(57)【要約】【課題】半導体層に生ずる格子歪みを効果的に緩和する。【解決手段】Ｓｉからなる基板１１上に、層厚が１０ｎｍのＡｌＮ結晶からなり、基板１１に対して親和性を有する第１層１２を形成し、第１層１２上に、層厚が５ｎｍのＢ（０．０１）Ａｌ（０．９９）Ｎ結晶からなり、第１層１２よりも転位密度の大きい第２層１３を形成し、第２層１３上に、層厚が８５ｎｍのＡｌＮ結晶からなり、第２層１３の転位の伝搬を抑える第３層１４を形成し、第３層１４上に層厚が３μｍのＧａＮ結晶からなる半導体層１５を形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物系化合物半導体結晶からなる半導体層を有する半導体結晶において、基板と上記半導体層との間に、少なくとも上記基板に対して親和性を有する第１層、上記第１層よりも転位密度の大きい第２層および上記第２層の転位の伝搬を抑える第３層を形成したことを特徴とする半導体結晶。
【請求項２】
上記第２層がＢを含む窒化物系化合物半導体からなり、上記第２層の窒化物系化合物半導体のＢの組成が０．０５以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体結晶。
【請求項３】
上記第１層がＡｌを含む窒化物系化合物半導体からなることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体結晶。
【請求項４】
上記第２層がＡｌおよびＢを含む窒化物系化合物半導体からなり、上記第２層の窒化物系化合物半導体のＢの組成が０．０５以下であることを特徴とする請求項１または３に記載の半導体結晶。
【請求項５】
上記第１層と上記第３層とが同じ組成の窒化物系化合物半導体からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体結晶。
【請求項６】
上記第２層の層厚が１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体結晶。
【請求項７】
上記第３層の層厚が５０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の半導体結晶。
【請求項８】
上記基板がＳｉからなり、上記Ｓｉの面方位が（１１１）または（１１１）と等価な面方位であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の半導体結晶。
【請求項９】
上記半導体層がＧａＮ結晶からなり、上記半導体層の層厚が０．５μｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の半導体結晶。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は窒化物系化合物半導体結晶からなる半導体層を有する半導体結晶に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
基板上に窒化物系化合物半導体（たとえば、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＢＮ、およびそれらの混晶）結晶からなる半導体層を形成した半導体結晶を製造するときには、窒化物系化合物半導体で構成された基板を用いることは困難である。このため、異種材料であるＳｉ（シリコン）、サファイヤ、炭化シリコン等からなる基板に窒化物系化合物半導体結晶からなる半導体層を形成している。しかしながら、この場合には基板と半導体層との格子定数、熱膨張係数の差によって、半導体層に格子歪みが発生して、マイクロクラック（ひび割れ）が生ずることがある。そこで、半導体層に発生する格子歪みを緩和することが考えられている。
【０００３】
図３は従来の半導体結晶を示す図である。図に示すように、Ｓｉからなる基板１上にＡｌＮからなる中間層２が形成され、中間層２上にＡｌＧａＩｎＮ結晶からなる半導体層３が形成されている。
【０００４】
この半導体結晶においては、基板１と半導体層３との間に中間層２が形成されているから、半導体層３に発生する格子歪みを緩和することができる。
【特許文献１】特許第３３５２７１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、このような半導体結晶においては、基板１が大口径となったとき、または半導体層３の厚さを大きくしたときには、中間層２によっては半導体層３に発生する格子歪みを緩和しきれなくなり、半導体層３に発生する歪み量が大きくなって、半導体層３にマイクロクラックが発生することがある。
【０００６】
本発明は上述の課題を解決するためになされたもので、半導体層に生ずる格子歪みを効果的に緩和することができる半導体結晶を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この目的を達成するため、本発明においては、窒化物系化合物半導体結晶からなる半導体層を有する半導体結晶において、基板と上記半導体層との間に、少なくとも上記基板に対して親和性を有する第１層、上記第１層よりも転位密度の大きい第２層および上記第２層の転位の伝搬を抑える第３層を形成する。
【０００８】
この場合、上記第２層として、Ｂを含む窒化物系化合物半導体からなり、上記第２層の窒化物系化合物半導体のＢの組成が０．０５以下であるものを用いてもよい。
【０００９】
これらの場合、上記第１層として、Ａｌを含む窒化物系化合物半導体からなるものを用いてもよい。
【００１０】
これらの場合、上記第２層として、ＡｌおよびＢを含む窒化物系化合物半導体からなり、上記第２層の窒化物系化合物半導体のＢの組成が０．０５以下であるものを用いてもよい。
【００１１】
これらの場合、上記第１層の材料と上記第３層の材料とを同じ組成の窒化物系化合物半導体としてもよい。
【００１２】
これらの場合、上記第２層の層厚を１０ｎｍ以下とするのが望ましい。
【００１３】
これらの場合、上記第３層の層厚を５０ｎｍ以上とするのが望ましい。
【００１４】
これらの場合、上記基板の材料をＳｉとし、上記Ｓｉの面方位を（１１１）または（１１１）と等価な面方位としてもよい。
【００１５】
これらの場合、上記半導体層の材料をＧａＮ結晶とし、上記半導体層の層厚を０．５μｍ以上としてもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る半導体結晶においては、第２層によって格子不整合が緩和されるから、半導体層に生ずる格子歪みを効果的に緩和することができ、また第２層と半導体層との間に第３層を形成しているから、半導体層の転位密度を小さくすることができる。
【００１７】
また、第１層の材料と第３層の材料とを同じ組成の窒化物系化合物半導体としときには、第１層と第３層とは格子整合しているから、急激な格子緩和や転位の生成を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は本発明に係る半導体結晶を示す断面図である。図に示すように、Ｓｉからなり、面方位が（１１１）または（１１１）と等価な面方位である基板１１上に、基板１１に対して親和性を有する第１層１２が形成されている。この第１層１２は層厚が１０ｎｍのＡｌＮ結晶からなり、第１層１２は基板１１のぬれ性を確保する。また、第１層１２上に第１層１２よりも転位密度が大きい第２層１３が形成されている。この第２層１３は層厚が５ｎｍのＢ（０．０１）Ａｌ（０．９９）Ｎ結晶からなり、第２層１３は格子不整合の緩和を促進する。また、第２層１３上に第２層１３で発生した転位が上層（第２層１３とは反対側の層）に伝搬するのを抑える第３層１４が形成されている。この第３層１４は層厚が８５ｎｍのＡｌＮ結晶からなり、第３層１４は第２層１３で低下した結晶品質を回復する。そして、第１層１２のＡｌＮ結晶の組成と第３層１４のＡｌＮ結晶の組成とは同じである。また、第３層１４上に窒化物系化合物半導体結晶からなる半導体層１５が形成されている。この半導体層１５は層厚が３μｍのＧａＮ結晶からなる。
【００１９】
つぎに、図１に示した半導体結晶の製造方法を説明する。まず、基板１１の表面をＲＣＡ法またはフッ酸溶液で洗浄することにより、基板１１の表面を清浄にする。つぎに、基板１１をＭＯＣＶＤ装置に装填し、水素雰囲気化で昇温してサーマルクリーニングを行なったのち、ＡｌＮ結晶を成長させることにより、第１層１２を形成する。つぎに、第１層１２上にＢＡｌＮ結晶を成長させることにより第２層１３を形成する。この場合、ＡｌＮにＢ（ホウ素）を添加して、Frank  van  der  Merweモード（Ｆ−Ｍモード）からStranski-Krastanovモード（Ｓ−Ｋモード）ライクな成長様式に変化させる。ここで、Frank  van  der  Merweモード、Stranski-Krastanovモードはエピタキシャル結晶成長における基本成長様式であって、Frank  van  der  Merweモードは原子一層ずつ成長が進行して平坦な表面となるモードであり、またStranski-Krastanovモードは初めに成長される数層は原子一層ずつ成長するが、途中から歪の影響でドット形状の島状形状に変化するモードである。そして、Stranski-Krastanovモードライクな成長様式とは、歪の影響でドット形状の島状形状に変化する純粋なStranski-Krastanovモードではないが、Frank  van  der  Merweモードからの移行によって表面モフォロジが変化し、転位の発生を促進する成長様式である。このFrank  van  der  MerweモードからStranski-Krastanovモードライクな成長様式に変化させることによって、ドットもしくはドットが会合してできた島状の構造が無数に存在するような表面になり、図２に示すように、島状の構造を基点として第２層１３に転位２１が生成される。また、Ｂを添加すると、ＢＡｌＮとＡｌＮとの格子定数の相違による歪の急激な増加、およびキュービック（cubic）構造のＢＮとウルツ鉱（wurtzite）構造のＡｌＮとの結晶構造の相違により、表面モフォロジが変化して転位の発生を促進する。つぎに、第２層１３上にＡｌＮ結晶を成長させることにより第３層１４を形成する。つぎに、第３層１４上にＧａＮ結晶を成長させることにより半導体層１５を形成する。
【００２０】
ここで一般に、基板上に形成された半導体層の転位密度を小さくしたときには、基板と半導体層との格子定数、熱膨張係数の差から半導体層に生じる格子歪みが緩和しにくく、半導体層の厚さを大きくすると歪み量が増加し、ついには結晶が自らの応力に耐えきれなくなり、マイクロクラック（せん断）等の部分破壊が発生することがある。一方、半導体層の転位密度を大きくしたときには、転位によって格子歪みが分散しやすいから、半導体層の厚さを大きくしたとしても、歪みの蓄積が少なくなる。しかしながら、半導体層の転位密度を大きくしたときには、転位が意図しないキャリアトラップや非発光再結合中心として働いたり、大電流注入時の高ストレス化でブレークダウンのトリガーとなったりするため、光デバイス、電子デバイス等の半導体素子の性能に悪影響を及ぼし、具体的には半導体レーザーの寿命を著しく短くし、また高電子移動度電界トランジスタに寄生容量成分が発生して、動作速度が低下する。これに対して、基板１１と半導体層１５との間に、基板１１に対して親和性を有する第１層１２、転位密度の大きい第２層１３および転位の伝搬を抑える第３層１４を形成したときには、第２層１３によって格子不整合が緩和されるから、半導体層１５に生ずる格子歪みを効果的に緩和することができるので、基板１１の口径を大きくし、また半導体層１５の厚さを大きくしたとしても、半導体層１５にマイクロクラックが発生するのを抑制することができる。しかも、第２層１３と半導体層１５との間に第３層１４を形成しているから、図２に示すように、第２層１３で生成された転位２１が半導体層１５に伝搬するのを、第３層１４により抑えることができるので、半導体層１５の転位密度は小さく、半導体層１５に形成される半導体素子の性能に悪影響を及ぼすことがない。
【００２１】
このように、図１に示した半導体結晶においては、基板１１と半導体層１５との間に、第１層１２、第２層１３および第３層１４を形成しているから、第２層１３によって格子不整合が緩和されるので、半導体層１５に生ずる格子歪みを効果的に緩和することができ、基板１１の口径を大きくし、また半導体層１５の厚さを大きくしたとしても、半導体層１５にマイクロクラックが発生することがなく、しかも第３層１４により転位２１が半導体層１５に伝搬するのが抑えられるから、半導体層１５の転位密度は小さい。たとえば、面方位が（１１１）であるＳｉからなる口径３インチの基板に層厚が３μｍのＧａＮからなる半導体層を形成したときには、半導体層にマイクロクラックが発生し、かつ基板の反りが凹状に６０μｍになる。これに対して、口径３インチの基板１１と層厚が３μｍの半導体層１５との間に、第１層１２、第２層１３および第３層１４を形成したときには、基板１１の反りが凹状に１０μｍ程度まで緩和され、しかもマイクロクラックの発生はない。また、第１層１２のＡｌＮ結晶の組成と第３層１４のＡｌＮ結晶の組成とは同じであるから、第１層１２と第３層１４とは格子整合しているので、急激な格子緩和や転位の生成を抑制することができる。また、ＡｌＮ結晶からなる第１層１２を用いているから、基板１１の表面が水素終端処理されて不活性化されていたとしても、良好な第１層１２を形成することができる。また、面方位が（１１１）または（１１１）と等価な面方位であるＳｉからなる基板１１を用いており、ウルツ鉱（wurtzite）構造のＧａＮが形成しやすい。
【００２２】
なお、上述実施の形態においては、Ｓｉからなる基板１１を用いたが、サファイヤ、炭化シリコン等からなる基板を用いてもよい。
【００２３】
また、上述実施の形態においては、窒化物系化合物半導体結晶からなる半導体層がＧａＮ結晶からなる半導体層１５である場合について説明したが、半導体層の窒化物系化合物半導体結晶がＡｌＧａＮ結晶、ＩｎＧａＮ結晶等である場合にも、本発明を適用することができる。
【００２４】
また、上述実施の形態においては、ＡｌＮ結晶からなる第１層１２を用いたが、Ｓｉからなる基板を用いる場合には、Ｇａを含んでいないＡｌ系の窒化物系化合物半導体たとえばＩｎＡｌＮ結晶からなる第１層を用いれば、ＳｉとＧａとの接触による反応（メルトバックエッチング）を回避することができる。また、サファイヤ、炭化シリコン等からなる基板を用いる場合には、Ｇａを含むＡｌＧａＮ結晶からなる第１層を用いてもよい。
【００２５】
また、上述実施の形態においては、ＢＡｌＮ結晶からなる第２層１３を用いたが、ＢＩｎＡｌＮ結晶、ＢＡｌＧａＮ結晶、ＢＧａＮ結晶からなる第２層を用いることができる。
【００２６】
また、上述実施の形態においては、第２層１３のＢＡｌＮ結晶のＢの組成を０．０１としたが、添加するＢの量に応じてFrank  van  der  MerweモードからStranski-Krastanovモードライクな成長様式への変化は急激にかつ強く生ずるようになり、一方でＢの組成が０．０５を越えるときには、第３層による結晶品質の回復が困難となるから、第２層のＢの組成を０．００１以上、０．０５以下にするのが望ましい。
【００２７】
また、上述実施の形態においては、第２層１３の層厚を５ｎｍとしたが、第２層の層厚が厚すぎると格子不整合の緩和により転位が増えすぎて、第３層による結晶品質の回復が困難となるから、第２層の層厚を１０ｎｍ以下にするのが望ましい。
【００２８】
また、上述実施の形態においては、ＡｌＮ結晶からなる第３層１４を用いたが、ＩｎＡｌＮ結晶、ＡｌＧａＮ結晶、ＧａＮ結晶からなる第３層を用いてもよい。
【００２９】
また、上述実施の形態においては、第３層１４の層厚を８５ｎｍとしたが、第２層で生成された転位を第３層で回復させるためには、第３層の層厚を５０ｎｍ以上とするのが望ましい。
【００３０】
また、上述実施の形態においては、半導体層１５の層厚を３μｍとしたが、ＧａＮからなる半導体層の層厚が０．５μｍ以上の場合に本発明の効果をより享受することができる。
【００３１】
また、第１層１２、第２層１３、第３層１４、半導体層１５の成長には、Ｖ族原料の窒素原子の供給に優れる有機金属気相エピタキシ（ＭＯＶＰＥ）法が好適であるが、本発明の主旨に反しない限りは分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法、ハロゲン化気相エピタキシ（ＨＶＰＥ）法などの結晶成長法を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係る半導体結晶を示す断面図である。
【図２】図１に示した半導体結晶に生ずる転位の状態を示す図である。
【図３】従来の半導体結晶を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３３】
１１…基板
１２…第１層
１３…第２層
１４…第３層
１５…半導体層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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