(57)【要約】【課題】サファイアと窒化物半導体の間の界面準位を有効に低減させる窒化物半導体の製造方法を提供する。【解決手段】サファイア基板１の最表面にシリコン層２を成長し、その上に窒化物半導体層３を成長する。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
サファイア基板の最表面にシリコン層を成長し、その上に窒化物半導体層を成長することを特徴とする窒化物半導体の製造方法。
【請求項２】
上記シリコン層の厚さが０．５〜１０分子層であ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】
上記シリコン層の厚さがほぼ１分子層であ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４】
上記シリコン層の成長温度が４００〜１２００℃の範囲であることを特徴とする請求項請求項１〜３のいずれかに窒化物半導体の製造方法。
【請求項５】
上記窒化物半導体層の成長温度が６００〜１２００℃の範囲であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の窒化物半導体の製造方法。
【請求項６】
上記窒化物半導体層の厚さが０．５〜１０μｍ未満であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の窒化物半導体の製造方法。
【請求項７】
上記窒化物半導体層の厚さが１０〜５００μｍであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の窒化物半導体の製造方法。
【請求項８】
上記窒化物半導体層がＩｎｘＡｌｙＧａｚＮ（ｘ≧０、ｙ≧０、ｚ≧０、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表される窒化物半導体から成ることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の窒化物半導体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物半導体の製造方法、詳しくは界面準位の少ない窒化物半導体とサファイア界面を形成する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
窒化物半導体のエピタキシャル成長は、窒化物半導体のバルク単結晶基板を得ることが困難なため、通常、サファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ等の異種単結晶基板上に行われる。このなかでも、比較的安い基板価格、高いエピタキシャル層の特性、厚い臨界膜厚などのメリットの多いサファイア基板が、特に多く用いられている。
【０００３】
しかし、サファイアとＧａＮに代表される窒化物半導体は格子不整合が大きいため、その界面には１０１３／ｃｍ２ｅＶもの高密度の界面準位が形成される。これは、格子不整合が大きいため、すなわちそれぞれの材料の原子間隔が異なるため、界面においてダングリングボンドと呼ばれる未結合手が形成されてしまうことに起因している。
【０００４】
このような界面準位は、キャリアの非発光再結合中心として働き、非発光再結合の過程には発熱を伴う。このため、高密度の界面準位を持つ窒化物半導体／サファイア界面を有する窒化物半導体エピタキシャルウェハを、例えば光デバイスに応用した場合、界面準位をわずかしか持たないものと比較して、電流の利用効率が低下し（熱に転換されるキャリアの割合が高いため）、また極めて多量の熱を放出するため、結晶欠陥の発生、電極の劣化など多くの不都合を生じる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
すなわち、サファイア上に形成した窒化物半導体デバイスの高効率化、および、デバイス動作の安定性の向上のためには、サファイアと窒化物半導体界面の界面準位密度の低減が必要である。その手法としては、ＧａＡｓ系材料とシリコン酸化膜の界面準位を低減するために用いられている方法を類推して、サファイアと窒化物半導体の間に別の物質を挿入し、界面におけるダングリングボンドを終端し不活性させる方法が有効と考えられる。
【０００６】
しかしながら、従来、窒化物半導体に対しては、このようなダングリングボンドを終端し不活性させる挿入物質についての報告がなく、また基板とその上に成長するエピタキシャル層の界面を制御して界面準位の低減を試みた例もない。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、サファイアと窒化物半導体の間に別の物質を挿入して、界面準位を有効に低減させる窒化物半導体の製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。
【０００９】
本発明に係る窒化物半導体の製造方法は、サファイア基板の最表面にシリコン層を成長し、その上に窒化物半導体層を成長することを特徴とする（請求項１）。
【００１０】
本発明の窒化物半導体の製造方法においては、上記シリコン層の厚さが０．５〜１０分子層の範囲となるように形成するのがよい（請求項２）。これにより、窒化物半導体層の膜厚が例えば３μｍの場合の窒化物半導体／サファイア界面の界面準位密度を１０１２／ｃｍ２ｅＶ台以下とすることができるからである。特に、このシリコン層をほぼ１分子層の厚さとすると（請求項３）、例えば２×１０１１／ｃｍ２ｅＶという極めて小さい界面準位密度を実現することができる。
【００１１】
また本発明の窒化物半導体の製造方法においては、上記シリコン層の成長温度を４００〜１２００℃の範囲とするのがよい（請求項４）。これにより、例えばシリコン層の厚さが１分子層である場合に、界面準位密度を、シリコン層の無い場合（１０１３／ｃｍ２ｅＶ台）より低く（１０１２／ｃｍ２ｅＶ台以下）することができる。
【００１２】
また本発明の窒化物半導体の製造方法においては、上記窒化物半導体層の成長温度を６００〜１２００℃の範囲にするとよい（請求項５）。これにより、例えばシリコン層の厚さが１分子層である場合に、界面準位密度を、シリコン層の無い場合（１０１３／ｃｍ２ｅＶ台）より低く（１０１２／ｃｍ２ｅＶ台以下）することができる。
【００１３】
さらにまた本発明の窒化物半導体の製造方法においては、上記窒化物半導体層の厚さを０．５〜５００μｍとするのがよい。窒化物半導体層の膜厚が０．５μｍ未満の場合には、窒化物半導体の電気的・光学的特性に劣化がみられるからであり、また、窒化物半導体層の膜厚が５００μｍを越える場合には、成長時間が長くなりすぎるためである。このうち、請求項６は上記窒化物半導体層の厚さが０．５〜１０μｍ未満の範囲を、また請求項７は１０〜５００μｍの範囲を特定したものであり、特に前者の０．５〜１０μｍ未満の厚さ範囲とすると、低コストな窒化物半導体エピタキシャルウェハを得ることができる。
【００１４】
本発明の窒化物半導体の製造方法においては、上記窒化物半導体層がＩｎｘＡｌｙＧａｚＮ（ｘ≧０、ｙ≧０、ｚ≧０、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表される窒化物半導体を扱うことができる（請求項８）。その代表的な形態は上記窒化物半導体層がＧａＮから成る形態である。
【００１５】
なお、上記の製造方法により形成した窒化物半導体上へ窒化物半導体を成長して、窒化物半導体積層構造を形成することにより、光又は電子デバイス用の半導体ウェハを構成し、またこれを用いて所望の半導体デバイスを製作することができる。
【００１６】
この窒化物半導体の積層構造（デバイス構造）としては、短波長発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザ（ＬＤ）等の光デバイスの構造の他、高出力電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）や高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）、ヘテロ・バイポーラ・トランジスタ（ＨＢＴ）等の電子デバイスの構造がある。具体的には、例えばＬＥＤやＬＤなどを製造する場合には、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＧａＮなどを多層に積層し、発光層（活性層）をｎ型クラッド層およびｐ型クラッド層によりはさんだ構造を形成する必要がある。また、ＨＢＴにおいても、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＧａＮなどを多層に積層し、ｎｐｎあるいはｐｎｐ接合を形成する必要がある。
【００１７】
＜発明の要点＞
サファイアと窒化物半導体界面の界面準位を低減する手法としては、サファイアと窒化物半導体の間に別の物質を挿入し、界面におけるダングリングボンドを終端し不活性させる方法が考えられる。実際このような方法は、ＧａＡｓ系材料とシリコン酸化膜の界面準位を低減するために用いられており、一定の成功を収めている（“Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ＧａＡｓ　ａｎｄ　ＩｎＧａＡｓ　Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　ａｎｄ　Ｍｅｔａｌ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ　ｂｙ　Ｕｌｔｒａｔｈｉｎ　Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　Ｂｅａｍ　Ｅｐｉｔａｘｙ　Ｓｉ　Ｌａｙｅｒｓ”，Ｍ．Ａｋａｚａｗａ，Ｈ．Ｉｓｈｉｉ　ａｎｄ　Ｈ．Ｈａｓｅｇａｗａ，Ｊａｐａｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．３０，Ｎｏ．１２Ｂ，１９９１，ｐｐ．３７４４−３７４９．）。
【００１８】
しかしながら、窒化物半導体に対してはそのような報告はなく、また基板とその上に成長するエピタキシャル層の界面を制御し、そこでの界面準位の低減を試みた例は、窒化物半導体についてはもちろんのこと、ＧａＡｓ系においてもこれまで例がない。
【００１９】
本発明者等は上記の考えに基づき、サファイアと窒化物半導体の間に様々な物質を挿入し、界面準位の低減を試みた。その結果、図１に示すようにサファイア基板１と窒化物半導体層３の間にごく薄いシリコン層２を挿入することにより、界面準位を劇的に低減可能であることを見出し、本発明に至ったものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明による窒化物半導体の製造方法と、これにより得られる半導体ウェハならびに半導体デバイス製造の形態について説明する。
【００２１】
本発明による窒化物半導体の製造方法は、図１に示すように、サファイア基板１の最表面にシリコン層２を成長し、その上に窒化物半導体層３を成長するものである。以下の実施例はＭＯＶＰＥ成長（有機金属気相成長）に対しての例であるが、ＨＶＰＥ成長（ハイドライド気相成長）あるいはＭＢＥ成長（分子線エピタキシー）においても同様な結果を得ている。
【００２２】
＜実施例１＞
本実施例においては、その前提として、サファイア基板１をまず１１００℃で水素雰囲気中でクリーニングした後、その上にシリコン層２を、その膜厚につき０．０２〜１０００分子層と様々に変えて成長し、更にその上に窒化物半導体層３として、約３μｍのＧａＮ層を成長した。このうち、シリコン層２の膜厚が０．５分子層〜１０分子層の範囲にあるものが、本実施例１である。成長時の圧力、総ガス流量、温度は、シリコン層とＧａＮ層を通じて全て一定として、それぞれ、３００Ｔｏｒｒ、１００ｓｌｍ、１０２５℃である。シリコン層およびＧａＮ層成長中に供給した原料およびキャリアガスの種類と量を表１に示す。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
表１に示すように、上記シリコン層の膜厚を０．５分子層〜１０分子層の範囲で変更した。このシリコン層の成長中に供給した原料およびキャリアガスの種類と量は、ＩＶ族原料であるテトラエチルシラン（ＴＥＳｉ）を１０（μｍｏｌ／ｍ）とし、キャリアガスの水素／窒素の比率を０．３とした。また、このシリコン層上に形成したＧａＮ層は、膜厚を３μｍとし、その成長中に供給した原料およびキャリアガスの種類と量は、ＩＩＩ族原料であるトリメチルガリウムＴＭＧを６６０（μｍｏｌ／ｍ）、Ｖ族原料であるアンモニアを２０（ｓｌｍ）とし、キャリアガスの水素／窒素の比率を０．３とした。そして、成長時の圧力、総ガス流量、温度は、シリコン層とＧａＮ層を通じて全て一定として、それぞれ、３００Ｔｏｒｒ、１００ｓｌｍ、１０２５℃である。
【００２５】
図２に、ＧａＮ層の膜厚が３μｍの場合のサファイア／ＧａＮの界面準位密度のシリコン層膜厚依存性を示す。なお、界面準位密度はホトルミニセンスを用いたＳｕｒｆａｃｅ　Ｓｔａｔｅ　Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ法により求めている（参考文献：“Ｉｎ　Ｓｉｔｕ　Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｓｔａｔｅ　Ｓｐｅｒｃｔｒｏｓｃｏｐｙ　ｂｙ　Ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ　ｆｏｒ　Ｃｏｍｐｏｕｎｄ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ”，Ｔ．Ｓａｉｔｏｈ，Ｈ．Ｉｗａｄａｔｅ　ａｎｄ　Ｈ．ｈａｓｅｇａｗａ，Ｊａｐａｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．３０，Ｎｏ．１２Ｂ，１９９１，ｐｐ．３７５０−３７５４．）。
【００２６】
シリコン層の膜厚が０．５〜１０分子層の間（実施例１）で、界面準位密度が、１０１２／ｃｍ２ｅＶ台以下となっており、特にシリコン膜厚が１分子層の場合に、最小の界面準位密度である２×１０１１／ｃｍ２ｅＶを実現している。
【００２７】
＜実施例２＞
本実施例では、その前提として、実施例１のシリコン層が１分子層の場合において、シリコン層の成長温度を５０〜１３００℃の範囲で変化させた実験を行っている。その結果、シリコン層の成長温度が４００〜１２００℃の範囲内では、界面準位密度が、シリコン層の無い場合（１０１３／ｃｍ２ｅＶ台）より低い１０１２／ｃｍ２ｅＶ台以下となった。ことに、成長温度が９００〜１１００℃の範囲内では、界面準位密度が１×１０１２／ｃｍ２ｅＶ以下であり、また、１０００〜１０６０℃の範囲内では界面準位密度が５×１０１１／ｃｍ２ｅＶ以下にまで低減された。
【００２８】
＜実施例３＞
本実施例では、その前提として、実施例１のシリコン層が１分子層の場合において、シリコン層上に成長するＧａＮ層の成長温度を２００〜１３００℃の範囲で変化させた実験を行っている。その結果、ＧａＮ層の成長温度が６００〜１２００℃の範囲内では、界面準位密度が、シリコン層が無い場合（１０１３／ｃｍ２ｅＶ台）より低い１０１２／ｃｍ２ｅＶ台以下となった。ことに、成長温度が９５０〜１１００℃の範囲内では界面準位密度は３×１０１２／ｃｍ２ｅＶ以下であり、また、１０００〜１０５０℃の範囲内では界面準位密度は８×１０１１／ｃｍ２ｅＶ以下にまで低減された。
【００２９】
＜実施例４＞
上記実施例１〜３において、窒化物半導体層の膜厚としては０．５μｍ〜５００μｍの範囲、より実際的には１０μｍ〜５００μｍの範囲が好適である。下限を０．５μｍ以上としているのは、窒化物半導体層の膜厚が０．５μｍ未満の場合には、窒化物半導体の電気的・光学的特性に劣化がみられるからであり、また、上限を５００μｍとしているのは、窒化物半導体層の膜厚が５００μｍを越える場合には、成長時間が長くなりすぎるためである。窒化物半導体層の膜厚はこの０．５μｍ〜５００μｍの範囲が好適であるが、ことに、窒化物半導体層の膜厚が０．５μｍ〜１０μｍ未満の場合には、低コストな窒化物半導体エピタキシャルウェハとして好適である。
【００３０】
＜実施例５＞
本実施例では、実施例１で用いたのと同様な条件で、サファイア基板１上のシリコン層２を１分子層の膜厚とし、その上に窒化物半導体層３として、約２μｍのＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎを成長した。この場合には、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ／サファイアの界面準位密度は３×１０１２／ｃｍ２ｅＶであった。
【００３１】
＜実施例６＞
本実施例では、実施例１のシリコン層の厚さが１分子層である条件を用いて、その上にシリコンドープｎ型ＧａＮ層を３μｍ成長し、更にその上に厚さ３ｎｍのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎと５ｎｍのＧａＮ層からなる３重の量子井戸構造および、２００ｎｍのマグネシウムドープｐ型ＧａＮ層を成長し、ＬＥＤ構造エピタキシャルウェハを作製した。
【００３２】
比較のために、シリコン層を用いずに従来法により成長した同様な構造のエピタキシャルウェハも作製した。
【００３３】
これらのエピタキシャルウェハを用いて、ＬＥＤを作製しその特性を比較したところ、本発明によるＬＥＤは５００ｍＡ通電においても正常に動作したが、従来型のエピタキシャルウェハを用いたＬＥＤは２００ｍＡを超えたところで発熱のため、素子が壊れてしまった。また、１００ｍＡ通電時の発光強度は、本発明によるＬＥＤは約１０ｍＷであったのに対して、従来型のエピタキシャルウェハを用いたＬＥＤは、約４ｍＷであった。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による窒化物半導体の製造方法によれば、サファイア基板の最表面にシリコン層を成長し、その上に窒化物半導体層を成長するので、界面準位を低減して、従来以上にサファイアと窒化物半導体界面の界面準位が少ない窒化物半導体を成長することが可能となる。またこれを用いた光デバイスにおいては、発光効率および通電可能な電流値を大幅に高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の窒化物半導体の製造方法により得られる半導体ウェハの構造を示す図である。
【図２】本発明におけるサファイア基板とＧａＮの界面準位密度の、シリコン層の膜厚に対する依存性を示す図である。
【符号の説明】
１　サファイア基板
２　シリコン層
３　窒化物半導体層
【図１】
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【図２】
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