JP4725763B2 - 半導体素子形成用板状基体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、窒化物系化合物半導体が使用されている発光ダイオード、ＨＥＭＴ、ＦＥＴ等の半導体素子に使用するための板状基体及びその製造方法に関する。

窒化物系化合物半導体素子を形成するための板状基体即ちウエーハは、サファイア又はＳｉＣ又はＳｉ等から成る基板とこの上にエピタキシャル成長された複数の窒化物系化合物半導体層とから成る。サファイア基板及びＳｉＣ基板は、高価であるために、これに代わってＳｉ基板を使用することが、特開２００３-５９９４８号公報等に開示されている。しかし、Ｓｉ基板と窒化物系化合物半導体領域との間に、比較的大きい線膨張係数の差がある。このため、窒化物系化合物半導体領域に応力が加わり、ここにクラックや転位が発生し易い。この問題を解決するために上記特許公開公報の技術では、Ｓｉ基板上に多層構造のバッファ領域が設けられ、このバッファ領域の上に半導体素子形成用窒化物系化合物半導体領域がエピタキシャル成長されている。上記多層構造のバッファ領域は良好な応力緩和効果を有するので、バッファ上の半導体素子形成用窒化物系化合物半導体領域のクラックや転位が減少する。

しかし、半導体素子のコスト低減のために、Ｓｉ基板とバッファ領域と半導体素子形成用窒化物系化合物半導体領域とから成る板状基体（ウエーハ）を大面積にすると、板状基体の反りが無視できなくなる。例えば、直径５．０８ｃｍ(２インチ)のＳｉ基板を使用した時の板状基体の反り量は５μｍであるが、直径１２．７ｃｍ（５インチ）のＳｉ基板を使用した時の板状基体の反り量は３１３μｍである。板状基体の反り量が大きくなると、フォトリソグラフィー等の半導体素子製造プロセスを良好に進めることができなくなる。
今、Ｓｉ基板を使用する場合について述べたが、半導体素子を形成するための窒化物系化合物半導体に対してＳｉ基板と同様に比較的大きな線膨張係数の差を有している別の基板を使用した板状基体においても、Ｓｉ基板を使用した板状基体と同様な問題がある。
特開２００３-５９９４８号公報

従って、本発明が解決しようとする課題は、半導体素子形成用板状基体に反りが生じることであり、本発明の目的は化合物半導体領域の結晶性を良好に保って板状基体の反りを低減することにある。

課題を解決するための本発明は、
Si基板を用意する工程と、
Si基板の上に窒化物系化合物半導体をエピタキシャル成長させてバッファ領域を得る工程と、
前記バッファ領域の上に窒化物系化合物半導体をエピタキシャル成長させて半導体素子を形成するための主半導体領域を得る工程とを備え、
前記バッファ領域を得る工程は、前記Ｓｉ基板の上に第１の窒化物系化合物半導体をエピタキシャル成長させて第１の層（２１）を形成する第１の工程と、前記第１の層（２１）の上に第２の窒化物系化合物半導体をエピタキシャル成長させて第２の層（２２）を形成する第２の工程と、前記第２の層（２２）の上に第３の窒化物系化合物半導体をエピタキシャル成長させて第３の層（２３）を形成すると同時に前記第２の層（２２）に複数の空所を生じさせる第３の工程とを有し、
前記第１の層（２１）は、
化学式 Ａｌ _x Ｍ _y Ｇａ _1-x-y Ｎ
ここで、前記Ｍは、Ｉｎ（インジウム）とＢ（ボロン）とから選択された少なくとも1種の元素、
前記ｘ及びｙは、 ０＜ｘ≦１、
０≦ｙ＜１、
ｘ＋ｙ≦１
を満足する数値、
で示される窒化物系化合物半導体から成り、
前記第２の層（２２）は、
化学式 Ａｌ _a Ｍ _b Ｇａ _1-a-b Ｎ
ここで、前記ＭはＩｎ（インジウム）とＢ（ボロン）とから選択された少なくとも１種の元素、
前記ａ及びｂは、 ０≦ａ≦１、
０≦ｂ＜１、
ａ＋ｂ≦１
ａ＜ｘ
を満足する数値、
で示される窒化物系化合物半導体から成り、
前記第３の層（２３）は、
化学式 Ａｌ _x Ｍ _y Ｇａ _1-x-y Ｎ
ここで、前記Ｍは、Ｉｎ（インジウム）とＢ（ボロン）とから選択された少なくとも1種の元素、
前記ｘ及びｙは、 ０＜ｘ≦１、
０≦ｙ＜１、
ｘ＋ｙ≦１
ａ＜ｘ
を満足する数値、
で示される窒化物系化合物半導体から成り、
前記第３の層（２３）を形成する時に、窒化物系化合物半導体形成材料の単位時間当たりの供給量を前記第１の層（２１）を形成する時の窒化物系化合物半導体形成材料の単位時間当たりの供給量よりも低減することによって前記第３の層（２３）の成長レートを前記第１の層（２１）の成長レートよりも低くして前記第３の層（２３）を前記第２の層（２２）の上に分散して形成し、前記第２の層（２２）の前記第３の層（２３）で覆われていない部分を反応室内のガスによってエッチングすることを特徴とする半導体素子形成用板状基体の製造方法に係るものである。

なお、請求項２に示すように、前記バッファ領域を得る工程は、更に、前記第３の工程の後に、前記第１の層（２１）及び前記第２の層（２２）及び前記第３の層（２３）から成る多層構造領域と同一構成の多層構造領域を繰返して形成する工程を有していることが望ましい。

各請求項に従う本発明のバッファ領域に含まれている空所即ちボイド（void）は、基板と主半導体領域との間の線膨張係数の差に起因して生じる主半導体領域に対応する応力を低減し、板状基体の反りを低減する。従って、本発明によれは平坦性の良い板状基体を提供することができる。また、主半導体領域に対する応力が低減することにより、ここでのクラックや転位を抑制することができる。
また、基体の反りが低減し、且つクラックや転位が低減する効果が得られる他に、空所を有するバッファ領域及び主半導体領域をエピタキシャル成長技術で順次に形成するので、生産性に優れているという効果も得られる。

次に、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

本発明の実施例１に従う半導体素子としての発光ダイオードは、図１に示すように形成され、この発光ダイオードを製造するためのウエーハ即ち板状基体１は図３及び図４に示すように形成されている。図３の板状基体１は、図１に示す発光ダイオードを複数個得ることができる大きさを有するが、図示の都合上その一部のみが示されている。また、図１の発光ダイオードの板状基体と図３の板状基体とは同一の構成を有するので、説明を簡略化にするために、これ等の両方に同一の参照符号１が付されている。

実施例１の板状基体１は、半導体基板としてのシリコン基板２と、このシリコン基板２の上に実質的に連続したエピタキシャル成長工程で順次に形成されたバッファ領域３及び半導体素子の主要部分を形成するための主半導体領域４とを有する。この板状基体１を使用して発光ダイオードを構成するために、板状基体１の上面にアノード電極として働く第１の電極５が配置され、板状基体１の下面にカソード電極として働く第２の電極６が配置されている。

シリコン基板２は、導電型決定不純物としてＢ（ボロン）等の３族元素を含むｐ型シリコン単結晶から成る。この基板２のバッファ領域３が配置されている側の主面は、ミラー指数で示す結晶の面方位において（１１１）ジャスト面である。この基板２の不純物濃度は、例えば５×１０¹⁸ｃｍ^-3〜５×１０¹⁹ｃｍ^-3程度であり、この基板２の抵抗率は例えば０．０００１Ω・ｃｍ〜０．０１Ω・ｃｍ程度である。従って、基板２は導電性基板であり、アノード電極５とカソード電極６との間の電流通路として機能する。基板２は、比較的厚い約３５０〜１０００μｍの厚みを有し、主半導体領域４及びバッファ領域３の支持体として機能する。
この実施例ではｐ型のシリコン基板２に対してｎ型のバッファ領域３が接触しているが、基板２とバッファ領域３とはヘテロ接合であり且つ両者間に合金化領域（図示せず）が生じているので、順方向バイアス電圧が両者に印加された時の接合部における電圧降下は小さい。なお、シリコン基板２にｎ型不純物をドープし、この上にｎ型のバッファ領域３を形成することも勿論可能である。

基板２の上に配置されたｎ型バッファ領域３は、第１、第２、第３、第４、第５、第６及び第７のバッファ領域３１、３２、３３、３４、３５、３６、３７の積層体から成る。本発明に特に関係を有している第２、第４及び第６のバッファ領域３２、３４、３６のそれぞれは、第１、第２及び第３の層２１、２２、２３から成る複合層領域である。第２、第４及び第６のバッファ領域３２、３４、３６のぞれぞれの第２の層２２に本発明に従う複数のボイド即ち空所２４が含まれている。各図面において空所２４は概略的即ち説明的に示されている。

第１の層２１は、例えば、
化学式 Ａｌ_xＭ_yＧａ_1-x-yＮ
ここで、前記Ｍは、Ｉｎ（インジウム）とＢ（ボロン）とから選択された少なくとも1種の元素、
前記ｘ及びｙは、 ０＜ｘ≦１、
０≦ｙ＜１、
ｘ＋ｙ≦１
を満足する数値、
で示される材料にｎ型不純物がドープされたものから成る。即ち、第１の層２１は、それぞれｎ型不純物がドープされたＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＡｌＩｎＮ（窒化インジウム アルミニウム）、ＡｌＧａＮ（窒化ガリウム アルミニウム）及びＡｌＩｎＧａＮ（窒化ガリウム インジウム アルミニウム）から選択された材料から成ることが望ましい。第１の層２１の厚さは量子力学的トンネル効果を得ることができる例えば０．５〜５ｎｍである。

第１の層２１の上に配置された空所２４を含む第２の層２２は、例えば、
化学式 Ａｌ_aＭ_bＧａ_1-a-bＮ
ここで、前記ＭはＩｎ（インジウム）とＢ（ボロン）とから選択された少なくとも１種の元素、
前記ａ及びｂは、 ０≦ａ≦１、
０≦ｂ＜１、
ａ＋ｂ≦１
ａ＜ｘ
を満足させる数値、
で示される材料にｎ型不純物がドープされたものから成る。即ち、第２の層２２は、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＩｎＧａＮ（窒化ガリウム インジウム）、ＡｌＩｎＮ（窒化インジウム アルミニウム）、ＡｌＧａＮ（窒化ガリウム アルミニウム）及びＡｌＩｎＧａＮ（窒化ガリウム インジウム アルミニウム）から選択された材料から成ることが望ましい。
但し、第２の層２２にＡｌが含まれる場合には、Ａｌの割合を第１の層２１の割合よりも小さくする。また、気相成長時における第２の層２２のエッチング速度は第３の層２３のエッチング速度よりも大きい。換言すれば、第２の層２２におけるＮ（窒素元素）の解離速度（離脱容易性）が第３の層２３におけるそれよりも高くなっている。応力緩和効果を大きくするためには第２の層２２の厚みを大きくすることが望ましい。しかし、厚くなり過ぎると、第３の層２３の平坦性が悪くなる。従って、第２の層２２の好ましい厚さは５〜５００ｎｍであり、より好ましい厚さは５０〜２５０ｎｍであり、更に第３の層２３よりも厚く設定される。空所２４の深さは第２の層２２の厚さ５〜５００ｎｍ以下であり、この入口の最大径又は幅は５〜５００ｎｍ程度である。

第２の層２２の上に配置された第３の層２３は、第１の層２１と同様に、
化学式 Ａｌ_xＭ_yＧａ_1-x-yＮ
ここで、前記Ｍは、Ｉｎ（インジウム）とＢ（ボロン）とから選択された少なくとも1種の元素、
前記ｘ及びｙは、 ０＜ｘ≦１、
０≦ｙ＜１、
ｘ＋ｙ≦１
ａ＜ｘ
を満足する数値、
で示される材料にｎ型不純物がドープされたものから成ることが望ましい。第３の層２３の厚さは量子力学的トンネル効果を得ることができる例えば０．５〜５ｎｍである。
第２、第４、及び第６のバッファ領域３２、３４、３６、の最も下の第１の層２１をこの下側のバッファ領域３１、３３、３５の一部と考えることができる。この場合には、図１のＧａＮから成る第２の層２２が第１の層となり、AlNから成る第３の層２３が第２の層となる。

第１、第２及び第３の層２１、２２、２３の多層構造領域から成る第２、第４及び第６のバッファ領域３２、３４、３６は空所２４を含むために応力吸収効果を有し、板状基体１の反りの抑制に寄与する。

バッファ領域３の中の第１、第３、第５及び第７のバッファ領域３１、３３、３５、３７は実質的に空所を有さない領域であり、それぞれ第１及び第２の窒化物系化合物半導体層２５、２６を交互に積層したものから成る。第１のバッファ領域３１は空所２４を含む第２のバッファ領域３２と基板２との間に配置されている。第３のバッファ領域３３は、空所２４をそれぞれ含む第２及び第４のバッファ領域３２、３４の間に配置されている。第５のバッファ領域３５は空所２４をそれぞれ含む第４及び第６のバッファ領域３４、３６間に配置されている。第７のバッファ領域３７は空所２４を含む第６のバッファ領域３６と主半導体領域４との間に配置されている。図１〜図３には、図示を簡略化するために第１、第３、第５及び第７のバッファ領域３１、３３、３５、３７の第１及び第２の窒化物系化合物半導体層２５、２６の数を減らして示しているが、実際には、第１及び第７のバッファ領域３１、３７は第１及び第２の窒化物系化合物半導体層２５、２６をそれぞれ例えば５〜３０層有し、第３及び第５のバッファ領域３３、３５は第１の窒化物系化合物半導体層２５を例えば３〜１０層、第２の窒化物系化合物半導体層２６を第１の窒化物系化合物半導体層２５よりも１層多い例えば４〜１１層有する。第１のバッファ領域３１の最下層は第１の窒化物系化合物半導体層２５である。第３、第５のバッファ領域３３、３５の最下層及び最上層はそれぞれ第２の窒化物系化合物半導体層２６である。また第７のバッファ領域３７の最下層は第２の窒化物系化合物半導体層２６であり、その最上層は第１の窒化物系化合物半導体層２５である。

第１、第３、第５及び第７のバッファ領域３１、３３、３５、３７の第１の窒化物系化合物半導体層２５は、
化学式 Ａｌ_xＭ_yＧａ_1-x-yＮ
ここで、前記ＭはＩｎ（インジウム）とＢ（ボロン）とから選択された少なくとも１種の元素、
前記ｘ及びｙは、０＜ｘ≦１、
０≦ｙ＜１、
ｘ＋ｙ≦１
を満足させる数値、
で示される窒化物系化合物半導体から成り、
例えば量子力学的トンネル効果を得ることができる０．５〜５ｎｍの厚さを有する。

第１、第３、第５及び第７のバッファ領域３１、３３、３５、３７の第２の窒化物系化合物半導体層２６は、
化学式 Ａｌ_aＭ_bＧａ_1-a-bＮ
ここで、前記Ｍは、Ｉｎ（インジウム）とＢ（ボロン）とから選択された少なくとも1種の元素、
前記ａ及びｂは、０＜ａ≦１、
０≦ｂ＜１、
ａ＋ｂ≦１
ａ＜ｘ
を満足する数値、
で示されるから成り、例えば２５ｎｍの厚さを有する。

第１のバッファ領域３１は、この上に形成される第２〜第７のバッファ領域３２〜３７及び主半導体領域４の平坦性及び結晶性の向上に寄与する。第３及び第５のバッファ領域３３、３５は、この上に形成される空所２４を含む第４及び第６のバッファ領域３４、３６の平坦性の向上に寄与する。第７のバッファ領域３７はこの下の第６のバッファ領域３６に含まれる空所２４の影響を除いて主半導体領域４の平坦性を向上させる。

主半導体領域４は、第７のバッファ領域３７の上に順次に配置されたｎ型窒化物系化合物半導体層４１と、活性層４２と、光透過性を有するｐ型窒化物系化合物半導体層４３とから成る。

主半導体領域４のｎ型窒化物系化合物半導体層４１は、活性層４２よりも大きいバンドギャプを有するものであって、例えば
化学式Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ、
ここでｘ及びｙは０≦ｘ＜１、
０≦ｙ＜１、を満足する数値、
で示される窒化物系化合物半導体にｎ型不純物をドーピングしたもので形成される。この実施例のｎ型窒化物系化合物半導体層４１は化学式のｘ＝０、ｙ＝０に相当するｎ型ＧａＮから成り、厚さ約２μｍを有する。このｎ型窒化物系化合物半導体層４１を、発光ダイオードのｎクラッド層と呼ぶこともできる。

活性層４２は、例えば
化学式Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ、
ここでｘ及びｙは０≦ｘ＜１、
０≦ｙ＜１、を満足する数値、
で示される窒化物系化合物半導体で形成される。この実施例では活性層４２が窒化ガリウム インジウム（ＩｎＧａＮ）で形成されている。なお、図１では活性層４２が１つの層で概略的に示されているが、実際には周知の多重量子井戸構造を有している。勿論、活性層４２を１つの層で構成することもできる。また、この実施例では活性層４２に導電型決定不純物がドーピングされていないが、ｐ型又はｎ型不純物をドーピングすることができる。

活性層４２の上に配置されたｐ型窒化物系化合物半導体層４３は、活性層４２よりも大きいバンドギャプを有するものであって、例えば、
化学式Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ、
ここでｘ及びｙは０≦ｘ＜１、
０≦ｙ＜１、を満足する数値、
で示される窒化物系化合物半導体にｐ型不純物をドーピングしたもので形成され、ｐクラッド層として機能する。この実施例では、ｐ型窒化物系化合物半導体層４３が厚さ５００ｎｍのｐ型ＧａＮで形成されており、光透過性を有する。
主半導体領域４を構成するｎ型窒化物系化合物半導体層４１、活性層４２及びｐ型窒化物系化合物半導体層４３は、バッファ領域３を介してシリコン基板２の上に形成されているので、その結晶性及び平坦性は比較的良好である。

アノード電極としての第１の電極５はｐ型窒化物系化合物半導体層４３に接続され、カソード電極としての第２の電極６はシリコン基板２の下面に接続されている。なお、第１の電極５を接続するためにｐ型窒化物系化合物半導体層４３の上にコンタクト用のｐ型窒化物系化合物半導体層を追加して設け、ここに第１の電極５を接続することができる。また、第２の電極６をバッファ領域３又はｎ型窒化物系化合物半導体層４１に接続することができる。

次に、図１の発光ダイオードの製造方法を説明する。
まず、ミラー指数で示す結晶の面方位において（１１１）面とされた主面を有し、且つ直径５．０８〜１２．７ｃｍ（２〜５インチ）、厚さ５００μｍを有するｐ型シリコン基板２を用意する。

次に、基板２を周知のＯＭＶＰＥ（Organometallic Vapor Phase Epitaxy）即ち有機金属気相成長装置の反応室に投入し、例えば１１７０℃まで昇温する。次に、１１７０℃の水素雰囲気中で１０分間のサーマルクリーニングを行って、基板２の表面の酸化膜を取り除いた後、例えば１１００℃とし、しかる後ＯＭＶＰＥ法によってシリコン基板２の上にＡｌＮ（窒化アルミニウム）から成る第１の窒化物系化合物半導体層２５をエピタキシャル成長させる。例えば、反応室にＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を６３μmol ／min とシラン（ＳｉＨ₄ ）を２１ｎmol ／min とアンモニアを０．１４mol ／min流して、厚さ５ｎｍのＡｌＮから成る第１の窒化物系化合物半導体層２５をエピタキシャル成長させる。その後、ＴＭＡの供給を止め、シランとアンモニアの供給は継続し、これ等と共にＴＭＧ（トリメチルガリウム）を６３μmol ／min の割合で流して厚さ２５ｎｍのＧａＮから成る第２の窒化物系化合物半導体層２６をエピタキシャル成長させる。第１及び第２の窒化物系化合物半導体層２５、２６の形成工程を２０回繰返して図２（Ａ）に示す多層構造の第１のバッファ領域３１を得る。なお、第１のバッファ領域３１と基板２との間にｎ型ＡｌＩｎＧａＮ即ちｎ型窒化ガリウム インジウム アルミニウム層等の追加のバッファ層を配置することができる。このＡｌＩｎＧａＮ層も勿論エピタキシャル成長法で形成する。

次に、図２（Ｂ）に示すように第１のバッファ領域３１の最も上のＧａＮから成る第２の窒化物系化合物半導体層２６の上に第２のバッファ領域３２のためのＡｌＮから成る第１の層２１をエピタキシャル成長法で形成する。この第１の層２１はこの下の第１のバッファ領域３１の一部と考えることもできるが、この実施例では第１の層２１を第２のバッファ領域３２に含めている。ＡｌＮから成る第１の層２１は前述したＡｌＮから成る第１の窒化物系化合物半導体層２５と同一の方法で形成され、同一の厚み５ｎｍを有する。

次に、第１の層２１の上に図２（Ｂ）に示すようにＧａＮから成る第２の層２２をＯＭＶＰＥ方法でエピタキシャル成長させる。即ち、ＧａＮから成る第２の窒化物系化合物半導体層２６と同様にＴＭＧとシランとアンモニアとから成るガスを反応室に供給して８０ｎｍの膜厚のＧａＮから成る第２の層２２を形成する。

次に、ＡｌＮから成る第３の層２３を形成する。即ち、ＯＭＶＰＥ反応室にＴＭＡとシランとアンモニアとから成るガスを供給して５ｎｍの厚さのＡｌＮから成る第３の層２３をエピタキシャル成長させる。この第３の層２３を形成する時のＴＭＡの供給量は前述した第１の窒化物系化合物半導体層２５のＴＭＡの供給量の１／１０の６．３μmol ／min とする。従って、第３の層２３の成長レートは第１の窒化物系化合物半導体層２５の成長レートの１／１０である。ＡｌＮから成る第３の層２３の成長レートを極めて低くすると、第３の層２３の形成初期にＧａＮから成る第２の層２２の表面上に均一にＡｌＮの結晶が形成されず、分散して形成される。このため、ＧａＮから成る第２の層２２にＡｌＮ結晶で覆われていない部分が生じ、この部分が反応室内のガスによってエッチングされ、図２（Ｃ）に説明的に示す空所２４が生じる。即ち、ＧａＮから成る第２の層２２の上面にＡｌＮ結晶で覆われていない部分が生じ、この部分を通じて第２の層２２を構成するＮが離脱して空所２４が形成される。このエッチングは第２の層２２の縦方向即ち厚み方向と横方向との両方に進む。ＧａＮから成る第２の層２２のエッチングレート又はＮの解離速度はＡｌＮから成る第１の層２１のエッチングレート又はＮの解離速度よりも大きいので、第１の層２１は第２の層２２の縦方向エッチングのストッパとして機能する。第３の層２３のためのＡｌＮのエピタキシャル成長を続けると、ＡｌＮは第３の層２３の縦方向のみでなく横方向にも延びるように成長するので、空所２４の入口が徐々に狭くなり、最終的に第３の層２３によって空所２４の入口の全部を図２（Ｄ）に示すように覆うことができる。なお、図１〜図４で空所２４が図示の都合上規則的に配置されているが、実際には不規則的に形成される。

第３の層２３の平坦性は第２の層２２の空所２４のために比較的悪い。この平坦性を改善することを目的として、図２（Ｄ）に示すように第３の層２３の上に第３のバッファ領域３３のＧａＮから成る第２の窒化物系化合物半導体層２６を形成し、更にＡｌＮから第１の窒化物系化合物半導体層２５を形成する。第３のバッファ領域３３におけるＡｌＮから成る第１の窒化物系化合物半導体層２５とＧａＮから成る第２の窒化物系化合物半導体層２６の形成方法は第１のバッファ領域３１におけるこれ等の形式方法と同一である。

第４及び第６のバッファ領域３４、３６は第２のバッファ領域３２と同一の方法で形成する。第５及び第７のバッファ領域３５、３７は第１及び第３のバッファ領域３１、３３と同一の方法で形成する。

実質的に連続したＯＭＶＰＥ工程によって第１〜第７のバッファ領域３１〜３７の形成が終了したら、引き続き同一のＯＭＶＰＥ反応室を使用して主半導体領域４のｎ型窒化物系化合物半導体層４１と活性層４２とｐ型窒化物系化合物半導体層４３とを順次に形成する。例えば、ｎ型ＧａＮから成るｎ型窒化物系化合物半導体層４１を形成するために、基板２の温度を例えば１１１０℃とし、例えば、ＴＭＧとシラン（ＳｉＨ₄）とアンモニアとを所定の割合で反応室に供給する。これにより２μｍの厚さのｎ型ＧａＮから成るｎ型窒化物系化合物半導体層４１が得られる。ｎ型窒化物系化合物半導体層４１の形成開始時には、この下のバッファ領域３の表面の結晶性は良好に保たれているので、主半導体領域４のｎ型窒化物系化合物半導体層４１はバッファ領域３の表面の結晶性を受け継いだ良好な結晶性を有する。

次に、ｎ型窒化物系化合物半導体層４１の上に、周知の多重量子井戸構造の活性層４２を形成する。図１及び図３では図示を簡略化するために多重量子井戸構造の活性層４２が１つの層で示されているが、実際には複数の障壁層と複数の井戸層とから成り、障壁層と井戸層とが交互に例えば４回繰返して配置されている。この活性層４２を形成する時には、ｎ型ＧａＮ層から成るｎ型窒化物系化合物半導体層４１の形成後に、ＯＭＶＰＥ装置の反応室へガスの供給を停止して基板２の温度を例えば８００℃まで下げ、しかる後、ＴＭＧとＴＭＩ（トリメチルインジウム）とアンモニアとを反応室に所定の割合で供給し、例えばＩｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎから成り且つ厚み１３ｎｍを有している障壁層を形成し、次に、ＴＭＩの割合を変えて例えばＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎから成り且つ例えば厚み３ｎｍを有している井戸層を形成する。この障壁層及び井戸層の形成を例えば４回繰返すことによって多重量子井戸構造の活性層４２が得られる。活性層４２はこの下のｎ型窒化物系化合物半導体層４１の結晶性を受け継いで、良好な結晶性を有する。なお、活性層４２にｐ型又はｎ型の不純物をドーピングすることができる。

次に、シリコン基板２の温度を例えば１１１０℃まで上げ、ＯＭＶＰＥ装置の反応室内に、例えばＴＭＧとアンモニアとビスシクロペンタジェニルマグネシウム（以下、ＣｐＭｇという。）とを所定の割合で供給し、活性層４２上に厚さ約５００ｎｍのｐ型ＧａＮから成るｐ型窒化物系化合物半導体層４３を形成する。マグネシウム（Ｍｇ）は例えば３×１０¹⁸ｃｍ^-3の濃度に導入され、ｐ型不純物として機能している。

次に、第１及び第２の電極５、６を周知の真空蒸着法によって形成し、発光ダイオードを完成させる。

本実施例は次の効果を有する。
（１） 直径が５．０８ｃｍ（２インチ）の板状基体１の図３で破線で示すような反り量は１０μｍであり、前述の特許文献１の板状基体の反り量５０μｍよりも大幅に小さくなった。また、直径が１２．７ｃｍ（５インチ）の板状基体１の反り量は５０μｍであり、前述の特許文献１の板状基体の反り量よりも大幅に小さくなった。これにより、フォトリソグラフィー工程等における不良発生が少なくなり、半導体素子の製造歩留りを大幅に向上できる。
（２） シリコン基板２の表面から主半導体領域４の表面まで貫通する転位密度は５×１０⁹ｃｍ^-2であり、特許文献１の１×１０¹⁰ｃｍ^-2よりも大幅に小さい。従って、主半導体領域４の結晶性を向上できる。
（３） 主半導体領域４の表面は、前記特許文献１よりも良い平坦性を有し且つクラックも発生しなかった。
（４） 発光素子の発光波長４７０ｎｍにおける光出力は、第１及び第２の電極５、６間の電流が２０ｍＡの場合に前記特許文献１の約２倍になった。また、この時の動作電圧は３．４Ｖであった。発光効率の向上に次の（ａ）（ｂ）（ｃ）が寄与している。
（ａ） 活性層４２の応力緩和によって内部量子効率即ち活性層４２内の発光効率が向上する。
（ｂ） 主半導体領域４の転位密度低減効果によって内部量子効率即ち発光効率が増加する。
（ｃ） 空所２４が光屈折に寄与し、主半導体領域４の表面側への光取り出し効率が増加する。
（５） 空所２４を有する第２、第４及び第６のバッファ領域３２、３４、３６が板状基体１の厚み方向に分けて配置され、それぞれの間に空所を有さない第３及び第５のバッファ領域３３、３５が配置されているので、平坦性及び結晶性を良好に保ちつつ反りを抑制することができる。
（６） 第１及び第７のバッファ領域３１、３７を設けることによって主半導体領域４の平坦性及び結晶性が更に改善される。
（７） 結晶性改善及び平坦性改善に寄与する第１及び第３の層２１、２３と第１の窒化物系化合物半導体層２５は量子力学的トンネル効果を得ることができる厚みに形成されているので、第１及び第２の電極５、６間の電流通路を良好に形成することができる。
（８） バッファ領域３及び主半導体領域４を同一の反応室を使用して連続的に形成するので、製造工程がさほど複雑にならない。

次に、図５を参照して本発明の実施例２に従う板状基体１ａを説明する。但し、図５及び後述する図６〜図９において図１〜図４と実質的に同一の部分には同一の符号を付してその説明を省略する。

図５の板状基体１ａは、図３の板状基体１から第１、第３〜第７のバッファ領域３１、３３〜３７を除去した変形バッファ領域３ａを設け、この他は図３と同一に構成したものである。従って、図５の変形バッファ領域３ａは第１、第２及び第３の層２１、２２、２３から成る多層構成のバッファ領域３２のみから成り、第１の層２１は基板２に接触し、第３の層２３はｎ型窒化物系化合物半導体層４１に接触している。

図５の板状基体１ａは、空所２４を有するので、実施例１と同様な効果を有するが、この反りの改善、主半導体領域４の平坦性及び結晶性の改善において図３の板状基体１よりも劣る。しかし、図５の実施例２は図３の実施例１よりも工程数が少なくなるという特長を有する。
なお、図５の第１の層２１と第３の層２３とのいずれか一方又は両方を省くこともできる。即ち、主半導体領域４と基板２との間に空所２４を有する第２の層２２のみを介在させることができる。また、バッファ領域３ａと基板２との間の抵抗を低減するために第１の層２１と基板２との間に例えばＡｌ_aＩｎ_bＧａ_1-a-bＮ、ａ、ｂは任意の数値、で示す材料から成るｎ型窒化物系化合物半導体層を介在させることができる。

図６に示す実施例３の板状基体１ｂは図３の板状基体１から第７のバッファ領域３７を除去して変形バッファ領域３ｂを設け、この他は図３と実質的に同一に構成したものである。従って、空所２４を含む第６のバッファ領域３６に主半導体領域４が接触している。図６に示すように図３に示した第７のバッファ領域３７に相当するものを設けない場合には、主半導体領域４のｎ型窒化物系化合物半導体層４１を例えば図３の第７のバッファ領域３７の厚さ分だけ厚く形成することが望ましい。このように構成すると、図６の主半導体領域４の平坦性は図３の主半導体領域４の平坦性とほぼ同一になる。また、図６の構造にすることによって製造工程が簡略化される。なお、図６の板状基体１ｂは図３と同様に空所２４を含んでいるので、実施例１と同一の効果を得ることができる。

図７に示す実施例４の板状基体１ｃは、図３の板状基体１から第１のバッファ領域３１を除去し、この他は図３と同一に構成したものである。従って、空所２４を含むバッファ領域３２が図５の場合と同様に基板２に接触している。

図７の板状基体１ｃも空所２４を含むので、図３の実施例１の板状基体１と同様な効果を有するが、図３の第１のバッファ領域３１に相当するものを有さない分だけ平坦性改善の効果が若干低減している。しかし、図７の実施例４は図３の実施例３に比べて工程数を減らすことができる。

図８に示す実施例５の板状基体１ｄは、図３の板状基体１から空所を含まない第３及び第５のバッファ領域３３、３５を除去して変形バッファ領域３ｄを設け、この他は図３と同一に構成したものである。従って、図８では空所２４を有する３つのバッファ領域３２、３４′、３６′が直接に積層されている。なお、図８では第２のバッファ領域３２の第３の層２３がこの上のバッファ領域３４′の第１の層として兼用されている。また、バッファ領域３４′の第３の層２３がこの上のバッファ領域３６′の第１の層として兼用されている。図８の実施例５の板状基体１ｄは空所２４を有するので、図３の実施例１と同様な効果を有するが、図３の第３及び第５のバッファ領域３３、３５に相当するものを有さない分だけ平坦性の改善効果が劣る。しかし、図８の実施例５によれば図３の実施例１よりも工程数を減らすことができる。

図９に示す主半導体領域４ａに流れる電流を制御することが可能な半導体制御素子としての高電子移動度トランジスタ即ちＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor ）は、図３の実施例１の板状基体１を変形した板状基体１ｅを使用して構成されている。図９の板状基体１ｅの基板２ａ及びバッファ領域３ｅの基本的構成は図１の発光ダイオードの基板２とバッファ領域３と同一である。しかし、ＨＥＭＴではバッファ領域３ｅ及び基板２ａに電流を流す必要性がないので、図９の基板２ａは図１の基板２よりも低い不純物濃度を有する。また、バッファ領域３ｅに導電型決定不純物が添加されていない。図９の変形バッファ領域３ｅの第１、第２、第３、第４、第５、第６及び第７のバッファ領域３１ａ、３２ａ、３３ａ、３４ａ、３５ａ、３６ａ、３７ａは、導電型決定不純物を含まない点を除いては図１の第１、第２、第３、第４、第５、第６及び第７のバッファ領域３１、３２、３３、３４、３５、３６、３７と同一に構成されている。従って、図９の実施例６においても実施例１と同様に反り、平坦性及び結晶性改善効果を得ることができる。

図９はＨＥＭＴであるために、主半導体領域４ａが不純物非ドープのＧａＮから成る電子走行層４１ａと、ｎ型不純物としてＳｉのドープされているｎ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎから成る電子供給層４２ａとを有している。主半導体領域４の各層４１ａ、４２ａは窒素とガリウムをベースとした窒化ガリウム系化合物半導体から成る。バッファ領域３ｅの上に配置された電子走行層４１ａはチャネル層とも呼ぶことができるものであり、例えば、５００μｍの厚みを有する。電子走行層４１ａの上に配置された電子供給層４２ａはドナー不純物（ｎ型不純物）から発生した電子を電子走行層４１ａに供給するものであって、例えば３０ｎｍの厚みを有する。第１の電極としてのソース電極４４及び第２の電極としてのドレイン電極４５は電子供給層４２ａにオーミック接触し、制御電極としてのゲート電極４５は電子供給層４２ａにショットキー接触している。なお、ソース電極４４及びドレイン電極４５と電子供給層４２ａとの間にｎ型不純物濃度の高いコンタクト層を設けることができる。また、電子走行層４１ａと電子供給層４２ａとの間に電子供給層４２ａのｎ型不純物してのシリコンが電子走行層４１ａに拡散することを抑制するためにスペーサ層を設けることができる。
ＳｉＯ₂から成る絶縁膜４６は主半導体領域４ａの表面を覆っている。

電子供給層４２ａは極く薄い膜であるので、横方向には絶縁物として機能し、縦方向には導電体として機能する。従って、ＨＥＭＴの動作時には、ソース電極４４、電子供給層４２ａ、電子走行層４１ａ、電子供給層４２ａ、ドレイン電極４５の経路で電子が流れる。この電子の流れ即ち電流の流れはゲート電極４６に印加される制御電圧で調整される。

図９のＨＥＭＴのバッファ領域３ｅを図５〜図８の実施例２〜５のバッファ領域３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄと同一構造に変形することができる。

図１０はバッファ領域に空所を形成する別の方法を説明するものである。なお、図１０において図１と同一の符号を付したものは図１と実質的に同一の材料で形成されている。この実施例７の方法では、まず、図１０（Ａ）に示すようにシリコン基板上に少なくともＡｌを含む窒化物系化合物半導体から成る第１の層２１を実施例１と同一の方法で形成する。この第１の層２１は、ＡｌＮにｎ型不純物を添加したものであることが望ましい。

次に、少なくともＧａを含む窒化物系化合物半導体から成る第２の層２２を例えば５〜５０００ｎｍの厚さに形成する。この第２の層２２はＧａＮであることが望ましい。図１０における第２の層２２の形成方法は実施例１と同一である。

次に、少なくともＡｌを含む窒化物系化合物半導体から成る第３の層２３ａを形成する。第３の層２３ａの材料は図１の実施例１の第３の層２３の材料と同一であり、ＡｌＮから成ることが望ましい。図１の実施例１で第３の層２３の成長速度を第１の層２１の成長速度よりも遅くしたが、図１０の実施例７では、第３の層２３ａの成長速度が第１の層２１の成長速度と同一であっても良いし、実施例１と同様に遅くとも良い。第３の層２３ａの形成のために反応室へはＴＭＡとシランとアンモニアとから成るガスを供給する。第３の層２３ａには図１０において説明的に示すマイクロクラック即ち微小クラック５０が多数含まれている。第１の層２１にも微小クラックが含まれているが、図１０では省略されている。第３層２３ａを形成する時に、この第３の層２３ａのエピタキシャル成長の速度を実施例１と同様に低くした場合には、第２の層２２に空所が生じる。しかし、図１０（Ａ）では、第３の層２３ａの形成時において第２の層２２に生じる空所が省略されている。

次に、反応室に対するＴＭＡ、シラン、及びアンモニアの供給を停止し、エピタキシャル成長を中断し、反応室内の温度を１１００℃に保って所定時間加熱処理する。この時に反応室の雰囲気をＨ₂ガス
とすることができる。
上述の処理の時に、第３の層２３ａの微小クラック５０を介してＧａＮから成る第２の層２２が雰囲気に接する。この結果、第２の層２２においてＮ（窒素）のＧａからの離脱即ち解離が生じ、図１０（Ｂ）に説明的に示す多数の空所２４が第２の層２２に生じる。

所望の大きさの空所２４を得ることができる時間だけエピタキシャル成長動作を中断した後に、少なくともＧａを含む窒化物系化合物半導体層２６ａを形成する。これにより、第１、第２及び第３の層２１、２２、２３ａと窒化物系化合物半導体層２６ａとから成るバッファ領域３ｆが得られる。必要に応じてバッファ領域３ｆに図１０（Ｂ）に示す層２１、２２、２３及び２６ａ以外の種々の層を加えることができる。また、空所２４を有する第２の層２２を複数個設けることもできる。ＧａＮから成る窒化物系化合物半導体層２６ａをＴＭＧとシランとアンモニアとから成るガスの単位時間当たりの供給量を第２の層２２の形成時の単位時間当たり供給量よりも低くしてＧａＮの成長速度を第２の層２２のＧａＮの成長速度よりも遅くすることができる。このように第２の層２２の成長速度を遅くすると、微小クラック５０を介して雰囲気に接している第２の層２２におけるＮの解離が多くなり、第２の層２２に空所２４が形成される。
図１０（Ｂ）の窒化物系化合物半導体層２６ａはバッファ層として利用されているが、これを主半導体領域４の一部として使用することもできる。

次に、実施例１と同様な方法で主半導体領域４としてのｎ型窒化物系化合物半導体層４１、活性層４２、ｐ型窒化物系化合物半導体層４３を形成して板状基体１ｆを完成させる。

図１０（Ｂ）の板状基体１ｆのバッファ領域３ｆにも空所２４が含まれているので、実施例１と同一の効果を得ることができる。

本発明は上述の実施例１〜７に限定されるものでなく、例えば次変形が可能なものである。
（１）図１、図５〜図８及び図１０の主半導体領域４は発光ダイオードを構成する層を含み、図９の主半導体領域４ａはＨＥＭＴを構成する層を含むが、これ等の主半導体領域４、４ａの代りに、トランジスタ、電界効果トランジスタ、整流ダイオード等の別の半導体素子を構成するための主半導体領域を形成することができる。
（２）各実施例のシリコン基板２、２ａの代りに、サファイア基板、Ｓｉ化合物基板、ＺｎＯ基板、ＮｄＧａＯ₃基板、ＧａＡｓ基板等を使用することができる。また、第２の層２２をＧａＮで形成する代りに、ＡｌＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、ＢＮ、ＢＧａＮ、ＢＡｌＮ、ＢＡｌＧａＮ、ＡｌＳｉＣＮ、ＧａＡｓＮ、ＩｎＡｓＮ、ＩｎＧａＡｓＮ、ＧａＰＮ、ＩｎＰＮ、ＧａＩｎＰＮ等の窒化物系化合物半導体を使用することができる。
（３）図３、図６、図７、図８、図９の第１、第３、第５及び第７のバッファ領域３１又は３１ａ、３３又は３３ａ、３５又は３５ａ、３７又は３７ａの内のいずれか１つ又は複数又は全部を多層構造のバッファ領域とする代りに、例えばＧａＮ又は前述したＡｌ_aＭ_bＧａ_1-a-bＮから成る単一層の窒化物系化合物半導体層とすることができる。この１層の窒化物系化合物半導体層をバッファ領域とする場合には、この厚さを好ましくは０．５〜５０ｎｍ、より好ましくは１０〜３０ｎｍとする。

本発明は発光ダイオード、ＨＥＭＴ、トランジスタ、ＦＥＴ等の半導体素子に利用可能である。

本発明の実施例１に従う発光ダイオードを示す断面図である。 図１の発光ダイオードに使用する板状基体を製造工程順に示す断面図である。 図２の工程を経て完成した板状基体を示す断面図である。 図３の板状基体のＡ−Ａ線断面図である。 実施例２の板状基体を示す断面図である。 実施例３の板状基体を示す断面図である。 実施例４の板状基体を示す断面図である。 実施例５の板状基体を示す断面図である。 実施例６に従うＨＥＭＴを示す断面図である。 実施例７の板状基体を示す断面図である。

符号の説明

１〜１ｆ 板状基体
２、２ａ シリコン基板
３〜３ｆ バッファ領域
３２、３４、３６、３２ａ、３４ａ、３６ａ 空所を有するバッファ領域
３１、３３、３５、３７、３１ａ、３３ａ、３５ａ、３７ａ 空所を有さないバッファ領域
４ 主半導体領域
４１ ｎ型窒化物系化合物半導体層
４２ 活性層
４３ ｐ型窒化物系化合物半導体層
５、６ 第１及び第２の電極
２１、２２、２３ 第１、第２及び第３の層
２４ 空所
２５、２６ 第１及び第２の窒化物系化合物半導体層

Claims (2)

1. Si基板を用意する工程と、
   Si基板の上に窒化物系化合物半導体をエピタキシャル成長させてバッファ領域を得る工程と、
   前記バッファ領域の上に窒化物系化合物半導体をエピタキシャル成長させて半導体素子を形成するための主半導体領域を得る工程とを備え、
   前記バッファ領域を得る工程は、前記Ｓｉ基板の上に第１の窒化物系化合物半導体をエピタキシャル成長させて第１の層（２１）を形成する第１の工程と、前記第１の層（２１）の上に第２の窒化物系化合物半導体をエピタキシャル成長させて第２の層（２２）を形成する第２の工程と、前記第２の層（２２）の上に第３の窒化物系化合物半導体をエピタキシャル成長させて第３の層（２３）を形成すると同時に前記第２の層（２２）に複数の空所を生じさせる第３の工程とを有し、
   前記第１の層（２１）は、
   化学式 Ａｌ _x Ｍ _y Ｇａ _1-x-y Ｎ
   ここで、前記Ｍは、Ｉｎ（インジウム）とＢ（ボロン）とから選択された少なくとも1種の元素、
   前記ｘ及びｙは、 ０＜ｘ≦１、
   ０≦ｙ＜１、
   ｘ＋ｙ≦１
   を満足する数値、
   で示される窒化物系化合物半導体から成り、
   前記第２の層（２２）は、
   化学式 Ａｌ _a Ｍ _b Ｇａ _1-a-b Ｎ
   ここで、前記ＭはＩｎ（インジウム）とＢ（ボロン）とから選択された少なくとも１種の元素、
   前記ａ及びｂは、 ０≦ａ≦１、
   ０≦ｂ＜１、
   ａ＋ｂ≦１
   ａ＜ｘ
   を満足する数値、
   で示される窒化物系化合物半導体から成り、
   前記第３の層（２３）は、
   化学式 Ａｌ _x Ｍ _y Ｇａ _1-x-y Ｎ
   ここで、前記Ｍは、Ｉｎ（インジウム）とＢ（ボロン）とから選択された少なくとも1種の元素、
   前記ｘ及びｙは、 ０＜ｘ≦１、
   ０≦ｙ＜１、
   ｘ＋ｙ≦１
   ａ＜ｘ
   を満足する数値、
   で示される窒化物系化合物半導体から成り、
   前記第３の層（２３）を形成する時に、窒化物系化合物半導体形成材料の単位時間当たりの供給量を前記第１の層（２１）を形成する時の窒化物系化合物半導体形成材料の単位時間当たりの供給量よりも低減することによって前記第３の層（２３）の成長レートを前記第１の層（２１）の成長レートよりも低くして前記第３の層（２３）を前記第２の層（２２）の上に分散して形成し、前記第２の層（２２）の前記第３の層（２３）で覆われていない部分を反応室内のガスによってエッチングすることを特徴とする半導体素子形成用板状基体の製造方法。
2. 前記バッファ領域を得る工程は、更に、
   前記第３の工程の後に、前記第１の層（２１）及び前記第２の層（２２）及び前記第３の層（２３）から成る多層構造領域と同一構成の多層構造領域を繰返して形成する工程を有することを特徴とする請求項１記載の半導体素子形成用板状基体の製造方法。

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