ＧａＮ単結晶基板、窒化物系半導体エピタキシャル基板、及び、窒化物系半導体素子
【課題】表面が平坦化されたＧａＮ単結晶基板、窒化物系半導体エピタキシャル基板、窒化物系半導体素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】ＧａＮ単結晶基板１１は、研磨された表面が、少なくともＮＨ3ガスを含む混合ガス雰囲気中、基板温度１０２０℃以上で１０分以上熱処理されることにより、研磨により微細な欠陥が多数形成された基板１１表面において、原子再配列がおこなわれ、基板１１表面が平坦化される。その結果、ＧａＮ単結晶基板１１の表面の平均自乗平方根粗さが０．２ｎｍ以下となり、表面が１原子層に対応したステップとテラスを有するので、この基板１１上に形成するＧａＮエピタキシャル層１２の表面を平坦にすることができる。
【解決手段】ＧａＮ単結晶基板１１は、研磨された表面が、少なくともＮＨ3ガスを含む混合ガス雰囲気中、基板温度１０２０℃以上で１０分以上熱処理されることにより、研磨により微細な欠陥が多数形成された基板１１表面において、原子再配列がおこなわれ、基板１１表面が平坦化される。その結果、ＧａＮ単結晶基板１１の表面の平均自乗平方根粗さが０．２ｎｍ以下となり、表面が１原子層に対応したステップとテラスを有するので、この基板１１上に形成するＧａＮエピタキシャル層１２の表面を平坦にすることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光デバイス等に利用するためのＧａＮ単結晶基板、窒化物系半導体エピタキシャル基板、及び窒化物系半導体素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
窒化物系化合物半導体を用いた発光デバイスは、紫外光から青緑色の領域といった短波長の発光が得られるため、近年注目されている。これら発光ダイオードやレーザダイオードといったデバイスは、照明や表示装置、また次世代ＤＶＤ用光源として期待されている。これら発光デバイスに用いられる基板としては、主要な窒化物系化合物半導体層であるＧａＮ層と、格子定数の一致するＧａＮ単結晶基板を用いることが好ましい。しかしながら、従来、ＧａＮ単結晶基板の製造は困難であると考えられていた。
【０００３】
したがって、通常、ＧａＮに格子定数が近似し、化学的にも安定なサファイア基板が用いられる。このようなサファイア基板上にＧａＮ層をエピタキシャル成長させる方法としては、通常ＯＭＶＰＥ法が用いられる。このＯＭＶＰＥ法では、Ｈ２ガス雰囲気中でサファイア基板の基板温度を１０５０℃程度に保持して表面のクリーニングをした後、基板温度４５０〜６００℃程度でＧａＮまたはＡｌＮのバッファ層を成長させ、その後１０００℃以上の高温でＧａＮ層を成長させる。
【０００４】
しかし、サファイア基板を使用することには以下のような問題がある。まず、サファイア基板は、ＧａＮ層と格子定数が近似するものの一致してはいないため、サファイア基板とＧａＮ層の界面で格子不整合による転位等の多数の欠陥が導入される。この欠陥は、成長方向に伸びて、エピタキシャル層表面に多数の貫通欠陥として現出すると共に、レーザダイオード等の発光デバイスの特性や寿命を著しく劣化させる。また、サファイア基板の熱膨張係数とＧａＮ層の熱膨張率とは大きく異なるため、エピタキシャル成長後の基板には大きな反りが発生してしまう。さらに、サファイア基板は劈開性がないため、劈開面を反射面とするレーザダイオードの作製が極めて困難である。
【０００５】
このような状況に鑑み、窒化物系化合物半導体層の形成に適する単結晶ＧａＮ基板が実現された（国際公開番号ＷＯ９９／２３６９３号公報）。この方法によれば、ＧａＡｓ基板上にストライプや円形の形状をしたマスクを形成し、その上にＧａＮ層を気相成長させた後、ＧａＡｓ基板を除去することでＧａＮ基板を得ることができる。また、この方法により、ＧａＮ基板上にさらにＧａＮ層を成長させてインゴットを作製し、インゴットからＧａＮ基板を切り出すことにより、ＧａＮ基板を量産することができる。すなわち、この新しい方法により、ＧａＮ単結晶基板の量産化が可能となった。
【特許文献１】国際公開番号ＷＯ９９／２３６９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前述した従来のＧａＮ基板には、次のような課題が存在している。すなわち、作製したＧａＮ単結晶基板上にエピタキシャル層を形成するためには、基板表面を機械的に研磨して平坦にする必要があるが、ＧａＮ単結晶基板は化学的に非常に安定なため、他の半導体用基板に使われているような化学的機械研磨法（ＣＭＰ）で研磨することが難しい。したがって、機械研磨後の基板表面をエピタキシャル成長に適するほど平坦にすることが難しく、典型的な機械研磨後の基板表面のＲｍｓ（平均二乗平方根粗さ）は１．０ｎｍ程度である。このように、表面が粗い基板上にエピタキシャル層を形成した場合には、凹凸部でのランダムな核発生による３次元成長が起きてしまうため、平坦な表面を得ることは難しい。また、このような成長モードでは、生成した成長核同士が合体する際に、核間に存在する微少な結晶の方位ズレに起因して転位等の結晶欠陥が発生してしまい結晶性劣化の原因となる。すなわち、ＧａＮ単結晶基板上に、より良質の半導体装置を形成するためには、表面加工に伴う欠陥（例えば、傷、歪等）を除去することが必要となってくる。
【０００７】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、表面が平坦化されたＧａＮ単結晶基板、窒化物系半導体エピタキシャル基板、窒化物系半導体素子及びその製造方法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】
【０００８】
本発明に係るＧａＮ単結晶基板は、研磨された表面が、少なくともＮＨ３ガスを含む混合ガス雰囲気中、基板温度１０２０℃以上で１０分以上熱処理されて、表面が平坦化されていることを特徴とする。
【０００９】
このＧａＮ単結晶基板においては、ＮＨ３ガス雰囲気中で、基板温度を１０２０℃以上にして所定の熱処理が１０分以上おこなわれたことにより、研磨により微細な欠陥が多数形成された基板表面において原子再配列がおこなわれ、基板表面が平坦化されている。したがって、この基板上に形成するエピタキシャル層の表面を平坦にすることが可能である。
【００１０】
また、熱処理により、表面の平均自乗平方根粗さが０．２ｎｍ以下となっている。このように、基板表面の平均自乗平方根粗さが０．２ｎｍ以下である場合、良質なエピタキシャル層を形成するのに十分に平坦な基板となる。
【００１１】
本発明に係る窒化物系半導体エピタキシャル基板は、上記ＧａＮ単結晶基板と、ＧａＮ単結晶基板上にエピタキシャル成長された窒化物系化合物半導体層とを備えることを特徴とする。
【００１２】
この窒化物系半導体エピタキシャル基板において、ＮＨ３ガス雰囲気中で、基板温度を１０２０℃以上にして所定の熱処理が１０分以上おこなわれたＧａＮ単結晶基板上に、窒化物系化合物半導体層が形成されている。すなわち、エピタキシャル層を形成するのに十分に平坦な基板上に、窒化物系化合物半導体層がエピタキシャル成長されているため、表面が平坦で結晶性の良好な窒化物系化合物半導体層を得ることができる。また、この窒化物系化合物半導体層上に積層される半導体層の表面も、平坦で且つ結晶性が良好となるため、上記窒化物系半導体エピタキシャル基板を用いた発光デバイスやトランジスタ等の半導体素子の高性能化、高歩留まり化を図ることができる。
【００１３】
また、窒化物系化合物半導体層は、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）であることが好ましい。
【００１４】
また、窒化物系化合物半導体層は、ＧａＮであることが好ましい。この場合、基板とのミスマッチがないため、基板とエピタキシャル層との界面における欠陥の発生を抑制することができる。
【００１５】
また、ＧａＮ単結晶基板上にエピタキシャル成長された窒化物系化合物半導体層の表面の平均自乗平方根粗さが０．２ｎｍ以下であることが好ましい。この場合、表面が平坦で結晶性の良好な窒化物系化合物半導体層を得ることができる。また、窒化物系化合物半導体層上に、さらに所望の半導体をエピタキシャル成長させる場合に、積層構造の急峻性及び結晶性が良好な状態でエピタキシャル成長をおこなうことができる。それにより、表面が平坦な半導体層を形成することができる。
【００１６】
また、窒化物系化合物半導体層のＸ線回折の半値幅が、１００秒以下であることが好ましい。すなわち、Ｘ線回折の半値幅は、エピタキシャル層の結晶軸のゆらぎ（モザイク性）を示しているが、これが１００秒以下であれば、表面が平坦で結晶性の良好な窒化物系化合物半導体層を得ることができる。また、そのエピタキシャル層上にさらに積層される半導体層の結晶性が良好となる。
【００１７】
また、窒化物系化合物半導体層の貫通転位密度が１×１０６ｃｍ−２以下であることが好ましい。すなわち、窒化物系化合物半導体層の貫通転位密度が１×１０６ｃｍ−２以下である場合には、この窒化物系化合物半導体層（エピタキシャル層）上にさらに積層される半導体層内の貫通転位密度を抑制することができる。
【００１８】
本発明に係る窒化物系半導体素子は、上記ＧａＮ単結晶基板がｎ型の導電性を有しており、この基板上にはＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）からなるｎ型クラッド層が積層され、このクラッド層上には活性層が積層され、さらにこの活性層上にはＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）からなるｐ型クラッド層が積層され、このｐ型クラッド層上にはｐ型ＧａＮ層が積層されたことを特徴とする。
【００１９】
この窒化物系半導体素子においては、表面が平坦であるＧａＮ単結晶基板上にクラッド層及び活性層を積層することにより、結晶性が良好となり、そのため、発光効率が高く、長寿命であるレーザダイオード素子を得ることができる。
【００２０】
本発明に係る窒化物系半導体素子は、上記ＧａＮ単結晶基板上に、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化物系半導体層が複数積層して形成されたことを特徴とする。
【００２１】
この窒化物系半導体素子においては、表面が平坦であるＧａＮ単結晶基板上に、例えば、ＡｌＧａＩｎＮで表される窒化物系半導体層からなるコレクタ層、ベース層及びエミッタ層を順次形成することにより、結晶性が良好となり、そのため、電流増幅率の高いトランジスタを得ることができる。
【００２２】
本発明に係るＧａＮ単結晶基板は、表面の平均自乗平方根粗さが０．２ｎｍ以下であることを特徴とする。
【００２３】
このように、基板表面の平均自乗平方根粗さが０．２ｎｍ以下である場合、良質なエピタキシャル層を形成するのに十分に平坦な基板となる。
【００２４】
本発明に係るＧａＮ単結晶基板の製造方法は、表面が研磨されたＧａＮ単結晶基板を、少なくともＮＨ３ガスを含む混合ガス雰囲気中、基板温度１０２０℃以上で１０分以上熱処理することにより、ＧａＮ単結晶基板の表面の平均自乗平方根粗さを０．２ｎｍ以下にすることを特徴とする。
【００２５】
このＧａＮ単結晶基板の製造方法においては、ＧａＮ単結晶基板が、ＮＨ３ガス雰囲気中で、基板温度を１０２０℃以上にして所定の熱処理がおこなわれる。それにより、研磨により微細な欠陥が多数形成された基板表面において原子再配列がおこなわれ、基板表面が平坦化されている。したがって、この基板上に形成するエピタキシャル層の表面を平坦にすることが可能である。また、このような平坦なエピタキシャル表面にこれとは異種の単結晶層を成長し、ヘテロ接合を形成すれば、この接合界面は平坦となり、このような接合によって形成した素子は平坦でない界面の接合を有する素子よりその特性が高い。
【００２６】
また、混合ガスには、Ｈ2ガスが含まれることが好ましい。つまり、ＮＨ３ガスの分解によって生じるＨ２ガスが不足する場合に、不足するＨ２ガスが補充されることとなる。
【００２７】
本発明に係る窒化物系半導体エピタキシャル基板の製造方法は、上記ＧａＮ単結晶基板の製造方法によって得られたＧａＮ単結晶基板の表面を酸化させることなく、このＧａＮ単結晶基板上に窒化物系化合物半導体層をエピタキシャル成長させることを特徴とする。
【００２８】
この窒化物系半導体エピタキシャル基板の製造方法において、表面が平坦であるＧａＮ単結晶基板は酸化されないため、基板上にエピタキシャル層を形成するにあたって、熱処理などの再処理をおこなう必要がない。それにより、エピタキシャル基板の製造工程を簡略化することができる。
【００２９】
また、窒化物系化合物半導体層は、ｎ型であることが好ましい。このようにエピタキシャル層がｎ型の場合に、基板をｎ型にすると、ｎ型半導体、活性層、ｐ型半導体の順に積層された発光素子や、ｎｐｎ型バイポーラトランジスタ素子等を製造することができる。
【００３０】
また、窒化物系化合物半導体層は、ｐ型であることが好ましい。このようにエピタキシャル層がｐ型の場合に、基板をｐ型にすると、ｐ型半導体、活性層、ｎ型半導体の順に積層された発光素子や、ｐｎｐ型バイポーラトランジスタ素子等を製造することができる。
【００３１】
また、エピタキシャル成長は、ＯＭＶＰＥ法（有機金属気相成長法）、ＨＶＰＥ法（ハイドライド気相成長法）、ＭＢＥ法（分子線エピタキシー法）のいずれかを利用することが好ましい。この場合、基板上に良好なエピタキシャル層を形成することができる。
【００３２】
また、エピタキシャル成長をおこなう装置内で、ＧａＮ単結晶基板の熱処理及びエピタキシャル成長の両方をおこなうことが好ましい。この場合、基板表面を清浄に保った状態で、結晶性の良好なエピタキシャル層を成長させることができる。
【００３３】
本発明に係る窒化物系半導体素子の製造方法は、上記ＧａＮ単結晶基板の製造方法によって得られたＧａＮ単結晶基板がｎ型の導電性を有しており、この基板上にＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）からなるｎ型クラッド層を積層し、このクラッド層上に活性層を積層し、さらにこの活性層上にＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）からなるｐ型クラッド層を積層し、このｐ型クラッド層上にｐ型ＧａＮ層を積層することを特徴とする。
【００３４】
この窒化物系半導体素子の製造方法においては、表面が平坦であるＧａＮ単結晶基板上にクラッド層及び活性層を積層することにより、結晶性が良好となり、そのため、発光効率が高く、長寿命であるレーザダイオード素子を得ることができる。
【００３５】
本発明に係る窒化物系半導体素子の製造方法は、上記ＧａＮ単結晶基板の製造方法によって得られたＧａＮ単結晶基板上に、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化物系半導体層を複数積層して形成することを特徴とする。
【００３６】
この窒化物系半導体素子の製造方法においては、表面が平坦であるＧａＮ単結晶基板上に、例えば、ＡｌＧａＩｎＮで表される窒化物系半導体層からなるコレクタ層、ベース層及びエミッタ層を順次形成することにより、結晶性が良好となり、またヘテロ接合界面の平坦性が良くなる。そのため、電流増幅率の高いトランジスタを得ることができる。
【発明の効果】
【００３７】
本発明によれば、ＧａＮ単結晶の表面粗さを低減でき、エピタキシャル成長に適したＧａＮ単結晶基板を提供できる。また、本発明のＧａＮ単結晶基板の上に窒化物系化合物半導体層をエピタキシャル成長することにより、良好な特性を示す窒化物系化合物半導体素子を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
以下、添付図面を参照して本発明に係るＧａＮ単結晶基板、窒化物系半導体エピタキシャル基板、窒化物系半導体素子及びその製造方法の好適な実施の形態について詳細に説明する。
【００３９】
図１は、本実施形態に係る窒化物系半導体エピタキシャル基板の断面図である。この窒化物系半導体エピタキシャル基板１０は、ＧａＮ単結晶基板１１上に、ＯＭＶＰＥ法、ＨＶＰＥ法、ＭＢＥ法等によってエピタキシャル成長させた窒化物系化合物半導体層１２を備えている。この窒化物系半導体エピタキシャル基板１０は、発光ダイオードやレーザダイオード等の発光デバイスの製造中間体であり、この上に適当なｐｎ接合、より好ましくはダブルヘテロ接合、さらにより好ましくは量子井戸構造を形成し、電流を供給するための電極を取り付けることにより発光デバイスが完成する。
【００４０】
窒化物系化合物半導体層１２の材料は、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）で表される２〜４元系の化合物半導体の中から選ばれる。その中でも、ＧａＮは、ＧａＮ単結晶基板１１に直接ホモエピタキシャル成長できて、ＧａＮ単結晶基板１１とのミスマッチがないため、基板１１と窒化物系化合物半導体層１２との界面における欠陥の発生を抑制できる点で最も好ましい。
【００４１】
次に、ＧａＮ単結晶基板及び窒化物系半導体エピタキシャル基板１０の製造工程について説明する。
（Ａ）まず、ＧａＮ単結晶基板１１を製造し、製造されたＧａＮ単結晶基板１１を研磨材を用いて表面研磨し、純水等を用いて液体洗浄する（単結晶基板製造工程）。
（Ｂ）次に、ＧａＮ単結晶基板１１を、ＮＨ3ガスを含む所定の混合ガスＧ１の雰囲気内に配置し、基板温度Ｔ１で時間ｔ１の間、加熱する（表面熱処理工程）。
（Ｃ）しかる後、基板温度Ｔ２の過熱状態で、窒化物系化合物半導体層１２の原材料Ｇ２を当該表面に供給し、ＧａＮ単結晶基板１１上に窒化物系化合物半導体層１２をエピタキシャル成長させる（エピタキシャル成長工程）。
【００４２】
以下、詳説する。
【００４３】
製造されたＧａＮ単結晶基板１１は、研磨材を用いて表面研磨され、純水等を用いて液体洗浄される。この液体洗浄には、純水の他、有機溶剤、酸、アルカリ溶液を用いてもよい。製造されたＧａＮ単結晶基板１１の表面には、機械研磨ダメージによる加工変質層が存在するが、これは好適な表面処理によって除去される。この時点で、ＧａＮ単結晶基板１１の表面は平坦化され、鏡面状態になっているが、顕微鏡で観察してみると、基板１１表面には機械研磨による細かな傷が確認された。代表的な例として、原子間力顕微鏡により観察した、研磨後のＧａＮ単結晶基板１１の表面像を図２に示す。図に示すように、基板１１表面には、研磨による微細な欠陥が多数観察される。この表面の平均二乗平方根粗さ（Ｒｍｓ）は、１．０ｎｍ程度であった。
【００４４】
したがって、この程度の粗さの基板１１表面に直接窒化物系化合物半導体層１２をエピタキシャル成長させた場合、傷等の段差部でランダムな結晶核が多数発生し、３次元的に結晶成長してしまうため、表面が平坦な窒化物系化合物半導体層１２を得ることは困難である。
【００４５】
次に、表面熱処理工程について説明する。
【００４６】
基板１１表面において、熱処理による表面粗さの低減は以下のような過程で進むと考えられる。すなわち、図３（ａ）に模式的に示したように、まず、基板１１上にＮＨ３ガスが供給されると、ＮＨ３がＮ２とＨ２とに分解される。そして、分解したＨ２がＧａＮと反応してＧａ原子が生成される。これらの反応は、下記式（１）、（２）で表される。
【数１】
【数２】
【００４７】
そして、Ｇａ原子は、高温下で基板１１表面をマイグレーションし、表面エネルギを下げるように凹部へと集まる。その後、図３（ｂ）に示すように、Ｇａ原子は、ＮＨ3と反応してＧａＮが形成される。このような原子再配列により、基板１１表面の凹部が埋まり、平坦な表面が得られる（図３（ｃ）参照）。この反応は、下記式（３）で表される。
【数３】
【００４８】
以上のような熱処理によって平坦化されたＧａＮ単結晶基板の代表的な表面観察像を図４に示す。図４に示した基板１１は、混合ガスＧ１雰囲気中において、基板温度（Ｔ１）１０２０℃、時間（ｔ１）１０分の条件で熱処理された基板である。この基板表面のＲｍｓは約０．１９ｎｍであり、１原子層に対応したステップとテラスが観測された。すなわち、このような熱処理により、ＧａＮ単結晶基板１１の表面のＲｍｓを０．２ｎｍ以下にすることできた。
【００４９】
なお、上述した工程では、（２）式に示したとおり、ＧａＮがＨ２の存在下で分解して、Ｇａ原子が形成されることが重要である。しかしながら、（１）式の反応速度は非常に遅く、１０００℃でも数％のＮＨ３しかＨ２とＮ２とに分解されない。この程度の量のＨ２では、上述の表面熱処理工程を進行させるのに十分ではないため、混合ガスＧ１にＨ２ガスを添加して補うことが好適である。したがって、表面熱処理工程は、ＮＨ３とＨ２ガスとの混合ガス雰囲気でおこなうことが好ましい。
【００５０】
また、表面熱処理工程の際、熱処理温度は上述の各反応の速度、Ｇａ原子のマイグレーション長さやＧａ原子の脱離速度等に影響を及ぼす。つまり、基板温度Ｔ１が高いほどＧａ原子のマイグレーション距離は長くなるので、Ｇａ原子が研磨傷部（凹部）に到達しやすくなる。これに対して、基板温度Ｔ１が低いと、Ｇａ原子が研磨傷部に到達する前にＮＨ３と反応してＧａＮが生成され、凹部以外で核発生してしまうので表面は平坦化されない。このような機構で表面が平坦化されると考えた場合、それに適した温度を鋭意検討した結果、基板温度Ｔ１は１０２０℃以上が好ましいことを本発明者らは見出した。したがって、表面熱処理工程において、基板温度Ｔ１は１０２０℃以上であることが好ましい。
【００５１】
さらに、基板１１表面の平坦化に必要な時間は、Ｇａ原子のマイグレーションとＧａＮの生成によって、研磨傷部が十分に埋まるまでの時間である。これは、基板１１の研磨状態に依存するが、一般的に機械研磨によって仕上げられるＲｍｓが１．０ｎｍ程度の表面粗さにおいては、１０分以上熱処理することにより、基板１１表面の平坦化が可能であることを本発明者らは見出した。すなわち、熱処理の時間は１０分以上であることが好ましい。
【００５２】
次にエピタキシャル成長工程について説明する。
【００５３】
上記のような熱処理を施して、表面が平坦になったＧａＮ単結晶基板１１は、ＧａＮと同種の材料、すなわち、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表される２〜４元系の化合物半導体をその上に直接エピタキシャル成長するのに、非常に適している。これは、図４に示すように、基板１１表面では１原子層に対応するテラスとステップが規則正しく配列しており、格子定数の近い窒化物系化合物半導体層１２であれば、容易にステップフロー成長することができるためである。
【００５４】
また、熱処理後、エピタキシャル成長させる前には、ＧａＮ単結晶基板１１を大気に暴露しないことが望ましい。すなわち、大気に暴露すると、基板１１表面が酸化したり、有機物やその他の汚染物質が吸着してしまったりするため、その後のエピタキシャル成長に悪影響を及ぼすからである。この場合、エピタキシャル成長前に再度基板１１表面を清浄化するための表面処理をおこなわなければならず、工程が増えてしまう。このことは、熱処理後のＧａＮ単結晶基板１１上に窒化物系化合物半導体層１２をエピタキシャル成長することにより、高品質なエピタキシャル基板１０を製造することができることを意味している。特に、窒化物系化合物半導体層１２がＧａＮである場合には、ＧａＮ単結晶基板１１と格子定数が一致するため、界面でのミスフィット転位が発生せず、窒化物系化合物半導体層１２の結晶性を劣化させるおそれがなく好ましい。
【００５５】
以上で説明したように、エピタキシャル層１２の高品質性の指標として表面のＲｍｓが０．２ｎｍ以下と非常に平坦なエピタキシャル基板１１を製造すると、その後の素子構造の成長における表面平坦性の維持に有利であり、発光ダイオードやレーザダイオードのような発光素子やバイポーラトランジスタや電界効果トランジスタのような電子デバイス等の歩留まりを向上させるのに有効である。
【００５６】
また、上述した表面熱処理工程をおこなうことにより、エピタキシャル層１２の結晶軸ゆらぎを低減することができる。より具体的には、窒化物系化合物半導体層１２のＸ線回折の半値幅が１００秒以下となる。つまり、エピタキシャル基板１２表面が平坦となり、結晶性の良好なエピタキシャル基板が得られる。
【００５７】
さらに、上述した表面熱処理工程をおこなうことにより、エピタキシャル層１２の貫通転位密度を１×１０６個ｃｍ−２以下に抑えることができる。それにより、このエピタキシャル層１２上に積層される半導体層内の貫通転位密度が抑制される。
【００５８】
このように、エピタキシャル層１２の結晶性が向上し、且つ、表面の結晶欠陥が低減するため、このエピタキシャル層１２上に積層される半導体層の結晶性は良好となり、且つ、その半導体層内における結晶欠陥の発生を抑制することができる。そのため、このエピタキシャル層１２が形成されたエピタキシャル基板１０を用いることは、発光ダイオードやレーザダイオードのような発光素子や、バイポーラトランジスタや電界効果トランジスタのような電子デバイス等の特性や信頼性、歩留まり性を向上させることに有効である。
【００５９】
なお、エピタキシャル基板１０上に形成するエピタキシャル層（図示せず）の導電性は、各種導体素子の構造に合わせて制御することができる。例えば、ＬＥＤやＬＤのような発光素子の場合、ｎ型の単結晶基板１１上にｎ型のＧａＮ層１２を成長させたエピタキシャル基板１０を製造し、その上にｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層、ｐ型コンタクト層という基本構造を成長させることによって、製造することができる。その後、電極を形成し、電流端子を接続し、レーザダイオードならば、反射面を形成する等の工程を経て、素子が完成するのはいうまでもない。
【００６０】
また、例えば、ｎｐｎ型のバイポーラトランジスタ素子ならば、ｎ型のＧａＮ基板１１にｎ型のＧａＮ層１２の組み合わせが好適であり、電界効果トランジスタの場合には半絶縁性のＧａＮ基板が好適である。
【実施例１】
【００６１】
エピタキシャル成長に用いられる成長方法としては、ＯＭＶＰＥ法、ＨＶＰＥ法、ＭＢＥ法等から選択することができる。いずれを選択した場合でも、成長する装置内でＧａＮ単結晶基板１１の熱処理をおこない、その後、ＧａＮ単結晶基板１１を外部に取り出すことなく、そのまま窒化物系化合物半導体層１２をエピタキシャル成長することにより基板１１表面が汚染されない。したがって、表面が酸化又は汚染された場合に必要な表面処理工程が必要なく、容易に高品質なエピタキシャル基板を製造することができる。
【００６２】
ＧａＮ基板１１をＯＭＶＰＥ装置内で各種条件で熱処理した。さらに、同じ装置内でＧａＮ層１２をエピタキシャル成長した。使用したＯＭＶＰＥ装置は、図５に示すように、基板面に対して垂直方向から原料ガスを噴射する縦型の成長炉である。この成長炉２０は、原料供給口２１ａ及び排気口２１ｂが設けられた水冷外壁２１と、この水冷外壁２１内に配置され、設置される基板１１を回転する試料台２２と、下方から試料台を加熱するヒータ２３とから構成されている。なお、符号２４は、原料ガスが基板１１に到達するまでに加熱されて反応してしまうのを防ぐために、原料ガスを冷却するための水冷ジャケットである。
【００６３】
基板１１は、ＳｉＣコートしたカーボン製の試料台２３にセットされ、この試料台２３を約１０００ｒｐｍで高速回転させる。熱処理時のＮＨ３は、１１ｓｌｍ、Ｈ２あるいはＮ２は５ｓｌｍとした。ＧａＮの成長時の条件は、基板温度が１０００℃、アンモニア１１ｓｌｍ、Ｈ２５ｓｌｍ、トリメチルガリウム１８０〜４００μｍｏｌ／ｍｉｎ、圧力は約２７ｋＰａ（すなわち、２００Ｔｏｒｒ）とした。比較例として、基板にサファイアを用い、予めＧａＮ層を成長させておいたＧａＮ／サファイア基板を同時に成長させた。
【００６４】
熱処理後に基板１１表面を原子間力顕微鏡で観察した結果を表１に示し、ＧａＮ層１２を２μｍ成長させた試料を原子間力顕微鏡、Ｘ線回折により評価した結果を表２に示す。Ｘ線回折はｃ軸のゆらぎを示す（０００２）反射と、ｃ軸とａ軸の両方のゆらぎを示す（１０-１１）反射のωスキャンの半値幅で評価した。
【００６５】
【表１】
【表２】
【００６６】
表１から、基板温度１０２０℃未満で熱処理しても平坦性及び表面粗さは改善されず、ＮＨ３とＨ２の混合雰囲気中で基板温度を１０２０℃以上、１０分以上の熱処理をすると、平坦で粗さの小さい良好なＧａＮ単結晶基板が作製できることがわかる。また、表２から、サファイア上の比較例は、表面粗さ、Ｘ線回折の半値幅の両者とも大きいが、ＧａＮ基板を用いると格段に改善されることがわかる。特に、ＮＨ３とＨ２との混合雰囲気中、１０分間、基板温度１０２０℃以上で熱処理することにより、エピタキシャル層の表面粗さ、結晶軸ゆらぎともに大きく改善できた。
【００６７】
なお、ＮＨ３＋Ｎ２雰囲気中での熱処理や、ＮＨ３＋Ｈ２の雰囲気中での熱処理でも時間が１０分未満であるか、基板温度が１０２０℃以下の時には表面粗さ（Ｒｍｓ）が０．２ｎｍを超えたり、Ｘ線回折の半値幅が１００秒を超えたりするので好ましくない。また表２では、熱処理後の表面粗さ（Ｒｍｓ）を測定していないが、エピタキシャル層の表面粗さや結晶軸ゆらぎが十分小さくなる熱処理条件は、熱処理後の表面粗さが０．２ｎｍ以下となる条件と一致している。すなわち、良好なエピタキシャル層を得るためには、表面粗さが０．２ｎｍ以下であるＧａＮ単結晶基板を使用しなければならない。
【００６８】
また、実際に、原子間力顕微鏡像で観察される、ピット状欠陥から貫通転位密度を求めると、サファイア基板上に成長したエピタキシャル層では、１０８〜１０９個ｃｍ−２程度であったが、ＧａＮ基板１１上に成長したエピタキシャル層１２では、多くの試料で１０６個ｃｍ−２以下と良好であった。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の実施形態に係るエピタキシャル基板の模式図である。
【図２】機械研磨後のＧａＮ単結晶基板表面の原子間力顕微鏡写真である。
【図３】表面熱処理工程における基板表面の平坦化過程を示す図である。
【図４】熱処理後のＧａＮ単結晶基板表面の原子間力顕微鏡写真である。
【図５】本発明の実施例に使用されたＯＭＶＰＥ装置の成長炉の模式図である。
【符号の説明】
【００７０】
１０…エピタキシャル基板、１１…ＧａＮ単結晶基板、１２…エピタキシャル層、２０…ＯＭＶＰＥ装置。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光デバイス等に利用するためのＧａＮ単結晶基板、窒化物系半導体エピタキシャル基板、及び窒化物系半導体素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
窒化物系化合物半導体を用いた発光デバイスは、紫外光から青緑色の領域といった短波長の発光が得られるため、近年注目されている。これら発光ダイオードやレーザダイオードといったデバイスは、照明や表示装置、また次世代ＤＶＤ用光源として期待されている。これら発光デバイスに用いられる基板としては、主要な窒化物系化合物半導体層であるＧａＮ層と、格子定数の一致するＧａＮ単結晶基板を用いることが好ましい。しかしながら、従来、ＧａＮ単結晶基板の製造は困難であると考えられていた。
【０００３】
したがって、通常、ＧａＮに格子定数が近似し、化学的にも安定なサファイア基板が用いられる。このようなサファイア基板上にＧａＮ層をエピタキシャル成長させる方法としては、通常ＯＭＶＰＥ法が用いられる。このＯＭＶＰＥ法では、Ｈ２ガス雰囲気中でサファイア基板の基板温度を１０５０℃程度に保持して表面のクリーニングをした後、基板温度４５０〜６００℃程度でＧａＮまたはＡｌＮのバッファ層を成長させ、その後１０００℃以上の高温でＧａＮ層を成長させる。
【０００４】
しかし、サファイア基板を使用することには以下のような問題がある。まず、サファイア基板は、ＧａＮ層と格子定数が近似するものの一致してはいないため、サファイア基板とＧａＮ層の界面で格子不整合による転位等の多数の欠陥が導入される。この欠陥は、成長方向に伸びて、エピタキシャル層表面に多数の貫通欠陥として現出すると共に、レーザダイオード等の発光デバイスの特性や寿命を著しく劣化させる。また、サファイア基板の熱膨張係数とＧａＮ層の熱膨張率とは大きく異なるため、エピタキシャル成長後の基板には大きな反りが発生してしまう。さらに、サファイア基板は劈開性がないため、劈開面を反射面とするレーザダイオードの作製が極めて困難である。
【０００５】
このような状況に鑑み、窒化物系化合物半導体層の形成に適する単結晶ＧａＮ基板が実現された（国際公開番号ＷＯ９９／２３６９３号公報）。この方法によれば、ＧａＡｓ基板上にストライプや円形の形状をしたマスクを形成し、その上にＧａＮ層を気相成長させた後、ＧａＡｓ基板を除去することでＧａＮ基板を得ることができる。また、この方法により、ＧａＮ基板上にさらにＧａＮ層を成長させてインゴットを作製し、インゴットからＧａＮ基板を切り出すことにより、ＧａＮ基板を量産することができる。すなわち、この新しい方法により、ＧａＮ単結晶基板の量産化が可能となった。
【特許文献１】国際公開番号ＷＯ９９／２３６９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前述した従来のＧａＮ基板には、次のような課題が存在している。すなわち、作製したＧａＮ単結晶基板上にエピタキシャル層を形成するためには、基板表面を機械的に研磨して平坦にする必要があるが、ＧａＮ単結晶基板は化学的に非常に安定なため、他の半導体用基板に使われているような化学的機械研磨法（ＣＭＰ）で研磨することが難しい。したがって、機械研磨後の基板表面をエピタキシャル成長に適するほど平坦にすることが難しく、典型的な機械研磨後の基板表面のＲｍｓ（平均二乗平方根粗さ）は１．０ｎｍ程度である。このように、表面が粗い基板上にエピタキシャル層を形成した場合には、凹凸部でのランダムな核発生による３次元成長が起きてしまうため、平坦な表面を得ることは難しい。また、このような成長モードでは、生成した成長核同士が合体する際に、核間に存在する微少な結晶の方位ズレに起因して転位等の結晶欠陥が発生してしまい結晶性劣化の原因となる。すなわち、ＧａＮ単結晶基板上に、より良質の半導体装置を形成するためには、表面加工に伴う欠陥（例えば、傷、歪等）を除去することが必要となってくる。
【０００７】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、表面が平坦化されたＧａＮ単結晶基板、窒化物系半導体エピタキシャル基板、窒化物系半導体素子及びその製造方法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】
【０００８】
本発明に係るＧａＮ単結晶基板は、研磨された表面が、少なくともＮＨ３ガスを含む混合ガス雰囲気中、基板温度１０２０℃以上で１０分以上熱処理されて、表面が平坦化されていることを特徴とする。
【０００９】
このＧａＮ単結晶基板においては、ＮＨ３ガス雰囲気中で、基板温度を１０２０℃以上にして所定の熱処理が１０分以上おこなわれたことにより、研磨により微細な欠陥が多数形成された基板表面において原子再配列がおこなわれ、基板表面が平坦化されている。したがって、この基板上に形成するエピタキシャル層の表面を平坦にすることが可能である。
【００１０】
また、熱処理により、表面の平均自乗平方根粗さが０．２ｎｍ以下となっている。このように、基板表面の平均自乗平方根粗さが０．２ｎｍ以下である場合、良質なエピタキシャル層を形成するのに十分に平坦な基板となる。
【００１１】
本発明に係る窒化物系半導体エピタキシャル基板は、上記ＧａＮ単結晶基板と、ＧａＮ単結晶基板上にエピタキシャル成長された窒化物系化合物半導体層とを備えることを特徴とする。
【００１２】
この窒化物系半導体エピタキシャル基板において、ＮＨ３ガス雰囲気中で、基板温度を１０２０℃以上にして所定の熱処理が１０分以上おこなわれたＧａＮ単結晶基板上に、窒化物系化合物半導体層が形成されている。すなわち、エピタキシャル層を形成するのに十分に平坦な基板上に、窒化物系化合物半導体層がエピタキシャル成長されているため、表面が平坦で結晶性の良好な窒化物系化合物半導体層を得ることができる。また、この窒化物系化合物半導体層上に積層される半導体層の表面も、平坦で且つ結晶性が良好となるため、上記窒化物系半導体エピタキシャル基板を用いた発光デバイスやトランジスタ等の半導体素子の高性能化、高歩留まり化を図ることができる。
【００１３】
また、窒化物系化合物半導体層は、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）であることが好ましい。
【００１４】
また、窒化物系化合物半導体層は、ＧａＮであることが好ましい。この場合、基板とのミスマッチがないため、基板とエピタキシャル層との界面における欠陥の発生を抑制することができる。
【００１５】
また、ＧａＮ単結晶基板上にエピタキシャル成長された窒化物系化合物半導体層の表面の平均自乗平方根粗さが０．２ｎｍ以下であることが好ましい。この場合、表面が平坦で結晶性の良好な窒化物系化合物半導体層を得ることができる。また、窒化物系化合物半導体層上に、さらに所望の半導体をエピタキシャル成長させる場合に、積層構造の急峻性及び結晶性が良好な状態でエピタキシャル成長をおこなうことができる。それにより、表面が平坦な半導体層を形成することができる。
【００１６】
また、窒化物系化合物半導体層のＸ線回折の半値幅が、１００秒以下であることが好ましい。すなわち、Ｘ線回折の半値幅は、エピタキシャル層の結晶軸のゆらぎ（モザイク性）を示しているが、これが１００秒以下であれば、表面が平坦で結晶性の良好な窒化物系化合物半導体層を得ることができる。また、そのエピタキシャル層上にさらに積層される半導体層の結晶性が良好となる。
【００１７】
また、窒化物系化合物半導体層の貫通転位密度が１×１０６ｃｍ−２以下であることが好ましい。すなわち、窒化物系化合物半導体層の貫通転位密度が１×１０６ｃｍ−２以下である場合には、この窒化物系化合物半導体層（エピタキシャル層）上にさらに積層される半導体層内の貫通転位密度を抑制することができる。
【００１８】
本発明に係る窒化物系半導体素子は、上記ＧａＮ単結晶基板がｎ型の導電性を有しており、この基板上にはＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）からなるｎ型クラッド層が積層され、このクラッド層上には活性層が積層され、さらにこの活性層上にはＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）からなるｐ型クラッド層が積層され、このｐ型クラッド層上にはｐ型ＧａＮ層が積層されたことを特徴とする。
【００１９】
この窒化物系半導体素子においては、表面が平坦であるＧａＮ単結晶基板上にクラッド層及び活性層を積層することにより、結晶性が良好となり、そのため、発光効率が高く、長寿命であるレーザダイオード素子を得ることができる。
【００２０】
本発明に係る窒化物系半導体素子は、上記ＧａＮ単結晶基板上に、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化物系半導体層が複数積層して形成されたことを特徴とする。
【００２１】
この窒化物系半導体素子においては、表面が平坦であるＧａＮ単結晶基板上に、例えば、ＡｌＧａＩｎＮで表される窒化物系半導体層からなるコレクタ層、ベース層及びエミッタ層を順次形成することにより、結晶性が良好となり、そのため、電流増幅率の高いトランジスタを得ることができる。
【００２２】
本発明に係るＧａＮ単結晶基板は、表面の平均自乗平方根粗さが０．２ｎｍ以下であることを特徴とする。
【００２３】
このように、基板表面の平均自乗平方根粗さが０．２ｎｍ以下である場合、良質なエピタキシャル層を形成するのに十分に平坦な基板となる。
【００２４】
本発明に係るＧａＮ単結晶基板の製造方法は、表面が研磨されたＧａＮ単結晶基板を、少なくともＮＨ３ガスを含む混合ガス雰囲気中、基板温度１０２０℃以上で１０分以上熱処理することにより、ＧａＮ単結晶基板の表面の平均自乗平方根粗さを０．２ｎｍ以下にすることを特徴とする。
【００２５】
このＧａＮ単結晶基板の製造方法においては、ＧａＮ単結晶基板が、ＮＨ３ガス雰囲気中で、基板温度を１０２０℃以上にして所定の熱処理がおこなわれる。それにより、研磨により微細な欠陥が多数形成された基板表面において原子再配列がおこなわれ、基板表面が平坦化されている。したがって、この基板上に形成するエピタキシャル層の表面を平坦にすることが可能である。また、このような平坦なエピタキシャル表面にこれとは異種の単結晶層を成長し、ヘテロ接合を形成すれば、この接合界面は平坦となり、このような接合によって形成した素子は平坦でない界面の接合を有する素子よりその特性が高い。
【００２６】
また、混合ガスには、Ｈ2ガスが含まれることが好ましい。つまり、ＮＨ３ガスの分解によって生じるＨ２ガスが不足する場合に、不足するＨ２ガスが補充されることとなる。
【００２７】
本発明に係る窒化物系半導体エピタキシャル基板の製造方法は、上記ＧａＮ単結晶基板の製造方法によって得られたＧａＮ単結晶基板の表面を酸化させることなく、このＧａＮ単結晶基板上に窒化物系化合物半導体層をエピタキシャル成長させることを特徴とする。
【００２８】
この窒化物系半導体エピタキシャル基板の製造方法において、表面が平坦であるＧａＮ単結晶基板は酸化されないため、基板上にエピタキシャル層を形成するにあたって、熱処理などの再処理をおこなう必要がない。それにより、エピタキシャル基板の製造工程を簡略化することができる。
【００２９】
また、窒化物系化合物半導体層は、ｎ型であることが好ましい。このようにエピタキシャル層がｎ型の場合に、基板をｎ型にすると、ｎ型半導体、活性層、ｐ型半導体の順に積層された発光素子や、ｎｐｎ型バイポーラトランジスタ素子等を製造することができる。
【００３０】
また、窒化物系化合物半導体層は、ｐ型であることが好ましい。このようにエピタキシャル層がｐ型の場合に、基板をｐ型にすると、ｐ型半導体、活性層、ｎ型半導体の順に積層された発光素子や、ｐｎｐ型バイポーラトランジスタ素子等を製造することができる。
【００３１】
また、エピタキシャル成長は、ＯＭＶＰＥ法（有機金属気相成長法）、ＨＶＰＥ法（ハイドライド気相成長法）、ＭＢＥ法（分子線エピタキシー法）のいずれかを利用することが好ましい。この場合、基板上に良好なエピタキシャル層を形成することができる。
【００３２】
また、エピタキシャル成長をおこなう装置内で、ＧａＮ単結晶基板の熱処理及びエピタキシャル成長の両方をおこなうことが好ましい。この場合、基板表面を清浄に保った状態で、結晶性の良好なエピタキシャル層を成長させることができる。
【００３３】
本発明に係る窒化物系半導体素子の製造方法は、上記ＧａＮ単結晶基板の製造方法によって得られたＧａＮ単結晶基板がｎ型の導電性を有しており、この基板上にＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）からなるｎ型クラッド層を積層し、このクラッド層上に活性層を積層し、さらにこの活性層上にＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）からなるｐ型クラッド層を積層し、このｐ型クラッド層上にｐ型ＧａＮ層を積層することを特徴とする。
【００３４】
この窒化物系半導体素子の製造方法においては、表面が平坦であるＧａＮ単結晶基板上にクラッド層及び活性層を積層することにより、結晶性が良好となり、そのため、発光効率が高く、長寿命であるレーザダイオード素子を得ることができる。
【００３５】
本発明に係る窒化物系半導体素子の製造方法は、上記ＧａＮ単結晶基板の製造方法によって得られたＧａＮ単結晶基板上に、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化物系半導体層を複数積層して形成することを特徴とする。
【００３６】
この窒化物系半導体素子の製造方法においては、表面が平坦であるＧａＮ単結晶基板上に、例えば、ＡｌＧａＩｎＮで表される窒化物系半導体層からなるコレクタ層、ベース層及びエミッタ層を順次形成することにより、結晶性が良好となり、またヘテロ接合界面の平坦性が良くなる。そのため、電流増幅率の高いトランジスタを得ることができる。
【発明の効果】
【００３７】
本発明によれば、ＧａＮ単結晶の表面粗さを低減でき、エピタキシャル成長に適したＧａＮ単結晶基板を提供できる。また、本発明のＧａＮ単結晶基板の上に窒化物系化合物半導体層をエピタキシャル成長することにより、良好な特性を示す窒化物系化合物半導体素子を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
以下、添付図面を参照して本発明に係るＧａＮ単結晶基板、窒化物系半導体エピタキシャル基板、窒化物系半導体素子及びその製造方法の好適な実施の形態について詳細に説明する。
【００３９】
図１は、本実施形態に係る窒化物系半導体エピタキシャル基板の断面図である。この窒化物系半導体エピタキシャル基板１０は、ＧａＮ単結晶基板１１上に、ＯＭＶＰＥ法、ＨＶＰＥ法、ＭＢＥ法等によってエピタキシャル成長させた窒化物系化合物半導体層１２を備えている。この窒化物系半導体エピタキシャル基板１０は、発光ダイオードやレーザダイオード等の発光デバイスの製造中間体であり、この上に適当なｐｎ接合、より好ましくはダブルヘテロ接合、さらにより好ましくは量子井戸構造を形成し、電流を供給するための電極を取り付けることにより発光デバイスが完成する。
【００４０】
窒化物系化合物半導体層１２の材料は、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）で表される２〜４元系の化合物半導体の中から選ばれる。その中でも、ＧａＮは、ＧａＮ単結晶基板１１に直接ホモエピタキシャル成長できて、ＧａＮ単結晶基板１１とのミスマッチがないため、基板１１と窒化物系化合物半導体層１２との界面における欠陥の発生を抑制できる点で最も好ましい。
【００４１】
次に、ＧａＮ単結晶基板及び窒化物系半導体エピタキシャル基板１０の製造工程について説明する。
（Ａ）まず、ＧａＮ単結晶基板１１を製造し、製造されたＧａＮ単結晶基板１１を研磨材を用いて表面研磨し、純水等を用いて液体洗浄する（単結晶基板製造工程）。
（Ｂ）次に、ＧａＮ単結晶基板１１を、ＮＨ3ガスを含む所定の混合ガスＧ１の雰囲気内に配置し、基板温度Ｔ１で時間ｔ１の間、加熱する（表面熱処理工程）。
（Ｃ）しかる後、基板温度Ｔ２の過熱状態で、窒化物系化合物半導体層１２の原材料Ｇ２を当該表面に供給し、ＧａＮ単結晶基板１１上に窒化物系化合物半導体層１２をエピタキシャル成長させる（エピタキシャル成長工程）。
【００４２】
以下、詳説する。
【００４３】
製造されたＧａＮ単結晶基板１１は、研磨材を用いて表面研磨され、純水等を用いて液体洗浄される。この液体洗浄には、純水の他、有機溶剤、酸、アルカリ溶液を用いてもよい。製造されたＧａＮ単結晶基板１１の表面には、機械研磨ダメージによる加工変質層が存在するが、これは好適な表面処理によって除去される。この時点で、ＧａＮ単結晶基板１１の表面は平坦化され、鏡面状態になっているが、顕微鏡で観察してみると、基板１１表面には機械研磨による細かな傷が確認された。代表的な例として、原子間力顕微鏡により観察した、研磨後のＧａＮ単結晶基板１１の表面像を図２に示す。図に示すように、基板１１表面には、研磨による微細な欠陥が多数観察される。この表面の平均二乗平方根粗さ（Ｒｍｓ）は、１．０ｎｍ程度であった。
【００４４】
したがって、この程度の粗さの基板１１表面に直接窒化物系化合物半導体層１２をエピタキシャル成長させた場合、傷等の段差部でランダムな結晶核が多数発生し、３次元的に結晶成長してしまうため、表面が平坦な窒化物系化合物半導体層１２を得ることは困難である。
【００４５】
次に、表面熱処理工程について説明する。
【００４６】
基板１１表面において、熱処理による表面粗さの低減は以下のような過程で進むと考えられる。すなわち、図３（ａ）に模式的に示したように、まず、基板１１上にＮＨ３ガスが供給されると、ＮＨ３がＮ２とＨ２とに分解される。そして、分解したＨ２がＧａＮと反応してＧａ原子が生成される。これらの反応は、下記式（１）、（２）で表される。
【数１】
【数２】
【００４７】
そして、Ｇａ原子は、高温下で基板１１表面をマイグレーションし、表面エネルギを下げるように凹部へと集まる。その後、図３（ｂ）に示すように、Ｇａ原子は、ＮＨ3と反応してＧａＮが形成される。このような原子再配列により、基板１１表面の凹部が埋まり、平坦な表面が得られる（図３（ｃ）参照）。この反応は、下記式（３）で表される。
【数３】
【００４８】
以上のような熱処理によって平坦化されたＧａＮ単結晶基板の代表的な表面観察像を図４に示す。図４に示した基板１１は、混合ガスＧ１雰囲気中において、基板温度（Ｔ１）１０２０℃、時間（ｔ１）１０分の条件で熱処理された基板である。この基板表面のＲｍｓは約０．１９ｎｍであり、１原子層に対応したステップとテラスが観測された。すなわち、このような熱処理により、ＧａＮ単結晶基板１１の表面のＲｍｓを０．２ｎｍ以下にすることできた。
【００４９】
なお、上述した工程では、（２）式に示したとおり、ＧａＮがＨ２の存在下で分解して、Ｇａ原子が形成されることが重要である。しかしながら、（１）式の反応速度は非常に遅く、１０００℃でも数％のＮＨ３しかＨ２とＮ２とに分解されない。この程度の量のＨ２では、上述の表面熱処理工程を進行させるのに十分ではないため、混合ガスＧ１にＨ２ガスを添加して補うことが好適である。したがって、表面熱処理工程は、ＮＨ３とＨ２ガスとの混合ガス雰囲気でおこなうことが好ましい。
【００５０】
また、表面熱処理工程の際、熱処理温度は上述の各反応の速度、Ｇａ原子のマイグレーション長さやＧａ原子の脱離速度等に影響を及ぼす。つまり、基板温度Ｔ１が高いほどＧａ原子のマイグレーション距離は長くなるので、Ｇａ原子が研磨傷部（凹部）に到達しやすくなる。これに対して、基板温度Ｔ１が低いと、Ｇａ原子が研磨傷部に到達する前にＮＨ３と反応してＧａＮが生成され、凹部以外で核発生してしまうので表面は平坦化されない。このような機構で表面が平坦化されると考えた場合、それに適した温度を鋭意検討した結果、基板温度Ｔ１は１０２０℃以上が好ましいことを本発明者らは見出した。したがって、表面熱処理工程において、基板温度Ｔ１は１０２０℃以上であることが好ましい。
【００５１】
さらに、基板１１表面の平坦化に必要な時間は、Ｇａ原子のマイグレーションとＧａＮの生成によって、研磨傷部が十分に埋まるまでの時間である。これは、基板１１の研磨状態に依存するが、一般的に機械研磨によって仕上げられるＲｍｓが１．０ｎｍ程度の表面粗さにおいては、１０分以上熱処理することにより、基板１１表面の平坦化が可能であることを本発明者らは見出した。すなわち、熱処理の時間は１０分以上であることが好ましい。
【００５２】
次にエピタキシャル成長工程について説明する。
【００５３】
上記のような熱処理を施して、表面が平坦になったＧａＮ単結晶基板１１は、ＧａＮと同種の材料、すなわち、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表される２〜４元系の化合物半導体をその上に直接エピタキシャル成長するのに、非常に適している。これは、図４に示すように、基板１１表面では１原子層に対応するテラスとステップが規則正しく配列しており、格子定数の近い窒化物系化合物半導体層１２であれば、容易にステップフロー成長することができるためである。
【００５４】
また、熱処理後、エピタキシャル成長させる前には、ＧａＮ単結晶基板１１を大気に暴露しないことが望ましい。すなわち、大気に暴露すると、基板１１表面が酸化したり、有機物やその他の汚染物質が吸着してしまったりするため、その後のエピタキシャル成長に悪影響を及ぼすからである。この場合、エピタキシャル成長前に再度基板１１表面を清浄化するための表面処理をおこなわなければならず、工程が増えてしまう。このことは、熱処理後のＧａＮ単結晶基板１１上に窒化物系化合物半導体層１２をエピタキシャル成長することにより、高品質なエピタキシャル基板１０を製造することができることを意味している。特に、窒化物系化合物半導体層１２がＧａＮである場合には、ＧａＮ単結晶基板１１と格子定数が一致するため、界面でのミスフィット転位が発生せず、窒化物系化合物半導体層１２の結晶性を劣化させるおそれがなく好ましい。
【００５５】
以上で説明したように、エピタキシャル層１２の高品質性の指標として表面のＲｍｓが０．２ｎｍ以下と非常に平坦なエピタキシャル基板１１を製造すると、その後の素子構造の成長における表面平坦性の維持に有利であり、発光ダイオードやレーザダイオードのような発光素子やバイポーラトランジスタや電界効果トランジスタのような電子デバイス等の歩留まりを向上させるのに有効である。
【００５６】
また、上述した表面熱処理工程をおこなうことにより、エピタキシャル層１２の結晶軸ゆらぎを低減することができる。より具体的には、窒化物系化合物半導体層１２のＸ線回折の半値幅が１００秒以下となる。つまり、エピタキシャル基板１２表面が平坦となり、結晶性の良好なエピタキシャル基板が得られる。
【００５７】
さらに、上述した表面熱処理工程をおこなうことにより、エピタキシャル層１２の貫通転位密度を１×１０６個ｃｍ−２以下に抑えることができる。それにより、このエピタキシャル層１２上に積層される半導体層内の貫通転位密度が抑制される。
【００５８】
このように、エピタキシャル層１２の結晶性が向上し、且つ、表面の結晶欠陥が低減するため、このエピタキシャル層１２上に積層される半導体層の結晶性は良好となり、且つ、その半導体層内における結晶欠陥の発生を抑制することができる。そのため、このエピタキシャル層１２が形成されたエピタキシャル基板１０を用いることは、発光ダイオードやレーザダイオードのような発光素子や、バイポーラトランジスタや電界効果トランジスタのような電子デバイス等の特性や信頼性、歩留まり性を向上させることに有効である。
【００５９】
なお、エピタキシャル基板１０上に形成するエピタキシャル層（図示せず）の導電性は、各種導体素子の構造に合わせて制御することができる。例えば、ＬＥＤやＬＤのような発光素子の場合、ｎ型の単結晶基板１１上にｎ型のＧａＮ層１２を成長させたエピタキシャル基板１０を製造し、その上にｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層、ｐ型コンタクト層という基本構造を成長させることによって、製造することができる。その後、電極を形成し、電流端子を接続し、レーザダイオードならば、反射面を形成する等の工程を経て、素子が完成するのはいうまでもない。
【００６０】
また、例えば、ｎｐｎ型のバイポーラトランジスタ素子ならば、ｎ型のＧａＮ基板１１にｎ型のＧａＮ層１２の組み合わせが好適であり、電界効果トランジスタの場合には半絶縁性のＧａＮ基板が好適である。
【実施例１】
【００６１】
エピタキシャル成長に用いられる成長方法としては、ＯＭＶＰＥ法、ＨＶＰＥ法、ＭＢＥ法等から選択することができる。いずれを選択した場合でも、成長する装置内でＧａＮ単結晶基板１１の熱処理をおこない、その後、ＧａＮ単結晶基板１１を外部に取り出すことなく、そのまま窒化物系化合物半導体層１２をエピタキシャル成長することにより基板１１表面が汚染されない。したがって、表面が酸化又は汚染された場合に必要な表面処理工程が必要なく、容易に高品質なエピタキシャル基板を製造することができる。
【００６２】
ＧａＮ基板１１をＯＭＶＰＥ装置内で各種条件で熱処理した。さらに、同じ装置内でＧａＮ層１２をエピタキシャル成長した。使用したＯＭＶＰＥ装置は、図５に示すように、基板面に対して垂直方向から原料ガスを噴射する縦型の成長炉である。この成長炉２０は、原料供給口２１ａ及び排気口２１ｂが設けられた水冷外壁２１と、この水冷外壁２１内に配置され、設置される基板１１を回転する試料台２２と、下方から試料台を加熱するヒータ２３とから構成されている。なお、符号２４は、原料ガスが基板１１に到達するまでに加熱されて反応してしまうのを防ぐために、原料ガスを冷却するための水冷ジャケットである。
【００６３】
基板１１は、ＳｉＣコートしたカーボン製の試料台２３にセットされ、この試料台２３を約１０００ｒｐｍで高速回転させる。熱処理時のＮＨ３は、１１ｓｌｍ、Ｈ２あるいはＮ２は５ｓｌｍとした。ＧａＮの成長時の条件は、基板温度が１０００℃、アンモニア１１ｓｌｍ、Ｈ２５ｓｌｍ、トリメチルガリウム１８０〜４００μｍｏｌ／ｍｉｎ、圧力は約２７ｋＰａ（すなわち、２００Ｔｏｒｒ）とした。比較例として、基板にサファイアを用い、予めＧａＮ層を成長させておいたＧａＮ／サファイア基板を同時に成長させた。
【００６４】
熱処理後に基板１１表面を原子間力顕微鏡で観察した結果を表１に示し、ＧａＮ層１２を２μｍ成長させた試料を原子間力顕微鏡、Ｘ線回折により評価した結果を表２に示す。Ｘ線回折はｃ軸のゆらぎを示す（０００２）反射と、ｃ軸とａ軸の両方のゆらぎを示す（１０-１１）反射のωスキャンの半値幅で評価した。
【００６５】
【表１】
【表２】
【００６６】
表１から、基板温度１０２０℃未満で熱処理しても平坦性及び表面粗さは改善されず、ＮＨ３とＨ２の混合雰囲気中で基板温度を１０２０℃以上、１０分以上の熱処理をすると、平坦で粗さの小さい良好なＧａＮ単結晶基板が作製できることがわかる。また、表２から、サファイア上の比較例は、表面粗さ、Ｘ線回折の半値幅の両者とも大きいが、ＧａＮ基板を用いると格段に改善されることがわかる。特に、ＮＨ３とＨ２との混合雰囲気中、１０分間、基板温度１０２０℃以上で熱処理することにより、エピタキシャル層の表面粗さ、結晶軸ゆらぎともに大きく改善できた。
【００６７】
なお、ＮＨ３＋Ｎ２雰囲気中での熱処理や、ＮＨ３＋Ｈ２の雰囲気中での熱処理でも時間が１０分未満であるか、基板温度が１０２０℃以下の時には表面粗さ（Ｒｍｓ）が０．２ｎｍを超えたり、Ｘ線回折の半値幅が１００秒を超えたりするので好ましくない。また表２では、熱処理後の表面粗さ（Ｒｍｓ）を測定していないが、エピタキシャル層の表面粗さや結晶軸ゆらぎが十分小さくなる熱処理条件は、熱処理後の表面粗さが０．２ｎｍ以下となる条件と一致している。すなわち、良好なエピタキシャル層を得るためには、表面粗さが０．２ｎｍ以下であるＧａＮ単結晶基板を使用しなければならない。
【００６８】
また、実際に、原子間力顕微鏡像で観察される、ピット状欠陥から貫通転位密度を求めると、サファイア基板上に成長したエピタキシャル層では、１０８〜１０９個ｃｍ−２程度であったが、ＧａＮ基板１１上に成長したエピタキシャル層１２では、多くの試料で１０６個ｃｍ−２以下と良好であった。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の実施形態に係るエピタキシャル基板の模式図である。
【図２】機械研磨後のＧａＮ単結晶基板表面の原子間力顕微鏡写真である。
【図３】表面熱処理工程における基板表面の平坦化過程を示す図である。
【図４】熱処理後のＧａＮ単結晶基板表面の原子間力顕微鏡写真である。
【図５】本発明の実施例に使用されたＯＭＶＰＥ装置の成長炉の模式図である。
【符号の説明】
【００７０】
１０…エピタキシャル基板、１１…ＧａＮ単結晶基板、１２…エピタキシャル層、２０…ＯＭＶＰＥ装置。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
研磨された表面が、少なくともＮＨ３ガスを含む混合ガス雰囲気中、基板温度１０２０℃以上で１０分以上熱処理されることによって、平坦化されたＧａＮ単結晶基板であって、
前記表面の平均自乗平方根粗さが０．２ｎｍ以下であり、
前記表面が１原子層に対応したステップとテラスを有する、
ＧａＮ単結晶基板。
【請求項２】
請求項１に記載のＧａＮ単結晶基板と、
前記ＧａＮ単結晶基板上にエピタキシャル成長された窒化物系化合物半導体層と、
を備える窒化物系半導体エピタキシャル基板。
【請求項３】
前記窒化物系化合物半導体層は、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）であることを特徴とする請求項２に記載の窒化物系半導体エピタキシャル基板。
【請求項４】
前記窒化物系化合物半導体層は、ＧａＮであることを特徴とする請求項２に記載の窒化物系半導体エピタキシャル基板。
【請求項５】
前記ＧａＮ単結晶基板上にエピタキシャル成長された前記窒化物系化合物半導体層の表面の平均自乗平方根粗さが０．２ｎｍ以下であることを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載の窒化物系半導体エピタキシャル基板。
【請求項６】
前記窒化物系化合物半導体層のＸ線回折の半値幅が、１００秒以下であることを特徴とする請求項２〜５のいずれか一項に記載の窒化物系半導体エピタキシャル基板。
【請求項７】
前記窒化物系化合物半導体層の貫通転位密度が１×１０6ｃｍ-2以下であることを特徴とする請求項２〜６のいずれか一項に記載の窒化物系半導体エピタキシャル基板。
【請求項８】
請求項１に記載のＧａＮ単結晶基板がｎ型の導電性を有しており、この基板上にはＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）からなるｎ型クラッド層が積層され、このクラッド層上には活性層が積層され、さらにこの活性層上にはＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）からなるｐ型クラッド層が積層され、このｐ型クラッド層上にはｐ型ＧａＮ層が積層されたことを特徴とする窒化物系半導体素子。
【請求項９】
請求項１に記載のＧａＮ単結晶基板上に、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化物系半導体層が複数積層して形成されたことを特徴とする窒化物系半導体素子。
【請求項１】
研磨された表面が、少なくともＮＨ３ガスを含む混合ガス雰囲気中、基板温度１０２０℃以上で１０分以上熱処理されることによって、平坦化されたＧａＮ単結晶基板であって、
前記表面の平均自乗平方根粗さが０．２ｎｍ以下であり、
前記表面が１原子層に対応したステップとテラスを有する、
ＧａＮ単結晶基板。
【請求項２】
請求項１に記載のＧａＮ単結晶基板と、
前記ＧａＮ単結晶基板上にエピタキシャル成長された窒化物系化合物半導体層と、
を備える窒化物系半導体エピタキシャル基板。
【請求項３】
前記窒化物系化合物半導体層は、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）であることを特徴とする請求項２に記載の窒化物系半導体エピタキシャル基板。
【請求項４】
前記窒化物系化合物半導体層は、ＧａＮであることを特徴とする請求項２に記載の窒化物系半導体エピタキシャル基板。
【請求項５】
前記ＧａＮ単結晶基板上にエピタキシャル成長された前記窒化物系化合物半導体層の表面の平均自乗平方根粗さが０．２ｎｍ以下であることを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載の窒化物系半導体エピタキシャル基板。
【請求項６】
前記窒化物系化合物半導体層のＸ線回折の半値幅が、１００秒以下であることを特徴とする請求項２〜５のいずれか一項に記載の窒化物系半導体エピタキシャル基板。
【請求項７】
前記窒化物系化合物半導体層の貫通転位密度が１×１０6ｃｍ-2以下であることを特徴とする請求項２〜６のいずれか一項に記載の窒化物系半導体エピタキシャル基板。
【請求項８】
請求項１に記載のＧａＮ単結晶基板がｎ型の導電性を有しており、この基板上にはＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）からなるｎ型クラッド層が積層され、このクラッド層上には活性層が積層され、さらにこの活性層上にはＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）からなるｐ型クラッド層が積層され、このｐ型クラッド層上にはｐ型ＧａＮ層が積層されたことを特徴とする窒化物系半導体素子。
【請求項９】
請求項１に記載のＧａＮ単結晶基板上に、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化物系半導体層が複数積層して形成されたことを特徴とする窒化物系半導体素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００８−３０３１３８（Ｐ２００８−３０３１３８Ａ）
【公開日】平成２０年１２月１８日（２００８．１２．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１５４３６７（Ｐ２００８−１５４３６７）
【出願日】平成２０年６月１２日（２００８．６．１２）
【分割の表示】特願２００２−１３７７２２（Ｐ２００２−１３７７２２）の分割
【原出願日】平成１４年５月１３日（２００２．５．１３）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【出願人】（５０１４４２５４１）インスティテュート オブ マテリアルズ リサーチ アンド エンジニアリング (1)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１２月１８日（２００８．１２．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年６月１２日（２００８．６．１２）
【分割の表示】特願２００２−１３７７２２（Ｐ２００２−１３７７２２）の分割
【原出願日】平成１４年５月１３日（２００２．５．１３）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【出願人】（５０１４４２５４１）インスティテュート オブ マテリアルズ リサーチ アンド エンジニアリング (1)
【Ｆターム（参考）】
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