窒化物系半導体の気相成長方法とそれを用いた窒化物系半導体エピタキシャル基板並びに自立基板、及び半導体装置
【課題】ＭＯＶＰＥ法による窒化物系半導体のエピタキシャル成長速度を高める新たなエピタキシャル成長方法を提供する
【解決手段】ＭＯＶＰＥ法において一定条件下でV／III比を下げることにより、１０μｍ／Ｈｒ以上の成長速度が得られ、またこれをＲ面サファイア基板上のＡ面窒化物系半導体層の成長に適用することにより、Ａ面窒化物系半導体を用いた発光素子および電子デバイスへの応用を行う。
【解決手段】ＭＯＶＰＥ法において一定条件下でV／III比を下げることにより、１０μｍ／Ｈｒ以上の成長速度が得られ、またこれをＲ面サファイア基板上のＡ面窒化物系半導体層の成長に適用することにより、Ａ面窒化物系半導体を用いた発光素子および電子デバイスへの応用を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物系半導体の気相成長方法、窒化物系半導体からなるエピタキシャル基板、窒化物系半導体基板及び、それを用いた半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
窒化アルミニウム（以下、ＡｌＮという。）、窒化ガリウム（以下、ＧａＮという。）、窒化インジウム（以下、ＩｎＮという。）、あるいは、それらの混晶である窒化アルミニウムガリウムインジウム（以下、ＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）という。）などの窒化物系半導体は受発光素子や電子走行素子に用いることができるため、近年、その結晶成長や半導体装置への応用について、幅広く研究がなされており、発光ダイオード、レーザダイオードに関しては、既に実用化されているものもある。
【０００３】
窒化物系半導体は大型のバルク単結晶が成長できないため、一般的には、(0001)サファイア（以下C面サファイアという）、(11-20)サファイア、もしくは、（0001）4H-SiC、(0001)6H-SiCなどの基板を用いてヘテロエピタキシャル成長させている。
【０００４】
エピタキシャル成長の方法としては、有機金属気相成長(ＭＯＶＰＥ) 法、分子線エピタキシー(ＭＢＥ)法、ハライド気相成長（ＨＶＰＥ）法などがあり、一般的にはＭＯＶＰＥ法が用いられている。
【０００５】
ＭＯＶＰＥ法によって基板表面上にエピタキシャル成長させるには、反応炉内で加熱状態にある基板に、複数の原料ガスを含んだキャリアガスを送り込み、これらの原料ガスを基板上で熱分解させることによって行われる。III −Ｖ族化合物半導体の結晶をＭＯＶＰＥ法によって成長させる場合、Ｖ族族原料はアルシン（ＡｓＨ3 ）やアンモニア（ＮＨ3 ）といったＶ族元素の水素化物、III 族原料はトリメチルガリウム（ＴＭＧ）やトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）といったIII 族元素の有機金属化合物で供給される。結晶の成長速度は、一般的にIII 族原料の供給量に依存する物質輸送律速である。この為、Ｖ族原料はＶ／III 比（Ｖ族元素とIII 族元素のモル流量比）が数百〜数千になる程大量に流している（特許文献１、非特許文献１参照）。
【０００６】
Ｖ族元素をこのように大量に供給している理由は、基板上にＶ族原料が分解してできるＶ族元素を十分に供給しておく必要があるからである。
【０００７】
ここでＧａまたはＩｎを主成分とするIII−V族窒化物系半導体の成長速度について、従来は以下のように考えられていた。
【０００８】
III族元素の平衡分圧はV／III比の増加と共に減少する。従って、窒化物の析出の駆動力はV／III比の増加と共に増加する。即ち、V／III比が大きいほど成長速度は速いと考えられてきた。また、V／III比の小さい領域では成長温度が高いほどエッチングモードが支配的になり、成長速度は抑制されると考えられて来た（非特許文献２参照）。
【０００９】
この為、従来はIII−V族のエピタキシャル成長には非常に大きなV／III比が必要と考えられ、そのように実施されて来た。
【００１０】
また、成長速度が比較的速い成長方法としてＨＶＰＥ法が知られている。ＨＶＰＥ法は一般的には数十〜数百μｍ／Ｈｒと高速であるが、ＭＰＶＰＥ法と比較して基板結晶と窒化物系半導体成長界面の制御が難しいと言う欠点がある（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平８−９７１４９号公報
【特許文献２】特開２００４−２９６６４０号公報
【非特許文献１】Japanese Journal of Applied Physics, Vol.32 (1993) L16-L19
【非特許文献２】III族窒化物半導体 赤崎勇編著 培風館 (1999) 69-74
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
前記のように、従来の方法によってＭＯＶＰＥ法によって基板表面上にエピタキシャル成長させるには、Ｖ族原料をＶ／III 比（Ｖ族元素とIII 族元素のモル流量比）が数百〜数千になる程大量に流す必要がある。
【００１２】
しかし、これほど大量に原料ガスを流しても得られる窒化物系半導体の成長速度はおよそ１〜３μｍ／Ｈｒ程度であり、ＭＯＶＰＥ法で成長速度をこれ以上に大きくすることは困難であった。
【００１３】
また、大量に原料ガスを流すことにより、結晶成長の制御が困難であると言う問題が有り、また、原料の利用効率が悪い、除害装置が大型化するなど様々な問題が有った。
【００１４】
また、前述のようにV／III比を数百〜数千程度に大きくしても成長速度はせいぜい１〜３μｍ／Ｈｒ程度と低く制約を受けていた。
【００１５】
例えば、ＭＯＶＰＥ法を用いた場合、成長条件を適切に選ぶことにより横方向成長をさせることができ、これにより成長させた窒化物系半導体の転位密度を低減させることができる。
【００１６】
しかし、成長速度が遅いために数十μｍ以上の厚い膜を成長させるのには不向きであり、また厚膜成長により更に転位密度を低減させることは困難であった。また、近年サファイア基板上に窒化物系半導体を厚膜成長させ、その後サファイア基板を除去して窒化物半導体のバルク基板を作製することも行われるようになってきたが、このような用途にも不向きであった。
【００１７】
また、前述のようにＨＶＰＥ法は成長速度が比較的速く、一般的には数十〜数百μｍ／Ｈｒと高速であるが、ＭＰＶＰＥ法と比較して基板結晶と窒化物系半導体成長界面の制御が難しいと言う問題がある。
【００１８】
このように従来のエピタキシャル成長方法にはそれぞれ長所と欠点があり、一つの方法だけで望ましい成長速度および成長モードを自由に駆使することは困難であった。
【００１９】
本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、ＭＯＶＰＥ法による窒化物系半導体のエピタキシャル成長速度を高める新たなエピタキシャル成長方法を提供することを目的とする。
【００２０】
また、本発明の別の目的は前記エピタキシャル成長方法により製造した窒化物系半導体エピタキシャル基板、窒化物系半導体基板及びそれを用いた半導体装置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】
【００２１】
前述のように、従来ＭＯＶＰＥ法において成長速度はV／III比に比例すると考えられ、この為数百〜数千と言う大きなV／III比が用いられてきたが、大きな成長速度が得られないと言う課題が有った。
【００２２】
従来V／III比を大きく取らなければ成らなかった理由は、前述の通りであるが、これはIII族原料の供給分圧を一定に保った場合の結果である。
【００２３】
この為、本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、逆にV／III比を下げることによって従来よりも大幅に成長速度を大きくする事ができることを見出した。
【００２４】
即ち、V／III比を下げるに際にIII族原料の供給分圧を一定にせず、相対的にIII族原料の流量を増やすことにより、成長速度を大きくすることが可能であることを見出したのである。つまり、成長プロセスに用いる水素分圧（水素ガスとイナートガス（窒素）の混合ガス中の水素ガス圧の比率）に比例してIII族原料の供給圧力を大きく取ることによって、小さいV／III比でも成長速度の増大をもたらすことが出来たのである。
【００２５】
即ち本発明は、主面をＲ面とするサファイア基板上に、主面をＡ面とする窒化物系半導体層を形成する窒化物系半導体気相成長方法において、前記窒化物系半導体層を形成するIII族元素に対するV族元素のモル流量比を０．０１〜１００の範囲とすることを特徴とする。
【００２６】
前記窒化物系半導体気相成長方法が有機金属気相成長方法を用いており、かつ窒化物系半導体層の成長速度が１時間当たり１０μｍより大きいことを特徴とする。
【００２７】
前記窒化物系半導体層を積層した後、連続して他の半導体素子層を積層することを特徴とする。
【００２８】
前記他の半導体素子層を形成するIII族元素に対するV族元素のモル流量比を６００〜３０００の範囲として積層することを特徴とする。
【００２９】
前記請求項１〜４の何れかに記載の窒化物系半導体成長方法により窒化物系半導体を作製したことを特徴とする。
【００３０】
前記窒化物系半導体層の主面がＡ面あるいはＡ面から０°＜θ≦５°の範囲で傾斜した方位を持つことを特徴とする。
【００３１】
前記窒化物系半導体の主面が、該窒化物系半導体の主面内のＭ軸を回転軸として傾斜したものであることを特徴とする。
【００３２】
前記窒化物系半導体が少なくともＧａＮから成ることを特徴とする。
【００３３】
前記窒化物系半導体が少なくともＡｌＮから成ることを特徴とする。
【００３４】
前記窒化物系半導体が少なくともＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ＜１）から成ることを特徴とする請求項５〜７の何れかに記載の窒化物系半導体エピタキシャル基板。
【００３５】
前記窒化物系半導体が少なくともＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）から成ることを特徴とする。
【００３６】
前記窒化物系半導体の2乗根平均表面粗さが０．１nm〜１０nmであることを特徴とする。
【００３７】
前記窒化物系半導体エピタキシャル基板上に半導体構造または半導体多層膜構造を有することを特徴とする。
【００３８】
前記請求項５〜１３の何れかに記載の窒化物系半導体エピタキシャル基板から窒化物系半導体層を分離して作製することを特徴とする。
【００３９】
前記窒化物系半導体自立基板上に半導体多層膜構造を有することを特徴とする。
【００４０】
前記窒化物系半導体自立基板の厚みが３０μｍ〜２ｍｍであることを特徴とする。
【００４１】
請求項５〜１３の何れかに記載の窒化物系半導体エピタキシャル基板上に半導体素子構造を有したことを特徴とする。
【００４２】
請求項１４〜１６の何れかに記載の窒化物系半導体自立基板上に半導体素子構造を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００４３】
以上のように、ＭＯＶＰＥ法において一定条件下でV／III比を下げることにより、１０μｍ／Ｈｒ以上の成長速度が得られる。またこれをＲ面サファイア基板上のＡ面窒化物半導体層の成長に適用することにより、Ａ面窒化物半導体を用いた発光素子および電子デバイスへの応用が可能である。
【００４４】
即ち本発明によれば、Ｒ面サファイア基板上に主面がＡ面の窒化物系半導体を少なくとも有するエピタキシャル基板の窒化物系半導体気相成長方法において、前記Ｒ面サファイア基板上にＡ面窒化物系半導体を積層するIII族元素に対するV族元素のモル流量比を０．０１〜１００の範囲とした窒化物系半導体気相成長方法とすることにより成長レートの高いエピタキシャル成長を行うことができる。
【００４５】
また、前記窒化物系半導体気相成長方法を有機金属気相成長方法とした場合、その成長速度を１時間当たり１０μｍより大きくする事ができる。これは従来の方法の１０倍以上早い成長速度である。
【００４６】
また本発明によれば、前記主面がＡ面の窒化物系半導体を積層した後、連続して他の半導体素子構造を積層することができるので、成長炉から基板を取り出すことなく一連のエピ成長を行うことが出来るので、製造工程が短縮出来ると言うメリットがある。
【００４７】
また本発明によれば、前記他の半導体素子構造をIII族元素に対するV族元素のモル流量比を０．０１〜１００の範囲として窒化物半導体層を積層した後、連続して６００〜３０００の範囲として積層することのより、結晶性の良い窒化物半導体層を効率よく作製することができる。
【００４８】
また、前記の窒化物系半導体成長方法により作製した基板を用いてさらにその上に窒化物系半導体あるいは窒化物系半導体構造をを成長させる為の窒化物半導体エピタキシャル基板とすることができる。
【００４９】
またＲ面サファイア基板上に窒化物系半導体を積層してなる窒化物系半導体エピタキシャル基板において、当該窒化物系半導体の主面がＡ面あるいはＡ面から０°＜θ≦５°の範囲で傾斜した方位を持つ窒化物系半導体エピタキシャル基板とすることにより、その表面の粗さを非常に平滑な物とすることができる。
【００５０】
また、前記窒化物系半導体の主面であるＡ面から傾斜した方向が前記窒化物系半導体のＣ軸方向である窒化物系半導体エピタキシャル基板とすることにより、その表面の粗さをさらに平滑なものにすることができ、例えば前記エピタキシャル基板の二乗根平均表面粗さを０．１nm〜１０nmとすることができる。
【００５１】
また本発明によれば、前記窒化物系半導体エピタキシャル基板を構成する窒化物系半導体を少なくともＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ＜１）、ＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）を含む窒化物半導体層から成るものとする事ができる。この窒化物系半導体エピタキシャル基板を用いて発光素子やＦＥＴ、エンハンスメント型電界効果トランジスタ、パワーデバイスなどの半導体装置を作製することが出来る。
また本発明による窒化物系半導体エピタキシャル基板は、その二乗根平均表面粗さが０．１nm〜１０nmであるので、その上に作製する窒化物系半導体エピタキシャル層の表面の粗さも小さいものとする事が出来、結晶欠陥も少ない物とする事ができる。
【００５２】
また本発明によれば、前記の何れかに記載の窒化物系半導体エピタキシャル基板に対して公知のレーザリフトオフ法あるいは研磨法を用いてのＲ面サファイア基板を除去して窒化物系半導体部分を分離し、窒化物系半導体自立基板を作製することができる。この時、Ｒ面サファイア基板を除去して分離した窒化物系半導体自立基板はＲ面サファイア基板を除去した面の面粗度が粗い場合があるので、必要に応じて研磨などを行い、平坦にする処理を行っても良い。このようにして作製した窒化物系半導体自立基板の厚みは３０μｍ以上２ｍｍ以下であることが望ましい。これは、３０μｍ以下であるとその取り扱いが困難であり、取り扱い中に窒化物系半導体自立基板が割れたり、破損したりする可能性があるためである。また、当該窒化物系半導体自立基板を用いての窒化物系半導体装置を作製する際に多くても２mmの厚みが有れば十分使用することが出来、また、２mm以上の厚みとすると、経済的にも無駄となる。この為、当該窒化物系半導体自立基板の厚みは３０μｍ以上２mm以下で有れば良い。
【００５３】
このようにして作製した窒化物系半導体自立基板は、サファイア基板を除去した物であるので、サファイア基板を除去しない窒化物系半導体エピタキシャル基板と比較して熱伝導率が高い物である。この為、例えば当該窒化物系半導体自立基板を用いて高輝度ＬＥＤやパワーデバイスなどを作製するときに問題となる発熱による性能の劣化の問題を回避することができる。例えばＬＥＤやパワーデイスを銅やアルミニウム等の熱伝導率の高い金属に貼り付ける等によって放熱性を高める事が出来る。
【００５４】
また本発明によれば、前記の何れかに記載の窒化物系エピタキシャル基板上に半導体構造または半導体多層膜構造を有する窒化物系半導体エピタキシャル基板を作製することが出来、また、前記の何れかに記載のＲ面サファイア基板を除去して作製した窒化物系半導体自立基板上に半導体構造または半導体多層膜構造を有する窒化物系半導体自立基板を作製する事もできる。
【００５５】
また本発明によれば、このようにして作製した、窒化物系半導体エピタキシャル基板上または窒化物系半導体自立基板上に半導体素子構造を有する半導体装置を作製することができる。このようにして発光素子やＦＥＴ、エンハンスメント型電界効果トランジスタ、パワーデバイスなどの窒化物系半導体装置を作製することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５６】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。
【００５７】
一般にＭＯＶＰＥ成長の成長速度はIII族原料の供給量に依存する物質輸送律速であり、供給原料のV／III比に依存するが、それだけではなく供給原料のIII族分圧にも依存する。この傾向は特にＭＯＶＰＥ成長時の水素分圧（水素ガスとイナートガス（窒素）の混合ガス中の水素ガス圧の比率）が高くなると顕著である。
【００５８】
図１にＭＯＶＰＥ成長時に水素分圧を０．５とした時にエピ成長が起きる限界値を示す。
【００５９】
図１では、ＧａＮのエピ成長が起きる最小の供給III族分圧と最小の供給V／III比が示されている。図１に示すプロットより右上の領域でエピ成長が起こり、左下の領域ではエピ成長が起きにくいことを示している。
【００６０】
このように、供給III族分圧を１００Ｐａ（約１×１０−３気圧）以上に上げてやることにより、V／III比が１０前後の低い値でも十分早い成長速度を得られる条件を見出すことが出来た。
【００６１】
前記の条件でＧａＮの成長を行った場合、成長速度は５５μｍ／Ｈｒと従来の１０倍以上の速度が得られる。
【００６２】
また、この方法と従来の方法を組み合わせて、サファイア基板上に成長させる窒化物系半導体の第１層は従来の大きなV／III比の条件で成長させ、その上に本発明の小さなV／III比の条件で厚い膜を成長させることにより、転位密度の低いエピタキシャル基板を作製することが出来る。この方法は、溝加工などの凹凸を作製したサファイア基板上に窒化物系半導体を形成するいわゆる横方向成長を行い転位密度の低いエピタキシャル基板を作製する際にも適用することが出来る。即ち、溝加工等を施したサファイア基板にバッファ層形成後、第１層は従来の大きなV／III比の条件で成長させ、その上に本発明の小さなV／III比の条件で厚い膜を成長させることにより、更に転位密度の低いエピタキシャル基板を作製することも出来る。
【００６３】
また、バッファ層を形成することなく、最初にV／III比を１０程度として高速で２〜２０μｍ程度の厚く、転位密度の低い窒化物系半導体層を形成した後、引き続き連続してV／III比を１０００程度として、一般的な窒化物系半導体素子構造を形成して、エピタキシャル基板を作成することも出来る。
【００６４】
以上のように本発明にかかる窒化物系半導体気相成長方法をＲ面サファイア基板に適用することにより、また、本発明と従来の公知の方法とを組み合わせることにより、高品質のＡ面窒化物系半導体エピタキシャル基板を作製することが出来る。
【００６５】
また、本発明にかかる窒化物系半導体気相成長方法を用いてＲ面サファイア基板上に窒化物系半導体を積層した窒化物系半導体エピタキシャル基板において、当該窒化物系半導体の主面がＡ面あるいはＡ面から０°＜θ≦５°の範囲でオフした方位を持つようにＲ面サファイア基板の方位を選択することにより、当該窒化物系半導体の表面の面粗さを１０nm以下の平坦な面にする事ができる。
【００６６】
さらに、前記窒化物系半導体の主面であるＡ面からのオフ方向がＣ軸方向であるようにＲ面サファイア基板の方位を選択することにより、さらに平坦な面を得ることが出来る。
【００６７】
また本発明にかかる窒化物系半導体気相成長方法を用いてＲ面サファイア基板上に窒化物系半導体を積層した窒化物系半導体エピタキシャル基板において、積層する窒化物系半導体としては、少なくともＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ＜１）、ＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）の何れか、あるいはこれらの組み合わせを用いることが出来る。
【００６８】
また、このようにして作製した窒化物系半導体エピタキシャル基板は非常に平坦な物であり、その二乗根平均表面粗さは０．１nm〜１０nmであった。
【００６９】
また、本発明にかかる窒化物系半導体気相成長方法を用いてＲ面サファイア基板上に更に半導体多層膜構造を形成し窒化物系半導体エピタキシャル基板とすることも出来る。
【００７０】
また本発明にかかる窒化物系半導体気相成長方法を用いてＲ面サファイア基板上に窒
化物系半導体を積層した後、レーザリフトオフ法などの公知の方法により、当該Ｒ面サファイア基板を除去してＡ面窒化物系半導体の自立基板を得ることも出来る。このようにして得られたＡ面窒化物系半導体の自立基板を研磨することにより、後の半導体素子形成に必要な平坦性を得ることが出来る。このようにして作製した窒化物系半導体自立基板は結晶欠陥が少なく、またピエゾ電界の影響の無い半導体基板である。
【００７１】
この時前記の自立基板の厚みは取り扱いのし易さから３０μｍ以上の厚みが必要であり、また後の半導体素子構造の形成に必要な厚みとして２mm以下であれば十分である。
【００７２】
また、前記の何れかに記載の窒化物系半導体自立基板上に半導体構造または半導体多層膜構造を形成し窒化物系半導体自立基板とすることも出来る。
【００７３】
さらに前記の何れかに記載の窒化物系半導体エピタキシャル基板を用いて半導体素子構造を有する半導体装置を作製する事もできる。具体的には、発光素子やＦＥＴ、エンハンスメント型電界効果トランジスタ、パワーデバイスなどの半導体装置を作製することが出来る。
【００７４】
また、前記の何れかに記載の窒化物系半導体自立基板を用いて半導体素子構造を有する半導体装置を作製する事もできる。具体的には、発光素子やＦＥＴ、エンハンスメント型電界効果トランジスタ、パワーデバイスなどの半導体装置を作製することが出来る。
【実施例】
【００７５】
（実施例１）
図２に本発明の第１の実施例で用いたＭＯＶＰＥ装置の模式図を示す。図２において、１はＶ族の原料であるアンモニアの高圧ボンベ、２はIII族原料である有機金属のＴＭＧのバブラー、３、４、５、６は原料ガスを制御するマスフローコントローラ（ＭＦＣ）、７は基板となるサファイア基板、８は基板加熱用の炭素ヒーター、９は反応管、１０は排気配管である。
【００７６】
アンモニアは高圧ボンベ１よりＭＦＣ５を用いて流量制御し、反応管９に供給した。有機金属のＴＭＧはＭＦＣ６により制御された水素によりバブリングし、供給した。
【００７７】
ＥＦＧ法により作製したＲ面サファイア基板を洗浄後、ＭＯＶＰＥ装置に装着し、窒素ガス主成分雰囲気下で１１００℃まで昇温し、サーマルクリーニングを行った。加熱は、炭素ヒーター８による輻射加熱を用いた。次に温度を１０００℃とし、III族原料としてトリメチルガリウム（以下ＴＭＧ）を、V族原料としてアンモニアを流し、厚さ１００ｎｍのＡｌＧａＮ層を成長させた。
【００７８】
続いて温度を１１００℃に昇温しIII族原料としてＴＭＧを、V族原料としてアンモニアを流した。ＴＭＧの流量は３０μｍｏｌ／ｍｉｎ、アンモニアの流量は６．７ｓｃｃｍとし、キャリアガスとして窒素を５ＳＬＭ、水素を５ＳＬＭそれぞれ流し、ＧａＮのエピタキシャル基板を作製した。この時の、Ｖ／III比は約１０、III族原料の分圧は２００Ｐａであった。この時の成長時間は１時間で、成長速度は５５μｍ／ｈｒであった。このような条件で成長したＧａＮ薄膜の表面状態は極めて良好であった。このようにして作製いたエピタキシャル基板の二乗根平均表面粗さがは１nmであった。
【００７９】
また、本実施例ではGaNについて説明したが、本発明の方法は用いる原料ガスの選択により、ＡｌＮ、ＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ＜１）、ＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）などの他の窒化物系半導体にも応用できることは言うまでもない。
【００８０】
（実施例２）
図３に本発明の第２の実施例のＭＯＶＰＥ装置を示す。図３において、１〜１０は第１の実施例で示した図２と同じ構成である。第２の実施例の特徴は新たにアンモニアの配管にマスフローコントローラーＭＦＣ１１を追加した事である。
【００８１】
アンモニアの配管にＭＦＣ５とＭＦＣ１１の２つのマスフローコントローラーを設置することにより、アンモニアの流量を１〜１０ＳＣＣＭおよび１〜１０ＳＬＭの２種類の流量を選択することが出来た。
【００８２】
これにより、一つのＭＯＶＰＥ装置で複数のV／III比を用いることができる。これは、１回のプロセスで通常の成長速度と本発明による高速の成長速度とを任意に組み合わせて選択することが出来ると言う特徴を有する。なお、ここではＭＦＣ５とＭＦＣ１１の流量として前記の値を例示したが、他の任意の流量の組み合わせも自由に選択できることは言うまでもない。
【００８３】
（実施例３）
第３の実施例においては、図３に示すV属原料の供給経路を複数持つＭＯＶＰＥ装置において、エピタキシャル成長中に流すV属原料の最大流量に対する最小流量の比率が５倍以上３０万倍以下の範囲で任意に切り替えることが可能なようにマスフローコントローラＭＦＣ５とＭＦＣ１１の流量を設定した。
【００８４】
この装置を用いてＲ面サファイア基板上にＭＯＶＰＥエピタキシャル層を成長させ、ＬＥＤ構造を作製した。
【００８５】
先ず、ＥＦＧ法により作製したＲ面サファイア基板を洗浄後、ＭＯＶＰＥ装置に装着し、窒素ガス主成分雰囲気下で１１００℃まで昇温し、サーマルクリーニングを行った。次に温度を５００℃まで下げ、III族原料としてトリメチルガリウム（以下ＴＭＧ）を、V族原料としてアンモニアを流し、厚さ３０ｎｍのＡｌＧａＮ低温バッファ層を成長させた。
【００８６】
続いて温度を１１００℃に昇温しIII族原料としてＴＭＧを、V族原料としてアンモニアを流し、ドーパントとしてシランガスを流し、ｎ型ＧａＮ層（コンタクト層）を成長させた。なお、図３にはドーパントやその他のガスラインは省略して書いてあるが、通常のＬＥＤの製造に用いられるガスラインとして一般的な物は全て備えた装置を用いた。
【００８７】
この時、ＴＭＧの流量は３０μｍｏｌ／ｍｉｎ、アンモニアの流量は２ＳＬＭとし、キャリアガスとして窒素を５ＳＬＭ、水素を５ＳＬＭ、３ｐｐｍのシランガスを例えば２０ｃｃｍそれぞれ流してＲ面サファイア基板上に０．５μｍの厚さまでｎ型ＧａＮ層を成長させた。この時のＶ／III比は約３０００であった。
【００８８】
これに続いてアンモニアの流量を６．７ｓｃｃｍ、３ｐｐｍのシランガスの流量を例えば２０ｃｃｍとし、その他のガス流量は前記同様で前記０．５μｍのｎ型ＧａＮ層の上に連続してｎ型ＧａＮ層を５μｍの厚さまで成長させた。
【００８９】
さらに続いて、アンモニアのガス量を２ＳＬＭとして、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、ＩｎＧａＮ発光層（ＭＱＷ構造）、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、ｐ型ＧａＮコンタクト層を順に形成した。さらに、ｎ型コンタクト層を表出させるためのエッチング加工、電極形成、素子分離を行い、ＬＥＤ素子とした。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】本発明のエピタキシャル成長条件の実験データを示すグラフである。
【図２】本発明のエピタキシャル装置を説明する配線図である。
【図３】本発明のエピタキシャル装置の別の例を説明する配線図である。
【図４】本発明の半導体装置（発光ダイオード）を示す断面図である。
【符号の説明】
【００９１】
１ Ｖ族の原料であるアンモニアの高圧ボンベ
２ III族原料である有機金属のＴＭＧのバブラー
３ ガス流量を制御するマスフローコントローラ（ＭＦＣ）
４ ガス流量を制御するマスフローコントローラ（ＭＦＣ）
５ ガス流量を制御するマスフローコントローラ（ＭＦＣ）
６ ガス流量を制御するマスフローコントローラ（ＭＦＣ）
７ 基板となるサファイア基板
８ 基板加熱用の炭素ヒーター
９ 反応管
１０ 排気配管
１１ ガス流量を制御するマスフローコントローラ（ＭＦＣ）
１２ サファイア基板
１３ ｎ型ＧａＮコンタクト層
１４ 下部電極
１５ ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
１６ ＧａＮ系半導体発光層（ＭＱＷ構造）
１７ ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
１８ ｐ型ＧａＮコンタクト層
１９ 上部電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物系半導体の気相成長方法、窒化物系半導体からなるエピタキシャル基板、窒化物系半導体基板及び、それを用いた半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
窒化アルミニウム（以下、ＡｌＮという。）、窒化ガリウム（以下、ＧａＮという。）、窒化インジウム（以下、ＩｎＮという。）、あるいは、それらの混晶である窒化アルミニウムガリウムインジウム（以下、ＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）という。）などの窒化物系半導体は受発光素子や電子走行素子に用いることができるため、近年、その結晶成長や半導体装置への応用について、幅広く研究がなされており、発光ダイオード、レーザダイオードに関しては、既に実用化されているものもある。
【０００３】
窒化物系半導体は大型のバルク単結晶が成長できないため、一般的には、(0001)サファイア（以下C面サファイアという）、(11-20)サファイア、もしくは、（0001）4H-SiC、(0001)6H-SiCなどの基板を用いてヘテロエピタキシャル成長させている。
【０００４】
エピタキシャル成長の方法としては、有機金属気相成長(ＭＯＶＰＥ) 法、分子線エピタキシー(ＭＢＥ)法、ハライド気相成長（ＨＶＰＥ）法などがあり、一般的にはＭＯＶＰＥ法が用いられている。
【０００５】
ＭＯＶＰＥ法によって基板表面上にエピタキシャル成長させるには、反応炉内で加熱状態にある基板に、複数の原料ガスを含んだキャリアガスを送り込み、これらの原料ガスを基板上で熱分解させることによって行われる。III −Ｖ族化合物半導体の結晶をＭＯＶＰＥ法によって成長させる場合、Ｖ族族原料はアルシン（ＡｓＨ3 ）やアンモニア（ＮＨ3 ）といったＶ族元素の水素化物、III 族原料はトリメチルガリウム（ＴＭＧ）やトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）といったIII 族元素の有機金属化合物で供給される。結晶の成長速度は、一般的にIII 族原料の供給量に依存する物質輸送律速である。この為、Ｖ族原料はＶ／III 比（Ｖ族元素とIII 族元素のモル流量比）が数百〜数千になる程大量に流している（特許文献１、非特許文献１参照）。
【０００６】
Ｖ族元素をこのように大量に供給している理由は、基板上にＶ族原料が分解してできるＶ族元素を十分に供給しておく必要があるからである。
【０００７】
ここでＧａまたはＩｎを主成分とするIII−V族窒化物系半導体の成長速度について、従来は以下のように考えられていた。
【０００８】
III族元素の平衡分圧はV／III比の増加と共に減少する。従って、窒化物の析出の駆動力はV／III比の増加と共に増加する。即ち、V／III比が大きいほど成長速度は速いと考えられてきた。また、V／III比の小さい領域では成長温度が高いほどエッチングモードが支配的になり、成長速度は抑制されると考えられて来た（非特許文献２参照）。
【０００９】
この為、従来はIII−V族のエピタキシャル成長には非常に大きなV／III比が必要と考えられ、そのように実施されて来た。
【００１０】
また、成長速度が比較的速い成長方法としてＨＶＰＥ法が知られている。ＨＶＰＥ法は一般的には数十〜数百μｍ／Ｈｒと高速であるが、ＭＰＶＰＥ法と比較して基板結晶と窒化物系半導体成長界面の制御が難しいと言う欠点がある（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平８−９７１４９号公報
【特許文献２】特開２００４−２９６６４０号公報
【非特許文献１】Japanese Journal of Applied Physics, Vol.32 (1993) L16-L19
【非特許文献２】III族窒化物半導体 赤崎勇編著 培風館 (1999) 69-74
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
前記のように、従来の方法によってＭＯＶＰＥ法によって基板表面上にエピタキシャル成長させるには、Ｖ族原料をＶ／III 比（Ｖ族元素とIII 族元素のモル流量比）が数百〜数千になる程大量に流す必要がある。
【００１２】
しかし、これほど大量に原料ガスを流しても得られる窒化物系半導体の成長速度はおよそ１〜３μｍ／Ｈｒ程度であり、ＭＯＶＰＥ法で成長速度をこれ以上に大きくすることは困難であった。
【００１３】
また、大量に原料ガスを流すことにより、結晶成長の制御が困難であると言う問題が有り、また、原料の利用効率が悪い、除害装置が大型化するなど様々な問題が有った。
【００１４】
また、前述のようにV／III比を数百〜数千程度に大きくしても成長速度はせいぜい１〜３μｍ／Ｈｒ程度と低く制約を受けていた。
【００１５】
例えば、ＭＯＶＰＥ法を用いた場合、成長条件を適切に選ぶことにより横方向成長をさせることができ、これにより成長させた窒化物系半導体の転位密度を低減させることができる。
【００１６】
しかし、成長速度が遅いために数十μｍ以上の厚い膜を成長させるのには不向きであり、また厚膜成長により更に転位密度を低減させることは困難であった。また、近年サファイア基板上に窒化物系半導体を厚膜成長させ、その後サファイア基板を除去して窒化物半導体のバルク基板を作製することも行われるようになってきたが、このような用途にも不向きであった。
【００１７】
また、前述のようにＨＶＰＥ法は成長速度が比較的速く、一般的には数十〜数百μｍ／Ｈｒと高速であるが、ＭＰＶＰＥ法と比較して基板結晶と窒化物系半導体成長界面の制御が難しいと言う問題がある。
【００１８】
このように従来のエピタキシャル成長方法にはそれぞれ長所と欠点があり、一つの方法だけで望ましい成長速度および成長モードを自由に駆使することは困難であった。
【００１９】
本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、ＭＯＶＰＥ法による窒化物系半導体のエピタキシャル成長速度を高める新たなエピタキシャル成長方法を提供することを目的とする。
【００２０】
また、本発明の別の目的は前記エピタキシャル成長方法により製造した窒化物系半導体エピタキシャル基板、窒化物系半導体基板及びそれを用いた半導体装置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】
【００２１】
前述のように、従来ＭＯＶＰＥ法において成長速度はV／III比に比例すると考えられ、この為数百〜数千と言う大きなV／III比が用いられてきたが、大きな成長速度が得られないと言う課題が有った。
【００２２】
従来V／III比を大きく取らなければ成らなかった理由は、前述の通りであるが、これはIII族原料の供給分圧を一定に保った場合の結果である。
【００２３】
この為、本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、逆にV／III比を下げることによって従来よりも大幅に成長速度を大きくする事ができることを見出した。
【００２４】
即ち、V／III比を下げるに際にIII族原料の供給分圧を一定にせず、相対的にIII族原料の流量を増やすことにより、成長速度を大きくすることが可能であることを見出したのである。つまり、成長プロセスに用いる水素分圧（水素ガスとイナートガス（窒素）の混合ガス中の水素ガス圧の比率）に比例してIII族原料の供給圧力を大きく取ることによって、小さいV／III比でも成長速度の増大をもたらすことが出来たのである。
【００２５】
即ち本発明は、主面をＲ面とするサファイア基板上に、主面をＡ面とする窒化物系半導体層を形成する窒化物系半導体気相成長方法において、前記窒化物系半導体層を形成するIII族元素に対するV族元素のモル流量比を０．０１〜１００の範囲とすることを特徴とする。
【００２６】
前記窒化物系半導体気相成長方法が有機金属気相成長方法を用いており、かつ窒化物系半導体層の成長速度が１時間当たり１０μｍより大きいことを特徴とする。
【００２７】
前記窒化物系半導体層を積層した後、連続して他の半導体素子層を積層することを特徴とする。
【００２８】
前記他の半導体素子層を形成するIII族元素に対するV族元素のモル流量比を６００〜３０００の範囲として積層することを特徴とする。
【００２９】
前記請求項１〜４の何れかに記載の窒化物系半導体成長方法により窒化物系半導体を作製したことを特徴とする。
【００３０】
前記窒化物系半導体層の主面がＡ面あるいはＡ面から０°＜θ≦５°の範囲で傾斜した方位を持つことを特徴とする。
【００３１】
前記窒化物系半導体の主面が、該窒化物系半導体の主面内のＭ軸を回転軸として傾斜したものであることを特徴とする。
【００３２】
前記窒化物系半導体が少なくともＧａＮから成ることを特徴とする。
【００３３】
前記窒化物系半導体が少なくともＡｌＮから成ることを特徴とする。
【００３４】
前記窒化物系半導体が少なくともＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ＜１）から成ることを特徴とする請求項５〜７の何れかに記載の窒化物系半導体エピタキシャル基板。
【００３５】
前記窒化物系半導体が少なくともＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）から成ることを特徴とする。
【００３６】
前記窒化物系半導体の2乗根平均表面粗さが０．１nm〜１０nmであることを特徴とする。
【００３７】
前記窒化物系半導体エピタキシャル基板上に半導体構造または半導体多層膜構造を有することを特徴とする。
【００３８】
前記請求項５〜１３の何れかに記載の窒化物系半導体エピタキシャル基板から窒化物系半導体層を分離して作製することを特徴とする。
【００３９】
前記窒化物系半導体自立基板上に半導体多層膜構造を有することを特徴とする。
【００４０】
前記窒化物系半導体自立基板の厚みが３０μｍ〜２ｍｍであることを特徴とする。
【００４１】
請求項５〜１３の何れかに記載の窒化物系半導体エピタキシャル基板上に半導体素子構造を有したことを特徴とする。
【００４２】
請求項１４〜１６の何れかに記載の窒化物系半導体自立基板上に半導体素子構造を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００４３】
以上のように、ＭＯＶＰＥ法において一定条件下でV／III比を下げることにより、１０μｍ／Ｈｒ以上の成長速度が得られる。またこれをＲ面サファイア基板上のＡ面窒化物半導体層の成長に適用することにより、Ａ面窒化物半導体を用いた発光素子および電子デバイスへの応用が可能である。
【００４４】
即ち本発明によれば、Ｒ面サファイア基板上に主面がＡ面の窒化物系半導体を少なくとも有するエピタキシャル基板の窒化物系半導体気相成長方法において、前記Ｒ面サファイア基板上にＡ面窒化物系半導体を積層するIII族元素に対するV族元素のモル流量比を０．０１〜１００の範囲とした窒化物系半導体気相成長方法とすることにより成長レートの高いエピタキシャル成長を行うことができる。
【００４５】
また、前記窒化物系半導体気相成長方法を有機金属気相成長方法とした場合、その成長速度を１時間当たり１０μｍより大きくする事ができる。これは従来の方法の１０倍以上早い成長速度である。
【００４６】
また本発明によれば、前記主面がＡ面の窒化物系半導体を積層した後、連続して他の半導体素子構造を積層することができるので、成長炉から基板を取り出すことなく一連のエピ成長を行うことが出来るので、製造工程が短縮出来ると言うメリットがある。
【００４７】
また本発明によれば、前記他の半導体素子構造をIII族元素に対するV族元素のモル流量比を０．０１〜１００の範囲として窒化物半導体層を積層した後、連続して６００〜３０００の範囲として積層することのより、結晶性の良い窒化物半導体層を効率よく作製することができる。
【００４８】
また、前記の窒化物系半導体成長方法により作製した基板を用いてさらにその上に窒化物系半導体あるいは窒化物系半導体構造をを成長させる為の窒化物半導体エピタキシャル基板とすることができる。
【００４９】
またＲ面サファイア基板上に窒化物系半導体を積層してなる窒化物系半導体エピタキシャル基板において、当該窒化物系半導体の主面がＡ面あるいはＡ面から０°＜θ≦５°の範囲で傾斜した方位を持つ窒化物系半導体エピタキシャル基板とすることにより、その表面の粗さを非常に平滑な物とすることができる。
【００５０】
また、前記窒化物系半導体の主面であるＡ面から傾斜した方向が前記窒化物系半導体のＣ軸方向である窒化物系半導体エピタキシャル基板とすることにより、その表面の粗さをさらに平滑なものにすることができ、例えば前記エピタキシャル基板の二乗根平均表面粗さを０．１nm〜１０nmとすることができる。
【００５１】
また本発明によれば、前記窒化物系半導体エピタキシャル基板を構成する窒化物系半導体を少なくともＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ＜１）、ＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）を含む窒化物半導体層から成るものとする事ができる。この窒化物系半導体エピタキシャル基板を用いて発光素子やＦＥＴ、エンハンスメント型電界効果トランジスタ、パワーデバイスなどの半導体装置を作製することが出来る。
また本発明による窒化物系半導体エピタキシャル基板は、その二乗根平均表面粗さが０．１nm〜１０nmであるので、その上に作製する窒化物系半導体エピタキシャル層の表面の粗さも小さいものとする事が出来、結晶欠陥も少ない物とする事ができる。
【００５２】
また本発明によれば、前記の何れかに記載の窒化物系半導体エピタキシャル基板に対して公知のレーザリフトオフ法あるいは研磨法を用いてのＲ面サファイア基板を除去して窒化物系半導体部分を分離し、窒化物系半導体自立基板を作製することができる。この時、Ｒ面サファイア基板を除去して分離した窒化物系半導体自立基板はＲ面サファイア基板を除去した面の面粗度が粗い場合があるので、必要に応じて研磨などを行い、平坦にする処理を行っても良い。このようにして作製した窒化物系半導体自立基板の厚みは３０μｍ以上２ｍｍ以下であることが望ましい。これは、３０μｍ以下であるとその取り扱いが困難であり、取り扱い中に窒化物系半導体自立基板が割れたり、破損したりする可能性があるためである。また、当該窒化物系半導体自立基板を用いての窒化物系半導体装置を作製する際に多くても２mmの厚みが有れば十分使用することが出来、また、２mm以上の厚みとすると、経済的にも無駄となる。この為、当該窒化物系半導体自立基板の厚みは３０μｍ以上２mm以下で有れば良い。
【００５３】
このようにして作製した窒化物系半導体自立基板は、サファイア基板を除去した物であるので、サファイア基板を除去しない窒化物系半導体エピタキシャル基板と比較して熱伝導率が高い物である。この為、例えば当該窒化物系半導体自立基板を用いて高輝度ＬＥＤやパワーデバイスなどを作製するときに問題となる発熱による性能の劣化の問題を回避することができる。例えばＬＥＤやパワーデイスを銅やアルミニウム等の熱伝導率の高い金属に貼り付ける等によって放熱性を高める事が出来る。
【００５４】
また本発明によれば、前記の何れかに記載の窒化物系エピタキシャル基板上に半導体構造または半導体多層膜構造を有する窒化物系半導体エピタキシャル基板を作製することが出来、また、前記の何れかに記載のＲ面サファイア基板を除去して作製した窒化物系半導体自立基板上に半導体構造または半導体多層膜構造を有する窒化物系半導体自立基板を作製する事もできる。
【００５５】
また本発明によれば、このようにして作製した、窒化物系半導体エピタキシャル基板上または窒化物系半導体自立基板上に半導体素子構造を有する半導体装置を作製することができる。このようにして発光素子やＦＥＴ、エンハンスメント型電界効果トランジスタ、パワーデバイスなどの窒化物系半導体装置を作製することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５６】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。
【００５７】
一般にＭＯＶＰＥ成長の成長速度はIII族原料の供給量に依存する物質輸送律速であり、供給原料のV／III比に依存するが、それだけではなく供給原料のIII族分圧にも依存する。この傾向は特にＭＯＶＰＥ成長時の水素分圧（水素ガスとイナートガス（窒素）の混合ガス中の水素ガス圧の比率）が高くなると顕著である。
【００５８】
図１にＭＯＶＰＥ成長時に水素分圧を０．５とした時にエピ成長が起きる限界値を示す。
【００５９】
図１では、ＧａＮのエピ成長が起きる最小の供給III族分圧と最小の供給V／III比が示されている。図１に示すプロットより右上の領域でエピ成長が起こり、左下の領域ではエピ成長が起きにくいことを示している。
【００６０】
このように、供給III族分圧を１００Ｐａ（約１×１０−３気圧）以上に上げてやることにより、V／III比が１０前後の低い値でも十分早い成長速度を得られる条件を見出すことが出来た。
【００６１】
前記の条件でＧａＮの成長を行った場合、成長速度は５５μｍ／Ｈｒと従来の１０倍以上の速度が得られる。
【００６２】
また、この方法と従来の方法を組み合わせて、サファイア基板上に成長させる窒化物系半導体の第１層は従来の大きなV／III比の条件で成長させ、その上に本発明の小さなV／III比の条件で厚い膜を成長させることにより、転位密度の低いエピタキシャル基板を作製することが出来る。この方法は、溝加工などの凹凸を作製したサファイア基板上に窒化物系半導体を形成するいわゆる横方向成長を行い転位密度の低いエピタキシャル基板を作製する際にも適用することが出来る。即ち、溝加工等を施したサファイア基板にバッファ層形成後、第１層は従来の大きなV／III比の条件で成長させ、その上に本発明の小さなV／III比の条件で厚い膜を成長させることにより、更に転位密度の低いエピタキシャル基板を作製することも出来る。
【００６３】
また、バッファ層を形成することなく、最初にV／III比を１０程度として高速で２〜２０μｍ程度の厚く、転位密度の低い窒化物系半導体層を形成した後、引き続き連続してV／III比を１０００程度として、一般的な窒化物系半導体素子構造を形成して、エピタキシャル基板を作成することも出来る。
【００６４】
以上のように本発明にかかる窒化物系半導体気相成長方法をＲ面サファイア基板に適用することにより、また、本発明と従来の公知の方法とを組み合わせることにより、高品質のＡ面窒化物系半導体エピタキシャル基板を作製することが出来る。
【００６５】
また、本発明にかかる窒化物系半導体気相成長方法を用いてＲ面サファイア基板上に窒化物系半導体を積層した窒化物系半導体エピタキシャル基板において、当該窒化物系半導体の主面がＡ面あるいはＡ面から０°＜θ≦５°の範囲でオフした方位を持つようにＲ面サファイア基板の方位を選択することにより、当該窒化物系半導体の表面の面粗さを１０nm以下の平坦な面にする事ができる。
【００６６】
さらに、前記窒化物系半導体の主面であるＡ面からのオフ方向がＣ軸方向であるようにＲ面サファイア基板の方位を選択することにより、さらに平坦な面を得ることが出来る。
【００６７】
また本発明にかかる窒化物系半導体気相成長方法を用いてＲ面サファイア基板上に窒化物系半導体を積層した窒化物系半導体エピタキシャル基板において、積層する窒化物系半導体としては、少なくともＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ＜１）、ＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）の何れか、あるいはこれらの組み合わせを用いることが出来る。
【００６８】
また、このようにして作製した窒化物系半導体エピタキシャル基板は非常に平坦な物であり、その二乗根平均表面粗さは０．１nm〜１０nmであった。
【００６９】
また、本発明にかかる窒化物系半導体気相成長方法を用いてＲ面サファイア基板上に更に半導体多層膜構造を形成し窒化物系半導体エピタキシャル基板とすることも出来る。
【００７０】
また本発明にかかる窒化物系半導体気相成長方法を用いてＲ面サファイア基板上に窒
化物系半導体を積層した後、レーザリフトオフ法などの公知の方法により、当該Ｒ面サファイア基板を除去してＡ面窒化物系半導体の自立基板を得ることも出来る。このようにして得られたＡ面窒化物系半導体の自立基板を研磨することにより、後の半導体素子形成に必要な平坦性を得ることが出来る。このようにして作製した窒化物系半導体自立基板は結晶欠陥が少なく、またピエゾ電界の影響の無い半導体基板である。
【００７１】
この時前記の自立基板の厚みは取り扱いのし易さから３０μｍ以上の厚みが必要であり、また後の半導体素子構造の形成に必要な厚みとして２mm以下であれば十分である。
【００７２】
また、前記の何れかに記載の窒化物系半導体自立基板上に半導体構造または半導体多層膜構造を形成し窒化物系半導体自立基板とすることも出来る。
【００７３】
さらに前記の何れかに記載の窒化物系半導体エピタキシャル基板を用いて半導体素子構造を有する半導体装置を作製する事もできる。具体的には、発光素子やＦＥＴ、エンハンスメント型電界効果トランジスタ、パワーデバイスなどの半導体装置を作製することが出来る。
【００７４】
また、前記の何れかに記載の窒化物系半導体自立基板を用いて半導体素子構造を有する半導体装置を作製する事もできる。具体的には、発光素子やＦＥＴ、エンハンスメント型電界効果トランジスタ、パワーデバイスなどの半導体装置を作製することが出来る。
【実施例】
【００７５】
（実施例１）
図２に本発明の第１の実施例で用いたＭＯＶＰＥ装置の模式図を示す。図２において、１はＶ族の原料であるアンモニアの高圧ボンベ、２はIII族原料である有機金属のＴＭＧのバブラー、３、４、５、６は原料ガスを制御するマスフローコントローラ（ＭＦＣ）、７は基板となるサファイア基板、８は基板加熱用の炭素ヒーター、９は反応管、１０は排気配管である。
【００７６】
アンモニアは高圧ボンベ１よりＭＦＣ５を用いて流量制御し、反応管９に供給した。有機金属のＴＭＧはＭＦＣ６により制御された水素によりバブリングし、供給した。
【００７７】
ＥＦＧ法により作製したＲ面サファイア基板を洗浄後、ＭＯＶＰＥ装置に装着し、窒素ガス主成分雰囲気下で１１００℃まで昇温し、サーマルクリーニングを行った。加熱は、炭素ヒーター８による輻射加熱を用いた。次に温度を１０００℃とし、III族原料としてトリメチルガリウム（以下ＴＭＧ）を、V族原料としてアンモニアを流し、厚さ１００ｎｍのＡｌＧａＮ層を成長させた。
【００７８】
続いて温度を１１００℃に昇温しIII族原料としてＴＭＧを、V族原料としてアンモニアを流した。ＴＭＧの流量は３０μｍｏｌ／ｍｉｎ、アンモニアの流量は６．７ｓｃｃｍとし、キャリアガスとして窒素を５ＳＬＭ、水素を５ＳＬＭそれぞれ流し、ＧａＮのエピタキシャル基板を作製した。この時の、Ｖ／III比は約１０、III族原料の分圧は２００Ｐａであった。この時の成長時間は１時間で、成長速度は５５μｍ／ｈｒであった。このような条件で成長したＧａＮ薄膜の表面状態は極めて良好であった。このようにして作製いたエピタキシャル基板の二乗根平均表面粗さがは１nmであった。
【００７９】
また、本実施例ではGaNについて説明したが、本発明の方法は用いる原料ガスの選択により、ＡｌＮ、ＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ＜１）、ＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）などの他の窒化物系半導体にも応用できることは言うまでもない。
【００８０】
（実施例２）
図３に本発明の第２の実施例のＭＯＶＰＥ装置を示す。図３において、１〜１０は第１の実施例で示した図２と同じ構成である。第２の実施例の特徴は新たにアンモニアの配管にマスフローコントローラーＭＦＣ１１を追加した事である。
【００８１】
アンモニアの配管にＭＦＣ５とＭＦＣ１１の２つのマスフローコントローラーを設置することにより、アンモニアの流量を１〜１０ＳＣＣＭおよび１〜１０ＳＬＭの２種類の流量を選択することが出来た。
【００８２】
これにより、一つのＭＯＶＰＥ装置で複数のV／III比を用いることができる。これは、１回のプロセスで通常の成長速度と本発明による高速の成長速度とを任意に組み合わせて選択することが出来ると言う特徴を有する。なお、ここではＭＦＣ５とＭＦＣ１１の流量として前記の値を例示したが、他の任意の流量の組み合わせも自由に選択できることは言うまでもない。
【００８３】
（実施例３）
第３の実施例においては、図３に示すV属原料の供給経路を複数持つＭＯＶＰＥ装置において、エピタキシャル成長中に流すV属原料の最大流量に対する最小流量の比率が５倍以上３０万倍以下の範囲で任意に切り替えることが可能なようにマスフローコントローラＭＦＣ５とＭＦＣ１１の流量を設定した。
【００８４】
この装置を用いてＲ面サファイア基板上にＭＯＶＰＥエピタキシャル層を成長させ、ＬＥＤ構造を作製した。
【００８５】
先ず、ＥＦＧ法により作製したＲ面サファイア基板を洗浄後、ＭＯＶＰＥ装置に装着し、窒素ガス主成分雰囲気下で１１００℃まで昇温し、サーマルクリーニングを行った。次に温度を５００℃まで下げ、III族原料としてトリメチルガリウム（以下ＴＭＧ）を、V族原料としてアンモニアを流し、厚さ３０ｎｍのＡｌＧａＮ低温バッファ層を成長させた。
【００８６】
続いて温度を１１００℃に昇温しIII族原料としてＴＭＧを、V族原料としてアンモニアを流し、ドーパントとしてシランガスを流し、ｎ型ＧａＮ層（コンタクト層）を成長させた。なお、図３にはドーパントやその他のガスラインは省略して書いてあるが、通常のＬＥＤの製造に用いられるガスラインとして一般的な物は全て備えた装置を用いた。
【００８７】
この時、ＴＭＧの流量は３０μｍｏｌ／ｍｉｎ、アンモニアの流量は２ＳＬＭとし、キャリアガスとして窒素を５ＳＬＭ、水素を５ＳＬＭ、３ｐｐｍのシランガスを例えば２０ｃｃｍそれぞれ流してＲ面サファイア基板上に０．５μｍの厚さまでｎ型ＧａＮ層を成長させた。この時のＶ／III比は約３０００であった。
【００８８】
これに続いてアンモニアの流量を６．７ｓｃｃｍ、３ｐｐｍのシランガスの流量を例えば２０ｃｃｍとし、その他のガス流量は前記同様で前記０．５μｍのｎ型ＧａＮ層の上に連続してｎ型ＧａＮ層を５μｍの厚さまで成長させた。
【００８９】
さらに続いて、アンモニアのガス量を２ＳＬＭとして、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、ＩｎＧａＮ発光層（ＭＱＷ構造）、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、ｐ型ＧａＮコンタクト層を順に形成した。さらに、ｎ型コンタクト層を表出させるためのエッチング加工、電極形成、素子分離を行い、ＬＥＤ素子とした。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】本発明のエピタキシャル成長条件の実験データを示すグラフである。
【図２】本発明のエピタキシャル装置を説明する配線図である。
【図３】本発明のエピタキシャル装置の別の例を説明する配線図である。
【図４】本発明の半導体装置（発光ダイオード）を示す断面図である。
【符号の説明】
【００９１】
１ Ｖ族の原料であるアンモニアの高圧ボンベ
２ III族原料である有機金属のＴＭＧのバブラー
３ ガス流量を制御するマスフローコントローラ（ＭＦＣ）
４ ガス流量を制御するマスフローコントローラ（ＭＦＣ）
５ ガス流量を制御するマスフローコントローラ（ＭＦＣ）
６ ガス流量を制御するマスフローコントローラ（ＭＦＣ）
７ 基板となるサファイア基板
８ 基板加熱用の炭素ヒーター
９ 反応管
１０ 排気配管
１１ ガス流量を制御するマスフローコントローラ（ＭＦＣ）
１２ サファイア基板
１３ ｎ型ＧａＮコンタクト層
１４ 下部電極
１５ ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
１６ ＧａＮ系半導体発光層（ＭＱＷ構造）
１７ ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
１８ ｐ型ＧａＮコンタクト層
１９ 上部電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主面をＲ面とするサファイア基板上に、主面をＡ面とする窒化物系半導体層を形成する窒化物系半導体気相成長方法において、前記窒化物系半導体層を形成するIII族元素に対するV族元素のモル流量比を０．０１〜１００の範囲とすることを特徴とする窒化物系半導体気相成長方法。
【請求項２】
前記窒化物系半導体気相成長方法が有機金属気相成長方法を用いており、かつ窒化物系半導体層の成長速度が１時間当たり１０μｍより大きいことを特徴とする請求項１に記載の窒化物系半導体成長方法。
【請求項３】
前記窒化物系半導体層を積層した後、連続して他の半導体素子層を積層することを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物系半導体気相成長方法。
【請求項４】
前記他の半導体素子層を形成するIII族元素に対するV族元素のモル流量比を６００〜３０００の範囲として積層することを特徴とする請求項３に記載の窒化物系半導体気相成長方法。
【請求項５】
前記請求項１〜４の何れかに記載の窒化物系半導体成長方法により窒化物系半導体を作製したことを特徴とする窒化物系半導体エピタキシャル基板。
【請求項６】
前記窒化物系半導体層の主面がＡ面あるいはＡ面から０°＜θ≦５°の範囲で傾斜した方位を持つことを特徴とする請求項５記載の窒化物系半導体エピタキシャル基板。
【請求項７】
前記窒化物系半導体の主面が、該窒化物系半導体の主面内のＭ軸を回転軸として傾斜したものであることを特徴とする請求項６記載の窒化物系半導体エピタキシャル基板。
【請求項８】
前記窒化物系半導体が少なくともＧａＮから成ることを特徴とする請求項５〜７の何れかに記載の窒化物系半導体エピタキシャル基板。
【請求項９】
前記窒化物系半導体が少なくともＡｌＮから成ることを特徴とする請求項５〜７の何れかに記載の窒化物系半導体エピタキシャル基板。
【請求項１０】
前記窒化物系半導体が少なくともＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ＜１）から成ることを特徴とする請求項５〜７の何れかに記載の窒化物系半導体エピタキシャル基板。
【請求項１１】
前記窒化物系半導体が少なくともＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）から成ることを特徴とする請求項５〜７の何れかに記載の窒化物系半導体エピタキシャル基板。
【請求項１２】
前記窒化物系半導体の2乗根平均表面粗さが０．１nm〜１０nmであることを特徴とする請求項５〜１１の何れかに記載の窒化物系半導体エピタキシャル基板。
【請求項１３】
前記窒化物系半導体エピタキシャル基板上に半導体構造または半導体多層膜構造を有することを特徴とする請求項５〜１２の何れかに記載の窒化物系半導体エピタキシャル基板。
【請求項１４】
前記請求項５〜１３の何れかに記載の窒化物系半導体エピタキシャル基板から窒化物系半導体層を分離して作製することを特徴とする窒化物系半導体自立基板。
【請求項１５】
前記窒化物系半導体自立基板上に半導体多層膜構造を有することを特徴とする請求項１４に記載の窒化物系半導体自立基板。
【請求項１６】
前記窒化物系半導体自立基板の厚みが３０μｍ〜２ｍｍであることを特徴とする請求項１５に記載の窒化物系半導体自立基板。
【請求項１７】
請求項５〜１３の何れかに記載の窒化物系半導体エピタキシャル基板上に半導体素子構造を有したことを特徴とする半導体装置。
【請求項１８】
請求項１４〜１６の何れかに記載の窒化物系半導体自立基板上に半導体素子構造を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項１】
主面をＲ面とするサファイア基板上に、主面をＡ面とする窒化物系半導体層を形成する窒化物系半導体気相成長方法において、前記窒化物系半導体層を形成するIII族元素に対するV族元素のモル流量比を０．０１〜１００の範囲とすることを特徴とする窒化物系半導体気相成長方法。
【請求項２】
前記窒化物系半導体気相成長方法が有機金属気相成長方法を用いており、かつ窒化物系半導体層の成長速度が１時間当たり１０μｍより大きいことを特徴とする請求項１に記載の窒化物系半導体成長方法。
【請求項３】
前記窒化物系半導体層を積層した後、連続して他の半導体素子層を積層することを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物系半導体気相成長方法。
【請求項４】
前記他の半導体素子層を形成するIII族元素に対するV族元素のモル流量比を６００〜３０００の範囲として積層することを特徴とする請求項３に記載の窒化物系半導体気相成長方法。
【請求項５】
前記請求項１〜４の何れかに記載の窒化物系半導体成長方法により窒化物系半導体を作製したことを特徴とする窒化物系半導体エピタキシャル基板。
【請求項６】
前記窒化物系半導体層の主面がＡ面あるいはＡ面から０°＜θ≦５°の範囲で傾斜した方位を持つことを特徴とする請求項５記載の窒化物系半導体エピタキシャル基板。
【請求項７】
前記窒化物系半導体の主面が、該窒化物系半導体の主面内のＭ軸を回転軸として傾斜したものであることを特徴とする請求項６記載の窒化物系半導体エピタキシャル基板。
【請求項８】
前記窒化物系半導体が少なくともＧａＮから成ることを特徴とする請求項５〜７の何れかに記載の窒化物系半導体エピタキシャル基板。
【請求項９】
前記窒化物系半導体が少なくともＡｌＮから成ることを特徴とする請求項５〜７の何れかに記載の窒化物系半導体エピタキシャル基板。
【請求項１０】
前記窒化物系半導体が少なくともＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ＜１）から成ることを特徴とする請求項５〜７の何れかに記載の窒化物系半導体エピタキシャル基板。
【請求項１１】
前記窒化物系半導体が少なくともＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）から成ることを特徴とする請求項５〜７の何れかに記載の窒化物系半導体エピタキシャル基板。
【請求項１２】
前記窒化物系半導体の2乗根平均表面粗さが０．１nm〜１０nmであることを特徴とする請求項５〜１１の何れかに記載の窒化物系半導体エピタキシャル基板。
【請求項１３】
前記窒化物系半導体エピタキシャル基板上に半導体構造または半導体多層膜構造を有することを特徴とする請求項５〜１２の何れかに記載の窒化物系半導体エピタキシャル基板。
【請求項１４】
前記請求項５〜１３の何れかに記載の窒化物系半導体エピタキシャル基板から窒化物系半導体層を分離して作製することを特徴とする窒化物系半導体自立基板。
【請求項１５】
前記窒化物系半導体自立基板上に半導体多層膜構造を有することを特徴とする請求項１４に記載の窒化物系半導体自立基板。
【請求項１６】
前記窒化物系半導体自立基板の厚みが３０μｍ〜２ｍｍであることを特徴とする請求項１５に記載の窒化物系半導体自立基板。
【請求項１７】
請求項５〜１３の何れかに記載の窒化物系半導体エピタキシャル基板上に半導体素子構造を有したことを特徴とする半導体装置。
【請求項１８】
請求項１４〜１６の何れかに記載の窒化物系半導体自立基板上に半導体素子構造を有することを特徴とする半導体装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００６−２３２６３９（Ｐ２００６−２３２６３９Ａ）
【公開日】平成１８年９月７日（２００６．９．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−５１９５４（Ｐ２００５−５１９５４）
【出願日】平成１７年２月２５日（２００５．２．２５）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年９月７日（２００６．９．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年２月２５日（２００５．２．２５）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
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