(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の上の第１層と、
前記第１層の上の第２層と、
前記第２層の上の第３層と、
を有し、
前記第１層は、
金属Ｉｎ層であり、
前記第２層は、
ＩｎX ＡｌY Ｇａ(1-X-Y) Ｎ層であり、
前記第３層は、
III 族窒化物層であり、
前記第２層のＡｌ組成比Ｙは、
０．５  ≦  Ｙ  ≦  １．０
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２層のＩｎ組成比Ｘは、
０  ≦  Ｘ  ≦  ０．５
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２層は、
ＡｌＮ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から請求項３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１層の膜厚は、
２ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の範囲内であること
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層の膜厚は、
２ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の範囲内であること
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層は、
高抵抗層と、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、
前記第３層は、
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。
【請求項８】
請求項１から請求項７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III 族窒化物半導体素子は、
ＭＯＳ型ＨＥＭＴ素子もしくはＭＩＳ型ＨＥＭＴ素子であること
を特徴とするIII 族窒化物半導体素子。
【請求項９】
III 族窒化物半導体素子の製造方法において、
III 族窒化物層を形成するIII 族窒化物層形成工程を有し、
前記III 族窒化物層形成工程は、
基板に第１層を形成する第１層形成工程と、
前記第１層の上に第２層を形成する第２層形成工程と、
前記第２層の上に第３層を形成する第３層形成工程と、
を有し、
前記第３層は、
III 族窒化物層であり、
前記第１層形成工程では、
窒素ガスを含有するガスをプラズマ化して前記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前記基板に供給し、
ＩｎＮ層を形成し、
前記第２層形成工程では、
窒素ガスを含有するガスをプラズマ化して前記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前記基板に供給し、
Ａｌ組成比Ｙが０．５以上１．０以下の範囲内のＩｎX ＡｌY Ｇａ(1-X-Y) Ｎ層を形成し、
前記第２層形成工程と前記第３層形成工程との少なくとも一方では、
前記ＩｎＮ層のＮを脱離させて前記ＩｎＮ層を金属Ｉｎ層とすること
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反りを抑制するIII 族窒化物半導体素子とそ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、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で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】
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、基板と半導体層との間の格子不整合および熱膨張係数差に起因する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とそ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】
【０００９】
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層と、第１層の上の第２層と、第２層の上の第３層と、を有する。第１層は、金属Ｉｎ層である。第２層は、ＩｎX ＡｌY Ｇａ(1-X-Y) Ｎ層である。第３層は、III 族窒化物層である。第２層のＡｌ組成比Ｙは、  ０．５  ≦  Ｙ  ≦  １．０  である。
【００１０】
このIII 族窒化物半導体素子では、第１層として金属Ｉｎ層を容易に形成することができる。そのため、金属Ｉｎ層が応力を緩和する。そのため、基板の反りを好適に防止することができる。
【００１１】
【００１２】
第２の態様におけるIII 族窒化物半導体素子においては、第２層のＩｎ組成比Ｘは、  ０  ≦  Ｘ  ≦  ０．５  である。
【００１３】
【００１４】
【００１５】
第３の態様におけるIII 族窒化物半導体素子においては、第２層は、ＡｌＮ層である。
【００１６】
第４の態様におけるIII 族窒化物半導体素子においては、第１層の膜厚は、２ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の範囲内である。
【００１７】
第５の態様におけるIII 族窒化物半導体素子においては、第２層の膜厚は、２ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の範囲内である。
【００１８】
第６の態様におけるIII 族窒化物半導体素子においては、第３層は、高抵抗層と、チャネル層と、バリア層と、を有する。
【００１９】
第７の態様におけるIII 族窒化物半導体素子においては、第３層は、合金散乱防止層を有する。合金散乱防止層は、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。
【００２０】
第８の態様におけるIII 族窒化物半導体素子においては、III 族窒化物半導体素子は、ＭＯＳ型ＨＥＭＴ素子もしくはＭＩＳ型ＨＥＭＴ素子である。
【００２１】
【００２２】
第９の態様におけるIII 族窒化物半導体素子の製造方法は、III 族窒化物層を形成するIII 族窒化物層形成工程を有する。III 族窒化物層形成工程は、基板に第１層を形成する第１層形成工程と、第１層の上に第２層を形成する第２層形成工程と、第２層の上に第３層を形成する第３層形成工程と、を有する。第３層は、III 族窒化物層である。第１層形成工程では、窒素ガスを含有するガスをプラズマ化して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基板に供給し、ＩｎＮ層を形成する。第２層形成工程では、窒素ガスを含有するガスをプラズマ化して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基板に供給し、Ａｌ組成比Ｙが０．５以上１．０以下の範囲内のＩｎX ＡｌY Ｇａ(1-X-Y) Ｎ層を形成する。第２層形成工程と第３層形成工程との少なくとも一方では、ＩｎＮ層のＮを脱離させてＩｎＮ層を金属Ｉｎ層とする。
【００２３】
【発明の効果】
【００２４】
本明細書では、基板と半導体層との間の格子不整合および熱膨張係数差に起因する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とその製造方法が提供されている。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【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】実施形態に係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係る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係る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。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
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。
【００２７】
（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。
【００２８】
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 族窒化物層１２０と、第２のIII 族窒化物層１３０と、第３のIII 族窒化物層１４０と、を有している。第１のIII 族窒化物層１２０は、基板１１０の上に形成されている。第２のIII 族窒化物層１３０は、第１のIII 族窒化物層１２０の上に形成されている。第３のIII 族窒化物層１４０は、第２のIII 族窒化物層１３０の上に形成されている。
【００２９】
基板１１０は、例えば、Ｓｉ基板である。Ｓｉ基板は、安価である。
【００３０】
第１のIII 族窒化物層１２０は、ＩｎX ＡｌY Ｇａ(1-X-Y) Ｎ層である。第２のIII 族窒化物層１３０は、ＩｎX ＡｌY Ｇａ(1-X-Y) Ｎ層である。第３のIII 族窒化物層１４０は、ＩｎX ＡｌY Ｇａ(1-X-Y) Ｎ層である。このように、いずれのIII 族窒化物層も、ＩｎX ＡｌY Ｇａ(1-X-Y) Ｎ層である。ただし、第１のIII 族窒化物層１２０におけるＩｎ組成比Ｘは、第２のIII 族窒化物層１３０におけるＩｎ組成比Ｘよりも十分に大きい。
【００３１】
１−２．第１のIII 族窒化物層
第１のIII 族窒化物層１２０は、Ｉｎ組成比Ｘが高い第１のバッファ層である。第１のIII 族窒化物層１２０のＩｎ組成比Ｘは、
０．５  ≦  Ｘ  ≦  １．０
である。
【００３２】
好ましくは、第１のIII 族窒化物層１２０のＩｎ組成比Ｘは、
０．７  ≦  Ｘ  ≦  １．０
である。
【００３３】
より好ましくは、第１のIII 族窒化物層１２０のＩｎ組成比Ｘは、
０．９  ≦  Ｘ  ≦  １．０
である。
【００３４】
第１のIII 族窒化物層１２０のＡｌ組成比Ｙは、
０  ≦  Ｙ  ≦  ０．３
である。
【００３５】
好ましくは、第１のIII 族窒化物層１２０のＡｌ組成比Ｙは、
０  ≦  Ｙ  ≦  ０．２
である。
【００３６】
より好ましくは、第１のIII 族窒化物層１２０のＡｌ組成比Ｙは、
０  ≦  Ｙ  ≦  ０．１
である。
【００３７】
第１のIII 族窒化物層１２０として、例えば、ＩｎＮ層を用いることができる。
【００３８】
第１のIII 族窒化物層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 族窒化物層１２０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１のIII 族窒化物層１２０の膜厚は、１５ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲内である。
【００３９】
１−３．第２のIII 族窒化物層
第２のIII 族窒化物層１３０は、Ａｌ組成比Ｙが高い第２のバッファ層である。第２のIII 族窒化物層１３０のＡｌ組成比Ｙは、
０．５  ≦  Ｙ  ≦  １．０
である。
【００４０】
好ましくは、第２のIII 族窒化物層１３０のＡｌ組成比Ｙは、
０．７  ≦  Ｙ  ≦  １．０
である。
【００４１】
より好ましくは、第２のIII 族窒化物層１３０のＡｌ組成比Ｙは、
０．９  ≦  Ｙ  ≦  １．０
である。
【００４２】
第２のIII 族窒化物層１３０のＩｎ組成比Ｘは、
０  ≦  Ｘ  ≦  ０．５
である。
【００４３】
好ましくは、第２のIII 族窒化物層１３０のＩｎ組成比Ｘは、
０  ≦  Ｘ  ≦  ０．３
である。
【００４４】
より好ましくは、第２のIII 族窒化物層１３０のＩｎ組成比Ｘは、
０  ≦  Ｘ  ≦  ０．１
である。
【００４５】
第２のIII 族窒化物層１３０として、例えば、ＡｌＮ層を用いることができる。
【００４６】
第２のIII 族窒化物層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 族窒化物層１３０の膜厚は、１５ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲内である。
【００４７】
１−４．第３のIII 族窒化物層
第３のIII 族窒化物層１４０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、この第３のIII 族窒化物層１４０およびこの第３のIII 族窒化物層１４０に形成される電極構造が、互いに異なっている。
【００４８】
１−５．III 族窒化物半導体素子の効果
後述するように、第１のIII 族窒化物層１２０では、非常にＩｎ組成比Ｘが高い。そのため、第１のIII 族窒化物層１２０の形成時には、第１のIII 族窒化物層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。そのため、第２のIII 族窒化物層１３０以降のIII 族窒化物層を形成する際に、窒素が脱離する。つまり、第１のIII 族窒化物層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。
【００４９】
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 族窒化物層１２０と、第２のIII 族窒化物層１３０と、高抵抗ＧａＮ層２４０と、ＵＩＤ−ＧａＮ層２５０と、ｉ−ＡｌY Ｇａ(1-Y) 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。高抵抗ＧａＮ層２４０と、ＵＩＤ−ＧａＮ層２５０と、ｉ−ＡｌY Ｇａ(1-Y) Ｎ層２６０とは、第３のIII 族窒化物層である。
【００５０】
高抵抗ＧａＮ層２４０は、例えば、炭素がドープしてある高抵抗層である。ＵＩＤ−ＧａＮ層２５０は、故意にドープしていない（Ｕｎｉｎｔｅｎｔｉｏｎａｌｌｙ  ｄｏｐｅｄ）ＧａＮ層である。ＵＩＤ−ＧａＮ層２５０は、チャネル層である。ｉ−ＡｌY Ｇａ(1-Y) Ｎ層２６０は、バリア層である。
【００５１】
ソース電極Ｓ１およびドレイン電極Ｄ１は、ｉ−ＡｌY Ｇａ(1-Y) Ｎ層２６０の上に形成されている。このように、ＵＩＤ−ＧａＮ層２５０は、基板１１０とｉ−ＡｌY Ｇａ(1-Y) Ｎ層２６０との間の位置に配置されている。ｉ−ＡｌY Ｇａ(1-Y) Ｎ層２６０からみてＵＩＤ−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。
【００５２】
ここで、ＵＩＤ−ＧａＮ層２５０は、単一層であっても複数層であってもよい。ｉ−ＡｌY Ｇａ(1-Y) Ｎ層２６０は、単一層であっても複数層であってもよい。ｉ−ＡｌY Ｇａ(1-Y) Ｎ層２６０のバンドギャップは、ＵＩＤ−ＧａＮ層２５０のバンドギャップに比べて大きい。
【００５３】
第１のIII 族窒化物層１２０と、第２のIII 族窒化物層１３０と、第３のIII 族窒化物層１４０とは、いずれも、ＩｎX ＡｌY Ｇａ(1-X-Y) Ｎ層である。第１のIII 族窒化物層１２０は、Ｉｎの組成比Ｘが高い第１のバッファ層である。第１のIII 族窒化物層１２０のＩｎ組成比Ｘは、
０．５  ≦  Ｘ  ≦  １．０
である。
【００５４】
第２のIII 族窒化物層１３０は、Ａｌの組成比Ｙが高い第２のバッファ層である。第２のIII 族窒化物層１３０のＡｌ組成比Ｙは、
０．５  ≦  Ｙ  ≦  １．０
である。
【００５５】
第１のIII 族窒化物層１２０の組成および第２のIII 族窒化物層１３０の組成は、前述したように、これ以外の組成であってもよい。
【００５６】
２−２．ＨＥＭＴ素子の効果
後述するように、第１のIII 族窒化物層１２０では、非常にＩｎ組成比Ｘが高い。そのため、第１のIII 族窒化物層１２０の形成時には、第１のIII 族窒化物層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。そのため、第２のIII 族窒化物層１３０以降のIII 族窒化物層を形成する際に、窒素が脱離する。つまり、第１のIII 族窒化物層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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
［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
【００７３】
３−３．製造装置の効果
この製造装置１０００は、Ｉｎ組成比Ｘが０．５以上というＩｎ濃度の高いIII 族窒化物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 族窒化物層を有する半導体素子を量産することができる。また、窒素ガスおよび水素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℃〜４００℃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。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。
【００７４】
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ＨＥＭＴ２００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。
【００７５】
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に第１のIII 族窒化物層１２０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１２０の上に第２のIII 族窒化物層１３０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１３０の上に第３のIII 族窒化物層１４０を形成する第３のIII 族窒化物層形成工程と、を有する。
【００７６】
４−２−１．第１のIII 族窒化物層形成工程
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。
【００７７】
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、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。
【００７８】
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。
【００７９】
このように、第１のIII 族窒化物層形成工程では、窒素ガス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組成比Ｘが０．５以上１．０以下の範囲内のＩｎX ＡｌY Ｇａ(1-X-Y) Ｎ層を形成を形成する。
【００８０】
４−２−２．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、Ａｌ組成比Ｙが０．５以上１．０以下の範囲内のＩｎX ＡｌY Ｇａ(1-X-Y) Ｎ層を形成を形成する。
【００８１】
４−２−３．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。
【００８２】
このようにして、基板１１０の上に、第１のIII 族窒化物層１２０と、第２のIII 族窒化物層１３０と、高抵抗ＧａＮ層２４０と、ＵＩＤ−ＧａＮ層２５０と、ｉ−ＡｌY Ｇａ(1-Y) 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。
【００８３】
４−３．電極形成工程
次に、ｉ−ＡｌY Ｇａ(1-Y) 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−ＡｌY Ｇａ(1-Y) Ｎ層２６０の上にゲート電極Ｇ１を形成する。以上により、ＨＥＭＴ２００が製造される。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
５．ＨＥＭＴ素子の効果
このように、本実施形態のＨＥＭＴ２００では、第１のIII 族窒化物層１２０ではＩｎ組成比Ｘが高く、第２のIII 族窒化物層１３０ではＡｌ組成比Ｙが高い。そのため、格子定数および熱膨張係数差は、基板１１０と第１のIII 族窒化物層１２０と第２のIII 族窒化物層１３０とでそれほど大きくない。そのため、第１のIII 族窒化物層１２０と第２のIII 族窒化物層１３０とＵＩＤ−ＧａＮ層２５０より上層とで発生する応力はそれほど大きくない。したがって、これらのＵＩＤ−ＧａＮ層２５０、ｉ−ＡｌY Ｇａ(1-Y) Ｎ層２６０ではクラックが生じにくい。また、基板１１０の反りもほとんど生じない。
【００８７】
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 族窒化物層１２０と、第２のIII 族窒化物層１３０と、高抵抗ＧａＮ層２４０と、ＵＩＤ−ＧａＮ層２５０と、ｉ−ＡｌY Ｇａ(1-Y) 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−ＡｌY Ｇａ(1-Y) 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１００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１００は、ＭＩＳ型ＨＥＭＴ素子であってもよい。
【００８８】
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。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、ＵＩＤ−ＧａＮ層２５０とｉ−ＡｌY Ｇａ(1-Y) 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−ＡｌY Ｇａ(1-Y) Ｎ層２６０よりもバンドギャップの大きい層である。
【００８９】
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。
【００９０】
６−４．ＩｎＮ層の形成
第１のIII 族窒化物層形成工程では、第１のIII 族窒化物層１２０としてＩｎＮ層を形成してもよい。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の少なくとも一方では、ＩｎＮ層のＮを脱離させてＩｎＮ層を金属Ｉｎ層としてもよい。
【００９１】
この場合には、第１のIII 族窒化物層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。
【００９２】
６−５．プラズマガス
本実施形態では、プラズマガスは窒素ガスを含有するガスである。しかし、このプラズマガスとして、窒素ガスと水素ガスとを含有する混合ガスを用いるとなおよい。III 族窒化物層が好適に成長するからである。
【００９３】
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。
【００９４】
７．本実施形態のまとめ
本実施形態のＨＥＭＴ２００は、ＩｎX ＡｌY Ｇａ(1-X-Y) Ｎ層から成る第１のIII 族窒化物層１２０および第２のIII 族窒化物層１３０を有している。そして、第１のIII 族窒化物層１２０のＩｎ組成比Ｘは、０．５  ≦  Ｘ  ≦  １．０と高い。一方、第２のIII 族窒化物層１３０のＡｌ組成比Ｙは、０．５  ≦  Ｙ  ≦  １．０である。そのため、格子不整合および熱膨張係数差を緩和している。よって、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。
【００９５】
（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。
【００９６】
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 族窒化物層１２０と、第２のIII 族窒化物層１３０と、ＵＩＤ−ＧａＮ層５４０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。ＵＩＤ−ＧａＮ層５４０と、ｎ−ＧａＮ層５５０と、活性層５６０と、ｐ−ＡｌＧａＮ層５７０と、ｐ−ＧａＮ層５８０とは、第３のIII 族窒化物層である。
【００９７】
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。
【００９８】
第１のIII 族窒化物層形成工程では、基板１１０の上に第１のIII 族窒化物層１２０を形成する。第２のIII 族窒化物層形成工程では、第１のIII 族窒化物層１２０の上に第２のIII 族窒化物層１３０を形成する。
【００９９】
第３のIII 族窒化物層形成工程では、第２のIII 族窒化物層１３０の上にＵＩＤ−ＧａＮ層５４０を形成する。また、ＵＩＤ−ＧａＮ層５４０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。
【０１００】
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。
【０１０１】
３−２．製造方法
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１のIII 族窒化物層１２０および第２のIII 族窒化物層１３０では、Ｉｎ組成比がそれほど高くない。そのため、その他のエピタキシャル法により、III 族窒化物層を成長させることができる。
【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 族窒化物層
１３０…第２のIII 族窒化物層
１４０…第３のIII 族窒化物層
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】
0006516483.tif 000002
【図２】
0006516483.tif 000003
【図３】
0006516483.tif 000004
【図４】
0006516483.tif 000005
【図５】
0006516483.tif 000006
【図６】
0006516483.tif 000007