JP2000353821A - 窒化物半導体素子の製造方法及びかかる方法により製造された素子 - Google Patents
窒化物半導体素子の製造方法及びかかる方法により製造された素子Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 III族窒化物半導体素子の特性を左右する貫
通転位を低減せしめ、サファイア基板に積層されるＧａ
Ｎ層に生じるピットを抑制する。 【解決手段】 ＭＯＣＶＤにより、低温バッファ層2が
形成されたサファイア基板1に所定膜厚のアンドープの
ＧａＮ層3を成長させる。次に、その上に、マグネシウ
ムをドーパントとして含むＧａＮ層4をＧａＮ層3よりも
低圧で積層させ、ＧａＮ層4によって、ＧａＮ層3に生じ
たピットを埋めてＧａＮ層4の表面を平坦にする。
通転位を低減せしめ、サファイア基板に積層されるＧａ
Ｎ層に生じるピットを抑制する。 【解決手段】 ＭＯＣＶＤにより、低温バッファ層2が
形成されたサファイア基板1に所定膜厚のアンドープの
ＧａＮ層3を成長させる。次に、その上に、マグネシウ
ムをドーパントとして含むＧａＮ層4をＧａＮ層3よりも
低圧で積層させ、ＧａＮ層4によって、ＧａＮ層3に生じ
たピットを埋めてＧａＮ層4の表面を平坦にする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、III族窒化物半導
体素子（以下、素子とも記述する）の製造方法に関す
る。
体素子（以下、素子とも記述する）の製造方法に関す
る。
【０００２】
【従来技術】窒化ガリウム系化合物半導体は、近年短波
長光半導体素子用、特に短波長半導体レーザ用の材料と
して精力的に研究開発が行われている。半導体レーザな
どの素子の製造は、基板結晶の上に半導体の単結晶膜を
積層することによって行われる。レーザなどの発光素子
の特性は、単結晶膜中の結晶欠陥の密度により大きく左
右される。こうした観点から、基板に用いる材料として
は、その上にエピタキシャル成長させる半導体結晶と同
一の結晶構造、格子定数、熱膨張係数などの物性定数を
有する材料が望ましく、エピタキシャル膜と同一の、例
えば窒化ガリウム(以下、ＧａＮと称す)の単結晶が理想
である。しかしながら、ＧａＮの大きな結晶を作製する
ことは極めて困難であり、いわゆるウェハとして使用で
きるような大きさのＧａＮ単結晶インゴットは、過去に
作製された例がない。そこで、基板としては、サファイ
ア基板が用いられている。
長光半導体素子用、特に短波長半導体レーザ用の材料と
して精力的に研究開発が行われている。半導体レーザな
どの素子の製造は、基板結晶の上に半導体の単結晶膜を
積層することによって行われる。レーザなどの発光素子
の特性は、単結晶膜中の結晶欠陥の密度により大きく左
右される。こうした観点から、基板に用いる材料として
は、その上にエピタキシャル成長させる半導体結晶と同
一の結晶構造、格子定数、熱膨張係数などの物性定数を
有する材料が望ましく、エピタキシャル膜と同一の、例
えば窒化ガリウム(以下、ＧａＮと称す)の単結晶が理想
である。しかしながら、ＧａＮの大きな結晶を作製する
ことは極めて困難であり、いわゆるウェハとして使用で
きるような大きさのＧａＮ単結晶インゴットは、過去に
作製された例がない。そこで、基板としては、サファイ
ア基板が用いられている。
【０００３】ＧａＮ単結晶膜を作製するにあたり、最も
一般的に用いられているのは、有機金属気相成長法（以
下、ＭＯＣＶＤと略す）であり、原料としては、一般的
に、III族原料としてトリメチルガリウム（以下、ＴＭ
Ｇと略す）、Ｖ族原料としてはアンモニア（以下、ＮＨ
3と称す）が用いられている。この方法により、ＧａＮ
半導体を成膜する場合、結晶成長温度はおよそ９００〜
１１００℃となる。こうした高温下では、ヒ化ガリウム
（ＧａＡｓ）等の半導体結晶は不安定で、基板として使
用できない。このため、諸物性は、ＧａＮとは異なるも
のの、主として前述のような高温下でも安定であるとの
理由により、単結晶サファイアが基板として用いられて
いる。
一般的に用いられているのは、有機金属気相成長法（以
下、ＭＯＣＶＤと略す）であり、原料としては、一般的
に、III族原料としてトリメチルガリウム（以下、ＴＭ
Ｇと略す）、Ｖ族原料としてはアンモニア（以下、ＮＨ
3と称す）が用いられている。この方法により、ＧａＮ
半導体を成膜する場合、結晶成長温度はおよそ９００〜
１１００℃となる。こうした高温下では、ヒ化ガリウム
（ＧａＡｓ）等の半導体結晶は不安定で、基板として使
用できない。このため、諸物性は、ＧａＮとは異なるも
のの、主として前述のような高温下でも安定であるとの
理由により、単結晶サファイアが基板として用いられて
いる。
【０００４】しかし、サファイアの格子定数は１４％程
度ＧａＮとは異なっているために、サファイア基板に直
接ＧａＮを成長させたのでは、発光素子としての使用に
耐え得るような高品質の単結晶膜は得られない。そこ
で、ＧａＮ単結晶膜の結晶欠陥を抑制するために、サフ
ァイア基板上に低温（４００〜６００℃）で窒化アルミ
ニウム（ＡｌＮ）またはＧａＮからなる低温バッファ層
を一旦形成し、その後温度を上げて、ＧａＮのエピタキ
シャル成長を行う方法が開発された。こうした２段階成
長によって、比較的平滑な単結晶膜が安定して得られる
ようになった。
度ＧａＮとは異なっているために、サファイア基板に直
接ＧａＮを成長させたのでは、発光素子としての使用に
耐え得るような高品質の単結晶膜は得られない。そこ
で、ＧａＮ単結晶膜の結晶欠陥を抑制するために、サフ
ァイア基板上に低温（４００〜６００℃）で窒化アルミ
ニウム（ＡｌＮ）またはＧａＮからなる低温バッファ層
を一旦形成し、その後温度を上げて、ＧａＮのエピタキ
シャル成長を行う方法が開発された。こうした２段階成
長によって、比較的平滑な単結晶膜が安定して得られる
ようになった。
【０００５】しかし、上記方法にて作製したＧａＮの膜
には、１×１０8〜１×１０10（１/cm2）というＧａＡ
ｓに比べると１万から１０万倍という極めて高密度の欠
陥が存在することが確認されている。この欠陥は、いわ
ゆる貫通転位と呼ばれるもので、結晶膜中を上下に貫通
する線状の結晶欠陥であり、こうした転位はキャリアの
非発光性再結合中心として働くため、転位密度が高くな
るほど半導体結晶の発光効率は低下する。
には、１×１０8〜１×１０10（１/cm2）というＧａＡ
ｓに比べると１万から１０万倍という極めて高密度の欠
陥が存在することが確認されている。この欠陥は、いわ
ゆる貫通転位と呼ばれるもので、結晶膜中を上下に貫通
する線状の結晶欠陥であり、こうした転位はキャリアの
非発光性再結合中心として働くため、転位密度が高くな
るほど半導体結晶の発光効率は低下する。
【０００６】一般に、ＧａＮは、ＧａＡｓ等の従来の光
半導体と比較して、転位により発光効率が低下しにくい
特性を有しているが、上述のように高密度の転位が存在
すると発光効率は低下する。この貫通転位の密度は、エ
ピタキシャル成長時の条件で変化するが、特に成長圧力
に依存し、文献Jpn. J. Appl. Phys. Vol.37 (1998) p
p.4460-4466に記載されるように、成長圧力は高い方が
貫通転位が減少することが分かっている。それゆえ、サ
ファイア基板上のエピタキシャル成長は、常圧(７６０t
orr)付近で行うことが多い。
半導体と比較して、転位により発光効率が低下しにくい
特性を有しているが、上述のように高密度の転位が存在
すると発光効率は低下する。この貫通転位の密度は、エ
ピタキシャル成長時の条件で変化するが、特に成長圧力
に依存し、文献Jpn. J. Appl. Phys. Vol.37 (1998) p
p.4460-4466に記載されるように、成長圧力は高い方が
貫通転位が減少することが分かっている。それゆえ、サ
ファイア基板上のエピタキシャル成長は、常圧(７６０t
orr)付近で行うことが多い。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】サファイア基板上にＧ
ａＮまたはＡｌＮの低温バッファ層を形成し、この上に
高温(１０００℃程度)でＧａＮ結晶を成長させた場合、
成長の初期は、結晶核が三次元的に島状に成長し、続い
て島の合体が生じて二次元的成長に移行することが知ら
れている。従って、ＧａＮのエピタキシャル膜において
は、「ピット」と呼ばれる六角錘状の孔が生じることが
ある。ピットが存在すると、その上及び近傍には良好な
デバイスを形成することは困難である。すなわち、エピ
タキシャルウェハにおいてピット密度が高いと、デバイ
スの製造歩留まりの低下につながる。
ａＮまたはＡｌＮの低温バッファ層を形成し、この上に
高温(１０００℃程度)でＧａＮ結晶を成長させた場合、
成長の初期は、結晶核が三次元的に島状に成長し、続い
て島の合体が生じて二次元的成長に移行することが知ら
れている。従って、ＧａＮのエピタキシャル膜において
は、「ピット」と呼ばれる六角錘状の孔が生じることが
ある。ピットが存在すると、その上及び近傍には良好な
デバイスを形成することは困難である。すなわち、エピ
タキシャルウェハにおいてピット密度が高いと、デバイ
スの製造歩留まりの低下につながる。
【０００８】このピット密度も成長圧力に強く依存し、
成長圧力が高いとピット密度が増加することが分かって
いる。従って、上述のように、貫通密度とピット密度と
の関係は相反するので、転位密度を下げるために成長圧
力を高くすると、ピット密度が増加してしまい、同様に
デバイスの製造歩留まりの低下につながることが問題で
ある。
成長圧力が高いとピット密度が増加することが分かって
いる。従って、上述のように、貫通密度とピット密度と
の関係は相反するので、転位密度を下げるために成長圧
力を高くすると、ピット密度が増加してしまい、同様に
デバイスの製造歩留まりの低下につながることが問題で
ある。
【０００９】本発明の目的は、上記問題点に鑑みて、Ｇ
ａＮ層における転位密度を少なくしながらもピットの生
成を抑制する窒化物半導体素子及びその製造方法を提供
するものである。
ａＮ層における転位密度を少なくしながらもピットの生
成を抑制する窒化物半導体素子及びその製造方法を提供
するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明の窒化物半導体素
子の製造方法は、有機金属化学気相成長法によって、II
I族窒化物半導体（ＩｎxＧａ(1-x-y)ＡｌyＮ（0≦x≦1,
0≦y≦1）を平坦なサファイア基板面上に順次積層して
得られる窒化物半導体素子の製造方法であって、サファ
イア基板上に低温バッファ層を形成する工程と、ドーパ
ント成分を含まない第１の混合ガスを供給して前記低温
バッファ層の上に第１の窒化ガリウム層を形成する第１
の成膜工程と、ドーパント成分を含む第２の混合ガスを
供給して前記第１の窒化ガリウム層の表面にある空隙を
埋めて平坦化しつつ前記第１の窒化ガリウム層の上にド
ーパントを含む第２の窒化ガリウム層を形成する第２の
成膜工程と、を含むことを特徴とするものである。
子の製造方法は、有機金属化学気相成長法によって、II
I族窒化物半導体（ＩｎxＧａ(1-x-y)ＡｌyＮ（0≦x≦1,
0≦y≦1）を平坦なサファイア基板面上に順次積層して
得られる窒化物半導体素子の製造方法であって、サファ
イア基板上に低温バッファ層を形成する工程と、ドーパ
ント成分を含まない第１の混合ガスを供給して前記低温
バッファ層の上に第１の窒化ガリウム層を形成する第１
の成膜工程と、ドーパント成分を含む第２の混合ガスを
供給して前記第１の窒化ガリウム層の表面にある空隙を
埋めて平坦化しつつ前記第１の窒化ガリウム層の上にド
ーパントを含む第２の窒化ガリウム層を形成する第２の
成膜工程と、を含むことを特徴とするものである。
【００１１】本発明の窒化物半導体素子は、III族窒化
物半導体（ＩｎxＧａ(1-x-y)ＡｌyＮ（0≦x≦1, 0≦y≦
1）を平坦なサファイア基板面上に順次積層して得られ
る窒化物半導体素子であって、前記サファイア基板上に
積層された低温バッファ層と、ドーパント成分を含まず
に前記低温バッファ層に積層された第１の所定膜厚の第
１の窒化ガリウム層と、ドーパント成分を含むとともに
前記第１の窒化ガリウム層に積層された第２の所定膜厚
の第２の窒化ガリウム層と、からなり、前記第２の窒化
ガリウム層は、前記第１の窒化ガリウム層の表面に形成
された空隙を埋めて平坦化しつつ積層されていることを
特徴とするものである。
物半導体（ＩｎxＧａ(1-x-y)ＡｌyＮ（0≦x≦1, 0≦y≦
1）を平坦なサファイア基板面上に順次積層して得られ
る窒化物半導体素子であって、前記サファイア基板上に
積層された低温バッファ層と、ドーパント成分を含まず
に前記低温バッファ層に積層された第１の所定膜厚の第
１の窒化ガリウム層と、ドーパント成分を含むとともに
前記第１の窒化ガリウム層に積層された第２の所定膜厚
の第２の窒化ガリウム層と、からなり、前記第２の窒化
ガリウム層は、前記第１の窒化ガリウム層の表面に形成
された空隙を埋めて平坦化しつつ積層されていることを
特徴とするものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について、好
ましい実施例に基づき図面を参照しながら説明する。図
１に示すように、本発明の窒化物半導体素子は、サファ
イアからなる基板１の上に窒化物半導体単結晶膜を積層
させた多層構造体からなる。サファイア基板１上には、
ＡｌＮやＧａＮ等からなる低温バッファ層２が、サファ
イア基板１に形成されている。低温バッファ層２の上に
は、島状構造を採るドーパントを含まないＧａＮ結晶
層、すなわちノンドープＧａＮ結晶層３が第１のＧａＮ
層として形成されている。第１のＧａＮ層の上にドーパ
ントを含む第２のＧａＮ層４が形成される。第２のＧａ
Ｎ層４は、第１のＧａＮ層３の島状構造の空隙を埋めて
第１のＧａＮ層３の表面を平坦にしつつ積層されてい
る。そして、第２のＧａＮ層４の上に再びノンドープＧ
ａＮ結晶膜５が第３のＧａＮ層として形成される。さら
にその上には、結晶層６が形成される。本実施例におい
ては、かかる結晶層６は、Ｓｉドープのｎ型ＧａＮであ
る。さらにｎ型クラッド層７、活性層８、ｐ型クラッド
９、ｐ型コンタクト層１０がこの上に順次配され、ｐ型
コンタクト層１０及び第４の結晶層６上にそれぞれｐ型
電極１１及びｎ型電極１２を配して半導体発光素子が作
製される。
ましい実施例に基づき図面を参照しながら説明する。図
１に示すように、本発明の窒化物半導体素子は、サファ
イアからなる基板１の上に窒化物半導体単結晶膜を積層
させた多層構造体からなる。サファイア基板１上には、
ＡｌＮやＧａＮ等からなる低温バッファ層２が、サファ
イア基板１に形成されている。低温バッファ層２の上に
は、島状構造を採るドーパントを含まないＧａＮ結晶
層、すなわちノンドープＧａＮ結晶層３が第１のＧａＮ
層として形成されている。第１のＧａＮ層の上にドーパ
ントを含む第２のＧａＮ層４が形成される。第２のＧａ
Ｎ層４は、第１のＧａＮ層３の島状構造の空隙を埋めて
第１のＧａＮ層３の表面を平坦にしつつ積層されてい
る。そして、第２のＧａＮ層４の上に再びノンドープＧ
ａＮ結晶膜５が第３のＧａＮ層として形成される。さら
にその上には、結晶層６が形成される。本実施例におい
ては、かかる結晶層６は、Ｓｉドープのｎ型ＧａＮであ
る。さらにｎ型クラッド層７、活性層８、ｐ型クラッド
９、ｐ型コンタクト層１０がこの上に順次配され、ｐ型
コンタクト層１０及び第４の結晶層６上にそれぞれｐ型
電極１１及びｎ型電極１２を配して半導体発光素子が作
製される。
【００１３】以下、本発明による窒化物半導体素子の製
造方法を、図２及び図３を参照して説明する。サファイ
ア基板１を成膜用ＭＯＣＶＤ成長炉に装填し、１０５０
℃の温度において３００torrの圧力の水素気流中で１０
分間保持し、サファイア基板１の表面の熱クリーニング
を行う。この後、サファイア基板１の温度が４００℃に
なるまで降温せしめ、窒素原料であるＮＨ3と、Ａｌ原
料であるＴＭＡ(トリメチルアルミニウム)を成長炉に導
入し、ＡｌＮからなる低温バッファ層２を５０ｎｍの厚
さに積層させる(ステップＳ１)。
造方法を、図２及び図３を参照して説明する。サファイ
ア基板１を成膜用ＭＯＣＶＤ成長炉に装填し、１０５０
℃の温度において３００torrの圧力の水素気流中で１０
分間保持し、サファイア基板１の表面の熱クリーニング
を行う。この後、サファイア基板１の温度が４００℃に
なるまで降温せしめ、窒素原料であるＮＨ3と、Ａｌ原
料であるＴＭＡ(トリメチルアルミニウム)を成長炉に導
入し、ＡｌＮからなる低温バッファ層２を５０ｎｍの厚
さに積層させる(ステップＳ１)。
【００１４】続いてＴＭＡの供給を止めて、ＮＨ3のみ
を流したまま、成長圧力を３００torrから６００torrに
変更する。さらにバッファ層２が成膜されたサファイア
基板１の温度を再び１０５０℃に昇温し、ＴＭＧ(トリ
メチルガリウム)を第１の混合ガスとして導入してノン
ドープＧａＮ層３の積層を開始する(ステップＳ２)。最
初に、ＧａＮ結晶の核が低温バッファ層２上に生成さ
れ、核は自身を中心にして３次元的な成長を開始して島
状構造を採りながら成長を継続する。
を流したまま、成長圧力を３００torrから６００torrに
変更する。さらにバッファ層２が成膜されたサファイア
基板１の温度を再び１０５０℃に昇温し、ＴＭＧ(トリ
メチルガリウム)を第１の混合ガスとして導入してノン
ドープＧａＮ層３の積層を開始する(ステップＳ２)。最
初に、ＧａＮ結晶の核が低温バッファ層２上に生成さ
れ、核は自身を中心にして３次元的な成長を開始して島
状構造を採りながら成長を継続する。
【００１５】ノンドープＧａＮ層３を設定膜厚０．５μ
ｍ程度成長させたところで、ＴＭＧの供給を停止し、圧
力を再度３００torrに変更する。尚、設定膜厚とは、膜
が一様な膜厚で成長すると仮定した場合の膜厚のことで
ある。次に、ＭｇをドーパントとするためにＥｔ-Ｃｐ
２Ｍｇ(エチル-ビスシクロペンタジエニルマグネシウ
ム)を導入してＴＭＧ及びＮＨ3とともに第２の混合ガス
として供給して、第２のＧａＮ層としてのＧａＮ：Ｍｇ
層４の積層を開始する(ステップＳ３)。この時、Ｅｔ-
Ｃｐ２Ｍｇの流量は、Ｍｇの原子濃度が１×１０ 18〜５
×１０20(1/cc)となるように設定する。この時のＭｇの
濃度は、ＧａＮ：Ｍｇ層が２次元的成長を促進するよう
に選択される。ＧａＮ：Ｍｇ層４は、設定膜厚として
０．５μｍ成長させる。
ｍ程度成長させたところで、ＴＭＧの供給を停止し、圧
力を再度３００torrに変更する。尚、設定膜厚とは、膜
が一様な膜厚で成長すると仮定した場合の膜厚のことで
ある。次に、ＭｇをドーパントとするためにＥｔ-Ｃｐ
２Ｍｇ(エチル-ビスシクロペンタジエニルマグネシウ
ム)を導入してＴＭＧ及びＮＨ3とともに第２の混合ガス
として供給して、第２のＧａＮ層としてのＧａＮ：Ｍｇ
層４の積層を開始する(ステップＳ３)。この時、Ｅｔ-
Ｃｐ２Ｍｇの流量は、Ｍｇの原子濃度が１×１０ 18〜５
×１０20(1/cc)となるように設定する。この時のＭｇの
濃度は、ＧａＮ：Ｍｇ層が２次元的成長を促進するよう
に選択される。ＧａＮ：Ｍｇ層４は、設定膜厚として
０．５μｍ成長させる。
【００１６】尚、ＧａＮ：Ｍｇ層４の膜厚は、本実施例
においては０．５μｍとしたが、これに限らず、ノンド
ープＧａＮ層３の表面に形成されたピットを埋めるとと
もに、積層されるＧａＮ：Ｍｇ層４のそのものの表面が
平坦になる膜厚であれば良い。次に、Ｅｔ-Ｃｐ２Ｍｇ
の供給のみを停止し、ノンドープＧａＮ層５の成長を１
〜１０分程度行う(ステップＳ４)。その後、Ｍｅ-Ｓｉ
Ｈ3(メチルシラン)を導入し、ＧａＮ：Ｓｉ層６を２μ
ｍ成長させる(ステップＳ５)。この時のＭｅ-ＳｉＨ3の
流量は、Ｓｉの原子濃度が１×１０17(1/cc)となるよう
に設定する。
においては０．５μｍとしたが、これに限らず、ノンド
ープＧａＮ層３の表面に形成されたピットを埋めるとと
もに、積層されるＧａＮ：Ｍｇ層４のそのものの表面が
平坦になる膜厚であれば良い。次に、Ｅｔ-Ｃｐ２Ｍｇ
の供給のみを停止し、ノンドープＧａＮ層５の成長を１
〜１０分程度行う(ステップＳ４)。その後、Ｍｅ-Ｓｉ
Ｈ3(メチルシラン)を導入し、ＧａＮ：Ｓｉ層６を２μ
ｍ成長させる(ステップＳ５)。この時のＭｅ-ＳｉＨ3の
流量は、Ｓｉの原子濃度が１×１０17(1/cc)となるよう
に設定する。
【００１７】ＧａＮ：Ｓｉ層６の成長が完了したところ
で、ＴＭＧ，Ｍｅ-ＳｉＨ3の供給を停止して降温を開始
し、基板温度が４００℃以下になったところでＮＨ3の
供給も停止し、基板温度が室温になったところで反応炉
より取り出す。尚、これを後述する比較のための試料
(1)とする。更に、ｎ型クラッド層７、活性層８、ｐ型
クラッド９、ｐ型コンタクト層１０をＧａＮ：Ｓｉ層６
の上に順次積層し、ｐ型コンタクト層１０及び第４の結
晶層６上にそれぞれｐ型電極１１及びｎ型電極１２を形
成して(ステップＳ６)半導体素子が作製される。
で、ＴＭＧ，Ｍｅ-ＳｉＨ3の供給を停止して降温を開始
し、基板温度が４００℃以下になったところでＮＨ3の
供給も停止し、基板温度が室温になったところで反応炉
より取り出す。尚、これを後述する比較のための試料
(1)とする。更に、ｎ型クラッド層７、活性層８、ｐ型
クラッド９、ｐ型コンタクト層１０をＧａＮ：Ｓｉ層６
の上に順次積層し、ｐ型コンタクト層１０及び第４の結
晶層６上にそれぞれｐ型電極１１及びｎ型電極１２を形
成して(ステップＳ６)半導体素子が作製される。
【００１８】尚、比較対象用として、第１のＧａＮ層３
の成長後、圧力は６００torrのままＧａＮ：Ｓｉ層６を
２μｍ成長させた試料(2)を作製した。また、第１のＧ
ａＮ層３及びＧａＮ：Ｓｉ層６をすべて圧力３００torr
で成長させた試料(3)も作製した。試料(2)、(3)とも、
試料(1)と比較すると第２のＧａＮ層４及びノンドープ
ＧａＮ層５が無いだけで、膜厚、ドーピングレベルなど
の条件は同じである。
の成長後、圧力は６００torrのままＧａＮ：Ｓｉ層６を
２μｍ成長させた試料(2)を作製した。また、第１のＧ
ａＮ層３及びＧａＮ：Ｓｉ層６をすべて圧力３００torr
で成長させた試料(3)も作製した。試料(2)、(3)とも、
試料(1)と比較すると第２のＧａＮ層４及びノンドープ
ＧａＮ層５が無いだけで、膜厚、ドーピングレベルなど
の条件は同じである。
【００１９】こうして得られた各試料の表面のピット密
度、ホール移動度、ＥＰＤ、すなわち転位密度の評価を
行った。その結果を表１に示す。
度、ホール移動度、ＥＰＤ、すなわち転位密度の評価を
行った。その結果を表１に示す。
【００２０】
【表１】
【００２１】表１から、ホール移動度は、ＥＰＤと相関
があり、ホール移動度が高くなるとＥＰＤは低下するこ
とが分かる。また、試料(1)及び試料(2)のＥＰＤが、試
料(3)よりも低いことが分かる。ピット密度は、試料(1)
及び試料(3)が低く、試料(2)は高い。更に、試料(1)の
断面を走査顕微鏡(ＳＥＭ)で観察して、第１のＧａＮ層
３に存在するピットが、第２のＧａＮ層４により埋めら
れてピットの上方では膜が平坦化されていることを確認
した。このようにして、転位密度を抑制しつつ初期のＧ
ａＮ膜に生じたピットがＧａＮ層を厚み方向に貫通する
ことを抑制することができる。
があり、ホール移動度が高くなるとＥＰＤは低下するこ
とが分かる。また、試料(1)及び試料(2)のＥＰＤが、試
料(3)よりも低いことが分かる。ピット密度は、試料(1)
及び試料(3)が低く、試料(2)は高い。更に、試料(1)の
断面を走査顕微鏡(ＳＥＭ)で観察して、第１のＧａＮ層
３に存在するピットが、第２のＧａＮ層４により埋めら
れてピットの上方では膜が平坦化されていることを確認
した。このようにして、転位密度を抑制しつつ初期のＧ
ａＮ膜に生じたピットがＧａＮ層を厚み方向に貫通する
ことを抑制することができる。
【００２２】また、第１のＧａＮ層３の膜厚としては、
ノンドープＧａＮ層の成長形態が、初期の３次元的成長
形態から２次元的成長形態に移行し始めるまでの膜厚
が、第２のＧａＮ層の２次元的成長に対して適切であ
る。従って、第１のＧａＮ層３の膜厚としては、結晶核
の合体が始まる０．２μｍを下限とし、島状構造の間隙
を埋めるのに必要な、すなわち平坦化に要する時間が短
いほうが好ましいという観点から、４μｍを上限とす
る。また、第１のＧａＮ層３の膜厚が増加すると、表面
に形成されるピットの深さもより深いものが形成される
場合があるので、その上に積層されるＧａＮ：Ｍｇ層４
も、かかるピットを埋めるために膜厚が増大する傾向が
ある。
ノンドープＧａＮ層の成長形態が、初期の３次元的成長
形態から２次元的成長形態に移行し始めるまでの膜厚
が、第２のＧａＮ層の２次元的成長に対して適切であ
る。従って、第１のＧａＮ層３の膜厚としては、結晶核
の合体が始まる０．２μｍを下限とし、島状構造の間隙
を埋めるのに必要な、すなわち平坦化に要する時間が短
いほうが好ましいという観点から、４μｍを上限とす
る。また、第１のＧａＮ層３の膜厚が増加すると、表面
に形成されるピットの深さもより深いものが形成される
場合があるので、その上に積層されるＧａＮ：Ｍｇ層４
も、かかるピットを埋めるために膜厚が増大する傾向が
ある。
【００２３】また、ノンドープＧａＮ層５は、次に積層
させるＧａＮ：Ｓｉ層６へのＭｇの混入を防ぐために、
ＧａＮ：Ｍｇ層４とＧａＮ：Ｓｉ層６との間に形成する
ものである。この理由を次に説明する。すなわち、Ｍｇ
は、Ｅｔ-Ｃｐ２Ｍｇの供給を停止しても、しばらくの
間反応炉や配管内に残留すること(この現象は、Ｍｇの
メモリ効果と呼ばれる)がある。従って、ＧａＮ：Ｍｇ
層４の次にＧａＮ：Ｓｉ層６を成長させると、Ｅｔ-Ｃ
ｐ２Ｍｇの供給を止めてＧａＮ：Ｓｉ層６の成長に移行
するまでの時間に残留したＭｇが表面に堆積するので、
ＧａＮ：Ｓｉ層６の成長を開始した際に再び３次元的成
長を起こし、逆にピットを増加させてしまうことがある
からである。しかしながら、Ｍｇのメモリ効果は常に発
現するものではなく、ＭＯＣＶＤ炉やＧａＮ：Ｓｉ層６
の成長条件によっては、Ｅｔ-Ｃｐ２Ｍｇの供給停止直
後においてメモリ効果が発現しないことがある。故に、
かかる場合はノンドープＧａＮ層５の積層を省略するこ
とができる。
させるＧａＮ：Ｓｉ層６へのＭｇの混入を防ぐために、
ＧａＮ：Ｍｇ層４とＧａＮ：Ｓｉ層６との間に形成する
ものである。この理由を次に説明する。すなわち、Ｍｇ
は、Ｅｔ-Ｃｐ２Ｍｇの供給を停止しても、しばらくの
間反応炉や配管内に残留すること(この現象は、Ｍｇの
メモリ効果と呼ばれる)がある。従って、ＧａＮ：Ｍｇ
層４の次にＧａＮ：Ｓｉ層６を成長させると、Ｅｔ-Ｃ
ｐ２Ｍｇの供給を止めてＧａＮ：Ｓｉ層６の成長に移行
するまでの時間に残留したＭｇが表面に堆積するので、
ＧａＮ：Ｓｉ層６の成長を開始した際に再び３次元的成
長を起こし、逆にピットを増加させてしまうことがある
からである。しかしながら、Ｍｇのメモリ効果は常に発
現するものではなく、ＭＯＣＶＤ炉やＧａＮ：Ｓｉ層６
の成長条件によっては、Ｅｔ-Ｃｐ２Ｍｇの供給停止直
後においてメモリ効果が発現しないことがある。故に、
かかる場合はノンドープＧａＮ層５の積層を省略するこ
とができる。
【００２４】さらに、ＧａＮ：Ｓｉ層６のＳｉの原子濃
度は、本実施例の１×１０17(1/cc)に限らず、サファイ
ア基板上の３族窒化物半導体素子として一般的なＮ+層
のレベル(Ｓｉ濃度；１×１０18〜１×１０19(1/ｃ
ｍ3))に設定することもできる。一般に、ＧａＮ系結晶
においては、成長初期段階で特に(1-101)面及びその近
傍の高次数の面が優性になって三次元成長が進行する。
三次元的に島状成長した各島が衝突し合体し始めると、
高次数の面が(1-101)面ともう１つの安定面である(000
1)面とに淘汰されていく。この(0001)面の成長速度は、
遅いことが知られているが、これは(0001)面に到達した
Ｇａ原子が表面をマイグレーションして、(1-101)面で
取り込まれるために生じる結果と考えることができる。
このようにして、(1-101)面がより速く成長し、(0001)
面が残るために、膜は次第に平坦化されていく。成長圧
力が低いときのように、原料の拡散が速く、核が均一に
成長し、一様な島が高密度に生成される場合は、上述の
二次元的成長移行機構が速やかに働き平坦化が達成され
る。但し、貫通転位等の結晶欠陥は、異なる初期核から
生成した成長面が衝突する際に生じるので、島密度が高
く合体が速い成長モードは転位密度が高くなる傾向があ
る。
度は、本実施例の１×１０17(1/cc)に限らず、サファイ
ア基板上の３族窒化物半導体素子として一般的なＮ+層
のレベル(Ｓｉ濃度；１×１０18〜１×１０19(1/ｃ
ｍ3))に設定することもできる。一般に、ＧａＮ系結晶
においては、成長初期段階で特に(1-101)面及びその近
傍の高次数の面が優性になって三次元成長が進行する。
三次元的に島状成長した各島が衝突し合体し始めると、
高次数の面が(1-101)面ともう１つの安定面である(000
1)面とに淘汰されていく。この(0001)面の成長速度は、
遅いことが知られているが、これは(0001)面に到達した
Ｇａ原子が表面をマイグレーションして、(1-101)面で
取り込まれるために生じる結果と考えることができる。
このようにして、(1-101)面がより速く成長し、(0001)
面が残るために、膜は次第に平坦化されていく。成長圧
力が低いときのように、原料の拡散が速く、核が均一に
成長し、一様な島が高密度に生成される場合は、上述の
二次元的成長移行機構が速やかに働き平坦化が達成され
る。但し、貫通転位等の結晶欠陥は、異なる初期核から
生成した成長面が衝突する際に生じるので、島密度が高
く合体が速い成長モードは転位密度が高くなる傾向があ
る。
【００２５】一方、成長圧力が高い場合は、初期核間で
選択的成長により競合が起こり、大きな島が比較的低密
度に生成されるため、転位密度は低くなる。しかしなが
ら、島同士の合体が遅いため、大きく且つ深い(1-101)
面で構成されるピットが生じやすい。故に、ピット内部
では、拡散による原料の供給そのものが希薄になるた
め、ピットは消えず、膜の成長が進行するに従い粗大化
する傾向がある。
選択的成長により競合が起こり、大きな島が比較的低密
度に生成されるため、転位密度は低くなる。しかしなが
ら、島同士の合体が遅いため、大きく且つ深い(1-101)
面で構成されるピットが生じやすい。故に、ピット内部
では、拡散による原料の供給そのものが希薄になるた
め、ピットは消えず、膜の成長が進行するに従い粗大化
する傾向がある。
【００２６】ところが、三次元的成長が二次元的成長に
移行する際に、Ｍｇが存在すると、(0001)面においてＧ
ａ原子のマイグレーションはさらに助成されて、(1-10
1)面及びその近傍面の成長速度の比がさらに大きくな
り、三次元的成長から二次元的成長への移行が促進され
る。従って、Ｍｇは、Ｇａ原子位置でＧａと置換される
アクセプタ性の不純物と考えられるので、Ｍｇと同様に
Ｇａ原子位置において置換可能なアクセプタ性の不純物
であるII族元素である、Ｂｅ，Ｃａ，Ｚｎを、Ｍｇに代
えて不純物、すなわちドーパントとしてＧａＮ層を成長
させても良い。
移行する際に、Ｍｇが存在すると、(0001)面においてＧ
ａ原子のマイグレーションはさらに助成されて、(1-10
1)面及びその近傍面の成長速度の比がさらに大きくな
り、三次元的成長から二次元的成長への移行が促進され
る。従って、Ｍｇは、Ｇａ原子位置でＧａと置換される
アクセプタ性の不純物と考えられるので、Ｍｇと同様に
Ｇａ原子位置において置換可能なアクセプタ性の不純物
であるII族元素である、Ｂｅ，Ｃａ，Ｚｎを、Ｍｇに代
えて不純物、すなわちドーパントとしてＧａＮ層を成長
させても良い。
【００２７】また、第２のＧａＮ層の成長時の圧力を、
第１のＧａＮ層の成長圧力よりも下げることが平坦化に
有効であることも実験にて確認されている。このよう
に、ノンドープの第１のＧａＮ層を低温バッファ層の上
に積層して貫通転位の発生を抑制し、次に、ドーパント
を混入させて第２のＧａＮ膜を積層することにより、第
２のＧａＮ層は、その成長過程において第１のＧａＮ層
の表面の空隙を埋めながら成長することができる。従っ
て、第１のＧａＮ層と第２のＧａＮ層とからなるＧａＮ
層において、生成されるピットの数を低減せしめるとと
もに、膜の表面が平坦化され、更に内部に生じる貫通転
位を減らすことができる。故に、上記ＧａＮ膜からなる
III族窒化物半導体素子の特性を向上せしめることがで
きる。
第１のＧａＮ層の成長圧力よりも下げることが平坦化に
有効であることも実験にて確認されている。このよう
に、ノンドープの第１のＧａＮ層を低温バッファ層の上
に積層して貫通転位の発生を抑制し、次に、ドーパント
を混入させて第２のＧａＮ膜を積層することにより、第
２のＧａＮ層は、その成長過程において第１のＧａＮ層
の表面の空隙を埋めながら成長することができる。従っ
て、第１のＧａＮ層と第２のＧａＮ層とからなるＧａＮ
層において、生成されるピットの数を低減せしめるとと
もに、膜の表面が平坦化され、更に内部に生じる貫通転
位を減らすことができる。故に、上記ＧａＮ膜からなる
III族窒化物半導体素子の特性を向上せしめることがで
きる。
【図１】本発明による窒化物半導体素子を示す断面図で
ある。
ある。
【図２】図１に示す窒化物半導体素子の一部拡大断面図
である。
である。
【図３】本発明による窒化物半導体素子の製造方法の一
例を示すフローチャートである。
例を示すフローチャートである。
１ 基板 ３ 第１のＧａＮ層 ４ 第２のＧａＮ層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 太田 啓之 埼玉県鶴ヶ島市富士見６丁目１番１号 パ イオニア株式会社総合研究所内 Ｆターム(参考） 5F041 AA41 CA34 CA40 CA47 CA65 CB01 5F073 CA02 CA17 CB03 CB06 CB12 DA05 DA11 EA29
Claims (14)
- 【請求項１】 有機金属化学気相成長法によって、III
族窒化物半導体（ＩｎxＧａ(1-x-y)ＡｌyＮ（0≦x≦1,
0≦y≦1）を平坦なサファイア基板面上に順次積層して
得られる窒化物半導体素子の製造方法であって、 サファイア基板上に低温バッファ層を形成する工程と、 ドーパント成分を含まない第１の混合ガスを供給して前
記低温バッファ層の上に第１の窒化ガリウム層を形成す
る第１の成膜工程と、 ドーパント成分を含む第２の混合ガスを供給して前記第
１の窒化ガリウム層の表面にある空隙を埋めて平坦化し
つつ前記第１の窒化ガリウム層の上にドーパントを含む
第２の窒化ガリウム層を形成する第２の成膜工程と、を
含むことを特徴とする窒化物半導体素子の製造方法。 - 【請求項２】 前記第２の成膜工程は、前記第１の成膜
工程よりも低い圧力で行われることを特徴とする請求項
１記載の窒化物半導体素子の製造方法。 - 【請求項３】 前記第２の窒化ガリウム層の上にドーパ
ント成分を含まない混合ガスを供給して第３の窒化ガリ
ウム層を形成する第３の成膜工程を更に含むことを特徴
とする請求項１記載の窒化物半導体素子の製造方法。 - 【請求項４】 前記第２の窒化ガリウムの膜厚は、前記
第１窒化ガリウム層の表面にある空隙を埋めつつ積層さ
れる前記第２の窒化ガリウムの表面を平坦にするのに十
分な厚みであることを特徴とする請求項１記載の窒化物
半導体素子の製造方法。 - 【請求項５】 前記第１の窒化ガリウム層の膜厚は、
０．２μｍから４μｍまでの設定膜厚であることを特徴
とする請求項１記載の窒化物半導体素子の製造方法。 - 【請求項６】 前記ドーパントは、II族元素であること
を特徴とする請求項１記載の窒化物半導体素子の製造方
法。 - 【請求項７】 前記ドーパントは、マグネシウムである
ことを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体素子の製
造方法。 - 【請求項８】 III族窒化物半導体（ＩｎxＧａ(1-x-y)
ＡｌyＮ（0≦x≦1, 0≦y≦1）を平坦なサファイア基板
面上に順次積層して得られる窒化物半導体素子であっ
て、 前記サファイア基板上に積層された低温バッファ層と、 ドーパント成分を含まずに前記低温バッファ層に積層さ
れた第１の所定膜厚の第１の窒化ガリウム層と、 ドーパント成分を含むとともに前記第１の窒化ガリウム
層に積層された第２の所定膜厚の第２の窒化ガリウム層
と、からなり、前記第２の窒化ガリウム層は、前記第１
の窒化ガリウム層の表面に形成された空隙を埋めて平坦
化しつつ積層されていることを特徴とする窒化物半導体
素子。 - 【請求項９】 前記第２の窒化ガリウム層は、前記第１
の窒化ガリウム層よりも低圧で積層されていることを特
徴とする請求項８記載の窒化物半導体素子。 - 【請求項１０】 ドーパント成分を含まずに前記第２の
窒化ガリウム層に積層される第３の窒化ガリウム層を更
に含むことを特徴とする請求項８記載の窒化物半導体素
子。 - 【請求項１１】 前記第２の窒化ガリウムの膜厚は、前
記第１窒化ガリウム層の表面にある空隙を埋めつつ積層
される前記第２の窒化ガリウムの表面を平坦にするのに
十分な厚みであることを特徴とする請求項８記載の窒化
物半導体素子。 - 【請求項１２】 前記第１の窒化ガリウム層の所定膜厚
は、０．２μｍから４μｍまでの設定膜厚であることを
特徴とする請求項６記載の窒化物半導体素子。 - 【請求項１３】 前記ドーパントは、II族元素であるこ
とを特徴とする請求項８記載の窒化物半導体素子。 - 【請求項１４】 前記ドーパントは、マグネシウムであ
ることを特徴とする請求項８記載の窒化物半導体素子。
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