(57)【要約】【課題】Ｓｉ基板上に、３Ｃ−ＳｉＣ層を形成することなく、優れた結晶性で成膜されたＡｌＮまたはＧａＮからななり、発光ダイオード、レーザ発光素子、高速高温動作可能電子素子等の他、高周波デバイスにも好適に用いることができる窒化物半導体単結晶を提供する。【解決手段】Ｓｉ（１１０）基板上に、２Ｈ−ＡｌＮバッファー層を介して、ＧａＮ（０００１）もしくはＡｌＮ（０００１）単結晶膜、または、ＧａＮ（０００１）およびＡｌＮ（０００１）の超格子構造を形成する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉ（１１０）基板上に、２Ｈ−ＡｌＮバッファー層を介して形成され、ＧａＮ（０００１）またはＡｌＮ（０００１）からなることを特徴とする窒化物半導体単結晶。
【請求項２】
Ｓｉ（１１０）基板上に、２Ｈ−ＡｌＮバッファー層を介して形成され、ＧａＮ（０００１）およびＡｌＮ（０００１）の超格子構造からなることを特徴とする窒化物半導体単結晶。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード、レーザ発光素子、高速高温動作可能電子素子等に好適に用いられる窒化ガリウム（ＧａＮ）および窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる窒化物半導体単結晶に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮやＡｌＮに代表される窒化物半導体は、広いバンドギャップを有しており、高い電子移動度、高い耐熱性等の優れた特性を有する化合物半導体として、発光ダイオード、レーザ発光素子、また、高速高温動作可能電子素子等への応用が期待されている材料である。
【０００３】
前記窒化物半導体は、融点が高く、窒素の平衡蒸気圧が非常に高いため、融液からのバルク結晶成長は容易でない。このため、単結晶は、異種基板上へのヘテロエピタキシャル成長により作製されている。
例えば、ＧａＮ（０００１）またはＡｌＮ（０００１）単結晶膜は、サファイア（０００１）、６Ｈ−ＳｉＣ（０００１）、Ｓｉ（１１１）等の基板上に、バッファー層を介して形成される。
【０００４】
従来用いられている基板のうち、サファイア（０００１）、６Ｈ−ＳｉＣ（０００１）等の単結晶基板は、Ｓｉ基板と比較して、広い面積で得ることが困難であり、高価である。このため、窒化物半導体単結晶を成膜するための基板としては、製造コスト低減等の観点から、Ｓｉ基板を用いることが望ましい。
また、Ｓｉ基板上への窒化物半導体膜の形成は、現在のシリコンテクノロジーを継承することができるため、産業技術の開発コストにおける優位性からも、実用化が求められている。
【０００５】
しかしながら、Ｓｉ基板上への窒化物半導体単結晶の成膜に際しては、Ｓｉと窒化物半導体との熱膨張係数の相違により、窒化物半導体単結晶膜に割れが生じ、また、Ｓｉと窒化物半導体との結晶格子定数の差に起因して、多数の結晶欠陥が生じるため、厚さ１μｍ以上の単結晶膜を形成することは困難であった。
【０００６】
このため、Ｓｉ基板上に窒化物半導体単結晶を成膜する場合、適当なバッファー層を介して形成する必要がある。
このようなバッファー層としては、例えば、３Ｃ−ＳｉＣ（１１１）層を採用することが提案されている。
従来は、この３Ｃ−ＳｉＣ（１１１）層を成膜するＳｉ基板には、ウルツ鉱型結晶であるＧａＮやＡｌＮの六角柱結晶形状に対応させるために、Ｓｉ（１１１）基板が用いられていたが、Ｓｉ（１１１）基板上には、３Ｃ−ＳｉＣ（１１１）層を厚さ１μｍ以上で成膜すると、クラックが発生しやすかった。
【０００７】
これに対しては、Ｓｉ（１１０）基板上に３Ｃ−ＳｉＣ（１１１）を成膜した場合、Ｓｉ（１１１）基板を用いた場合よりも、Ｓｉと３Ｃ−ＳｉＣとの格子不整合が緩和され、３Ｃ−ＳｉＣ（１１１）の結晶性が向上することが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−２２３２０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、高周波デバイスにおいては、動作周波数が高いと、基板に渦電流が発生し、ジュール熱によりデバイス動作に支障をきたすこととなるため、絶縁性基板が求められる。
【０００９】
これに対して、上記バッファー層として採用されている３Ｃ−ＳｉＣは、導電性を有しており、その上に、窒化物半導体単結晶膜を結晶性よく得ることが可能であっても、３Ｃ−ＳｉＣ層を備えている基板は、高周波デバイスとしては不向きである。
【００１０】
そこで、本発明者らは、３Ｃ−ＳｉＣ層を形成することなく、Ｓｉ基板上への窒化物半導体単結晶を成膜すべく検討を重ねた結果、Ｓｉ（１１０）基板を用いることにより、３Ｃ−ＳｉＣ（１１１）と比較的格子定数が近いＧａＮ（０００１）またはＡｌＮ（０００１）単結晶膜を、厚さ１μｍ以上で成膜可能であることを見出した。
【００１１】
すなわち、本発明は、Ｓｉ基板上に、３Ｃ−ＳｉＣ層を形成することなく、優れた結晶性で成膜されたＡｌＮまたはＧａＮからなり、高周波デバイスにも好適に用いることができる窒化物半導体単結晶を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る窒化物半導体単結晶は、Ｓｉ（１１０）基板上に、２Ｈ−ＡｌＮバッファー層を介して形成され、ＧａＮ（０００１）またはＡｌＮ（０００１）からなることを特徴とする。
上記のような構成によれば、Ｓｉ基板上に、３Ｃ−ＳｉＣ層を形成することなく、結晶性に優れた窒化物半導体単結晶を形成することができる。
【００１３】
また、本発明に係る他の態様の窒化物半導体単結晶は、Ｓｉ（１１０）基板上に、２Ｈ−ＡｌＮバッファー層を介して形成され、ＧａＮ（０００１）およびＡｌＮ（０００１）の超格子構造からなることを特徴とする。
このように、ＧａＮおよびＡｌＮの超格子構造を形成することにより、窒化物半導体単結晶の結晶性をより一層向上させることができる。
【発明の効果】
【００１４】
上述したとおり、本発明によれば、Ｓｉ基板上に、３Ｃ−ＳｉＣ層を形成することなく、結晶性に優れたＧａＮまたはＡｌＮ単結晶膜を厚さ１μｍ以上で得ることができる。
さらに、ＧａＮおよびＡｌＮの超格子構造を形成することにより、窒化物半導体単結晶の結晶性をより一層向上させることができる。
したがって、本発明に係る窒化物半導体単結晶は、発光ダイオード、レーザ発光素子、高速高温動作可能電子素子等の他、高周波デバイスにも好適に用いることができ、これらの素子機能の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明をより詳細に説明する。
本発明に係る窒化物半導体単結晶は、Ｓｉ単結晶基板上に、２Ｈ−ＡｌＮバッファー層を介して形成されたＧａＮ単結晶またはＡｌＮ単結晶である。
この窒化物半導体単結晶は、３Ｃ−ＳｉＣ層を形成することなく、Ｓｉ基板上に形成されたものであり、従来より結晶性の向上も図ることができる。
また、Ｓｉ基板上に形成されることにより、従来のＳｉ半導体製造プロセスにおいて用いられている装置および技術を利用することができ、大口径かつ低コストで得ることができるという利点も有している。
【００１６】
本発明において用いられるＳｉ単結晶基板は、その製造方法は、特に限定されない。チョクラルスキー（ＣＺ）法により製造されたものであっても、フローティングゾーン（ＦＺ）法により製造されたものであってもよく、また、これらのＳｉ単結晶基板に気相成長法によりＳｉ単結晶層をエピタキシャル成長させたもの（Ｓｉエピ基板）であってもよい。
【００１７】
また、前記Ｓｉ単結晶基板は、その上に形成するバッファー層および窒化物半導体単結晶膜との結晶格子不整合の緩和の観点から、従来用いられていたＳｉ（１１１）基板に代えて、Ｓｉ（１１０）基板を用いる。
【００１８】
前記Ｓｉ単結晶基板上には、バッファー層として２Ｈ−ＡｌＮ層を形成する。
従来の３Ｃ−ＳｉＣ層に代えて、２Ｈ−ＡｌＮ層をバッファー層とすることにより、バッファー層を備えた基板の導電性を抑制することができるため、この上に窒化物半導体単結晶を形成することにより、高周波デバイスにも好適に用いることができる。
また、前記バッファー層は、Ｓｉ単結晶基板表面を被覆することにより、窒化物半導体単結晶形成のために基板を高温に加熱する際、該基板表面がエッチングまたは窒化されることを防止する役割も果たす。
【００１９】
前記ＡｌＮ層の厚さは、製造コスト面からは、できる限り薄いことが好ましいが、Ｓｉ（１１０）基板と、ＧａＮ（０００１）またはＡｌＮ（０００１）との結晶格子不整合を緩和する効果が十分に得られる程度で形成する。具体的には、厚さ１０〜５００ｎｍ程度であることが好ましい。
前記ＡｌＮ層は、例えば、気相成長法により、前記Ｓｉ（１１０）基板上にエピタキシャル成長させることにより形成することができる。
【００２０】
前記ＡｌＮ層上に、ＧａＮ（０００１）またはＡｌＮ（０００１）をエピタキタキシャル成長させることにより、これらの窒化物半導体単結晶を厚さ１μｍ以上の優れた結晶性を有する膜として形成することができる。
【００２１】
さらに、前記ＡｌＮ層上に、ＧａＮ（０００１）およびＡｌＮ（０００１）を、薄膜として交互に積層させ、超格子構造で構成することにより、これらの窒化物半導体単結晶の結晶性をより一層向上させることができる。
【実施例】
【００２２】
以下、本発明を実施例に基づいてさらに具体的に説明するが、本発明は、下記実施例により制限されるものではない。
［実施例１］
Ｓｉ（１１０）基板を反応管内の成長領域にセットし、キャリアガスとして水素を供給しながら、Ｓｉ（１１０）基板を１１００℃に昇温し、基板表面のクリーニングを行った。
そして、基板温度を保持したまま、原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）およびアンモニアを供給し、前記Ｓｉ（１１０）基板上に、厚さ１０〜５００ｎｍの２Ｈ−ＡｌＮバッファー層を成膜した。
【００２３】
このＳｉ（１１０）基板上に成膜した２Ｈ−ＡｌＮバッファー層について、Ｘ線回折によるθ−２θスキャンおよびφスキャンを行い、結晶成長方向（厚さ方向）および面内における結晶の配向性を調べた。これらの測定スペクトルをそれぞれ図１および図２に示す。
図１に示したように、Ｓｉ（１１０）の結晶成長方向（厚さ方向）に対して、バッファー層のＡｌＮ（０００１）が配向していることが確認された。
また、図２に示したように、Ｘ線回折のφスキャンにおいては、２Ｈ−ＡｌＮについて、対称のピークが６回確認されたことから、面内で回転した２Ｈ−ＡｌＮ成分はなく、バッファー層として単結晶膜が成長していることが確認された。
【００２４】
また、Ｘ線回折によるωスキャンを行い、２Ｈ−ＡｌＮの結晶性を調べた。その測定スペクトルを図３に示す。
【００２５】
次に、基板温度を１０００℃程度に降温し、原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）およびアンモニアを供給し、前記２Ｈ−ＡｌＮバッファー層上にＧａＮ単結晶層を成膜した。
前記ＧａＮ単結晶層は、厚さ１μｍ以上まで形成した場合においても、亀裂や欠陥は認められなかった。
【００２６】
また、前記ＧａＮ単結晶層について、Ｘ線回折によるθ−２θスキャンを行い、結晶成長方向（厚さ方向）における結晶の配向性を調べた。この測定スペクトルを図４に示す。
図４に示したように、２Ｈ−ＡｌＮ（０００１）バッファー層上に、ＧａＮ（０００１）単結晶層が成長していることが確認された。
【００２７】
［実施例２］
実施例１と同様にして、Ｓｉ（１１０）基板上に、２Ｈ−ＡｌＮバッファー層を成膜した。
そして、基板温度を１２００℃以上に昇温し、原料としてＴＭＡおよびアンモニアを供給し、ＡｌＮ（０００１）単結晶層を成膜した。
前記ＡｌＮ（０００１）単結晶層は、厚さ１μｍ以上まで形成した場合においても、亀裂や欠陥は認められなかった。
【００２８】
［比較例１，２］
Ｓｉ（１１０）基板に代えて、Ｓｉ（１１１）基板を用い、それ以外については、実施例１，２と同様の手順により、ＧａＮ（０００１）単結晶（比較例１）またはＡｌＮ（０００１）単結晶（比較例２）を成膜させたところ、膜に亀裂が生じた。
【００２９】
また、このＳｉ（１１１）基板上に成膜した２Ｈ−ＡｌＮバッファー層について、Ｘ線回折によるωスキャンを行い、ＡｌＮの結晶性を調べた。その測定スペクトルを、上記Ｓｉ（１１０）基板を用いた場合（実施例１）のスペクトルと併せて、図３に示す。
図３に示したように、Ｘ線回折のφスキャンにおいては、Ｓｉ（１１０）およびＳｉ（１１１）上のＡｌＮの半値幅を比較すると、Ｓｉ（１１０）上の方が小さく、結晶性が高いことが認められた。
したがって、このような２Ｈ−ＡｌＮバッファー層の結晶性に比例して、その上に成膜されるＧａＮ単結晶またはＡｌＮ単結晶層の結晶性も向上し、比較例１，２よりも、実施例１，２の方が、結晶性が高いと言える。
【００３０】
［実施例３］
実施例１と同様にして、Ｓｉ（１１０）基板上に、２Ｈ−ＡｌＮバッファー層を成膜した。
そして、基板温度を１０００℃とし、III族原料としてＴＭＧまたはＴＭＡ、窒素原料としてアンモニアを供給し、厚さ２５ｎｍのＧａＮ（０００１）単結晶層と厚さ５ｎｍのＡｌＮ（０００１）単結晶層とを１ペアとして、８０ペア成膜した。
その上に、ＧａＮ（０００１）層を成膜することによって、亀裂が発生することなく、厚さ２μｍ以上で成膜することができることが認められた。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】Ｓｉ（１１０）基板上に成膜した２Ｈ−ＡｌＮバッファー層についてのＸ線回折のθ−２θスキャンによる測定スペクトルである。
【図２】Ｓｉ（１１０）基板上に成膜した２Ｈ−ＡｌＮバッファー層についてのＸ線回折のφスキャンによる測定スペクトルである。
【図３】Ｓｉ（１１０）基板およびＳｉ（１１１）基板上に成膜した２Ｈ−ＡｌＮバッファー層についてのＸ線回折のωスキャンによる測定スペクトルである。
【図４】Ｓｉ（１１０）基板上に２Ｈ−ＡｌＮバッファー層を介して成膜したＧａＮ単結晶層（実施例１）についてのＸ線回折のθ−２θスキャンによる測定スペクトルである。
【図１】
2007273946.tif 000002
【図２】
2007273946.tif 000003
【図４】
2007273946.tif 000004
【図３】
2007273946.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成19年2月20日(2007.2.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２９】
また、このＳｉ（１１１）基板上に成膜した２Ｈ−ＡｌＮバッファー層について、Ｘ線回折によるωスキャンを行い、ＡｌＮの結晶性を調べた。その測定スペクトルを、上記Ｓｉ（１１０）基板を用いた場合（実施例１）のスペクトルと併せて、図３に示す。
図３に示したように、Ｘ線回折のωスキャンにおいては、Ｓｉ（１１０）およびＳｉ（１１１）上のＡｌＮの半値幅を比較すると、Ｓｉ（１１０）上の方が小さく、結晶性が高いことが認められた。
したがって、このような２Ｈ−ＡｌＮバッファー層の結晶性に比例して、その上に成膜されるＧａＮ単結晶またはＡｌＮ単結晶層の結晶性も向上し、比較例１，２よりも、実施例１，２の方が、結晶性が高いと言える。