JP2008184360A - 窒化物半導体単結晶 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｓｉ基板上に、無極性面である（１１−２０）面の窒化物半導体膜が厚さ１μｍ以上で形成され、発光デバイスにも好適に用いることができる窒化物半導体単結晶を提供する。
【解決手段】Ｓｉ（１１０）基板上に、ＳｉＣ（１１０）またはＢＰ（１１０）のいずれか１種以上からなるバッファー層およびＡｌＮ（１１−２０）バッファー層を介して、ＧａＮ（１１−２０）、ＡｌＮ（１１−２０）またはＩｎＮ（１１−２０）からなる単結晶膜、あるいはまた、ＧａＮ（１１−２０）およびＡｌＮ（１１−２０）の超格子構造を形成する。
【選択図】なし

Description

本発明は、発光ダイオード、レーザ発光素子、高速高温動作可能電子素子等に好適に用いられる窒化ガリウム（ＧａＮ）および窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の窒化物半導体単結晶に関する。

ＧａＮやＡｌＮに代表される窒化物半導体は、広いバンドギャップを有しており、高い電子移動度、高い耐熱性等の優れた特性を有する化合物半導体として、発光ダイオード、レーザ発光素子、また、高速高温動作可能電子素子等への応用が期待されている材料である。

前記窒化物半導体は、融点が高く、窒素の平衡蒸気圧が非常に高いため、融液からのバルク結晶成長は容易でない。このため、単結晶は、異種基板上へのヘテロエピタキシャル成長により作製されている。
従来、ＧａＮ（０００１）またはＡｌＮ（０００１）単結晶膜は、サファイア（０００１）、６Ｈ−ＳｉＣ（０００１）、Ｓｉ（１１１）等の基板上に、バッファー層を介して形成されていた。

これらの基板の中でも、Ｓｉ基板は、他の基板に比べて、結晶性に優れ、広面積で得られ、低価格であることから、窒化物半導体の製造コストを低減することができ、好適であるとされていた。
また、Ｓｉ基板上への窒化物半導体膜の形成は、現在のシリコンテクノロジーを継承することができるため、産業技術の開発コストにおける優位性からも、実用化が求められている。

しかしながら、Ｓｉ基板上への窒化物半導体単結晶の成膜に際しては、Ｓｉと窒化物半導体との熱膨張係数の相違により、窒化物半導体単結晶膜に割れが生じ、また、Ｓｉと窒化物半導体との結晶格子定数の差に起因して、多数の結晶欠陥が生じるため、厚さ１μｍ以上の単結晶膜を形成することは困難であった。

このため、Ｓｉ基板上に窒化物半導体単結晶を成膜する場合、適当なバッファー層を介して形成する必要がある。
このようなバッファー層としては、例えば、Ｓｉ（１１０）基板上に３Ｃ−ＳｉＣ（１１１）を成膜した場合、Ｓｉ（１１１）基板を用いた場合よりも、Ｓｉと３Ｃ−ＳｉＣとの格子不整合が緩和され、３Ｃ−ＳｉＣ（１１１）の結晶性が向上することが知られている（例えば、特許文献１参照）。
また、ＡｌＮおよびＧａＮの超格子構造や３Ｃ−ＳｉＣ（１１１）層を採用することも提案されている。
特開２００５−２２３２０６号公報

しかしながら、窒化物半導体を発光デバイスに利用する際においては、上記のような基板やバッファー層を採用した場合であっても、上記（０００１）面の窒化物半導体単結晶では、電子の正孔の再結合が結晶の自発分極により阻害され、発光効率が低下するという課題を有していた。

このため、発光効率の向上の観点から、発光デバイスに適した窒化物半導体単結晶としては、無極性の結晶面である（１０−１０）や（１１−２０）面等を用いることが求められていた。

これに対して、本発明者らは、結晶面が（１１−２０）のＧａＮ、ＡｌＮ等の窒化物半導体膜を形成するにあたり、上述したＳｉ（１１０）基板を用いて、その上に形成する３Ｃ−ＳｉＣまたはＢＰバッファー層について検討し、前記窒化物半導体膜を厚さ１μｍ以上で形成することができることを見出した。

すなわち、本発明は、上記技術的課題を解決するためになされたものであり、Ｓｉ基板上に、無極性面である（１１−２０）面の窒化物半導体膜が厚さ１μｍ以上で形成され、発光デバイスにも好適に用いることができる窒化物半導体単結晶を提供することを目的とするものである。

本発明に係る窒化物半導体単結晶は、Ｓｉ（１１０）基板上に、ＳｉＣ（１１０）またはＢＰ（１１０）のいずれか１種以上からなるバッファー層およびＡｌＮ（１１−２０）バッファー層を介して形成され、ＧａＮ（１１−２０）、ＡｌＮ（１１−２０）またはＩｎＮ（１１−２０）からなることを特徴とする。
上記のような構成によれば、Ｓｉ基板上に、厚さ１μｍ以上で、結晶性に優れた（１１−２０）面の窒化物半導体単結晶を形成することができる。

また、本発明に係る他の態様の窒化物半導体単結晶は、Ｓｉ（１１０）基板上に、ＳｉＣ（１１０）またはＢＰ（１１０）のいずれか１種以上からなるバッファー層およびＡｌＮ（１１−２０）バッファー層を介して形成され、ＧａＮ（１１−２０）およびＡｌＮ（１１−２０）の超格子構造からなることを特徴とする。
このように、ＧａＮおよびＡｌＮの超格子構造を形成することにより、窒化物半導体単結晶の結晶性をより一層向上させることができる。

上述したとおり、本発明によれば、Ｓｉ基板上に、無極性の結晶面である（１１−２０）面の結晶性に優れたＧａＮ、ＡｌＮまたはＩｎＮ単結晶膜を厚さ１μｍ以上で得ることができる。
さらに、ＧａＮおよびＡｌＮの超格子構造を形成することにより、窒化物半導体単結晶の結晶性をより一層向上させることができる。
したがって、本発明に係る窒化物半導体単結晶は、発光ダイオード、レーザ発光素子、高速高温動作可能電子素子等に好適に用いることができ、特に、発光デバイスに好適であり、これらの素子機能の向上を図ることができる。

以下、本発明をより詳細に説明する。
本発明に係る窒化物半導体単結晶は、Ｓｉ単結晶基板上に、ＳｉＣまたは／およびＢＰバッファー層およびＡｌＮバッファー層を介して形成されたＧａＮ、ＡｌＮまたはＩｎＮ単結晶である。
この窒化物半導体単結晶は、Ｓｉ単結晶基板として（１１０）面のＳｉ基板を用い、その上に、ＳｉＣ（１１０）またはＢＰ（１１０）のいずれか１種以上からなるバッファー層を形成することにより、結晶性に優れた（１１−２０）面の単結晶として得られる。
また、この（１１−２０）面の窒化物半導体単結晶は、Ｓｉ基板上に形成されることにより、従来のＳｉ半導体製造プロセスにおいて用いられている装置および技術を利用することができ、大口径かつ低コストで得ることができるという利点も有している。

本発明において用いられるＳｉ単結晶基板は、その製造方法は、特に限定されない。チョクラルスキー（ＣＺ）法により製造されたものであっても、フローティングゾーン（ＦＺ）法により製造されたものであってもよく、また、これらのＳｉ単結晶基板に気相成長法によりＳｉ単結晶層をエピタキシャル成長させたもの（Ｓｉエピ基板）であってもよい。

また、前記Ｓｉ（１１０）基板は、その上にＳｉＣ（１１０）またはＢＰ（１１０）のいずれか１種以上からなるバッファー層を形成する前に、水素ガス等によるクリーニングによって、表面の自然酸化膜を除去し、清浄な状態にしておくことが好ましい。

さらに、前記Ｓｉ単結晶基板上に３Ｃ−ＳｉＣ（１１０）バッファー層のみを形成する場合は、５００〜１１００℃でプロパン等の炭化水素系ガスを用いて熱処理して、表面を炭化しておくことが好ましい。
予めこのような炭化処理を施しておくことにより、ＳｉＣまたはＢＰバッファー層形成時に、Ｓｉ単結晶基板表面からのＳｉの脱離を防止することができる。

また、Ｓｉ（１１０）基板上に形成されるＳｉＣ（１１０）またはＢＰ（１１０）のいずれか１種以上からなるバッファー層は、ＳｉＣ（１１０）層のみ、または、ＢＰ（１１０）層のみでもよく、あるいはまた、ＳｉＣ（１１０）層およびＢＰ（１１０）層の２種で形成してもよい。

前記バッファー層において、ＳｉＣおよびＢＰの２種を選択する場合には、ＢＰ（１１０）層を形成した上に、ＳｉＣ（１１０）層を形成することが好ましい。
ＢＰは、ＳｉとＳｉＣの中間の格子定数を有するため、Ｓｉ基板とＳｉＣ層との間に配置することにより、バッファー層としての効果を向上させることができ、また、ＳｉＣ層を効率的に欠陥密度の低い膜として形成することができる。

さらに、前記ＳｉＣ（１１０）またはＢＰ（１１０）バッファー層上には、ＡｌＮ（１１−２０）バッファー層を形成する。
このＡｌＮ（１１−２０）バッファー層は、基板およびＳｉＣ（１１０）もしくはＢＰ（１１０）バッファー層と、その上に形成されるＧａＮ（１１−２０）、ＡｌＮ（１１−２０）またはＩｎＮ（１１−２０）との結晶格子不整合を緩和する役割を果たす。

前記ＡｌＮバッファー層の厚さは、製造コスト面からは、できる限り薄いことが好ましいが、上述したような基板およびＳｉＣ（１１０）もしくはＢＰ（１１０）バッファー層と、その上に形成されるＧａＮ（１１−２０）、ＡｌＮ（１１−２０）またはＩｎＮ（１１−２０）との結晶格子不整合を緩和する効果が十分に得られる程度で形成する。具体的には、厚さ１〜５００ｎｍ程度であることが好ましい。
前記ＡｌＮバッファー層は、例えば、気相成長法により、前記ＳｉＣ（１１０）またはＢＰ（１１０）バッファー層上にエピタキシャル成長させることにより形成することができる。

前記ＡｌＮバッファー層上に、ＧａＮ（１１−２０）、ＡｌＮ（１１−２０）またはＩｎＮ（１１−２０）をエピタキタキシャル成長させることにより、これらの窒化物半導体単結晶を厚さ１μｍ以上の優れた結晶性を有する膜として形成することができる。

さらに、前記ＡｌＮバッファー層上に、ＧａＮ（１１−２０）およびＡｌＮ（１１−２０）を、薄膜として交互に積層させ、超格子構造で構成することにより、これらの窒化物半導体単結晶の結晶性をより一層向上させることができる。

以下、本発明を実施例に基づいてさらに具体的に説明するが、本発明は、下記実施例により制限されるものではない。
［実施例１］
Ｓｉ（１１０）基板を反応管内の成長領域にセットし、キャリアガスとして水素を供給しながら、前記Ｓｉ基板を１１００℃に昇温し、基板表面のクリーニングを行った。
そして、プロパンを供給し、基板温度を５００〜１１００℃として、Ｓｉ基板表面を炭化した後、プロパンおよびシランを供給し、厚さ１００〜２０００ｎｍの３Ｃ−ＳｉＣ（１１０）バッファー層を成膜した。
次に、基板温度を保持したまま、原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）およびアンモニアを供給し、前記３Ｃ−ＳｉＣ（１１０）バッファー層上に、厚さ１〜５００ｎｍのＡｌＮ（１１−２０）バッファー層を成膜した。
さらに、基板温度を１０００℃程度に降温し、原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）およびアンモニアを供給し、ＧａＮ（１１−２０）単結晶層を成膜した。
前記ＧａＮ（１１−２０）単結晶層は、厚さ１μｍ以上まで形成した場合においても、亀裂や欠陥は認められなかった。

［実施例２］
実施例１と同様にして、Ｓｉ（１１０）基板上に、３Ｃ−ＳｉＣ（１１０）バッファー層およびＡｌＮ（１１−２０）バッファー層を成膜した。
そして、基板温度を１２００℃以上に昇温し、原料としてＴＭＡおよびアンモニアを供給し、ＡｌＮ（１１−２０）単結晶層を成膜した。
前記ＡｌＮ（１１−２０）単結晶層は、厚さ１μｍ以上まで形成した場合においても、亀裂や欠陥は認められなかった。

Claims (2)

1. Ｓｉ（１１０）基板上に、ＳｉＣ（１１０）またはＢＰ（１１０）のいずれか１種以上からなるバッファー層およびＡｌＮ（１１−２０）バッファー層を介して形成され、ＧａＮ（１１−２０）、ＡｌＮ（１１−２０）またはＩｎＮ（１１−２０）からなることを特徴とする窒化物半導体単結晶。
2. Ｓｉ（１１０）基板上に、ＳｉＣ（１１０）またはＢＰ（１１０）のいずれか１種以上からなるバッファー層およびＡｌＮ（１１−２０）バッファー層を介して形成され、ＧａＮ（１１−２０）およびＡｌＮ（１１−２０）の超格子構造からなることを特徴とする窒化物半導体単結晶。