(57)【要約】【課題】Ｓｉ電子デバイスとのカップリングの相性が良くて、結晶性も良好な窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置および窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の製造方法を提供すること。【解決手段】第１バッファ層成長工程によって、Ｓｉ基板３１の（１００）面上にアモルファスのＡｌＮからなる第１バッファ層３２を成長させた後、第２バッファ層成長工程で、第１バッファ層３２の上に単結晶のＡｌＮからなる第２バッファ層３３を成長させる。最後に、ヘテロ構造作製工程で、上記第２バッファ層３３上にヘテロ構造を構成するＧａＮ層３４とＡｌＧａＮ層３５を順次成長させる。このとき、第２バッファ層３３の結晶構造が、結晶性に優れたシングドメイン構造になって、第２バッファ層３３に形成されるヘテロ構造の電気的特性が優れたものになる。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉ基板上にアモルファスの窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第１バッファ層を成長させる第１バッファ層成長工程と、
上記第１バッファ層上に単結晶の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第２バッファ層を成長させる第２バッファ層成長工程とを有することを特徴とする窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の製造方法において、上記第２バッファ層上にヘテロ構造を作製するヘテロ構造作製工程を有することを特徴とする窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の製造方法。
【請求項３】
請求項１に記載の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の製造方法において、上記第１バッファ層成長工程では、上記Ｓｉ基板の（１００）面に上記第１バッファ層を成長させることを特徴とする窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の製造方法。
【請求項４】
請求項１に記載の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の製造方法において、上記第１バッファ層成長工程では、上記第１バッファ層の成長温度が５０℃以上３００℃以下であることを特徴とする窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の製造方法。
【請求項５】
請求項１に記載の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の製造方法において、上記第１バッファ層成長工程では、層厚が５ｎｍ以上５０ｎｍ以下の第１バッファ層を成長させることを特徴とする窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の製造方法。
【請求項６】
請求項１に記載の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の製造方法において、上記第１バッファ層成長工程では、プラズマ励起した窒素を使用する分子線エピタキシー法を用いて、上記第１バッファ層を成長させることを特徴とする窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の製造方法。
【請求項７】
請求項２に記載の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の製造方法において、上記第２バッファ層以降の層を、有機金属気相成長法またはアンモニアを用いた分子線エピタキシー法を用いて成長させることを特徴とする窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の製造方法。
【請求項８】
Ｓｉ基板上に形成され、アモルファスの窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第１バッファ層と、
上記第１バッファ層上に形成され、単結晶の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第２バッファ層とを備えることを特徴とする窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置。
【請求項９】
請求項８に記載の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置において、上記第２バッファ層上にヘテロ構造を備えることを特徴とする窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の製造方法および窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置に関し、特に、結晶性および電気的特性に優れたヘテロ構造を有するヘテロ構造電界効果型トランジスター（ＨＦＥＴ）等の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の製造方法および窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置としては、基板材料としてサファイアを用いたもの（例えば、特許文献１参照）や、基板材料としてＳｉＣを用いたもの（例えば、特許文献２参照）がある。これらの窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置は、夫々の基板上に、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を有するヘテロ構造を備えている。尚、サファイア基板上に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を成長させる場合、通常はＣ面が用いられるが、Ａ面・Ｒ面・Ｍ面を用いた場合にも、その上の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体はＣ面成長することが明らかとなっている。これは、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の結晶構造が六方晶系（ウルツ鉱構造）であることからエネルギー的に安定なＣ軸配向（Ｃ面成長）する傾向が強いためである。
【０００３】
また、他の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置としては、基板材料としてＳｉを用いたものがあり、特に、Ｓｉ基板と窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の間にＳｉＣを挿入する装置が一般的になっている（例えば、特許文献３参照。）。また、基板材料としてＳｉを用いた別の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置としては、Ｓｉ基板と窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の間に多結晶のＳｉ層を挿入するものがある（例えば、特許文献４参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
米国特許５，２９６，３９５号明細書
【特許文献２】
特開２００１−１７７１８９号公報
【特許文献３】
特開２００１−１７１９０号公報
【特許文献４】
特開２００１−７３９６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１（米国特許５，２９６，３９５号明細書）または特許文献２（特開２００１−１７７１８９号公報）に示された窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置では、基板材料としてサファイアまたはＳｉＣを用いて、このサファイアまたはＳｉＣ基板に、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を有するヘテロ構造を作製しているので、Ｓｉ基板の（００１）面を用いるＳｉ電子デバイス（特に、Ｓｉ系ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ））と共通の基板を使用できず、Ｓｉ電子デバイスとのカップリングの相性が悪いという問題がある。
【０００６】
一方、特許文献３（特開２００１−１７１９０号公報）および特許文献４（特開２００１−７３９６号公報）に示された窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置では、Ｓｉ基板が用いられているので、Ｓｉ電子デバイスとのカップリングの相性が良くなっている。
【０００７】
しかしながら、特許文献３（特開２００１−１７１９０号公報）に示された窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置では、Ｓｉ基板上に形成されたＳｉＣ層上に成長させられる本来六方晶で安定な窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体に、Ｓｉ基板の立方晶の影響が及ぶという問題がある。すなわち、ＳｉＣ層上に形成される窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の結晶の結晶構造が六方晶と立方晶の混在構造となり、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の結晶性が悪化するという問題がある。
【０００８】
また、特許文献４（特開２００１−１７１９０号公報）に示された窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置では、Ｓｉ基板と窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の間に多結晶のＳｉ層を挿入するが、Ｓｉ層を構成する多結晶のＳｉは、ＧａＮ等の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体に対して優れたｎ型ドーパントであり、かつ、多結晶であることにより拡散し易くなっているので、Ｓｉ層中の多結晶のＳｉが、ＧａＮ等の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体に混ざって、多結晶のＳｉ層と窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体との界面に高濃度のｎ型層が形成されて、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の結晶性が悪化するという問題がある。
【０００９】
尚、Ｓｉ基板の（１００）面を用いて、Ｓｉ基板の（１００）面に直接ＡｌＮ等の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の層を成長させると、ＡｌＮ等の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の層がダブルドメイン構造になって、このダブルドメイン構造の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の層を備える窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の結晶性が悪化することも明らかになっている。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、Ｓｉ電子デバイスとのカップリングの相性が良くて、基板上に作製される窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の結晶性も良好な窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の製造方法および窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の製造方法は、Ｓｉ基板上にアモルファスの窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第１バッファ層を成長させる第１バッファ層成長工程と、上記第１バッファ層上に単結晶の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第２バッファ層を成長させる第２バッファ層成長工程とを有することを特徴としている。
【００１２】
尚、この明細書では、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置として、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置全体の組成比が、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ，ｙ≦１）や、あるいは、組成比がＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ，ｙ≦１）に原子番号５７から７１までの希土類元素Ｒを添加したＡｌｘＧａｙＩｎｚＲ１−ｘ−ｙ−ｚＮ（０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１）等になっている化合物半導体装置を想定しているものとする。
【００１３】
また、この明細書では、結晶学に基づき、個別の面方位を丸括弧（・・・）、集合的な面方位を波括弧｛・・・｝、個別の結晶方位を角括弧［・・・］、集団的な結晶方位を鍵括弧＜・・・＞で夫々表わすものとする。
【００１４】
上記窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の製造方法によれば、Ｓｉ基板上にアモルファスの窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第１バッファ層を成長させる第１バッファ層成長工程を備えるので、この第１バッファ層成長工程で形成されたアモルファスの窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第１バッファ層で、Ｓｉ基板の立方晶の性質を遮断できる。したがって、上記第１バッファ層成長工程の後に行われる第２バッファ層成長工程で、上記第１バッファ層上に形成される窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体に、Ｓｉ基板の立方晶の性質が波及するのを防止でき、上記第２バッファ層を構成する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の結晶を結晶構造が略均一な単結晶にすることができる。したがって、この結晶構造が略均一な単結晶の第２バッファ層の上方に形成される層の結晶性を良好なものにすることができる。
【００１５】
また、一実施形態の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の製造方法は、上記第２バッファ層上にヘテロ構造を作製するヘテロ構造作製工程を有することを特徴としている。
【００１６】
尚、この明細書では、ヘテロ構造として、異種の半導体材料同士の接合構造を有する一層（この場合、第２バッファ層と異なる半導体材料の層）または複数層からなる構造をさすものとする。
【００１７】
本発明者は、上記第２バッファ層上にヘテロ構造を形成した窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置を作製し、この装置の移動度等の電気的特性を調べた。その結果、上記第２バッファ層上にヘテロ構造を形成すると、このヘテロ構造の移動度が大きくなる等、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の電気的特性が優れたものになることを発見した。
【００１８】
上記実施形態の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の製造方法によれば、結晶構造が略均一な単結晶の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体で構成された上記第２バッファ層上に、上記ヘテロ構造作製工程でヘテロ構造を形成するので、上記第２バッファ層上に作製されるヘテロ構造を電気的特性に優れた高品質なものにすることができ、電気的特性に優れた窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置を製造できる。
【００１９】
また、一実施形態の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の製造方法は、上記Ｓｉ基板の（１００）面に上記第１バッファ層を成長させることを特徴としている。
【００２０】
上記実施形態によれば、上記Ｓｉ基板の（１００）面に上記第１バッファ層を成長させるので、Ｓｉ基板の（１００）面を用いるＳｉ系デバイス（特にＳｉ系ＣＭＯＳ）と窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の集積化が容易になる。
【００２１】
また、一実施形態の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の製造方法は、上記第１バッファ層成長工程では、上記第１バッファ層の成長温度が５０℃以上３００℃以下であることを特徴としている。
【００２２】
本発明者は、Ｓｉ基板の基板温度を３００℃より大きくしてＳｉ基板上にアモルファスの第１バッファ層を成長させると、アモルファスの第１バッファ層が多結晶構造になって、このアモルファスの第１バッファ層上の第２バッファ層が、ダブルドメイン構造になることを発見した。更に、本発明者は、Ｓｉ基板の基板温度を５０℃より小さくしてＳｉ基板上にアモルファスの第１バッファ層を成長させると、ＩＩＩ族元素の一つであるＧａと窒素が反応しないことを発見した。一方、本発明者は、Ｓｉ基板の基板温度を５０℃以上３００℃以下にしてＳｉ基板上にアモルファスの第１バッファ層を成長させると、アモルファスの第１バッファ層が、Ｓｉ基板の立方晶の性質を遮断でき、かつ、第２バッファ層にも影響を及ぼさない良好なものになることを発見した。基板温度範囲の決定は、下限の５０℃は膜の堆積状況と反射高速電子線回折（ＲＨＥＥＤ）パターンによる結晶性の評価から、上限の３００℃は、反射高速電子線回折（ＲＨＥＥＤ）パターンによる結晶性の評価から行った。
【００２３】
上記実施形態によれば、上記第１バッファ層を、Ｓｉ基板の温度が５０℃以上３００℃以下の状態で形成するので、上記第１バッファ層の性質が、Ｓｉ基板の立方晶の性質を遮断できて、第２バッファ層の結晶構造にも影響を及ぼさない良好なものになる。
【００２４】
また、一実施形態の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の製造方法は、上記第１バッファ層成長工程では、層厚が５ｎｍ以上５０ｎｍ以下の第１バッファ層を成長させることを特徴としている。
【００２５】
本発明者は、アモルファスの第１バッファ層の層厚を５ｎｍよりも小さくして、アモルファスの第１バッファ層上に第２バッファ層を積層すると、成長温度が高い第２バッファ層成長工程以降の工程時に、アモルファスの第１バッファ層がアニールされて、このアモルファスの第１バッファ層の多結晶化が進み、アモルファスの第１バッファ層上の第２バッファ層が、ダブルドメイン構造（結晶性等の物性が異なる二つの主要な領域から構成される構造）になって、化合物半導体装置の結晶性の低下が起こることを発見した。更に、本発明者は、アモルファスの第１バッファ層の層厚を５０ｎｍより大きくして、アモルファスの第１バッファ層上に第２バッファ層を積層すると、長距離クーロン力によるＳｉ基板からの結晶配列の情報がなくなって、アモルファスの第１バッファ層上の第２バッファ層がマルチドメイン構造（結晶性等の物性が異なる多数の領域から構成される構造）になって、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の結晶性の低下が起こることを発見した。一方、本発明者は、アモルファスの第１バッファ層の層厚を５ｎｍ以上５０ｎｍ以下にして、アモルファスの第１バッファ層上に第２バッファ層を積層すると、アモルファスの第１バッファ層上の第２バッファ層がシングルドメイン構造（結晶性等の物性が同じ一つの領域から構成される構造）になって、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置が結晶性が良くて電気的特性に優れたものになることを発見した。第１バッファ層の層厚の決定も、反射高速電子線回折（ＲＨＥＥＤ）パターンによる結晶性の評価から行った。５ｎｍ以下では第１バッファ層の回折パターンが完全なアモルファスパターンでないことから、５０ｎｍ以上では第２バッファ層の電子線回折パターンがマルチドメインとなることから、上限下限を決定している。
【００２６】
上記実施形態によれば、上記第１バッファ層の層厚を、５ｎｍ以上５０ｎｍ以下にして、アモルファスの第１バッファ層上に第２バッファ層を積層したので、第２バッファ層がシングルドメイン構造になって、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置が、結晶性が良くて電気的特性に優れたものになる。
【００２７】
また、一実施形態の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の製造方法は、上記第１バッファ層成長工程では、プラズマ励起した窒素を使用する分子線エピタキシー法を用いて、上記第１バッファ層を成長させることを特徴としている。
【００２８】
上記実施形態によれば、プラズマ励起した窒素を用いる分子線エピタキシー法、すなわち、高周波（ＲＦ）を使用する分子線エピタキシー法であるＲＦ−ＭＢＥ法で窒素をプラズマ励起させる方法、または、電子サイクロトロン共鳴（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ  ：  ＥＣＲ）を使用する分子線エピタキシー法であるＥＣＲ−ＭＢＥ法で窒素をプラズマ励起させる方法を用いて、上記第１バッファ層を成長させるので、３００℃以下の成長温度でアモルファスの窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を成長させることができる。したがって、上記アモルファスの第１バッファ層の性質が、Ｓｉ基板の立方晶の性質を遮断できて第２バッファ層の結晶構造にも影響を及ぼさない良好なものになる。尚、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、あるいは、アンモニアを分解させるために最低限４５０℃の基板温度を必要とするアンモニア（ＮＨ３）を用いたガスソース分子線エピタキシー法（ＧＳＭＢＥ）の場合、３００℃より大きい高温の基板温度を必要とするので、第１バッファ層を成長させる方法としては不適当である。
【００２９】
また、一実施形態の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の製造方法は、上記第２バッファ層以降の層を有機金属気相成長法またはアンモニアを用いた分子線エピタキシー法を用いて成長させることを特徴としている。
【００３０】
本発明者は、基板より上方の全ての層を、ＲＦ−ＭＢＥを用いて成長させた場合と、第１バッファ層をＲＦ−ＭＢＥを用いて成長させると共に、第２バッファ層以降の層をアンモニアを用いてＧＳＭＢＥで高温で成長させた場合の二通りにおいて、第２バッファ層上に形成したヘテロ構造中のバリア層の転位密度を調べた。また、本発明者は、第２バッファ層上に形成したヘテロ構造中のバリア層のＳｉ濃度を変化させることによって変化させたバリア層のシートキャリア濃度と、キャリアの移動のし易さの尺度となる移動度との関係を調べた。その結果、第１バッファ層をＲＦ−ＭＢＥを用いて成長させると共に、第２バッファ層以降の層をアンモニアを用いたＧＳＭＢＥで成長させた場合のバリア層は、上記全ての層をＲＦ−ＭＢＥを用いて成長させた場合のバリア層よりも、１桁以上小さな転位密度を有し、かつ、低いシートキャリア濃度において大きな移動度を示すことを発見した。このことから、本発明者は、ＲＦ−ＭＢＥ法（またはＥＣＲ−ＭＢＥ法）を用いて窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を成長させる場合には、第２バッファ層以降の層が、基板あるいは第１バッファ層の結晶性を引きずって成長して、第２バッファ層以降の層の結晶構造が悪化することを見出す一方、アンモニアを使用したＧＳＭＢＥ法（またはＭＯＣＶＤ法）を用いて第２バッファ層以降の層を成長させる場合には、第２バッファ層以降の層の成長モードを、基板あるいは第１バッファ層の結晶性と独立なグレイン成長にできて、大きなグレインを成長させて転位密度を低減できることを見出した。
【００３１】
上記実施形態によれば、ＭＯＣＶＤ法またはアンモニアを用いたＧＳＭＢＥ法を用いて、上記第２バッファ層以降の層を高温で成長させるので、上記第２バッファ層上に形成したヘテロ構造の転位密度を小さくできると共に、上記へテロ構造の移動度を大きくすることができる。したがって、電気的特性に優れたヘテロ構造を作製できる。
【００３２】
また、本発明の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置は、Ｓｉ基板上に形成され、アモルファスの窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第１バッファ層と、上記第１バッファ層上に形成され、単結晶の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第２バッファ層とを備えることを特徴としている。
【００３３】
上記窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置によれば、Ｓｉ基板上にアモルファスの窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第１バッファ層を備えるので、このアモルファスの窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第１バッファ層で、Ｓｉ基板の立方晶の性質を遮断でき、上記窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなり上記第１バッファ層上に形成される第２バッファ層に、Ｓｉ基板の立方晶の性質が波及するのを防止できる。したがって、上記第２バッファ層を構成する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の結晶を結晶性が略均一な単結晶にすることができる。
【００３４】
また、上記窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置によれば、Ｓｉ基板の上方に結晶性が略均一な単結晶の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を形成することが容易になり、この単結晶の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層に光導波路などを形成することが可能になる。この場合、単結晶の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層に光導波路を形成するので、光導波路の光伝達損失を低減できる。そして、この光伝達損失が小さい高品質の光導波路を有する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置と光デバイスの集積化の実現が可能になる。
【００３５】
また、一実施形態の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置は、上記第２バッファ層上にヘテロ構造を備えることを特徴としている。
【００３６】
上記実施形態によれば、結晶性が略均一な単結晶の上記第２バッファ層上にヘテロ構造を形成するので、移動度等の電気的特性に優れたヘテロ構造を形成することができ、電気的特性に優れた高品質な窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置を実現できる。
【００３７】
また、上記実施形態によって、ヘテロ構造を備える窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体電子デバイスとヘテロ構造を備える窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体光デバイスのうちの少なくとも一方のデバイスと、Ｓｉデバイスとの集積化が可能になる。
【００３８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置および窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の製造方法を図示の実施形態により詳細に説明する。
【００３９】
（第１実施形態）
図１は、この発明の第１実施形態の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の製造方法を用いて窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置を製造するときの要部の工程図である。
【００４０】
先ず、図１（Ａ）に示す第１バッファ層成長工程を行う。この工程では、Ａｌのビーム強度を２．０×１０−７Ｔｏｒｒ、窒素流量を１．４ｓｃｃｍ、ＲＦパワーを２００Ｗ、Ｓｉ基板の基板温度を略２００℃に設定して、成長方法としてＲＦ（高周波）プラズマを用いるＲＦ−ＭＢＥ（分子線エピタキシー）法を用いて、Ｓｉ基板１の（１００）面上に膜厚が２０ｎｍになるまでアモルファスのＡｌＮからなる第１バッファ層３を成長させる。
【００４１】
次に、図１（Ｂ）に示す第２バッファ層成長工程を行う。この工程では、Ａｌのビーム強度を２．０×１０−７Ｔｏｒｒ、窒素流量を１．４ｓｃｃｍ、ＲＦパワーを２００Ｗに設定すると共に、Ｓｉ基板の基板温度を第１バッファ層成長工程から上昇させてＳｉ基板の基板温度を略８００℃に設定して、成長方法としてＲＦ（高周波）プラズマを用いるＲＦ−ＭＢＥ（分子線エピタキシー）法を用いて、上記第１バッファ層３上に、膜厚が１００ｎｍになるまで単結晶のＡｌＮ層からなる第２バッファ層５を高温で成長させる。
【００４２】
図２（Ａ）は、上記窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の要部のＳｉの｛２０２｝面とＡｌＮの｛０１−１３｝面のφスキャンＸ線回折結果を示す図である。この図２（Ａ）（および以下に説明する図２（Ｂ））において、縦軸は回折強度（任意単位）、横軸は角度φ（度）を表わしている。
【００４３】
図２（Ａ）に示すように、Ｓｉ基板の（１００）面上にアモルファスのＡｌＮのバッファ層を成長させた後、単結晶のＡｌＮのバッファ層を成長させる場合には、ＡｌＮ｛０１−１３｝面のφスキャンＸ線回折結果に、３つの回折強度のピークのみが現れる。これは、Ｓｉ基板１の（１００）面上にアモルファスのＡｌＮからなる第１バッファ層３を介してＡｌＮからなる第２バッファ層５を成長させる場合には、Ｓｉ基板１とＡｌＮの第２バッファ層５の間に挿入されるアモルファスの第１バッファ層３のおかげで、Ｓｉ基板１の影響が第２バッファ層５に及ばなくなり、アモルファスの第１バッファ層３上に積層された第２バッファ層５が、単結晶のシングルドメイン構造になるからである。このことから、Ｓｉ基板１の（１００）面上にアモルファスの第１バッファ層３を成長させた後、単結晶の第２バッファ層５を成長させる場合には、単結晶で結晶性が良い第２バッファ層５を生成でき、この結晶性が良い第２バッファ層５上に形成されるヘテロ構造等の構造の電気的特性を優れたものにすることができる。
【００４４】
図２（Ｂ）は、Ｓｉ基板の（１００）面上に、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族半導体であるＡｌＮのバッファ層を直接成長させた窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族半導体装置のＳｉの｛２０２｝面とＡｌＮの｛０１−１３｝面のφスキャンＸ線回折結果を示す図である。この窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族半導体装置は、Ａｌのビーム強度を２．０×１０−７Ｔｏｒｒ、窒素流量を１．４ｓｃｃｍ、ＲＦパワーを２００Ｗに設定して、成長方法としてＲＦ（高周波）プラズマを用いるＲＦ−ＭＢＥ（分子線エピタキシー）法を用いることによって、製造されている。
【００４５】
図２（Ｂ）に示すＳｉ基板の（１００）面上に直接ＡｌＮのバッファ層を成長させる場合には、Ｓｉ基板の基板温度が略８００℃の状態で、Ｓｉ基板上に膜厚が１００ｎｍになるまでＡｌＮのバッファ層を成長させている。
【００４６】
図２（Ｂ）に示すように、Ｓｉ基板上にＡｌＮを直接成長させる場合には、ＡｌＮの｛０１−１３｝面のφスキャンＸ線回折結果（０°≦φ＜３６０°）に、６つの回折強度のピークが現れる。これは、Ｓｉ基板上にＡｌＮを直接成長させる場合には、立方晶のＳｉ基板の影響がＡｌＮのバッファ層に及んで、本来成長層として六方晶が安定なＡｌＮのバッファ層に、立方晶の性質が波及するからであり、以下の式（１）に示すように、ＡｌＮの集合結晶方位＜０１−１０＞と、ＡｌＮの集合結晶方位＜−２１１０＞とが、Ｓｉの個別の結晶方位［０１１］に平行になるからである。
＜０１−１０＞ＡｌＮ  ／／  ＜−２１１０＞ＡｌＮ  ／／  ［０１１］Ｓｉ    ・・・（１）
【００４７】
つまり、Ｓｉ基板上にＡｌＮを直接成長させる場合には、Ｓｉ基板の原子配列の影響によって、ＡｌＮのバッファ層に異なる２つのドメインが安定に存在し、ＡｌＮのバッファ層がダブルドメイン構造になって、ＡｌＮ｛０１−１３｝面のφスキャンＸ線回折結果に、１つのドメインに対して３つ現れる回折強度のピークが、６つ現れるのである。このことから、Ｓｉ基板上にＡｌＮのバッファ層を直接成長させる場合には、ＡｌＮのバッファ層が単結晶にならず、ＡｌＮのバッファ層の結晶性が悪くて、この結晶性が悪いＡｌＮのバッファ層上に形成されるヘテロ構造の電気的特性が悪くなるのである。
【００４８】
本発明者は、更に、ガスソース分子線エピタキシ法（ＧＳＭＢＥ法）によって、Ｓｉ基板の基板温度を略４５０℃にして、Ｓｉ基板上に多結晶のバッファ層を成長させた後、この多結晶のバッファ層上に、高温でＡｌＮのバッファ層を成長させた場合における、上記ＡｌＮのバッファ層のＸ線回折強度をω−２θスキャンを用いて測定した。この結果、上記ＡｌＮのバッファ層においては、｛０００１｝面や｛０−１０３｝面等のさまざまな結晶面で強められたＸ線回折強度のピークが確認され、上記ＡｌＮのバッファ層が多結晶に近い状態になっていることが確認できた。
【００４９】
上記第１実施形態の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の製造方法によれば、Ｓｉ基板１上にアモルファスのＡｌＮからなる第１バッファ層３を成長させる第１バッファ層成長工程を備えるので、アモルファスのＡｌＮからなる第１バッファ層３でＳｉ基板１の立方晶の性質を遮断できる。したがって、上記第１バッファ層成長工程の後に行われる第２バッファ層成長工程で、第１バッファ層３上に形成されるＡｌＮからなる第２バッファ層５に、Ｓｉ基板１の立方晶の性質が波及するのを防止できて、ＡｌＮからなる第２バッファ層５を結晶構造が略均一な単結晶にすることができる。
【００５０】
また、上記第１実施形態の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の製造方法によれば、上記Ｓｉ基板１のＳｉ（１００）面に第１バッファ層３を成長させるので、Ｓｉ基板のＳｉ（１００）面を用いるＳｉ系デバイス（特に、Ｓｉ系ＣＭＯＳ）を、上記第１バッファ層３が成長させられるＳｉ基板１のＳｉ（１００）面に作製できて、Ｓｉ系デバイスと窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の集積化を容易に行うことができる。
【００５１】
また、上記第１実施形態の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の製造方法によれば、第１バッファ層成長工程では、Ｓｉ基１の温度が略２００℃の状態で、ＡｌＮからなる第１バッファ層３を成長させるので、第１バッファ層３がＳｉ基板１の立方晶の性質を遮断できて、かつ、ＡＩＮの第２バッファ層５の結晶構造にも影響を及ぼさない高品質なものになる。
【００５２】
また、上記第１実施形態の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の製造方法によれば、第１バッファ層成長工程では、高周波（ＲＦ）を使用する分子線エピタキシー法であるＲＦ−ＭＢＥ法で窒素をプラズマ励起させる方法を用いて、ＡＩＮの第１バッファ層３を成長させたので、２００℃等の３００℃以下の成長温度でアモルファスのＡＩＮの第１バッファ層３を成長させることができる。
【００５３】
また、上記第１実施形態の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の製造方法によれば、第１バッファ層成長工程では、ＡｌＮからなる第１バッファ層３の層厚を略２０ｎｍにして、アモルファスの第１バッファ層３上に第２バッファ層５を積層したので、ＡｌＮからなる第２バッファ層５をシングルドメイン構造にすることができて、結晶性が良くて電気的特性に優れた窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置を形成することができる。
【００５４】
尚、上記第１実施形態の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の製造方法の第１バッファ層成長工程では、Ｓｉ基板１の基板温度が略２００℃の状態で、Ｓｉ基板１上に第１バッファ層の一例としてのアモルファスのＡｌＮからなる第１バッファ層３を成長させたが、Ｓｉ基板の基板温度を５０℃以上３００℃以下にして、第１バッファ層の一例としてのアモルファスのＡｌＮのバッファ層を成長させても、Ｓｉ基板の基板温度が略２００℃の場合と同様の作用効果を奏する。尚、Ｓｉ基板の基板温度を３００℃より大きくしてＳｉ基板上にアモルファスのＡｌＮのバッファ層を成長させると、アモルファスのＡｌＮのバッファ層に多結晶化が生じ、このアモルファスのＡｌＮのバッファ層上のＡｌＮのバッファ層が、ダブルドメイン構造になることが確認されている。また、第１バッファ層として、アモルファスのＧａＮバッファ層を採用した場合、アモルファスのＧａＮバッファ層の成長温度を５０℃より小さくすると、Ｇａと窒素が反応しなくて、アモルファスのＧａＮバッファ層を形成できないことがわかっている。
【００５５】
また、上記第１実施形態の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の製造方法の第１バッファ層成長工程では、Ｓｉ基板上に膜厚が２０ｎｍの第１バッファ層の一例としてのアモルファスのＡｌＮのバッファ層を成長させたが、Ｓｉ基板上に膜厚が５ｎｍ以上５０ｎｍ以下の第１バッファ層の一例としてのアモルファスのＡｌＮのバッファ層を成長させても、膜厚が２０ｎｍの場合と同様の作用効果を奏する。尚、アモルファスのＡｌＮの第１バッファ層の層厚を５ｎｍよりも小さくして、アモルファスのＡｌＮの第１バッファ層上にＡｌＮのバッファ層を積層すると、成長温度が高温である第２バッファ層成長工程以降の工程時に、アモルファスのＡｌＮの第１バッファ層がアニールされて、このアモルファスのＡｌＮの第１バッファ層の多結晶化が起こり、アモルファスのＡｌＮの第１バッファ層上のＡｌＮの第２バッファ層がダブルドメイン化することが確認されている。また、アモルファスのＡｌＮの第１バッファ層の層厚を５０ｎｍよりも大きくして、アモルファスのＡｌＮの第１バッファ層上にＡｌＮの第２バッファ層を積層すると、長距離クーロン力によるＳｉ基板からの結晶配列の情報がなくなって、アモルファスのＡｌＮの第１バッファ層上のＡｌＮの第２バッファ層がマルチドメイン化することが確認されている。
【００５６】
また、上記第１実施形態の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の製造方法の第１バッファ層成長工程では、Ｓｉ基板１上に、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の一例としてのＡｌＮからなるアモルファスの第１バッファ層３を成長させたが、本発明の第１バッファ層成長工程では、Ｓｉ基板上に、アモルファスのＧａＮ層やアモルファスのＩｎＮ層等のアモルファスの窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させても良く、この場合も、Ｓｉ基板１上に、ＡｌＮからなるアモルファスの第１バッファ層３を成長させた場合と同様の作用効果を奏する。
【００５７】
また、上記第１実施形態の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の製造方法の第１バッファ層成長工程では、高周波（ＲＦ）を使用する分子線エピタキシー法であるＲＦ−ＭＢＥ法で窒素をプラズマ励起させる方法を用いて、３００℃以下の成長温度でアモルファスの第１バッファ層３を成長させたが、本発明の第１バッファ層成長工程では、電子サイクロトロン共鳴（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ  ：  ＥＣＲ）を使用する分子線エピタキシー法であるＥＣＲ−ＭＢＥ法で窒素をプラズマ励起させる方法を用いて３００℃以下の成長温度でアモルファスの第１バッファ層を成長させても良く、この場合も、高周波（ＲＦ）を使用する分子線エピタキシー法を用いた場合と同様の作用効果を奏する。
【００５８】
また、上記第１実施形態の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の製造方法の第２バッファ層成長工程では、第１バッファ層３上に、単結晶のＡｌＮからなる第２バッファ層５を成長させたが、本発明の第２バッファ層成長工程では、第１バッファ層上に、単結晶のＧａＮ層や単結晶のＩｎＮ層等の単結晶の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させても良く、この場合も、Ｓｉ基板上に、単結晶のＡｌＮ層を成長させる場合と同様の作用効果を奏する。
【００５９】
（第２実施形態）
図３は、本発明の第２実施形態の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の製造方法を用いて製作された窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の要部を示す図である。
【００６０】
図３において、３１はＳｉ基板、３２はアモルファスのＡｌＮの第１バッファ層（膜厚２０ｎｍ）、３３は単結晶のＡｌＮの第２バッファ層（膜厚１００ｎｍ）、３４はＧａＮ層（バックグラウンドキャリア濃度１０１６ｃｍ−３以下、膜厚３μｍ）、３５はＡｌＧａＮ層（膜厚３０ｎｍ）である。尚、上記第１実施形態の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置と同様に、上記アモルファスのＡｌＮ第１バッファ層３２は、Ｓｉ基板３１の（１００）面に形成されている。
【００６１】
上記第２実施形態の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の要部は、第１バッファ層成長工程をＲＦ−ＭＢＥで行うと共に、第２バッファ層成長工程以降をＧＳＭＢＥで行って製造されている。上記要部の第１バッファ層３２は、第１バッファ層成長工程の半導体材料および成長条件を、上記第１実施形態の半導体材料および成長条件と同等に設定して、Ｓｉ基板３１上に成長させられ、第２バッファ層３３は、第２バッファ層成長工程の半導体材料および成長条件を、Ａｌのビーム強度を１．９×１０−７Ｔｏｒｒ、ＨＮ３の流量を２０ｓｃｃｍ、Ｓｉ基板温度を９００℃に設定して、単結晶のＡｌＮを用いて第１バッファ層３２上に成長させられている。更に、へテロ構造作製工程を、Ｇａのビーム強度を６．０×１０−７Ｔｏｒｒ、Ａｌのビーム強度を６×１０−８Ｔｏｒｒ、ＮＨ３流量を３０ｓｃｃｍ、基板温度を８５０℃に夫々設定して、膜厚が２μｍのＧａＮ層３４と、膜厚が３０ｎｍのＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ３５をこの順に成長させて行っている。
【００６２】
上記第２実施形態の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の要部は、第２バッファ層成長工程で、単結晶のＡｌＮからなる第２バッファ層３３をＧＳＭＢＥ法を用いて形成した点と、ヘテロ構造作製工程で、上記単結晶のＡｌＮからなる第２バッファ層上３３に、ヘテロ構造の一例としてのＧａＮ層３４とＡｌＧａＮ層３５をアンモニアを使用したＧＳＭＢＥ法を用いてこの順に成長させた点のみが第１実施形態の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置と本質的に異なる。
【００６３】
上記第２実施形態の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置では、上記第１実施形態の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置と同様の構成、作用効果および変形例については記載を省略し、上記第１実施形態の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置と異なる構成、作用効果および変形例のみを記載することにする。
【００６４】
本発明者は、比較のために、本発明の第２実施形態の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の製造方法を用いて窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置を製作した場合（すなわち、第１バッファ層成長工程をＲＦ−ＭＢＥ法で行うと共に、第２バッファ層成長工程以降をＧＳＭＢＥで行って窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置を作製した場合）と、第１バッファ層成長工程、第２バッファ層成長工程およびへテロ構造作製工程の全ての工程を、ＲＦ−ＭＢＥ法で行って窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置を作製した場合の二通りにおいて、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の要部の電気的特性の比較を行った。
【００６５】
尚、上記全ての工程をＲＦ−ＭＢＥで行う場合、第１バッファ層成長工程および第２バッファ層成長工程では、半導体材料および成長条件を、上記第１実施形態の第１バッファ層成長工程および第２バッファ層成長工程の半導体材料および成長条件と同等にし、ヘテロ構造作製工程では、基板温度を７５０℃、Ｇａのビーム強度を６．０×１０−７Ｔｏｒｒ、Ａｌのビーム強度を６×１０−８Ｔｏｒｒ、窒素流量を２．２ｓｃｃｍ、ＲＦパワーを４５０Ｗにして、ＧａＮおよびＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎを、ＧａＮおよびＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎの膜厚がそれぞれ２μｍと３０ｎｍになるまで成長させた。
【００６６】
そして、上記条件において、上記両方の場合で、最上層のＡｌＧａＮバリア層のＳｉ濃度を変化させてこのＡｌＧａＮバリア層のシートキャリア濃度を変化させ、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の移動度がどのように変化するかを調べた。図４に、それぞれのシートキャリア濃度と移動度との関係を示す。図４において、白丸はＧＳＭＢＥ法とＲＦ−ＭＢＥ法を組み合わせて製作された窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の要部に対する測定点であり、黒丸はＲＦ−ＭＢＥ法のみで作製した窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の要部に対する測定点である。
【００６７】
図４に白丸で示すＲＦ−ＭＢＥとＧＳＭＢＥを組み合わせたものは、図４に黒丸で示すＲＦ−ＭＢＥ法のみで作製したものよりも、低いシートキャリア濃度で大きな移動度を示している。これは、ＧＳＭＢＥ法とＲＦ−ＭＢＥ法とを組み合わせた場合の転位密度が２×１０９ｃｍ−２であり、ＲＦ−ＭＢＥ法のみで作製した場合の転位密度の値４×１０１０ｃｍ−２よりも、転位密度が１桁以上小さくなっているからである。
【００６８】
上記第２実施形態の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の製造方法によれば、純度が高い単結晶のＡｌＮで構成された第２バッファ層３３上に、上記ヘテロ構造作製工程でＧａＮ層３４およびＡｌＧａＮ層３５からなるヘテロ構造を形成するので、第２バッファ層３３上に作製されるヘテロ構造を電気的特性に優れた高品質なものにすることができて、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の電気的特性を優れたものにすることができる。
【００６９】
また、上記第２実施形態の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の製造方法によれば、アンモニアを用いたＧＳＭＢＥ法を用いて、上記第２バッファ層以降の層を高温で成長させるので、第２バッファ層上に形成したヘテロ構造の転位密度を小さくできると共に、上記へテロ構造の移動度を大きくすることができる。したがって、電気的特性に優れたヘテロ構造を作製できる。
【００７０】
尚、上記第２実施形態の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の製造方法では、第２バッファ層成長工程で、アンモニアを用いたＧＳＭＢＥ法を使用して、第１バッファ層３２上に、単結晶のＡｌＮからなる第２バッファ層３３を形成したが、本発明の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の製造方法では、第２バッファ層成長工程で、アンモニアを用いたＧＳＭＢＥ法を使用して、第１バッファ層上に、単結晶のＧａＮや単結晶のＩｎＮ等の単結晶の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第２バッファ層を形成しても良い。
【００７１】
また、上記第２実施形態の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の製造方法では、ヘテロ構造作製工程で、アンモニアを使用したＧＳＭＢＥを用いて、ＧａＮ層３４およびＡｌＧａＮ層３５を第２バッファ層３３上にこの順で形成したが、本発明の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の製造方法では、ヘテロ構造作製工程で、アンモニアを使用したＧＳＭＢＥを用いて、ＧａＮ層とＡｌＧａＮ層からなるヘテロ構造以外の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のヘテロ構造を第２バッファ層上に形成しても良く、この場合も、ヘテロ構造の電気的特性を優れたものにすることができる。
【００７２】
また、上記第２実施形態の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の製造方法では、第２バッファ層形成工程およびヘテロ構造作製工程を、アンモニアを使用したＧＳＭＢＥを用いて行ったが、本発明の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の製造方法では、第２バッファ層形成工程およびヘテロ構造作製工程を、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を用いて行っても良く、この場合も、第２バッファ層形成工程およびヘテロ構造作製工程を、アンモニアを使用したＧＳＭＢＥを用いて行う場合と同様の作用効果を奏する。
【００７３】
図５は、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の一例としてのヘテロ構造電界効果型トランジスター（ＨＦＥＴ）（あるいは高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ））の層構造を示す図である。図５の５１から５５の層構造は、図３に示す第２実施形態の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の要部の３１から３５の層構造と同一である。図５において、５６はＨｆ（ハフニウム）ソース／ドレイン電極、５７はＰｄ（パラジウム）ゲート電極を示している。尚、上記ＨＦＥＴを、ゲート長Ｌｇを、０．５μｍにし、かつ、ゲート幅Ｗｇを、１０ｍｍにして作製している。
【００７４】
本発明者は、５１から５５までの装置の要部を、ＲＦ−ＭＢＥのみで成長させた場合、第１バッファ層をＲＦ−ＭＢＥで成長させた後、第２バッファ層以降の層をＧＳＭＢＥで成長させた場合および第１バッファ層をＲＦ−ＭＢＥで成長させた後、第２バッファ層以降の層をＭＯＣＶＤで成長させた場合の３通りについて、ＨＦＥＴの電気的特性を調べた。
【００７５】
詳細には、ＲＦ−ＭＢＥのみで成長させた場合の成長条件を、第２実施形態で第２実施形態との比較のために用いられた全ての工程をＲＦ−ＭＢＥで行う場合の成長条件と同一な成長条件にし、また、第１バッファ層をＲＦ−ＭＢＥで成長させた後、第２バッファ層以降の層をＧＳＭＢＥで成長させた場合の成長条件を、第２実施形態の成長条件と同一な成長条件にした。また、第１バッファ層をＲＦ−ＭＢＥで成長させた後、第２バッファ層以降の層をＭＯＣＶＤで成長させた場合の条件については、第１バッファ層の成長条件を、全ての工程をＲＦ−ＭＢＥで行う場合の第１バッファ層の成長条件と同一にし、第２バッファ層である単結晶のＡｌＮを、Ａｌの原料源である（トリメチルアルミＴＭＡ）の流量を５ｓｃｃｍ、Ｎの原料源であるＨＮ３の流量を５ｓｌｍ、基板温度を１１００℃にして成長させて、この第２バッファ層上のＧａＮ層を、Ｇａの原料源である（トリメチルガリウムＴＭＧ）の流量を、４０ｓｃｃｍ、基板温度を１０００℃にして成長させた。また、ＧａＮ層上のＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎを、ＴＭＡの流量を５ｓｃｃｍ、ＴＭＧの流量を２５ｓｃｃｍ、ＮＨ３の流量を６ｓｌｍにして成長させた。
【００７６】
表１に、上記３通りの方法で製作した夫々のＨＦＥＴにおける、略１．０×１０１３ｃｍ−２程度のシートキャリア濃度に対する移動度を示す。
【００７７】
【表１】
2004235193.tif 000003
【００７８】
表１に示すように、ＲＦ−ＭＢＥのみで成長させた場合、移動度が、３００ｃｍ２／Ｖｓで最も小さくなる一方、ＲＦ−ＭＢＥとＧＳＭＢＥを組み合わせて成長させた場合、移動度が、９５０ｃｍ２／Ｖｓで、ＲＦ−ＭＢＥのみで成長させた場合の３００ｃｍ２／Ｖｓよりもかなり大きくなっている。また、ＲＦ−ＭＢＥとＭＯＣＶＤを組み合わせて成長させた場合においては、移動度が１２００ｃｍ２／Ｖｓと、ＲＦ−ＭＢＥのみで成長させた場合の３００ｃｍ２／Ｖｓよりも飛躍的に大きくなっている。
【００７９】
このことから、本発明者は、第１バッファ層成長工程、第２バッファ層成長構成およびへテロ構造作製工程の全てをＲＦ−ＭＢＥを用いて行った場合、製作したＨＦＥＴの電気的特性が悪いことを見出す一方、第１バッファ層成長工程をＲＦ−ＭＢＥを用いて行うと共に、第２バッファ層成長工程およびへテロ構造製作工程をＧＳＭＢＥを用いて行った場合、ＨＦＥＴの電気的特性が良好になることを見出した。更に、本発明者は、第１バッファ層成長工程をＲＦ−ＭＢＥを用いて行うと共に、第２バッファ層成長工程およびへテロ構造製作工程をＭＯＣＶＤを用いて行った場合、ＨＦＥＴの電気的特性が最も優れたものになることを発見した。
【００８０】
表２に、上記３通りの方法で製作した夫々のＨＦＥＴにおける、ＨＦＥＴの相互コンダクタンスｇｍおよび最大発振周波数ｆｍａｘを示す。
【００８１】
【表２】
2004235193.tif 000004
【００８２】
表２に示すように、相互コンダクタンスおよび最大発信周波数の値は、ＲＦ−ＭＢＥのみで成長させた場合に最も小さくなる一方、ＲＦ−ＭＢＥとＧＳＭＢＥを組み合わせて成長させた場合に、ＲＦ−ＭＢＥのみで成長させた場合よりも飛躍的に大きくなっている。また、ＲＦ−ＭＢＥとＭＯＣＶＤを組み合わせて成長させた場合に、相互コンダクタンスｇｍおよび最大発信周波数ｆｍａｘの値が一番大きくなっている。
【００８３】
これは、ＨＦＥＴの結晶性を反映する表１に示す移動度によって、ＨＦＥＴの電気的特性が大きく異なるからであり、移動度が大きいときに、ｇｍおよびｆｍａｘの値が、電気的特性に優れることを意味する大きな値になるからである。尚、大きなｆｍａｘを有するＨＦＥＴ等の半導体素子は、マイクロ波デバイスの応用に非常に有効である。
【００８４】
（第３実施形態）
図６（Ａ）は、本発明の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置を用いた送信機のブロックダイアグラムであり、６９はミキサー、６０はミキサーの発信部、６１はミキサーの発信回路ブロック、６７はフィルター、６３はパワーアンプである。図６（Ｂ）は、図６（Ａ）の送信器ブロックダイアグラムに６１で示す、ミキサー６９の発信回路ブロック（ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ  Ｌｏｃｋｅｄ  Ｌｏｏｐ）回路６６およびＶＣＯ（Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）回路６４）を構成するＳｉ系ＣＭＯＳデバイスの拡大断面図である。また、図６（Ｃ）は、図６（Ａ）に示すパワーアンプ６３に用いられる本発明の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置としてのＨＥＭＴの拡大断面図である。尚、図６（Ｂ）および図６（Ｃ）に示す６５は、同じＰ型Ｓｉ基板の基板表面を示している。
【００８５】
ＣＭＯＳ自身の特性は、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の成長が容易なＳｉの（１１１）面上に作製するよりも、Ｓｉの（１００）面に作製するほうが優れていることが明らかとなっている。そして、Ｓｉ基板の（１００）面を用いて窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を生成すると、図６（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）に示すように、ＣＭＯＳ等のＳｉデバイスと本発明の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置を用いたＨＥＭＴを同一基板上に形成することができて、Ｓｉデバイスと本発明を用いたＨＥＭＴとの集積化を実現できる。
【００８６】
（第４実施形態）
図７は、本発明の第４実施形態の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置としての光デバイスと電子デバイスを集積化したユニットの斜視図である。図７に示すように、このユニットは、Ｓｉ基板７０の図７における右方に形成された光導波路７１，７１，７１と、図７における左方に形成されたＳｉフォトディテクタ７４，７４，７４と備えている。上記光導波路７１，７１，７１は、Ｓｉ基板７０上にアモルファスの第１バッファ層と単結晶の第２バッファ層を順次形成した後、上記第２バッファ層の上方に形成される略単結晶の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層に形成されている。上記第４実施形態の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置と、Ｓｉフォトディテクタ７４，７４，７４とは、共通のＳｉ基板７０の（１００）面上に形成されて組み合わされている。
【００８７】
上記Ｓｉフォトディテクタ７４，７４，７４は、Ｓｉフォトダイオード７２，７２，７２とＳｉトランジスタ７３，７３，７３とを備えている。Ｓｉ基板上に多結晶の光導波路を作製することは簡単であるが、Ｓｉ基板上に光の伝達損失を減少させる作用効果を有する単結晶の光導波路を作製することは容易ではない。しかしながら、本発明の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の製造方法を用いれば、Ｓｉ基板の上方に単結晶の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を形成できるので、Ｓｉ基板の上方に容易く単結晶の光導波路を作製できて、Ｓｉ基板上に多結晶の光導波路を形成したときよりも光の伝達損失を低減できる。このように、本発明の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の製造方法を用いれば単結晶の光導波路を作製することができるので、本発明の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置を備えた高品質の電子デバイスと光デバイスとの集積化を実現できる。
【００８８】
（第５実施形態）
図８に、本発明の第５実施形態の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置としてのＬＥＤ（例えば、白色ＬＥＤ）８１と、ＬＥＤ８１を駆動する電子デバイスである駆動回路８２とを示す。上記ＬＥＤ８１と、駆動回路８２とは、共通のＳｉ基板の（１００）面上に形成されている。図８には、ＬＥＤ８１を配列したＬＥＤアレイが示されている。図８に示したＬＥＤ８１と駆動回路８２との組み合わせを、液晶ディスプレー等のバックライト等に用いることができる。
【００８９】
【発明の効果】
以上より明らかなように、本発明の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の製造方法によれば、Ｓｉ基板上にアモルファスの窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第１バッファ層を成長させる第１バッファ層成長工程を備えるので、この第１バッファ層成長工程で形成されたアモルファスの窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第１バッファ層で、Ｓｉ基板の立方晶の性質を遮断できる。したがって、上記第１バッファ層成長工程の後に行われる第２バッファ層成長工程で、上記第１バッファ層上に形成される窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体に、Ｓｉ基板の立方晶の性質が波及するのを防止できて、上記第２バッファ層を構成する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の結晶を純度が高い単結晶にすることができる。したがって、この純度が高い単結晶の第２バッファ層の上方に形成される層の結晶性を良好なものにすることができる。
【００９０】
また、本発明の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置によれば、Ｓｉ基板上に形成されたアモルファスの窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第１バッファ層で、上記窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第２バッファ層にＳｉ基板の立方晶の性質が波及するのを防止できて、上記第２バッファ層を構成する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の結晶を純度が高い単結晶にすることができる。また、上記第２バッファ層を構成する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の結晶を純度が高い単結晶にすることができるので、上記第２バッファ層上に作製されるヘテロ構造の電気的特性を優れたものにすることができて、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の電気的特性を、優れたものにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（Ａ）は、本発明の第１実施形態の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の製造方法の第１バッファ層成長工程を示す図であり、図１（Ｂ）は、本発明の第１実施形態の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の製造方法の第２バッファ層成長工程を示す図である。
【図２】図２（Ａ）は、本発明の第１実施形態の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の製造方法を用いて、Ｓｉ基板にアモルファスのＡｌＮ層を介してＡｌＮ層を成長させた場合のＡｌＮ層のＸ線φスキャンのφとＸ線回折強度の関係を示す図であり、図２（Ｂ）は、Ｓｉ基板にＡｌＮ層を直接成長させた場合のＡｌＮ層のＸ線φスキャンのφとＸ線回折強度の関係である。
【図３】本発明の第２実施形態の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の要部を示す図である。
【図４】Ｓｉ基板にアモルファスのＡｌＮ層を介してＡｌＮ層を成長させた場合、および、Ｓｉ基板にＡｌＮ層を直接成長した場合における、シートキャリア濃度とヘテロ構造の移動度との関係を示す図である。
【図５】第２実施形態の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の要部と同一構造の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の要部を有する本発明のＨＦＥＴを示す図である。
【図６】図６（Ａ）は、送信器ブロックダイアグラムであり、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）の送信器の一部分であるＳｉ系ＣＭＯＳデバイスの拡大図である。また、図６（Ｃ）は、図６（Ａ）の送信器の一部分であるＨＥＭＴの拡大図である。
【図７】本発明の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置を用いた光導波路と、Ｓｉフォトディテクタ・Ｓｉトランジスタとを、同一のＳｉ基板上に形成して組み合わせた状態を示す図である。
【図８】本発明の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置を用いたＬＥＤと、Ｓｉ駆動回路とを、同一のＳｉ基板上に形成して組み合わせた状態を示す図である。
【符号の説明】
１，３１，５１，６５，７０  Ｓｉ基板
２，３２，５２  第１バッファ層
３，３３，５３  第２バッファ層
３４，５４  ＧａＮ層
３５，５５  ＡｌＧａＮ層
５６  Ｈｆソース／ドレイン電極
５７  Ｐｄゲート電極
６３  パワーアンプ
６５  ＨＥＭＴ
７１  光導波路
８１  ＬＥＤ
【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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【図８】
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