(57)【要約】【課題】  低温バッファ層の膜厚をウエハ全面において均一にすることにより、ウエハ全面における転位密度を均一にする窒化物半導体の製造方法、その方法により得られる窒化物半導体を有する窒化物半導体ウエハ及び窒化物半導体デバイスを提供する。【解決手段】  本発明の製造方法は、基板上に少なくとも第１及び第２の窒化物半導体層を成長させる窒化物半導体の製造方法であって、前記第１の窒化物半導体層の上に成長させる前記第２の窒化物半導体層の成長温度を700〜1300℃とし、前記第１の窒化物半導体層の成長速度及び成長温度をそれぞれ0.5〜2.3μm／時及び430〜580℃の範囲で選択する。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に少なくとも第１及び第２の窒化物半導体層を成長させる窒化物半導体の製造方法であって、前記第１の窒化物半導体層の上に成長させる前記第２の窒化物半導体層の成長温度を700〜1300℃とし、前記第１の窒化物半導体層の成長速度を２μm／時以上2.3μm／時未満、かつ成長温度を480〜520℃とすることを特徴とする方法。
【請求項２】
基板上に少なくとも第１及び第２の窒化物半導体層を成長させる窒化物半導体の製造方法であって、前記第１の窒化物半導体層の上に成長させる前記第２の窒化物半導体層の成長温度を700〜1300℃とし、前記第１の窒化物半導体層の成長速度を1.8μm／時以上２μm／時未満、かつ成長温度を470〜530℃とすることを特徴とする方法。
【請求項３】
基板上に少なくとも第１及び第２の窒化物半導体層を成長させる窒化物半導体の製造方法であって、前記第１の窒化物半導体層の上に成長させる前記第２の窒化物半導体層の成長温度を700〜1300℃とし、前記第１の窒化物半導体層の成長速度を1.6μm／時以上1.8μm／時未満、かつ成長温度を460〜545℃とすることを特徴とする方法。
【請求項４】
基板上に少なくとも第１及び第２の窒化物半導体層を成長させる窒化物半導体の製造方法であって、前記第１の窒化物半導体層の上に成長させる前記第２の窒化物半導体層の成長温度を700〜1300℃とし、前記第１の窒化物半導体層の成長速度を1.4μm／時以上1.6μm／時未満、かつ成長温度を450〜560℃とすることを特徴とする方法。
【請求項５】
基板上に少なくとも第１及び第２の窒化物半導体層を成長させる窒化物半導体の製造方法であって、前記第１の窒化物半導体層の上に成長させる前記第２の窒化物半導体層の成長温度を700〜1300℃とし、前記第１の窒化物半導体層の成長速度を1.2μm／時以上1.4μm／時未満、かつ成長温度を445〜565℃とすることを特徴とする方法。
【請求項６】
基板上に少なくとも第１及び第２の窒化物半導体層を成長させる窒化物半導体の製造方法であって、前記第１の窒化物半導体層の上に成長させる前記第２の窒化物半導体層の成長温度を700〜1300℃とし、前記第１の窒化物半導体層の成長速度を１μm／時以上1.2μm／時未満、かつ成長温度を440〜570℃とすることを特徴とする方法。
【請求項７】
基板上に少なくとも第１及び第２の窒化物半導体層を成長させる窒化物半導体の製造方法であって、前記第１の窒化物半導体層の上に成長させる前記第２の窒化物半導体層の成長温度を700〜1300℃とし、前記第１の窒化物半導体層の成長速度を0.8μm／時以上１μm／時未満、かつ成長温度を435〜575℃とすることを特徴とする方法。
【請求項８】
基板上に少なくとも第１及び第２の窒化物半導体層を成長させる窒化物半導体の製造方法であって、前記第１の窒化物半導体層の上に成長させる前記第２の窒化物半導体層の成長温度を700〜1300℃とし、前記第１の窒化物半導体層の成長速度を0.5μm／時以上0.8μm／時未満、かつ成長温度を430〜580℃とすることを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の窒化物半導体の製造方法において、前記基板がサファイア、炭化珪素、珪素、ZrB2、ZnO、LiGaO2又はLiAlO2からなる単結晶基板であることを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかに記載の窒化物半導体の製造方法において、前記第１及び第２の窒化物半導体層がそれぞれInxAlyGazN（x≧0、y≧0、ｚ≧0、x＋y＋z＝1）からなることを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項１〜10のいずれかに記載の方法により作製した窒化物半導体を有する窒化物半導体ウエハであって、前記第２の窒化物半導体層上に複数の半導体層が形成されていることを特徴とする窒化物半導体ウエハ。
【請求項１２】
請求項11に記載の窒化物半導体ウエハを用いたことを特徴とする窒化物半導体デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ウエハ面内の転位密度の分布が狭い窒化物半導体の製造方法、その方法により得られる窒化物半導体を有する窒化物半導体ウエハ及び窒化物半導体デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に半導体エピタキシャル層を形成するのに最も容易な方法は、成長させる半導体と同一の材料からなる単結晶基板を形成し、その基板上に半導体結晶を気相成長させる方法であり、幾つかの材料系で実用化に成功している。しかしながら、単結晶基板を得ることが技術的に困難であったり、コスト高である等の理由により、基板上に基板材料と異なる半導体結晶を成長させざるを得ないことが多い。そのような場合の基板と半導体結晶の組合せとしては、例えばシリコン基板とGaAs、サファイア又は炭化珪素の基板と窒化物半導体、GaAs基板とII-VI族半導体等が知られている。
【０００３】
ところが基板上に基板材料と異なる半導体を成長させると、格子、熱膨張係数、表面エネルギー等の様々な特性の不整合により、成長した半導体エピタキシャル層中に高密度で転位が導入される。半導体中の転位は光デバイス、電子デバイス等の半導体デバイスにおいて非発光再結合中心、散乱中心等となる。そのため、転位密度の高い半導体を用いるデバイスでは性能及び安定性が著しく劣るという問題がある。
【０００４】
窒化ガリウム（GaN）、窒化アルミニウムガリウム（AlGaN）、窒化インジウムガリウム（InGaN）等に代表される窒化物半導体もバルク結晶成長が困難であり、実用に耐えるサイズの単結晶基板はまだ得られていない。そのためサファイアや炭化珪素等の基板上に窒化物半導体結晶をエピタキシャル成長させる方法が一般に使用されているが、上述のように転位の発生が深刻な問題となっている。
【０００５】
このような事情下、特公平8-8217号（特許文献１）は、有機金属気相成長法（MOVPE法）を用いる２段階成長法により、窒化物半導体層の転位密度を低減する方法を提案した。この方法では、サファイア等からなる基板表面上に1,000℃以上の高温で水素ガスを噴射することにより表面の酸化膜を除去した後（熱清浄化）、(a) 基板上に400〜600℃でGaN、AlN等からなる低温バッファ層を成長させ、(b) 1,000℃程度に昇温し（熱処理）、(c) 1,000℃程度でGaN等からなる窒化物半導体層を成長させる。工程(a) では、結晶成長温度がGaN、AlN等の融点より低いため、多結晶の低温バッファ層が形成される。工程(b) で1,000℃程度に昇温することにより、低温バッファ層が部分的に単結晶化して微結晶粒が形成される。工程(c) では、この微結晶粒を核としてGaN等のエピタキシャル層を形成する。この方法により得られたサファイア基板上のGaN半導体層の転位密度は109個/cm2程度であり、従来の方法により得られたGaN半導体層の転位密度（1010〜1011個/cm2）より低かった。
【０００６】
サファイア基板上に形成したGaN半導体層の転位密度を1×109個/cm2以下にする方法として、本発明者等は、特願2003-185486号において下記の３つの工程を含む方法（先発明の方法）を提案した。
(i) 基板上に低温バッファ層を成長させ、それを熱処理することにより窒化物半導体からなる微結晶粒を形成する工程。
(ii) 上記微結晶粒を核とし、上記基板表面に対して傾斜した複数のファセット面を有する島状構造窒化物半導体層を形成する工程（膜厚＞1μm）。
(iii) 上記島状構造窒化物半導体層を上記基板の表面と平行な方向に成長させることにより複数の上記島状構造窒化物半導体層を相互に結合させ、もって平坦な表面を有する窒化物半導体結晶層を形成する工程
この方法により転位密度を107〜106個/cm2台にすることができた。
【０００７】
従来の２段階成長法及び先発明の方法により得られる窒化物半導体ウエハを工業的に利用するためには、転位密度がウエハ全面で均一であることが重要である。転位密度は、窒化物半導体の電気的.光学的特性に大きく影響するので、もし転位密度が均一でなければ、その上に形成する素子特性も不均一となってしまうからである。
【０００８】
転位密度は、従来の２段階成長法及び先発明の方法において形成する低温バッファ層の厚さに大きく依存する。このため、ウエハ全面において均一な転位密度を有する窒化物半導体ウエハを得るためには、低温バッファ層の厚さを均一にする必要がある。しかしながら、低温バッファ層の膜厚をウエハ全面において均一に制御する方法はこれまで知られていない。
【０００９】
【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】
【００１０】
従って本発明の目的は、低温バッファ層の膜厚をウエハ全面において均一にすることにより、ウエハ全面における転位密度を均一にする窒化物半導体の製造方法、その方法により得られる窒化物半導体を有する窒化物半導体ウエハ及び窒化物半導体デバイスを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的に鑑み鋭意研究の結果、本発明者等は、基板上に第１の窒化物半導体層（低温バッファ層）を成長させ、その上に第２の窒化物半導体層を成長させる窒化物半導体の製造方法において、低温バッファ層の面内の膜厚分布の均一性が低温バッファ層成長時の成長温度及び成長速度に強く依存し、この成長温度及び成長速度を適切に制御することにより、その上に形成する第２の窒化物半導体表面の転位密度の分布を均一にできることを発見し、本発明に想到した。
【００１２】
すなわち、本発明の第１の製造方法は、基板上に少なくとも第１及び第２の窒化物半導体層を成長させる窒化物半導体の製造方法であって、前記第１の窒化物半導体層の上に成長させる前記第２の窒化物半導体層の成長温度を700〜1300℃とし、前記第１の窒化物半導体層の成長速度を２μm／時以上2.3μm／時未満、かつ成長温度を480〜520℃とすることを特徴とする。
【００１３】
ここで、膜厚及び成長速度が不均一な場合を対象としている本発明において、上記の「成長速度」をどのように定義するかについては注意が必要となる。すなわち、本明細書において対象としている層の「成長速度」とは、ウエハを円板とみなしたときの中心点を通る直線上に中心点を含んで１cm間隔に並んだ各点の成長速度の平均値を意味する。この場合、上記の直線は最も成長速度の分布が大きくなるように設定するものとする。
【００１４】
本発明の第２の製造方法は、基板上に少なくとも第１及び第２の窒化物半導体層を成長させる窒化物半導体の製造方法であって、前記第１の窒化物半導体層の上に成長させる前記第２の窒化物半導体層の成長温度を700〜1300℃とし、前記第１の窒化物半導体層の成長速度を1.8μm／時以上２μm／時未満、かつ成長温度を470〜530℃とすることを特徴とする。
【００１５】
本発明の第３の製造方法は、基板上に少なくとも第１及び第２の窒化物半導体層を成長させる窒化物半導体の製造方法であって、前記第１の窒化物半導体層の上に成長させる前記第２の窒化物半導体層の成長温度を700〜1300℃とし、前記第１の窒化物半導体層の成長速度を1.6μm／時以上1.8μm／時未満、かつ成長温度を460〜545℃とすることを特徴とする。
【００１６】
本発明の第４の製造方法は、基板上に少なくとも第１及び第２の窒化物半導体層を成長させる窒化物半導体の製造方法であって、前記第１の窒化物半導体層の上に成長させる前記第２の窒化物半導体層の成長温度を700〜1300℃とし、前記第１の窒化物半導体層の成長速度を1.4μm／時以上1.6μm／時未満、かつ成長温度を450〜560℃とすることを特徴とする。
【００１７】
本発明の第５の製造方法は、基板上に少なくとも第１及び第２の窒化物半導体層を成長させる窒化物半導体の製造方法であって、前記第１の窒化物半導体層の上に成長させる前記第２の窒化物半導体層の成長温度を700〜1300℃とし、前記第１の窒化物半導体層の成長速度を1.2μm／時以上1.4μm／時未満、かつ成長温度を445〜565℃とすることを特徴とする。
【００１８】
本発明の第６の製造方法は、基板上に少なくとも第１及び第２の窒化物半導体層を成長させる窒化物半導体の製造方法であって、前記第１の窒化物半導体層の上に成長させる前記第２の窒化物半導体層の成長温度を700〜1300℃とし、前記第１の窒化物半導体層の成長速度を１μm／時以上1.2μm／時未満、かつ成長温度を440〜570℃とすることを特徴とする。
【００１９】
本発明の第７の製造方法は、基板上に少なくとも第１及び第２の窒化物半導体層を成長させる窒化物半導体の製造方法であって、前記第１の窒化物半導体層の上に成長させる前記第２の窒化物半導体層の成長温度を700〜1300℃とし、前記第１の窒化物半導体層の成長速度を0.8μm／時以上１μm／時未満、かつ成長温度を435〜575℃とすることを特徴とする。
【００２０】
本発明の第８の製造方法は、基板上に少なくとも第１及び第２の窒化物半導体層を成長させる窒化物半導体の製造方法であって、前記第１の窒化物半導体層の上に成長させる前記第２の窒化物半導体層の成長温度を700〜1300℃とし、前記第１の窒化物半導体層の成長速度を0.5μm／時以上0.8μm／時未満、かつ成長温度を430〜580℃とすることを特徴とする。
【００２１】
窒化物半導体の結晶成長は気相成長装置内で行うのが好ましく、例えば有機金属気相成長（MOVPE）装置又はハイドライド気相成長（HVPE）装置内で行うのが好ましい。前記基板は、サファイア、炭化珪素、珪素、ZrB2、ZnO、LiGaO2又はLiAlO2からなる単結晶基板であるのが好ましい。前記第１及び第２の窒化物半導体はそれぞれInxAlyGazN（x≧0、y≧0、z≧0、x＋y＋z＝1）からなるのが好ましい。
【００２２】
本発明の製造方法を用いることにより、第１の窒化物半導体層（低温バッファ層）の厚さのバラツキを、２インチ径ウエハ面内で平均値±10％以内とすることが可能であり、これにより第２の窒化物半導体表面の転位密度を均一にできる。具体的には、第２の窒化物半導体表面の転位密度のバラツキを平均値±10％以内とすることが可能である。
【００２３】
本発明の窒化物半導体ウエハは、本発明の製造方法により得られた第２の窒化物半導体層の上に複数の半導体層が形成されている。本発明の製造方法によれば、窒化物半導体ウエハ面内の転位密度の分布を均一にできるため、このウエハを用いて作製した窒化物半導体デバイスの特性を均一にできる。第２の窒化物半導体結晶層の上に設ける半導体層は、半導体ウエハの用途により適宜選択してよい。
【００２４】
本発明の半導体デバイスは、本発明の窒化物半導体ウエハにより構成され、第２の窒化物半導体層上にデバイス構造を有する。半導体デバイスは、高電子移動度トランジスタ（HEMT）、電界効果トランジスタ（FET）等のトランジスタ、発光ダイオード（LED）等であってよい。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の窒化物半導体の製造方法によれば、面内の転位密度の分布が狭い窒化物半導体を作製することが可能となる。そのため、この窒化物半導体を用いることにより、ウエハ全面において均一な特性を有する窒化物半導体デバイスを得ることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本発明の製造方法は、基板上に少なくとも第１の窒化物半導体層及び第２の窒化物半導体層を形成する。第１及び第２の窒化物半導体層を形成する方法は特に限定されず、例えば通常の２段階成長法を用いてもよいし、先発明の方法を用いてもよい。先発明の方法を用いる場合は、表面の転位密度がより低い窒化物半導体を得ることが可能である。
【００２７】
先発明の方法を用いる場合、まず基板上に第１の窒化物半導体層（低温バッファ層）を430〜580℃で成長させ、これを700〜1300℃で熱処理し、転位が導入されない微結晶粒を形成する。次に微結晶粒を核とし700〜1300℃で第２の窒化物半導体層を成長させる。第２の窒化物半導体層は、キャリアガスとして水素を63体積％以上、好ましくは82〜100体積％含有する水素／窒素混合ガスを使用し、微結晶粒を核とし島状構造の半導体層を１μmより厚く成長させる工程と、キャリアガスとして窒素を50体積％以上、好ましくは70〜100体積％含有する水素／窒素混合ガスを使用し、成長した島状構造窒化物半導体層を平坦化する工程により形成することができる。島状構造の半導体層は基板と結晶との接触面積が大きいので転位が導入され、島状構造の半導体層の成長過程で転位が基板表面に垂直方向に伝播してファセット面まで達する。ファセット面まで達した転位は、その伝播方向をある確率により基板表面と平行な方向に変える傾向があるため、基板表面と平行な方向に伝播する転位は互いに出会い、転位ループが形成されたり２本の転位が１本に合成されたりしてその密度が減少する。このため、先発明の方法によれば、結晶層の表面に現れる転位密度がより低い窒化物半導体を得ることができる。
【００２８】
窒化物半導体の結晶成長は気相成長装置内で行うのが好ましく、例えば有機金属気相成長（MOVPE）装置又はハイドライド気相成長（HVPE）装置内で行うのが好ましい。MOVPE法は高結晶性の窒化物半導体結晶を成長させることができ、HVPE法は結晶成長速度が速いので効率良く窒化物半導体結晶を成長させることができる。MOVPE法及びHVPE法の実施条件は適宜設定してよい。またMOVPE法とHVPE法とを組み合せてもよい。例えば、まず基板上にMOVPE法により窒化物半導体結晶をエピタキシャル成長させて第１の窒化物半導体層（低温バッファ層）を形成し、次いでその上にHVPE法により第２の窒化物半導体層の結晶成長を行うこともできる。
【００２９】
基板上に形成する第１の窒化物半導体層の成長温度及び成長速度は、第１の窒化物半導体層の膜厚分布に影響を与え、第１の窒化物半導体層の膜厚分布はその上に形成する第２の窒化物半導体表面の転位密度の分布に影響を与える。第２の窒化物半導体表面の転位密度の分布を平均値±10％以内にするためには、第１の窒化物半導体層の膜厚の分布を平均値±10％以内にするのが望ましい。
【００３０】
第１の窒化物半導体層の成長速度及び成長温度を以下のいずれかの組み合わせにすることにより、第１の窒化物半導体層の膜厚分布を平均値±10％以内にすることができる。すなわち、成長速度が２μm／時以上2.3μm／時未満で、かつ成長温度が480〜520℃、成長速度が1.8μm／時以上２μm／時未満で、かつ成長温度が470〜530℃、成長速度が1.6μm／時以上1.8μm／時未満で、かつ成長温度が460〜545℃、成長速度が1.4μm／時以上1.6μm／時未満で、かつ成長温度が450〜560℃、成長速度が1.2μm／時以上1.4μm／時未満で、かつ成長温度が445〜565℃、成長速度が１μm／時以上1.2μm／時未満で、かつ成長温度が440〜570℃、成長速度が0.8μm／時以上１μm／時未満で、かつ成長温度が435〜575℃、成長速度が0.5μm／時以上0.8μm／時未満で、かつ成長温度が430〜580℃である。
【００３１】
上記の全ての場合において、低温バッファ層上に成長させる第２の窒化物半導体層の成長温度を700〜1300℃とする。700℃より温度が低いとデバイスヘ応用する際に好ましくない深い準位が結晶中に導入されてしまい、1300℃よりも温度が高いと結晶表面の平坦性がrms値で20nmを超え、デバイスに使用するのに好ましくない。第２の窒化物半導体層の成長速度は特に制限されないが、通常の２段階成長法による場合は２〜4.8μm／時とするのが好ましく、先発明の方法による場合は島状構造の半導体層を成長させる工程で1.5〜4.8μm／時、成長した島状構造窒化物半導体層を平坦化する工程で2.2〜10.9μm／時とするのが好ましい。第１の窒化物半導体層の膜厚は0.005〜0.042μmであるのが好ましく、第２の窒化物半導体層の膜厚は0.3〜10μmであるのが好ましい。
【００３２】
基板は、サファイア、炭化珪素、珪素、ZrB2、ZnO、LiGaO2又はLiAlO2からなる単結晶基板であるのが好ましい。基板上に成長させる第１及び第２の窒化物半導体層は、それぞれInxAlyGazN（x≧0、y≧0、z≧0、x＋y＋z＝1）からなるのが好ましい。第１及び第２の窒化物半導体層は同じであっても異なっていてもよい。例えば、第１及び第２の窒化物半導体層がともにGaNからなる半導体層であってもよいし、第１の窒化物半導体層がInxGa1-xN（0≦x≦0.3）からなり、第２の窒化物半導体層はGaNからなる半導体層であってもよい。
【００３３】
第１及び第２の窒化物半導体層の少なくとも一つは、アンドープ層、シリコンドープ層、酸素ドープ層、鉄ドープ層、亜鉛ドープ層又はマグネシウムドープ層であってよい。特にシリコンドープ層、酸素ドープ層、鉄ドープ層、亜鉛ドープ層又はマグネシウムドープ層である場合には、そのドーピング濃度は5×1019原子/cm3以下であるのが好ましい。ドーピング濃度が高すぎると、結晶の汚染の問題とともに、最終的な窒化物半導体の表面平坦性が損なわれてしまうという問題が生じる。
【００３４】
本発明の窒化物半導体ウエハは本発明の製造方法により基板上に窒化物半導体層を形成したもので、その上に複数の半導体層が形成されていることを特徴とする。本発明の製造方法により窒化物半導体層の表面全体における転位密度の分布を狭くすることができるので、高性能の窒化物半導体ウエハが得られる。窒化物半導体結晶層上に形成する複数の半導体層は、半導体ウエハの用途により適宜選択してよい。複数の半導体層は窒化物半導体結晶層と同一の成長装置内で連続的に形成してもよいし、異なる成長装置内で形成してもよい。本発明の窒化物半導体ウエハは、半導体層形成の他に研削、エッチング、熱処理等を施してもよい。
【００３５】
本発明の半導体デバイスは本発明の窒化物半導体ウエハにより構成される。本発明の窒化物半導体ウエハに真空蒸着、スパッタリング等による電極の形成、表面酸化、ドーピング、フォトリソグラフィ、エッチング、洗浄、ダイシング、組み立て等を施すことにより、高電子移動度トランジスタ（HEMT）、電界効果トランジスタ（FET）等のトランジスタ、発光ダイオード（LED）等の窒化物半導体デバイスを得ることができる。
【実施例】
【００３６】
本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。
【００３７】
実施例１
直径50.8 mm（２インチ）及び厚さ330μmのC面サファイア基板上に第１及び第２の窒化物半導体層としてGaN層をMOVPE法により成長させた。まず、基板をMOVPE装置内に設置し、760 Torrの水素／窒素混合ガス雰囲気中（総流量＝150 slm、水素濃度＝33体積％）で1135℃で10分間加熱することにより基板表面の酸化物等を除去した（熱清浄化）。
【００３８】
基板温度を430〜580℃に下げるとともに、キャリアガス流量を140 slm、キャリアガス中の水素濃度を29体積％とし、窒素原料であるアンモニア（NH3）ガスを10 slmの流量で成長装置に導入した。さらにGaの原料としてトリメチルガリウム（TMG）を成長装置に導入し、成長速度及び成長温度を変化させて基板上にGaN低温バッファ層（第１の窒化物半導体層）を厚さが約1μmになるまで成長させた。
【００３９】
成長終了後に、基板の温度を室温付近まで下げてから試料を取りだし、断面の走査型電子顕微鏡（SEM）観察により、面内の膜厚分布を調べた。断面観察の測定点は先の成長速度の定義で述べた方法に従って決定した。図１に、低温バッファ層の膜厚分布測定の結果を示す。図１は横軸を成長温度、縦軸を成長速度で表し、低温バッファ層の面内の膜厚分布が平均値±10％以内となる条件（領域）を斜線で示した。具体的には、低温バッファ層の成長速度が2μm／時以上2.3μm／時未満で、かつ成長温度が480〜520℃の領域、成長速度が1.8μm／時以上2μm／時未満で、かつ成長温度が470〜530℃の領域、成長速度が1.6μm／時以上1.8μm／時未満で、かつ成長温度が460〜545℃の領域、成長速度が1.4μm／時以上1.6μm／時未満で、かつ成長温度が450〜560℃の領域、成長速度が1.2μm／時以上1.4μm／時未満で、かつ成長温度が445〜565℃の領域、成長速度が１μm／時以上1.2μm／時未満で、かつ成長温度が440〜570℃の領域、成長速度が0.8μm／時以上1μm／時未満で、かつ成長温度が435〜575℃の領域、成長速度が0.5μm／時以上0.8μm／時未満で、かつ成長温度が430〜580℃の領域である。この領域の外では、低温バッファ層の膜厚分布が平均値±15％以上であった。
【００４０】
実施例２
実施例１と同じ条件でGaNからなる低温バッファ層（第１の窒化物半導体層）を22 nmの厚さに成長させた後、キャリアガス流量を80 slm、キャリアガス中の水素濃度を25体積％、アンモニアガス流量を20 slmに変更し、基板温度を1075℃として、GaN層（第２の窒化物半導体層）を4.4μm／時の成長速度で2.2μmの厚さに成長させた（通常の２段階成長法）。成長後に、ウエハ面内の転位密度の分布を透過型電子顕微鏡（TEM）により調べた。
【００４１】
実施例１において低温バッファ層の膜厚分布が平均値±10％以内となる、図１に示す条件（斜線領域）で低温バッファ層を成長させた場合、その上に成長させた第２の窒化物半導体層の表面における転位密度の平均値は１〜2×109 個／cm2であり、転位密度の分布は平均値±10％以内であった。図１の斜線領域の外側の条件で低温バッファ層を成長させた場合は、第２の窒化物半導体層の表面における転位密度の分布は平均値±13％以上であった。
【００４２】
以上の結果から明らかなように、ウエハ面内の転位密度の分布を少なくするためには、低温バッファ層の膜厚分布を狭くすること、及びそのための低温バッファ層成長条件として図１に示す斜線領域の条件を使用することが重要であることがわかる。
【００４３】
実施例３
先発明（特願2003-185486号）の窒化物半導体の製造方法に、本発明における低温バッファ層の成長条件を適用した。まず、実施例１と同じ条件でGaNからなる低温バッファ層（第１の窒化物半導体層）を22 nmの厚さに成長させた。次に、キャリアガス流量を80 slm、キャリアガス中の水素濃度を29体積％、アンモニア流量を20 slmとし、基板温度を1075℃に昇温することにより上記GaN層に熱処理を施した。GaN層の熱処理が終了した時点で、キャリアガス中の水素濃度を82体積％にし、第２の窒化物半導体層として、まずGaN層を基板温度1075℃、成長速度2.25μm／時で2.25μmの厚さに成長させた後、成長させながら装置内の圧力を300 Torrまで下げ、キャリアガスの流量を130 slm、キャリアガス中の水素濃度を23体積％、基板温度を1005℃とし、さらにGaN層を3.1μm／時の成長速度で３μmの厚さに成長させた。成長終了後に基板温度を200℃以下に下げ、成長装置内を760 Torrの窒素ガスで満たした後、基板を成長装置より取り出した。
【００４４】
成長後の試料をTEMで観察し転位密度及びその分布を調べたところ、低温バッファ層を図１に示す斜線領域内の条件で成長させた場合には、表面における転位密度の平均値は４〜6×107 個／cm2であり、転位密度の分布は平均値±8％以内であった。一方、図１に示す斜線領域の外側の条件で低温バッファ層を成長させた場合には、転位密度の分布は平均値±11％以上であった。
【００４５】
実施例４
基板として、炭作珪素、珪素、ZrB2、ZnO、LiGaO2及びLiAlO2のそれぞれからなる単結晶基板を用い、実施例３と同じ条件でこれらの基板上にGaN層を成長させた。いずれの場合においても、低温バッファ層を図１に示す斜線領域内の条件で成長させたときは、第２の窒化物半導体層の面内の転位密度の分布は平均値±9.5％以内であった。
【００４６】
実施例５
GaNの代わりにInxAlyGazN（x≧0、y≧0、z≧0、x＋y＋z＝1）を成長させた以外、実施例３と同様にして基板上に第１及び第２の窒化物半導体層を成長させた。III族原料としては、TMGに加えトリメチルインジウム（TMI）及びトリメチルアルミニウム（TMA）を用い、これらの原料の比率を適宜変更して成長させた。その結果、全ての組成範囲において図１に示す斜線領域内の条件で低温バッファ層を成長させた場合に、面内の転位密度の分布は平均値±10％以内であった。また、図１に示す斜線領域の外側の条件で低温バッファ層を成長させた場合には、転位密度の分布は平均値±12％以上であった。
【００４７】
実施例６、比較例１
第１の窒化物半導体層（低温バッファ層）の成長温度及び成長速度をそれぞれ520℃及び1.0μm／時とした以外実施例３と同様にして、図２に示すようにサファイア基板１上に第１及び第２の窒化物半導体層からなるアンドープGaN層３（厚さ6000 nm）を形成した。その上に連続して図２に示す青色LED構造の結晶を成長させた。アンドープGaN層３上にn-GaN層４（厚さ3μm）、InGaN／GaN多重量子井戸層５（InGaN層の厚さ２nm、GaN層の厚さ５nm）、p-Al0.1Ga0.9N層６（厚さ20 nm）、p-GaNコンタクト層７（厚さ0.2μm）を順次形成し、青色LED構造を有する実施例６の窒化物半導体ウエハを得た。
【００４８】
比較のために、図１に示す斜線領域の外側の条件（成長温度：550℃、成長速度：2.0μm／時）で低温バッファ層を成長させた以外、実施例の窒化物半導体ウエハと同様にして比較例１の窒化物半導体ウエハを得た。
【００４９】
得られた双方のウエハの表面をRIE（Reactive Ion Etching）により部分的に除去し、n-GaN層の一部を露出させてn-電極（Ti／Al電極）８を形成した。さらにp-GaNコンタクト層上にp-電極（Ni／Au電極）９を形成し、LEDを作製した。各々の２インチウエハから約8000個のLEDチップが得られた。
【００５０】
実施例６及び比較例１のLEDに20 mAの電流を通電したところ、実施例６のLEDの平均の発光出力とそのバラツキは、13 mW±6％であり、比較例１のLEDの平均の発光出力とそのバラツキは、12.5 mW±14％であった。以上より、本発明の方法によりウエハ面内の転位密度を均一にすることにより、その上に作製する青色LEDの特性を均一にできることが分かった。
【００５１】
実施例７、比較例２
図１に示す斜線領域内の低温バッファ層の成長条件（成長温度：520℃、成長速度：1.0μm／時）を用い、図３に示すようにサファイア基板11上にアンドープGaN層13（厚さ6000 nm）を成長させ、その上に連続してアンドープAl0.25Ga0.75N層14（厚さ３nm）、n-Al0.25Ga0.75N層15（厚さ20 nm）、アンドープAl0.25Ga0.75N層16（厚さ５nm）を順次形成し、窒化物半導体ウエハを作製した。得られたウエハ上に、フォトリソグラフィ及び真空蒸着プロセスを用いてソース電極17、ゲート電極18及びドレイン電極19を形成し、図3に示す高電子移動度トランジスタ（HEMT）を作製した（実施例７）。
【００５２】
比較のために、図１の斜線領域の外側の条件（成長温度：550℃、成長速度：2.0μm／時）で低温バッファ層を成長させた以外、実施例と同様にして窒化物半導体ウエハを作製し、さらにHEMTを作製した（比較例２）。各々の２インチウエハから約1000個のHEMTデバイスが得られた。
【００５３】
実施例７及び比較例２のHEMTの直流伝達特性を調べたところ、実施例７のHEMTの相互コンダクタンスの平均値及びそのバラツキは250 mS／mm±７％であったが、比較例２のHEMTの相互コンダクタンスの平均値及びそのバラツキは240 mS／mm±15％であった。以上より、本発明の方法によりウエハ面内の転位密度を均一にすることにより、その上に作製するHEMTの特性を均一にできること分かった。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】低温バッファ層の膜厚分布が平均値±10％以内となる低温バッファ層の成長条件を示すグラフである。
【図２】本発明の半導体デバイスの一例（青色LED）の構造を示す概略断面図である。
【図３】本発明の半導体デバイスの他の例（高電子移動度トランジスタ）の構造を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００５５】
１, 11・・・サファイア基板
３, 13・・・アンドープGaN層
４・・・n-GaN層
５・・・InGaN／GaN多重量子井戸層
６・・・p-Al0.1Ga0.9N層
７・・・p-GaNコンタクト層
８・・・n-電極
９・・・p-電極
14・・・アンドープAl0.25Ga0.75N層
15・・・n-Al0.25Ga0.75N層
16・・・アンドープAl0.25Ga0.75N層
17・・・ソース電極
18・・・ゲート電極
19・・・ドレイン電極
【図１】
2005045153.tif 000002
【図２】
2005045153.tif 000003
【図３】
2005045153.tif 000004