JP2004311986A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 結晶欠陥が低減された窒化物半導体装置を提供する。
【解決手段】 半導体装置は、サファイア基板１０１と、サファイア基板１０１上に形成された第１のＧａＮ層１０３と、第１のＧａＮ層１０３に存在する欠陥の上部近傍に形成された第１の酸化層１０４とを備える。さらに、第１のＧａＮ層１０３及び第１の酸化層１０４の上には、第２のＧａＮ層１０５、ｎ型クラッド層１０６、活性層１０７、ｐ型クラッド層１０８、ｐ型コンタクト層１０９、絶縁膜１１０、ｐ型電極１１１、ｐ型パッド１１２、Ｐ型電極１１３が形成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、青色発光ダイオード、青紫色レーザー、又は高速トランジスタ等に用いられる窒化物半導体装置及びその製造方法に関するものである。

III族窒化物半導体（Ｂ_zＡｌ_xＧａ_1-x-y-ZＩｎ_yＮ(但し、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1)）、以下、単に窒化物半導体という）は、例えばＧａＮの場合のバンドギャップエネルギーが３．４ｅＶ（室温）であるように、非常に大きなバンドギャップエネルギーを有する半導体である。このため、青色から紫外にわたる広範囲において、可視域発光が実現できる材料として期待されている。

また、窒化物半導体は、高電界において大きな電子速度を持っているので、高温動作及び高出力のトランジスタ材料としても期待されている。これまでは、一般に、窒化物半導体の成長温度が高いこと、及び格子整合する基板材料がないことが原因となって、良好な結晶を持つ窒化物半導体を得ることができなかった。

ところが、サファイア基板上に、低温バッファ層を介して、窒化物半導体を有機金属気相成長法（Metal organic Chemical Vapor Deposition、以下、ＭＯＣＶＤという）によって成長させる技術が開発されて以降、窒化物半導体の結晶性が改善され、発光ダイオード又は半導体レーザーが商品化されるに至っている。

一般に、サファイア基板上に形成されたＧａＮの結晶中には、１×１０⁹ ｃｍ^-2程度の格子欠陥等の結晶欠陥（以下、単に、結晶欠陥という）が存在するため、この格子欠陥が発光素子又は電子デバイスの特性及び信頼性を損なう原因となっていた。この問題を解決するために開発された技術として、横方向成長（Epitaxial Lateral Overgrowth、以下、ＥＬＯという）を利用した低欠陥化技術がある。例えば、ＳｉＯ₂ 膜等のマスク上にＧａＮを横方向成長させることにより、結晶欠陥密度が１×１０⁷ ｃｍ^-2台にまで低減されている。

ここで、第１の従来例に係る半導体装置について、図１５を参照しながら説明する。具体的には、前述の横方向成長技術を利用して形成された窒化物半導体レーザー装置の構造について説明する（例えば、非特許文献１参照）。

図１５に示すように、サファイア基板１上には、ＧａＮよりなるバッファ層２を介して、第１のＧａＮ層３が形成されている。第１のＧａＮ層３の上には、ストライプ状にパターニングされた、厚さが１００ｎｍであるＳｉＯ₂ 膜４が形成されている。ＳｉＯ₂ 膜４の上には、ＭＯＣＶＤによって横方向成長（ＥＬＯ）により形成されると共に、低結晶欠陥密度を有する第２のＧａＮ層５が形成されている。すなわち、第２のＧａＮ層５におけるＳｉＯ₂ 膜４の上に存在している領域は横方向成長（ＥＬＯ）により形成されるので、結晶欠陥密度が低減されるのである。

第２のＧａＮ層５におけるＳｉＯ₂ 膜４上に形成された低欠陥領域の上には、レーザー構造が形成されている。すなわち、各々が窒化物半導体よりなるｎ型クラッド層６、活性層７、ｐ型クラッド層８、及びｐ型コンタクト層９が形成されており、ｐ型クラッド層８の上には、例えばＳｉＯ₂ 膜よりなる開口部を有する絶縁膜１０が形成されている。絶縁膜１０の開口部１０ａに露出するｐ型コンタクト層９の上及び絶縁膜１０の上には、ｐ型電極１１が形成されており、該ｐ型電極１１の上には、電極パッド１２が形成されている。また、ｎ型クラッド層６の上には、電極金属１３が形成されている。なお、図１５において、第１のＧａＮ層３、第２のＧａＮ層５、ｎ型クラッド層６等の層内に伸びるように示された縦線は、格子欠陥等の結晶欠陥を示しており、縦線の数によって結晶欠陥の多少を示している。例えば、前述のようにＳｉＯ₂ 膜４の上の領域では結晶欠陥が低減されるが、他の領域と比べて縦線の数を少なくすることで、結晶欠陥が低減されていることを示している。

ところで、前述の低欠陥化という観点に加えて、窒化物半導体デバイスの高性能化という観点で注目されている第２の従来例として、ＧａＮ層の表面の選択酸化技術がある（例えば、特許文献１参照）。

すなわち、Ｓｉ薄膜等をマスク材料として用いて、ＧａＮ層を酸素雰囲気中で熱処理することにより、ＧａＮ層の表面を酸化した後、マスク材料を除去する。このようにして形成されたＧａＮ層の表面に電界効果トランジスタを作製すると、ＧａＮ層の表面に形成された酸化膜によってデバイスの素子分離及びデバイスの高耐圧化が可能となる。このような選択酸化技術は、半導体レーザーの電流狭窄等にも適用可能であり、幅広い応用が期待されている。
O.H.Nam et. al.,Applied .Physics Letters 71 (1997) p.2638. 特開２００１−２６７５５５公報

しかしながら、前述の第１の従来例に示した低欠陥化技術では、窒化物半導体レーザー装置を作製する場合、幅が５μｍ程度のマスク上に形成された低結晶欠陥領域に、例えば幅２μｍの導波路構造を形成する必要があるために、マスク合わせが困難である。また、マスク上に形成された低結晶欠陥領域を大きくするためには、マスク上に形成されるＧａＮ層の膜厚を大きくする必要があるが、この場合は、熱膨張係数の差によってＧａＮ層にクラックが形成される。従って、例えば半導体レーザー装置では、特性の再現性が悪い、又は歩留まりが低いといった問題がある。さらに、低結晶欠陥化を実現させる目的で、前述のＳｉＯ₂ 膜よりなるマスクを複数回形成することも行なわれるが、フォトリソグラフィ工程を用いたデバイス作製のコストが高くなるという問題がある。

一方、第２の従来例における選択酸化技術によると、ＧａＮ層の表面は荒れているので、表面を酸化した後の工程において以下のような問題がある。すなわち、例えばフォトリソグラフィ工程において再現性が良くないという問題、又は荒れた表面の上に配線金属を形成した場合には断線の恐れがあるという問題等がある。また、選択酸化技術を用いて形成した酸化膜を金属酸化膜（Metal Oxide Semiconductor、以下ＭＯＳという）半導体電界効果トランジスタに適用した場合には、ゲート酸化膜の膜厚が電極の下でばらつくので、デバイス特性の再現性が悪いという問題がある。

そこで、本発明は、前述の問題を一挙に解決することを可能にするものであり、具体的には、酸素化合物雰囲気下等の所定の条件下で窒化物半導体を酸化することにより、例えばＳｉＯ₂ 膜等よりなるマスクを形成することなく、結晶欠陥が低減された半導体装置及びその製造方法を提供すると共に、表面が平坦化された窒化物半導体を備えた半導体装置及びその製造方法を提供することである。

前記の課題を解決するために、本発明に係る第１の半導体装置は、基板と、基板の上に形成された第１のIII族窒化物半導体層と、第１のIII族窒化物半導体層に存在する欠陥の上部近傍に形成された第１の酸化層と、第１のIII族窒化物半導体層及び第１の酸化層の上に形成された、能動層を含む第２のIII族窒化物半導体層とを備えている。

第１の半導体装置によると、第１のIII族窒化物半導体層の表面にランダムに現れる結晶欠陥上部を覆うように第１の酸化層が形成され、第１の酸化層の上に横方向成長（ＥＬＯ）による低結晶欠陥領域を形成することができる。すなわち、ランダムに現れる欠陥の上部の領域に第１の酸化層が選択的に形成されるので、横方向成長のための第１の酸化層を、マスクを形成することなく形成することができると共に、ランダムに現れる結晶欠陥上部に形成された第１の酸化層の上における領域は低結晶欠陥領域となるので、従来例のようにマスク合わせをする必要がない。

本発明に係る第１の半導体装置において、第１の酸化層は、酸素化合物雰囲気下で、欠陥の上部近傍に存在している第１のIII族窒化物半導体層が酸化されてなる層であることが好ましい。

このようにすると、第１の酸化層の表面における平坦性が向上するので、後にその上に形成されるデバイス特性が向上する。

本発明に係る第１の半導体装置において、酸素化合物は、水蒸気であることが好ましい。

このようにすると、第１の酸化層の表面における平坦性が一層向上する。

本発明に係る第１の半導体装置において、前記第２のIII族窒化物半導体層の下部には、第１のIII族窒化物半導体層と第１の酸化層とが交互に重なるように形成された、複数の第１のIII族窒化物半導体層と複数の第１の酸化層とを備え、複数の第１のIII族窒化物半導体層の各々に存在する欠陥の密度は、各々に存在する欠陥の位置が基板から離れるにつれて減少していることが好ましい。

このように、第１のIII族窒化物半導体層と第１の酸化層との構造を繰り返して結晶欠陥密度を低減させることにより、その上に形成される第２のIII族窒化物半導体層における結晶欠陥密度をさらに低減することができる。このため、半導体装置の特性をより一層向上させることができる。

本発明に係る第１の半導体装置において、能動層の近傍に、第２のIII族窒化物半導体層が水蒸気雰囲気下で酸化されてなる第２の酸化層をさらに備えていることが好ましい。

このようにすると、結晶欠陥密度が低減された能動層の近傍に、表面の平坦性に優れた第２の酸化層が形成されているので、より優れた特性を有するデバイスを得ることができる。

本発明に係る第１の半導体装置において、第２の酸化層は、能動層の周囲を覆うように形成された、能動層を流れる電流を狭窄する電流ブロック層であることが好ましい。

本発明に係る第１の半導体装置において、第２の酸化層は、能動層の上に形成された、電界効果トランジスタのゲート酸化膜であることが好ましい。

本発明に係る第１の半導体装置において、基板は、サファイア、スピネル、ＧａＡｓ、Ｓｉ、ＳｉＣ又はＧａＮよりなることが好ましい。

また、前記の課題を解決するために、本発明に係る第２の半導体装置は、基板となる第１のIII族窒化物半導体層と、第１のIII族窒化物半導体層に存在する欠陥の上部近傍に形成された第１の酸化層と、第１のIII族窒化物半導体層及び第１の酸化層の上に形成された、能動層を含む第２のIII族窒化物半導体層とを備えていることを特徴とする。

第２半導体装置によると、基板となる第１のIII族窒化物半導体層の表面にランダムに現れる結晶欠陥上部を覆うように第１の酸化層が形成され、第１の酸化層の上に横方向成長（ＥＬＯ）による低結晶欠陥領域を形成することができる。すなわち、ランダムに現れる欠陥の上部の領域に第１の酸化層が選択的に形成されるので、マスクを形成することなく横方向成長のための第１の酸化層を形成することができると共に、ランダムに現れる結晶欠陥上部に形成された第１の酸化層の上の領域は低結晶欠陥領域となるので、従来例のようにマスク合わせをする必要がない。さらに、第１のIII族窒化物半導体層よりなる基板は結晶欠陥密度が低いので、第１の酸化層の表面における平坦性は、前記第１の半導体装置における第１の酸化層の表面よりも一層向上する。

本発明に係る第２の半導体装置において、第１の酸化層は、酸素化合物雰囲気下で、欠陥の上部近傍に存在する第１のIII族窒化物半導体層が酸化されてなる層であることが好ましい。

このようにすると、第１の酸化層の表面における平坦性が向上するので、後にその上に形成されるデバイス特性が向上する。

本発明に係る第２の半導体装置において、酸素化合物は、水蒸気であることが好ましい。

このようにすると、第１の酸化層の表面における平坦性が一層向上する。

本発明に係る第２の半導体装置において、能動層は、半導体レーザー装置を構成する活性層又は電界効果トランジスタのチャンネル層であることが好ましい。

本発明に係る第３の半導体装置は、能動層を含むIII族窒化物半導体層と、III族窒化物半導体層に存在する欠陥の上部近傍に形成された酸化層とを備えていることを特徴とする。

第３の半導体装置によると、III族窒化物半導体層に存在する欠陥近傍に酸化層が形成されることにより、表面の凸凹が低減される。このため、その上に形成されるデバイス特性が向上する。

第３の半導体装置において、能動層は、半導体レーザー装置を構成する活性層又は電界効果トランジスタのチャンネル層であることが好ましい。

また、前記の課題を解決するために、本発明に係る半導体装置の製造方法は、第１のIII族窒化物半導体層を形成する工程と、第１のIII族窒化物半導体層に存在する欠陥の上部近傍に第１の酸化層を形成する工程とを備えたことを特徴とする。

半導体装置の製造方法によると、第１のIII族窒化物半導体層の表面にランダムに現れる結晶欠陥の上部に第１の酸化層を形成するので、第１の酸化層の上に横方向成長（ＥＬＯ）による低結晶欠陥領域を形成することが可能になる。すなわち、ランダムに現れる欠陥の上部の領域に第１の酸化層を選択的に形成するので、マスクを形成することなく横方向成長のための第１の酸化層を形成することができると共に、ランダムに現れる結晶欠陥上部に形成された第１の酸化層の上における領域に低結晶欠陥領域を形成できるので、従来例のようにマスク合わせをする必要がない。

本発明に係る半導体装置の製造方法において、第１の酸化層を形成する工程の後に、第１のIII族窒化物半導体層及び第１の酸化層の上に、能動層を含む第２のIII族窒化物半導体層を形成する工程をさらに備えることが好ましい。

このようにすると、第１の酸化層が選択的成長を促進させるマスクの役割を果たすため、第１の酸化層の下側に存在する結晶欠陥が第１の酸化層の上側に伝播することを抑制するので、第１の酸化層の上における領域には横方向成長（ＥＬＯ）によって低欠陥領域が形成されるので、半導体装置の特性が向上する。

本発明に係る半導体装置の製造方法において、第１の酸化層を形成する工程は、酸素化合物雰囲気下で、欠陥の上部近傍に存在する第１のIII族窒化物半導体層を酸化する工程を含むことが好ましい。

このようにすると、第１の酸化層の表面における平坦性が向上するので、後にその上に形成されるデバイスの特性が向上する。

本発明に係る半導体装置の製造方法において、酸素化合物は、水蒸気であることが好ましい。

このようにすると、第１の酸化層の表面における平坦性が一層向上するので、後にその上に形成されるデバイスの特性が一層向上する。

本発明に係る半導体装置の製造方法において、第１の酸化層の膜厚は、欠陥が存在する位置に近い位置では厚くなると共に欠陥が存在する位置から離れた位置では薄くなるように形成されていることが好ましい。

このようにすると、第１の酸化層が選択成長を促進させるマスクの役割をより果たすので、第１の酸化層の下側に存在する結晶欠陥が第１の酸化層の上側に伝播することを一層抑制することができる。

本発明に係る半導体装置の製造方法において、第１のIII族窒化物半導体層を形成する工程と第１の酸化層を形成する工程とを交互に繰り返すことが好ましい。

このように、第１のIII族窒化物半導体層と第１の酸化層との構造を繰り返して結晶欠陥密度を減少させることにより、その上に形成される第２のIII族窒化物半導体層における結晶欠陥密度をさらに低減することができる。このため、半導体装置の特性をより一層向上させることができる。

本発明に係る半導体装置の製造方法において、第２のIII族窒化物半導体層を形成する工程の後に、第２のIII族窒化物半導体層における能動層の近傍に、第２のIII族窒化物半導体層を酸化してなる第２の酸化層を形成する工程をさらに備えることが好ましい。

このようにすると、結晶欠陥密度が低減された能動層の近傍に、表面の平坦性に優れた第２の酸化層が形成されているので、より優れた特性を有するデバイスを実現できる。

本発明に係る半導体装置の製造方法において、第２の酸化層は、ストライプ状に形成されていることが好ましい。

本発明に係る半導体装置の製造方法において、第１の酸化層を形成する工程と第２のIII族窒化物半導体層を形成する工程との間に、活性ガスを含んでなる雰囲気下における熱処理により、第１の酸化層の一部を除去して第１のIII族窒化物半導体層の上面を露出させる工程をさらに備えることが好ましい。

このように、第１のIII族窒化物半導体層の上面を露出させることにより、第１の酸化層の上において横方向成長を確実に進行させることができる。

本発明に係る半導体装置の製造方法において、活性ガスは、アンモニアであることが好ましい。

本発明に係る半導体装置の製造方法において、第２のIII族窒化物半導体層を形成する工程の後に、第１のIII族窒化物半導体層を除去する工程をさらに備えることが好ましい。

本発明の半導体装置及びその製造方法によると、第１のIII族窒化物半導体層の表面にランダムに現れる結晶欠陥上部を覆うように第１の酸化層が形成され、第１の酸化層の上に横方向成長（ＥＬＯ）による低結晶欠陥領域を形成することができる。すなわち、ランダムに現れる欠陥の上部の領域に第１の酸化層が選択的に形成されるので、横方向成長のための第１の酸化層を、マスクを形成することなく形成することができると共に、ランダムに現れる結晶欠陥上部に形成された第１の酸化層の上における領域は低結晶欠陥領域となるので、従来例のようにマスク合わせをする必要がない。

以下、本発明の各実施形態について図面を参照しながら説明する。

（第１の実施形態）
＜半導体装置＞
本発明の第１の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法について、図１を参照しながら説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の構造を示す断面図であり、具体的には、一例として半導体レーザー装置の断面図を示している。

図１に示すように、サファイア基板１０１上には、ＭＯＣＶＤ法により低温成長したＧａＮよりなるバッファ層１０２が形成されている。バッファ層１０２の上には、後述する第２のＧａＮ層１０５の下地層となる第１のＧａＮ層１０３がＭＯＣＶＤ法により形成されている。第１のＧａＮ層１０３における格子欠陥などの結晶欠陥密度は、１×１０⁹ ｃｍ^-2以上である。

第１のＧａＮ層１０３の上には、第１の酸化層１０４が形成されている。具体的には、第１のＧａＮ層１０３に存在している結晶欠陥の上部近傍に第１の酸化層１０４が形成されている。また、第１の酸化層１０４の膜厚は、第１のＧａＮ層１０３の結晶欠陥の上部に近い位置では厚く、結晶欠陥の上部から離れるに従って薄くなっている。なお、第１の酸化層１０４が第１のＧａＮ層１０３に存在している結晶欠陥の上部近傍に形成される理由は後述の半導体装置の製造方法において説明する。

第１の酸化層１０４の上には、ＭＯＣＶＤ法によって第１のＧａＮ層１０３から再成長した第２のＧａＮ層１０５が形成されている。ここで、第２のＧａＮ層１０５の結晶欠陥密度は、３×１０⁶ ｃｍ^-2程度であった。このように、第２のＧａＮ層１０５の結晶欠陥密度が減少しているのは、第１の酸化層１０４が選択的成長を促進させるマスクの役割を果たすので、第１の酸化層１０４の上に形成される第２のＧａＮ層１０５のうち第１の酸化層１０４の上に位置する領域は、横方向成長によって低結晶欠陥領域となって、第１のＧａＮ層１０３から結晶欠陥が伝播することを抑制できる。

なお、図１において、第１のＧａＮ層１０３、第２のＧａＮ層１０５、及び後述するｎ型ＧａＮクラッド層１０６等の層内に伸びている縦線は、格子欠陥等の結晶欠陥を示している点は前述した通りであるが、煩雑さを避けるため符号は付していない。なお、以降で用いる図面についても同様である。

第２のＧａＮ層１０５の上には、ＳｉがドープされたＧａＮよりなるｎ型クラッド層１０６が形成されており、該ｎ型クラッド層１０６の上には、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ及びＩｎＧａＮの多層膜よりなる活性層１０７が形成されている。活性層１０７の上には、ＭｇがドープされたＧａＮよりなるｐ型クラッド層１０８が形成されており、該ｐ型クラッド層１０８の上には、幅が１〜２μｍであるＧａＮよりなるｐ型コンタクト層１０９が形成されており、該ｐ型コンタクト層１０９を挟み込むようにして、厚さが３００ｎｍであると共に開口を有するＳｉＯ₂ 膜よりなる絶縁膜１１０が形成されている。絶縁膜１１０の上及び該絶縁膜１１０の開口に露出したｐ型コンタクト層１０９の上には、オーミック性を有するｐ型電極１１１が形成されており、該ｐ型電極１１１の上にはｐ型パッド１１２が形成されている。また、ｎ型クラッド層１０６の上には、ｎ型電極１１３が形成されている。このように、半導体レーザー装置は構成されている。

以上のように、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置によると、第１のＧａＮ層１０３の表面にランダムに現れる結晶欠陥の上部を覆うように第１の酸化層１０４が形成されており、第２のＧａＮ層１０５には横方向成長（ＥＬＯ）による低結晶欠陥領域が形成されている。すなわち、ランダムに現れる結晶欠陥の上部の領域に第１の酸化層１０４が選択的に形成されるので、横方向成長のための第１の酸化層１０４を、マスク形成を要することなく形成することができると共に、ランダムに現れる結晶欠陥上部に形成された第１の酸化層１０４の上の領域は結晶欠陥密度が低減されるので、従来例のようなマスク合わせをする必要がない。

＜半導体装置の製造方法＞
次に、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法について、図２（ａ）〜（ｄ）を参照しながら説明する。

図２（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図であり、具体的には、前述の半導体レーザー装置の製造方法を示す工程断面図を示している。

図２（ａ）に示すように、サファイア基板１０１上に、ＭＯＣＶＤ法により、厚さが４０ｎｍであるＧａＮよりなるバッファ層１０２を成長させると共に、この成長をＭＯＣＶＤ法により継続させることにより、厚さが０．２μｍである第１のＧａＮ層１０３を形成する。

次に、図２（ｂ）に示すように、酸素化合物雰囲気、例えば窒素及び水蒸気よりなる雰囲気中において、酸化温度を１０００℃まで昇温させて、９０分間、この条件を保持することにより、第１のＧａＮ層１０３が酸化されて、第１のＧａＮ層１０３に存在している結晶欠陥の上部近傍に第１の酸化層１０４が形成される。第１の酸化層１０４の膜厚は、第１のＧａＮ層１０３に存在する結晶欠陥が表面付近にまで達していない領域においては約４５ｎｍであり、第１のＧａＮ層１０３に存在する結晶欠陥が表面付近にまで達している箇所においては約２５０ｎｍである。このように、第１の酸化層１０４は、第１のＧａＮ層１０３における結晶欠陥の上部近傍においては厚く形成されると共に、結晶欠陥の上部近傍から離れるにつれて薄く形成される。

次に、図示していないが、例えばＮＨ₃ 又はＨＣｌ等の活性ガス中において、例えば９００℃で加熱することにより、第１の酸化層１０４の一部を除去して、第１のＧａＮ層１０３の表面を露出させる。

次に、図２（ｃ）に示すように、ＭＯＣＶＤ法により、膜厚が１μｍとなるように、第１のＧａＮ層１０３を再成長させて第２のＧａＮ層１０５を形成する。このとき、第１の酸化層１０４における膜厚が厚い部分（第１のＧａＮ層１０３の表面付近にまで結晶欠陥が達している領域）では、その下に位置する第１のＧａＮ層１０３から直接的に成長することはないが、第１の酸化層１０４の膜厚が薄い部分又は第１のＧａＮ層１０３が露出された部分（第１のＧａＮ層１０３の表面付近にまで結晶欠陥が達してない領域）では、これらの部分の下に位置する第１のＧａＮ層１０３が成長し、第１の酸化層１０４の上を覆うように横方向に成長する。このため、第１の酸化層１０４の上の領域においては結晶欠陥が低減される。

次に、図２（ｄ）に示すように、第２のＧａＮ層１０５の上に、ＳｉがドープされたＧａＮ層よりなるｎ型クラッド層１０６を形成した後、該ｎ型クラッド層１０６の上に、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ及びＩｎＧａＮの多層膜よりなる活性層１０７を形成する。次に、活性層１０７の上に、ＭｇがドープされたＧａＮよりなるｐ型クラッド層１０８を形成した後、該ｐ型クラッド層１０８の上に、幅が１〜２μｍであるＧａＮよりなるｐ型コンタクト層１０９を形成する。次に、ｐ型クラッド層１０８の上に、ｐ型コンタクト層１０９を挟むようにして、厚さが３００ｎｍであるＳｉＯ₂ 膜よりなり、開口を有する絶縁膜１１０を形成する。絶縁膜１１０の上及び該絶縁膜１１０の開口に露出したｐ型コンタクト層１０９の上に、オーミック性を有するｐ型電極１１１及びｐ型パッド１１２を順に形成する。また、ｎ型クラッド層１０６の上に、オーミック性を有するｎ型電極１１３を形成する。このようにして、半導体レーザー装置を製造する。

以上のように、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法によると、第１のＧａＮ層１０３の表面にランダムに現れる結晶欠陥の上部を覆うように第１の酸化層１０４を形成することにより、第１の酸化層１０４の上の領域では第２のＧａＮ層１０５が横方向成長（ＥＬＯ）によって低結晶欠陥領域となる。すなわち、ランダムに現れる結晶欠陥の上部の領域に第１の酸化層１０４を選択的に形成するので、横方向成長のための第１の酸化層１０４を、マスク形成を要することなく形成することができると共に、ランダムに現れる結晶欠陥上部に形成された第１の酸化層１０４の上の領域は低結晶欠陥領域となるので、従来例のようなマスク合わせをする必要がない。

ここで、第１の酸化層１０４の酸化方法として、例えば水蒸気酸化を行なう装置の一例について、図３を参照しながら説明する。なお、図３は、水蒸気酸化を行なう装置の断面図を示している。

図３に示すように、フラスコ３０１の内部には、超純水が入っており、ヒータ３０２によって加熱されている。窒素ライン３０３から窒素をバブリングすることにより、窒素と水蒸気との混合気体を酸化炉３０４に供給することができる。試料を酸化炉３０４に導入し、１０００℃まで加熱処理することにより、前述した図１又は図２（ｂ）等に示す第１の酸化層１０４を形成できる。

ここで、酸素雰囲気下で酸化を行なう場合と水蒸気雰囲気下で酸化を行なう場合との比較について、図４（ａ）及び（ｂ）並びに図５を参照しながら説明する。

図４（ａ）及び（ｂ）は、サファイア基板上にバッファ層を介して形成されたＧａＮ層に対して、酸素雰囲気下で酸化を行なった場合の酸化層（Ｇａ₂ Ｏ₃ ）の断面におけるＳＥＭ像を示すと共に（（ａ））、水蒸気雰囲気下で酸化を行なった場合の酸化層（Ｇａ₂ Ｏ₃ ）の断面におけるＳＥＭ像を示している（（ｂ））。なお、ここで、ＳＥＭ像とは走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）により写し出された写真のことである。

図４（ａ）及び（ｂ）から明らかなように、図４（ａ）では、酸素による熱酸化後の酸化層の表面は荒れている。一方、図４（ｂ）では、水蒸気による熱酸化後の酸化層については、ＧａＮ層において結晶欠陥が表面付近に達している部分には、酸化層が厚く形成されており、ＧａＮ層において結晶欠陥が存在していない部分には、均一かつ平坦な酸化層が形成されている。

図５は、酸素又は水蒸気を用いて９００℃で酸化を行った場合について、酸化層の膜厚（ｎｍ）と表面ラフネス（ｎｍ）との関係を示している。

図５から明らかなように、酸素を用いて酸化した場合には、酸化層の表面ラフネスは、酸化層の膜厚の増加と共に増大するが、水蒸気を用いて酸化した場合には、酸化層の表面ラフネスは、酸素を用いて酸化した場合の酸化層に比べて増大は小さい。このように、水蒸気を用いて酸化した場合は、表面ラフネスの均一性に優れた酸化膜を形成することができる。このため、水蒸気を用いて酸化した酸化層を用いた場合には、優れた素子特性の実現が可能になる。

すなわち、水蒸気を用いて酸化された平坦性に優れた酸化層の上にデバイスを形成すれば、デバイス特性が向上する。例えば、水蒸気を用いて酸化した酸化層を、電界効果トランジスタのゲート酸化膜に適用する場合には、再現性良くトランジスタ特性を得ることが可能となる。さらに、水蒸気を用いて酸化した酸化層を、トランジスタの素子分離に適用する場合には、この酸化層の上に配線金属を形成した際に断線がない集積回路を作製することが可能となる。

なお、前記本実施形態においては、第１の酸化層１０４が第１のＧａＮ層１０３の上に部分的に形成されていない部分があってもかまわない。この場合、第１のＧａＮ層１０３と第２のＧａＮ層１０５とが接する部分が存在することになる。

また、第１のＧａＮ層１０３に存在している結晶欠陥の上部近傍に形成される膜厚が厚い部分と、隣り合う別の結晶欠陥の上部近傍に形成される膜厚が厚い部分とが互いに接してひとつの酸化層領域を形成するように、結晶欠陥の上部近傍には第１の酸化層１０４が厚く形成されている。これにより、この上に、第２のＧａＮ層１０５が再成長させると、第１の酸化層１０４が選択的成長を促進させるマスクの役割を果たすので、前述のように、第１のＧａＮ層に結晶欠陥が無い領域の上部であって第１の酸化層１０４の膜厚が薄い領域又は第１の酸化層１０４が存在していない領域からＧａＮが成長するので、第１の酸化層１０４の上の領域では、成長してきたＧａＮが横方向に成長する。このため、第１のＧａＮ層１０３の結晶欠陥密度よりも低い結晶欠陥密度を有する第２のＧａＮ層１０５を得ることができる。

なお、第１のＧａＮ層１０３を再成長させて第２のＧａＮ層１０５を形成する前に、第１の酸化層１０４の薄い部分を、例えばＮＨ₃ ガス又はＨＣｌガス等の活性ガス中でエッチングにより除去した後に、第１のＧａＮ層１０３を再成長させて第２のＧａＮ層１０５を形成してもよい。

なお、本実施形態においては、下地となる窒化物半導体層としてＧａＮ（ＧａＮ層１０３）を用いているが、混晶であるＡｌＧａＮ又はＩｎＧａＮを下地となる窒化物半導体として用いてもよい。すなわち、ＧａＮ以外に、Ａｌ_x Ｇａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）又はＩｎ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）で表されるような混晶を用いてもよいし、ＡｌＧａＩｎＮの四元混晶を用いてもよい。また、第１の酸化層１０４の上に成長させる窒化物半導体層についても、Ａｌ_x Ｇａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）又はＩｎ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）で表されるような混晶を用いてもよい。これらの点については、以下に示す変形例及び後述する第２の実施形態についても同様である。

また、第１の酸化層１０４のように酸化されてマスクとなり得る材料であれば、別の材料を用いてもよい。また、再成長により形成される第２のＧａＮ層１０５のような窒化物半導体についても、ＡｌとＧａとの混晶、又はＩｎとＧａとの混晶であってもよい。

また、下地となる基板としてサファイア基板１０１を例に示したが、スピネル基板、ＧａＡｓ基板、Ｓｉ基板、又はＳｉＣ基板を用いることもできる。ＧａＡｓ基板、Ｓｉ基板、又はＳｉＣ基板は導電性を有するので、これらの基板を用いれば、これらの基板の裏面に電極を設けることができる。

また、第１のＧａＮ層１０３上に第１の酸化層１０４のようなマスクが形成される材料であれば、第１のＧａＮ層１０３とは異なる材料を用いてもよく、ＧａＮの他に、ＡｌＧａＮ又はＩｎＧａＮを用いてもよい。

また、第１の酸化層１０４を部分的に除去する工程において、ＮＨ₃ ガス又はＨＣｌガス等の活性ガス中において熱処理を行なう方法を一例として説明したが、第１の酸化層１０４を部分的に除去できる方法であれば、例えばＢＣｌ₃ ガス等を用いたドライエッチング、又はＫＯＨを用いたウエットエッチングを用いて除去してもよい。また、第１の酸化層１０４を研磨によって部分的に除去することも可能である。

以下に、本発明の第１の実施形態に係る変形例について、図６〜図８を参照しながら説明する。

＜第１の変形例＞
図６は、第１の実施形態における第１の変形例に係る半導体装置（半導体レーザー装置）の断面図を示している。なお、図１に示した半導体装置の構成要素と同様の部分には同一の符号を付しており、以下ではその説明は繰り返さない。

図６に示す半導体装置が、図１に示した半導体装置と異なる点は、以下の通りである。

すなわち、サファイア基板１０１上にバッファ層を介さずに第１のＧａＮ層６０２を直接成長させている点である。さらに、第１のＧａＮ層６０２の上に形成された第１の酸化層６０３と第２のＧａＮ層６０６との間には、ＧａＮ層６０４と酸化層６０５とが形成されている。なお、酸化層６０５は、第１の酸化層６０３と同様に、酸素化合物雰囲気下（ここでは水蒸気雰囲気下）で酸化されて形成された層であり、ＧａＮ層６０４に存在している結晶欠陥の上部近傍に形成されている。このように、結晶欠陥密度が低減されたＧａＮ層６０４の上にさらに酸化層６０５を形成するので、酸化層６０５の上に形成される第２のＧａＮ層６０６の結晶欠陥密度はさらに低減される。このように、ＧａＮ層と酸化層とを交互に複数層繰り返して形成することにより、結晶欠陥密度を、基板から離れた領域になればなるほど減少させることができる。

なお、図６では、ＧａＮ層と酸化層との積層構造を２層繰り返した構造にしているが、多層繰り返された構造であってもよい。

＜第２の変形例＞
図７は、第１の実施形態における第２の変形例に係る半導体装置（半導体レーザー装置）の断面図を示している。なお、図１に示した半導体装置の構成要素と同様の部分には同一の符号を付しており、以下ではその説明は繰り返さない。

図７に示す半導体装置が、図１に示した半導体装置と異なる点は、以下の通りである。

すなわち、ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層１０９の両側に絶縁膜７１０（第２の酸化層に対応する）が形成されている点である。具体的には、図７に示す半導体装置は、酸素化合物雰囲気下（ここでは水蒸気雰囲気下）で、窒化物半導体（ここではＧａＮ）を酸化することにより形成された絶縁膜７１０を備えた点であり、この絶縁膜７１０は半導体レーザー装置における導波路及び電流狭窄層を構成している。このように、水蒸気酸化によって形成された絶縁膜７１０の表面は平坦化されているので、その上に形成されるデバイス特性を向上させることができる。

＜第３の変形例＞
図８は、第１の実施形態における第３の変形例に係る半導体装置（ヘテロ電界効果トランジスタ装置）の断面図を示している。なお、図１に示した半導体装置の構成要素と同様の部分には同一の符号を付しており、以下ではその説明は繰り返さない。

前述の第２の変形例に係る半導体装置は、半導体レーザー装置を例にとって説明したが、図８に示すように、ヘテロ電界効果トランジスタ（Hetero Field Effect Transistor、ＨＦＥＴ）装置であっても、活性領域を低結晶欠陥の基板上に形成することにより、低リーク電流及び高電界動作が可能としたものである。

図８に示すように、サファイア基板８０１上には、ＭＯＣＶＤ法により低温成長したＧａＮよりなるバッファ層８０２が形成されいる。バッファ層８０２の上には、後述する第２のＧａＮ層８０５の下地層となる第１のＧａＮ層８０３がＭＯＣＶＤ法により形成されている。第１のＧａＮ層８０３の上には、第１の酸化層８０４が形成されている。ここまでは、前述の図１を用いた説明と同様である。

第１の酸化層８０４の上には、ＭＯＣＶＤ法によって第１のＧａＮ層から再成長したアンドープのＧａＮよりなる第２のＧａＮ層８０５が形成されている。第２のＧａＮ層８０５の上には、アンドープのＧａＮよりなる第３のＧａＮ層８０６、及びＧａＮよりなるｎ型チャンネル層８０７が形成されている。第３のＧａＮ層８０６及びｎ型チャンネル層８０７の側方には、第３のＧａＮ層８０６及びｎ型チャンネル層８０７を熱酸化（ここでは、例えば水蒸気雰囲気下での酸化が好ましい）して得られる絶縁層８０８が形成されている。さらに、ｎ型チャンネル層８０７の上には、ソース電極８０９、ゲート電極８１０、及びドレイン電極８１１が形成されている。なお、絶縁層８０８は、素子分離の役割も果たしている。

このようにすると、前述の第１の半導体装置及びその製造方法に示した効果と同様の効果が得られることに加えて、熱酸化によって表面の平坦性に優れた絶縁膜８０８が形成されているので、後の工程で絶縁膜８０８の上に形成されるデバイス特性が向上する。

なお、第３の変形例において、ｎ型チャンネル層８０７の上に、層間絶縁膜を介してゲート電極８１０を形成してもよい。この場合、層間絶縁膜として例えばＧａＮ層を酸化させて得られた絶縁膜（すなわちゲート酸化膜）、好ましくはＧａＮ層に対し水蒸気酸化を施して得られた絶縁膜を用いてもよい。

なお、前述の電界効果トランジスタとして、第３のＧａＮ層８０６及びｎ型チャンネル層８０７の代わりに、各々、ＧａＮよりなるｎ型チャンネル層、ＡｌＧａＮよりなるｎ型障壁層を用いた電界効果トランジスタ、すなわちヘテロ電界効果トランジスタ（ＨＦＥＴ）装置であっても、前述と同様の効果を得ることができる。

また、前述の電界効果トランジスタの代わりに、窒化物半導体よりなるバイポーラトランジスタ又はヘテロ接合バイポーラトランジスタを用いた場合であっても、前述と同様の効果を得ることができる。

（第２の実施形態）
以下に、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置について、図９を参照しながら説明する。

図９は、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の断面図であって、具体的には、窒化物半導体レーザー装置の断面図を一例として示している。

図９に示すように、ＧａＮ基板９０１の上には、第１の酸化層９０２が形成されている。具体的には、ＧａＮ基板９０１に存在している結晶欠陥の上部近傍に第１の酸化層９０２が形成されている。また、第１の酸化層９０２の膜厚は、ＧａＮ基板９０１に存在している結晶欠陥の上部に近い位置では厚く、結晶欠陥の上部から離れるに従って薄くなっている。第１の酸化層９０２の上には、ＧａＮよりなる第１のＧａＮ層９０３が形成されている。このように、第１の酸化層９０２が形成されていることにより、前述の第１の実施形態で述べたように、第１のＧａＮ層９０３の結晶欠陥密度は、ＧａＮ基板９０１の結晶欠陥密度よりも低減される。

第１のＧａＮ層９０３の上には、第２の酸化層９０４が形成されている。具体的には、第１のＧａＮ層９０３に存在している結晶欠陥の上部近傍に第２の酸化層９０４が形成されている。また、第２の酸化層９０４の膜厚は、第１のＧａＮ層９０３に存在している結晶欠陥の上部に近い位置では厚く、結晶欠陥の上部から離れるに従って薄くなている。第２の酸化層９０４の上には、ＧａＮよりなる第２のＧａＮ層９０５が形成されている。このように、結晶欠陥密度が低減された第１のＧａＮ層９０３の上には、さらに第２の酸化層９０４が形成されていることにより、前述の第１の実施形態における第１の変形例で述べたように、第２のＧａＮ層９０５の結晶欠陥密度は、第１のＧａＮ層９０３の結晶欠陥密度よりも低減される。

このように、ＧａＮ層の上に酸化層を形成する構造を繰り返すことにより、ＧａＮ基板９０１から離れるに従って、結晶欠陥密度が低減された半導体装置を実現することができる。なお、図９では、ＧａＮ層の上に酸化層が形成される構造が２層繰り返された構造が採用されているが、多層繰り返される構造であってもよいし、１層のみの場合であってもよい。

第２のＧａＮ層９０５の上には、ＳｉがドープされたＧａＮよりなるｎ型クラッド層９０６が形成されており、該ｎ型クラッド層９０６の上には、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ及びＩｎＧａＮの多層膜よりなる活性層９０７が形成されている。活性層９０７の上には、ＭｇがドープされたＧａＮよりなるｐ型クラッド層９０８が形成されており、該ｐ型クラッド層９０８の上には、幅が１〜２μｍであるＧａＮよりなるｐ型コンタクト層９０９が形成されており、該ｐ型コンタクト層９０９を挟み込むようにして、厚さが３００ｎｍであると共に開口を有するＳｉＯ₂ 膜よりなる絶縁膜９１０が形成されている。絶縁膜９１０の上及び該絶縁膜９１０の開口に露出したｐ型コンタクト層９０９の上には、オーミック性を有するｐ型電極９１１及びｐ型パッド９１２が形成されている。また、ｎ型クラッド層９０６の上には、ｎ型電極９１３が形成されている。

以上のように、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法によると、ＧａＮ基板９０１の表面にランダムに現れる結晶欠陥の上部を覆うように第１の酸化層９０２を形成することにより、第１の酸化層９０２の上に位置する第２のＧａＮ層９０３は横方向成長（ＥＬＯ）による低結晶欠陥領域が形成される。すなわち、ランダムに現れる結晶欠陥の上部の領域に第１の酸化層９０２が選択的に形成されるので、横方向成長のための第１の酸化層９０２を、マスク形成を要することなく形成することができると共に、ランダムに現れる結晶欠陥上部に形成された第１の酸化層９０２の上の領域における結晶欠陥は低減されているので、従来例のようなマスク合わせをする必要がない。また、上述のように、ＧａＮ層の上に酸化層を形成する構造を２層にしているので、結晶欠陥領域がより低減された半導体装置を実現できる。さらに、第１の実施形態におけるサファイア基板１０１と比べて、結晶欠陥が少ないＧａＮ基板９０１を用いることにより、その上に形成されるデバイスの特性をさらに向上させることができる。

ここで、ＧａＮ基板の上に形成される酸化層と、サファイア基板の上に形成される酸化層との比較について、図１０（ａ）及び（ｂ）を参照しながら説明する。

図１０（ａ）及び（ｂ）は、ＧａＮ層が酸化された後の断面図を示している。

図１０（ａ）に示すように、第１の実施形態と同様に、サファイア基板１００１上には、ＧａＮよりなるバッファ層１００２を介して、第１のＧａＮ層１００３が形成されている。ここで、第１のＧａＮ層１００３の結晶欠陥密度は、１×１０⁹ ｃｍ^-2程度である。第１のＧａＮ層１００３の表面には、該第１のＧａＮ層１００３が酸化されることによって形成されたＧａ₂Ｏ₃膜よりなる酸化層１００４が形成されている。ここで、酸化層１００４の結晶欠陥密度は、３×１０⁶ ｃｍ^-2程度である。酸化層１００４は、第１のＧａＮ層１００３に存在している結晶欠陥が第１のＧａＮ層１００３の表面に達している部分では厚く形成されて盛り上がるので、酸化層の表面には結晶欠陥の数と同程度の凹凸が形成される。

一方、図１０（ｂ）に示すように、第２の実施形態と同様に、ＧａＮ基板１０２１上には、酸化層１０２２が形成されている。ＧａＮ基板１０２１における基板表面における結晶欠陥密度は、１×１０⁷ ｃｍ^-2程度である。このように、ＧａＮ基板１０２１における基板表面における結晶欠陥密度は、前記サファイア基板１００１の上に形成された第１のＧａＮ層１００３の結晶欠陥密度よりも低い。このため、ＧａＮ基板１０２１の上に形成されている酸化層１０２２の結晶欠陥密度も１×１０⁴ ｃｍ^-2程度と低くなる。したがって、ＧａＮ基板１０２１の上に形成された酸化層１０２２の厚く盛り上がる部分の面積は、サファイア基板１００１の上に形成された酸化層１００４の場合に比べて低減することができる。このため、ＧａＮ基板を用いれば、サファイア基板を用いる場合に比べて、その上に形成されるデバイスの特性をさらに向上させることができる。

なお、図１０（ａ）及び（ｂ）に示した酸化層（１００４、１０２２）の形成は、酸素雰囲気で行なうこともできるが、水蒸気雰囲気下で酸化することが好ましい。これは、第１の実施形態で説明したように、酸素雰囲気下で酸化するよりも水蒸気雰囲気下で酸化する方が、酸化層の表面が平坦化されるからである。

なお、本実施形態においては、ＧａＮ基板を例にして説明したが、ＧａＮ基板に限定されるものではなく、表面における結晶欠陥密度が低減され且つ窒化物半導体層がその上で成長可能な基板であれば同様の効果を得ることができる。例えば、基板の一例として、サファイア基板の上に、第１の実施形態に示す方法で形成したＧａＮ層、ＡｌＧａＮ層又はＩｎＧａＮ層が結晶成長した基板であってもよい。

以下に、本発明の第２の実施形態に係る変形例について、図１１及び１２を参照しながら説明する。

＜第１の変形例＞
図１１は、第２の実施形態における第１の変形例に係る半導体装置（ヘテロ電界効果トランジスタ装置）の断面図を示している。

前述の第２の実施形態に係る半導体装置は、半導体レーザー装置を例にとって説明したが、図１１に示すように、ヘテロ電界効果トランジスタ（Hetero Field Effect Transistor、ＨＦＥＴ）装置であっても、活性領域を低結晶欠陥の基板上に形成することにより、低リーク電流及び高電界動作が可能となる。

図１１に示すように、ＧａＮ基板１０５１の上には、第１の酸化層１０５２が形成されている。具体的には、ＧａＮ基板１０５１に存在している結晶欠陥の上部近傍に第１の酸化層１０５２が形成されている。また、第１の酸化層１０５２の膜厚は、ＧａＮ基板１０５１に存在している結晶欠陥の上部に近い位置では厚く、結晶欠陥の上部から離れるに従って薄くなっている。第１の酸化層１０５２の上には、ＧａＮよりなる第１のＧａＮ層１０５３が形成されている。このように、第１の酸化層１０５２が形成されていることにより、前述の第１の実施形態で述べたように、第１のＧａＮ層１０５３の結晶欠陥密度は、ＧａＮ基板１０５１の結晶欠陥密度よりも低減される。

第１のＧａＮ層１０５３の上には、第２の酸化層１０５４が形成されている。具体的には、第１のＧａＮ層１０５３に存在している結晶欠陥の上部近傍に第２の酸化層１０５４が形成されている。また、第２の酸化層１０５４の膜厚は、第１のＧａＮ層１０５３に存在している結晶欠陥の上部に近い位置では厚く、結晶欠陥の上部から離れるに従って薄くなっている。第２の酸化層１０５４の上には、アンドープのＧａＮよりなる第２のＧａＮ層１０５５が形成されている。このように、結晶欠陥密度が低減された第１のＧａＮ層１０５３の上には、さらに第２の酸化層１０５４が形成されていることにより、図９での説明と同様に、第２のＧａＮ層１０５５の結晶欠陥密度は、第１のＧａＮ層１０５３の結晶欠陥密度よりも低減される。このように、ＧａＮ層の上に酸化層を形成する構造を繰り返すことにより、ＧａＮ基板１０５１から離れるに従って、結晶欠陥密度が低減された半導体装置を実現することができる。なお、図１１においても、図９と同様に、ＧａＮ層の上に酸化層が形成された構造が２層繰り返された構造を採用しているが、多層繰り返された構造であってもよいし、１層のみの場合であってもよい。なお、以上の構造は、前記図９に示した構造と同様である。

第２のＧａＮ層１０５５の上には、アンドープのＧａＮよりなる第３のＧａＮ層１０５６、及びＧａＮよりなるｎ型チャンネル層１０５７が形成されている。第３のＧａＮ層１０５６及びｎ型チャンネル層１０５７の側方には、第３のＧａＮ層１０５６及びｎ型チャンネル層１０５７を熱酸化（ここでは、例えば水蒸気雰囲気下での酸化が好ましい）して得られる絶縁層１０５８が形成されている。さらに、ｎ型チャンネル層１０５７の上には、ソース電極１０５９、層間絶縁膜１０６０を介してゲート電極１０６１、及びドレイン電極１０６２が形成されている。なお、絶縁層１０５８は、素子分離の役割も果たしている。また、層間絶縁膜１０６０として、例えばＧａＮ層を、酸素雰囲気下、好ましくは水蒸気雰囲気下で酸化させて得られた絶縁膜、すなわちゲート酸化膜を用いることができる。このようにすると、ゲート酸化膜の表面が平坦になるので、トランジスタの特性が向上する。

このようにすると、前述の第２の実施形態に係る半導体装置に示した効果と同様の効果が得られることに加えて、熱酸化によって絶縁膜１０５８の表面の平坦性が優れているので、後の工程で絶縁膜１０５８の上に形成されるデバイスの特性が向上する。

なお、前述の電界効果トランジスタとして、第３のＧａＮ層１０５６及びｎ型チャンネル層１０５７の代わりに、各々、ＧａＮよりなるｎ型チャンネル層、ＡｌＧａＮよりなるｎ型障壁層を用いた電界効果トランジスタ、すなわちヘテロ電界効果トランジスタ（ＨＦＥＴ）装置であっても、前述と同様の効果を得ることができる。

また、前述の電界効果トランジスタの代わりに、窒化物半導体よりなるバイポーラトランジスタ又はヘテロ接合バイポーラトランジスタを用いた場合であっても、前述と同様の効果を得ることができる。

＜第２の変形例＞
図１２は、第２の実施形態における第２の変形例に係る半導体装置（ＭＯＳトランジスタ装置）の断面図を示している。

図１２に示すように、ＧａＮ基板１１０１の上には、第１の酸化層１１０２が形成されている。具体的には、ＧａＮ基板１１０１に存在している結晶欠陥の上部近傍に第１の酸化層１１０２が形成されている。また、第１の酸化層１１０２の膜厚は、ＧａＮ基板１１０１に存在している結晶欠陥の上部に近い位置では厚く、結晶欠陥の上部から離れるに従って薄くなっている。第１の酸化層１１０２の上には、ＧａＮ層よりなる第１のＧａＮ層１１０３が形成されている。このように、第１の酸化層１１０２が形成されていることにより、前述の第１の実施形態で述べたように、第１のＧａＮ層１１０３の結晶欠陥密度は、ＧａＮ基板１１０１の結晶欠陥密度よりも低減される。

第１のＧａＮ層１１０３の上には、第２の酸化層１１０４が形成されている。具体的には、第１のＧａＮ層１１０３に存在している結晶欠陥の上部近傍に第２の酸化層１１０４が形成されている。また、第２の酸化層１１０４の膜厚は、第１のＧａＮ層１１０３に存在している結晶欠陥の上部に近い位置では厚く、結晶欠陥の上部から離れるに従って薄くなっている。第２の酸化層１１０４の上には、アンドープのＧａＮよりなる第２のＧａＮ層１１０５が形成されている。このように、結晶欠陥密度が低減された第１のＧａＮ層１１０３の上には、さらに第２の酸化層１１０４が形成されていることにより、前記図９での説明と同様に、第２のＧａＮ層１１０５の結晶欠陥密度は、第１のＧａＮ層１１０３の結晶欠陥密度よりも低減される。このように、ＧａＮ層の上に酸化層を形成する構造を繰り返すことにより、ＧａＮ基板１１０１から離れるに従って、結晶欠陥密度が低減された半導体装置を実現することができる。なお、図１２においても、前記図９と同様に、ＧａＮ層の上に酸化層が形成された構造が２層繰り返された構造を採用しているが、多層繰り返された構造であってもよいし、１層のみの場合であってもよい。なお、以上の構造は、前記図９に示した構造と同様である。

第２のＧａＮ層１１０５の上には、無添加ＧａＮよりなる第３のＧａＮ層１１０６が形成されている。第３のＧａＮ層１１０６の上には、Ｓｉがドープされたｎ型のＧａＮよりなる第４のＧａＮ層１１０７が形成されている。第４のＧａＮ層１１０７の上には、オーミック性の特性を示す金属よりなるソース電極１１０８及びドレイン電極１１０９が形成されている。第４のＧａＮ層１１０７の上であってソース電極１１０８とドレイン電極１１０９との間には、第４のＧａＮ層１１０７又は第３のＧａＮ層１１０６が酸化されてなるゲート酸化膜１１１０が形成されている。

ゲート酸化膜１１１０の上には、ショットキー特性を示すゲート電極１１１１が形成されている。このように、金属酸化膜（ＭＯＳ）トランジスタの周囲には、ｎ型のＧａＮ層又は無添加のＧａＮ層が酸化（好ましくは水蒸気酸化）されて形成されたＧａ₂Ｏ₃膜よりなる第３の酸化層１１１２（第２の酸化層に対応する）が素子分離層として形成されている。第３のＧａＮ層１１０６及び第４のＧａＮ層１１０７の結晶欠陥密度は、それらの下側に形成された第２のＧａＮ層１１０５の結晶欠陥密度を反映するので、例えば、１×１０⁴ｃｍ^-2 程度以下となる。このため、第３のＧａＮ層１１０６及び第４のＧａＮ層１１０７が酸化されてなる酸化層１１０を平坦に形成することができる。従って、例えば、酸化層上に形成する微細な電極パターンを断線することなく形成でき、安定性に優れたＭＯＳトランジスタを実現できる。

（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態に係る半導体装置について、図１３を参照しながら説明する。

図１３は、第３の実施形態に係る半導体装置（ＭＯＳトランジスタ装置）の断面図を示している。尚、図１３において、前述の図１２に示した半導体装置の構成要素と同様の部分には同一の符号を付しており、以下ではその説明は繰り返さない。

図１３に示す半導体装置が、図１２に示した半導体装置と異なる点は、以下の通りである。

すなわち、図１２では、欠陥の多い下地となる層（ＧａＮ基板１１０１、第１の酸化層１１０２、第１のＧａＮ層１１０３、及び第２の酸化層１１０４）の上に第２のＧａＮ層１１０５が形成されているが、図１３に示す半導体装置では、図１２に示す第２のＧａＮ層１１０５までを順に形成した後に、欠陥が多い下地となる層（ＧａＮ基板１１０１、第１の酸化層１１０２、第１のＧａＮ層１１０３、及び第２の酸化層１１０４）が、例えば研磨又はダイシングなどによって除去されている点にある。なお、第２のＧａＮ層１１０５を形成した後には、図１２と同様の構造を形成している。すなわち、第２のＧａＮ層１１０５の上には、無添加ＧａＮよりなる第３のＧａＮ層１１０６が形成されている。第３のＧａＮ層１１０６の上には、Ｓｉがドープされたｎ型のＧａＮよりなる第４のＧａＮ層１１０７が形成されている。第４のＧａＮ層１１０７の上には、オーミック性の特性を示す金属よりなるソース電極１１０８及びドレイン電極１１０９が形成されている。第４のＧａＮ層１１０７の上であってソース電極１１０８とドレイン電極１１０９との間には、第４のＧａＮ層１１０７又は第３のＧａＮ層１１０６が酸化されてなるゲート酸化膜１１１０が形成されている。

ゲート酸化膜１１１０の上には、ショットキー特性を示すゲート電極１１１１が形成されている。このように、金属酸化膜（ＭＯＳ）トランジスタの周囲には、ｎ型のＧａＮ層又は無添加のＧａＮ層が酸化（好ましくは水蒸気酸化）されて形成されたＧａ₂Ｏ₃膜よりなる第３の酸化層１１１２（第２の酸化層に対応する）が素子分離層として形成されている。第３のＧａＮ層１１０６及び第４のＧａＮ層１１０７の結晶欠陥密度は、それらの下側に形成された第２のＧａＮ層１１０５の結晶欠陥密度を反映するので、例えば、１×１０⁴ｃｍ^-2 程度以下となる。このため、第３のＧａＮ層１１０６及び第４のＧａＮ層１１０７が酸化されてなる酸化層を平坦に形成することができる。従って、例えば、酸化層上に形成する微細な電極パターンを断線することなく形成でき、安定性に優れたＭＯＳトランジスタを実現できる。

このように、第２のＧａＮ層１１０５の下地となる層を除去して低結晶欠陥化された第２のＧａＮ層１１０５を下地層として用いることも当然に実現可能である。

＜変形例＞
図１４は、第３の実施形態における変形例に係る半導体装置（半導体レーザー装置）の断面図を示している。なお、図７に示した半導体装置の構成要素と同様の部分には同一の符号を付しており、以下ではその説明は繰り返さない。

図１４に示す半導体装置が、図７に示した半導体装置と異なる点は、以下の通りである。

すなわち、図７では、欠陥の多い下地となる層（サファイア基板１０１、バッファ層１０２、第１のＧａＮ層１０３、及び第１の酸化層１０４）の上に第２のＧａＮ層１０５が形成されているが、図１４に示す半導体装置では、図７に示す第２のＧａＮ層１０５までを順に形成した後に、欠陥が多い下地となる層（サファイア基板１０１、バッファ層１０２、第１のＧａＮ層１０３、及び第１の酸化層１０４）を、例えば研磨又はダイシングなどによって除去している点にある。なお、なお、第２のＧａＮ層１０５を形成した後には、図７と同様の構造を形成している。

このように、第２のＧａＮ層１０５の下地となる層を除去して低結晶欠陥化された第２のＧａＮ層１０５を下地層として用いることも当然に実現可能であり、また、水蒸気酸化によって形成された絶縁膜７１０の表面は平坦化されているので、その上に形成されるデバイス特性を向上させることができる。

以上のように、本発明の半導体装置及びその製造方法は、窒化物半導体を利用したレーザー装置、ＦＥＴ、及びＭＯＳトランジスタ等に有用である。

本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の構造を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。 本発明の第１の実施形態における水蒸気雰囲気下での酸化を行なう装置の断面図である。 （ａ）は、酸素雰囲気の下で、ＧａＮ層を酸化した場合のＳＥＭ像を示す断面図であり、（ｂ）は、水蒸気雰囲気の下で、ＧａＮ層を酸化した場合のＳＥＭ像を示す断面図である。 酸素を用いて酸化した場合及び水蒸気を用いて酸化した場合について、各々の酸化膜の膜厚と表面ラフネスとの関係図である。 本発明の第１の実施形態における第１の変形例に係る半導体装置の構造を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態における第２の変形例に係る半導体装置の構造を示す断面図でる。 本発明の第１の実施形態における第３の変形例に係る半導体装置の構造を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の構造を示す断面図である。 （ａ）は、サファイア基板上に形成された酸化層を示す断面図であり、（ｂ）は、ＧａＮ基板上に形成される酸化層を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態における第１の変形例に係る半導体装置の構造を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態における第２の変形例に係る窒化物半導体装置の構造を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る窒化物半導体装置の構造を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態における変形例に係る窒化物半導体装置の構造を示す断面図である。 従来の窒化物半導体装置の断面図である。

符号の説明

１０１、１００１ サファイア基板
１０２、８０２、１００２ バッファ層
１０３、８０３、９０３ 第１のＧａＮ層
１０４、６０５、８０４、９０２、１０５２、１１０２ 第１の酸化層
６０３、１００４、１０２２ 酸化層
１０５、６０５、８０５、９０５、１０５５、１１０５ 第２の酸化層
６０４、１００３ ＧａＮ層
１０６、９０６ ｎ型クラッド層
１０７、９０７ 活性層
１０８、９０８ ｐ型クラッド層
１０９、９０８ ｐ型コンタクト層
１１０、７１０、８０８、９１０ 絶縁膜
１１１、９１１ ｐ型電極
１１２、９１２ ｐ型パッド
１１３、９１３ ｎ型電極
３０１ フラスコ
３０２ ヒータ
３０３ 窒素ライン
３０４ 酸化炉
７１０ 絶縁膜
８０６、１０５６ 第３のＧａＮ層
８０７、１０５７ ｎ型チャンネル層
８０９、１０５９、１１０８ ソース電極
８１０、１０６１、１１１１ ゲート電極
８１１、１０６２、１１０９ ドレイン電極
９０１、１０２１、１０５１、１１０１、 ＧａＮ基板
１０６０、１１１０ 層間絶縁膜
１１０６ 第３のＧａＮ層
１１０７ 第４のＧａＮ層
１０５８、１１１２ 第３の酸化層

Claims (25)

1. 基板と、
   前記基板の上に形成された第１のIII族窒化物半導体層と、
   前記第１のIII族窒化物半導体層に存在する欠陥の上部近傍に形成された第１の酸化層と、
   前記第１のIII族窒化物半導体層及び前記第１の酸化層の上に形成された、能動層を含む第２のIII族窒化物半導体層とを備えている半導体装置。
2. 前記第１の酸化層は、酸素化合物雰囲気下で、前記欠陥の上部近傍に存在している前記第１のIII族窒化物半導体層が酸化されてなる層であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記酸素化合物は、水蒸気であることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記第２のIII族窒化物半導体層の下部には、前記第１のIII族窒化物半導体層と前記第１の酸化層とが交互に重なるように形成された、複数の前記第１のIII族窒化物半導体層と複数の前記第１の酸化層とを備え、
   前記複数の前記第１のIII族窒化物半導体層の各々に存在する欠陥の密度は、前記各々に存在する欠陥の位置が前記基板から離れるにつれて減少していることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
5. 前記能動層の近傍に、前記第２のIII族窒化物半導体層が水蒸気雰囲気下で酸化されてなる第２の酸化層をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
6. 前記第２の酸化層は、前記能動層の周囲を覆うように形成された、前記能動層を流れる電流を狭窄する電流ブロック層であることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
7. 前記第２の酸化層は、前記能動層の上に形成された、電界効果トランジスタのゲート酸化膜であることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
8. 前記基板は、サファイア、スピネル、ＧａＡｓ、Ｓｉ、ＳｉＣ又はＧａＮよりなることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
9. 基板となる第１のIII族窒化物半導体層と、
   前記第１のIII族窒化物半導体層に存在する欠陥の上部近傍に形成された第１の酸化層と、
   前記第１のIII族窒化物半導体層及び前記第１の酸化層の上に形成された、能動層を含む第２のIII族窒化物半導体層とを備えていることを特徴とする半導体装置。
10. 前記第１の酸化層は、酸素化合物雰囲気下で、前記欠陥の上部近傍に存在する前記第１のIII族窒化物半導体層が酸化されてなる層であることを特徴とする請求項９に記載の半導体装置。
11. 前記酸素化合物は、水蒸気であることを特徴とする請求項１０に記載の半導体装置。
12. 前記能動層は、半導体レーザー装置を構成する活性層又は電界効果トランジスタのチャンネル層であることを特徴とする請求項１、２、９、又は１０に記載の半導体装置。
13. 能動層を含むIII族窒化物半導体層と、
    前記III族窒化物半導体層に存在する欠陥の上部近傍に形成された酸化層とを備えていることを特徴とする半導体装置。
14. 前記能動層は、半導体レーザー装置を構成する活性層又は電界効果トランジスタのチャンネル層であることを特徴とする請求項１３に記載の半導体装置。
15. 第１のIII族窒化物半導体層を形成する工程と、
    前記第１のIII族窒化物半導体層に存在する欠陥の上部近傍に第１の酸化層を形成する工程とを備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
16. 前記第１の酸化層を形成する工程の後に、
    前記第１のIII族窒化物半導体層及び前記第１の酸化層の上に、能動層を含む第２のIII族窒化物半導体層を形成する工程をさらに備えることを特徴とする請求項１５に記載の半導体装置の製造方法。
17. 前記第１の酸化層を形成する工程は、
    酸素化合物雰囲気下で、前記欠陥の上部近傍に存在する前記第１のIII族窒化物半導体層を酸化する工程を含むことを特徴とする請求項１５に記載の半導体装置の製造方法。
18. 前記酸素化合物は、水蒸気であることを特徴とする請求項１７に記載の半導体装置の製造方法。
19. 前記第１の酸化層の膜厚は、前記欠陥が存在する位置に近い位置では厚くなると共に前記欠陥が存在する位置から離れた位置では薄くなるように形成されていることを特徴とする請求項１５に記載の半導体装置の製造方法。
20. 前記第１のIII族窒化物半導体層を形成する工程と前記第１の酸化層を形成する工程とを交互に繰り返すことを特徴とする請求項１５又は１６に記載の半導体装置の製造方法。
21. 前記第２のIII族窒化物半導体層を形成する工程の後に、
    前記第２のIII族窒化物半導体層における前記能動層の近傍に、前記第２のIII族窒化物半導体層を酸化してなる第２の酸化層を形成する工程をさらに備えることを特徴とする請求項１６に記載の半導体装置の製造方法。
22. 前記第２の酸化層は、ストライプ状に形成されていることを特徴とする請求項２１に記載の半導体装置の製造方法。
23. 前記第１の酸化層を形成する工程と前記第２のIII族窒化物半導体層を形成する工程との間に、
    活性ガスを含んでなる雰囲気下における熱処理により、前記第１の酸化層の一部を除去して前記第１のIII族窒化物半導体層の上面を露出させる工程をさらに備えることを特徴とする請求項１６に記載の半導体装置の製造方法。
24. 前記活性ガスは、アンモニアであることを特徴とする請求項２３に記載の半導体装置の製造方法。
25. 前記第２のIII族窒化物半導体層を形成する工程の後に、
    前記第１のIII族窒化物半導体層を除去する工程をさらに備えることを特徴とする請求項１６に記載の半導体装置の製造方法。

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