(57)【要約】【課題】  Ｉｎ組成が大きい第１のIII 族窒化物半導体層の上に結晶性に優れたIII 族窒化物半導体層を有するIII 族窒化物半導体素子を提供することである。【解決手段】  III 族窒化物半導体素子１００は、基板１１０と、第１のIII 族窒化物半導体層１２０と、第２のIII 族窒化物半導体層１３０と、第３のIII 族窒化物半導体層１４０と、を有する。第１のIII 族窒化物半導体層１２０は、ＩｎX1ＡｌY1Ｇａ(1-X1-Y1) Ｎ層である。第１のIII 族窒化物半導体層１２０のＩｎ組成Ｘ１は、０．５  ≦  Ｘ１  ≦  １．０である。第２のIII 族窒化物半導体層１３０は、ＩｎX2ＡｌY2Ｇａ(1-X2-Y2) Ｎ層である。第２のIII 族窒化物半導体層１３０のＩｎ組成Ｘ２は、０  ≦  Ｘ２  ≦  ０．１である。第２のIII 族窒化物半導体層１３０のＡｌ組成Ｙ２は、０  ≦  Ｙ２  ≦  ０．１である。【選択図】図１
2018073998.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の上の第１のIII 族窒化物半導体層と、
前記第１のIII 族窒化物半導体層の上の第２のIII 族窒化物半導体層と、
前記第２のIII 族窒化物半導体層の上の第３のIII 族窒化物半導体層と、
を有し、
前記第１のIII 族窒化物半導体層は、
ＩｎX1ＡｌY1Ｇａ(1-X1-Y1) Ｎ層であり、
前記第１のIII 族窒化物半導体層のＩｎ組成Ｘ１は、
０．５  ≦  Ｘ１  ≦  １．０
であり、
前記第２のIII 族窒化物半導体層は、
ＩｎX2ＡｌY2Ｇａ(1-X2-Y2) Ｎ層であり、
前記第２のIII 族窒化物半導体層のＩｎ組成Ｘ２は、
０  ≦  Ｘ２  ≦  ０．１
であり、
前記第２のIII 族窒化物半導体層のＡｌ組成Ｙ２は、
０  ≦  Ｙ２  ≦  ０．１
であること
を特徴とするIII 族窒化物半導体素子。
【請求項２】
請求項１に記載のIII 族窒化物半導体素子において、
前記第１のIII 族窒化物半導体層のＡｌ組成Ｙ１は、
０  ≦  Ｙ１  ≦  ０．３
であること
を特徴とするIII 族窒化物半導体素子。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のIII 族窒化物半導体素子において、
前記第１のIII 族窒化物半導体層は、
ＩｎＮ層であること
を特徴とするIII 族窒化物半導体素子。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載のIII 族窒化物半導体素子において、
前記第１のIII 族窒化物半導体層は、
金属Ｉｎ層であること
を特徴とするIII 族窒化物半導体素子。
【請求項５】
請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体素子において、
前記第２のIII 族窒化物半導体層は、
低温ＧａＮ層であり、
前記第３のIII 族窒化物半導体層は、
高温ＧａＮ層であること
を特徴とするIII 族窒化物半導体素子。
【請求項６】
請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体素子において、
前記第３のIII 族窒化物半導体層の上に半導体層群を有し、
前記半導体層群は、
チャネル層と、バリア層と、を有すること
を特徴とするIII 族窒化物半導体素子。
【請求項７】
請求項６に記載のIII 族窒化物半導体素子において、
前記半導体層群は、
合金散乱防止層を有し、
前記合金散乱防止層は、
前記バリア層よりもバンドギャップが大きいIII 族窒化物半導体を備える１層以上の半導体層であること
を特徴とするIII 族窒化物半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書の技術分野は、III 族窒化物半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮに代表されるIII 族窒化物半導体では、絶縁破壊電界の強度が高く、かつ融点が高い。そのため、III 族窒化物半導体は、ＧａＡｓ系半導体に代わる、高出力、高周波、高温用の半導体デバイスの材料として期待されている。そのため、III 族窒化物半導体を用いるＨＥＭＴ素子などが研究開発されている。
【０００３】
例えば、電子走行層としてＧａＮを用い、電子供給層としてｎ−ＡｌＧａＮを用いるＨＥＭＴ素子が開発されている（特許文献１の段落［０００２］および図２等参照）。このＨＥＭＴ素子は、チャネル層の表面において高いキャリア濃度を有する。また、ＨＥＭＴ素子における電子の移動度も大きい。そのため、高速高周波トランジスタとして鋭意研究開発がなされてきている。特に、III 族窒化物半導体は、シリコンよりもバンドギャップが大きい。そのため、III 族窒化物半導体では、耐圧性が優れており、高温条件での動作が可能である。したがって、III 族窒化物半導体は、シリコンに代わるパワーデバイスとして有望である。
【０００４】
また、非特許文献１では、III 族窒化物半導体を用いた発光素子について種々の成果が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１７９０８２号公報
【特許文献２】特開２０１６−１３４６１３号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】T. Egawa and O. Oda, "III-Nitride Based Light Emitting Diodes and Applications" (Springer, 2013) Chapter 3.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、ＨＥＭＴ素子は安価なＳｉ基板を用いて製造されることが多い。しかし、Ｓｉ基板とIII 族窒化物半導体との間の格子不整合および熱膨張係数差は大きい。そして、近年では、より大口径のＳｉ基板が用いられるようになってきている。この基板の大口径化にともなって、積層した半導体層にクラックが入るという問題が生じてきている。また、基板に反りが生じることもある。したがって、格子不整合および熱膨張係数差に起因する問題が、実用化の障害となっている。また、Ｓｉ基板以外の基板に対しても、同様の問題は生じうる。
【０００８】
特許文献２に示すように、本発明者らは、Ｓｉ基板の上にＩｎＮ層を形成し、ＩｎＮ層の上にＡｌＮ層を形成する技術を研究開発した。ここで、ＩｎＮ層において比較的低温の５００℃程度で窒素原子が脱離する。一方、ＡｌＮ層は比較的高温の１２００℃程度で成膜すると、結晶性のよいＡｌＮ層が形成される。そして、ＡｌＮ層を低温で成膜するとそのＡｌＮ層の結晶の品質はそれほど高くない。とはいえ、ＡｌＮ層を高温で成膜しようとするとＩｎＮ層が熱分解され、半導体層を堆積すること自体が困難となる。その結果、結晶性に優れた半導体層を得ることが難しかった。これは、Ａｌ組成が大きい他のＡｌＩｎＧａＮ層であっても同様である。
【０００９】
本明細書の技術は、前述した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。その課題とは、Ｉｎ組成が大きい第１のIII 族窒化物半導体層の上に結晶性に優れたIII 族窒化物半導体層を有するIII 族窒化物半導体素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
第１の態様におけるIII 族窒化物半導体素子は、基板と、基板の上の第１のIII 族窒化物半導体層と、第１のIII 族窒化物半導体層の上の第２のIII 族窒化物半導体層と、第２のIII 族窒化物半導体層の上の第３のIII 族窒化物半導体層と、を有する。第１のIII 族窒化物半導体層は、ＩｎX1ＡｌY1Ｇａ(1-X1-Y1) Ｎ層である。第１のIII 族窒化物半導体層のＩｎ組成Ｘ１は、０．５  ≦  Ｘ１  ≦  １．０である。第２のIII 族窒化物半導体層は、ＩｎX2ＡｌY2Ｇａ(1-X2-Y2) Ｎ層である。第２のIII 族窒化物半導体層のＩｎ組成Ｘ２は、０  ≦  Ｘ２  ≦  ０．１である。第２のIII 族窒化物半導体層のＡｌ組成Ｙ２は、０  ≦  Ｙ２  ≦  ０．１である。
【００１１】
このIII 族窒化物半導体素子では、Ｉｎ濃度が高い第１のIII 族窒化物半導体層の上に比較的低温で高品質に成膜することのできる第２のIII 族窒化物半導体層を有する。そのため、第１のIII 族窒化物半導体層が応力を好適に緩和するとともに、第２のIII 族窒化物半導体層より上層の半導体層は結晶性に優れている。これにより、III 族窒化物半導体素子の品質は高い。
【発明の効果】
【００１２】
本明細書では、Ｉｎ組成が大きい第１のIII 族窒化物半導体層の上に結晶性に優れたIII 族窒化物半導体層を有するIII 族窒化物半導体素子が提供されている。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施形態におけるIII 族窒化物半導体素子を示す概略構成図である。
【図２】第１の実施形態に係るＨＥＭＴ素子を示す概略構成図である。
【図３】実施形態における製造装置の概略構成を示す図である。
【図４】第１の実施形態の変形例におけるＨＥＭＴ素子を示す概略構成図（その１）である。
【図５】第１の実施形態の変形例におけるＨＥＭＴ素子を示す概略構成図（その２）である。
【図６】第２の実施形態に係る半導体レーザーを素子示す概略構成図である。
【図７】実施例におけるサンプルのＸ線回折の結果をまとめたグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、具体的な実施形態について、III 族窒化物半導体素子とその製造方法を例に挙げて図を参照しつつ説明する。なお、図面中の各層の厚みの比率は、実際の比率を反映したものではない。
【００１５】
（第１の実施形態）
第１の実施形態について説明する。本実施形態のIII 族窒化物半導体素子は、III 族窒化物半導体層を有する。
【００１６】
１．III 族窒化物半導体素子の基本的構成
１−１．III 族窒化物半導体素子の構造
図１は、本実施形態のIII 族窒化物半導体素子１００を示す概略構成図である。図１に示すように、III 族窒化物半導体素子１００は、基板１１０と、第１のIII 族窒化物半導体層１２０と、第２のIII 族窒化物半導体層１３０と、第３のIII 族窒化物半導体層１４０と、半導体層群１５０と、を有している。第１のIII 族窒化物半導体層１２０は、基板１１０の上に直接形成されている。第２のIII 族窒化物半導体層１３０は、第１のIII 族窒化物半導体層１２０の上に直接形成されている。第３のIII 族窒化物半導体層１４０は、第２のIII 族窒化物半導体層１３０の上に直接形成されている。半導体層群１５０は、第３のIII 族窒化物半導体層１４０の上に直接形成されている。
【００１７】
基板１１０は、例えば、Ｓｉ基板である。Ｓｉ基板は、安価である。
【００１８】
第１のIII 族窒化物半導体層１２０は、ＩｎX1ＡｌY1Ｇａ(1-X1-Y1) Ｎ層である。第２のIII 族窒化物半導体層１３０は、ＩｎX2ＡｌY2Ｇａ(1-X2-Y2) Ｎ層である。第３のIII 族窒化物半導体層１４０は、ＩｎX3ＡｌY3Ｇａ(1-X3-Y3) Ｎ層である。半導体層群１５０は、ＩｎX4ＡｌY4Ｇａ(1-X4-Y4) Ｎ層を有する。このように、いずれのIII 族窒化物半導体層も、ＩｎX ＡｌY Ｇａ(1-X-Y) Ｎ層である。ただし、第１のIII 族窒化物半導体層１２０におけるＩｎ組成Ｘ１は、第２のIII 族窒化物半導体層１３０におけるＩｎ組成Ｘ２よりも十分に大きい。
【００１９】
１−２．第１のIII 族窒化物半導体層
第１のIII 族窒化物半導体層１２０は、Ｉｎ組成Ｘ１が高い第１のバッファ層である。第１のIII 族窒化物半導体層１２０として、例えば、ＩｎＮ層が挙げられる。第１のIII 族窒化物半導体層１２０のＩｎ組成Ｘ１は、
０．５  ≦  Ｘ１  ≦  １．０
である。
【００２０】
好ましくは、第１のIII 族窒化物半導体層１２０のＩｎ組成Ｘ１は、
０．７  ≦  Ｘ１  ≦  １．０
である。
【００２１】
より好ましくは、第１のIII 族窒化物半導体層１２０のＩｎ組成Ｘ１は、
０．９  ≦  Ｘ１  ≦  １．０
である。
【００２２】
第１のIII 族窒化物半導体層１２０のＡｌ組成Ｙ１は、
０  ≦  Ｙ１  ≦  ０．３
である。
【００２３】
好ましくは、第１のIII 族窒化物半導体層１２０のＡｌ組成Ｙ１は、
０  ≦  Ｙ１  ≦  ０．２
である。
【００２４】
より好ましくは、第１のIII 族窒化物半導体層１２０のＡｌ組成Ｙ１は、
０  ≦  Ｙ１  ≦  ０．１
である。
【００２５】
第１のIII 族窒化物半導体層１２０の膜厚は、２ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の範囲内である。好ましくは、第１のIII 族窒化物半導体層１２０の膜厚は、２ｎｍ以上３００ｎｍ以下の範囲内である。より好ましくは、第１のIII 族窒化物半導体層１２０の膜厚は、２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲内である。
【００２６】
１−３．第２のIII 族窒化物半導体層
第２のIII 族窒化物半導体層１３０は、Ｉｎ組成Ｘ２およびＡｌ組成Ｙ２が低い第２のバッファ層である。また、第２のIII 族窒化物半導体層１３０の成長温度は、後述するように比較的低い。第２のIII 族窒化物半導体層１３０として、例えば、低温ＧａＮ層が挙げられる。第２のIII 族窒化物半導体層１３０のＩｎ組成Ｘ２は、
０  ≦  Ｘ２  ≦  ０．１
である。
【００２７】
好ましくは、第２のIII 族窒化物半導体層１３０のＩｎ組成Ｘ２は、
０  ≦  Ｘ２  ≦  ０．０５
である。
【００２８】
より好ましくは、第２のIII 族窒化物半導体層１３０のＩｎ組成Ｘ２は、
０  ≦  Ｘ２  ≦  ０．０１
である。
【００２９】
第２のIII 族窒化物半導体層１３０のＡｌ組成Ｙ２は、
０  ≦  Ｙ２  ≦  ０．１
である。
【００３０】
好ましくは、第２のIII 族窒化物半導体層１３０のＡｌ組成Ｙ２は、
０  ≦  Ｙ２  ≦  ０．０５
である。
【００３１】
より好ましくは、第２のIII 族窒化物半導体層１３０のＡｌ組成Ｙ２は、
０  ≦  Ｙ２  ≦  ０．０１
である。
【００３２】
第２のIII 族窒化物半導体層１３０の膜厚は、２ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の範囲内である。好ましくは、第２のIII 族窒化物半導体層１３０の膜厚は、１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の範囲内である。より好ましくは、第２のIII 族窒化物半導体層１３０の膜厚は、１５ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲内である。
【００３３】
１−４．第３のIII 族窒化物半導体層
第３のIII 族窒化物半導体層１４０は、第２のIII 族窒化物半導体層１３０の成長温度より高い温度で成膜されたIII 族窒化物半導体層である。第３のIII 族窒化物半導体層１４０として、例えば、高温ＧａＮが挙げられる。
【００３４】
１−５．半導体層群
半導体層群１５０は、１層以上のIII 族窒化物半導体層を備えている。下記に説明する種々の半導体素子においては、この半導体層群１５０およびこの半導体層群１５０に形成される電極構造が、互いに異なっている。
【００３５】
１−６．III 族窒化物半導体素子の効果
本実施形態における第１のIII 族窒化物半導体層１２０では、Ｉｎ組成Ｘ１が非常に高い。そのため、第１のIII 族窒化物半導体層１２０の形成時には、第１のIII 族窒化物半導体層１２０は、ほぼＩｎＮに近い組成である。ＩｎＮ層では、５００℃程度以上で窒素が脱離する。第２のIII 族窒化物半導体層１３０の成長温度は５００℃未満である。そのため、第２のIII 族窒化物半導体層１３０を成長させる際には、第１のIII 族窒化物半導体層１２０は固体状態にある。第３のIII 族窒化物半導体層１４０の成長温度は５００℃以上であり、ＩｎＮ層の窒素原子の少なくとも一部は脱離する。第３のIII 族窒化物半導体層１４０を成長させる際には、第１のIII 族窒化物半導体層１２０の組成は、金属Ｉｎに非常に近い。ここで、金属Ｉｎは、変形しやすい。すなわち、金属Ｉｎは、基板１１０とIII 族窒化物半導体層との間の格子不整合を緩和することができる。よって、第１のIII 族窒化物半導体層１２０は、III 族窒化物半導体素子１００の反りの発生を抑制するとともに、クラックの発生を抑制することができる。
【００３６】
２．ＨＥＭＴ素子
２−１．ＨＥＭＴ素子の構造
図２は、本実施形態のＨＥＭＴ２００を示す概略構成図である。ＨＥＭＴ２００は、高電子移動度トランジスタである。図２に示すように、ＨＥＭＴ２００は、基板１１０と、第１のIII 族窒化物半導体層１２０と、第２のIII 族窒化物半導体層１３０と、第３のIII 族窒化物半導体層１４０と、ｎ−ＧａＮ層２５０と、ｉ−ＡｌY5Ｇａ(1-Y5)Ｎ層２６０と、ソース電極Ｓ１と、ゲート電極Ｇ１と、ドレイン電極Ｄ１と、を有している。
【００３７】
ｎ−ＧａＮ層２５０と、ｉ−ＡｌY5Ｇａ(1-Y5)Ｎ層２６０とは、半導体層群１５０である。ｎ−ＧａＮ層２５０は、チャネル層である。ｉ−ＡｌY5Ｇａ(1-Y5)Ｎ層２６０は、バリア層である。
【００３８】
ソース電極Ｓ１およびドレイン電極Ｄ１は、ｉ−ＡｌY5Ｇａ(1-Y5)Ｎ層２６０の上に形成されている。このように、ｎ−ＧａＮ層２５０は、基板１１０とｉ−ＡｌY5Ｇａ(1-Y5)Ｎ層２６０との間の位置に配置されている。ｉ−ＡｌY5Ｇａ(1-Y5)Ｎ層２６０からみてｎ−ＧａＮ層２５０の反対側の位置に、ゲート電極Ｇ１と、ソース電極Ｓ１と、ドレイン電極Ｄ１と、が配置されている。
【００３９】
ここで、ｎ−ＧａＮ層２５０は、単一層であっても複数層であってもよい。ｉ−ＡｌY5Ｇａ(1-Y5)Ｎ層２６０は、単一層であっても複数層であってもよい。また、ｉ−ＡｌY5Ｇａ(1-Y5)Ｎ層２６０のバンドギャップは、ｎ−ＧａＮ層２５０のバンドギャップに比べて大きい。
【００４０】
第１のIII 族窒化物半導体層１２０と、第２のIII 族窒化物半導体層１３０と、第３のIII 族窒化物半導体層１４０とは、いずれも、ＩｎX ＡｌY Ｇａ(1-X-Y) Ｎ層である。第１のIII 族窒化物半導体層１２０は、Ｉｎ組成Ｘ１が高い第１のバッファ層である。第１のIII 族窒化物半導体層１２０のＩｎ組成Ｘ１は、
０．５  ≦  Ｘ１  ≦  １．０
である。
【００４１】
第２のIII 族窒化物半導体層１３０は、Ｉｎ組成Ｘ２およびＡｌ組成Ｙ２が低い第２のバッファ層である。また、第２のIII 族窒化物半導体層１３０の成長温度は、後述するように比較的低い。第２のIII 族窒化物半導体層１３０のＩｎ組成Ｘ２は、
０  ≦  Ｘ２  ≦  ０．１
である。
【００４２】
第１のIII 族窒化物半導体層１２０の組成および第２のIII 族窒化物半導体層１３０の組成は、前述のIII 族窒化物半導体素子の基本的構成の項目で説明した組成と同様であってもよい。
【００４３】
２−２．ＨＥＭＴ素子の効果
第１のIII 族窒化物半導体層１２０では、Ｉｎ組成Ｘ１が非常に高い。そのため、第１のIII 族窒化物半導体層１２０の形成時には、第１のIII 族窒化物半導体層１２０は、ほぼＩｎＮに近い組成である。ＩｎＮ層では、５００℃程度以上で窒素が脱離する。第２のIII 族窒化物半導体層１３０の成長温度は５００℃未満である。そのため、第２のIII 族窒化物半導体層１３０を成長させる際には、第１のIII 族窒化物半導体層１２０は固体状態にある。第３のIII 族窒化物半導体層１４０の成長温度は５００℃以上であり、ＩｎＮ層の窒素原子の少なくとも一部は脱離する。第３のIII 族窒化物半導体層１４０を成長させる際には、第１のIII 族窒化物半導体層１２０の組成は、金属Ｉｎに非常に近い。ここで、金属Ｉｎは、変形しやすい。すなわち、金属Ｉｎは、基板１１０とIII 族窒化物半導体層との間の格子不整合を緩和することができる。よって、第１のIII 族窒化物半導体層１２０は、III 族窒化物半導体素子１００の反りの発生を抑制するとともに、クラックの発生を抑制することができる。
【００４４】
３．III 族窒化物半導体素子の製造装置
３−１．製造装置の構成
図３は、本実施形態におけるIII 族窒化物半導体素子の製造装置１０００の概略構成図である。製造装置１０００は、窒素ガスを含有するガスをプラズマ化してそのプラズマ化したプラズマ生成物を成長基板に供給するとともに、III 族金属を含む有機金属ガスをプラズマ化しないで成長基板に供給する装置である。
【００４５】
製造装置１０００は、炉本体１００１と、シャワーヘッド電極１１００と、サセプター１２００と、加熱器１２１０と、第１のガス供給管１３００と、ガス導入室１４１０と、第２のガス供給管１４２０と、金属メッシュ１５００と、ＲＦ電源１６００と、マッチングボックス１６１０と、第１のガス供給部１７１０と、第２のガス供給部１８１０と、ガス容器１９１０、１９２０、１９３０と、恒温槽１９１１、１９２１、１９３１と、マスフローコントローラー１７２０、１７３０、１７４０、１８２０と、を有している。また、製造装置１０００は、排気口（図示せず）を有している。
【００４６】
シャワーヘッド電極１１００は、周期的な電位を付与される第１の電極である。シャワーヘッド電極１１００は、例えば、ステンレス製である。もちろん、これ以外の金属であってもよい。シャワーヘッド電極１１００は、平板形状の電極である。そして、シャワーヘッド電極１１００には、表面から裏面に貫通する複数の貫通孔（図示せず）が設けられている。そして、これらの複数の貫通孔は、ガス導入室１４１０および第２のガス供給管１４２０と連通している。このため、ガス導入室１４１０から炉本体１００１の内部に供給される第２のガスは、好適にプラズマ化される。ＲＦ電源１６００は、シャワーヘッド電極１１００に高周波電位を付与する電位付与部である。
【００４７】
サセプター１２００は、基板１１０を支持するための基板支持部である。サセプター１２００の材質は、例えば、グラファイトである。また、これ以外の導電体であってもよい。ここで、基板１１０は、III 族窒化物半導体を成長させるための成長基板である。
【００４８】
第１のガス供給管１３００は、サセプター１２００に第１のガスを供給するためのものである。実際には、サセプター１２００に支持された基板１１０に第１のガスを供給することとなる。ここで、第１のガスとは、III 族金属を含む有機金属ガスである。また、その他のキャリアガスを含んでいてもよい。第１のガス供給管１３００は、リング状のリング部１３１０を有している。そして、第１のガス供給管１３００のリング部１３１０には、１２個の貫通孔（図示せず）がリング部１３１０の内側に設けられている。これらの貫通孔は、第１のガスが噴出する噴出口である。そのため、第１のガスは、リング部１３１０の内側に向けて、噴出することとなる。第１のガス供給管１３００は、後述するように、プラズマ発生領域から離れた位置に位置している。
【００４９】
第２のガス供給管１４２０は、サセプター１２００に第２のガスを供給するためのものである。実際には、第２のガスをガス導入室１４１０および炉本体１００１の内部に導入するとともに、サセプター１２００に支持された基板１１０に第２のガスを供給することとなる。そして、第２のガス供給管１４２０は、第２のガスを炉本体１００１の内部に供給する。ここで、第２のガス供給管１４２０が供給する第２のガスは、少なくとも窒素ガスを含むガスである。第２のガス供給管１４２０は、場合によって、窒素ガスと水素ガスとの混合ガスを第２のガスとして供給する。ガス導入室１４１０は、少なくとも窒素ガスを含むガスを一旦収容するとともに、シャワーヘッド電極１１００の貫通孔にこのガスを供給するためのものである。
【００５０】
金属メッシュ１５００は、荷電粒子を捕獲するためのものである。金属メッシュ１５００は、例えば、ステンレス製である。もちろん、これ以外の金属であってもよい。金属メッシュ１５００は、シャワーヘッド電極１１００とサセプター１２００との間の位置に配置されている。そのため、後述するようにプラズマ発生領域で発生した荷電粒子が、サセプター１２００に支持されている成長基板１１０に向かうのを抑制することができる。また、金属メッシュ１５００は、シャワーヘッド電極と第１のガス供給管１３００のリング部１３１０との間の位置に配置されている。そのため、荷電粒子が、第１のガス供給管１３００から噴出されるIII 族金属を含む有機金属分子に衝突するのを抑制することができる。また、金属メッシュ１５００は、多数枚をずらして配置されている。つまり、第１のメッシュの開口部の位置に第２のメッシュの線状部を配置している。そのため、直線的に進行する光は、金属メッシュ１５００を透過できない。つまり、金属メッシュ１５００は、電子、イオン、光を通過させないが、中性のラジカルを通過させる。
【００５１】
炉本体１００１は、少なくとも、シャワーヘッド電極１１００と、サセプター１２００と、第１のガス供給管１３００のリング部１３１０と、金属メッシュ１５００と、を内部に収容している。炉本体１００１は、例えば、ステンレス製である。炉本体１００１は、上記以外の導電体であってもよい。
【００５２】
炉本体１００１と、金属メッシュ１５００と、第１のガス供給管１３００とは、導電性の部材であり、いずれも接地されている。そのため、シャワーヘッド電極１１００に電位が付与されると、シャワーヘッド電極１１００と、炉本体１００１および金属メッシュ１５００および第１のガス供給管１３００と、の間に電圧が印加されることとなる。そして、炉本体１００１および金属メッシュ１５００および第１のガス供給管１３００の少なくとも１つ以上と、シャワーヘッド電極１１００と、の間に放電が生じると考えられる。シャワーヘッド電極１１００の直下では、高周波かつ高強度の電界が形成される。そのため、シャワーヘッド電極１１００の直下の位置は、プラズマ発生領域である。
【００５３】
ここで、第２のガス、すなわち、窒素ガスを含有するガスは、このプラズマ発生領域においてプラズマ化されることとなる。そして、プラズマ発生領域でプラズマ生成物が発生する。この場合におけるプラズマ生成物とは、窒素ラジカル等と、電子と、その他のイオン等である。第２のガスが水素ガスを含んでいる場合には、ＮＨと、ＮＨ2 と、ＮＨ3 と、これらの励起状態と、その他のものとを含む窒化水素系の化合物が生成される。
【００５４】
また、シャワーヘッド電極１１００と、サセプター１２００とは、十分に離れている。シャワーヘッド電極１１００と、サセプター１２００との間の距離は、４０ｍｍ以上２００ｍｍ以下である。より好ましくは、４０ｍｍ以上１５０ｍｍ以下である。シャワーヘッド電極１１００とサセプター１２００との間の距離が短いと、プラズマ発生領域がサセプター１２００の箇所にまで広がるおそれがある。シャワーヘッド電極１１００とサセプター１２００との間の距離が４０ｍｍ以上であれば、プラズマ発生領域がサセプター１２００の箇所にまで広がるおそれがほとんどない。そのため、荷電粒子が基板１１０に到達することを抑制できる。また、シャワーヘッド電極１１００とサセプター１２００との間の距離が大きいと、窒素ラジカルや、窒化水素系の化合物等が、サセプター１２００の保持する基板１１０に到達しにくくなる。なお、これらの距離は、プラズマ発生領域の大きさと、その他のプラズマ条件にも依存する。
【００５５】
シャワーヘッド電極１１００は、サセプター１２００からみて第１のガス供給管１３００のリング部１３１０の貫通孔よりも遠い位置に配置されている。シャワーヘッド電極１１００と、第１のガス供給管１３００のリング部１３１０の貫通孔との間の距離は、３０ｍｍ以上１９０ｍｍ以下である。より好ましくは、３０ｍｍ以上１４０ｍｍ以下である。荷電粒子が、第１のガスに混入することを抑制するとともに、窒素ラジカルや、窒化水素系の化合物等が、第１のガスに混入しやすくするためである。このため、プラズマ化された第２のガスと、プラズマ化されない第１のガスとにより、基板１１０に半導体層が積層されることとなる。なお、これらの距離は、プラズマ発生領域の大きさと、その他のプラズマ条件にも依存する。
【００５６】
加熱器１２１０は、サセプター１２００を介して、サセプター１２００に支持される基板１１０を加熱するためのものである。
【００５７】
マスフローコントローラー１７２０、１７３０、１７４０、１８２０は、各々のガスの流量を制御するためのものである。恒温槽１９１１、１９２１、１９３１には、不凍液１９１２、１９２２、１９３２が満たされている。また、ガス容器１９１０、１９２０、１９３０は、III 族金属を含む有機金属ガスを収容するための容器である。ガス容器１９１０、１９２０、１９３０には、それぞれ、トリメチルガリウムと、トリメチルインジウムと、トリメチルアルミニウムとが、収容されている。もちろん、トリエチルガリウム等、その他のIII 族金属を含む有機金属ガスであってもよい。
【００５８】
３−２．製造装置の製造条件
製造装置１０００における製造条件を表１に示す。表１で挙げた数値範囲は、あくまで目安であり、必ずしもこの数値範囲である必要はない。ＲＦパワーは、１００Ｗ以上１０００Ｗ以下の範囲内である。ＲＦ電源１６００がシャワーヘッド電極１１００に付与する周期的な電位の周波数は、３０ＭＨｚ以上３００ＭＨｚ以下の範囲内である。基板温度は、０℃以上１２００℃以下の範囲内である。製造装置１０００の内圧は、１Ｐａ以上１００００Ｐａ以下の範囲内である。
【００５９】
［表１］
ＲＦパワー        １００Ｗ以上      １０００Ｗ以下
周波数          ３０ＭＨｚ以上    ３００ＭＨｚ以下
基板温度              ０℃以上      １２００℃以下
内圧                １Ｐａ以上  １００００Ｐａ以下
【００６０】
３−３．製造装置の効果
この製造装置１０００は、アンモニア等の窒素原子を含むガスをプラズマ化するため、比較的低温でIII 族窒化物半導体層を成膜することができる。そのため、Ｉｎ濃度の高いIII 族窒化物半導体層を成膜することができる。具体的には、Ｉｎ組成Ｘが０．５以上というＩｎ濃度の高いIII 族窒化物半導体層を比較的速い成長速度で成長させることができる。つまり、Ｉｎ濃度の高いIII 族窒化物半導体層を有する半導体素子を量産することができる。また、原料ガスをプラズマ化するため、従来のＭＯＣＶＤ法に比べて、低い温度で半導体層を成長させることができる。例えば、基板温度を１００℃以上４００℃以下程度として成膜することができる。また、ＭＯＣＶＤ炉のように大量のアンモニアを用いる必要がない。そのため、大規模な除害装置を設ける必要がない。したがって、この製造装置１０００の製造コストおよびランニングコストは、従来の装置よりも低い。
【００６１】
４．III 族窒化物半導体素子の製造方法
本実施形態では、半導体層の成膜にＲＥＭＯＣＶＤ（Ｒａｄｉｃａｌ  Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いる。
【００６２】
４−１．基板のクリーニング
ここで、本実施形態の製造装置１０００を用いたIII 族窒化物半導体素子の製造方法について、ＨＥＭＴ２００を例に挙げて説明する。まず、基板１１０を準備する。基板１１０として、例えば、Ｓｉ（１１１）基板を用いることができる。また、その他の基板を用いてもよい。基板１１０を、製造装置１０００の内部に配置し、水素ガスを１０００ｓｃｃｍ程度供給しながら基板温度を９００℃程度まで上昇させる。これにより、基板１１０の表面を還元するとともに、基板１１０の表面をクリーニングする。基板温度については、より高い温度にしてもよい。
【００６３】
４−２．III 族窒化物半導体層形成工程
このIII 族窒化物半導体層形成工程では、III 族窒化物半導体層を形成する。III 族窒化物半導体層形成工程は、基板１１０に第１のIII 族窒化物半導体層１２０を直接形成する第１のIII 族窒化物半導体層形成工程と、第１のIII 族窒化物半導体層１２０の上に第２のIII 族窒化物半導体層１３０を直接形成する第２のIII 族窒化物半導体層形成工程と、第２のIII 族窒化物半導体層１３０の上に第３のIII 族窒化物半導体層１４０を直接形成する第３のIII 族窒化物半導体層形成工程と、第３のIII 族窒化物半導体層１４０の上に半導体層群１５０を直接形成する半導体層群形成工程と、を有する。
【００６４】
４−２−１．第１のIII 族窒化物半導体層形成工程
ＲＦ電源１６１０をＯＮにする。そして、第２のガス供給管１４２０から、窒素ガスまたは窒素ガスとその他の不活性ガスとの混合ガスを供給する。この混合ガスは、水素ガスを含まない。そして、シャワーヘッド電極１１００の貫通孔から炉本体１００１の内部に供給された混合ガスは、シャワーヘッド電極１１００の直下でプラズマ化する。そのため、シャワーヘッド電極１１００の直下にプラズマ発生領域が生成される。この際に、窒素ラジカルが生成される。また、電子やその他の荷電粒子も生成される。
【００６５】
そして、これらの窒素ラジカルと電子とその他の荷電粒子を含んだラジカル混合気体は、基板１１０に向けて送出される。このラジカル混合ガスの発生箇所は、シャワーヘッド電極１１００の直下である。シャワーヘッド電極１１００から基板１１０までの距離は十分に広いため、ラジカル混合気体のうち、電子やイオン等の荷電粒子は、基板１１０まで到達しにくい。また、金属メッシュ１５００は、荷電粒子を捕獲するためのものである。そのため、基板１１０に向けて供給されるのは、窒素ラジカルであると考えられる。窒素ラジカルは、通常のアンモニアに比べて、反応性が高い。そのため、従来に比べて低い温度で半導体層をエピタキシャル成長させることができる。
【００６６】
一方、第１のガス供給管１３００のリング部１３１０から、III 族金属の有機金属ガスを供給する。例えば、トリメチルガリウムと、トリメチルインジウムと、トリメチルアルミニウムとが、挙げられる。本実施形態では、Ｉｎ濃度の高い半導体層を形成するため、インジウム元素を含む有機金属ガスの供給量は、従来に比べて多い。これらのガスは、基板１１０に向かうラジカル混合気体に巻き込まれて、基板１１０に供給されることとなる。III 族金属の有機金属ガスは、プラズマ化されないで、基板１１０に供給される。
【００６７】
このように、第１のIII 族窒化物半導体層形成工程では、水素ガスを基板１１０に供給することなく窒素原子を含有するガスをプラズマ化して基板１１０に供給するとともに、III 族金属を含む有機金属ガスをプラズマ化しないで基板１１０に供給する。これにより、Ｉｎ組成Ｘ１が０．５以上１．０以下の範囲内のＩｎX1ＡｌY1Ｇａ(1-X1-Y1) Ｎ層を形成する。第１のIII 族窒化物半導体層１２０は、ＩｎＮ層であるとよい。この工程において、前述したように水素ガスを供給しない。水素ガスが第１のIII 族窒化物半導体層１２０のＩｎをエッチングしてしまうおそれがあるからである。また、このときの基板温度は、０℃以上５００℃未満である。
【００６８】
４−２−２．第２のIII 族窒化物半導体層形成工程
第２のIII 族窒化物半導体層形成工程では、水素ガスを基板１１０に供給することなく窒素原子を含有するガスをプラズマ化して基板１１０に供給するとともに、III 族金属を含む有機金属ガスをプラズマ化しないで基板１１０に供給する。これにより、Ｉｎ組成Ｘ２が０以上０．１以下でＡｌ組成Ｙ２が０以上０．１以下のＩｎX2ＡｌY2Ｇａ(1-X2-Y2) Ｎ層を形成する。このときの基板温度は、０℃以上５００℃未満である。このため、この工程において第１のIII 族窒化物半導体層１２０は固体状態である。第２のIII 族窒化物半導体層１３０は、低温ＧａＮ層であるとよい。この工程において、前述したように水素ガスを供給しない。水素ガスが第２のIII 族窒化物半導体層１３０に十分に覆われていない第１のIII 族窒化物半導体層１２０のＩｎをエッチングしてしまうおそれがあるからである。
【００６９】
４−２−３．第３のIII 族窒化物半導体層形成工程
第３のIII 族窒化物半導体層形成工程では、基板１１０の温度を第２のIII 族窒化物半導体層形成工程より高い温度とし、窒素原子を含有するガスをプラズマ化して基板１１０に供給するとともに、III 族金属を含む有機金属ガスをプラズマ化しないで基板１１０に供給する。これにより、結晶性のよいＩｎX3ＡｌY3Ｇａ(1-X3-Y3) Ｎ層を形成する。このときの基板温度は、５００℃以上１２００℃以下である。好ましくは、基板温度は、８５０℃以上１１５０℃以下である。結晶性に優れた第３のIII 族窒化物半導体層１４０を形成することができるからである。
【００７０】
この基板温度では、第１のIII 族窒化物半導体層１２０は溶融状態にある。つまり、基板１１０は固体状態であり、第１のIII 族窒化物半導体層１２０は溶融状態であり、第２のIII 族窒化物半導体層１３０は固体状態である。第１のIII 族窒化物半導体層１２０は、上下の結晶に挟まれた状態で溶融している。このように、基板１１０および第２のIII 族窒化物半導体層１３０を固体状態のままとしつつ、第１のIII 族窒化物半導体層１２０を溶融状態にした状態で、第３のIII 族窒化物半導体層１４０を形成する。第３のIII 族窒化物半導体層１４０は、高温ＧａＮ層であるとよい。高温ＧａＮ層は、低温ＧａＮ層に比べて十分に優れた結晶性を備えているからである。
【００７１】
この工程において、水素ガスを供給するとよい。例えば、窒素原子を含有するガスと水素ガスとの混合ガスをプラズマ化して基板１１０に供給する。第２のIII 族窒化物半導体層１３０は結晶状態にあるため、水素ガスは第１のIII 族窒化物半導体層１２０にほとんど影響を与えない。また、仮に水素ガスが第１のIII 族窒化物半導体層１２０のＩｎを削るようなことがあったとしても、基板温度により第１のIII 族窒化物半導体層１２０の窒素原子は脱離している最中である。そのため、水素ガスを用いることにより、第２のIII 族窒化物半導体層１３０より上層の半導体層はほとんどダメージを受けない。このように水素ガスが供給されているため、ＮＨとＮＨ2 とＮＨ3 とこれらの励起状態とその他のものとを含む窒化水素系の化合物が、発生する。そして、これらの窒化水素系の化合物が、第３のIII 族窒化物半導体層１４０の成長に寄与する。その結果、高品質な第３のIII 族窒化物半導体層１４０が形成される。
【００７２】
４−２−４．半導体層群形成工程
半導体層群形成工程では、窒素ガスと水素ガスとを含む混合ガスをプラズマ化して、そのプラズマ化した混合ガスを基板１１０に供給するとともに、III 族金属を含む有機金属ガスをプラズマ化しないで基板１１０に供給する。これにより、ｎ−ＧａＮ層２５０と、ｉ−ＡｌY5Ｇａ(1-Y5)Ｎ層２６０と、が形成される。
【００７３】
このようにして、基板１１０の上に、第１のIII 族窒化物半導体層１２０と、第２のIII 族窒化物半導体層１３０と、第３のIII 族窒化物半導体層１４０と、ｎ−ＧａＮ層２５０と、ｉ−ＡｌY5Ｇａ(1-Y5)Ｎ層２６０と、を形成する。上記の各半導体層を形成するために、適宜原料ガスを切り替えればよい。
【００７４】
４−３．電極形成工程
次に、ｉ−ＡｌY5Ｇａ(1-Y5)Ｎ層２６０の上にソース電極Ｓ１およびドレイン電極Ｄ１を形成する。また、ｉ−ＡｌY5Ｇａ(1-Y5)Ｎ層２６０の上にゲート電極Ｇ１を形成する。以上により、ＨＥＭＴ２００の基本的構造が製造される。
【００７５】
４−４．素子分離工程
次に、ウエハ状の基板１１０を分割して、複数のＨＥＭＴ２００に切り出す。もしくは、基板１１０から余剰な部分を除去する。そのためには、レーザー装置や、ブレーキング装置等を用いればよい。
【００７６】
４−５．その他工程
また、上記の他に、熱処理工程と、保護膜形成工程と、その他の工程と、を実施してもよい。以上により、本実施形態のＨＥＭＴ２００が製造される。
【００７７】
５．III 族窒化物半導体素子の製造方法の効果
Ｉｎ組成Ｘの高い半導体層では、窒素が高温状態で脱離しやすい。ＭＯＣＶＤ法等の一般的に用いられる気相成長法では、８５０℃以上１１５０℃以下の程度と比較的高温の条件下で成膜される。したがって、ＭＯＣＶＤ法等では、Ｉｎ組成Ｘの高い半導体層を成長させるのは困難である。本実施形態では、ＲＥＭＯＣＶＤ法を用いる。窒素原子を含有するガスをプラズマ化するため、低温で窒素ラジカルが発生する。そのため、より低温で半導体層を成膜することができる。その結果、窒素原子の脱離を防止しつつ、非常にＩｎ組成Ｘが高い第１のIII 族窒化物半導体層１２０を成膜することができる。
【００７８】
そして、第２のIII 族窒化物半導体層１３０は、この第１のIII 族窒化物半導体層１２０が熱分解しない程度に比較的低温で成膜される。比較的低温で成膜されるため、第２のIII 族窒化物半導体層１３０の結晶性は、やや低い。第３のIII 族窒化物半導体層１４０は、比較的高温で成膜される。第３のIII 族窒化物半導体層１４０の成膜時に、第１のIII 族窒化物半導体層１２０が溶融状態になる可能性がある。しかし、第２のIII 族窒化物半導体層１３０が結晶状態で残留しているため、その上に結晶性の高い第３のIII 族窒化物半導体層１４０を好適に成長させることができる。
【００７９】
そして、本実施形態のＨＥＭＴ２００においては、第３のIII 族窒化物半導体層１４０より上層の半導体層の結晶性が優れている。また、第１のIII 族窒化物半導体層１２０の組成は金属Ｉｎに近い。金属Ｉｎは非常に軟らかい材料である。そのため、第１のIII 族窒化物半導体層１２０が基板１１０からの応力を十分に吸収する。ゆえに、品質の高いＨＥＭＴ２００が実現されている。
【００８０】
６．変形例
６−１．ＭＯＳ型ＨＥＭＴ（ＭＩＳ型ＨＥＭＴ）
図４に示すように、ＭＯＳ型ＨＥＭＴ３００についても第１の実施形態の技術を適用することができる。ＭＯＳ型ＨＥＭＴ３００は、基板１１０と、第１のIII 族窒化物半導体層１２０と、第２のIII 族窒化物半導体層１３０と、第３のIII 族窒化物半導体層１４０と、ｎ−ＧａＮ層２５０と、ｉ−ＡｌY5Ｇａ(1-Y5)Ｎ層２６０と、絶縁膜Ｉ２と、ソース電極Ｓ２と、ゲート電極Ｇ２と、ドレイン電極Ｄ２と、を有している。絶縁膜Ｉ２は、ｉ−ＡｌY5Ｇａ(1-Y5)Ｎ層２６０とゲート電極Ｇ２とを絶縁している。絶縁膜Ｉ２は、酸化物である。もしくは、絶縁膜Ｉ２は、それ以外の絶縁体であってもよい。このように、III 族窒化物半導体素子は、ＭＯＳ型ＨＥＭＴ素子であってもよい。また、III 族窒化物半導体素子は、ＭＩＳ型ＨＥＭＴ素子であってもよい。
【００８１】
６−２．合金散乱防止層
図５に示すように、ＨＥＭＴ４００は、合金散乱防止層４７０を有していてもよい。このとき、半導体層群１５０は、１層以上の合金散乱防止層４７０を有する。合金散乱防止層４７０は、１層以上のIII 族窒化物半導体を備える半導体層である。合金散乱防止層４７０は、ｎ−ＧａＮ層２５０とｉ−ＡｌY5Ｇａ(1-Y5)Ｎ層２６０との間に位置する層である。すなわち、合金散乱防止層４７０は、チャネル層とバリア層との間に位置している。合金散乱防止層４７０は、バリア層であるｉ−ＡｌY5Ｇａ(1-Y5)Ｎ層２６０よりもバンドギャップの大きい層である。
【００８２】
６−３．基板
本実施形態の基板１１０は、Ｓｉ基板である。その他に、基板１１０として、ＳｉＣ基板、サファイア基板、ＺｎＳｅ基板、ＺｎＯ基板等を用いてもよい。また、その他の基板を用いることもできる。ただし、Ｓｉ基板は、安価であり、大口径基板を用いる場合に好適である。
【００８３】
６−４．金属Ｉｎ層の形成
第１のIII 族窒化物半導体層形成工程では、第１のIII 族窒化物半導体層１２０としてＩｎＮ層を形成してもよい。第３のIII 族窒化物半導体層形成工程では、ＩｎＮ層のＮを脱離させてＩｎＮ層を金属Ｉｎ層としてもよい。
【００８４】
この場合には、第１のIII 族窒化物半導体層１２０が、ほぼ金属Ｉｎ層となる。金属Ｉｎ層は、基板１１０および第２のIII 族窒化物半導体層１３０に比べて十分に硬度が低い。そのため、基板１１０と第２のIII 族窒化物半導体層１３０との間の応力は十分に緩和される。これにより、III 族窒化物半導体素子１００は、ほとんど反ることがない。
【００８５】
６−５．組み合わせ
上記の変形例について、自由に組み合わせてもよい。
【００８６】
７．本実施形態のまとめ
本実施形態のＨＥＭＴ２００は、第１のIII 族窒化物半導体層１２０と、第２のIII 族窒化物半導体層１３０と、第３のIII 族窒化物半導体層１４０と、ｎ−ＧａＮ層２５０と、ｉ−ＡｌY5Ｇａ(1-Y5)Ｎ層２６０と、を有する。第１のIII 族窒化物半導体層１２０のＩｎ組成Ｘ１は非常に高い。また、第２のIII 族窒化物半導体層１３０では、Ｉｎ組成Ｘ２およびＡｌ組成Ｙ２が低い。そして、第２のIII 族窒化物半導体層１３０の成長温度は、５００℃未満と十分に低い。そのため、第３のIII 族窒化物半導体層１４０より上層の半導体層の結晶性は優れている。また、第１のIII 族窒化物半導体層１２０が格子不整合および熱膨張係数差を効果的に吸収している。そのため、クラックの発生および反りの発生を抑制するIII 族窒化物半導体素子が実現されている。
【００８７】
（第２の実施形態）
第２の実施形態について説明する。第２の実施形態では、半導体レーザー素子について説明する。
【００８８】
１．半導体レーザー素子
１−１．半導体レーザー素子の構造
本実施形態の半導体レーザー素子５００は、図６に示すように、基板１１０と、第１のIII 族窒化物半導体層１２０と、第２のIII 族窒化物半導体層１３０と、第３のIII 族窒化物半導体層１４０と、ｎ−ＧａＮ層５５０と、活性層５６０と、ｐ−ＡｌＧａＮ層５７０と、ｐ−ＧａＮ層５８０と、ｎ電極Ｎ１と、ｐ電極Ｐ１と、を有している。ｎ−ＧａＮ層５５０と、活性層５６０と、ｐ−ＡｌＧａＮ層５７０と、ｐ−ＧａＮ層５８０とは、半導体層群１５０である。
【００８９】
２．半導体レーザー素子の製造方法
半導体レーザー素子５００の製造方法について説明する。半導体レーザー素子５００の製造方法は、第１のIII 族窒化物半導体層形成工程と、第２のIII 族窒化物半導体層形成工程と、第３のIII 族窒化物半導体層形成工程と、半導体層群形成工程と、電極形成工程と、を有する。第１のIII 族窒化物半導体層形成工程と、第２のIII 族窒化物半導体層形成工程と、第３のIII 族窒化物半導体層形成工程と、半導体層群形成工程とは、第１の実施形態で説明したIII 族窒化物半導体素子の製造装置１０００を用いる。
【００９０】
第１のIII 族窒化物半導体層形成工程では、基板１１０の上に第１のIII 族窒化物半導体層１２０を形成する。第２のIII 族窒化物半導体層形成工程では、第１のIII 族窒化物半導体層１２０の上に第２のIII 族窒化物半導体層１３０を形成する。第３のIII 族窒化物半導体層形成工程では、第２のIII 族窒化物半導体層１３０の上に第３のIII 族窒化物半導体層１４０を形成する。
【００９１】
また、第３のIII 族窒化物半導体層１４０の上にｎ−ＧａＮ層５５０を形成する。ｎ−ＧａＮ層５５０の上に活性層５６０を形成する。また、活性層５６０の上にｐ−ＡｌＧａＮ層５７０を形成する。また、ｐ−ＡｌＧａＮ層５７０の上にｐ−ＧａＮ層５８０を形成する。
【００９２】
３．変形例
３−１．半導体発光素子
本実施形態のIII 族窒化物半導体素子は、半導体レーザー素子である。ここで、III 族窒化物半導体素子は、半導体発光素子であってもよい。
【００９３】
３−２．製造方法
第３のIII 族窒化物半導体層形成工程では、半導体層を成長させる装置として、図３に示す製造装置１０００以外の装置を用いてもよい。第３のIII 族窒化物半導体層１４０より上層では、比較的高い基板温度で成膜するからである。
【実施例】
【００９４】
１．サンプルの作製
１−１．サーマルクリーニング
１０ｍｍ角のＳｉ（１１１）基板を用いた。そのＳｉ（１１１）基板を前述の製造装置１０００のサセプター１２００に配置した。そして、Ｈ2 を用いて基板のクリーニングを実施した。Ｈ2 をシャワーヘッド電極１１００の側から流した。Ｈ2 の流量は、１０００ｓｃｃｍであった。シャワーヘッド電極１１００に与えた電力は４００Ｗであった。その周波数は６０ＭＨｚであった。これにより、Ｈ2 ガスはプラズマ化され、ラジカルが発生する。炉本体１００１の内圧は１００Ｐａであった。そして、Ｓｉ（１１１）基板を９００℃まで昇温した後、１０分間保持した。
【００９５】
１−２．ＩｎＮ層
そして、Ｓｉ（１１１）基板の上にＩｎＮ層を成長させた。基板温度は室温であった。シャワーヘッド電極１１００に与えた電力は４００Ｗであった。その周波数は６０ＭＨｚであった。シャワーヘッド電極１１００からＮ2 を供給した。Ｎ2 の流量は７５０ｓｃｃｍであった。一方、第１のガス供給管１３００からトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を供給した。ＴＭＩの温度は２０℃であった。ＴＭＩの蒸気圧は２．２８ｈＰａであった。ＴＭＩの流量は０．０３ｓｃｃｍであった。キャリアガスとしてＮ2 を４ｓｃｃｍだけ流した。炉本体１００１の内圧は８５Ｐａであった。
【００９６】
１−３．低温ＧａＮ層
次に、ＩｎＮ層の上に低温ＧａＮ層を成長させた。基板温度は４００℃であった。シャワーヘッド電極１１００に与えた電力は４００Ｗであった。その周波数は６０ＭＨｚであった。シャワーヘッド電極１１００からＮ2 を供給した。Ｎ2 の流量は７５０ｓｃｃｍであった。一方、第１のガス供給管１３００からトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を供給した。ＴＭＧの蒸気圧は４６．７ｈＰａであった。ＴＭＧの流量は０．８５ｓｃｃｍであった。なお、ＴＭＧの供給にあたってキャリアガスを用いなかった。
【００９７】
１−４．高温ＧａＮ層
次に、低温ＧａＮ層の上に高温ＧａＮ層を成長させた。基板温度は８００℃であった。シャワーヘッド電極１１００に与えた電力は６００Ｗであった。その周波数は６０ＭＨｚであった。シャワーヘッド電極１１００からＮ2 とＨ2 との混合ガスを供給した。Ｎ2 の流量は７５０ｓｃｃｍであった。Ｈ2 の流量は２５０ｓｃｃｍであった。一方、第１のガス供給管１３００からトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を供給した。ＴＭＧの蒸気圧は４６．７ｈＰａであった。ＴＭＧの流量は０．８５ｓｃｃｍであった。なお、ＴＭＧの供給にあたってキャリアガスを用いなかった。
【００９８】
１−５．その他
ＩｎＮ層を成長させる際には、基板温度を室温として３１０分間ＩｎＮ層を成長させた後、基板温度を最大で４３０℃まで上昇させて３０分間ＩｎＮ層を成長させた。
【００９９】
以上により、Ｓｉ（１１１）基板の上に、ＩｎＮ層、低温ＧａＮ層、高温ＧａＮ層が形成された。
【０１００】
２．サンプルの性能
図７は、サンプルのＸ線回折の結果をまとめたグラフである。図７の横軸は成長時間（秒）または成長温度（℃）である。図７の縦軸はＸ線回折のピークの強度である。図７に示すように、基板温度を室温としてＩｎＮ層を５秒以上３００秒以下の期間だけ成長させた場合に、Ｘ線回折のピークの強度は１００以上であった。すなわち、高温ＧａＮの結晶性は良好であった。基板温度を室温としてＩｎＮ層を１０秒間成長させた場合に、高温ＧａＮの結晶性は最も良好であった。
【０１０１】
一方、図７の左端に示すように、ＩｎＮ層を成長させなかった場合には、良好な高温ＧａＮは得られなかった。また、図７の右端に示すように、第２のIII 族窒化物半導体層１３０としてＡｌＮを用いた場合にも、良好な高温ＧａＮは得られなかった。
【符号の説明】
【０１０２】
１００…III 族窒化物半導体素子
１１０…基板
１２０…第１のIII 族窒化物半導体層
１３０…第２のIII 族窒化物半導体層
１４０…第３のIII 族窒化物半導体層
１５０…半導体層群
２００、３００、４００…ＨＥＭＴ
Ｇ１、Ｇ２…ゲート電極
Ｓ１、Ｓ２…ソース電極
Ｄ１、Ｄ２…ドレイン電極
Ｉ２…絶縁膜
５００…半導体レーザー素子
１０００…製造装置
１００１…炉本体
１１００…シャワーヘッド電極
１２００…サセプター
１３００…第１のガス供給管
１４２０…第２のガス供給管
１６００…ＲＦ電源
【図１】
2018073998.tif 000003
【図２】
2018073998.tif 000004
【図３】
2018073998.tif 000005
【図４】
2018073998.tif 000006
【図５】
2018073998.tif 000007
【図６】
2018073998.tif 000008
【図７】
2018073998.tif 000009