JP2004235170A - 半導体積層構造及びｉｉｉ族窒化物層群の転位低減方法 - Google Patents
半導体積層構造及びｉｉｉ族窒化物層群の転位低減方法 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】低転位で結晶品質に優れたＩＩＩ族窒化物層群を提供するとともに、形成すべきＩＩＩ族窒化物層群の転位低減方法を提供する。
【解決手段】所定の基材１上においてＩＩＩ族窒化物層群１５を形成し、このＩＩＩ族窒化物層群中に、少なくともＢを含むＩＩＩ族窒化物から構成される島状又は網目状の介在層９を形成して、半導体積層構造１０を作製する。
【選択図】 図１
【解決手段】所定の基材１上においてＩＩＩ族窒化物層群１５を形成し、このＩＩＩ族窒化物層群中に、少なくともＢを含むＩＩＩ族窒化物から構成される島状又は網目状の介在層９を形成して、半導体積層構造１０を作製する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体積層構造及びＩＩＩ族窒化物層群の転位低減方法に関し、詳しくは、フォトニックデバイス及び電子デバイスなどの半導体素子、並びにフィールドエミッタなどの素子に対して好適に用いることのできる半導体積層構造、並びに前記素子を作製する際のＩＩＩ族窒化物層群の転位低減方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】ＩＩＩ族窒化物膜は、フォトニックデバイス及び電子デバイスなどの半導体素子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ＩＣ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。また、特にＡｌを含むＩＩＩ族窒化物膜は、短波長受発光デバイスとして、さらにはフィールドエミッタへの応用材料として注目されている。
【０００３】上記のようなＩＩＩ族窒化物膜は、通常ＭＯＣＶＤ法によって形成される。具体的には、前記ＩＩＩ族窒化物膜を形成すべき基板を、所定の反応管内に設けられたサセプタ上に設置させるとともに、このサセプタ内あるいはサセプタ外に設置された加熱機構に埋め込まれたヒータによって１０００℃以上にまで加熱する。そして、前記反応管内に所定の原料ガスをキャリアガスとともに導入し、前記基板上に供給する。
【０００４】すると、前記基板上で熱化学反応が生じて、前記各原料ガスは構成元素に分解されるとともに、これら構成元素同士が互いに反応し、目的とするＩＩＩ族窒化物膜が前記基板上に堆積されて製造されるものである。そして、これらのＩＩＩ族窒化物膜は、半導体素子を構成した場合において設計値どおりの特性を得るべく、転位密度の低いことが要求される。
【０００５】しかしながら、ＩＩＩ族窒化物材料の融点は相対的に高いために、前記ＩＩＩ族窒化物材料からバルク単結晶基板を作製することは困難であった。したがって、ＩＩＩ族窒化物膜は、例えば、サファイア単結晶基板のような異なる材料系のバルク単結晶基板上にヘテロエピタキシャル成長させることにより、作製せざるを得ない。この場合、前記バルク単結晶基板と前記ＩＩＩ族窒化物膜との格子定数差に起因して、これら界面に比較的多量のミスフィット転位が生成され、このミスフィット転位に起因して前記ＩＩＩ族窒化物膜中に多量の転位が導入されてしまい、その結晶品質が著しく劣化してしまっていた。
【０００６】かかる観点より、前記基板と前記ＩＩＩ族窒化物膜との間に低温で成膜したバッファ層を挿入したり、ストライプ状のＳｉＯ２マスクなどを用いたＥＬＯ技術などが開発されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述したバッファ層を用いた場合などにおいては、バッファ層自体の低結晶性に基づいた転位が前記ＩＩＩ族窒化物膜中に生成されてしまい、前記ＩＩＩ族窒化物膜中の転位密度を十分に低減させることができないでいた。また、従来のＥＬＯ技術は材料選択性が大きく、特にＡｌを多量に含むＩＩＩ族窒化物膜を形成する場合においては、多結晶状のＩＩＩ族窒化物が前記マスク上に堆積してしまい、エピタキシャル成長させることは困難であった。
【０００８】本発明は、低転位で結晶品質に優れたＩＩＩ族窒化物層群を提供するとともに、形成すべきＩＩＩ族窒化物層群の転位低減方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【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、
所定の基材と、
前記基材上に形成されたＩＩＩ族窒化物層群と、
前記ＩＩＩ族窒化物層群中に形成された、島状又は網目状の介在層と、
を具えることを特徴とする、半導体積層構造に関する。
【００１０】また、本発明は、
所定の基材を準備する工程と、
前記基材上においてＩＩＩ族窒化物層群を形成する工程と、
前記ＩＩＩ族窒化物層群中において、島状又は網目状の介在層を形成する工程と、
を具えることを特徴とする、ＩＩＩ族窒化物層群の転位低減方法に関する。
【００１１】本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を実施した結果、所定の材料から構成された介在層を、目的とするＩＩＩ族窒化物層群中に介在させることにより、前記ＩＩＩ族窒化物層群の、前記介在層に対して上方に位置する部分における転位密度が、前記介在層に対して下方に位置する部分に比較して著しく低減されていることを見出した。
【００１２】すなわち、前記ＩＩＩ族窒化物層群中に前記介在層を形成することにより、ＥＬＯ技術の場合と同様に、下方より伝播してきた転位は、前記介在層直上では介在層により転位の伝播が妨げられ、前記ＩＩＩ族窒化物層群の、少なくとも前記介在層の上方に位置する部分において転位密度が著しく低減される。また、開口部においては、前記介在層の開口部内を縦方向に伝播した後、一部の転位は前記介在層の上面に沿って横方向に屈曲するようになる。したがって、前記ＩＩＩ族窒化物層群の、前記介在層の前記開口部の上方に位置する部分においても転位密度が低減されるようになる。
【００１３】さらに、前記介在層を、ＩＩＩ族窒化物との材料選択性が良好な材料から構成することにより、前記ＩＩＩ族窒化物層群は前記介在層上においても良好なエピタキシャル成長を呈し、多結晶部分を含むことのない良好な結晶品質を呈するようになる。結果として、本発明によれば、低転位密度で結晶品質に優れたＩＩＩ族窒化物層群を具える半導体積層構造を得ることができるようになる。
【００１４】上記介在層としては、金属、合金、金属間化合物、ＡｌｐＧａｑＩｎｒＮ（０≦ｐ，ｑ，ｒ≦１，ｐ＋ｑ＋ｒ＝１）を除く窒化物、あるいは酸化物などを用いるのが好適である。
【００１５】前記金属としては、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ及びＣｕを例示することができる。また、前記合金としては、ＴｉＡｌ、ＴｉＧａ及びＴｉＡｕなどのＴｉを含む合金、ＮｉＡｌ、ＮｉＧａ及びＮｉＡｕなどのＮｉを含む合金、ＡｕＡｌ、ＡｕＧａ、ＰｔＡｌ、ＰｔＧａ及びＰｔＮｉなどの貴金属を含む合金を例示することができる。また、前記金属間化合物としては、ＴｉＡｌ３、ＴｉＧａ３、ＧａＰｔ及びＴｉＮｉ３を例示することができる。また、前記窒化物としては、ＴｉＮｘ、ＢＮ、ＮｉＮｘ及びＳｉＮを例示することができる。さらに、前記酸化物としてはＡｌＯｘ、ＴｉＯｘ、ＮｉＯｘ及びＭｇＯｘを例示することができる。
【００１６】なお、「ＩＩＩ族窒化物層群」とは単独のＩＩＩ族窒化物層又は複数のＩＩＩ族窒化物層が複数積層されてなる多層膜構造などを総称したものであり、作製すべき半導体素子の種類などに応じて適当な構成を採る。
【００１７】前記介在層は、前記ＩＩＩ族窒化物層群のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有する材料から構成することが好ましい。これによって、半導体積層構造の受発光波長領域で透明とすることができ、高効率な半導体デバイスを作製することができる。前記ＩＩＩ族窒化物層群が複数のＩＩＩ族窒化物層から構成される場合は、これら複数のＩＩＩ族窒化物層群の少なくとも一つが有する最小のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有する材料から、前記介在層を構成する。
【００１８】上記島状あるいは網目状の介在層は、ＣＶＤ装置内外で所定の成膜手法及び熱処理を組み合わせることにより自発的に形成されるため、他のパターンを形成するフォトリソグラフィ工程などを省略することができる。したがって、目的とする低転位なＩＩＩ族窒化物層群を簡易に形成できる。
【００１９】なお、介在層が自発的に島状あるいは網目状となる理由は明らかにはなっていないが、いくつかの理由が考えられる。第１の理由としては、異種材料接合の場合、結合エネルギーが小さいために三次元成長が促進され、エネルギー的に安定な島状あるいは網目状の構造を呈するためと推定される。第２の理由としては、薄膜形成後の熱処理により、例えば基材表面の窒化及び／又は酸化が促進され、その結果体積変化によるボイドが形成され、このボイドを中心として三次元成長が促進されることによって、島状あるいは網目状の構造を呈するようになると推定される。
【００２０】さらに、前記ＩＩＩ族窒化物層群は前記基材の主面上に形成された、好ましくはＡｌを含む下地層を介して形成することが好ましい。また、前記基材の前記主面において表面窒化層を形成することが好ましい。これによって、前記ＩＩＩ族窒化物層群の転位密度の低減効果が促進され、前記ＩＩＩ族窒化層群がＡｌを含む場合においても、クラックの発生を抑制し、結晶品質を向上させることができる。
【００２１】
【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。
【００２２】図１〜図４は、本発明の半導体積層構造の具体例を示す構成図である。なお、同様の構成要素に対しては同一の参照符号を用いて表している。図１〜図４に示す半導体積層構造１０、２０、３０及び４０は、所定の基材１の主面１Ａ上において、バッファ層２及び下地層３を有するとともに、下地層３上において順次に形成されたｎ型導電層４、ｎ型クラッド層５、発光層６、ｐ型クラッド層７及びｐ型導電層８を有しており、発光素子構造を呈している。なお、バッファ層２からｐ型導電層８までが本発明におけるＩＩＩ族窒化物群１５、２５、３５及び４５を構成する。
【００２３】図１に示す半導体積層構造１０においては、基材１の主面１Ａ上において互いに孤立した島状構造の介在層９を有している。図２に示す半導体積層構造２０においては、バッファ層２上において同じく互いに孤立した島状構造の介在層９を有している。また、図３に示す半導体積層構造３０においては、下地層３上において互いに孤立した島状構造の介在層９を有しており、図４に示す半導体積層構造４０においては、下地層３中に互いに孤立した島状構造の介在層９を有している。
【００２４】図１〜図４に示すいずれの半導体積層構造においても、ＩＩＩ族窒化物層群１５、２５、３５及び４５中に上述した介在層９を有しているので、上述したように、下方から伝播してきた転位は介在層９によって伝播が妨げられ、開口部９Ａ内を伝搬した転位はその一部が横方向に屈曲するようになる。したがって、ＩＩＩ族窒化物層群１５、２５、３５及び４５の、介在層９の上方に位置する領域Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤ、特に介在層９の直上に相当する部分の転位密度は著しく低減される。また、前記転位の一部はその結果、低転位密度で結晶品質に優れる半導体積層構造１０、２０、３０及び４０を提供できるようになる。
【００２５】具体的には、以下に示すような好ましい条件を付加することなどにより、半導体窒化物層群１５、２５、３５及び４５の、介在層９の上側部分の転位密度は、介在層９の下側部分の転位密度の１／２にまで低減することができる。この効果は、半導体窒化物層群１５、２５、３５及び４５の、介在層９の上側部分におけるＧａ濃度が増大することにより顕著となる。
【００２６】上述したように、本発明においては、多結晶状窒化物の生成を抑制し、ＩＩＩ族窒化物層群１５、２５、３５及び４５のエピタキシャル成長を実行して良好な結晶品質を実現すべく、介在層９は金属、合金、金属間化合物、ＡｌｐＧａｑＩｎｒＮ（０≦ｐ，ｑ，ｒ≦１，ｐ＋ｑ＋ｒ＝１）を除く窒化物、あるいは酸化物から構成することが好ましい。これによって、ＩＩＩ族窒化物層群１５、２５、３５及び４５のエピタキシャル成長をより効果的に実現して、より優れた結晶品質を実現できるようになる。
【００２７】上述したように、前記金属としては、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ及びＣｕを例示することができる。また、前記合金としては、ＴｉＡｌ、ＴｉＧａ及びＴｉＡｕなどのＴｉを含む合金、ＮｉＡｌ、ＮｉＧａ及びＮｉＡｕなどのＮｉを含む合金、ＡｕＡｌ、ＡｕＧａ、ＰｔＡｌ、ＰｔＧａ及びＰｔＮｉなどの貴金属を含む合金を例示することができる。また、前記金属間化合物としては、ＴｉＡｌ３、ＴｉＧａ３、ＧａＰｔ及びＴｉＮｉ３を例示することができる。また、前記窒化物としては、ＴｉＮｘ、ＢＮ、ＮｉＮｘ及びＳｉＮを例示することができる。さらに、前記酸化物としてはＡｌＯｘ、ＴｉＯｘ、ＮｉＯｘ及びＭｇＯｘを例示することができる。
【００２８】また、介在層９は、ＩＩＩ族窒化物層群１５、２５、３５及び４５のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有する材料から構成することが好ましい。これによって、半導体積層構造１０、２０、３０及び４０の受発光波長領域で透明とすることができ、高効率な半導体デバイスを作製することができる。
【００２９】図１〜図４に示す半導体積層構造においては、ＩＩＩ族窒化物層群１５、２５、３５及び４５は、バッファ層２からｐ型導電層８によって構成されているため、これら層中の少なくとも一つが有する最小のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有する材料から、介在層９を構成するようにする。具体的には、ダイヤモンド、ＣａＦ２及びＢＮなどの窒化物、並びにＡｌＯｘ及びＭｇＯｘなどの酸化物を例示することができる。
【００３０】介在層９の厚さは特に限定されるものではないが、好ましくは０．５ｎｍ〜１０００ｎｍ、さらに好ましくは０．５ｎｍ〜１００ｎｍに設定する。これによって、転位の伝播の抑制及び横方向への屈曲をより簡易に実現することができ、ＩＩＩ族窒化物層群１５、２５、３５及び４５中の転位密度をより効果的に低減することができるようになる。
【００３１】なお、図１〜図４に示す半導体積層構造１０、２０、３０及び４０においては、介在層９は島状構造を呈しているが、網目構造を呈することもできる。網目構造とは、図１〜図４に示す島状構造が互いに結合して連続となり、下方に位置する例えば基材１などを露出させるような複数の開口部を有し、いわゆる網目状を呈するような構造をいう。
【００３２】介在層９が島状構造となるか網目構造となるかは、介在層９の厚さや作製条件、及び介在層９に対して下地層を構成すべき層の種類などに依存する。
【００３３】ＩＩＩ族窒化物群１５、２５、３５及び４５は、図１〜図４に示す半導体積層構造１０、２０、３０及び４０を利用してＩＩＩ族窒化物半導体素子を作製した場合において、前記半導体素子に付加された目的とする機能を発揮すべく機能層としての役割を果たす。したがって、ＩＩＩ族窒化物層群１５、２５、３５及び４５は、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１，ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）なる組成を有することが好ましい。図１〜図４に示す半導体積層構造１０、２０、３０及び４０においては、半導体積層構造全体として目的とする特性を呈するように、バッファ層２からｐ型導電層８までを上述したＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１，ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）なる組成の範囲内で適宜選択して設定する。
【００３４】ＩＩＩ族窒化物層群１０、２０、３０及び４０は、他にＢ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｂｅ及びＭｇなどの添加元素を含むこともできる。さらに、意識的に添加した元素に限らず、成膜条件などに依存して必然的に取り込まれる微量元素、並びに原料、反応管材質に含まれる微量不純物を含むこともできる。また、ＩＩＩ族窒化物層群を構成するバッファ層２からｐ型導電層８までは、ＣＶＤ法などの公知の成膜手法を用いて形成することができる。
【００３５】下地層３はＡｌを含むことが好ましく、具体的には下地層を構成するＩＩＩ族元素の全体に対してＡｌを５０原子％以上、さらには８０原子％以上含むことが好ましく、特にはＡｌＮから構成する（Ａｌ含有量が１００原子％）ことが好ましい。このように、下地層３がＡｌを比較的多量に含む場合、下地層３の作製条件を適宜に調節することにより、下地層３の結晶品質を向上させることができ、結果としてＩＩＩ族窒化物層群全体の結晶品質を向上させることができる。例えば、下地層３をＭＯＣＶＤ法を用いて形成する場合、その形成温度を１１００℃以上に設定することにより、下地層３の結晶品質を良好な状態に保持することができる。
【００３６】基材１は、サファイア単結晶、ＺｎＯ単結晶、ＬｉＡｌＯ２単結、ＬｉＧａＯ２単結晶、ＭｇＡｌ２Ｏ４単結晶、ＭｇＯ単結晶などの酸化物単結晶、Ｓｉ単結晶、ＳｉＣ単結晶などのＩＶ族あるいはＩＶ−ＩＶ族単結晶、ＧａＡｓ単結晶、ＡｌＮ単結晶、ＧａＮ単結晶、及びＡｌＧａＮ単結晶などのＩＩＩ−Ｖ族単結晶、ＺｒＢ２などのホウ化物単結晶などの、公知の基板材料から構成することができる。
【００３７】図５〜図７は、本発明の半導体積層構造の他の具体例を示す構成図である。なお、図１〜図４に示す半導体積層構造と同様の構成要素については同じ参照符号を用いて表している。
【００３８】図５〜図７に示す半導体積層構造５０、６０及び７０は、所定の基材１の主面１Ａ上において、下地層３を有するとともに、下地層３上において順次に形成されたｎ型導電層４、ｎ型クラッド層５、発光層６、ｐ型クラッド層７及びｐ型導電層８を有しており、発光素子構造を呈している。下地層３からｐ型導電層８までが本発明におけるＩＩＩ族窒化物層群５５、６５及び７５を構成する。
【００３９】また、基材１の主面１Ａにおいては表面窒化層１２が形成されており、これによって、基材１上に形成されたＩＩＩ族窒化物層群５５、６５及び７５全体の結晶品質を向上させることができ、転位密度を低減させることができる。
【００４０】表面窒化層１２は、基材１をアンモニアなどの活性窒素を含む雰囲気中に配置し、所定温度に加熱した後、所定時間保持することによって形成することができる。表面窒化層１２の厚さは、１０ｎｍ以下、０．２ｎｍ以上であることが好ましい。なお、前記厚さは、基材１の厚さ方向におけるＥＳＣＡ分析による組成分析から導出したものである。但し、形成すべきＩＩＩ族窒化物層群の種類などによっては、表面窒化層１２を形成しない方が有利な場合がある。
【００４１】図５に示す半導体積層構造５０においては、基材１上において互いに孤立した島状構造の介在層９を有している。図６に示す半導体積層構造６０においては、下地層３上において互いに孤立した島状構造の介在層９を有しており、図７に示す半導体積層構造７０においては、下地層３中に互いに孤立した島状構造からなる介在層９を有している。
【００４２】図５〜図７に示すいずれの半導体積層構造においても、ＩＩＩ族窒化物層群５５、６５及び７５中に上述した介在層９を有しているので、上述したように、下方から伝播してきた転位は介在層９によって伝播が妨げられるとともに、開口部９Ａ内を伝搬した転位の一部は横方向に屈曲される。したがって、ＩＩＩ族窒化物層群５５、６５及び７５の、介在層９の上方に位置する領域Ｅ、Ｆ及びＧ、特に介在層９の直上に位置する部分の転位密度は著しく低減される。その結果、低転位密度で結晶品質に優れる半導体積層構造５０、６０及び７０を提供できるようになる。
【００４３】具体的には、以下に示すような好ましい条件を付加することなどにより、ＩＩＩ族窒化物層群５５、６５及び７５の、介在層９の上側部分の転位密度を下側部分の転位密度の１／２以下に低減することができる。このような転位軽減効果は、上述したように介在層９の上側部分のＧａ濃度が増大するにつれて謙虚になる。
【００４４】介在層９は、上述したような金属、合金、金属間化合物、ＡｌｐＧａｑＩｎｒＮ（０≦ｐ，ｑ，ｒ≦１，ｐ＋ｑ＋ｒ＝１）を除く窒化物、あるいは酸化物から構成することが好ましい。
【００４５】また、介在層９は、上述したように、ダイヤモンド、ＣａＦ２及びＢＮなどの窒化物、並びにＡｌＯｘ及びＭｇＯｘなどの酸化物のような、ＩＩＩ族窒化物層群５５、６５及び７５のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有する材料から構成することが好ましい。これによって、半導体積層構造５０、６０及び７０の受発光波長領域で透明とすることができ、高効率な半導体デバイスを作製することができる。
【００４６】介在層９の厚さは、前記同様に０．５ｎｍ〜１０００ｎｍ，さらには０．５ｎｍ〜１００ｎｍに設定することが好ましい。これによって、転位の伝播の抑制及び横方向への屈曲をより簡易に実現することができ、ＩＩＩ族窒化物層群５５、６５及び７５中の転位密度をより効果的に低減することができるようになる。
【００４７】なお、図５〜図７に示す半導体積層構造５０、６０及び７０においても、介在層９は島状構造の代わりに上述した網目構造を呈することもできる。
【００４８】ＩＩＩ族窒化物群５５、６５及び７５は、ＩＩＩ族窒化物半導体素子としての機能を発揮すべく、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１，ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）なる組成を有することが好ましい。図５〜図７に示す半導体積層構造５０、６０及び７０においては、下地層３からｐ型導電層８までを、半導体積層構造全体として目的とする特性を呈するように、上述したＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１，ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）なる組成の範囲内で適宜選択して設定する。
【００４９】この場合においても、ＩＩＩ族窒化物層群は、Ｂ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｂｅ及びＭｇなどの添加元素を含むこともできる。さらに、意識的に添加した元素に限らず、成膜条件などに依存して必然的に取り込まれる微量元素、並びに原料、反応管材質に含まれる微量不純物を含むこともできる。また、ＩＩＩ族窒化物層群を構成する下地層３からｐ型導電層８までは、ＣＶＤ法などの公知の成膜手法を用いて形成することができる。
【００５０】上述したように、ＩＩＩ族窒化物層群５５、６５及び７５の結晶品質向上の観点より、下地層３はＡｌを含むことが好ましく、具体的には下地層を構成するＩＩＩ族元素の全体に対してＡｌを５０原子％以上、さらには８０原子％以上含むことが好ましく、特にはＡｌＮから構成する（Ａｌ含有量が１００原子％）ことが好ましい。
【００５１】また、基材１は、上述したサファイア単結晶などの公知の基板材料から構成することができる。
【００５２】
【実施例】以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
（実施例１）
２インチ径の厚さ４３０μｍのサファイア基板をＨ２ＳＯ４＋Ｈ２Ｏ２で前処理した後、ＭＯＣＶＤ装置の中に設置した。キャリアガスとして、Ｈ２を流速１ｍ／ｓｅｃで流しながら、基板を１２００℃まで昇温した後、トリエチルボロン（ＴＥＢ）及びＮＨ３を平均流速５ｍ／ｓｅｃで流して、介在層としてのＢＮ層を厚さ１０ｎｍに形成した。なお、ＳＥＭ観察の結果、前記ＢＮ層は島状構造を呈することが確認された。
【００５３】次いで、基板温度を６００℃とし、前記ＢＮ層を覆うようにしてバッファ層としてのＧａＮ層を厚さ３０ｎｍまで成長させた。次いで、基板温度を１０５０℃として、前記ＧａＮ層上にトリメチルガリウム（ＴＭＧ）及びＮＨ３を平均流速１ｍ／ｓｅｃで流して、下地層として厚さ１μｍのＧａＮ層を形成した。
【００５４】次いで、前記ＧａＮ下地層上に順次に、厚さ２μｍのｎ−ＧａＮ導電層、厚さ０．０１μｍのｎ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎクラッド層、厚さ０．００５μｍのＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ発光層、厚さ０．２μｍのｐ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎクラッド層、及び厚さ０．２μｍのｐ−ＧａＮ導電層を形成して、図１に示すような半導体積層構造を作製した。
【００５５】前記ＢＮ介在層の上方に位置するＧａＮ下地層の転位密度をＴＥＭ観察によって測定したところ、前記ＢＮ介在層の直上に位置する部分において１×１０８／ｃｍ２の転位密度が実現されていることが判明した。
【００５６】（実施例２）
２インチ径の厚さ４３０μｍのサファイア基板に対して実施例１と同様の前処理を実施した後、ＭＯＣＶＤ装置の中に設置した。次いで、前記基板を１２００℃に加熱するとともに、ＮＨ３を５ｍ／ｓｅｃの流速で流すことにより、前記基板の主面上に厚さ１ｎｍの表面窒化層を形成した。次いで、実施例１と同様の条件で厚さ１μｍのＧａＮ下地層を形成した後、ＴｉＮｘからなる島状構造の介在層を前記ＧａＮ下地層上に形成した。次いで、実施例１と同様の条件でｎ−ＧａＮ導電層からｐ−ＧａＮ導電層までを形成し、図６に示すような半導体積層構造を作製した。前記ＴｉＮｘ介在層の上方に位置する前記ｎ−ＧａＮ導電層の転位密度をＴＥＭ観察によって測定したところ、前記ＴｉＮｘ介在層の直上に位置する部分で５×１０７／ｃｍ２の転位密度が実現されていることが判明した。
【００５７】（実施例３）
島状構造を呈するダイアモンド介在層をＧａＮ下地層内に形成して、図４に示すような半導体積層構造を作製した。なお、各層の作製条件は実施例１と同様に設定し、各層の組成成分及び厚さなどについては実施例１と同様に設定した。前記ダイアモンド介在層の上方に位置するｎ−ＧａＮ導電層の転位密度をＴＥＭ観察によって測定したところ、前記ダイアモンド介在層の直上に位置する部分で５×１０７／ｃｍ２の転位密度が実現されていることが判明した。
【００５８】（実施例４）
２インチ径の厚さ４３０μｍのサファイア基板に対して実施例１と同様の前処理を実施した後、ＭＯＣＶＤ装置の中に設置した。次いで、前記基板を１２００℃に加熱するとともに、ＮＨ３を５ｍ／ｓｅｃの流速で流すことにより、前記基板の主面上に厚さ１ｎｍの表面窒化層を形成した。次いで、前記サファイア基板上に島状構造を呈するＡｌＯｘ介在層を形成し、実施例１と同様の条件でＧａＮ下地層からｐ−ＧａＮ導電層までを形成して図５に示すような半導体積層構造を作製した。
【００５９】前記Ａｌ２Ｏ３介在層の上方に位置するｎ−ＧａＮ導電層の転位密度をＴＥＭ観察によって測定したところ、前記Ａｌ２Ｏ３介在層の直上に位置する部分で１×１０８／ｃｍ２の転位密度が実現されていることが判明した。
【００６０】（実施例５）
島状構造のＴｉＮ介在層をサファイア基板上に形成する代わりにＧａＮ下地層内に形成して、図７に示すような半導体積層構造を作製した。なお、各層の作製条件は実施例２と同様に設定し、各層の組成成分及び厚さなどについては実施例２と同様に設定した。前記ＴｉＮ介在層の上方に位置するｎ−ＧａＮ導電層の転位密度をＴＥＭ観察によって測定したところ、前記ＴｉＮ介在層の直上に位置する部分で５×１０７／ｃｍ２の転位密度が実現されていることが判明した。
【００６１】（比較例１）
ＢＮ介在層を形成することなく、実施例１の条件に従って半導体積層構造を作製した。ＧａＮ下地層の転位密度をＴＥＭ観察によって測定したところ、１×１０９／ｃｍ２であることが判明した。
【００６２】（比較例２）
ＴｉＮ介在層を形成することなく、実施例２の条件に従って半導体積層構造を作製した。ＧａＮ下地層の転位密度をＴＥＭ観察によって測定したところ、
１×１０９／ｃｍ２であることが判明した。
【００６３】以上、実施例及び比較例から明らかなように、ＧａＮ下地層からｐ−ＧａＮ導電層で構成されるＩＩＩ族窒化物層群中に島状構造の介在層を設けることにより、その上方に位置する層の転位密度が著しく向上していることが分かる。したがって、本発明によれば、低転位密度で結晶品質に優れた半導体積層構造を提供できることが分かる。
【００６４】以上、具体例を挙げながら、本発明を発明の実施の形態に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記発明の実施に形態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。
【００６５】例えば、図１〜図７に示す具体例においては、基材１の主面１Ａ上に下地層３を設けているが、下地層３は本発明の必須の要件ではなく、下地層３を設けない場合においても本発明の目的を十分に達成することができる。しかしながら、下地層３を設けることにより、その上方に設けられたＩＩＩ族窒化物層群の結晶品質をより向上させることができるようになる。特に、下地層をＡｌを含むＡｌＧａＮから構成することにより、上方に設けられたＩＩＩ族窒化物層群の転位密度をより低減できる。さらに、上記介在層を複数設けることにより、ＩＩＩ族窒化物層群の転位密度をより低減することができる。
【００６６】また、図１〜図７に示す具体例においては、介在層を基材１上あるいはバッファ層２上などに設けているが、クラッド層上又はクラッド層内、あるいは発光層上又は発光層内に設けることもできる。しかしながら、転位密度は介在層の上方において改善されるため、後者の場合においては、クラッド層又は発光層自体の転位密度を向上させることはできない。
【００６７】さらに、バッファ層２に代えてひずみ超格子などの多層積層膜を設けることもできる。さらには、ＩＩＩ族窒化物層群から構成される半導体積層構造中のＡｌ組成を増大させて、短波長の受発光素子を作製することもできる。
【００６８】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、低転位で結晶品質に優れたＩＩＩ族窒化物層群を提供するとともに、形成すべきＩＩＩ族窒化物層群の転位低減方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体積層構造の一例を示す構成図である。
【図２】本発明の半導体積層構造の他の例を示す構成図である。
【図３】本発明の半導体積層構造のその他の例を示す構成図である。
【図４】本発明の半導体積層構造の一例を示す構成図である。
【図５】本発明の半導体積層構造の他の例を示す構成図である。
【図６】本発明の半導体積層構造のその他の例を示す構成図である。
【図７】本発明の半導体積層構造の一例を示す構成図である。
【符号の説明】
１ 基材、２ バッファ層、３ 下地層、４ ｎ型導電層、５ ｎ型クラッド層、６ 発光層、７ ｐ型クラッド層、８ ｐ型導電層、９ 介在層、９Ａ 開口部、１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０ 半導体積層構造、１５，２５，３５，４５，５５，６５，７５ ＩＩＩ族窒化物層群
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体積層構造及びＩＩＩ族窒化物層群の転位低減方法に関し、詳しくは、フォトニックデバイス及び電子デバイスなどの半導体素子、並びにフィールドエミッタなどの素子に対して好適に用いることのできる半導体積層構造、並びに前記素子を作製する際のＩＩＩ族窒化物層群の転位低減方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】ＩＩＩ族窒化物膜は、フォトニックデバイス及び電子デバイスなどの半導体素子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ＩＣ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。また、特にＡｌを含むＩＩＩ族窒化物膜は、短波長受発光デバイスとして、さらにはフィールドエミッタへの応用材料として注目されている。
【０００３】上記のようなＩＩＩ族窒化物膜は、通常ＭＯＣＶＤ法によって形成される。具体的には、前記ＩＩＩ族窒化物膜を形成すべき基板を、所定の反応管内に設けられたサセプタ上に設置させるとともに、このサセプタ内あるいはサセプタ外に設置された加熱機構に埋め込まれたヒータによって１０００℃以上にまで加熱する。そして、前記反応管内に所定の原料ガスをキャリアガスとともに導入し、前記基板上に供給する。
【０００４】すると、前記基板上で熱化学反応が生じて、前記各原料ガスは構成元素に分解されるとともに、これら構成元素同士が互いに反応し、目的とするＩＩＩ族窒化物膜が前記基板上に堆積されて製造されるものである。そして、これらのＩＩＩ族窒化物膜は、半導体素子を構成した場合において設計値どおりの特性を得るべく、転位密度の低いことが要求される。
【０００５】しかしながら、ＩＩＩ族窒化物材料の融点は相対的に高いために、前記ＩＩＩ族窒化物材料からバルク単結晶基板を作製することは困難であった。したがって、ＩＩＩ族窒化物膜は、例えば、サファイア単結晶基板のような異なる材料系のバルク単結晶基板上にヘテロエピタキシャル成長させることにより、作製せざるを得ない。この場合、前記バルク単結晶基板と前記ＩＩＩ族窒化物膜との格子定数差に起因して、これら界面に比較的多量のミスフィット転位が生成され、このミスフィット転位に起因して前記ＩＩＩ族窒化物膜中に多量の転位が導入されてしまい、その結晶品質が著しく劣化してしまっていた。
【０００６】かかる観点より、前記基板と前記ＩＩＩ族窒化物膜との間に低温で成膜したバッファ層を挿入したり、ストライプ状のＳｉＯ２マスクなどを用いたＥＬＯ技術などが開発されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述したバッファ層を用いた場合などにおいては、バッファ層自体の低結晶性に基づいた転位が前記ＩＩＩ族窒化物膜中に生成されてしまい、前記ＩＩＩ族窒化物膜中の転位密度を十分に低減させることができないでいた。また、従来のＥＬＯ技術は材料選択性が大きく、特にＡｌを多量に含むＩＩＩ族窒化物膜を形成する場合においては、多結晶状のＩＩＩ族窒化物が前記マスク上に堆積してしまい、エピタキシャル成長させることは困難であった。
【０００８】本発明は、低転位で結晶品質に優れたＩＩＩ族窒化物層群を提供するとともに、形成すべきＩＩＩ族窒化物層群の転位低減方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【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、
所定の基材と、
前記基材上に形成されたＩＩＩ族窒化物層群と、
前記ＩＩＩ族窒化物層群中に形成された、島状又は網目状の介在層と、
を具えることを特徴とする、半導体積層構造に関する。
【００１０】また、本発明は、
所定の基材を準備する工程と、
前記基材上においてＩＩＩ族窒化物層群を形成する工程と、
前記ＩＩＩ族窒化物層群中において、島状又は網目状の介在層を形成する工程と、
を具えることを特徴とする、ＩＩＩ族窒化物層群の転位低減方法に関する。
【００１１】本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を実施した結果、所定の材料から構成された介在層を、目的とするＩＩＩ族窒化物層群中に介在させることにより、前記ＩＩＩ族窒化物層群の、前記介在層に対して上方に位置する部分における転位密度が、前記介在層に対して下方に位置する部分に比較して著しく低減されていることを見出した。
【００１２】すなわち、前記ＩＩＩ族窒化物層群中に前記介在層を形成することにより、ＥＬＯ技術の場合と同様に、下方より伝播してきた転位は、前記介在層直上では介在層により転位の伝播が妨げられ、前記ＩＩＩ族窒化物層群の、少なくとも前記介在層の上方に位置する部分において転位密度が著しく低減される。また、開口部においては、前記介在層の開口部内を縦方向に伝播した後、一部の転位は前記介在層の上面に沿って横方向に屈曲するようになる。したがって、前記ＩＩＩ族窒化物層群の、前記介在層の前記開口部の上方に位置する部分においても転位密度が低減されるようになる。
【００１３】さらに、前記介在層を、ＩＩＩ族窒化物との材料選択性が良好な材料から構成することにより、前記ＩＩＩ族窒化物層群は前記介在層上においても良好なエピタキシャル成長を呈し、多結晶部分を含むことのない良好な結晶品質を呈するようになる。結果として、本発明によれば、低転位密度で結晶品質に優れたＩＩＩ族窒化物層群を具える半導体積層構造を得ることができるようになる。
【００１４】上記介在層としては、金属、合金、金属間化合物、ＡｌｐＧａｑＩｎｒＮ（０≦ｐ，ｑ，ｒ≦１，ｐ＋ｑ＋ｒ＝１）を除く窒化物、あるいは酸化物などを用いるのが好適である。
【００１５】前記金属としては、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ及びＣｕを例示することができる。また、前記合金としては、ＴｉＡｌ、ＴｉＧａ及びＴｉＡｕなどのＴｉを含む合金、ＮｉＡｌ、ＮｉＧａ及びＮｉＡｕなどのＮｉを含む合金、ＡｕＡｌ、ＡｕＧａ、ＰｔＡｌ、ＰｔＧａ及びＰｔＮｉなどの貴金属を含む合金を例示することができる。また、前記金属間化合物としては、ＴｉＡｌ３、ＴｉＧａ３、ＧａＰｔ及びＴｉＮｉ３を例示することができる。また、前記窒化物としては、ＴｉＮｘ、ＢＮ、ＮｉＮｘ及びＳｉＮを例示することができる。さらに、前記酸化物としてはＡｌＯｘ、ＴｉＯｘ、ＮｉＯｘ及びＭｇＯｘを例示することができる。
【００１６】なお、「ＩＩＩ族窒化物層群」とは単独のＩＩＩ族窒化物層又は複数のＩＩＩ族窒化物層が複数積層されてなる多層膜構造などを総称したものであり、作製すべき半導体素子の種類などに応じて適当な構成を採る。
【００１７】前記介在層は、前記ＩＩＩ族窒化物層群のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有する材料から構成することが好ましい。これによって、半導体積層構造の受発光波長領域で透明とすることができ、高効率な半導体デバイスを作製することができる。前記ＩＩＩ族窒化物層群が複数のＩＩＩ族窒化物層から構成される場合は、これら複数のＩＩＩ族窒化物層群の少なくとも一つが有する最小のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有する材料から、前記介在層を構成する。
【００１８】上記島状あるいは網目状の介在層は、ＣＶＤ装置内外で所定の成膜手法及び熱処理を組み合わせることにより自発的に形成されるため、他のパターンを形成するフォトリソグラフィ工程などを省略することができる。したがって、目的とする低転位なＩＩＩ族窒化物層群を簡易に形成できる。
【００１９】なお、介在層が自発的に島状あるいは網目状となる理由は明らかにはなっていないが、いくつかの理由が考えられる。第１の理由としては、異種材料接合の場合、結合エネルギーが小さいために三次元成長が促進され、エネルギー的に安定な島状あるいは網目状の構造を呈するためと推定される。第２の理由としては、薄膜形成後の熱処理により、例えば基材表面の窒化及び／又は酸化が促進され、その結果体積変化によるボイドが形成され、このボイドを中心として三次元成長が促進されることによって、島状あるいは網目状の構造を呈するようになると推定される。
【００２０】さらに、前記ＩＩＩ族窒化物層群は前記基材の主面上に形成された、好ましくはＡｌを含む下地層を介して形成することが好ましい。また、前記基材の前記主面において表面窒化層を形成することが好ましい。これによって、前記ＩＩＩ族窒化物層群の転位密度の低減効果が促進され、前記ＩＩＩ族窒化層群がＡｌを含む場合においても、クラックの発生を抑制し、結晶品質を向上させることができる。
【００２１】
【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。
【００２２】図１〜図４は、本発明の半導体積層構造の具体例を示す構成図である。なお、同様の構成要素に対しては同一の参照符号を用いて表している。図１〜図４に示す半導体積層構造１０、２０、３０及び４０は、所定の基材１の主面１Ａ上において、バッファ層２及び下地層３を有するとともに、下地層３上において順次に形成されたｎ型導電層４、ｎ型クラッド層５、発光層６、ｐ型クラッド層７及びｐ型導電層８を有しており、発光素子構造を呈している。なお、バッファ層２からｐ型導電層８までが本発明におけるＩＩＩ族窒化物群１５、２５、３５及び４５を構成する。
【００２３】図１に示す半導体積層構造１０においては、基材１の主面１Ａ上において互いに孤立した島状構造の介在層９を有している。図２に示す半導体積層構造２０においては、バッファ層２上において同じく互いに孤立した島状構造の介在層９を有している。また、図３に示す半導体積層構造３０においては、下地層３上において互いに孤立した島状構造の介在層９を有しており、図４に示す半導体積層構造４０においては、下地層３中に互いに孤立した島状構造の介在層９を有している。
【００２４】図１〜図４に示すいずれの半導体積層構造においても、ＩＩＩ族窒化物層群１５、２５、３５及び４５中に上述した介在層９を有しているので、上述したように、下方から伝播してきた転位は介在層９によって伝播が妨げられ、開口部９Ａ内を伝搬した転位はその一部が横方向に屈曲するようになる。したがって、ＩＩＩ族窒化物層群１５、２５、３５及び４５の、介在層９の上方に位置する領域Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤ、特に介在層９の直上に相当する部分の転位密度は著しく低減される。また、前記転位の一部はその結果、低転位密度で結晶品質に優れる半導体積層構造１０、２０、３０及び４０を提供できるようになる。
【００２５】具体的には、以下に示すような好ましい条件を付加することなどにより、半導体窒化物層群１５、２５、３５及び４５の、介在層９の上側部分の転位密度は、介在層９の下側部分の転位密度の１／２にまで低減することができる。この効果は、半導体窒化物層群１５、２５、３５及び４５の、介在層９の上側部分におけるＧａ濃度が増大することにより顕著となる。
【００２６】上述したように、本発明においては、多結晶状窒化物の生成を抑制し、ＩＩＩ族窒化物層群１５、２５、３５及び４５のエピタキシャル成長を実行して良好な結晶品質を実現すべく、介在層９は金属、合金、金属間化合物、ＡｌｐＧａｑＩｎｒＮ（０≦ｐ，ｑ，ｒ≦１，ｐ＋ｑ＋ｒ＝１）を除く窒化物、あるいは酸化物から構成することが好ましい。これによって、ＩＩＩ族窒化物層群１５、２５、３５及び４５のエピタキシャル成長をより効果的に実現して、より優れた結晶品質を実現できるようになる。
【００２７】上述したように、前記金属としては、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ及びＣｕを例示することができる。また、前記合金としては、ＴｉＡｌ、ＴｉＧａ及びＴｉＡｕなどのＴｉを含む合金、ＮｉＡｌ、ＮｉＧａ及びＮｉＡｕなどのＮｉを含む合金、ＡｕＡｌ、ＡｕＧａ、ＰｔＡｌ、ＰｔＧａ及びＰｔＮｉなどの貴金属を含む合金を例示することができる。また、前記金属間化合物としては、ＴｉＡｌ３、ＴｉＧａ３、ＧａＰｔ及びＴｉＮｉ３を例示することができる。また、前記窒化物としては、ＴｉＮｘ、ＢＮ、ＮｉＮｘ及びＳｉＮを例示することができる。さらに、前記酸化物としてはＡｌＯｘ、ＴｉＯｘ、ＮｉＯｘ及びＭｇＯｘを例示することができる。
【００２８】また、介在層９は、ＩＩＩ族窒化物層群１５、２５、３５及び４５のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有する材料から構成することが好ましい。これによって、半導体積層構造１０、２０、３０及び４０の受発光波長領域で透明とすることができ、高効率な半導体デバイスを作製することができる。
【００２９】図１〜図４に示す半導体積層構造においては、ＩＩＩ族窒化物層群１５、２５、３５及び４５は、バッファ層２からｐ型導電層８によって構成されているため、これら層中の少なくとも一つが有する最小のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有する材料から、介在層９を構成するようにする。具体的には、ダイヤモンド、ＣａＦ２及びＢＮなどの窒化物、並びにＡｌＯｘ及びＭｇＯｘなどの酸化物を例示することができる。
【００３０】介在層９の厚さは特に限定されるものではないが、好ましくは０．５ｎｍ〜１０００ｎｍ、さらに好ましくは０．５ｎｍ〜１００ｎｍに設定する。これによって、転位の伝播の抑制及び横方向への屈曲をより簡易に実現することができ、ＩＩＩ族窒化物層群１５、２５、３５及び４５中の転位密度をより効果的に低減することができるようになる。
【００３１】なお、図１〜図４に示す半導体積層構造１０、２０、３０及び４０においては、介在層９は島状構造を呈しているが、網目構造を呈することもできる。網目構造とは、図１〜図４に示す島状構造が互いに結合して連続となり、下方に位置する例えば基材１などを露出させるような複数の開口部を有し、いわゆる網目状を呈するような構造をいう。
【００３２】介在層９が島状構造となるか網目構造となるかは、介在層９の厚さや作製条件、及び介在層９に対して下地層を構成すべき層の種類などに依存する。
【００３３】ＩＩＩ族窒化物群１５、２５、３５及び４５は、図１〜図４に示す半導体積層構造１０、２０、３０及び４０を利用してＩＩＩ族窒化物半導体素子を作製した場合において、前記半導体素子に付加された目的とする機能を発揮すべく機能層としての役割を果たす。したがって、ＩＩＩ族窒化物層群１５、２５、３５及び４５は、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１，ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）なる組成を有することが好ましい。図１〜図４に示す半導体積層構造１０、２０、３０及び４０においては、半導体積層構造全体として目的とする特性を呈するように、バッファ層２からｐ型導電層８までを上述したＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１，ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）なる組成の範囲内で適宜選択して設定する。
【００３４】ＩＩＩ族窒化物層群１０、２０、３０及び４０は、他にＢ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｂｅ及びＭｇなどの添加元素を含むこともできる。さらに、意識的に添加した元素に限らず、成膜条件などに依存して必然的に取り込まれる微量元素、並びに原料、反応管材質に含まれる微量不純物を含むこともできる。また、ＩＩＩ族窒化物層群を構成するバッファ層２からｐ型導電層８までは、ＣＶＤ法などの公知の成膜手法を用いて形成することができる。
【００３５】下地層３はＡｌを含むことが好ましく、具体的には下地層を構成するＩＩＩ族元素の全体に対してＡｌを５０原子％以上、さらには８０原子％以上含むことが好ましく、特にはＡｌＮから構成する（Ａｌ含有量が１００原子％）ことが好ましい。このように、下地層３がＡｌを比較的多量に含む場合、下地層３の作製条件を適宜に調節することにより、下地層３の結晶品質を向上させることができ、結果としてＩＩＩ族窒化物層群全体の結晶品質を向上させることができる。例えば、下地層３をＭＯＣＶＤ法を用いて形成する場合、その形成温度を１１００℃以上に設定することにより、下地層３の結晶品質を良好な状態に保持することができる。
【００３６】基材１は、サファイア単結晶、ＺｎＯ単結晶、ＬｉＡｌＯ２単結、ＬｉＧａＯ２単結晶、ＭｇＡｌ２Ｏ４単結晶、ＭｇＯ単結晶などの酸化物単結晶、Ｓｉ単結晶、ＳｉＣ単結晶などのＩＶ族あるいはＩＶ−ＩＶ族単結晶、ＧａＡｓ単結晶、ＡｌＮ単結晶、ＧａＮ単結晶、及びＡｌＧａＮ単結晶などのＩＩＩ−Ｖ族単結晶、ＺｒＢ２などのホウ化物単結晶などの、公知の基板材料から構成することができる。
【００３７】図５〜図７は、本発明の半導体積層構造の他の具体例を示す構成図である。なお、図１〜図４に示す半導体積層構造と同様の構成要素については同じ参照符号を用いて表している。
【００３８】図５〜図７に示す半導体積層構造５０、６０及び７０は、所定の基材１の主面１Ａ上において、下地層３を有するとともに、下地層３上において順次に形成されたｎ型導電層４、ｎ型クラッド層５、発光層６、ｐ型クラッド層７及びｐ型導電層８を有しており、発光素子構造を呈している。下地層３からｐ型導電層８までが本発明におけるＩＩＩ族窒化物層群５５、６５及び７５を構成する。
【００３９】また、基材１の主面１Ａにおいては表面窒化層１２が形成されており、これによって、基材１上に形成されたＩＩＩ族窒化物層群５５、６５及び７５全体の結晶品質を向上させることができ、転位密度を低減させることができる。
【００４０】表面窒化層１２は、基材１をアンモニアなどの活性窒素を含む雰囲気中に配置し、所定温度に加熱した後、所定時間保持することによって形成することができる。表面窒化層１２の厚さは、１０ｎｍ以下、０．２ｎｍ以上であることが好ましい。なお、前記厚さは、基材１の厚さ方向におけるＥＳＣＡ分析による組成分析から導出したものである。但し、形成すべきＩＩＩ族窒化物層群の種類などによっては、表面窒化層１２を形成しない方が有利な場合がある。
【００４１】図５に示す半導体積層構造５０においては、基材１上において互いに孤立した島状構造の介在層９を有している。図６に示す半導体積層構造６０においては、下地層３上において互いに孤立した島状構造の介在層９を有しており、図７に示す半導体積層構造７０においては、下地層３中に互いに孤立した島状構造からなる介在層９を有している。
【００４２】図５〜図７に示すいずれの半導体積層構造においても、ＩＩＩ族窒化物層群５５、６５及び７５中に上述した介在層９を有しているので、上述したように、下方から伝播してきた転位は介在層９によって伝播が妨げられるとともに、開口部９Ａ内を伝搬した転位の一部は横方向に屈曲される。したがって、ＩＩＩ族窒化物層群５５、６５及び７５の、介在層９の上方に位置する領域Ｅ、Ｆ及びＧ、特に介在層９の直上に位置する部分の転位密度は著しく低減される。その結果、低転位密度で結晶品質に優れる半導体積層構造５０、６０及び７０を提供できるようになる。
【００４３】具体的には、以下に示すような好ましい条件を付加することなどにより、ＩＩＩ族窒化物層群５５、６５及び７５の、介在層９の上側部分の転位密度を下側部分の転位密度の１／２以下に低減することができる。このような転位軽減効果は、上述したように介在層９の上側部分のＧａ濃度が増大するにつれて謙虚になる。
【００４４】介在層９は、上述したような金属、合金、金属間化合物、ＡｌｐＧａｑＩｎｒＮ（０≦ｐ，ｑ，ｒ≦１，ｐ＋ｑ＋ｒ＝１）を除く窒化物、あるいは酸化物から構成することが好ましい。
【００４５】また、介在層９は、上述したように、ダイヤモンド、ＣａＦ２及びＢＮなどの窒化物、並びにＡｌＯｘ及びＭｇＯｘなどの酸化物のような、ＩＩＩ族窒化物層群５５、６５及び７５のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有する材料から構成することが好ましい。これによって、半導体積層構造５０、６０及び７０の受発光波長領域で透明とすることができ、高効率な半導体デバイスを作製することができる。
【００４６】介在層９の厚さは、前記同様に０．５ｎｍ〜１０００ｎｍ，さらには０．５ｎｍ〜１００ｎｍに設定することが好ましい。これによって、転位の伝播の抑制及び横方向への屈曲をより簡易に実現することができ、ＩＩＩ族窒化物層群５５、６５及び７５中の転位密度をより効果的に低減することができるようになる。
【００４７】なお、図５〜図７に示す半導体積層構造５０、６０及び７０においても、介在層９は島状構造の代わりに上述した網目構造を呈することもできる。
【００４８】ＩＩＩ族窒化物群５５、６５及び７５は、ＩＩＩ族窒化物半導体素子としての機能を発揮すべく、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１，ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）なる組成を有することが好ましい。図５〜図７に示す半導体積層構造５０、６０及び７０においては、下地層３からｐ型導電層８までを、半導体積層構造全体として目的とする特性を呈するように、上述したＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１，ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）なる組成の範囲内で適宜選択して設定する。
【００４９】この場合においても、ＩＩＩ族窒化物層群は、Ｂ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｂｅ及びＭｇなどの添加元素を含むこともできる。さらに、意識的に添加した元素に限らず、成膜条件などに依存して必然的に取り込まれる微量元素、並びに原料、反応管材質に含まれる微量不純物を含むこともできる。また、ＩＩＩ族窒化物層群を構成する下地層３からｐ型導電層８までは、ＣＶＤ法などの公知の成膜手法を用いて形成することができる。
【００５０】上述したように、ＩＩＩ族窒化物層群５５、６５及び７５の結晶品質向上の観点より、下地層３はＡｌを含むことが好ましく、具体的には下地層を構成するＩＩＩ族元素の全体に対してＡｌを５０原子％以上、さらには８０原子％以上含むことが好ましく、特にはＡｌＮから構成する（Ａｌ含有量が１００原子％）ことが好ましい。
【００５１】また、基材１は、上述したサファイア単結晶などの公知の基板材料から構成することができる。
【００５２】
【実施例】以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
（実施例１）
２インチ径の厚さ４３０μｍのサファイア基板をＨ２ＳＯ４＋Ｈ２Ｏ２で前処理した後、ＭＯＣＶＤ装置の中に設置した。キャリアガスとして、Ｈ２を流速１ｍ／ｓｅｃで流しながら、基板を１２００℃まで昇温した後、トリエチルボロン（ＴＥＢ）及びＮＨ３を平均流速５ｍ／ｓｅｃで流して、介在層としてのＢＮ層を厚さ１０ｎｍに形成した。なお、ＳＥＭ観察の結果、前記ＢＮ層は島状構造を呈することが確認された。
【００５３】次いで、基板温度を６００℃とし、前記ＢＮ層を覆うようにしてバッファ層としてのＧａＮ層を厚さ３０ｎｍまで成長させた。次いで、基板温度を１０５０℃として、前記ＧａＮ層上にトリメチルガリウム（ＴＭＧ）及びＮＨ３を平均流速１ｍ／ｓｅｃで流して、下地層として厚さ１μｍのＧａＮ層を形成した。
【００５４】次いで、前記ＧａＮ下地層上に順次に、厚さ２μｍのｎ−ＧａＮ導電層、厚さ０．０１μｍのｎ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎクラッド層、厚さ０．００５μｍのＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ発光層、厚さ０．２μｍのｐ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎクラッド層、及び厚さ０．２μｍのｐ−ＧａＮ導電層を形成して、図１に示すような半導体積層構造を作製した。
【００５５】前記ＢＮ介在層の上方に位置するＧａＮ下地層の転位密度をＴＥＭ観察によって測定したところ、前記ＢＮ介在層の直上に位置する部分において１×１０８／ｃｍ２の転位密度が実現されていることが判明した。
【００５６】（実施例２）
２インチ径の厚さ４３０μｍのサファイア基板に対して実施例１と同様の前処理を実施した後、ＭＯＣＶＤ装置の中に設置した。次いで、前記基板を１２００℃に加熱するとともに、ＮＨ３を５ｍ／ｓｅｃの流速で流すことにより、前記基板の主面上に厚さ１ｎｍの表面窒化層を形成した。次いで、実施例１と同様の条件で厚さ１μｍのＧａＮ下地層を形成した後、ＴｉＮｘからなる島状構造の介在層を前記ＧａＮ下地層上に形成した。次いで、実施例１と同様の条件でｎ−ＧａＮ導電層からｐ−ＧａＮ導電層までを形成し、図６に示すような半導体積層構造を作製した。前記ＴｉＮｘ介在層の上方に位置する前記ｎ−ＧａＮ導電層の転位密度をＴＥＭ観察によって測定したところ、前記ＴｉＮｘ介在層の直上に位置する部分で５×１０７／ｃｍ２の転位密度が実現されていることが判明した。
【００５７】（実施例３）
島状構造を呈するダイアモンド介在層をＧａＮ下地層内に形成して、図４に示すような半導体積層構造を作製した。なお、各層の作製条件は実施例１と同様に設定し、各層の組成成分及び厚さなどについては実施例１と同様に設定した。前記ダイアモンド介在層の上方に位置するｎ−ＧａＮ導電層の転位密度をＴＥＭ観察によって測定したところ、前記ダイアモンド介在層の直上に位置する部分で５×１０７／ｃｍ２の転位密度が実現されていることが判明した。
【００５８】（実施例４）
２インチ径の厚さ４３０μｍのサファイア基板に対して実施例１と同様の前処理を実施した後、ＭＯＣＶＤ装置の中に設置した。次いで、前記基板を１２００℃に加熱するとともに、ＮＨ３を５ｍ／ｓｅｃの流速で流すことにより、前記基板の主面上に厚さ１ｎｍの表面窒化層を形成した。次いで、前記サファイア基板上に島状構造を呈するＡｌＯｘ介在層を形成し、実施例１と同様の条件でＧａＮ下地層からｐ−ＧａＮ導電層までを形成して図５に示すような半導体積層構造を作製した。
【００５９】前記Ａｌ２Ｏ３介在層の上方に位置するｎ−ＧａＮ導電層の転位密度をＴＥＭ観察によって測定したところ、前記Ａｌ２Ｏ３介在層の直上に位置する部分で１×１０８／ｃｍ２の転位密度が実現されていることが判明した。
【００６０】（実施例５）
島状構造のＴｉＮ介在層をサファイア基板上に形成する代わりにＧａＮ下地層内に形成して、図７に示すような半導体積層構造を作製した。なお、各層の作製条件は実施例２と同様に設定し、各層の組成成分及び厚さなどについては実施例２と同様に設定した。前記ＴｉＮ介在層の上方に位置するｎ−ＧａＮ導電層の転位密度をＴＥＭ観察によって測定したところ、前記ＴｉＮ介在層の直上に位置する部分で５×１０７／ｃｍ２の転位密度が実現されていることが判明した。
【００６１】（比較例１）
ＢＮ介在層を形成することなく、実施例１の条件に従って半導体積層構造を作製した。ＧａＮ下地層の転位密度をＴＥＭ観察によって測定したところ、１×１０９／ｃｍ２であることが判明した。
【００６２】（比較例２）
ＴｉＮ介在層を形成することなく、実施例２の条件に従って半導体積層構造を作製した。ＧａＮ下地層の転位密度をＴＥＭ観察によって測定したところ、
１×１０９／ｃｍ２であることが判明した。
【００６３】以上、実施例及び比較例から明らかなように、ＧａＮ下地層からｐ−ＧａＮ導電層で構成されるＩＩＩ族窒化物層群中に島状構造の介在層を設けることにより、その上方に位置する層の転位密度が著しく向上していることが分かる。したがって、本発明によれば、低転位密度で結晶品質に優れた半導体積層構造を提供できることが分かる。
【００６４】以上、具体例を挙げながら、本発明を発明の実施の形態に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記発明の実施に形態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。
【００６５】例えば、図１〜図７に示す具体例においては、基材１の主面１Ａ上に下地層３を設けているが、下地層３は本発明の必須の要件ではなく、下地層３を設けない場合においても本発明の目的を十分に達成することができる。しかしながら、下地層３を設けることにより、その上方に設けられたＩＩＩ族窒化物層群の結晶品質をより向上させることができるようになる。特に、下地層をＡｌを含むＡｌＧａＮから構成することにより、上方に設けられたＩＩＩ族窒化物層群の転位密度をより低減できる。さらに、上記介在層を複数設けることにより、ＩＩＩ族窒化物層群の転位密度をより低減することができる。
【００６６】また、図１〜図７に示す具体例においては、介在層を基材１上あるいはバッファ層２上などに設けているが、クラッド層上又はクラッド層内、あるいは発光層上又は発光層内に設けることもできる。しかしながら、転位密度は介在層の上方において改善されるため、後者の場合においては、クラッド層又は発光層自体の転位密度を向上させることはできない。
【００６７】さらに、バッファ層２に代えてひずみ超格子などの多層積層膜を設けることもできる。さらには、ＩＩＩ族窒化物層群から構成される半導体積層構造中のＡｌ組成を増大させて、短波長の受発光素子を作製することもできる。
【００６８】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、低転位で結晶品質に優れたＩＩＩ族窒化物層群を提供するとともに、形成すべきＩＩＩ族窒化物層群の転位低減方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体積層構造の一例を示す構成図である。
【図２】本発明の半導体積層構造の他の例を示す構成図である。
【図３】本発明の半導体積層構造のその他の例を示す構成図である。
【図４】本発明の半導体積層構造の一例を示す構成図である。
【図５】本発明の半導体積層構造の他の例を示す構成図である。
【図６】本発明の半導体積層構造のその他の例を示す構成図である。
【図７】本発明の半導体積層構造の一例を示す構成図である。
【符号の説明】
１ 基材、２ バッファ層、３ 下地層、４ ｎ型導電層、５ ｎ型クラッド層、６ 発光層、７ ｐ型クラッド層、８ ｐ型導電層、９ 介在層、９Ａ 開口部、１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０ 半導体積層構造、１５，２５，３５，４５，５５，６５，７５ ＩＩＩ族窒化物層群
Claims (15)
- 所定の基材と、
前記基材上に形成されたＩＩＩ族窒化物層群と、
前記ＩＩＩ族窒化物層群中に形成された、島状又は網目状の介在層と、
を具えることを特徴とする、半導体積層構造。 - 前記介在層は、金属、金属間化合物、及び合金の少なくとも一つからなることを特徴とする、請求項１に記載の半導体積層構造。
- 前記介在層は、ＡｌｐＧａｑＩｎｒＮ（０≦ｐ，ｑ，ｒ≦１，ｐ＋ｑ＋ｒ＝１）を除く窒化物からなることを特徴とする、請求項１に記載の半導体積層構造。
- 前記介在層は、酸化物からなることを特徴とする、請求項１に記載の半導体積層構造。
- 前記ＩＩＩ族窒化物層群のバンドギャップよりも、前記介在層のバンドギャップが大きいことを特徴とする，請求項１〜４のいずれか一に記載の半導体積層構造。
- 前記介在層の厚さが０．５ｎｍ〜１０００ｎｍであることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一に記載の半導体積層構造。
- 前記ＩＩＩ族窒化物層群は、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１，ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）なる組成を有することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一に記載の半導体積層構造。
- 前記基材の主面上に形成された下地層を具え、前記ＩＩＩ族窒化物層は、前記下地層を介して形成したことを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一に記載の半導体積層構造。
- 前記下地層は、前記下地層を構成する全ＩＩＩ族元素に対して５０原子％以上のＡｌ元素を含むことを特徴とする、請求項８に記載の半導体積層構造。
- 前記下地層は、前記下地層を構成する全ＩＩＩ族元素に対して８０原子％以上のＡｌ元素を含むことを特徴とする、請求項９に記載の半導体積層構造。
- 前記下地層はＡｌＮからなることを特徴とする、請求項１０に記載の半導体積層構造。
- 前記基材の前記主面において表面窒化層を具えることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一に記載の半導体積層構造。
- 前記ＩＩＩ族窒化物層群の、前紀介在層に対して上方に位置する部分における転位密度が、前記介在層に対して下方に位置する部分における転位密度の１／２以下であることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一に記載の半導体積層構造。
- 請求項１〜１３のいずれか一に記載の半導体積層構造を具えることを特徴とする、半導体デバイス。
- 所定の基材を準備する工程と、
前記基材上においてＩＩＩ族窒化物層群を形成する工程と、
前記ＩＩＩ族窒化物層群中において、島状又は網目状の介在層を形成する工程と、
を具えることを特徴とする、ＩＩＩ族窒化物層群の転位低減方法。
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