JP2016134610A

JP2016134610A - Ｉｉｉ族窒化物半導体素子とその製造方法

Info

Publication number: JP2016134610A
Application number: JP2015010726A
Authority: JP
Inventors: 勝堀; Masaru Hori; 修小田; Osamu Oda; 小田　　修; 関根　誠; Makoto Sekine; 誠関根; 博基近藤; Hiroki Kondo; 健治石川; Kenji Ishikawa
Original assignee: Nagoya University NUC
Current assignee: Nagoya University NUC
Priority date: 2015-01-22
Filing date: 2015-01-22
Publication date: 2016-07-25

Abstract

【課題】基板と半導体層との間の熱膨張係数差に起因するクラックの発生または反りの発生を抑制するIII 族窒化物半導体素子とその製造方法を提供することである。
【解決手段】第１のIII 族窒化物層形成工程では、III 族元素を含有する第１のガスをプラズマ化しないで基板１０に供給するとともに少なくとも窒素ガスを含有する第２のガスをプラズマ化して基板１０に供給して、第１のIII 族窒化物層としてバッファ層２０を形成する。第２のIII 族窒化物層形成工程では、III 族元素を含有する第１のガスをプラズマ化しないでバッファ層２０に供給するとともに少なくとも窒素ガスを含有する第２のガスをプラズマ化してバッファ層２０に供給して、第２のIII 族窒化物層としてＡｌＮ層３０を形成する。
【選択図】図１

Description

本明細書の技術分野は、ＨＥＭＴ素子や半導体レーザー素子等の反りを抑制するIII 族窒化物半導体素子とその製造方法に関する。

ＧａＮに代表されるIII 族窒化物半導体では、絶縁破壊電界の強度が高く、かつ融点が高い。そのため、III 族窒化物半導体は、ＧａＡｓ系半導体に代わる、高出力、高周波、高温用の半導体デバイスの材料として期待されている。そのため、III 族窒化物半導体を用いるＨＥＭＴ素子などが研究開発されている。

例えば、電子走行層としてＧａＮを用い、電子供給層としてｎ−ＡｌＧａＮを用いるＨＥＭＴ素子が開発されている（特許文献１の段落［０００２］および図２等参照）。このＨＥＭＴ素子は、チャネル層の表面において高いキャリア濃度を有する。また、ＨＥＭＴ素子における電子の移動度も大きい。そのため、高速高周波トランジスタとして鋭意研究開発がなされてきている。特に、III 族窒化物半導体は、シリコンよりもバンドギャップが大きい。そのため、III 族窒化物半導体では、耐圧性が優れており、高温条件での動作が可能である。したがって、III 族窒化物半導体は、シリコンに代わるパワーデバイスとして有望である。

また、非特許文献１では、III 族窒化物半導体を用いた発光素子について種々の成果が記載されている。

特開２００３−１７９０８２号公報

T. Egawa and O. Oda, "III-Nitride Based Light Emitting Diodes and Applications" (Springer, 2013) Chapter 3.

ところで、ＭＯＣＶＤ法等の従来の結晶成長方法では、一般に、基板温度が１０００℃以上の条件下で半導体層を成長させる。この場合には、基板と半導体層との間で熱膨張係数差は大きい。そのため、基板と半導体層との間の境界付近に応力が発生しやすい。その結果、基板に反りが生じたり、半導体層にクラックが入ったりすることがある。

本明細書の技術は、前述した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。その課題とは、基板と半導体層との間の熱膨張係数差に起因するクラックの発生または反りの発生を抑制するIII 族窒化物半導体素子とその製造方法を提供することである。

第１の態様におけるIII 族窒化物半導体素子の製造方法は、基板を準備する基板準備工程と、基板に第１のIII 族窒化物層を形成する第１のIII 族窒化物層形成工程と、第１のIII 族窒化物層に第２のIII 族窒化物層を形成する第２のIII 族窒化物層形成工程と、を有する。第１のIII 族窒化物層形成工程では、III 族元素を含有する第１のガスをプラズマ化しないで基板に供給するとともに少なくとも窒素ガスを含有する第２のガスをプラズマ化して基板に供給して、第１のIII 族窒化物層としてバッファ層を形成する。第２のIII 族窒化物層形成工程では、III 族元素を含有する第１のガスをプラズマ化しないで第１のIII 族窒化物層に供給するとともに少なくとも窒素ガスを含有する第２のガスをプラズマ化して第１のIII 族窒化物層に供給して、第２のIII 族窒化物層を形成する。

この製造方法では、半導体層を従来に比べて低温で成長させることができる。そのため、基板と半導体層との間の熱膨張係数差に起因する反りは発生しにくい。また、この製造方法では、ＭＯＣＶＤ法のようにアンモニアを使用する必要がない。そのため、この製造方法は、従来の製造方法に比べて原料コストが安い。また、この製造装置では、アンモニアを除去するための除害装置を設ける必要がない。また、この製造方法は、十分に速い成長速度で半導体層を成長させることができる。

第２の態様におけるIII 族窒化物半導体素子の製造方法においては、第１のIII 族窒化物層形成工程では、基板の温度を０℃以上５００℃以下の範囲内とする。第２のIII 族窒化物層形成工程では、基板の温度を０℃以上９００℃以下の範囲内とする。

第３の態様におけるIII 族窒化物半導体素子の製造方法においては、第２のIII 族窒化物層形成工程では、第２のIII 族窒化物層としてＡｌＮ層もしくはＡｌＩｎＮ層もしくはＡｌＧａＮ層を形成する。

第４の態様におけるIII 族窒化物半導体素子の製造方法においては、基板準備工程では、単結晶基板を用いる。第２のIII 族窒化物層形成工程では、単結晶から成る第２のIII 族窒化物層を形成する。

第５の態様におけるIII 族窒化物半導体素子の製造方法においては、基板準備工程では、多結晶基板を用いる。第２のIII 族窒化物層形成工程では、多結晶から成る第２のIII 族窒化物層を形成する。

第６の態様におけるIII 族窒化物半導体素子の製造方法は、第２のIII 族窒化物層に第３のIII 族窒化物層を形成する第３のIII 族窒化物層形成工程を有する。第３のIII 族窒化物層形成工程では、ＭＯＳ型ＨＥＭＴ素子、ＭＩＳ型ＨＥＭＴ素子、半導体レーザー素子、半導体発光素子、スマートカット用基板、熱放出材のうちのいずれかの素子構造を形成する。

第７の態様におけるIII 族窒化物半導体素子は、基板と、基板の上の第１のIII 族窒化物層と、第１のIII 族窒化物層の上の第２のIII 族窒化物層と、を有する。第１のIII 族窒化物層は、III 族元素を含有する第１のガスをプラズマ化しないで基板に供給するとともに少なくとも窒素ガスを含有する第２のガスをプラズマ化して基板に供給することにより形成されたバッファ層である。第２のIII 族窒化物層は、III 族元素を含有する第１のガスをプラズマ化しないで第１のIII 族窒化物層に供給するとともに少なくとも窒素ガスを含有する第２のガスをプラズマ化して第１のIII 族窒化物層に供給することにより形成された層である。

第８の態様におけるIII 族窒化物半導体素子は、第２のIII 族窒化物層は、ＡｌＮ層もしくはＡｌＩｎＮ層もしくはＡｌＧａＮ層である。

第９の態様におけるIII 族窒化物半導体素子においては、基板は、単結晶基板である。第２のIII 族窒化物層は、III 族窒化物単結晶層を有する。

第１０の態様におけるIII 族窒化物半導体素子においては、基板は、III 族窒化物から成る多結晶基板である。第２のIII 族窒化物層は、III 族窒化物多結晶層を有する。

本明細書では、基板と半導体層との間の熱膨張係数差に起因するクラックの発生または反りの発生を抑制するIII 族窒化物半導体素子とその製造方法が提供されている。

第１の実施形態における積層体の構造を示す概略構成図である。実施形態における製造装置の概略構成を示す図である。第２の実施形態における半導体レーザー素子の構造を示す概略構成図である。第３の実施形態におけるＨＥＭＴ素子の構造を示す概略構成図（その１）である。第３の実施形態におけるＨＥＭＴ素子の構造を示す概略構成図（その２）である。第３の実施形態におけるＨＥＭＴ素子の構造を示す概略構成図（その３）である。第３の実施形態における熱放出材の構造を示す概略構成図である。第３の実施形態におけるスマートカット用の基板を示す概略構成図である。実施例１における基板温度とＸ線の回折強度を示すグラフである。実施例２における基板および半導体層の断面を示す走査型顕微鏡写真である。実施例２における多結晶基板および多結晶膜を斜め入射シンクロトロン光ＸＲＤで解析した結果を示すグラフである。

以下、具体的な実施形態について、III 族窒化物半導体素子とその製造方法を例に挙げて図を参照しつつ説明する。なお、図面中の各層の厚みの比率は、実際の比率を反映したものではない。

（第１の実施形態）
第１の実施形態について説明する。第１の実施形態では、半導体を積層するための積層体について説明する。

１．積層体
１−１．積層体の構造
本実施形態の積層体Ａ１は、図１に示すように、基板１０と、バッファ層２０と、ＡｌＮ層３０と、を有している。ＡｌＮ層３０は、高品質な半導体単結晶である。そのため、後述するように、ＡｌＮ層３０の上には、その他の半導体素子の構造を形成することができる。

基板１０は、III 族窒化物層を成長させるための成長基板である。基板１０として、例えば、ｃ面サファイア単結晶基板、Ｓｉ単結晶基板が挙げられる。

バッファ層２０は、第１のIII 族窒化物層である。バッファ層２０は、その上にIII 族窒化物層を成長させるためのものである。バッファ層２０は、基板１０の上に形成されている。バッファ層２０として、例えば、ＡｌＮやＧａＮが挙げられる。

ＡｌＮ層３０は、第２のIII 族窒化物層である。ＡｌＮ層３０は、その上にIII 族窒化物半導体層を成長させるためのものである。ＡｌＮ層３０は、バッファ層２０の上に形成されている。

１−２．積層体の効果
積層体Ａ１は、III 族窒化物半導体層を成長させるためのテンプレート基板である。積層体Ａ１は、後述するように、従来より低い成長温度で成長させたIII 族窒化物層を有する。そのため、基板１０とバッファ層２０との間の熱膨張係数差による応力は、従来に比べて小さい。基板１０とＡｌＮ層３０との間の熱膨張係数差による応力は、従来に比べて小さい。したがって、積層体Ａ１もしくは基板１０は、反りにくい。

２．製造装置
２−１．製造装置の構成
図２は、本実施形態における製造装置１０００の概略構成図である。製造装置１０００は、積層体Ａ１を製造することができる。また、低い基板温度で、後述する種々のIII 族窒化物半導体素子を製造することができる。製造装置１０００は、窒素ガスと水素ガスとを含む混合ガスをプラズマ化して、そのプラズマ化したプラズマ生成物を成長基板に供給するとともに、III 族金属を含む有機金属ガスをプラズマ化しないで成長基板に供給する装置である。

製造装置１０００は、炉本体１００１と、シャワーヘッド電極１１００と、サセプター１２００と、加熱器１２１０と、第１のガス供給管１３００と、ガス導入室１４１０と、第２のガス供給管１４２０と、金属メッシュ１５００と、ＲＦ電源１６００と、マッチングボックス１６１０と、第１のガス供給部１７１０と、第２のガス供給部１８１０と、ガス容器１９１０、１９２０、１９３０と、恒温槽１９１１、１９２１、１９３１と、マスフローコントローラー１７２０、１８２０、１８３０、１８４０と、を有している。また、製造装置１０００は、排気口（図示せず）を有している。

シャワーヘッド電極１１００は、周期的な電位を付与される第１の電極である。シャワーヘッド電極１１００は、例えば、ステンレス製である。もちろん、これ以外の金属であってもよい。シャワーヘッド電極１１００は、平板形状の電極である。そして、シャワーヘッド電極１１００には、表面から裏面に貫通する複数の貫通孔（図示せず）が設けられている。そして、これらの複数の貫通孔は、ガス導入室１４１０および第２のガス供給管１４２０と連通している。このため、ガス導入室１４１０から炉本体１００１の内部に供給される第２のガスは、好適にプラズマ化される。ＲＦ電源１６００は、シャワーヘッド電極１１００に高周波電位を付与する電位付与部である。

サセプター１２００は、基板１０を支持するための基板支持部である。サセプター１２００の材質は、例えば、グラファイトである。また、これ以外の導電体であってもよい。ここで、基板１０は、III 族窒化物半導体を成長させるための成長基板である。

第１のガス供給管１３００は、サセプター１２００に第１のガスを供給するためのものである。実際には、サセプター１２００に支持された基板１０に第１のガスを供給することとなる。ここで、第１のガスとは、III 族金属を含む有機金属ガスである。また、その他のキャリアガスを含んでいてもよい。第１のガス供給管１３００は、リング状のリング部１３１０を有している。そして、第１のガス供給管１３００のリング部１３１０には、１２個の貫通孔（図示せず）がリング部１３１０の内側に設けられている。これらの貫通孔は、第１のガスが噴出する噴出口である。そのため、第１のガスは、リング部１３１０の内側に向けて、噴出することとなる。第１のガス供給管１３００は、後述するように、プラズマ発生領域から離れた位置に位置している。

第２のガス供給管１４２０は、サセプター１２００に第２のガスを供給するためのものである。実際には、第２のガスをガス導入室１４１０および炉本体１００１の内部に導入するとともに、サセプター１２００に支持された基板１０に第２のガスを供給することとなる。そして、第２のガス供給管１４２０は、第２のガスを炉本体１００１の内部に供給する。ここで、第２のガス供給管１４２０が供給する第２のガスは、少なくとも窒素ガスを含むガスである。第２のガス供給管１４２０は、窒素ガスと水素ガスとの混合ガスを第２のガスとして供給するとよい。ガス導入室１４１０は、窒素ガスと水素ガスとの混合ガスを一旦収容するとともに、シャワーヘッド電極１１００の貫通孔にこの混合ガスを供給するためのものである。

金属メッシュ１５００は、荷電粒子を捕獲するためのものである。また、光が基板１０に向かうのを防止するためのものである。金属メッシュ１５００は、例えば、ステンレス製である。もちろん、これ以外の金属であってもよい。金属メッシュ１５００は、シャワーヘッド電極１１００とサセプター１２００との間の位置に配置されている。そのため、後述するようにプラズマ発生領域で発生した荷電粒子が、サセプター１２００に支持されている基板１０に向かうのを抑制することができる。また、金属メッシュ１５００は、シャワーヘッド電極と第１のガス供給管１３００のリング部１３１０との間の位置に配置されている。そのため、荷電粒子が、第１のガス供給管１３００から噴出されるIII 族金属を含む有機金属分子に衝突するのを抑制することができる。また、金属メッシュ１５００は、多数枚をずらして配置されている。つまり、第１のメッシュの開口部の位置に第２のメッシュの線状部を配置している。そのため、直線的に進行する光は、金属メッシュ１５００を透過できない。つまり、金属メッシュ１５００は、電子、イオン、光を通過させないが、中性のラジカルを通過させる。

炉本体１００１は、少なくとも、シャワーヘッド電極１１００と、サセプター１２００と、第１のガス供給管１３００のリング部１３１０と、金属メッシュ１５００と、を内部に収容している。炉本体１００１は、例えば、ステンレス製である。炉本体１００１は、上記以外の導電体であってもよい。

炉本体１００１と、金属メッシュ１５００と、第１のガス供給管１３００とは、導電性の部材であり、いずれも接地されている。そのため、シャワーヘッド電極１１００に電位が付与されると、シャワーヘッド電極１１００と、炉本体１００１および金属メッシュ１５００および第１のガス供給管１３００と、の間に電圧が印加されることとなる。そして、炉本体１００１および金属メッシュ１５００および第１のガス供給管１３００の少なくとも１つ以上と、シャワーヘッド電極１１００と、の間に放電が生じると考えられる。シャワーヘッド電極１１００の直下では、高周波かつ高強度の電界が形成される。そのため、シャワーヘッド電極１１００の直下の位置は、プラズマ発生領域である。

ここで、第２のガス、すなわち、窒素ガスと水素ガスとの混合ガスは、このプラズマ発生領域においてプラズマ化されることとなる。そして、プラズマ発生領域でプラズマ生成物が発生する。この場合におけるプラズマ生成物とは、窒素ラジカルと、水素ラジカルと、窒化水素系の化合物と、電子と、その他のイオン等である。ここで、窒化水素系の化合物とは、ＮＨと、ＮＨ₂と、ＮＨ₃と、これらの励起状態と、その他のものとを含む。

また、シャワーヘッド電極１１００と、サセプター１２００とは、十分に離れている。シャワーヘッド電極１１００と、サセプター１２００との間の距離は、４０ｍｍ以上２００ｍｍ以下である。より好ましくは、４０ｍｍ以上１５０ｍｍ以下である。シャワーヘッド電極１１００とサセプター１２００との間の距離が短いと、プラズマ発生領域がサセプター１２００の箇所にまで広がるおそれがある。シャワーヘッド電極１１００とサセプター１２００との間の距離が４０ｍｍ以上であれば、プラズマ発生領域がサセプター１２００の箇所にまで広がるおそれがほとんどない。そのため、荷電粒子が基板１０に到達することを抑制できる。また、シャワーヘッド電極１１００とサセプター１２００との間の距離が大きいと、窒素ラジカルや、窒化水素系の化合物等が、サセプター１２００の保持する基板１０に到達しにくくなるからである。なお、これらの距離は、プラズマ発生領域の大きさと、その他のプラズマ条件にも依存する。

シャワーヘッド電極１１００は、サセプター１２００からみて第１のガス供給管１３００のリング部１３１０の貫通孔よりも遠い位置に配置されている。シャワーヘッド電極１１００と、第１のガス供給管１３００のリング部１３１０の貫通孔との間の距離は、３０ｍｍ以上１９０ｍｍ以下である。より好ましくは、３０ｍｍ以上１４０ｍｍ以下である。荷電粒子が、第１のガスに混入することを抑制するとともに、窒素ラジカルや、窒化水素系の化合物等が、第１のガスに混入しやすくするためである。このため、プラズマ化された第２のガスと、プラズマ化されない第１のガスとにより、基板１０に半導体層が積層されることとなる。なお、これらの距離は、プラズマ発生領域の大きさと、その他のプラズマ条件にも依存する。

加熱器１２１０は、サセプター１２００を介して、サセプター１２００に支持される基板１０を加熱するためのものである。

マスフローコントローラー１７２０、１８２０、１８３０、１８４０は、各々のガスの流量を制御するためのものである。恒温槽１９１１、１９２１、１９３１には、不凍液１９１２、１９２２、１９３２が満たされている。また、ガス容器１９１０、１９２０、１９３０は、III 族金属を含む有機金属ガスを収容するための容器である。ガス容器１９１０、１９２０、１９３０には、それぞれ、トリメチルガリウムと、トリメチルインジウムと、トリメチルアルミニウムとが、収容されている。もちろん、トリエチルガリウム等、その他のIII 族金属を含む有機金属ガスであってもよい。

２−２．製造装置の製造条件
製造装置１０００における製造条件を表１に示す。表１で挙げた数値範囲は、あくまで目安であり、必ずしもこの数値範囲である必要はない。ＲＦパワーは、１００Ｗ以上１０００Ｗ以下の範囲内である。ＲＦ電源１６００がシャワーヘッド電極１１００に付与する周期的な電位の周波数は、３０ＭＨｚ以上３００ＭＨｚ以下の範囲内である。基板温度は、室温以上９００℃以下の範囲内である。製造装置１０００の内圧は、１Ｐａ以上１００００Ｐａ以下の範囲内である。

［表１］
ＲＦパワー１００Ｗ以上１０００Ｗ以下
周波数３０ＭＨｚ以上３００ＭＨｚ以下
基板温度室温以上９００℃以下
内圧１Ｐａ以上１００００Ｐａ以下

２−３．製造装置の効果
この製造装置１０００は、Ｉｎ濃度の高いIII 族窒化物層を有する半導体素子を量産することができる。また、窒素ガスおよび水素ガスをプラズマ化するため、従来のＭＯＣＶＤ法に比べて、低い温度で半導体層を成長させることができる。例えば、基板温度を０℃以上２００℃以下程度として成膜することができる。もちろん、それより高温で成膜することもできる。また、ＭＯＣＶＤ炉のように大量のアンモニアを用いる必要がない。そのため、大規模な除害装置を設ける必要がない。したがって、この製造装置１０００の製造コストおよびランニングコストは、従来の装置よりも低い。

３．積層体の製造方法
本実施形態の積層体Ａ１の製造方法について説明する。本実施形態の積層体Ａ１の製造方法は、ＲＥＭＯＣＶＤ（ＲａｄｉｃａｌＥｎｈａｎｃｅｄＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法である。ＲＥＭＯＣＶＤ法は、本発明者らが独自に開発した方法である。

この製造方法は、基板１０を準備する基板準備工程と、基板１０に第１のIII 族窒化物層としてバッファ層２０を形成する第１のIII 族窒化物層形成工程と、第１のIII 族窒化物層に第２のIII 族窒化物層としてＡｌＮ層３０を形成する第２のIII 族窒化物層形成工程と、を有する。

３−１．基板準備工程
まず、単結晶の基板１０を準備する。基板１０として、例えば、ｃ面サファイア単結晶基板を用いることができる。また、その他の基板を用いてもよい。基板１０を、製造装置１０００の内部に配置し、水素ガスを供給しながら基板温度を９００℃程度まで上昇させる。これにより、基板１０の表面を還元するとともに、基板１０の表面をクリーニングする。基板温度については、上記の温度より高い温度にしてもよい。

３−２．III 族窒化物層形成工程
３−２−１．第１のIII 族窒化物層形成工程（バッファ層形成工程）
ＲＦ電源１６１０をＯＮにする。そして、第２のガス供給管１４２０から、窒素ガスと水素ガスとの混合ガスを供給する。そして、シャワーヘッド電極１１００の貫通孔から炉本体１００１の内部に供給された混合ガスは、シャワーヘッド電極１１００の直下でプラズマ化する。そのため、シャワーヘッド電極１１００の直下にプラズマ発生領域が生成される。この際に、窒素ラジカルと水素ラジカルとが生成される。そして、窒素ラジカルと水素ラジカルとが反応して、窒化水素系の化合物が生成されると考えられる。また、電子やその他の荷電粒子も生成される。

そして、これらの窒素ラジカルと水素ラジカルと窒化水素系の化合物と電子とその他の荷電粒子を含んだラジカル混合気体は、基板１０に向けて送出される。このラジカル混合ガスの発生箇所は、シャワーヘッド電極１１００の直下である。シャワーヘッド電極１１００から基板１０までの距離は十分に広いため、ラジカル混合気体のうち、電子やイオン等の荷電粒子は、基板１０まで到達しにくい。また、荷電粒子は、金属メッシュ１５００に捕獲されやすい。そして、光は、金属メッシュ１５００に吸収されるか反射される。そのため、基板１０に向けて供給されるのは、窒素ラジカルと水素ラジカルの他、窒化水素系の化合物であると考えられる。これらの窒素ラジカルや窒化水素系の化合物は、通常のアンモニアに比べて、反応性が高い。そのため、従来技術、例えばＭＯＣＶＤ法に比べて低い温度で半導体層をエピタキシャル成長させることができる。

一方、第１のガス供給管１３００のリング部１３１０から、III 族金属の有機金属ガスを供給する。例えば、トリメチルガリウムと、トリメチルインジウムと、トリメチルアルミニウムとが、挙げられる。これらのガスは、基板１０に向かうラジカル混合気体に巻き込まれて、基板１０に供給されることとなる。III 族金属の有機金属ガスは、プラズマ化されないで、基板１０に供給される。

このように、第１のIII 族窒化物層形成工程では、III 族元素を含有する第１のガスをプラズマ化しないで基板１０に供給する。それとともに、少なくとも窒素ガスを含有する第２のガスをプラズマ化して基板１０に供給して、第１のIII 族窒化物層としてバッファ層２０を形成する。

ここで、バッファ層２０は、例えばＡｌＮである。そして、バッファ層２０を形成する際の基板温度は、０℃以上５００℃以下である。好ましくは、基板温度は、１００℃以上４００℃以下である。もちろん、これ以外の温度であってもよい。

３−２−２．第２のIII 族窒化物層形成工程
第２のIII 族窒化物層形成工程では、III 族元素を含有する第１のガスをプラズマ化しないで第１のIII 族窒化物層（バッファ層２０）に供給する。それとともに、少なくとも窒素ガスを含有する第２のガスをプラズマ化して第１のIII 族窒化物層（バッファ層２０）に供給して、バッファ層２０の上に第２のIII 族窒化物層としてＡｌＮ層３０を形成する。

このようにして、バッファ層２０の上にＡｌＮ層３０を形成する。このＡｌＮ層３０は、単結晶である。

ここで、ＡｌＮ層３０を形成する際の基板温度は、０℃以上９００℃以下である。好ましくは、基板温度は、１００℃以上４００℃以下である。さらに好ましくは、基板温度は、７００℃以上８００℃以下である。詳細については、後述する。

３−３．その他の工程
また、上記の他に、熱処理工程と、保護膜形成工程と、その他の工程と、を実施してもよい。以上により、本実施形態の積層体Ａ１が製造される。

４．積層体の製造方法の効果
第１の実施形態の積層体Ａ１の製造方法は、ＲＥＭＯＣＶＤ法を用いる。そのため、バッファ層２０を低温で成長させることができる。具体的には、基板温度は、９００℃以下である。このようにバッファ層２０を低温成長させることができるため、基板１０とバッファ層２０との間の熱膨張による応力の発生をある程度緩和することができる。つまり、基板１０の反りを抑制することができる。また、この製造方法は、ＡｌＮ層３０を従来より低温で成長させることができる。よって、同様に、基板１０の反りを抑制することができる。

また、第１の実施形態の積層体Ａ１の製造方法は、ＭＯＣＶＤ法のようにアンモニアガスを用いる必要はない。そのため、この製造装置１０００は、アンモニアガスの除害装置を必要としない。そのため、アンモニアガスの除害装置のコストとそのランニングコストがかからない。また、本実施形態の積層体Ａ１の製造方法は、通常のＲＦ−ＭＢＥ法よりもはるかに速い成長速度でIII 族窒化物層を成長させることができる。

５．変形例
５−１．ＡｌＩｎＧａＮ層
第１の実施形態における第２のIII 族窒化物層は、ＡｌＮ層３０である。しかし、これ以外の層を用いてもよい。例えば、ＡｌＩｎＮ層もしくはＡｌＧａＮ層を用いてもよい。これらであっても、上層にIII 族窒化物半導体層を好適に成長させることができる。

５−２．多結晶基板
第１の実施形態で用いる基板は、単結晶基板である。しかし、ＡｌＮ多結晶基板のような多結晶基板を用いてもよい。多結晶基板は、例えば、ＡｌＮ等のIII-V 族多結晶基板、非晶質ガラス多結晶基板、アルミナ多結晶基板、Ｓｉ多結晶基板である。もちろん、その他の多結晶基板を用いてもよい。その場合には、上層の半導体層は、多結晶になりやすい。つまり、積層体Ａ１は、多結晶から成る第２のIII 族窒化物層を有する。

５−３．測定機器
また、プラズマにより発生するラジカル種、準安定種、活性分子種等について、フーリエ変換赤外分光器（ＦＴ＝ＩＲ）、深紫外吸光分光器（ラジカルモニタリング）、光学吸収分光器（ＯＥＳ）等を用いて測定してもよい。また、これらの測定値を、各種設定にフィードバックするようにしてもよい。

６．第１の実施形態のまとめ
第１の実施形態の積層体Ａ１の製造方法は、ＲＥＭＯＣＶＤ法を用いる。そのため、バッファ層２０およびＡｌＮ層３０を低温で成長させることができる。具体的には、基板温度は、９００℃以下である。このようにバッファ層２０およびＡｌＮ層３０を低温成長させることができるため、基板１０とバッファ層２０との間の熱膨張による応力の発生をある程度緩和することができる。また、基板１０とＡｌＮ層３０との間の熱膨張による応力の発生をある程度緩和することができる。つまり、基板１０の反りを抑制することができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態について説明する。第２の実施形態のIII 族窒化物半導体素子は、III 族窒化物層を有する半導体レーザー素子である。

１．半導体レーザー素子
１−１．半導体レーザー素子の構造
本実施形態の半導体レーザー素子１００は、図３に示すように、基板１０と、バッファ層２０と、ＡｌＮ層３０と、下地層１４０と、ｎ−ＧａＮ層１５０と、活性層１６０と、ｐ−ＡｌＧａＮ層１７０と、ｐ−ＧａＮ層１８０と、ｎ電極Ｎ１と、ｐ電極Ｐ１と、を有している。ｎ−ＧａＮ層１５０は、ｎ型半導体層である。ｐ−ＡｌＧａＮ層１７０と、ｐ−ＧａＮ層１８０とは、ｐ型半導体層である。

下地層２４０は、ＡｌＮ層もしくはＧａＮ層であるとよい。

１−２．半導体レーザー素子の効果
第１の実施形態の半導体レーザー素子１００は、後述する製造方法により製造される。つまり、ＭＯＣＶＤ法よりも低温でバッファ層２０を形成することができる。そのため、この半導体レーザー素子１００では、基板１０が反りにくい。したがって、より大口径基板を用いて、半導体レーザー素子１００を製造することができる。

２．III 族窒化物半導体素子の製造方法
本実施形態のIII 族窒化物半導体素子の製造方法について説明する。本実施形態のIII 族窒化物半導体素子の製造方法は、ＲＥＭＯＣＶＤ（ＲａｄｉｃａｌＥｎｈａｎｃｅｄＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法である。ＲＥＭＯＣＶＤ法は、本発明者らが独自に開発した方法である。

２−１．基板準備工程
まず、基板１０を準備する。そして、基板１０をクリーニングする。その際に、通常のガスを用いてもよいし、プラズマガスを用いてもよい。

２−２．III 族窒化物層形成工程
２−２−１．第１のIII 族窒化物層形成工程
ここでは、製造装置１０００によりIII 族窒化物層を形成する。基板１０の上に第１のIII 族窒化物層としてバッファ層２０を形成する。

２−２−２．第２のIII 族窒化物層形成工程
次に、バッファ層２０の上に第２のIII 族窒化物層としてＡｌＮ層３０を形成する。

２−２−３．第３のIII 族窒化物層形成工程
そして、ＡｌＮ層３０の上に下地層１４０を形成する。そして、下地層１４０の上に、ｎ−ＧａＮ層１５０と、活性層１６０と、ｐ−ＡｌＧａＮ層１７０と、ｐ−ＧａＮ層１８０と、をこの順序で形成する。

２−３．電極形成工程
次に、ｐ−ＧａＮ層１８０からｎ−ＧａＮ層１５０までに達する凹部を形成する。そして、その凹部に露出しているｎ−ＧａＮ層１５０にｎ電極Ｎ１を形成する。また、ｐ−ＧａＮ層１８０の上にｐ電極Ｐ１を形成する。

２−４．素子分離工程
次に、ウエハ状の基板１０を分割して、複数の半導体レーザー素子１００に切り出す。もしくは、基板１０から余剰な部分を除去する。そのためには、レーザー装置や、ブレーキング装置等を用いればよい。

３．変形例
３−１．半導体発光素子
本実施形態のIII 族窒化物半導体素子は、半導体レーザー素子１００である。ここで、III 族窒化物半導体素子は、半導体発光素子であってもよい。

（第３の実施形態）
第３の実施形態について説明する。第２の実施形態のIII 族窒化物半導体素子は、III 族窒化物層を有するＨＥＭＴ素子である。

１．ＨＥＭＴ素子
１−１．ＨＥＭＴ素子の構造
図４は本実施形態のＨＥＭＴ素子２００を示す概略構成図である。ＨＥＭＴ２００は、高電子移動度トランジスタである。ＨＥＭＴ素子２００は、基板１０と、バッファ層２０と、ＡｌＮ層３０と、下地層２４０と、ＵＩＤ−ＧａＮ層２５０と、ＡｌＧａＮ層２６０と、ソース電極Ｓ１と、ゲート電極Ｇ１と、ドレイン電極Ｄ１と、を有している。ＵＩＤ−ＧａＮ層２５０は、チャネル層である。ＡｌＧａＮ層２６０は、バリア層である。

ソース電極Ｓ１およびドレイン電極Ｄ１は、ＡｌＧａＮ層２６０の上に形成されている。ＵＩＤ−ＧａＮ層２５０は、基板１０とＡｌＧａＮ層２６０との間の位置に配置されている。ＡｌＧａＮ層２６０からみてＵＩＤ−ＧａＮ層２５０の反対側の位置に、ゲート電極Ｇ１と、ソース電極Ｓ１と、ドレイン電極Ｄ１と、が配置されている。

ここで、ＵＩＤ−ＧａＮ層２５０は、単一層であっても複数層であってもよい。ＡｌＧａＮ層２６０は、単一層であっても複数層であってもよい。ＡｌＧａＮ層２６０のバンドギャップは、ＵＩＤ−ＧａＮ層２５０のバンドギャップに比べて大きい。

１−２．ＨＥＭＴ素子の効果
第２の実施形態のＨＥＭＴ素子２００は、前述したＲＥＭＯＣＶＤ法により製造される。つまり、ＭＯＣＶＤ法よりも低温でバッファ層２０を形成することができる。そのため、このＨＥＭＴ素子２００では、基板１０が反りにくい。したがって、より大口径基板を用いて、ＨＥＭＴ素子２００を製造することができる。

２．III 族窒化物半導体素子の製造方法
２−１．基板準備工程
まず、基板１０を準備する。そして、基板１０をクリーニングする。その際に、通常のガスを用いてもよいし、プラズマガスを用いてもよい。

２−２−３．第３のIII 族窒化物層形成工程
そして、ＡｌＮ層３０の上に下地層２４０を形成する。下地層２４０の上にＵＩＤ−ＧａＮ層２５０を形成する。ＵＩＤ−ＧａＮ層２５０の上にＡｌＧａＮ層２６０を形成する。

２−３．電極形成工程
ＡｌＧａＮ層２６０の上に、ソース電極Ｓ１、ドレイン電極Ｄ１、ゲート電極Ｇ１を形成する。

２−４．その他の工程
また、上記の他に、素子分離工程、熱処理工程と、保護膜形成工程と、その他の工程と、を実施してもよい。以上により、本実施形態のＨＥＭＴ素子２００が製造される。

３．III 族窒化物半導体素子の製造方法の効果
第３の実施形態のIII 族窒化物半導体素子の製造方法は、ＲＥＭＯＣＶＤ法を用いる。そのため、バッファ層２０を低温で成長させることができる。具体的には、基板温度は、９００℃以下である。このようにバッファ層２０を低温成長させることができるため、基板１０とバッファ層２０との間の熱膨張による応力の発生をある程度緩和することができる。つまり、基板１０の反りを抑制することができる。

また、第３の実施形態のIII 族窒化物半導体素子の製造方法は、ＭＯＣＶＤ法のようにアンモニアガスを用いる必要はない。そのため、この製造装置１０００は、アンモニアガスの除害装置を必要としない。そのため、アンモニアガスの除害装置のコストとそのランニングコストがかからない。また、本実施形態のIII 族窒化物半導体素子の製造方法は、通常のＲＦ−ＭＢＥ法よりもはるかに速い成長速度でIII 族窒化物層を成長させることができる。

４．変形例
４−１．ＭＯＳ型ＨＥＭＴ（ＭＩＳ型ＨＥＭＴ）
図５に示すように、ＭＯＳ型ＨＥＭＴ３００についても第１の実施形態の技術を適用することができる。ＭＯＳ型ＨＥＭＴ３００は、基板１０と、バッファ層２０と、ＡｌＮ層３０と、下地層２４０と、ＵＩＤ−ＧａＮ層２５０と、ＡｌＧａＮ層２６０と、絶縁膜３７０と、ソース電極Ｓ１と、ゲート電極Ｇ１と、ドレイン電極Ｄ１と、を有している。絶縁膜３７０は、ＡｌＧａＮ層２６０とゲート電極Ｇ１とを絶縁している。絶縁膜３７０は、酸化物である。もしくは、絶縁膜３７０は、それ以外の絶縁体であってもよい。このように、ＨＥＭＴ素子３００は、ＭＯＳ型ＨＥＭＴ素子であってもよい。また、ＨＥＭＴ素子３００は、ＭＩＳ型ＨＥＭＴ素子であってもよい。

４−２．ＭＯＳ型ＨＥＭＴ（ＭＩＳ型ＨＥＭＴ）
図６に示すように、ＨＥＭＴ４００は、基板１０と、バッファ層２０と、ＡｌＮ層３０と、下地層２４０と、ＵＩＤ−ＧａＮ層２５０と、ＡｌＮ層４８０と、ＡｌＧａＮ層２６０と、絶縁膜３７０と、ソース電極Ｓ１と、ゲート電極Ｇ１と、ドレイン電極Ｄ１と、を有している。ＡｌＮ層４８０は、合金散乱防止層である。

４−３．受動部品
図７に示すように、受動部品５００を用いてもよい。受動部品５００は、基板１０と、バッファ層２０と、ＡｌＮ層３０と、下地層２４０と、ＡｌＮ層５５０と、を有する。ＡｌＮ層５５０は、熱放出材である。

４−４．スマートカット
図８に示すように、スマートカット用の積層体６００として用いてもよい。積層体６００は、基板１０と、バッファ層２０と、ＡｌＮ層３０と、下地層２４０と、ＡｌＮ層６５０と、ＳｉＯ₂層６６０と、ＧａＮ層６７０と、を有している。

５．第３の実施形態のまとめ
第３の実施形態のIII 族窒化物半導体素子の製造方法は、ＲＥＭＯＣＶＤ法を用いる。そのため、バッファ層２０を低温で成長させることができる。具体的には、基板温度は、９００℃以下である。このようにバッファ層２０を低温成長させることができるため、基板１０とバッファ層２０との間の熱膨張による応力の発生をある程度緩和することができる。つまり、基板１０の反りを抑制することができる。

また、第２の実施形態のIII 族窒化物半導体素子の製造方法は、ＭＯＣＶＤ法のようにアンモニアガスを用いる必要はない。そのため、この製造装置１０００は、アンモニアガスの除害装置を必要としない。そのため、アンモニアガスの除害装置のコストとそのランニングコストがかからない。また、本実施形態のIII 族窒化物半導体素子の製造方法は、通常のＲＦ−ＭＢＥ法よりもはるかに速い成長速度でIII 族窒化物層を成長させることができる。

１．実施例１（単結晶基板の上の単結晶膜）
１−１．基板
実施例１では、（１１１）面のＳｉ単結晶基板を用いた。Ｓｉ単結晶基板は、８ｍｍ角であった。Ｓｉ単結晶基板の厚みは６２５μｍであった。

１−２．クリーニング
成膜に際して、第１の実施形態の製造装置１０００を用いた。まず、サーマルクリーニングを行った。キャリアガスは、Ｈ₂であった。その供給量は、７５０ｓｃｃｍであった。そして、ＲＦパワーを４００Ｗとして、Ｈ₂をプラズマ化してＳｉ単結晶基板に供給した。製造装置１０００の内部の圧力は１００Ｐａであった。基板温度は９５０℃であった。保持時間は１０分であった。

１−３．ＴＭＡの吸着
その後、シャワーヘッド電極１１００からＮ₂を７５０ｓｃｃｍの供給量で供給するとともにＨ₂を２５０ｓｃｃｍの供給量で供給した。このＮ₂とＨ₂との混合ガスについてはプラズマ化しなかった。一方、第１のガス供給管１３００のリング部１３１０の貫通孔から、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を０．０５ｓｃｃｍの供給量で供給した。ＴＭＡの供給時間は、１０分であった。基板温度は３００℃であった。

Ｎ₂とＨ₂との混合ガスをプラズマ化していないので、この基板温度ではＡｌＮは成膜されない。ただし、ＡｌＮ多結晶基板の表面にＴＭＡが吸着されたはずである。そこで、一旦、ＴＭＡの供給を停止した。

１−４．ＡｌＮ層
その後、シャワーヘッド電極１１００からＮ₂を７５０ｓｃｃｍの供給量で供給するとともにＨ₂を２５０ｓｃｃｍの供給量で供給した。そして、Ｎ₂とＨ₂との混合ガスをＲＦパワー４００Ｗでプラズマ化した。一方、第１のガス供給管１３００のリング部１３１０の貫通孔から、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を０．０５ｓｃｃｍの供給量で供給した。これにより、Ｓｉ単結晶基板の上にＡｌＮを積層した。成膜時間は、３０分であった。なお、基板温度は、室温から８００℃までのいずれかの温度を用いた。つまり、室温、２００℃、４００℃、６００℃、８００℃であった。ただし、後述するグラフ上では、室温を０℃としてある。

１−５．評価
そして、成長させたＡｌＮ層をＸ線回折で評価した。図９は、基板温度とＸ線の回折強度を示すグラフである。図９に示すように、上記の基板温度では、いずれもＡｌＮの単結晶膜が得られることが分かった。また、基板温度が８００℃の近傍の場合に、ｃ面のＸ線回折の最大ピークが得られた。

このように、ＡｌＮ層を形成する際の基板温度は、０℃以上９００℃以下である。好ましくは、基板温度は、１００℃以上４００℃以下である。さらに好ましくは、基板温度は、７００℃以上８００℃以下である。

２．実施例２（多結晶基板の上の多結晶膜）
２−１．基板
実施例２では、ＡｌＮ多結晶基板を用いた。ＡｌＮ多結晶基板は、１０ｃｍ角であった。ＡｌＮ多結晶基板の厚みは４００μｍであった。

２−２．クリーニング
成膜に際して、第１の実施形態の製造装置１０００を用いた。まず、サーマルクリーニングを行った。キャリアガスは、Ｈ₂であった。その供給量は、７５０ｓｃｃｍであった。そして、ＲＦパワーを４００Ｗとして、Ｈ₂をプラズマ化してＳｉ単結晶基板に供給した。製造装置１０００の内部の圧力は１００Ｐａであった。基板温度は９５０℃であった。保持時間は１０分であった。

２−３．ＴＭＡの吸着
その後、シャワーヘッド電極１１００からＮ₂を７５０ｓｃｃｍの供給量で供給するとともにＨ₂を２５０ｓｃｃｍの供給量で供給した。このＮ₂とＨ₂との混合ガスについてはプラズマ化しなかった。一方、第１のガス供給管１３００のリング部１３１０の貫通孔から、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を０．０５ｓｃｃｍの供給量で供給した。ＴＭＡの供給時間は、１０分であった。基板温度は３００℃であった。

２−４．ＡｌＮ層
その後、シャワーヘッド電極１１００からＮ₂を７５０ｓｃｃｍの供給量で供給するとともにＨ₂を２５０ｓｃｃｍの供給量で供給した。そして、Ｎ₂とＨ₂との混合ガスをＲＦパワー４００Ｗでプラズマ化した。一方、第１のガス供給管１３００のリング部１３１０の貫通孔から、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を０．０５ｓｃｃｍの供給量で供給した。これにより、ＡｌＮ多結晶基板の上にＡｌＮを積層した。成膜時間は、５時間であった。なお、基板温度は、８００℃であった。

２−５．評価
そして、成長させたＡｌＮ層をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）で断面観察した。図１０は、その断面写真である。図１０に示すように、ＡｌＮ多結晶基板の上に約９０ｎｍの膜厚のＡｌＮ多結晶を成長させたことが確認された。

また、図１１のように成膜した薄膜を斜め入射シンクロトロン光ＸＲＤで評価した。その結果、成長した多結晶薄膜は、多結晶基板よりもＣ軸配向した良質な多結晶膜であることが分かった。

Ａ１…積層体
１０…基板
２０…バッファ層
３０…ＡｌＮ層
１００…半導体レーザー素子
２００、３００、４００…ＨＥＭＴ素子
５００…受動部品
６００…積層体
Ｇ１…ゲート電極
Ｓ１…ソース電極
Ｄ１…ドレイン電極
１０００…製造装置
１００１…炉本体
１１００…シャワーヘッド電極
１２００…サセプター
１３００…第１のガス供給管
１４２０…第２のガス供給管
１６００…ＲＦ電源

Claims

基板を準備する基板準備工程と、
前記基板に第１のIII 族窒化物層を形成する第１のIII 族窒化物層形成工程と、
前記第１のIII 族窒化物層に第２のIII 族窒化物層を形成する第２のIII 族窒化物層形成工程と、
を有し、
前記第１のIII 族窒化物層形成工程では、
III 族元素を含有する第１のガスをプラズマ化しないで前記基板に供給するとともに少なくとも窒素ガスを含有する第２のガスをプラズマ化して前記基板に供給して、前記第１のIII 族窒化物層としてバッファ層を形成し、
前記第２のIII 族窒化物層形成工程では、
III 族元素を含有する第１のガスをプラズマ化しないで前記第１のIII 族窒化物層に供給するとともに少なくとも窒素ガスを含有する第２のガスをプラズマ化して前記第１のIII 族窒化物層に供給して、前記第２のIII 族窒化物層を形成すること
を特徴とするIII 族窒化物半導体素子の製造方法。
請求項１に記載のIII 族窒化物半導体素子において、
前記第１のIII 族窒化物層形成工程では、
前記基板の温度を０℃以上５００℃以下の範囲内とし、
前記第２のIII 族窒化物層形成工程では、
前記基板の温度を０℃以上９００℃以下の範囲内とすること
を特徴とするIII 族窒化物半導体素子の製造方法。
請求項１または請求項２に記載のIII 族窒化物半導体素子において、
前記第２のIII 族窒化物層形成工程では、
前記第２のIII 族窒化物層としてＡｌＮ層もしくはＡｌＩｎＮ層もしくはＡｌＧａＮ層を形成すること
を特徴とするIII 族窒化物半導体素子の製造方法。
請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体素子において、
前記基板準備工程では、
単結晶基板を用い、
前記第２のIII 族窒化物層形成工程では、
単結晶から成る前記第２のIII 族窒化物層を形成すること
を特徴とするIII 族窒化物半導体素子の製造方法。
請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体素子において、
前記基板準備工程では、
多結晶基板を用い、
前記第２のIII 族窒化物層形成工程では、
多結晶から成る前記第２のIII 族窒化物層を形成すること
を特徴とするIII 族窒化物半導体素子の製造方法。
請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体素子において、
前記第２のIII 族窒化物層に第３のIII 族窒化物層を形成する第３のIII 族窒化物層形成工程を有し、
前記第３のIII 族窒化物層形成工程では、
ＭＯＳ型ＨＥＭＴ素子、ＭＩＳ型ＨＥＭＴ素子、半導体レーザー素子、半導体発光素子、スマートカット用基板、熱放出材のうちのいずれかの素子構造を形成すること
を特徴とするIII 族窒化物半導体素子の製造方法。
基板と、
前記基板の上の第１のIII 族窒化物層と、
前記第１のIII 族窒化物層の上の第２のIII 族窒化物層と、
を有するIII 族窒化物半導体素子において、
前記第１のIII 族窒化物層は、
III 族元素を含有する第１のガスをプラズマ化しないで前記基板に供給するとともに少なくとも窒素ガスを含有する第２のガスをプラズマ化して前記基板に供給することにより形成されたバッファ層であり、
前記第２のIII 族窒化物層は、
III 族元素を含有する第１のガスをプラズマ化しないで前記第１のIII 族窒化物層に供給するとともに少なくとも窒素ガスを含有する第２のガスをプラズマ化して前記第１のIII 族窒化物層に供給することにより形成された層であること
を特徴とするIII 族窒化物半導体素子。
請求項７に記載のIII 族窒化物半導体素子において、
前記第２のIII 族窒化物層は、
ＡｌＮ層もしくはＡｌＩｎＮ層もしくはＡｌＧａＮ層であること
を特徴とするIII 族窒化物半導体素子。
請求項７または請求項８に記載のIII 族窒化物半導体素子において、
前記基板は、
単結晶基板であり、
前記第２のIII 族窒化物層は、
III 族窒化物単結晶層を有すること
を特徴とするIII 族窒化物半導体素子。
請求項７または請求項８に記載のIII 族窒化物半導体素子において、
前記基板は、
III 族窒化物から成る多結晶基板であり、
前記第２のIII 族窒化物層は、
III 族窒化物多結晶層を有すること
を特徴とするIII 族窒化物半導体素子。