JP4519693B2 - 窒化物半導体 - Google Patents
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本発明は、窒化物半導体に関し、より詳細には、可視光から紫外領域で発光する発光デバイスや、高電力・高周波数・高温動作の電子デバイスに適用することができ、ＩＩＩ族元素として少なくともホウ素（Ｂ）を含有する窒化物半導体に関する。
窒化物半導体とは、ホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、あるいは、インジウム（Ｉｎ）等のＩＩＩ族元素のうち少なくとも１つ以上の元素と、Ｖ族元素である窒素との化合物である。一般式は、ＡｌａＢｂＧａｃＩｎｄＮ（０≦ａ≦１，０≦ｂ≦１，０≦ｃ≦１，０≦ｄ≦１，ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１）で表され、以下、組成の範囲の表示は省略する。
Ｂを含まない窒化物半導体、すなわち、ＡｌａＧａｃＩｎｄＮは、電界効果トランジスタ等の電子デバイス、または、可視光領域から近紫外領域の短波長帯の発光材料として、近年盛んに研究および技術開発が行われている。窒化物半導体薄膜を用いた発光ダイオードは、橙色から紫外領域の発光が得られる（例えば、非特許文献１参照）。窒化物半導体を用いたレーザダイオードは、４５０ｎｍから３７０ｎｍ前後の発振波長で、室温連続発振を達成している（例えば、非特許文献２参照）。短波長の紫外領域で発光する発光ダイオードやレーザダイオードを実現するためには、Ｂを含有するバンドギャップのより大きな窒化物半導体を用いる必要がある。
中村修二、「ＧａＮ系発光素子の現状と将来」、応用物理、第６５巻、第７号、第６７６〜６８６頁、１９９６年
I.Akasaki, H.Amano, "Crystal Growth and Conductivity Control of Group III Nitride Semiconductors and Their Application to Short Wavelength light Emitters", Jpn. J. Appl. Phys. vol.36 pp.5393-5408 (1997)
しかしながら、以下に述べる理由により、Ｂを含有する窒化物半導体は、良好な結晶性を示す高品質な結晶を得ることが難しく、発光材料や電子デバイスへの応用は実現していない。
第１に、Ｂを含まない窒化物半導体ＡｌａＧａｃＩｎｄＮとＢＮとは、格子定数が著しく異なるので、ＡｌａＢｂＧａｃＩｎｄＮにおけるＢ組成ｂを増やしていくと、大きなミッシビリティギャップにより相分離が起こり、結晶中のＢ組成に不均一が生じてしまう。
第２に、化学的気相成長法（Chemical Vapor Deposition:ＣＶＤ）や物理的気相成長法における典型的な成長条件である摂氏千数百度以下および常圧以下の環境において、ＡｌａＧａｃＩｎｄＮの安定な結晶構造は、ウルツ鉱型六方晶である。これに対して、ＢＮはグラファイト型六方晶であり、お互いに異なる結晶構造を有する。このように異なる結晶構造を有するために、ＡｌａＢｂＧａｃＩｎｄＮの結晶性を損なう原因となっている。
図１に、従来のＢを含む窒化物半導体薄膜の表面の光学顕微鏡写真を示す。この試料は、（０００１）面を主方位とする窒化珪素基板上に、ＭＯＣＶＤ装置を用いて、厚さが５００ｎｍのＡｌ0.94Ｂ0.06Ｎ薄膜が形成されている。Ｂ組成が０．０６と比較的小さいにもかかわらず、表面が砂粒状に荒れているのが分かる。
図２に、従来のＢを含む窒化物半導体のＸ線回折チャートを示す。Ｘ線回折チャートには、相分離によりウルツ鉱型のＡｌＢＮ（０００２）の回折ピークが２つ見られる。このように品質の低い窒化物半導体薄膜を、発光材料や電子デバイスに用いることはできなかった。特に、Ｂ組成ｂが大きくなるにつれて、結晶性が著しく劣化するという問題もあった。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、可視光から紫外領域で発光する発光デバイスや、高電力・高周波数・高温動作の電子デバイスに適用することができ、結晶品質の高い窒化物半導体を提供することにある。
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、（０００１）面からのずれが±１０度以下の主方位面を有する炭化珪素結晶からなる基板の前記主方位面上に結晶成長した多層構造を有する窒化物半導体であって、前記多層構造は、ウルツ鉱型の結晶構造であり、（１）ホウ素の組成が０．０５未満であって、前記基板と格子整合している第１のＡｌＢＧａＩｎＮ層と、（２）厚さが１０ｎｍ未満で、ホウ素の組成が０．０５以上０．５未満であって、前記第１のＡｌＢＧａＩｎＮ層と格子整合している第２のＡｌＢＧａＩｎＮ層とが交互に積層され、前記第２のＡｌＢＧａＩｎＮ層を前記第１のＡｌＢＧａＩｎＮ層で挟んだ多層構造であり、前記第１のＡｌＢＧａＩｎＮ層および前記第２のＡｌＢＧａＩｎＮ層のインジウムの組成が０．０１以上であることを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、（０００１）面からのずれが±１０度以下の主方位面を有する炭化珪素結晶からなる基板の前記主方位面上に結晶成長した多層構造を有する窒化物半導体であって、前記多層構造は、ウルツ鉱型の結晶構造であり、（１）ホウ素の組成が０．０５未満であって、前記基板と格子整合している第１のＡｌＢＧａＩｎＮ層と、（２）厚さが１分子層以下で、ホウ素の組成が０．５以上であって、前記第１のＡｌＢＧａＩｎＮ層と格子整合している第２のＡｌＢＧａＩｎＮ層とが交互に積層され、前記第２のＡｌＢＧａＩｎＮ層を前記第１のＡｌＢＧａＩｎＮ層で挟んだ多層構造であり、前記第１のＡｌＢＧａＩｎＮ層および前記第２のＡｌＢＧａＩｎＮ層のインジウムの組成が０．０１以上であることを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、Ｃ面からのずれが±１０度以下の主方位面を有するサファイア基板の前記主方位面上に結晶成長した多層構造を有する窒化物半導体であって、前記多層構造は、ウルツ鉱型の結晶構造であり、（１）ホウ素の組成が０．０５未満であって、前記基板と格子整合している第１のＡｌＢＧａＩｎＮ層と、（２）厚さが１０ｎｍ未満で、ホウ素の組成が０．０５以上０．５未満であって、前記第１のＡｌＢＧａＩｎＮ層と格子整合している第２のＡｌＢＧａＩｎＮ層とが交互に積層され、前記第２のＡｌＢＧａＩｎＮ層を前記第１のＡｌＢＧａＩｎＮ層で挟んだ多層構造であり、前記第１のＡｌＢＧａＩｎＮ層および前記第２のＡｌＢＧａＩｎＮ層のインジウムの組成が０．０１以上であることを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、Ｃ面からのずれが±１０度以下の主方位面を有するサファイア基板の前記主方位面上に結晶成長した多層構造を有する窒化物半導体であって、前記多層構造は、ウルツ鉱型の結晶構造であり、（１）ホウ素の組成が０．０５未満であって、前記基板と格子整合している第１のＡｌＢＧａＩｎＮ層と、（２）厚さが１分子層以下で、ホウ素の組成が０．５以上であって、前記第１のＡｌＢＧａＩｎＮ層と格子整合している第２のＡｌＢＧａＩｎＮ層とが交互に積層され、前記第２のＡｌＢＧａＩｎＮ層を前記第１のＡｌＢＧａＩｎＮ層で挟んだ多層構造であり、前記第１のＡｌＢＧａＩｎＮ層および前記第２のＡｌＢＧａＩｎＮ層のインジウムの組成が０．０１以上であることを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、Ｃ面からのずれが±１０度以下の主方位面を有するサファイア基板の前記主方位面上に結晶成長した多層構造を有する窒化物半導体であって、前記多層構造は、ウルツ鉱型の結晶構造であり、（１）ホウ素の組成が０．０５未満であって、前記基板と格子整合している第１のＡｌＢＧａＩｎＮ層と、（２）厚さが１分子層以下で、ホウ素の組成が０．５以上であって、前記第１のＡｌＢＧａＩｎＮ層と格子整合している第２のＡｌＢＧａＩｎＮ層とが交互に積層され、前記第２のＡｌＢＧａＩｎＮ層を前記第１のＡｌＢＧａＩｎＮ層で挟んだ多層構造であり、前記第１のＡｌＢＧａＩｎＮ層および前記第２のＡｌＢＧａＩｎＮ層のインジウムの組成が０．０１以上であることを特徴とする。
以上説明したように、本発明によれば、厚さが１０ｎｍ未満でホウ素の組成が０．０５以上０．５未満、または厚さが１分子層以下でホウ素の組成が０．５以上の窒化物半導体層を、ホウ素の組成が０．０５未満の窒化物半導体層で挟む多層構造を備えたので、結晶品質の高い窒化物半導体を提供することが可能となる。
また、本発明によれば、窒化物半導体層のいずれかに、組成が０．０１以上のインジウムを含むことにより、さらに結晶欠陥を減少させることが可能となる。
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
図３に、本発明の実施例１にかかる窒化物半導体の多層構造を示す。窒化物半導体の多層構造は、Ｓｉ面炭化珪素（ＳｉＣ）基板１１上に、Ａｌ0.8Ｂ0.04Ｇａ0.1Ｉｎ0.06Ｎ層（第１窒化物半導体層）１２を形成し、その上に、Ａｌ0.32Ｂ0.1Ｇａ0.62Ｉｎ0.06Ｎ（第２窒化物半導体層）１３とＡｌ0.8Ｂ0.04Ｇａ0.1Ｉｎ0.06Ｎ層（第３窒化物半導体層）１４とを交互に合計１０層積層する。
ＳｉＣ基板１１は、主方位面が（０００１）面から０．５度だけ＜１−１００＞方向（以下、−１は結晶方位の１バーを示す）に傾いている。第１窒化物半導体層１２は、厚さ２００ｎｍであり、第２窒化物半導体層１３は、厚さ９ｎｍである。第３窒化物半導体層１４は、厚さ４１ｎｍであり、第１窒化物半導体層１２と同じ組成である。
図４に、実施例１の窒化物半導体多層構造の表面の光学顕微鏡写真を示す。凹凸がまったくない滑らかな鏡面状の表面が得られていることが分かる。また、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で表面を詳細に観察すると、原子層レベルで平坦な表面であることが分かる。さらに、Ｘ線回折の測定から非常に高い結晶性を有していることも分かった。ここで、第２窒化物半導体層１３と第３窒化物半導体層１４とは、共にウルツ鉱型の結晶構造を有し、ａ軸の格子定数が０．３１２ｎｍと等しく、格子整合している。ｃ軸は、ＳｉＣ基板１１のｃ軸に一致している。
格子定数がほぼ一致している場合に、Ｂを含まない第２窒化物半導体層１３と第３窒化物半導体層１４とを用いれば、それぞれの層の厚さは任意に設計することができる。しかしながら、Ｂを比較的多量に含む窒化物半導体の場合には、ウルツ鉱型の結晶構造が不安定相であるため、第２窒化物半導体層１３のＢの組成は、０．０５以上で０．５未満であって、膜厚が１０ｎｍを超えないようにする必要がある。加えて、Ｂの組成が０．０５未満の第３窒化物半導体層１４によって、第２窒化物半導体層１３をサンドイッチ状に挟むこと（最下層の第２窒化物半導体層１３は、第１窒化物半導体層１２と第３窒化物半導体層１４とによって挟む）が、良好な結晶性を得るために不可欠である。すなわち、Ｂ組成の大きな窒化物半導体層を、Ｂ組成の小さな窒化物半導体層により挟むことにより、格子定数や結晶構造の相違による結晶品質の劣化を防ぐことができる。
図５に、実施例１の窒化物半導体多層構造の表面粗さと第２窒化物半導体層のＢ組成との関係を示す。図３に示した多層構造において、第２窒化物半導体層１３の厚さを９ｎｍに固定し、第２窒化物半導体層１３のＢ組成を変えたときの、窒化物半導体多層構造の表面粗さを示す。表面粗さは、ＡＦＭで測定した平均二乗根粗さであり、対数スケールで縦軸に示す。なお、第２窒化物半導体層１３と第３窒化物半導体層１４のａ軸の格子定数差が５％以内に収まるように、第２窒化物半導体層１３のＡｌ，ＧａおよびＩｎ組成を適宜調整している。
第２窒化物半導体層１３のＢ組成が０．５を超えない場合には、表面粗さは０．２５ｎｍと原子層レベルで非常に滑らかな表面が得られている。ところが、第２窒化物半導体層１３のＢ組成が０．５を超えると、結晶性の劣化により表面粗さが急激に大きくなっているのが分かる。
また、格子定数や結晶構造の相違のために生ずる結晶欠陥を防ぐためには、第２窒化物半導体層１３と第３窒化物半導体層１４のＩｎ組成を、少なくとも０．０１以上にすることが重要である。これは、Ｉｎを多く含むことによって、特に点欠陥の密度を減少させることができるからである。この効果は、ＢとＩｎの電気陰性度の差が大きいため、Ｂを含む窒化物半導体の場合に特に効果が高い。
図３に示した窒化物半導体多層構造において、第２窒化物半導体層１３の膜厚を、１分子層以下にすると、第２窒化物半導体層１３のＢ組成を０．５以上に増やしても良好な結晶性を得られることができる。これは、第２窒化物半導体層１３の膜厚を極端に薄く１分子層以下とすることにより、第２窒化物半導体層１３および第３窒化物半導体層１４の安定なウルツ鉱型の積層シーケンス、すなわちｃ軸方向のＡＢＡＢＡＢ・・・・という積層の繰り返しが確実に引き継がれるからである。従って、第３窒化物半導体層１４によるサンドイッチ効果が大きくなり、第２窒化物半導体層１３のウルツ鉱型の結晶構造がより安定化される。このため、第２窒化物半導体層１３は、ＢＮ（Ｂ組成が１）であっても構わない。
図６に、実施例２の窒化物半導体多層構造の表面粗さと第２窒化物半導体層のＢ組成との関係を示す。図３に示した多層構造において、第２窒化物半導体層１３の厚さを１分子層相当に固定し、第２窒化物半導体層１３のＢ組成を変えたときの、窒化物半導体多層構造の表面粗さを示す。表面粗さは、ＡＦＭで測定した平均二乗根粗さであり、対数スケールで縦軸に示す。なお、第２窒化物半導体層１３と第３窒化物半導体層１４のａ軸の格子定数差ができるだけ小さくなるように、第２窒化物半導体層１３のＡｌ，ＧａおよびＩｎ組成を適宜調整している。
第２窒化物半導体層１３の厚さを１分子層相当とすると、Ｂ組成が１（すなわちＢＮ）であっても原子層レベルで平坦な表面を有することがわかる。
実施例１，２では、基板１１として、主方位面が（０００１）面から０．５度だけ＜１−１００＞方向に傾いたＳｉ面ＳｉＣ基板を用いた。（０００１）面からのずれが任意の方位に±１０度以下の主方位面を有するＳｉＣ基板を用いた場合でも、同様の効果を得ることができる。
［ａ］（０００１）面からずれが±１０度以下の主方位面を有するウルツ鉱型の結晶基板、［ｂ］（１１１）面からのずれが±１０度以下の主方位面を有する閃亜鉛鉱型の結晶基板、［ｃ］Ｃ面からのずれが±１０度以下の主方位面を有するサファイア基板、［ｄ］（１１１）面からのずれが±１０度以下の主方位面を有するダイヤモンド型の結晶基板を用いることもできる。
１１ Ｓｉ面炭化珪素（ＳｉＣ）基板
１２ 第１窒化物半導体層
１３ 第２窒化物半導体層
１４ 第３窒化物半導体層
１２ 第１窒化物半導体層
１３ 第２窒化物半導体層
１４ 第３窒化物半導体層
Claims (4)
- （０００１）面からのずれが±１０度以下の主方位面を有する炭化珪素結晶からなる基板の前記主方位面上に結晶成長した多層構造を有する窒化物半導体であって、
前記多層構造は、ウルツ鉱型の結晶構造であり、（１）ホウ素の組成が０．０５未満であって、前記基板と格子整合している第１のＡｌＢＧａＩｎＮ層と、（２）厚さが１０ｎｍ未満で、ホウ素の組成が０．０５以上０．５未満であって、前記第１のＡｌＢＧａＩｎＮ層と格子整合している第２のＡｌＢＧａＩｎＮ層とが交互に積層され、前記第２のＡｌＢＧａＩｎＮ層を前記第１のＡｌＢＧａＩｎＮ層で挟んだ多層構造であり、
前記第１のＡｌＢＧａＩｎＮ層および前記第２のＡｌＢＧａＩｎＮ層のインジウムの組成が０．０１以上であることを特徴とする窒化物半導体。 - （０００１）面からのずれが±１０度以下の主方位面を有する炭化珪素結晶からなる基板の前記主方位面上に結晶成長した多層構造を有する窒化物半導体であって、
前記多層構造は、ウルツ鉱型の結晶構造であり、（１）ホウ素の組成が０．０５未満であって、前記基板と格子整合している第１のＡｌＢＧａＩｎＮ層と、（２）厚さが１分子層以下で、ホウ素の組成が０．５以上であって、前記第１のＡｌＢＧａＩｎＮ層と格子整合している第２のＡｌＢＧａＩｎＮ層とが交互に積層され、前記第２のＡｌＢＧａＩｎＮ層を前記第１のＡｌＢＧａＩｎＮ層で挟んだ多層構造であり、
前記第１のＡｌＢＧａＩｎＮ層および前記第２のＡｌＢＧａＩｎＮ層のインジウムの組成が０．０１以上であることを特徴とする窒化物半導体。 - Ｃ面からのずれが±１０度以下の主方位面を有するサファイア基板の前記主方位面上に結晶成長した多層構造を有する窒化物半導体であって、
前記多層構造は、ウルツ鉱型の結晶構造であり、（１）ホウ素の組成が０．０５未満であって、前記基板と格子整合している第１のＡｌＢＧａＩｎＮ層と、（２）厚さが１０ｎｍ未満で、ホウ素の組成が０．０５以上０．５未満であって、前記第１のＡｌＢＧａＩｎＮ層と格子整合している第２のＡｌＢＧａＩｎＮ層とが交互に積層され、前記第２のＡｌＢＧａＩｎＮ層を前記第１のＡｌＢＧａＩｎＮ層で挟んだ多層構造であり、
前記第１のＡｌＢＧａＩｎＮ層および前記第２のＡｌＢＧａＩｎＮ層のインジウムの組成が０．０１以上であることを特徴とする窒化物半導体。 - Ｃ面からのずれが±１０度以下の主方位面を有するサファイア基板の前記主方位面上に結晶成長した多層構造を有する窒化物半導体であって、
前記多層構造は、ウルツ鉱型の結晶構造であり、（１）ホウ素の組成が０．０５未満であって、前記基板と格子整合している第１のＡｌＢＧａＩｎＮ層と、（２）厚さが１分子層以下で、ホウ素の組成が０．５以上であって、前記第１のＡｌＢＧａＩｎＮ層と格子整合している第２のＡｌＢＧａＩｎＮ層とが交互に積層され、前記第２のＡｌＢＧａＩｎＮ層を前記第１のＡｌＢＧａＩｎＮ層で挟んだ多層構造であり、
前記第１のＡｌＢＧａＩｎＮ層および前記第２のＡｌＢＧａＩｎＮ層のインジウムの組成が０．０１以上であることを特徴とする窒化物半導体。
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