(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子デバイス作製用の窒化ガリウム化合物半導体をエピタキシャル成長させるためのサファイア単結晶基板であって、
前記窒化ガリウム化合物半導体をエピタキシャル成長させるための表面が、サファイア単結晶のＡ面をＭ軸方向に０．２５度以上０．７５度以下の範囲で傾斜させた面であることを特徴とする、電子デバイス作製用サファイア単結晶基板。
【請求項２】
サファイア単結晶基板の表面に窒化ガリウム化合物半導体をエピタキシャル成長させて、電子デバイス作製用の窒化ガリウム化合物半導体膜を作製する方法であって、
前記サファイア単結晶基板の前記表面は、サファイア単結晶のＡ面をＭ軸方向に０．２５度以上０．７５度以下の範囲で傾斜させた面であることを特徴とする、電子デバイス作製用窒化ガリウム化合物半導体膜の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子デバイス作製用サファイア単結晶基板及び電子デバイス作製用窒化ガリウム化合物半導体膜の作製方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
窒化ガリウム系化合物半導体は、禁制帯幅が大きい等の理由から、青色ないし緑色発光ダイオードに最適であると考えられ、窒化ガリウム系化合物半導体を利用した発光ダイオードは既に実用化されている。さらに、窒化ガリウム系化合物半導体は、発光デバイスのみならず、超高周波・高出力動作トランジスタ等の電子デバイスへの応用が期待されている。
【０００３】
窒化ガリウム系化合物半導体を用いたデバイスの実用化を考える場合には、良質のＧａＮ結晶をいかに得るかが重要であるが、窒化ガリウム系化合物半導体の実用化は発光デバイスを中心として展開されてきたことから、ＧａＮの結晶成長についての研究も発光デバイスとの関連で進展してきた。
【０００４】
ＧａＮの結晶成長には主としてＭＯＣＶＤ法（有機金属化学気相成長法）が用いられており、エピタキシャル成長基板としてはサファイアのＣ面（０００１）、あるいはＡ面（１１−２０）が用いられている。また、エピタキシャル成長をＣ面あるいはＡ面のオフ面から構成した手法も存在する。例えば、特開平７−１３１０６８号には、発光ダイオードの結晶性及び発光輝度を向上させることを目的とした窒素３族元素化合物半導体発光素子が開示されており、（１１−２０）に対して、０．５〜２．０度の範囲で傾斜した面を主面とするサファイア基板を用いた発光素子が開示されている。
【０００５】
しかしながら、発光ダイオード等の光デバイスとトランジスタ等の電子デバイスとでは、デバイス構造、作製プロセス、用途が相当に異なり、発光デバイスの性能の改善をもって、電子デバイスの性能が改善するかは容易には想像し難い。特に、発光ダイオードでは薄膜平面と垂直方向つまり積層方向に電気が流れるが、トランジスタにおいてはＧａＮ層とＡｌＧａＮ層の界面にそって電気が流れる。そのため、トランジスタにおいては界面の平坦性あるいはＧａＮ表面の平坦性が極めて重要で、平坦性はデバイスの性能に重大な効果を与えるが、この平坦性は発光ダイオードにおいては、必ずしも重要な指標ではない。したがって、発光効率の改善をもって必ず電子デバイスの性能が向上するとは言えず、しかも、結晶性の向上と平坦性の向上は、必ずしも同時に両立するものではない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来の窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光素子に係る発明とは異質のものであって、主として電子デバイスに用いられる窒化ガリウム系化合物半導体の結晶性を向上させ、同時に表面の平坦性を改善することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するべく創案された技術手段は、
電子デバイス作製用の窒化ガリウム化合物半導体をエピタキシャル成長させるためのサファイア単結晶基板であって、
前記窒化ガリウム化合物半導体をエピタキシャル成長させるための表面が、サファイア単結晶のＡ面をＭ軸方向に０．２５度以上０．７５度以下の範囲で傾斜させた面であることを特徴とする、電子デバイス作製用サファイア単結晶基板、及び、
サファイア単結晶基板の表面に窒化ガリウム化合物半導体をエピタキシャル成長させて、電子デバイス作製用の窒化ガリウム化合物半導体膜を作製する方法であって、
前記サファイア単結晶基板の前記表面は、サファイア単結晶のＡ面をＭ軸方向に０．２５度以上０．７５度以下の範囲で傾斜させた面であることを特徴とする、電子デバイス作製用窒化ガリウム化合物半導体膜の作製方法、である。
窒化ガリウム系化合物半導体はＧａＮ，ＡｌＧａＮ，ＩｎＧａＮ等を含むものである。
【０００８】
Ｃ面（０００１）サファイアと比較して、Ａ面（１１−２０）サファイア上へのＧａＮの成長は通常困難である。この原因は、Ａ面の場合には、傾斜角度と傾斜の方向に極めて敏感なためであることが研究によって新たに見出された。実験の積み重ねによる最適化の結果、結晶性が良く表面が平坦なＧａＮ層が再現性良く得られるようになった。このことは、製品の歩留まりが大幅に改善すること意味する。
【０００９】
本発明に係る結晶基板を用いることで得られた窒化ガリウム系化合物半導体層は電子デバイス（一つの好ましい例で言えば、ワイヤレス通信用のトランジスタ）として用いられる。本明細書において、電子デバイスという言葉は、発光ダイオード等の発光デバイスとは区別して用いられる。電子デバイスにはトランジスタ（ＦＥＴ，ＨＥＭＴ等）、光変調器、光スイッチ、光検出器、光導波路、センサー、ダイオード （発光ダイオードではなく、整流素子としてのダイオードや量子効果を利用した共鳴トンネルダイオードなど）、及びこれらの任意の複合体などが含まれる。
【００１０】
電子デバイスを構成する半導体の構造としては、例えば、ＭＥＳＦＥＴ，ＭＩＳＦＥＴ，ＪＦＥＴ，ＨＥＭＴ，ＨＢＴ等が挙げられる。かかる半導体のエピタキシャル成長構造は、ホモエピタキシャル成長（例えば、ＧａＮ層同士）、ヘテロエピタキシャル成長（例えば、ＧａＮ層とＡｌＧａＮ層）の双方が有り得るが、例えば、ＨＥＭＴを構成する場合には、好適にはＧａＮ／ＡｌＧａＮヘテロ界面を有するヘテロエピタキシャル成長構造が採用される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について説明する。図１は実験で用いた有機金属気層成長（ＭＯＣＶＤ）装置の要部を示す図であって、反応室にはサセプタが設けてあり、サセプタの上にはサファイア結晶基板が載置される。反応室内には反応ガスを導く導入管が設けてあり、反応室の周囲には高周波電界を印加するための高周波コイルが巻装されている。サセプタ上に設けられるサファイア結晶基板のエピタキシャル成長面はＡ面であるが、ジャスト面ではなく、Ａ面をＭ軸方向に微傾斜させたオフ面である。本実験では、本装置を常圧ＭＯＣＶＤ装置として用いたが、適宜減圧ＭＯＣＶＤ装置として用いてもよい。
【００１２】
次に、結晶成長方法および実験条件について説明する。サファイア基板をＭＯＣＶＤ装置に導入し、水素雰囲気下で９５０℃まで昇温して６分間保持する。次に、４９０℃まで基板温度を降下させ、２５ｎｍの膜厚のＧａＮ低温堆積緩衝層を積層させる。この際のガス流量などの条件は、水素ガス１５．９slm（liter/min）、アンモニアガス３．５slmで、Ｇａの原料としてはトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を用い、その流量は２２μmol/min（１分あたり２２マイクロ・モル）とした。成長時間は１４０秒である。尚、低温堆積緩衝層であるいわゆるバッファ層はＧａＮ層には限定されず、例えばＡｌＮ層であってもよい。
【００１３】
ＧａＮ低温堆積緩衝層成長後、基板温度を４９０℃から１０７１℃に昇温させ、２．３ミクロンの膜厚のＧａＮ層を積層させた。ＧａＮ層成長中のガス流量などの条件は、水素ガス４slm、窒素ガス１２slm、アンモニアガス４slmで、ＴＭＧの流量は８８μmol/minである。成長時間は６０分である。成長終了後、基板ヒーターの電源をオフにして、自然冷却させた。
【００１４】
実験結果について説明する。図２は、オフ角度に対するＸ線回折を示す図である。ＸＲＤロッキングカーブの半値幅が小さいほど結晶性が良いと考えられ、図２からオフ角が０．２５度から０．５度の場合が、最も結晶性が良いと言える。表面の平坦性と結晶性には必ずしも相関はないが、良質のデバイスを実現するためには、結晶性と平坦性の双方が良い方が望ましいとされている。後述する結果から明らかなように、特に、０．２５度のオフ基板の場合に、結晶性と平坦性の両方が良好な化合物半導体膜が得られた。
【００１５】
図３は、オフ角度に対するＰＬ強度を示す図である。電子デバイスへの応用を考えた場合、ＰＬ効率が高いことは必ずしも要求されないが、一般には、発光効率が高いものは、良い結晶であると考えられる。
【００１６】
原子スケールで表面の平坦性を考えるには、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）などで評価すべきである。原子スケールの凹凸と顕微鏡で観察されるミクロンスケールの凹凸には必ずしも相関はない。図４はＡＦＭによる実験結果を示す図である。図４（ａ）はＲＭＳ（凹凸の指標）であり、顕微鏡写真が最も良好なオフ角度０．２５度のサンプルでＲＭＳが最も小さくなっている。図４（ｂ）のＡＦＭ像は０．２５度のサンプルのものであり、原子ステップが観察されている。この表面は、Ｃ面上に作成された高品質のサンプルと略同様である。また、ＲＭＳの０．１３ｎｍの値もＣ面のベストと略同じである。
【００１７】
次にジャスト面および異なるオフ角度（０．２５度、０．５０度、０．７５度）において形成された結晶表面を光学顕微鏡で観察した。ジャスト面では凹凸状の表面が観察され、ジャスト面に比べて、オフ面の方が結晶表面が良好であることがわかった。特に、０．２５度オフ基板の場合には良好な観察結果が得られた。顕微鏡観察された表面が良い場合には、ミクロンまたはミリ寸法で均一な結晶が出来ていると考えられる（結晶の場合、ナノ寸法では均一であっても、ミクロン寸法では均一ではないという場合もあり得る。）。したがって、ミクロン寸法、ミリ寸法、インチ寸法で表面が均一であれば、リソグラフィーによるデバイス・プロセスを進める際に、歩留まりが向上されると考えられる。
【００１８】
尚、この種の薄膜においては、バルクの移動度は高い方が一般には望ましいと考えられる。しかしながら、通常のデバイス構造では、ＧａＮ／ＡｌＧａＮヘテロ界面に発生する２次電子ガスを用いており、この２次元電子ガスの移動度は、界面の平坦性などで決定され、バルクの移動度にはあまり依存しない。
【００１９】
【発明の効果】
本発明によれば、結晶性及び表面の平坦性の双方において良好な窒化ガリウム系化合物半導体薄膜を得ることができ、特に、トランジスタ等の電子デバイスへの有利な応用が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】常圧有機金属気層成長（ＭＯＣＶＤ）装置を示す図である。
【図２】ＸＲＤ線幅とオフ角度の関係を示す図である。
【図３】ＰＬ強度とオフ角度の関係を示す図である。
【図４】オフ角度が０．２５度の場合におけるＡＦＭによる実験結果を示す図であり、（ａ）はＲＭＳラフネス、（ｂ）はＡＦＭ像である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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