(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化インジウムをサファイア基板上に積層する方法であって、
窒素源としてＲＦプラズマにより窒素を含む原料ガスを分解して得た窒素ラジカルを用いる分子線エピタキシー成長法により、結晶成長温度を２００℃〜６００℃、層の厚さを０．５〜１００ｎｍとして、サファイア基板上にＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）で表される窒化ガリウム系化合物半導体の第１バッファ層を形成し、該第１バッファ層上に分子線エピタキシー成長法により、結晶成長温度を２００℃〜４００℃、層の厚さを０．５〜１００ｎｍとして、ＩｎaＡｌbＧａ1-a-bＮ（０．５≦ａ≦１，０≦ｂ≦０．５，０≦ａ＋ｂ≦１）で表される窒化インジウム系化合物半導体の第２バッファ層を形成し、該第２バッファ層上に、成長温度を４００℃〜６００℃として窒化インジウム層を成長させるようにしたことを特徴とするサファイア基板上への窒化インジウム積層方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波トランジスタや赤色発光ダイオード等に用いることができる窒化インジウム系化合物半導体を単結晶基板上に形成する技術に関するもので、特に、積層した窒化インジウム系化合物半導体の結晶性を向上させると共に単結晶基板との密着性を高めることができる窒化インジウム系化合物半導体の積層方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化インジウム（ＩｎＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化インジウムアルミニウム（ＩｎＡｌＮ）等の窒化インジウム系化合物半導体は、その用途として、電子デバイスとしては超高速高周波トランジスタの材料、光デバイスとしては赤色発光ダイオードや赤色発光レーザーダイオードの材料などに有望視されている。
【０００３】
窒化インジウム系化合物半導体の結晶成長方法として、従来より、有機金属化合物気相成長法（以下、ＭＯＣＶＤ法という）、ガスソース分子線エピタキシー成長法（以下、ＧＳ−ＭＢＥ法という）、ＲＦプラズマ分子線エピタキシー成長法（以下、ＲＦ−ＭＢＥ法という）が知られている。
【０００４】
たとえば、ＲＦ−ＭＢＥ法による窒化インジウム（以下ＩｎＮ）の結晶成長法について簡単に説明すると、超高真空成長室内に設置したサファイア基板（単結晶基板）を成長温度２００℃〜７００℃程度に加熱し、クヌーセンセル内で熱したインジウムソースから蒸発したインジウム分子線と、ＲＦプラズマによって窒素ガス（Ｎ2）を分解して得た窒素ラジカル分子線とを同時にサファイア基板上へ供給することにより、ＩｎＮ薄膜を結晶成長させるものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ＭＯＣＶＤ法、ＧＳ−ＭＢＥ法、ＲＦ−ＭＢＥ法等で窒化インジウム系化合物半導体を結晶成長させるにあたり、最も重要なことは優れた結晶性を有する結晶を単結晶基板上に密着性良く成長させることであるが、密着性の良好な窒化インジウム系化合物半導体の積層状態を実現することは、困難であった。
【０００６】
窒化インジウム系化合物半導体の結晶成長を困難なものにしている原因としては、（１）格子定数の近い基板材料が存在しないこと（例えば、ＩｎＮと、最も一般的に用いられるサファイア基板の場合、格子定数差が約２５％と非常に大きい）、（２）ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）で表される窒化ガリウム系化合物半導体と窒化インジウム系化合物半導体との格子定数差も最大１０％程度あること、（３）ＩｎＮ分解温度が約５００℃〜６００℃と低いこと、の３点が挙げられる。
【０００７】
特に、上記（１），（２）の要因に関しては、窒化インジウム系化合物半導体の結晶性を上げられない原因となるばかりでなく、窒化インジウム系化合物半導体層が成長させた基板から剥がれ易い（密着性が低い）という、エピ層と基板との密着性の問題にもつながる。
【０００８】
（３）の要因に関しては、分解温度が低いことから結晶成長温度も通常３００℃〜６００℃と必然的に低くなり、加熱した基板上でアンモニアガスを分解することにより窒素ラジカルを得るＭＯＣＶＤ法やＧＳ−ＭＢＥ法を用いる場合には、低温のためにアンモニアの分解効率が非常に低くなることで大量のアンモニアガスが必要となり、結晶成長中に結晶に取り込まれる水素、酸素等の不純物の量が増大するという結果を招いてしまうため、残留キャリア密度が１×１０19ｃｍ-3以上という低品質の結晶しか得られないというのが実情である。
【０００９】
このように、超高速高周波トランジスタや赤色発光ダイオードを実現させるために、結晶性に優れた高品質で、かつ基板と高い密着性を有する窒化インジウム系化合物半導体の素子の実現が強く望まれている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、窒化インジウムをサファイア基板上に積層する方法であって、窒素源としてＲＦプラズマにより窒素を含む原料ガスを分解して得た窒素ラジカルを用いる分子線エピタキシー成長法により、結晶成長温度を２００℃〜６００℃、層の厚さを０．５〜１００ｎｍとして、サファイア基板上にＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）で表される窒化ガリウム系化合物半導体の第１バッファ層を形成し、該第１バッファ層上に分子線エピタキシー成長法により、結晶成長温度を２００℃〜４００℃、層の厚さを０．５〜１００ｎｍとして、ＩｎaＡｌbＧａ1-a-bＮ（０．５≦ａ≦１，０≦ｂ≦０．５，０≦ａ＋ｂ≦１）で表される窒化インジウム系化合物半導体の第２バッファ層を形成し、該第２バッファ層上に、成長温度を４００℃〜６００℃として窒化インジウム層を成長させるようにしたことを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、添付図面に基づいて、本発明に係るサファイア基板上への窒化インジウム積層方法の実施形態を説明する。
【００１２】
図１に示すのは、本発明方法により窒化インジウム系化合物を単結晶基板上に積層した積層構造の概略を示すものである。単結晶基板である４４０μｍ厚のサファイア基板上に、ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）で表される窒化ガリウム系化合物半導体を第１バッファ層として積層し、この第１バッファ層上にＩｎaＡｌbＧａ1-a-bＮ（０．５≦ａ≦１，０≦ｂ≦０．５，０≦ａ＋ｂ≦１）で表される窒化インジウム系化合物半導体を第２バッファ層として積層し、この第２バッファ層上にＩｎcＡｌdＧａ1-c-dＮ（０．５≦ｃ≦１，０≦ｄ≦０．５，０≦ｃ＋ｄ≦１）で表される窒化インジウム系化合物半導体層を例えば２００ｎｍの厚さまで成長させたものである。
【００１３】
上記のように、単結晶基板と窒化インジウム系化合物半導体層との間に介在させた第１バッファ層と第２バッファ層の機能について説明する。
【００１４】
サファイア基板と窒化インジウム系化合物半導体との間には最大２５％もの格子不整合が存在するため、例えば、格子不整合が最大となるＩｎＮをサファイア基板上に成長させた場合および低温成長ＩｎＡｌＧａＮバッファをサファイア基板上に成長させた上にＩｎＮを成長させた場合ともに、基板との密着性が悪いため、結晶成長中もしくは成長後に非常に剥がれ易い。
【００１５】
しかし、サファイア基板上に第１バッファ層（ＡｌＧａＮバッファ層）を形成した上に、第２バッファ層（ＩｎＡｌＧａＮバッファ層）、窒化インジウム系化合物半導体層（ＩｎＮ層）を順に積層させると、サファイア基板と第１バッファ層との密着性および第１バッファ層と第２バッファ層との密着性が共に良好なため、第２バッファ層の上に積層する窒化インジウム系化合物半導体層の結晶品質および密着性が大幅に改善されるのである。このように、第２バッファ層（ＩｎＡｌＧａＮバッファ層）を第１バッファ層（ＡｌＧａＮバッファ層）と窒化インジウム系化合物半導体層（ＩｎＮ層）との間に介在させることにより、第１バッファ層と窒化インジウム系化合物半導体層との格子不整合を緩和させることができ、単結晶基板から窒化インジウム系化合物半導体層に至る全ての層の密着性を向上させることと併せて、格子定数差が小さい第２バッファ層上に窒化インジウム系化合物半導体層を成長させることで結晶を高品質なものにすることができる。
【００１６】
なお、２つの物質の格子定数差が１％未満程度でなければ、満足な結晶性および密着性を得ることが困難なので、窒化インジウム系化合物半導体との格子定数差が１％を超える単結晶基板を用いる場合に、上述した積層構造が有効であり、その単結晶基板材料としては、上述したサファイア（Ａｌ2Ｏ3）のほか、シリコン（Ｓｉ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、ガリウム燐（ＧａＰ）、インジウム燐（ＩｎＰ）などがある。また、基板材料として用いることが出来れば、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化インジウムアルミニウム（ＩｎＡｌＮ）等を用いる場合にも有効である。
【００１７】
次に、上述したような積層構造を実現するための方法、すなわち、本発明に係るサファイア基板上への窒化インジウム積層方法について詳述する。
【００１８】
本発明においては、結晶成長方法としてＲＦ−ＭＢＥ法を用いる。そのためのＲＦ−ＭＢＥ装置の概略構成を図２に示す。ＲＦ−ＭＢＥ装置は、真空ポンプ（図示省略）によって超高真空を実現できる成長室１内に加熱手段２を設け、この加熱手段によってサファイア基板３を昇温する。また、サファイア基板３上へ分子線を照射するためのＩｎセル４ａ，Ａｌセル４ｂ，Ｇａセル４ｃ，ＲＦプラズマセル４ｄを設け、夫々シャッター５によって適宜に開閉できる。
【００１９】
上述したＲＦ−ＭＢＥ装置を用いて、サファイア基板３上にＩｎＮの結晶を成長させる。先ず、サファイア基板３の有機洗浄を行い、昇温性を良くするためにサファイア基板３の裏面に高融点金属を真空蒸着し、成長室１内の加熱手段２に裏面を向けてサファイア基板３を設置し、加熱手段２によって８００℃以上に加熱して、サファイア基板３の基板表面の高温クリーニングを行う。
【００２０】
次いで、同温度で高純度窒素ガスをＲＦプラズマで分解することにより得られる窒素ラジカル分子線をサファイア基板３上に供給してサファイア基板表面を窒化し、表面に薄い窒化アルミニウム層を形成する。
【００２１】
次いで、サファイア基板３の基板温度を下げ、クヌーセンセル内で加熱することにより得られるガリウム分子線とＲＦプラズマで生成した窒素ラジカル分子線を、同時にサファイア基板３上へ供給することで、ＧａＮバッファ層（第１バッファ層）を成長させる。なお、ＡｌＧａＮバッファ層とする場合には、Ａｌセル４ｂからアルミニウム分子線を同時に供給すれば良い。
【００２２】
ここで、低温成長ＧａＮバッファ層の成長温度としては、６００℃以下であれば良いが、好ましい温度範囲は３００℃〜６００℃程度である。６００℃以上であると、ＧａＮの成長が３次元成長よりも２次元成長の傾向が顕著な状態に変化し始め、サファイア基板３の基板表面上を均一にＧａＮバッファ層が覆わなくなり、また、３００℃以下であると、ＧａＮバッファ層の結晶性が劣化し始めるためである。
【００２３】
また、低温成長ＧａＮバッファ層の膜厚に関しては、１００ｎｍ以下であれば効果があるものの、好ましい厚さの範囲は０．５〜４０ｎｍ程度である。膜厚が４０ｎｍ以上であると低温成長ＧａＮバッファ層およびＩｎＮバッファ層上に成長した高品質ＩｎＮ層を流れるはずの電流が低温成長ＧａＮバッファ層にもリークするようになり、エピ膜全体としての電気的特性が最適な条件のものに比べて劣化し、また、０．５ｎｍ以下であるとＧａＮ膜が基板表面を均一に覆わなくなり、低温成長ＧａＮバッファ層の効果が得られないためである。
【００２４】
次いで、Ｇａセル４ｃのシャッター５を閉じて、Ｉｎセル４ａのシャッター５を開けることにより、インジウム分子線と窒素ラジカル分子線を同時にサファイア基板３上へ供給し、ＧａＮバッファ層（第１バッファ層）の上にＩｎＮバッファ層（第２バッファ層）を成長させる。なお、ＩｎＡｌＧａＮバッファ層とする場合には、Ａｌセル４ｂからアルミニウム分子線とＧａセル４ｃからガリウム分子線を同時に供給すれば良い。
【００２５】
ここで、低温成長ＩｎＮバッファ層の成長温度としては、４００℃以下であれば良いが、好ましい温度範囲は２５０℃〜３５０℃程度である。４００℃以上であると、ＩｎＮの成長が３次元成長よりも２次元成長の傾向が顕著な状態に変化し始めて、格子定数が１０％以上も違うＧａＮバッファ層の表面を均一にＩｎＮバッファ層が覆わなくなり、また、２００℃以下であると、ＩｎＮバッファ層の結晶性があまり良くないものとなって、このＩｎＮバッファ層の上に成長させるＩｎＮ層の結晶性も劣化してしまうためである。
【００２６】
また、低温成長ＩｎＮバッファ層の膜厚に関しては、１００ｎｍ以下であれば効果があるものの、好ましい厚さの範囲は０．５〜２０ｎｍ程度である。膜厚が２０ｎｍ以上であると低温成長ＩｎＮバッファ層もまた低温成長ＧａＮバッファ層同様に電流リークの原因となり、エピ膜全体としての電気的特性が最適な条件のものに比べて劣化してしまうし、このＩｎＮバッファ層の上に成長させるＩｎＮ層の結晶品質および電気的特性までも劣化する要因となる。膜厚が０．５ｎｍ以下であるとＩｎＮ膜がＧａＮバッファ層表面を均一に覆わなくなり、低温成長ＩｎＮバッファ層の効果が得られないためである。
【００２７】
上記のようにして、ＩｎＮバッファ層が所要の厚さまで成長した後、窒素ラジカルのシャッター５は開けたままで、Ｉｎセル４ａのシャッター５を閉じ、サファイア基板３の基板温度を４００℃〜６００℃程度に昇温し、再びＩｎセル４ａのシャッター５を開けることにより、ＩｎＮ層を成長させる。
【００２８】
ここで、ＩｎＮ層の成長温度に関しては、６００℃以下であれば良いが、好ましい温度範囲は４００℃〜５００℃程度である。６００℃以上であると、ＩｎＮが分解しやすくなり、ＩｎＮバッファ層上に成長しずらくなる。また、４００℃以下では上述したＩｎＮバッファ層と同様に３次元成長の傾向が顕著な状態となるために、横方向のエピ膜の連続性が劣化してしまい、結晶性が余り良くないものとなる。なお、前述のＧａＮバッファ層上に成長させるＩｎＮバッファ層の場合は３次元成長的な傾向が望ましかったのであるが、ＩｎＮ層の場合には、下層となるＩｎＮバッファ層によって格子定数差による格子ひずみを緩和しているため、２次元成長の傾向が顕著な状態で成長させた方がＩｎＮ膜の結晶性・電気的特性の向上を期せるのである。
【００２９】
【実施例】
以下に、上述したサファイア基板上への窒化インジウム積層方法により、サファイア基板上に窒化インジウムを積層する実施例を示す。
【００３０】
［実施例１］
(1)  サファイア基板を有機洗浄し、基板の昇温性を改善するために裏面に高融点金属モリブデンを蒸着したサファイア基板を、超高真空に保たれているＭＢＥ成長室内の基板ヒーターに設置する。そして、基板を８００℃程度まで昇温して、そのまま３０分間保持し、サファイア基板表面の高温クリーニングを行う。その後、同温度で基板にＲＦプラズマで窒素ガスを分解して得た窒素ラジカルを照射してサファイア基板表面を３０分間窒化し、表面に薄い窒化アルミニウムを形成する。
【００３１】
(2)  ＲＦプラズマセルのシャッターを閉じて基板表面への窒素ラジカルの照射を中断し、基板温度を３５０℃まで降温する。
【００３２】
(3)  その後、ＧａセルとＲＦプラズマセルのシャッターを同時に開けて、ＧａＮバッファ層を膜厚２０ｎｍとなるまで成長させる。
【００３３】
(4)  Ｇａセルのシャッターを閉じると同時にＩｎセルのシャッターを開き、基板温度３５０℃のままで、ＩｎＮバッファ層を膜厚１０ｎｍとなるまで成長させる。
【００３４】
(5)  ＩｎＮバッファ層の成長終了後、Ｉｎセルのシャッターを閉じ、ＲＦプラズマセルのシャッターを開け、窒素ラジカルだけを試料表面に照射しつづけながら基板を４７０℃に昇温する。
【００３５】
(6)  基板温度が４７０℃に達したらＩｎセルのシャッターを開き、基板温度４７０℃でＩｎＮ層を膜厚２００ｎｍとなるまで成長させる。
【００３６】
上記のようにして得た窒化インジウム系化合物半導体（この場合はＩｎＮ）の写真を図３に示す。中央の黒い略円形状の箇所がＩｎＮの成長領域である。
【００３７】
この実施例１と対比するための比較例として、上記(3)の工程を行わずに低温成長ＧａＮバッファ層を成長させないほかは、実施例１と同様の工程でＩｎＮ結晶を得た。この写真を図４に示す。
【００３８】
図３と図４の試料から分かるように、実施例１ではサファイア基板上に均一にエピ膜が形成されているのに対し、比較例ではウェハー中央部の膜が剥がれており、実施例１での積層方法を用いた方がＩｎＮ膜の基板に対する密着性が大幅に改善されていることが分かる。
【００３９】
次に、実施例１と比較例それぞれのホール測定を室温で行い、移動度と残留キャリア密度を測定した。移動度は大きいほど、残留キャリア密度は小さいほど、その結晶性、電気的特性が優れていると見なすことができる。その結果、実施例１のものは、移動度１１８０〔ｃｍ2／Ｖｓ〕、残留キャリア密度２．２×１０18〔ｃｍ-3〕で、ＩｎＮエピ膜としては世界最高値であったのに対し、比較例のものでは移動度５４５〔ｃｍ2／Ｖｓ〕、残留キャリア密度５．９×１０18〔ｃｍ-3〕であった。
【００４０】
次に、実施例１と比較例それぞれの試料表面を原子間力顕微鏡を用いて表面観察を行い、ナノメータースケールで表面の平坦度を測定した。表面の平坦度はＲＭＳラフネスという値で評価され、値が小さいほど表面が平坦である。その結果、実施例１のものではＲＭＳラフネスの値が５μｍ×５μｍの領域で５ｎｍであったのに対し、比較例１では、７ｎｍであった。
【００４１】
［実施例２］
この実施例２では、上記実施例１の(3)の工程において、ＧａＮバッファ層の膜厚を５ｎｍとし、他は全て実施例１と同様の工程で窒化インジウム系化合物半導体の結晶を得たものである。
【００４２】
この第１バッファ層の膜厚を５ｎｍとした実施例２の試料に対しても、表面の観察、ホール測定、表面原子間力顕微鏡観察から基板への密着性、結晶の結晶性および電気的特性、表面の平坦性の評価を行ったところ、基板への密着性は実施例１と同様に良く、また、移動度１０９０〔ｃｍ2／Ｖｓ〕、残留キャリア密度２．１×１０18〔ｃｍ-3〕、表面ＲＭＳラフネス４ｎｍであった。
【００４３】
［実施例３］
この実施例３では、上記実施例１の(4)の工程において、ＩｎＮバッファ層の膜厚を２０ｎｍとし、他は全て実施例１と同様の工程で窒化インジウム系化合物半導体の結晶を得たものである。
【００４４】
この第２バッファ層の膜厚を２０ｎｍとした実施例３の試料に対しても、表面の観察、ホール測定、表面原子間力顕微鏡観察から基板への密着性、結晶の結晶性および電気的特性、表面の平坦性の評価を行ったところ、基板への密着性は実施例１と同様に良く、また、移動度１０５０〔ｃｍ2／Ｖｓ〕、残留キャリア密度２．２×１０18〔ｃｍ-3〕、表面ＲＭＳラフネス５ｎｍであった。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るサファイア基板上への窒化インジウム積層方法によれば、分子線エピタキシー成長法により、結晶成長温度を２００℃〜６００℃、層の厚さを０．５〜１００ｎｍとして、サファイア基板上にＡｌＧａＮの第１バッファ層を形成し、その上に分子線エピタキシー成長法により、結晶成長温度を２００℃〜４００℃、層の厚さを０．５〜１００ｎｍとして、ＩｎＡｌＧａＮの第２バッファ層を形成し、その上に、成長温度を４００℃〜６００℃として窒化インジウム層を成長させるようにしたので、サファイア基板と第２バッファ層との密着性を第１バッファ層によって高め、且つ、第２バッファ層により結晶性を整えて窒化インジウム層の結晶性を高めることができる。
【００４６】
すなわち、サファイア基板と窒化インジウム層との間に、特定条件に基づいて２段のバッファ層を生成する積層方法を導入すると共に、生成した第２バッファ層上へ特定条件に基づいて窒化インジウム層を生成することにより、ピュアな窒化インジウム層に対して、サファイア基板との高い密着性および結晶性を持たせることが可能となる。これにより、今まで実用化されていないテラヘルツ帯の周波数で動作する超高速高周波トランジスタや、窒化物化合物半導体による赤色発光ダイオードおよび赤色発光レーザーダイオード等の実用化も現実のものとできる可能性が高まり、産業上のメリットも非常に多大なものがある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係るサファイア基板上への窒化インジウム積層方法により得た素子の積層構造を示す模式図である。
【図２】  ＲＦ−ＭＢＥ装置の概略構成図である。
【図３】  実施例１の製造工程により得た素子の外観を示す写真である。
【図４】  比較例の製造工程により得た素子の外観を示す写真である。
【符号の説明】
１    成長室
２    加熱手段
３    サファイア基板（単結晶基板）
４ａ  Ｉｎセル
４ｂ  Ａｌセル
４ｃ  Ｇａセル
４ｄ  ＲＦプラズマセル
５    シャッター
【図１】
0003671215.tif 000002
【図２】
0003671215.tif 000003
【図３】
0003671215.tif 000004
【図４】
0003671215.tif 000005