(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と前記基板上に素子構造を構成するために形成される素子材料としての窒化物半導体との間に形成する低転位バッファーにおいて、
不純物を１０１８ｃｍ−３〜１０％の濃度で含有した窒化物半導体よりなる第１の層と不純物を含有していない窒化物半導体よりなる第２の層とを、基板上に交互に所定数積層した構造を備え、
前記第１の層と前記第２の層とは、同一の組成よりなる
ものである低転位バッファー。
【請求項２】
請求項１に記載の低転位バッファーにおいて、
前記第１の層と前記第２の層とは、同一の組成比よりなる
ものである低転位バッファー。
【請求項３】
請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の低転位バッファーにおいて、
前記不純物は、Ｓｉ（シリコン）、Ｃ（炭素）、Ｍｇ（マグネシウム）またはＯ（酸素）である
低転位バッファー。
【請求項４】
請求項１、請求項２または請求項３のいずれか１項に記載の低転位バッファーにおいて、
前記第１の層と前記第２の層とを形成する窒化物半導体は、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体である
低転位バッファー。
【請求項５】
請求項１、請求項２、請求項３または請求項４のいずれか１項に記載の低転位バッファーにおいて、
前記基板は、Ｓｉ（シリコン）、ＳｉＣ（炭化シリコン）、Ａｌ２Ｏ３（サファイア）またはＧａＡｓ（砒化ガリウム）よりなる
ものである低転位バッファー。
【請求項６】
基板と前記基板上に素子構造を構成するために形成される素子材料としての窒化物半導体との間に形成する低転位バッファーを製造する低転位バッファーの製造方法において、
不純物を１０１８ｃｍ−３〜１０％の濃度で含有した窒化物半導体よりなる第１の層または不純物を含有していない窒化物半導体よりなる第２の層のうちいずれか一方を形成する第１のステップと、
前記第１の層または前記第２の層のうちで、前記第１のステップにより形成されていない層を前記第１のステップにより形成された層上に形成する第２のステップと
を有し、前記第１のステップと前記第２のステップとを交互に所定数繰り返して、基板上に前記第１の層と前記第２の層とを交互に所定数積層した構造を形成するものであり、
前記第１の層と前記第２の層とは、同一の組成よりなる
ものである低転位バッファーの製造方法。
【請求項７】
請求項６に記載の低転位バッファーの製造方法において、
前記第１の層と前記第２の層とは、同一の組成比よりなる
ものである低転位バッファーの製造方法。
【請求項８】
請求項６または請求項７のいずれか１項に記載の低転位バッファーの製造方法において、
前記不純物は、Ｓｉ（シリコン）、Ｃ（炭素）、Ｍｇ（マグネシウム）またはＯ（酸素）である
低転位バッファーの製造方法。
【請求項９】
請求項６、請求項７または請求項８のいずれか１項に記載の低転位バッファーの製造方法において、
前記第１の層と前記第２の層とを形成する窒化物半導体は、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体である
低転位バッファーの製造方法。
【請求項１０】
請求項６、請求項７、請求項８または請求項９のいずれか１項に記載の低転位バッファーの製造方法において、
前記基板は、Ｓｉ（シリコン）、ＳｉＣ（炭化シリコン）、Ａｌ２Ｏ３（サファイア）またはＧａＡｓ（砒化ガリウム）よりなる
ものである低転位バッファーの製造方法。
【請求項１１】
請求項１、、請求項２、請求項３、請求項４または請求項５のいずれか１項に記載の低転位バッファー上に、窒化物半導体を素子材料として所定の素子構造を構成した
ものである低転位バッファーを備えた素子。
【請求項１２】
請求項１１に記載の低転位バッファーを備えた素子において、
前記素子構造を構成するための素子材料となる窒化物半導体は、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体である
低転位バッファーを備えた素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低転位バッファーおよびその製造方法ならびに低転位バッファーを備えた素子に関し、さらに詳細には、各種の材料からなる基板上などに、例えば、ＧａＮ（窒化ガリウム）などの窒化物半導体の薄膜や厚膜などのエピタキシャル半導体層を、所定の素子構造を構成するための素子材料として形成する際において、当該基板などと当該エピタキシャル半導体層との間に形成するバッファー層として用いて好適な低転位バッファーおよびその製造方法ならびに低転位バッファーを備えた発光素子、受光素子あるいは電子素子などの各種の素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
青色波長域から紫外波長域に至る短波長域における発光素子の素子構造を構成するための素子材料として、近年、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体の一つであるＧａＮが着目されている。最近では、ＧａＮ系薄膜を素子材料として素子構造を形成した発光素子として、青色発光ダイオード（ＬＥＤ）が実現されるとともに、ＧａＮ系薄膜を素子材料として素子構造を形成する青色レーザーなどの発光素子や受光素子あるいは電子素子の研究も進められている。
【０００３】
なお、ＧａＮ系薄膜としては、ＧａＮのみならず、例えば、ＡｌＧａＮやＩｎＧａＮなどのＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体が知られている。
【０００４】
こうしたＧａＮ系薄膜などの窒化物半導体を素子材料として素子構造を形成した青色ＬＥＤの発光の効率を向上させたり、ＧａＮ系薄膜などの窒化物半導体を素子材料として素子構造を形成する青色レーザーなどの各種の発光素子や受光素子あるいは電子素子を実現するためには、ＧａＮ系薄膜などの窒化物半導体中に存在する貫通転位密度（単位面積当たりの貫通転位の数）を低減させる必要があることが指摘されていた。
【０００５】
即ち、こうした貫通転位は、発光素子の発光効率や発光寿命の減少、受光素子の暗電流の増大、接合トランジスタや電界効果トランジスタの漏れ電流（リーク電流）の増大に直接影響するので、その低減は極めて重要な技術であると考えられている。
【０００６】
ところで、その上に窒化物半導体をエピタキシャル成長させる際に用いる基板としては、現在までのところ窒化物半導体と格子整合する基板が存在しない。このため、窒化物半導体以外の他のＩＩＩ−Ｖ族半導体（砒化ガリウム（ＧａＡｓ）、燐化インジウム（ＩｎＰ）などである。）をエピタキシャル成長させる際に用いる基板として従来より広く使用されているサファイア（Ａｌ２Ｏ３）や炭化シリコン（ＳｉＣ）の基板が、広く用いられているのが現状である。
【０００７】
そして、これらサファイア基板や炭化シリコン基板上にバッファーとしてＡｌＧａＮなどの窒化物半導体を形成し、この窒化物半導体よりなるバッファー層上に、素子構造を構成するための素子材料として使用する窒化物半導体をエピタキシャル成長させるようになされていた。
【０００８】
ところが、上記したサファイア基板や炭化シリコン基板上にバッファー層として形成された窒化物半導体バッファーにおける貫通転位密度は、サファイア基板や炭化シリコン基板と窒化物半導体との間の格子定数差に起因して、サファイア基板上や炭化シリコン基板上に形成され実用化されている他のＩＩＩ−Ｖ族半導体（ＧａＡｓ、ＩｎＰなどである。）における貫通転位密度と比較すると、極めて高い値を示している。
【０００９】
バッファー層の上に素子構造を構成するための素子材料として形成される窒化物半導体における貫通転位密度は、バッファー層における貫通転位密度に依存するので、バッファー層における貫通転位密度の低減は極めて重要な問題であった。
【００１０】
具体的には、従来のバッファーの構造を模式的に表した断面説明図である図１に示すように、６Ｈ−ＳｉＣ（０００１）よりなる基板１００上に、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）よりなる薄膜１０２を介してバッファー１０４としてＡｌ０．１５Ｇａ０．７５Ｎを８００ｎｍの膜厚で形成した。
【００１１】
なお、バッファー１０４の層上には、貫通転位密度評価のために用いる貫通転位密度評価用薄膜１０６が形成されている。この貫通転位密度評価用薄膜１０６は、低温で成膜された膜厚１００ｎｍのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎよりなる薄膜であって、ＳＥＭやＴＥＭによる貫通転位密度評価のためにのみ用いられる。貫通転位密度は、貫通転位密度評価用薄膜１０６の成長ピット密度（Ｇｒｏｗｔｈ  Ｐｉｔ  Ｄｅｎｓｉｔｙ）から評価した。
【００１２】
従って、バッファー１０４の層上に素子構造を構成するための素子材料として、窒化物半導体をエピタキシャル成長させる場合には不要なものである。
【００１３】
図２は、貫通転位密度評価用薄膜１０６の表面のＳＥＭ像であり、このＳＥＭ像における濃色の円形状部位が貫通転位であって、高い密度で貫通転位が発生していることが明瞭に示されている。
【００１４】
具体的には、６Ｈ−ＳｉＣ（０００１）よりなる基板１００上にバッファー１０４としてＡｌ０．１５Ｇａ０．７５Ｎを８００ｎｍの膜厚で形成した場合には、１０９ｃｍ−２〜１０１１ｃｍ−２の高い密度で貫通転位が発生することになる。
【００１５】
上記したことに鑑みて、サファイア基板や炭化シリコン基板上にバッファーとして形成された窒化物半導体の貫通転位密度を減少させる手法として、例えば、ＥＬＯ（Ｅｐｉｔａｘｉａｌｌｙ  Ｌａｔｅｒａｌ  Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）法やペンデオ・エピタキシー法を用いて当該基板上に貫通転位密度の低い窒化物半導体をバッファーとして形成することが提案されている。
【００１６】
しかしながら、上記したＥＬＯ法やペンデオ・エピタキシー法により窒化物半導体をバッファーとして形成するには、複雑なプロセスを伴うためにその作業が繁雑になり、またそのための作業時間も増大するという問題点があった。
【００１７】
さらに、上記したＥＬＯ法やペンデオ・エピタキシー法により窒化物半導体をバッファーとして形成するには、表面の平坦化のために当該バッファーを少なくとも数ミクロン程度の厚膜として成膜する必要があり、成膜時間に長時間を要するという問題点があるとともに、厚膜の成膜に伴いクラックが発生するようになるという問題点もあった。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記したような従来の技術が有する種々の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、各種の材料からなる基板上などに、例えば、ＧａＮなどの窒化物半導体の薄膜や厚膜などのエピタキシャル半導体層を、所定の素子構造を構成するための素子材料として形成する際において、当該基板などと当該エピタキシャル半導体層との間に形成するバッファー層として低転位密度のバッファーを形成し、その際に、煩雑なプロセスを必要とせず、また、表面の平坦化のために厚膜として成膜する必要がないようして、簡単なプロセスにより短時間で形成可能であり、かつ、クラックの発生する恐れのない低転位バッファーおよびその製造方法ならびに低転位バッファーを備えた素子を提供しようとするものである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のうち請求項１に記載の発明は、基板と上記基板上に素子構造を構成するために形成される素子材料としての窒化物半導体との間に形成する低転位バッファーにおいて、不純物を１０１８ｃｍ−３〜１０％の濃度で含有した窒化物半導体よりなる第１の層と不純物を含有していない窒化物半導体よりなる第２の層とを、基板上に交互に所定数積層した構造を備え、上記第１の層と上記第２の層とは、同一の組成よりなるようにしたものである。
【００２０】
上記した本発明のうち請求項１に記載の発明のように、不純物を１０１８ｃｍ−３〜１０％の濃度で含有した窒化物半導体よりなる第１の層と不純物を含有していない窒化物半導体よりなる第２の層とを所定数積層してなる構造により構成された低転位バッファーは、貫通転位密度が、例えば、「５×１０７ｃｍ−２」に低減される。
【００２１】
ここで、本発明のうち請求項２に記載の発明のように、本発明のうち請求項１に記載の発明において、上記第１の層と上記第２の層とは、同一の組成比よりなるようにしてもよい。
【００２２】
また、本発明のうち請求項３に記載の発明のように、本発明のうち請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の発明において、上記不純物は、Ｓｉ（シリコン）、Ｃ（炭素）、Ｍｇ（マグネシウム）またはＯ（酸素）としてもよい。
【００２３】
また、本発明のうち請求項４に記載の発明のように、本発明のうち請求項１、請求項２または請求項３のいずれか１項に記載の発明において、上記第１の層と上記第２の層とを形成する窒化物半導体は、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体としてもよい。
【００２４】
また、本発明のうち請求項５に記載の発明のように、本発明のうち請求項１、請求項２、請求項３または請求項４のいずれか１項に記載の発明において、上記基板は、Ｓｉ（シリコン）、ＳｉＣ（炭化シリコン）、Ａｌ２Ｏ３（サファイア）またはＧａＡｓ（砒化ガリウム）よりなるものとしてもよい。
【００２５】
さらに、本発明のうち請求項６に記載の発明は、基板と上記基板上に素子構造を構成するために形成される素子材料としての窒化物半導体との間に形成する低転位バッファーを製造する低転位バッファーの製造方法において、不純物を１０１８ｃｍ−３〜１０％の濃度で含有した窒化物半導体よりなる第１の層または不純物を含有していない窒化物半導体よりなる第２の層のうちいずれか一方を形成する第１のステップと、上記第１の層または上記第２の層のうちで、上記第１のステップにより形成されていない層を上記第１のステップにより形成された層上に形成する第２のステップとを有し、上記第１のステップと上記第２のステップとを交互に所定数繰り返して、基板上に上記第１の層と上記第２の層とを交互に所定数積層した構造を形成するものであり、上記第１の層と上記第２の層とは、同一の組成よりなるようにしたものである。
【００２６】
上記した本発明のうち請求項６に記載の発明によれば、上記第１のステップと上記第２のステップとを交互に所定数繰り返すことにより、不純物を１０１８ｃｍ−３〜１０％の濃度で含有した窒化物半導体よりなる第１の層と不純物を含有していない窒化物半導体よりなる第２の層とを所定数積層してなる構造により、貫通転位密度が、例えば、「５×１０７ｃｍ−２」に低減された低転位バッファーが形成されることになり、簡単なプロセスにより短時間でクラックの発生する恐れのない膜厚の薄い低転位バッファーを形成することができる。
【００２７】
ここで、本発明のうち請求項７に記載の発明のように、本発明のうち請求項６に記載の発明において、上記第１の層と上記第２の層とは、同一の組成比よりなるようにしてもよい。
【００２８】
また、本発明のうち請求項８に記載の発明のように、本発明のうち請求項６または請求項７のいずれか１項に記載の発明において、上記不純物は、Ｓｉ（シリコン）、Ｃ（炭素）、Ｍｇ（マグネシウム）またはＯ（酸素）としてもよい。
【００２９】
また、本発明のうち請求項９に記載の発明のように、本発明のうち請求項６、請求項７または請求項８のいずれか１項に記載の発明において、上記第１の層と上記第２の層とを形成する窒化物半導体は、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体としてもよい。
【００３０】
また、本発明のうち請求項１０に記載の発明のように、本発明のうち請求項６、請求項７、請求項８または請求項９のいずれか１項に記載の発明において、上記基板は、Ｓｉ（シリコン）、ＳｉＣ（炭化シリコン）、Ａｌ２Ｏ３（サファイア）またはＧａＡｓ（砒化ガリウム）よりなるものとしてもよい。
【００３１】
さらに、本発明のうち請求項１１に記載の発明は、本発明のうち請求項１、、請求項２、請求項３、請求項４または請求項５のいずれか１項に記載の低転位バッファー上に、窒化物半導体を素子材料として所定の素子構造を構成したものである。
【００３２】
また、本発明のうち請求項１２に記載の発明のように、本発明のうち請求項１１に記載の発明において、上記素子構造を構成するための素子材料となる窒化物半導体は、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体としてもよい。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照しながら、本発明による低転位バッファーおよびその製造方法ならびに低転位バッファーを備えた素子の実施の形態の一例を詳細に説明するものとする。
【００３４】
図３には、本発明による低転位バッファーの実施の形態の一例の構造を模式的に示す断面説明図が示されている。
【００３５】
即ち、６Ｈ−ＳｉＣ（０００１）よりなる基板１０上に、第１初期層１２としてＡｌＮの薄膜を形成し、この第１初期層１２たるＡｌＮ薄膜上に、第２初期層１４としてＡｌ０．１５Ｇａ０．７５Ｎを２００ｎｍの膜厚で形成する。
【００３６】
さらに、この第２初期層１４たるＡｌ０．１５Ｇａ０．７５Ｎ上に、不純物を高濃度で含有した窒化物半導体（以下、「不純物を高濃度で含有した窒化物半導体」を「高濃度不純物含有窒化物半導体」と称することとする。）よりなる高濃度不純物含有窒化物半導体層１６ａと不純物を含有していない窒化物半導体（以下、「不純物を含有していない窒化物半導体」を「不純物不含有窒化物半導体」と称することとする。）よりなる不純物不含有窒化物半導体層１６ｂとを交互に所定数積層した構造よりなる低転位バッファーを、バッファー層１６として形成した。
【００３７】
なお、低転位バッファー層１６上には、貫通転位密度評価用薄膜１８として、膜厚１００ｎｍで形成されたＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎが形成されている。Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎよりなる貫通転位密度評価用薄膜１８は、ＳＥＭやＴＥＭによる貫通転位密度評価のために低温で成膜したものであり、低転位バッファー層１６上に窒化物半導体をエピタキシャル成長させる場合には不要なものである。
【００３８】
ここで、低転位バッファー層１６を形成する低転位バッファーについて、以下に詳細に説明することとする。
【００３９】
まず、高濃度不純物含有窒化物半導体層１６ａを形成するための高濃度不純物含有窒化物半導体は、例えば、不純物としてＳｉ（シリコン）を高濃度で含有したＡｌＧａＮ（以下、適宜に「Ｓｉ含有ＡｌＧａＮ」と称する。）である。より詳細には、この実施の形態においては、高濃度不純物含有窒化物半導体として、Ｓｉを１％の濃度、即ち、「１．２×１０２０［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］（ＳＩＭＳ）」で含有したＡｌ０．１５Ｇａ０．７５Ｎを用いており、このＳｉを含有したＡｌ０．１５Ｇａ０．７５Ｎが２０ｎｍの膜厚で成膜されて、高濃度不純物含有窒化物半導体層１６ａが形成される。
【００４０】
次に、不純物不含有窒化物半導体層１６ｂを形成するための不純物不含有窒化物半導体は、例えば、ＡｌＧａＮである。より詳細には、この実施の形態においては、不純物不含有窒化物半導体として、Ａｌ０．１５Ｇａ０．７５Ｎを用いており、このＡｌ０．１５Ｇａ０．７５Ｎが８０ｎｍの膜厚で成膜されて、不純物不含有窒化物半導体層１６ｂが形成される。
【００４１】
ここで、第２初期層１４上に、高濃度不純物含有窒化物半導体層１６ａと不純物不含有窒化物半導体層１６ｂとを交互に所定数積層して、高濃度不純物含有窒化物半導体層１６ａと不純物不含有窒化物半導体層１６ｂとの積層構造を形成すると、これが低転位バッファー層１６を形成する低転位バッファーとなる。
【００４２】
より詳細には、この実施の形態においては、連続する高濃度不純物含有窒化物半導体層１６ａと不純物不含有窒化物半導体層１６ｂとを一組として、これを一周期とすると、高濃度不純物含有窒化物半導体層１６ａと不純物不含有窒化物半導体層１６ｂとの組を６組分、即ち、６周期積層している。従って、この実施の形態における低転位バッファー層１６の層厚は、６００ｎｍとなる。
【００４３】
図４には、図３に示す構造体のＩｎＧａＮよりなる貫通転位密度評価用薄膜１８の表面のＳＥＭ像であり、このＳＥＭ像における濃色の円形状部位が貫通転位であって、貫通転位は極めて低い密度でしか発生していないことがわかる。
【００４４】
具体的には、バッファー層として図１に示す条件により構成された上記した従来のバッファー１０４を備えた構造体の貫通転位密度が、「２×１０１０ｃｍ−２」であったのに対して、図３に示す条件により構成された上記した実施の形態の低転位バッファー層１６を備えた構造体の貫通転位密度は、「５×１０７ｃｍ−２」に低減した。
【００４５】
なお、貫通転位密度は、上記したように、貫通転位密度評価用薄膜１８の成長ピット密度（Ｇｒｏｗｔｈ  Ｐｉｔ  Ｄｅｎｓｉｔｙ）から評価した。
【００４６】
また、後に詳述するが、基板１０、第１初期層１２、第２初期層１４、低転位バッファー層１６ならびに貫通転位密度評価用薄膜１８の組成は、上記した実施の形態に特に限定されるものではない。
【００４７】
次に、図３乃至図４に示す上記した実施の形態の低転位バッファー層１６を形成するための製造方法の詳細について、図３乃至図４に示す低転位バッファー層１６を製造するための製造装置たる、図５に示す製造装置の概念構成説明図を参照しながら説明する。
【００４８】
この図５に示す製造装置は、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を実施するための結晶成長装置である。この結晶成長装置は、炭化シリコン（ＳｉＣ）、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）、シリコン（Ｓｉ）あるいは砒化ガリウム（ＧａＡｓ）などの各種の基板１０（この実施の形態においては、基板１０として、６Ｈ−ＳｉＣ（０００１）を用いている。）上に、各種薄膜や厚膜を製造することができる。
【００４９】
この結晶成長装置２００においては、ＲＦ加熱コイル２０２により周囲を覆われた結晶成長反応炉２０４内に、第１初期層１２と第２初期層１４と低転位バッファー層１６と貫通転位密度評価用薄膜１８とを結晶成長させる基板１０を上面に配置するとともに当該基板１０を加熱するためのサセプター２０６が配設されている。
【００５０】
また、ＲＦ加熱コイル２０２にはＲＦ電源２０８が接続されており、さらに、ＲＦ電源２０８にはマイクロコンピューターにより構成されたＲＦ制御装置２１０が接続されている。
【００５１】
そして、ＲＦ制御装置２１０によって、ＲＦ電源２０８はその出力を制御される。即ち、ＲＦ制御装置２１０によりＲＦ電源２０８からＲＦ加熱コイル２０２への給電が制御されるものであり、ＲＦ加熱コイル２０２はＲＦ電源２０８からの給電に応じてサセプター２０６を加熱することになる。
【００５２】
即ち、この結晶成長装置２００においては、ＲＦ電源２０８からＲＦ加熱コイル２０２への給電による渦電流誘起加熱により、サセプター２０６が加熱されるものである。
【００５３】
なお、サセプター２０６は、例えば、カーボンなどにより形成されているものである。
【００５４】
さらに、基板１０上に形成する第１初期層１２と第２初期層１４と低転位バッファー層１６と貫通転位密度評価用薄膜１８との材料となる材料ガスやキャリア・ガスなどの各種のガスを結晶成長反応炉２０４に導入するためのパイプラインとして、第１導入パイプライン２１２と第２導入パイプライン２１４と第３導入パイプライン２１６とが配設されている。
【００５５】
より詳細には、第１導入パイプライン２１２を介して、キャリア・ガスとして窒素（Ｎ２）ガスが結晶成長反応炉２０４内に供給される。
【００５６】
また、第２導入パイプライン２１４を介して、水素（Ｈ２）ガスをキャリア・ガスとして、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体におけるＩＩＩ族源となるトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）およびトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）が結晶成長反応炉２０４内に供給されるとともに、不純物たるＳｉの供給源となるＴＥＳｉが結晶成長反応炉２０４内に供給される。
【００５７】
なお、第２導入パイプライン２１４を介しては、水素（Ｈ２）ガスをキャリア・ガスとして、ＢＥＣｐ２Ｍｇも結晶成長反応炉２０４内に供給される。
【００５８】
さらに、第３導入パイプライン２１６を介して、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体におけるＶ族源となるアンモニア（ＮＨ３）が結晶成長反応炉２０４内に供給される。
【００５９】
なお、符号２１８は、結晶成長反応炉２０４内を０．１気圧（７６Ｔｏｒｒ）に減圧するためのロータリー・ポンプである。
【００６０】
以上の構成において、サセプター２０６に配置された基板１０上に第１初期層１２と第２初期層１４と低転位バッファー層１６と貫通転位密度評価用薄膜１８との結晶薄膜を形成するためには、キャリア・ガスとともに上記した各種の材料ガスを第１導入パイプライン２１２、第２導入パイプライン２１４ならびに第３導入パイプライン２１６を介して、ロータリー・ポンプ２１８によって７６Ｔｏｒｒに減圧された結晶成長反応炉２０４内へ供給する。
【００６１】
この際に、サセプター２０６内に埋め込まれた熱電対（図示せず）のモニターに基づいて、ＲＦ制御装置２１０により制御されたＲＦ電源２０８からの給電に応じてＲＦ加熱コイル２０２によってサセプター２０６が加熱されており、加熱されたサセプター２０６からの熱伝導によって、基板１０も結晶成長により第１初期層１２と第２初期層１４と低転位バッファー層１６と貫通転位密度評価用薄膜１８との結晶薄膜を形成するのに最適な成長温度に加熱されるものである。
【００６２】
このため、結晶成長反応炉２０４内に導入された材料ガスは熱により分解、反応して、基板１０上に結晶成長により第１初期層１２と第２初期層１４と低転位バッファー層１６と貫通転位密度評価用薄膜１８との結晶薄膜が形成されることになる。
【００６３】
ここで、第１初期層１２、第２初期層１４、低転位バッファー層１６ならびに貫通転位密度評価用薄膜１８の結晶薄膜を形成するために必要とされるキャリア・ガスならびに材料ガスの流量は、それぞれ以下の通りである。
【００６４】
また、キャリア・ガスならびに材料ガスの結晶成長反応炉２０４内への供給タイミングならびに結晶成長の成長温度は、図６に示すタイミング・チャートの通りである。
【００６５】
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図６に示すように、第２初期層１４および低転位バッファー層１６の結晶薄膜を形成する際の結晶成長の成長温度は１１４０℃であるので、基板１０は１１４０℃の温度に設定されるように加熱され、また、貫通転位密度評価用薄膜１８の結晶薄膜を形成する際の結晶成長の成長温度は７５０℃であるので、基板１０は７５０℃の温度に設定されるように加熱されるものである。
【００６６】
また、第１初期層１２、第２初期層１４および低転位バッファー層１６の結晶薄膜の成長速度は２．４μｍ／ｈｏｕｒ（マイクロ・メートル／時間）であり、貫通転位密度評価用薄膜１８の結晶薄膜の成長速度は０．１μｍ／ｈｏｕｒに設定されている。
【００６７】
このようにして形成された低転位バッファー層１６は、上記したように１０７オーダーという極めて低い貫通転位密度を実現することができる。
【００６８】
そして、低転位バッファー層１６を形成した後に、結晶成長反応炉２０４内において、低転位バッファー層１６の上に貫通転位密度評価用薄膜１８を形成することなしに、低転位バッファー層１６の上にＧａＮなどの窒化物半導体を成膜すると、低転位密度で窒化物半導体を成膜することができる。
【００６９】
ここで、本願発明者は、上記したと同様な条件において、不純物となるＳｉの供給源であるＴＥＳｉの流量のみを変化させた場合における、低転位バッファー層１６の貫通転位密度の変化を測定し、その結果を図７のグラフに示す。
【００７０】
この図７のＴＥＳｉ流量と低転位バッファー層１６における貫通転位密度との関係を示すグラフに示されているように、ＴＥＳｉ流量がある流量まで増加するにつれて、低転位バッファー層１６における貫通転位密度は減少していく。従って、低転位バッファー層１６における貫通転位密度は、ＴＥＳｉ流量に依存しているものと認められる。
【００７１】
一方、ＴＥＳｉ流量がある流量を越えると、低転位バッファー層１６における貫通転位密度は逆に増大していく。これは、高濃度不純物含有窒化物半導体層１６ａにおけるＳｉの濃度があまり高くなりすぎると結晶性が悪くなり、貫通転位が減少しなくなるものと認められる。
【００７２】
従って、高濃度不純物含有窒化物半導体層１６ａにおける不純物の濃度を適宜に選択することにより、貫通転位密度を効率よく低減することができるようになる。例えば、不純物としてＳｉを含有したＡｌ０．１５Ｇａ０．７５Ｎにより高濃度不純物含有窒化物半導体層１６ａを形成する場合には、Ｓｉの濃度は、好ましくは、１０１８ｃｍ−３〜１０％の範囲であり、この１０１８ｃｍ−３〜１０％の範囲の中でも、特に、１０１９ｃｍ−３〜１％の範囲が最も有効である。
【００７３】
なお、後述するように、高濃度不純物含有窒化物半導体層１６ａを構成する窒化物半導体の組成ならびに不純物の種類は、特に限定されるものではないが、その場合には、不純物の濃度としては、好ましくは、１０１８ｃｍ−３〜１０％の範囲であり、この１０１８ｃｍ−３〜１０％の範囲の中でも、特に、１０１９ｃｍ−３〜１％の範囲が最も有効である。
【００７４】
次に、本願発明者は、上記したと同様な条件において、低転位バッファー層１６の周期数のみを変化させた場合における、低転位バッファー層１６の貫通転位密度の変化を測定し、その結果を図８のグラフに示す。
【００７５】
また、図９に、低転位バッファー層１６の断面のＴＥＭ像を示す。図９のＴＥＭ像において、濃色の部分が貫通転位を示し、一方、水平方向に延長する破線は高濃度不純物含有窒化物半導体層１６ａと不純物不含有窒化物半導体層１６ｂとの界面を示している。
【００７６】
この図８の低転位バッファー層１６の周期数と低転位バッファー層１６における貫通転位密度との関係を示すグラフに示されているように、低転位バッファー層１６の周期数が増加するに従って、高濃度不純物含有窒化物半導体層１６ａと不純物不含有窒化物半導体層１６ｂとの界面で貫通転位が次々と消滅している。
従って、低転位バッファー層１６における貫通転位密度は、低転位バッファー層１６の周期数に依存しているものと認められる。
【００７７】
なお、図１０の低転位バッファー層１６の周期数と低転位バッファー層１６における貫通転位密度との関係を示すグラフに示されているように、低転位バッファー層１６の周期数がある回数（図１０においては、２０回である。）を越すと、逆に貫通転位密度が増大していく。これは、低転位バッファー層１６の周期数が多くなりすぎると結晶性が悪くなり、貫通転位が減少しなくなるものと認められる。
【００７８】
従って、低転位バッファー層１６の周期数を適宜に選択することにより、貫通転位密度を効率よく低減することができるようになる。例えば、不純物としてＳｉを含有したＡｌ０．１５Ｇａ０．７５Ｎにより高濃度不純物含有窒化物半導体層１６ａを形成する場合には、低転位バッファー層１６の周期数は、好ましくは、３周期〜５０周期の範囲であり、この３周期〜５０周期の範囲の中でも、特に、５周期〜１０周期の範囲が最も有効である。
【００７９】
なお、後述するように、高濃度不純物含有窒化物半導体層１６ａを構成する窒化物半導体の組成ならびに不純物の種類は、特に限定されるものではないが、その場合には、低転位バッファー層１６の周期数は、好ましくは、３周期〜５０周期の範囲であり、この３周期〜５０周期の範囲の中でも、特に、５周期〜１０周期の範囲が最も有効である。
【００８０】
図１１乃至図１２には、低転位バッファー層１６を備えた素子の構造が示されている。即ち、図１１は窒化物半導体ＨＦＥＴ（Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｅｒ）を示し、図１２は窒化物半導体レーザーダイオードを示している。
【００８１】
図１１に示す窒化物半導体ＨＦＥＴは、基板１０としてのＳｉＣ基板上に、第２初期層１４としてＧａＮ初期層を形成している（第１初期層は省略している。
）。
【００８２】
このＧａＮ初期層の上に、低転位バッファー層１６（高濃度不純物含有窒化物半導体層１６ａは、不純物としてＳｉを含有したＧａＮにより形成されている。
また、不純物不含有窒化物半導体層１６ｂは、ＧａＮにより形成されている。）を形成している。
【００８３】
さらに、低転位バッファー層１６の上に、素子構造を構成するための素子材料となる窒化物半導体としてＧａＮ層を形成し、このＧａＮ層上にＳｉドープＡｌＧａＮ層を形成し、さらにＳｉドープＡｌＧａＮ層にソース、ゲートおよびドレインを形成してなるものである。
【００８４】
また、図１２に示す窒化物半導体レーザーダイオードは、下面にｎ側電極を形成した基板１０たるサファイア基板上に、第２初期層１４としてＡｌＧａＮ初期層を形成している（第１初期層は省略している。）。
【００８５】
、このＡｌＧａＮ初期層の上に、低転位バッファー層１６（高濃度不純物含有窒化物半導体層１６ａは、不純物としてＳｉを含有したＡｌＧａＮにより形成されている。また、不純物不含有窒化物半導体層１６ｂは、ＡｌＧａＮにより形成されている。）を形成している。
【００８６】
さらに、低転位バッファー層１６の上に、素子構造を構成するための素子材料となる窒化物半導体としてｎドープＡｌＧａＮ層を形成し、このｎドープＡｌＧａＮ層上にＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸構造を形成し、このＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸構造上にｐドープＡｌＧａｎクラッド層が形成され、ＳｉＯ２を介してｐ型電極を形成してなるものである。
【００８７】
上記した図１１乃至図１２に示されているように、低転位バッファー層１６上に、素子構造を構成するための素子材料となる窒化物半導体の成膜を行って、各種の発光素子、受光素子ならびに電子素子を作成することができる。
【００８８】
上記したように、この低転位バッファー層１６は、全てｉｎ−ｓｉｔｕの単純なプロセスで形成することができる。
【００８９】
即ち、従来のバッファー層の低転位化技術は、数段にわたる複雑なプロセスを必要とするとともに、縦／横エンハンス成長を行わせるための厳密な成長条件の制御が必要であった。しかしながら、本発明による低転位バッファー層１６は、不純物混合のみの単純なプロセスで形成可能であり、厳密な成長条件などの制御が不必要であって、しかも従来のバッファー層における貫通転位密度と比較すると３桁程度の貫通転位密度の低減が可能であり、貫通転位密度は１０７ｃｍ−２オーダーにまで低減することが可能である。
【００９０】
また、非常に単純なプロセスで低転位バッファー１６を形成可能であるため、窒化物半導体の生産ラインへ即座に適用可能である。従って、現在用いている装置を変更することなく、発光素子の発光効率の高効率化、受光素子の暗電流の低減ならびに接合トランジスタや電界効果トランジスタの漏れ電流の低減を図ることができる。
【００９１】
さらに、この低転位バッファー層１６においては、Ａｌの組成比が高いＡｌＧａＮを用いた低転位バッファーを形成することができるようになるので、波長２５０ｎｍ〜３５０ｎｍ帯の紫外受光素子、発光素子あるいはワイドバンドギャップＡｌＧａＮを用いた、高周波かつ高耐圧の接合トランジスタや電界効果トランジスタを実現することが可能になる。
【００９２】
また、従来のバッファーはその表面を平坦化するために、３μｍ〜１０μｍ程度の厚い成膜が必要であり、クラックが入る問題があった。しかしながら、本発明の低転位バッファー層１６は、その表面の平坦性が優れており、トータルの膜厚がサブミクロンの薄膜で貫通転位の低減が可能である。即ち、本発明の低転位バッファー層１６によれば、クラックが入らない程度の薄膜で貫通転位の低密度かを図ることが可能である。
【００９３】
また、従来においては、成長条件の厳密な制御を行う必要から、バッファーの材料は、ＧａＮあるいは決まった組成のＡｌＧａＮなどに限られていた。しかしながら、本発明の低転位バッファー層１６は、後述するように（Ｇａ，Ａｌ，Ｉｎ）Ｎの全ての組成を用いて低転位バッファー層１６を形成することが可能である。
【００９４】
また、本発明の低転位バッファー層１６によれば、不純物の種類や濃度の選択を行うことにより、広い成長条件で低転位化が可能であり、形成の条件に柔軟性がある。
【００９５】
なお、低転位バッファー層１６を高濃度不純物含有窒化物半導体層１６ａと不純物不含有窒化物半導層１６ｂとの積層構造により構成することなく、窒化物半導体に均一に不純物を入れた場合でも貫通転位の低減がみられるが、不純物の濃度を高濃度にすると格子歪みにより成膜された窒化物半導体にクラックが入るようなるため、不純物はドーピング・レベルの含有しか許されず、貫通転位の低減の効果は小さい。
【００９６】
しかしながら、低転位バッファー層１６を高濃度不純物含有窒化物半導体層１６ａと不純物不含有窒化物半導層１６ｂとの積層構造により構成すると、ドーピング・レベルを超えた高濃度の不純物の導入が可能となり、高濃度不純物含有窒化物半導体が数％程度の高濃度不純物を含有した場合でも、クラックの存在しない膜を形成することが可能であり、それによって従来と比較すると３桁程度の効果的な貫通転位の低減が可能となる。
【００９７】
なお、上記した実施の形態は、以下の（１）乃至（１２）に説明するように変形することができ
る。
【００９８】
（１）  上記した実施の形態においては、低転位バッファー層１６などの薄膜製造方法としてＭＯＣＶＤを用いるようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、ＭＯＣＶＤ以外の薄膜製造技術、例えば、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）、ＣＢＥ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）、ＨＶＰＥ（Ｈａｌｉｄｅ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ）、ＧＳＭＢＥ（Ｇａｓ−ｓｏｕｒｃｅ  Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）、ＭＯＭＢＥ（Ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ  ＭＢＥ）、ＬＰＥ（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ）、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、スパッタリングまたは真空蒸着法などの各種の薄膜製造技術を用いるようにしてもよい。
【００９９】
（２）  上記した実施の形態においては、低転位バッファー層１６を構成する高濃度不純物含有窒化物半導体ならびに不純物不含有窒化物半導体として、組成比がＡｌ０．１５Ｇａ０．７５ＮのＡｌＧａＮを用いたが、その組成比はＡｌ０．１５Ｇａ０．７５Ｎに限られるものではないことは勿論であり、また、高濃度不純物含有窒化物半導体と不純物不含有窒化物半導体とで組成比が異なっていてもよい。
【０１００】
（３）  上記した実施の形態においては、低転位バッファー層１６を構成する高濃度不純物含有窒化物半導体ならびに不純物不含有窒化物半導体としてＡｌＧａＮを用いたが、この組成に限られるものではないこと勿論であり、例えば、（Ｇａ，Ａｌ，Ｉｎ）Ｎの全ての混合組成を使用することができる。
【０１０１】
（４）  上記した実施の形態においては、低転位バッファー層１６を構成する高濃度不純物含有窒化物半導体に含有される不純物としてＳｉ（シリコン）を用いたが、不純物はＳｉに限られるものではないこと勿論であり、例えば、Ｃ（炭素）、Ｍｇ（マグネシウム）あるいはＯ（酸素）などを用いることができる。
【０１０２】
（５） 上記した実施の形態においては、高濃度不純物含有窒化物半導体と不純物不含有窒化物半導体とよりなる積層構造の低転位バッファー層１６の成膜温度は１１００℃としたが、これに限られるものではないことは勿論であり、低転位バッファー層１６を構成する高濃度不純物含有窒化物半導体ならびに不純物不含有窒化物半導体の組成に応じて、例えば、６００℃〜１３００℃の範囲で適宜に選択するようにしてもよい。
【０１０３】
（６） 上記した実施の形態においては、高濃度不純物含有窒化物半導体と不純物不含有窒化物半導体とよりなる積層構造の低転位バッファー層１６を形成する基板として炭化シリコン（ＳｉＣ）、より詳細には、６Ｈ−ＳｉＣ（０００１）を用いたが、これに限られるものではないことは勿論であり、例えば、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）、シリコン（Ｓｉ）あるいは砒化ガリウム（ＧａＡｓ）などの基板を用いることができる。
【０１０４】
（７）  上記した実施の形態においては、低転位バッファー層１６を構成する高濃度不純物含有窒化物半導体の膜厚、即ち、高濃度不純物含有窒化物半導体層１６ａの厚さを２０ｎｍとしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、例えば、１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲で適宜に制御するようにしてもよい。
【０１０５】
（８）  上記した実施の形態においては、低転位バッファー層１６を構成する不純物不含有窒化物半導体の膜厚、即ち、不純物不含有窒化物半導体層１６ｂの厚さを８０ｎｍとしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、例えば、５ｎｍ〜５００ｎｍの範囲で適宜に制御するようにしてもよい。
【０１０６】
（９）  上記した実施の形態においては、ある高濃度不純物含有窒化物半導体層１６ａから次の高濃度不純物含有窒化物半導体層１６ａまでの距離、即ち、一組の高濃度不純物含有窒化物半導体層１６ａと不純物不含有窒化物半導体層１６ｂとを積層する際の繰り返し周期長は、１００ｎｍとしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、例えば、５ｎｍ〜５００ｎｍの範囲で適宜に制御するようにしてもよい。
【０１０７】
（１０）  上記した実施の形態においては、低転位バッファー層１６の層厚を６００ｎｍとしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、例えば、０．３μｍ〜５μｍの範囲で適宜に制御するようにしてもよい。
【０１０８】
（１１）  上記した実施の形態においては、６Ｈ−ＳｉＣ（０００１）基板１０と低転位バッファー層１６との間に第１初期層１２としてＡｌＮ薄膜を形成するとともに第２初期層１４としてＡｌＧａＮを形成したが、これに限られるものではないことは勿論であり、例えば、第１初期層１２と第２初期層１４とのいずれか一方のみを形成するようにしてもよいし、あるいは、両方とも形成しないようにしてもよい。
【０１０９】
（１２）上記した実施の形態ならびに上記（１）乃至（１１）に示す変形例は、適宜に組み合わせるようにしてもよい。
【０１１０】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されているので、各種の材料からなる基板上などに、例えば、ＧａＮなどの窒化物半導体の薄膜や厚膜などのエピタキシャル半導体層を、所定の素子構造を構成するための素子材料として形成する際において、当該基板などと当該エピタキシャル半導体層との間に形成するバッファー層として低転位密度のバッファーを形成することができ、しかもその際に、煩雑なプロセスを必要がなく、また、表面の平坦化のために厚膜として成膜する必要がないため、簡単なプロセスにより短時間で形成可能であり、かつ、クラックの発生する恐れのない低転位バッファーおよびその製造方法ならびに低転位バッファーを備えた素子を提供することができるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のバッファーの構造を模式的に表した断面説明図である。
【図２】図１に示す構造体の貫通転位密度評価用薄膜の表面のＳＥＭ像である。
【図３】本発明による低転位バッファーの実施の形態の一例の構造を模式的に示す断面説明図である。
【図４】図３に示す構造体の貫通転位密度評価用薄膜の表面のＳＥＭ像である。
【図５】本発明による低転位バッファー層を製造するための製造装置の概念構成説明図である。
【図６】キャリア・ガスならびに材料ガスの結晶成長反応炉内への供給タイミング示すタイミング・チャートである。
【図７】ＴＥＳｉ流量と本発明による低転位バッファー層における貫通転位密度との関係を示すグラフである。
【図８】本発明による低転位バッファー層の周期数と本発明による低転位バッファー層における貫通転位密度との関係を示すグラフである。
【図９】図３に示す構造体の断面のＴＥＭ像である。
【図１０】本発明による低転位バッファー層の周期数と本発明による低転位バッファー層における貫通転位密度との関係を示すグラフである。
【図１１】本発明による低転位バッファー層を備えた窒化物半導体ＨＦＥＴ（Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｅｒ）を示す斜視図である。
【図１２】本発明による低転位バッファー層を備えた窒化物半導体レーザーダイオードを示す斜視図である。
【符号の説明】
１０        基板
１２        第１初期層
１４        第２初期層
１６        低転位バッファー層
１６ａ      高濃度不純物含有窒化物半導体層
１６ｂ      不純物不含有窒化物半導体層
１８        貫通転位密度評価用薄膜
１００        基板
１０２        薄膜
１０４        バッファー
１０６        貫通転位密度評価用薄膜
２００        結晶成長装置
２０２        ＲＦ加熱コイル
２０４        結晶成長反応炉
２０６        サセプター
２０８        ＲＦ電源
２１０        ＲＦ制御装置
２１２        第１導入パイプライン
２１４        第２導入パイプライン
２１６        第３導入パイプライン
２１８        ロータリー・ポンプ
【図１】
0004554803.tif 000003
【図２】
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【図３】
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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８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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