JP2006310850A - 窒化ガリウム系半導体の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】低密度の結晶欠陥と高品質の結晶性を有する窒化ガリウム系半導体の製造方法を提供する。
【解決手段】本発明に伴う窒化ガリウム系半導体の製造方法は、ガリウム酸化物基板を準備する段階と;上記ガリウム酸化物基板表面に対する物理的化学的前処理により上記ガリウム酸化物基板表面を窒化物に改質させＧａ-Ｎ結合を有する表面窒化物層を形成する段階と;上記表面窒化物層上に窒化ガリウム系半導体層を形成する段階を含む。
【選択図】図２
【解決手段】本発明に伴う窒化ガリウム系半導体の製造方法は、ガリウム酸化物基板を準備する段階と;上記ガリウム酸化物基板表面に対する物理的化学的前処理により上記ガリウム酸化物基板表面を窒化物に改質させＧａ-Ｎ結合を有する表面窒化物層を形成する段階と;上記表面窒化物層上に窒化ガリウム系半導体層を形成する段階を含む。
【選択図】図２
Description
本発明は窒化ガリウム(ＧａＮ)系半導体の製造方法に関することとして、特に高品質の結晶性を有するＧａＮ系半導体層を得るための窒化ガリウム系半導体の製造方法に関する。以下、本明細書においてＧａＮ系半導体とは、ＡｌｘＧａｙＩｎ(１-ｘ-ｙ)Ｎ(０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１)に表現される２成分系(ｂｉａｎａｒｙ)、３成分系(ｔｅｒｎａｒｙ)または４成分系(ｑｕａｔｅｒｎａｒｙ)化合物半導体を意味する。
最近、ＧａＮ系半導体が短波長帯域の光電子素子および高性能の電子素子応用に適合な材料として注目をあびている。特に、ＧａＮ系半導体は青色および緑色発光ダイオード(ＬＥＤ)の核心材料として脚光をあびている。このようなＧａＮ系半導体発光素子を製造するためには高品質のＧａＮ系単結晶成長を成長させる技術が必須的に要求される。しかし、ＧａＮ系単結晶の格子常数および熱膨張係数と整合されるＧａＮ系単結晶成長用基板材料が普遍化されていない問題点がある。
通常ＧａＮ系単結晶は、サファイア基板などの異種基板(ｈｅｔｅｒｏ-ｓｕｂｓｔｒａｔｅ)上に有機金属ＣＶＤ(ＭＯＣＶＤ)法、水素化物ＶＰＥ(ＨＶＰＥ)法などの気相成長法または分子ビームエピタキシ(ＭＢＥ)法から成長される。
しかし、サファイア基板などの異種基板とＧａＮ単結晶との間には大きい格子不整合が存在するため(例えば、サファイア基板とＧａＮ単結晶との間には約１８％の格子不整合が存在する)、異種基板上にＧａＮ系半導体層を成長させる場合、転位(ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ)のような多くの欠陥が発生する。
このような格子不整合を緩和させ欠陥発生を減少させるため、サファイア基板などの異種基板とＧａＮ系半導体層との間に低温ＧａＮバッファ層、高温ＧａＮバッファ層またはＡｌＮバッファ層など様々なバッファ層を成長させる技術が提案された。
このような格子不整合を緩和させ欠陥発生を減少させるため、サファイア基板などの異種基板とＧａＮ系半導体層との間に低温ＧａＮバッファ層、高温ＧａＮバッファ層またはＡｌＮバッファ層など様々なバッファ層を成長させる技術が提案された。
例えば、Ａｋａｓａｋｉ ｅｔ ａｌ.のＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ ４８、(１９８６)、ｐａｇｅ３５３にはサファイア基板上に形成された低温ＡｌＮバッファ層の上にＡｌＧａＮエピタキシャル層を成長させる方法が開示されている。また、アメリカ特許第５、２９０、３９３号には、サファイア基板上に形成された低温ＧａＮバッファ層上にＡｌＧａＮエピタキシャル層を成長させる方法が開示されている。
図１ａ及び図１ｂは従来のＧａＮ系半導体の製造方法らに伴い得た半導体層構造１０、２０を概略的に示す断面図らである。
先ず、図１ａを参照すると、サファイア基板１１上に低温ＡｌＮバッファ層１３及びＡｌＧａＮ結晶層１５が順次に形成されている。このような半導体層構造１０を得るため、先ずサファイア基板１１上において４００ないし６００℃の低温からＡｌＮ多結晶層(ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｌａｙｅｒ)を成長させＡｌＮバッファ層１３を形成する。その後、約１０００℃の高温に温度を上げＡｌＧａＮを成長させることにより、ＡｌＮバッファ層１３上に所望のＡｌＧａＮ結晶層を形成する。低温成長されたＡｌＮバッファ層１３を使用することにより、改善された結晶性を有するＡｌＧａＮ結晶層を得ることが可能となる。
先ず、図１ａを参照すると、サファイア基板１１上に低温ＡｌＮバッファ層１３及びＡｌＧａＮ結晶層１５が順次に形成されている。このような半導体層構造１０を得るため、先ずサファイア基板１１上において４００ないし６００℃の低温からＡｌＮ多結晶層(ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｌａｙｅｒ)を成長させＡｌＮバッファ層１３を形成する。その後、約１０００℃の高温に温度を上げＡｌＧａＮを成長させることにより、ＡｌＮバッファ層１３上に所望のＡｌＧａＮ結晶層を形成する。低温成長されたＡｌＮバッファ層１３を使用することにより、改善された結晶性を有するＡｌＧａＮ結晶層を得ることが可能となる。
図１ｂを参照すると、サファイア基板２１上に低温ＧａＮバッファ層２３及びＡｌＧａＮ結晶層２５が順次に形成されている。このような半導体層構造２０を得るため、先ずサファイア基板２１上に約６００℃の温度から低温ＧａＮ多結晶層を成長させ低温ＧａＮバッファ層２３を形成する。その後、約１０００℃の高温に温度を上げることにより、上記多結晶層２３の一部を単結晶に変化させる。この単結晶は後続のＡｌＧａＮ結晶層２５成長のためのシード結晶(ｓｅｅｄ ｃｒｙｓｔａｌ)の役割をすることとなる。これに伴い、ＡｌＮバッファ層１３上に成長されたＡｌＧａＮ結晶層１５より優秀な結晶を有するＡｌＧａＮ結晶層２５を得ることが可能となる。
しかし、このようなバッファ層を利用するとしても、サファイア等の異種基板とＧａＮ系半導体との間の格子不整合が非常に大きいため結晶欠陥発生を根本的に解決することは不可能である。例えば、低温ＧａＮバッファ層を使用するとしても、~１０１０/cm3程度の結晶欠陥を含有しているため、良質のＬＥＤまたはＬＤ等の発光素子製造に障害になっている。また、従来の方法らは高い密度の結晶欠陥により、数十μｍ以上の厚さを有するバルク(ｂｕｌｋ)形態のＧａＮ系半導体後膜を成長させるに適合ではない。従って、より低い欠陥密度を有するＧａＮ系半導体結晶層を成長させる技術が要求される。
本発明は上記の問題点を解決するためのものとして、その目的は結晶欠陥発生を抑制しＧａＮ系半導体の結晶性をさらに改善させることが可能なＧａＮ系半導体製造方法を提供することにある。
上記の技術的課題を達成するため、本発明に伴うＧａＮ系半導体製造方法は、ガリウム酸化物基板を準備する段階と;上記ガリウム酸化物基板表面に対する物理的化学的前処理により上記ガリウム酸化物基板表面を窒化物に改質させＧａ-Ｎ結合を有する表面窒化物層を形成する段階と;上記表面窒化物層上にＧａＮ系半導体層を形成する段階を含む。本発明では、既存のサファイア基板を使用する代わりに、ＬｉＧａＯ２またはＧａ２Ｏ３等のガリウム酸化物基板を使用する。ガリウム酸化物はＧａＮ結晶との格子整合性が非常に優れるため、優秀な結晶性と低い欠陥密度のＧａＮ系半導体層を成長させることが可能な基盤構造を提供する。
本発明の一実施形態によると、上記ガリウム酸化物基板表面に対する物理的化学的前処理は、Ｎ２ ＋イオンビーム照射により実施されることが可能である。 好ましくは、上記イオンビーム照射は０．００１ｋｅＶないし１０ＭｅＶのエネルギーを有する反応性Ｎ２ +イオンビームを上記ガリウム酸化物基板に照射することにより実施される。
他の実施形態によると、上記ガリウム酸化物基板表面に対する物理的化学的前処理は、窒素イオン(Ｎ+)のイオン注入により実施されることが可能である。好ましくは、上記イオン注入は１×１０１５ないし１×１０１７ /cm２のドーズ量と１０ｋｅＶないし１０ＭｅＶの注入エネルギーで窒素イオンを上記ガリウム酸化物基板に注入することにより実施される。
また異なる実施形態として、上記ガリウム酸化物基板表面に対する物理的化学的前処理は、 窒素を含むプラズマ(ｐｌａｓｍａ)またはラジカル(ｒａｄｉｃａｌ)を使用した表面処理により実施されることも可能である。好ましくは、上記プラズマまたはラジカルとしては窒素および水素が含まれたプラズマまたはラジカルを使用する。
前記の様々な物理的化学的前処理により、上記ガリウム酸化物基板表面にはＧａ-Ｎ結合を有する表面窒化物層が形成される。このような表面窒化物層は、後続きのＧａＮ系半導体層を成長させる時有用なシード層の役割をし、ＧａＮ系半導体層の結晶品質を大きく向上させる。
本発明の好ましい実施形態によると、上記表面窒化物層を形成する前に、上記ガリウム酸化物基板を洗浄する段階をさらに含むことが可能である。上記洗浄段階は上記ガリウム酸化物基板をエタノールまたは水に浸し超音波を加えることにより実施されることが可能である。
本発明の実施形態によると、上記表面窒化物層を形成した後、上記表面窒化物層上にＡｌｘＧａ１−ｘＮバッファ層(０≦ｘ＜１)を形成する段階をさらに含むことが可能である。例えば、３００ないし９００℃の低温から上記表面窒化物層上にＡｌｘＧａ１−ｘＮバッファ層(０≦ｘ＜１)を形成することが可能である。
本発明の好ましい実施形態によると、上記表面窒化物層を形成した後、上記基板をアニーリングするか上記基板表面を熱洗浄する段階をさらに含むことが可能である。上記アニーリングは１０００ないし１３００℃の温度から実施されることが好ましい。また、上記表面熱洗浄は、８００ないし１２００℃の温度から実施されることが好ましい。
本発明の一実施形態によると、ＧａＮ系半導体層を形成した後上記ガリウム酸化物基板を分離または除去する段階をさらに含むことも可能である。例えば、上記ＧａＮ系半導体層を３０μｍ以上の厚さに形成した後、上記ガリウム酸化物基板を分離または除去することにより、ＧａＮ系基板を得ることが可能である。
本発明によると、ガリウム酸化物基板表面を窒化物に改質させて得た表面窒化物層上にＧａＮ系半導体層を形成することにより、結晶欠陥発生をさらに抑制させＧａＮ系半導体の結晶性をさらに改善させることが可能となる。これに伴い、電気的光学的特性が向上されたＬＥＤ等の発光素子などを製造することが可能であるだけではなく、ガリウム酸化物基板の分離または除去工程を通じ高品質のＧａＮ系基板を得ることが可能である。
以下、添付の図面を参照に本発明の実施形態を説明する。しかし、本発明の実施形態は様々な形態に変形されることが可能で、本発明の範囲が以下に説明する実施形態に限定されることではない。本発明の実施形態は当業界で平均的な知識を有している者に本発明をより完全に説明するため提供される。従って、図面における要素らの形状および大きさ等はより明確な説明のため誇張されることが可能で、図面上の同一な符号で表示される要素は同一な要素である。
図２は本発明に伴うＧａＮ系半導体の製造方法を概略的に示した工程フロー図である。図２を参照すると、先ずＬｉＧａＯ２基板またはＧａ２Ｏ３基板などのガリウム酸化物基板を準備する(Ｓ１段階)。このようなガリウム酸化物基板は既存のサファイア基板に比べＧａＮ結晶との格子整合性が非常に高い。例えば、ＬｉＧａＯ２の結晶は、ＧａＮ結晶とは非常に類似な結晶構造および格子常数を有し、両子間の格子不整合度が０．１ないし４%程度にすぎない。
具体的に説明すると、ＬｉＧａＯ２結晶はその格子常数(ａ、ｂ、ｃ)がａ=５．４０２Å、ｂ=６．３７２Å、ｃ=５．００７Åとして、 ウルツアイト(ｗｕｒｔｚｉｔｅ)構造を有するＺｎＯ結晶からＺｎ原子がＬｉとＧａに置換されて成る結晶構造を有する。このＬｉＧａＯ２結晶は一般的なチョクラルスキー(Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ)法によって容易に成長されることが可能である。
具体的に説明すると、ＬｉＧａＯ２結晶はその格子常数(ａ、ｂ、ｃ)がａ=５．４０２Å、ｂ=６．３７２Å、ｃ=５．００７Åとして、 ウルツアイト(ｗｕｒｔｚｉｔｅ)構造を有するＺｎＯ結晶からＺｎ原子がＬｉとＧａに置換されて成る結晶構造を有する。このＬｉＧａＯ２結晶は一般的なチョクラルスキー(Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ)法によって容易に成長されることが可能である。
特に、ＬｉＧａＯ２結晶とＧａＮ結晶間の格子不整合度は基部面(ｂａｓａｌ ｐｌａｎｅ)の(０００１)面で約０．８％にすぎない(常温での平均格子不整合度は０．９％である)。Ｇａ２Ｏ３結晶などの他のガリウム酸化物結晶もＧａＮ結晶とは優れた格子整合性を示している。従って、ガリウム酸化物基板上にＧａＮ結晶層を成長させる場合、低い欠陥密度を具現することが可能であると予想される。
しかし、より低い欠陥密度とより優秀な結晶性を有するＧａＮ系半導体層を成長させるためには、ＧａＮ系半導体を成長させる前にガリウム酸化物基板の表面を窒化物に改質させる必要がある。即ち、図２に図示された通り、イオン注入、イオンビーム照射、プラズマまたはラジカル処理などの物理的化学的表面処理を通じ上記ガリウム酸化物層の表面を窒化処理する(Ｓ２段階)。
このような窒化処理によって、上記ガリウム酸化物層の表面にはＧａ-Ｎ結合を有する表面窒化物層が形成される。この表面窒化物層は後続きのＧａＮ系半導体結晶成長のための良質のシード層(ｓｅｅｄ)の役割をする。ガリウム酸化物基板を窒化処理する前に予めガリウム酸化物基板を洗浄することが好ましい。
その後、窒化処理された上記基板をアニーリングするか、または上記基板表面を熱洗浄する(Ｓ３段階)。格子損傷が少ない場合上記アニーリングまたは表面熱洗浄工程は省略することも可能である。選択的な工程として、上記基板の窒化処理段階とアニーリング(または表面熱洗浄)段階との間に、低温成長されたＡｌｘＧａ１−ｘＮバッファ層のようなバッファ層を表面窒化物層上に形成することも可能である(Ｓ３’段階)。
次に、表面窒化物層上に得ようとするＧａＮ系半導体層を成長させる(Ｓ４段階)。ＧａＮとの格子整合性が優れたガリウム酸化物基板と共に、良質のシード層を提供する表面窒化物層を下層構造で使用しているため、その上に成長されるＧａＮ系半導体層は非常に低い密度の欠陥を有し優れた結晶性を示すようになる。
その後には、所望の素子(例えば、ＬＥＤ素子)を得るため、様々な組成と厚さのＧａＮ系エピタキシャル層らをさらに成長させることが可能である。また、ＧａＮ基板を製造するため上記Ｓ４段階でＧａＮ系半導体層を３０μｍ以上の大きい厚さに成長させた後に上記ガリウム酸化物基板をＧａＮ系半導体層から分離または除去することも可能である。
図３ａないし図３ｄは本発明の一実施形態に伴うＧａＮ系半導体の製造方法を説明するための断面図らである。先ず、図３ａを参照すると、Ｇａ２Ｏ３結晶またはＬｉＧａＯ２結晶などからなるガリウム酸化物基板１０１を準備する。その後、上記ガリウム酸化物基板１０１をエタノールまたは水に浸して超音波を加えることにより、基板を洗浄する。
次に、図３ｂに図示された通りガリウム酸化物基板１０１表面上に反応性Ｎ２ ＋イオンビームを一定量照射し上記基板１０１表面を窒化物に改質させる。上記イオンビーム照射時、上記反応性Ｎ２ ＋イオンビームは０．００１ｋｅＶないし１０ＭｅＶのエネルギーを有することが好ましい。このようなイオンビーム照射を通じた表面の窒化処理によって、基板１０１表面にはＧａ-Ｎ結合を有する表面窒化物層１０３が形成される(図３ｃ参照)。
具体的に説明すると、Ｎ２ガスまたはＮ２とＨ２ガスまたはＮＨ３ガス等の窒素ガスや窒素を含むガスを反応ソースガスにしてガリウム酸化物基板１０１が収容された反応チャンバ内にＮ２ ＋イオンビームを形成する。その後、ガリウム酸化物基板１０１表面への反応性Ｎ２ ＋イオンビーム照射により基板１０１表面辺りで酸素原子と他の原子との結合が切られ窒素原子が酸素原子の代わりを占めることにより、少なくとも一部酸素原子が窒素原子に置換される。
次に、図３ｂに図示された通りガリウム酸化物基板１０１表面上に反応性Ｎ２ ＋イオンビームを一定量照射し上記基板１０１表面を窒化物に改質させる。上記イオンビーム照射時、上記反応性Ｎ２ ＋イオンビームは０．００１ｋｅＶないし１０ＭｅＶのエネルギーを有することが好ましい。このようなイオンビーム照射を通じた表面の窒化処理によって、基板１０１表面にはＧａ-Ｎ結合を有する表面窒化物層１０３が形成される(図３ｃ参照)。
具体的に説明すると、Ｎ２ガスまたはＮ２とＨ２ガスまたはＮＨ３ガス等の窒素ガスや窒素を含むガスを反応ソースガスにしてガリウム酸化物基板１０１が収容された反応チャンバ内にＮ２ ＋イオンビームを形成する。その後、ガリウム酸化物基板１０１表面への反応性Ｎ２ ＋イオンビーム照射により基板１０１表面辺りで酸素原子と他の原子との結合が切られ窒素原子が酸素原子の代わりを占めることにより、少なくとも一部酸素原子が窒素原子に置換される。
これに伴い、基板表面にはＧａ-Ｎ結合を有する窒化物層１０３が形成される。実際に、酸素原子は窒素原子と容易に置換されることが可能である。これは密度関数論によるイオン半径の類似性に起因する。即ち、密度関数論(ｄｅｎｓｉｔｙ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｔｈｅｏｒｙ)による理論的なイオン半径計算によると、１．８８Åの窒素イオン間距離は１．９３Åの酸素イオン間距離に非常に類似である。
従って、上記反応性Ｎ２ ＋イオンビーム照射により基板１０１表面付近の酸素原子は窒素原子に容易に置換される。上記表面窒化物層１０３は、後続きのＧａＮ系半導体層を成長させるための良質のシード層(ｓｅｅｄ ｌａｙｅｒ)の役割をするだけではなく、基板１０１内に存在するＬｉ等の異種原子(例えば、ＬｉＧａＯ２基板を使用する場合)がＧａＮ系半導体層に拡散されることを防止する障壁層(ｂａｒｒｉｅｒ ｌａｙｅｒ)としての役割もする。
その後、好ましくは上記窒化処理された基板をアニーリングするか、または上記基板表面を熱洗浄する。上記アニーリングは１０００ないし１３００℃の温度範囲で実施されることが可能である。表面熱洗浄は８００ないし１２００℃の温度範囲でＨＣｌまたはアンモニア等の洗浄またはエッチングガス雰囲気で実施されることが可能である。このようなアニーリングまたは表面熱洗浄を通じて、イオンビーム照射などによって発生され得る表面窒化物層の格子損傷を回復させるか除去することが可能である。格子損傷が少ない場合には上記アニーリングまたは表面熱洗浄工程は省略することも可能である。
次に、図３ｄに図示された通り、表面窒化物層１０３上にＧａＮ系結晶を成長させる。これに伴い、低い欠陥密度と優秀な結晶性を有するＧａＮ系半導体層１０５を得ることとなる。ＧａＮ系半導体層１０５は例えば有機金属化学気相蒸着(ＭＯＣＶＤ)または分子線エピタキシ(ＭＢＥ)によって成長されることが可能である。表面窒化物層１０３は、Ｇａ２Ｏ３結晶またはＬｉＧａＯ２結晶(ガリウム酸化物基板１０１)から形成されたものであるため、ＧａＮ結晶とは優秀な格子整合を示す。また、表面窒化層１０３は窒素原子への置換により酸素が欠如された(酸素濃度が少ない)膜を形成する。一般的に剰余の酸素原子はＧａＮ結晶層成長時欠陥を誘導してＧａＮ結晶層全体に良くない影響を及ぼす。従って、優秀な格子整合性と欠如された酸素濃度を有する表面窒化物層１０３上には結晶欠陥密度が低い高品質のＧａＮ系半導体層１０５が容易に成長されることが可能である。
前記の実施形態では、ガリウム酸化物基板１０１の表面を窒化物に改質させるため基板１０１表面に対する反応性Ｎ２ ＋イオンビーム照射を実施したが、反応性イオンビーム照射以外の他の物理的化学的表面処理方法を使用することも可能である。例えば、窒素イオン(Ｎ＋)のイオン注入によりガリウム酸化物基板１０１表面を窒化物に改質させることも可能である。好ましくは、１×１０１５ないし１×１０１７/cm２のドーズ量と１０ｋｅＶないし１０ＭｅＶの注入エネルギーで窒素イオンをガリウム酸化物基板１０１上に注入することによりガリウム酸化物基板１０１に表面窒化物層を形成する。
ガリウム酸化物基板１０１表面を窒化物に改質させるためのまた異なる方法として、窒素を含むプラズマまたはラジカルを使用してガリウム酸化物基板１０１表面を処理することも可能である。好ましくは、基板１０１表面での窒素原子の雇用度を高めるため、窒素および水素が含まれたプラズマまたはラジカルを使用して基板１０１表面を処理する。
上記ＧａＮ系半導体の製造方法は、ＧａＮ系ＬＥＤ素子だけではなく数十μｍ以上の厚さを有するＧａＮ系後膜またはＧａＮ系基板を製造するにも容易に適用されることが可能である。例えば、ＧａＮ系半導体層１０５を３０μｍ以上の厚さに形成した後、ガリウム酸化物基板１０１を分離または除去することにより、ＧａＮ系基板を得ることが可能である。この場合、ガリウム酸化物基板１０１は、例えばレーザ照射、湿式エッチングまたは化学的機械的研磨により上記ＧａＮ系半導体層１０５から分離または除去されることが可能である。
図４ａないし図４ｃは本発明の他の実施形態に伴うＧａＮ系半導体の製造方法を説明するための断面図らである。先ず、図３ａ及び図３ｂに図示された通り洗浄処理されたガリウム酸化物基板１０１表面上に反応性Ｎ２ ＋イオンビームを照射して基板１０１表面を窒化物に改質させる。前記の通り、反応性Ｎ２ ＋イオンビーム照射の代わりに窒素イオン注入、プラズマまたはラジカル処理を実施することも可能である。これに伴い、図４ａに図示された通り、ガリウム酸化物基板１０１表面にＧａ-Ｎ結合を有する表面窒化物層１０３が形成される。
次に、図４ｂに図示された通り、表面窒化物層１０３上に高温または低温 ＡｌｘＧａ１−ｘＮバッファ層２０４を形成する。例えば、３００ないし９００℃の低温から表面窒化物層１０３上にＡｌｘＧａ１−ｘＮバッファ層(０≦ｘ＜１)を成長させることが可能である。このようなバッファ層２０４を形成することにより、後続きの工程から成長されるＧａＮ系結晶層の欠陥密度はさらに低くなる。その後、好ましくは、イオンビーム照射などによって表面窒化物層１０３に発生され得る格子損傷を回復または除去するためアニーリングまたは表面熱洗浄工程を実施する。
次に、図４ｂに図示された通り、表面窒化物層１０３上に高温または低温 ＡｌｘＧａ１−ｘＮバッファ層２０４を形成する。例えば、３００ないし９００℃の低温から表面窒化物層１０３上にＡｌｘＧａ１−ｘＮバッファ層(０≦ｘ＜１)を成長させることが可能である。このようなバッファ層２０４を形成することにより、後続きの工程から成長されるＧａＮ系結晶層の欠陥密度はさらに低くなる。その後、好ましくは、イオンビーム照射などによって表面窒化物層１０３に発生され得る格子損傷を回復または除去するためアニーリングまたは表面熱洗浄工程を実施する。
次に、図４ｃに図示された通り、ＭＯＣＶＤ等のＣＶＤまたはＭＢＥ等のＰＶＤ蒸着法によってＧａＮ系結晶を成長させることにより、バッファ層２０４上にＧａＮ系半導体層１０５を形成する。表面窒化物層１０３とバッファ層２０４を基盤層にしてその上にＧａＮ系結晶を成長させたため、上記ＧａＮ系半導体層１０５は低密度の欠陥と高品質の結晶性を有することとなる。本実施形態においても、ガリウム酸化物基板１０１の分離または除去工程を追加的に実施することにより、ＧａＮ系基板を得ることが可能である。
本発明は上述の実施形態および添付の図面により限定されることではなく、添付の請求範囲により限定しようとする。また、本発明は請求範囲に記載された本発明の技術的思想を外れない範囲内で多様な形態の置換、変形および変更が可能であることは当技術分野の通常の知識を有している者には自明である。
本発明は上述の実施形態および添付の図面により限定されることではなく、添付の請求範囲により限定しようとする。また、本発明は請求範囲に記載された本発明の技術的思想を外れない範囲内で多様な形態の置換、変形および変更が可能であることは当技術分野の通常の知識を有している者には自明である。
１０１ ガリウム酸化物基板 １０３ 表面窒化物層
１０５ ＧａＮ系半導体層 ２０４ バッファ層
１０５ ＧａＮ系半導体層 ２０４ バッファ層
Claims (14)
- ガリウム酸化物基板を準備する段階と、
上記ガリウム酸化物基板表面に対する物理的化学的前処理により上記ガリウム酸化物基板表面を窒化物に改質させＧａ-Ｎ結合を有する表面窒化物層を形成する段階及び
上記表面窒化物層上に窒化ガリウム系半導体層を形成する段階を含むことを特徴とする窒化ガリウム系半導体の製造方法。 - 上記ガリウム酸化物基板はＬｉＧａＯ２基板またはＧａ２Ｏ３基板であることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系半導体の製造方法。
- 上記ガリウム酸化物基板表面に対する物理的化学的前処理は、Ｎ２ ＋イオンビーム照射により実施されることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系半導体の製造方法。
- 上記イオンビーム照射は０．００１ｋｅＶないし１０ＭｅＶのエネルギーを有する反応性Ｎ２ ＋イオンビームを上記ガリウム酸化物基板に照射することにより実施されることを特徴とする請求項３に記載の窒化ガリウム系半導体の製造方法。
- 上記ガリウム酸化物基板表面に対する物理的化学的前処理は、窒素イオンのイオン注入により実施されることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系半導体の製造方法。
- 上記イオン注入は１×１０１５ないし１×１０１７/cm２のドーズ量と１０ｋｅＶないし１０ＭｅＶの注入エネルギーで窒素イオンを上記ガリウム酸化物基板に注入することにより実施されることを特徴とする請求項５に記載の窒化ガリウム系半導体の製造方法。
- 上記ガリウム酸化物基板表面に対する物理的化学的前処理は、窒素を含むプラズマまたはラジカルを使用した表面処理により実施されることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系半導体の製造方法。
- 上記表面処理に使用されるプラズマまたはラジカルは窒素および水素が含まれたプラズマまたはラジカルであることを特徴とする請求項７に記載の窒化ガリウム系半導体の製造方法。
- 上記表面窒化物層を形成する前に、上記ガリウム酸化物基板を洗浄する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系半導体の製造方法。
- 上記表面窒化物層を形成した後に、上記表面窒化物層上にＡｌｘＧａ１−ｘＮバッファ層(０≦ｘ＜１)を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系半導体の製造方法。
- 上記表面窒化物層を形成した後、上記表面窒化層が形成された基板をアニーリングするか、または表面熱洗浄する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系半導体の製造方法。
- 上記アニーリングは１０００ないし１３００℃から実施されることを特徴とする請求項１１に記載の窒化ガリウム系半導体の製造方法。
- 上記表面熱洗浄は、８００ないし１２００℃から実施されることを特徴とする請求項１１に記載の窒化ガリウム系半導体の製造方法。
- 上記ＧａＮ系半導体層を形成した後に、上記ガリウム酸化物基板を分離または除去する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系半導体の製造方法。
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