JP5095653B2 - 窒化物半導体構造 - Google Patents

Description

本発明は、窒化物半導体構造に関し、より詳細には、原子レベルで平坦な表面または界面を有する窒化物半導体薄膜構造に関する。

窒化物半導体は、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ等のＩＩＩ族元素のうち少なくとも１つ以上の元素と、Ｖ族元素である窒素との化合物であり、一般式Ａｌ_{１−ａ−ｂ−ｃ}Ｂ_ａＧａ_ｂＩｎ_ｃＮ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ｃ≦１）で表される。窒化物半導体薄膜の表面や、２層以上の窒化物半導体薄膜を積層したヘテロ構造の界面の平坦性は、物性解明や素子応用の観点から、原子レベルで平滑であることが望ましい。特に、障壁層と量子井戸層との間の界面が原子レベルで平坦であれば、量子井戸内に形成される量子準位（サブバンド）のエネルギー的な広がり（揺らぎ）が小さくなる。その結果、量子井戸の発光スペクトルが峡鋭化したり、サブバンドを利用する素子（共鳴トンネルダイオード、光スイッチ素子、カスケードレーザ等）の特性を向上したりすることができる。

ここで、砒化物半導体であるＧａＡｓのエピタキシャル成長において、成長領域をメサやマスク材によって制限する選択成長法によって、原子レベルで平坦な表面やヘテロ界面が得られることが報告されている（特許文献１及び２参照）。これらの発明において、半導体基板上に成長する薄膜材料のマイグレーション長、もしくは気相での横方向での拡散長のうち、短い方の長さを直径とする領域に選択成長することによって目的を達している。

ところが、窒化物半導体のエピタキシャル成長においては、半導体基板や、半導体基板とエピタキシャル成長した窒化物半導体薄膜の界面から伸びる、らせん成分を有する貫通転位が高密度に存在するため、窒化物半導体薄膜の表面やヘテロ界面の平坦性は損なわれていた。非特許文献１では、らせん成分を含む転位を起源とするスパイラル成長のため、選択成長したＧａＮの表面が高密度の原子ステップとテラスから構成されていて、ＧａＡｓの場合よりも平坦性が悪いことが報告されている。最も広い原子テラスが成長領域に占める割合はせいぜい１〜２％である。

また、特許文献１及び２では、半導体基板の転位が半導体薄膜成長に与える影響に関しては言及されていない。

特願平８−５４４２２号公報 特願平８−１５３６１８号公報

T. Akasaka, T. Nishida, S. Ando, and N. Kobayashi, Japanese Journal of Applied Physics vol. 37 (1998) pp. L842-844.

このように、窒化物半導体薄膜では、例え選択成長法を用いたとしても、らせん成分を有する貫通転位の影響により原子レベルで平坦な表面やヘテロ界面を作製することは不可能であった。さらに、らせん成分を有する貫通転位の密度やマスク材の開口部の大きさが、窒化物半導体薄膜の表面やヘテロ界面の平坦性に与える影響も検討されていなかった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的は、原子レベルで平坦な表面またはヘテロ界面を有する窒化物半導体構造を提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明の第１の態様は、窒化物半導体基板と、前記窒化物半導体基板上に形成された、複数の開口部を有するマスク層と、前記複数の開口部のそれぞれに形成された複数の窒化物半導体薄膜とを備える窒化物半導体構造であって、各開口部の面積は、前記窒化物半導体薄膜の表面が平坦になるよう前記窒化物半導体基板のらせん成分を含む貫通転位密度の逆数より狭く設定され、前記貫通転位密度は、１０^３ｃｍ^−２以上１０^７ｃｍ^−２以下であり、前記窒化物半導体薄膜は、前記開口部に島状に独立して形成され、前記島状に形成された窒化物半導体薄膜のうちの少なくとも一つの窒化物半導体薄膜の表面について、最も広い原子テラスの表面が、当該の島状に形成された窒化物半導体薄膜の表面積の８０％以上の面積を持ち、前記窒化物半導体基板は、サファイアと、前記サファイアの主方位面上に形成された第２のマスク材と、前記第２のマスク材上に横方向成長した窒化物半導体薄膜とを備えることを特徴とする。

また、本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記開口部は、多角形または円形であることを特徴とする。

本発明によれば、基板に存在するらせん成分を含む貫通転位密度がＮ ｃｍ^−２である場合に、マスク材の各開口部の面積を１／Ｎ ｃｍ^２以下にすることにより、各開口部内に形成した窒化物半導体薄膜の表面または窒化物半導体多層薄膜の界面を平坦にすることをできる。

実施形態１の窒化物半導体構造を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図を示す図である。 ＧａＮ薄膜１０５のうちの１つの表面の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）像を示す図である。 実施形態２の窒化物半導体構造を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図を示す図である。 実施形態３の窒化物半導体構造を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。密度や厚さ等の具体的数値を特定した例を用いて説明するが、これらの例に限定する意図はない。

（実施形態１）
図１（ａ）及び（ｂ）に、実施形態１の窒化物半導体構造を示す。図１（ａ）は平面図を表し、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’線に沿った断面を表す。窒化物半導体基板１０１は、（０００１）面を主方位面とするＧａＮであり、らせん成分を含む貫通転位１０４の密度は１×１０^５ｃｍ^−２であった。窒化物半導体基板１０１の主方位面上にマスク材１０２（酸化シリコン薄膜、厚さ１００ｎｍ）が形成されている。また、マスク材１０２には複数の開口部１０３が開けられている。開口部１０３のそれぞれは、１辺が８ミクロンの正六角形であり、各辺はＧａＮの[１１−２０]方向に平行である。さらに、開口部１０３のそれぞれには、厚さが５００ｎｍのＧａＮ薄膜１０５が形成されている。

図２に、ＧａＮ薄膜１０５のうちの１つの表面の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）像を示した。周辺部に数層の原子ステップが見られるが、ＧａＮ薄膜１０５の表面は単一の原子テラスで８０％以上が覆われていることが分かった。すなわち、各開口部内に形成した窒化物半導体薄膜の表面を構成する原子テラスのうち、最も広い原子テラスの面積が窒化物半導体薄膜の表面積の８０％以上であった。

ここで、窒化物半導体基板１０１であるＧａＮ基板のらせん成分を含む貫通転位１０４の密度は１×１０^５ｃｍ^−２であることから、貫通転位１０４の面内間隔は約３０ミクロン程度となる。そのため、１辺が８ミクロンの正六角形である、複数形成された開口部１０３のうち、大多数の開口部の内部には貫通転位１０４が全くない状況が実現されている。そのため、従来のＧａＮの選択成長において表面平坦性を損ねていたスパイラル成長が起こらず、単一の原子テラスでほぼ覆われた原子レベルで平坦なＧａＮ表面が形成できた。

様々な条件下で貫通転位１０４の密度と開口部１０３の面積との関係を検討すると、らせん成分を含む貫通転位密度がＮ ｃｍ^−２である場合、マスク材１０２の各開口部１０３の面積が１／Ｎ ｃｍ^２以下であれば、各開口部１０３内に形成した窒化物半導体薄膜の表面が平坦になることを見出した。そして、Ｎの値が１０^３以上１０^７以下である場合には、各開口部１０３内に形成した窒化物半導体薄膜１０５の表面を構成する原子テラスのうち、最も広い原子テラスの面積が表面積の８０％以上となることが分かった。

なお、この関係は窒化物半導体基板１０１や窒化物半導体薄膜１０５がＧａＮであるときばかりではなく、任意の組成を有する窒化物半導体Ａｌ_{１−ａ−ｂ−ｃ}Ｂ_ａＧａ_ｂＩｎ_ｃＮ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ｃ≦１）で成り立つ。ただし、窒化物半導体基板１０１と窒化物半導体薄膜１０５との間でミスフィット転位が発生しない組成の組み合わせや薄膜の厚みが必要とされる。また、窒化物半導体基板１０１の主方位面は必ずしも（０００１）でなくても良く、｛１−１００｝、｛１−１０１｝、｛１１−２０｝、｛１１−２１｝、｛１１−２２｝面などでも良い。さらに、開口部１０３の形状は必ずしも正六角形でなくてもよく、他の多角形や円形であっても良い。

（実施形態２）
図３（ａ）及び（ｂ）に、実施形態２の窒化物半導体構造を示す。図３（ａ）は平面図を表し、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ’線に沿った断面を表す。窒化物半導体基板１０１は（１１−２０）面を主方位面とするＧａＮであり、らせん成分を含む貫通転位１０４の密度は１×１０^５ ｃｍ^−２である。窒化物半導体基板１０１の主方位面上にマスク材１０２（窒化シリコン薄膜、厚さ５０ｎｍ）が形成されている。また、マスク材１０２には複数の開口部１０３が開けられている。開口部１０３は１辺が２０ミクロンの正方形であり、各辺はＧａＮの[０００１]または[１−１００]方向に平行である。さらに、開口部１０３には、５００ｎｍ厚のｎ型ＧａＮ層１０６ａ、厚さ３ｎｍのアンドープＡｌＮ層１０６ｂ、厚さ２ｎｍのアンドープＧａＮ層１０６ｃ、厚さ３ｎｍのアンドープＡｌＮ層１０６ｄ、および、３００ｎｍ厚のｎ型ＧａＮ層１０６ｅが順次形成され、窒化物半導体多層薄膜１０６となっている。この窒化物半導体多層薄膜１０６の断面を透過型電子顕微鏡で観察したところ、すべての界面において、最も広い原子テラスの面積が各界面の面積の８０％以上であった。よって、各開口部１０３内に形成した窒化物半導体多層薄膜１０６の少なくとも１つの界面において、界面を構成する最も広い原子テラスの面積が界面の面積の８０％以上であったと言うことができる。

様々な条件下で貫通転位１０４の密度と開口部１０３の面積との関係を検討すると、らせん成分を含む貫通転位密度がＮ ｃｍ^−２である場合、マスク材１０２の各開口部１０３の面積が１／Ｎ ｃｍ^２以下であれば、各開口部１０３内に形成した窒化物半導体多層薄膜１０６の界面が平坦になることを見出した。そして、Ｎの値が１０^３以上１０^７以下である場合には、各開口部１０３内に形成した窒化物半導体多層薄膜１０６の少なくとも１つの界面を構成する原子テラスのうち、最も広い原子テラスの面積が界面の面積の８０％以上となることが分かった。

なお、この関係は窒化物半導体基板１０１や窒化物半導体多層薄膜１０６が、任意の組成を有する窒化物半導体Ａｌ_{１−ａ−ｂ−ｃ}Ｂ_ａＧａ_ｂＩｎ_ｃＮ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ｃ≦１）で成り立つ。ただし、窒化物半導体基板１０１と窒化物半導体多層薄膜１０６、および、窒化物半導体多層薄膜１０６内の各層の間でミスフィット転位が発生しない組成の組み合わせや各層の厚みが必要とされる。また、窒化物半導体基板１０１の主方位面は必ずしも｛１１−２０｝でなくても良く、（０００１）、｛１−１００｝、｛１−１０１｝、｛１１−２１｝、｛１１−２２｝面などでも良い。さらに、開口部１０３の形状は必ずしも正方形でなくてもよく、他の多角形や円形であっても良い。

カソードルミネッセンス法により、窒化物半導体多層薄膜１０６からの発光スペクトルを４Ｋの温度で測定した。界面が高密度の原子ステップで形成されている従来の窒化物半導体多層薄膜と比較して、発光スペクトルの幅が３分の１程度に狭くなった。これは、量子井戸となる厚さ２ｎｍのアンドープＧａＮ層１０６ｃの膜厚揺らぎが小さくなり、サブバンドのエネルギー的な広がり（揺らぎ）が小さくなったためである。

また、窒化物半導体多層薄膜１０６の表面と窒化物半導体基板１０１の裏面に、それぞれ、オーミック電極を形成し、共鳴トンネルダイオードを作製した。室温で電流電圧特性を測定したところ、界面が高密度の原子ステップで形成されている従来の窒化物半導体多層薄膜から作製された共鳴トンネルダイオードと比較して、３〜５倍のピークツーバレー比を得ることができた。これもまた、厚さ２ｎｍのアンドープＧａＮ層１０６ｃの膜厚揺らぎが小さくなり、サブバンドのエネルギー的な広がり（揺らぎ）が小さくなったためである。

（実施形態３）
実施形態１及び２において、窒化物半導体基板１０１としてサファイア基板上のＧａＮ薄膜を用いた例を示して説明したが、図４（ａ）及び（ｂ）に、実施形態３の窒化物半導体構造を示す。図４（ａ）は平面図を表し、図４（ｂ）は図（ａ）のＡ−Ａ’線に沿った断面を表す。本実施形態における窒化物半導体基板１０１は、（０００１）面を主方位面とするサファイア１０１ａ、第２のマスク材１０１ｂ、横方向成長ＧａＮ薄膜１０１ｃで構成されている。図４（ａ）にサファイア１０１ａの方位を示した。第２のマスク材１０１ｂは厚さ１００ｎｍの酸化シリコン薄膜であり、サファイア１０１ａの［１−１００］方向に平行な多数のストライプを形成している。ストライプの幅は１から１００ミクロン、ストライプの間隔は１から１００ミクロンとすることができる。横方向成長ＧａＮ薄膜１０１ｃの表面上にマスク材１０２および開口部１０３が形成されている。このとき、開口部１０３は第２のマスク材１０１ｂ上に横方向成長した部分のＧａＮ薄膜に形成する必要がある（図４（ｂ）参照）。これは、マスク材１０１ｂの上に横方向成長した部分のＧａＮ薄膜のらせん成分を含む貫通転位の密度が小さいためである。実施形態１及び２と同様に、開口部１０３内に、表面を構成する原子テラスのうち、最も広い原子テラスの面積が表面積の８０％以上を占める窒化物半導体薄膜１０５や、少なくとも１つの界面において界面を構成する最も広い原子テラスの面積が界面面積の８０％以上である窒化物半導体多層薄膜１０６を形成することができた。

ここで、第２のマスク材１０１ｂの上に横方向成長した部分のＧａＮ薄膜１０１ｃのらせん成分を含む貫通転位密度がＮ ｃｍ^−２である場合、マスク材１０２の開口部１０３の面積が１／Ｎ ｃｍ^２以下にする必要がある。この関係は横方向成長ＧａＮ薄膜１０１ｃ、窒化物半導体薄膜１０５、窒化物半導体多層薄膜１０６が、任意の組成を有する窒化物半導体Ａｌ_{１−ａ−ｂ−ｃ}Ｂ_ａＧａ_ｂＩｎ_ｃＮ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ｃ≦１）で成り立つ。ただし、横方向成長ＧａＮ薄膜１０１ｃと窒化物半導体薄膜１０５または窒化物半導体多層薄膜１０６との間、および、窒化物半導体多層薄膜１０６内の各層間でミスフィット転位が発生しない組成の組み合わせや各層の厚みが必要とされる。

さらに、サファイア１０１ａの代わりにシリコンや炭化珪素を用いても良い。サファイアや炭化珪素の場合、（０００１）以外の主方位面、例えば、｛１１−２０｝、｛１−１００｝、｛１−１０１｝、｛１１−２１｝、｛１１−２２｝面等を用いても良い。シリコンの場合、{１１１}、｛１００｝、｛１１０｝等の主方位面を用いることができる。

１０１ 窒化物半導体基板
１０１ａ サファイア
１０１ｂ 第２のマスク材
１０１ｃ 横方向成長したＧａＮ薄膜
１０２ マスク材
１０３ マスク材の開口部
１０４ らせん成分を含む貫通転位
１０５ 窒化物半導体薄膜
１０６ 窒化物半導体多層薄膜
１０６ａ ｎ型ＧａＮ層
１０６ｂ アンドープＡｌＮ層
１０６ｃ アンドープＧａＮ層
１０６ｄ アンドープＡｌＮ層
１０６ｅ ｎ型ＧａＮ層

Claims (2)

1. 窒化物半導体基板と、
   前記窒化物半導体基板上に形成された、複数の開口部を有するマスク層と、
   前記複数の開口部のそれぞれに形成された複数の窒化物半導体薄膜と
   を備える窒化物半導体構造であって、
   各開口部の面積は、前記窒化物半導体薄膜の表面が平坦になるよう前記窒化物半導体基板のらせん成分を含む貫通転位密度の逆数より狭く設定され、
   前記貫通転位密度は、１０^３ｃｍ^−２以上１０^７ｃｍ^−２以下であり、
   前記窒化物半導体薄膜は、前記開口部に島状に独立して形成され、
   前記島状に形成された窒化物半導体薄膜のうち少なくとも一つの窒化物半導体薄膜の表面について、最も広い原子テラスの表面が、当該の島状に形成された窒化物半導体薄膜の表面積の８０％以上の面積を持ち、前記窒化物半導体基板は、
   サファイアと、
   前記サファイアの主方位面上に形成された第２のマスク材と、
   前記第２のマスク材上に横方向成長した窒化物半導体薄膜と
   を備えることを特徴とする窒化物半導体構造。
2. 前記開口部は、多角形または円形であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体構造。