(57)【要約】【課題】Ｓｉ基板とその上に形成される窒化物半導体単結晶層との間に、ＳｉＮx層を生成することなく、低抵抗であり、窒化物半導体単結晶層の結晶性に優れた窒化物半導体基板およびその製造方法を提供する。【解決手段】Ｓｉ（１１１）基板１上に、ＴｉおよびＶのいずれか１種以上からなる金属膜を形成する工程と、前記金属膜を窒化して、ＴｉＮ、ＶＮおよび両者の化合物のいずれか１種以上からなる窒化物中間層２を形成する工程と、前記窒化物中間層上に、ＧａＮ（０００１）、ＡｌＮ（０００１）およびＩｎＮ（０００１）のうちの少なくともいずれか１種以上からなる窒化物半導体単結晶層３を形成する工程とを経て、窒化物半導体基板を作製する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉ（１１１）基板上に、ＴｉＮ、ＶＮおよび両者の化合物のいずれか１種以上からなる窒化物中間層が形成され、その上に、ＧａＮ（０００１）、ＡｌＮ（０００１）およびＩｎＮ（０００１）のうちの少なくともいずれか１種以上からなる窒化物半導体単結晶層が形成されていることを特徴とする窒化物半導体基板。
【請求項２】
前記窒化物中間層と前記窒化物半導体単結晶層との間に、ＧａＮ（０００１）およびＡｌＮ（０００１）の超格子構造が形成されていることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体基板。
【請求項３】
Ｓｉ（１１１）基板上に、ＴｉおよびＶのいずれか１種以上からなる金属膜を形成する工程と、
前記金属膜を窒化して、ＴｉＮ、ＶＮおよび両者の化合物のいずれか１種以上からなる窒化物中間層を形成する工程と、
前記窒化物中間層上に、ＧａＮ（０００１）、ＡｌＮ（０００１）およびＩｎＮ（０００１）のうちの少なくともいずれか１種以上からなる窒化物半導体単結晶層を形成する工程とを備えていることを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項４】
前記窒化物中間層の形成工程の後、前記窒化物半導体単結晶層の形成工程の前に、ＧａＮ（０００１）およびＡｌＮ（０００１）の超格子構造を形成する工程を備えていることを特徴とする請求項３記載の窒化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、発光ダイオード、レーザ発光素子、高速・高温での動作可能な電子素子等に好適に用いられる窒化物半導体基板およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム（ＧａＮ）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等に代表される窒化物半導体は、高い電子移動度、高い耐熱性等の優れた特性を備えているため、発光デバイスや、高速、高温での動作が可能な電子デバイス等への応用が期待されている。
【０００３】
前記窒化物半導体は、融点が高く、窒素の平衡蒸気圧が非常に高いため、融液からのバルク結晶成長は容易でない。このため、実用化レベルにある単結晶は、異種基板上へのヘテロエピタキシャル成長により作製されている。
従来、ＧａＮ（０００１）またはＡｌＮ（０００１）単結晶層は、サファイア（０００１）、６Ｈ−ＳｉＣ（０００１）、Ｓｉ（１１１）等の基板上に、中間層を介して形成されていた。
【０００４】
これらの基板の中でも、Ｓｉ基板は、他の基板と比べて、結晶性に優れ、大面積で、低価格で得られることから、窒化物半導体の製造コストを低減させることができ、好適である。また、成熟したＳｉ単結晶製造技術により、高品質な結晶を安定供給することができる。
さらに、Ｓｉ基板上への窒化物半導体単結晶層の形成は、その後のデバイス工程が、現在のデバイス工程をそのまま使用することができるため、開発コスト面においても優位であり、実用化が求められている。
【０００５】
しかしながら、Ｓｉ基板上のＧａＮ層は、サファイア基板上に形成したＧａＮ層に比べて、結晶性に劣り、デバイス動作の信頼性が懸念されるものであった。
【０００６】
これに対しては、例えば、非特許文献１に、ＡｌＮとＧａＮの超格子構造を中間層として用いることにより、デバイス活性層のＧａＮ層の応力を制御することが可能となり、前記ＧａＮ層の膜厚を１μｍ以上とすることができることが記載されている。
【０００７】
また、チタン（Ｔｉ）およびバナジウム（Ｖ）の結晶性窒化物であるＴｉＮまたはＶＮが、Ｓｉ基板と同じ結晶系であり、Ｓｉ基板方位を伝播することができることが開示されている（非特許文献２参照）。
また、非特許文献３には、ＴｉＮ層上にＧａＮ膜を形成する手法が開示されている。
【０００８】
【非特許文献１】Japanese Journal of Applied Physics, Vol.43, No.12B(2004), p.L1595
【非特許文献２】Applied Physics Letters, Vol.80, No.13(2002), p.2323
【非特許文献３】Journal of Electric Materials, Vol.35, No.10(2006), p.1806
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、Ｓｉ基板上に上記非特許文献１に記載されているような超格子構造の中間層を介した場合であっても、Ｓｉ基板上に形成したＧａＮ層は、サファイア基板上に形成したＧａＮ層に比べて、結晶性に劣っていた。
【００１０】
この結晶性の違いは、Ｓｉ基板と窒化物層との界面にアモルファスのＳｉＮx層が生じることが一因であり、アモルファス層が、Ｓｉ基板の結晶方位情報を打ち消し、エピタキシャル成長させる窒化物の結晶性を損なうためであると考えられる。
また、このＳｉＮx層は、絶縁性であり、縦デバイスを形成した場合、電気抵抗が上昇し、デバイス効率の低下を招くものである。
【００１１】
前記ＳｉＮx層は、基板のＳｉと窒化物半導体単結晶層形成時に大量に供給されるアンモニア（ＮＨ3）とが反応して生成すると考えられるが、Ｓｉ基板上に結晶性に優れた窒化物半導体単結晶層を形成するためには、このＳｉＮx層が生成しないようにする必要がある。
【００１２】
ところで、Ｓｉと窒素原子（Ｎ）との一般的な化合物はＳｉ3Ｎ4であるが、Ｓｉ3Ｎ4は１３００℃以上で形成されるものであり、Ｓｉ3Ｎ4単結晶膜は、Ｓｉ基板上には容易に生成しない。
一方、アモルファスのＳｉＮx層は、Ｓｉ3Ｎ4よりも低温で安定であるため、Ｓｉ基板上に窒素原子が供給されれば、容易に形成される。
【００１３】
そこで、本発明者らは、Ｓｉ基板の窒化を防止するために、上記非特許文献２に記載されているようなＴｉＮやＶＮの金属窒化物を中間層として利用することに着目し、前記ＳｉＮx層がＳｉ基板上に生成することを抑制することができることを見出した。
【００１４】
すなわち、本発明は、Ｓｉ基板とその上に形成される窒化物半導体単結晶層との間に、ＳｉＮx層を生成することなく、低抵抗であり、窒化物半導体単結晶層の結晶性に優れた窒化物半導体基板およびその製造方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明に係る化合物半導体基板は、Ｓｉ（１１１）基板上に、ＴｉＮ、ＶＮおよび両者の化合物のいずれか１種以上からなる窒化物中間層が形成され、その上に、ＧａＮ（０００１）、ＡｌＮ（０００１）およびＩｎＮ（０００１）のうちの少なくともいずれか１種以上からなる窒化物半導体単結晶層が形成されていることを特徴とする。
このような層構成とすることにより、Ｓｉ基板上でのＳｉＮx層の生成が抑制され、結晶性に優れた前記窒化物半導体単結晶層を形成することができる。
【００１６】
前記化合物半導体基板においては、前記窒化物中間層と前記窒化物半導体単結晶層との間に、ＧａＮ（０００１）およびＡｌＮ（０００１）の超格子構造が形成されていることが好ましい。
これにより、積層構造における応力を制御することができ、前記窒化物半導体単結晶層の結晶性をより一層向上させることができる。
【００１７】
また、本発明に係る窒化物半導体基板の製造方法は、Ｓｉ（１１１）基板上に、ＴｉおよびＶのいずれか１種以上からなる金属膜を形成する工程と、前記金属膜を窒化して、ＴｉＮ、ＶＮおよび両者の化合物のいずれか１種以上からなる窒化物中間層を形成する工程と、前記窒化物中間層上に、ＧａＮ（０００１）、ＡｌＮ（０００１）およびＩｎＮ（０００１）のうちの少なくともいずれか１種以上からなる窒化物半導体単結晶層を形成する工程とを備えていることを特徴とする。
Ｔｉ、Ｖ膜を窒化することにより、Ｓｉ基板と同様の結晶系であるＴｉＮ、ＶＮ結晶層が容易に形成することができ、これにより、Ｓｉ基板上でのＳｉＮx層の生成を抑制することができる好適な窒化物中間層が得られる。
【００１８】
前記製造方法においては、前記窒化物中間層の形成工程の後、前記窒化物半導体単結晶層の形成工程の前に、ＧａＮ（０００１）およびＡｌＮ（０００１）の超格子構造を形成する工程を備えていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、Ｓｉ基板上に、ＳｉＮx層が生成することなく、面方位（０００１）の結晶性に優れたＧａＮ、ＡｌＮまたはＩｎＮ単結晶層を形成することができる。
また、本発明に係る窒化物半導体基板は、金属的性質を備えたＴｉＮまたはＶＮを備えているため、低抵抗であり、また、基板表面側から電極をとることができ、デバイス構造の簡素化を図ることが可能である。
したがって、本発明に係る窒化物半導体基板は、発光ダイオード、レーザ発光素子、高速・高温での動作が可能な電子素子等に好適に用いることができ、特に、発光デバイスに好適であり、これらの素子機能の向上を図ることができる。
また、本発明に係る製造方法によれば、上記のような窒化物半導体基板を好適に得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明をより詳細に説明する。
図１に、本発明に係る窒化物半導体基板の層構造の概略を示す。図１に示す窒化物半導体基板は、Ｓｉ単結晶基板１上に、窒化物中間層２と、窒化物半導体単結晶層３とが順次積層された構成を備えているものである。
この窒化物半導体基板においては、Ｓｉ単結晶基板１としてＳｉ（１１１）を用い、その上に、ＴｉＮ、ＶＮおよび両者の化合物のいずれか１種以上からなる窒化物中間層２を形成することにより、Ｓｉ基板上にＳｉＮx層が生成することなく、結晶性に優れた面方位（０００１）のＧａＮ、ＡｌＮおよびＩｎＮのうちの少なくともいずれか１種以上からなる窒化物半導体単結晶層を形成することができる。
また、窒化物半導体単結晶層が、Ｓｉ基板上に形成されることにより、従来のＳｉ半導体製造プロセスにおいて用いられている装置および技術を利用することができ、大口径かつ低コストで得ることができるという利点も有している。
【００２１】
本発明においては、Ｓｉ単結晶基板としてＳｉ（１１１）基板を用いることが好ましいが、（２１１）等の高次面指数のＳｉ基板を用いることもできる。
なお、ここでいう面方位（１１１）には、結晶面方位（１１１）に対して微傾斜（約１０数度以下）した面も含む。
このように、Ｓｉ（１１１）基板を用いることにより、アンチフェーズバウンダリー欠陥の発生が抑制され、欠陥への電界集中を緩和することができる。
【００２２】
また、前記Ｓｉ（１１１）基板は、チョクラルスキー（ＣＺ）法により製造されたものが好適に用いられるが、本発明においては、これに限定されるものではなく、フローティングゾーン（ＦＺ）法により製造されたもの、または、これらの方法により製造されたＳｉ単結晶基板上に、気相成長によりＳｉ単結晶層をエピタキシャル成長させたもの（Ｓｉエピ基板）も用いることができる。
【００２３】
前記Ｓｉ（１１１）基板上には、ＴｉＮ、ＶＮおよび両者の化合物のいずれか１種以上からなる窒化物中間層を形成する。
前記窒化物中間層により、Ｓｉ基板が窒化されてＳｉＮx層が形成されることを防止することができる。
また、ＴｉＮおよびＶＮは、金属的性質を示すため、基板における電気の流れを妨げることがなく、基板表面側から電極をとることができ、デバイス構造の簡素化を図ることができる。
【００２４】
前記窒化物中間層は、ＴｉおよびＶのいずれか１種以上からなる金属膜を形成した後、該金属膜を窒化して形成することが好ましい。
Ｔｉ、Ｖは、これらの窒化物であるＴｉＮ、ＶＮを、比較的容易に、優れた結晶性で形成することができる。
また、これらの窒化物の結晶系は、ＮａＣｌ型でＳｉ基板と同様の立方晶であり、Ｓｉ基板方位を伝播することができるため、好適な窒化物中間層を形成することができる。
【００２５】
前記ＴｉおよびＶのいずれか１種以上からなる金属膜の厚さは、１〜２０ｎｍであることが好ましい。
前記金属膜は、製造コスト面からは、できる限り薄いことが好ましいが、厚さ１ｎｍで未満では、該金属膜の窒化物層により、Ｓｉ（１１１）基板上へのＳｉＮx層の生成を十分に抑制することが困難であり、また、Ｓｉ（１１１）基板と、前記窒化物半導体単結晶層との結晶格子不整合を緩和する中間層としての効果が十分に得られない。
前記厚さは、１〜１０ｎｍであることがより好ましい。
前記金属膜は、スパッタや蒸着等により形成することができる。
【００２６】
前記金属膜の窒化は、例えば、アンモニア雰囲気下で、９００〜１２００℃、より好ましくは１１００℃程度に加熱することにより、容易に行うことができ、これにより、ＴｉＮ、ＶＮおよび両者の化合物のいずれか１種以上からなる窒化物中間層を形成することができる。
【００２７】
前記窒化物中間層上に、ＧａＮ（０００１）、ＡｌＮ（０００１）およびＩｎＮ（０００１）のうちの少なくともいずれか１種以上をエピタキタキシャル成長させることにより、これらの窒化物半導体単結晶を厚さ１μｍ以上の優れた結晶性を有する膜として形成することができる。
【００２８】
また、前記窒化物中間層上には、ＧａＮ（０００１）およびＡｌＮ（０００１）を、薄膜として交互に積層させ、超格子構造で構成し、その上に、デバイス活性層としての前記窒化物半導体単結晶層を形成することが好ましい。
前記超格子構造を形成することにより、積層構造における応力を制御することができ、前記窒化物半導体単結晶層の結晶性をより一層向上させることができる。
【００２９】
前記窒化物半導体単結晶層および超格子構造は、例えば、ＭＯＣＶＤ（metal organic chemical vapor deposition）やＰＥＣＶＤ（plasma enhanced chemical vapor deposition）を始めとしたＣＶＤ法、レーザービームを用いた蒸着法、雰囲気ガスを用いたスパッタ法等により形成することができる。
【実施例】
【００３０】
以下、本発明を実施例に基づいてさらに具体的に説明するが、本発明は、下記実施例により制限されるものではない。
［実施例１］
Ｓｉ（１１１）基板上に、電子ビーム蒸着装置にて、Ｔｉ膜を厚さ１０ｎｍで蒸着した。
この基板をＭＯＣＶＤ装置にセットし、アンモニアを供給しながら、１１００℃に昇温し、前記Ｔｉ膜を窒化し、ＴｉＮ層を形成した。
そして、基板温度を１０００℃とし、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）およびアンモニアを供給し、ＧａＮ層を厚さ１μｍで形成し、窒化物半導体基板を得た。
【００３１】
［実施例２］
図２（ａ）〜（ｄ）に示す工程に基づいて、窒化物半導体基板を作製した。
まず、実施例１と同様にして、Ｓｉ（１１１）基板１０上にＴｉ膜２１を形成し（図２（ａ））、これを、アンモニア雰囲気下で窒化し、ＴｉＮ層２０を形成した（図２（ｂ））。
次に、ＭＯＣＶＤ装置内で、基板温度を１０００℃とし、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）またはトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）と、アンモニアを供給し、厚さ５ｎｍのＧａＮ（０００１）単結晶層３１ａと厚さ５ｎｍのＡｌＮ（０００１）単結晶層３１ｂとを１ペアとして、４０ペア成膜した。ＴＭＧとＴＭＡを交互に供給することにより、ＧａＮとＡｌＮとの超格子構造３１を形成した。
そして、この超格子構造３１の最上層のＡｌＮ層３１ｂの上に、デバイス活性層となるＧａＮ（０００１）層３０を厚さ５μｍで形成し、窒化物半導体基板を得た。
【００３２】
［比較例１］
Ｓｉ（１１１）基板をＭＯＣＶＤ装置にセットし、基板温度を１０００℃とし、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）またはトリメチルガリウム（ＴＭＧ）と、アンモニアを供給し、厚さ５ｎｍのＡｌＮ（０００１）単結晶層と厚さ５ｎｍのＧａＮ（０００１）単結晶層とを１ペアとして、４０ペア成膜した。ＴＭＡとＴＭＧを交互に供給することにより、ＡｌＮとＧａＮとの超格子構造を形成した。
この超格子構造の最上層のＧａＮ膜の上に、デバイス活性層となるＧａＮ（０００１）層を厚さ５μｍで形成し、窒化物半導体基板を得た。
【００３３】
上記実施例および比較例で得られた窒化物半導体基板を比較したところ、窒化物中間層が設けられていない場合（比較例１）は、電子線透過顕微鏡（ＴＥＭ）による断面観察により、Ｓｉ基板と窒化物半導体層との界面に、数ｎｍのＳｉＮx層が存在していることが確認された。
これに対して、実施例１，２においては、Ｓｉ基板上には、ＳｉＮx層は存在せず、〈１１１〉方向に配向したＴｉＮ層が形成されていることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明に係る窒化物半導体基板の層構造の概略断面図である。
【図２】実施例２に係る窒化物半導体基板の製造工程を示す図である。
【符号の説明】
【００３５】
１      Ｓｉ単結晶基板
２      窒化物中間層
３      窒化物半導体単結晶層
１０    Ｓｉ（１１１）基板
２０    ＴｉＮ層
２１    金属膜
３０    ＧａＮ層
３１    超格子構造
３１ａ  ＧａＮ層
３１ｂ  ＡｌＮ層
【図１】
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【図２】
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