(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣＶＤ法により、ｃ面サファイア基板上に、界面下層部分と界面上層部分とからなるIII族窒化物膜を製造する方法であって、
前記基板を１１００℃〜１２５０℃に加熱し、この加熱した前記基板上に、ＡｌＮからなる界面下層部分を形成し、これにより、該界面下層部分中に基板との格子定数差によって生じるミスフィット転位のうちのらせん転位や混合転位を消失させ、その後、前記界面下層部分上に、Ａｌｙ１Ｇａｙ２Ｎ（ｙ１＋ｙ２＝１および０≦ｙ１≦０．５）からなる界面上層部分を形成して、前記III族窒化物膜中に、膜厚方向のＡｌ含有量差が５０原子％以上異なる界面を形成し、前記界面下層部分のＸ線ロッキングカーブ半値幅が９０秒以下であって、前記界面上層部分の転位密度が、前記界面下層部分の転位密度の１／５以下であって、１０８〜１０１０／ｃｍ２であることを特徴とする、III族窒化物膜の製造方法。
【請求項２】
前記III族窒化物膜中のＡｌ含有量を、膜厚方向においてステップ状に変化させたことを特徴とする、請求項１に記載のIII族窒化物膜の製造方法。
【請求項３】
前記界面上層部分のＸ線ロッキングカーブにおける半値幅が３００秒以下であることを特徴とする、請求項１または２に記載のIII族窒化物膜の製造方法。
【請求項４】
請求項１、２または３に記載の方法によって製造されたIII族窒化物膜から構成されたことを特徴とする、半導体素子用下地膜。
【請求項５】
請求項４に記載の半導体素子用下地膜を具えることを特徴とする、半導体素子。
【請求項６】
請求項１〜３のいずれか一に記載の方法によって製造されたIII族窒化物膜から構成されたことを特徴とする、半導体発光素子用下地膜。
【請求項７】
請求項６に記載の半導体発光素子用下地膜を具えることを特徴とする、半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、III族窒化物膜の製造方法、詳しくは、発光ダイオード素子などの半導体発光素子又は高速ＩＣチップなどの半導体素子を構成する下地膜として好適に用いることのできる、III族窒化物膜の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
III族窒化物膜は、発光ダイオード素子などの半導体発光素子を構成する半導体膜として用いられており、近年においては、携帯電話などに用いられる高速ＩＣチップなどの半導体素子を構成する半導体膜としても注目を浴びている。
【０００３】
上記のようなIII族窒化物膜は、通常ＭＯＣＶＤ法によって形成される。具体的には、前記III族窒化物膜を形成すべき基板を、所定の反応管内に設けられたサセプタ上に設置させるとともに、このサセプタ内あるいはサセプタ外に設置された加熱機構に埋め込まれたヒータによって１０００℃以上にまで加熱する。そして、前記反応管内に所定の原料ガスをキャリアガスとともに導入し、前記基板上に供給する。
【０００４】
すると、前記基板上で熱化学反応が生じて、前記各原料ガスは構成元素に分解されるとともに、これら構成元素同士が互いに反応し、目的とするIII族窒化物膜が前記基板上に堆積されて製造されるものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、III族窒化物膜の成分組成が変化すると、その格子定数が比較的大きく変化する。このため、基板を構成する材料の格子定数との差が大きくなって、基板との界面にミスフィット転位が比較的多量に形成されてしまう場合がある。
【０００６】
このような状態において前記III族窒化物膜のエピタキシャル成長を実施すると、前記ミスフィット転位の伝搬により膜中に約〜１０１０／ｃｍ２オーダの密度で、多量の転位が生成されてしまう場合が生じる。その結果、前記III族窒化物膜の結晶性が劣化し、電気的及び光学的な特性をも劣化させてしまうという問題があった。
【０００７】
かかる問題を回避すべく、基板上にＳｉＯ２などからなるマスクを形成し、このマスク上にIII族窒化物膜を横方向エピタキシャル成長させることが試みられている。この方法によれば、基板との界面で発生したミスフィット転位は基板と垂直な方向に伝搬されず、基板と平行な横方向へは伝搬されるので、前記マスクの上面部分において低転位のIII族窒化物膜を形成することができるものである。
【０００８】
しかしながら、この方法はＳｉＯ２マスクを作製する際において、エッチングを含むフォトリソグラフィ工程を必要とするため、III族窒化物膜の製造時の工程が増加して複雑になるという問題があった。
【０００９】
本発明は、低転位のIII族窒化物膜を簡易に製造する方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく、本発明は、ＣＶＤ法により、ｃ面サファイア基板上に、界面下層部分と界面上層部分とからなるIII族窒化物膜を製造する方法であって、前記基板を１１００℃〜１２５０℃に加熱し、この加熱した前記基板上に、ＡｌＮからなる界面下層部分を形成し、これにより、該界面下層部分中に基板との格子定数差によって生じるミスフィット転位のうちのらせん転位や混合転位を消失させ、その後、前記界面下層部分上に、Ａｌｙ１Ｇａｙ２Ｎ（ｙ１＋ｙ２＝１および０≦ｙ１≦０．５）からなる界面上層部分を形成して、前記III族窒化物膜中に、膜厚方向のＡｌ含有量差が５０原子％以上異なる界面を形成し、前記界面下層部分のＸ線ロッキングカーブ半値幅が９０秒以下であって、前記界面上層部分の転位密度が、前記界面下層部分の転位密度の１／５以下であって、１０８〜１０１０／ｃｍ２であることを特徴とする、III族窒化物膜の製造方法に関する。
【００１１】
本発明者らは、上記のようなＳｉＯ２マスクを用いることなく、簡易な工程により低転位のIII族窒化物膜を形成すべく、鋭意検討を行った。その結果、目的とするIII族窒化物膜中に上述したような界面を形成することにより、膜中における転位量を低減することができ、これによって結晶性に優れたIII族窒化物膜を製造できることを見出した。
【００１２】
図１は、本発明のIII族窒化物膜の製造方法を作用効果を説明するための図である。図１に示すＡｌ含有III族窒化物膜１は、本発明にしたがって、その内部の、膜厚方向において上層のＡｌ含有量差が下層のＡｌ含有量と比較して５０原子％以上少ない界面２を有し、下側にはＡｌ含有量が５０原子％以上の第１のIII族窒化物層３が存在する。ここで、Ａｌ含有量は、III族原子の中における含有量で定義されている。
【００１３】
図１に示すIII族窒化物膜１は、図示しない所定に基板上に形成されるが、この際、基板自体に存在する転位や、上述したように、III族窒化物膜と基板との大きな格子定数差が大きくなることによって、これらの界面において生じたミスフィット転位がIII族窒化物膜１中に伝搬するようになる。
【００１４】
しかしながら、驚くべきことにIII族窒化物膜１中に形成された界面２によって、前記転位の膜厚方向への伝搬が抑制される。したがって、III族窒化物膜１中に比較的多量の転位が伝搬した場合においても、その転位の大部分は界面２の下側に位置する第１のIII族窒化物層３及び第２のIII族窒化物層４の界面２側にのみ存在するようになり、その結果、界面２の上側に位置する第２のIII族窒化物層４内に貫通する転位量は著しく低減される。
【００１５】
この結果、界面２の上側に位置する第２のIII族窒化物層４の結晶性は著しく改善される。したがって、第２のIII族窒化物層４に所定の機能を予め付加させておくことにより、III族窒化物膜１全体として所定の用途に供することができるようになる。
【００１６】
上記のようなIII族窒化物膜１は、特に、高速ＩＣチップなどの半導体素子、あるいは発光ダイオード素子などの半導体発光素子の下地膜として用いることが好ましい。これによって、素子を構成する半導体層が、結晶性に優れたIII族窒化物膜の、界面の上側に位置するIII族窒化物層上に形成されるようになるので、それらの半導体層の結晶性も著しく改善される。その結果、半導体発光素子の発行効率や半導体素子の高速応答性などが著しく改善される。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、図面と関連させながら、発明の実施の形態に基づいて詳細に説明する。
本発明のIII族窒化物膜の製造方法においては、III族窒化物膜中に、膜厚方向のＡｌ含有量の異なる界面を形成し、前記界面下層部分の組成Ａｌｘ１Ｇａｘ２Ｉｎｘ３Ｎ（ｘ１＋ｘ２＋ｘ３＝１）と、前記界面上層部分の組成Ａｌｙ１Ｇａｙ２Ｉｎｙ３Ｎ（ｙ１＋ｙ２＋ｙ３＝１）との間において、０．５≦ｘ１≦１．０及び０≦ｙ１≦ｘ１−０．５となるような界面を形成する。これによって、転位の伝搬をより効果的に抑制することができ、界面の上側に位置するIII族窒化物層中の転位量をより低減することができる。
【００１８】
本発明の製造方法においては、界面下層部分をＡｌｘ１Ｇａｘ２Ｉｎｘ３Ｎ（ｘ１＋ｘ２＋ｘ３＝１、０．５≦ｘ１≦１．０）の組成とし、１１００℃以上の温度で形成することが好ましい。このような高温形成を行うことによって、前記III族窒化物膜中のらせん転位や混合転位と推測される転位が消失するため、前記III族窒化物膜全体の転位量を低減することができ、その結果、界面の上側に位置する第２のIII族窒化物層中の転位量をより効果的に低減することができる。
【００１９】
また、この場合において、下層の結晶ピークのＸ線ロッキングカーブにおける半値幅が９０秒以下となるような良好な状態を示す。なお、本文中のＸ線ロッキングカーブは、（００２）ピークの値で代表している。
【００２０】
したがって、III族窒化物膜全体の結晶性が向上するとともに、界面の上側に位置する第２のIII族窒化物層の結晶性は、通常の低温バッファ層を使用した場合と比べて向上する。
【００２１】
なお、III族窒化物膜の形成温度の上限は特に限定されるものではないが、好ましくは１２５０℃である。これを超えた温度においてIII族窒化物膜を形成しても、上述した転位消失効果のさらなる増大を実現することはできず、表面の粗れなどによってIII族窒化物膜の、特に界面の上側に位置する第２のIII族窒化物層の結晶性が劣化してしまう場合がある。
【００２２】
上述したような界面は、所定の基板上にＡｌ供給原料ガス、窒素供給原料ガス、及びその他のＧａ供給原料ガスなどを所定の流量で供給して、界面の下側に位置する第１のIII族窒化物層を、例えば上述したような１１００℃以上の温度で形成する。その後、Ａｌ供給原料ガスの流量を大きく変化させることによって、前記第１のIII族窒化物層上に、Ａｌ含有量が５０原子％以上小さい第２のIII族窒化物層をステップ状に形成する。
【００２３】
その結果、前記第１のIII族窒化物層と前記第２のIII族窒化物層との間には、膜厚方向においてＡｌ含有量差が５０原子％以上となる界面が必然的に形成されることになる。
【００２４】
以上のような操作を経ることにより、III族窒化物膜中の、界面の上側に位置する第２のIII族窒化物層中の転位密度は、界面の下側に位置する第１のIII族窒化物層中の転位密度の１／５以下にまで低減することができ、具体的には１０８〜１０１０/cm2の転位密度を達成することができる。
【００２５】
この結果、前記第２のIII族窒化物膜中の結晶性は、Ｘ線回折によって評価した場合、結晶ピーク中のＸ線ロッキングカーブにおける半値幅が３００秒以下となるような良好な状態を示す。これは、一般の低温バッファ層を用いて作製したIII族窒化物膜の結晶性と比較して良好な値となる。
【００２６】
図２は、上述した本発明の製造方法に従って製造したIII族窒化物膜を下地膜（下地層）として用いて構成した半導体発光素子の一例を示す断面図である。
【００２７】
図２に示す半導体発光素子１０は、基板１１と、本発明の製造方法に従って製造されたIII族窒化物膜から構成される下地層１２と、例えば、ｎ−ＡｌＧａＮからなる第１の導電層１３とを含む。
【００２８】
さらに、第１の導電層１３上において、例えば、ｎ−ＡｌＧａＮからなる第１のクラッド層１４と、この第１のクラッド層１４上に形成された、例えば、ｉ−ＡｌＧａＮからなる発光層１５と、この発光層１５上に形成された、例えば、ｐ−ＡｌＧａＮからなる第２のクラッド層１６と、この第２のクラッド層１６上に形成された、例えば、ｐ−ＡｌＧａＮからなる第２の導電層１７を具えている。
【００２９】
第１の導電層１３の一部は露出しており、この露出した表面には、例えば、Ａｌ／Ｔｉなる構成のｎ−電極１８が形成されている。そして、第２の導電層１７上には、例えば、Ａｕ／Ｎｉなる構成のｐ−電極１９が形成されている。
【００３０】
上述したように、下地層１２は本発明の製造方法によって製造されたIII族窒化物膜から構成されているため、高い結晶性の表面層部分を有する。したがって、下地層１２上に形成された導電層やクラッド層なども高い結晶性を有するようになり、その結果として、半導体発光素子１０は極めて高い発光効率を呈するようになる。
【００３１】
なお、導電層やクラッド層などは公知のＭＯＣＶＤ法における公知の成膜条件に従って作製することができる。
【００３２】
【実施例】
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
（実施例）
基板としてＣ面サファイア基板を用い、これを石英製の反応管内に設置されたサセプタ上に載置した後、吸引固定した。次いで、前記サセプタ内のヒータにより、前記基板を１２００℃まで加熱した。
【００３３】
次いで、Ａｌ供給原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用いるとともに、窒素供給原料としてアンモニアガス（ＮＨ３）を用い、これら原料ガスを水素キャリアガスとともに、ＴＭＡ／ＮＨ３＝０．５ｓｃｃｍ／３５０ｓｃｃｍとなるようにして前記反応管内に導入するとともに、前記基板上に供給した。そして、６０分間エピタキシャル成長させることによって、ＡｌＮ膜（第１のIII族窒化物層）を厚さ１μｍに形成した。
【００３４】
このＡｌＮ膜中の転位密度をＴＥＭ観察して測定したところ、１０１０／ｃｍ２であった。また、その結晶性をＸ線回折によって調べたところ、約５０秒のＸ線ロッキングカーブ半値幅が得られた。
【００３５】
次いで、基板温度を１０５０℃に変更し、Ｇａ供給原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を用い、前記原料供給ガスの流量比をＴＭＡ／ＴＭＧ／ＮＨ３＝０．１ｓｃｃｍ／０．９ｓｃｃｍ／３０００ｓｃｃｍとなるようにして、前記ＡｌＮ膜（第１のIII族窒化物層）上に供給し、６０分間エピタキシャル成長させることによって、Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ膜（第２のIII族窒化物層）を厚さ２μｍに形成した。
【００３６】
このＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ膜の転位密度をＴＥＭ観察して測定したところ、１０９／ｃｍ２であった。また、その結晶性をＸ線回折によって調べたところ、約１５０秒のＸ線ロッキングカーブ半値幅が得られた。
【００３７】
（比較例）
ＴＭＡ／ＴＭＧ／ＮＨ３＝０．１ｓｃｃｍ／０．９ｓｃｃｍ／３０００ｓｃｃｍとなるようにして前記反応管内に導入するとともに、前記サセプタ内のヒータにより前記基板を６００℃に加熱して、約２００Åの低温バッファ層を成膜あした後、基板温度を１０５０℃まで加熱した。そして、上記第２のIII族窒化物層と同じ組成のＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ膜を厚さ２μｍにエピタキシャル成長させて形成した。
【００３８】
得られたＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ膜の転位密度をＴＥＭ観察によって測定したところ、２×１０１０／ｃｍ２であった。また、その結晶性をＸ線回折によって調べたところ、約３５０秒のＸ線ロッキングカーブ半値幅が得られた。
【００３９】
以上、実施例及び比較例から明らかなように、本発明の製造方法に従って作製したIII族窒化物膜は、界面上方に位置する第２の窒化物層において、従来の製造方法に従って形成した界面を有しないIII族窒化物膜と比較して、転位密度が１／５以下に減少しているとともに、その結晶性が著しく改善されていることが分かる。
【００４０】
したがって、本発明の製造方法により作製したIII族窒化物膜は、半導体発光素子の下地膜として用いることによって、この下地膜上に形成される各種の半導体層の結晶性を著しく向上させることができ、その結果、前記半導体発光素子は、良好な発光効率などを呈することが分かる。同様に、上記III族窒化物膜を高速ＩＣチップなどの半導体素子の下地膜として用いることにより、半導体素子を構成する各種半導体層の結晶性を改善せしめ、良好な応答特性を呈することが分かる。
【００４１】
以上、具体例を挙げながら、発明の実施の形態に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記発明の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない範囲であらゆる変更や変形が可能である。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ＭＯＣＶＤ法を用いた簡易な方法によって、低転位で結晶性に優れたIII族窒化物膜を形成することができる。したがって、前記III族窒化物膜を、半導体発光素子の下地膜、あるいは半導体素子の下地膜に用いた場合において、素子全体の結晶性を改善し、良好な素子特性を付与できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明のIII族窒化物膜の製造方法を作用効果を説明するための図である。
【図２】本発明の製造方法に従って製造したIII族窒化物膜を下地膜（下地層）として用いて構成した半導体発光素子の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
１  III族窒化物膜、２  界面、３  第１のIII族窒化物層、４  第２の窒化物層
【図１】
0004001262.tif 000002
【図２】
0004001262.tif 000003