窒化物半導体ウェーハ及び窒化物半導体素子
【課題】多結晶ＡｌＮ基板を用いつつ結晶性にすぐれた窒化物半導体ウェーハ及び窒化物半導体素子を提供する。
【解決手段】配向性を有する多結晶窒化アルミニウムからなり、主面上に複数のステップ１０Ｓが形成された基板１０と、前記基板の前記主面上に設けられた単結晶の窒化物半導体層２５とを備えた窒化物半導体ウェーハ１及び前記窒化物半導体層２５の上に設けられた電極を備えた窒化物半導体素子。
【解決手段】配向性を有する多結晶窒化アルミニウムからなり、主面上に複数のステップ１０Ｓが形成された基板１０と、前記基板の前記主面上に設けられた単結晶の窒化物半導体層２５とを備えた窒化物半導体ウェーハ１及び前記窒化物半導体層２５の上に設けられた電極を備えた窒化物半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体ウェーハ及び窒化物半導体素子に関し、特に、多結晶窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板上に形成した窒化物半導体ウェーハ及び窒化物半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）は、エネルギーギャップが３ｅＶ以上と大きいので、青色ＬＥＤ（Light Emitting diode）素子あるいはＬＤ(Laser diode)素子等の光デバイス以外にも、スイッチング素子やパワー半導体素子、ＲＦスイッチング素子等の半導体デバイスとして使用されつつある。
【０００３】
ＧａＮを形成する基板としては、ＧａＮ、炭化珪素（ＳｉＣ）、サファイア、シリコン（Ｓｉ）などを用いる試みがされている。しかしながら、サファイア基板やシリコン基板では、ＧａＮ系材料との格子定数差が大きいため、大口径基板上の成長ウェハでは反りが大きく、その後のプロセスにも支障が出やすいという問題がある。一方、ＳｉＣ基板やＧａＮ基板は、ＧａＮ系材料との格子定数差は数パーセント以内と小さいが、価格がＳｉ基板やサファイア基板の数十倍以上と高い。
【０００４】
このため、ＧａＮ系を成長させても反りが小さく、かつ比較的安価な成長基板が求められている。そのような基板の候補として、高い熱伝導率とＧａＮに近い格子定数を有する窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の多結晶基板が挙げられる（特許文献１）。
【特許文献１】特許第３４１０８６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、多結晶ＡｌＮ基板を用いつつ結晶性にすぐれた窒化物半導体ウェーハ及び窒化物半導体素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様によれば、
配向性を有する多結晶窒化アルミニウムからなり、主面上に複数のステップが形成された基板と、
前記基板の前記主面上に設けられた単結晶の窒化物半導体層と、
を備えたことを特徴とする窒化物半導体ウェーハが提供される。
【０００７】
また、本発明の他の一態様によれば、
配向性を有する多結晶窒化アルミニウムからなり、主面上に複数のステップが形成された基板と、
前記基板の前記主面上に設けられた単結晶の窒化物半導体層と、
前記窒化物半導体層の上に設けられた電極と、
を備えたことを特徴とする窒化物半導体素子が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、多結晶ＡｌＮ基板を用い、結晶性にすぐれた窒化物半導体ウェーハ及び窒化物半導体素子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】
【０００９】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る窒化物半導体ウェーハの断面構造を例示する模式図である。
また、図２は、図１の窒化物半導体ウェーハに用いられる基板１０を表す（ａ）断面図と、（ｂ）平面図である。
【００１０】
すなわち、本具体例の窒化物半導体ウェーハ１は、主面上に複数のステップ１０Ｓが設けられた多結晶窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板１０と、その上に形成されたバッファ層２０と、さらにその上に形成された窒化物半導体層２５と、を有する。
【００１１】
バッファ層２０は、例えば、ＡｌＮにより形成することができ、その上に形成する窒化物半導体層２５の結晶性を向上させるために設けられている。一方、その上に設けられる窒化物半導体層２５は、窒化物半導体からなるひとつまたは複数の層を有することものすることができる。この窒化物半導体ウェーハ１は、後に詳述するように、例えばＦＥＴ（Field Effect Transistor）などの電子デバイスや、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）あるいはＬＤ（Laser Diode）などの光デバイスの主要部として用いることができる。そして、その用途に応じて、バッファ層２０や、窒化物半導体層２５の材料や厚み、積層構造を適宜選択することができる。
【００１２】
多結晶ＡｌＮ基板１０は、複数のＡｌＮ単結晶粒が集合した多結晶構造を有する。これらＡｌＮ単結晶粒の平均粒径は、例えば３〜１０マイクロメータ程度とすることができる。また、これらＡｌＮ単結晶粒は、特定の結晶軸が略同方向を向く配向性を有する。例えば、多結晶ＡｌＮ基板１０を構成するそれぞれのＡｌＮ単結晶粒は、それらのｃ軸が略平行となる配向性を有する。そして、この場合、基板１０の主面に対してｃ軸は略垂直方向とされている。つまり、基板１０を構成するそれぞれのＡｌＮ単結晶粒は、その＜０００１＞方向が基板１０の主面に対して垂直またはこれに近い方向となるような結晶方位を有する。ただしこの場合に、これらＡｌＮ単結晶粒のａ軸方向すなわち＜１１−２０＞方向、あるいはｍ軸すなわち＜１０−１０＞方向は、特に配向性を有さず、ランダムな方位であってもよい。
【００１３】
そして、多結晶ＡｌＮ基板１０の表面には、高さＨが例えば数ナノメータ程度の複数のステップ１０Ｓが互いに略平行となるように形成されている。隣接するステップ１０Ｓの間隔Ｗは、例えば数１００ナノメータ〜数マイクロメータ程度とすることができる。また、ステップ１０Ｓは、必ずしも直線状である必要はなく、屈曲部や湾曲部を有していてもよい。つまり、巨視的に見て、基板１０の主面に複数のテラスが形成されていればよい。
【００１４】
このような基板１０の上に窒化物半導体を成長させると、そのｃ軸は成長方向に対してほぼ平行となり、さらに、ａ軸あるいはｍ軸はステップ１０Ｓの延在方向に対してほぼ平行または垂直となる。つまり、多結晶ＡｌＮ基板１０の上に単結晶の窒化物半導体層を成長させることができる。
【００１５】
図３は、本発明の実施形態に係る窒化物半導体ウェーハの製造方法を表すフローチャートである。
【００１６】
また、図４は、本発明の実施形態に係る窒化物半導体ウェーハの製造方法を例示する工程断面図である。
まず、図４（ａ）に表したように、一方向に高低差のあるテラス状のステップを有する多結晶ＡｌＮ基板１０を形成する（ステップＳ１００）。多結晶ＡｌＮ基板１０は、例えば、以下のような方法で製造できる。すなわち、還元窒化法あるいは直接窒化法により得られたＡｌＮ粉末に、焼結を促進させる焼結助剤粉末、例えば希土類酸化物粉末等を数パーセント程度添加して乾式混合する。この粉末に成形性を良好にする液状及び固形状の有機バインダーを適量添加して、ボールトンミリング機や攪拌機を用いて均一混合して湿粉状あるいはスラリー状の調製粉末にする。この調製粉末を押出成型機やテープ成形機に供給しシート状を形成した後、金型等でプレスして所望形状の成形体を作製する。次いで、この成形体を脱脂炉に投入し、空気あるいは非酸化性雰囲気の大気圧下、温度３５０〜６００℃、２〜６時間保持して有機バインダーを除去する。そして、焼成炉に投入して非酸化性雰囲気下、常圧あるいは加圧しつつ温度１６５０〜１９００℃、０．５〜６時間保持すると、高密度の多結晶ＡｌＮ基板が得られる。
【００１７】
このような方法により得られた多結晶ＡｌＮ基板の表面にステップ１０Ｓを形成する。ステップ１０Ｓは、例えば、ｃ軸に配向した多結晶ＡｌＮ基板の表面を、ｃ軸に対してほぼ垂直な平坦面に鏡面加工した後に、特定の方向に傾斜させて表面を研磨することにより形成することができる。この時、傾斜角度を調節することにより、ステップ１０Ｓの高さや間隔を調整できる。例えば、基板の主面をｃ軸に対して垂直な方向から約０．１度傾斜させて化学的機械的研磨法（chemical mechanical polishing:ＣＭＰ）により研磨すると、ステップ１０Ｓの高さＨと間隔Ｗとの比率を、およそ１：１００とすることができる。つまり、ステップ１０Ｓの高さＨが１０ナノメータで、間隔Ｗが１マイクロメータ程度のテラス状の表面を形成することが可能である。この時、最終的な仕上げ面の平滑性を調節することにより、ステップの高さＨを調節できる。つまり、仕上げ面の平滑性（あるいは鏡面度）を高くすれば、ステップの高さＨを低く（すなわち、間隔Ｗを広く）することが可能である。
【００１８】
次に、この多結晶ＡｌＮ基板１０の上にバッファ層２０を成長させる。この際の成長方法としては、例えば有機金属気相成長（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition：ＭＯＣＶＤ）や、分子線エピタキシー（Molecular Beam Epitaxy：ＭＢＥ）、あるいはハイドライドＣＶＤやクロライドＣＶＤなどの方法を用いることが可能である。
多結晶ＡｌＮ基板１０の上に、例えばＡｌＮからなるバッファ層２０の成長を開始すると、まず、ステップ１０Ｓの近傍に、ＡｌＮバッファ層２０が島状に成長し始める（ステップＳ１１０）。この時、島状のバッファ層２０のｃ軸は、基板１０のｃ軸の方位に対してほぼ同方向となる。つまり、基板１０の主面に対してほぼ垂直方向がｃ軸となるようにＡｌＮバッファ層２０が成長を開始する。
【００１９】
さらに成長を続けると、島状のＡｌＮバッファ層２０は、ステップ１０Ｓからラテラル方向にステップフロー成長を始める。この時、図４（ｂ）に矢印で表したステップフロー成長の方向は、ｃ軸に対して垂直方向のａ軸方向＜１１−２０＞方向あるいはｍ軸方向＜１０−１０＞となる。そして、ステップフロー成長が進行することにより、図４（ｃ）に表したように、基板１０の表面を覆ってレイヤー状のバッファ層２０が形成される。
【００２０】
このようにして所定の厚みの単結晶のバッファ層２０を成長した後に、図４（ｄ）に表したように窒化物半導体層２５をエピタキシャル成長させることができる。
【００２１】
以上説明したように、本実施形態によれば、ｃ軸に配向した多結晶ＡｌＮ基板１０の上に窒化物半導体層を成長させることにより、成長層のｃ軸の方向を規定することができ、さらに、基板１０の表面にステップ１０Ｓを設けることにより、成長層のａ軸あるいはｍ軸の方位を規定することが可能となる。このようにして、多結晶ＡｌＮ基板１０の上に、結晶方位を規定した単結晶の窒化物半導体層を成長させることができる。また、ステップ１０Ｓによりａ軸あるいはｍ軸の方位を規定することにより、バッファ層２０の成長の初期段階での結晶性を大幅に改善することができる。その結果として、バッファ層２０全体、およびその上に成長させる窒化物半導体層２５の結晶性も大幅に改善することができる。
【００２２】
本実施形態において用いる多結晶ＡｌＮ基板１０は、サファイア基板などと同程度の電気的特性を有し、さらにサファイア基板より放熱性に優れる。さらにまた、窒化物半導体との格子定数の「ずれ」が小さい点でも特に有利である。例えば、サファイア基板やシリコン基板などの場合、基板の直径が４インチ以上になるとウェーハの反りが大きくなる。その結果として、例えば、ステッパにチャッキングできず、プロセスを進めることが困難となる。これに対して、本実施形態において用いる多結晶ＡｌＮ基板１０は、窒化物半導体との格子定数の差が極めて小さいので、基板の直径が４インチ以上の場合もほとんど反りが生じない。
また一方、例えばＳｉＣ基板などの場合は、高価であり、しかも大口径の基板ができないが、本実施形態において用いる多結晶ＡｌＮ基板１０はＳｉＣ基板と比較して約一桁程度安価であり、しかも大口径の基板を製造することも容易である点で有利である。
【００２３】
本発明者は、本実施形態の窒化物半導体ウェーハと、比較例の窒化物半導体ウェーハとを比較検討した。
図５（ａ）は、本実施形態に係る窒化物半導体ウェーハの模式断面図であり、図５（ｂ）は比較例の窒化物半導体ウェーハを表す模式断面図である。
【００２４】
本実施形態の窒化物半導体ウェーハの場合、ステップ１０Ｓの平均高さＨはおよそ１０ナノメータであり、平均の間隔Ｗはおよそ５００ナノメータとした。一方、比較例の窒化物半導体ウェーハは、ステップが設けられていない多結晶ＡｌＮ基板５００の上に形成した。そして、いずれもＡｌＮバッファ層２０を介して厚み３マイクロメータのＧａＮ層３０を成長させた。
【００２５】
図６（ａ）及び図６（ｂ）は、それぞれ図５（ａ）及び図５（ｂ）に表した窒化物半導体ウェーハのＧａＮ層３０の（０００２）Ｘ線回折ピーク波形を表す模式図である。
（０００２）回折ピークの半値幅を比較すると、本実施形態の窒化物半導体ウェーハのＧａＮ層３０の半値幅ΔＷ１（図６（ａ））は、ステップの無い基板を用いた比較例の半値幅ΔＷ２（図６（ｂ））の半分程度であり、結晶性が優れていることが分かった。これは、多結晶ＡｌＮ基板１０の表面にステップ１０Ｓを形成することにより、その上に成長する成長層の成長初期段階でａ軸またはｍ軸の方位が規定され、成長層の結晶方位が揃いやすくなるからであると推定される。このように窒化物半導体層の結晶性を改善することにより、これを用いた各種の電子デバイスや光デバイスの初期特性や信頼性を向上させることが可能となる。
【００２６】
図７は、本発明の実施形態に係る窒化物半導体素子の具体例を表す模式断面図である。
本具体例の窒化物半導体素子は、ＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）型のトランジスタである。すなわち、多結晶ＡｌＮ基板１０の上には、アンドープのＡｌＮバッファ層２０、膜厚が約１００ナノメータのｐ型窒化ガリウム（ＧａＮ）層３０、膜厚が約３マイクロメータのアンドープＧａＮチャネル層４０、膜厚が約３０ナノメータのアンドープＡｌＧａＮバリア層（アルミニウム組成比２５パーセント）５０がこの順で設けられている。
また、ＡｌＧａＮバリア層５０の上には、ゲート電極９０と、これを挟むようにソース電極８０とドレイン電極１００とが設けられている。また、バリア層５０の表面は、窒化珪素（ＳｉＮ）保護膜６０により覆われている。
一方、多結晶ＡｌＮ基板１０の裏面側からその側面を介して、ＡｌＮバッファ層２０と、ｐ型ＧａＮ層３０の側面に沿って、ｐ側電極７０が設けられている。
【００２７】
ＡｌＮバッファ層２０は、多結晶ＡｌＮ基板１０の上に形成される成長初期の結晶欠陥を緩和し、その上に形成される窒化物半導体層の結晶性を向上させる役割を有する。ｐ型ＧａＮ層３０は、ＨＥＭＴに電圧が印加されてアバランシェ降伏が生じた場合に、正孔（ホール）をｐ側電極７０から排出させることにより、素子の耐圧を上げる役割を有する。
【００２８】
ＧａＮチャネル層４０は、キャリアを走行させる役割を有する。すなわち、バンドギャップの大きいＡｌＧａＮバリア層５０と、それよりもバンドギャップが小さいＧａＮチャネル層４０とを接合することにより、この接合界面に２次元電子ガス（２ＤＥＧ:2-dimensional electron gas）が形成され、キャリアが高い移動度で輸送される。ＳｉＮ保護膜６０は、湿気や腐食性雰囲気などから半導体素子を保護するために設けられ、この他にも例えば二酸化珪素（ＳｉＯ２）等を用いてもよい。
【００２９】
ソース電極８０とドレイン電極１００間は、ドレイン電極１００側が正極になるように電気的に接続され、ゲート電極９０とソース電極８０間は、ゲート電極９０が負極になるように電気的に接続される。ここで、ゲート電極９０とドレイン電極１００間の距離Ｄｇｄが、ソース電極８０とゲート電極９０間の距離Ｄｓｇより長くして非対称な構造を形成することにより（Ｄｇｄ＞Ｄｓｇ）、素子の耐圧を向上させることができる。
【００３０】
また、図７においては、ゲート電極９０とＡｌＧａＮバリア層５０とをショットキー接合させているが、後に詳述するように、それらの間にゲート絶縁膜を挟持したＭＩＳ（metal-insulator-semiconductor）ゲート構造や局所的にＡｌＧａＮ層５０を薄くしたリセスゲート構造としても、本実施形態と同様の効果が得られる。
【００３１】
そして、本具体例によれば、ＡｌＮ基板１０として、ｃ軸が主面に対して略垂直方向に配向した多結晶体を用い、さらにその主面に複数のステップ１０Ｓを設けることにより、図１〜図６に関して前述したように、良好な結晶性の単結晶層を成長させることができる。その結果として、チャネル層４０とバリア層５０との界面に形成される２ＤＥＧの移動度を上げて、オン抵抗を下げ、また、素子の耐圧も向上させることができる。
【００３２】
図８は、本具体例の窒化物半導体素子の製造方法を例示する工程断面図である。
まず、図８（ａ）に表したように、一方向に高低差のあるテラス状のステップを有する多結晶ＡｌＮ基板１０を形成する。その形成方法は、図４（ａ）に関して前述した如くである。この多結晶ＡｌＮ基板１０を、例えばＭＯＣＶＤ装置内のサセプタ上に載置し、水素（Ｈ２）ガスを毎分１０リッターの流量で流しながら、１１５０℃程度の温度で約１０分間、気相エッチングを施して、表面に形成された酸化物層を除去する。
【００３３】
しかる後に、１１００℃に温度を下げて、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）ガスを毎分２５ミリリッターと、アンモニア（ＮＨ３）ガスを毎分５リッター流すと、図８（ｂ）に表したように、各ステップ１０Ｓの近傍にＡｌＮバッファ層２０が島状に成長し始め、ａ軸方向＜１１−２０＞方向あるいはｍ軸方向＜１０−１０＞に沿ってステップフロー成長が進行する。さらに成長を続けると、図８（ｃ）に表したように、ＡｌＮバッファ層２０が、ステップ１０Ｓを覆って連続的なＡｌＮバッファ層２０が形成する。なおこの際、多結晶ＡｌＮ基板１０を自転させながらＡｌＮバッファ層２０を形成した場合も、気流方向にかかわらず、ＡｌＮ層バッファ層２０はそれぞれのステップ１０Ｓからステップフロー成長する。
【００３４】
次に、バッファ層２０の上に窒化物半導体の積層構造をエピタキシャル成長させる。すなわち、１１００℃でトリメチルガリウム（ＴＭＧ）ガスを毎分２５ミリリッター、アンモニア（ＮＨ３）ガスを毎分５リッター、Ｈ２ガスを毎分１０リッター、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｍｇ（Ｃ２Ｈ５）２：Ｃｐ２Ｍｇ）ガスを毎分１００ミリリッター、の気流中で１５分間成膜し、ＡｌＮバッファ層２０の上にｐ型ＧａＮ層３０を成長させる。しかる後に、Ｃｐ２Ｍｇガスのみを止めて、アンドープのＧａＮ層４０を成長させる。
【００３５】
しかる後に、ＴＭＧガスを毎分２５ミリリッター、ＴＭＡガスを毎分２５ミリリッター、ＮＨ３ガスを毎分５リッター、Ｈ２ガスを毎分１０リッター、を１０分間流してＡｌＧａＮ層５０を成長させる。
【００３６】
しかる後に、３５０℃まで降温した後、シラン（ＳｉＨ４）を毎分２４ミリリッター、アンモニア（ＮＨ３）ガスを毎分１８ミリリッター、窒素ガスを３３６ミリリッター流し、ＳｉＮ保護膜６０を形成する。その後、ソース電極８０、ゲート電極９０、ドレイン電極１００を形成し、基板１０の裏面からｐ型ＧａＮ層４０の側面に至るｐ側電極７０を形成すると、本具体例の窒化物半導体素子の要部が完成する。ここで、同一のチャンバ内でＡｌＧａＮ層５０とＳｉＮ保護膜６０とを連続的に成膜することにより、ＡｌＧａＮ層５０の酸化を防止でき、電流コラプスを抑制することができる。
【００３７】
本具体例において用いる多結晶ＡｌＮ基板１０は、サファイア基板等と同程度の電気的特性を有し、サファイア基板より放熱性に優れ、４インチ以上のサイズにおいてもほとんど反りがなく、大口径基板を安価に製造できる点で有利である。
【００３８】
以上、本実施形態の窒化物半導装置の製造方法について説明した。
以下に、本実施形態に係る窒化物半導体ウェーハまたは窒化物半導体素子の他の具体例を説明する。
図９は、本発明の実施形態に係る窒化物半導体ウェーハ１の第２の具体例を表す（ａ）断面図及び（ｂ）平面図である。図９以降の図面については、既出の図面に関して説明したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
また、図１０は、図９の窒化物半導体ウェーハに用いられる基板１０を表す（ａ）断面図及び（ｂ）平面図である。
【００３９】
本具体例においても、ｃ軸配向した多結晶ＡｌＮからなる基板１０が用いられ、基板１０の主面には、複数のステップ１０Ｓが延在して設けられている。ただし、これらステップ１０Ｓの間のテラス部１０Ｔは、多結晶ＡｌＮのｃ軸すなわち＜０００１＞方向に対して垂直方向から角度θだけ傾斜している。つまり、テラス部１０Ｔの法線Ｖは、＜０００１＞方向から角度θだけ傾斜している。
【００４０】
このようにテラス部１０Ｔをｃ軸に対して傾斜させると、その表面に窒化物半導体層を成長させる時の、堆積種の表面マイグレーションを促進させる効果が得られる場合がある。堆積種の表面マイグレーションを促進させることにより、ステップフロー成長が促進され、ａ軸あるいはｍ軸方向への方位優先性がより強く出現する。つまり、基板１０の上に成長する窒化物半導体の面内の結晶方位をより確実に揃えることができる。その結果として、多結晶ＡｌＮ基板１０の上に、良好な結晶性を有する単結晶の窒化物半導体を成長させることが可能となる。
【００４１】
図１１は、本発明の実施形態に係る窒化物半導体素子の第２の具体例を表す模式断面図である。
本具体例においては、多結晶ＡｌＮ基板１０の上にＭｇドープＡｌＮバッファ層２０Ａと、ＭｇアンドープＡｌＮバッファ層２０Ｂと、が順に積層されている。
【００４２】
ＭｇドープＡｌＮバッファ層２０Ａの形成方法としては、例えば、成膜時にＣｐ２Ｍｇガスを添加すればよい。マグネシウムをドープすると、成長フロントにおける堆積種のマイグレーションが促進される場合がある。つまり、基板１０Ｓの主面に飛来した堆積種がステップ１０Ｓに移動し、ここからより円滑なステップフロー成長が進行する。その結果として、多結晶ＡｌＮ基板１０の上に、より高品質の単結晶の窒化物半導体を成長することが可能となる。
【００４３】
図１２は、本発明の実施形態に係る窒化物半導体素子の第３の具体例を表す模式断面図である。
本具体例においては、ゲート電極９０とＡｌＧａＮバリア層５０との間に、例えばＳｉＯ２等からなるゲート絶縁層１１０が挟持されたＭＩＳ構造が形成されている。このような構造の素子についても、本発明を同様に適用して同様の作用効果を得ることができる。
【００４４】
またさらに、本発明は、いわゆる「リセスゲート構造」を用いた窒化物半導体素子にも適応が可能である。
図１３は、本発明の実施形態に係る窒化物半導体素子の第４の具体例を表す模式断面図である。
本具体例においては、ソース電極８０とドレイン電極１００と間のＡｌＧａＮバリア層５０には、リセス部５０Ｒが設けられ、このリセス部５０Ｒに収容させるようにゲート電極９０が設けられている。このように、ゲート電極９０直下のＡｌＧａＮバリア層５０の厚みを選択的に低下させることにより、ピエゾ効果などに起因する２ＤＥＧの発生をリセス部５０Ｒの下で選択的に抑制し、ゲート電圧を印加しないときには、「オフ状態」、つまり「ノーマリ・オフ型」のスイッチング素子を実現できる。
一方、本発明は、光半導体素子にも適応できる。
【００４５】
図１４は、本発明の実施形態にかかる光半導体素子の具体例を表す模式断面図である。
本具体例の窒化物半導体素子２００は、半導体レーザであり、複数のステップ１０Ｓが形成された多結晶ＡｌＮ基板１０の上に、ＡｌＮバッファ層２０、アンドープＧａＮ層４０、ｎ型ＧａＮコンタクト層２０４、が積層され、このｎ型ＧａＮコンタクト層２０４の主面上には、それよりも面積の小さいｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２０５とｎ側電極２３０とが設けられている。そして、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２０５の上には、ｎ型ＧａＮガイド層２０６、多重量子井戸（multiple-quantum well:ＭＱＷ）活性層２０７、ｐ型ＧａＮガイド層２０８、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２０９、第１ｐ型ＧａＮ層２１０、ｎ型ＧａＮ電流阻止層２１１、第２ｐ型ＧａＮ層２１２、第３ｐ型ＧａＮ層２１３、ｐ型ＧａＮコンタクト層２１４、ｐ側電極２３１、がこの順に積層されている。また、素子の側面には保護膜１１５が適宜設けられている。
【００４６】
ＧａＮコンタクト層２０４、２１４は、電極と半導体との接触抵抗を低くする役割を有する。ガイド層２０６、２０８は、発振パターンの形状を整える役割を果たす。ＭＱＷ活性層２０７を挟持するＡｌＧａＮクラッド層２０５、２０９は、注入されたキャリアと発生した光を閉じこめる役割を有する。
【００４７】
この窒化物半導体素子２００の電極２３０、２３１に順方向バイアスを印加すると、ｎ側電極２３０から電子、ｐ側電極２３１からホール、がそれぞれ注入し、ＧａＮコンタクト層２０４、２１４と、ＡｌＧａＮクラッド層２０５、２０９と、ＧａＮガイド層２０６、２０８を介してＭＱＷ活性層２０７で再結合し、励起されたキャリアが基底状態に遷移する際に光を発する。この光によりレーザ発振が生じ、レーザ光が放出される。
【００４８】
そして、図１乃至図１３に関して前述したように、ｃ軸配向した多結晶ＡｌＮ基板１０の主面に複数のステップ１０Ｓを設けることにより、その上に形成する窒化物半導体層のｃ軸を規定し、さらにステップ１０Ｓが延伸する方向にａ軸方向＜１１−２０＞あるいはｍ軸方向＜１０−１０＞を規定することができる。その結果として、多結晶ＡｌＮ基板１０の上に、良質の単結晶の窒化物半導体層を形成できる。また、その結晶方位もステップ１０Ｓの方向により規定できるので、レーザの共振器端面を形成することが容易となる。本具体例によれば、多結晶ＡｌＮ基板１０の上に良好な結晶性を有する窒化物半導体層を形成できるため、サファイア基板の上に形成した場合よりも初期特性及び信頼性を向上させることができる。具体的には、例えば、波長４１０ナノメータで室温発振させ、また、デバイス寿命はサファイア基板を用いた場合の１０倍程度、長寿命化することが可能である。
【００４９】
図１５は、本発明の実施形態に係る窒化物半導体ウェーハの第３の具体例を表す（ａ）断面図及び（ｂ）平面図である。
【００５０】
また、図１６は、図１５の窒化物半導体ウェーハに用いられる基板１０を表す（ａ）断面図及び（ｂ）平面図である。
【００５１】
本具体例においても、ｃ軸に配向した多結晶ＡｌＮ基板１０の主面に複数のステップ１０Ｓが設けられている。ただし、これらステップ１０Ｓは、一方向に向けて連続的に高くなる（低くなる）ようには設けられず、上向きのステップと下向きのステップとが交互に配置された構造を有する。このような構造においても、ステップ１０の部分から堆積種がステップフロー成長するので、成長させるバッファ層２０の面内の結晶方位を規定することができる。その結果として、多結晶ＡｌＮ基板１０の上に、良好な結晶性を有する窒化物半導体層を成長させることができる。
【００５２】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。
【００５３】
例えば、本発明の窒化物半導体ウェーハあるいは窒化物半導体素子を構成する基板のステップ形状、高さ、間隔、バッファ層やその上に形成する窒化物半導体層の組成、厚み、導電型、パターニング形状、などについては、当業者が適宜変更を加えたものであっても、本発明の要旨を包含する限りのいて本発明の範囲に包含される。
【００５４】
例えば、図７や図１１などに関して前述した具体例においては、ＧａＮチャネル層４０とＡｌＧａＮバリア層５０とを組み合わせた素子について説明したが、ＡｌＧａＮチャネル層とこれよりもバンドギャップの大きいＡｌＧａＮバリア層や、ＩｎＧａＮチャネル層とＧａＮバリア層またはＡｌＧａＮバリア層、ＩｎＡｌＧａＮバリア層など、各種の組合せを用いた場合も本発明の範囲に包含される。
【００５５】
また、前述した各具体例の構造は、技術的に可能な限りにおいてお互いに適宜組み合わせることが可能であり、そのように組み合わせて得られた窒化物半導体ウェーハ及び窒化物半導体素子も、本発明の範囲に包含される。
【００５６】
なお、本明細書において「窒化物半導体」とは、ＢｘＡｌｙＧａｚＩｎ１−ｘ−ｙ−ｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）なる化学式において組成比ｘ、ｙ及びｚをそれぞれの範囲内で変化させたすべての組成の半導体を含むものとする。また、導電型を制御するために添加される各種の不純物のいずれかをさらに含むものも、「窒化物半導体」に含まれるものとする。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の実施形態に係る窒化物半導体ウェーハの断面構造を例示する模式図である。
【図２】図１の窒化物半導体ウェーハに用いられる基板１０を表す（ａ）断面図と、（ｂ）平面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る窒化物半導体ウェーハの製造方法を表すフローチャートである。
【図４】本発明の実施形態に係る窒化物半導体ウェーハの製造方法を例示する工程断面図である。
【図５】（ａ）は、本実施形態に係る窒化物半導体ウェーハの模式断面図であり、（ｂ）は比較例の窒化物半導体ウェーハを表す模式断面図である。
【図６】（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ図５（ａ）及び（ｂ）に表した窒化物半導体ウェーハのＧａＮ層３０の（０００２）Ｘ線回折ピーク波形を表す模式図である。
【図７】本発明の実施形態にかかる窒化物半導体素子の具体例を表す模式断面図である。
【図８】本具体例の窒化物半導体素子の製造方法を例示する工程断面図である。
【図９】本発明の実施形態に係る窒化物半導体ウェーハの第２の具体例を表す（ａ）断面図及び（ｂ）平面図である。
【図１０】図９の窒化物半導体ウェーハに用いられる基板１０を表す（ａ）断面図及び（ｂ）平面図である。
【図１１】本発明の実施形態に係る窒化物半導体素子の第２の具体例を表す模式断面図である。
【図１２】本発明の実施形態に係る窒化物半導体素子の第３の具体例を表す模式断面図である。
【図１３】本発明の実施形態に係る窒化物半導体素子の第４の具体例を表す模式断面図である。
【図１４】本発明の実施形態にかかる光半導体素子の具体例を表す模式断面図である。
【図１５】本発明の実施形態に係る窒化物半導体ウェーハの第３の具体例を表す（ａ）断面図及び（ｂ）平面図である。
【図１６】図１５の窒化物半導体ウェーハに用いられる基板１０を表す（ａ）断面図及び（ｂ）平面図である。
【符号の説明】
【００５８】
５ 窒化物半導体素子、１０ 多結晶ＡｌＮ基板、２０ ＡｌＮバッファ層、
２０Ａ ＭｇドープＡｌＮ層、２０Ｂ ＭｇアンドープＡｌＮバッファ層、
３０ ｐ型ＧａＮ層、４０ アンドープＧａＮ層
５０ ＡｌＧａＮ層、 ６０ ＳｉＮ保護膜、 ７０ ｐ型電極、 ８０ ソース電極、
９０ ゲート電極、１００ ドレイン電極、１１０ ゲート絶縁膜、１１５ 保護膜、
２００ 光半導体素子、２０４ ｎ型ＧａＮコンタクト層、
２０５ ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、２０６ ｎ型ＧａＮガイド層、２０７ ＭＱＷ層、
２０８ ｐ型ＧａＮガイド層、２０９ ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、
２１０ 第１ｐ型ＧａＮ層、２１１ ｎ型ＧａＮ電流阻止層、２１２ 第２ｐ型ＧａＮ層、２１３ 第３ｐ型ＧａＮ層、２１４ ｐ型ＧａＮコンタクト層、２３０ ｎ側電極、
２３１ ｐ側電極、
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体ウェーハ及び窒化物半導体素子に関し、特に、多結晶窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板上に形成した窒化物半導体ウェーハ及び窒化物半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）は、エネルギーギャップが３ｅＶ以上と大きいので、青色ＬＥＤ（Light Emitting diode）素子あるいはＬＤ(Laser diode)素子等の光デバイス以外にも、スイッチング素子やパワー半導体素子、ＲＦスイッチング素子等の半導体デバイスとして使用されつつある。
【０００３】
ＧａＮを形成する基板としては、ＧａＮ、炭化珪素（ＳｉＣ）、サファイア、シリコン（Ｓｉ）などを用いる試みがされている。しかしながら、サファイア基板やシリコン基板では、ＧａＮ系材料との格子定数差が大きいため、大口径基板上の成長ウェハでは反りが大きく、その後のプロセスにも支障が出やすいという問題がある。一方、ＳｉＣ基板やＧａＮ基板は、ＧａＮ系材料との格子定数差は数パーセント以内と小さいが、価格がＳｉ基板やサファイア基板の数十倍以上と高い。
【０００４】
このため、ＧａＮ系を成長させても反りが小さく、かつ比較的安価な成長基板が求められている。そのような基板の候補として、高い熱伝導率とＧａＮに近い格子定数を有する窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の多結晶基板が挙げられる（特許文献１）。
【特許文献１】特許第３４１０８６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、多結晶ＡｌＮ基板を用いつつ結晶性にすぐれた窒化物半導体ウェーハ及び窒化物半導体素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様によれば、
配向性を有する多結晶窒化アルミニウムからなり、主面上に複数のステップが形成された基板と、
前記基板の前記主面上に設けられた単結晶の窒化物半導体層と、
を備えたことを特徴とする窒化物半導体ウェーハが提供される。
【０００７】
また、本発明の他の一態様によれば、
配向性を有する多結晶窒化アルミニウムからなり、主面上に複数のステップが形成された基板と、
前記基板の前記主面上に設けられた単結晶の窒化物半導体層と、
前記窒化物半導体層の上に設けられた電極と、
を備えたことを特徴とする窒化物半導体素子が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、多結晶ＡｌＮ基板を用い、結晶性にすぐれた窒化物半導体ウェーハ及び窒化物半導体素子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】
【０００９】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る窒化物半導体ウェーハの断面構造を例示する模式図である。
また、図２は、図１の窒化物半導体ウェーハに用いられる基板１０を表す（ａ）断面図と、（ｂ）平面図である。
【００１０】
すなわち、本具体例の窒化物半導体ウェーハ１は、主面上に複数のステップ１０Ｓが設けられた多結晶窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板１０と、その上に形成されたバッファ層２０と、さらにその上に形成された窒化物半導体層２５と、を有する。
【００１１】
バッファ層２０は、例えば、ＡｌＮにより形成することができ、その上に形成する窒化物半導体層２５の結晶性を向上させるために設けられている。一方、その上に設けられる窒化物半導体層２５は、窒化物半導体からなるひとつまたは複数の層を有することものすることができる。この窒化物半導体ウェーハ１は、後に詳述するように、例えばＦＥＴ（Field Effect Transistor）などの電子デバイスや、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）あるいはＬＤ（Laser Diode）などの光デバイスの主要部として用いることができる。そして、その用途に応じて、バッファ層２０や、窒化物半導体層２５の材料や厚み、積層構造を適宜選択することができる。
【００１２】
多結晶ＡｌＮ基板１０は、複数のＡｌＮ単結晶粒が集合した多結晶構造を有する。これらＡｌＮ単結晶粒の平均粒径は、例えば３〜１０マイクロメータ程度とすることができる。また、これらＡｌＮ単結晶粒は、特定の結晶軸が略同方向を向く配向性を有する。例えば、多結晶ＡｌＮ基板１０を構成するそれぞれのＡｌＮ単結晶粒は、それらのｃ軸が略平行となる配向性を有する。そして、この場合、基板１０の主面に対してｃ軸は略垂直方向とされている。つまり、基板１０を構成するそれぞれのＡｌＮ単結晶粒は、その＜０００１＞方向が基板１０の主面に対して垂直またはこれに近い方向となるような結晶方位を有する。ただしこの場合に、これらＡｌＮ単結晶粒のａ軸方向すなわち＜１１−２０＞方向、あるいはｍ軸すなわち＜１０−１０＞方向は、特に配向性を有さず、ランダムな方位であってもよい。
【００１３】
そして、多結晶ＡｌＮ基板１０の表面には、高さＨが例えば数ナノメータ程度の複数のステップ１０Ｓが互いに略平行となるように形成されている。隣接するステップ１０Ｓの間隔Ｗは、例えば数１００ナノメータ〜数マイクロメータ程度とすることができる。また、ステップ１０Ｓは、必ずしも直線状である必要はなく、屈曲部や湾曲部を有していてもよい。つまり、巨視的に見て、基板１０の主面に複数のテラスが形成されていればよい。
【００１４】
このような基板１０の上に窒化物半導体を成長させると、そのｃ軸は成長方向に対してほぼ平行となり、さらに、ａ軸あるいはｍ軸はステップ１０Ｓの延在方向に対してほぼ平行または垂直となる。つまり、多結晶ＡｌＮ基板１０の上に単結晶の窒化物半導体層を成長させることができる。
【００１５】
図３は、本発明の実施形態に係る窒化物半導体ウェーハの製造方法を表すフローチャートである。
【００１６】
また、図４は、本発明の実施形態に係る窒化物半導体ウェーハの製造方法を例示する工程断面図である。
まず、図４（ａ）に表したように、一方向に高低差のあるテラス状のステップを有する多結晶ＡｌＮ基板１０を形成する（ステップＳ１００）。多結晶ＡｌＮ基板１０は、例えば、以下のような方法で製造できる。すなわち、還元窒化法あるいは直接窒化法により得られたＡｌＮ粉末に、焼結を促進させる焼結助剤粉末、例えば希土類酸化物粉末等を数パーセント程度添加して乾式混合する。この粉末に成形性を良好にする液状及び固形状の有機バインダーを適量添加して、ボールトンミリング機や攪拌機を用いて均一混合して湿粉状あるいはスラリー状の調製粉末にする。この調製粉末を押出成型機やテープ成形機に供給しシート状を形成した後、金型等でプレスして所望形状の成形体を作製する。次いで、この成形体を脱脂炉に投入し、空気あるいは非酸化性雰囲気の大気圧下、温度３５０〜６００℃、２〜６時間保持して有機バインダーを除去する。そして、焼成炉に投入して非酸化性雰囲気下、常圧あるいは加圧しつつ温度１６５０〜１９００℃、０．５〜６時間保持すると、高密度の多結晶ＡｌＮ基板が得られる。
【００１７】
このような方法により得られた多結晶ＡｌＮ基板の表面にステップ１０Ｓを形成する。ステップ１０Ｓは、例えば、ｃ軸に配向した多結晶ＡｌＮ基板の表面を、ｃ軸に対してほぼ垂直な平坦面に鏡面加工した後に、特定の方向に傾斜させて表面を研磨することにより形成することができる。この時、傾斜角度を調節することにより、ステップ１０Ｓの高さや間隔を調整できる。例えば、基板の主面をｃ軸に対して垂直な方向から約０．１度傾斜させて化学的機械的研磨法（chemical mechanical polishing:ＣＭＰ）により研磨すると、ステップ１０Ｓの高さＨと間隔Ｗとの比率を、およそ１：１００とすることができる。つまり、ステップ１０Ｓの高さＨが１０ナノメータで、間隔Ｗが１マイクロメータ程度のテラス状の表面を形成することが可能である。この時、最終的な仕上げ面の平滑性を調節することにより、ステップの高さＨを調節できる。つまり、仕上げ面の平滑性（あるいは鏡面度）を高くすれば、ステップの高さＨを低く（すなわち、間隔Ｗを広く）することが可能である。
【００１８】
次に、この多結晶ＡｌＮ基板１０の上にバッファ層２０を成長させる。この際の成長方法としては、例えば有機金属気相成長（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition：ＭＯＣＶＤ）や、分子線エピタキシー（Molecular Beam Epitaxy：ＭＢＥ）、あるいはハイドライドＣＶＤやクロライドＣＶＤなどの方法を用いることが可能である。
多結晶ＡｌＮ基板１０の上に、例えばＡｌＮからなるバッファ層２０の成長を開始すると、まず、ステップ１０Ｓの近傍に、ＡｌＮバッファ層２０が島状に成長し始める（ステップＳ１１０）。この時、島状のバッファ層２０のｃ軸は、基板１０のｃ軸の方位に対してほぼ同方向となる。つまり、基板１０の主面に対してほぼ垂直方向がｃ軸となるようにＡｌＮバッファ層２０が成長を開始する。
【００１９】
さらに成長を続けると、島状のＡｌＮバッファ層２０は、ステップ１０Ｓからラテラル方向にステップフロー成長を始める。この時、図４（ｂ）に矢印で表したステップフロー成長の方向は、ｃ軸に対して垂直方向のａ軸方向＜１１−２０＞方向あるいはｍ軸方向＜１０−１０＞となる。そして、ステップフロー成長が進行することにより、図４（ｃ）に表したように、基板１０の表面を覆ってレイヤー状のバッファ層２０が形成される。
【００２０】
このようにして所定の厚みの単結晶のバッファ層２０を成長した後に、図４（ｄ）に表したように窒化物半導体層２５をエピタキシャル成長させることができる。
【００２１】
以上説明したように、本実施形態によれば、ｃ軸に配向した多結晶ＡｌＮ基板１０の上に窒化物半導体層を成長させることにより、成長層のｃ軸の方向を規定することができ、さらに、基板１０の表面にステップ１０Ｓを設けることにより、成長層のａ軸あるいはｍ軸の方位を規定することが可能となる。このようにして、多結晶ＡｌＮ基板１０の上に、結晶方位を規定した単結晶の窒化物半導体層を成長させることができる。また、ステップ１０Ｓによりａ軸あるいはｍ軸の方位を規定することにより、バッファ層２０の成長の初期段階での結晶性を大幅に改善することができる。その結果として、バッファ層２０全体、およびその上に成長させる窒化物半導体層２５の結晶性も大幅に改善することができる。
【００２２】
本実施形態において用いる多結晶ＡｌＮ基板１０は、サファイア基板などと同程度の電気的特性を有し、さらにサファイア基板より放熱性に優れる。さらにまた、窒化物半導体との格子定数の「ずれ」が小さい点でも特に有利である。例えば、サファイア基板やシリコン基板などの場合、基板の直径が４インチ以上になるとウェーハの反りが大きくなる。その結果として、例えば、ステッパにチャッキングできず、プロセスを進めることが困難となる。これに対して、本実施形態において用いる多結晶ＡｌＮ基板１０は、窒化物半導体との格子定数の差が極めて小さいので、基板の直径が４インチ以上の場合もほとんど反りが生じない。
また一方、例えばＳｉＣ基板などの場合は、高価であり、しかも大口径の基板ができないが、本実施形態において用いる多結晶ＡｌＮ基板１０はＳｉＣ基板と比較して約一桁程度安価であり、しかも大口径の基板を製造することも容易である点で有利である。
【００２３】
本発明者は、本実施形態の窒化物半導体ウェーハと、比較例の窒化物半導体ウェーハとを比較検討した。
図５（ａ）は、本実施形態に係る窒化物半導体ウェーハの模式断面図であり、図５（ｂ）は比較例の窒化物半導体ウェーハを表す模式断面図である。
【００２４】
本実施形態の窒化物半導体ウェーハの場合、ステップ１０Ｓの平均高さＨはおよそ１０ナノメータであり、平均の間隔Ｗはおよそ５００ナノメータとした。一方、比較例の窒化物半導体ウェーハは、ステップが設けられていない多結晶ＡｌＮ基板５００の上に形成した。そして、いずれもＡｌＮバッファ層２０を介して厚み３マイクロメータのＧａＮ層３０を成長させた。
【００２５】
図６（ａ）及び図６（ｂ）は、それぞれ図５（ａ）及び図５（ｂ）に表した窒化物半導体ウェーハのＧａＮ層３０の（０００２）Ｘ線回折ピーク波形を表す模式図である。
（０００２）回折ピークの半値幅を比較すると、本実施形態の窒化物半導体ウェーハのＧａＮ層３０の半値幅ΔＷ１（図６（ａ））は、ステップの無い基板を用いた比較例の半値幅ΔＷ２（図６（ｂ））の半分程度であり、結晶性が優れていることが分かった。これは、多結晶ＡｌＮ基板１０の表面にステップ１０Ｓを形成することにより、その上に成長する成長層の成長初期段階でａ軸またはｍ軸の方位が規定され、成長層の結晶方位が揃いやすくなるからであると推定される。このように窒化物半導体層の結晶性を改善することにより、これを用いた各種の電子デバイスや光デバイスの初期特性や信頼性を向上させることが可能となる。
【００２６】
図７は、本発明の実施形態に係る窒化物半導体素子の具体例を表す模式断面図である。
本具体例の窒化物半導体素子は、ＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）型のトランジスタである。すなわち、多結晶ＡｌＮ基板１０の上には、アンドープのＡｌＮバッファ層２０、膜厚が約１００ナノメータのｐ型窒化ガリウム（ＧａＮ）層３０、膜厚が約３マイクロメータのアンドープＧａＮチャネル層４０、膜厚が約３０ナノメータのアンドープＡｌＧａＮバリア層（アルミニウム組成比２５パーセント）５０がこの順で設けられている。
また、ＡｌＧａＮバリア層５０の上には、ゲート電極９０と、これを挟むようにソース電極８０とドレイン電極１００とが設けられている。また、バリア層５０の表面は、窒化珪素（ＳｉＮ）保護膜６０により覆われている。
一方、多結晶ＡｌＮ基板１０の裏面側からその側面を介して、ＡｌＮバッファ層２０と、ｐ型ＧａＮ層３０の側面に沿って、ｐ側電極７０が設けられている。
【００２７】
ＡｌＮバッファ層２０は、多結晶ＡｌＮ基板１０の上に形成される成長初期の結晶欠陥を緩和し、その上に形成される窒化物半導体層の結晶性を向上させる役割を有する。ｐ型ＧａＮ層３０は、ＨＥＭＴに電圧が印加されてアバランシェ降伏が生じた場合に、正孔（ホール）をｐ側電極７０から排出させることにより、素子の耐圧を上げる役割を有する。
【００２８】
ＧａＮチャネル層４０は、キャリアを走行させる役割を有する。すなわち、バンドギャップの大きいＡｌＧａＮバリア層５０と、それよりもバンドギャップが小さいＧａＮチャネル層４０とを接合することにより、この接合界面に２次元電子ガス（２ＤＥＧ:2-dimensional electron gas）が形成され、キャリアが高い移動度で輸送される。ＳｉＮ保護膜６０は、湿気や腐食性雰囲気などから半導体素子を保護するために設けられ、この他にも例えば二酸化珪素（ＳｉＯ２）等を用いてもよい。
【００２９】
ソース電極８０とドレイン電極１００間は、ドレイン電極１００側が正極になるように電気的に接続され、ゲート電極９０とソース電極８０間は、ゲート電極９０が負極になるように電気的に接続される。ここで、ゲート電極９０とドレイン電極１００間の距離Ｄｇｄが、ソース電極８０とゲート電極９０間の距離Ｄｓｇより長くして非対称な構造を形成することにより（Ｄｇｄ＞Ｄｓｇ）、素子の耐圧を向上させることができる。
【００３０】
また、図７においては、ゲート電極９０とＡｌＧａＮバリア層５０とをショットキー接合させているが、後に詳述するように、それらの間にゲート絶縁膜を挟持したＭＩＳ（metal-insulator-semiconductor）ゲート構造や局所的にＡｌＧａＮ層５０を薄くしたリセスゲート構造としても、本実施形態と同様の効果が得られる。
【００３１】
そして、本具体例によれば、ＡｌＮ基板１０として、ｃ軸が主面に対して略垂直方向に配向した多結晶体を用い、さらにその主面に複数のステップ１０Ｓを設けることにより、図１〜図６に関して前述したように、良好な結晶性の単結晶層を成長させることができる。その結果として、チャネル層４０とバリア層５０との界面に形成される２ＤＥＧの移動度を上げて、オン抵抗を下げ、また、素子の耐圧も向上させることができる。
【００３２】
図８は、本具体例の窒化物半導体素子の製造方法を例示する工程断面図である。
まず、図８（ａ）に表したように、一方向に高低差のあるテラス状のステップを有する多結晶ＡｌＮ基板１０を形成する。その形成方法は、図４（ａ）に関して前述した如くである。この多結晶ＡｌＮ基板１０を、例えばＭＯＣＶＤ装置内のサセプタ上に載置し、水素（Ｈ２）ガスを毎分１０リッターの流量で流しながら、１１５０℃程度の温度で約１０分間、気相エッチングを施して、表面に形成された酸化物層を除去する。
【００３３】
しかる後に、１１００℃に温度を下げて、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）ガスを毎分２５ミリリッターと、アンモニア（ＮＨ３）ガスを毎分５リッター流すと、図８（ｂ）に表したように、各ステップ１０Ｓの近傍にＡｌＮバッファ層２０が島状に成長し始め、ａ軸方向＜１１−２０＞方向あるいはｍ軸方向＜１０−１０＞に沿ってステップフロー成長が進行する。さらに成長を続けると、図８（ｃ）に表したように、ＡｌＮバッファ層２０が、ステップ１０Ｓを覆って連続的なＡｌＮバッファ層２０が形成する。なおこの際、多結晶ＡｌＮ基板１０を自転させながらＡｌＮバッファ層２０を形成した場合も、気流方向にかかわらず、ＡｌＮ層バッファ層２０はそれぞれのステップ１０Ｓからステップフロー成長する。
【００３４】
次に、バッファ層２０の上に窒化物半導体の積層構造をエピタキシャル成長させる。すなわち、１１００℃でトリメチルガリウム（ＴＭＧ）ガスを毎分２５ミリリッター、アンモニア（ＮＨ３）ガスを毎分５リッター、Ｈ２ガスを毎分１０リッター、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｍｇ（Ｃ２Ｈ５）２：Ｃｐ２Ｍｇ）ガスを毎分１００ミリリッター、の気流中で１５分間成膜し、ＡｌＮバッファ層２０の上にｐ型ＧａＮ層３０を成長させる。しかる後に、Ｃｐ２Ｍｇガスのみを止めて、アンドープのＧａＮ層４０を成長させる。
【００３５】
しかる後に、ＴＭＧガスを毎分２５ミリリッター、ＴＭＡガスを毎分２５ミリリッター、ＮＨ３ガスを毎分５リッター、Ｈ２ガスを毎分１０リッター、を１０分間流してＡｌＧａＮ層５０を成長させる。
【００３６】
しかる後に、３５０℃まで降温した後、シラン（ＳｉＨ４）を毎分２４ミリリッター、アンモニア（ＮＨ３）ガスを毎分１８ミリリッター、窒素ガスを３３６ミリリッター流し、ＳｉＮ保護膜６０を形成する。その後、ソース電極８０、ゲート電極９０、ドレイン電極１００を形成し、基板１０の裏面からｐ型ＧａＮ層４０の側面に至るｐ側電極７０を形成すると、本具体例の窒化物半導体素子の要部が完成する。ここで、同一のチャンバ内でＡｌＧａＮ層５０とＳｉＮ保護膜６０とを連続的に成膜することにより、ＡｌＧａＮ層５０の酸化を防止でき、電流コラプスを抑制することができる。
【００３７】
本具体例において用いる多結晶ＡｌＮ基板１０は、サファイア基板等と同程度の電気的特性を有し、サファイア基板より放熱性に優れ、４インチ以上のサイズにおいてもほとんど反りがなく、大口径基板を安価に製造できる点で有利である。
【００３８】
以上、本実施形態の窒化物半導装置の製造方法について説明した。
以下に、本実施形態に係る窒化物半導体ウェーハまたは窒化物半導体素子の他の具体例を説明する。
図９は、本発明の実施形態に係る窒化物半導体ウェーハ１の第２の具体例を表す（ａ）断面図及び（ｂ）平面図である。図９以降の図面については、既出の図面に関して説明したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
また、図１０は、図９の窒化物半導体ウェーハに用いられる基板１０を表す（ａ）断面図及び（ｂ）平面図である。
【００３９】
本具体例においても、ｃ軸配向した多結晶ＡｌＮからなる基板１０が用いられ、基板１０の主面には、複数のステップ１０Ｓが延在して設けられている。ただし、これらステップ１０Ｓの間のテラス部１０Ｔは、多結晶ＡｌＮのｃ軸すなわち＜０００１＞方向に対して垂直方向から角度θだけ傾斜している。つまり、テラス部１０Ｔの法線Ｖは、＜０００１＞方向から角度θだけ傾斜している。
【００４０】
このようにテラス部１０Ｔをｃ軸に対して傾斜させると、その表面に窒化物半導体層を成長させる時の、堆積種の表面マイグレーションを促進させる効果が得られる場合がある。堆積種の表面マイグレーションを促進させることにより、ステップフロー成長が促進され、ａ軸あるいはｍ軸方向への方位優先性がより強く出現する。つまり、基板１０の上に成長する窒化物半導体の面内の結晶方位をより確実に揃えることができる。その結果として、多結晶ＡｌＮ基板１０の上に、良好な結晶性を有する単結晶の窒化物半導体を成長させることが可能となる。
【００４１】
図１１は、本発明の実施形態に係る窒化物半導体素子の第２の具体例を表す模式断面図である。
本具体例においては、多結晶ＡｌＮ基板１０の上にＭｇドープＡｌＮバッファ層２０Ａと、ＭｇアンドープＡｌＮバッファ層２０Ｂと、が順に積層されている。
【００４２】
ＭｇドープＡｌＮバッファ層２０Ａの形成方法としては、例えば、成膜時にＣｐ２Ｍｇガスを添加すればよい。マグネシウムをドープすると、成長フロントにおける堆積種のマイグレーションが促進される場合がある。つまり、基板１０Ｓの主面に飛来した堆積種がステップ１０Ｓに移動し、ここからより円滑なステップフロー成長が進行する。その結果として、多結晶ＡｌＮ基板１０の上に、より高品質の単結晶の窒化物半導体を成長することが可能となる。
【００４３】
図１２は、本発明の実施形態に係る窒化物半導体素子の第３の具体例を表す模式断面図である。
本具体例においては、ゲート電極９０とＡｌＧａＮバリア層５０との間に、例えばＳｉＯ２等からなるゲート絶縁層１１０が挟持されたＭＩＳ構造が形成されている。このような構造の素子についても、本発明を同様に適用して同様の作用効果を得ることができる。
【００４４】
またさらに、本発明は、いわゆる「リセスゲート構造」を用いた窒化物半導体素子にも適応が可能である。
図１３は、本発明の実施形態に係る窒化物半導体素子の第４の具体例を表す模式断面図である。
本具体例においては、ソース電極８０とドレイン電極１００と間のＡｌＧａＮバリア層５０には、リセス部５０Ｒが設けられ、このリセス部５０Ｒに収容させるようにゲート電極９０が設けられている。このように、ゲート電極９０直下のＡｌＧａＮバリア層５０の厚みを選択的に低下させることにより、ピエゾ効果などに起因する２ＤＥＧの発生をリセス部５０Ｒの下で選択的に抑制し、ゲート電圧を印加しないときには、「オフ状態」、つまり「ノーマリ・オフ型」のスイッチング素子を実現できる。
一方、本発明は、光半導体素子にも適応できる。
【００４５】
図１４は、本発明の実施形態にかかる光半導体素子の具体例を表す模式断面図である。
本具体例の窒化物半導体素子２００は、半導体レーザであり、複数のステップ１０Ｓが形成された多結晶ＡｌＮ基板１０の上に、ＡｌＮバッファ層２０、アンドープＧａＮ層４０、ｎ型ＧａＮコンタクト層２０４、が積層され、このｎ型ＧａＮコンタクト層２０４の主面上には、それよりも面積の小さいｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２０５とｎ側電極２３０とが設けられている。そして、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２０５の上には、ｎ型ＧａＮガイド層２０６、多重量子井戸（multiple-quantum well:ＭＱＷ）活性層２０７、ｐ型ＧａＮガイド層２０８、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２０９、第１ｐ型ＧａＮ層２１０、ｎ型ＧａＮ電流阻止層２１１、第２ｐ型ＧａＮ層２１２、第３ｐ型ＧａＮ層２１３、ｐ型ＧａＮコンタクト層２１４、ｐ側電極２３１、がこの順に積層されている。また、素子の側面には保護膜１１５が適宜設けられている。
【００４６】
ＧａＮコンタクト層２０４、２１４は、電極と半導体との接触抵抗を低くする役割を有する。ガイド層２０６、２０８は、発振パターンの形状を整える役割を果たす。ＭＱＷ活性層２０７を挟持するＡｌＧａＮクラッド層２０５、２０９は、注入されたキャリアと発生した光を閉じこめる役割を有する。
【００４７】
この窒化物半導体素子２００の電極２３０、２３１に順方向バイアスを印加すると、ｎ側電極２３０から電子、ｐ側電極２３１からホール、がそれぞれ注入し、ＧａＮコンタクト層２０４、２１４と、ＡｌＧａＮクラッド層２０５、２０９と、ＧａＮガイド層２０６、２０８を介してＭＱＷ活性層２０７で再結合し、励起されたキャリアが基底状態に遷移する際に光を発する。この光によりレーザ発振が生じ、レーザ光が放出される。
【００４８】
そして、図１乃至図１３に関して前述したように、ｃ軸配向した多結晶ＡｌＮ基板１０の主面に複数のステップ１０Ｓを設けることにより、その上に形成する窒化物半導体層のｃ軸を規定し、さらにステップ１０Ｓが延伸する方向にａ軸方向＜１１−２０＞あるいはｍ軸方向＜１０−１０＞を規定することができる。その結果として、多結晶ＡｌＮ基板１０の上に、良質の単結晶の窒化物半導体層を形成できる。また、その結晶方位もステップ１０Ｓの方向により規定できるので、レーザの共振器端面を形成することが容易となる。本具体例によれば、多結晶ＡｌＮ基板１０の上に良好な結晶性を有する窒化物半導体層を形成できるため、サファイア基板の上に形成した場合よりも初期特性及び信頼性を向上させることができる。具体的には、例えば、波長４１０ナノメータで室温発振させ、また、デバイス寿命はサファイア基板を用いた場合の１０倍程度、長寿命化することが可能である。
【００４９】
図１５は、本発明の実施形態に係る窒化物半導体ウェーハの第３の具体例を表す（ａ）断面図及び（ｂ）平面図である。
【００５０】
また、図１６は、図１５の窒化物半導体ウェーハに用いられる基板１０を表す（ａ）断面図及び（ｂ）平面図である。
【００５１】
本具体例においても、ｃ軸に配向した多結晶ＡｌＮ基板１０の主面に複数のステップ１０Ｓが設けられている。ただし、これらステップ１０Ｓは、一方向に向けて連続的に高くなる（低くなる）ようには設けられず、上向きのステップと下向きのステップとが交互に配置された構造を有する。このような構造においても、ステップ１０の部分から堆積種がステップフロー成長するので、成長させるバッファ層２０の面内の結晶方位を規定することができる。その結果として、多結晶ＡｌＮ基板１０の上に、良好な結晶性を有する窒化物半導体層を成長させることができる。
【００５２】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。
【００５３】
例えば、本発明の窒化物半導体ウェーハあるいは窒化物半導体素子を構成する基板のステップ形状、高さ、間隔、バッファ層やその上に形成する窒化物半導体層の組成、厚み、導電型、パターニング形状、などについては、当業者が適宜変更を加えたものであっても、本発明の要旨を包含する限りのいて本発明の範囲に包含される。
【００５４】
例えば、図７や図１１などに関して前述した具体例においては、ＧａＮチャネル層４０とＡｌＧａＮバリア層５０とを組み合わせた素子について説明したが、ＡｌＧａＮチャネル層とこれよりもバンドギャップの大きいＡｌＧａＮバリア層や、ＩｎＧａＮチャネル層とＧａＮバリア層またはＡｌＧａＮバリア層、ＩｎＡｌＧａＮバリア層など、各種の組合せを用いた場合も本発明の範囲に包含される。
【００５５】
また、前述した各具体例の構造は、技術的に可能な限りにおいてお互いに適宜組み合わせることが可能であり、そのように組み合わせて得られた窒化物半導体ウェーハ及び窒化物半導体素子も、本発明の範囲に包含される。
【００５６】
なお、本明細書において「窒化物半導体」とは、ＢｘＡｌｙＧａｚＩｎ１−ｘ−ｙ−ｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）なる化学式において組成比ｘ、ｙ及びｚをそれぞれの範囲内で変化させたすべての組成の半導体を含むものとする。また、導電型を制御するために添加される各種の不純物のいずれかをさらに含むものも、「窒化物半導体」に含まれるものとする。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の実施形態に係る窒化物半導体ウェーハの断面構造を例示する模式図である。
【図２】図１の窒化物半導体ウェーハに用いられる基板１０を表す（ａ）断面図と、（ｂ）平面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る窒化物半導体ウェーハの製造方法を表すフローチャートである。
【図４】本発明の実施形態に係る窒化物半導体ウェーハの製造方法を例示する工程断面図である。
【図５】（ａ）は、本実施形態に係る窒化物半導体ウェーハの模式断面図であり、（ｂ）は比較例の窒化物半導体ウェーハを表す模式断面図である。
【図６】（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ図５（ａ）及び（ｂ）に表した窒化物半導体ウェーハのＧａＮ層３０の（０００２）Ｘ線回折ピーク波形を表す模式図である。
【図７】本発明の実施形態にかかる窒化物半導体素子の具体例を表す模式断面図である。
【図８】本具体例の窒化物半導体素子の製造方法を例示する工程断面図である。
【図９】本発明の実施形態に係る窒化物半導体ウェーハの第２の具体例を表す（ａ）断面図及び（ｂ）平面図である。
【図１０】図９の窒化物半導体ウェーハに用いられる基板１０を表す（ａ）断面図及び（ｂ）平面図である。
【図１１】本発明の実施形態に係る窒化物半導体素子の第２の具体例を表す模式断面図である。
【図１２】本発明の実施形態に係る窒化物半導体素子の第３の具体例を表す模式断面図である。
【図１３】本発明の実施形態に係る窒化物半導体素子の第４の具体例を表す模式断面図である。
【図１４】本発明の実施形態にかかる光半導体素子の具体例を表す模式断面図である。
【図１５】本発明の実施形態に係る窒化物半導体ウェーハの第３の具体例を表す（ａ）断面図及び（ｂ）平面図である。
【図１６】図１５の窒化物半導体ウェーハに用いられる基板１０を表す（ａ）断面図及び（ｂ）平面図である。
【符号の説明】
【００５８】
５ 窒化物半導体素子、１０ 多結晶ＡｌＮ基板、２０ ＡｌＮバッファ層、
２０Ａ ＭｇドープＡｌＮ層、２０Ｂ ＭｇアンドープＡｌＮバッファ層、
３０ ｐ型ＧａＮ層、４０ アンドープＧａＮ層
５０ ＡｌＧａＮ層、 ６０ ＳｉＮ保護膜、 ７０ ｐ型電極、 ８０ ソース電極、
９０ ゲート電極、１００ ドレイン電極、１１０ ゲート絶縁膜、１１５ 保護膜、
２００ 光半導体素子、２０４ ｎ型ＧａＮコンタクト層、
２０５ ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、２０６ ｎ型ＧａＮガイド層、２０７ ＭＱＷ層、
２０８ ｐ型ＧａＮガイド層、２０９ ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、
２１０ 第１ｐ型ＧａＮ層、２１１ ｎ型ＧａＮ電流阻止層、２１２ 第２ｐ型ＧａＮ層、２１３ 第３ｐ型ＧａＮ層、２１４ ｐ型ＧａＮコンタクト層、２３０ ｎ側電極、
２３１ ｐ側電極、
【特許請求の範囲】
【請求項１】
配向性を有する多結晶窒化アルミニウムからなり、主面上に複数のステップが形成された基板と、
前記基板の前記主面上に設けられた単結晶の窒化物半導体層と、
を備えたことを特徴とする窒化物半導体ウェーハ。
【請求項２】
前記多結晶窒化アルミニウムは、＜０００１＞方向が前記主面に対して略垂直な方向に平行となる配向性を有し、
前記単結晶の窒化物半導体層は、＜０００１＞方向が前記主面に対して略垂直な方向となり且つ＜１１−２０＞方向あるいは＜１０−１０＞方向は、前記ステップの延在方向に対して略垂直であることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体ウェーハ。
【請求項３】
配向性を有する多結晶窒化アルミニウムからなり、主面上に複数のステップが形成された基板と、
前記基板の前記主面上に設けられた単結晶の窒化物半導体層と、
前記窒化物半導体層の上に設けられた電極と、
を備えたことを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項４】
前記多結晶窒化アルミニウムは、＜０００１＞方向が前記主面に対して略垂直な方向に平行となる配向性を有し、
前記単結晶の窒化物半導体層は、＜０００１＞方向が前記主面に対して略垂直な方向となり且つ＜１１−２０＞方向あるいは＜１０−１０＞方向は、前記ステップの延在方向に対して略垂直であることを特徴とする請求項３記載の窒化物半導体素子。
【請求項５】
前記窒化物半導体層は、窒化物半導体からなるチャネル層と、前記チャネル層の上に設けられ前記チャネル層よりもバンドギャップが大なる窒化物半導体からなるバリア層と、を含み、
前記電極は、前記バリア層の上に設けられたゲート電極と、前記バリア層の上において前記ゲート電極の両側に設けられたソース電極及びドレイン電極と、を有することを特徴とする請求項３または４に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１】
配向性を有する多結晶窒化アルミニウムからなり、主面上に複数のステップが形成された基板と、
前記基板の前記主面上に設けられた単結晶の窒化物半導体層と、
を備えたことを特徴とする窒化物半導体ウェーハ。
【請求項２】
前記多結晶窒化アルミニウムは、＜０００１＞方向が前記主面に対して略垂直な方向に平行となる配向性を有し、
前記単結晶の窒化物半導体層は、＜０００１＞方向が前記主面に対して略垂直な方向となり且つ＜１１−２０＞方向あるいは＜１０−１０＞方向は、前記ステップの延在方向に対して略垂直であることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体ウェーハ。
【請求項３】
配向性を有する多結晶窒化アルミニウムからなり、主面上に複数のステップが形成された基板と、
前記基板の前記主面上に設けられた単結晶の窒化物半導体層と、
前記窒化物半導体層の上に設けられた電極と、
を備えたことを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項４】
前記多結晶窒化アルミニウムは、＜０００１＞方向が前記主面に対して略垂直な方向に平行となる配向性を有し、
前記単結晶の窒化物半導体層は、＜０００１＞方向が前記主面に対して略垂直な方向となり且つ＜１１−２０＞方向あるいは＜１０−１０＞方向は、前記ステップの延在方向に対して略垂直であることを特徴とする請求項３記載の窒化物半導体素子。
【請求項５】
前記窒化物半導体層は、窒化物半導体からなるチャネル層と、前記チャネル層の上に設けられ前記チャネル層よりもバンドギャップが大なる窒化物半導体からなるバリア層と、を含み、
前記電極は、前記バリア層の上に設けられたゲート電極と、前記バリア層の上において前記ゲート電極の両側に設けられたソース電極及びドレイン電極と、を有することを特徴とする請求項３または４に記載の窒化物半導体素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
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【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２００７−１１２６３３（Ｐ２００７−１１２６３３Ａ）
【公開日】平成１９年５月１０日（２００７．５．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３０２３０８（Ｐ２００５−３０２３０８）
【出願日】平成１７年１０月１７日（２００５．１０．１７）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年５月１０日（２００７．５．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１０月１７日（２００５．１０．１７）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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