JP2005210084A - エピタキシャル基板、半導体積層構造、転位低減方法およびエピタキシャル形成用基板 - Google Patents

Abstract

【課題】低転位密度のIII族窒化物のエピタキシャル基板を提供する。
【解決手段】図１は、第１実施形態に係るエピタキシャル基板１Ａの積層構造を示す断面模式図である。エピタキシャル基板１Ａは、下地層１０２、中間層１０３および目的とするIII族窒化物層１０４を基材１０１の上にＭＯＣＶＤ法等を用いて順次にエピタキシャル成長させることにより得られる。エピタキシャル基板１Ａでは、下地層１０２および中間層１０３もIII族窒化物からなり、中間層１０３にＢを含有させることにより、目的とするIII族窒化物層１０４の転位密度を下地層の転位密度以下に低下させている。
【選択図】図１

Description

本発明は、エピタキシャル基板、半導体積層構造、転位低減方法およびエピタキシャル形成用基板に関する。

III族窒化物半導体は、バンドギャップが大きい、絶縁破壊電界が大きいおよび飽和電子移動度が高い等の、他の半導体とは異なる特徴を有する。このため、III族窒化物半導体は、紫外〜緑色領域のＬＥＤ（発光ダイオード；Light Emitting Diode），ＬＤ（レーザーダイオード；Laser Diode）および受光素子等の光デバイスや、高周波特性に優れたＨＥＭＴ（高電子移動度トランジスタ；High Electron Mobility Transistor）およびＨＢＴ（ヘテロバイポーラトランジスタ；Hetero Bipolar Transistor）等の電子デバイスの材料として研究対象となっている。

しかし、III族窒化物半導体の大サイズのバルク単結晶を作製することが現状では困難であるため、上記の光デバイスや電子デバイスに使用される基板は、例えば、ＭＯＣＶＤ法（有機金属化学気相成長法；Metal Organic Chemical Vapor Deposition）を用いてIII族窒化物半導体をサファイアやＳｉＣ等の単結晶基材上にヘテロエピタキシャル成長させることにより得られている。

しかし、ヘテロエピタキシャル成長においては基材との格子不整合等に起因する転位が生じるため、転位低減のために様々な試みが行われている。

例えば、特許文献１では、基板とＧａＮ系半導体からなる半導体層群との間に下地層およびバッファ層を設ける技術が開示されている。

なお、非特許文献１では、Ｂを含むIII族窒化物のエピタキシャル成長に関する技術が開示されている。

特開２００２−２５２１７７号公報 S.Watanabe et al , "Abstract of 5th International Conference on Nitride Semiconductor" , p.91

しかし、特許文献１の技術は、転位低減に効果はあるものの、製造条件や製造装置の影響が大きく、十分な転位低減効果が得られないことも多かった。

本発明は、この問題を解決するためになされたもので、低転位密度のIII族窒化物のエピタキシャル基板を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、エピタキシャル基板であって、基材と、前記基材上にエピタキシャル形成された複数の層とを備え、前記複数の層が、Ｂ含有III族窒化物層と、前記Ｂ含有III族窒化物層の上に隣接してエピタキシャル形成された、前記Ｂ含有III族窒化物層よりも面内格子定数が大きい、目的とするIII族窒化物層とを含むことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載のエピタキシャル基板において、前記複数の層が、前記基材と中間層である前記Ｂ含有III族窒化物層との間に、前記中間層に隣接してエピタキシャル形成された、下地層であるIII族窒化物層をさらに備え、前記下地層は、転位密度が１×１０¹¹／ｃｍ²以下であり、含有する全III族元素に対するＡｌのモル分率が５０％以上であり、前記中間層よりも面内格子定数が大きいことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１に記載のエピタキシャル基板において、下地層である前記Ｂ含有III族窒化物層は、転位密度が１×１０¹¹／ｃｍ²以下であり、含有する全III族元素に対するＡｌのモル分率が５０％以上であることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のエピタキシャル基板において、前記Ｂ含有III族窒化物層における、含有する全III族元素に対するＢのモル分率が、前記基材に近い側の界面から前記基材から遠い側の界面に向かって増加するように傾斜が与えられることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のエピタキシャル基板において、前記Ｂ含有III族窒化物層が複数層からなることを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項２または請求項３に記載のエピタキシャル基板において、前記下地層における、含有する全III族元素に対するＡｌのモル分率が８０％以上であることを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項２に記載のエピタキシャル基板において、前記下地層に係るIII族窒化物がＡｌＮであることを特徴とする。

請求項８の発明は、請求項２または請求項３に記載のエピタキシャル基板において、前記下地層の（１０２）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅が１５００秒以下であることを特徴とする。

請求項９の発明は、請求項２または請求項３に記載のエピタキシャル基板において、前記下地層の（００２）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅が２００秒以下であることを特徴とする。

請求項１０の発明は、請求項２に記載のエピタキシャル基板において、前記中間層の層厚が１００ｎｍ以下であることを特徴とする。

請求項１１の発明は、請求項２に記載のエピタキシャル基板において、前記中間層の層厚が、隣接層との界面において発生した応力の緩和を実質的に発生させないように決定されることを特徴とする。

請求項１２の発明は、請求項２に記載のエピタキシャル基板において、前記中間層の組成が、隣接層との界面において発生した応力の緩和を実質的に発生させないように決定されることを特徴とする。

請求項１３の発明は、請求項１ないし請求項１２のいずれかに記載のエピタキシャル基板において、前記基材のエピタキシャル成長面が窒化処理されていることを特徴とする。

請求項１４の発明は、エピタキシャル基板上にエピタキシャル形成された目的とするIII族窒化物層の転位低減方法であって、前記目的とするIII族窒化物層の形成に先立って、ひとつ以上の層を基材上にエピタキシャル形成するエピタキシャル工程を実行するとともに、前記エピタキシャル工程が、前記目的とするIII族窒化物層よりも面内格子定数が小さいＢ含有III族窒化物層を前記目的とするIII族窒化物層に隣接するように形成する第１形成工程を含むことを特徴とする。

請求項１５の発明は、請求項１４に記載の転位低減方法において、前記エピタキシャル工程が、中間層である前記Ｂ含有III族窒化物層よりも面内格子定数が大きいIII族窒化物層を前記Ｂ含有III族窒化物層に隣接するように下地層として形成する第２形成工程をさらに備え、前記第２形成工程が前記第１形成工程に先だって行われ、前記下地層は、転位密度が１×１０¹¹／ｃｍ²以下であり、含有する全III族元素に対するＡｌのモル分率が５０％以上であることを特徴とする。

請求項１６の発明は、請求項１４に記載の転位低減方法において、下地層である前記Ｂ含有III族窒化物層は、転位密度が１×１０¹¹／ｃｍ²以下であり、含有する全III族元素に対するＡｌのモル分率が５０％以上であることを特徴とする。

請求項１７の発明は、半導体積層構造であって、請求項１ないし請求項１３のいずれかに記載にエピタキシャル基板と、前記エピタキシャル基板上に形成されたIII族窒化物半導体層群とを備えることを特徴とする。

請求項１８の発明は、目的とするIII族窒化物層のエピタキシャル形成用に供されるエピタキシャル形成用基板であって、基材と、前記基材上にエピタキシャル形成されたひとつ以上の層とを備え、前記ひとつ以上の層が、目的とするIII族窒化物層よりも面内格子定数が小さいＢ含有III族窒化物層を含むことを特徴とする。

請求項１９の発明は、請求項１８に記載のエピタキシャル形成用基板において、前記ひとつ以上の層が、前記基材と中間層である前記Ｂ含有III族窒化物層との間に、前記中間層に隣接してエピタキシャル形成された、下地層であるIII族窒化物層をさらに備え、前記下地層は、転位密度が１×１０¹¹／ｃｍ²以下であり、含有する全III族元素に対するＡｌのモル分率が５０％以上であり、前記中間層よりも面内格子定数が大きいことを特徴とする。

請求項２０の発明は、請求項１８に記載のエピタキシャル形成用基板において、下地層である前記Ｂ含有III族窒化物層は、転位密度が１×１０¹¹／ｃｍ²以下であり、含有する全III族元素に対するＡｌのモル分率が５０％以上であることを特徴とする。

請求項１〜請求項１６および請求項１８〜請求項２０の発明によれば、低転位密度のIII族窒化物層がエピタキシャル形成されたエピタキシャル基板を得ることができる。

また、請求項４または請求項５の発明によれば、より低転位密度のIII族窒化物層がエピタキシャル形成されたエピタキシャル基板を得ることができる。

また、請求項１７の発明によれば、特性が良好な半導体素子の作製に利用可能な半導体積層構造を得ることができる。

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態に係るエピタキシャル基板１Ａの積層構造を示す断面模式図である。エピタキシャル基板１Ａは、下地層１０２、中間層１０３および目的とするIII族窒化物層１０４を基材１０１の上に各種薄膜形成法を用いて順次にエピタキシャル成長させることにより得られる。たとえば、ＭＯＣＶＤ法、ＨＶＰＥ法（ハイドライド気相エピタキシャル成長法；Hydride Vapor Phase Epitaxy）、などのＣＶＤ法（化学気相成長法；Chemical Vapor Deposition）、ＭＢＥ法（分子線エピタキシ法；Molecular Beam Epitaxy）を用いることができる。ＣＶＤ法としては、ＰＡＬＥ法（パルス原子層エピタキシ法；Pulsed Atomic Layer Epitaxy）、プラズマアシスト法やレーザーアシスト法などを適用することもできるし、ＭＢＥ法に関しても、同様な技術を併用することが可能である。エピタキシャル基板１Ａでは、下地層１０２および中間層１０３もIII族窒化物からなり、中間層１０３にＢを含有させることにより、目的とするIII族窒化物層１０４の転位密度を下地層１０２の転位密度以下に低下させている。換言すれば、基材１０１、下地層１０２および中間層１０３は、目的とする低転位密度のIII族窒化物層１０４のエピタキシャル形成に供するエピタキシャル形成用基板となっている。

基材１０１の材質は、例えば、サファイア，ＺｎＯ，ＬｉＡｌＯ₂，ＬｉＧａＯ₂，ＭｇＡｌ₂Ｏ₄，（ＬａＳｒ）（ＡｌＴａ）Ｏ₃，ＮｄＧａＯ₃，ＭｇＯといった各種酸化物材料，Ｓｉ，Ｇｅといった各種ＩＶ族単結晶、ＳｉＣ、ＳｉＧｅといった各種ＩＶ−ＩＶ族化合物，ＧａＡｓ，ＡｌＮ，ＧａＮ，ＡｌＧａＮといった各種ＩＩＩ―Ｖ族化合物およびＺｒＢ₂といった各種ホウ化物の単結晶から適宜選択される。基材１０１のエピタキシャル成長面は、エピタキシャル成長させる層の表面平坦性を確保するために、Ｃ面のIII族窒化物層をエピタキシャル成長可能な面であることが望ましい。特に、エピタキシャル成長面１０５および基材１０１の材質は、エピタキシャル成長させる層の結晶品質を向上するため、Ａ面・Ｃ面サファイア単結晶、Ｃ面４Ｈ―ＳｉＣ・６Ｈ−ＳｉＣ単結晶およびＣ面III族窒化物単結晶から選択されることが望ましい。ここでいうＡ面およびＣ面は、それぞれ、結晶面の（１１−２０）面および（０００１）面を意味する。基材１０１の厚みは制限されないが、１００μｍ〜３０００μｍの範囲が好適である。さらに、エピタキシャル成長される層の結晶品質を向上するために、基材１０１のエピタキシャル成長面（主面）１０５に窒化処理を行うことも望ましい。この場合、下地層１０２の転位密度を１０¹¹／ｃｍ²以下、好ましくは５×１０¹⁰／ｃｍ²以下、さらに好ましくは１０¹⁰／ｃｍ²以下とすることができる。下地層１０２の転位密度をこのように１０¹¹／ｃｍ²以下に低下させることにより、下地層上に成長するIII属窒化物層の転位密度を１０¹⁰／ｃｍ²以下まで特に効果的に低減させることができる。これにより、エピタキシャル基板１Ａを発光デバイスの作製に用いた場合の発光効率や電子デバイスの作製に用いた場合の電気特性を向上可能である。下地層１０２は、一般式がＢ_wＡｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ（ｗ＋ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表現されるIII族窒化物よりなる。下地層１０２は、含有する全III族元素に対するＡｌのモル分率が５０％以上（ｘ≧０．５）、好ましくは８０％以上（ｘ≧０．８）であることが望ましい。より好ましくは、下地層１０２はＡｌＮよりなる（ｘ＝１）。下地層１０２の組成としてＡｌＮが最も望ましい形態である理由は、下地層のＡｌの組成が下地層上に成長するIII族窒化物層のＡｌの組成より大きく、かつ、両層のＡｌの組成差が大きいほどそのIII族窒化物層の転位密度を低減できるからである。その上、ＡｌＮは、組成ばらつきが生じないという利点も持つ。ただ、下地層１０２のＡｌ組成を減らした場合、前記転位低減の効果は抑制されるものの、ＭＯＣＶＤでの最適な成膜温度を下げることができ、下地層１０２のＡｌの組成を抑えることはプロセスの観点から利点を持つため、下地層のＡｌ組成をある程度まで低く抑えることも可能である。特に、Ａｌのモル分率が８０％以上であれば、ＡｌＮとほぼ同条件でＡｌＮと同品質の下地層１０２を形成することができる。ただし、下地層１０２が、製造工程において不可避的に混入するコンタミネーション等を層特性が本質的に変化しない範囲で含有することは妨げられない。この点は、以後説明する各層においても同様である。下地層１０２の結晶品質が低下するとIII族窒化物層１０４の結晶品質へも悪影響を与えるので、下地層１０２の結晶品質は良好であることが望まれる。具体的には、下地層１０２は、結晶の配向のゆらぎの指標となる（００２）面のωスキャンでのＸ線ロッキングカーブ測定におけるＸ線ロッキングカーブ半値幅（以下では、単に「ロッキングカーブ半値幅」とも称する）が２００秒以下、好ましくは１００秒以下であることが望まれる。また、結晶の面内配向のゆらぎの指標となる（１０２）面のロッキングカーブ半値幅は１５００秒以下であることが望ましい。また、下地層１０２の厚みは、０．０１μｍ以上、好ましくは０．３μｍ以上、さらに好ましくは１μｍ以上である。下地層１０２の厚みの上限は特に制限されないが、クラックや剥離の発生防止を考慮して適宜決定する。

中間層１０３は、一般式がＢ_wＡｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ（ｗ＋ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表現されるIII族窒化物よりなる。中間層１０３の具体的組成は、中間層１０３の面内格子定数が、下地層１０２およびIII族窒化物層１０４の面内格子定数より小さくなるように選択される。これにより、下地層１０２と中間層１０３との界面１０６および中間層１０３とIII族窒化物層１０４との界面１０７には格子不整合による応力が生ずる。なお、中間層１０３の厚みは、１００ｎｍを超えるとIII族窒化物層１０４の転位低減効果が低下するのみならずクラックが発生することがあるので、１００ｎｍ以下であることが望ましい。

III族窒化物層１０４は、一般式がＡｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表現されるIII族窒化物よりなる。当該III族窒化物には、必要に応じて、Ｍｇ，Ｂｅ，Ｚｎ，Ｓｉ，ＧｅおよびＰ等のドナーまたはアクセプタがドープされる。また、図１では、III族窒化物層１０４は、単一の層として表現されているが、III族窒化物層１０４が複数の層から構成されてもよい。

エピタキシャル基板１Ａでは、上述の応力をIII族窒化物層１０４の転位の低減に利用している。すなわち、中間層１０３にＢを含有させて中間層１０３の面内格子定数を小さくすることにより、転位低減に有効な応力を中間層１０３とその隣接層（下地層１０２およびIII族窒化物層１０４）との界面１０６および１０７に生じせめている。したがって、中間層１０３の組成は、転位低減に有効な応力を発生する範囲に選択されることが好ましい。また、中間層１０３の厚みが上述の限界を超えて厚くなった場合も、応力の緩和が起こり転位低減効果が低下する。さらに、下地層１０２の平坦性が損なわれた場合も、界面形状の荒れによる応力緩和が起こり、III族窒化物層１０４の転位低減効果が低下する。なお、中間層１０３の中のＢ含有量は均一であっても転位低減に有効であるが、界面１０６から界面１０７に向かってＢ含有量が増加するような組成傾斜を与えることにより、より優れた転位低減効果を発現させることもできる。このような組成傾斜の具体例は後述する実施例において示される。

なお、上述のＢ導入による面内格子定数の減少は、主要なIII族窒化物であるＢＮ，ＡｌＮ，ＧａＮおよびＩｎＮの中では、ＢＮが他の３者よりも著しく小さい格子定数を有することを利用したものである。しかし、室温で最も安定な結晶系はＢＮと他の３者とでは異なるので、結晶系に影響を与えるほど多量のＢを導入すること好ましくなく、Ｂのモル分率の上限は２０％とすることが望まれる。この点は、後述する第２実施形態においても同様である。

また、この転位低減の効果は、一般に低転位化が困難となるIII族窒化物１０４がＡｌを含む場合により顕著であり、III族窒化物１０４における全III族元素に対するＡｌのモル分率が２０％以上、望ましくは５０％以上、さらに望ましくは１００％（ＡｌＮ）の場合に適用することが望ましい。また、エピタキシャル基板１Ａの上にさらに半導体性を付与された層を含む半導体層をエピタキシャル形成することにより、優れた特性を有する半導体素子を作製することが可能である。

＜第２実施形態＞
図２は、第２実施形態に係るエピタキシャル基板１Ｂの積層構造を示す断面模式図である。エピタキシャル基板１Ｂは、下地層１１２および目的とするIII族窒化物層１１３を基材１１１の上にＭＯＣＶＤ法を用いて順次にエピタキシャル成長させることにより得られる。エピタキシャル基板１Ｂでは、下地層１１２もIII族窒化物からなり、下地層１１２にＢを含有させることにより、III族窒化物層１１３の転位密度を下地層１１２の転位密度以下に低下させている。換言すれば、基材１１１および下地層１１２は、目的とする低転位密度のIII族窒化物層１１３のエピタキシャル形成に供するエピタキシャル基板となっている。

基材１１１には、第１実施形態の基材１０１と同様の基材を採用可能である。

下地層１１２は、一般式がＢ_wＡｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ（ｗ＋ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表現されるIII族窒化物よりなる。下地層１１２は、全III族元素に対するＡｌ元素のモル分率が５０％以上（ｘ≧０．５）、好ましくは８０％以上（ｘ≧０．８）であることが望ましい。また、下地層１１２は、第１実施形態の下地層１０２と同程度の良好な結晶性を有することが望まれる。また、下地層１１２の厚みは、第１実施形態の下地層１０２と同程度の厚みであることが好ましい。

III族窒化物層１１３は、第１実施形態と同様に、一般式がＢ_wＡｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ（ｗ＋ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表現されるIII族窒化物よりなる。当該III族窒化物には、必要に応じて、Ｍｇ，Ｂｅ，Ｚｎ，Ｓｉ，ＧｅおよびＰ等のドナーまたはアクセプタがドープされる。また、図２でも、III族窒化物層１１３は、単一の層として表現されているが、III族窒化物層１１３が複数の層から構成されてもよい。

エピタキシャル基板１Ｂでは、第１実施形態と同様に、応力をIII族窒化物層１１３の転位の低減に利用している。なお、第２実施形態においては、下地層１１２にＢを含有させて面内格子定数を小さくすることにより、転位低減に有効な応力を下地層１１２とその隣接層であるIII族窒化物層１１３との界面１１５に生じせめている。したがって、下地層１１２の組成は転位低減に有効な応力を発生する範囲内で選択されることが望ましい。さらに、下地層１１２の平坦性が損なわれた場合も、界面形状の荒れによる応力緩和が起こり、III族窒化物層１１３の転位低減効果が低下してしまう。また、第１実施形態と同様に、下地層２３の中のＢ含有量に傾斜を与えることも、転位密度の更なる低減に有効である。

また、この転位低減の効果は、一般に低転位化が困難となるIII族窒化物１１３がＡｌを含む場合により顕著であり、III族窒化物１１３における全III族元素に対するＡｌのモル分率が２０％以上、望ましくは５０％以上、さらに望ましくは１００％（ＡｌＮ）の場合に適用することが望ましい。

また、エピタキシャル基板１Ｂの上にさらに半導体性を付与された層を含む半導体層をエピタキシャル形成することにより、優れた特性を有する半導体素子を作製することが可能である。

＜製造装置＞
図３は、エピタキシャル基板１Ａおよび１Ｂの製造装置２の断面模式図である。製造装置２は、III族有機金属ガスを原料ガスとして用い、化学気相成長法によってIII族窒化物膜を形成する、いわゆる「ＭＯＣＶＤ装置」である。製造装置２は、エピタキシャル基板１Ａおよび１Ｂを作製するための原料ガスを、基材１１の主面上に流すことができるように構成されている。

製造装置２は、反応性ガスを基材１１の主面に導入するための反応性ガス導入管３１を備える。反応性ガス導入管３１は、気密の反応容器２１の内部に設置され、その２つの外部端は、それぞれ、反応性ガスの導入口２２および排気口２４となっている。また、反応性ガス導入管３１には、基材１１の主面上に反応性ガスを接触させるための開口部３１ｈが設けられている。

導入口２２には、配管系Ｌ１およびＬ２が接続される。

配管系L１は、アンモニアガス（ＮＨ₃）、窒素ガス（Ｎ₂）および水素ガス（Ｈ₂）を供給するための配管系である。

一方、配管系Ｌ２は、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム；Ａｌ（ＣＨ₃）₃）、ＴＭＧ（トリメチルガリウム；Ｇａ（ＣＨ₃）₃）、ＴＭＩ（トリメチルインジウム；Ｉｎ（ＣＨ₃）₃）、ＴＥＢ（トリエチルボロン；Ｂ（Ｃ₂Ｈ₅）₃）、ＣＰ₂Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム；Ｍｇ（Ｃ₅Ｈ₅）₂）、シランガス（ＳｉＨ₄）、窒素ガスおよび水素ガスを供給するための配管系である。ＣＰ₂Ｍｇおよびシランガスは、それぞれ、III族窒化物においてアクセプタおよびドナーとなるＭｇおよびＳｉの原料であるので、使用するアクセプタおよびドナーに応じて適宜変更しうる。

なお、ＴＭＡ、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＴＥＢおよびＣＰ₂Ｍｇの供給源２４ｄ〜２４ｈは、バブリングを行うために、窒素ガスの供給源２４ｂに接続されている。同様に、ＴＭＡ、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＴＥＢおよびＣＰ₂Ｍｇの供給源２４ｄ〜２４ｈは、水素ガスの供給源２４ｃに接続される。

製造装置２では、水素ガスもしくは窒素ガス又はこれらの混合ガスがキャリアガスとなる。また、全てのガス供給系は、流量計によりガス流量を制御可能となっている。製造装置２では、各ガスの流量を適宜に制御することにより、単相も含めた様々な混晶組成を有するIII族窒化物をエピタキシャル成長させることが可能になる。

また、排気口２４には、反応性ガス導入管３１の内部のガスを強制排気する真空ポンプ２７が接続されている。

反応容器２１の内部には、基材１１を載置する基材台（サセプタ）２８と、基材台２８を反応容器２１の内部に支持する支持脚２９とが設けられる。基材台２８の温度は、その直下に設けられたヒータ３０を用いて制御可能である。ヒータ３０は、例えば、抵抗加熱式のヒータである。製造装置２では、基材１１と密着している基材台２８の温度を変更することにより、エピタキシャル層の成長温度を変化させることが可能である。換言すれば、ＭＯＣＶＤ法におけるエピタキシャル成長温度は、ヒータ３０によって可変とされている。

本実施の形態に係るエピタキシャル基板１Ａおよび１Ｂの製造方法の具体例と、当該エピタキシャル基板１Ａおよび１Ｂの品質評価結果の具体例とを以下の実施例１〜４に示す。なお、実施例１〜３は第１実施形態に係る実施例であり、実施例４は第２実施形態に係る実施例である。また、実施例５は、実施例４のエピタキシャル基板上にさらにIII族窒化物半導体層群をエピタキシャル成長させた半導体積層構造に関する実施例である。

また、本願発明の範囲外となるエピタキシャル基板の製造方法と、当該エピタキシャル基板の品質評価結果とを以下の比較例１に示す。

＜実施例１＞
図４は、実施例１に係るエピタキシャル基板１Ａの製造の工程フローを示す図である。

実施例１では、直径が２インチ、厚さが４３０μｍの略円形状のＣ面サファイア単結晶を基材１０１として使用した。エピタキシャル成長面は、Ｃ面サファイア単結晶の（００１）面である（実施例１〜５、比較例１も同様）。

実施例１に係るエピタキシャル基板１Ａでは、下地層１０２、中間層１０３およびIII族窒化物層１０４の組成は、それぞれ、ＡｌＮ、Ａｌ_0.98Ｂ_0.02ＮよびＡｌ_0.4Ｇａ_0.6Ｎである。中間層１０３の組成は、面内格子定数が下地層１０２およびIII族窒化物層１０４より小さくなるように選択されている。

以下では、実施例１に係るエピタキシャル基板１Ａの製造の工程フローについて図４を参照しながら説明する。

最初に、エピタキシャル成長面（基材表面）１０５を洗浄した（ステップＳ１）。洗浄には、有機溶剤および硫酸（Ｈ₂ＳＯ₄）と過酸化水素水（Ｈ₂Ｏ₂）との混合液を用いた。

次に、基材台２８に基材１０１を載置し（ステップＳ２）、基材１０１のエピタキシャル成長面１０５のサーマルクリーニングを行った（ステップＳ３）。サーマルクリーニングは、反応性ガス導入管３１の内圧を１０Ｔｏｒｒに保持した状態で水素ガスを基材１０１のエピタキシャル成長面１０５の上に流速２ｍ／ｓｅｃで流し、基材１０１を１２００℃で１０分間保持することにより行った。なお、以後の処理においては、２ｍ／ｓｅｃの総ガス流速を維持するように水素ガス流量を調整した。サーマルクリーニングにより、エピタキシャル成長面１０５が洗浄されるとともに、エピタキシャル成長面１０５の再結晶化（水素アニール）も進行させることができる。

サーマルクリーニングに続き、エピタキシャル成長面１０５の窒化処理を行った（ステップＳ４）。窒化処理は、基材温度を１２００℃に保持した状態で、アンモニアガスを分圧が２Ｔｏｒｒになるように反応性ガス導入管３１に導入することにより行った。窒化時間は、基材表面の窒素原子濃度が７ｍｏｌ％となるように調整した。

窒化処理終了後、アンモニアガスの導入を一旦停止して基材温度を１２５０℃に変更し、下地層１０２のエピタキシャル形成を行った（ステップＳ５）。下地層１０２の形成は、アンモニアガス、およびＴＭＡをキャリアガスとともに反応性ガス導入管３１に導入することにより行った。これにより、１μｍ厚の下地層１０２が基材１０１の上に形成された。当該工程により得られた下地層１０２の（００２）面および（１０２）面のロッキングカーブ半値幅を測定したところ、それぞれ、９０秒および１１００秒であり、転位密度は２×１０¹⁰／ｃｍ²下地層１０２の結晶性は良好であった。

続いて、基板温度を１１００℃に変更して、中間層１０３のエピタキシャル形成を行った（ステップＳ６）。中間層１０３の形成は、アンモニアガス、ＴＭＡおよびＴＥＢをキャリアガスとともに反応性ガス導入管３１に導入することにより行った。これにより、２０ｎｍ厚の中間層１０３が形成された。

さらに続いて、III族窒化物層１０４をエピタキシャル形成した（ステップＳ７）。III族窒化物層１０４の形成は、基材温度を１１５０℃へ変更して、アンモニアガスおよびＴＭＧをキャリアガスとともに反応性ガス導入管３１に導入することにより行った。これにより、１μｍ厚のIII族窒化物層１０４が形成された。カソードルミネセンスによるダークスポット観察によりIII族窒化物（Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ｎ）層１０４の転位密度を測定したところ、１×１０⁹／ｃｍ²であり、低転位密度のIII族窒化物層１０４を得られていることが確認できた。

＜実施例２＞
図５は、実施例２に係るエピタキシャル基板１Ａの積層構造を示す図である。

実施例２に係るエピタキシャル基板１Ａは、中間層１０３が複数の層１０３ａ〜１０３ｃからなる点が実施例１と異なり、基材１０１、下地層１０２およびIII族窒化物層１０４は実施例１と同等である。さらに実施例２では、中間層１０３におけるＢ含有量が、基材に近い側の界面１０６から、基材から遠い側の界面１０７に向かって不連続的に（ステップ状に）増加している。具体的には、実施例２では、層１０３ａ〜１０３ｃの組成がＡｌ_0.98Ｂ_0.02Ｎ、Ａｌ_0.97Ｂ_0.03ＮおよびＡｌ_0.96Ｂ_0.04Ｎと不連続的に変化している。このようなエピタキシャル基板１Ａは、図４に示す工程フローのステップＳ６において、反応性ガスの混合比を不連続的に変化させることにより得られた。このようにして得られた層１０３ａ〜１０３ｃの層厚が各１５ｎｍ（合計４５ｎｍ）のエピタキシャル基板１ＡについてIII族窒化物層（Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ｎ）１０４の転位密度を測定したところ８×１０⁸／ｃｍ²であり、実施例１よりも低転位密度のIII族窒化物層１０４を得られていることを確認できた。

＜実施例３＞
実施例３に係るエピタキシャル基板１Ａは、中間層１０３におけるＢ含有量が、界面１０６から界面１０７に向かって連続的に増加するように傾斜している点が実施例１と異なり、基材１０１、下地層１０２およびIII族窒化物層１０４は実施例１と同等である。具体的には、実施例３では、中間層１０３の組成がＡｌ_0.98Ｂ_0.02ＮからＡｌ_0.96Ｂ_0.04Ｎへと連続的に変化している。このようなエピタキシャル基板１Ａは、図４に示す工程フローのステップＳ６において、反応性ガスの混合比を連続的に変化させることにより得られた。このようにして得られたエピタキシャル基板１ＡについてIII族窒化物層１０４の転位密度を測定したところ８×１０⁸／ｃｍ²であり、実施例１よりも低転位密度のIII族窒化物層１０４を得られていることを確認できた。

＜比較例１＞
比較例１に係るエピタキシャル基板１Ａは、中間層を形成しない点のみが実施例１と異なり、基材１０１、下地層１０２およびIII族窒化物層１０４は実施例１と同等である。このようにして得られたエピタキシャル基板１ＡについてIII族窒化物層１０４の転位密度を測定したところ、３×１０⁹／ｃｍ²であり、実施例１よりも転位が顕著に増加していることを確認できた。

＜実施例４＞
図６は、実施例４に係るエピタキシャル基板１Ｂの製造の工程フローを示す図である。

第２実施形態に係る実施例４では、下地層１１２およびIII族窒化物層１１３の組成は、それぞれ、Ａｌ_0.99Ｂ_0.01ＮおよびＡｌＮである。下地層１１２の組成は、面内格子定数がIII族窒化物層１１３より小さくなるように選択されている。

実施例４では、まず、実施例１と同様の条件および手順で基材１１１の窒化処理までを行った（ステップＳ１１〜Ｓ１４）。

窒化処理終了後、アンモニアガスの導入を一旦停止して基材温度を１２００℃に変更し、下地層１１２のエピタキシャル形成を行った（ステップＳ１５）。下地層１１２の形成は、アンモニアガス、ＴＭＡおよびＴＥＢをキャリアガスとともに反応性ガス導入管３１に導入することにより行った。これにより、１μｍ厚の下地層１１２が基材１１１の上に形成された。当該工程により得られた下地層１１２の（００２）および（１０２）面のロッキングカーブ半値幅を測定したところ、それぞれ、９０秒および１３００秒であった。

続いて、III族窒化物層１１３をエピタキシャル形成した（ステップＳ１６）。III族窒化物層１１３の形成は、基材温度を１２００℃に変更して、アンモニアガスおよびＴＭＡをキャリアガスとともに反応性ガス導入管３１に導入することにより行った。これにより、１μｍ厚のIII族窒化物層１１３が形成された。カソードルミネセンス測定によるダークスポット観察によりIII族窒化物層１１３の転位密度を測定したところ、８×１０⁹／ｃｍ²であり、下地層１１２をＡｌＮとして、直接基材１１１上に形成した場合の転位密度２×１０¹⁰／ｃｍ²より低い転位密度のIII族窒化物層１１３を得られていることが確認できた。

＜実施例５＞
図７は、実施例５に係る半導体積層構造３を示す断面模式図である。

半導体積層構造３は、実施例４のエピタキシャル基板１Ｂの上に、さらにIII族窒化物半導体層３０１〜３０３をエピタキシャル成長させて得られる。III族窒化物半導体層３０１〜３０３は、ぞれぞれ、ｎタイプＡｌ_0.4Ｇａ_0.6Ｎ、Ａｌ_0.29Ｇａ_0.7Ｉｎ_0.01ＮおよびｐタイプＡｌ_0.4Ｇａ_0.6Ｎなる平均組成を有する。

続いて、半導体積層構造３の製造方法を図８に示す工程フローを参照しながら説明する。

まず、実施例４と同様の条件および手順でエピタキシャル基板１Ｂの作製までを行った（ステップＳ２１〜Ｓ２６）。

続いて、基材温度を１１５０℃へ変更して、III族窒化物半導体層３０１〜３０３のエピタキシャル形成を行った（ステップＳ２７）。III族窒化物半導体層３０１〜３０３の形成に当たっては、最初に、アンモニアガス、シランガス、ＴＭＡおよびＴＭＧをキャリアガスとともに反応性ガス導入管３１へ導入し、層厚２μｍのIII族窒化物半導体層３０１を形成した。さらに、アンモニアガス、ＴＭＡおよびＴＭＧをキャリアガスとともに反応性ガス導入管３１へ導入した。これにより、層厚０．５ｎｍのIII族窒化物半導体層３０２が形成された。さらに続けて、ＴＭＡおよびＴＭＧおよびＣＰ₂Ｍｇをキャリアガスとともに反応性ガス導入管３１へ導入した。これにより、層厚２００ｎｍのIII族窒化物半導体層３０３が形成された。

このようにして得られた半導体積層構造３は、低転位密度のエピタキシャル基板１Ｂ上にIII族窒化物半導体層３０１〜３０３が形成されているので、良好な特性を有する半導体発光素子の作製に利用可能である。この場合、発光層よりバンドギャップの広い材料を用いているため、光吸収による特性劣化も無い。

実施例１〜４と比較例１とを比較すれば明らかなように、本実施の形態に係るエピタキシャル基板は、目的とするIII族窒化物層の転位密度が小さい高品質の基板となっている。すなわち、Ｂ含有III族窒化物層を中間層１０３または下地層１１２として利用することにより、目的とするIII族窒化物層の転位密度を低減できている。また、実施例２および実施例３から明らかなように、Ｂ含有III族窒化物層においてＢ含有量に傾斜を与えることにより、目的とするIII族窒化物層の転位をさらに低減できている。

＜変形例＞
実施例１〜５においては、目的とするIII族窒化物層１０４または１１３の組成はＧａＮまたはＡｌＮであったが、一般式Ｂ_wＡｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ（ｗ＋ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表現される組成であっても同様の転位低減効果が得られる。また、Ｂ_wＡｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ（ｗ＋ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表現される組成を有するIII族窒化物に、Ｍｇ，Ｂｅ，Ｚｎ，Ｓｉ，ＧｅおよびＰ等のドナーおよびアクセプタを含有させた場合も同等の転位低減効果が得られる。また、転位低減の効果をより高めるために、Ｂを含む中間層を複数層挿入することもできる。

第１実施形態に係るエピタキシャル基板１Ａの積層構造を示す断面模式図である。 第２実施形態に係るエピタキシャル基板１Ｂの積層構造を示す断面模式図である。 実施の形態に係るエピタキシャル基板１Ａおよび１Ｂの製造装置２の断面模式図である。 実施例１に係るエピタキシャル基板１Ａの製造の工程フローを示す図である。 実施例２に係るエピタキシャル基板１Ａの積層構造を示す断面模式図である。 実施例４に係るエピタキシャル基板１Ｂの製造の工程フローを示す図である。 実施例５に係る半導体積層構造３を示す断面模式図である。 実施例５に係る半導体積層構造３の製造の工程フローを示す図である。

符号の説明

１Ａ，１Ｂ エピタキシャル基板
１１ 基材
２８ 基材台
３０ ヒータ
３１ 反応性ガス導入管

Claims (20)

1. エピタキシャル基板であって、
   基材と、
   前記基材上にエピタキシャル形成された複数の層と、
   を備え、
   前記複数の層が、
   Ｂ含有III族窒化物層と、
   前記Ｂ含有III族窒化物層の上に隣接してエピタキシャル形成された、前記Ｂ含有III族窒化物層よりも面内格子定数が大きい、目的とするIII族窒化物層と、
   を含むことを特徴とするエピタキシャル基板。
2. 請求項１に記載のエピタキシャル基板において、
   前記複数の層が、
   前記基材と中間層である前記Ｂ含有III族窒化物層との間に、前記中間層に隣接してエピタキシャル形成された、下地層であるIII族窒化物層をさらに備え、
   前記下地層は、転位密度が１×１０¹¹／ｃｍ²以下であり、含有する全III族元素に対するＡｌのモル分率が５０％以上であり、前記中間層よりも面内格子定数が大きいことを特徴とするエピタキシャル基板。
3. 請求項１に記載のエピタキシャル基板において、
   下地層である前記Ｂ含有III族窒化物層は、転位密度が１×１０¹¹／ｃｍ²以下であり、含有する全III族元素に対するＡｌのモル分率が５０％以上であることを特徴とするエピタキシャル基板。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のエピタキシャル基板において、
   前記Ｂ含有III族窒化物層における、含有する全III族元素に対するＢのモル分率が、前記基材に近い側の界面から前記基材から遠い側の界面に向かって増加するように傾斜が与えられることを特徴とするエピタキシャル基板。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のエピタキシャル基板において、
   前記Ｂ含有III族窒化物層が複数層からなることを特徴とするエピタキシャル基板。
6. 請求項２または請求項３に記載のエピタキシャル基板において、
   前記下地層における、含有する全III族元素に対するＡｌのモル分率が８０％以上であることを特徴とするエピタキシャル基板。
7. 請求項２に記載のエピタキシャル基板において、
   前記下地層に係るIII族窒化物がＡｌＮであることを特徴とするエピタキシャル基板。
8. 請求項２または請求項３に記載のエピタキシャル基板において、
   前記下地層の（１０２）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅が１５００秒以下であることを特徴とするエピタキシャル基板。
9. 請求項２または請求項３に記載のエピタキシャル基板において、
   前記下地層の（００２）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅が２００秒以下であることを特徴とするエピタキシャル基板。
10. 請求項２に記載のエピタキシャル基板において、
    前記中間層の層厚が１００ｎｍ以下であることを特徴とするエピタキシャル基板。
11. 請求項２に記載のエピタキシャル基板において、
    前記中間層の層厚が、隣接層との界面において発生した応力の緩和を実質的に発生させないように決定されることを特徴とするエピタキシャル基板。
12. 請求項２に記載のエピタキシャル基板において、
    前記中間層の組成が、隣接層との界面において発生した応力の緩和を実質的に発生させないように決定されることを特徴とするエピタキシャル基板。
13. 請求項１ないし請求項１２のいずれかに記載のエピタキシャル基板において、
    前記基材のエピタキシャル成長面が窒化処理されていることを特徴とするエピタキシャル基板。
14. エピタキシャル基板上にエピタキシャル形成された目的とするIII族窒化物層の転位低減方法であって、
    前記目的とするIII族窒化物層の形成に先立って、ひとつ以上の層を基材上にエピタキシャル形成するエピタキシャル工程を実行するとともに、
    前記エピタキシャル工程が、
    前記目的とするIII族窒化物層よりも面内格子定数が小さいＢ含有III族窒化物層を前記目的とするIII族窒化物層に隣接するように形成する第１形成工程を含むことを特徴とする転位低減方法。
15. 請求項１４に記載の転位低減方法において、
    前記エピタキシャル工程が、
    中間層である前記Ｂ含有III族窒化物層よりも面内格子定数が大きいIII族窒化物層を前記Ｂ含有III族窒化物層に隣接するように下地層として形成する第２形成工程をさらに備え、
    前記第２形成工程が前記第１形成工程に先だって行われ、
    前記下地層は、転位密度が１×１０¹¹／ｃｍ²以下であり、含有する全III族元素に対するＡｌのモル分率が５０％以上であることを特徴とする転位低減方法。
16. 請求項１４に記載の転位低減方法において、
    下地層である前記Ｂ含有III族窒化物層は、転位密度が１×１０¹¹／ｃｍ²以下であり、含有する全III族元素に対するＡｌのモル分率が５０％以上であることを特徴とする転位低減方法。
17. 半導体積層構造であって、
    請求項１ないし請求項１３のいずれかに記載にエピタキシャル基板と、
    前記エピタキシャル基板上に形成されたIII族窒化物半導体層群と、
    を備えることを特徴とする半導体積層構造。
18. 目的とするIII族窒化物層のエピタキシャル形成用に供されるエピタキシャル形成用基板であって、
    基材と、
    前記基材上にエピタキシャル形成されたひとつ以上の層と、
    を備え、
    前記ひとつ以上の層が、目的とするIII族窒化物層よりも面内格子定数が小さいＢ含有III族窒化物層を含むことを特徴とするエピタキシャル形成用基板。
19. 請求項１８に記載のエピタキシャル形成用基板において、
    前記ひとつ以上の層が、
    前記基材と中間層である前記Ｂ含有III族窒化物層との間に、前記中間層に隣接してエピタキシャル形成された、下地層であるIII族窒化物層をさらに備え、
    前記下地層は、転位密度が１×１０¹¹／ｃｍ²以下であり、含有する全III族元素に対するＡｌのモル分率が５０％以上であり、前記中間層よりも面内格子定数が大きいことを特徴とするエピタキシャル形成用基板。
20. 請求項１８に記載のエピタキシャル形成用基板において、
    下地層である前記Ｂ含有III族窒化物層は、転位密度が１×１０¹¹／ｃｍ²以下であり、含有する全III族元素に対するＡｌのモル分率が５０％以上であることを特徴とするエピタキシャル形成用基板。
    

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