(57)【要約】【課題】窒化物半導体に生じる自発分極を抑制して、例えば発光デバイスにおいては高輝度化及び高効率化を実現でき、また、電界効果トランジスタにおいてはノーマリオフ特性を実現できるようにする。【解決手段】窒化物半導体装置は、第１主面及び該第１主面と対向する第２主面を有する窒化物半導体からなり、チャネル層１０４を含む半導体積層体１１０を有している。第１主面には、それぞれの面方位が｛０００１｝面である複数の凹凸部が形成され、第２主面は面方位が｛１−１０１｝面である。チャネル層１０４は面方位の｛１−１０１｝面に沿って形成されている。【選択図】図１
2007266577.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１主面及び該第１主面と対向する第２主面を有する窒化物半導体からなり、活性層を含む半導体積層体を備え、
前記第１主面には、それぞれの面方位が｛０００１｝面である複数の第１の凹凸部が形成され、前記第２主面は面方位が｛１−１０１｝面であり、
前記活性層は、前記｛１−１０１｝面に沿って形成されていることを特徴とする窒化物半導体装置。
【請求項２】
それぞれの面方位が｛１１１｝面である複数の第２の凹凸部を有するシリコンからなる基板をさらに備え、
前記半導体積層体の前記第１の凹凸部は、前記半導体積層体が前記基板の前記第２の凹凸部の上に成長することにより形成されていることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光装置。
【請求項３】
前記基板と前記半導体積層体との間に形成され、一般式がＡｌｘＧａ１−ｘＮ（但し、ｘは０＜ｘ≦１である。)であるバッファ層をさらに備えていることを特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体装置。
【請求項４】
前記基板はその主面の面方位に｛１００｝面を有し、前記複数の第２の凹凸部は前記｛１００｝面に形成されていることを特徴とする請求項２又は３に記載に窒化物半導体装置。
【請求項５】
前記基板の主面は、｛１００｝面から傾いたオフ基板であることを特徴とする請求項４に記載の窒化物半導体装置。
【請求項６】
前記複数の第２の凹凸部は、ストライプ状に形成されていることを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載の窒化物半導体装置。
【請求項７】
前記複数の第２の凹凸部は、それぞれが逆四角錐状で且つ行列状に配置されて形成されていることを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載の窒化物半導体装置。
【請求項８】
前記半導体積層体における｛１−１０１｝面は平坦であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の窒化物半導体装置。
【請求項９】
前記半導体積層体における｛１−１０１｝面の上に形成されたゲート電極並びに該ゲート電極の両側にそれぞれ形成されたソース電極及びドレイン電極をさらに備え、
前記活性層はチャネル層であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の窒化物半導体装置。
【請求項１０】
前記チャネル層は、窒化ガリウムからなる第１層と窒化アルミニウムガリウムからなる第２層とのヘテロ接合により構成されていることを特徴とする請求項９に記載の窒化物半導体装置。
【請求項１１】
前記半導体積層体は、前記活性層に対して前記第１主面側に形成されたｎ型半導体層と、前記活性層に対して前記第２主面側に形成されたｐ型半導体層とを有していることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体装置。
【請求項１２】
前記半導体積層体における前記第２主面に貼り合わされ、前記半導体積層体を保持する保持基板をさらに備えていることを特徴とする請求項１又は１１に記載の窒化物半導体装置。
【請求項１３】
前記保持基板と前記半導体積層体とは、金とスズとを含む合金層により貼り合わされていることを特徴とする請求項１２に記載の窒化物半導体装置。
【請求項１４】
前記保持基板は、シリコンからなることを特徴とする請求項１２又は１３に記載の窒化物半導体装置。
【請求項１５】
前記活性層は発光層であることを特徴とする請求項１１〜１４のいずれか１項に記載の窒化物半導体装置。
【請求項１６】
前記半導体積層体における前記第１の主面は露出しており、前記半導体積層体の露出面には、一般式がＡｌｘＧａ１−ｘＮ（但し、ｘは０＜ｘ≦１である。)である第１の半導体層が形成されていることを特徴とする請求項１１〜１５のいずれか１項に記載の窒化物半導体装置。
【請求項１７】
前記半導体積層体における前記第１の半導体層の内側には、ｎ型の窒化ガリウムからなる第２の半導体層が形成されており、
前記第２の半導体層は前記第１の半導体層が選択的に除去されて露出されており、
前記第２の半導体層の露出部分の上には、オーミック電極が形成されていることを特徴とする請求項１６に記載の窒化物半導体装置。
【請求項１８】
主面の面方位が｛１００｝面である基板の主面に対して異方性エッチングを選択的に行なって、それぞれの面方位が｛１１１｝面である複数の凹凸部を形成する工程（ａ）と、
前記複数の凹凸部が形成された前記基板上に、エピタキシャル成長により、窒化物半導体からなり活性層を含む半導体積層体を該半導体積層体の上面が平坦化するように形成する工程（ｂ）と、
前記半導体積層体の上に少なくとも１つの第１の電極を形成する工程（ｃ）とを備えていることを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。
【請求項１９】
前記工程（ｂ）において、前記半導体積層体を形成する際に、第１層として前記凹凸部の上に、一般式がＡｌｘＧａ１−ｘＮ（但し、ｘは０＜ｘ≦１である。)であるバッファ層を形成することを特徴とする請求項１８に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
【請求項２０】
前記工程（ｂ）において、前記活性層は、前記半導体積層体を形成する際に、窒化ガリウムからなる第２層と該第２層の上に窒化アルミニウムガリウムからなる第３層とからなるヘテロ接合を構成することにより形成し、
前記工程（ｃ）は、前記第１の電極として、前記第３層の上にゲート電極と、該ゲート電極の両側にソース電極及びドレイン電極とをそれぞれ形成する工程を含むことを特徴とする請求項１８又は１９に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
【請求項２１】
前記工程（ｂ）において、前記半導体積層体を形成する際に、ｎ型半導体層と前記活性層とｐ型半導体層とを基板側から順次形成することを特徴とする請求項１８又は１９に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
【請求項２２】
前記工程（ｃ）よりも後に、前記半導体積層体の上に前記第１の電極と接するように、前記半導体積層体を保持する保持基板を貼り合わせる工程（ｄ）と、
前記工程（ｄ）よりも後に、前記基板を前記半導体積層体から分離する工程（ｅ）と、
前記工程（ｅ）よりも後に、前記半導体積層体の露出面上に第２の電極を形成する工程（ｆ）とをさらに備えていることを特徴とする請求項２１に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
【請求項２３】
前記基板は、シリコンからなることを特徴とする請求項１８に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体装置及びその製造方法に関し、特に電界効果トランジスタ又は半導体発光素子に適用可能な窒化物半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム（ＧａＮ）系半導体（窒化物半導体）は、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）等の化合物半導体又はシリコン（Ｓｉ）からなる半導体等と比べてバンドギャップが大きく、青色若しくは緑色の可視域又は紫外域で発光可能な発光素子の実現に向けて研究及び開発が盛んに進められている。これまでに、各種表示用の発光ダイオード素子又は次世代高密度光ディスク用の半導体レーザ素子等として商品化されてきている。
【０００３】
ＧａＮ系半導体は、絶縁破壊電圧が大きく且つ飽和ドリフト速度が高いという特徴を有しており、高出力パワーデバイスや高速動作トランジスタ等の電子デバイス用としても注目されている。ＧａＮ系半導体は、一般にはサファイア（単結晶Ａｌ２Ｏ３）又は炭化シリコン（ＳｉＣ）等の窒化物半導体とは異なる材料からなる、いわゆる異種基板上に形成される。当初は異種基板上に成長する窒化物半導体の結晶性の向上が困難であったが、有機金属気相成長（Metal Organic Chemical Vapor Deposition:ＭＯＣＶＤ）法において、低温バッファ層を用いる技術が開発された結果、異種基板を用いて比較的に良好な窒化物半導体結晶を得ることが可能となってきている。
【０００４】
ところで、青色発光ダイオード素子等の光デバイスを商品化可能としたヘテロエピタキシャル成長技術は、窒化物半導体の主面の面方位がいずれも（０００１）面、いわゆるｃ面であり、自発分極又はピエゾ分極が主面に垂直な方向に生じてしまう。これらの分極により、発光デバイスに一般に活性層として用いられる量子井戸構造の、電子及び正孔が閉じ込められる井戸層において分極電界が生じる。その結果、電子と正孔とが空間的に分離してしまうため、発光効率が低下するいわゆる量子シュタルク効果が観測される（例えば、非特許文献１を参照。）。
【０００５】
一方、電子デバイスにおいても、一般に窒化物半導体層が（０００１）面上に形成されるため、前述した自発分極又はピエゾ電極により分極電界が（０００１）面に垂直に生じる。さらに、該分極により窒化物半導体層の界面及び表面に固定電荷が生じ、これを中和するために、例えば窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）と窒化ガリウム（ＧａＮ）とのへテロ界面においては、アンドープ状態であっても、例えば１×１０１３ｃｍ−２以上のシートキャリア濃度が生じてしまう。
【０００６】
これまでは、この高いシートキャリア濃度を利用した大きなドレイン電流を有するへテロ接合電界効果トランジスタを実現できることが報告されている（例えば、非特許文献２を参照。）。ここでは、電子の移動度も室温で１０００ｃｍ２ ／Ｖｓを超える大きな値が報告されており、従来のＧａＡｓ化合物半導体又はＳｉ半導体に代わる将来の電子デバイスとしての期待も大きい。
【非特許文献１】S.F.Chichibu et al., "SPECTROSCOPIC STUDIES IN InGaN QUANTUM WELLS", MRS Internet J.Nitride Semicond.Res.4S1,G2.7(1999)
【非特許文献２】M.Hikita et al.,IEDM Tech. Digest 2004 p.803
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前述したように、従来のＧａＮ系発光デバイス及びＧａＮ系電界効果トランジスタは、いずれも窒化物半導体層の（０００１）面上に形成されており、自発分極及びピエゾ分極が（０００１）面に対して垂直な方向に生じてしまう。このため、発光デバイスにおいては、前述の量子シュタルク効果により量子井戸からの発光効率の向上が困難であり、さらなる高輝度化及び高効率化に限界があるという問題がある。
【０００８】
また、電界効果トランジスタにおいては、パワーデバイスに強く求められるノーマリオフ特性を実現しようとする場合には、前述の分極電界による高いシートキャリア濃度が生じることから、ノーマリオフ特性の実現が困難であるという問題がある。
【０００９】
本発明は、前記従来の問題に鑑み、窒化物半導体に生じる自発分極を抑制して、例えば発光デバイスにおいては高輝度化及び高効率化を実現でき、また、電界効果トランジスタにおいてはノーマリオフ特性を実現できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記の目的を達成するため、本発明は、窒化物半導体装置における活性層を面方位の｛１−１０１｝面に沿って形成する構成とする。
【００１１】
具体的に、本発明に係る窒化物半導体装置は、第１主面及び該第１主面と対向する第２主面を有する窒化物半導体からなり、活性層を含む半導体積層体を備え、第１主面には、それぞれの面方位が｛０００１｝面である複数の第１の凹凸部が形成され、第２主面は面方位が｛１−１０１｝面であり、活性層は｛１−１０１｝面に沿って形成されていることを特徴とする。
【００１２】
本発明の窒化物半導体装置によると、活性層が｛１−１０１｝面に沿って形成されているため、自発分極及びピエゾ分極等の分極が活性層の主面に対して垂直な方向に生じることがない。従って、分極の影響が抑制される結果、電界効果トランジスタの場合はシートキャリア濃度を広範囲にわたって低減できるため、ノーマリオフ型の動作が実現できる。また、発光デバイスの場合には、量子シュタルク効果が抑制されるため、高感度化及び高効率化を実現することができる。
【００１３】
なお、面方位の例えば｛０００１｝は（０００１）面と等価な面の１組を表わし、また、例えば｛１−１０１｝における負符号”−”は該負符号に続く一の指数の反転を便宜的に表わしている。
【００１４】
本発明の窒化物半導体装置は、それぞれの面方位が｛１１１｝面である複数の第２の凹凸部を有するシリコンからなる基板をさらに備え、半導体積層体の第１の凹凸部は、半導体積層体が基板の第２の凹凸部の上に成長することにより形成されていることが好ましい。
【００１５】
このようにすると、シリコンからなる基板の｛１１１｝面上には窒化物半導体の｛０００１｝面が成長し、その後、第２の凹凸部が埋まった後は成長面の面方位が｛１−１０１｝面となるので、本発明の窒化物半導体装置を実現できる。また、窒化物半導体の成長用の基板として、入手が容易なシリコンを用いることにより、低コスト化が可能となる。
【００１６】
この場合に、基板と半導体積層体との間に形成され、一般式がＡｌｘＧａ１−ｘＮ（但し、ｘは０＜ｘ≦１である。)であるバッファ層をさらに備えていることが好ましい。
【００１７】
このようにすると、基板と半導体積層体との間に生じるストレスが緩和されるため、活性層を含む半導体積層体の厚さをより厚く形成できるので、電界効果トランジスタに適用した場合には、耐圧を向上することができる。
【００１８】
本発明の窒化物半導体装置において、基板はその主面の面方位に｛１００｝面を有し、複数の第２の凹凸部は基板の｛１００｝面に形成されていることが好ましい。
【００１９】
このようにすると、｛１００｝面の主面に対して異方性エッチングにより壁面の面方位が｛１１１｝面をなす第２の凹凸部を容易に且つ確実に形成することができる。
【００２０】
この場合に、基板の主面は｛１００｝面から傾いたオフ基板であることが好ましい。
【００２１】
このようにすると、半導体積層体の第２主面（上面）の平坦性を向上させることができる。
【００２２】
基板を備えている場合に、複数の第２の凹凸部はストライプ状に形成されていることが好ましい。
【００２３】
また、基板を備えている場合に、複数の第２の凹凸部はそれぞれが逆四角錐状で且つ行列状に配置されて形成されていることが好ましい。
【００２４】
このようにすると、ストライプ状及び行列状のいずれの場合にも、基板の主面の全体にわたって第２の凹凸部を均一に形成することができる。
【００２５】
本発明の窒化物半導体装置において、半導体積層体における｛１−１０１｝面は平坦であることが好ましい。
【００２６】
このようにすると、電界効果トランジスタに適用した場合には、キャリアの移動度が大きいため、高速動作が可能でオン抵抗が小さい電界効果トランジスタを実現することができる。
【００２７】
本発明の窒化物半導体装置は、半導体積層体における｛１−１０１｝面の上に形成されたゲート電極並びに該ゲート電極の両側にそれぞれ形成されたソース電極及びドレイン電極をさらに備え、活性層はチャネル層であることが好ましい。
【００２８】
このようにすると、窒化物半導体装置として電界効果トランジスタを得ることができる。
【００２９】
この場合に、チャネル層は、窒化ガリウムからなる第１層と窒化アルミニウムガリウムからなる第２層とのヘテロ接合により構成されていることが好ましい。
【００３０】
このようにすると、チャネル層としてヘテロ接合により生じる２次元電子ガス層を用いることができるため、キャリアの移動度が大きくなるので、高速動作が可能で且つオン抵抗が小さい電界効果トランジスタを実現することができる。
【００３１】
また、本発明の窒化物半導体装置において、半導体積層体は、活性層に対して第１主面側に形成されたｎ型半導体層と、活性層に対して第２主面側に形成されたｐ型半導体層とを有していることが好ましい。
【００３２】
このようにすると、窒化物半導体装置として発光デバイスを得ることができる。
【００３３】
本発明の窒化物半導体装置は、半導体積層体における第２主面に貼り合わされ、半導体積層体を保持する保持基板をさらに備えていることが好ましい。
【００３４】
このようにすると、保持基板には放熱に優れた材料を用いることができるため、高出力動作が可能となる。
【００３５】
この場合に、保持基板と半導体積層体とは、金とスズとを含む合金層により貼り合わされていることが好ましい。
【００３６】
このようにすると、金とスズとが共晶化するため、半導体積層体と保持基板との張り合わせが容易となる。
【００３７】
また、この場合に、保持基板はシリコンからなることが好ましい。
【００３８】
このようにすると、低コストで且つ加工性に優れたデバイスを実現することができる。
【００３９】
半導体積層体がｎ型半導体層とｐ型半導体層とを有している場合に、活性層は発光層であることが好ましい。
【００４０】
この場合に、半導体積層体における第１の主面は露出しており、半導体積層体の露出面には、一般式がＡｌｘＧａ１−ｘＮ（但し、ｘは０＜ｘ≦１である。)である第１の半導体層が形成されていることが好ましい。
【００４１】
このようにすると、半導体積層体の成長時には第１の半導体層がバッファ層として機能する。
【００４２】
さらにこの場合に、半導体積層体における第１の半導体層の内側には、ｎ型の窒化ガリウムからなる第２の半導体層が形成されており、第２の半導体層は第１の半導体層が選択的に除去されて露出されており、第２の半導体層の露出部分の上には、オーミック電極が形成されていることが好ましい。
【００４３】
このようにすると、オーミック電極がシート抵抗が小さいｎ型の第２の半導体層と接触するため、該オーミック電極から注入される電流が第２の半導体層の横方向にも十分に拡がるので、活性層の面内で均一な発光を出力可能な発光デバイスを実現することができる。
【００４４】
本発明に係る窒化物半導体装置の製造方法は、主面の面方位が｛１００｝面である基板の主面に対して異方性エッチングを選択的に行なって、それぞれの面方位が｛１１１｝面である複数の凹凸部を形成する工程（ａ）と、複数の凹凸部が形成された基板上に、エピタキシャル成長により、窒化物半導体からなり活性層を含む半導体積層体を該半導体積層体の上面が平坦化するように形成する工程（ｂ）と、半導体積層体の上に少なくとも１つの第１の電極を形成する工程（ｃ）とを備えていることを特徴とする。
【００４５】
本発明の窒化物半導体装置の製造方法によると、主面の面方位が｛１００｝面である基板の主面に、面方位が｛１１１｝面である複数の凹凸部を形成し、その後、複数の凹凸部が形成された基板上に、窒化物半導体からなり活性層を含む半導体積層体を該半導体積層体の上面が平坦化するように形成する。これにより、半導体積層体に含まれる活性層が｛１−１０１｝面に沿って形成されることになるため、自発分極及びピエゾ分極等の分極が活性層の主面に対して垂直な方向に生じることがない。従って、分極の影響が抑制される結果、電界効果トランジスタの場合はシートキャリア濃度を広範囲にわたって低減できるため、ノーマリオフ型の動作が実現できる。また、発光デバイスの場合には、量子シュタルク効果が抑制されるため、高感度化及び高効率化を実現することができる。その上、半導体積層体は横方向成長が促進されるため、結晶欠陥密度が低減できる。このため、電界効果トランジスタの場合には、キャリアの移動度が大きく且つ高速動作が可能なデバイスを実現することができると共に、半導体積層体をより厚膜化できるので、高耐圧化が実現できる。
【００４６】
本発明の窒化物半導体装置の製造方法は、工程（ｂ）において、半導体積層体を形成する際に、第１層として凹凸部の上に、一般式がＡｌｘＧａ１−ｘＮ（但し、ｘは０＜ｘ≦１である。)であるバッファ層を形成することが好ましい。
【００４７】
本発明の窒化物半導体装置の製造方法は、工程（ｂ）において、活性層は、半導体積層体を形成する際に、窒化ガリウムからなる第２層と該第２層の上に窒化アルミニウムガリウムからなる第３層とからなるヘテロ接合を構成することにより形成し、工程（ｃ）は、第１の電極として、第３層の上にゲート電極と、該ゲート電極の両側にソース電極及びドレイン電極とをそれぞれ形成する工程を含むことが好ましい。
【００４８】
このようにすると、窒化物半導体装置としてヘテロ接合電界効果トランジスタを得ることができる。
【００４９】
また、本発明の窒化物半導体装置の製造方法は、工程（ｂ）において、半導体積層体を形成する際に、ｎ型半導体層と活性層とｐ型半導体層とを基板側から順次形成することが好ましい。
【００５０】
このようにすると、窒化物半導体装置として発光デバイスを得ることができる。
【００５１】
本発明の窒化物半導体装置の製造方法は、工程（ｃ）よりも後に、半導体積層体の上に第１の電極と接するように、半導体積層体を保持する保持基板を貼り合わせる工程（ｄ）と、工程（ｄ）よりも後に、基板を半導体積層体から分離する工程（ｅ）と、工程（ｅ）よりも後に、半導体積層体の露出面上に第２の電極を形成する工程（ｆ）とをさらに備えていることが好ましい。
【００５２】
このようにすると、発光デバイスに適用した場合には、半導体積層体に形成された複数の凹凸部が保持基板の反対側、すなわち発光光の出力側に形成されるため、該凹凸部によって半導体積層体の内部に反射する発光光が低減されるので、光の取り出し効率が向上する。
【００５３】
本発明の窒化物半導体装置の製造方法において、基板はシリコンからなることが好ましい。
【００５４】
このようにすると、主面の面方位が｛１００｝面である基板の主面に、面方位が｛１１１｝面である複数の凹凸部を確実に形成することができる。
【発明の効果】
【００５５】
本発明に係る窒化物半導体装置及びその製造方法によると、窒化物半導体に特有の分極電界の影響を抑制できるため、例えば発光デバイスにおいては量子シュタルク効果が抑制されて高効率化を実現でき、また、電界効果トランジスタにおいてはシートキャリア濃度を広範囲にわたって低減できるので、ノーマリオフ動作を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５６】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００５７】
図１は本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体装置であって、ヘテロ接合電界効果トランジスタの断面構成を示している。
【００５８】
図１に示すように、主面の面方位が｛１００｝面であるシリコン（Ｓｉ）からなる基板１０１の上部には、例えば断面Ｖ字状の複数の溝がストライプ状に形成された複数の凹凸部が全面に形成されている。ここで、各溝の壁面はシリコン結晶の面方位の｛１１１｝面である。
【００５９】
基板１０１の凹凸部の上には、厚さが約４０ｎｍの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるバッファ層１０２と、厚さが５ｎｍのＡｌ０．５Ｇａ０．５Ｎ層と厚さが２０ｎｍのＧａＮ層とが２５周期分積層された厚さが０．５μｍの超格子層１０３と、厚さが３μｍのアンドープのＧａＮからなるチャネル層１０４と、厚さが２５ｎｍのｎ型Ａｌ０．２６Ｇａ０．７４Ｎからなるキャリア供給層１０５とが順次エピタキシャル成長により形成されている。ここで、半導体積層体１１０を構成するチャネル層１０４とキャリア供給層１０５との接合面の面方位は｛１−１０１｝面であり、このヘテロ接合面によりチャネル層１０４におけるキャリア供給層１０５との界面近傍に生じる２次元電子ガス（２ＤＥＧ）層が実質的なチャネル層となる。ここで、チャネル層１０４の厚さは、基板１０１の凸部の頂面からの厚さをいう。また、超格子層１０３は半導体積層体１１０に生じるクラックを防止するために設けている。
【００６０】
半導体積層体１１０には、表面からチャネル層１０４にまで達するように例えば選択的に酸化されてなる素子分離領域１０６が形成され、半導体積層体１１０における素子分離領域１０６の内側の素子形成領域上には、パラジウム（Ｐｄ）とシリコン（Ｓｉ）との合金からなるショットキ性のゲート電極１０７が形成され、該ゲート電極１０７の両側の領域には間隔をおいて、それぞれチタン（Ｔｉ）とその上のアルミニウム（Ａｌ）との積層膜からなるオーミック性のソース電極１０８及びドレイン電極１０９が形成されている。
【００６１】
このように、第１の実施形態によると、窒化物半導体からなる半導体積層体１１０は、その上面（結晶成長面）の面方位である｛１−１０１｝面においては、分極の方向である晶帯軸の＜０００１＞方向が、｛１−１０１｝面に対して斜めに位置する。このため、チャネル層１０４とキャリア供給層１０５とのヘテロ接合面における分極電界の強度は従来の｛０００１｝面（＝ｃ面）に形成した場合と比較して小さくなる。その結果、本実施形態のようにチャネル層１０４をアンドープ層としてヘテロ接合を形成した場合は、ヘテロ接合面におけるシートキャリア濃度も、従来の｛０００１｝面をヘテロ接合面とする場合と比較して小さくなり、例えば１×１０１２ｃｍ−２台の値となる。従って、ｎ型Ａｌ０．２６Ｇａ０．７４Ｎからなるキャリア供給層１０５に対するドーピング濃度を調整することにより、電界効果トランジスタのドレイン電流及びしきい値電圧を広い範囲にわたって制御できるため、ノーマリオフ型の電界効果トランジスタを実現することができる。
【００６２】
また、半導体積層体１１０は、基板１０１の上部に形成された凹凸部の上に結晶成長により形成される際に横方向成長が促進されるため、半導体積層体１１０における結晶欠陥密度が低減できるので、チャネル層１０４におけるキャリア移動度がより高くなる。従って、例えば相互コンダクタンスが大きく且つオン抵抗が小さいＧａＮ系電界効果トランジスタを実現できる。
【００６３】
また、半導体積層体１１０を基板１０１の凹凸部の上に形成することにより、基板１０１を構成するＳｉと半導体積層体１１０を構成するＧａＮ等との熱膨張係数の差又は格子定数の差により半導体積層体１１０に発生するクラックを抑制できる。これにより、例えばチャネル層１０４を３μｍ程度にまで比較的に厚く形成できるため、より高耐圧のトランジスタを実現することが可能となる。
【００６４】
なお、第１の実施形態において、基板１０１の上部に形成する凹凸部の形状は、断面Ｖ字状の溝をストライプ状に形成する構成に限られない。例えば、基板１０１の上部に全面にわたってそれぞれが逆四角錐状（逆ピラミッド状）の凹部を行列状に配置することにより形成してもよい。また、凹凸部は必ずしも周期的な形状とする必要はない。
【００６５】
半導体積層体１１０の｛１−１０１｝面の平坦性をより向上するには、基板１０１自体の主面の面方位を｛１００｝面から例えば７°程度傾いたいわゆるオフ基板を用いることことが望ましい。このときの傾斜方向は晶帯軸の＜１−１０＞方向が好ましい。
【００６６】
また、第１の実施形態においては、ソースドレイン間のチャネル領域で均一な電子輸送を行なうには、例えば凹部（Ｖ字溝）の幅がソース電極１０８とドレイン電極１０９との間隔である数μｍ若しくはそれ以上とするか、又は０．５μｍ以下の超微細な周期構造として形成することが望ましい。
【００６７】
なお、凹部をストライプ状に形成した場合は、ストライプ上の凹部が延びる方向がゲート電極１０７が延びる方向と平行か又は垂直とすることが望ましい。
【００６８】
以上説明した通り、第１の実施形態によると、半導体積層体１１０に形成されたヘテロ接合におけるシートキャリア濃度を広範囲にわたって低減できるため、しきい値電圧の値が０Ｖ以上の、いわゆるノーマリオフ型の電界効果トランジスタを実現することが可能となる。
【００６９】
以下、前記のように構成された電界効果トランジスタの製造方法について図２（ａ）〜図２（ｄ）を参照しながら説明する。
【００７０】
まず、図２（ａ）に示すように、面方位が｛１００｝面の主面を持つＳｉからなる基板１０１の主面に対して、例えば水酸化カリウム（ＫＯＨ）等のアルカリ溶液を用いた異方性のウェットエッチングを行なうことにより、基板１０１の上部にそれぞれの露出面の面方位が｛１１１｝面で断面Ｖ字状の複数の凹凸部を形成する。ここでは、図示はしていないが、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２ ）等からなるストライプ状又は格子状のマスク膜を用いて、ウェットエッチングにより複数の凹凸部を形成する。凹部の間隔及び深さはウェットエッチングの条件により制御可能である。なお、マスク膜は必ずしも除去する必要はなく、基板１０１上に残しておいてもよい。
【００７１】
図３に逆四角錐状の凹部を行列状に配置して形成された複数の凹凸部の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真の一例を示す。
【００７２】
次に、図２（ｂ）に示すように、例えばＭＯＣＶＤ法により、凹凸部が形成された基板１０１の上に、窒素源であるアンモニア（ＮＨ３ ）と、Ｇａ源であるＴＭＧ（トリメチルガリウム：（ＣＨ３）３Ｇａ）と、Ａｌ源であるＴＭＡ（トリメチルアルミニウム：（ＣＨ３）３Ａｌ）とを原料として、バッファ層１０２、超格子層１０３及びチャネル層１０４を順次エピタキシャル成長する。
【００７３】
図４に基板１０１に形成された断面Ｖ字状の凹部の上にエピタキシャル成長したチャネル層（ＧａＮ層）１０４の断面ＳＥＭ写真の一例を示す。図４から、チャネル層１０４は凹部に露出したＳｉの｛１１１｝面に対して垂直な＜０００１＞方向に、すなわち｛０００１｝面を持つように選択的に成長していることが分かる。さらに、チャネル層１０４の成長を続けると、該チャネル層１０４は、ＧａＮの｛１−１０１｝面を結晶成長面として平坦化される。なお、図４に示すような凹部の深さが深い場合には、より厚膜の結晶成長が必要である。すなわち、深さが１０μｍの凹部に対して、チャネル層１０４を１μｍの厚さに成長させており、チャネル層１０４を平坦化するにはさらに３μｍかそれ以上の成長が必要である。但し、前述したように、この３μｍという寸法は凹部の上端面からの厚さである。また、チャネル層１０４は、凹部から露出するＳｉの各｛１１１｝面より横方向成長するため、基板１０１の主面（＝｛１００｝面）に対して垂直な方向に生じる結晶欠陥が抑制される。その結果、結晶欠陥の密度が低減される。すなわち、凹部の両壁面から発生した結晶欠陥である転位が隣接する凹部の上方で互いに結合して結晶欠陥の密度が低減される。
【００７４】
続いて、窒素源であるＮＨ３ 、Ｇａ源であるＴＭＧ、Ａｌ源であるＴＭＡ及びｎ型ドーパント源であるＳｉを含むモノシラン（ＳｉＨ４ ）を、平坦化されたチャネル層１０４の上に供給して、厚さが２５ｎｍのｎ型Ａｌ０．２６Ｇａ０．７４Ｎからなり、Ｓｉ濃度が５×１０１８ｃｍ−３のキャリア供給層１０５を成長する。これにより、チャネル層１０４及びキャリア供給層１０５からなる半導体積層体１１０が形成される。なお、このとき、チャネル層１０４とキャリア供給層１０５との間に、厚さが１ｎｍ程度のＡｌＮ層を挿入してもよい。このようにすると、キャリアの移動度がさらに向上するため好ましい。
【００７５】
次に、図２（ｃ）に示すように、半導体積層体１１０の上部に該半導体積層体１１０の一部を選択的に酸化して素子分離領域１０６を形成する。
【００７６】
次に、図２（ｄ）に示すように、電子ビーム蒸着法及びリフトオフ法により、半導体積層体１１０における素子分離領域１０６の内側の領域に、それぞれＴｉとＡｌとの積層膜からなるソース電極１０８及びドレイン電極１０９を選択的に形成する。続いて、電子ビーム蒸着及びリフトオフ法により、ソース電極１０８とドレイン電極１０９との間の領域にＰｄＳｉからなるゲート電極１０７を選択的に形成する。なお、ソース電極１０８及びドレイン電極１０９とゲート電極１０７との形成順序は特に問われない。また、リフトオフ法とは、リソグラフィ法により、半導体積層体１１０の上に例えば電極形成領域を開口する開口部を持つレジストパターンを形成し、続いて、所定の電極材料を開口部を含めレジストパターンの上に堆積した後、レジストパターンを除去することにより、電極形成領域に電極を配置する方法をいう。
【００７７】
このように、第１の実施形態に係る製造方法によると、図１に示すＧａＮ系電界効果トランジスタを得ることができる。すなわち、窒化物半導体からなる半導体積層体１１０に含まれるチャネル層１０４の成長面の面方位を｛１−１０１｝面とすることにより、III-Ｖ族窒化物半導体に特有の自発分極及びピエゾ電極による分極電界の影響を受けにくくすることができる。これにより、チャネル層１０４とキャリア供給層１０５とのヘテロ接合面におけるシートキャリア濃度を広範囲にわたって低減できるため、しきい値電圧の値が０Ｖ以上のノーマリオフ型のトランジスタを実現することができる。
【００７８】
さらに、基板１０１の上部に設けた凹凸部の上に半導体積層体１１０をエピタキシャル成長するため、横方向成長により結晶欠陥密度が低減される結果、相互コンダクタンスを大きく且つオン抵抗を小さくできる。また、基板１０１の凹凸部上に結晶成長することにより、半導体積層体１１０を容易に厚膜化できるので、高耐圧トランジスタを実現することが可能となる。
【００７９】
また、半導体積層体１１０の成長用の基板１０１として入手が容易なシリコン基板を用いることができるため、低コスト化も可能となる。
【００８０】
なお、基板１０１は、シリコンに限られず、窒化物半導体が成長可能な立方晶材料、例えば砒化ガリウム（ＧａＡｓ）、立方晶炭化シリコン（３Ｃ−ＳｉＣ）、燐化インジウム（ＩｎＰ）又はゲルマニウム（Ｇｅ）等を用いることができる。
【００８１】
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００８２】
図５は本発明の第２の実施形態に係る窒化物半導体装置であって、発光ダイオード素子の断面構成を示している。
【００８３】
図５に示すように、第２の実施形態に係るＧａＮ系発光ダイオード素子は、例えば導電性シリコン（Ｓｉ）からなる保持基板３０１と、窒化物半導体からなる半導体積層体２１０とが、ｐ側電極２０７及び金（Ａｕ）とスズ（Ｓｎ）とを含むはんだ層３０２により固着されて形成されている。なお、保持基板はシリコンに限られず、より高い放熱性を得られる材料、例えば銅タングステン（ＣｕＷ）等を用いることができる。
【００８４】
半導体積層体２１０は、除去された成長用基板（図示せず）の上に、第１の実施形態と同様にして形成されており、半導体積層体２１０の上には、厚さが約４０ｎｍのＡｌＮからなるバッファ層２０１と、厚さが５ｎｍのＡｌ０．５Ｇａ０．５Ｎ層と厚さが２０ｎｍのＧａＮ層とが２５周期分積層された厚さが０．５μｍの超格子層２０２とが形成されている。
【００８５】
半導体積層体２１０は、後述するように、上方から下方にエピタキシャル成長により形成され、厚さが１μｍのｎ型ＧａＮからなるｎ型コンタクト層２０３と、多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層２０４と、厚さが２０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層２０５と、厚さが２００ｎｍのｐ＋ 型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層２０６とにより構成されている。ＭＱＷ活性層２０４は、例えば厚さが３ｎｍのＩｎＧａＮからなる井戸層と厚さが５ｎｍのＧａＮ層とが６周期分積層されて形成されており、例えば波長が４７０ｎｍの青色発光を生成する。
【００８６】
半導体積層体２１０におけるｐ型コンタクト層２０６とオーミック接触するｐ側電極２０７は、例えば白金（Ｐｔ）とその上のチタン（Ｔｉ）との積層膜から構成されている。
【００８７】
はんだ層３０２は、ＡｕとＳｎとの合金層の上層及び下層には該合金層を挟むようにＡｕ層が設けられて３層構造をなす。
【００８８】
また、上部に凹凸部を有するｎ型コンタクト層２０３は、その上のバッファ層２０１及び超格子層２０２が選択的に除去されて平坦な底部を持つ露出領域が形成されており、該露出領域上には、ＴｉとＡｌとの積層膜からなるオーミック性のｎ側電極２０８が形成されている。
【００８９】
第２の実施形態によると、半導体積層体２１０に含まれるＭＱＷ活性層２０４の結晶成長面の面方位は第１の実施形態と同様に｛１−１０１｝面である。このように、ＭＱＷ活性層２０４を｛１−１０１｝面に形成すると、分極電界の影響が抑制されるため、量子井戸層中の内部電界により井戸層中の電子と正孔とが空間的に分離されることにより生じる発光効率の低下、いわゆる量子シュタルク効果が抑制される。これにより、本実施形態に係る発光ダイオード素子の発光効率は、従来の活性層が面方位の｛０００１｝面に形成される場合と比べて大きく向上する。
【００９０】
また、ＭＱＷ活性層２０４を｛１−１０１｝面に形成すると、従来の｛０００１｝面に形成される活性層の場合に生じる、注入電流の増加により発光波長が短波長側にシフトするという現象も顕著には生じなくなる。
【００９１】
さらに、第２の実施形態に係る発光ダイオード素子は、従来のＧａＮ系発光ダイオード素子の構成と異なり、ｎ型コンタクト層２０２等のｎ型層がＭＱＷ活性層２０４に対して保持基板３０１の反対側、すなわち発光光の出力側に配置されている。窒化物半導体は、一般にそのシート抵抗がｐ型層よりもｎ型層の方が小さいため、ｎ側電極２０８は例えば径が１００μｍか又はそれ以下にまで小さくしたとしても、注入される電流がｎ型コンタクト層２０３の横方向にも十分に拡がるようになる。その結果、発光光を均一に放射することが可能となる。
【００９２】
また、ｐ型コンタクト層２０６とオーミック接触するｐ側電極２０７には、例えば青色発光光に対し、反射率がより大きい金属を選択することにより、発光光の表面側（保持基板３０１の反対側）への取り出し効率が向上し、すなわち発光効率を向上させることができる。第２の実施形態においては、白金（Ｐｔ）をオーミック電極としているが、白金に限られず、例えば銀（Ａｇ）又はロジウム（Ｒｈ）等のより反射率が高い金属を用いてもよい。さらに、ｐ側電極２０７には、ｐ型コンタクト層２０６とのコンタクト抵抗を低減できるように仕事関数が大きい材料が望ましく、動作電圧と輝度との関係により適当な金属材料を選択すればよい。
【００９３】
第２の実施形態に係る発光ダイオード素子は、露出するバッファ層２０１及びその下の超格子層２０２及びｐ型コンタクト層２０３の上部が凹凸状に形成されている。この凹凸状部分により、発光光が半導体積層体２１０の内部に反射して光の取り出し効率が低下することを防止できる。その結果、光の取り出し効率が向上して、より高輝度及び高効率の発光ダイオード素子を実現することができる。
【００９４】
また、ｎ側電極２０８及びｐ側電極２０７とが半導体積層体２１０を挟んで互いに対向する位置に設けられているため、チップ面積を小さくすることができる。
【００９５】
なお、第２の実施形態においては、ＭＱＷ活性層２０４から、例えば波長が４７０ｎｍの青色発光光を生じる場合について説明したが、該ＭＱＷ活性層２０４は窒化物半導体である限りは任意の組成及び厚さでよく、発光波長は紫外域から可視域の任意の波長でよい。また、発光ダイオード素子の上面に蛍光体が塗布されて、白色発光光を出力可能な構成であってもよい。
【００９６】
以下、前記のように構成された発光ダイオード素子の製造方法について図６（ａ）〜図６（ｃ）及び図７（ａ）〜図７（ｃ）を参照しながら説明する。
【００９７】
まず、図６（ａ）に示すように、面方位が｛１００｝面の主面を持つＳｉからなる成長用基板２１１の主面に対して、例えばＫＯＨ等のアルカリ溶液を用いた異方性エッチングを行なうことにより、成長用基板２１１の上部にそれぞれの露出面の面方位が｛１１１｝面であり、断面Ｖ字状のストライプパターン又は逆四角錐状の凹部が行列状に配置された複数の凹凸部を形成する。
【００９８】
次に、図６（ｂ）に示すように、例えばＭＯＣＶＤ法により、凹凸部が形成された成長用基板２１１の上に、ＮＨ３ 、ＴＭＧ、ＴＭＡ及びｎ型ドーパント源を含むＳｉＨ４ を原料として、バッファ層２０１、超格子層２０２及びｎ型コンタクト層２０３を順次エピタキシャル成長する。続いて、ｎ型コンタクト層２０３の上面が｛１−１０１｝面となるように平坦化されるまで成長させた後、ＮＨ３ 、ＴＭＧ及びＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）を原料として、平坦化したｎ型コンタクト層２０３の上に、ＭＱＷ活性層２０４を形成する。ここでは、ＭＱＷ活性層２０４の組成として、例えば井戸層をＩｎ０．３５Ｇａ０．６５Ｎとし、障壁層をＧａＮとすることにより、波長が４７０ｎｍの青色発光を得ている。なお、ここでは、ｎ型コンタクト層２０３の上にＭＱＷ活性層２０４を形成したが、ｎ型コンタクト層２０３とＭＱＷ活性層２０４との間にｎ型ＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層を設けてもよい。
【００９９】
続いて、ＭＱＷ活性層２０４の上に、ＮＨ３ 、ＴＭＧ、ＴＭＡ及びｐ型ドーパント源であるマグネシウム（Ｍｇ）を含むシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２ Ｍｇ）を原料として、ｐ型クラッド層２０５及びｐ型コンタクト層２０６を順次形成する。
【０１００】
次に、図６（ｃ）に示すように、電子ビーム蒸着法により、ｐ型コンタクト層２０６の上に全面にわたってＰｔ及びＴｉを順次積層してオーミック性のｐ側電極２０７を形成する。続いて、電子ビーム蒸着法により、ｐ側電極２０７の上に、Ａｕからなるはんだ下地層３０２ａを形成する。
【０１０１】
続いて、導電性を有するＳｉからなる保持基板３０１を用意する。用意した保持基板３０１の主面上に、電子ビーム蒸着法により、Ａｕ、ＡｕＳｎ及びＡｕからなるはんだ層３０２を形成する。なお、保持基板３０１の主面の面方位は特に問われないが、ここでは、｛１００｝面の保持基板３０１を用いている。
【０１０２】
続いて、成長用基板２１１における半導体積層体２１０上に形成されたはんだ下地層３０２ａと、保持基板３０１の主面上に形成されたはんだ層３０２とを互いに対向させて、半導体積層体２１０と保持基板３０１とを互いに貼り合わせる。これにより、図７（ａ）に示す状態を得る。この際、成長用基板２１１と保持基板３０１とを加熱及び加圧することにより、ＡｕとＡｕＳｎとを共晶化させる。
【０１０３】
次に、図７（ｂ）に示すように、例えばフッ酸（ＨＦ）と硝酸（ＨＮＯ３ ）との混合溶液等を用いて、成長用基板２１１を選択的に除去する。このとき、保持基板３０１はワックス等によりマスクしている。
【０１０４】
次に、図７（ｃ）に示すように、成長用基板２１１が除去されて露出したバッファ層２０１及びその下の超格子層２０２に対して、例えば誘導結合型プラズマ（Inductive Coupled Plasma：ＩＣＰ)ドライエッチングを選択的に行なって、ｎ型コンタクト層２０３を露出する。続いて、ｎ型コンタクト層２０３の露出した領域上に、電子ビーム蒸着法及びリフトオフ法により、ＴｉとＡｌとの積層膜からなるオーミック性のｎ側電極２０８を形成する。
【０１０５】
このように、第２の実施形態に係る製造方法によると、図５に示すＧａＮ系発光ダイオード素子を得ることができる。すなわち、窒化物半導体からなる半導体積層体２１０に含まれるＭＱＷ活性層２０４の結晶成長面の面方位を｛１−１０１｝面とすることにより、III-Ｖ族窒化物半導体に特有の自発分極及びピエゾ電極による分極電界の影響を受け難くすることができる。これにより、ＭＱＷ活性層２０４に生じる量子シュタルク効果が抑制されるため、高効率発光を実現できる。
【０１０６】
また、成長用基板２１１の主面に凹凸部を設けることにより、半導体積層体２１０の成長の初期段階に横方向成長を生じさせるため、結晶欠陥密度が低減されるので、より高効率の発光を実現できる。
【０１０７】
さらに、成長用基板２１１を除去することにより、凹凸部を有するｎ型コンタクト層２０３が発光光の出力側となるため、この凹凸部により発光光が全反射され難くなる。その上、ｎ型コンタクト層２０３と対向するｐ側電極２０７を発光光の反射率が高い金属、例えばＰｔ、Ａｇ又はＲｈ等により形成しているため、光の取り出し効率が向上して、高輝度化及び高効率化を実現できる。
【０１０８】
また、成長用基板２１１に入手が容易なシリコン基板を用いることができるため、低コスト化も可能となる。
【０１０９】
なお、成長用基板２１１は、シリコンに限られず、窒化物半導体が成長可能な立方晶材料、例えば砒化ガリウム（ＧａＡｓ）、立方晶炭化シリコン（３Ｃ−ＳｉＣ）、燐化インジウム（ＩｎＰ）又はゲルマニウム（Ｇｅ）等を用いることができる。
【０１１０】
また、第２の実施形態においては、半導体積層体２１０から成長用基板２１１を除去して保持基板３０１を貼り合わせることにより、ｎ型半導体層側から発光光を出力する構成としたが、必ずしも成長用基板２１１を除去する必要はない。例えば、図６（ｂ）に示す構成まで製造した後に、形成されたｐ型コンタクト層２０６の上にｐ側電極を形成してもよい。但しこの場合には、成長用基板２１１には導電性を持たせる必要がある。
【産業上の利用可能性】
【０１１１】
本発明に係る窒化物半導体装置及びその製造方法は、窒化物半導体に特有の分極電界の影響を抑制でき、特に、電界効果トランジスタ又は半導体発光素子等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１１２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体装置である電界効果トランジスタを示す構成断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｄ）は本発明の第１の実施形態に係る電界効果トランジスタの製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図３】本発明の第１の実施例に係る電界効果トランジスタに用いる基板表面のＳＥＭ像である。
【図４】本発明の第２の実施例に係る電界効果トランジスタにおける基板上に成長したＧａＮ層の断面ＳＥＭ像である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る窒化物半導体装置である発光ダイオード素子を示す構成断面図である。
【図６】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第２の実施形態に係る発光ダイオード素子の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図７】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第２の実施形態に係る発光ダイオード素子の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【符号の説明】
【０１１３】
１０１    基板
１０２    バッファ層
１０３    超格子層
１０４    チャネル層（活性層）
１０５    キャリア供給層
１０６    素子分離領域
１０７    ゲート電極
１０８    ソース電極
１０９    ドレイン電極
１１０    半導体積層体
２０１    バッファ層
２０２    超格子層
２０３    ｎ型コンタクト層
２０４    多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層
２０５    ｐ型クラッド層
２０６    ｐ型コンタクト層
２０７    ｐ側電極
２０８    ｎ側電極
２１０    半導体積層体
２１１    成長用基板
３０１    保持基板
３０２    はんだ層
３０２ａ  はんだ下地層
【図１】
2007266577.tif 000003
【図２】
2007266577.tif 000004
【図５】
2007266577.tif 000005
【図６】
2007266577.tif 000006
【図７】
2007266577.tif 000007
【図３】
2007266577.tif 000008
【図４】
2007266577.tif 000009