(57)【要約】【課題】一分子層レベルでの平坦性を有するエピタキシの実現が容易にできる窒化物系ヘテロ構造を有するデバイス及びその製造方法を提供する。【解決手段】本発明によるデバイスは、表面を窒化したｃ面サファイア基板１と、ＧａＮバッファ層２と、Ｎ極性ＧａＮ層３と、Ｎ極性ＡｌＮ層４と、Ｎ極性ＩｎＮ／ＩｎＧａＮ多重層デバイス構造５と、Ａｌ極性ＡｌＮ６と、ＧａＮキャップ層７とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
　ＩｎＮそれ自体又はＩｎＮを主成分とした窒化物系ヘテロ構造を有し、少なくとも一部について窒素極性表面又はそれと同様な特性を有する表面となる結晶を有することを特徴とする窒化物系ヘテロ構造を有するデバイス。
【請求項２】
　ＩｎＮそれ自体又はＩｎＮを主成分とした窒化物系ヘテロ構造を有するデバイスの製造方法であって、少なくとも一部について窒素極性表面又はそれと同様な特性を有する表面となる結晶を前記デバイスに形成することを特徴とする窒化物系ヘテロ構造を有するデバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は、ＩｎＮそれ自体又はＩｎＮを主成分とした窒化物系ヘテロ構造を有する光学的及び／又は電子的なデバイス（光通信用光源としての温度特性に優れた半導体レーザダイオード・発光ダイオード、フェムト秒領域の超高速光制御デバイス、共鳴トンネルダイオード、超高速・超省電力デバイスなど）並びにその製造方法に関するものである。本明細書中、ＩｎＮを主成分とするとは、材料中にＩｎＮを５０％以上含むことを意味するものとする。また、窒素極性表面又はそれと同様な特性を有する表面とは、例えば（００１）面や（１０１）面などのように、有極性で窒素極性となる表面、及びその表面から１０度以内で傾斜した表面を意味するものとする。
【背景技術】
【０００２】
　GaNを主成分とした窒化物半導体は、紫外から可視領域の発光素子及び超高速の電子デバイス用材料として利用可能である。近年、ＩｎＮのエネルギーバンドギャップが０．７ｅＶと従来の報告値よりも極めて小さいことが示され、ＩｎＮを含む窒化物系半導体が０．７ｅＶ程度までの極めて広いエネルギーバンドギャップをカバーできることがわかった。そのため、ＩｎＮそれ自体又はＩｎＮを主成分とした窒化物を含むデバイスは、きわめて広い温度範囲で使用可能で、多量の画像情報通信が必須となる近未来の超高速・超広帯光情報通信時代の光源や中継基地局の超高速・大電力増幅器などの基幹の光・電子デバイス材料として利用可能である。
【０００３】
　ＡｌＮ／ＧａＮ／ＩｎＮ系窒化物系半導体は、六方晶の結晶構造を有し、サファイヤやＳｉＣ基板等に形成される多数のデバイスは、結晶のｃ軸が基板表面にほぼ直交している。そのうちのＡｌＮやＧａＮのエピタキシでは、Ａｌ又はＧａのカチオン元素が成長表面方向になる結晶極性（＋ｃ極性）が、結晶成長制御及びデバイス構造制御において好ましい。しかしながら、ＩｎＮ及びＩｎＮを主成分とした窒化物系結晶のエピタキシへの結晶極性の影響は解明されておらず、一般に、ＧａＮなどと同様に窒化物計半導体全体を通じて＋ｃ極性が好ましいと考えられてきた（例えば、非特許文献１，２参照）。
【非特許文献１】Y. Sato et al. “Polarity of High-Quality Indium Nitride Grown by RF Molecular Beam Epitaxy”, phys. Stat. Sol. (b) 228, No. 1, (2001), pp.13-16
【非特許文献２】A. Yoshikawa et al. “In situ investigation for polarity-controlled epitaxy processes of GaN and AlN in MBE and MOVPE groth”, Optical Materials 23 (2003), pp.7-14
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
　ＩｎＮそれ自体又はIｎＮを主成分とした混晶の結晶成長は、ＩｎＮそれ自体の平衡蒸気圧が高く、結晶成長（ヘテロエピタキシ）が極めて困難である。また、設定すべき光通信波長域の光デバイス及び超高速・超省電力高性能電子デバイスは、いずれも超薄膜・超急峻ヘテロ界面を有する必要があり、いわゆるステップフロー成長などの一分子層レベルでの平坦性を有するエピタキシの実現が困難であるのが現状である。さらに、従来の成膜技術で作製したものは結晶品質が不十分であり、大幅な結晶性の改善が必要である。
【０００５】
　本発明の目的は、ＩｎＮ及びＩｎＮを主成分とする窒化物系半導体のエピタキシに対する極性の影響に着目し、一分子層レベルでの平坦性を有するエピタキシの実現が容易にできる窒化物系ヘテロ構造を有するデバイス及びその製造方法を提供することである。
　本発明の他の目的は、エピタキシ温度の高温化を図ることにより、窒化物系薄膜結晶自体及びそのヘテロデバイス構造の高品質化を実現する製造方法を提供することである。
　本発明の他の目的は、窒化物系薄膜及びそのヘテロ接合デバイス構造作製の高速化並びに基板サイズの大面積化を可能とする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】
【０００６】
　本発明による窒化物系ヘテロ構造を有するデバイスは、ＩｎＮそれ自体又はＩｎＮを主成分とした窒化物系ヘテロ構造を有し、少なくとも一部について窒素極性表面又はそれと同様な特性を有する表面となる結晶を有することを特徴とする。
　また、本発明による窒化物系ヘテロ構造を有するデバイスの製造方法は、ＩｎＮそれ自体又はＩｎＮを主成分とした窒化物系ヘテロ構造を有するデバイスの製造方法であって、少なくとも一部について窒素極性表面又はそれと同様な特性を有する表面となる結晶を前記デバイスに形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
　本発明によれば、少なくとも一部について窒素極性表面又はそれと同様な特性を有する表面（例えば、表面に対して１０°以内の傾斜を有するようにしたもの）となる結晶を形成することによって、エピタキシ及びデバイスの製造の際に、例えば窒素過剰の条件下としてもエピタキシ温度を高めることが可能なため、ステップフロー２次元成長のように平坦性に優れた表面を得やすくなるので、薄膜結晶の高品質化及び一分子層レベルでの平坦性を有するエピタキシを容易に実現できる窒化物系ヘテロ構造を有するデバイス及びその製造方法が実現可能となる。なお、ＩｎＮそれ自体又はＩｎＮを主成分としたエピタキシは、エピタキシ自体が困難であり、本発明以外では、ステップフロー２次元成長が実現されていない。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
　本発明による窒化物系ヘテロ構造を有するデバイス及びその製造方法の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
　図１は、本発明による窒化物系ヘテロ構造を有するデバイスの断面図である。
このデバイスは、表面を窒化したｃ面サファイア基板１と、ＧａＮバッファ層、ＩｎＮバッファ層又はＡｌＧａＩｎＮ混晶バッファ層２と、Ｎ極性ＧａＮ層３と、Ｎ極性ＡｌＮ層４と、Ｎ極性ＩｎＮ／ＩｎＧａＮ多重層デバイス構造５と、Ａｌ極性ＡｌＮ６と、ＧａＮキャップ層７とを有する。
【０００９】
　図２は、本発明による窒化物系ヘテロ構造を有するデバイスを製造するためのエピタキシシステムであり、図３は、Ｎ極性ＧａＮテンプレート上へのＩｎＮ成長シーケンスの例である。図２のエピタキシステムは、メインチャンバ１１と、ロードロックチャンバ１２と、直衝突同軸イオン散乱分光装置（ＣＡＩＣＩＳＳ）１３と、窒素源用高周波プラズマセル１４と、分光エリプソメータ（ＳＥ）１５と、超高真空走査トンネル顕微鏡／原子間力顕微鏡１６と、高エネルギー反射電子線回折装置１７とを具える。
【００１０】
　図４は、同一成長条件（ＩｎとNの供給原料ビーム比率は、ストイキオメトリ条件からややN過剰側に設定した場合）でＩｎ極性とN極性それぞれの場合のＩｎＮの成膜速度の温度依存性を比較したものである。N極性及びＩｎ極性それぞれの場合で成膜速度が急激に低下する高温領域近傍に斜線でハッチした縦長の帯は、両極性それぞれの場合での最適なエピタキシ温度を示す。N極性の時に成膜可能な温度がＩｎ極性のときに比べ１００度程度高いことが示されている。ＩｎＮの成膜では、一度成長表面にＩｎＮ液滴（ドロプレット）が出現すると、それが成膜を阻害するため、エピタキシ中でのＩｎ液滴出現を避ける必要がある。N極性のときに成膜可能温度を高くできることは、Ｉｎ液滴を抑える点、及び成膜原料種の表面マイグレーションを促進して薄膜の高品質化を図る上で極めて有効である。なお、両極性の場合ともに、供給原料の総量を増すことでエピタキシ可能温度を高くすることが可能であるが、その場合でも窒素極性の場合がきわめて有利であることに変わりはない。
【００１１】
　図５は、ＧａＮ上へのN極性ＩｎＮ成長の分光エリプソメータ（ＳＥ）によるその場観察を示す図であり、図６は、直衝突同軸イオン散乱分光装置で解析したＩｎＮの極性を示す図である。図６において、ＧａＮ基板およびＩｎＮエピタキシ膜ともに窒素極性であることを示している。
【００１２】
　図７Ａは、N極性ＩｎＮエピタキシ膜の走査電子顕微鏡像の表面写真であり、図７Ｂは、ＩｎＮエピタキシ膜の原子間力顕微鏡像の表面写真である。図７Ａ及び７Ｂのいずれにおいても、ステップフロー２次元成長によりきわめて平坦な表面となっていることを示している。
【００１３】
　図８は、ＩｎＮエピタキシ膜のX線折評価：（００２）及び（１０２）面のロッキングカーブ半値幅を示す図である。これらは、いずれも２３３及び９７０角度秒となっており、また、電子移動度も室温で２０００ｃｍ２／Ｖ．ｓｅｃと大きいものが得られている。
【００１４】
　本実施の形態によれば、分子線エビタキシ（ＭＢＥ）法などで、上述のＩｎＮ系窒化物半導体デバイスを製造する上で、窒素極性表面又はそれと同等の特徴・作用を発現する表面になるように結晶を形成すること、又はそのような結晶形成条件を実現することにより、高品質の超薄膜・超急峻ヘテロ接合デバイスを形成することが他の場合と比較してきわめて容易に実現可能となる。
【００１５】
　図９は、本発明によるデバイスの第１の実施の形態を示す図である。このデバイスは、一般に量子へテロ構造レーザーダイオードとして実現されるが、発光ダイオードとして実現することもできる。このデバイスは、以下の（１）〜（５）の特徴を有する。
　（１）サファイア基板上を窒化して形成したＮ極性ＡｌＮ及びその上に堆積したN極性ＧａＮバッファ層及びＧａＮ下地層を有する。
　（２）ＡｌＧａＮ層によるキャリア閉じ込め構造を有する。（この層は、活性層よりもエネルギーバンドギャップが大きい任意組成のAlGaInN層で可能となる。）
　（３）活性層として、N極性のＩｎＮ／ＩｎＧａＮ量子井戸層を有する。なお、活性層はＩｎＮ／ＩｎＧａＮ量子井戸構造が主たるものであるが、活性層中の井戸層及び障壁層の層厚及び組成は、発光波長により１分子層から１０nm程度のＩｎＧａＮ及びＡｌＧａＩｎＮ層とする。また、その周期数は１〜２０である。発光波長は、約０．８から１．８μmで制御可能である。
　（４）活性層以降のＧａＮやＡｌＧａＮの成膜プロセスを＋C極性（すなわち、カチオン元素のＡｌ，Ｇａ又はＩｎ極性）で行うため、極性反転ＡｌＮ層（N極性からＡｌ極性へ転換）を有する。この層は、ｐ型ＡｌＧａＮやＧａＮ層のドーピング効率増大や平坦性に優れた成膜を容易にするために挿入しているが、−C極性（アニオン元素のN極性）で十分な場合もあり、必ずしも必要ではない。
　（５）高濃度ｐ型ドーピングしたＧａ極性ＧａＮを有するとともに、表面にｐ型コンタクトを有する。
【００１６】
　図１０は、本発明によるデバイスの第２の実施の形態を示す図である。このデバイスは、活性層に量子ドットを有するレーザダイオードとして実現されるが、発光ダイオードとして実現することもできる。このデバイスは、以下の（１）〜（３）の特徴を有する。
　（１）活性層にＩｎＮの量子ドットを含むＩｎＮ／ＧａＮ超格子層を有する。活性層の量子ドットの組成は発光波長により障壁・下地層も含めＩｎＧａＮとする。また、ドットサイズ及び各層の厚みは数ｎｍから１０ｎｍ程度となる。）
　（２）キャリア閉じ込め層として活性層の両端にＡｌＧａＮ層を有する。
　（３）活性層を量子ドット超格子とすること以外のデバイス設計指針は基本的に図９の場合と同じである。
【００１７】
　図１１は、本発明によるデバイスの第３の実施の形態を示す図である。このデバイスは、ＩｎＮをベースとしたＨＥＭＴ（高電子移動度トランジスタ）として実現される。このデバイスは、以下の（１）〜（３）の特徴を有する。
　（１）N極性高抵抗ＧａＮ又はその上に形成したＩｎＮ／ＧａＮ（ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ構造でも可）ヘテロ界面でのピエゾ効果による２次元電子ガス層を利用したHEMT構造を有する。
　（２）ゲート電極下に薄い高抵抗性ＡｌＧａＮ層をゲート絶縁膜膜としたゲート構造を有する。
　（３）ゲート絶縁膜堆積時に、極性転換のための極めて薄いＡｌ極性ＡｌＮを先に堆積すればＡｌＧａＮ層の極性は＋ｃとなり、この層及びＩｎＮ層の歪制御によりゲート絶縁膜直下に２次元電子層を形成することも可能である。
【００１８】
　図１２は、本発明によるデバイスの第４の実施の形態を示す図である。このデバイスは、電界変調型光変調器として実現される。このデバイスは、以下の（１）〜（３）の特徴を有する。
　（１）バイス構造は、光の入出力部を除いて図９と同様の設計指針で製造される。
　（２）外部から印加した電圧・電界により光を変調する。
　（３）光の入出射方向は、原則的に量子井戸構造に対して平行又は垂直方向である。
【００１９】
　図１３は、本発明によるデバイスの第５の実施の形態を示す図である。このデバイスは、光及び電子制御光変調器（量子井戸構造中のバンド内及びバンド間電子遷移を利用したもの）として実現される。このデバイスは、以下の（１）〜（２）の特徴を有する。
　（１）ＩｎＮ／ＧａＮ量子井戸構造を有する。被制御光（被変調光）の波長が光通信波長帯の場合には、量子井戸内でのサブバンド間電子遷移を制御光（変調光）で誘起し、バンド間遷移吸収を超高速に変調するが、制御光と被制御光の関係を逆転して光変調器として用いることも可能である。
　（２）量子井戸の組成をＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＩｎＮとし、また、量子井戸中の活性層の厚さを制御することによって、波長は０．８〜１．８μｍの範囲で可変となる。
【００２０】
　図１４は、本発明によるデバイスの第６の実施の形態を示す図である。このデバイスは、光及び電子制御光変調器（活性層と量子ドットを含む構造中のバンド内及びバンド間電子遷移を利用したもの）として実現される。このデバイスは、以下の（１）〜（２）の特徴を有する。
　（１）図１３の場合の光変調器と比べて、活性層に量子ドット構造を有する。これにより、光の入射方向に対して制限がなくなる。
　（２）その他のデバイス構造の設計指針は図１２の場合と同様に、制御光と被制御光の関係、および波長範囲を制御可能である。
【００２１】
　本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。
　例えば、Ｎ極性表面又は同様の特徴・利点を発現する表面上に、エピタキシ及びデバイスの形成をするときに、成膜条件を変えることにより、一部に量子ドットを含む構造のデバイス（量子ドットレーザダイードなど）を形成することも可能であり、この際にも、例えば、量子ドットを含む活性層をスタックしたり、また活性層全体又はクラッド層などをデバイス品質にて形成する上でも、本発明が必要となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明による窒化物系ヘテロ構造を有するデバイスの断面図である。
【図２】本発明による窒化物系ヘテロ構造を有するデバイスを製造するためのエピタキシシステムである。
【図３】Ｎ極性ＧａＮテンプレート上へのＩｎＮ成長シーケンスの例である。
【図４】同一成長条件（ＩｎとＮの供給原料ビーム比率は、ストイキオメトリ条件からややN過剰側に設定した場合）でＩｎ極性とN極性の場合のＩｎＮの成膜速度の温度依存性を比較したものである。
【図５】ＧａＮ上へのＩｎＮ成長の分光エリプソメトリ（ＳＥ）によるその場観察を示す図である。
【図６】直衝突同軸イオン散乱分光装置で解析したＩｎＮの極性を示す図である。
【図７】図７Ａは、ＩｎＮエピタキシ膜の走査電子顕微鏡像の表面写真であり、図７Ｂは、ＩｎＮエピタキシ膜の原子間力顕微鏡像の表面写真である。
【図８】ＩｎＮエピタキシ膜のX線回折評価：（００２）及び（１０２）面のロッキングカーブ半値幅がそれぞれ２３３及び９７０角度秒となっており、また、電子移動度も２０００cm2/V・secと大きい物が得られる。
【図９】本発明によるデバイスの第１の実施の形態を示す図である。
【図１０】本発明によるデバイスの第２の実施の形態を示す図である。
【図１１】本発明によるデバイスの第３の実施の形態を示す図である。
【図１２】本発明によるデバイスの第４の実施の形態を示す図である。
【図１３】本発明によるデバイスの第５の実施の形態を示す図である。
【図１４】本発明によるデバイスの第６の実施の形態を示す図である。
【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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【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１４】
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