窒化物半導体エピタキシャル基板
【課題】デバイス活性層でのクラック発生が抑制され、かつ、転位密度の低減等の結晶性の向上を図りつつ、窒化物半導体の厚膜化に伴う反りも抑制された、製造効率に優れたバッファ構造を備えた窒化物半導体エピタキシャル基板を提供する。
【解決手段】Ｓｉ基板１と、厚さ２〜１０ｎｍのＡｌaＧａ1-aＮ（０．９≦ａ≦１．０）単結晶層３１および厚さ１０〜３０ｎｍのＡｌbＧａ1-bＮ（０≦ｂ≦０．１）単結晶層３２が交互に繰り返し積層された第１の多層バッファ領域３と、厚さ２〜１０ｎｍのＡｌcＧａ1-cＮ（０．９≦ｃ≦１．０）単結晶層４１および厚さ２００〜５００ｎｍのＡｌdＧａ1-dＮ（０≦ｄ≦０．１）単結晶層４２が交互に繰り返し積層された第２の多層バッファ領域４と、ＧａＮ単結晶層５と、ＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）単結晶層６とを備えた構成の窒化物半導体エピタキシャル基板を作製する。
【解決手段】Ｓｉ基板１と、厚さ２〜１０ｎｍのＡｌaＧａ1-aＮ（０．９≦ａ≦１．０）単結晶層３１および厚さ１０〜３０ｎｍのＡｌbＧａ1-bＮ（０≦ｂ≦０．１）単結晶層３２が交互に繰り返し積層された第１の多層バッファ領域３と、厚さ２〜１０ｎｍのＡｌcＧａ1-cＮ（０．９≦ｃ≦１．０）単結晶層４１および厚さ２００〜５００ｎｍのＡｌdＧａ1-dＮ（０≦ｄ≦０．１）単結晶層４２が交互に繰り返し積層された第２の多層バッファ領域４と、ＧａＮ単結晶層５と、ＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）単結晶層６とを備えた構成の窒化物半導体エピタキシャル基板を作製する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード、レーザ発光素子、また、高速・高温での動作可能な電子素子等に好適に用いられるＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor；高電子移動度トランジスタ）構造を有する窒化物半導体エピタキシャル基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム（ＧａＮ）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等に代表される窒化物半導体は、広いバンドキャップを有しており、高い電子移動度、高い耐熱性等の優れた特性を備えているため、発光デバイスや、高速・高温での動作が可能な電子デバイス等への応用が期待されている。
【０００３】
前記窒化物半導体は、融点が高く、窒素の平衡蒸気圧が非常に高いため、融液からのバルク結晶成長は容易ではない。このため、実用化レベルにある単結晶は、異種基板上へのヘテロエピタキシャル成長により作製されている。
従来、ＧａＮまたはＡｌＮ単結晶層をエピタキシャル成長させるための基板には、サファイア、６Ｈ−ＳｉＣ、Ｓｉ等が用いられていた。
【０００４】
これらの基板の中でも、Ｓｉ基板は、他の基板と比べて、結晶性に優れ、大面積で、低価格で得られることから、窒化物半導体の製造コストを低減させることができ、好適である。また、成熟したＳｉ単結晶製造技術により、高品質な結晶を安定供給することができる。
さらに、Ｓｉ基板上への窒化物半導体単結晶層の形成は、その後のデバイス工程が、現在のデバイス工程をそのまま使用することができるため、開発コスト面においても優位であり、実用化が求められている。
【０００５】
しかしながら、Ｓｉ基板上に窒化物半導体結晶を成膜する場合、Ｓｉと窒化物半導体との熱膨張係数の相違により、窒化物半導体単結晶膜に反りや割れが生じ、また、Ｓｉと窒化物半導体との結晶格子定数の差に起因して、多数の転位や結晶欠陥が生じるという問題が生じていた。
【０００６】
これに対しては、Ｓｉ基板と窒化物半導体層との間にバッファ層を設けて、上記クラックや転位を低減させることが一般的に行われている。
例えば、非特許文献１には、ＡｌＮ層厚を５ｎｍ、ＧａＮ層厚を２０ｎｍ以上のＡｌＮ／ＧａＮの多層膜からなる多層構造バッファ領域を設けることにより、膜厚に対する反りが低減され、ひび割れの導入も防ぐことができることが記載されている。
【０００７】
また、特許文献１には、前記多層構造バッファ領域として、厚さ５ｎｍのＡｌxＧａ1-xＮ（０．５≦ｘ≦１）からなる第１のバッファ層と、厚さ２０ｎｍのＡｌyＧａ1-yＮ（０．０１≦ｙ≦０．２）からなる第２のバッファ層を交互に複数層積層させることにより、表面が原子層レベルで平滑で、しかも、クラックのない窒化物半導体を形成することができることが記載されている。
【０００８】
ところで、半導体素子の耐圧向上のためには、窒化物半導体の厚さを増大させることが望ましいが、窒化物半導体の厚膜化に伴い、窒化物半導体エピタキシャル基板の反りも増大するという課題も生じていた。
【０００９】
これに対しては、例えば、特許文献２に、ＡｌＮ／ＧａＮの多層構造バッファ領域と、これよりも薄いＡｌＮ／ＧａＮのサブ多層構造バッファ領域との間に、単層構造バッファ領域を設け、これらの層の厚さを変化させて積層することにより厚膜化すれば、窒化物半導体エピタキシャル基板の反りを低減させることができることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００７−６７０７７号公報
【特許文献２】特開２００８−２０５１１７号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】大塚康二，「応用物理」，２００７年，第７６巻，第５号，ｐｐ．４８９−４９４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上記非特許文献１や特許文献１に記載されているようなＡｌＮ／ＧａＮの多層膜を形成する場合、ＡｌＮの成長速度がＧａＮの成長速度よりも遅いため、厚膜化するためには、窒化物半導体エピタキシャル基板の製造効率に劣る。
【００１３】
また、上記特許文献２に記載されているような複数種類の多層構造バッファ領域および単層構造バッファ領域を様々な膜厚に変化させて形成することは、製造工程が煩雑となり、厚膜化するためには、この場合も、窒化物半導体エピタキシャル基板の製造効率に劣る。
【００１４】
したがって、窒化物半導体エピタキシャル基板の製造においては、クラックの発生の抑制や、転位密度の低減化等の結晶性の向上を図ることができ、かつ、反りを抑制しつつ、窒化物半導体のデバイス活性層を厚膜化することができ、しかも、効率的に形成することができるバッファ構造が求められていた。
【００１５】
本発明は、上記技術的課題を解決するためになされたものであり、デバイス活性層でのクラック発生が抑制され、かつ、転位密度の低減等の結晶性の向上を図りつつ、窒化物半導体の厚膜化に伴う反りも抑制された、製造効率に優れたバッファ構造を備えた窒化物半導体エピタキシャル基板を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明に係る窒化物半導体エピタキシャル基板は、Ｓｉ基板と、前記Ｓｉ基板上に、厚さ２ｎｍ以上１０ｎｍ以下のＡｌaＧａ1-aＮ（０．９≦ａ≦１．０）単結晶層および厚さ１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下のＡｌbＧａ1-bＮ（０≦ｂ≦０．１）単結晶層が交互に繰り返し積層された第１の多層バッファ領域と、前記第１の多層バッファ領域上に、厚さ２ｎｍ以上１０ｎｍ以下のＡｌcＧａ1-cＮ（０．９≦ｃ≦１．０）単結晶層および厚さ２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下のＡｌdＧａ1-dＮ（０≦ｄ≦０．１）単結晶層が交互に繰り返し積層された第２の多層バッファ領域と、前記第２の多層バッファ領域上に形成されたＧａＮ単結晶層と、前記ＧａＮ単結晶層上に形成されたＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）単結晶層とを備えていることを特徴とする。
このような２種の多層バッファ領域を設けることにより、デバイス活性層でのクラック発生を抑制し、かつ、転位密度の低減等の結晶性の向上を図ることができ、また、窒化物半導体の厚膜化に伴う反りも抑制することができる。
【００１７】
前記窒化物半導体エピタキシャル基板の中でも、特に、Ｓｉ基板と、前記Ｓｉ基板上に、厚さ５ｎｍのＡｌＮ単結晶層および厚さ２０ｎｍのＧａＮ単結晶層が交互に繰り返し積層された第１の多層バッファ領域と、前記第１の多層バッファ領域上に、厚さ５ｎｍのＡｌＮ単結晶層および厚さ２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下のＧａＮ単結晶層が交互に繰り返し積層された第２の多層バッファ領域と、前記第２の多層バッファ領域上に形成されたＧａＮ単結晶層と、前記活性層上に形成されたＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）単結晶層とを備えていることが好ましい。
【００１８】
また、前記窒化物半導体エピタキシャル基板においては、前記Ｓｉ基板と第１の多層バッファ領域との間に、前記Ｓｉ基板上に、ＡｌＮ単結晶層およびＡｌyＧａ1-yＮ（０＜ｙ＜１）単結晶層が積層された初期バッファ領域を備えていることが好ましい。
成長初期バッファとしては、Ｓｉ、ＧａＮとの親和性が高く、メルトバックエッチング反応を起こさないＡｌＮ単結晶が適しており、また、ＡｌＮ単結晶層表面の段差を平坦化するためには、ＧａＮとＡｌＮの混晶であるＡｌＧａＮ単結晶層も挿入して、上記のような初期バッファ領域を形成しておくことが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、デバイス活性層でのクラック発生が抑制され、かつ、転位密度の低減等の結晶性の向上を図りつつ、窒化物半導体の厚膜化に伴う反りも抑制された窒化物半導体エピタキシャル基板を提供することができる。
さらに、本発明に係る窒化物半導体エピタキシャル基板は、製造効率に優れているという利点も有しており、また、デバイスプロセスにおける歩留の向上にも寄与し得るものである。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係る窒化物半導体エピタキシャル基板の層構造を示す概略断面図である。
【図２】図１の第１の多層バッファ領域３および第２の多層バッファ領域４部分の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明を、図面を参照して、より詳細に説明する。
図１に、本発明に係る窒化物半導体エピタキシャル基板の層構造の概略を示す。図１に示す窒化物半導体エピタキシャル基板は、Ｓｉ基板１上に、初期バッファ領域２、第１の多層バッファ領域３、第２の多層バッファ領域４、ＧａＮ単結晶層５、ＡｌxＧａ1-xＮ単結晶層６が、順次積層された構造を備えているものである。
前記ＧａＮ単結晶層５は、デバイス活性層として形成されているものであり、その上にＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）単結晶層６が積層されることにより、ＨＥＭＴ構造が形成される。
【００２２】
図２に、図１の窒化物半導体エピタキシャル基板の第１の多層バッファ領域３および第２の多層バッファ領域４の拡大図を示す。第１の多層バッファ領域３は、厚さ２ｎｍ以上１０ｎｍ以下のＡｌaＧａ1-aＮ（０．９≦ａ≦１．０）単結晶層３１および厚さ１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下のＡｌbＧａ1-bＮ（０≦ｂ≦０．１）単結晶層３２が、Ｓｉ基板１側から交互に繰り返し積層された多層構造からなる。また、第２の多層バッファ領域４は、厚さ２ｎｍ以上１０ｎｍ以下のＡｌcＧａ1-cＮ（０．９≦ｃ≦１．０）単結晶層４１および厚さ２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下のＡｌdＧａ1-dＮ（０≦ｄ≦０．１）単結晶層４２が、交互に繰り返し積層された多層構造からなる。
【００２３】
前記第１の多層バッファ領域３においては、これを構成するＡｌaＧａ1-aＮ単結晶層３１の厚さは、第２の多層バッファ領域４を構成するＡｌcＧａ1-cＮ単結晶層４１と同等であるが、ＡｌbＧａ1-bＮ単結晶層３２の厚さは、第２の多層バッファ領域４を構成するＡｌdＧａ1-dＮ単結晶層４２の厚さよりも薄い。このため、第１の多層バッファ領域３は、第２の多層バッファ領域４よりも、単位厚さ当たりの積層数が多い、すなわち、異種層の界面の数が多いため、転位密度の低減効果が大きいが、反りの抑制効果においては劣る。
【００２４】
前記ＡｌaＧａ1-aＮ単結晶層３１およびＡｌcＧａ1-cＮ単結晶層４１の厚さは、２ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることが好ましく、５ｎｍ前後であることがより好ましい。
前記厚さが２ｎｍ未満の場合は、平坦に成膜するのが困難であり、平坦性が損なわれ、応力制御性の低下を招く。一方、前記厚さが１０ｎｍを超える場合は、エピタキシャル成長中にクラックが発生する。
【００２５】
一方、前記第２の多層バッファ領域４においては、前記多層バッファ領域３と比べて、転位密度の低減効果は小さいが、ＡｌdＧａ1-dＮ単結晶層４２の厚さが厚いことから、第２の多層バッファ領域４よりも上層であるＧａＮ単結晶層５およびＡｌxＧａ1-xＮ単結晶層６における反りの抑制効果に優れている。
【００２６】
前記ＡｌbＧａ1-bＮ単結晶層３２の厚さは、１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることが好ましく、２０ｎｍ前後であることがより好ましい。
Ｇａ組成の高い単結晶層３２を厚さ１０ｎｍ未満で平坦に成膜することは困難であり、前記厚さが１０ｎｍ未満の場合は、平坦性が損なわれ、応力制御性の低下を招く。
一方、前記厚さが３０ｎｍを超える場合は、単結晶層３２の平坦性、応力制御性の点では問題はない。しかしながら、転位を効率よく屈曲、消滅させるためには、Ａｌ組成の高い単結晶層３１／Ｇａ組成の高い単結晶層３２（ＡｌＮ／ＧａＮ）界面の数（単位厚さ当たり）をより多く形成することが好ましいという点からは、膜厚が大きいことは、不利に働く。
【００２７】
また、前記ＡｌdＧａ1-dＮ単結晶層４２の厚さは、２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることが好ましく、２５０ｎｍ前後であることがより好ましい。
ＧａＮ単結晶層５は、ＡｌcＧａ1-cＮ単結晶層４１／ＡｌdＧａ1-dＮ単結晶層４２（ＡｌＮ／ＧａＮ）界面からの距離が近すぎても離れすぎていても応力制御性が低下する。ＧａＮ単結晶層５と接するＡｌdＧａ1-dＮ単結晶層４２の厚さが、ＡｌＮ／ＧａＮ界面からＧａＮ単結晶層５までの距離に相当することから、ＡｌdＧａ1-dＮ単結晶層４２の厚さは上記範囲内であることが好ましい。
【００２８】
したがって、窒化物半導体のエピタキシャル成長の早期において、転位密度を低減させておけば、その上に形成される各層での転位密度の増加を抑制することができるため、転位密度の低減化の観点から、先に、第１バッファ領域を形成し、その上に、第２バッファ領域を形成することが好ましい。
逆に、第２バッファ層を先に形成し、その上に、第１バッファ層を形成した場合は、反りの抑制効果は十分に得られるが、成膜過程において、転位密度を十分に低減化させることができず、結晶性に劣ることとなる。
【００２９】
なお、多層バッファ領域においては、異種層の界面が多数存在していればよいため、第１の多層バッファ領域３におけるＡｌaＧａ1-aＮ単結晶層３１とＡｌbＧａ1-bＮ単結晶層３２は、交互に積層されていれば、Ｓｉ基板１側に位置する第１の多層バッファ領域３の最初の層がＡｌbＧａ1-bＮ単結晶層３２であってもよい。同様に、第２の多層バッファ領域４におけるＡｌcＧａ1-cＮ単結晶層４１とＡｌdＧａ1-dＮ単結晶層４２についても、Ｓｉ基板１側に位置する第２の多層バッファ領域４の最初の層がＡｌdＧａ1-dＮ単結晶層４２であってもよい。
【００３０】
上記のように、本発明に係る窒化物半導体エピタキシャル基板においては、２種類の多層バッファ領域３，４を設けることにより、デバイス活性層でのクラック発生の抑制、転位密度の低減化が図られ、かつ、窒化物半導体の厚膜化に伴う反りも抑制される。
【００３１】
前記ＡｌaＧａ1-aＮ単結晶層３１およびＡｌcＧａ1-cＮ単結晶層４１は、０．９≦ａ≦１．０、０．９≦ｃ≦１．０であることが好ましく、特に、ａ＝ｃ＝１であるＡｌＮ単結晶層であることが好ましい。
また、前記ＡｌbＧａ1-bＮ単結晶層３２およびＡｌdＧａ1-dＮ単結晶層４２は、０≦ｂ≦０．１、０≦ｄ≦０．１であること好ましく、特に、ｂ＝ｄ＝０であるＧａＮ単結晶層であることが好ましい。
このように、ＡｌとＧａの組成比が大きく異なる２種のＡｌＧａＮ単結晶層を交互に繰り返し積層させることにより、第１および第２バッファ領域における応力緩和効果をより効果的に発揮させることができる。
【００３２】
したがって、前記窒化物半導体エピタキシャル基板の中で、特に好ましい層構成としては、Ｓｉ基板と、前記Ｓｉ基板上に、厚さ５ｎｍのＡｌＮ単結晶層および厚さ２０ｎｍのＧａＮ単結晶層が交互に繰り返し積層された第１の多層バッファ領域と、前記第１の多層バッファ領域上に、厚さ５ｎｍのＡｌＮ単結晶層および厚さ２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下のＧａＮ単結晶層が交互に繰り返し積層された第２の多層バッファ領域と、前記第２の多層バッファ領域上に形成されたＧａＮ単結晶層と、前記活性層上に形成されたＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）単結晶層とを備えている構成が挙げられる。
【００３３】
ＡｌＮ単結晶層の方が、ＧａＮ単結晶層よりもエピタキシャル成長速度が遅いため、第２の多層バッファ領域４よりも単位厚さ当たりのＡｌＮ単結晶層の厚さの割合が多い第１の多層バッファ領域３は、第２の多層バッファ領域４よりも形成に長時間を要するが、上記のような層構成により、第１の多層バッファ領域３のみでなく、第２の多層バッファ領域４も形成することにより、バッファ領域全体の成膜時間の短縮化を図ることができる。
また、このような多層バッファ領域の各層の組成構成および各膜厚は、多様に変化させる必要はないため、制御が容易である。
したがって、転位密度の低減効果により優れた第１のバッファ領域３を形成した後、その上に、成長速度のより速い第２のバッファ領域４を形成することにより、厚膜化した場合においても、窒化物半導体エピタキシャル基板の製造効率の向上を図ることができる。
【００３４】
前記第１の多層バッファ領域３は、１層のＡｌaＧａ1-aＮ単結晶層３１と１層のＡｌbＧａ1-bＮ単結晶層３２が１０〜１００回繰り返し積層される、すなわち、積層数が１０〜１００であることが好ましい。
ＡｌaＧａ1-aＮ単結晶層３１およびＡｌbＧａ1-bＮ単結晶層３２の各層が薄すぎたり、積層組数が少なすぎたりすると、膜成長過程において、多層バッファ領域による応力緩和が十分でなく、クラックや反りの抑制効果が十分に得られず、また、結晶性（低転位密度）も低下する。
一方、各層が厚すぎたり、積層組数が多すぎたりする場合、コスト高となり、製造効率の点でも劣り、好ましくない。
第２の多層バッファ領域４を構成するＡｌcＧａ1-cＮ単結晶層４１とＡｌdＧａ1-dＮ単結晶層４２の積層についても、同様である。
【００３５】
前記Ｓｉ基板１には、Ｓｉ単結晶が用いられ、その製造方法は、特に限定されない。チョクラルスキー（ＣＺ）法により製造されたものであっても、フローティングゾーン（ＦＺ）法により製造されたものであってもよく、また、これらのＳｉ単結晶基板に気相成長法によりＳｉ単結晶層をエピタキシャル成長させたもの（Ｓｉエピ基板）であってもよい。
窒化物半導体をＳｉ単結晶基板上にエピタキシャル成長させることにより、従来のＳｉ半導体製造プロセスにおいて用いられている装置および技術を利用することができ、大口径かつ低コストでの製造が可能となる。
【００３６】
前記Ｓｉ基板１上に形成される初期バッファ領域２は、ＡｌＮ単結晶層２１およびＡｌyＧａ1-yＮ（０＜ｙ＜１）単結晶層２２が、この順にＳｉ基板１側から積層されたものであるが、これは、第１の多層バッファ領域３を形成する前のＳｉ基板表面の保護および下地として役割を果たすものである。
ＳｉとＧａは非常に反応性が高く、成長初期においてＳｉ基板表面にＧａが付着した場合、メルトバックエッチング反応により、Ｓｉ基板表面に荒れが生じる。
このため、成長初期バッファとして、Ｓｉ、ＧａＮとの親和性が高く、前記メルトバックエッチング反応を起こさないＡｌＮ単結晶層を形成しておくことが好ましい。
しかしながら、前記ＡｌＮ単結晶の成長は、Ｓｉの融点を考慮すると、本来の最適な成長温度よりも低い温度となるため、ＡｌＮ単結晶層表面は非常に多くの段差を含む形状となる。この上に、ＧａＮ、ＡｌＮ等の窒化物半導体結晶の成長を行った場合であっても、良質な結晶を得ることは困難である。
したがって、ＡｌＮ単結晶層表面の段差を平坦化するためには、さらに、ＧａＮとＡｌＮの混晶であるＡｌyＧａ1-yＮ（０＜ｙ＜１）単結晶層を挿入して、初期バッファ領域２を形成することが好ましい。
なお、前記初期バッファ領域を設けない場合には、例えば、特殊な基板洗浄前処理等を行っておくことが好ましい。
【００３７】
前記初期バッファ領域２を設ける際、続けて形成される第１の多層バッファ領域３の最初の層をＡｌbＧａ1-bＮ単結晶層３２とする場合、初期バッファ領域２のＡｌyＧａ1-yＮ単結晶層２２に、組成が同じ、または、比較的近い層が接することになる。
本来は、転位の低減や応力制御の観点からは、組成比が大きく異なる界面とする方が好ましいが、ＡｌyＧａ1-yＮ単結晶層２２が形成された段階では、まだ十分な結晶性が得られていない。このため、成長初期の結晶性をより早く高める観点からは、上記のような組成比が近い界面を設けることが、その上に形成される層の転位の低減や応力制御に対して有利に働くため好ましい。
【００３８】
前記ＡｌＮ単結晶層２１およびＡｌyＧａ1-yＮ単結晶層２２の厚さは、製造コスト面からは、できる限り薄いことが好ましいが、ＡｌＮ単結晶層２１は、バッファとして必要な結晶性を得るためには、相応の膜厚が必要となり、厚さ１００〜１５０ｎｍ程度であることが好ましい。
また、ＡｌyＧａ1-yＮ単結晶層２２も、ＡｌＮ単結晶層２１に存在する段差を平滑化するために、相応の膜厚が必要となり、厚さ１００〜２００ｎｍ程度であることが好ましい。
【００３９】
また、前記多層バッファ領域上に形成されるＧａＮ単結晶層５は、上述したように、デバイス活性層として形成されているものであり、その上に積層されるＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）単結晶層６とにより、ＨＥＭＴ構造が形成されるものである。
したがって、ＧａＮ単結晶層５は、良好な結晶性および平坦性を確保する観点から、厚さ５００〜３０００ｎｍ程度で形成されることが好ましい。
また、ＡｌxＧａ1-xＮ単結晶層６は、クラックの発生を回避するため、厚さ２０〜５０ｎｍ程度で形成されることが好ましい。
【００４０】
なお、本発明に係るエピタキシャル成長方法は、特に限定されるものではなく、一般的に用いられる方法でよく、例えば、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）やＰＥＣＶＤ(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)を始めとしたＣＶＤ法、レーザービームを用いた蒸着法、雰囲気ガスを用いたスパッタ法等を用いることができる。
【実施例】
【００４１】
以下、本発明を実施例に基づいてさらに具体的に説明するが、本発明は、下記実施例により制限されるものではない。
［実施例１］
図１に示すような層構造を備えた窒化物半導体エピタキシャル基板を、以下の工程により作製した。
まず、直径４インチのＳｉ基板１をＭＯＣＶＤ装置にセットし、原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、およびＮＨ3を用い、１１００℃での気相成長により、厚さ１００ｎｍのＡｌＮ単結晶層２１を形成し、さらにその上に、原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、ＴＭＡおよびＮＨ3を用い、１０００℃での気相成長により厚さ２００ｎｍのＡｌyＧａ1-yＮ（ｙ＝０．１）単結晶層（Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ単結晶層）２２を積層させ、初期バッファ領域２を形成した。
【００４２】
次に、原料としてＴＭＡおよびＮＨ3を用い、１０００℃での気相成長により、前記初期バッファ領域２上に、厚さ５ｎｍのＡｌaＧａ1-aＮ（ａ＝１）単結晶層（ＡｌＮ単結晶層）３１を積層させた。
前記ＡｌＮ単結晶層３１上に、原料としてＴＭＧおよびＮＨ3を用い、１０００℃での気相成長により、厚さ２０ｎｍのＡｌbＧａ1-bＮ（ｂ＝０）単結晶層（ＧａＮ単結晶層）３２を積層させた。
前記ＡｌＮ単結晶層３１およびＧａＮ単結晶層３２を、同様の工程にて、交互に繰り返し積層させ、積層数を５０として、第１の多層バッファ領域を形成した。
さらに、前記第１の多層バッファ領域３上に、厚さ５ｎｍのＡｌcＧａ1-cＮ（ｃ＝１）単結晶層（ＡｌＮ単結晶層）４１および厚さを２５０ｎｍのＡｌdＧａ1-dＮ（ｄ＝０）単結晶層（ＧａＮ単結晶層）４２を交互に繰り返し積層させ、積層数を２４として、それ以外は、前記第１の多層バッファ領域３の形成と同様の工程にて、第２の多層バッファ領域４を形成した。
【００４３】
前記第２の多層バッファ領域４上に、原料としてＴＭＧおよびＮＨ3を用い、１０００℃での気相成長により、厚さ２０００ｎｍのＧａＮ単結晶層５を積層させた。
さらに、前記ＧａＮ単結晶層５上に、原料としてＴＭＧ、ＴＭＡ、およびＮＨ3を用い、１０００℃での気相成長により、厚さ２０ｎｍのＡｌxＧａ1-xＮ（ｘ＝０．２５）単結晶層（Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ単結晶層）６を積層させ、窒化物半導体エピタキシャル基板を得た。
なお、気相成長により形成した各層の厚さの調整は、各原料の流量および供給時間の調整により行った。
【００４４】
［実施例２］
初期バッファ領域２を形成せずに、それ以外は、実施例１と同様の工程にて、窒化物半導体エピタキシャル基板を作製した。
【００４５】
［比較例１］
第２の多層バッファ領域４を形成せずに、前記第１の多層バッファ領域３のみをＡｌＮ単結晶層３１およびＧａＮ単結晶層３２の繰り返しの積層数を１５０として形成し、それ以外は、実施例１と同様の工程にて、窒化物半導体エピタキシャル基板を作製した。
【００４６】
［比較例２］
第２の多層バッファ領域４を形成せずに、前記第１の多層バッファ領域３のみをＡｌＮ単結晶層３１およびＧａＮ単結晶層３２の繰り返しの積層数を２９０として形成し、前記第１の多層バッファ領域３上には、厚さ１０００ｎｍのＧａＮ単結晶層５を積層させた。それ以外は、実施例１と同様の工程にて、窒化物半導体エピタキシャル基板を作製した。
【００４７】
［比較例３］
第１の多層バッファ領域３を形成せずに、前記第２の多層バッファ領域４のみをＡｌＮ単結晶層４１およびＧａＮ単結晶層４２の繰り返しの積層数を２８として形成し、前記第２の多層バッファ領域４上には、厚さ１０００ｎｍのＧａＮ単結晶層５を積層させた。それ以外は、実施例１と同様の工程にて、窒化物半導体エピタキシャル基板を作製した。
【００４８】
［実施例３〜２８、比較例４〜２７］
第１の多層バッファ領域３のＡｌaＧａ1-aＮ単結晶層３１およびＡｌbＧａ1-bＮ単結晶層３２の各厚さ、第２の多層バッファ領域４のＡｌcＧａ1-cＮ単結晶層４１およびＡｌdＧａ1-dＮ単結晶層４２の各組成比および積層回数を表１（実施例）または表２（比較例）に示すように変化させた。また、第１の多層バッファ領域３においてはＡｌbＧａ1-bＮ単結晶層３２を、第２の多層バッファ領域４においてはＡｌdＧａ1-dＮ単結晶層４２を最初に積層し、それ以外は、実施例１と同様の工程にて、窒化物半導体エピタキシャル基板を作製した。
なお、実施例３〜２８および比較例２〜２７においては、総膜厚が約５μｍになるように各層の厚さおよび積層数を調整した。
【００４９】
【表１】
【００５０】
【表２】
【００５１】
上記実施例および比較例で作製した窒化物半導体エピタキシャル基板について、デバイス活性層として用いられるＧａＮ単結晶層の基板面中心部における転位密度を、透過型電子顕微鏡により評価した。また、反りおよびクラックの発生（基板外周を除く）についても、レーザ変位計および光学顕微鏡の暗視野像により評価した。なお、反りは、エピタキシャル成長前の基板裏面が基板厚さ方向に変位した距離の最大値と最小値の差により評価した。
これらの結果をまとめて、表３（実施例）および表４（比較例）に示す。
表３，４において、反りの評価は、○：３１μｍ以下、△：３１μｍ超５０μｍ以下、×：５０μｍ超とした。また、転位密度の評価は、○：５×１０9／ｃｍ2以下、×：５×１０9／ｃｍ2超とした。
なお、膜形成のプロセス時間は、基板特性に特に影響しないが、製造効率やコストの点では短い方が好ましく、参考指標として記載した。
【００５２】
【表３】
【００５３】
【表４】
【００５４】
表３，４に示した評価結果から分かるように、各実施例の条件により作製した窒化物半導体エピタキシャル基板は、いずれも、クラックの発生がなく、転位密度が５×１０9／ｃｍ2以下であり、かつ、比較例に比べて、反りが抑制されている傾向にあることが認められた。特に、実施例１，３は、転位密度が最も小さく、また、反りの抑制効果も優れていた。なお、初期バッファ領域を形成しない場合（実施例２）は、プロセス時間の面では実施例１を上回る効率が得られたが、特性は若干下回るものであった。
【００５５】
一方、各比較例の条件により作製した窒化物半導体エピタキシャル基板は、全体的に転位密度が大きく、クラックや反りが発生するものが多かった。
なお、第２の多層バッファ領域４を形成しない場合（比較例１，２）は、転位密度の観点からは最も優れていたが、クラックの発生と反りの増大が生じており、さらに、プロセス時間が非常に長いという欠点を有していた。
また、第１の多層バッファ領域を形成しない場合（比較例３）は、クラックの発生もなく、プロセス時間の観点からは最も優れていたが、転位密度の軽減効果は低下した。
【符号の説明】
【００５６】
１ Ｓｉ基板
２ 初期バッファ領域
２１ ＡｌＮ単結晶層
２２ ＡｌyＧａ1-yＮ単結晶層
３ 第１の多層バッファ領域
３１ ＡｌaＧａ1-aＮ単結晶層
３２ ＡｌbＧａ1-bＮ単結晶層
４ 第２の多層バッファ領域
４１ ＡｌcＧａ1-cＮ単結晶層
４２ ＡｌdＧａ1-dＮ単結晶層
５ ＧａＮ単結晶層
６ ＡｌxＧａ1-xＮ単結晶層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード、レーザ発光素子、また、高速・高温での動作可能な電子素子等に好適に用いられるＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor；高電子移動度トランジスタ）構造を有する窒化物半導体エピタキシャル基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム（ＧａＮ）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等に代表される窒化物半導体は、広いバンドキャップを有しており、高い電子移動度、高い耐熱性等の優れた特性を備えているため、発光デバイスや、高速・高温での動作が可能な電子デバイス等への応用が期待されている。
【０００３】
前記窒化物半導体は、融点が高く、窒素の平衡蒸気圧が非常に高いため、融液からのバルク結晶成長は容易ではない。このため、実用化レベルにある単結晶は、異種基板上へのヘテロエピタキシャル成長により作製されている。
従来、ＧａＮまたはＡｌＮ単結晶層をエピタキシャル成長させるための基板には、サファイア、６Ｈ−ＳｉＣ、Ｓｉ等が用いられていた。
【０００４】
これらの基板の中でも、Ｓｉ基板は、他の基板と比べて、結晶性に優れ、大面積で、低価格で得られることから、窒化物半導体の製造コストを低減させることができ、好適である。また、成熟したＳｉ単結晶製造技術により、高品質な結晶を安定供給することができる。
さらに、Ｓｉ基板上への窒化物半導体単結晶層の形成は、その後のデバイス工程が、現在のデバイス工程をそのまま使用することができるため、開発コスト面においても優位であり、実用化が求められている。
【０００５】
しかしながら、Ｓｉ基板上に窒化物半導体結晶を成膜する場合、Ｓｉと窒化物半導体との熱膨張係数の相違により、窒化物半導体単結晶膜に反りや割れが生じ、また、Ｓｉと窒化物半導体との結晶格子定数の差に起因して、多数の転位や結晶欠陥が生じるという問題が生じていた。
【０００６】
これに対しては、Ｓｉ基板と窒化物半導体層との間にバッファ層を設けて、上記クラックや転位を低減させることが一般的に行われている。
例えば、非特許文献１には、ＡｌＮ層厚を５ｎｍ、ＧａＮ層厚を２０ｎｍ以上のＡｌＮ／ＧａＮの多層膜からなる多層構造バッファ領域を設けることにより、膜厚に対する反りが低減され、ひび割れの導入も防ぐことができることが記載されている。
【０００７】
また、特許文献１には、前記多層構造バッファ領域として、厚さ５ｎｍのＡｌxＧａ1-xＮ（０．５≦ｘ≦１）からなる第１のバッファ層と、厚さ２０ｎｍのＡｌyＧａ1-yＮ（０．０１≦ｙ≦０．２）からなる第２のバッファ層を交互に複数層積層させることにより、表面が原子層レベルで平滑で、しかも、クラックのない窒化物半導体を形成することができることが記載されている。
【０００８】
ところで、半導体素子の耐圧向上のためには、窒化物半導体の厚さを増大させることが望ましいが、窒化物半導体の厚膜化に伴い、窒化物半導体エピタキシャル基板の反りも増大するという課題も生じていた。
【０００９】
これに対しては、例えば、特許文献２に、ＡｌＮ／ＧａＮの多層構造バッファ領域と、これよりも薄いＡｌＮ／ＧａＮのサブ多層構造バッファ領域との間に、単層構造バッファ領域を設け、これらの層の厚さを変化させて積層することにより厚膜化すれば、窒化物半導体エピタキシャル基板の反りを低減させることができることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００７−６７０７７号公報
【特許文献２】特開２００８−２０５１１７号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】大塚康二，「応用物理」，２００７年，第７６巻，第５号，ｐｐ．４８９−４９４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上記非特許文献１や特許文献１に記載されているようなＡｌＮ／ＧａＮの多層膜を形成する場合、ＡｌＮの成長速度がＧａＮの成長速度よりも遅いため、厚膜化するためには、窒化物半導体エピタキシャル基板の製造効率に劣る。
【００１３】
また、上記特許文献２に記載されているような複数種類の多層構造バッファ領域および単層構造バッファ領域を様々な膜厚に変化させて形成することは、製造工程が煩雑となり、厚膜化するためには、この場合も、窒化物半導体エピタキシャル基板の製造効率に劣る。
【００１４】
したがって、窒化物半導体エピタキシャル基板の製造においては、クラックの発生の抑制や、転位密度の低減化等の結晶性の向上を図ることができ、かつ、反りを抑制しつつ、窒化物半導体のデバイス活性層を厚膜化することができ、しかも、効率的に形成することができるバッファ構造が求められていた。
【００１５】
本発明は、上記技術的課題を解決するためになされたものであり、デバイス活性層でのクラック発生が抑制され、かつ、転位密度の低減等の結晶性の向上を図りつつ、窒化物半導体の厚膜化に伴う反りも抑制された、製造効率に優れたバッファ構造を備えた窒化物半導体エピタキシャル基板を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明に係る窒化物半導体エピタキシャル基板は、Ｓｉ基板と、前記Ｓｉ基板上に、厚さ２ｎｍ以上１０ｎｍ以下のＡｌaＧａ1-aＮ（０．９≦ａ≦１．０）単結晶層および厚さ１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下のＡｌbＧａ1-bＮ（０≦ｂ≦０．１）単結晶層が交互に繰り返し積層された第１の多層バッファ領域と、前記第１の多層バッファ領域上に、厚さ２ｎｍ以上１０ｎｍ以下のＡｌcＧａ1-cＮ（０．９≦ｃ≦１．０）単結晶層および厚さ２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下のＡｌdＧａ1-dＮ（０≦ｄ≦０．１）単結晶層が交互に繰り返し積層された第２の多層バッファ領域と、前記第２の多層バッファ領域上に形成されたＧａＮ単結晶層と、前記ＧａＮ単結晶層上に形成されたＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）単結晶層とを備えていることを特徴とする。
このような２種の多層バッファ領域を設けることにより、デバイス活性層でのクラック発生を抑制し、かつ、転位密度の低減等の結晶性の向上を図ることができ、また、窒化物半導体の厚膜化に伴う反りも抑制することができる。
【００１７】
前記窒化物半導体エピタキシャル基板の中でも、特に、Ｓｉ基板と、前記Ｓｉ基板上に、厚さ５ｎｍのＡｌＮ単結晶層および厚さ２０ｎｍのＧａＮ単結晶層が交互に繰り返し積層された第１の多層バッファ領域と、前記第１の多層バッファ領域上に、厚さ５ｎｍのＡｌＮ単結晶層および厚さ２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下のＧａＮ単結晶層が交互に繰り返し積層された第２の多層バッファ領域と、前記第２の多層バッファ領域上に形成されたＧａＮ単結晶層と、前記活性層上に形成されたＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）単結晶層とを備えていることが好ましい。
【００１８】
また、前記窒化物半導体エピタキシャル基板においては、前記Ｓｉ基板と第１の多層バッファ領域との間に、前記Ｓｉ基板上に、ＡｌＮ単結晶層およびＡｌyＧａ1-yＮ（０＜ｙ＜１）単結晶層が積層された初期バッファ領域を備えていることが好ましい。
成長初期バッファとしては、Ｓｉ、ＧａＮとの親和性が高く、メルトバックエッチング反応を起こさないＡｌＮ単結晶が適しており、また、ＡｌＮ単結晶層表面の段差を平坦化するためには、ＧａＮとＡｌＮの混晶であるＡｌＧａＮ単結晶層も挿入して、上記のような初期バッファ領域を形成しておくことが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、デバイス活性層でのクラック発生が抑制され、かつ、転位密度の低減等の結晶性の向上を図りつつ、窒化物半導体の厚膜化に伴う反りも抑制された窒化物半導体エピタキシャル基板を提供することができる。
さらに、本発明に係る窒化物半導体エピタキシャル基板は、製造効率に優れているという利点も有しており、また、デバイスプロセスにおける歩留の向上にも寄与し得るものである。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係る窒化物半導体エピタキシャル基板の層構造を示す概略断面図である。
【図２】図１の第１の多層バッファ領域３および第２の多層バッファ領域４部分の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明を、図面を参照して、より詳細に説明する。
図１に、本発明に係る窒化物半導体エピタキシャル基板の層構造の概略を示す。図１に示す窒化物半導体エピタキシャル基板は、Ｓｉ基板１上に、初期バッファ領域２、第１の多層バッファ領域３、第２の多層バッファ領域４、ＧａＮ単結晶層５、ＡｌxＧａ1-xＮ単結晶層６が、順次積層された構造を備えているものである。
前記ＧａＮ単結晶層５は、デバイス活性層として形成されているものであり、その上にＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）単結晶層６が積層されることにより、ＨＥＭＴ構造が形成される。
【００２２】
図２に、図１の窒化物半導体エピタキシャル基板の第１の多層バッファ領域３および第２の多層バッファ領域４の拡大図を示す。第１の多層バッファ領域３は、厚さ２ｎｍ以上１０ｎｍ以下のＡｌaＧａ1-aＮ（０．９≦ａ≦１．０）単結晶層３１および厚さ１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下のＡｌbＧａ1-bＮ（０≦ｂ≦０．１）単結晶層３２が、Ｓｉ基板１側から交互に繰り返し積層された多層構造からなる。また、第２の多層バッファ領域４は、厚さ２ｎｍ以上１０ｎｍ以下のＡｌcＧａ1-cＮ（０．９≦ｃ≦１．０）単結晶層４１および厚さ２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下のＡｌdＧａ1-dＮ（０≦ｄ≦０．１）単結晶層４２が、交互に繰り返し積層された多層構造からなる。
【００２３】
前記第１の多層バッファ領域３においては、これを構成するＡｌaＧａ1-aＮ単結晶層３１の厚さは、第２の多層バッファ領域４を構成するＡｌcＧａ1-cＮ単結晶層４１と同等であるが、ＡｌbＧａ1-bＮ単結晶層３２の厚さは、第２の多層バッファ領域４を構成するＡｌdＧａ1-dＮ単結晶層４２の厚さよりも薄い。このため、第１の多層バッファ領域３は、第２の多層バッファ領域４よりも、単位厚さ当たりの積層数が多い、すなわち、異種層の界面の数が多いため、転位密度の低減効果が大きいが、反りの抑制効果においては劣る。
【００２４】
前記ＡｌaＧａ1-aＮ単結晶層３１およびＡｌcＧａ1-cＮ単結晶層４１の厚さは、２ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることが好ましく、５ｎｍ前後であることがより好ましい。
前記厚さが２ｎｍ未満の場合は、平坦に成膜するのが困難であり、平坦性が損なわれ、応力制御性の低下を招く。一方、前記厚さが１０ｎｍを超える場合は、エピタキシャル成長中にクラックが発生する。
【００２５】
一方、前記第２の多層バッファ領域４においては、前記多層バッファ領域３と比べて、転位密度の低減効果は小さいが、ＡｌdＧａ1-dＮ単結晶層４２の厚さが厚いことから、第２の多層バッファ領域４よりも上層であるＧａＮ単結晶層５およびＡｌxＧａ1-xＮ単結晶層６における反りの抑制効果に優れている。
【００２６】
前記ＡｌbＧａ1-bＮ単結晶層３２の厚さは、１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることが好ましく、２０ｎｍ前後であることがより好ましい。
Ｇａ組成の高い単結晶層３２を厚さ１０ｎｍ未満で平坦に成膜することは困難であり、前記厚さが１０ｎｍ未満の場合は、平坦性が損なわれ、応力制御性の低下を招く。
一方、前記厚さが３０ｎｍを超える場合は、単結晶層３２の平坦性、応力制御性の点では問題はない。しかしながら、転位を効率よく屈曲、消滅させるためには、Ａｌ組成の高い単結晶層３１／Ｇａ組成の高い単結晶層３２（ＡｌＮ／ＧａＮ）界面の数（単位厚さ当たり）をより多く形成することが好ましいという点からは、膜厚が大きいことは、不利に働く。
【００２７】
また、前記ＡｌdＧａ1-dＮ単結晶層４２の厚さは、２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることが好ましく、２５０ｎｍ前後であることがより好ましい。
ＧａＮ単結晶層５は、ＡｌcＧａ1-cＮ単結晶層４１／ＡｌdＧａ1-dＮ単結晶層４２（ＡｌＮ／ＧａＮ）界面からの距離が近すぎても離れすぎていても応力制御性が低下する。ＧａＮ単結晶層５と接するＡｌdＧａ1-dＮ単結晶層４２の厚さが、ＡｌＮ／ＧａＮ界面からＧａＮ単結晶層５までの距離に相当することから、ＡｌdＧａ1-dＮ単結晶層４２の厚さは上記範囲内であることが好ましい。
【００２８】
したがって、窒化物半導体のエピタキシャル成長の早期において、転位密度を低減させておけば、その上に形成される各層での転位密度の増加を抑制することができるため、転位密度の低減化の観点から、先に、第１バッファ領域を形成し、その上に、第２バッファ領域を形成することが好ましい。
逆に、第２バッファ層を先に形成し、その上に、第１バッファ層を形成した場合は、反りの抑制効果は十分に得られるが、成膜過程において、転位密度を十分に低減化させることができず、結晶性に劣ることとなる。
【００２９】
なお、多層バッファ領域においては、異種層の界面が多数存在していればよいため、第１の多層バッファ領域３におけるＡｌaＧａ1-aＮ単結晶層３１とＡｌbＧａ1-bＮ単結晶層３２は、交互に積層されていれば、Ｓｉ基板１側に位置する第１の多層バッファ領域３の最初の層がＡｌbＧａ1-bＮ単結晶層３２であってもよい。同様に、第２の多層バッファ領域４におけるＡｌcＧａ1-cＮ単結晶層４１とＡｌdＧａ1-dＮ単結晶層４２についても、Ｓｉ基板１側に位置する第２の多層バッファ領域４の最初の層がＡｌdＧａ1-dＮ単結晶層４２であってもよい。
【００３０】
上記のように、本発明に係る窒化物半導体エピタキシャル基板においては、２種類の多層バッファ領域３，４を設けることにより、デバイス活性層でのクラック発生の抑制、転位密度の低減化が図られ、かつ、窒化物半導体の厚膜化に伴う反りも抑制される。
【００３１】
前記ＡｌaＧａ1-aＮ単結晶層３１およびＡｌcＧａ1-cＮ単結晶層４１は、０．９≦ａ≦１．０、０．９≦ｃ≦１．０であることが好ましく、特に、ａ＝ｃ＝１であるＡｌＮ単結晶層であることが好ましい。
また、前記ＡｌbＧａ1-bＮ単結晶層３２およびＡｌdＧａ1-dＮ単結晶層４２は、０≦ｂ≦０．１、０≦ｄ≦０．１であること好ましく、特に、ｂ＝ｄ＝０であるＧａＮ単結晶層であることが好ましい。
このように、ＡｌとＧａの組成比が大きく異なる２種のＡｌＧａＮ単結晶層を交互に繰り返し積層させることにより、第１および第２バッファ領域における応力緩和効果をより効果的に発揮させることができる。
【００３２】
したがって、前記窒化物半導体エピタキシャル基板の中で、特に好ましい層構成としては、Ｓｉ基板と、前記Ｓｉ基板上に、厚さ５ｎｍのＡｌＮ単結晶層および厚さ２０ｎｍのＧａＮ単結晶層が交互に繰り返し積層された第１の多層バッファ領域と、前記第１の多層バッファ領域上に、厚さ５ｎｍのＡｌＮ単結晶層および厚さ２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下のＧａＮ単結晶層が交互に繰り返し積層された第２の多層バッファ領域と、前記第２の多層バッファ領域上に形成されたＧａＮ単結晶層と、前記活性層上に形成されたＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）単結晶層とを備えている構成が挙げられる。
【００３３】
ＡｌＮ単結晶層の方が、ＧａＮ単結晶層よりもエピタキシャル成長速度が遅いため、第２の多層バッファ領域４よりも単位厚さ当たりのＡｌＮ単結晶層の厚さの割合が多い第１の多層バッファ領域３は、第２の多層バッファ領域４よりも形成に長時間を要するが、上記のような層構成により、第１の多層バッファ領域３のみでなく、第２の多層バッファ領域４も形成することにより、バッファ領域全体の成膜時間の短縮化を図ることができる。
また、このような多層バッファ領域の各層の組成構成および各膜厚は、多様に変化させる必要はないため、制御が容易である。
したがって、転位密度の低減効果により優れた第１のバッファ領域３を形成した後、その上に、成長速度のより速い第２のバッファ領域４を形成することにより、厚膜化した場合においても、窒化物半導体エピタキシャル基板の製造効率の向上を図ることができる。
【００３４】
前記第１の多層バッファ領域３は、１層のＡｌaＧａ1-aＮ単結晶層３１と１層のＡｌbＧａ1-bＮ単結晶層３２が１０〜１００回繰り返し積層される、すなわち、積層数が１０〜１００であることが好ましい。
ＡｌaＧａ1-aＮ単結晶層３１およびＡｌbＧａ1-bＮ単結晶層３２の各層が薄すぎたり、積層組数が少なすぎたりすると、膜成長過程において、多層バッファ領域による応力緩和が十分でなく、クラックや反りの抑制効果が十分に得られず、また、結晶性（低転位密度）も低下する。
一方、各層が厚すぎたり、積層組数が多すぎたりする場合、コスト高となり、製造効率の点でも劣り、好ましくない。
第２の多層バッファ領域４を構成するＡｌcＧａ1-cＮ単結晶層４１とＡｌdＧａ1-dＮ単結晶層４２の積層についても、同様である。
【００３５】
前記Ｓｉ基板１には、Ｓｉ単結晶が用いられ、その製造方法は、特に限定されない。チョクラルスキー（ＣＺ）法により製造されたものであっても、フローティングゾーン（ＦＺ）法により製造されたものであってもよく、また、これらのＳｉ単結晶基板に気相成長法によりＳｉ単結晶層をエピタキシャル成長させたもの（Ｓｉエピ基板）であってもよい。
窒化物半導体をＳｉ単結晶基板上にエピタキシャル成長させることにより、従来のＳｉ半導体製造プロセスにおいて用いられている装置および技術を利用することができ、大口径かつ低コストでの製造が可能となる。
【００３６】
前記Ｓｉ基板１上に形成される初期バッファ領域２は、ＡｌＮ単結晶層２１およびＡｌyＧａ1-yＮ（０＜ｙ＜１）単結晶層２２が、この順にＳｉ基板１側から積層されたものであるが、これは、第１の多層バッファ領域３を形成する前のＳｉ基板表面の保護および下地として役割を果たすものである。
ＳｉとＧａは非常に反応性が高く、成長初期においてＳｉ基板表面にＧａが付着した場合、メルトバックエッチング反応により、Ｓｉ基板表面に荒れが生じる。
このため、成長初期バッファとして、Ｓｉ、ＧａＮとの親和性が高く、前記メルトバックエッチング反応を起こさないＡｌＮ単結晶層を形成しておくことが好ましい。
しかしながら、前記ＡｌＮ単結晶の成長は、Ｓｉの融点を考慮すると、本来の最適な成長温度よりも低い温度となるため、ＡｌＮ単結晶層表面は非常に多くの段差を含む形状となる。この上に、ＧａＮ、ＡｌＮ等の窒化物半導体結晶の成長を行った場合であっても、良質な結晶を得ることは困難である。
したがって、ＡｌＮ単結晶層表面の段差を平坦化するためには、さらに、ＧａＮとＡｌＮの混晶であるＡｌyＧａ1-yＮ（０＜ｙ＜１）単結晶層を挿入して、初期バッファ領域２を形成することが好ましい。
なお、前記初期バッファ領域を設けない場合には、例えば、特殊な基板洗浄前処理等を行っておくことが好ましい。
【００３７】
前記初期バッファ領域２を設ける際、続けて形成される第１の多層バッファ領域３の最初の層をＡｌbＧａ1-bＮ単結晶層３２とする場合、初期バッファ領域２のＡｌyＧａ1-yＮ単結晶層２２に、組成が同じ、または、比較的近い層が接することになる。
本来は、転位の低減や応力制御の観点からは、組成比が大きく異なる界面とする方が好ましいが、ＡｌyＧａ1-yＮ単結晶層２２が形成された段階では、まだ十分な結晶性が得られていない。このため、成長初期の結晶性をより早く高める観点からは、上記のような組成比が近い界面を設けることが、その上に形成される層の転位の低減や応力制御に対して有利に働くため好ましい。
【００３８】
前記ＡｌＮ単結晶層２１およびＡｌyＧａ1-yＮ単結晶層２２の厚さは、製造コスト面からは、できる限り薄いことが好ましいが、ＡｌＮ単結晶層２１は、バッファとして必要な結晶性を得るためには、相応の膜厚が必要となり、厚さ１００〜１５０ｎｍ程度であることが好ましい。
また、ＡｌyＧａ1-yＮ単結晶層２２も、ＡｌＮ単結晶層２１に存在する段差を平滑化するために、相応の膜厚が必要となり、厚さ１００〜２００ｎｍ程度であることが好ましい。
【００３９】
また、前記多層バッファ領域上に形成されるＧａＮ単結晶層５は、上述したように、デバイス活性層として形成されているものであり、その上に積層されるＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）単結晶層６とにより、ＨＥＭＴ構造が形成されるものである。
したがって、ＧａＮ単結晶層５は、良好な結晶性および平坦性を確保する観点から、厚さ５００〜３０００ｎｍ程度で形成されることが好ましい。
また、ＡｌxＧａ1-xＮ単結晶層６は、クラックの発生を回避するため、厚さ２０〜５０ｎｍ程度で形成されることが好ましい。
【００４０】
なお、本発明に係るエピタキシャル成長方法は、特に限定されるものではなく、一般的に用いられる方法でよく、例えば、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）やＰＥＣＶＤ(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)を始めとしたＣＶＤ法、レーザービームを用いた蒸着法、雰囲気ガスを用いたスパッタ法等を用いることができる。
【実施例】
【００４１】
以下、本発明を実施例に基づいてさらに具体的に説明するが、本発明は、下記実施例により制限されるものではない。
［実施例１］
図１に示すような層構造を備えた窒化物半導体エピタキシャル基板を、以下の工程により作製した。
まず、直径４インチのＳｉ基板１をＭＯＣＶＤ装置にセットし、原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、およびＮＨ3を用い、１１００℃での気相成長により、厚さ１００ｎｍのＡｌＮ単結晶層２１を形成し、さらにその上に、原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、ＴＭＡおよびＮＨ3を用い、１０００℃での気相成長により厚さ２００ｎｍのＡｌyＧａ1-yＮ（ｙ＝０．１）単結晶層（Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ単結晶層）２２を積層させ、初期バッファ領域２を形成した。
【００４２】
次に、原料としてＴＭＡおよびＮＨ3を用い、１０００℃での気相成長により、前記初期バッファ領域２上に、厚さ５ｎｍのＡｌaＧａ1-aＮ（ａ＝１）単結晶層（ＡｌＮ単結晶層）３１を積層させた。
前記ＡｌＮ単結晶層３１上に、原料としてＴＭＧおよびＮＨ3を用い、１０００℃での気相成長により、厚さ２０ｎｍのＡｌbＧａ1-bＮ（ｂ＝０）単結晶層（ＧａＮ単結晶層）３２を積層させた。
前記ＡｌＮ単結晶層３１およびＧａＮ単結晶層３２を、同様の工程にて、交互に繰り返し積層させ、積層数を５０として、第１の多層バッファ領域を形成した。
さらに、前記第１の多層バッファ領域３上に、厚さ５ｎｍのＡｌcＧａ1-cＮ（ｃ＝１）単結晶層（ＡｌＮ単結晶層）４１および厚さを２５０ｎｍのＡｌdＧａ1-dＮ（ｄ＝０）単結晶層（ＧａＮ単結晶層）４２を交互に繰り返し積層させ、積層数を２４として、それ以外は、前記第１の多層バッファ領域３の形成と同様の工程にて、第２の多層バッファ領域４を形成した。
【００４３】
前記第２の多層バッファ領域４上に、原料としてＴＭＧおよびＮＨ3を用い、１０００℃での気相成長により、厚さ２０００ｎｍのＧａＮ単結晶層５を積層させた。
さらに、前記ＧａＮ単結晶層５上に、原料としてＴＭＧ、ＴＭＡ、およびＮＨ3を用い、１０００℃での気相成長により、厚さ２０ｎｍのＡｌxＧａ1-xＮ（ｘ＝０．２５）単結晶層（Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ単結晶層）６を積層させ、窒化物半導体エピタキシャル基板を得た。
なお、気相成長により形成した各層の厚さの調整は、各原料の流量および供給時間の調整により行った。
【００４４】
［実施例２］
初期バッファ領域２を形成せずに、それ以外は、実施例１と同様の工程にて、窒化物半導体エピタキシャル基板を作製した。
【００４５】
［比較例１］
第２の多層バッファ領域４を形成せずに、前記第１の多層バッファ領域３のみをＡｌＮ単結晶層３１およびＧａＮ単結晶層３２の繰り返しの積層数を１５０として形成し、それ以外は、実施例１と同様の工程にて、窒化物半導体エピタキシャル基板を作製した。
【００４６】
［比較例２］
第２の多層バッファ領域４を形成せずに、前記第１の多層バッファ領域３のみをＡｌＮ単結晶層３１およびＧａＮ単結晶層３２の繰り返しの積層数を２９０として形成し、前記第１の多層バッファ領域３上には、厚さ１０００ｎｍのＧａＮ単結晶層５を積層させた。それ以外は、実施例１と同様の工程にて、窒化物半導体エピタキシャル基板を作製した。
【００４７】
［比較例３］
第１の多層バッファ領域３を形成せずに、前記第２の多層バッファ領域４のみをＡｌＮ単結晶層４１およびＧａＮ単結晶層４２の繰り返しの積層数を２８として形成し、前記第２の多層バッファ領域４上には、厚さ１０００ｎｍのＧａＮ単結晶層５を積層させた。それ以外は、実施例１と同様の工程にて、窒化物半導体エピタキシャル基板を作製した。
【００４８】
［実施例３〜２８、比較例４〜２７］
第１の多層バッファ領域３のＡｌaＧａ1-aＮ単結晶層３１およびＡｌbＧａ1-bＮ単結晶層３２の各厚さ、第２の多層バッファ領域４のＡｌcＧａ1-cＮ単結晶層４１およびＡｌdＧａ1-dＮ単結晶層４２の各組成比および積層回数を表１（実施例）または表２（比較例）に示すように変化させた。また、第１の多層バッファ領域３においてはＡｌbＧａ1-bＮ単結晶層３２を、第２の多層バッファ領域４においてはＡｌdＧａ1-dＮ単結晶層４２を最初に積層し、それ以外は、実施例１と同様の工程にて、窒化物半導体エピタキシャル基板を作製した。
なお、実施例３〜２８および比較例２〜２７においては、総膜厚が約５μｍになるように各層の厚さおよび積層数を調整した。
【００４９】
【表１】
【００５０】
【表２】
【００５１】
上記実施例および比較例で作製した窒化物半導体エピタキシャル基板について、デバイス活性層として用いられるＧａＮ単結晶層の基板面中心部における転位密度を、透過型電子顕微鏡により評価した。また、反りおよびクラックの発生（基板外周を除く）についても、レーザ変位計および光学顕微鏡の暗視野像により評価した。なお、反りは、エピタキシャル成長前の基板裏面が基板厚さ方向に変位した距離の最大値と最小値の差により評価した。
これらの結果をまとめて、表３（実施例）および表４（比較例）に示す。
表３，４において、反りの評価は、○：３１μｍ以下、△：３１μｍ超５０μｍ以下、×：５０μｍ超とした。また、転位密度の評価は、○：５×１０9／ｃｍ2以下、×：５×１０9／ｃｍ2超とした。
なお、膜形成のプロセス時間は、基板特性に特に影響しないが、製造効率やコストの点では短い方が好ましく、参考指標として記載した。
【００５２】
【表３】
【００５３】
【表４】
【００５４】
表３，４に示した評価結果から分かるように、各実施例の条件により作製した窒化物半導体エピタキシャル基板は、いずれも、クラックの発生がなく、転位密度が５×１０9／ｃｍ2以下であり、かつ、比較例に比べて、反りが抑制されている傾向にあることが認められた。特に、実施例１，３は、転位密度が最も小さく、また、反りの抑制効果も優れていた。なお、初期バッファ領域を形成しない場合（実施例２）は、プロセス時間の面では実施例１を上回る効率が得られたが、特性は若干下回るものであった。
【００５５】
一方、各比較例の条件により作製した窒化物半導体エピタキシャル基板は、全体的に転位密度が大きく、クラックや反りが発生するものが多かった。
なお、第２の多層バッファ領域４を形成しない場合（比較例１，２）は、転位密度の観点からは最も優れていたが、クラックの発生と反りの増大が生じており、さらに、プロセス時間が非常に長いという欠点を有していた。
また、第１の多層バッファ領域を形成しない場合（比較例３）は、クラックの発生もなく、プロセス時間の観点からは最も優れていたが、転位密度の軽減効果は低下した。
【符号の説明】
【００５６】
１ Ｓｉ基板
２ 初期バッファ領域
２１ ＡｌＮ単結晶層
２２ ＡｌyＧａ1-yＮ単結晶層
３ 第１の多層バッファ領域
３１ ＡｌaＧａ1-aＮ単結晶層
３２ ＡｌbＧａ1-bＮ単結晶層
４ 第２の多層バッファ領域
４１ ＡｌcＧａ1-cＮ単結晶層
４２ ＡｌdＧａ1-dＮ単結晶層
５ ＧａＮ単結晶層
６ ＡｌxＧａ1-xＮ単結晶層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉ基板と、前記Ｓｉ基板上に、厚さ２ｎｍ以上１０ｎｍ以下のＡｌaＧａ1-aＮ（０．９≦ａ≦１．０）単結晶層および厚さ１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下のＡｌbＧａ1-bＮ（０≦ｂ≦０．１）単結晶層が交互に繰り返し積層された第１の多層バッファ領域と、前記第１の多層バッファ領域上に、厚さ２ｎｍ以上１０ｎｍ以下のＡｌcＧａ1-cＮ（０．９≦ｃ≦１．０）単結晶層および厚さ２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下のＡｌdＧａ1-dＮ（０≦ｄ≦０．１）単結晶層が交互に繰り返し積層された第２の多層バッファ領域と、前記第２の多層バッファ領域上に形成されたＧａＮ単結晶層と、前記ＧａＮ単結晶層上に形成されたＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）単結晶層とを備えていることを特徴とする窒化物半導体エピタキシャル基板。
【請求項２】
Ｓｉ基板と、前記Ｓｉ基板上に、厚さ５ｎｍのＡｌＮ単結晶層および厚さ２０ｎｍのＧａＮ単結晶層が交互に繰り返し積層された第１の多層バッファ領域と、前記第１の多層バッファ領域上に、厚さ５ｎｍのＡｌＮ単結晶層および厚さ２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下のＧａＮ単結晶層が交互に繰り返し積層された第２の多層バッファ領域と、前記第２の多層バッファ領域上に形成されたＧａＮ単結晶層と、前記活性層上に形成されたＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）単結晶層とを備えていることを特徴とする窒化物半導体エピタキシャル基板。
【請求項３】
前記Ｓｉ基板と第１の多層バッファ領域との間に、前記Ｓｉ基板上に、ＡｌＮ単結晶層、ＡｌyＧａ1-yＮ（０＜ｙ＜１）単結晶層の順に積層された初期バッファ領域を備えていることを特徴とする請求項１または２記載の窒化物半導体エピタキシャル基板。
【請求項１】
Ｓｉ基板と、前記Ｓｉ基板上に、厚さ２ｎｍ以上１０ｎｍ以下のＡｌaＧａ1-aＮ（０．９≦ａ≦１．０）単結晶層および厚さ１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下のＡｌbＧａ1-bＮ（０≦ｂ≦０．１）単結晶層が交互に繰り返し積層された第１の多層バッファ領域と、前記第１の多層バッファ領域上に、厚さ２ｎｍ以上１０ｎｍ以下のＡｌcＧａ1-cＮ（０．９≦ｃ≦１．０）単結晶層および厚さ２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下のＡｌdＧａ1-dＮ（０≦ｄ≦０．１）単結晶層が交互に繰り返し積層された第２の多層バッファ領域と、前記第２の多層バッファ領域上に形成されたＧａＮ単結晶層と、前記ＧａＮ単結晶層上に形成されたＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）単結晶層とを備えていることを特徴とする窒化物半導体エピタキシャル基板。
【請求項２】
Ｓｉ基板と、前記Ｓｉ基板上に、厚さ５ｎｍのＡｌＮ単結晶層および厚さ２０ｎｍのＧａＮ単結晶層が交互に繰り返し積層された第１の多層バッファ領域と、前記第１の多層バッファ領域上に、厚さ５ｎｍのＡｌＮ単結晶層および厚さ２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下のＧａＮ単結晶層が交互に繰り返し積層された第２の多層バッファ領域と、前記第２の多層バッファ領域上に形成されたＧａＮ単結晶層と、前記活性層上に形成されたＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）単結晶層とを備えていることを特徴とする窒化物半導体エピタキシャル基板。
【請求項３】
前記Ｓｉ基板と第１の多層バッファ領域との間に、前記Ｓｉ基板上に、ＡｌＮ単結晶層、ＡｌyＧａ1-yＮ（０＜ｙ＜１）単結晶層の順に積層された初期バッファ領域を備えていることを特徴とする請求項１または２記載の窒化物半導体エピタキシャル基板。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１０−２５１７３８（Ｐ２０１０−２５１７３８Ａ）
【公開日】平成２２年１１月４日（２０１０．１１．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−７１３８１（Ｐ２０１０−７１３８１）
【出願日】平成２２年３月２６日（２０１０．３．２６）
【出願人】（５０７１８２８０７）コバレントマテリアル株式会社 (506)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１１月４日（２０１０．１１．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月２６日（２０１０．３．２６）
【出願人】（５０７１８２８０７）コバレントマテリアル株式会社 (506)
【Ｆターム（参考）】
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