JP2017130539A - 窒化物半導体装置、窒化物半導体装置の作製方法、及び製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｓｉ（００１）基板を用いて、ＧａＮエピタキシャル層を平坦成長する。
【解決手段】Ｓｉ（００１）単結晶基板１と、該単結晶基板の表面に積層されたＡｌＮバッファ層２と、ＡｌＮバッファ層２の基板反対側表面に積層されたＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＮ（0.01≦x≦0.3）バッファ層３と、Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＮバッファ層３の基板反対側表面に積層されたＧａＮエピタキシャル層４とを備える。また、ＡｌＮバッファ層２の膜厚は、Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＮバッファ層３の膜厚の１３．５倍〜５４倍であることが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化物半導体装置、窒化物半導体装置の作製方法、及び製造装置に関し、例えば、窒化物半導体と格子定数の異なるシリコン基板上に作製した、表面が平坦な窒化物半導体装置、窒化物半導体装置の作製方法、及び製造装置に関する。

ＧａＮ（Gallium Nitride）系窒化物半導体は、高周波・高出力ＨＥＭＴ(High Electron Mobility Transistor)やＬＥＤ(Light Emitting Diode)、ＬＤ(Laser Diode)等の半導体デバイスへの応用が成功して以来、盛んに研究されている。これらの半導体デバイスは、通常、窒化物系半導体をサファイアやシリコン、シリコンカーバイド基板の表面に成長した積層構造を有している。特に、シリコン基板は、大面積基板の存在、高品質、高熱伝導性、ダイシング・薄層化の容易性、プロセス技術の完成度、世界中の工場ラインの存在、低価格等の多くの魅力ある特徴を備えている。

そこで、近年、数多くの研究機関は、シリコン基板の表面に窒化物半導体を成長する研究を進めている。しかしながら、通常、成長可能な窒化物半導体の結晶構造は、六方晶系六方最密構造であり、シリコンの結晶構造は、立方晶系ダイヤモンド構造である。このため、六方最密構造である窒化物半導体は、（１１１）の面方位を有したシリコン基板を用いて、ｃ軸方向に成長させられる。

非特許文献１は、ＡｌＧａＮ／ＡｌＮ多層構造バッファ層の形成において、シリコン（００１）基板に傾斜基板を用い、ドメインの方向を揃え、且つ平坦に成長する技術を開示している。

また、特許文献１は、多孔質層（ポーラスＳｉ部）を有する（００１）面シリコン基板を用い、該ポーラスＳｉ部に対して、（１１１）面を持つＳｉ薄膜を接合する技術を開示している。

特許第５５４６１３３号公報（段落００１０，００２０，００３２）

Epitaxy of GaNon silicone-impact of symmetry and surface reconstruction, NewJournalof Physics，9(2007),p.389

ところで、一般にＬＳＩ（Large Scale Integration）の製造に用いられるシリコン基板は、Ｓｉ−ＳｉＯ_２の界面準位密度が小さく、ウェットエッチングが容易な（００１）面方位の基板が用いられる。このため、シリコン（００１）基板上に窒化物半導体を成長することができれば、１枚の基板上にＬＳＩと窒化物半導体とのハイブリッド装置が可能となる。

しかしながら、窒化物半導体とシリコン基板との組み合わせは、格子定数や熱膨張係数が大きく異なり、クラックが発生し易いという問題点もある。特に、シリコン（１１１）基板を用いることなく、シリコン（００１）基板上に成長した窒化物半導体は、３０度回転ドメインが混在するダブルドメイン成長の問題と、平坦成長が困難であるという問題とを同時に抱えることとなる。

ダブルドメイン成長の問題は、電流を主にｃ軸方向に流すことで影響を抑えることが可能である。しかしながら、窒化物半導体が平坦成長しない場合は、装置作製そのものがほぼ不可能になってしまう。

図１３は、Ｓｉ（００１）基板の表面にＡｌＮバッファ層を介して、ＧａＮエピタキシャル層を成長させたときの表面写真であり、比較例として示したものである。
シリコン（００１）基板の表面に堆積したＧａＮ／ＡｌＮは、結晶成長核密度が小さいために、基板全体を覆うことなく凹凸の大きな表面となる。このように、平坦成長しない場合はフォトリソなどのプロセスが施せないため装置作製が不可能である。なお、シリコン（１１１）基板の表面にＡｌＮバッファ層を形成し、続けてＧａＮ層をエピタキシャル成長させた場合は、シングルドメインであり、平坦かつ鏡面成長となる。

ここで、ドメインの方向を揃え、且つ平坦成長する技術として、前記した非特許文献１に記載の技術がある。しかしながら、非特許文献１が開示する技術は、シリコン（００１）を４°傾斜させた基板を用いているため、通常のＬＳＩ製造に用いられるシリコン基板とは異なる基板上への窒化物半導体を成長する必要がある。このため、１枚の基板を用いて、ＬＳＩと窒化物半導体とをハイブリッド形成することは困難であり、ＬＳＩと窒化物半導体とを個別に作製してパッケージ内で混成せざるを得ない。

もし、ＬＳＩとのハイブリッド形成を諦めるのであれば、シリコン（００１）を４°傾斜させた基板を用いた技術よりも報告例が多く、シングルドメイン成長になり、且つＧａＮ層の平坦成長が容易なシリコン（１１１）基板を用いれば十分である。

次に、問題の回避方法として、特許文献１に記載の技術を用い、（１１１）面を持つＳｉ薄膜の表面に、バッファ層を介してＧａＮを積層することが考えられる。しかしながら、特許文献１に記載の技術を用いて作製した窒化物半導体装置とは、別にＬＳＩを作製して、パッケージ内で混成することになる。パッケージ内の混成の方がコスト的にも技術難易度的にも有利である。

そこで、本発明は、Ｓｉ（００１）基板を用いて、ＧａＮエピタキシャル層を平坦成長することができる窒化物半導体装置、窒化物半導体の作製方法、及び製造装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明の窒化物半導体装置は、前記目的を達成するために、Ｓｉ（００１）単結晶基板と、該Ｓｉ（００１）単結晶基板の表面に積層されたＡｌＮバッファ層と、前記ＡｌＮ層の基板反対側表面に積層されたＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＮ（0.01≦x≦0.3）バッファ層と、前記Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＮ層の基板反対側表面に積層されたＧａＮエピタキシャル層とを備えたことを特徴とする。

また、本発明の窒化物半導体装置の作製方法は、Ｓｉ（００１）単結晶基板を用いた窒化物半導体装置の作製方法であって、Ａｌの原料（例えば、TMA）、及びアンモニアガスの導入により、前記Ｓｉ（００１）単結晶基板の表面にＡｌＮバッファ層が成膜させられるＡｌＮ成膜工程と、前記アンモニアガスが導入された状態で、前記Ｓｉ（００１）単結晶基板の温度がＧａＩｎＮの成長温度（例えば、600度）よりも高くＧａＮの成長温度（例えば、800度）よりも低い温度（例えば、700度）に低下させられる工程と、Ｉｎの原料（例えば、TMI）、Ｇａの原料（例えば、TMG）、及びアンモニアガスの導入により、前記温度が低下させられたＳｉ（００１）単結晶基板のＡｌＮバッファ層の表面にＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＮ（0.01≦x≦0.3）バッファ層が成膜させられるＧａＩｎＮ成膜工程と、をさらに備えることを特徴とする。

また、本発明の窒化物半導体装置の製造装置は、Ｓｉ（００１）単結晶基板を用いた窒化物半導体装置を製造する製造装置であって、前記Ｓｉ（００１）単結晶基板を加熱する加熱部（２２）と、前記Ｓｉ（００１）単結晶基板の表面で有機金属材料、キャリアガス、及びアンモニアガスが通流する反応管（２４）と、前記有機金属材料の量、前記アンモニアガスの流量、及び前記加熱部を制御する制御部（４０）とを備え、前記制御部は、
前記Ｓｉ（００１）単結晶基板がＧａＮの成長温度（例えば、800度）よりも高い温度（例えば、1200度）になるまで前記加熱部を制御する基板加熱制御部と、前記反応管にＡｌの原料（例えば、TMA）、及びアンモニアガスを通流させるＡｌＮ成膜制御部と、前記アンモニアガスが通流している状態で、前記Ｓｉ（００１）単結晶基板がＧａＩｎＮ成長温度（例えば、600度）よりも高くＧａＮの成長温度（例えば、800度）よりも低い温度（700度）になるまで低下させる基板冷却制御部と、前記反応管にＩｎの原料（例えば、TMI）、Ｇａの原料（例えば、TMG）、及びアンモニアガスを通流させるＧａＩｎＮ成膜制御部と、を備えることを特徴とする。なお、（ ）内の温度、材料や符号は、例示である。

本発明によれば、Ｓｉ（００１）基板を用いて、ＧａＮエピタキシャル層を平坦成長することができる。これにより、フォトリソなどのプロセスが施すことができる。なお、ダブルドメインが形成されても、ｃ軸方向には電流を流すことができる。

本発明の第１実施形態である窒化物半導体装置の積層構造を示す断面図である。 本発明の第１実施形態である窒化物半導体装置を製造する製造装置の構成図である。 制御部の構成図である。 窒化物半導体装置を作製する作製方法を説明するフローチャートである。 ＧａＮエピタキシャル層を成膜した後、窒化物半導体層を積層するときのフローチャートである。 本発明の第１実施形態における窒化物半導体装置のＧａＮエピタキシャル層の表面写真である。 本発明の第１実施形態の窒化物半導体装置におけるＧａＩｎＮバッファ層の成長時間を変化させた場合の表面写真である。 本発明の第１実施形態である窒化物半導体装置における、ＧａＮエピタキシャル層の膜厚を変化させたときの表面写真である。 本発明の第２実施形態である窒化物半導体装置の断面図である。 第２実施形態の窒化物半導体装置を作製する作成方法を説明するフローチャートである。 本発明の実施形態である窒化物半導体装置の試料の最上段のＧａＮエピタキシャル層の表面写真である。 Ｓｉ（００１）基板にＧａＮが堆積したときのドメインについて説明する説明図である。 Ｓｉ（００１）基板の表面にＡｌＮバッファ層を介して、ＧａＮエピタキシャル層を成長させたときの表面写真である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態（以下、「本実施形態」と称する）につき詳細に説明する。なお、各図は、本発明を十分に理解できる程度に、概略的に示してあるに過ぎない。よって、本発明は、図示例のみに限定されるものではない。また、各図において、共通する構成要素や同様な構成要素については、同一の符号を付し、それらの重複する説明を省略する。

(第１実施形態)
（構成の説明）
図１は、本発明の第１実施形態である窒化物半導体装置の積層構造を示す断面図である。ここで、図１（ｂ）は、図１（ａ）の窒化物半導体層５ａの詳細図である。
窒化物半導体装置１０は、Ｓｉ（００１）基板１と、該Ｓｉ（００１）基板１の表面に成膜されたＡｌＮバッファ層２と、該ＡｌＮバッファ層２の基板反対側表面に成膜されたＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＮバッファ層３と、該Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＮバッファ層３の基板反対側表面に成膜されたＧａＮエピタキシャル層４（４ａ）と、該ＧａＮエピタキシャル層４ａの基板反対側表面に積層された窒化物半導体層５（５ａ）とを備える。ここで、Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＮバッファ層３のｘは、０．０１〜０．３（好ましくは、０．０２〜０．１）であり、例えば、ｘ＝０．０５（Ｉｎ濃度５％）である。なお、窒化物半導体装置は、窒化物半導体層５ａを備えないこともあり、窒化物半導体層５ａを備えないものを評価試料としている。

Ｓｉ（００１）基板１は、面方位が（００１）方向を示す汎用のシリコン単結晶基板であり、ダイヤモンド構造を呈する。Ｓｉ（００１）基板１は、格子定数が５．４３であり、熱膨張係数が３．５９×10^−６／Ｋである。なお、結晶面方位が（１１１）方向を示すＳｉ（１１１）基板は、格子定数が３．８４である。

ＡｌＮバッファ層２は、ウルツ鉱構造の窒化アルミニウム層であり、ａ軸の格子定数が約３．１１であり、c軸の格子定数が約４．９８である。ＡｌＮバッファ層２は、膜厚が４６０ｎｍを例示している。また、ＡｌＮバッファ層２の熱膨張係数は、４．２×10^−６／Ｋである。

Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＮバッファ層３は、膜厚２６ｎｍのＩｎ濃度５％（ｘ＝０．０５）の層である。つまり、ＡｌＮバッファ層２は、Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＮバッファ層３の１７．７倍の膜厚である。なお、Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＮバッファ層３は、８．５ｎｍ以上３４ｎｍ以下の膜厚であれば構わない。つまり、ＡｌＮバッファ層２の膜厚とＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＮバッファ層３の膜厚との比率は、１３．５倍〜５４倍、好ましくは、１５倍〜２０倍であれば構わない。

ＧａＩｎＮは、格子定数がＧａＮとＩｎＮとの中間値を有する混晶材料である。なお、ＩｎＮは、ＧａＮと同じ六方晶系のウルツ構造をとり、ａ軸の格子定数が３．５４５であり、ｃ軸の格子定数が５．７０３である。また、ヤング率は、インジウムが１１ＧＰａであり、アルミニウムが７０Ｇｐａである。つまり、ＧａＩｎＮの方が、ＡｌＧａＮよりも剛性が低いことが期待される。

ＧａＮエピタキシャル層４（４ａ）は、結晶面が（０００１）面（ｃ面）に揃えられたＧａＮ層である。ＧａＮは、六方晶系のウルツ（Wurtzite）鉱型結晶構造をとり、ａ軸の格子定数が３．１８９であり、ｃ軸の格子定数が５．１８５である。なお、窒化物半導体装置１０を評価する評価試料は、ＧａＮエピタキシャル層４ａの厚さを０．８μｍとしている。

窒化物半導体層５（５ａ）は、例えば、ｎ型クラッド層６、発光層（活性層）７、ｐ型クラッド層８からなり、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）として機能する。ｎ型クラッド層６は、ＧａＮにＳｉドープしたｎ−ＧａＮ層である。ｐ型クラッド層８は、Ｍｇドープしたｐ−ＧａＮ層である。

発光層７は、量子井戸層を複数持つ多重量子井戸構造の活性層であり、バルク型よりも明るく鮮やかな発光が可能である。発光層７は、通常は、ＧａＩｎＮ井戸層と、ＧａＮ又はＧａＩｎＮ障壁層とした多重量子井戸（ＭＱＷ: Multi Quantum Well）構造とする。

（製造方法）
窒化物半導体装置１０は、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法により製造される。以下、窒化物半導体装置１０を製造するための成膜装置（製造装置）と製造方法について説明する。

（成膜装置）
図２は、本発明の第１実施形態である窒化物半導体装置を製造する製造装置の構成図であり、図２（ａ）は、製造装置としての成膜装置の縦断面図であり、図２（ｂ）は、該成膜装置の平面図である。
有機金属化学気相成長は、III族である有機金属ソース３０、Ｖ族である窒素（Ｎ）原料であるアンモニア（ＮＨ_３）ガス３６、及び、有機金属ソース３０を運搬するキャリアガス３５を薄膜成膜装置の反応室に導入し、加熱されたサセプタ上に載置されたＳｉ（００１）基板１の表面に窒化物薄膜を気相成長させて行う。ここで、有機金属ソース３０は、トリメチルガリウムＴＭＧ、トリメチルアルミニウムＴＭＡや、トリメチルインジウムＴＭＩであり、キャリアガス３５は、水素Ｈ_２や窒素Ｎ_２である。

成膜装置１００は、装置全体をカバーするチャンバ２１と、加熱部としてのヒータ２２と、サセプタ２３と、石英製の反応管２４と、制御部４０とを備えて構成される成長装置である。サセプタ２３は、ヒータ２２による加熱、又は誘導加熱されるウェーハ保持体である。反応管２４は、ガス供給側が仕切板２８によって上下２つの流路に分離されている。反応管２４の上部流路２５は、有機金属原料であるＴＭＧ、ＴＭＡ、ＴＭＩ、ドーパント原料やキャリアガス３５等とが矢印方向に通流するIII族ラインＡであり、下部流路２６は、アンモニアガス３６やキャリアガス３５等が矢印方向に通流するＶ族ラインＢである。

サセプタ２３とヒータ２２とは、各流路の下流に配設され、ヒータ２２は、サセプタ２３に載置されたＳｉ（００１）基板１を加熱する。ＧａＮ系窒化物半導体は、２つの流路からガスが供給され、加熱されたＳｉ（００１）基板１が結晶成長することにより、作製される。そして、供給されたガスは、反応管２４の排気流路２７から排気ラインＣとして矢印方向に排気される。

図３は、制御部の構成図である。
制御部４０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）により、構成されており、該ＣＰＵがプログラムを実行することにより、基板加熱制御部（第１の基板加熱制御部４１，第２の基板加熱制御部）と、基板冷却制御部４３と、成膜制御部（ＡｌＮ成膜制御部４５，ＧａＩｎＮ成膜制御部４６，ＧａＮエピ層成膜制御部４７，窒化物半導体層成膜制御部４８としての機能を実現する。これらの機能により、制御部４０は、有機金属原料やガスの種類、流量やヒータ２２を制御する。

第１の基板加熱制御部４１は、ヒータ２２を制御して、ＧａＮの成長温度（約８００度）よりも高い温度（例えば、１２００度）まで、Ｓｉ（００１）基板１を加熱する。第２の基板加熱制御部は、ヒータ２２を制御して、ＧａＮの成長温度（８００度）よりも高い温度（例えば、１１４０度）に加熱まで、Ｓｉ（００１）基板１を加熱する。

基板冷却制御部４３は、ヒータ２２を停止し、ＧａＮの成長温度（８００度）よりも低い温度（例えば、７００度）まで、Ｓｉ（００１）基板１を冷却する。なお、基板冷却制御部４３は、ヒータ２２の加熱を停止すると共に、図示しない冷却手段でＳｉ（００１）基板１を冷却することが好ましい。

ＡｌＮ成膜制御部４５は、Ａｌの原料であるトリメチルアルミニウムを２０μmol/minに制御すると共に、有機金属のガス導入ライン：１２SLM（有機金属プッシュライン１SLM（１．６９Ｐａｍ^３／s）＋Ｈ_２キャリアガス１１SLM（１８．５９Ｐａｍ^３／s）、アンモニアのガス導入ライン：１２SLM（アンモニア６SLM（１０．１４Ｐａｍ^３／s）＋Ｈ_２キャリアガス６SLM（１０．１４Ｐａｍ^３／s））に制御する。

ＧａＩｎＮ成膜制御部４６は、Ｉｎの原料であるトリメチルインジウムＴＭＩ ２．３μmol/minに制御し、Ｇａの原料であるトリメチルガリウムＴＭＧを１００μmol/minに制御すると共に、有機金属のガス導入ライン：１２SLM（有機金属プッシュライン１SLM（１．６９Ｐａｍ^３／s）＋Ｈ_２キャリアガス１１SLM（１８．５９Ｐａｍ^３／s））、アンモニアのガス導入ライン：１２SLM（アンモニア６SLM（１０．１４Ｐａｍ^３／s）＋Ｈ_２キャリアガス６SLM（１０．１４Ｐａｍ^３／s））に制御する。

ＧａＮエピ層成膜制御部４７は、トリメチルガリウムＴＭＧを１００μmol/minに制御すると共に、有機金属のガス導入ライン：１２SLM（有機金属プッシュライン１SLM（１．６９Ｐａｍ^３／s）＋Ｈ_２キャリアガス１１SLM（１８．５９Ｐａｍ^３／s））、アンモニアのガス導入ライン：１２SLM（アンモニア６SLM＋Ｈ_２キャリアガス６SLM（１０．１４Ｐａｍ^３／s））に設定して成長する。

窒化物半導体層成膜制御部４８は、ＧａＮエピ層成膜制御部４７の条件に加えて、ｎ型ドーパント原料としてＳｉＨ_４：シランガスを流し、ｐ型ドーパント原料としてビスシクロペンタジエニルマグネシウム：Ｃｐ_２Ｍｇを流す。

（作製方法の説明）
図４は、窒化物半導体装置を作製する作製方法を説明するフローチャートである。
製造装置又は作業者は、Ｓｉ（００１）基板１をサセプタ２３（図２）に載置する（Ｓ１０）。なお、このＳｉ（００１）基板１は、フッ酸により、予め酸化膜が除去されているものとする。

第１の基板加熱制御部４１は、成長装置内を、常圧から５０〜２００Torr（６．６６５〜２６．６６ｋＰａ）までの範囲、好ましくは１００Torr（１３．３３ｋＰａ）に減圧した後に水素を３０SLM（５０．７Ｐａｍ^３／s）程度流しながら１０００℃で５分間、Ｓｉ（００１）基板１を加熱し、基板表面のクリーニングを行う（Ｓ１１）。ここから、第１の基板加熱制御部４１は、３分間かけて１２００℃までＳｉ（００１）基板１を加熱する（Ｓ１２）。

ＡｌＮ成膜制御部４５は、減圧雰囲気１００Torr（１３．３３ｋＰａ）でＡｌＮ膜を成長する（Ｓ１４）。具体的には、ＡｌＮ成膜制御部４５は、Ａｌの原料であるトリメチルアルミニウムを２０μmol/minに設定し、キャリアガス流量条件を、有機金属のガス導入ライン：１２SLM（有機金属プッシュライン１SLM（１．６９Ｐａｍ^３／s）＋Ｈ_２キャリアガス１１SLM（１８．５９Ｐａｍ^３／s））に設定し、アンモニアのガス導入ライン：１２SLM（アンモニア６SLM（１０．１４Ｐａｍ^３／s）＋Ｈ_２キャリアガス６SLM（１０．１４Ｐａｍ^３／s））に設定する。

基板冷却制御部４３は、アンモニアを導入したまま基板温度を７００℃に下げる（Ｓ１６）。そして、ＧａＩｎＮ成膜制御部４６は、減圧雰囲気１００Torr（１３．３３ｋＰａ）でＧａＩｎＮを成長させる（Ｓ１８）。具体的には、ＧａＩｎＮ成膜制御部４６は、Ｉｎの原料であるトリメチルインジウムＴＭＩ ２．３μmol/minに、Ｇａの原料であるトリメチルガリウム（TMG）を１００μmol/minに設定し、有機金属のガス導入ライン：１２SLM（有機金属プッシュライン１SLM（１．６９Ｐａｍ^３／s）＋Ｈ_２キャリアガス１１SLM（１８．５９Ｐａｍ^３／s））、アンモニアのガス導入ライン：１２SLM（アンモニア６SLM（１０．１４Ｐａｍ^３／s）＋Ｈ_２キャリアガス６SLM（１０．１４Ｐａｍ^３／s））に設定する。このようにして、Ｉｎ濃度５％、膜厚２６ｎｍのＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＮバッファ層３が得られる。

次に、第２の基板加熱制御部４２は、アンモニアガスを導入した状態で基板温度を１１４０℃に上げる（Ｓ２０）。

ＧａＮエピ層成膜制御部４７は、基板温度が１１４０℃の状態で、ＧａＮエピタキシャル層の成膜を行う（Ｓ２２）。具体的には、ＧａＮエピ層成膜制御部４７は、トリメチルガリウムＴＭＧを１００μmol/minに設定し、有機金属のガス導入ライン：１２SLM（有機金属プッシュライン１SLM（１．６９Ｐａｍ^３／s）＋Ｈ_２キャリアガス１１SLM（１８．５９Ｐａｍ^３／s））、アンモニアのガス導入ライン：１２SLM（アンモニア６SLM（１０．１４Ｐａｍ^３／s）＋Ｈ_２キャリアガス６SLM（１０．１４Ｐａｍ^３／s））に設定する。これにより、１時間で膜厚１．６μｍ程度のＧａＮ薄膜が得られる。本実施形態の窒化物半導体装置１０を評価する評価資料は、ＧａＮエピタキシャル層４ａを０．８μｍ成長させていることを示している。

図５は、ＧａＮエピタキシャル層を成膜した後、窒化物半導体層を積層するときのフローチャートである。
製造装置又は作成者は、Ｓ２２（図４）で作製されたＧａＮエピタキシャル層が成膜されたＳｉ（００１）基板１（Ｓ３０）に対して、引き続き、窒化物半導体層を積層する（Ｓ３２）。具体的には、窒化物半導体層成膜制御部４８は、ＧａＮエピタキシャル層の成膜条件に加え、ｎ型ドーパント原料としてＳｉＨ_４：シランガスを流し、ｐ型ドーパント原料としてビスシクロペンタジエニルマグネシウム：Ｃｐ_２Ｍｇを流す。

成長後の降温は、アンモニアを導入したまま水素を窒素に切り換え、４００℃でアンモニアの供給を停止し、２００℃以下で試料を取り出す。以上の手順で、シリコン（００１）基板を用いた窒化物半導体装置１０（図１）を作製することができる。

（試料評価）
図６は、本発明の第１実施形態における窒化物半導体装置のＧａＮエピタキシャル層の表面写真（ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）写真）である。つまり、各表面写真は、窒化物半導体層５ａ（図１）が積層されていない窒化物半導体装置を試料としている。図６（ａ）は、６００℃でＧａＩｎＮ層を成長させた試料の表面写真であり、図６（ｂ）は、ＧａＩｎＮ層を７００℃で成長させた試料の表面写真であり、図６（ｃ）は、８００℃でＧａＩｎＮ層を成長させた試料の表面写真である。なお、各試料は、ＧａＮエピタキシャル成長を２０分（膜厚：０．５３μｍ）行っている。

ＧａＩｎＮバッファ層成長温度６００℃は、サファイア基板上に低温バッファ層を成長させる成長温度よりも少し高めであり、成長温度８００℃は、ＬＥＤ等のＭＱＷ（Multiple Quantum Well）成長においてＩｎが取り込まれにくい温度（ほぼＧａＮの成長温度）である。

図６（ａ）からわかるように、Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＮバッファ層３（図１）を６００℃で成長した試料は、ほぼ白濁に近い表面状態となる。また、Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＮバッファ層３（図１）を７００，８００℃で成長した窒化物半導体装置の試料は、図６（ｂ）（ｃ）に示すように、マクロな表面状態が同じである。しかしながら、ＧａＩｎＮ成長温度８００℃の試料は、ミクロに観察した場合、７００℃での成長と比較して表面凹凸が大きい。よって、Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＮバッファ層３の成長温度は７００℃が最適な温度であると判断できる。

図７は、本発明の第１実施形態の窒化物半導体装置におけるＧａＩｎＮバッファ層の成長時間を変化させた場合の表面写真である。図７（ａ）は、Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＮバッファ層３を５分成長させたときのＧａＮエピタキシャル層４の表面写真であり、図７（ｂ）は、Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＮバッファ層３を１０分成長させたときのＧａＮエピタキシャル層４の表面写真であり、図７（ｃ）、（ｄ）は、Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＮバッファ層３を１５分成長させたときと２０分成長させたときのＧａＮエピタキシャル層４の表面写真である。なお、各試料は、図６と同様に、ＧａＮエピタキシャル成長を２０分（膜厚：０．５３μｍ）行っている。

図７の各図からわかるように、Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＮバッファ層３の成長温度が同じ７００℃の条件であれば、成長時間を長くするほど、ＧａＮエピタキシャル層４の結晶粒径が大きくなる傾向がある。しかしながら、Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＮバッファ層３を２０分（膜厚：３４ｎｍ）成長すると、ＧａＮエピタキシャル層４の表面凹凸が大きくなってしまう。よって、Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＮバッファ層３の成長時間は、１５分（膜厚：２６ｎｍ）が最適である。

図８は、本発明の第１実施形態である窒化物半導体装置における、ＧａＮエピタキシャル層の膜厚を変化させたときの表面写真である。図８（ａ）は、Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＮバッファ層３を７００℃で１５分（膜厚：２６ｎｍ）成長させ、ＧａＮエピタキシャル層４を２０分（膜厚：０．５３μｍ）成長させた試料のＧａＮエピタキシャル層４の表面写真である。図８（ｂ）は、Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＮバッファ層３を７００℃で、１５分（膜厚：２６ｎｍ）成長させ、ＧａＮエピタキシャル層４を６０分（膜厚：１．６μｍ）成長させたときのＧａＮエピタキシャル層４の表面写真である。つまり、ＧａＮエピタキシャル層４を２０分（膜厚：０．５３μｍ）成長させるよりも、６０分（膜厚：１．６μｍ）成長させた方が、ＧａＮエピタキシャル層４の平坦度が良い。

以上説明したように、本実施形態の窒化物半導体装置１０は、Ｓｉ（００１）基板１の表面にバッファ層を介して積層したＧａＮエピタキシャル層４が平坦成長されている。つまり、本実施形態によれば、界面が平滑で、しかも、結晶性の良い窒化物半導体を任意の膜厚で作製できる。また、ＧａＮエピタキシャル層４が平坦成長しているので、フォトリソなどのプロセスを施すことができ、信頼性や生産性の高い電子デバイス・光デバイス等を提供することができる。

なお、本実施形態の窒化物半導体装置１０は、ＧａＮエピタキシャル層４がダブルドメインになっても、少なくともｃ軸方向には電流を流すことができるので、ＬＥＤ等の縦型デバイスの用途には問題が無い。また、本実施形態によれば、Ｓｉ（００１基板）は集積回路を形成することが容易なので、該集積回路と窒化物半導体層５ａとがハイブリッド形成された半導体装置を作成することができる。

なお、本実施形態においては、バッファ層上に形成されたＧａＮエピタキシャル層４ａの平坦具合をＳＥＭ観察することにより、Ｇａ_1−ｘＩｎ_ｘＮバッファ層３の成長条件、最適な膜厚を得ている。

（第２実施形態）
第１実施形態の窒化物半導体装置は、Ｓｉ（００１）基板１の表面にバッファ層を介して、ＧａＮエピタキシャル層４ａを成膜したが、ＧａＮエピタキシャル層４の表面にバッファ層を介して、さらにＧａＮエピタキシャル層４ａを成膜することができる。

（構成の説明）
図９は、本発明の第２実施形態である窒化物半導体装置の断面図である。
窒化物半導体装置１５は、Ｓｉ（００１）基板１と、該Ｓｉ（００１）基板１の表面に成膜されたＡｌＮバッファ層２と、該ＡｌＮバッファ層２の基板反対側表面に成膜されたＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＮバッファ層３と、該Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＮバッファ層３の基板反対側表面に成膜されたＧａＮエピタキシャル層４ａと、該ＧａＮエピタキシャル層４ａの基板反対側表面に成膜されたＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＮバッファ層９と、Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＮバッファ層９の基板反対側表面に成膜されたＧａＮエピタキシャル層４ｂと、該ＧａＮエピタキシャル層４ｂの基板反対側表面に積層された窒化物半導体層５ｂとを備える。

ＡｌＮバッファ層２は、膜厚４６０ｎｍであり、Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＮバッファ層３は、Ｉｎ濃度５％であり、膜厚２６ｎｍである。ＧａＮエピタキシャル層が形成されているところまでは、前記第１実施形態の窒化物半導体装置１０と同様である。本実施形態の窒化物半導体装置１５は、ＧａＮエピタキシャル層４ａの基板反対側表面にＧａＮ／ＧａＩｎＮが繰り返して積層されている点で、前記第１実施形態の窒化物半導体装置１０と相違する。ここで、ＧａＮエピタキシャル層４ａの厚みは、例えば、０．５３μｍであり、ＧａＮエピタキシャル層４ｂの厚みは、例えば、１．０６μｍである。なお、Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＮバッファ層９の膜厚やＩｎ濃度はＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＮバッファ層３と同じである。

（作製方法の説明）
図１０は、第２実施形態の窒化物半導体装置を作製する作製方法を説明するフローチャートである。
窒化物半導体装置１５（図９）は、Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＮバッファ層３，６／ＧａＮエピタキシャル層４ａ，４ｂの組み合わせを２回積層しているが、Ｎ回積層するものとして説明する。

製造装置又は作成者は、Ｓ２２（図４）で作製されたＧａＮエピタキシャル層が成膜されたＳｉ（００１）基板１を用意する（Ｓ４０）。基板冷却制御部４３（図３）は、Ｓｉ（００１）基板１の基板温度を冷却する（Ｓ４２）。ＧａＩｎＮ成膜制御部４６は、ＧａＩｎＮを成膜する（Ｓ４４）。第２の基板加熱制御部４２は、Ｓｉ（００１）基板１の基板温度を加熱する（Ｓ４６）。基板冷却制御部４３（図３）は、Ｎ回の積層を行ったか否か判定する（Ｓ５０）。Ｎ回の積層を行っていなければ（Ｓ５０でＮｏ）、処理をＳ４２に戻し、基板温度の冷却を行う。一方、Ｎ回の積層を行っていれば（Ｓ５０でＹｅｓ）、窒化物半導体層成膜制御部４８（図３）は、窒化物半導体層５ｂの成膜（積層）を行う（Ｓ５２）。窒化物半導体層５ｂの成長後、成膜されたＳｉ（００１）基板１を成長装置から取り出す。これにより、本実施形態の窒化物半導体装置１５の構造の試料が得られる。

（試料評価）
図１１は、本発明の実施形態である窒化物半導体装置の試料の最上段のＧａＮエピタキシャル層の表面写真（ＳＥＭ写真）である。図１１（ａ）は、第１実施形態の窒化物半導体装置１０の試料（シングルバッファ）の表面写真であり、図８（ｂ）と同様のもの（ＧａＮエピタキシャル層４の膜厚１．６μｍ）を比較のために示したものである。図１１（ｂ）は、第２実施形態の窒化物半導体装置１５の試料（ダブルバッファ）の表面写真である。

図１１（ｂ）のダブルバッファの試料は、ＧａＮエピタキシャル層４ａの厚み（０．５３μｍ）と、ＧａＮエピタキシャル層４ｂの厚み（約１．０６μｍ）との合計は、１．６μｍである。つまり、図１１（ａ）の試料と図１１（ｂ）の試料とは、ＧａＮエピタキシャル層４の厚みが１．６μｍであり、同一の厚みである。シングルバッファの試料とダブルバッファの試料とは、肉眼による観察では、何れもほぼ同じ平坦具合である。しかしながら、ＳＥＭ観察によれば、ＧａＮ／ＧａＩｎＮ層を繰り返す第２実施形態の試料（ダブルバッファ）は、ＧａＮエピタキシャル層４ａの成長時間を延ばしたシングルバッファの試料よりも表面の平坦性が良い。このように、本実施形態のダブルバッファの構成によれば、シリコン（００１）基板上に、より平坦なＧａＮエピタキシャル層４ｂを有した試料を作製することができる。

図１２は、Ｓｉ（００１）基板にＧａＮが堆積したときのドメインについて説明する説明図である。図１２（ａ）は、結晶方向が３０度異なるＧａＮの平面図、及び側面図であり、図１２（ｂ）は、Ｓｉ（００１）基板にＧａＮが堆積した状態を示す側面図であり、図１２（ｃ）は、その平面図である。

Ｓｉ（００１）基板１は立方晶系である一方、ＧａＮは六方晶系であるので、Ｓｉ（００１）基板にＧａＮを堆積しても、ＧａＮの配列方向が揃わない。例えば、互いに３０度回転したＧａＮ（ＧａＮ−１，ＧａＮ−２）がＳｉ（００１）基板１に堆積することになる。つまり、Ｓｉ（００１）基板へのＧａＮの堆積は、３０度回転ドメインが混在するダブルドメインが生じる。ここで、ＧａＮの六角形の面方位が［０００１］であるとき、一辺に平行な方向は［１１−２０］であり、この方向に垂直な方向は[１−１００]である。

また、図１２（ｃ）で示すように、３０度回転ドメインが混在しないシングルドメインであれば、ＧａＮの六角形の辺が重なり、面内の方向の電気伝導性が高い。一方、３０度回転ドメインが混在するダブルドメインのときには、六角形の辺が重ならないので、面内方向の電気伝導性が悪いという問題が生じる。この点、ダブルドメインでも、六角形の面に垂直な方向（ｃ軸方向）の電気伝導性は良いので、ＬＥＤ等の縦型デバイスのような、ｃ軸方向に電流を流す素子であれば、ダブルドメインでも問題が無い。

（比較例）
図１３は、Ｓｉ（００１）基板の表面にＡｌＮバッファ層を介して、ＧａＮエピタキシャル層を成長させたときの表面写真であり、比較例として示す。図から明らかなように、シリコン（００１）基板の表面に堆積したＧａＮ／ＡｌＮは、結晶成長核密度が小さいために、基板全体を覆うことなく凹凸の大きな表面となる。このように、ＧａＮ層が平坦成長しない場合はフォトリソなどのプロセスが施せないため装置作製が不可能である。なお、シリコン（１１１）基板の表面にＡｌＮバッファ層を形成し、続けてＧａＮ層をエピタキシャル成長させた場合は、シングルドメインであり、平坦かつ鏡面成長となる。

（変形例）
本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような種々の変形が可能である。
（１）前記各実施形態は、Ｓｉ（００１）基板１の表面にＡｌＮバッファ層２を介して、Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＮバッファ層３を成膜したが、ＡｌＮバッファ層２の代わりに、ＡｌＧａＮ／ＡｌＮ多重バッファ層を挿入することもできる。これにより、窒化物半導体装置１０，１５に発生するクラックが減少することが期待される。なお、クラック間に装置を形成する場合には、ＡｌＧａＮ／ＡｌＮ多重バッファ層の挿入は不要である。

（２）前記各実施形態の窒化物半導体層５は、ＧａＮを前提にしていたが、高周波・高出力ＨＥＭＴや白色ＬＥＤ、青色ＬＤに用いられるＡｌＮ,ＡｌＧａＮ,ＧａＩｎＮ薄膜であっても構わない。

１ Ｓｉ（００１）単結晶基板
２ ＡｌＮバッファ層
３，９ Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＮバッファ層
４，４ａ，４ｂ ＧａＮエピタキシャル層
５，５ａ，５ｂ 窒化物半導体層
６ ｎ型クラッド層
７ 発光層
８ ｐ型クラッド層
１０，１５ 窒化物半導体装置
２１ チャンバ
２２ ヒータ（加熱部）
２３ サセプタ
２４ 反応管
２５ 上部流路
２６ 下部流路
２７ 排気流路
２８ 仕切板
３０ 有機金属ソース
３５ キャリアガス
３６ アンモニアガス
４０ 制御部
４１ 第１の基板加熱制御部
４２ 第２の基板加熱制御部
４３ 基板冷却制御部
４５ ＡｌＮ成膜制御部
４６ ＧａＩｎＮ成膜制御部
４７ ＧａＮエピ層成膜制御部
４８ 窒化物半導体層成膜制御部
１００ 成膜装置（成長装置，製造装置）
ＴＭＡ トリメチルアルミニウム（III族の有機金属ソース）
ＴＭＧ トリメチルガリウム（III族の有機金属ソース）
ＴＭＩ トリメチルインジウム（III族の有機金属ソース）

Claims (10)

1. Ｓｉ（００１）単結晶基板と、
   該Ｓｉ（００１）単結晶基板の表面に積層されたＡｌＮバッファ層と、
   前記ＡｌＮバッファ層の基板反対側表面に積層されたＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＮ（0.01≦x≦0.3）バッファ層と、
   前記Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＮバッファ層の基板反対側表面に積層されたＧａＮエピタキシャル層と
   を備えたことを特徴とする窒化物半導体装置。
2. 請求項１に記載の窒化物半導体装置であって、
   前記ＧａＮエピタキシャル層の基板反対側表面に窒化物半導体層が積層された
   ことを特徴とする窒化物半導体装置。
3. 請求項１に記載の窒化物半導体装置であって、
   前記ＡｌＮバッファ層の膜厚は、前記Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＮバッファ層の膜厚の１３．５倍〜５４倍である
   ことを特徴とする窒化物半導体装置。
4. 請求項１に記載の窒化物半導体装置であって、
   他のＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＮ（0.01≦x≦0.3）バッファ層と、
   前記他のＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＮバッファ層の基板反対側表面に積層された他のＧａＮエピタキシャル層とが単数又は複数回繰り返された積層構造が前記ＧａＮエピタキシャル層の基板反対側表面に積層されたことを特徴とする窒化物半導体装置。
5. 請求項４に記載の窒化物半導体装置であって、
   最終段の前記他のＧａＮエピタキシャル層の基板反対側表面に窒化物半導体層が積層された
   ことを特徴とする窒化物半導体装置。
6. 請求項２又は請求項５に記載の窒化物半導体装置であって、
   前記Ｓｉ（００１）単結晶基板に形成された集積回路をさらに備え、
   前記窒化物半導体層と前記集積回路とがハイブリッド形成されている
   ことを特徴とする窒化物半導体装置。
7. Ｓｉ（００１）単結晶基板と、
   該Ｓｉ（００１）単結晶基板の表面に積層されたＡｌＧａＮ／ＡｌＮ多重バッファ層と、
   前記ＡｌＧａＮ／ＡｌＮ多重バッファ層の基板反対側表面に積層されたＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＮ（0.01≦x≦0.3）バッファ層と、
   前記Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＮバッファ層の基板反対側表面に積層されたＧａＮエピタキシャル層と
   を備えたことを特徴とする窒化物半導体装置。
8. Ｓｉ（００１）単結晶基板を用いた窒化物半導体装置の作製方法であって、
   Ａｌの原料、及びアンモニアガスの導入により、前記Ｓｉ（００１）単結晶基板の表面にＡｌＮバッファ層が成膜させられるＡｌＮ成膜工程と、
   前記アンモニアガスが導入された状態で、前記Ｓｉ（００１）単結晶基板の温度がＧａＩｎＮの成長温度よりも高くＧａＮの成長温度よりも低い温度に低下させられる工程と、
   Ｉｎの原料、Ｇａの原料、及びアンモニアガスの導入により、前記温度が低下させられたＳｉ（００１）単結晶基板のＡｌＮバッファ層の表面にＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＮ（0.01≦x≦0.3）バッファ層が成膜させられるＧａＩｎＮ成膜工程と、
   をさらに備えることを特徴とする窒化物半導体装置の作製方法。
9. 請求項８に記載の窒化物半導体装置の作製方法であって、
   前記ＡｌＮ成膜工程の前に前記Ｓｉ（００１）単結晶基板がＧａＮの成長温度よりも高い温度になるまで加熱させられる第1の加熱工程と、
   前記ＧａＩｎＮ成膜工程のアンモニアガスの導入状態で、Ｓｉ（００１）単結晶基板が前記ＧａＮの成長温度よりも高い温度に加熱させられる第２の加熱工程と、
   前記第２の加熱工程の後、Ｇａの原料、及びアンモニアガスの導入により、加熱させられたＳｉ（００１）単結晶基板のＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＮバッファ層の表面にＧａＮエピタキシャル層が成膜させられるＧａＮ成膜工程と
   をさらに備えることを特徴とする窒化物半導体装置の作製方法。
10. Ｓｉ（００１）単結晶基板を用いた窒化物半導体装置を製造する製造装置であって、
    前記Ｓｉ（００１）単結晶基板を加熱する加熱部と、
    前記Ｓｉ（００１）単結晶基板の表面で有機金属材料、キャリアガス、及びアンモニアガスが通流する反応管と、
    前記有機金属材料の量、前記アンモニアガスの流量、及び前記加熱部を制御する制御部（４０）とを備え、
    前記制御部は、
    前記Ｓｉ（００１）単結晶基板がＧａＮの成長温度よりも高い温度になるまで前記加熱部を制御する基板加熱制御部と、
    前記反応管にＡｌの原料、及びアンモニアガスを通流させるＡｌＮ成膜制御部と、
    前記アンモニアガスが通流している状態で、前記Ｓｉ（００１）単結晶基板がＧａＩｎＮ成長温度よりも高くＧａＮの成長温度よりも低い温度になるまで低下させる基板冷却制御部と、
    前記反応管にＩｎの原料、Ｇａの原料、及びアンモニアガスを通流させるＧａＩｎＮ成膜制御部と、
    を備えることを特徴とする窒化物半導体装置の製造装置。