JP2007161525A

JP2007161525A - 半導体装置用基材およびその製造方法

Info

Publication number: JP2007161525A
Application number: JP2005359877A
Authority: JP
Inventors: Shiro Sakai; 士郎酒井; Kazuhide Sumiyoshi; 和英住吉; Masashi Tsukihara; 政志月原; Ken Kataoka; 研片岡
Original assignee: University of Tokushima NUC; Ushio Denki KK; Ushio Inc
Current assignee: University of Tokushima NUC; Ushio Denki KK; Ushio Inc
Priority date: 2005-12-14
Filing date: 2005-12-14
Publication date: 2007-06-28

Abstract

【課題】積層される活性層について十分に広い有効発光波長範囲が得られながら、当該活性層について転位密度が低減されて十分に大きい発光効率を得ることができる半導体装置用基材およびその製造方法の提供。
【解決手段】半導体装置用基材は、基板と、この基板上に形成されたＧａＩｎＮＰバッファ層またはＧａＮＰバッファ層と、このＧａＩｎＮＰバッファ層またはＧａＮＰバッファ層上に形成された積層体である機能素子形成用下地層とよりなり、機能素子形成用下地層は、その最上層が高結晶性Ａｌ_xＧａ_1-xＮ半導体層よりなり、当該機能素子形成用下地層中には低結晶性ＡｌＧａＮ半導体層を有することを特徴とする。半導体装置用基材においては、基板の表面に溝部が形成されていることが好ましい。また、高結晶性Ａｌ_xＧａ_1-xＮ半導体層を構成するＡｌの組成比率ｘは、０．０１〜０．２５であることが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＡｌＧａＮ半導体化合物よりなる半導体装置を得るための半導体装置用基材およびその製造方法に関する。

従来より、ＧａＮ系化合物半導体装置は、発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザ（ＬＤ）などの発光装置の発光源として用いられており、このような発光源として用いられるＧａＮ系化合物半導体装置は、例えばサファイアなどからなる基板に、ＧａＮ系半導体化合物よりなる活性層が発光層として積層されたものであって、活性層は、例えばＭＯＣＶＤ法などによりＧａＮ系半導体化合物の結晶を堆積させて成長させることにより積層することができる。

このＧａＮ系化合物半導体装置について十分に大きな発光効率を得るためには、積層される活性層が転位密度の低減された、すなわち結晶欠陥密度の小さいものであることが必要とされる。
そして、転位密度が低減されて十分に大きな発光効率を有するＧａＮ系化合物半導体装置を得るために、例えば、特許文献１においては、サファイア基板と活性層との格子定数の差に起因して当該活性層において不可避的に発生する転位を抑制するために、活性層と格子定数の差の小さい基板として、窒化物半導体化合物からなる半導体装置用基板をサファイア基板の代わりに用いることが開示されている。すなわち、母材基板の主面に凹凸状領域を選択的に形成し、当該凹凸状領域の凹部を埋めると共にその上面が平坦となるようＧａＮ基材層を成長させ、当該ＧａＮ基材層と母材基板との界面にレーザ光を照射して母材基板をＧａＮ基材層から剥離して除去することにより、半導体装置用基板を得ることが行われている。

しかしながら、このように母材基板上に積層させたＧａＮ基材層からなる半導体装置用基板を得るプロセスは、非常に煩雑なものであり、また製造コストも増大するので、サファイア基板上に直接、活性層が積層されてＧａＮ系化合物半導体装置が構成されることが好まい。

一般に、ＬＥＤやＬＤなどの発光装置を構成するＧａＮ系化合物半導体装置が、窒化ガリウム（ＧａＮ）を用いたものであると、ＧａＮが特定波長の光を吸収してしまうことから、発光波長３７０ｎｍよりも短波長側において急激に出力が低下する現象が発生してしまう。一方、紫外波長領域の光の吸収を抑制して広い有効発光波長範囲を得るためには、アルミニウム（Ａｌ）が含有されたＡｌＧａＮ系半導体化合物よりなるＡｌＧａＮ系化合物半導体装置を用いればよいことが知られている。

しかしながら、Ａｌの反応性が大きいという特徴から、ＧａＮ系半導体化合物と比してＡｌＧａＮ系半導体化合物においてはその結晶成長に際して多数の結晶核が生成されるため、ＧａＮ系半導体化合物で行われていた結晶成長方法によっては十分な転位低減効果が得られなかった。そのため、得られるＡｌＧａＮ系化合物半導体装置について発光効率が著しく低下したものとなってしまう、という問題がある。
特開２００２−２９３６９９号公報

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、その目的は、積層される活性層について十分に広い有効発光波長範囲が得られながら、当該活性層について転位密度が低減されて十分に大きい発光効率を得ることができる半導体装置用基材およびその製造方法を提供することにある。

本発明の半導体装置用基材は、基板と、この基板上に形成されたＧａＩｎＮＰバッファ層またはＧａＮＰバッファ層と、このＧａＩｎＮＰバッファ層またはＧａＮＰバッファ層上に形成された積層体である機能素子形成用下地層とよりなり、
機能素子形成用下地層は、その最上層が高結晶性Ａｌ_xＧａ_1-xＮ半導体層よりなり、当該機能素子形成用下地層中には低結晶性ＡｌＧａＮ半導体層を有することを特徴とする。

本発明の半導体装置用基材においては、基板の表面に溝部が形成されていることが好ましい。

また、本発明の半導体装置用基材においては、前記高結晶性Ａｌ_xＧａ_1-xＮ半導体層を構成するＡｌの組成比率ｘが、０．０１〜０．２５であることが好ましい。

本発明の半導体装置用基材の製造方法は、上記の半導体装置用基材の製造方法であって、
基板上にＧａＩｎＮＰバッファ層またはＧａＮＰバッファ層を形成させる工程と、当該ＧａＩｎＮＰバッファ層またはＧａＮＰバッファ層上に機能素子形成用下地層を形成させる下地形成工程とを有し、
下地形成工程は、低温において低結晶性ＡｌＧａＮ半導体層を形成させる工程と、低結晶性ＡｌＧａＮ半導体層上に、高温において高結晶性Ａｌ_xＧａ_1-xＮ半導体層を形成させる工程とを有することを特徴とする。
本発明の半導体装置用基材の製造方法においては、基板の表面に溝部を形成するエッチング工程を有することが好ましい。

また、本発明の半導体装置用基材の製造方法においては、下地形成工程が、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）およびＮＨ₃を、それぞれ１０〜３０ｓｃｃｍ、３〜２０ｓｃｃｍ、２〜１５ｓｌｍで供給した状態で行われることが好ましい。

本発明の半導体装置用基材によれば、基本的に活性層をＡｌＧａＮ半導体化合物により構成することで十分に広い有効発光波長範囲が得られ、しかも、基板上にＧａＩｎＮＰバッファ層またはＧａＮＰバッファ層（以下、これらをまとめて「Ｇａ（Ｉｎ）ＮＰバッファ層」という。）および低結晶性ＡｌＧａＮ半導体層を介して高結晶性Ａｌ_xＧａ_1-xＮ半導体層が形成されており、Ｇａ（Ｉｎ）ＮＰバッファ層の特性および低結晶性ＡｌＧａＮ半導体層の特性によって、それぞれ含有される転位の少なくとも一部を消失させることができるために、この高結晶性Ａｌ_xＧａ_1-xＮ半導体層が転位密度が低減されたものとなってこの高結晶性Ａｌ_xＧａ_1-xＮ半導体層上に形成されるべき活性層を、転位密度が低減された十分に大きな発光効率が得られるものとすることができる。

また、基板の表面に溝部が形成されてなる半導体装置用基材によれば、高結晶性Ａｌ_xＧａ_1-xＮ半導体層を成長させる場合に、当該高結晶性Ａｌ_xＧａ_1-xＮ半導体層が、前記溝部を反映して形成された低結晶性ＡｌＧａＮ半導体層の凹部を埋めるよう層厚方向のみならず面方向への成長も促進され、これにより、低結晶性ＡｌＧａＮ半導体層に発生した転位が互いに会合して高結晶性Ａｌ_xＧａ_1-xＮ半導体層が転位密度が低減されたものとなり、結局、当該高結晶性Ａｌ_xＧａ_1-xＮ半導体層上に形成される活性層を、転位密度が著しく低減されたものとすることができて十分に大きな発光効率が得られるものとすることができる。

以下、本発明の半導体装置用基材について説明する。

〔第１の実施の形態〕
図１は、本発明の半導体装置用基材の一例における構成を模式的に示す説明用断面図である。
この半導体装置用基材１０は、例えばサファイアなどよりなる平坦な基板（以下、「サファイア基板」ともいう。）１１の主面上に、Ｇａ（Ｉｎ）ＮＰバッファ層１２が形成され、このＧａ（Ｉｎ）ＮＰバッファ層１２上に、その層上に活性層を成長させるための機能素子形成用下地層１３が形成された構成とされている。

サファイア基板１１の主面は、例えば（０００１）面とされ、また、基板を構成する材料としては、サファイアに限定されず、Ｓｉ単結晶、ＳｉＣ単結晶、ＧａＮ単結晶、ＺｎＯ単結晶、ＬｉＡｌＯ₂単結晶、ＬｉＧａＯ₂単結晶、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄単結晶などの公知の単結晶を用いることができる。

Ｇａ（Ｉｎ）ＮＰバッファ層１２は、サファイア基板１１と機能素子形成用下地層１３との間に介在される緩衝領域層であって、当該機能素子形成用下地層１３を構成する高結晶性Ａｌ_xＧａ_1-xＮ半導体層１３Ｈの転位密度を低減させる効果を発揮するものである。
このＧａ（Ｉｎ）ＮＰバッファ層１２は、ＧａＩｎＮＰ化合物によって構成されていても、ＧａＮＰ化合物によって構成されていてもよいが、ＧａＩｎＮＰ化合物は、従来バッファ層の材料として用いられているＧａＮＰ系化合物に比して、高い転位低減の効果を発揮するという特長を有するため、好ましい。
このＧａ（Ｉｎ）ＮＰバッファ層１２は、例えば、サファイア基板１１の基板温度が４００〜８００℃、好ましくは５００〜５５０℃の極低温の範囲とされた状態で結晶成長させることにより、形成することができる。

そして、機能素子形成用下地層１３は、その最上層が高結晶性Ａｌ_xＧａ_1-xＮ半導体層１３Ｈからなる、２層以上の積層体により構成されており、この機能素子形成用下地層１３を構成する積層体中には、低結晶性ＡｌＧａＮ半導体層１３Ｌが含まれている。図１においては、機能素子形成用下地層１３が２層構造のものとされており、その上層に高結晶性Ａｌ_xＧａ_1-xＮ半導体層１３Ｈが設けられていると共に下層に低結晶性ＡｌＧａＮ半導体層１３Ｌが設けられている。

本発明において、「高結晶性」および「低結晶性」とは、結晶化度の高低を相対的に表しており、高結晶性Ａｌ_xＧａ_1-xＮ半導体層１３Ｈなどの高結晶性の結晶層は、低結晶性ＡｌＧａＮ半導体層１３Ｌなどの低結晶性の結晶層に比して高い結晶化度を有している。

これらの結晶層の結晶化度の高低は、低結晶性の結晶層においては高結晶性の結晶層に比して欠陥などが多く、キャリア密度が低く、高抵抗であることから、結晶の空乏層容量の電圧依存性によって、評価することができる。

この例の半導体装置用基材１０においては、高結晶性Ａｌ_xＧａ_1-xＮ半導体層１３Ｈは、サファイア基板１１の基板温度が１０３０〜１１００℃の高温の範囲とされた状態で結晶成長させることにより、得ることができる。また、低結晶性ＡｌＧａＮ半導体層１３Ｌは、サファイア基板１１の基板温度が９００〜９５０℃の低温の範囲とされた状態で結晶成長させることにより、得ることができる。

高結晶性Ａｌ_xＧａ_1-xＮ半導体層１３ＨのＡｌの組成比率ｘは、機能素子形成用下地層１３上に形成されるべき活性層を構成するＡｌＧａＮ半導体化合物におけるＡｌの組成比率よりも大きいものとされることが好ましく、例えば０．０１〜０．２５とすることができ、好ましくは０．１〜０．２である。このＡｌの組成比率ｘが０．０１未満であると、紫外光の吸収が大きくなってしまうため、発光デバイスを作成した場合に発光効率が低いものとなってしまうおそれがある。一方、Ａｌの組成比率ｘが０．２５よりも大きいと、Ａｌの特性が強く顕れて転位１７が多数発生してしまい、従って、得られる高結晶性Ａｌ_xＧａ_1-xＮ半導体層が転位密度の高いものとなり、この高結晶性Ａｌ_xＧａ_1-xＮ半導体層上に形成される活性層が、十分に大きな発光効率を得ることができないおそれがある。
以上のような組成比を有する低結晶性ＡｌＧａＮ半導体層１３Ｌおよび高結晶性Ａｌ_xＧａ_1-xＮ半導体層１３Ｈは、例えば、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）およびＮＨ₃を、それぞれ１０〜３０ｓｃｃｍ、３〜２０ｓｃｃｍ、２〜１５ｓｌｍで供給した状態で結晶成長を行うことにより、形成させることができる。

以上の半導体装置用基材１０は、例えば、サファイア基板１１は例えば１０〜１０００μｍの厚みのものとされ、Ｇａ（Ｉｎ）ＮＰバッファ層１２は例えば０．１〜５０ｎｍの厚みのものとされ、低結晶性ＡｌＧａＮ半導体層１３Ｌは例えば５０〜１０００ｎｍの厚みのものとされ、高結晶性Ａｌ_xＧａ_1-xＮ半導体層１３Ｈは例えば１〜３０μｍの厚みのものとされる。

この例の半導体装置用基材１０の表面における転位密度は、例えば１０⁷〜１０⁹ｃｍ^-2の範囲とされる。
一般に、活性層の転位密度が１０¹⁰ｃｍ^-2以下であることにより、当該活性層を良好な性状の発光デバイスや電子デバイスとして使用することができる。

以下に、半導体装置用基材１０の機能素子形成用下地層１３において、低結晶性ＡｌＧａＮ半導体層１３Ｌによって転位密度が低減される機構を説明する。なお、以下の図２（ａ）、（ｂ）においては、Ｇａ（Ｉｎ）ＮＰバッファ層１２が省略された状態が示されている。

例えばサファイア基板１１の主面上に高結晶性Ａｌ_xＧａ_1-xＮ半導体層１３Ｈが直接に形成される場合には、図２（ａ）に示されるように、当該サファイア基板１１の主面上に多数の結晶核１９が形成され、層厚方向に沿って伸びるよう成長するところ、サファイア基板１１と高結晶性Ａｌ_xＧａ_1-xＮ半導体層１３Ｈとの格子不整合により発生した転位１７も、結晶核１９の成長方向、すなわち層厚方向に沿って成長してしまう。
一方、サファイア基板１１の主面上に低結晶性ＡｌＧａＮ半導体層１３Ｌを介して高結晶性Ａｌ_xＧａ_1-xＮ半導体層１３Ｈが形成される場合には、図２（ｂ）に示されるように、低結晶性ＡｌＧａＮ半導体層１３Ｌはその表面が凹凸状のものとして形成される特性上、高結晶性Ａｌ_xＧａ_1-xＮ半導体層１３Ｈを成長させるに際して、面方向への結晶成長が促進されて転位１７が曲がって隣接する転位１７同士が会合することにより、転位１７を減少させることができ、従って、転位密度が低減された高結晶性Ａｌ_xＧａ_1-xＮ半導体層１３Ｈが形成される。

以上の半導体装置用基材１０によれば、基本的に活性層がＡｌＧａＮ半導体化合物より構成されて十分に広い有効発光波長範囲が得られ、しかも、サファイア基板１１上にＧａ（Ｉｎ）ＮＰバッファ層１２および低結晶性ＡｌＧａＮ半導体層１３Ｌを介して高結晶性Ａｌ_xＧａ_1-xＮ半導体層１３Ｈが形成されており、このＧａ（Ｉｎ）ＮＰバッファ層１２の特性および低結晶性ＡｌＧａＮ半導体層１３Ｌの特性によって、それぞれ含有される転位１７の少なくとも一部を消失させることができるために、高結晶性Ａｌ_xＧａ_1-xＮ半導体層１３Ｈが転位密度が低減されたものとなってこの高結晶性Ａｌ_xＧａ_1-xＮ半導体層１３Ｈ上に形成されるべき活性層を、転位密度が低減された十分に大きな発光効率が得られるものとすることができる。

〔第２の実施の形態〕
図３は、本発明の半導体装置用基材の他の一例における構成を模式的に示す説明用図である。
この例の半導体装置用基材２０は、その表面に例えばストライプ状に並んだ多数の溝よりなる溝部２１ａが形成されたサファイア基板２１上に、Ｇａ（Ｉｎ）ＮＰバッファ層２２を介して、その層上に活性層を成長させるための機能素子形成用下地層２３が形成された構成とされており、この機能素子形成用下地層２３が、その最上層が高結晶性Ａｌ_xＧａ_1-xＮ半導体層２３Ｈからなる、２層以上の半導体層により構成されており、この機能素子形成用下地層２３中には、低結晶性ＡｌＧａＮ半導体層２３Ｌが含有された構成とされている。
図３においては、機能素子形成用下地層２３が２層構造のものとされており、その上層に高結晶性Ａｌ_xＧａ_1-xＮ半導体層２３Ｈが設けられていると共に下層に低結晶性ＡｌＧａＮ半導体層２３Ｌが設けられている。

この例の半導体装置用基材２０におけるＧａ（Ｉｎ）ＮＰバッファ層２２、低結晶性ＡｌＧａＮ半導体層２３Ｌ、高結晶性Ａｌ_xＧａ_1-xＮ半導体層２３Ｈは、それぞれ第１の実施の形態に係るＧａ（Ｉｎ）ＮＰバッファ層１２、低結晶性ＡｌＧａＮ半導体層１３Ｌ、高結晶性Ａｌ_xＧａ_1-xＮ半導体層１３Ｈと同様の組成を有し、上述と同様の成長方法により、得ることができる。
ただし、サファイア基板２１の溝部２１ａの形状を反映して、Ｇａ（Ｉｎ）ＮＰバッファ層２２および低結晶性ＡｌＧａＮ半導体層２３Ｌは、その表面にそれぞれ凹部２２ａ，２３Ｌａが形成されたものとされる。

サファイア基板２１に形成された溝部２１ａは、例えば個々の溝について、底部の幅が２μｍ、深さが１００ｎｍのものとすることができる。また例えば、底部の幅が５μｍ、深さが３００ｎｍのものや、底部の幅が７μｍ、深さが５００ｎｍのものなどとしてもよい。
個々の溝が形成される周期、すなわち隣接する２つの溝により形成される凸部の幅は、例えば０．１〜１０００μｍとすることができる。

サファイア基板２１の溝部２１ａは、例えば、当該サファイア基板２１の主面上に、フォトリソグラフィ法により、形成すべき溝部２１ａの形状に対応する形状のレジストパターンを形成し、当該レジストパターンをマスクとして、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法により、サファイア基板２１にエッチングを行なって溝部２１ａを形成し、その後、レジストパターンを除去することにより、得ることができる。

このような溝部２１ａが形成されていることによって、高結晶性Ａｌ_xＧａ_1-xＮ半導体層２３Ｈが、低結晶性ＡｌＧａＮ半導体層２３Ｌに形成された凹部２３Ｌａの配置状態に従って結晶核２９（図４参照）が形成され、さらに当該凹部２３Ｌａの形状に沿って、当該低結晶性ＡｌＧａＮ半導体層２３Ｌ上において層厚方向のみならず面方向にも成長されて形成される。
このために、この低結晶性ＡｌＧａＮ半導体層２３Ｌにおける転位が互いに会合してその主面が平坦なサファイア基板上を用いて高結晶性Ａｌ_xＧａ_1-xＮ半導体層を成長させた場合に比して、転位密度がより低減された高結晶性Ａｌ_xＧａ_1-xＮ半導体層を得ることができる。

また、このように高結晶性Ａｌ_xＧａ_1-xＮ半導体層２３Ｈが低結晶性ＡｌＧａＮ半導体層２３Ｌの面方向にも成長されることによって凹凸が埋められ、得られる半導体装置用基材２０が表面の荒れが抑制されたものとすることができる。

以上の半導体装置用基材２０は、例えば、サファイア基板２１は例えば１０〜１０００μｍの厚みのものとされ、Ｇａ（Ｉｎ）ＮＰバッファ層２２は例えば０．１〜５０μｍの厚みのものとされ、低結晶性ＡｌＧａＮ半導体層２３Ｌは例えば５０〜１０００ｎｍの厚みのものとされる。

以上の半導体装置用基材２０の転位密度は、例えば１０⁷〜１０⁹ｃｍ^-2の範囲とされる。

以上のような、サファイア基板２１の表面に溝部２１ａが形成されてなる半導体装置用基材２０によれば、高結晶性Ａｌ_xＧａ_1-xＮ半導体層２３Ｈを成長させる場合に、当該高結晶性Ａｌ_xＧａ_1-xＮ半導体層２３Ｈが、前記溝部２１ａを反映して形成された低結晶性ＡｌＧａＮ半導体層２３Ｌの凹部２３Ｌａを埋めるよう層厚方向のみならず面方向にも積極的に成長させることができ、これにより、低結晶性ＡｌＧａＮ半導体層２３Ｌに発生した転位２７が互いに会合して高結晶性Ａｌ_xＧａ_1-xＮ半導体層２３Ｈが転位密度が低減されたものとなり、結局、当該高結晶性Ａｌ_xＧａ_1-xＮ半導体層２３Ｈ上に形成される活性層を、転位密度が著しく低減されたものとすることができて十分に大きな発光効率が得られるものとすることができる。

〔半導体装置〕
以上のような半導体装置用基材の機能素子形成用下地層を構成する最上層の高結晶性Ａｌ_xＧａ_1-xＮ半導体層上に、例えば量子井戸構造の発光デバイス構造を設けることにより、例えばＬＥＤやＬＤなどの半導体装置が作製される。
発光デバイス構造は、具体的には、Ｓｉがドープされたｎ型のＡｌＧａＮ半導体化合物よりなるｎ型半導体層、ＡｌＧａＩｎＮ半導体化合物よりなる層とＡｌＧａＮ半導体化合物よりなる層が交互に２層ずつ積層された活性層、および、Ｍｇがドープされたｐ型のＡｌＧａＮ半導体化合物よりなるｐ型半導体層よりなり、ｎ型半導体層およびｐ型半導体層にそれぞれｎ電極およびｐ電極が接続されて構成されている。そして、ｎ型半導体層が機能素子形成用下地層上に形成されることで、機能素子形成用下地層を構成する最上層の高結晶性Ａｌ_xＧａ_1-xＮ半導体層と活性層との間に当該ｎ型半導体層が介挿された状態とされている。この発光デバイス構造の上面に波長変換機能を有する蛍光体を積層することにより、白色発光ＬＥＤとすることもできる。

以上、本発明の実施の形態について具体的に説明したが、本発明の実施の形態は上記の例に限定されるものではなく、種々の変更を加えることができる。
例えば、機能素子形成用下地層は、図１および図２に示されるような２層構造のものに限定されず、例えばＡｌ組成比率や結晶性の異なる３層以上のＡｌＧａＮ半導体化合物よりなる層が積層された多層構造のものであってもよく、さらに、低結晶性ＡｌＧａＮ半導体層および高結晶性Ａｌ_xＧａ_1-xＮ半導体層の積層単位が周期的に積層された周期積層構造のものであってもよい。

以下に、本発明の効果を確認するために行った実施例について説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。

＜実施例１＞
まず、平坦に鏡面磨きされた（０００１）面を有するサファイア基板を、ＭＯＣＶＤ装置の中に設置し、キャリアガスとしてＨ₂を供給した状態でサファイア基板の基板温度を１１５０℃まで昇温させ、１０分間保持した。次いで、基板温度を５００℃まで降温し、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）、ＮＨ₃およびＰＨ₃をそれぞれ１０ｓｃｃｍ、１００ｓｃｃｍ、５ｓｌｍ、０．２ｓｌｍで供給しながらサファイア基板の（０００１）面上にＧａ（Ｉｎ）ＮＰバッファ層を厚さ２０ｎｍに成長させた。次いで、基板温度を１０５０℃まで昇温した後、Ｇａ（Ｉｎ）ＮＰバッファ層上にＴＭＧ、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）およびＮＨ₃をそれぞれ２０ｓｃｃｍ、８ｓｃｃｍ、７ｓｌｍで供給し、Ａｌの組成比率ｘが０．１７である高結晶性Ａｌ_0.17Ｇａ_0.83Ｎ半導体層を厚さ１００ｎｍに成長させた（以下、「下地第１層の形成工程」という。）。さらに、基板温度を９５０℃まで降温し、低結晶性Ａｌ_0.17Ｇａ_0.83Ｎ半導体層を厚さ７５０ｎｍに成長させ（以下、「下地第２層の形成工程」という。）、その後、基板温度を再び１０５０℃まで昇温し、高結晶性Ａｌ_0.17Ｇａ_0.83Ｎ半導体層を厚さ４．５μｍに形成させ（以下、「下地第３層の形成工程」という。）、これにより、半導体装置用基材（１）を作製した。

この半導体装置用基材（１）における転位密度を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）によって測定したところ、６．４×１０⁹ｃｍ^-2であった。

＜実施例２＞
平坦に鏡面磨きされたサファイア基板を用いる代わりに、以下に示す方法で作製したものを用いたことの他は実施例１と同様にして、半導体装置用基材（２）を作製した。

〔サファイア基板の作製方法〕
まず、フォトリソグラフィ法により、サファイア基板の（０００１）面上に、幅２μｍで周期が５μｍのストライプ状のレジストパターンを厚さ２μｍに形成し、ＲＩＥ法により、当該レジストパターンをマスクとしてサファイア基板の（０００１）面に対してエッチング処理を行ない、個々の溝の底部の幅２μｍ、深さ１００ｎｍであり、溝が形成される周期が５μｍである溝部を形成させ、次いで、レジストパターンを除去することにより、ストライプ状の溝部が形成されたサファイア基板を得た。

この半導体装置用基材（２）における転位密度を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）によって測定したところ、４．９×１０⁹ｃｍ^-2であった。

＜比較例１＞
下地第１層の形成工程を行った後、基板温度を９５０℃に降温せずに１０５０℃に維持した状態において、下地第２層の形成工程を行って高結晶性Ａｌ_0.17Ｇａ_0.83Ｎ半導体層を成長させ、その後、下地第３層の形成工程を行ったことの他は、実施例１と同様にして比較用の半導体装置用基材を作製した。

この比較用の半導体装置用基材の転位密度を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）によって測定したところ、３．１×１０¹⁰ｃｍ^-2であった。

本発明の半導体装置用基材の一例における構成を模式的に示す説明用図である。（ａ）は、低結晶性ＡｌＧａＮ半導体層を有さない半導体装置用基材について、高結晶性Ａｌ_xＧａ_1-xＮ半導体層において転位が形成された状態を示す説明用図であり、（ｂ）は、低結晶性ＡｌＧａＮ半導体層を有する半導体装置用基材について、高結晶性Ａｌ_xＧａ_1-xＮ半導体層において転位が減少する状態を示す説明用図である。本発明の半導体装置用基材の他の一例における構成を模式的に示す説明用図である。

符号の説明

１０半導体装置用基材
１１サファイア基板
１２Ｇａ（Ｉｎ）ＮＰバッファ層
１３機能素子形成用下地層
１３Ｌ低結晶性ＡｌＧａＮ半導体層
１３Ｈ高結晶性Ａｌ_xＧａ_1-xＮ半導体層
１７転位
１９結晶核
２０半導体装置用基材
２１サファイア基板
２１ａ溝部
２２Ｇａ（Ｉｎ）ＮＰバッファ層
２２ａ凹部
２３機能素子形成用下地層
２３Ｌ低結晶性ＡｌＧａＮ半導体層
２３Ｌａ凹部
２３Ｈ高結晶性Ａｌ_xＧａ_1-xＮ半導体層
２７転位
２９結晶核

Claims

基板と、この基板上に形成されたＧａＩｎＮＰバッファ層またはＧａＮＰバッファ層と、このＧａＩｎＮＰバッファ層またはＧａＮＰバッファ層上に形成された積層体である機能素子形成用下地層とよりなり、
機能素子形成用下地層は、その最上層が高結晶性Ａｌ_xＧａ_1-xＮ半導体層よりなり、当該機能素子形成用下地層中には低結晶性ＡｌＧａＮ半導体層を有することを特徴とする半導体装置用基材。
基板の表面に溝部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置用基材。
前記高結晶性Ａｌ_xＧａ_1-xＮ半導体層を構成するＡｌの組成比率ｘが、０．０１〜０．２５であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体装置用基材。
請求項１〜請求項３のいずれかに記載の半導体装置用基材の製造方法であって、
基板上にＧａＩｎＮＰバッファ層またはＧａＮＰバッファ層を形成させる工程と、当該ＧａＩｎＮＰバッファ層またはＧａＮＰバッファ層上に機能素子形成用下地層を形成させる下地形成工程とを有し、
下地形成工程は、低温において低結晶性ＡｌＧａＮ半導体層を形成させる工程と、低結晶性ＡｌＧａＮ半導体層上に、高温において高結晶性Ａｌ_xＧａ_1-xＮ半導体層を形成させる工程とを有することを特徴とする半導体装置用基材の製造方法。
基板の表面に溝部を形成するエッチング工程を有することを特徴とする請求項４に記載の半導体装置用基材の製造方法。
下地形成工程は、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）およびＮＨ₃を、それぞれ１０〜３０ｓｃｃｍ、３〜２０ｓｃｃｍ、２〜１５ｓｌｍで供給した状態で行われることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の半導体装置用基材の製造方法。