(57)【要約】【課題】均質なｎ型導電性のＩＩＩ族窒化物半導体層を含むＩＩＩ族窒化物半導体膜およびかかるＩＩＩ族窒化物半導体膜を含むＩＩＩ族窒化物半導体デバイスを提供する。【解決手段】本ＩＩＩ族窒化物半導体膜２０は、主面２０ｍ，２１ｍ，２２ｍが（０００１）面２０ｃに対して０°より大きく１８０°より小さいオフ角θを有し、ｎ型導電性を実質的に決定するドーパントが酸素であるＩＩＩ族窒化物半導体層２１，２２を少なくとも１層含む。また、本ＩＩＩ族窒化物半導体デバイスは、上記のＩＩＩ族窒化物半導体膜２０を含む。【選択図】図１
2013004897.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主面が（０００１）面に対して０°より大きく１８０°より小さいオフ角を有し、ｎ型導電性を実質的に決定するドーパントが酸素であるＩＩＩ族窒化物半導体層を少なくとも１層含むＩＩＩ族窒化物半導体膜。
【請求項２】
前記ドーパントである酸素の濃度が１×１０19ｃｍ-3以上である請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体膜。
【請求項３】
複数層の前記ＩＩＩ族窒化物半導体層を含み、ひとつの前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の酸素の濃度と、それ以外の前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の酸素の濃度とが異なる請求項１または請求項２に記載のＩＩＩ族窒化物半導体膜。
【請求項４】
請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体膜の製造方法であって、
前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の成長の際に、原料ガスの水分濃度により前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の酸素の濃度を調節するＩＩＩ族窒化物半導体膜の製造方法。
【請求項５】
請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体膜を含むＩＩＩ族窒化物半導体デバイス。
【請求項６】
請求項５に記載のＩＩＩ族窒化物半導体デバイスの製造方法であって、
前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の成長の際に、原料ガスの水分濃度により前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の酸素の濃度を調節するＩＩＩ族窒化物半導体デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ｎ型導電性のＩＩＩ族窒化物半導体を含むＩＩＩ族窒化物半導体膜およびその製造方法、ならびにかかるＩＩＩ族窒化物半導体膜を含むＩＩＩ族窒化物半導体デバイスおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ｎ型導電性のＩＩＩ族窒化物半導体層の形成においては、ｎ型導電性を決定するためのドーパントとして、一般に、シリコン、酸素、ゲルマニウムなどが併用して用いられる。
たとえば、特開２０１０−２１２４９３号公報（特許文献１）は、主面がｃ面に対して有限な角度をなす半極性面および無極性面のいずれか一方であり、ｎ型導電性を決定するドーパントとしてシリコンおよび酸素を含むＩＩＩ族窒化物半導体層を含むＩＩＩ族窒化物半導体素子を開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２１２４９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
かかる特開２０１０−２１２４９３号公報で開示されるＩＩＩ族窒化物半導体素子においては、ｎ型導電性を決定するドーパントとしてシリコンおよび酸素の２種類が用いられているため、シリコンと酸素との相互作用によりｎ型キャリア濃度の再現性が低く、均質なｎ型導電性のＩＩＩ族窒化物半導体層を形成するのが困難であるという問題があった。
【０００５】
また、シリコンのドーパントには、原料として爆発しやすく危険なシランガスが使用されるため、製造設備および製造工程において安全性を担保するための措置が必要となり、製造コストが高くなるととともに製造効率が低下するという問題もあった。
【０００６】
本発明は、均質なｎ型導電性のＩＩＩ族窒化物半導体層を含むＩＩＩ族窒化物半導体膜およびその製造方法、ならびにかかるＩＩＩ族窒化物半導体膜を含むＩＩＩ族窒化物半導体デバイスおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、主面が（０００１）面に対して０°より大きく１８０°より小さいオフ角を有し、ｎ型導電性を実質的に決定するドーパントが酸素であるＩＩＩ族窒化物半導体層を少なくとも１層含むＩＩＩ族窒化物半導体膜である。
【０００８】
本発明にかかるＩＩＩ族窒化物半導体膜は、ドーパントである酸素の濃度を１×１０19ｃｍ-3以上とすることができる。また、複数層のＩＩＩ族窒化物半導体層を含み、ひとつのＩＩＩ族窒化物半導体層の酸素の濃度と、それ以外のＩＩＩ族窒化物半導体層の酸素の濃度とを異ならせることができる。
【０００９】
また、本発明は、上記のＩＩＩ族窒化物半導体膜の製造方法であって、ＩＩＩ族窒化物半導体層の成長の際に、原料ガスの水分濃度によりＩＩＩ族窒化物半導体層の酸素の濃度を調節するＩＩＩ族窒化物半導体膜の製造方法である。
【００１０】
また、本発明は、上記のＩＩＩ族窒化物半導体膜を含むＩＩＩ族窒化物半導体デバイスである。
【００１１】
また、本発明は、上記のＩＩＩ族窒化物半導体デバイスの製造方法であって、ＩＩＩ族窒化物半導体層の成長の際に、原料ガスの水分濃度によりＩＩＩ族窒化物半導体層の酸素の濃度を調節するＩＩＩ族窒化物半導体デバイスの製造方法である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、均質なｎ型導電性のＩＩＩ族窒化物半導体層を含むＩＩＩ族窒化物半導体膜およびその製造方法、ならびにかかるＩＩＩ族窒化物半導体膜を含むＩＩＩ族窒化物半導体デバイスおよびその製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明にかかるＩＩＩ族窒化物半導体膜の一例を示す概略断面図である。
【図２】本発明にかかるＩＩＩ族窒化物半導体膜の製造方法の一例を示す概略断面図である。
【図３】本発明にかかるＩＩＩ族窒化物半導体デバイスの一例を示す概略断面図である。
【図４】本発明にかかるＩＩＩ族窒化物半導体デバイスの別の例を示す概略断面図である。
【図５】本発明にかかるＩＩＩ族窒化物半導体デバイスのさらに別の例を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
［実施形態１］
図１を参照して、本発明のある実施形態であるＩＩＩ族窒化物半導体膜２０は、主面２０ｍ，２１ｍ，２２ｍが（０００１）面２０ｃに対して０°より大きく１８０°より小さいオフ角θを有し、ｎ型導電性を実質的に決定するドーパントが酸素であるＩＩＩ族窒化物半導体層２１，２２を少なくとも１層含む。
【００１５】
本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体膜２０に含まれるＩＩＩ族窒化物半導体層２１，２２は、その主面２１ｍ，２２ｍが（０００１）面２０ｃに対して０°より大きく１８０°より小さいオフ角θを有する。すなわち、ＩＩＩ族窒化物半導体層２１，２２は、その主面２１ｍ、２２ｍが、（０００１）面２０ｃに対するオフ角θが０°より大きく９０°より小さいかまたは９０°より大きく１８０°より小さい半極性面（半極性の表面をいう、以下同じ。）、または、（０００１）面２０ｃに対するオフ角θが９０°の無極性面（無極性の表面をいう、以下同じ。）であるため、成長の際にｎ型導電性を実質的に決定するドーパントとしての酸素が取り込まれやすい。このため、ＩＩＩ族窒化物半導体層２１，２２のドーパントとして酸素のみを用いることにより、ＩＩＩ族窒化物半導体層２１，２２のｎ型導電性を実質的に決定することができる。また、ＩＩＩ族窒化物半導体層２１，２２に含まれる酸素の濃度を調節することにより、所望の導電性を有するＩＩＩ族窒化物半導体層２１，２２が得られる。
【００１６】
ここで、ＩＩＩ族窒化物半導体層２１，２２の（０００１）面２０ｃに対する主面２１ｍ，２２ｍのオフ角θは、ＩＩＩ族窒化物半導体層２１，２２への酸素の取り込み易さを促進する観点から、１０°より大きく８０°より小さいことが好ましく、６０°より大きく８０°より小さいことがさらに好ましい。
【００１７】
また、ＩＩＩ族窒化物半導体層２１，２２に含まれる酸素の濃度は、ｎ型導電性を高める観点から、１×１０19ｃｍ-3以上が好ましく、５×１０19ｃｍ-3以上がより好ましい。ここで、ＩＩＩ族窒化物半導体層２１，２２に含まれる酸素の濃度は、ＳＩＭＳ（２次イオン質量分析）法により測定することができる。
【００１８】
また、ＩＩＩ族窒化物半導体膜２０は、所望の半導体デバイスを形成する観点から、複数層のＩＩＩ族窒化物半導体層２１，２２を含み、ひとつのＩＩＩ族窒化物半導体層２１の酸素の濃度と、それ以外のＩＩＩ族窒化物半導体層２２の酸素の濃度とを異ならせることができる。
【００１９】
［実施形態２］
図２を参照して、本発明の別の実施形態であるＩＩＩ族窒化物半導体膜の製造方法は、実施形態１のＩＩＩ族窒化物半導体膜２０の製造方法であって、ＩＩＩ族窒化物半導体層２１，２２の成長の際に、原料ガスの水分濃度によりＩＩＩ族窒化物半導体層２１，２２の酸素の濃度を調節するものである。かかる製造方法により、効率よく実施形態１のＩＩＩ族窒化物半導体膜２０が得られる。
【００２０】
本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体膜の製造方法は、特に制限はないが、効率よく実施形態１のＩＩＩ族窒化物半導体膜２０を製造する観点から、主面１０ｍが（０００１）面１０ｃに対して０°より大きく１８０°より小さいオフ角θを有するＩＩＩ族窒化物基板１０を準備する工程と、ＩＩＩ族窒化物基板１０の主面１０ｍ上に少なくとも１層のＩＩＩ族窒化物半導体層２１，２２を成長させることにより、ＩＩＩ族窒化物半導体層２１，２２を含むＩＩＩ族窒化物半導体膜２０を形成する工程と、を含むことが好ましい。
【００２１】
（ＩＩＩ族窒化物基板の準備工程）
本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体膜の製造方法は、たとえば、主面１０ｍが（０００１）面１０ｃに対して０°より大きく１８０°より小さいオフ角θを有するＩＩＩ族窒化物基板１０を準備する工程を含む。かかるＩＩＩ族窒化物基板１０を用いることにより、主面２０ｍ，２１ｍ，２２ｍが（０００１）面２０ｃに対して０°より大きく１８０°より小さいオフ角θを有するＩＩＩ族窒化物半導体層２１，２２を少なくとも１層含むＩＩＩ族窒化物半導体膜２０を効率よく形成することができる。
【００２２】
本実施形態で用いられるＩＩＩ族窒化物基板１０を準備する方法には、特に制限はなく、たとえば、従来の方法により製造された厚いＩＩＩ族窒化物バルク結晶を（０００１）面１０ｃに対して０°より大きく１８０°より小さいオフ角θを有する面に平行な面で切り出すことができる。
【００２３】
（ＩＩＩ族窒化物半導体膜の形成方法）
本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体膜の製造方法は、たとえば、上記のＩＩＩ族窒化物基板１０の主面１０ｍ上に少なくとも１層のＩＩＩ族窒化物半導体層２１，２２を成長させることにより、ＩＩＩ族窒化物半導体層２１，２２を含むＩＩＩ族窒化物半導体膜２０を形成する工程を含む。ＩＩＩ族窒化物基板１０は、（０００１）面１０ｃに対して０°より大きく１８０°より小さいオフ角θを有する主面１０ｍを有しているため、その主面１０ｍ上に、主面２１ｍ，２２ｍが（０００１）面２０ｃに対して０°より大きく１８０°より小さいオフ角θ（すなわち、ＩＩＩ族窒化物基板１０の主面１０ｍのオフ角θと同じ角度のオフ角θ）を有するＩＩＩ族窒化物半導体層２１，２２をエピタキシャル成長させることができる。
【００２４】
ここで、ＩＩＩ族窒化物半導体層２１，２２をエピタキシャル成長させる方法は、特に制限はなく、ＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長）法、ＭＢＥ（分子線成長）法、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長）法、昇華法などの気相法、フラックス法、高窒素圧溶液法などの液相法などが、好適に挙げられる。ここで、ＩＩＩ族窒化物半導体層２１，２２の化学組成、特に酸素の濃度の調節および厚さの調節の精度が高い観点から、ＭＯＶＰＥ法が特に好ましい。ＭＯＶＰＥ法により成長させる場合には、ＩＩＩ族元素原料となる原料ガスとしてＴＭＧ（トリメチルガリウム）ガス、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）ガス、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）ガスなどが好適に用いられ、窒素原料となる原料ガスとしてＮＨ3（アンモニア）ガスなどが好適に用いられ、ｎ型導電性を決定するドーパントである酸素の原料ガスとしてＮＨ3（アンモニア）ガス中の水分（具体的には、水蒸気）が好適に用いられ、ｐ型導電性を決定するドーパントであるＭｇ（マグネシウム）の原料ガスとしてＣＰ2Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）などが好適に用いられる。
【００２５】
本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体膜の製造方法においては、ＩＩＩ族窒化物半導体層２１，２２の成長の際に、原料ガスの水分濃度によりＩＩＩ族窒化物半導体層２１，２２の酸素の濃度を調節する。かかる方法によれば、ＩＩＩ族窒化物半導体層２１，２２の酸素の濃度を精度よく調節することができる。
【００２６】
たとえば、ＭＯＶＰＥ法の場合は、原料ガスであるＮＨ3（アンモニア）ガスの水分濃度によりＩＩＩ族窒化物半導体層２１，２２の酸素の濃度を調節することができる。
【００２７】
［実施形態３］
図３〜５を参照して、本発明のさらに別の実施形態であるＩＩＩ族窒化物半導体デバイスは、実施形態１のＩＩＩ族窒化物半導体膜２００を含む。かかるＩＩＩ族窒化物半導体デバイスは、ｎ型導電性を実質的に決定するドーパントが酸素であるＩＩＩ族窒化物半導体層（具体的には、ｎ型ＧａＮバッファ層２１０およびｎ型Ａｌ0.04Ｇａ0.96Ｎクラッド層２２０の少なくとも１層）を有していることから、安定した動作電圧が得られる。
【００２８】
本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体デバイスは、たとえば、図３および４を参照して、たとえば、ＩＩＩ族窒化物基板１０と、ＩＩＩ族窒化物基板１０の主面１０ｍ上に成長させられたＩＩＩ族窒化物半導体層であるｎ型Ａｌ0.04Ｇａ0.96Ｎクラッド層２２０、Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ光ガイド層２３０ａ、Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ井戸層とＧａＮ障壁層とで構成される３周期の量子井戸構造を有する活性層２４０、Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ光ガイド層２３０ｂ、ｐ型Ａｌ0.12Ｇａ0.88Ｎ電子ブロック層２５０、ｐ型Ａｌ0.06Ｇａ0.94Ｎクラッド層２６０およびｐ型ＧａＮコンタクト層２７０で構成されるＩＩＩ族窒化物半導体膜２００と、を含む。また、図５を参照して、図３および４に示すＩＩＩ族窒化物半導体デバイスにおいて、ＩＩＩ族窒化物基板１０とｎ型Ａｌ0.04Ｇａ0.96Ｎクラッド層２２０との間に、さらなるＩＩＩ族窒化物半導体層としてｎ型ＧａＮバッファ層２１０をさらに含む。
【００２９】
ここで、図３〜４に示すＩＩＩ族窒化物半導体デバイスは、ＩＩＩ族窒化物基板１０、ｎ型Ａｌ0.04Ｇａ0.96Ｎクラッド層２２０、Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ光ガイド層２３０ａ、活性層２４０、Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ光ガイド層２３０ｂ、ｐ型Ａｌ0.12Ｇａ0.88Ｎ電子ブロック層２５０、ｐ型Ａｌ0.06Ｇａ0.94Ｎクラッド層２６０およびｐ型ＧａＮコンタクト層２７０は、いずれも、（０００１）面からｍ軸（＜１０−１０＞方向軸）方向に０°より大きく１８０°より小さいオフ角θを有する主面を有する。
【００３０】
また、図５に示すＩＩＩ族窒化物半導体デバイスは、ＩＩＩ族窒化物基板１０、ｎ型Ａｌ0.04Ｇａ0.96Ｎクラッド層２２０、Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ光ガイド層２３０ａ、活性層２４０、Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ光ガイド層２３０ｂ、ｐ型Ａｌ0.12Ｇａ0.88Ｎ電子ブロック層２５０、ｐ型Ａｌ0.06Ｇａ0.94Ｎクラッド層２６０およびｐ型ＧａＮコンタクト層２７０に加えて、ｎ型ＧａＮバッファ層２１０も、（０００１）面２００ｃからｍ軸（＜１０−１０＞方向軸）方向に０°より大きく１８０°より小さいオフ角θを有する主面を有する。
【００３１】
また、図３〜５に示すＩＩＩ族窒化物半導体デバイスにおいて、ＩＩＩ族窒化物半導体膜２００を構成するＩＩＩ族窒化物半導体層の少なくとも１層（具体的には、ｎ型ＧａＮバッファ層２１０およびｎ型Ａｌ0.04Ｇａ0.96Ｎクラッド層２２０の少なくとも１層）は、ｎ型導電性を実質的に決定するドーパントが酸素である、すなわち、酸素のみによって実質的にｎ型導電性が決定される。また、ＩＩＩ族窒化物半導体層の少なくとも１層（具体的には、ｎ型ＧａＮバッファ層２１０およびｎ型Ａｌ0.04Ｇａ0.96Ｎクラッド層２２０の少なくとも１層）は、ｎ型導電性を高める観点から、ドーパントである酸素の濃度が１×１０19ｃｍ-3以上であることが好ましい。また、所望の半導体デバイスを形成する観点から、ＩＩＩ族窒化物半導体層が複数層であって、ひとつのＩＩＩ族窒化物半導体層（たとえばｎ型ＧａＮバッファ層２１０）の酸素の濃度と、それ以外のＩＩＩ族窒化物半導体層（たとえばｎ型Ａｌ0.04Ｇａ0.96Ｎクラッド層２２０）の酸素の濃度とが異なることが好ましい。
【００３２】
また、図３〜５を参照して、本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体デバイスは、ｐ型ＧａＮコンタクト層２７０上に形成された開口部を有する絶縁膜３００と、絶縁膜３００の開口部上に形成されたｐ側電極４００ｂと、ＩＩＩ族窒化物基板１０の主面１０ｎ上に形成されたｎ側電極４００ａと、をさらに含む。こうして、図３〜５に示すようなレーザダイオードＬＤ１，ＬＤ２，ＬＤ３であるＩＩＩ族窒化物半導体デバイスが得られる。
【００３３】
［実施形態４］
図３〜５を参照して、本発明のさらに別の実施形態であるＩＩＩ族窒化物半導体膜の製造方法は、実施形態３のＩＩＩ族窒化物半導体デバイスの製造方法であって、ＩＩＩ族窒化物半導体層（具体的には、ｎ型ＧａＮバッファ層２１０およびｎ型Ａｌ0.04Ｇａ0.96Ｎクラッド層２２０の少なくとも１層）の成長の際に、原料ガスの水分濃度によりＩＩＩ族窒化物半導体層（具体的には、ｎ型ＧａＮバッファ層２１０およびｎ型Ａｌ0.04Ｇａ0.96Ｎクラッド層２２０の少なくとも１層）の酸素の濃度を調節するものである。かかる製造方法により、効率よく実施形態３のＩＩＩ族窒化物半導体デバイスが得られる。
【００３４】
本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体デバイスの製造方法は、特に制限はないが、効率よく実施形態３のＩＩＩ族窒化物半導体デバイス（たとえば、レーザダイオードＬＤ１，ＬＤ２，ＬＤ３）を製造する観点から、主面１０ｍが（０００１）面１０ｃに対して０°より大きく１８０°より小さいオフ角を有するＩＩＩ族窒化物基板１０を準備する工程と、ＩＩＩ族窒化物基板１０の主面１０ｍ上に少なくとも１層のＩＩＩ族窒化物半導体層を成長させることによりＩＩＩ族窒化物半導体層を含むＩＩＩ族窒化物半導体膜２０を形成する工程と、ＩＩＩ族窒化物半導体膜２０をデバイス化する工程と、を含むことが好ましい。
【００３５】
（ＩＩＩ族窒化物基板の準備工程）
図３〜５を参照して、本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体デバイスの製造方法は、たとえば、主面１０ｍが（０００１）面１０ｃに対して０°より大きく１８０°より小さいオフ角θを有するＩＩＩ族窒化物基板１０を準備する工程を含む。かかるＩＩＩ族窒化物基板１０を用いることにより、主面２１０ｍ，２２０ｍが（０００１）面２００ｃに対して０°より大きく１８０°より小さいオフ角θを有するＩＩＩ族窒化物半導体層（たとえば、ｎ型ＧａＮバッファ層２１０、ｎ型Ａｌ0.04Ｇａ0.96Ｎクラッド層２２０）を少なくとも１層含むＩＩＩ族窒化物半導体膜２００を効率よく形成することができる。
【００３６】
本実施形態で用いられるＩＩＩ族窒化物基板１０を準備する方法は、実施形態２の場合と同様であるため、ここでは繰り返さない。
【００３７】
（ＩＩＩ族窒化物半導体膜の形成工程）
本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体デバイスの製造方法は、たとえば、上記のＩＩＩ族窒化物基板１０の主面１０ｍ上に少なくとも１層のＩＩＩ族窒化物半導体層を成長させることにより、ＩＩＩ族窒化物半導体層を含むＩＩＩ族窒化物半導体膜２０を形成する工程を含む。ＩＩＩ族窒化物基板１０は、（０００１）面１０ｃに対して０°より大きく１８０°より小さいオフ角θを有する主面１０ｍを有しているため、その主面１０ｍ上に、主面２１０ｍ，２２０ｍが（０００１）面２０ｃに対して０°より大きく１８０°より小さいオフ角θ（すなわち、ＩＩＩ族窒化物基板１０の主面１０ｍのオフ角θと同じ角度のオフ角θ）を有するＩＩＩ族窒化物半導体層（たとえば、ｎ型ＧａＮバッファ層２１０、ｎ型Ａｌ0.04Ｇａ0.96Ｎクラッド層２２０）をエピタキシャル成長させることができる。
【００３８】
本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体デバイスの製造方法において、ＩＩＩ族窒化物半導体層のエピタキシャル成長は、たとえば、図３および４を参照して、ＩＩＩ族窒化物基板１０の主面１０ｍ上に、ｎ型Ａｌ0.04Ｇａ0.96Ｎクラッド層２２０、Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ光ガイド層２３０ａ、Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ井戸層とＧａＮ障壁層とで構成される３周期の量子井戸構造を有する活性層２４０、Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ光ガイド層２３０ｂ、ｐ型Ａｌ0.12Ｇａ0.88Ｎ電子ブロック層２５０、ｐ型Ａｌ0.06Ｇａ0.94Ｎクラッド層２６０およびｐ型ＧａＮコンタクト層２７０で構成されるＩＩＩ族窒化物半導体膜２００を順次エピタキシャル成長させることにより行なう。
【００３９】
また、図５を参照して、ＩＩＩ族窒化物基板１０の主面１０ｍ上にｎ型ＧａＮバッファ層２１０をエピタキシャル成長させた後、ｎ型ＧａＮバッファ層２１０上に、ｎ型Ａｌ0.04Ｇａ0.96Ｎクラッド層２２０、Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ光ガイド層２３０ａ、Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ井戸層とＧａＮ障壁層とで構成される３周期の量子井戸構造を有する活性層２４０、Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ光ガイド層２３０ｂ、ｐ型Ａｌ0.12Ｇａ0.88Ｎ電子ブロック層２５０、ｐ型Ａｌ0.06Ｇａ0.94Ｎクラッド層２６０およびｐ型ＧａＮコンタクト層２７０で構成されるＩＩＩ族窒化物半導体膜２００を順次エピタキシャル成長させることができる。
【００４０】
ここで、ＩＩＩ族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させる方法は、実施形態２の場合と同様であるため、ここでは繰り返さない。
【００４１】
本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体デバイスの製造方法においては、ＩＩＩ族窒化物半導体層（たとえば、ｎ型ＧａＮバッファ層２１０、ｎ型Ａｌ0.04Ｇａ0.96Ｎクラッド層２２０）の成長の際に、原料ガスの水分濃度によりＩＩＩ族窒化物半導体層（たとえば、ｎ型ＧａＮバッファ層２１０、ｎ型Ａｌ0.04Ｇａ0.96Ｎクラッド層２２０）の酸素の濃度を調節する。かかる方法によれば、ＩＩＩ族窒化物半導体層の酸素の濃度を精度よく調節することができる。
【００４２】
たとえば、ＭＯＶＰＥ法の場合は、原料ガスであるＮＨ3（アンモニア）ガスの水分濃度によりＩＩＩ族窒化物半導体層（たとえば、ｎ型ＧａＮバッファ層２１０、ｎ型Ａｌ0.04Ｇａ0.96Ｎクラッド層２２０）の酸素の濃度を調節することができる。
【００４３】
（ＩＩＩ族窒化物半導体膜のデバイス化工程）
図３〜５を参照して、本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体デバイスの製造方法は、たとえば、ＩＩＩ族窒化物半導体膜２０をデバイス化する工程を含む。ＩＩＩ族窒化物半導体膜２０をデバイス化することにより、ｎ型導電性を実質的に決定するドーパントが酸素であるＩＩＩ族窒化物半導体層（たとえば、ｎ型ＧａＮバッファ層２１０、ｎ型Ａｌ0.04Ｇａ0.96Ｎクラッド層２２０）を有するＩＩＩ族窒化物半導体膜２００を有し、動作電圧が安定したＩＩＩ族窒化物半導体デバイスを効率よく製造することができる。
【００４４】
ＩＩＩ族窒化物半導体膜２００をデバイス化する方法は、特に制限はないが、たとえば、ＩＩＩ族窒化物半導体膜２００のｐ型ＧａＮコンタクト層２７０上に絶縁膜３００を形成し、絶縁膜３００に開口部を形成し、絶縁膜３００の開口部上にｐ側電極４００ｂを形成することにより行なわれる。また、ＩＩＩ族窒化物基板１０の主面１０ｎ上にｎ側電極４００ａを形成する。
【００４５】
絶縁膜３００としては、ＳｉＯ2膜、Ｓｉ3Ｎ4膜などが形成される。また、絶縁膜３００を形成する方法は、特に制限はなく、スパッタ法、ＣＶＤ（化学気相成長）法などが好適である。また、絶縁膜３００に開口部を形成する方法は、特に制限はなく、ドライエッチング法、ウェットエッチング法などが好適である。
【００４６】
ｐ側電極４００ｂとしては、Ａｕ電極、Ｐｄ電極などが形成される。ｎ側電極４００ａとしては、Ａｌ電極、Ｔｉ電極などが形成される。また、ｐ側電極４００ｂおよびｎ側電極４００ａを形成する方法は、蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法などが好適である。
【実施例】
【００４７】
（実施例１）
１．ＩＩＩ族窒化物基板の準備
図３を参照して、主面１０ｍが（０００１）面１０ｃに対してｍ軸（＜１０−１０＞方向軸）方向に７５°のオフ角θを有する（２０−２１）面である半極性主面を有するＧａＮ基板（ＩＩＩ族窒化物基板１０）を準備した。
【００４８】
２．ＩＩＩ族窒化物半導体膜の形成
ＧａＮ基板（ＩＩＩ族窒化物基板１０）の主面１０ｍ上に、ＭＯＶＰＥ法により複数層のＩＩＩ族窒化物半導体層を成長させて、ＩＩＩ族窒化物半導体層を含むＩＩＩ族窒化物半導体膜２００を形成した。ＩＩＩ族元素原料となる原料ガスとしてＴＭＧ（トリメチルガリウム）ガス、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）ガス、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）ガスを用いた。また、窒素原料となる原料ガスとしてＮＨ3（アンモニア）ガスを用いた。ｎ型導電性を決定するドーパントとしての酸素原料となるＮＨ3（アンモニア）ガス中の水分（具体的には、水蒸気）を用いた。ｐ型導電性を決定するドーパントとしてのＭｇ（マグネシウム）原料となるＣＰ2Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）を用いた。詳しくは、以下のようにして、複数層のＩＩＩ族窒化物半導体層を成長させた。
【００４９】
まず、ＭＯＶＰＥ装置内に、ＧａＮ基板（ＩＩＩ族窒化物基板１０）をその主面１０ｍが露出するように配置した。ＭＯＶＰＥ装置内にＮＨ3（アンモニア）ガスとＨ2（水素）ガスとの混合ガスを供給して、雰囲気温度を１０５０℃として１０分間保持することにより、ＧａＮ基板（ＩＩＩ族窒化物基板１０）の主面１０ｍを前処理（サーマルクリーニング）した。
【００５０】
次に、ＩＩＩ族元素原料、窒素原料、ｎ型導電性を決定するドーパントとしての酸素原料、およびｐ型導電性を決定するドーパントとしてのＭｇ原料となる原料ガスを用いて、１０５０℃の雰囲気温度で厚さ１００ｎｍのｎ型Ａｌ0.04Ｇａ0.96Ｎクラッド層２２０を成長させ、次いで、雰囲気温度を８４０℃にして、厚さ１００ｎｍのアンドープのＩｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ光ガイド層２３０ａ、厚さ３ｎｍのアンドープのＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ井戸層と厚さ１ｎｍのアンドープのＧａＮ障壁層とで構成される３周期の量子井戸構造を有する活性層２４０、厚さ１００ｎｍのアンドープのＩｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ光ガイド層２３０ｂを成長させ、次いで、雰囲気温度を１０００℃として、厚さ１０ｎｍのｐ型Ａｌ0.12Ｇａ0.88Ｎ電子ブロック層２５０、厚さ１００ｎｍのｐ型Ａｌ0.06Ｇａ0.94Ｎクラッド層２６０、厚さ１００ｎｍのｐ型ＧａＮコンタクト層２７０を成長させた。
【００５１】
こうして成長された上記の複数層のＩＩＩ族窒化物半導体層（すなわち、ｎ型Ａｌ0.04Ｇａ0.96Ｎクラッド層２２０、Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ光ガイド層２３０ａ、活性層２４０、Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ光ガイド層２３０ｂ、ｐ型Ａｌ0.12Ｇａ0.88Ｎ電子ブロック層２５０、ｐ型Ａｌ0.06Ｇａ0.94Ｎクラッド層２６０およびｐ型ＧａＮコンタクト層２７０）は、いずれもそれらの主面が、Ｘ線回折法により測定したところ、ＩＩＩ族窒化物基板１０の主面１０ｍと同様に、（２０−２１）面であった。
【００５２】
ここで、上記の複数層のＩＩＩ族窒化物半導体層に含まれるドーパントとしての酸素の原料となるＮＨ3（アンモニア）ガス中の水分（具体的には、水蒸気）の濃度を調節するために、ＮＨ3ガスの供給装置とＭＯＶＰＥ装置との間にＮＨ3ガスの精製装置を設けた。かかるＮＨ3ガスの精製装置を用いて、ｎ型Ａｌ0.04Ｇａ0.96Ｎクラッド層２２０の成長中には水分（水蒸気）濃度が１ｐｐｍのＮＨ3ガスを供給し、それ以外のＩＩＩ族窒化物半導体層の成長中には水分（水蒸気）濃度が測定限界である１ｐｐｂより低濃度のＮＨ3ガスを供給した。ここで、ＮＨ3ガス中の水分（水蒸気）濃度は、分光法により測定した。
【００５３】
上記のようにして得られたｎ型Ａｌ0.04Ｇａ0.96Ｎクラッド層２２０の酸素の濃度は１×１０19ｃｍ-3であり、それ以外のＩＩＩ族窒化物半導体層の酸素の濃度は測定限界である２×１０16ｃｍ-3より低濃度であった。ここで、ＩＩＩ族窒化物半導体層の酸素の濃度は、ＳＩＭＳ法により測定した。
【００５４】
３．ＩＩＩ族窒化物半導体膜のデバイス化
次に、ｐ型ＧａＮコンタクト層２７０上に、スパッタ法により、絶縁膜３００として厚さ１００ｎｍのＳｉＯ2膜を形成し、次いで、ドライエッチング法により、絶縁膜３００の直径１０μｍの開口部を設けた。次いで、絶縁膜３００の開口部上に、蒸着法により、ｐ側電極４００ｂとして直径５０μｍのＡｕ電極を形成した。次いで、ＧａＮ基板（ＩＩＩ族窒化物基板１０）の主面１０ｎ上に、蒸着法により、ｎ側電極４００ａとしてＡｌ電極を形成した。こうして、半導体デバイスとして、レーザダイオードＬＤ１が作製された。
【００５５】
上記の方法により、１０回連続して上記のＩＩＩ族窒化物半導体膜２００を形成させて、半導体デバイスとして、１０個のレーザダイオードＬＤ１を作製した。
【００５６】
上記のようにして作製された１０個のレーザダイオードＬＤ１について、レーザ発振が始まる閾値電圧は、Ｉ−Ｖ法により測定したところ、４．５Ｖ±０．１Ｖと、バラツキが小さかった。
【００５７】
（比較例１）
ＭＯＶＰＥ法によるｎ型Ａｌ0.04Ｇａ0.96Ｎクラッド層２２０の成長中に酸素原料となる水分（水蒸気）とケイ素原料となるＳｉＨ4（シラン）ガスとを供給して、酸素の濃度が５×１０18ｃｍ-3でケイ素の濃度が５×１０18ｃｍ-3のｎ型Ａｌ0.04Ｇａ0.96Ｎクラッド層２２０を成長させたこと以外は、実施例１と同様にして、１０個のレーザダイオードを作製した。こうして作製された１０個のレーザダイオードについて、レーザ発振が始まる閾値電圧は、５．０Ｖ±０．５Ｖと、バラツキが大きかった。
【００５８】
（実施例２）
図４を参照して、主面１０ｍが（０００１）面１０ｃに対してｍ軸（＜１０−１０＞方向軸）方向に９０°のオフ角θを有する（１０−１０）面である無極性主面を有するＧａＮ基板（ＩＩＩ族窒化物基板１０）を準備し、かかるＧａＮ基板（ＩＩＩ族窒化物基板１０）を用いて、ＭＯＶＰＥ法により酸素の濃度が２×１０19ｃｍ-3のｎ型Ａｌ0.04Ｇａ0.96Ｎクラッド層２２０を成長させたこと以外は、実施例１と同様にして、半導体デバイスとして１０個のレーザダイオードＬＤ２を作製した。
【００５９】
こうして作製された半導体デバイス（レーザダイオードＬＤ２）の複数層のＩＩＩ族窒化物半導体層（すなわち、ｎ型Ａｌ0.04Ｇａ0.96Ｎクラッド層２２０、Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ光ガイド層２３０ａ、活性層２４０、Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ光ガイド層２３０ｂ、ｐ型Ａｌ0.12Ｇａ0.88Ｎ電子ブロック層２５０、ｐ型Ａｌ0.06Ｇａ0.94Ｎクラッド層２６０およびｐ型ＧａＮコンタクト層２７０）は、いずれもそれらの主面が、ＧａＮ基板（ＩＩＩ族窒化物基板１０）の主面１０ｍと同様に、（１０−１０）面であった。
【００６０】
こうして作製された１０個のレーザダイオードＬＤ２について、レーザ発振が始まる閾値電圧は、４．４Ｖ±０．２Ｖと、バラツキが小さかった。
【００６１】
（比較例２）
ＭＯＶＰＥ法によるｎ型Ａｌ0.04Ｇａ0.96Ｎクラッド層２２０の成長中に酸素原料となる水分（水蒸気）とケイ素原料となるＳｉＨ4（シラン）ガスとを供給して、酸素の濃度が１×１０19ｃｍ-3でケイ素の濃度が１×１０19ｃｍ-3のｎ型Ａｌ0.04Ｇａ0.96Ｎクラッド層２２０を成長させたこと以外は、実施例２と同様にして、１０個のレーザダイオードを作製した。こうして作製された１０個のレーザダイオードについて、レーザ発振が始まる閾値電圧は、５．２Ｖ±０．５Ｖと、バラツキが大きかった。
【００６２】
（実施例３）
図５を参照して、ＧａＮ基板（ＩＩＩ族窒化物基板１０）の主面１０ｍを前処理（サーマルクリーニング）した後、ＭＯＶＰＥ法により１０５０℃の雰囲気温度で厚さ１００ｎｍのｎ型Ａｌ0.04Ｇａ0.96Ｎクラッド層２２０を成長させる前に、ＭＯＶＰＥ法により水分（水蒸気）濃度が２ｐｐｍのＮＨ3ガスを用いて１０５０℃の雰囲気温度で酸素の濃度が２×１０19ｃｍ-3の厚さ１００ｎｍのｎ型ＧａＮバッファ層２１０を成長させたこと以外は、実施例１と同様にして、半導体デバイスとして１０個のレーザダイオードＬＤ３を作製した。
【００６３】
こうして作製された半導体デバイス（レーザダイオードＬＤ３）の複数層のＩＩＩ族窒化物半導体層（すなわち、ｎ型ＧａＮバッファ層２１０、ｎ型Ａｌ0.04Ｇａ0.96Ｎクラッド層２２０、Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ光ガイド層２３０ａ、活性層２４０、Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ光ガイド層２３０ｂ、ｐ型Ａｌ0.12Ｇａ0.88Ｎ電子ブロック層２５０、ｐ型Ａｌ0.06Ｇａ0.94Ｎクラッド層２６０およびｐ型ＧａＮコンタクト層２７０）は、いずれもそれらの主面が、ＧａＮ基板（ＩＩＩ族窒化物基板１０）の主面１０ｍと同様に、（１０−１０）面であった。
【００６４】
こうして作製された１０個のレーザダイオードＬＤ２について、レーザ発振が始まる閾値電圧は、４．４Ｖ±０．１Ｖと、バラツキが小さかった。
【００６５】
（比較例３）
ＭＯＶＰＥ法によるｎ型ＧａＮバッファ層２１０とｎ型Ａｌ0.04Ｇａ0.96Ｎクラッド層２２０との成長中に酸素原料となる水分（水蒸気）とケイ素原料となるＳｉＨ4（シラン）ガスとを供給して、酸素の濃度が１×１０19ｃｍ-3でケイ素の濃度が１×１０19ｃｍ-3のｎ型ＧａＮバッファ層２１０と酸素の濃度が５×１０18ｃｍ-3でケイ素の濃度が５×１０18ｃｍ-3のｎ型Ａｌ0.04Ｇａ0.96Ｎクラッド層２２０とを成長させたこと以外は、実施例３と同様にして、１０個のレーザダイオードを作製した。こうして作製された１０個のレーザダイオードについて、レーザ発振が始まる閾値電圧は、４．６Ｖ±０．５Ｖと、バラツキが大きかった。
【００６６】
実施例１〜３および比較例１〜３から明らかなように、主面が（０００１）面に対して０°より大きく１８０°より小さいオフ角を有し、ｎ型導電性を実質的に決定するドーパントが酸素であるＩＩＩ族窒化物半導体層を少なくとも１層含むＩＩＩ族窒化物半導体膜を含む半導体デバイスは、主面が（０００１）面に対して０°より大きく１８０°より小さいオフ角θを有し、ｎ型導電性を実質的に決定するドーパントが酸素およびケイ素（酸素以外の元素）であるＩＩＩ族窒化物半導体層を少なくとも１層含むＩＩＩ族窒化物半導体膜を含む半導体デバイスに比べて、レーザ発振が始まる閾値電圧のバラツキを低減することができた。
【００６７】
また、実施例１および３に示すような半極性（オフ角θが０°＜θ＜９０°または９０°＜θ＜１８０°）の主面を有するＩＩＩ族窒化物基板を含む半導体デバイスであっても、実施例２に示すような無極性（オフ角θが９０°）の主面を有するＩＩＩ族窒化物基板を含む半導体デバイスであっても、ｎ型導電性を実質的に決定するドーパントが酸素であるＩＩＩ族窒化物半導体層を少なくとも１層含むＩＩＩ族窒化物半導体膜を含む半導体デバイスは、レーザ発振が始まる閾値電圧のバラツキを低減することができた。
【００６８】
また、実施例３に示すような主面が（０００１）面に対して０°より大きく１８０°より小さいオフ角を有し、ｎ型導電性を実質的に決定するドーパントが酸素であるＩＩＩ族窒化物半導体層を複数層含むＩＩＩ族窒化物半導体膜を含む半導体デバイスであっても、レーザ発振が始まる閾値電圧のバラツキを低減することができた。
【００６９】
今回開示された実施形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明でなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内のすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００７０】
１０  ＩＩＩ族窒化物基板、１０ｃ，２０ｃ，２００ｃ  （０００１）面、１０ｍ，１０ｎ，２０ｍ，２１ｍ，２２ｍ，２１０ｍ，２２０ｍ  主面、２０，２００  ＩＩＩ族窒化物半導体膜、２１，２２  ＩＩＩ族窒化物層、２１０  ｎ型ＧａＮバッファ層、２２０  ｎ型Ａｌ0.04Ｇａ0.96Ｎクラッド層、２３０ａ，２３０ｂ  Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ光ガイド層、２４０  活性層、２５０  ｐ型Ａｌ0.12Ｇａ0.88Ｎ電子ブロック層、２６０  ｐ型Ａｌ0.06Ｇａ0.94Ｎクラッド層、２７０  ｐ型ＧａＮコンタクト層、３００  絶縁膜、４００ａ  ｎ側電極、４００ｂ  ｐ側電極。
【図１】
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【図２】
2013004897.tif 000004
【図３】
2013004897.tif 000005
【図４】
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【図５】
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