JP5705179B2 - Nitride semiconductor wafer, nitride semiconductor device, and method for growing nitride semiconductor crystal - Google Patents
Nitride semiconductor wafer, nitride semiconductor device, and method for growing nitride semiconductor crystal Download PDFInfo
- Publication number
- JP5705179B2 JP5705179B2 JP2012180143A JP2012180143A JP5705179B2 JP 5705179 B2 JP5705179 B2 JP 5705179B2 JP 2012180143 A JP2012180143 A JP 2012180143A JP 2012180143 A JP2012180143 A JP 2012180143A JP 5705179 B2 JP5705179 B2 JP 5705179B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- layer
- nitride semiconductor
- lattice constant
- doped
- strain relaxation
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims description 324
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 title claims description 234
- 239000013078 crystal Substances 0.000 title claims description 28
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 26
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 701
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 65
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 58
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 58
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 58
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims description 57
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 claims description 40
- 239000002346 layers by function Substances 0.000 claims description 27
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 21
- 239000011572 manganese Substances 0.000 claims description 18
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims description 14
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 claims description 14
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 claims description 10
- PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N Manganese Chemical compound [Mn] PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 9
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 238000005121 nitriding Methods 0.000 claims description 4
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 46
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 17
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 9
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 8
- 229910002704 AlGaN Inorganic materials 0.000 description 7
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 4
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 3
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 3
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 description 3
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 3
- 230000005533 two-dimensional electron gas Effects 0.000 description 3
- DIIIISSCIXVANO-UHFFFAOYSA-N 1,2-Dimethylhydrazine Chemical compound CNNC DIIIISSCIXVANO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 238000002109 crystal growth method Methods 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- HDZGCSFEDULWCS-UHFFFAOYSA-N monomethylhydrazine Chemical compound CNN HDZGCSFEDULWCS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 description 2
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 description 2
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 2
- OTRPZROOJRIMKW-UHFFFAOYSA-N triethylindigane Chemical compound CC[In](CC)CC OTRPZROOJRIMKW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- JLTRXTDYQLMHGR-UHFFFAOYSA-N trimethylaluminium Chemical compound C[Al](C)C JLTRXTDYQLMHGR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- IBEFSUTVZWZJEL-UHFFFAOYSA-N trimethylindium Chemical compound C[In](C)C IBEFSUTVZWZJEL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000000927 vapour-phase epitaxy Methods 0.000 description 2
- 229910007991 Si-N Inorganic materials 0.000 description 1
- BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N Silane Chemical compound [SiH4] BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910006294 Si—N Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- KTWOOEGAPBSYNW-UHFFFAOYSA-N ferrocene Chemical compound [Fe+2].C=1C=C[CH-]C=1.C=1C=C[CH-]C=1 KTWOOEGAPBSYNW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- -1 for example Chemical compound 0.000 description 1
- 229910021478 group 5 element Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004820 halides Chemical class 0.000 description 1
- 229940087654 iron carbonyl Drugs 0.000 description 1
- 238000003475 lamination Methods 0.000 description 1
- QBJCZLXULXFYCK-UHFFFAOYSA-N magnesium;cyclopenta-1,3-diene Chemical compound [Mg+2].C1C=CC=[C-]1.C1C=CC=[C-]1 QBJCZLXULXFYCK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000004433 nitrogen atom Chemical group N* 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 230000002040 relaxant effect Effects 0.000 description 1
- 229910000077 silane Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- RGGPNXQUMRMPRA-UHFFFAOYSA-N triethylgallium Chemical compound CC[Ga](CC)CC RGGPNXQUMRMPRA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XCZXGTMEAKBVPV-UHFFFAOYSA-N trimethylgallium Chemical compound C[Ga](C)C XCZXGTMEAKBVPV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Landscapes
- Recrystallisation Techniques (AREA)
- Semiconductor Lasers (AREA)
- Led Devices (AREA)
- Chemical Vapour Deposition (AREA)
Description
本発明の実施形態は、窒化物半導体ウェーハ、窒化物半導体装置及び窒化物半導体結晶の成長方法に関する。 Embodiments described herein relate generally to a nitride semiconductor wafer, a nitride semiconductor device, and a method for growing a nitride semiconductor crystal.
窒化物半導体は、発光・受光素子で代表される光デバイス、及び、高周波素子で代表される高速電子デバイスなどのさまざまな分野で利用されている。 Nitride semiconductors are used in various fields such as optical devices typified by light-emitting / light-receiving elements and high-speed electronic devices typified by high-frequency elements.
量産性に優れたシリコン基板上に窒化物半導体結晶を形成すると、格子定数または熱膨張係数の違いに起因したクラックなどの欠陥が発生し易い。また、高い性能を得るために、転位の少ない高品位の結晶が望まれる。 When a nitride semiconductor crystal is formed on a silicon substrate excellent in mass productivity, defects such as cracks due to a difference in lattice constant or thermal expansion coefficient are likely to occur. In order to obtain high performance, a high-quality crystal with few dislocations is desired.
本発明の実施形態は、シリコン基板上に形成した、転位及びクラックの少ない窒化物半導体ウェーハ、窒化物半導体装置及び窒化物半導体結晶の成長方法を提供する。 Embodiments of the present invention provide a nitride semiconductor wafer, a nitride semiconductor device, and a method for growing a nitride semiconductor crystal, which are formed on a silicon substrate and have few dislocations and cracks.
本発明の実施形態によれば、シリコン基板と、下側歪緩和層と、中間層と、上側歪緩和層と、機能層と、を有する窒化物半導体ウェーハが提供される。前記下側歪緩和層は、前記シリコン基板の主面上に設けられ窒化物半導体層を含む。前記中間層は、前記下側歪緩和層の上に設けられ窒化物半導体を含む。前記上側歪緩和層は、前記中間層の上に設けられ窒化物半導体層を含む。前記機能層は、前記上側歪緩和層の上に設けられ窒化物半導体を含む。前記中間層は、100nm以上500nm以下の厚さの第1下側層と、20nm以上150nm以下の厚さの第1ドープ層と、100nm以上500nm以下の厚さの第1上側層と、を含む。前記第1下側層は、前記下側歪緩和層の上に設けられ、前記下側歪緩和層の前記窒化物半導体の格子定数よりも大きい格子定数を有する窒化物半導体を含む。前記第1ドープ層は、前記第1下側層の上に設けられる。前記第1ドープ層は、前記第1下側層の前記窒化物半導体の格子定数以上の格子定数を有し1×1018cm−3以上1×1021cm−3未満の濃度であり前記第1下側層よりも高い濃度で、シリコン(Si)、マグネシウム(Mg)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、酸素(O)及びカーボン(C)の少なくともいずれかを含む不純物を含有する窒化物半導体を含む。前記第1上側層は、前記第1ドープ層の上に設けられる。前記第1上側層は、前記第1ドープ層の前記窒化物半導体の前記格子定数以上であり前記第1下側層の前記窒化物半導体の前記格子定数よりも大きい格子定数を有する窒化物半導体を含む。
本発明の別の実施形態によれば、窒化物半導体装置は、シリコン基板の主面上に形成され窒化物半導体を含む中間層と、前記中間層の上に設けられ窒化物半導体層を含む上側歪緩和層と、前記上側歪緩和層の上に設けられ窒化物半導体を含む機能層と、を備える。前記中間層は、前記主面上に形成され窒化物半導体を含む100nm以上500nm以下の厚さの第1下側層と、前記第1下側層の上に設けられ前記第1下側層の前記窒化物半導体の格子定数以上の格子定数を有し1×10 18 cm −3 以上1×10 21 cm −3 未満の濃度であり前記第1下側層よりも高い濃度で、シリコン(Si)、マグネシウム(Mg)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、酸素(O)及びカーボン(C)の少なくともいずれかを含む不純物を含有する窒化物半導体を含む20nm以上150nm以下の厚さの第1ドープ層と、前記第1ドープ層の上に設けられ前記第1ドープ層の前記窒化物半導体の前記格子定数以上であり前記第1下側層の前記窒化物半導体の前記格子定数よりも大きい格子定数を有する窒化物半導体を含む100nm以上500nm以下の厚さの第1上側層と、を含む。
本発明の別の実施形態によれば、シリコン基板の主面上に窒化物半導体を含む下側歪緩和層を形成し、前記下側歪緩和層の上に前記下側歪緩和層の前記窒化物半導体の格子定数よりも大きい格子定数を有する窒化物半導体を含む100nm以上500nm以下の厚さの第1下側層を形成し、前記第1下側層の上に前記第1下側層の窒化物半導体の格子定数以上の格子定数を有し1×10 18 cm −3 以上1×10 21 cm −3 未満の濃度であり前記第1下側層よりも高い濃度で、シリコン(Si)、マグネシウム(Mg)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、酸素(O)及びカーボン(C)の少なくともいずれかを含む不純物を含有する窒化物半導体を含む20nm以上150nm以下の厚さの第1ドープ層を形成し、前記第1ドープ層の上に前記第1ドープ層の前記窒化物半導体の前記格子定数以上であり前記第1下側層の前記窒化物半導体の前記格子定数よりも大きい格子定数を有する窒化物半導体を含む100nm以上500nm以下の厚さの第1上側層を形成して、中間層を形成し、前記中間層の上に窒化物半導体層を含む上側歪緩和層を形成し、前記上側歪緩和層の上に窒化物半導体を含む機能層を形成する窒化物半導体結晶の成長方法が提供される。
According to the embodiment of the present invention, a nitride semiconductor wafer having a silicon substrate, a lower strain relaxation layer, an intermediate layer, an upper strain relaxation layer, and a functional layer is provided. The lower strain relaxation layer is provided on the main surface of the silicon substrate and includes a nitride semiconductor layer. The intermediate layer is provided on the lower strain relaxation layer and includes a nitride semiconductor. The upper strain relaxation layer is provided on the intermediate layer and includes a nitride semiconductor layer. The functional layer is provided on the upper strain relaxation layer and includes a nitride semiconductor. The intermediate layer includes a first lower layer of a thickness of less than 500nm or 100 nm, a first doped layer of a thickness of less than 150nm or more 20 nm, a first upper layer of a thickness of less than 500nm or 100 nm, the . The first lower layer includes a nitride semiconductor provided on the lower strain relaxation layer and having a lattice constant larger than the lattice constant of the nitride semiconductor of the lower strain relaxation layer. The first doped layer is provided on the first lower layer. The first doped layer has a lattice constant greater than or equal to the lattice constant of the nitride semiconductor of the first lower layer and has a concentration of 1 × 10 18 cm −3 or more and less than 1 × 10 21 cm −3 . 1 Nitriding containing impurities including at least one of silicon (Si), magnesium (Mg), manganese (Mn), iron (Fe), oxygen (O), and carbon (C) at a higher concentration than the lower layer Includes physical semiconductors. The first upper layer is provided on the first doped layer. The first upper layer is a nitride semiconductor having a lattice constant greater than or equal to the lattice constant of the nitride semiconductor of the first doped layer and larger than the lattice constant of the nitride semiconductor of the first lower layer. Including.
According to another embodiment of the present invention, a nitride semiconductor device includes an intermediate layer that is formed on a main surface of a silicon substrate and includes a nitride semiconductor, and an upper layer that is provided on the intermediate layer and includes a nitride semiconductor layer. A strain relaxation layer; and a functional layer provided on the upper strain relaxation layer and including a nitride semiconductor. The intermediate layer is formed on the main surface and includes a first lower layer having a thickness of 100 nm or more and 500 nm or less including a nitride semiconductor, and the intermediate layer is provided on the first lower layer and is formed on the first lower layer. Silicon (Si) having a lattice constant greater than or equal to the lattice constant of the nitride semiconductor, having a concentration of 1 × 10 18 cm −3 or more and less than 1 × 10 21 cm −3 and higher than the first lower layer. First, having a thickness of 20 nm or more and 150 nm or less, including a nitride semiconductor containing an impurity including at least one of magnesium, Mg (Mg), manganese (Mn), iron (Fe), oxygen (O), and carbon (C) A doped layer and a lattice that is provided on the first doped layer and is greater than or equal to the lattice constant of the nitride semiconductor of the first doped layer and greater than the lattice constant of the nitride semiconductor of the first lower layer Nitride semiconductors with constants A first upper layer having a thickness of 100 nm to 500 nm including the body.
According to another embodiment of the present invention, a lower strain relaxation layer including a nitride semiconductor is formed on a main surface of a silicon substrate, and the lower strain relaxation layer is nitrided on the lower strain relaxation layer. Forming a first lower layer having a thickness of not less than 100 nm and not more than 500 nm including a nitride semiconductor having a lattice constant larger than that of the physical semiconductor, and forming the first lower layer on the first lower layer. Silicon (Si) having a lattice constant greater than or equal to the lattice constant of the nitride semiconductor, having a concentration of 1 × 10 18 cm −3 or more and less than 1 × 10 21 cm −3 and higher than the first lower layer, First dope with a thickness of 20 nm or more and 150 nm or less including a nitride semiconductor containing an impurity including at least one of magnesium (Mg), manganese (Mn), iron (Fe), oxygen (O), and carbon (C) Forming a layer on the first doped layer Including a nitride semiconductor having a lattice constant greater than or equal to the lattice constant of the nitride semiconductor of the first doped layer and greater than the lattice constant of the nitride semiconductor of the first lower layer. Forming a first upper layer having a thickness, forming an intermediate layer, forming an upper strain relaxation layer including a nitride semiconductor layer on the intermediate layer, and forming a nitride semiconductor on the upper strain relaxation layer; A method of growing a nitride semiconductor crystal that forms a functional layer is provided.
以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
Each embodiment will be described below with reference to the drawings.
The drawings are schematic or conceptual, and the relationship between the thickness and width of each part, the size ratio between the parts, and the like are not necessarily the same as actual ones. Further, even when the same part is represented, the dimensions and ratios may be represented differently depending on the drawings.
Note that, in the present specification and each drawing, the same elements as those described above with reference to the previous drawings are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted as appropriate.
(第1の実施の形態)
第1の実施形態は、窒化物半導体ウェーハに係る。窒化物半導体ウェーハには、例えば、半導体装置の少なくとも一部、または、半導体装置の少なくとも一部となる部分が設けられる。この半導体装置は、例えば、半導体発光素子、半導体受光素子、及び、電子デバイスなどを含む。半導体発光素子は、例えば、発光ダイオード(LED)及びレーザダイオード(LD)などを含む。半導体受光素子は、フォトダイオード(PD)などを含む。電子デバイスは、例えば、高電子移動度トランジスタ(HEMT)、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ(HBT)、電界トランジスタ(FET)及びショットキーバリアダイオード(SBD)などを含む。
(First embodiment)
The first embodiment relates to a nitride semiconductor wafer. The nitride semiconductor wafer is provided with, for example, at least a part of the semiconductor device or a part that becomes at least a part of the semiconductor device. The semiconductor device includes, for example, a semiconductor light emitting element, a semiconductor light receiving element, and an electronic device. The semiconductor light emitting element includes, for example, a light emitting diode (LED) and a laser diode (LD). The semiconductor light receiving element includes a photodiode (PD) and the like. The electronic device includes, for example, a high electron mobility transistor (HEMT), a heterojunction bipolar transistor (HBT), a field transistor (FET), a Schottky barrier diode (SBD), and the like.
図1は、第1の実施形態に係る窒化物半導体ウェーハの構成を例示する模式的断面図である。
図1に表したように、本実施形態に係る窒化物半導体ウェーハ110は、シリコン基板50と、下側歪緩和層51と、中間層55と、上側歪緩和層52と、機能層40と、を含む。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration of a nitride semiconductor wafer according to the first embodiment.
As shown in FIG. 1, the nitride semiconductor wafer 110 according to this embodiment includes a silicon substrate 50, a lower strain relaxation layer 51, an intermediate layer 55, an upper strain relaxation layer 52, a functional layer 40, including.
シリコン基板50は、主面50aを有している。シリコン基板50は、例えばSi(111)基板である。ただし、実施形態はこれに限らず、シリコン基板50の面方位は、任意である。 The silicon substrate 50 has a main surface 50a. The silicon substrate 50 is, for example, a Si (111) substrate. However, the embodiment is not limited to this, and the plane orientation of the silicon substrate 50 is arbitrary.
下側歪緩和層51は、シリコン基板50の主面50aの上に設けられる。下側歪緩和層51は、窒化物半導体を含む。下側歪緩和層51には、例えば、AlNが用いられる。さらに具体的には、下側歪緩和層51には、低温成長のAlN層が用いられる。下側歪緩和層51は、シリコン基板50の主面50aに設けられる核形成層としての機能を有することができる。下側歪緩和層51の厚さは、例えば、10ナノメートル(nm)以上200nm以下である。 The lower strain relaxation layer 51 is provided on the main surface 50 a of the silicon substrate 50. Lower strain relaxation layer 51 includes a nitride semiconductor. For the lower strain relaxation layer 51, for example, AlN is used. More specifically, a low-temperature grown AlN layer is used for the lower strain relaxation layer 51. The lower strain relaxation layer 51 can have a function as a nucleation layer provided on the main surface 50 a of the silicon substrate 50. The thickness of the lower strain relaxation layer 51 is, for example, 10 nanometers (nm) or more and 200 nm or less.
中間層55は、下側歪緩和層51の上に設けられる。中間層55は、窒化物半導体を含む。 The intermediate layer 55 is provided on the lower strain relaxation layer 51. The intermediate layer 55 includes a nitride semiconductor.
上側歪緩和層52は、中間層55の上に設けられる。上側歪緩和層52は、窒化物半導体層を含む。上側歪緩和層52には、例えば、Alz0Ga1−z0N(0<z0≦1)が用いられる。上側歪緩和層52には、例えばAlNまたは、AlGaNが用いられる。 The upper strain relaxation layer 52 is provided on the intermediate layer 55. Upper strain relaxation layer 52 includes a nitride semiconductor layer. For the upper strain relaxation layer 52, for example, Al z0 Ga 1-z0 N (0 <z0 ≦ 1) is used. For the upper strain relaxation layer 52, for example, AlN or AlGaN is used.
機能層40は、上側歪緩和層51の上に設けられる。機能層40は、窒化物半導体を含む。機能層40は、例えば、半導体発光素子の発光機能を有する層を含む。機能層40は、例えば、半導体受光素子の受光機能を有する層を含む。機能層40は、例えば、電子デバイスの整流、スイッチング及び増幅の少なくともいずれかの機能を有する層を含む。機能層40の構成の例については後述する。 The functional layer 40 is provided on the upper strain relaxation layer 51. The functional layer 40 includes a nitride semiconductor. The functional layer 40 includes, for example, a layer having a light emitting function of a semiconductor light emitting element. The functional layer 40 includes, for example, a layer having a light receiving function of a semiconductor light receiving element. The functional layer 40 includes, for example, a layer having at least one function of rectification, switching, and amplification of an electronic device. An example of the configuration of the functional layer 40 will be described later.
中間層55は、第1下側層LA1、第1ドープ層LB1及び第1上側層LC1を含む。第1下側層LA1は、下側歪緩和層51の上に設けられる。第1下側層LA1は、窒化物半導体を含む。第1下側層LA1に含まれる窒化物半導体は、下側歪緩和層51の窒化物半導体の格子定数よりも大きい格子定数を有する。 The intermediate layer 55 includes a first lower layer LA1, a first doped layer LB1, and a first upper layer LC1. The first lower layer LA1 is provided on the lower strain relaxation layer 51. The first lower layer LA1 includes a nitride semiconductor. The nitride semiconductor included in the first lower layer LA1 has a lattice constant larger than that of the nitride semiconductor of the lower strain relaxation layer 51.
本願明細書において、「格子定数」は、a軸方向の格子定数であるものとする。 In the present specification, the “lattice constant” is a lattice constant in the a-axis direction.
第1ドープ層LB1は、第1下側層LA1の上に設けられる。第1ドープ層LB1は、窒化物半導体を含む。第1ドープ層LB1に含まれる窒化物半導体は、第1下側層LA1の格子定数以上の格子定数を有する。第1ドープ層LB1は、1×1018cm−3以上1×1021cm−3未満の濃度で不純物を含有する。 The first doped layer LB1 is provided on the first lower layer LA1. The first doped layer LB1 includes a nitride semiconductor. The nitride semiconductor included in the first doped layer LB1 has a lattice constant greater than or equal to the lattice constant of the first lower layer LA1. The first doped layer LB1 contains impurities at a concentration of 1 × 10 18 cm −3 or more and less than 1 × 10 21 cm −3 .
第1上側層LC1は、第1ドープ層LB1の上に設けられる。第1上側層LC1は窒化物半導体を含む。第1上側層LC1に含まれる窒化物半導体は、第1ドープ層LB1の窒化物半導体の格子定数以上であり第1下側層LA1の窒化物半導体の格子定数よりも大きい格子定数を有する。 The first upper layer LC1 is provided on the first doped layer LB1. The first upper layer LC1 includes a nitride semiconductor. The nitride semiconductor included in the first upper layer LC1 has a lattice constant greater than or equal to the lattice constant of the nitride semiconductor of the first doped layer LB1 and larger than the lattice constant of the nitride semiconductor of the first lower layer LA1.
中間層55は、第1積層膜SL1を有する。第1積層膜SL1は、上記の第1下側層LA1、第1ドープ層LB1及び第1上側層LC1を含む。ただし、後述するように、中間層55は、複数の積層膜の構成を有していても良い。 The intermediate layer 55 includes a first stacked film SL1. The first stacked film SL1 includes the first lower layer LA1, the first doped layer LB1, and the first upper layer LC1. However, as will be described later, the intermediate layer 55 may have a configuration of a plurality of laminated films.
ここで、第1下側層LA1から第1上側層LC1に向かう方向を積層方向(Z軸方向)とする。積層方向は、シリコン基板50から機能層40に向かう方向に対して平行である。 Here, a direction from the first lower layer LA1 toward the first upper layer LC1 is defined as a stacking direction (Z-axis direction). The stacking direction is parallel to the direction from the silicon substrate 50 toward the functional layer 40.
第1積層膜SL1において、積層方向に向かって(第1下側層LA1から第1上側層LC1に向かう方向において)、格子定数が大きくなる。第1下側層LA1の格子定数をa1とし、第1ドープ層LB1の格子定数をb1とし、第1上側層LC1の格子定数をc1とすると、a1<c1であり。そして、a1<b1<c1、または、a1≦b1<c1、または、a1<b1≦c1である。 In the first stacked film SL1, the lattice constant increases in the stacking direction (in the direction from the first lower layer LA1 to the first upper layer LC1). When the lattice constant of the first lower layer LA1 is a1, the lattice constant of the first doped layer LB1 is b1, and the lattice constant of the first upper layer LC1 is c1, a1 <c1. Then, a1 <b1 <c1 or a1 ≦ b1 <c1 or a1 <b1 ≦ c1.
例えば、第1下側層LA1は、Alxa1Inya1Ga1−xa1−ya1N(0≦xa1<1、0≦ya1<1、xa1+ya≦1)を含む。第1ドープ層LB1は、Alxb1Inyb1Ga1−xb1−yb1N(0≦xb1<1、0≦yb1<1、xb1+yb1≦1)を含む。第1上側層LC1は、Alxc1Inyc1Ga1−xc1−yc1N(0≦xc1<1、0≦yc1<1、xc1+yc1≦1)を含む。 For example, the first lower layer LA1 includes Al xa1 In ya1 Ga 1-xa1-ya1 N (0 ≦ xa1 <1, 0 ≦ ya1 <1, xa1 + ya ≦ 1). The first doped layer LB1 includes Al xb1 In yb1 Ga 1-xb1-yb1 N (0 ≦ xb1 <1, 0 ≦ yb1 <1, xb1 + yb1 ≦ 1). The first upper layer LC1 includes Al xc1 In yc1 Ga 1-xc1-yc1 N (0 ≦ xc1 <1, 0 ≦ yc1 <1, xc1 + yc1 ≦ 1).
例えば、第1下側層LA1は、Alxa1Ga1−xaN(0<xa1≦1)を含む。第1ドープ層LB1は、Alxb1Ga1−xb1N(0<xb1<xa1)を含む。第1上側層LC1は、Alxc1Ga1−xc1N(0≦xc1<xb1)を含む。 For example, the first lower layer LA1 includes Al xa1 Ga 1-xa N (0 <xa1 ≦ 1). The first doped layer LB1 includes Al xb1 Ga 1-xb1 N (0 <xb1 <xa1). The first upper layer LC1 includes Al xc1 Ga 1-xc1 N (0 ≦ xc1 <xb1).
例えば、第1ドープ層LB1の組成比は、第1下側層LA1の組成と異なり、第1上側層LC1の組成比とも異なる。第1ドープ層LB1の格子定数は、第1下側層LA1の格子定数よりも大きく、第1上側層LC1の格子定数よりも小さい。 For example, the composition ratio of the first doped layer LB1 is different from the composition of the first lower layer LA1, and is different from the composition ratio of the first upper layer LC1. The lattice constant of the first doped layer LB1 is larger than the lattice constant of the first lower layer LA1 and smaller than the lattice constant of the first upper layer LC1.
第1下側層LA1には、例えば、Al0.5Ga0.5N層が用いられる。第1ドープ層LB1には、例えばAl0.2Ga0.8N層が用いられる。第1上側層LC1には、例えば、GaN層が用いられる。 For example, an Al 0.5 Ga 0.5 N layer is used for the first lower layer LA1. For example, an Al 0.2 Ga 0.8 N layer is used for the first doped layer LB1. For the first upper layer LC1, for example, a GaN layer is used.
第1下側層LA1の厚さは、例えば100nm以上500nm以下である。第1ドープ層LB1の厚さは、例えば、20nm以上150nm以下である。第1上側層LC1の厚さは、100nm以上500nm以下である。 The thickness of the first lower layer LA1 is, for example, not less than 100 nm and not more than 500 nm. The thickness of the first doped layer LB1 is, for example, not less than 20 nm and not more than 150 nm. The thickness of the first upper layer LC1 is not less than 100 nm and not more than 500 nm.
第1ドープ層LB1が含有する不純物は、例えば、シリコン(Si)及びマグネシウム(Mg)の少なくともいずれかを含む。さらに、不純物は、例えば、Si、Mg、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、酸素(O)及びカーボン(C)の少なくともいずれかを含むこともできる。 The impurities contained in the first doped layer LB1 include, for example, at least one of silicon (Si) and magnesium (Mg). Further, the impurities can include, for example, at least one of Si, Mg, manganese (Mn), iron (Fe), oxygen (O), and carbon (C).
このように、本実施形態に係る窒化物半導体ウェーハ110においては、中間層55が積層膜(例えば第1積層膜SL1)を有しており、第1積層膜SL1においては、積層方向に沿って格子定数が大きくなる。これにより、第1積層膜SL1において圧縮歪が印加される。これにより、クラックが抑制される。第1積層膜SL1においては、積層方向に向かって、圧縮歪みが大きくなる。 As described above, in the nitride semiconductor wafer 110 according to the present embodiment, the intermediate layer 55 includes the stacked film (for example, the first stacked film SL1), and the first stacked film SL1 is along the stacking direction. Lattice constant increases. Thereby, compressive strain is applied in the first stacked film SL1. Thereby, a crack is suppressed. In the first stacked film SL1, the compressive strain increases in the stacking direction.
さらに、第1積層膜SL1において、格子定数が小さい第1下側層LA1と、格子定数が大きい第1上側層LC1と、の間に、不純物がドープされた第1ドープ層LB1が配置される。これにより、転位が減少する。 Further, in the first stacked film SL1, the first doped layer LB1 doped with impurities is disposed between the first lower layer LA1 having a small lattice constant and the first upper layer LC1 having a large lattice constant. . This reduces dislocations.
実施形態によれば、シリコン基板上に形成した、転位及びクラックの少ない窒化物半導体ウェーハが提供できる。すなわち、転位密度とクラック密度とが同時に低減される。 According to the embodiment, a nitride semiconductor wafer formed on a silicon substrate with few dislocations and cracks can be provided. That is, the dislocation density and crack density are simultaneously reduced.
図2は、第1の実施形態に係る窒化物半導体ウェーハの一部の構成を例示する模式的断面図である。
図2は、窒化物半導体ウェーハ110が、半導体発光素子に応用される場合における機能層40の構成を例示している。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration of a part of the nitride semiconductor wafer according to the first embodiment.
FIG. 2 illustrates the configuration of the functional layer 40 when the nitride semiconductor wafer 110 is applied to a semiconductor light emitting device.
図2に表したように、この例では、機能層40は、第1半導体層10と、第2半導体層20と、発光部30と、を含む。第1半導体層10は、上側歪緩和層52の上に設けられる。第1半導体層10は、窒化物半導体を含み、第1導電形である。第2半導体層20は、第1半導体層10の上に設けられる。第2半導体層20は、窒化物半導体を含み、第1導電形とは異なる第2導電形である。例えば、第1導電形はn形であり、第2導電形はp形である。第1導電形がp形で、第1導電形がn形でも良い。 As illustrated in FIG. 2, in this example, the functional layer 40 includes the first semiconductor layer 10, the second semiconductor layer 20, and the light emitting unit 30. The first semiconductor layer 10 is provided on the upper strain relaxation layer 52. The first semiconductor layer 10 includes a nitride semiconductor and has a first conductivity type. The second semiconductor layer 20 is provided on the first semiconductor layer 10. The second semiconductor layer 20 includes a nitride semiconductor and has a second conductivity type different from the first conductivity type. For example, the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type. The first conductivity type may be p-type and the first conductivity type may be n-type.
発光部30は、第1半導体層10と第2半導体層20との間に設けられる。発光部30は、複数の障壁層31と、複数の障壁層31の間に設けられた井戸層32と、を含む。井戸層32の数は、1つでも良く、複数でも良い。すなわち、発光部30は、SQW(Single-Quantum Well)構造、または、MQW(Multi-Quantum Well)構造を有することができる。 The light emitting unit 30 is provided between the first semiconductor layer 10 and the second semiconductor layer 20. The light emitting unit 30 includes a plurality of barrier layers 31 and a well layer 32 provided between the plurality of barrier layers 31. The number of well layers 32 may be one or plural. That is, the light emitting unit 30 can have an SQW (Single-Quantum Well) structure or an MQW (Multi-Quantum Well) structure.
障壁層31のバンドギャップエネルギーは、井戸層32のバンドギャップエネルギーよりも大きい。井戸層32には、例えば、InGaNが用いられる。障壁層31には、GaNが用いられる。障壁層31にInGaNが用いられる場合は、障壁層31におけるIn組成比は、井戸層32におけるIn組成比よりも小さい。発光部30から放出される光のピーク波長は、例えば200nm以上1300nm以下である。 The band gap energy of the barrier layer 31 is larger than the band gap energy of the well layer 32. For the well layer 32, for example, InGaN is used. GaN is used for the barrier layer 31. When InGaN is used for the barrier layer 31, the In composition ratio in the barrier layer 31 is smaller than the In composition ratio in the well layer 32. The peak wavelength of light emitted from the light emitting unit 30 is, for example, not less than 200 nm and not more than 1300 nm.
本願明細書において、「第1層の上に第2層が設けられる状態」は、第1層の上に第1層に接して第2層が配置される状態の他に、第1層の上に第3層が挿入され第3層の上に第2層が配置される状態も含む。 In the specification of the present application, “the state in which the second layer is provided on the first layer” refers to the state of the first layer in addition to the state in which the second layer is disposed in contact with the first layer on the first layer. It also includes a state in which the third layer is inserted above and the second layer is disposed on the third layer.
窒化物半導体ウェーハ110は、例えば、以下のようにして作製される。シリコン基板50の主面50a上に、下側歪緩和層51を形成し、その上に第1下側層LA1を形成し、その上に第1ドープ層LB1を形成し、その上に第1上側層LC1を形成する。さらに、その上に上側歪緩和層52を形成し、その上に機能層40を形成する。 The nitride semiconductor wafer 110 is manufactured as follows, for example. A lower strain relaxation layer 51 is formed on the main surface 50a of the silicon substrate 50, a first lower layer LA1 is formed thereon, a first doped layer LB1 is formed thereon, and a first doped layer LB1 is formed thereon. Upper layer LC1 is formed. Further, the upper strain relaxation layer 52 is formed thereon, and the functional layer 40 is formed thereon.
具体的には、シリコン基板50の主面50a上に、例えば、MOVPE法を用いて以下の結晶層を形成する。まず、下側歪緩和層51となる低温成長AlN層を形成する。下側歪緩和層51の形成温度は、例えば、900℃以下である。下側歪緩和層51の形成温度は、例えば約700℃である。下側歪緩和層51の厚さは、例えば30nmである。 Specifically, the following crystal layer is formed on the main surface 50a of the silicon substrate 50 by using, for example, the MOVPE method. First, a low temperature growth AlN layer to be the lower strain relaxation layer 51 is formed. The formation temperature of the lower strain relaxation layer 51 is, for example, 900 ° C. or less. The formation temperature of the lower strain relaxation layer 51 is about 700 ° C., for example. The thickness of the lower strain relaxation layer 51 is, for example, 30 nm.
さらに、その上に、第1下側層LA1となるAl0.5Ga0.5N層を形成する。第1下側層LA1の形成温度は、例えば1100℃である。第1下側層LA1の厚さは、例えば、約300nmである。 Furthermore, an Al 0.5 Ga 0.5 N layer to be the first lower layer LA1 is formed thereon. The formation temperature of the first lower layer LA1 is, for example, 1100 ° C. The thickness of the first lower layer LA1 is, for example, about 300 nm.
さらに、その上に、第1ドープ層LB1となるAl0.2Ga0.2N層を形成する。第1ドープ層LB1の形成温度は、例えば、約1100℃である。第1ドープ層LB1には、例えば、高濃度でMgがドーピングされる。第1ドープ層LB1におけるMgの濃度は、1×1018cm−3以上1×1021cm−3未満である。 Furthermore, an Al 0.2 Ga 0.2 N layer to be the first doped layer LB1 is formed thereon. The formation temperature of the first doped layer LB1 is, for example, about 1100 ° C. For example, the first doped layer LB1 is doped with Mg at a high concentration. The concentration of Mg in the first doped layer LB1 is 1 × 10 18 cm −3 or more and less than 1 × 10 21 cm −3 .
さらに、その上に、第1上側層LC1となるGaN層を形成する。第1上側層LC1の形成温度は、例えば1120℃である。第1上側層LC1の厚さは、例えば600nmである。 Furthermore, a GaN layer to be the first upper layer LC1 is formed thereon. The formation temperature of the first upper layer LC1 is 1120 ° C., for example. The thickness of the first upper layer LC1 is, for example, 600 nm.
さらに、この上に、上側歪緩和層52となる低温成長AlN層を形成する。上側歪緩和層52には、低温成長のAlGaN層を用いても良い。上側歪緩和層52の形成温度は、例えば、900℃以下である。上側歪緩和層52の形成温度は、例えば約700℃である。上側歪緩和層52の厚さは、例えば、15nmである。 Further, a low temperature growth AlN layer to be the upper strain relaxation layer 52 is formed thereon. As the upper strain relaxation layer 52, a low-temperature grown AlGaN layer may be used. The formation temperature of the upper strain relaxation layer 52 is, for example, 900 ° C. or less. The formation temperature of the upper strain relaxation layer 52 is about 700 ° C., for example. The thickness of the upper strain relaxation layer 52 is, for example, 15 nm.
さらに、上側歪緩和層52の上に、第1半導体層10となるn形GaN層を形成する。第1半導体層10の形成温度は、例えば1100℃である。第1半導体層10には、例えばSiがドープされる。第1半導体層10の厚さは、例えば、2マイクロメートル(μm)である。さらに、この上に、井戸層32となるIn0.15Ga0.85N層と、障壁層31となるGaN層と、を例えば750℃で積層して、発光部30を形成する。さらにこの上に、第2半導体層20となるp形GaN層を形成する。第2半導体層20には、Mgがドーピングされる。第2半導体層20の形成温度は、例えば950℃である。 Further, an n-type GaN layer to be the first semiconductor layer 10 is formed on the upper strain relaxation layer 52. The formation temperature of the first semiconductor layer 10 is 1100 ° C., for example. For example, Si is doped into the first semiconductor layer 10. The thickness of the first semiconductor layer 10 is, for example, 2 micrometers (μm). Further, an In 0.15 Ga 0.85 N layer to be the well layer 32 and a GaN layer to be the barrier layer 31 are stacked thereon at, for example, 750 ° C. to form the light emitting unit 30. Further on this, a p-type GaN layer to be the second semiconductor layer 20 is formed. The second semiconductor layer 20 is doped with Mg. The formation temperature of the second semiconductor layer 20 is, for example, 950 ° C.
これにより、本実施形態に係る窒化物半導体ウェーハ110が形成される。さらに、この後、p側電極及びn側電極を形成した後、個別の素子に分断することで半導体発光素子が形成される。 Thereby, the nitride semiconductor wafer 110 according to the present embodiment is formed. Further, after forming the p-side electrode and the n-side electrode, the semiconductor light-emitting element is formed by dividing into individual elements.
本実施形態に係る窒化物半導体ウェーハにおいては、中間層55の積層膜(例えば第1積層膜SL1)において、積層方向に沿って格子定数が大きくなるため、第1積層膜SL1において圧縮歪が印加される。これにより、クラックが抑制される。また、ウェーハの反りが軽減される。さらに、第1積層膜SL1において第1ドープ層LB1が配置されることにより、3次元的に結晶が成長することで、転位が減少する。例えば、第1積層膜SL1に第1ドープ層LB1が設けられることで、第1ドープ層LB1及びその上に形成される第1上側層LC1の表面に凹凸が大きくなり、再び平坦化する際に転位が減少する。 In the nitride semiconductor wafer according to the present embodiment, in the laminated film (for example, the first laminated film SL1) of the intermediate layer 55, the lattice constant increases along the lamination direction, so that compressive strain is applied in the first laminated film SL1. Is done. Thereby, a crack is suppressed. Further, the warpage of the wafer is reduced. Furthermore, dislocations are reduced by the three-dimensional crystal growth due to the arrangement of the first doped layer LB1 in the first stacked film SL1. For example, when the first doped layer LB1 is provided in the first stacked film SL1, the surface of the first doped layer LB1 and the first upper layer LC1 formed on the first doped layer LB1 becomes uneven, and when the surface is planarized again. Dislocations are reduced.
実施形態によれば、シリコン基板上に形成した、転位及びクラックの少ない窒化物半導体ウェーハが提供できる。すなわち、転位密度とクラック密度とが同時に低減される。 According to the embodiment, a nitride semiconductor wafer formed on a silicon substrate with few dislocations and cracks can be provided. That is, the dislocation density and crack density are simultaneously reduced.
窒化物半導体装置を形成するための基板として、サファイア基板が多く用いられている。また、シリコンカーバイト基板、または、シリコン基板を用いることも検討されている。シリコン基板においては、サファイア基板及びシリコンカーバイト基板に比べて、切断または切削可能が容易である。また、シリコン基板は、低コスト化が容易である。また、シリコン基板は導電性を有することができ、シリコン基板を電流通路として使用することができる。しかし、シリコン基板と窒化物半導体との間の格子定数の差が大きいため、シリコン基板上に窒化物半導体を形成すると、サファイア基板上に形成したときよりも、転移密度が高くなり易い。また、シリコン基板と窒化物半導体との熱膨張係数差が大きいため、クラックが発生し易い。 As a substrate for forming a nitride semiconductor device, a sapphire substrate is often used. In addition, the use of a silicon carbide substrate or a silicon substrate has been studied. A silicon substrate can be easily cut or cut as compared to a sapphire substrate and a silicon carbide substrate. In addition, the cost of the silicon substrate can be easily reduced. Further, the silicon substrate can have conductivity, and the silicon substrate can be used as a current path. However, since the difference in lattice constant between the silicon substrate and the nitride semiconductor is large, when the nitride semiconductor is formed on the silicon substrate, the transition density tends to be higher than when it is formed on the sapphire substrate. Moreover, since the difference in thermal expansion coefficient between the silicon substrate and the nitride semiconductor is large, cracks are likely to occur.
一方、シリコン基板の上に不純物を含む第1の層と、不純物を含まない第2の層と、を交互に積層する構成(第1参考例)がある。この構成においては、第2の層の組成は、第1の層の組成と同じである。この場合、第1の層と第2の層とにおいて、組成が同じであるため、これらの層における格子定数も同じである。このため、これらの層により、圧縮応力が発生することはない。このような第1参考例においては、シリコン基板と窒化物半導体層との間において、大きな熱膨張係数差に起因して、成長温度から室温に降温する際、窒化物半導体層にクラックが発生し易い。 On the other hand, there is a configuration (first reference example) in which first layers containing impurities and second layers not containing impurities are alternately stacked on a silicon substrate. In this configuration, the composition of the second layer is the same as the composition of the first layer. In this case, since the compositions of the first layer and the second layer are the same, the lattice constants of these layers are also the same. For this reason, compressive stress is not generated by these layers. In such a first reference example, a crack occurs in the nitride semiconductor layer when the temperature is lowered from the growth temperature to room temperature due to a large difference in thermal expansion coefficient between the silicon substrate and the nitride semiconductor layer. easy.
一方、シリコン基板上に、核形成層、Al組成傾斜層、第1窒化物半導体層及び歪緩和中間層及び第2窒化物半導体層をこの順で積層し、第1窒化物半導体層と歪緩和中間層との間にSiN層またはMgN層を配置する構成(第2参考例)がある。この構成により、マスク効果により第2窒化物半導体層の転位を低減することを試みている。 On the other hand, a nucleation layer, an Al composition gradient layer, a first nitride semiconductor layer, a strain relaxation intermediate layer, and a second nitride semiconductor layer are stacked in this order on a silicon substrate, and the first nitride semiconductor layer and the strain relaxation are laminated. There is a configuration (second reference example) in which an SiN layer or an MgN layer is disposed between the intermediate layer and the intermediate layer. With this configuration, an attempt is made to reduce dislocations in the second nitride semiconductor layer by the mask effect.
しかしながら、本願発明者の実験によると、中間層55の第1ドープ層LB1として、SiまたはMgを一定以上の高い濃度でドープすると、SiNまたはMgNが形成され易い。SiN層またはMgN層が形成されると、転位を十分に低減することが困難である。 However, according to the experiments by the inventors of the present application, when the first doped layer LB1 of the intermediate layer 55 is doped with Si or Mg at a certain high concentration, SiN or MgN is easily formed. When the SiN layer or the MgN layer is formed, it is difficult to sufficiently reduce dislocations.
第1ドープ層LB1においてIII族窒化物半導体結晶のIII族元素の位置を不純物が置換して格子位置に入ることにより、結晶状態が維持され、結晶内に不連続な部分が発生しない。結晶内に連続しない部分が発生すると、そこから新たな転位・欠陥が発生する可能性がある。SiおよびMgなどの不純物濃度が高いときには、不純物が格子位置に入らずに格子間位置に現れ、不純物が窒素原子と直接結合を形成し、Si−NまたはMg−Nなどの異物が結晶内に発生する可能性がある。不純物濃度を1×1021cm−3未満にすることで、結晶内に異物が発生することが抑制できる。 In the first doped layer LB1, the position of the group III element of the group III nitride semiconductor crystal is replaced by the impurity and enters the lattice position, so that the crystal state is maintained and no discontinuous portion is generated in the crystal. If discontinuous parts occur in the crystal, new dislocations / defects may be generated therefrom. When the impurity concentration such as Si and Mg is high, the impurity does not enter the lattice position but appears at the interstitial position, the impurity forms a direct bond with the nitrogen atom, and foreign matter such as Si-N or Mg-N enters the crystal. May occur. By making the impurity concentration less than 1 × 10 21 cm −3 , it is possible to suppress the generation of foreign matters in the crystal.
本実施形態においては、第1ドープ層LB1における不純物濃度は、1×1018cm−3以上1×1021cm−3未満である。第1ドープ層LB1においては、ドープした不純物元素(例えば、Si、Mg、Mn、Fe、O及びCの少なくともいずれか)は、第1ドープ層LB1の窒化物半導体の格子位置に配置される。不純物元素は、格子位置に入る元素を置換する程度に導入される。例えば、導入された不純物により、SiNまたはMgNなどの化合物は形成されない。 In the present embodiment, the impurity concentration in the first doped layer LB1 is not less than 1 × 10 18 cm −3 and less than 1 × 10 21 cm −3 . In the first doped layer LB1, the doped impurity element (for example, at least one of Si, Mg, Mn, Fe, O, and C) is disposed at the lattice position of the nitride semiconductor of the first doped layer LB1. The impurity element is introduced to such an extent that the element entering the lattice position is replaced. For example, a compound such as SiN or MgN is not formed due to the introduced impurities.
ドープされた不純物により、第1ドープ層LB1(及びその上に形成される第1上側層LC1)において、3次元的に結晶が成長し、表面の凹凸が大きくなる。これにより、転位(刃状転位:edge dislocation、及び、螺旋転位:screw dislocation)の密度が減少する。 Due to the doped impurities, crystals grow three-dimensionally in the first doped layer LB1 (and the first upper layer LC1 formed thereon), and the surface irregularities become large. As a result, the density of dislocations (edge dislocation: edge dislocation and screw dislocation) decreases.
図3(a)〜図3(d)は、窒化物半導体ウェーハの一部の構成を例示する原子力間顕微鏡写真像である。
これらの図は、本願発明者が行った実験結果の例を示している。図3(a)〜図3(d)は、それぞれ、第1〜第4試料S01〜S04に対応する。第1試料S01は、第1ドープ層LB1を形成しない試料である。第2試料S02は、第1ドープ層LB1の形成の際に、Siを8.9×10−3μモル/分で導入した試料に相当する。第2試料S02におけるSiの濃度は、4×1019cm−3に相当する。第3試料S03は、第1ドープ層LB1の形成の際に、Siを8.9×10−2μモル/分で導入した試料に相当する。第3試料S03におけるSiの濃度は、4×1020cm−3に相当する。第4試料S04は、第1ドープ層LB1の形成の際に、Mgを5.8×10−1μモル/分で導入した試料に相当する。第4試料S04におけるMgの濃度は、5×1018cm−3に相当する。図3(a)〜図3(d)は、第1〜第4試料S01〜S04において、第1上側層LC1(この例ではGaN層)の上面を原子力間顕微鏡(AFM)で観察した層を例示している。
FIG. 3A to FIG. 3D are atomic force microscopic photographic images illustrating the configuration of part of the nitride semiconductor wafer.
These drawings show examples of experimental results conducted by the inventors. 3A to 3D correspond to the first to fourth samples S01 to S04, respectively. The first sample S01 is a sample in which the first doped layer LB1 is not formed. The second sample S02 corresponds to a sample into which Si is introduced at 8.9 × 10 −3 μmol / min when forming the first doped layer LB1. The concentration of Si in the second sample S02 corresponds to 4 × 10 19 cm −3 . The third sample S03 corresponds to a sample into which Si is introduced at 8.9 × 10 −2 μmol / min when forming the first doped layer LB1. The concentration of Si in the third sample S03 corresponds to 4 × 10 20 cm −3 . The fourth sample S04 corresponds to a sample into which Mg is introduced at 5.8 × 10 −1 μmol / min when the first doped layer LB1 is formed. The concentration of Mg in the fourth sample S04 corresponds to 5 × 10 18 cm −3 . FIGS. 3A to 3D show layers obtained by observing the upper surface of the first upper layer LC1 (GaN layer in this example) with an atomic force microscope (AFM) in the first to fourth samples S01 to S04. Illustrated.
図3(a)に表したように、第1ドープ層LB1を設けない第1試料S01においては、表面は平坦である。表面粗さRa(算術平均粗さ)は、0.34nmである。 As shown in FIG. 3A, the surface of the first sample S01 without the first doped layer LB1 is flat. The surface roughness Ra (arithmetic average roughness) is 0.34 nm.
図3(b)に表したように、第2試料S02においては、第1上側層LC1(この例ではGaN層)において、表面に凹凸が形成される。すなわち、GaN層が島状に形成される。第2試料S02における表面粗さRaは、3.77nmである。 As shown in FIG. 3B, in the second sample S02, unevenness is formed on the surface of the first upper layer LC1 (GaN layer in this example). That is, the GaN layer is formed in an island shape. The surface roughness Ra in the second sample S02 is 3.77 nm.
図3(c)に表したように、Si濃度が高い第3試料S02においては、GaN層の島状形成がさらに促進される。第3試料S03における表面粗さRaは、38.7nmである。このように、第1ドープ層LB1における不純物濃度を高めることで、GaN層の島状成長が促進され、GaN層の表面凹凸の高さが、著しく増大する。 As shown in FIG. 3C, in the third sample S02 having a high Si concentration, the formation of islands of the GaN layer is further promoted. The surface roughness Ra of the third sample S03 is 38.7 nm. Thus, by increasing the impurity concentration in the first doped layer LB1, the island-like growth of the GaN layer is promoted, and the height of the surface irregularities of the GaN layer is significantly increased.
図3(d)に表したように、Mgをドープした第4試料S04においても、GaN層が島状に形成され、GaN層の表面に凹凸が形成される。第4試料S04における表面粗さRaは、13.2nmである。 As shown in FIG. 3D, in the fourth sample S04 doped with Mg, the GaN layer is formed in an island shape, and irregularities are formed on the surface of the GaN layer. The surface roughness Ra of the fourth sample S04 is 13.2 nm.
このように、不純物をドープした第1ドープ層LB1を設けることで、その上に形成する第1上側層LC1の表面に凹凸が形成され、3次元的な島状の結晶が得られる。表面に凹凸が形成されることにより、形成された転位は、横方向(Z軸方向に対して垂直な成分を有する方向)に沿って進み、例えば他の転位と繋がる。これにより、Z軸方向に進んで延びる転位の密度が減少する。 As described above, by providing the first doped layer LB1 doped with impurities, irregularities are formed on the surface of the first upper layer LC1 formed thereon, and a three-dimensional island-like crystal is obtained. By forming irregularities on the surface, the formed dislocation proceeds along the lateral direction (direction having a component perpendicular to the Z-axis direction) and is connected to, for example, another dislocation. As a result, the density of dislocations extending in the Z-axis direction decreases.
第1ドープ層LB1にドープする不純物の種類により、第1ドープ層LB1上の第1上側層LC1の凹凸に及ぼす影響が異なる。また、凹凸の大きさは、成長条件によっても影響を受ける。しかし、転位密度の低減効果をもたらす不純物濃度は、おおむね、1×1018cm−3以上、1×1021cm−3未満の範囲である。 The influence on the unevenness of the first upper layer LC1 on the first doped layer LB1 varies depending on the type of impurities doped in the first doped layer LB1. The size of the unevenness is also affected by the growth conditions. However, the impurity concentration that brings about the effect of reducing the dislocation density is generally in the range of 1 × 10 18 cm −3 or more and less than 1 × 10 21 cm −3 .
図4(a)及び図4(b)は、窒化物半導体ウェーハの特性を例示するグラフ図である。
これらの図は、第1ドープ層LB1にドープする不純物としてSiを用いた時のSiの濃度と転位密度との関係を示している。また、図4(a)及び図4(b)には、第1ドープ層LB1を設けない参考例の半導体発光素子190の特性も示している。図4(a)の縦軸は、刃状転位密度EDDである。図4(b)の縦軸は、螺旋転位密度SDDである。これらの図の横軸は、第1ドープ層LB1における不純物濃度C(Si)である。
FIG. 4A and FIG. 4B are graphs illustrating characteristics of the nitride semiconductor wafer.
These drawings show the relationship between the concentration of Si and the dislocation density when Si is used as an impurity doped in the first doped layer LB1. 4A and 4B also show the characteristics of the semiconductor light emitting device 190 of the reference example in which the first doped layer LB1 is not provided. The vertical axis in FIG. 4A is the edge dislocation density EDD. The vertical axis of FIG. 4B is the screw dislocation density SDD. In these figures, the horizontal axis represents the impurity concentration C (Si) in the first doped layer LB1.
図4(a)に表したように、第1ドープ層LB1を設けない半導体発光素子190においては、刃状転位密度EDDは、約1.3×1010cm−2と高い。これに対して、Siをドープした第1ドープ層LB1を設けた場合(この例では不純物濃度C(Si)は4×1019/cm3〜4×1020/cm3)は、刃状転位密度EDDは、約1.3×109cm−2〜約4.1×109cm−2と著しく減少している。 As shown in FIG. 4A, in the semiconductor light emitting device 190 without the first doped layer LB1, the edge dislocation density EDD is as high as about 1.3 × 10 10 cm −2 . On the other hand, when the first doped layer LB1 doped with Si is provided (in this example, the impurity concentration C (Si) is 4 × 10 19 / cm 3 to 4 × 10 20 / cm 3 ), the edge dislocations are formed. The density EDD is significantly reduced from about 1.3 × 10 9 cm −2 to about 4.1 × 10 9 cm −2 .
一方、図4(b)に表したように、第1ドープ層LB1を設けない半導体発光素子190においては、螺旋転位密度SDDは、約3.3×108cm−2と大きい。これに対して、Siをドープした第1ドープ層LB1を設けた場合は、螺旋転位密度SDDは、約1.5×108cm−2〜約2.1×108cm−2と著しく減少している。 On the other hand, as shown in FIG. 4B, in the semiconductor light emitting device 190 in which the first doped layer LB1 is not provided, the screw dislocation density SDD is as large as about 3.3 × 10 8 cm −2 . On the other hand, when the first doped layer LB1 doped with Si is provided, the screw dislocation density SDD is remarkably reduced from about 1.5 × 10 8 cm −2 to about 2.1 × 10 8 cm −2. doing.
図5(a)及び図5(b)は、窒化物半導体ウェーハの特性を例示するグラフ図である。
これらの図は、第1ドープ層LB1にドープする不純物としてMgを用いた時のMgの濃度と転位密度との関係を示している。図5(a)の縦軸は、刃状転位密度EDDである。図5(b)の縦軸は、螺旋転位密度SDDである。これらの図の横軸は、第1ドープ層LB1における不純物濃度C(Mg)である。
FIG. 5A and FIG. 5B are graphs illustrating characteristics of the nitride semiconductor wafer.
These drawings show the relationship between the Mg concentration and the dislocation density when Mg is used as the impurity doped in the first doped layer LB1. The vertical axis | shaft of Fig.5 (a) is edge dislocation density EDD. The vertical axis in FIG. 5B is the screw dislocation density SDD. In these figures, the horizontal axis represents the impurity concentration C (Mg) in the first doped layer LB1.
図5(a)に表したように、半導体発光素子190の刃状転位密度EDDが約1.3×1010cm−2であるのに対して、Mgをドープした第1ドープ層LB1を設けた場合(この例では不純物濃度C(Mg)は1.4×1018/cm3〜2.8×1018/cm3)は、刃状転位密度EDDは、約4.2×109cm−2〜約6.8×109cm−2と著しく減少している。 As shown in FIG. 5A, the edge dislocation density EDD of the semiconductor light emitting device 190 is about 1.3 × 10 10 cm −2 , whereas the first doped layer LB1 doped with Mg is provided. In this case (in this example, the impurity concentration C (Mg) is 1.4 × 10 18 / cm 3 to 2.8 × 10 18 / cm 3 ), the edge dislocation density EDD is about 4.2 × 10 9 cm. -2 to about 6.8 × 10 9 cm -2 .
図5(b)に表したように、半導体発光素子190の螺旋転位密度SDDが約3.3×108cm−2であるのに対して、Mgをドープした第1ドープ層LB1を設けた場合は、螺旋転位密度SDDは、約2.1×108cm−2と著しく減少している。 As shown in FIG. 5B, the semiconductor light emitting device 190 has a screw dislocation density SDD of about 3.3 × 10 8 cm −2 , whereas the Mg-doped first doped layer LB1 is provided. In the case, the screw dislocation density SDD is significantly reduced to about 2.1 × 10 8 cm −2 .
実施形態においては、第1ドープ層LB1の形成においては、Si及びMgなどの元素を不純物として第1ドープ層LB1に導入するために、窒化物半導体の原料となるガスと共に、Si及びMgなどの不純物の原料ガスを反応容器中に導入する。例えば、第1ドープ層LB1となるAlGaN層(例えば、Alxb1Inyb1Ga1−xb1−yb1N層)となるIII族原料ガス及びV族原料ガスと共に、不純物となる原料ガスを導入する。これにより、不純物元素は、窒化物半導体に不純物として取り込まれる。一方、例えば、Gaを含むガスを導入せず、例えば、窒素を含むガスと、不純物元素を含む原料ガスと、を導入した場合は、不純物元素は、SiNまたはMgNなどの化合物を形成する。 In the embodiment, in forming the first doped layer LB1, in order to introduce elements such as Si and Mg into the first doped layer LB1 as impurities, together with a gas used as a material for the nitride semiconductor, Si, Mg, etc. Impurity source gas is introduced into the reaction vessel. For example, a source gas serving as an impurity is introduced together with a group III source gas and a group V source gas to be an AlGaN layer (for example, an Al xb1 In yb1 Ga 1-xb1-yb1 N layer) to be the first doped layer LB1. Thereby, the impurity element is taken into the nitride semiconductor as an impurity. On the other hand, for example, when a gas containing nitrogen and a source gas containing an impurity element are introduced without introducing a gas containing Ga, the impurity element forms a compound such as SiN or MgN.
図6(a)及び図6(b)は、第1の実施形態に係る別の窒化物半導体ウェーハの構成を例示する模式的断面図である。
図6(a)に表したように、本実施形態に係る別の窒化物半導体ウェーハ111においては、中間層55は、第2下側層LA2と、第2ドープ層LB2と、第2上側層LC2と、をさらに含む。第2下側層LA2は、第1上側層LC1の上に設けられる。第2下側層は、第1上側層LC1の格子定数よりも小さい格子定数を有する窒化物半導体を含む。第2ドープ層LB2は、第2下側層LA2の上に設けられる。第2ドープ層LB2は、窒化物半導体を含む。第2ドープ層LB2に含まれる窒化物半導体は、第2下側層LA2の格子定数以上の格子定数を有する。第2ドープ層LB2に含まれる窒化物半導体は、1×1018cm−3以上1×1021cm−3未満の濃度で不純物を含有する。第2上側層LC2は、第2ドープ層LB2の上に設けられる。第2上側層LC2は、窒化物半導体を含む。第2上側層LC2に含まれる窒化物半導体層は、第2ドープ層LB2の窒化物半導体の格子定数以上であり第2下側層LA2の窒化物半導体の格子定数よりも大きい格子定数を有する。
FIGS. 6A and 6B are schematic cross-sectional views illustrating the configuration of another nitride semiconductor wafer according to the first embodiment.
As shown in FIG. 6A, in another nitride semiconductor wafer 111 according to the present embodiment, the intermediate layer 55 includes a second lower layer LA2, a second doped layer LB2, and a second upper layer. And LC2. The second lower layer LA2 is provided on the first upper layer LC1. The second lower layer includes a nitride semiconductor having a lattice constant smaller than that of the first upper layer LC1. The second doped layer LB2 is provided on the second lower layer LA2. The second doped layer LB2 includes a nitride semiconductor. The nitride semiconductor included in the second doped layer LB2 has a lattice constant greater than or equal to the lattice constant of the second lower layer LA2. The nitride semiconductor included in the second doped layer LB2 contains impurities at a concentration of 1 × 10 18 cm −3 or more and less than 1 × 10 21 cm −3 . The second upper layer LC2 is provided on the second doped layer LB2. The second upper layer LC2 includes a nitride semiconductor. The nitride semiconductor layer included in the second upper layer LC2 has a lattice constant greater than or equal to the lattice constant of the nitride semiconductor of the second doped layer LB2 and greater than the lattice constant of the nitride semiconductor of the second lower layer LA2.
このように、中間層55は、第1積層膜SL1と上側歪緩和層52との間に設けられた第2積層膜SL2をさらに含む。第2積層膜SL2は、第2下側層LA2、第2ドープ層LB2及び第2上側層LC2を含む。 As described above, the intermediate layer 55 further includes the second stacked film SL <b> 2 provided between the first stacked film SL <b> 1 and the upper strain relaxation layer 52. The second stacked film SL2 includes a second lower layer LA2, a second doped layer LB2, and a second upper layer LC2.
この例では、中間層55は、第2歪緩和層LD2をさらに含む。すなわち、第2積層膜SL2は、第2歪緩和層LD2をさらに含む。第2歪緩和層LD2は、第1上側層LC1と第2下側層LA2との間に設けられる。第2歪緩和層LD2は、第2下側層LA2の窒化物半導体の格子定数よりも小さい格子定数を有する窒化物半導体を含む。第2歪緩和層LD2には、Alz2Ga1−z2N(0<z2≦1)が用いられる。第2歪緩和層LD2には、例えば、AlN層が用いられる。例えば、第2歪緩和層LD2がAlGaNを含む場合は、Alの組成比は、第2下側層LA2におけるAlの組成比よりも高い。第2歪緩和層LD2は、第2下側層LA2のうちの最もシリコン基板50側の部分と見なしても良い。 In this example, the intermediate layer 55 further includes a second strain relaxation layer LD2. That is, the second stacked film SL2 further includes the second strain relaxation layer LD2. The second strain relaxation layer LD2 is provided between the first upper layer LC1 and the second lower layer LA2. The second strain relaxation layer LD2 includes a nitride semiconductor having a lattice constant smaller than that of the nitride semiconductor of the second lower layer LA2. Alz2Ga1 -z2N (0 <z2 ≦ 1) is used for the second strain relaxation layer LD2. For example, an AlN layer is used for the second strain relaxation layer LD2. For example, when the second strain relaxation layer LD2 includes AlGaN, the Al composition ratio is higher than the Al composition ratio in the second lower layer LA2. The second strain relaxation layer LD2 may be regarded as the portion of the second lower layer LA2 closest to the silicon substrate 50.
例えば、第2下側層LA2は、Alxa2Inya2Ga1−xa2−ya2N(0≦xa2<1、0≦ya2<1、xa2+ya2≦1)を含む。第2ドープ層LB2は、Alxb2Inyb2Ga1−xb2−yb2N(0≦xb2<1、0≦yb2<1、xb2+yb2≦1)を含む。第2上側層LC2は、Alxc2Inyc2Ga1−xc2−yc2N(0≦xc2<1、0≦yc2<1、xc2+yc2≦1)を含む。 For example, second lower layer LA2 includes Al xa2 In ya2 Ga 1-xa2 -ya2 N (0 ≦ xa2 <1,0 ≦ ya2 <1, xa2 + ya2 ≦ 1). The second doped layer LB2 includes Al xb2 In yb2 Ga 1-xb2-yb2 N (0 ≦ xb2 <1, 0 ≦ yb2 <1, xb2 + yb2 ≦ 1). Second upper layer LC2 includes Al xc2 In yc2 Ga 1-xc2 -yc2 N (0 ≦ xc2 <1,0 ≦ yc2 <1, xc2 + yc2 ≦ 1).
例えば、第2下側層LA2は、Alxa2Ga1−x2N(0<xa2≦1)を含む。第2ドープ層LB2は、Alxb2Ga1−xb2N(0<xb2<xa2)を含む。第2上側層LC2は、Alxc2Ga1−xc2N(0≦xc2<xb2)を含む。 For example, the second lower layer LA2 includes Al xa2 Ga 1-x2 N (0 <xa2 ≦ 1). The second doped layer LB2 includes Al xb2 Ga 1-xb2 N (0 <xb2 <xa2). The second upper layer LC2 includes Al xc2 Ga 1-xc2 N (0 ≦ xc2 <xb2).
窒化物半導体ウェーハ111においては、第1積層膜SL1において、積層方向に沿って格子定数が増大するように設定される。第1積層膜SL1のうちでは、最も上の第1上側層LC1において、印加される応力は大きい。さらに、第1積層膜SL1のうちで最も上の第1上側層LC1の上に、第2下側層LA2(または、第2歪緩和層LD2)が設けられる。第2下側層LA2(または、第2歪緩和層LD2)においては、応力が一旦解放され、歪が緩和されている。そして、第2積層膜SL2において、再び、積層方向に沿って格子定数が増大するように設定される。このように、複数の積層膜のそれぞれにおいて、積層方向に沿って格子定数が増大するように設定される。これにより、クラックの発生が抑制される。そして、第2積層膜SL2中に第2ドープ層LB2が設けられ、これにより、転位密度が低減される。 In the nitride semiconductor wafer 111, the lattice constant is set to increase along the stacking direction in the first stacked film SL1. In the first stacked film SL1, the applied stress is large in the uppermost first upper layer LC1. Further, the second lower layer LA2 (or the second strain relaxation layer LD2) is provided on the uppermost first upper layer LC1 in the first stacked film SL1. In the second lower layer LA2 (or the second strain relaxation layer LD2), the stress is once released and the strain is relaxed. In the second stacked film SL2, the lattice constant is set again to increase along the stacking direction. Thus, in each of the plurality of stacked films, the lattice constant is set to increase along the stacking direction. Thereby, generation | occurrence | production of a crack is suppressed. Then, the second doped layer LB2 is provided in the second stacked film SL2, thereby reducing the dislocation density.
図6(b)に表したように、本実施形態に係る別の窒化物半導体ウェーハ112においては、中間層55は、第3積層膜SL3(第3下側層LA3、第3ドープ層LB3及び第3上側層LC3)をさらに含む。この場合も、中間層55(第3積層膜SL3)は、第3歪緩和層LD2をさらに含むことができる。第3歪緩和層LD3は、第2上側層LC2と第3下側層LA3との間に設けられる。第3歪緩和層LD3は、第3下側層LA3の格子定数よりも小さい格子定数を有する窒化物半導体を含む。第3歪緩和層LD3は、第3下側層LA3のうちの最もシリコン基板50側の部分と見なしても良い。 As shown in FIG. 6B, in another nitride semiconductor wafer 112 according to this embodiment, the intermediate layer 55 includes the third laminated film SL3 (the third lower layer LA3, the third doped layer LB3, and the third laminated layer SL3). It further includes a third upper layer LC3). Also in this case, the intermediate layer 55 (third stacked film SL3) can further include a third strain relaxation layer LD2. The third strain relaxation layer LD3 is provided between the second upper layer LC2 and the third lower layer LA3. The third strain relaxation layer LD3 includes a nitride semiconductor having a lattice constant smaller than that of the third lower layer LA3. The third strain relaxation layer LD3 may be regarded as the portion of the third lower layer LA3 closest to the silicon substrate 50.
図7(a)及び図7(b)は、第1の実施形態に係る別の窒化物半導体ウェーハの構成を例示する模式的断面図である。
図7(a)に表したように、本実施形態に係る別の窒化物半導体ウェーハ113においては、中間層55は、第4積層膜SL4(第4下側層LA4、第4ドープ層LB4及び第4上側層LC4)をさらに含む。この場合も、中間層55(第4積層膜SL4)は、第4歪緩和層LD4をさらに含むことができる。第4歪緩和層LD4は、第3上側層LC3と第4下側層LA4との間に設けられる。第4歪緩和層LD4は、第4下側層LA4の格子定数よりも小さい格子定数を有する窒化物半導体を含む。第4歪緩和層LD4は、第4下側層LA4のうちの最もシリコン基板50側の部分と見なしても良い。
FIG. 7A and FIG. 7B are schematic cross-sectional views illustrating the configuration of another nitride semiconductor wafer according to the first embodiment.
As shown in FIG. 7A, in another nitride semiconductor wafer 113 according to this embodiment, the intermediate layer 55 includes the fourth stacked film SL4 (fourth lower layer LA4, fourth doped layer LB4, and A fourth upper layer LC4) is further included. Also in this case, the intermediate layer 55 (fourth stacked film SL4) can further include a fourth strain relaxation layer LD4. The fourth strain relaxation layer LD4 is provided between the third upper layer LC3 and the fourth lower layer LA4. The fourth strain relaxation layer LD4 includes a nitride semiconductor having a lattice constant smaller than that of the fourth lower layer LA4. The fourth strain relaxation layer LD4 may be regarded as the portion of the fourth lower layer LA4 closest to the silicon substrate 50.
このように、中間層55には、複数の積層膜(例えば、第1〜第4積層膜SL1〜SL4など)を設けても良い。
例えば、図7(b)に表したように、本実施形態に係る別の窒化物半導体ウェーハ114においては、中間層55は、第1積層膜SL1〜第n積層膜SLn(nは、2以上の整数である)を含むことができる。第n積層膜SLnは、第n下側層LAnと、第nドープ層LBnと、第n上側層LCnと、を含む。第n下側層LAnは、第(n−1)上側層LC(n−1)の上に設けられる。第n下側層は、第(n−1)上側層LC(n−1)の格子定数よりも小さい格子定数を有する窒化物半導体を含む。第nドープ層LBnは、第n下側層LAnの上に設けられる。第nドープ層LBnは、第n下側層LAnの格子定数以上の格子定数を有する。第nドープ層LBnは、1×1018cm−3以上1×1021cm−3未満の濃度で不純物を含有する窒化物半導体を含む。第n上側層LCnは、第nドープ層LBnの上に設けられる。第n上側層LCnは、第nドープ層LBnの格子定数以上であり第n下側層LAnの格子定数よりも大きい格子定数を有する窒化物半導体を含む。
As described above, the intermediate layer 55 may be provided with a plurality of stacked films (for example, the first to fourth stacked films SL1 to SL4).
For example, as illustrated in FIG. 7B, in another nitride semiconductor wafer 114 according to this embodiment, the intermediate layer 55 includes the first stacked film SL1 to the nth stacked film SLn (n is 2 or more). Which is an integer). The nth stacked film SLn includes an nth lower layer LAn, an nth doped layer LBn, and an nth upper layer LCn. The nth lower layer LAn is provided on the (n−1) th upper layer LC (n−1). The nth lower layer includes a nitride semiconductor having a lattice constant smaller than that of the (n−1) th upper layer LC (n−1). The nth doped layer LBn is provided on the nth lower layer LAn. The nth doped layer LBn has a lattice constant greater than or equal to the lattice constant of the nth lower layer LAn. The n-th doped layer LBn includes a nitride semiconductor containing impurities at a concentration of 1 × 10 18 cm −3 or more and less than 1 × 10 21 cm −3 . The nth upper layer LCn is provided on the nth doped layer LBn. The n-th upper layer LCn includes a nitride semiconductor having a lattice constant greater than or equal to the lattice constant of the n-th doped layer LBn and larger than the lattice constant of the n-th lower layer LAn.
このように、中間層55は、第(n−1)積層膜SL(n−1)と上側歪緩和層52との間に設けられた第n積層膜SLnをさらに含むことができる。第n積層膜SLnは、第n下側層LAn、第nドープ層LBn及び第n上側層LCnを含む。 As described above, the intermediate layer 55 can further include the n-th stacked film SLn provided between the (n−1) -th stacked film SL (n−1) and the upper strain relaxation layer 52. The nth stacked film SLn includes an nth lower layer LAn, an nth doped layer LBn, and an nth upper layer LCn.
中間層55(第n積層膜SLn)は、第n歪緩和層LDnをさらに含むことができる。第n歪緩和層LDnは、第(n−1)上側層LC(n−1)と第n下側層LAnとの間に設けられる。第n歪緩和層LDnは、第n下側層LAnの格子定数よりも小さい格子定数を有する窒化物半導体を含む。第n歪緩和層LDnには、AlznGa1−znN(0<zn≦1)が用いられる。第n歪緩和層LDnには、AlN層が用いられる。第n歪緩和層LDnがAlGaNを含む場合は、Alの組成比は、例えば、第n下側層LAnにおけるAlの組成比よりも高い。第n歪緩和層LDnは、第n下側層LAnのうちの最もシリコン基板50側の部分と見なしても良い。 The intermediate layer 55 (nth stacked film SLn) can further include an nth strain relaxation layer LDn. The nth strain relaxation layer LDn is provided between the (n−1) th upper layer LC (n−1) and the nth lower layer LAn. The nth strain relaxation layer LDn includes a nitride semiconductor having a lattice constant smaller than that of the nth lower layer LAn. The n-th strain relaxing layer LDn, Al zn Ga 1-zn N (0 <zn ≦ 1) is used. An AlN layer is used for the nth strain relaxation layer LDn. When the nth strain relaxation layer LDn includes AlGaN, the Al composition ratio is higher than, for example, the Al composition ratio in the nth lower layer LAn. The nth strain relaxation layer LDn may be regarded as the portion of the nth lower layer LAn that is closest to the silicon substrate 50.
例えば、第n下側層LAnは、AlxanInyanGa1−xan−yanN(0≦xan<1、0<yan≦1、xan+yan≦1)を含む。第nドープ層LBnは、AlxbnInybnGa1−xbn−ybnN(0≦xbn<1、0≦ybn<1、xbn+ybn≦1)を含む。第n上側層LCnは、AlxcnInycnGa1−xcn−ycnN(0≦xcn<1、0≦ycn<1、xcn+ycn≦1)を含む。 For example, the n-th lower layer LAn includes Al xan In yan Ga 1-xan-yan N (0 ≦ xan <1, 0 <yan ≦ 1, xan + yan ≦ 1). The n-doped layer LBn includes Al xbn In ybn Ga 1-xbn -ybn N (0 ≦ xbn <1,0 ≦ ybn <1, xbn + ybn ≦ 1). The n-th upper layer LCn includes Al xcn In ycn Ga 1-xcn-ycn N (0 ≦ xcn <1, 0 ≦ ycn <1, xcn + ycn ≦ 1).
例えば、第n下側層LAnは、AlxanGa1−xnN(0<xn1≦1)を含む。第nドープ層LBnは、AlxbnGa1−xbnN(0<xbn<xan)を含む。第n上側層LCnは、AlxcnGa1−xcnN(0≦xcn<xbn)を含む。 For example, the nth lower layer LAn includes Al xan Ga 1-xn N (0 <xn1 ≦ 1). The n-th doped layer LBn includes Al xbn Ga 1-xbn N (0 <xbn <xan). The n-th upper layer LCn includes Al xcn Ga 1-xcn N (0 ≦ xcn <xbn).
窒化物半導体ウェーハ114においては、第(n−1)積層膜SL(n−1)において、積層方向に沿って格子定数が増大するように設定される。第(n−1)積層膜SL(n−1)のうちで最も上の第(n−1)上側層LC(n−1)において、印加される応力は大きい。さらに、第(n−1)積層膜SL(n−1)のうちで最も上の第(n−1)上側層LC(n−1)の上に、第n下側層LAn(または、第n歪緩和層LDn)が設けられる。第n下側層LAn(または、第n歪緩和層LDn)においては、応力が一旦解放され、歪が緩和されている。そして、第n積層膜SLnにおいて、再び、積層方向に沿って格子定数が増大するように設定される。このように、複数の積層膜のそれぞれにおいて、積層方向に沿って格子定数が増大するように設定される。これにより、クラックの発生が抑制される。そして、第n積層膜SLn中に第nドープ層LBnが設けられ、これにより、転位密度が低減される。 In the nitride semiconductor wafer 114, the lattice constant is set to increase along the stacking direction in the (n−1) th stacked film SL (n−1). In the uppermost (n-1) upper layer LC (n-1) of the (n-1) th laminated films SL (n-1), the applied stress is large. Further, on the uppermost (n−1) upper layer LC (n−1) in the (n−1) th stacked film SL (n−1), the nth lower layer LAn (or the first layer) An n strain relaxation layer LDn) is provided. In the n-th lower layer LAn (or the n-th strain relaxation layer LDn), the stress is once released and the strain is relaxed. In the n-th stacked film SLn, the lattice constant is set again to increase along the stacking direction. Thus, in each of the plurality of stacked films, the lattice constant is set to increase along the stacking direction. Thereby, generation | occurrence | production of a crack is suppressed. The n-th doped layer LBn is provided in the n-th stacked film SLn, thereby reducing the dislocation density.
図8(a)及び図8(b)は、第1の実施形態に係る窒化物半導体結晶の構成を例示するグラフ図である。
図8(a)は、中間層55が5つの積層膜(第1〜第5積層膜SL1〜SL5)を有する窒化物半導体ウェーハ115aにおける、不純物濃度プロファイルを示している。この例では、ドープ層の不純物はSiである。図8(a)の縦軸は、Siの不純物濃度C(Si)である。図8(b)は、中間層55が3つの積層膜(第1〜第3積層膜SL1〜SL3)を有する窒化物半導体ウェーハ112aにおける、不純物濃度プロファイルを示している。この例では、ドープ層の不純物はMgである。図8(b)の縦軸は、Mgの不純物濃度C(Mg)である。
FIG. 8A and FIG. 8B are graphs illustrating the configuration of the nitride semiconductor crystal according to the first embodiment.
FIG. 8A shows an impurity concentration profile in the nitride semiconductor wafer 115a in which the intermediate layer 55 has five stacked films (first to fifth stacked films SL1 to SL5). In this example, the impurity of the doped layer is Si. The vertical axis | shaft of Fig.8 (a) is the impurity concentration C (Si) of Si. FIG. 8B shows an impurity concentration profile in the nitride semiconductor wafer 112a in which the intermediate layer 55 has three stacked films (first to third stacked films SL1 to SL3). In this example, the impurity of the doped layer is Mg. The vertical axis in FIG. 8B is the Mg impurity concentration C (Mg).
図8(a)に表したように、窒化物半導体ウェーハ115aにおいては、中間層55のドープ層(第1〜第5ドープ層LB1〜LB5)における不純物濃度C(Si)は、約6×1019cm−3以上、約9×1019cm−3以下である。 As shown in FIG. 8A, in the nitride semiconductor wafer 115a, the impurity concentration C (Si) in the doped layer (first to fifth doped layers LB1 to LB5) of the intermediate layer 55 is about 6 × 10. It is 19 cm −3 or more and about 9 × 10 19 cm −3 or less.
図8(b)に表したように、窒化物半導体ウェーハ112aにおいては、中間層55のドープ層(第1〜第3ドープ層LB1〜LB3)における不純物濃度C(Mg)は、約4×1019cm−3以上、約6×1019cm−3以下である。 As shown in FIG. 8B, in the nitride semiconductor wafer 112a, the impurity concentration C (Mg) in the doped layer (first to third doped layers LB1 to LB3) of the intermediate layer 55 is about 4 × 10. It is 19 cm −3 or more and about 6 × 10 19 cm −3 or less.
窒化物半導体ウェーハ115a及び112aによれば、シリコン基板上に形成した、転位及びクラックの少ない窒化物半導体ウェーハが提供できる。 According to the nitride semiconductor wafers 115a and 112a, a nitride semiconductor wafer formed on a silicon substrate with few dislocations and cracks can be provided.
(第2の実施形態)
本実施形態は、窒化物半導体結晶の成長方法に係る。本成長方法は、例えば、半導体発光素子、半導体受光素子、及び、電子デバイスなどに用いられる窒化物半導体結晶の成長に適用される。
(Second Embodiment)
The present embodiment relates to a method for growing a nitride semiconductor crystal. This growth method is applied to growth of a nitride semiconductor crystal used for, for example, a semiconductor light emitting element, a semiconductor light receiving element, and an electronic device.
図9は、第2の実施形態に係る窒化物半導体結晶の成長方法を例示するフローチャート図である。
図9に表したように、本実施形態に係る窒化物半導体結晶の成長方法においては、シリコン基板50の主面50a上に下側歪緩和層51を形成する(ステップS110)。
FIG. 9 is a flowchart illustrating the method for growing a nitride semiconductor crystal according to the second embodiment.
As shown in FIG. 9, in the nitride semiconductor crystal growth method according to this embodiment, the lower strain relaxation layer 51 is formed on the main surface 50a of the silicon substrate 50 (step S110).
さらに、中間層55を形成する(ステップS120)。中間層55の形成は、下側歪緩和層51の上に第1下側層LA1を形成し(ステップS120a1)、第1下側層LA1の上に第1ドープ層LB1を形成し(ステップS120b1)、第1ドープ層LB1の上に第1上側層LC1を形成(ステップS120c1)することを含む。既に説明したように、第1下側層LA1は、下側歪緩和層の格子定数よりも大きい格子定数を有する窒化物半導体を含む。第1ドープ層LB1は、第1下側層LA1の格子定数以上の格子定数を有し1×1018cm−3以上1×1021cm−3未満の濃度で不純物を含有する窒化物半導体を含む。第1上側層LC1は、第1ドープ層LB1の格子定数以上であり第1下側層LA1の格子定数よりも大きい格子定数を有する窒化物半導体を含む。このように、中間層55の形成は、第1積層膜SL1の形成を含む。 Further, the intermediate layer 55 is formed (step S120). The intermediate layer 55 is formed by forming the first lower layer LA1 on the lower strain relaxation layer 51 (step S120a1) and forming the first doped layer LB1 on the first lower layer LA1 (step S120b1). ), Forming a first upper layer LC1 on the first doped layer LB1 (step S120c1). As already described, the first lower layer LA1 includes a nitride semiconductor having a lattice constant larger than that of the lower strain relaxation layer. The first doped layer LB1 is a nitride semiconductor having a lattice constant greater than or equal to that of the first lower layer LA1 and containing impurities at a concentration of 1 × 10 18 cm −3 or more and less than 1 × 10 21 cm −3. Including. The first upper layer LC1 includes a nitride semiconductor having a lattice constant greater than or equal to the lattice constant of the first doped layer LB1 and larger than the lattice constant of the first lower layer LA1. Thus, the formation of the intermediate layer 55 includes the formation of the first stacked film SL1.
さらに、本成長方法においては、中間層55の上に窒化物半導体層を含む上側歪緩和層52を形成する(ステップS130)。さらに、上側歪緩和層52の上に、窒化物半導体を含む機能層40を形成する。 Further, in this growth method, the upper strain relaxation layer 52 including the nitride semiconductor layer is formed on the intermediate layer 55 (step S130). Further, the functional layer 40 including a nitride semiconductor is formed on the upper strain relaxation layer 52.
本実施形態によれば、シリコン基板上に形成した、転位及びクラックの少ない窒化物半導体結晶の成長方法が提供できる。すなわち、転位密度とクラック密度とが同時に低減する成長方法が提供できる。 According to the present embodiment, a method for growing a nitride semiconductor crystal formed on a silicon substrate with few dislocations and cracks can be provided. That is, it is possible to provide a growth method in which the dislocation density and the crack density are simultaneously reduced.
本実施形態においても、第1ドープ層LB1の組成比は、第1下側層LA1の組成と異なり第1上側層LC1の組成比とも異なることができる。すなわち、第1ドープ層LB1の格子定数は、第1下側層LA1の前記格子定数よりも大きく、第1上側層LC1の格子定数よりも小さい。 Also in the present embodiment, the composition ratio of the first doped layer LB1 can be different from the composition ratio of the first upper layer LC1 unlike the composition of the first lower layer LA1. That is, the lattice constant of the first doped layer LB1 is larger than the lattice constant of the first lower layer LA1 and smaller than the lattice constant of the first upper layer LC1.
例えば、第1下側層LA1は、Alxa1Inya1Ga1−xa1−ya1N(0≦xa1<1、0≦ya1<1、xa1+ya≦1)を含む。第1ドープ層LB1は、Alxb1Inyb1Ga1−xb1−yb1N(0≦xb1<1、0≦yb1<1、xb1+yb1≦1)を含む。第1上側層LC1は、Alxc1Inyc1Ga1−xc1−yc1N(0≦xc1<1、0≦yc1<1、xc1+yc1≦1)を含む。 For example, the first lower layer LA1 includes Al xa1 In ya1 Ga 1-xa1-ya1 N (0 ≦ xa1 <1, 0 ≦ ya1 <1, xa1 + ya ≦ 1). The first doped layer LB1 includes Al xb1 In yb1 Ga 1-xb1-yb1 N (0 ≦ xb1 <1, 0 ≦ yb1 <1, xb1 + yb1 ≦ 1). The first upper layer LC1 includes Al xc1 In yc1 Ga 1-xc1-yc1 N (0 ≦ xc1 <1, 0 ≦ yc1 <1, xc1 + yc1 ≦ 1).
例えば、第1下側層LA1は、Alxa1Ga1−xaN(0<xa1≦1)を含む。第1ドープ層LB1は、Alxb1Ga1−xb1N(0<xb1<xa1)を含む。第1上側層LC1は、Alxc1Ga1−xc1N(0≦xc1<xb1)を含む。 For example, the first lower layer LA1 includes Al xa1 Ga 1-xa N (0 <xa1 ≦ 1). The first doped layer LB1 includes Al xb1 Ga 1-xb1 N (0 <xb1 <xa1). The first upper layer LC1 includes Al xc1 Ga 1-xc1 N (0 ≦ xc1 <xb1).
下側歪緩和層51は、例えば、AlNである。上側歪緩和層は、例えば、Alz0Ga1−z0N(0<z0≦1)である。 The lower strain relaxation layer 51 is, for example, AlN. The upper strain relaxation layer is, for example, Al z0 Ga 1-z0 N (0 <z0 ≦ 1).
第1ドープ層LB1に含まれる不純物は、例えば、Si、Mg、Mn、Fe、O及びCの少なくともいずれかである。第1ドープ層LB1の厚さは、20nm以上150nm以下である。 The impurity contained in the first doped layer LB1 is, for example, at least one of Si, Mg, Mn, Fe, O, and C. The thickness of the first doped layer LB1 is 20 nm or more and 150 nm or less.
中間層55の形成は、複数の積層膜の形成を含んでも良い。
図10は、第2の実施形態に係る窒化物半導体結晶の成長方法を例示するフローチャート図である。
図10に表したように、中間層55の形成(ステップS120)は、第1上側層LC1の上に第2下側層LA2を形成し(ステップS120a2)、第2下側層LA2の上に第2ドープ層LB2を形成し(ステップS120b2)、第2ドープ層LB2の上に第2上側層LC2を形成する(ステップS120c2)ことをさらに含む。既に説明したように、第2下側層LA2は、第1上側層LC1の格子定数よりも小さい格子定数を有する窒化物半導体を含む。第2ドープ層LB2は、第2下側層LA2の格子定数以上の格子定数を有し1×1018cm−3以上1×1021cm−3未満の濃度で不純物を含有する窒化物半導体を含む。第2上側層LC2は、第2ドープ層LB2の格子定数以上であり第2下側層LA2の格子定数よりも大きい格子定数を有する窒化物半導体を含む。
The formation of the intermediate layer 55 may include the formation of a plurality of stacked films.
FIG. 10 is a flowchart illustrating the method for growing a nitride semiconductor crystal according to the second embodiment.
As shown in FIG. 10, the formation of the intermediate layer 55 (step S120) forms the second lower layer LA2 on the first upper layer LC1 (step S120a2), and on the second lower layer LA2. The method further includes forming the second doped layer LB2 (Step S120b2) and forming the second upper layer LC2 on the second doped layer LB2 (Step S120c2). As already described, the second lower layer LA2 includes a nitride semiconductor having a lattice constant smaller than that of the first upper layer LC1. The second doped layer LB2 is made of a nitride semiconductor having a lattice constant greater than or equal to that of the second lower layer LA2 and containing impurities at a concentration of 1 × 10 18 cm −3 or more and less than 1 × 10 21 cm −3. Including. The second upper layer LC2 includes a nitride semiconductor having a lattice constant greater than or equal to the lattice constant of the second doped layer LB2 and larger than the lattice constant of the second lower layer LA2.
図10に表したように、中間層55の形成は、第1上側層LC1と第2下側層LA2との間に設けられる第2歪緩和層LD2をさらに形成する(ステップS120d2)ことをさらに含むことができる。第2歪緩和層LD2は、第2下側層LA2の格子定数よりも小さい格子定数を有する窒化物半導体を含む。第2歪緩和層LD2として、例えば、Alz2Ga1−z2N(0<z2≦1)を形成する。 As shown in FIG. 10, the formation of the intermediate layer 55 further includes forming a second strain relaxation layer LD2 provided between the first upper layer LC1 and the second lower layer LA2 (Step S120d2). Can be included. The second strain relaxation layer LD2 includes a nitride semiconductor having a lattice constant smaller than that of the second lower layer LA2. For example, Al z2 Ga 1-z2 N (0 <z2 ≦ 1) is formed as the second strain relaxation layer LD2.
第2下側層LA2は、Alxa2Inya2Ga1−xa2−ya2N(0≦xa2<1、0≦ya2<1、xa2+ya2≦1)を含む。第2ドープ層LB2は、Alxb2Inyb2Ga1−xb2−yb2N(0≦xb2<1、0≦yb2<1、xb2+yb2≦1)を含む。第2上側層LC2は、Alxc2Inyc2Ga1−xc2−yc2N(0≦xc2<1、0≦yc2<1、xc2+yc2≦1)を含む。 Second lower layer LA2 includes Al xa2 In ya2 Ga 1-xa2 -ya2 N (0 ≦ xa2 <1,0 ≦ ya2 <1, xa2 + ya2 ≦ 1). The second doped layer LB2 includes Al xb2 In yb2 Ga 1-xb2-yb2 N (0 ≦ xb2 <1, 0 ≦ yb2 <1, xb2 + yb2 ≦ 1). Second upper layer LC2 includes Al xc2 In yc2 Ga 1-xc2 -yc2 N (0 ≦ xc2 <1,0 ≦ yc2 <1, xc2 + yc2 ≦ 1).
例えば、第2下側層LA2は、Alxa2Ga1−x2N(0<xa2≦1)を含む。第2ドープ層LB2は、Alxb2Ga1−xb2N(0<xb2<xa2)を含む。第2上側層LC2は、Alxc2Ga1−xc2N(0≦xc2<xb2)を含む。 For example, the second lower layer LA2 includes Al xa2 Ga 1-x2 N (0 <xa2 ≦ 1). The second doped layer LB2 includes Al xb2 Ga 1-xb2 N (0 <xb2 <xa2). The second upper layer LC2 includes Al xc2 Ga 1-xc2 N (0 ≦ xc2 <xb2).
このように、本実施形態に係る成長方法においては、中間層55の形成は、複数の積層膜を積層して形成することを含む。 Thus, in the growth method according to the present embodiment, the formation of the intermediate layer 55 includes forming a plurality of stacked films.
(第3の実施の形態)
第3の実施形態は、窒化物半導体装置に係る。
実施形態に係る窒化物半導体装置は、例えば、半導体発光素子、半導体受光素子、及び、電子デバイスなどを含む。実施形態に係る窒化物半導体装置は、第1の実施形態に係るウェーハを基に製造されることができる。
(Third embodiment)
The third embodiment relates to a nitride semiconductor device.
The nitride semiconductor device according to the embodiment includes, for example, a semiconductor light emitting element, a semiconductor light receiving element, and an electronic device. The nitride semiconductor device according to the embodiment can be manufactured based on the wafer according to the first embodiment.
図11は、第3の実施形態に係る窒化物半導体装置の構成を例示する模式的断面図である。
図11に表したように、本実施形態に係る窒化物半導体装置210は、シリコン基板50の主面50a上に形成され窒化物半導体を含む中間層55と、中間層55の上に設けられ窒化物半導体層を含む上側歪緩和層52と、上側歪緩和層52の上に設けられ窒化物半導体を含む機能層40と、を備える。中間層55は、第1下側層LA1と、第1ドープ層LB1と、第1上側層LC1と、を含む。第1下側層LA1は、シリコン基板50の主面50a上に形成され、窒化物半導体を含む。第1ドープ層LB1は、第1下側層LA1の上に設けられる。第1ドープ層LB1は、第1下側層LB1の窒化物半導体の格子定数以上の格子定数を有し、1×1018cm−3以上1×1021cm−3未満の濃度で不純物を含有する窒化物半導体を含む。第1上側層LC1は、第1ドープ層LB1の上に設けられる。第1上側層LC1は、第1ドープ層LB1の窒化物半導体の格子定数以上であり第1下側層LA1の窒化物半導体の格子定数よりも大きい格子定数を有する窒化物半導体を含む。
FIG. 11 is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration of a nitride semiconductor device according to the third embodiment.
As shown in FIG. 11, the nitride semiconductor device 210 according to this embodiment includes an intermediate layer 55 that is formed on the main surface 50 a of the silicon substrate 50 and includes a nitride semiconductor, and a nitride layer provided on the intermediate layer 55. An upper strain relaxation layer 52 including a physical semiconductor layer, and a functional layer 40 provided on the upper strain relaxation layer 52 and including a nitride semiconductor. The intermediate layer 55 includes a first lower layer LA1, a first doped layer LB1, and a first upper layer LC1. The first lower layer LA1 is formed on the main surface 50a of the silicon substrate 50 and includes a nitride semiconductor. The first doped layer LB1 is provided on the first lower layer LA1. The first doped layer LB1 has a lattice constant greater than or equal to the lattice constant of the nitride semiconductor of the first lower layer LB1 and contains impurities at a concentration of 1 × 10 18 cm −3 or more and less than 1 × 10 21 cm −3. Including nitride semiconductors. The first upper layer LC1 is provided on the first doped layer LB1. The first upper layer LC1 includes a nitride semiconductor having a lattice constant greater than or equal to the lattice constant of the nitride semiconductor of the first doped layer LB1 and larger than the lattice constant of the nitride semiconductor of the first lower layer LA1.
この例では、窒化物半導体装置210は、下側歪緩和層51をさらに含んでいる。下側歪緩和層51は、シリコン基板50と第1下側層LA1との間に設けられる。下側歪緩和層51の格子定数は、第1下側層LA1の格子定数よりも小さい。 In this example, the nitride semiconductor device 210 further includes a lower strain relaxation layer 51. The lower strain relaxation layer 51 is provided between the silicon substrate 50 and the first lower layer LA1. The lattice constant of the lower strain relaxation layer 51 is smaller than the lattice constant of the first lower layer LA1.
この例では、窒化物半導体装置210は、シリコン基板50をさらに含む。ただし、実施形態はこれに限らない。シリコン基板50の上に中間層55、上側歪緩和層52及び機能層40が形成された後に、シリコン基板50が除去されても良い。このとき、例えば、下側歪緩和層51の少なくとも一部が除去されても良い。 In this example, the nitride semiconductor device 210 further includes a silicon substrate 50. However, the embodiment is not limited to this. After the intermediate layer 55, the upper strain relaxation layer 52, and the functional layer 40 are formed on the silicon substrate 50, the silicon substrate 50 may be removed. At this time, for example, at least a part of the lower strain relaxation layer 51 may be removed.
この例では、機能層40は、上側歪緩和層52の上に設けられ窒化物半導体を含み第1導電形(例えばn形)の第1半導体層10と、第1半導体層10の上に設けられ窒化物半導体を含み第1導電形とは異なる第2導電形(例えばp形)の第2半導体層20と、第1半導体層10と第2半導体層20との間に設けられた発光部30と、を含む。発光部30は、例えば、複数の障壁層31と、複数の障壁層31の間に設けられた井戸層32と、を含む。 In this example, the functional layer 40 is provided on the upper strain relaxation layer 52 and is provided on the first semiconductor layer 10 including the nitride semiconductor and having the first conductivity type (for example, n-type) and the first semiconductor layer 10. A second semiconductor layer 20 including a nitride semiconductor and having a second conductivity type (for example, p-type) different from the first conductivity type, and a light emitting portion provided between the first semiconductor layer 10 and the second semiconductor layer 20 30. The light emitting unit 30 includes, for example, a plurality of barrier layers 31 and a well layer 32 provided between the plurality of barrier layers 31.
窒化物半導体装置210は、半導体発光素子である。さらに具体的には、窒化物半導体装置210は、LED(Light Emitting Diode)である。 The nitride semiconductor device 210 is a semiconductor light emitting element. More specifically, the nitride semiconductor device 210 is an LED (Light Emitting Diode).
窒化物半導体装置210においては、第1半導体層10の一部の上に発光部30が設けられ発光部30の上に第2半導体層20が設けられている。第1半導体層10の上に第1電極10eが設けられ、第2半導体層20の上に第2電極20eが設けられている。第1電極10eと第2電極20eとの間に電圧を印加すると、発光部30内において正孔と電子とが再結合して、発光部30から、光が放出される。この光は、発光部30からみて第2半導体層20側の面、または、発光部30からみて第1半導体層10側の面から取り出される。 In the nitride semiconductor device 210, the light emitting unit 30 is provided on a part of the first semiconductor layer 10, and the second semiconductor layer 20 is provided on the light emitting unit 30. A first electrode 10 e is provided on the first semiconductor layer 10, and a second electrode 20 e is provided on the second semiconductor layer 20. When a voltage is applied between the first electrode 10 e and the second electrode 20 e, holes and electrons are recombined in the light emitting unit 30, and light is emitted from the light emitting unit 30. This light is extracted from the surface on the second semiconductor layer 20 side as viewed from the light emitting unit 30 or from the surface on the first semiconductor layer 10 side as viewed from the light emitting unit 30.
窒化物半導体装置210によれば、シリコン基板上に形成した、転位及びクラックの少ない窒化物半導体装置が提供できる。転位密度が低減し、クラックが少なくなることで、例えば発光効率が向上する。さらに、信頼性が向上できる。 According to the nitride semiconductor device 210, a nitride semiconductor device formed on a silicon substrate with few dislocations and cracks can be provided. For example, the light emission efficiency is improved by reducing the dislocation density and reducing the number of cracks. Furthermore, reliability can be improved.
図12は、第3の実施形態に係る別の窒化物半導体装置の構成を例示する模式的断面図である。
図12に表したように、実施形態に係る別の窒化物半導体装置220も、中間層55と、上側歪緩和層52と、機能層40と、を含む。この例では、機能層40は、上側歪緩和層52の上に設けられた第1半導体層71と、第1半導体層71の上に設けられた第2半導体層72と、を含む。第2半導体層72のバンドギャップエネルギーは、第1半導体層71のバンドギャップエネルギーよりも大きい。
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration of another nitride semiconductor device according to the third embodiment.
As illustrated in FIG. 12, another nitride semiconductor device 220 according to the embodiment also includes the intermediate layer 55, the upper strain relaxation layer 52, and the functional layer 40. In this example, the functional layer 40 includes a first semiconductor layer 71 provided on the upper strain relaxation layer 52 and a second semiconductor layer 72 provided on the first semiconductor layer 71. The band gap energy of the second semiconductor layer 72 is larger than the band gap energy of the first semiconductor layer 71.
第1半導体層71は、チャネル層となる。第2半導体層72は、バリア層となる。第2半導体層72は、第1半導体層71とヘテロ接合をしている。中間層55、上側歪緩和層52、第1半導体層71及び第2半導体層72は、この順で、シリコン基板50の主面上にエピタキシャル成長されている。 The first semiconductor layer 71 becomes a channel layer. The second semiconductor layer 72 becomes a barrier layer. The second semiconductor layer 72 is in a heterojunction with the first semiconductor layer 71. The intermediate layer 55, the upper strain relief layer 52, the first semiconductor layer 71, and the second semiconductor layer 72 are epitaxially grown on the main surface of the silicon substrate 50 in this order.
第1半導体層71は、例えば、不純物を含まないアンドープのAlαGa1−αN(0≦α≦1)を含む。第2半導体層72は、例えばアンドープまたはn形のAlβGa1−βN(0≦β≦1、α<β)を含む。例えば、第1半導体層71にはアンドープのGaN層が用いられ、第2半導体層72にはアンドープまたはn形のAlGaN層が用いられる。上側歪緩和層52には、例えば、AlN層またはAlGaN層が用いられる。 The first semiconductor layer 71 includes, for example, undoped Al α Ga 1-α N (0 ≦ α ≦ 1) that does not contain impurities. The second semiconductor layer 72 includes, for example, Al β Ga 1-β N ( 0 ≦ β ≦ 1, α <β) of undoped or n-type a. For example, an undoped GaN layer is used for the first semiconductor layer 71, and an undoped or n-type AlGaN layer is used for the second semiconductor layer 72. For the upper strain relaxation layer 52, for example, an AlN layer or an AlGaN layer is used.
第2半導体層72の上には、ソース電極73とドレイン電極74とが互いに離間して設けられている。ソース電極73及びドレイン電極74のそれぞれは、第2半導体層72の表面にオーミック接触をしている。ソース電極73とドレイン電極74との間における第2半導体層72の上には、ゲート電極75が設けられている。ゲート電極75は、第2半導体層72の表面にショットキー接触をしている。 A source electrode 73 and a drain electrode 74 are provided on the second semiconductor layer 72 so as to be separated from each other. Each of the source electrode 73 and the drain electrode 74 is in ohmic contact with the surface of the second semiconductor layer 72. A gate electrode 75 is provided on the second semiconductor layer 72 between the source electrode 73 and the drain electrode 74. The gate electrode 75 is in Schottky contact with the surface of the second semiconductor layer 72.
第2半導体層72の格子定数は、第1半導体層71の格子定数よりも小さい。これにより、第2半導体層72に歪みが生じて、ピエゾ効果により第2半導体層72内にピエゾ分極が生じる。これにより、第1半導体層71における第2半導体層72との界面付近に2次元電子ガス71gが形成される。 The lattice constant of the second semiconductor layer 72 is smaller than the lattice constant of the first semiconductor layer 71. As a result, distortion occurs in the second semiconductor layer 72, and piezoelectric polarization occurs in the second semiconductor layer 72 due to the piezoelectric effect. Thereby, a two-dimensional electron gas 71g is formed in the vicinity of the interface between the first semiconductor layer 71 and the second semiconductor layer 72.
窒化物半導体装置220においては、ゲート電極75に印加するゲート電圧を制御することで、ゲート電極75下の2次元電子ガス71gの濃度が増減し、ソース電極73とドレイン電極74との間に流れる電流が制御される。窒化物半導体装置220は、HEMT(High Electron Mobility Transistor)である。 In the nitride semiconductor device 220, by controlling the gate voltage applied to the gate electrode 75, the concentration of the two-dimensional electron gas 71 g below the gate electrode 75 increases and decreases and flows between the source electrode 73 and the drain electrode 74. The current is controlled. The nitride semiconductor device 220 is a HEMT (High Electron Mobility Transistor).
窒化物半導体装置220によれば、シリコン基板上に形成した、転位及びクラックの少ない窒化物半導体装置が提供できる。転位密度が低減し、クラックが少なくなることで、性能が安定し、さらに、信頼性が向上できる。 According to the nitride semiconductor device 220, a nitride semiconductor device formed on a silicon substrate with few dislocations and cracks can be provided. Since the dislocation density is reduced and cracks are reduced, the performance is stabilized and the reliability can be improved.
実施形態において、半導体層の成長には、例えば、有機金属気相堆積(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition: MOCVD)法、有機金属気相成長(Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy:MOVPE)法、分子線エピタキシー(Molecular Beam Epitaxy:MBE)法、及び、ハライド気相エピタキシー法(HVPE)法などを用いることができる。 In the embodiment, the semiconductor layer is grown by, for example, metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) method, metal-organic vapor phase epitaxy (MOVPE) method, molecular beam epitaxy. (Molecular Beam Epitaxy: MBE) method, halide vapor phase epitaxy method (HVPE) method and the like can be used.
例えば、MOCVD法またはMOVPE法を用いた場合では、各半導体層の形成の際の原料には、以下を用いることができる。Gaの原料として、例えばTMGa(トリメチルガリウム)及びTEGa(トリエチルガリウム)を用いることができる。Inの原料として、例えば、TMIn(トリメチルインジウム)及びTEIn(トリエチルインジウム)などを用いることができる。Alの原料として、例えば、TMAl(トリメチルアルミニウム)などを用いることができる。Nの原料として、例えば、NH3(アンモニア)、MMHy(モノメチルヒドラジン)及びDMHy(ジメチルヒドラジン)などを用いることができる。 For example, when the MOCVD method or the MOVPE method is used, the following can be used as raw materials for forming each semiconductor layer. For example, TMGa (trimethyl gallium) and TEGa (triethyl gallium) can be used as the Ga raw material. For example, TMIn (trimethylindium), TEIn (triethylindium), or the like can be used as the In material. As a raw material for Al, for example, TMAl (trimethylaluminum) can be used. As a raw material of N, for example, NH 3 (ammonia), MMHy (monomethylhydrazine), DMHy (dimethylhydrazine) and the like can be used.
不純物の原料には、例えば、以下を用いることができる。Siの原料ガスとして、例えば、シラン(SiH4)を用いることができる。Mgの原料として、例えば、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)を用いることができる。Mnの原料として、例えば、トリカルボニルマンガン(MMT)を用いることができる。Feの原料として、例えば、鉄カルボニル(Fe(CO)5)、フェロセン(Cp2Fe)を用いることができる。酸素(O)の原料として、例えば、酸素プラズマを用いることができる。 For example, the following can be used as the impurity source. For example, silane (SiH 4 ) can be used as the Si source gas. As a raw material of Mg, for example, biscyclopentadienyl magnesium (Cp 2 Mg) can be used. For example, tricarbonyl manganese (MMT) can be used as a raw material of Mn. For example, iron carbonyl (Fe (CO) 5 ) or ferrocene (Cp 2 Fe) can be used as a raw material for Fe. As a raw material for oxygen (O), for example, oxygen plasma can be used.
実施形態によれば、シリコン基板上に形成した、転位及びクラックの少ない窒化物半導体ウェーハ、窒化物半導体装置及び窒化物半導体結晶の成長方法が提供される。 According to the embodiments, a nitride semiconductor wafer, a nitride semiconductor device, and a method for growing a nitride semiconductor crystal, which are formed on a silicon substrate and have few dislocations and cracks, are provided.
なお、本明細書において「窒化物半導体」とは、BxInyAlzGa1−x−y−zN(0≦x≦1,0≦y≦1,0≦z≦1,x+y+z≦1)なる化学式において組成比x、y及びzをそれぞれの範囲内で変化させた全ての組成の半導体を含むものとする。またさらに、上記化学式において、N(窒素)以外のV族元素もさらに含むもの、導電形などの各種の物性を制御するために添加される各種の元素をさらに含むもの、及び、意図せずに含まれる各種の元素をさらに含むものも、「窒化物半導体」に含まれるものとする。 In this specification, “nitride semiconductor” means B x In y Al z Ga 1-xyz N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1, x + y + z ≦ 1) Semiconductors having all compositions in which the composition ratios x, y, and z are changed within the respective ranges are included. Furthermore, in the above chemical formula, those further containing a group V element other than N (nitrogen), those further containing various elements added for controlling various physical properties such as conductivity type, and unintentionally Those further including various elements included are also included in the “nitride semiconductor”.
なお、本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれば良い。 In the present specification, “vertical” and “parallel” include not only strict vertical and strict parallel but also include, for example, variations in the manufacturing process, and may be substantially vertical and substantially parallel. It ’s fine.
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明の実施形態は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、窒化物半導体ウェーハまたは窒化物半導体装置に含まれるシリコン基板、下側歪緩和層、中間層、上側歪緩和層、機能層、下側層、ドープ層及び上側層などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか2つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
The embodiments of the present invention have been described above with reference to specific examples. However, embodiments of the present invention are not limited to these specific examples. For example, specific elements such as a silicon substrate, a lower strain relaxation layer, an intermediate layer, an upper strain relaxation layer, a functional layer, a lower layer, a doped layer, and an upper layer included in a nitride semiconductor wafer or a nitride semiconductor device With respect to such configurations, those skilled in the art can appropriately select from the well-known ranges to implement the present invention in the same manner, and are included in the scope of the present invention as long as similar effects can be obtained.
Moreover, what combined any two or more elements of each specific example in the technically possible range is also included in the scope of the present invention as long as the gist of the present invention is included.
その他、本発明の実施の形態として上述した窒化物半導体ウェーハ、窒化物半導体装置及び窒化物半導体結晶の成長方法を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての窒化物半導体ウェーハ、窒化物半導体装置及び窒化物半導体結晶の成長方法も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。 In addition, all nitride semiconductor wafers that can be implemented by those skilled in the art by appropriately modifying the design based on the nitride semiconductor wafer, nitride semiconductor device, and nitride semiconductor crystal growth method described above as embodiments of the present invention. A nitride semiconductor device and a method for growing a nitride semiconductor crystal also belong to the scope of the present invention as long as they include the gist of the present invention.
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。 In addition, in the category of the idea of the present invention, those skilled in the art can conceive of various changes and modifications, and it is understood that these changes and modifications also belong to the scope of the present invention. .
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
10…第1半導体層、 10e…第1電極、 20…第2半導体層、 20e…第2電極、 30…発光部、 31…障壁層、 32…井戸層、 40…機能層、 50…シリコン基板、 50a…主面、 51…下側歪緩和層、 52…上側歪緩和層、 55…中間層、 71…第1半導体層、 71g…2次元電子ガス、 72…第2半導体層、 73…シース電極、 74…ドレイン電極、 75…ゲート電極、 110、111、112、112a、113、114、115a…窒化物半導体ウェーハ、 210、220…窒化物半導体装置、 C(Mg)、C(Si)…不純物濃度、 EDD…刃状転位密度、 LA1〜LA4…第1〜第4下側層、 LAn…第n下側層、 LA(n−1)…第(n−1)下側層、 LB1〜LB4…第1〜第4ドープ層、 LBn…第nドープ層、 LB(n−1)…第(n−1)ドープ層、 LC1〜LC4…第1〜第4上側層、 LCn…第n上側層、 LC(n−1)…第(n−1)上側層、 LD2〜LD4…第2〜第4下側層、 LDn…第n歪緩和層、 LD(n−1)…第(n−1)歪緩和層、 S01〜S04…第1〜第4試料、 SDD…螺旋転位密度、 SL1〜SL4…第1〜第4積層膜、 SLn…第n積層膜、 SL(n−1)…第(n−1)積層膜 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... 1st semiconductor layer, 10e ... 1st electrode, 20 ... 2nd semiconductor layer, 20e ... 2nd electrode, 30 ... Light emission part, 31 ... Barrier layer, 32 ... Well layer, 40 ... Functional layer, 50 ... Silicon substrate 50a ... main surface, 51 ... lower strain relaxation layer, 52 ... upper strain relaxation layer, 55 ... intermediate layer, 71 ... first semiconductor layer, 71g ... two-dimensional electron gas, 72 ... second semiconductor layer, 73 ... sheath Electrode, 74 ... Drain electrode, 75 ... Gate electrode, 110, 111, 112, 112a, 113, 114, 115a ... Nitride semiconductor wafer, 210, 220 ... Nitride semiconductor device, C (Mg), C (Si) ... Impurity concentration, EDD: edge dislocation density, LA1 to LA4: first to fourth lower layers, LAn: nth lower layer, LA (n-1) ... (n-1) lower layer, LB1 LB4 ... 1st to 4th door LBn ... n-th doped layer, LB (n-1) ... (n-1) -doped layer, LC1-LC4 ... first-fourth upper layer, LCn ... n-th upper layer, LC (n- 1) ... (n-1) upper layer, LD2 to LD4 ... 2nd to 4th lower layer, LDn ... nth strain relaxation layer, LD (n-1) ... (n-1) strain relaxation layer, S01 to S04: First to fourth samples, SDD: Spiral dislocation density, SL1 to SL4: First to fourth stacked films, SLn: Nth stacked film, SL (n-1): (n-1) stacked layers film
Claims (8)
前記シリコン基板の主面上に設けられ窒化物半導体層を含む下側歪緩和層と、
前記下側歪緩和層の上に設けられ窒化物半導体を含む中間層と、
前記中間層の上に設けられ窒化物半導体層を含む上側歪緩和層と、
前記上側歪緩和層の上に設けられ窒化物半導体を含む機能層と、
を備え、
前記中間層は、
前記下側歪緩和層の上に設けられ前記下側歪緩和層の前記窒化物半導体の格子定数よりも大きい格子定数を有する窒化物半導体を含む100nm以上500nm以下の厚さの第1下側層と、
前記第1下側層の上に設けられ前記第1下側層の前記窒化物半導体の前記格子定数以上の格子定数を有し1×1018cm−3以上1×1021cm−3未満の濃度であり前記第1下側層よりも高い濃度で、シリコン(Si)、マグネシウム(Mg)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、酸素(O)及びカーボン(C)の少なくともいずれかを含む不純物を含有する窒化物半導体を含む20nm以上150nm以下の厚さの第1ドープ層と、
前記第1ドープ層の上に設けられ前記第1ドープ層の前記窒化物半導体の前記格子定数以上であり前記第1下側層の前記窒化物半導体の前記格子定数よりも大きい格子定数を有する窒化物半導体を含む100nm以上500nm以下の厚さの第1上側層と、
を含む窒化物半導体ウェーハ。 A silicon substrate;
A lower strain relaxation layer including a nitride semiconductor layer provided on the main surface of the silicon substrate;
An intermediate layer provided on the lower strain relaxation layer and including a nitride semiconductor;
An upper strain relaxation layer including a nitride semiconductor layer provided on the intermediate layer;
A functional layer including a nitride semiconductor provided on the upper strain relaxation layer;
With
The intermediate layer is
A first lower layer having a thickness of not less than 100 nm and not more than 500 nm including a nitride semiconductor provided on the lower strain relaxation layer and having a lattice constant larger than that of the nitride semiconductor of the lower strain relaxation layer When,
It is provided on the first lower layer and has a lattice constant equal to or higher than the lattice constant of the nitride semiconductor of the first lower layer and is not less than 1 × 10 18 cm −3 and less than 1 × 10 21 cm −3 . The concentration is higher than that of the first lower layer and includes at least one of silicon (Si), magnesium (Mg), manganese (Mn), iron (Fe), oxygen (O), and carbon (C). A first doped layer having a thickness of 20 nm or more and 150 nm or less, including a nitride semiconductor containing impurities;
Nitriding provided on the first doped layer and having a lattice constant that is greater than or equal to the lattice constant of the nitride semiconductor of the first doped layer and greater than the lattice constant of the nitride semiconductor of the first lower layer A first upper layer having a thickness of 100 nm or more and 500 nm or less , including a physical semiconductor;
Nitride semiconductor wafer containing.
前記第1ドープ層の前記格子定数は、前記第1下側層の前記格子定数よりも大きく前記第1上側層の格子定数よりも小さい請求項1記載の窒化物半導体ウェーハ。 The composition ratio of the first doped layer is different from the composition of the first upper layer, unlike the composition of the first lower layer,
The nitride semiconductor wafer according to claim 1, wherein the lattice constant of the first doped layer is larger than the lattice constant of the first lower layer and smaller than the lattice constant of the first upper layer.
前記第1上側層の上に設けられ前記第1上側層の前記窒化物半導体の前記格子定数よりも小さい格子定数を有する窒化物半導体を含む第2下側層と、
前記第2下側層の上に設けられ前記第2下側層の前記窒化物半導体の前記格子定数以上の格子定数を有し1×1018cm−3以上1×1021cm−3未満の濃度であり前記第2下側層よりも高い濃度で不純物を含有する窒化物半導体を含む第2ドープ層と、
前記第2ドープ層の上に設けられ前記第2ドープ層の前記窒化物半導体の前記格子定数以上であり前記第2下側層の前記窒化物半導体の前記格子定数よりも大きい格子定数を有する窒化物半導体を含む第2上側層と、
をさらに含む請求項1または2に記載の窒化物半導体ウェーハ。 The intermediate layer is
A second lower layer including a nitride semiconductor provided on the first upper layer and having a lattice constant smaller than the lattice constant of the nitride semiconductor of the first upper layer;
It is provided on the second lower layer and has a lattice constant greater than or equal to the lattice constant of the nitride semiconductor of the second lower layer and is not less than 1 × 10 18 cm −3 and less than 1 × 10 21 cm −3 . A second doped layer comprising a nitride semiconductor having a concentration and containing impurities at a higher concentration than the second lower layer;
Nitriding provided on the second doped layer and having a lattice constant greater than or equal to the lattice constant of the nitride semiconductor of the second doped layer and greater than the lattice constant of the nitride semiconductor of the second lower layer A second upper layer containing a physical semiconductor;
The nitride semiconductor wafer according to claim 1 or 2 further comprising a.
前記第1上側層と前記第2下側層との間に設けられ前記第2下側層の前記窒化物半導体の格子定数よりも小さい格子定数を有する窒化物半導体を含む第2歪緩和層をさらに含む請求項3記載の窒化物半導体ウェーハ。 The intermediate layer is
A second strain relaxation layer including a nitride semiconductor provided between the first upper layer and the second lower layer and having a lattice constant smaller than that of the nitride semiconductor of the second lower layer; 4. The nitride semiconductor wafer according to claim 3, further comprising:
前記第1ドープ層は、Alxb1Ga1−xb1N(0<xb1<xa1)を含み、
前記第1上側層は、Alxc1Ga1−xc1N(0≦xc1<xb1)を含む請求項1〜4のいずれか1つに記載の窒化物半導体ウェーハ。 The first lower layer includes Al xa1 Ga 1-xa N (0 <xa1 ≦ 1),
The first doped layer includes Al xb1 Ga 1-xb1 N (0 <xb1 <xa1),
The first upper layer, Al xc1 Ga 1-xc1 N nitride semiconductor wafer according to any one of claims 1-4 comprising (0 ≦ xc1 <xb1).
前記中間層の上に設けられ窒化物半導体層を含む上側歪緩和層と、
前記上側歪緩和層の上に設けられ窒化物半導体を含む機能層と、
を備え、
前記中間層は、
前記主面上に形成され窒化物半導体を含む100nm以上500nm以下の厚さの第1下側層と、
前記第1下側層の上に設けられ前記第1下側層の前記窒化物半導体の格子定数以上の格子定数を有し1×1018cm−3以上1×1021cm−3未満の濃度であり前記第1下側層よりも高い濃度で、シリコン(Si)、マグネシウム(Mg)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、酸素(O)及びカーボン(C)の少なくともいずれかを含む不純物を含有する窒化物半導体を含む20nm以上150nm以下の厚さの第1ドープ層と、
前記第1ドープ層の上に設けられ前記第1ドープ層の前記窒化物半導体の前記格子定数以上であり前記第1下側層の前記窒化物半導体の前記格子定数よりも大きい格子定数を有する窒化物半導体を含む100nm以上500nm以下の厚さの第1上側層と、
を含む窒化物半導体装置。 An intermediate layer formed on the main surface of the silicon substrate and including a nitride semiconductor;
An upper strain relaxation layer including a nitride semiconductor layer provided on the intermediate layer;
A functional layer including a nitride semiconductor provided on the upper strain relaxation layer;
With
The intermediate layer is
A first lower layer having a thickness of not less than 100 nm and not more than 500 nm including a nitride semiconductor formed on the main surface;
A concentration of 1 × 10 18 cm −3 or more and less than 1 × 10 21 cm −3 provided on the first lower layer and having a lattice constant greater than or equal to that of the nitride semiconductor of the first lower layer; An impurity containing at least one of silicon (Si), magnesium (Mg), manganese (Mn), iron (Fe), oxygen (O), and carbon (C) at a higher concentration than the first lower layer A first doped layer having a thickness of 20 nm to 150 nm including a nitride semiconductor containing
Nitriding provided on the first doped layer and having a lattice constant that is greater than or equal to the lattice constant of the nitride semiconductor of the first doped layer and greater than the lattice constant of the nitride semiconductor of the first lower layer A first upper layer having a thickness of 100 nm or more and 500 nm or less , including a physical semiconductor;
A nitride semiconductor device comprising:
前記上側歪緩和層の上に設けられ窒化物半導体を含み第1導電形の第1半導体層と、
前記第1半導体層の上に設けられ窒化物半導体を含み第1導電形とは異なる第2導電形の第2半導体層と、
前記第1半導体層と前記第2半導体層との間に設けられ、複数の障壁層と、前記複数の障壁層の間に設けられた井戸層と、を含む発光部と、
を含む請求項6記載の窒化物半導体装置。 The functional layer is
A first semiconductor layer of a first conductivity type including a nitride semiconductor provided on the upper strain relaxation layer;
A second semiconductor layer of a second conductivity type provided on the first semiconductor layer and including a nitride semiconductor and different from the first conductivity type;
A light emitting unit provided between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer and including a plurality of barrier layers and a well layer provided between the plurality of barrier layers;
The nitride semiconductor device according to claim 6 comprising:
前記下側歪緩和層の上に前記下側歪緩和層の前記窒化物半導体の格子定数よりも大きい格子定数を有する窒化物半導体を含む100nm以上500nm以下の厚さの第1下側層を形成し、
前記第1下側層の上に前記第1下側層の窒化物半導体の格子定数以上の格子定数を有し1×1018cm−3以上1×1021cm−3未満の濃度であり前記第1下側層よりも高い濃度で、シリコン(Si)、マグネシウム(Mg)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、酸素(O)及びカーボン(C)の少なくともいずれかを含む不純物を含有する窒化物半導体を含む20nm以上150nm以下の厚さの第1ドープ層を形成し、
前記第1ドープ層の上に前記第1ドープ層の前記窒化物半導体の前記格子定数以上であり前記第1下側層の前記窒化物半導体の前記格子定数よりも大きい格子定数を有する窒化物半導体を含む100nm以上500nm以下の厚さの第1上側層を形成して、中間層を形成し、
前記中間層の上に窒化物半導体層を含む上側歪緩和層を形成し、
前記上側歪緩和層の上に窒化物半導体を含む機能層を形成する窒化物半導体結晶の成長方法。 Forming a lower strain relaxation layer including a nitride semiconductor on the main surface of the silicon substrate;
A first lower layer having a thickness of 100 nm to 500 nm including a nitride semiconductor having a lattice constant larger than that of the nitride semiconductor of the lower strain relaxation layer is formed on the lower strain relaxation layer. And
The first lower layer has a lattice constant greater than or equal to the lattice constant of the nitride semiconductor of the first lower layer, and has a concentration of 1 × 10 18 cm −3 or more and less than 1 × 10 21 cm −3. Contains impurities including at least one of silicon (Si), magnesium (Mg), manganese (Mn), iron (Fe), oxygen (O), and carbon (C) at a higher concentration than the first lower layer. Forming a first doped layer including a nitride semiconductor and having a thickness of 20 nm to 150 nm ;
A nitride semiconductor having a lattice constant greater than or equal to the lattice constant of the nitride semiconductor of the first doped layer and greater than the lattice constant of the nitride semiconductor of the first lower layer on the first doped layer Forming a first upper layer having a thickness of not less than 100 nm and not more than 500 nm, and forming an intermediate layer ,
Forming an upper strain relaxation layer including a nitride semiconductor layer on the intermediate layer;
A method for growing a nitride semiconductor crystal, wherein a functional layer containing a nitride semiconductor is formed on the upper strain relaxation layer.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012180143A JP5705179B2 (en) | 2012-08-15 | 2012-08-15 | Nitride semiconductor wafer, nitride semiconductor device, and method for growing nitride semiconductor crystal |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012180143A JP5705179B2 (en) | 2012-08-15 | 2012-08-15 | Nitride semiconductor wafer, nitride semiconductor device, and method for growing nitride semiconductor crystal |
Related Parent Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2011224367A Division JP5117609B1 (en) | 2011-10-11 | 2011-10-11 | Nitride semiconductor wafer, nitride semiconductor device, and method for growing nitride semiconductor crystal |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2013084913A JP2013084913A (en) | 2013-05-09 |
JP5705179B2 true JP5705179B2 (en) | 2015-04-22 |
Family
ID=48529754
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2012180143A Active JP5705179B2 (en) | 2012-08-15 | 2012-08-15 | Nitride semiconductor wafer, nitride semiconductor device, and method for growing nitride semiconductor crystal |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP5705179B2 (en) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2014236093A (en) | 2013-05-31 | 2014-12-15 | サンケン電気株式会社 | Silicon-based substrate, semiconductor device and method for manufacturing semiconductor device |
Family Cites Families (14)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH05291618A (en) * | 1992-04-08 | 1993-11-05 | Asahi Chem Ind Co Ltd | Light emitting device |
JP3064891B2 (en) * | 1995-02-03 | 2000-07-12 | 住友化学工業株式会社 | Group 3-5 compound semiconductor, method of manufacturing the same, and light emitting device |
JP4304750B2 (en) * | 1998-12-08 | 2009-07-29 | 日亜化学工業株式会社 | Nitride semiconductor growth method and nitride semiconductor device |
JP2000277441A (en) * | 1999-03-26 | 2000-10-06 | Nagoya Kogyo Univ | Semiconductor structure, semiconductor element comprising the same and crystal growth method |
US6649287B2 (en) * | 2000-12-14 | 2003-11-18 | Nitronex Corporation | Gallium nitride materials and methods |
JP4734786B2 (en) * | 2001-07-04 | 2011-07-27 | 日亜化学工業株式会社 | Gallium nitride compound semiconductor substrate and manufacturing method thereof |
JP2004047764A (en) * | 2002-07-12 | 2004-02-12 | Hitachi Cable Ltd | Method for manufacturing nitride semiconductor, semiconductor wafer and semiconductor device |
US7687827B2 (en) * | 2004-07-07 | 2010-03-30 | Nitronex Corporation | III-nitride materials including low dislocation densities and methods associated with the same |
JP4980701B2 (en) * | 2006-12-01 | 2012-07-18 | 住友電工デバイス・イノベーション株式会社 | Manufacturing method of semiconductor device |
US7825432B2 (en) * | 2007-03-09 | 2010-11-02 | Cree, Inc. | Nitride semiconductor structures with interlayer structures |
JP4592742B2 (en) * | 2007-12-27 | 2010-12-08 | Dowaエレクトロニクス株式会社 | Semiconductor material, method for manufacturing semiconductor material, and semiconductor element |
JP2009231561A (en) * | 2008-03-24 | 2009-10-08 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Nitride semiconductor crystal thin film and its manufacturing method, and semiconductor device and method of manufacturing the same |
JP5572976B2 (en) * | 2009-03-26 | 2014-08-20 | サンケン電気株式会社 | Semiconductor device |
EP2498293B1 (en) * | 2009-11-06 | 2018-08-01 | NGK Insulators, Ltd. | Epitaxial substrate for semiconductor element and method for producing epitaxial substrate for semiconductor element |
-
2012
- 2012-08-15 JP JP2012180143A patent/JP5705179B2/en active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2013084913A (en) | 2013-05-09 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5117609B1 (en) | Nitride semiconductor wafer, nitride semiconductor device, and method for growing nitride semiconductor crystal | |
TWI476947B (en) | An epitaxial wafer, a gallium nitride-based semiconductor device, a gallium nitride-based semiconductor device, and a gallium oxide wafer | |
US20130140525A1 (en) | Gallium nitride growth method on silicon substrate | |
US8772831B2 (en) | III-nitride growth method on silicon substrate | |
JP5296255B1 (en) | Nitride semiconductor device, nitride semiconductor wafer, and method of forming nitride semiconductor layer | |
US10008571B2 (en) | Semiconductor wafer, semiconductor device, and method for manufacturing nitride semiconductor layer | |
JP2008263023A (en) | Manufacturing method of group iii-v compound semiconductor, schottky barrier diode, light-emitting diode, laser diode and manufacturing method of these | |
US8465997B2 (en) | Manufacturing method of group III nitride semiconductor | |
US20150084163A1 (en) | Epitaxial substrate, semiconductor device, and method for manufacturing semiconductor device | |
JP2016058693A (en) | Semiconductor device, semiconductor wafer, and method of manufacturing semiconductor device | |
JP5460751B2 (en) | Semiconductor device | |
US9305773B2 (en) | Semiconductor device, nitride semiconductor wafer, and method for forming nitride semiconductor layer | |
JP6117010B2 (en) | Nitride semiconductor device, nitride semiconductor wafer, and method of forming nitride semiconductor layer | |
JP5705179B2 (en) | Nitride semiconductor wafer, nitride semiconductor device, and method for growing nitride semiconductor crystal | |
JP5837642B2 (en) | Semiconductor device and nitride semiconductor wafer | |
JP5059205B2 (en) | Wafer and crystal growth method | |
JP6649693B2 (en) | Nitride semiconductor light emitting device and method of manufacturing the same | |
JP6437083B2 (en) | Semiconductor wafer and semiconductor device | |
JP2011199268A (en) | Semiconductor substrate, semiconductor device, and method for manufacturing semiconductor substrate | |
JP2017085157A (en) | Semiconductor wafer, semiconductor element, and manufacturing method of nitride semiconductor layer | |
JP2010028147A (en) | Manufacturing method of group iii-v compound semiconductor, schottky barrier diode, light-emitting diode, laser diode and manufacturing method of these manufacturing method of group iii-v compound semiconductor, schottky barrier diode, light-emitting diode, laser diode and manufacturing method of these |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20140219 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20141014 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20141031 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20141222 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20150128 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20150224 |
|
R151 | Written notification of patent or utility model registration |
Ref document number: 5705179 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151 |
|
S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313111 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313113 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |