(57)【要約】      （修正有）【課題】サファイア基板上に高品質なＩＩＩ族窒化物を結晶成長させ、高品質な半導体装置を得ることが可能な半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】直接窒化されたサファイア基板２上のＡｌＮ層にラジカル源５から窒素ラジカル又は窒素イオンを含む気体を所定時間照射する。その後、成長させるＩＩＩ族窒化物の構成元素からなるターゲット３ａに窒素雰囲気中でパルスレーザ光を照射するＰＬＤ(パルスレーザ堆積)法によってＩＩＩ族窒化物を結晶成長させることにより、極めて高品質なＮ極性結晶を得ることができる。【選択図】図１
2011181762.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直接窒化されたサファイア基板に窒素ラジカル又は窒素イオンを含む気体を照射し、該
サファイア基板を清浄化する清浄化工程と、
前記清浄化されたサファイア基板上にＩＩＩ族窒化物を結晶成長させるＩＩＩ族窒化物
成長工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記清浄化工程では、前記気体を３０分以上照射することを特徴とする請求項１記載の
半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記清浄化工程では、前記清浄化されたサファイア基板をアニール処理した後、前記気
体を照射することを特徴とする請求項１又は２記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体装置の製造方法によって得られるＮ極性Ａｌ
ＧａＮ／ＧａＮ接合界面を有することを特徴とする高電子移動度素子。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体装置の製造方法によって得られるＮ極性ｐ−
ＧａＮ／ｉ−ＩｎＧａＮ／ｎ−ＧａＮ／基板構造を有することを特徴とする受光素子。
【請求項６】
請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体装置の製造方法によって得られるＡｌＮバッ
ファ層を有することを特徴とする発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サファイア基板上にＩＩＩ族窒化物を結晶成長させて得られる半導体装置の
製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＩＩＩ族窒化物を結晶成長させる単結晶基板として、熱的にも化学的にも安定なサファ
イア（α−Ａｌ２Ｏ３）が広く用いられている。また、ＩＩＩ族窒化物として、ＡｌＮは
、約６．２ｅＶのバンドギャップエネルギーを有し、サファイア（０００１）基板との格
子定数が近いことなどから、他のＩＩＩ族窒化物のヘテロエピタキシャル成長の際のバッ
ファ層として多く用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２１３５８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１には、サファイア基板の表面を直接窒化することにより、サファイア基板上
に数原子層のＡｌＮ薄膜を形成することが報告されている。具体的には、熱処理装置の均
熱部に、サファイア基板とグラファイトを装入し、Ｎ２−ＣＯ混合ガスの組成を調節する
ことにより、酸素ポテンシャルと窒素ポテンシャルを制御した雰囲気下で、サファイア基
板を窒化し、サファイア基板上に数原子層のＡｌＮ薄膜を形成する。
【０００５】
しかしながら、特許文献１の直接窒化により形成されたＡｌＮ薄膜は、完全な単結晶で
はなく、ｃ軸が約１度傾いたグレインや、面内に３０度回転したグレインが存在すること
が知られていた。このため、直接窒化により形成されたＡｌＮ薄膜上に高品質なＩＩＩ族
窒化物を結晶成長させることは困難であった。
【０００６】
本発明は、上記実情に鑑みて提案されたものであり、高品質なＩＩＩ族窒化物を結晶成
長させ、高品質な半導体装置を得ることが可能な半導体装置の製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、直接窒化されたサファイア基板（以下、窒化サ
ファイア基板ともいう。）に窒素ラジカル又は窒素イオンを含む気体を照射することによ
り、直接窒化により形成されたサファイア基板上のＡｌＮ薄膜が高品質化し、高品質なＩ
ＩＩ族窒化物の結晶成長が可能となることが分かった。また、得られるＩＩＩ族窒化物は
、高品質なＮ極性結晶であることが分かった。
【０００８】
すなわち、本発明に係る半導体装置の製造方法は、直接窒化されたサファイア基板に窒
素ラジカル又は窒素イオンを含む気体を照射し、該サファイア基板を清浄化する清浄化工
程と、前記清浄化されたサファイア基板上にＩＩＩ族窒化物を結晶成長させるＩＩＩ族窒
化物成長工程とを有する。
【０００９】
また、本発明に係る高電子移動度素子は、上述した半導体装置の製造方法によって得ら
れるＮ極性ＡｌＧａＮ／ＧａＮ構造を有する。
【００１０】
また、本発明に係る受光素子は、上述した半導体装置の製造方法によって得られるＮ極
性ｐ−ＧａＮ／ｉ−ＩｎＧａＮ／ｎ−ＧａＮ／基板構造を有する。
【００１１】
また、本発明に係る発光素子は、上述した半導体装置の製造方法によって得られるＡｌ
Ｎバッファ層を有する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、直接窒化されたサファイア基板に窒素ラジカル又は窒素イオンを含む
気体を照射することにより、極めて高品質な数原子層のＡｌＮ薄膜を得ることができる。
そのメカニズムは不明であるが、窒素ラジカル又は窒素イオンを含む気体の照射により、
サファイア基板上のＡｌＮ薄膜の変質層が除去又は修復されたものと考えられる。よって
、サファイア基板のＡｌＮ薄膜上に結晶成長させたＩＩＩ族窒化物も、ＡｌＮ薄膜の結晶
性を引き継いで高品質となり、高品質な半導体装置を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施の形態におけるＰＬＤ装置の構成例を示す図である。
【図２】本発明の一実施の形態における半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。
【図３】窒化サファイア基板上にＩＩＩ族窒化物を成膜させた積層構造体の断面図である。
【図４】高電子移動度トランジスタの構成例を示す図である。
【図５】受光素子の構成例を示す図である。
【図６】発光素子の構成例を示す図である。
【図７】窒化サファイア基板上のＡｌＮ薄膜におけるＡｌＮ０００２回折のロッキングカーブを示す図である。
【図８】窒化サファイア基板上のＡｌＮ薄膜におけるＡｌＮ００−１１回折のロッキングカーブを示す図である。
【図９】窒化サファイア基板上のＡｌＮ薄膜におけるＡｌＮ１０−１０回折のロッキングカーブを示す図である。
【図１０】窒化サファイア基板表面のレーザ顕微鏡像である。
【図１１】窒化サファイア基板表面のレーザ顕微鏡像である。
【図１２】アニール前の窒化サファイア基板のＲＨＥＥＤ像である。
【図１３】アニール前の窒化サファイア基板のＲＨＥＥＤ像である。
【図１４】アニール後の窒化サファイア基板のＲＨＥＥＤ像である。
【図１５】アニール後の窒化サファイア基板のＲＨＥＥＤ像である。
【図１６】窒素ラジカルビームの照射時間（窒化時間）の異なるサンプルのＡｌＮ１−１０２回折のロッキングカーブを示す図である。
【図１７】窒素ラジカルビームの照射時間（窒化時間）が０ｍｉｎのときのＡｌＮ薄膜の｛０００１｝ＥＢＳＤ極点図である。
【図１８】窒素ラジカルビームの照射時間（窒化時間）が０ｍｉｎのときのＡｌＮ薄膜の｛１０−１１｝ＥＢＳＤ極点図である。
【図１９】窒素ラジカルビームの照射時間（窒化時間）が３０ｍｉｎのときのＡｌＮ薄膜の｛０００１｝ＥＢＳＤ極点図である。
【図２０】窒素ラジカルビームの照射時間（窒化時間）が３０ｍｉｎのときのＡｌＮ薄膜の｛１０−１１｝ＥＢＳＤ極点図である。
【図２１】窒素ラジカルビームの照射時間（窒化時間）が０ｍｉｎのときのＳＥＭ像である。
【図２２】窒素ラジカルビームの照射時間（窒化時間）が３０ｍｉｎのときのＳＥＭ像である。
【図２３】窒素ラジカルビームの照射時間（窒化時間）が０ｍｉｎのときのＡＦＭ像である。
【図２４】窒素ラジカルビームの照射時間（窒化時間）が３０ｍｉｎのときのＡＦＭ像である。
【図２５】ＰＬＤ法により成膜されたＡｌＮ薄膜におけるＡｌＮ（０００２）回折のロッキングカーブを示す図である。
【図２６】ＰＬＤ法により成膜されたＡｌＮ薄膜におけるＡｌＮ（１−１０２）回折のロッキングカーブを示す図である。
【図２７】成長前と成長後におけるＡｌＮ（０００２）回折及びＳａｐｐ．（０００６）回折の２θ/ωカーブを示す図である。
【図２８】高電子移動度トランジスタのシミュレーション構成を示す図である。
【図２９】Ｎ極性の高電子移動度トランジスタにおける垂直方向のエネルギーバンドダイアグラムのシミュレーション結果を示す図である。
【図３０】ＩＩＩ族極性の高電子移動度トランジスタにおける垂直方向のエネルギーバンドダイアグラムのシミュレーション結果を示す図である。
【図３１】受光素子のシミュレーション構成を示す図である。
【図３２】ＩＩＩ族極性及びＮ極性のｐ−ＧａＮ／ｉ−ＩｎＧａＮ／ｎ−ＧａＮ／基板構造を示す図である。
【図３３】Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｎ受光層を有する受光素子における極性に対する変換効率のシミュレーション結果を示す図である。
【図３４】Ｎ極性の受光素子における垂直方向のエネルギーバンドダイアグラムのシミュレーション結果を示す図である。
【図３５】無極性の受光素子における垂直方向のエネルギーバンドダイアグラムのシミュレーション結果を示す図である。
【図３６】ＩＩＩ族極性の受光素子における垂直方向のエネルギーバンドダイアグラムのシミュレーション結果を示す図である。
【図３７】Ｉｎ０．１２Ｇａ０．８８Ｎ受光層を有する受光素子における極性に対する変換効率のシミュレーション結果を示す図である。
【図３８】Ｎ極性の受光素子における垂直方向のエネルギーバンドダイアグラムのシミュレーション結果を示す図である。
【図３９】無極性の受光素子における垂直方向のエネルギーバンドダイアグラムのシミュレーション結果を示す図である。
【図４０】ＩＩＩ族極性の受光素子における垂直方向のエネルギーバンドダイアグラムのシミュレーション結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明
する。
【００１５】
本発明の一実施の形態における半導体装置の製造方法において、直接窒化されたサファ
イア（α−Ａｌ２Ｏ３）基板（０００１）に窒素ラジカル又は窒素イオンを含む気体を照
射する際に用いられる装置は、専用装置であっても、ＩＩＩ族窒化物の結晶成長装置に備
えられるものであってもよい。
【００１６】
また、本実施の形態におけるＩＩＩ族窒化物の結晶成長のプロセスとしては、特に限定
されるものではなく、有機金属化学気相蒸着法（MOCVD：Metal Organic Chemical Vapor 
Deposition）、分子線エピタキシー法（MBE：Molecular Beam Epitaxy）、パルス励起堆
積法（PXD：Pulsed eXcitation Deposition）等を用いることができる。
【００１７】
図１は、パルス励起堆積法の一つであるパルスレーザ堆積法（PLD：Pulsed Laser Depo
sition）に適用される結晶成長装置の構成例を示す図である。
【００１８】
ＰＬＤ装置１は、内部に充填されたガスの圧力及び温度を一定に保ち、密閉空間を形成
するチャンバを備え、チャンバ内に基板２とターゲット３とを対向して配置する。また、
ＰＬＤ装置１は、波長が２４８ｎｍの高出力のパルスレーザを出射するＫｒＦエキシマレ
ーザ４と、チャンバ内へ注入する窒素ガスをラジカル化するラジカル源５と、反射高エネ
ルギー電子線解析装置（RHEED：Reflection High Energy Electron Diffraction）６とを
備える。
【００１９】
ＫｒＦエキシマレーザ４は、ＫｒとＦ２の混合ガス中で放電することによりＦ２が分解
・励起され、Ｋｒと結合することにより不安定なＫｒＦエキシマが形成される。あるエキ
シマが分解して基底状態に落ちるときに放出される光（波長２４８ｎｍ）によって他のエ
キシマで誘導放出が発生し、さらに共振器で増幅されることにより高エネルギーのレーザ
光が出力される。
【００２０】
ラジカル源５は、窒素ガスを、高周波を用いて一旦励起することにより窒素ラジカル又
は窒素イオンを含む気体とし、この気体を基板２の表面に照射可能となっている。このラ
ジカル源５は、中空の放電室と放電室の外側周囲に巻き回された高周波コイル（ＲＦコイ
ル）等を備え、液体窒素ボンベ等の窒素源から放電室に供給された窒素ガスに、高周波コ
イルによって高周波を印加し、プラズマと呼ばれる窒素原子が電離によって生じた電荷を
帯びた粒子（荷電粒子）を含む気体を発生させる。
【００２１】
反射高速電子回折装置６は、真空中で電子銃により電子を加速し、加速した電子を基板
２表面にごく浅い角度で出射する。電子線は、基板２表面で反射して、蛍光スクリーン７
に達し、回折図形として現れる。この反射高速電子回折装置６によれば、基板２表面や薄
膜表面のその場(in-situ)観察が可能である。
【００２２】
また、ＰＬＤ装置１は、チャンバ内の圧力を制御するための圧力弁とロータリーポンプ
とを備える。チャンバ内の圧力は、減圧下で成膜するＰＬＤ法のプロセスを考慮しつつ、
ロータリーポンプにより窒素雰囲気中において所定の圧力となるように制御される。
【００２３】
また、ＰＬＤ装置１は、パルスレーザが照射されるターゲット３ａ〜３ｄを回転させる
回転軸と、パルスレーザが照射されるターゲット３ａ〜３ｄを切り換えるリボルバーと、
基板２を加熱するランプヒータ８とを備え、異種材料による多層膜の成長が可能である。
【００２４】
上述した構成を有するＰＬＤ装置１において、チャンバ内に窒素ガスを充満させた状態
で、ターゲット３を回転駆動させつつパルスレーザ光を断続的に照射すると、ターゲット
３表面の温度が急激に上昇し、ターゲット３原子が含まれたアブレーションプラズマを発
生させる。このアブレーションプラズマ中に含まれるターゲット３原子は、窒素ガスとの
衝突反応等を繰り返しながら状態を徐々に変化させて基板２へ移動する。そして、基板２
へ到達したターゲット３原子を含む粒子は、そのまま基板２上に拡散し、格子整合性の最
も安定な状態で薄膜化される。
【００２５】
次に、図１及び図２を参照して、本発明の一実施の形態における半導体装置の製造方法
について説明する。具体例として示す半導体装置の製造方法は、直接窒化されたサファイ
ア基板（以下、窒化サファイア基板ともいう。）に窒素ラジカル又は窒素イオンを含む気
体を照射し、サファイア基板を清浄化する清浄化工程（ステップＳ１）と、清浄化された
サファイア基板上にＩＩＩ族窒化物を結晶成長させるＩＩＩ族窒化物成長工程（ステップ
Ｓ２）と、ＩＩＩ族窒化物に電極を形成するデバイス加工工程（ステップＳ３）とを有す
る。
【００２６】
サファイア基板を直接窒化する方法は、特開２００６−２１３５８６号公報に記載され
ているように、サファイア基板を炭素飽和下でＮ２−ＣＯ混合ガスを用いて、窒素及び酸
素ポテンシャルを精密に制御して穏やかに窒化反応を進行させる。これにより、サファイ
ア基板上に数原子層のＡｌＮ薄膜を形成することができる。しかしながら、このＡｌＮ薄
膜は、完全な単結晶ではなく、ｃ軸が約１度傾いたグレインや、面内に３０度回転したグ
レインが存在する。
【００２７】
そこで、ステップＳ１では、直接窒化されたサファイア基板に窒素ラジカル又は窒素イ
オンを含む気体を照射する。具体的には、図１においてラジカル源５からプラズマと呼ば
れる窒素原子が電離によって生じた電荷を帯びた粒子（荷電粒子）を含む気体を発生させ
、このプラズマを基板２として設置された窒化サファイア基板上に供給する。これにより
、サファイア基板上に単一ドメインのＡｌＮ膜を形成することができる。そのメカニズム
は不明であるが、窒素プラズマの照射により、サファイア基板上のＡｌＮ薄膜に存在する
ｃ軸が約１度傾いたグレイン、面内に３０度回転したグレイン等の変質層が除去又は修復
されるものと考えられる。
【００２８】
窒素プラズマを照射する時間は、３０分以上であることが望ましい。窒素プラズマを３
０分以上照射することにより、サファイア基板上のＡｌＮ薄膜の変質層を減少させること
ができる。
【００２９】
また、窒素プラズマの照射は、窒素プラズマの照射の前又は同時に行うアニール処理と
同様、５００〜１２００℃の温度範囲で行うことが好ましい。この温度範囲で窒素プラズ
マを照射することにより、基板表面を原子レベルで平坦化するとともにＡｌＮ薄膜の変質
層を除去することができる。さらに、基板のアニール後に窒素プラズマを照射することに
より、基板表面が平坦化され、チャージアップされるため、照射による効果を増大させる
ことができる。
【００３０】
ステップＳ２では、作製するデバイスに応じて窒化サファイア基板のＡｌＮ薄膜上にＩ
ＩＩ族窒化物（ＩｎｘＡｌｙＧａｚＮ、但し０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋
ｙ＋ｚ＝１）の多層膜を成長させる。ここで、窒化サファイア基板１０（図３）のＡｌＮ
薄膜上に成長させるＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮとしては、ＡｌＮ（ｘ＝０、ｙ＝１、
ｚ＝０）であることが好ましい。
【００３１】
具体的には、図１において、ターゲット３として多結晶ＡｌＮを設置し、ＫｒＦエキシ
マレーザ４からパルスレーザ光を断続的にターゲット３に照射し、ターゲット３表面から
ターゲット３原子が含まれたアブレーションプラズマを発生させる。このアブレーション
プラズマ中に含まれるＡｌＮ原子と、ラジカル源５から照射された窒素ラジカル又は窒素
イオンを含む気体とが衝突反応等を繰り返しながら状態を徐々に変化させて窒化サファイ
ア基板へ移動し、格子整合性の最も安定な状態でＡｌＮが薄膜化される。
【００３２】
図３は、窒化サファイア基板上にＩＩＩ族窒化物を成膜させた積層構造体の断面図であ
る。この積層構造体は、サファイア基板１０と、サファイア基板１０の（０００１）面に
直接窒化により形成されたＡｌＮ薄膜１１と、ＡｌＮ薄膜上に成膜されたＡｌＮバッファ
層１２と、ＩＩＩ族窒化物膜１３とを有する。このようにサファイア基板１０の直接窒化
により形成されたＡｌＮ薄膜１１上にバッファ層１２としてＡｌＮをホモエピタキシャル
成長させることにより、バッファ層１２の良好な結晶性を引き継いでＩＩＩ族窒化物薄膜
１３を成長させることができる。
【００３３】
ステップＳ３では、窒化サファイア基板上に成長させたＩＩＩ族窒化物薄膜にフォトリ
ソグラフィーによって電極を形成し、後述するようなデバイスに加工する。
【００３４】
ＩＩＩ族窒化物は、強いピエゾ分極・自発分極を有しており、この分極に応じてＡｌＧ
ａＮ／ＧａＮヘテロ接合界面に対するｃ軸の方向、すなわち（０００１）及び（０００−
１）に応じて、ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ接合界面へのキャリアの誘起が促進もしくは阻
害される。また、ＩＩＩ族窒化物は、ウルツ鉱型構造であることから、ｃ軸方向にＩＩＩ
族極性、Ｎ極性のいずれかを持つが、本実施の形態における製造方法によれば、極めて高
品質なＮ極性ＩＩＩ族窒化物を得ることができる。極性の判定は、例えば２ｋｅＶ程度の
低エネルギーＨｅ＋イオンを試料に照射し、試料に衝突して散乱するＨｅ粒子の運動エネ
ルギー及び試料結晶軸に対する散乱強度を測定することにより、試料を構成する原子の種
類及び配列に関する情報を得ることができる。この極性を制御したヘテロ接合界面を利用
することにより、次に説明するような優れたデバイスを提供することができる。
【００３５】
＜高電子移動度素子＞
図４は、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：High Electron Mobility Transistor
）の構成例を示す図である。この高電子移動度トランジスタは、サファイア基板１０と、
ＡｌＮ薄膜１１と、ＡｌＮバッファ層１２と、チャネル層２１と、障壁層２２と、ソース
電極２３と、ドレイン電極２４と、ゲート電極２５と、ＳｉＯ２層２６とを有する。
【００３６】
窒化サファイア基板１０、１１は、上述したように炭素飽和下でＮ２−ＣＯ混合ガスの
組成を調節することにより、酸素ポテンシャルと窒素ポテンシャルを制御し、サファイア
基板１０を窒化し、サファイア基板上に数原子層のＡｌＮ薄膜１１を形成したものである
。
【００３７】
ＡｌＮバッファ層１２は、ＡｌＮ薄膜１１上に形成されるチャネル層２１と障壁層２２
との結晶品質を良好にするために数百ｎｍ程度の厚みに形成されるＡｌＮ層である。
【００３８】
チャネル層２１は、Ｎ極性のＧａＮにて数μｍ程度の厚みに形成されるＧａＮ層である
。
【００３９】
障壁層２２は、ＡｌｙＧａｚＮ（但し、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｙ＋ｚ＝１）からな
るＩＩＩ族窒化物の薄膜層である。
【００４０】
ソース電極２３及びドレイン電極２４は、障壁層２２との間にオーミック性接触を有し
、例えば、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕからなる多層金属電極である。ゲート電極２５は、障
壁層２２との間にショットキー性接触を有し、例えばＰｄ／Ａｕからなる多層電極である
。ＳｉＯ２層２６は、ゲート電極２５直下に形成され、このＳｉＯ２によって生じる電荷
が電子をトラップしてオフ時のリークを抑制することにより高耐圧を実現する。
【００４１】
このような構成を有する高電子移動度素子において、チャネル層２１と障壁層２２との
界面がＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ接合となるため、結晶性による自発分極と、ＡｌｙＧａ
ｚＮとＧａＮのひずみによるピエゾ電気分極とが存在し、この分極によってチャネル層に
n型不純物をドープしなくても、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面に二次元電子ガスが誘起され、
高電子移動度トランジスタが実現される。
【００４２】
本実施の形態における半導体装置の製造方法では、高品質なＮ極性のＩＩＩ族窒化物が
成長するため、高電子移動度素子は、Ｎ極性のＡｌＧａＮ／ＧａＮ接合界面を有する。こ
れにより、後述のようにノーマリーオフ動作が可能な高電子移動度素子を実現することが
できる。
【００４３】
＜受光素子＞
図５は、受光素子の構成例を示す図である。この受光素子は、サファイア基板１０と、
ＡｌＮ薄膜１１と、ＡｌＮバッファ層１２と、ｎ型ＧａＮ層３１と、受光層３２と、ｐ型
ＧａＮ層３３と、透光性電極３４と、ｐ電極３５と、ｎ電極３６と、裏面反射層３７を有
する。
【００４４】
窒化サファイア基板１０、１１は、上述したように炭素飽和下でＮ２−ＣＯ混合ガスの
組成を調節することにより、酸素ポテンシャルと窒素ポテンシャルを制御し、サファイア
基板１０を窒化し、サファイア基板上に数原子層のＡｌＮ薄膜１１を形成したものである
。
【００４５】
ＡｌＮバッファ層１２は、ＡｌＮ薄膜１１上に形成されるｎ型ＧａＮ層３１、受光層３
２、及びｐ型ＧａＮ層３３の結晶品質を良好にするために形成されるＡｌＮ層である。
【００４６】
ｎ型ＧａＮ層３１は、ＧａＮにＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ等のドナー不純物をドープしてｎ型と
したものである。
【００４７】
受光層３２は、ノンドープのＩｎｘＧａｚＮ（但し０≦ｘ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｚ＝
１）である。なお、ノンドープのＩｎｘＧａｚＮは、ｎ型となり小数のキャリア電子が存
在するので、このキャリア電子濃度を減少させる目的の限度においてアクセプター不純物
をドープしてもよい。
【００４８】
ｐ型ＧａＮ層３３は、ＧａＮにＺｎ、Ｍｇ、Ｃａ等のアクセプター不純物をドープして
ｐ型としたものである。
【００４９】
透光性電極３４及びｐ電極３５は、Ａｕ、Ｐｔ、ｐｄ、Ｃｏ、Ｎｉ又はこれらの合金等
からなる。ｎ電極３６は、Ａｌ、Ｖ、Ａｕ、Ｒｈ又はこれらの合金等からなる。裏面反射
層３７は、発電に寄与せず通過した光をもう一度反射させ受光層３２に導入させて発電に
寄与させようとするものであり、Ａｇ、Ｔｉ、Ａｌ等を含む。
【００５０】
このような構成を有する受光素子において、光が照射されると、受光層３２に電子及び
ホールが生じ、電子及びホールがそれぞれｎ型ＧａＮ層３１及びｐ型ＧａＮ層３３に供給
され、電流が流れる。
【００５１】
本実施の形態における半導体装置の製造方法では、高品質なＮ極性のＩＩＩ族窒化物が
成長するため、受光素子は、Ｎ極性のｐ−ＧａＮ／ｉ−ＩｎＧａＮ／ｎ−ＧａＮ／基板構
造を有する。これにより、後述のように高いエネルギー変換効率を有する受光素子を実現
することができる。
【００５２】
なお、サファイアは透光性であるため、サファイア基板１０側から光を入射させること
も可能である。この場合、裏面反射層３７は不要であり、さらに、変換効率を高めるため
に透光性電極３４の代わりに高反射率の電極材料を使用してもよい。
【００５３】
＜発光素子＞
図６は、発光素子の構成例を示す図である。この発光素子は、サファイア基板１０と、
ＡｌＮ薄膜１１と、ＡｌＮバッファ層１２と、下地層４１と、ｎ型ＧａＮクラッド層４２
と、多重量子井戸（MQW：Multiple Quantum Well）構造層４３と、ｐ型ＡｌＧａＮクラッ
ド層４４と、ｐ型ＧａＮコンタクト層４５と、ｐ型電極４６と、ｎ型電極４７とを有する
。
【００５４】
窒化サファイア基板１０、１１は、上述したように炭素飽和下でＮ２−ＣＯ混合ガスの
組成を調節することにより、酸素ポテンシャルと窒素ポテンシャルを制御し、サファイア
基板１０を窒化し、サファイア基板上に数原子層のＡｌＮ薄膜１１を形成したものである
。
【００５５】
ＡｌＮバッファ層１２は、ＡｌＮ薄膜１１上に形成されるアンドープＧａＮ層４１、ｎ
型ＧａＮクラッド層４２、ＭＱＷ構造４３、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層４４、及びｐ型Ｇ
ａＮコンタクト層４５の結晶品質を良好にするために形成されるＡｌＮ層である。
【００５６】
下地層４１は、アンドープＧａＮからなり、Ｎ極性からＩＩＩ族極性に反転させるもの
である。
【００５７】
ｎ型ＧａＮクラッド層（＝コンタクト層）４２は、ＧａＮにＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ等のドナ
ー不純物をドープしてｎ型としたものである。このコンタクト層４２は、部分的に露出し
ており、露出面にはｎ型電極４７が形成されている。
【００５８】
多重量子井戸構造４３層は、例えば、ＧａＮ障壁層／ＩｎＧａＮ井戸層／ＧａＮ障壁層
／ＩｎＧａＮ井戸層／ＧａＮ障壁層を有し、紫外線発光可能なＩｎＧａＮを含み、井戸層
の数が２〜２０である。
【００５９】
ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層４４は、ＡｌＧａＮにＺｎ、Ｍｇ、Ｃａ等のアクセプター不
純物をドープしてｐ型としたものである。
【００６０】
ｐ型ＧａＮコンタクト層４５は、ＧａＮにＺｎ、Ｍｇ、Ｃａ等のアクセプター不純物を
ドープしてｐ型としたものである。このｐ型ＧａＮコンタクト層４５の上面には、ｐ型電
極４６が形成されている。
【００６１】
このような構成を有する発光素子において、電圧を加えて電流を流すと、ｐ型ＧａＮク
ラッド層４２から正孔が、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層４４から電子がＭＱＷ構造層４３に
供給され、ＭＱＷ構造層４３でキャリア（電子、正孔）が閉じ込められ、効率良く紫外線
を発光する。
【００６２】
本実施の形態における半導体装置の製造方法では、高品質なＮ極性のＩＩＩ族窒化物が
成長する。上述した発光素子においては、例えば下地層４１において極性をＩＩＩ族極性
に反転させることが必要であるが、Ｎ極性のＡｌＮバッファ層１２が極めて高品質なため
、高出力な発光素子が実現可能である。
【実施例】
【００６３】
以下、実施例を挙げて、本発明を具体的に説明する。なお、本発明は、これらの実施例
に限定されるものではない。
【００６４】
＜ＡｌＮのホモエピタキシャル成長＞
先ず、２インチｃ面サファイア基板を１５００℃で６時間、直接窒化した。最初１時間
はＮ２／ＣＯ＝０．９／０．１のガス雰囲気下で処理し、後の５時間はＮ２／ＣＯ＝１．
０／０．０のガス雰囲気下で処理した。この窒化サファイア基板をX線回折装置（ブルッ
カー社製D8system）により測定するとともに、レーザ顕微鏡により表面状態を観察した。
【００６５】
図７乃至図９は、それぞれ窒化サファイア基板上のＡｌＮ薄膜におけるＡｌＮ０００２
回折、ＡｌＮ（００−１１）回折、及びＡｌＮ（１０−１０）回折のロッキングカーブを
示す図である。チルト分布を表すＡｌＮ（０００２）回折及びツイスト分布を表すＡｌＮ
（１０−１０）回折のロッキングカーブの半値幅は、それぞれ１０４arcsec及び１００８
arcsecであった。
【００６６】
図１０及び図１１は、窒化サファイア基板表面のレーザ顕微鏡像である。これらのレー
ザ顕微鏡像の観察により、窒化サファイア基板は、数百ｎｍ程度のカラム状の表面状態で
あることが分かった。
【００６７】
次に、窒化サファイア基板を超真空チャンバ内で８００℃にてアニール処理した。基板
表面をチャージアップするため、電子線をデフォーカスして窒化サファイア基板を反射高
エネルギー電子線解析装置（RHEED：Reflection High Energy Electron Diffraction）に
て観察した。
【００６８】
図１２及び１３は、アニール前の窒化サファイア基板のＲＨＥＥＤ像であり、図１４及
び１５は、アニール後の窒化サファイア基板のＲＨＥＥＤ像である。アニール前において
ＡｌＮ（０００１）ＲＨＥＥＤパターンを確認した。８００℃真空アニール後のＲＨＥＥ
Ｄ像は、チャージアップのため不鮮明であるもののc面サファイア基板とは異なる周期を
もったｃ面ＡｌＮ表面からの回折パターンが見られた。また、アニールによりＡｌＮ（０
００１）パターンに薄くサファイアのパターンが確認された。
【００６９】
次に、超真空チャンバ内で９００℃の雰囲気下で窒化サファイア基板表面に窒素プラズ
マを照射し、基板表面を清浄化した。照射時間（窒化時間）を０ｍｉｎ、５ｍｉｎ、１５
ｍｉｎ、３０ｍｉｎと変化させて４種類のサンプルを作成した。ＲＦプラズマ・ラジカル
源（Veeco社製UNI-Bulb）は、４００Ｗ、５．０×１０−６Ｔｏｒｒに設定して基板表面
に照射した。これらのサンプルをX線回折装置（ブルッカー社製D8system）、ＥＢＳＤ（E
lectron Back Scatter Diffraction Patterns）装置（Oxford Instruments社製、INCA Cr
ystal EBSD system）、ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）装置（JEOL製、JSM-650
0F）、ＡＦＭ（Atomic Force Microscope）装置（日本電子社製、JSPM-4210）により評価
した。
【００７０】
図１６は、窒素ラジカルビームの照射時間（窒化時間）の異なるサンプルのＡｌＮ（１
−１０２）回折のロッキングカーブを示す図である。窒素ラジカルビームの照射時間（窒
化時間）が０ｍｉｎのとき、（１−１０２）回折のピークの割れを観測した。窒素ラジカ
ルビームを３０分以上照射することにより、ピークの割れが観測されなくなった。また、
このロッキングカーブから評価したＡｌＮの結晶性は、窒化時間には依存しないことが分
かった。
【００７１】
図１７及び図１８は、それぞれ窒素ラジカルビームの照射時間（窒化時間）が０ｍｉｎ
のときのＡｌＮ薄膜の｛０００１｝ＥＢＳＤ極点図及び｛１０−１１｝ＥＢＳＤ極点図で
ある。また、図１９及び図２０は、それぞれ窒素ラジカルビームの照射時間（窒化時間）
が３０ｍｉｎのときのＡｌＮ薄膜の｛０００１｝ＥＢＳＤ極点図及び｛１０−１１｝ＥＢ
ＳＤ極点図である。
【００７２】
図１７及び図１８に示すように、窒化時間が０ｍｉｎのときは、（１−１０２）回折の
ピークの割れに対応したｃ軸が傾いたドメインや面内に約３０度回転したドメインの混入
が観測された。一方、図１９及び図２０に示すように、窒化時間が３０ｍｉｎのときは、
（１−１０２）回折のピークの割れに対応したｃ軸が傾いたドメインや面内に約３０回転
したドメインの混入は観測されなかった。すなわち、窒素ラジカルビームを３０分以上照
射することにより、ｃ軸が傾いたドメインや面内に約３０回転したドメインの混入を抑制
することができることが分かった。
【００７３】
図２１及び図２２は、それぞれ窒素ラジカルビームの照射時間（窒化時間）が０ｍｉｎ
及び３０ｍｉｎのときのＳＥＭ像である。また、図２３及び図２４は、それぞれ窒素ラジ
カルビームの照射時間（窒化時間）が０ｍｉｎ及び３０ｍｉｎのときのＡＦＭ像である。
窒化時間が０ｍｉｎのときでは、数百ｎｍのカラム状の表面形態であるのに対し、窒化時
間が３０ｍｉｎのときでは、比較的スムースな表面形態であることが分かった。
【００７４】
次に、上述のように窒素ラジカルビームを３０分照射して清浄化した基板上にＰＬＤ法
によりＡｌＮを約３００ｎｍホモエピタキシャル成長させた。成長温度を９００℃とし、
ＡｌＮ結晶を６０分間成長させた。ターゲット材料には多結晶ＡｌＮを用い、Ｎソースと
してＲＦプラズマ・ラジカル源（Veeco社製UNI-Bulb）を４００Ｗ、１．０×１０−６Ｔ
ｏｒｒの設定にして用いた。また、ＫｒＦエキシマレーザを３Ｊ／ｃｍ２、３０Ｈｚの設
定にしてターゲット３に出射した。このような条件で成膜させたＡｌＮの結晶性をＸＲＤ
測定により評価した。
【００７５】
図２５及び図２６は、それぞれＰＬＤ法により成膜されたＡｌＮ薄膜におけるＡｌＮ（
０００２）回折及びＡｌＮ（１−１０２）回折のロッキングカーブを示す図である。ロッ
キングカーブの半値幅は、０００２回折で２７arcsec、１−１０２回折で５９０arcsecと
極めて狭く、高品質なＡｌＮ薄膜であることが分かった。
【００７６】
図２７は、成長前と成長後におけるＡｌＮ（０００２）回折及びＳａｐｐ．（０００６
）回折の２θ/ωカーブを示す図である。この２θ/ωカーブより、窒素ラジカルビームの
照射により、基板の結晶性を引き継いだ高品質なＡｌＮ薄膜を成長させることができるこ
とが分かった。
【００７７】
以上の結果より、ＩＩＩ族窒化物の成長前に窒素ラジカルビームを照射しない窒化サフ
ァイア基板では、カラム状の表面形態を有しているのに対して、窒素ラジカルビームを照
射することにより、比較的平坦な窒化サファイア基板を実現することができることが分か
った。
【００７８】
また、ＩＩＩ族窒化物の成長前に窒素ラジカルビームを照射することにより、ｃ軸が傾
いたドメインの混入を抑制することができることが分かった。
【００７９】
＜高電子移動度素子のシミュレーション＞
デバイスシミュレータ（商品名：ＡＴＬＡＳ、シルバコ・インターナショナル社製)を
用いて高電子移動度トランジスタ（HEMT：High Electron Mobility Transistor）のシミ
ュレーションを行った。
【００８０】
図２８は、高電子移動度トランジスタのシミュレーション構成を示す図である。この高
電子移動度トランジスタは、チャネル層であるＧａＮ層５１と、障壁層であるＡｌ０．３
Ｇａ０．７Ｎ層５２と、ソース電極５３と、ドレイン電極５４と、ゲート電極５５と、Ｓ
ｉＯ２層５６とを有する。障壁層の厚さは０．０２マイクロメートルとし、ＩＩＩ族窒化
物結晶がＮ極性である場合とＩＩＩ族極性である場合とでシミュレーション評価した。
【００８１】
図２９及び図３０は、それぞれＮ極性及びＩＩＩ族極性の高電子移動度トランジスタに
おける垂直方向のエネルギーバンドダイアグラムのシミュレーション結果を示す図である
。図３０に示すＩＩＩ族極性のエネルギーバンドダイアグラムでは、Ａｌ０．３Ｇａ０．
７Ｎ／ＧａＮヘテロ接合界面に電子のたまりがある。一方、図２９に示すＮ極性のエネル
ギーバンドダイアグラムでは、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ｎ／ＧａＮヘテロ接合界面に電子の
たまりがない。したがって、ゲート電圧が印加されていないときには電流が流れないノー
マリーオフ型の高電子移動度トランジスタを実現することができる。
【００８２】
＜受光素子のシミュレーション＞
デバイスシミュレータ（商品名：ＡＴＬＡＳ、シルバコ・インターナショナル社製)を
用いて受光素子のシミュレーションを行った。
【００８３】
図３１は、受光素子のシミュレーション構成を示す図である。この受光素子は、ｎ型Ｇ
ａＮ層６１と、受光層であるＩｎＧａＮ層６２と、ｐ型ＧａＮ層６３とを有する。すなわ
ち、ｎ型ＧａＮ層６１とｐ型ＧａＮ層６３との間にＩｎＧａＮ層６２を挟んだダブルヘテ
ロ構造を有する。ここで、ピエゾ分極・自発分極を考慮し、ｐ型ＧａＮ層６３の厚さを１
５０ｎｍ、ＩｎＧａＮ層６２の厚さを２００ｎｍとした。また、ＡＭ（エア・マス）１．
５と称する０．１Ｗ／ｃｍ２の光源を用いて受光素子をシミュレーションした。
【００８４】
図３２（ａ）及び図３２（ｂ）は、それぞれＩＩＩ族極性及びＮ極性のｐ−ＧａＮ／ｉ
−ＩｎＧａＮ／ｎ−ＧａＮ／基板構造を示す図である。図３２に示すように、ＩＩＩ族極
性面及びN極性面は、ＩＩＩ族窒化物のピエゾ分極・自発分極により発生する電界の影響
を受けるため、ＩＩＩ族窒化物結晶がＮ極性である場合とＩＩＩ族極性である場合とでシ
ミュレーション評価した。
【００８５】
図３３は、Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｎ受光層を有する受光素子における極性に対する変換
効率のシミュレーション結果を示す図である。また、図３４乃至図３６は、それぞれＮ極
性、無極性及びＩＩＩ族極性の受光素子における垂直方向のエネルギーバンドダイアグラ
ムのシミュレーション結果を示す図である。
【００８６】
また、図３７は、Ｉｎ０．１２Ｇａ０．８８Ｎ受光層を有する受光素子における極性に
対する変換効率のシミュレーション結果を示す図である。また、図３８乃至図４０は、そ
れぞれＮ極性、無極性及びＩＩＩ族極性の受光素子における垂直方向のエネルギーバンド
ダイアグラムのシミュレーション結果を示す図である。
【００８７】
これらの結果より、無極性面及びＮ極性の受光素子で高い変換効率が得られるのに対し
、ＩＩＩ族極性の受光素子では圧電分極電場によるキャリア閉じ込めにより変換効率が大
幅に低下することが分かる。よって、高効率太陽電池を得るためには、ｐ−ＧａＮ／ｉ−
ＩｎＧａＮ／ｎ−ＧａＮ／基板構造において無極性面からＮ極性の範囲のＩｎＧａＮを成
長させればよい。
【図１】
2011181762.tif 000003
【図２】
2011181762.tif 000004
【図３】
2011181762.tif 000005
【図４】
2011181762.tif 000006
【図５】
2011181762.tif 000007
【図６】
2011181762.tif 000008
【図７】
2011181762.tif 000009
【図８】
2011181762.tif 000010
【図９】
2011181762.tif 000011
【図１０】
2011181762.tif 000012
【図１１】
2011181762.tif 000013
【図１２】
2011181762.tif 000014
【図１３】
2011181762.tif 000015
【図１４】
2011181762.tif 000016
【図１５】
2011181762.tif 000017
【図１６】
2011181762.tif 000018
【図１７】
2011181762.tif 000019
【図１８】
2011181762.tif 000020
【図１９】
2011181762.tif 000021
【図２０】
2011181762.tif 000022
【図２１】
2011181762.tif 000023
【図２２】
2011181762.tif 000024
【図２３】
2011181762.tif 000025
【図２４】
2011181762.tif 000026
【図２５】
2011181762.tif 000027
【図２６】
2011181762.tif 000028
【図２７】
2011181762.tif 000029
【図２８】
2011181762.tif 000030
【図２９】
2011181762.tif 000031
【図３０】
2011181762.tif 000032
【図３１】
2011181762.tif 000033
【図３２】
2011181762.tif 000034
【図３３】
2011181762.tif 000035
【図３４】
2011181762.tif 000036
【図３５】
2011181762.tif 000037
【図３６】
2011181762.tif 000038
【図３７】
2011181762.tif 000039
【図３８】
2011181762.tif 000040
【図３９】
2011181762.tif 000041
【図４０】
2011181762.tif 000042