JP6237401B2 - 半導体デバイスの製造方法および評価方法 - Google Patents
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Description
本発明のある実施形態である半導体デバイス2は、支持基板10と、支持基板10の一主面側に配置された第1のn型III族窒化物半導体層21と、第1のn型III族窒化物半導体層21上に配置されかつ第1のn型III族窒化物半導体層21に比べてn型キャリア濃度が低い第2のn型III族窒化物半導体層22と、を含む半導体層付基板1を含む。ここで、半導体層付基板1および半導体デバイス2の少なくとも一つについて、20K以下の温度で測定される第2のn型III族窒化物半導体層22のPL(フォトルミネッセンス)スペクトルにおいて、自由励起子発光ピーク強度IFに対するアクセプタ束縛励起子発光ピーク強度IAの強度比IA/IFが0.01以下、かつ、ドナー束縛励起子発光ピーク強度IDに対するアクセプタ束縛励起子発光ピーク強度IAの強度比IA/IDが0.35以下である。
[実施形態1:半導体デバイス]
図1〜図3を参照して、本発明のある実施形態である半導体デバイス2は、支持基板10と、支持基板10の一主面側に配置された第1のn型III族窒化物半導体層21と、第1のn型III族窒化物半導体層21上に配置されかつ第1のn型III族窒化物半導体層21に比べてn型キャリア濃度が低い第2のn型III族窒化物半導体層22と、を含む半導体層付基板1を含む半導体デバイス2である。ここで、半導体層付基板1および半導体デバイス2の少なくとも一つについて、20K以下の温度で測定される第2のn型III族窒化物半導体層22のPL(フォトルミネッセンス)スペクトルにおいて、自由励起子発光ピーク強度IFに対するアクセプタ束縛励起子発光ピーク強度IAの強度比IA/IFが0.01以下、かつ、ドナー束縛励起子発光ピーク強度IDに対するアクセプタ束縛励起子発光ピーク強度IAの強度比IA/IDが0.35以下である。
図1〜図3を参照して、本実施形態の半導体デバイス2における支持基板10は、特に制限はないが、第1のn型III族窒化物半導体層21および第2のn型族窒化物半導体層22の品質を高くするために、第1のn型III族窒化物半導体層21および第2のn型族窒化物半導体層22との結晶構造および/または格子定数の整合性が高い観点から、GaN基板、シリコン基板、およびサファイア基板の少なくとも一つを含むことが好ましく、GaN基板、シリコン基板、およびサファイア基板の一つであることがより好ましく、GaN基板であることがさらに好ましい。
図1〜図3を参照して、本実施形態の半導体デバイス2における第1のn型III族窒化物半導体層21は、支持基板10の一主面側に配置されていればよく、図1に示すように支持基板10と直接的に接合していてもよく、図2および図3に示すように後述するIII族窒化物バッファ層20を介在して間接的に接合していてもよい。
図1〜図3を参照して、本実施形態の半導体デバイス2における第2のn型III族窒化物半導体層22は、第1のn型III族窒化物半導体層21上に配置されている。
本実施形態の半導体デバイス2は、20K以下の温度で測定される第2のn型III族窒化物半導体層22のPL(フォトルミネッセンススペクトル)において、自由励起子発光ピーク強度IFに対するアクセプタ束縛励起子発光ピーク強度IAの強度比IA/IFが0.01以下、かつ、ドナー束縛励起子発光ピーク強度IDに対するアクセプタ束縛励起子発光ピーク強度IAの強度比IA/IDが0.35以下である。
図2および図3を参照して、本実施形態の半導体デバイス2は、支持基板10が、第1のn型III族窒化物半導体層21および第2のn型III族窒化物半導体層22の少なくとも一つと化学組成が異なる異組成基板の場合、たとえば、シリコン基板またはサファイア基板である場合は、第1のn型III族窒化物半導体層21および第2のn型III族窒化物半導体層22の品質を高くする観点から、支持基板10と第1のn型III族窒化物半導体層21との間にIII族窒化物バッファ層20が配置されていることが好ましい。
図1〜図3を参照して、本実施形態の半導体デバイス2は、半導体デバイス2としての機能を発現する観点から、第2のn型III族窒化物半導体層22上に第1の電極30が配置されていることが好ましい。
図1〜図3を参照して、本実施形態の半導体デバイス2は、半導体デバイス2としての機能を発現する観点から、支持基板10上(図1および図2)または第1のn型III族窒化物半導体層21上(図3)に第2の電極40が配置されていることが好ましい。
図1〜図3を参照して、本実施形態の半導体デバイス2は、その構造に特に制限はない。図1および図2に示すように、支持基板10がGaN基板やシリコン基板などの導電性を有する基板(導電性基板)およびIII族窒化物バッファ層20がn型GaN層やn型AlN層などの導電性を有する層(導電性層)の場合、第1の電極30と第2の電極40とがそれぞれ半導体デバイス2の一方の主面側と他方の主面側に配置される両側電極構造であってもよい。また、図3に示すように、支持基板10がサファイア基板などの導電性を有さない基板(絶縁性基板)またはIII族窒化物バッファ層が低温成長GaN層や低温成長AlN層などの導電性を有さない層(絶縁性層)の場合、第1の電極30と第2の電極40とがいずれも半導体デバイス2の一方の主面側に配置される片側電極構造であってもよい。
図1〜図3を参照して、本発明の別の実施形態である半導体デバイス2の製造方法は、支持基板10を準備する工程と、支持基板10の一主面側に第1のn型III族窒化物半導体層21を形成する工程と、第1のn型III族窒化物半導体層21上に、第1のn型III族窒化物半導体層21に比べてn型キャリア濃度が低い第2のn型III族窒化物半導体層22を形成することにより半導体層付基板1を形成する工程と、半導体層付基板1を含む半導体デバイス2を形成する工程と、を含む。ここで、半導体層付基板1および半導体デバイス2の少なくとも一つを用いて20K以下の温度で測定される第2のn型III族窒化物半導体層22のPL(フォトルミネッセンス)スペクトルにおいて、自由励起子発光ピーク強度IFに対するアクセプタ束縛励起子発光ピーク強度IAの強度比IA/IFが0.01以下、かつ、ドナー束縛励起子発光ピーク強度IDに対するアクセプタ束縛励起子発光ピーク強度IAの強度比IA/IDが0.35以下となるように、第2のn型III族窒化物半導体層22の形成条件を調整する。
図1〜図3を参照して、支持基板10を準備する工程において準備される支持基板10は、特に制限はないが、品質の高い第1のn型III族窒化物半導体層21および第2のn型III族窒化物半導体層22を有する半導体デバイス2を得るために、第1のn型III族窒化物半導体層21および第2のn型族窒化物半導体層22との結晶構造および/または格子定数の整合性が高い観点から、GaN基板、シリコン基板、およびサファイア基板の少なくとも一つを含むことが好ましく、GaN基板、シリコン基板、およびサファイア基板の一つであることがより好ましく、GaN基板であることがさらに好ましい。支持基板10は、反応炉100の反応室110内のサセプタ112上に配置される。
図1〜図3を参照して、支持基板10の一主面側に第1のn型III族窒化物半導体層21を形成する工程において、第1のn型III族窒化物半導体層21を形成する方法は、特に制限はないが、品質の高い第1のn型III族窒化物半導体層21を形成する観点から、MOCVD(有機金属化学気相堆積)法、HVPE(ハイドライド気相成長)法、MBE(分子線成長)法、昇華法などの気相法、高窒素圧溶液法、フラックス法などの液相法、アモノサーマル法などの超臨界流体法などが好ましい。さらに、第1のn型III族窒化物半導体層21のn型キャリア濃度および厚さの調節が容易な観点から、MOCVD法が特に好ましい。
図1〜図3を参照して、半導体層付基板1を形成する工程において、第1のn型III族窒化物半導体層21上に、第1のn型III族窒化物半導体層に比べてn型キャリア濃度が低い第2のn型III族窒化物半導体層22を形成する。
本実施形態の半導体デバイス2の製造方法においては、半導体層付基板1および半導体デバイス2の少なくとも1つを用いて20K以下の温度で測定される第2のn型III族窒化物半導体層22のPL(フォトルミネッセンス)スペクトルにおいて、自由励起子発光ピーク強度IFに対するアクセプタ束縛励起子発光ピーク強度IAの強度比IA/IFが0.01以下、かつ、ドナー束縛励起子発光ピーク強度IDに対するアクセプタ束縛励起子発光ピーク強度IAの強度比IA/IDが0.35以下となるように、第2のn型III族窒化物半導体層22の形成条件を調整する。かかる形成条件の調整により、第2のn型III族窒化物半導体層22の品質がよく、特に第2のn型III族窒化物半導体層22の電子移動度が高い半導体デバイス2が得られる。
図1〜図3を参照して、本発明のさらに別の実施形態である半導体デバイス2の評価方法は、支持基板10と、支持基板10の一主面側に配置された第1のn型III族窒化物半導体層21と、第1のn型III族窒化物半導体層21上に配置されかつ第1のn型III族窒化物半導体層21に比べてn型キャリア濃度が低い第2のn型III族窒化物半導体層22と、を含む半導体層付基板1を含む半導体デバイス2の評価方法である。ここで、半導体層付基板1および半導体デバイス2の少なくとも一つを用いて、20K以下の温度で第2のn型III族窒化物半導体層22のPL(フォトルミネッセンス)スペクトルを測定して、自由励起子発光ピーク強度IFに対するアクセプタ束縛励起子発光ピーク強度IAの強度比IA/IFが0.01以下、かつ、ドナー束縛励起子発光ピーク強度IDに対するアクセプタ束縛励起子発光ピーク強度IAの強度比IA/IDが0.35以下を良品の基準とする。
1.支持基板の準備
図1を参照して、支持基板10として、HVPE法により形成した直径が10cmで厚さが400μmでn型キャリア濃度が2×1018cm-3のn+型GaN基板を準備した。
図1を参照して、次に、準備した支持基板10上に、MOCVD法により、第1のn型III族窒化物半導体層21として、厚さが1μmでn型キャリア濃度が2×1018cm-3のn+型GaN層を形成した。ここで、第1のn型III族窒化物半導体層21のn型キャリア濃度は、C−V(容量−電圧)測定法により測定した。かかる第1のn型III族窒化物半導体層21の形成条件としては、図4を参照して、3層流Fの原料ガスの内、支持基板10の主面に対して、最も近くの領域を流れる第1の層流F1は、窒素原料ガスであるNH3ガスの流量が12.0slm(ここで、1slmは標準状態のガスが1分間に1リットル流れる量をいう。以下同じ。)であり、キャリアガスであるH2ガスの流量が7.4slmであった。第1の層流F1に比べて遠くの領域を流れる第2の層流F2は、III族元素原料ガスであるTMG(トリメチルガリウム)ガスの流量が36.0sccm(ここで、1sccmは標準状態のガスが1分間に1cm3流れる量をいう。以下同じ。)であり、不純物原料ガスであるSiH4(シラン)ガスの流量が34.4sccmであり、キャリアガスであるH2ガスの流量が29.0slmであった。第2の層流F2比べて遠くの領域を流れる第3の層流F3は、サブフローガスであり、N2ガスの流量が1.5slmであり、NH3ガスの流量が48slmであった。このとき、原料ガス中におけるIII族元素原子モル数AIIIに対する窒素原子モル数ANのモル比AN/AIIIは、600であった。また、第1のn型III族窒化物半導体層21の成長は、成長温度が1130℃であり、成長圧力が101kPaであり、成長速度は3.4μm/hであった。
図1を参照して、次に、第1のn型III族窒化物半導体層21上に、MOCVD法により、第2のn型III族窒化物半導体層22として、厚さが7μmでn型キャリア濃度が5×1015cm-3のn-型GaN層を形成した。ここで、第2のn型III族窒化物半導体層22のn型キャリア濃度は、C−V測定法により測定した。かかる第2のn型III族窒化物半導体層22の形成条件としては、図4を参照して、3層流Fの原料ガスの内、支持基板10の主面に対して、最も近くの領域を流れる第1の層流F1は、窒素原料ガスであるNH3ガスの流量が12.0slmであり、キャリアガスであるH2ガスの流量が7.4slmであった。第1の層流F1に比べて遠くの領域を流れる第2の層流F2は、III族元素原料ガスであるTMG(トリメチルガリウム)ガスの流量が36.0sccm(ここで、1sccmは標準状態のガスが1分間に1cm3流れる量をいう。以下同じ。)であり、不純物原料ガスであるSiH4(シラン)ガスの流量が0.086sccmであり、キャリアガスであるH2ガスの流量が29.0slmであった。第2の層流F2比べて遠くの領域を流れる第3の層流F3は、サブフローガスであり、N2ガスの流量が1.5slmであり、NH3ガスの流量が68slmであった。このとき、原料ガス中におけるIII族元素原子モル数AIIIに対する窒素原子モル数ANのモル比AN/AIIIは、8000であった。また、第2のn型III族窒化物半導体層22の成長は、成長温度が1130℃であり、成長圧力が101kPaであり、成長速度は3.4μm/hであった。その後、支持基板10の裏側の主面(第1のn型III族窒化物半導体層21および第2のn型III族窒化物半導体層22が形成されていない側の主面をいう。以下同じ。)を研磨し、支持基板10の厚さを200μmとした。
図1を参照して、次に、得られた半導体層付基板1の第2のn型III族窒化物半導体層22のPLスペクトルを4Kの温度雰囲気下で測定した。得られたPLスペクトルから、自由励起子発光ピーク強度IF、ドナー束縛励起子発光ピーク強度ID、アクセプタ束縛励起子発光ピーク強度IA、強度比IA/IFおよび強度比IA/IDを算出した。強度比IA/IFは0.010であり、強度比IA/IDは0.350であった。
図1を参照して、次に、得られた半導体層付基板1の第2のn型III族窒化物半導体層22の主面上に、電子ビーム蒸着法により、第1の電極30として、厚さが50nmのNi層と厚さが300nmのAu層とがこの順に積層された直径が200μmの円板状のNi/Au電極を形成した。第1の電極30は、TLM(伝送線路モデル)法により評価したところ、第2のn型III族窒化物半導体層22とショットキー接触をしていた。
図1を参照して、得られた半導体デバイス2について、第2のn型III族窒化物半導体層22の電子移動度は、別途、第2のn型III族窒化物半導体層22の膜厚のみを変更した試料を3つ以上用意し、そのオン抵抗の膜厚依存性から算出したところ、1050cm2・V-1・s-1であった。順方向電圧は、I−V(電流−電圧)測定法により測定したところ、1.43Vであった。オン抵抗は、I−V測定法により測定したところ、電流密度が500A/cm2のとき、1.06Ω・cm2であった。逆方向耐電圧は、I−V測定法により測定したところ、650Vであった。結果を表1にまとめた。
1.半導体層付基板の形成
第2のn型III族窒化物半導体層の形成条件について、3層流の原料ガスの内、第1の層流は、窒素原料ガスであるNH3ガスの流量を12.0slmとし、キャリアガスであるH2ガスの流量を7.4slmとし、第2の層流は、III族元素原料ガスであるTMGガスの流量を18.0sccmとし、不純物原料ガスであるSiH4ガスの流量を0.043sccmとし、キャリアガスであるH2ガスの流量を29.0slmとし、第3の層流は、サブフローガスであり、N2ガスの流量を1.5slmとし、NH3ガスの流量を68slmとしたこと以外は、実施例1と同様にして、半導体層付基板を形成した。このとき、原料ガス中におけるIII族元素原子モル数AIIIに対する窒素原子モル数ANのモル比AN/AIIIは、16000であった。第2のn型III族窒化物半導体層22の成長速度は1.7μm/hであった。第2のn型III族窒化物半導体層22のn型キャリア濃度は5×1015cm-3であった。
次に、得られた半導体層付基板の第2のn型III族窒化物半導体層のPLスペクトルを、実施例1と同様にして測定した。得られたPLスペクトルから算出された強度比IA/IFは0.0075であり、強度比IA/IDは0.250であった。
次に、実施例1と同様にして、得られた半導体層付基板1に第1の電極および第2の電極を形成することにより、半導体デバイスとしてSBDを得た。
得られた半導体デバイスについて、その特性を実施例1と同様にして測定したところ、第2のn型III族窒化物半導体層22の電子移動度は1100cm2・V-1・s-1であり、順方向電圧は1.40Vであり、オン抵抗は、電流密度が500A/cm2のとき、1.00mΩ・cm2であり、逆方向耐電圧は650Vであった。結果を表1にまとめた。
1.半導体層付基板の形成
第2のn型III族窒化物半導体層の形成条件について、3層流の原料ガスの内、第1の層流は、窒素原料ガスであるNH3ガスの流量を12.0slmとし、キャリアガスであるH2ガスの流量を7.4slmとし、第2の層流は、III族元素原料ガスであるTMGガスの流量を36.0sccmとし、不純物原料ガスであるSiH4ガスの流量を0.086sccmとし、キャリアガスであるH2ガスの流量を29.0slmとし、第3の層流は、サブフローガスであり、N2ガスの流量を34.5slmとし、NH3ガスの流量を0slmとしたこと以外は、実施例1と同様にして、半導体層付基板を形成した。このとき、原料ガス中におけるIII族元素原子モル数AIIIに対する窒素原子モル数ANのモル比AN/AIIIは、1200であった。第2のn型III族窒化物半導体層22の成長速度は3.4μm/hであった。第2のn型III族窒化物半導体層22のn型キャリア濃度は5×1015cm-3であった。
次に、得られた半導体層付基板の第2のn型III族窒化物半導体層のPLスペクトルを、実施例1と同様にして測定した。得られたPLスペクトルから算出された強度比IA/IFは0.025であり、強度比IA/IDは0.833であった。
次に、実施例1と同様にして、得られた半導体層付基板1に第1の電極および第2の電極を形成することにより、半導体デバイスとしてSBDを得た。
得られた半導体デバイスについて、その特性を実施例1と同様にして測定したところ、第2のn型III族窒化物半導体層22の電子移動度は930cm2・V-1・s-1であり、順方向電圧は1.50Vであり、オン抵抗は、電流密度が500A/cm2のとき、1.20mΩ・cm2であり、逆方向耐電圧は650Vであった。結果を表1にまとめた。
1.半導体層付基板の形成
第2のn型III族窒化物半導体層の形成条件について、3層流の原料ガスの内、第1の層流は、窒素原料ガスであるNH3ガスの流量を12.0slmとし、キャリアガスであるH2ガスの流量を7.4slmとし、第2の層流は、III族元素原料ガスであるTMGガスの流量を18.0sccmとし、不純物原料ガスであるSiH4ガスの流量を0.043sccmとし、キャリアガスであるH2ガスの流量を29.0slmとし、第3の層流は、サブフローガスであり、N2ガスの流量を34.5slmとし、NH3ガスの流量を0slmとしたこと以外は、実施例1と同様にして、半導体層付基板を形成した。このとき、原料ガス中におけるIII族元素原子モル数AIIIに対する窒素原子モル数ANのモル比AN/AIIIは、2400であった。第2のn型III族窒化物半導体層22の成長速度は1.7μm/hであった。第2のn型III族窒化物半導体層22のn型キャリア濃度は5×1015cm-3であった。
次に、得られた半導体層付基板の第2のn型III族窒化物半導体層のPLスペクトルを、実施例1と同様にして測定した。得られたPLスペクトルから算出された強度比IA/IFは0.0125であり、強度比IA/IDは0.416であった。
次に、実施例1と同様にして、得られた半導体層付基板1に第1の電極および第2の電極を形成することにより、半導体デバイスとしてSBDを得た。
得られた半導体デバイスについて、その特性を実施例1と同様にして測定したところ、第2のn型III族窒化物半導体層22の電子移動度は1000cm2・V-1・s-1であり、順方向電圧は1.46Vであり、オン抵抗は、電流密度が500A/cm2のとき、1.12mΩ・cm2であり、逆方向耐電圧は650Vであった。結果を表1にまとめた。
1.半導体層付基板の形成
第2のn型III族窒化物半導体層の形成条件について、3層流の原料ガスの内、第1の層流は、窒素原料ガスであるNH3ガスの流量を12.0slmとし、キャリアガスであるH2ガスの流量を7.4slmとし、第2の層流は、III族元素原料ガスであるTMGガスの流量を36.0sccmとし、不純物原料ガスであるSiH4ガスの流量を0.34sccmとし、キャリアガスであるH2ガスの流量を29.0slmとし、第3の層流は、サブフローガスであり、N2ガスの流量を1.5slmとし、NH3ガスの流量を68slmとしたこと以外は、実施例1と同様にして、半導体層付基板を形成した。このとき、原料ガス中におけるIII族元素原子モル数AIIIに対する窒素原子モル数ANのモル比AN/AIIIは、8000であった。第2のn型III族窒化物半導体層22の成長速度は3.4μm/hであった。第2のn型III族窒化物半導体層22のn型キャリア濃度は2×1016cm-3であった。
次に、得られた半導体層付基板の第2のn型III族窒化物半導体層のPLスペクトルを、実施例1と同様にして測定した。得られたPLスペクトルから算出された強度比IA/IFは0.010であり、強度比IA/IDは0.083であった。
次に、実施例1と同様にして、得られた半導体層付基板1に第1の電極および第2の電極を形成することにより、半導体デバイスとしてSBDを得た。
得られた半導体デバイスについて、その特性を実施例1と同様にして測定したところ、第2のn型III族窒化物半導体層22の電子移動度は950cm2・V-1・s-1であり、順方向電圧は1.13Vであり、オン抵抗は、電流密度が500A/cm2のとき、0.46mΩ・cm2であり、逆方向耐電圧は500Vであった。結果を表1にまとめた。
1.半導体層付基板の形成
第2のn型III族窒化物半導体層の形成条件について、3層流の原料ガスの内、第1の層流は、窒素原料ガスであるNH3ガスの流量を12.0slmとし、キャリアガスであるH2ガスの流量を7.4slmとし、第2の層流は、III族元素原料ガスであるTMGガスの流量を18.0sccmとし、不純物原料ガスであるSiH4ガスの流量を0.17sccmとし、キャリアガスであるH2ガスの流量を29.0slmとし、第3の層流は、サブフローガスであり、N2ガスの流量を1.5slmとし、NH3ガスの流量を68slmとしたこと以外は、実施例1と同様にして、半導体層付基板を形成した。このとき、原料ガス中におけるIII族元素原子モル数AIIIに対する窒素原子モル数ANのモル比AN/AIIIは、16000であった。第2のn型III族窒化物半導体層22の成長速度は1.7μm/hであった。第2のn型III族窒化物半導体層22のn型キャリア濃度は2×1016cm-3であった。
次に、得られた半導体層付基板の第2のn型III族窒化物半導体層のPLスペクトルを、実施例1と同様にして測定した。得られたPLスペクトルから算出された強度比IA/IFは0.0075であり、強度比IA/IDは0.063であった。
次に、実施例1と同様にして、得られた半導体層付基板1に第1の電極および第2の電極を形成することにより、半導体デバイスとしてSBDを得た。
得られた半導体デバイスについて、その特性を実施例1と同様にして測定したところ、第2のn型III族窒化物半導体層22の電子移動度は1000cm2・V-1・s-1であり、順方向電圧は1.10Vであり、オン抵抗は、電流密度が500A/cm2のとき、0.40mΩ・cm2であり、逆方向耐電圧は500Vであった。結果を表1にまとめた。
1.半導体層付基板の形成
第2のn型III族窒化物半導体層の形成条件について、3層流の原料ガスの内、第1の層流は、窒素原料ガスであるNH3ガスの流量を12.0slmとし、キャリアガスであるH2ガスの流量を7.4slmとし、第2の層流は、III族元素原料ガスであるTMGガスの流量を36.0sccmとし、不純物原料ガスであるSiH4ガスの流量を0.34sccmとし、キャリアガスであるH2ガスの流量を29.0slmとし、第3の層流は、サブフローガスであり、N2ガスの流量を34.5slmとし、NH3ガスの流量を0slmとしたこと以外は、実施例1と同様にして、半導体層付基板を形成した。このとき、原料ガス中におけるIII族元素原子モル数AIIIに対する窒素原子モル数ANのモル比AN/AIIIは、1200であった。第2のn型III族窒化物半導体層22の成長速度は3.4μm/hであった。第2のn型III族窒化物半導体層22のn型キャリア濃度は2×1016cm-3であった。
次に、得られた半導体層付基板の第2のn型III族窒化物半導体層のPLスペクトルを、実施例1と同様にして測定した。得られたPLスペクトルから算出された強度比IA/IFは0.025であり、強度比IA/IDは0.208であった。
次に、実施例1と同様にして、得られた半導体層付基板1に第1の電極および第2の電極を形成することにより、半導体デバイスとしてSBDを得た。
得られた半導体デバイスについて、その特性を実施例1と同様にして測定したところ、第2のn型III族窒化物半導体層22の電子移動度は830cm2・V-1・s-1であり、順方向電圧は1.20Vであり、オン抵抗は、電流密度が500A/cm2のとき、0.60mΩ・cm2であり、逆方向耐電圧は500Vであった。結果を表1にまとめた。
1.半導体層付基板の形成
第2のn型III族窒化物半導体層の形成条件について、3層流の原料ガスの内、第1の層流は、窒素原料ガスであるNH3ガスの流量を12.0slmとし、キャリアガスであるH2ガスの流量を7.4slmとし、第2の層流は、III族元素原料ガスであるTMGガスの流量を18.0sccmとし、不純物原料ガスであるSiH4ガスの流量を0.17sccmとし、キャリアガスであるH2ガスの流量を29.0slmとし、第3の層流は、サブフローガスであり、N2ガスの流量を34.5slmとし、NH3ガスの流量を0slmとしたこと以外は、実施例1と同様にして、半導体層付基板を形成した。このとき、原料ガス中におけるIII族元素原子モル数AIIIに対する窒素原子モル数ANのモル比AN/AIIIは、2400であった。第2のn型III族窒化物半導体層22の成長速度は1.7μm/hであった。第2のn型III族窒化物半導体層22のn型キャリア濃度は2×1016cm-3であった。
次に、得られた半導体層付基板の第2のn型III族窒化物半導体層のPLスペクトルを、実施例1と同様にして測定した。得られたPLスペクトルから算出された強度比IA/IFは0.0125であり、強度比IA/IDは0.104であった。
次に、実施例1と同様にして、得られた半導体層付基板1に第1の電極および第2の電極を形成することにより、半導体デバイスとしてSBDを得た。
得られた半導体デバイスについて、その特性を実施例1と同様にして測定したところ、第2のn型III族窒化物半導体層22の電子移動度は900cm2・V-1・s-1であり、順方向電圧は1.16Vであり、オン抵抗は、電流密度が500A/cm2のとき、0.52mΩ・cm2であり、逆方向耐電圧は500Vであった。結果を表1にまとめた。
2 半導体デバイス
10 支持基板
20 III族窒化物バッファ層
21 第1のn型III族窒化物半導体層
22 第2のn型III族窒化物半導体層
30 第1の電極
40 第2の電極
100 反応炉
110 反応室
112 サセプタ
F 3層流
F1 第1の層流
F2 第2の層流
F3 第3の層流
IA アクセプタ束縛励起子発光ピーク強度
ID ドナー束縛励起子発光ピーク強度
IF 自由励起子発光ピーク強度
PA アクセプタ束縛励起子発光ピーク
PD ドナー束縛励起子発光ピーク
PF 自由励起子発光ピーク
PFH 自由重正孔励起子発光ピーク
PFL 自由軽正孔励起子発光ピーク
Claims (10)
- 支持基板を準備する工程と、
前記支持基板の一主面側に第1のn型III族窒化物半導体層を形成する工程と、
前記第1のn型III族窒化物半導体層上に、前記第1のn型III族窒化物半導体層に比べてn型キャリア濃度が低い第2のn型III族窒化物半導体層を形成することにより半導体層付基板を形成する工程と、前記半導体層付基板を含む半導体デバイスを形成する工程と、を含み、
前記半導体層付基板および前記半導体デバイスの少なくとも一つを用いて20K以下の温度で測定される前記第2のn型III族窒化物半導体層のフォトルミネッセンススペクトルにおいて、自由励起子発光ピーク強度IFに対するアクセプタ束縛励起子発光ピーク強度IAの強度比IA/IFが0.01以下、かつ、ドナー束縛励起子発光ピーク強度IDに対するアクセプタ束縛励起子発光ピーク強度IAの強度比IA/IDが0.35以下となるように、前記第2のn型III族窒化物半導体層の形成条件を調整する半導体デバイスの製造方法。 - 前記第2のn型III族窒化物半導体層を形成する際の原料について、III族元素原子モル数AIIIに対する窒素原子モル数ANのモル比AN/AIIIが5000以上になるように前記第2のn型III族窒化物半導体層の形成条件を調整する請求項1に記載の半導体デバイスの製造方法。
- 前記第2のn型III族窒化物半導体層を形成する際の層形成速度が3μm/h以下となるように前記第2のn型III族窒化物半導体層の形成条件を調整する請求項1または請求項2に記載の半導体デバイスの製造方法。
- 前記第2のn型III族窒化物半導体層を形成する際に、前記第2のn型III族窒化物半導体層の電子移動度が950cm2・V-1・s-1以上となるように、前記第2のn型III族窒化物半導体層の形成条件を調整する請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の半導体デバイスの製造方法。
- 前記第2のn型III族窒化物半導体層を形成する際に、前記第2のn型III族窒化物半導体層のn型キャリア濃度が2×1015cm-3以上5×1016cm-3以下となるように、前記第2のn型III族窒化物半導体層の形成条件を調整する請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の半導体デバイスの製造方法。
- 前記第1のn型III族窒化物半導体層を形成する際に、前記第1のn型III族窒化物半導体層のn型キャリア濃度が1×1018cm-3以上5×1018cm-3以下となるように、前記第1のn型III族窒化物半導体層の形成条件を調整する請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の半導体デバイスの製造方法。
- 前記第2のn型III族窒化物半導体層を形成する際に、前記強度比IA/IFが0.0075以下、かつ、前記強度比IA/IDが0.25以下となるように、前記第2のn型III族窒化物半導体層の形成条件を調整する請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の半導体デバイスの製造方法。
- 前記支持基板は、GaN基板、シリコン基板、およびサファイア基板の少なくとも一つを含む請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の半導体デバイスの製造方法。
- 前記第2のn型III族窒化物半導体層を形成する際に、原料ガスを3層流とし、前記3層流の内、前記第1のn型III族窒化物半導体層の主面に対して、最も近くの領域を流れる第1の層流は窒素原料ガスとしてアンモニアガスを含み、前記第1の層流に比べて遠くの領域を流れる第2の層流はIII族元素原料ガスを含み、前記第2の層流に比べて遠くの領域を流れる第3の層流はサブフローガスとしてアンモニアガスを含む請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の半導体デバイスの製造方法。
- 支持基板と、前記支持基板の一主面側に配置された第1のn型III族窒化物半導体層と、前記第1のn型III族窒化物半導体層上に配置されかつ前記第1のn型III族窒化物半導体層に比べてn型キャリア濃度が低い第2のn型III族窒化物半導体層と、を含む半導体層付基板を含む半導体デバイスの評価方法であって、
前記半導体層付基板および前記半導体デバイスの少なくとも一つを用いて、20K以下の温度で前記第2のn型III族窒化物半導体層のフォトルミネッセンススペクトルを測定して、自由励起子発光ピーク強度IFに対するアクセプタ束縛励起子発光ピーク強度IAの強度比IA/IFが0.01以下、かつ、ドナー束縛励起子発光ピーク強度IDに対するアクセプタ束縛励起子発光ピーク強度IAの強度比IA/IDが0.35以下を良品の基準とする半導体デバイスの評価方法。
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