(57)【要約】【課題】従来方法よりも短時間で窒化物系化合物半導体を製造することができ、生産時間を短縮することが可能な窒化物系化合物半導体の製造方法を提供すること。【解決手段】窒化物系化合物半導体を異種基板上に低温バッファ層を用いずにエピタキシャル成長する際、基板１表面から少なくとも１００nm以内の範囲において、窒化物系化合物半導体の成長速度を２．５nm／ｓｅｃ以上、好ましくは３．０nm／ｓｅｃ以上とし、この範囲を過ぎた以降の残り部分における成長速度をより低速にする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物系化合物半導体を異種基板上にエピタキシャル成長する際、基板表面から少なくとも１００nm以内の範囲において、窒化物系化合物半導体の成長速度を２．５nm／ｓｅｃ以上とし、この範囲を過ぎた以降の残り部分における成長速度をより低速にすることを特徴とする窒化物系化合物半導体の製造方法。
【請求項２】
窒化物系化合物半導体を異種基板上にエピタキシャル成長する際、基板表面から少なくとも１００nm以内の成長速度を３．０nm／ｓｅｃ以上とし、この範囲を過ぎた以降の残り部分における成長速度をより低速にすることを特徴とする窒化物系化合物半導体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物系化合物半導体の製造方法に関し、特に異種基板上に短時間で窒化物系化合物半導体を成長する製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
窒化物系化合物半導体では、単結晶基板を得ることが困難であり、且つ高価格であることから産業的には実用できない為に、シリコン、ＧａＡｓ、サファイアおよび炭化珪素などの異種基板上に成長が行なわれている。その中でも、サファイア基板が一般的に多く用いられているが、ヘテロエピタキシャル成長の為、基板とエピタキシャル層の格子不整合、熱膨張係数の不整合、表面エネルギーの不整合等の様々な材料固有の特性の不整合により、成長した半導体エピタキシャル膜中に高密度の転位が導入される。
【０００３】
しかしながら、近年、ＭＯＶＰＥ法を用いた「２段階成長法」（一般的な成長手順を図７に示す）によりこの問題は一部解決された。即ち、１２００℃程度でサファイア基板を水素雰囲気中で熱処理し、その後サファイア基板上に５００℃程度の低温でＧａＮあるいはＡｌＮからなる低温バッファ層を成長し、その後、その上に１０００℃程度の温度でＧａＮを成長することにより、従来１０10〜１０11cm-2程度であったサファイア基板上のＧａＮにおける転位密度を１０9cm-2台前半程度に抑制することに成功しているのである（特許文献１参照）。
【特許文献１】特公平８−８２１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、先に述べた２段階成長法（図７）では、成長中における温度の昇降温の回数が多く成長時間が長くなり産業的に不向きである。また、成長炉が大きくなればなるほど昇降温に時間がかかるといった問題点がある。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、従来方法よりも短時間で窒化物系化合物半導体を製造することができ、生産時間を短縮することが可能な窒化物系化合物半導体の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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。
【０００７】
請求項１の発明に係る窒化物系化合物半導体の製造方法は、窒化物系化合物半導体を異種基板上にエピタキシャル成長する際、基板表面から少なくとも１００nm以内の範囲において、窒化物系化合物半導体の成長速度を２．５nm／ｓｅｃ以上とし、この範囲を過ぎた以降の残り部分における成長速度をより低速にすることを特徴とする。
【０００８】
請求項２の発明に係る窒化物系化合物半導体の製造方法は、窒化物系化合物半導体を異種基板上にエピタキシャル成長する際、基板表面から少なくとも１００nm以内の成長速度を３．０nm／ｓｅｃ以上とし、この範囲を過ぎた以降の残り部分における成長速度をより低速にすることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明による窒化物系化合物半導体の製造方法では、窒化物系化合物半導体を異種基板上に低温バッファ層を用いずに成長し、その際に基板表面から少なくとも１００nm以内の範囲において、窒化物系化合物半導体の成長速度を２．５nm／ｓｅｃ以上、好ましくは３．０nm／ｓｅｃ以上とする。
【００１０】
本発明の製造方法によって得られる窒化物系化合物半導体、例えばＧａＮ層の結晶は、表面の平坦性及び転位密度とも、低温バッファ層を用いた従来法の２段階成長法（図７）により製造した場合と同程度の品質となる。また、本発明の窒化物系化合物半導体の製造方法は、先に述べた２段階成長法と比較して、成長中における温度の昇降温の回数が少ない。
【００１１】
従って本発明によれば、従来方法よりも短時間でコストを抑えた方法で窒化物系化合物半導体を作製することが可能となり、更にはその上に形成するデバイス構造を含めた窒化物系化合物半導体デバイスの生産時間の短縮が可能となる。また、製造装置が大きければ大きい程、昇降温に時間がかかるため、その効果は大きくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
次に、本発明による窒化物系化合物半導体の製造方法の実施形態について説明する。
【００１３】
本実施形態では、ＭＯＶＰＥ法（有機金属気相成長法）を用いて、窒化物系化合物半導体としてＧａＮ層を、異種基板のサファイア基板上に低温バッファ層を用いずにエピタキシャル成長する。このエピタキシャル成長に際し、基板表面から少なくとも１００nm以内の範囲における成長速度を２．５nm／ｓｅｃ以上、好ましくは３．０nm／ｓｅｃ以上とし、この範囲を過ぎた以降の残り部分における成長速度を、これより低速にする。
【００１４】
この際、残りの部分における成長速度は０．５nm／ｓｅｃ以上が望ましい。なぜならば、成長速度がこれよりも遅いと、エピタキシャル成長された層が平坦にならないからである。
【００１５】
［実施形態１］
この実施形態１における窒化物系化合物半導体の成長シーケンスは図１に示す通りであり、Ｇａ、Ａｌの原料として、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を使用した。Ｎの原料としてアンモニア（ＮＨ3）を使用し、２インチ×６枚チャージの中型ＭＯＶＰＥ装置を用いてエピタキシャル成長を行なった。
【００１６】
試作例として、図１に示した成長シーケンスで、サファイア基板１上にＧａＮ層２を成長した（図４参照）。その際、基板からの最初の１００nmでのＧａＮの成長速度を０．２４nm／ｓｅｃ（試作例Ａ〔比較例１〕）、０．９５nm／ｓｅｃ（試作例Ｂ〔比較例２〕）、２．８６nm／ｓｅｃ（試作例Ｃ〔実施例１〕）、３．７９nm／ｓｅｃ（試作例Ｄ〔実施例２〕）と変えて成長を行なった。その後、この範囲を過ぎた以降の残り部分である１９００nmを、これより低速の成長速度０．９５nm／ｓｅｃとして成長を行なった。このときの成長温度は、１１００℃、成長圧力は３００Ｔｏｒｒとした。
【００１７】
また、従来例として図７に示す成長シーケンスでサファイア基板１上にＧａＮ層２を成長した（試作例Ｅ〔従来例〕）（図５参照）。その際、５００℃で低温バッファ層６を２５nm成長させ、その後１１００℃、３００Ｔｏｒｒ、成長速度０．９５nm／ｓｅｃでＧａＮを２０００nm成長した。これにより得られたＧａＮ層２（試作例Ｅ〔従来例〕）の転位密度は、１．１×１０9cm-2であった。
【００１８】
上記の如く成長速度を変えて製造したＧａＮ層（Ａ〜Ｄ）および従来例のＧａＮ層（Ｅ）の表面モフォロジを図３に、またそれらの転位密度を図２に示す。図３、図２より、試作例Ａ、Ｂ（比較例１、２）では表面の凹凸が大きく、転位密度も１０10cm-2台と高い。それに対して試作例Ｃ、Ｄ（実施例１、２）では、試作例Ｅ（従来例）と同程度に表面が鏡面であり転位密度も同程度の１０9cm-2台前半であった。
【００１９】
以上の結果から、低温バッファ層を用いなくともサファイア基板上の成長初期段階での成長速度を２．５nm／ｓｅｃ以上、好ましくは３．０nm／ｓｅｃ程度以上の速さにすれば、低温バッファ層を用いた場合と同程度の品質のＧａＮ層が得られることが示された。また、成長シーケンス図１から明らかな通り、低温バッファ層を用いていないため、図７と比較して成長中の昇降温過程が少なくなることから、２インチ×６枚チャージの中型量産型ＭＯＶＰＥ装置において、成長時間が３０分ほど短くすることが出来た。これにより、従来の図７の成長シーケンスに対して３／４程度の時間で成長が可能となった。成長装置が大きくなれば成るほど炉内の昇降温にかかる時間が長くなる為、この効果は、大型の量産装置になればなるほど大きくなる。
【００２０】
［実施形態２］
実施形態２として、図４の如く発光ダイオードを（ＬＥＤ）を作製した。
【００２１】
この実施形態２においては、図４（ａ）に示す如く、上記実施形態１における図１の成長シーケンスで、サファイア基板１上に低温バッファ層を用いずに、ｎ型ＧａＮ層２を、基板からの最初の１００nmのみ３．７９nm／ｓｅｃの成長速度で成長し、その後、この範囲を過ぎた以降の残り部分である１９００nmを、これより低速の０．９５nm／ｓｅｃで成長したｎ型ＧａＮ２／サファイア基板１の構造（試作例Ｄ〔実施例２〕）上に、発光ダイオードの積層構造を成長し、ＬＥＤ用エピタキシャルウェハを作製した。すなわち、上記ｎ型ＧａＮ層２上に多重量子井戸３（ＩｎＧａＮ ２nm／ＧａＮ ４nm）を３ペア形成し、その上にｐ型ＡｌＧａＮ層４を３０nm成長し、更にｐ型ＧａＮ層５を１０００nm成長した（図４（ａ））。
【００２２】
同様に、図７の成長シーケンスで低温バッファ層を用いて作製したｎ型ＧａＮ層２／低温バッファ層６／サファイア基板１の構造（試作例Ｅ〔従来例〕）上にも、上記と同様のＬＥＤ構造を成長し、ＬＥＤ用エピタキシャルウェハを作製した（図５（ａ））。
【００２３】
そして、得られた図４（ａ）及び図５（ａ）のＬＥＤ用エピタキシャルウェハの表面を、それぞれＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ：反応性イオンエッチング）により部分的に除去し、ｎ型ＧａＮ層２の一部を露出させて電極１０を形成し、ｐ型ＧａＮ層５上に電極１１を形成し発光ダイオード（ＬＥＤ）を作製した（図４（ｂ）、図５（ｂ））。
【００２４】
得られた発光ダイオードに２０ｍＡの電流を通電したところ、共に発光波長は４８０nmであった。また、発光出力は、図１の成長シーケンスで作製したｎ型ＧａＮ／サファイア基板上のＬＥＤ（図４（ｂ））では２．３０ｍＷであり、図７の成長シーケンスで作製したｎ型ＧａＮ／低温バッファ層／サファイア基板上のＬＥＤ（図５（ｂ））では２．２５ｍＷとほぼ同程度の発光出力となった。
【００２５】
このことから、請求項１記載の製造方法による窒化物系化合物半導体においても、発光ダイオードの下地エピタキシャルウェハとして十分に用いることができることが確認された。
【００２６】
［実施形態３］
実施形態３として、図６の如き手順でＧａＮ自立基板を作製した。
【００２７】
この実施形態３においては、図６に示す如く、上記実施形態１における図１の成長シーケンスで、サファイア基板１上に低温バッファ層を用いずにｎ型ＧａＮ層２を、基板からの最初の１００nmのみ３．７９nm／ｓｅｃの成長速度で成長し、その後１９００nmを０．９５nm／ｓｅｃで成長したｎ型ＧａＮ２／サファイア基板１の構造（試作例Ｄ〔実施例２〕）上に、まずＡｌＧａＮ層２１を３０nm形成し、更にＧａＮ層２２を３００nm形成した（図６（ａ））。
【００２８】
次に、ＧａＮ層２２上に、金属膜としてＴｉ膜２３を３０nm形成し（図６（ｂ））、その後に図６（ｃ）の工程の熱処理を、１１００℃で水素８０％、アンモニア２０％雰囲気で３０分行なった。この熱処理後、ＧａＮ層２２中に空隙が生じ、その空隙がＡｌＧａＮ層２１で遮断される（図６（ｂ））。
【００２９】
次に、その空隙を有するＧａＮ層２２上に、ＨＶＰＥ法（Ｈｙｄｒｉｄｅ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ：ハイドライド気相成長法）でＧａＮ層２４を３００μｍ成長した（図６（ｃ））。成長後に、Ｔｉ膜２３を境界として機械的にＧａＮ層２４を剥離し、ＧａＮ自立基板を作製した。空隙を有する層が歪み緩和層として機能するため、欠陥密度が低く、結晶品質の良好な反りのない自立ＧａＮ基板を得ることができ、基板の除去も容易に行なうことができる。
【００３０】
本実施形態３で作製したＧａＮ自立基板の表面状態は、鏡面、且つ平坦であり低温バッファ層を用いた従来のｎ型ＧａＮ／低温バッファ層／サファイア基板の構造（試作例Ｅ〔従来例〕）上に作製したものとの差は見られなかった。また、基板の最も重要な特性である転位密度（結晶欠陥）も、従来方法で作製した基板の基板成長面での転位密度が４．３×１０6cm-2であるのに対して、本実施形態の手法で作製した基板成長面での転位密度は４．８×１０6cm-2とほとんど差が表われなかった。
【００３１】
以上のことから、本発明の製造方法で作製した窒化物系化合物半導体は、ＧａＮ自立基板の下地エピタキシャルウェハとして十分に用いられることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明のサファイア上の窒化物系化合物半導体の成長シーケンス図である。
【図２】本発明および従来の成長方法によるサファイア上の窒化物系化合物半導体の転位密度を示す図である。
【図３】本発明および従来の成長方法によるサファイア上の窒化物系化合物半導体の表面モフォロジを示す図である。
【図４】本発明の製造方法の実施形態を示したもので、（ａ）はサファイア上の窒化物系化合物半導体上に発光ダイオード構造を形成したＬＥＤ用エピタキシャルウェハの断面図、（ｂ）はこれを用いて作製した発光ダイオードの断面図である。
【図５】従来の製造方法による製作例を示したもので、（ａ）はサファイア上の窒化物系化合物半導体上に発光ダイオード構造を形成したＬＥＤ用エピタキシャルウェハの断面図、（ｂ）はこれを用いて作製した発光ダイオードの断面図である。
【図６】本発明の製造方法の他の実施形態を示したもので、（ａ）〜（ｃ）はサファイア上の窒化物系化合物半導体上にＧａＮ自立基板を作製する工程を示した概略図である。
【図７】従来のサファイア上の窒化物系化合物半導体の成長シーケンス図である。
【符号の説明】
【００３３】
１  サファイア基板
２  ｎ型ＧａＮ層
３  多重量子井戸
４  ｐ型ＡｌＧａＮ層
５  ｐ型ＧａＮ層
６  低温バッファ層
１０、１１  電極
２１  ＡｌＧａＮ層
２２  ＧａＮ層
２３  Ｔｉ膜
２４  ＧａＮ層（ＧａＮ自立基板）
【図１】
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【図２】
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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３】
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