(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン（Ｓｉ）から成る下地基板上にIII族窒化物系化合物半導体を結晶成長させる方法であって、
前記結晶成長を開始する前に、前記下地基板の結晶成長面より水素イオン（Ｈ+）又はヘリウムイオン（Ｈｅ+）を２０μｍ以内の深さに注入し、
結晶成長前の昇温時に前記イオン注入層を境に部分的に破断させ、結晶成長後の降温時に前記イオン注入層を境に分離することを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体の結晶成長方法。
【請求項２】
前記イオンの前記結晶成長面に対する単位面積当りの注入量を１×１０15〔／cm2〕以上、１×１０20〔／cm2〕以下としたことを特徴とする請求項１に記載のIII族窒化物系化合物半導体の結晶成長方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の製造方法を用いて製造された前記III族窒化物系化合物結晶を少なくとも結晶成長基板として利用した結晶成長により製造することを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、下地基板上にその下地基板とは相異なる半導体物質を結晶成長させて半導体結晶を得る「半導体の結晶成長方法」に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４に例示する様に、シリコン基板上に窒化ガリウム（ＧａＮ）を結晶成長させ、その後常温まで冷却すると、ＧａＮ成長層に転位やクラックが多数入ることが一般に知られている。
この様に、成長層に転位やクラックが多数入ると、その上にデバイスを作製した場合に、デバイス中に格子欠陥や転位、変形、クラック等が多数生じる結果となり、デバイス特性の劣化を引き起こす原因となる。
また、シリコン（Ｓｉ）基板を除去し、成長層のみを残して、独立した基板を得ようとする場合、上記の転位やクラック等の作用により、大面積（１cm2以上）のものが得られ難い。
【０００３】
そこで、従来より、例えばこの様な所謂ヘテロエピタキシャル成長によって良質の半導体結晶を得る手段としては、次の様な施策が取られてきた。
（従来手段１）
低温堆積緩衝層を基板上に成膜する。例えばＡｌＧａＮ，ＡｌＮ，ＧａＮ、或いは、ＡｌＧａＩｎＮ等のIII族窒化物半導体を低温で堆積させて、格子定数差に基づく内部応力を緩和する所謂バッファ層を成膜する方法である。
【０００４】
（従来手段２）
目的とする半導体結晶に格子定数が近い材料を結晶成長基板の材料として選択する。例えば、単結晶の窒化ガリウム（ＧａＮ）を目的の半導体結晶とする場合等には、炭化シリコン（ＳｉＣ）を結晶成長基板の材料として選択する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、バッファ層を用いても、目的の半導体結晶と基板との間に生じる応力は十分には緩和できない。即ち、上記の様なバッファ層は応力の一部しか緩和できず、例えば、サファイヤ基板上に窒化ガリウム（ＧａＮ）を結晶成長させる際等には、ＧａＮ低温堆積緩衝層を用いたとしても、かなりの数の欠陥が目的の半導体結晶（窒化ガリウム層）に発生する。
【０００７】
また、目的の半導体結晶に近い格子定数を有する基板を用いる場合、格子定数差に起因する応力を緩和することはできても、熱膨張係数差に基づく応力を緩和することは難しく、結晶成長後の降温時等にかなりの数の欠陥が目的の半導体結晶（窒化ガリウム層）に発生することになる。
また、クラックも発生し、自立した大面積の半導体結晶が得られ難い。
【０００８】
本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、クラックが無く、転位の密度が低い高品質の半導体結晶を得ることである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するためには、以下の手段が有効である。
即ち、第１の手段は、シリコン（Ｓｉ）から成る下地基板上にIII族窒化物系化合物半導体を結晶成長させる方法において、結晶成長を開始する前に下地基板の結晶成長面より水素イオン（Ｈ+）又はヘリウムイオン（Ｈｅ+）を２０μｍ以内の深さに注入し、結晶成長前の昇温時に前記イオン注入層を境に部分的に破断させ、結晶成長後の降温時に前記イオン注入層を境に分離することである。
【００１０】
【００１２】
【００１３】
また、第２の手段は、上記の第１の手段において、イオンの結晶成長面に対する単位面積当りの注入量を１×１０15〔／cm2〕〜１×１０20〔／cm2〕にすることである。
【００１４】
【００１５】
【００１６】
ただし、ここで言う「III族窒化物系化合物半導体」一般には、２元、３元、又は４元の「ＡｌxＧａyＩｎ(1-x-y)Ｎ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）」成る一般式で表される任意の混晶比の半導体が含まれ、更に、これらの組成比ｘ，ｙ等を殆ど左右しない程度の微量若しくは少量のｐ型或いはｎ型の不純物が添加された半導体も、本明細書の「III族窒化物系化合物半導体」の範疇とする。
従って、例えば２元系や或いは３元系の「III族窒化物系化合物半導体」の場合、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮや、或いは、任意又は適当な混晶比のＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＧａＩｎＮ等は言うまでもなく、これらの各種半導体の組成比を殆ど左右しない程度の微量若しくは少量のｐ型或いはｎ型の不純物が添加された半導体も、本明細書の「III族窒化物系化合物半導体」に含まれる。
【００１７】
また、更に、上記のIII族元素（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）の内の一部をボロン（Ｂ）やタリウム（Ｔｌ）等で置換したり、或いは、窒素（Ｎ）の一部をリン（Ｐ）や砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）等で置換したりした半導体等もまた、本明細書の「III族窒化物系化合物半導体」の範疇とする。
また、上記のｐ型の不純物としては、例えば、マグネシウム（Ｍｇ）や、或いはカルシウム（Ｃａ）等を添加することができる。
また、上記のｎ型の不純物としては、例えば、シリコン（Ｓｉ）や、硫黄（Ｓ）、セレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）、或いはゲルマニウム（Ｇｅ）等を添加することができる。
また、これらの不純物は、同時に２元素以上を添加しても良いし、同時に両型（ｐ型とｎ型）を添加しても良い。
【００１８】
【００１９】
【００２０】
また、第３の手段は、上記の第１又は第２の手段によって製造されたIII族窒化物系化合物半導体結晶を少なくとも結晶成長基板として利用した結晶成長により、III族窒化物系化合物半導体発光素子を製造することである。
以上の手段により、前記の課題を解決することができる。
【００２１】
【作用及び発明の効果】
イオンが注入される下地基板の表面（イオン注入面）の全面に渡って、イオンの加速電圧を同一レベルとし、その加速電圧を一定時間保てば、イオンが注入される下地基板の表面（イオン注入面）からの深さも略一定に維持される。即ち、この様なイオン注入によれば、イオン密度が最も高くなる深さ（最大密度の深さｈ）は上記の加速電圧に略比例し、このイオン注入面の全面にわたって略一様となる。以下、「最大密度の深さｈ」近傍の、イオン密度が局所的に高くなっている層を「イオン注入層」と言う。
また、下地基板中に注入されたイオンは、例えば昇温過程において膨張したり気化したりする等の、主に物理的な状態変化を起こす。そして、これらの状態変化は、下地基板の熱膨張等の状態変化よりも格段に大きな状態変化として発現する。
【００２２】
このため、イオン注入した上記の下地基板を結晶成長基板として用いた場合、結晶成長温度や昇降温過程等において、上記のイオン注入層を境に下地基板の部分的な破断が起きる。これらの下地基板は、最終的にはイオン注入面側の薄膜部と元来の主要部とに分離する。
したがって、この薄膜部上に成長した目的の半導体結晶には、基板（薄膜部）が非常に薄く部分的に分離されているために、格子定数差に基づく応力が殆ど作用しない。このため、目的の半導体結晶は、従来よりも結晶性に優れた良好なものとなる。
【００２３】
更に、結晶成長後の降温過程においても、基板（薄膜部）が非常に薄く部分的に分離されているために、この薄膜部上に成長した目的の半導体結晶と下地基板との熱膨張係数差に基づく応力により、降温過程の比較的初期に、イオン注入層を境にイオン注入面側の薄膜部と元来の主要部とに分離する。このため、それ以降、薄膜部とこの薄膜部上に成長した目的の半導体結晶には、熱膨張係数差に基づく応力が殆ど作用しない。
これらの作用により、本発明の手段を用いれば、クラックが無く、転位の密度が低い高品質の半導体結晶を得ることができる。
【００２４】
尚、注入するイオンの深さ（最大密度の深さｈ）は、目的の半導体結晶の厚さよりも薄い方が望ましく、一般的な絶対的目安としては、２０μｍ以内が望ましい。この厚さが厚過ぎると、上記の応力が十分には緩和されない。
【００２５】
また、上記の下地基板の材料としては、公知の結晶成長基板の材料が有効であり、例えば、シリコン（Ｓｉ）、サファイア（Ａｌ2Ｏ3），炭化シリコン（ＳｉＣ），砒化ガリウム（ＧａＡｓ），酸化亜鉛（ＺｎＯ），酸化ガリウムネオジム（ＮｄＧａＯ3），酸化ガリウムリチウム（ＬｉＧａＯ2）又は、酸化アルミニウムマグネシウム（ＭｇＡｌ2Ｏ4）等を結晶成長基板（上記の下地基板）として用いた結晶成長に関して、上記の作用・効果を得ることができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。ただし、本発明は以下に示す実施例に限定されるものではない。
（１）イオン注入基板（下地基板）の作製
Ｓi(111)基板（下地基板）に、略常温で水素イオン（Ｈ+）を１×１０16／cm2のドーズ量で、加速電圧１０ｋｅＶのエネルギーで注入する（図１（ａ））。
【００２７】
図２は、この時のイオンが注入される深さに対する注入イオン数（密度）を例示したグラフである。本図２からも判る様に、このイオン注入により、表面（イオン注入面）からの深さが１００ｎｍ前後の所に、イオン密度が局所的に高いイオン注入層が形成される。
【００２８】
（２）ＧａＮ／Ｓｉ結晶成長
その後、有機金属化合物気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）にて、以下の結晶成長を実施する。
即ち、まず、上記のＳｉ基板（下地基板）１０のイオン注入面上に、約１１００℃でＡｌＧａＮより成るバッファ層２０を約３００ｎｍ成長し、更にその上に、１０５０℃で目的の半導体結晶である窒化ガリウム（ＧａＮ）層３０を約２００μｍ成長する（図１（ｂ））。この結晶成長前の昇温過程において、上記のＳｉ基板１０は、その表面（イオン注入面）からｈ＝１００ｎｍ前後に位置する上記のイオン注入層を境に部分的に破断し、最終的には、成長後の降温過程において膜厚約１００ｎｍの薄膜部１１とＳｉ基板１０の主要部とに分離される。
【００２９】
以上の半導体結晶の製造方法により、従来よりも結晶性に優れた、クラックのない窒化ガリウム（ＧａＮ）の単結晶を得ることができる。
従って、この様な良質の単結晶を、例えば結晶成長基板等の半導体発光素子の一部として用いれば、発光効率が高いか、或いは駆動電圧が従来よりも抑制された、高品質の半導体発光素子や半導体受光素子等の半導体製品を製造することが可能又は容易となる。
また、この様な良質の単結晶を用いれば、光素子のみならず、耐圧性の高い半導体パワー素子や高い周波数まで動作する半導体高周波素子等の所謂半導体電子素子の製造も、可能又は容易にすることができる。
【００３０】
以下、上記の実施例とは独立に、本発明の実施形態の変形可能な範囲に付いて例示する。
ただし、これらの変形は、上記の実施例に対してもそれぞれ適用可能なものである。
【００３１】
例えば、上記の実施例においては、有機金属化合物気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）を用いたが、本発明の結晶成長は、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）等によっても実施可能である。
また、水素イオン（Ｈ+）の代わりに（Ｈｅ+）を用いても、上記の実施例と略同様の作用・効果を得ることができる。
【００３２】
また、水素イオンのドーズ量は、下地基板の材質等にも依存するが、概ね１×１０15〔／cm2〕〜１×１０20〔／cm2〕の範囲において有効で、この条件下において上記と略同様の作用・効果を得ることができる。より望ましくは、水素イオンのドーズ量は、３×１０15〜１×１０17〔／cm2〕程度が良く、更に望ましくは、８×１０15〜２×１０16〔／cm2〕程度が良い。ドーズ量を適当な量に選べば、下地基板の薄膜部と主要部とを、結晶成長過程において分離することも可能である。
【００３３】
また、この値が小さ過ぎると、下地基板から薄膜部を確実に分離させることが困難となる。また、この値が大き過ぎると、薄膜部へのダメージが大きくなり、下地基板から薄膜部を略一様な厚さで綺麗につながった形状に分離させることが困難となる。
【００３４】
また、入射エネルギーを可変として、下地基板から分離する薄膜部の厚さを制御することも可能である。図３に、イオンの注入エネルギーに対するイオンが注入される深さ（最大密度の深さｈ）の測定結果を例示する。例えば、この様に、イオンが注入される深さ（最大密度の深さｈ）は、イオンの注入エネルギーに略比例するので、入射エネルギー（加速電圧）を調整することにより、薄膜部の厚さを適当に制御することができる。
【００３５】
また、イオン注入後の結晶成長開始前に熱処理を行うことにより、予めイオン注入層における部分的な破断部（ボイド）を形成すると同時に、イオン照射によってダメージを受けた下地基板のイオン注入部の結晶性を回復させることができる。また、これにより、その上に成長する半導体の結晶性を向上させることができる。
【００３６】
また、薄膜部の厚さは、２０μｍ以下が望ましい。この厚さが薄い程、目的の半導体結晶に対する引っ張り応力が緩和されて、転位やクラックの発生密度が減少する。従って、より望ましくは、薄膜部の厚さは２μｍ以下が良く、更に望ましくは２００ｎｍ以下が良い。これらの値を実現するためには、前述の図３などに従って、注入イオン数のピークがこの程度の深さになる様にイオンの注入エネルギー（加速電圧）を調整すれば良い。
ただし、イオン注入層が厚くなってしまうと、薄膜部の厚さを制御し難くなるため、イオン注入層の厚さ等にも注意を要する。
【００３７】
イオン注入層の厚さは、厳密には定義できないが、例えば図２の注入イオン数のピーク値に対する半値幅等が１つの目安になり得る。上記の薄膜部の厚さは、このイオン注入層の厚さを薄くする程制御し易くなる。
従って、イオンの注入エネルギー（加速電圧）を極力一定値に保つ等の手段が、薄膜部の厚さを正確に制御する上で有効となる。
【００３８】
また、相対的には、結晶成長させる目的の半導体結晶の厚さは、薄膜部の厚さと略同等以上とすることが望ましい。この様な設定により、所望の半導体結晶に対する応力が緩和され易くなり、転位やクラックの発生を従来よりも大幅に抑制することが可能となる。この応力緩和効果は、目的の半導体結晶を相対的に厚くする程大きくなる。また、この応力緩和効果は、薄膜部の厚さ等にも依存するが、薄膜部の厚さが２０μｍ以下の場合には、約５０〜２００μｍ程度で略飽和する。
【００３９】
尚、本発明は、下地基板や目的の半導体結晶の種類（材質）に特段の制限が無く、前述の下地基板及び半導体結晶の各材料同士の任意の組み合わせを含め、公知或いは任意の種類のヘテロエピタキシャル成長に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例に係わる半導体の模式的な断面図。
【図２】  イオンが注入される深さに対する注入イオン数（密度）を例示するグラフ。
【図３】  イオンの注入エネルギーに対するイオンが注入される深さ（最大密度の深さｈ）を例示するグラフ。
【図４】  従来の半導体結晶の結晶成長状態を例示する模式的な断面図。
【符号の説明】
１０  …  下地基板
１１  …  下地基板より分離する薄膜部
２０  …  バッファ層
３０  …  目的の半導体結晶
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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