JP2004335635A

JP2004335635A - 微傾斜基板を用いた窒化物半導体薄膜素子及びその素子の製造方法

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Publication number: JP2004335635A
Application number: JP2003127842A
Authority: JP
Inventors: Kyokukyo Chin; 旭強沈; Hajime Okumura; 元奥村
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2003-05-06
Filing date: 2003-05-06
Publication date: 2004-11-25

Abstract

【課題】非常に単純な基板微傾斜角度の制御で、目的に合った表面ホモロジーを得ること。
【解決手段】オフ角が０．５度以下であるサファイヤ微傾斜基板を用い、分子線エピタキシー法により複数の窒化半導体膜を原子スケールで平坦な膜を作製して窒化物半導体素子を製造する。さらに、原子スケールの線状ステップを利用して窒化半導体素子の光デバイス又は電子デバイス素子を作製する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微傾斜基板を使用した窒化物半導体素子及びその製造方法、これらの応用に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、サファイヤ基板を用い、その上に窒化物半導体薄膜及びそれをベースにしたデバイスの作製するのが主流である。しかし、窒化物半導体とサファイヤ基板の格子常数の差は大きく、約１６％である。そのため、窒化物半導体の結晶成長が難しく、デバイス応用の要求に満足する高品質な結晶が得られない。特に、他のＩＩＩ−Ｖ族半導体（例えば、ＧａＡｓやＩｎＰ材料系）の結晶成長によく使われている分子線ビームエピタキシー（ＭＢＥ）法により成長された窒化物半導体薄膜がデバイス応用に満たす品質になっていない。
【０００３】
図９は通常のジャストサファイヤ（０００１）基板にＭＢＥ法により薄膜を成長させた薄膜表面のＡＦＭ写真（５×５μｍ）を示す。図９（ａ）はジャストサファイヤ（０００１）基板の上にＡｌＮ（窒化アルミニウム）薄膜を成長させた場合の表面、図９（ｂ）は更にその上にＧａＮ（窒化ガリウム）薄膜を成長させた場合の表面である。ＡｌＮ薄膜の表面が不規則的なステップが存在し、スパイラル的な成長を示している（図９（ａ））のが分かる。更にその上に成長させたＧａＮ薄膜表面は多数のグレン（ｇｒａｉｎ，小丘）が存在するが、ステップは観察されない（図９（ｂ））。
【０００４】
このように、薄膜中に転位密度が高く（約１０^１０／ｃｍ^２）、凹凸な表面に多数のグレンが存在する。それらの欠点がデバイスヘテロ構造の作製に大きな支障を生ずることは明らかである。例えば、ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ構造やＩｎＧａＮ／（Ａｌ，Ｇａ）Ｎ量子井戸構造を作製の時に界面の凹凸が作製された構造の特性に大きな悪影響を与える。また、多数のグレン構造等における高密度の転位が電子のトラップ中心になり、デバイスキャリアの高移動度の実現を阻害する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような、従来の結晶成長技術が窒化物半導体及びそのヘテロ構造の作製に際し非常に不利な面があるが、これは従来の基板扱いに大きな問題があり、ＭＢＥ成長方法だけでは克服できない課題である。この課題を解決するために、基板の選択により成長された窒化物半導体の超平坦な表面実現及び転位密度の低減方法が求められる。ＭＢＥ法による超平坦な窒化物半導体膜表面を実現するため、新たな技術及びアイデアを導入しなければならない。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、単原子層線状ステップを形成するオフ角傾斜基板を用い、分子線エピタキシー法により複数の窒化半導体膜を原子スケールで平坦な膜を作製した窒化物半導体素子及びその製法を提供する。
さらに、窒化物半導体素子は光デバイス又は電子デバイス素子及びその製造方法に適用できる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
図１は本発明の製造方法により作製された超平坦表面を有する窒化物半導体（断面）の概略図を示す。図中、１は微傾斜基板、２はＡｌＮ薄膜（バッファ層或はエピ層）、３はＧａＮ薄膜を、αは微傾斜基板のオフ角を表す。微傾斜基板１の表面は（０００１）を使用する。微傾斜基板材はサファイヤ（Ａｌ_２Ｏ_３）である。
【０００８】
実験例ではサファイヤ（０００１）基板で、基板傾斜のオフ角度が０．２５°〜２°の微傾斜基板の上に、ＲＦ−ＭＢＥ法（プラズマ源と蒸発源を用いたＭＢＥ法）より薄膜成長させその表面平坦性を観察した。
【０００９】
膜成長方法として、先ず、ＭＢＥチャンバー中で窒素プラズマによるサファイヤ基板の窒化を行う。その時に基板温度が２５０℃で、窒化時間が２時間以内とする。プラズマのパワーが３５０ワットで、窒素流量が３ｃｃｍとする。窒化終了後、基板温度を７００℃まで上げ、Ｎプラズマと共にＡｌフラックスを基板に供給して、基板上にバッファ層としてＡｌＮ（窒化アルミニウム）薄膜を作製、次いで、Ｎプラズマと共にＧａフラックスを基板に供給して、そのＡｌＮ薄膜上にＧａＮ（窒化ガリウム）薄膜を成長させる。ＡｌＮ薄膜とＧａＮ薄膜の成長速度がそれぞれ約０．４μｍ／ｈｒと０．６μｍ／ｈｒである。
【００１０】
成長温度を７００℃に設定し、窒化されている微傾斜サファイヤ基板上に１時間ＡｌＮエピタキシャル層を成長させると、その厚みは約４００ｎｍになる。ＡｌＮ薄膜は成長の初期から終了まで二次元的な成長を示し、実時間観察によると、ＲＨＥＥＤパターンがずっとストリークパターン（ｓｔｒｅａｋｐａｔｔｅｒｎ）を示すことから分かる。成長されたＡｌＮ薄膜の表面はＡＦＭ（原子間力顕微鏡）により評価される。
【００１１】
図２〜図４は、上記成長方法により得られたＡｌＮ薄膜表面のＡＦＭ写真を示す。図２（ａ）はオフ角度０．２５°基板、（ｂ）オフ角度０．３°基板、図３はオフ角度０．５°基板、図４（ａ）はオフ角度１．０°基板、図４（ｂ）はオフ角度２．０°基板の上に成長したＡｌＮ薄膜表面である。
【００１２】
オフ角０．２５°，０．３°微傾斜サファイヤ基板の場合には（図２（ａ），（ｂ））、均一な線状なステップが観察されるが、一部にスパイラル状ステップが観測される。これらのステップの高さが単原子層である。オフ角度０．５°の微傾斜基板では線状ステップの木目が細かく線状のものが観測されるが、スパイラル状のステップが殆ど観測されない（図３）。オフ角度が１°，２°の微傾斜基板の場合には（図３（ａ），（ｂ））単原子層と多原子層のステップが混在し、マクロステップ（巨大ステップ）表面になっている。
【００１３】
次に、成長温度を７００℃にセットし、上記成長したＡｌＮ薄膜の上に１時間ＧａＮエピタキシャル層を成長させると、その厚みは約６００ｎｍになる。ＧａＮ薄膜が成長の初期から終了まで二次元的な成長を示し、実時間観察によると、ＲＨＥＥＤパターンはずっとストリークパターンを示すことから分かる。成長されたＧａＮ薄膜の表面はＡＦＭにより評価される。
【００１４】
図５〜図６は、上記成長方法により得られたＡｌＮ薄膜表面のＡＦＭ写真を示す。図５（ａ）はオフ角度０．２５°基板、図５（ｂ）はオフ角度０．３°基板、図５（ｃ）はオフ角度０．５度基板、図６（ａ）はオフ角度１．０°基板、図６（ｂ）はオフ角度２．０°基板の上に成長したＡｌＮ薄膜表面である。
【００１５】
オフ角度０．２５°，０．３°の微傾斜基板の場合には、ステップの高さが単原子層の均一な線状ステップが、所々スパイラル状ステップが観察される（図５（ａ），（ｂ））。オフ角度０．５°の微傾斜基板の場合には、線状ステップの木目が細かく線状のものが観測されるが、スパイラル状のステップが観測されない（図５（ｃ））。オフ角度が１°，２°の微傾斜基板の場合には単原子層と多原子層のステップが混在し、マクロステップ表面になる（図６（ａ），（ｂ））。
【００１６】
以上の結果により、ＡｌＮ薄膜及びＧａＮ薄膜の表面に単原子層高さの均一な線状ステップを得るには微傾斜角度が０．５°以下であることが必要条件であり、マクロステップ表面になるには微傾斜角度が０．５°より大きいことであることが必要条件になる。
【００１７】
実施例１ではＡｌＮ薄膜の上にＧａＮ薄膜を成長させたが、ＧａＮ薄膜を直接傾斜基板の上に成長させても良いのは勿論である。また、実施例１では微傾斜基板にシリコンカーバイド、ＺｎＯ、シリコンを使用し、窒化半導体薄膜材料としＩｎが含まれる窒化半導体（例えばＩｎＧａＮ，ＩｎＡｌＮ）を使用しても良い。
また、この場合に上記の半導体薄膜素子はＭＢＥ成長法以外に他のエピタキシー、例えばＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃｃｈｅｍｉｃａｌｖａｐｏｒｄｅｐｏｓｉｔ）法を使用しても良い。
【００１８】
半導体薄膜の表面を利用して、以下のような半導体構造が作製できる。
（実施例２）
よく配列したＡｌＮ薄膜のステップエッジにＳ−Ｋ（Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖ）成長モードを利用してＧａＮの量子ドットが作製できるので、それによりステップエッジに沿った１次元的に配列した量子ドットが作製できる（図７参照）。
【００１９】
（実施例３）
表面に単原子層ステップがあるＧａＮエピタキシャル層を利用し、その表面の上に（Ｉｎ，Ｇａ，Ａｌ）Ｎ／（Ａｌ，Ｇａ）Ｎ量子井戸を作製し、高性能な光デバイス（発光ダイオード、レーザダイオード等）が作製できる。
【００２０】
（実施例４）
表面に単原子層ステップがあるＧａＮエピタキシャル層を利用し、その表面の上にＧａＮ／（Ａｌ，Ｇａ）Ｎ量子井戸を作製し、サブインターバンド間遷移を利用した通信用デバイスが作製できる。
【００２１】
（実施例５）
表面に単原子層ステップがあるＧａＮエピタキシャル層を利用し、その表面の上に（Ａｌ，Ｇａ）Ｎ／ＧａＮヘテロ構造を作製し、高い二次元電子ガス移動度が期待できる。それにより、高周波、高出力電子デバイスが作製できる。
【００２２】
（実施例６）
図８は傾斜基板で線状なマクロステップを有するＡｌＮ膜上にＧａＮ／（Ａｌ，Ｇａ）Ｎ超格子を作製し、マクロステップのエッジに沿ったＧａＮ量子細線の形成ができる。それによって量子閉じ込め効果を有する量子細線を利用する窒化物半導体デバイス素子の応用が期待できる。
【００２３】
【発明の効果】
非常に単純な基板微傾斜角度の制御で、応用目的に合った表面ホモロジーを得ることが簡単にできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法によって作製された半導体構造の概略図である。
【図２】傾斜基板上に成長したＡｌＮ薄膜表面のＡＦＭ写真（その１）である。
【図３】傾斜基板上に成長したＡｌＮ薄膜表面のＡＦＭ写真（その２）である。
【図４】傾斜基板上に成長したＡｌＮ薄膜表面のＡＦＭ写真（その３）である。
【図５】図２のＡｌＮ薄膜上に成長したＧａＮ薄膜表面のＡＦＭ写真（その１）である。
【図６】図３，図４のＡｌＮ薄膜上に成長したＧａＮ薄膜表面のＡＦＭ写真（その２）である。
【図７】ステップエッジに沿って作製された一次元的配列量子ドットを示す。
【図８】マクロステップに沿って作製されたＧａＮ量子細線を示す。
【図９】Ｊｕｓｔ基板上に成長したＡｌＮ薄膜表面、及びＡＩＮ膜上に成長したＧａＮ薄膜表面のＡＦＭ写真である。
【符号の説明】
１微傾斜基板
２窒化半導体膜（バッファ層）
３窒化半導体膜

Claims

単原子層線状ステップを形成するオフ角傾斜基板を用いたことを特徴とする窒化物半導体薄膜素子。
単原子層線状ステップを形成するオフ角傾斜基板を用いたことを特徴とする光デバイス又は電子デバイス素子。
単原子層線状ステップを形成するオフ角傾斜基板上に窒化物半導体薄膜を、分子線エピタキシャル法又は他のエピタキシャル成長方法を用いて作製したことを特徴とする窒化物半導体素子の製造方法。
単原子層線状ステップを形成するオフ角傾斜基板上に窒化物半導体薄膜を、分子線エピタキシャル法又は他のエピタキシャル成長方法を用いて作製することを特徴とする光デバイス又は電子デバイス素子の製造方法。