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JP2006332258A - 窒化物半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

窒化物半導体装置及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】井戸層の劣化を抑制しつつ障壁層の結晶性を向上させた、ヘテロ界面を有するＭＱＷ構造と該構造の製造方法とを提供する。
【解決手段】窒化物半導体装置は、ＩｎとＧａを含む窒化物半導体からなる井戸層と、井戸層を挟み、井戸層よりもバンドギャップエネルギーの大きいＡｌとＧａを含む窒化物半導体からなる障壁層と、井戸層と障壁層との間に設けられた薄膜層とを備えている。薄膜層は、障壁層の形成後、基板の降温時と井戸層の形成後、基板の昇温時にそれぞれ形成される。
【選択図】 図１０

Description

本発明は、発光ダイオードや半導体レーザダイオード等の光デバイス等に利用される窒化物半導体構造およびその製造方法に関する。
可視光発光デバイスや高温動作電子デバイス等への応用が期待される化合物に、III族元素としてＡｌ、Ｇａ、Ｉｎ等を含み、V族元素としてＮを含むＡｌＧａＩｎＮで表される窒化物半導体がある。このＡｌＧａＩｎＮを用いた半導体装置は、青や緑色発光ダイオードや青紫色レーザダイオードの分野で実用化が進んでいる。
この窒化物半導体を用いた発光素子を製造する際には、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法によって窒化物半導体薄膜結晶を成長させるのが主流である。この方法では、サファイアやＳｉＣ、ＧａＮ、Ｓｉ等の基板を設置した反応管内にIII族原料ガスとしてトリメチルガリウム（以下「ＴＭＧ」と略す）、トリメチルアルミニウム（以下「ＴＭＡ」と略す）、あるいはトリメチルインジウム（以下「ＴＭＩ」と略す）等を供給し、V族元素の原料ガスとしてアンモニアやヒドラジン等を供給する。そして、基板温度をおおよそ６００℃〜１２００℃の高温で保持し、基板上にｎ型層と発光層とｐ型層とを成長させ、窒化物半導体層を積層する。ｎ型層の成長時はｎ型不純物原料ガスとしてモノシラン（ＳｉＨ4）等を、ｐ型層成長時にはｐ型不純物原料ガスとしてシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）等をIII族元素の原料ガスと同時に流しながら成長させる。
この成長工程の後、ｎ型層の表面及びｐ型層の表面のそれぞれにｎ型電極およびｐ型電極を形成しチップ状に分離し発光素子を作成する。
発光層の材料としては、発光波長が所望の値となるようにＩｎ組成を調整したＩｎＧａＮが用いられ、この発光層を、発光層よりバンドギャップエネルギーの大きいクラッド層で挟み込んだダブルへテロ構造や、発光層を量子サイズ効果が生じる薄膜層で形成した量子井戸構造が近年盛んに研究されている。
この量子井戸構造はバンドギャップエネルギーの小さな層（井戸層）をバンドギャップエネルギーの大きな障壁層（バリア層）で挟み込むことによって形成される。活性層に量子井戸構造を用いる場合、井戸層が一つである単一量子井戸構造（ＳＱＷ）と井戸層とバリア層を繰り返し作成した多重量子井戸構造（ＭＱＷ）とがある。このうち、ＭＱＷを製造する従来の方法は、以下の３通りに分けられる。
第１の従来技術は、特開平１０−１２９２２号公報に開示された方法である。これは量子井戸構造である井戸層としてＩｎＧａＮ、障壁層としてＡｌＧａＮからなる量子井戸構造を繰り返し形成したＭＱＷ構造をＭＯＣＶＤ装置を用いて製造する方法である。
第２の従来技術は、特許第３３０４７８７号に開示された方法である。これは、障壁層の厚みを調節してクラッド層成長後の各障壁層の厚みを均一化し、発光する光の波長シフトの防止を図ったものである。
また、第３の従来技術は、特開２００２−４３６１８にて開示された方法である。これは、井戸層の劣化を抑制するために、障壁層の一部であるＧａＮを作成しながら障壁層成長温度まで昇温し井戸層の劣化を防止することを特徴としている。
特開平１０−１２９２２号公報 特許第３３０４７８７号 特開２００２−４３６１８
しかしながら、前述のようなＭＱＷの形成方法においては以下のような不具合があった。
まず、第１の従来技術においては、井戸層であるＩｎＧａＮ層の成長後、障壁層であるＡｌＧａＮ層の成長温度（１１００℃）まで基板を昇温するため、昇温中に井戸層が分解することがあり、結晶性の優れた井戸層を形成するのが困難であった。
第２の従来技術においては、井戸層であるＩｎＧａＮ層の成長後、障壁層であるＧａＮの成長温度（９００℃）まで基板を昇温する過程において井戸層の分解が発生し、高品質な井戸層を形成することが困難であった。
第３の従来技術においては、障壁層（ＧａＮ層）の成長後、基板温度を障壁層の成長温度から次の井戸層の成長温度まで降下させる間にＴＭＧ供給を止めているので、障壁層の分解が発生するおそれがあり、高品質な障壁層を維持することが困難であった。このため、この障壁層の上に次の井戸層を成長する際、表面平坦性に優れた高品質な井戸層を形成することが困難であった。また、障壁層がＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、など３元以上の混晶である場合には、昇温中に成長する障壁層の組成が変化し、高品質な障壁層作成が困難であった。一方、井戸層がＧａＮ、ＩｎＧａＮなど３元以下の混晶で、且つ障壁層がＧａＮ、ＡｌＧａＮなど３元以下の混晶である場合、井戸層と障壁層との界面に生じる歪により井戸層内に内部電界が生じ発光効率が低下する不具合があった。
本発明は、井戸層の劣化を抑制しつつ障壁層の結晶性を向上させた、ヘテロ界面を有するＭＱＷ構造と該構造の製造方法とを提供することを目的とする。
本発明の窒化物半導体装置は、基板と、前記基板の上方に設けられ、ＩｎとＧａを含む窒化物半導体からなる井戸層と、前記基板の上方に、前記井戸層を挟んで量子井戸を形成するように設けられ、ＡｌとＧａを含み、且つ前記井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体からなる複数の障壁層と、前記複数の障壁層のうち１つの障壁層の上で且つ前記井戸層の下、または前記井戸層の上で且つ前記複数の障壁層のうちもう１つの障壁層の下のいずれかに少なくとも設けられ、前記井戸層よりバンドギャップエネルギーが大きく、且つ前記障壁層よりバンドギャップエネルギーが小さい窒化物半導体からなる薄膜層とを備えている。
特に、前記複数の障壁層のうち１つの障壁層の上で且つ前記井戸層の下に前記薄膜層が、設けられている場合には、製造時に障壁層から窒素が脱離するのを防ぐことができ、障壁層の膜質の劣化を防ぐことができる。また、障壁層と井戸層との間に生じる歪みを低減することもできるので、内部電界の発生を抑制し、発光効率を向上させることができる。
また、前記井戸層の上で且つ前記複数の障壁層のうちもう１つの障壁層の下に薄膜層が設けられている場合、製造時に窒素やＩｎなどが井戸層から脱離するのを防ぐことができるので、井戸層の膜質の劣化を防ぐことができる。さらに、障壁層と井戸層との間に生じる歪みを低減することもできるので、発光効率を向上させることができる。
従って、前記薄膜層が、前記複数の障壁層のうち１つの障壁層の上で且つ前記井戸層の下と、前記井戸層の上で且つ前記複数の障壁層のうちもう１つの障壁層の下にそれぞれ設けられている場合、井戸層および障壁層の膜質の劣化を防ぎ、発光効率をさらに向上させることができる。
本発明の第１の窒化物半導体装置の製造方法は、基板の上方に設けられた井戸層と、前記井戸層を挟んで量子井戸を形成する複数の障壁層と、前記複数の障壁層のうち１つの障壁層の上で且つ前記井戸層の下に設けられた第１の薄膜層とを備えた窒化物半導体装置の製造方法であって、前記基板の上方に、ＡｌとＧａを含む窒化物半導体を基板温度Ｔ１で堆積させて前記複数の障壁層のうち１つの障壁層を形成する工程（ａ）と、前記１つの障壁層の上に、前記１つの障壁層よりもバンドギャップエネルギーの小さい窒化物半導体を堆積させて前記第１の薄膜層を形成する工程（ｂ）と、前記第１の薄膜層の上に、ＩｎとＧａを含み、前記第１の薄膜層よりもバンドギャップエネルギーの小さい窒化物半導体を基板温度Ｔ２（ただし、Ｔ１＞Ｔ２）で堆積させて前記井戸層を形成する工程（ｃ）と、前記井戸層の上または上方に、ＡｌとＧａを含み、前記第１の薄膜層および前記井戸層よりもバンドギャップエネルギーの大きい窒化物半導体を基板温度Ｔ３（ただし、Ｔ３＞Ｔ２）で堆積させて前記複数の障壁層のうちもう１つの障壁層を形成する工程（ｄ）とを備えている。
このように、井戸層を形成する前に障壁層の上に第１の薄膜層を形成しておくことにより、井戸層の成長温度まで基板温度を下げる際に障壁層から窒素等が脱離するのを防ぐことができる。また、第１の薄膜層が障壁層と井戸層との間に生じる歪みを緩和するので、内部電界の発生を抑えて発光効率の向上を図ることができる。
また、前記工程（ｃ）の後で且つ前記工程（ｄ）の前に、前記井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きく、且つ前記複数の障壁層よりもバンドギャップエネルギーが小さい窒化物半導体を前記井戸層の上に堆積させて前記第２の薄膜層を形成する工程（ｅ）をさらに備えていることにより、基板温度をＴ２からＴ３に昇温する間に井戸層から窒素等が脱離するのを防ぐことができる。
本発明の第２の窒化物半導体装置の製造方法は、基板の上方に設けられた井戸層と、前記井戸層を挟んで量子井戸を形成する複数の障壁層と、前記井戸層の上で且つ前記複数の障壁層のうち１つの障壁層の下に設けられた薄膜層とを備えた窒化物半導体装置の製造方法であって、前記基板の上方に、ＡｌとＧａを含む窒化物半導体を基板温度Ｔ１で堆積させて前記複数の障壁層のうち１つの障壁層を形成する工程（ａ）と、前記１つの障壁層の上または上方に、ＩｎとＧａを含み、前記１つの障壁層よりもバンドギャップエネルギーの小さい窒化物半導体を基板温度Ｔ２（ただし、Ｔ１＞Ｔ２）で堆積させて前記井戸層を形成する工程（ｂ）と、前記井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きく、且つ前記複数の障壁層よりもバンドギャップエネルギーが小さい窒化物半導体を前記井戸層の上に堆積させて前記薄膜層を形成する工程（ｃ）と、前記薄膜層の上に、ＡｌとＧａを含み、前記薄膜層および前記井戸層よりもバンドギャップエネルギーの大きい窒化物半導体を基板温度Ｔ３（ただし、Ｔ３＞Ｔ２）で堆積させて前記複数の障壁層のうちもう１つの障壁層を形成する工程（ｄ）とを備えている。
この場合、井戸層から窒素などが脱離するのを防ぐとともに、井戸層の上面側に加わる歪みが緩和されるので、発光効率を向上させることができる。
本発明に係る窒化物半導体装置によれば、井戸層と障壁層との間に薄膜層を設けることにより、井戸層と障壁層との間に生じる歪みの低減を図り、発光効率の低下を防止することができる。また、井戸層と障壁層の最適な成長温度が異なる場合、井戸層の上に薄膜層を形成することにより、井戸層からの窒素等の脱離を防いで井戸層の膜質の劣化を防ぐこことができる。障壁層の上で且つ井戸層の下に薄膜層を設けた場合には、障壁層からの窒素等の脱離を防ぐことができる。また、薄膜層を設けることで、井戸層および障壁層をそれぞれ最適な成長温度で成長させることができるようになるので、井戸層および障壁層の結晶性を向上させることもできる。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係るＭＱＷを備えた窒化物半導体装置を示す断面図である。同図では、特にＭＱＷの部分を示している。
図１に示すように、本実施形態の窒化物半導体装置は、サファイアからなる基板１と、基板１の上に設けられたＧａＮからなるバッファ層２と、バッファ層２の上に設けられたＧａＮからなる下地層３と、下地層３の上に設けられた窒化物半導体からなるＭＱＷ８０とを備えている。ＭＱＷ８０は、Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎからなる障壁層、障壁層の上に設けられたＡｌ0.02Ｉｎ0.02Ｇａ0.96Ｎからなる井戸層、井戸層の上に設けられたＧａＮからなる薄膜層がこの順に複数回繰り返された構造を有している。図１の例では、下地層３の上に、障壁層４、井戸層５、薄膜層６、障壁層７、井戸層８、薄膜層９、障壁層１０、井戸層１１、薄膜層１２、障壁層１３が順に設けられている。ＭＱＷ８０のうち最下層および最上層はキャリアを井戸層に閉じこめるための障壁層となっている。薄膜層６、９、１２の各々の厚みは例えば４ｎｍ以下、より好ましくは２ｎｍ以下である。バッファ層２および下地層３の膜厚は、例えば０．０２μｍおよび１μｍであり、井戸層５、８、１１の膜厚は例えば２ｎｍであり、障壁層４、７、１０、１３の膜厚は例えば１０ｎｍである。
本実施形態の窒化物半導体装置において、障壁層、薄膜層および井戸層のバンドギャップエネルギーの大きさは、障壁層＞薄膜層＞井戸層となっている。特に、薄膜層６、９、１２のバンドギャップは井戸層５、８、１１よりも大きく、且つ２ｎｍ以下の厚みとなっているので、ＭＱＷ８０をＬＥＤ（Light Emitting Diode)やレーザなどの発光素子に利用する際に、キャリアを井戸層５、８、１１内に良好に閉じこめておくことができる。
本実施形態のＭＱＷの特徴は、ＩｎとＧａとを含む窒化物半導体からなる井戸層の上でかつ障壁層の下に窒化物半導体からなる薄膜層が設けられていることにある。
本実施形態のＭＱＷを備えた窒化物半導体装置は、ＭＯＣＶＤ法を用いて以下の方法により作製される。
図２は、第１の実施形態に係るＭＱＷを構成する窒化物半導体層の成長温度のプロファイルを示す図であり、図３は、本実施形態のＭＱＷの製造工程を示すフローチャートである。なお、以下に示す本実施形態のＭＱＷの製造条件は１つの実施例であり、温度、圧力その他の条件は本実施例に限定されない。
まず、図３に示す工程１では、ＭＯＣＶＤ装置の反応管内に十分洗浄したサファイアからなる基板１を装入した後、反応管内に窒素と水素を流しながら基板１を約１１００℃で１０分間加熱し、基板１の表面クリーニングを行なう。この際の反応管内圧力は１０１３ｈＰａとし、窒素流量は７０１０ｍＬ／ｍｉｎ（＝７０１０ｓｃｃｍ）、水素ガス流量は３０００ｍＬ／ｍｉｎとする。
次に、工程２では、基板１の温度を約５７０℃まで降下させ、反応管内に窒素、ＴＭＧ、アンモニアをそれぞれ流してＧａＮからなるバッファ層２を基板１の上に形成する。この際の反応管内圧力は１０１３ｈＰａとする。窒素流量は１５５００ｍＬ／ｍｉｎとし、ＴＭＧ流量は８ｍＬ／ｍｉｎ（＝３５．１μｍｏｌ／ｍｉｎ）とし、アンモニア流量は５０００ｍＬ／ｍｉｎとする。
続いて、工程３では、ＴＭＧの供給を止めて窒素とアンモニアを流しながら基板１の温度を約１１５０℃まで昇温し、この温度下において、窒素、水素、ＴＭＧ、アンモニアを反応管内に流してＧａＮからなる下地層３をバッファ層２の上に成長させる。この際の反応管内圧力は１０１３ｈＰａとする。窒素流量は６６８０ｍＬ／ｍｉｎとし、水素流量は２０８０ｍＬ／ｍｉｎとし、ＴＭＧ流量は１９．８ｍＬ／ｍｉｎ（＝８６．８μｍｏｌ／ｍｉｎ）とし、アンモニア流量は１２５０ｍＬ／ｍｉｎとする。
次に、工程４では、ＴＭＧの供給を止めてから基板１の温度を約１１００℃まで降温し、この温度下で窒素、水素、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニアを反応管内に流してＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎからなる障壁層４を１０ｎｍ成長させる。この際の反応管内圧力は１０１３ｈＰａとする。窒素流量は２２９００ｍＬ／ｍｉｎとし、水素流量は２７０８ｍＬ／ｍｉｎとし、ＴＭＧ流量は３．９７ｍＬ／ｍｉｎ（＝１７．４μｍｏｌ／ｍｉｎ）とし、ＴＭＡ流量は３．５６ｍＬ／ｍｉｎ（＝３．３０μｍｏｌ／ｍｉｎ）とし、アンモニア流量は２５００ｍＬ／ｍｉｎとする。
次いで、工程５では、ＴＭＧ、ＴＭＡ、および水素の供給を止めてから基板１の温度を約９００℃まで降温する。そして、基板１の温度が９００℃の状態で窒素、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＴＭＩ、アンモニアをそれぞれ反応管内に流してＡｌ0.02Ｉｎ0.02Ｇａ0.96Ｎからなる井戸層５を２ｎｍ成長させる。この際の反応管内圧力は１０１３ｈＰａとする。窒素流量は２４９４ｍＬ／ｍｉｎとし、水素流量は６ｍＬ／ｍｉｎとし、ＴＭＧ流量は１．７８ｍＬ／ｍｉｎ（＝７．８０μｍｏｌ／ｍｉｎ）とし、ＴＭＡ流量は０．３８ｍＬ／ｍｉｎ（＝０．３５３μｍｏｌ／ｍｉｎ）とし、ＴＭＩ流量は９７．４ｍＬ／ｍｉｎ（＝８．８８μｍｏｌ／ｍｉｎ）とし、アンモニア流量は５０００ｍＬ／ｍｉｎとする。
続いて、ＴＭＡおよびＴＭＩの供給を止め、窒素、ＴＭＧ、およびアンモニアを流した状態で基板１の温度を９００℃から１１００℃まで昇温する。このようにして、基板１の昇温中にＧａＮからなる薄膜層６を成長させる（図３に示す工程５の後半）。なお、基板１の昇温に要する時間は約２．５分とする。
次に、工程６では、基板１の温度を１１００℃に維持しながら反応管内に窒素、水素、ＴＭＧ、ＴＭＡ、およびアンモニアをそれぞれ流してＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎからなる障壁層７を成長させる。この際の反応管内圧力は１０１３ｈＰａとする。窒素流量は２２９００ｍＬ／ｍｉｎとし、水素流量は２７０８ｍＬ／ｍｉｎとし、ＴＭＧ流量は３．９７ｍＬ／ｍｉｎ（＝１７．４μｍｏｌ／ｍｉｎ）とし、ＴＭＡ流量は３．５６ｍＬ／ｍｉｎ（＝３．３０μｍｏｌ／ｍｉｎ）とし、アンモニア流量は２５００ｍＬ／ｍｉｎとする。その後、ＴＭＧ、ＴＭＡ、および水素の供給を止め、基板１の温度を９００℃まで降温する。この際には、約７分かけて基板１の降温を行う。
その後、工程７では、井戸層５、薄膜層６、および障壁層７を形成するのと同様の手順で井戸層８、薄膜層９、および障壁層１０等を順次積層してＭＱＷを形成する。なお、ＧａＮからなる薄膜層６、９、１２の膜厚を、基板１の昇温中に供給するＴＭＧの量を調節することによって０ｎｍを超え４ｎｍ以下の範囲に調節する。
以上のようにして作製したＭＱＷにおいて、薄膜層の厚みとＭＱＷの性能との関係を、試験結果を交えて説明する。
図１２は、本実施形態のＭＱＷにおける薄膜層の厚さと発光強度（ＰＬ強度）との関係を示す図である。ここで、ＭＱＷは量子井戸を３回積層した構造とする。図１２に示すＰＬ強度は、波長が３２５ｎｍのＨｅＣｄ（ヘリウム・カドミウム）レーザでＭＱＷを励起した際に観測されたものである。なお、薄膜層の厚みが０ｎｍの場合とは、従来のＭＱＷを用いた場合のことを意味する。
図１２から判るように、ＭＱＷのＰＬ強度は薄膜層の膜厚によって大きく変化し、特に薄膜層の厚みが２ｎｍ（２０オングストローム）以下のときにＰＬ強度が最大になった。この結果から、本実施形態のＭＱＷでは、薄膜層の厚みを０ｎｍより大きく且つ２ｎｍ以下とすることが特に好ましいことが判った。ただし、測定した全範囲にわたって本実施形態のＭＱＷのＰＬ強度は従来のＭＱＷのＰＬ強度を大きく上回っていた。
一方、図１３は、本実施形態のＭＱＷにおける薄膜層の膜厚と表面平坦性との関係を示す図である。ここでは、図１２の実験と同じく量子井戸が３回積層されたＭＱＷを用いた。また、図１３の縦軸は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で測定されたＭＱＷ上面の平坦性のＲＭＳ（Root Mean square)を示す。
図１３から判るように、ＭＱＷの表面平坦性は薄膜層の膜厚に依存して大きく変化していた。特に、薄膜層の厚みが２ｎｍ以下の場合には、ＭＱＷの表面平坦性のＲＭＳ値が小さくなっている。従って、表面平坦性の点からも、薄膜層の厚みは２ｎｍ以下であることが好ましいことが判った。ただし、測定した全範囲にわたって本実施形態のＭＱＷの上面は、従来のＭＱＷの上面より平坦になっていた。
以上のような結果が出た理由としては、次のようなことが考えられる。
井戸層にＩｎが含まれる場合、井戸層の最適な結晶成長温度はＡｌＧａＮなどからなる障壁層の最適な結晶成長温度に比べて低くなっている。そのため、井戸層を形成した後に障壁層を形成する際には基板温度を上げる必要がある。ところが、基板の昇温時には原料ガスの供給を停止するために、従来のＭＱＷでは窒素やＩｎが井戸層から蒸発してしまい、井戸層の表面が荒れると共に発光効率も低下する。これに対し、本実施形態のＭＱＷでは、井戸層を形成した後の基板の昇温時に薄膜層を形成させるので、窒素等が井戸層から脱離するのを防ぐことができる。そのため、本実施形態のＭＱＷでは上面が従来のＭＱＷよりも平坦化され、且つ高いＰＬ強度が得られると考えられる。さらに、井戸層の組成変化も防がれる。また、薄膜層を設けることによって井戸層と障壁層を同じ温度で形成しなくても井戸層からの窒素等の脱離を防げるので、井戸層と障壁層とをそれぞれの最適な成長温度で形成することができる。その結果、井戸層および障壁層の膜質を向上させることができる。
また、薄膜層のバンドギャップエネルギーは、井戸層のバンドギャップエネルギーより大きく、且つ障壁層のバンドギャップエネルギーよりも小さいので、薄膜層を設けない場合と同程度にキャリアを井戸層に閉じこめることが可能となっている。
さらに、本実施形態のＭＱＷでは、薄膜層が設けられることにより、井戸層と障壁層との間の歪みを従来のＭＱＷに比べて緩和することもできる。そのため、井戸層、障壁層、および薄膜層で構成される量子井戸内で生じる内部電界が小さくなり、井戸層内に閉じこめられた伝導帯と価電子帯にある電子と正孔との空間的な重なりが増加し、発光効率が増大する。また、ＭＱＷ内で歪みが緩和されることで、ＭＱＷを発光させた場合にピーク波長の制御性が向上している。
また、本実施形態のＭＱＷは、薄膜層が基板の昇温中に形成されるので、特別な装置も必要ない上、薄膜層を設けない場合と同じ時間およびコストで製造される。
なお、図１２に示す結果において、薄膜層が２ｎｍを超えた場合にＰＬ強度が低下する理由としては、薄膜層の膜厚が厚くなりすぎると薄膜層自体がキャリアを井戸層に閉じこめる障壁となってしまい、井戸層内でのキャリアの存在確率が低下してしまうことが考えられる。また、本実施形態のＭＱＷでは薄膜層を９００℃から１１００℃までの間で形成しているが、これは薄膜層を形成するための最適条件よりも低い温度であるので、この点からも薄膜層は厚くなりすぎないことが好ましいと考えられる。
本実施形態ＭＱＷは、ＬＥＤや半導体レーザ、あるいはＨＥＭＴ（High Electron mobility transistor）などの半導体装置に応用することができる。ＬＥＤの場合、例えばＭＱＷの下にｎ電極に接続されたｎ型化合物半導体層を設け、ＭＱＷの上にｐ電極に接続されたｐ型化合物半導体層を設ければ、ｐ電極から注入されたホールとｎ電極から注入された電子を井戸層で再結合させることができるので、高い発光効率を実現することができる。この効果は、これ以後の実施形態についても同様である。また、ＭＱＷのうち最下層に設けられた障壁層にｎ型不純物を導入し、最上層に設けられた障壁層にｐ型不純物を導入してもＬＥＤとして機能させることができる。
ＨＥＭＴの場合、ＭＱＷの最上層となる障壁層の上に障壁層とオーミック接触するソース電極およびドレイン電極と、障壁層とショットキー接触するゲート電極とを設ける。チャネルとして機能する井戸層の上面および下面が平坦になっているので従来よりもキャリアの移動度を向上させたＨＥＭＴを実現することができる。
なお、本実施形態のＭＱＷでは、井戸層の材料として４元結晶であるＡｌ0.02Ｉｎ0.02Ｇａ0.96Ｎを用いているが、井戸層の材料はこれに限られない。井戸層の材料がＩｎとＧａを含む混晶であれば最適な成長温度が、ＡｌとＧａを含む混晶の最適な成長温度よりも低いので本実施形態のＭＱＷと同様の効果を得ることができる。障壁層もＡｌＧａＮ以外の材料で構成してよい。例えば、薄膜層がＧａＮであれば井戸層がＩｎＧａＮ（３元結晶）で構成されかつ障壁層がＡｌＩｎＧａＮ（４元結晶）であっても本実施形態のＭＱＷと同様の効果が得られる。すなわち、井戸層がＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ｘ＋ｙ＜１）であり、障壁層がＩｎwＡｌzＧａ1-z-wＮ（０≦ｗ＜１、０＜ｚ＜１、０＜ｚ＋ｗ＜１）であればよい。また、本実施形態のＭＱＷでは、薄膜層の材料としてＧａＮを用いたが、それ以外に、井戸層のエネルギーバンドギャップよりも大きく障壁層のエネルギーバンドギャップよりも小さいエネルギーバンドギャップをもつ材料を用いてもよい。
なお、障壁層がアンドープであってもｎ型にドープされていてもＭＱＷは同様な効果を発揮する。図１に示す例では基板１としてサファイア基板を使用したが、ＳｉＣ基板 、ＺｎＯ基板、ＧａＮ基板、Ｓｉ基板等、他の基板を用いても本実施形態のＭＱＷと同様の効果を得ることができる。
（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に係るＭＱＷを備えた窒化物半導体装置を示す断面図である。図５は、第２の実施形態に係るＭＱＷを構成する窒化物半導体層の成長温度のプロファイルを示す図である。
本実施形態の窒化物半導体装置は第１の窒化物半導体装置と同じ構成を有しているが、図４では、第１の実施形態の窒化物半導体装置と区別するために窒化物半導体層の各々に図１と異なる符号を付している。すなわち、本実施形態の窒化物半導体装置は、下から順に、基板１４と、バッファ層１５と、下地層１６と、障壁層１７と、井戸層１８と、薄膜層１９と、障壁層２０と、井戸層２１と、薄膜層２２と、障壁層２３と、井戸層２４と、薄膜層２５と、障壁層２６とを備えている。障壁層１７から障壁層２６までの層は、ＭＱＷ８２を形成している。本実施形態の窒化物半導体装置では、薄膜層が形成される温度が第１の実施形態と異なっている。
すなわち、本実施形態のＭＱＷ構造を備えた窒化物半導体装置は、ＭＯＣＶＤ法を用いて以下の方法により作製される。なお、各工程で供給するガスの流量および反応管内の圧力は第１の実施形態と同じとする。
まず、ＭＯＣＶＤ装置の反応管内に、十分洗浄したサファイアからなる基板１４を装入し、反応管内に窒素と水素を流しながら基板１４を約１１００℃で１０分間加熱し基板１４の表面クリーニングを行う。
次に、基板１４の温度を約５７０℃まで降下させ、反応管内に窒素、ＴＭＧ、アンモニアをそれぞれ流してＧａＮからなるバッファ層１５を基板１４の上に形成する。
続いて、ＴＭＧの供給を止めて窒素とアンモニアを流しながら基板１４の温度を約１１５０℃まで昇温し、この温度下において、窒素、水素、ＴＭＧ、アンモニアを反応管内に流してＧａＮからなる下地層１６をバッファ層１５の上に成長させる。
次に、ＴＭＧの供給を止めてから基板１４の温度を約１１００℃まで降温し、この温度下で窒素、水素、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニアを反応管内に流してＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎからなる障壁層１７を１０ｎｍ成長させる。
次いで、ＴＭＧ、ＴＭＡ、および水素の供給を止めてから基板１４の温度を約９００℃まで降温する。そして、基板１４の温度が９００℃の状態で窒素、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＴＭＩ、アンモニアをそれぞれ反応管内に流してＡｌ0.02Ｉｎ0.02Ｇａ0.96Ｎからなる井戸層１８を２ｎｍ成長させる。
続いて、基板１４の温度を９００℃に保持したまま、ＴＭＡおよびＴＭＩの供給を止め、窒素、ＴＭＧ、およびアンモニアを流すことにより、井戸層１８の上にＧａＮからなる薄膜層１９を成長させる。その後、ＴＭＧの供給を止め、基板１４の温度を１１００℃まで昇温する。
次に、基板１４の温度を１１００℃に維持しながら反応管内に窒素、水素、ＴＭＧ、ＴＭＡ、およびアンモニアをそれぞれ流してＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎからなる障壁層２０を１０ｎｍ成長させる。その後、ＴＭＧ、ＴＭＡ、および水素の供給を止め、基板１４の温度を９００℃まで降温する。
その後、井戸層１８、薄膜層１９、および障壁層２０と同様の手順で井戸層２１、薄膜層２２、および障壁層２３等を順次積層してＭＱＷ８２を形成する。なお、ＧａＮからなる薄膜層１９、２２、２５の膜厚を、基板１４の昇温中に供給するＴＭＧの量を調節することによって０ｎｍを超え４ｎｍ以下の範囲に調節する。
図１４は、本実施形態のＭＱＷにおける薄膜層の厚さと発光強度（ＰＬ強度）との関係を示す図である。窒化物半導体層の積層数や測定条件は図１２と同じである。
図１４から判るように、本実施形態のＭＱＷのＰＬ強度は薄膜層の膜厚によって大きく変化し、特に薄膜層の厚みが２ｎｍ以下のときにＰＬ強度が最大になった。この結果から、本実施形態のＭＱＷでは、薄膜層の厚みを０ｎｍより大きく且つ２ｎｍ以下とすることが特に好ましいことが判った。ただし、測定した全範囲にわたって本実施形態のＭＱＷのＰＬ強度は従来のＭＱＷのＰＬ強度を大きく上回っていた。
一方、図１５は、本実施形態のＭＱＷにおける薄膜層の膜厚と表面平坦性との関係を示す図である。ここでは、図１４の実験と同じく量子井戸が３回積層されたＭＱＷを用いた。
図１５からは、ＭＱＷの表面平坦性が薄膜層の膜厚に依存して大きく変化し、特に、薄膜層の厚みが２ｎｍ以下の場合には、ＭＱＷの表面平坦性（表面粗さ）のＲＭＳ値が小さくなっていることが判った。従って、表面平坦性の点からも、薄膜層の厚みは２ｎｍ以下であることが好ましいことが判った。ただし、測定した全範囲にわたって本実施形態のＭＱＷの上面は、従来のＭＱＷの上面より平坦になっていた。
以上の結果から、本実施形態のように、薄膜層１９、２２、２５を井戸層１８、２１、２４と同じ温度で成長させた場合でも、井戸層の上面を平坦化することができ、従来のＭＱＷよりも発光効率を向上させられることが判る。これは、本実施形態のＭＱＷの作製方法においても井戸層からの窒素等の脱離が防がれていることと、井戸層および障壁層を、それぞれ最適な成長温度で成長させることができることとによると考えられる。
また、薄膜層のバンドギャップエネルギーは、井戸層のバンドギャップエネルギーより大きく、且つ障壁層のバンドギャップエネルギーよりも小さいので、薄膜層を設けない場合と同程度にキャリアを井戸層に閉じこめることが可能となっている。
また、第１の実施形態のＭＱＷと同様に、本実施形態のＭＱＷでは、薄膜層が設けられることにより、井戸層と障壁層との間に生じる歪みを従来のＭＱＷに比べて緩和することもできる。
なお、図１３と図１５とを比べた場合、第１の実施形態のＭＱＷの方がより平坦な上面を有している。これは、第１の実施形態での薄膜層の方が、より最適な成長温度に近い温度で形成できるからであると考えられる。
なお、本実施形態のＭＱＷでは、井戸層の材料として４元結晶であるＡｌ0.02Ｉｎ0.02Ｇａ0.96Ｎを用いているが、井戸層の材料はこれに限られない。井戸層の材料がＩｎとＧａを含む混晶であれば最適な成長温度が、ＡｌとＧａを含む混晶の最適な成長温度よりも低いので本実施形態のＭＱＷと同様の効果を得ることができる。障壁層もＡｌＧａＮ以外の材料で構成してよい。例えば、薄膜層がＧａＮであれば井戸層がＩｎＧａＮ（３元結晶）で構成されかつ障壁層がＡｌＩｎＧａＮ（４元結晶）であっても本実施形態のＭＱＷと同様の効果が得られる。すなわち、井戸層がＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ｘ＋ｙ＜１）であり、障壁層がＩｎwＡｌzＧａ1-z-wＮ（０≦ｗ＜１、０＜ｚ＜１、０＜ｚ＋ｗ＜１）であればよい。また、本実施形態のＭＱＷでは、薄膜層の材料としてＧａＮを用いたが、井戸層のエネルギーバンドギャップよりも大きく障壁層のエネルギーバンドギャップよりも小さいエネルギーバンドギャップをもつ材料であればよい。
なお、障壁層がアンドープであってもｎ型にドープされていてもＭＱＷは同様な効果を発揮する。図４に示す例では基板１４としてサファイア基板を使用したが、ＳｉＣ基板 、ＺｎＯ基板、ＧａＮ基板、Ｓｉ基板等、他の基板を用いても本実施形態のＭＱＷと同様の効果を得ることができる。
（第３の実施形態）
図６は、本発明の第３の実施形態に係るＭＱＷを備えた窒化物半導体装置を示す断面図であり、図７は、第３の実施形態に係るＭＱＷを構成する窒化物半導体層の成長温度のプロファイルを示す図である。
図６に示すように、本実施形態の窒化物半導体装置は、サファイアからなる基板２７と、基板２７の上に設けられたＧａＮからなるバッファ層２８と、バッファ層２８の上に設けられたＧａＮからなる下地層２９と、下地層２９の上に設けられた窒化物半導体からなるＭＱＷ８４とを備えている。ＭＱＷ８４は、Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎからなる障壁層、障壁層の上に設けられたＡｌ0.02Ｉｎ0.02Ｇａ0.96Ｎからなる井戸層、井戸層の上に設けられたＧａＮからなる薄膜層がこの順に複数回繰り返された構造を有している。図６の例では、下地層２９の上に、障壁層３０、薄膜層３１、井戸層３２、障壁層３３、薄膜層３４、井戸層３５、障壁層３６、薄膜層３７、井戸層３８、障壁層３９が順に設けられている。薄膜層３１、３４、３７の各々の厚みは例えば４ｎｍ以下、より好ましくは２ｎｍ以下である。井戸層３２、３５、３８の膜厚は例えば２ｎｍであり、障壁層３０、３３、３６、３９の膜厚は例えば１０ｎｍである。
本実施形態の窒化物半導体装置において、障壁層、薄膜層および井戸層のバンドギャップエネルギーの大きさは、障壁層＞薄膜層＞井戸層となっている。
本実施形態のＭＱＷの特徴は、ＡｌとＧａを含む障壁層の上で且つＩｎとＧａを含む井戸層の下に、窒化物半導体からなる薄膜層が設けられていることにある。
本実施形態のＭＱＷを備えた窒化物半導体装置は、ＭＯＣＶＤ法を用いて以下の方法により作製される。なお、各工程で供給するガスの流量および反応管内の圧力は第１の実施形態と同じとする。
まず、ＭＯＣＶＤ装置の反応管内に、十分洗浄したサファイアからなる基板２７を装入し、反応管内に窒素と水素を流しながら基板２７を約１１００℃で１０分間加熱し基板２７の表面クリーニングを行う。
次に、基板２７の温度を約５７０℃まで降下させ、反応管内に窒素、ＴＭＧ、アンモニアをそれぞれ流してＧａＮからなるバッファ層２８を基板２７の上に形成する。
続いて、ＴＭＧの供給を止めて窒素とアンモニアを流しながら基板２７の温度を約１１５０℃まで昇温し、この温度下において、窒素、水素、ＴＭＧ、アンモニアを反応管内に流してＧａＮからなる下地層２９をバッファ層２８の上に成長させる。
次に、ＴＭＧの供給を止めてから基板２７の温度を約１１００℃まで降温し、この温度下で窒素、水素、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニアを反応管内に流してＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎからなる障壁層３０を１０ｎｍ成長する。
次いで、ＴＭＡおよび水素の供給を止め、基板２７の温度を約９００℃まで降温しながら窒素、ＴＭＧ、アンモニアを流しＧａＮからなる薄膜層３１を障壁層３０の上に成長させる。
続いて、基板２７の温度が９００℃に達したらＴＭＧの供給を止める。そして、基板温度を９００℃に維持した状態で窒素、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＴＭＩ、およびアンモニアを流してＡｌ0.02Ｉｎ0.02Ｇａ0.96Ｎからなる井戸層３２を２ｎｍ成長させる。
その後、ＴＭＧ、ＴＭＡ、およびＴＭＩの供給を止めて基板２７の温度を９００℃から１１００℃まで昇温する。
次に、基板２７の温度を１１００℃に維持しながら窒素、水素、ＴＭＧ、ＴＭＡ、およびアンモニアをそれぞれ流してＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎからなる障壁層３３を１０ｎｍ成長させる。
次に、ＴＭＡおよび水素の供給を止め、基板２７の温度を約９００℃まで降温しながら窒素、ＴＭＧ、アンモニアを流してＧａＮからなる薄膜層３４を成長させる。その後、同様な手順を繰り返して井戸層、障壁層、薄膜層を順次成長させてＭＱＷを形成する。なお、ＧａＮからなる薄膜層３１、３４、３７の膜厚を、基板２７の昇温中に供給するＴＭＧの量を調節することによって０ｎｍを超え４ｎｍ以下の範囲に調節する。
図１６は、本実施形態のＭＱＷにおける薄膜層の厚さと発光強度（ＰＬ強度）との関係を示す図である。窒化物半導体層の積層数や測定条件は図１２と同じである。
図１６から判るように、本実施形態のＭＱＷのＰＬ強度は薄膜層の膜厚によって大きく変化し、特に薄膜層の厚みが２ｎｍ以下のときにＰＬ強度が最大になった。この結果から、本実施形態のＭＱＷでは、薄膜層の厚みを０ｎｍより大きく且つ２ｎｍ以下とすることが特に好ましいことが判った。ただし、測定した全範囲にわたって本実施形態のＭＱＷのＰＬ強度は従来のＭＱＷのＰＬ強度を上回っていた。
一方、図１７は、本実施形態のＭＱＷにおける薄膜層の膜厚と表面平坦性との関係を示す図である。同図に示す結果から、ＭＱＷ上面の平坦性は薄膜層の膜厚に依存して大きく変化し、特に、薄膜層の厚みが２ｎｍ以下の場合に表面平坦性のＲＭＳ値が小さくなっていることが判った。従って、表面平坦性の点からも、薄膜層の厚みは２ｎｍ以下であることが好ましいことが判った。ただし、測定した全範囲にわたって本実施形態のＭＱＷの上面は、従来のＭＱＷの上面よりも平坦になっていた。
以上の結果から、本実施形態のように、薄膜層３１、３４、３７を障壁層３０、３３、３６の上に設けた場合でも、従来のＭＱＷよりもＭＱＷ上面を平坦にでき、発光効率を向上させられることが判る。これは、本実施形態のＭＱＷにおいて、障壁層からの窒素の脱離が防がれていることにより、障壁層の膜質の劣化が防がれていることと、井戸層および障壁層をそれぞれ最適な成長温度で成長させることができることによると考えられる。また、本実施形態のＭＱＷにおいては、障壁層の組成変化も防がれている。
さらに、第１および第２の実施形態のＭＱＷと同様に、本実施形態のＭＱＷでは、薄膜層が設けられることにより、井戸層と障壁層との間の歪みを従来のＭＱＷに比べて緩和することができる。このことも、ＰＬ強度の向上につながっている。また、本実施形態のＭＱＷにおいて薄膜層は基板２７の降温中に形成されるため、薄膜層を形成するための時間を別途設ける必要がない。従って、本実施形態のＭＱＷは従来のＭＱＷと同じ時間、ほぼ同じコストで製造することができる。
なお、本実施形態のＭＱＷでは、井戸層の材料として４元結晶であるＡｌ0.02Ｉｎ0.02Ｇａ0.96Ｎを用いているが、井戸層の材料はこれに限られない。井戸層の材料がＩｎとＧａを含む混晶であれば、最適な成長温度がＡｌとＧａを含む混晶の最適な成長温度よりも低いので、本実施形態のＭＱＷと同様の効果を得ることができる。障壁層もＡｌＧａＮ以外の材料で構成してよい。例えば、薄膜層がＧａＮであれば井戸層がＩｎＧａＮ（３元結晶）で構成されかつ障壁層がＡｌＩｎＧａＮ（４元結晶）であっても本実施形態のＭＱＷと同様の効果が得られる。すなわち、井戸層がＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ｘ＋ｙ＜１）であり、障壁層がＩｎwＡｌzＧａ1-z-wＮ（０≦ｗ＜１、０＜ｚ＜１、０＜ｚ＋ｗ＜１）であればよい。また、本実施形態のＭＱＷでは、薄膜層の材料としてＧａＮを用いたが、井戸層のエネルギーバンドギャップよりも大きく障壁層のエネルギーバンドギャップよりも小さいエネルギーバンドギャップをもつ材料であればよい。
なお、障壁層がアンドープであってもｎ型にドープされていてもＭＱＷは同様な効果を発揮する。図６に示す例では基板２７としてサファイア基板を使用したが、ＳｉＣ基板 、ＺｎＯ基板、ＧａＮ基板、Ｓｉ基板等、他の基板を用いても本実施形態のＭＱＷと同様の効果を得ることができる。
（第４の実施形態）
図８は、本発明の第４の実施形態に係るＭＱＷを備えた窒化物半導体装置を示す断面図であり、図９は、第４の実施形態に係るＭＱＷを構成する窒化物半導体層の成長温度のプロファイルを示す図である。本実施形態の窒化物半導体装置は、第３の実施形態に係る窒化物半導体装置と同一の構成を有しているが、薄膜層の形成温度が第３の実施形態とは異なっている。
すなわち、本実施形態の窒化物半導体装置は、下から順に、基板４０と、バッファ層４１と、下地層４２と、障壁層４３と、薄膜層４４と、井戸層４５と、障壁層４６と、薄膜層４７と、井戸層４８と、障壁層４９と、薄膜層５０と、井戸層５１と、障壁層５２とを備えている。障壁層４３から障壁層５２までの層は、ＭＱＷ８６を形成している。
本実施形態のＭＱＷ構造を備えた窒化物半導体装置は、ＭＯＣＶＤ法を用いて以下の方法により作製される。なお、各工程で供給するガスの流量および反応管内の圧力は第１の実施形態と同じとする。
まず、第１〜第３の実施形態と同様の方法でサファイアからなる基板４０の上にバッファ層４１、下地層４２および障壁層４３を順次形成する。
次いで、図９に示すように、ＴＭＡおよび水素の反応管内への供給を止め、基板４０の温度を１１００℃に維持したまま窒素、ＴＭＧ、アンモニアを流し、ＧａＮからなる薄膜層４４を障壁層４３の上に成長させる。このように、薄膜層４４を障壁層の成長温度で成長させるのが本実施形態の製造方法の特徴である。
続いて、ＴＭＧの供給を止めて基板４０の温度を９００℃まで降温する。基板４０の温度が９００℃に達したらそのまま基板温度を９００℃に維持し、窒素、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＴＭＩ、アンモニアをそれぞれ反応管内に流してＡｌ0.02Ｉｎ0.02Ｇａ0.96Ｎからなる井戸層４５を２ｎｍ成長させる。
次に、ＴＭＧ、ＴＭＡおよびＴＭＩの供給を止めて基板４０の温度を９００℃から１１００℃まで昇温する。そして、基板４０の温度を１１００℃で維持しながら窒素、水素、ＴＭＧ、ＴＭＡ、およびアンモニアを反応管内に流してＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎからなる障壁層４６を１０ｎｍ成長させる。
次いで、ＴＭＡの供給を止め、基板４０の温度を１１００℃に維持させたまま窒素、ＴＭＧ、およびアンモニアを反応管内にそれぞれ流してＧａＮからなる薄膜層４７を成長させる。
続いて、基板４０の温度を９００℃まで降温する。基板４０の温度が９００℃に達したらそのまま基板温度を維持して井戸層４８を形成する。その後、同様の手順を繰り返してＭＱＷを形成する。なお、ＧａＮからなる薄膜層４４、４７、５０の膜厚を、基板４０の昇温中に供給するＴＭＧの量を調節することによって０ｎｍを超え４ｎｍ以下の範囲に調節する。
図１８は、本実施形態のＭＱＷにおける薄膜層の厚さと発光強度（ＰＬ強度）との関係を示す図である。窒化物半導体層の積層数や測定条件は図１２と同じである。
図１８から判るように、本実施形態のＭＱＷのＰＬ強度は薄膜層の膜厚によって大きく変化し、特に薄膜層の厚みが２ｎｍ以下のときにＰＬ強度が最大になっていた。この結果から、本実施形態のＭＱＷでは、薄膜層の厚みを０ｎｍより大きく且つ２ｎｍ以下とすることが特に好ましいことが判った。ただし、測定した全範囲にわたって本実施形態のＭＱＷのＰＬ強度は従来のＭＱＷのＰＬ強度を大きく上回っていた。
一方、図１９は、本実施形態のＭＱＷにおける薄膜層の膜厚と表面平坦性との関係を示す図である。
図１９からは、ＭＱＷの表面平坦性が薄膜層の膜厚に依存して大きく変化し、特に、薄膜層の厚みが２ｎｍ以下の場合には、ＭＱＷの表面平坦性（表面粗さ）のＲＭＳ値が小さくなっていることが判った。従って、表面平坦性の点からも、薄膜層の厚みは２ｎｍ以下であることが好ましいことが判った。ただし、測定した全範囲にわたって本実施形態のＭＱＷの上面は、従来のＭＱＷの上面より平坦になっていた。これは、本実施形態のＭＱＷにおいて、障壁層からの窒素の脱離が防がれていることにより、障壁層の膜質の劣化が防がれていることと、井戸層および障壁層をそれぞれ最適な成長温度で成長させることができることによると考えられる。また、本実施形態のＭＱＷにおいては、障壁層の組成変化も防がれている。
さらに、本実施形態のＭＱＷでは、井戸層と障壁層との間に薄膜層が設けられているので、層間の歪みを従来のＭＱＷに比べて緩和することができる。このことも、ＰＬ強度の向上につながっている。
なお、本実施形態のＭＱＷでは、井戸層の材料として４元結晶であるＡｌ0.02Ｉｎ0.02Ｇａ0.96Ｎを用いているが、井戸層の材料はこれに限られない。井戸層の材料がＩｎとＧａを含む混晶であれば、最適な成長温度がＡｌとＧａを含む混晶の最適な成長温度よりも低いので、本実施形態のＭＱＷと同様の効果を得ることができる。障壁層もＡｌＧａＮ以外の材料で構成してよい。例えば、薄膜層がＧａＮであれば井戸層がＩｎＧａＮ（３元結晶）で構成されかつ障壁層がＡｌＩｎＧａＮ（４元結晶）であっても本実施形態のＭＱＷと同様の効果が得られる。すなわち、井戸層がＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ｘ＋ｙ＜１）であり、障壁層がＩｎwＡｌzＧａ1-z-wＮ（０≦ｗ＜１、０＜ｚ＜１、０＜ｚ＋ｗ＜１）であればよい。また、本実施形態のＭＱＷでは、薄膜層の材料としてＧａＮを用いたが、井戸層のエネルギーバンドギャップよりも大きく障壁層のエネルギーバンドギャップよりも小さいエネルギーバンドギャップをもつ材料であればよい。
なお、障壁層がアンドープであってもｎ型にドープされていてもＭＱＷは同様な効果を発揮する。図８に示す例では基板４０としてサファイア基板を使用したが、ＳｉＣ基板 、ＺｎＯ基板、ＧａＮ基板、Ｓｉ基板等、他の基板を用いても本実施形態のＭＱＷと同様の効果を得ることができる。
（第５の実施形態）
図１０は、本発明の第５の実施形態に係るＭＱＷを備えた窒化物半導体装置を示す断面図であり、図１１は、第５の実施形態に係るＭＱＷを構成する窒化物半導体層の成長温度のプロファイルを示す図である。
図１０に示すように、本実施形態の窒化物半導体装置は、サファイアからなる基板５３と、基板５３の上に設けられたＧａＮからなるバッファ層５４と、バッファ層５４の上に設けられたＧａＮからなる下地層５５と、下地層５５の上に設けられた窒化物半導体からなるＭＱＷ８８とを備えている。ＭＱＷ８８は、Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎからなる障壁層、障壁層の上に設けられたＧａＮからなる第１の薄膜層、第１の薄膜層の上に設けられたＡｌ0.02Ｉｎ0.02Ｇａ0.96Ｎからなる井戸層、井戸層の上に設けられたＧａＮからなる第２の薄膜層がこの順に複数回繰り返され、且つ最上層が障壁層となっている構造を有している。
図１０の例では、下地層５５の上に、障壁層５６、第１の薄膜層５７、井戸層５８、第２の薄膜層５９、障壁層６０、第１の薄膜層６１、井戸層６２、第２の薄膜層６３、障壁層６４、第１の薄膜層６５、井戸層６６、第２の薄膜層６７、障壁層６８が順に設けられている。第１の薄膜層５７、６１、６５および第２の薄膜層５９、６３、６７の各々の厚みは例えば４ｎｍ以下、より好ましくは２ｎｍ以下である。井戸層５８、６２、６６の膜厚は例えば２ｎｍであり、障壁層５６、６０、６４、６８の膜厚は例えば１０ｎｍである。
本実施形態の窒化物半導体装置において、障壁層、薄膜層および井戸層のバンドギャップエネルギーの大きさは、障壁層＞第１薄膜層＝第２の薄膜層＞井戸層となっている。
本実施形態のＭＱＷの特徴は、ＩｎとＧａを含む井戸層の下に窒化物半導体からなる第１の薄膜層が設けられ、井戸層の上に窒化物半導体からなる第２の薄膜層が設けられていることにある。
本実施形態のＭＱＷを備えた窒化物半導体装置は、ＭＯＣＶＤ法を用いて以下の方法により作製される。なお、各工程で供給するガスの流量および反応管内の圧力は第１の実施形態と同じとする。
まず、第１〜第４の実施形態と同様の方法でサファイアからなる基板５３の上にバッファ層５４、下地層５５および障壁層５６を順次形成する。
次に、ＴＭＡおよび水素の供給を止め、基板５３の温度を約１１００℃から約９００℃まで降温しながら窒素、ＴＭＧ、アンモニアを流し、ＧａＮからなる第１の薄膜層５７を成長させる。
続いて、基板５３の温度が９００℃に達したらＴＭＧの供給を止め、基板温度を９００℃に維持したまま窒素、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＴＭＩ、およびアンモニアを流し、Ａｌ0.02Ｉｎ0.02Ｇａ0.96Ｎからなる井戸層５８を２ｎｍ成長させる。
次に、ＴＭＡおよびＴＭＩの供給を止め、基板５３の温度を９００℃から１１００℃まで昇温しながら窒素、ＴＭＧ、およびアンモニアを流してＧａＮからなる第２の薄膜層５９を成長させる。
基板５３の温度が１１００℃に到達した後、ＴＭＧの供給を止め、基板５３の温度を１１００℃に維持したまま窒素、水素、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニアを反応管内に流してＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎからなる障壁層６０を１０ｎｍ成長させる。
次に、ＴＭＧ、ＴＭＡ、および水素の供給を止め、基板５３の温度を約９００℃まで降温しながら窒素、ＴＭＧ、アンモニアを流してＧａＮからなる第１の薄膜層６１を成長させる。以後、同様の手順を繰り返してＭＱＷを形成する。
なお、ＧａＮからなる第１の薄膜層５７、６１、６５および第２の薄膜層５９、６３、６７の膜厚を、基板５３の昇温中に供給するＴＭＧの量を調節することによって０ｎｍを超え４ｎｍ以下の範囲に調節する。
図２０は、本実施形態のＭＱＷにおける薄膜層の厚さと発光強度（ＰＬ強度）との関係を示す図である。窒化物半導体層の積層数や測定条件は図１２と同じである。
図２０から判るように、本実施形態のＭＱＷのＰＬ強度は薄膜層の膜厚によって大きく変化し、特に薄膜層の厚みが２ｎｍ以下のときにＰＬ強度が最大になっていた。この結果から、本実施形態のＭＱＷでは、薄膜層の厚みを０ｎｍより大きく且つ２ｎｍ以下とすることが特に好ましく、１ｎｍ以下であるとさらに好ましいことが判った。ただし、測定した全範囲にわたって本実施形態のＭＱＷのＰＬ強度は従来のＭＱＷのＰＬ強度を大きく上回っていた。
一方、図２１は、本実施形態のＭＱＷにおける薄膜層の膜厚と表面平坦性との関係を示す図である。
図２１からは、ＭＱＷの表面平坦性が薄膜層の膜厚に依存して大きく変化し、特に、薄膜層の厚みが２ｎｍ以下の場合には、ＭＱＷの表面平坦性（表面粗さ）のＲＭＳ値が小さくなっていることが判った。従って、表面平坦性の点からも、薄膜層の厚みは２ｎｍ以下であることが好ましいことが判った。ただし、測定した全範囲にわたって本実施形態のＭＱＷの上面は、従来のＭＱＷの上面より平坦になっていた。特に、本実施形態のＭＱＷの上面の平坦性は、第１〜第４の実施形態よりもさらに平坦になっていた。これは、第１の薄膜層によって障壁層からの窒素の脱離が防がれるとともに、第２の薄膜層によって井戸層からの窒素等の脱離も防がれていることによると考えられる。そのため、本実施形態のＭＱＷでは、障壁層および井戸層の膜質の劣化が防がれ、非常に高い発光効率が実現されている。さらに、本実施形態のＭＱＷでは、薄膜層が設けられることにより、井戸層と障壁層との間に第１の薄膜層と第２の薄膜層が設けられているので、井戸層が上方と下方から受ける歪みが共に低減されている。このことも、ＰＬ強度の向上につながっている。
なお、本実施形態のＭＱＷでは、井戸層の材料として４元結晶であるＡｌ0.02Ｉｎ0.02Ｇａ0.96Ｎを用いているが、井戸層の材料はこれに限られない。井戸層の材料がＩｎとＧａを含む混晶であれば最適な成長温度が、ＡｌとＧａを含む混晶の最適な成長温度よりも低いので本実施形態のＭＱＷと同様の効果を得ることができる。障壁層もＡｌＧａＮ以外の材料で構成してよい。例えば、第１および第２の薄膜層がＧａＮであれば井戸層がＩｎＧａＮ（３元結晶）で構成されかつ障壁層がＡｌＩｎＧａＮ（４元結晶）であっても本実施形態のＭＱＷと同様の効果が得られる。すなわち、井戸層がＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ｘ＋ｙ＜１）であり、障壁層がＩｎwＡｌzＧａ1-z-wＮ（０≦ｗ＜１、０＜ｚ＜１、０＜ｚ＋ｗ＜１）であればよい。また、本実施形態のＭＱＷでは、第１および第２の薄膜層の材料としてＧａＮを用いたが、井戸層のエネルギーバンドギャップよりも大きく障壁層のエネルギーバンドギャップよりも小さいエネルギーバンドギャップをもつ材料であればよい。
なお、障壁層がアンドープであってもｎ型にドープされていてもＭＱＷは同様な効果を発揮する。図１０に示す例では基板５３としてサファイア基板を使用したが、ＳｉＣ基板 、ＺｎＯ基板、ＧａＮ基板、Ｓｉ基板等、他の基板を用いても本実施形態のＭＱＷと同様の効果を得ることができる。
以上で説明したように、本発明は結晶劣化の少ない高品質な多重量子井戸構造を形成するのに有用であり、発光素子などの種々の半導体装置に利用することができる。
本発明の第１の実施形態に係るＭＱＷを備えた窒化物半導体装置を示す断面図である。 第１の実施形態に係るＭＱＷを構成する窒化物半導体層の成長温度のプロファイルを示す図である。 第１の実施形態に係るＭＱＷの製造工程を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施形態に係るＭＱＷを備えた窒化物半導体装置を示す断面図である。 第２の実施形態に係るＭＱＷを構成する窒化物半導体層の成長温度のプロファイルを示す図である。 本発明の第３の実施形態に係るＭＱＷを備えた窒化物半導体装置を示す断面図である。 第３の実施形態に係るＭＱＷを構成する窒化物半導体層の成長温度のプロファイルを示す図である。 本発明の第４の実施形態に係るＭＱＷを備えた窒化物半導体装置を示す断面図である。 第４の実施形態に係るＭＱＷを構成する窒化物半導体層の成長温度のプロファイルを示す図である。 本発明の第５の実施形態に係るＭＱＷを備えた窒化物半導体装置を示す断面図である。 第５の実施形態に係るＭＱＷを構成する窒化物半導体層の成長温度のプロファイルを示す図である。 第１の実施形態に係るＭＱＷにおける薄膜層の厚さと発光強度（ＰＬ強度）との関係を示す図である。 第１の実施形態に係るＭＱＷにおける薄膜層の膜厚と表面平坦性との関係を示す図である。 第２の実施形態に係るＭＱＷにおける薄膜層の厚さと発光強度（ＰＬ強度）との関係を示す図である。 第２の実施形態に係るＭＱＷにおける薄膜層の膜厚と表面平坦性との関係を示す図である。 第３の実施形態に係るＭＱＷにおける薄膜層の厚さと発光強度（ＰＬ強度）との関係を示す図である。 第３の実施形態に係るＭＱＷにおける薄膜層の膜厚と表面平坦性との関係を示す図である。 第４の実施形態に係るＭＱＷにおける薄膜層の厚さと発光強度（ＰＬ強度）との関係を示す図である。 第４の実施形態に係るＭＱＷにおける薄膜層の膜厚と表面平坦性との関係を示す図である。 第５の実施形態に係るＭＱＷにおける薄膜層の厚さと発光強度（ＰＬ強度）との関係を示す図である。 第５の実施形態に係るＭＱＷにおける薄膜層の膜厚と表面平坦性との関係を示す図である。
符号の説明
１、１４、２７、４０、５３ 基板
２、１５、２８、４１、５４ バッファ層
３、１６、２９、４２、５５ 下地層
４、７、１０、１３、１７、２０、２３、２６、３０、３３、３６、３９ 障壁層
４３、４６、４９、５２、５６、６０、６４、６８ 障壁層
５、８、１１、１８、２１、２４、３２、３５、３８、４５、４８、５１ 井戸層
５８、６２、６６ 井戸層
６、９、１２、１９、２２、２５、３１、３４、３７、４４、４７、５０ 薄膜層
５７、６１、６５ 第１の薄膜層
５９、６３、６７ 第２の薄膜層
８０、８２、８４、８６、８８ ＭＱＷ

Claims (16)

  1. 基板と、
    前記基板の上方に設けられ、ＩｎとＧａを含む窒化物半導体からなる井戸層と、
    前記基板の上方に、前記井戸層を挟んで量子井戸を形成するように設けられ、ＡｌとＧａを含み、且つ前記井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体からなる複数の障壁層と、
    前記複数の障壁層のうち１つの障壁層の上で且つ前記井戸層の下、または前記井戸層の上で且つ前記複数の障壁層のうちもう１つの障壁層の下のいずれかに少なくとも設けられ、前記井戸層よりバンドギャップエネルギーが大きく、且つ前記障壁層よりバンドギャップエネルギーが小さい窒化物半導体からなる薄膜層と
    を備えていることを特徴とする窒化物半導体装置。
  2. 前記薄膜層は、前記複数の障壁層のうち１つの障壁層の上で且つ前記井戸層の下に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体装置。
  3. 前記薄膜層は、前記井戸層の上で且つ前記複数の障壁層のうちもう１つの障壁層の下に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体装置。
  4. 前記薄膜層は、前記複数の障壁層のうち１つの障壁層の上で且つ前記井戸層の下と、前記井戸層の上で且つ前記複数の障壁層のうちもう１つの障壁層の下にそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体装置。
  5. 前記井戸層、前記薄膜層および前記複数の障壁層で構成された量子井戸が複数周期積層されていることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体装置。
  6. 前記薄膜層の膜厚が２ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体装置。
  7. 前記薄膜層がＧａＮからなることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体装置。
  8. 前記井戸層がＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ｘ＋ｙ＜１）からなり、障壁層がＩｎwＡｌzＧａ1-z-wＮ（０≦ｗ＜１、０＜ｚ＜１、０＜ｚ＋ｗ＜１）からなっていることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体装置。
  9. 基板の上方に設けられた井戸層と、前記井戸層を挟んで量子井戸を形成する複数の障壁層と、前記複数の障壁層のうち１つの障壁層の上で且つ前記井戸層の下に設けられた第１の薄膜層とを備えた窒化物半導体装置の製造方法であって、
    前記基板の上方に、ＡｌとＧａを含む窒化物半導体を基板温度Ｔ１で堆積させて前記複数の障壁層のうち１つの障壁層を形成する工程（ａ）と、
    前記１つの障壁層の上に、前記１つの障壁層よりもバンドギャップエネルギーの小さい窒化物半導体を堆積させて前記第１の薄膜層を形成する工程（ｂ）と、
    前記第１の薄膜層の上に、ＩｎとＧａを含み、前記第１の薄膜層よりもバンドギャップエネルギーの小さい窒化物半導体を基板温度Ｔ２（ただし、Ｔ１＞Ｔ２）で堆積させて前記井戸層を形成する工程（ｃ）と、
    前記井戸層の上または上方に、ＡｌとＧａを含み、前記第１の薄膜層および前記井戸層よりもバンドギャップエネルギーの大きい窒化物半導体を基板温度Ｔ３（ただし、Ｔ３＞Ｔ２）で堆積させて前記複数の障壁層のうちもう１つの障壁層を形成する工程（ｄ）と
    を備えていることを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。
  10. 前記工程（ｂ）では、基板温度をＴ１に維持したまま前記第１の薄膜層を形成することを特徴とする請求項９に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
  11. 前記工程（ｂ）では、基板温度をＴ１からＴ２に降温しながら前記第１の薄膜層を形成することを特徴とする請求項９に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
  12. 前記窒化物半導体装置は、前記井戸層の上で且つ前記複数の障壁層のうちもう１つの障壁層の下に設けられた第２の薄膜層をさらに備えており、
    前記工程（ｃ）の後で且つ前記工程（ｄ）の前に、前記井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きく、且つ前記複数の障壁層よりもバンドギャップエネルギーが小さい窒化物半導体を前記井戸層の上に堆積させて前記第２の薄膜層を形成する工程（ｅ）をさらに備えていることを特徴とする請求項９に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
  13. 前記工程（ｅ）では、基板温度をＴ２からＴ３に昇温しながら前記第２の薄膜層を形成することを特徴とする請求項１２に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
  14. 基板の上方に設けられた井戸層と、前記井戸層を挟んで量子井戸を形成する複数の障壁層と、前記井戸層の上で且つ前記複数の障壁層のうち１つの障壁層の下に設けられた薄膜層とを備えた窒化物半導体装置の製造方法であって、
    前記基板の上方に、ＡｌとＧａを含む窒化物半導体を基板温度Ｔ１で堆積させて前記複数の障壁層のうち１つの障壁層を形成する工程（ａ）と、
    前記１つの障壁層の上または上方に、ＩｎとＧａを含み、前記１つの障壁層よりもバンドギャップエネルギーの小さい窒化物半導体を基板温度Ｔ２（ただし、Ｔ１＞Ｔ２）で堆積させて前記井戸層を形成する工程（ｂ）と、
    前記井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きく、且つ前記複数の障壁層よりもバンドギャップエネルギーが小さい窒化物半導体を前記井戸層の上に堆積させて前記薄膜層を形成する工程（ｃ）と、
    前記薄膜層の上に、ＡｌとＧａを含み、前記薄膜層および前記井戸層よりもバンドギャップエネルギーの大きい窒化物半導体を基板温度Ｔ３（ただし、Ｔ３＞Ｔ２）で堆積させて前記複数の障壁層のうちもう１つの障壁層を形成する工程（ｄ）と
    を備えていることを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。
  15. 前記工程（ｃ）では、基板温度をＴ２に維持したままで前記薄膜層を形成することを特徴とする請求項１４に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
  16. 前記工程（ｃ）では、基板温度をＴ２からＴ３に昇温しながら前記薄膜層を形成することを特徴とする請求項１４に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
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