(57)【要約】      （修正有）【課題】ＳｉＣ基板の欠陥に起因する貫通転位の発生および伝播を抑止するバッファー層を有するIII−Ｖ族窒化物半導体エピタキシャルウェハを提供することにある。【解決手段】ＳｉＣ基板１上にＡｌＮバッファー層２を形成し、該ＡｌＮバッファー層２上にIII−Ｖ族窒化物半導体結晶を形成したIII−Ｖ族窒化物半導体エピタキシャルウェハにおいて、上記ＡｌＮバッファー層２中に、IV族元素を１×１０19cm-3以上の濃度で、層内に均一にドーピングした構造とする。【選択図】図１
2006120855.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳｉＣ基板上にＡｌＮバッファー層を形成し、該ＡｌＮバッファー層上にIII−Ｖ族窒化物半導体結晶を形成したIII−Ｖ族窒化物半導体エピタキシャルウェハにおいて、
上記ＡｌＮバッファー層中に、IV族元素を１×１０19cm-3以上の濃度で、層内に均一にドーピングしたことを特徴とするIII−Ｖ族窒化物半導体エピタキシャルウェハ。
【請求項２】
請求項１記載のIII−Ｖ族窒化物半導体エピタキシャルウェハにおいて、
添加するIV族元素をシリコンまたはゲルマニウムとしたことを特徴とするIII−Ｖ族窒化物半導体エピタキシャルウェハ。
【請求項３】
請求項２記載のIII−Ｖ族窒化物半導体エピタキシャルウェハにおいて、
上記ＡｌＮバッファー層の厚さを２０nm以上としたことを特徴とするIII−Ｖ族窒化物半導体エピタキシャルウェハ。
【請求項４】
請求項３記載のIII−Ｖ族窒化物半導体エピタキシャルウェハにおいて、
上記ＡｌＮバッファー層をＭＯＶＰＥ法にて成長したことを特徴とするIII−Ｖ族窒化物半導体エピタキシャルウェハ。
【請求項５】
請求項４記載のIII−Ｖ族窒化物半導体エピタキシャルウェハにおいて、
上記ＡｌＮバッファー層の成長時の温度を１０００℃以上としたことを特徴とするIII−Ｖ族窒化物半導体エピタキシャルウェハ。
【請求項６】
請求項５記載のIII−Ｖ族窒化物半導体エピタキシャルウェハにおいて、
上記ＡｌＮバッファー層の成長時の成長圧力を２００Ｔｏｒｒ以下としたことを特徴とするIII−Ｖ族窒化物半導体エピタキシャルウェハ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化シリコン（ＳｉＣ）基板上に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）バッファー層（ＡｌＮからなるバッファー層）を形成したIII−Ｖ族窒化物半導体エピタキシャルウェハに係り、特に、ＳｉＣ基板上に良質なIII−Ｖ族窒化物半導体結晶を成長し、従来品よりも特性に優れた窒化物半導体デバイスを作製することが可能なIII−Ｖ族窒化物半導体エピタキシャルウェハ（III−Ｖ族窒化物半導体がエピタキシャル法により成長されたウェハ）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）、およびこれらの混晶を最適な構造で積層成長させたIII−Ｖ族窒化物半導体積層構造を有するエピタキシャルウェハは、すでに青色発光ダイオード（ＬＥＤ）用エピタキシャルウェハとして市場に出回っており、さらには青色レーザダイオード（ＬＤ）用エピタキシャルウェハや紫外ＬＥＤ用エピタキシャルウェハなども開発されつつある。また、III−Ｖ族窒化物半導体結晶の用途は光デバイスだけでなく、近年の高出力トランジスタの需要に伴い、ＧａＮ−高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）などの電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）用エピタキシャルウェハの開発もなされるようになってきた。
【０００３】
これら光・電子デバイス用エピタキシャルウェハに用いられる基板として実用レベルにあり、且つ市場に流通している基板は、サファイア基板とＳｉＣ基板だけである。ＳｉＣ基板はサファイア基板と比べてコストや製造技術の面で劣るものの、熱伝導性が抜群に高く、さらには、導電性を有することができるというメリットがある。そのため、デバイスの用途に応じて使い分けられているのが現状である。
【０００４】
これら基板上にIII−Ｖ族窒化物半導体結晶を形成するときは、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）と分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ法）という２種類の結晶成長法が用いられている。しかし現在、工業レベルで主として用いられている結晶成長法はＭＯＶＰＥ法である。なぜなら、ＭＯＶＰＥ法は、ＭＢＥ法とは異なり高真空を必要とせず、一度に多数枚の基板上に成長することが容易であるからである。ＭＯＶＰＥ法は、リアクター内で加熱状態にある基板に、複数の原料ガスを送り込み、これら原料ガスを基板上で熱分解させることによって行われる。
【０００５】
ＳｉＣ基板上にＭＯＶＰＥ法にてIII−Ｖ族窒化物半導体結晶を成長するときは、六方晶ＳｉＣ結晶の（０００１）面上に成長がなされる。しかし、III−Ｖ族窒化物半導体結晶であるＧａＮ結晶もしくは窒化インジウム・ガリウム（ＩｎＧａＮ）結晶を直接に基板上に成長しても、濡れ性の悪さから平坦な膜にならず、六角柱状に結晶が形成（三次元核成長）される。しかし、濡れ性のよいＡｌＮは膜として形成（二次元核成長）されるため、通常は、ＡｌＮもしくはアルミニウム（Ａｌ）を含んだIII−Ｖ族窒化物半導体混晶をバッファー層としてＳｉＣ基板上に成長した後、必要とするIII−Ｖ族窒化物半導体結晶としてＧａＮもしくはＩｎＧａＮなどをバッファー層上に成長する方法がとられている。
【０００６】
なお、ＳｉＣ基板にIII−Ｖ族窒化物半導体結晶を形成するに際し、平面平坦性および電気的特性に優れた結晶を得る工夫としては、(１)バッファー層を構成するＡｌＮ薄膜の膜厚を臨界膜厚（４．６nm）以下にして、ＳｉＣ基板に対してスードモーフィックに歪ませ、ＡｌＮ薄膜中にミスフィット転位やこれによって生じる貫通転位が発生しないようにする方法（例えば、特許文献１参照）や、(２)表面がＣ面であるＳｉＣ基板上に窒化物系III−Ｖ族化合物半導体材料を結晶成長させる方法（例えば、特許文献２参照）などがある。この特許文献２においては、始めに熱酸化と酸化膜の除去を数回繰り返してＳｉＣ基板の研磨傷を完全に取り除き、そのＣ面ＳｉＣ基板上に１１００℃でＡｌＮバッファー層を成長し、このＡｌＮバッファー層上に１０００℃で第１のＧａＮ層、窒化アルミニウム・ガリウム（ＡｌＧａＮ）層、および第２のＧａＮ層を成長する。
【特許文献１】特開平９−２１９５４０号公報
【特許文献２】特開２００３−１７４１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、ＳｉＣ基板の品質はまだ発展途上にあり、改良の余地は多々存在する。なかでも基板表面には多数の研磨キズや結晶欠陥が存在し、シリコン（Ｓｉ）基板やガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板と比べると厳密に平坦とは言い難い状態にある。そのため基板表面の結晶欠陥が起因となり、バッファー層中に貫通転位が発生し、その上の窒化物結晶に伝播されることになる。
【０００８】
このような貫通転位は、レーザダイオード（ＬＤ）や発光ダイオード（ＬＥＤ）などの光デバイスの寿命を短くし、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）やヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）などの電子デバイスでは素子耐圧を大幅に下げるため、極力抑えなければいけない。
【０００９】
現状のＳｉＣ基板の製造技術では、基板に存在する欠陥を完全抑止することは不可能である。そのためＳｉＣ基板上に良質なIII−Ｖ族窒化物半導体薄膜結晶を積層するためには、バッファー層の貫通転位発生および伝播を止めなくてはならない。
【００１０】
そこで本発明の目的は、上記課題を解決し、ＳｉＣ基板の欠陥に起因する貫通転位の発生および伝播を抑止するバッファー層を有するIII−Ｖ族窒化物半導体エピタキシャルウェハを提供することにある。換言すれば、本発明は、煩雑な工程を必要とすることなしに、ＳｉＣ基板の欠陥に起因する貫通転位の発生および伝播抑止のためのバッファー層を提供し、製造コストが高くなることなく低転位のIII−Ｖ族窒化物半導体結晶の成長を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。
【００１２】
請求項１の発明に係るIII−Ｖ族窒化物半導体エピタキシャルウェハは、ＳｉＣ基板上にＡｌＮバッファー層を形成し、該ＡｌＮバッファー層上にIII−Ｖ族窒化物半導体結晶を形成したIII−Ｖ族窒化物半導体エピタキシャルウェハにおいて、上記ＡｌＮバッファー層中に、IV族元素を１×１０19cm-3以上の濃度で、層内に均一にドーピングしたことを特徴とする。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１記載のIII−Ｖ族窒化物半導体エピタキシャルウェハにおいて、添加するIV族元素をシリコン（Ｓｉ）またはゲルマニウム（Ｇｅ）としたことを特徴とする。
【００１４】
請求項３の発明は、請求項２記載のIII−Ｖ族窒化物半導体エピタキシャルウェハにおいて、上記ＡｌＮバッファー層の厚さを２０nm以上としたことを特徴とする。
【００１５】
請求項４の発明は、請求項３記載のIII−Ｖ族窒化物半導体エピタキシャルウェハにおいて、上記ＡｌＮバッファー層をＭＯＶＰＥ法にて成長したことを特徴とする。
【００１６】
請求項５の発明は、請求項４記載のIII−Ｖ族窒化物半導体エピタキシャルウェハにおいて、上記ＡｌＮバッファー層の成長時の温度を１０００℃以上としたことを特徴とする。
【００１７】
請求項６の発明は、請求項５記載のIII−Ｖ族窒化物半導体エピタキシャルウェハにおいて、上記ＡｌＮバッファー層の成長時の成長圧力を２００Ｔｏｒｒ以下としたことを特徴とする。
【００１８】
＜発明の要点＞
ＳｉＣ基板上にＡｌＮバッファー層を成長するとき、シリコン原料もしくはゲルマニウム原料も同時に供給することによって、これらのIV族元素が成長中のＡｌＮ結晶の表面に常時存在することになる。これらIV族元素は共有結合性で結合力も強く、さらには結晶表面でアンチサーファクタントとして機能する。そのため最適な条件を選択することによりＡｌＮバッファー層の表面への貫通転位の伝播を大幅に低減することができる。
【００１９】
詳述するに、ＳｉＣ基板直上のＡｌＮバッファー層の成長初期においては、気相から供給されたＡｌＮ反応種がＳｉＣ基板の表面をある程度の時間拡散し、やがて任意の場所に結晶核として定着する。このようにＳｉＣ基板の面内にランダムにＡｌＮの核が形成された後、成長と共にその核が拡大し、隣り合った核同士と融合を繰り返していく。このように二次元核成長して最終的にＡｌＮ結晶は平坦な膜となる。
【００２０】
しかし、ＳｉＣ基板上に研磨キズや欠陥が存在した場合、核の融合（二次元核成長）はその地点で妨げられ、ＡｌＮが膜になったとき穴（ピット）状の結晶欠陥が残ることになり、その地点から貫通転位が発生する傾向にある。この貫通転位がバッファー層の表面に伝播した状態で、つまりピットが埋め込まれないまま次のIII−Ｖ族窒化物結晶の成長に移ると、結晶の表面まで貫通する転位となってデバイス特性劣化の原因となる。
【００２１】
この貫通転位の再表面への伝播を抑止するためには、ＡｌＮバッファー層の成長中に消滅させるか横方向に曲げなくてはならない。
【００２２】
そのため、本発明ではアンチサーファクタントの技術を応用した。ＡｌＮの表面の原子は下の層の原子とは結合しているが、上の層がないので結合の手が余り、表面の自由エネルギーが高くなっている。そこにIV族元素が供給されると、余った手と結合を起こし表面の自由エネルギーが低くなる。その上のＡｌＮ反応種はIV族元素を避けるように表面拡散を起こし、結果的にＡｌＮの横方向成長を促進することになる。これにより横方向成長の力で転位が曲げられ、隣りの転位と一緒になってループ転位を形成し、それより上にはいかなくなる。また転位のところはエネルギーが高いので、IV族元素は転位の箇所にとどまり、伝播をブロックする役割も果たす。
【００２３】
しかし、Ａｌの表面拡散長はガリウム（Ｇａ）やインジウム（Ｉｎ）の表面拡散長に比べ極端に短く、ＡｌＮの横方向成長を実現することは困難である。そのためIV族元素をパルス的に供給するのではなく、ＡｌＮバッファー層の成長中に連続して供給することにした。これにより成長中のＡｌＮの表面には常時アンチサーファクタントが形成されることになり、横方向成長を強力に促進することになる。
【００２４】
また、ＡｌXＧａYＩｎZＮ（Ｘ，Ｙ，Ｚ＞０、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１）混晶も、最適な構造や条件を選択することによりＳｉＣ基板上のバッファー層として成長が可能である。しかし、本技術を用いると、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎの表面拡散長の違いがより顕著になる。そのためバッファー層中のＧａやＩｎの偏析が大きくなり、これが起因となり貫通転位とは異なる結晶欠陥が発生することになる。そのため本発明ではＡｌＮバッファー層だけに限定した。
【００２５】
なお、上記ＡｌＮバッファー層上に、III−Ｖ族窒化物半導体結晶を積層することで、プロセス技術を変えることなく、従来よりも長寿命なＬＤ、ＬＥＤ、もしくは高耐圧なＨＥＭＴ、ＨＢＴを実現することができる。例えば、上記ｉ型ＡｌＮバッファー層２（厚さ１００nm）上に、チャネル層としてのｉ型ＧａＮ層３（厚さ２０００nm）と、ｉ型Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ層（厚さ３nm）及びｎ型Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ層（厚さ３０nm）から成るＡｌＧａＮ層とを順次成長し積層することで、ＨＥＭＴ用エピタキシャルウェハを製造することができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、ＳｉＣ基板上にＡｌＮバッファー層を形成したIII−Ｖ族窒化物半導体エピタキシャルウェハにおいて、そのＡｌＮバッファー層中に、IV族元素を１×１０19cm-3以上の濃度で均一にドーピングした構造としたので、ＡｌＮバッファー層上のIII−Ｖ族窒化物半導体結晶の構造に関係なく、低コストで従来より転位密度の少ないIII−Ｖ族窒化物半導体エピタキシャルウェハを実現することができる。このIII−Ｖ族窒化物半導体エピタキシャルウェハを用いれば、プロセス技術を変えることなく、従来よりも長寿命なＬＤ、ＬＥＤ、もしくは高耐圧なＨＥＭＴ、ＨＢＴを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の実施形態について実施例を中心に説明する。
【００２８】
＜実施例＞
本発明の効果を確認するため、試作例として、図１に示すように、単結晶であるＳｉＣ基板１上に、Ｓｉドーピングした高純度なＡｌＮバッファー層２を形成し、ドーピングするＳｉの濃度を５．０×１０18cm-3（比較例）、１．２×１０19cm-3（実施例１）、５．５×１０19cm-3（実施例２）と変えて作製し、その比較を行った。
【００２９】
ＳｉＣ基板１はポリタイプが４Ｈ、＜０００１＞方向にｏｎ−Ａｘｉｓ、Ｓｉ面を用いた。また基板の表面処理として、熱酸化した後、希フッ酸洗浄を行った。これにより表面の酸化膜ごと異物を除去した。このときのＳｉＣ基板の表面状態を図２に示す。
【００３０】
このＳｉＣ基板１をＭＯＶＰＥ法による結晶成長装置のサセプタ上に設置し、水素雰囲気中にてバッファー層の成長温度（ここでは１１００℃）まで加熱した。その後、１０分間の空焼きを行い、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）とアンモニア（ＮＨ3）を同時に流してＡｌＮバッファー層２の成長を行った。またＳｉをドーピングするサンプルには、Ｓｉ原料としてモノシランを用いた。このときの炉内圧力は１３５Ｔｏｒｒ（約１８０ｈＰａ）、ＴＭＡとＮＨ3の流量はそれぞれ２．００×１０-5ｍｏｌ／ｍｉｎ、４．４６×１０-3ｍｏｌ／ｍｉｎとした。サンプルは図１に示すように、ＳｉＣ基板１上にＡｌＮバッファー層２を１００nm成長した。
【００３１】
上記試作例のＡｌＮバッファー層２の表面状態を調べた。前提となるサンプルは図１に示すように、ＳｉＣ基板１上にＡｌＮバッファー層２を１００nm成長した単純な構造である。
【００３２】
比較のため、今回発明した技術を用いずに成長したＡｌＮバッファー層２（従来例）の表面状態を図３に示す。従来例の場合、表面に貫通転位と思われるナノスケールの穴が多数存在し、それらが研磨キズに沿った形で並んでいることが分かる。
【００３３】
本発明技術を用いて、Ｓｉのドーピング濃度を５．０×１０18cm-3（比較例）、１．２×１０19cm-3（実施例１）、５．５×１０19cm-3（実施例２）と変えたときのＡｌＮバッファー層２の表面状態を図４、図５、図６に示す。これら図４、図５、図６の比較から、ドーピングしたＳｉの濃度が５．０×１０18cm-3のＡｌＮバッファー層（比較例）に較べ、１．２×１０19cm-3、５．５×１０19cm-3のＡｌＮバッファー層（実施例１、２）のものは良好な表面状態であることが分かる。
【００３４】
また、このようにドーピングするＳｉの濃度を変えたときのＡｌＮバッファー層の転位密度とドーピング濃度の相関を図７に示す。ドーピングするＳｉの濃度と転位密度の間には明らかな相関があり、ＡｌＮバッファー層中のＳｉはバッファー層平坦化に大きな効果を発揮していることが分かる。すなわち、ＡｌＮバッファー層２中に、IV族元素のＳｉを１×１０19cm-3〜９×１０19cm-3の濃度、例えば１．２×１０19cm-3（実施例１）、５．５×１０19cm-3（実施例２）で、層内に均一にドーピングすると、転位密度を小さくすることができる。
【００３５】
次に、ＡｌＮバッファー層中のＳｉ濃度確認のため、ＳｌＭＳ測定も行った。III−Ｖ族窒化物半導体結晶が薄すぎると測定できないため、上記ＡｌＮバッファー層２上にｉ型ＧａＮ層３を２μｍ成長して測定を行った。測定サンプルの構造を図８に、ＳｌＭＳ分析結果を図９に示す。
【００３６】
また、ドーピングしたＳｉの濃度が５．０×１０18cm-3（比較例）、５．５×１０19cm-3（実施例２）のときの、このサンプルの表面を調べた。これらのＡＦＭ比較結果を図１０（比較例）と図１１（実施例２）に示す。見やすいように微分画像も並べて示すが、転位密度と表面ラフネスには顕著な違いが見られる。両方のサンプル表面にはステップが発生しているものの、ドーピング濃度が５．０×１０18cm-3であるサンプル（比較例）では転位密度は１．２×１０9cm-3でステップも不規則であるのに対し、５．５×１０19cm-3であるサンプル（実施例２）では転位密度は５．０×１０7cm-2と少なくステップも規則的である。
【００３７】
＜他の実施例、変形例＞
上述したＡｌＮバッファー層２の転位を最小限に抑えるIV族原料の濃度や、成長時の温度、圧力、Ｖ／III比、雰囲気、製膜速度、成長圧力は、使用する装置により異なるため、試行錯誤をしておさえなくてはならない。
【００３８】
上記実施例では、バッファー層の成長温度を１１００℃としたが１０００℃以上であればよい。例えばバッファー層成長温度を１２００℃とし、その上にＧａＮ層を成長させる温度を１１００℃に下げることもできる。また炉内圧力は１３５Ｔｏｒｒ（約１８０ｈＰａ）としたが２００Ｔｏｒｒ（約２６７ｈＰａ）以下とすればよい。
【００３９】
また本発明において、ＳｉＣ基板の表面からＡｌＮバッファー層の表面までの転位伝播を防ぐため、ＡｌＮバッファー層中で転位の曲げまたはブロックを行うためには、ある程度以上の膜厚が必要である。上記実施例では、ＡｌＮバッファー層の膜厚を１００nmとしたが、この転位の曲げまたはブロックを営ませるには、ＡｌＮバッファー層の膜厚として２０nm以上の膜厚があればよい。
【００４０】
本実施例では、Ｓｉ原料としてモノシランを用いたが、これより分解温度の低いジシラン、または、有機原料であるテトラメチルシリコンやテトラエチルシリコンを用いても同様な効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明のIII−Ｖ族窒化物半導体成長用基板の試作例の構造を示す図である。
【図２】市販のＳｉＣ基板の表面状態を示す図である。
【図３】本発明技術を適用せず、ＳｉＣ基板上に成長したＡｌＮバッファー層の表面状態を示す図である。
【図４】比較例として、５．０×１０18cm-3のＳｉをドーピングして、ＳｉＣ基板上に成長したＡｌＮバッファー層の表面状態を示す図である。
【図５】本発明のIII−Ｖ族窒化物半導体成長用基板の実施例１として、１．２×１０19cm-3のＳｉをドーピングして、ＳｉＣ基板上に成長したＡｌＮバッファー層の表面状態を示す図である。
【図６】本発明のIII−Ｖ族窒化物半導体成長用基板の実施例２として、５．５×１０19cm-3のＳｉをドーピングして、ＳｉＣ基板上に成長したＡｌＮバッファー層の表面状態を示す図である。
【図７】ＡｌＮバッファー層の転位密度とドーピングしたＳｉ濃度の相関を示す図である。
【図８】ＳＩＭＳ分析を行ったサンプルの構造図である。
【図９】ＳｉドーピングしたＡｌＮバッファー層のＳＩＭＳ測定結果を示す図である。
【図１０】比較例として図４で示したＡｌＮバッファー層上に成長したｉ型ＧａＮ層の表面状態を示す図である。
【図１１】本発明の実施例２として図６で示したＡｌＮバッファー層上に成長したｉ型ＧａＮ層の表面状態を示す図である。
【符号の説明】
【００４２】
１  ＳｉＣ基板
２  ＡｌＮバッファー層
３  ｉ型ＧａＮ層
【図１】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図１０】
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【図１１】
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