窒化アルミニウム結晶の製造方法、窒化アルミニウム結晶、窒化アルミニウム結晶基板および半導体デバイス
【課題】良好な特性を有する半導体デバイスを得ることができるＡｌＮ結晶の製造方法、ＡｌＮ結晶、ＡｌＮ結晶基板およびそのＡｌＮ結晶基板を用いて作製された半導体デバイスを提供する。
【解決手段】ＳｉＣ種結晶基板３の表面上にＡｌＮ結晶８を成長させる工程と、ＳｉＣ種結晶基板３の表面からＡｌＮ結晶８側に２ｍｍ以上６０ｍｍ以下の範囲８ａにある少なくとも一部のＡｌＮ結晶８ｂを取り出す工程と、を含む、ＡｌＮ結晶８の製造方法である。また、その方法により得られるＡｌＮ結晶８、ＡｌＮ結晶基板およびそのＡｌＮ結晶基板を用いて作製された半導体デバイスである。
【解決手段】ＳｉＣ種結晶基板３の表面上にＡｌＮ結晶８を成長させる工程と、ＳｉＣ種結晶基板３の表面からＡｌＮ結晶８側に２ｍｍ以上６０ｍｍ以下の範囲８ａにある少なくとも一部のＡｌＮ結晶８ｂを取り出す工程と、を含む、ＡｌＮ結晶８の製造方法である。また、その方法により得られるＡｌＮ結晶８、ＡｌＮ結晶基板およびそのＡｌＮ結晶基板を用いて作製された半導体デバイスである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）結晶の製造方法、ＡｌＮ結晶、ＡｌＮ結晶基板および半導体デバイスに関し、特に、良好な特性を有する半導体デバイスを得ることができるＡｌＮ結晶の製造方法、ＡｌＮ結晶およびＡｌＮ結晶基板とそのＡｌＮ結晶基板を用いて作製された半導体デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＡｌＮ結晶基板は、６．２ｅＶのエネルギバンドギャップ、約３．３ＷＫ-1ｃｍ-1の熱伝導率および高い電気抵抗を有しているため、光デバイスや電子デバイス等の半導体デバイスの基板として注目されている。
【０００３】
ＡｌＮ結晶基板は、昇華法やＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy）法等により、Ｓｉ（シリコン）結晶基板やＳｉＣ（炭化シリコン）結晶基板等の種結晶基板の表面上に成長させたＡｌＮ結晶により作製することができる。
【非特許文献１】B.Raghothamachar, M.Dudley, J.C.Rojo, K.Morgan and L.J.Schowalter, “X-ray characterization of bulk AIN single crystals grown by the sublimation technique”, Journal of Crystal Growth, vol.250, March 2003, p.244
【非特許文献２】X.Hu et al, “AlGaN/GaN heterostructure field-effect transistors on single-crystal bulk AlN”, Applied physics letters, vol.82, No.8, 2003, pp.1299-1301
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
半導体デバイスの製造コストを低減するためには、なるべく大きな表面を有するＡｌＮ結晶基板上に窒化物半導体単結晶層を気相成長させ、１枚のＡｌＮ結晶基板からなるべく多くの半導体デバイスを得ることが有効である。
【０００５】
しかしながら、このようなＡｌＮ結晶基板を用いて製造された半導体デバイスの特性が悪化することがあり、良好な特性を有する半導体デバイスを得るためのＡｌＮ結晶基板の開発が望まれている。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、良好な特性を有する半導体デバイスを得ることができるＡｌＮ結晶の製造方法、ＡｌＮ結晶およびＡｌＮ結晶基板とそのＡｌＮ結晶基板を用いて作製された半導体デバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、ＳｉＣ種結晶基板の表面上にＡｌＮ結晶を成長させる工程と、ＳｉＣ種結晶基板の表面からＡｌＮ結晶側に２ｍｍ以上６０ｍｍ以下の範囲にある少なくとも一部のＡｌＮ結晶を取り出す工程と、を含む、ＡｌＮ結晶の製造方法である。
【０００８】
また、本発明は、ＳｉＣ種結晶基板の表面上にＡｌＮ結晶を成長させる工程と、ＳｉＣ種結晶基板の表面からＡｌＮ結晶側に２ｍｍ以上６０ｍｍ以下の範囲にある少なくとも一部のＡｌＮ結晶を取り出す工程と、取り出したＡｌＮ結晶の表面上にＡｌＮ結晶を成長させる工程と、を含む、ＡｌＮ結晶の製造方法である。
【０００９】
ここで、本発明のＡｌＮ結晶の製造方法においては、ＳｉＣ種結晶基板の厚さが１５０μｍ以上４００μｍ以下であることが好ましい。
【００１０】
また、本発明のＡｌＮ結晶の製造方法においては、ＳｉＣ種結晶基板の表面上にＡｌＮ結晶を成長させるときのＳｉＣ種結晶基板の温度が１６５０℃以上であることが好ましい。
【００１１】
また、本発明のＡｌＮ結晶の製造方法においては、ＳｉＣ種結晶基板の表面上への窒化アルミニウム結晶の成長を昇華法により行なうことができる。
【００１２】
また、本発明は、面積が１０ｃｍ2以上の表面を有し、転位密度が１×１０3個／ｃｍ2以上１×１０6個／ｃｍ2以下であるＡｌＮ結晶である。
【００１３】
ここで、本発明のＡｌＮ結晶においては、転位密度が２×１０4個／ｃｍ2以上５×１０5個／ｃｍ2以下であることが好ましい。
【００１４】
また、本発明のＡｌＮ結晶においては、らせん転位、刃状転位および混合転位からなる群から選択された少なくとも１種の転位を含み、転位密度に対するらせん転位の転位密度の比が０．２以下であることが好ましい。
【００１５】
また、本発明のＡｌＮ結晶においては、らせん転位の転位密度が１×１０4個／ｃｍ2以下であることが好ましい。
【００１６】
また、本発明は、ＳｉＣ種結晶基板の表面上にＡｌＮ結晶を成長させ、ＳｉＣ種結晶基板の表面からＡｌＮ結晶側に２ｍｍ以上６０ｍｍ以下の範囲の少なくとも一部から取り出されたＡｌＮ結晶である。
【００１７】
また、本発明は、ＳｉＣ種結晶基板の表面上にＡｌＮ結晶を成長させ、ＳｉＣ種結晶基板の表面からＡｌＮ結晶側に２ｍｍ以上６０ｍｍ以下の範囲の少なくとも一部からＡｌＮ結晶を取り出し、取り出されたＡｌＮ結晶の表面上に成長させたＡｌＮ結晶である。
【００１８】
ここで、本発明のＡｌＮ結晶は、厚さが１５０μｍ以上４００μｍ以下であるＳｉＣ種結晶基板を用いて作製されたことが好ましい。
【００１９】
また、本発明のＡｌＮ結晶は、ＳｉＣ種結晶基板の表面上にＡｌＮ結晶を成長させるときのＳｉＣ種結晶基板の温度が１６５０℃以上として作製されたことが好ましい。
【００２０】
また、本発明のＡｌＮ結晶は、ＳｉＣ種結晶基板の表面上に昇華法によって作製されたことが好ましい。
【００２１】
また、本発明は、上記のいずれかのＡｌＮ結晶からなるＡｌＮ結晶基板である。
さらに、本発明は、上記のＡｌＮ結晶基板を用いて作製された半導体デバイスである。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、良好な特性を有する半導体デバイスを得ることができるＡｌＮ結晶の製造方法、ＡｌＮ結晶およびＡｌＮ結晶基板とそのＡｌＮ結晶基板を用いて作製された半導体デバイスを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は同一部分または相当部分を表わすものとする。
【００２４】
従来においては、半導体デバイスの特性を良好にするためには、ＡｌＮ結晶基板を構成するＡｌＮ結晶の転位密度は低ければ低いほど良いと考えられていたが、本発明者らは、ＡｌＮ結晶基板を構成するＡｌＮ結晶の転位密度が低すぎても半導体デバイスの特性が悪化することを見い出した。そして、本発明者らは、面積が１０ｃｍ2以上の表面を有する大型のＡｌＮ結晶からなるＡｌＮ結晶基板において、そのＡｌＮ結晶基板を構成するＡｌＮ結晶の転位密度を１×１０3個／ｃｍ2以上１×１０6個／ｃｍ2以下とすることにより、半導体デバイスの特性が良好になることを見い出し、本発明を完成するに至った。
【００２５】
すなわち、面積が１０ｃｍ2以上の表面を有し、転位密度が１×１０3個／ｃｍ2未満であるＡｌＮ結晶からなるＡｌＮ結晶基板上に半導体膜を順次堆積する等して半導体デバイスを作製した場合には、半導体デバイスの特性が悪化する。また、面積が１０ｃｍ2以上の表面を有し、転位密度が１×１０6個／ｃｍ2よりも高いＡｌＮ結晶からなるＡｌＮ結晶基板上に半導体膜を順次堆積する等して半導体デバイスを作製した場合にも半導体デバイスの特性が悪化する。
【００２６】
また、本発明者らは、面積が１０ｃｍ2以上の表面を有し、転位密度が２×１０4個／ｃｍ2以上５×１０5個／ｃｍ2以下であるＡｌＮ結晶からなるＡｌＮ結晶基板上に半導体膜を順次堆積する等して半導体デバイスを作製した場合には、半導体デバイスの特性が特に良好となることも見い出した。
【００２７】
ＡｌＮ結晶基板を構成するＡｌＮ結晶の転位密度が１×１０3個／ｃｍ2未満と低すぎる場合に半導体デバイスの特性が悪化する理由は明らかとなっていないが、以下のように推定される。すなわち、ＡｌＮ結晶基板中の転位は、ＡｌＮ結晶基板中の不純物やＡｌＮ結晶基板の組成ズレに起因する析出物にゲッター（吸い込み口）として機能するため、ＡｌＮ結晶基板を構成するＡｌＮ結晶の転位密度が低すぎるとそのゲッターとしての機能が十分に発揮されなくなる。そのため、ＡｌＮ結晶基板を構成するＡｌＮ結晶の転位が少ない部分については上記の不純物や析出物が残ってしまい、その転位が少ない部分の結晶性が低下し、その転位が存在しない部分上に成長させた半導体膜の結晶性も低下すると考えられる。これにより、ＡｌＮ結晶基板を構成するＡｌＮ結晶の転位密度が１×１０3個／ｃｍ2未満と低すぎる場合には、半導体デバイスの特性が悪化するものと考えられる。
【００２８】
また、ＡｌＮ結晶基板を構成するＡｌＮ結晶には、らせん転位、刃状転位、およびらせん転位と刃状転位とが混合した混合転位からなる群から選択された少なくとも１種の転位が含まれ得る。ここで、ＡｌＮ結晶の転位全体の密度（すなわち、上記でいうＡｌＮ結晶の転位密度）に対するらせん転位の転位密度の比は０．２以下であることが好ましい。転位全体の密度に対するらせん転位の転位密度の比が０．２以下であるＡｌＮ結晶からなるＡｌＮ結晶基板の表面上に半導体膜を順次堆積する等して半導体デバイスを作製した場合には、その半導体デバイスの特性が良好となる傾向にある。
【００２９】
また、本発明者らは、らせん転位の転位密度が１×１０4個／ｃｍ2以下であるＡｌＮ結晶からなるＡｌＮ結晶基板の表面上に半導体膜を順次堆積する等して半導体デバイスを作製した場合には半導体デバイスの特性がさらに良好となる傾向にあり、また、ＡｌＮ結晶基板を構成するＡｌＮ結晶にらせん転位が存在しない場合にもこのような傾向を有することを見い出した。
【００３０】
なお、本発明において、ＡｌＮ結晶の転位密度は、２５０℃のＫＯＨとＮａＯＨとの混合融液（ＫＯＨの質量：ＮａＯＨの質量＝１：１）を用いて、３０分間、ＡｌＮ結晶の表面のエッチングを行ない、その表面に現われたエッチピットの密度を測定する方法により求められる。
【００３１】
また、本発明において、ＡｌＮ結晶における転位が、刃状転位、らせん転位またはこれらが混合した混合転位のいずれに該当するかは上記の方法によりＡｌＮ結晶基板の表面に現われたエッチピットの大きさで判別することができる。らせん転位に対応するエッチピットはその最大径が１０μｍ以上１５μｍ以下であり、刃状転位に対応するエッチピットはその最大径が１μｍ以上５μｍ以下である。なお、本発明において、「最大径」とは、エッチピットの周縁上に存在する２点を結ぶ線分のうち最も長い線分の長さのことをいう。
【００３２】
本発明のＡｌＮ結晶は、たとえば、昇華法により、Ｓｉ結晶基板やＳｉＣ結晶基板等の種結晶基板上にＡｌＮ結晶を成長させ、ＡｌＮ結晶の成長によるＡｌＮ結晶の長尺化過程においてＡｌＮ結晶中の転位の大部分がｃ軸以外の方向に伝播し、種結晶基板から離れるほどＡｌＮ結晶の転位密度が小さくなると考えられ、そのことを利用して作製することができる。
【００３３】
たとえば、まず、図１の模式的断面図に示すように、種結晶基板として１０ｃｍ2以上の面積の表面を有するＳｉＣ種結晶基板３を用意し、ＳｉＣ種結晶基板３のその表面上にＡｌＮ結晶８を昇華法により成長させる。
【００３４】
次に、図２の模式的断面図に示すように、ＳｉＣ種結晶基板３の表面から窒化ＡｌＮ結晶８側に２ｍｍ以上６０ｍｍ以下、好ましくは３ｍｍ以上２０ｍｍ以下の範囲８ａ（図２の斜線部）にある少なくとも一部のＡｌＮ結晶８ｂ（ここでは、図２の破線部を切断することによって得られる部分）を取り出す。
【００３５】
このようにして作製されたＡｌＮ結晶８ｂは、１０ｃｍ2以上の面積の表面を有し、転位密度が１×１０3個／ｃｍ2以上１×１０6個／ｃｍ2以下、好ましくは転位密度が２×１０4個／ｃｍ2以上５×１０5個／ｃｍ2以下のＡｌＮ結晶となる。
【００３６】
また、上述のようにして作製されたＡｌＮ結晶８ｂからなるＡｌＮ結晶基板を種結晶基板として、種結晶基板となるＡｌＮ結晶基板の表面上に昇華法によりＡｌＮ結晶を成長させる。そして、成長したＡｌＮ結晶の少なくとも一部を取り出すことによっても、１０ｃｍ2以上の面積の表面を有し、転位密度が１×１０3個／ｃｍ2以上１×１０6個／ｃｍ2以下、好ましくは転位密度が２×１０4個／ｃｍ2以上５×１０5個／ｃｍ2以下のＡｌＮ結晶を作製することができる。
【００３７】
また、上記において、種結晶基板となるＳｉＣ種結晶基板３の厚さは１５０μｍ以上４００μｍ以下であることが好ましく、１５０μｍ以上３５０μｍ以下であることがより好ましく、１５０μｍ以上３００μｍ以下であることが最も好ましい。ＳｉＣ種結晶基板３の厚さを上記の厚さとすることによって上記に示した転位密度のＡｌＮ結晶が得られやすくなる。
【００３８】
また、上記において、ＳｉＣ種結晶基板３の表面上に窒化アルミニウム結晶８を成長させるときのＳｉＣ種結晶基板３の温度は１６５０℃以上であることが好ましい。ＡｌＮ結晶８と格子定数が１％程度の差を有するＳｉＣ種結晶基板３を用いることで、ＳｉＣ種結晶基板３から数μｍのところで格子緩和が起こり、大部分のらせん転位がループして消滅することを利用してらせん転位を低減することが考えられる。また、ＡｌＮ結晶８の成長初期は空孔や結晶粒の合体による引張応力を発生させないようにステップフロー成長となるような条件で成長させることで転位密度を低減することができる。そして、このような転位の挙動は、ＳｉＣ種結晶基板３の表面上に窒化アルミニウム結晶８を成長させるときのＳｉＣ種結晶基板３の温度が１６５０℃以上である場合に顕著に見ることができる。
【実施例】
【００３９】
（ＡｌＮ結晶基板の作製）
直径が２インチで厚さが２５０μｍのＳｉＣ種結晶基板の表面上に、昇華法により以下のようにしてＡｌＮ結晶を成長させる。
【００４０】
図３に、本実施例で用いられるＡｌＮ結晶の成長装置の模式的な断面図を示す。まず、グラファイト製の坩堝１の下部にＡｌＮ粉末等のＡｌＮ原料２を収容し、坩堝１の上部に表面が平坦に加工されたＳｉＣ種結晶基板３を設置する。ここで、ＳｉＣ種結晶基板３の裏面には、ＳｉＣ種結晶基板３の裏面からのＳｉＣの昇華を防止する目的で、グラファイト製の種結晶基板保護材４を密着するように設置する。
【００４１】
次に、反応容器５内に窒素ガスを流しながら、高周波加熱コイル６を用いて加熱体７を加熱することにより、坩堝１内の温度を上昇させる。ここで、坩堝１内のＳｉＣ種結晶基板３側の温度を２０００℃、ＡｌＮ原料２側の温度を２２００℃に保持し、ＡｌＮ原料２からＡｌＮを昇華させて、坩堝１の上部に設置されたＳｉＣ種結晶基板３の表面上に厚さ３０μｍ程度のＡｌＮ結晶膜を成長させ、その後、ＡｌＮ原料２側の温度のみを２４００℃まで上昇させ、ＡｌＮ結晶８を１００時間成長させる。
【００４２】
その後、ＡｌＮ結晶８を室温（２５℃）まで冷却して、装置から取り出す。すると、直径が２インチのＳｉＣ種結晶基板３上に厚さ１０ｍｍのＡｌＮ結晶８が成長する。
【００４３】
そして、図４の模式的断面図に示すように、上記のようにして得られたＡｌＮ結晶８のＳｉＣ種結晶基板３の表面から２ｍｍ以上離れた位置からスライスを開始し、（０００２）面を表面として有する直径が２インチのＡｌＮ結晶基板９を１０枚作製する。そして、これら１０枚のＡｌＮ結晶基板９のＡｌ面を鏡面研磨する。
【００４４】
さらに、上記の図１に示す成長装置を用いた昇華法によって、図５の模式的断面図に示すように、上記のようにして得られたＡｌＮ結晶基板９の表面上にＡｌＮ結晶１０を成長させる。
【００４５】
ここで、ＡｌＮ結晶１０は、ＡｌＮ結晶基板９側の温度を２０００℃に保持しながら、ＡｌＮ原料２側の温度を室温から２４００℃まで一定の勾配で上昇させ、ＡｌＮ原料２からＡｌＮを昇華させることによって、１００時間成長させられる。
【００４６】
その後、成長したＡｌＮ結晶１０を室温（２５℃）まで冷却して、成長装置から取り出される。これにより、直径が２インチ弱のＡｌＮ結晶１０が得られる。 そして、図６の模式的断面図に示すように、ＡｌＮ結晶１０をスライスすることによってＡｌＮ結晶基板１１が取り出される。
【００４７】
（転位密度の測定）
上記のＡｌＮ結晶８から取り出された１０枚のＡｌＮ結晶基板９および上記のＡｌＮ結晶１０から取り出された任意の１枚のＡｌＮ結晶基板１１の表面のそれぞれを２５０℃のＫＯＨとＮａＯＨとの混合融液（ＫＯＨの質量：ＮａＯＨの質量＝１：１）を用いて３０分間エッチングし、転位に対応するエッチピットを出現させる。このエッチピットの密度を算出することによって、それぞれのＡｌＮ結晶基板の転位密度および分布を求める。このとき転位はＡｌＮ結晶基板の表面内で集中することなく、全体に均一に存在している。
【００４８】
なお、ＡｌＮ結晶基板９の転位密度は、ＳｉＣ種結晶基板３から離れた位置にあるＡｌＮ結晶基板９ほど低くなる傾向にある。
【００４９】
また、ＡｌＮ結晶１０から取り出されたＡｌＮ結晶基板１１の転位は種結晶基板となったＡｌＮ結晶基板９の転位密度および分布とほぼ同一になる。そのため、所望の転位密度と分布を有するＡｌＮ結晶基板１１は再現性良く得られる。
【００５０】
（半導体デバイスの作製）
ＡｌＮ結晶８またはＡｌＮ結晶１０から切り出した転位密度がそれぞれ異なる１０枚のＡｌＮ結晶基板２２のそれぞれのＡｌ面上に半導体膜および金属膜を順次堆積して、図７の模式的断面図に示す構造の電界効果トランジスタを作製する。
【００５１】
詳細には、まず、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition;有機金属化学気相成長）法により、ＡｌＮ結晶基板２２のＡｌ面上に０．５μｍの厚さのＡｌＮ膜１２、１００ｎｍの厚さのＧａＮ膜１３および３０ｎｍの厚さのＡｌＧａＮ膜１４をこの順序でエピタキシャル成長させることにより堆積する。このとき、上記のＡｌＮ膜１２およびＧａＮ膜１３はそれぞれノンドープである。
【００５２】
次に、ＡｌＧａＮ膜１４の表面上に、Ｔｉ膜１５、Ａｌ膜１６、Ｔｉ膜１７およびＡｕ膜１８をこの順序で堆積することによって、ソース電極１９およびドレイン電極２０をそれぞれ形成する。
【００５３】
次いで、ＡｌＧａＮ膜１４の表面上のソース電極１９とドレイン電極２０との間にＡｕ膜からなるゲート電極２１を形成する。このときゲート長は２μｍであり、ゲート電極２１とソース電極１９との間の距離およびゲート電極２１とドレイン電極２０との間の距離はそれぞれ１０μｍである。
【００５４】
そして、ゲート電極２１の形成後のウエハをチップ状に分割して、図７に示す構造の電界効果トランジスタを作製する。
【００５５】
（半導体デバイスの評価）
上記のようにして作製した電界効果トランジスタのゲート電極２１とドレイン電極２０との間の破壊電圧を測定すると、転位密度が１×１０3個／ｃｍ2以上１×１０6個／ｃｍ2以下であるＡｌＮ結晶からなるＡｌＮ結晶基板を用いて作製された電界効果トランジスタの破壊電圧は高くなっており、特に、転位密度が２×１０4個／ｃｍ2以上１×１０5個／ｃｍ2以下であるＡｌＮ結晶からなるＡｌＮ結晶基板を用いて作製された電界効果トランジスタについては、１２００〜１２５０Ｖというさらに高い破壊電圧で安定する。
【００５６】
しかしながら、転位密度が１×１０2個／ｃｍ2であるＡｌＮ結晶からなるＡｌＮ結晶基板を用いて作製された電界効果トランジスタおよび転位密度が５×１０6個／ｃｍ2であるＡｌＮ結晶からなるＡｌＮ結晶基板を用いて作製された電界効果トランジスタのゲート電極２１とドレイン電極２０との間の破壊電圧は、転位密度が２×１０4個／ｃｍ2以上１×１０5個／ｃｍ2以下であるＡｌＮ結晶からなるＡｌＮ結晶基板を用いて作製された電界効果トランジスタの約１／２倍（５００〜６００Ｖ）という低い破壊電圧となる。
【００５７】
また、転位密度が２×１０4個／ｃｍ2以上１×１０5個／ｃｍ2以下であるＡｌＮ結晶からなるＡｌＮ結晶基板を用いた場合であっても、らせん転位、刃状転位および混合転位からなる群から選択された少なくとも１種の転位を含み、ＡｌＮ結晶の転位全体の密度に対するらせん転位の転位密度の比が０．２よりも高い場合には、電界効果トランジスタのゲート電極２１とドレイン電極２０との間の破壊電圧は１０５０〜１１００Ｖとなり、上記のらせん転位の転位密度の比が０．２以下の場合（１２００〜１２５０Ｖ）と比べて破壊電圧が低下する。
【００５８】
また、転位密度が２×１０4個／ｃｍ2以上１×１０5個／ｃｍ2以下であって、らせん転位、刃状転位および混合転位からなる群から選択された少なくとも１種の転位を含み、ＡｌＮ結晶の転位全体の密度に対するらせん転位の転位密度の比が０．２以下であり、さらにはらせん転位の転位密度が１×１０4個／ｃｍ2以下であるＡｌＮ結晶からなるＡｌＮ結晶基板を用いた場合には、電界効果トランジスタの上記破壊電圧はさらに高まり、１３００Ｖ付近で安定する。したがって、ＡｌＮ結晶基板のらせん転位の転位密度は１×１０4個／ｃｍ2以下であることが好ましい。
【００５９】
なお、本実施例においては、半導体デバイスの評価を電界効果トランジスタのゲート電極とドレイン電極との間の破壊電圧により評価したが、半導体膜の結晶性が特性に影響する他の半導体デバイスについても上記と同様の評価が得られるものと考えられる。
【００６０】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明のＡｌＮ結晶基板を用いて、発光素子（発光ダイオード、レーザダイオードなど）、電子デバイス（整流器、バイポーラトランジスタ、電界効果トランジスタまたはＨＥＭＴなど）、半導体センサ（温度センサ、圧力センサ、放射センサまたは可視−紫外光検出器など）、ＳＡＷデバイス（Surface Acoustic Wave Device）、加速度センサ、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）部品、圧電振動子、共振器または圧電アクチュエータなどの半導体デバイスを作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明のＡｌＮ結晶の製造方法の一例の製造工程の一部を図解する模式的な断面図である。
【図２】本発明のＡｌＮ結晶の製造方法の一例の製造工程の他の一部を図解する模式的な断面図である。
【図３】本発明の実施例で用いられるＡｌＮ結晶の成長装置の模式的な断面図である。
【図４】本発明の実施例においてＡｌＮ結晶からＡｌＮ結晶基板を得る方法の一例を図解する模式的な断面図である。
【図５】本発明の実施例においてＡｌＮ結晶基板の表面上にＡｌＮ結晶を成長させる方法の一例を図解する模式的な断面図である。
【図６】本発明の実施例においてＡｌＮ結晶からＡｌＮ結晶基板を得る方法の他の一例を図解する模式的な断面図である。
【図７】本発明の実施例で作製される電界効果トランジスタの構造を示す模式的な断面図である。
【符号の説明】
【００６３】
１ 坩堝、２ ＡｌＮ原料、３ ＳｉＣ種結晶基板、４ 種結晶基板保護材、５ 反応容器、６ 高周波加熱コイル、７ 加熱体、８，８ｂ，１０ ＡｌＮ結晶、８ａ 範囲、９，１１，２２ ＡｌＮ結晶基板、１２ ＡｌＮ膜、１３ ＧａＮ膜、１４ ＡｌＧａＮ膜、１５，１７ Ｔｉ膜、１６ Ａｌ膜、１８ Ａｕ膜、１９ ソース電極、２０ ドレイン電極、２１ ゲート電極。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）結晶の製造方法、ＡｌＮ結晶、ＡｌＮ結晶基板および半導体デバイスに関し、特に、良好な特性を有する半導体デバイスを得ることができるＡｌＮ結晶の製造方法、ＡｌＮ結晶およびＡｌＮ結晶基板とそのＡｌＮ結晶基板を用いて作製された半導体デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＡｌＮ結晶基板は、６．２ｅＶのエネルギバンドギャップ、約３．３ＷＫ-1ｃｍ-1の熱伝導率および高い電気抵抗を有しているため、光デバイスや電子デバイス等の半導体デバイスの基板として注目されている。
【０００３】
ＡｌＮ結晶基板は、昇華法やＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy）法等により、Ｓｉ（シリコン）結晶基板やＳｉＣ（炭化シリコン）結晶基板等の種結晶基板の表面上に成長させたＡｌＮ結晶により作製することができる。
【非特許文献１】B.Raghothamachar, M.Dudley, J.C.Rojo, K.Morgan and L.J.Schowalter, “X-ray characterization of bulk AIN single crystals grown by the sublimation technique”, Journal of Crystal Growth, vol.250, March 2003, p.244
【非特許文献２】X.Hu et al, “AlGaN/GaN heterostructure field-effect transistors on single-crystal bulk AlN”, Applied physics letters, vol.82, No.8, 2003, pp.1299-1301
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
半導体デバイスの製造コストを低減するためには、なるべく大きな表面を有するＡｌＮ結晶基板上に窒化物半導体単結晶層を気相成長させ、１枚のＡｌＮ結晶基板からなるべく多くの半導体デバイスを得ることが有効である。
【０００５】
しかしながら、このようなＡｌＮ結晶基板を用いて製造された半導体デバイスの特性が悪化することがあり、良好な特性を有する半導体デバイスを得るためのＡｌＮ結晶基板の開発が望まれている。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、良好な特性を有する半導体デバイスを得ることができるＡｌＮ結晶の製造方法、ＡｌＮ結晶およびＡｌＮ結晶基板とそのＡｌＮ結晶基板を用いて作製された半導体デバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、ＳｉＣ種結晶基板の表面上にＡｌＮ結晶を成長させる工程と、ＳｉＣ種結晶基板の表面からＡｌＮ結晶側に２ｍｍ以上６０ｍｍ以下の範囲にある少なくとも一部のＡｌＮ結晶を取り出す工程と、を含む、ＡｌＮ結晶の製造方法である。
【０００８】
また、本発明は、ＳｉＣ種結晶基板の表面上にＡｌＮ結晶を成長させる工程と、ＳｉＣ種結晶基板の表面からＡｌＮ結晶側に２ｍｍ以上６０ｍｍ以下の範囲にある少なくとも一部のＡｌＮ結晶を取り出す工程と、取り出したＡｌＮ結晶の表面上にＡｌＮ結晶を成長させる工程と、を含む、ＡｌＮ結晶の製造方法である。
【０００９】
ここで、本発明のＡｌＮ結晶の製造方法においては、ＳｉＣ種結晶基板の厚さが１５０μｍ以上４００μｍ以下であることが好ましい。
【００１０】
また、本発明のＡｌＮ結晶の製造方法においては、ＳｉＣ種結晶基板の表面上にＡｌＮ結晶を成長させるときのＳｉＣ種結晶基板の温度が１６５０℃以上であることが好ましい。
【００１１】
また、本発明のＡｌＮ結晶の製造方法においては、ＳｉＣ種結晶基板の表面上への窒化アルミニウム結晶の成長を昇華法により行なうことができる。
【００１２】
また、本発明は、面積が１０ｃｍ2以上の表面を有し、転位密度が１×１０3個／ｃｍ2以上１×１０6個／ｃｍ2以下であるＡｌＮ結晶である。
【００１３】
ここで、本発明のＡｌＮ結晶においては、転位密度が２×１０4個／ｃｍ2以上５×１０5個／ｃｍ2以下であることが好ましい。
【００１４】
また、本発明のＡｌＮ結晶においては、らせん転位、刃状転位および混合転位からなる群から選択された少なくとも１種の転位を含み、転位密度に対するらせん転位の転位密度の比が０．２以下であることが好ましい。
【００１５】
また、本発明のＡｌＮ結晶においては、らせん転位の転位密度が１×１０4個／ｃｍ2以下であることが好ましい。
【００１６】
また、本発明は、ＳｉＣ種結晶基板の表面上にＡｌＮ結晶を成長させ、ＳｉＣ種結晶基板の表面からＡｌＮ結晶側に２ｍｍ以上６０ｍｍ以下の範囲の少なくとも一部から取り出されたＡｌＮ結晶である。
【００１７】
また、本発明は、ＳｉＣ種結晶基板の表面上にＡｌＮ結晶を成長させ、ＳｉＣ種結晶基板の表面からＡｌＮ結晶側に２ｍｍ以上６０ｍｍ以下の範囲の少なくとも一部からＡｌＮ結晶を取り出し、取り出されたＡｌＮ結晶の表面上に成長させたＡｌＮ結晶である。
【００１８】
ここで、本発明のＡｌＮ結晶は、厚さが１５０μｍ以上４００μｍ以下であるＳｉＣ種結晶基板を用いて作製されたことが好ましい。
【００１９】
また、本発明のＡｌＮ結晶は、ＳｉＣ種結晶基板の表面上にＡｌＮ結晶を成長させるときのＳｉＣ種結晶基板の温度が１６５０℃以上として作製されたことが好ましい。
【００２０】
また、本発明のＡｌＮ結晶は、ＳｉＣ種結晶基板の表面上に昇華法によって作製されたことが好ましい。
【００２１】
また、本発明は、上記のいずれかのＡｌＮ結晶からなるＡｌＮ結晶基板である。
さらに、本発明は、上記のＡｌＮ結晶基板を用いて作製された半導体デバイスである。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、良好な特性を有する半導体デバイスを得ることができるＡｌＮ結晶の製造方法、ＡｌＮ結晶およびＡｌＮ結晶基板とそのＡｌＮ結晶基板を用いて作製された半導体デバイスを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は同一部分または相当部分を表わすものとする。
【００２４】
従来においては、半導体デバイスの特性を良好にするためには、ＡｌＮ結晶基板を構成するＡｌＮ結晶の転位密度は低ければ低いほど良いと考えられていたが、本発明者らは、ＡｌＮ結晶基板を構成するＡｌＮ結晶の転位密度が低すぎても半導体デバイスの特性が悪化することを見い出した。そして、本発明者らは、面積が１０ｃｍ2以上の表面を有する大型のＡｌＮ結晶からなるＡｌＮ結晶基板において、そのＡｌＮ結晶基板を構成するＡｌＮ結晶の転位密度を１×１０3個／ｃｍ2以上１×１０6個／ｃｍ2以下とすることにより、半導体デバイスの特性が良好になることを見い出し、本発明を完成するに至った。
【００２５】
すなわち、面積が１０ｃｍ2以上の表面を有し、転位密度が１×１０3個／ｃｍ2未満であるＡｌＮ結晶からなるＡｌＮ結晶基板上に半導体膜を順次堆積する等して半導体デバイスを作製した場合には、半導体デバイスの特性が悪化する。また、面積が１０ｃｍ2以上の表面を有し、転位密度が１×１０6個／ｃｍ2よりも高いＡｌＮ結晶からなるＡｌＮ結晶基板上に半導体膜を順次堆積する等して半導体デバイスを作製した場合にも半導体デバイスの特性が悪化する。
【００２６】
また、本発明者らは、面積が１０ｃｍ2以上の表面を有し、転位密度が２×１０4個／ｃｍ2以上５×１０5個／ｃｍ2以下であるＡｌＮ結晶からなるＡｌＮ結晶基板上に半導体膜を順次堆積する等して半導体デバイスを作製した場合には、半導体デバイスの特性が特に良好となることも見い出した。
【００２７】
ＡｌＮ結晶基板を構成するＡｌＮ結晶の転位密度が１×１０3個／ｃｍ2未満と低すぎる場合に半導体デバイスの特性が悪化する理由は明らかとなっていないが、以下のように推定される。すなわち、ＡｌＮ結晶基板中の転位は、ＡｌＮ結晶基板中の不純物やＡｌＮ結晶基板の組成ズレに起因する析出物にゲッター（吸い込み口）として機能するため、ＡｌＮ結晶基板を構成するＡｌＮ結晶の転位密度が低すぎるとそのゲッターとしての機能が十分に発揮されなくなる。そのため、ＡｌＮ結晶基板を構成するＡｌＮ結晶の転位が少ない部分については上記の不純物や析出物が残ってしまい、その転位が少ない部分の結晶性が低下し、その転位が存在しない部分上に成長させた半導体膜の結晶性も低下すると考えられる。これにより、ＡｌＮ結晶基板を構成するＡｌＮ結晶の転位密度が１×１０3個／ｃｍ2未満と低すぎる場合には、半導体デバイスの特性が悪化するものと考えられる。
【００２８】
また、ＡｌＮ結晶基板を構成するＡｌＮ結晶には、らせん転位、刃状転位、およびらせん転位と刃状転位とが混合した混合転位からなる群から選択された少なくとも１種の転位が含まれ得る。ここで、ＡｌＮ結晶の転位全体の密度（すなわち、上記でいうＡｌＮ結晶の転位密度）に対するらせん転位の転位密度の比は０．２以下であることが好ましい。転位全体の密度に対するらせん転位の転位密度の比が０．２以下であるＡｌＮ結晶からなるＡｌＮ結晶基板の表面上に半導体膜を順次堆積する等して半導体デバイスを作製した場合には、その半導体デバイスの特性が良好となる傾向にある。
【００２９】
また、本発明者らは、らせん転位の転位密度が１×１０4個／ｃｍ2以下であるＡｌＮ結晶からなるＡｌＮ結晶基板の表面上に半導体膜を順次堆積する等して半導体デバイスを作製した場合には半導体デバイスの特性がさらに良好となる傾向にあり、また、ＡｌＮ結晶基板を構成するＡｌＮ結晶にらせん転位が存在しない場合にもこのような傾向を有することを見い出した。
【００３０】
なお、本発明において、ＡｌＮ結晶の転位密度は、２５０℃のＫＯＨとＮａＯＨとの混合融液（ＫＯＨの質量：ＮａＯＨの質量＝１：１）を用いて、３０分間、ＡｌＮ結晶の表面のエッチングを行ない、その表面に現われたエッチピットの密度を測定する方法により求められる。
【００３１】
また、本発明において、ＡｌＮ結晶における転位が、刃状転位、らせん転位またはこれらが混合した混合転位のいずれに該当するかは上記の方法によりＡｌＮ結晶基板の表面に現われたエッチピットの大きさで判別することができる。らせん転位に対応するエッチピットはその最大径が１０μｍ以上１５μｍ以下であり、刃状転位に対応するエッチピットはその最大径が１μｍ以上５μｍ以下である。なお、本発明において、「最大径」とは、エッチピットの周縁上に存在する２点を結ぶ線分のうち最も長い線分の長さのことをいう。
【００３２】
本発明のＡｌＮ結晶は、たとえば、昇華法により、Ｓｉ結晶基板やＳｉＣ結晶基板等の種結晶基板上にＡｌＮ結晶を成長させ、ＡｌＮ結晶の成長によるＡｌＮ結晶の長尺化過程においてＡｌＮ結晶中の転位の大部分がｃ軸以外の方向に伝播し、種結晶基板から離れるほどＡｌＮ結晶の転位密度が小さくなると考えられ、そのことを利用して作製することができる。
【００３３】
たとえば、まず、図１の模式的断面図に示すように、種結晶基板として１０ｃｍ2以上の面積の表面を有するＳｉＣ種結晶基板３を用意し、ＳｉＣ種結晶基板３のその表面上にＡｌＮ結晶８を昇華法により成長させる。
【００３４】
次に、図２の模式的断面図に示すように、ＳｉＣ種結晶基板３の表面から窒化ＡｌＮ結晶８側に２ｍｍ以上６０ｍｍ以下、好ましくは３ｍｍ以上２０ｍｍ以下の範囲８ａ（図２の斜線部）にある少なくとも一部のＡｌＮ結晶８ｂ（ここでは、図２の破線部を切断することによって得られる部分）を取り出す。
【００３５】
このようにして作製されたＡｌＮ結晶８ｂは、１０ｃｍ2以上の面積の表面を有し、転位密度が１×１０3個／ｃｍ2以上１×１０6個／ｃｍ2以下、好ましくは転位密度が２×１０4個／ｃｍ2以上５×１０5個／ｃｍ2以下のＡｌＮ結晶となる。
【００３６】
また、上述のようにして作製されたＡｌＮ結晶８ｂからなるＡｌＮ結晶基板を種結晶基板として、種結晶基板となるＡｌＮ結晶基板の表面上に昇華法によりＡｌＮ結晶を成長させる。そして、成長したＡｌＮ結晶の少なくとも一部を取り出すことによっても、１０ｃｍ2以上の面積の表面を有し、転位密度が１×１０3個／ｃｍ2以上１×１０6個／ｃｍ2以下、好ましくは転位密度が２×１０4個／ｃｍ2以上５×１０5個／ｃｍ2以下のＡｌＮ結晶を作製することができる。
【００３７】
また、上記において、種結晶基板となるＳｉＣ種結晶基板３の厚さは１５０μｍ以上４００μｍ以下であることが好ましく、１５０μｍ以上３５０μｍ以下であることがより好ましく、１５０μｍ以上３００μｍ以下であることが最も好ましい。ＳｉＣ種結晶基板３の厚さを上記の厚さとすることによって上記に示した転位密度のＡｌＮ結晶が得られやすくなる。
【００３８】
また、上記において、ＳｉＣ種結晶基板３の表面上に窒化アルミニウム結晶８を成長させるときのＳｉＣ種結晶基板３の温度は１６５０℃以上であることが好ましい。ＡｌＮ結晶８と格子定数が１％程度の差を有するＳｉＣ種結晶基板３を用いることで、ＳｉＣ種結晶基板３から数μｍのところで格子緩和が起こり、大部分のらせん転位がループして消滅することを利用してらせん転位を低減することが考えられる。また、ＡｌＮ結晶８の成長初期は空孔や結晶粒の合体による引張応力を発生させないようにステップフロー成長となるような条件で成長させることで転位密度を低減することができる。そして、このような転位の挙動は、ＳｉＣ種結晶基板３の表面上に窒化アルミニウム結晶８を成長させるときのＳｉＣ種結晶基板３の温度が１６５０℃以上である場合に顕著に見ることができる。
【実施例】
【００３９】
（ＡｌＮ結晶基板の作製）
直径が２インチで厚さが２５０μｍのＳｉＣ種結晶基板の表面上に、昇華法により以下のようにしてＡｌＮ結晶を成長させる。
【００４０】
図３に、本実施例で用いられるＡｌＮ結晶の成長装置の模式的な断面図を示す。まず、グラファイト製の坩堝１の下部にＡｌＮ粉末等のＡｌＮ原料２を収容し、坩堝１の上部に表面が平坦に加工されたＳｉＣ種結晶基板３を設置する。ここで、ＳｉＣ種結晶基板３の裏面には、ＳｉＣ種結晶基板３の裏面からのＳｉＣの昇華を防止する目的で、グラファイト製の種結晶基板保護材４を密着するように設置する。
【００４１】
次に、反応容器５内に窒素ガスを流しながら、高周波加熱コイル６を用いて加熱体７を加熱することにより、坩堝１内の温度を上昇させる。ここで、坩堝１内のＳｉＣ種結晶基板３側の温度を２０００℃、ＡｌＮ原料２側の温度を２２００℃に保持し、ＡｌＮ原料２からＡｌＮを昇華させて、坩堝１の上部に設置されたＳｉＣ種結晶基板３の表面上に厚さ３０μｍ程度のＡｌＮ結晶膜を成長させ、その後、ＡｌＮ原料２側の温度のみを２４００℃まで上昇させ、ＡｌＮ結晶８を１００時間成長させる。
【００４２】
その後、ＡｌＮ結晶８を室温（２５℃）まで冷却して、装置から取り出す。すると、直径が２インチのＳｉＣ種結晶基板３上に厚さ１０ｍｍのＡｌＮ結晶８が成長する。
【００４３】
そして、図４の模式的断面図に示すように、上記のようにして得られたＡｌＮ結晶８のＳｉＣ種結晶基板３の表面から２ｍｍ以上離れた位置からスライスを開始し、（０００２）面を表面として有する直径が２インチのＡｌＮ結晶基板９を１０枚作製する。そして、これら１０枚のＡｌＮ結晶基板９のＡｌ面を鏡面研磨する。
【００４４】
さらに、上記の図１に示す成長装置を用いた昇華法によって、図５の模式的断面図に示すように、上記のようにして得られたＡｌＮ結晶基板９の表面上にＡｌＮ結晶１０を成長させる。
【００４５】
ここで、ＡｌＮ結晶１０は、ＡｌＮ結晶基板９側の温度を２０００℃に保持しながら、ＡｌＮ原料２側の温度を室温から２４００℃まで一定の勾配で上昇させ、ＡｌＮ原料２からＡｌＮを昇華させることによって、１００時間成長させられる。
【００４６】
その後、成長したＡｌＮ結晶１０を室温（２５℃）まで冷却して、成長装置から取り出される。これにより、直径が２インチ弱のＡｌＮ結晶１０が得られる。 そして、図６の模式的断面図に示すように、ＡｌＮ結晶１０をスライスすることによってＡｌＮ結晶基板１１が取り出される。
【００４７】
（転位密度の測定）
上記のＡｌＮ結晶８から取り出された１０枚のＡｌＮ結晶基板９および上記のＡｌＮ結晶１０から取り出された任意の１枚のＡｌＮ結晶基板１１の表面のそれぞれを２５０℃のＫＯＨとＮａＯＨとの混合融液（ＫＯＨの質量：ＮａＯＨの質量＝１：１）を用いて３０分間エッチングし、転位に対応するエッチピットを出現させる。このエッチピットの密度を算出することによって、それぞれのＡｌＮ結晶基板の転位密度および分布を求める。このとき転位はＡｌＮ結晶基板の表面内で集中することなく、全体に均一に存在している。
【００４８】
なお、ＡｌＮ結晶基板９の転位密度は、ＳｉＣ種結晶基板３から離れた位置にあるＡｌＮ結晶基板９ほど低くなる傾向にある。
【００４９】
また、ＡｌＮ結晶１０から取り出されたＡｌＮ結晶基板１１の転位は種結晶基板となったＡｌＮ結晶基板９の転位密度および分布とほぼ同一になる。そのため、所望の転位密度と分布を有するＡｌＮ結晶基板１１は再現性良く得られる。
【００５０】
（半導体デバイスの作製）
ＡｌＮ結晶８またはＡｌＮ結晶１０から切り出した転位密度がそれぞれ異なる１０枚のＡｌＮ結晶基板２２のそれぞれのＡｌ面上に半導体膜および金属膜を順次堆積して、図７の模式的断面図に示す構造の電界効果トランジスタを作製する。
【００５１】
詳細には、まず、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition;有機金属化学気相成長）法により、ＡｌＮ結晶基板２２のＡｌ面上に０．５μｍの厚さのＡｌＮ膜１２、１００ｎｍの厚さのＧａＮ膜１３および３０ｎｍの厚さのＡｌＧａＮ膜１４をこの順序でエピタキシャル成長させることにより堆積する。このとき、上記のＡｌＮ膜１２およびＧａＮ膜１３はそれぞれノンドープである。
【００５２】
次に、ＡｌＧａＮ膜１４の表面上に、Ｔｉ膜１５、Ａｌ膜１６、Ｔｉ膜１７およびＡｕ膜１８をこの順序で堆積することによって、ソース電極１９およびドレイン電極２０をそれぞれ形成する。
【００５３】
次いで、ＡｌＧａＮ膜１４の表面上のソース電極１９とドレイン電極２０との間にＡｕ膜からなるゲート電極２１を形成する。このときゲート長は２μｍであり、ゲート電極２１とソース電極１９との間の距離およびゲート電極２１とドレイン電極２０との間の距離はそれぞれ１０μｍである。
【００５４】
そして、ゲート電極２１の形成後のウエハをチップ状に分割して、図７に示す構造の電界効果トランジスタを作製する。
【００５５】
（半導体デバイスの評価）
上記のようにして作製した電界効果トランジスタのゲート電極２１とドレイン電極２０との間の破壊電圧を測定すると、転位密度が１×１０3個／ｃｍ2以上１×１０6個／ｃｍ2以下であるＡｌＮ結晶からなるＡｌＮ結晶基板を用いて作製された電界効果トランジスタの破壊電圧は高くなっており、特に、転位密度が２×１０4個／ｃｍ2以上１×１０5個／ｃｍ2以下であるＡｌＮ結晶からなるＡｌＮ結晶基板を用いて作製された電界効果トランジスタについては、１２００〜１２５０Ｖというさらに高い破壊電圧で安定する。
【００５６】
しかしながら、転位密度が１×１０2個／ｃｍ2であるＡｌＮ結晶からなるＡｌＮ結晶基板を用いて作製された電界効果トランジスタおよび転位密度が５×１０6個／ｃｍ2であるＡｌＮ結晶からなるＡｌＮ結晶基板を用いて作製された電界効果トランジスタのゲート電極２１とドレイン電極２０との間の破壊電圧は、転位密度が２×１０4個／ｃｍ2以上１×１０5個／ｃｍ2以下であるＡｌＮ結晶からなるＡｌＮ結晶基板を用いて作製された電界効果トランジスタの約１／２倍（５００〜６００Ｖ）という低い破壊電圧となる。
【００５７】
また、転位密度が２×１０4個／ｃｍ2以上１×１０5個／ｃｍ2以下であるＡｌＮ結晶からなるＡｌＮ結晶基板を用いた場合であっても、らせん転位、刃状転位および混合転位からなる群から選択された少なくとも１種の転位を含み、ＡｌＮ結晶の転位全体の密度に対するらせん転位の転位密度の比が０．２よりも高い場合には、電界効果トランジスタのゲート電極２１とドレイン電極２０との間の破壊電圧は１０５０〜１１００Ｖとなり、上記のらせん転位の転位密度の比が０．２以下の場合（１２００〜１２５０Ｖ）と比べて破壊電圧が低下する。
【００５８】
また、転位密度が２×１０4個／ｃｍ2以上１×１０5個／ｃｍ2以下であって、らせん転位、刃状転位および混合転位からなる群から選択された少なくとも１種の転位を含み、ＡｌＮ結晶の転位全体の密度に対するらせん転位の転位密度の比が０．２以下であり、さらにはらせん転位の転位密度が１×１０4個／ｃｍ2以下であるＡｌＮ結晶からなるＡｌＮ結晶基板を用いた場合には、電界効果トランジスタの上記破壊電圧はさらに高まり、１３００Ｖ付近で安定する。したがって、ＡｌＮ結晶基板のらせん転位の転位密度は１×１０4個／ｃｍ2以下であることが好ましい。
【００５９】
なお、本実施例においては、半導体デバイスの評価を電界効果トランジスタのゲート電極とドレイン電極との間の破壊電圧により評価したが、半導体膜の結晶性が特性に影響する他の半導体デバイスについても上記と同様の評価が得られるものと考えられる。
【００６０】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明のＡｌＮ結晶基板を用いて、発光素子（発光ダイオード、レーザダイオードなど）、電子デバイス（整流器、バイポーラトランジスタ、電界効果トランジスタまたはＨＥＭＴなど）、半導体センサ（温度センサ、圧力センサ、放射センサまたは可視−紫外光検出器など）、ＳＡＷデバイス（Surface Acoustic Wave Device）、加速度センサ、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）部品、圧電振動子、共振器または圧電アクチュエータなどの半導体デバイスを作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明のＡｌＮ結晶の製造方法の一例の製造工程の一部を図解する模式的な断面図である。
【図２】本発明のＡｌＮ結晶の製造方法の一例の製造工程の他の一部を図解する模式的な断面図である。
【図３】本発明の実施例で用いられるＡｌＮ結晶の成長装置の模式的な断面図である。
【図４】本発明の実施例においてＡｌＮ結晶からＡｌＮ結晶基板を得る方法の一例を図解する模式的な断面図である。
【図５】本発明の実施例においてＡｌＮ結晶基板の表面上にＡｌＮ結晶を成長させる方法の一例を図解する模式的な断面図である。
【図６】本発明の実施例においてＡｌＮ結晶からＡｌＮ結晶基板を得る方法の他の一例を図解する模式的な断面図である。
【図７】本発明の実施例で作製される電界効果トランジスタの構造を示す模式的な断面図である。
【符号の説明】
【００６３】
１ 坩堝、２ ＡｌＮ原料、３ ＳｉＣ種結晶基板、４ 種結晶基板保護材、５ 反応容器、６ 高周波加熱コイル、７ 加熱体、８，８ｂ，１０ ＡｌＮ結晶、８ａ 範囲、９，１１，２２ ＡｌＮ結晶基板、１２ ＡｌＮ膜、１３ ＧａＮ膜、１４ ＡｌＧａＮ膜、１５，１７ Ｔｉ膜、１６ Ａｌ膜、１８ Ａｕ膜、１９ ソース電極、２０ ドレイン電極、２１ ゲート電極。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳｉＣ種結晶基板の表面上に窒化アルミニウム結晶を成長させる工程と、前記ＳｉＣ種結晶基板の表面から前記窒化アルミニウム結晶側に２ｍｍ以上６０ｍｍ以下の範囲にある少なくとも一部の窒化アルミニウム結晶を取り出す工程と、を含む、窒化アルミニウム結晶の製造方法。
【請求項２】
ＳｉＣ種結晶基板の表面上に窒化アルミニウム結晶を成長させる工程と、前記ＳｉＣ種結晶基板の表面から前記窒化アルミニウム結晶側に２ｍｍ以上６０ｍｍ以下の範囲にある少なくとも一部の窒化アルミニウム結晶を取り出す工程と、前記取り出した窒化アルミニウム結晶の表面上に窒化アルミニウム結晶を成長させる工程と、を含む、窒化アルミニウム結晶の製造方法。
【請求項３】
前記ＳｉＣ種結晶基板の厚さが１５０μｍ以上４００μｍ以下であることを特徴とする、請求項１または２に記載の窒化アルミニウム結晶の製造方法。
【請求項４】
前記ＳｉＣ種結晶基板の表面上に窒化アルミニウム結晶を成長させるときの前記ＳｉＣ種結晶基板の温度が１６５０℃以上であることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の窒化アルミニウム結晶の製造方法。
【請求項５】
前記ＳｉＣ種結晶基板の表面上への窒化アルミニウム結晶の成長を昇華法により行なうことを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の窒化アルミニウム結晶の製造方法。
【請求項６】
面積が１０ｃｍ2以上の表面を有し、転位密度が１×１０3個／ｃｍ2以上１×１０6個／ｃｍ2以下である、窒化アルミニウム結晶。
【請求項７】
前記転位密度が２×１０4個／ｃｍ2以上５×１０5個／ｃｍ2以下であることを特徴とする、請求項６に記載の窒化アルミニウム結晶。
【請求項８】
らせん転位、刃状転位および混合転位からなる群から選択された少なくとも１種の転位を含み、前記転位密度に対するらせん転位の転位密度の比が０．２以下であることを特徴とする、請求項６または７に記載の窒化アルミニウム結晶。
【請求項９】
らせん転位の転位密度が１×１０4個／ｃｍ2以下であることを特徴とする、請求項６から８のいずれかに記載の窒化アルミニウム結晶。
【請求項１０】
ＳｉＣ種結晶基板の表面上に窒化アルミニウム結晶を成長させ、前記ＳｉＣ種結晶基板の表面から前記窒化アルミニウム結晶側に２ｍｍ以上６０ｍｍ以下の範囲の少なくとも一部から取り出された、請求項６から９のいずれかに記載の窒化アルミニウム結晶。
【請求項１１】
ＳｉＣ種結晶基板の表面上に窒化アルミニウム結晶を成長させ、前記ＳｉＣ種結晶基板の表面から前記窒化アルミニウム結晶側に２ｍｍ以上６０ｍｍ以下の範囲の少なくとも一部から窒化アルミニウム結晶を取り出し、前記取り出された窒化アルミニウム結晶の表面上に成長させた、請求項６から９のいずれかに記載の窒化アルミニウム結晶。
【請求項１２】
前記ＳｉＣ種結晶基板の厚さが１５０μｍ以上４００μｍ以下であることを特徴とする、請求項１０または１１に記載の窒化アルミニウム結晶。
【請求項１３】
前記ＳｉＣ種結晶基板の表面上に窒化アルミニウム結晶を成長させるときの前記ＳｉＣ種結晶基板の温度が１６５０℃以上であることを特徴とする、請求項１０から１２のいずれかに記載の窒化アルミニウム結晶。
【請求項１４】
前記ＳｉＣ種結晶基板の表面上への窒化アルミニウム結晶の成長を昇華法によって行なうことを特徴とする、請求項１０から１３のいずれかに記載の窒化アルミニウム結晶。
【請求項１５】
請求項６から１４のいずれかに記載の窒化アルミニウム結晶からなる、窒化アルミニウム結晶基板。
【請求項１６】
請求項１５に記載の窒化アルミニウム結晶基板を用いて作製された、半導体デバイス。
【請求項１】
ＳｉＣ種結晶基板の表面上に窒化アルミニウム結晶を成長させる工程と、前記ＳｉＣ種結晶基板の表面から前記窒化アルミニウム結晶側に２ｍｍ以上６０ｍｍ以下の範囲にある少なくとも一部の窒化アルミニウム結晶を取り出す工程と、を含む、窒化アルミニウム結晶の製造方法。
【請求項２】
ＳｉＣ種結晶基板の表面上に窒化アルミニウム結晶を成長させる工程と、前記ＳｉＣ種結晶基板の表面から前記窒化アルミニウム結晶側に２ｍｍ以上６０ｍｍ以下の範囲にある少なくとも一部の窒化アルミニウム結晶を取り出す工程と、前記取り出した窒化アルミニウム結晶の表面上に窒化アルミニウム結晶を成長させる工程と、を含む、窒化アルミニウム結晶の製造方法。
【請求項３】
前記ＳｉＣ種結晶基板の厚さが１５０μｍ以上４００μｍ以下であることを特徴とする、請求項１または２に記載の窒化アルミニウム結晶の製造方法。
【請求項４】
前記ＳｉＣ種結晶基板の表面上に窒化アルミニウム結晶を成長させるときの前記ＳｉＣ種結晶基板の温度が１６５０℃以上であることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の窒化アルミニウム結晶の製造方法。
【請求項５】
前記ＳｉＣ種結晶基板の表面上への窒化アルミニウム結晶の成長を昇華法により行なうことを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の窒化アルミニウム結晶の製造方法。
【請求項６】
面積が１０ｃｍ2以上の表面を有し、転位密度が１×１０3個／ｃｍ2以上１×１０6個／ｃｍ2以下である、窒化アルミニウム結晶。
【請求項７】
前記転位密度が２×１０4個／ｃｍ2以上５×１０5個／ｃｍ2以下であることを特徴とする、請求項６に記載の窒化アルミニウム結晶。
【請求項８】
らせん転位、刃状転位および混合転位からなる群から選択された少なくとも１種の転位を含み、前記転位密度に対するらせん転位の転位密度の比が０．２以下であることを特徴とする、請求項６または７に記載の窒化アルミニウム結晶。
【請求項９】
らせん転位の転位密度が１×１０4個／ｃｍ2以下であることを特徴とする、請求項６から８のいずれかに記載の窒化アルミニウム結晶。
【請求項１０】
ＳｉＣ種結晶基板の表面上に窒化アルミニウム結晶を成長させ、前記ＳｉＣ種結晶基板の表面から前記窒化アルミニウム結晶側に２ｍｍ以上６０ｍｍ以下の範囲の少なくとも一部から取り出された、請求項６から９のいずれかに記載の窒化アルミニウム結晶。
【請求項１１】
ＳｉＣ種結晶基板の表面上に窒化アルミニウム結晶を成長させ、前記ＳｉＣ種結晶基板の表面から前記窒化アルミニウム結晶側に２ｍｍ以上６０ｍｍ以下の範囲の少なくとも一部から窒化アルミニウム結晶を取り出し、前記取り出された窒化アルミニウム結晶の表面上に成長させた、請求項６から９のいずれかに記載の窒化アルミニウム結晶。
【請求項１２】
前記ＳｉＣ種結晶基板の厚さが１５０μｍ以上４００μｍ以下であることを特徴とする、請求項１０または１１に記載の窒化アルミニウム結晶。
【請求項１３】
前記ＳｉＣ種結晶基板の表面上に窒化アルミニウム結晶を成長させるときの前記ＳｉＣ種結晶基板の温度が１６５０℃以上であることを特徴とする、請求項１０から１２のいずれかに記載の窒化アルミニウム結晶。
【請求項１４】
前記ＳｉＣ種結晶基板の表面上への窒化アルミニウム結晶の成長を昇華法によって行なうことを特徴とする、請求項１０から１３のいずれかに記載の窒化アルミニウム結晶。
【請求項１５】
請求項６から１４のいずれかに記載の窒化アルミニウム結晶からなる、窒化アルミニウム結晶基板。
【請求項１６】
請求項１５に記載の窒化アルミニウム結晶基板を用いて作製された、半導体デバイス。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００７−２１４５４７（Ｐ２００７−２１４５４７Ａ）
【公開日】平成１９年８月２３日（２００７．８．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３４３９１５（Ｐ２００６−３４３９１５）
【出願日】平成１８年１２月２１日（２００６．１２．２１）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年８月２３日（２００７．８．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１２月２１日（２００６．１２．２１）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]