JP6242941B2 - Iii族窒化物半導体及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本開示のIII族窒化物半導体は、RAMO4基板と、当該基板上に形成されたバッファ層と、バッファ層上に形成されたIII族窒化物結晶とを含む構造を有する。本開示のIII族窒化物半導体は、バッファ層が、InおよびIII族元素の窒化物を含むことを特徴とする。
本開示のIII族窒化物半導体の製造方法は特に制限されない。例えばバッファ層102およびIII族窒化物結晶103は、MOCVD法(MetalOrganic Chemical Vapor Deposition:有機金属気相成長法)により、ScAlMgO4基板101上に、III族窒化物をエピタキシャル成長させる方法とすることができる。
なお、本開示のIII族窒化物半導体では、上述のScAlMgO4基板101を一般式RAMO4で表されるほぼ単一結晶材料で構成してもよい。上記一般式において、Rは、Sc、In、Y、およびランタノイド系元素(原子番号67〜71で表される元素)から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、Aは、Fe(III)、Ga、およびAlから選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、MはMg、Mn、Fe(II)、Co、Cu、Zn、およびCdから選択される一つまたは複数の二価の元素を表す。なお、ほぼ単一結晶材料とは、エピタキシャル成長面を構成するRAMO4が90atm%以上含まれ、かつ、任意の結晶軸に注目したとき、エピタキシャル成長面のどの部分においてもその向きが同一であるような結晶質固体をいう。ただし、局所的に結晶軸の向きが変わっているものや、局所的な格子欠陥が含まれるものも、単結晶として扱う。なお、Oは酸素である。ただし、上記の通り、RはSc、AはAl、MはMgとするのが望ましい。
実施例1として、ScAlMgO4基板101と、当該ScAlMgO4基板101上に形成され、3atm%のInを含み、かつ膜厚20nmの非晶質または多結晶のInGaNからなるバッファ層102と、当該バッファ層102上に形成され、GaNの単結晶からなる膜厚2μmのIII族窒化物結晶103と、を有するIII族窒化物半導体を作製した。なお、III族窒化物半導体は、前述の製造方法により作製し、III族窒化物結晶103成膜時の成長速度は3μm/時とした。
上記実施例1において、Mgの拡散が抑制されていることを確認するため、比較用のIII族窒化物半導体を準備した。比較用のIII族窒化物半導体(以下、「比較用半導体」とも称する)の構成を図4に示す。当該比較用半導体200として、ScAlMgO4基板101と、当該ScAlMgO4基板101上に形成された、Inを含まない膜厚20nmのGaNアモルファス層202と、当該GaNアモルファス層202上に形成され、膜厚2μmのGaNからなるIII族窒化物結晶203と、を有するIII族窒化物半導体を作製した。比較用半導体200のIII族窒化物結晶203は、GaNアモルファス層202を介して、ScAlMgO4基板101上にエピタキシャル成長により形成された層である。
比較用半導体について、SIMS分析(2次イオン質量分析)を行った結果を図5に示す。当該SIMS分析によれば、ScAlMgO4基板101からIII族窒化物結晶203中へのMg拡散が確認できる。図5の縦軸は、SIMS分析で測定されたMgの強度(arb.Units)、すなわちMgの濃度を示し、横軸はIII族窒化物結晶203の表面203a側からの深さ(μm)を示す。ここでは、III族窒化物結晶203の、GaNアモルファス層202近傍の領域のデータを測定するために、膜厚2μmのIII族窒化物結晶203を表面203aからエッチングすることで0.25μmまで厚みを減らした後に、SIMS分析を実施している。図5のグラフに示すように、比較用半導体200のIII族窒化物結晶203では、ScAlMgO4基板101に近いほどMg濃度が高くなっている。つまり、比較用半導体200では、ScAlMgO4基板101からIII族窒化物結晶203へのMg拡散が生じている。そして、当該比較用半導体200では、III族窒化物結晶203のMg強度が最も高い位置から、Mg強度がその1/10となるまで、厚み177nm程度必要であった。
実施例2として、ScAlMgO4基板101と、当該ScAlMgO4基板101上に形成され、1.5atm%のInを含み、かつ膜厚20nmの非晶質または多結晶のInGaNからなるバッファ層102と、当該バッファ層102上に形成され、GaNの単結晶からなる、膜厚2μmのIII族窒化物結晶103と、を有するIII族窒化物半導体を作製した。
実施例3として、ScAlMgO4基板101と、当該ScAlMgO4基板101上に形成され、3atm%のInを含み、かつ膜厚10nmの非晶質または多結晶のInGaNからなるバッファ層102と、当該バッファ層102上に形成され、GaNの単結晶からなる、膜厚2μmのIII族窒化物結晶103と、を有するIII族窒化物半導体を作製した。
第4の実施形態のIII族窒化物半導体は、ScAlMgO4基板101と、当該ScAlMgO4基板101上に形成され、1atm%のIn及び3atm%のAlを含み、かつ厚み10nmの非晶質または多結晶のInGaAlNからなるバッファ層102と、当該バッファ層102上に形成されたGaNの単結晶からなる、膜厚2μmのIII族窒化物結晶103と、を有する。
なお、実施例1〜4において、Mgは、本来、ScAlMgO4基板101からIII族窒化物結晶103側へ向かって拡散しようとするものであるから、III族窒化物結晶103中のMgの濃度は、バッファ層102側から表面103a側に向かうにつれ減少する。このため、III族窒化物結晶103の表面103aのMgの濃度は、バッファ層102側に位置する領域のMgの濃度よりも低くなる。
101 ScAlMgO4基板
102 バッファ層
103 III族窒化物結晶
Claims (14)
- 一般式RAMO4で表される単結晶体(一般式において、Rは、Sc、In、Y、およびランタノイド系元素からなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、Aは、Fe(III)、Ga、およびAlからなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、Mは、Mg、Mn、Fe(II)、Co、Cu、Zn、およびCdからなる群から選択される一つまたは複数の二価の元素を表す)からなるRAMO4基板と、
前記RAMO4基板上に形成され、InおよびIn以外のIII族元素の窒化物を含む層と、
前記InおよびIn以外のIII族元素の窒化物を含む層上に形成された、III族窒化物結晶と、を有し、
前記InおよびIn以外のIII族元素の窒化物を含む層は、前記一般式にてMで表される元素の、前記RAMO 4 基板側から前記III族窒化物結晶側への拡散を抑制するための、バリア能を有する層である、
III族窒化物半導体。 - 一般式RAMO 4 で表される単結晶体(一般式において、Rは、Sc、In、Y、およびランタノイド系元素からなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、Aは、Fe(III)、Ga、およびAlからなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、Mは、Mg、Mn、Fe(II)、Co、Cu、Zn、およびCdからなる群から選択される一つまたは複数の二価の元素を表す)からなるRAMO 4 基板と、
前記RAMO 4 基板上に形成され、InおよびIn以外のIII族元素の窒化物を含む層と、
前記InおよびIn以外のIII族元素の窒化物を含む層上に形成された、III族窒化物結晶と、を有し、
前記InおよびIn以外のIII族元素の窒化物を含む層は、Inを0.5atm%以上含む、III族窒化物半導体。 - 前記RはSc、前記AはAl、前記MはMgである、
請求項1又は2に記載のIII族窒化物半導体。 - 前記InおよびIn以外のIII族元素の窒化物を含む層は、Alを更に含む、
請求項1〜3のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体。 - 前記III族窒化物結晶は、GaNである、
請求項1〜4のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体。 - 前記InおよびIn以外のIII族元素の窒化物を含む層の厚みは、5nm以上かつ1000nm以下である、
請求項1〜5のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体。 - 前記III族窒化物結晶の表面における前記一般式にてMで表わされる元素の濃度が、前記III族窒化物結晶の前記InおよびIn以外のIII族元素の窒化物を含む層側の領域における前記Mで表される元素の濃度より低い、
請求項1〜6のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体。 - 前記III族窒化物結晶の表面における前記Mで表される元素の濃度が、前記III族窒化物結晶と前記InおよびIn以外のIII族元素の窒化物を含む層との界面における前記Mで表される元素の濃度より1桁以上低い、
請求項7に記載のIII族窒化物半導体。 - 前記InおよびIn以外のIII族元素の窒化物を含む層は、Inを1atm%以上3atm%以下含む、
請求項1〜8のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体。 - 一般式RAMO4で表される単結晶体(一般式において、Rは、Sc、In、Y、およびランタノイド系元素からなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、Aは、Fe(III)、Ga、およびAlからなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、Mは、Mg、Mn、Fe(II)、Co、Cu、Zn、およびCdからなる群から選択される一つまたは複数の二価の元素を表す)からなるRAMO4基板を準備する工程と、
InおよびIn以外のIII族元素の窒化物を含む層を前記RAMO4基板上に形成する工程と、
前記InおよびIn以外のIII族元素の窒化物を含む層上にIII族窒化物結晶を形成する工程と、を含み、
前記InおよびIn以外のIII族元素の窒化物を含む層は、前記一般式にてMで表される元素の、前記RAMO 4 基板側から前記III族窒化物結晶側への拡散を抑制するための、バリア能を有する層である、III族窒化物半導体の製造方法。 - 一般式RAMO 4 で表される単結晶体(一般式において、Rは、Sc、In、Y、およびランタノイド系元素からなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、Aは、Fe(III)、Ga、およびAlからなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、Mは、Mg、Mn、Fe(II)、Co、Cu、Zn、およびCdからなる群から選択される一つまたは複数の二価の元素を表す)からなるRAMO 4 基板を準備する工程と、
InおよびIn以外のIII族元素の窒化物を含む層を前記RAMO 4 基板上に形成する工程と、
前記InおよびIn以外のIII族元素の窒化物を含む層上にIII族窒化物結晶を形成する工程と、を含み、
前記InおよびIn以外のIII族元素の窒化物を含む層は、Inを0.5atm%以上含む、III族窒化物半導体の製造方法。 - 前記InおよびIn以外のIII族元素の窒化物を含む層は、Alを更に含む、
請求項10又は11に記載のIII族窒化物半導体の製造方法。 - 前記RはSc、前記AはAl、前記MはMgである、
請求項10〜12のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体の製造方法。 - 前記III族窒化物結晶は、GaNである、
請求項10〜13のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体の製造方法。
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