JP2002362999A

JP2002362999A - Ｉｉｉ族窒化物膜の製造方法、ｉｉｉ族窒化物膜製造用サファイア単結晶基板、及びエピタキシャル成長用基板

Info

Publication number: JP2002362999A
Application number: JP2001169274A
Authority: JP
Inventors: Tomohiko Shibata; 智彦柴田; Shigeaki Sumiya; 茂明角谷; Keiichiro Asai; 圭一郎浅井; Mitsuhiro Tanaka; 光浩田中
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2001-06-05
Filing date: 2001-06-05
Publication date: 2002-12-18

Abstract

(57)【要約】【課題】サファイア単結晶基板上において、低転位のＡ
ｌ含有III族窒化物膜を形成することが可能な、新規なI
II族窒化物膜の製造方法を提供する。【解決手段】サファイア単結晶基板１をアンモニア雰囲
気などの窒素含有雰囲気中に配置し、所定時間加熱する
ことによって表面窒化層部分１Ｂを形成する。次いで、
表面窒化層部分１Ｂ上にＡｌ含有III族窒化物膜２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、III族窒化物膜の
製造方法、III族窒化物膜製造用サファイア単結晶基
板、及びエピタキシャル成長用基板に関し、詳しくは複
数のIII族窒化物膜から構成される半導体発光素子など
の各種半導体素子の膜形成、基板、及び下地基板として
好適に用いることのできる、III族窒化物膜の製造方
法、III族窒化物膜製造用サファイア単結晶基板、及び
エピタキシャル成長用基板に関する。

【０００２】

【従来の技術】Ａｌを含むIII族窒化物膜は、発光ダイ
オード素子などを構成する半導体膜として用いられてお
り、近年においては、携帯電話などに用いられる高速Ｉ
Ｃチップなどを構成する半導体膜としても注目を浴びて
いる。

【０００３】上記半導体素子は、主としてサファイア単
結晶材料からなる基板上に、必要に応じてIII族窒化物
からなる緩衝膜を形成した後、この緩衝膜上に同じくII
I族窒化物膜からなる下地膜を形成し、この下地膜上に
目的とする機能を有する各種Ａｌ含有III族窒化物膜を
形成することによって得る。また、通常においては、前
記基板、前記緩衝膜、及び前記下地膜を一体と見なし、
これをエピタキシャル成長用基板として呼んでいる。

【０００４】前記緩衝膜は、前記基板と前記下地膜との
格子定数差を補完して緩衝効果を発揮させるべく、その
結晶性を無視して５００〜７００℃の低温において、Ｍ
ＯＣＶＤ法によって形成される。また、前記サファイア
単結晶基板の表面をあらかじめ窒化して表面窒化層を形
成することにより上記緩衝効果を発揮させる方法もあ
る。この場合においても、前記基板と前記下地膜との格
子定数差が実質的に低減されるため、前記緩衝膜による
緩衝効果を期待できる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、緩衝膜
は上述したような低温度で形成されるために、その内部
には比較的多量の転位を含有する。したがって、緩衝膜
を介してIII族窒化物膜からなる下地膜、さらには各種
機能を付加されたＡｌ含有III族窒化物膜からなる各種
半導体層を形成した場合においては、前記緩衝膜からの
貫通転位に起因して多量の転位が生成されてしまうのみ
ならず、Ｘ線ロッキングカーブで評価することのできる
モザイク性が大きくなってしまう。さらに緩衝膜形成と
III族窒化物膜形成との間の温度履歴により、III族窒化
物膜の結晶品質が大きくばらついてしまうという問題が
ある。

【０００６】また、上述したような一般的な２ｎｍ程度
の厚みの表面窒化層を用いる場合においても、サファイ
ア単結晶基板とIII族窒化物膜からなる下地膜との格子
定数差に起因してミスフィット転位が発生してしまい、
このミスフィット転位が貫通転位として基板表面に到達
してしまう。このため、前記下地膜上に形成されるＡｌ
含有III族窒化物膜からなる各種半導体膜中には、前記
ミスフィット転位に起因した多量の転位が生成されてし
まう。

【０００７】すなわち、サファイア単結晶基板を用いた
場合においては、比較的多量の転位を含有し、低結晶性
のＡｌ含有III族窒化物膜しか得ることができず、これ
らのＡｌ含有III族窒化物膜から、例えば半導体発光素
子などを構成した場合においては、その発光効率が劣化
していまい、所望の特性を有する半導体発光素子を得る
ことができないでいた。

【０００８】本発明は、サファイア単結晶基板上におい
て、低転位のＡｌ含有III族窒化物膜を形成することが
可能な、新規なIII族窒化物膜の製造方法を提供すると
ともに、前記低転位のＡｌ含有III族窒化物膜を形成す
ることができる新規な構成のサファイア単結晶基板を提
供することを目的とする。

【０００９】さらには、前記低転位のＡｌ含有III族窒
化物膜からなる下地膜を具え、III族窒化物膜からなる
半導体膜を有する半導体発光素子などの半導体素子の作
製に際して好適に用いることのできる、エピタキシャル
成長用基板を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成すべく、
本発明のIII族窒化物膜の製造方法は、サファイア単結
晶基板上にＡｌを含むIII族窒化物膜を製造する方法で
あって、前記サファイア単結晶基板の表面に１ｎｍ以下
の厚さの表面窒化層を形成した後、前記サファイア単結
晶基板上に、前記表面窒化層を介して前記III族窒化物
膜を形成することを特徴とする。

【００１１】また、本発明のIII族窒化物膜製造用サフ
ァイア単結晶基板は、１ｎｍ以下の厚さの表面窒化層を
具えることを特徴とする。

【００１２】本発明者らは、サファイア単結晶基板上に
おいて低転位のIII族窒化物膜を形成すべく鋭意検討を
実施した。その結果、従来あまり検討のされていなかっ
たサファイア単結晶基板における表面窒化層に着目し
た。そして、その作製条件や構造などのついて種々の検
討を実施した結果、前記表面窒化層の厚さを上述した１
ｎｍ以下とし、このような表面窒化層を有するサファイ
ア単結晶基板上にIII族窒化物膜を形成すると、驚くべ
きことに膜中の転位量を著しく低減できることを見出し
た。

【００１３】従来、サファイア単結晶基板における表面
窒化層は、上述したように、前記サファイア単結晶基板
とその上に形成されるIII族窒化物膜との格子定数差を
低減する目的で形成されるため、その厚さは大きいほど
好ましく、具体的には２ｎｍ以上であることが好ましい
とされていた。これに対し、本発明者らの上記発見は、
従来の定説に対して全く相反するものであり、本発明者
らの類いまれな着想と膨大な研究との結果によってなさ
れたものである。

【００１４】本発明のIII族窒化物膜の製造方法及びIII
族窒化物製造用サファイア単結晶基板によれば、サファ
イア単結晶基板上において低転位のIII族窒化物膜を簡
易に形成することができる。これは、従来の表面窒化条
件においては、ミスフィット転位が基板表面まで貫通し
ていたのに対し、本発明の表面窒化条件においては、ミ
スフィット転位が、何らかの機構に基づいてIII族窒化
物膜の成長中に消失するためである。したがって、この
ようなIII族窒化物膜から半導体素子を構成した場合に
おいて、従来と異なり、転位が少なくその高い結晶性に
起因して所望する特性を簡易に得ることができる。

【００１５】また、本発明のエピタキシャル成長用基板
は、１ｎｍ以下の厚さの表面窒化層を有するサファイア
単結晶基板と、このサファイア単結晶基板上に形成され
たIII族窒化物下地層とを具えることを特徴とする。

【００１６】本発明のエピタキシャル成長用基板は、上
述した本発明のIII族窒化物膜製造用サファイア単結晶
基板上において、本発明のIII族窒化物膜の製造方法に
基づいて作製された低転位で高結晶性のIII族窒化物膜
からなる下地膜を有している。したがって、このような
エピタキシャル成長用基板上に、各種機能を付加された
半導体膜としてのIII族窒化物膜を形成することによ
り、各半導体膜は低転位で良好な結晶性を呈するため、
目的とする特性を有する半導体素子を簡易に得ることが
できる。

【００１７】なお、本発明はＣ面サファイア単結晶基板
のみならず、あらゆる結晶方位のサファイア単結晶基板
に対して用いることができる。

【００１８】また、本発明における「表面窒化層の厚
さ」とはＡｒイオンを用いたエッチングを行いながら測
定するＥＳＣＡによる深さ方向組成分析の結果、窒素成
分が有意に存在すると判断される領域から、サファイア
単結晶基板表面への窒素侵入深さを求めたものである。

【００１９】詳細なＥＳＣＡ測定条件は以下の通りであ
る。Ｘ線源として、Ｍｇターゲットを用いたエネルギー
１２５３．６ｅＶのＸ線を用いた。分析は、測定領域
１．１ｍφ、検出角４５度、パスエネルギー３５．７５
ｅＶで行ない、窒素原子の同定には、Ｎ１ｓスペクトル
を用いた。測定の際の真空度は３×１０^−９Ｔｏｒｒで
あった。エッチングには加速電圧３．０ｋＶのＡｒ^＋イ
オンを用いた。なお、その際のラスター領域は３ｍｍ×
３ｍｍである。

【００２０】本条件でのエッチング速度は、ＳｉＯ_２で
４．０ｎｍ／分で、Ａｌ _２Ｏ_３のスパッタ速度はＳｉＯ
_２の場合の１／３であることが確認された。そこで、窒
化表面のスパッタ速度は、便宜上Ａｌ_２Ｏ_３換算のエッ
チングレートから計算し、本換算エッチングレートとエ
ッチング時間との積からエッチング深さを計算した。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明を発明の実施の形態
に即して詳細に説明する。図１は、本発明のエピタキシ
ャル成長用基板の一例を示す構成図である。図１に示す
エピタキシャル成長用基板５は、サファイア単結晶基板
１と、この上に形成されたＡｌを含むIII族窒化物膜２
とを具えている。サファイア単結晶基板１は、本発明に
従って、サファイア単結晶本体部分１Ａと表面窒化層部
分１Ｂとから構成されている。

【００２２】サファイア単結晶基板１の表面窒化層部分
１Ｂの厚さは、本発明に従って、１ｎｍ以下であること
が必要であり、０．５ｎｍ以下であることが好ましい。
これによって、サファイア単結晶基板１上に形成された
III族窒化物膜２中の転位量が低減され、結晶性が改善
される。したがって、図１に示すエピタキシャル成長用
基板５上に、各種機能が付加された複数のＡｌ含有III
族窒化物膜を形成し、所定の半導体素子を作製した場合
において、前記複数のＡｌ含有III族窒化物膜中の転位
量も低減されて結晶性が改善されるため、前記半導体素
子に対して設計通りの所望の特性を付与することができ
る。

【００２３】また、サファイア単結晶基板１の表面窒化
層部分１Ｂの厚さの下限値については特には限定されな
い。しかしながら、表面窒化層部分１Ｂの厚さが０．２
ｎｍ以上であることが好ましい。これはＡｌＮの一原子
層厚みに相当するものであり、この値を超えて表面窒化
層部分１Ｂを薄くしても、その上に形成されるIII族窒
化物膜２中の転位密度を低減することができない。ま
た、表面窒化層部分１Ｂの本来的な目的である、サファ
イア単結晶基板１とIII族窒化物膜２との格子定数差を
低減することができなくなる場合がある。

【００２４】サファイア単結晶基板１における表面窒化
層部分１Ｂは、従来と同様に、サファイア単結晶基板１
をアンモニア雰囲気などの窒素含有雰囲気中に配置し、
所定時間加熱することによって形成することができる。
そして、窒素濃度や窒化温度、窒化時間を適宜に制御す
ることによって、従来に比べて十分に薄い表面窒化層部
分１Ｂを得る。

【００２５】また、Ａｌ含有III族窒化物膜２は、例え
ばＭＯＣＶＤ法によって形成することができるが、図１
に示すように、本発明の要件を満足した表面窒化層部分
１Ｂを有するサファイア単結晶基板１上に形成されてい
る限り、その製造条件に依存することなく、従来に比し
転位量が低減される。

【００２６】しかしながら、III族窒化物膜２中の転位
量をより低減させるためには、III族窒化物膜２を１１
００℃以上の温度で形成することが好ましく、さらには
１１００〜１２５０℃の温度範囲で形成することが好ま
しい。これによって、III族窒化物膜２自体の結晶性が
向上するため、III族窒化物膜２内の転位密度をさらに
低減することができる。なお、本願発明における成膜温
度は、設定した基板温度を意味するものである。

【００２７】III族窒化物膜２の形成温度が１２５０℃
を超えると、III族窒化物膜の構成元素の拡散などによ
って表面が荒れてしまう場合がある。したがって、III
族窒化物膜２上に、各種機能を有する複数のＡｌ含有II
I族窒化物膜を形成し、半導体素子を作製した場合にお
いて、前記複数のＡｌ含有III族窒化物膜の結晶性を劣
化させてしまう場合が生じる、結果として、本発明の目
的に反し、所望の特性を有する半導体素子を得ることが
できない場合が生じる。

【００２８】以上のようにして作製された図１に示すII
I族窒化物膜２は、その内部の転位密度が１０^１０／ｃ
ｍ^２以下、さらには５×１０^９／ｃｍ^２以下にまで低減
される。従来の方法により作製されたＡｌ含有III族窒
化物膜は、約５×１０^１０／ｃｍ^２程度の転位密度を有
していたため、本発明に従って得たＡｌ含有III族窒化
物膜は、従来に比しその転位密度が極めて低減されてい
ることが分かる。

【００２９】図２は、図１に示すエピタキシャル成長用
基板５上に、複数のＡｌ含有窒化物半導体膜を形成する
ことにより得た半導体発光素子の一例を示す構成図であ
る。図２に示す半導体発光素子２０は、エピタキシャル
成長用基板５上に、それぞれＡｌ含有窒化物膜から構成
される、第１の導電層６、第１のクラッド層７、発光層
８、第２のクラッド層９、及び第２の導電層１０がこの
順に形成されている。そして、半導体発光素子２０は、
その厚さ方向において部分的にエッチング除去され、露
出した第１の導電層６上において第１の電極１１が形成
されている。さらに、第２の導電層１０上には第２の電
極１２が形成されている。

【００３０】そして、第１の電極１１及び第２の電極１
２間に所定の電圧を印加し、第１の導電層６及び第２の
導電層１０を介して発光層８中に電流を注入し、励起す
ることによって所定の光を生成し、発する。

【００３１】図２に示す半導体発光素子２０において
は、この素子を構成する導電層や発光層などが、本発明
に従った低転位で高結晶性のＡｌ含有III族窒化物膜２
を有するエピタキシャル成長用基板５上に形成されてい
るので、これら層中の転位量は低減され、良好な結晶性
を呈するようになる。したがって、半導体発光素子２０
は、その高結晶性に起因して所望する高い発光効率で所
望の光を生成し、発することができるようになる。

【００３２】図３は、図１に示すエピタキシャル成長用
基板５上に複数のＡｌ含有窒化物半導体膜を形成するこ
とにより得た半導体受光素子の一例を示す構成図であ
る。

【００３３】図３に示す半導体受光素子２５は、エピタ
キシャル成長用基板５上において、それぞれＡｌ含有II
I族窒化物膜から構成される、第１の導電層１６、受光
層１７、及び第２の導電層１８がこの順に形成されてい
る。そして、半導体受光素子２５は厚さ方向において部
分的にエッチング除去され、第１の導電層１６の露出し
た部分の表面上において第１の電極１９が形成されてい
る。また、第２の導電層１８上には、第２の電極２０が
形成されている。

【００３４】そして、受光層１７が所定の光を受けて励
起され、これによって生じた励起電流を第１の電極１９
及び第２の電極２０を介して取り出し、測定することに
よって前記光を検出する。

【００３５】この場合においても、半導体受光素子２５
を構成する導電層及び受光層は、本発明に従った低転位
で高結晶性のＡｌ含有III族窒化物膜２を有するエピタ
キシャル成長用基板５上に形成されているので、これら
層中の転位量は低減され、良好な結晶性を呈するように
なる。したがって、半導体受光素子２５は、その高結晶
性に起因して暗電流が抑制され、高い感度で光検出を実
行することができる。

【００３６】

【実施例】（実施例）基板としてＣ面サファイア基板を
用い、これを反応管内に設置されたサセプタ上に載置し
た。そして、水素ガスを１０ｓｌｍの流量で流しながら
前記Ｃ面サファイア基板を１１５０℃まで加熱し、１０
分間保持して表面をクリーニングした。次いで、アンモ
ニアガス（ＮＨ_３）４００ｓｃｃｍを全ガス流量が１０
ｓｌｍ、圧力が１５Ｔｏｒｒとなるように導入し、５秒
間保持して、前記Ｃ面サファイア基板の表面を窒化して
表面窒化層を形成した。

【００３７】この表面窒化層の厚さを、ＥＳＣＡによる
窒素侵入深さより求めたところ、０．３ｎｍであること
が判明した。

【００３８】次いで、トリメチルアルミニウム（ＴＭ
Ａ）を、全ガス流量を１０ｓｌｍ、圧力を１５Ｔｏｒｒ
で維持しながら、流量比（ＮＨ_３／ＴＭＡ）＝４５０と
なるようにして導入し、前記Ｃ面サファイア基板上に、
前記表面窒化層を介してＡｌＮ膜を厚さ２μｍに形成し
た。このようにして得たＡｌＮ膜中の転位密度をＴＥＭ
観察によって測定したところ、３×１０^９／ｃｍ^２であ
ることが判明した。

【００３９】（比較例）実施例１と同様にＣ面サファイ
ア基板を用い、実施例と同様にして、１１００℃、水素
ガス中で表面をクリーニングした後、アンモニアガスを
導入して前記Ｃ面サファイア基板の表面を窒化し、表面
窒化層を形成した。但し、本比較例においては窒化時間
を１分間とし、実施例に示す場合よりも長時間窒化処理
を実施した。このようにして形成した表面窒化層の厚さ
をＥＳＣＡによる窒素侵入深さより求めたところ、１．
３ｎｍであることが判明した。

【００４０】次いで、ＴＭＡを実施例と同様の条件で導
入し、前記Ｃ面サファイア基板上に、前記表面窒化層を
介してＡｌＮ膜を厚さ２μｍに形成した。このようにし
て得たＡｌＮ膜の転位密度をＴＥＭ観察によって測定し
たところ、３×１０^１０／ｃｍ^２であることが判明し
た。

【００４１】以上、実施例及び比較例から明らかなよう
に、本発明と異なり、Ｃ面サファイア基板の表面窒化層
の厚さを１．３ｎｍとした比較例においては、前記Ｃ面
サファイア基板上に形成されたＡｌＮ膜中の転位密度が
３×１０^１０／ｃｍ^２と比較的高い値を示すことが分か
る。これに対して、本発明に従って、Ｃ面サファイア基
板の表面窒化層の厚さを０．３ｎｍとした実施例におい
ては、前記Ｃ面サファイア基板上に形成されたＡｌＮ膜
中の転位密度が３×１０^９／ｃｍ^２まで低減されること
が分かる。

【００４２】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
逸脱しない範囲であらゆる変更や変形が可能である。

【００４３】例えば、上記おいては、本発明のIII族窒
化物膜の製造方法は、専らエピタキシャル成長用基板の
III族窒化物下地膜を作製する場合について説明した
が、このようなエピタキシャル成長用基板のみならず、
半導体素子を構成するＡｌ含有III族窒化物膜、あるい
はその他一般のＡｌ含有III族窒化物膜の製造方法とし
て用いることができる。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
サファイア単結晶基板上に、低転位のＡｌ含有III族窒
化物膜を作製することができる。また、このようにして
作製したＡｌ含有III族窒化物膜を下地膜として用いる
ことにより、各種のＡｌ含有III族窒化物膜から構成さ
れる半導体素子を作製する際に好適に用いることのでき
る、エピタキシャル成長用基板を提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のエピタキシャル成長用基板の一例を示
す構成図である。

【図２】本発明のエピタキシャル成長用基板を用いて作
製した、半導体発光素子の一例を示す構成図である。

【図３】本発明のエピタキシャル成長用基板を用いて作
製した、半導体受光素子の一例を示す構成図である。

【符号の説明】

１サファイア単結晶基板、１Ａサファイア単結晶本
体部分、１Ｂ表面窒化層部分、２Ａｌ含有III族窒
化物膜、５エピタキシャル成長用基板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者浅井圭一郎愛知県名古屋市瑞穂区須田町２番56号日本碍子株式会社内 (72)発明者田中光浩愛知県名古屋市瑞穂区須田町２番56号日本碍子株式会社内Ｆターム(参考） 4G077 AA03 AB01 BE13 DB01 EA02 ED06 TK08 5F041 AA40 CA40 CA65 5F045 AA04 AC08 AC12 AD15 AD16 AE23 AF09 BB12 CA09 DA53 5F052 KA01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】サファイア単結晶基板上にＡｌを含むIII
族窒化物膜を製造する方法であって、前記サファイア単結晶基板の表面に１ｎｍ以下の厚さの
表面窒化層を形成した後、前記サファイア単結晶基板上
に、前記表面窒化層を介して前記III族窒化物膜を形成
することを特徴とする、III族窒化物膜の製造方法。
【請求項２】前記表面窒化層の厚さが０．２ｎｍ〜１ｎ
ｍであることを特徴とする、請求項１に記載のIII族窒
化物膜の製造方法。
【請求項３】前記III族窒化物膜は、１１００℃以上の
温度で形成することを特徴とする、請求項１又は２に記
載のIII族窒化物膜の製造方法。
【請求項４】前記III族窒化物膜は、１１００〜１２５
０℃の温度で形成することを特徴とする、請求項３に記
載のIII族窒化物膜の製造方法。
【請求項５】前記III族窒化物膜中における転位密度
が、１０^１０／ｃｍ^２以下であることを特徴とする、請
求項１〜４のいずれか一に記載のIII族窒化物膜の製造
方法。
【請求項６】１ｎｍ以下の厚さの表面窒化層を具えるこ
とを特徴とする、III族窒化物膜製造用サファイア単結
晶基板。
【請求項７】前記表面窒化層の厚さは０．２ｎｍ〜１ｎ
ｍであることを特徴とする、請求項６に記載のIII族窒
化物膜製造用サファイア単結晶基板。
【請求項８】１ｎｍ以下の厚さの表面窒化層を有するサ
ファイア単結晶基板と、このサファイア単結晶基板上に
形成されたIII族窒化物下地層とを具えることを特徴と
する、エピタキシャル成長用基板。
【請求項９】前記表面窒化層の厚さは０．２ｎｍ〜１ｎ
ｍであることを特徴とする、請求項８に記載のエピタキ
シャル成長用基板。
【請求項１０】前記III族窒化物下地層は、１１００℃
以上の温度で形成されたことを特徴とする、請求項９に
記載のエピタキシャル成長用基板。
【請求項１１】前記III族窒化物下地層は、１１００〜
１２５０℃の温度で形成されたことを特徴とする、請求
項１０に記載のエピタキシャル成長用基板。
【請求項１２】前記III族窒化物下地層中の転位密度
が、１０^１０／ｃｍ^２以下であることを特徴とする、請
求項１１に記載のエピタキシャル成長用基板。