JP2012231156A - Ｉｖ族基板表面上での窒化物半導体素子の層構造 - Google Patents

Abstract

【課題】ＩＶ族基板表面の混合結晶上に結晶性を向上させたＩＩＩ族窒化物層構造を有する窒化物半導体素子を提供する。
【解決手段】立方晶のＩＶ族基板材料のＩＶ族基板表面を有する基板上にエピタキシャル堆積されている、ＩＩＩ族窒化物層構造を有する窒化物半導体素子であって、ＩＶ族基板表面が、Ｃ２対称性の単位格子を有するが、Ｃ２対称性より高度の回転対称性の単位格子は有さない｛ｎｍｌ｝表面［式中、ｎ、ｍはゼロ以外の整数であり、かつｌ≧２］であるようにする。
【選択図】図１−２

Description

本発明は、ＩＶ族基板表面、例えばシリコン、ゲルマニウム、ダイヤモンド、またはＩＶ族半導体の系内の混合結晶上にＩＩＩ族窒化物層構造を有する窒化物半導体素子に関する。

（１１１）基板表面を有するシリコン基板上にエピタキシャル成長されたＣ軸配向性窒化ガリウムＧａＮは、現在従来技術であり、かつ市販で利用可能である。

より近年の開発により、Ｓｉ（１００）基板表面上でのエピタキシャル成長も可能ではあるが、結晶品質が劣る。この際に興味深いのは、マイクロ電子工学での適用のために、ＩＩＩ族窒化物層構造に対して基板表面としてＳｉ（１００）表面を使用することである。なぜならば、こうして例えば、シリコン電子工学にＧａＮベースの素子を組み込むことが容易になるからである。

さらに、基板表面での成長について述べる際には（当業界の用語では一般的なのだが）、この成長がエピタキシャルに行われる、または行われたことから始めるべきであろう。エピタキシャル堆積された層は、公知のように基板の格子構造を引き継ぎ、この基板上にその層を成長させるか、もしくはこの層により所与の対称性に配向されているか、そして格子不整合にも従って、厚さに関して単分子層からマイクロメーターまで格子定数を引き継ぐ。従って以降「エピタキシャル」という言葉は、基板表面での成長について述べている場合、必要に応じて付加的に言及しているのではない。公知の非エピタキシャルな堆積方法、例えばスパッタリングは、非晶質の、または多結晶の、最良の場合はテクスチャ加工された（ｔｅｘｔｕｒｉｅｒｔ）層（ただし単結晶層ではない）を生成させることができるが、これは今日の技術水準では光学電子素子には適していない。

ゲルマニウムやダイヤモンド上でのＩＩＩ族窒化物の成長は、個別に報告されており、かつ同様に窒化物半導体素子の特定の適用例に対していくらかの利点がある。これらの利点は例えば、いわゆるメルトバックエッチングが起こらないこと、およびダイヤモンドの場合は熱伝導性が予想以上に高いことである。ダイヤモンドおよびゲルマニウムの基板材料としての欠点は、一般的にシリコンと比較して明らかに値段が高いことであり、そしてゲルマニウムの場合はその上、融点が１０００℃以下と比較的低いことである。

シリコン（１１１）上、およびとりわけシリコン（００１）上に製造されたＩＩＩ族窒化物半導体層の品質は、未だにシリコン上で大規模に使用される六方晶構造のサファイア基板もしくはＳｉＣ基板の品質よりも一般的に良くない。品質が比較的劣る理由は、ＧａＮ結晶の格子整合、もしくは場合により種層として使用されるＡｌＮ結晶の格子整合がシリコン表面上で比較的不良なこと、とりわけそのねじれ（「ツイスト」とも呼ばれる）である。これによりまた、１μｍの層成長後、たいてい１０⁹ｃｍ^-2以上の刃状転位密度が生じてしまう。

薄膜素子、例えば高効率のＬＥＤ、ＦＥＴ、またはＭＥＭＳをＳｉ（１００）上に製造することは、その不良な結晶性が原因で、そしてＳｉ（１１１）上でエッチングによる基板の除去が非常に困難であることにより、実現するのが非常に難しく、これは例えばセンサー技術適用のためのシリコンの局所エッチングによる微小構造のエッチングアウト（Ｈｅｒａｕｓａｅｔｚｅｎ）でも同様である。この際Ｓｉ（１１１）上では、非常に攻撃的な溶媒、例えば濃縮されたＨＦ、および濃縮されたＨＮＯ₃をベースとするものによる結晶面の湿式化学的なエッチングのみが可能であり、このことにより薄膜適用の際、取り扱い、および転写基板（Ｔｒａｎｓｆｅｒｓｕｂｓｔｒａｔ）と転写層（Ｔｒａｎｓｆｅｒｓｃｈｉｃｈｔ）の保護が非常に困難になる。

本発明の課題は、従来技術が有する上記問題点を有さない、ＩＶ族基板表面の混合結晶上にＩＩＩ族窒化物層構造を有する窒化物半導体素子を提供することである。

上記の問題は、本発明の第一の態様に従って、立方晶のＩＶ族基板材料のＩＶ族基板表面を有する基板上にエピタキシャル堆積されている、ＩＩＩ族窒化物層構造を有する窒化物半導体素子により解決することができ、この際、ＩＶ族基板表面は、表面再構成を考慮せずにＣ２対称性の単位格子（Ｅｌｅｍｅｎｔａｒｚｅｌｌｅ）を有するが、Ｃ２対称性より高度の回転対称性の単位格子は有さない（この際、ＩＩＩ族窒化物層構造は、ＩＶ族基板表面と直接隣接するところに、ＧａＮもしくはＡｌＮから、または三元もしくは四元のＡｌ_1-x-yＩｎ_xＧａ_yＮ［ただし、０≦ｘ、ｙ＜１、かつｘ＋ｙ≦１］から成るシード層を有する）。つまりシード層は後者の場合、ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、またはＡｌＧａＮから製造されている。

ここで窒化物半導体素子と呼ぶのは、ＩＩＩ族窒化物層構造を有するものである。ＩＩＩ族窒化物層構造とは、様々な実施例でＩＩＩ族窒化物層を１つ、またはＩＩＩ族窒化物層を多数含む層構造である。つまりＩＩＩ族窒化物層構造は１つの実施態様では、唯一のＩＩＩ族窒化物層構造から成っていてもよい。ＩＩＩ族窒化物層は、少なくともＩＩＩ族元素と窒素とを含む化合物（英語では「ｃｏｍｐｏｕｎｄ」）から成る材料層である。窒素の他にまたさらに他のＶ族元素が、いずれの場合も窒素が材料のＶ族原子に対して少なくとも５０％であるような量で含まれていてよい。ＩＩＩ族元素の原子と、Ｖ族元素の原子との比は、ＩＩＩ族窒化物中で１：１である。窒素とは異なる他のＶ族元素の添加混合は、格子不整合をさらに減少させるために有用であり得るが、しかしながら窒化物半導体素子をその都度適用する必要性にのみ負うこともある。

ＩＶ族基板表面とは、ＩＶ族基板材料、すなわち１またはそれ以上のＩＶ族元素から成る基板表面形成剤料により形成される基板表面である。つまりＩＶ族基板材料は、Ｃ_1-x-yＳｉ_xＧｅ_y［ただし、０≦ｘ、ｙ＜１、かつｘ＋ｙ≦１］の系に属する。ＩＶ族基板表面は窒化物半導体素子中で、定義のために理想的と思われる、ＩＶ族材料とＩＩＩ族窒化物層構造との界面を形成する。ＩＶ族基板表面とは、例えば異種基板上、またはＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）タイプの基板上にある、ＩＶ族材料から成るウェハの表面、または薄膜の表面であってよい。

Ｃ２対称は、ユークリッド平面で有限回転対称群に属する。この対称は離散的な対称群を形成し、この対称操作は変位（Ｖｅｒｓｃｈｉｅｂｕｎｇ）も、鏡映も含まないが、１８０°の倍数による点についての回転は含む。他の言葉を用いれば、ＩＶ族基板表面はＩＶ族原子の単位格子により形成された基板表面により特徴付けられ、この際単位格子は３６０°の回転の場合は二つに、すなわち１８０°に分割され、ならびにその複数倍で形成される。従ってＣ２対称性の存在と言う場合は、２回対称性（英語でｔｗｏｆｏｌｄ ｓｙｍｍｅｔｒｙ）のことでもある。Ｃ２対称性を有し、かつそれ以上の回転対称性を有さない単位格子は、（僅かな）一回対称性、すなわちＣ１対称性と、２回対称性、つまりＣ２対称性を有するが、それ以上の回転対称性、例えばＣ３もしくはＣ４対称性は有さない。公知のようにＣ１とは、ただ１つの要素と同一性を有する、完全に非対称性の物体の対称群である。

ＩＶ族基板表面の単位格子の対称性を測定するために、本発明の明細書および請求項の範囲における概念的な定義のために、場合により行われる表面再構成は考慮しない。これはとりわけ、ＩＶ族基板材料が仮想断面で基板表面に平行な平面で同様にＣ２対称性の単位格子を有するが、Ｃ２対称性より高度の回転対称性の単位格子は有さないことを意味する。本願の範囲では表現を簡単にするため、このような基板表面もまた、（単に）２回対称性と呼ぶ。

表記について述べておくが、本願では丸括弧により、基板表面の特定の結晶配向性を示す。例：Ｓｉ（１１０）。波括弧は基板表面の配向性の群を示し、これらは等価である。そこでＳｉ｛１１０｝表面という表記は、Ｓｉ（１１０）表面に対して等価なすべてのＳｉ表面を表す。普通の角括弧は方向を示し、例えば［１１０］方向は、（１１０）表面に対して垂直な平面にある。山括弧は等価な方向の群を示し、そこで例えば＜１１０＞方向の群は、［１１０］方向も含む。

Ｃ２対称性の単位格子を有するが、Ｃ２対称性より高度の回転対称性の単位格子は有さないＩＶ族基板表面の利点は、一方向でＩＩＩ族窒化物に対して格子整合が特に高いこと、ひいては特に高い結晶学的品質を有するＩＩＩ族窒化物層構造の単結晶性エピタキシャル堆積が可能になることである。これによりＩＩＩ族窒化物層構造における欠陥密度が減少し、このことにより窒化物半導体素子の導電性と耐用期間を改善させることができる。

さらに、２回対称性のみを有するＣ_1-x-yＳｉ_xＧｅ_y［ただし、０≦ｘ、ｙ＜１、かつｘ＋ｙ≦１］の表面を使用する本質的な付加的利点は、湿式化学的エッチングが容易になることである。これにより担体に接着された窒化物半導体素子層の剥離が容易になり、この層を薄膜としてさらに加工するのが望ましい。従ってシリコンを使用する場合、２回対称性のみを有する表面を使用することにより、新たな担体に対する接着プライマー層、しばしばＡｕ／Ｓｎのような金属層を、高コストな耐酸性物質により保護するという労力が不要になる。

権利主張する窒化物半導体素子はこの態様において、ＩＩＩ族窒化物層構造上に配置されている、ＩＶ族基板材料を有する基板を後の方法工程で剥離することによって、薄膜窒化物半導体素子のための中間生成物を形成する。

以下の説明は、シリコンを基板材料として使用するたいていの実施例を含む。しかしながらこれは、本発明の適用可能性の限定と理解されるべきではない。本発明は、総体的な系Ｃ_1-x-yＳｉ_xＧｅ_y［ただし、０≦ｘ、ｙ＜１、かつｘ＋ｙ≦１］のための基板材料に関して適用可能である。シリコンとは異なるＩＶ族基板材料の場合、基板表面には公知のように、結晶格子の他の格子パラメータが存在する。

特定の格子パラメータのまとまりが、すべてのＩＩＩ族窒化物に対して同じように有利な格子整合をもたらすわけではない。従って、様々なＩＩＩ族窒化物層構造には、最大２回対称性の、１またはそれ以上の様々な基板表面を有する様々なＩＶ族材料が適している。本発明によれば、窒化物半導体素子のＩＩＩ族窒化物層構造は、ＩＶ族基板表面と直接隣接するところにシード層Ａｌ_1-x-yＩｎ_xＧａ_yＮを有する。この際、０≦ｘ、ｙ＜１、およびｘ＋ｙ≦１が当てはまる。そこで例えば、幾つかの２回対称性のＩＶ族基板表面に対しては、格子パラメータの比率が原因となって、シード層にその都度最良に適している二元、または三元、または四元の材料が選択可能である。ＩＶ族基板表面と、その上に堆積させるべきＩＩＩ族窒化物層構造とを適切に組み合わせて構成する際には、それぞれの窒化物半導体素子に必要となる特性を考慮しつつ、それぞれ問題となるＩＶ族基板表面の、および問題となるＩＩＩ族窒化物のそれ自体公知の格子パラメータを考慮しなければならない。

ａ）〜ｃ）は、それぞれＡｌＮ被覆を有する、ａ）シリコン（１００）表面、ｂ）シリコン（１１０）表面、およびｃ）シリコン（１１１）表面を上から見た図である。 ＩＩＩ族窒化物層構造を有する窒化物半導体素子の実施例の断面図である。 ａ）〜ｆ）は、窒化物半導体素子製造法の実施例の異なる段階である。

以下に、本発明の窒化物半導体素子の実施例を記載する。

ＡｌＮ、または少なくとも８０％という高いＡｌ含分を有するＡｌ_1-x-yＩｎ_xＧａ_yＮタイプのＩＩＩ族窒化物、ある実施例ではほぼ純粋なＡｌＮは、窒化物半導体素子の幾つかの実施例ではＩＩＩ族窒化物層構造においてシード層としてＩＶ族基板表面上で直接使用する。こうして得られるＩＶ族基板表面とシード層の間の僅かな格子不整合は、多数の様々な窒化物半導体素子においてＩＩＩ族窒化物構造の結晶品質のために非常に重要である。一方で結晶品質は、（光学）電子素子の性能パラメータと寿命に影響を与える。

Ｓｉ（１１０）表面の実施例に対しては、ＡｌＮがシード層に適した材料である。しかしながら、ＧａＮに対するＳｉ（１１０）表面の格子整合も、また良好である。ここで格子不整合は、ＡｌＮの場合にも僅かな不整合しかない方向で約２％、かつ他の方向では約１６．９％である。

ＭＯＶＰＥ（ｍｅｔａｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔａｘｙ、有機金属気相エピタキシー）を使用する際、成長させるＩＩＩ族窒化物層のガリウム含分が比較的高い場合は不所望のメルトバックエッチングが起こることがある。メルトバックエッチングとは、成長させるＩＩＩ族窒化物層のガリウムと、基板材料のシリコンとの反応と理解される。従って基板材料としてのＳｉ上で、ＩＩＩ族元素に対してシード層のＡｌ含分は、とりわけＭＯＶＰＥを使用してメルトバックエッチングを回避する場合、幾つかの実施例では、含まれるＩＩＩ族原子の総数に対する比で９０％、またはそれ以上であり、そしてＧａ含分はこれに相応して最高１０％である。

１つの実施例では、ＩＶ族基板材料としてＳｉとＧｅとの合金が存在している。この基板材料により、メルトバックエッチングを起こす可能性が低い堆積が得られる。相応して選択されたＳｉＧｅ合金は他にも、ＧａＮシード層の特に良好な格子整合を可能にする。

基板材料としてダイヤモンドまたはＧｅを使用することによっても、メルトバックエッチングが避けられる。

１つの実施態様においてＩＶ族基板表面は、Ｓｉ（１１０）表面である。この表面は、１方向ではｃ軸配向性の、およびｍ平面のＡｌＮに対して非常に僅かな格子不整合を有し、そしてこれによりＩＩＩ族窒化物層構造の層のより良好な配向性を基板上で可能にする。ＡｌＮに対する格子不整合の点で同様に有用な特性により、他のＩＶ族｛１１０｝基板表面を有するＩＶ族基板材料が使用可能になる。

Ｓｉ（１１０）基板表面を有する基板の利点はとりわけ、この基板が市販で多数得られ、従って、容易かつ僅かなコストで調達できることである。

｛１１０｝基板表面に対する選択肢としては、２回対称性の他のＩＶ族基板表面が使用可能であり、従って類似の対称性を有するものでもよい。従って、他の実施例を形成するための｛１２０｝ＩＶ族基板表面、およびまた、｛ｎｍ０｝［式中、ｎ、ｍはゼロ以外の整数］のタイプのより高位の表示の他の面も、品質の高いＩＩＩ族窒化物層構造の成長、例えばまたＧａＮ層のような品質の高いＩＩＩ族窒化物の単層を成長させるために興味深い。この際重要になるのはまた、｛ｎｍｌ｝のタイプの面［式中、ｎ、ｍはゼロ以外の整数（英語ではＩｎｔｅｇｅｒ）であり、かつｌ≧２］である。

本発明の第二の態様によれば、窒化物半導体素子の製造方法は、立方晶構造を有するＩＶ族基板材料のＩＶ族基板表面へのＩＩＩ族窒化物層構造のエピタキシャル堆積を含む。この際、ＩＩＩ族窒化物層構造をＩＶ族基板表面に堆積させ、概念的な定義のために表面再構成は考慮せずに、この表面はＣ２対称性を有するが、それより高度の回転対称性は有さない単位格子を有し、そしてこの際ＩＶ族基板表面に直接隣接するところに、ＡｌＮ、ＧａＮから、または三元、もしくは四元のＡｌ_1-x-yＩｎ_xＧａ_yＮ［ただし、０≦ｘ、ｙ＜１、かつｘ＋ｙ≦１］から成るシード層をエピタキシャル堆積させる。

本発明による方法の利点は、本発明の第一の態様の窒化物半導体素子の利点に相応する。

実施例においてこの方法は、ＩＩＩ族窒化物層構造の堆積後、部分的に、または完全に乾式もしくは湿式化学的に基板を除去することを含む。この実施例により、窒化物半導体素子のための有用な薄膜技術の実現化が成功する。

以下に本発明を、さらなる実施例を用いて図を援用して記載する。

図１は、窒化物半導体素子の実施例の説明のため、および従来技術から得られる解決法との比較のために、それぞれＡｌ_1-x-yＩｎ_xＧａ_yＮ［ただし、０≦ｘ、ｙ＜１、かつｘ＋ｙ≦１］の被覆を有する、ａ）シリコン（１００）表面、ｂ）シリコン（１１０）表面、およびｃ）シリコン（１１１）表面の形で、ＩＶ族基板表面を上から見た図を示す。この際、本発明の実施例に関連するのは１ｂ）のみであり、その他二つの図１ａ）と１ｃ）は比較のために、従来技術で既に使用されている基板表面との関係性を表す。１方向での最良の格子整合は、Ａｌ_0.97Ｉｎ_0.03Ｎ、およびＡｌ_0.78Ｇａ_0.22Ｎに対して三元材料を使用する際に得られる。この際すでに、ＧａとＩｎの僅かな添加混合は、材料パラメータを改善させるために非常に有用である。四元材料を使用する際、理想的なＩｎ濃度、およびＧａ濃度は、相応してより低くなる。しかしながらまた、より高い濃度も可能であり、加工法によっては有利である。と言うのはこの時、［１−１０］方向での格子不整合も（これに対して垂直方向へのコストにもかかわらず）減少しているからである。

図１で黒丸は、シリコン（１１０）基板表面上でのケイ素原子の位置を表し、そして白丸は、その上に堆積させたＡｌ_1-x-yＩｎ_xＧａ_yＮ被覆の窒素原子の、またはアルミニウム原子の位置を表す。Ａｌとは異なるＶ族元素の描き分けは、図の簡略化のため省略する。しかしながら、この実施例は三元、または四元の合金を使用すると理解される。つまり現実的には純粋なＡｌＮのことではなく、むしろ幾つかの実施例ではＡｌ含分が高い、三元または四元のシード層である。「種層」、および「シード層」という言葉は、本願の範囲では同義に用いる。

シリコン基板表面のＡｌ_1-x-yＩｎ_xＧａ_yＮ被覆は、本発明の実施例の図１ｂ）において、ＧａＮの成長のためによく使用されるように、ＩＩＩ族窒化物層構造の成長の当初、基板表面にシード層を形成する。

以下の考察は、例示的なものと理解されるべきである。慣用のＳｉ｛１１０｝の代わりに（この後この上に好ましくはｃ軸配向性のＡｌＮを生成させるのだが）、ＩＶ族基板表面材料と、その上に成長させるＩＩＩ族窒化物層構造の材料との他の組み合わせもまた、説明のために使用することができるだろう。

Ａｌ原子は、六角形型の単位胞の頂点に配置されている。Ａｌ_1-x-yＩｎ_xＧａ_yＮの単位胞を形成する六角形の角の短い方の距離は、

の方向に伸びている。この距離は、ＡｌＮの理想的ではない使用の際には５．４１Åであり、そして例えばＡｌ_0.97Ｉｎ_0.03Ｎ、またはＡｌ_0.78Ｇａ_0.22Ｎにより５．４３Åで０％の不整合に減少させることができ、このことによってＡｌＮ種層の使用に対して改善された層特性が得られる。Ｓｉ単位胞の短い方の距離は〈１００〉方向に伸びており、かつ５．４３Åである。つまり不整合は、

の方向であらゆる二つの網面を観察すると０％、これに対してＡｌＮの場合は０．３７％である。

しかしながら

に対しては、不整合はぎりぎり１８〜１９％でしかなく、この材料に対しては公知の基板表面Ｓｉ（１１１）上でも同様である。これはつまり１方向では、単位格子のＣ２対称性を有さない他の立方晶基板材料と比較して、表面で非常に良好な格子整合があるということである。この１方向での非常に良好な整合は、結晶品質に肯定的な影響を与える。

表面再構成（図１ａ）には記載していない）を考慮するならば、僅かな格子不整合は、ＡｌＮに対する

方向に関してＳｉ（１００）上に存在しているように思えた。しかしながらこれは、より詳しく観察すると比較的大きな表面部分には当てはまらない。このシリコン表面の場合には、このシリコン表面に存在する４回（英語ではｆｏｕｒｆｏｌｄ）対称性（Ｃ４）に基づく９０°の回転操作に対しても、単位格子の回転対称性における困難性がある。まずＳｉ（１００）表面に、特定の再構成、例えば（２×１）再構成によって好ましい方向を与える。Ｓｉ（１００）表面上にはしかしながら、均一な再構成は存在しない。むしろ、異なる再構成を有する小さな表面部分が存在するだけであり、そのうち５０％が（２×１）であり、および５０％が（１×２）である。つまりこの条件下では、この表面があらゆる場合において小さな部分では好ましい方向を有し、ひいてはＣ２対称性を有する。これらの部分は単結晶性のエピタキシャル成長には適していない。従って改善された格子整合の利点は、表面再構成を考慮せずに、Ｃ２対称性は有するが、Ｃ２対称性より高位の回転対称性は有さない単位格子を有するＩＶ族基板表面上でのみ得られる。

例えば（１１０）のような、｛ｎｍ０｝または｛ｍｎｌ｝のタイプの２回対称性のみを有する面の場合、強度に刻み込まれた原子結合の、例えばケイ素結合のジグザグ構造が好ましい方向を形成し、図１に示されているように、この方向が成長させるＡｌ（Ｇａ，Ｉｎ）Ｎのねじれに対する一義的な基準を形成する。Ａｌ（Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ単位胞の原子は、ここでほぼ常にケイ素原子のそばに、ひいては潜在的な結合のそばにある。９０°だけ回転させた単位格子を有するＡｌ（Ｇａ，Ｉｎ）Ｎを成長させるためには、たいていはＳｉ上でＡｌ（Ｇａ，Ｉｎ）Ｎの偶然の整合があるのみだが、この整合は規則的ではなく、かつ整合があったとしても比較的短い距離にわたってしかなく、ならびに結合可能性はより低い。

２回対称性を有する秩序性が高いたいていの面で、同様に好ましくはｃ軸配向性を有するＡｌＮが成長する。

｛ｎｍｌ｝表面［式中、ｎ、ｍはゼロ以外の整数であり、かつｌ≧２］を有するＩＶ族基板表面のために、

に対して類似の格子整合がシリコンの場合は幾分不良になるのだが、品質の高い窒化物半導体層の堆積のためには完全に充分である。こうして例えば、｛５１１｝面、｛７１１｝面、および｛９１１｝面に対して素晴らしく平滑な窒化物半導体表面が得られる。

ｍ平面の、またはａ平面のＡｌ（Ｇａ，Ｉｎ）Ｎの成長のために、シリコンの場合は｛４１０｝面が有利である。と言うのも、ここでは１０．８６Åごとに構造が繰り返されるからであり、これは、２つの単位胞、Ａｌ_0.97Ｉｎ_0.03Ｎ、またはＡｌ_0.78Ｇａ_0.22Ｎに対してＣ方向では約７．５％の不整合（ＡｌＮに対して８．６％）、垂直方向でｍ平面のＡｌ（Ｇａ，Ｉｎ）Ｎに対しては０％（ＡｌＮに対して０．３７％）と、非常に僅かな不整合値である。この際ａ平面のＧａＮが多い種層に対しては特に、タイプ｛４１ｌ｝の面（ただしｌ≧２）、および｛１１４｝の面が考慮される。と言うのも、これによってより良好な格子整合が得られるからである。

生成する窒化物半導体層は、冷却後の材料の熱的な不整合が原因で、成長の間、事前に応力を掛けること（Ｖｏｒｓｐａｎｎｅｎ）により反作用が起こらない限り、僅かに異方性であり得る引張歪みを有する。これは、結晶配向の対称性が僅かであることが原因であり、この対称性は３回対称性のＳｉ（１１１）（図１ｃ）、または４回対称性のＳｉ（１００）配向性とは異なり、等方性ではない、すなわちＳｉ＜１００＞方向と、Ｓｉ＜１１０＞方向では異なる。従って剥離された層は、異方性の歪みにより認識することができ、これは例えば曲率測定、またはＸ線測定により確認することができる。

シリコンをエッチングするために、アルカリ性のＫＯＨから、ＨＦとＨＮＯ₃のような非常に攻撃的な、そして非常に毒性の高い酸混合物まで様々な可能性がある。前者はＳｉ｛１１０｝表面上で止まり、後者は止まらない。従ってＳｉ（１１１）基板は、後者のエッチング溶液で処理することによって、是認できる時間で湿式化学的に除去することができる。しかしながらこれは、攻撃性の成分により多くの金属を溶解させ、そしてこれにより担体上に接着された窒化物半導体素子層（薄膜としてさらに加工すべき層）の剥離が困難になる。

一般的に、Ｃ_1-x-yＳｉ_xＧｅ_y［ただし、０≦ｘ、ｙ＜１、かつｘ＋ｙ≦１］という２回対称性の表面の使用には、湿式化学的なエッチングを容易にすることができるという付加的な利点がある。（１１１）表面は比較的、通常はより化学的に安定的であり、従って湿式化学的なエッチング工程で除去するのは容易ではない。従ってシリコンを使用する場合、２回対称性のみを有する表面を使用することにより、新たな担体に対する接着プライマー層、しばしばＡｕ／Ｓｎのような金属層を、高コストな耐酸性物質により保護するという労力が不要になる。

本発明は、ＩＩＩ族窒化物層構造を有する任意の窒化物半導体素子に適用可能である。光学的な、光学電子的な、および電気的な素子、例えば発光ダイオード、レーザーダイオード、トランジスタ、およびＭＥＭＳ素子は、適用例として理解されるべきであるが、本発明の適用可能性はこれに限れられない。その利点は、高い結晶品質が得られること、ｃ平面、ａ平面、およびｍ平面のＧａＮの成長、ならびに基板の完全な、または部分的な除去が容易にできることにある。と言うのも、この場合以外では使用されるであろう（１１１）配向性の基板よりも、湿式化学的な除去がより容易に可能になるからである。

図２は、窒化物半導体素子１００の層構造を略図的に示す。窒化物半導体素子１００は、薄膜−窒化物半導体素子の製造の際に中間生成物を形成しうる。

図２での描写は、縮尺に忠実ではない。とりわけ、この図からはそれぞれ描写した層の層厚の正確な比を、相互に特定することができない。図に示した層厚の比はこの点では、単に極めておおまかな手がかりを与えてくれるにすぎない。以降の記載では、説明の簡略化のため、方法的態様を装置的態様と平行して説明する。

窒化物半導体製品１００は、ＩＩＩ族窒化物層構造１０２を、シリコンウェハ１０４上に含む。図１の紙平面に対して垂直な使用ウェハの成長表面は、（１１０）シリコン表面である。シリコンウェハの代わりにまた、ＳＯＩ基板、または任意の他の基板を、好適には（１１０）シリコン表面と共に使用することができる。

図２には、明確さのためＩＩＩ族窒化物層構造１０２の層を区別するために、数字を組み合わせた１０６〜１２２という記号に対して付加的に、文字Ａ〜Ｆが各層の左横に振られている。この際同じ文字は、同じ種類の層であることを示す。それぞれ
Ａ バッファ層と組み合わされた、三元または四元の窒化物シード層、
Ｂ マスク層、
Ｃ 窒化物半導体層、ここではとりわけｎ型のＧａＮ層、
Ｄ マルチ量子井戸構造、
Ｅ ｐドープ型窒化物半導体層、ここではとりわけｐ−ＧａＮ、および
Ｆ 歪み制御のための、低温ＡｌＮ、またはＡｌＧａＮ中間層、
を表す。

より詳しい層構造の細部、およびその製造を、以下に記載する。

層の堆積前に、ウェハ１０４の成長表面をパッシベーション処理する。これは、湿式化学的処理、または真空中もしくは水素下、１０００℃以上の温度で加熱により還元し、そして水素末端の表面を生成させるということである。

シード層１０６は、層厚が１０〜５０ｎｍである。本発明による実施例でその上に堆積させる、方法実施に関しては基本的な、しかしながら選択的なバッファ層と組み合わせて最大４００ｎｍの層厚が生じる。

適切なのは、Ａｌ_1-x-yＩｎ_xＧａ_yＮの種層［ただし、０≦ｘ、ｙ＜１、かつｘ＋ｙ≦１］（シード層とも呼ばれる）であり、これを比較的低い温度、つまり１０００℃以下、例えば６００〜８００℃で、または高温、つまり１０００℃以上というＡｌ_1-x-yＩｎ_xＧａ_yＮの慣用的な成長温度で成長させる。選択的なバッファ層は、好適には同様にＡｌ_1-x-yＩｎ_xＧａ_yＮ、またはＡｌＮから成り、かつ高い成長温度で施与する。バッファ層はまた、ＡｌＧａＮから成っていてもよい。ＡｌＧａＮを使用する際、シード層はまた、より大きな厚さ、例えば約６０ｎｍを有していてもよい。

種層の成長の際に有用なのは、窒素前駆体の供給前に反応器にアルミニウム前駆体を供給し始めることであり、その分だけ基板の窒化物化を妨げることができる。基板の窒化物化は、望ましくない多結晶の成長、すなわちエピタキシャル成長ではない成長につながることがある。

シード層とバッファ層との複合材１０６上に、窒化ケイ素から成るマスク層１０８を堆積させる。この堆積はシリコン前駆体、例えばシランもしくはジシラン、または有機ケイ素化合物と、窒素前駆体、例えばアンモニアもしくはジメチルヒドラジンとを同時に導入することによって行う。成長表面で両方の前駆体が窒化ケイ素を形成しながら反応する。

その上に堆積させるＧａＮ層１１０の層厚は、８００〜１６００ｎｍである。この上に歪み制御のためにアルミニウムを含有する窒化物半導体中間層を、（選択的な）低温ＡｌＮ中間層１１２の形で堆積させる。ここで低温ＡｌＮ中間層は、層厚が８〜１５ｎｍである。

低温ＡｌＮ中間層１１２の挿入によって、一連のさらなるＧａＮ層の成長と低温ＡｌＮ中間層により、ＧａＮ層の全層厚をより厚くすることができる。低温ＡｌＮ中間層１１２には、これに相応して新たな約８００〜１６００ｎｍの厚さの第二のＧａＮ層１１４が続き、再度さらなるＡｌＮ中間層１１５が続く。この上に、第三のＧａＮ層１１６を堆積させる。この上に再度、ＳｉＮから成る第二のマスク層１１７を堆積させる。第二のＳｉＮマスク層１１７は、以降の第四のＧａＮ層１１８における転位密度の低下という作用をもたらす。４つのＧａＮ層１１０、１１４、１１６、および１１８は、ｎドープ型である。このドープは、成長の際に適切なドープ物質前駆体の添加により行う。

第四のＧａＮ層１１８上に、マルチ量子井戸構造を堆積させる。このマルチ量子井戸構造１２０の材料選択と、その正確な層構造は、所望の発光の波長に従って調整する。このために調整可能なパラメータ、例えば層の化学量論、および層厚は、当業者には公知である。公知のように、インジウムの添加により窒化物半導体のバンドギャップは、例えば純粋なＧａＮから出発して、窒化インジウムのバンドギャップの方向に低減される。アルミニウムの添加により、バンドギャップはＡｌＮの値の方向に高められる。このようにして、赤から紫外線までのスペクトル範囲にある所望の波長を有する発光を調整することができる。

マルチ量子井戸構造１２０上には選択的に、図１に描かれていない、厚さ約１０〜３０ｎｍの注入バリアが備えられていてよい。

描写されているのはむしろ、マルチ量子井戸構造１２０と直接連続している、ｐ−ＧａＮから成るカバー層１２２である。

上記の説明は、本発明による窒化物半導体素子の実施例に関するものであった。他の素子、例えば電界効果トランジスタの場合は、層構造の細部がそれ自体公知の方法で調整されていると理解されるべきである。

図３ａ）〜３ｆ）は、図１の窒化物半導体から成る発光ダイオードの製造における様々な工程段階を示している。ここに記載された方法実施は、図１の窒化物半導体の製造と関連している。

この際、窒化物半導体素子１００上にまず表面金属化を行う。このことにより、一方では後続の担体１２６とのボンディングに役立ち、そしてもう一方では生成する素子からの光放出の改善に役立つ。

担体１２６は、銅またはＡｌＳｉから完成されており、かつボンディングに用いるための面１２８にメタリゼーション１３０を有する。図３ｂ）は、ボンディング後の工程段階を示している。ボンディングは２８０℃の温度で行う。このように低温を用いることの利点は、ボンディングの際に熱循環による付加的な歪みが生じないことである。

後続の工程で、Ｓｉウェハ１０４を除去する。これは図３ｃ）に図式的に記載してある。Ｓｉウェハ１０４は、研磨とエッチングにより除去する。エッチングは、湿式もしくは乾式化学的に行うことができる。（１１１）成長表面を有する基板と比べて、その除去は明らかに容易になっている。

図３ｄ）で描写された構造で生じているのは、以前Ｓｉウェハと接合されていたシード層１０６が今は表面を形成し、かつｐ−カバー層１２２がメタリゼーション１２４／１３０と直接結合されている構造である。後続の工程では表面をエッチングにより三次元構造化する。例えばＫＯＨまたはＨ₃ＰＯ₄によるエッチングにより、素子からの光放出を改善させるピラミッド型構造が生じる（図３ｅ）。最終的にコンタクト構造を作成する。発光ダイオードの電流極性のために、陰極コンタクト１３６を表面に、そして陽極性コンタクトを担体に付与する（図３ｆ）。

本発明によれば大きな基板上で層成長が可能であり、かつ大きな素子の製造、または多数の比較的小さな素子の効率的な製造ができるようになる。記載している方法実施は、サファイア基板を使用する際に慣用のレーザー剥離を行わなくてよく、従ってより簡便かつ安価である。単に裏面コンタクトの製造と、素子の個別化前の三次元構造化のためであれば、フォトリソグラフィー工程が必要である。

１００ 窒化物半導体素子、１０２ ＩＩＩ族窒化物層構造、１０４ シリコンウェハ、１０６ シード層、１０８ マスク層、１１０ ＧａＮ層、１１２ 低温ＡｌＮ中間層、１１４ ＧａＮ層、１１５ ＡｌＮ中間層、１１６ ＧａＮ層、１１７ マスク層、１１８ ＧａＮ層、１２０ マルチ量子井戸構造、１２２ カバー層、１２４ メタリゼーション、１２６ 担体、１２８ ボンディング面、１３０ メタリゼーション、１３２ 担体、１３４ 三次元構造化された面、１３６ 陰極コンタクト
Ａ 三元または四元の窒化物シード層、Ｂ マスク層、Ｃ 窒化物半導体層、Ｄ マルチ量子井戸構造、Ｅ カバー層、Ｆ 低温ＡｌＮ、またはＡｌＧａＮ中間層

Claims (10)

1. 立方晶構造を有するＩＶ族基板材料のＩＶ族基板表面を有する基板上にエピタキシャル堆積されている、ＩＩＩ族窒化物層構造を有する窒化物半導体素子において、表面再構成は考慮せずにＩＶ族基板表面がＣ２対称性の単位格子を有するが、Ｃ２対称性より高度の回転対称性の単位格子は有さない（この際、ＩＩＩ族窒化物層構造は、ＩＶ族基板表面と直接隣接するところに、ＧａＮもしくはＡｌＮから、または三元もしくは四元のＡｌ_1-x-yＩｎ_xＧａ_yＮ［ただし、０≦ｘ、ｙ＜１、かつｘ＋ｙ≦１］から成るシード層を有する）ことを特徴とする、窒化物半導体素子。
2. ＩＶ族基板表面が、｛ｎｍ０｝表面［式中、ｎ、ｍはゼロよりも大きい整数である］である、請求項１に記載の窒化物半導体素子。
3. ＩＶ族基板表面が、｛ｎｍｌ｝表面［式中、ｎ、ｍはゼロ以外の整数であり、かつｌ≧２］である、請求項１または２に記載の窒化物半導体素子。
4. ＩＶ族基板表面が、｛１１０｝シリコン表面である、請求項１または２に記載の窒化物半導体素子。
5. ＩＶ族基板表面が、｛１１ｌ｝シリコン表面［式中、ｌ≧２が満たされている］である、請求項１または３に記載の窒化物半導体素子。
6. ＩＶ族基板表面が、｛４１０｝、｛４１１｝、または｛４１ｌ｝シリコン表面［式中、ｌ≧２が満たされている］である、請求項１に記載の窒化物半導体素子。
7. シード層と直接隣接するところに、Ａｌ_1-x-yＩｎ_xＧａ_yＮ［ただし、０≦ｘ、ｙ＜１、かつｘ＋ｙ≦１］から成るバッファ層を有する、請求項１に記載の窒化物半導体素子。
8. 立方晶構造を有するＩＶ族基板材料のＩＶ族基板表面上にＩＩＩ族窒化物層構造をエピタキシャル堆積することを含む、窒化物半導体素子の製造方法において、概念的に定義するため表面再構成は考慮せずにＣ２対称性の単位格子を有するが、Ｃ２対称性より高度の回転対称性の単位格子は有しないＩＶ族基板表面に、ＩＩＩ族窒化物層構造をエピタキシャル堆積すること、およびＩＶ族基板表面と直接隣接するところにＡｌ_1-x-yＩｎ_xＧａ_yＮ［ただし、０≦ｘ、ｙ＜１、かつｘ＋ｙ≦１］から成るシード層をエピタキシャル堆積することを特徴とする、窒化物半導体素子の製造方法。
9. ＩＩＩ族窒化物層構造をエピタキシャル堆積後、基板を部分的に、または完全に乾式もしくは湿式化学的に除去することを含む、請求項８に記載の方法。
10. 有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）を用いてシード層を堆積させ、かつこの際に、シード層にあるＩＩＩ族原子の総数に対して少なくとも９０％のアルミニウム原子含分を有するシード層をエピタキシャル堆積させる、請求項８または９に記載の方法。

Images