(57)【要約】【課題】半導体基板として良好な品質を持ち、且つその表面が高抵抗化されたＧａＮ系化合物半導体基板を提供する。【解決手段】ＧａＮ基板１は、半導体結晶をエピタキシャル成長させるための主面１０ａを有する基板であって、主面１０ａの少なくとも一部の領域１２にＨやＨｅ、Ａｒといった所定のイオンが注入されており、該少なくとも一部の領域１２は主面１０ａ全域の７０％以上を占めており、該領域１２の表面におけるシート抵抗値の平均は１×１０４Ω／□以上である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体結晶をエピタキシャル成長させるための主面を有する窒化ガリウム系化合物半導体基板であって、
前記主面の少なくとも一部の領域に所定のイオンが注入されており、該少なくとも一部の領域は前記主面全域の７０％以上を占めており、該領域の表面におけるシート抵抗値の平均が１×１０４Ω／□以上であることを特徴とする、窒化ガリウム系化合物半導体基板。
【請求項２】
前記所定のイオンが、Ａｒ以下の原子量を有する原子のイオンであることを特徴とする、請求項１に記載の窒化ガリウム系化合物半導体基板。
【請求項３】
前記領域におけるイオン注入量の平均値が１×１０１４ｃｍ−２以上２×１０１７ｃｍ−２以下であることを特徴とする、請求項１または２に記載の窒化ガリウム系化合物半導体基板。
【請求項４】
半導体結晶をエピタキシャル成長させるための主面を有し、前記主面に所定のイオンが注入されており、該領域の表面におけるシート抵抗値の平均が１×１０４Ω／□以上である窒化ガリウム系化合物半導体基板と、
前記窒化ガリウム系化合物半導体基板の前記主面上に形成された半導体層と
を備えることを特徴とする、半導体素子。
【請求項５】
半導体結晶をエピタキシャル成長させるための主面を有する窒化ガリウム系化合物半導体基板を製造する方法であって、
前記主面の少なくとも一部の領域であって前記主面全域の７０％以上を占める領域に所定のイオンを注入することにより、該領域の表面におけるシート抵抗値の平均を１×１０４Ω／□以上とすることを特徴とする、窒化ガリウム系化合物半導体基板の製造方法。
【請求項６】
前記所定のイオンが、Ａｒ以下の原子量を有する原子のイオンであることを特徴とする、請求項５に記載の窒化ガリウム系化合物半導体基板の製造方法。
【請求項７】
前記領域におけるイオン注入量の平均値が１×１０１４ｃｍ−２以上２×１０１７ｃｍ−２以下であることを特徴とする、請求項５または６に記載の窒化ガリウム系化合物半導体基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化ガリウム系化合物半導体基板及びその製造方法、並びにこの窒化ガリウム系化合物半導体基板を用いた半導体素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体は、そのバンドギャップがシリコン等の従来の半導体と比較して大きいことから、発光デバイスや電子デバイスの材料として期待されている。
【０００３】
これらのデバイスを作製する際、ＧａＮ系化合物半導体の高抵抗化が必要となることがある。例えば、特許文献１には、ＧａＮ系ＦＥＴを製造する際における高抵抗ＧａＮ結晶層の製造方法が開示されている。この文献に記載された方法では、サファイア基板等の絶縁性基板上に、Ｃ、Ｍｇ、及びＺｎといったｐ型不純物をドープして高抵抗ＧａＮ結晶層を成長させることにより、高抵抗のＧａＮ系化合物半導体から成る表面を有する基板を作製している。
【０００４】
また、特許文献２には、シリコン基板上に窒化物半導体膜を形成する方法が開示されている。この文献に記載された方法では、窒化物半導体基板の表面にイオンを注入し、この窒化物半導体基板の表面にシリコン基板を重ね合わせ、熱処理したのちこれらを引き剥がすことにより、シリコン基板上に窒化物半導体膜を形成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−２４７３９９号公報
【特許文献２】特開２００６−２１０６６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一般的に、ＧａＮ系化合物半導体から成る基板を製造する際には、その成長過程において不純物を取り込み易い。したがって、製造されたＧａＮ系化合物半導体基板の抵抗率は低くなる傾向がある。しかしながら、発光デバイスや電子デバイスを作製する際には基板表面の抵抗率が高いことが望ましい場合がある。ＧａＮ系化合物半導体基板を高抵抗化する際には、例えばその成長時にＦｅやＣといった特定の不純物をドープすることにより高抵抗化できるという報告もある。しかし、これらの不純物のドープ量を増やすと、他の不純物も同時に増えてしまい当該基板の表面における抵抗率が低下したり、或いはクラックが発生して当該基板が割れ易くなるという問題が生じる。従って、このような方法では、半導体基板として良好な品質を持ちつつ、その表面を高抵抗化することは困難であった。
【０００７】
本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであり、半導体基板として良好な品質を持ち、且つその表面が高抵抗化されたＧａＮ系化合物半導体基板及びその製造方法、並びにこのＧａＮ系化合物半導体基板を用いた半導体素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記した課題を解決するために、本発明による窒化ガリウム系化合物半導体基板は、半導体結晶をエピタキシャル成長させるための主面を有する窒化ガリウム系化合物半導体基板であって、主面の少なくとも一部の領域に所定のイオンが注入されており、該少なくとも一部の領域は主面全域の７０％以上を占めており、該領域の表面におけるシート抵抗値の平均が１×１０４Ω／□以上であることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明による窒化ガリウム系化合物半導体基板の製造方法は、半導体結晶をエピタキシャル成長させるための主面を有する窒化ガリウム系化合物半導体基板を製造する方法であって、主面の少なくとも一部の領域であって主面全域の７０％以上を占める領域に所定のイオンを注入することにより、該領域の表面におけるシート抵抗値の平均を１×１０４Ω／□以上とすることを特徴とする。
【００１０】
イオン注入は、一般的にシリコン系の半導体プロセスには多く用いられている。例えば所望の不純物をイオンとしてシリコン系半導体の所望の領域に注入することにより、当該領域をｎ型半導体またはｐ型半導体とし、その領域の抵抗率を低下させることができる。しかしながら、本発明者は、このような技術常識とは逆に、ＧａＮ系化合物半導体はシリコンと比べてイオン注入によるダメージが発生しやすく、ドーズ量が多くなると抵抗率が高くなる傾向があることを見出した。そして、イオン注入は既に形成されたＧａＮ系化合物半導体基板に対して行うことができるので、前述したような不純物のドープによる高抵抗化と比較して、割れにくい半導体基板を安定して作製することができることを見出した。
【００１１】
すなわち、本発明によるＧａＮ系化合物半導体基板及びその製造方法によれば、主面の少なくとも一部の領域に所定のイオンが注入されることによって、当該領域が主面全域の７０％以上を占め、且つ当該領域の表面におけるシート抵抗値を１×１０４Ω／□以上といった高抵抗としても、半導体基板として良好な品質を持つことが可能となる。
【００１２】
また、窒化ガリウム系化合物半導体基板及びその製造方法は、所定のイオンが、Ａｒ以下の原子量を有する原子のイオンであることを特徴としてもよい。本発明者の実験によれば、イオンの原子量がＡｒ以下である場合、ＧａＮ系化合物半導体基板の表面のダメージを十分に低く抑えることができ、結晶性の回復が極めて容易となることがわかった。すなわち、このようにイオンの原子量をＡｒ以下とすることによって、半導体基板として更に良好な品質を持ち、且つその表面を高抵抗化することが可能となる。
【００１３】
また、窒化ガリウム系化合物半導体基板及びその製造方法は、上記領域におけるイオン注入量の平均値が１×１０１４ｃｍ−２以上２×１０１７ｃｍ−２以下であることを特徴としてもよい。本発明者の実験によれば、イオン注入量が上記範囲内である場合に、ＧａＮ系化合物半導体基板の表面抵抗を十分に高め、且つ表面の剥離を好適に防ぐことができる。
【００１４】
また、本発明による半導体素子は、半導体結晶をエピタキシャル成長させるための主面を有し、主面に所定のイオンが注入されており、該領域の表面におけるシート抵抗値の平均が１×１０４Ω／□以上である窒化ガリウム系化合物半導体基板と、窒化ガリウム系化合物半導体基板の主面上に形成された半導体層とを備えることを特徴とする。この半導体素子によれば、ＧａＮ系化合物半導体基板の主面に所定のイオンが注入されることによって、基板表面におけるシート抵抗値を１×１０４Ω／□以上といった高抵抗としても、半導体基板として良好な品質を持つことが可能となる。したがって、基板表面が高抵抗である発光デバイスや電子デバイス等を好適に実現できる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明による窒化ガリウム系化合物半導体基板及びその製造方法によれば、半導体基板として良好な品質を持ちつつ、その表面を高抵抗化することが可能になる。また、本発明による半導体素子によれば、上記窒化ガリウム系化合物半導体基板を用いた発光デバイスや電子デバイス等を好適に実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明に係るＧａＮ系化合物半導体基板の第１実施形態として、ＧａＮ基板１を示す図である。（ａ）はＧａＮ基板１の外観を示す斜視図であり、（ｂ）は図１（ａ）のＩ−Ｉ線に沿ったＧａＮ基板１の側断面図である。
【図２】図２は、第１実施形態に係るＧａＮ基板１の製造方法について説明する図である。
【図３】図３は、本発明に係る半導体素子の第２実施形態として、発光ダイオード２０の構成を示す側断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、添付図面を参照しながら本発明による窒化ガリウム系化合物半導体基板及びその製造方法、並びに半導体素子の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１８】
（第１の実施の形態）
図１に示すように、本発明の第１実施形態に係るＧａＮ基板１は、主面１０ａを有する略円板状といった形状を呈しており、窒化ガリウムから成る。主面１０ａはＧａＮ系化合物半導体結晶をエピタキシャル成長させるための面であり、一定以上の結晶性が維持されている。
【００１９】
また、ＧａＮ基板１の主面１０ａの全部又は少なくとも一部の領域１２は、所定のイオンが注入されて高抵抗化された領域となっている。主面１０ａと垂直な方向から見た高抵抗化領域１２の面積は、主面１０ａ全域の面積の７０％以上を占めており、高抵抗化領域１２は主面１０ａの主要な部分を構成している。この高抵抗化領域１２の表面におけるシート抵抗値の平均は１×１０４Ω／□以上であり、イオン注入される原子としては特に制限はないが、例えばＨ、Ｈｅ、Ａｒといった、Ａｒ以下の原子量を有する原子のイオンが好適である。また、高抵抗化領域１２におけるイオン注入量の平均値は、１×１０１４ｃｍ−２以上２×１０１７ｃｍ−２以下であることが好ましい。高抵抗化領域１２の厚さ、すなわち主面１０ａを基準とするイオン注入深さは、例えば３０μｍ程度である。この注入深さは、イオンの種類や加速電圧によって所望の深さに設定される。
【００２０】
ここで、本実施形態に係るＧａＮ基板１の製造方法について説明する。図２に示すように、先ずＧａＮ基板１をイオン注入装置１００に配置する。そして、ＧａＮ基板１の主面１０ａに所定の原子（Ｈ、Ｈｅ、Ａｒといった、Ａｒ以下の原子量を有する原子）のイオン１４を注入して、高抵抗化領域１２を形成する。このとき、主面１０ａと垂直な方向から見た高抵抗化領域１２の面積を、主面１０ａ全域の面積の７０％以上とし、高抵抗化領域１２の表面におけるシート抵抗値の平均が１×１０４Ω／□以上となるようにイオン注入を行う。また、高抵抗化領域１２におけるイオン注入量（ドーズ量）の平均値は、１×１０１４ｃｍ−２以上２×１０１７ｃｍ−２以下であることが好ましい。そして、イオン注入の後に、ＧａＮ基板１に対して熱処理を行う。
【００２１】
なお、上述した製造方法において、イオン注入量は多いほど良いというわけではなく、イオン注入量が過大だとＧａＮ基板１の表面が剥離するおそれがあり、このことは後述する実施例において示される。また、イオンとして注入される元素は、ＧａＮ基板１の主面１０ａに対してダメージを与え、高抵抗化できるものであれば特に限定されない。しかし、Ａｕ等の重金属をイオンとして注入すると、ＧａＮ基板１の主面１０ａにクレーター状の凹凸が生じたり、またイオン注入後の主面１０ａの結晶性の回復が軽元素の場合と比較して難しいといった問題がある。したがって、前述したようにＡｒ以下の原子量を有する軽元素をイオン注入することが好ましい。特に、ＨやＨｅ等はイオン注入後の結晶性の回復が容易であり、より好ましい。また、一つのＧａＮ基板１にイオンとして注入される元素は一種類に限られるものではなく、複数の元素をイオン注入することも可能である。
【００２２】
（第２の実施の形態）
図３は、本発明に係る半導体素子の第２実施形態として、発光ダイオード２０の構成を示す側断面図である。図３を参照すると、発光ダイオード２０は、第１実施形態のＧａＮ基板１がチップ状に切断されて成るＧａＮ基板１０を備えている。ＧａＮ基板１０の主面１０ａは、その全面が高抵抗化領域１２となっている。
【００２３】
また、発光ダイオード２０は、ＧａＮ基板１０の主面１０ａ上に順に積層された薄膜ＧａＮバッファ層２１と、ｎ型ＧａＮ層２２及びｎ型ＡｌＧａＮ層２３といった第１導電型窒化物半導体層とを備えている。ｎ型ＧａＮ層２２は、Ｓｉといったｎ型の不純物がドープされたＧａＮからなり、ｎ型ＡｌＧａＮ層２３は、ｎ型の不純物がドープされたＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ（０＜Ｘ１＜１）からなる。また、発光ダイオード２０は、ｎ型ＡｌＧａＮ層２３上に設けられた活性層２４を備えている。また、発光ダイオード２０は、活性層２４上に順に積層されたｐ型ＡｌＧａＮ層２５及びｐ型ＧａＮ層２６といった第２導電型窒化物半導体層を備えている。ｐ型ＡｌＧａＮ層２５は、Ｍｇといったｐ型の不純物がドープされたＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ（０＜Ｘ２＜１）からなり、ｐ型ＧａＮ層２６は、ｐ型の不純物がドープされたＧａＮからなる。
【００２４】
活性層２４は、電流（キャリア）が注入されることにより光を発生する層である。活性層２４は、ｎ型ＡｌＧａＮ層２３上に形成されており、多重量子井戸構造を有している。具体的には、活性層２４は、複数のバリア層及び井戸層が交互に積層されることにより構成されている。バリア層及び井戸層は、ＡｌＸ３ＩｎＹＧａ１−Ｘ３−ＹＮ（０≦Ｘ３＜１、０≦Ｙ＜１、０＜Ｘ３＋Ｙ＜１）といった窒化物半導体からなる。バリア層及び井戸層の組成は、バリア層のバンドギャップが井戸層のバンドギャップよりも大きくなるように調整されている。この構成により、活性層２４に注入されたキャリアが井戸層に効率よく閉じ込められる。
【００２５】
発光ダイオード２０は、上記構成に加え、更にアノード電極２７及びカソード電極２８を備えている。アノード電極２７は、ｐ型ＧａＮ層２６の活性層２４と対向する面とは反対側の面上に設けられている。本実施形態では、アノード電極２７は、ｐ型ＧａＮ層２６上のほぼ全面にわたって設けられている。アノード電極２７は例えばＮｉ／Ａｕ／Ａｌ／Ａｕといった金属を順次積層してなり、アノード電極２７とｐ型ＧａＮ層２６との間でオーミック接触が実現されている。
【００２６】
カソード電極２８は、ｎ型ＧａＮ層２２のＧａＮ基板１０と対向する面とは反対側の面上において、ｎ型ＡｌＧａＮ層２３、活性層２４、ｐ型ＡｌＧａＮ層２５、及びｐ型ＧａＮ層２６が設けられた領域とは別の領域上に設けられている。カソード電極２８は、例えばＴｉ／Ａｌ／Ａｕといった金属を順次積層してなり、カソード電極２８とｎ型ＧａＮ層２２との間でオーミック接触が実現されている。
【００２７】
（実施例）
以下、本発明に係るＧａＮ系化合物半導体基板および半導体素子の実施例について説明する。
【００２８】
＜実施例１＞
まず、酸素原子がドープされた直径２インチの円板状のＧａＮ結晶からなり、研磨されて鏡面となった主面を有するウェハ状のＧａＮ基板（厚み５００μｍ）を７枚準備した。これらのＧａＮ基板は六方晶からなり、（０００１）Ｇａ面が主面である。これらのＧａＮ基板の主面におけるシート抵抗値は、０．２Ω／□以下であった。その主面に対し、加速電圧９０ｋｅＶで水素イオンを注入するとともに、水素イオンのイオン注入量を各基板毎に変化させて、各基板の主面におけるシート抵抗値を評価した。その結果を表１に示す。
【表１】
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表１に示すように、イオン注入量が１×１０１４ｃｍ−２以上であれば、１Ω・ｃｍ以上の高い抵抗率が得られることがわかった。
【００２９】
＜実施例２＞
次に、上記実施例１により作製された各ＧａＮ基板を、８００℃で３０分加熱した。そして、加熱後にＧａＮ基板の主面に剥離が生じているか否かを調べた。その結果を表２に示す。
【表２】
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表２に示すように、イオン注入量が２×１０１７ｃｍ−２以下であれば、ＧａＮ基板の主面が剥離しないことがわかった。
【００３０】
＜実施例３＞
続いて、実施例１で使用したものと同じ３枚のＧａＮ基板の主面（Ｇａ面）に対し、水素に代えてそれぞれＨｅ、Ａｒ、及びＡｕのイオン注入を行った。このとき、加速電圧を９０ｋｅＶとし、イオン注入量を５×１０１６ｃｍ−２とした。そして、各基板の主面におけるシート抵抗値を評価した。その結果を表３に示す。いずれの基板もシート抵抗値が高く、測定レンジを超えていた。
【表３】
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【００３１】
＜実施例４＞
続いて、実施例３により作製された各ＧａＮ基板を、Ｎ２及びＮＨ３からなる混合ガスを導入した加熱炉内に設置し、アニールを行った。このとき、Ｎ２及びＮＨ３の分圧を、ＮＨ３／（Ｎ２＋ＮＨ３）＝０．４とし、炉内の温度を１１００℃とした。また、毎分２０℃以下の昇温速度で室温から上記温度まで昇温し、上記温度にて１時間保持した。表４は、アニール前およびアニール後に、ＧａＮ基板主面のＸ線測定を行って（０００２）面のロッキングカーブを測定し、アニール前とアニール後との半値幅の差を評価した結果である。
【表４】
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表４に示すように、ＨｅまたはＡｒがイオン注入されたＧａＮ基板は、Ａｕがイオン注入されたＧａＮ基板と比較して、アニールによる結晶性の回復が容易であることがわかった。
【００３２】
＜実施例５＞
実施例１で使用したものと同じＧａＮ基板に対し、イオン注入量１×１０１７ｃｍ−２でもって水素原子を主面（Ｇａ面）にイオン注入し、Ｎ２雰囲気中で１０００℃・３０分のアニールを施した。また、これとは別にサファイア基板を準備した。そして、ＧａＮ基板及びサファイア基板それぞれの主面上に、図３に示した構造の発光ダイオード素子をＭＯＣＶＤ法により形成した。具体的には、各基板上にｎ型ＧａＮ層、活性層であるＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層、及びｐ型ＧａＮ層を順次成長させた。そして、ドライエッチングによりｎ型ＧａＮ層を露出させ、この露出部分の上にアノード電極を形成するとともに、ｐ型ＧａＮ層上にカソード電極を形成した。
【００３３】
こうして作製した２つの発光ダイオード素子を比較したところ、水素原子がイオン注入されたＧａＮ基板を使用した素子は、サファイア基板を使用した素子に比べ、ピーク波長４５０ｎｍにおける発光スペクトル強度が１．４倍となった。このことから、水素原子がイオン注入されたＧａＮ基板を用いた発光ダイオード素子のほうが、サファイア基板を使用した素子よりも発光効率が高いことがわかった。
【００３４】
以上に説明したＧａＮ基板１及びその製造方法により得られる作用及び効果について説明する。前述したように、イオン注入は、一般的にシリコン系の半導体プロセスには多く用いられており、所望の不純物をイオン注入することにより、その領域の抵抗率を低下させることができる。しかしながら、本発明者は、このような技術常識とは逆に、ＧａＮ基板はシリコンと比べてイオン注入によるダメージが発生しやすく、ドーズ量が多くなると抵抗率が高くなる傾向があることを見出した。そして、イオン注入は既に形成されたＧａＮ基板に対して行うことができるので、前述したような不純物のドープによる高抵抗化と比較して、割れにくいＧａＮ基板１を安定して作製することができることを見出した。
【００３５】
すなわち、本実施形態によるＧａＮ基板１及びその製造方法によれば、主面１０ａの少なくとも一部の領域１２に所定のイオンが注入されることによって、その高抵抗化領域１２が主面１０ａ全域の７０％以上を占め、且つ当該領域１２の表面におけるシート抵抗値を１×１０４Ω／□以上といった高抵抗としても、ＧａＮ基板として良好な品質を持つことが可能となる。
【００３６】
また、実施例４において示されたように、上記所定のイオンは、Ａｒ以下の原子量を有する原子のイオンであることが好ましい。すなわち、イオンの原子量がＡｒ以下である場合、ＧａＮ基板１の主面１０ａのダメージを十分に低く抑えることができ、結晶性の回復が極めて容易となる。そして、このようにイオンの原子量をＡｒ以下とすることによって、ＧａＮ基板として更に良好な品質を持ち、且つその表面を高抵抗化することが可能となる。
【００３７】
また、実施例１，２において示されたように、高抵抗化領域１２におけるイオン注入量の平均値は、１×１０１４ｃｍ−２以上２×１０１７ｃｍ−２以下であることが好ましい。すなわち、イオン注入量が上記範囲内である場合に、ＧａＮ基板１の表面抵抗を十分に高め（実施例１）、且つ表面の剥離を好適に防ぐことができる（実施例２）。
【００３８】
本発明によるＧａＮ系化合物半導体基板及びその製造方法並びに半導体素子は、上記した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態および各実施例ではイオン注入の対象となるＧａＮ系化合物半導体基板としてＧａＮ基板を例示したが、本発明はＧａ及びＮ以外のIII族元素やＶ族元素を組成として更に含む基板であっても、同様の効果を奏することができる。
【００３９】
また、上記実施形態及び実施例では半導体素子の例として発光ダイオードを示したが、本発明に係る半導体素子はこれに限られるものではなく、例えばＦＥＴといった電子デバイスやその他のデバイスにも本発明を適用可能である。
【符号の説明】
【００４０】
１，１０…ＧａＮ基板、１０ａ…主面、１２…高抵抗化領域、１４…イオン、２０…発光ダイオード、２１…バッファ層、２２…ｎ型ＧａＮ層、２３…ｎ型ＡｌＧａＮ層、２４…活性層、２５…ｐ型ＡｌＧａＮ層、２６…ｐ型ＧａＮ層、２７…アノード電極、２８…カソード電極。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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