(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の基材上に、ＡｌａＧａｂＩｎｃＮ(ａ＞０，ａ＋ｂ＋ｃ＝１)なる組成を有するIII族窒化物エピタキシャル下地膜が形成されてなるエピタキシャル基板上に、直接的にｃ面成長させてなる、六方晶系の、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ(ｘ＞０，ｘ＋ｙ＋ｚ＝１)なる組成を有するIII族窒化物膜であって、
ａ＞ｘなる関係を有し、
前記III族窒化物膜の主軸の格子定数ｃと、この主軸に垂直な結晶面の格子定数ａとが、ｃ＞２．６３６ａ−３．２３２なる関係を満たすことを特徴とする、III族窒化物膜。
【請求項２】
前記格子定数ｃ及び前記格子定数ａは、ｃ＞２．６３６ａ−３．２２１なる関係を満たすことを特徴とする、請求項１に記載のIII族窒化物膜。
【請求項３】
前記III族窒化物膜は、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ(ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，ｘ＞０．５)なる組成を有することを特徴とする、請求項１又は２に記載のIII族窒化物膜。
【請求項４】
前記III族窒化物膜は、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ(ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，ｘ＞０．９)なる組成を有することを特徴とする、請求項３に記載のIII族窒化物膜。
【請求項５】
前記III族窒化物膜は、１μｍ以上の厚さを有することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一に記載のIII族窒化物膜。
【請求項６】
前記結晶性の基板は、単結晶基板であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一に記載のIII族窒化物膜。
【請求項７】
前記単結晶基板は、ｃ面サファイア基板又はｃ面ＳｉＣ基板であることを特徴とする、請求項６に記載のIII族窒化物膜。
【請求項８】
前記III族窒化物下地膜は、Ｘ線ロッキングカーブの半値幅で９０秒以下の値の結晶性を有することを特徴とする、請求項１〜８に記載のIII族窒化物膜。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、III族窒化物膜に関し、詳しくは、発光ダイオード素子又は高速ＩＣチップなどを構成する半導体膜として好適に用いることのできる、Ａｌを含むIII族窒化物膜に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ａｌを含むIII族窒化物膜は、発光ダイオード素子など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チップなどを構成する半導体膜としても注目を浴びている。
【０００３】
従来、上記のようなIII族窒化物膜は、Ａｌ供給原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）又はトリエチルアルミニウム（ＴＥＡ）などを用い、窒素供給原料としてアンモニアなどを用いて、ＭＯＣＶＤ法により製造される。
【０００４】
この場合において、前記III族窒化物膜を形成すべき基板は、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、このサセプタ内に埋め込まれたヒータによって１０００℃以上にまで加熱される。そして、前記反応管内に前記Ａｌ供給原料及び前記窒素供給原料、並びに必要に応じてその他の元素の供給原料を導入し、キャリアガスとともに前記基板上に供給する。
【０００５】
すると、前記基板上で熱化学反応が生じて、前記各原料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。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、例えば、ｃ面サファイア基板やｃ面ＳｉＣ基板などの単結晶基板、あるいは所定の基材上に同じIII族窒化物からなる下地膜を形成してなるエピタキシャル基板の上に、直接的に前記Ａｌを含むIII族窒化物膜を形成すると、同じ組成のIII族窒化物膜であっても、成膜条件が異なったり、反応管の形状や大きさなどの成膜装置の状態が異なったりすると、前記III族窒化物膜にクラックが発生してしまう場合があった。
【０００７】
このため、上記単結晶基板やエピタキシャル基板上に、前記Ａｌを含むIII族窒化物膜が形成されてなる素子を歩留まり良く得ることができないという問題があった。
【０００８】
本発明は、単結晶基板やエピタキシャル基板などの結晶性の基板上に直接的に形成された場合において、クラックを発生させることのないＡｌ含有III族窒化物膜を提供することを目的とする。
【０００９】
【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、
所定の基材上に、ＡｌａＧａｂＩｎｃＮ(ａ＞０，ａ＋ｂ＋ｃ＝１)なる組成を有するIII族窒化物エピタキシャル下地膜が形成されてなるエピタキシャル基板上に、直接的にｃ面成長させてなる、六方晶系の、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ(ｘ＞０，ｘ＋ｙ＋ｚ＝１)なる組成を有するIII族窒化物膜であって、ａ＞ｘなる関係を有し、前記III族窒化物膜の主軸の格子定数ｃと、この主軸に垂直な結晶面の格子定数ａとが、ｃ＞２．６３６ａ−３．２３２なる関係を満たすことを特徴とする、III族窒化物膜に関する。
【００１０】
ここにおいて、ｃ面成長とは、前記III族窒化物膜の成長条件の変動や、前記基板が僅かに傾斜することに起因して、実際のｃ軸から若干傾斜してなるｃ面成長をも含むものである。
【００１１】
また、本発明の好ましい態様においては、前記格子定数ｃ及び前記格子定数ａは、ｃ＞２．６３６ａ−３．２２１なる関係を満たす。これによって、前記III族窒化物膜に対して熱衝撃が加えられた場合においても、クラックの発生をより効果的に防止することができる。
【００１２】
本発明者らは、上記結晶性基板上に直接的に形成した場合においても、クラックを発生させることのない、Ａｌを含むIII族窒化物膜を提供すべく鋭意検討を行った。そして、III族窒化物膜の組成が同じであっても、成膜条件や成膜装置の状態によってクラックの発生の有無が左右されることから、クラックの発生に影響を及ぼすIII族窒化物膜の物理的性質を見出すべく検討を行った。
【００１３】
その結果、結晶性の基板上に直接的に前記III族窒化物膜を形成した場合のクラック発生の有無が、前記III族窒化物膜が具える結晶格子の各格子定数の大きさと関係していることを見出した。すなわち、前記III族窒化物膜を構成する六方格子において、主軸の格子定数ｃとこの主軸に垂直な結晶面の格子定数ａとが上記のような関係を満足することにより、このようなIII族窒化物膜を前記結晶性の基板上に形成した場合においても、前記III族窒化物膜にクラックが発生しないことを見出した。本発明は上述したような膨大な研究の結果としてなされたものである。
【００１４】
図１は、ｃ面サファイア基板上にＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ(ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，ｘ＞０)なる組成のIII族窒化物膜を形成した場合のクラック発生の有無を調べたものである。図１から明らかなように、本発明にしたがってｃ＞２．６３６ａ−３．２３２なる関係を満たす場合はクラックが発生しないのに対し、前記関係を満足しない場合はクラックが発生していることが分かる。
なお、図中において、〇プロットはクラック発生がない場合を示し、×プロットはクラック発生がある場合を示している。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、発明の実施の形態に基づいて詳細に説明する。
本発明においては、結晶性基板上に直接的にｃ面成長することにより形成されたＡｌ含有III族窒化物膜が、それを構成する六方晶系の結晶格子において、主軸の格子定数ｃと、この主軸に垂直な結晶面の格子定数ａとが、ｃ＞２．６３６ａ−３．２３２なる関係を満たすことが必要であり、さらには、ｃ＞２．６３６ａ−３．２２１なる関係を満たすことが好ましい。
【００１６】
このような条件を満たすIII族窒化物膜は、例えば、成膜中の温度、圧力、及びガス組成比を制御することによって、さらには、排気速度及び基板面に対するガスの流れる方向を適宜に調節することによって得ることができる。これらの条件は、形成すべきIII族窒化物膜の材料、組成、及び厚さなどを考慮することにより適宜に選択し、最適化する。
【００１７】
また、下地膜の組成を最適化することによっても上記条件を満足するIII族窒化物膜を得ることができる。具体的には、ｃ面サファイア基板上に、比較的多量のＡｌを含んだ高品質単結晶III族窒化物膜を成膜し、これを下地膜としてこの上にIII族窒化物膜を成膜することにより、上記条件を満足する本発明のIII族窒化物膜を形成することができる。
【００１８】
そして、本発明のIII族窒化物膜は、少なくともＡｌを含有することが必要であり、上述したように、発光ダイオード素子の半導体膜などとして使用する場合においては、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ(ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，ｘ＞０)なる組成を有することが好ましい。またこのような組成を中心として、Ｂ、Ｓｉ、及びＭｇなどの添加元素を含有することもできる。
【００１９】
さらに、上記III族窒化物膜は、Ａｌを比較的多く含有することが好ましく、具体的には、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ(ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，ｘ＞０．５)、さらにはＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ(ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，ｘ＞０．９)なる組成を有することが好ましい。
【００２０】
これらの半導体膜が結晶性基板上に直接的に形成されてなる素子は、発光ダイオード素子や高速ＩＣチップなどに好適に用いることができる。さらに、結晶性基板上に直接的に形成した場合、成膜条件や成膜装置の状態の影響を特に強く受け、クラックを発生しやすい。
【００２１】
したがって、このような組成の半導体膜に対して本発明を適用することにより、クラック発生の抑制効果が顕著になり、上記用途に対する素子を歩留まり良く提供することができる。
【００２２】
また、本発明のIII族窒化物膜は１μｍ以上、さらには２μｍ以上の厚さを有することが好ましい。従来においては、III族窒化物膜の厚さが前記値以上に厚くなると、結晶性基板上に形成した場合において、クラックの発生が特に顕著になる傾向があった。したがって、このような厚さのIII族窒化物膜に対して本発明を適用することにより、クラック発生の抑制効果がより顕著に発源され、結晶性の基板上において比較的厚く形成されたIII族窒化物膜を提供することができる。
【００２３】
本発明における結晶性の基板の種類については特に限定されるものでなく、サファイア単結晶、ＺｎＯ単結晶、ＬｉＡｌＯ２単結晶、ＬｉＧａＯ２単結晶、ＭｇＡｌ２Ｏ４単結晶、ＭｇＯ単結晶などの酸化物単結晶、Ｓｉ単結晶、ＳｉＣ単結晶などのＩＶ族あるいはＩＶ−ＩＶ族単結晶、ＧａＡｓ単結晶、ＡｌＮ単結晶、ＧａＮ単結晶、及びＡｌＧａＮ単結晶などのIII−Ｖ族単結晶、ＺｒＢ２などのホウ化物単結晶などの、公知の基板材料から構成することができる。
【００２６】
【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。Ａｌ供給原料としてトリメチルアウミニウム（ＴＭＡ）を用い、Ｇａ供給原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を用いた。さらにＩｎ供給原料としてトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を用い、Ｎ供給原料としてアンモニアガスを用いた。なお、アンモニアガスを除く原料は、室温においては液体又は固体であるので、それぞれバブリングの操作を施すことにより、気体状としたものを用いた。
【００２７】
次いで、これらのガスをアンモニアガスからなるＶ族供給原料と、ＴＭＡ、ＴＭＧ、及びＴＭＩからなるIII族供給原料との比（Ｖ／III比）が、１０００以下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。このとき前記基板を１１５０℃まで加熱して厚さ１μｍのＡｌＧａＩｎＮ単結晶膜を形成した。この単結晶膜の結晶性をＸ線ロッキングカーブで評価したところ、半値幅が９０秒以下であり結晶性に優れた高品質な膜であることが判明した。
【００２８】
次いで、前記単結晶膜を下地膜として有する前記基板を１２００℃以上に加熱した。その後、前記下地膜を形成した場合よりも基板温度を低く設定し、上述したIII族供給原料及びＶ族供給原料を上記下地膜を形成するときよりもＶ／III比が大きくなるようにして前記下地膜上に供給して、前記下地膜よりもＡｌ含有量が少ない複数のＡｌＧａＩｎＮ膜を形成した。図中のデータは、下地膜の格子定数のデータも含む。
【００２９】
各III族窒化物膜の格子定数をＸ線回折法によって測定し、得られた格子定数ｃ及び格子定数ａの値を図１に示すグラフ中に〇プロットで示した。また、このようにして形成したIII族窒化物膜には、クラックが全く発生していなかった。
【００３０】
（比較例）
上記実施例においては、下地膜を構成するＡｌＧａＩｎＮ膜中のＡｌ含有量を目的とするＡｌＧａＩｎＮ膜のＡｌ含有量よりも小さくなるように、Ｖ／III比を調節して上記原料ガスを供給するとともに、基板温度を適宜に調節して形成した。そして、このようにして形成した下地膜上にＡｌ含有量が前記下地膜よりも大きい２種類のＡｌＧａＩｎＮ膜を形成した。
【００３１】
実施例と同様にして、各III族窒化物膜の格子定数ｃ及び格子定数ａを測定し、図１に示すグラフ中に×プロットで示した。また、このようにして形成したIII族窒化物膜には、多数のクラックが発生していた。
【００３２】
図１から明らかなように、本発明にしたがって格子定数ｃ及び格子定数ａが、ｃ＞２．６３６ａ−３．２３２なる関係を満たすIII族窒化物膜には、クラックが全く発生しないのに対し、上記関係を満たさないIII族窒化物膜には多量のクラックが発生していることがわかる。
【００３３】
次いで、得られたＡｌＧａＩｎＮ膜を１０００℃の高温状態に晒し、熱衝撃試験を実施した。試験後において、各格子定数ｃ及びａに対して、ｃ＞２．６３６ａ−３．２２１なる関係を満たすものについてはクラックの発生は確認されなかった。しかしながら、２．６３６ａ−３．２２１≧ｃ＞２．６３６ａ−３．２３２なる関係を満たすものについては、クラックの発生が確認された。したがって、ｃ＞２．６３６ａ−３．２２１なる関係を満足するＡｌＧａＩｎＮ膜については熱衝撃によるクラックをも効果的に防止できることが分かる。
【００３４】
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に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。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ｃ面サファイア基板やｃ面ＳｉＣ基板などの単結晶基板、及びエピタキシャル基板などの結晶性の基板上に直接的に形成した場合においても、クラックを発生することがないIII族窒化物膜を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ(ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，ｘ＞０)なる組成のIII族窒化物膜の格子定数とクラック発生との相関を示すグラフである。
【図１】
0003941449.tif 000002