JP5159858B2

JP5159858B2 - 窒化ガリウム系化合物半導体基板とその製造方法

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Publication number: JP5159858B2
Application number: JP2010224558A
Authority: JP
Inventors: 俊一鈴木; 浩司大石; 純小宮山; 健一江里口; 芳久阿部; 晃吉田
Original assignee: Covalent Materials Corp
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 2010-09-08
Filing date: 2010-10-04
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2030-10-04
Also published as: JP2012079952A

Description

本発明は、電子素子用の化合物半導体に用いられる、窒化ガリウム系化合物半導体基板とその製造方法に関する。

窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体は、シリコン（Ｓｉ）と比べて広いバンドギャップを有しており、各種電子素子用の半導体として応用が期待されている。

この窒化ガリウム系化合物半導体に用いられる基板の作製方法として、例えば、シリコン（Ｓｉ）単結晶基板上に、気相成長法によって、複数の化合物半導体層を介して窒化ガリウム系化合物半導体を形成する方法がある。この方法は、他の方法に比べて生産性や放熱性の点で比較的優位であり、さらに改良が進められている。

例えば、特許文献１には、Ｓｉ基材上に形成された第１のＡｌ_aＧａ_ｂＩｎ_1-a-bＮ_ｖ０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、かつ０≦ａ＋ｂ≦１）層と、前記第１のＡｌ_aＧａ_ｂＩｎ_1-a-bＮ_ｖ層上に形成された第２のＡｌ_cＧａ_ｄＩｎ_1-c-dＮ_w（０≦ｃ≦１、０≦ｄ≦１、かつ０≦ｃ＋ｄ≦１）層と、前記第２のＡｌ_cＧａ_dＩｎ_{1 - c - d}Ｎ_ｗ層上に位置し、第３のＡｌ_eＧａ_fＩｎ_{1 - e - f}Ｎ_ｘ０≦ｅ≦１、０≦ｆ≦１、かつ０≦ｅ＋ｆ≦１）層及び第４のＡｌ_gＧａ_hＩｎ_1-g-hＮ_ｙ０≦ｇ≦１、０≦ｈ≦１、かつ０≦ｇ＋ｈ≦１）層を交互に積層した多層膜と、前記多層膜上に形成された第５のＡｌ_iＧａ_jＩｎ_1-i-jＮ_ｚ（０≦i≦１、０≦ｊ≦１、かつ０≦ｉ＋ｊ≦１）層と、を具備し、前記多層膜における前記第３のＡｌ_eＧａ_fＩｎ_{1 - e - f}Ｎ_ｘ層と前記第４のＡｌ_gＧａ_hＩｎ_1-g-hＮ_ｙ層の積層数は１６０層以下であることを特徴とする半導体基板が開示されている。

また、特許文献２には、シリコン基板上に窒化物半導体領域を設けると、半導体ウエーハに反りが発生するという課題に対して、シリコン基板２の上に窒化物半導体から成るバッファ領域３を介して主半導体領域４を設けるが、その前記バッファ領域３を、複数の多層構造バッファ領域５，５′と、該複数の多層構造バッファ領域５，５′の相互間に配置された第２の単層構造バッファ領域８とで構成すること、そして、複数の多層構造バッファ領域５，５′のそれぞれを、交互に配置された複数の第１及び第２の層から成るサブ多層構造バッファ領域と第２の単層構造バッファ領域８よりも薄い第１の単層構造バッファ領域とで構成する、という技術が開示されている。

さらに、非特許文献１には、Ｓｉ基板上に、ＡｌＮ層（〜４０ｎｍ）、ＧａＮ層（１６０ｎｍ）を堆積後、複数のＡｌＮ層とＧａＮ層を繰り返し堆積した構造を有する超格子層とこれらの間に配置したＧａＮ層（２００ｎｍ）をバッファ領域として構成する、という技術が開示されている。

特開２００７−２５８２３０号公報特開２００８−２０５１１７号公報

Applied physics letters. Volume79 No.20 November 12 2001 Eric Feltim et.al「Stesscontrol in GaN grown on Si(111) by metalorganic vapor phase epitaxy」

特許文献１に開示されている技術は、Ｓｉ基板上に窒化物半導体の多層膜を介して、その上に厚いＧａＮ層を形成することができる、好適な一例である。しかしながら、この技術をもってしても、より反りが低減された窒化物半導体基板を作製するには、必ずしも十分とはいえなかった。

特許文献２に開示されている技術は、周期構造と他の１層からなる多層膜があり、さらに他の１層を介して、再度この多層膜を形成している点が特徴といえる。しかし、この方法では、層数が膨大になること、製造工程数の増加、基板の設計に対する制約増加、という点も懸念される。

非特許文献１に開示されている技術も、Ｓｉ等の基板上に、窒化物半導体の多層膜を形成することで、転位密度を減少し、結晶性を向上する効果を呈する。しかしながら、この技術でも、反りやクラックが発生する場合があり、結晶性と反り抑制とを両立した窒化半導体基板を作製するには、必ずしも十分とはいえなかった。

本発明は、これらの課題を鑑みてなされたもので、効果的に転位発生の防止と基板の反りを低減すること、そして、これらの効果を簡易に実現できる、Ｓｉ単結晶基板を用いた窒化ガリウム系化合物半導体基板を提供するものである。

本発明に係る窒化ガリウム系化合物半導体基板は、Ｓｉ単結晶からなる基板と、前記基板上に形成された窒化物半導体からなる中間層と、前記中間層上に形成された窒化ガリウム系化合物半導体からなる活性層で構成される窒化ガリウム系化合物半導体基板であって、前記中間層は、前記基板上に第一層と第二層がこの順で積層された初期バッファ層と、前記初期バッファ層上に第三層と第四層をこの順で複数回繰り返し積層し最後に第五層を積層してなる複合層を複数積層した周期堆積層からなり、前記第五層の膜厚が２００ｎｍ以上、かつ、前記第三層と前記第四層からなる対の層の厚さの２倍以上２０倍以下であることを特徴とする。このような構成をとることで、単純構造でも反りの制御性に優れ、厚膜成膜も可能な、結晶性の良い窒化ガリウム系化合物半導体基板とすることができる。

本発明に係る窒化ガリウム系化合物半導体基板の製造方法は、Ｓｉ単結晶からなる基板上に第一層と第二層をこの順で積層する初期バッファ層形成工程と、前記初期バッファ層上に第三層と第四層をこの順に複数回繰り返し積層し最後に第五層を積層してなる複合層を複数積層して周期堆積層を形成する工程と、からなることを特徴とする。このような構成をとることで、少ない積層数で反りの制御性に優れた窒化ガリウム系化合物半導体基板を製造することができる。

本発明に係る窒化ガリウム系化合物半導体基板では、中間層を構成する窒化物半導体層の積層数が少なくても、転位発生の防止と基板の反り低減を図ることが出来る。また、異なる材質の薄膜を多数積層することで発生する応力発生を緩和し、塑性変形を抑制することにより、Ｓｉ基板上に成膜できる総膜厚の増加が可能となる。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。図１は、本発明の一態様に係る窒化ガリウム系化合物半導体基板を、基板の断面方向からみたときの積層構造を示す概念図である。

本発明の一態様に係る窒化ガリウム系化合物半導体基板を、基板の断面方向からみたときの積層構造を示す概念図。

本発明に係る窒化ガリウム系化合物半導体基板１００は、Ｓｉ単結晶からなる基板１と、前記基板１上に形成された窒化物半導体からなる中間層２と、前記中間層上に形成された窒化ガリウム系化合物半導体からなる活性層３で構成される。

基板１に用いられるＳｉ単結晶は、化合物半導体を形成する下地としての役割を有するが、基本的な製法や結晶構造は特に限定されるものではなく、公知の半導体デバイス用Ｓｉ単結晶基板を広く用いることができる。例えば、Ｓｉ単結晶育成方法は、ＣＺ法でもＦＺ法でもよい。さらには、基板加工処理として各種熱処理を施したＳｉ単結晶基板も適用できる。また、Ｓｉ単結晶基板の面方位やベベル形状、化合物半導体が形成される主面および裏面の面粗さ等の仕上げ状態についても、設計する窒化ガリウム系化合物半導体基板１００の仕様に合わせて適時選択できる。

基板１上に形成された窒化物半導体からなる中間層２は、Ｓｉ単結晶と活性層に用いられる窒化物半導体との格子定数の違いによる不整合や、熱膨張係数の違いにより発生する応力を、効果的に緩和する働きをもつ。中間層２としては、任意の厚さと組成をもつ窒化物半導体を積層した多層構造が、好適に用いられる。

中間層２上には、窒化物半導体からなる活性層３が形成される。ここには、窒化ガリウム系化合物半導体基板として各種の材料が適用でき、例えばＡｌＧａＮ、ＧａＮ等の窒化物半導体結晶が用いられる。

そして、本発明に係る窒化ガリウム系化合物半導体基板１００においては、前記初期バッファ層２００上に、第三層２３と第四層２４をこの順で複数回繰り返し積層し最後に第五層２５を積層してなる複合層２０２を複数積層した周期堆積層２０３と、周期堆積層２０３上に活性層３が積層された構造からなる。

基板１上に中間層２を直接形成する前に、初期バッファ層２００を介在させることで、初期バッファ層２００がない場合と比べて、周期堆積層の積層数を増やすことなく積層界面が平坦化され、また、基板１００全体の反り低減、クラック発生の抑制の効果が増す。

さらに、本発明においては、初期バッファ層２００が、異なる組成の窒化物半導体からなる２層構造をとる。このような構成をとると、１層のみで単に基板のＳｉとＧａの反応を抑制するだけではなく、応力制御バッファ層２０３に移る前の格子不整合緩衝層として成膜表面平坦化に特化することも可能となる。よって、この上に形成される多層構造の領域における反り低減、転位密度低減効果が、より効果的に発揮される。さらに、中間層２における多層構造の層数が、必要以上に増大することも抑制できる。

初期バッファ層２００は、窒化ガリウム系化合物半導体基板１００の要求仕様に応じて、その組成や膜厚は適時選択されるが、その組成は、ＡｌＧａＮ系が好ましい。また、その膜厚は、この上に形成される多層構造で用いられる各層の膜厚に対して、５倍から１００倍の厚さを有していることが好ましい。このような構成をとることで、初期バッファ層２００における第一層にて基板を保護するだけでなく、第二層にて最も大きな基板との格子不整合による欠陥多発にともなう第一層の成膜表面荒れ（段差、凹凸等）を緩和でき、成膜表面の平坦化が可能となるからである。

初期バッファ層２００のより好ましい例としては、第一層２１が５０ｎｍから２００ｎｍの厚さのＡｌＮ、第二層２２が１００ｎｍから３００ｎｍの厚さのＡｌＧａＮで構成される。初期バッファ層としては、Ｓｉ、ＧａＮとの親和性が高く、メルトバックエッチング反応を起こさないＡｌＮ単結晶が適しており、また、ＡｌＮ単結晶層表面の段差を早期に平坦化するためには、下地に近いＡｌが含まれるＧａＮとＡｌＮの混晶であるＡｌＧａＮ単結晶層も挿入しておくことが好ましいためである。

次に、この初期バッファ層２００上に、窒化物半導体からなる第三層２３と第四層２４をこの順で積層した対の層２０１を複数回繰り返し積層する。公知の技術にもあるように、異なる２つの組成、膜厚の層から形成される対の層を繰り返し形成することで、窒化ガリウム系化合物半導体基板１００の反りを緩和できる。

なお、第三層２３と第四層２４の組成や膜厚は、設計される窒化ガリウム系化合物半導体基板１００の仕様に応じて任意に設定できる。本発明に係る窒化ガリウム系化合物半導体基板１００では、第三層２３と第四層２４がＡｌＧａＮ系の窒化物半導体であることが好ましい。第三層２３と第四層２４のＡｌの比率が大きく離れていると、格子歪みが大きくなり、応力制御および結晶性向上の効果を薄い膜厚から発揮する）ので、より好ましい。好適な一例として、第三層２３がＧａＮ、第四層２４がＡｌＮで構成される。

第三層２３と第四層２４の膜厚は、繰り返し積層する観点から、あまり厚く形成しないほうが好ましい。好適には、それぞれ１〜５０ｎｍである。また、第三層２３がと第四層２４の繰り返し回数は、設計される窒化ガリウム系化合物半導体基板１００の仕様に応じて任意に設定できるが、５回以上２０回以下であることが好ましい。少なすぎると、反りや転位の低減効果が十分得られず、多すぎると、成膜中の応力発生により基板の塑性変形を誘発し、成膜後の反りへの影響が懸念されるからである。

そして、本発明においては、対の層２０１を複数回繰り返し積層した上に、さらに第五層２５を１層積層して、複合層２０２とする。第五層２５の組成や膜厚も、設計される窒化ガリウム系化合物半導体基板１００の仕様に応じて任意に設定できるが、ＡｌＧａＮ系の窒化物半導体であることが好ましい。好適な一例として、第三層２３がＧａＮ、第四層２４がＡｌＮで構成される場合に、第五層２５がＧａＮで構成される。

中間層２の多層構造は、反り、転位密度、熱導電性、高抵抗化、その他の特性への影響度に応じて、任意に設計できる。対の層２０１の繰り返しのみで中間層２を形成することは、反りや転位の低減には有効である。しかし、基板１と中間層２との格子不整合による積層界面平坦性劣化、すなわち面荒れは、対の層２０１の繰り返しの早期段階において緩和することができない。このため、従来は、対の層２０１の繰り返し数をかなり多くとる必要があった。また、この場合、中間層２が必要以上に厚膜化して反り量増加の影響が大きくなり、窒化ガリウム系化合物半導体基板１００全体の反りを低減することが、困難になるおそれがあった。

ここで、対の層２０１を複数回繰り返し積層した上に、さらに第五層２５を１層積層することで、少ない層数で、効果的に反り低減効果が得られる。これは、転位の消滅を考えず圧縮応力の発生のみを考えるのであれば、格子定数の小さい材料の上に、格子定数の大きい材料を数100nm以上コヒーレント成長させるのが、応力発生効果においては最も好ましいと考えられるが、より低転位な結晶であるほどその効果が向上するためである。このような構成とすることで、応力発生と転位消滅の両効果を発揮し、最も効果的な反りの低減が可能となる。

なお、第五層２５の膜厚は、対の層２０１の厚さの２倍以上２０倍以下であることが、より好ましい。第五層２５は、対の層２０１を伝播して基板上方に進展してきた転位を、基板主面に対して水平方向に屈曲させる作用を有する。このとき、第五層２５の膜厚を対の層２０１に対して十分な厚さを持たせることで、効果的にこの作用を発揮させることが出来る。しかしながら、あまり厚すぎると、本発明の効果がほとんど変わらない一方で、膜厚が大きいことによる反り増大の影響が懸念されるので、好ましいものではない。

この複合層２０２がさらに複数回繰り返して積層され、周期堆積層２０３が構成される。複合層２０２単体でも反り低減効果が見られるが、活性層３の厚膜化に伴う反り増加をより効果的に低減するために、複合層２０２を繰り返し積層する。

複合層２０２の繰り返し回数は、３回以上１０回以下が好ましい。繰り返し回数が増えるに従い、中間層２の厚膜化による反り量増加の影響が大きくなるので、この範囲内で設計することで、より適切な反り制御が可能となる。

そして、周期堆積層２０３上には、活性層３が積層される。ＨＥＭＴ構造の場合、活性層３は、電子供給層として成膜される。活性層３は、窒化ガリウム系化合物半導体で形成され、電子走行層，チャネル層としての役割をもつ。なお、活性層３の組成や膜厚は、設計する窒化ガリウム系化合物半導体基板１００の仕様に基づき、任意に設定できる。一例として、組成としては、好適にはＡｌＧａＮが、より好適にはＧａＮが適用される。また、その膜厚は、好適には５００ｎｍ以上３０００ｎｍ、より好適には１０００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下である。

このように、本発明の中間層２は、初期バッファ層２００と、第一層から第五層を適切に組み合わせた複合層２０２の繰返し積層からなる周期堆積層２０３という構成をとる。特に、薄い対の層２０１の繰り返し積層のみでは、積層数を数多くする必要があったのに対して、繰り返し積層の下には２層を、上には単層を介在させ、これに合わせて繰り返し積層を最適化したことで、中間層２全体の層数を抑制することが可能となった。

以上のとおり、本発明に係る窒化ガリウム系化合物半導体基板では、転位発生の防止と基板の反り低減を、中間層を構成する窒化物半導体層の積層数を少なくして実現できる。

以下、本発明の好ましい実施形態を実施例に基づき説明するが、本発明はこの実施例により限定されるものではない。

面方位（１１１）、直径４インチ、厚さ６２５μｍ、ＣＺ法により引上げたＳｉ単結晶基板１を、ＭＯＣＶＤ装置にセットし、原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、およびＮＨ₃を用い、１１００℃での気相成長により、厚さ１００ｎｍのＡｌＮ単結晶層２１を形成した。さらにその上に、原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、ＴＭＡおよびＮＨ₃を用い、１０００℃での気相成長により厚さ２００ｎｍのＡｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎ単結晶層２２を積層させ、この２層を初期バッファ層２００とした。

次に、前記初期バッファ層２００上に、原料としてＴＭＡおよびＮＨ₃を用い、１０００℃での気相成長により、それぞれ厚さを、２５ｎｍ（実施例１）、２０ｎｍ（実施例２）、１５ｎｍ（実施例３）のＧａＮ単結晶層２３を積層させ、続けて、厚さ５ｎｍのＡｌＮ単結晶層２４を積層させ、対の層２０１を形成した。この対の層２０１を同様の工程にて繰り返し積層して、それぞれ積層数を、６回（実施例１）、８回（実施例２），１０回（実施例３）とした。さらにこの上に、第五層２５として、それぞれＧａＮ層を、２２０ｎｍ（実施例１）、２００ｎｍ（実施例２）、４００ｎｍ（実施例３）の厚さで形成し、これを複合層２０２とした。この複合層２０２を、それぞれ積層数を、６層（実施例１）、５層（実施例２）、４層（実施例３）として、周期堆積層２０３とした。以上のようにして、中間層２を形成した。

前記中間層２上に、原料としてＴＭＧおよびＮＨ₃を用い、１０００℃での気相成長により、厚さ１５００ｎｍのＧａＮ単結晶層を形成してこれを活性層３とした。さらに、前記活性層３の上に、原料としてＴＭＧ、ＴＭＡ、およびＮＨ₃を用い、１０００℃での気相成長により、厚さ５０ｎｍのＡｌＧａＮ単結晶層を積層させて、電子供給層を形成した。以上の工程を経て、実施例１から実施例３の評価用窒化物半導体基板を得た。なお、気相成長で形成した各層の厚さは、原料供給流量および原料供給時間の調整により行った。加えて、実施例１の中間層２上に活性層３を３５００ｎｍ積層したものを実施例４，中間層２の複合周期数を８周期とし、活性層３を３０００ｎｍ積層したものを実施例５とした。

次に、初期バッファ層２００を省略した構造となるようにして、比較例１の評価用窒化物半導体基板を得た。

また、実施例１における初期バッファ層２００のうち、第二層２２のみ省略し、それ以外は実施例１と同様の構造となるようにして、比較例２の評価用窒化物半導体基板を得た。

さらに、複合層２０２から第三層を除いた構造を比較例３、比較例３から複合周期数と活性層厚さを増加した構造を比較例４、実施例２において、第二層の厚さを薄く、第五層を除いた構造を比較例５，６、第三層と第四層の厚さを好ましい範囲より薄くしたものを比較例７として、それぞれ評価用窒化物半導体基板を得た。

作製した実施例および比較例の評価用窒化物半導体基板について、活性層として用いられるＧａＮ単結晶層の基板面中心部における転位密度を、ＡＦＭ観察により評価した。また、反りおよびクラックの発生（基板外周を除く）についても、レーザー変位計および光学顕微鏡の暗視野像により評価した。なお、反りは、エピタキシャル成長前の基板裏面が基板厚さ方向に変位した距離の最大値と最小値の差により評価した。表１に、成膜後の外観、ＡＦＭ観察による転位密度、ＸＲＤによる結晶性（半値幅）、レーザー変位計による反り評価結果を示す。

これらの結果から、周期堆積層２０３の下に位置する初期バッファ層２００の有無や、本発明の好ましい構成を有する周期堆積層の有無によって、転位密度や反りの点で優位差がみられ、本発明の構成による効果が確認された。

本発明は、発光ダイオード、レーザー発光素子、また、高速・高温での動作可能な電子素子等に好適に用いられるＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor；高電子移動度トランジスタ）構造を有する窒化ガリウム系化合物半導体基板として、好適に適用することができる。

1…Ｓｉ単結晶基板、2…中間層、3…活性層、21…第一層、22…第二層、23…第三層、24…第四層、25…第五層、200…初期バッファ層、201…対の層、202…複合層、203…周期堆積層

Claims

Ｓｉ単結晶からなる基板と、前記基板上に形成された窒化物半導体からなる中間層と、前記中間層上に形成された窒化ガリウム系化合物半導体からなる活性層で構成される窒化ガリウム系化合物半導体基板であって、前記中間層は、前記基板上に第一層と第二層がこの順で積層された初期バッファ層と、前記初期バッファ層上に第三層と第四層をこの順で複数回繰り返し積層し最後に第五層を積層してなる複合層を複数積層した周期堆積層からなり、前記第五層の膜厚が２００ｎｍ以上、かつ、前記第三層と前記第四層からなる対の層の厚さの２倍以上２０倍以下であることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体基板。
請求項１に記載の窒化ガリウム系化合物半導体基板の製造方法であって、Ｓｉ単結晶からなる基板上に第一層と第二層をこの順で積層する初期バッファ層形成工程と、前記初期バッファ層上に第三層と第四層をこの順に複数回繰り返し積層し最後に第五層を積層してなる複合層を複数積層して周期堆積層を形成する工程と、からなることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体基板の製造方法。