(57)【要約】【課題】高温ＡｌＮバッファ層上に形成される窒化物半導体結晶の結晶性及び表面状態を改善することができる窒化物半導体の製造方法を提供する。【解決手段】成長用基板上にＡｌＮバッファ層を積層し、その上に窒化物半導体結晶を結晶成長させる窒化物半導体の製造工程において、ＡｌＮバッファ層を結晶成長させる場合、９００℃以上の高温で成長させるとともに、ＡｌＮバッファ層のＡｌ原料ガスを先に反応室に供給して連続的に流しておき、その後、Ｎ原料ガスを間欠的に供給する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＡｌＮバッファ層上に窒化物半導体結晶を成長させる窒化物半導体の製造方法であって、
前記ＡｌＮバッファ層は、成長温度９００℃以上において、Ａｌ原料の供給を開始した後、Ｎ原料を間欠的に供給するとともにＡｌ原料は連続的に供給することにより形成されることを特徴とする窒化物半導体の製造方法。
【請求項２】
前記ＡｌＮバッファ層の膜厚は、２０Å以下に形成することを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体の製造方法。
【請求項３】
前記ＡｌＮバッファ層上に形成されるＧａＮ層の結晶成長は、成長圧力を１５０Ｔｏｒｒ以上、成長温度９００℃以上で行うことを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか１項に記載の窒化物半導体の製造方法。
【請求項４】
成長用基板上に少なくともＡｌＮバッファ層、ＧａＮ層が順次形成された窒化物半導体素子であって、
前記ＡｌＮバッファ層の膜厚を２０Å以下、前記ＧａＮ層上に形成されるＧａＮ系半導体層の結晶成長過程で、前記成長用基板の次の半導体層からの合計膜厚が１μｍに達するまでの範囲における結晶成長表面からの光の反射率振動の最小値が４％以下になるように形成したことを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項５】
前記ＧａＮ系半導体層を含むＧａＮ系積層体を形成したことを特徴とする請求項４記載の窒化物半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＡｌＮバッファ層を備えた窒化物半導体の製造方法及び窒化物半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム系化合物半導体、いわゆるIII−Ｖ族窒化物半導体（以下、窒化物半導体という）と呼ばれる半導体素子の開発が盛んである。窒化物半導体は、照明、バックライト等用の光源として使われる青色ＬＥＤ、多色化で使用されるＬＥＤ、ＬＤ等に用いられている。窒化物半導体は、バルク単結晶の製造が困難なために、サファイヤ、ＳｉＣ等の異種基板の上にＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）を利用してＧａＮを成長させることが行われている。サファイヤ基板は、エピタキシャル成長工程の高温アンモニア雰囲気中の安定性にすぐれているので、成長用基板として特に用いられる。
【０００３】
ＭＯＣＶＤ法によって窒化物半導体を製造する場合には、例えば、成長用基板としてサファイヤ基板を設置した反応室内に、反応ガスとして有機金属化合物ガスを供給し、結晶成長温度をおよそ９００℃〜１１００℃の高温で保持して、サファイヤ基板上にＧａＮ半導体結晶のエピタキシャル層を成長させる。
【０００４】
しかし、ＭＯＣＶＤ法を用いてサファイヤ基板上に直接成長されたＧａＮ半導体層の表面は、６角ピラミッド状、ないしは６角柱状の成長パターンとなって無数の凹凸ができ、その表面モフォロジーが極めて悪くなる。このような表面に無数の凹凸がある表面モフォロジーの極めて悪い半導体の結晶層を使用して発光素子を作ることは極めて困難である。
【０００５】
上記問題を解決するために、窒化物半導体の結晶を成長させる前に、成長用基板上にＡｌＮのバッファ層を成長させる方法が用いられており、成長用基板上に、成長温度４００〜９００℃の低温で、膜厚が１００〜５００Å（オングストローム）の低温ＡｌＮバッファ層を設けるものである。この方法はバッファ層であるＡｌＮ層上にＧａＮを成長させることによって、ＧａＮ半導体層の結晶性および表面モフォロジーを改善できる特徴がある。
【０００６】
しかしながら上記方法は、バッファ層の成長条件が厳しく制限され、しかも膜厚を１００〜５００Åと非常に薄い範囲に厳密に設定する必要があるため、半導体の結晶性および表面モフォロジーを歩留よく改善することが困難であり、実用的ではない。
【０００７】
そこで、特許文献１、特許文献２に記載されているように、上記低温ＡｌＮバッファ層の代わりに、成長温度５００〜８００℃の低温で形成する低温ＧａＮバッファ層を成長用基板上に形成し、その上に窒化物半導体結晶を成長させることが提案されている。
【特許文献１】特許第３４７８２８７号公報
【特許文献２】特公平８−８２１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、上記従来技術では、窒化物半導体結晶の結晶性等の改善は期待できるが、低温ＧａＮバッファ層を成長後、窒化物半導体結晶を形成する場合に、成長温度を１０００℃以上の高温まで上昇させなければならず、この温度上昇の過程で低温ＧａＮバッファ層が劣化してしまい、バッファ層としての役割を果たさなくなるという問題があった。また、高温に温度を上昇させるので、既に低温で作製したＧａＮバッファ層の熱歪みの問題も発生する。
【０００９】
さらには、低温ＧａＮバッファ層及び低温ＡｌＮバッファ層のいずれの場合も膜厚が薄い方がその上に結晶成長させるＧａＮ膜の結晶軸の方向が揃いやすいので、ＧａＮ膜の結晶性が良くなるが、膜厚を薄くすると、表面には六角形ファセットが形成されやすくなり、ＧａＮ膜の表面モフォロジーが悪くなるため、デバイス作製に用いるには問題があった。
【００１０】
そこで、これらの問題を解決するために、９００℃以上の高温で作製される高温ＡｌＮバッファ層を成長用基板の上に成長させた後、窒化物半導体結晶を積層するという手法が提案されている。しかしながら、高温ＡｌＮバッファ層は、その成長条件が難しく、ＡｌＮバッファ層上に形成される窒化物半導体結晶の結晶性及び表面モフォロジーを悪化させてしまうことがあり、良質な窒化物半導体結晶を作製することが困難であった。
【００１１】
従来、高温ＡｌＮバッファ層を作製する場合、例えば、III族ガスとしてトリメチルガリウム（ＴＭＡ）と、Ｖ族ガスとしてアンモニア（ＮＨ３）とが用いており、これらの原料ガスの反応室への供給は、図１３に示されるタイムチャートにしたがって行われる。まず、時刻ｔ０にＴＭＡの供給が開始（オン）され、その後時刻ｔ１にＮＨ３の供給が開始（オン）される。ＴＭＡ及びＮＨ３ともに、一度供給がオン状態になった後は、高温ＡｌＮバッファ層の作製終了まで、原料ガスを流し続ける。
【００１２】
以上のように作製された高温ＡｌＮバッファ層で、ＮＨ３／ＴＭＡのモル比が高いと、ＡｌＮバッファ層上に結晶成長させた窒化物半導体結晶表面の平坦性が悪くなる。図１４はＮＨ３／ＴＭＡのモル比１８００で形成されたＡｌＮバッファ層上に結晶成長させたＧａＮ結晶の表面を示すが、表面が荒れていることがわかる。
【００１３】
一方、ＮＨ３／ＴＭＡのモル比が低いと、ＡｌＮバッファ層上に結晶成長させた窒化物半導体結晶の結晶性が悪くなる。この状態を示すのが、図１４、８であり、図１４はＡｌＮバッファ層上に結晶成長させたＧａＮ結晶の表面状態を示し、図１５はＧａＮ結晶中の状態を示す。また、ＮＨ３／ＴＭＡのモル比は１２００とした。図１４からわかるように、ＧａＮ結晶の表面の平坦性は非常に良くなるのであるが、図１５に示されるようにＧａＮ結晶中にＡｌが混入するようになり、ＧａＮ結晶の結晶性が悪くなる。
【００１４】
このように、一般に、供給される反応ガスのＮ原料／Ａｌ原料のモル比が、小さくなるとＡｌＮバッファ層上の窒化物半導体結晶の結晶性に影響を与え、他方、Ｎ原料／Ａｌ原料のモル比が大きくなると窒化物半導体結晶の表面モフォロジーを悪化させることになる。
【００１５】
本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、高温ＡｌＮバッファ層上に形成される窒化物半導体結晶の結晶性及び表面状態を改善することができる窒化物半導体の製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、ＡｌＮバッファ層上に窒化物半導体結晶を成長させる窒化物半導体の製造方法であって、前記ＡｌＮバッファ層は、成長温度９００℃以上において、Ａｌ原料の供給を開始した後、Ｎ原料を間欠的に供給するとともにＡｌ原料は連続的に供給することにより形成されることを特徴とする窒化物半導体の製造方法である。
【００１７】
また、請求項２記載の発明は、前記ＡｌＮバッファ層の膜厚は、２０Å以下に形成することを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体の製造方法である。
【００１８】
また、請求項３記載の発明は、前記ＡｌＮバッファ層上に形成されるＧａＮ層の結晶成長は、成長圧力を１５０Ｔｏｒｒ以上、成長温度９００℃以上で行うことを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか１項に記載の窒化物半導体の製造方法である。
【００１９】
また、請求項４記載の発明は、成長用基板上に少なくともＡｌＮバッファ層、ＧａＮ層が順次形成された窒化物半導体素子であって、前記ＡｌＮバッファ層の膜厚を２０Å以下、前記ＧａＮ層上に形成されるＧａＮ系半導体層の結晶成長過程で、前記成長用基板の次の半導体層からの合計膜厚が１μｍに達するまでの範囲における結晶成長表面からの光の反射率振動の最小値が４％以下になるように形成したことを特徴とする窒化物半導体素子である。
【００２０】
また、請求項５記載の発明は、前記ＧａＮ系半導体層を含むＧａＮ系積層体を形成したことを特徴とする請求項４記載の窒化物半導体素子である。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、成長温度９００℃以上で作製するＡｌＮバッファ層のＡｌ（アルミニウム）原料の供給を開始した後に、Ｎ（窒素）原料の供給を開始するが、Ｎ（窒素）原料の供給については、間欠的（断続的）に行うようにしているので、窒化物半導体結晶の結晶性中にＡｌが取り込まれないように、Ｎ原料／Ａｌ原料のモル比を比較的高い値に設定した状態で、表面モフォロジーの良い窒化物半導体結晶を形成することができる。
【００２２】
また、９００℃以上の高温でＡｌＮバッファ層を作製しているため、このバッファ層上積層させる窒化物半導体結晶の成長温度と温度差がほとんどなくなり、すぐに窒化物半導体結晶の結晶成長を開始できるので、加熱されることによるＡｌＮバッファ層の劣化を防止することができる。さらに、成長温度差によるＡｌＮバッファ層の熱歪みも防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図１は本発明の窒化物半導体の製造方法の主要工程のタイムチャートを示す。また、図２は、本発明の窒化物半導体の製造方法により作製される窒化物半導体の基本構造を示す。
【００２４】
成長用基板としてのサファイヤ基板１上にＡｌＮバッファ層２を積層し、その上に窒化物半導体結晶３を結晶成長させるものである。この窒化物半導体は、既知のＭＯＣＶＤ法等によって形成する。なお、窒化物半導体結晶３は、ＡｌＧａＩｎＮ４元混晶を表し、いわゆるIII−Ｖ族窒化物半導体と呼ばれるもので、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）で表すことができる。
【００２５】
本発明で特徴的なのは、ＡｌＮバッファ層２を結晶成長させる場合、９００℃以上の高温で成長させるとともに、ＡｌＮバッファ層２のＡｌ原料として用いるトリメチルガリウム（ＴＭＡ）を先に反応室に供給して連続的に流しておき、その後、Ｎ原料として用いるアンモニア（ＮＨ３）を間欠的に供給することにある。
【００２６】
前述したように、従来のＡｌＮバッファ層の製造工程のタイムチャートは図１３に表されているが、ＴＭＡを先に供給して、その後ＮＨ３を供給し、ＴＭＡは連続して流しておく点は、本発明による製造方法と同じであるが、従来方法では、ＮＨ３も供給開始時刻ｔ１からＡｌＮバッファ層作製終了まで連続的に流すようにしており、この点が本発明とは全く異なるものである。
【００２７】
図１のタイムチャートは、横軸が時間を、縦軸が供給のオン−オフの状態を示す。本発明では、まず、ＴＭＡの供給を時刻ｔ０で開始（オン）した後、所定膜厚のＡｌＮバッファ層２が形成されるまでは、図１の上段に示すようにＴＭＡの供給は連続して行われる。次に、時刻ｔ１でＮＨ３の供給を開始する。時刻ｔ０が基準となるので、ｔ０＝０とすると、ＮＨ３の供給は、ＴＭＡの供給開始からｔ１遅れて開始されることになる。
【００２８】
ＮＨ３の供給は、時刻ｔ１〜ｔ２までのＷの期間行われた後、供給が停止（オフ）となり、ＴＭＡのみが供給されることになる。時刻ｔ２〜ｔ３までの期間Ｌについては、ＴＭＡのみが供給されている状態であり、時刻ｔ３で再びＮＨ３の供給が再開（オン）される。次に、時刻ｔ３〜ｔ４までのＷの期間、ＮＨ３が供給された後、時刻ｔ４で供給がオフとなり、その後、ｔ４〜ｔ５のＬの期間はＴＭＡのみが供給される。
【００２９】
同様に、次の時刻ｔ５〜ｔ６までのＷ及び時刻ｔ７〜ｔ８までのＷの期間は、ＮＨ３が供給され、時刻ｔ６〜ｔ７までの期間Ｌの間は、ＮＨ３の供給が停止されて、ＴＭＡの供給のみが行われる。以上のようにして、期間Ｗの間だけ、ＮＨ３の供給がオンとなるように構成して供給を断続的に行う。なお、ＮＨ３の供給のオン−オフの繰り返し回数は、図では４回程度の記載となっているが、必要に応じて繰り返し回数を増減することができる。
【００３０】
以上のように、ＡｌＮのＮ（窒素）原料の供給を間欠的に行うことで、Ｎ原料／Ａｌ原料のモル比を比較的高い値に設定して、窒化物半導体結晶３の結晶性中にＡｌが取り込まれないようにするとともに、表面モフォロジーの良い窒化物半導体結晶３を形成することができる。
【００３１】
図５は、図１で時刻ｔ０＝０とした場合のＴＭＡに対するＮＨ３の供給開始遅れ時間ｔ１、期間Ｗ及びＬ、ＮＨ３の供給オン−オフサイクルの繰り返し回数、ＡｌＮの膜厚、ＡｌＮの成長温度等を適宜設定して実験１〜実験７までの条件を作成し、これらの条件に基づいてサファイヤ基板１上にＡｌＮバッファ層２を成長させた後、図３に示す窒化物半導体結晶としてのノンドープＧａＮを積層し、このノンドープＧａＮ層３１の表面状態をＡＦＭ等で観察して、表面モフォロジーの良し悪しを判定したものである。
【００３２】
なお、実験１〜実験７までのいずれにおいても、成長圧力は２００Ｔｏｒｒとし、キャリアガスとしては水素を用い、このキャリア水素（Ｈ２）の流量を１４Ｌ／分とし、図５に示すように、ＴＭＡの流量については２０ｃｃ／分、ＮＨ３の流量については５００ｃｃ／分とした。このときのＮＨ３／ＴＭＡのモル比を計算すると、約２６００となる。
【００３３】
実験１〜実験７までの成長条件におけるＡｌＮバッファ層の成長温度は、いずれも１０００℃以上である。一連の実験１〜実験６においては、表面モフォロジーは、実験２を除いて良好となった。実験２において、表面モフォロジーが悪くなったのは、ＡｌＮの膜厚が３０．７２Åと薄すぎたためと、供給のオン−オフの繰り返し回数（Ｗ＋Ｌの繰り返し回数）が、２回と少なすぎたためと考えられる。
【００３４】
実験１、実験３〜実験７では、ノンドープＧａＮ層の表面モフォロジーが良好となっているが、そのノンドープＧａＮ層の表面データの一例を図４に示す。ノンドープＧａＮ層表面のモフォロジーは良好で、平坦性の良いものとなっている。
【００３５】
上述したように、一連の実験１〜実験６のＮＨ３／ＴＭＡのモル比はいずれも約２６００となるが、実験２のように、ＡｌＮの膜厚が薄すぎたり、オン−オフの繰り返し回数が極端に少ない場合を除いては、図４のように表面モフォロジーが良いものが得られ、従来方法によって作製された図１４のＡｌＮ層のモル比（この場合モル比は１８００）と比較して、高いモル比で成長させても、表面の平坦性は従来よりも十分良いものとなる。
【００３６】
ところで、実験７は、実験１〜実験６までとは、一部の条件が大きく変わっている。ＮＨ３／ＴＭＡのモル比や成長圧力等は同じ、また期間Ｗは４．８秒と実験１〜実験６までと変わっていないが、ＮＨ３の供給遅れ時間ｔ１は１５秒、ＮＨ３の供給停止時間Ｌは９秒、Ｗ＋Ｌの繰り返し回数は１回であり、ＡｌＮバッファ層の膜厚は１３Åに形成した。また、ＡｌＮバッファ層の成長温度は９１０℃とした。この場合も、ＡｌＮバッファ層上のノンドープＧａＮ層の表面モフォロジーは、上述したように良好なものとなった。
【００３７】
図２のＡｌＮバッファ層２上に積層された窒化物半導体結晶３の具体的な一例を示すのが図３である。図２と同じ符号は、同じものを示す。ＡｌＮバッファ層２上にノンドープＧａＮ層３１、Ｓｉドープのｎ型ＧａＮ層３２、ＭＱＷ活性層３３、Ｍｇドープのｐ型ＧａＮ層３４が順に積層されており、ノンドープＧａＮ層３１〜ｐ型ＧａＮ層３４までが、図２の窒化物半導体結晶３に相当する。これらの各半導体層は、ＭＯＣＶＤ法によって形成される。また、ＭＱＷ活性層３３は、ＧａＮからなる障壁層と、ＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ（０＜Ｘ１）からなる井戸層との多重量子井戸構造で構成される。
【００３８】
図３の窒化物半導体の製造方法を説明する。まず、成長用基板としてサファイヤ基板１をＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）装置に入れ、水素ガスを流しながら、１０５０℃程度まで温度を上げ、サファイヤ基板１をサーマルクリーニングする。温度をそのまま維持するか、あるいは９００℃以上の適切な温度まで下げ、高温ＡｌＮバッファ層２を成長させる。この高温ＡｌＮバッファ層２についての成長条件等は、図５に示す実験データのうち、適切な条件を選ぶようにしても良い。少なくとも図１に示すように、Ａｌ原料として用いる反応ガス（例えばＴＭＡ）を先に反応室に供給して連続的に流しておき、その後、Ｎ原料として用いる反応ガス（例えばＮＨ３）を間欠的に供給するようにして、高温ＡｌＮバッファ層２を作製する。
【００３９】
次に、成長温度を１０２０℃〜１０４０℃にし、ＴＭＡの供給を停止し、例えば、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）を２０μモル／分供給し、ノンドープＧａＮ層３１を積層する。その後、ｎ型ドーパントガスとしてシラン（ＳｉＨ４）を供給してｎ型ＧａＮ層３２を成長させる。次に、ＴＭＧａ、シランの供給を停止し、アンモニアと水素の混合雰囲気中で基板温度を７００℃〜８００℃の間に下げて、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）を２００μモル／分、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）を２０μモル／分供給して、ＭＱＷ活性層３３のＩｎＧａＮ井戸層を積層し、ＴＭＩｎの供給のみを停止してアンドープＧａＮからなる障壁層を積層する。そして、ＧａＮ障壁層とＩｎＧａＮ井戸層との繰り返しにより多重量子井戸構造とする。
【００４０】
ＭＱＷ活性層３３成長後、成長温度を１０２０℃〜１０４０℃に上昇させて、Ｇａ原子の原料ガスであるトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、窒素原子の原料ガスであるアンモニア（ＮＨ３）、ｐ型不純物Ｍｇのドーパント材料であるＣＰ２Ｍｇ（ビスシクロペンタジエチルマグネシウム）を供給し、ｐ型ＧａＮ層３４を成長させる。
【００４１】
各半導体層の製造については、キャリアガスの水素又は窒素とともに、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アンモニア（ＮＨ３）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）などの各半導体層の成分に対応する反応ガス、ｎ型にする場合のドーパントガスとしてのシラン（ＳｉＨ４）、ｐ型にする場合のドーパントガスとしてのＣＰ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）等の必要なガスを供給して、７００℃〜１２００℃程度の範囲で順次成長させることにより、所望の組成で、所望の導電型の半導体層を、必要な厚さに形成することができる。
【００４２】
上述したように、ＡｌＮバッファ層２形成後に、ノンドープＧａＮ層３１を成長させる場合、図５の実験データにあるように、ＡｌＮバッファ層２の成長温度を１０００℃〜１１００℃の間に設定しておくと、ノンドープＧａＮ層３１の結晶成長も１０００℃〜１１００℃の間の温度で行えるので、成長温度をほとんど変化させずに、すぐに、ノンドープＧａＮ層３１の成長を開始めることができ、加熱されることによるＡｌＮバッファ層２の劣化を防止することができる。さらに、成長温度差によるＡｌＮバッファ層２の熱歪みも防止することができる。
【００４３】
次に、図５の実験７の結果に基づき、図６のように成長用基板としてのサファイヤ基板１１上にＡｌＮバッファ層１２を膜厚１３Åに形成し、その上にノンドープＧａＮ層１３を薄く作製し、このノンドープＧａＮ層１３上にＧａＮ系積層体４０を結晶成長させ、窒化物半導体素子を構成した。ノンドープＧａＮ層１３上には、ノンドープＧａＮ層１４、ｎ型ＧａＮ層、ＭＱＷ活性層１６、ｐ型ＧａＮ層１７からなるＧａＮ系積層体４０が形成される。また、ｐ型ＧａＮ層１７上には透明電極１８が形成され、透明電極１８上にはｐ電極が設けられる。一方、メサエッチングされて露出したｎ型ＧａＮ層１５の表面にはｎ電極が設けられる。
【００４４】
図６の窒化物半導体素子の製造方法を説明する。まず、成長用基板としてサファイヤ基板１１をＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）装置に入れ、水素ガスを流しながら、１０００℃程度まで温度を上げ、圧力５５Ｔｏｒｒで、サファイヤ基板１１をサーマルクリーニングする。その後、９１０℃まで温度を下げ、圧力２００Ｔｏｒｒにして高温ＡｌＮバッファ層１２を成長させる。この高温ＡｌＮバッファ層１２についての成長条件は、図５に示す実験７のデータを用い、ＡｌＮバッファ層１２の膜厚を１３Åに形成する。
【００４５】
高温ＡｌＮバッファ層１２形成後、ＴＭＡの供給を停止し、アンモニアを供給した状態で、成長温度を９００℃以上（例えば９３０℃）、圧力１５０Ｔｏｒｒ以上（例えば２００Ｔｏｒｒ）にし、例えば、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）を２０μモル／分供給し、ノンドープＧａＮ層１３を０．０２μｍ成長させる。このように、高温ＡｌＮバッファ層１２上に結晶成長させるＧａＮ層の成長圧力を１５０Ｔｏｒｒ以上とするのは、３次元的な結晶成長で、成長の核を大きくするためであり、他方、成長温度９００℃以上とするのは、成長温度が低すぎるとＧａＮの結晶性が悪くなるためである。
【００４６】
次に、成長温度を１０２０℃〜１０４０℃にして、ノンドープＧａＮ層１４を２．５μｍ形成する。このノンドープＧａＮ層１４は、ノンドープＧａＮ層１３が３次元的な結晶成長の核を大きくするという役割を果たした後に、平坦な膜成長（２次元成長）への橋渡しを行うもので、ノンドープＧａＮ層１４の成長温度は、ノンドープＧａＮ層１３の成長温度よりも大きく、ノンドープＧａＮ層１４の成長圧力は、ノンドープＧａＮ層１３の成長圧力よりも小さくすることが望ましい。
【００４７】
その後のｎ型ＧａＮ層１５〜ｐ型ＧａＮ層１７の各半導体層の形成方法は、図３におけるｎ型ＧａＮ層３２〜ｐ型ＧａＮ層３４までと同じであるので説明を省略する。成長膜厚については、ｎ型ＧａＮ層１５は１．５μｍ、ＭＱＷ活性層１６は０．１μｍ、ｐ型ＧａＮ層１７は０．２μｍとした。
【００４８】
以上のように、ＧａＮ系積層体４０を形成した後、メサエッチングを行って、ｎ型ＧａＮ層１５の一部を露出させ、この露出した表面にｎ電極２０を形成する。一方ｐ型ＧａＮ層１７の上面は光の取り出し方向となるので、透明電極１８を設け、透明電極１８上にｐ電極１９を形成する。
【００４９】
透明電極１８は、Ｎｉ／Ａｕ／Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉの金属多層膜構造を用い、各膜厚は３０Å／４０Å／１０Å／１６０Å／１５Åで構成した。ｐ電極１９とｎ電極２０は、いずれもＡｌ／Ｎｉの金属多層膜構造を用い、各膜厚は３０００Å／５００Åで構成した。
【００５０】
図６の構造は、発光ダイオード構造であるが、ｐ電極１９とｎ電極２０に電圧を印加して、図６の発光ダイオードに電流を流して電圧−電流特性を調べたのが、図８である。図８の横軸は電流（Ｉｆ：単位はアンペア）を、縦軸は電圧（Ｖｆ：単位はボルト）を示す。また、Ｘ（実線）は、図６の構成による発光ダイオードの電圧−電流特性を、Ｙ（点線）は図６の構成でＡｌＮバッファ層１２を膜厚約１００Åの低温ＧａＮバッファ層に置き換えて測定したものである。
【００５１】
図８のＸ、Ｙの曲線を比較すればわかるように、ＸはＹと同じか、Ｙよりも上側に位置している。ＸがＹよりも上側に位置するということは、同じ電圧を印加した場合、ＸよりもＹの方が電流値が低くなるということであり、リーク電流が多くなっていることを示している。これは、バッファ層をＧａＮバッファ層としたことで、ＧａＮバッファ層上のＧａＮ系積層体の各層に表面荒れが発生し、リーク電流の増大が生じたものである。ＡｌＮバッファ層を用いた方が、特に低電流域（１０−１０Ａ〜１０−７Ａの範囲）での電流リークが小さいことが示されている。
【００５２】
一方、図７は、例えば図６のサファイヤ基板１１上のＡｌＮバッファ層１２の膜厚によって、ＡｌＮバッファ層上のノンドープＧａＮ層１３の結晶がどのように変化するかを調べたものである。ＡｌＮバッファ層１２の膜厚を変化させてノンドープＧａＮ層１３を結晶成長させ、ノンドープＧａＮ層１３表面をＸ線回折装置でスキャンしてスペクトルを分析した。このスペクトルの半値全幅を測定することで、結晶性を判断した。ＡｌＮバッファ層の膜厚が１３Åの場合は、図５の実験７の成長条件により形成し、膜厚が４６Åの場合は、成長温度を９３０℃、ｔ１を１８秒、Ｗを４５０秒、とした以外は、実験７の成長条件と同じである。また、ＡｌＮバッファ層の膜厚が４６Åの場合は、成長温度を９３０℃、ｔ１を２４秒、Ｗを２．６秒、Ｌを７．２秒、Ｗ＋Ｌの繰り返し回数を８回、とした以外は実験７の成長条件と同じである。
【００５３】
また、Ｘ線回折半値全幅の測定は、ノンドープＧａＮ層１３の成長方向を変えて２種類の方向について行った。（０００１）はｃ軸方向、（１０−１０）はｍ軸方向を示し、これらの成長方向は、成長用基板であるサファイヤ基板の成長主面をＣ面｛０００１｝、Ｍ面｛１０−１０｝とすることで可能となる。また、比較例としてＡｌＮバッファ層１２の代わりに、膜厚約１００Åの低温ＧａＮバッファ層を用い、この低温ＧａＮバッファ層の上にノンドープＧａＮ層１３を結晶成長させて結晶性を測定した。比較例の低温ＧａＮバッファ層を用いた場合は、ノンドープＧａＮ層の結晶軸方向が揃っていて結晶性の良い数値が示されているのであるが、図８の曲線Ｙのように、電流リークが増加するので問題である。
【００５４】
ＡｌＮバッファ層を用いた例では、ＡｌＮバッファ層の膜厚が２１０Å、４６Å、１３Åの３種類の場合について、Ｘ線回折半値全幅が示されているが、成長の主面を極性面であるＣ面とした場合には、ＡｌＮバッファ層の膜厚が４６Åのときに結晶性が最も良い状態となっている。一方、成長の主面を非極性面であるＭ面とした場合には、ＡｌＮバッファ層の膜厚が１３Åの場合が最も良い状態となっている。しかし、図６の構成でＡｌＮバッファ層１２を４６Åとして、電圧−電流特性を測定したところ、図示はしていないが、低温ＧａＮバッファ層を用いた図８のＹのグラフと同程度であったので、ＧａＮ系積層体４０に表面荒れが発生していると考えられ、電流リークは抑えられていなかった。
【００５５】
しかし、ＡｌＮバッファ層の膜厚が１３Åの場合では、図８のＸに示されるように、低電流域での電流リークが抑えられ、良好なデバイスを構成できる。以上のように、ＡｌＮバッファ層の膜厚を２０Å以下としておけば、ＧａＮ系半導体層表面を荒れのない鏡面に作製することができ（電流リークの低減）、結晶性も良くなる。低電流域でのリークが小さくなると、デバイスの寿命や静電破壊電圧を向上させることができる。
【００５６】
次に、図６の構成において、ＡｌＮバッファ層１２、ノンドープＧａＮ層１３、ＧａＮ系積層体４０を結晶成長させる過程で成長する半導体層表面に赤外線を照射して、その反射率を測定し、縦軸を反射率、横軸を時間（秒）で表示したのが図１０〜図１２である。具体的には、ＭＯＣＶＤ装置の成長室の上部に光を透過する窓を設け、この窓に近接して赤外線ＬＥＤと赤外線検出器を配置して測定した。この構成で、赤外線ＬＥＤを発光させると、赤外光は窓を通って、成長室内部の結晶成長中のウエハに当たって反射し、この反射赤外光が窓に近接して設けられた赤外線検出器で検出される。そして、赤外線ＬＥＤの発光量と赤外線検出器で検出された赤外光量との比で反射率が算出される。
【００５７】
これらの赤外線反射率の意味を図９に示す。図９に示すＡが、ＧａＮ系積層体４０の結晶成長が開始する時点である。ＧａＮ系積層体４０の成長開始までは、およそ８〜９％の反射率となる。次に、Ａ地点からＧａＮ系積層体４０の最初のノンドープＧａＮ層１４の結晶成長が開始される。期間Ｂは、ノンドープＧａＮ層１４の成長初期状態を示し、成長が進んで膜厚が増加すると、期間Ｃのように反射率をモニターする波長λの１／２周期で振動する。これは、基板上の薄膜では、電子密度（屈折率）が異なる界面でX線が反射され干渉するため、反射率曲線にλ／２の周期の振動パターンが発生するためである。また、上記ＧａＮ系積層体４０におけるノンドープＧａＮ層１４の成長初期状態（期間Ｂ）とは、サファイヤ基板１１（成長用基板）の次の半導体層から結晶成長過程にあるノンドープＧａＮ層１４までの合計膜厚、すなわちＡｌＮバッファ層１２の膜厚とノンドープＧａＮ層１３と結晶成長過程にあるノンドープＧａＮ層１４の各膜厚合計を示す。
【００５８】
期間Ｂの次の期間Ｃのような振動パターンの周期が膜厚の情報を含んでおり、振幅は表面と界面の粗さ情報を含んでいる。また、表面が粗くなると、反射率は急激に減少する。そこで、期間Ｂにおける反射率の変動の極小値Ｈ１やＨ２等を調べて、表面状態とＡｌＮバッファ層１２の膜厚との関係を調べた。図１０は、ＡｌＮバッファ層１２の膜厚が４６Åの場合、図１１は、ＡｌＮバッファ層１２の膜厚が６７Åの場合、図１２はＡｌＮバッファ層１２の膜厚が１３Åの場合を示す。ＡｌＮバッファ層の膜厚が４６Å、１３Åについての成長条件は前述したとおりである。また、膜厚が６７Åの場合は、Ｗを３．６秒、Ｌを１２秒とした以外は、膜厚が４６Åのときの成長条件と同じである。
【００５９】
これらを比較すると、ノンドープＧａＮ層１４の成長初期状態である期間Ｂにおける反射率は、図１０、１１が大きく振動して２０％程度にまで達し、また、極小値でも１０％程度にまで達しているのに対して、図１２では、成長開始時点から反射率の振動は、非常に小さく、期間Ｂにおける反射率振動の最小値は４％以下となっている。このように、ＡｌＮバッファ層の膜厚を２０Å以下にして、ＡｌＮバッファ層の上に成長させるＧａＮ層表面を鏡面にすることは、このＧａＮ層の上にさらに結晶成長させるＧａＮ系半導体層の成長初期段階、すなわち、成長用基板の次の半導体層からの合計膜厚が１μｍに達するまでの範囲における結晶成長表面からの光の反射率振動の最小値が４％以下にすることと等価であり、このように窒化物半導体素子を作製することで、良好なデバイスが得られる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の窒化物半導体の製造方法におけるＡｌＮバッファ層の形成方法を示す図である。
【図２】ＡｌＮバッファ層を有する窒化物半導体の全体構造を示す図である。
【図３】図２の窒化物半導体結晶の具体的構成の一例を示す図である。
【図４】本発明の製造方法により形成されたＡｌＮバッファ層表面を示す図である。
【図５】本発明の製造方法に基づく実験データを示す図である。
【図６】本発明のＡｌＮバッファ層を有する窒化物半導体素子の構成例を示す図である。
【図７】ＡｌＮバッファ層の膜厚とＡｌＮバッファ層上のＧａＮ膜の結晶性との関係を示す図である。
【図８】図６の窒化物半導体素子の電圧−電流特性を示す図である。
【図９】半導体層を結晶成長させながら表面の反射率を測定した場合の反射率変動の模式図である。
【図１０】ＡｌＮバッファ層膜厚が４６Åの場合のＧａＮ層成長過程における反射率変動を示す図である。
【図１１】ＡｌＮバッファ層膜厚が６７Åの場合のＧａＮ層成長過程における反射率変動を示す図である。
【図１２】ＡｌＮバッファ層膜厚が１３Åの場合のＧａＮ層成長過程における反射率変動を示す図である。
【図１３】従来のＡｌＮバッファ層の形成方法を示す図である。
【図１４】従来方法によって作製されたＡｌＮバッファ層表面を示す図である。
【図１５】従来方法によって作製されたＡｌＮバッファ層上に積層されたＧａＮ表面を示す図である。
【図１６】図１４に示されたＧａＮ結晶の内部状態を示す図である。
【符号の説明】
【００６１】
１    サファイヤ基板
２    ＡｌＮバッファ層
３    窒化物半導体結晶
【図１】
2008078613.tif 000003
【図２】
2008078613.tif 000004
【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図４】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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