JP7458904B2 - Nitride Semiconductor Substrate - Google Patents
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Description
本発明は、特に、鉄(Fe)をドープした窒化物半導体基板の構造に関する。 The present invention particularly relates to the structure of a nitride semiconductor substrate doped with iron (Fe).
高出力高周波増幅器に好適な窒化物半導体を用いたHEMTでは、ピンチオフ時にバッファー層を介してソース電極とドレイン電極との間に流れるオフリーク電流を抑制するため、あるいは、バッファー層中のドナー不純物を不活性化してリカバリ時間を短くすることを目的として、バッファー層にFe、必要に応じて炭素(C)をドーピングする技術が知られている。 In HEMTs using nitride semiconductors suitable for high-output high-frequency amplifiers, in order to suppress off-leakage current flowing between the source electrode and drain electrode through the buffer layer during pinch-off, or to impurate donor impurities in the buffer layer, A technique is known in which a buffer layer is doped with Fe and, if necessary, with carbon (C) for the purpose of activation and shortening the recovery time.
特許文献1には、基板と、前記基板の上に、GaNにFeとCを添加して形成されたバッファ層と、前記バッファ層の上にGaNで形成された、電子が走行するチャネル層と、前記チャネル層の上に形成された、前記チャネル層に2次元電子ガスを形成するための電子供給層と、前記電子供給層の上に形成されたゲート電極と、前記電子供給層の上に形成されたドレイン電極と、前記電子供給層の上に形成されたソース電極と、を備え、前記チャネル層の層厚は0.5μm以上であり、前記バッファ層の層厚は1~1.5μmであり、前記Feと前記Cの添加量の総和は1×1016cm-3以上1×1018cm-3以下である半導体装置が記載されている。
特許文献2には、電子走行層にFeが入り込むことを抑制し、半導体層にクラックの発生が抑制される電界効果型トランジスタとして、基板の上に形成された半導体材料に高抵抗となる不純物元素がドープされた高抵抗層と、高抵抗層の上に形成された多層中間層と、多層中間層の上に半導体材料により形成された電子走行層と、電子走行層の上に半導体材料により形成された電子供給層と、を有し、多層中間層は、GaN層とAlN層とが交互に積層された多層膜により形成されており、高抵抗層と電子走行層との間に形成されたAlNにより形成されている中間層が形成されている領域にFeが多く取り込まれ、かつ、Fe濃度のピークを有しているので、電子走行層に入り込んでいるFeの量は、AlNなし半導体積層膜と比べると少なく、電子走行層にFeが入り込む量を減らすことができる、という発明の開示がある。
特許文献1または2のいずれも、電子走行層とバッファー層の界面から、Fe濃度のピークを離す、すなわち、Fe濃度の高い領域を遠ざけることが好適である、としている。しかしながら、このような技術思想のみでは、その他の特性に優れたHEMTに好適な窒化物半導体基板を提供することができたとは言い難い。
Both
本発明は、上記に鑑み、Feをドープした窒化物半導体基板において、複数の特性向上が図れるものを提供することを目的とするものである。 In view of the above, the present invention aims to provide an Fe-doped nitride semiconductor substrate that can improve multiple characteristics.
本発明に係る窒化物半導体基板は、基板と、前記基板上の窒化物半導体からなるバッファー層と、前記バッファー層上の窒化物半導体層からなる動作層と、を備え、前記バッファー層はFeを含み、前記Feの濃度は、前記基板と前記バッファー層の界面から前記バッファー層の厚さ方向に向って一様に漸増し、2×1017atoms/cm3以上1.1×1020atoms/cm3以下の範囲で極大値を取った後、前記バッファー層と前記動作層の界面まで一様に漸減する濃度プロファイルを形成しており、前記極大値を取る位置は、前記バッファー層の厚さ方向における中間点から±50nmの範囲内にあり、かつ、前記バッファー層と前記動作層の界面から1875nm以上離れていることを特徴とする。 A nitride semiconductor substrate according to the present invention includes a substrate, a buffer layer made of a nitride semiconductor on the substrate, and an active layer made of a nitride semiconductor layer on the buffer layer, and the buffer layer includes Fe. The concentration of Fe gradually increases uniformly from the interface between the substrate and the buffer layer in the thickness direction of the buffer layer, and is 2×10 17 atoms/cm 3 or more and 1.1×10 20 atoms/cm 3 or more. After taking a maximum value in a range of cm 3 or less, a concentration profile is formed that gradually decreases uniformly to the interface between the buffer layer and the active layer, and the position where the maximum value is taken is determined by the thickness of the buffer layer. It is characterized in that it is within a range of ±50 nm from the midpoint in the direction, and is 1875 nm or more away from the interface between the buffer layer and the active layer.
かかる構成を有することで、複数の特性に優れたHEMTに好適な窒化物半導体基板とすることができる。 By having such a configuration, it is possible to obtain a nitride semiconductor substrate suitable for a HEMT that has a plurality of excellent characteristics.
本発明によれば、Feをドーパントとして用いた窒化物半導体基板において、従来はなかなか両立することが困難とみられていた複数の特性を、簡単な構造でかつ効果的に向上させることを可能とする。 The present invention makes it possible to effectively improve, with a simple structure, a number of characteristics that were previously considered difficult to achieve in a nitride semiconductor substrate using Fe as a dopant.
以下、図面も参照しながら、本発明を詳細に説明する。本発明は、基板と、前記基板上の窒化物半導体からなるバッファー層と、前記バッファー層上の窒化物半導体層からなる動作層と、を備え、前記バッファー層はFeを含み、前記Feの濃度は、前記基板と前記バッファー層の界面から前記バッファー層の厚さ方向に向って一様に漸増し、2×1017atoms/cm3以上1.1×1020atoms/cm3以下の範囲で極大値を取った後、前記バッファー層と前記動作層の界面まで一様に漸減する濃度プロファイルを形成しており、前記極大値を取る位置は、前記バッファー層の厚さ方向における中間点から±50nmの範囲内にあり、かつ、前記バッファー層と前記動作層の界面から500nm以上離れていることを特徴とする窒化物半導体基板である。 The present invention will be described in detail below with reference to the drawings. The present invention is a nitride semiconductor substrate comprising a substrate, a buffer layer made of a nitride semiconductor on the substrate, and an operating layer made of a nitride semiconductor layer on the buffer layer, the buffer layer containing Fe, the Fe concentration gradually increases uniformly from an interface between the substrate and the buffer layer in a thickness direction of the buffer layer, reaches a maximum value in a range of 2×10 17 atoms/cm 3 to 1.1×10 20 atoms/cm 3 , and then forms a concentration profile gradually decreasing uniformly to the interface between the buffer layer and the operating layer, the position of the maximum value being within a range of ±50 nm from a midpoint in the thickness direction of the buffer layer and being 500 nm or more away from the interface between the buffer layer and the operating layer.
図1は、本発明の一態様に係る窒化物半導体の層構造を示す断面概略図である。すなわち、窒化物半導体基板Wは、下地となる基板Sの一主面上にバッファー層Bと動作層Gが順次積層された構造を有している。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a layer structure of a nitride semiconductor according to one embodiment of the present invention. That is, the nitride semiconductor substrate W has a structure in which a buffer layer B and an active layer G are sequentially stacked on one main surface of a substrate S serving as a base.
本発明で示す概略図は、説明のために形状を模式的に簡素化かつ強調したものであり、細部の形状、寸法、および比率は実際と異なる。また、同一の構成については符号を省略、さらに、説明に不要なその他の構成は記載していない。 The schematic diagrams shown in this invention are schematic, simplified and emphasized shapes for the purpose of explanation, and the detailed shapes, dimensions and ratios differ from the actual ones. In addition, the same components are not designated by reference numerals, and other components that are not necessary for the explanation are not described.
基板Sは、シリコン(Si)の他に、炭化ケイ素(SiC)、サファイア(Al2O3)、窒化アルミニウム(AlN)、GaN等が挙げられる。また、単一材料で構成されたもの、異種材料で構成されたもの、のいずれでもよく、面方位やドーパント濃度、オフ角等の構成も任意に設定できる。 In addition to silicon (Si), the substrate S may be made of silicon carbide (SiC), sapphire (Al 2 O 3 ), aluminum nitride (AlN), GaN, or the like. Furthermore, it may be made of a single material or made of different materials, and the structure of the surface orientation, dopant concentration, off angle, etc. can be set arbitrarily.
窒化物半導体は、Ga、Al、インジウム(In)等の13族元素から少なくとも一つと、窒素(N)との組み合わせからなる。必要に応じて、O、Si、マグネシウム(Mg)等の各種元素がドープされていてもよい。 A nitride semiconductor is made of a combination of at least one group 13 element such as Ga, Al, and indium (In) and nitrogen (N). If necessary, various elements such as O, Si, and magnesium (Mg) may be doped.
バッファー層Bは、窒化物半導体層が複数積層された構造であり、用途や目的に応じて、その構造は公知の手法を適用できるが、最初に適切な初期層を基板S上に形成してから、組成や不純物濃度が互いに異なる窒化物半導体層を積層する形態が、より好適といえる。 The buffer layer B has a structure in which a plurality of nitride semiconductor layers are laminated, and depending on the use and purpose, a known method can be applied to the structure, but an appropriate initial layer is first formed on the substrate S. Therefore, a configuration in which nitride semiconductor layers having different compositions and impurity concentrations are stacked is more suitable.
動作層Gは、図1では、第一層1と、第一層1よりバンドギャップの大きい第二層2を例示するが、これに限定されるものではなく、必要に応じて、第二層2よりバンドギャップの大きい層、p型導電性不純物を高濃度で含む層を適時追加してもよく、更に、上記した各層の層厚や不純物濃度も、目的に応じて適時設計される。
In FIG. 1, the operating layer G includes a
本発明の具体的な一実施態様としては、基板SがSi単結晶基板、バッファー層BがAlxGa1-xN(0≦x≦1)で表される窒化物層を複数積層した構造、動作層Gが第一層1をGaN、第二層2をAlyGa1-yN(0<y<1)、であるものが挙げられる。
In a specific embodiment of the present invention, the substrate S is a Si single crystal substrate, and the buffer layer B is a structure in which a plurality of nitride layers represented by Al x Ga 1-x N (0≦x≦1) are laminated. In the active layer G, the
窒化物半導体基板Wは、基板S上にバッファー層Bと動作層Gが形成されたものであれば、図1で示したHEMTに限定されず、高周波化、高耐圧化が可能なその他のパワーデバイス用としても、好適に用いられる。 The nitride semiconductor substrate W is not limited to the HEMT shown in FIG. 1, as long as the buffer layer B and the active layer G are formed on the substrate S, and can be used for other power devices that can achieve high frequency and high breakdown voltage. It is also suitably used for devices.
そして、バッファー層BはFeを含む。本発明においても、Feをドープする第一の目的は、前記したような公知の技術に準ずるもので、リーク電流の低減のために窒化物半導体からなるバッファー層を高抵抗化させることにあるといえる。 Further, the buffer layer B contains Fe. In the present invention, the primary purpose of doping with Fe is similar to the known technique described above, and is to increase the resistance of the buffer layer made of nitride semiconductor in order to reduce leakage current. I can say that.
窒化物半導体層は、好適には、気相成長装置の炉内で異種基板上へのヘテロエピタキシャル成長により形成される。その際に発生する転位、あるいは、炉を構成する部材から意図せず窒化物半導体に混入する不純物がn型ドーパントとして働くため、いわゆるリーク電流が発生する。 The nitride semiconductor layer is preferably formed by heteroepitaxial growth on a heterogeneous substrate in the furnace of a vapor phase growth apparatus. Dislocations that occur during this process, or impurities that unintentionally mix with the nitride semiconductor from the components of the furnace, act as n-type dopants, causing so-called leakage current.
このリーク電流を抑制するため、古くからp型ドーパントによる補償効果を用いる手法が知られている。しかしながら、p型ドーパントが浅い準位を持つ場合はトラップ準位として働き、動作電流を低下させる。このため、ドーパント準位は深い方が好ましく、このような深い準位のp型ドーパントとして、Feが好適に用いられてきた。 To suppress this leakage current, a method using the compensation effect of a p-type dopant has long been known. However, if the p-type dopant has a shallow level, it acts as a trap level and reduces the operating current. For this reason, a deeper dopant level is preferable, and Fe has been used as a suitable p-type dopant with such a deep level.
ところが、Feを添加した窒化物半導体は3次元成長しやすいことから、成膜界面の凹凸を引き起こし、これが電流リークの原因になる場合がある。このリーク電流の低減方法の一例として、Feを添加する抵抗層と初期バッファー層としてのAlNの間に、Feを添加しないバッファー層を形成し、成膜中の熱拡散により界面の平坦性を維持したまま、バッファー層の高抵抗化を試みる手法もある。 However, since nitride semiconductors doped with Fe tend to grow three-dimensionally, they cause unevenness at the film-forming interface, which may cause current leakage. As an example of a method for reducing this leakage current, a buffer layer without Fe is formed between the resistance layer to which Fe is added and AlN as the initial buffer layer, and the flatness of the interface is maintained by thermal diffusion during film formation. There is also a method of trying to increase the resistance of the buffer layer while keeping the buffer layer high.
しかしながら、上記したような手法では、Feをドープしたバッファー層の上に、引き続き、動作層Gとしての電子走行層や電子供給層を形成している間に、熱拡散によりバッファー層中のFeが電子供給層へ移動していくため、電子移動度の低下を招く。さらに、電子走行層との界面に凹凸が生じ、これによる電子移動度の低下も併せて発生する。 However, in the above-mentioned method, while the electron transit layer and electron supply layer as the active layer G are subsequently formed on the Fe-doped buffer layer, Fe in the buffer layer is removed by thermal diffusion. Since it moves to the electron supply layer, it causes a decrease in electron mobility. Furthermore, unevenness occurs at the interface with the electron transport layer, which also causes a decrease in electron mobility.
本発明は、バッファー層Bと基板Sとの界面、ならびに、動作層G(ここでは一例として電子走行層)とバッファー層Bの界面、の両方の界面近傍のFe濃度を低くする、換言すれば、高抵抗化を実現するFe濃度のピーク位置を、両方の界面からできるだけ遠ざける、という特徴を有する。 In other words, the present invention lowers the Fe concentration near both the interface between the buffer layer B and the substrate S, and the interface between the operating layer G (electron transport layer as an example here) and the buffer layer B. , is characterized in that the peak position of the Fe concentration that achieves high resistance is kept as far away from both interfaces as possible.
このようにすれば、Fe濃度が低いことにより、それぞれの界面の平坦性を保持でき、かつ、電子走行層への熱拡散を抑制することができるので、低リーク、かつ、高速動作可能な窒化物半導体とすることができる。 In this way, the flatness of each interface can be maintained due to the low Fe concentration, and thermal diffusion to the electron transport layer can be suppressed, resulting in low leakage and high-speed operation. It can be a physical semiconductor.
併せて、高抵抗化を実現するFe濃度のピークが存在するので、これによるリーク電流低減効果も適切に得られている。すなわち、リーク電流の低減と移動度低下の抑制、という2つの特性向上を両立できる、ということを見出したものである。 In addition, because there is a peak in Fe concentration that realizes high resistance, the leakage current reduction effect is also appropriately obtained. In other words, it was discovered that it is possible to simultaneously achieve two improvements in characteristics: a reduction in leakage current and suppression of mobility degradation.
そして、上記の効果を得る具体的な一態様として、バッファー層Bに含まれるFeの濃度は、基板Sとバッファー層Bの界面からバッファー層Bの厚さ方向に向って一様に漸増し、2×1017atoms/cm3以上1.1×1020atoms/cm3以下の範囲で極大値を取った後、バッファー層Bと動作層Gの界面まで一様に漸減する濃度プロファイルが形成されている。 As a specific aspect of obtaining the above effect, the concentration of Fe contained in the buffer layer B is uniformly gradually increased from the interface between the substrate S and the buffer layer B toward the thickness direction of the buffer layer B, After taking a maximum value in the range of 2×10 17 atoms/cm 3 to 1.1×10 20 atoms/cm 3 , a concentration profile is formed that gradually decreases uniformly to the interface between buffer layer B and active layer G. ing.
図2は、本発明の一態様に係る窒化物半導体の、Fe濃度プロファイルを示す模式図である。すなわち、バッファー層Bの厚さ方向において、中央付近にFe濃度のピークが位置しているものであるが、これは、言い換えると、Fe濃度の高い領域を、上下いずれの界面から遠ざけることで、本発明の効果を得るものといえる。 FIG. 2 is a schematic diagram showing an Fe concentration profile of a nitride semiconductor according to one embodiment of the present invention. In other words, the Fe concentration peak is located near the center in the thickness direction of the buffer layer B. In other words, by moving the region with high Fe concentration away from either the upper or lower interface, It can be said that the effects of the present invention are obtained.
ここで、図2のようなFe濃度プロファイルの形成は、有機金属気相成長(MOCVD)法を用いる場合であれば、バッファー層Bの形成工程において、成長速度、成長温度、および、Fe原料の流量やその他のガス流量を調整することで、適時可能である。 Here, if metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) is used, the formation of the Fe concentration profile as shown in FIG. This can be done in a timely manner by adjusting the flow rate and other gas flow rates.
なお、Fe濃度は、窒化物半導体基板の厚さ方向に対してSIMSを用いて測定することで評価されるが、SIMS以外の手法を用いても差しつかえない。 Note that although the Fe concentration is evaluated by measuring the thickness direction of the nitride semiconductor substrate using SIMS, it is also possible to use a method other than SIMS.
ところで、窒化物半導体基板に要求される特性(転位密度、反り、耐圧、結晶性、等)を満たすには、バッファー層Bは、全体が単一層ではなく異なる組成の層が複数積層された構造であることと、ある程度の層厚を有していることが、重要な要件となってくる。 By the way, in order to satisfy the characteristics required for a nitride semiconductor substrate (dislocation density, warpage, breakdown voltage, crystallinity, etc.), the buffer layer B should have a structure in which multiple layers with different compositions are laminated instead of a single layer as a whole. The important requirements are that the layer is 100% thick and that the layer has a certain level of thickness.
まず厚さに関しては、本発明では、バッファー層Bの全体の厚さを1200nm以上、好適には1800nm以上3500nm以下とする。ただし、あまり厚すぎると、基板全体の反りを制御することが困難になる懸念があるので、上限は4500nm以下とする。 First, regarding the thickness, in the present invention, the entire thickness of the buffer layer B is 1200 nm or more, preferably 1800 nm or more and 3500 nm or less. However, if it is too thick, there is a concern that it will be difficult to control the warpage of the entire substrate, so the upper limit is set to 4500 nm or less.
バッファー層Bの構造は、異なる組成の層が複数積層された構造であれば、本発明の効果以外の特性向上効果も合わせて得られる点で好適である。言い換えると、バッファー層Bが単一層でも、本発明の効果は得られるが、その他の特性、特に基板の反りが過大になり、実用的でない。なお、層構造(層厚、組成、積層回数等)は、格別限定されない。 The structure of the buffer layer B is preferably a structure in which a plurality of layers having different compositions are laminated, since it can also obtain properties improvement effects in addition to the effects of the present invention. In other words, even if the buffer layer B is a single layer, the effects of the present invention can be obtained, but other characteristics, especially the warpage of the substrate, become excessive, making it impractical. Note that the layer structure (layer thickness, composition, number of laminations, etc.) is not particularly limited.
より具体的には、Fe濃度のピークを、バッファー層Bの厚さ方向における中間点から±50nmの範囲内、かつ、バッファー層Bと動作層Gの界面から500nm以上離れた個所に位置するようにするものである。 More specifically, the Fe concentration peak is located within a range of ±50 nm from the midpoint of the buffer layer B in the thickness direction and at least 500 nm away from the interface between the buffer layer B and the active layer G. It is meant to be.
本発明は、Fe濃度のピークはバッファー層Bの中央付近にあればよい、とするものであるが、厳密な中央部から±50nmの範囲を超えてくると、バッファー層Bと動作層Gとの界面、あるいは、バッファー層Bと基板Sとの界面、のいずれかが、Fe濃度のピークと相対的に接近することになり、リーク電流低減、高速動作、のいずれかの特性が十分でなくなる懸念があり、好ましいものとは言えない。 In the present invention, the Fe concentration peak only needs to be near the center of buffer layer B, but if it exceeds the range of ±50 nm from the exact center, buffer layer B and active layer G Either the interface between the buffer layer B and the substrate S becomes relatively close to the peak of the Fe concentration, and either of the characteristics of leakage current reduction and high-speed operation become insufficient. There are concerns and it cannot be said to be favorable.
本発明では、Fe濃度のピークを、バッファー層Bと動作層Gの界面から500nm以上、好適には2200nm程度離れている、とする。これは、公知技術と同様に、動作層Gの近くにFe濃度の高い領域があると、窒化物半導体基板Wを製造する過程で、Feが熱拡散して動作層Gにより多く侵入して、高速動作性が低下し、好ましくないからである。 In the present invention, the peak of the Fe concentration is separated from the interface between the buffer layer B and the active layer G by 500 nm or more, preferably about 2200 nm. This is because, as in the known technology, if there is a region with a high Fe concentration near the active layer G, during the process of manufacturing the nitride semiconductor substrate W, Fe will thermally diffuse and invade the active layer G in large amounts. This is because high-speed operability deteriorates, which is not preferable.
本発明は、基板Sとバッファー層Bの界面、および、バッファー層Bと動作層Gの界面のいずれも、その近傍では、Fe濃度が1×1017atoms/cm3以下であると好ましい。前述の通り、バッファー層Bと接する領域では、Fe濃度を低くすることでFeドープによる悪影響を回避することができる。 In the present invention, it is preferable that the Fe concentration in the vicinity of both the interface between the substrate S and the buffer layer B and the interface between the buffer layer B and the active layer G is 1×10 17 atoms/cm 3 or less. As described above, by lowering the Fe concentration in the region in contact with the buffer layer B, the adverse effects of Fe doping can be avoided.
以上の通り、本発明の窒化物半導体基板は、低リーク、かつ、高速動作を可能とするものである。そして、これを用いて製造された窒化物半導体装置は、高性能な半導体デバイスとして活用できる。 As described above, the nitride semiconductor substrate of the present invention enables low leakage and high-speed operation. A nitride semiconductor device manufactured using this can be utilized as a high-performance semiconductor device.
なお、本発明では、バッファー層Bに含まれる水素濃度が、バッファー層Bと動作層Gとの界面から基板Sとバッファー層Bとの界面に向かって漸増している態様をとると、より好ましい。 In the present invention, it is more preferable that the hydrogen concentration contained in the buffer layer B gradually increases from the interface between the buffer layer B and the active layer G toward the interface between the substrate S and the buffer layer B. .
動作層Gおよびその近傍において、デバイスの動作に支障が出ないという観点では、水素は、あまり高濃度でないほうが好ましい。一方、バッファー層Bに高濃度でFeがドープされていると、結晶性の悪化が懸念されるが、この結晶性の悪化を緩和させるために、Fe濃度の高い領域では、ある程度、水素が高濃度であるとよい。 In the operating layer G and the vicinity thereof, it is preferable that the concentration of hydrogen is not too high from the viewpoint of not hindering the operation of the device. On the other hand, if the buffer layer B is doped with Fe at a high concentration, there is a concern that the crystallinity will deteriorate; It is good if the concentration is high.
上記の効果を得るためには、Fe濃度のプロファイル形状に合わせて、水素濃度のプロファイル形状を設定できるのが理想的ではある。しかしながら、気相成長法で窒化物中の水素濃度のプロファイルを、かくのごとく制御することは、Feや炭素、Mg等のドーパントの制御と比べると容易ではない。また、水素濃度とFe濃度を同時に制御することは、さらに困難である。 In order to obtain the above effects, it is ideal to be able to set the hydrogen concentration profile shape in accordance with the Fe concentration profile shape. However, it is not easy to control the hydrogen concentration profile in nitride using the vapor phase growth method as compared to controlling dopants such as Fe, carbon, and Mg. Furthermore, it is even more difficult to control the hydrogen concentration and Fe concentration at the same time.
そこで本発明では、本発明のFe濃度のプロファイル形状に合わせて、水素濃度のプロファイルを簡単に形成でき、かつ、上記した効果を得る方法として、水素濃度のプロファイルを、バッファー層Bと動作層Gとの界面から基板Sとバッファー層Bとの界面に向かって漸増している態様とする。 Therefore, in the present invention, as a method of easily forming a hydrogen concentration profile in accordance with the Fe concentration profile shape of the present invention and obtaining the above-mentioned effects, the hydrogen concentration profile is changed between the buffer layer B and the active layer G. The thickness gradually increases from the interface between the substrate S and the buffer layer B to the interface between the substrate S and the buffer layer B.
具体的には、動作層Gでは、水素濃度は5×1017atoms/cm3以上2×1018atoms/cm3以下であり、バッファー層B内では漸増し、4×1018atoms/cm3以上3×1019atoms/cm3以下まで上昇する態様が挙げられる。なお、水素濃度は、Fe濃度と厳密に合わせることまでは要しない。 Specifically, in the active layer G, the hydrogen concentration is 5×10 17 atoms/cm 3 or more and 2×10 18 atoms/cm 3 or less, and in the buffer layer B, it gradually increases to 4×10 18 atoms/cm 3 Examples include modes in which the concentration increases to 3×10 19 atoms/cm 3 or less. Note that it is not necessary to strictly match the hydrogen concentration with the Fe concentration.
さらには、Fe濃度のピークが存在する領域までは水素濃度が漸増し、その後、基板Sに向かっては減少するようにしてもよい。後半は水素濃度を高くすることで得られる効果は、あまり高くない一方、この領域まで水素濃度を高くすることは、技術的またはコスト的にメリットが小さい。 Furthermore, the hydrogen concentration may gradually increase up to the region where the Fe concentration peak exists, and then decrease toward the substrate S. While the effect obtained by increasing the hydrogen concentration in the latter half is not so great, increasing the hydrogen concentration to this region has little technical or cost advantage.
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明は、下記実施例により制限されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be specifically explained based on Examples, but the present invention is not limited to the Examples below.
[共通の成長条件]
基板Sとして、結晶面方位(111)、pタイプ、6インチSi単結晶基板を公知の基板洗浄方法で清浄化した後、MOCVD装置内にセットして、装置内をキャリアガスで置換後昇温し、1000℃×15分間、水素100%雰囲気で保持する熱処理を行い、シリコン単結晶表面の自然酸化膜を除去した。
[Common growth conditions]
As the substrate S, a 6-inch Si single crystal substrate with crystal plane orientation (111), p type, was cleaned by a known substrate cleaning method, and then set in an MOCVD apparatus, and after replacing the inside of the apparatus with a carrier gas, the temperature was raised. Then, heat treatment was performed at 1000° C. for 15 minutes in a 100% hydrogen atmosphere to remove the natural oxide film on the surface of the silicon single crystal.
次に、原料として、トリメチルアルミニウム(TMAl)、トリメチルガリウム(TMGa)、アンモニア(NH3)を用いて、AlN100nm上にAl0.2Ga0.8N150nm積層した初期層、AlN5nmとAl0.2Ga0.8N30nmの2層を80回繰り返し積層した多層、GaN1500nmの単層を、上記した順で気相成長させて積層したものをバッファー層Bとした。ここで、バッファー層Bの層厚は4550nmである。 Next, using trimethylaluminum (TMAl), trimethylgallium (TMGa), and ammonia (NH 3 ) as raw materials, an initial layer of 150 nm of Al 0.2 Ga 0.8 N was stacked on 100 nm of AlN, and two layers of 5 nm of AlN and 30 nm of Al 0.2 Ga 0.8 N were formed. Buffer layer B was obtained by stacking a multilayer of 80 repetitions of stacking and a single layer of GaN of 1500 nm by vapor phase growth in the above-described order. Here, the layer thickness of buffer layer B is 4550 nm.
次に、動作層Gとして、第一層1をGaN100nm、第二層2をAl0.22Ga0.78N20nmとして、各層をこの順で積層した。ここで、バッファー層B、および、動作層Gの成長条件は、成長温度を1050℃、成長圧力を60hPa、をおよその基準値として、各層を成長させる時に適時変更した。
Next, as the active layer G, the
(実施例1)
Feをドープするため、Fe原料としてCp2Fe(ジシクロペンタジエニル鉄、通称フェロセン)を用いた。多層を繰返し積層する工程で、AlN5nmとAl0.2Ga0.8N30nmの2層を30回繰り返した段階からCp2Feを導入し、80回繰り返した段階で導入を停止した。Fe濃度は、ピーク位置で1×1020atoms/cm3、ピーク位置から動作層G、ピーク位置から基板Sからの距離は、どちらもおよそ2275nm程度であり、このピークの位置は、バッファー層Bのほぼ中間から±50nmの範囲内であった。以上の通りにすることで、実施例1の評価サンプルを作製した。
(Example 1)
In order to dope Fe, Cp 2 Fe (dicyclopentadienyl iron, commonly known as ferrocene) was used as the Fe raw material. In the process of repeatedly laminating multiple layers, Cp 2 Fe was introduced after repeating two layers of AlN 5 nm and Al 0.2 Ga 0.8 N 30 nm 30 times, and the introduction was stopped when the layers were repeated 80 times. The Fe concentration is 1×10 20 atoms/cm 3 at the peak position, and the distances from the peak position to the active layer G and from the peak position to the substrate S are both approximately 2275 nm. It was within the range of ±50 nm from approximately the middle of . An evaluation sample of Example 1 was prepared in the manner described above.
なお、上記のFe濃度プロファイルは、Fe導入を停止した以降の気相成長において、濃度の高い層に存在するFeが、基板S側、および動作層G側へと、一様に拡散することで形成される。これを利用して、Cp2Feを導入するときの流量、導入時間、微小な成長温度の調整等を成すことで、所定の領域にFe濃度のピークを形成することができる。 The above Fe concentration profile is due to the fact that Fe existing in the high concentration layer uniformly diffuses to the substrate S side and the active layer G side in the vapor phase growth after Fe introduction is stopped. It is formed. Utilizing this, a peak of Fe concentration can be formed in a predetermined region by adjusting the flow rate, introduction time, minute growth temperature, etc. when introducing Cp 2 Fe.
(実施例2)
Cp2Feの流量と成長温度を調整して、ピーク位置でのFe濃度が2×1017atoms/cm3になるようにして、それ以外は実施例1と同等にした実施例2の評価サンプルを得た。
(Example 2)
Evaluation sample of Example 2, in which the Cp 2 Fe flow rate and growth temperature were adjusted so that the Fe concentration at the peak position was 2×10 17 atoms/cm 3 , and the rest was the same as Example 1. I got it.
(実施例3)
Cp2Feの流量と成長温度を調整して、ピーク位置でのFe濃度が1.1×1020atoms/cm3になるようにして、それ以外は実施例1と同等にした実施例3の評価サンプルを得た。
(Example 3)
In Example 3, the Cp 2 Fe flow rate and growth temperature were adjusted so that the Fe concentration at the peak position was 1.1×10 20 atoms/cm 3 , and the other conditions were the same as in Example 1. An evaluation sample was obtained.
(実施例4)
Cp2Feの流量と成長温度を調整して、ピーク位置がバッファー層B中央から50nm動作層G側になるようにして、それ以外は実施例1と同等にした実施例4の評価サンプルを得た。
Example 4
An evaluation sample of Example 4 was obtained that was the same as Example 1 except that the flow rate of Cp 2 Fe and the growth temperature were adjusted so that the peak position was 50 nm from the center of the buffer layer B toward the active layer G side.
(実施例5)
Cp2Feの流量と成長温度を調整して、ピーク位置がバッファー層B中央から50nm基板S側になるようにして、それ以外は実施例1と同等にした実施例5の評価サンプルを得た。
(Example 5)
An evaluation sample of Example 5 was obtained by adjusting the Cp 2 Fe flow rate and growth temperature so that the peak position was 50 nm from the center of the buffer layer B toward the substrate S side, and otherwise the same as Example 1. .
(実施例6)
バッファー層BのGaN1500nmの層に換えて、層厚700nmとした以外は、実施例1同等とした実施例6の評価サンプルを得た。このとき、Fe濃度のピーク位置は、動作層Gの界面から1875nmであった。
(Example 6)
An evaluation sample of Example 6 was obtained, which was the same as Example 1 except that the buffer layer B was made of GaN with a thickness of 700 nm and the layer thickness was 700 nm. At this time, the peak position of the Fe concentration was 1875 nm from the interface of the active layer G.
実施例のいずれの評価サンプルも、基板Sとバッファー層Bの界面近傍、バッファー層Bと動作層Gの界面近傍、のどちらでも、Fe濃度が約1×1017atoms/cm3になるように成長条件を調整した。Fe濃度は、各評価サンプルを直径部分で劈開して、その断面をSIMSにて評価した。 In all of the evaluation samples in Examples, the Fe concentration was set to approximately 1×10 17 atoms/cm 3 both near the interface between the substrate S and the buffer layer B and near the interface between the buffer layer B and the active layer G. Growth conditions were adjusted. The Fe concentration was determined by cleaving each evaluation sample at its diameter and evaluating the cross section using SIMS.
(比較例1)
Cp2Feを、多層を繰返し積層する工程で、AlN5nmとAl0.2Ga0.8N30nmの2層を初回積層時からCp2Feを導入し、80回繰り返した段階で導入を停止した。Fe濃度はピークを持たず、ほぼバッファー層B全域に亘りフラットな状態で、約1×1017atoms/cm3であった。以上の通りにすることで、比較例1の評価サンプルを作製した。
(Comparative example 1)
In the process of repeatedly stacking multiple layers of Cp 2 Fe, Cp 2 Fe was introduced from the first stacking of two layers of 5 nm of AlN and 30 nm of Al 0.2 Ga 0.8 N, and the introduction was stopped after 80 repetitions. The Fe concentration did not have a peak, was flat over almost the entire buffer layer B, and was approximately 1×10 17 atoms/cm 3 . An evaluation sample of Comparative Example 1 was prepared in the manner described above.
(比較例2)
Cp2Feを、多層を繰返し積層する工程で、AlN5nmとAl0.2Ga0.8N30nmの2層を初回積層時からCp2Feを導入し、80回繰り返し、さらにGaN1500nmの層を形成する工程で、層厚1000nmに達した段階で導入を停止した。Fe濃度はピークを持たず、ほぼバッファー層B全域に亘りフラットな状態で、約1×1020atoms/cm3であった。以上の通りにすることで、比較例2の評価サンプルを作製した。
(Comparative example 2)
In the process of repeatedly laminating multiple layers of Cp 2 Fe, Cp 2 Fe is introduced from the first lamination of two layers of 5 nm of AlN and 30 nm of Al 0.2 Ga 0.8 N, repeated 80 times, and then a layer of 1500 nm of GaN is formed. The introduction was stopped when the thickness reached 1000 nm. The Fe concentration did not have a peak, was flat over almost the entire buffer layer B, and was approximately 1×10 20 atoms/cm 3 . An evaluation sample of Comparative Example 2 was prepared in the manner described above.
(比較例3)
Cp2Feを、多層を繰返し積層する工程で、AlN5nmとAl0.2Ga0.8N30nmの2層を初回積層時からCp2Feを導入し、80回繰り返し、さらにGaN1500nmの層を形成する工程で、層厚250nmに達した段階で導入を停止した。Fe濃度は、ピークを持たず、基板Sの界面で1×1020atoms/cm3であり、動作層Gの界面に向って漸減して、1×1017atoms/cm3に達していた。以上の通りにすることで、比較例3の評価サンプルを作製した。
(Comparative Example 3)
In the process of repeatedly stacking multiple layers of Cp 2 Fe, Cp 2 Fe was introduced from the initial stacking of two layers of AlN 5 nm and Al 0.2 Ga 0.8 N 30 nm, and this was repeated 80 times. In the process of forming a GaN layer of 1500 nm, the introduction was stopped at the stage where the layer thickness reached 250 nm. The Fe concentration did not have a peak, was 1×10 20 atoms/cm 3 at the interface with the substrate S, and gradually decreased toward the interface with the operating layer G, reaching 1×10 17 atoms/cm 3. By following the above, an evaluation sample of Comparative Example 3 was produced.
(比較例4)
Cp2Feを、GaN1500nmの層を形成する工程において、層厚450nmに達した段階からCp2Feを導入し、層厚1500nmに達した段階で導入を停止した。Fe濃度はピークを持たず、基板Sの界面で1×1017atoms/cm3であり、動作層Gの界面に向って漸増して、1×1020atoms/cm3に達していた。以上の通りにすることで、比較例4の評価サンプルを作製した。
(Comparative Example 4)
In the process of forming a 1500 nm GaN layer, Cp 2 Fe was introduced when the layer thickness reached 450 nm, and the introduction was stopped when the layer thickness reached 1500 nm. The Fe concentration did not have a peak, was 1×10 17 atoms/cm 3 at the interface with the substrate S, and gradually increased toward the interface with the operating layer G, reaching 1×10 20 atoms/cm 3. By following the above procedure, an evaluation sample for Comparative Example 4 was produced.
(比較例5)
Cp2Feの流量と成長温度を調整して、ピーク位置がバッファー層B中央から70nm動作層G側になるようにして、それ以外は実施例1と同等にした比較例5の評価サンプルを得た。
(Comparative example 5)
An evaluation sample of Comparative Example 5 was obtained by adjusting the Cp 2 Fe flow rate and growth temperature so that the peak position was 70 nm from the center of the buffer layer B toward the active layer G side, and the other conditions were the same as in Example 1. Ta.
(比較例6)
Cp2Feの流量と成長温度を調整して、ピーク位置がバッファー層B中央から70nm基板S側になるようにして、それ以外は実施例1と同等にした比較例6の評価サンプルを得た。
(Comparative example 6)
An evaluation sample of Comparative Example 6 was obtained by adjusting the Cp 2 Fe flow rate and growth temperature so that the peak position was 70 nm from the center of the buffer layer B toward the substrate S side, and otherwise the same as Example 1. .
(比較例7)
バッファー層BのGaN1500nmの層に換えて、層厚300nmとし、さらに、Cp2Feの流量と成長温度を調整して、ピーク位置がバッファー層B中央から大きく外れるようにした以外は、実施例1同等とした比較例7の評価サンプルを得た。すなわち、Fe濃度のピーク位置は、動作層Gの界面から450nmであった。
(Comparative Example 7)
An evaluation sample of Comparative Example 7 was obtained that was equivalent to Example 1, except that the buffer layer B was changed to a 1,500 nm thick GaN layer, the layer thickness was changed to 300 nm, and the flow rate of Cp2Fe and the growth temperature were adjusted so that the peak position was significantly shifted from the center of the buffer layer B. That is, the peak position of the Fe concentration was 450 nm from the interface with the active layer G.
[評価1~反り]
半導体基板の形状測定で通常用いられる、汎用の反り測定装置を用いて、各評価サンプルのBOWを測定した。そして、BOW値が-50μm以上20μm以下を合格(〇)とした。
[Rating 1 - Warpage]
The bow of each evaluation sample was measured using a general-purpose warpage measurement device that is commonly used for measuring the shape of semiconductor substrates. A bow value of -50 μm or more and 20 μm or less was determined as pass (◯).
[評価2~耐圧]
各評価サンプルから、基板主面の中央部から基板端部にかけて幅2mmの短冊状の試験片をそれぞれ劈開して切り出した。次に、この試験片の電子供給層2および電子走行層1の一部を、ドライエッチングにより除去した。この状態で、ドライエッチングで露出した面に10mm2のAu電極を真空蒸着してショットキー電極として形成し、市販のカーブトレーサを用いて、Si単結晶基板側と通電してI-V特性を測定して、600Vでの電流値を比較した。そして、1×10-8(A)以下を合格(〇)とした。
[
From each evaluation sample, a strip-shaped test piece with a width of 2 mm was cleaved and cut from the center of the main surface of the substrate to the edge of the substrate. Next, part of the
[評価3~高速動作特性]
各評価サンプルについて、Van Der Pauw法によるホール効果測定を行い、電子の移動度を評価した。まず、評価サンプルを7mm角のチップにダイシングし、個々のチップの電子供給層2の4隅に、径0.25mmのTi/Al電極を、真空蒸着により形成した。次に、N2雰囲気で600℃、5分間の合金化熱処理を行った。そして、ACCENT製HL5500PCを用いて、ホール効果測定を行った。評価は、比較例1との比で移動度のレベルを表し、1以下を×、1を超え1.1以下を△、1.2以上を〇とし、△と〇を合格とした。
[Evaluation 3 ~ High-speed operation characteristics]
For each evaluation sample, Hall effect measurement was performed using the Van Der Pauw method to evaluate electron mobility. First, the evaluation sample was diced into 7 mm square chips, and Ti/Al electrodes with a diameter of 0.25 mm were formed at the four corners of the
上記した各評価サンプルのデータと評価結果を、まとめて以下の表1に示す。 The data and evaluation results of each evaluation sample described above are summarized in Table 1 below.
表1の結果から明らかなように、本発明の実施範囲にあるものは、反り、耐圧、高速動作の全ての特性において、良好であることが示されているといえる。 As is clear from the results in Table 1, it can be said that those within the scope of the present invention are good in all characteristics of warpage, withstand voltage, and high-speed operation.
W 窒化物半導体基板
S 基板(Si単結晶)
B バッファー層
G 動作層
1 第1層(電子走行層)
2 第2層(電子供給層)
W: nitride semiconductor substrate S: substrate (single crystal silicon)
B Buffer layer
2. Second layer (electron supply layer)
Claims (2)
前記バッファー層はFeを含み、
前記Feの濃度は、前記基板と前記バッファー層の界面から前記バッファー層の厚さ方向に向って一様に漸増し、2×1017atoms/cm3以上1.1×1020atoms/cm3以下の範囲で極大値を取った後、前記バッファー層と前記動作層の界面まで一様に漸減する濃度プロファイルを形成しており、
前記極大値を取る位置は、前記バッファー層の厚さ方向における中間点から±50nmの範囲内にあり、かつ、前記バッファー層と前記動作層の界面から1875nm以上離れていることを特徴とする窒化物半導体基板。 comprising a substrate, a buffer layer made of a nitride semiconductor on the substrate, and an active layer made of a nitride semiconductor layer on the buffer layer,
The buffer layer contains Fe,
The concentration of Fe gradually increases uniformly from the interface between the substrate and the buffer layer in the thickness direction of the buffer layer, and is 2×10 17 atoms/cm 3 or more and 1.1×10 20 atoms/cm 3 . After taking a maximum value in the following range, a concentration profile is formed that gradually decreases uniformly to the interface between the buffer layer and the operating layer,
The position where the maximum value is obtained is within a range of ±50 nm from the midpoint in the thickness direction of the buffer layer, and is 1875 nm or more away from the interface between the buffer layer and the operating layer. Nitride semiconductor substrate.
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