JP2003192496A - Ｉｉｉ族窒化物半導体基板およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＩＩＩ族窒化物半導体の格子整合基板として
有望なＺｒＢ_２基板の性質を最大限引き出し、素子形成
面全体の転位密度が小さい高品質のＡｌＧａＮ半導体層
を最小限の少ない工程によって実現すること。 【解決手段】 欠陥密度が１０^７ｃｍ^−２以下のＺｒＢ
_２単結晶基板上に、Ｚｒ−Ｂ−Ｎ非晶質窒化層が実質的
に生成されずに、ＡｌＧａＮ系低温バッファ層を成長ま
たは堆積させることのできる基板温度で該低温バッファ
層を成膜する第１段階工程と、引き続きＡｌＧａＮ系単
結晶膜を該低温バッファ層上に直接成長させる第２段階
工程のみによって素子形成面全体の転位密度が１０^７ｃ
ｍ^−２以下のＡｌＧａＮ系半導体層を形成させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光情報処理分野な
どへの応用が期待されているＩＩＩ族窒化物半導体基板
およびその製造方法、さらに、この基板上に形成された
半導体光素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＩＩＩ族窒化物半導体は格子整合する高
品質の基板がないことから、従来より格子不整合の大き
い材料を基板とした、いわゆるヘテロエピタキシャル成
長により結晶が作製されてきた。最も典型的な基板材料
はサファイアである。

【０００３】一般的な窒化物半導体の構成を図５に示
す。サファイア基板１０１上に、ＧａＮ、あるいはＡｌ
Ｎからなる低温堆積バッファ層１０２を介してＧａＮ
(またはＡｌＧａＮ)層１０３が成長されている。この低
温堆積バッファ層１０２は通常、２００〜９００℃の成
膜温度で堆積され、非晶質、又は多結晶、あるいは両者
が混在した構造を有している。低温バッファ層上に窒化
物系化合物半導体層を成長させる段階では低温バッファ
層も９００℃以上に加熱されるため一部が蒸発し低温バ
ッファ層の再結晶化が始まり密度の高い結晶核が形成さ
れるが、再結晶化によっても依然、多結晶である。

【０００４】元々、サファイア基板１０１とＧａＮ(ま
たはＡｌＧａＮ)層１０３との間には、約１６％もの格
子不整合があり、直接ＧａＮ層を成長すると、極めて品
質の悪い結晶しか作製することができない。しかし、図
５に示す低温堆積バッファ層１０２を挿入することによ
って、大きな格子不整合を緩和し、高品質のＧａＮ(ま
たはＡｌＧａＮ)層１０３が作製可能である。

【０００５】窒化物半導体を用いた発光ダイオードや半
導体レーザの多くは、この高品質のＧａＮ(またはＡｌ
ＧａＮ)層１０３をベースとして作製されている。しか
し、上記のようにして作製された窒化物半導体結晶層に
おいても１０^８ｃｍ^−２以上の高密度の貫通転位が含ま
れており、これが実用上の問題として残されている。例
えば、発光素子の場合、貫通転位は非発光中心として作
用することが知られ、素子の発光効率を低下させてい
る。さらに、素子の劣化は貫通転位により促進されるた
め、寿命に多大な悪影響を及ぼすことも知られている。
また、受光素子の場合には、逆バイアス時のリーク電
流、すなわち暗電流を増大させる原因となっており、高
感度な光検出を阻害している。

【０００６】このような問題に対応する手段として、低
温バッファ層を昇温して単結晶化第１低温バッファ層と
してこの上に第１単結晶ＧａＮ膜を成長させ（この状態
では１０^７〜１０^１１ｃｍ^２の結晶欠陥が存在する）、
さらに第２の低温バッファ層を形成し、さらに昇温して
単結晶化第２低温バッファ層とし、この上に第２単結晶
ＧａＮ膜を成長させ、このように堆積−単結晶化薄膜と
成長単結晶薄膜を交互に繰り返すことにより平均結晶欠
陥密度を１×１０^７ｃｍ^−２以下にすることができるこ
とが特開平１１−１６２８４７号公報に開示されてい
る。

【０００７】近年、貫通転位密度を低減させる手段とし
て、エピタキシャル横方向オーバーグロース（Ｅpitaxi
al Ｌateral Ｏvergrowth：ＥＬＯ）技術が用いられ
るようになった。図６は、ＥＬＯ技術による低転位密度
ＧａＮ基板の構成を示している。サファイア基板２０１
上に、ＧａＮ、あるいはＡｌＮからなる低温バッファ層
２０２を介してＧａＮ層２０３が成長されている。Ｇａ
Ｎ層２０３表面に、例えば、ＳｉＯ_２から成るマスク２
０４が周期的に形成され、その上に再びＧａＮオーバー
グロース層２０５が成長されている。ＧａＮオーバーグ
ロース層２０５は、マスク２０４のない部分、即ち、Ｇ
ａＮ層２０３が露出した領域でのみ成長を開始し、しば
らくすると、マスク２０４上を横方向に成長した結晶
が、その上を覆いつくす。そして、最終的に、図６に示
すような、表面が平坦な膜となる。

【０００８】以上のようなＧａＮオーバーグロース層２
０５の成長の過程において、本来、成長方向に真上に貫
通する転位２０６は、結晶合体部２０７を除いてストラ
イプマスク２０４上にはほとんど存在しない。その結
果、中央部を除いたストライプマスク２０４上のＧａＮ
オーバーグロース層２０５には、１０^５〜１０^７cm^−２
程度の極めて転位の少ない領域が形成される。この基板
を用いて発光ダイオードや半導体レーザを作製すると、
非発光再結合が少なく効率の高い、優れた特性が得られ
る。

【０００９】また、低転位領域に作製した光検出器で
は、暗電流が数桁も低減できる。さらに、このＥＬＯ技
術を用いて、ＧａＮ基板も作製されている。作製方法
は、原理的に、図６に示したＥＬＯと同様であるが、Ｇ
ａＮオーバーグロース層２０５の成長を、成長速度の速
いハライド気相成長法を用いて数百μｍ成長させ、その
後基板をエッチングやレーザリフトオフ等の方法により
除去したものである。

【００１０】このようなＥＬＯ技術に関しては、特開平
１１−１０３１３５号公報、特開平１１−２５１２５３
号公報、特開２００１−６０７１９号公報、特開２００
１−３０８４６４号公報などに開示されている。例え
ば、特開２００１−３０８４６４号公報には、サファイ
ヤ基板上に低温バッファ層を介して第１のＡｌＧａＮ層
を形成し、さらにこの上に第１のＡｌＧａＮ層よりも低
いＡｌ組成の第２のＡｌＧａＮ層をマスクの開口部から
ファセット構造を形成させながら膜厚５μｍ以上に成長
させることによって素子形成面全体の平均結晶欠陥密度
を１×１０^７ｃｍ ^−２以下にすることができることが開
示されている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】現在では、ＧａＮ基板
において、部分的にではあるが１０^５ｃｍ^−２台の低転
位密度が実現されている。このＧａＮ基板を用いたエピ
タキシャル成長により格子整合の結晶成長が可能となる
ため、高品質の結晶や、高性能の半導体素子が実現可能
である。

【００１２】しかし、従来の低転位密度のＧａＮ基板を
用いた窒化物半導体結晶および半導体素子においても、
さらに改善が必要と考えられる。第１には、低転位密度
といっても１０^５ｃｍ^−２台の転位密度は、未だ高く、
しかも、部分的に１０^８ｃｍ ^−２台の高い転位密度の領
域が存在すること、また、第２には、この基板の作製に
おいて、非常に工程が複雑でコストがかかることであ
る。

【００１３】この問題を克服するために、異種基板材料
であるＺｒＢ_２（二硼化ジルコニウム）が注目されてい
る（H.Kinoshita,S.Ohtani,S.kamiyama,H.Amano,I.Akas
aki,J.Suda and H.Matsunami,Japanese Journal of App
lied Physics)。ＺｒＢ_２は窒化物半導体と同じ六方晶
系の単位格子を持ち、室温でＡｌ_０．２６Ｇａ_{０．７ ４}
Ｎに格子整合可能な材料である。特開平１０−９５６９
９号公報には、フローティング法を用いて良質で大型な
ＺｒＢ_２単結晶を育成する方法が開示されており、本発
明においては、このような方法によって製造されたＺｒ
Ｂ_２単結晶を用いることができる。

【００１４】従来の問題である貫通転位は前述のように
格子不整合に起因するため、このＺｒＢ_２単結晶基板を
用いれば転位フリーの高品質窒化物半導体を実現できる
可能性を持っている。しかも、熱膨張係数が窒化物半導
体に近く、導電率が高く、また、熱的にも非常に安定で
あること等、窒化物半導体のエピタキシャル成長用基板
としての条件をほぼすべて備えている。近年、ＺｒＢ_２
単結晶の大型バルク成長技術の確立が進んでおり、近い
将来には安価で大口径の基板が入手可能となることも期
待できる。

【００１５】しかしながら、実際に、窒化物半導体のエ
ピタキシャル成長にＺｒＢ_２単結晶基板を用いた場合、
窒化物半導体のエピタキシャル結晶成長が困難となる問
題点があることが分かった。本発明は、以上のようなＺ
ｒＢ_２単結晶基板上に窒化物半導体をエピタキシャル成
長する過程において生ずる問題に鑑みてなされたもの
で、ＺｒＢ_２単結晶基板の性質を最大限引き出し、素子
形成面全体の転位密度が小さい高品質の窒化物単結晶半
導体層を、最小限の少ない工程によって実現することを
課題とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、ＺｒＢ_２
単結晶基板を用いる場合の上記の問題点の原因を鋭意究
明したところ、元々、ＺｒＢ_２単結晶基板の表面が清浄
であっても、ＡｌＧａＮ系窒化物半導体を成膜する際
に、成膜ガスの分解等によって生じた窒素原子のＺｒＢ
_２単結晶基板表面への拡散、化学結合の結果、ＡｌＧａ
Ｎ系低温バッファ層の成膜開始前にＺｒ−Ｂ−Ｎ非晶質
窒化層が形成され、このような非晶質窒化層が形成され
ると、ＡｌＧａＮ系窒化物半導体がほとんど成長しない
か、あるいは島状成長してしまい、成長層の表面平坦性
が悪化するとともに、島と島の融合部で多数の欠陥が生
じてしまい、その結果、ＡｌＧａＮ系単結晶が成長困難
となることを見いだした。

【００１７】図４に、このようなＺｒ−Ｂ−Ｎ非晶質窒
化層が形成されたＡｌＧａＮ系半導体層の断面の透過型
電子顕微鏡像を示す。平坦な膜は得られず、写真のよう
に６角柱状の微結晶ドメインが形成され、素子形成面全
体の転位密度は測定不能なほどに増加し、デバイス作成
には到底利用できないものとなる。

【００１８】さらに、本発明者らは、どのような温度条
件でもＺｒ−Ｂ−Ｎ非晶質窒化層が形成されるのではな
く、低温バッファ層を成長または堆積させることのでき
る基板温度条件を満たす温度であって、ある温度以下と
することによりＺｒＢ_２単結晶基板表面が、ＡｌＧａＮ
系低温バッファ層の成膜前および成膜中に原料の供給に
よっても窒化されず、引き続きＡｌＧａＮ系単結晶膜の
エピタキシャル成長を行うことにより、低転位密度で高
品質のＡｌＧａＮ系半導体基板を製造することが可能と
なることを見いだした。

【００１９】すなわち、本発明は、欠陥密度が１０^７ｃ
ｍ^−２以下のＺｒＢ_２単結晶基板上に窒素原子との反応
によるＺｒ−Ｂ−Ｎ非晶質窒化層を実質的に生成せずに
成長または堆積されたＢ_ｘＡｌ_ｙＧａ_ｚＩｎ
_{１−ｘ−ｙ−ｚ}Ｎ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦
１，０≦１−ｘ−ｙ−ｚ≦１）単結晶からなる低温バッ
ファ層と、該低温バッファ層上に成長された素子形成面
全体の転位密度が１０^７ｃｍ^−２以下のＢ_ａＡｌ_ｂＧａ
_ｃＩｎ_{１−ａ−ｂ−ｃ}Ｎ（０≦ａ≦１，０≦ｂ≦１，０
≦１−ａ−ｂ−ｃ≦１）単結晶からなる半導体層を有す
ることを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体基板である。

【００２０】ここで、上記の「実質的に生成せず」とい
うのは、全てのエピタキシャル成長において、完全に界
面の非晶質層を防ぐことは困難であり、Ｚｒ−Ｂ−Ｎ非
晶質窒化層が数原子層と非常に薄く、非晶質窒化層下の
原子配列によるポテンシャルエネルギーが表面に伝わり
良質なエピタキシャル成長の妨げとならない程度であれ
ば含まないのと同じことを意味するということである。
なお、一般的には、単結晶となって堆積するものを特に
「成長」と呼び、多結晶や非晶質層の場合は「堆積」と
呼ぶが、本明細書においてもこれらの用語はこのような
意味で使用する。

【００２１】また、本発明は、上記の半導体基板上に形
成されたことを特徴とする半導体光素子である。また、
本発明は、基板側に電極を形成したことを特徴とする上
記の半導体光素子である。ＺｒＢ_２単結晶基板は導電性
に優れるため、基板側に電極を形成でき、光素子などの
作製が容易となる。

【００２２】さらに、本発明は、欠陥密度が１０^７ｃｍ
^−２以下のＺｒＢ_２単結晶基板上に、Ｚｒ−Ｂ−Ｎ非晶
質窒化層が実質的に生成されずに、Ｂ_ｘＡｌ_ｙＧａ_ｚＩ
ｎ_{１ −ｘ−ｙ−ｚ}Ｎ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ
≦１，０≦１−ｘ−ｙ−ｚ≦１）から成る低温バッファ
層を成長または堆積させることのできる基板温度で該低
温バッファ層を成膜する第１段階工程と、引き続きＢ_ａ
Ａｌ_ｂＧａ_ｃＩｎ_{１− ａ−ｂ−ｃ}Ｎ（０≦ａ≦１，０≦
ｂ≦１，０≦１−ａ−ｂ−ｃ≦１）からなる単結晶膜を
該低温バッファ層上に直接成長させる第２段階工程のみ
によって素子形成面全体の転位密度が１０^７ｃｍ^−２以
下のＡｌ_ａＧａ_{１−ａ−ｂ}Ｉｎ_ｂＮ（０≦ａ≦１，０≦
ｂ≦１，０≦１−ａ−ｂ≦１）からなる半導体層を形成
させることを特徴とする上記のＩＩＩ族窒化物半導体基
板の製造方法である。

【００２３】また、本発明は、第１段階工程終了後に該
低温バッファ層が単結晶となっていることを特徴とする
上記のＩＩＩ族窒化物半導体基板の製造方法である。ま
た、本発明は、第１段階工程終了後に該低温バッファ層
が多結晶または非晶質であり、第２段階工程終了後に該
低温バッファ層が単結晶となっていることを特徴とする
上記のＩＩＩ族窒化物半導体基板の製造方法である。ま
た、本発明は、低温バッファ層の厚みが１０ｎｍ〜１μ
ｍであることを特徴とする上記のＩＩＩ族窒化物半導体
基板の製造方法である。

【００２４】一般に、基板に成長させた単結晶の転位密
度はエピタキシャル成長の原理により基板の欠陥密度以
下にはならない。逆に上限は成長条件により変わる。本
発明の方法によれば、ＺｒＢ_２単結晶基板の欠陥密度と
同等または数十倍以下の転位密度のＡｌＧａＮ系結晶を
得ることができる。現状のＺｒＢ_２単結晶基板には結晶
欠陥が存在し、その上に窒化物を理想的にエピタキシャ
ル成長させても基板の欠陥密度を下回ることはないが、
ＺｒＢ_２単結晶基板の欠陥がさらに減少し高品質化が進
めば、原理的には無転位の窒化物結晶が得られることに
なる。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を用いて詳細に説明する。図１に、本発明の実施
の形態を示す窒化物半導体層の構造の概念図を示す。ま
た、図２にその製造方法に関わる基板温度、ガス供給の
タイムチャートを示す。

【００２６】ＺｒＢ_２単結晶基板としては、フローテォ
ングゾーン法により作成したバルク結晶を切り出して鏡
面研磨して使用することができる。このＺｒＢ_２単結晶
基板は六方晶系のＡｌＢ_２構造の原子配列を有し、格子
定数ａは実測で、約３．１７Åであり、窒化物結晶に格
子整合が可能である。また、熱膨張係数については５．
９×１０^−６／Ｋであり、窒化物結晶にほぼ整合してい
る。

【００２７】ＺｒＢ_２単結晶では転位だけではなく、組
成の異なる微粒子結晶の混入による欠陥が混在し、それ
がウエハ面内に多く分布し、その欠陥密度は１０^６〜１
０^７ｃｍ^−２程度である。このＺｒＢ_２単結晶基板の欠
陥密度が１０^７ｃｍ^−２を超えるようになると、Ｂ_ｘＡ
ｌ_ｙＧａ_ｚＩｎ_{１−ｘ−ｙ−ｚ}Ｎ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ
≦１，０≦ｚ≦１，０≦１−ｘ−ｙ−ｚ≦１）から成る
低温バッファ層（以下、適宜「ＢＡｌＧａＩｎＮ低温バ
ッファ層」という）を成長させることのできる基板温度
で該低温バッファ層を成長させてもＡｌ_ａＧａ
_{１−ａ−ｂ}Ｉｎ_ｂＮ（０≦ａ≦１，０≦ｂ≦１，０≦１
−ａ−ｂ≦１）からなる半導体層（以下、適宜「ＢＡｌ
ＧａＩｎＮ半導体層」という）の素子形成面全体の平均
結晶欠陥密度を１０^７ｃｍ^−２以下とすることは困難で
ある。

【００２８】なお、平均結晶欠陥密度とは、素子形成面
全体について測定した結晶欠陥密度の平均値である。結
晶欠陥とは種々のモードの転位その他の欠陥を含むもの
である。この結晶欠陥密度の測定は、表面を化学溶液に
よってエッチングし、形成された窪み（エッチピット）
の密度を光学顕微鏡あるいは走査型電子顕微鏡を用いて
計数することによって求められる。

【００２９】上記のＺｒＢ_２単結晶基板を用いて、成膜
ガスの分解等によって生じた窒素原子のＺｒＢ_２単結晶
基板表面への拡散、化学結合の結果、Ｚｒ−Ｂ−Ｎ非晶
質窒化層が実質的に生成せずに、ＢＡｌＧａＩｎＮ低温
バッファ層を成長または堆積させることのできる基板温
度で該低温バッファ層を成膜させ、引き続きＢＡｌＧａ
ＩｎＮ単結晶膜を成長させる。

【００３０】ＢＡｌＧａＩｎＮ低温バッファ層およびＢ
ＡｌＧａＩｎＮ単結晶膜の組成は、Ｂのモル分率０％、
かつＡｌＮモル分率２６％付近が最も格子整合に近い
が、全ての組成に亘って素子形成面全体の低転位密度化
に有効である。また、ＢＡｌＧａＩｎＮ低温バッファ層
およびＢＡｌＧａＩｎＮ単結晶膜はＩｎを多く含む混晶
系の場合、電気的に低抵抗である等の利点を有してい
る。

【００３１】ＺｒＢ_２単結晶基板上に最初にＢＡｌＧａ
ＩｎＮ低温バッファ層が成長または堆積されるときの基
板温度が上記の要件を満たしていれば、成膜方法は、有
機金属化合物気相成長法、分子線エピタキシー法、ハラ
イド気相成長法等いずれの結晶成長法を用いても同様の
効果が得られる。例えば、有機金属化合物気相成長法の
場合は、基板温度は７５０℃以下が好ましい。基板温度
を８００℃とすると、ＢＡｌＧａＩｎＮ単結晶膜の結晶
の劣化が始まり、９００℃以上では結晶が堆積しなくな
る。分子線エピタキシー法の場合は、基板温度が８００
℃を超えると同様に膜の平坦性が悪化するが、有機金属
化合物気相成長法よりはややよい状態である。

【００３２】基板温度の下限はそれぞれの成長法でＢＡ
ｌＧａＩｎＮ低温バッファ層が形成される温度であれ
ば、特に限定されない。例えば、原料の熱分解を伴う有
機金属気相成長法では４００℃前後、また、単体元素を
直接供給する分子線エピタキシーのような方法では２０
０℃前後となる。

【００３３】ＢＡｌＧａＩｎＮ低温バッファ層の成膜時
の基板温度が上記の基板温度条件を超えると、アンモニ
アが分解した窒素原子とＺｒＢ_２単結晶基板の表面との
反応により、ＺｒＢ_２単結晶基板の表面が窒化され、Ｚ
ｒ−Ｂ−Ｎ非晶質窒化層が形成される。該非晶質窒化層
はＺｒＢ_２単結晶基板の原子配列を持たず、しかも、引
き続きＢＡｌＧａＩｎＮ単結晶膜の成長時に供給される
ＧａやＡｌ等の構成元素との結合を作るための結合手が
極めて少ない。したがって、ほぼ結晶成長不能となる。

【００３４】前述のような特定の基板温度以上でＺｒ−
Ｂ−Ｎ非晶質窒化層が形成される理由は以下のように考
えられる。窒素原子がＺｒＢ_２単結晶基板の表面のＺｒ
またはＢとの化学結合を作るためには、表面ポテンシャ
ル（窒素原子が表面に近づくのを妨げるポテンシャルエ
ネルギー）を超えて、ＺｒまたはＢ原子に接近する必要
がある。したがって、表面ポテンシャル以上のエネルギ
ーを窒素原子に持たせないとＺｒＢ_２単結晶基板表面は
窒化されない。そのエネルギーはＺｒＢ_２単結晶基板表
面からの熱輻射により窒素原子に与えられるため、基板
温度がある温度以上ではＺｒＢ_２単結晶基板の窒化が始
まることになる。

【００３５】従来のサファイア基板上では、低温バッフ
ァ層が核形成層として作用し格子不整合を緩和するのに
対して、本発明のＢＡｌＧａＩｎＮ低温バッファ層はＺ
ｒＢ _２単結晶基板表面の窒化を抑制する機能を利用して
いる。したがって、機構としては、従来の成長方法とは
全く異なるものである。このため、低温バッファ層の成
長温度範囲も異なる。

【００３６】さらに、構成上の違いとしては、従来のサ
ファイア基板上の低温バッファ層は、膜厚が１０ｎｍか
ら５０ｎｍに精密に設定しなければならなかったが、本
発明においては、ＺｒＢ_２単結晶基板表面のＺｒ−Ｂ−
Ｎ非晶質窒化層の形成を抑制するためにはＢＡｌＧａＩ
ｎＮ低温バッファ層は少なくとも１０ｎｍあればよい。
ＢＡｌＧａＩｎＮ低温バッファ層の厚みが１μｍより大
きくなると、昇温中にＢＡｌＧａＩｎＮ低温バッファ層
を単結晶化させるための時間が長く必要となり実用的な
結晶成長方法とは言えなくなる。よって、ＢＡｌＧａＩ
ｎＮ低温バッファ層の膜厚の自由度は大きく、１０ｎｍ
から１μｍまで使用可能である。実用的には ２０ｎｍ
〜２００ｎｍ程度がより好ましい。

【００３７】ＢＡｌＧａＩｎＮ低温バッファ層を形成し
た後、引き続きその上に直接ＢＡｌＧａＩｎ単結晶膜を
成長させる。ＢＡｌＧａＩｎ単結晶膜の成長温度は、Ｂ
ＡｌＧａＩｎＮ低温バッファ層を６００℃より低い温度
で成長させた場合は、構成元素のＺｒＢ_２単結晶基板表
面でのマイグレーション（移動）を促し、良好な単結晶
を作成するために昇温し、６００℃以上、好ましくは８
００℃以上の温度とすることが望ましい。ＢＡｌＧａＩ
ｎＮ低温バッファ層を６００℃より低い温度で成長させ
ても、ＢＡｌＧａＩｎ単結晶膜の成長温度への昇温中に
ＢＡｌＧａＩｎＮ低温バッファ層は単結晶化し品質が向
上することから品質の問題は回避することができる。

【００３８】

【実施例】実施例１ まず、窒化物半導体用基板である（０００１）ＺｒＢ_２
単結晶基板１を有機金属化合物気相成長装置に導入し
た。ＺｒＢ_２単結晶基板は、物質・材料研究機構でフロ
ーティング法で作成したバルク結晶を厚さ約０．３ｍｍ
に切り出し、表面を鏡面研磨した単結晶ＺｒＢ_２単結晶
基板を用いた。

【００３９】次に、基板温度を１１００℃まで上昇さ
せ、１０分間保持した。このとき、水素を含むガスを導
入することにより、ＺｒＢ_２単結晶基板表面の酸化層を
除去した。引き続き、基板温度を６００℃に降下させ、
反応管内にトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメ
チルガリウム（ＴＭＧ）、およびアンモニアを導入する
ことにより、ＴＭＡ、ＴＭＧ、アンモニアの流量を各々
５ｓｃｃｍ，５ｓｃｃｍ，１ｓｌｍとし、約２分間の成
長で膜厚５０ｎｍのＡｌＧａＮ低温バッファ層２をＺｒ
Ｂ_２単結晶基板１上に成長させた。

【００４０】さらに、再び昇温し、基板温度を約１００
０℃とし、ＴＭＡ、ＴＭＧ、アンモニアの流量を各々１
０ｓｃｃｍ，１０ｓｃｃｍ，１ｓｌｍとし、約３０分間
の成長で膜厚２μｍのＡｌＧａＮ単結晶膜３を低温バッ
ファ層２上に成長させた。

【００４１】このようにして作製したＺｒＢ_２単結晶基
板１上のＡｌＧａＮ単結晶膜３の断面の透過型電子顕微
鏡像を図３に示す。図３中で、表面まで貫通する転位は
１本程度であり、素子形成面全体の転位密度は、ほぼ、
ＺｒＢ_２単結晶基板１の欠陥密度に相当する１０^７ｃｍ
^−２程度であった。ＺｒＢ_２単結晶基板１とＡｌＧａＮ
低温バッファ層２およびＡｌＧａＮ単結晶膜３との界面
からの転位の発生はほとんど見られなかった。

【００４２】

【発明の効果】本発明の半導体基板は、従来の単結晶Ｇ
ａＮ基板等では実現できなかった、ＩＩＩ族窒化物半導
体基板の素子形成面全体にわたっての低転位密度化が、
最小限の少ない工程によって可能である。したがって、
本発明の半導体基板は、広い面積での低転位密度化が不
可欠な、発光ダイオードや、フォトダイオードなどの受
光素子に対して、極めて有用となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の低転位密度のＩＩＩ族窒化物半導体基
板の構造を示す概念図である。

【図２】本発明の低転位密度のＩＩＩ族窒化物半導体基
板の作製方法における基板温度、ガス供給のタイムチャ
ート図である。

【図３】実施例１によって製造した低転位密度のＩＩＩ
族窒化物半導体基板の断面を示す図面代用の透過電子顕
微鏡写真である。

【図４】ＺｒＢ_２単結晶基板にＺｒ−Ｂ−Ｎ非晶質窒化
層が形成されたＩＩＩ族窒化物半導体基板の断面を示す
図面代用の透過電子顕微鏡写真である。

【図５】従来のＩＩＩ族窒化物半導体基板の構造を示す
概念図である。

【図６】従来のエピタキシャル横方向オーバーグロース
（ＥＬＯ）技術による低転位密度ＧａＮ基板の構成を示
す概念図である。

【符号の説明】

１．ＺｒＢ_２単結晶基板 ２．ＡｌＧａＮ低温バッファ層 ３．ＡｌＧａＮ単結晶膜 １０１．サファイア基板 １０２．低温バッファ層 １０３．ＡｌＧａＮ単結晶膜 ２０１．サファイア基板 ２０２．低温バッファ層 ２０３．ＧａＮ層 ２０４．マスク ２０５．ＧａＮオーバーグロース層 ２０６．転位 ２０７．結晶合体部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 天野 浩 愛知県名古屋市名東区山の手２−104 宝 マンション山の手508 (72)発明者 赤崎 勇 愛知県名古屋市西区浄心１−１ 38−805 (72)発明者 大谷 茂樹 茨城県つくば市吾妻４−８−７ (72)発明者 須田 淳 京都府京都市左京区浄土寺真如町177−31 Ｆターム(参考） 4G077 AA03 BE11 BE13 BE15 DB06 EA02 ED06 EF02 HA02 TB05 TK01 5F041 AA40 CA40 CA46 5F045 AA03 AB17 AC02 AC09 AC12 AD09 AD10 AF13 BB12 CA10 CA13 CB01 CB02 EE17 5F073 CA07 CA20 CB05 DA35 EA28

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 欠陥密度が１０^７ｃｍ^−２以下のＺｒＢ
   _２単結晶基板上に窒素原子との反応によるＺｒ−Ｂ−Ｎ
   非晶質窒化層を実質的に生成せずに成長または堆積され
   たＢ_ｘＡｌ_ｙＧａ_ｚＩｎ_{１−ｘ−ｙ−ｚ}Ｎ（０≦ｘ≦
   １，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，０≦１−ｘ−ｙ−ｚ≦
   １）単結晶からなる低温バッファ層と、該低温バッファ
   層上に成長された素子形成面全体の転位密度が１０^７ｃ
   ｍ^−２以下のＢ_ａＡｌ_ｂＧａ_ｃＩｎ_{１−ａ−ｂ−ｃ}Ｎ
   （０≦ａ≦１，０≦ｂ≦１，０≦１−ａ−ｂ−ｃ≦１）
   単結晶からなる半導体層を有することを特徴とするＩＩ
   Ｉ族窒化物半導体基板。
2. 【請求項２】 請求項１記載の半導体基板上に形成され
   たことを特徴とする半導体光素子。
3. 【請求項３】 基板側に電極を形成したことを特徴とす
   る請求項２記載の半導体光素子。
4. 【請求項４】 欠陥密度が１０^７ｃｍ^−２以下のＺｒＢ
   _２単結晶基板上に、Ｚｒ−Ｂ−Ｎ非晶質窒化層が実質的
   に生成されずに、Ｂ_ｘＡｌ_ｙＧａ_ｚＩｎ_{１− ｘ−ｙ−ｚ}
   Ｎ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，０≦１−ｘ
   −ｙ−ｚ≦１）から成る低温バッファ層を成長または堆
   積させることのできる基板温度で該低温バッファ層を成
   膜する第１段階工程と、引き続きＢ_ａＡｌ_ｂＧａ_ｃＩｎ
   _{１−ａ −ｂ−ｃ}Ｎ（０≦ａ≦１，０≦ｂ≦１，０≦１−
   ａ−ｂ−ｃ≦１）からなる単結晶膜を該低温バッファ層
   上に直接成長させる第２段階工程のみによって素子形成
   面全体の転位密度が１０^７ｃｍ^−２以下のＡｌ_ａＧａ
   _{１−ａ−ｂ}Ｉｎ_ｂＮ（０≦ａ≦１，０≦ｂ≦１，０≦１
   −ａ−ｂ≦１）からなる半導体層を形成させることを特
   徴とする請求項１記載のＩＩＩ族窒化物半導体基板の製
   造方法。
5. 【請求項５】 第１段階工程終了後に該低温バッファ層
   が単結晶となっていることを特徴とする請求項４記載の
   ＩＩＩ族窒化物半導体基板の製造方法。
6. 【請求項６】 第１段階工程終了後に該低温バッファ層
   が多結晶または非晶質であり、第２段階工程終了後に該
   低温バッファ層が単結晶となっていることを特徴とする
   請求項４記載のＩＩＩ族窒化物半導体基板の製造方法。
7. 【請求項７】 低温バッファ層の厚みが１０ｎｍ〜１μ
   ｍであることを特徴とする請求項４ないし６のいずれか
   に記載のＩＩＩ族窒化物半導体基板の製造方法。