(57)【要約】【課題】ＭＢＥ法により結晶欠陥密度の低い窒化物半導体の成長方法を提供すること。【解決手段】分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法による窒化物半導体の成長方法であって、基板１上にバッファー層２を形成する工程と、バッファー層２上に、低温でＡｌＮ層３を形成する工程と、ＡｌＮ層３上に高温でＡｌＮ層４を形成する工程とを含む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法による窒化物半導体の成長方法であって、
基板上にバッファー層を形成する工程と、
前記バッファー層上に、第１の温度で第１の窒化物結晶を形成する工程と、
前記第１の窒化物結晶上に第１の温度よりも高温の第２の温度で第１の窒化物結晶を形成する工程と
を含むことを特徴とする窒化物半導体の成長方法。
【請求項２】
前記ＭＢＥ法では、真空中で、前記窒化物半導体を構成するIII族およびV族の元素を、加熱した前記基板上に供給して前記窒化物半導体を成長させることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体の成長方法。
【請求項３】
前記バッファー層は、アルミニウム（Ａｌ）、酸素（Ｏ）および窒素（Ｎ）から構成される薄膜で形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物半導体の成長方法。
【請求項４】
前記第１の温度は、前記バッファー層の表面に形成された酸化膜が、前記第１の窒化物結晶の結晶欠陥密度を低下させないように低温に設定されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の窒化物半導体の成長方法。
【請求項５】
前記第１の温度は前記第２の温度よりも３００℃以上低いことを特徴とする請求項４に記載の窒化物半導体の結晶成長方法。
【請求項６】
前記基板はサファイア基板であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の窒化物半導体の結晶成長方法。
【請求項７】
前記第１の窒化物結晶は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の窒化物半導体の結晶成長方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分子線エピタキシ(MBE: Molecular Beam Epitaxy)法を用いた窒化物半導体の成長方法に関する。
【０００２】
ＧａＮを代表とする窒化物半導体は、可視領域から短波長領域の発光ダイオードや高出力トランジスタなどの材料として幅広く使われている。
【０００３】
これらの窒化物半導体は、有機金属気相成長(MOVPE: Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)法やＭＢＥ法などにより、サファイア基板、Ｓｉ基板またはＳｉＣ基板上で成長する。
【０００４】
一般に、上記の基板上で１０００℃程度の高温でＧａＮを直接成長させると、ＧａＮ層の結晶欠陥密度が低くならないことが知られている。そこで、通常は、結晶欠陥密度の低いＧａＮを得るために、下記（１）〜（３）のような方法などが採用されている。
【０００５】
（１）５００℃程度の低温でＧａＮまたはＡｌＮを成長させた後に、１０００℃程度の高温でＧａＮを成長させる方法（二段階成長法）。
（２）高温でＡｌＮを成長させてからＧａＮを成長させる方法。
（３）酸素元素(Ｏ)と窒素元素(Ｎ)の組成を変化させたＡｌＯＮバッファー層を基板の表面に堆積させた後にＧａＮを成長させる方法（特許文献１）。
【０００６】
サファイア基板、Ｓｉ基板またはＳｉＣ基板上に、ＭＯＶＰＥ法やＭＢＥ法でＧａＮを成長させる際には、主として上記（１）および（２）の方法が用いられる。しかし、一般的には、ＭＢＥ法により上記（１）および（２）の方法でサファイア基板上に成長したＧａＮやＡｌＮなどの窒化物半導体の結晶欠陥密度は、ＭＯＶＰＥ法で成長した窒化物半導体の結晶欠陥密度よりも劣る。
【０００７】
このような状況下において、残留不純物濃度が低いなどの利点を有するＭＢＥ法によって、サファイア基板上などに結晶欠陥密度の低い窒化物半導体を成長させることが望まれている。
【０００８】
上記（３）の方法による窒化物半導体の成長に関して、ＭＯＶＰＥ法での報告例はあるものの、ＭＢＥ法で窒化物半導体を成長させた例は無い。
【０００９】
ここで、上記（３）の特許文献１に記載のＡｌＮ成長方法について説明する。図１は、従来のＡｌＮ成長方法を示す図であって、（ａ）はＡｌＯＮバッファー層の堆積工程、（ｂ）は高温ＡｌＮ層の成長工程、を示す。
【００１０】
まず、図１（ａ）に示すように、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ：Electron Cyclotron Resonance）スパッタ法により、サファイア基板１０上にＡｌＯＮバッファー層２０を堆積させる。図１（ａ）では、このＡｌＯＮバッファー層２０は、ＡｌＯ層２０１と、ＡｌＯＮ層２０２と、ＡｌＮ層２０３と、Ａｌ２Ｏ３層２０４とを含む。
【００１１】
ＡｌＯＮ層２０２は、Ｏ濃度とＮ濃度とを変化して堆積されており、そのときの温度は、室温から４００℃までの間である。ＡｌＯＮバッファー層２０の厚さは約２０ｎｍである。
【００１２】
次に、図１（ｂ）において、ＭＯＶＰＥ法を用いて、ＡｌＯＮバッファー層２０上に８００℃の高温でＡｌＮ層３０を成長させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】国際公開番号第２００５／０１５６１８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、上記のような状況下においてなされたものであり、ＭＢＥ法により結晶欠陥密度の低い窒化物半導体の成長方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記の課題を解決するための本発明は、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法による窒化物半導体の成長方法であって、基板上にバッファー層を形成する工程と、前記バッファー層上に、第１の温度で第１の窒化物結晶を形成する工程と、前記第１の窒化物結晶上に第１の温度よりも高温の第２の温度で第１の窒化物結晶を形成する工程とを含む。
【００１６】
ここで、前記ＭＢＥ法では、真空中で、前記窒化物半導体を構成するIII族およびV族の元素を、加熱した前記基板上に供給して前記窒化物半導体を成長させるようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、結晶欠陥密度の低い窒化物半導体を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】従来のＡｌＮ成長方法を示す図である。
【図２】本実施形態におけるＡｌＮ成長方法の一例を示す図である。
【図３】実施形態のＡｌＮ層に対するＸ線回析スペクトルについて、従来のものと比較した例を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
［ＡｌＮ成長方法］
以下、本実施形態であるＭＢＥ法によるＡｌＮ成長方法について説明する。ＭＢＥ法は、真空中で、窒化物半導体を構成するIII族およびV族の元素を、加熱した基板上に供給して窒化物半導体を成長させるものである。
【００２０】
図２は本実施形態におけるＡｌＮ成長方法の一例を示す図であって、（ａ）はＡｌＯＮバッファー層の堆積工程、（ｂ）は低温ＡｌＮ層の成長工程、（ｂ）は高温ＡｌＮ層の成長工程、を示す。
【００２１】
図２（ａ）において、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ：Electron Cyclotron Resonance）スパッタ法を用いて、c面(0001)サファイア基板１上にＡｌＯＮバッファー層２を室温で堆積させる。本実施形態のＥＣＲスパッタ法では、アルゴン(Ａｒ)プラズマ中で、金属Ａｌのターゲット、酸素（Ｏ）ガスおよび窒素（Ｎ）ガスを用いて、ＡｌＯＮバッファー層２を堆積させた。
【００２２】
図２（ａ）の例では、ＡｌＯＮバッファー層２は、ＡｌＯ層２１と、ＡｌＯＮ層２２と、ＡｌＮ層２３と、Ａｌ２Ｏ３層２４とが積層して構成される。換言すると、ＡｌＯＮバッファー層２は、アルミニウム（Ａｌ）、酸素（Ｏ）および窒素（Ｎ）から構成される薄膜で形成される。
【００２３】
ＡｌＯＮ層２２の成長時において、初期段階ではＯ濃度をＮ濃度よりも高くし、最終段階ではＮ濃度がＮ濃度よりも高くなるように、ＯとＮとの組成を変化してＡｌＯＮ層２２を成長させる。そのときの温度は、室温から４００℃までの間である。
【００２４】
形成されたＡｌＯＮバッファー層２は、単結晶化せずに、多結晶または部分的にアモルファス状態となる。なお、ＡｌＯＮバッファー層２の厚さは約２０ｎｍとする。
【００２５】
Ａｌ２Ｏ３層２４は、表面上の不規則な自然酸化膜が形成されるのを防ぐ機能を有する。これは、図２（ａ）に示したＡｌＯＮ バッファー層２を堆積したサファイア基板１をＥＣＲスパッタ装置からＭＢＥ装置に搬送する場合において、サファイア基板１が大気にさらされ、ＡｌＯＮ バッファー層２の表面（ＡｌＮ）が自然酸化してしまうからである。
【００２６】
すなわち、上述した不規則な自然酸化を防ぐために、図２（ａ）の例では、ＡｌＮ層２３上に薄いＡｌの酸化膜であるＡｌ２Ｏ３層２４を形成するようにしている。この酸化膜は、後述する図２（ｂ）に示すＡｌＮ層３の成長時に存在すると、ＡｌＮ層３の結晶欠陥密度を低くさせることにならないため、ＡｌＮ層３の成長前に全部あるいは部分的に取り除いたり、窒化したりする必要がある。
【００２７】
次に、図２（ｂ）において、プラズマＭＢＥ法を用いて、ＡｌＯＮバッファー層２上に低温でＡｌＮ層３を成長させる。
【００２８】
具体的には、ＡｌＯＮ バッファー層２が形成されたサファイア基板１の表面を加熱し、その基板１表面に対して、プラズマＭＢＥ装置により、ＡｌセルによるＡｌ分子を照射する。そして、プラズマで活性化した窒素ガスをサファイア基板１表面に供給することにより、ＡｌＮ層３を成長させる。
【００２９】
図２（ｂ）の例では、窒素ガス流量を２ｃｃ、プラズマパワーを５００ Ｗとする。また、ＡｌＮ層３を成長させる温度を４８０℃（低温）、ＡｌＮ層３の厚さを１０ｎｍとする。
【００３０】
図２（ｃ）では、ＡｌＮ層３上に、例えば８００℃（高温）でＡｌＮ層４を成長させる。図２（ｃ）の例では、ＡｌＮ層４の厚みを９００ｎｍとする。
【００３１】
［ＡｌＮ成長方法の作用原理］
図１で説明したように、従来、ＡｌＯＮ バッファー層２０を利用したＭＯＶＰＥ法を用いたＧａＮ成長では、ＧａＮの成長前に、水素ガスおよびアンモニアガス中で高温（約１０００℃）にすることが知られている。この高温時には、ＡｌＯＮバッファー層２０の表面に形成された酸化膜と、上記水素ガスおよびアンモニアガスとが反応し、この酸化膜の還元反応や窒化が生じる。このため、ＭＯＶＰＥ法では、ＡｌＯＮバッファー層２０の表面に形成された酸化膜が、ＡｌＮ層３０の結晶欠陥密度に与える影響を抑えることができた。
【００３２】
この観点から、ＭＯＶＰＥ法の場合、ＡｌＯＮバッファー層２０上で窒化物半導体を高温で成長させたとしても、結晶欠陥密度の低い窒化物半導体を得ることができた。
【００３３】
一方、図２で説明したＭＢＥ法では、真空中で結晶を成長させることになるため、成長温度を８００℃程度までしか上げることができない場合が多い。このため、ＭＯＶＰＥ法で結晶成長させる場合と異なり、ＡｌＯＮバッファー層２上に形成された酸化膜がＡｌＮ層の結晶欠陥密度に与える影響を抑制することができない。
【００３４】
この観点から、本実施形態では、図２（ｂ）に示したように、表面に酸化膜が形成されたＡｌＯＮバッファー層２上に低温でＡｌＮ層３を成長させることで、ＡｌＯＮバッファー層２の表面に形成された酸化膜と、低温で成長させたＡｌＮ層３とを反応させる。そして、ＡｌＮ層３上に高温でＡｌＮ層４を成長させる。この結果、ＡｌＯＮバッファー層２の表面に形成された酸化膜がＡｌＮ層３の結晶欠陥密度に与える影響を抑制することができ、これにより、ＭＢＥ法であっても結晶欠陥密度の低い窒化物結晶を成長させることができる。
【００３５】
［ＡｌＮ層の結晶欠陥密度の比較］
次に、この実施形態のＡｌＮ成長方法で得られた窒化物半導体の結晶欠陥密度について、従来のＭＯＶＰＥ法で得られたもの（図１）と比較した。
【００３６】
図３は、本実施形態の窒化物半導体に対するＸ線回析スペクトルについて、従来のものと比較した例を説明するための図であって、（ａ）は本実施形態の窒化物半導体のスペクトル、（ｂ）は従来の窒化物半導体のスペクトル、を示す。図３において、横軸は回折角度、縦軸は回折Ｘ線強度を表す。
【００３７】
図３（ａ）は、図２（ｃ）に示した２つのＡｌＮ層３，４の試料に対するＸ線回折(２θ−ωスキャン)スペクトルを示してある。
【００３８】
図３（ａ）および図３（ｂ）において、回折角度が３６°および４２°付近のときに、Ｘ線の回折ピークが観測された。すなわち、ＡｌＮ（０００２）とサファイア（０００６）の回折ピークに対応している。
【００３９】
図３（ａ）において、ＡｌＮ（０００２）のピークが明瞭に観測できた。このことは、ＡｌＮ層３，４がエピタキシャル成長していることを意味する。また、図３（ａ）に示したＡｌＮ（０００２）のピークの強度は、図３（ｂ）のものに比べて、２０％高いことが観測できた。このことは、本実施形態のＡｌＮ層の結晶欠陥密度が低く、高品質になっていることを意味する。すなわち、ＡｌＯＮバッファー層２とＡｌＮ層４との間にＡｌＮ層３を形成することで、成長したＡｌＮ層の品質が良くなることがわかった。
【００４０】
なお、図２（ａ）において、温度を上げていくと、４００℃でサファイア基板１上に堆積したアモルファス状のＡｌＯＮバッファー層２が凝縮するため、サファイア基板１の表面が露出し得る。そうすると、図２（ｂ）において、その露出した表面に低温でＡｌＮ層３を堆積させる場合、前述の二段階成長法（すなわち（１）ＧａＮやＡｌＮを５００℃程度の低温で成長させた後に、１０００℃程度の高温でＧａＮを成長させる方法）と同様な方法でＡｌＮを成長させることとなるので、結晶欠陥密度の低い窒化物半導体を得ることができない。
【００４１】
この観点から、図２（ｂ）において、ＡｌＮ層３の成長時においては、多結晶あるいは部分的にアモルファス状のＡｌＯＮバッファー層２が凝縮しないように低温成長させる必要がある。このときの温度は、５００℃以下、すなわちＡｌＮ層４の成長温度（８００℃）よりも３００℃以上低くするようにするのが好ましい。
【００４２】
以上説明したように本実施形態の窒化物半導体の成長方法によると、サファイア基板１上にＡｌＯＮバッファー層２を形成する工程と、このバッファー層２上に、低温でＡｌＮ層３を形成する工程と、ＡｌＮ層３上に高度でＡｌＮ層４を形成する工程とを含む。ここで、ＡｌＮ層３によって、ＡｌＯＮバッファー層２の表面に形成された酸化膜が与えるＡｌＮ層３の結晶欠陥密度への影響を抑制することができる。これにより、結晶欠陥密度の低い窒化物半導体をＭＢＥ法で成長させることができる。
【００４３】
なお、上述した実施形態の具体的な構成は変更することが可能である。例えば、基板としてＳｉ基板やＳｉＣ基板を採用することもできる。
【符号の説明】
【００４４】
１  サファイア基板
２  ＡｌＯＮバッファー基板
３  低温ＡｌＮ層
４  高温ＡｌＮ層
２１  ＡｌＮ層
２２  ＡｌＯＮ層
２３  ＡｌＮ層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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