(57)【要約】【課題】  複雑な工程を必要としない、また、転位を低減するために厚い膜を形成する必要のない窒化物半導体の転位低減方法を提供する。【解決手段】  オフ角度αが0.5°以上の微傾斜基板１を用い、その上に、分子線エピタキシャル成長（MBE）法、有機金属気相成長（MOCVD）法、ハイドライド気相成長（HVPE）法などを用いてバッファ層となる窒化物半導体膜２を成長させ、その上に窒化物半導体膜３を成長させる。オフ角度αをある程度大きくして、成長する薄膜の表面に多原子層高さのマクロステップが形成されるようにする。【選択図】  図１
2006060164.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に窒化物半導体をエピタキシャル成長させて形成した窒化物半導体デバイスにおいて、基板が０．５°以上の微傾斜面を有する基板であることを特徴とする窒化物半導体デバイス。
【請求項２】
基板上に窒化物半導体をエピタキシャル成長させて形成した窒化物半導体デバイスにおいて、エピタキシャル成長結晶層の少なくとも一つは多原子層高さのマクロステップを有していることを特徴とする窒化物半導体デバイス。
【請求項３】
基板上に窒化物半導体薄膜をエピタキシャル成長させる窒化物半導体結晶成長方法において、０．５°以上の微傾斜面を有するオフ基板を用いることを特徴とする窒化物半導体結晶成長方法。
【請求項４】
基板上に窒化物半導体薄膜をエピタキシャル成長させる窒化物半導体結晶成長方法において、薄膜表面に多原子層高さを持つマクロステップを形成することを特徴とする窒化物半導体結晶成長方法。
【請求項５】
基板上に窒化物半導体薄膜をエピタキシャル成長させる窒化物半導体結晶成長方法において、基板上に垂直方向に伝播する転位の外に斜め方向に伸びる転位を生じさせ、斜め方向に伸びる転位によって転位の垂直方向の伝播を抑制することを特徴とする窒化物半導体結晶成長方法。
【請求項６】
窒化物半導体薄膜のエピタキシャル成長を、ＭＢＥ（分子線エピタキシャル成長）法、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）法またはＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長）法のいずれかを用いて行うことを特徴とする請求項３、４または５に記載の窒化物半導体結晶成長方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III−Ｖ族窒化物半導体薄膜の結晶成長方法とその成長方法によって形成された窒化物半導体膜を利用した半導体デバイスに関し、特に、微傾斜面を有するオフ基板上に窒化物半導体膜を結晶成長させる方法とその成長方法によって形成された窒化物半導体膜を利用した半導体デバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体は青色・紫外光デバイス及び高出力・高周波電子デバイスの応用に重要な材料として注目されている。しかし、窒化物半導体薄膜を結晶成長させるのに適切な基板がなく、現在格子ミスマッチの大きいサファイア基板及びＳｉＣ基板の使用が主流である。そのため、窒化物半導体薄膜中に転位密度が非常に高い（約１０10/ｃｍ2）。この高密度転位はデバイス動作特性に多大な悪影響を与えることが既に実証されている。例えば、ＩｎＧａＮ/（Ａｌ，Ｇａ）Ｎ量子井戸構造を基本とするレーザーダイオードの出力パワーと動作寿命は転位密度に大きく依存し、転位密度が低ければ出力パワーが高く寿命が長くなる。また、ＡｌＧａＮ/ＧａＮヘテロ構造を基本とする電子デバイスでも高密度の転位によるリーク電流の増大や出力パワーの低下などが問題となっている。従って、薄膜中の転位密度低減がデバイス性能の向上に極めて重要である。
【０００３】
従来、窒化物半導体薄膜結晶成長技術として分子線エピタキシャル成長 (ＭＢＥ：molecular beam epitaxy) 法、有機金属化学気相成長(ＭＯＣＶＤ：metal-organic chemical vapor deposition)法、ハイドライド気相成長(ＨＶＰＥ：hydride vapor phase epitaxy)法などが主に用いられてきたが、いずれの方法を用いても転位密度の低減は容易ではなく、高品位の結晶成長に向けて様々な試みが重ねられてきた。その一つは、横方向エピタキシャル成長法である（例えば、非特許文献１参照）。これは、基板上にＡｌＮバッファ層を介してＧａＮ下地層を成長させ、その上にストライプ状のＳｉＯ２マスクを形成し、ＧａＮ下地層からマスク上にＧａＮを結晶成長させる方法である。また、複数の中間層を挿入する方法も提案されている（例えば、非特許文献２参照）。この方法は、窒化物半導体（例えばＡｌＧａＮ）層とＳｉＡｌＮ合金層とを交互に複数層積層するものである。
【非特許文献１】Appl. Phys. Lett. 71(18), 3 November 1997, pp.2638-2640
【非特許文献２】Appl. Phys. Lett. 83(20), 17 November 2003, pp.4140-4142
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した方法によると、転位を効果的に低減することができるが、横方向エピタキシャル成長法では、フォトリソグラフィ工程やエッチング工程が必要となるなど工程が複雑な上に多くの工数が必要となる。しかも、横方向エピタキシャル成長膜をマスク上で連結するためには、厚い膜を成長させなければならない。また、中間層挿入法では、デバイスを構成するのには使用されない転位を低減させるためだけの積層膜を、数〜十数回反応ガスを切り替えて形成しなければならないため、やはり工程が複雑で多くの工数が必要となる上に厚い膜を形成しなければならないものである。
【０００５】
本発明の課題は、上述した従来方法の問題点を解決することであって、その目的は、十分に転位の低減された窒化物半導体膜とその半導体膜を利用した窒化物半導体デバイスを、簡単な方法でしかも厚い膜を形成することなく実現できるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するため、本発明によれば、基板上に窒化物半導体をエピタキシャル成長させて形成した窒化物半導体デバイスにおいて、基板が０．５°以上の微傾斜面を有する基板であることを特徴とする窒化物半導体デバイス、が提供される。
【０００７】
また、上記の目的を達成するため、本発明によれば、基板上に窒化物半導体をエピタキシャル成長させて形成した窒化物半導体デバイスにおいて、エピタキシャル成長結晶層の少なくとも一つは多原子層高さのマクロステップを有していることを特徴とする窒化物半導体デバイス、が提供される。
【０００８】
また、上記の目的を達成するため、本発明によれば、基板上に窒化物半導体薄膜をエピタキシャル成長させる窒化物半導体結晶成長方法において、０．５°以上の微傾斜面を有する基板を用いることを特徴とする窒化物半導体結晶成長方法、が提供される。
【０００９】
また、上記の目的を達成するため、本発明によれば、基板上に窒化物半導体薄膜をエピタキシャル成長させる窒化物半導体結晶成長方法において、薄膜表面に多原子層高さを持つマクロステップを形成することを特徴とする窒化物半導体結晶成長方法、が提供される。
【００１０】
また、上記の目的を達成するため、本発明によれば、基板上に窒化物半導体薄膜をエピタキシャル成長させる窒化物半導体結晶成長方法において、基板上に垂直方向に伝播する転位の外に斜め方向に伸びる転位を生じさせ、斜め方向に伸びる転位によって転位の垂直方向の伝播を抑制することを特徴とする窒化物半導体結晶成長方法、が提供される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明においては、0.5°以上のオフ角度の基板を用いて窒化物半導体の結晶成長が行われる。オフ角度が0.5°以上になると、成長する薄膜表面に形成されるステップは多原子層高さのマクロステップとなる。そして、ジャスト基板（0°基板）上の薄膜中のような真上に走る転位以外に傾斜方向に進行する転位線が発生する。この傾斜方向に走っている転位線が真上に走っている転位線と相互作用し、転位ループなどを作り真上に伝搬する転位を止める。これが、本発明の転位密度低減の原理であり、従来の技術と全く異なる原理に基づく転位密度低減方法である。
本発明の方法は、単に微傾斜のオフ基板を用いるだけの方法であり、複雑なプロセスや多くの繰り返し工程などの必要がないので、容易にかつ短時間の作業により転位の少ない高品質の窒化物半導体膜を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態を説明するための断面図である。基板としては、オフ角度αの微傾斜基板１が用いられる。基板材料は、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）、６Ｈ−ＳｉＣ、ＺｎＯ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、ＬｉＧａＯ２またはＬｉＡｌＯ２などが用いられる。オフ角度αの下限は、基板上に成長させる窒化物半導体膜の表面に多原子層高さのマクロステップが形成される値に選定される。その下限は、結晶成長方法およびプロセス条件によって異なるので、一意的に定めることはできないが、概ね0.5°以上は必要である。
【００１３】
この微傾斜基板１上に、窒化物半導体膜２、３がエピタキシャル成長される。窒化物半導体膜は、III−Ｖ族窒化物半導体であって、ＢＮ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮまたはこれらの混晶（四元窒化物を含む）である。窒化物半導体膜２はバッファ層であって、ＡｌＮ、ＧａＮあるいはそれらの混晶が好適に用いられる。窒化物半導体膜３は、デバイスを構成するための半導体膜であって、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮなどの積層膜によって構成され、ヘテロ接合を含み、ＳＱＷ（シングル量子井戸）またはＭＱＷ（多重量子井戸）を含んでいてもよい。また、ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮなどは超格子構造であってもよい。
【００１４】
窒化物半導体膜２、３のエピタキシャル成長には、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＨＶＰＥ法が用いられる。これらを組み合わせて用いることも可能である。
ＭＯＣＶＤ法を用いる場合、反応管内のサセプタ上に基板を保持し、この反応管に、アンモニアと１種の有機金属ガスまたは２種以上の有機金属ガスの混合ガスを窒素などのキャリアガスと共に供給して、所望の窒化物半導体を成長させる。Ｇａの原料としては例えばトリメチルガリウム（ＴＭＧ；（ＣＨ３）３Ｇａ）またはトリエチルガリウム（ＴＥＧ；（Ｃ２Ｈ５）３Ｇａ）を用い、Ａｌの原料として例えばトリメチルアルミニウム（（ＣＨ３）３Ａｌ）を用い、Ｂの原料として例えばトリエチルホウ素（（Ｃ２Ｈ５）３Ｂ）を用い、Ｉｎの原料としては、例えばトリメチルインジウム（（ＣＨ３）３Ｇａ）を用いる。
成長する窒化物半導体に導電型不純物を付与する場合には、ｎ型の場合、例えばシラン（ＳｉＨ４）または塩化ケイ素（ＳｉＣｌ４）を同時に供給し、ｐ型の場合には、例えばビス＝シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃ５Ｈ５）２Ｍｇ）やジメチル亜鉛（（ＣＨ３）２Ｚｎ）を同時に供給する。
【００１５】
ＭＢＥ法を用いる場合、Ｇａ蒸発源、Ａｌ蒸発源、Ｉｎ蒸発源、Ｂ蒸発源およびＮ供給源を備えたＭＢＥ装置のチャンバ内に基板を配置し、窒素フラックスとともに１種または２種以上のIII族金属フラックスを基板に照射して、所望の窒化物半導体を成長させる。このとき、ＲＦにより窒素を活性化させ、窒素ラジカルを照射するようにしてもよい（ＲＦ−ＭＢＥ法）。
【００１６】
ＨＶＰＥ法を用いる場合、反応管内のサセプタ上に基板を保持し、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、ＢのIII族金属の中の１種または２種以上を反応管に装填し、反応管にＨＣｌガスを導入して塩化金属ガスを生成させ、これとアンモニアガスを反応させて基板上に所望の窒化物半導体を堆積させる。窒素の原料としては、アンモニアに代えヒドラジンなどの他の窒素化合物を用いてもよい。また、III族金属と反応させるハロゲン化水素としては、ＨＣｌに代え、ＨＦ、ＨＢｒまたはＨＩを用いることもできる。
【実施例１】
【００１７】
次に、本発明の実施例１を比較例とともに説明する。微傾斜サファイア（０００１）基板を使用し、比較のために、ジャストサファイア（０００１）基板も使用した。膜成長にはRF-ＭＢＥ法を用いた。使われている微傾斜サファイア（０００１）基板のオフ角度を0.5〜2°まで変化させ、最適な基板条件を見出す。
膜成長に先立って、まず、ＭＢＥチャンバ中において窒素プラズマによるサファイア基板の窒化を行う。その時の基板温度は280℃で、窒化時間は２時間までとする。プラズマのパワーは350ワットで、窒素流量を3sccmとした。窒化終了後、基板温度を700℃まで上げ、ＡｌＮ薄膜を成長させそのＡｌＮ薄膜上にＧａＮ薄膜を成長させた。ＡｌＮとＧａＮの成長速度はそれぞれ約0.4μm/hrと0.6μm/hrである。ＡｌＮ薄膜とＧａＮ薄膜の厚みはそれぞれ0.2μｍと1μｍである。
【００１８】
成長したＧａＮ薄膜をX線回折及び透過型電子顕微鏡による断面観察により評価する。図２は、X線回折を示すグラフであって、図２（ａ）、（ｂ）にそれぞれX線回折の対称反射(002)と非対称反射(102)の結果を示す。対称反射(002)の場合、ＧａＮのピーク半値幅が傾斜角度あまり大きく依存せず、100〜200 arcsec(秒角)に留まる。このピーク半値幅は薄膜のモザイク状態を表しており、得られた結果から薄膜のモザイク特性は傾斜角度に対する依存性が小さいと考えられる。一方、非対称反射(102)の場合、ＧａＮのピーク半値幅が傾斜角度に大きく依存している。傾斜角度が0°から2°へと変化すると、ピーク半値幅は約1400から400 arcsecへと狭くなる。このピーク半値幅は薄膜中の転位密度に対応し、ピーク半値幅が狭ければ転位密度が小さいことになる。また、0°と0.5°オフの基板の場合、ピーク半値幅があまり変わらないことがわかる。これは0°と0.5°オフ基板の場合に薄膜表面に単原子層ステップしかなく、マクロステップ（多原子層ステップ）が形成されていないからである。つまりマクロステップの形成が転位密度の低減に大きな役割を果たしているのである。この結論は、次の透過型電子顕微鏡による断面観察の結果からはっきりわかる。
【００１９】
次に、上記の薄膜の断面を透過型電子顕微鏡(TEM)にて観察した結果について説明する。図３にTEMによる観察像を示す。サンプルは二種類で、図３（ａ）、（ｂ）は、それぞれジャスト基板（オフ角0°）と2.0°オフ基板上に成長したＧａＮ薄膜の断面像である。ジャスト基板上に成長したＧａＮ薄膜中には高い密度の転位（白い線）が成長方向（真上）に走っている。これは従来技術で成長させた薄膜に典型的に現れるものである。しかし、2.0°オフ基板上のＧａＮ薄膜中の転位（白い線）密度は先の0°基板上のＧａＮ薄膜の場合と比べて大きく減少している。特徴的な点は、転位線の伝播方向が二種類あることである。ジャスト基板上のＧａＮ薄膜中において支配的な転位線方向（真上）以外に傾斜方向に走っている転位線が存在している。この傾斜方向に走っている転位線が真上に走っている転位線と相互作用し、転位ループなどを作り真上に伝搬する転位を止める。この新規な原理により、転位密度を大きく低減させることができる。
【００２０】
以上の結果により、窒化物半導体薄膜中の転位密度低減を実現するには、薄膜表面にマクロステップを形成することが必要条件である。微傾斜基板の必要な傾斜角度は成長方法によって異なるが、ＭＢＥ法による場合には1.0°以上で、MOCVDの場合には0.5°以上であることが必要条件になる。
【産業上の利用可能性】
【００２１】
本発明の上述した特徴を産業上で活用するものとして、以下のような応用分野が考えられる。
第１に、低転位密度ＧａＮエピタキシャル層を利用し、その上に(Ｉｎ,Ｇａ,Ａｌ)Ｎ/(Ａｌ,Ｇａ)Ｎ量子井戸を作製し、高性能な光デバイス（ＬＥＤとＬＤなど）への応用が可能である。
【００２２】
第２に、低転位密度ＧａＮエピタキシャル層を利用し、その上にＧａＮ/(Ａｌ,Ｇａ)Ｎ量子井戸を作製し、サブバンド間遷移(inter-subband transition)を利用した高速な通信用デバイスへの応用が可能である。
【００２３】
第３に、低転位密度ＧａＮエピタキシャル層を利用し、その上に(Ａｌ,Ｇａ)Ｎ/ＧａＮヘテロ構造を作製し、高い二次元電子ガス移動度が期待できる。それにより、高周波、高出力電子デバイスへの応用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施の形態を説明するための断面図。
【図２】本発明の実施例１による薄膜と従来例による薄膜とのＸ線回折の結果を示すグラフ。
【図３】従来例による薄膜と本発明の実施例１による薄膜との透過型電子顕微鏡を用いて観察した断面像。
【符号の説明】
【００２５】
１  微傾斜基板
２  窒化物半導体膜（バッファ層）
３  窒化物半導体膜
４  マクロステップ
【図１】
2006060164.tif 000003
【図２】
2006060164.tif 000004
【図３】
2006060164.tif 000005