JP5255935B2

JP5255935B2 - 結晶基板および薄膜形成方法ならびに半導体装置

Info

Publication number: JP5255935B2
Application number: JP2008183756A
Authority: JP
Inventors: 隆志松岡; 健史藤戸
Original assignee: Tohoku University NUC; Mitsubishi Chemical Corp
Current assignee: Tohoku University NUC; Mitsubishi Chemical Corp
Priority date: 2008-07-15
Filing date: 2008-07-15
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2028-07-15
Also published as: JP2010024063A

Description

本発明は、ＧａＮ基板などのウルツ鉱型結晶構造を有する結晶基板、およびこの結晶基板の上に薄膜（半導体層）を形成する薄膜形成方法、ならびに半導体装置に関するものである。

近年、発光素子やトランジスタなどの電子素子に用いる半導体材料として、ウルツ鉱型結晶構造を有する化合物半導体が着目されている。例えば、ウルツ鉱型結晶構造を有する化合物半導体としてＧａＮなどの窒化物半導体がある。この窒化物半導体は、バンドギャップエネルギーが、赤外光から紫外光の波長に対応する広い範囲にあり、青色や緑色などの発光ダイオードや、発振波長が紫外域から赤外域の半導体レーザの材料として有望視され、既に用いられている。

このような特徴を有する窒化物半導体は、よく知られているように、シリコンとは異なり、大きな単結晶を形成することが容易ではない。これは、他のウルツ鉱型結晶構造を有する化合物半導体においても同様である。このため、窒化物半導体を用いた素子の製造では、一般には、サファイアなどの異種材料基板の上に、窒化物半導体の層をエピタキシャル成長させて用いている。しかしながら、異種材料基板を用いると、作製される半導体層の品質には限界があり、さらなる高品質化の要求には対応できない。

例えば、サファイア基板上にＩＩＩ族窒化物半導体の層をエピタキシャル成長すると、形成した半導体層には、貫通転位が存在しており、このために、作製される半導体レーザ（ＬＤ）の素子寿命が短いものとなる。貫通転位の密度を低減させる方法として、サファイア基板上でのＥＬＯ（エピタキシャル・ラテラル・オーバーグロース）法などの選択成長法が開発されている（非特許文献１参照）。この方法により、発光層となる半導体層内の貫通転位密度が、１０⁸ｃｍ^-2程度にまで低減されるようになっている。しかし、このような方法によっても、得られるＬＤの素子寿命は１０００時間程度でしかなく、十分なものとはなっていない（非特許文献２参照）。これは、ＬＤの発光部の両側の層に存在する多数の欠陥が、ＬＤ動作中に発光部に進入してくるためと考えられている。

以上のような異種基板を用いることによる問題を解消するために、近年では、エピタキシャル成長させる半導体層と同系統（同種）の半導体（化合物半導体）からなるより大きな結晶基板の開発が行われている。例えば、ＩＩＩ族窒化物半導体より構成される様々な素子の作製を実用的に行える、直径が２インチのＧａＮ基板（自立基板）が実現され（特許文献１および非特許文献３参照）、さらに、ＧａＮ基板を用いた素子の開発も行われている（非特許文献４参照）。

ところで、よく知られているように、ＩＩＩ族窒化物半導体のエピタキシャル成長では、Ｃ面への成長が主流となっているが、この場合、結晶成長させた薄膜中に、自然分極およびピエゾ分極が生じる。ところが、ＩＩＩ族窒化物半導体を用いて作製された発光素子においては、分極の発生は好ましくない。このため、近年では、ＩＩＩ族窒化物半導体を、ｃ軸に平行な面（Ｍ面，Ａ面など）の上にエピタキシャル成長させて素子を作製することが検討されている（非特許文献５参照）。ｃ軸に平行な面は、いわゆる非極性面であり、この面にエピタキシャル成長させることで、上述したような分極の発生が抑制できる。

特開２００６−２９８７４４号公報 A.Usui, et al. ,Jpn. J. Appl. ,Part 2, 36(1997)L899. T.Miyajima, et al. ,J. Phys. Cond. Mat. , 13(2001)7099. Y.Oshima, et al. , phys.stat.sol.(a), 194(2002)554. S.Nakamura, et.al.,Appl.Phys.Lett.73(1998)832. K.Iso, et al. ,Jpn. J. Appl. Phys. ,Part2, 46(2007)L960.

しかしながら、例えば、Ｍ面を主表面としたＧａＮ基板を用いると、エピタキシャル成長により得られるＩＩＩ族窒化物半導体の結晶品質があまりよくないという問題がある。Ｍ面としたＧａＮ基板では、エピタキシャル成長する薄膜における不純物濃度や組成比などにばらつきが発生するという問題がある。このような状態では、異種基板を用いる場合に比較してより結晶品質の高い化合物半導体層を得るためにＧａＮ基板を用いるという、所期の目的が達成できていない。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、ウルツ鉱型結晶構造を有する化合物半導体のｃ軸に平行な面を主表面とした結晶基板を用い、より高い結晶品質のエピタキシャル成長薄膜が形成できるようにすることを目的とする。

本発明に係る結晶基板は、ウルツ鉱型結晶構造を有する化合物より構成され、ｃ軸に平行な結晶面に略平行な主表面を備え、この主表面は、全域にわたって、ｃ軸に垂直で主表面に含まれる回転軸を中心として同一方向に傾斜しているようにしたものである。

上記結晶基板において、主表面は、回転軸を中心とした傾斜に加えてｃ軸を中心として結晶面より傾斜している。なお、結晶面は、Ｍ面およびＡ面の一方である。また、主表面は、ｃ軸に平行な結晶面より０．３〜１．０°の範囲で傾斜している。

また、本発明に係る薄膜形成方法は、上述した結晶基板の上に、結晶基板を構成する元素を含んだ化合物半導体より構成された半導体層をエピタキシャル成長させるようにした方法である。

また、本発明に係る半導体装置は、上述した結晶基板と、この結晶基板の上に形成され、結晶基板を構成する元素を含んだ化合物半導体より構成された半導体層とを少なくとも備えるものである。

以上説明したように、本発明によれば、ウルツ鉱型結晶構造を有する化合物より構成され、ｃ軸に平行な結晶面に略平行な主表面を備え、この主表面は、全域にわたって、ｃ軸に垂直で主表面に含まれる回転軸を中心として同一方向に傾斜しているようにしたので、ウルツ鉱型結晶構造を有する化合物半導体のｃ軸に平行な面を主表面とした結晶基板を用い、より高い結晶品質のエピタキシャル成長薄膜が形成できるようになるという優れた効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における結晶基板の構成例を示す斜視図である。本実施の形態における結晶基板１０１は、ウルツ鉱型結晶構造を有する化合物より構成され、ｃ軸１１１に平行な結晶面に略平行な基板面（主表面）１０２を備え、基板面１０２は、全域にわたって、ｃ軸１１１に垂直で基板面１０２に含まれる（基板面１０２を通る）軸を中心として同一方向に傾斜（回転）しているものである。

例えば、結晶基板１０１は、ＧａＮの結晶基板であり、基板面１０２は、ｃ軸１１１に平行な結晶面であるＭ面１０３に略平行とされ、全域にわたって、ｃ軸１１１に垂直で基板面１０２を通る仮想のｓ軸１１２を中心として、同一方向に０．４°回転している。なお、ここでは、基準となる結晶面に対して０．１°〜数°程度傾斜している（回転している）状態を略平行としている。また、ｓ軸１１２は、Ｍ面１０３の法線であるｍ軸１１３とｃ軸１１１とに垂直な仮想の軸である。

本実施の形態によれば、基板面１０２は、ステップ端がガリウム（Ｇａ）の状態とステップ端が窒素（Ｎ）の状態とが混在することがなく、いずれかの状態に統一されている。このため、結晶基板１０１の上には、基板平面（基板面１０２）方向の極性が制御された状態で、ＩｎＧａＮ薄膜などが形成（エピタキシャル成長）できるようになる。このように極性が制御された状態で化合物半導体の薄膜を形成することで、例えば、形成する薄膜の組成比を均一にすることができるようになる。また、形成する薄膜に対する不純物濃度も均一にすることができる。

なお、Ｎ極性に均一にすることで、Ｇａ極性に均一にした場合に比較して、例えば、インジウム（Ｉｎ）の組成比を高くしやすい状態で、Ｉｎを含む化合物半導体が形成できるようになる。例えば、Ｇａ極性に均一にした場合、Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ程度の組成比が得られるが、Ｎ極性に均一にした場合、これよりＩｎの組成比をより高くすることができる。また、相分離を抑制した状態で、このような高いＩｎ組成の化合物半導体層が形成可能となる。ここで、上述では、仮想のｓ軸１１２を用いて説明したが、このｓ軸１１２は、例えばａ軸であってもよい。また、上述では、Ｍ面１０３を基準に説明したが、これに限るものではなく、例えば、ｃ軸に平行な結晶面としてＡ面を基準にしてもよい。

また、ＧａＮからなる結晶基板１０１の場合、基板面１０２は、例えばＭ面１０３より０．３〜１．０°傾斜した基板とすればよい。０．３°より小さいと、ステップが広く（長く）なりすぎ、ステップ端以外の箇所からも結晶成長が始まり、部分的な成長が起こり、平坦性が低下する。一方、１．０°より大きいと、ステップの段差が大きくなり過ぎ、例えば、極薄い量子井戸層などを形成しようとしても、連続した均一な膜となりにくくなる。上記の傾斜角度が０．３〜１．０°の範囲とされたＧａＮからなる結晶基板１０１であれば、この上に、基板平面方向の極性が制御された状態で高品質な結晶状態の薄膜（ＩｎＧａＮなど）が形成できるようになる。

加えて、基板面１０２が、ｓ軸１１２を中心として傾斜するとともにｃ軸を中心としてｃ軸１１１に平行な結晶面より傾斜してるようにすることで、後述するように、基板面１０２の表面にｃ軸方向に加えてこれに直交する方向にもステップが形成されるようになるため、より平坦性が高くなるなど、より高品質な結晶の成長が可能となる。

次に、本実施の形態における結晶基板１０１の製造について説明する。結晶基板の製造に用いる結晶成長方法には特に制限はなく、結晶基板の種類によりそれぞれ好適な結晶成長方法が選択される。具体的にはＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＨＶＰＥ法、高圧合成法、フラックス法、ＬＰＥ法、水熱合成法、アモノサーマル法、昇華法等を挙げることができる。好ましくは、ＨＶＰＥ法、フラックス法、ＬＰＥ法、水熱合成法、アモノサーマル法を挙げることができる。

以下、ＨＶＰＥ法を例にして本実施の形態における結晶基板１０１の製造方法を説明する。ＨＶＰＥ成長に用いる装置の詳細は特に制限されない。例えば、図２に示すようなＨＶＰＥ装置を用いることができる。この装置は、リアクター（処理室）２００内に、下地基板２０９を載置するためのサセプター２０７と、成長させる窒化物半導体の原料を入れるリザーバー２０５とを備えている。また、リアクター２００内にガスを導入するための導入管２０１〜２０４と、排気するための排気管２０８が設置されている。排気管２０８は、図示していない排気装置に連通している。さらに、リアクター２００を側面から加熱するためのヒーター２０６が設置されている。

リアクター２００の材質としては、石英，多結晶ＢＮ，およびステンレスなどが用いられる。好ましい材質は石英である。リアクター２００内には、反応開始前にあらかじめ雰囲気ガスを充填しておく。雰囲気ガスとしては、例えばＨ₂ガスおよびＮ₂ガスや、Ｈｅ，Ｎｅ，およびＡｒなどの不活性ガスを用いればよい。これらのガスは、混合して用いてもよい。

サセプター２０７の材質としてはカーボンが好ましく、ＳｉＣで表面をコーティングしているものがより好ましい。サセプター２０７の形状は、本発明で用いる下地基板２０９を設置することができる形状であれば特に制限されないが、結晶成長する際に成長している結晶の上流側に構造物が存在しないものであることが好ましい。上流側に結晶が成長する可能性のある構造物が存在すると、この構造物に多結晶体が付着し、この付着による生成物としてＨＣｌガスが発生して結晶成長させようとしている結晶に悪影響が及んでしまう。

下地基板２０９をサセプター２０７に載置するとき、結晶成長させる下地基板２０９の面（以下、結晶成長面という）は、ガス流れの上流側（図２ではリアクター２００の上方）を向くように載置することが好ましい。すなわち、ガスが結晶成長面に向かって流れるように載置することが好ましく、ガスが結晶成長面に垂直な方向から流れるようにすることがより好ましい。

リザーバー２０５には、成長させる窒化物半導体の原料を収容する。例えば、ＩＩＩ−Ｖ族の窒化物半導体結晶を成長させる場合は、ＩＩＩ族源となる原料を入れる。このようなＩＩＩ族源となる原料として、Ｇａ，Ａｌ，およびＩｎなどを挙げることができる。例えば、ＧａＮを成長させる場合には、ＩＩＩ族源として「Ｇａ」が収容される。

リザーバー２０５にガスを導入するための導入管２０３からは、リザーバー２０５に入れた原料と反応するガスを供給する。例えば、リザーバー２０５にＩＩＩ族源としてＧａを入れた場合は、導入管２０３からＨＣｌガスを供給する。このようにして導入管２０３に原料と反応するガス（例えばＨＣｌ）を供給することで、リアクター２００内にＩＩＩ族原料ガスＧ３を導入することができる。このとき、ＨＣｌガスとともに、導入管２０３からキャリアガスを供給してもよい。キャリアガスとしては、例えばＨ₂ガスおよびＮ₂ガスや、Ｈｅ，Ｎｅ，Ａｒのような不活性ガスを用いることができる。これらのガスは混合して用いてもよい。キャリアガスは雰囲気ガスと同一であっても異なっていてもよい。

導入管２０１からは、キャリアガスＧ１を導入する。また、導入管２０２からはドーピングガスＧ２を導入することができる。ドーピングガスは、上記のようにキャリアガスと混合して混合ガスとして導入してもよい。導入管２０１および導入管２０２から導入するキャリアガスとしては、導入管２０３から導入するキャリアガスと同じものを例示することができる。導入管２０４からは、窒素源となる原料ガスＧ４を導入する。通常はＮＨ₃ガスを導入する。

導入管２０１〜２０４から導入する上記ガスは、それぞれ互いに入れ替えて別の導入管から導入しても構わない。また、Ｖ族源となる原料ガスとキャリアガスは、同じ導入管から混合して導入してもよい。さらに他の導入管からキャリアガスを混合してもよい。これらの導入態様は、リアクター２００の大きさや形状、原料の反応性、目的とする結晶成長速度などに応じて、適宜決定することができる。

ガス排出管２０８は、ガス導入のための導入管２０１〜２０４とは反対側のリアクター２００内壁から排出することができるように設置するのが一般的である。図２では、ガス導入のための導入管２０１〜２０４が設置されているリアクター２００の上面とは反対に位置するリアクター２００の底面にガス排出管２０８が設置されている。ガス導入のための導入管がリアクター２００の右側面に設置されている場合は、ガス排出管はリアクター２００の左側面に設置されていることが好ましい。このような態様を採用することによって、一定方向に向けて安定にガスの流れを形成することができる。

例えば、ＨＶＰＥ法によるＧａＮ結晶の成長の場合、成長温度は通常は９００℃〜１０７０℃で行い、９２５℃〜１０５０℃で行うことが好ましく、９５０℃〜１０３０℃で行うことがより好ましく、９７５℃から１０００℃で行うことがさらに好ましい。リアクター内の圧力は１０ｋＰａ〜２００ｋＰａであるのが好ましく、３０ｋＰａ〜１５０ｋＰａであるのがより好ましく、５０ｋＰａ〜２０ｋＰａであるのがさらに好ましい。

ＨＶＰＥ法によるＧａＮ結晶の成長速度は、通常１０μｍ／ｈ〜５００μｍ／ｈで行い、５０μｍ／ｈ〜４００μｍ／ｈで行うことが好ましく、８０μｍ／ｈから３００μｍ／ｈで行うことがより好ましい。成長時間は通常、数時間から数百時間の範囲で、得たい結晶の厚さと成長速度により決定される。ＧａＮ結晶の厚さは１ｍｍ以上が好ましく、５ｍｍ以上がより好ましく、１０ｍｍ以上がさらに好ましい。

以上のようにして、ＧａＮ結晶を成長した後、下地基板２０９を分離することにより、バルクのＧａＮ結晶を得ることができる。次に内周刃スライサーおよびワイヤーソースライサーなどのスライシング装置を用いてスライシング加工することにより、所望の面を有する得る結晶基板１０１を得ることができる。例えば、得られたＧａＮ結晶のｃ軸１１１に平行な結晶面（例えばＭ面）に対し、ｃ軸に垂直で切り出す面（基板面）を通る軸を中心として所定の角度（例えば０．４°）回転した面を切り出すことで、結晶基板１０１が形成できる。例えば、板厚４００μｍ、５ｍｍ×１５ｍｍの矩形の結晶基板１０１が形成できる。

次に、本実施の形態における結晶基板１０１上への薄膜形成について説明する。以下では、ＧａＮ結晶よりなる結晶基板１０１の上に、ＧａＮ薄膜をエピタキシャル成長する場合について説明する。

［実施例１］
はじめに、実施例１における薄膜形成について説明する。

まず、薄膜を形成する面（成長用面）がポリッシング仕上げにより鏡面とされた結晶基板１０１を用意する。ここで、前述したように（図１）、結晶基板１０１は、ｃ軸１１１に垂直で基板面１０２を通るｓ軸１１２を回転軸として、＋ｃ側（Ｇａ極性）に０．４°傾斜している。なお、ｃ軸１１１を回転軸とした傾斜は０．０５°以内であり、意図して傾斜がない状態とする。このように構成した結晶基板１０１のステップは、図３の部分断面図に示すように、Ｍ面１０３と平行なテラス３０１からなるステップが階段状に形成され、ｃ軸１１１（図３には示さず）は、ステップを構成するテラスと平行になる。また、ステップ端３０２は、Ｃ面となる。

なお、後述するＧａＮ薄膜の気相成長では、高品質膜を得るために、ステップフロー成長条件を用いる。ステップの流れる方向の観点で考えると、本実施例１の場合、ステップフローの方向は、ｃ面基板のＧａ極性成長と同様となる。

はじめに、結晶基板１０１を、アセトン中で５分間超音波洗浄し、次いで、水洗し、この後、窒素ガスを吹き付けて乾燥する。

次に、洗浄および乾燥をした結晶基板１０１を、有機金属気相成長装置の処理室（炉）内に搬入する。まず、有機金属気相成長装置のロードロック室に結晶基板１０１を入れ、ロードロック室を１０^-3Ｐａ台まで減圧した後、ロードロック室から処理室に基板を移動する。

次に、結晶基板１０１を、水素雰囲気で１０５０℃に加熱することで、水素クリーニングする。この時間は５分間とする。また、処理室内の圧力は、８６ｋＰａ（６５０Ｔｏｒｒ）程度とする。なお、以下の工程における処理室内の圧力は、全て８６ｋＰａ程度に一定とする。

次に、水素ガスをキャリアガスとしてＴＭＧおよびＮＨ₃を処理室に導入し、加熱されている結晶基板１０１の上に供給することで、結晶基板１０１の上にＧａＮをエピタキシャル成長させる。各原料ガスは、バブリングにより生成し、また、原料の供給比Ｖ／ＩＩＩは２８００とする。また、キャリアガスの流量は、５ｓｌｍとする。

これらの条件により、１時間成長を行うと、膜厚２．０５μｍのＧａＮ膜が結晶基板１０１の上に形成される。この後、毎分４０℃の速度で基板温度を低下させて室温（２３℃）程度とした後、処理室より結晶基板１０１を搬出する。

以上のようにすることで結晶基板１０１の上に形成したＧａＮ膜（結晶）の特性について説明する。成長したＧａＮ結晶の表面を微分干渉光学顕微鏡で観察すると、鏡面である。原子間力顕微鏡で表面の凹凸を測定すると、表面粗さは１ｎｍ以下であり、極めて平坦である。また、成長したＧａＮ結晶の面からのＸ線ロッキングカーブΔωの半値全幅（ＦＷＨＭ）は、１１９秒である。結晶基板１０１のΔωが１１４秒であることから、結晶基板１０１とほぼ同等の結晶性のＧａＮエピタキシャル薄膜が得られていることがわかる。

また、光学特性としてフォトルミネッセンス（ＰＬ）特性を室温で測定すると、Ｇａ空孔またはＧａ空孔と酸素が結合した複合欠陥が原因である深い準位からのイエロー発光は全く観測されず、バンド端近傍だけから強い発光が観測される。なお、励起光には、波長３２５ｎｍのＨｅ−ｃｄレーザを用いる。これらのことから、高品質なＧａＮエピタキシャル薄膜が成長できたものと言える。

［実施例２］
次に、実施例２における薄膜形成について説明する。

まず、薄膜を形成する面（成長用面）がポリッシング仕上げにより鏡面とされた結晶基板１０１を用意する。ここで、実施例２では、結晶基板１０１は、ｃ軸１１１に垂直で基板面１０２を通るｓ軸１１２を回転軸として、−ｃ側（Ｎ極性）に０．４°傾斜している。なお、ｃ軸１１１を回転軸とした傾斜は０．０５°以内であり、前述した実施例１と同様に、意図して傾斜がない状態とする。このように構成した本実施例２の結晶基板１０１では、ステップの流れる方向の観点で考えると、ステップフローの方向は、ｃ面基板のＮ極性成長と同様となる。

以上の結晶基板１０１を用意した後、これをアセトン中で５分間超音波洗浄し、次いで、水洗し、この後、窒素ガスを吹き付けて乾燥する。

次に、結晶基板１０１を、水素雰囲気で１０５０℃に加熱することで、水素クリーニングする。この時間は５分間とする。

次に、水素ガスをキャリアガスとしてＴＭＧおよびＮＨ₃を処理室に導入し、加熱されている結晶基板１０１の上に供給することで、結晶基板１０１の上にＧａＮをエピタキシャル成長させる。各原料ガスは、バブリングにより生成する。ここで、本実施例２では、ステップフロー成長が起きやすい条件として、原料の供給比Ｖ／ＩＩＩを９００とし、ＴＭＧの供給量を実施例１より少なくする。また、キャリアガス流量を、１０ｓｌｍに増加する。

これらの条件により、１時間成長を行うと、膜厚１．４５μｍのＧａＮ膜が結晶基板１０１の上に形成される。従って、成長速度は、１．４５μｍ／ｈに減少する。この後、毎分４０℃の速度で基板温度を低下させて室温程度とした後、処理室より結晶基板１０１を搬出する。

以上のようにすることで結晶基板１０１の上に形成したＧａＮ結晶の表面モフォロジ、Ｘ線ロッキングカーブ幅、およびＰＬ特性は、実施例１と同程度となる。

ところで、実施例２における−ｃ側に０．４°傾斜した結晶基板１０１の上に、実施例１と同様の成長条件を用いてＧａＮ薄膜のエピタキシャル成長を行うと、薄膜表面に六角錐や六角台状のパタンが現れ、荒れた表面（粗面）となる。このことは、結晶の傾斜方向、言い換えると、ステップフローの方位に併せて、成長条件を設定する必要があることを意味する。

また、基板面をＭ面に合わせて（意図して傾斜させることなく）研磨することで作製した結晶基板の上に、前述した実施例１と同様にしてＧａＮ薄膜をエピタキシャル成長すると、形成されるＧａＮ薄膜の表面の一部に六角錐や六角台状のパタンが出現する。これは、基板面方位にｓ軸１１２の周りに＋ｃ方向と−ｃ方向とが混在していたことが原因と考えられる。このことは、意識して、ｃ軸に垂直で基板面１０２を通る軸（例えばｓ軸１１２）を回転軸として基板表面を回転して傾斜させることにより、初めて高品質のＧａＮ薄膜をエピタキシャル成長できることを意味している。

ｃ軸に水平な結晶面を基準面としてｃ軸に垂直で基準面（基板表面）を通る軸を回転軸として基板表面を回転して傾斜させ、基板面の全域が、ｃ軸に垂直な回転軸を中心として同一方向に回転しているようにすることで、基板面方位に＋ｃ方向と−ｃ方向とが混在する状態が解消され、ステップ端がＧａの状態とステップ端がＮの状態とが混在することがなく、いずれかの状態に統一されるようになる。このように、基板平面方向の極性が制御された状態を得ることが、本発明の最も重要な特徴である。例えば、ｃ軸を回転軸として傾斜させただけでは、上述したように基板面方位に＋ｃ方向と−ｃ方向とが混在する状態を解消することができない。

［実施例３］
次に、実施例３における薄膜形成について説明する。

この実施例３において、結晶基板１０１の基板面１０２は、ｃ軸１１１に垂直で基板面１０２を通るｓ軸１１２を回転軸として＋ｃ側に０．４°傾斜させるとともに、ｃ軸１１１を回転軸とした傾斜を０．８°とされている。本実施例３では、ｃ軸を回転軸として異なる２方向（＋方向と−方向）に０．８°回転した２つの結晶基板１０１を用意して用い、これらの上に実施例１と同様の成長条件を用いてＧａＮを成長する。

上述したように、ｓ軸１１２を中心とした回転に加えてｃ軸１１１を中心とした回転を加えることで、実施例１の薄膜形成で形成される薄膜に観測されるステップバンチングの密度が減少し、実施例１における薄膜に比較してより滑らかな結晶面が得られる。ｃ軸を回転軸として基板面１０２の方位を傾斜したことにより、ａ軸方向にもステップが形成されるようになり、平坦な結晶成長に導くステップフローが、ｃ軸方向に加えて、ａ軸方向にも生じるようになる。この結果、ステップフローがａ軸方向とｃ軸方向の両方に起き、結晶表面の平坦化に繋がったものと考えられる。

［実施例４］
次に、実施例４における薄膜形成について説明する。

この実施例４では、基板面１０２の方位を、Ｍ面１０３から本実施例２のｓ軸１１２を中心とした回転に加え、ｃ軸１１１を回転軸として＋方向と−方向に０．６°回転した２つの結晶基板１０１を用意する。これらの基板に対して実施例１と同様の成長条件を用いてＧａＮを成長すると、実施例２の薄膜形成で形成される薄膜に観測されるステップバンチングの密度が減少し、実施例２における薄膜に比較してより滑らかな結晶面が得られる。これは、前述した実施の形態３と同様であり、ｃ軸を回転軸として基板面方位を傾斜したことにより、ａ軸方向にもステップが形成されており、平坦な結晶成長に導くステップフローが、ｃ軸方向に加えて、ａ軸方向にも生じたことによるものと考えられる。

次に、本発明の実施の形態における半導体装置について説明する。以下では、本実施の形態における結晶基板と、この結晶基板の上に形成されて結晶基板を構成する元素を含んだ化合物半導体より構成された半導体層とを少なくとも備える半導体装置として、発光ダイオード（ＬＥＤ）を例にして説明する。

このＬＥＤについて説明すると、まず、前述したように、Ｍ面１０３よりｓ軸１１２を回転軸として−ｃ側に０．６°回転し、さらにｃ軸１１１を回転軸として−方向に０．３°回転した基板面１０２を有し、シリコン（Ｓｉ）をドープ（キャリア濃度：３×１０¹⁹／ｃｍ³）した結晶基板１０１を備える。結晶基板１０１は、板厚４００μｍ程度である。

次に、図４に示すように、結晶基板１０１の上に、シリコンをドープ（キャリア濃度：１×１０¹⁹／ｃｍ³）したｎ型ＧａＮからなる層厚１．２μｍの基板表面結晶性回復層４０２と、Ｓｉをドープ（キャリア濃度：１×１０¹⁹／ｃｍ³）したｎ型ＡｌＧａＮからなる層厚４００ｎｍのクラッド層４０３と、Ｓｉをドープ（キャリア濃度：１×１０¹⁹／ｃｍ³）したｎ型Ｉｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎからなる層厚１００ｎｍのバリア層４０４とを備える。

また、バリア層４０４の上に、ノンドープのＩｎ_0.19Ｇａ_0.81Ｎからなる層厚２０ｎｍの井戸層４０５と、Ｍｇをドープ（キャリア濃度：１．５×１０¹⁸／ｃｍ³）したｐ型Ｉｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎからなる層厚１００ｎｍのバリア層４０６と、Ｍｇをドープ（キャリア濃度：６×１０¹⁷／ｃｍ³）したｐ型ＡｌＧａＮからなる層厚４００ｎｍのクラッド層４０７と、Ｍｇをドープ（キャリア濃度：１．２×１０¹⁸／ｃｍ³）したｐ型ＧａＮからなる層厚２００ｎｍのコンタクト層４０８とを備える。井戸層４０５が発光層となる。

また、コンタクト層４０８の上に、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）からなる層厚４６０ｎｍの電流制限絶縁層４０９と、ｐ側金属電極４１０とを備える。電流制限絶縁層４０９は、コンタクト層４０８に貫通する貫通孔を備え、この貫通孔を介してｐ側金属電極４１０がコンタクト層４０８に接続している。また、結晶基板１０１の裏面側には、ｎ側金属電極４１１が形成されている。ｎ型金属電極４１１には、直径３００μｍの円形の光取り出し窓４１２が形成されている。

次に、上述したＬＥＤの製造について簡単に説明する。まず、上述した構成とした１ｃｍ角の結晶基板１０１を用意し、この上に、前述した実施例２と同様にすることで、基板表面結晶性回復層４０２を形成する。なお、基板表面結晶性回復層４０２の形成においては、ｎ型のためのＳｉドーピング原料として、水素希釈の濃度１０ｐｐｍのモノメチルシランを、原料ガスと同時に供給する。

次に、ＴＭＧおよびＮＨ₃に加えてアルミニウム原料としてＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を用い、基板表面結晶性回復層４０２の上に、クラッド層４０３を形成する。クラッド層４０３（ｎ型ＡｌＧａＮ）の形成では、ＩＩＩ族原料の供給比ＴＭＡ／（ＴＭＡ＋ＴＭＧ）を制御し、所望の組成の膜を成長する。なお、成長温度は、１０１０℃とする。また、ｎ型のためのＳｉドーピング原料として、水素希釈の濃度１０ｐｐｍのモノメチルシランを上記各原料ガスと同時に供給する。

次に、ＴＭＧおよびＮＨ₃に加えてインジウム原料としてＴＭＩ（トリメチルインジウム）を用い、クラッド層４０３の上に成長温度８００℃でｎ型Ｉｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎをエピタキシャル成長することで、バリア層４０４を形成する。組成の制御は、ＩＩＩ族原料の供給比ＴＭＩ／（ＴＭＩ＋ＴＭＧ）を制御して行う。また、ｎ型のためのＳｉドーピング原料として、水素希釈の濃度１０ｐｐｍのモノメチルシランを上記各原料ガスと同時に供給する。

次に、ＴＭＧ，ＮＨ₃，およびＴＭＩを原料とし、バリア層４０４の上に成長温度８００℃でノンドープのＩｎ_0.19Ｇａ_0.81Ｎをエピタキシャル成長することで、井戸層４０５を形成する。井戸層４０５の形成では、Ｓｉドーピングはなく、モノメチルシランの供給は行わない。

次に、ＴＭＧ，ＮＨ₃，およびＴＭＩを原料とし、井戸層４０５の上に成長温度８００℃でｐ型Ｉｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎをエピタキシャル成長することで、バリア層４０６を形成する。バリア層４０６の形成では、ｐ型のためのＭｇドーピング原料として、ＭｅＣｐ₂Ｍｇ（メチルカプタンビスシクロペンタジエニルマグネシウム）を原料ガスと同時に供給する。引き続いて、ＴＭＧ，ＮＨ₃，およびＴＭＡを原料とし、バリア層４０６の上に成長温度８００℃でｐ型ＡｌＧａＮをエピタキシャル成長することで、クラッド層４０７を形成する。また、ｐ型のためのＭｇドーピング原料として、ＭｅＣｐ₂Ｍｇを原料ガスと同時に供給する。

次に、ＴＭＧおよびＮＨ₃を原料とし、クラッド層４０７の上に成長温度１０１０℃でｐ型ＧａＮをエピタキシャル成長することで、コンタクト層４０８を形成する。また、ｐ型のためのＭｇドーピング原料として、ＭｅＣｐ₂Ｍｇを原料ガスと同時に供給する。これらの各層を順次に積層（エピタキシャル成長）した後、Ｍｇを活性化するために窒素雰囲気中７００℃でアニールすることによって、各層中に含まれる水素を除去する。

次に、例えばスパッタリング法によりＳｉＯ₂を堆積することでＳｉＯ₂層をコンタクト層４０８の上に形成した後、公知のフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術により、ＳｉＯ₂層に直径３０μｍφの貫通孔を形成することで、コンタクト層４０８の上に電流制限絶縁層４０９を形成する。続いて、電子ビーム蒸着装置を用い、層厚１００ｎｍのパラジウム（Ｐｄ）層，層厚１００ｎｍの白金（Ｐｔ）層，および層厚３００ｎｍのを金（Ａｕ）を連続して蒸着することで、ｐ側電極４１０を形成する。また、結晶基板１０１の裏面に、層厚２００ｎｍのＡｌ層および層厚３００ｎｍのＡｕ層を連続して蒸着してｐ側金属電極４１０を形成し、また、ｐ側金属電極４１０を公知のフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術により加工し、光取り出し窓４１２を形成する。

以上に説明したことにより形成したＬＥＤを基板から切り出し、ｐ側をヘッダーにマウントし、ｐ側金属電極４１０をプラスにバイアスして電流を流すと、光取り出し窓４１２より緑色の光が観測できる。このように、本実施の形態における結晶基板を用いることで、相分離を抑制した状態でＩｎ_0.19Ｇａ_0.81Ｎと高いＩｎ組成の化合物半導体層が形成可能となり、ＩｎＧａＮを発光層とした半導体装置（ＬＥＤなど）で緑色の発光が実現できるようになる。

なお、上述した本発明における実施の形態および実施例は、例示であって、本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の変更あるいは改良を行い得ることは言うまでもない。例えば、上述では、ＧａＮ結晶より構成された結晶基板について説明したが、本発明は、これに限るものではなく、ＺｎＯ，ＢＮ，ＡｌＮ，およびＩｎＮなどの他のウルツ鉱型結晶にも同様に適用できる。例えば、ＺｎＯ基板においても、ｃ軸に平行な結晶面であるＭ面に合わせて研磨することで作製した結晶基板においては、Ｚｎ極性およびＯ極性のばらつきにより、不純物の取り込まれ型が不均一になる。これに対し、ＺｎＯ基板の主表面を、全域にわたって、Ｍ面からｃ軸に垂直な回転軸を中心として同一方向に回転しているようにして基板平面方向の極性が制御された状態とすることで、不純物が均一に取り込まれるようになる。

本発明の実施の形態における結晶基板の構成例を示す斜視図である。本発明の実施の形態における結晶基板の製造に用いるＨＶＰＥ装置の構成例を示す構成図である。本発明の実施の形態における結晶基板の構成例を示す部分断面図である。本発明の実施の形態における結晶基板を用いた半導体装置の構成例を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１０１…結晶基板、１０２…基板面（主表面）、１０３…Ｍ面、１１１…ｃ軸、１１２…ｓ軸、１１３…ｍ軸。

Claims

ウルツ鉱型結晶構造を有する化合物より構成され、
ｃ軸に平行な結晶面に略平行な主表面を備え、
前記主表面は、全域にわたって、ｃ軸に垂直で前記主表面に含まれる回転軸を中心として同一方向に傾斜し、
前記主表面は、前記回転軸を中心とした傾斜に加えてｃ軸を中心として前記結晶面より傾斜し、
前記主表面は、前記ｃ軸に平行な結晶面より０．３〜１．０°の範囲で傾斜している
ことを特徴とする結晶基板。
請求項１記載の結晶基板において、
前記ｃ軸に平行な結晶面は、Ｍ面およびＡ面より選択された面であることを特徴とする結晶基板。
請求項１または２記載の結晶基板において、
前記化合物は、窒化ガリウムであることを特徴とする結晶基板。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の結晶基板の上に、前記結晶基板を構成する元素を含んだ化合物半導体より構成された半導体層をエピタキシャル成長させる工程
を少なくとも備えることを特徴とする薄膜形成方法。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の結晶基板と、
前記結晶基板の上に形成され、前記結晶基板を構成する元素を含んだ化合物半導体より構成された半導体層と
を少なくとも備えることを特徴とする半導体装置。