(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶材料からなる基材と、
前記基材に隣接して形成されたＡｌ含有の第１のIII族窒化物からなり、１１００℃以上の温度でエピタキシャル成長された、（０００１）面を成長面とする下地層と、
前記下地層上に設けられたマスクと、
第２のIII族窒化物からなり、前記下地層上に前記マスクを介して、前記下地層から一定の角度で傾斜して立ち上がったファセットを有する初期エピタキシャル層と初期エピタキシャル層の成長温度及び圧力を変えて前記ファセットを埋設し平坦化させた第２のエピタキシャル層とからなる中間層と、
前記中間層に隣接して形成された第３のIII族窒化物からなる半導体素子層とを具え、
前記下地層を構成する前記第１のIII族窒化物の（０００２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅が、１００秒以下であり、
前記下地層を構成する前記第１のIII族窒化物は、Ａｌｘ１Ｇａｙ１Ｉｎｚ１Ｎ（ｘ１＋ｙ１＋ｚ１＝１，ｘ１≧０．５，ｙ１≧０，ｚ１≧０）なる組成を有するとともに、前記中間層を構成する前記第２のIII族窒化物は、Ａｌｘ２Ｇａｙ２Ｉｎｚ２Ｎ（ｘ２＋ｙ２＋ｚ２＝１，ｘ２≧０，ｙ２≧０，ｚ２≧０）なる組成を有し、ｘ２≦ｘ１−０．１なる関係を満足する
ことを特徴とする、半導体素子。
【請求項２】
前記下地層を構成する前記第１のIII族窒化物は、ＡｌＮなる組成を有することを特徴とする、請求項１に記載の半導体素子。
【請求項３】
前記基材はサファイア単結晶からなり、前記基材の主面から１ｎｍの深さにおける窒素含有量が２原子％以上である表面窒化層を有することを特徴とする、請求項１または２に記載の半導体素子。
【請求項４】
前記マスクは、その長手方向が、前記下地層を構成する前記第１のIII族窒化物の＜１０−１０＞方向と平行であることを特徴とする、請求項１〜３いずれか一に記載の半導体素子。
【請求項５】
単結晶材料からなる基材と、
前記基材に隣接して形成されたＡｌ含有の第１のIII族窒化物からなり、１１００℃以上の温度でエピタキシャル成長された、（０００１）面を成長面とする下地層と、
前記下地層上に設けられたマスクと、
第２のIII族窒化物からなり、前記下地層上に前記マスクを介して、前記下地層から一定の角度で傾斜して立ち上がったファセットを有する初期エピタキシャル層と初期エピタキシャル層の成長温度及び圧力を変えて前記ファセットを埋設し平坦化させた第２のエピタキシャル層とからなる中間層と、
前記中間層に隣接して形成された第３のIII族窒化物からなる半導体素子層とを具え、
前記下地層を構成する前記第１のIII族窒化物の（０００２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅が、１００秒以下であり、
前記下地層を構成する前記第１のIII族窒化物は、Ａｌｘ１Ｇａｙ１Ｉｎｚ１Ｎ（ｘ１＋ｙ１＋ｚ１＝１，ｘ１≧０．５，ｙ１≧０，ｚ１≧０）なる組成を有するとともに、前記中間層を構成する前記第２のIII族窒化物は、Ａｌｘ２Ｇａｙ２Ｉｎｚ２Ｎ（ｘ２＋ｙ２＋ｚ２＝１，ｘ２≧０，ｙ２≧０，ｚ２≧０）なる組成を有し、ｘ２≦ｘ１−０．１なる関係を満足する
ことを特徴とする、エピタキシャル基板。
【請求項６】
前記下地層を構成する前記第１のIII族窒化物は、ＡｌＮなる組成を有することを特徴とする、請求項５に記載のエピタキシャル基板。
【請求項７】
前記基材はサファイア単結晶からなり、前記基材の主面から１ｎｍの深さにおける窒素含有量が２原子％以上である表面窒化層を有することを特徴とする、請求項５または６に記載のエピタキシャル基板。
【請求項８】
前記マスクは、その長手方向が、前記下地層を構成する前記第１のIII族窒化物の＜１０−１０＞方向と平行であることを特徴とする、請求項５〜７のいずれか一にエピタキシャル基板。
【請求項９】
単結晶材料からなる基材と、この基材に隣接して形成されたＡｌ含有の第１のIII族窒化物からなる下地層と、この下地層に隣接して形成された第２のIII族窒化物からなる中間層と、この中間層に隣接して形成された第３のIII族窒化物からなる半導体素子層とを具える半導体素子の製造方法であって、
前記下地層は、１１００℃以上の温度でエピタキシャル成長されるとともに（０００１）面を成長面とし、
前記中間層は、前記下地層上に所定のマスクを形成した後、前記下地層上に前記マスクを介して、前記下地層から一定の角度で傾斜して立ち上がったファセットを有するようにエピタキシャル成長させて初期エピタキシャル層を形成した後、該初期エピタキシャル層の成長温度及び圧力を変えて前記ファセットを埋設し平坦化するようにエピタキシャル成長させて第２のエピタキシャル層を形成し、
前記下地層を構成する前記第１のIII族窒化物は、Ａｌｘ１Ｇａｙ１Ｉｎｚ１Ｎ（ｘ１＋ｙ１＋ｚ１＝１，ｘ１≧０．５，ｙ１≧０，ｚ１≧０）なる組成を有するとともに、前記中間層を構成する前記第２のIII族窒化物は、Ａｌｘ２Ｇａｙ２Ｉｎｚ２Ｎ（ｘ２＋ｙ２＋ｚ２＝１，ｘ２≧０，ｙ２≧０，ｚ２≧０）なる組成を有し、ｘ２≦ｘ１−０．１なる関係を満足する
ことを特徴とする、半導体素子の製造方法。
【請求項１０】
前記マスクは、その長手方向が、前記下地層を構成する前記第１のIII族窒化物の＜１０−１０＞方向と平行となるように形成することを特徴とする、請求項９に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項１１】
前記基材はサファイア単結晶からなり、前記基材の主面に対して表面窒化処理を施すことにより、前記基材の前記主面から１ｎｍ深さにおける窒素含有量が２原子％以上である表面窒化層を形成することを特徴とする、請求項９又は１０に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項１２】
単結晶材料からなる基材と、この基材に隣接して形成されたＡｌ含有の第１のIII族窒化物からなる下地層と、この下地層に隣接して形成された第２のIII族窒化物からなる中間層とを具えるエピタキシャル基板の製造方法であって、
前記下地層は、１１００℃以上の温度でエピタキシャル成長されるとともに（０００１）面を成長面とし、
前記中間層は、前記下地層上に所定のマスクを形成した後、前記下地層上に前記マスクを介して、前記下地層から一定の角度で傾斜して立ち上がったファセットを有するようにエピタキシャル成長させて初期エピタキシャル層を形成した後、該初期エピタキシャル層の成長温度及び圧力を変えて前記ファセットを埋設し平坦化するようにエピタキシャル成長させて第２のエピタキシャル層を形成し、
前記下地層を構成する前記第１のIII族窒化物は、Ａｌｘ１Ｇａｙ１Ｉｎｚ１Ｎ（ｘ１＋ｙ１＋ｚ１＝１，ｘ１≧０．５，ｙ１≧０，ｚ１≧０）なる組成を有するとともに、前記中間層を構成する前記第２のIII族窒化物は、Ａｌｘ２Ｇａｙ２Ｉｎｚ２Ｎ（ｘ２＋ｙ２＋ｚ２＝１，ｘ２≧０，ｙ２≧０，ｚ２≧０）なる組成を有し、ｘ２≦ｘ１−０．１なる関係を満足する
ことを特徴とする、エピタキシャル基板の製造方法。
【請求項１３】
前記マスクは、その長手方向が、前記下地層を構成する前記第１のIII族窒化物の＜１０−１０＞方向と平行に形成することを特徴とする、請求項１２に記載のエピタキシャル基板の製造方法。
【請求項１４】
前記基材はサファイア単結晶からなり、前記基材の主面に対して表面窒化処理を施すことにより、前記基材の前記主面から１ｎｍ深さにおける窒素含有量が２原子％以上である表面窒化層を形成することを特徴とする、請求項１２又は１３に記載のエピタキシャル基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子、エピタキシャル基板、半導体素子の製造方法、及びエピタキシャル基板の製造方法に関し、詳しくは、フォトニックデバイス及び電子デバイスなどの半導体素子、並びにフィールドエミッタなどの素子として好適に用いることのできる半導体素子、及び前記素子を構成する基板として好適に用いることのできるエピタキシャル基板、並びにそれらの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
III族窒化物膜は、フォトニックデバイス及び電子デバイスなどの半導体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チップなどを構成する半導体膜としても注目を浴びている。また、特にＡｌを含むIII族窒化物膜は、フィールドエミッタへの応用材料として注目されている。
【０００３】
そして、近年においては、このようなIII族窒化物膜を形成する基板として、所定の基材上にエピタキシャル成長により形成した下地膜を具える、いわゆるエピタキシャル基板が頻繁に用いられている。そして、このエピタキシャル基板上に、単層のIII族窒化物膜あるいは複数のIII族窒化物膜が積層されてなる所定の半導体素子層をＭＯＣＶＤ法などを用いて形成することにより、目的とする素子を得ている。
【０００４】
前記下地膜は、特にＡｌを含有したIII族窒化物膜のエピタキシャル成長を容易にすべく、Ａｌを含有したIII族窒化物から構成することが好ましい。さらに、Ａｌ含有窒化物は大きなバンドギャップを有するため、このようなバンドギャップの大きな材料からなる下地膜をIII族窒化物膜と基材との間に挿入することにより、半導体素子などの効率を向上させることもできる。
【０００５】
しかしながら、このようにして作製した素子においては、エピタキシャル基板を構成する基材とＡｌ含有III族窒化物下地膜との格子定数差に起因してミスフィット転位が発生してしまい、このミスフィット転位が貫通転位として前記Ａｌ含有III族窒化物下地膜中を貫通し、その表面、すなわちエピタキシャル基板の表面に到達してしまう。このため、前記Ａｌ含有III族窒化物下地膜上、すなわち前記エピタキシャル基板上に形成される半導体素子層にも、前記ミスフィット転位に起因した多量の転位が生成されてしまう。
【０００６】
このような観点から、前記下地層上にＥＬＯ技術により中間層を形成する、あるいは前記下地層自体をＥＬＯ技術により形成することが試みられている。
【０００７】
図１及び図２は、ＥＬＯ技術を用いて下地層上に中間層を形成する場合の作製工程を示す断面図である。図１に示すように、単結晶材料からなる基板１上に、エピタキシャル成長により、例えばＡｌ含有III族窒化物からなる下地層２を形成した後、ＳｉＯ２などからなるマスク４をパターン状に形成する。その後、図２に示すように、下地層２上にマスク４を介して、例えばIII族窒化物からなる中間層３をエピタキシャル成長させる。
【０００８】
このとき、基材１と下地層２との界面で発生した転位は、下地層２を貫通した後、中間層３中を伝播する。そして、中間層３の作製過程において、中間層４がマスク４上へ向けて横方向に成長するに際して、前記転位の一部は図中領域Ｂで示すように横方向に曲げられる。その結果、中間層３中を貫通する転位は、図中領域Ａで示すものだけになり、中間層３に占める貫通転位の割合は減少する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この場合においても中間層３中には相当量の貫通転位が存在するため、この中間層３上に半導体素子として機能する、単層あるいは多層構造の半導体素子層を形成した際に、この半導体素子層中の転位密度を十分に低減することができないという問題があった。そして、この傾向は、下地層２がＡｌを含むIII族窒化物から構成されるとともに、そのＡｌ含有量が増大するに従って顕著となる。
【００１０】
したがって、上述のようにして、例えば半導体発光素子などを作製した場合においては、その発光効率が劣化していまい、所望の特性を有する半導体発光素子を得ることができないでいた。
【００１１】
本発明は、転位密度を低減させて結晶品質に優れた半導体素子、及びこれに使用するエピタキシャル基板を提供することを目的とする。さらに、前記半導体素子及び前記エピタキシャル基板を製造する方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく、本発明の半導体素子は、単結晶材料からなる基材と、前記基材に隣接して形成されたＡｌ含有の第１のIII族窒化物からなり、１１００℃以上の温度でエピタキシャル成長された、（０００１）面を成長面とする下地層と、前記下地層上に設けられたマスクと、第２のIII族窒化物からなり、前記下地層上に前記マスクを介して、前記下地層から一定の角度で傾斜して立ち上がったファセットを有する初期エピタキシャル層と初期エピタキシャル層の成長温度及び圧力を変えて前記ファセットを埋設し平坦化させた第２のエピタキシャル層とからなる中間層と、前記中間層に隣接して形成された第３のIII族窒化物からなる半導体素子層とを具え、前記下地層を構成する前記第１のIII族窒化物の（０００２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅が、１００秒以下であり、前記下地層を構成する前記第１のIII族窒化物は、Ａｌｘ１Ｇａｙ１Ｉｎｚ１Ｎ（ｘ１＋ｙ１＋ｚ１＝１，ｘ１≧０．５，ｙ１≧０，ｚ１≧０）なる組成を有するとともに、前記中間層を構成する前記第２のIII族窒化物は、Ａｌｘ２Ｇａｙ２Ｉｎｚ２Ｎ（ｘ２＋ｙ２＋ｚ２＝１，ｘ２≧０，ｙ２≧０，ｚ２≧０）なる組成を有し、ｘ２≦ｘ１−０．１なる関係を満足することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明のエピタキシャル基板は、単結晶材料からなる基材と、前記基材に隣接して形成されたＡｌ含有の第１のIII族窒化物からなり、１１００℃以上の温度でエピタキシャル成長された、（０００１）面を成長面とする下地層と、前記下地層上に設けられたマスクと、第２のIII族窒化物からなり、前記下地層上に前記マスクを介して、前記下地層から一定の角度で傾斜して立ち上がったファセットを有する初期エピタキシャル層と初期エピタキシャル層の成長温度及び圧力を変えて前記ファセットを埋設し平坦化させた第２のエピタキシャル層とからなる中間層と、前記中間層に隣接して形成された第３のIII族窒化物からなる半導体素子層とを具え、前記下地層を構成する前記第１のIII族窒化物の（０００２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅が、１００秒以下であり、前記下地層を構成する前記第１のIII族窒化物は、Ａｌｘ１Ｇａｙ１Ｉｎｚ１Ｎ（ｘ１＋ｙ１＋ｚ１＝１，ｘ１≧０．５，ｙ１≧０，ｚ１≧０）なる組成を有するとともに、前記中間層を構成する前記第２のIII族窒化物は、Ａｌｘ２Ｇａｙ２Ｉｎｚ２Ｎ（ｘ２＋ｙ２＋ｚ２＝１，ｘ２≧０，ｙ２≧０，ｚ２≧０）なる組成を有し、ｘ２≦ｘ１−０．１なる関係を満足することを特徴とする。
【００１４】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討した結果、下地層上において、この下地層から一定の角度で傾斜して立ち上がったファセットを有する中間層を形成することにより、上記目的を達成できることを見出した。
【００１５】
図３は、本発明のエピタキシャル基板の一例を示す断面図である。図３に示すエピタキシャル基板１０は、所定の単結晶材料からなる基材１１上において、Ａｌ含有III族窒化物からなる下地層１２及びIII族窒化物からなる中間層１３が順次に形成されている。そして、中間層１３は、下地層１２上にパターン状に形成されたマスク１４を中心として、下地層１２から一定の角度で傾斜して立ち上がったファセット１５を有している。
【００１６】
基材１１と下地層１２との界面で発生した転位は、下地層１２を貫通した後中間層１３中を伝播するが、その大部分は、図中矢印で示すように、ファセット１５に至り、横方向に曲げられる。したがって、ファセット１５を超えて伝播する転位の数は著しく低減され、中間層１３の上方における転位密度は著しく低減される。この結果、中間層１３上にIII族窒化物からなる半導体素子層を形成した場合、この素子層中の転位密度も著しく低減され、結晶品質が向上する。したがって、結晶品質に優れたエピタキシャル基板、及び半導体素子を提供できるようになる。
【００１７】
この結果、本発明の半導体素子から半導体発光素子などを構成した場合、前記高結晶品質、並びに下地層をＡｌ含有III族窒化物から構成していることに起因して、発光効率が著しく改善される。
【００１８】
また、本発明では、下地層１２を構成するIII族窒化物におけるＡｌ含有量に対して、中間層１３を構成するIII族窒化物におけるＡｌ含有量を１０原子％以上の割合で減少するようにしている。したがって、下地層１２中を伝播してきた貫通転位は、下地層１２及び中間層１３間のＡｌ濃度組成差に起因した界面を超えて伝播することが困難になる。したがって、中間層１３内の転位密度をさらに低減することができ、この上に形成された半導体素子層の転位密度をさらに低減することができる。
【００１９】
なお、中間層１３におけるファセット１５は、以下に詳述するように、ファセット１５とその残部とを異なるエピタキシャル条件下で成長させることによって形成することができる。
【００２０】
以下、本発明の半導体素子及びエピタキシャル基板の好ましい態様、並びに本発明の半導体素子の製造方法、及びエピタキシャル基板の製造方法について、発明の実施の形態において詳細に説明する。
【００２１】
【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。
【００２２】
図４及び図５は、本発明のエピタキシャル基板の製造方法の一例を説明するための断面図である。最初に、図１に示す従来のＥＬＯ技術と同様にして、図４に示すように、単結晶材料からなる基材１１上に、Ａｌ含有III族窒化物からなる下地層１２をエピタキシャル成長させて形成する。次いで、下地層１２上に、マスク１４を蒸着法などによりパターン状に形成する。マスク１４の幅は、例えば０．１μｍ〜５０μｍに設定し、隣接するマスク間隔（開口幅）Ｐは、例えば０．１μｍ〜５０μｍ、さらに望ましくは、１μｍ〜１０μｍに設定する。
【００２３】
次いで、図５に示すように、下地層１２上において、マスク１４を介するようにして中間層１３を構成するIII族窒化物をエピタキシャル成長させ、マスク１４を中心として、下地層１２から一定の角度で傾斜して立ち上がったファセット１５を有する初期エピタキシャル成長層１６を形成する（第１のエピタキシャル成長）。次いで、エピタキシャル条件を変更し、初期エピタキシャル成長層１６を埋設し、平坦化するようにして前記III族窒化物をエピタキシャル成長させ（第２のエピタキシャル成長）、図３に示すような中間層１３を形成する。
【００２４】
第１のエピタキシャル成長と第２のエピタキシャル成長は、温度及び圧力を適宜に選択して行なう。例えば、前記第１のエピタキシャル成長は、前記第２のエピタキシャル成長に対して、低温あるいは低圧力の条件でエピタキシャル成長させる。具体的には、第１のエピタキシャル成長は、９５０℃、２００Ｔｏｒｒで行ない、第２のエピタキシャル成長は、１０７０℃、５００Ｔｏｒｒで行なう。
【００２５】
また、マスク１４は、その長手方向が下地層を構成するIII族窒化物の＜１０−１０＞方向と平行となるように形成することが好ましい。これによって、初期エピタキシャル成長層１６は、下地層１２を構成するIII族窒化物の＜０００１＞方向に沿って簡易に形成され、前記方向に傾斜したファセット１５を有するようになる。すなわち、下地層１２から一定の角度で傾斜して立ち上がったファセット１５を有する初期エピタキシャル成長層１６を簡易に形成することができる。
【００２６】
マスク１４は、ＳｉＯ２、ＳｉＯｘ、ＳｉＮｘ、その他高融点金属材料を用いて形成することができる。
【００２７】
下地層１２は、Ａｌを含有したIII族窒化物から構成されることが必要であり、実用的なエピタキシャル基板、すなわち半導体素子を構成するに際しては、Ａｌｘ１Ｇａｙ１Ｉｎｚ１Ｎ（ｘ１＋ｙ１＋ｚ１＝１，ｘ１≧０．５，ｙ１≧０，ｚ１≧０）なる組成、さらにはＡｌＮなる組成を有することが好ましい。
【００２８】
また、中間層１３は、III族窒化物から構成されることが必要であり、実用的なエピタキシャル基板、すなわち半導体素子を構成するに際しては、Ａｌｘ２Ｇａｙ２Ｉｎｚ２Ｎ（ｘ２＋ｙ２＋ｚ２＝１，ｘ２≧０，ｙ２≧０，ｚ２≧０）なる組成を有することが好ましい。そして、この場合において、下地層１２を構成するIII族窒化物と、中間層１３を構成するIII族窒化物との間において、Ａｌ組成比を規定するｘ１及びｘ２は、ｘ２≦ｘ１−０．１なる関係を満たすことが必要である。
【００２９】
このように、下地層１２と中間層１３とが、その界面において１０原子％以上のＡｌ組成濃度差を有することにより、下地層１２中を伝播してきた貫通転位が前記Ａｌ組成濃度差を有する界面を超えて伝播することが困難になる。したがって、中間層１３内の転位密度をさらに低減することができる。
【００３０】
なお、下地層１２及び中間層１３は、必要に応じてＧｅ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｐ、Ａｓ及びＢなどの元素を含有することもできる。さらに、意識的に添加した元素に限らず、成膜条件等に依存して必然的に含まれる不純物、並びに原料、反応管材質に含まれる微量不純物を含む。
【００３１】
また、下地層１２は、（０００２）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅で１００秒以下の高結晶性のＡｌ含有III族窒化物から構成されることが好ましい。これによって、下地層１２上に形成された中間層１３、並びに所定の半導体素子層の結晶性も向上し、図３に示すエピタキシャル基板１０、さらには、エピタキシャル基板１０と所定の半導体素子層とを含む半導体素子全体の結晶性をも向上させることができる。したがって、素子特性を飛躍的に向上させることができる。
【００３２】
同様の理由から、下地層１２の主面１２Ａは、表面平均粗さＲａが２Å以下の高い表面平坦性を有することが好ましい。
【００３３】
このような下地層１２は、例えば、ＭＯＣＶＤ法を用い、基材１１を１１００℃以上、好ましくは１２５０℃以下に加熱することによって形成することができる。従来、下地層は、基材と半導体素子層との格子定数差を補完するためのバッファ層として機能していたため、基材を５００〜６００℃に加熱して、低結晶性のＧａＮ又はＡｌＮなどから構成していた。しかしながら、Ａｌを比較的多量に含むIII族窒化物、特にはＡｌＮから下地層を構成した場合においては、高温成膜によりその結晶性を向上させても、前述したような格子定数差を十分に補完できることを本発明者らは見出した。
【００３４】
また、格子定数差の補完が十分でなく、比較的多量のミスフィット転位が発生した場合においても、中間層中における転位密度は上述したファセットの効果によって十分に低減することができる。さらに、下地層と中間層とが上述したような１０原子％以上のＡｌ組成濃度差を有することによっても、中間層中における転位密度は十分に低減される。
【００３５】
基材１１は、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。
【００３６】
特に、基材１１をサファイア単結晶から構成する場合においては、基材１１の主面１１Ａに対して表面窒化処理を行ない、表面窒化層を形成することが好ましい。これによって、下地層１２、さらには中間層１３、並びに中間層１３上に形成すべき半導体素子層の結晶性をさらに向上させることができる。
【００３７】
前記表面窒化層は、ＥＳＣＡ分析によって、主面１１Ａから深さ１ｎｍにおける窒素含有量が２原子％以上であり、さらには５０原子％以下となるような厚さに形成する。このような厚さの前記表面窒化層は、基材１１をアンモニアなどの窒素含有雰囲気中に配置し、所定時間加熱することによって行なう。そして、窒素濃度や窒化温度、窒化時間を適宜に制御することによって形成する。
【００３８】
本発明の半導体素子を得るに際しては、上述のようにして作製したエピタキシャル基板上、すなわち中間層上に所定のIII族窒化物からなる半導体素子層を形成する。この半導体素子層は、目的に応じて単層あるいは多層構造を採ることができる。エピタキシャル基板の最上部に位置する中間層の表面層部分は、ファセットによって転位密度が十分に低減されているため、前記半導体素子層中の転位密度は、１０５−１０７／ｃｍ２程度まで低減される。
【００３９】
なお、前記半導体素子層の作製は、エピタキシャル基板の作製と同一バッチで行なうこともできるし、異なるバッチ間で行なうこともできる。また、前記半導体素子層は、エピタキシャル基板と同一の装置を用いて作製することもできるし、異なる装置を用いて作製することもできる。さらに、エピタキシャル基板を構成する中間層のみを異なるバッチ、又は異なる装置を用いて作製することもできる。
【００４０】
【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）
【００４１】
基材１１として、Ｃ面サファイア単結晶を用い、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。次いで、圧力を１５Ｔｏｒｒに設定して、水素キャリアガスを流速３ｍ／ｓｅｃとなるように供給した後、ヒータにより、基材１１を１２００℃まで加熱した。
【００４２】
次いで、アンモニアガス（ＮＨ３）を水素キャリアガスとともに５分間流し、基材１１の主面を窒化させた。なお、ＥＳＣＡによる分析の結果、この表面窒化処理によって、前記主面には窒化層が形成されており、前記主面から深さ１ｎｍにおける窒素含有量が７原子％であることが判明した。
【００４３】
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とＮＨ３とのモル比が１：４５０となるようにして前記反応管内に導入するとともに、基材１１上に供給した。そして、１２０分間エピタキシャル成長させることによって、下地層としてのＡｌＮ膜を厚さ２μｍに形成した。
【００４４】
このＡｌＮ下地膜の表面平坦性を評価したところ、５μｍ角のＲａで２Åの平坦な膜であることが判明し、（０００２）のロッキングカーブ半値幅が５０秒という高結晶を呈することが判明した。
【００４５】
次いで、前記ＡｌＮ膜上に所定のマスクを介した成膜処理を施すことにより、マスク幅５μｍ、開口幅５μｍのＳｉＯ２マスクを、その長手方向が前記ＡｌＮ膜の＜１０−１０＞方向と平行となるように形成した。
【００４６】
次いで、圧力を２００Ｔｏｒｒ、基材温度を９５０℃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、原料供給ガスの流量比を（ＴＭＧ＋ＴＭＡ）とＮＨ３とのモル比が１：１５００となるようにして、前記ＡｌＮ膜上に供給し、４５分間エピタキシャル成長させることによって、｛１１−２２｝面のファセットを有する初期エピタキシャル成長層を形成した。その後、圧力を５００Ｔｏｒｒ、基材温度を１０７０℃に変更して、中間層としてのＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層を厚さ１０μｍに形成し、エピタキシャル基板を完成させた。
【００４７】
その後、同条件でＳｉＨ４ガスを添加し、半導体素子層の最下層を構成するｎ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層を厚さ３μｍに形成し、半導体素子を完成させた。このＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層中の転位密度をＴＥＭ観察によって調べたところ、５×１０６／ｃｍ２であることが判明した。
【００４８】
（比較例）
圧力を５００Ｔｏｒｒ、基材温度を１０７０℃に設定するとともに、（ＴＭＧ＋ＴＭＡ）とＮＨ３とのモル比が１：１５００となるように設定し、エピタキシャル基板を構成する中間層としてファセットを有しないＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層を厚さ１０μｍに形成した以外は、実施例と同様にして半導体素子を作製した。エピタキシャル基板上に形成した半導体素子層としてのＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層中の転位密度をＴＥＭ観察によって調べたところ、５×１０７／ｃｍ２であることが判明した。
【００４９】
以上実施例及び比較例から明らかなように、比較例に示す従来のＥＬＯ技術を用いてエピタキシャル基板を作製し、この上にＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ半導体素子層を形成する場合に比べて、本発明のエピタキシャル基板に形成されたＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ半導体素子層は、転位密度が１桁向上し、結晶品質が大きく改善されていることが分かる。
【００５０】
以上、具体例を挙げながら、本発明を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。
【００５１】
例えば、上記においては、下地層１２及び中間層１３が単層である場合について説明してきたが、これらは多層構造とすることもできる。また、厚さ方向に組成を変化させることもできる。この場合の組成及び結晶性は、下地層及び中間層の全体に亘るものを意味する。
【００５２】
また、基材と下地層との間、あるいは下地層と中間層との間において、バッファ層やひずみ超格子などの多層積層膜を挿入し、前記下地層あるいは前記中間層の結晶性をさらに向上させ、結晶性に優れたエピタキシャル基板、及び半導体素子を提供することができる。また、例えば、下地層の導電性制御を行ない、半導体素子層の機能を下地基板に含ませることもできる。さらには、下地基板上にＨＶＰＥ法を用いて、厚膜のIII族窒化物膜を一旦成長させた後、半導体素子層を作製することもできる。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、転位密度を低減させて結晶品質に優れた半導体素子、及びこれに使用するエピタキシャル基板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＥＬＯ技術を用いて下地層上に中間層を形成する場合の一作製工程を示す断面図である。
【図２】図１に示す作製工程の次の作製工程を示す断面図である。
【図３】本発明のエピタキシャル基板の一例を示す断面図である。
【図４】本発明のエピタキシャル基板の製造方法における一作製工程を示す断面図である。
【図５】図４に示す作製工程の次の作製工程を示す断面図である。
【符号の説明】
１、１１  基材、２、１２  下地層、３、１３  中間層、４、１４  マスク、１０  エピタキシャル基板、１５  ファセット、１６  初期エピタキシャル成長層
【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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