JP4451222B2

JP4451222B2 - エピタキシャル基板、半導体積層構造、およびエピタキシャル基板の製造方法

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Publication number: JP4451222B2
Application number: JP2004170080A
Authority: JP
Inventors: 和政平松; 秀人三宅; 章石賀; 智彦柴田; 茂明角谷
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2004-06-08
Filing date: 2004-06-08
Publication date: 2010-04-14
Anticipated expiration: 2024-06-08
Also published as: JP2005353680A

Description

本発明は、半導体発光素子や半導体素子の形成に好適な、III族窒化物を用いたエピタキシャル基板とその製造方法、さらには係るエピタキシャル基板を用いて形成された半導体積層構造に関する。

ＧａＮやＡｌＧａＮなどのIII族窒化物半導体は、発光ダイオード等の発光デバイスやＨＥＭＴなどの作製に好適な材料であるとして、その実用化に向けての研究、開発が盛んである。通常は、サファイアやＳｉＣなどの基材上にIII族窒化物からなる所定の下地層をエピタキシャル形成した、いわゆるエピタキシャル基板の上に、それぞれのデバイス特性を実現するためのIII族窒化物層（上部層）を同じくエピタキシャル形成させた積層構造体を形成したうえで、種々のデバイス形成に供される。

このような構成を有する積層構造体においては、基材と下地層との格子定数に差があり、係る格子ミスマッチに起因した転位が両者の界面にて発生する。係る転位は、下地層と上部層界面を貫通して、上部層の表面にまで伝播する。良好なデバイス特性の実現のためには、この上部層表面にまで伝搬する転位を、できるだけ抑制することが必要となる。

例えば、ＥＬＯ（Epitaxial Lateral Overgrowth）成長技術を用いて下地層表面に凹凸を形成することにより、上部層への転位の伝播を抑制する技術は広く知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、ＥＬＯを用いずに下地層に直接に凹凸を形成することで、上部層への転位の伝播を抑制する技術についても公知である（例えば、特許文献２ないし特許文献３参照）。

あるいは、下地層の成長過程においてその成長条件を調整することで転位を屈曲させて、上部層への伝播を抑制して上部層の低転位化を実現する技術も公知となっている（例えば、特許文献４参照）。

特開２００３−２７９６号公報特開２００２−２２２７７１号公報特開２００１−１６８３８６号公報特開２００４−９９３３７号公報

上記の上部層を、少なくともＡｌを含むIII族窒化物にて形成する場合、一般的なエピタキシャル成長の手法によって形成すると、Ａｌのモル分率が５％以下の場合でその転位密度は１×１０⁹／ｃｍ²程度であり、さらにＡｌの組成が大きくなれば、その転位密度は１×１０¹⁰／ｃｍ²を超えるほどにまで大きくなってしまう。高Ａｌモル分率の場合に低転位化を実現するためには、何らかの技術的対応が必須である。

しかしながら、特許文献１に開示されているようなＥＬＯを用いる技術は、成長方向を規制するためにマスクパターンを形成する工程が必須であり、工程が複雑になるという問題がある。

また、特許文献２ないし特許文献３においては、下地層をＡｌ含有III族窒化物にて構成し、その上にIII族窒化物からなる上部層を形成する態様が開示されているが、III族窒化物からなる上部層として具体的に開示されているのはＧａＮのみであり、Ａｌを含むIII族窒化物にて上部層を形成する場合についての具体的な開示はない。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、Ａｌリッチであってかつ低転位であるIII族窒化物を有するエピタキシャル基板を提供することを目的とする。

また、請求項１の発明は、所定の基材と、前記基材の上に形成され、第１のIII族窒化物からなる下地層と、前記下地層の上に形成され、第２のIII族窒化物からなる上部層と、を備えるエピタキシャル基板であって、前記第１のIII族窒化物における全III族元素に対するＡｌのモル分率が前記第２のIII族窒化物における全III族元素に対するＡｌのモル分率よりも大きく、かつ５０原子％以上であり、前記上部層は、前記下地層との界面近傍の方が最表面側よりも前記第２のIII族窒化物のＡｌのモル分率が大きい傾斜組成層であり、前記下地層の平均膜厚が２μｍ以上であり、前記下地層の平均膜厚に対する、前記下地層の上面における平均粗さの比が、１／２００以上の範囲にあり、前記上部層の転位密度が１×１０⁹／ｃｍ²以下である、ことを特徴とする。

また、請求項２の発明は、所定の基材と、前記基材の上に形成され、第１のIII族窒化物からなる下地層と、前記下地層の上に形成され、第２のIII族窒化物からなる上部層と、を備えるエピタキシャル基板であって、前記第１のIII族窒化物における全III族元素に対するＡｌのモル分率が前記第２のIII族窒化物における全III族元素に対するＡｌのモル分率よりも大きく、かつ５０原子％以上であり、前記上部層は、前記下地層との界面近傍の方が最表面側よりも前記第２のIII族窒化物のＡｌのモル分率が大きい傾斜組成層であり、前記下地層の平均膜厚が２μｍ以上であり、前記下地層の平均膜厚に対する、前記下地層の上面における平均凸部間隔の比が、１／３０以上の範囲にあり、前記上部層の転位密度が１×１０⁹／ｃｍ²以下である、ことを特徴とする。

また、請求項３の発明は、所定の基材と、前記基材の上に形成され、第１のIII族窒化物からなる下地層と、前記下地層の上に形成され、第２のIII族窒化物からなる上部層と、を備えるエピタキシャル基板であって、前記第１のIII族窒化物における全III族元素に対するＡｌのモル分率が前記第２のIII族窒化物における全III族元素に対するＡｌのモル分率よりも大きく、かつ５０原子％以上であり、前記上部層は、前記下地層との界面近傍の方が最表面側よりも前記第２のIII族窒化物のＡｌのモル分率が大きい傾斜組成層であり、前記下地層の平均膜厚が２μｍ以上であり、前記下地層の上面は多数の微小斜面が連結することによって形成され、前記エピタキシャル基板の法線方向と前記微小斜面のそれぞれの法線とがなす角度が３０°以上８０°以下の範囲にあり、前記上部層の転位密度が１×１０⁹／ｃｍ²以下である、ことを特徴とする。

また、請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のエピタキシャル基板であって、前記第１のIII族窒化物における全III族元素に対するＡｌのモル分率が８０原子％以上であることを特徴とする。

また、請求項５の発明は、請求項４に記載のエピタキシャル基板であって、前記第１のIII族窒化物がＡｌＮであることを特徴とする。

また、請求項６の発明は、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のエピタキシャル基板であって、前記下地層の平均膜厚が３μｍ以上であり、前記上部層の転位密度が５×１０⁸／ｃｍ²以下である、であることを特徴とする。

また、請求項７の発明は、請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のエピタキシャル基板であって、前記上部層の表面が実質的に平坦であることを特徴とする。

また、請求項８の発明は、請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のエピタキシャル基板であって、前記上部層の表面粗さが、前記下地層の表面粗さよりも小さいことを特徴とする。

また、請求項９の発明は、請求項１ないし請求項８のいずれかに記載のエピタキシャル基板と、前記エピタキシャル基板の上に形成され、所定のIII族窒化物からなる半導体層群と、を備えることを特徴とする。

また、請求項１０の発明は、エピタキシャル基板の製造方法であって、所定の基材の上に下地層を形成する下地層形成工程と、前記下地層の上に上部層を形成する上部層形成工程と、を備え、前記下地層形成工程においては、前記下地層を、全III族元素に対するＡｌのモル分率が５０原子％以上である第１のIII族窒化物によって、平均膜厚が２μｍ以上となるように、かつ、前記下地層の平均膜厚に対する、前記下地層の上面における平均粗さの比が、１／２００以上の範囲にあるように形成し、前記上部層形成工程においては、前記上部層を、全III族元素に対するＡｌのモル分率が前記第１のIII族窒化物におけるＡｌのモル分率よりも小さい第２のIII族窒化物によって、前記下地層との界面近傍の方が最表面側よりも前記第２のIII族窒化物のＡｌのモル分率が大きい傾斜組成層として形成する、ことを特徴とする。

また、請求項１１の発明は、エピタキシャル基板の製造方法であって、所定の基材の上に下地層を形成する下地層形成工程と、前記下地層の上に上部層を形成する上部層形成工程と、を備え、前記下地層形成工程においては、前記下地層を、全III族元素に対するＡｌのモル分率が５０原子％以上である第１のIII族窒化物によって、平均膜厚が２μｍ以上となるように、かつ、前記下地層の平均膜厚に対する、前記下地層の上面における平均凸部間隔の比が、１／３０以上の範囲にあるように形成し、前記上部層形成工程においては、前記上部層を、全III族元素に対するＡｌのモル分率が前記第１のIII族窒化物におけるＡｌのモル分率よりも小さい第２のIII族窒化物によって、前記下地層との界面近傍の方が最表面側よりも前記第２のIII族窒化物のＡｌのモル分率が大きい傾斜組成層として形成する、ことを特徴とする。

また、請求項１２の発明は、エピタキシャル基板の製造方法であって、所定の基材の上に下地層を形成する下地層形成工程と、前記下地層の上に上部層を形成する上部層形成工程と、を備え、前記下地層形成工程においては、全III族元素に対するＡｌのモル分率が５０原子％以上である第１のIII族窒化物によって、平均膜厚が２μｍ以上で、かつ前記下地層の上面は多数の微小斜面が連結することによって形成され、前記エピタキシャル基板の法線方向と前記微小斜面のそれぞれの法線とがなす角度が３０°以上８０°以下の範囲にあるように前記下地層を形成し、前記上部層形成工程においては、前記上部層を、全III族元素に対するＡｌのモル分率が前記第１のIII族窒化物におけるＡｌのモル分率よりも小さい第２のIII族窒化物によって、前記下地層との界面近傍の方が最表面側よりも前記第２のIII族窒化物のＡｌのモル分率が大きい傾斜組成層として形成する、ことを特徴とする。

また、請求項１３の発明は、請求項１０ないし請求項１２のいずれかに記載のエピタキシャル基板の製造方法であって、前記下地層形成工程においては、全III族元素に対するＡｌのモル分率が８０原子％以上である前記第１のIII族窒化物によって前記下地層を形成する、ことを特徴とする。

また、請求項１４の発明は、請求項１３に記載のエピタキシャル基板の製造方法であって、前記下地層形成工程においては、ＡｌＮによって前記下地層を形成する、ことを特徴とする。

また、請求項１５の発明は、請求項１０ないし請求項１４のいずれかに記載のエピタキシャル基板の製造方法であって、前記下地層形成工程においては、前記平均膜厚が３μｍ以上であるように前記下地層を形成する、ことを特徴とする。

また、請求項１６の発明は、請求項１０ないし請求項１５のいずれかに記載のエピタキシャル基板の製造方法であって、前記上部層の表面が実質的に平坦となるように前記上部層を形成する、ことを特徴とする。

また、請求項１７の発明は、請求項１０ないし請求項１５のいずれかに記載のエピタキシャル基板の製造方法であって、前記上部層形成工程においては、前記上部層の表面粗さが、前記下地層の表面粗さよりも小さくなるように前記上部層を形成する、ことを特徴とする。

また、請求項１８の発明は、請求項１０ないし請求項１７のいずれかに記載のエピタキシャル基板の製造方法であって、前記下地層をエッチングするエッチング工程、をさらに備え、前記上部層形成工程においては、前記エッチング工程を経た下地層の上に前記上部層を形成する、ことを特徴とする。

請求項１ないし請求項１８の発明によれば、Ａｌリッチであってかつ低転位であるIII族窒化物層を最上層に有するエピタキシャル基板、さらにはこれを用いた半導体積層構造を提供できる。

特に、請求項１、請求項２、請求項１０、および請求項１１の発明によれば、下地層の形成に際し、膜厚に応じた形状にて下地層の上面を形成することで、最上層における低転位が下地層の膜厚によらず実現される。

また、請求項１ないし請求項１８の発明によれば、凹部領域にてＧａリッチな上部層が形成されることに起因するクラックの発生が抑制される。

特に、請求項１８の発明によれば、上部層における多結晶成長に際し結晶欠陥の発生が抑制される。

図１は、本発明の実施の形態に係るエピタキシャル基板１０の構成を示す断面模式図である。エピタキシャル基板１０は、基材１の上に、下地層２と、上部層３とをエピタキシャル成長させてなる基板である。図２は、エピタキシャル基板１０の上に、所定のIII族窒化物からなる半導体層群２０を形成することで得られる半導体積層構造１００を例示する図である。ここで、半導体層群２０とは、所定の電子デバイスとしての機能を発現すべく適宜に形成される単層または多層の半導体層を意味する。なお、図示の都合上、図１および図２の図面における各層の厚みの比率および縦横の比率はは、実際の比率を反映したものではない。

基材１は、その上に形成する下地層２や上部層３の組成や構造、あるいは各層の形成手法に応じて適宜に選択される。例えば、ＳｉＣ（炭化ケイ素）やサファイアなどの基板を用いる。あるいは、ＺｎＯ，ＬｉＡｌＯ₂，ＬｉＧａＯ₂，ＭｇＡｌ₂Ｏ₄，（ＬａＳｒ）（ＡｌＴａ）Ｏ₃，ＮｄＧａＯ₃，ＭｇＯといった各種酸化物材料，Ｓｉ，Ｇｅといった各種ＩＶ族単結晶、ＳｉＧｅといった各種IV−IV族化合物，ＧａＡｓ，ＡｌＮ，ＧａＮ，ＡｌＧａＮといった各種III―Ｖ族化合物およびＺｒＢ₂といった各種ホウ化物の単結晶から適宜選択して用いてもよい。基材１の厚みには特段の材質上の制限はないが、取り扱いの便宜上、数百μｍ〜数ｍｍの厚みのものが好適である。なお、紫外域での光デバイス用途の場合には、動作波長の光に対し透明な基材を用いることが望ましく、III族窒化物の結晶構造との相性から鑑みると、本発明に用いる基材としては、サファイアが最も好適である。

なお、下地層２の結晶性をより向上させる目的で、基材１の表面に対しあらかじめ窒化処理を施し、表面窒化層が形成するのが好ましい。特にサファイア基板を用いた場合、表面窒化層は、表面から１ｎｍの深さ位置において５ａｔ％以上の窒素原子を含むように形成されるのが好適である。また、ＳｉＣ基板を用いた場合、前記表面窒化層は、表面から１ｎｍの深さにおいて３ａｔ％以上の窒素原子を含むように形成されるのが好適である。係る窒素原子の濃度はＸＰＳ（X-ray Photoelectron Spectroscopy：Ｘ線光電子分光）により測定するものとする。これにより、下地層２内の転位密度を効率的に低減することができる。

下地層２は、基材１上にIII族窒化物（第１のIII族窒化物）を例えば、ＭＯＣＶＤ法（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属化学気相成長法）によってエピタキシャル成長させることにより形成される。ここで第１のIII族窒化物は、含有するIII族元素のうちのＡｌの比率が５０ａｔ％以上のものである。すなわち、下地層２は、ＡｌリッチなIII族窒化物にて形成される。第１のIII族窒化物は、Ａｌ以外のIII族元素として、例えば、ＧａやＩｎを含んでいてもよいが、好ましくは、Ａｌの比率は８０ａｔ％以上であり、あるいはＡｌＮであってもよい。これらのIII族窒化物は通常、六方晶系のウルツ鉱型構造をとるが、下地層２は、Ｃ面が成長方向を向くように形成されることが望ましい。基材の結晶面の選択に関しては、たとえば、Ｃ面サファイア、Ａ面サファイア、Ｃ面ＳｉＣのように、III族窒化物の成長面がＣ面となるような結晶面を選択することが望ましい。下地層２は、Ｘ線ロッキングカーブ測定による（００２）面の半値幅が２００秒以下、より好ましくは１５０秒以下となるように形成されてなる。

また、下地層２は、所定のエピタキシャル成長条件を与えられることで、上記のような高い結晶品質を有しつつも、上部層３との界面４となるその最上面が、ランダムな凹凸構造、例えば、多数の微小斜面が連結した実質的に非周期的な凹凸構造を有してなる。図１にその垂直断面を例示している。図１に示すように、界面４は、実質的に非周期的な曲線により形成されてなる。なお、この例に限らず、任意の位置での垂直断面における下地層２と前記上部層３との界面は、実質的に非周期的な曲線により形成されてなる。

上述の所定のエピタキシャル条件は、ＭＯＣＶＤ法によって形成する場合であれば、所定の反応管内において基材自身１を９００℃以上に加熱する工程を行うことでみたされる。

好ましくは、第１の工程の前処理として、基材１の最表面に対し窒化処理を行って窒化層を形成することで、下地層２の結晶品質をより向上させることができる。

なお、下地層２と上部層３とは一のＭＯＣＶＤ装置を用いて連続的に成長させることも可能であるが、それぞれに個別の装置を用いて、不連続的に成長させることも可能である。あるいは、２つの層を、別の成膜方法、つまりは別の種類の成膜装置にて成長させることも可能である。このような不連続的な成長を行う場合、下地層２を成長させた後、上部層３を成長させるまでの間に、下地層２の表面において表面酸化膜の形成が進んだり、不純物の付着が生じることがある。、このような場合、上部層３を成長させるる際に、多結晶成長などの欠陥を発生させてしまうことがある。このような欠陥の発生を抑制するため、上記のように不連続的な成長を行う場合には、いったん下地層２をエピタキシャル成長させた後に、エッチングをその最上面に施すことことが望ましい。本エッチング工程は、ガス中、プラズマ中、溶液中などで実行されるが、工程の簡便性を考えた場合、水溶液に含浸することが望ましい。またその場合の溶液としては、例えばＫＯＨ（水酸化カリウム）水溶液などのアルカリ性水溶液を用いることが、エッチング速度が速いことから望ましい。

下地層２の最上面をなす微小斜面のそれぞれの法線は種々多様な方向を向いているが、エピタキシャル基板１０の法線方向との間になす角度は、概ね３０°以上８０°以下の範囲にある。係る角度範囲には、ＡｌリッチなIII族窒化物のエピタキシャル形成に際しての成長容易面である｛１０１｝面ファセットの法線方向がエピタキシャル基板１０の法線方向となす角度（ＡｌＮの場合で６１．６°、以下同様）や｛１１１｝面ファセットの法線方向がなす角度（７２．６°）、さらには、これらの次に成長容易面と考えられる｛１０２｝面ファセットの法線方向がなす角度（４２．７°）や｛１１２｝面ファセットの法線方向がなす角度（５８．０°）が含まれる。すなわち、下地層２の最上面の形状は、これらの結晶面のファセット成長の重ねあわせによって形成されるものと考えられる。

上部層３は、上述したような凹凸を有する下地層２の上に、III族窒化物（第２のIII族窒化物）がエピタキシャル形成されてなる。上部層３は、例えばＭＯＣＶＤ法によってエピタキシャル成長させることにより形成される。ここで第２のIII族窒化物は、Ａｌを含むものであり、Ａｌ以外のIII族元素として、例えば、ＧａやＩｎを含んでいてもよいが、含有するIII族元素のうちのＡｌの比率が、下地層２を形成する第１のIII族窒化物よりも小さいものである。

凹凸を有する下地層２の上に形成されることで、下地層から伝播する転位の多くは、その凹凸斜面で屈曲し、横方向へと成長する。これにより、上部層３における転位密度は減少する。本実施の形態においては、Ａｌを比較的多く含む第２のIII族窒化物にて形成してなるにも関わらず、１×１０⁹／ｃｍ²を下回る低転位密度の上部層３が実現されてなる。ただし、本実施の形態においては、表面カソードルミネッセンス像に基づいて転位密度を評価するものとする。

ＭＯＣＶＤ法によって形成する場合であれば、下地層２の形成後、基材１を１０００℃以上、好ましくは１１００℃以上に加熱し、該基材１上に、第２のIII族窒化物の構成元素を含むＶ族供給原料とIII族供給原料とを、流量比が（Ｖ族供給原料／III族供給原料）＞５００、反応管内の圧力が１Ｔｏｒｒ以上、となるように供給することで、上記のような低転位密度の上部層３を形成することができる。

なお、係る上部層３の低転位密度化は、上述のような凹凸が形成されてなる下地層２の形成条件との間に大きな関連性がある。これについては後述する。

また、好ましくは、第２のIII族窒化物におけるＡｌの含有比率は、下地層２との界面４の近傍と上部層３の最表面付近とで異なる。すなわち、上部層３は、傾斜組成を有してなる層であるのが好ましい。具体的には、界面４の近傍、つまりは下地層２によって形成される凹部近傍の方が、最表面付近よりもＡｌリッチであるように形成される。これは、例えばＭＯＣＶＤ法によって形成する場合であれば、III族供給原料の供給におけるＡｌ原料の流量比を減少させたり、成膜温度を下げつつ成膜を行うことで実現される。

仮に、このような態様をとらない場合、該凹部にはＡｌの存在比率が小さい、例えばＧａリッチなIII族窒化物が優先的に形成され、上部層３は、上方ほどＡｌリッチなものとなることが本願発明者によって確認されている。係る場合、下地層２はＡｌリッチであるにもかかわらず上部層３は例えばＧａリッチであることから、格子ミスマッチに起因して引張応力が生じる。そして、この引張応力によって上部層３にクラックが生じるという問題が生じることがある。

しかしながら、本実施の形態においては、上述のように界面４近傍の凹部においてＡｌリッチに上部層３を形成してなるので、このようなクラックの発生が抑制される。なお、両部分におけるＡｌの比率の差は１０％程度であるのが、クラック発生の抑制という観点からは好適である。

なお、上部層３の膜厚は、良好な結晶性を実現する上では、２μｍ以上であるのが好ましい。また、クラックが生じない範囲であれば特に上限はない。

＜下地層の形成条件と上部層の転位密度との関係＞
次に、上部層３において１×１０⁹／ｃｍ²を下回る低転位密度が実現されるための下地層２の形成条件について説明する。

下地層２は、上述のように、その最上面に凹凸構造を有してなるが、好ましくは平均膜厚が２μｍ以上であるように、より好ましくは、３μｍ以上であるように形成される。そして、下地層２の平均膜厚に対する下地層２の上面における平均粗さの比が、１／２００以上の範囲にあることが好ましい。

あるいは、平均膜厚に対する下地層２の上面における平均凸部間隔の比が、１／３０以上の範囲にあることが好ましいともいえる。ここで、平均凸部間隔とは、下地層２の表面に形成されてなる局所的な凹凸の凸部（頂点部）を計数し、その単位面積あたりの個数である凸部密度に基づいて、
平均凸部間隔（μｍ）＝１／（凸部密度（μｍ^-2）×π）^1/2 （式１）；
なる式にて概算した値である。例えばＡＦＭ（Atomic Force Microscope：原子間力顕微鏡）やＳＥＭ（Scanning Electron Microscope：走査電子顕微鏡）などにより取得された下地層２の表面像や垂直断面像などを元に算出される。

これらの条件は、下地層２の平均膜厚に応じて凹凸の度合を変えることで、上部層３の低転位化が実現されることを意味している。図３は、基材１としてサファイアを用い、第１のIII族窒化物としてＡｌＮを用いて下地層２を形成し、第２のIII族窒化物としてＡｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｎを用いて上部層３を形成することにより得られたエピタキシャル基板１０の特性を一覧にして示す図である。図３に示すように、平均膜厚が大きな場合であっても、平均膜厚が小さい場合よりも大きな凹凸構造を有するように下地層２を形成することで、上部層３における転位密度を１×１０⁹／ｃｍ²以下、さらには、５×１０⁹／ｃｍ²以下、さらには、１×１０⁸／ｃｍ²にまで低減することができる。図４は、基材１としてサファイアを用い、第１のIII族窒化物がＡｌＮである場合の、下地層２の断面及び表面の形状を例示するＳＥＭ像である。図４（ａ）が平均膜厚が３μｍ、図４（ｂ）が平均膜厚が６μｍの場合の像である。

下地層２の凹凸が大きいほど、基材１と下地層２との界面で発生した転位のうち、その凹凸の斜面において屈曲するものの割合が多くなっていることに加えて、下地層２の膜厚が大きいほど結晶の成長が進んでいるので、下地層２の最上面に形成される凹凸においては十分に面方位が揃った状態となっており、その結果として、結晶品質のよい上部層３が横方向成長しやすくなっていることによるものと考えられる。

下地層２の凸凹が大きいほど、転位を効率的に低減できることから、下地層２の平均膜厚に対する下地層２の上面における平均粗さの比、及び平均膜厚に対する下地層２の上面における平均凸部間隔の比の上限については、特に定めるものではない。ただし、上部層３の実質的な平坦性を確保するためには、下地層２の平均膜厚に対する下地層２の上面における平均粗さの比は１／５０以下の範囲にあることが好ましい。同様に、該平均膜厚に対する下地層２の上面における平均凸部間隔の比は、２／３０以下の範囲にあることが好ましい。

以上、説明したように、本実施の形態によれば、Ａｌリッチであってかつ低転位であるIII族窒化物を有するエピタキシャル基板を提供することができるので、これを用いて適宜に半導体積層構造を形成することで、より特性のよい半導体デバイスを作製することが可能となる。

（実施例１）
本実施例においては、サファイアを基材１とし、ＭＯＣＶＤ法によって下地層２と上部層３とを形成することによりエピタキシャル基板１０を得た。その際、下地層２の膜厚およびその表面粗さが異なる５種類のエピタキシャル基板１０を作製した。

まず、所定のＭＯＣＶＤ装置の反応管内においてサファイアからなる基材１を、所定位置に配置して１０５０℃に加熱し、アンモニアガスを供給して基材１の表面に、１ｎｍ深さにおいて７ａｔ％の窒素を含む表面窒化層を形成した。その後、１０５０℃において、該基材１上に、窒素供給原料とＡｌ供給原料とを、流量比が（窒素供給原料／Ａｌ供給原料）＝１５００の関係をみたし、反応管内の圧力を２５Ｔｏｒｒとなるように供給し、下地層２としてＡｌＮ層を形成した。供給時間は、膜厚に応じた所定の時間とした。このとき得られた下地層２を構成するＡｌＮの（００２）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅は、８０秒以下であった。また、下地層２の表面粗さＲａ、凸部密度、凸部間隔は、図３に示すようになった。これらの値の評価については、５μｍ×５μｍ範囲のＡＦＭ測定により評価を行っている。

下地層２の形成後、基材１を１１５０℃以上に加熱した状態で、窒素供給原料とIII族（Ａｌ、Ｇａ）供給原料とを、流量比が（窒素供給原料／III族供給原料）＝５０００でかつ、Ａｌ供給原料とＧａ供給原料との流量比を７：３から５：５へと連続的に可変させつつ、そして反応管内の圧力が５０Ｔｏｒｒとなるように供給することで、平均膜厚５μｍの上部層３を形成した。

これにより、図３に示す、１×１０⁹／ｃｍ²以下にまで転位密度が低減された、５種類のエピタキシャル基板１０を得ることができた。上部層３の表面近傍における組成はＡｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｎである一方、下地層２との界面４近傍（下地層２により形成された凹部近傍）における組成は、場所によって異なるが概ねＡｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｎ〜Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ｎであった。すなわち、上部層３においては上方ほど全III族元素に対するＡｌのモル分率が小さいことが、確認された。さらに、ＡＦＭを用いて表面構造を観察したところ、原子ステップが観察された。表面粗さＲａは２ｎｍであった。すなわち、上部層４の表面は実質的に平坦であり、下地層の凹凸構造は反映されていないことが確認された。また、多結晶発生に起因した結晶欠陥の密度は、２０カ所／ｃｍ²程度であることが確認された。

（実施例２）
本実施例においては、実施例１における上部層３の形成において、Ａｌ供給原料とＧａ供給原料との流量比を変化させる代わりに、温度を変化させてエピタキシャル基板を形成した。下地層２の形成後、窒素供給原料とIII族（Ａｌ、Ｇａ）供給原料との流量比を（窒素供給原料／III族供給原料）＝５０００とし、かつＡｌ供給原料とＧａ供給原料との流量比を５：５と固定した状態で、反応管内の圧力が５０Ｔｏｒｒとなるように窒素供給原料とIII族（Ａｌ、Ｇａ）供給原料とを供給して、平均膜厚５μｍの上部層３を形成した。この際、基材１の加熱温度を１２００℃から１１５０℃へと連続的に可変させた。

これにより、実施例１の５種類のエピタキシャル基板と同等なエピタキシャル基板１０を得ることができた。上部層３の表面近傍における組成はＡｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｎである一方、下地層２との界面４近傍（下地層２により形成された凹部近傍）における組成は、場所によって異なるが概ねＡｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｎ〜Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ｎであった。すなわち、上部層３においては上方ほど全III族元素に対するＡｌのモル分率が小さいことが、確認された。さらに、ＡＦＭを用いて表面構造を観察したところ、原子ステップが観察された。表面粗さＲａは２ｎｍであった。すなわち、上部層４の表面は実質的に平坦であり、下地層の凹凸構造は反映されていないことが確認された。

（実施例３）
本実施例においては、実施例１における上部層３の形成前において、室温でのＫＯＨ水溶液を用いたエッチングを、下地層２に施した。上部層３の形成は実施例１と同様に行っった。

これにより、実施例１と同等のエピタキシャル基板１０を実現することができた。さらに、多結晶発生に起因した結晶欠陥の密度は、実施例１の場合よりも十分に小さい１カ所／ｃｍ²程度であった。これにより、エッチング処理が、多結晶発生に起因する結晶欠陥の低減に有効であることが確認された。

（実施例４）
本実施例においては、実施例１における上部層３の形成において、Ａｌ供給原料とＧａ供給原料との流量比と形成温度とをともに固定してエピタキシャル基板を形成した。

これにより、実施例１と同様に、１×１０⁹／ｃｍ²以下にまで転位密度が低減された、５種類のエピタキシャル基板１０を得ることができた。ＡＦＭを用いて表面構造を観察したところ、原子ステップが観察された。表面粗さＲａは２ｎｍであった。すなわち、上部層４の表面は実質的に平坦であり、下地層の凹凸構造は反映されていないことが確認された。

ただし、上部層３の表面近傍における組成はＡｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｎであるものの、下地層２との界面４近傍（下地層２により形成された凹部近傍）においては、全III族元素に対するＡｌのモル分率が表面近傍よりも小さい、Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ｎ〜Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｎなる組成を有する部分が存在することが確認された。上部層４の膜厚が大きいエピタキシャル基板では、表面にクラックが発生したものがあった。これにより、上部層３において実施例１のように組成を傾斜させることが、クラックの抑制に効果的であることが確認された。

エピタキシャル基板１０の構成を示す断面模式図である。半導体積層構造１００を例示する図である。膜厚が異なるエピタキシャル基板１０の特性を一覧にして示す図である。下地層２の断面及び表面の形状を例示する図である。

符号の説明

１基材
２下地層
３上部層
４界面
１０エピタキシャル基板
２０半導体層群
１００半導体積層構造

Claims

所定の基材と、
前記基材の上に形成され、第１のIII族窒化物からなる下地層と、
前記下地層の上に形成され、第２のIII族窒化物からなる上部層と、
を備えるエピタキシャル基板であって、
前記第１のIII族窒化物における全III族元素に対するＡｌのモル分率が前記第２のIII族窒化物における全III族元素に対するＡｌのモル分率よりも大きく、かつ５０原子％以上であり、
前記上部層は、前記下地層との界面近傍の方が最表面側よりも前記第２のIII族窒化物のＡｌのモル分率が大きい傾斜組成層であり、
前記下地層の平均膜厚が２μｍ以上であり、
前記下地層の平均膜厚に対する、前記下地層の上面における平均粗さの比が、１／２００以上の範囲にあり、
前記上部層の転位密度が１×１０⁹／ｃｍ²以下である、
ことを特徴とするエピタキシャル基板。
所定の基材と、
前記基材の上に形成され、第１のIII族窒化物からなる下地層と、
前記下地層の上に形成され、第２のIII族窒化物からなる上部層と、
を備えるエピタキシャル基板であって、
前記第１のIII族窒化物における全III族元素に対するＡｌのモル分率が前記第２のIII族窒化物における全III族元素に対するＡｌのモル分率よりも大きく、かつ５０原子％以上であり、
前記上部層は、前記下地層との界面近傍の方が最表面側よりも前記第２のIII族窒化物のＡｌのモル分率が大きい傾斜組成層であり、
前記下地層の平均膜厚が２μｍ以上であり、
前記下地層の平均膜厚に対する、前記下地層の上面における平均凸部間隔の比が、１／３０以上の範囲にあり、
前記上部層の転位密度が１×１０⁹／ｃｍ²以下である、
ことを特徴とするエピタキシャル基板。
所定の基材と、
前記基材の上に形成され、第１のIII族窒化物からなる下地層と、
前記下地層の上に形成され、第２のIII族窒化物からなる上部層と、
を備えるエピタキシャル基板であって、
前記第１のIII族窒化物における全III族元素に対するＡｌのモル分率が前記第２のIII族窒化物における全III族元素に対するＡｌのモル分率よりも大きく、かつ５０原子％以上であり、
前記上部層は、前記下地層との界面近傍の方が最表面側よりも前記第２のIII族窒化物のＡｌのモル分率が大きい傾斜組成層であり、
前記下地層の平均膜厚が２μｍ以上であり、
前記下地層の上面は多数の微小斜面が連結することによって形成され、前記エピタキシャル基板の法線方向と前記微小斜面のそれぞれの法線とがなす角度が３０°以上８０°以下の範囲にあり、
前記上部層の転位密度が１×１０⁹／ｃｍ²以下である、
ことを特徴とするエピタキシャル基板。
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のエピタキシャル基板であって、
前記第１のIII族窒化物における全III族元素に対するＡｌのモル分率が８０原子％以上であることを特徴とするエピタキシャル基板。
請求項４に記載のエピタキシャル基板であって、
前記第１のIII族窒化物がＡｌＮであることを特徴とするエピタキシャル基板。
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のエピタキシャル基板であって、
前記下地層の平均膜厚が３μｍ以上であり、
前記上部層の転位密度が５×１０ ⁸ ／ｃｍ ² 以下である、
であることを特徴とするエピタキシャル基板。
請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のエピタキシャル基板であって、
前記上部層の表面が実質的に平坦であることを特徴とするエピタキシャル基板。
請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のエピタキシャル基板であって、
前記上部層の表面粗さが、前記下地層の表面粗さよりも小さいことを特徴とするエピタキシャル基板。
請求項１ないし請求項８のいずれかに記載のエピタキシャル基板と、
前記エピタキシャル基板の上に形成され、所定のIII族窒化物からなる半導体層群と、
を備えることを特徴とする半導体積層構造。
エピタキシャル基板の製造方法であって、
所定の基材の上に下地層を形成する下地層形成工程と、
前記下地層の上に上部層を形成する上部層形成工程と、
を備え、
前記下地層形成工程においては、前記下地層を、全III族元素に対するＡｌのモル分率が５０原子％以上である第１のIII族窒化物によって、平均膜厚が２μｍ以上となるように、かつ、前記下地層の平均膜厚に対する、前記下地層の上面における平均粗さの比が、１／２００以上の範囲にあるように形成し、
前記上部層形成工程においては、前記上部層を、全III族元素に対するＡｌのモル分率が前記第１のIII族窒化物におけるＡｌのモル分率よりも小さい第２のIII族窒化物によって、前記下地層との界面近傍の方が最表面側よりも前記第２のIII族窒化物のＡｌのモル分率が大きい傾斜組成層として形成する、
ことを特徴とするエピタキシャル基板の製造方法。
エピタキシャル基板の製造方法であって、
所定の基材の上に下地層を形成する下地層形成工程と、
前記下地層の上に上部層を形成する上部層形成工程と、
を備え、
前記下地層形成工程においては、前記下地層を、全III族元素に対するＡｌのモル分率が５０原子％以上である第１のIII族窒化物によって、平均膜厚が２μｍ以上となるように、かつ、前記下地層の平均膜厚に対する、前記下地層の上面における平均凸部間隔の比が、１／３０以上の範囲にあるように形成し、
前記上部層形成工程においては、前記上部層を、全III族元素に対するＡｌのモル分率が前記第１のIII族窒化物におけるＡｌのモル分率よりも小さい第２のIII族窒化物によって、前記下地層との界面近傍の方が最表面側よりも前記第２のIII族窒化物のＡｌのモル分率が大きい傾斜組成層として形成する、
ことを特徴とするエピタキシャル基板の製造方法。
エピタキシャル基板の製造方法であって、
所定の基材の上に下地層を形成する下地層形成工程と、
前記下地層の上に上部層を形成する上部層形成工程と、
を備え、
前記下地層形成工程においては、全III族元素に対するＡｌのモル分率が５０原子％以上である第１のIII族窒化物によって、平均膜厚が２μｍ以上で、かつ前記下地層の上面は多数の微小斜面が連結することによって形成され、前記エピタキシャル基板の法線方向と前記微小斜面のそれぞれの法線とがなす角度が３０°以上８０°以下の範囲にあるように前記下地層を形成し、
前記上部層形成工程においては、前記上部層を、全III族元素に対するＡｌのモル分率が前記第１のIII族窒化物におけるＡｌのモル分率よりも小さい第２のIII族窒化物によって、前記下地層との界面近傍の方が最表面側よりも前記第２のIII族窒化物のＡｌのモル分率が大きい傾斜組成層として形成する、
ことを特徴とするエピタキシャル基板の製造方法。
請求項１０ないし請求項１２のいずれかに記載のエピタキシャル基板の製造方法であって、
前記下地層形成工程においては、
全III族元素に対するＡｌのモル分率が８０原子％以上である前記第１のIII族窒化物によって前記下地層を形成する、
ことを特徴とするエピタキシャル基板の製造方法。
請求項１３に記載のエピタキシャル基板の製造方法であって、
前記下地層形成工程においては、
ＡｌＮによって前記下地層を形成する、
ことを特徴とするエピタキシャル基板の製造方法。
請求項１０ないし請求項１４のいずれかに記載のエピタキシャル基板の製造方法であって、
前記下地層形成工程においては、
前記平均膜厚が３μｍ以上であるように前記下地層を形成する、
ことを特徴とするエピタキシャル基板の製造方法。
請求項１０ないし請求項１５のいずれかに記載のエピタキシャル基板の製造方法であって、
前記上部層形成工程においては、
前記上部層の表面が実質的に平坦となるように前記上部層を形成する、
ことを特徴とするエピタキシャル基板の製造方法。
請求項１０ないし請求項１５のいずれかに記載のエピタキシャル基板の製造方法であって、
前記上部層形成工程においては、
前記上部層の表面粗さが、前記下地層の表面粗さよりも小さくなるように前記上部層を形成する、
ことを特徴とするエピタキシャル基板の製造方法。
請求項１０ないし請求項１７のいずれかに記載のエピタキシャル基板の製造方法であって、
前記下地層をエッチングするエッチング工程、をさらに備え、
前記上部層形成工程においては、
前記エッチング工程を経た下地層の上に前記上部層を形成する、
ことを特徴とするエピタキシャル基板の製造方法。