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SEMICONDUCTOR LAMINATE STRUCTURE AND SEMICONDUCTOR ELEMENT USING THE SAME commons

Patent code P130009876
Posted date Aug 13, 2013
Application number P2013-156638
Publication number P2015-026770A
Patent number P6265328
Date of filing Jul 29, 2013
Date of publication of application Feb 5, 2015
Date of registration Jan 5, 2018
Inventor
  • (In Japanese)江川 孝志
Applicant
  • (In Japanese)国立大学法人名古屋工業大学
Title SEMICONDUCTOR LAMINATE STRUCTURE AND SEMICONDUCTOR ELEMENT USING THE SAME commons
Abstract PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor laminate structure which reduces warpage or has a small X-ray half bandwidth, the semiconductor laminate structure in which AlGaN semiconductor layers each having a lattice constant or a thermal expansion coefficient different from those of a substrate are sequentially provided; and provide a semiconductor element using the semiconductor laminate structure.
SOLUTION: In the semiconductor laminate structure in which AlGaN-based semiconductor layers composed of a buffer layer, a distortion relaxation layer, and a device layer are sequentially provided on the substrate, the distortion relaxation layer is composed of a graded composition layer and a superlattice layer and one of the graded composition layer and the superlattice layer exists between two layers composed of the other layers.
Outline of related art and contending technology (In Japanese)

窒化物半導体は、電界効果トランジスタ等の電子デバイス、あるいは、可視光領域から紫外光領域の短波長帯における受発光デバイスの活性材料として、近年盛んに研究開発が行われている。

一般的に、前記窒化物半導体は、サファイア、SiC又はSi等からなる基板上に形成される。特に、Si単結晶基板(以下、「Si基板」という)は、大面積が低価格で入手でき、結晶性及び放熱性に優れ、さらに、へき開やエッチングが容易で、プロセス技術が成熟しているといった多くの利点を具えている。

しかし、前記窒化物半導体とSi基板とでは、格子定数や熱膨張係数が大きく異なるため、Si基板上に窒化物半導体を成長させた場合、成長した窒化物半導体は、ウェーハとして反る、あるいはクラックやピット(点状欠陥)が発生するという問題があった。特に反りが大きいと、デバイス加工としてプロセスが困難となり、また素子として耐圧が低いなど大きな課題となっている。

上記問題を解決するための手段としては、前記Si基板と窒化物半導体層との間にバッファ層を形成することで、反りあるいはクラックを抑制する技術が知られている。例えば、特許文献1では、Si基板の上に、窒化物半導体からなり、組成的に勾配を付けたAlxGa1-XN等からなる緩衝層(バッファ層)を形成し、該緩衝層の上に窒化ガリウムを形成してなる半導体材料が開示されている。

また、特許文献2では、Si基板上に、高Al含有層と、低Al含有層とを交互に複数層積層してなるAlN系超格子複合層を形成し、該AlN系超格子複合バッファ層上に窒化物半導体層を形成してなる窒化物半導体素子が開示されている。

しかしながら、特許文献1及び2に記載の半導体材料では、いずれも前記窒化物半導体層に発生する反りあるいはクラックの抑制については十分でなかった。

一方、特許文献3および4では、反りの少ない半導体積層基板を得るため、2インチ径で330μm厚のサファイア基板上に、30nm厚のGaNバッファ層を設けた後、GaN層とGaの一部をInで置換したInGaN層からなる中間層を設け、さらにAlGaN系の膜を20~30nmの厚みで形成した半導体積層構造の反りが10~25μmであることが開示されている。

しかし、特許文献3および4で用いたサファイア基板のヤング率はSi基板のヤング率の2~3倍であり、相対的に反りが小さくなること、また、基板の径を2インチから4インチへと大きくすれば反りは4倍程度大きくなることが予想され、さらに歪緩和のための中間層上のAlGaNの膜厚が小さく、中間層の歪緩和効果が十分には確認されていない。

Field of industrial application (In Japanese)

本発明は、電界効果トランジスタ(FET)、発光ダイオード(LED)等の半導体素子に用いられる半導体積層構造であって、特に反りを抑制し、結晶品質の優れた、主にSi基板を用いた半導体積層構造およびこれを用いた半導体素子に関するものである。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
基板上にバッファ層、歪緩和層、デバイス層からなるAlGaN系半導体層あるいはInAlN系半導体層を順次設け、前記歪緩和層が組成傾斜層と超格子層からなり、前記超格子層前記組成傾斜層からなる2層の中間に存在する半導体積層構造であって、前記超格子層の平均組成が、基板に近い一方の組成傾斜層AlX1Ga1X1Nの最終に形成される組成と他方の組成傾斜層AlX2Ga1X2Nの最初に形成される組成と一致し、前記基板に近い一方の組成傾斜層AlX1Ga1X1NのAl含有率X1が膜成長方向に1~0.45、他方の組成傾斜層AlX2Ga1X2NのAl含有率X2が膜成長方向に0.45~0、前記超格子層の平均組成がAl0.45Ga0.55Nである半導体積層構造。

【請求項2】
 
前記組成傾斜層AlXGa1-XNのXが、膜成長方向に連続的に減少する、あるいは膜成長方向に膜厚10nm~100nm毎に階段状に減少する請求項1に記載の半導体積層構造。

【請求項3】
 
前記超格子層を構成する一方の組成がAlNであり、他方の組成がAlX3Ga1X3Nであり、X3が0~0.2である請求項1または2に記載の半導体積層構造。

【請求項4】
 
前記超格子を構成する一方の組成がAlNであり、他方の組成がAlX3Ga1X3Nであり、X3が0~0.2の場合、その膜厚比が1:2~1:4である請求項3に記載の半導体積層構造。

【請求項5】
 
前記組成傾斜層の厚みが0.1~1.0μm、前記超格子層の厚みが1.0~5.0μmである請求項1~4のいずれかに記載の半導体積層構造

【請求項6】
 
前記デバイス層がチャネル層およびバリア層を含む、請求項1~5のいずれかに記載の半導体積層構造

【請求項7】
 
前記チャネル層がi‐GaN、前記バリア層がi‐AlXGa1XN(0.1≦X≦0.3)あるいはi‐InXAl1XN(0.1≦X≦0.3)である、請求項6に記載の半導体積層構造。

【請求項8】
 
前記デバイス層が、第1の導電型半導体層、活性層、および第1の導電型と反対の第2の導電型半導体層を順次積層してなる受発光層である請求項1~5のいずれかに記載の半導体積層構造。

【請求項9】
 
前記基板がSi単結晶である請求項1~8のいずれかに記載の半導体積層構造。

【請求項10】
 
請求項6または7の半導体積層構造にソース電極、ゲート電極、およびドレイン電極を形成したHEMT素子。

【請求項11】
 
請求項8の半導体積層構造にカソード電極およびアノード電極を形成した受発光素子。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2013156638thum.jpg
State of application right Registered
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