JP2002016009A - Ｉｉｉ族窒化物半導体単結晶の作製方法及びｉｉｉ族窒化物半導体単結晶の使用方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 低転位で結晶性に優れ、半導体基板として使
用することが可能なIII族窒化物半導体単結晶の作製方
法を提供すること、及び前記半導体基板を提供する。 【解決手段】 （０００１）サファイア基板１上に、Ａ
ｌＮ緩衝層２を形成する。次いで、ＡｌＮ緩衝層２上に
ＧａＮ下地層３を形成する。次いで、ＧａＮ下地層３の
主面からエッチングを実施して、ＧａＮ下地層３を部分
的に除去し、ステップ状の底面を有する凹部４を形成す
る。その後、凹部４を含むＧａＮ下地層３の全面にＡｌ
Ｎ中間層５を形成する。そして、このＡｌＮ中間層５上
に凹部４に起因した段差を埋めるようにしてＡｌＧａＮ
半導体層６を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光情報処理分野な
どへの応用が期待される、III族窒化物半導体単結晶の
作製方法及びIII族窒化物半導体単結晶の使用方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】現在、受光素子や発光素子などの基板に
は、ＧａＮやＡｌＮモル分率の比較的低いＡｌＧａＮ基
板などのIII族窒化物半導体が用いられている。ＧａＮ
基板は、例えば「Applied Physics Letters, 48 (198
6) 353」に記載されているように、サファイア基板上に
低温ＡｌＮ緩衝層又はＧａＮ緩衝層を形成した後、この
緩衝層上にＧａＮ半導体を結晶成長させることにより作
製していた。しかしながら、ＧａＮ基板を用いて短波長
発光素子又は短波長受光素子を作製した場合、十分なデ
バイス特性を発揮することのできる素子を作製すること
ができなかった。

【０００３】一方、このような短波長素子の基板として
は、ＡｌＮを含むIII族窒化物半導体が適していること
が見出され、かかる窒化物半導体からなる基板の作製技
術が種々検討された。例えば、「Japanese Journal App
lied Physics, 27 (1988) 1156」に記載されているよう
に、サファイア基板上に低温緩衝層を形成するととも
に、この低温緩衝層上にＧａＮ層を結晶成長させ、この
ＧａＮ層上にＡｌＧａＮ半導体層を結晶成長させること
により、ＡｌＧａＮ半導体単結晶を得ることが記載され
ている。

【０００４】また、「MRS internet Journal Nitride S
emicond. Res. 4S1 (1999) G10.1」には、サファイア
基板上に低温緩衝層を形成するとともに、この緩衝層上
にＧａＮ層を結晶成長させ、さらにＡｌＮ中間層又はＡ
ｌＧａＮ中間層を形成した後、この中間層上にＡｌＧａ
Ｎ半導体層を結晶成長させ、このＡｌＧａＮ半導体層を
半導体単結晶基板として用いることが記載されている。

【０００５】しかしながら、上記のようにして作製した
ＡｌＧａＮ半導体単結晶基板には、ＧａＮ層中の１０^８
ｃｍ^―２以上の貫通転位に起因して多量の転位が含まれ
ている。このため、このようにして作製した基板上に形
成したデバイスはその性能を十分に発揮することができ
ない場合があった。

【０００６】半導体中の転位密度を低減するための作製
技術としては、「Japanese JournalApplied Physics, 3
6 (1997) L899」にＥＬＯ技術、「MRS internet Journa
l Nitride Semicond. Res.4S1, G3.37 (1999)」におけ
るＰＥＮＤＥＯエピタキシー技術、及び「第４６回秋期
応用物理学関係関連講演会 講演予稿集No.1 (1999)p41
6」における周期溝構造技術などが提案されている。

【０００７】ＥＬＯ技術は、サファイア基板上に低温緩
衝層を形成した後、この緩衝層上にＧａＮ層を形成し、
このＧａＮ層上にＳｉＯ_２などの選択性を有する誘電体
材料からなるストライプ状の層を形成する。その後、こ
の層から横方向への選択成長させることにより、低転位
の例えばＧａＮ半導体を形成する技術である。

【０００８】また、ＰＥＮＤＥＯエピタキシー技術は、
サファイア基板上に低温緩衝層を形成した後、この緩衝
層上にＧａＮ層を形成する。そして、このＧａＮ層に前
記サファイア基板まで貫通するストライプ状の底面を有
する凹部を形成する。そして、この凹部の段差を埋める
ようにして、例えばＧａＮ半導体を横方向成長させるこ
とにより形成する。すると、ＧａＮ半導体の前記凹部上
方の部分は低転位となっているため、この部分を基板と
して用いるものである。

【０００９】さらに、周期溝構造技術は、同じくサファ
イア基板上に低温緩衝層を形成した後、この緩衝層上に
ＧａＮ層を形成する。そして、このＧａＮ層の主面にス
トライプ状の段差を形成し、この段差を埋めるようにし
て、例えばＧａＮ半導体を形成するものである。する
と、ＧａＮ半導体の前記段差上方の部分は低転位となっ
ているため、この部分を基板として使用するものであ
る。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような低転位技術においては、特にＡｌＮを含有する半
導体を作製することが不可能であった。例えば、ＥＬＯ
技術においては、ＡｌＮを含有する混晶に対して選択性
を有し、かつこの混晶の結晶成長温度で安定な誘電体材
料が見出されていない。したがって、多結晶のＡｌＮや
それを含む混晶が誘電体材料上に付着してしまい、基板
として用いることのできるＡｌＮ含有半導体単結晶を得
ることができない。

【００１１】また、ＰＥＮＤＥＯエピタキシー技術にお
いても、凹部中に露出したサファイア基板の主面上に多
結晶のＡｌＮ半導体が付着してしまう。さらに、周期溝
構造技術においては、段差を有するＧａＮ層とその上に
形成したＡｌＧａＮ半導体層との講師不整合に起因し
て、ＡｌＧａＮ半導体層にクラックが発生してしまう。
したがって、これらの技術によっても基板として使用す
ることが可能なＡｌＮ含有半導体単結晶を得ることがで
きないでいた。

【００１２】本発明は、低転位で結晶性に優れ、半導体
基板として使用することが可能なIII族窒化物半導体単
結晶の作製方法を提供すること、及び前記半導体基板を
提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成すべく、
本発明は、所定の単結晶基板の主面上に、緩衝層を結晶
成長により形成する工程と、前記緩衝層の主面上に、下
地層を結晶成長により形成する工程と、前記下地層の主
面からエッチングを施すことにより前記下地層を部分的
に除去し、前記下地層にステップ状の底面を有する第１
の凹部を形成する工程と、少なくとも前記下地層の主面
上に、中間層を結晶成長により形成する工程と、前記中
間層の主面上に、前記第１の凹部に起因した段差を埋め
るようにして第１のIII族窒化物半導体を結晶成長によ
り形成する工程と、を含むことを特徴とする、III族窒
化物半導体単結晶の作製方法に関する。

【００１４】本発明者らは、低転位で結晶性に優れたII
I族窒化物半導体単結晶を得るべく鋭意検討を行った。
その結果、従来のように、例えばサファイア基板上に緩
衝層を形成した後、この緩衝層上に下地層を形成すると
ともにこの下地層に上記のような凹部を形成し、さらに
この下地層上に中間層を介して半導体層を形成すること
により、この半導体層中の転位密度が減少し、優れた結
晶性を示すことを見出した。そして、前記半導体層を基
板として用いることにより、低転位で結晶性に優れた半
導体単結晶基板が得られることを見出したものである。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明を発明の実施の形態
に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の作製方法
を実施して得られたアセンブリ構成を示す図である。そ
して、図１におけるＡｌＧａＮ半導体層６が、低転位か
つ結晶性に優れた本発明の目的とする半導体単結晶に相
当する。以下、図１に示すアセンブリを構成することに
より、ＡｌＧａＮ半導体単結晶を得る場合について、本
発明の作製方法を詳細に説明する。

【００１６】最初に、図１に示すように、（０００１）
サファイア基板１の主面上にＡｌＮ緩衝層２を形成す
る。このＡｌＮ緩衝層２は、好ましくは３００〜７００
℃の低温で、例えば有機金属化合物気相成長法により、
エピタキシャル成長させることによって形成する。Ａｌ
Ｎ緩衝層２の厚さは、１０〜１００ｎｍであることが好
ましい。

【００１７】なお、緩衝層を構成する半導体はＡｌＮに
限定されるものではないが、結晶成長を容易にして結晶
性に優れたIII族窒化物半導体単結晶を得るためには、
窒化物半導体から構成されることが好ましい。特に、Ａ
ｌＧａＮ半導体単結晶を得るためには、図１に示すよう
に、ＡｌＮから構成することが好ましい。

【００１８】次に、ＡｌＮ緩衝層２の主面上にＧａＮ下
地層３を形成する。このＧａＮ下地層３は、好ましくは
８００〜１３００℃で、例えば有機金属化合物気相成長
法により、エピタキシャル成長させることによって形成
する。ＧａＮ下地層３の厚さは、３００ｎｍ以上である
ことが好ましい。なお、下地層を構成する半導体はＧａ
Ｎに限定されるものではないが、結晶成長を容易にして
結晶性に優れたIII族窒化物半導体単結晶を得るために
は、窒化物半導体から構成されることが好ましい。

【００１９】次に、ＧａＮ下地層３の主面からエッチン
グを施すことにより部分的に除去し、ステップ状の底面
４Ａを有する凹部４を形成する。エッチングは好ましく
は塩素系ガスを用いた反応性イオンエッチングにより行
うことが好ましい。かかる反応性イオンエッチングは選
択性に優れるので、凹部４を短時間で形成できるととも
に、凹部４の底面４Ａにおけるステップを容易に形成す
ることができる。

【００２０】なお、凹部４の底面４Ａのステップは段差
状であれば、その具体的な形状については特に限定され
ない。しかしながら、ストライプ状の段差を有するよう
に形成することによって、結晶成長を容易にし、低転位
かつ結晶性に優れた半導体単結晶を得ることができる。
また、図１に示すようなアセンブリからＡｌＧａＮ半導
体単結晶を作製する場合、凹部４の深さｄは３００ｎｍ
以上であることが好ましく、幅Ｗは１〜２０μｍである
ことが好ましい。

【００２１】次いで、ＧａＮ下地層３上にＡｌＮ中間層
５を形成する。このＡｌＮ中間層５は、好ましくは３０
０〜７００℃の低温で、例えば有機金属化合物気相成長
法により、エピタキシャル成長させることによって形成
する。ＡｌＮ中間層５の厚さは、１０〜１００ｎｍであ
ることが好ましい。なお、中間層を構成する半導体はＡ
ｌＮに限定されるものではないが、結晶成長を容易にし
て結晶性に優れたIII族窒化物半導体単結晶を得るため
には、窒化物半導体から構成されることが好ましい。具
体的には、ＡｌＮの他にＡｌ_ａＧａ _{１−ａ−ｂ}Ｉｎ_ｂＮ
（０≦ａ≦１，０≦ｂ≦１）の一般式で表される半導体
などから構成することができる。

【００２２】次いで、ＡｌＮ中間層５上に、ＡｌＧａＮ
半導体層６を、凹部４に起因した段差を埋めるようにし
て形成する。この場合においても、ＡｌＧａＮ半導体層
６は８００〜１３００℃で、例えば有機金属化合物気相
成長法を用いることにより形成する。ＡｌＧａＮ半導体
層６の厚さは、所望する基板の厚さに応じて任意の厚さ
に形成する。

【００２３】図２は、本発明の作製方法を実施して得ら
れた他のアセンブリ構成を示す図である。そして、図２
におけるＡｌＧａＮ半導体層１６が、低転位かつ結晶性
に優れた本発明の目的とする半導体単結晶に相当する。
図２に示すアセンブリ構成は、ＡｌＮ中間層１５がＧａ
Ｎ下地層３の主面３Ａのみに形成されている点において
図１に示すアセンブリ構成と相違する。このようにＧａ
Ｎ下地層３の少なくとも主面３Ａ上にＡｌＮ中間層を形
成すれば、本発明の目的とする半導体単結晶を得ること
ができる。なお、その他のＡｌＮ緩衝層などについて
は、図１の場合と同様にして形成する。

【００２４】また、図１及び図２では示されていない
が、ＡｌＧａＮ半導体層６又は１６（第１のIII族窒化
物半導体層）の主面６Ａ又は１６Ａからエッチング処理
を施して、凹部４（第１の凹部）と異なる位置に追加の
凹部（第２の凹部）を形成し、この凹部を埋めるように
してＡｌＧａＮ半導体層６又は１６上にＡｌＧａＮ半導
体層などのIII族窒化物半導体層（第２のIII族窒化物半
導体層）を形成することもできる。

【００２５】このように凹部を介して再度形成された第
２のIII族窒化物半導体層は、図１及び２に示すＡｌＧ
ａＮ半導体層などの第１のIII族窒化物半導体層と比較
して転位濃度がさらに低下する。したがって、このよう
なIII族窒化物半導体層により極めて転位密度の低い半
導体単結晶を得ることができる。そして、上記のように
して形成された第１のIII族窒化物半導体層並びに第２
のIII族窒化物半導体層を基板として用いることによ
り、低転位かつ結晶性に優れた半導体単結晶基板を得る
ことができる。

【００２６】

【実施例】以下、実施例において本発明の作製方法にお
ける具体例を示す。本実施例においては、図１に示すよ
うなアセンブリを構成し、ＡｌＧａＮ半導体層を形成し
た。基板１には上述したような（０００１）サファイア
基板を用いた。そして、この基板１の主面上に、５００
℃の低温で、トリメチルアンモニア（ＴＭＡ）ガス及び
アンモニア（ＮＨ_３）ガスを用いた有機金属化合物気相
成長法によってＡｌＮ緩衝層２を厚さ２０ｎｍに形成し
た。次いで、ＡｌＮ緩衝層２の主面上に、約１０００℃
で、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）ガス及びアンモニア
ガスを用いた有機金属化合物気相成長法によって、Ｇａ
Ｎ下地層３を厚さ１μｍに形成した。

【００２７】その後、Ｃｌ_２ガスを用いた反応性イオン
エッチングをＧａＮ下地層３の主面から実施して、底面
４Ａがストライプ状のステップを有する凹部４を深さｄ
が５μｍ、幅Ｗが５μｍとなるように形成した。図３
は、このようにして形成した凹部４の底面４Ａの表面顕
微鏡写真である。図から明らかなように、凹部４の底面
４Ａは等間隔のステップを有するストライプ状となって
いることが分かる。

【００２８】次いで、凹部４を含んだＧａＮ下地層の全
面に、約５００℃の低温で、トリメチルアルミニウム
（ＴＭＡ）ガス及びアンモニアガスを用いた有機金属化
合物気相成長法によって、ＡｌＮ中間層５を厚さ２０ｎ
ｍに形成した。次いで、ＡｌＮ中間層５上に凹部４に起
因した段差を埋めるようにして、ＡｌＮを０．２モルパ
ーセント含有したＡｌＧａＮ半導体層６を形成した。

【００２９】ＡｌＧａＮ半導体層６の表面顕微鏡写真を
図４に示す。図４から明らかなように、ＡｌＧａＮ半導
体層６の表面は極めて平坦かつ平滑であり、クラックな
どのない良好な結晶性を示すことが分かる。また、この
ようにして作製したアセンブリの、透過型電子顕微鏡に
よる断面写真を図５に示す。図５から明らかなように、
凹部４の上方において、ＡｌＧａＮ半導体層６中におけ
る転位濃度の低い部分が形成されていることが分かる。
したがってかかる低転位濃度部分を基板として用いるこ
とにより、低転位かつ結晶性に優れたＡｌＧａＮ半導体
単結晶基板を提供することができる。

【００３０】なお、比較のため、図１におけるＡｌＮ中
間層５を形成することなく、ＧａＮ下地層３上に直接Ａ
ｌＧａＮ半導体層を形成した。図６は、このようにして
形成したＡｌＧａＮ半導体層の表面顕微鏡写真である。
図から明らかなように、この場合においては、ＡｌＧａ
Ｎ半導体層の多数のクラックが発生し、本発明の方法に
よって作製した場合と比較して、結晶性に劣ることが分
かる。

【００３１】以上、具体例を挙げながら発明の実施の形
態に基づいて本発明を詳細に説明してきたが、本発明は
上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸
脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能であ
る。例えば、図１及び２においては、ＧａＮ下地層３の
下部が残存するようにして凹部４を形成しているが、Ｇ
ａＮ下地層３及びＡｌＮ緩衝層２を貫通し、サファイア
基板の主面が露出するように形成することもできる。ま
た、必要に応じてＡｌＧａＮ半導体層６又は１６にＳ
ｉ、Ｇｅなどのドナー不純物、あるいはＭｇなどのアク
セプタ不純物を添加することにより、導電性を持たせる
こともできる。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の作製方法
によれば、低転位で結晶性に優れ、半導体基板として使
用することが可能なIII族窒化物半導体単結晶を作製す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の作製方法を実施することにより得ら
れたアセンブリを示す図である。

【図２】 本発明の作製方法を実施することにより得ら
れた他のアセンブリを示す図である。

【図３】 ＧａＮ下地層に形成された凹部底面の表面顕
微鏡写真である。

【図４】 本発明の作製方法によって得たＡｌＧａＮ半
導体層の表面顕微鏡写真である。

【図５】 本発明の作製方法を実施することにより得ら
れたアセンブリにおける、透過型電子顕微鏡による断面
写真である。

【図６】 ＡｌＮ中間層を形成することなく、ＧａＮ下
地層に直接形成したＡｌＧａＮ半導体層の表面顕微鏡写
真である。

【符号の説明】

１ （０００１）サファイア基板 ２ ＡｌＮ緩衝層 ３ ＧａＮ下地層 ４ 凹部 ５、１５ ＡｌＮ中間層 ６、１６ ＡｌＧａＮ半導体層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 上山 智 愛知県名古屋市天白区梅が丘４丁目216− 203 (72)発明者 岩谷 素顕 愛知県中島郡祖父江町大牧702 (72)発明者 中村 亮 愛知県名古屋市天白区植田南２−121 メ ゾンドプリームール402 Ｆターム(参考） 5F041 CA34 CA46 CA65 CA74 5F045 AB09 AB14 AB17 AB18 AD07 AD08 AD09 AD10 AD11 AD12 AD13 AD14 AD15 AD16 AD17 AF09 AF12 BB12 CA09 DA53 HA13 5F073 BA04 CA01 CB05 CB07 DA25 EA29

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の単結晶基板の主面上に、緩衝層を
   結晶成長により形成する工程と、 前記緩衝層の主面上に、下地層を結晶成長により形成す
   る工程と、 前記下地層の主面からエッチングを施すことにより前記
   下地層を部分的に除去し、前記下地層にステップ状の底
   面を有する第１の凹部を形成する工程と、 少なくとも前記下地層の主面上に、中間層を結晶成長に
   より形成する工程と、 前記中間層上に、前記第１の凹部に起因した段差を埋め
   るようにして第１のIII族窒化物半導体層を結晶成長に
   より形成する工程と、を含むことを特徴とする、III族
   窒化物半導体単結晶の作製方法。
2. 【請求項２】 前記中間層は、前記凹部を含む前記下地
   層の全面に形成することを特徴とする、請求項１に記載
   のIII族窒化物半導体単結晶の作製方法。
3. 【請求項３】 前記緩衝層は、３００〜７００℃の低温
   でエピタキシャル成長させた窒化物半導体からなること
   を特徴とする、請求項１又は２に記載のIII族窒化物半
   導体単結晶の作製方法。
4. 【請求項４】 前記下地層は、８００〜１３００℃でエ
   ピタキシャル成長させた窒化物半導体からなることを特
   徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載のIII族窒
   化物半導体単結晶の作製方法。
5. 【請求項５】 前記下地層のエッチング除去は、塩素系
   ガスを用いた反応性イオンエッチングにより行うことを
   特徴とする、請求項１〜４のいずれか一に記載のIII族
   窒化物半導体単結晶の作製方法。
6. 【請求項６】 前記第１の凹部の底面はストライプ状の
   段差を有することを特徴とする、請求項１〜５のいずれ
   か一に記載のIII族窒化物半導体単結晶の作製方法。
7. 【請求項７】 前記中間層は、３００〜７００℃の低温
   でエピタキシャル成長させた窒化物半導体からなること
   を特徴とする、請求項１〜６のいずれか一に記載のIII
   族窒化物半導体単結晶の作製方法。
8. 【請求項８】 前記第１のIII族窒化物半導体の主面か
   らエッチングを施すことにより、前記下地層に形成され
   た前記第１の凹部と異なる位置に第２の凹部を形成する
   追加の工程と、 前記第１のIII族窒化物半導体上に、前記第２の凹部を
   埋めるようにして第２のIII族窒化物半導体層を形成す
   る追加の工程と、を含むことを特徴とする、請求項１〜
   ７のいずれか一に記載のIII族窒化物半導体の作製方
   法。
9. 【請求項９】 請求項１〜７のいずれか一に記載の方法
   により形成された前記第１のIII族窒化物半導体を、半
   導体単結晶基板として使用することを特徴とする、III
   族窒化物半導体の使用方法。
10. 【請求項１０】 請求項８に記載の方法により形成され
    た前記第２のIII族窒化物半導体を、半導体単結晶基板
    として使用することを特徴とする、III族窒化物半導体
    の使用方法。