(57)【要約】【課題】  ＡｌｘＧａ１−ｘＮ基板の平坦性を高め、良好な結晶性を有する窒化物系化合物半導体層を基板上に成長させる。【解決手段】  ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）単結晶基板上に形成された窒化物系化合物半導体層を有する化合物半導体素子を製造する。第１加熱工程、第２加熱工程および成長工程が順次に実施される。第１加熱工程は、少なくともＨ２ガスを含む第１ガス雰囲気下で基板を加熱する。第２加熱工程は、第１加熱工程の後、少なくともＮＨ３を含む第２ガス雰囲気下で基板を加熱する。成長工程は、第２加熱工程の後、基板上に窒化物系化合物半導体層をエピタキシャル成長させる。第１および第２加熱工程によって基板表面が平坦化される。これに応じて、この基板表面上にエピタキシャル成長される窒化物系化合物半導体層の結晶状態および表面モフォロジーが改善される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）単結晶基板上に形成された窒化物系化合物半導体層を有する化合物半導体素子を製造する方法であって、
少なくともＨ２ガスを含む第１ガス雰囲気下で前記ＡｌｘＧａ１−ｘＮ単結晶基板を加熱する第１加熱工程と、
前記第１加熱工程の後に、少なくともＮＨ３を含む第２ガス雰囲気下で前記ＡｌｘＧａ１−ｘＮ単結晶基板を加熱する第２加熱工程と、
前記第２加熱工程の後に、前記ＡｌｘＧａ１−ｘＮ単結晶基板上に前記窒化物系化合物半導体層をエピタキシャル成長させる成長工程と
を備える化合物半導体素子の製造方法。
【請求項２】
前記窒化物系化合物半導体は、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）から構成される、請求項１に記載の化合物半導体素子の製造方法。
【請求項３】
前記第１加熱工程および前記第２加熱工程における前記ＡｌｘＧａ１−ｘＮ単結晶基板の温度がそれぞれ８００℃以上である請求項１または２に記載の化合物半導体素子の製造方法。
【請求項４】
前記第２加熱工程における前記ＡｌｘＧａ１−ｘＮ単結晶基板の温度が１１００℃以上である請求項１〜３のいずれかに記載の化合物半導体素子の製造方法。
【請求項５】
前記成長工程の前に、前記第１加熱工程および前記第２加熱工程の各々が交互に２回以上繰り返される、請求項１〜４のいずれかに記載の化合物半導体素子の製造方法。
【請求項６】
前記第１加熱工程、前記第２加熱工程および前記成長工程が同じ反応室内で連続的に実施される請求項１〜５のいずれかに記載の化合物半導体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）単結晶基板を有する化合物半導体素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮ単結晶基板の表面を２回熱処理することにより平坦化し、その表面上に窒化物系化合物半導体層を形成して化合物半導体素子を製造する手法が開示されている（特許文献１を参照）。
【特許文献１】特開２００２−３５９１９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）単結晶基板は、化学研磨を用いて十分に平坦化することが困難であるため、通常、機械研磨によって平坦化される。しかし、化合物半導体のエピタキシャル成長に適するほどの平坦性を得ることは依然として困難である。機械研磨後の基板上に化合物半導体をエピタキシャル成長させると、基板上の凹凸部（例えば研磨傷）でランダムな３次元成長が発生してしまうため、平坦なエピタキシャル面が得られない。また、このようなエピタキシャル成長では、生成した成長核同士が合体する際に、転位等の結晶欠陥が核間に発生し、結晶性が劣化する。そのため、成長した化合物半導体の結晶性はあまり良好ではない。
【０００４】
そこで、本発明は、化学研磨および機械研磨以外の手法でＡｌｘＧａ１−ｘＮ基板の平坦性を高め、良好な結晶性を有する窒化物系化合物半導体層を基板上に成長させることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の方法は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）単結晶基板上に形成された窒化物系化合物半導体層を有する化合物半導体素子を製造する。この方法は、第１加熱工程、第２加熱工程および成長工程を備える。第１加熱工程は、少なくともＨ２ガスを含む第１ガス雰囲気下でＡｌｘＧａ１−ｘＮ単結晶基板を加熱する。第２加熱工程は、第１加熱工程の後、少なくともＮＨ３を含む第２ガス雰囲気下でＡｌｘＧａ１−ｘＮ単結晶基板を加熱する。成長工程は、第２加熱工程の後、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ単結晶基板上に窒化物系化合物半導体層をエピタキシャル成長させる。
【０００６】
第１加熱工程では、Ｈ２ガスによって基板表面のＡｌＮおよびＧａＮが還元されて分解し、ＡｌおよびＧａ原子が発生する。このＡｌおよびＧａ原子は、基板の表面エネルギを低下させるようにマイグレーションし、基板表面の凹部に集まる。第２加熱工程では、基板表面の凹部内のＡｌおよびＧａ原子がＮＨ３によって窒化され、基板表面の凹部でＡｌｘＧａ１−ｘＮが再生成される。これにより、基板の表面が平坦化される。また、第１加熱工程では、基板表面上の汚染物質がＨ２ガスによって除去され、それにより基板表面のストイキオメトリが改善される。この結果、この基板表面上にエピタキシャル成長される窒化物系化合物半導体層の結晶状態および表面モフォロジーが改善される。
【０００７】
前記窒化物系化合物半導体は、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）から構成されてもよい。ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮは、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ基板と近い格子定数を有するため、その基板上に直接エピタキシャル成長するのに適している。
【０００８】
好ましくは、第１加熱工程および第２加熱工程におけるＡｌｘＧａ１−ｘＮ単結晶基板の温度は、それぞれ８００℃以上である。基板の温度が８００℃以上だと、ガスと基板表面上の原子との反応率が十分に高くなる。
【０００９】
さらに好ましくは、第２加熱工程におけるＡｌｘＧａ１−ｘＮ単結晶基板の温度は１１００℃以上である。基板の温度が１１００℃以上だと、基板表面の凹部でＡｌＮが効率良く再生成される。
【００１０】
成長工程の前に、第１加熱工程および第２加熱工程の各々が交互に２回以上繰り返されてもよい。これらの加熱工程を繰り返すことにより、基板表面の凹部の埋め立てがいっそう進み、基板の平坦性がさらに高まる。
【００１１】
第１加熱工程、第２加熱工程および成長工程が同じ反応室内で連続的に実施されてもよい。この場合、基板を大気に晒すことなく窒化物系化合物半導体層を成長させることができる。したがって、成長工程の前に基板の表面を清浄化するための表面処理を実施する必要がない。その結果、化合物半導体素子の製造効率が高まる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の方法は、２段階の加熱処理によってＡｌｘＧａ１−ｘＮ基板の平坦性を高め、それにより、良好な結晶性を有する窒化物系化合物半導体層を基板上に成長させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１４】
図１は、本実施形態において製造される化合物半導体素子を示す断面図である。同図に示す化合物半導体素子１は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）単結晶基板２と、この基板２上に形成された窒化物系化合物半導体層３とを有する。以下では、特に必要な場合を除き、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）をＡｌＧａＮと簡略化して表記する。窒化物系化合物半導体層３の材料としては、例えば、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表される２、３または４元の化合物半導体が挙げられる。化合物半導体素子１は、発光ダイオードやレーザダイオード等の発光デバイスの製造中間体となるものである。すなわち、この化合物半導体素子１上に適当なｐｎ接合、好ましくはダブルへテロ接合、より好ましくは量子井戸構造を形成し、給電用の電極を取り付ければ、所望の発光デバイスが完成する。
【００１５】
本実施形態の製造方法は、（ａ）基板製造工程、（ｂ）第１加熱工程、（ｃ）第２加熱工程、（ｄ）エピタキシャル成長工程に大別される。以下では、これらの工程を順次に説明する。
【００１６】
（ａ）基板製造工程では、ＡｌＧａＮ単結晶基板２を製造する。製造されたＡｌＧａＮ単結晶基板２の表面は、研磨材を用いて機械研磨される。機械研磨が終了すると、ＡｌＧａＮ単結晶基板２は、洗浄液を用いて洗浄される。洗浄液としては、純水のほか、適当な有機溶剤、酸、アルカリ溶液等を用いることができる。なお、機械研磨されたＡｌＧａＮ単結晶基板２の表面には、研磨時のダメージによって加工変質層が表出する。しかし、加工変質層は、公知の適切な表面処理方法を用いることにより除去できる。
【００１７】
基板製造工程が完了したとき、ＡｌＧａＮ単結晶基板２の表面は平坦化され、鏡面状態になっている。しかし、基板２の表面には、機械研磨による細かな傷、すなわち研磨傷が生じている。このような研磨傷を有する基板２の表面に直接、窒化物系化合物半導体層３をエピタキシャル成長させると、研磨傷の凹凸上でランダムな結晶核が多数発生し、３次元的に結晶成長してしまう。このため、平坦性に優れた窒化物系化合物半導体層３を得ることは困難である。
【００１８】
そこで、本実施形態では、基板２の表面の平坦性を改善するために（ｂ）第１加熱工程および（ｃ）第２加熱工程を順次に実施し、その後、（ｄ）エピタキシャル成長工程にて窒化物系化合物半導体層３を基板２上に形成する。（ｂ）第１加熱工程では、少なくともＨ２ガスを含む第１ガスＧ１の雰囲気下でＡｌＧａＮ単結晶基板２を加熱する。この第１加熱工程における基板温度をＴ１とし、加熱時間をＰ１とする。（ｃ）第２加熱工程では、少なくともＮＨ３を含む第２ガスＧ２の雰囲気下でＡｌＧａＮ単結晶基板２を加熱する。この第２加熱工程における基板温度をＴ２とし、加熱時間をＰ２とする。（ｄ）エピタキシャル成長工程では、第１および第２加熱工程が施されたＡｌＧａＮ単結晶基板２の表面に、基板２を加熱しながら原料ガスＧ３を供給し、基板２上に窒化物系化合物半導体層３をエピタキシャル成長させる。このエピタキシャル成長工程における基板温度をＴ３とする。
【００１９】
第１加熱工程、第２加熱工程およびエピタキシャル成長工程は、単一の半導体製造装置の反応室内で連続的に実施することが好ましい。この半導体製造装置としては、図２に示す気相成長装置１０や、図３に示す気相成長装置２０などを使用することができる。
【００２０】
まず、図２に示す気相成長装置１０について説明する。気相成長装置１０は、横型ＯＭＶＰＥ装置として構成されている。気相成長装置１０は、反応室１１と、反応室１１の上部に設けられ、横方向、すなわち水平方向に延びる石英製のフローチャネル１２とを有する。反応室１１の内部にはサセプタ１４が配されている。ＡｌＧａＮ単結晶基板２は、サセプタ１４上に載置される。サセプタ１４の下部には、ヒータ１５が装着されている。これらサセプタ１４およびヒータ１５は、図示しない駆動装置によって、フローチャネル１２の延在方向と直交する方向、すなわち鉛直方向に延びる軸の周りに回転させられる。フローチャネル１２の一端には、反応室１１に原料ガス等を導入するための導入ノズル１６が設けられている。導入ノズル１６は、複数（本実施形態では３層）の流路１６ａ，１６ｂ，１６ｃを有する。各流路１６ａ，１６ｂ，１６ｃから導入されたガスは、サセプタ１４の上方で混ざり合う。反応室１１内で反応したガスは排気口１７から外部に排出される。
【００２１】
次に、図３に示す気相成長装置２０について説明する。気相成長装置２０は、ＨＶＰＥ装置として構成されており、反応室２１を有する。反応室２１の内部には、ＡｌＧａＮ単結晶基板２を載置するための試料台２２、および、Ｇａ等の金属原料を加熱するためのボート２３が配置されている。また、反応室２１の上部には、ガス導入ポート２４，２５が設けられている。ガス導入ポート２５は、ボート２３のほぼ真上に配置されている。反応室２１の内部で反応したガスは排気口２６から外部に排出される。反応室２１の周囲には、試料台２２上のＡｌＧａＮ単結晶基板２を加熱するためのヒータ２７が配置されている。
【００２２】
以下、（ｂ）第１加熱工程、（ｃ）第２加熱工程および（ｄ）エピタキシャル成長工程を詳細に説明する。
【００２３】
（ｂ）第１加熱工程
気相成長装置１０を用いて第１加熱工程を行う場合、まず、基板製造工程で製造したＡｌＧａＮ単結晶基板２をサセプタ１４上に載置する。次いで、導入ノズル１６から、少なくともＨ２ガスを含む第１ガスＧ１をフローチャネル１２内に導入すると共に、ヒータ１５を作動させて基板２の温度Ｔ１を所定温度以上に保つ。この加熱の間、サセプタ１４は回転させられる。一方、気相成長装置２０を用いて第１加熱工程を行う場合は、まず、基板製造工程で製造したＡｌＧａＮ単結晶基板２を試料台２２上に載置する。次いで、ガス導入ポート２４から、少なくともＨ２ガスを含む第１ガスＧ１を反応室２１内に導入すると共に、ヒータ２７を作動させて基板２の温度Ｔ１を所定温度以上に保つ。このような基板２の加熱は、所定時間Ｐ１にわたって行われる。
【００２４】
図４は、第１加熱工程を示す概略図である。第１ガスＧ１中のＨ２ガスは、ＡｌＧａＮ単結晶基板２の表面部２ａをエッチングする。Ｈ２ガスを含む第１ガス雰囲気下でＡｌＧａＮ単結晶基板２を加熱すると、基板２の表面部２ａにおいてＡｌＮおよびＧａＮが還元されて分解し、Ｎ原子はＮＨｘ（ｘは１，２または３）となって脱離する。このため、基板２の表面のストイキオメトリは、ＡｌおよびＧａリッチの状態となる。この結果、余剰のＡｌ原子およびＧａ原子は、表面エネルギを低下させるようにマイグレーションし、基板２の表面の凹部に集まる。第１加熱工程によって基板２の表面をこのような状態にしておいた上で、次の第２加熱工程を実施することにより、基板２上に成長させる窒化物系化合物半導体層３の表面の平坦化を図ることが可能となる。
【００２５】
Ｈ２ガスによる表面エッチングは、ＡｌＮおよびＧａＮを還元するだけでなく、ＡｌＧａＮ単結晶基板２の表面部２ａに吸着または結合している有機物や酸素等の分子を除去する。この結果、基板２の表面部２ａに存在する汚染物質を大幅に低減させることが可能となる。このようにして汚染物質を低減させておくことは、窒化物系化合物半導体層３の結晶状態の改善に顕著な効果を与える。
【００２６】
第１加熱工程における基板温度Ｔ１は、８００℃以上であることが好ましい。Ｔ１が８００℃以上であると、基板２の表面におけるＡｌ原子およびＧａ原子のマイグレーションが加速される。
【００２７】
第１加熱工程における加熱時間Ｐ１は、１０秒以上１０分以下であることが好ましい。本来、加熱時間Ｐ１は、ＡｌＧａＮ単結晶基板２の表面における汚染の度合いや、ＡｌＮおよびＧａＮ分解の活性化エネルギ等によって調節されるべきであり、また、加熱時の基板温度Ｔ１によっても変更されるべきである。しかしながら、加熱時間Ｐ１を１０秒以下とすると、表面吸着分子の脱離や、ＡｌＮおよびＧａＮの分解が不十分となってしまう。この場合、加熱処理後にＡｌＧａＮ単結晶基板２上に成長させる窒化物系化合物半導体層３の結晶状態を十分に改善できない。一方、加熱時間Ｐ１を１０分以上とすると、ＧａＮの分解が進行し過ぎて、ＡｌＧａＮ単結晶基板２の表面上に液体Ｇａが凝集したＧａドロップレットが形成されてしまう。この場合、窒化物系化合物半導体層３の結晶状態を逆に劣化させてしまうおそれがある。これらを踏まえれば、加熱時間Ｐ１を１０秒以上１０分以下とすることが好ましい。
【００２８】
第１ガスＧ１としては、純粋なＨ２ガスを用いることが好ましいが、Ｈ２ガスと不活性ガス（例えばＮ２ガスやＨｅ、Ａｒ等の希ガス）との混合ガスを用いてもよい。第１ガスＧ１を水素と不活性ガスとの混合ガスとする場合、第１ガスＧ１中の水素含有率は１０％以上１００％未満であると好ましい。すなわち、第１ガスＧ１中のＨ２以外の成分が、ＡｌＧａＮの分解には寄与しない不活性ガスであれば、ＡｌＧａＮの分解速度は、第１ガスＧ１中のＨ２ガスの含有率に比例する。従って、Ｈ２ガスの含有率に応じてＡｌＧａＮの分解速度を容易に制御することができる。
【００２９】
（ｃ）第２加熱工程
第１加熱工程が終了したら、第２加熱工程を実施する。気相成長装置１０を用いて第２加熱工程を行う場合は、導入ノズル１６から、少なくともＮＨ３を含む第２ガスＧ２をフローチャネル１２内に導入すると共に、ヒータ１５を作動させて基板２の温度Ｔ２を所定温度以上に保つ。また、気相成長装置２０を用いる場合は、ガス導入ポート２４から、少なくともＮＨ３を含む第２ガスＧ２を反応室２１内に導入すると共に、ヒータ２７を作動させて基板２の温度Ｔ２を所定温度以上に保つ。このような基板２の加熱は、所定時間Ｐ２にわたって行われる。
【００３０】
第２ガスＧ２の好ましい例としては、（１）ＮＨ３ガス、Ｎ２ガスおよびＨ２ガスの混合ガス、（２）ＮＨ３ガスおよびＮ２ガスの混合ガス、（３）ＮＨ３ガスおよびＨ２ガスの混合ガスが挙げられる。これらの例では、Ｎ２ガスおよびＨ２ガスはキャリアガスである。また、ＨｅやＡｒなどの不活性ガスをキャリアガスとして用いてもよい。
【００３１】
図５は、第２加熱工程を示す概略図である。上述したように、第１加熱工程でのＨ２を含む第１ガスＧ１を用いたエッチングにより、ＡｌＧａＮ単結晶基板２の表面からは窒素が脱離している。従って、基板２の表面部２ａはＡｌおよびＧａリッチとなっており、余剰のＡｌ原子およびＧａ原子はマイグレーションして、基板２の表面の凹部（例えば研磨傷）に集まっている。このようなＡｌＧａＮ単結晶基板２をＮＨ３を含む第２ガスＧ２の雰囲気下で加熱すれば、表面の凹部内のＡｌ原子およびＧａ原子は、ＮＨ３によって窒化される。これにより、表面の凹部で再度ＡｌＧａＮが生成され、ＡｌＧａＮ単結晶基板２の表面は良好に平坦化されることになる。第１加熱工程で不純物が除去されているため、基板２の表面部２ａの全体は実質的にＡｌＧａＮのみを有しており、したがって、良好なストイキオメトリを有する。こうして平坦化された基板２の表面上に窒化物系化合物半導体層３をエピタキシャル成長させることにより、窒化物系化合物半導体層３の結晶状態および表面モフォロジーを大幅に改善することができる。
【００３２】
第２加熱工程における基板温度Ｔ２は、８００℃以上であることが好ましく、１１００℃以上であればより好ましい。基板温度Ｔ２を８００℃以上に設定すれば、窒化物系化合物半導体層３の結晶状態を良好にすることができる。つまり、第２加熱工程における基板温度Ｔ２を８００℃以上とすれば、ＡｌＧａＮ単結晶基板２の表面における窒化反応を促進できる。さらに、基板温度Ｔ２を１１００℃以上とすれば、窒化反応によって再形成されたＡｌＧａＮ内に新たな欠陥が導入され難くすることができ、その結果、ＡｌＧａＮ単結晶基板２の表面の結晶状態を極めて良好に保つことができる。また、基板温度Ｔ２を１１００℃以上とすれば、ＡｌＮを効率良く形成することも可能である。
【００３３】
第２加熱工程における加熱時間Ｐ２は、１分以上であることが好ましい。本来、加熱時間Ｐ２は、第１加熱工程におけるＡｌＧａＮの分解の度合い、すなわち、ＡｌＧａＮ単結晶基板２の表面におけるストイキオメトリや、ＡｌＧａＮ生成の速度等によって調節されるべきであり、また、加熱時の基板温度Ｔ２によっても変更されるべきである。しかしながら、加熱時間Ｐ２を１分未満とすると、ＡｌＧａＮの生成が不十分となってしまう。この場合、ＡｌＧａＮ単結晶基板２上に成長させる窒化物系化合物半導体層３の結晶中に新たな欠陥が導入される等、結晶状態の改善を十分に達成することが困難となる。この点を踏まえれば、加熱時間Ｐ２を１分以上とすることが好ましい。
【００３４】
第１および第２加熱工程からなる一連の加熱処理は、２回以上繰り返すことが好ましい。この場合、ＡｌＧａＮ単結晶基板２の表面において、還元性エッチングと再窒化反応とが交互に繰り返し行われることになる。これにより、基板２の表面平坦性の改善が増幅されると共に、基板２上に形成される窒化物系化合物半導体層３の結晶状態および表面モフォロジーについても、より良好な結果を得ることができる。
【００３５】
なお、第１および第２加熱工程を繰り返す場合には、最初にＡｌＧａＮ単結晶基板２を昇温させる時、および、各工程間で温度を変更する時に、ＡｌＧａＮ単結晶基板２にＮＨ３を含むガスを供給するとよい。これは、ＮＨ３を含むガス雰囲気下では、基板２の表面におけるＡｌＧａＮの分解が還元反応によって抑制されるからである。これにより、不必要に表面のモフォロジーを悪化させてしまうことを防止することができる。
【００３６】
（ｄ）エピタキシャル成長工程
第１および第２加熱工程によって平坦化されたＡｌＧａＮ単結晶基板２は、ＡｌＧａＮと同種の材料、すなわちＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表される２、３または４元の化合物半導体をその上に直接エピタキシャル成長するのに非常に適している。これは、基板２の表面では１原子層に対応するテラスとステップが規則正しく配列しており、したがって、基板２と格子定数の近い窒化物系化合物半導体層３であれば、容易にステップフロー成長できるためである。
【００３７】
第１および第２加熱工程の後、エピタキシャル成長の前に、ＡｌＧａＮ単結晶基板２を大気に晒さないことが望ましい。すなわち、大気に基板２を晒すと、基板２の表面が酸化したり、有機物やその他の汚染物質が吸着して、エピタキシャル成長に悪影響を及ぼすからである。この場合、エピタキシャル成長前に再度基板２の表面を清浄化するための表面処理を行わなければならず、工程数が増えてしまう。したがって、第１加熱工程、第２加熱工程およびエピタキシャル成長工程は、同一の反応室内で連続的に行うことが好ましい。
【００３８】
図２に示す気相成長装置１０を用いたＯＭＶＰＥ法により基板２上にＧａＮからなる窒化物系化合物半導体層３を形成する場合、原料ガスＧ３としては、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）およびＮＨ３ガスを用いる。原料ガスＧ３は、Ｈ２やＮ２といったキャリアガスとともに供給される。原料ガスを供給するに際しては、導入ノズル１６の最上層の流路１６ａにＨ２とＮ２の混合ガス（Ｈ２＋Ｎ２）を、中央層の流路１６ｂにＴＭＧおよびキャリアガスを、最下層の流路１６ｃにＮＨ３およびキャリアガスをそれぞれ導入するのが一般的である。もちろん、これに限られるものではなく、例えば、最上層の流路１６ａへの混合ガス（Ｈ２＋Ｎ２）の導入は省略できる場合もある。ＧａＮの成長中、基板温度Ｔ３は、ヒータ１５によって１０３０℃程度に保持される。
【００３９】
図３に示す気相成長装置２０を用いたＨＶＰＥ法により、ＡｌＧａＮ単結晶基板２上にＧａＮからなる窒化物系化合物半導体層３を形成する場合、図３において二点鎖線にて示すように金属Ｇａをボート２３内に収容する。そして、ボート２３内で金属Ｇａを加熱すると共に、金属Ｇａに対して、ガス導入ポート２５からＨＣｌガスをキャリアガス（Ｈ２）と共に供給する。また、反応室２１内に、ガス導入ポート２４からＮＨ３、Ｈ２およびＮ２の混合ガスを導入する。これにより、試料台２２上のＡｌＧａＮ単結晶基板２の表面には、ＧａとＨＣｌとが反応して生成される塩化ガリウムと、ＮＨ３とが原料ガスＧ３としてキャリアガス（Ｈ２およびＮ２）と共に供給される。そして、ＡｌＧａＮ単結晶基板２上で原料ガスＧ３が反応することにより、基板２上にＧａＮからなる窒化物系化合物半導体層３が形成される。かかるＨＶＰＥ法では、成長時の基板温度Ｔ３は、ヒータ２７によって１０００℃程度に保持される。
【００４０】
なお、ＧａＮ等からなる窒化物系化合物半導体層３を形成可能な他の方法としては、有機金属塩化物気相成長法（ＭＯＣＶＰＥ）や、分子線エピタキシ法（ＭＢＥ）が挙げられる。これらの方法においても、所定の原料をＡｌＧａＮ単結晶基板２の表面に供給することにより、窒化物系化合物半導体層３を成長させることができる。
【００４１】
すでに述べたように、加熱工程によって基板２の表面は良好なストイキオメトリと平坦性を有している。そのような表面上に窒化物系化合物半導体層３を直接エピタキシャル成長させることにより、窒化物系化合物半導体層３の優れた結晶性と表面モフォロジーを達成できる。
【００４２】
上述した第１加熱工程、第２加熱工程およびエピタキシャル成長工程を連続的に行う場合には、次のような処理を行うと好ましい。すなわち、第１加熱工程では、基板温度を室温からＴ１まで上昇させる間、ＡｌＧａＮ単結晶基板２の表面にＮＨ３を含む混合ガスを流し続けながら、温度Ｔ１にてＨ２を含む第１ガスＧ１の雰囲気下で加熱処理を時間Ｐ１だけ行う。そして、ＡｌＧａＮ単結晶基板２の表面に、再びＮＨ３を含む混合ガスを流しながら、基板温度をＴ２に変更し、温度Ｔ２にてＮＨ３を含む第２ガスＧ２の雰囲気下で加熱処理を時間Ｐ２だけ行う。その後、更に基板温度をＴ３に変更し、温度Ｔ３のもとでエピタキシャル成長工程を行う。
【００４３】
以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。
【００４４】
上記実施形態では、ＡｌＧａＮ単結晶基板２上に窒化物系化合物半導体層３としてＧａＮを形成する。しかし、本発明の方法は、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表される他の２、３または４元の化合物半導体からなる窒化物系化合物半導体層３を形成するときにも効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】化合物半導体素子を示す断面図である。
【図２】化合物半導体素子の製造に使用可能な気相成長装置を示す概略図である。
【図３】化合物半導体素子の製造に使用可能な気相成長装置を示す概略図である。
【図４】第１加熱工程を示す概略図である。
【図５】第２加熱工程を示す概略図である。
【符号の説明】
【００４６】
１…化合物半導体素子、２…ＡｌｘＧａ１−ｘＮ単結晶基板、２ａ…表面部、３…窒化物系化合物半導体層、１０…気相成長装置、１１…反応室、１２…フローチャネル、１４…サセプタ、１５…ヒータ、１６…導入ノズル、１６ａ，１６ｂ，１６ｃ…流路、１７…排気口、２０…気相成長装置、２１…反応室、２２…試料台、２３…ボート、２４，２５…ガス導入ポート、２６…排気口、２７…ヒータ。
【図１】
2005217375.tif 000003
【図２】
2005217375.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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