JP6783990B2 - Iii族窒化物半導体素子の製造方法および基板の製造方法 - Google Patents
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Description
1.第1の半導体素子(半導体発光素子)
本実施形態の発光素子100の概略構成を図1に示す。発光素子100は、フェイスアップ型の半導体発光素子である。発光素子100は、III 族窒化物半導体から成る複数の半導体層を有する。図1に示すように、発光素子100は、基板110と、GaN層120と、n型コンタクト層130と、n側静電耐圧層140と、n側超格子層150と、発光層160と、p側超格子層170と、p型コンタクト層180と、透明電極TE1と、p電極P1と、n電極N1と、を有している。
図2は、本実施形態の製造装置1000の概略構成を示す図である。製造装置1000は、成長基板の上に半導体層をエピタキシー成長させるMOCVD炉である。製造装置1000は、気相成長装置の一種である。製造装置1000は、サセプター1110と、加熱器1120と、回転軸1130と、チャンバー1200と、ノズル1410と、吸引部1420と、制御部1500と、を有している。
ここで、本実施形態の発光素子100の製造方法について説明する。本実施形態の発光素子100の製造方法は、基板110を形成するためのバッファ層の形成工程に特徴点を有する。本実施形態では、有機金属化学気相成長法(MOCVD法)により、各半導体層の結晶をエピタキシャル成長させる。
図3に示すように、基板準備工程では、主面および主面の反対側の面が平面である平面基板S1を準備する。平面基板S1は第1面S1aおよび第2面S1bを有する。第1面S1aは主面である。第2面S1bは、第1面S1aの反対側の面である。第1面S1aおよび第2面S1bは平面である。
製造装置1000のサセプター1110に平面基板S1を配置する。次に、基板温度を1000℃以上に加熱する。そして、水素ガスをチャンバー1200の内部に供給する。これにより、平面基板S1の第1面S1aは洗浄されるとともに還元される。この工程において、チャンバー1200の内圧は大気圧である。減圧下であってもよい。
次に、図4に示すように平面基板S1の上にAl層A10を成膜する。そのために、製造装置1000のチャンバー1200の炉内を減圧する。製造装置1000の内圧は1kPa以上19kPa以下である。好ましくは、1kPa以上10kPa以下である。そして、基板温度を900℃以上1500℃以下まで上昇させる。この環境下でTMAを供給する。TMAはAlを含有する有機金属ガスである。TMAの供給速度は、1.0×10-4mol/min以上である。そして、平面基板S1の第1面S1aの上にAl層A10を形成する。もしくは、平面基板S1の表面にはAlドロップレットが形成されている。このように、平面基板S1の表面はAlリッチな状態が実現されている。これは、TMAを高速で供給しているためである。また、成長温度が高いほど、Alの再蒸発速度が高い。そのため、TMAの供給速度は速いほどよい。ただし実際には、TMAの供給速度は、50×10-4mol/min以下である。
次に、図5に示すように、Al層A10の表面層より平面基板側に位置するAl層A10の深層を窒化しないで金属Alバッファ層B11とする。つまり、この工程では、Al層A10の表面を窒化してAlNバッファ層B12とするとともに、Al層A10の深層を窒化しないで金属Alバッファ層B11とする。金属Alバッファ層B11は、Al層A10とほとんど同じ組成であると考えてよい。そして、TMAの供給を継続しつつNH3 を供給する。Alの融点は660℃近傍である。そのため、金属Alバッファ層B11は、溶融状態にある。また、このときAlは、この条件下では揮発しやすい。
この工程では、金属Alバッファ層B11を溶融状態としたままIII 族窒化物半導体層を成長させる。
次に、AlNバッファ層B12の上に基板110を形成する。このときの基板温度は、900℃以上1200℃以下の範囲内である。基板温度は、バッファ層形成工程と同じであることが好ましい。GaN層120の形成後に待ち時間なくすぐにn型コンタクト層130を形成できるからである。このときの製造装置1000の内圧は、減圧状態でも大気圧でもよい。
次に、基板110の上にGaN層120を形成する。このときの基板温度は、900℃以上1200℃以下の範囲内である。このときの製造装置1000の内圧は、減圧状態でも大気圧でもよい。
次に、GaN層120の上にn型コンタクト層130を形成する。このときの基板温度は、900℃以上1200℃以下の範囲内である。基板温度は、バッファ層形成工程と同じであることが好ましい。GaN層120の形成後に待ち時間なくすぐにn型コンタクト層130を形成できるからである。このときの製造装置1000の内圧は、減圧状態でも大気圧でもよい。これにより、n型コンタクト層130が形成される。
そして、n型コンタクト層130の上にn側静電耐圧層140を形成する。i−AlGaN層を形成するため、シラン(SiH4 )の供給を停止する。このときの基板温度は、750℃以上950℃以下の範囲内である。n型AlGaNを形成するため、再びシラン(SiH4 )を供給する。このときの基板温度は、i−AlGaN層を形成する温度と同じ温度、すなわち750℃以上950℃以下の範囲内である。このときの製造装置1000の内圧は、大気圧でよい。減圧下であってもよい。
次に、n側静電耐圧層140の上にn側超格子層150を形成する。例えば、InGaN層と、n型GaN層と、を繰り返し積層する。その際の基板温度は、700℃以上950℃以下の範囲内である。このときの製造装置1000の内圧は、大気圧でよい。減圧下であってもよい。
次に、n側超格子層150の上に発光層160を形成する。例えば、InGaN層と、GaN層と、AlGaN層と、を繰り返し積層する。このときの基板温度を、700℃以上900℃以下の範囲内とする。このときの製造装置1000の内圧は、大気圧でよい。減圧下であってもよい。
次に、発光層160の上にp側超格子層170を形成する。例えば、p型GaN層と、p型AlGaN層と、p型InGaN層と、を繰り返し積層する。ドーパントガスとして、ビス(シクロペンタジエニル)マグネシウム(Mg(C5 H5 )2 )を用いればよい。このときの製造装置1000の内圧は、大気圧でよい。減圧下であってもよい。
次に、p側超格子層170の上にp型コンタクト層180を形成する。また、キャリアガスとして、少なくとも水素ガスを供給する。これにより、p型コンタクト層180の表面平坦性は向上する。基板温度を、800℃以上1200℃以下の範囲内とする。これにより、図6に示すように、基板110に各半導体層が積層されることなる。このときの製造装置1000の内圧は、大気圧でよい。減圧下であってもよい。
次に、基板温度を室温まで冷却する。また、製造装置1000の内圧が減圧状態であった場合には、製造装置1000の内圧を大気圧まで戻す。このように基板温度を冷却すると、基板温度が660℃近傍で金属Alバッファ層B11は固化する。ただし、金属Alバッファ層B11が固化する温度は炉内の圧力にも依存する。そして、基板温度が660℃近傍から室温に戻る途中で、平面基板S1と金属Alバッファ層B11との境界面付近で、III 族窒化物半導体層と平面基板S1とが自然剥離する。平面基板S1とIII 族窒化物半導体層との間にある程度大きな熱膨張係数差がある。そのため、平面基板S1と半導体層との界面、すなわち金属Alバッファ層B11に大きな応力が加わる。この応力により金属Alバッファ層B11が破断し、III 族窒化物半導体層と平面基板S1とが剥離する。また、自然剥離しない場合であっても、作業者が容易にこれらを剥離させることができる。
次に、p型コンタクト層180の上に透明電極TE1を形成する。その際、スパッタリング技術を用いてもよいし、蒸着技術を用いてもよい。
そして、図7に示すように、レーザーもしくはエッチングにより、p型コンタクト層180の側から半導体層の一部を抉ってn型コンタクト層130を露出させる。そして、その露出箇所に、n電極N1を形成する。また、透明電極TE1の上にp電極P1を形成する。p電極P1の形成工程とn電極N1の形成工程は、いずれを先に行ってもよい。
また、上記の工程の他、絶縁膜で素子を覆う工程や熱処理工程等、その他の工程を実施してもよい。以上により、図1の発光素子100が製造される。
4−1.従来技術
TMAは、高温条件下で分解しやすい。そのため、図8に示すように、高温条件下ではAl原子の多くが平面基板S1の箇所までほとんど到達しない。つまり、Al原子の多くが平面基板S1の手前のサセプターやチャンバー内壁に堆積することで消費されてしまう。また、Al原子が平面基板S1に到達したとしても、平面基板S1の表面に一様にAl原子を供給することは困難である。したがって、平面基板S1の上にAl層を堆積させることは非常に難しい。
本実施形態では、チャンバー1200の内圧を1kPa以上19kPa以下とし、基板温度を900℃以上1500℃以下とし、Alを含有する有機金属ガスを1.0×10-4mol/min以上の供給速度で供給する。チャンバー1200の内圧が低いため、チャンバー1200の内部のガスの平均自由行程は長い。そのため、TMAは、分解消費される前に基板110の位置に到達する。
5−1.支持基板の材質
基板110の材質は、GaNである。しかし、基板110の材質は、AlGaNであってもよい。または、AlN、AlInGaN、InGaNであってもよい。
本実施形態の発光素子100は、フェイスアップ型の発光素子である。しかし、本明細書の技術をフリップチップ型の発光素子に適用することができる。
半導体層の積層構造は、上記以外であってもよい。例えば、GaN層120については省略してもよい。また、紫外発光の発光素子の場合には、n側静電耐圧層140等を省略してもよい。
上記の変形例を自由に組み合わせてもよい。
以上詳細に説明したように、本実施形態の発光素子100の製造方法は、平面基板S1の上にAl層A10を形成し、そのAl層A10の表面を窒化するとともにAlNバッファ層B12を形成する。Al層A10の深層は窒化せず金属Alバッファ層B11とする。このAlNバッファ層B12は、高温で成膜された高温AlNバッファ層である。高温AlNバッファ層の品質は安定しやすい。そのため、品質に優れた半導体発光素子が実現される。また、バッファ層の形成から半導体層の形成までの間に基板温度を昇降させる必要がない。そのため、この製造方法のサイクルタイムは短い。
第2の実施形態について説明する。
図9は、第2の実施形態のHEMT200の構造を示す概略構成図である。HEMT200は、GaN基板210と、下地層220と、キャリア走行層230と、キャリア供給層240と、ゲート電極GEと、ソース電極SEと、ドレイン電極DEと、を有する。ソース電極SEおよびドレイン電極DEは、キャリア供給層240の上に形成されている。
第3の実施形態について説明する。第3の実施形態では、第1の実施形態および第2の実施形態のように半導体素子まで製造することなく、基板を製造する。
この基板の製造方法は、平面基板を準備する平面基板準備工程と、平面基板の上にAl層を成膜するAl層成膜工程と、Al層の表面層を窒化してAlNバッファ層とするAlNバッファ層形成工程と、AlNバッファ層の上にIII 族窒化物半導体基板を形成する基板形成工程と、平面基板とIII 族窒化物半導体基板とを剥離させる剥離工程と、を有する。その他の製造条件は、第1の実施形態と同様である。
1.基板
平面基板としてサファイア基板を用いた。
MOCVD炉の内部で平面基板の上に高温AlNバッファ層を成膜した。基板温度は1080℃であった。炉内圧力は4kPaであった。この条件下でまず、NH3 を供給せずTMAを供給した。TMAの供給速度は、1.2×10-4mol/minであった。TMAの供給時間は2分であった。そして、TMAの供給を継続しつつNH3 を供給してAlNバッファ層を形成した。TMAおよびNH3 の供給時間は2分であった。
その後、基板温度をそのままに炉内圧力を1気圧に上昇させた。そして、高温AlNバッファ層の上に膜厚2μmのGaN層を成膜した。その後、基板温度を1150℃まで上昇させてGaN層の平坦化を図った。そして、さらに膜厚4μmのGaN層を成膜した。
図10は、本実験のGaN層の表面を示す写真である。図10に示すように、ウエハ上に黒色の箇所(実施例)とほぼ透明の箇所(変形例)とが形成されている。黒色の領域は、金属Alバッファ層が形成されている領域である。ほぼ透明の領域は、金属Alバッファ層が形成されていない領域である。ほぼ透明の領域は、図8に示すように、Al原子がこの領域に届かなかった領域である。黒色の領域では、GaN層が成長基板から自然に剥離している。
ここで、金属Alバッファ層B11に生じるボイドについて説明する。上記のように、サファイア基板の上に、金属Alバッファ層B11とAlNバッファ層B12とを順に形成した。そして、AlNバッファ層B12の上にIII 族窒化物半導体層を形成した。そのサンプルを透過型電子顕微鏡(TEM)で観察したところ、金属Alバッファ層B11の内部にボイドの発生が観察された。
第1の態様におけるIII 族窒化物半導体素子の製造方法は、平面基板を準備する平面基板準備工程と、平面基板の上にAl層を成膜するAl層成膜工程と、Al層の表面層を窒化してAlNバッファ層とするAlNバッファ層形成工程と、AlNバッファ層の上にIII 族窒化物半導体層を形成する半導体層形成工程と、平面基板とIII 族窒化物半導体層とを剥離させる剥離工程と、を有する。Al層成膜工程では、炉内の内圧を1kPa以上19kPa以下にするとともに平面基板の温度を900℃以上1500℃以下とし、Alを含有する有機金属ガスを1.0×10-4mol/min以上の供給速度で供給する。AlNバッファ層形成工程では、Al層の表面層より平面基板側に位置するAl層の深層を窒化しないで金属Alバッファ層とする。
110…基板
120…GaN層
130…n型コンタクト層
140…n側静電耐圧層
150…n側超格子層
160…発光層
170…p側超格子層
180…p型コンタクト層
N1…n電極
P1…p電極
200…HEMT
Claims (5)
- 平面基板を準備する平面基板準備工程と、
前記平面基板の上にAl層を成膜するAl層成膜工程と、
前記Al層の表面層を窒化してAlNバッファ層とするAlNバッファ層形成工程と、
前記AlNバッファ層の上にIII 族窒化物半導体層を形成する半導体層形成工程と、
前記平面基板と前記III 族窒化物半導体層とを剥離させる剥離工程と、
を有し、
前記Al層成膜工程では、
炉内の内圧を1kPa以上19kPa以下にするとともに前記平面基板の温度を900℃以上1500℃以下とし、
Alを含有する有機金属ガスを1.0×10-4mol/min以上の供給速度で供給し、
前記AlNバッファ層形成工程では、
前記Al層の前記表面層より前記平面基板側に位置する前記Al層の深層を窒化しないで金属Alバッファ層とすること
を特徴とするIII 族窒化物半導体素子の製造方法。 - 請求項1に記載のIII 族窒化物半導体素子の製造方法において、
前記半導体層形成工程では、
前記金属Alバッファ層を溶融状態としたまま前記III 族窒化物半導体層を成長させること
を特徴とするIII 族窒化物半導体素子の製造方法。 - 請求項1または請求項2に記載のIII 族窒化物半導体素子の製造方法において、
前記平面基板を支持するサセプターを備える気相成長装置を用い、
前記Al層成膜工程では、
前記気相成長装置の前記サセプターの位置におけるガスの流れる方向に垂直な断面の断面積あたりの前記有機金属ガスの流量は、
1.0×10-6mol/(min・cm2 )以上10×10-6mol/(min・cm2 )以下であること
を特徴とするIII 族窒化物半導体素子の製造方法。 - 請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載のIII 族窒化物半導体素子の製造方法において、
前記Al層成膜工程と前記AlNバッファ層形成工程との少なくとも一方では、
前記Al層からAl原子を蒸発させることにより、前記Al層にボイドを形成すること
を特徴とするIII 族窒化物半導体素子の製造方法。 - 平面基板を準備する平面基板準備工程と、
前記平面基板の上にAl層を成膜するAl層成膜工程と、
前記Al層の表面層を窒化してAlNバッファ層とするAlNバッファ層形成工程と、
前記AlNバッファ層の上にIII 族窒化物半導体基板を形成する基板形成工程と、
前記平面基板と前記III 族窒化物半導体基板とを剥離させる剥離工程と、
を有し、
前記Al層成膜工程では、
炉内の内圧を1kPa以上19kPa以下にするとともに前記平面基板の温度を900℃以上1500℃以下とし、
Alを含有する有機金属ガスを1.0×10-4mol/min以上の供給速度で供給し、
前記AlNバッファ層形成工程では、
前記Al層の前記表面層より前記平面基板側に位置する前記Al層の深層を窒化しないで金属Alバッファ層とすること
を特徴とする基板の製造方法。
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