JP2009246038A - Ｉｉｉ−ｖ族化合物半導体の結晶成長方法と結晶成長装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 III-V族化合物半導体の結晶成長方法において、半導体下地層と半導体層の界面に高濃度なｎ型領域が形成されることを抑制する技術を提供すること。
【解決手段】 シリコンをエッチング可能なエッチング材を利用して半導体下地層の表面を洗浄する工程と、洗浄後の半導体下地層をアルコールに浸漬する工程と、浸漬された状態で半導体下地層をガス置換室に搬入する工程と、ガス置換室内を大気から置換ガスに置換する工程と、ガス置換室に連結する反応室に液体から取り出した半導体下地層を搬入する工程と、反応室内で半導体下地層の表面に前記半導体層を結晶成長させる工程を備えている。置換ガスは、シリコン濃度が０．２ppm以下である。
【選択図】 図２

Description

本発明は、III-V族化合物半導体の結晶成長方法に関する。本発明はまた、その結晶成長方法の実施に用いられる結晶成長装置にも関する。

III-V族化合物半導体を用いた半導体スイッチング素子、半導体発光素子、半導体受光素子等の半導体装置の開発が進められている。これら半導体装置を製造するためには、III-V族化合物半導体の半導体下地層の表面にIII-V族化合物半導体の半導体層を結晶成長させる工程が必要とされる。この結晶成長工程では、例えば、MOCVD（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）技術を利用して、半導体下地層の表面に半導体層を結晶成長させることが多い。

従来の結晶成長工程は、次の手順で実施されている。まず、半導体下地層を結晶成長装置の反応室に搬入する。次に、反応室を真空引きした後に、水素及びアンモニアを反応室に供給する。次に、半導体下地層を加熱し、半導体下地層の表面の自然酸化物層を除去する。次に、例えば、トリメチルガリウムを反応室に供給し、半導体下地層の表面に半導体層を結晶成長させる。

特開２００１−２１０９１１号公報 W. Lee, J.-H. Ryou, D. Yoo, J. Limb, R. D. Dopuis, D. Hanser, E. Preble, N. M. Williams, and K. Evans, Optimization of Fe doping at the regrowth interface of GaN for applications to III-nitride-based heterostructure field-effect transistors, APPLIED PHYSICS LETERS 90, 093509 (2007)

特許文献１及び非特許文献１に記載されているように、半導体下地層が大気に曝されると、半導体下地層の表面には大気中のシリコンが取り込まれる。従来の結晶成長工程では、半導体下地層を反応室に搬入するときに、半導体下地層が大気に曝されている。このため、従来の結晶成長工程では、半導体下地層の表面にシリコンが取り込まれている。

この結果、半導体下地層の表面に半導体層を結晶成長させると、半導体下地層と半導体層の界面（以下、再成長界面という）にシリコンが高濃度に含まれた領域が形成されてしまう。シリコンは、III-V族化合物半導体においてｎ型ドーパントとして機能する。このため、従来の結晶成長工程では、再成長界面に高濃度なｎ型領域が形成されてしまう。このｎ型領域は、半導体装置の電気的特性又は光学的特性に悪影響を及ぼすことがある。

本発明は、III-V族化合物半導体の結晶成長方法において、再成長界面に高濃度なｎ型領域が形成されることを抑制する技術を提供することを目的としている。本発明はさらに、その結晶成長方法の実施に用いられる結晶成長装置を提供することも目的としている。

本明細書で開示される結晶成長方法は、結晶成長に先立って、半導体下地層の表面に取り込まれたシリコンを洗浄して除去することを特徴としている。さらに、本明細書で開示される結晶成長方法は、その洗浄の終了後から結晶成長を開始するまで、半導体下地層の表面を大気に曝されないように処理することを特徴としている。これにより、再成長界面には高濃度なｎ型領域が形成されないので、半導体装置の電気的特性又は光学的特性は良好なものとなる。

本明細書で開示される技術は、III-V族化合物半導体の半導体下地層の表面にIII-V族化合物半導体の半導体層を結晶成長させる方法を提供する。この結晶成長方法は、シリコンをエッチング可能なエッチング材を利用して半導体下地層の表面を洗浄する工程と、洗浄後の半導体下地層を液体に浸漬する工程と、浸漬された状態で半導体下地層をガス置換室に搬入する工程と、ガス置換室内を大気から置換ガスに置換する工程と、ガス置換室に連結する反応室に液体から取り出した半導体下地層を搬入する工程と、反応室内で半導体下地層の表面に半導体層を結晶成長させる工程を備えている。ここで、置換ガスは、シリコン濃度が０．２ppm以下であることを特徴としている。置換ガスのシリコン濃度が０．２ppm以下であれば、半導体下地層の表面が置換ガスに曝されたとしても、半導体下地層の表面に導入されるシリコン濃度が約１×１０^１６cm^−３以下になると見積もることができる。半導体下地層の表面に導入されるシリコン濃度がこの範囲であれば、半導体装置の電気的特性又は光学的特性に悪影響を及ぼすことがない。
上記結晶成長方法ではまず、半導体下地層の表面を洗浄することによって、半導体下地層の表面に取り込まれていたシリコンを除去する。洗浄後の半導体下地層を液体に浸漬することによって、半導体下地層の表面がその液体によって被覆され、半導体下地層の表面に大気からシリコンが取り込まれることを抑制することができる。次に、浸漬された状態で半導体下地層をガス置換室に搬入し、そのガス置換室内を大気から置換ガスに置換する。このため、ガス置換室の室内は大気から遮断され、シリコン濃度が極めて低い状態に保たれる。半導体下地層は、そのガス置換室内で液体から取り出され、反応室に搬入される。反応室に搬入された半導体下地層は、その表面に半導体層が結晶成長される。したがって、上記結晶成長方法によると、洗浄の終了後から結晶成長を開始するまで、半導体下地層の表面が大気に曝されないように処理されている。このため、上記結晶成長方法によると、半導体下地層の表面に高濃度なｎ型領域が形成されない。

液体から取り出した半導体下地層の表面を、置換ガスに置換されたガス置換室内で置換ガスを吹付けることによって乾燥させる工程をさらに備えていることが好ましい。半導体下地層を乾燥させる時間を短縮することができる。

浸漬工程で用いる液体は、アルコール液であることが好ましい。アルコール液は、気化し易いので、乾燥工程の処理時間を短縮することができる。

置換ガスには、窒素ガス、アルゴンガス、又はヘリウムガスを用いることができる。窒素の利用は、安全面及びコスト面で最も好ましい。

III-V族化合物半導体は、窒化物半導体であることが好ましい。窒化物半導体は、半導体スイッチング素子、半導体発光素子、半導体受光素子等の半導体装置に採用されており、様々な用途開発が進んでいる。このような材料において、高濃度なｎ型領域を抑制することが可能な本技術は極めて有用なものであり、半導体スイッチング素子、半導体発光素子、半導体受光素子等の半導体装置の特性を改善することができる。

窒化物半導体は、一般式がAl_xGa_yIn_1-x-yN（0≦X≦1、0≦Y≦1、0≦X+Y≦1）で表されることが好ましい。この窒化物半導体は、アルミニウム、ガリウム及びインジウムの組成比を変更することによって、バンドギャップエネルギーを変更することができる。半導体装置に要求される電気的特性又は光学的特性に応じて、好適なバンドギャップエネルギーを有する半導体層を容易に選択することができる。

本明細書で開示される技術は、上記結晶成長方法の実施に用いられる結晶成長装置を提供することもできる。本明細書で開示される結晶成長装置は、結晶成長用原料ガスが供給される反応室と、室内を大気から置換ガスに置換可能なガス置換室を備えている。ガス置換室は、連結室と予備室を有している。連結室は、反応室と予備室を連結しており、予備室から反応室へ半導体下地層を搬送する搬送手段を有している。予備室は、置換ガスの導入口と、室内からガスを排出する排出手段を有している。排出手段には、室内のガスを排出する排気口が含まれる。排気口には、例えば逆止弁が設けられていてもよく、ガス排出ポンプが設けられていてもよい。
この結晶成長装置は、ガス置換室が予備室を有していることを特徴としている。予備室が設けられていることによって、ガス置換室のうち大気に開放される部分を予備室に限定することができる。このため、ガス置換室を大気から置換ガスに置換するのに要する時間を短くすることができる。

連結室は、置換ガスを吐出する吐出手段を有していることが好ましい。
吐出手段から吐出する置換ガスを半導体下地層の表面に吹付けることによって、半導体下地層の表面を短時間で乾燥させることができる。

本明細書で開示される技術によると、III-V族化合物半導体の結晶成長方法において、半導体下地層と半導体層の界面に高濃度なｎ型領域が形成されることを抑制することができる。

本明細書で開示される技術の特徴を整理しておく。
（第１特徴） 半導体下地層を洗浄する工程で用いられるエッチング材には、アンモニア水（NH₄OH）と過酸化水素水（H₂O₂）と水を１：１：５の割合で混合した溶液、フッ酸（HF）と硝酸（HNO₃）を１：１で混合した溶液、水酸化テトラエチルアンモニウム水溶液（TMAH）を用いるのが好ましい。
（第２特徴） 洗浄工程後の半導体下地層を浸漬する液体は、低級アルコールが好ましい。より好ましくは、イソプロピルアルコールである。
（第３特徴） 連結室は、グローブボックスである。

図１に、MOCVD（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）方法用の結晶成長装置１の構成の概略を示す。結晶成長装置１は、III-V族化合物半導体を用いた半導体スイッチング素子、半導体発光素子、半導体受光素子等の半導体装置の製造に利用される。結晶成長装置１は、III-V族化合物半導体の半導体下地層の表面にIII-V族化合物半導体の半導体層を結晶成長する際に利用される。

結晶成長装置１は、置換ガス供給装置１０と、予備室２０と、連結室３０と、反応室４０と、原料ガス供給装置５０を備えている。予備室２０と連結室３０は、全体としてガス置換室と称される。

置換ガス供給装置１０は、予備室２０と連結室３０と反応室４０のそれぞれに不活性ガスを供給する。本明細書の不活性ガスは、半導体下地層と反応するガスではなく、さらにシリコン濃度が０．２ppm以下に調整されたガスのことをいう。半導体下地層を構成する原子の密度はおよそ４．４×１０^２２cm^−３であるため、不純物として取り込まれるシリコン濃度を１×１０^１６cm^−３以下とするためには、この比から不活性ガス中のシリコン濃度が０．２ppm以下であることが望ましい。不活性ガスのシリコン濃度が０．２ppm以下であれば、半導体下地層の表面が不活性ガスに曝されたとしても、半導体下地層の表面に導入されるシリコン濃度が約１×１０^１６cm^−３以下になると見積もることができる。本実施例では、不活性ガスに窒素ガスが用いられている。この他、アルゴンガス、ヘリウムガスを不活性ガスに用いることができる。置換ガス供給装置１０と予備室２０の間には第１バルブ２２が設けられており、予備室２０に供給する不活性ガスの流量を調整することができる。置換ガス供給装置１０と連結室３０の間には第２バルブ３２が設けられており、連結室３０に供給する不活性ガスの流量を調整することができる。置換ガス供給装置１０と反応室４０の間には第３バルブ４２が設けられており、反応室４０に供給する不活性ガスの流量を調整することができる。

予備室２０は、外部に開閉可能なドア部（図示省略）を備えている。半導体下地層は、そのドア部を介して予備室２０内に搬入される。予備室２０には不活性ガスの導入口が設けられており、第１バルブ２２で流量が調整された不活性ガスが室内に導入される。予備室２０にはさらに、第４バルブ２４を介して第１ガスポンプ２６が連結している。第４バルブ２４には逆止弁が設けられている。予備室２０の容量は、連結室３０の容量よりも小さい。

連結室３０は、反応室４０と予備室２０を連結している。連結室３０には、例えばグローブボックスが用いられる。連結室３０は、予備室２０から反応室４０に半導体下地層を搬送する搬送手段（図示省略）を備えている。搬送手段には、手作業で半導体下地層を搬送する手段（グローブボックスの操作用グローブ）や、機械で半導体下地層を搬送する手段が用いられる。連結室３０と予備室２０の間には、開閉部（図示省略）が設けられている。この開閉部は、連結室３０と予備室２０の間を開放状態と密閉状態に切換えることができる。連結室３０と反応室４０の間にも、開閉部（図示省略）が設けられている。この開閉部も、連結室３０と反応室４０の間を開放状態と密閉状態に切換えることができる。連結室３０は、吐出手段３４を備えている。吐出手段３４は、置換ガス供給装置１０に連結している。吐出手段３４には、置換ガス供給装置１０から不活性ガスが供給されている。吐出手段３４は、吐出口を備えており、その吐出口から不活性ガスを吐出する。後述するように、吐出手段３４を利用すると、半導体下地層の表面を短時間で乾燥させることができる。連結室３０には、逆止弁が設けられた第５バルブ３６が連結している。

反応室４０は、MOCVD技術を利用して半導体下地層の表面に半導体層を結晶成長させる場である。反応室４０は、半導体下地層が載置される扁平状のサセプタ４４を備えている。反応室４０には、第６バルブ４６を介して第２ガスポンプ４８が連結している。第６バルブ４６には、逆止弁が設けられている。

原料ガス供給装置５０は、MOCVD方法に用いられる原料ガス、自然酸化膜の除去に用いられるエッチングガスを備えている。原料ガス供給装置５０は、これらガスを反応室４０に供給する。原料ガス供給装置５０と反応室４０の間には第７バルブ５２が設けられており、反応室４０に供給するこれらガスの流量を調整することができる。原料ガス供給装置５０に備えられているガスには、例えば、水素、アンモニア、トリメチルガリウム（TMGa）、トリメチルアルミニウム（TMAl）、窒素が含まれる。

次に、図１〜図３を参照して、結晶成長装置１を利用した結晶成長方法を説明する。この結晶成長方法は、本明細書で開示される新規な方法であり、後述の半導体スイッチング素子１００の製造方法、及び実証実験でも同様の手順で用いられる。以下、窒化ガリウム（GaN）の半導体下地層の表面に窒化ガリウム（GaN）の半導体層を結晶成長する例を説明する。

まず、図２に示すように、半導体下地層の表面に取り込まれたシリコンを除去するために、シリコンをエッチング可能なエッチング材を用いて半導体下地層の表面を洗浄する（半導体下地層の表面の洗浄工程）。具体的には、図３に示す手順で洗浄工程を実施することができる。

図３に示すように、まず、硫酸（H₂SO₄）と過酸化水素水（H₂O₂）が４：１の割合で混合された第１洗浄水を利用して、半導体下地層の表面を洗浄する。洗浄条件は、９０℃、１０分である。
次に、アンモニア水（NH₄OH）と過酸化水素水（H₂O₂）と水（H₂O）が１：１：５の割合で混合された第２洗浄水を利用して、半導体下地層の表面を洗浄する。洗浄条件は、８０℃、１０分である。
次に、塩酸（HCl）と過酸化水素水（H₂O₂）と水（H₂O）が１：１：５の割合で混合された第３洗浄水を利用して、半導体下地層の表面を洗浄する。洗浄条件は、８０℃、１０分である。
次に、フッ化水素（HF）と硝酸（HNO₃）が１：１の割合で混合された第４洗浄水を利用して、半導体下地層の表面を洗浄する。洗浄条件は、室温、１０分である。
最後に、純水を利用して、半導体下地層の表面に残存する上記洗浄水を洗い流す。洗浄条件は、室温、３０分である。

洗浄された半導体下地層は、図２に示すように、アルコール液に浸漬される（アルコール浸漬工程）。アルコール液には、イソプロピルアルコールが用いられる。この他、エタノール、メタノールのアルコール液を用いることもできる。半導体下地層をアルコール液に浸漬することによって、半導体下地層の表面は大気から遮断されるので、大気中のシリコンが半導体下地層の表面に取り込まれる現象が抑制される。なお、半導体下地層を浸漬する液体は、アルコール液に代えて、超純水、アセトンを用いてもよい。

半導体下地層は、図２に示すように、アルコール液に浸漬された状態で予備室２０に搬入される（予備室２０への搬入工程）。次に、予備室２０と連結室３０の間、及び予備室２０と外部の間を閉じた状態で、第１バルブ２２及び第４バルブ２４を開放し、予備室２０に不活性ガスを導入する（予備室２０の置換工程）。不活性ガスの導入時間が所定時間を経過したら、予備室２０が大気から不活性ガスに置換されたと判断する。このとき、第１ガスポンプ２６を動作させてもよい。より短時間で予備室２０の置換を完了させることができる。

連結室３０は、結晶成長装置１の使用状態において、常に不活性ガスが充満した状態に保たれている。即ち、連結室３０は、結晶成長装置１の使用状態において、第２バルブ３２及び第５バルブ３６が開放された状態であり、常に不活性ガスが充満した状態に保たれている。連結室３０とは別に予備室２０を設けることによって、半導体下地層を搬入するときに外部に開放される部分を予備室２０に限定することができる。このため、連結室３０を常に不活性ガスが充満した状態に保つことができ、大気から不活性ガスに置換する時間を短縮することができる。

予備室２０の置換工程が終了すると、図２に示すように、半導体下地層は、イソプロピルアルコールに浸漬された状態で連結室３０に搬入される（連結室３０への搬入工程）。連結室３０に搬入された半導体下地層は、イソプロピルアルコールから取り出される。取り出された半導体下地層の表面には、吐出手段３４から吐出する不活性ガスが吹き付けられる（不活性ガスを用いた乾燥工程）。これにより、半導体下地層の表面を短時間で乾燥させることができる。

反応室４０は、乾燥工程が終了するまでに、不活性ガスによって置換されている。反応室４０は、乾燥工程が終了するまでに、第３バルブ４２及び第６バルブ４６が開放され、室内が不活性ガスによって置換されている。

乾燥工程が終了すると、図２に示すように、半導体下地層は、反応室４０に搬入され、サセプタ４４上に載置される（反応室４０への搬入工程）。サセプタ４４に半導体下地層が載置されると、第３バルブ４２が閉じられるとともに第７バルブ５２が開放され、原料ガス供給装置５０が水素及びアンモニアを反応室４０に導入する。さらに、サセプタ４４の温度を昇温させ、半導体下地層の表面の自然酸化膜を除去する。サセプタ４４の昇温条件は、１０５０℃、１０分である。

次に、図２に示すように、原料ガス供給装置５０は、反応室４０にトリメチルガリウム（TMGa）をさらに導入する（結晶成長工程）。これにより、アンモニアとトリメチルガリウムが反応し、半導体下地層の表面に窒化ガリウムの半導体層が結晶成長する。

このように、上記の結晶成長方法では、洗浄工程によって、半導体下地層の表面に取り込まれていたシリコンが除去される。洗浄後の半導体下地層をアルコール液に浸漬することによって、半導体下地層の表面に大気からシリコンが取り込まれることを抑制することができる。次に、浸漬された状態で半導体下地層を予備室２０に搬入し、その予備室２０内を大気から不活性ガスに置換する。このため、予備室２０内の半導体下地層は、大気から遮断される。半導体下地層は、不活性ガスで充満された連結室３０内で液体から取り出され、乾燥工程が終了した後に反応室４０に搬入される。その後に、半導体下地層の表面に半導体層を結晶成長する。したがって、上記結晶成長方法によると、洗浄の終了後から結晶成長を開始するまで、半導体下地層の表面が大気に曝されないように処理されている。このため、上記結晶成長方法によると、半導体下地層の表面に高濃度なｎ型領域が形成されない。

上記の結晶成長方法は、III-V族化合物半導体を用いた半導体スイッチング素子、半導体発光素子、半導体受光素子等の製造に利用することができる。以下、その一例として、図４に示す半導体スイッチング素子１００を説明する。

図４は、半導体スイッチング素子１００の要部断面図を模式的に示している。半導体スイッチング素子１００は、ヘテロ接合部１３２を有する縦型の素子である。半導体スイッチング素子１００は、ドレイン電極１２２と、ドレイン層１２４と、ドリフト層１２６と、埋込み層１２８と、ソース領域１５２と、ヘテロ接合部１３２と、ゲート電極１４４と、ソース電極１５４を備えている。

ドレイン電極１２２は、チタン（Ti）とアルミニウム（Al）の積層で構成されている。ドレイン層１２６は、ｎ^＋型の窒化ガリウム（GaN）で形成されており、ドレイン電極１２２に電気的に接続している。ドリフト層１２６は、ｎ⁻型の窒化ガリウムで形成されている。埋込み層１２８は、ｐ^＋型の窒化ガリウムで形成されている。ソース領域１５２は、ｎ^＋型の窒化ガリウムで形成されている。

ヘテロ接合部１３２は、ソース領域１５２の間に亘って伸びている。ヘテロ接合部１３２は、半導体下層１３４と半導体上層１３６を有している。半導体下層１３４は、窒化ガリウムで形成されている。半導体上層１３６は、窒化ガリウム・アルミニウム（Al_0.3Ga_0.7N）で形成されている。半導体上層１３６の結晶構造にはアルミニウムが含まれており、そのバンドギャップは半導体下層１３４のバンドギャップよりも広い。図３に示すように、ヘテロ接合部１３２の半導体下層１３４の一部１３４ａは、埋込み層１２８を貫通してドリフト層１２６にまで伸びている。半導体下層１３４と半導体上層１３６は、実質的に不純物が含まれていない。シリコンのキャリア濃度は、約１×１０¹⁶cm^-3以下に調整されている。

ゲート電極１４４は、ゲート絶縁膜１４２を介してヘテロ接合部１３２に対向している。ゲート電極１４４は、ニッケル（Ni）で形成されている。ゲート絶縁膜１４２は、酸化シリコンで形成されている。ソース電極１５４は、チタンとアルミニウムの積層で構成されている。ソース電極１５４は、ソース領域１５２に直接的に接触しており、埋込み層１２８にコンタクト層１５６を介して接触している。コンタクト層１５６は、例えばニッケルで形成されている。

次に、半導体スイッチング素子１００の動作を説明する。
ゲート電極１４４に正の電圧が印加されると、ヘテロ接合部１３２の界面に２次元電子ガスが誘起され、ソース領域１５２からその２次元電子ガスに沿って電子が横方向に走行する。ソース領域１５２から２次元電子ガスに沿って横方向に走行してきた電子は、半導体下層１３４の一部１３４ａを縦方向に流れ、ドリフト層１２６を介してドレイン層１２４にまで流れる。これにより、半導体スイッチング素子１００では、ソース電極１５４とドレイン電極１２２の間が導通する。

次に、半導体スイッチング１００の製造方法を説明する。まず、図５に示すように、ドレイン層１２４とドリフト層１２６と埋込み層１２８が積層した半導体下地層を用意する。次に、リソグラフィー技術を利用して、半導体下地層の表面にマスク１６２をパターニングする。マスク１６２の一部には開口が形成されている。

なお、ドリフト層１２６と埋込み層１２８は、MOCVD法を利用して、ドレイン層１２４上に結晶成長することによって形成することができる。この結晶成長でも、図２に示す本実施例の結晶成長方法を利用してもよい。ただし、ドレイン層１２４とドリフト層１２６の界面に高濃度なｎ型領域が形成されたとしても、電気的特性にそれほど致命的な影響を与えるものではない。したがって、製造工程の簡略化という点で、ドリフト層１２６と埋込み層１２８の結晶成長は、通常の結晶成長方法を実施するのが望ましい。

次に、図６に示すように、ＲＩＥ技術を利用して、埋込み層１２８を貫通してドリフト層１２６にまで達するトレンチ１７２を形成する。
次に、図２に示す本実施例の結晶成長方法を利用して、図７に示すようにトレンチ１７２の底面において露出しているドリフト層１２６から窒化ガリウムを結晶成長して半導体下層１３４を形成する。即ち、半導体下層１３４を結晶成長するのに先立って、半導体下地層の洗浄工程、アルコール浸漬工程、予備室への搬入工程、予備室の置換工程、連結室への搬入工程、不活性ガスを用いた乾燥工程、反応室への搬入工程を実施する。

このため、図７に示すように、図示１２６ａに示す領域に高濃度なｎ型領域が形成されない。仮に、図２に示す結晶成長方法を利用しないで従来の結晶成長方法を用いて半導体下層１３４を形成すると、図示１２６ａの領域にシリコンが取り込まれ、図示１２６ａの領域に高濃度なｎ型領域が形成されてしまう。半導体スイッチング素子１００の図示１２６ａの領域は、オフしたときに空乏層が伸びる領域である。この領域１２６ａに高濃度なｎ型領域が形成されると、空乏層が広く伸びることができず、電界が集中してしまう。このため、図示１２６ａの領域に高濃度なｎ型領域が形成されると、半導体スイッチング素子１００の耐圧が低下してしまう。また、図示１２６ａの領域に高濃度なｎ型領域が形成されると、オフ時において図示１２６ａの領域を介してソース・ドレイン間のリーク電流が増加してしまう。本実施例の結晶成長方法を利用すれば、図示１２６ａの領域に高濃度なｎ型領域が形成されないので、半導体スイッチング素子１００の耐圧を向上させることができる。また、オフ時のリーク電流を低減することもできる。

（検証実験結果）
本実施例に係る結晶成長方法を実験により検証した。まず、図８に示すように、サファイア基板２２０と、緩衝層２４０と、ＧａＮ層２６０が積層した半導体下地層を用意した。次に、図２に示す本実施例の結晶成長方法を利用して、図９に示すように、ＧａＮ層２６０の表面にＧａＮ表面層２８０を結晶成長させた。次に、ＧａＮ表面層２８０の表面にインジウムの表面電極２９２，２９４を形成した。なお、比較例では、図２に示す結晶成長方法を利用しないで従来の結晶成長方法を用いてＧａＮ表面層２８０を形成した。

図１０に、表面電極２９２，２９４間の電流−電圧特性を測定した結果を示す。本実施例では、表面電極２９２，２９４間に電圧を印加しても、表面電極２９２，２９４間に電流が流れなかった。一方、比較例では、表面電極２９２，２９４間に電圧を印加すると、表面電極２９２，２９４間に電流が流れた。これは、ＧａＮ層２６０とＧａＮ表面層２８０の界面に高濃度なｎ型領域が形成され、そのｎ型領域を介して表面電極２９２，２９４間に漏れ電流が流れたからである。

図１１に、ＳＩＭＳ（Secondary Ionization Mass Spectrometer）分析の結果を示す。横軸は、ＧａＮ表面層２８０の表面からの深さであり、縦軸はシリコン濃度を示す。図１１に示すように、本実施例及び比較例のいずれにおいても、ＧａＮ層２６０とＧａＮ表面層２８０の界面近傍において、シリコン濃度のピークが存在する。しかしながら、本実施例のシリコン濃度は、比較例のシリコン濃度の１／３以下にまで低下している。これにより、本実施例の結晶成長方法は、シリコンの取り込みを抑制するのに極めて有用であることが実証された。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

結晶成長装置の構成の概略を示す。 本実施例の結晶成長方法の手順を示す。 洗浄工程の手順を示す。 本実施例の結晶成長方法が適用される半導体スイッチング素子の断面図を示す。 図４に示す半導体スイッチング素子の製造過程を示す（１）。 図４に示す半導体スイッチング素子の製造過程を示す（２）。 図４に示す半導体スイッチング素子の製造過程を示す（３）。 検証実験に用いた半導体下地層の断面図を示す。 検証実験に用いた構造体の断面図を示す。 実証実験で得られた電流−電圧特性の結果を示す。 実証実験で得られたＳＩＭＳ分析の結果を示す。

符号の説明

１０：置換ガス供給装置
２０：予備室
３０：連結室
３４：吐出手段
４０：反応室
５０：原料ガス供給装置

Claims (8)

1. III-V族化合物半導体の半導体下地層の表面にIII-V族化合物半導体の半導体層を結晶成長させる方法であって、
   シリコンをエッチング可能なエッチング材を利用して前記半導体下地層の表面を洗浄する工程と、
   洗浄後の前記半導体下地層を液体に浸漬する工程と、
   浸漬された状態で前記半導体下地層をガス置換室に搬入する工程と、
   ガス置換室内を大気から置換ガスに置換する工程と、
   ガス置換室に連結する反応室に液体から取り出した前記半導体下地層を搬入する工程と、
   反応室内で前記半導体下地層の表面に前記半導体層を結晶成長させる工程と、を備えており、
   前記置換ガスは、シリコン濃度が０．２ppm以下である結晶成長方法。
2. 液体から取り出した前記半導体下地層の表面を、置換ガスに置換されたガス置換室内で置換ガスを吹付けることによって乾燥させる工程をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の結晶成長方法。
3. 前記液体は、アルコール液であることを特徴とする請求項１又は２に記載の結晶成長方法。
4. 前記置換ガスは、窒素ガス、アルゴンガス、又はヘリウムガスから選択されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の結晶成長方法。
5. 前記III-V族化合物半導体は、窒化物半導体であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の結晶成長方法。
6. 前記窒化物半導体は、一般式がAl_xGa_yIn_1-x-yN（0≦X≦1、0≦Y≦1、0≦X+Y≦1）で表されることを特徴とする請求項５に記載の結晶成長方法。
7. 結晶成長用原料ガスが供給される反応室と、
   室内を大気から置換ガスに置換可能なガス置換室と、を備えており、
   前記ガス置換室は、連結室と予備室を有しており、
   前記連結室は、前記反応室と前記予備室を連結しており、前記予備室から前記反応室へ半導体下地層を搬送する搬送手段を有し、
   前記予備室は、置換ガスの導入口と、室内からガスを排出する排出手段を有している結晶成長装置。
8. 前記連結室は、置換ガスを吐出する吐出手段を有していることを特徴とする請求項７に記載の結晶成長装置。

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