WO2010090262A1 - エピタキシャルウエハ、窒化ガリウム系半導体デバイスを作製する方法、窒化ガリウム系半導体デバイス、及び酸化ガリウムウエハ - Google Patents

エピタキシャルウエハ、窒化ガリウム系半導体デバイスを作製する方法、窒化ガリウム系半導体デバイス、及び酸化ガリウムウエハ Download PDF

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信 橋本
勝史 秋田
伸介 藤原
英章 中幡
健作 元木
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住友電気工業株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an epitaxial wafer, a method for producing a gallium nitride based semiconductor device, a gallium nitride based semiconductor device, and a gallium oxide wafer.
  • Non-Patent Document 1 describes that a GaN layer is epitaxially grown on the (100) plane of a ⁇ -Ga 2 O 3 substrate. Further, a light emitting diode is fabricated on the (100) plane of the ⁇ -Ga 2 O 3 substrate, and this light emitting diode is In 0.12 Ga 0.88 N / In 0.03 Ga 0.97 N multiple quantum. Includes well structure.
  • Kiyoshi SHIMAMURA et al. Japanese. Journal of Applied Physics, Vol.44, No. 1 2005, pp L7-L8
  • Non-Patent Document 1 after a GaN buffer layer is grown at 600 degrees Celsius on the (100) plane of a ⁇ -Ga 2 O 3 substrate, a 1000 nm GaN layer is grown at 1070 degrees Celsius.
  • the epitaxial wafer includes (a) a gallium oxide wafer having a main surface made of monoclinic gallium oxide, and (b) a buffer layer made of a group III nitride provided on the main surface of the gallium oxide wafer, (C) a first epitaxial layer provided on the buffer layer and made of a first gallium nitride semiconductor.
  • the main surface of the gallium oxide wafer is inclined at an angle of 2 degrees or more and at an angle of 4 degrees or less with respect to the (100) plane of the monoclinic gallium oxide.
  • the main surface of the gallium oxide wafer is inclined at an angle of 2 degrees or more and 4 degrees or less with respect to the (100) plane of monoclinic gallium oxide.
  • the above inclination provides an epitaxial layer having a flat surface.
  • the direction of inclination of the principal surface of the gallium oxide wafer may be the direction of the [001] axis of the monoclinic gallium oxide.
  • gallium oxide is monoclinic, an epitaxial layer having a good morphology is provided by tilting toward the [001] axis.
  • the crystal structure of the first gallium nitride semiconductor is a hexagonal crystal, and the normal of the main surface of the first epitaxial layer is the c-axis of the first gallium nitride semiconductor.
  • An angle of 1 degree or less can be made.
  • the surface of the epitaxial layer is provided with an inclination of an angle of 1 degree or less with respect to the c-axis of the gallium nitride semiconductor of the epitaxial layer.
  • the surface roughness (RMS) on the main surface of the first epitaxial layer may be 0.5 nm or less in a 5 ⁇ m square area.
  • the flatness of the main surface of the epitaxial layer is reduced to a surface roughness (RMS) of 0.5 nm or less in an area of 5 micrometers square.
  • the first gallium nitride based semiconductor can be made of any one of GaN, AlGaN, InGaN, and AlN.
  • This epitaxial wafer can be applied to a gallium nitride based semiconductor device using the semiconductor described above.
  • the buffer layer may be made of GaN.
  • a binary group III nitride semiconductor such as GaN can be used as a material for the buffer layer.
  • the inclination angle is distributed in the main surface of the gallium oxide substrate, and is in an angle range of 2 degrees to 4 degrees over the entire main surface of the gallium oxide wafer. Can do.
  • an epitaxial film having a good morphology can be provided over the entire main surface of the wafer.
  • the main surface of the gallium oxide wafer is inclined at an angle of 2.5 degrees or more with respect to the (100) plane of the monoclinic gallium oxide and 3.5 degrees or less. Can be tilted at an angle.
  • This gallium nitride semiconductor device includes (a) a gallium oxide supporting base having a main surface made of monoclinic gallium oxide, and (b) a laminated structure made of group III nitride.
  • the laminated structure includes a buffer layer made of a group III nitride provided on the main surface of the gallium oxide support base, a first epitaxial layer made of a first gallium nitride semiconductor provided on the buffer layer, including.
  • the main surface of the gallium oxide wafer is inclined at an angle of 2 degrees or more and at an angle of 4 degrees or less with respect to the (100) plane of the monoclinic gallium oxide.
  • This gallium nitride based semiconductor device includes a laminated structure provided on a gallium oxide supporting base.
  • a laminated structure is formed on a gallium oxide supporting substrate having a principal surface inclined at the above angle, this inclination provides an epitaxial layer having a flat surface. Therefore, the characteristics of the gallium nitride based semiconductor device are not bothered by poor flatness of the epitaxial surface.
  • the stacked structure includes a second epitaxial layer formed on the buffer layer and made of a second gallium nitride based semiconductor, the first epitaxial layer, and the second epitaxial layer.
  • An active layer provided between the first and second layers, wherein the gallium oxide wafer has conductivity, the first epitaxial layer has first conductivity, and the second epitaxial layer has a conductivity.
  • the layer has a second conductivity opposite to the first conductivity, the active layer has a quantum well structure, and the gallium nitride based semiconductor device is a semiconductor light emitting device.
  • This gallium nitride based semiconductor device includes a laminated structure for a light emitting device provided on a gallium oxide supporting base. Therefore, a gallium nitride based semiconductor light emitting device having good characteristics is provided without the characteristics of the gallium nitride based semiconductor device being bothered by poor flatness of the epitaxial surface.
  • the stacked structure further includes a second epitaxial layer provided on the gallium oxide wafer, and the second epitaxial layer has a heterojunction with the first epitaxial layer.
  • the band gap of the second gallium nitride based semiconductor is larger than the band gap of the first gallium nitride based semiconductor, and the heterojunction causes the first epitaxial layer and the second epitaxial layer to A two-dimensional electron gas is generated at the interface, and the gallium nitride based semiconductor device is a two-dimensional electron gas transistor.
  • This gallium nitride based semiconductor device includes a laminated structure for a two-dimensional electron gas transistor provided on a gallium oxide support base. Therefore, there is provided a two-dimensional electron gas transistor having good characteristics without bothering the characteristics of the gallium nitride based semiconductor device due to poor flatness of the epitaxial surface.
  • the gallium nitride based semiconductor device of the present invention comprises a source region composed of a first conductive gallium nitride based semiconductor region and a second conductive gallium nitride based semiconductor region, and the source region is separated from the first epitaxial layer.
  • the gallium oxide wafer has conductivity
  • the first epitaxial layer has first conductivity
  • the gallium nitride based semiconductor device has a vertical electric field. It is an effect transistor.
  • This gallium nitride based semiconductor device includes a structure for a vertical field effect transistor provided on a gallium oxide support substrate. Therefore, there is provided a vertical field effect transistor having good characteristics without bothering the characteristics of the gallium nitride based semiconductor device due to poor flatness of the epitaxial surface.
  • the surface roughness (RMS) on the main surface of the uppermost layer of the laminated structure can be 0.5 nm or less in an area of 5 micrometers square.
  • the main surface of the epitaxial layer exhibits good flatness.
  • Still another aspect of the present invention is a method of manufacturing a gallium nitride based semiconductor device.
  • This method includes (a) a step of preparing a gallium oxide wafer having a main surface made of monoclinic gallium oxide, and (b) a buffer layer made of a group III nitride on the main surface of the gallium oxide wafer. A step of growing; and (c) a step of growing a first epitaxial layer made of a first gallium nitride based semiconductor on the buffer layer.
  • the main surface of the gallium oxide wafer is inclined at an angle of 2 degrees or more and at an angle of 4 degrees or less with respect to the (100) plane of the monoclinic gallium oxide.
  • the main surface of the gallium oxide wafer is inclined at an angle of 2 degrees or more and 4 degrees or less with respect to the (100) plane of monoclinic gallium oxide.
  • This tilt provides an epitaxial layer having a flat surface. Therefore, the characteristics of the gallium nitride based semiconductor device are not bothered by poor flatness of the epitaxial surface.
  • the growth temperature of the buffer layer may be 400 degrees Celsius or more and 600 degrees Celsius or less.
  • Still another aspect of the present invention is a gallium oxide wafer having a main surface made of monoclinic gallium oxide, wherein the main surface of the gallium oxide wafer is made of the monoclinic gallium oxide (100 ) Inclined with respect to the surface at an angle of 2 degrees or more and at an angle of 4 degrees or less.
  • the main surface of the gallium oxide wafer is inclined at an angle of 2 degrees or more and 4 degrees or less with respect to the (100) plane of the monoclinic gallium oxide. Due to this inclination, the gallium nitride semiconductor epitaxially grown on the main surface of the gallium oxide wafer has a flat surface.
  • the direction of inclination of the main surface of the gallium oxide wafer may be the direction of the [001] axis of the monoclinic gallium oxide.
  • gallium oxide is monoclinic, an epitaxial layer having a good morphology is provided by tilting toward the [001] axis.
  • an epitaxial wafer including a gallium nitride based semiconductor film provided on a gallium oxide wafer and having a flat surface.
  • a gallium nitride based semiconductor device including a gallium nitride based semiconductor film provided on a gallium oxide wafer is provided.
  • a method for producing this gallium nitride based semiconductor device is provided.
  • an epitaxial wafer, a gallium nitride based semiconductor device, and a gallium oxide wafer for a method of making the epitaxial wafer and the gallium nitride based semiconductor device.
  • FIG. 1 is a drawing showing main steps of a method for producing a gallium nitride based semiconductor device and an epitaxial wafer according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a drawing showing a monoclinic gallium oxide wafer and a crystal lattice of monoclinic gallium oxide.
  • FIG. 3 is a drawing schematically showing a gallium nitride based semiconductor device manufactured through steps S101 to S103.
  • FIG. 4 is a drawing showing the relationship between the inclination angle (off angle) of the main surface of the gallium oxide substrate and the morphology of the surface of the GaN epitaxial film.
  • FIG. 1 is a drawing showing main steps of a method for producing a gallium nitride based semiconductor device and an epitaxial wafer according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a drawing showing a monoclinic gallium oxide wafer and a crystal lattice of monoclinic gallium oxide.
  • FIG. 3 is a drawing schematically showing
  • FIG. 5 is a drawing showing a scanning electron microscope image representing the surface of an epitaxial wafer using a gallium oxide substrate having a zero off angle.
  • FIG. 6 is a drawing showing the main steps of a method for producing a gallium nitride based semiconductor device and an epitaxial wafer according to the present embodiment.
  • FIG. 7 is a drawing showing the structure of a light emitting diode in Example 2.
  • FIG. 8 is a drawing showing the relationship between the off-angle of the main surface of the gallium oxide substrate, the surface roughness and off-angle of the semiconductor layer serving as the foundation for active layer growth, and the light output of the LED structure.
  • FIG. 9 is a drawing showing the main steps of a method for manufacturing a high electron mobility transistor and an epitaxial wafer according to the present embodiment.
  • FIG. 10 is a drawing schematically showing a high electron mobility transistor and an epitaxial wafer manufactured according to the process flow of FIG.
  • FIG. 11 is a drawing showing the main steps of a method for producing a vertical field effect transistor and an epitaxial wafer according to the present embodiment.
  • FIG. 12 is a drawing schematically showing a vertical field effect transistor and an epitaxial wafer manufactured according to the process flow of FIG.
  • FIG. 1 is a drawing showing main steps of a method for producing a gallium nitride based semiconductor device and an epitaxial wafer according to the present embodiment.
  • step S101 of the process flow shown in FIG. 1A a gallium oxide wafer 11 having a main surface made of monoclinic gallium oxide is prepared.
  • a gallium oxide wafer 11 is shown.
  • the wafer 11 is made of, for example, ⁇ -Ga 2 O 3 single crystal.
  • the wafer 11 includes a main surface 11a and a back surface 11b, and the main surface 11a and the back surface 11b are parallel to each other.
  • the main surface 11a of the wafer 11 is inclined at an angle of 2 degrees or more with respect to the (100) plane of monoclinic gallium oxide and at an angle A OFF of 4 degrees or less.
  • the main surface 11a of the wafer 11 is inclined at an angle of 2 degrees or more and 4 degrees or less with respect to the (100) plane of monoclinic gallium oxide. Due to this inclination, the gallium nitride based semiconductor epitaxially grown on the gallium oxide wafer main surface 11a has a flat surface.
  • the angle A OFF of the main surface of the gallium oxide wafer can be distributed over the entire main surface 11a.
  • the surface of the gallium nitride semiconductor epitaxially grown on the gallium oxide wafer main surface 11a has a good morphology over the entire wafer main surface 11a.
  • the crystal coordinate system CR is a shaft, b axis And c-axis.
  • FIG. 2 (b) a crystal lattice of monoclinic gallium oxide is shown.
  • the lattice constants of the a-axis, b-axis, and c-axis of the monoclinic gallium oxide crystal lattice are 1.223 nm, 0.304 nm, and 0.58 nm, respectively.
  • Vectors Va, Vb, and Vc indicate the directions of the a-axis, b-axis, and c-axis, respectively.
  • the vectors Va and Vb define the (001) plane
  • the vectors Vb and Vc define the (100) plane
  • the vectors Vc and Va define the (010) plane.
  • the angle ⁇ formed by the vectors Va and Vb and the angle ⁇ formed by the vectors Vb and Vc are 90 degrees
  • the angle ⁇ formed by the vectors Vc and Va is 103.7 degrees.
  • the wafer main surface 11a is shown by a one-dot chain line in FIG. According to this wafer 11, since gallium oxide is monoclinic, an epitaxial layer having a good morphology can be grown on the wafer main surface 11a by tilting toward the [001] axis.
  • step S102 shown in FIG. 1 a laminated structure including a plurality of group III nitride films is formed to produce an epitaxial wafer.
  • the group III nitride film is grown by, for example, a metal organic chemical vapor deposition (MOVPE) method.
  • MOVPE metal organic chemical vapor deposition
  • the buffer layer 13 is grown on the main surface 11 a of the wafer 11.
  • the buffer layer 13 is made of a group III nitride such as GaN.
  • the growth reactor 10 is supplied with a source gas G0 containing trimethylgallium (TMG) and ammonia (NH 3 ).
  • TMG trimethylgallium
  • NH 3 ammonia
  • the growth temperature T1 of the buffer layer 13 is in the range of, for example, 400 degrees Celsius or more and 600 degrees Celsius or less, and the buffer layer 13 is called a so-called low temperature buffer layer.
  • the film thickness of the buffer layer 13 can be in the range of 10 nanometers or more and 50 nanometers or less, for example. Subsequently, after raising the temperature of the growth furnace 10 to a temperature T2 higher than the growth temperature T1, as shown in FIG. 1D, the first gallium nitride based semiconductor is formed on the main surface 13a of the buffer layer 13. An epitaxial layer 15 is grown.
  • the epitaxial layer 15 is made of hexagonal group III nitride such as GaN, AlGaN, InGaN, AlN, or the like.
  • the film thickness of the epitaxial layer 15 can be in the range of not less than 300 nanometers and not more than 10 micrometers, for example.
  • the growth reactor 10 is supplied with a source gas G1 containing trimethylgallium (TMG) and ammonia (NH 3 ).
  • TMG trimethylgallium
  • NH 3 ammonia
  • the growth temperature T2 of the epitaxial layer 15 is in a range of 900 degrees Celsius or more and 1200 degrees Celsius or less
  • the epitaxial layer 15 is a semiconductor layer constituting a gallium nitride based semiconductor device, and is an undoped, p-type dopant. Addition and can be an n-type dopant.
  • a dopant gas is supplied in addition to the source gas when the epitaxial layer 15 is grown.
  • the dopant for example, cyclopentadienyl magnesium (Cp 2 Mg) can be used for p-type conductivity, and for example, silane (SiH 4 ) can be used for n-type conductivity.
  • Epitaxial wafer E is obtained by the conventional deposition of gallium nitride semiconductor.
  • the epitaxial wafer E includes a gallium oxide wafer 11, a buffer layer 13, and an epitaxial layer 15.
  • the flatness of the main surface 15a of the epitaxial layer 15 is reduced to a surface roughness (RMS) of 0.5 nm or less in a 5 micrometer square area.
  • RMS surface roughness
  • This surface roughness is measured using an atomic force microscope (AFM).
  • a plurality of electrodes are formed on the epitaxial wafer E.
  • the first electrode 17 a is formed on the epitaxial layer main surface 15 a of the epitaxial wafer E.
  • the first electrode 17a is, for example, a Schottky electrode, and the Schottky electrode is made of, for example, gold (Au).
  • the first electrode 17a forms a Schottky junction 19 in the epitaxial layer.
  • the second electrode 17b is formed on the gallium oxide substrate back surface 11b of the epitaxial wafer E.
  • the second electrode 17b is, for example, an ohmic electrode.
  • the epitaxial wafer E can include one or a plurality of gallium nitride based semiconductor layers grown in order on the epitaxial layer 15. These gallium nitride based semiconductor layers are grown, for example, by metal organic vapor phase epitaxy in step S102.
  • the epitaxial wafer E can include another epitaxial layer 23 grown on the epitaxial layer 15, for example.
  • the epitaxial layer 15 exhibits undoped or n-type conductivity
  • the epitaxial layer 23 is made of a p-type gallium nitride semiconductor layer.
  • the epitaxial layer 23 forms a pn junction 25 with the epitaxial layer 15.
  • the first electrode 27 a is formed on the epitaxial layer main surface 23 a of the epitaxial wafer E.
  • the first electrode 27a is, for example, a p ohmic electrode.
  • the second electrode 17b is formed on the gallium oxide substrate back surface 11b of the epitaxial wafer E.
  • steps S101 to S103 the gallium nitride based semiconductor device shown in FIG. 3B is manufactured. This gallium nitride based semiconductor device is a pn junction diode.
  • the epitaxial wafer according to the present embodiment can provide a gallium nitride based semiconductor multilayer structure for a light emitting element, a transistor, etc., as will be described later, in addition to a pn junction diode.
  • Example 1 Eleven monoclinic gallium oxide substrates were prepared. The main surfaces of these gallium oxide substrates were inclined in the range of 0 ° to 5 ° with respect to the (100) plane of the single crystal of the gallium oxide substrate. The pitch of the inclination angle was 0.5 degrees. The direction of inclination was the [001] axis direction of the single crystal of the gallium oxide substrate. The tilt angle and direction of tilt were determined by X-ray diffraction.
  • the GaN film is formed on these gallium oxide substrates using MOVPE as follows.
  • a buffer layer and a GaN epitaxial film were deposited.
  • a source gas containing NH 3 , TMG and SiH 4 was supplied to the growth furnace, and a low temperature GaN buffer layer was grown on the gallium oxide substrate at a temperature of 500 degrees Celsius.
  • the thickness of the GaN buffer layer was 25 nanometers.
  • a source gas containing NH 3 , TMG and SiH 4 was supplied to the growth furnace to grow a GaN epitaxial layer on the buffer layer.
  • the thickness of the GaN epitaxial layer was 3 micrometers.
  • FIG. 4 is a drawing showing the relationship between the inclination angle (off angle) of the main surface of the gallium oxide substrate and the morphology of the surface of the GaN epitaxial film.
  • FIG. 5 is a drawing showing a scanning electron microscope image representing the surface of an epitaxial wafer using a gallium oxide substrate having a zero off angle.
  • the scale shown in FIG. 5 is 10 ⁇ m.
  • a step difference of about several micrometers is formed in the GaN epitaxial film on the gallium oxide substrate having a zero off angle or a small off angle, and therefore, the surface roughness of the GaN epitaxial film. Is big.
  • a terrace-like flat region is formed between the steps.
  • the surface morphology shows a so-called terraced field appearance. For this reason, when measuring the surface roughness (RMS) using an atomic force microscope, the surface roughness was measured at different positions on the surface of the GaN epitaxial film, and then the maximum value of these measured values was obtained. .
  • RMS surface roughness
  • the GaN epitaxial layer is formed on the low-temperature GaN buffer layer under the film formation conditions described above. Grew up. All of these epitaxial wafers showed a morphology similar to the waved morphology shown in FIG. Therefore, the scanning electron microscope image of the epitaxial film at an off angle of zero degrees is considered not to be caused by the film formation temperature of the buffer layer but by the zero off angle of the main surface of the gallium oxide substrate. In the fabrication of the epitaxial wafer shown in FIG. 4, a low temperature GaN buffer layer was formed at 500 degrees Celsius.
  • the surface roughness was measured in an area of 5 micrometers square using an atomic force microscope. Referring to FIG. 4, the surface roughness and the off angle of the epitaxial film once decrease as the off angle of the main surface of the gallium oxide substrate increases from the just (100) plane. However, the surface roughness and the off angle of the epitaxial film increase as the off angle of the main surface of the gallium oxide substrate increases in the range of the off angle exceeding 3 degrees. The surface roughness and surface morphology were greatly improved in the angle range near the off angle of 3 degrees.
  • the surface roughness was 1.3 or less within the range of an off angle of 1.5 degrees to 4.5 degrees on the substrate surface. Further, the surface roughness was less than 0.5 (0.47 or less) in the range of the off angle of 2.0 degrees or more and 4.0 degrees or less on the substrate surface. Further, the surface roughness was 0.35 or less in the range of the off angle of 2.5 degrees to 3.5 degrees on the substrate surface. According to the study by the inventors, the surface roughness in the range of the off angle of 2.0 degrees or more and 4.0 degrees or less is the surface roughness of the GaN epitaxial film on the sapphire substrate in the production of a semiconductor light emitting device or a semiconductor electronic device. This is a sufficiently acceptable value as compared to 0.20 nanometer. When the off angle is in the range of 2.5 degrees or more and 3.5 degrees or less, device characteristic deterioration due to the surface morphology is reduced.
  • the angle formed between the c-axis direction of the GaN epitaxial film and the normal axis of the GaN epitaxial film surface was estimated using an X-ray diffraction method.
  • the off-angle of the GaN film was 1.5 degrees or less in the range of the off-angle of 1.5 degrees or more and 4.5 degrees or less on the substrate surface. Further, the off angle of the GaN film was less than 1 degree (0.9 degrees or less) in the range of the off angle of 2.0 degrees or more and 4.0 degrees or less on the substrate surface. Furthermore, the off angle of the GaN film was 0.6 degrees or less in the range of the off angle of 2.5 degrees or more and 3.5 degrees or less of the substrate surface. According to the study by the inventors, when the off-angle of the gallium oxide substrate is 2 to 4 degrees, the off-angle of the GaN epitaxial film is less than 1 degree, and epitaxial growth with good surface flatness is possible.
  • the epitaxial wafer E is good over the entire main surface of the epitaxial wafer E when it is in the angle range of 2 degrees to 4 degrees over the entire main surface of the gallium oxide substrate.
  • a morphology epitaxial film is provided.
  • the inclination angle of the main surface of the gallium oxide wafer is inclined at an angle of 2.5 degrees or more and an angle of 3.5 degrees or less with respect to the (100) plane of monoclinic gallium oxide, A higher planar epitaxial layer main surface can be obtained.
  • an epitaxial wafer including a GaN film has been described.
  • the off-angle contribution in the gallium oxide substrate main surface is not limited to GaN, but on the gallium oxide substrate main surface.
  • the epitaxial film can be made of AlGaN, InGaN, InAlGaN, AlN, or the like. Therefore, this epitaxial wafer E can be applied to a gallium nitride based semiconductor device.
  • FIG. 6 is a drawing showing the main steps of a method for producing a gallium nitride based semiconductor device and an epitaxial wafer according to the present embodiment.
  • step S101 of the flowchart shown in FIG. 6 a gallium oxide wafer 11 having a main surface made of monoclinic gallium oxide is prepared.
  • step S102 a laminated structure including a plurality of group III nitride films is formed to produce an epitaxial wafer.
  • the group III nitride film is grown by, for example, a metal organic chemical vapor deposition (MOVPE) method.
  • MOVPE metal organic chemical vapor deposition
  • step S105 the wafer 11 is placed on the susceptor of the growth reactor 10.
  • the buffer layer 13 is grown on the main surface 11 a of the wafer 11.
  • a first conductivity type epitaxial layer is grown on the main surface 13a of the buffer layer 13 in step S106.
  • This epitaxial layer is made of a gallium nitride based semiconductor.
  • the first conductivity type epitaxial layer is made of hexagonal group III nitride such as n-type GaN, n-type AlGaN, n-type InAlGaN, n-type InAlN, and the like.
  • a source gas containing TMG, NH 3 and SiH 4 is supplied to the growth reactor 10 to grow an n-type GaN film.
  • the growth temperature T2 of the first conductivity type epitaxial layer is, for example, in the range of 900 degrees Celsius or more and 1200 degrees Celsius or less, and the first conductivity type epitaxial layer is a gallium nitride based semiconductor device. It is a semiconductor layer which comprises.
  • an active layer is formed on the first conductivity type epitaxial layer.
  • the active layer includes well layers and barrier layers arranged alternately.
  • the well layer is made of, for example, GaN, InGaN, InAlGaN, or the like.
  • the barrier layer is made of, for example, GaN, InGaN, InAlGaN, or the like.
  • the growth temperature of the well layer is, for example, in the range of 500 degrees Celsius or more and 900 degrees Celsius, and the growth temperature of the barrier layer is, for example, in the range of 550 degrees Celsius or more and 950 degrees Celsius or less.
  • a second conductivity type epitaxial layer is formed on the active layer.
  • the second conductivity type epitaxial layer can include, for example, a p-type electron block layer and a p-type contact layer.
  • An epitaxial wafer can be obtained by depositing a conventional gallium nitride based semiconductor.
  • the epitaxial wafer includes a gallium oxide wafer 11 and a semiconductor stack grown on the gallium oxide wafer 11.
  • the semiconductor stack includes a first conductivity type epitaxial layer, a second conductivity type epitaxial layer, and an active layer, and the active layer is provided between the first conductivity type epitaxial layer and the second conductivity type epitaxial layer.
  • step S109 the epitaxial wafer is etched to form a semiconductor mesa.
  • a part of the semiconductor stack is removed, and a part of the first conductivity type epitaxial layer in the semiconductor stack is exposed.
  • a first electrode is formed on the exposed portion of the conductive epitaxial layer, and a second electrode is formed on the upper surface of the semiconductor mesa.
  • FIG. 7 is a drawing showing the structure of a light emitting diode in Example 2.
  • the light emitting diode LED includes a gallium oxide supporting base 31 having a main surface made of monoclinic gallium oxide and a laminated structure 33 made of group III nitride.
  • the laminated structure 33 has a semiconductor mesa shape.
  • the semiconductor mesa includes a low-temperature GaN buffer layer 35, an n-type GaN layer 37, an active layer 39 having a quantum well structure, and a p-type gallium nitride based semiconductor layer 41.
  • the p-type gallium nitride based semiconductor layer 41 includes, for example, a p-type AlGAn electron block layer and a p-type GaN contact layer.
  • An example LED structure is as follows. Low temperature GaN buffer layer 35: 25 nanometers; n-type GaN layer 37: 3 micrometers; Active layer 39: MQW of 6 well layers, Barrier layer 39a: GaN layer, thickness 15 nm; Well layer 39b: InGaN layer, thickness 3 nm; P-type AlGAn electron blocking layer of the gallium nitride based semiconductor layer 41: 20 nm; P-type GaN contact layer of the gallium nitride based semiconductor layer 41: 50 nm.
  • Example 1 eleven monoclinic gallium oxide substrates were prepared.
  • the main surfaces of these gallium oxide substrates were 0 degrees or more and 5 degrees with respect to the (100) plane of the single crystal of the gallium oxide substrate. It was inclined in the following range.
  • the pitch of the inclination angle was 0.5 degrees.
  • the direction of inclination was the [001] axis direction of the single crystal of the gallium oxide substrate.
  • the tilt angle and direction of tilt were determined by X-ray diffraction.
  • the MOVPE method is used on these gallium oxide substrates as described above.
  • an LED structure was formed.
  • a p-side electrode was formed on the upper surface of the semiconductor mesa having this LED structure, and an n-side electrode was formed in the exposed region of the n-type semiconductor.
  • the surface roughness was measured in an area of 5 micrometers square using an atomic force microscope. Referring to FIG. 8, the surface roughness and the off angle of the semiconductor layer serving as a base for the active layer growth once decrease as the off angle of the main surface of the gallium oxide substrate increases from the just (100) plane. However, the surface roughness and the off angle of the epitaxial film increase as the off angle of the main surface of the gallium oxide substrate increases in the range of the off angle exceeding 3 degrees. The surface roughness and morphology were greatly improved in the angle range near the off angle of 3 degrees.
  • the surface roughness was 1.3 or less within the range of an off angle of 1.5 degrees to 4.5 degrees on the substrate surface.
  • the surface roughness was less than 0.5 (for example, 0.47 or less) in the range of the off angle of 2.0 degrees or more and 4.0 degrees or less on the substrate surface.
  • the surface roughness was 0.35 or less in the range of the off angle of 2.5 degrees to 3.5 degrees on the substrate surface.
  • the surface roughness in the range of the off angle of 2.0 degrees to 4.0 degrees is that the surface roughness of the GaN epitaxial film on the sapphire substrate is 0.20 nanometers. In comparison, the values are sufficiently acceptable in the production of light emitting diodes.
  • the off angle is in the range of 2.0 degrees or more and 4.0 degrees or less, deterioration of light emission characteristics due to morphology is reduced.
  • the angle formed between the c-axis direction in the epitaxial film serving as the base for the active layer growth and the normal axis on the surface of the GaN epitaxial film was estimated using the X-ray diffraction method.
  • the off-angle of the GaN film was 1.5 degrees or less in the range of the off-angle of 1.5 degrees or more and 4.5 degrees or less on the substrate surface. Further, the off angle of the GaN film was less than 1 degree (for example, 0.9 degree or less) in the range of the off angle of the substrate surface of 2.0 degrees or more and 4.0 degrees or less. Furthermore, the off angle of the GaN film was 0.6 degrees or less in the range of the off angle of 2.5 degrees or more and 3.5 degrees or less of the substrate surface. According to the study by the inventors, when the off-angle of the gallium oxide substrate is 2 to 4 degrees, the off-angle of the GaN epitaxial film is less than 1 degree, and epitaxial growth with good surface flatness is possible.
  • a power source is connected between one of the p-side electrodes (electrode size: for example, 0.4 mm ⁇ 0.4 mm) arranged on the substrate product and the n-side electrode, and a forward bias is applied to the light emitting diode LED.
  • the light-emitting diode LED includes a laminated structure 33 for a light-emitting device provided on a gallium oxide support base 31 separated from a gallium oxide substrate 32. Therefore, a light emitting diode LED having good light emitting characteristics is provided without the characteristics of the light emitting diode LED being bothered by poor flatness of the epitaxial surface.
  • FIG. 9 is a drawing showing the main steps of a method of manufacturing a high electron mobility transistor and an epitaxial wafer for this device according to the present embodiment.
  • FIG. 10 is a drawing schematically showing a high electron mobility transistor and an epitaxial wafer manufactured according to the process flow of FIG.
  • step S101 of the flowchart shown in FIG. 9 a gallium oxide wafer 51 having a main surface made of monoclinic gallium oxide is prepared.
  • step S105 as in FIG. 2B, the wafer 51 is placed on the susceptor of the growth reactor.
  • a low temperature buffer layer 53 is grown on the main surface 51 a of the wafer 51.
  • an epitaxial layer 55 is grown on the main surface 53a of the buffer layer 53 in step S110.
  • the epitaxial layer 55 is made of a gallium nitride based semiconductor.
  • the epitaxial layer 55 is made of hexagonal group III nitride such as undoped GaN, undoped AlGaN, undoped InAlGaN, undoped InGaN, or the like.
  • a source gas containing TMG and NH 3 is supplied to the growth furnace to grow an undoped GaN film.
  • the growth temperature T2 of the epitaxial layer 55 is, for example, in the range of not less than 900 degrees Celsius and not more than 1200 degrees Celsius.
  • another epitaxial layer 57 is grown on the main surface 55a of the epitaxial layer 55.
  • the epitaxial layer 57 is made of a gallium nitride based semiconductor, and the band gap of the epitaxial layer 57 is larger than the band gap of the epitaxial layer 55.
  • the epitaxial layer 57 is made of hexagonal group III nitride such as undoped GaN, undoped AlGaN, undoped InAlGaN, undoped InAlN, or the like.
  • the epitaxial layer 57 is made of AlGaN
  • a raw material gas containing trimethylaluminum (TMA), TMG and NH 3 is supplied to the growth furnace to grow an undoped AlGaN film.
  • TMA trimethylaluminum
  • the growth temperature of the epitaxial layer 57 is, for example, in the range of not less than 900 degrees Celsius and not more than 1300 degrees Celsius.
  • the epitaxial layer 57 forms a heterojunction 61a with the epitaxial layer 55, and a two-dimensional electron gas layer 61b is generated in the epitaxial layer 55 along the heterojunction 61a.
  • the gate electrode 63a, the source electrode 63b, and the drain electrode 63c are formed on the epitaxial wafer E HEMT .
  • the gate electrode 63a is a Schottky electrode, and the source electrode 63b and the drain electrode 63c are ohmic electrodes.
  • the gate electrode 63a controls the current flowing from the drain electrode 63c to the source electrode 63b by changing the electron density of the channel along the heterojunction 61a according to the gate voltage.
  • the high electron mobility transistor HEMT includes a laminated structure 59 provided on a gallium oxide support base 52 separated from the gallium oxide substrate 51. Since the main surface 52a of the gallium oxide support base 52 is inclined at the above angle, the inclination provides the epitaxial layer 57 having a flat surface. For this reason, the characteristics of the high electron mobility transistor HEMT made of a gallium nitride semiconductor are not bothered by poor flatness of the epitaxial surface.
  • FIG. 11 is a drawing showing the main steps of a method for producing a vertical field effect transistor and an epitaxial wafer according to the present embodiment.
  • FIG. 12 is a drawing schematically showing a vertical field effect transistor and an epitaxial wafer manufactured according to the process flow of FIG.
  • step S101 of the flowchart shown in FIG. 11 a gallium oxide wafer 51 having a main surface made of monoclinic gallium oxide is prepared.
  • step S105 as in FIG. 2B, the wafer 51 is placed on the susceptor of the growth reactor.
  • a low temperature buffer layer 53 is grown on the main surface 51 a of the wafer 51.
  • an epitaxial layer 65 is grown on the main surface 53a of the buffer layer 53 in step S110.
  • the epitaxial layer 65 is made of a gallium nitride semiconductor.
  • the epitaxial layer 65 is made of hexagonal group III nitride such as n-type GaN, n-type AlGaN, n-type InAlGaN, n-type InAlN, and the like.
  • a source gas containing TMG, NH 3 and SiH 4 is supplied to the growth furnace to grow an n-type GaN film.
  • the majority carriers of the n-type GaN film are electrons.
  • the growth temperature of the epitaxial layer 65 is, for example, in the range of not less than 900 degrees Celsius and not more than 1200 degrees Celsius.
  • an n-type source semiconductor region 67 and a p-type well semiconductor region 69 are formed on the surface of the epitaxial layer 65.
  • the n-type source semiconductor region 67 and the p-type wafer semiconductor region 69 can be made of a gallium nitride-based semiconductor such as GaN, for example, by using photolithography, etching, and selective growth.
  • the n-type source semiconductor region 67 is isolated from the epitaxial layer 65 by the p-type well semiconductor region 69.
  • One end of the p-type well semiconductor region 69 appears on the surface of the semiconductor stack 71.
  • a gate electrode 75 a is formed on one end of the p-type wafer semiconductor region 69 via an insulating film 73, and a source electrode 75 b is formed on the n-type source semiconductor region 67.
  • a drain electrode 75c is formed.
  • the gate electrode 75a forms a surface inversion layer 77 at one end of the p-type wafer semiconductor region 69 via the insulating film 73 in accordance with the gate voltage, and the epitaxial layer 65 in the n-type drift layer region and the n-type source semiconductor region 67 to control the electrical path between.
  • This vertical field effect transistor FET includes a laminated structure 59 provided on a gallium oxide support base 52 separated from the gallium oxide substrate 51. Since the main surface 52a of the gallium oxide support base 52 is inclined at the above angle, the inclination provides the epitaxial layer 65 having a flat surface. Therefore, the characteristics of the vertical field effect transistor FET made of a gallium nitride semiconductor are not bothered by the poor flatness of the epitaxial surface.
  • barrier layer 39b ... well layer, 41 ... gallium nitride based semiconductor layer, 51 ... wafer, 52 ... oxidation Gallium support base, 53 ... buffer layer, 55 ... epitaxial layer, 57 ... epitaxial layer, 61a ... heterojunction, 61b

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Abstract

酸化ガリウムウエハ上設けられ平坦なｃ面を有する窒化ガリウム系半導体膜を含む窒化ガリウム系半導体デバイスを提供する。発光ダイオードＬＥＤは、単斜晶系酸化ガリウムからなる主面３２ａを有する酸化ガリウム支持基体３２と、III族窒化物からなる積層構造３３とを備える。積層構造３３の半導体メサは、低温ＧａＮバッファ層３５、ｎ型ＧａＮ層３７、量子井戸構造の活性層３９及びｐ型窒化ガリウム系半導体層３７を含む。ｐ型窒化ガリウム系半導体層３７は、例えばｐ型ＡｌＧＡｎ電子ブロック層及びｐ型ＧａＮコンタクト層を含む。酸化ガリウム支持基体３２の主面３２ａが単斜晶系酸化ガリウムの（１００）面に対して２度以上４度以下の角度で傾斜する。この傾斜により、酸化ガリウム支持基体主面３２ａ上にエピタキシャル成長された窒化ガリウム系半導体は平坦な表面を有する。

Description

エピタキシャルウエハ、窒化ガリウム系半導体デバイスを作製する方法、窒化ガリウム系半導体デバイス、及び酸化ガリウムウエハ
　本発明は、エピタキシャルウエハ、窒化ガリウム系半導体デバイスを作製する方法、窒化ガリウム系半導体デバイス、及び酸化ガリウムウエハに関する。
　非特許文献１には、β－Ｇａ２Ｏ３基板の（１００）面上にＧａＮ層をエピタキシャル成長することが記載されている。また、β－Ｇａ２Ｏ３基板の（１００）面上には発光ダイオードが作製されており、この発光ダイオードはＩｎ０．１２Ｇａ０．８８Ｎ／Ｉｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ多重量子井戸構造を含む。
Kiyoshi SHIMAMURA, et al. Japanese. Journal of Applied Physics, Vol.44, No. 1 2005, pp L7-L8
　非特許文献１では、β－Ｇａ２Ｏ３基板の（１００）面上に摂氏６００度でＧａＮバッファ層を成長した後に、摂氏１０７０度で１０００ｎｍのＧａＮ層を成長している。
　しかしながら、発明者らの実験によれば、β－Ｇａ２Ｏ３基板のジャスト（１００）面上への窒化ガリウム系半導体の堆積では、β－Ｇａ２Ｏ３基板の全体にわたって平坦なｃ面を有する窒化ガリウム系半導体膜が得られない。これ故に、窒化ガリウム系半導体膜の表面には、望まれないモフォロジが生じる。
　本発明は、酸化ガリウムウエハ上に設けられ平坦な表面を有する窒化ガリウム系半導体膜を含むエピタキシャルウエハを提供することを目的とする。また、本発明は、酸化ガリウムウエハ上に設けられた窒化ガリウム系半導体膜を含む窒化ガリウム系半導体デバイスを提供することを目的とする。さらに、本発明は、この窒化ガリウム系半導体デバイスを作製する方法を提供することを目的とする。さらにまた、本発明は、エピタキシャルウエハ、窒化ガリウム系半導体デバイスを作製する方法、及び窒化ガリウム系半導体デバイスのための酸化ガリウムウエハを提供することを目的とする。
　本発明の一側面は、窒化ガリウム系半導体デバイスのためのエピタキシャルウエハである。このエピタキシャルウエハは、（ａ）単斜晶系酸化ガリウムからなる主面を有する酸化ガリウムウエハと、（ｂ）前記酸化ガリウムウエハの前記主面上に設けられIII族窒化物からなるバッファ層と、（ｃ）前記バッファ層上に設けられ第１の窒化ガリウム系半導体からなる第１のエピタキシャル層とを備える。前記酸化ガリウムウエハの前記主面は、前記単斜晶系酸化ガリウムの（１００）面に対して２度以上の角度で傾斜すると共に４度以下の角度で傾斜する。
　このエピタキシャルウエハによれば、酸化ガリウムウエハの主面が単斜晶系酸化ガリウムの（１００）面に対して２度以上４度以下の角度で傾斜する。酸化ガリウムウエハの主面に窒化ガリウム系半導体を堆積するとき、上記の傾斜により、平坦な表面を有するエピタキシャル層が提供される。
　本発明に係るエピタキシャルウエハでは、前記酸化ガリウムウエハの前記主面おける傾斜の方向は、前記単斜晶系酸化ガリウムの［００１］軸の方向であることができる。
　このエピタキシャルウエハによれば、酸化ガリウムが単斜晶系なので、［００１］軸への傾斜により、良好なモフォロジのエピタキシャル層が提供される。
　本発明に係るエピタキシャルウエハでは、前記第１の窒化ガリウム系半導体の結晶構造は六方晶であり、前記第１のエピタキシャル層の主面の法線は、前記第１の窒化ガリウム系半導体のｃ軸に対して１度以下の角度を成すことができる。
　このエピタキシャルウエハによれば、ウエハ主面の傾斜により、エピタキシャル層の表面には、該エピタキシャル層の窒化ガリウム系半導体のｃ軸に対して１度以下の角度の傾斜が提供される。
　本発明に係るエピタキシャルウエハでは、前記第１のエピタキシャル層の主面における表面粗さ（ＲＭＳ）は５マイクロメートル角のエリアにおいて０．５ｎｍ以下であることができる。
　このエピタキシャルウエハによれば、エピタキシャル層の主面の平坦性は、５マイクロメートル角のエリアにおいて０．５ｎｍ以下である表面粗さ（ＲＭＳ）に低減される。
　本発明に係るエピタキシャルウエハでは、前記第１の窒化ガリウム系半導体は、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、及びＡｌＮのいずれかからなることができる。このエピタキシャルウエハは、上記の半導体を用いる窒化ガリウム系半導体デバイスに適用可能である。
　本発明に係るエピタキシャルウエハでは、前記バッファ層はＧａＮからなることができる。このエピタキシャルウエハによれば、ＧａＮといった二元系III族窒化物系半導体をバッファ層の材料として用いることができる。
　本発明に係るエピタキシャルウエハでは、前記傾斜の角度は前記酸化ガリウム基板の前記主面において分布しており、前記酸化ガリウムウエハの前記主面の全体にわたって２度以上４度以下の角度範囲にあることができる。
　このエピタキシャルウエハによれば、ウエハの主面の全体にわたって良好なモフォロジのエピタキシャル膜が提供される。
　本発明に係るエピタキシャルウエハでは、前記酸化ガリウムウエハの前記主面は、前記単斜晶系酸化ガリウムの（１００）面に対して２．５度以上の角度で傾斜すると共に３．５度以下の角度で傾斜することができる。
　このエピタキシャルウエハによれば、より高い平坦性エピタキシャル層主面を得ることができる。
　本発明の別の側面は、窒化ガリウム系半導体デバイスである。この窒化ガリウム系半導体デバイスは、（ａ）単斜晶系酸化ガリウムからなる主面を有する酸化ガリウム支持基体と、（ｂ）III族窒化物からなる積層構造とを備える。前記積層構造は、前記酸化ガリウム支持基体の前記主面上に設けられIII族窒化物からなるバッファ層と、前記バッファ層上に設けられ第１の窒化ガリウム系半導体からなる第１のエピタキシャル層とを含む。前記酸化ガリウムウエハの前記主面は、前記単斜晶系酸化ガリウムの（１００）面に対して２度以上の角度で傾斜すると共に４度以下の角度で傾斜する。
　この窒化ガリウム系半導体デバイスは、酸化ガリウム支持基体上に設けられた積層構造を含む。上記の角度で傾斜する主面を有する酸化ガリウム支持基体上に積層構造を形成するとき、この傾斜により、平坦な表面を有するエピタキシャル層が提供される。これ故に、窒化ガリウム系半導体デバイスの特性がエピタキシャル表面の悪い平坦性に煩わされない。
　本発明の窒化ガリウム系半導体デバイスでは、前記積層構造は、前記バッファ層上に設けられ第２の窒化ガリウム系半導体からなる第２のエピタキシャル層と、前記第１のエピタキシャル層と前記第２のエピタキシャル層との間に設けられた活性層とを更に含み、前記酸化ガリウムウエハは導電性を有しており、前記第１のエピタキシャル層は第１導電性を有しており、前記第２のエピタキシャル層は前記第１導電性と反対の第２導電性を有しており、前記活性層は量子井戸構造を有しており、当該窒化ガリウム系半導体デバイスは半導体発光素子である。
　この窒化ガリウム系半導体デバイスは、酸化ガリウム支持基体上に設けられた発光デバイスのための積層構造を含む。これ故に、窒化ガリウム系半導体デバイスの特性がエピタキシャル表面の悪い平坦性に煩わされることなく、良好な特性を有する窒化ガリウム系半導体発光デバイスが提供される。
　本発明の窒化ガリウム系半導体デバイスでは、前記積層構造は、前記酸化ガリウムウエハ上に設けられた第２のエピタキシャル層を更に含み、前記第２のエピタキシャル層は前記第１のエピタキシャル層にヘテロ接合を成し、前記第２の窒化ガリウム系半導体のバンドギャップは前記第１の窒化ガリウム系半導体のバンドギャップよりも大きく、前記ヘテロ接合により、前記第１のエピタキシャル層と前記第２のエピタキシャル層との界面に二次元電子ガスが生成され、当該窒化ガリウム系半導体デバイスは二次元電子ガストランジスタである。
　この窒化ガリウム系半導体デバイスは、酸化ガリウム支持基体上に設けられた二次元電子ガストランジスタのための積層構造を含む。これ故に、窒化ガリウム系半導体デバイスの特性がエピタキシャル表面の悪い平坦性に煩わされることなく、良好な特性を有する二次元電子ガストランジスタが提供される。
　本発明の窒化ガリウム系半導体デバイスは、第１導電性の窒化ガリウム系半導体領域からなるソース領域と、第２導電性の窒化ガリウム系半導体領域からなり前記ソース領域を前記第１のエピタキシャル層から隔てるウエル領域とを更に備えることができる、前記酸化ガリウムウエハは導電性を有しており、前記第１のエピタキシャル層は第１導電性を有しており、当該窒化ガリウム系半導体デバイスは縦型電界効果トランジスタである。
　この窒化ガリウム系半導体デバイスは、酸化ガリウム支持基体上に設けられた縦型電界効果トランジスタのための構造を含む。これ故に、窒化ガリウム系半導体デバイスの特性がエピタキシャル表面の悪い平坦性に煩わされることなく、良好な特性を有する縦型電界効果トランジスタが提供される。
　本発明の窒化ガリウム系半導体デバイスでは、前記積層構造の最上層の主面における表面粗さ（ＲＭＳ）は５マイクロメートル角のエリアにおいて０．５ｎｍ以下であることができる。
　この窒化ガリウム系半導体デバイスによれば、エピタキシャル層主面は良好な平坦性を示す。
　本発明の更なる別の側面は、窒化ガリウム系半導体デバイスを作製する方法である。この方法は、（ａ）単斜晶系酸化ガリウムからなる主面を有する酸化ガリウムウエハを準備する工程と、（ｂ）前記酸化ガリウムウエハの前記主面上にIII族窒化物からなるバッファ層を成長する工程と、（ｃ）第１の窒化ガリウム系半導体からなる第１のエピタキシャル層を前記バッファ層上に成長する工程とを備えることができる。前記酸化ガリウムウエハの前記主面は、前記単斜晶系酸化ガリウムの（１００）面に対して２度以上の角度で傾斜すると共に４度以下の角度で傾斜する。
　この方法によれば、酸化ガリウムウエハの主面が単斜晶系酸化ガリウムの（１００）面に対して２度以上４度以下の角度で傾斜する。この傾斜により、平坦な表面を有するエピタキシャル層が提供される。故に、窒化ガリウム系半導体デバイスの特性がエピタキシャル表面の悪い平坦性に煩わされない。
　本発明に係る方法では、前記バッファ層の成長温度は、摂氏４００度以上であり、摂氏６００度以下であることができる。
　本発明のまた更なる別の側面は、単斜晶系酸化ガリウムからなる主面を有する酸化ガリウムウエハであって、前記酸化ガリウムウエハの前記主面は、前記単斜晶系酸化ガリウムの（１００）面に対して２度以上の角度で傾斜すると共に４度以下の角度で傾斜する。
　この酸化ガリウムウエハによれば、酸化ガリウムウエハの主面が単斜晶系酸化ガリウムの（１００）面に対して２度以上４度以下の角度で傾斜する。この傾斜により、酸化ガリウムウエハ主面上にエピタキシャル成長された窒化ガリウム系半導体は平坦な表面を有する。
　本発明の更なる別の側面では、前記酸化ガリウムウエハの前記主面おける傾斜の方向は前記単斜晶系酸化ガリウムの［００１］軸の方向であることができる。
　この酸化ガリウムウエハによれば、酸化ガリウムが単斜晶系なので、［００１］軸への傾斜により、良好なモフォロジのエピタキシャル層が提供される。
　本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。
　以上説明したように、本発明の一側面によれば、酸化ガリウムウエハ上に設けられ平坦な表面を有する窒化ガリウム系半導体膜を含むエピタキシャルウエハが提供される。また、本発明に係る別の側面によれば、酸化ガリウムウエハ上に設けられた窒化ガリウム系半導体膜を含む窒化ガリウム系半導体デバイスが提供される。さらに、本発明に係る更なる別の側面によれば、この窒化ガリウム系半導体デバイスを作製する方法が提供される。加えて、本発明に係るまた更なる別の側面によれば、エピタキシャルウエハ、窒化ガリウム系半導体デバイス、並びにエピタキシャルウエハ及び窒化ガリウム系半導体デバイスを作製する方法のための酸化ガリウムウエハが提供される。
図１は、本実施の形態に係る、窒化ガリウム系半導体デバイス及びエピタキシャルウエハを作製する方法の主要な工程を示す図面である。 図２は単斜晶系酸化ガリウムウエハ及び単斜晶系酸化ガリウムの結晶格子を示す図面である。 図３は、工程Ｓ１０１～Ｓ１０３によって作製される窒化ガリウム系半導体デバイスを概略的に示す図面である。 図４は、酸化ガリウム基板の基板主面の傾斜角（オフ角）とＧａＮエピタキシャル膜の表面のモフォロジとの関係を示す図面である。 図５は、オフ角ゼロの酸化ガリウム基板を用いてエピタキシャルウエハの表面を表す走査型電子顕微鏡像を示す図面である。 図６は、本実施の形態に係る、窒化ガリウム系半導体デバイス及びエピタキシャルウエハを作製する方法の主要な工程を示す図面である。 図７は、実施例２における発光ダイオードの構造を示す図面である。 図８は、酸化ガリウム基板主面のオフ角と、活性層成長の下地となる半導体層の表面粗さ及びオフ角並びにＬＥＤ構造の光出力との関係を示す図面である。 図９は、本実施の形態に係る、高電子移動度トランジスタ及びエピタキシャルウエハを作製する方法の主要な工程を示す図面である。 図１０は、図９の工程フローに従って作製される高電子移動度トランジスタ及びエピタキシャルウエハを概略的に示す図面である。 図１１は、本実施の形態に係る、縦型電界効果トランジスタ及びエピタキシャルウエハを作製する方法の主要な工程を示す図面である。 図１２は、図１１の工程フローに従って作製される縦型電界効果トランジスタ及びエピタキシャルウエハを概略的に示す図面である。
　本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明のエピタキシャルウエハ、窒化ガリウム系半導体デバイス、窒化ガリウム系半導体デバイス及びエピタキシャルウエハを作製する方法、並びに酸化ガリウムウエハに係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
　図１は、本実施の形態に係る、窒化ガリウム系半導体デバイス及びエピタキシャルウエハを作製する方法の主要な工程を示す図面である。図１（ａ）に示される工程フローの工程Ｓ１０１では、単斜晶系酸化ガリウムからなる主面を有する酸化ガリウムウエハ１１を準備する。図２（ａ）を参照すると、酸化ガリウムウエハ１１が示される。このウエハ１１は、例えばβ－Ｇａ２Ｏ３単結晶からなる。ウエハ１１は主面１１ａ及び裏面１１ｂを含み、主面１１ａ及び裏面１１ｂは互いに平行である。ウエハ１１の主面１１ａは、単斜晶系酸化ガリウムの（１００）面に対して２度以上の角度で傾斜すると共に４度以下の角度ＡＯＦＦで傾斜する。
　この酸化ガリウムウエハ１１によれば、該ウエハ１１の主面１１ａが単斜晶系酸化ガリウムの（１００）面に対して２度以上４度以下の角度で傾斜する。この傾斜により、酸化ガリウムウエハ主面１１ａ上にエピタキシャル成長された窒化ガリウム系半導体は平坦な表面を有する。
　また、酸化ガリウムウエハ主面の角度ＡＯＦＦは該主面１１ａの全体にわたって分布していることができる。酸化ガリウムウエハ主面１１ａ上にエピタキシャル成長された窒化ガリウム系半導体の表面は、ウエハ主面１１ａの全体にわたって良好なモフォロジを有する。
　図２（ａ）を参照すると、ウエハ１１の主面１１ａに対して傾斜する代表的な（１００）面Ｓ１００及び結晶座標系ＣＲが示されており、結晶座標系ＣＲはａ軸、ｂ軸及びｃ軸を有する。図２（ｂ）を参照すると、単斜晶系酸化ガリウムの結晶格子が示されている。単斜晶系酸化ガリウムの結晶格子のａ軸、ｂ軸及びｃ軸の格子定数は、それぞれ、１．２２３ｎｍであり、０．３０４ｎｍ及び０．５８ｎｍである。ベクトルＶａ、Ｖｂ、Ｖｃは、それぞれ、ａ軸、ｂ軸及びｃ軸の方向を示す。ベクトルＶａ及びＶｂは（００１）面を規定し、ベクトルＶｂ、Ｖｃは（１００）面を規定し、ベクトルＶｃ及びＶａは（０１０）面を規定する。ベクトルＶａ及びＶｂの成す角度α及びベクトルＶｂ及びＶｃの成す角度γは９０度であり、ベクトルＶｃ及びＶａの成す角度βは１０３．７度である。ウエハ主面１１ａの傾斜角ＡＯＦＦを示すために、図２（ｂ）には、ウエハ主面１１ａが一点鎖線で示されている。このウエハ１１によれば、酸化ガリウムが単斜晶系なので、［００１］軸への傾斜により、ウエハ主面１１ａ上に、良好なモフォロジのエピタキシャル層を成長できる。
　図１に示される工程Ｓ１０２では、複数のIII族窒化物膜を含む積層構造を形成して、エピタキシャルウエハを作製する。III族窒化物膜の成長は、例えば有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法等で行われる。
　まず、図１（ｂ）に示されるように、成長炉１０のサセプタ上にウエハ１１を配置する。次いで、図１（ｃ）に示されるように、ウエハ１１の主面１１ａ上に、バッファ層１３を成長する。バッファ層１３は、例えばＧａＮ等といったIII族窒化物からなる。バッファ層１３がＧａＮからなるとき、成長炉１０には、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）及びアンモニア（ＮＨ３）を含む原料ガスＧ０が供給される。バッファ層１３の成長温度Ｔ１は、例えば摂氏４００度以上摂氏６００度以下の範囲になり、バッファ層１３はいわゆる低温バッファ層と呼ばれる。バッファ層１３の膜厚は、例えば１０ナノメートル以上５０ナノメートル以下の範囲であることができる。続けて、成長温度Ｔ１より高い温度Ｔ２に成長炉１０の温度を上昇した後に、図１（ｄ）に示されるように、バッファ層１３の主面１３ａ上に、第１の窒化ガリウム系半導体からなるエピタキシャル層１５を成長する。エピタキシャル層１５は、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＮ等といった六方晶系のIII族窒化物からなる。エピタキシャル層１５の膜厚は、例えば３００ナノメートル以上１０マイクロメートル以下の範囲であることができる。エピタキシャル層１５がＧａＮからなるとき、成長炉１０には、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）及びアンモニア（ＮＨ３）を含む原料ガスＧ１が供給される。エピタキシャル層１５の成長温度Ｔ２は例えばＧａＮの場合、摂氏９００度以上摂氏１２００度以下の範囲になり、エピタキシャル層１５は、窒化ガリウム系半導体デバイスを構成する半導体層であり、またアンドープ、ｐ型ドーパント添加、及びｎ型ドーパントであることができる。エピタキシャル層１５にｐ導電性またはｎ導電性を付与するために、エピタキシャル層１５を成長する際に、原料ガスに加えてドーパントガスを供給する。ドーパントとしては、ｐ型導電性のために例えばシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を用い、ｎ型導電性のために例えばシラン（ＳｉＨ４）を用いることができる。
　これまでの窒化ガリウム系半導体の堆積により、エピタキシャルウエハＥが得られる。エピタキシャルウエハＥは、酸化ガリウムウエハ１１、バッファ層１３及びエピタキシャル層１５を含む。
　エピタキシャルウエハＥでは、ウエハ主面１１ａの傾斜範囲が単斜晶系酸化ガリウムの（１００）面に対して２度以上４度以下であるとき、エピタキシャル層１５の主面１５ａの法線ＶＮＥは、エピタキシャル層１５の窒化ガリウム系半導体のｃ軸に対して１度以下の角度を成している。ウエハ主面１１ａの傾斜を有する単斜晶系酸化ガリウム基板上に窒化ガリウム系半導体をエピタキシャル成長するとき、エピタキシャル層表面のモフォロジが改善されて、該エピタキシャル層１５の窒化ガリウム系半導体のｃ軸を示すベクトルＶＣと法線ベクトルＶＮＥとの成す角度ＡＥＯＦＦは１度以下にまで低減される。
　また、エピタキシャルウエハＥでは、エピタキシャル層１５の主面１５ａの平坦性は５マイクロメートル角のエリアにおいて０．５ｎｍ以下である表面粗さ（ＲＭＳ）に低減される。この表面粗さは、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて測定される。
　図１に示される工程Ｓ１０３では、エピタキシャルウエハＥ上に複数の電極を形成する。図３（ａ）を参照すると、第１の電極１７ａが、エピタキシャルウエハＥのエピタキシャル層主面１５ａ上に形成される。第１の電極１７ａは、例えばショットキ電極であり、ショットキ電極は例えば金（Ａｕ）から成る。第１の電極１７ａは、エピタキシャル層にショットキ接合１９を成す。第２の電極１７ｂが、エピタキシャルウエハＥの酸化ガリウム基板裏面１１ｂ上に形成される。第２の電極１７ｂは例えばオーミック電極である。工程Ｓ１０１～Ｓ１０３によって、図３（ａ）に示される窒化ガリウム系半導体デバイスが作製される。この窒化ガリウム系半導体デバイスはショットキ接合ダイオードである。
　必要な場合には、エピタキシャルウエハＥは、エピタキシャル層１５上に順に成長された一又は複数の窒化ガリウム系半導体層を含むことができる。これらの窒化ガリウム系半導体層は、例えば工程Ｓ１０２において有機金属気相成長法で成長される。
　図３（ｂ）を参照すると、エピタキシャルウエハＥは、例えばエピタキシャル層１５上に成長された別のエピタキシャル層２３を含むことができる。エピタキシャル層１５はアンドープ又はｎ型導電性を示し、またエピタキシャル層２３はｐ型窒化ガリウム系半導体層からなる。エピタキシャル層２３はエピタキシャル層１５にｐｎ接合２５を成す。第１の電極２７ａが、エピタキシャルウエハＥのエピタキシャル層主面２３ａ上に形成される。第１の電極２７ａは、例えばｐオーミック電極である。第２の電極１７ｂが、エピタキシャルウエハＥの酸化ガリウム基板裏面１１ｂ上に形成される。工程Ｓ１０１～Ｓ１０３によって、図３（ｂ）に示される窒化ガリウム系半導体デバイスが作製される。この窒化ガリウム系半導体デバイスはｐｎ接合ダイオードである。
　本実施の形態に係るエピタキシャルウエハは、ｐｎ接合ダイオードの他にも、後ほど説明されるように、発光素子やトランジスタ等のための窒化ガリウム系半導体積層構造を提供できる。
　（実施例１）
１１枚の単斜晶系酸化ガリウム基板を準備した。これらの酸化ガリウム基板の主面は、酸化ガリウム基板の単結晶の（１００）面に対して０度以上５度以下の範囲で傾斜していた。傾斜角度のピッチは０．５度であった。傾斜の方向は、酸化ガリウム基板の単結晶の［００１］軸方向であった。傾斜角及び傾斜の方向は、Ｘ線回折法によって決定された。
　酸化ガリウム基板の基板主面の傾斜角（オフ角）とＧａＮエピタキシャル膜の表面のモフォロジとの関係を調べるために、これらの酸化ガリウム基板上に、以下のように、ＭＯＶＰＥ法を用いて、ＧａＮバッファ層及びＧａＮエピタキシャル膜を堆積した。酸化ガリウム基板を成長炉に配置した後に、成長炉にＮＨ３、ＴＭＧ及びＳｉＨ４を含む原料ガスを供給して、摂氏５００度の温度で低温ＧａＮバッファ層を酸化ガリウム基板上に成長した。ＧａＮバッファ層の厚さは２５ナノメートルであった。次いで、基板温度を摂氏１０５０度に変更した後に、成長炉にＮＨ３、ＴＭＧ及びＳｉＨ４を含む原料ガスを供給して、バッファ層上にＧａＮエピタキシャル層を成長した。ＧａＮエピタキシャル層の厚さは３マイクロメートルであった。
　準備した全ての酸化ガリウム基板に同様のエピタキシャル成長を行って１１枚のエピタキシャルウエハを作製した。図４は、酸化ガリウム基板の基板主面の傾斜角（オフ角）とＧａＮエピタキシャル膜の表面のモフォロジとの関係を示す図面である。
　図５は、オフ角ゼロの酸化ガリウム基板を用いてエピタキシャルウエハの表面を表す走査型電子顕微鏡像を示す図面である。図５に示されたスケールは１０μｍである。図５に示されるように、オフ角ゼロ又は微小なオフ角の酸化ガリウム基板上のＧａＮエピタキシャル膜には、数マイクロメートル程度の段差が形成されており、これ故に、ＧａＮエピタキシャル膜の表面粗さは大きい。一方、段差の間にはテラス状の平坦な領域が形成されている。表面モフォロジは、いわゆる段々畑状の外観を示す。このため、原子間力顕微鏡を用いて表面粗さ（ＲＭＳ）を測定する際には、ＧａＮエピタキシャル膜表面上の異なる位置で表面粗さを測定した後に、これらの測定値の最大値を求めた。
　なお、低温ＧａＮバッファ層の成膜温度を摂氏４００度以上摂氏６００度以下の温度範囲内のいくつかの温度で成長した後に、この低温ＧａＮバッファ層上に、上記の成膜条件でＧａＮエピタキシャル層を成長した。これらのエピタキシャルウエハのいずれも、図５に示される波状モフォロジと同様のモフォロジを示した。故に、オフ角ゼロ度におけるエピタキシャル膜の走査型電子顕微鏡像は、バッファ層の成膜温度に起因するものではなく、酸化ガリウム基板主面のゼロオフ角に因るものと考えられる。図４に示されたエピタキシャルウエハの作製では、低温ＧａＮバッファ層を摂氏５００度で成膜した。
　表面粗さの測定は、原子間力顕微鏡を用いて５マイクロメートル角のエリアで行われた。図４を参照すると、エピタキシャル膜の表面粗さ及びオフ角は、酸化ガリウム基板主面のオフ角がジャスト（１００）面から増加するにつれて一旦減少する。しかしながら、エピタキシャル膜の表面粗さ及びオフ角は、３度を超えるオフ角の範囲において、酸化ガリウム基板主面のオフ角が増加するについて増加する。オフ角３度近傍の角度範囲で、表面粗さ及び表面モフォロジが大幅に改善された。
　基板表面のオフ角１．５度以上４．５度以下の範囲で、表面粗さが１．３以下であった。また、基板表面のオフ角２．０度以上４．０度以下の範囲で、表面粗さが０．５未満（０．４７以下）であった。さらに、基板表面のオフ角２．５度以上３．５度以下の範囲で、表面粗さが０．３５以下であった。発明者らの検討によれば、オフ角２．０度以上４．０度以下の範囲における表面粗さは、半導体発光デバイスや半導体電子デバイスの作製において、サファイア基板上のＧａＮエピタキシャル膜の表面粗さが０．２０ナノメートルであることに比較して、十分に許容可能な値である。オフ角が２．５度以上３．５度以下の範囲であるとき、表面モフォロジに起因するデバイス特性劣化が低減される。
　また、ＧａＮエピタキシャル膜におけるｃ軸の方向とＧａＮエピタキシャル膜表面の法線軸との成す角度をＸ線回折法を用いて見積もった。基板表面のオフ角１．５度以上４．５度以下の範囲で、ＧａＮ膜のオフ角が１．５度以下であった。また、基板表面のオフ角２．０度以上４．０度以下の範囲で、ＧａＮ膜のオフ角が１度未満（０．９度以下）であった。さらに、基板表面のオフ角２．５度以上３．５度以下の範囲で、ＧａＮ膜のオフ角が０．６度以下であった。発明者らの検討によれば、酸化ガリウム基板のオフ角が２～４度であるとき、ＧａＮエピタキシャル膜のオフ角が１度未満となり、良好な表面平坦性のエピタキシャル成長が可能である。
　大きな段差または表面粗さを有するＧａＮエピタキシャル膜上に、多重量子井戸構造の多層膜を成長するとき、井戸層の組成や厚さの均一性が乱れる。このため、発光強度の低下や発光スペクトルの半値全幅の増加といった特性低下が現れる。また、大きな段差または表面粗さを有するＧａＮエピタキシャル膜を高耐圧デバイスに用いるとき、電界の不均一等によりデバイス逆耐圧が低下する可能性がある。
　以上、実施例を参照しながら説明したように、エピタキシャルウエハＥでは、酸化ガリウム基板主面の全体にわたって２度以上４度以下の角度範囲にあるとき、エピタキシャルウエハＥの主面の全体にわたって良好なモフォロジのエピタキシャル膜が提供される。また、酸化ガリウムウエハの主面における傾斜角は、単斜晶系酸化ガリウムの（１００）面に対して２．５度以上の角度で傾斜すると共に３．５度以下の角度で傾斜するとき、より高い平坦性エピタキシャル層主面を得ることができる。
　本実施例では、ＧａＮ膜を含むエピタキシャルウエハを説明したけれども、発明者らの検討によれば、酸化ガリウム基板主面におけるオフ角の寄与はＧａＮに限定されることなく、酸化ガリウム基板主面上のエピタキシャル膜は、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ及びＡｌＮ等からなることができる。故に、このエピタキシャルウエハＥは窒化ガリウム系半導体デバイスに適用可能である。
　図６は、本実施の形態に係る、窒化ガリウム系半導体デバイス及びエピタキシャルウエハを作製する方法の主要な工程を示す図面である。図６に示されるフローチャートの工程Ｓ１０１では、単斜晶系酸化ガリウムからなる主面を有する酸化ガリウムウエハ１１を準備する。工程Ｓ１０２では、複数のIII族窒化物膜を含む積層構造を形成して、エピタキシャルウエハを作製する。III族窒化物膜の成長は、例えば有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法等で行われる。この実施の形態では、図１（ｄ）に示される積層構造と異なる積層構造を形成する。図２（ｂ）と同様に、工程Ｓ１０５では、成長炉１０のサセプタ上にウエハ１１を配置する。次いで、ウエハ１１の主面１１ａ上に、バッファ層１３を成長する。
　成長温度Ｔ１より高い温度Ｔ２に成長炉１０の温度を上昇した後に、工程Ｓ１０６では、バッファ層１３の主面１３ａ上に、第１導電型エピタキシャル層を成長する。このエピタキシャル層は窒化ガリウム系半導体からなる。第１導電型エピタキシャル層は、例えばｎ型ＧａＮ、ｎ型ＡｌＧａＮ、ｎ型ＩｎＡｌＧａＮ、ｎ型ＩｎＡｌＮ等といった六方晶系のIII族窒化物からなる。第１導電型エピタキシャル層がＧａＮからなるときは、成長炉１０には、ＴＭＧ、ＮＨ３及びＳｉＨ４を含む原料ガスを供給して、ｎ型ＧａＮ膜を成長する。第１導電型エピタキシャル層がＧａＮからなるとき、第１導電型エピタキシャル層の成長温度Ｔ２は例えば摂氏９００度以上摂氏１２００度以下の範囲になり、第１導電型エピタキシャル層は、窒化ガリウム系半導体デバイスを構成する半導体層である。
　次いで、工程Ｓ１０７において、第１導電型エピタキシャル層上に活性層を形成する。活性層は、交互に配列された井戸層及び障壁層を含む。井戸層は、例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等からなる。障壁層は、例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等からなる。井戸層の成長温度は例えば摂氏５００度以上摂氏９００度以下の範囲にあり、障壁層の成長温度は例えば摂氏５５０度以上摂氏９５０度以下の範囲にある。
　この後に、工程Ｓ１０８において、第２導電型エピタキシャル層を活性層上に形成する。第２導電型エピタキシャル層は、例えばｐ型電子ブロック層及びｐ型コンタクト層を含むことができる。
　これまでの窒化ガリウム系半導体の堆積により、エピタキシャルウエハが得られる。エピタキシャルウエハは、酸化ガリウムウエハ１１と、酸化ガリウムウエハ１１上に成長された半導体積層とを含む。この半導体積層は、第１導電型エピタキシャル層、第２導電型エピタキシャル層および活性層を含み、活性層は、第１導電型エピタキシャル層と第２導電型エピタキシャル層との間に設けられている。
　工程Ｓ１０９において、エピタキシャルウエハをエッチングして半導体メサを形成する。このエッチングにより半導体積層の一部が除去されて、半導体積層内の第１導電型エピタキシャル層の一部が露出されている。このエピタキシャルウエハ加工の後に、導電型エピタキシャル層の露出部分上に第１の電極を形成すると共に半導体メサの上面に第２の電極を形成する。これらの工程により、窒化ガリウム系半導体発光デバイスのための基板生産物が作製される。
　（実施例２）
図７は、実施例２における発光ダイオードの構造を示す図面である。発光ダイオードＬＥＤは、単斜晶系酸化ガリウムからなる主面を有する酸化ガリウム支持基体３１と、III族窒化物からなる積層構造３３とを備える。積層構造３３は、半導体メサの形状を成している。半導体メサは、低温ＧａＮバッファ層３５と、ｎ型ＧａＮ層３７と、量子井戸構造の活性層３９と、ｐ型窒化ガリウム系半導体層４１とを含む。ｐ型窒化ガリウム系半導体層４１は、例えばｐ型ＡｌＧＡｎ電子ブロック層及びｐ型ＧａＮコンタクト層を含む。
　一例のＬＥＤ構造は以下のものである。
低温ＧａＮバッファ層３５：２５ナノメートル；
ｎ型ＧａＮ層３７：３マイクロメートル；
活性層３９：６つの井戸層のＭＱＷ、
障壁層３９ａ：ＧａＮ層、厚さ１５ｎｍ；
井戸層３９ｂ：ＩｎＧａＮ層、厚さ３ｎｍ；
窒化ガリウム系半導体層４１のｐ型ＡｌＧＡｎ電子ブロック層：２０ｎｍ；
窒化ガリウム系半導体層４１のｐ型ＧａＮコンタクト層：５０ｎｍ。
　実施例１と同様に、１１枚の単斜晶系酸化ガリウム基板を準備した、これらの酸化ガリウム基板の主面は、酸化ガリウム基板の単結晶の（１００）面に対して０度以上５度以下の範囲で傾斜していた。傾斜の角度のピッチは０．５度であった。傾斜の方向は、酸化ガリウム基板の単結晶の［００１］軸方向であった。傾斜角及び傾斜の方向は、Ｘ線回折法によって決定された。
　酸化ガリウム基板の基板主面の傾斜角（オフ角）とＧａＮエピタキシャル膜の表面のモフォロジ及びエレクトロルミネッセンスとの関係を調べるために、これらの酸化ガリウム基板上に、上記のように、ＭＯＶＰＥ法を用いて、ＬＥＤ構造を形成した。このＬＥＤ構造の半導体メサの上面にｐ側電極を形成すると共に、ｎ型半導体の露出領域にｎ側電極を形成した。
　表面粗さの測定は、原子間力顕微鏡を用いて５マイクロメートル角のエリアで行われた。図８を参照すると、活性層成長の下地となる半導体層の表面粗さ及びオフ角は、酸化ガリウム基板主面のオフ角がジャスト（１００）面から増加するにつれて一旦減少する。しかしながら、エピタキシャル膜の表面粗さ及びオフ角は、３度を超えるオフ角の範囲において、酸化ガリウム基板主面のオフ角が増加するについて増加する。オフ角３度近傍の角度範囲で、表面粗さ及びモフォロジが大幅に改善された。
　基板表面のオフ角１．５度以上４．５度以下の範囲で、表面粗さが１．３以下であった。また、基板表面のオフ角２．０度以上４．０度以下の範囲で、表面粗さが０．５未満（例えば０．４７以下）であった。さらに、基板表面のオフ角２．５度以上３．５度以下の範囲で、表面粗さが０．３５以下であった。発明者らの検討によれば、オフ角２．０度以上４．０度以下の範囲における表面粗さは、サファイア基板上のＧａＮエピタキシャル膜の表面粗さが０．２０ナノメートルであることに比較して、発光ダイオードの作製において十分に許容可能な値である。オフ角が２．０度以上４．０度以下の範囲であるとき、モフォロジに起因する発光特性の劣化が低減される。
　また、活性層成長の下地となるエピタキシャル膜におけるｃ軸の方向とＧａＮエピタキシャル膜表面の法線軸との成す角度をＸ線回折法を用いて見積もった。基板表面のオフ角１．５度以上４．５度以下の範囲で、ＧａＮ膜のオフ角が１．５度以下であった。また、基板表面のオフ角２．０度以上４．０度以下の範囲で、ＧａＮ膜のオフ角が１度未満（例えば０．９度以下）であった。さらに、基板表面のオフ角２．５度以上３．５度以下の範囲で、ＧａＮ膜のオフ角が０．６度以下であった。発明者らの検討によれば、酸化ガリウム基板のオフ角が２～４度であるとき、ＧａＮエピタキシャル膜のオフ角が１度未満となり、良好な表面平坦性のエピタキシャル成長が可能である。
　さらに、基板生産物に配列されたｐ側電極（電極サイズ：例えば０．４ｍｍ×０．４ｍｍ）の一つとｎ側電極との間に電源を接続して、発光ダイオードＬＥＤに順方向のバイアスを与えた。印加電流２０ｍＡにおける光出力を測定した。基板表面のオフ角１．５度以上４．５度以下の範囲で、光出力が３．１ｍＷ以上であった。また、基板表面のオフ角２．０度以上４．０度以下の範囲で、光出力が４．３ｍＷ以上であった。さらに、基板表面のオフ角２．５度以上３．５度以下の範囲で、光出力が４．７ｍＷ以上であった。酸化ガリウム基板のオフ角が２～４度であるとき、本実施例におけるＬＥＤ構造からの光出力は、サファイア基板上に作製された同様のＬＥＤ構造における光出力の８割程度である、このＬＥＤ構造は良好な発光特性を示した。
　この発光ダイオードＬＥＤは、酸化ガリウム基板３２から分離された酸化ガリウム支持基体３１上に設けられた発光デバイスのための積層構造３３を含む。これ故に、発光ダイオードＬＥＤの特性がエピタキシャル表面の悪い平坦性に煩わされることなく、良好な発光特性を有する発光ダイオードＬＥＤが提供される。
　図９は、本実施の形態に係る、高電子移動度トランジスタ、及びこの素子のためのエピタキシャルウエハを作製する方法の主要な工程を示す図面である。図１０は、図９の工程フローに従って作製される高電子移動度トランジスタ及びエピタキシャルウエハを概略的に示す図面である。図９に示されるフローチャートの工程Ｓ１０１では、単斜晶系酸化ガリウムからなる主面を有する酸化ガリウムウエハ５１を準備する。工程Ｓ１０５では、図２（ｂ）と同様に、成長炉のサセプタ上にウエハ５１を配置する。次いで、ウエハ５１の主面５１ａ上に低温バッファ層５３を成長する。バッファ層５３の成長温度Ｔ１より高い温度Ｔ２に成長炉の温度を上昇した後に、工程Ｓ１１０では、バッファ層５３の主面５３ａ上に、エピタキシャル層５５を成長する。このエピタキシャル層５５は窒化ガリウム系半導体からなる。エピタキシャル層５５は、例えばアンドープＧａＮ、アンドープＡｌＧａＮ、アンドープＩｎＡｌＧａＮ、アンドープＩｎＧａＮ等といった六方晶系のIII族窒化物からなる。エピタキシャル層５５がＧａＮからなるときは、成長炉には、ＴＭＧ及びＮＨ３を含む原料ガスを供給して、アンドープＧａＮ膜を成長する。エピタキシャル層５５がＧａＮからなるとき、エピタキシャル層５５の成長温度Ｔ２は例えば摂氏９００度以上摂氏１２００度以下の範囲である。続けて、工程Ｓ１１１では、エピタキシャル層５５の主面５５ａ上に別のエピタキシャル層５７を成長する。このエピタキシャル層５７は窒化ガリウム系半導体からなり、エピタキシャル層５７のバンドギャップはエピタキシャル層５５のバンドギャップよりも大きい。エピタキシャル層５７は、例えばアンドープＧａＮ、アンドープＡｌＧａＮ、アンドープＩｎＡｌＧａＮ、アンドープＩｎＡｌＮ等といった六方晶系のIII族窒化物からなる。エピタキシャル層５７がＡｌＧａＮからなるときは、成長炉には、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、ＴＭＧ及びＮＨ３を含む原料ガスを供給して、アンドープＡｌＧａＮ膜を成長する。エピタキシャル層５７がＡｌＧａＮからなるとき、エピタキシャル層５７の成長温度は例えば摂氏９００度以上摂氏１３００度以下の範囲である。エピタキシャル層５７はエピタキシャル層５５にヘテロ接合６１ａを成しており、ヘテロ接合６１ａに沿ってエピタキシャル層５５内には、二次元電子ガス層６１ｂが生成される。これらの工程により、高電子移動度トランジスタＨＥＭＴのためのエピタキシャルウエハＥＨＥＭＴが得られる。
　工程Ｓ１１２では、エピタキシャルウエハＥＨＥＭＴに、ゲート電極６３ａ、ソース電極６３ｂおよびドレイン電極６３ｃを形成する。ゲート電極６３ａはショットキ電極からなり、ソース電極６３ｂ及びドレイン電極６３ｃはオーミック電極からなる。ゲート電極６３ａは、ゲート電圧に応じて、ヘテロ接合６１ａに沿ったチャネルの電子密度を変化させて、ドレイン電極６３ｃからソース電極６３ｂへ流れる電流を制御する。
　この高電子移動度トランジスタＨＥＭＴは、酸化ガリウム基板５１から分離された酸化ガリウム支持基体５２上に設けられた積層構造５９を含む。酸化ガリウム支持基体５２の主面５２ａは上記の角度で傾斜するので、この傾斜により、平坦な表面を有するエピタキシャル層５７が提供される。これ故に、窒化ガリウム系半導体からなる高電子移動度トランジスタＨＥＭＴの特性がエピタキシャル表面の悪い平坦性に煩わされない。
　図１１は、本実施の形態に係る、縦型電界効果トランジスタ及びエピタキシャルウエハを作製する方法の主要な工程を示す図面である。図１２は、図１１の工程フローに従って作製される縦型電界効果トランジスタ及びエピタキシャルウエハを概略的に示す図面である。図１１に示されるフローチャートの工程Ｓ１０１では、単斜晶系酸化ガリウムからなる主面を有する酸化ガリウムウエハ５１を準備する。工程Ｓ１０５では、図２（ｂ）と同様に、成長炉のサセプタ上にウエハ５１を配置する。次いで、ウエハ５１の主面５１ａ上に低温バッファ層５３を成長する。バッファ層５３の成長温度Ｔ１より高い温度Ｔ２に成長炉の温度を上昇した後に、工程Ｓ１１０では、バッファ層５３の主面５３ａ上に、エピタキシャル層６５を成長する。このエピタキシャル層６５は窒化ガリウム系半導体からなる。エピタキシャル層６５は、例えばｎ型ＧａＮ、ｎ型ＡｌＧａＮ、ｎ型ＩｎＡｌＧａＮ、ｎ型ＩｎＡｌＮ等といった六方晶系のIII族窒化物からなる。エピタキシャル層６５がｎ型ＧａＮからなるときは、成長炉には、ＴＭＧ、ＮＨ３及びＳｉＨ４を含む原料ガスを供給して、ｎ型ＧａＮ膜を成長する。ｎ型ＧａＮ膜の多数キャリアは電子である。エピタキシャル層５５がＧａＮからなるとき、エピタキシャル層６５の成長温度は例えば摂氏９００度以上摂氏１２００度以下の範囲である。続けて、工程Ｓ１１３では、エピタキシャル層６５の表面に、ｎ型ソース半導体領域６７と、ｐ型ウエル半導体領域６９とを形成する。この形成は、フォトリソグラフィ、エッチング、及び選択成長等を用いてｎ型ソース半導体領域６７及びｐ型ウエハ半導体領域６９は、例えばＧａＮといった窒化ガリウム系半導体からなることができる。ｎ型ソース半導体領域６７は、ｐ型ウエル半導体領域６９によってエピタキシャル層６５から隔離される。ｐ型ウエル半導体領域６９の一端は、半導体積層７１の表面に現れている。これらの工程により、縦型電界効果トランジスタＦＥＴのためのエピタキシャルウエハＥＦＥＴが得られる。
　工程Ｓ１１５では、ｐ型ウエハ半導体領域６９の一端上には、絶縁膜７３を介してゲート電極７５ａを形成すると共に、ｎ型ソース半導体領域６７上にソース電極７５ｂを形成し、ウエハ５１の裏面にドレイン電極７５ｃを形成する。ゲート電極７５ａは、ゲート電圧に応じて、絶縁膜７３を介してｐ型ウエハ半導体領域６９の一端に表面反転層７７を形成して、ｎ型ドリフト層領域のエピタキシャル層６５とｎ型ソース半導体領域６７との間の電気経路を制御する。
　この縦型電界効果トランジスタＦＥＴは、酸化ガリウム基板５１から分離された酸化ガリウム支持基体５２上に設けられた積層構造５９を含む。酸化ガリウム支持基体５２の主面５２ａは上記の角度で傾斜するので、この傾斜により、平坦な表面を有するエピタキシャル層６５が提供される。これ故に、窒化ガリウム系半導体からなる縦型電界効果トランジスタＦＥＴの特性がエピタキシャル表面の悪い平坦性に煩わされない。
　好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
１１…酸化ガリウムウエハ、１１ａ…酸化ガリウムウエハ主面、１１ｂ…酸化ガリウムウエハ裏面、ＡＯＦＦ…角度、Ｓ１００…（１００）面、１３…バッファ層、１５…エピタキシャル層、ＶＮＥ…法線、ＶＣ…ｃ軸ベクトル、ＡＥＯＦＦ…角度、１７ａ、１７ｂ…電極、Ｅ…エピタキシャルウエハ、２３…エピタキシャル層、２５…ｐｎ接合、２７ａ、２７ｂ…電極、３１…酸化ガリウム支持基体、３２…酸化ガリウム基板、３３…積層構造、３５…低温ＧａＮバッファ層、３７…ｎ型ＧａＮ層、３９…活性層、３９ａ…障壁層、３９ｂ…井戸層、４１…窒化ガリウム系半導体層、５１…ウエハ、５２…酸化ガリウム支持基体、５３…バッファ層、５５…エピタキシャル層、５７…エピタキシャル層、６１ａ…ヘテロ接合、６１ｂ…二次元電子ガス層、ＥＨＥＭＴ…エピタキシャルウエハ、６３ａ…ゲート電極、６３ｂ…ソース電極、６３ｃ…ドレイン電極、５９…積層構造、６５…エピタキシャル層、６７…ｎ型ソース半導体領域、６９…ｐ型ウエル半導体領域、７１…半導体積層、ＥＦＥＴ…エピタキシャルウエハ、７３…絶縁膜、７５ａ…ゲート電極、７５ｂ…ソース電極、７５ｃ…ドレイン電極　

Claims (20)

  1. 　窒化ガリウム系半導体デバイスのためのエピタキシャルウエハであって、
    　単斜晶系酸化ガリウムからなる主面を有する酸化ガリウムウエハと、
    　前記酸化ガリウムウエハの前記主面上に設けられIII族窒化物からなるバッファ層と、
    　前記バッファ層上に設けられ第１の窒化ガリウム系半導体からなる第１のエピタキシャル層と
    を備え、
    　前記酸化ガリウムウエハの前記主面は、前記単斜晶系酸化ガリウムの（１００）面に対して２度以上の角度で傾斜すると共に４度以下の角度で傾斜する、ことを特徴とするエピタキシャルウエハ。
  2. 　前記酸化ガリウムウエハの前記主面おける傾斜の方向は、前記単斜晶系酸化ガリウムの［００１］軸の方向である、ことを特徴とする請求項１に記載されたエピタキシャルウエハ。
  3. 　前記第１の窒化ガリウム系半導体の結晶構造は六方晶であり、
    　前記第１のエピタキシャル層の主面の法線は、前記第１の窒化ガリウム系半導体のｃ軸に対して１度以下の角度を成す、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載されたエピタキシャルウエハ。
  4. 　前記第１のエピタキシャル層の主面における表面粗さ（ＲＭＳ）は５マイクロメートル角のエリアにおいて０．５ｎｍ以下である、ことを特徴とする請求項１～請求項３のいずれか一項に記載されたエピタキシャルウエハ。
  5. 　前記第１の窒化ガリウム系半導体はＧａＮからなる、ことを特徴とする請求項１～請求項４のいずれか一項に記載されたエピタキシャルウエハ。
  6. 　前記第１の窒化ガリウム系半導体はＡｌＧａＮからなる、ことを特徴とする請求項１～請求項４のいずれか一項に記載されたエピタキシャルウエハ。
  7. 　前記第１の窒化ガリウム系半導体はＩｎＧａＮからなる、ことを特徴とする請求項１～請求項４のいずれか一項に記載されたエピタキシャルウエハ。
  8. 　前記第１の窒化ガリウム系半導体はＡｌＮからなる、ことを特徴とする請求項１～請求項４のいずれか一項に記載されたエピタキシャルウエハ。
  9. 　前記バッファ層は、ＧａＮからなる、ことを特徴とする請求項１～請求項８のいずれか一項に記載されたエピタキシャルウエハ。
  10. 　前記傾斜の角度は前記酸化ガリウム基板の前記主面において分布しており、前記酸化ガリウム基板の前記主面の全体にわたって２度以上４度以下の角度範囲にある、ことを特徴とする請求項１～請求項９のいずれか一項に記載されたエピタキシャルウエハ。
  11. 　前記酸化ガリウムウエハの前記主面は、前記単斜晶系酸化ガリウムの（１００）面に対して２．５度以上の角度で傾斜すると共に３．５度以下の角度で傾斜する、ことを特徴とする請求項１～請求項１０のいずれか一項に記載されたエピタキシャルウエハ。
  12. 　窒化ガリウム系半導体デバイスであって、
    　単斜晶系酸化ガリウムからなる主面を有する酸化ガリウム支持基体と、
    　III族窒化物からなる積層構造と
    を備え、
    　前記積層構造は、前記酸化ガリウム支持基体の前記主面上に設けられIII族窒化物からなるバッファ層と、前記バッファ層上に設けられ第１の窒化ガリウム系半導体からなる第１のエピタキシャル層とを含み、
    　前記酸化ガリウム支持基体の前記主面は、前記単斜晶系酸化ガリウムの（１００）面に対して２度以上の角度で傾斜すると共に４度以下の角度で傾斜する、ことを特徴とする窒化ガリウム系半導体デバイス。
  13. 　前記積層構造は、前記バッファ層上に設けられ第２の窒化ガリウム系半導体からなる第２のエピタキシャル層と、前記第１のエピタキシャル層と前記第２のエピタキシャル層との間に設けられた活性層とを更に含み、
    　前記酸化ガリウムウエハは導電性を有しており、
    　前記第１のエピタキシャル層は第１導電性を有しており、
    　前記第２のエピタキシャル層は前記第１導電性と反対の第２導電性を有しており、
    　前記活性層は量子井戸構造を有しており、
    　当該窒化ガリウム系半導体デバイスは半導体発光素子である、ことを特徴とする請求項１２に記載された窒化ガリウム系半導体デバイス。
  14. 　前記積層構造は、前記酸化ガリウム支持基体上に設けられた第２のエピタキシャル層を更に含み、
    　前記第２のエピタキシャル層は前記第１のエピタキシャル層にヘテロ接合を成し、
    　前記第２の窒化ガリウム系半導体のバンドギャップは前記第１の窒化ガリウム系半導体のバンドギャップよりも大きく、
    　前記ヘテロ接合により、前記第１のエピタキシャル層と前記第２のエピタキシャル層との界面に二次元電子ガスが生成され、
    　当該窒化ガリウム系半導体デバイスは二次元電子ガストランジスタである、ことを特徴とする請求項１２に記載された窒化ガリウム系半導体デバイス。
  15. 　第１導電性の窒化ガリウム系半導体領域からなるソース領域と、
    　第２導電性の窒化ガリウム系半導体領域からなり前記ソース領域を前記第１のエピタキシャル層から隔てるウエル領域と
    を更に備え、
    　前記酸化ガリウム支持基体は導電性を有しており、
    　前記第１のエピタキシャル層は第１導電性を有しており、
    　当該窒化ガリウム系半導体デバイスは縦型電界効果トランジスタである、ことを特徴とする請求項１２に記載された窒化ガリウム系半導体デバイス。
  16. 　前記積層構造の最上層の主面における表面粗さ（ＲＭＳ）は５マイクロメートル平方において０．５ｎｍ以下である、ことを特徴とする請求項１２～請求項１５のいずれか一項に記載された窒化ガリウム系半導体デバイス。
  17. 　窒化ガリウム系半導体デバイスを作製する方法であって、
    　単斜晶系酸化ガリウムからなる主面を有する酸化ガリウムウエハを準備する工程と、
    　前記酸化ガリウムウエハの前記主面上にIII族窒化物からなるバッファ層を成長する工程と、
    　第１の窒化ガリウム系半導体からなる第１のエピタキシャル層を前記バッファ層上に成長する工程と
    を備え、
    　前記酸化ガリウムウエハの前記主面は、前記単斜晶系酸化ガリウムの（１００）面に対して２度以上の角度で傾斜すると共に４度以下の角度で傾斜する、ことを特徴とする方法。
  18. 　前記バッファ層の成長温度は、摂氏４００度以上であり、摂氏６００度以下である、ことを特徴とする請求項１７に記載された方法。
  19. 　単斜晶系酸化ガリウムからなる主面を有する酸化ガリウムウエハであって、
    　前記酸化ガリウムウエハの前記主面は、前記単斜晶系酸化ガリウムの（１００）面に対して２度以上の角度で傾斜すると共に４度以下の角度で傾斜する、ことを特徴とする酸化ガリウムウエハ。
  20. 　前記酸化ガリウムウエハの前記主面おける傾斜の方向は、前記単斜晶系酸化ガリウムの［００１］軸の方向である、ことを特徴とする請求項１９に記載された酸化ガリウムウエハ。
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