JP6876337B2 - 窒化物半導体基板とその製造方法および半導体デバイス - Google Patents

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Description

本発明は、表面の転位密度が低減された窒化物半導体基板とその製造方法、および前記窒化物半導体基板を用いて作製された半導体デバイスに関する。
近年、発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）やレーザダイオード（ＬＤ：Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）等の発光デバイスが広く用いられるようになっている。例えばＬＥＤは、各種表示デバイス、携帯電話を始め液晶ディスプレイのバックライト、白色照明等に用いられ、一方、ＬＤは、ブルーレイディスク用光源としてハイビジョン映像の録画再生、光通信、ＣＤ、ＤＶＤ等に用いられている。
また、最近では、携帯電話用ＭＭＩＣ（ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ：モノリシックマイクロ波集積回路）、ＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：高電子移動度トランジスタ）等の高周波デバイスや、自動車関連向けのインバーター用パワートランジスタ、ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）等の高出力デバイスの用途が拡大している。
これらのデバイスを構成する半導体素子は、窒化ガリウム（ＧａＮ）等の窒化物半導体層が形成された窒化物半導体基板を用いて作製されている。このような窒化物半導体基板としては、バルク状単結晶窒化物から切り出されて直接作製された窒化物半導体バルク基板、サファイア等の基材上に単結晶窒化物を成長させた後に基材を除去することにより作製された（擬似的）窒化物半導体バルク基板、基材上に単結晶窒化物を成長させ基材を残したままテンプレートとして半導体デバイスの製造に用いられる窒化物半導体基板がある。
そして、このような窒化物半導体基板においては、ＬＥＤの内部量子効率やＬＤの発振性能等の特性や、寿命が窒化物半導体基板の表面の転位密度（ＴＤＤ：Ｔｈｒｅａｄｉｎｇ ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ ｄｅｎｓｉｔｙ）と関係していることが分かっており、高品質、長寿命の半導体デバイス、特に、上記した高周波デバイスや高出力デバイスでは、転位密度１０６ｃｍ−２オーダー以下の窒化物半導体基板が必要とされている（非特許文献１）。
このように転位密度が低い窒化物半導体基板は、上記した窒化物半導体バルク基板を直接作製する方法により得ることができるが、その工程は複雑であり多大なコストが掛かるため、サファイア基材を用いて窒化物半導体基板を作製する場合に比べて５０〜６０倍高い価格となっている。このため、安価なサファイア基材等を用いて、低転位密度の窒化物半導体基板を安価に提供することができる窒化物半導体基板の製造技術が強く求められている。
しかし、サファイア等の基材上に、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ−ｏｒｇａｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等を用いて窒化物半導体薄膜を形成させることにより窒化物半導体基板を作製した場合、得られた窒化物半導体基板の転位密度は１０８〜１０１０ｃｍ−２オーダーになり、得られた窒化物半導体基板では設計通りの特性および寿命が得られないことが知られている。
転位密度を低減する方法としては、ＧａＮ等の窒化物半導体層の厚みを厚くすることが考えられるが、サファイア等の基材とＧａＮ等の窒化物とでは熱膨張係数に差があるため、窒化物半導体層の厚みを厚くした場合には基材との界面に反りが発生するという問題がある。
そこで、サファイア等の基材を用いて転位密度が低減された窒化物半導体層を形成させる方法として、サファイア基材上に窒化物のバッファー層を形成した後、非晶質の酸化珪素（ａ−ＳｉＯ２）を用いて選択成長（ＳＡＧ：ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ａｒｅａ ｇｒｏｗｔｈ）マスクを形成し、選択成長マスク上に窒化物半導体層をラテラルエピタキシする方法（ＥＬＯＧ：ｅｐｉｔａｘｉａｌ ｌａｔｅｒａｌ ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ：エピタキシャル横方向被覆成長法）により、エピタキシ層で転位密度を１０６〜１０７ｃｍ−２オーダーに低減させることが提案されている（特許文献１、２）。
しかし、この方法は、選択成長マスクの形成に際して基材を成長装置から取り出して行う必要があり、工程が複雑化し生産効率が低下する。また、低転位密度の領域は選択成長マスクのパターンにより形成されるものであるため、低転位密度の領域が基材上に点在することになり大面積化を図ることができず、窒化物半導体基板の大型化を図ることが難しい。
Ｋａｚｕｈｉｔｏ Ｂａｎ 他８名、「Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ Ｗｈｏｌｅ−Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ−Ｒａｎｇｅ ＡｌＧａＮ Ｍｕｌｔｉｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌｓ」、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｅｘｐｒｅｓｓ ４（２０１１）０５２１０１
特開２０１０−１９９６２０号公報 特開２０１５−０９５５８５号公報
本発明は、サファイア等の安価な基材上であっても、十分に転位密度が低減された窒化物半導体基板を大面積で製造することができる窒化物半導体基板の製造技術を提供することを課題とする。
前記したように、サファイア基材を用いて、高性能、長寿命の半導体デバイスを作製するためには、表面の転位密度が低く制御された窒化物半導体基板を製造する必要があるが、ＥＬＯＧ法では大面積化を図ることができず、窒化物半導体基板の大型化を図ることが難しい。
本発明者は、Ｅｕが添加されたＧａＮ（Ｅｕ添加ＧａＮ層）を発光層とする赤色発光ダイオードの作製に世界に先駆けて成功しているが、その過程において、サファイア基材上に、ドーピング材料が添加されていないアンドープＧａＮ層（ｕｄ−ＧａＮ層）、ドーピング材料としてＥｕが添加されたＧａＮ層（Ｅｕ添加ＧａＮ層）の順に積層して多層化された窒化物半導体層では、転位密度が低下していることを見出した。
この知見に基づき、本発明者は、このような積層構造を窒化物半導体基板に適用することができれば、転位密度を十分に低下させて、高性能、長寿命の半導体デバイスの作製が可能になると考え、種々の実験と検討を行った。
その結果、このような積層構造を採用した場合、Ｅｕ添加ＧａＮ層におけるＥｕ添加量が１原子％程度、具体的には、０．０１〜２原子％という不純物レベルともいえる少量であっても、劇的に転位密度が低下して、１０６ｃｍ−２オーダー以下の転位密度という高性能、長寿命の半導体デバイスの作製に好適な低転位密度の窒化物半導体基板が得られるという驚くべき結果を得た。
具体的には、積層構造とすることにより、サファイア基材からの貫通転位がＥｕ添加ＧａＮ層を通過する際にその方向が曲げられて表面まで達することがなくなり、サファイア基材上に作製された窒化物半導体基板でありながらも、転位密度が劇的に低下することを見出した。
そして、ｕｄ−ＧａＮ層とＥｕ添加ＧａＮ層との好ましい積層方法について、さらに、実験と検討を進めたところ、以下の知見を得た。
即ち、積層回数を１回とする場合には、ｕｄ−ＧａＮ層の上に積層されるＥｕ添加ＧａＮ層の厚みの増加に比例して転位密度が低下し、総厚が３μｍ以下という薄さでありながら、十分に転位密度が低下した窒化物半導体基板を提供することができることを見出した。
一方、積層回数を複数回にして、窒化物半導体層を超格子構造の窒化物半導体層とした場合には、Ｅｕ添加ＧａＮ層の厚みがｕｄ−ＧａＮ層厚みの１／１０程度であっても、積層回数の増加に比例して転位密度が低下することを見出した。そして、このような超格子構造とすることにより、総厚が３μｍ以下という薄さでありながら、十分に転位密度が低下した窒化物半導体基板を提供することができることが分かった。
そして、ｕｄ−ＧａＮ層とＥｕ添加ＧａＮ層との積層は、ＥＬＯＧ法と異なり、サファイア基材上の全面で行うことができるため、窒化物半導体層の大面積化を実現することができ、窒化物半導体基板の大型化を図ることができる。
なお、このような積層構造を形成させることによってサファイア基材からの貫通転位がＥｕ添加ＧａＮ層において曲げられて表面まで達することがなくなり、転位密度が低下した理由としては、以下のように推測される。
即ち、Ｅｕ添加ＧａＮ層においては、ＥｕがＧａと置換する形で導入されるが、Ｅｕの原子半径はＧａに比べて約１．５倍大きいために、Ｇａと置換されたＥｕの周囲に歪が生じて、非晶質部分が形成される。その結果、貫通転位等の転位はＥｕ添加ＧａＮ層で直線的に伝播されなくなり、表面の転位密度が低下したと推測される。
上記においては、窒化物としてＧａＮ、添加元素としてＥｕを挙げて説明したが、窒化物としては、ＧａＮ以外のＡｌＮ、ＩｎＮ等のいわゆるＧａＮ系の窒化物（ＩｎＧａＮやＡｌＧａＮ等の混晶を含む）であっても同様に扱うことができる。そして、添加元素としてはＥｕに限定されず、Ｓｃ、Ｙ、およびＬａからＬｕまでのランタノイド系元素を総称した希土類元素であれば、同様に転位密度が十分に低下した窒化物半導体基板を提供することができる。
また、基材としては、サファイアの他に、ＳｉＣやＳｉを用いてもよく、また、厚みの薄いＧａＮを基材として用いてもよい。ＳｉＣは安価であり、かつ熱伝導性が高く放熱性に優れているため、高パワーの半導体デバイス製造に好適な窒化物半導体基板を安価に提供することができる。そして、Ｓｉは大きなサイズの基材を容易に入手することが可能であるため、大型化された窒化物半導体基板を提供することができる。また、厚みの薄いＧａＮを基材として用いることにより、ＧａＮバルク基板を安価に提供することができる。
以上のように、本技術によれば、基材上に窒化物半導体層が形成された窒化物半導体基板において、窒化物半導体層を局所的な歪が異なる２以上の窒化物層を用いて交互に積層された構造に形成することにより、基材側からの転位の少なくとも一部が曲げられて、表面に到達するまでに消滅させることができる。その結果、窒化物半導体層の表面における転位密度が、高性能、長寿命の半導体デバイスの作製に好適とされる１０６ｃｍ−２オーダー以下にまで低下した窒化物半導体基板を提供することができる。
また、基材上に形成された窒化物半導体層を基材から取り外すことにより、取り外された窒化物半導体層を窒化物半導体バルク基板として用いることができる。
請求項１〜１４に記載の発明は上記の知見に基づくものであり、請求項１に記載の発明は、
基材上に窒化物半導体層が形成された窒化物半導体基板であって、
前記窒化物半導体層が、
ドーピング材料が添加されていない厚み０．１〜５０ｎｍのアンドープ窒化物層と、
ドーピング材料として希土類元素が添加された厚み０．１〜２０００ｎｍの希土類元素添加窒化物層とが１回積層されて形成されており、
前記窒化物半導体層の表面における転位密度が１０６ｃｍ−２オーダー以下であることを特徴とする窒化物半導体基板である。
そして、請求項２に記載の発明は、
基材上に窒化物半導体層が形成された窒化物半導体基板であって、
前記窒化物半導体層が、
ドーピング材料が添加されていない厚み０．１〜５０ｎｍのアンドープ窒化物層と、
ドーピング材料として希土類元素が添加された厚み０．１〜２００ｎｍの希土類元素添加窒化物層とが複数回積層されて超格子構造に形成されており、
前記窒化物半導体層の表面における転位密度が１０６ｃｍ−２オーダー以下であることを特徴とする窒化物半導体基板である。
また、請求項３に記載の発明は、
積層回数が２〜３００回であることを特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体基板である。
また、請求項４に記載の発明は、
前記窒化物半導体層における窒化物が、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、またはこれらのいずれか２つ以上の混晶であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の窒化物半導体基板である。
また、請求項５に記載の発明は、
前記希土類元素が、Ｅｕであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の窒化物半導体基板である。
また、請求項６に記載の発明は、
前記Ｅｕの添加量が、０．０１〜２原子％であることを特徴とする請求項５に記載の窒化物半導体基板である。
また、請求項７に記載の発明は、
総厚が３μｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の窒化物半導体基板である。
また、請求項８に記載の発明は、
前記基材がサファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＮのいずれかであることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の窒化物半導体基板である。
また、請求項９に記載の発明は、
基材上に窒化物半導体層が形成された窒化物半導体基板であって、
前記窒化物半導体層が、局所的な歪が異なる厚み０．１〜５０ｎｍのアンドープ窒化物層および厚み０．１〜２０００ｎｍの希土類元素添加窒化物層が交互に１回積層された構造を有しており、
前記窒化物半導体層の表面における転位密度が１０６ｃｍ−２オーダー以下であることを特徴とする窒化物半導体基板である。
また、請求項１０に記載の発明は、
基材上に窒化物半導体層が形成された窒化物半導体基板であって、
前記窒化物半導体層が、局所的な歪が異なる厚み０．１〜５０ｎｍのアンドープ窒化物層および厚み０．１〜２００ｎｍの希土類元素添加窒化物層が交互に複数回積層された超格子構造を有しており、
前記窒化物半導体層の表面における転位密度が１０６ｃｍ−２オーダー以下であることを特徴とする窒化物半導体基板である。
また、請求項１１に記載の発明は、
基材側からの転位の少なくとも一部が、前記窒化物半導体層の前記交互に積層された構造において曲げられて、表面に到達するまでに消滅していることを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の窒化物半導体基板である。
また、請求項１２に記載の発明は、
前記窒化物半導体層が、前記基材から取り外されて窒化物半導体バルク基板として形成されていることを特徴とする請求項９ないし請求項１１のいずれか１項に記載の窒化物半導体基板である。
そして、上記した本発明に係る窒化物半導体基板は、十分に転位密度が低下した窒化物半導体基板であるため、発光デバイスだけでなく、高周波デバイスや高出力デバイスにも好適に使用することができる。
即ち、請求項１３に記載の発明は、
請求項１ないし請求項１２のいずれか１項に記載の窒化物半導体基板を用いて作製されていることを特徴とする半導体デバイスである。
また、請求項１４に記載の発明は、
発光デバイス、高周波デバイス、高出力デバイスのいずれかであることを特徴とする請求項１３に記載の半導体デバイスである。
上記した本発明に係る窒化物半導体基板は、有機金属気相エピタキシャル法（ＯＭＶＰＥ法）を用いて、９００〜１２００℃の温度条件で、途中で反応容器から取り出すことなく一連の工程で、ドーピング材料が添加されていないアンドープ窒化物層と、ドーピング材料としてＥｕなどの希土類元素が添加された希土類元素添加窒化物層とを、サファイア等の基材上に積層させることにより製造することができる。
窒化物層の成長に際して、その成長温度を高くすると、表面まで貫通した転位によるピット（穴）が大きくなり、転位密度を十分に低減させることができない。一方、温度を低くすると、ピットが小さくなり転位密度を十分に低減させることができる。
このため、本発明においては、窒化物層の成長温度を９００〜１１００℃に設定する。このような温度条件とすることにより、希土類元素添加窒化物層を通過して表面まで達した転位によるピットを小さくさせることができ、さらに、Ｅｕなどの希土類元素を窒化物を構成するＧａやＡｌ、Ｉｎと確実に置換させて添加することができるため、十分に転位密度を低下させた窒化物半導体基板を製造することができる。
そして、アンドープ窒化物層と希土類元素添加窒化物層の形成は、ＧａＮ結晶の成長に際してＥｕなどを添加するか否かで行うことができるため、反応容器から取り出すことなく一連の工程で行うことができ、高い生産効率で、大型化された窒化物半導体基板を安価に製造することができる。
即ち、請求項１５に記載の発明は、
基材上に窒化物半導体層が形成された窒化物半導体基板の製造方法であって、
基材上にＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、またはこれらのいずれか２つ以上の混晶を成長させて、ドーピング材料が添加されていないアンドープ窒化物層を０．１〜５０ｎｍの厚みに形成する工程と、
前記アンドープ窒化物層の上に、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、またはこれらのいずれか２つ以上の混晶を母体材料とし、ドーピング材料として希土類元素をＧａ、ＩｎあるいはＡｌと置換するように添加することにより、希土類元素添加窒化物層を０．１〜２０００ｎｍの厚みに形成する工程とを備えており、
前記２つの工程を、有機金属気相エピタキシャル法を用いて、９００〜１２００℃の温度条件の下で、反応容器から取り出すことなく一連の形成工程によって行うことを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法である。
そして、請求項１６に記載の発明は、
基材上に窒化物半導体層が形成された窒化物半導体基板の製造方法であって、
基材上にＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、またはこれらのいずれか２つ以上の混晶を成長させて、ドーピング材料が添加されていないアンドープ窒化物層を形成する工程と、
前記アンドープ窒化物層の上に、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、またはこれらのいずれか２つ以上の混晶を母体材料とし、ドーピング材料として希土類元素をＧａ、ＩｎあるいはＡｌと置換するように添加することにより、希土類元素添加窒化物層を０．１〜２００ｎｍの厚みに形成する工程とを備えており、
前記２つの工程を、有機金属気相エピタキシャル法を用いて、９００〜１２００℃の温度条件の下で、反応容器から取り出すことなく一連の形成工程によって、交互に、複数回繰り返し行うことを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法である。
前記したように、積層を繰り返して超格子構造の窒化物半導体層とすることにより、総厚が３μｍ以下という薄さでありながら、十分に転位密度が低下した窒化物半導体基板を製造することができる。
また、請求項１７に記載の発明は、
前記希土類元素として、Ｅｕを用いることを特徴とする請求項１５または請求項１６に記載の窒化物半導体基板の製造方法である。
Ｅｕは、ランタノイド系の希土類元素の内でも、Ｇａと置換された際、周囲に歪みを生じさせて転位の伝播を抑制するに適切な原子半径を有しているため、効率的に表面の転位密度を低下させることができる。
また、Ｅｕは、Ｅｕ化合物の入手が容易であるためドーピング材料として好ましい。
また、請求項１８に記載の発明は、
Ｅｕを、Ｅｕ｛Ｎ［Ｓｉ（ＣＨ３）３］２｝３、Ｅｕ（Ｃ１１Ｈ１９Ｏ２）３、Ｅｕ［Ｃ５（ＣＨ３）４（Ｃ３Ｈ７）］２のいずれかにより供給することを特徴とする請求項１７に記載の窒化物半導体基板の製造方法である。
具体的なＥｕ源としては、例えば、Ｅｕ［Ｃ５（ＣＨ３）５］２、Ｅｕ［Ｃ５（ＣＨ３）４Ｈ］２、Ｅｕ｛Ｎ［Ｓｉ（ＣＨ３）３］２｝３、Ｅｕ（Ｃ５Ｈ７Ｏ２）３、Ｅｕ（Ｃ１１Ｈ１９Ｏ２）３、Ｅｕ［Ｃ５（ＣＨ３）４（Ｃ３Ｈ７）］２等を挙げることができるが、これらの内でも、Ｅｕ｛Ｎ［Ｓｉ（ＣＨ３）３］２｝３やＥｕ（Ｃ１１Ｈ１９Ｏ２）３、Ｅｕ［Ｃ５（ＣＨ３）４（Ｃ３Ｈ７）］２は、反応装置内での蒸気圧が高いため、効率的な添加を行うことができる。
また、請求項１９に記載の発明は、
前記基材として、サファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＮのいずれかを用いることを特徴とする請求項１５ないし請求項１８のいずれか１項に記載の窒化物半導体基板の製造方法である。
また、請求項２０に記載の発明は、
さらに、基材上に形成された窒化物半導体層を前記基材から取り外して、窒化物半導体バルク基板とする工程を備えていることを特徴とする請求項１５ないし請求項１９のいずれか１項に記載の窒化物半導体基板の製造方法である。
基材上に形成された窒化物半導体層を基材から取り外すことにより、窒化物半導体層を窒化物半導体バルク基板として用いることができる。
本発明によれば、サファイア等の安価な基材上であっても、十分に転位密度が低減された窒化物半導体基板を大面積で製造することができる窒化物半導体基板の製造技術を提供することができる。
本発明の一実施の形態に係る窒化物半導体基板の構成を示す模式図である。 本発明の一実施の形態に係る窒化物半導体基板のＴＥＭ画像である。 本発明の一実施の形態に係る窒化物半導体基板の表面のＡＦＭ画像である。 本発明の一実施の形態に係る窒化物半導体基板におけるＥｕ添加ＧａＮ層の表面のＡＦＭ画像である。 本発明の一実施の形態に係る窒化物半導体基板の断面を特定の方向から観察したＴＥＭ画像である。 本発明の他の実施の形態に係る窒化物半導体基板の構成を示す模式図である。 本発明の他の実施の形態に係る窒化物半導体基板の表面のＡＦＭ画像である。 本発明の他の実施の形態に係る窒化物半導体基板における積層回数と転位密度との関係を示す図である。 本発明の他の実施の形態に係る窒化物半導体基板のＴＥＭ像である。
以下、本発明を実施の形態に基づいて説明する。なお、以下においては、基材としてサファイア、窒化物半導体層としてＧａＮ層、添加される希土類元素としてＥｕを例に挙げて説明するが、前記したように、これらに限定されるものではない。
［１］第１の実施の形態
本実施の形態においては、サファイア基材上に、アンドープ窒化物層（ｕｄ−ＧａＮ層）と、希土類元素としてＥｕが添加された希土類元素添加窒化物層（Ｅｕ添加ＧａＮ層）とが１層ずつ積層されて、窒化物半導体層が形成された窒化物半導体基板について説明する。
１．窒化物半導体基板の基本的な構成
最初に本実施の形態に係る窒化物半導体基板の基本的な構成について説明する。図１は、本実施の形態に係る窒化物半導体基板の構成を示す模式図である。図１において、１は窒化物半導体基板、１０はサファイア基材、２０はｕｄ−ＧａＮ層２１およびＥｕ添加ＧａＮ層２２をペアとして１回積層した窒化物半導体層である。
なお、本実施の形態に係る窒化物半導体基板はサファイア基材上に窒化物半導体層を形成させたままテンプレートとして半導体デバイスの製造に用いられる場合もあり、その際、窒化物半導体層はバッファー（ｂｕｆｆｅｒ）層として機能するため、この窒化物半導体層をバッファー（ｂｕｆｆｅｒ）層と表現する場合もある。
そして、本実施の形態においては、図１に示すように、サファイア基材１０と窒化物半導体層２０との間に、サファイア基材１０とＧａＮの格子定数の差（格子不整合）によるクラックの発生を防止するために４７５℃程度で低温成長させたＬＴ−ＧａＮ層３０と、サファイア基材１０と窒化物半導体層（バッファー層）２０との間の距離を大きくして転位の影響を抑制するためのｕｄ−ＧａＮ層４０とを予め形成している。
２．窒化物半導体基板の製造方法
次に、本実施の形態に係る窒化物半導体基板の製造方法について、厚み１０ｎｍのｕｄ−ＧａＮ層２１および厚み３００ｎｍのＥｕ添加ＧａＮ層２２を積層して窒化物半導体基板１を製造した例を挙げて、具体的に説明する。
最初に、有機金属気相成長法（ＯＭＶＰＥ法）を用いて、サファイア基材１０上に、成長温度４７５℃、圧力１００ｋＰａの条件下、成長速度１．３μｍ／ｈで厚み約３０ｎｍのＬＴ−ＧａＮ層３０を形成し、その後、ＬＴ−ＧａＮ層３０上に、成長温度１１５０℃、圧力１００ｋＰａの条件下、成長速度０．８μｍ／ｈで厚さ約２μｍのｕｄ−ＧａＮ層４０を形成した。
次に、同様にＯＭＶＰＥ法を用いて、ｕｄ−ＧａＮ層４０上に、成長温度９６０℃、圧力１００ｋＰａの条件下、成長速度０．８μｍ／ｈで厚み３００ｎｍのＥｕ添加ＧａＮ層２２を形成した。
次に、同様にＯＭＶＰＥ法を用いて、Ｅｕ添加ＧａＮ層２２上に、成長温度９６０℃、圧力１００ｋＰａの条件下、成長速度０．８μｍ／ｈで厚み１０ｎｍのｕｄ−ＧａＮ層２１を形成した。このように、Ｅｕ添加ＧａＮ層２２とｕｄ−ＧａＮ層２１とを１層ずつ積層することにより、窒化物半導体層２０を形成させ、窒化物半導体基板１の製造を完了した。
なお、上記において、Ｇａ原料としてはトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）を用い、供給量は０．５５ｓｃｃｍとした。そして、Ｎ原料としてはアンモニア（ＮＨ３）を用い、供給量は４．０ｓｌｍとした。また、Ｅｕ有機原料としてはキャリアガス（水素ガス：Ｈ２）でバブリングしたＥｕ［Ｃ５（ＣＨ３）４（Ｃ３Ｈ７）］２を用い、供給量は１．５ｓｌｍとした（供給温度：１１５℃）。
このとき、ＯＭＶＰＥ装置の配管バルブ等を通常仕様のもの（耐熱温度８０〜１００℃）から高温特殊仕様のものに変更することにより、Ｅｕ原料の供給温度を１１５〜１３５℃の十分高い温度に保って、十分な量のＥｕを反応管に供給できるようにした。
そして、本実施の形態において、各層の形成は、途中で試料を反応管より取り出すことなく、成長の中断がないように一連の工程で行った。
３．転位密度の評価
（１）ＴＥＭ画像に基づく評価
上記で得られた窒化物半導体基板の表面における転位密度について、まず、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて断面を観察して、転位密度の低減効果について評価した。
図２は、窒化物半導体基板のＴＥＭ画像である。図２より、この窒化物半導体基板においては、最下層のサファイア基材の上に形成されたｕｄ−ＧａＮ層に発生した転位が表面に向けて伝播されていることが分かる。しかし、これらの転位の内、右側の濃色の１点鎖線で丸く囲んだ部分では表面まで転位が到達しているものの、左側の薄色の１点鎖線で丸く囲んだ部分では転位が表面に到達するまでに、ｕｄ−ＧａＮ層とＥｕ添加ＧａＮ層が積層された窒化物半導体層（バッファー層）内で消滅している。この結果より、本実施の形態によれば、窒化物半導体基板において、転位密度を低減できることが確認できる。
（２）ＡＦＭ画像に基づく評価
次に、窒化物半導体層（バッファー層）の形成の前後において表面に現われた転位の様子を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）により観察して、転位密度の低減効果について評価した。なお、観察は１μｍ四方の同じ箇所で行った。
図３は窒化物半導体基板の表面のＡＦＭ画像であり、（ａ）は窒化物半導体層（バッファー層）形成前のｕｄ−ＧａＮ層の表面、（ｂ）窒化物半導体層（バッファー層）形成後の窒化物半導体層（バッファー層）の表面を示している。
図３（ａ）に示すように、ｕｄ−ＧａＮ層の表面では、丸で囲んだ多くの箇所に転位に基づくピットが存在しており、その径も大きい。これに対して、窒化物半導体層（バッファー層）の表面では、図３（ｂ）に示すように、１点鎖線の丸で囲んだ広い箇所に少しのピットが存在するだけで、その径も小さくなっている。
この結果より、上記と同様に、本実施の形態によれば、窒化物半導体基板において転位密度を低減できることが確認できる。なお、ピットの径が小さくなった理由としては、ＧａＮ層において形成されるピットの径はその成長温度と関係しており、上層となるＥｕ添加ＧａＮ層の成長を９６０℃という低温で行ったことにより、ピットの径が小さくなったためと考えられる。そして、ピットの径が小さくなってピットが塞がれると、転位密度がさらに低減される。
具体的に転位密度を測定したところ、図３（ａ）では１０８〜１０９オーダーであったのに対して、図３（ｂ）では１０６オーダーまで低減されていた。
（３）Ｅｕ添加ＧａＮ層の厚みと転位密度との関係
本発明者は、さらに、Ｅｕ添加ＧａＮ層の厚みと転位密度との関係について評価するために、上記と同様にして、厚み１０ｎｍのｕｄ−ＧａＮ層上に、Ｅｕ添加ＧａＮ層を厚み９００ｎｍまで成長させ、厚みが転位密度にどのように影響するのか評価した。
具体的には、Ｅｕ添加ＧａＮ層の厚みが１００ｎｍ、３００ｎｍ、９００ｎｍとなった時点で、上記と同様に、表面に現われた転位の様子をＡＦＭにより観察した。
図４は、それぞれの厚みのＥｕ添加ＧａＮ層の表面のＡＦＭ画像であり、（ａ）は厚み１００ｎｍ、（ｂ）は厚み３００ｎｍ、（ｃ）は厚み９００ｎｍにおける結果である。
図４より、Ｅｕ添加ＧａＮ層の厚みが増すにつれて、１点鎖線の丸で囲んで示すように、ピットが減少しており、厚み９００ｎｍでは殆ど消失していることが分かる。
具体的に転位密度を測定したところ、図４（ａ）では１０８オーダー、図４（ｂ）では１０７オーダー、図４（ｃ）では１０６オーダーであり、厚みが増すにつれて、劇的に転位密度が低下することが確認できた。
（４）本実施の形態における転位密度の伝播
ここで、本実施の形態における転位密度の伝播について、図５を用いて説明する。なお、図５は、上記で作製された窒化物半導体基板の断面を特定の方向、具体的には、上向きｇ＝［００２］およびｇ＝［１１０］方向から観察したＴＥＭ画像であり、それぞれを上下に配置して示している。
図５において、ｇ＝［００２］方向はらせん転位（Ｓｃｒｅｗ ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ）を決定する方向であり、ｇ＝［１１０］方向は刃状転位（ｅｄｇｅ ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ）を決定する方向である。しかし、図５から分かるように、これらの転位の他に、ｇ＝［００２］方向およびｇ＝［１１０］方向の双方に、いくつかの転移が混合転位（Ｍｉｘ ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ）として現れており、これらの混合転位は窒化物半導体層（バッファー層）によって、その成長、消滅が支配されている。
具体的に、図５では、混合転位が窒化物半導体層（バッファー層）のＥｕ添加ＧａＮ層に伝播した際、まず、らせん転位が収束されて消滅し、その後、刃状転位のベクトル（ｅｄｇｅ ｖｅｃｔｏｒ）が収束されて、１点鎖線の白抜き楕円で囲まれた箇所においては、２つの混合転位が表面まで到達することなく消滅している。
４．本実施の形態における効果
以上のように、本実施に形態においては、安価なサファイア基材上に、ｕｄ−ＧａＮ層とＥｕ添加ＧａＮ層を適切な厚みで１回積層するという簡便な方法で、１０６ｃｍ−２オーダー以下という十分に低転位密度の窒化物半導体基板を得ることができるため、高性能、長寿命の半導体デバイスを安価に提供するという近年の要請に好適に応えることができる。
［２］第２の実施の形態
上記した第１の実施の形態においては、ｕｄ−ＧａＮ層の上に積層されるＥｕ添加ＧａＮ層の厚みの増加に合わせて転位密度を低減させることができるが、Ｅｕ添加ＧａＮ層が厚くなり過ぎると、基材であるサファイアと窒化物半導体層のＧａＮとでは熱膨張係数に差があるためサファイアと窒化物半導体層との界面に反りが発生して、窒化物半導体基板として使用できなくなる恐れがある。
そこで、本実施の形態においては、サファイア基材上にｕｄ−ＧａＮ層とＥｕ添加ＧａＮ層とを交互に積層することを複数回繰り返して、ｕｄ−ＧａＮ層とＥｕ添加ＧａＮ層の複数ペアを積層して超格子構造の窒化物半導体層を形成することにより、薄くても十分に転位密度が低減された窒化物半導体基板を製造している。
１．窒化物半導体基板の基本的な構成
最初に本実施の形態に係る窒化物半導体基板の基本的な構成について説明する。図６は、本実施の形態に係る窒化物半導体基板の構成を示す模式図である。なお、図６における符号は窒化物半導体基板が２である以外は図１と同様である。図６より分かるように、本実施の形態においては、窒化物半導体層２０が、Ｅｕ添加ＧａＮ層２２とｕｄ−ＧａＮ層２１を交互に複数回積層されており、また、Ｅｕ添加ＧａＮ層２２の酸化を抑制するという観点から最表層にｕｄ−ＧａＮ層２１が形成されている点を除いては、第１の実施の形態に係る窒化物半導体基板と同様の構成となっている。
２．窒化物半導体基板の製造方法
そして、本実施の形態に係る窒化物半導体基板２の製造方法についても、ｕｄ−ＧａＮ層２１とＥｕ添加ＧａＮ層２２の形成を繰り返しながら行って、ｕｄ−ＧａＮ層２１とＥｕ添加ＧａＮ層２２の複数ペアを積層することを除いては、第１の実施の形態に係る窒化物半導体基板の製造方法と同様である。なお、本実施の形態においても、各層の形成は、途中で試料を反応管より取り出すことなく、成長の中断がないように一連の工程で行った。
３．転位密度の評価
（１）ＡＦＭ画像に基づく評価
上記した窒化物半導体基板の製造方法を用い、厚み１０ｎｍのｕｄ−ＧａＮ層２１および厚み１ｎｍのＥｕ添加ＧａＮ層２２を、交互に４０回（４０ペア）積層して作製された窒化物半導体基板２の転位密度について、第１の実施の形態と同様に、ＡＦＭ画像に基づいて転位密度の低減効果を評価した。
図７は窒化物半導体基板の表面のＡＦＭ画像である。この図７と、厚み９００ｎｍのＥｕ添加ＧａＮ層を１回積層した窒化物半導体基板の表面のＡＦＭ画像である図４（ｃ）とを比較すると、総厚４８０ｎｍ（最表層のｕｄ−ＧａＮ層を含む）と図４（ｃ）に比べて約半分の厚みでありながらも、さらに、転位密度が低下していることが分かる。
この結果より、本実施の形態によれば、複数回積層して超格子構造の窒化物半導体層としたことにより、それぞれのＥｕ添加ＧａＮ層において転位が曲げられて、薄い総厚であっても劇的に転位密度を低下できることが確認できた。
（２）ペア数（積層回数）の転位密度低減への影響
次に、ペア数（積層回数）の転位密度低減への影響を調べるために、上記した窒化物半導体基板の製造方法を用い、厚み１０ｎｍのｕｄ−ＧａＮ層２１および厚み３ｎｍのＥｕ添加ＧａＮ層２２を交互に積層して、ペア数（積層回数）を１３（実験Ａ）、４０（実験Ｂ）、７０（実験Ｃ）と変えた３種類の窒化物半導体層が形成された窒化物半導体基板２について、それぞれ転位密度を測定した。
測定結果を表１に示すと共に、図８に示す。なお、図８において横軸はペア数、縦軸は転位密度（×１０６ｃｍ−２）である。また、実験Ｂにおいて４０ペア積層して作製された窒化物半導体基板の断面ＴＥＭ像を図９に示す。
Figure 0006876337
表１および図７より、最もペア数の少ない１３ペアでも転位密度は１０６ｃｍ−２オーダーであり、ペア数が多くなるにつれて転位密度が低下することが分かる。
そして、図９では、Ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ１とＤｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ２、２つの転位が存在しているが、Ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ１では、窒化物半導体層（バッファー層）内に入った後、収束されて消滅している。一方、Ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ２では、消滅はしていないものの、ペアを通過するにつれて転位のサイズが小さくなっている。この結果から見ても、表１および図７において、７０ペアとさらにペア数を増やした実験Ｃにおいて、さらに、転位密度が低下していることが理解できる。
そして、上記の結果は、青色レーザによるピックアップやＳｉやＳｉＣ等を用いた縦型パワートランジスタを作製する場合に必要とされる転位密度（１０６ｃｍ−２オーダー）を満たしているため、本実施の形態に係る窒化物半導体基板は、サファイア基材上に形成されているにも拘らず、Ｂｌｕ−Ｒａｙに用いられるピックアップ用青色レーザおよび縦型パワートランジスタの製造に使用できることが分かる。
また、ペア数が多くなるに従い転位密度が低減されるため、さらにペア数を増やしてさらに転位密度を低減させることにより、Ｂｌｕ−Ｒａｙに用いられる書き込み用の青色レーザに必要とされている１０４ｃｍ−２オーダーが達成できることが期待される。
以上、本発明によれば、第１の実施の形態および第２の実施の形態に示したように、安価なサファイア基材等を用いて、高品質の窒化物半導体の製造を可能とする窒化物半導体基板を提供することができる。また、窒化物層を基材全面に形成することが可能なため、大面積化が可能であり実用性に優れる。
そして、上記の窒化物半導体基板から基材を除去することにより、窒化物半導体バルク基板とすることもできるため、半導体デバイス用の窒化物半導体基板として、さらに利用が広がる可能性がある。
以上、本発明を実施の形態に基づき説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明と同一および均等の範囲内において、上記の実施の形態に対して種々の変更を加えることが可能である。
１、２ 窒化物半導体基板
１０ サファイア基材
２０ 窒化物半導体層（バッファー層）
２１ ｕｄ−ＧａＮ層
２２ Ｅｕ添加ＧａＮ層
３０ ＬＴ−ＧａＮ層
４０ ｕｄ−ＧａＮ層

Claims (20)

  1. 基材上に窒化物半導体層が形成された窒化物半導体基板であって、
    前記窒化物半導体層が、
    ドーピング材料が添加されていない厚みが窒化物結晶の格子定数以上で５０ｎｍ以下のアンドープ窒化物層と、
    ドーピング材料として希土類元素が添加された厚みが窒化物結晶の格子定数以上で２０００ｎｍ以下の希土類元素添加窒化物層とが１回積層されて形成されており、
    前記窒化物半導体層の表面における転位密度が１０６ｃｍ−２オーダー以下であることを特徴とする窒化物半導体基板。
  2. 基材上に窒化物半導体層が形成された窒化物半導体基板であって、
    前記窒化物半導体層が、
    ドーピング材料が添加されていない厚みが窒化物結晶の格子定数以上で５０ｎｍ以下のアンドープ窒化物層と、
    ドーピング材料として希土類元素が添加された厚みが窒化物結晶の格子定数以上で２００ｎｍ以下の希土類元素添加窒化物層とが複数回積層されて超格子構造に形成されており、
    前記窒化物半導体層の表面における転位密度が１０６ｃｍ−２オーダー以下であることを特徴とする窒化物半導体基板。
  3. 積層回数が２〜３００回であることを特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体基板。
  4. 前記窒化物半導体層における窒化物が、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、またはこれらのいずれか２つ以上の混晶であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の窒化物半導体基板。
  5. 前記希土類元素が、Ｅｕであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の窒化物半導体基板。
  6. 前記Ｅｕの添加量が、０．０１〜２原子％であることを特徴とする請求項５に記載の窒化物半導体基板。
  7. 総厚が３μｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の窒化物半導体基板。
  8. 前記基材がサファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＮのいずれかであることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の窒化物半導体基板。
  9. 基材上に窒化物半導体層が形成された窒化物半導体基板であって、
    前記窒化物半導体層が、局所的な歪が異なる厚みが窒化物結晶の格子定数以上で５０ｎｍ以下のアンドープ窒化物層および厚みが窒化物結晶の格子定数以上で２０００ｎｍ以下の希土類元素添加窒化物層が交互に１回積層された構造を有しており、
    前記窒化物半導体層の表面における転位密度が１０６ｃｍ−２オーダー以下であることを特徴とする窒化物半導体基板。
  10. 基材上に窒化物半導体層が形成された窒化物半導体基板であって、
    前記窒化物半導体層が、局所的な歪が異なる厚みが窒化物結晶の格子定数以上で５０ｎｍ以下のアンドープ窒化物層および厚みが窒化物結晶の格子定数以上で２００ｎｍ以下の希土類元素添加窒化物層が交互に複数回積層された超格子構造を有しており、
    前記窒化物半導体層の表面における転位密度が１０６ｃｍ−２オーダー以下であることを特徴とする窒化物半導体基板。
  11. 基材側からの転位の少なくとも一部が、前記窒化物半導体層の前記交互に積層された構造において曲げられて、表面に到達するまでに消滅していることを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の窒化物半導体基板。
  12. 請求項９ないし請求項１１のいずれか１項に記載の窒化物半導体基板から前記基材が取り外されて形成されている窒化物半導体層であることを特徴とする窒化物半導体バルク基板。
  13. 請求項１ないし請求項１２のいずれか１項に記載の窒化物半導体基板を用いて作製されていることを特徴とする半導体デバイス。
  14. 発光デバイス、高周波デバイス、高出力デバイスのいずれかであることを特徴とする請求項１３に記載の半導体デバイス。
  15. 基材上に窒化物半導体層が形成された窒化物半導体基板の製造方法であって、
    基材上にＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、またはこれらのいずれか２つ以上の混晶を成長させて、ドーピング材料が添加されていないアンドープ窒化物層を窒化物結晶の格子定数以上で５０ｎｍ以下の厚みに形成する工程と、
    前記アンドープ窒化物層の上に、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、またはこれらのいずれか２つ以上の混晶を母体材料とし、ドーピング材料として希土類元素をＧａ、ＩｎあるいはＡｌと置換するように添加することにより、希土類元素添加窒化物層を窒化物結晶の格子定数以上で２０００ｎｍ以下の厚みに形成する工程とを備えており、
    前記２つの工程を、有機金属気相エピタキシャル法を用いて、９００〜１２００℃の温度条件の下で、反応容器から取り出すことなく一連の形成工程によって行うことを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。
  16. 基材上に窒化物半導体層が形成された窒化物半導体基板の製造方法であって、
    基材上にＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、またはこれらのいずれか２つ以上の混晶を成長させて、ドーピング材料が添加されていないアンドープ窒化物層を形成する工程と、
    前記アンドープ窒化物層の上に、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、またはこれらのいずれか２つ以上の混晶を母体材料とし、ドーピング材料として希土類元素をＧａ、ＩｎあるいはＡｌと置換するように添加することにより、希土類元素添加窒化物層を窒化物結晶の格子定数以上で２００ｎｍ以下の厚みに形成する工程とを備えており、
    前記２つの工程を、有機金属気相エピタキシャル法を用いて、９００〜１２００℃の温度条件の下で、反応容器から取り出すことなく一連の形成工程によって、交互に、複数回繰り返し行うことを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。
  17. 前記希土類元素として、Ｅｕを用いることを特徴とする請求項１５または請求項１６に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
  18. Ｅｕを、Ｅｕ｛Ｎ［Ｓｉ（ＣＨ３）３］２｝３、Ｅｕ（Ｃ１１Ｈ１９Ｏ２）３、Ｅｕ［Ｃ５（ＣＨ３）４（Ｃ３Ｈ７）］２のいずれかにより供給することを特徴とする請求項１７に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
  19. 前記基材として、サファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＮのいずれかを用いることを特徴とする請求項１５ないし請求項１８のいずれか１項に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
  20. さらに、基材上に形成された窒化物半導体層を前記基材から取り外して、窒化物半導体バルク基板とする工程を備えていることを特徴とする請求項１５ないし請求項１９のいずれか１項に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
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