(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
III 族窒化物半導体素子の製造方法において、
基板にバッファ層を形成するバッファ層形成工程と、
前記バッファ層の上にＧａＮ層を形成するＧａＮ層形成工程と、
前記ＧａＮ層の上にＩｎＮ層を形成するＩｎＮ層形成工程と、
前記ＩｎＮ層の上にＩｎＡｌＮ層を形成するＩｎＡｌＮ層形成工程と、
を有し、
炉本体と第１電極とを有する製造装置を用い、
前記第１電極と前記炉本体との間で放電させて前記第１電極の直下にプラズマ発生領域を形成し、
前記ＩｎＮ層形成工程では、
窒素ガスを含有する窒素含有ガスを前記プラズマ発生領域でプラズマ化してそのプラズマ化した前記窒素含有ガスを前記基板に供給するとともに、
III 族金属を含有する有機金属ガスをプラズマ化しないで前記基板に供給して、
膜厚が１ｎｍ以上５ｎｍ以下のＩｎＮ層を形成し、
前記ＩｎＡｌＮ層形成工程では、
窒素ガスを含有する窒素含有ガスを前記プラズマ発生領域でプラズマ化してそのプラズマ化した前記窒素含有ガスを前記基板に供給するとともに、
III 族金属を含有する有機金属ガスをプラズマ化しないで前記基板に供給して、
前記ＧａＮ層のａ軸の格子定数と前記ＩｎＡｌＮ層のａ軸の格子定数との差の絶対値が前記ＧａＮ層のａ軸の格子定数の３％以下である前記ＩｎＡｌＮ層を形成し、
前記ＩｎＮ層を前記ＧａＮ層と前記ＩｎＡｌＮ層とで挟むこと
を特徴とするIII 族窒化物半導体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書の技術分野は、ＨＥＭＴ素子や半導体レーザー素子等の素子内部の応力を緩和するIII 族窒化物半導体素子の製造方法に関する。
【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
【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、ＧａＮの電子移動度の理論値は３０００ｃｍ2 ／Ｖｓ程度である。そのため、ＧａＮの電子移動度は、Ｓｉの電子移動度よりも大きく、Ｇｅの電子移動度と同程度である。さらには、ＧａＮの電子移動度は、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂの電子移動度よりも小さい。また、実験で得られるＧａＮの電子移動度は２０００ｃｍ2 ／Ｖｓにとどまっている。
【０００８】
一方、ＩｎＮの電子移動度の理論値が１４０００ｃｍ2 ／Ｖｓであるとする最近の研究結果がある。これは、Ｉｎ濃度の高いIII 族窒化物半導体層が、高速高周波デバイスのチャネル層として有望であることを示唆している。
【０００９】
ＩｎＮ層については、例えば、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）等により成膜することができる。しかし、ＭＢＥ法の成膜速度は遅い。したがって、ＭＢＥ法は、大量生産には向かない。また、ＩｎＮの格子定数は、ＧａＮの格子定数と比較的大きく異なっている。そのため、格子不整合および熱膨張係数差により、ＩｎＮ層に大きな応力がかかるおそれがある。これにより、半導体層にクラックが生じたり、基板に反りが生じることがある。
【００１０】
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、電子移動度の高いＩｎＮ層を備えるとともにクラックの発生および反りの発生の抑制を図ったIII 族窒化物半導体素子の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
第１の態様におけるIII 族窒化物半導体素子の製造方法は、基板にバッファ層を形成するバッファ層形成工程と、バッファ層の上にＧａＮ層を形成するＧａＮ層形成工程と、ＧａＮ層の上にＩｎＮ層を形成するＩｎＮ層形成工程と、ＩｎＮ層の上にＩｎＡｌＮ層を形成するＩｎＡｌＮ層形成工程と、を有する。この製造方法では、炉本体と第１電極とを有する製造装置を用い、第１電極と炉本体との間で放電させて第１電極の直下にプラズマ発生領域を形成する。ＩｎＮ層形成工程では、窒素ガスを含有する窒素含有ガスをプラズマ発生領域でプラズマ化してそのプラズマ化した窒素含有ガスを基板に供給するとともに、III 族金属を含有する有機金属ガスをプラズマ化しないで基板に供給する。そして、膜厚が１ｎｍ以上５ｎｍ以下のＩｎＮ層を形成する。ＩｎＡｌＮ層形成工程では、窒素ガスを含有する窒素含有ガスをプラズマ発生領域でプラズマ化してそのプラズマ化した窒素含有ガスを基板に供給するとともに、III 族金属を含有する有機金属ガスをプラズマ化しないで基板に供給する。そして、ＧａＮ層のａ軸の格子定数とＩｎＡｌＮ層のａ軸の格子定数との差の絶対値がＧａＮ層のａ軸の格子定数の３％以下であるＩｎＡｌＮ層を形成する。また、ＩｎＮ層をＧａＮ層とＩｎＡｌＮ層とで挟む。
【００１２】
このプラズマを用いる方法により製造されたIII 族窒化物半導体素子は、電子移動度の高いＩｎＮ層を有している。このＩｎＮ層は、十分に薄い。また、ＩｎＮ層を挟んでいるＧａＮ層の格子定数とＩｎＡｌＮ層の格子定数とがほとんど等しい。そのため、ＧａＮ層およびＩｎＡｌＮ層の格子定数差に起因する応力はほとんど生じない。このように、電子移動度が高く、応力の緩和されたIII 族窒化物半導体素子の製造方法が実現されている。
【００１３】
【００１４】
【００１５】
【００１６】
【００１７】
【００１８】
【００１９】
【００２０】
【発明の効果】
【００２１】
本明細書では、電子移動度の高いＩｎＮ層を備えるとともにクラックの発生および反りの発生の抑制を図ったIII 族窒化物半導体素子の製造方法が提供されている。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】実施形態における第１の積層体を示す概略構成図である。
【図２】第１の実施形態における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３）である。
【図７】第２の実施形態における半導体発光素子を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
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。
【００２４】
（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 族窒化物層を有する。
【００２５】
１．積層体
１−１．第１の積層体
図１は、第１の積層体１００を示す概略構成図である。第１の積層体１００は、III 族窒化物層を積層したものである。第１の積層体１００は、後述するように、ＨＥＭＴ素子等に応用できる構造体である。図１に示すように、第１の積層体１００は、基板１１０と、バッファ層１２０と、第１のIII 族窒化物層１３０と、第２のIII 族窒化物層１４０と、第３のIII 族窒化物層１５０と、を有する。
【００２６】
基板１１０は、例えばＳｉ基板である。または、サファイア基板、ＳｉＣ基板、ＺｎＳｅ基板、ＺｎＯ基板等その他の基板を用いてもよい。バッファ層１２０は、基板１１０の上に形成されている。バッファ層１２０は、例えば、ＡｌＮまたはＧａＮである。
【００２７】
第１のIII 族窒化物層１３０は、バッファ層１２０の上に形成されている。第１のIII 族窒化物層１３０は、ＧａＮ層である。第２のIII 族窒化物層１４０は、第１のIII 族窒化物層１３０の上に形成されている。第２のIII 族窒化物層１４０は、ＩｎＮ層である。第２のIII 族窒化物層１４０は、結晶質もしくは非晶質である。第３のIII 族窒化物層１５０は、第２のIII 族窒化物層１４０の上に形成されている。第３のIII 族窒化物層１５０は、ＩｎＡｌＮ層である。
【００２８】
１−２．第１の積層体の格子整合
第１のIII 族窒化物層１３０のａ軸の格子定数と第３のIII 族窒化物層１５０のａ軸の格子定数との差の絶対値が第１のIII 族窒化物層１３０のａ軸の格子定数の３％以下である。より好ましくは、第１のIII 族窒化物層１３０のａ軸の格子定数と第３のIII 族窒化物層１５０のａ軸の格子定数との差の絶対値が第１のIII 族窒化物層１３０のａ軸の格子定数の１％以下である。ここで、第１のIII 族窒化物層１３０（ＧａＮ）におけるａ軸の格子定数は、３．１８Åである。
【００２９】
つまり、第１のIII 族窒化物層１３０のａ軸の格子定数と第３のIII 族窒化物層１５０のａ軸の格子定数とは、次式を満たす。
０  ≦  ｜Ｌ１ａ−Ｌ３ａ｜／Ｌ１ａ  ≦  ０．０３
Ｌ１ａ：第１のIII 族窒化物層１３０のａ軸の格子定数
Ｌ３ａ：第３のIII 族窒化物層１５０のａ軸の格子定数
より好ましくは、次式を満たす。
０  ≦  ｜Ｌ１ａ−Ｌ３ａ｜／Ｌ１ａ  ≦  ０．０１
【００３０】
このように、第３のIII 族窒化物層１５０におけるＩｎＡｌＮ層のＡｌ組成比およびＩｎ組成比を好適に選択すれば、第１のIII 族窒化物層１３０の格子定数と第３のIII 族窒化物層１５０の格子定数とをほとんど等しくすることができる。その結果、第１のIII 族窒化物層１３０と第３のIII 族窒化物層１５０とは、格子整合している。例えば、ＩｎX Ａｌ(1-X) Ｎ層のＩｎ組成比Ｘを０．１８とした場合には、ＩｎX Ａｌ(1-X) Ｎ層のａ軸の格子定数とＧａＮ層の格子定数とは等しい。
【００３１】
１−３．第１の積層体の効果
ここで、第２のIII 族窒化物層１４０の膜厚は、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下の範囲内である。好ましくは、第２のIII 族窒化物層１４０の膜厚は、１ｎｍ以上５ｎｍ以下の範囲内である。このように、第２のIII 族窒化物層１４０の膜厚は、非常に薄い。したがって、第１のIII 族窒化物層１３０と第３のIII 族窒化物層１５０との間に発生する応力は非常に小さい。第１のIII 族窒化物層１３０と第３のIII 族窒化物層１５０とで格子定数がほとんど同じであり、これらの間に位置する第２のIII 族窒化物層１４０が十分に薄いためである。第２のIII 族窒化物層１４０の膜厚は、数原子層から数十原子層の間である。そして、薄い第２のIII 族窒化物層１４０は、ある程度変形すると考えられる。そして、第１のIII 族窒化物層１３０と第２のIII 族窒化物層１４０との間に発生する応力および第２のIII 族窒化物層１４０と第３のIII 族窒化物層１５０との間に発生する応力は、緩和する。なお、第２のIII 族窒化物層１４０は、このように薄くても十分に機能する。
【００３２】
２．ＨＥＭＴ素子
２−１．ＨＥＭＴ素子の構造
図２は、本実施形態のＨＥＭＴ素子２００を示す概略構成図である。ＨＥＭＴ素子２００は、高電子移動度トランジスタである。ＨＥＭＴ素子２００は、第１の積層体１００の積層構造を有している。図２に示すように、ＨＥＭＴ素子２００は、基板１１０と、バッファ層１２０と、下地層２３０と、チャネル層２４０と、バリア層２５０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。
【００３３】
ここで、下地層２３０は、第１のIII 族窒化物層１３０である。そのため、下地層２３０は、ＧａＮ層である。チャネル層２４０は、第２のIII 族窒化物層１４０である。そのため、チャネル層２４０は、ＩｎＮ層である。バリア層２５０は、第３のIII 族窒化物層１５０である。そのため、バリア層２５０は、ＩｎＡｌＮ層である。また、下地層２３０に、炭素等をドープして高抵抗層としてもよい。
【００３４】
ソース電極Ｓ１とドレイン電極Ｄ１とゲート電極Ｇ１とは、バリア層２５０の上に形成されている。また、図２には、二次元電子ガス領域２４１が示されている。
【００３５】
２−２．ＨＥＭＴ素子の効果
このように、バリア層２５０のａ軸の格子定数は、下地層２３０のａ軸の格子定数とほとんど同じである。また、下地層２３０とバリア層２５０との間のチャネル層２４０の膜厚は、十分に薄い。したがって、チャネル層２４０およびバリア層２５０では、格子定数差に起因する応力がほとんど発生しない。
【００３６】
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。
【００３７】
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、１８２０、１８３０、１８４０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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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、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とよい。ガス導入室１４１０は、窒素ガスと水素ガスとの混合ガスを一旦収容するとともに、シャワーヘッド電極１１００の貫通孔にこの混合ガスを供給するためのものである。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
ここで、第２のガス、すなわち、窒素ガスと水素ガスとの混合ガスは、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、窒素ラジカルと、水素ラジカルと、窒化水素系の化合物と、電子と、その他のイオン等である。ここで、窒化水素系の化合物とは、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。
【００４６】
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からである。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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
マスフローコントローラー１７２０、１８２０、１８３０、１８４０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。
【００５０】
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、室温以上９００℃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。
【００５１】
［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              室温以上        ９００℃以下
内圧                １Ｐａ以上  １００００Ｐａ以下
【００５２】
３−３．製造装置の効果
この製造装置１０００は、ＲＥＭＯＣＶＤ法を適用する装置である。製造装置１０００では、第２のガスをプラズマ化するとともに、第１のガスをプラズマ化しないで基板１１０に供給する。そのため、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８００℃以下として成膜することができる。その結果、ＩｎＮなどの高いＩｎ組成をもつ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。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。そのため、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。
【００５３】
４．III 族窒化物半導体素子の製造方法
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ＨＥＭＴ素子２００の製造方法について説明する。まず、基板１１０を準備する。基板１１０を、製造装置１０００の内部に配置し、水素ガスを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。
【００５４】
４−２．III 族窒化物層形成工程
このIII 族窒化物層形成工程では、III 族窒化物層を形成する。III 族窒化物層形成工程は、基板１１０にバッファ層１２０を形成するバッファ層形成工程と、バッファ層１２０に第１のIII 族窒化物層１３０を形成する第１のIII 族窒化物層形成工程と、第１のIII 族窒化物層１３０の上に第２のIII 族窒化物層１４０を形成する第２のIII 族窒化物層形成工程と、第２のIII 族窒化物層１４０の上に第３のIII 族窒化物層１５０を形成する第３のIII 族窒化物層形成工程と、を有する。
【００５５】
４−２−１．バッファ層形成工程
ＲＦ電源１６１０をＯＮにする。そして、第２のガス供給管１４２０から、窒素ガスと水素ガスとの混合ガスを供給する。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、窒素ラジカルと水素ラジカルとが生成される。そして、窒素ラジカルと水素ラジカルとが反応して、窒化水素系の化合物が生成されると考えられる。また、電子やその他の荷電粒子も生成される。
【００５６】
そして、これらの窒素ラジカルと水素ラジカルと窒化水素系の化合物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、荷電粒子は、金属メッシュ１５００に捕獲されやすい。そのため、基板１１０に向けて供給されるのは、窒素ラジカルと水素ラジカルの他、窒化水素系の化合物であると考えられる。これらの窒素ラジカルや窒化水素系の化合物は、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。
【００５７】
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。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。これにより、基板１１０の上にバッファ層１２０を形成する。
【００５８】
４−２−２．第１のIII 族窒化物層形成工程
第１のIII 族窒化物層形成工程では、窒素ガスと水素ガスとを含有する混合ガス（窒素含有ガス）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 族金属を含有する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、バッファ層１２０の上に下地層２３０を形成する。
【００５９】
４−２−３．第２のIII 族窒化物層形成工程
第２のIII 族窒化物層形成工程では、窒素ガスと水素ガスとを含有する混合ガス（窒素含有ガス）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 族金属を含有する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、下地層２３０の上にチャネル層２４０を形成する。
【００６０】
ここで、前述したように、半導体層を成膜するにあたって、ＲＥＭＯＣＶＤ法を適用した製造装置１０００を用いる。製造装置１０００では、窒素含有ガスをプラズマ化してIII 族元素を含有する有機金属ガスをプラズマ化しない。そのため、低い温度で成膜することができる。その結果、ＩｎＮ層を好適に成膜することができる。このチャネル層２４０の膜厚を、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下で形成する。好ましくは、チャネル層２４０の膜厚は、１ｎｍ以上５ｎｍ以下である。
【００６１】
４−２−４．第３のIII 族窒化物層形成工程
第３のIII 族窒化物層形成工程では、窒素ガスと水素ガスとを含有する混合ガス（窒素含有ガス）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 族金属を含有する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、チャネル層２４０の上にバリア層２５０を形成する。
【００６２】
ここで、下地層２３０のａ軸の格子定数とバリア層２５０のａ軸の格子定数との差が、下地層２３０のａ軸の格子定数の３％以下となるように、バリア層２５０を形成する。そのために、バリア層２５０のＩｎ組成比を所望の値となるように、原料ガスを供給すればよい。
【００６３】
このようにして、基板１１０の上に、バッファ層１２０と、第１のIII 族窒化物層１３０（下地層２３０）と、第２のIII 族窒化物層１４０（チャネル層２４０）と、第３のIII 族窒化物層１５０（バリア層２５０）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。
【００６４】
４−３．電極形成工程
次に、バリア層２５０の上に、ソース電極Ｓ１と、ドレイン電極Ｄ１と、ゲート電極Ｇ１と、を形成する。
【００６５】
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ＨＥＭＴ素子２００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。
【００６６】
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ＨＥＭＴ素子２００が製造される。
【００６７】
５．ＨＥＭＴ素子の効果
本実施形態のＨＥＭＴ素子２００は、ＩｎＮ層から成るチャネル層２４０を有する。そのため、ＨＥＭＴ素子２００は、高速高周波で動作することができる。また、下地層２３０とバリア層２５０とで格子定数がほとんど同じであるため、格子定数差に起因する応力がほとんど発生しない。そのため、クラックや反りがほとんど発生しない。
【００６８】
６．変形例
６−１．第２のIII 族窒化物層
第２のIII 族窒化物層１４０は、ＩｎＮ層である。しかし、第２のIII 族窒化物層１４０として、ＩｎY Ｇａ(1-Y) Ｎ層（０．７≦Ｙ≦１）を用いてもよい。Ｉｎ組成比Ｙが十分に大きいので、電子移動度が十分に大きいからである。
【００６９】
６−２．下地層
下地層２３０は、ＧａＮ層である。しかし、下地層２３０として、ＧａＮ層の代わりにＩｎＧａＮ層もしくはＡｌＧａＮ層を用いてもよい。または、ＡｌＩｎＧａＮ層を用いてもよい。その場合であっても、Ｉｎ組成比を選ぶことにより、下地層２３０に対応する格子定数を備えるバリア層２５０（ＩｎＡｌＮ層）を形成することができる。
【００７０】
６−３．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、バッファ層１２０と、下地層２３０（第１のIII 族窒化物層１３０）と、チャネル層２４０（第２のIII 族窒化物層１４０）と、バリア層２５０（第３のIII 族窒化物層１５０）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、バリア層２５０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素子またはＭＩＳ型ＨＥＭＴ素子であってもよい。
【００７１】
６−４．合金散乱防止層
図５に示すように、ＨＥＭＴ４００は、合金散乱防止層４６０を有していてもよい。合金散乱防止層４６０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４６０は、チャネル層２４０とバリア層２５０との間に位置する層である。合金散乱防止層４６０は、バリア層２５０よりもバンドギャップの大きい層である。
【００７２】
６−５．絶縁層
図６に示すように、絶縁層Ｉ３がバリア層５５０を分割するように絶縁層Ｉ３を配置してもよい。ＨＥＭＴ素子５００では、絶縁層Ｉ３が、バリア層５５０を貫通してチャネル層２４０に接している。
【００７３】
６−６．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。
【００７４】
７．本実施形態のまとめ
本実施形態のＨＥＭＴ素子２００は、ＩｎＮ層から成るチャネル層２４０を有する。そのため、ＨＥＭＴ素子２００は、高速高周波で動作することができる。また、下地層２３０とバリア層２５０とで格子定数がほとんど同じであるため、格子定数差に起因する応力がほとんど発生しない。そのため、クラックや反りがほとんど発生しない。
【００７５】
（第２の実施形態）
第２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 族窒化物層を有する。
【００７６】
１．半導体発光素子
１−１．半導体発光素子の構造
図７は、本実施形態の半導体発光素子６００の概略構成を示す図である。図７に示すように、半導体発光素子６００は、基板１１０と、バッファ層１２０と、ｎ型コンタクト層６３０と、発光層６４０と、ｐ型クラッド層６５０と、ｐ型コンタクト層６６０と、を有する。
【００７７】
ｎ型コンタクト層６３０は、第１のIII 族窒化物層１３０である。ｎ型コンタクト層６３０の材質は、ｎ型ＧａＮである。発光層６４０は、第２のIII 族窒化物層１４０である。発光層６４０の材質は、ＩｎＮである。ｐ型クラッド層６５０は、第３のIII 族窒化物層１５０である。ｐ型クラッド層６５０の材質は、ＩｎＡｌＮである。
【００７８】
２．半導体発光素子の製造方法
半導体発光素子６００の製造方法について説明する。半導体発光素子６００の製造方法は、バッファ層形成工程と、第１のIII 族窒化物層形成工程と、第２のIII 族窒化物層形成工程と、第３のIII 族窒化物層形成工程と、電極形成工程と、を有する。第１のIII 族窒化物層形成工程と、第２のIII 族窒化物層形成工程と、第３のIII 族窒化物層形成工程とにおいては、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。
【００７９】
まず、基板１１０をクリーニングする。次に、基板１１０の上にバッファ層１２０を形成する。次に、バッファ層１２０の上にｎ型コンタクト層６３０（第１のIII 族窒化物層１３０）を形成する。次に、ｎ型コンタクト層６３０の上に発光層６４０（第２のIII 族窒化物層１４０）を形成する。次に、発光層６４０の上にｐ型クラッド層６５０（第３のIII 族窒化物層１５０）を形成する。そして、ｐ型クラッド層６５０の上にｐ型コンタクト層６６０を形成する。
【００８０】
次に、ｐ型コンタクト層６６０からｎ型コンタクト層６３０に達する凹部を形成する。そして、その凹部に露出するｎ型コンタクト層６３０の上にｎ電極Ｎ１を形成する。また、ｐ型コンタクト層６６０の上にｐ電極Ｐ１を形成する。そして、素子の分離等を実施する。
【００８１】
３．変形例
３−１．半導体レーザー素子
本実施形態のIII 族窒化物半導体素子は、半導体発光素子である。また、本実施形態の技術を半導体レーザー素子にも適用することができる。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。
【００８２】
３−２．製造装置
Ｉｎ濃度がそれほど高くない半導体層については、図３の製造装置１０００以外の装置を用いることができる。例えば、従来のＭＯＣＶＤ炉である。
【符号の説明】
【００８３】
１００…第１の積層体
１１０…基板
１２０…バッファ層
１３０…第１のIII 族窒化物層
１４０…第２のIII 族窒化物層
１５０…第３のIII 族窒化物層
２００、３００、４００、５００…ＨＥＭＴ
Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３…ゲート電極
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３…ソース電極
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３…ドレイン電極
Ｉ２、Ｉ３…絶縁膜
６００…半導体発光素子
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】
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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７】
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