(57)【要約】【課題】  本発明は、ＧａＮ系半導体／ＳｉＣ単結晶デバイスにおいて、大電流化・高出力化が可能なＧａＮ系化合物半導体／ＳｉＣ単結晶ヘテロ構造を提供する。【解決手段】  結晶ｃ軸方向の電子有効質量を（０００１）面内の電子有効質量で除した値で定義される有効質量比αが０．５以上１．５以下である炭化珪素単結晶基板上に導電性の窒化物半導体エピタキシャル薄膜を配した窒化物半導体ヘテロ構造である。【選択図】            なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
結晶ｃ軸方向の電子有効質量を（０００１）面内の電子有効質量で除した値で定義される有効質量比αが０．５以上１．５以下である炭化珪素単結晶基板上に導電性の窒化物半導体エピタキシャル薄膜を配した窒化物半導体ヘテロ構造。
【請求項２】
前記有効質量比αが０．５以上１．０以下である請求項１記載の窒化物半導体ヘテロ構造。
【請求項３】
前記炭化珪素単結晶基板の結晶多形が４Ｈ型である請求項１又は２に記載の窒化物半導体ヘテロ構造。
【請求項４】
前記炭化珪素単結晶基板の面方位が（０００１）面から０．０５°以上２°以下傾斜している請求項１〜３のいずれかに記載の窒化物半導体ヘテロ構造。
【請求項５】
前記炭化珪素単結晶基板の面方位が（０００１）面から０．０５°以上１°以下傾斜している請求項１〜３のいずれかに記載の窒化物半導体ヘテロ構造。
【請求項６】
前記炭化珪素単結晶基板の口径が５０ｍｍ以上３００ｍｍ以下である請求項１〜５のいずれかに記載の窒化物半導体ヘテロ構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体デバイスに係わり、特に、青色発光ダイオード、レーザーや電子デバイス製造に用いられる窒化物半導体ヘテロ構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、青色・白色発光ダイオード（ＬＥＤ）用材料として、窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体が知られている。この材料は、一般に、主に有機金属気相成長法（以下、ＭＯＣＶＤ法と呼ぶ）により、サファイア基板上に成長されている。従来、この方法によって成長されたＧａＮ系化合物半導体は、結晶性が悪く、より適した基板材料が求められていた。近年、この基板材料として、炭化珪素（ＳｉＣ）単結晶が使用されるようになってきた。
【０００３】
ＳｉＣは、耐熱性、機械的強度に優れ、物理的、化学的にも安定である。ＳｉＣ単結晶には、結晶構造の異なる２００種以上の結晶多形が存在する。これらは、その積層の周期性と結晶の対称性から、２Ｈ型、３Ｃ型、６Ｈ型、４Ｈ型、１５Ｒ型、２１Ｒ型等に分類されている。ＳｉＣは、大型の単結晶基板が入手可能であり、結晶構造がＧａＮと類似している。両者の結晶基底面（（０００１）面）内での格子定数差は約３％と極めて小さく（サファイアとＧａＮの格子定数差は約１４％）、ＳｉＣ単結晶を基板材料として用いることにより、高品質のＧａＮ系化合物半導体薄膜が得られている。
【０００４】
中でも、６Ｈ型のＳｉＣ単結晶をその基板として用いたＧａＮ系化合物半導体／６Ｈ型ＳｉＣ単結晶ヘテロ構造は広く用いられている。このＧａＮ系化合物半導体／６Ｈ型ＳｉＣ単結晶ヘテロ構造を用いた青色・白色ＬＥＤは既に量産化されており、サファイア基板上に製造したＬＥＤと比して、電極構造を基板の裏面に設けられる（基板に導電性があるため）、静電圧耐性に優れている等の特長を有している（例えば、非特許文献１）。ＧａＮ系化合物半導体／６Ｈ型ＳｉＣ単結晶ヘテロ構造を利用した高効率青色・白色ＬＥＤは、フルカラーディスプレイ、携帯電話向け等に市販され、既に大きな市場を獲得している。
【非特許文献１】Ｖ．  Ｈaｒｌｅ  ｅｔ  ａｌ．，  Ｍａｔｅｒ．  Ｓｃｉ．  Ｅｎｇ．  Ｂ，  Ｖｏｌ．６１−６２  （１９９９）  ｐｐ．３１０−３１３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
６Ｈ型のＳｉＣ単結晶を基板として用いることにより、高品質なＧａＮ系半導体薄膜が得られるようになり、高輝度の青色及び白色ＬＥＤ等が実用化されている。しかしながら、ＬＥＤ等のデバイスの性能向上に対する要求は日々高まっており、特に素子の大電流化、高出力化に関する市場の期待は大きい。
【０００６】
大電流・高出力素子では、その基となるＧａＮ系化合物半導体／ＳｉＣ単結晶ヘテロ構造には低抵抗率と言う特性が強く求められる。通常、このＧａＮ系化合物半導体／ＳｉＣ単結晶ヘテロ構造用基板としては、ｎ型０．０４Ωｃｍ程度の６Ｈ型ＳｉＣ単結晶基板が用いられている。大電流・高出力素子では、大電流化に伴う通電損失の増大を抑制するために、ＧａＮ系化合物半導体／ＳｉＣ単結晶ヘテロ構造の抵抗率としては０．０５Ωｃｍ以下と言う値が求められる。上記０．０４Ωｃｍと言う値は、一見この仕様を満たしているように思えるが、６Ｈ型ＳｉＣ単結晶の電気特性に関する異方性を考慮すると、大きな問題があるのが分かる。
【０００７】
ＬＥＤやレーザーダイオード等のデバイスでは、基板表面（（０００１）面）に垂直方向、即ち、結晶ｃ軸に平行な方向に電流が流れることによって、素子が動作する。したがって、大電流素子で問題となるＧａＮ系化合物半導体／ＳｉＣ単結晶ヘテロ構造の抵抗率は、この結晶ｃ軸方向に平行な方向の抵抗率である。ところが、先に述べた６Ｈ型ＳｉＣ単結晶の抵抗率０．０４Ωｃｍというのは、（０００１）面内の抵抗率、即ち、結晶ｃ軸に垂直方向の抵抗率であって、結晶ｃ軸方向の抵抗率ではない。６Ｈ型のＳｉＣ単結晶では、電気特性に非常に大きな異方性を有しているために、結晶ｃ軸方向の抵抗率は、（０００１）面内の抵抗率の約３．５倍となる。したがって、現状使用されているＧａＮ系化合物半導体／６Ｈ型ＳｉＣ単結晶ヘテロ構造の結晶ｃ軸方向の抵抗率は０．１４Ωｃｍ程度となってしまい、大電流素子に対応できない。
【０００８】
結晶ｃ軸方向の抵抗率を下げる一つの方法として、６Ｈ型ＳｉＣ単結晶中のドナー元素（窒素元素）濃度をさらに高くすることが考えられるが、現状の（０００１）面内抵抗率０．０４Ωｃｍの結晶でも、既にドナー元素濃度は１×１０１９ｃｍ−３程度となっており、これ以上にドナー濃度を上げた場合には、結晶品質が劣化してしまうことが知られている。したがって、ＧａＮ系化合物半導体／６Ｈ型ＳｉＣ単結晶ヘテロ構造では、結晶品質を保ったまま、基板の結晶ｃ軸方向の抵抗率を０．０５Ωｃｍ以下にすることは難しく、ＬＥＤ等のＧａＮ系半導体／ＳｉＣ単結晶デバイスの大電流化は、非常に困難なものとなっていた。
【０００９】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、ＧａＮ系半導体／ＳｉＣ単結晶デバイスにおいて、大電流化・高出力化が可能なＧａＮ系化合物半導体／ＳｉＣ単結晶ヘテロ構造を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、
（１）  結晶ｃ軸方向の電子有効質量を（０００１）面内の電子有効質量で除した値で定義される有効質量比αが０．５以上１．５以下であるＳｉＣ単結晶基板上に導電性の窒化物半導体エピタキシャル薄膜を配した窒化物半導体ヘテロ構造、
（２）  前記有効質量比αが０．５以上１．０以下である（１）記載の窒化物半導体ヘテロ構造、
（３）  前記ＳｉＣ単結晶基板の結晶多形が４Ｈ型である（１）又は（２）に記載の窒化物半導体ヘテロ構造、
（４）  前記ＳｉＣ単結晶基板の面方位が（０００１）面から０．０５°以上２°以下傾斜している（１）〜（３）のいずれかに記載の窒化物半導体ヘテロ構造、
（５）  前記ＳｉＣ単結晶基板の面方位が（０００１）面から０．０５°以上１°以下傾斜している（１）〜（３）のいずれかに記載の窒化物半導体ヘテロ構造、
（６）  前記ＳｉＣ単結晶基板の口径が５０ｍｍ以上３００ｍｍ以下である（１）〜（５）のいずれかに記載の窒化物半導体ヘテロ構造、
である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、通電損失の小さなＧａＮ系半導体／ＳｉＣ単結晶デバイスを製造することができ、デバイスの大電流化・高出力化が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明では、ＧａＮ系化合物半導体／ＳｉＣ単結晶ヘテロ構造用の基板として、電子有効質量の異方性の小さなＳｉＣ単結晶基板を用いることにより、従来技術で問題となっていた電流通電方向の抵抗率低減を実現する。本発明者らは、結晶多形の異なる種々のＳｉＣ単結晶基板上にＧａＮ系半導体薄膜を堆積し、その結晶ｃ軸方向の抵抗率を詳細に調査した。その結果、電子有効質量の異方性の小さな（有効質量比α＝結晶ｃ軸方向の電子有効質量÷（０００１）面内の電子有効質量＝１．５以下）結晶多形（例えば、４Ｈ型、１５Ｒ型）のＳｉＣ単結晶基板を用いた場合には、結晶性を損なうことなく、結晶ｃ軸方向の抵抗率を０．０５Ωｃｍ以下にできることを見出した。特に、４Ｈ型のＳｉＣ単結晶を基板として用いた場合には、（０００１）面内の抵抗率よりもさらに小さな抵抗率を結晶ｃ軸方向に観測した。４Ｈ型ＳｉＣ単結晶の電子有効質量は、（０００１）面内に比べ、結晶ｃ軸方向の方が小さくなっている（（０００１）面内：０．２４ｍ（ｍは真空中の電子質量）、結晶ｃ軸方向：０．１９ｍ  （“Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｃａｒｂｉｄｅ”  ｅｄｉｔｅｄ  ｂｙ  Ｇ．Ｌ．  Ｈａｒｒｉｓ，  ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ  ｂｙ  ＩＮＳＰＥＣ，  ｔｈｅ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ，  Ｕｎｉｔｅｄ  Ｋｉｎｇｄｏｍ  （１９９５）  ｐ．７０））。一般に、その方向の電子有効質量が小さいほど、低い抵抗率を示す傾向があり、４Ｈ型のＳｉＣ単結晶の場合には、結晶ｃ軸方向の電子有効質量が（０００１）面内の電子有効質量よりも小さな値を有することで、結晶ｃ軸方向の抵抗率が（０００１）面内の抵抗率に比べ小さくなったものと考えられる。このような電子有効質量の異方性の小さなＳｉＣ単結晶を基板として用いれば、１×１０１９ｃｍ−３程度のドナー元素濃度で、結晶ｃ軸方向の抵抗率を０．０５Ωｃｍ以下とすることができる。
【００１３】
有効質量比αとしては、１．５以下、より好ましくは１．０以下であることが望ましい。αが１．５を超えると、結晶ｃ軸方向の抵抗率を０．０５Ωｃｍ以下にすることが困難となる。なお、有効質量比α＝０．５はＳｉＣ単結晶の物性から予想されるαの最小値であるため、これ以上の値となる。
【００１４】
また、このような電子有効質量の異方性の小さなＳｉＣ単結晶基板上にＧａＮ系半導体薄膜を成長させる際に、ＳｉＣ単結晶基板の面方位を（０００１）面から僅かばかり傾けることによって、薄膜の結晶品質を向上できることも見出した。（０００１）面からの傾角を０．０５°以上２°以下、より好ましくは０．０５°以上１°以下とすれば、表面モフォロジーに優れ、結晶方位の揺らぎの少ない良質のＧａＮ系半導体薄膜を有効質量の異方性の小さなＳｉＣ単結晶基板上に成長できる。これは、僅かな傾角が基板表面に規則正しい微小なステップ列を形成し、そのステップを起点にＧａＮ薄膜が規則正しく成長するためと考えられる。発明者らは、数多くの実験から、有効質量比αが１．５よりも小さいＳｉＣ単結晶の中でも、４Ｈ型のＳｉＣ単結晶を用いた場合に、この微小傾角の効果が最も顕著になることを見出した。これは、４Ｈ型のＳｉＣ単結晶が、ＧａＮ系半導体薄膜の結晶構造（２Ｈ型）に最も類似した結晶構造を有しているためと考えられる。
【００１５】
（０００１）面からの傾角としては、０．０５°以上２°以下、より好ましくは０．０５°以上１°以下であることが望ましい。傾角が２°を超えると、基板表面にエピタキシャル成長に好ましくない大きなステップ（ＧａＮ薄膜のｃ軸方向の格子定数を超える高さのステップ）が形成されてしまう。また、傾角が０．０５°未満の場合には、微小なステップの間隔が大きくなり過ぎ、ステップ導入の効果があまり期待できない。
【００１６】
本発明のＧａＮ系化合物半導体／ＳｉＣ単結晶ヘテロ構造は、５０ｍｍ以上３００ｍｍ以下の口径を有するＳｉＣ単結晶基板を用いることで、この構造を用いて各種デバイスを製造する際、工業的に確立されている従来の半導体（Ｓｉ、ＧａＡｓ等）基板用の製造ラインを使用することができ、量産に適している。この構造の結晶ｃ軸方向への抵抗率が低く、さらに結晶品質も高いため、特に、大電流、高出力のデバイス製造に適している。
【００１７】
以上述べたように、本発明の、電子有効質量の異方性が小さく面方位の制御されたＳｉＣ単結晶基板上に製造されたＧａＮ系化合物半導体／ＳｉＣ単結晶ヘテロ構造を用いれば、ＧａＮ系半導体／ＳｉＣ単結晶デバイスの結晶ｃ軸方向の抵抗率を０．０５Ωｃｍ以下にすることができ、さらにＧａＮ系半導体薄膜の結晶性が良好な素子の量産が可能である。
【実施例】
【００１８】
（実施例）
まず、良く洗浄したｎ型（ドナー元素濃度：１×１０１９ｃｍ−３）の４Ｈ型（有効質量比α約０．８）のＳｉＣ単結晶基板（口径：５０．８ｍｍφ、面方位：（０００１）面より［１１−２０］方向に０．１°傾いている）をＭＯＣＶＤ装置のリアクター内にセットし、リアクターを水素で良く置換する。次に、水素を流しながら温度を１０５０℃まで上昇させ２０分間保持し、ＳｉＣ単結晶基板表面のクリーニングを行う。その後、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）５４×１０−６モル／分、アンモニア（ＮＨ３）４Ｌ／分、モノシラン（ＳｉＨ４）２２×１０−１１モル／分を流して、６０分間成長させ、ｎ型のＧａＮを３μｍの膜厚で成長させた。
【００１９】
得られたＧａＮ薄膜／ＳｉＣ単結晶ヘテロ構造の結晶性を調べる目的で、Ｘ線ロッキングカーブの半値幅（結晶方位の揺らぎの大きさを表す）測定を行った。（０００２）反射の半値幅は１００秒程度で、結晶性が良好であることを示した。
【００２０】
次に、このＧａＮ薄膜／４Ｈ型ＳｉＣ単結晶ヘテロ構造の両面にオーミック電極（ＧａＮ側はＴｉ／Ａｌ電極、ＳｉＣ側はＮｉ電極）を形成し、電流−電圧特性を測定した。得られた電流−電圧特性から、結晶ｃ軸方向の抵抗率を見積ったところ、０．０２Ωｃｍという値を得た。
【００２１】
また、本発明のヘテロ構造の大電流化に対する効果を見るために、大電流通電時のヘテロ接合の温度上昇を測定した。上記の電流−電圧特性を測定した素子に、３００Ａ／ｃｍ２の電流を流し、その際の電極部近傍の温度上昇を熱電対により測定した。その結果、通電開始後、素子温度は５０℃±５℃の温度範囲に維持され、ＧａＮ系半導体素子の安定動作温度上限値の７０℃に対し充分な低温が保たれていた。
【００２２】
（比較例）
実施例と同様に、まず、良く洗浄したｎ型（ドナー元素濃度：１×１０１９ｃｍ−３）の６Ｈ型（有効質量比α約３．７）のＳｉＣ単結晶基板（口径：５０．８ｍｍφ、面方位：（０００１）面より［１１−２０］方向に０．０１°傾いている）をＭＯＣＶＤ装置のリアクター内にセットし、リアクターを水素で良く置換する。次に、水素を流しながら温度を１０５０℃まで上昇させ２０分間保持し、ＳｉＣ単結晶基板表面のクリーニングを行う。その後、ＴＭＧ：５４×１０−６モル／分、ＮＨ３：４Ｌ／分、ＳｉＨ４：２２×１０−１１モル／分を流して、６０分間成長させ、ｎ型のＧａＮを３μｍの膜厚で成長させた。
【００２３】
得られたＧａＮ薄膜／ＳｉＣ単結晶ヘテロ構造の結晶性を調べる目的で、Ｘ線ロッキングカーブの半値幅（ＦＷＨＭ）測定を行った。（０００２）反射の半値幅は２５０秒程度で、結晶性にやや問題があることが分かった。
【００２４】
次に、このＧａＮ薄膜／６Ｈ型ＳｉＣ単結晶ヘテロ構造の両面にオーミック電極（ＧａＮ側はＴｉ／Ａｌ電極、ＳｉＣ側はＮｉ電極）を形成し、電流−電圧特性を測定した。得られた電流−電圧特性から、結晶ｃ軸方向の抵抗率を見積ったところ、０．１５Ωｃｍという値を得た。
【００２５】
また、本ヘテロ構造の大電流通電時の温度上昇を、実施例と同様に測定した。上記の電流−電圧特性を測定した素子に、３００Ａ／ｃｍ２の電流を流し、その際の電極部近傍の温度上昇を熱電対により測定した。その結果、通電開始後しばらくして素子温度は７０℃±５℃に達し、ＧａＮ系半導体素子の安定動作温度上限値の７０℃に対し充分低い温度は維持できなかった。