(57)【要約】【課題】超格子構造体、これを含んだ半導体素子、及び半導体素子の製造方法を提供する。【解決手段】超格子構造体及びそれを含んだ半導体素子に係り、該超格子構造体は、互いに異なる物質からなる下部層と上部層とが１対をなし、該１対が少なくとも２回以上反復積層された複数対を含み、該１対内の２層が厚みが同じであり、該複数対のそれぞれが全体厚が互いに異なる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ，ｙ≦１）から形成された第１層と、ＡｌａＩｎｂＧａ１−ａ−ｂＮ（０≦ａ，ｂ≦１，ｘ≠ａ）から形成された第２層とが１対をなし、前記１対が少なくとも２回以上反復積層された複数対を含み、前記複数対ごとに、前記第１層と前記第２層との厚みが同じであり、各対の全体厚が互いに異なる超格子構造体。
【請求項２】
前記１対が積層されるほど、各対の全体厚が増大することを特徴とする請求項１に記載の超格子構造体。
【請求項３】
前記各対の全体厚が線形的に増大することを特徴とする請求項２に記載の超格子構造体。
【請求項４】
前記第１層のＡｌ組成が、前記第２層のＡｌ組成より大きく、前記１対が積層されるほど、各層のＡｌ組成が減少するか、あるいは各対の平均Ａｌ組成が減少することを特徴とする請求項１に記載の超格子構造体。
【請求項５】
前記各層のＡｌ組成が線形的に減少するか、あるいは各対の平均Ａｌ組成が線形的に減少することを特徴とする請求項４に記載の超格子構造体。
【請求項６】
前記第１層のＡｌ組成が、前記第２層のＡｌ組成より大きく、各層のＡｌ組成が同一に反復されることを特徴とする請求項１に記載の超格子構造体。
【請求項７】
前記第１層と前記第２層との厚みが、それぞれ０．１〜２０ｎｍの範囲を有することを特徴とする請求項２に記載の超格子構造体。
【請求項８】
前記第１層と前記第２層との厚みが、それぞれ０．１〜１０ｎｍの範囲を有することを特徴とする請求項２に記載の超格子構造体。
【請求項９】
前記１対が、ＡｌｐＩｎｑＧａ１−ｐ−ｑＮ（０≦ｐ，ｑ≦１，ｘ≠ａ≠ｐ）から形成された第３層をさらに含み、前記第３層が前記第２層と同じ厚みを有することを特徴とする請求項２に記載の超格子構造体。
【請求項１０】
前記超格子構造体が少なくとも２回以上積層されることを特徴とする請求項４に記載の超格子構造体。
【請求項１１】
前記超格子構造体が積層されるほど、各超格子構造体の平均Ａｌ組成が減少することを特徴とする請求項１０に記載の超格子構造体。
【請求項１２】
基板と、
前記基板上の核成長層と、
前記核成長層上の超格子構造体と、
前記超格子構造体上に成長される窒化物積層体と、を含み、
前記超格子構造体は、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ，ｙ≦１）から形成された第１層と、ＡｌａＩｎｂＧａ１−ａ−ｂＮ（０≦ａ，ｂ≦１，ｘ≠ａ）から形成された第２層とが１対をなし、前記１対が少なくとも２回以上反復積層される複数対を含み、前記複数対ごとに、前記第１層と前記第２層との厚みが同じであり、各対の全体厚が互いに異なる半導体素子。
【請求項１３】
前記１対が積層されるほど、各対の全体厚が増大することを特徴とする請求項１２に記載の半導体素子。
【請求項１４】
前記各対の全体厚が線形的に増大することを特徴とする請求項１３に記載の半導体素子。
【請求項１５】
前記第１層のＡｌ組成が、前記第２層のＡｌ組成より大きく、前記１対が積層されるほど、各層のＡｌ組成が減少するか、あるいは各対の平均Ａｌ組成が減少することを特徴とする請求項１２に記載の半導体素子。
【請求項１６】
前記各層のＡｌ組成が線形的に減少するか、あるいは各対の平均Ａｌ組成が線形的に減少することを特徴とする請求項１５に記載の半導体素子。
【請求項１７】
前記第１層のＡｌ組成が、前記第２層のＡｌ組成より大きく、各層のＡｌ組成が同一に反復されることを特徴とする請求項１２に記載の半導体素子。
【請求項１８】
前記第１層と前記第２層との厚みが、それぞれ０．１〜２０ｎｍの範囲を有することを特徴とする請求項１３に記載の半導体素子。
【請求項１９】
前記第１層と前記第２層との厚みが、それぞれ０．１〜１０ｎｍの範囲を有することを特徴とする請求項１３に記載の半導体素子。
【請求項２０】
前記１対が、ＡｌｐＩｎｑＧａ１−ｐ−ｑＮ（０≦ｐ，ｑ≦１，ｘ≠ａ≠ｐ）から形成された第３層をさらに含み、前記第３層が前記第２層と同じ厚みを有することを特徴とする請求項１３に記載の半導体素子。
【請求項２１】
前記超格子構造体が少なくとも２回以上積層されることを特徴とする請求項１５に記載の半導体素子。
【請求項２２】
前記超格子構造体が積層されるほど、各超格子構造体の平均Ａｌ組成が減少することを特徴とする請求項２１に記載の半導体素子。
【請求項２３】
前記基板は、シリコンを含むことを特徴とする請求項１２に記載の半導体素子。
【請求項２４】
前記核成長層は、ＡｌｃＩｎｄＧａ１−ｃ−ｄＮ（０≦ｃ，ｄ≦１）から形成されたことを特徴とする請求項１２に記載の半導体素子。
【請求項２５】
前記超格子構造体上または窒化物積層体内の窒化物半導体層間に、ＳｉＮ層及びＡｌＧａＮ中間層のうち少なくとも１層が挿入されたことを特徴とする請求項１２に記載の半導体素子。
【請求項２６】
基板上に、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ，ｙ≦１）からなる第１層を積層する段階と、
前記第１層上に、ＡｌａＩｎｂＧａ１−ａ−ｂＮ（０≦ａ，ｂ≦１，ｘ≠ａ）からなる第２層を積層する段階と、
前記第２層の上に、第１層と第２層とを少なくとも１回以上相互に積層する段階と、
前記１回以上積層された層の上部に、窒化物積層体を積層する段階と、を含み、
前記第１層と前記第２層とを含む対が複数対積層され、前記複数対ごとに、前記第１層と前記第２層との厚みが同じであり、各対の全体厚が互いに異なる半導体素子製造方法。
【請求項２７】
前記１対が積層されるほど、各対の全体厚が増大することを特徴とする請求項２６に記載の半導体素子製造方法。
【請求項２８】
前記各対の全体厚が線形的に増大することを特徴とする請求項２６に記載の半導体素子製造方法。
【請求項２９】
前記第１層のＡｌ組成が、前記第２層のＡｌ組成より大きく、前記１対が積層されるほど、各層のＡｌ組成が減少するか、あるいは各対の平均Ａｌ組成が減少することを特徴とする請求項２６に記載の半導体素子製造方法。
【請求項３０】
前記基板と、前記第１層と前記第２層とからなる複数対とを除去する段階を含むことを特徴とする請求項２６に記載の半導体素子製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物系半導体薄膜内のクラックを減少させる超格子構造体、それを含んだ半導体素子、及び半導体素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物系半導体素子を形成するための基板として、サファイア基板が汎用される。しかし、サファイア基板は、価格が高く、かつ硬くてチップ製作に困難が伴い、電気伝導性が低い。そして、サファイア基板を大面積にエピ成長させるとき、低い熱伝導度に起因して、高温で、基板自体の反り現象が発生して大面積に製作し難い。このような限界を克服するために、サファイア基板の代わりに、シリコン基板を活用した窒化物系半導体素子の開発がなされている。シリコン基板は、サファイア基板に比べ、熱伝導度が高いために、高温で成長する窒化物薄膜成長温度でも、基板の反り程度が大きくなく、大面積の薄膜成長が可能である。しかし、シリコン基板に、窒化物薄膜を成長させるとき、基板と薄膜との間の格子定数不一致により、転位密度（dislocation density）が大きくなり、熱膨脹係数の不一致によってクラックが発生する。従って、転位密度を低減させるための方法と、クラック防止のための方法とが多く研究されている。このように、シリコン基板を使用するためには、熱膨脹係数の差によって生ずる引っ張り応力によるクラックを低減させる方法が必要である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の実施形態は、窒化物系半導体薄膜内のクラックを低減させる超格子構造体を提供するものである。
本発明の他の実施形態は、基板上に成長される窒化物系半導体薄膜内のクラックを低減させることができる半導体素子を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の実施形態による超格子構造体は、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ，ｙ≦１）から形成された第１層と、ＡｌａＩｎｂＧａ１−ａ−ｂＮ（０≦ａ，ｂ≦１，ｘ≠ａ）から形成された第２層とが１対をなし、前記１対が少なくとも２回以上反復積層された複数対を含み、前記複数対ごとに、前記第１層と第２層との厚みが同じであり、各対の全体厚が互いに異なってもよい。
【０００５】
前記１対が積層されるほど、各対の全体厚が増大することができる。
前記各対の全体厚が線形的に増大してもよい。
前記第１層のＡｌ組成が第２層のＡｌ組成より大きく、前記１対が積層されるほど、各層のＡｌ組成が減少したり、あるいは各対の平均Ａｌ組成が減少することがある。
前記各層のＡｌ組成が線形的に減少したり、あるいは各対の平均Ａｌ組成が線形的に減少することがある。
【０００６】
前記第１層のＡｌ組成が第２層のＡｌ組成より大きく、各層のＡｌ組成が同一に反復されてもよい。
前記第１層と第２層との厚みがそれぞれ０．１〜２０ｎｍの範囲を有することができる。
前記第１層と第２層との厚みがそれぞれ０．１〜１０ｎｍの範囲を有することができる。
【０００７】
前記１対がＡｌｐＩｎｑＧａ１−ｐ−ｑＮ（０≦ｐ，ｑ≦１，ｘ≠ａ≠ｐ）から形成された第３層をさらに含み、前記第３層が第２層と同じ厚みを有することができる。
前記超格子構造体が少なくとも２回以上積層されてもよい。
前記超格子構造体が積層されるほど、各超格子構造体の平均Ａｌ組成が減少することがある。
【０００８】
本発明の一実施形態による半導体素子は、基板と、前記基板上の核成長層と、前記核成長層上の超格子構造体と、前記超格子構造体上に成長される窒化物積層体と、を含み、前記超格子構造体は、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ，ｙ≦１）から形成された第１層と、ＡｌａＩｎｂＧａ１−ａ−ｂＮ（０≦ａ，ｂ≦１，ｘ≠ａ）から形成された第２層とが１対をなし、前記１対が少なくとも２回以上反復積層される複数対を含み、前記複数対ごとに、前記第１層と第２層との厚みが同じであり、各対の全体厚が互いに異なってもよい。
【０００９】
本発明の一実施形態による半導体素子の製造方法は、基板上に、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ，ｙ≦１）からなる第１層を積層する段階と、前記第１層上に、ＡｌａＩｎｂＧａ１−ａ−ｂＮ（０≦ａ，ｂ≦１，ｘ≠ａ）からなる第２層を積層する段階と、前記第２層の上に、第１層と第２層とを少なくとも１回以上相互に積層する段階と、前記１回以上積層された層の上部に、窒化物積層体を積層する段階と、を含み、前記第１層と第２層とを含む対が複数対積層され、前記複数対ごとに、前記第１層と第２層との厚みが同じであり、各対の全体厚が互いに異なる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の実施形態による半導体素子は、シリコン基板またはシリコンカーバイド基板に窒化物半導体層を成長させる場合に、格子欠陥と引っ張り応力とを低減させることができる。そして、シリコン基板またはシリコンカーバイド基板を使用し、大面積のウェーハ製作が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態による超格子構造体を概略的に図示した図面である。
【図２】本発明の一実施形態による超格子構造体の具体的な一例を図示した図面である。
【図３】本発明の一実施形態による超格子構造体の具体的な他の例を図示した図面である。
【図４】本発明の他の実施形態による超格子構造体を概略的に図示した図面である。
【図５】本発明の他の実施形態による超格子構造体の具体的な一例を図示した図面である。
【図６】本発明の一実施形態による半導体素子を概略的に図示した図面である。
【図７】本発明の他の実施形態による半導体素子を概略的に図示した図面である。
【図８】本発明の一実施形態による半導体素子の製造方法によって製造された半導体素子を図示した図面である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態による超格子構造体、それを含んだ半導体素子、及び半導体素子の製造方法について、添付図面を参照して詳細に説明する。図面において、同一の参照番号は、同一の構成要素を指し、各構成要素の大きさや厚みは、説明の便宜のために誇張されていることがある。一方、以下に説明される実施形態は、ただ例示的なものであるにすぎず、かような実施形態から、多様な変形が可能である。以下で、「上部」や「上」と記載するものは、接触してすぐ上にあるものだけではなく、非接触で上にあることも含むことができる。
【００１３】
図１は、本発明の一実施形態による超格子構造体１０を概略的に図示したものである。超格子構造体１０は、互いに異なる物質層を交互に成長させ、各層間の格子定数を維持しながら成長させることができる。超格子構造体１０は、互いに異なる物質からなる下部層と上部層とが１対をなし、前記１対が少なくとも２回以上反復積層された複数対を含んでもよい。前記１対は、各層の厚みを基に反復積層される最小積層単位であってもよい。前記１対内の２層の厚みが同じであり、前記複数対のそれぞれの全体厚が互いに異なってもよい。例えば、下部層は、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ，ｙ≦１）から形成され、上部層は、ＡｌａＩｎｂＧａ１−ａ−ｂＮ（０≦ａ，ｂ≦１，ｘ≠ａ）から形成されてもよい。
【００１４】
図１を参照すれば、超格子構造体１０が、第１層１１ａと第２層１１ｂとを含む第１対１１、第３層１２ａと第４層１２ｂとを含む第２対１２、第５層１３ａと第６層１３ｂとを含む第３対１３、第７層１４ａと第８層１４ｂとを含む第４対１４を含んでもよい。第１層１１ａと第２層１１ｂとの厚みが同じであり、第３層１２ａと第４層１２ｂとの厚みが同じであり、第５層１３ａと第６層１３ｂとの厚みが同じであり、第７層１４ａと第８層１４ｂとの厚みが同じであってもよい。そして、第１対１１の全体厚と、第２対１２の全体厚と、第３対１３の全体厚と、第４対１４の全体厚とが互いに異なってもよい。例えば、各対の全体厚が、各層の成長方向に対して、次第に増大するように変わってもよい。例えば、各対の全体厚が線形的に増大してもよい。
【００１５】
一方、各対をなす各層の組成が対ごとに同じように構成されたり、異なって構成されてもよい。各対をなす各層のＡｌ組成が対ごとに同じように構成されたり、異なって構成されてもよい。Ａｌ組成が対ごとに異なって構成される場合、超格子構造体の成長方向に進むほど、各層のＡｌ平均組成が減少するように構成されてもよい。例えば、各層のＡｌ平均組成が線形的に減少する。そして、各層の下部層のＡｌ組成が上部層のＡｌ組成より大きくなってもよい。
【００１６】
また、超格子構造体１０をなす各層の組成がそれぞれ異なってもよい。または、超格子構造体１０の１対内の各層の組成が異なり、各層の組成が同一に反復されてもよい。各層で各層の厚みは、０．１〜２０ｎｍの範囲を有することができる。または、各層で各層の厚みは、０．１〜１０ｎｍの範囲を有することができる。
【００１７】
前記超格子構造体１０の下部には、核成長層５が具備される。核成長層５は、ＡｌｃＩｎｄＧａ１−ｃ−ｄＮ（０≦ｃ，ｄ≦１）から形成される。核成長層５は、例えば、ＡｌＮから形成される。そして、前記超格子構造体１０の上部には、少なくとも１層の窒化物半導体層２０が具備される。窒化物半導体層２０は、例えば、ガリウムを含んでもよい。
【００１８】
一方、各対をなす層が３層以上になることも可能である。各対をなす各層の厚みが同じであり、１対をなす各層の組成が異なって構成されてもよい。そして、各対の全体厚が異なって構成されてもよい。本発明の実施形態では、１対が各層の厚みを基準に区別される最小の積層単位である。組成に関しては、１対をなす各層の組成が、対ごとに同一に反復されたり、対ごとにそれぞれ異なって構成される。すなわち、各対をなす各層の組成は、多様に組み合わせが可能である。例えば、各対が、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ，ｙ≦１）から形成された第１層と、ＡｌａＩｎｂＧａ１−ａ−ｂＮ（０≦ａ，ｂ≦１，ｘ≠ａ）から形成された第２層と、ＡｌｐＩｎｑＧａ１−ｐ−ｑＮ（０≦ｐ，ｑ≦１，ｘ≠ａ≠ｐ）から形成された第３層と、を含んでもよい。
【００１９】
図２は、超格子構造体１００の一例を示したものである。
超格子構造体１００は、１ｎｍ厚の第１層１１１ａと、１ｎｍ厚の第２層１１１ｂとを有する第１対１１１と、２ｎｍ厚の第３層１１２ａと、２ｎｍ厚の第４層１１２ｂとを有する第２対１１２と、３ｎｍ厚の第５層１１３ａと、３ｎｍ厚の第６層１１３ｂとを有する第３対１１３と、４ｎｍ厚の第７層１１４ａと、４ｎｍ厚の第８層１１４ｂとを有する第４対１１４を含んでもよい。第１層１１１ａは、Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ｎから形成され、第２層１１１ｂは、Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ｎから形成されてもよい。第３層１１２ａは、Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎから形成され、第４層１１２ｂは、Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ｎから形成されてもよい。第５層１１３ａは、Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ｎから形成され、第６層１１３ｂは、Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎから形成されてもよい。第７層１１４ａは、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ｎから形成され、第８層１１４ｂは、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎから形成されてもよい。
【００２０】
超格子構造体１００は、各対をなす２層の厚みが同じであり、各対の全体厚が異なり、超格子構造体１００をなす全体層の組成がそれぞれ異なってもよい。また、各層のＡｌ組成が、下部から上部に行くほど減少することができる。例えば、各層のＡｌ組成が線形的に減少することができる。ここで、下部から上部への方向は、超格子構造体が成長される方向を示す。図２に図示された例以外にも、超格子構造体の各層のＡｌ平均組成が、各層の成長方向に対して減少するように多様に構成することができる。
【００２１】
図３は、超格子構造体２００の他の例を示したものである。
超格子構造体２００は、１ｎｍ厚の第１層２１１ａと、１ｎｍ厚の第２層２１１ｂとを有する第１対２１１；２ｎｍ厚の第３層２１２ａと、２ｎｍ厚の第４層２１２ｂとを有する第２対２１２；３ｎｍ厚の第５層２１３ａと、３ｎｍ厚の第６層２１３ｂとを有する第３対２１３；４ｎｍ厚の第７層２１４ａと、４ｎｍ厚の第８層２１４ｂとを有する第４対２１４を；含んでもよい。第１層２１１ａは、Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ｎから形成され、第２層２１１ｂは、Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎから形成される。第３層２１２ａは、Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ｎから形成され、第４層２１２ｂは、Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎから形成されてもよい。第５層２１３ａは、Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ｎから形成され、第６層２１３ｂは、Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ｎから形成されてもよい。第７層２１４ａは、Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ｎから形成され、第８層２１４ｂは、Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎから形成されてもよい。超格子構造体２００は、各対の全体厚がそれぞれ異なり、各対をなす層の組成は、互いに同じになるように構成される。
【００２２】
各対をなす層は、例えば、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ，ｙ≦１）／ＡｌａＩｎｂＧａ１−ａ−ｂＮ（０≦ａ，ｂ≦１，ｘ≠ａ）から形成される。前記例では、各対の各層がＡｌを含む例について説明したが、それに限定されるものではなく、例えば、各対がＡｌＮ／ＧａＮからなることも可能である。または、各対がＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＡｌａＧａ１−ａＮ（０＜ｘ，ａ≦１，ｘ≠ａ）からなることも可能である。一方、各対をなす各層の厚みは、０．１〜２０ｎｍの範囲を有することができる。または、各対をなす各層は、０．１〜１０ｎｍの範囲の厚みを有することができる。
【００２３】
次に、図４は、本発明の他の実施形態による超格子構造体３００を図示したものである。超格子構造体３００は、複数個の超格子ユニットが積層される複層超格子構造を有することができる。
【００２４】
超格子ユニットは、互いに異なる物質からなる第１層と第２層とが１対をなし、前記１対が少なくとも２回以上反復積層された複数対を含んでもよい。前記１対は、各層の厚みが周期的に変わる最小積層単位であってもよい。すなわち、前記第１層と第２層との厚みが同じであり、各対の全体厚が互いに異なってもよい。各対の全体厚が超格子ユニットの成長方向に対して増大することができる。一方、第１層は、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ，ｙ≦１）から形成され、第２層は、ＡｌａＩｎｂＧａ１−ａ−ｂＮ（０≦ａ，ｂ≦１，ｘ≠ａ）から形成される。超格子ユニットは、各対の全体厚が超格子ユニットの成長方向に対して変化する最小周期の積層構造を含んでもよい。例えば、超格子ユニットは、各対の全体厚が成長方向に対して増大する層までの構造を含んでもよい。
【００２５】
図４を参照すれば、超格子構造体３００は、第１超格子ユニット３１０、第２超格子ユニット３２０、第３超格子ユニット３３０を含む。
【００２６】
前記第１超格子ユニット３１０は、第１層３１１ａと第２層３１１ｂとを含む第１対３１１、第３層３１２ａと第４層３１２ｂとを含む第２対３１２、第５層３１３ａと第６層３１３ｂとを含む第３対３１３、第７層３１４ａと第８層３１４ｂとを含む第４対３１４を含んでもよい。第１層３１１ａと第２層３１１ｂとの厚みが同じであり、第３層３１２ａと第４層３１２ｂとの厚みが同じであり、第５層３１３ａと第６層３１３ｂとの厚みが同じであり、第７層３１４ａと第８層３１４ｂとの厚みが同じである。そして、第１対３１１の全体厚と、第２対３１２の全体厚と、第３対３１３の全体厚と、第４対３１４の全体厚とが互いに異なる。例えば、各対の全体厚が各層の成長方向に対して、次第に増大するように変わってもよい。第１超格子ユニット３１０の各層は、例えば、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ，ｙ≦１）／ＡｌａＩｎｂＧａ１−ａ−ｂＮ（０≦ａ，ｂ≦１，ｘ≠ａ）層を含んでもよい。そして、例えば、それぞれの超格子ユニットで、各対の平均Ａｌ組成が同じであるか、あるいは層の成長方向に対して、平均Ａｌ組成が減少することがある。または、第１超格子ユニット３１０の各対をなす層が、ＡｌＮ／ＧａＮから形成されることも可能である。それ以外にも、各対をなす層は、多様に組み合わせて構成することができる。
【００２７】
前記第２超格子ユニット３２０は、各対の全体厚が各層の成長方向に対して、次第に増大する周期を有する積層構造を含んでもよい。例えば、第２超格子ユニット３２０は、第９層３２１ａと第１０層３２１ｂとを含む第５対３２１、第１１層３２２ａと第１２層３２２ｂとを含む第６対３２２、第１３層３２３ａと第１４層３２３ｂとを含む第７対３１３、第１５層３２４ａと第１６層３２４ｂとを含む第８対３２４を含んでもよい。第９層３２１ａと第１０層３２１ｂとの厚みが同じであり、第１１層３２２ａと第１２層３２２ｂとの厚みが同じであり、第１３層３２３ａと第１４層３２３ｂとの厚みが同じであり、第１５層３２４ａと第１６層３２４ｂとの厚みが同じである。そして、第５対３２１の全体厚と、第６対３２２の全体厚と、第７対３２３の全体厚と、第８対３２４の全体厚とが互いに異なる。例えば、各対の全体厚が各層の成長方向に対して、次第に増大するように変わってもよい。
【００２８】
第２超格子ユニット３２０の各層は、例えば、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ，ｙ≦１）／ＡｌａＩｎｂＧａ１−ａ−ｂＮ（０≦ａ，ｂ≦１，ｘ≠ａ）層を含み、各対の平均Ａｌ組成が同じであるか、あるいは層の成長方向に対して、平均Ａｌ組成が減少する。または、第２超格子ユニット３２０の各対をなす層が、ＡｌＮ／ＧａＮから形成されることも可能である。それ以外にも、各対をなす層は、多様に組み合わせて構成することができる。
【００２９】
前記第３超格子ユニット３３０は、各対の全体厚が各層の成長方向に対して、次第に増大する周期を有する積層構造を含む。例えば、第３超格子ユニット３３０は、第１７層３３１ａと第１８層３３１ｂとを含む第９対３３１、第１９層３３２ａと第２０層３３２ｂとを含む第１０対３３２、第２１層３３３ａと第２２層３３３ｂとを含む第１１対３３３、第２３層３３４ａと第２４層３３４ｂとを含む第１２対３３４を含む。第１７層３３１ａと第１８層３３１ｂとの厚みが同じであり、第１９層３３２ａと第２０層３３２ｂとの厚みが同じであり、第２１層３３３ａと第２２層３３３ｂとの厚みが同じであり、第２３層３３４ａと第２４層３３４ｂとの厚みが同じである。そして、第９対３３１の全体厚と、第１０対３３２の全体厚と、第１１対３３３の全体厚と、第１２対３３４の全体厚とが互いに異なる。例えば、各対の全体厚が各層の成長方向に対して、次第に増大するように変わってもよい。
【００３０】
第３超格子ユニット３３０の各層は、例えば、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ，ｙ≦１）／ＡｌａＩｎｂＧａ１−ａ−ｂＮ（０≦ａ，ｂ≦１，ｘ≠ａ）層を含み、各対の平均Ａｌ組成が同じであるか、あるいは層の成長方向に対して、平均Ａｌ組成が減少する。または、第３超格子ユニット３３０の各対をなす層がＡｌＮ／ＧａＮから形成されることも可能である。それ以外にも、各対をなす層は、多様に組み合わせて構成することができる。
【００３１】
第１超格子ユニット３１０と、第２超格子ユニット３２０と、第３超格子ユニット３３０とで、各対をなす各層の厚みは、０．１〜２０ｎｍの範囲を有することができる。または、各対をなす各層は、０．１〜１０ｎｍの範囲の厚みを有することができる。
一方、第１超格子ユニット３１０と、第２超格子ユニット３２０と、第３超格子ユニット３３０は、それぞれ層厚と組成とが同じように構成されてもよい。または、第１超格子ユニット３１０と、第２超格子ユニット３２０と、第３超格子ユニット３３０は、それぞれ層厚と組成とのうち、少なくとも一つがそれぞれ異なって構成されてもよい。そして、図４では、各対が２層を含む例を図示したが、各対が３層以上を含むことも可能である。
【００３２】
図５は、複層構造を有する超格子構造体４００の一例を図示したものである。
超格子構造体４００は、例えば、第１超格子ユニット４１０、第２超格子ユニット４２０及び第３超格子ユニット４３０を含む。
【００３３】
第１超格子ユニット４１０は、１ｎｍ厚のＡｌ０．８５Ｇａ０．１５Ｎ層と、１ｎｍ厚のＡｌ０．６５Ｇａ０．３５Ｎ層とを有する第１対、２ｎｍ厚のＡｌ０．８５Ｇａ０．１５Ｎ層と、２ｎｍ厚のＡｌ０．６５Ｇａ０．３５Ｎ層とを有する第２対、３ｎｍ厚のＡｌ０．８５Ｇａ０．１５Ｎ層と、３ｎｍ厚のＡｌ０．６５Ｇａ０．３５Ｎ層とを有する第３対、及び４ｎｍ厚のＡｌ０．８５Ｇａ０．１５Ｎ層と、４ｎｍ厚のＡｌ０．６５Ｇａ０．３５Ｎ層とを有する第４対を含む。
【００３４】
第２超格子ユニット４２０は、１ｎｍ厚のＡｌ０．６Ｇａ０．４Ｎ層と、１ｎｍ厚のＡｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ層とを有する第１対、２ｎｍ厚のＡｌ０．６Ｇａ０．４Ｎ層と、２ｎｍ厚のＡｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ層とを有する第２対、３ｎｍ厚のＡｌ０．６Ｇａ０．４Ｎ層と、３ｎｍ厚のＡｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ層とを有する第３対、及び４ｎｍ厚のＡｌ０．６Ｇａ０．４Ｎ層と、４ｎｍ厚のＡｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ層とを有する第４対を含む。
【００３５】
第３超格子ユニット４３０は、１ｎｍ厚のＡｌ０．３５Ｇａ０．６５Ｎ層と、１ｎｍ厚のＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ層とを有する第１対、２ｎｍ厚のＡｌ０．３５Ｇａ０．６５Ｎ層と、２ｎｍ厚のＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ層とを有する第２対、３ｎｍ厚のＡｌ０．３５Ｇａ０．６５Ｎ層と、３ｎｍ厚のＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ層とを有する第３対、及び４ｎｍ厚のＡｌ０．３５Ｇａ０．６５Ｎ層と、４ｎｍ厚のＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ層とを有する第４対を含む。
【００３６】
図５では、それぞれの超格子ユニットで、各層の厚み変化が同じであり、各層の組成が異なって構成された例を図示している。しかし、それは一例に過ぎず、複数個の超格子ユニットが、それぞれ各層の厚み変化と各層の組成変化とのうち、少なくとも一つが異なって構成される例が多様に可能である。または、複数個の超格子ユニットがそれぞれ各層の厚み変化と組成変化とが同じになるように構成されることも可能である。
【００３７】
図６は、一実施形態による半導体素子１０００の概略的な構成を示したものである。半導体素子１０００は、基板１１００、超格子構造体１１１０、窒化物積層体１１２０を含む。前記基板１１００は、シリコンを含むシリコン系基板が使用され、例えば、シリコン基板またはシリコンカーバイド基板が採用される。
【００３８】
前記超格子構造体１１１０は、互いに異なる物質からなる第１層と第２層とが１対をなし、前記１対が少なくとも２回以上反復積層された複数対を含む。前記１対は、各層の厚みが変わる最小積層単位であってもよい。例えば、第１層は、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ，ｙ≦１）から形成され、第２層は、ＡｌａＩｎｂＧａ１−ａ−ｂＮ（０≦ａ，ｂ≦１，ｘ≠ａ）から形成される。前記第１層と第２層との厚みが同じであり、各対の全体厚が互いに異なる。
【００３９】
前記超格子構造体１１１０では、例えば、図１ないし図５を参照して説明した超格子構造体１０，１００，２００，３００，４００が採用されてもよい。ここでは、超格子構造体について、詳細な説明を省略する。
【００４０】
前記窒化物積層体１１２０は、少なくとも１層の窒化物半導体層を含む。前記少なくとも１層の窒化物半導体層は、前記基板１１００上に成長させようとする層であり、例えば、ガリウムを含む窒化物から形成される。前記少なくとも１層の窒化物半導体層は、Ａｌｘ１Ｉｎｙ１Ｇａ１−ｘ１−ｙ１Ｎ（０≦ｘ１，ｙ１≦１，ｘ１＋ｙ１＜１）から形成される。例えば、前記少なくとも１層の窒化物半導体層は、ＧａＮ、ＩｎＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＮのうちいずれか一つを含む物質から形成される。または、前記少なくとも１層の窒化物半導体層は、アルミニウムを含まない窒化物から形成される。また、前記少なくとも１層の窒化物半導体層は、アンドーピングまたはドーピングを選択的にすることができる。
【００４１】
前記基板１１００と超格子構造体１１１０との間に、核成長層１１０５が具備されてもよい。核成長層１１０５は、ＡｌｃＩｎｄＧａ１−ｃ−ｄＮ（０≦ｃ，ｄ≦１）から形成される。核成長層１１０５は、例えば、ＡｌＮから形成される。核成長層１１０５は、基板１１００と前記窒化物積層体１１２０とが反応して生ずるメルトバック（melt-back）現象を防ぎ、その後成長される超格子構造体、または少なくとも１層の窒化物半導体層を良好にウェッティング（wetting）させる役割を行うことができる。核成長層の成長段階で、初期に、Ａｌソース（source）を先に注入するが、それは、基板がアンモニアに先に露出して窒化されることを防ぐためである。例えば、核成長層は、数十から数百ｎｍサイズを有することができる。
【００４２】
一方、図７に図示されているように、前記超格子構造体１１１０と窒化物積層体１１２０との間に、ＳｉＮ層及びＡｌＧａＮ中間層１１３０のうち少なくとも１層がさらに挿入されてもよい。または、窒化物積層体１１２０内の窒化物半導体層間に、ＳｉＮ層及びＡｌＧａＮ中問層のうち少なくとも１層がさらに挿入されてもよい。
【００４３】
前記超格子構造体１１１０は、前記基板に窒化物積層体を成長させる場合に、熱膨脹係数差によって生ずる引っ張り応力によるクラックを低減または防止するためのバッファ層としての役割を果たすことが可能である。一方、前記基板１１１０、核成長層１１０５、超格子構造体１１１０は、半導体素子の製作中、または製作後に除去される。
【００４４】
本発明の実施形態による半導体素子は、シリコン基板またはシリコンカーバイド基板に窒化物半導体層を成長させる場合に、格子欠陥と引っ張り応力とを低減させることができる。そして、シリコン基板またはシリコンカーバイド基板を使用し、大面積のウェーハ製作が可能になる。本発明の実施形態による半導体素子は、発光素子（light emitting diode）、ショットキーダイオード、レーザダイオード、電界効果トランジスタ（field effect transistor）またはパワーデバイス（power device）などに適用されてもよい。
【００４５】
次に、本発明の一実施形態による半導体素子の製造方法について説明する。半導体素子の製造方法は、図６及び図７を参照して説明する。
基板１１００上に、超格子構造体１１１０と窒化物積層体１１２０とを積層する。前記基板１１００は、シリコンを含むシリコン系基板が使用され、例えば、シリコン基板またはシリコンカーバイド基板が採用される。
【００４６】
前記超格子構造体１１１０としては、例えば、図１ないし図５を参照して説明した超格子構造体１０，１００，２００，３００，４００が採用される。ここでは、超格子構造体について詳細な説明を省略する。
【００４７】
前記窒化物積層体１１２０は、少なくとも１層の窒化物半導体層を含む。前記少なくとも１層の窒化物半導体層は、前記基板１１００上に成長させる層であり、例えば、ガリウムを含む窒化物から形成される。前記少なくとも１層の窒化物半導体層は、Ａｌｘ１Ｉｎｙ１Ｇａ１−ｘ１−ｙ１Ｎ（０≦ｘ１，ｙ１≦１，ｘ１＋ｙ１＜１）から形成される。例えば、前記少なくとも１層の窒化物半導体層は、ＧａＮ、ＩｎＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＮのうちいずれか一つを含む物質から形成される。または、前記少なくとも１層の窒化物半導体層は、アルミニウムを含まない窒化物から形成される。また、前記少なくとも１層の窒化物半導体層は、アンドーピングまたはドーピングを選択的に行うことができる。
【００４８】
前記基板１１００と超格子構造体１１１０との間に、核成長層１１０５をさらに積層することができる。そして、図７に図示されているように、前記超格子構造体１１１０と窒化物積層体１１２０との間に、ＳｉＮ層及びＡｌＧａＮ中間層１１３０のうち少なくとも１層をさらに挿入することができる。または、窒化物積層体１１２０内の窒化物半導体層間に、ＳｉＮ層及びＡｌＧａＮ中間層のうち少なくとも１層をさらに挿入することができる。
【００４９】
そして、図８に図示されているように、前記基板１１００、核成長層１１０５及び超格子構造体１１１０を除去することができる。基板１１００、核成長層１１０５及び超格子構造体１１１０を除去する前に、前記窒化物積層体１１２０を支持するために、前記窒化物積層体１１２０の上部に、支持基板をさらに積層する段階が必要なことがある。基板１１００、核成長層１１０５及び超格子構造体１１１０が除去されて残った窒化物積層体１１２０は、少なくとも１層の窒化物半導体層を含む。前記少なくとも１層の窒化物半導体層は、例えば、ガリウムを含む窒化物から形成される。また、前記少なくとも１層の窒化物半導体層は、アンドーピングまたはドーピングを選択的に行うことができる。本発明の実施形態による超格子構造体及びそれを含んだ半導体素子ついては、理解を助けるために、図面に図示された実施形態を参照に説明したが、それらは例示的なものに過ぎず、当該分野の当業者であれば、それらから多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であるという点を理解するであろう。従って、本発明の真の技術的保護範囲は、特許請求の範囲によって決まるものである。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明の超格子構造体、これを含んだ半導体素子、及び半導体素子の製造方法は、例えば、発光素子（light emitting diode）、ショットキーダイオード、レーザダイオード、電界効果トランジスタ（field effect transistor）またはパワーデバイス（power device）などの半導体素子関連の技術分野に効果的に適用可能である。
【符号の説明】
【００５１】
５，１１０５    核成長層
１０，１００，２００，３００，４００，１１１０    超格子構造体
１１    第１対
１２    第２対
１３    第３対
１４    第４対
３１０，３２０，３３０，４１０，４２０，４３０    超格子ユニット
１０００    半導体素子
１１００    基板
１１２０    窒化物積層体
１１３０    ＡｌＧａＮ中間層
【図１】
2014003296.tif 000003
【図２】
2014003296.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2014003296.tif 000008
【図７】
2014003296.tif 000009
【図８】
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