JP3634243B2 - Ｉｉｉ族窒化物半導体単結晶の作製方法及びｉｉｉ族窒化物半導体単結晶の使用方法 - Google Patents

Description

【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る、ＩＩＩ族窒化物半導体単結晶の作製方法及びＩＩＩ族窒化物半導体単結晶の使用方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、受光素子や発光素子などの基板には、ＧａＮやＡｌＮモル分率の比較的低いＡｌＧａＮ基板などのＩＩＩ族窒化物半導体が用いられている。
ＧａＮ基板は、例えば「Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ， ４８ （１９８６） ３５３」に記載されているように、サファイア基板上に低温ＡｌＮ緩衝層又はＧａＮ緩衝層を形成した後、この緩衝層上にＧａＮ半導体を結晶成長させることにより作製していた。しかしながら、ＧａＮ基板を用いて短波長発光素子又は短波長受光素子を作製した場合、十分なデバイス特性を発揮することのできる素子を作製することができなかった。
【０００３】
一方、このような短波長素子の基板としては、ＡｌＮを含むＩＩＩ族窒化物半導体が適していることが見出され、かかる窒化物半導体からなる基板の作製技術が種々検討された。
例えば、「Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ， ２７ （１９８８） １１５６」に記載されているように、サファイア基板上に低温緩衝層を形成するとともに、この低温緩衝層上にＧａＮ層を結晶成長させ、このＧａＮ層上にＡｌＧａＮ半導体層を結晶成長させることにより、ＡｌＧａＮ半導体単結晶を得ることが記載されている。
【０００４】
また、「ＭＲＳ ｉｎｔｅｒｎｅｔ Ｊｏｕｒｎａｌ Ｎｉｔｒｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄ． Ｒｅｓ． ４Ｓ１ （１９９９） Ｇ１０．１」には、サファイア基板上に低温緩衝層を形成するとともに、この緩衝層上にＧａＮ層を結晶成長させ、さらにＡｌＮ中間層又はＡｌＧａＮ中間層を形成した後、この中間層上にＡｌＧａＮ半導体層を結晶成長させ、このＡｌＧａＮ半導体層を半導体単結晶基板として用いることが記載されている。
【０００５】
しかしながら、上記のようにして作製したＡｌＧａＮ半導体単結晶基板には、ＧａＮ層中の１０^８ｃｍ^―２以上の貫通転位に起因して多量の転位が含まれている。このため、このようにして作製した基板上に形成したデバイスはその性能を十分に発揮することができない場合があった。
【０００６】
半導体中の転位密度を低減するための作製技術としては、「Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ， ３６ （１９９７） Ｌ８９９」にＥＬＯ技術、「ＭＲＳ ｉｎｔｅｒｎｅｔ Ｊｏｕｒｎａｌ Ｎｉｔｒｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄ． Ｒｅｓ．４Ｓ１， Ｇ３．３７ （１９９９）」におけるＰＥＮＤＥＯエピタキシー技術、及び「第４６回秋期応用物理学関係関連講演会 講演予稿集Ｎｏ．１ （１９９９）ｐ４１６」における周期溝構造技術などが提案されている。
【０００７】
ＥＬＯ技術は、サファイア基板上に低温緩衝層を形成した後、この緩衝層上にＧａＮ層を形成し、このＧａＮ層上にＳｉＯ_２などの選択性を有する誘電体材料からなるストライプ状の層を形成する。その後、この層から横方向への選択成長させることにより、低転位の例えばＧａＮ半導体を形成する技術である。
【０００８】
また、ＰＥＮＤＥＯエピタキシー技術は、サファイア基板上に低温緩衝層を形成した後、この緩衝層上にＧａＮ層を形成する。そして、このＧａＮ層に前記サファイア基板まで貫通するストライプ状の底面を有する凹部を形成する。そして、この凹部の段差を埋めるようにして、例えばＧａＮ半導体を横方向成長させることにより形成する。すると、ＧａＮ半導体の前記凹部上方の部分は低転位となっているため、この部分を基板として用いるものである。
【０００９】
さらに、周期溝構造技術は、同じくサファイア基板上に低温緩衝層を形成した後、この緩衝層上にＧａＮ層を形成する。そして、このＧａＮ層の主面にストライプ状の段差を形成し、この段差を埋めるようにして、例えばＧａＮ半導体を形成するものである。すると、ＧａＮ半導体の前記段差上方の部分は低転位となっているため、この部分を基板として使用するものである。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような低転位技術においては、特にＡｌＮを含有する半導体を作製することが不可能であった。
例えば、ＥＬＯ技術においては、ＡｌＮを含有する混晶に対して選択性を有し、かつこの混晶の結晶成長温度で安定な誘電体材料が見出されていない。したがって、多結晶のＡｌＮやそれを含む混晶が誘電体材料上に付着してしまい、基板として用いることのできるＡｌＮ含有半導体単結晶を得ることができない。
【００１１】
また、ＰＥＮＤＥＯエピタキシー技術においても、凹部中に露出したサファイア基板の主面上に多結晶のＡｌＮ半導体が付着してしまう。さらに、周期溝構造技術においては、段差を有するＧａＮ層とその上に形成したＡｌＧａＮ半導体層との講師不整合に起因して、ＡｌＧａＮ半導体層にクラックが発生してしまう。したがって、これらの技術によっても基板として使用することが可能なＡｌＮ含有半導体単結晶を得ることができないでいた。
【００１２】
本発明は、低転位で結晶性に優れ、半導体基板として使用することが可能なＩＩＩ族窒化物半導体単結晶の作製方法を提供すること、及び前記半導体基板を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく、本発明は、
所定の単結晶基板の主面上に、緩衝層を結晶成長により形成する工程と、
前記緩衝層の主面上に、下地層を結晶成長により形成する工程と、
前記下地層の主面からエッチングを施すことにより前記下地層を部分的に除去し、前記下地層にステップ状の底面を有する第１の凹部を形成する工程と、
少なくとも前記下地層の主面上に、前記第１の凹部の段差を残存させるようにして、前記凹部を含む前記下地層の全面に中間層を結晶成長により形成する工程と、
前記中間層上に、前記第１の凹部に起因した段差を埋めるようにして第１のIII族窒化物半導体層を前記中間層からの結晶成長により形成する工程と、
を含むことを特徴とする、III族窒化物半導体単結晶の作製方法に関する。
【００１４】
本発明者らは、低転位で結晶性に優れたＩＩＩ族窒化物半導体単結晶を得るべく鋭意検討を行った。
その結果、従来のように、例えばサファイア基板上に緩衝層を形成した後、この緩衝層上に下地層を形成するとともにこの下地層に上記のような凹部を形成し、さらにこの下地層上に、前記凹部の段差が残存するようにして中間層を介して半導体層を形成することにより、この半導体層中の転位密度が減少し、優れた結晶性を示すことを見出した。そして、前記半導体層を基板として用いることにより、低転位で結晶性に優れた半導体単結晶基板が得られることを見出したものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を発明の実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の作製方法を実施して得られたアセンブリ構成を示す図である。そして、図１におけるＡｌＧａＮ半導体層６が、低転位かつ結晶性に優れた本発明の目的とする半導体単結晶に相当する。
以下、図１に示すアセンブリを構成することにより、ＡｌＧａＮ半導体単結晶を得る場合について、本発明の作製方法を詳細に説明する。
【００１６】
最初に、図１に示すように、（０００１）サファイア基板１の主面上にＡｌＮ緩衝層２を形成する。このＡｌＮ緩衝層２は、好ましくは３００〜７００℃の低温で、例えば有機金属化合物気相成長法により、エピタキシャル成長させることによって形成する。ＡｌＮ緩衝層２の厚さは、１０〜１００ｎｍであることが好ましい。
【００１７】
なお、緩衝層を構成する半導体はＡｌＮに限定されるものではないが、結晶成長を容易にして結晶性に優れたＩＩＩ族窒化物半導体単結晶を得るためには、窒化物半導体から構成されることが好ましい。特に、ＡｌＧａＮ半導体単結晶を得るためには、図１に示すように、ＡｌＮから構成することが好ましい。
【００１８】
次に、ＡｌＮ緩衝層２の主面上にＧａＮ下地層３を形成する。このＧａＮ下地層３は、好ましくは８００〜１３００℃で、例えば有機金属化合物気相成長法により、エピタキシャル成長させることによって形成する。ＧａＮ下地層３の厚さは、３００ｎｍ以上であることが好ましい。
なお、下地層を構成する半導体はＧａＮに限定されるものではないが、結晶成長を容易にして結晶性に優れたＩＩＩ族窒化物半導体単結晶を得るためには、窒化物半導体から構成されることが好ましい。
【００１９】
次に、ＧａＮ下地層３の主面からエッチングを施すことにより部分的に除去し、ステップ状の底面４Ａを有する凹部４を形成する。
エッチングは好ましくは塩素系ガスを用いた反応性イオンエッチングにより行うことが好ましい。かかる反応性イオンエッチングは選択性に優れるので、凹部４を短時間で形成できるとともに、凹部４の底面４Ａにおけるステップを容易に形成することができる。
【００２０】
なお、凹部４の底面４Ａのステップは段差状であれば、その具体的な形状については特に限定されない。しかしながら、ストライプ状の段差を有するように形成することによって、結晶成長を容易にし、低転位かつ結晶性に優れた半導体単結晶を得ることができる。
また、図１に示すようなアセンブリからＡｌＧａＮ半導体単結晶を作製する場合、凹部４の深さｄは３００ｎｍ以上であることが好ましく、幅Ｗは１〜２０μｍであることが好ましい。
【００２１】
次いで、ＧａＮ下地層３上に、凹部４の段差が残存するようにしてＡｌＮ中間層５を形成する。このＡｌＮ中間層５は、好ましくは３００〜７００℃の低温で、例えば有機金属化合物気相成長法により、エピタキシャル成長させることによって形成する。ＡｌＮ中間層５の厚さは、１０〜１００ｎｍであることが好ましい。
なお、中間層を構成する半導体はＡｌＮに限定されるものではないが、結晶成長を容易にして結晶性に優れたＩＩＩ族窒化物半導体単結晶を得るためには、窒化物半導体から構成されることが好ましい。具体的には、ＡｌＮの他にＡｌ_ａＧａ_{１−ａ−ｂ}Ｉｎ_ｂＮ（０≦ａ≦１，０≦ｂ≦１）の一般式で表される半導体などから構成することができる。
【００２２】
次いで、ＡｌＮ中間層５上に、ＡｌＧａＮ半導体層６を、凹部４に起因した段差を埋めるようにして形成する。この場合においても、ＡｌＧａＮ半導体層６は８００〜１３００℃で、例えば有機金属化合物気相成長法を用いることにより形成する。ＡｌＧａＮ半導体層６の厚さは、所望する基板の厚さに応じて任意の厚さに形成する。
【００２３】
図２は、本発明の作製方法を実施して得られた他のアセンブリ構成を示す図である。そして、図２におけるＡｌＧａＮ半導体層１６が、低転位かつ結晶性に優れた本発明の目的とする半導体単結晶に相当する。
図２に示すアセンブリ構成は、ＡｌＮ中間層１５がＧａＮ下地層３の主面３Ａのみに形成されている点において図１に示すアセンブリ構成と相違する。このようにＧａＮ下地層３の少なくとも主面３Ａ上にＡｌＮ中間層を形成すれば、本発明の目的とする半導体単結晶を得ることができる。この場合において、ＡｌＮ中間層１５は凹部４内に形成されないので、凹部４はそのままの状態で残存する。
なお、その他のＡｌＮ緩衝層などについては、図１の場合と同様にして形成する。
【００２４】
また、図１及び図２では示されていないが、ＡｌＧａＮ半導体層６又は１６（第１のＩＩＩ族窒化物半導体層）の主面６Ａ又は１６Ａからエッチング処理を施して、凹部４（第１の凹部）と異なる位置に追加の凹部（第２の凹部）を形成し、この凹部を埋めるようにしてＡｌＧａＮ半導体層６又は１６上にＡｌＧａＮ半導体層などのＩＩＩ族窒化物半導体層（第２のＩＩＩ族窒化物半導体層）を形成することもできる。
【００２５】
このように凹部を介して再度形成された第２のＩＩＩ族窒化物半導体層は、図１及び２に示すＡｌＧａＮ半導体層などの第１のＩＩＩ族窒化物半導体層と比較して転位濃度がさらに低下する。したがって、このようなＩＩＩ族窒化物半導体層により極めて転位密度の低い半導体単結晶を得ることができる。
そして、上記のようにして形成された第１のＩＩＩ族窒化物半導体層並びに第２のＩＩＩ族窒化物半導体層を基板として用いることにより、低転位かつ結晶性に優れた半導体単結晶基板を得ることができる。
【００２６】
【実施例】
以下、実施例において本発明の作製方法における具体例を示す。
本実施例においては、図１に示すようなアセンブリを構成し、ＡｌＧａＮ半導体層を形成した。
基板１には上述したような（０００１）サファイア基板を用いた。そして、この基板１の主面上に、５００℃の低温で、トリメチルアンモニア（ＴＭＡ）ガス及びアンモニア（ＮＨ_３）ガスを用いた有機金属化合物気相成長法によってＡｌＮ緩衝層２を厚さ２０ｎｍに形成した。
次いで、ＡｌＮ緩衝層２の主面上に、約１０００℃で、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）ガス及びアンモニアガスを用いた有機金属化合物気相成長法によって、ＧａＮ下地層３を厚さ１μｍに形成した。
【００２７】
その後、Ｃｌ_２ガスを用いた反応性イオンエッチングをＧａＮ下地層３の主面から実施して、底面４Ａがストライプ状のステップを有する凹部４を深さｄが５μｍ、幅Ｗが５μｍとなるように形成した。
図３は、このようにして形成した凹部４の底面４Ａの表面顕微鏡写真である。図から明らかなように、凹部４の底面４Ａは等間隔のステップを有するストライプ状となっていることが分かる。
【００２８】
次いで、凹部４を含んだＧａＮ下地層の全面に、約５００℃の低温で、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）ガス及びアンモニアガスを用いた有機金属化合物気相成長法によって、ＡｌＮ中間層５を凹部４に起因した段差が残存するようにして厚さ２０ｎｍに形成した。
次いで、ＡｌＮ中間層５上に凹部４に起因した段差を埋めるようにして、ＡｌＮを０．２モルパーセント含有したＡｌＧａＮ半導体層６を形成した。
【００２９】
ＡｌＧａＮ半導体層６の表面顕微鏡写真を図４に示す。図４から明らかなように、ＡｌＧａＮ半導体層６の表面は極めて平坦かつ平滑であり、クラックなどのない良好な結晶性を示すことが分かる。
また、このようにして作製したアセンブリの、透過型電子顕微鏡による断面写真を図５に示す。図５から明らかなように、凹部４の上方において、ＡｌＧａＮ半導体層６中における転位濃度の低い部分が形成されていることが分かる。
したがってかかる低転位濃度部分を基板として用いることにより、低転位かつ結晶性に優れたＡｌＧａＮ半導体単結晶基板を提供することができる。
【００３０】
なお、比較のため、図１におけるＡｌＮ中間層５を形成することなく、ＧａＮ下地層３上に直接ＡｌＧａＮ半導体層を形成した。図６は、このようにして形成したＡｌＧａＮ半導体層の表面顕微鏡写真である。図から明らかなように、この場合においては、ＡｌＧａＮ半導体層の多数のクラックが発生し、本発明の方法によって作製した場合と比較して、結晶性に劣ることが分かる。
【００３１】
以上、具体例を挙げながら発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。
例えば、図１及び２においては、ＧａＮ下地層３の下部が残存するようにして凹部４を形成しているが、ＧａＮ下地層３及びＡｌＮ緩衝層２を貫通し、サファイア基板の主面が露出するように形成することもできる。
また、必要に応じてＡｌＧａＮ半導体層６又は１６にＳｉ、Ｇｅなどのドナー不純物、あるいはＭｇなどのアクセプタ不純物を添加することにより、導電性を持たせることもできる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の作製方法によれば、低転位で結晶性に優れ、半導体基板として使用することが可能なＩＩＩ族窒化物半導体単結晶を作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の作製方法を実施することにより得られたアセンブリを示す図である。
【図２】本発明の作製方法を実施することにより得られた他のアセンブリを示す図である。
【図３】ＧａＮ下地層に形成された凹部底面の表面顕微鏡写真である。
【図４】本発明の作製方法によって得たＡｌＧａＮ半導体層の表面顕微鏡写真である。
【図５】本発明の作製方法を実施することにより得られたアセンブリにおける、透過型電子顕微鏡による断面写真である。
【図６】ＡｌＮ中間層を形成することなく、ＧａＮ下地層に直接形成したＡｌＧａＮ半導体層の表面顕微鏡写真である。
【符号の説明】
１ （０００１）サファイア基板
２ ＡｌＮ緩衝層
３ ＧａＮ下地層
４ 凹部
５、１５ ＡｌＮ中間層
６、１６ ＡｌＧａＮ半導体層

Claims (9)

1. 所定の単結晶基板の主面上に、緩衝層を結晶成長により形成する工程と、
   前記緩衝層の主面上に、下地層を結晶成長により形成する工程と、
   前記下地層の主面からエッチングを施すことにより前記下地層を部分的に除去し、前記下地層にステップ状の底面を有する第１の凹部を形成する工程と、
   少なくとも前記下地層の主面上に、前記第１の凹部の段差を残存させるようにして、前記凹部を含む前記下地層の全面に中間層を結晶成長により形成する工程と、
   前記中間層上に、前記第１の凹部に起因した段差を埋めるようにして第１のIII族窒化物半導体層を前記中間層からの結晶成長により形成する工程と、
   を含むことを特徴とする、III族窒化物半導体単結晶の作製方法。
2. 前記緩衝層は、３００〜７００℃の低温でエピタキシャル成長させた窒化物半導体からなることを特徴とする、請求項１に記載のIII族窒化物半導体単結晶の作製方法。
3. 前記下地層は、８００〜１３００℃でエピタキシャル成長させた窒化物半導体からなることを特徴とする、請求項１又は２に記載のIII族窒化物半導体単結晶の作製方法。
4. 前記下地層のエッチング除去は、塩素系ガスを用いた反応性イオンエッチングにより行うことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載のIII族窒化物半導体単結晶の作製方法。
5. 前記第１の凹部の底面はストライプ状の段差を有することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一に記載のIII族窒化物半導体単結晶の作製方法。
6. 前記中間層は、３００〜７００℃の低温でエピタキシャル成長させた窒化物半導体からなることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一に記載のIII族窒化物半導体単結晶の作製方法。
7. 前記第１のIII族窒化物半導体の主面からエッチングを施すことにより、前記下地層に形成された前記第１の凹部と異なる位置に第２の凹部を形成する追加の工程と、
   前記第１のIII族窒化物半導体上に、前記第２の凹部を埋めるようにして第２のIII族窒化物半導体層を形成する追加の工程と、
   を含むことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一に記載のIII族窒化物半導体の作製方法。
8. 請求項１〜７のいずれか一に記載の方法により形成された前記第１のIII族窒化物半導体を、半導体単結晶基板として使用することを特徴とする、III族窒化物半導体の使用方法。
9. 請求項８に記載の方法により形成された前記第２のIII族窒化物半導体を、半導体単結晶基板として使用することを特徴とする、III族窒化物半導体の使用方法。

Images