(57)【要約】【課題】低転位密度のIII族窒化物のエピタキシャル基板を提供する。【解決手段】エピタキシャル基板１は、下地層１２、バッファ層１３および目的とするIII族窒化物層１４を基材１１上にＭＯＣＶＤ法を用いて順次にエピタキシャル成長させることにより得られる。エピタキシャル基板１では、III族窒化物層１４のエピタキシャル成長に先立ってアニール処理を行うことにより、III族窒化物層１４の転位密度をアニール処理を行わなかった場合の半分以下に低下させている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エピタキシャル基板の製造方法であって、
a) 転位密度が１×１０11／ｃｍ2以下かつ表面粗さが３Å以下の、含有する全III族元素に対するＡｌのモル分率が５０％以上の第１のIII族窒化物層を基材上にエピタキシャル形成する第１形成工程と、
b) 前記第１のIII族窒化物層よりも面内格子定数が大きい、層厚が１００ｎｍ以下の第２のIII族窒化物層を前記第１のIII族窒化物層上にエピタキシャル形成する第２形成工程と、
c) 前記第２形成工程の後にアニール処理を行うアニール工程と、
d) 前記アニール工程の後に、前記第２のIII族窒化物層よりも面内格子定数が大きい第３のIII族窒化物層を前記第２のIII族窒化物層上にエピタキシャル形成する第３形成工程と、
を備えることを特徴とするエピタキシャル基板の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載のエピタキシャル基板の製造方法において、前記アニール処理の温度が前記第３形成工程のエピタキシャル形成温度以上であることを特徴とするエピタキシャル基板の製造方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のエピタキシャル基板の製造方法において、
前記第１のIII族窒化物層が含有する全III族元素に対するＡｌのモル分率が８０％以上であることを特徴とするエピタキシャル基板の製造方法。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載のエピタキシャル基板の製造方法において、
前記第１のIII族窒化物層に係るIII族窒化物がＡｌＮであることを特徴とするエピタキシャル基板の製造方法。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のエピタキシャル基板の製造方法において、
前記アニール工程が、不活性ガスおよび窒素元素含有ガスのうちの少なくともひとつを含む雰囲気ガス中で行われることを特徴とするエピタキシャル基板の製造方法。
【請求項６】
請求項５に記載のエピタキシャル基板の製造方法において、
前記雰囲気ガスの圧力が前記第３形成工程のエピタキシャル形成圧力以上であることを特徴とするエピタキシャル基板の製造方法。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のエピタキシャル基板の製造方法において、
前記第１ないし第３のIII族窒化物層がＣ面のIII族窒化物層であることを特徴とするエピタキシャル基板の製造方法。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれかに記載のエピタキシャル基板の製造方法において、
前記第１のIII族窒化物層のエピタキシャル成長面のＸ線ロッキングカーブ半値幅が２００秒以下であることを特徴とするエピタキシャル基板の製造方法。
【請求項９】
請求項１ないし請求項８のいずれかに記載のエピタキシャル基板の製造方法において、
前記アニール処理の温度が１１００℃以上であることを特徴とするエピタキシャル基板の製造方法。
【請求項１０】
請求項１ないし請求項９のいずれかに記載のエピタキシャル基板の製造方法において、
前記第３形成工程のエピタキシャル形成温度より前記アニール処理の温度が５０℃以上高温であることを特徴とするエピタキシャル基板の製造方法。
【請求項１１】
エピタキシャル基板上にエピタキシャル形成される、目的とするIII族窒化物層の転位低減方法であって、
前記目的とするIII族窒化物層のエピタキシャル形成に先立って、
a) 転位密度が１×１０11／ｃｍ2以下かつ表面粗さが３Å以下の、含有する全III族元素に対するＡｌのモル分率が５０％以上の第１のIII族窒化物層を基材上にエピタキシャル形成する第１形成工程と、
b) 前記第１のIII族窒化物層よりも面内格子定数が大きく、前記目的とするIII族窒化物層よりも面内格子定数が小さい、層厚が１００ｎｍ以下の第２のIII族窒化物層を前記第１のIII族窒化物層上にエピタキシャル形成する第２形成工程と、
c) 前記第２形成工程の後にアニール処理を行うアニール工程と、
を実行することを特徴とする転位低減方法。
【請求項１２】
エピタキシャル基板であって、
基材と、
前記基材上にエピタキシャル形成された、転位密度が１×１０11／ｃｍ2以下かつ表面粗さが３Å以下の、全III族元素に対して５０％以上のＡｌを含有する第１のIII族窒化物層と、
前記第１のIII族窒化物層上にエピタキシャル形成された、前記第１のIII族窒化物層よりも面内格子定数が大きい、層厚が１００ｎｍ以下の第２のIII族窒化物層と、
前記第２のIII族窒化物層上にエピタキシャル形成された、前記第２のIII族窒化物層よりも面内格子定数が大きい第３のIII族窒化物層と、
を備え、
前記第２のIII族窒化物層が、前記第３のIII族窒化物層のエピタキシャル形成に先立って、アニール処理されることを特徴とするエピタキシャル基板。
【請求項１３】
目的とするIII族窒化物層のエピタキシャル形成用に供されるエピタキシャル基板であって、
基材と、
前記基材上にエピタキシャル形成された、転位密度が１×１０11／ｃｍ2以下かつ表面粗さが３Å以下の、含有する全III族元素に対するＡｌのモル分率が５０％以上の第１のIII族窒化物層と、
前記第１のIII族窒化物層上にエピタキシャル形成された、前記第１のIII族窒化物層よりも面内格子定数が大きく、前記目的とするIII族窒化物層よりも面内格子定数が小さい、層厚が１００ｎｍ以下の第２のIII族窒化物層と、
を備え、
前記第２のIII族窒化物層が、アニール処理されることを特徴とするエピタキシャル基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基材の上にIII族窒化物をエピタキシャル形成したエピタキシャル基板、当該エピタキシャル基板の製造方法および転位低減方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
III族窒化物半導体は、バンドギャップが大きい、絶縁破壊電界が大きいおよび飽和電子移動度が高い等の、他の半導体とは異なる特徴を有する。このため、III族窒化物半導体は、紫外〜緑色領域のＬＥＤ（発光ダイオード；Light Emitting Diode），ＬＤ（レーザーダイオード；Laser Diode）および受光素子等の光デバイスや、高周波特性に優れたＨＥＭＴ（高電子移動度トランジスタ；High Electron Mobility Transistor）およびＨＢＴ（ヘテロバイポーラトランジスタ；Hetero Bipolar Transistor）等の電子デバイスの材料およびフィールドエミッタの材料として研究対象となっている。
【０００３】
しかし、III族窒化物半導体の大サイズのバルク単結晶を作成することが現状では困難であるため、上記の光デバイスや電子デバイスに使用される基板は、例えば、ＭＯＣＶＤ法（有機金属化学気相成長法；Metal Organic Chemical Vapor Deposition）を用いてIII族窒化物半導体をサファイアやＳｉＣ等の単結晶基材上にヘテロエピタキシャル成長させることにより得られている。
【０００４】
しかし、ヘテロエピタキシャル成長においては基材との格子不整合等に起因する転位が生じるため、転位低減のために様々な試みが行われている。
【０００５】
例えば、特許文献１では、基板とＧａＮ系半導体からなる半導体層群との間に下地層およびバッファ層を設ける技術が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−２５２１７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１の技術は、転位低減に効果はあるものの、製造条件や製造装置の影響が大きく、十分な転位低減効果が得られないことも多かった。
【０００８】
本発明は、この問題を解決するためになされたもので、低転位密度のIII族窒化物のエピタキシャル基板を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、エピタキシャル基板の製造方法であって、転位密度が１×１０11／ｃｍ2以下かつ表面粗さが３Å以下の、含有する全III族元素に対するＡｌのモル分率が５０％以上の第１のIII族窒化物層を基材上にエピタキシャル形成する第１形成工程と、前記第１のIII族窒化物層よりも面内格子定数が大きい、層厚が１００ｎｍ以下の第２のIII族窒化物層を前記第１のIII族窒化物層上にエピタキシャル形成する第２形成工程と、前記第２形成工程の後にアニール処理を行うアニール工程と、前記アニール工程の後に、前記第２のIII族窒化物層よりも面内格子定数が大きい第３のIII族窒化物層を前記第２のIII族窒化物層上にエピタキシャル形成する第３形成工程とを備えることを特徴とする。
【００１０】
また、請求項２の発明は、請求項１に記載のエピタキシャル基板の製造方法において、前記アニール処理の温度が前記第３形成工程のエピタキシャル形成温度以上であることを特徴とする。
【００１１】
また、請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載のエピタキシャル基板の製造方法において、前記第１のIII族窒化物層が含有する全III族元素に対するＡｌのモル分率が８０％以上であることを特徴とする。
【００１２】
また、請求項４の発明は、請求項１または請求項２に記載のエピタキシャル基板の製造方法において、前記第１のIII族窒化物層に係るIII族窒化物がＡｌＮであることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のエピタキシャル基板の製造方法において、前記アニール工程が、不活性ガスおよび窒素元素含有ガスのうちの少なくともひとつを含む雰囲気ガス中で行われることを特徴とする。
【００１４】
また、請求項６の発明は、請求項５に記載のエピタキシャル基板の製造方法において、前記雰囲気ガスの圧力が前記第３形成工程のエピタキシャル形成圧力以上であることを特徴とする。
【００１５】
また、請求項７の発明は、請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のエピタキシャル基板の製造方法において、前記第１ないし第３のIII族窒化物層がＣ面のIII族窒化物層であることを特徴とする。
【００１６】
また、請求項８の発明は、請求項１ないし請求項７のいずれかに記載のエピタキシャル基板の製造方法において、前記第１のIII族窒化物層のエピタキシャル成長面のＸ線ロッキングカーブ半値幅が２００秒以下であることを特徴とする。
【００１７】
また、請求項９の発明は、請求項１ないし請求項８のいずれかに記載のエピタキシャル基板の製造方法において、前記アニール処理の温度が１１００℃以上であることを特徴とする。
【００１８】
また、請求項１０の発明は、請求項１ないし請求項９のいずれかに記載のエピタキシャル基板の製造方法において、前記第３形成工程のエピタキシャル形成温度より前記アニール処理の温度が５０℃以上高温であることを特徴とする。
【００１９】
また、請求項１１の発明は、エピタキシャル基板上にエピタキシャル形成される、目的とするIII族窒化物層の転位低減方法であって、前記目的とするIII族窒化物層のエピタキシャル形成に先立って、転位密度が１×１０11／ｃｍ2以下かつ表面粗さが３Å以下の、含有する全III族元素に対するＡｌのモル分率が５０％以上の第１のIII族窒化物層を基材上にエピタキシャル形成する第１形成工程と、前記第１のIII族窒化物層よりも面内格子定数が大きく、前記目的とするIII族窒化物層よりも面内格子定数が小さい、層厚が１００ｎｍ以下の第２のIII族窒化物層を前記第１のIII族窒化物層上にエピタキシャル形成する第２形成工程と、前記第２形成工程の後にアニール処理を行うアニール工程とを実行することを特徴とする。
【００２０】
また、請求項１２の発明は、エピタキシャル基板であって、基材と、前記基材上にエピタキシャル形成された、転位密度が１×１０11／ｃｍ2以下かつ表面粗さが３Å以下の、全III族元素に対して５０％以上のＡｌを含有する第１のIII族窒化物層と、前記第１のIII族窒化物層上にエピタキシャル形成された、前記第１のIII族窒化物層よりも面内格子定数が大きい、層厚が１００ｎｍ以下の第２のIII族窒化物層と、前記第２のIII族窒化物層上にエピタキシャル形成された、前記第２のIII族窒化物層よりも面内格子定数が大きい第３のIII族窒化物層とを備え、前記第２のIII族窒化物層が、前記第３のIII族窒化物層のエピタキシャル形成に先立って、アニール処理されることを特徴とするエピタキシャル基板。
【００２１】
また、請求項１３の発明は、目的とするIII族窒化物層のエピタキシャル形成用に供されるエピタキシャル基板であって、基材と、前記基材上にエピタキシャル形成された、転位密度が１×１０11／ｃｍ2以下かつ表面粗さが３Å以下の、含有する全III族元素に対するＡｌのモル分率が５０％以上の第１のIII族窒化物層と、前記第１のIII族窒化物層上にエピタキシャル形成された、前記第１のIII族窒化物層よりも面内格子定数が大きく、前記目的とするIII族窒化物層よりも面内格子定数が小さい、層厚が１００ｎｍ以下の第２のIII族窒化物層とを備え、前記第２のIII族窒化物層が、アニール処理されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
請求項１ないし請求項１３の発明によれば、低転位密度のIII族窒化物のエピタキシャル基板を得ることができる。
【００２３】
請求項３〜請求項４の発明によれば、より高品質のIII族窒化物のエピタキシャル基板を得ることができる。
【００２４】
請求項６および請求項９〜請求項１０の発明によれば、アニール処理の効果を向上できるので、より高品質のIII族窒化物のエピタキシャル基板を得ることができる。
【００２５】
請求項８の発明によれば、より高品質のIII族窒化物のエピタキシャル基板を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
＜エピタキシャル基板の積層構造＞
図１は、本実施の形態に係るエピタキシャル基板１の積層構造を示す断面模式図である。エピタキシャル基板１は、下地層１２、バッファ層１３および目的とするIII族窒化物層１４を基材１１の上に各種薄膜形成法を用いて順次にエピタキシャル成長させることにより得られる。たとえば、ＭＯＣＶＤ法、ＨＶＰＥ法（ハイドライド気相エピタキシャル成長法；Hydride Vapor Phase Epitaxy）、などのＣＶＤ法（化学気相成長法；Chemical Vapor Deposition）、ＭＢＥ法（分子線エピタキシ法；Molecular Beam Epitaxy）を用いることができる。ＣＶＤ法としては、ＰＡＬＥ法（パルス原子層エピタキシ法；Pulsed Atomic Layer Epitaxy）、プラズマアシスト法やレーザーアシスト法などを適用することもできるし、ＭＢＥ法に関しても、同様な技術を併用することが可能である。エピタキシャル基板１では、III族窒化物層１４のエピタキシャル成長に先立ってアニール処理を行うことにより、III族窒化物層１４の転位密度をアニール処理を行わなかった場合の半分以下に低下させている。
【００２７】
基材１１の材質は、例えば、サファイア，ＺｎＯ，ＬｉＡｌＯ2，ＬｉＧａＯ2，ＭｇＡｌ2Ｏ4，（ＬａＳｒ）（ＡｌＴａ）Ｏ3，ＮｄＧａＯ3，ＭｇＯといった各種酸化物材料，Ｓｉ，Ｇｅといった各種ＩＶ族単結晶、ＳｉＣ、ＳｉＧｅといった各種ＩＶ−ＩＶ族化合物，ＧａＡｓ，ＡｌＮ，ＧａＮ，ＡｌＧａＮといった各種ＩＩＩ―Ｖ族化合物およびＺｒＢ2といった各種ホウ化物の単結晶から適宜選択される。基材１１のエピタキシャル成長面１５は、エピタキシャル成長させる層の表面平坦性を確保するために、Ｃ面のIII族窒化物層をエピタキシャル成長可能な面であることが望ましい。特に、エピタキシャル成長面１５および基材１１の材質は、エピタキシャル成長させる層の結晶品質を向上するため、Ａ面・Ｃ面サファイア単結晶、Ｃ面４Ｈ―ＳｉＣ・６Ｈ−ＳｉＣ単結晶およびＣ面III族窒化物単結晶から選択されることが望ましい。ここでいうＡ面およびＣ面は、それぞれ、結晶面の（１１−２０）面および（０００１）面を意味する。基材１１の厚みは制限されないが、１００μｍ〜３０００μｍの範囲が好適である。
【００２８】
下地層１２は、一般式がＢwＡｌxＧａyＩｎzＮ（ｗ＋ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表現されるIII族窒化物よりなる。下地層１２は、全III族元素に対するＡｌ元素のモル分率が５０％以上（ｘ≧０．５）、好ましくは８０％以上（ｘ≧０．８）であることが望ましい。より好ましくは、下地層１２はＡｌＮよりなる（ｘ＝１）。ただし、下地層１２が、製造工程において不可避的に混入するコンタミネーションを含有することは妨げられない。下地層１２の結晶品質が低下するとIII族窒化物層１４の結晶品質へも悪影響を与えるので、下地層１２の結晶品質は良好であることが望まれる。具体的には、下地層１２エピタキシャル成長面は、結晶の配向性のゆらぎの指標となる（００２）面のＸ線ロッキングカーブ測定におけるＸ線ロッキングカーブ半値幅（以下では、単に「ロッキングカーブ半値幅」とも称する）が２００秒以下、好ましくは１００秒以下であることが望まれる。また、下地層１２は、表面荒さが３Å以下となるような原子レベルの平坦性を有することが望まれる。ここで、表面粗さは、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）により測定した、５μｍ×５μｍの正方形領域における算術平均粗さである（以下も同様）。また、下地層１２の厚みは、０．３μｍ以上、好ましくは０．５μｍ以上、さらに好ましくは１μｍ以上である。下地層１２の厚みの上限は、特に制限されないが、クラックや剥離の発生防止を考慮して適宜決定する。
【００２９】
バッファ層１３は、一般式がＢwＡｌxＧａyＩｎzＮ（ｗ＋ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表現されるIII族窒化物よりなる。バッファ層１３の具体的組成は、バッファ層１３の面内格子定数が、下地層１２の面内格子定数より大きくなるように選択される。また、クラック抑制の観点から、III族窒化物層１４の面内格子定数以下となるように選択することがさらに望ましい。これにより、下地層１２とバッファ層１３との界面１６およびバッファ層１３とIII族窒化物層１４との界面１７には格子不整合による圧縮応力が生ずる。この圧縮応力が転位低減効果を促進するため、より圧縮応力が大きく働く下地層１２とＩＩＩ族窒化物層１４の組み合わせとしては、より面内格子定数差が大きいことが望ましく、従って、下地層１２の全III族元素に対するＡｌ元素のモル分率が大きいことが望ましい。なお、バッファ層１３の厚みは、１００ｎｍを超えるとアニールによるIII族窒化物層１４の転位低減効果が低下するので、１００ｎｍ以下であることが望ましい。
【００３０】
バッファ層１３に対して行われるアニール処理は、III族窒化物層１４のエピタキシャル成長温度以上の温度で行われる。好ましくは、アニール処理は、１１００℃以上またはIII族窒化物層１４のエピタキシャル成長温度より５０℃以上高い温度で行われる。特に、バッファ層１３のＡｌの組成が高い場合は、転位の運動エネルギーが高くなるため、より高い温度でアニールすることが望ましい。なお、III族窒化物層１４のエピタキシャル成長温度より低い温度でアニール処理を行った場合でも、アニール処理時間を延長することにより転位低減効果を得ることができる。アニール処理は、バッファ層１３の喪失を防止するために不活性ガスまたは窒素元素含有ガスを添加した状態で行われる。上記不活性ガスまたは窒素元素含有ガスの添加量は高いほどバッファ層１３の喪失の防止効果が高く、雰囲気ガスにおける上記不活性ガスまたは窒素元素含有ガスの総量は、モル分率が５０％以上が望ましく、さらには、１００％とすることによりその効果を最大とすることができる。窒素元素含有ガスの典型例としては、窒素（Ｎ2）ガスやアンモニア（ＮＨ3）ガスがあげられる。雰囲気ガスの圧力を、III族窒化物層１４のエピタキシャル形成時以上に上昇させることもアニール効果を高めるために有効である。さらにこの効果は、雰囲気ガスの圧力を１気圧以上とすることによりさらに高めることができる。
【００３１】
III族窒化物層１４は、一般式がＢwＡｌxＧａyＩｎzＮ（ｗ＋ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表現されるIII族窒化物よりなる。当該III族窒化物には、必要に応じて、Ｍｇ，Ｂｅ，Ｚｎ，Ｓｉ，ＧｅおよびＰ等のドナーまたはアクセプタがドープされる。また、図１では、III族窒化物層１４は、単一の層として表現されているが、III族窒化物層１４が複数の層から構成されてもよい。
【００３２】
エピタキシャル基板１では、上述の応力を転位の低減に利用するとともに、アニール処理により転位の移動を容易ならしめて転位の低減を促進している。このため、下地層１２の平坦性が損なわれた場合、界面形状の荒れによる応力緩和が起こり、アニール処理による転位低減効果が低下してしまう。また、バッファ層１３の厚みが上述の限界を超えて厚くなった場合も、転位の移動が妨げられてアニール処理による転位低減効果が低下してしまう。
【００３３】
＜製造装置＞
図２は、本実施の形態に係るエピタキシャル基板１の製造装置２の断面模式図である。製造装置２は、III族有機金属ガスを原料ガスとして用い、化学気相成長法によってIII族窒化物膜を形成する、いわゆる「ＭＯＣＶＤ装置」である。製造装置２は、エピタキシャル基板１を作成するための原料ガスを、基材１１の主面上に流すことができるように構成されている。
【００３４】
製造装置２は、反応性ガスを基材１１の主面に導入するための反応性ガス導入管３１を備える。反応性ガス導入管３１は、気密の反応容器２１の内部に設置され、その２つの外部端は、それぞれ、反応性ガスの導入口２２および排気口２４となっている。また、反応性ガス導入管３１には、基材１１の主面上に反応性ガスを接触させるための開口部３１ｈが設けられている。
【００３５】
導入口２２には、配管系Ｌ１およびＬ２が接続される。
【００３６】
配管系L１は、アンモニアガス（ＮＨ3）、窒素ガス（Ｎ2）および水素ガス（Ｈ2）を供給するための配管系である。
【００３７】
一方、配管系Ｌ２は、ＴＥＢ（トリエチルボロン；Ｂ（Ｃ2Ｈ5）3）、（←図面の対処をお願いします。）ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム；Ａｌ（ＣＨ3）3）、ＴＭＧ（トリメチルガリウム；Ｇａ（ＣＨ3）3）、ＴＭＩ（トリメチルインジウム；Ｉｎ（ＣＨ3）3）、ＣＰ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム；Ｍｇ（Ｃ5Ｈ5）2）、シランガス（ＳｉＨ4）、窒素ガスおよび水素ガスを供給するための配管系である。ＣＰ2Ｍｇおよびシランガスは、それぞれ、III族窒化物においてアクセプタおよびドナーとなるＭｇおよびＳｉの原料であるので、使用するアクセプタおよびドナーに応じて適宜変更しうる。
【００３８】
なお、ＴＥＢ、ＴＭＡ、ＴＭＧ、ＴＭＩおよびＣＰ2Ｍｇの供給源２４ｄ〜２４ｈは、バブリングを行うために、窒素ガスの供給源２４ｂに接続されている。同様に、ＴＥＢ，ＴＭＡ、ＴＭＧ、ＴＭＩおよびＣＰ2Ｍｇの供給源２４ｄ〜２４ｈは、水素ガスの供給源２４ｃに接続される。
【００３９】
製造装置２では、水素ガスもしくは窒素ガス又はこれらの混合ガスがキャリアガスとなる。また、全てのガス供給系は、流量計によりガス流量を制御可能となっている。製造装置２では、各ガスの流量を適宜に制御することにより、単相も含めた様々な混晶組成を有するIII族窒化物をエピタキシャル成長させることが可能になる。
【００４０】
また、排気口２４には、反応性ガス導入管３１の内部のガスを強制排気する真空ポンプ２７が接続されている。
【００４１】
反応容器２１の内部には、基材１１を載置する基材台（サセプタ）２８と、基材台２８を反応容器２１の内部に支持する支持脚２９とが設けられる。基材台２８の温度は、その直下に設けられたヒータ３０を用いて制御可能である。ヒータ３０は、例えば、抵抗加熱式のヒータである。製造装置２では、基材１１と密着している基材台２８の温度を変更することにより、エピタキシャル層の成長温度を変化させることが可能である。換言すれば、ＭＯＣＶＤ法におけるエピタキシャル成長温度は、ヒータ３０によって可変とされている。
【実施例】
【００４２】
本実施の形態に係るエピタキシャル基板１の製造方法と、当該製造方法により作製されたエピタキシャル基板１の品質評価結果とを以下の実施例１〜３に示す。また、本願発明の範囲外となるエピタキシャル基板の製造方法と、当該製造方法により作製されたエピタキシャル基板の品質評価結果とを以下の比較例１〜３に示す。
【００４３】
＜実施例１＞
図３は、実施例１に係るエピタキシャル基板１００の製造方法の工程フローを示す図である。また、図４は、当該製造方法により得られたエピタキシャル基板１００の積層構造を示す断面模式図である。
【００４４】
実施例１では、直径が２インチ、厚さが４３０μｍの略円形状のＣ面サファイア単結晶を基材１０１として使用した。エピタキシャル成長面は、Ｃ面サファイア単結晶の（００１）面である（実施例２〜３、比較例１〜３も同様）。
【００４５】
また、実施例１では、下地層、バッファ層およびIII族窒化物層の組成は、それぞれ、ＡｌＮ、ＧａＮおよびＧａＮである。バッファ層の組成は、面内格子定数が下地層より大きく、バッファ層より小さくなるように選択されている。
【００４６】
最初に、エピタキシャル成長面となる基材１０１の表面を洗浄した（ステップＳ１）。洗浄には、有機溶剤および硫酸（Ｈ2ＳＯ4）と過酸化水素水（Ｈ2Ｏ2）との混合液を用いた。
【００４７】
次に、基材台２８に基材１０１を載置し（ステップＳ２）、基材１０１の表面のサーマルクリーニングを行った（ステップＳ３）。サーマルクリーニングは、反応性ガス導入管３１の内圧を１０Ｔｏｒｒに保持した状態で水素ガスを基材１０１の主面上に流速２ｍ／ｓｅｃで流し、基材１０１を１２００℃で１０分間保持することにより行った。なお、以後の処理においては、２ｍ／ｓｅｃの総ガス流速を維持するように水素ガス流量を調整した。サーマルクリーニングにより、基材１０１表面が洗浄されるとともに、再結晶化（水素アニール）も進行させることができる。
【００４８】
サーマルクリーニング終了後、基材温度を１２００℃に変更し、ＡｌＮ層１０２のエピタキシャル形成を行った（ステップＳ４）。ＡｌＮ層１０２の形成は、ＮＨ3とＴＭＡとのモル分率がＮＨ3：ＴＭＡ＝１０〜１０００：１の反応性ガスを反応性ガス導入管３１に導入することにより行った。これにより、０．７μｍ厚のＡｌＮ層１０２が基材１０１の上に形成された。当該工程により得られたＡｌＮ層１０２の表面荒さおよびロッキングカーブ半値幅を測定したところ、それぞれ、１．５Åおよび６０ｓｅｃであった。
【００４９】
続いて、基板温度を１０５０℃に変更して、ＧａＮ層１０３のエピタキシャル形成を行った（ステップＳ５）。ＧａＮ層１０３の形成は、ＮＨ3とＴＭＧとのモル分率がＮＨ3：ＴＭＧ＝５００〜５０００：１：の反応性ガスを反応性ガス導入管３１に導入することにより行った。これにより、５０ｎｍ厚のＧａＮ層１０３が形成された。
【００５０】
次に、ＧａＮ層１０３のアニール処理を行う（ステップＳ６）。アニール処理に先立って、反応性ガス導入管３１の内部の雰囲気を窒素ガスで置換した。しかる後に、圧力を１気圧とし、基板温度を１１５０℃に上昇し、当該基板温度を１０分間保持した。
【００５１】
アニール処理終了後、ＧａＮ層１０４をエピタキシャル形成した。ＧａＮ層１０４の形成は、基材温度を１０５０℃まで低下させて、ＮＨ3とＴＭＧとのモル分率がＮＨ3：ＴＭＧ＝５００〜５０００：１の反応性ガスを反応性ガス導入管３１に導入することにより行った。これにより、３μｍ厚のＧａＮ層１０４が形成された。カソードルミネッセンス像でのダークスポットを数えることによりＧａＮ層１０４の転位密度を測定したところ、２×１０7／ｃｍ2であり、低転位密度の高品質ＧａＮ層１０４が得られていることが確認できた。
【００５２】
＜実施例２＞
実施例２では、図３に示す工程フロー中のアニール処理（ステップＳ６）の具体的処理方法のみが実施例１と異なり、残余の工程は実施例１と同等である。具体的には、ＧａＮ層１０２のエピタキシャル形成終了後、エピタキシャル基板１００は、製造装置２とは異なる雰囲気加熱装置へ移動される。エピタキシャル基板１００は、２気圧に加圧したアルゴン雰囲気で置換された当該雰囲気加熱装置の内部で、１１５０℃まで加熱され、１０分間保持される。しかる後に、エピタキシャル基板１００は自然放冷され、再び製造装置２の基材台２８上へ戻される。そして、実施例１と同様にＧａＮ層１０４が形成される（ステップＳ７）。実施例２に係るエピタキシャル基板１００について、ＧａＮ層１０４の転位密度を測定したところ、２×１０7／ｃｍ2であり、低転位密度の高品質ＧａＮ層１０４が得られることが確認できた。
【００５３】
＜実施例３＞
実施例３では、バッファ層およびIII族窒化物層の組成が、それぞれ、Ａｌ0.4Ｇａ0.6ＮおよびＡｌ0.4Ｇａ0.6Ｎであるところが実施例１と異なり（図４（）内参照）、工程フローは実施例１と同様である（図３（）内参照）。
【００５４】
ＡｌＮ下地層を形成した後、基板温度を１１５０℃に変更して、Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ｎ層１０３のエピタキシャル形成を行った（ステップＳ５）。Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ｎ層１０３の形成は、ＮＨ3とＴＭＡとＴＭＧとのモル分率がＮＨ3：ＴＭＡ：ＴＭＧ＝５０〜５０００：０．５：１の反応性ガスを反応性ガス導入管３１に導入することにより行った。これにより、１５ｎｍ厚のＡｌ0.4Ｇａ0.6Ｎ層１０３が形成された。
【００５５】
次に、Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ｎ層１０３のアニール処理を行う（ステップＳ６）。アニール処理に先立って、反応性ガス導入管３１の内部の雰囲気を窒素ガスで置換した。しかる後に、圧力を１気圧とし、基板温度を１３５０℃に上昇し、当該基板温度を１０分間保持した。
【００５６】
アニール処理終了後、Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ｎ層１０４をエピタキシャル形成した。Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ｎ層１０４の形成は、基材温度を１１５０℃まで低下させて、ＮＨ3とＴＭＧとのモル分率がＮＨ3：ＴＭＡ：ＴＭＧ＝５０〜５０００：０．５：１の反応性ガスを反応性ガス導入管３１に導入することにより行った。これにより、２μｍ厚のＡｌ0.4Ｇａ0.6Ｎ層１０４が形成された。カソードルミネッセンス像でのダークスポットを数えることによりＡｌ0.4Ｇａ0.6Ｎ層１０４の転位密度を測定したところ、５×１０8／ｃｍ2であり、低転位密度の高品質Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ｎ層１０４が得られていることが確認できた。
【００５７】
＜比較例１＞
図５は、比較例１に係るエピタキシャル基板１００の製造方法の工程フローを示す図である。図５に示す工程フローにおけるステップＳ１１〜Ｓ１６は、それぞれ、図３に示す工程フローのステップＳ１〜Ｓ５およびＳ７に相当している。すなわち、比較例１に係る工程フローは、実施例１の工程フローからアニール工程（ステップＳ６）を省略したものに相当する。比較例１に係るエピタキシャル基板１００について、ＧａＮ層１０４の転位密度を測定したところ、７×１０7／ｃｍ2であった。
【００５８】
＜比較例２＞
比較例２では、実施例１におけるバッファ層であるＧａＮ層１０３の厚みを２００ｎｍまで増加させた点以外は実施例１と同等の条件でエピタキシャル基板を作製した。比較例２に係るエピタキシャル基板１００のＧａＮ層１０４の転位密度を測定したところ、７×１０7／ｃｍ2であった。
【００５９】
実施例１〜２と比較例１〜２とを比較すれば明らかなように、本実施の形態に係るエピタキシャル基板は、目的とするIII族窒化物層の転位密度が小さい高品質の基板となっている。すなわち、バッファ層１３を導入して、不活性雰囲気または窒素元素含有ガス雰囲気下で目的とするIII族窒化物層のエピタキシャル形成温度より高温でアニール処理を行うことにより、目的とするIII族窒化物層の転位密度を低減できている。
【００６０】
＜比較例３＞
比較例３に係る工程フローは、実施例３の工程フローからアニール工程（ステップＳ６）を省略したものに相当する（図５（）内参照）。比較例３に係るエピタキシャル基板１００について、Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ｎ層１０４の転位密度を測定したところ、３×１０9／ｃｍ2であった。
【００６１】
実施例３と比較例３とを比較すれば明らかなように、本実施の形態に係るエピタキシャル基板は、目的とするIII族窒化物層の転位密度が小さい高品質の基板となっている。すなわち、バッファ層１３を導入して、不活性雰囲気または窒素元素含有ガス雰囲気下で目的とするIII族窒化物層のエピタキシャル形成温度より高温でアニール処理を行うことにより、目的とするIII族窒化物層の転位密度を低減できている。すなわち、実施例１〜２においては、III族窒化物層１４の組成はＧａＮであったが、組成が一般式ＡｌxＧａyＮ（ｘ＋ｙ＝１）で表現される組成であっても同様の転位低減効果が得られる。
【００６２】
＜変形例＞
実施例１〜３においては、III族窒化物層１４の組成はＡｌxＧａyＮ（ｘ＋ｙ＝１）であったが、組成が一般式ＢwＡｌxＧａyＩｎzＮ（ｗ＋ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表現される組成であっても同様の転位低減効果が得られる。また、ＢwＡｌxＧａyＩｎzＮ（ｗ＋ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表現される組成を有するIII族窒化物に、Ｍｇ，Ｂｅ，Ｚｎ，Ｓｉ，ＧｅおよびＰ等のドナーおよびアクセプタを含有させた場合も同等の転位低減効果が得られる。
【００６３】
また、実施例１〜２では、アニール処理時の雰囲気ガスが窒素ガスまたはアルゴンガスであったが、雰囲気ガスをネオン等の不活性ガスやアンモニアガスに変更しても同等の転位低減効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本実施の形態に係るエピタキシャル基板１の積層構造を示す断面模式図である。
【図２】実施の形態に係るエピタキシャル基板１の製造装置２の断面模式図である。
【図３】実施例１（実施例３）に係るエピタキシャル基板１００の製造方法の工程フローを示す図である。
【図４】実施例１（実施例３）に係るエピタキシャル基板１００の積層構造を示す断面模式図である。
【図５】比較例１（比較例３）に係るエピタキシャル基板１００の製造方法の工程フローを示す図である。
【符号の説明】
【００６５】
１，１００  エピタキシャル基板
１１  基材
１５  エピタキシャル成長面
１６，１７  界面
２７  真空ポンプ
２８  基材台
２９  支持脚
３０  ヒータ
３１  反応性ガス導入管
【図１】
2005183524.tif 000003
【図２】
2005183524.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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