(57)【要約】【課題】異種基板の上に、結晶品質がより高い窒化物半導体層が成長できるようにする。【解決手段】まず、第１工程Ｓ１０１で、窒化物半導体とは異なる結晶から構成された基板（異種基板）の上に窒化物半導体からなるバッファー層を結晶成長する。第１工程Ｓ１０１では、バッファー層を構成する窒化物半導体が分解する範囲の温度条件で、バッファー層の成長表面に、バッファー層を構成する窒化物半導体のＩＩＩ族元素が析出しない範囲の厚さにバッファー層を結晶成長する。第２工程Ｓ１０２で、バッファー層の上に窒化物半導体からなる半導体層をエピタキシャル成長する。第２工程では、半導体層を構成する窒化物半導体が分解しない範囲の温度条件で半導体層をエピタキシャル成長する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体とは異なる結晶から構成された基板の上に窒化物半導体からなるバッファー層を結晶成長する第１工程と、
前記バッファー層の上に窒化物半導体からなる半導体層をエピタキシャル成長する第２工程と
を備え、
前記第１工程では、前記バッファー層を構成する窒化物半導体が分解する範囲の温度条件で、前記バッファー層の成長表面に、前記バッファー層を構成する窒化物半導体のＩＩＩ族元素が析出しない範囲の厚さに前記バッファー層を結晶成長し、
前記第２工程では、前記半導体層を構成する窒化物半導体が分解しない範囲の温度条件で前記半導体層をエピタキシャル成長する
ことを特徴とする窒化物半導体層の成長方法。
【請求項２】
請求項１記載の窒化物半導体層の成長方法において、
前記バッファー層は、ＩｎＮから構成し、
前記第１工程では、温度条件を５５０℃以上とする
ことを特徴とする窒化物半導体層の成長方法。
【請求項３】
請求項２記載の窒化物半導体層の成長方法において、
前記第１工程では、前記バッファー層を厚さ３０ｎｍ以下に成長する
ことを特徴とする窒化物半導体層の成長方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物半導体層の成長方法において、
前記基板は、六方晶系の結晶から構成され、前記基板の表面は、ｃ面とされていることを特徴とする窒化物半導体層の成長方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の窒化物半導体層の成長方法において、
前記基板は、サファイア基板であることを特徴とする窒化物半導体層の成長方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の窒化物半導体層の成長方法において、
前記半導体層は、ＩｎＮから構成することを特徴とする窒化物半導体層の成長方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サファイアなどの窒化物半導体とは異なる結晶から構成された基板の上に窒化物半導体からなる半導体層を成長する窒化物半導体層の成長方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来では、ＩｎＮなどの窒化物半導体は、青色や短波長領域の発光ダイオードなどの半導体材料として幅広く使われている。窒化物半導体は、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法や分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法などを用いて成長されているが、成長基板として、窒化物半導体ではないサファイア基板、Ｓｉ基板、ＳｉＣ基板などの異種基板が用いられることが多い。
【０００３】
ここで、これらの異種基板上へ、ＩｎＮなどの窒化物半導体を直接成長させると、良好な窒化物半導体層が得られないことが知られている。このため、結晶品質の高い窒化物半導体層を成長するために、様々な技術が開発されている。例えば、厚さ３０ｎｍ程度のＩｎＮバッファー層を、成長温度３００℃の低温で成長し、この低温成長ＩｎＮ層の上に、金属Ｉｎが析出しない範囲の成長温度５５０℃程度の高温でＩｎＮ層を成長する方法（二段階成長法）がある（非特許文献１参照）。この２段階成長法により、図９に示すように、ｃ面サファイア基板２０１の上に、低温で成長したＩｎＮバッファー層２０２を介して高温で成長したＩｎＮ層２０３が形成される。
【０００４】
ただし、サファイア基板２０１上に３００℃で成長したＩｎＮバッファー層２０２は、平坦であるが、成長温度が低いので、十分な結晶品質を得ることができないと報告されている。一方で、ＩｎＮは、成長温度条件が５５０℃以上で分解するので、５５０℃以上の成長温度でＩｎＮ薄膜を成長した場合には、成長表面に金属Ｉｎが析出する。従って、層厚の厚いＩｎＮ層を得るためには、金属Ｉｎが析出しない温度範囲で、できるだけ高温でＩｎＮ層を成長することが望ましいとされている（非特許文献１参照）。
【０００５】
また、上述した技術では、低温バッファー層は平坦であるが、結晶性が十分でないので、比較的高い温度で成長したＩｎＮ層をバッファー層として用いる報告例もある（非特許文献２参照）。この報告によれば、図１０に示すように、ｃ面サファイア基板３０１の上に、成長温度５２０℃という比較的高温でＩｎＮバッファー層３０２を成長し、この後、前述した二段階成長法を用い、比較的低温で成長したＩｎＮバッファー層３０３を形成し、この上に、約４００ｎｍのＩｎＮ層３０４を成長している。
【０００６】
５２０℃という比較的高温で成長したＩｎＮバッファー層３０２の厚さは、約１０ｎｍである。また、約４００ｎｍの厚さの厚いＩｎＮ層３０４の成長温度は５５０℃であるので、ｃ面サファイア基板３０１の上に成長したＩｎＮバッファー層３０２の成長温度よりも高い。なお、ｃ面サファイア基板３０１上に成長したＩｎＮバッファー層３０２の成長温度は、ＩｎＮが分解する温度より低く、成長表面に金属Ｉｎが析出しない成長温度の範囲内である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】名西  他、「ＩｎＮおよびＩｎＧａＮの結晶成長と構造および特性の評価」、応用物理、第７２巻、第５号、５６５−５７１頁、２００３年。
【非特許文献２】山口  智広  他、「高温ＩｎＮバッファ層導入による高品質ＩｎＮ膜の実現」、日本結晶成長学会誌、３０巻、３号、９５頁、２００３年。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前述したように、従来の技術では、非特許文献２の方法であっても、バッファー層の成長温度が、高い結晶性が得られる温度より低い。このため、従来の技術では、異種基板の上に、結晶品質がより高い窒化物半導体層を成長することができないという問題があった。
【０００９】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、異種基板の上に、結晶品質がより高い窒化物半導体層が成長できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る窒化物半導体層の成長方法は、窒化物半導体とは異なる結晶から構成された基板の上に窒化物半導体からなるバッファー層を結晶成長する第１工程と、バッファー層の上に窒化物半導体からなる半導体層をエピタキシャル成長する第２工程とを備え、第１工程では、バッファー層を構成する窒化物半導体が分解する範囲の温度条件で、バッファー層の成長表面に、バッファー層を構成する窒化物半導体のＩＩＩ族元素が析出しない範囲の厚さにバッファー層を結晶成長し、第２工程では、半導体層を構成する窒化物半導体が分解しない範囲の温度条件で半導体層をエピタキシャル成長する。
【００１１】
上記窒化物半導体層の成長方法において、バッファー層は、ＩｎＮから構成し、第１工程では、温度条件を５５０℃以上とすればよい。この場合、第１工程では、バッファー層を厚さ３０ｎｍ以下に成長すればよい。
【００１２】
上記窒化物半導体層の成長方法において、基板は、六方晶系の結晶から構成され、基板の表面は、ｃ面とされているとよい。
【００１３】
上記窒化物半導体層の成長方法において、基板は、サファイア基板であればよい。
【００１４】
上記窒化物半導体層の成長方法において、半導体層は、ＩｎＮから構成されていればよい。
【発明の効果】
【００１５】
以上説明したように、本発明によれば、異種基板の上に、窒化物半導体が分解する範囲の温度条件で、バッファー層の成長表面に、窒化物半導体のＩＩＩ族元素が析出しない範囲の厚さにバッファー層を結晶成長するようにしたので、異種基板の上に、結晶品質がより高い窒化物半導体層が成長できるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明の実施の形態おける窒化物半導体層の成長方法について説明するフローチャートである。
【図２】図２は、実施の形態における窒化物半導体層の成長方法により形成された窒化物半導体層の層構成を示す断面図である。
【図３】図３は、実施例で作製した厚さ２００ｎｍのＩｎＮ層の表面を走査型電子顕微鏡で観察した結果を示す写真である。
【図４】図４は、実施例で作製した各条件のＩｎＮ層に対して、Ｘ線回折のωスキャンスペクトルを測定した。これらのωスキャンスペクトルにおけるＩｎＮ層のピークの半値幅と成長温度との関係を示す特性図である。
【図５】図５は、実施例で作製した本発明における半導体層と、成長温度６００℃で、ｃ面サファイア基板の上に直接成長したＩｎＮ層（比較例）との、Ｘ線回折スペクトル（２θ−ωスキャン）の比較を示す特性図である。
【図６】図６は、６００℃の高温で成長したＩｎＮバッファー層の厚さと、ＩｎＮによる半導体層の電子濃度との関係を示す特性図である。
【図７】図７は、６００℃の高温で成長したＩｎＮバッファー層の厚さと、ＩｎＮによる半導体層における電子の移動度との関係を示す特性図である。
【図８】図８は、高温ＩｎＮバッファー層の成長温度と、この上に成長したＩｎＮ層における電子の移動度との関係を示す特性図である。
【図９】図９は、２段階成長法により形成された窒化物半導体層の層構成を示す断面図である。
【図１０】図１０は、非特許文献２に報告された窒化物半導体層の層構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態おける窒化物半導体層の成長方法について図１を参照して説明する。
【００１８】
まず、第１工程Ｓ１０１で、窒化物半導体とは異なる結晶から構成された基板（異種基板）の上に窒化物半導体からなるバッファー層を結晶成長する。基板は、例えば、サファイア基板など六方晶系の結晶から構成され、表面（成長面）がｃ面とされていればよい。第１工程Ｓ１０１では、バッファー層を構成する窒化物半導体が分解する範囲の温度条件で、バッファー層の成長表面に、バッファー層を構成する窒化物半導体のＩＩＩ族元素が析出しない範囲の厚さにバッファー層を結晶成長する。例えば、バッファー層は、ＩｎＮから構成し、第１工程では、温度条件を５５０℃以上とすればよい。また、バッファー層は、厚さ３０ｎｍ以下に成長すればよい。
【００１９】
次に、第２工程Ｓ１０２で、バッファー層の上に窒化物半導体からなる半導体層をエピタキシャル成長する。第２工程では、半導体層を構成する窒化物半導体が分解しない範囲の温度条件で半導体層をエピタキシャル成長する。例えば、半導体層をＩｎＮから構成する場合、第２工程では、５５０℃未満の成長温度条件とすることができる。実施の形態における窒化物半導体層の成長方法によれば、異種基板の上に窒化物半導体からなるバッファー層を、より高い結晶品質で成長できる高温で形成して高い結晶品質が得られているので、あまり高い成長温度とすることなく、高い結晶品質が維持された状態で、半導体層をエピタキシャル成長することができる。
【００２０】
以上に説明した実施の形態における窒化物半導体層の成長方法により、図２に示すように、サファイアなどによる異種基板１０１の上に、窒化物半導体からなるバッファー層１０２が結晶成長され、バッファー層１０２の上に、窒化物半導体からなる半導体層１０３がエピタキシャル成長した状態が得られる。
【００２１】
従来の二段階成長法では、低温において成長した薄い窒化物半導体のバッファー層の上に、より高温で窒化物半導体層を成長することで、バッファー層に高温の熱処理が加わる状態とし、引き続き成長する窒化物半導体薄膜のための高い結晶品質の成長表面を形成する。このように、高温で窒化物半導体層を成長することによって得られる高い結晶品質の成長表面をもとにして窒化物半導体層成長することで、窒化物半導体層の結晶性を向上させている。
【００２２】
これに対して、本発明では、高温で薄く窒化物半導体を結晶成長させてバッファー層を形成することで、バッファー層の表面（成長表面）を高い結晶品質に形成する。
【００２３】
ここで、例えば、ＩｎＮは５５０℃以上で分解するので、ＩｎＮをバッファー層として高温で厚く形成すると、成長表面に金属Ｉｎが析出するとともに、島状成長が起こるので、表面の平坦性は劣化する。このため、従来の技術では、ＩｎＮが分解しない５５０℃未満の温度でＩｎＮによるバッファー層の成長が行われてきた。
【００２４】
しかしながら、異種基板の上であっても、５５０℃以上で成長したＩｎＮ層（バッファー層）においては、後述するように、Ｘ線回折のωスキャンスペクトルの半値幅は極めて狭くなる。このことは、分解が始まる５５０℃以上の高温で成長したＩｎＮ層自体の結晶配向性が大幅に向上することを示している。
【００２５】
また、本発明では、高温で成長するＩｎＮ層（バッファー層）の厚さを３０ｎｍ以下と薄くするこことで、成長表面における金属Ｉｎの析出を抑制している。
【００２６】
これらの結果、本発明によれば、異種基板の上に形成したバッファー層の上に、窒化物半導体による厚い半導体層を、高い結晶品質でエピタキシャル成長することができる。
【００２７】
［実施例］
以下、実施例を用いてより詳細に説明する。まず、プラズマＭＢＥ法を用い、ｃ面サファイア基板上にＩｎＮ層を直接成長した。ＩｎＮ層の成長においては、ＩｎセルからＩｎの分子線を加熱した基板表面に照射するとともに、プラズマで活性化した窒素ガスを基板表面に供給した。窒素ガスの流量は２ｓｃｃｍとし、プラズマパワーは５００Ｗとした。また、ＩｎＮ層の厚さを２００ｎｍと固定して、成長温度を、２００℃、３００℃、４００℃、５００℃、６００℃変化させ、これらの成長温度毎にＩｎＮ層を直接成長した。なお、ｓｃｃｍは流量の単位であり、０℃・１０１３ｈＰａの流体が１分間に１ｃｍ3流れることを示す。
【００２８】
これらのＩｎＮ層の表面の走査型電子顕微鏡像（ＳＥＭ像）を図３に示す。成長した層の厚さを２００ｎｍと厚く形成しているため、温度条件によっては、ＩｎＮ層の成長表面は、平坦性が悪化して凹凸が形成されている。成長温度が高くなるとともに、凹凸が大きくなり、表面の平坦性が劣化する。
【００２９】
また、各条件のＩｎＮ層に対して、Ｘ線回折のωスキャンスペクトルを測定した。これらのωスキャンスペクトルにおけるＩｎＮ層のピークの半値幅と成長温度との関係を図４に示す。成長温度が高くなるとともに、半値幅が急激に減少する。特に、成長温度６００℃の条件では、半値幅が極めて狭い。また、成長温度６００℃の条件では、結晶の径が大きいので、この上に形成する窒化物半導体の層の結晶核として利用できると考えられる。
【００３０】
以上のことを踏まえて、６００℃の高温で成長した厚さの薄いＩｎＮによるバッファー層を用い、この上に、成長温度３００℃でＩｎＮからなる半導体層を、厚さ２００ｎｍにエピタキシャル成長した。このようにして形成（エピタキシャル成長）したＩｎＮからなる半導体層と、成長温度６００℃で、ｃ面サファイア基板の上に直接成長したＩｎＮ層（比較例）との、Ｘ線回折スペクトル（２θ−ωスキャン）の比較を図５示す。なお、バッファー層は、厚さ３０ｎｍとした。
【００３１】
前述したように、ＩｎＮの分解温度を超える６００℃でＩｎＮを厚く成長すると、成長したＩｎＮの表面の平坦性が劣化する。このため、６００℃と高温で成長したＩｎＮバッファー層の厚さ３０ｎｍとは、ＩｎＮバッファー層の表面の平坦性が劣化しない成長温度で成長した場合の範囲の厚さを示している。
【００３２】
従来の報告例と同様に、成長温度６００℃でｃ面サファイア基板の上に直接成長した比較例のＩｎＮ層では、図５の（ｂ）に示すように、金属Ｉｎの析出によるピークが観測された。これに対し、本発明によるＩｎＮからなる半導体層は、図５の（ａ）に示すように、金属Ｉｎの析出は観測されなかった。この理由としては、６００℃で成長するＩｎＮバッファー層の厚さを３０ｎｍまで薄くしていることが考えられる。このため、本発明において、高温で成長するＩｎＮからなるバッファー層の厚さは、３０ｎｍ以下であることが望ましい。
【００３３】
次に、実施の形態におけるＩｎＮからなる半導体層、および比較例のＩｎＮ層の各々に、蒸着法などによりＡｌ／Ａｕ電極を形成し、この電極を用いてｖａｎ  ｄｅｒ  Ｐａｕｗ法を用いたホール効果測定を行った。実施の形態におけるＩｎＮからなる半導体層においては、この下に形成しているバッファー層の層厚が異なる複数のサンプルについて、測定を実施している。なお、実施の形態におけるＩｎＮからなる半導体層および、比較例のＩｎＮ層のいずれも、ｎ型伝導を示した。
【００３４】
図６に、６００℃の高温で成長したＩｎＮバッファー層の厚さと、ＩｎＮによる半導体層の電子濃度との関係を示す。高温バッファー層を用いずに、ｃ面サファイア基板上にＩｎＮ層を直接成長した比較例の電子濃度は、バッファー層の厚さを０ｎｍとしてプロットしている。図６に示すように、バッファー層の有無にかかわらず、電子濃度はほぼ一定である。
【００３５】
図７に、６００℃の高温で成長したＩｎＮバッファー層の厚さと、ＩｎＮによる半導体層における電子の移動度との関係を示す。高温バッファー層を用いずに、ｃ面サファイア基板上にＩｎＮ層を直接成長した比較例における電子の移動度は、バッファー層の厚さを０ｎｍとしてプロットしている。本発明の特徴である高温で成長したＩｎＮバッファー層を用いることにより、電子の移動度が１０倍も増加している。このように、本発明により、ＩｎＮ層の結晶品質を飛躍的に向上させることができる。
【００３６】
図８に、高温ＩｎＮバッファー層の成長温度と、この上に成長したＩｎＮ層における電子の移動度との関係を示す。バッファー層の厚さを３０ｎｍとし、ＩｎＮ層の厚さを２００ｎｍとし、バッファー層の成長温度を変化させて移動度を測定した。ＩｎＮからなるバッファー層の成長温度を５５０℃以上とすることで、この上に形成したＩｎＮ層においては、高い電子の移動度が得られることがわかる。従って、ＩｎＮからなるバッファー層の成長温度は、５５０℃以上であることが望ましい。
【００３７】
なお、上述では、窒化物半導体としてＩｎＮを例に説明したが、これに限るものではなく、窒化物半導体は、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮであっても同様の効果が期待できる。ただし、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮを、ＩｎＮバッファー層に引き続いて成長する場合、各窒化物半導体の成長に適した温度条件とすればよく、半導体層のエピタキシャル成長において、バッファー層の成長温度以上であってもよい。
【００３８】
また、上述した実施例では、窒化物半導体とは異なる異種基板としてｃ面サファイア基板の例を示したが、ａ面やｍ面などのサファイア基板、さらには、Ｓｉ基板やＳｉＣ基板を用いた場合でも同様な効果が期待できる。また、上述した実施例では、ＩｎＮからなる半導体層の厚さを２００ｎｍとしたが、これに限るものではなく、バッファー層の上に形成する半導体層の層厚は、例えば、２００ｎｍ以上としてもよいことは言うまでもない。
【００３９】
以上に説明したように、本発明によれば、異種基板の上に、窒化物半導体が分解する範囲の温度条件で、バッファー層の成長表面に、窒化物半導体のＩＩＩ族元素が析出しない範囲の厚さにバッファー層を結晶成長するようにしたので、異種基板の上に、結晶品質がより高い窒化物半導体層が成長できるようになる。このように、高い結晶品質の窒化物半導体の層が得られるので、この層を利用して作製するデバイスの特性を改善することが期待できる。
【００４０】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
【符号の説明】
【００４１】
１０１…異種基板、１０２…バッファー層、１０３…半導体層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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