JP2006278477A - 半導体成長用基板、エピタキシャル基板とそれを用いた半導体装置、および、エピタキシャル基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】これまでＡｌＮ、または、０．９以上の高ＡｌＮモル分率のＡｌＧａＮの選択横方向成長は不可能であった。
【解決手段】ＧａＮに対してすでに応用されている選択横方向成長技術を前記材料に応用する。ＡｌＮの横方向成長の困難さを克服するため、半導体成長用基板の主面の一部に、窒化物系半導体層の成長を抑制する加工部を形成し、前記加工部から成長する窒化物系半導体層の膜厚が、非加工部から成長する窒化物系半導体層の膜厚の１／１０以下であるようにしてエピタキシャル基板を構成する。
【選択図】図1

Description

本発明は、窒化アルミニウム、または、窒化アルミニウムのモル分率が０．９以上の窒化アルミニウムガリウムからなる窒化物系半導体層を有するエピタキシャル基板および半導体装置、及び、その製造方法に関するものである。

窒化アルミニウム（以下、ＡｌＮという。）、窒化ガリウム（以下、ＧａＮという。）、窒化インジウム（以下、ＩｎＮという。）、あるいは、それらの混晶である窒化アルミニウムガリウムインジウム（以下、Ａｌ_ｘＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｉｎ_ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）という。）などの半導体は受発光素子や電子走行素子に用いることができるため、近年、その結晶成長や半導体装置への応用について、幅広く研究がなされている。また、窒化物系半導体は大型のバルク単結晶が成長できないため、一般的には、（０００１）サファイア（以下、Ｃ面サファイアという）、（１１−２０）サファイア、もしくは、（０００１）４Ｈ-ＳｉＣ、（０００１）６H−ＳｉＣなどの基板を用いてヘテロエピタキシャル成長させている。

特に、ＡｌＮはバンドギャップが６．２ｅＶと大きく、熱伝導率も大きいため、紫外線受発光装置やハイパワー電子走行装置として注目されている。また、ＡｌＮモル分率の高い窒化アルミニウムガリウム（以下、ＡｌＧａＮという。）についても同様に、ワイドギャップを活かした半導体装置への応用が期待されている。具体的には、窒化アルミニウム、または、ＡｌＮモル分率０．９以上の窒化アルミニウムを用いることにより、３００ｎｍ以下で発光する発光装置を作製することができるので、これらを用いて様々な応用が可能である。例えば、深紫外線発光装置としてＵＶランプを置き換えることにより、小型、低コストの医療機器を実現することができる。また、これを用いた白色発光ダイオード（以下、ＬＥＤという。）は、演色性の高い自然光に近い光を出すことができるので、蛍光灯を置き換えて安価な照明を作ることができるし、また、液晶テレビのバックライトとしても使うことができる。また、本発明による受光素子としては、火炎から発生する特有な発光を昼間でも検知することのできる高性能の火炎センサーとして用いることもできる。

また、良好な結晶品質のＡｌＮ、または、高ＡｌＮモル分率のＡｌＧａＮを用いると、そのワイドギャップの特性を活かして、電子走行素子への応用が期待でき、バイポーラトランジスタ、電界効果型トランジスタ、ゲート・ターン・オフ・トランジスタ、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタなど、ハイパワーを取り扱うことのできる高耐圧電力制御装置も作製できる。

このように、この材料の応用は多岐に渡ると予測されているが、現在発光装置用材料として実用化されているＧａＮや低ＡｌＮモル分率のＡｌＧａＮでは為し得ないことから、ＡｌＮ、または、０．９以上のＡｌＮモル分率のＡｌＧａＮの良質な結晶を得ることが重要である。

窒化物系半導体層のエピタキシャル成長の方法としては、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法、分子線エピタキシー(ＭＢＥ)法、ハライド気相成長（ＨＶＰＥ）法などがあるが、実用化の面で最も一般的なのはＭＯＶＰＥ法である。

一方、従来、発光装置用材料として実用化されてきたＧａＮは、選択横方向成長技術を用いて貫通転位密度を低減し結晶品質を向上することが可能であり、半導体レーザー用として既に用いられている。ＧａＮの選択横方向成長の例が、特許文献１に示されており、図５は、この例における成長方法を示す断面図である。

基板５１上にＧａＮからなる下地結晶膜５２を成長し、その後、既存のフォトリソグラフィー技術、及び、ウエットエッチング技術により、マスク領域５２ａはマスク５３を形成し、成長領域５２ｂからのみ、ＧａＮからなる再成長層５４を成長させる。その後、三角形状のファセットを有する再成長層５４が成長時間の経過と共に横方向に成長し、最終的には図６の様に平坦化されたＧａＮ結晶膜６１が得られる。この結果、マスク５３が下地結晶膜５２からの転位の貫通を防ぐと共に、三角形状のファセットを形成することで、再成長層５４中の転位も横方向に曲げることができ、ＧａＮ結晶膜が平坦化されたときには、貫通転位密度が大きく低減されている。

また、特許文献２には、サファイア基板に周期段差溝加工を施した後の選択横方向成長が、非特許文献１には、半導体層に周期段差溝加工を施した後の選択横方向成長が、さらに、特許文献３には、半導体層上にマスクを用いた選択横方向成長が、それぞれ、示されている。これらは、選択横方向成長による貫通転位密度の低減が示されているが、いずれもＧａＮまたは低いＡｌＮモル分率のＡｌＧａＮに関するものである。

しかし、従来の選択横方向成長技術では、ＡｌＮの拡散距離が小さく、ＡｌＮ、または、０．９以上の高ＡｌＮモル分率のＡｌＧａＮの選択横方向成長は不可能であった。即ち、ＡｌＮモル分率が高くなる程選択横方向成長が起きにくく、貫通転位密度の低減が困難であるという問題があった。すなわち、ＧａＮで培った選択横方向成長技術を応用することができず、そのため、３００ｎｍ以下の発光装置を作製することや高耐圧の電子走行素子を作製することができなかった。
特開２００３−３００８００ 特開２０００−１０６４５５ 特開２００４−２６２７５７ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ，ｖｏｌ．２７２（２００４）３７７−３８０

そこで、基板全面において低貫通転位密度で、かつ、表面平坦性の優れた、ＡｌＮ、または、０．９以上の高ＡｌＮモル分率のＡｌＧａＮの選択横方向成長について提案を行い、発光ダイオード、レーザダイオード、トランジスタ等、高性能の半導体装置を作製可能なエピタキシャル基板の提供を可能とすることが必要であり、また、前記のエピタキシャル基板を用いて高性能の半導体装置を提供することが望まれていた。

本発明は、半導体成長用基板の主面上に、窒化アルミニウム、または、窒化アルミニウムモル分率が０．９以上の窒化アルミニウムガリウムからなる窒化物系半導体層を成長させたエピタキシャル基板において、前記半導体成長用基板の主面の一部に窒化物系半導体層の成長を抑制する加工部を有しており、かつ、前記加工部から成長する窒化物系半導体層の膜厚が、非加工部から成長する窒化物系半導体層の膜厚の１／１０以下であるようにしたことを特徴とする。

また、本発明は、前記半導体成長用基板がサファイア、マグネシウムスピネル、ＺｒＢ_２、酸化クロム、酸化ガリウム、シリコン、炭化硅素、窒化硼素のいずれかの単結晶から成ることを特徴とする。

また、本発明は、前記加工部が、主面の一部を非晶質化したもの、非晶質体で覆ったもの、溝加工したもの、金属で被覆したもの、弗化処理したもののうちの少なくともひとつである。

また、本発明は、半導体成長用基板に垂直な断面の透過型電子顕微鏡像により前記窒化物半導体層を観察したときの貫通転位密度が５×１０^７／ｃｍ^２以下であることを特徴とする。

また、本発明は、前記窒化物半導体層のＸ線回折ロッキングカーブの半値幅が５００秒以下であることを特徴とする。

また、本発明は、前記半導体成長用基板上にヘテロ構造からなる半導体素子構造が積層されていることを特徴とする。

また、本発明の半導体装置は、前記に記載のエピタキシャル基板を用いて作製したことを特徴とする。

また、本発明のエピタキシャル基板の製造方法は、前記窒化物系半導体層の成長時の基板温度が１２００〜１６００℃であることを特徴とする。

本発明によれば、従来では困難であったＡｌＮ、または、ＡｌＮモル分率が０．９以上のＡｌＧａＮの選択横方向成長が可能となり、貫通転位密度が低く、かつ、表面平坦性の優れたエピタキシャル基板を提供できる。また、このエピタキシャル基板を用いることで、これまで作製困難であった短波長の受発光装置、ハイパワー電子走行装置などの半導体装置を提供することが出来る。

図１は、本発明のエピタキシャル基板を示す断面図である。本発明のエピタキシャル基板は、半導体成長用基板１１の主面上に、ＡｌＮ、または、ＡｌＮモル分率が０．９以上のＡｌＧａＮからなる窒化物系半導体層１２を成長させている。半導体成長用基板１１の主面の一部には、窒化物系半導体層１２の成長を抑制する加工部１１ｂが設けられており、窒化物系半導体層１２は、前記加工部１１ｂに成長する加工部成長層１２ｂ、及び、非加工部１１ａに成長する非加工部成長層１２ａからなる。非加工部成長層１２ａは、加工部１１ｂの上方を斜めに伸びるように成長し、加工部の反対側から斜めに成長してきた非加工部成長層と会合して埋まっている。非加工部成長層１２ａが会合した後は、膜厚方向への成長が進んでおり、表面平坦性が良好となる。加工部成長層１２ｂの膜厚は、非加工部成長層１２ａの膜厚の１／１０以下であり、加工部１１ｂの上方を成長する非加工部成長層１２ａの横方向成長を阻害しない。このように、横方向にも成長している非加工部成長層１２ａは、加工部１１ｂ上方では結晶品質が良くなっており、全体として窒化物系半導体層１２の結晶品質が向上している。

なお、窒化アルミニウム、または、窒化アルミニウムモル分率が０．９以上の窒化アルミニウムガリウムからなる窒化物系半導体層ではない場合を説明していないが、本発明の目的は高品質結晶を有するエピタキシャル基板を得ることであり、他材料を用いて実験することは材料設計上、物性的にあり得ないもので省略した。

また、本発明は、窒化物系半導体層１２を成長させることから、半導体成長用基板１１上に窒化物系半導体層１２を成長可能な単結晶材料を用いることが必要である。つまり、半導体成長用基板１１は、サファイア、マグネシウムスピネル、ＺｒＢ_２、酸化クロム、酸化ガリウム、シリコン、炭化硅素、窒化硼素のうちのいずれかの単結晶であることが必要である。また、半導体成長用基板主面の面方位は、（０００１）（以下、Ｃ面という。）を用いることが一般的であるが必ずしもＣ面でなくても構わない。

また、図１では、半導体成長用基板１１の主面に段差溝加工を施して、加工部１１ｂと非加工部１１ａを形成したが、本発明において、加工部１１ｂの役割は前記横方向成長を可能とする空間的余裕を加工部１１ｂの上方に作り出すことが出来ればよい。従って、前記加工部が、主面の一部を非晶質化したもの、非晶質体で覆ったもの、金属で被覆したもの、弗化処理したもののうちの少なくともひとつ、または、これらの組み合わせであれば、加工部１１ｂへの窒化物系半導体層１２の成長が全く起こらず、非加工部成長層１２ａの横方向成長は、前記同様に阻害されない。この場合、加工部成長層１２ｂの膜厚がゼロであり、非加工部成長層１２ａの膜厚の１／１０以下の条件を満たしていると言える。該比が１／１０以上であると加工部１１ｂの上方を成長する非加工部成長層１２ａの横方向成長を、加工部成長層１２ｂが阻害して新たな転位の発生や多結晶化を招くことがある。

以上のように作製した窒化物系半導体層１２は、半導体成長用基板に垂直な断面の透過型電子顕微鏡（以下、ＴＥＭという。）像により前記窒化物半導体層を観察したときの貫通転位密度が５×１０^７／ｃｍ^２以下となり、横方向成長を用いない場合の窒化物系半導体層１２が、約３×１０^１０／ｃｍ^２程度であることに比べて桁違いに改善できる。

また、前記窒化物半導体層１２のＸ線回折ロッキングカーブの半値幅が５００秒以下となり、横方向成長を用いない場合の窒化物系半導体層１２が、約１０００秒程度であることに比べて大幅に改善できる。ここで、Ｘ線回折ロッキングカーブは、対称反射（０００２）からの回折ピークで評価すればよい。

また、本発明のエピタキシャル基板は、ＡｌＮ、または、ＡｌＧａＮからなる窒化物系半導体層１２単層の結晶品質のみを規定するものではなく、本発明を用いれば、この良好な結晶品質を利用して前記エピタキシャル基板上に成長した、ヘテロ構造を積層してなる半導体素子構造の結晶品質も向上できる。従って、半導体装置を作製したときにその特性も向上できる。つまり、エピタキシャル基板が、半導体成長用基板１１上に半導体素子構造を有していても良い。ここでいう半導体装置は、発光装置または受光装置であっても良く、また、電子走行装置であっても良い。

例えば、本発明のエピタキシャル基板を用いて深紫外線LEDを作製すると、波長が３００ｎｍの発光装置の輝度を向上できる。また、同様にして、これを用いて電界効果型トランジスタを作製すると、耐圧特性を改善できる。半導体装置の種類はいずれのものであっても良く、その他の半導体装置を作製する場合も貫通転位密度に低減により、その特性を改善できる。

次に、段差溝加工を施したＣ面を主面とするサファイアからなる半導体成長用基板１１上に、ＭＯＶＰＥ法により窒化物系半導体層１２としてＡｌＮを成長させる場合を例に取り、本発明のエピタキシャル基板の製造方法について説明し、合わせて、窒化物系半導体層の結晶品質が向上するメカニズムについて述べる。

まず、サファイア基板の一部に対し、窒化物系半導体層１２の成長を抑制するための加工として、段差溝加工を行う。この際には、既存のフォトリソグラフィー技術、蒸着技術とドライエッチング技術を使って行えばよい。例えば、前記主面へ加工部１１ｂと非加工部１１ａが交互にストライプ状に配列され、当該配列の繰り返し周期が１μｍ〜２０μｍであり、かつ、当該配列の方向が当該基板上に成長する半導体の＜１１−２０＞方向に対して±２°以内であることが望ましい。

当該配列の繰り返し周期を２０μｍ以下であるのは、ＡｌＮやＡｌＮモル分率の高いＡｌＧａＮは横方向成長が困難であり、特に、加工を施した部分の幅が２０μｍを越えると、横方向成長層を会合させるためには５０μｍ以上の厚さの成長が必要となり、現実的では無いからである。

また、当該配列の繰り返し周期を１μｍ以上としたのは、これ以下の周期では横方向成長による貫通転位密度の低減の効果が少なく、実質的な意味が無くなる為である。

また、ＡｌＮやＡｌＮモル分率の高いＡｌＧａＮからなる窒化物系半導体層１２を成長させる場合、当該配列の方向が当該基板上に成長する半導体の＜１−１００＞方向であると、横方向成長は起こりやすいが、その反面成長後の表面に成長ピットが発生しやすいという問題が発生する。ピットが発生する位置は、横方向成長層が合体した部分に対応する。

一方、当該配列の方向が、当該基板上に成長する半導体の＜１１−２０＞方向に対して±２°以内であると成長後の表面にピットが発生せず、平滑な表面が得られることが分かっている。

次に、半導体成長基板１１にＭＯＶＰＥ法による窒化物系半導体層１２の成長方法について説明する。サファイア基板１１を反応炉内にセットし、温度まで基板を加熱する。次に、流量を調節してトリメチルアルミニウム（以下、ＴＭＡという）とアンモニア（以下、ＮＨ_３という）を流してＡｌＮを成長させる。Ｖ族原料とＩＩＩ族原料の供給比を示すＶ／ＩＩＩ比（この場合、ＮＨ_３とＴＭＡの供給比）は、１００〜１０００とする。従来の半導体成長装置であれば、高々１２００℃程度までしか基板温度を上げられないため、ＡｌＮの横方向成長は困難であるが、本発明では、ヒーターや反応炉部品を工夫して、温度が１２００から１６００℃まで上げて成長を行う。ここで、温度を律則しているのは、電源の出力はもちろんであるが、実用上はヒーターの材質や表面コーティング、及び、反応炉の冷却機構である。特に、抵抗加熱の場合には、ヒーターがＮＨ_３によって腐食するので、断線を招いて加熱を継続することが困難となる。また、冷却機構を充実させないと、反応炉内壁等、基板設置部以外も加熱されてしまい、ＡｌＮが堆積することで原料が消費され、半導体成長用基板１１上へのＡｌＮの成長がなされないという問題が生じる。また、原料供給用のキャリアガスとは無関係なＨ_２を、大量に反応炉に供給しないと、または、反応炉内を減圧にして原料の流速を上げないと、高温に加熱した半導体成長用基板１１の直上に原料が到達しにくく、これらは高温での窒化物系半導体層の成長を行う上で重要な点である。

次に、前記方法で加工部を設けた半導体成長用基板１１へのＡｌＮからなる窒化物系半導体層１２の成長過程について、図１、２、及び、３を用いて説明する。

図２は、窒化物系半導体層１２は、半導体成長用基板１１の加工部１１ｂと非加工部１１ａの両方から成長が始まり、加工部１１ｂ、及び、非加工部１１ａに、それぞれ、加工部成長層１２ｂ、及び、非加工部成長層１２ａが成長される。引き続き成長を行っていくと、図３のように、非加工部成長層１２ａは膜厚方向への成長レートが増加すると共に横方向にも成長レートの成分を有するため、加工部１１ｂの上方に斜めに成長し始める。非加工部成長層１２ａの成長が進むに連れ、加工部１１ｂの上方の隙間が次第に狭くなり、加工部１１ｂへの原料の供給が制限される。このため、加工部成長層１２ｂの膜厚は次第に遅くなり、ついには成長が止まってしまう。原料が供給され続けると、非加工部成長層１２ａは、さらに膜厚が増加すると共に斜めに成長し続け、その結果、図１のように加工部１１ｂの反対側から斜めに伸びてきた非加工部成長層１２ａと、加工部１１ｂ上方の中央付近で会合する。会合した後の窒化物系半導体層１２は、表面が平坦化されており、選択横方向成長を行わない場合と同様、半導体装置を作製可能となる。

図４は、本発明のエピタキシャル基板における、貫通転位の生成を示した模式図である。結晶品質の悪化の原因となる貫通転位は、半導体成長用基板１１と窒化物系半導体層１２の格子不整合により発生するため、非加工部１１ａにおいては、非加工部成長層１２ａ中に半導体成長用基板１１の主面に垂直な貫通転位４ａが生じてしまう。同様に、加工部１１ｂについても、成長される加工部成長層１２ｂ中には転位４ｂが生じているが、加工部成長層１２ｂの成長は途中で停止するので、転位４ｂが表面まで貫通することはない。しかし、加工部１１ｂの上方に斜めに成長している部分については、その下部が半導体成長用基板１１と接していないことから、貫通転位が殆どない領域を作り出すことが出来る。

このようにして、全体として結晶品質が良好な窒化物系半導体層１２を得ることができる。加工部成長層１２ｂの膜厚が、非加工部成長層１２ａの膜厚の１／１０以下に抑えておかないと、成長中に加工部成長層１２ｂと非加工部成長層１２ａがぶつかってしまい、新たな転位の発生や多結晶化の原因となるので好ましくない。

ＧａＮの選択横方向成長においては、主面に沿って真横の方向に伸びて成長することから、斜めに成長すると言ったことは見受けられない。従って、斜めに成長することで加工部１１ｂ上方に空洞が生じることは、ＡｌＮ、または、高ＡｌＮモル分率のＡｌＧａＮに特徴的な形状である。但し、仮に空洞ができないことがあったとしても、加工部１１ｂ上方は、半導体成長用基板１１との格子不整合により転位を生じたりしなければ、本発明の効果を損なうものではない。

また、主にＡｌＮを材質の例に選んで実施の形態を説明してきたが、ＡｌＮモル分率が０．９よりも大きなＡｌＧａＮについても、その成長方法については同様のことが言えるので、成長中の貫通転位の挙動のメカニズムや成長条件等は前記のＡｌＮの場合を当てはめて考えることが可能である。但し、ＡｌＧａＮの場合はＩＩＩ族原料としてトリメチルガリウムも加えて使用しなければならない。

また、ＧａＮの成長において用いられる低温バッファ層技術は、ＡｌＮ、または、高ＡｌＮモル分率のＡｌＧａＮにおいては必ずしも使う必要はなく、単層の窒化物系半導体層１２で構成しても良いし、選択横方向成長が可能な範囲で別な層を用いてさらなる転位密度低減を行っても良い。

以上のようにして作製した窒化物系半導体層１２を有するエピタキシャル基板上に、半導体素子構造を形成すると、貫通転位密度が低減されていることにより、発光装置の場合は、ＬＥＤの輝度を向上できるし、半導体レーザーの出力を向上できる。また、受光装置の場合は、暗電流を低減して感度や応答速度を向上できる。さらに、電子走行装置では、バイポーラトランジスタや電界効果型トランジスタなどの高周波パワートランジスタでは、出力を向上できる。また、ゲート・ターン・オフトランジスタや絶縁ゲート型トランジスタなどの電力制御装置では、耐圧特性を向上してより大電力を扱うことができるし、電力密度を向上することもできる。

（第１の実施例）
以下に、本発明の実施例を、図を用いて説明する。

半導体成長用基板１１としては、Ｃ面を主面とするサファイア基板を用いた。また、窒化物系半導体層としてはＡｌＮを成長させた。

まず、図１に示すように、サファイア基板１１の主面に対して、既存のフォトリソグラフィー技術、蒸着技術、ドライエッチング技術を使っての段差溝加工を行うことで、加工部１１ｂ、及び、非加工部１１ａを形成した。このときの形状は、加工部１１ｂ、及び、非加工部１１ａの幅はそれぞれ１μm、及び、２μmであり、加工部の深さは１μmとした。そのサファイア基板１１上に、ＭＯＶＰＥ法によりＴＭＡとＮＨ_３を原料に用いてＡｌＮを成長させた。基板温度は１５００℃、Ｖ／ＩＩＩ比は８００とし、成長時間は６０分で行った。その結果、図１のような断面を持つエピタキシャル基板１を得た。加工部１１ｂ上にも加工部成長層１２ｂを有するものの、その膜厚は０．４μmであり、非加工部成長層が１５μm成長していることを考えると、その膜厚は１／１０以下であった。このように成長できた結果、加工部１１ｂ上方には空洞ができ、非加工部成長層１２ａの成長が阻害されることなく選択横方向成長が行われたので、加工部１１ｂ上方に貫通転位密度の小さい領域を形成して、全体として結晶品質の良い窒化物系半導体層１２を得ることができた。表面平坦性も良好で、自乗根平均（以下、ＲＭＳという）の表面粗さが０．２ｎｍであった。この時の反応炉は、基板設置部以外が加熱されないよう水冷できる反応炉構造にしてあり、また、１５００℃の高温においても腐食に耐えるよう、ヒーターには耐ＮＨ_３材をコートして用いた。

以上のように作製した窒化物系半導体層１２について、半導体成長用基板１１に垂直な断面のＴＥＭ像により観察したところ、貫通転位密度が３×１０^７／ｃｍ^２であった。比較として、段差溝加工を行わなかったサファイア基板上に、同一条件でＡｌＮの成長を行ったところ、選択横方向成長がなされないので、窒化物系半導体層１２の貫通転位密度は約３×１０^１０／ｃｍ^２程度であり、選択横方向成長によって、桁違いに貫通転位密度を改善できた。

また、この前記窒化物半導体層１２のＸ線回折ロッキングカーブの半値幅を評価したところ４００秒となり、前記比較として作製した選択横方向成長を行わなかった窒化物系半導体層１２の１０００秒に比べ、大きく改善していることが分かった。ここで、Ｘ線回折ロッキングカーブは、対称反射（０００２）からの回折ピークで評価した。

さらに、非加工部成長層１２ａと加工部成長層１２ｂの膜厚を変化させて同様の実験を行い、両者の形状を観察した。両者を変化させるために変更したのはＶ／ＩＩＩ比である。Ｖ／ＩＩＩ比が低いときは、非加工部成長層１２ａの横方向成分の成長レートが低下してしまい、その結果、なかなか加工部１１ｂ上方に素材する非加工部成長層１２ａの隙間が狭まらなかった。このため加工部１１ｂへの原料供給が停止しないことから、加工部成長層１２ｂが膜厚方向に大きく成長してしまっており、非加工部成長層１２ａと接触していた。接触した点からは多結晶が生じており、窒化物系半導体層１２が単結晶とはなっていなかった。また、非加工部成長層１２ａは、会合していない部分が殆どで、半導体成長用基板１１に形成された加工部１１ｂ形状が埋め込まれていなかった。従って、表面平坦性にも問題が大きく、ＲＭＳの表面粗さが１００ｎｍのオーダーであり、フォトリソグラフィー工程で問題を生じて半導体装置の製造を行うことができなくなった。非加工部成長層１２ａの膜厚に対する加工部成長層１２ｂの比の変化に対する、窒化物系半導体層１２表面の埋め込みの成否の結果、及び、ＴＥＭ像による貫通転位密度と（０００２）からのX線回折ロッキングカーブの半値幅の評価結果を表１に示す。

比較例１及び２に示すように、非加工部成長層１２ａの膜厚に対する加工部成長層１２ｂの比が１／１０より大きい場合には、埋め込みがなされていないが、一方、該比が１／１０以下の場合には、非加工部成長層１２ａが会合して埋め込みがなされ、表面が平坦化していた。ＲＭＳ表面粗さも０．１ｎｍ程度であり、半導体装置を製造することが可能となった。また、選択横方向成長がなされているが故に会合していることもあり、これらの試料における窒化物系半導体層１２の貫通転位密度はいずれも５×１０^７／ｃｍ^２以下であり、良好な結晶品質となっていた。従って、該比は、１／１０以下が良いことが分かった。

また、成長時の基板温度による依存性を調べるため、Ｖ／ＩＩＩ比は８００に統一して以下の実験を行った。表２にそのときの結果を示す。

比較例３及び４に示すように、従来の半導体成長装置で加熱可能な１１５０℃以下では、非加工部成長層１２ａは全く横方向に成長することはなく、加工部１１ｂの形状が埋め込まれることはなかった。従って、表面平坦性にも問題が大きく、ＲＭＳ表面粗さが３００ｎｍと大きくなり、フォトリソグラフィー工程で問題を生じて半導体装置の製造を行うことができなくなった。しかし、成長時の基板温度を１２００℃以上とした実施例４〜６によると、横方向成長が生じて加工部１１ｂの上部で非加工部成長層１２ａの会合が起こり、表面の平坦化がなされていた。これらの試料における窒化物系半導体層１２の貫通転位密度はいずれも５×１０^７／ｃｍ^２以下であり、良好な結晶品質となっていた。従って選択横方向成長を起こさせるためには、１２００℃以上の温度が必要であると分かった。なお、成長時の基板温度を１６００℃よりも高い温度にまで加熱しようとしても、ヒーター電源の制約により、充分に温度を上げることができず実験が困難であった。また、反応炉構造の耐熱設計を改善しなければ半導体成長用基板１１上に窒化物系半導体層１２の成長を行うことができないため、１６００℃以上の基板温度では、実験を行うことができなかった。

また、ＴＭＡに加えてＴＭＧもＩＩＩ族原料として用い、ＡｌＮモル分率０．９１のＡｌＧａＮについて、前記と同様の実験を行ったが、ＡｌＮモル分率が極めて高いことから、Ｖ／ＩＩＩ比や成長時の基板温度を変化させても、ＡｌＮと全く同じ結果が得られた。

（第２の実施例）
本発明の別の実施例として、前記第１の実施例で得られたエピタキシャル基板１上にＬＥＤ用の半導体素子構造を積層し、これを用いて深紫外線LEDを作製した。その結果、波長が２５０ｎｍの発光が得られた。選択横方向成長を用いない場合のエピタキシャル基板を用いた場合では、発光は測定不能な程小さく、該エピタキシャル基板の低転位密度化の効果を確認した。

また、同様にして、前記第１の実施例で得られたエピタキシャル基板１上に、電界効果型トランジスタ用の半導体素子構造を積層し、これを用いて電界効果型トランジスタを作製した。その結果、耐圧が１ｋＶの高耐圧特性が得られた。選択横方向成長を用いない場合のエピタキシャル基板を用いた場合では、耐圧は２００Ｖ程度であり、該エピタキシャル基板の低転位密度化の効果を確認した。

なお、本発明の効果は、エピタキシャル基板１における窒化物系半導体層１２中の貫通転位密度の低減によるものであり、受発光装置や電子走行装置の種類に問わず、半導体装置として特性向上がなされている場合は、全て本発明によるとみなすことができる。

本発明のエピタキシャル基板を説明する断面図である。 本発明のエピタキシャル基板の製造方法を説明する断面図である。 本発明のエピタキシャル基板の製造方法を説明する断面図である。 本発明のエピタキシャル基板の製造方法を説明する断面図である。 従来の技術を説明する断面図である。 従来の技術を説明する断面図である。

符号の説明

１ エピタキシャル基板
１１ 半導体成長用基板
１１ａ 非加工部
１１ｂ 加工部
１２ 窒化物系半導体層
１２ａ 非加工部成長層
１２ｂ 加工部成長層
４ａ 非加工部成長層中の貫通転位
４ｂ 加工部成長層中の貫通転位
５１ 基板
５２ 下地結晶膜
５２ａ マスク領域
５２ｂ 成長領域
５３ マスク
５４ 再成長層
６１ ＧａＮ結晶膜

Claims (8)

1. 半導体成長用基板の主面上に、窒化アルミニウム、または、窒化アルミニウムモル分率が０．９以上の窒化アルミニウムガリウムからなる窒化物系半導体層を成長させたエピタキシャル基板において、前記半導体成長用基板の主面の一部に窒化物系半導体層の成長を抑制する加工部を有しており、かつ、前記加工部から成長する窒化物系半導体層の膜厚が、非加工部から成長する窒化物系半導体層の膜厚の１／１０以下であるようにしたことを特徴とするエピタキシャル基板。
2. 前記半導体成長用基板がサファイア、マグネシウムスピネル、ＺｒＢ_２、酸化クロム、酸化ガリウム、シリコン、炭化硅素、窒化硼素のいずれかの単結晶から成ることを特徴とする請求項１に記載のエピタキシャル基板。
3. 前記加工部が、主面の一部を非晶質化したもの、非晶質体で覆ったもの、溝加工したもの、金属で被覆したもの、弗化処理したもののうちの少なくともひとつである
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のエピタキシャル基板。
4. 半導体成長用基板に垂直な断面の透過型電子顕微鏡像により前記窒化物半導体層を観察したときの貫通転位密度が５×１０^７／ｃｍ^２以下であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載のエピタキシャル基板。
5. 前記窒化物半導体層のＸ線回折ロッキングカーブの半値幅が５００秒以下であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載のエピタキシャル基板。
6. 前記半導体成長用基板上にヘテロ構造からなる半導体素子構造が積層されていることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載のエピタキシャル基板。
7. 請求項１〜請求項６のいずれかに記載のエピタキシャル基板を用いて作製したことを特徴とする半導体装置。
8. 前記窒化物系半導体層の成長時の基板温度が１２００〜１６００℃であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のエピタキシャル基板の製造方法。

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