(57)【要約】【課題】高品質なＩＩＩ族窒化物を結晶成長させ、高品質な半導体装置を得ることが可能な半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】窒化サファイア基板をアルカリエッチングし、窒化サファイア基板を清浄化する。その後、ＩＩＩ族窒化物を結晶成長させることにより、極めて高品質なＮ極性結晶を得ることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化サファイア基板をアルカリエッチングし、該窒化サファイア基板を清浄化する清浄化工程と、
前記清浄化された窒化サファイア基板上にＩＩＩ族窒化物を結晶成長させるＩＩＩ族窒化物成長工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記清浄化工程では、水酸化カリウムでエッチングすることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記ＩＩＩ族窒化物成長工程では、前記窒化サファイア基板上にＮ極性のＡｌＮバッファ層を結晶成長させ、該ＡｌＮバッファ層を酸化及び窒化処理することを特徴とする請求項１又は２記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法によって得られるＮ極性ＡｌＧａＮ／ＧａＮ接合界面を有することを特徴とする高電子移動度素子。
【請求項５】
請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法によって得られるＮ極性ｐ−ＧａＮ／ｉ−ＩｎＧａＮ／ｎ−ＧａＮ／基板構造を有することを特徴とする受光素子。
【請求項６】
請求項３に記載の半導体装置の製造方法によって得られるＡｌＮバッファ層を有することを特徴とする発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サファイア基板上にＩＩＩ族窒化物を結晶成長させて得られる半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＩＩＩ族窒化物を結晶成長させる単結晶基板として、熱的にも化学的にも安定なサファイア（α−Ａｌ２Ｏ３）が広く用いられている。また、ＩＩＩ族窒化物として、ＡｌＮは、約６．２ｅＶのバンドギャップエネルギーを有し、サファイア（０００１）基板との格子定数が近いことなどから、他のＩＩＩ族窒化物のヘテロエピタキシャル成長の際のバッファ層として多く用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２１３５８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１には、サファイア基板の表面を直接窒化することにより、サファイア基板上に数原子層のＡｌＮ薄膜を形成することが報告されている。具体的には、熱処理装置の均熱部に、サファイア基板とグラファイトを装入し、Ｎ２−ＣＯ混合ガスの組成を調節することにより、酸素ポテンシャルと窒素ポテンシャルを制御した雰囲気下で、サファイア基板を窒化し、サファイア基板上に数原子層のＡｌＮ薄膜を形成する。
【０００５】
しかしながら、特許文献１の直接窒化により形成されたＡｌＮ薄膜は、完全な単結晶ではなく、ｃ軸が約１度傾いたグレインや、面内に３０度回転したグレインが存在することが知られていた。このため、直接窒化により形成されたＡｌＮ薄膜上に高品質なＩＩＩ族窒化物を結晶成長させることは困難であった。
【０００６】
本発明は、上記実情に鑑みて提案されたものであり、高品質なＩＩＩ族窒化物を結晶成長させ、高品質な半導体装置を得ることが可能な半導体装置の製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、直接窒化されたサファイア基板（以下、窒化サファイア基板ともいう。）をアルカリエッチングすることにより、窒化サファイア基板中の回転ドメインを抑制し、高品質なＩＩＩ族窒化物の結晶成長が可能となることが分かった。
【０００８】
すなわち、本発明に係る半導体装置の製造方法は、窒化サファイア基板をアルカリエッチングし、該窒化サファイア基板を清浄化する清浄化工程と、前記清浄化された窒化サファイア基板上にＩＩＩ族窒化物を結晶成長させるＩＩＩ族窒化物成長工程とを有する。
【０００９】
また、本発明に係る高電子移動度素子は、上述した半導体装置の製造方法によって得られるＮ極性ＡｌＧａＮ／ＧａＮ構造を有する。
【００１０】
また、本発明に係る受光素子は、上述した半導体装置の製造方法によって得られるＮ極性ｐ−ＧａＮ／ｉ−ＩｎＧａＮ／ｎ−ＧａＮ／基板構造を有する。
【００１１】
また、本発明に係る発光素子は、上述した半導体装置の製造方法によって得られるＡｌＮバッファ層を有する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、窒化サファイア基板をアルカリエッチングすることにより、窒化サファイア基板中の回転ドメインを抑制することができる。これは、回転ドメインが存在する領域のエッチングレートが、回転ドメインが存在しない領域のエッチングレートよりも速いことを利用したものである。よって、窒化サファイア基板上に結晶成長させたＩＩＩ族窒化物は、窒化サファイア基板の結晶性を引き継いで高品質となり、高品質な半導体装置を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施の形態におけるＰＬＤ装置の構成例を示す図である。
【図２】本発明の一実施の形態における半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。
【図３】窒化サファイア基板上にＩＩＩ族窒化物を成膜させた積層構造体の断面図である。
【図４】高電子移動度トランジスタの構成例を示す図である。
【図５】受光素子の構成例を示す図である。
【図６】発光素子の構成例を示す図である。
【図７】エッチング処理後のＡｌＮ薄膜のＳＥＭ像である。
【図８】エッチング処理後のＡｌＮ薄膜（（a）エッチングレートの遅い領域、（ｂ)エッチングレートの速い領域）のＳＥＭ像である。
【図９】エッチング処理後のＡｌＮ薄膜のＳＥＭ像である。
【図１０】エッチングレートの遅い領域における｛１０−１１｝ＥＢＳＤ極点図である。
【図１１】エッチングレートの速い領域における｛１０−１１｝ＥＢＳＤ極点図である。
【図１２】エッチングレートの遅い領域及び速い領域におけるＥＢＳＤツイスト分布角を示すグラフである。
【図１３】エッチングレートの遅い領域におけるＳＥＭ像である。
【図１４】エッチングレートの速い領域におけるＳＥＭ像である。
【図１５】窒化サファイア基板のエッチング時間ｔを０ｓ、１５ｓ、６０ｓ、９０ｓとしたときのＡｌＮ（０００２）回折、Ｓａｐｐ．（０００６）回折、ＡｌＮ（０００４）回折及びＳａｐｐ．（０００１２）回折の２θ/ωカーブを示す図である。
【図１６】窒化サファイア基板のエッチング時間ｔを０ｓとしたときのＡｌＮ（１０−１２）回折のＸ線ロッキングカーブを示す図である。
【図１７】窒化サファイア基板のエッチング時間ｔを１０ｓとしたときのＡｌＮ（１０−１２）回折のＸ線ロッキングカーブを示す図である。
【図１８】窒化サファイア基板のエッチング時間ｔを６０ｓとしたときのＡｌＮ（１０−１２）回折のＸ線ロッキングカーブを示す図である。
【図１９】高電子移動度トランジスタのシミュレーション構成を示す図である。
【図２０】Ｎ極性の高電子移動度トランジスタにおける垂直方向のエネルギーバンドダイアグラムのシミュレーション結果を示す図である。
【図２１】ＩＩＩ族極性の高電子移動度トランジスタにおける垂直方向のエネルギーバンドダイアグラムのシミュレーション結果を示す図である。
【図２２】受光素子のシミュレーション構成を示す図である。
【図２３】ＩＩＩ族極性及びＮ極性のｐ−ＧａＮ／ｉ−ＩｎＧａＮ／ｎ−ＧａＮ／基板構造を示す図である。
【図２４】Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｎ受光層を有する受光素子における極性に対する変換効率のシミュレーション結果を示す図である。
【図２５】Ｎ極性の受光素子における垂直方向のエネルギーバンドダイアグラムのシミュレーション結果を示す図である。
【図２６】無極性の受光素子における垂直方向のエネルギーバンドダイアグラムのシミュレーション結果を示す図である。
【図２７】ＩＩＩ族極性の受光素子における垂直方向のエネルギーバンドダイアグラムのシミュレーション結果を示す図である。
【図２８】Ｉｎ０．１２Ｇａ０．８８Ｎ受光層を有する受光素子における極性に対する変換効率のシミュレーション結果を示す図である。
【図２９】Ｎ極性の受光素子における垂直方向のエネルギーバンドダイアグラムのシミュレーション結果を示す図である。
【図３０】無極性の受光素子における垂直方向のエネルギーバンドダイアグラムのシミュレーション結果を示す図である。
【図３１】ＩＩＩ族極性の受光素子における垂直方向のエネルギーバンドダイアグラムのシミュレーション結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。本発明の具体例として示す半導体装置の製造方法は、窒化サファイア基板をアルカリエッチングして窒化サファイア基板を清浄化し、窒化サファイア基板上にＩＩＩ族窒化物を結晶成長させるものである。
【００１５】
窒化サファイア基板は、サファイア基板をＮ２−ＣＯ混合ガス中で窒素と酸素の化学ポテンシャルを精密に制御しながら穏やかに窒化させたものであり、サファイア基板上に数原子層のＡｌＮ薄膜が形成されている。
【００１６】
アルカリエッチングには、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、水酸化テトラメチルアンモニウム(TMAH：tetramethyl ammonium hydroxide)（（ＣＨ３）４ＮＯＨ)などの水溶液が用いられる。エッチング液濃度、時間、温度などのエッチング条件は、窒化サファイア基板に応じて最適化される。エッチング方法としては、エッチング液の入ったエッチング槽に基板を浸すディップ式、基板を回転させながらエッチング液をスプレーするスピン式などがあるが、簡便なディップ式が好ましく用いられる。
【００１７】
本実施の形態におけるＩＩＩ族窒化物の結晶成長のプロセスとしては、特に限定されるものではなく、有機金属化学気相蒸着法（MOCVD：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）、分子線エピタキシー法（MBE：Molecular Beam Epitaxy）、パルス励起堆積法（PXD：Pulsed eXcitation Deposition）等を用いることができる。
【００１８】
図１は、パルス励起堆積法の一つであるパルスレーザ堆積法（PLD：Pulsed Laser Deposition）に適用される結晶成長装置の構成例を示す図である。
【００１９】
ＰＬＤ装置１は、内部に充填されたガスの圧力及び温度を一定に保ち、密閉空間を形成するチャンバを備え、チャンバ内に基板２とターゲット３とを対向して配置する。また、ＰＬＤ装置１は、波長が２４８ｎｍの高出力のパルスレーザを出射するＫｒＦエキシマレーザ４と、チャンバ内へ注入する窒素ガスをラジカル化するラジカル源５と、反射高エネルギー電子線解析装置（RHEED：Reflection High Energy Electron Diffraction）６とを備える。
【００２０】
ＫｒＦエキシマレーザ４は、ＫｒとＦ２の混合ガス中で放電することによりＦ２が分解・励起され、Ｋｒと結合することにより不安定なＫｒＦエキシマが形成される。あるエキシマが分解して基底状態に落ちるときに放出される光（波長２４８ｎｍ）によって他のエキシマで誘導放出が発生し、さらに共振器で増幅されることにより高エネルギーのレーザ光が出力される。
【００２１】
ラジカル源５は、窒素ガスを、高周波を用いて一旦励起することにより窒素ラジカル又は窒素イオンを含む気体とし、この気体を基板２の表面に照射可能となっている。このラジカル源５は、中空の放電室と放電室の外側周囲に巻き回された高周波コイル（ＲＦコイル）等を備え、液体窒素ボンベ等の窒素源から放電室に供給された窒素ガスに、高周波コイルによって高周波を印加し、プラズマと呼ばれる窒素原子が電離によって生じた電荷を帯びた粒子（荷電粒子）を含む気体を発生させる。
【００２２】
反射高速電子回折装置６は、真空中で電子銃により電子を加速し、加速した電子を基板２表面にごく浅い角度で出射する。電子線は、基板２表面で反射して、蛍光スクリーン７に達し、回折図形として現れる。この反射高速電子回折装置６によれば、基板２表面や薄膜表面のその場(in-situ)観察が可能である。
【００２３】
また、ＰＬＤ装置１は、チャンバ内の圧力を制御するための圧力弁とロータリーポンプとを備える。チャンバ内の圧力は、減圧下で成膜するＰＬＤ法のプロセスを考慮しつつ、ロータリーポンプにより窒素雰囲気中において所定の圧力となるように制御される。
【００２４】
また、ＰＬＤ装置１は、パルスレーザが照射されるターゲット３ａ〜３ｄを回転させる回転軸と、パルスレーザが照射されるターゲット３ａ〜３ｄを切り換えるリボルバーと、基板２を加熱するランプヒータ８とを備え、異種材料による多層膜の成長が可能である。
【００２５】
上述した構成を有するＰＬＤ装置１において、チャンバ内に窒素ガスを充満させた状態で、ターゲット３を回転駆動させつつパルスレーザ光を断続的に照射すると、ターゲット３表面の温度が急激に上昇し、ターゲット３原子が含まれたアブレーションプラズマを発生させる。このアブレーションプラズマ中に含まれるターゲット３原子は、窒素ガスとの衝突反応等を繰り返しながら状態を徐々に変化させて基板２へ移動する。そして、基板２へ到達したターゲット３原子を含む粒子は、そのまま基板２上に拡散し、格子整合性の最も安定な状態で薄膜化される。
【００２６】
次に、図１及び図２を参照して、本発明の一実施の形態における半導体装置の製造方法について説明する。具体例として示す半導体装置の製造方法は、窒化サファイア基板をアルカリエッチングし、窒化サファイア基板を清浄化する清浄化工程（ステップＳ１）と、清浄化された窒化サファイア基板上にＩＩＩ族窒化物を結晶成長させるＩＩＩ族窒化物成長工程（ステップＳ２）と、ＩＩＩ族窒化物に電極などを形成するデバイス加工工程（ステップＳ３）とを有する。
【００２７】
サファイア基板を直接窒化する方法は、特開２００６−２１３５８６号公報などに記載されているように、サファイア基板を炭素飽和下でＮ２−ＣＯ混合ガスを用いて、窒素及び酸素ポテンシャルを精密に制御して穏やかに窒化反応を進行させる。これにより、サファイア基板上に数原子層のＡｌＮ薄膜を形成することができる。しかしながら、このＡｌＮ薄膜は、完全な単結晶ではなく、ｃ軸が約１度傾いたグレインや、面内に３０度回転したグレインが存在する。
【００２８】
そこで、ステップＳ１では、窒化サファイア基板をアルカリエッチングする。具体的には、所定濃度のアルカリエッチング液の入ったエッチング槽に窒化サファイア基板を所定時間浸す。例えば０．１ｍＭ ＫＯＨ水溶液を用いる場合、室温で１０〜５０秒間、窒化サファイア基板をＫＯＨ水溶液中に浸す。これにより、エッチング速度が大きい回転ドメインが存在する領域を選択的にエッチングし、回転ドメインを除去することができる。
【００２９】
ステップＳ２では、作製するデバイスに応じて窒化サファイア基板のＡｌＮ薄膜上にＩＩＩ族窒化物（ＩｎｘＡｌｙＧａｚＮ、但し０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）の多層膜を成長させる。ここで、窒化サファイア基板１０（図３）のＡｌＮ薄膜上に成長させるＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮとしては、ＡｌＮ（ｘ＝０、ｙ＝１、ｚ＝０）であることが好ましい。
【００３０】
具体的には、図１において、ターゲット３として多結晶ＡｌＮを設置し、ＫｒＦエキシマレーザ４からパルスレーザ光を断続的にターゲット３に照射し、ターゲット３表面からターゲット３原子が含まれたアブレーションプラズマを発生させる。このアブレーションプラズマ中に含まれるＡｌＮ原子と、ラジカル源５から照射された窒素ラジカル又は窒素イオンを含む気体とが衝突反応等を繰り返しながら状態を徐々に変化させて窒化サファイア基板へ移動し、格子整合性の最も安定な状態でＡｌＮが薄膜化される。
【００３１】
図３は、窒化サファイア基板上にＩＩＩ族窒化物を成膜させた積層構造体の断面図である。この積層構造体は、サファイア基板１０と、サファイア基板１０の（０００１）面に直接窒化により形成されたＡｌＮ薄膜１１と、ＡｌＮ薄膜上に成膜されたＡｌＮバッファ層１２と、ＩＩＩ族窒化物膜１３とを有する。このようにサファイア基板１０の直接窒化により形成されたＡｌＮ薄膜１１上にバッファ層１２としてＡｌＮをホモエピタキシャル成長させることにより、バッファ層１２の良好な結晶性を引き継いでＩＩＩ族窒化物薄膜１３を成長させることができる。
【００３２】
ステップＳ３では、窒化サファイア基板上に成長させたＩＩＩ族窒化物薄膜にフォトリソグラフィーによって電極を形成し、後述するようなデバイスに加工する。
【００３３】
ＩＩＩ族窒化物は、強いピエゾ分極・自発分極を有しており、この分極に応じてＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ接合界面に対するｃ軸の方向、すなわち（０００１）及び（０００−１）に応じて、ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ接合界面へのキャリアの誘起が促進もしくは阻害される。また、ＩＩＩ族窒化物は、ウルツ鉱型構造であることから、ｃ軸方向にＩＩＩ族極性、Ｎ極性のいずれかを持つが、上述した製造方法によれば、極めて高品質なＮ極性ＩＩＩ族窒化物を得ることができる。極性の判定は、例えば２ｋｅＶ程度の低エネルギーＨｅ＋イオンを試料に照射し、試料に衝突して散乱するＨｅ粒子の運動エネルギー及び試料結晶軸に対する散乱強度を測定することにより、試料を構成する原子の種類及び配列に関する情報を得ることができる。この極性を制御したヘテロ接合界面を利用することにより、次に説明するような優れたデバイスを提供することができる。
【００３４】
また、ステップＳ２において、Ｎ極性からＩＩＩ族極性に反転させ、ＩＩＩ族極性のＩＩＩ族窒化物を得てもよい。極性反転プロセスは、Ｎ極性のＡｌＮバッファ層１２を酸化させ、このＡｌＮ酸化層を低温で窒化処理することにより、ＡｌＮ酸化層上にＩＩＩ族極性のＩＩＩ族窒化物を成長させるものである。ＡｌＮバッファ層１２の酸化処理としては、大気中における熱酸化、オゾン−紫外線照射法による酸化などを用いることができる。また、ＡｌＮ酸化層の窒化処理としては、プラズマ窒化、ガス窒化などを用いることができる。このような極性反転プロセスを用いることにより、極性反転に伴う結晶性の劣化を防ぐことができる。
【００３５】
＜高電子移動度素子＞
図４は、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：High Electron Mobility Transistor）の構成例を示す図である。この高電子移動度トランジスタは、サファイア基板１０と、ＡｌＮ薄膜１１と、ＡｌＮバッファ層１２と、チャネル層２１と、障壁層２２と、ソース電極２３と、ドレイン電極２４と、ゲート電極２５と、ＳｉＯ２層２６とを有する。
【００３６】
窒化サファイア基板１０、１１は、上述したように炭素飽和下でＮ２−ＣＯ混合ガスの組成を調節することにより、酸素ポテンシャルと窒素ポテンシャルを制御し、サファイア基板１０を窒化し、サファイア基板上に数原子層のＡｌＮ薄膜１１を形成したものである。
【００３７】
ＡｌＮバッファ層１２は、ＡｌＮ薄膜１１上に形成されるチャネル層２１と障壁層２２との結晶品質を良好にするために数百ｎｍ程度の厚みに形成されるＡｌＮ層である。
【００３８】
チャネル層２１は、Ｎ極性のＧａＮにて数μｍ程度の厚みに形成されるＧａＮ層である。
【００３９】
障壁層２２は、ＡｌｙＧａｚＮ（但し、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｙ＋ｚ＝１）からなるＩＩＩ族窒化物の薄膜層である。
【００４０】
ソース電極２３及びドレイン電極２４は、障壁層２２との間にオーミック性接触を有し、例えば、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕからなる多層金属電極である。ゲート電極２５は、障壁層２２との間にショットキー性接触を有し、例えばＰｄ／Ａｕからなる多層電極である。ＳｉＯ２層２６は、ゲート電極２５直下に形成され、このＳｉＯ２によって生じる電荷が電子をトラップしてオフ時のリークを抑制することにより高耐圧を実現する。
【００４１】
このような構成を有する高電子移動度素子において、チャネル層２１と障壁層２２との界面がＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ接合となるため、結晶性による自発分極と、ＡｌｙＧａｚＮとＧａＮのひずみによるピエゾ電気分極とが存在し、この分極によってチャネル層にn型不純物をドープしなくても、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面に二次元電子ガスが誘起され、高電子移動度トランジスタが実現される。
【００４２】
本実施の形態における半導体装置の製造方法では、高品質なＮ極性のＩＩＩ族窒化物が得られるため、高電子移動度素子は、Ｎ極性のＡｌＧａＮ／ＧａＮ接合界面を有する。これにより、後述のようにノーマリーオフ動作が可能な高電子移動度素子を実現することができる。
【００４３】
＜受光素子＞
図５は、受光素子の構成例を示す図である。この受光素子は、サファイア基板１０と、ＡｌＮ薄膜１１と、ＡｌＮバッファ層１２と、ｎ型ＧａＮ層３１と、受光層３２と、ｐ型ＧａＮ層３３と、透光性電極３４と、ｐ電極３５と、ｎ電極３６と、裏面反射層３７を有する。
【００４４】
窒化サファイア基板１０、１１は、上述したように炭素飽和下でＮ２−ＣＯ混合ガスの組成を調節することにより、酸素ポテンシャルと窒素ポテンシャルを制御し、サファイア基板１０を窒化し、サファイア基板上に数原子層のＡｌＮ薄膜１１を形成したものである。
【００４５】
ＡｌＮバッファ層１２は、ＡｌＮ薄膜１１上に形成されるｎ型ＧａＮ層３１、受光層３２、及びｐ型ＧａＮ層３３の結晶品質を良好にするために形成されるＡｌＮ層である。
【００４６】
ｎ型ＧａＮ層３１は、ＧａＮにＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ等のドナー不純物をドープしてｎ型としたものである。
【００４７】
受光層３２は、ノンドープのＩｎｘＧａｚＮ（但し０≦ｘ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｚ＝１）である。なお、ノンドープのＩｎｘＧａｚＮは、ｎ型となり小数のキャリア電子が存在するので、このキャリア電子濃度を減少させる目的の限度においてアクセプター不純物をドープしてもよい。
【００４８】
ｐ型ＧａＮ層３３は、ＧａＮにＺｎ、Ｍｇ、Ｃａ等のアクセプター不純物をドープしてｐ型としたものである。
【００４９】
透光性電極３４及びｐ電極３５は、Ａｕ、Ｐｔ、ｐｄ、Ｃｏ、Ｎｉ又はこれらの合金等からなる。ｎ電極３６は、Ａｌ、Ｖ、Ａｕ、Ｒｈ又はこれらの合金等からなる。裏面反射層３７は、発電に寄与せず通過した光をもう一度反射させ受光層３２に導入させて発電に寄与させようとするものであり、Ａｇ、Ｔｉ、Ａｌ等を含む。
【００５０】
このような構成を有する受光素子において、光が照射されると、受光層３２に電子及びホールが生じ、電子及びホールがそれぞれｎ型ＧａＮ層３１及びｐ型ＧａＮ層３３に供給され、電流が流れる。
【００５１】
本実施の形態における半導体装置の製造方法では、高品質なＮ極性のＩＩＩ族窒化物が得られるため、受光素子は、Ｎ極性のｐ−ＧａＮ／ｉ−ＩｎＧａＮ／ｎ−ＧａＮ／基板構造を有する。これにより、後述のように高いエネルギー変換効率を有する受光素子を実現することができる。
【００５２】
なお、サファイアは透光性であるため、サファイア基板１０側から光を入射させることも可能である。この場合、裏面反射層３７は不要であり、さらに、変換効率を高めるために透光性電極３４の代わりに高反射率の電極材料を使用してもよい。
【００５３】
＜発光素子＞
図６は、発光素子の構成例を示す図である。この発光素子は、サファイア基板１０と、ＡｌＮ薄膜１１と、ＡｌＮバッファ層１２と、下地層４１と、ｎ型ＧａＮクラッド層４２と、多重量子井戸（MQW：Multiple Quantum Well）構造層４３と、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層４４と、ｐ型ＧａＮコンタクト層４５と、ｐ型電極４６と、ｎ型電極４７とを有する。
【００５４】
窒化サファイア基板１０、１１は、上述したように炭素飽和下でＮ２−ＣＯ混合ガスの組成を調節することにより、酸素ポテンシャルと窒素ポテンシャルを制御し、サファイア基板１０を窒化し、サファイア基板上に数原子層のＡｌＮ薄膜１１を形成したものである。
【００５５】
ＡｌＮバッファ層１２は、ＡｌＮ薄膜１１上に形成される下地層４１、ｎ型ＧａＮクラッド層４２、ＭＱＷ構造４３、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層４４、及びｐ型ＧａＮコンタクト層４５の結晶品質を良好にするために形成されるＡｌＮ層である。
【００５６】
下地層４１は、Ｎ極性からＩＩＩ族極性に反転させるためのものであり、Ｎ極性のＡｌＮバッファ層１２を酸化させ、このＡｌＮ酸化層を低温で窒化処理することにより、ＡｌＮ酸化層上にＩＩＩ族極性のＩＩＩ族窒化物を成長させる。例えば、ＡｌＮ酸化層によりＮ極性からＡｌ極性に反転させたＡｌＮを成長させ、このＡｌＮ層上にＧａ極性のアンドープＧａＮを形成する。
【００５７】
ｎ型ＧａＮクラッド層（＝コンタクト層）４２は、ＧａＮにＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ等のドナー不純物をドープしてｎ型としたものである。このコンタクト層４２は、部分的に露出しており、露出面にはｎ型電極４７が形成されている。
【００５８】
多重量子井戸構造４３層は、例えば、ＧａＮ障壁層／ＩｎＧａＮ井戸層／ＧａＮ障壁層／ＩｎＧａＮ井戸層／ＧａＮ障壁層を有し、紫外線発光可能なＩｎＧａＮを含み、井戸層の数が２〜２０である。
【００５９】
ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層４４は、ＡｌＧａＮにＺｎ、Ｍｇ、Ｃａ等のアクセプター不純物をドープしてｐ型としたものである。
【００６０】
ｐ型ＧａＮコンタクト層４５は、ＧａＮにＺｎ、Ｍｇ、Ｃａ等のアクセプター不純物をドープしてｐ型としたものである。このｐ型ＧａＮコンタクト層４５の上面には、ｐ型電極４６が形成されている。
【００６１】
このような構成を有する発光素子において、電圧を加えて電流を流すと、ｐ型ＧａＮクラッド層４２から正孔が、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層４４から電子がＭＱＷ構造層４３に供給され、ＭＱＷ構造層４３でキャリア（電子、正孔）が閉じ込められ、効率良く紫外線を発光する。
【００６２】
本実施の形態における半導体装置の製造方法では、高品質なＮ極性のＩＩＩ族窒化物が成長する。また、極性をＩＩＩ族極性に反転させた下地層４１も極めて高品質なため、高出力な発光素子が実現可能である。
【実施例】
【００６３】
以下、実施例を挙げて、本発明を具体的に説明する。なお、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。
【００６４】
＜ＡｌＮ薄膜のＫＯＨエッチング処理＞
２インチｃ面窒化サファイア基板上へＰＸＤ法によりＡｌＮ薄膜を４００ｎｍ成長させた。ターゲット材料には多結晶ＡｌＮを用い、１×１０−６Torrの窒素雰囲気下で成長を行った。成長後のサンプルを２Ｍ ＫＯＨ水溶液を用いて３０秒間エッチングし、その表面構造を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ：scanning electron microscope）、電子線後方散乱回折（ＥＢＳＤ：Electron Backscatter Diffraction）により評価した。
【００６５】
図７〜図９は、それぞれエッチング処理後のＡｌＮ薄膜のＳＥＭ像である。ＫＯＨエッチング処理後の表面ＳＥＭ像からは角錐状の柱状構造が観察された。また、図８に示すように面内にはエッチングレートの遅い領域（ａ）と速い領域（ｂ）とが混在することが明らかになった。また、窒化サファイア基板上に成長したＡｌＮ薄膜は、Ｎ極性であることが分かった。
【００６６】
図１０及び図１１は、それぞれエッチングレートの遅い領域及び速い領域における｛１０−１１｝ＥＢＳＤ極点図である。また、図１２は、エッチングレートの遅い領域及び速い領域におけるＥＢＳＤツイスト分布角を示すグラフである。エッチングレートの遅い領域（ａ）では明瞭なシングルピークが得られたのに対して、エッチングレートの速い領域（ｂ）ではショルダーピークが観察され、約１°回転したドメインが混入していることが分かった。以上の結果から回転ドメインは特定の領域に局在しており、ドメイン間の結晶粒界から優先的にエッチングが進行することでエッチングレートの差が生じると考えられる。
【００６７】
図１３及び図１４は、それぞれエッチングレートの遅い領域及び速い領域におけるＳＥＭ像である。図１３に示すエッチングレートの遅い領域では、粒界にピットは見られなかったが、図１４に示すエッチングレートの速い領域では、点円に示すように粒界にピットが観察（２×１０９ｃｍ−２）され、結晶欠陥密度が高いことが分かった。ピットが集合している部分には粒界があり、それに伴い、エッチングレートが速くなると考えられる。
【００６８】
以上の結果より、ＡｌＮ膜のエッチングレートが遅い領域では、シングルドメインであるのに対して、ＡｌＮ膜のエッチングレートが速い領域では、回転ドメインが存在していることが分かった。
【００６９】
＜窒化サファイア基板のＫＯＨエッチング処理＞
２インチｃ面窒化サファイア基板を０．１Ｍ ＫＯＨ水溶液を用いて０、１５、６０、９０秒間エッチングし、その表面構造をX線回折装置（ブルッカー社製D8system）により評価した。
【００７０】
図１５は、窒化サファイア基板のエッチング時間ｔを０ｓ、１５ｓ、６０ｓ、９０ｓとしたときのＡｌＮ（０００２）回折、Ｓａｐｐ．（０００６）回折、ＡｌＮ（０００４）回折及びＳａｐｐ．（０００１２）回折の２θ/ωカーブを示す図である。エッチング時間ｔが長くなるにつれて、ＡｌＮ（０００２）回折、及びＡｌＮ（０００４）回折のピークが小さくなった。
【００７１】
また、図１６〜図１８は、それぞれ窒化サファイア基板のエッチング時間ｔを０ｓ、１０ｓ、６０ｓとしたときのＡｌＮ（１０−１２）回折のＸ線ロッキングカーブを示す図である。図１６に示すエッチング時間ｔが０ｓのＸ線ロッキングカーブは、ダブルドメインの混入を示すピーク割れが観測された。また、図１７に示すエッチング時間ｔが１０ｓのＸ線ロッキングカーブは、ピーク割れが小さくなり、ダブルドメインの混入が抑制されていることが分かった。また、図１８に示すエッチング時間ｔが６０ｓのＸ線ロッキングカーブは、半値幅が広くなり、サファイアの露出により結晶性が劣化していることが分かった。
【００７２】
以上の結果より、窒化サファイア基板をＫＯＨでエッチング処理することにより、窒化サファイア基板上に成長するＡｌＮ薄膜中のダブルドメインの混入を抑制できることが分かった。
【００７３】
＜窒化サファイア基板上に成長したＡｌＮ薄膜の極性反転プロセス＞
先ず、２インチｃ面窒化サファイア基板を０．１Ｍ ＫＯＨ水溶液を用いて１５秒間エッチングした。このＫＯＨエッチング処理した窒化サファイア基板上へＰＸＤ法によりＡｌＮ薄膜を８０ｎｍ成長させた。ターゲット材料には多結晶ＡｌＮを用い、１×１０−６Torrの窒素雰囲気下で成長を行った。
【００７４】
次に、３００℃の大気雰囲気下でＡｌＮを酸化させた。
【００７５】
次に、超真空チャンバ内で窒化サファイア基板表面に窒素プラズマを照射し、ＡｌＮ酸化層表面をプラズマ窒化処理した。ＲＦプラズマ・ラジカル源（Veeco社製UNI-Bulb）は、４００Ｗ、５．０×１０−６Ｔｏｒｒに設定した。
【００７６】
次に、プラズマ窒化処理したＡｌＮ酸化層上へＰＸＤ法によりＡｌＮ薄膜を２４０ｎｍ成長させた。ターゲット材料には多結晶ＡｌＮを用い、１×１０−６Torrの窒素雰囲気下で成長を行った。
【００７７】
このように作製したＡｌＮ酸化膜上のＡｌＮ膜をＫＯＨ水溶液でエッチングしたところ、エッチング処理前後で表面粗さＲＭＳ、表面モフォロジーに変化は見られなかった。これは、Ａｌ極性がＮ極性に比してアルカリ溶液に対する耐性が強く、エッチングレートが遅いためである。アルカリ溶液に対する耐性が弱いＮ極性であれば、エッチング処理前後で表面粗さＲＭＳ、表面モフォロジーが変化する。以上より、プラズマ窒化処理したＡｌＮ酸化層上にＡｌＮを成長させることにより、Ｎ極性からＡｌ極性に極性が反転したものと示唆される。
【００７８】
＜高電子移動度素子のシミュレーション＞
デバイスシミュレータ（商品名：ＡＴＬＡＳ、シルバコ・インターナショナル社製)を用いて高電子移動度トランジスタ（HEMT：High Electron Mobility Transistor）のシミュレーションを行った。
【００７９】
図１９は、高電子移動度トランジスタのシミュレーション構成を示す図である。この高電子移動度トランジスタは、チャネル層であるＧａＮ層５１と、障壁層であるＡｌ０．３Ｇａ０．７Ｎ層５２と、ソース電極５３と、ドレイン電極５４と、ゲート電極５５と、ＳｉＯ２層５６とを有する。障壁層の厚さは０．０２マイクロメートルとし、ＩＩＩ族窒化物結晶がＮ極性である場合とＩＩＩ族極性である場合とでシミュレーション評価した。
【００８０】
図２０及び図２１は、それぞれＮ極性及びＩＩＩ族極性の高電子移動度トランジスタにおける垂直方向のエネルギーバンドダイアグラムのシミュレーション結果を示す図である。図２１に示すＩＩＩ族極性のエネルギーバンドダイアグラムでは、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ｎ／ＧａＮヘテロ接合界面に電子のたまりがある。一方、図２０に示すＮ極性のエネルギーバンドダイアグラムでは、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ｎ／ＧａＮヘテロ接合界面に電子のたまりがない。したがって、ゲート電圧が印加されていないときには電流が流れないノーマリーオフ型の高電子移動度トランジスタを実現することができる。
【００８１】
＜受光素子のシミュレーション＞
デバイスシミュレータ（商品名：ＡＴＬＡＳ、シルバコ・インターナショナル社製)を用いて受光素子のシミュレーションを行った。
【００８２】
図２２は、受光素子のシミュレーション構成を示す図である。この受光素子は、ｎ型ＧａＮ層６１と、受光層であるＩｎＧａＮ層６２と、ｐ型ＧａＮ層６３とを有する。すなわち、ｎ型ＧａＮ層６１とｐ型ＧａＮ層６３との間にＩｎＧａＮ層６２を挟んだダブルヘテロ構造を有する。ここで、ピエゾ分極・自発分極を考慮し、ｐ型ＧａＮ層６３の厚さを１５０ｎｍ、ＩｎＧａＮ層６２の厚さを２００ｎｍとした。また、ＡＭ（エア・マス）１．５と称する０．１Ｗ／ｃｍ２の光源を用いて受光素子をシミュレーションした。
【００８３】
図２３（ａ）及び図２３（ｂ）は、それぞれＩＩＩ族極性及びＮ極性のｐ−ＧａＮ／ｉ−ＩｎＧａＮ／ｎ−ＧａＮ／基板構造を示す図である。図２３に示すように、ＩＩＩ族極性面及びN極性面は、ＩＩＩ族窒化物のピエゾ分極・自発分極により発生する電界の影響を受けるため、ＩＩＩ族窒化物結晶がＮ極性である場合とＩＩＩ族極性である場合とでシミュレーション評価した。
【００８４】
図２４は、Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｎ受光層を有する受光素子における極性に対する変換効率のシミュレーション結果を示す図である。また、図２５乃至図２７は、それぞれＮ極性、無極性及びＩＩＩ族極性の受光素子における垂直方向のエネルギーバンドダイアグラムのシミュレーション結果を示す図である。
【００８５】
また、図２８は、Ｉｎ０．１２Ｇａ０．８８Ｎ受光層を有する受光素子における極性に対する変換効率のシミュレーション結果を示す図である。また、図２９乃至図３１は、それぞれＮ極性、無極性及びＩＩＩ族極性の受光素子における垂直方向のエネルギーバンドダイアグラムのシミュレーション結果を示す図である。
【００８６】
これらの結果より、無極性面及びＮ極性の受光素子で高い変換効率が得られるのに対し、ＩＩＩ族極性の受光素子では圧電分極電場によるキャリア閉じ込めにより変換効率が大幅に低下することが分かる。よって、高効率太陽電池を得るためには、ｐ−ＧａＮ／ｉ−ＩｎＧａＮ／ｎ−ＧａＮ／基板構造において無極性面からＮ極性の範囲のＩｎＧａＮを成長させればよいことが分かる。
【図１】
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【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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