JP2003277196A - 窒化物半導体結晶の製造方法及び窒化物半導体ウエハ並びに窒化物半導体デバイス - Google Patents
窒化物半導体結晶の製造方法及び窒化物半導体ウエハ並びに窒化物半導体デバイスInfo
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- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
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- C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
- C30B29/40—AIIIBV compounds wherein A is B, Al, Ga, In or Tl and B is N, P, As, Sb or Bi
- C30B29/403—AIII-nitrides
-
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 転位密度の小さな窒化物半導体結晶を基板の
全面にわたって形成する窒化物半導体結晶の製造方法、
かかる方法により得られた窒化物半導体結晶を有する窒
化物半導体ウエハ及び窒化物半導体デバイスを提供す
る。 【解決手段】 本発明の窒化物半導体結晶の製造方法
は、(a) 基板上に窒化物半導体からなる微結晶粒を形成
する工程と、(b) 前記微結晶粒を核として、前記基板の
表面に対して傾斜した複数のファセット面を有する窒化
物半導体島構造を形成する工程と、(c) 前記窒化物半導
体島構造を前記基板の表面と平行な方向に成長させるこ
とにより複数の前記窒化物半導体島構造を相互に結合さ
せ、もって平坦な表面を有する窒化物半導体結晶層を形
成する工程とを有し、前記工程(a)〜(c) を同一の成長
装置内で連続して行うことを特徴とする。
全面にわたって形成する窒化物半導体結晶の製造方法、
かかる方法により得られた窒化物半導体結晶を有する窒
化物半導体ウエハ及び窒化物半導体デバイスを提供す
る。 【解決手段】 本発明の窒化物半導体結晶の製造方法
は、(a) 基板上に窒化物半導体からなる微結晶粒を形成
する工程と、(b) 前記微結晶粒を核として、前記基板の
表面に対して傾斜した複数のファセット面を有する窒化
物半導体島構造を形成する工程と、(c) 前記窒化物半導
体島構造を前記基板の表面と平行な方向に成長させるこ
とにより複数の前記窒化物半導体島構造を相互に結合さ
せ、もって平坦な表面を有する窒化物半導体結晶層を形
成する工程とを有し、前記工程(a)〜(c) を同一の成長
装置内で連続して行うことを特徴とする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、転位密度の小さな
窒化物半導体結晶の製造方法、かかる方法により得られ
た窒化物半導体結晶を有する窒化物半導体ウエハ及び窒
化物半導体デバイスに関する。
窒化物半導体結晶の製造方法、かかる方法により得られ
た窒化物半導体結晶を有する窒化物半導体ウエハ及び窒
化物半導体デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に半導体エピタキシャル層を形成す
る場合において最も容易な方法は、成長させる半導体と
同一材料からなる単結晶基板を形成し、得られた基板上
に半導体結晶を気相成長させる方法であり、実際にいく
つかの材料系で成功している。しかしながら、単結晶基
板を得ることが技術的に困難であったり、コスト高であ
る等の理由により、基板上にそれと異なる半導体結晶を
成長させざるをえないことが多い。そのような場合の基
板と半導体結晶との組み合わせとしては、例えばシリコ
ン基板上のGaAs、サファイア又は炭化珪素基板上の窒化
物半導体、GaAs基板上のII−VI族半導体等が知られてい
る。
る場合において最も容易な方法は、成長させる半導体と
同一材料からなる単結晶基板を形成し、得られた基板上
に半導体結晶を気相成長させる方法であり、実際にいく
つかの材料系で成功している。しかしながら、単結晶基
板を得ることが技術的に困難であったり、コスト高であ
る等の理由により、基板上にそれと異なる半導体結晶を
成長させざるをえないことが多い。そのような場合の基
板と半導体結晶との組み合わせとしては、例えばシリコ
ン基板上のGaAs、サファイア又は炭化珪素基板上の窒化
物半導体、GaAs基板上のII−VI族半導体等が知られてい
る。
【０００３】ところが基板上にそれと異なる半導体を成
長させると、格子不整合、熱膨張係数の不整合、表面エ
ネルギーの不整合等、様々な特性の不整合により、成長
した半導体エピタキシャル層中に高密度で転位が導入さ
れる。半導体中の転位は光デバイス、電子デバイス等の
半導体デバイスにおいて非発光再結合中心、散乱中心等
となるため、転位密度の大きい半導体を用いたデバイス
は特性及び安定性に著しく劣る。
長させると、格子不整合、熱膨張係数の不整合、表面エ
ネルギーの不整合等、様々な特性の不整合により、成長
した半導体エピタキシャル層中に高密度で転位が導入さ
れる。半導体中の転位は光デバイス、電子デバイス等の
半導体デバイスにおいて非発光再結合中心、散乱中心等
となるため、転位密度の大きい半導体を用いたデバイス
は特性及び安定性に著しく劣る。
【０００４】窒化ガリウム（GaN）、窒化アルミニウム
ガリウム（AlGaN）、窒化インジウムガリウム（InGaN）
等に代表される窒化物半導体もバルク結晶成長が困難で
あり、実用に耐えうるサイズの単結晶基板は未だ得られ
ていない。そのためサファイアや炭化珪素等の基板上に
窒化物半導体結晶をエピタキシャル成長させる方法が一
般に使用されているが、上述のように転位の発生が深刻
な問題となっている。
ガリウム（AlGaN）、窒化インジウムガリウム（InGaN）
等に代表される窒化物半導体もバルク結晶成長が困難で
あり、実用に耐えうるサイズの単結晶基板は未だ得られ
ていない。そのためサファイアや炭化珪素等の基板上に
窒化物半導体結晶をエピタキシャル成長させる方法が一
般に使用されているが、上述のように転位の発生が深刻
な問題となっている。
【０００５】有機金属気相成長法（MOVPE法）を用いた
「２段階成長法」により、窒化物半導体層の転位密度を
低減することが近年提案された（特公平8-8217号等）。
図４は従来の２段階成長法による結晶成長時の温度変化
を示すグラフである。この方法では、サファイア等の基
板表面に1000℃以上の高温で水素ガスを噴射することに
より表面の酸化膜を除去した後（水素クリーニング）、
(イ) 基板上に500〜600℃でGaN、AlN等からなる低温バッ
ファ層を成長させ、(ロ) 1000℃程度に昇温し（アニー
ル）、(ハ) 1000℃程度でGaN等の窒化物半導体層を成長
させている。工程(イ)では、結晶成長温度がGaN、AlN等
の融点より低いため、多結晶の低温バッファ層が形成さ
れる。続いて工程(ロ) で1000℃程度に昇温することによ
り、低温バッファ層が部分的に単結晶化する。工程(ハ)
では、この単結晶を核としてGaN等のエピタキシャル層
を形成する。この方法によれば、1010〜1011 cm-2であ
ったサファイア基板上GaNの転位密度を109 cm-2程度に
低減することができる。
「２段階成長法」により、窒化物半導体層の転位密度を
低減することが近年提案された（特公平8-8217号等）。
図４は従来の２段階成長法による結晶成長時の温度変化
を示すグラフである。この方法では、サファイア等の基
板表面に1000℃以上の高温で水素ガスを噴射することに
より表面の酸化膜を除去した後（水素クリーニング）、
(イ) 基板上に500〜600℃でGaN、AlN等からなる低温バッ
ファ層を成長させ、(ロ) 1000℃程度に昇温し（アニー
ル）、(ハ) 1000℃程度でGaN等の窒化物半導体層を成長
させている。工程(イ)では、結晶成長温度がGaN、AlN等
の融点より低いため、多結晶の低温バッファ層が形成さ
れる。続いて工程(ロ) で1000℃程度に昇温することによ
り、低温バッファ層が部分的に単結晶化する。工程(ハ)
では、この単結晶を核としてGaN等のエピタキシャル層
を形成する。この方法によれば、1010〜1011 cm-2であ
ったサファイア基板上GaNの転位密度を109 cm-2程度に
低減することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、２段階
成長法による転位密度の低減は未だ不十分であり、成長
装置の種類及び構造によっては十分に転位密度が低減で
きない場合もある。特定の成長装置において低転位化に
適した条件が実現されることもあるが、その場合でも長
期間では装置の状態の変動等が結晶成長の条件に影響を
与えるため、転位密度の小さい窒化物半導体の成長層を
安定して得ることが困難である。
成長法による転位密度の低減は未だ不十分であり、成長
装置の種類及び構造によっては十分に転位密度が低減で
きない場合もある。特定の成長装置において低転位化に
適した条件が実現されることもあるが、その場合でも長
期間では装置の状態の変動等が結晶成長の条件に影響を
与えるため、転位密度の小さい窒化物半導体の成長層を
安定して得ることが困難である。
【０００７】従って本発明の目的は、結晶成長の様態を
適切に制御して、転位密度の小さな窒化物半導体結晶を
基板の全面にわたって形成することができる窒化物半導
体結晶の製造方法、かかる方法により得られた窒化物半
導体結晶を有する窒化物半導体ウエハ及び窒化物半導体
デバイスを提供することである。
適切に制御して、転位密度の小さな窒化物半導体結晶を
基板の全面にわたって形成することができる窒化物半導
体結晶の製造方法、かかる方法により得られた窒化物半
導体結晶を有する窒化物半導体ウエハ及び窒化物半導体
デバイスを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、様々な基
板上に窒化物半導体結晶を成長させ、各成長段階におけ
る様態の推移と最終的な転位密度との関係を調べた結
果、窒化物半導体の微結晶粒を核として窒化物半導体島
構造を形成した後、さらに窒化物半導体島構造を基板表
面と平行な方向に成長させて窒化物半導体島構造を相互
に結合させることにより、転位密度を従来よりも低減で
き、108 cm-2〜107 cm-2程度とすることが可能であるこ
とを発見し、本発明に想到した。
板上に窒化物半導体結晶を成長させ、各成長段階におけ
る様態の推移と最終的な転位密度との関係を調べた結
果、窒化物半導体の微結晶粒を核として窒化物半導体島
構造を形成した後、さらに窒化物半導体島構造を基板表
面と平行な方向に成長させて窒化物半導体島構造を相互
に結合させることにより、転位密度を従来よりも低減で
き、108 cm-2〜107 cm-2程度とすることが可能であるこ
とを発見し、本発明に想到した。
【０００９】すなわち、本発明の窒化物半導体結晶の製
造方法は、(a) 基板上に窒化物半導体からなる微結晶粒
を形成する工程と、(b) 前記微結晶粒を核として、前記
基板の表面に対して傾斜した複数のファセット面を有す
る窒化物半導体島構造を形成する工程と、(c) 前記窒化
物半導体島構造を前記基板の表面と平行な方向に成長さ
せることにより複数の前記窒化物半導体島構造を相互に
結合させ、もって平坦な表面を有する窒化物半導体結晶
層を形成する工程とを有し、前記工程(a) 〜(c) を同一
の成長装置内で連続して行うことを特徴とする。
造方法は、(a) 基板上に窒化物半導体からなる微結晶粒
を形成する工程と、(b) 前記微結晶粒を核として、前記
基板の表面に対して傾斜した複数のファセット面を有す
る窒化物半導体島構造を形成する工程と、(c) 前記窒化
物半導体島構造を前記基板の表面と平行な方向に成長さ
せることにより複数の前記窒化物半導体島構造を相互に
結合させ、もって平坦な表面を有する窒化物半導体結晶
層を形成する工程とを有し、前記工程(a) 〜(c) を同一
の成長装置内で連続して行うことを特徴とする。
【００１０】基板としては(1) 窒化物半導体、サファイ
ア、炭化珪素、珪素、酸化亜鉛、LiGaO2又はLiAlO2から
なる基板を用いるか、又は(2) 窒化物半導体、サファイ
ア、炭化珪素、珪素、酸化亜鉛、LiGaO2又はLiAlO2から
なる基板本体の表面に窒化物半導体層を形成してなる複
合基板を用いるのが好ましい。
ア、炭化珪素、珪素、酸化亜鉛、LiGaO2又はLiAlO2から
なる基板を用いるか、又は(2) 窒化物半導体、サファイ
ア、炭化珪素、珪素、酸化亜鉛、LiGaO2又はLiAlO2から
なる基板本体の表面に窒化物半導体層を形成してなる複
合基板を用いるのが好ましい。
【００１１】(1) の基板を用いる場合の工程(a) は、工
程(b) 及び(c) における結晶成長温度よりも低温で前記
基板上に窒化物半導体結晶バッファ層を形成する工程
と、前記窒化物半導体結晶バッファ層をその結晶成長温
度よりも高温で熱処理することにより微結晶粒を形成す
る工程とを含むのが好ましい。
程(b) 及び(c) における結晶成長温度よりも低温で前記
基板上に窒化物半導体結晶バッファ層を形成する工程
と、前記窒化物半導体結晶バッファ層をその結晶成長温
度よりも高温で熱処理することにより微結晶粒を形成す
る工程とを含むのが好ましい。
【００１２】(2) の複合基板を用いる場合において微結
晶粒は、窒化物半導体層側の表面に微細な凹凸を有する
複合基板上に窒化物半導体結晶を成長させるか、又は複
合基板の窒化物半導体層を構成する原子とその上に成長
する窒化物半導体結晶を構成する原子との相互作用を阻
害する物質で表面を部分的に覆った複合基板上に窒化物
半導体結晶を成長させることにより形成するのが好まし
い。複合基板表面の微細な凹凸は、窒化物半導体層表面
をオゾン雰囲気中に晒すか、窒化物半導体層表面を熱処
理するか、又は窒化物半導体層表面に、それに対してエ
ッチング作用を有するガスを接触させることにより形成
するのが好ましい。また前記原子間の相互作用を阻害す
る物質としては珪素、酸素、窒化珪素、酸化珪素又は金
属が好ましく用いられる。(2) の場合において工程(a)
は、前記複合基板を成長装置内に載置し、前記成長装置
内に原料ガスを導入することにより窒化物半導体からな
る微結晶粒を形成する工程であるのが好ましい。
晶粒は、窒化物半導体層側の表面に微細な凹凸を有する
複合基板上に窒化物半導体結晶を成長させるか、又は複
合基板の窒化物半導体層を構成する原子とその上に成長
する窒化物半導体結晶を構成する原子との相互作用を阻
害する物質で表面を部分的に覆った複合基板上に窒化物
半導体結晶を成長させることにより形成するのが好まし
い。複合基板表面の微細な凹凸は、窒化物半導体層表面
をオゾン雰囲気中に晒すか、窒化物半導体層表面を熱処
理するか、又は窒化物半導体層表面に、それに対してエ
ッチング作用を有するガスを接触させることにより形成
するのが好ましい。また前記原子間の相互作用を阻害す
る物質としては珪素、酸素、窒化珪素、酸化珪素又は金
属が好ましく用いられる。(2) の場合において工程(a)
は、前記複合基板を成長装置内に載置し、前記成長装置
内に原料ガスを導入することにより窒化物半導体からな
る微結晶粒を形成する工程であるのが好ましい。
【００１３】窒化物半導体結晶の成長条件は工程(a) 〜
(c) でそれぞれ異なるのが好ましく、結晶成長温度、結
晶成長雰囲気圧力、結晶成長速度及び結晶成長雰囲気組
成の少なくとも１つが、前記工程(a) 〜(c) でそれぞれ
異なるのがより好ましく、具体的には、(1) 前記工程
(b) における結晶成長温度を前記工程(c) における結晶
成長温度より低くする結晶成長条件、(2) 前記工程(b)
における結晶成長雰囲気中の水素濃度を前記工程(c) に
おける結晶成長雰囲気中の水素濃度より高くする結晶成
長条件、(3) 前記工程(b) における結晶成長雰囲気圧力
を前記工程(c) における結晶成長雰囲気圧力より高くす
る結晶成長条件、及び(4) 前記工程(b) における結晶成
長速度を前記工程(c) における結晶成長速度より遅くす
る結晶成長条件の少なくとも１つにより、窒化物半導体
結晶を成長させるのが好ましい。
(c) でそれぞれ異なるのが好ましく、結晶成長温度、結
晶成長雰囲気圧力、結晶成長速度及び結晶成長雰囲気組
成の少なくとも１つが、前記工程(a) 〜(c) でそれぞれ
異なるのがより好ましく、具体的には、(1) 前記工程
(b) における結晶成長温度を前記工程(c) における結晶
成長温度より低くする結晶成長条件、(2) 前記工程(b)
における結晶成長雰囲気中の水素濃度を前記工程(c) に
おける結晶成長雰囲気中の水素濃度より高くする結晶成
長条件、(3) 前記工程(b) における結晶成長雰囲気圧力
を前記工程(c) における結晶成長雰囲気圧力より高くす
る結晶成長条件、及び(4) 前記工程(b) における結晶成
長速度を前記工程(c) における結晶成長速度より遅くす
る結晶成長条件の少なくとも１つにより、窒化物半導体
結晶を成長させるのが好ましい。
【００１４】本発明において、窒化物半導体の微結晶粒
はInnGa1-nN（0＜n≦0.3）からなるのが好ましい。前記
窒化物半導体島構造と工程(c) で形成される前記窒化物
半導体結晶層とは、同じ組成を有していても異なる組成
を有していても良い。同じ組成を有する場合、両者とも
GaNからなるのが好ましい。また転位の伝播方向を制御
して転位密度を低減するためには、窒化物半導体島構造
と、窒化物半導体島構造から前記基板表面に対して平行
な方向に成長する窒化物半導体結晶層とを異なる組成に
することにより、島構造の表面に格子歪を導入するのが
有利である。この場合、窒化物半導体島構造と窒化物半
導体結晶層とはいずれもInxAlyGazN（x≧0、y≧0、z≧
0、x＋y＋z＝1）により表される組成を有するが、In及
び／又はAlの含有量が異なっているのが好ましい。前記
窒化物半導体結晶層は、AlyGa1-yN（0＜y≦1）により表
される組成を有する層とGaNにより表される組成を有す
る層とからなるのが好ましい。
はInnGa1-nN（0＜n≦0.3）からなるのが好ましい。前記
窒化物半導体島構造と工程(c) で形成される前記窒化物
半導体結晶層とは、同じ組成を有していても異なる組成
を有していても良い。同じ組成を有する場合、両者とも
GaNからなるのが好ましい。また転位の伝播方向を制御
して転位密度を低減するためには、窒化物半導体島構造
と、窒化物半導体島構造から前記基板表面に対して平行
な方向に成長する窒化物半導体結晶層とを異なる組成に
することにより、島構造の表面に格子歪を導入するのが
有利である。この場合、窒化物半導体島構造と窒化物半
導体結晶層とはいずれもInxAlyGazN（x≧0、y≧0、z≧
0、x＋y＋z＝1）により表される組成を有するが、In及
び／又はAlの含有量が異なっているのが好ましい。前記
窒化物半導体結晶層は、AlyGa1-yN（0＜y≦1）により表
される組成を有する層とGaNにより表される組成を有す
る層とからなるのが好ましい。
【００１５】窒化物半導体結晶の成長の一部又は全部を
MOVPE法又はHVPE法により行うのが好ましい。また前記
工程(b) では窒化物半導体結晶にIn、Al又はSiを添加
し、窒化物半導体島構造の形成を促進させるのが好まし
い。さらに工程(c) では、窒化物半導体島構造から基板
表面と平行な方向に成長する窒化物半導体結晶にMgを添
加することにより、平坦な表面を有する窒化物半導体結
晶層が得られるので好ましい。
MOVPE法又はHVPE法により行うのが好ましい。また前記
工程(b) では窒化物半導体結晶にIn、Al又はSiを添加
し、窒化物半導体島構造の形成を促進させるのが好まし
い。さらに工程(c) では、窒化物半導体島構造から基板
表面と平行な方向に成長する窒化物半導体結晶にMgを添
加することにより、平坦な表面を有する窒化物半導体結
晶層が得られるので好ましい。
【００１６】本発明の窒化物半導体ウエハは、上記本発
明の製造方法により得られた窒化物半導体結晶の上に、
複数の半導体層が形成されていることを特徴とする。本
発明の方法によれば、窒化物半導体結晶の表面全体にお
ける転位密度を1×109 cm-2以下とすることができる。
明の製造方法により得られた窒化物半導体結晶の上に、
複数の半導体層が形成されていることを特徴とする。本
発明の方法によれば、窒化物半導体結晶の表面全体にお
ける転位密度を1×109 cm-2以下とすることができる。
【００１７】本発明の半導体デバイスは、本発明の窒化
物半導体ウエハを用いて構成されたことを特徴とする。
物半導体ウエハを用いて構成されたことを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】[1] 窒化物半導体結晶の製造方法
図１は各工程における窒化物半導体結晶の断面構造を示
す概略図である。工程(a) では窒化物半導体からなる微
結晶粒２を基板１上に形成する。基板１と窒化物半導体
との材料特性の不整合が大きくても、このように基板と
結晶とが接する面積が小さい場合には、窒化物半導体結
晶を構成する原子は乱れず相互に結合している状態を保
つことができるので、微結晶粒２には転位が導入されな
い。
す概略図である。工程(a) では窒化物半導体からなる微
結晶粒２を基板１上に形成する。基板１と窒化物半導体
との材料特性の不整合が大きくても、このように基板と
結晶とが接する面積が小さい場合には、窒化物半導体結
晶を構成する原子は乱れず相互に結合している状態を保
つことができるので、微結晶粒２には転位が導入されな
い。
【００１９】工程(b) では、得られた微結晶粒２を核と
して、基板の表面に対して傾斜した複数のファセット面
を有する窒化物半導体島構造３を形成する。島構造３は
基板と結晶が接する面積が大きいので転位５が導入され
る。転位５は基板表面に垂直方向に伝播してファセット
面まで達する。窒化物半導体島構造３は、実質的に多角
錐状であることが重要である。成長条件によっては多角
錐状の窒化物半導体島構造３ではなく、基板に対して垂
直なファセット面と基板に対して平行なファセット面と
からなる島構造が形成される場合もあるが、この場合に
は窒化物半導体結晶層４表面の転位５が大幅に低減しな
い。
して、基板の表面に対して傾斜した複数のファセット面
を有する窒化物半導体島構造３を形成する。島構造３は
基板と結晶が接する面積が大きいので転位５が導入され
る。転位５は基板表面に垂直方向に伝播してファセット
面まで達する。窒化物半導体島構造３は、実質的に多角
錐状であることが重要である。成長条件によっては多角
錐状の窒化物半導体島構造３ではなく、基板に対して垂
直なファセット面と基板に対して平行なファセット面と
からなる島構造が形成される場合もあるが、この場合に
は窒化物半導体結晶層４表面の転位５が大幅に低減しな
い。
【００２０】工程(c) では、窒化物半導体島構造３を基
板１の表面と平行な方向に成長させることにより、複数
の島構造３を相互に結合させ、平坦な表面を有する窒化
物半導体結晶層４を形成する。工程(c) により転位５の
伝播方向は基板表面に対して平行な方向に変更される。
隣接する窒化物半導体島構造３が相互に結合すると転位
がループを形成するので、平坦な結晶層４の表面に現れ
る転位５は著しく減少する。
板１の表面と平行な方向に成長させることにより、複数
の島構造３を相互に結合させ、平坦な表面を有する窒化
物半導体結晶層４を形成する。工程(c) により転位５の
伝播方向は基板表面に対して平行な方向に変更される。
隣接する窒化物半導体島構造３が相互に結合すると転位
がループを形成するので、平坦な結晶層４の表面に現れ
る転位５は著しく減少する。
【００２１】以上の工程(a) 〜(c) は同一の成長装置内
で連続して行う。一つの成長装置内で連続して結晶を成
長させれば、他の装置から移送する場合のように層表面
が空気に触れて酸化することがなく、その後に形成する
半導体層の結晶性が悪化することもない。
で連続して行う。一つの成長装置内で連続して結晶を成
長させれば、他の装置から移送する場合のように層表面
が空気に触れて酸化することがなく、その後に形成する
半導体層の結晶性が悪化することもない。
【００２２】窒化物半導体の結晶成長は気相成長装置内
で行うのが好ましく、例えば有機金属気相成長（MOVP
E）装置又はハイドライド気相成長（HVPE）装置内で行
うのが好ましい。MOVPE法は結晶性のよい窒化物半導体
結晶を成長させることができ、HVPE法は結晶成長速度が
速いので効率良く窒化物半導体結晶を成長させることが
できる。なおMOVPE法及びHVPE法自体は公知であるの
で、それらの実施条件は適宜設定することができる。ま
たMOVPE法とHVPE法とを組み合わせてもよく、まず基板
上にMOVPE法により窒化物半導体結晶をエピタキシャル
成長させて微結晶粒を形成し（工程(a)）、次いでその
上にHVPE法により工程(b) 及び(c) の結晶成長を行うこ
ともできる。
で行うのが好ましく、例えば有機金属気相成長（MOVP
E）装置又はハイドライド気相成長（HVPE）装置内で行
うのが好ましい。MOVPE法は結晶性のよい窒化物半導体
結晶を成長させることができ、HVPE法は結晶成長速度が
速いので効率良く窒化物半導体結晶を成長させることが
できる。なおMOVPE法及びHVPE法自体は公知であるの
で、それらの実施条件は適宜設定することができる。ま
たMOVPE法とHVPE法とを組み合わせてもよく、まず基板
上にMOVPE法により窒化物半導体結晶をエピタキシャル
成長させて微結晶粒を形成し（工程(a)）、次いでその
上にHVPE法により工程(b) 及び(c) の結晶成長を行うこ
ともできる。
【００２３】窒化物半導体結晶の成長条件は工程(a) 〜
(c) でそれぞれ異なるのが好ましく、結晶成長温度、結
晶成長雰囲気圧力、結晶成長速度及び結晶成長雰囲気組
成の少なくとも１つが、前記工程(a) 〜(c) でそれぞれ
異なるのがより好ましい。
(c) でそれぞれ異なるのが好ましく、結晶成長温度、結
晶成長雰囲気圧力、結晶成長速度及び結晶成長雰囲気組
成の少なくとも１つが、前記工程(a) 〜(c) でそれぞれ
異なるのがより好ましい。
【００２４】(a) 微結晶粒形成工程
この工程では窒化物半導体からなる微結晶粒を基板上に
形成する。基板には窒化物半導体と格子定数及び熱膨張
係数が近い材料を用いるのが好ましく、具体的には(1)
窒化物半導体、サファイア、炭化珪素、珪素、酸化亜
鉛、LiGaO2又はLiAlO2からなる基板を用いるか、(2) 窒
化物半導体、サファイア、炭化珪素、珪素、酸化亜鉛、
LiGaO2又はLiAlO2からなる基板本体の表面に窒化物半導
体層を形成してなる複合基板を用いるのが好ましい。基
板又は基板本体はサファイアであるのが好ましい。
形成する。基板には窒化物半導体と格子定数及び熱膨張
係数が近い材料を用いるのが好ましく、具体的には(1)
窒化物半導体、サファイア、炭化珪素、珪素、酸化亜
鉛、LiGaO2又はLiAlO2からなる基板を用いるか、(2) 窒
化物半導体、サファイア、炭化珪素、珪素、酸化亜鉛、
LiGaO2又はLiAlO2からなる基板本体の表面に窒化物半導
体層を形成してなる複合基板を用いるのが好ましい。基
板又は基板本体はサファイアであるのが好ましい。
【００２５】成長する窒化物半導体の結晶性を乱さない
ために、基板の表面粗さはTTV（Total Thickness Varia
tion）で５μm以下であるのが好ましい。基板の結晶成
長面はＣ面±５°以内の面又はＡ面±５°以内の面とす
るのが好ましい。基板の面方位がＣ面±５°以内の面
（Ｃ面又はＣ面から５°以内で傾いた面）又はＡ面±５
°以内の面（Ａ面又はＡ面から５°以内で傾いた面）の
いずれかであれば、基板上における窒化物半導体のエピ
タキシャル成長を、結晶性の良いエピタキシャル層が得
られるＣ面成長とすることができる。基板の厚さは、基
板に用いる材料及び結晶成長手順を考慮して適宜選択す
るが、線膨張係数の差に起因する反りを防ぐため、サフ
ァイア基板の場合500μm以下であるのが好ましい。
ために、基板の表面粗さはTTV（Total Thickness Varia
tion）で５μm以下であるのが好ましい。基板の結晶成
長面はＣ面±５°以内の面又はＡ面±５°以内の面とす
るのが好ましい。基板の面方位がＣ面±５°以内の面
（Ｃ面又はＣ面から５°以内で傾いた面）又はＡ面±５
°以内の面（Ａ面又はＡ面から５°以内で傾いた面）の
いずれかであれば、基板上における窒化物半導体のエピ
タキシャル成長を、結晶性の良いエピタキシャル層が得
られるＣ面成長とすることができる。基板の厚さは、基
板に用いる材料及び結晶成長手順を考慮して適宜選択す
るが、線膨張係数の差に起因する反りを防ぐため、サフ
ァイア基板の場合500μm以下であるのが好ましい。
【００２６】基板が(1) に挙げた材料からなる場合の工
程(a) は、工程(b) 及び(c) における結晶成長温度より
も低い成長温度Tg1で基板上に窒化物半導体結晶バッフ
ァ層を形成する工程と、窒化物半導体結晶バッファ層を
その結晶成長温度よりも高温で熱処理することにより微
結晶粒を形成する工程とを含むのが好ましい。Tg1は400
〜800℃とするのが好ましい。Tg1が400℃より低いとバ
ッファ層が成長しにくいので好ましくない。またTg1が8
00℃より高いと単結晶の窒化物半導体結晶バッファ層が
形成されてしまい、微結晶粒とするのが困難なので好ま
しくない。続いて熱処理することにより窒化物半導体結
晶バッファ層を微結晶粒化するが、このとき800〜1200
℃の範囲まで昇温するのが好ましい。
程(a) は、工程(b) 及び(c) における結晶成長温度より
も低い成長温度Tg1で基板上に窒化物半導体結晶バッフ
ァ層を形成する工程と、窒化物半導体結晶バッファ層を
その結晶成長温度よりも高温で熱処理することにより微
結晶粒を形成する工程とを含むのが好ましい。Tg1は400
〜800℃とするのが好ましい。Tg1が400℃より低いとバ
ッファ層が成長しにくいので好ましくない。またTg1が8
00℃より高いと単結晶の窒化物半導体結晶バッファ層が
形成されてしまい、微結晶粒とするのが困難なので好ま
しくない。続いて熱処理することにより窒化物半導体結
晶バッファ層を微結晶粒化するが、このとき800〜1200
℃の範囲まで昇温するのが好ましい。
【００２７】(2) の複合基板を用いる場合の微結晶粒
は、窒化物半導体層側の表面に微細な凹凸を有する複合
基板上に窒化物半導体結晶を成長させるか、又は複合基
板の窒化物半導体層を構成する原子とその上に成長する
窒化物半導体結晶を構成する原子との相互作用を阻害す
る物質で表面を部分的に覆った複合基板上に窒化物半導
体結晶を成長させることにより形成するのが好ましい。
は、窒化物半導体層側の表面に微細な凹凸を有する複合
基板上に窒化物半導体結晶を成長させるか、又は複合基
板の窒化物半導体層を構成する原子とその上に成長する
窒化物半導体結晶を構成する原子との相互作用を阻害す
る物質で表面を部分的に覆った複合基板上に窒化物半導
体結晶を成長させることにより形成するのが好ましい。
【００２８】原子間の相互作用を阻害する物質としては
珪素、酸素、窒化珪素、酸化珪素又は金属が好ましく用
いられる。続いて基板上に窒化物半導体結晶を成長させ
ると、上記の物質で覆われていない領域でのみ結晶が成
長して微結晶粒が形成される。結晶成長に気相成長法を
用いる場合は、例えばサファイア／GaN複合基板のGaN表
面にテトラエチルシラン（TESi）、シラン（SiH4）等の
Siを含むガスを接触させることができる。
珪素、酸素、窒化珪素、酸化珪素又は金属が好ましく用
いられる。続いて基板上に窒化物半導体結晶を成長させ
ると、上記の物質で覆われていない領域でのみ結晶が成
長して微結晶粒が形成される。結晶成長に気相成長法を
用いる場合は、例えばサファイア／GaN複合基板のGaN表
面にテトラエチルシラン（TESi）、シラン（SiH4）等の
Siを含むガスを接触させることができる。
【００２９】複合基板の表面に微細な凹凸を形成するに
は、窒化物半導体層表面をオゾン雰囲気中に晒すか、窒
化物半導体層表面を熱処理するか、又は窒化物半導体層
表面に、それに対してエッチング作用を有するガスを接
触させるのが好ましい。窒化物半導体層表面を熱処理す
る方法の好ましい態様によれば、水素雰囲気の結晶成長
装置内で複合基板の窒化物半導体層表面を700〜1300℃
で５〜15分間熱処理する。一方、ガスにより複合基板の
表面をエッチングする場合において、供給するガスは基
板表面の材料により異なるが、基板表面がGaNからなる
時は塩素系ガス、水素ガス等を用いることができる。窒
化物半導体層表面をオゾン雰囲気中に晒す方法を用いる
場合、例えば成長装置の外で層表面をオゾン雰囲気中に
５〜15分間晒すのが好ましい。
は、窒化物半導体層表面をオゾン雰囲気中に晒すか、窒
化物半導体層表面を熱処理するか、又は窒化物半導体層
表面に、それに対してエッチング作用を有するガスを接
触させるのが好ましい。窒化物半導体層表面を熱処理す
る方法の好ましい態様によれば、水素雰囲気の結晶成長
装置内で複合基板の窒化物半導体層表面を700〜1300℃
で５〜15分間熱処理する。一方、ガスにより複合基板の
表面をエッチングする場合において、供給するガスは基
板表面の材料により異なるが、基板表面がGaNからなる
時は塩素系ガス、水素ガス等を用いることができる。窒
化物半導体層表面をオゾン雰囲気中に晒す方法を用いる
場合、例えば成長装置の外で層表面をオゾン雰囲気中に
５〜15分間晒すのが好ましい。
【００３０】(2) の複合基板を用いる場合は、上記のよ
うにして得た複合基板表面の凹凸を核として、窒化物半
導体の微結晶粒を形成する。この場合、工程(a) は複合
基板を成長装置内に載置し、800〜1300℃で成長装置内
に原料ガスを導入することにより窒化物半導体結晶を成
長させ、窒化物半導体からなる微結晶粒を形成する工程
であるのが好ましい。
うにして得た複合基板表面の凹凸を核として、窒化物半
導体の微結晶粒を形成する。この場合、工程(a) は複合
基板を成長装置内に載置し、800〜1300℃で成長装置内
に原料ガスを導入することにより窒化物半導体結晶を成
長させ、窒化物半導体からなる微結晶粒を形成する工程
であるのが好ましい。
【００３１】結晶は必ずしも平坦な層状に成長するとは
限らないが、供給した原料が基板上に平坦な層状に成長
した場合の厚さをtFLとして各層の厚さを示す。基板上
の微結晶粒の高さは、tFLが0.01〜0.1μmとなるように
設定するのが好ましい。
限らないが、供給した原料が基板上に平坦な層状に成長
した場合の厚さをtFLとして各層の厚さを示す。基板上
の微結晶粒の高さは、tFLが0.01〜0.1μmとなるように
設定するのが好ましい。
【００３２】基板上に形成する窒化物半導体の微結晶粒
は、InnGa1-nN（0＜n≦0.3）からなるのが好ましい。単
結晶からなる微結晶粒の形成を容易にして、転位密度の
低い窒化物半導体結晶層を得る観点から、ｎは0.02〜0.
2であるのがより好ましい。また窒化物半導体島構造及
び窒化物半導体結晶層にGaNを用いる場合は、微結晶粒
もGaNを用いて形成することにより材料の不整合をなく
し、結晶性を向上させることができる。
は、InnGa1-nN（0＜n≦0.3）からなるのが好ましい。単
結晶からなる微結晶粒の形成を容易にして、転位密度の
低い窒化物半導体結晶層を得る観点から、ｎは0.02〜0.
2であるのがより好ましい。また窒化物半導体島構造及
び窒化物半導体結晶層にGaNを用いる場合は、微結晶粒
もGaNを用いて形成することにより材料の不整合をなく
し、結晶性を向上させることができる。
【００３３】(b) 窒化物半導体島構造の形成工程（工程
(b) ）及び結合工程（工程(c) ） 窒化物半導体島構造は、基板の表面に対して傾斜した複
数のファセット面を有する。この島構造は基板との接触
面積が大きいために転位が導入される。発生した転位は
基板との界面に対して垂直方向に伝播し、たとえエピタ
キシャル層を厚くしても転位の低減は見られない。しか
し本発明においては、窒化物半導体島構造が基板表面と
平行な方向にさらに成長して窒化物半導体結晶層を形成
するので、転位の伝播方向が基板表面に対して平行方向
に変化する。そして窒化物半導体結晶層が十分に厚くな
ると、転位は結晶の端に出るか閉ループを形成するの
で、層表面に現れる転位が大幅に減少する。
(b) ）及び結合工程（工程(c) ） 窒化物半導体島構造は、基板の表面に対して傾斜した複
数のファセット面を有する。この島構造は基板との接触
面積が大きいために転位が導入される。発生した転位は
基板との界面に対して垂直方向に伝播し、たとえエピタ
キシャル層を厚くしても転位の低減は見られない。しか
し本発明においては、窒化物半導体島構造が基板表面と
平行な方向にさらに成長して窒化物半導体結晶層を形成
するので、転位の伝播方向が基板表面に対して平行方向
に変化する。そして窒化物半導体結晶層が十分に厚くな
ると、転位は結晶の端に出るか閉ループを形成するの
で、層表面に現れる転位が大幅に減少する。
【００３４】窒化物半導体島構造と工程(c) で形成され
る前記窒化物半導体結晶層とは、同じ組成を有していて
も異なる組成を有していても良い。同じ組成を有する場
合は両者ともGaNからなるのが好ましく、窒化物半導体
結晶層に格子不整合が生じるのを抑えることができる。
る前記窒化物半導体結晶層とは、同じ組成を有していて
も異なる組成を有していても良い。同じ組成を有する場
合は両者ともGaNからなるのが好ましく、窒化物半導体
結晶層に格子不整合が生じるのを抑えることができる。
【００３５】一方、窒化物半導体島構造と窒化物半導体
結晶層とを異なる組成にすれば、格子歪を導入して転位
伝播方向を効果的に制御し、結晶層表面の転位密度を低
減することができる。この場合、窒化物半導体島構造と
窒化物半導体結晶層とはいずれもInxAlyGazN（x≧0、y
≧0、z≧0、x＋y＋z＝1）により表される組成を有する
が、In及び／又はAlの含有量が異なっているのが好まし
い。窒化物半導体島構造から基板表面と平行な方向に成
長する窒化物半導体結晶層は、AlyGa1-yN（0＜y≦1）に
より表される組成を有する層とGaNにより表される組成
を有する層とからなるのが好ましい。AlyGa1-yN（0＜y
≦1）からなる層では、0＜ｙ≦0.2とするのがより好ま
しい。
結晶層とを異なる組成にすれば、格子歪を導入して転位
伝播方向を効果的に制御し、結晶層表面の転位密度を低
減することができる。この場合、窒化物半導体島構造と
窒化物半導体結晶層とはいずれもInxAlyGazN（x≧0、y
≧0、z≧0、x＋y＋z＝1）により表される組成を有する
が、In及び／又はAlの含有量が異なっているのが好まし
い。窒化物半導体島構造から基板表面と平行な方向に成
長する窒化物半導体結晶層は、AlyGa1-yN（0＜y≦1）に
より表される組成を有する層とGaNにより表される組成
を有する層とからなるのが好ましい。AlyGa1-yN（0＜y
≦1）からなる層では、0＜ｙ≦0.2とするのがより好ま
しい。
【００３６】図２は、窒化物半導体島構造と窒化物半導
体結晶層とが異なる組成を有する場合の好ましい一実施
形態による窒化物半導体結晶の断面構造を示す。基板１
上に形成された窒化物半導体からなる微結晶粒２の上
に、まずGaNからなる島構造６を形成し、次にAlyGa1-yN
（0＜y≦1）からなる窒化物半導体結晶層７を島構造６
から基板表面と平行な方向にtFLが200 nm以下となる厚
さに形成し、さらにGaNからなる窒化物半導体結晶層８
を形成する。ここで、AlyGa1-yN（0＜y≦1）からなる窒
化物半導体結晶層７がtFL200 nmとなる厚さを超える
と、GaNからなる窒化物半導体結晶層８との間に格子不
整合が生じ、かえって転位密度が増加してしまうことが
あるので好ましくない。
体結晶層とが異なる組成を有する場合の好ましい一実施
形態による窒化物半導体結晶の断面構造を示す。基板１
上に形成された窒化物半導体からなる微結晶粒２の上
に、まずGaNからなる島構造６を形成し、次にAlyGa1-yN
（0＜y≦1）からなる窒化物半導体結晶層７を島構造６
から基板表面と平行な方向にtFLが200 nm以下となる厚
さに形成し、さらにGaNからなる窒化物半導体結晶層８
を形成する。ここで、AlyGa1-yN（0＜y≦1）からなる窒
化物半導体結晶層７がtFL200 nmとなる厚さを超える
と、GaNからなる窒化物半導体結晶層８との間に格子不
整合が生じ、かえって転位密度が増加してしまうことが
あるので好ましくない。
【００３７】工程(b) 及び(c) において重要なのは、窒
化物半導体島構造のファセット面が基板表面に対して傾
斜していることと、窒化物半導体島構造を相互に結合さ
せて窒化物半導体結晶層の表面を平坦にすることであ
る。そのために、窒化物半導体の結晶成長温度、結晶成
長雰囲気圧力、結晶成長速度及び結晶成長雰囲気組成の
少なくとも１つを調節するのが好ましく、具体的には、
(1) 工程(b) における結晶成長温度を工程(c) における
結晶成長温度より低くする結晶成長条件、(2) 工程(b)
における結晶成長雰囲気中の水素濃度を工程(c) におけ
る結晶成長雰囲気中の水素濃度より高くする結晶成長条
件、(3) 工程(b) における結晶成長雰囲気圧力を工程
(c) における結晶成長雰囲気圧力より高くする結晶成長
条件、及び(4) 工程(b) における結晶成長速度を工程
(c) における結晶成長速度より遅くする結晶成長条件の
少なくとも１つにより、窒化物半導体結晶を成長させる
のが好ましい。工程(b) 及び(c) を気相成長装置内で行
う場合は、雰囲気中の水素濃度及び圧力を容易に調節で
きる。
化物半導体島構造のファセット面が基板表面に対して傾
斜していることと、窒化物半導体島構造を相互に結合さ
せて窒化物半導体結晶層の表面を平坦にすることであ
る。そのために、窒化物半導体の結晶成長温度、結晶成
長雰囲気圧力、結晶成長速度及び結晶成長雰囲気組成の
少なくとも１つを調節するのが好ましく、具体的には、
(1) 工程(b) における結晶成長温度を工程(c) における
結晶成長温度より低くする結晶成長条件、(2) 工程(b)
における結晶成長雰囲気中の水素濃度を工程(c) におけ
る結晶成長雰囲気中の水素濃度より高くする結晶成長条
件、(3) 工程(b) における結晶成長雰囲気圧力を工程
(c) における結晶成長雰囲気圧力より高くする結晶成長
条件、及び(4) 工程(b) における結晶成長速度を工程
(c) における結晶成長速度より遅くする結晶成長条件の
少なくとも１つにより、窒化物半導体結晶を成長させる
のが好ましい。工程(b) 及び(c) を気相成長装置内で行
う場合は、雰囲気中の水素濃度及び圧力を容易に調節で
きる。
【００３８】工程(b) における結晶成長温度Tg2は、好
ましくは800〜1050℃であり、より好ましくは850〜950
℃である。工程(c) における結晶成長温度Tg3は好まし
くは1050〜1200℃であり、より好ましくは1050〜1150℃
である。工程(b) における結晶成長雰囲気中の水素濃度
は10％以上であるのが好ましく、50％以上であるのがよ
り好ましい。工程(c) における結晶成長雰囲気中の水素
濃度は０〜50％であるのが好ましく、０〜30％であるの
がより好ましい。雰囲気圧力については、工程(b) の結
晶成長において300〜800 Torrであるのが好ましく、600
〜800 Torrであるのがより好ましい。工程(c) における
結晶成長雰囲気圧力は70〜150 Torrであるのが好まし
く、70〜100 Torrであるのがより好ましい。工程(b) に
おける結晶成長速度は0.1〜４μm/hr.であるのが好まし
く、0.1〜２μm/hr.でであるのがより好ましい。工程
(c) における結晶成長速度は２〜８μm/hr.であるのが
好ましく、４〜８μm/hr.であるのがより好ましい。
ましくは800〜1050℃であり、より好ましくは850〜950
℃である。工程(c) における結晶成長温度Tg3は好まし
くは1050〜1200℃であり、より好ましくは1050〜1150℃
である。工程(b) における結晶成長雰囲気中の水素濃度
は10％以上であるのが好ましく、50％以上であるのがよ
り好ましい。工程(c) における結晶成長雰囲気中の水素
濃度は０〜50％であるのが好ましく、０〜30％であるの
がより好ましい。雰囲気圧力については、工程(b) の結
晶成長において300〜800 Torrであるのが好ましく、600
〜800 Torrであるのがより好ましい。工程(c) における
結晶成長雰囲気圧力は70〜150 Torrであるのが好まし
く、70〜100 Torrであるのがより好ましい。工程(b) に
おける結晶成長速度は0.1〜４μm/hr.であるのが好まし
く、0.1〜２μm/hr.でであるのがより好ましい。工程
(c) における結晶成長速度は２〜８μm/hr.であるのが
好ましく、４〜８μm/hr.であるのがより好ましい。
【００３９】窒化物半導体結晶の島状成長や、基板と平
行方向の成長を添加物により促進させるのが好ましい。
窒化物半導体島構造の形成を促進する物質として好まし
いのはIn、Al及びSiである。平坦な表面を有する窒化物
半導体結晶層を得るために好ましい物質はMgである。こ
れらは１×1016〜５×1020 cm-3の割合で各層に添加す
るのが好ましい。
行方向の成長を添加物により促進させるのが好ましい。
窒化物半導体島構造の形成を促進する物質として好まし
いのはIn、Al及びSiである。平坦な表面を有する窒化物
半導体結晶層を得るために好ましい物質はMgである。こ
れらは１×1016〜５×1020 cm-3の割合で各層に添加す
るのが好ましい。
【００４０】窒化物半導体島構造の厚さは、tFLが0.1〜
１μmとなるようにするのが好ましく、窒化物半導体結
晶層の厚さは、tFLが１〜10μmとなるようにするのが好
ましい。
１μmとなるようにするのが好ましく、窒化物半導体結
晶層の厚さは、tFLが１〜10μmとなるようにするのが好
ましい。
【００４１】[2] 窒化物半導体ウエハ及び窒化物半導体
デバイス 本発明の窒化物半導体ウエハは、上記本発明の製造方法
により得られた窒化物半導体結晶の上に複数の半導体層
が形成されていることを特徴とする。本発明の製造方法
によれば、窒化物半導体結晶の表面全体における転位密
度を1×109 cm- 2以下とすることができるので、高性能
の窒化物半導体ウエハが得られる。基板上の窒化物半導
体結晶層（テンプレート）の上に設ける半導体層は、半
導体ウエハの用途により適宜選択する。また半導体層
は、テンプレートと同一の成長装置内で連続して形成し
てもよいし、テンプレートととは異なる成長装置内で形
成してもよい。本発明の半導体ウエハは、半導体層形成
の他に研削、エッチング、熱処理等を施して製造しても
よい。
デバイス 本発明の窒化物半導体ウエハは、上記本発明の製造方法
により得られた窒化物半導体結晶の上に複数の半導体層
が形成されていることを特徴とする。本発明の製造方法
によれば、窒化物半導体結晶の表面全体における転位密
度を1×109 cm- 2以下とすることができるので、高性能
の窒化物半導体ウエハが得られる。基板上の窒化物半導
体結晶層（テンプレート）の上に設ける半導体層は、半
導体ウエハの用途により適宜選択する。また半導体層
は、テンプレートと同一の成長装置内で連続して形成し
てもよいし、テンプレートととは異なる成長装置内で形
成してもよい。本発明の半導体ウエハは、半導体層形成
の他に研削、エッチング、熱処理等を施して製造しても
よい。
【００４２】本発明の半導体デバイスは、本発明の窒化
物半導体ウエハを用いて構成されたことを特徴とする。
本発明の窒化物半導体ウエハに真空蒸着、スパッタリン
グ等による電極の形成、表面酸化、ドーピング、フォト
リソグラフィ、エッチング、洗浄、ダイシング、組み立
て等を施すことにより、高電子移動度トランジスタ(HEM
T)、電界効果トランジスタ(FET)等のトランジスタ、発
光ダイオード(LED)等の窒化物半導体デバイスを得るこ
とができる。
物半導体ウエハを用いて構成されたことを特徴とする。
本発明の窒化物半導体ウエハに真空蒸着、スパッタリン
グ等による電極の形成、表面酸化、ドーピング、フォト
リソグラフィ、エッチング、洗浄、ダイシング、組み立
て等を施すことにより、高電子移動度トランジスタ(HEM
T)、電界効果トランジスタ(FET)等のトランジスタ、発
光ダイオード(LED)等の窒化物半導体デバイスを得るこ
とができる。
【００４３】
【実施例】本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説
明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。実施例１ 図３は、本実施例における結晶成長時の温度変化を示す
グラフである。直径50mm及び厚さ330μmのＣ面サファイ
ア基板をMOVPE装置内に導入し、水素雰囲気中で1200℃
に加熱することにより基板表面の酸化物等を除去した後
（水素クリーニング）、サファイア基板の温度を500℃
に下げた。Inの原料としてトリメチルインジウム(TMI)
ガス、Gaの原料としてトリメチルガリウム(TMG)ガス、N
の原料としてアンモニア(NH3)ガスをそれぞれ用い、キ
ャリアガスには水素／窒素からなる混合ガス又は水素ガ
スを用いて窒化物半導体結晶を成長させた。エピタキシ
ャル成長の手順は以下の通りである。
明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。実施例１ 図３は、本実施例における結晶成長時の温度変化を示す
グラフである。直径50mm及び厚さ330μmのＣ面サファイ
ア基板をMOVPE装置内に導入し、水素雰囲気中で1200℃
に加熱することにより基板表面の酸化物等を除去した後
（水素クリーニング）、サファイア基板の温度を500℃
に下げた。Inの原料としてトリメチルインジウム(TMI)
ガス、Gaの原料としてトリメチルガリウム(TMG)ガス、N
の原料としてアンモニア(NH3)ガスをそれぞれ用い、キ
ャリアガスには水素／窒素からなる混合ガス又は水素ガ
スを用いて窒化物半導体結晶を成長させた。エピタキシ
ャル成長の手順は以下の通りである。
【００４４】まず窒化物半導体からなる微結晶粒を形成
した（工程(a)）。原料ガスとしてTMIガスを11μmol／
分、TMGガスを380μmol／分及びNH3ガスを10 slmの速度
で供給し、キャリアガスとしてH2ガスを140 slmの速度
で供給した。結晶成長温度Tg1を500℃として、In0.03Ga
0.97Nからなる窒化物半導体結晶をtFLが20 nmとなる厚
さに成長させ、得られた窒化物半導体結晶バッファ層を
直ちに1050℃まで昇温することにより、基板上に微結晶
粒を形成した。
した（工程(a)）。原料ガスとしてTMIガスを11μmol／
分、TMGガスを380μmol／分及びNH3ガスを10 slmの速度
で供給し、キャリアガスとしてH2ガスを140 slmの速度
で供給した。結晶成長温度Tg1を500℃として、In0.03Ga
0.97Nからなる窒化物半導体結晶をtFLが20 nmとなる厚
さに成長させ、得られた窒化物半導体結晶バッファ層を
直ちに1050℃まで昇温することにより、基板上に微結晶
粒を形成した。
【００４５】次に微結晶粒を核として結晶を成長させ、
窒化物半導体島構造を形成した（工程(b)）。工程(b)
では原料ガスとしてTMGガスを850μmol／分及びNH3ガス
を20slmの速度で供給し、キャリアガスとしてH2ガスを2
0 slm及びN2ガスを60 slmの速度で供給した。成長装置
内の雰囲気圧力は760 Torrであった。結晶成長温度Tg 2
を試料ごとに800〜1050℃の範囲で変更し、GaNからなる
窒化物半導体島構造をそれぞれ形成した。島構造はtFL
が600 nmとなる厚さにした。さらに原料及びキャリアガ
スは工程(b) と同じままで成長温度Tg3を1100℃とし、t
FLが2000 nmとなるまで窒化物半導体島構造から基板表
面と平行な方向に窒化物半導体結晶層を成長させた（工
程(c)）。
窒化物半導体島構造を形成した（工程(b)）。工程(b)
では原料ガスとしてTMGガスを850μmol／分及びNH3ガス
を20slmの速度で供給し、キャリアガスとしてH2ガスを2
0 slm及びN2ガスを60 slmの速度で供給した。成長装置
内の雰囲気圧力は760 Torrであった。結晶成長温度Tg 2
を試料ごとに800〜1050℃の範囲で変更し、GaNからなる
窒化物半導体島構造をそれぞれ形成した。島構造はtFL
が600 nmとなる厚さにした。さらに原料及びキャリアガ
スは工程(b) と同じままで成長温度Tg3を1100℃とし、t
FLが2000 nmとなるまで窒化物半導体島構造から基板表
面と平行な方向に窒化物半導体結晶層を成長させた（工
程(c)）。
【００４６】図５は、各結晶成長温度Tg2において形成
された窒化物半導体島構造の表面を示す電子顕微鏡写真
である。図５から明らかなように、Tg2が1050℃の場合
は表面に見られる窒化物半導体島構造の数が少なく、平
坦な部分が存在している。しかし平坦な表面の割合はTg
2の低下にともなって減少しており、Tg2が900℃では表
面全体を多角錐状の窒化物半導体島構造が覆っている。
された窒化物半導体島構造の表面を示す電子顕微鏡写真
である。図５から明らかなように、Tg2が1050℃の場合
は表面に見られる窒化物半導体島構造の数が少なく、平
坦な部分が存在している。しかし平坦な表面の割合はTg
2の低下にともなって減少しており、Tg2が900℃では表
面全体を多角錐状の窒化物半導体島構造が覆っている。
【００４７】また得られた窒化物半導体結晶層の表面を
電子顕微鏡で観察してピットの数を測定し、転位密度を
算出した。図６は結晶成長温度Tg2と転位密度との関係
を示すグラフである。Tg2が900〜1050℃の範囲では、Tg
2の低下にともない転位密度が減少した。Tg2の低下にと
もない、工程(b) における窒化物半導体島構造の形成が
促進されて窒化物半導体結晶表面の平坦部分が減少し、
基板表面に対して傾斜したファセット面の占める割合が
増加したためであると考えられる。Tg2が900℃より低く
なると、かえって転位密度が増加したが、これは結晶の
成長温度が低すぎるためにGaNの結晶性が悪化したこと
が原因である。Tg2が900℃の時の転位密度は6.3×108 c
m-2であって、800℃≦Tg2≦1050℃の範囲において最小
であった。このことから、Tg2が900℃程度であると全体
に窒化物半導体島構造が形成され、転位密度を低減でき
ることが分かった。また従来の２段階成長法により形成
したGaN層の転位密度は109 cm-2程度であるので、本実
施例では従来と比較して大幅な転位密度の低減に成功し
たと言うことができる。
電子顕微鏡で観察してピットの数を測定し、転位密度を
算出した。図６は結晶成長温度Tg2と転位密度との関係
を示すグラフである。Tg2が900〜1050℃の範囲では、Tg
2の低下にともない転位密度が減少した。Tg2の低下にと
もない、工程(b) における窒化物半導体島構造の形成が
促進されて窒化物半導体結晶表面の平坦部分が減少し、
基板表面に対して傾斜したファセット面の占める割合が
増加したためであると考えられる。Tg2が900℃より低く
なると、かえって転位密度が増加したが、これは結晶の
成長温度が低すぎるためにGaNの結晶性が悪化したこと
が原因である。Tg2が900℃の時の転位密度は6.3×108 c
m-2であって、800℃≦Tg2≦1050℃の範囲において最小
であった。このことから、Tg2が900℃程度であると全体
に窒化物半導体島構造が形成され、転位密度を低減でき
ることが分かった。また従来の２段階成長法により形成
したGaN層の転位密度は109 cm-2程度であるので、本実
施例では従来と比較して大幅な転位密度の低減に成功し
たと言うことができる。
【００４８】実施例２
工程(b) における結晶成長雰囲気中の水素濃度と転位密
度との関係を調べた。工程(b) において、キャリアガス
中のH2ガスとN2ガスの比率を変化させるとともに、結晶
成長温度Tg2を900℃に固定した以外は実施例１と同様に
して、基板上に窒化物半導体結晶を成長させ、得られた
窒化物半導体結晶層表面の転位密度を調べた。この時キ
ャリアガスの総流量（80 slm）は一定のまま、H2ガスの
濃度を０〜100％の範囲で変化させた。図７は、雰囲気
中の水素濃度と転位密度との関係を示すグラフである。
図７から明らかなように、水素濃度の上昇とともに転位
密度が減少し、水素濃度が100％の場合に転位密度は5.2
×108 cm-2となった。結晶成長雰囲気中の水素濃度が高
いほど窒化物半導体島構造の形成が促進され、基板表面
に対して平行な結晶面の割合が減少するためであると考
えられる。
度との関係を調べた。工程(b) において、キャリアガス
中のH2ガスとN2ガスの比率を変化させるとともに、結晶
成長温度Tg2を900℃に固定した以外は実施例１と同様に
して、基板上に窒化物半導体結晶を成長させ、得られた
窒化物半導体結晶層表面の転位密度を調べた。この時キ
ャリアガスの総流量（80 slm）は一定のまま、H2ガスの
濃度を０〜100％の範囲で変化させた。図７は、雰囲気
中の水素濃度と転位密度との関係を示すグラフである。
図７から明らかなように、水素濃度の上昇とともに転位
密度が減少し、水素濃度が100％の場合に転位密度は5.2
×108 cm-2となった。結晶成長雰囲気中の水素濃度が高
いほど窒化物半導体島構造の形成が促進され、基板表面
に対して平行な結晶面の割合が減少するためであると考
えられる。
【００４９】実施例３
工程(c) における結晶成長温度Tg3と転位密度との関係
を調べた。Tg3を変化させるとともに、工程(b) におけ
る結晶成長雰囲気中の水素濃度を100％とした以外は実
施例２と同様にして、基板上に窒化物半導体結晶を成長
させ、得られた窒化物半導体結晶層表面の転位密度を調
べた。図８は、結晶成長温度Tg3と転位密度との関係を
示すグラフである。図８から明らかなように、Tg3の上
昇にともない転位密度が減少し、Tg3が1120℃の時に転
位密度が3.8×108 cm-2となった。工程(c) において成
長する窒化物半導体結晶層の成長温度が高いほど横方向
成長が促進され、転位の伝播方向を変える効果が大きく
なると考えられる。
を調べた。Tg3を変化させるとともに、工程(b) におけ
る結晶成長雰囲気中の水素濃度を100％とした以外は実
施例２と同様にして、基板上に窒化物半導体結晶を成長
させ、得られた窒化物半導体結晶層表面の転位密度を調
べた。図８は、結晶成長温度Tg3と転位密度との関係を
示すグラフである。図８から明らかなように、Tg3の上
昇にともない転位密度が減少し、Tg3が1120℃の時に転
位密度が3.8×108 cm-2となった。工程(c) において成
長する窒化物半導体結晶層の成長温度が高いほど横方向
成長が促進され、転位の伝播方向を変える効果が大きく
なると考えられる。
【００５０】実施例４
工程(c) における結晶成長雰囲気圧力と転位密度との関
係を調べた。工程(c)において、キャリアガスの流量を
変化させることにより成長装置内の雰囲気圧力を変化さ
せるとともに、結晶成長温度Tg3を1120℃に固定した以
外は実施例３と同様にして、基板上に窒化物半導体結晶
を成長させ、得られた窒化物半導体結晶層表面の転位密
度を調べた。図９は、工程(c) における結晶成長雰囲気
圧力と転位密度との関係を示すグラフである。図９から
明らかなように、雰囲気圧力の低下にともない転位密度
が減少し、雰囲気圧力が76 Torrの場合に転位密度が３
×108 cm-2となった。工程(c) において雰囲気圧力が低
いほど横方向の成長が促進され、転位の伝播方向を変え
る効果が大きくなると考えられる。
係を調べた。工程(c)において、キャリアガスの流量を
変化させることにより成長装置内の雰囲気圧力を変化さ
せるとともに、結晶成長温度Tg3を1120℃に固定した以
外は実施例３と同様にして、基板上に窒化物半導体結晶
を成長させ、得られた窒化物半導体結晶層表面の転位密
度を調べた。図９は、工程(c) における結晶成長雰囲気
圧力と転位密度との関係を示すグラフである。図９から
明らかなように、雰囲気圧力の低下にともない転位密度
が減少し、雰囲気圧力が76 Torrの場合に転位密度が３
×108 cm-2となった。工程(c) において雰囲気圧力が低
いほど横方向の成長が促進され、転位の伝播方向を変え
る効果が大きくなると考えられる。
【００５１】実施例５
窒化物半導体島構造と窒化物半導体結晶層とが異なる組
成を有する場合の転位密度を調べた。図２に示すよう
に、窒化物半導体島構造から基板表面と平行な方向に成
長する窒化物半導体結晶層をAlyGa1-yN（0＜y≦1）とGa
Nとの積層構造とするとともに、工程(c) における結晶
成長雰囲気圧力を76 Torrに固定した以外は実施例４と
同様にして、基板上に窒化物半導体結晶を成長させ、得
られた窒化物半導体結晶層表面の転位密度を調べた。本
実施例においては、工程(c) でAlの原料であるトリメチ
ルアルミニウム(TMA)を他の原料ガスに加えて供給し、
ｙが0.05、0.2又は１であるAlyGa1-yNからなる窒化物半
導体結晶を10〜200 nm成長させた後、GaNからなる窒化
物半導体結晶を2000 nm成長させた。
成を有する場合の転位密度を調べた。図２に示すよう
に、窒化物半導体島構造から基板表面と平行な方向に成
長する窒化物半導体結晶層をAlyGa1-yN（0＜y≦1）とGa
Nとの積層構造とするとともに、工程(c) における結晶
成長雰囲気圧力を76 Torrに固定した以外は実施例４と
同様にして、基板上に窒化物半導体結晶を成長させ、得
られた窒化物半導体結晶層表面の転位密度を調べた。本
実施例においては、工程(c) でAlの原料であるトリメチ
ルアルミニウム(TMA)を他の原料ガスに加えて供給し、
ｙが0.05、0.2又は１であるAlyGa1-yNからなる窒化物半
導体結晶を10〜200 nm成長させた後、GaNからなる窒化
物半導体結晶を2000 nm成長させた。
【００５２】図10は、それぞれのｙについてAlyGa1-yN
層の厚さtFLと転位密度との関係を示すグラフである。
ｙが0.05の場合はAlyGa1-yN層（Al0.05Ga0.95N層）の厚
さが増加すると転位密度が徐々に減少し、厚さがtFL200
nmの時は転位密度が2.4×108cm-2となった。島構造の
表面で組成の異なる材料が接することにより格子歪が導
入されて転位の伝播方向が変わり、表面の転位密度が減
少したと考えられる。ｙが0.2の場合は、AlyGa1-yN層
（Al0.2Ga0.8N層）がtFL10〜50 nmの範囲において厚さ
の増加にともない転位密度が減少した。tFLが50 nmとな
る厚さの時に転位密度は２×108 cm-2となったが、Al
0.2Ga0.8N層が50 nmより厚くなるとかえって転位密度が
増加した。ｙが１の場合、即ちAlNを成長させた場合に
も厚さがtFLで10nmの時に転位密度が1.5×108 cm-2とな
ったが、厚さの増加にともない転位密度が急激に増加し
た。ｙが0.2以上の場合には、次に成長させるGaNとの間
の格子不整合に起因する新たな転位が発生しやすいた
め、AlyGa1-yN層が厚いと転位密度がかえって増加して
しまうと考えられる。
層の厚さtFLと転位密度との関係を示すグラフである。
ｙが0.05の場合はAlyGa1-yN層（Al0.05Ga0.95N層）の厚
さが増加すると転位密度が徐々に減少し、厚さがtFL200
nmの時は転位密度が2.4×108cm-2となった。島構造の
表面で組成の異なる材料が接することにより格子歪が導
入されて転位の伝播方向が変わり、表面の転位密度が減
少したと考えられる。ｙが0.2の場合は、AlyGa1-yN層
（Al0.2Ga0.8N層）がtFL10〜50 nmの範囲において厚さ
の増加にともない転位密度が減少した。tFLが50 nmとな
る厚さの時に転位密度は２×108 cm-2となったが、Al
0.2Ga0.8N層が50 nmより厚くなるとかえって転位密度が
増加した。ｙが１の場合、即ちAlNを成長させた場合に
も厚さがtFLで10nmの時に転位密度が1.5×108 cm-2とな
ったが、厚さの増加にともない転位密度が急激に増加し
た。ｙが0.2以上の場合には、次に成長させるGaNとの間
の格子不整合に起因する新たな転位が発生しやすいた
め、AlyGa1-yN層が厚いと転位密度がかえって増加して
しまうと考えられる。
【００５３】実施例６
窒化物半導体結晶層へのMgの添加と転位密度との関係を
調べた。工程(c) において、Mgの原料であるビシクロペ
ンタジエニルマグネシウムガスを他の原料ガスに加えて
供給するとともに、工程(c) における結晶成長雰囲気圧
力を76 Torrに固定した以外は実施例４と同様にして、
基板上に窒化物半導体結晶を成長させ、得られた窒化物
半導体結晶層表面の転位密度を調べた。基板表面と平行
な方向に成長する窒化物半導体結晶にMgを５×1020 cm
-3の割合で添加すると、転位密度は１×108 cm-2となっ
た。Mgが結晶の横方向成長を促進するため、転位の伝播
方向を変える効果が大きくなって表面の転位密度が低減
したと考えられる。
調べた。工程(c) において、Mgの原料であるビシクロペ
ンタジエニルマグネシウムガスを他の原料ガスに加えて
供給するとともに、工程(c) における結晶成長雰囲気圧
力を76 Torrに固定した以外は実施例４と同様にして、
基板上に窒化物半導体結晶を成長させ、得られた窒化物
半導体結晶層表面の転位密度を調べた。基板表面と平行
な方向に成長する窒化物半導体結晶にMgを５×1020 cm
-3の割合で添加すると、転位密度は１×108 cm-2となっ
た。Mgが結晶の横方向成長を促進するため、転位の伝播
方向を変える効果が大きくなって表面の転位密度が低減
したと考えられる。
【００５４】実施例７
窒化物半導体島構造へのSiの添加と、窒化物半導体結晶
層表面の転位密度との関係を調べた。工程(b) におい
て、Siの原料であるテトラエチルシラン(TESi)を他の原
料ガスに加えて供給した以外は実施例６と同様にして、
基板上に窒化物半導体結晶を成長させ、得られた半導体
層表面の転位密度を調べた。窒化物半導体島構造中にSi
を５×1019 cm-3の割合で添加すると、窒化物半導体結
晶層表面の転位密度は８×107 cm-2となった。Siが結晶
の島状成長を促進し、基板表面に対して平行な結晶面の
割合を減少させたと考えられる。
層表面の転位密度との関係を調べた。工程(b) におい
て、Siの原料であるテトラエチルシラン(TESi)を他の原
料ガスに加えて供給した以外は実施例６と同様にして、
基板上に窒化物半導体結晶を成長させ、得られた半導体
層表面の転位密度を調べた。窒化物半導体島構造中にSi
を５×1019 cm-3の割合で添加すると、窒化物半導体結
晶層表面の転位密度は８×107 cm-2となった。Siが結晶
の島状成長を促進し、基板表面に対して平行な結晶面の
割合を減少させたと考えられる。
【００５５】実施例８
窒化物半導体からなる微結晶粒の組成と転位密度との関
係を調べた。微結晶粒の組成をInnGa1-nNとしてｎを変
化させるとともに、工程(b) における結晶成長温度Tg2
を900℃に固定した以外は実施例１と同様にして、基板
上に窒化物半導体結晶を成長させ、得られた窒化物半導
体結晶層表面の転位密度を調べた。図11は、InnGa1-nN
のｎと転位密度との関係を示すグラフである。ｎが０の
場合、即ち微結晶粒がGaNからなる場合にも従来の２段
階成長法により得られた窒化物半導体結晶層の転位密度
（109 cm-2程度）より低転位密度の窒化物半導体結晶層
を得られたが、ｎが0.02〜0.2の範囲ではさらに転位密
度が低下して６×108 cm-2程度となった。ｎが0.2より
大きくなると転位密度は増加に転じ、ｎが0.4より大き
い場合は１×109 cm-2以上の転位密度となった。InnGa
1-nNにおけるIn比が微結晶粒の密度に影響を与え、その
結果窒化物半導体結晶層表面の転位密度が変化したと考
えられる。
係を調べた。微結晶粒の組成をInnGa1-nNとしてｎを変
化させるとともに、工程(b) における結晶成長温度Tg2
を900℃に固定した以外は実施例１と同様にして、基板
上に窒化物半導体結晶を成長させ、得られた窒化物半導
体結晶層表面の転位密度を調べた。図11は、InnGa1-nN
のｎと転位密度との関係を示すグラフである。ｎが０の
場合、即ち微結晶粒がGaNからなる場合にも従来の２段
階成長法により得られた窒化物半導体結晶層の転位密度
（109 cm-2程度）より低転位密度の窒化物半導体結晶層
を得られたが、ｎが0.02〜0.2の範囲ではさらに転位密
度が低下して６×108 cm-2程度となった。ｎが0.2より
大きくなると転位密度は増加に転じ、ｎが0.4より大き
い場合は１×109 cm-2以上の転位密度となった。InnGa
1-nNにおけるIn比が微結晶粒の密度に影響を与え、その
結果窒化物半導体結晶層表面の転位密度が変化したと考
えられる。
【００５６】実施例９
表面に微細な凹凸を有する基板を用いて窒化物半導体の
微結晶粒を形成した。MOVPE法によりＣ面サファイア基
板上にGaN結晶を2000 nm成長させて複合基板を形成した
（GaN表面の転位密度：１×109 cm-2）。得られた複合
基板をオゾン雰囲気中に10分間晒すことによりGaN表面
に微細な凹凸を形成した後、MOVPE法を用いて1000℃の
成長温度でGaN結晶をtFL20 nmの厚さに成長させ、微結
晶粒を形成した。得られた微結晶粒の上に、結晶成長温
度Tg2を900℃に固定した以外は実施例１と同様にして、
窒化物半導体島構造及び窒化物半導体結晶層を形成し
た。得られた窒化物半導体結晶層の表面における転位密
度は７×108 cm-2であった。
微結晶粒を形成した。MOVPE法によりＣ面サファイア基
板上にGaN結晶を2000 nm成長させて複合基板を形成した
（GaN表面の転位密度：１×109 cm-2）。得られた複合
基板をオゾン雰囲気中に10分間晒すことによりGaN表面
に微細な凹凸を形成した後、MOVPE法を用いて1000℃の
成長温度でGaN結晶をtFL20 nmの厚さに成長させ、微結
晶粒を形成した。得られた微結晶粒の上に、結晶成長温
度Tg2を900℃に固定した以外は実施例１と同様にして、
窒化物半導体島構造及び窒化物半導体結晶層を形成し
た。得られた窒化物半導体結晶層の表面における転位密
度は７×108 cm-2であった。
【００５７】実施例10
MOVPE法を用いてＣ面サファイア基板上にGaN結晶を2000
nm成長させて複合基板を形成した（GaN表面の転位密
度：１×109 cm-2）。水素雰囲気のMOVPE装置内におい
て、得られた複合基板を10分間1000℃に加熱してGaN表
面に微細な凹凸を形成した後、1000℃の成長温度でGaN
結晶をtFL20 nmの厚さに成長させることにより、窒化物
半導体からなる微結晶粒を形成した。得られた微結晶粒
の上に、結晶成長温度Tg2を900℃に固定した以外は実施
例１と同様にして、窒化物半導体島構造及び窒化物半導
体結晶層を形成した。得られた窒化物半導体結晶層の表
面における転位密度は５×108 cm-2であった。
nm成長させて複合基板を形成した（GaN表面の転位密
度：１×109 cm-2）。水素雰囲気のMOVPE装置内におい
て、得られた複合基板を10分間1000℃に加熱してGaN表
面に微細な凹凸を形成した後、1000℃の成長温度でGaN
結晶をtFL20 nmの厚さに成長させることにより、窒化物
半導体からなる微結晶粒を形成した。得られた微結晶粒
の上に、結晶成長温度Tg2を900℃に固定した以外は実施
例１と同様にして、窒化物半導体島構造及び窒化物半導
体結晶層を形成した。得られた窒化物半導体結晶層の表
面における転位密度は５×108 cm-2であった。
【００５８】実施例11
Siで表面を部分的に覆った基板を用いて、窒化物半導体
の微結晶粒を形成した。MOVPE法を用いてＣ面サファイ
ア基板上にGaN結晶を2000 nm成長させて複合基板を形成
し（GaN表面の転位密度：１×109 cm-2）、GaN表面に１
mmolのテトラエチルシラン(TESi)を接触させた。これに
より、Siが成長雰囲気中に存在するNH3と反応し、複合
基板のGaN表面を部分的に覆う窒素珪素膜が形成され
た。次に、MOVPE法を用いて複合基板上に1100℃の成長
温度でGaN結晶を成長させたところ、基板表面のうち窒
化珪素で覆われていない部分に選択的に結晶が成長して
微結晶粒が形成された。結晶成長温度Tg2を900℃に固定
した以外は実施例１と同様にして、得られた微結晶粒の
上に窒化物半導体島構造及び窒化物半導体結晶層を形成
した。得られた窒化物半導体結晶層の表面における転位
密度は５×107 cm-2であった。
の微結晶粒を形成した。MOVPE法を用いてＣ面サファイ
ア基板上にGaN結晶を2000 nm成長させて複合基板を形成
し（GaN表面の転位密度：１×109 cm-2）、GaN表面に１
mmolのテトラエチルシラン(TESi)を接触させた。これに
より、Siが成長雰囲気中に存在するNH3と反応し、複合
基板のGaN表面を部分的に覆う窒素珪素膜が形成され
た。次に、MOVPE法を用いて複合基板上に1100℃の成長
温度でGaN結晶を成長させたところ、基板表面のうち窒
化珪素で覆われていない部分に選択的に結晶が成長して
微結晶粒が形成された。結晶成長温度Tg2を900℃に固定
した以外は実施例１と同様にして、得られた微結晶粒の
上に窒化物半導体島構造及び窒化物半導体結晶層を形成
した。得られた窒化物半導体結晶層の表面における転位
密度は５×107 cm-2であった。
【００５９】実施例12
窒化物半導体結晶の成長速度と転位密度との関係を調べ
た。工程(b) においてTMGガス及びNH3ガスからなる原料
ガスの流量を半減させるとともに、結晶成長温度Tg2を9
00℃に固定した以外は実施例１と同様にして、基板上に
窒化物半導体結晶を成長させ、得られた窒化物半導体結
晶層表面の転位密度を調べた。工程(c)における原料ガ
スの流量は実施例１と同じなので、工程(b) における結
晶成長の速度は工程(c) における速度の半分となった。
得られた窒化物半導体結晶層の表面における転位密度は
３×108 cm-2であった。工程(b) において結晶の成長速
度が小さいと、基板表面に対して傾斜したファセット面
を有する窒化物半導体島構造の形成が促進されると考え
られる。
た。工程(b) においてTMGガス及びNH3ガスからなる原料
ガスの流量を半減させるとともに、結晶成長温度Tg2を9
00℃に固定した以外は実施例１と同様にして、基板上に
窒化物半導体結晶を成長させ、得られた窒化物半導体結
晶層表面の転位密度を調べた。工程(c)における原料ガ
スの流量は実施例１と同じなので、工程(b) における結
晶成長の速度は工程(c) における速度の半分となった。
得られた窒化物半導体結晶層の表面における転位密度は
３×108 cm-2であった。工程(b) において結晶の成長速
度が小さいと、基板表面に対して傾斜したファセット面
を有する窒化物半導体島構造の形成が促進されると考え
られる。
【００６０】実施例13
工程(c) における結晶成長雰囲気圧力を76 Torrに固定
した以外は実施例４と同様にして、窒化物半導体の微結
晶粒からなる低温バッファ層12、表面の転位密度が３×
108 cm-2であるアンドープGaN層13をサファイア基板11
上に形成した。図12に示すように、アンドープGaN層13
上にn-GaN層14（厚さ３μm）、InGaN／GaN多重量子井戸
層15（InGaNの厚さ２nm、GaNの厚さ５nm）、p-AlGaN層1
6（厚さ２μm）、p-InGaNコンタクト層17（厚さ0.05μ
m）を順次形成し、窒化物半導体ウエハを作製した。そ
の後、得られたウエハの表面をRIE（Reactive Ion Etch
ing）により部分的に除去し、n-GaN層14の一部を露出さ
せてTi／Al電極19を形成した。さらにp-InGaNコンタク
ト層17上にNi／Au電極18を形成して、発光ダイオード(L
ED)を作製した。
した以外は実施例４と同様にして、窒化物半導体の微結
晶粒からなる低温バッファ層12、表面の転位密度が３×
108 cm-2であるアンドープGaN層13をサファイア基板11
上に形成した。図12に示すように、アンドープGaN層13
上にn-GaN層14（厚さ３μm）、InGaN／GaN多重量子井戸
層15（InGaNの厚さ２nm、GaNの厚さ５nm）、p-AlGaN層1
6（厚さ２μm）、p-InGaNコンタクト層17（厚さ0.05μ
m）を順次形成し、窒化物半導体ウエハを作製した。そ
の後、得られたウエハの表面をRIE（Reactive Ion Etch
ing）により部分的に除去し、n-GaN層14の一部を露出さ
せてTi／Al電極19を形成した。さらにp-InGaNコンタク
ト層17上にNi／Au電極18を形成して、発光ダイオード(L
ED)を作製した。
【００６１】また従来の２段階成長法によりアンドープ
GaN層（転位密度１×109 cm-2）を形成した以外は、本
実施例と同様にして比較用のLEDを作製した。得られた
各LEDに20 mAの電流を通電したところ、本発明の実施例
によるLEDの発光出力は13 mWであったのに対し、比較用
のLEDの発光出力は５mWであった。このことから、本発
明により得られた低転位密度のアンドープGaN層を用い
た発光デバイスは、従来の２段階成長法により得られた
アンドープGaN層を用いた発光デバイスに比べて、格段
に優れた特性を有していることが分かった。
GaN層（転位密度１×109 cm-2）を形成した以外は、本
実施例と同様にして比較用のLEDを作製した。得られた
各LEDに20 mAの電流を通電したところ、本発明の実施例
によるLEDの発光出力は13 mWであったのに対し、比較用
のLEDの発光出力は５mWであった。このことから、本発
明により得られた低転位密度のアンドープGaN層を用い
た発光デバイスは、従来の２段階成長法により得られた
アンドープGaN層を用いた発光デバイスに比べて、格段
に優れた特性を有していることが分かった。
【００６２】実施例14
工程(c) における結晶成長雰囲気圧力を76 Torrに固定
するとともに、アンドープGaN層23の厚さを３μmとした
以外は実施例４と同様にして、窒化物半導体の微結晶粒
からなる低温バッファ層22、表面の転位密度が３×108
cm-2であるアンドープGaN層23をサファイア基板21上に
形成した。図13に示すように、アンドープGaN層23上に
アンドープAlGaN層24（厚さ0.01μm）、n-AlGaN層25
（厚さ0.02μm）、アンドープAlGaN層26（厚さ0.01μ
m）を順次形成し、窒化物半導体ウエハを作製した。得
られたウエハ上に、フォトリソグラフィ及び真空蒸着プ
ロセスを用いてソース電極27、ゲート電極28及びドレイ
ン電極29を形成し、高電子移動度トランジスタ(HEMT)を
作製した。
するとともに、アンドープGaN層23の厚さを３μmとした
以外は実施例４と同様にして、窒化物半導体の微結晶粒
からなる低温バッファ層22、表面の転位密度が３×108
cm-2であるアンドープGaN層23をサファイア基板21上に
形成した。図13に示すように、アンドープGaN層23上に
アンドープAlGaN層24（厚さ0.01μm）、n-AlGaN層25
（厚さ0.02μm）、アンドープAlGaN層26（厚さ0.01μ
m）を順次形成し、窒化物半導体ウエハを作製した。得
られたウエハ上に、フォトリソグラフィ及び真空蒸着プ
ロセスを用いてソース電極27、ゲート電極28及びドレイ
ン電極29を形成し、高電子移動度トランジスタ(HEMT)を
作製した。
【００６３】また従来の２段階成長法により形成したア
ンドープGaN層（転位密度１×109 cm-2）を用いた以外
は、本実施例と同様にして比較用のHEMTを作製した。得
られた各HEMTの直流伝達特性を調べたところ、本発明の
実施例によるHEMTの相互コンダクタンスは215 mS/mmで
あり、比較用のHEMTの相互コンダクタンスは82 mS/mmで
あった。本発明の実施例によるHEMTは、比較用のHEMTに
比べてアンドープGaN層表面における転位密度が小さい
ためゲートリーク電流が減少し、ゲート電圧による２次
元電子密度の制御性が向上したと考えられる。
ンドープGaN層（転位密度１×109 cm-2）を用いた以外
は、本実施例と同様にして比較用のHEMTを作製した。得
られた各HEMTの直流伝達特性を調べたところ、本発明の
実施例によるHEMTの相互コンダクタンスは215 mS/mmで
あり、比較用のHEMTの相互コンダクタンスは82 mS/mmで
あった。本発明の実施例によるHEMTは、比較用のHEMTに
比べてアンドープGaN層表面における転位密度が小さい
ためゲートリーク電流が減少し、ゲート電圧による２次
元電子密度の制御性が向上したと考えられる。
【００６４】以上実施例により本発明を詳細に説明した
が、本発明はそれらに限定されず、本発明の技術的思想
の範囲内で種々の変更を施すことができる。例えばMOVP
E法を用いたエピタキシャル成長について主に記載して
きたが、本発明はこれに限定されず、HVPE法により窒化
物半導体結晶を成長させることもできる。
が、本発明はそれらに限定されず、本発明の技術的思想
の範囲内で種々の変更を施すことができる。例えばMOVP
E法を用いたエピタキシャル成長について主に記載して
きたが、本発明はこれに限定されず、HVPE法により窒化
物半導体結晶を成長させることもできる。
【００６５】
【発明の効果】以上詳述した通り、本発明の窒化物半導
体結晶の製造方法によれば、基板表面に対して傾斜した
複数のファセット面を有する窒化物半導体島構造の表面
において転位の伝播方向が変化するので、転位密度の小
さな窒化物半導体結晶層を基板の全面にわたって形成す
ることが可能となる。従って、本発明の製造方法によっ
て得られた窒化物半導体結晶を用いて、優れたデバイス
特性及び安定性を有する窒化物半導体デバイスを得るこ
とができる。
体結晶の製造方法によれば、基板表面に対して傾斜した
複数のファセット面を有する窒化物半導体島構造の表面
において転位の伝播方向が変化するので、転位密度の小
さな窒化物半導体結晶層を基板の全面にわたって形成す
ることが可能となる。従って、本発明の製造方法によっ
て得られた窒化物半導体結晶を用いて、優れたデバイス
特性及び安定性を有する窒化物半導体デバイスを得るこ
とができる。
【図１】 各工程における窒化物半導体結晶の断面構造
を示す概略図であり、(a) は微結晶粒形成工程を示し、
(b) は窒化物半導体島構造の形成工程を示し、(c) は窒
化物半導体島構造の結合工程を示す。
を示す概略図であり、(a) は微結晶粒形成工程を示し、
(b) は窒化物半導体島構造の形成工程を示し、(c) は窒
化物半導体島構造の結合工程を示す。
【図２】 工程(b) で異なる組成を有する２種類の窒化
物半導体結晶を成長させた場合の各工程における窒化物
半導体結晶の断面構造を示す概略図であり、(a) は微結
晶粒形成工程を示し、(b) は窒化物半導体島構造の形成
工程を示し、(c) は窒化物半導体島構造の結合工程を示
す。
物半導体結晶を成長させた場合の各工程における窒化物
半導体結晶の断面構造を示す概略図であり、(a) は微結
晶粒形成工程を示し、(b) は窒化物半導体島構造の形成
工程を示し、(c) は窒化物半導体島構造の結合工程を示
す。
【図３】 本発明の一実施例による結晶成長時の温度変
化を示すグラフである。
化を示すグラフである。
【図４】 従来の２段階成長法による結晶成長時の温度
変化を示すグラフである。
変化を示すグラフである。
【図５】 各結晶成長温度Tg2において形成された窒化
物半導体島構造表面を示す電子顕微鏡写真である。
物半導体島構造表面を示す電子顕微鏡写真である。
【図６】 工程(b) における結晶成長温度Tg2と転位密
度との関係を示すグラフである。
度との関係を示すグラフである。
【図７】 工程(b) における結晶成長雰囲気中の水素濃
度と転位密度との関係を示すグラフである。
度と転位密度との関係を示すグラフである。
【図８】 工程(c) における結晶成長温度Tg3と転位密
度との関係を示すグラフである。
度との関係を示すグラフである。
【図９】 工程(c) における結晶雰囲気圧力と転位密度
との関係を示すグラフである。
との関係を示すグラフである。
【図10】 AlyGa1-yN層の厚さと転位密度との関係を示
すグラフである。
すグラフである。
【図11】 微結晶粒を形成するInnGa1-nNのｎと転位密
度との関係を示すグラフである。
度との関係を示すグラフである。
【図12】 本発明の一実施例による発光ダイオードの断
面構造を示す概略図である。
面構造を示す概略図である。
【図13】 本発明の一実施例による高電子移動度トラン
ジスタの断面構造を示す概略図である。
ジスタの断面構造を示す概略図である。
１・・・基板
２・・・微結晶粒
３、６・・・窒化物半導体島構造
４・・・窒化物半導体結晶層
５・・・転位
７・・・AlyGa1-yN（0＜y≦1）からなる窒化物半導体結
晶層 ８・・・GaNからなる窒化物半導体結晶層 11、21・・・サファイア基板 12、22・・・低温バッファ層 13、23・・・アンドーブGaN層 14・・・n-GaN層 15・・・InGaN／GaN多重量子井戸層 16・・・p-AlGaN層 17・・・p-InGaNコンタクト層 18・・・Ni／Au電極 19・・・Ti／Al電極 24、26・・・アンドープAlGaN層 25・・・n-AlGaN層 27・・・ソース電極 28・・・ゲート電極 29・・・ドレイン電極
晶層 ８・・・GaNからなる窒化物半導体結晶層 11、21・・・サファイア基板 12、22・・・低温バッファ層 13、23・・・アンドーブGaN層 14・・・n-GaN層 15・・・InGaN／GaN多重量子井戸層 16・・・p-AlGaN層 17・・・p-InGaNコンタクト層 18・・・Ni／Au電極 19・・・Ti／Al電極 24、26・・・アンドープAlGaN層 25・・・n-AlGaN層 27・・・ソース電極 28・・・ゲート電極 29・・・ドレイン電極
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成１５年２月１４日（２００３．２．１
４）
４）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
【請求項４】 請求項３に記載の窒化物半導体結晶の製
造方法において、前記窒化物半導体結晶バッファ層を形
成する温度が400〜800℃であることを特徴とする方法。
造方法において、前記窒化物半導体結晶バッファ層を形
成する温度が400〜800℃であることを特徴とする方法。
【請求項５】 請求項３に記載の窒化物半導体結晶の製
造方法において、前記窒化物半導体結晶バッファ層を熱
処理する温度が800〜1200℃であることを特徴とする方
法。
造方法において、前記窒化物半導体結晶バッファ層を熱
処理する温度が800〜1200℃であることを特徴とする方
法。
【請求項６】 請求項１に記載の窒化物半導体結晶の製
造方法において、前記基板は窒化物半導体、サファイ
ア、炭化珪素、珪素、酸化亜鉛、LiGaO2又はLiAlO2から
なる基板本体の表面に窒化物半導体層を形成してなる複
合基板であることを特徴とする方法。
造方法において、前記基板は窒化物半導体、サファイ
ア、炭化珪素、珪素、酸化亜鉛、LiGaO2又はLiAlO2から
なる基板本体の表面に窒化物半導体層を形成してなる複
合基板であることを特徴とする方法。
【請求項７】 請求項６に記載の窒化物半導体結晶の製
造方法において、前記窒化物半導体層側の表面に微細な
凹凸を有する前記複合基板上に窒化物半導体結晶を成長
させることにより、前記微結晶粒を形成することを特徴
とする方法。
造方法において、前記窒化物半導体層側の表面に微細な
凹凸を有する前記複合基板上に窒化物半導体結晶を成長
させることにより、前記微結晶粒を形成することを特徴
とする方法。
【請求項８】 請求項７に記載の窒化物半導体結晶の製
造方法において、前記複合基板の窒化物半導体層表面を
オゾン雰囲気中に晒すことにより、前記複合基板の表面
に微細な凹凸を形成することを特徴とする方法。
造方法において、前記複合基板の窒化物半導体層表面を
オゾン雰囲気中に晒すことにより、前記複合基板の表面
に微細な凹凸を形成することを特徴とする方法。
【請求項９】 請求項７に記載の窒化物半導体結晶の製
造方法において、前記複合基板の窒化物半導体層表面を
熱処理することにより、前記複合基板の表面に微細な凹
凸を形成することを特徴とする方法。
造方法において、前記複合基板の窒化物半導体層表面を
熱処理することにより、前記複合基板の表面に微細な凹
凸を形成することを特徴とする方法。
【請求項10】 請求項７に記載の窒化物半導体結晶の製
造方法において、前記複合基板の窒化物半導体層表面
に、それに対してエッチング作用を有するガスを接触さ
せることにより、前記複合基板の表面に微細な凸凹を形
成することを特徴とする方法。
造方法において、前記複合基板の窒化物半導体層表面
に、それに対してエッチング作用を有するガスを接触さ
せることにより、前記複合基板の表面に微細な凸凹を形
成することを特徴とする方法。
【請求項11】 請求項６に記載の窒化物半導体結晶の製
造方法において、前記複合基板の窒化物半導体層を構成
する原子と、前記工程(a) において成長する窒化物半導
体結晶を構成する原子との相互作用を阻害する物質で表
面を部分的に覆った前記複合基板上に前記窒化物半導体
結晶を成長させることにより、前記微結晶粒を形成する
ことを特徴とする方法。
造方法において、前記複合基板の窒化物半導体層を構成
する原子と、前記工程(a) において成長する窒化物半導
体結晶を構成する原子との相互作用を阻害する物質で表
面を部分的に覆った前記複合基板上に前記窒化物半導体
結晶を成長させることにより、前記微結晶粒を形成する
ことを特徴とする方法。
【請求項12】 請求項11に記載の窒化物半導体結晶の製
造方法において、前記原子間の相互作用を阻害する物質
が珪素、酸素、窒化珪素、酸化珪素又は金属であること
を特徴とする方法。
造方法において、前記原子間の相互作用を阻害する物質
が珪素、酸素、窒化珪素、酸化珪素又は金属であること
を特徴とする方法。
【請求項13】 請求項６〜12のいずれかに記載の窒化物
半導体結晶の製造方法において、前記工程(a) は、前記
複合基板を成長装置内に載置し、前記成長装置内に原料
ガスを導入することにより窒化物半導体からなる前記微
結晶粒を形成する工程であることを特徴とする方法。
半導体結晶の製造方法において、前記工程(a) は、前記
複合基板を成長装置内に載置し、前記成長装置内に原料
ガスを導入することにより窒化物半導体からなる前記微
結晶粒を形成する工程であることを特徴とする方法。
【請求項14】 請求項１〜13のいずれかに記載の窒化物
半導体結晶の製造方法において、窒化物半導体結晶の成
長の一部又は全部をMOVPE法又はHVPE法により行うこと
を特徴とする方法。
半導体結晶の製造方法において、窒化物半導体結晶の成
長の一部又は全部をMOVPE法又はHVPE法により行うこと
を特徴とする方法。
【請求項15】 請求項１〜14のいずれかに記載の窒化物
半導体結晶の製造方法において、窒化物半導体結晶の成
長条件が前記工程(a) 〜(c) でそれぞれ異なることを特
徴とする方法。
半導体結晶の製造方法において、窒化物半導体結晶の成
長条件が前記工程(a) 〜(c) でそれぞれ異なることを特
徴とする方法。
【請求項16】 請求項15に記載の窒化物半導体結晶の製
造方法において、結晶成長温度、結晶成長雰囲気圧力、
結晶成長速度及び結晶成長雰囲気組成の少なくとも１つ
が、前記工程(a) 〜(c) でそれぞれ異なることを特徴と
する方法。
造方法において、結晶成長温度、結晶成長雰囲気圧力、
結晶成長速度及び結晶成長雰囲気組成の少なくとも１つ
が、前記工程(a) 〜(c) でそれぞれ異なることを特徴と
する方法。
【請求項17】 請求項16に記載の窒化物半導体結晶の製
造方法において、(1) 前記工程(b) における結晶成長温
度を前記工程(c) における結晶成長温度より低くする結
晶成長条件、(2) 前記工程(b) における結晶成長雰囲気
中の水素濃度を前記工程(c) における結晶成長雰囲気中
の水素濃度より高くする結晶成長条件、(3) 前記工程
(b) における結晶成長雰囲気圧力を前記工程(c) におけ
る結晶成長雰囲気圧力より高くする結晶成長条件、及び
(4) 前記工程(b) における結晶成長速度を前記工程(c)
における結晶成長速度より遅くする結晶成長条件の少な
くとも１つにより、窒化物半導体結晶を成長させること
を特徴とする方法。
造方法において、(1) 前記工程(b) における結晶成長温
度を前記工程(c) における結晶成長温度より低くする結
晶成長条件、(2) 前記工程(b) における結晶成長雰囲気
中の水素濃度を前記工程(c) における結晶成長雰囲気中
の水素濃度より高くする結晶成長条件、(3) 前記工程
(b) における結晶成長雰囲気圧力を前記工程(c) におけ
る結晶成長雰囲気圧力より高くする結晶成長条件、及び
(4) 前記工程(b) における結晶成長速度を前記工程(c)
における結晶成長速度より遅くする結晶成長条件の少な
くとも１つにより、窒化物半導体結晶を成長させること
を特徴とする方法。
【請求項22】 請求項１〜21のいずれかに記載の窒化物
半導体結晶の製造方法において、前記窒化物半導体の微
結晶粒がInnGa1-nN（0＜n≦0.3）からなることを特徴と
する方法。
半導体結晶の製造方法において、前記窒化物半導体の微
結晶粒がInnGa1-nN（0＜n≦0.3）からなることを特徴と
する方法。
【請求項23】 請求項１〜22のいずれかに記載の窒化物
半導体結晶の製造方法において、前記窒化物半導体島構
造がGaNからなることを特徴とする方法。
半導体結晶の製造方法において、前記窒化物半導体島構
造がGaNからなることを特徴とする方法。
【請求項24】 請求項１〜23のいずれかに記載の窒化物
半導体結晶の製造方法において、前記工程(c) で形成さ
れる前記窒化物半導体結晶層がGaNからなることを特徴
とする方法。
半導体結晶の製造方法において、前記工程(c) で形成さ
れる前記窒化物半導体結晶層がGaNからなることを特徴
とする方法。
【請求項25】 請求項１〜23のいずれかに記載の窒化物
半導体結晶の製造方法において、前記窒化物半導体島構
造と、前記窒化物半導体島構造から前記基板表面に対し
て平行な方向に成長する窒化物半導体結晶層とが異なる
組成を有することを特徴とする方法。
半導体結晶の製造方法において、前記窒化物半導体島構
造と、前記窒化物半導体島構造から前記基板表面に対し
て平行な方向に成長する窒化物半導体結晶層とが異なる
組成を有することを特徴とする方法。
【請求項26】 請求項25に記載の窒化物半導体結晶の製
造方法において、前記窒化物半導体島構造と前記窒化物
半導体結晶層とはいずれもInxAlyGazN（x≧0、y≧0、z
≧0、x＋y＋z＝1）により表される組成を有するが、In
及び／又はAlの含有量が異なっていることを特徴とする
方法。
造方法において、前記窒化物半導体島構造と前記窒化物
半導体結晶層とはいずれもInxAlyGazN（x≧0、y≧0、z
≧0、x＋y＋z＝1）により表される組成を有するが、In
及び／又はAlの含有量が異なっていることを特徴とする
方法。
【請求項27】 請求項26に記載の窒化物半導体結晶の製
造方法において、前記窒化物半導体結晶層は、AlyGa1-y
N（0＜y≦1）により表される組成を有する層とGaNによ
り表される組成を有する層とからなることを特徴とする
方法。
造方法において、前記窒化物半導体結晶層は、AlyGa1-y
N（0＜y≦1）により表される組成を有する層とGaNによ
り表される組成を有する層とからなることを特徴とする
方法。
【請求項28】 請求項１〜27のいずれかに記載の窒化物
半導体結晶の製造方法において、前記工程(b) ではIn、
Al又はSiを添加した窒化物半導体結晶により前記窒化物
半導体島構造を形成することを特徴とする方法。
半導体結晶の製造方法において、前記工程(b) ではIn、
Al又はSiを添加した窒化物半導体結晶により前記窒化物
半導体島構造を形成することを特徴とする方法。
【請求項29】 請求項１〜28のいずれかに記載の窒化物
半導体結晶の製造方法において、前記工程(c) ではMgを
添加した窒化物半導体結晶により前記窒化物半導体結晶
層を成長させることを特徴とする方法。
半導体結晶の製造方法において、前記工程(c) ではMgを
添加した窒化物半導体結晶により前記窒化物半導体結晶
層を成長させることを特徴とする方法。
【請求項30】 請求項１〜29のいずれかに記載の窒化物
半導体結晶の製造方法により得られた窒化物半導体結晶
の上に複数の半導体層が形成されていることを特徴とす
る窒化物半導体ウエハ。
半導体結晶の製造方法により得られた窒化物半導体結晶
の上に複数の半導体層が形成されていることを特徴とす
る窒化物半導体ウエハ。
【請求項31】 請求項30に記載の窒化物半導体ウエハに
おいて、前記窒化物半導体結晶の表面全体における転位
密度が1×109 cm-2以下であることを特徴とする窒化物
半導体ウエハ。
おいて、前記窒化物半導体結晶の表面全体における転位
密度が1×109 cm-2以下であることを特徴とする窒化物
半導体ウエハ。
【請求項32】 請求項30又は31に記載の窒化物半導体ウ
エハを用いて構成されたことを特徴とする窒化物半導体
デバイス。
エハを用いて構成されたことを特徴とする窒化物半導体
デバイス。
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フロントページの続き
(51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考）
Ｈ０１Ｌ 29/778 Ｈ０１Ｌ 29/80 Ｈ
29/812
33/00
Ｆターム(参考） 4G077 AA02 AA03 BE15 DB08 EB01
ED06 EF01 HA02 HA06 TA04
TB05
5F041 AA40 CA03 CA40 CA83 CB11
CB21
5F045 AA04 AB14 AB17 AC08 AC12
AC15 AD09 AD14 AD15 AF02
AF03 AF04 AF07 AF09 BB12
CA06 CA07 CA10 DA52 DA67
HA06
5F052 KA01
5F102 GB01 GC01 GD01 GJ10 GK04
GK08 GL04 GM04 GQ01 HC01
Claims (26)
- 【請求項１】 (a) 基板上に窒化物半導体からなる微結
晶粒を形成する工程と、(b) 前記微結晶粒を核として、
前記基板の表面に対して傾斜した複数のファセット面を
有する窒化物半導体島構造を形成する工程と、(c) 前記
窒化物半導体島構造を前記基板の表面と平行な方向に成
長させることにより複数の前記窒化物半導体島構造を相
互に結合させ、もって平坦な表面を有する窒化物半導体
結晶層を形成する工程とを有し、前記工程(a) 〜(c) を
同一の成長装置内で連続して行うことを特徴とする窒化
物半導体結晶の製造方法。 - 【請求項２】 請求項１に記載の窒化物半導体結晶の製
造方法において、前記基板が窒化物半導体、サファイ
ア、炭化珪素、珪素、酸化亜鉛、LiGaO2又はLiAlO2から
なることを特徴とする方法。 - 【請求項３】 請求項１又は２に記載の窒化物半導体結
晶の製造方法において、前記工程(a) は、前記工程(b)
及び(c) における結晶成長温度よりも低温で前記基板上
に窒化物半導体結晶バッファ層を形成する工程と、前記
窒化物半導体結晶バッファ層をその結晶成長温度よりも
高温で熱処理することにより前記微結晶粒を形成する工
程とを含むことを特徴とする方法。 - 【請求項４】 請求項１に記載の窒化物半導体結晶の製
造方法において、前記基板は窒化物半導体、サファイ
ア、炭化珪素、珪素、酸化亜鉛、LiGaO2又はLiAlO2から
なる基板本体の表面に窒化物半導体層を形成してなる複
合基板であることを特徴とする方法。 - 【請求項５】 請求項４に記載の窒化物半導体結晶の製
造方法において、前記窒化物半導体層側の表面に微細な
凹凸を有する前記複合基板上に窒化物半導体結晶を成長
させることにより、前記微結晶粒を形成することを特徴
とする方法。 - 【請求項６】 請求項５に記載の窒化物半導体結晶の製
造方法において、前記複合基板の窒化物半導体層表面を
オゾン雰囲気中に晒すことにより、前記複合基板の表面
に微細な凹凸を形成することを特徴とする方法。 - 【請求項７】 請求項５に記載の窒化物半導体結晶の製
造方法において、前記複合基板の窒化物半導体層表面を
熱処理することにより、前記複合基板の表面に微細な凹
凸を形成することを特徴とする方法。 - 【請求項８】 請求項５に記載の窒化物半導体結晶の製
造方法において、前記複合基板の窒化物半導体層表面
に、それに対してエッチング作用を有するガスを接触さ
せることにより、前記複合基板の表面に微細な凸凹を形
成することを特徴とする方法。 - 【請求項９】 請求項４に記載の窒化物半導体結晶の製
造方法において、前記複合基板の窒化物半導体層を構成
する原子と、前記工程(a) において成長する窒化物半導
体結晶を構成する原子との相互作用を阻害する物質で表
面を部分的に覆った前記複合基板上に前記窒化物半導体
結晶を成長させることにより、前記微結晶粒を形成する
ことを特徴とする方法。 - 【請求項10】 請求項９に記載の窒化物半導体結晶の製
造方法において、前記原子間の相互作用を阻害する物質
が珪素、酸素、窒化珪素、酸化珪素又は金属であること
を特徴とする方法。 - 【請求項11】 請求項４〜10のいずれかに記載の窒化物
半導体結晶の製造方法において、前記工程(a) は、前記
複合基板を成長装置内に載置し、前記成長装置内に原料
ガスを導入することにより窒化物半導体からなる前記微
結晶粒を形成する工程であることを特徴とする方法。 - 【請求項12】 請求項１〜11のいずれかに記載の窒化物
半導体結晶の製造方法において、窒化物半導体結晶の成
長の一部又は全部をMOVPE法又はHVPE法により行うこと
を特徴とする方法。 - 【請求項13】 請求項１〜12のいずれかに記載の窒化物
半導体結晶の製造方法において、窒化物半導体結晶の成
長条件が前記工程(a) 〜(c) でそれぞれ異なることを特
徴とする方法。 - 【請求項14】 請求項13に記載の窒化物半導体結晶の製
造方法において、結晶成長温度、結晶成長雰囲気圧力、
結晶成長速度及び結晶成長雰囲気組成の少なくとも１つ
が、前記工程(a) 〜(c) でそれぞれ異なることを特徴と
する方法。 - 【請求項15】 請求項14に記載の窒化物半導体結晶の製
造方法において、(1) 前記工程(b) における結晶成長温
度を前記工程(c) における結晶成長温度より低くする結
晶成長条件、(2) 前記工程(b) における結晶成長雰囲気
中の水素濃度を前記工程(c) における結晶成長雰囲気中
の水素濃度より高くする結晶成長条件、(3) 前記工程
(b) における結晶成長雰囲気圧力を前記工程(c) におけ
る結晶成長雰囲気圧力より高くする結晶成長条件、及び
(4) 前記工程(b) における結晶成長速度を前記工程(c)
における結晶成長速度より遅くする結晶成長条件の少な
くとも１つにより、窒化物半導体結晶を成長させること
を特徴とする方法。 - 【請求項16】 請求項１〜15のいずれかに記載の窒化物
半導体結晶の製造方法において、前記窒化物半導体の微
結晶粒がInnGa1-nN（0＜n≦0.3）からなることを特徴と
する方法。 - 【請求項17】 請求項１〜16のいずれかに記載の窒化物
半導体結晶の製造方法において、前記窒化物半導体島構
造がGaNからなることを特徴とする方法。 - 【請求項18】 請求項１〜17のいずれかに記載の窒化物
半導体結晶の製造方法において、前記工程(c) で形成さ
れる前記窒化物半導体結晶層がGaNからなることを特徴
とする方法。 - 【請求項19】 請求項１〜17のいずれかに記載の窒化物
半導体結晶の製造方法において、前記窒化物半導体島構
造と、前記窒化物半導体島構造から前記基板表面に対し
て平行な方向に成長する窒化物半導体結晶層とが異なる
組成を有することを特徴とする方法。 - 【請求項20】 請求項19に記載の窒化物半導体結晶の製
造方法において、前記窒化物半導体島構造と前記窒化物
半導体結晶層とはいずれもInxAlyGazN（x≧0、y≧0、z
≧0、x＋y＋z＝1）により表される組成を有するが、In
及び／又はAlの含有量が異なっていることを特徴とする
方法。 - 【請求項21】 請求項20に記載の窒化物半導体結晶の製
造方法において、前記窒化物半導体結晶層は、AlyGa1-y
N（0＜y≦1）により表される組成を有する層とGaNによ
り表される組成を有する層とからなることを特徴とする
方法。 - 【請求項22】 請求項１〜21のいずれかに記載の窒化物
半導体結晶の製造方法において、前記工程(b) ではIn、
Al又はSiを添加した窒化物半導体結晶により前記窒化物
半導体島構造を形成することを特徴とする方法。 - 【請求項23】 請求項１〜22のいずれかに記載の窒化物
半導体結晶の製造方法において、前記工程(c) ではMgを
添加した窒化物半導体結晶により前記窒化物半導体結晶
層を成長させることを特徴とする方法。 - 【請求項24】 請求項１〜23のいずれかに記載の窒化物
半導体結晶の製造方法により得られた窒化物半導体結晶
の上に複数の半導体層が形成されていることを特徴とす
る窒化物半導体ウエハ。 - 【請求項25】 請求項24に記載の窒化物半導体ウエハに
おいて、前記窒化物半導体結晶の表面全体における転位
密度が1×109 cm-2以下であることを特徴とする窒化物
半導体ウエハ。 - 【請求項26】 請求項24又は25に記載の窒化物半導体ウ
エハを用いて構成されたことを特徴とする窒化物半導体
デバイス。
Priority Applications (2)
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|---|---|---|---|
| JP2002086615A JP3968566B2 (ja) | 2002-03-26 | 2002-03-26 | 窒化物半導体結晶の製造方法及び窒化物半導体ウエハ並びに窒化物半導体デバイス |
| US10/396,831 US7294200B2 (en) | 2002-03-26 | 2003-03-26 | Method for producing nitride semiconductor crystal, and nitride semiconductor wafer and nitride semiconductor device |
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Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
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