JP2004063635A

JP2004063635A - 窒化物半導体の製造方法および半導体ウェハならびに半導体デバイス

Info

Publication number: JP2004063635A
Application number: JP2002217985A
Authority: JP
Inventors: Tsuneaki Fujikura; 藤倉　序章; Takamasa Suzuki; 鈴木　貴征
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2002-07-26
Filing date: 2002-07-26
Publication date: 2004-02-26

Abstract

【課題】従来法より短い成長時間で従来より転位密度の低い窒化物半導体を得ることができる窒化物半導体の製造方法および半導体ウェハならびに半導体デバイスを得ること。
【解決手段】基板上に１０００℃近傍の温度で第１の窒化物半導体を成長しこれに熱処理を施すことで窒化物半導体の微結晶粒を形成し、その上に第２の窒化物半導体を成長することで窒化物半導体を島状に成長させ、さらに第３の窒化物半導体を成長することで上記の島を埋め込み、表面を平坦化する。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、従来より短い成長時間により、従来より転位密度の低い窒化物半導体を製造する方法と、これを用いて製作された低コスト、且つ高品質な半導体ウェハおよび半導体デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体エピタキシャル膜を得ようとする場合、最も容易な方法としては、成長しようとしている半導体と同一材料からなる単結晶基板を準備し、その上に気相成長する方法が考えられ、実際に色々な材料系で成功している。
【０００３】
しかしながら、窒化ガリウムのように技術的に半導体単結晶基板を得ることが困難であったり、半導体単結晶基板が高価であるため産業的にはコスト面で用いられない等の理由により、異種基板上へ半導体を成長せざるをえない状況が多々存在する。代表例としては、シリコン基板上のＧａＡｓや、サファイア、シリコンおよびＳｉＣ基板上のＧａＮや、ＧａＡｓ基板上のＩＩ−ＶＩ族半導体等が知られる。
【０００４】
例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）は、青色から紫外域にかけての短波長発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザ（ＬＤ）等の光デバイスの材料として、あるいは高出力電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）や高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）等の電子デバイス用の材料として重要であるが、窒化ガリウムはバルク単結晶基板を得ることができないため、基板材料としてサファイアやＳｉＣ基板が用いられ、この基板上へ、気相成長法（ＶＰＥ法）（有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）を含む）によりＧａＮの成長が行われる。
【０００５】
この様な異種基板上へ半導体を成長した場合、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の様々な材料固有の特性の不整合により、成長した半導体エピタキシャル膜中に高密度の転位が導入される。半導体中の転位は、非発光再結合中心、散乱中心として働くため、このような転位を多く含む半導体を用いた光および電子デバイスの特性、安定性、寿命は転位を微量にしか含まないデバイスに比べて極めて劣ったものとなってしまう。
【０００６】
上記ＧａＮや、ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮなどに代表される窒化物系化合物半導体も、単結晶基板が得られないため、サファイアやシリコン、ＳｉＣなどの異種基板上に成長が行われており、初期の研究においては上述の転位の発生が深刻な問題となっていた。
【０００７】
しかしながら、近年、ＭＯＶＰＥ法を用いた「２段階成長法」によりこの問題は一部解決された。即ち、サファイア上に５００〜６００℃程度の低温でＧａＮあるいはＡｌＮからなる低温バッファ層を成長し、その後、その上に１０００℃程度の温度でＧａＮを成長することにより、従来１０^１０〜１０^１１ｃｍ^−２程度であったサファイア上ＧａＮの転位密度を１０^８〜１０^９ｃｍ^−２台に抑制することに成功している（特公平８−８２１７号公報）。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
「２段階成長法」（以後従来法と呼ぶ）の一般的な手順は以下の通りである。まず最初にサファイア基板を水素雰囲気において１１００℃程度に加熱する事により表面をクリーニングし、次いで基板温度を５００℃程度にまで冷やして低温バッファ層を成長し、その後１０００℃程度まで再び昇温してＧａＮを成長する。
【０００９】
この方法の欠点としては、１１００℃、５００℃、１０００℃という大幅な昇降温を伴い、この昇降温に長い時間がかかってしまうということが挙げられる。例えば、以下の実施例で用いた有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）装置を用いた場合には、成長にかかる時間は全部で３時間であるが、そのうち昇降温にかかる時間は２時間であり、実際に窒化物半導体を成長している時間（１時間）よりも昇降温にかかる時間の方が長い。このような実質的な成長にかかる以外の時間は、生産性を下げウェハコストの増大を招く要因であるので、極力これを短くすることが望まれる。
【００１０】
また、上述のように従来法によるサファイア上ＧａＮの転位密度は１０^８〜１０^９ｃｍ^−２台であり、青色・緑色発光ダイオード（ＬＥＤ）への応用には十分な値であった。しかしながら、窒化物半導体の次世代の製品ターゲットである青紫色レーザーダイオード（ＬＤ）や紫外ＬＥＤの実現のためには、転位密度を１０^７ｃｍ^−２台以下にする必要があり、従来法によるＧａＮは適用できない状況にある。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、従来法より短い成長時間で従来より転位密度の低い窒化物半導体を得ることができる窒化物半導体の製造方法および半導体ウェハならびに半導体デバイスを得ることにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。
【００１３】
請求項１の発明に係る窒化物半導体の製造方法は、基板上に１０００℃近傍の温度で第１の窒化物半導体を成長しこれに熱処理を施すことで窒化物半導体の微結晶粒を形成し、その上に第２の窒化物半導体を成長することで窒化物半導体を島状に成長させ、さらに第３の窒化物半導体を成長することで上記の島を埋め込み、表面を平坦化することを特徴とする。
【００１４】
本発明の基本的形態は、基板上に１０００℃近傍の第１の温度（Ｔｇ１）で第１の窒化物半導体を成長しこれに熱処理を施すことで窒化物半導体の微結晶粒を形成し、その上に１０００℃近傍の第２の温度（Ｔｇ２）で第２の窒化物半導体を成長することで窒化物半導体を島状に成長させ、さらに１０００℃近傍の第３の温度（Ｔｇ３）で第３の窒化物半導体を成長することで上記の島を埋め込み、表面を平坦化するものである。
【００１５】
なお、本発明においては窒化物半導体は層状に成長するとは限らない。そこで、窒化物半導体のＩＩＩ族原料の供給量を表現するための指標として、同様な条件で平坦な窒化物半導体基板上に、窒化物半導体が層状に成長した場合の成長された窒化物半導体層の厚さを、便宜的に「膜厚」と言う。
【００１６】
本発明の窒化物半導体の製造方法において、上記第１の窒化物半導体の成長温度は９００〜１１００℃の範囲にするのがよい（請求項２）。これにより、最終的に得られる窒化物半導体、例えばＧａＮの転位密度を、従来法によるＧａＮ膜の転位密度（約３×１０^８ｃｍ^−２）以下とすることができるからである。もっとも、上記第１の窒化物半導体の成長温度を９５０〜１０５０℃の範囲にする（請求項３）ことで、最終的に得られる窒化物半導体の転位密度を５×１０^７ｃｍ^−２以下と極めて低い値にすることができる（図２参照）。
【００１７】
本発明の窒化物半導体の製造方法において、従来以上に低転位な窒化物半導体を得るためには、上記熱処理（アニール処理）の時間を２０秒以上取るようにするのがよい（請求項４）。熱処理時間を１００秒以上取るようにすると（請求項５）、１０^７ｃｍ^−２台前半の更に低転位な窒化物半導体を得ることができ、また熱処理時間を６００秒以上取るようにすると（請求項６）、１０^６ｃｍ^−２台以下の極めて低転位な窒化物半導体を得ることができる（図３参照）。
【００１８】
本発明の窒化物半導体の製造方法において、従来以上に低転位な窒化物半導体を得るためには、第１の窒化物半導体の膜厚を１５０ｎｍ以下とするとのがよい（請求項７）。第１の窒化物半導体の膜厚を５０ｎｍ以下にすると（請求項８）、１０^７ｃｍ^−２台前半のさらに低い転位密度を得ることができる（図４参照）。
【００１９】
本発明の窒化物半導体の製造方法において、上記基板には、サファイア、シリコン、ＳｉＣ基板あるいは、これらの基板表面に窒化物半導体を成長した複合基板を用いることができる（請求項９）。
【００２０】
本発明の窒化物半導体の製造方法においては、上記第１、第２および第３の窒化物半導体がＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_ｚＮ（ｘ≧０、ｙ≧０、ｚ≧０、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表される窒化物半導体を扱うことができる（請求項１０）。その代表的な形態は、上記第１、第２および第３の窒化物半導体が全てＧａＮであるものである（請求項１１）。
【００２１】
本発明に係る半導体ウェハは、請求項１〜１１のいずれかに記載の窒化物半導体の製造方法を用いて製作したことを特徴とする（請求項１２）。また、本発明に係る半導体デバイスは、請求項１２に記載の半導体ウェハを用いて形成したことを特徴とする（請求項１３）。
【００２２】
半導体ウェハの窒化物半導体上へ形成される窒化物半導体の積層構造（デバイス構造）としては、短波長発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザ（ＬＤ）等の光デバイスの構造の他、高出力電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）や高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）、ヘテロ・バイポーラ・トランジスタ（ＨＢＴ）等の電子デバイスの構造がある。具体的には、例えばＬＥＤやＬＤなどを製造する場合には、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＧａＮなどを多層に積層し、発光層（活性層）をｎ型クラッド層およびｐ型クラッド層によりはさんだ構造を形成する必要がある。また、ＨＢＴにおいても、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＧａＮなどを多層に積層し、ｎｐｎあるいはｐｎｐ接合を形成する必要がある。
【００２３】
＜発明の要点＞
本発明者等はまず、従来法における低温バッファ層の役割に関する考察を行った。この結果、低温バッファ層には以下の２種類の働きがあることを見出した。
【００２４】
（１）基板表面に離散的な種結晶となる微結晶粒を形成する。
【００２５】
（２）ＧａＮ結晶の極性を揃える。
【００２６】
まず、上記（１）に関しては、５００℃で成長した低温バッファ層を１０００℃に昇温することで、アモルファス状であった低温バッファ層が微結晶状に結晶化し、これがその後の１０００℃での窒化物半導体成長の際に種結晶となるのである。この上に１０００℃程度で窒化物半導体を成長すると、微結晶粒を核として窒化物半導体が島状に成長し、成長の進行と共にこれらの島状構造が結合し、最終的に表面が平坦な連続膜となる。
【００２７】
また、上記（２）に関する説明は以下の通りである。従来法以前にＧａＮを１０００℃程度で直接異種基板上に成長した場合には、成長の初期に（０００１）Ｇａ面および（０００１）窒素面の２種類の反対の極性を有する表面を持つＧａＮのグレインが形成されてしまい、これらのグレインが結合する際に転位が形成されるために、低転位なＧａＮを得ることができなかった。従来法においても低温バッファ層自体は両方の極性を有する領域が混在した形で成長するが、成長後に１０００℃程度に昇温する際に、（０００１）窒素面を有する微結晶粒のみが選択的に蒸発し、最終的には（０００１）Ｇａ面を持つ微結晶粒のみが残留することになる。このため、この上に成長された窒化物半導体は（０００１）Ｇａ面に極性の揃った膜となるのである。
【００２８】
本発明者等は、以上の考察において、１）および２）の働きそのものが本質的に重要であり、低温バッファ層自体は単なる手段に過ぎず、別の手段を用いて１）および２）の働きを実現しても、従来法と同様な低転位化が可能なのではないかとの着想を得た。
【００２９】
また、転位密度を決定する要因についても考察を進め、上述の成長初期に形成される島と島が結合する際に転位が導入されているのではないかと考えた。これに基づき、初期の島密度を低くすることで、転位密度を従来以上に低減できるのではないかとの着想を得た。
【００３０】
以上の着想、および、今回解決を試みた従来法の問題点にもとづき、以下の３点を併せ持つ成長手順を探索した。
【００３１】
（ａ）　成長手順に大幅な温度の昇降は伴わない。
【００３２】
（ｂ）　基板表面に極性の揃った微結晶粒を形成する。
【００３３】
（ｃ）　微結晶粒の密度を制御する。
【００３４】
その結果、図１に示す様に、温度Ｔｇ１で第１の窒化物半導体を成長した後に、第１の窒化物半導体を熱処理することにより微結晶粒を形成し、その後第２の窒化物半導体の温度Ｔｇ２での成長による島状構造形成、温度Ｔｇ３での第３の窒化物半導体の成長による島状構造の結合と表面の平坦化を行う手順により、上記（ａ）　〜（ｃ）　の全ての要請を満たせることを見出した。Ｔｇ１〜Ｔｇ３はいずれも、１０００℃近傍の温度であるため（ａ）　の要請は満たしている。また、第１の窒化物半導体の熱処理により（０００１）Ｇａ極性の微結晶粒のみを選択できており（要請（ｂ）　）、さらに、熱処理の時間により微結晶粒の密度が制御できている（要請（ｃ）　）。
【００３５】
【発明の実施の形態】
次に、本発明による窒化物半導体の製造方法の実施形態と、これにより得られる半導体ウェハならびに半導体デバイス製造の実施形態について説明する。
【００３６】
本発明による窒化物半導体の製造方法の実施形態から説明する。
【００３７】
まず、サファイア、シリコン、ＳｉＣ基板あるいは、これらの基板表面に窒化物半導体を成長した複合基板を用い、ＭＯＶＰＥ成長法により、図１に示すように、当該基板をクリーニングした後、その基板上に１０００℃近傍の第１の温度Ｔｇ１（具体的には９００〜１１００℃、好ましくは９５０〜１０５０℃）で第１の窒化物半導体（ここではＧａＮ）を成長する。この第１の窒化物半導体の膜厚は１５０ｎｍ以下、好ましくは５０ｎｍ以下にする。そして、これに熱処理（アニール処理）を施すことで、基板表面に極性の揃った窒化物半導体の微結晶粒を形成し、その熱処理時間を２０秒以上、好ましくは１００秒以上、さらに好ましくは６００秒以上とすることで、微結晶粒の密度について初期の島密度が低くなるように適切に制御する。なお、この熱処理は、ＩＩＩ族原料をストップし、Ｖ族原料のみを流すことで実施する。
【００３８】
次いで、第１の窒化物半導体の上に１０００℃近傍の第２の温度Ｔｇ２（例えば１０４５℃或いは１１００℃）で第２の窒化物半導体（ここではＧａＮ）を成長することで窒化物半導体を３次元的な島状に成長させる。さらに１０００℃近傍の第３の温度Ｔｇ３（例えば１１００℃）で第３の窒化物半導体（ここではＧａＮ）を成長することで上記の島を埋め込み、表面を平坦化する。ここで、第２の窒化物半導体の島状構造を第３の窒化物半導体の成長で埋め込み、表面を平坦化する際には、通常基板表面に対して垂直方向に伝播する転位の伝播方向が埋め込み成長の過程で横方向に変化するため、最表面に出現する転位の密度が大幅に減少する。
【００３９】
上記第１、第２および第３の窒化物半導体はＧａＮに限られるものではなく、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_ｚＮ（ｘ≧０、ｙ≧０、ｚ≧０、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表される窒化物半導体を扱うことができる。
【００４０】
【実施例】
以下の実施例はＭＯＶＰＥ成長法によりＧａＮを成長する場合の例であるが、上で述べた本発明の考え方はこれに限定されるものではなく、ＩｎＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ等を含む他の窒化物半導体にも、またＨＶＰＥ成長法あるいはＭＢＥ成長法等の他の成長法にも適用可能である。
【００４１】
＜実施例１＞
図１に本発明の第一の実施例に係る窒化物半導体の成長手順を、また表１に、この第一の実施例で用いた成長条件を示す。
【００４２】
本実施例においては、サファイア基板をまず１１００℃で水素雰囲気中でクリーニングした後、その上にＴｇ１＝１０２５℃で膜厚５０ｎｍのＧａＮ（第１の窒化物半導体）を成長し、その後１０２５℃で１００秒間のアニール（熱処理）を行っている。ここで、本発明の場合、窒化物半導体は層状に成長するとは限らないが、窒化物半導体のＩＩＩ族原料の供給量を表現するための指標として、同様な条件で平坦な窒化物半導体基体上に、窒化物半導体が層状に成長した場合の成長された窒化物半導体層の厚さを、便宜的に「膜厚」と言うことにする。
【００４３】
その後にＴｇ２＝１０４５℃で膜厚１００ｎｍの第２の窒化物半導体を成長し、さらに、Ｔｇ３＝１１１０℃で膜厚１０μｍの第３の窒化物半導体を成長した。
【００４４】
それぞれの段階における原料ガスおよびキャリアガスの種類と供給量は表１に示す通りである。すなわち、第１及び第２の窒化物半導体を成長するに際しては、ＩＩＩ族原料であるトリメチルガリウムＴＭＧを３００（μｍｏｌ／ｍ）、Ｖ族原料であるアンモニアを２０（ｓｌｍ）とし、キャリアガスの水素／窒素の比率を２０／６０（Ｌ／ｍ）とした。また、この層上に第３の窒化物半導体を形成するに際しては、ＩＩＩ族原料であるトリメチルガリウムＴＭＧを６００（μｍｏｌ／ｍ）、Ｖ族原料であるアンモニアを２０（ｓｌｍ）とし、キャリアガスの水素／窒素の比率を２０／６０（Ｌ／ｍ）とした。
【００４５】
【表１】

【００４６】
成長後の表面を光学顕微鏡および走査型電子顕微鏡で観察し、本方法により表面が平坦なＧａＮの連続膜が得られていることを確認した。更に、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）による断面観察により、ＧａＮ膜は基板との界面近傍以外は全て同じ極性の結晶から構成されており、異なる極性の結晶を含んでいないことを確認した。
【００４７】
また、このＧａＮ膜上にＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎを成長し、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）構造を形成したところ、界面に２次元電子ガスが蓄積していることが確認された。このことは、本発明によるＧａＮ膜が（０００１）Ｇａ極性を有していることを示している。ＴＥＭ観察からはまた、上述のＧａＮ膜の転位密度が、従来法によるＧａＮ膜の転位密度（約３×１０^８ｃｍ^−２）よりも一桁程度低く、４×１０^７ｃｍ^−２であることが確認された。
【００４８】
本実施例においては、半導体ウェハをＭＯＶＰＥ装置に導入してから出すまでにかかった時間は１．５時間であり、従来法の半分の時間であった。
【００４９】
すなわち、本発明の窒化物半導体の製造方法により、従来より短い成長時間により、従来より転位密度の低い窒化物半導体エピタキシャルウェハを製造できることが示された。
【００５０】
＜実施例２＞
本実施例では、その前提として、実施例１とほぼ同じ条件を用いて成長をおこなっている。異なる部分は、第２の窒化物半導体（ＧａＮ）の成長温度Ｔｇ２が１１００℃である点と、第１の窒化物半導体（ＧａＮ）の成長温度Ｔｇ１を７５０から１１５０℃の範囲で変えている点である。図２に、最終的なＧａＮエピタキシャルウェハの転位密度の第１の窒化物半導体（ＧａＮ）の成長温度Ｔｇ１に対する依存性を示す。
【００５１】
図２に示した様に、Ｔｇ１＝１０００℃で転位密度が最小の２×１０^７ｃｍ^−２となっており、これよりもＴｇ１が高くても低くても転位密度が増加している。そして実施例２のＴｇ１が９００〜１１００℃の範囲内で、転位密度が、従来法によるＧａＮ膜の転位密度（約３×１０^８ｃｍ^−２）以下となっている。また、Ｔｇ１が９５０〜１０５０℃の範囲内では、転位密度が５×１０^７ｃｍ^−２以下と極めて低い値となっている。
【００５２】
すなわち、従来以上に低転位なＧａＮ膜を得るためには、Ｔｇ１が９００〜１１００℃の範囲（実施例２）内であることが必要であり、１０^７ｃｍ^−２台前半の更に低転位なＧａＮ膜を得るためにはＴｇ１が９５０〜１０５０℃の範囲内である必要がある。
【００５３】
＜実施例３＞
本実施例では、その前提として、実施例１と同様な成長条件を用い、熱処理の時間を２〜１８００秒の間で変えて、その際の最終的なＧａＮ膜の転位密度を調べている（図３）。また、第３の窒化物半導体（ＧａＮ）の膜厚は、１０μｍ（黒丸印）および３０μｍ（白丸印）の２種類としている。
【００５４】
図３に示した様に、第３の窒化物半導体（ＧａＮ）の膜厚（１０μｍと３０μｍ）の違いに関わらず、熱処理時間が１０秒以下では転位密度は従来法以上である。しかし、熱処理時間が長くなると共に転位密度は減少し、熱処理時間が２０秒以上の範囲（実施例３）では、転位密度は従来法によるＧａＮよりも低くなっている。熱処理時間が１００秒以上では転位密度は１０^７ｃｍ^−２台前半以下であり、熱処理時間が６００秒以上では転位密度は１０^６ｃｍ^−２台以下の低転位化を達成している。
【００５５】
これは、熱処理時間の増大と共に前述の微結晶粒の密度が減少したため、島と島が融合する際の転位の発生が抑制され転位密度が減少しているのである。実際に微結晶粒密度を走査電子顕微鏡により調べたところ、熱処理時間が２０〜１００秒の間では微結晶粒密度は１０^９ｃｍ^−２台であり、熱処理時間が１００〜６００秒の間では微結晶粒密度は１０^８ｃｍ^−２台であり、また熱処理時間が６００秒以上では微結晶粒密度は１０^７ｃｍ^−２台以下となっていた。
【００５６】
すなわち、従来以上に低転位なＧａＮ膜を得るためには、熱処理時間は２０秒以上であることが必要であり、１０^７ｃｍ^−２台前半の更に低転位なＧａＮ膜を得るためには熱処理時間は１００秒以上が必要であり、また１０^６ｃｍ^−２台以下の極めて低転位なＧａＮ膜を得るためには熱処理時間は６００秒以上が必要である。
【００５７】
＜実施例４＞
本実施例では、その前提として、実施例１と同様な成長条件を用い、第１の窒化物半導体（ＧａＮ）の膜厚を５〜２００ｎｍの間で変えて、その際の最終的なＧａＮ膜の転位密度を調べている（図４）。
【００５８】
第１の窒化物半導体（ＧａＮ）の膜厚が２０ｎｍ未満では、最終的なＧａＮは連続的な膜とはならなかったが、第１の窒化物半導体（ＧａＮ）の膜厚が２０ｎｍの場合には連続的なＧａＮ膜が得られ、その転位密度は、２×１０^７ｃｍ^−２であった。更に第１の窒化物半導体（ＧａＮ）膜厚を増加すると、今度は転位密度が徐々に増加した。しかしながら、第１の窒化物半導体（ＧａＮ）膜厚が５０ｎｍ以下の場合には、転位密度は１０^７ｃｍ^−２台前半であり、また膜厚が１５０ｎｍの範囲（実施例４）までは、従来法によるＧａＮよりも低い転位密度であった。
【００５９】
第１の窒化物半導体（ＧａＮ）の膜厚増加に伴う転位密度の増加は、上述の微結晶粒の密度が増加したためである。また第１の窒化物半導体（ＧａＮ）の膜厚が２０ｎｍ未満で、ＧａＮの連続膜が得られなかったのは微結晶粒の密度が低すぎたため、１０μｍの第３の窒化物半導体（ＧａＮ）の成長では平坦化できなかったのである。しかしながら、第３の窒化物半導体（ＧａＮ）の膜厚を更に厚くすれば、平坦で、且つ更に低転位なＧａＮ膜が得られるものと考えられる。
【００６０】
以上の結果および考察より、従来以上に低転位なＧａＮ膜を得るためには、第１の窒化物半導体（ＧａＮ）膜厚は１５０ｎｍ以下の範囲（実施例４）である必要があり、１０^７ｃｍ^−２台前半のさらに低い転位密度を得るためには第１の窒化物半導体（ＧａＮ）の膜厚は５０ｎｍ以下である必要がある。
【００６１】
＜実施例５＞
実施例１の条件をシリコン基板上へのＧａＮの成長に適用したところ、ＧａＮの転位密度は１×１０^８ｃｍ^−２であった。シリコン上のＧａＮの転位密度は、通常１０^９ｃｍ^−２台であることを考えると大幅に転位密度が低減されていると言える。
【００６２】
＜実施例６＞
実施例１の条件をＳｉＣ基板上へのＧａＮの成長に適用したところ、ＧａＮの転位密度は２×１０^８ｃｍ^−２であった。ＳｉＣ上のＧａＮの転位密度は、通常１０^９ｃｍ^−２台であることを考えると、この場合にも大幅に転位密度が低減されていると言える。
【００６３】
＜実施例７＞
実施例１の条件を、従来法によりサファイア上にＧａＮ膜を成長した複合基板に適用した。この場合、従来法によるＧａＮ膜の転位密度は３×ｌ０^８ｃｍ^−２であったが、本発明の方法をこれに適用する事により転位密度は１．８×ｌ０^７ｃｍ^−２にまで低減された。
【００６４】
＜実施例８＞
実施例１の条件で製作したＧａＮエピタキシャルウェハと、従来法により製作したＧａＮエピタキシャルウェハを用いて、ｐ−ＡｌＧａＮ／ＧａＮ量子井戸／ｎ−ＡｌＧａＮの紫外発光ＬＥＤを製作した。その結果、従来法によるＧａＮエピタキシャルウェハを用いて作製したＬＥＤの２０ｍＡ通電時の光出力は０．１ｍＷであったのが、本発明によるＧａＮエピタキシャルウェハを用いる事により２０ｍＡ通電時の光出力が１０倍の１ｍＷとなった。
【００６５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による窒化物半導体の製造方法は、基板上に１０００℃近傍の温度で第１の窒化物半導体を成長しこれに熱処理を施すことで窒化物半導体の微結晶粒を形成し、その上に第２の窒化物半導体を成長することで窒化物半導体を島状に成長させ、さらに第３の窒化物半導体を成長することで上記の島を埋め込み、表面を平坦化する方法であり、第１、第２及び第３の窒化物半導体はいずれも１０００℃近傍の温度で成長することができる。このため従来の５００℃近傍と１０００℃近傍の間で大幅な昇降温を伴う２段階成長法に較べ、より短い成長時間により、従来より転位密度の低い高品質な窒化物半導体エピタキシャルウェハを低コストに製造することが可能となる。また、この窒化物半導体エピタキシャルウェハを用いた半導体デバイスにおいてその特性を大幅に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施例に係る窒化物半導体の成長手順を示す図である。
【図２】本発明における、最終的なＧａＮエピタキシャルウェハの転位密度の、第１の窒化物半導体（ＧａＮ）の成長温度Ｔｇ１に対する依存性を示す図である。
【図３】本発明における、最終的なＧａＮエピタキシャルウェハの転位密度の、熱処理時間に対する依存性を示す図である。
【図４】本発明における、最終的なＧａＮエピタキシャルウェハの転位密度の、第１の窒化物半導体（ＧａＮ）の膜厚に対する依存性を示す図である。
【符号の説明】
Ｔｇ１　第１の窒化物半導体の成長温度
Ｔｇ２　第２の窒化物半導体の成長温度
Ｔｇ３　第３の窒化物半導体の成長温度

Claims

基板上に１０００℃近傍の温度で第１の窒化物半導体を成長しこれに熱処理を施すことで窒化物半導体の微結晶粒を形成し、
その上に第２の窒化物半導体を成長することで窒化物半導体を島状に成長させ、
さらに第３の窒化物半導体を成長することで上記の島を埋め込み、表面を平坦化することを特徴とする窒化物半導体の製造方法。
上記第１の窒化物半導体の成長温度が９００〜１１００℃の範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体の製造方法。
上記第１の窒化物半導体の成長温度が９５０〜１０５０℃の範囲にあることを特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体の製造方法。
上記熱処理の時間が２０秒以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の窒化物半導体の製造方法。
上記熱処理の時間が１００秒以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の窒化物半導体の製造方法。
上記熱処理の時間が６００秒以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の窒化物半導体の製造方法。
上記第１の窒化物半導体の膜厚が１５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の窒化物半導体の製造方法。
上記第１の窒化物半導体の膜厚が５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の窒化物半導体の製造方法。
上記基板がサファイア、シリコン、ＳｉＣ基板あるいは、これらの基板表面に窒化物半導体を成長した複合基板であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の窒化物半導体の製造方法。
上記第１、第２および第３の窒化物半導体がＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_ｚＮ（ｘ≧０、ｙ≧０、ｚ≧０、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表されることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の窒化物半導体の製造方法。
上記第１、第２および第３の窒化物半導体が全てＧａＮであることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の窒化物半導体の製造方法。
請求項１〜１１のいずれかに記載の方法により形成した窒化物半導体上へ、窒化物半導体を形成し、窒化物半導体の積層構造を形成したことを特徴とする半導体ウェハ。
請求項１２に記載の半導体ウェハを用いて形成したことを特徴とする半導体デバイス。