JP2016132613A - 単結晶体およびｉｉｉ族窒化物半導体素子とそれらの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 多結晶基板から単結晶を成長させることを図った単結晶体およびIII 族窒化物半導体素子とそれらの製造方法を提供することである。
【解決手段】 基板準備工程では、ＡｌＮ多結晶基板１０を準備する。第１のIII 族窒化物層形成工程では、III 族元素を含有する第１のガスをプラズマ化しないでＡｌＮ多結晶基板１０に供給するとともに少なくとも窒素ガスを含有する第２のガスをプラズマ化してＡｌＮ多結晶基板１０に供給して、格子定数がＡｌＮ多結晶基板１０と異なる非晶質ＧａＮ層２０を形成する。そして、第２のIII 族窒化物層形成工程では、III 族元素を含有する第１のガスをプラズマ化しないで非晶質ＧａＮ層２０に供給するとともに少なくとも窒素ガスを含有する第２のガスをプラズマ化して非晶質ＧａＮ層２０に供給して、第２のIII 族窒化物層から成るＡｌＮ単結晶層３０を形成する。
【選択図】図１

Description

本明細書の技術分野は、III 族窒化物層を有する単結晶体およびIII 族窒化物半導体素子とそれらの製造方法に関する。

ＧａＮに代表されるIII 族窒化物半導体では、絶縁破壊電界の強度が高く、かつ融点が高い。そのため、III 族窒化物半導体は、ＧａＡｓ系半導体に代わる、高出力、高周波、高温用の半導体デバイスの材料として期待されている。そのため、III 族窒化物半導体を用いるＨＥＭＴ素子などが研究開発されている。

例えば、電子走行層としてＧａＮを用い、電子供給層としてｎ−ＡｌＧａＮを用いるＨＥＭＴ素子が開発されている（特許文献１の段落［０００２］および図２等参照）。このＨＥＭＴ素子は、チャネル層の表面において高いキャリア濃度を有する。また、ＨＥＭＴ素子における電子の移動度も大きい。そのため、高速高周波トランジスタとして鋭意研究開発がなされてきている。特に、III 族窒化物半導体は、シリコンよりもバンドギャップが大きい。そのため、III 族窒化物半導体では、耐圧性が優れており、高温条件での動作が可能である。したがって、III 族窒化物半導体は、シリコンに代わるパワーデバイスとして有望である。

また、非特許文献１では、III 族窒化物半導体を用いた発光素子について種々の成果が記載されている。

特開２００３−１７９０８２号公報

T. Egawa and O. Oda, "III-Nitride Based Light Emitting Diodes and Applications" (Springer, 2013) Chapter 3.

単結晶とは、いずれの位置でも結晶軸の方向が同じ向きである結晶をいう。多結晶とは、単結晶の集合体をいう。そのため、多結晶では、各々の単結晶の結晶軸がそれぞれ別の方向を向いている。そのため、多結晶基板の上に単結晶を成長させることは非常に難しい。しかし、多結晶基板の上に単結晶を成長させることができれば、半導体素子等を低コストで製造することができる。

本明細書の技術は、前述した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。その課題とは、多結晶基板から単結晶を成長させることを図った単結晶体およびIII 族窒化物半導体素子とそれらの製造方法を提供することである。

第１の態様における単結晶体の製造方法は、基板を準備する基板準備工程と、基板に第１のIII 族窒化物層を形成する第１のIII 族窒化物層形成工程と、第１のIII 族窒化物層に第２のIII 族窒化物層を形成する第２のIII 族窒化物層形成工程と、を有する。基板準備工程では、多結晶基板を準備する。第１のIII 族窒化物層形成工程では、III 族元素を含有する第１のガスをプラズマ化しないで基板に供給するとともに少なくとも窒素ガスを含有する第２のガスをプラズマ化して基板に供給する。これにより、格子定数が基板と異なる第１のIII 族窒化物層を形成する。第２のIII 族窒化物層形成工程では、III 族元素を含有する第１のガスをプラズマ化しないで第１のIII 族窒化物層に供給するとともに少なくとも窒素ガスを含有する第２のガスをプラズマ化して第１のIII 族窒化物層に供給する。これにより、第２のIII 族窒化物層から成る単結晶を形成する。

この単結晶体の製造方法では、ＲＥＭＯＣＶＤ（Ｒａｄｉｃａｌ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いる。そのため、第１のIII 族窒化物層および第２のIII 族窒化物層を基板に低温で成長させることができる。例えば、基板温度は、１００℃以上８００℃以下である。このように、多結晶基板の上に低温で成長させた第１のIII 族窒化物層を形成するため、多結晶基板から第２のIII 族窒化物層の単結晶を成長させることができる。これに対して、従来のＭＯＣＶＤ法では、成長速度は十分であるが、成長温度が高い。従来のＭＢＥ法では、成長温度は低くてもよいが、成長速度が遅い。

この製造方法は、ＭＯＣＶＤ法のようにアンモニアガスを用いる必要はない。そのため、この製造装置は、アンモニアガスの除害装置を必要としない。そのため、アンモニアガスの除害装置のコストとそのランニングコストがかからない。また、この単結晶体の製造方法は、通常のＭＢＥ法よりもはるかに速い成長速度でIII 族窒化物層を成長させることができる。

第２の態様における単結晶体の製造方法においては、第１のIII 族窒化物層形成工程では、非晶質の第１のIII 族窒化物層を形成する。

第３の態様における単結晶体の製造方法においては、第１のIII 族窒化物層形成工程では、多結晶質の第１のIII 族窒化物層を形成する。

第４の態様における単結晶体の製造方法は、第２のIII 族窒化物層に第３のIII 族窒化物層を形成する第３のIII 族窒化物層形成工程を有する。第１のIII 族窒化物層形成工程では、第１の温度で非晶質の第１のIII 族窒化物層を形成する。第３のIII 族窒化物層形成工程では、基板の温度を第１の温度よりも高い第２の温度とする。第１のIII 族窒化物層を多結晶質に変える。

第５の態様における単結晶体の製造方法においては、基板準備工程では、III 族窒化物多結晶基板を準備する。第２のIII 族窒化物層形成工程では、III 族窒化物多結晶基板と同じ材質から成る単結晶を形成する。

第６の態様における単結晶体の製造方法においては、第２のIII 族窒化物層形成工程では、ＡｌＮ単結晶を形成する。

第７の態様における単結晶体の製造方法においては、多結晶基板から第２のIII 族窒化物層を分離させる単結晶分離工程を有する。

第８の態様におけるIII 族窒化物半導体素子の製造方法においては、上記の単結晶体の製造方法の各工程を有する。

第９の態様における単結晶体は、基板と、基板の上の第１のIII 族窒化物層と、第１のIII 族窒化物層の上の第２のIII 族窒化物層と、を有する。基板は、多結晶基板である。第１のIII 族窒化物層は、基板と格子定数の異なる層である。第２のIII 族窒化物層は、第１のIII 族窒化物層と格子定数の異なる単結晶層である。

第１０の態様におけるIII 族窒化物半導体素子は、基板と、基板の上の第１のIII 族窒化物層と、第１のIII 族窒化物層の上の第２のIII 族窒化物層と、第２のIII 族窒化物層の上の第３のIII 族窒化物層と、を有する。基板は、多結晶基板である。第１のIII 族窒化物層は、基板と格子定数の異なる層である。第２のIII 族窒化物層は、第１のIII 族窒化物層と格子定数の異なる単結晶層である。第３のIII 族窒化物層は、１以上のIII 族窒化物半導体層を有する。

第１１の態様におけるIII 族窒化物半導体素子においては、第１のIII 族窒化物層は、非晶質である。

第１２の態様におけるIII 族窒化物半導体素子においては、第１のIII 族窒化物層は、多結晶質である。

第１３の態様におけるIII 族窒化物半導体素子においては、第２のIII 族窒化物層は、ＡｌＮ単結晶層である。

第１４の態様におけるIII 族窒化物半導体素子においては、第３のIII 族窒化物層は、チャネル層と、バリア層と、を有する。

第１５の態様におけるIII 族窒化物半導体素子においては、第３のIII 族窒化物層は、合金散乱防止層を有する。合金散乱防止層は、バリア層よりもバンドギャップが大きいIII 族窒化物を備える１層以上の層である。

第１６の態様におけるIII 族窒化物半導体素子においては、III 族窒化物半導体素子は、ＭＯＳ型ＨＥＭＴ素子もしくはＭＩＳ型ＨＥＭＴ素子である。

第１７の態様におけるIII 族窒化物半導体素子においては、III 族窒化物半導体素子は、半導体レーザー素子もしくは半導体発光素子である。

本明細書では、多結晶基板から単結晶を成長させることを図った単結晶体およびIII 族窒化物半導体素子とそれらの製造方法が提供されている。

第１の実施形態における第１の単結晶体の概略構成図である。 第１の実施形態における第２の単結晶体の概略構成図である。 第１の実施形態における単結晶体製造装置の概略構成図である。 第２の実施形態における半導体レーザー素子の構造を示す概略構成図である。 第３の実施形態におけるＨＥＭＴ素子の構造を示す概略構成図（その１）である。 第３の実施形態におけるＨＥＭＴ素子の構造を示す概略構成図（その２）である。 第３の実施形態におけるＨＥＭＴ素子の構造を示す概略構成図（その３）である。 第３の実施形態におけるスマートカット用の積層体を示す概略構成図である。 第３の実施形態における受動部品を示す概略構成図である。

以下、具体的な実施形態について、単結晶体およびIII 族窒化物半導体素子とそれらの製造方法を例に挙げて図を参照しつつ説明する。以下の実施形態では、単結晶体とは、単結晶を有する物体である。つまり、単結晶体は、単結晶そのもの、もしくは、単結晶およびその単結晶を支持する基板を有する物体である。また、図面中の各層の厚みの比率は、実際の比率を反映したものではない。

（第１の実施形態）
第１の実施形態について説明する。第１の実施形態の単結晶体は、III 族窒化物層を有する単結晶体である。

１．単結晶体
１−１．第１の単結晶体
図１は、第１の単結晶体Ａ１を示す概略構成図である。図１に示すように、第１の単結晶体Ａ１は、ＡｌＮ多結晶基板１０と、非晶質ＧａＮ層２０と、ＡｌＮ単結晶層３０と、を有する。非晶質ＧａＮ層２０は、第１のIII 族窒化物層である。ＡｌＮ単結晶層３０は、第２のIII 族窒化物層である。

ＡｌＮ多結晶基板１０は、III-V 族多結晶基板である。ＡｌＮ多結晶基板１０は、ＡｌＮの多結晶から成る基板である。非晶質ＧａＮ層２０の材質は、ＧａＮである。非晶質ＧａＮ層２０の材質は、ＡｌＮ多結晶基板１０およびＡｌＮ単結晶層３０の材質と異なっている。非晶質ＧａＮ層２０の格子定数は、ＡｌＮ多結晶基板１０の格子定数と異なっている。ＡｌＮ単結晶層３０の材質は、ＡｌＮ多結晶基板１０と同じ材質、すなわちＡｌＮである。ＡｌＮ単結晶基板３０の格子定数は、非晶質ＧａＮ層２０の格子定数と異なっている。

後述するように、ＡｌＮ単結晶層３０は、ＡｌＮ多結晶基板１０から成長させたものである。従来、多結晶基板から単結晶を成長させることはほとんど不可能である。種々の軸方向を向いている単結晶の集合体である多結晶から、ある特定の軸方向に揃った単結晶を成長させることは決して容易ではないからである。

１−２．第２の単結晶体
図２は、第２の単結晶体Ａ２を示す概略構成図である。図２に示すように、第２の単結晶体Ａ２は、ＡｌＮ多結晶基板１０と、非晶質ＩｎＮ層４０と、ＡｌＮ単結晶層３０と、を有する。非晶質ＩｎＮ層４０は、第１のIII 族窒化物層である。ＡｌＮ単結晶層３０は、第２のIII 族窒化物層である。

ＡｌＮ多結晶基板１０は、III-V 族多結晶基板である。ＡｌＮ多結晶基板１０は、ＡｌＮの多結晶から成る基板である。非晶質ＩｎＮ層４０の材質は、ＩｎＮである。非晶質ＩｎＮ層４０の材質は、ＡｌＮ多結晶基板１０およびＡｌＮ単結晶層３０の材質と異なっている。非晶質ＩｎＮ層４０の格子定数は、ＡｌＮ多結晶基板１０の格子定数と異なっている。ＡｌＮ単結晶層３０の材質は、ＡｌＮ多結晶基板１０と同じ材質、すなわちＡｌＮである。ＡｌＮ単結晶基板３０の格子定数は、非晶質ＩｎＮ層４０の格子定数と異なっている。

２．単結晶体の製造装置
２−１．製造装置の構成
図３は、本実施形態における単結晶体の製造装置１０００の概略構成図である。製造装置１０００は、窒素ガスと水素ガスとを含む混合ガスをプラズマ化して、そのプラズマ化したプラズマ生成物のうちのラジカルを成長基板に供給するとともに、III 族金属を含む有機金属ガスをプラズマ化しないで成長基板に供給する装置である。

製造装置１０００は、炉本体１００１と、シャワーヘッド電極１１００と、サセプター１２００と、加熱器１２１０と、第１のガス供給管１３００と、ガス導入室１４１０と、第２のガス供給管１４２０と、金属メッシュ１５００と、ＲＦ電源１６００と、マッチングボックス１６１０と、第１のガス供給部１７１０と、第２のガス供給部１８１０と、ガス容器１９１０、１９２０、１９３０と、恒温槽１９１１、１９２１、１９３１と、マスフローコントローラー１７２０、１８２０、１８３０、１８４０と、を有している。また、製造装置１０００は、排気口（図示せず）を有している。

シャワーヘッド電極１１００は、周期的な電位を付与される第１の電極である。シャワーヘッド電極１１００は、例えば、ステンレス製である。もちろん、これ以外の金属であってもよい。シャワーヘッド電極１１００は、平板形状の電極である。そして、シャワーヘッド電極１１００には、表面から裏面に貫通する複数の貫通孔（図示せず）が設けられている。そして、これらの複数の貫通孔は、ガス導入室１４１０および第２のガス供給管１４２０と連通している。このため、ガス導入室１４１０から炉本体１００１の内部に供給される第２のガスは、好適にプラズマ化される。ＲＦ電源１６００は、シャワーヘッド電極１１００に高周波電位を付与する電位付与部である。

サセプター１２００は、ＡｌＮ多結晶基板１０を支持するための基板支持部である。サセプター１２００の材質は、例えば、グラファイトである。また、これ以外の導電体であってもよい。ここで、ＡｌＮ多結晶基板１０は、III 族窒化物半導体を成長させるための成長基板である。

第１のガス供給管１３００は、サセプター１２００に第１のガスを供給するためのものである。実際には、サセプター１２００に支持されたＡｌＮ多結晶基板１０に第１のガスを供給することとなる。ここで、第１のガスとは、III 族金属を含む有機金属ガスである。また、その他のキャリアガスを含んでいてもよい。第１のガス供給管１３００は、リング状のリング部１３１０を有している。そして、第１のガス供給管１３００のリング部１３１０には、１２個の貫通孔（図示せず）がリング部１３１０の内側に設けられている。これらの貫通孔は、第１のガスが噴出する噴出口である。そのため、第１のガスは、リング部１３１０の内側に向けて、噴出することとなる。第１のガス供給管１３００は、後述するように、プラズマ発生領域から離れた位置に位置している。

第２のガス供給管１４２０は、サセプター１２００に第２のガスを供給するためのものである。実際には、第２のガスをガス導入室１４１０および炉本体１００１の内部に導入するとともに、サセプター１２００に支持されたＡｌＮ多結晶基板１０に第２のガスを供給することとなる。そして、第２のガス供給管１４２０は、第２のガスを炉本体１００１の内部に供給する。ここで、第２のガス供給管１４２０が供給する第２のガスは、少なくとも窒素ガスを含むガスである。第２のガス供給管１４２０は、窒素ガスと水素ガスとの混合ガスを第２のガスとして供給するとよい。ガス導入室１４１０は、窒素ガスと水素ガスとの混合ガスを一旦収容するとともに、シャワーヘッド電極１１００の貫通孔にこの混合ガスを供給するためのものである。

金属メッシュ１５００は、荷電粒子を捕獲するためのものである。金属メッシュ１５００は、例えば、ステンレス製である。もちろん、これ以外の金属であってもよい。金属メッシュ１５００は、シャワーヘッド電極１１００とサセプター１２００との間の位置に配置されている。そのため、後述するようにプラズマ発生領域で発生した荷電粒子が、サセプター１２００に支持されているＡｌＮ多結晶基板１０に向かうのを抑制することができる。また、金属メッシュ１５００は、シャワーヘッド電極と第１のガス供給管１３００のリング部１３１０との間の位置に配置されている。そのため、荷電粒子が、第１のガス供給管１３００から噴出されるIII 族金属を含む有機金属分子に衝突するのを抑制することができる。また、金属メッシュ１５００は、多数枚をずらして配置されている。つまり、第１のメッシュの開口部の位置に第２のメッシュの線状部を配置している。そのため、直線的に進行する光は、金属メッシュ１５００を透過できない。つまり、金属メッシュ１５００は、電子、イオン、光を通過させないが、中性のラジカルを通過させる。

炉本体１００１は、少なくとも、シャワーヘッド電極１１００と、サセプター１２００と、第１のガス供給管１３００のリング部１３１０と、金属メッシュ１５００と、を内部に収容している。炉本体１００１は、例えば、ステンレス製である。炉本体１００１は、上記以外の導電体であってもよい。

炉本体１００１と、金属メッシュ１５００と、第１のガス供給管１３００とは、導電性の部材であり、いずれも接地されている。そのため、シャワーヘッド電極１１００に電位が付与されると、シャワーヘッド電極１１００と、炉本体１００１および金属メッシュ１５００および第１のガス供給管１３００と、の間に電圧が印加されることとなる。そして、炉本体１００１および金属メッシュ１５００および第１のガス供給管１３００の少なくとも１つ以上と、シャワーヘッド電極１１００と、の間に放電が生じると考えられる。シャワーヘッド電極１１００の直下では、高周波かつ高強度の電界が形成される。そのため、シャワーヘッド電極１１００の直下の位置は、プラズマ発生領域である。

ここで、第２のガス、すなわち、窒素ガスと水素ガスとの混合ガスは、このプラズマ発生領域においてプラズマ化されることとなる。そして、プラズマ発生領域でプラズマ生成物が発生する。この場合におけるプラズマ生成物とは、窒素ラジカルと、水素ラジカルと、窒化水素系の化合物と、電子と、その他のイオン等である。ここで、窒化水素系の化合物とは、ＮＨと、ＮＨ₂ と、ＮＨ₃ と、これらの励起状態と、その他のものとを含む。

また、シャワーヘッド電極１１００と、サセプター１２００とは、十分に離れている。シャワーヘッド電極１１００と、サセプター１２００との間の距離は、４０ｍｍ以上２００ｍｍ以下である。より好ましくは、４０ｍｍ以上１５０ｍｍ以下である。シャワーヘッド電極１１００とサセプター１２００との間の距離が短いと、プラズマ発生領域がサセプター１２００の箇所にまで広がるおそれがある。シャワーヘッド電極１１００とサセプター１２００との間の距離が４０ｍｍ以上であれば、プラズマ発生領域がサセプター１２００の箇所にまで広がるおそれがほとんどない。そのため、荷電粒子がＡｌＮ多結晶基板１０に到達することを抑制できる。また、シャワーヘッド電極１１００とサセプター１２００との間の距離が大きいと、窒素ラジカルや、窒化水素系の化合物等が、サセプター１２００の保持するＡｌＮ多結晶基板１０に到達しにくくなるからである。なお、これらの距離は、プラズマ発生領域の大きさと、その他のプラズマ条件にも依存する。

シャワーヘッド電極１１００は、サセプター１２００からみて第１のガス供給管１３００のリング部１３１０の貫通孔よりも遠い位置に配置されている。シャワーヘッド電極１１００と、第１のガス供給管１３００のリング部１３１０の貫通孔との間の距離は、３０ｍｍ以上１９０ｍｍ以下である。より好ましくは、３０ｍｍ以上１４０ｍｍ以下である。荷電粒子が、第１のガスに混入することを抑制するとともに、窒素ラジカルや、窒化水素系の化合物等が、第１のガスに混入しやすくするためである。このため、プラズマ化された第２のガスと、プラズマ化されない第１のガスとにより、ＡｌＮ多結晶基板１０に半導体層が積層されることとなる。なお、これらの距離は、プラズマ発生領域の大きさと、その他のプラズマ条件にも依存する。

加熱器１２１０は、サセプター１２００を介して、サセプター１２００に支持されるＡｌＮ多結晶基板１０を加熱するためのものである。

マスフローコントローラー１７２０、１８２０、１８３０、１８４０は、各々のガスの流量を制御するためのものである。恒温槽１９１１、１９２１、１９３１には、不凍液１９１２、１９２２、１９３２が満たされている。また、ガス容器１９１０、１９２０、１９３０は、III 族金属を含む有機金属ガスを収容するための容器である。ガス容器１９１０、１９２０、１９３０には、それぞれ、トリメチルガリウムと、トリメチルインジウムと、トリメチルアルミニウムとが、収容されている。もちろん、トリエチルガリウム等、その他のIII 族金属を含む有機金属ガスであってもよい。

２−２．製造装置の製造条件
製造装置１０００における製造条件を表１に示す。表１で挙げた数値範囲は、あくまで目安であり、必ずしもこの数値範囲である必要はない。ＲＦパワーは、１００Ｗ以上１０００Ｗ以下の範囲内である。ＲＦ電源１６００がシャワーヘッド電極１１００に付与する周期的な電位の周波数は、３０ＭＨｚ以上３００ＭＨｚ以下の範囲内である。基板温度は、室温以上９００℃以下の範囲内である。製造装置１０００の内圧は、１Ｐａ以上１００００Ｐａ以下の範囲内である。

［表１］
ＲＦパワー １００Ｗ以上 １０００Ｗ以下
周波数 ３０ＭＨｚ以上 ３００ＭＨｚ以下
基板温度 室温以上 ９００℃以下
内圧 １Ｐａ以上 １００００Ｐａ以下

２−３．製造装置の効果
この製造装置１０００は、III 族元素を含有するガスをプラズマ化しないで窒素ガスおよび水素ガスをプラズマ化する。そのため、この製造装置１０００は、従来のＭＯＣＶＤ法に比べて低い温度で半導体層を成長させることができる。例えば、基板温度を１００℃以上４００℃以下として成膜することができる。また、ＭＯＣＶＤ炉のように大量のアンモニアを用いる必要がない。そのため、大規模な除害装置を設ける必要がない。そのため、この製造装置１０００の製造コストおよびランニングコストは、従来のＭＯＣＶＤ装置よりも低い。

３．単結晶体の製造方法
本実施形態の単結晶体の製造方法について説明する。本実施形態の単結晶体の製造方法は、ＲＥＭＯＣＶＤ（Ｒａｄｉｃａｌ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法である。ＲＥＭＯＣＶＤ法は、本発明者らが独自に開発した方法である。

この単結晶体の製造方法は、基板を準備する基板準備工程と、基板に第１のIII 族窒化物層を形成する第１のIII 族窒化物層形成工程と、第１のIII 族窒化物層に第２のIII 族窒化物層を形成する第２のIII 族窒化物層形成工程と、を有する。

３−１．基板準備工程
ここで、本実施形態の製造装置１０００を用いた単結晶体の製造方法について説明する。まず、基板として、III-V 族多結晶基板を準備する。例えば、ＡｌＮ多結晶基板１０を準備する。また、その他のIII-V 族の多結晶基板を用いてもよい。ＡｌＮ多結晶基板１０を、製造装置１０００の内部に配置し、水素ガスを供給しながら基板温度を９００℃程度まで上昇させる。これにより、ＡｌＮ多結晶基板１０の表面を還元するとともに、ＡｌＮ多結晶基板１０の表面をクリーニングする。基板温度については、より高い温度にしてもよい。

３−２．III 族窒化物層形成工程
３−２−１．第１のIII 族窒化物層形成工程
このIII 族窒化物層形成工程では、III 族窒化物層を形成する。まず、ＲＦ電源１６１０をＯＮにする。そして、第２のガス供給管１４２０から、窒素ガスと水素ガスとの混合ガスを供給する。そして、シャワーヘッド電極１１００の貫通孔から炉本体１００１の内部に供給された混合ガスは、シャワーヘッド電極１１００の直下でプラズマ化する。そのため、シャワーヘッド電極１１００の直下にプラズマ発生領域が生成される。この際に、窒素ラジカルと水素ラジカルとが生成される。そして、窒素ラジカルと水素ラジカルとが反応して、窒化水素系の化合物が生成されると考えられる。また、電子やその他の荷電粒子も生成される。

そして、これらの窒素ラジカルと水素ラジカルと窒化水素系の化合物と電子とその他の荷電粒子を含んだラジカル混合気体は、ＡｌＮ多結晶基板１０に向けて送出される。このラジカル混合ガスの発生箇所は、シャワーヘッド電極１１００の直下である。シャワーヘッド電極１１００からＡｌＮ多結晶基板１０までの距離は十分に広いため、ラジカル混合気体のうち、電子やイオン等の荷電粒子は、ＡｌＮ多結晶基板１０まで到達しにくい。また、荷電粒子は、金属メッシュ１５００に捕獲されやすい。そして、光は、金属メッシュ１５００を透過できない。そのため、ＡｌＮ多結晶基板１０に向けて供給されるのは、窒素ラジカルと水素ラジカルの他、窒化水素系の化合物であると考えられる。これらの窒素ラジカルや窒化水素系の化合物は、通常のアンモニアに比べて、反応性が高い。そのため、従来技術、例えばＭＯＣＶＤ法に比べて低い温度で半導体層をエピタキシャル成長させることができる。

一方、第１のガス供給管１３００のリング部１３１０から、III 族金属の有機金属ガスを供給する。例えば、トリメチルガリウムと、トリメチルインジウムと、トリメチルアルミニウムとが、挙げられる。これらのガスは、ＡｌＮ多結晶基板１０に向かうラジカル混合気体に巻き込まれて、ＡｌＮ多結晶基板１０に供給されることとなる。III 族金属の有機金属ガスは、プラズマ化されないで、ＡｌＮ多結晶基板１０に供給される。

このように、第１のIII 族窒化物層形成工程では、III 族元素を含有する第１のガスをプラズマ化しないで基板に供給するとともに、少なくとも窒素ガスを含有する第２のガスをプラズマ化してＡｌＮ多結晶基板１０に供給する。これにより、格子定数がＡｌＮ多結晶基板１０と異なる第１のIII 族窒化物層を形成する。この第１のIII 族窒化物層は、非晶質である。

第１のIII 族窒化物層を形成する際の基板温度は、０℃以上９００℃以下である。好ましくは、基板温度は、１００℃以上８００℃以下である。

３−２−２．第２のIII 族窒化物層形成工程
第２のIII 族窒化物層形成工程では、III 族元素を含有する第１のガスをプラズマ化しないで第１のIII 族窒化物層に供給するとともに、少なくとも窒素ガスを含有する第２のガスをプラズマ化して第１のIII 族窒化物層に供給する。これにより、第２のIII 族窒化物層から成る単結晶を形成する。

４．単結晶体の製造方法の効果
第１の実施形態の単結晶体の製造方法は、ＲＥＭＯＣＶＤ法を用いる。そのため、第１のIII 族窒化物層および第２のIII 族窒化物層を基板に低温で成長させることができる。例えば、基板温度は、１００℃以上８００℃以下である。このように、多結晶基板の上に低温で成長させた第１のIII 族窒化物層を形成するため、多結晶基板から第２のIII 族窒化物層の単結晶を成長させることができる。

また、第１の実施形態の単結晶体の製造方法は、ＭＯＣＶＤ法のようにアンモニアガスを用いる必要はない。そのため、この製造装置１０００は、アンモニアガスの除害装置を必要としない。そのため、アンモニアガスの除害装置のコストとそのランニングコストがかからない。また、本実施形態の単結晶体の製造方法は、通常のＭＢＥ法よりもはるかに速い成長速度でIII 族窒化物層を成長させることができる。

５．変形例
５−１．基板の種類
本実施形態の基板は、ＡｌＮ多結晶基板１０である。しかし、その他のIII-V 族多結晶基板を用いてもよい。または、非晶質ガラス多結晶基板、アルミナ多結晶基板、Ｓｉ多結晶基板等のIII-V 族以外の多結晶基板を用いてもよい。

５−２．第１のIII 族窒化物層
第１の実施形態では、第１のIII 族窒化物層は、非晶質である。しかし、第１のIII 族窒化物層は、多結晶質であってもよい。

５−３．第２のIII 族窒化物層
第１の実施形態では、第２のIII 族窒化物層は、ＡｌＮ単結晶である。しかし、第２のIII 族窒化物層は、その他のIII 族窒化物層であってもよい。

５−４．基板および第２のIII 族窒化物層
基板および第２のIII 族窒化物層を同じ材質としてもよい。ただし、基板は、多結晶基板である。第２のIII 族窒化物層は、単結晶である。

５−５．単結晶分離工程
第１の実施形態における単結晶体の製造方法は、ＡｌＮ多結晶基板１０から第２のIII 族窒化物層の単結晶を分離させる単結晶分離工程を有していてもよい。

５−６．組み合わせ
上記の変形例を自由に組み合わせてもよい。

６．第１の実施形態のまとめ
第１の実施形態の単結晶体の製造方法は、ＲＥＭＯＣＶＤ法を用いる。そのため、第１のIII 族窒化物層および第２のIII 族窒化物層を基板に低温で成長させることができる。例えば、基板温度は、１００℃以上８００℃以下である。このように、多結晶基板の上に低温で成長させた第１のIII 族窒化物層を形成するため、多結晶基板から第２のIII 族窒化物層の単結晶を成長させることができる。

また、第１の実施形態の単結晶体の製造方法は、ＭＯＣＶＤ法のようにアンモニアガスを用いる必要はない。そのため、この製造装置１０００は、アンモニアガスの除害装置を必要としない。そのため、アンモニアガスの除害装置のコストとそのランニングコストがかからない。また、本実施形態の単結晶体の製造方法は、通常のＭＢＥ法よりもはるかに速い成長速度でIII 族窒化物層を成長させることができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態について説明する。第２の実施形態のIII 族窒化物半導体素子は、III 族窒化物層を有する半導体レーザー素子である。

１．半導体レーザー素子
１−１．半導体レーザー素子の構造
本実施形態の半導体レーザー素子１００は、図４に示すように、ＡｌＮ多結晶基板１０と、非晶質ＧａＮ層２０と、ＡｌＮ単結晶層３０と、ｎ−ＧａＮ層１４０と、活性層１５０と、ｐ−ＡｌＧａＮ層１６０と、ｐ−ＧａＮ層１７０と、ｎ電極Ｎ１と、ｐ電極Ｐ１と、を有している。ｎ−ＧａＮ層１４０は、ｎ型半導体層である。ｐ−ＡｌＧａＮ層１６０と、ｐ−ＧａＮ層１７０とは、ｐ型半導体層である。

ここで、非晶質ＧａＮ層２０は、第１のIII 族窒化物層である。ＡｌＮ単結晶層３０は、第２のIII 族窒化物層である。ｎ−ＧａＮ層１４０と、活性層１５０と、ｐ−ＡｌＧａＮ層１６０と、ｐ−ＧａＮ層１７０とは、第３のIII 族窒化物層である。第３のIII 族窒化物層は、１以上のIII 族窒化物半導体層を有する。

このように半導体レーザー素子１００は、多結晶基板の上に半導体層を成長させたものである。

２．半導体レーザー素子の製造方法
半導体レーザー素子１００の製造方法は、第１の実施形態の単結晶体の製造方法の各工程を有する。そして、第２のIII 族窒化物層形成工程までは、第１の実施形態と同様である。したがって、その次の工程から説明する。

２−１．第３のIII 族窒化物層形成工程
第３のIII 族窒化物層形成工程では、単結晶である第２のIII 族窒化物層の上に第３の窒化物層を形成する。

２−１．電極形成工程
次に、ｐ−ＧａＮ層１７０からｎ−ＧａＮ層１４０までに達する凹部を形成する。そして、その凹部に露出しているｎ−ＧａＮ層１４０にｎ電極Ｎ１を形成する。ｐ−ＧａＮ層１７０の上にｐ電極Ｐ１を形成する。

２−２．素子分離工程
次に、ウエハ状のＡｌＮ多結晶基板１０を分割して、複数の半導体レーザー素子１００に切り出す。もしくは、ＡｌＮ多結晶基板１０から余剰な部分を除去する。そのためには、レーザー装置や、ブレーキング装置等を用いればよい。

２−３．その他の工程
また、上記の他に、熱処理工程と、保護膜形成工程と、その他の工程と、を実施してもよい。以上により、本実施形態の半導体レーザー素子１００が製造される。

３．変形例
３−１．多結晶質化
第１のIII 族窒化物層形成工程では、基板温度を第１の温度として第１のIII 族窒化物層を形成する。第３のIII 族窒化物層形成工程では、基板温度を第２の温度として第２のIII 族窒化物層を形成する。第２の温度は、第１の温度よりも高い。そのため、第２の温度で第３のIII 族窒化物層を形成している間に、第１のIII 族窒化物層を非晶質から多結晶質に変化させることができる。

３−２．半導体発光素子
もちろん、半導体レーザー素子１００の代わりに、半導体発光素子を用いてもよい。

３−３．組み合わせ
第１の実施形態の変形例も含めて、上記の変形例を自由に組み合わせてもよい。

（第３の実施形態）
第３の実施形態について説明する。第３の実施形態のIII 族窒化物半導体素子は、III 族窒化物層を有するＨＥＭＴ素子である。

１．ＨＥＭＴ素子
１−１．ＨＥＭＴ素子の構造
図５は本実施形態のＨＥＭＴ素子２００を示す概略構成図である。ＨＥＭＴ素子２００は、高電子移動度トランジスタである。ＨＥＭＴ素子２００は、ＡｌＮ多結晶基板１０と、非晶質ＧａＮ層２０と、ＡｌＮ単結晶層３０と、ＵＩＤ−ＧａＮ層２４０と、ＡｌＧａＮ層２５０と、ソース電極Ｓ１と、ゲート電極Ｇ１と、ドレイン電極Ｄ１と、を有している。ＵＩＤ−ＧａＮ層２４０は、チャネル層である。ＡｌＧａＮ層２５０は、バリア層である。

ソース電極Ｓ１およびドレイン電極Ｄ１は、ＡｌＧａＮ層２５０の上に形成されている。ＵＩＤ−ＧａＮ層２４０は、ＡｌＮ多結晶基板１０とＡｌＧａＮ層２５０との間の位置に配置されている。ＡｌＧａＮ層２５０からみてＵＩＤ−ＧａＮ層２４０の反対側の位置に、ゲート電極Ｇ１と、ソース電極Ｓ１と、ドレイン電極Ｄ１と、が配置されている。

ここで、ＵＩＤ−ＧａＮ層２４０は、単一層であっても複数層であってもよい。ＡｌＧａＮ層２５０は、単一層であっても複数層であってもよい。ＡｌＧａＮ層２５０のバンドギャップは、ＵＩＤ−ＧａＮ層２４０のバンドギャップに比べて大きい。

ここで、非晶質ＧａＮ層２０は、第１のIII 族窒化物層である。ＡｌＮ単結晶層３０は、第２のIII 族窒化物層である。ＵＩＤ−ＧａＮ層２４０と、ＡｌＧａＮ層２５０とは、第３のIII 族窒化物層である。第３のIII 族窒化物層は、１以上のIII 族窒化物半導体層を有する。

２．III 族窒化物半導体素子の製造方法
III 族窒化物半導体素子の製造方法は、第１の実施形態の単結晶体の製造方法の各工程を有する。そして、第２のIII 族窒化物層形成工程までは、第１の実施形態と同様である。したがって、その次の工程から説明する。

２−１．第３のIII 族窒化物層形成工程
第３のIII 族窒化物層形成工程では、単結晶である第２のIII 族窒化物層の上に第３の窒化物層を形成する。

２−２．電極形成工程
ＡｌＧａＮ層２５０の上に、ソース電極Ｓ１、ドレイン電極Ｄ１、ゲート電極Ｇ１を形成する。

２−３．その他の工程
また、上記の他に、素子分離工程、熱処理工程と、保護膜形成工程と、その他の工程と、を実施してもよい。以上により、本実施形態のＨＥＭＴ素子２００が製造される。

３．変形例
３−１．ＭＯＳ型ＨＥＭＴ（ＭＩＳ型ＨＥＭＴ）
図６に示すように、ＭＯＳ型ＨＥＭＴ３００についても第１の実施形態の技術を適用することができる。ＭＯＳ型ＨＥＭＴ３００は、ＡｌＮ多結晶基板１０と、非晶質ＧａＮ層２０と、ＡｌＮ単結晶層３０と、ＵＩＤ−ＧａＮ層２４０と、ＡｌＧａＮ層２５０と、絶縁膜３６０と、ソース電極Ｓ１と、ゲート電極Ｇ１と、ドレイン電極Ｄ１と、を有している。絶縁膜３６０は、ＡｌＧａＮ層２５０とゲート電極Ｇ１とを絶縁している。絶縁膜３６０は、酸化物である。もしくは、絶縁膜３６０は、それ以外の絶縁体であってもよい。このように、ＨＥＭＴ素子３００は、ＭＯＳ型ＨＥＭＴ素子であってもよい。また、ＨＥＭＴ素子３００は、ＭＩＳ型ＨＥＭＴ素子であってもよい。

３−２．ＭＯＳ型ＨＥＭＴ（ＭＩＳ型ＨＥＭＴ）
図７に示すように、ＨＥＭＴ４００は、ＡｌＮ多結晶基板１０と、非晶質ＧａＮ層２０と、ＡｌＮ単結晶層３０と、ＵＩＤ−ＧａＮ層２４０と、ＡｌＧａＮ層２５０と、ＡｌＮ層４７０と、絶縁膜３６０と、ソース電極Ｓ１と、ゲート電極Ｇ１と、ドレイン電極Ｄ１と、を有している。ＡｌＮ層４７０は、バリア層よりもバンドギャップが大きいIII 族窒化物層を備える合金散乱防止層である。

３−３．スマートカット
図８に示すように、スマートカット用の積層体５００として用いてもよい。積層体６００は、ＡｌＮ多結晶基板１０と、非晶質ＧａＮ層２０と、ＡｌＮ単結晶層３０と、ＡｌＮ層５４０と、ＳｉＯ₂ 層５５０と、ＧａＮ層５６０と、を有している。また、図８には、イオン照射部５６１が示されている。

３−４．受動部品
図９に示すように、受動部品６００を用いてもよい。受動部品６００は、ＡｌＮ多結晶基板１０と、非晶質ＧａＮ層２０と、ＡｌＮ単結晶層３０と、を有する。ＡｌＮ単結晶層３０は、熱放出材である。

３−５．多結晶質化
第１のIII 族窒化物層形成工程では、基板温度を第１の温度として第１のIII 族窒化物層を形成する。第３のIII 族窒化物層形成工程では、基板温度を第２の温度として第２のIII 族窒化物層を形成する。第２の温度は、第１の温度よりも高い。そのため、第２の温度で第３のIII 族窒化物層を形成している間に、第１のIII 族窒化物層を非晶質から多結晶質に変化させることができる。

３−６．組み合わせ
第１の実施形態および第２の実施形態とそれらの変形例も含めて、上記の変形例を自由に組み合わせてもよい。

Ａ１…第１の単結晶体
Ａ２…第２の単結晶体
１０…ＡｌＮ多結晶基板
２０…非晶質ＧａＮ層
３０…ＡｌＮ単結晶層
１０００…製造装置
１００１…炉本体
１１００…シャワーヘッド電極
１２００…サセプター
１３００…第１のガス供給管
１４２０…第２のガス供給管
１６００…ＲＦ電源

Claims (17)

1. 基板を準備する基板準備工程と、
   前記基板に第１のIII 族窒化物層を形成する第１のIII 族窒化物層形成工程と、
   前記第１のIII 族窒化物層に第２のIII 族窒化物層を形成する第２のIII 族窒化物層形成工程と、
   を有し、
   前記基板準備工程では、
   多結晶基板を準備し、
   前記第１のIII 族窒化物層形成工程では、
   III 族元素を含有する第１のガスをプラズマ化しないで前記基板に供給するとともに少なくとも窒素ガスを含有する第２のガスをプラズマ化して前記基板に供給して、格子定数が前記基板と異なる第１のIII 族窒化物層を形成し、
   前記第２のIII 族窒化物層形成工程では、
   III 族元素を含有する第１のガスをプラズマ化しないで前記第１のIII 族窒化物層に供給するとともに少なくとも窒素ガスを含有する第２のガスをプラズマ化して前記第１のIII 族窒化物層に供給して、第２のIII 族窒化物層から成る単結晶を形成すること
   を特徴とする単結晶体の製造方法。
2. 請求項１に記載の単結晶体の製造方法において、
   前記第１のIII 族窒化物層形成工程では、
   非晶質の前記第１のIII 族窒化物層を形成すること
   を特徴とする単結晶体の製造方法。
3. 請求項１に記載の単結晶体の製造方法において、
   前記第１のIII 族窒化物層形成工程では、
   多結晶質の前記第１のIII 族窒化物層を形成すること
   を特徴とする単結晶体の製造方法。
4. 請求項１に記載の単結晶体の製造方法において、
   前記第２のIII 族窒化物層に第３のIII 族窒化物層を形成する第３のIII 族窒化物層形成工程を有し、
   前記第１のIII 族窒化物層形成工程では、
   第１の温度で非晶質の前記第１のIII 族窒化物層を形成し、
   前記第３のIII 族窒化物層形成工程では、
   前記基板の温度を前記第１の温度よりも高い第２の温度とし、
   前記第１のIII 族窒化物層を多結晶質に変えること
   を特徴とする単結晶体の製造方法。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の単結晶体の製造方法において、
   前記基板準備工程では、
   III 族窒化物多結晶基板を準備し、
   前記第２のIII 族窒化物層形成工程では、
   前記III 族窒化物多結晶基板と同じ材質から成る単結晶を形成すること
   を特徴とする単結晶体の製造方法。
6. 請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の単結晶体の製造方法において、
   前記第２のIII 族窒化物層形成工程では、
   ＡｌＮ単結晶を形成すること
   を特徴とする単結晶体の製造方法。
7. 請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の単結晶体の製造方法において、
   前記多結晶基板から前記第２のIII 族窒化物層を分離させる単結晶分離工程を有すること
   を特徴とする単結晶体の製造方法。
8. 請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の単結晶体の製造方法の各工程を有すること
   を特徴とするIII 族窒化物半導体素子の製造方法。
9. 基板と、
   前記基板の上の第１のIII 族窒化物層と、
   前記第１のIII 族窒化物層の上の第２のIII 族窒化物層と、
   を有し、
   前記基板は、
   多結晶基板であり、
   前記第１のIII 族窒化物層は、
   前記基板と格子定数の異なる層であり、
   前記第２のIII 族窒化物層は、
   前記第１のIII 族窒化物層と格子定数の異なる単結晶層であること
   を特徴とする単結晶体。
10. 基板と、
    前記基板の上の第１のIII 族窒化物層と、
    前記第１のIII 族窒化物層の上の第２のIII 族窒化物層と、
    前記第２のIII 族窒化物層の上の第３のIII 族窒化物層と、
    を有し、
    前記基板は、
    多結晶基板であり、
    前記第１のIII 族窒化物層は、
    前記基板と格子定数の異なる層であり、
    前記第２のIII 族窒化物層は、
    前記第１のIII 族窒化物層と格子定数の異なる単結晶層であり、
    前記第３のIII 族窒化物層は、
    １以上のIII 族窒化物半導体層を有すること
    を特徴とするIII 族窒化物半導体素子。
11. 請求項１０に記載のIII 族窒化物半導体素子において、
    前記第１のIII 族窒化物層は、
    非晶質であること
    を特徴とするIII 族窒化物半導体素子。
12. 請求項１０に記載のIII 族窒化物半導体素子において、
    前記第１のIII 族窒化物層は、
    多結晶質であること
    を特徴とするIII 族窒化物半導体素子。
13. 請求項１０から請求項１２までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体素子において、
    前記第２のIII 族窒化物層は、
    ＡｌＮ単結晶層であること
    を特徴とするIII 族窒化物半導体素子。
14. 請求項１０から請求項１３までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体素子において、
    前記第３のIII 族窒化物層は、
    チャネル層と、バリア層と、を有すること
    を特徴とするIII 族窒化物半導体素子。
15. 請求項１４に記載のIII 族窒化物半導体素子において、
    前記第３のIII 族窒化物層は、
    合金散乱防止層を有し、
    前記合金散乱防止層は、
    前記バリア層よりもバンドギャップが大きいIII 族窒化物を備える１層以上の層であること
    を特徴とするIII 族窒化物半導体素子。
16. 請求項１０から請求項１５までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体素子において、
    前記III 族窒化物半導体素子は、
    ＭＯＳ型ＨＥＭＴ素子もしくはＭＩＳ型ＨＥＭＴ素子であること
    を特徴とするIII 族窒化物半導体素子。
17. 請求項１０から請求項１３までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体素子において、
    前記III 族窒化物半導体素子は、
    半導体レーザー素子もしくは半導体発光素子であること
    を特徴とするIII 族窒化物半導体素子。