JP4613373B2 - Ｉｉｉ族ナイトライド化合物半導体薄膜の形成方法および半導体素子の製造方法 - Google Patents
Ｉｉｉ族ナイトライド化合物半導体薄膜の形成方法および半導体素子の製造方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミニウム（Ａｌ），ガリウム（Ｇａ），インジウム（Ｉｎ）またはホウ素（Ｂ）などのＩＩＩ族元素と窒素（Ｎ）とを含むＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜の形成方法、およびこのようなＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜を有する半導体素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、青色発光ダイオード（ＬＥＤ；Light Emitting Diode）や青色レーザダイオード（ＬＤ；Laser Diode ）などの発光素子に使用される実用的な半導体材料として、ＧａＮ（窒化ガリウム），ＩｎＧａＮ（窒化インジウムガリウム）混晶，ＧａＡｌＮ（窒化ガリウムアルミニウム）混晶あるいはＩｎＡｌＧａＮ（窒化インジウムアルムニウムガリウム）混晶に代表されるＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体が注目されており、その研究開発が活発に行われている。
【０００３】
このようなＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体は、従来、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ；有機金属化学気相成長）法（ＭＯＰＶＥ（Metal Organic Vapor Phase Epitaxy ）法ともいう。）あるいはＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy；分子線エピタキシー）法を用いて基板上に成長させることにより単結晶薄膜として作製されている。
【０００４】
ＭＯＣＶＤ法は、ＩＩＩ族元素および窒素の原料ガスを化学反応させることにより得られるＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体を基板上にヘテロエピタキシャル成長させる方法であり、基板上に組成が均一な単結晶薄膜を形成することができるという利点を有している。また、基板温度（成長温度）を高く設定することができるために、転位などの格子欠陥の少ない、所謂結晶性の高い単結晶薄膜を比較的容易に作製することができるという利点も有している。
【０００５】
一方、ＭＢＥ法は、クヌーセンセルから蒸発させたＩＩＩ族元素および窒素の各粒子ビームを基板に照射して結晶を成長させる方法であるために、組成および膜厚の均一な薄膜形成が困難であることに加えて、成長時に薄膜表面からの窒素の脱離を抑制するために基板温度（成長温度）を低くしなければならず、結晶性の高い単結晶薄膜の作製が困難であるという問題があった。発光素子の発光効率は結晶性に強く依存すると言われており、現状では、実用上有効なＭＯＣＶＤ法が多用されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＭＯＣＶＤ法において使用する基板は、成長させるＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体とほぼ等しい結晶格子定数を有すると共に、耐熱性に優れている必要がある。すなわち、ＭＯＣＶＤ法を用いる場合には、使用する基板の材質や大きさに制約が生じてしまうという問題があった。
【０００７】
現在、ＭＯＣＶＤ法を用いてＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体を成長させる場合には、主に結晶性のサファイア（α−Ａｌ2 Ｏ3 ）基板が使用されている。このサファイアは、ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体、中でもＧａＮとほぼ等しい結晶格子定数を有すると共に、耐熱性に優れており、ＭＯＣＶＤ用の基板として好適な材料である。しかしながら、サファイア基板を用いる場合には、ｃ面上に成長させる必要があるため、基板の加工性や成形性に難があり、材料コストが高くなってしまっていう問題があった。
【０００８】
また、基板の全面に膜厚が均一な薄膜を形成することが困難であるために、面積の大きな基板を用いることができず（現状では、最大で８インチ程度）、生産性が低いという問題もあった。
【０００９】
更に、ＭＯＣＶＤ法を用いて作製された単結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜は、結晶中に転位などの格子欠陥を１０10ｃｍ-2程度有しており、ＬＥＤなどの発光材料として用いる場合には、電子と正孔とが再結合しても発光しない非発光再結合の割合が高くなるために発光効率を低下させてしまうという問題があった。
【００１１】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、膜質が均一であり、高い結晶性を有するＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜の形成方法、およびこのようなＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体を用いた半導体素子の製造方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明による第１のＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜の製造方法は、基板上に、ＩＩＩ族元素のうちの少なくとも１種と窒素とを含む多結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜を形成する工程と、基板上に形成された多結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜に、酸素（Ｏ）の含有比が２モル％以下であるガス雰囲気中においてパルスレーザを照射することにより、多結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜中に存在する格子欠陥を除去する工程とを含むものである。
【００１４】
本発明による第２のＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜の製造方法は、基板上に、ＩＩＩ族元素のうちの少なくとも１種と窒素とを含む単結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜を形成する工程と、基板上に形成された単結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜に、窒素（Ｎ）の含有比が９５モル％以上である気体雰囲気中においてパルスレーザを照射することにより、単結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜中に存在する格子欠陥を除去する工程とを含むものである。
【００１７】
本発明による第１の半導体素子の製造方法は、ＩＩＩ族元素のうちの少なくとも１種と窒素とを含むＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体層を備えた半導体素子の製造方法であって、基板上に、ＩＩＩ族元素のうちの少なくとも１種と窒素とを含む多結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体層を形成する工程と、基板上に形成された多結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体層に、酸素（Ｏ）の含有比が２モル％以下であるガス雰囲気中においてパルスレーザを照射することにより、多結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体層中に存在する格子欠陥を除去する工程とを含むようにしたものである。
【００１８】
本発明による第２の半導体素子の製造方法は、ＩＩＩ族元素のうちの少なくとも１種と窒素とを含むＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体層を備えた半導体素子の製造方法であって、基板上に、ＩＩＩ族元素のうちの少なくとも１種と窒素とを含む単結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体層を形成する工程と、基板上に形成された単結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体層に、窒素（Ｎ）の含有比が９５モル％以上である気体雰囲気中においてパルスレーザを照射することにより、単結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体層中に存在する格子欠陥を除去する工程とを含むようにしたものである。
【００２１】
本発明による第１のＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜の形成方法では、多結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜が形成されたのち、この多結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜に、酸素（Ｏ）の含有比が２モル％以下であるガス雰囲気中においてパルスレーザが照射される。
【００２２】
本発明による第２のＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜の形成方法では、単結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜が形成されたのち、この単結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜に、窒素（Ｎ）の含有比が９５モル％以上である気体雰囲気中においてパルスレーザが照射される。
【００２４】
本発明による第１の半導体素子の製造方法では、スパッタリング法などにより多結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体層が形成されたのち、この多結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体層に、酸素（Ｏ）の含有比が２モル％以下であるガス雰囲気中においてパルスレーザが照射される。
【００２５】
本発明による第２の半導体素子の製造方法では、エピタキシャル成長法などにより単結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体層が形成されたのち、この単結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体層に、窒素（Ｎ）の含有比が９５モル％以上である気体雰囲気中においてパルスレーザが照射される。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００２７】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係るＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜の形成方法は、例えば、ＩＩＩ族元素であるアルミニウム，ガリウム，インジウムおよびホウ素からなる群のうちの少なくとも１種と窒素とを含む多結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜を形成するものである。このようなＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体としては、例えば、ＧａＮ，ＩｎＮ，ＡｌＮ，ＢＮ，ＩｎＧａＮ混晶，ＧａＡｌＮ混晶あるいはＩｎＡｌＧａＮ混晶がある。また、このＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体は、必要に応じて、ケイ素（Ｓｉ）などのｎ型不純物またはマグネシウム（Ｍｇ）などのｐ型不純物を含む場合もある。なお、本実施の形態に係るＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜は、本実施の形態の形成方法によって具現化されるので、以下併せて説明する。
【００２８】
図１は、本実施の形態に係るＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜の形成方法において用いるスパッタ装置の概略構成を表すものである。このスパッタ（スパッタリング）装置は、例えば、ガス供給管１１とガス排気管１２とが接続されたステンレスよりなる真空チャンバ１３を備えている。真空チャンバ１３の内部には、基板１４を載置する基板ホルダ１５およびターゲット１６を取り付けるターゲット取り付け板１７が、互いに対向するようにそれぞれ配設されている。なお、ここでは、ターゲット取り付け板１７が１つ配設されている場合について図示しているが、ターゲット取り付け板１７は複数配設されていてもよい。ターゲット１６には、真空チャンバ１３の外部に配設されたＲＦ電源（図示せず）により電圧を印加することができるようになっている。また、真空チャンバ１３の内部にはヒータなどの加熱手段（図示せず）が設けられており、これにより基板１４が加熱されるようになっている。更に、真空チャンバ１３の内部には、詳細は後述するエキシマレーザ装置が具備されている。このスパッタ装置では、ガス排気管１２から真空チャンバ内のガスを排気することにより真空チャンバ内が減圧され、例えば５．０×１０-7Ｔｏｒｒ程度の真空状態となり、そののち、ガス供給管１１を介して所定のガスが供給されて真空チャンバ内がこのガスの雰囲気となる。
【００２９】
本実施の形態では、このようなスパッタ装置を用いてＲＦ（Radio Frequency ）スパッタを行い、次のようにして多結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜を形成する。
【００３０】
まず、使用目的に応じた任意の大きさ，形状および厚さを有する基板１４を用意し、基板ホルダ１５の載置面に載置する。基板１４としては、例えば、ガラス基板，セラミックス基板，窒化ガリウム基板，シリコン基板，シリコンカーバイド基板，ポリカーボネート樹脂，ポリエチレンテレフタレート樹脂，ポリエステル樹脂，エポキシ樹脂，アクリル樹脂またはＡＢＳ（Acrylonitrile-Butadiene-Styrene copolymer ）樹脂などよりなる樹脂基板、あるいは適宜の金属基板を用いることができる。
【００３１】
次に、ＧａＮなどの所定のＩＩＩ族ナイトライド化合物ターゲットを用意し、ターゲット取り付け板１７に取り付ける。ターゲットとしては、上述したＩＩＩ族ナイトライド化合物ターゲットの他に、ＩＩＩ族元素の単体ターゲットが考えられるが、ＩＩＩ族ナイトライド化合物ターゲットの方が好ましい。ＩＩＩ族ナイトライド化合物ターゲットを用いた場合の方が、ＩＩＩ族元素の単体ターゲットを用いた場合よりも化学量論組成あるいはそれに近い組成を有するＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体を安定して得ることができるためである。また、ＩＩＩ族元素としてガリウムを含むＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体を作製する場合には、単体ターゲットとしてガリウム金属ターゲットを用いると、ターゲットからスパッタされるガリウムが真空チャンバ１３の内壁に付着して拡散し、真空チャンバ１３が腐食してしまうという不都合が生じてしまう。更に、ガリウムの融点は２９．７８℃と低く、ガリウム金属ターゲットを用いると、スパッタリング時にターゲットが液状であるために、液漏れが発生しないように工夫する必要がある。これらの点からも、ＩＩＩ族ナイトライド化合物ターゲットの方が好ましい。
【００３２】
次に、ガス排気管１２を介して真空チャンバ１３内のガスを排気して、真空チャンバ１３内を所定の圧力（例えば、５．０×１０-7Ｔｏｒｒ）に達するまで減圧する。続いて、基板１４を例えば９００℃以下の所定の温度に加熱したのち、ガス供給管１１を介して真空チャンバ１３内に少なくとも窒素を含むガスを所定の圧力（例えば、１７ｍＴｏｒｒ）に達するまで供給する。ガスとしては、このガスを真空チャンバ１３中においてプラズマ化した際に、窒素を１０モル％以上含むようなものを用いることが好ましい。
【００３３】
次に、ＲＦ電源により例えば１０Ｗの投入電力でターゲット１６に電圧を印加して、真空チャンバ１３内部を窒素を含むガスのプラズマ雰囲気にすると共に、スパッタを開始させる。このようにして、基板上に所定の厚さに達するまでＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体を堆積させる。
【００３４】
このとき、成膜（堆積）速度は、１５〜２００ｎｍ／ｈｏｕｒの範囲内であることが好ましい。また、１５〜７０ｎｍ／ｈｏｕｒの範囲内であると更に好ましい。成膜速度が１５ｎｍ／ｈｏｕｒ未満であると、ＲＦ投入電力が低すぎるためにプラズマが不安定となり、得られる多結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜の組成の再現性が低下し、２００ｎｍ／ｈｏｕｒを越えると、得られる多結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜中の単位体積当たりに生じる結晶粒界や転位などの格子欠陥の数が増大し、多結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜の結晶性が低下するからである。
【００３５】
また、窒素を含むガスのプラズマは、窒素を１０モル％以上含有していることが好ましく、８０モル％以上含有していると更に好ましい。窒素の含有率が１０モル％未満であると、ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体中の窒素が欠乏してしまい、ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体が有する本来の半導体物性を発現しなくなるからである。窒素を１０モル％以上含有しているプラズマ雰囲気中においてスパッタを行うと、化学量論組成に近い透明な薄膜が得られる。なお、１００％アルゴンガスのプラズマ雰囲気中においてスパッタを行うと、化学量論組成よりもガリウムの組成比が極めて大きい黒色薄膜が得られる。この薄膜は、比抵抗が１０-4Ωｃｍ程度であり、高い導電性を有している。また、スクラッチ試験を行うと粉砕してしまう程に脆い膜である。
【００３６】
多結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜を形成したのち、図２に示したように、基板１４上の多結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜１８に対して、例えば真空チャンバ１３内に配設された図示しないエキシマレーザ装置を用いてパルスレーザＬを照射し、多結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜１８を加熱する。具体的には、例えば、酸素の含有比が２モル％以下、好ましくは０．５モル％以下であるガス雰囲気中において、２００ｍＪ／ｃｍ2 程度のエネルギー密度で照射する。これにより、結晶粒界，転位およびその他の格子欠陥の一部あるいは全部が除去され、格子欠陥の数が低減するので、多結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜１８の結晶性が向上する。なお、酸素の含有比が２モル％以下のガス雰囲気中においてレーザ照射を行うのは、ガス雰囲気中における酸素の比率が高いと、レーザ照射時に多結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜１８が酸化物微結晶を含む混晶系のＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜となってしまい、ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体が有する本来の半導体物性を発現しなくなるからである。従って、薄膜中における酸素含有比も、２モル％以下であることが好ましい。また、照射エネルギー密度を２００ｍＪ／ｃｍ2 程度とすることにより、薄膜の表面から窒素が弾き出されることを抑制することができる。
【００３７】
ちなみに、エキシマレーザとしては、例えば、ＸｅＣｌ（波長３０８ｎｍ），ＸｅＦ（波長３５１ｎｍ），ＸｅＢｒ（波長２８２ｎｍ），ＫｒＦ（波長２４８ｎｍ）あるいはＫｒＣｌ（波長２２２ｎｍ）などの紫外領域の波長を有するエキシマパルスレーザを用いることができる。
【００３８】
さて、本実施の形態に係るＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体の形成方法は、以下に説明するように半導体素子の製造方法において用いられる。
【００３９】
図３は、本実施の形態に係る形成方法を用いて製造する半導体素子としてのＬＥＤの構造を表すものであり、図３（Ａ）は電極側から見た平面構造を、図３（Ｂ）は図３（Ａ）のＸ−Ｘ線に沿った断面構造をそれぞれ示している。まず、例えば石英よりなる透明基板２１を用意し、基板ホルダ１５の載置面に載置する。次に、ＡｌＮターゲット，ｎ型不純物として例えばケイ素が混合されたＧａＮターゲットおよびｐ型不純物として例えばマグネシウムが高濃度に混合されたＧａＮターゲットを用意し、これらをターゲット取り付け板１７にそれぞれ取り付ける。
【００４０】
続いて、ガス排気管１２を介して真空チャンバ１３内のガスを排気して、真空チャンバ１３内を例えば５．０×１０-7Ｔｏｒｒの圧力に達するまで減圧する。そののち、ヒータなどの加熱手段により透明基板２１を例えば７５０〜８５０℃に加熱し、ガス供給管１１を介して真空チャンバ１３内に例えば窒素を１０モル％以上含むガスを例えば１７ｍＴｏｒｒの圧力に達するまで供給する。
【００４１】
次に、ＲＦ電源により例えば５０Ｗの投入電力でＡｌＮターゲットに電圧を印加する。これにより、真空チャンバ１３内部においては上述したガスがプラズマ化し、窒素を含むガスのプラズマ雰囲気となると共に、スパッタリングが開始され、透明基板２１上に例えば厚さ３０ｎｍの多結晶ＡｌＮよりなるバッファ層２２が形成される。
【００４２】
次に、バッファ層２２に対して、例えば真空チャンバ１３内に配設されたエキシマレーザ装置（図示せず）を用いてエキシマパルスレーザ照射を行い、バッファ層２２を加熱する。レーザ照射は、例えば、酸素の含有比が２モル％以下、好ましくは０．５モル％以下であるガス雰囲気中において、２００ｍＪ／ｃｍ2 のエネルギー密度の条件で行う。これにより、バッファ層２２中の結晶粒界，転位およびその他の格子欠陥が低減し、多結晶ＡｌＮの結晶性が向上する。
【００４３】
バッファ層２２へのレーザ照射を行ったのち、ｎ型不純物が混合されたＧａＮターゲットに電圧を印加し、バッファ層２２の上に例えば厚さ２μｍの多結晶ｎ型ＧａＮ層２３を形成する。続いて、例えばバッファ層２２の場合と同様にして、多結晶ｎ型ＧａＮ層２３に対してレーザ照射を行う。
【００４４】
更に、ｐ型不純物が混合されたＧａＮターゲットに電圧を印加し、多結晶ｎ型ＧａＮ層２３の上に例えば厚さ１００ｎｍの多結晶ｐ型ＧａＮ層２４を形成し、この多結晶ｐ型ＧａＮ層２４対してレーザ照射を行う。なお、多結晶ｐ型ＧａＮ層２４は、既に述べたようにｐ型不純物が高濃度に混合されたＧａＮターゲットを用いて形成されたものであるため、高抵抗な層となっている。
【００４５】
次に、多結晶ｐ型ＧａＮ層２４の上に、ｎ側電極２５の形成位置に対応してストライプ形状のレジストパターン（図示せず）を形成する。そののち、このレジストパターンをマスクとして、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ；Reactive Ion Etching）法により多結晶ｐ型ＧａＮ層２４を選択的に除去し、多結晶ｎ型ＧａＮ層２３を露出させる。
【００４６】
次に、レジストパターンを除去し、多結晶ｐ型ＧａＮ層２４の上に、例えば、ニッケル（Ｎｉ）層，白金（Ｐｔ）層および金（Ａｕ）層を順次蒸着し、多結晶ｐ型ＧａＮ層２４上のほぼ全面にｐ側電極２６を形成する。ｐ側電極２６を多結晶ｐ型ＧａＮ層２４上のほぼ全面に形成することにより、多結晶ｐ型ＧａＮ層２４とｐ側電極２６との接触面積が大きくなり、その結果、電極通電時の順方向電圧が低下し、多結晶ｐ型ＧａＮ層２４のほぼ全面より発光が得られる。更に、露出させた多結晶ｎ型ＧａＮ層２３の上に、例えば、チタン（Ｔｉ）層，アルミニウム層，白金層および金層を順次蒸着してｎ側電極２５を形成する。そののち、加熱処理を行いｎ側電極２５およびｐ側電極２６をそれぞれ合金化する。これにより、図３（Ａ），（Ｂ）に示したＬＥＤを完成させる。
【００４７】
このようにして製造されるＬＥＤでは、ｎ側電極２５とｐ側電極２６との間に所定の電圧が印加すると、多結晶ｐ型ＧａＮ層２４に電流が注入され、電子−正孔再結合により発光が起こる。ここでは、多結晶ｎ型ＧａＮ層２３および多結晶ｐ型ＧａＮ層２４が高い結晶性を有しているので、これらの層におけるキャリア移動度が高くなっており、比抵抗が小さい。従って、高い発光効率が得られる。
【００４８】
このように本実施の形態に係るＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜の形成方法によれば、スパッタリングにより多結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜を形成するようにしたので、膜厚および組成（すなわち、膜質）の均一性に優れた多結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜を得ることができる。また、薄膜形成時の温度を３０〜７００℃とすることができるので、エピタキシャル成長法により薄膜を形成する場合のように耐熱性に優れた基板を用いなくてもよい。従って、任意の材質の基板上に形成できると共に、面積の大きな基板上に形成できるため、製造コストが低減する。
【００４９】
更に、本実施の形態に係るＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜の形成方法によれば、多結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜にパルスレーザを照射し、薄膜中に存在する格子欠陥を除去するようにしたので、結晶性が向上した薄膜を得られる。その結果、比抵抗が小さくなり、キャリア移動度が高まる。
【００５０】
また、本実施の形態の多結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜を用いてＬＥＤなどの半導体発光素子を製造すれば、格子欠陥などに起因する電子と正孔とが再結合しても発光しない非発光再結合の割合を低くすることができ、発光効率を向上させることができる。また、半導体発光素子の長寿命化を図ることができる。更に、発光強度が増大させることができる。
【００５１】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係るＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜の形成方法は、例えば、ＩＩＩ族元素であるアルミニウム，ガリウム，インジウムおよびホウ素からなる群のうちの少なくとも１種と窒素とを含む単結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜をヘテロエピタキシャル成長法としてのＭＯＶＰＥ法を用いて形成するものである。ここでは、単結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜として単結晶ｎ型ＧａＮ薄膜を例に挙げて説明する。
【００５２】
本実施の形態では、まず、例えば、洗浄を行ったｃ面サファイアよりなる透明基板をＭＯＶＰＥ装置内に搬送し、常圧において２リットル／分の流量で水素（Ｈ2 ）ガスを装置内に供給しながら、サファイア基板を基板温度１０５０℃で気相エッチングする。これにより、透明基板最表面の結晶性に劣る酸化物層が除去され、その上に良好なエピタキシャル成長させることが可能となる。
【００５３】
次に、透明基板の温度を例えば４００℃にしたのち、例えば、キャリアガスとしての水素ガスを２０リットル／分、窒素の原料としてのアンモニア（ＮＨ3 ）ガスを１０リットル／分、アルミニウムの原料としてのトリメチルアルミニウム（（ＣＨ3 ）3 Ａｌ）を１．８×１０-5モル／分の速さでＭＯＶＰＥ装置内にそれぞれ供給して、透明基板上に、例えば、厚さ０．０５μｍの単結晶ＡｌＮよりなるバッファ層を形成する。
【００５４】
続いて、透明基板の温度を例えば１０００℃にしたのち、基板温度を保持しつつ、例えば、水素ガスを２０リットル／分、アンモニアガスを１０リットル／分、ガリウムの原料としてのトリメチルガリウム（（ＣＨ3 ）3 Ｇａ）を１．８×１０-4モル／分、水素ガスにより０．８８ｐｐｍに希釈されたｎ型不純物の原料としてのシラン（ＳｉＨ4 ）ガスを２００ミリリットル／分の速さで装置内にそれぞれ３０分間供給し、バッファ層上に、例えば、膜厚２．２μｍ、キャリア濃度７．８×１０18ｃｍ-3の単結晶ｎ型ＧａＮ薄膜を形成する。
【００５５】
次に、得られた単結晶ｎ型ＧａＮ薄膜に対して、例えばエキシマレーザ装置を用いてレーザ照射を行い、薄膜を加熱する。具体的には、例えば、窒素の含有比が９５モル％以上、好ましくは９９モル％以上であるガス雰囲気中において、１００ｍＪ／ｃｍ2 のエネルギー密度で行う。これにより、転位およびその他の格子欠陥の一部あるいは全部が除去され、格子欠陥の数が低減するので、単結晶ｎ型ＧａＮ薄膜の結晶性が向上する。ここで、窒素の含有比が９５モル％以上のガス雰囲気中においてレーザ照射を行うのは、薄膜中における窒素含有率が低いと、薄膜の表面近傍において窒素が欠乏してしまい、結晶性が低下すると共に、比抵抗が急激に増大するからである。また、エネルギー密度を１００ｍＪ／ｃｍ2 程度とすることにより、薄膜の表面から窒素が弾き出されることを抑制することができる。
【００５６】
なお、このようにして得られた単結晶ｎ型ＧａＮ薄膜およびエキシマレーザを照射する前の単結晶ｎ型ＧａＮ薄膜の各発光特性を調べると、レーザ照射後の薄膜は、照射前よりも発光強度が増大する。その理由は、薄膜中の格子欠陥が低減し、格子欠陥に起因する非発光再結合の中心となり得るエネルギートラップが減少するためであると考えられる。
【００５７】
ちなみに、本実施の形態に係るＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜の形成方法も、第１の実施の形態と同様にＬＥＤなどの半導体素子の製造方法において用いることができる。
【００５８】
このように本実施の形態に係るＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜の形成方法によれば、単結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜にレーザを照射し、薄膜中に存在する格子欠陥を除去するようにしたので、結晶性が向上した薄膜を得られる。その結果、比抵抗が小さくなり、キャリア移動度が高まる。
【００５９】
また、本実施の形態の単結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜を用いてＬＥＤなどの半導体発光素子を製造すれば、格子欠陥などに起因する電子と正孔とが再結合しても発光しない非発光再結合の割合を低くすることができ、発光効率を向上させることができる。また、半導体発光素子の長寿命化を図ることができる。更に、発光強度が増大させることができる。
【００６０】
【実施例】
更に、本発明の具体的な実施例について詳細に説明する。
【００６１】
（実施例１）
まず、縦１２５ｍｍ，横１２５ｍｍおよび高さ１ｍｍの寸法の透光性を有する合成石英よりなる透明基板を用意し、中性洗剤で洗浄したのち、水洗し、更に有機溶剤を用いて超音波洗浄を行った。
【００６２】
次に、図１に示したスパッタ装置と同様のスパッタ装置の基板ホルダ１５に透明基板を装着した。続いて、直径３インチ，厚さ５ｍｍの円板形状のＧａＮターゲットを用意し、ターゲット取り付け板１７に取り付けた。このとき、透明基板とＧａＮターゲットとの距離を１５０ｍｍとした。
【００６３】
次に、ガス排気管１２を介して真空チャンバ１３内のガスを排気して、真空チャンバ１３内を５．０×１０-7Ｔｏｒｒの圧力に達するまで減圧し、透明基板を８５０℃に加熱したのち、ガス供給管１１を介して真空チャンバ１３内に窒素ガス（窒素含有比１００モル％のガス）を１００ｓｃｃｍの流量で１７ｍＴｏｒｒの圧力に達するまで供給した。
【００６４】
次に、ＲＦ電源により１０Ｗの投入電力でターゲット１６に電圧を印加した。これにより、真空チャンバ１３内部が窒素ガスのプラズマ雰囲気となり、スパッタリングが開始された。そののち、３９０分間スパッタを行い、膜厚が０．１μｍ（すなわち、成膜速度は１５．４ｎｍ／ｈｏｕｒ）のＧａＮ薄膜を得た。なお、基板温度は、スパッタリング中、８５０℃を維持した。
【００６５】
（実施例２）
ＲＦ投入電力を２０Ｗとして、１８０分間スパッタリングを行ったことを除き、他は実施例１と同様にして膜厚が０．１μｍ（すなわち、成膜速度は３３．３ｎｍ／ｈｏｕｒ）のＧａＮ薄膜を得た。
【００６６】
（実施例３）
ＲＦ投入電力を３０Ｗとして、１２０分間スパッタリングを行ったことを除き、他は実施例１と同様にして膜厚が０．１μｍ（すなわち、成膜速度は５０ｎｍ／ｈｏｕｒ）のＧａＮ薄膜を得た。
【００６７】
（実施例４）
ＲＦ投入電力を５０Ｗとして、６０分間スパッタリングを行ったことを除き、他は実施例１と同様にして膜厚が０．１μｍ（すなわち、成膜速度は１００ｎｍ／ｈｏｕｒ）のＧａＮ薄膜を得た。
【００６８】
（実施例５）
スパッタリング時の基板温度を７５０℃としたことを除き、他は実施例２と同様にして膜厚が０．１μｍのＧａＮ薄膜を得た。
【００６９】
（実施例６）
スパッタリング時の基板温度を６００℃としたことを除き、他は実施例２と同様にして膜厚が０．１μｍの多結晶ＧａＮ薄膜を得た。
【００７０】
（実施例７）
ＧａＮターゲットに代えて、ガリウムとインジウムとの含有比（モル比）がＧａ：Ｉｎ＝９：１であるＩｎＧａＮターゲットを用いたことを除き、他は実施例１と同様にして膜厚が０．１μｍのＩｎＧａＮ薄膜を得た。
【００７１】
（実施例８）
ＧａＮターゲットに代えて、ガリウムとアルミニウムとの含有比（モル比）がＧａ：Ａｌ＝９：１であるＧａＡｌＮターゲットを用いたことを除き、他は実施例１と同様にして膜厚が０．１μｍのＧａＡｌＮ薄膜を得た。
【００７２】
（実施例９）
窒素ガスに代えて、窒素の含有比が１０モル％である窒素とアルゴン（Ａｒ）との混合ガスを真空チャンバ内に供給したことを除き、他は実施例１と同様にして膜厚が０．１μｍのＧａＮ薄膜を得た。
【００７３】
（実施例１０）
窒素ガスに代えて、窒素の含有比が５０モル％である窒素とアルゴンとの混合ガスを真空チャンバ内に供給したことを除き、他は実施例１と同様にして膜厚が０．１μｍのＧａＮ薄膜を得た。
【００７４】
なお、実施例１〜４に対する比較例として、以下に述べる比較例１〜４の薄膜を形成した。
【００７５】
（比較例１）
ＲＦ投入電力を１００Ｗとして、３０分間スパッタを行ったことを除き、他は実施例１と同様にして膜厚が０．１μｍ（すなわち、成膜速度は２００ｎｍ／ｈｏｕｒ）のＧａＮ薄膜を形成した。
【００７６】
（比較例２）
ＲＦ投入電力を２００Ｗとして、１５分間スパッタを行ったことを除き、他は実施例１と同様にして膜厚が０．１μｍ（すなわち、成膜速度は４００ｎｍ／ｈｏｕｒ）のＧａＮ薄膜を形成した。
【００７７】
（比較例３）
ＧａＮターゲットに代えて、ガリウム金属ターゲットを用いて反応性スパッタを行ったことを除き、他は実施例１と同様にして膜厚が０．１μｍのＧａＮ薄膜を形成した。
【００７８】
（比較例４）
窒素ガスに代えて、アルゴンガス（アルゴン含有比１００モル％のガス）を真空チャンバ内に供給したことを除き、他は実施例１と同様にして膜厚が０．１μｍのＧａＮ薄膜を形成した。
【００７９】
このようにして得られた実施例１〜１０および比較例１〜４の各薄膜について、以下に説明するように、ラザフォード後方散乱（以下、ＲＢＳ（Rutherford Back Scattering）という。）法による組成分析，カソードルミネッセンス（以下、ＣＬ（Cathodeluminescence ）という。）測定による発光特性評価およびホール効果測定による電気特性評価を行った。
【００８０】
ＲＢＳ法による測定は、２．２７５ＭｅＶに加速されたＨｅ++を各薄膜に照射して行った。測定条件は、ビーム入射角度を０°、垂直検出器角度を１６０°、傾斜検出器角度を約１１０°または約１００°として行った。得られた結果を図４に示す。
【００８１】
図４からも分かるように、実施例１〜６，実施例９および実施例１０のＧａＮ薄膜は、いずれも酸素を含まず、ガリウムおよび窒素により構成されたものであることが確認された。また、これらの薄膜について、Ｘ線回折（ＸＲＤ；X-ray Diffraction ）測定および透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ；Transmission Electron Microscope）による顕微鏡観察を行ったところ、いずれも多結晶構造を有していることが確認された。また、実施例７のＩｎＧａＮ薄膜についても、酸素を含まず、ガリウム，インジウムおよび窒素により構成されたものであり、多結晶構造を有していることが確認された。更に、実施例８のＧａＡｌＮ薄膜についても、酸素を含まず、ガリウム，アルミニウムおよび窒素により構成されたものであり、多結晶構造を有していることが確認された。一方、比較例１〜３の各薄膜は、多結晶構造を有しているものの、酸素を４〜６モル％含んでおり、酸化物などが混入していることが確認された。また、比較例４については、ＧａＮが生成されているものの、窒素が９モル％しか含まれいないことが確認された。更に、Ｘ線回折測定により、比較例４においては、ガリウム金属が主成分の薄膜となっていることが分かった。
【００８２】
ＣＬ測定は、４ｋＶの加速電圧（アノード電圧）で電子線を加速させ、スペクトルサンプリング時間を１ｓｅｃとして行った。また、光学検出器にはフォトダイオードアレイを用いた。なお、アノード電流は５μＡとした。実施例１の多結晶ＧａＮ薄膜について得られたＣＬ発光スペクトルを図５に示す。図５において、縦軸は発光強度を表し、横軸は波長（単位；ｎｍ）を表している。また、各実施例および比較例の薄膜について得られたＣＬ発光スペクトルのピーク波長を図４に示す。
【００８３】
図５からも分かるように、実施例１の多結晶ＧａＮ薄膜では、禁制遷移発光に起因すると考えられる波長約３８０ｎｍにＣＬ発光強度のピークが認められた。すなわち、この多結晶ＧａＮ薄膜は、発光材料特性を有していることが確認された。また、図４からも分かるように、実施例２〜５の多結晶ＧａＮ薄膜および実施例８の多結晶ＡｌＧａＮ薄膜についても、波長３８０ｎｍあるいは３８１ｎｍにＣＬ発光強度のピークが認められた。更に、実施例７の多結晶ＧａＩｎＮ薄膜では、ＧａＮとＩｎＮとの禁制遷移発光の重畳スペクトルであると考えられる波長４３１ｎｍにＣＬ発光スペクトルのピークが認められ、発光材料特性を有していることが確認された。しかしながら、実施例６，実施例９および実施例１０の多結晶ＧａＮ薄膜についてはＣＬ強度のピークが認められず、発光材料特性を有していないことが分かった。また、比較例１〜４の各薄膜についてもＣＬ発光スペクトルが認められず、発光材料特性を有していないことが分かった。
【００８４】
ホール効果測定は、測定装置としてＨＬ５５００Ｃ（日本バイオラッドラボラトリーズ社製）を用いて行った。得られた結果を図４に示す。なお、キャリア濃度については、キャリアの種類（電子および正孔）を明示するために、電子（ｎ型）の場合には−符号を、正孔（ｐ型）の前には＋符号を測定値の前につけて示した。
【００８５】
図４からも分かるように、実施例１〜５の多結晶ＧａＮ薄膜は、いずれも比抵抗が１０〜２５Ωｃｍの範囲内であると共に、キャリア濃度が−１．０×１０17ｃｍ-3のオーダーであり、ｎ型半導体特性を有していることが確認された。また、実施例７の多結晶ＩｎＧａＮ薄膜および実施例８の多結晶ＡｌＧａＮ薄膜についても、比抵抗が１０〜２５Ωｃｍの範囲内であると共に、キャリア濃度が−１．０×１０17ｃｍ-3のオーダーであり、ｎ型半導体特性を有していることが確認された。しかしながら、実施例６，実施例９および実施例１０の多結晶ＧａＮ薄膜の比抵抗はいずれも測定限界以上であると共に、キャリア濃度はいずれも測定検出限界以下であり、高い電気絶縁性を有する、半導体特性を発現しないものであることが分かった。また、比較例１〜４の各薄膜についても、比抵抗はいずれも測定限界以上であると共に、キャリア濃度はいずれも測定検出限界以下であり、高い電気絶縁性を有する、半導体特性を発現しないものであることが分かった。
【００８６】
（実施例１１）
合成石英製の透明基板に代えて、透光性を有する無アルカリガラス製の基板を用いたことを除き、他は実施例６と同様にして多結晶ＧａＮ薄膜を形成したのち、得られた多結晶ＧａＮ薄膜に対して、真空チャンバ１３内に配設されたＸｅＣｌエキシマレーザ装置（図示せず）を用いて２００ｍＪ／ｃｍ2 のエネルギー密度でパルスレーザを照射した。このとき、真空チャンバ１３内の圧力を７６０Ｔｏｒｒに調節し、窒素ガス雰囲気とした。また、パルスレーザビームについては、エネルギー６７０ｍＪ、周波数２００Ｈｚ、パルス幅２５ｎｓ、ビームサイズ１５０×０．３５ｍｍ2 、オーバーラップ領域長０．０３５ｍｍとした。なお、透明基板の温度は２５℃とした。
【００８７】
（比較例５〜６）
実施例１１に対する比較例５として、ＸｅＣｌエキシマレーザに代えて、Ｈｅ−Ｎｅレーザ（波長６３３ｎｍ）を用いたことを除き、他は実施例１１と同様にしてレーザ照射を行った。また、比較例６として、ＸｅＣｌエキシマレーザに代えて、Ｈｇ−Ｘｅ紫外線ランプ（メインピーク３６０ｎｍ）を用いたことを除き、他は実施例１１と同様にして紫外線照射を行った。
【００８８】
このようにして得られた実施例１１，比較例５および比較例６の各薄膜について、実施例１〜１０と同様にしてＣＬ測定による発光特性評価およびホール効果測定による電気特性評価を行った。なお、実施例１１に薄膜においては、レーザ照射前の状態のものについても各評価を行った。それらの結果を図６に示す。
【００８９】
図６からも分かるように、実施例１１のエキシマレーザ照射後の薄膜については、波長約３８０ｎｍにＣＬ発光スペクトルのピークが認められ、発光材料特性を有していることが確認された。また、比抵抗が１．３Ωｃｍであると共に、キャリア移動度が１０ｃｍ2 Ｖ-1ｓ-1キャリア濃度が−６．８×１０17ｃｍ-3であり、ｎ型半導体特性を有していることが確認された。しかしながら、実施例１１のエキシマレーザ照射前の薄膜，比較例５および比較例６の各薄膜の比抵抗，キャリア移動度およびキャリア濃度はいずれも測定限界を超えていた。これらの結果から、得られた多結晶ＧａＮ薄膜にエキシマレーザを照射すると、照射前には半導体特性を発現しなかったものであっても、半導体特性を発現するようになり、ＬＥＤなどの半導体発光素子を製造する際に利用できるようになるものもあることが分かった。
【００９０】
（実施例１２）
本実施例では、まず、縦２０ｍｍ，横２０ｍｍおよび高さ１ｍｍの寸法であり、表面に結晶格子ｃ面を露出させたサファイア基板を用意し、中性洗剤で洗浄したのち、水洗し、更に有機溶剤を用いて超音波洗浄を行った。
【００９１】
次に、洗浄したサファイア基板をＭＯＶＰＥ装置内に搬送し、常圧において２リットル／分の流量で水素を装置内に供給しながら、サファイア基板を基板温度１０５０℃で気相エッチングした。
【００９２】
次に、サファイア基板の温度を４００℃にしたのち、水素ガスを２０リットル／分、アンモニアガスを１０リットル／分、トリメチルアルミニウムを１．８×１０-5モル／分の速さで装置内にそれぞれ供給し、サファイア基板上に厚さ０．０５μｍの単結晶ＡｌＮよりなるバッファ層を形成した。
【００９３】
続いて、サファイア基板の温度を１０００℃にしたのち、基板温度を保持しつつ、水素ガスを２０リットル／分、アンモニアガスを１０リットル／分、トリメチルガリウムを１．８×１０-4モル／分、水素ガスにより０．８８ｐｐｍに希釈されたシランガスを２００ミリリットル／分の速さで装置内にそれぞれ３０分間供給し、バッファ層上に膜厚２．２μｍ、キャリア濃度７．８×１０18ｃｍ-3の単結晶ｎ型ＧａＮ薄膜を形成した。
【００９４】
更に、得られた単結晶ｎ型ＧａＮ薄膜に対して、ＭＯＶＰＥ装置内に配設されたＸｅＣｌエキシマレーザ装置を用いて、実施例１１と同様の条件でパルスレーザビームを照射した。
【００９５】
（比較例７〜８）
実施例１２に対する比較例７として、ＸｅＣｌエキシマレーザに代えて、Ｈｅ−Ｎｅレーザを用いたことを除き、他は実施例１２と同様にして単結晶ｎ型ＧａＮ薄膜を形成したのちにレーザ照射を行った。また、比較例８として、ＸｅＣｌエキシマレーザに代えて、Ｈｇ−Ｘｅ紫外線ランプを用いたことを除き、他は実施例１２と同様にして単結晶ｎ型ＧａＮ薄膜を形成したのちに紫外線照射を行った。
【００９６】
このようにして得られた実施例１２，比較例７および比較例８の各薄膜について、実施例１〜１０と同様にしてＣＬ測定による発光特性評価およびホール効果測定による電気特性評価を行った。なお、実施例１２に薄膜においては、レーザ照射前の状態のものについても各評価を行った。それらの結果を図７に示す。
【００９７】
図７からも分かるように、実施例１２のエキシマレーザ照射前，実施例１２のエキシマレーザ照射後，比較例７および比較例８の各薄膜では、波長３６７ｎｍにＣＬ発光スペクトルのピークが認められ、いずれも発光材料特性を有していることが確認されたが、エキシマレーザ照射後は発光強度が照射前の１．８倍であった。これは、エキシマレーザを照射することにより薄膜中の格子欠陥が低減し、格子欠陥に起因する非発光再結合の中心となり得るエネルギートラップが減少するためであると考えられる。また、エキシマレーザを照射すると、キャリア移動度が２倍以上になり、キャリア濃度が約４分の１に低下する。これらの電気特性評価の結果からも窒素欠損のような格子欠陥が低減することが示唆され、良好なｎ型半導体特性を有するようになることが確認された。これらの結果から、得られた単結晶ＧａＮ薄膜にエキシマレーザを照射すると、良好な半導体特性を発現するようになり、ＬＥＤなどの半導体発光素子を製造する際に利用できるようになるものもあることが分かった。
【００９８】
以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記各実施の形態および各実施例に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、上記第１の実施の形態では、ＲＦスパッタリング法により多結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜を形成するようにしたが、ＲＦマグネトロンスパッタリング法，対向ターゲットスパッタリング法，電子サイクロトロン共鳴スパッタリング法，ＤＣ（Direct Current）スパッタリング法あるいはＤＣマグネトロンスパッタリング法などの方法により形成するようにしてもよい。
【００９９】
また、上記第２の実施の形態では、単結晶ｎ型ＧａＮ薄膜を例に挙げて単結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体の形成方法について説明したが、本発明は、ＩｎＮ，ＢＮ，ＩｎＧａＮ混晶，ＧａＡｌＮ混晶あるいはＩｎＡｌＧａＮ混晶などの他の単結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体を形成する場合にも広く適用することができる。また、マグネシウムなどのｐ型不純物を含む場合にも適用することができる。なお、インジウムの原料としては例えばトリメチルインジウム（（ＣＨ3 ）3 Ｉｎ）を、ホウ素の原料としては例えばトリエチルボロン（（Ｃ2 Ｈ5 ）3 Ｂ）をそれぞれ用いることができる。また、ｐ型不純物として例えばマグネシウムを添加する場合にはビス＝シクロペンタジエニルマグネシウム（（Ｃ5 Ｈ5 ）2 Ｍｇ）を用いることができる。
【０１００】
更に、上記各実施の形態では、半導体素子の一例として具体的なＬＥＤを挙げてその製造方法を説明したが、本発明は他の構成を有するＬＥＤを製造する場合にも同様に適用することができる。また、本発明はレーザダイオードなどの他の半導体発光素子を製造する場合、およびトランジスタなどの半導体発光素子以外の半導体素子を製造する場合にも広く適用することができる。
【０１０２】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載のＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜の形成方法によれば、ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜にパルスレーザを照射し、薄膜中に存在する格子欠陥を除去するようにしたので、ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜の結晶性を向上させることができるという効果を奏する。
【０１０３】
また、請求項９または請求項１０記載の半導体素子の製造方法によれば、本発明のＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜の形成方法を用いるようにしたので、ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体層の結晶性を向上させることができ、半導体素子の性能を向上させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜の形成方法に用いるスパッタ装置の概略構成を表す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係るＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜の形成方法の一工程を説明するための断面図である。
【図３】（Ａ）は本発明の第１の実施の形態に係るＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜の形成方法を用いて製造するＬＥＤの構成を表す平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＸ−Ｘ線に沿った断面図である。
【図４】本発明の実施例１〜１０および比較例１〜４に係る測定結果を表す図である。
【図５】本発明の実施例１に係るＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜のＣＬ発光スペクトルを表す特性図である。
【図６】本発明の実施例１１および比較例５〜６に係る測定結果を表す図である。
【図７】本発明の実施例１２および比較例７〜８に係る測定結果を表す図である。
【符号の説明】
１１…ガス供給管、１２…ガス排出管、１３…真空チャンバ、１４…基板、１５…基板ホルダ、１６…ターゲット、１７…ターゲット取り付け板、１８…多結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜、２１…透明基板、２２…バッファ層、２３…多結晶ｎ型ＧａＮ層、２４…多結晶ｐ型ＧａＮ層、２５…ｎ側電極、２６…ｐ側電極、Ｌ…パルスレーザ
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミニウム（Ａｌ），ガリウム（Ｇａ），インジウム（Ｉｎ）またはホウ素（Ｂ）などのＩＩＩ族元素と窒素（Ｎ）とを含むＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜の形成方法、およびこのようなＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜を有する半導体素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、青色発光ダイオード（ＬＥＤ；Light Emitting Diode）や青色レーザダイオード（ＬＤ；Laser Diode ）などの発光素子に使用される実用的な半導体材料として、ＧａＮ（窒化ガリウム），ＩｎＧａＮ（窒化インジウムガリウム）混晶，ＧａＡｌＮ（窒化ガリウムアルミニウム）混晶あるいはＩｎＡｌＧａＮ（窒化インジウムアルムニウムガリウム）混晶に代表されるＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体が注目されており、その研究開発が活発に行われている。
【０００３】
このようなＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体は、従来、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ；有機金属化学気相成長）法（ＭＯＰＶＥ（Metal Organic Vapor Phase Epitaxy ）法ともいう。）あるいはＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy；分子線エピタキシー）法を用いて基板上に成長させることにより単結晶薄膜として作製されている。
【０００４】
ＭＯＣＶＤ法は、ＩＩＩ族元素および窒素の原料ガスを化学反応させることにより得られるＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体を基板上にヘテロエピタキシャル成長させる方法であり、基板上に組成が均一な単結晶薄膜を形成することができるという利点を有している。また、基板温度（成長温度）を高く設定することができるために、転位などの格子欠陥の少ない、所謂結晶性の高い単結晶薄膜を比較的容易に作製することができるという利点も有している。
【０００５】
一方、ＭＢＥ法は、クヌーセンセルから蒸発させたＩＩＩ族元素および窒素の各粒子ビームを基板に照射して結晶を成長させる方法であるために、組成および膜厚の均一な薄膜形成が困難であることに加えて、成長時に薄膜表面からの窒素の脱離を抑制するために基板温度（成長温度）を低くしなければならず、結晶性の高い単結晶薄膜の作製が困難であるという問題があった。発光素子の発光効率は結晶性に強く依存すると言われており、現状では、実用上有効なＭＯＣＶＤ法が多用されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＭＯＣＶＤ法において使用する基板は、成長させるＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体とほぼ等しい結晶格子定数を有すると共に、耐熱性に優れている必要がある。すなわち、ＭＯＣＶＤ法を用いる場合には、使用する基板の材質や大きさに制約が生じてしまうという問題があった。
【０００７】
現在、ＭＯＣＶＤ法を用いてＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体を成長させる場合には、主に結晶性のサファイア（α−Ａｌ2 Ｏ3 ）基板が使用されている。このサファイアは、ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体、中でもＧａＮとほぼ等しい結晶格子定数を有すると共に、耐熱性に優れており、ＭＯＣＶＤ用の基板として好適な材料である。しかしながら、サファイア基板を用いる場合には、ｃ面上に成長させる必要があるため、基板の加工性や成形性に難があり、材料コストが高くなってしまっていう問題があった。
【０００８】
また、基板の全面に膜厚が均一な薄膜を形成することが困難であるために、面積の大きな基板を用いることができず（現状では、最大で８インチ程度）、生産性が低いという問題もあった。
【０００９】
更に、ＭＯＣＶＤ法を用いて作製された単結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜は、結晶中に転位などの格子欠陥を１０10ｃｍ-2程度有しており、ＬＥＤなどの発光材料として用いる場合には、電子と正孔とが再結合しても発光しない非発光再結合の割合が高くなるために発光効率を低下させてしまうという問題があった。
【００１１】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、膜質が均一であり、高い結晶性を有するＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜の形成方法、およびこのようなＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体を用いた半導体素子の製造方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明による第１のＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜の製造方法は、基板上に、ＩＩＩ族元素のうちの少なくとも１種と窒素とを含む多結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜を形成する工程と、基板上に形成された多結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜に、酸素（Ｏ）の含有比が２モル％以下であるガス雰囲気中においてパルスレーザを照射することにより、多結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜中に存在する格子欠陥を除去する工程とを含むものである。
【００１４】
本発明による第２のＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜の製造方法は、基板上に、ＩＩＩ族元素のうちの少なくとも１種と窒素とを含む単結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜を形成する工程と、基板上に形成された単結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜に、窒素（Ｎ）の含有比が９５モル％以上である気体雰囲気中においてパルスレーザを照射することにより、単結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜中に存在する格子欠陥を除去する工程とを含むものである。
【００１７】
本発明による第１の半導体素子の製造方法は、ＩＩＩ族元素のうちの少なくとも１種と窒素とを含むＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体層を備えた半導体素子の製造方法であって、基板上に、ＩＩＩ族元素のうちの少なくとも１種と窒素とを含む多結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体層を形成する工程と、基板上に形成された多結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体層に、酸素（Ｏ）の含有比が２モル％以下であるガス雰囲気中においてパルスレーザを照射することにより、多結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体層中に存在する格子欠陥を除去する工程とを含むようにしたものである。
【００１８】
本発明による第２の半導体素子の製造方法は、ＩＩＩ族元素のうちの少なくとも１種と窒素とを含むＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体層を備えた半導体素子の製造方法であって、基板上に、ＩＩＩ族元素のうちの少なくとも１種と窒素とを含む単結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体層を形成する工程と、基板上に形成された単結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体層に、窒素（Ｎ）の含有比が９５モル％以上である気体雰囲気中においてパルスレーザを照射することにより、単結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体層中に存在する格子欠陥を除去する工程とを含むようにしたものである。
【００２１】
本発明による第１のＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜の形成方法では、多結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜が形成されたのち、この多結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜に、酸素（Ｏ）の含有比が２モル％以下であるガス雰囲気中においてパルスレーザが照射される。
【００２２】
本発明による第２のＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜の形成方法では、単結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜が形成されたのち、この単結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜に、窒素（Ｎ）の含有比が９５モル％以上である気体雰囲気中においてパルスレーザが照射される。
【００２４】
本発明による第１の半導体素子の製造方法では、スパッタリング法などにより多結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体層が形成されたのち、この多結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体層に、酸素（Ｏ）の含有比が２モル％以下であるガス雰囲気中においてパルスレーザが照射される。
【００２５】
本発明による第２の半導体素子の製造方法では、エピタキシャル成長法などにより単結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体層が形成されたのち、この単結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体層に、窒素（Ｎ）の含有比が９５モル％以上である気体雰囲気中においてパルスレーザが照射される。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００２７】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係るＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜の形成方法は、例えば、ＩＩＩ族元素であるアルミニウム，ガリウム，インジウムおよびホウ素からなる群のうちの少なくとも１種と窒素とを含む多結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜を形成するものである。このようなＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体としては、例えば、ＧａＮ，ＩｎＮ，ＡｌＮ，ＢＮ，ＩｎＧａＮ混晶，ＧａＡｌＮ混晶あるいはＩｎＡｌＧａＮ混晶がある。また、このＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体は、必要に応じて、ケイ素（Ｓｉ）などのｎ型不純物またはマグネシウム（Ｍｇ）などのｐ型不純物を含む場合もある。なお、本実施の形態に係るＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜は、本実施の形態の形成方法によって具現化されるので、以下併せて説明する。
【００２８】
図１は、本実施の形態に係るＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜の形成方法において用いるスパッタ装置の概略構成を表すものである。このスパッタ（スパッタリング）装置は、例えば、ガス供給管１１とガス排気管１２とが接続されたステンレスよりなる真空チャンバ１３を備えている。真空チャンバ１３の内部には、基板１４を載置する基板ホルダ１５およびターゲット１６を取り付けるターゲット取り付け板１７が、互いに対向するようにそれぞれ配設されている。なお、ここでは、ターゲット取り付け板１７が１つ配設されている場合について図示しているが、ターゲット取り付け板１７は複数配設されていてもよい。ターゲット１６には、真空チャンバ１３の外部に配設されたＲＦ電源（図示せず）により電圧を印加することができるようになっている。また、真空チャンバ１３の内部にはヒータなどの加熱手段（図示せず）が設けられており、これにより基板１４が加熱されるようになっている。更に、真空チャンバ１３の内部には、詳細は後述するエキシマレーザ装置が具備されている。このスパッタ装置では、ガス排気管１２から真空チャンバ内のガスを排気することにより真空チャンバ内が減圧され、例えば５．０×１０-7Ｔｏｒｒ程度の真空状態となり、そののち、ガス供給管１１を介して所定のガスが供給されて真空チャンバ内がこのガスの雰囲気となる。
【００２９】
本実施の形態では、このようなスパッタ装置を用いてＲＦ（Radio Frequency ）スパッタを行い、次のようにして多結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜を形成する。
【００３０】
まず、使用目的に応じた任意の大きさ，形状および厚さを有する基板１４を用意し、基板ホルダ１５の載置面に載置する。基板１４としては、例えば、ガラス基板，セラミックス基板，窒化ガリウム基板，シリコン基板，シリコンカーバイド基板，ポリカーボネート樹脂，ポリエチレンテレフタレート樹脂，ポリエステル樹脂，エポキシ樹脂，アクリル樹脂またはＡＢＳ（Acrylonitrile-Butadiene-Styrene copolymer ）樹脂などよりなる樹脂基板、あるいは適宜の金属基板を用いることができる。
【００３１】
次に、ＧａＮなどの所定のＩＩＩ族ナイトライド化合物ターゲットを用意し、ターゲット取り付け板１７に取り付ける。ターゲットとしては、上述したＩＩＩ族ナイトライド化合物ターゲットの他に、ＩＩＩ族元素の単体ターゲットが考えられるが、ＩＩＩ族ナイトライド化合物ターゲットの方が好ましい。ＩＩＩ族ナイトライド化合物ターゲットを用いた場合の方が、ＩＩＩ族元素の単体ターゲットを用いた場合よりも化学量論組成あるいはそれに近い組成を有するＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体を安定して得ることができるためである。また、ＩＩＩ族元素としてガリウムを含むＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体を作製する場合には、単体ターゲットとしてガリウム金属ターゲットを用いると、ターゲットからスパッタされるガリウムが真空チャンバ１３の内壁に付着して拡散し、真空チャンバ１３が腐食してしまうという不都合が生じてしまう。更に、ガリウムの融点は２９．７８℃と低く、ガリウム金属ターゲットを用いると、スパッタリング時にターゲットが液状であるために、液漏れが発生しないように工夫する必要がある。これらの点からも、ＩＩＩ族ナイトライド化合物ターゲットの方が好ましい。
【００３２】
次に、ガス排気管１２を介して真空チャンバ１３内のガスを排気して、真空チャンバ１３内を所定の圧力（例えば、５．０×１０-7Ｔｏｒｒ）に達するまで減圧する。続いて、基板１４を例えば９００℃以下の所定の温度に加熱したのち、ガス供給管１１を介して真空チャンバ１３内に少なくとも窒素を含むガスを所定の圧力（例えば、１７ｍＴｏｒｒ）に達するまで供給する。ガスとしては、このガスを真空チャンバ１３中においてプラズマ化した際に、窒素を１０モル％以上含むようなものを用いることが好ましい。
【００３３】
次に、ＲＦ電源により例えば１０Ｗの投入電力でターゲット１６に電圧を印加して、真空チャンバ１３内部を窒素を含むガスのプラズマ雰囲気にすると共に、スパッタを開始させる。このようにして、基板上に所定の厚さに達するまでＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体を堆積させる。
【００３４】
このとき、成膜（堆積）速度は、１５〜２００ｎｍ／ｈｏｕｒの範囲内であることが好ましい。また、１５〜７０ｎｍ／ｈｏｕｒの範囲内であると更に好ましい。成膜速度が１５ｎｍ／ｈｏｕｒ未満であると、ＲＦ投入電力が低すぎるためにプラズマが不安定となり、得られる多結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜の組成の再現性が低下し、２００ｎｍ／ｈｏｕｒを越えると、得られる多結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜中の単位体積当たりに生じる結晶粒界や転位などの格子欠陥の数が増大し、多結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜の結晶性が低下するからである。
【００３５】
また、窒素を含むガスのプラズマは、窒素を１０モル％以上含有していることが好ましく、８０モル％以上含有していると更に好ましい。窒素の含有率が１０モル％未満であると、ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体中の窒素が欠乏してしまい、ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体が有する本来の半導体物性を発現しなくなるからである。窒素を１０モル％以上含有しているプラズマ雰囲気中においてスパッタを行うと、化学量論組成に近い透明な薄膜が得られる。なお、１００％アルゴンガスのプラズマ雰囲気中においてスパッタを行うと、化学量論組成よりもガリウムの組成比が極めて大きい黒色薄膜が得られる。この薄膜は、比抵抗が１０-4Ωｃｍ程度であり、高い導電性を有している。また、スクラッチ試験を行うと粉砕してしまう程に脆い膜である。
【００３６】
多結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜を形成したのち、図２に示したように、基板１４上の多結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜１８に対して、例えば真空チャンバ１３内に配設された図示しないエキシマレーザ装置を用いてパルスレーザＬを照射し、多結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜１８を加熱する。具体的には、例えば、酸素の含有比が２モル％以下、好ましくは０．５モル％以下であるガス雰囲気中において、２００ｍＪ／ｃｍ2 程度のエネルギー密度で照射する。これにより、結晶粒界，転位およびその他の格子欠陥の一部あるいは全部が除去され、格子欠陥の数が低減するので、多結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜１８の結晶性が向上する。なお、酸素の含有比が２モル％以下のガス雰囲気中においてレーザ照射を行うのは、ガス雰囲気中における酸素の比率が高いと、レーザ照射時に多結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜１８が酸化物微結晶を含む混晶系のＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜となってしまい、ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体が有する本来の半導体物性を発現しなくなるからである。従って、薄膜中における酸素含有比も、２モル％以下であることが好ましい。また、照射エネルギー密度を２００ｍＪ／ｃｍ2 程度とすることにより、薄膜の表面から窒素が弾き出されることを抑制することができる。
【００３７】
ちなみに、エキシマレーザとしては、例えば、ＸｅＣｌ（波長３０８ｎｍ），ＸｅＦ（波長３５１ｎｍ），ＸｅＢｒ（波長２８２ｎｍ），ＫｒＦ（波長２４８ｎｍ）あるいはＫｒＣｌ（波長２２２ｎｍ）などの紫外領域の波長を有するエキシマパルスレーザを用いることができる。
【００３８】
さて、本実施の形態に係るＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体の形成方法は、以下に説明するように半導体素子の製造方法において用いられる。
【００３９】
図３は、本実施の形態に係る形成方法を用いて製造する半導体素子としてのＬＥＤの構造を表すものであり、図３（Ａ）は電極側から見た平面構造を、図３（Ｂ）は図３（Ａ）のＸ−Ｘ線に沿った断面構造をそれぞれ示している。まず、例えば石英よりなる透明基板２１を用意し、基板ホルダ１５の載置面に載置する。次に、ＡｌＮターゲット，ｎ型不純物として例えばケイ素が混合されたＧａＮターゲットおよびｐ型不純物として例えばマグネシウムが高濃度に混合されたＧａＮターゲットを用意し、これらをターゲット取り付け板１７にそれぞれ取り付ける。
【００４０】
続いて、ガス排気管１２を介して真空チャンバ１３内のガスを排気して、真空チャンバ１３内を例えば５．０×１０-7Ｔｏｒｒの圧力に達するまで減圧する。そののち、ヒータなどの加熱手段により透明基板２１を例えば７５０〜８５０℃に加熱し、ガス供給管１１を介して真空チャンバ１３内に例えば窒素を１０モル％以上含むガスを例えば１７ｍＴｏｒｒの圧力に達するまで供給する。
【００４１】
次に、ＲＦ電源により例えば５０Ｗの投入電力でＡｌＮターゲットに電圧を印加する。これにより、真空チャンバ１３内部においては上述したガスがプラズマ化し、窒素を含むガスのプラズマ雰囲気となると共に、スパッタリングが開始され、透明基板２１上に例えば厚さ３０ｎｍの多結晶ＡｌＮよりなるバッファ層２２が形成される。
【００４２】
次に、バッファ層２２に対して、例えば真空チャンバ１３内に配設されたエキシマレーザ装置（図示せず）を用いてエキシマパルスレーザ照射を行い、バッファ層２２を加熱する。レーザ照射は、例えば、酸素の含有比が２モル％以下、好ましくは０．５モル％以下であるガス雰囲気中において、２００ｍＪ／ｃｍ2 のエネルギー密度の条件で行う。これにより、バッファ層２２中の結晶粒界，転位およびその他の格子欠陥が低減し、多結晶ＡｌＮの結晶性が向上する。
【００４３】
バッファ層２２へのレーザ照射を行ったのち、ｎ型不純物が混合されたＧａＮターゲットに電圧を印加し、バッファ層２２の上に例えば厚さ２μｍの多結晶ｎ型ＧａＮ層２３を形成する。続いて、例えばバッファ層２２の場合と同様にして、多結晶ｎ型ＧａＮ層２３に対してレーザ照射を行う。
【００４４】
更に、ｐ型不純物が混合されたＧａＮターゲットに電圧を印加し、多結晶ｎ型ＧａＮ層２３の上に例えば厚さ１００ｎｍの多結晶ｐ型ＧａＮ層２４を形成し、この多結晶ｐ型ＧａＮ層２４対してレーザ照射を行う。なお、多結晶ｐ型ＧａＮ層２４は、既に述べたようにｐ型不純物が高濃度に混合されたＧａＮターゲットを用いて形成されたものであるため、高抵抗な層となっている。
【００４５】
次に、多結晶ｐ型ＧａＮ層２４の上に、ｎ側電極２５の形成位置に対応してストライプ形状のレジストパターン（図示せず）を形成する。そののち、このレジストパターンをマスクとして、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ；Reactive Ion Etching）法により多結晶ｐ型ＧａＮ層２４を選択的に除去し、多結晶ｎ型ＧａＮ層２３を露出させる。
【００４６】
次に、レジストパターンを除去し、多結晶ｐ型ＧａＮ層２４の上に、例えば、ニッケル（Ｎｉ）層，白金（Ｐｔ）層および金（Ａｕ）層を順次蒸着し、多結晶ｐ型ＧａＮ層２４上のほぼ全面にｐ側電極２６を形成する。ｐ側電極２６を多結晶ｐ型ＧａＮ層２４上のほぼ全面に形成することにより、多結晶ｐ型ＧａＮ層２４とｐ側電極２６との接触面積が大きくなり、その結果、電極通電時の順方向電圧が低下し、多結晶ｐ型ＧａＮ層２４のほぼ全面より発光が得られる。更に、露出させた多結晶ｎ型ＧａＮ層２３の上に、例えば、チタン（Ｔｉ）層，アルミニウム層，白金層および金層を順次蒸着してｎ側電極２５を形成する。そののち、加熱処理を行いｎ側電極２５およびｐ側電極２６をそれぞれ合金化する。これにより、図３（Ａ），（Ｂ）に示したＬＥＤを完成させる。
【００４７】
このようにして製造されるＬＥＤでは、ｎ側電極２５とｐ側電極２６との間に所定の電圧が印加すると、多結晶ｐ型ＧａＮ層２４に電流が注入され、電子−正孔再結合により発光が起こる。ここでは、多結晶ｎ型ＧａＮ層２３および多結晶ｐ型ＧａＮ層２４が高い結晶性を有しているので、これらの層におけるキャリア移動度が高くなっており、比抵抗が小さい。従って、高い発光効率が得られる。
【００４８】
このように本実施の形態に係るＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜の形成方法によれば、スパッタリングにより多結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜を形成するようにしたので、膜厚および組成（すなわち、膜質）の均一性に優れた多結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜を得ることができる。また、薄膜形成時の温度を３０〜７００℃とすることができるので、エピタキシャル成長法により薄膜を形成する場合のように耐熱性に優れた基板を用いなくてもよい。従って、任意の材質の基板上に形成できると共に、面積の大きな基板上に形成できるため、製造コストが低減する。
【００４９】
更に、本実施の形態に係るＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜の形成方法によれば、多結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜にパルスレーザを照射し、薄膜中に存在する格子欠陥を除去するようにしたので、結晶性が向上した薄膜を得られる。その結果、比抵抗が小さくなり、キャリア移動度が高まる。
【００５０】
また、本実施の形態の多結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜を用いてＬＥＤなどの半導体発光素子を製造すれば、格子欠陥などに起因する電子と正孔とが再結合しても発光しない非発光再結合の割合を低くすることができ、発光効率を向上させることができる。また、半導体発光素子の長寿命化を図ることができる。更に、発光強度が増大させることができる。
【００５１】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係るＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜の形成方法は、例えば、ＩＩＩ族元素であるアルミニウム，ガリウム，インジウムおよびホウ素からなる群のうちの少なくとも１種と窒素とを含む単結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜をヘテロエピタキシャル成長法としてのＭＯＶＰＥ法を用いて形成するものである。ここでは、単結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜として単結晶ｎ型ＧａＮ薄膜を例に挙げて説明する。
【００５２】
本実施の形態では、まず、例えば、洗浄を行ったｃ面サファイアよりなる透明基板をＭＯＶＰＥ装置内に搬送し、常圧において２リットル／分の流量で水素（Ｈ2 ）ガスを装置内に供給しながら、サファイア基板を基板温度１０５０℃で気相エッチングする。これにより、透明基板最表面の結晶性に劣る酸化物層が除去され、その上に良好なエピタキシャル成長させることが可能となる。
【００５３】
次に、透明基板の温度を例えば４００℃にしたのち、例えば、キャリアガスとしての水素ガスを２０リットル／分、窒素の原料としてのアンモニア（ＮＨ3 ）ガスを１０リットル／分、アルミニウムの原料としてのトリメチルアルミニウム（（ＣＨ3 ）3 Ａｌ）を１．８×１０-5モル／分の速さでＭＯＶＰＥ装置内にそれぞれ供給して、透明基板上に、例えば、厚さ０．０５μｍの単結晶ＡｌＮよりなるバッファ層を形成する。
【００５４】
続いて、透明基板の温度を例えば１０００℃にしたのち、基板温度を保持しつつ、例えば、水素ガスを２０リットル／分、アンモニアガスを１０リットル／分、ガリウムの原料としてのトリメチルガリウム（（ＣＨ3 ）3 Ｇａ）を１．８×１０-4モル／分、水素ガスにより０．８８ｐｐｍに希釈されたｎ型不純物の原料としてのシラン（ＳｉＨ4 ）ガスを２００ミリリットル／分の速さで装置内にそれぞれ３０分間供給し、バッファ層上に、例えば、膜厚２．２μｍ、キャリア濃度７．８×１０18ｃｍ-3の単結晶ｎ型ＧａＮ薄膜を形成する。
【００５５】
次に、得られた単結晶ｎ型ＧａＮ薄膜に対して、例えばエキシマレーザ装置を用いてレーザ照射を行い、薄膜を加熱する。具体的には、例えば、窒素の含有比が９５モル％以上、好ましくは９９モル％以上であるガス雰囲気中において、１００ｍＪ／ｃｍ2 のエネルギー密度で行う。これにより、転位およびその他の格子欠陥の一部あるいは全部が除去され、格子欠陥の数が低減するので、単結晶ｎ型ＧａＮ薄膜の結晶性が向上する。ここで、窒素の含有比が９５モル％以上のガス雰囲気中においてレーザ照射を行うのは、薄膜中における窒素含有率が低いと、薄膜の表面近傍において窒素が欠乏してしまい、結晶性が低下すると共に、比抵抗が急激に増大するからである。また、エネルギー密度を１００ｍＪ／ｃｍ2 程度とすることにより、薄膜の表面から窒素が弾き出されることを抑制することができる。
【００５６】
なお、このようにして得られた単結晶ｎ型ＧａＮ薄膜およびエキシマレーザを照射する前の単結晶ｎ型ＧａＮ薄膜の各発光特性を調べると、レーザ照射後の薄膜は、照射前よりも発光強度が増大する。その理由は、薄膜中の格子欠陥が低減し、格子欠陥に起因する非発光再結合の中心となり得るエネルギートラップが減少するためであると考えられる。
【００５７】
ちなみに、本実施の形態に係るＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜の形成方法も、第１の実施の形態と同様にＬＥＤなどの半導体素子の製造方法において用いることができる。
【００５８】
このように本実施の形態に係るＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜の形成方法によれば、単結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜にレーザを照射し、薄膜中に存在する格子欠陥を除去するようにしたので、結晶性が向上した薄膜を得られる。その結果、比抵抗が小さくなり、キャリア移動度が高まる。
【００５９】
また、本実施の形態の単結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜を用いてＬＥＤなどの半導体発光素子を製造すれば、格子欠陥などに起因する電子と正孔とが再結合しても発光しない非発光再結合の割合を低くすることができ、発光効率を向上させることができる。また、半導体発光素子の長寿命化を図ることができる。更に、発光強度が増大させることができる。
【００６０】
【実施例】
更に、本発明の具体的な実施例について詳細に説明する。
【００６１】
（実施例１）
まず、縦１２５ｍｍ，横１２５ｍｍおよび高さ１ｍｍの寸法の透光性を有する合成石英よりなる透明基板を用意し、中性洗剤で洗浄したのち、水洗し、更に有機溶剤を用いて超音波洗浄を行った。
【００６２】
次に、図１に示したスパッタ装置と同様のスパッタ装置の基板ホルダ１５に透明基板を装着した。続いて、直径３インチ，厚さ５ｍｍの円板形状のＧａＮターゲットを用意し、ターゲット取り付け板１７に取り付けた。このとき、透明基板とＧａＮターゲットとの距離を１５０ｍｍとした。
【００６３】
次に、ガス排気管１２を介して真空チャンバ１３内のガスを排気して、真空チャンバ１３内を５．０×１０-7Ｔｏｒｒの圧力に達するまで減圧し、透明基板を８５０℃に加熱したのち、ガス供給管１１を介して真空チャンバ１３内に窒素ガス（窒素含有比１００モル％のガス）を１００ｓｃｃｍの流量で１７ｍＴｏｒｒの圧力に達するまで供給した。
【００６４】
次に、ＲＦ電源により１０Ｗの投入電力でターゲット１６に電圧を印加した。これにより、真空チャンバ１３内部が窒素ガスのプラズマ雰囲気となり、スパッタリングが開始された。そののち、３９０分間スパッタを行い、膜厚が０．１μｍ（すなわち、成膜速度は１５．４ｎｍ／ｈｏｕｒ）のＧａＮ薄膜を得た。なお、基板温度は、スパッタリング中、８５０℃を維持した。
【００６５】
（実施例２）
ＲＦ投入電力を２０Ｗとして、１８０分間スパッタリングを行ったことを除き、他は実施例１と同様にして膜厚が０．１μｍ（すなわち、成膜速度は３３．３ｎｍ／ｈｏｕｒ）のＧａＮ薄膜を得た。
【００６６】
（実施例３）
ＲＦ投入電力を３０Ｗとして、１２０分間スパッタリングを行ったことを除き、他は実施例１と同様にして膜厚が０．１μｍ（すなわち、成膜速度は５０ｎｍ／ｈｏｕｒ）のＧａＮ薄膜を得た。
【００６７】
（実施例４）
ＲＦ投入電力を５０Ｗとして、６０分間スパッタリングを行ったことを除き、他は実施例１と同様にして膜厚が０．１μｍ（すなわち、成膜速度は１００ｎｍ／ｈｏｕｒ）のＧａＮ薄膜を得た。
【００６８】
（実施例５）
スパッタリング時の基板温度を７５０℃としたことを除き、他は実施例２と同様にして膜厚が０．１μｍのＧａＮ薄膜を得た。
【００６９】
（実施例６）
スパッタリング時の基板温度を６００℃としたことを除き、他は実施例２と同様にして膜厚が０．１μｍの多結晶ＧａＮ薄膜を得た。
【００７０】
（実施例７）
ＧａＮターゲットに代えて、ガリウムとインジウムとの含有比（モル比）がＧａ：Ｉｎ＝９：１であるＩｎＧａＮターゲットを用いたことを除き、他は実施例１と同様にして膜厚が０．１μｍのＩｎＧａＮ薄膜を得た。
【００７１】
（実施例８）
ＧａＮターゲットに代えて、ガリウムとアルミニウムとの含有比（モル比）がＧａ：Ａｌ＝９：１であるＧａＡｌＮターゲットを用いたことを除き、他は実施例１と同様にして膜厚が０．１μｍのＧａＡｌＮ薄膜を得た。
【００７２】
（実施例９）
窒素ガスに代えて、窒素の含有比が１０モル％である窒素とアルゴン（Ａｒ）との混合ガスを真空チャンバ内に供給したことを除き、他は実施例１と同様にして膜厚が０．１μｍのＧａＮ薄膜を得た。
【００７３】
（実施例１０）
窒素ガスに代えて、窒素の含有比が５０モル％である窒素とアルゴンとの混合ガスを真空チャンバ内に供給したことを除き、他は実施例１と同様にして膜厚が０．１μｍのＧａＮ薄膜を得た。
【００７４】
なお、実施例１〜４に対する比較例として、以下に述べる比較例１〜４の薄膜を形成した。
【００７５】
（比較例１）
ＲＦ投入電力を１００Ｗとして、３０分間スパッタを行ったことを除き、他は実施例１と同様にして膜厚が０．１μｍ（すなわち、成膜速度は２００ｎｍ／ｈｏｕｒ）のＧａＮ薄膜を形成した。
【００７６】
（比較例２）
ＲＦ投入電力を２００Ｗとして、１５分間スパッタを行ったことを除き、他は実施例１と同様にして膜厚が０．１μｍ（すなわち、成膜速度は４００ｎｍ／ｈｏｕｒ）のＧａＮ薄膜を形成した。
【００７７】
（比較例３）
ＧａＮターゲットに代えて、ガリウム金属ターゲットを用いて反応性スパッタを行ったことを除き、他は実施例１と同様にして膜厚が０．１μｍのＧａＮ薄膜を形成した。
【００７８】
（比較例４）
窒素ガスに代えて、アルゴンガス（アルゴン含有比１００モル％のガス）を真空チャンバ内に供給したことを除き、他は実施例１と同様にして膜厚が０．１μｍのＧａＮ薄膜を形成した。
【００７９】
このようにして得られた実施例１〜１０および比較例１〜４の各薄膜について、以下に説明するように、ラザフォード後方散乱（以下、ＲＢＳ（Rutherford Back Scattering）という。）法による組成分析，カソードルミネッセンス（以下、ＣＬ（Cathodeluminescence ）という。）測定による発光特性評価およびホール効果測定による電気特性評価を行った。
【００８０】
ＲＢＳ法による測定は、２．２７５ＭｅＶに加速されたＨｅ++を各薄膜に照射して行った。測定条件は、ビーム入射角度を０°、垂直検出器角度を１６０°、傾斜検出器角度を約１１０°または約１００°として行った。得られた結果を図４に示す。
【００８１】
図４からも分かるように、実施例１〜６，実施例９および実施例１０のＧａＮ薄膜は、いずれも酸素を含まず、ガリウムおよび窒素により構成されたものであることが確認された。また、これらの薄膜について、Ｘ線回折（ＸＲＤ；X-ray Diffraction ）測定および透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ；Transmission Electron Microscope）による顕微鏡観察を行ったところ、いずれも多結晶構造を有していることが確認された。また、実施例７のＩｎＧａＮ薄膜についても、酸素を含まず、ガリウム，インジウムおよび窒素により構成されたものであり、多結晶構造を有していることが確認された。更に、実施例８のＧａＡｌＮ薄膜についても、酸素を含まず、ガリウム，アルミニウムおよび窒素により構成されたものであり、多結晶構造を有していることが確認された。一方、比較例１〜３の各薄膜は、多結晶構造を有しているものの、酸素を４〜６モル％含んでおり、酸化物などが混入していることが確認された。また、比較例４については、ＧａＮが生成されているものの、窒素が９モル％しか含まれいないことが確認された。更に、Ｘ線回折測定により、比較例４においては、ガリウム金属が主成分の薄膜となっていることが分かった。
【００８２】
ＣＬ測定は、４ｋＶの加速電圧（アノード電圧）で電子線を加速させ、スペクトルサンプリング時間を１ｓｅｃとして行った。また、光学検出器にはフォトダイオードアレイを用いた。なお、アノード電流は５μＡとした。実施例１の多結晶ＧａＮ薄膜について得られたＣＬ発光スペクトルを図５に示す。図５において、縦軸は発光強度を表し、横軸は波長（単位；ｎｍ）を表している。また、各実施例および比較例の薄膜について得られたＣＬ発光スペクトルのピーク波長を図４に示す。
【００８３】
図５からも分かるように、実施例１の多結晶ＧａＮ薄膜では、禁制遷移発光に起因すると考えられる波長約３８０ｎｍにＣＬ発光強度のピークが認められた。すなわち、この多結晶ＧａＮ薄膜は、発光材料特性を有していることが確認された。また、図４からも分かるように、実施例２〜５の多結晶ＧａＮ薄膜および実施例８の多結晶ＡｌＧａＮ薄膜についても、波長３８０ｎｍあるいは３８１ｎｍにＣＬ発光強度のピークが認められた。更に、実施例７の多結晶ＧａＩｎＮ薄膜では、ＧａＮとＩｎＮとの禁制遷移発光の重畳スペクトルであると考えられる波長４３１ｎｍにＣＬ発光スペクトルのピークが認められ、発光材料特性を有していることが確認された。しかしながら、実施例６，実施例９および実施例１０の多結晶ＧａＮ薄膜についてはＣＬ強度のピークが認められず、発光材料特性を有していないことが分かった。また、比較例１〜４の各薄膜についてもＣＬ発光スペクトルが認められず、発光材料特性を有していないことが分かった。
【００８４】
ホール効果測定は、測定装置としてＨＬ５５００Ｃ（日本バイオラッドラボラトリーズ社製）を用いて行った。得られた結果を図４に示す。なお、キャリア濃度については、キャリアの種類（電子および正孔）を明示するために、電子（ｎ型）の場合には−符号を、正孔（ｐ型）の前には＋符号を測定値の前につけて示した。
【００８５】
図４からも分かるように、実施例１〜５の多結晶ＧａＮ薄膜は、いずれも比抵抗が１０〜２５Ωｃｍの範囲内であると共に、キャリア濃度が−１．０×１０17ｃｍ-3のオーダーであり、ｎ型半導体特性を有していることが確認された。また、実施例７の多結晶ＩｎＧａＮ薄膜および実施例８の多結晶ＡｌＧａＮ薄膜についても、比抵抗が１０〜２５Ωｃｍの範囲内であると共に、キャリア濃度が−１．０×１０17ｃｍ-3のオーダーであり、ｎ型半導体特性を有していることが確認された。しかしながら、実施例６，実施例９および実施例１０の多結晶ＧａＮ薄膜の比抵抗はいずれも測定限界以上であると共に、キャリア濃度はいずれも測定検出限界以下であり、高い電気絶縁性を有する、半導体特性を発現しないものであることが分かった。また、比較例１〜４の各薄膜についても、比抵抗はいずれも測定限界以上であると共に、キャリア濃度はいずれも測定検出限界以下であり、高い電気絶縁性を有する、半導体特性を発現しないものであることが分かった。
【００８６】
（実施例１１）
合成石英製の透明基板に代えて、透光性を有する無アルカリガラス製の基板を用いたことを除き、他は実施例６と同様にして多結晶ＧａＮ薄膜を形成したのち、得られた多結晶ＧａＮ薄膜に対して、真空チャンバ１３内に配設されたＸｅＣｌエキシマレーザ装置（図示せず）を用いて２００ｍＪ／ｃｍ2 のエネルギー密度でパルスレーザを照射した。このとき、真空チャンバ１３内の圧力を７６０Ｔｏｒｒに調節し、窒素ガス雰囲気とした。また、パルスレーザビームについては、エネルギー６７０ｍＪ、周波数２００Ｈｚ、パルス幅２５ｎｓ、ビームサイズ１５０×０．３５ｍｍ2 、オーバーラップ領域長０．０３５ｍｍとした。なお、透明基板の温度は２５℃とした。
【００８７】
（比較例５〜６）
実施例１１に対する比較例５として、ＸｅＣｌエキシマレーザに代えて、Ｈｅ−Ｎｅレーザ（波長６３３ｎｍ）を用いたことを除き、他は実施例１１と同様にしてレーザ照射を行った。また、比較例６として、ＸｅＣｌエキシマレーザに代えて、Ｈｇ−Ｘｅ紫外線ランプ（メインピーク３６０ｎｍ）を用いたことを除き、他は実施例１１と同様にして紫外線照射を行った。
【００８８】
このようにして得られた実施例１１，比較例５および比較例６の各薄膜について、実施例１〜１０と同様にしてＣＬ測定による発光特性評価およびホール効果測定による電気特性評価を行った。なお、実施例１１に薄膜においては、レーザ照射前の状態のものについても各評価を行った。それらの結果を図６に示す。
【００８９】
図６からも分かるように、実施例１１のエキシマレーザ照射後の薄膜については、波長約３８０ｎｍにＣＬ発光スペクトルのピークが認められ、発光材料特性を有していることが確認された。また、比抵抗が１．３Ωｃｍであると共に、キャリア移動度が１０ｃｍ2 Ｖ-1ｓ-1キャリア濃度が−６．８×１０17ｃｍ-3であり、ｎ型半導体特性を有していることが確認された。しかしながら、実施例１１のエキシマレーザ照射前の薄膜，比較例５および比較例６の各薄膜の比抵抗，キャリア移動度およびキャリア濃度はいずれも測定限界を超えていた。これらの結果から、得られた多結晶ＧａＮ薄膜にエキシマレーザを照射すると、照射前には半導体特性を発現しなかったものであっても、半導体特性を発現するようになり、ＬＥＤなどの半導体発光素子を製造する際に利用できるようになるものもあることが分かった。
【００９０】
（実施例１２）
本実施例では、まず、縦２０ｍｍ，横２０ｍｍおよび高さ１ｍｍの寸法であり、表面に結晶格子ｃ面を露出させたサファイア基板を用意し、中性洗剤で洗浄したのち、水洗し、更に有機溶剤を用いて超音波洗浄を行った。
【００９１】
次に、洗浄したサファイア基板をＭＯＶＰＥ装置内に搬送し、常圧において２リットル／分の流量で水素を装置内に供給しながら、サファイア基板を基板温度１０５０℃で気相エッチングした。
【００９２】
次に、サファイア基板の温度を４００℃にしたのち、水素ガスを２０リットル／分、アンモニアガスを１０リットル／分、トリメチルアルミニウムを１．８×１０-5モル／分の速さで装置内にそれぞれ供給し、サファイア基板上に厚さ０．０５μｍの単結晶ＡｌＮよりなるバッファ層を形成した。
【００９３】
続いて、サファイア基板の温度を１０００℃にしたのち、基板温度を保持しつつ、水素ガスを２０リットル／分、アンモニアガスを１０リットル／分、トリメチルガリウムを１．８×１０-4モル／分、水素ガスにより０．８８ｐｐｍに希釈されたシランガスを２００ミリリットル／分の速さで装置内にそれぞれ３０分間供給し、バッファ層上に膜厚２．２μｍ、キャリア濃度７．８×１０18ｃｍ-3の単結晶ｎ型ＧａＮ薄膜を形成した。
【００９４】
更に、得られた単結晶ｎ型ＧａＮ薄膜に対して、ＭＯＶＰＥ装置内に配設されたＸｅＣｌエキシマレーザ装置を用いて、実施例１１と同様の条件でパルスレーザビームを照射した。
【００９５】
（比較例７〜８）
実施例１２に対する比較例７として、ＸｅＣｌエキシマレーザに代えて、Ｈｅ−Ｎｅレーザを用いたことを除き、他は実施例１２と同様にして単結晶ｎ型ＧａＮ薄膜を形成したのちにレーザ照射を行った。また、比較例８として、ＸｅＣｌエキシマレーザに代えて、Ｈｇ−Ｘｅ紫外線ランプを用いたことを除き、他は実施例１２と同様にして単結晶ｎ型ＧａＮ薄膜を形成したのちに紫外線照射を行った。
【００９６】
このようにして得られた実施例１２，比較例７および比較例８の各薄膜について、実施例１〜１０と同様にしてＣＬ測定による発光特性評価およびホール効果測定による電気特性評価を行った。なお、実施例１２に薄膜においては、レーザ照射前の状態のものについても各評価を行った。それらの結果を図７に示す。
【００９７】
図７からも分かるように、実施例１２のエキシマレーザ照射前，実施例１２のエキシマレーザ照射後，比較例７および比較例８の各薄膜では、波長３６７ｎｍにＣＬ発光スペクトルのピークが認められ、いずれも発光材料特性を有していることが確認されたが、エキシマレーザ照射後は発光強度が照射前の１．８倍であった。これは、エキシマレーザを照射することにより薄膜中の格子欠陥が低減し、格子欠陥に起因する非発光再結合の中心となり得るエネルギートラップが減少するためであると考えられる。また、エキシマレーザを照射すると、キャリア移動度が２倍以上になり、キャリア濃度が約４分の１に低下する。これらの電気特性評価の結果からも窒素欠損のような格子欠陥が低減することが示唆され、良好なｎ型半導体特性を有するようになることが確認された。これらの結果から、得られた単結晶ＧａＮ薄膜にエキシマレーザを照射すると、良好な半導体特性を発現するようになり、ＬＥＤなどの半導体発光素子を製造する際に利用できるようになるものもあることが分かった。
【００９８】
以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記各実施の形態および各実施例に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、上記第１の実施の形態では、ＲＦスパッタリング法により多結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜を形成するようにしたが、ＲＦマグネトロンスパッタリング法，対向ターゲットスパッタリング法，電子サイクロトロン共鳴スパッタリング法，ＤＣ（Direct Current）スパッタリング法あるいはＤＣマグネトロンスパッタリング法などの方法により形成するようにしてもよい。
【００９９】
また、上記第２の実施の形態では、単結晶ｎ型ＧａＮ薄膜を例に挙げて単結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体の形成方法について説明したが、本発明は、ＩｎＮ，ＢＮ，ＩｎＧａＮ混晶，ＧａＡｌＮ混晶あるいはＩｎＡｌＧａＮ混晶などの他の単結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体を形成する場合にも広く適用することができる。また、マグネシウムなどのｐ型不純物を含む場合にも適用することができる。なお、インジウムの原料としては例えばトリメチルインジウム（（ＣＨ3 ）3 Ｉｎ）を、ホウ素の原料としては例えばトリエチルボロン（（Ｃ2 Ｈ5 ）3 Ｂ）をそれぞれ用いることができる。また、ｐ型不純物として例えばマグネシウムを添加する場合にはビス＝シクロペンタジエニルマグネシウム（（Ｃ5 Ｈ5 ）2 Ｍｇ）を用いることができる。
【０１００】
更に、上記各実施の形態では、半導体素子の一例として具体的なＬＥＤを挙げてその製造方法を説明したが、本発明は他の構成を有するＬＥＤを製造する場合にも同様に適用することができる。また、本発明はレーザダイオードなどの他の半導体発光素子を製造する場合、およびトランジスタなどの半導体発光素子以外の半導体素子を製造する場合にも広く適用することができる。
【０１０２】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載のＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜の形成方法によれば、ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜にパルスレーザを照射し、薄膜中に存在する格子欠陥を除去するようにしたので、ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜の結晶性を向上させることができるという効果を奏する。
【０１０３】
また、請求項９または請求項１０記載の半導体素子の製造方法によれば、本発明のＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜の形成方法を用いるようにしたので、ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体層の結晶性を向上させることができ、半導体素子の性能を向上させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜の形成方法に用いるスパッタ装置の概略構成を表す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係るＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜の形成方法の一工程を説明するための断面図である。
【図３】（Ａ）は本発明の第１の実施の形態に係るＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜の形成方法を用いて製造するＬＥＤの構成を表す平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＸ−Ｘ線に沿った断面図である。
【図４】本発明の実施例１〜１０および比較例１〜４に係る測定結果を表す図である。
【図５】本発明の実施例１に係るＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜のＣＬ発光スペクトルを表す特性図である。
【図６】本発明の実施例１１および比較例５〜６に係る測定結果を表す図である。
【図７】本発明の実施例１２および比較例７〜８に係る測定結果を表す図である。
【符号の説明】
１１…ガス供給管、１２…ガス排出管、１３…真空チャンバ、１４…基板、１５…基板ホルダ、１６…ターゲット、１７…ターゲット取り付け板、１８…多結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜、２１…透明基板、２２…バッファ層、２３…多結晶ｎ型ＧａＮ層、２４…多結晶ｐ型ＧａＮ層、２５…ｎ側電極、２６…ｐ側電極、Ｌ…パルスレーザ
Claims (10)
- 基板上に、ＩＩＩ族元素のうちの少なくとも１種と窒素（Ｎ）とを含む多結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜を形成する工程と、
前記基板上に形成された多結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜に、酸素（Ｏ）の含有比が２モル％以下であるガス雰囲気中においてパルスレーザを照射することにより、前記多結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜中に存在する格子欠陥を除去する工程と
を含むＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜の形成方法。 - ２００ｍＪ／ｃｍ 2 のエネルギー密度にてパルスレーザを照射する
請求項１記載のＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜の形成方法。 - 前記多結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体を、少なくとも窒素を含むガスのプラズマ雰囲気中におけるスパッタにより形成する
請求項１記載のＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜の形成方法。 - 前記ＩＩＩ族元素として、アルミニウム（Ａｌ），ガリウム（Ｇａ），インジウム（Ｉｎ）およびホウ素（Ｂ）からなる群のうちの少なくとも１種を含むようにした
請求項１記載のＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜の形成方法。 - 基板上に、ＩＩＩ族元素のうちの少なくとも１種と窒素（Ｎ）とを含む単結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜を形成する工程と、
前記基板上に形成された単結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜に、窒素（Ｎ）の含有比が９５モル％以上である気体雰囲気中においてパルスレーザを照射することにより、前記単結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜中に存在する格子欠陥を除去する工程と
を含むＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜の形成方法。 - １００ｍＪ／ｃｍ 2 のエネルギー密度にてパルスレーザを照射する
請求項５記載のＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜の形成方法。 - 前記ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体をエピタキシャル成長法により形成する
請求項５記載のＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜の形成方法。 - 前記ＩＩＩ族元素として、アルミニウム（Ａｌ），ガリウム（Ｇａ），インジウム（Ｉｎ）およびホウ素（Ｂ）からなる群のうちの少なくとも１種を含むようにした
請求項５記載のＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体薄膜の形成方法。 - ＩＩＩ族元素のうちの少なくとも１種と窒素（Ｎ）とを含むＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体層を備えた半導体素子の製造方法であって、
基板上に、ＩＩＩ族元素のうちの少なくとも１種と窒素とを含む多結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体層を形成する工程と、
前記基板上に形成された多結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体層に、酸素（Ｏ）の含有比が２モル％以下であるガス雰囲気中においてパルスレーザを照射することにより、前記多結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体層中に存在する格子欠陥を除去する工程と
を含む半導体素子の製造方法。 - ＩＩＩ族元素のうちの少なくとも１種と窒素（Ｎ）とを含むＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体層を備えた半導体素子の製造方法であって、
基板上に、ＩＩＩ族元素のうちの少なくとも１種と窒素とを含む単結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体層を形成する工程と、
前記基板上に形成された単結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体層に、窒素（Ｎ）の含有比が９５モル％以上である気体雰囲気中においてパルスレーザを照射することにより、前記単結晶ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体層中に存在する格子欠陥を除去する工程と
を含む半導体素子の製造方法。
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