層し、
このAlxGa1−xN層403の上に、100nm以上の厚さのGaN層404を積層している。
In one embodiment, the nitride
An Al x Ga 1-x N layer 403 (0.3 ≦ x ≦ 0.8) is laminated on the
On this Al x Ga 1-x N layer 403, a
上記実施形態によれば、窒化物半導体積層基板411全体の反りを抑えることができて、窒化物半導体層、つまり、AlN層102,AlGaN層403,GaN層404に与える歪応力を低減して、転位およびピットの発生を抑制することができる。
According to the above embodiment, warpage of the entire nitride
1実施形態では、
(111)面から(011)方向に、0.11度以上、0.50度以下のオフ角で傾斜した上記面が上記Si基板の表面の30%以上となるように、上記Si基板の表面が凹凸を有する。
In one embodiment,
The surface of the Si substrate so that the surface inclined at an off angle of 0.11 degree or more and 0.50 degree or less from the (111) plane to the (011) direction is 30% or more of the surface of the Si substrate. Have irregularities.
上記実施形態によれば、上記Si基板の表面の30%以上の領域で、成長表面のテラス幅が短くなって、AlNとSiの格子定数差から生じる歪を緩和しやすくでき、貫通転位の発生を少なくでき、ひいては貫通転位から生じるピットを抑制することができる。したがって、リーク電流の減少等ができる。 According to the above embodiment, the terrace width of the growth surface is shortened in a region of 30% or more of the surface of the Si substrate, the strain caused by the difference in lattice constant between AlN and Si can be easily relaxed, and the occurrence of threading dislocations. As a result, pits resulting from threading dislocations can be suppressed. Therefore, the leakage current can be reduced.
この発明の窒化物半導体装置は、
上述の窒化物半導体積層基板111と、
上記窒化物半導体積層基板111上に積層された窒化物半導体層2,3と、
上記窒化物半導体層2、3上に設けた電極11,12,13と
を備えることを特徴としている。
The nitride semiconductor device of the present invention is
The aforementioned nitride
この発明の窒化物半導体装置によれば、貫通転位に起因するピットの発生を抑制して、リーク電流を少なくすることができる。 According to the nitride semiconductor device of the present invention, the generation of pits due to threading dislocations can be suppressed and the leakage current can be reduced.
この発明の窒化物半導体積層基板の製造方法は、
(111)面から(011)方向に、0.11度以上、0.50度以下のオフ角で傾斜した面を主面とするSi基板101,201,301を準備する工程と、
上記Si基板101,201,301の主面の上に、少なくとも1つの窒化物半導体層102,202,302,103,203,303,403,404をエピタキシャル成長する工程と
を備えることを特徴としている。
The manufacturing method of the nitride semiconductor multilayer substrate of the present invention is as follows.
A step of preparing
And a step of epitaxially growing at least one
この発明の窒化物半導体積層基板の製造方法によれば、貫通転位に起因するピットを低減できて、リーク電流等の少ない電気的特性が改善された窒化物半導体積層基板を得ることができる。 According to the method for manufacturing a nitride semiconductor multilayer substrate of the present invention, it is possible to obtain a nitride semiconductor multilayer substrate in which pits due to threading dislocations can be reduced and electrical characteristics such as leakage current are improved.
上記第1〜第6実施形態および変形例で述べた構成要素は、適宜、組み合わせてもよく、また、適宜、選択、置換、あるいは、削除してもよいのは、勿論である。 Of course, the constituent elements described in the first to sixth embodiments and the modification examples may be combined as appropriate, and may be appropriately selected, replaced, or deleted.
2,404 GaN層
3,103,203,303,403 AlGaN層
101,201,301 Si基板
102,202,302 AlN層
11 ドレイン電極
12 ソース電極
13 ゲート電極
111,211、311,411 窒化物半導体積層基板
2,404 GaN layer 3,103,203,303,403 AlGaN layer 101,201,301 Si substrate 102,202,302
Claims (5)
このSi基板の上にエピタキシャル成長した少なくとも1つの窒化物半導体層と
を備えることを特徴とする窒化物半導体積層基板。 A Si substrate having a main surface that is inclined at an off angle of 0.11 degrees or more and 0.50 degrees or less in the (011) direction from the (111) plane;
A nitride semiconductor multilayer substrate comprising: at least one nitride semiconductor layer epitaxially grown on the Si substrate.
上記Si基板上に、層厚が50nm以上、400nm以下のAlN層を積層したことを特徴とする窒化物半導体積層基板。 The nitride semiconductor multilayer substrate according to claim 1,
A nitride semiconductor multilayer substrate, wherein an AlN layer having a thickness of 50 nm or more and 400 nm or less is laminated on the Si substrate.
上記AlN層は、(0002)面のX線回折におけるロッキングカーブの半値幅が2500arcsec以下であることを特徴とする窒化物半導体積層基板。 The nitride semiconductor multilayer substrate according to claim 2,
A nitride semiconductor multilayer substrate, wherein the AlN layer has a rocking curve half-value width of 2500 arcsec or less in X-ray diffraction of a (0002) plane.
上記窒化物半導体積層基板上に積層された窒化物半導体層と、
上記窒化物半導体層上に設けた電極と
を備えることを特徴とする窒化物半導体装置。 The nitride semiconductor multilayer substrate according to any one of claims 1 to 3,
A nitride semiconductor layer stacked on the nitride semiconductor multilayer substrate;
A nitride semiconductor device comprising: an electrode provided on the nitride semiconductor layer.
上記Si基板の主面の上に、少なくとも1つの窒化物半導体層をエピタキシャル成長する工程と
を備えることを特徴とする窒化物半導体積層基板の製造方法。 Preparing a Si substrate whose main surface is a plane inclined at an off angle of 0.11 degree or more and 0.50 degree or less in the (011) direction from the (111) plane;
And a step of epitaxially growing at least one nitride semiconductor layer on the main surface of the Si substrate.
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