JP2000150388A - Ｉｉｉ族窒化物半導体薄膜およびその製造方法 - Google Patents
Ｉｉｉ族窒化物半導体薄膜およびその製造方法Info
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- JP2000150388A JP2000150388A JP10313841A JP31384198A JP2000150388A JP 2000150388 A JP2000150388 A JP 2000150388A JP 10313841 A JP10313841 A JP 10313841A JP 31384198 A JP31384198 A JP 31384198A JP 2000150388 A JP2000150388 A JP 2000150388A
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- iii nitride
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Abstract
(57)【要約】
【課題】貫通転位密度の小さく、発光素子に適したIII
族窒化物半導体薄膜およびその製造方法を提供する。 【解決手段】単結晶基板上にGaN またはAlN からなるバ
ッファー層およびAl x Gay In1-x-y N(0 ≦x,y かつ0 ≦
x+y ≦1)からなるIII 族窒化物半導体薄膜が積層されて
なるIII 族窒化物半導体薄膜において、前記III 族窒化
物半導体薄膜を第１のIII 族窒化物半導体層３ａおよび
第２のIII 族窒化物半導体層３ｂの２層としそれらの間
にはIV族元素からなる単一歪み層４を介在させる。
族窒化物半導体薄膜およびその製造方法を提供する。 【解決手段】単結晶基板上にGaN またはAlN からなるバ
ッファー層およびAl x Gay In1-x-y N(0 ≦x,y かつ0 ≦
x+y ≦1)からなるIII 族窒化物半導体薄膜が積層されて
なるIII 族窒化物半導体薄膜において、前記III 族窒化
物半導体薄膜を第１のIII 族窒化物半導体層３ａおよび
第２のIII 族窒化物半導体層３ｂの２層としそれらの間
にはIV族元素からなる単一歪み層４を介在させる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】基板上にAlx Gay In1-x-y N
(0≦x,y かつ 0≦x+y ≦1)からなるIII 族窒化物半導体
薄膜をエピタキシャル成長させるIII 族窒化物半導体薄
膜の製造方法に関する。
(0≦x,y かつ 0≦x+y ≦1)からなるIII 族窒化物半導体
薄膜をエピタキシャル成長させるIII 族窒化物半導体薄
膜の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】Alx Gay In1-x-y N (0≦x,y かつ0 ≦x+
y ≦1)（以降AlGaInN と略記する場合もある）からなる
III 族窒化物半導体は組成に応じたエネルギーギャップ
が1.9から6.2eV の直接遷移型の半導体であるため、特
にレーザーダイオード等の発光素子の試作が行われてい
る。III 族窒化物半導体薄膜の製造においては、良質で
大型のIII 族窒化物結晶が得られていないため、格子定
数および熱膨張係数の異なる基板上にヘテロエピタキシ
ャル成長を行わなければならない。そのため、基板上に
AlN やGaN のバッファー層を形成した後に、III 族窒化
物半導体薄膜を形成する２段階成長法が行われている。
これまでに、GaN がエピタキシャル成長する基板として
は、サファイア、SiC 、スピネル、シリコン、GaAs、Ga
P などが知られている。
y ≦1)（以降AlGaInN と略記する場合もある）からなる
III 族窒化物半導体は組成に応じたエネルギーギャップ
が1.9から6.2eV の直接遷移型の半導体であるため、特
にレーザーダイオード等の発光素子の試作が行われてい
る。III 族窒化物半導体薄膜の製造においては、良質で
大型のIII 族窒化物結晶が得られていないため、格子定
数および熱膨張係数の異なる基板上にヘテロエピタキシ
ャル成長を行わなければならない。そのため、基板上に
AlN やGaN のバッファー層を形成した後に、III 族窒化
物半導体薄膜を形成する２段階成長法が行われている。
これまでに、GaN がエピタキシャル成長する基板として
は、サファイア、SiC 、スピネル、シリコン、GaAs、Ga
P などが知られている。
【０００３】従来、レーザーダイオード（ＬＤと記す）
は、サファイア基板上あるいはSiC基板上に上記バッフ
ァー層を介してIII 族窒化物半導体AlGaInN 薄膜の量子
井戸構造を形成することにより製造されている。レーザ
ー発振に必要な光共振面は劈開あるいはIII 族窒化物半
導体薄膜のエッチングによって形成されている。例え
ば、サファイア基板上のレーザーダイオードの作成例
は、S.Nakamura et al.,Appl. Phys. Lett.69, 1477 〜
1479(1996)などに報告されている。
は、サファイア基板上あるいはSiC基板上に上記バッフ
ァー層を介してIII 族窒化物半導体AlGaInN 薄膜の量子
井戸構造を形成することにより製造されている。レーザ
ー発振に必要な光共振面は劈開あるいはIII 族窒化物半
導体薄膜のエッチングによって形成されている。例え
ば、サファイア基板上のレーザーダイオードの作成例
は、S.Nakamura et al.,Appl. Phys. Lett.69, 1477 〜
1479(1996)などに報告されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】サファイア基板やシリ
コン基板上に２段階成長法を用いてIII 族窒化物半導体
(AlGaInN) 薄膜を成長させた場合においても、基板とAl
GaInN 薄膜の格子定数および熱膨張係数の違いはバッフ
ァー層の介在によっても完全に緩和されることはできな
いため、III 族窒化物半導体AlGaInN 薄膜に多くの欠陥
が導入される。特に、薄膜中を貫く貫通転位はＬＤや発
光ダイオード（ＬＥＤと記す）などの発光素子の寿命を
短くする。本発明の目的は、貫通転位密度の小さく、発
光素子に適したIII 族窒化物半導体薄膜およびその製造
方法を提供することにある。
コン基板上に２段階成長法を用いてIII 族窒化物半導体
(AlGaInN) 薄膜を成長させた場合においても、基板とAl
GaInN 薄膜の格子定数および熱膨張係数の違いはバッフ
ァー層の介在によっても完全に緩和されることはできな
いため、III 族窒化物半導体AlGaInN 薄膜に多くの欠陥
が導入される。特に、薄膜中を貫く貫通転位はＬＤや発
光ダイオード（ＬＥＤと記す）などの発光素子の寿命を
短くする。本発明の目的は、貫通転位密度の小さく、発
光素子に適したIII 族窒化物半導体薄膜およびその製造
方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、単結晶基板上にGaN またはAlN からなるバッファー
層およびAlx Gay In1-x-y N(0 ≦x,y かつ0 ≦x+y ≦1)
からなるIII 族窒化物半導体薄膜が積層されてなるIII
族窒化物半導体薄膜において、前記III 族窒化物半導体
薄膜は第１のIII 族窒化物半導体層および第２のIII 族
窒化物半導体層からなり、それらの間にはIV族元素から
なる単一歪み層が介在していることとする。前記IV族元
素はシリコンまたはゲルマニウムであると良い。前記単
一歪み層の厚さは２ないし３原子層であると良い。
め、単結晶基板上にGaN またはAlN からなるバッファー
層およびAlx Gay In1-x-y N(0 ≦x,y かつ0 ≦x+y ≦1)
からなるIII 族窒化物半導体薄膜が積層されてなるIII
族窒化物半導体薄膜において、前記III 族窒化物半導体
薄膜は第１のIII 族窒化物半導体層および第２のIII 族
窒化物半導体層からなり、それらの間にはIV族元素から
なる単一歪み層が介在していることとする。前記IV族元
素はシリコンまたはゲルマニウムであると良い。前記単
一歪み層の厚さは２ないし３原子層であると良い。
【０００６】単結晶基板上にGaN またはAlN からなるバ
ッファー層を形成し、次いで前記第１および第２のIII
族窒化物半導体薄膜を有機金属気相成長により形成する
III族窒化物半導体薄膜の製造方法において、前記バッ
ファー層上に、Alx Gay In1- x-y N (0≦x,y かつ 0≦x+
y ≦1)からなる第１のIII 族窒化物半導体層を形成し、
IV族元素からなる単一歪み層を形成してから、その上に
Alx Gay In1-x-y N (0≦x,y かつ 0≦x+y ≦1)からなる
第２のIII 族窒化物半導体層を形成することとする。前
記単一歪み層を有機金属気相成長により形成すると良
い。前記単一歪み層の有機金属気相成長にはシランまた
はゲランを原料ガスとして用いると良い。
ッファー層を形成し、次いで前記第１および第２のIII
族窒化物半導体薄膜を有機金属気相成長により形成する
III族窒化物半導体薄膜の製造方法において、前記バッ
ファー層上に、Alx Gay In1- x-y N (0≦x,y かつ 0≦x+
y ≦1)からなる第１のIII 族窒化物半導体層を形成し、
IV族元素からなる単一歪み層を形成してから、その上に
Alx Gay In1-x-y N (0≦x,y かつ 0≦x+y ≦1)からなる
第２のIII 族窒化物半導体層を形成することとする。前
記単一歪み層を有機金属気相成長により形成すると良
い。前記単一歪み層の有機金属気相成長にはシランまた
はゲランを原料ガスとして用いると良い。
【０００７】
【発明の実施の形態】図１は本発明に係る単一歪み層を
有するIII 族窒化物半導体薄膜の断面図である。
有するIII 族窒化物半導体薄膜の断面図である。
【０００８】基板１には順にバッファ層２、第１のIII
族窒化物半導体層３ａ、単一歪み層４および第１のIII
族窒化物半導体層３ｂが積層されている。従来の層構成
において、多くの貫通転位はバッファー層とIII 族窒化
物半導体薄膜の界面から発生し、膜表面へと薄膜を貫い
ている。本発明に係る単一歪み層４はIII 族窒化物半導
体とは異なる材料であり、共有結合性で結合力の強いシ
リコンやゲルマニウムからなる。そのため単一歪み層４
は、第１のIII 族窒化物半導体層３ａ中の貫通転位に連
なる貫通転位を単一歪み層４中でbending し、ループを
形成させ、表面方向へは貫通させなくする。共有結合性
の強いシリコンやゲルマニウムは転位の伝搬速度が小さ
いため、貫通転位をブロックする（A. Hashimoto et a
l., Japan.J.Appl.Phys. 30, L447(1991)にはGaAs薄膜
において貫通転位のブロックが報告されている）。ま
た、これら材料はGaN とは格子整合しないため、膜厚が
十分薄い２〜３原子層とする。これ以上の膜厚であると
単一歪み層の格子間隔が完全に緩和してしまい、この単
一歪み層と第２のIII 族窒化物半導体層３ｂ間の格子不
整合によって新たに欠陥が形成されてしまう。１原子層
以下であると、この単一歪み層は貫通転位をブロックす
ることができなくなる。
族窒化物半導体層３ａ、単一歪み層４および第１のIII
族窒化物半導体層３ｂが積層されている。従来の層構成
において、多くの貫通転位はバッファー層とIII 族窒化
物半導体薄膜の界面から発生し、膜表面へと薄膜を貫い
ている。本発明に係る単一歪み層４はIII 族窒化物半導
体とは異なる材料であり、共有結合性で結合力の強いシ
リコンやゲルマニウムからなる。そのため単一歪み層４
は、第１のIII 族窒化物半導体層３ａ中の貫通転位に連
なる貫通転位を単一歪み層４中でbending し、ループを
形成させ、表面方向へは貫通させなくする。共有結合性
の強いシリコンやゲルマニウムは転位の伝搬速度が小さ
いため、貫通転位をブロックする（A. Hashimoto et a
l., Japan.J.Appl.Phys. 30, L447(1991)にはGaAs薄膜
において貫通転位のブロックが報告されている）。ま
た、これら材料はGaN とは格子整合しないため、膜厚が
十分薄い２〜３原子層とする。これ以上の膜厚であると
単一歪み層の格子間隔が完全に緩和してしまい、この単
一歪み層と第２のIII 族窒化物半導体層３ｂ間の格子不
整合によって新たに欠陥が形成されてしまう。１原子層
以下であると、この単一歪み層は貫通転位をブロックす
ることができなくなる。
【０００９】また、第１および第２のIII 族窒化物半導
体層を有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥと記す）により形
成する場合には、シランまたはゲランなどの原料ガスを
キャリアガスにより十分に希釈して数原子層の膜厚を制
御することができるＭＯＶＰＥによる単一歪み層の形成
が適している。 実施例１ 酸洗浄に続いて水素雰囲気中加熱して清浄化したサファ
イア基板上に、ＭＯＶＰＥにより基板温度を510 ℃とし
て、膜厚30nmのGaN からなるバッファー層を成長させた
後、ＭＯＶＰＥにより基板温度を1070℃として、GaN か
らなる膜厚1 μm の第１のIII 族窒化物半導体層を成長
させた。そして、このGaN 層上に水素／窒素混合ガスで
希釈したシランガスを原料としたＭＯＶＰＥにより、基
板温度を500 ℃として、シリコンからなる厚さ３原子層
の単一歪み層を形成した後、再びＭＯＶＰＥにより基板
温度を1070℃としてMgを添加したp 型GaN からなる膜厚
3μm の第２のIII 族窒化物半導体層を形成した。ＭＯ
ＶＰＥではトリメチルガリウム、トリメチルアルミニウ
ムおよびアンモニアを原料ガスとし、窒素／水素混合ガ
スをキャリアガスとした。
体層を有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥと記す）により形
成する場合には、シランまたはゲランなどの原料ガスを
キャリアガスにより十分に希釈して数原子層の膜厚を制
御することができるＭＯＶＰＥによる単一歪み層の形成
が適している。 実施例１ 酸洗浄に続いて水素雰囲気中加熱して清浄化したサファ
イア基板上に、ＭＯＶＰＥにより基板温度を510 ℃とし
て、膜厚30nmのGaN からなるバッファー層を成長させた
後、ＭＯＶＰＥにより基板温度を1070℃として、GaN か
らなる膜厚1 μm の第１のIII 族窒化物半導体層を成長
させた。そして、このGaN 層上に水素／窒素混合ガスで
希釈したシランガスを原料としたＭＯＶＰＥにより、基
板温度を500 ℃として、シリコンからなる厚さ３原子層
の単一歪み層を形成した後、再びＭＯＶＰＥにより基板
温度を1070℃としてMgを添加したp 型GaN からなる膜厚
3μm の第２のIII 族窒化物半導体層を形成した。ＭＯ
ＶＰＥではトリメチルガリウム、トリメチルアルミニウ
ムおよびアンモニアを原料ガスとし、窒素／水素混合ガ
スをキャリアガスとした。
【００１０】得られた各層の貫通転位密度を調べたとこ
ろ、第１のIII 族窒化物（GaN ）層中では1010cm-2程度
であったが、第２のIII 族窒化物（GaN ）層中では108
〜10 9 cm-2に低減していた。 実施例２ 実施例１と同じ層構成および同じ製造手順において、単
一歪み層をシリコンからゲルマニウム（原料ガスをゲラ
ンに換え）に換えた。
ろ、第１のIII 族窒化物（GaN ）層中では1010cm-2程度
であったが、第２のIII 族窒化物（GaN ）層中では108
〜10 9 cm-2に低減していた。 実施例２ 実施例１と同じ層構成および同じ製造手順において、単
一歪み層をシリコンからゲルマニウム（原料ガスをゲラ
ンに換え）に換えた。
【００１１】その結果、実施例１と同様に第２のIII 族
窒化物半導体層（GaN ）中の貫通転位密度は108 〜109c
m--2に低減した。 実施例３ 酸洗浄に続いて水素雰囲気中加熱して清浄化したシリコ
ン基板上にＭＯＶＰＥによりAlN からなる膜厚20nmのバ
ッファー層を基板温度1070℃で形成した後、ＭＯＶＰＥ
により基板温度を1070℃としてGaN からなる膜厚1 μm
の第１のIII 族窒化物半導体層を形成した。さらに、こ
の層上にＭＯＶＰＥにより３原子層のシリコンを基板温
度500 ℃として形成して単一歪み層とした後、再びＭＯ
ＶＰＥにより基板温度を1070℃として、GaN からなる膜
厚3 μm の第２のIII 族窒化物半導体層を形成した。
窒化物半導体層（GaN ）中の貫通転位密度は108 〜109c
m--2に低減した。 実施例３ 酸洗浄に続いて水素雰囲気中加熱して清浄化したシリコ
ン基板上にＭＯＶＰＥによりAlN からなる膜厚20nmのバ
ッファー層を基板温度1070℃で形成した後、ＭＯＶＰＥ
により基板温度を1070℃としてGaN からなる膜厚1 μm
の第１のIII 族窒化物半導体層を形成した。さらに、こ
の層上にＭＯＶＰＥにより３原子層のシリコンを基板温
度500 ℃として形成して単一歪み層とした後、再びＭＯ
ＶＰＥにより基板温度を1070℃として、GaN からなる膜
厚3 μm の第２のIII 族窒化物半導体層を形成した。
【００１２】その結果、第１のIII 族窒化物半導体（Ga
N ）層中の貫通転位密度は1011cm-2程度であったもの
が、第２のIII 族窒化物半導体（GaN ）層中のそれは10
9 cm-2に低減した。 実施例４ 実施例３と同じ層構成および同じ製造手順において、単
一歪み層をシリコンからゲルマニウムに換えた。その結
果、実施例３と同様に第２のIII 族窒化物半導体層中の
貫通転位密度は108 〜109 cm-2に低減した。
N ）層中の貫通転位密度は1011cm-2程度であったもの
が、第２のIII 族窒化物半導体（GaN ）層中のそれは10
9 cm-2に低減した。 実施例４ 実施例３と同じ層構成および同じ製造手順において、単
一歪み層をシリコンからゲルマニウムに換えた。その結
果、実施例３と同様に第２のIII 族窒化物半導体層中の
貫通転位密度は108 〜109 cm-2に低減した。
【００１３】
【発明の効果】本発明によれば、単結晶基板上にGaN ま
たはAlN からなるバッファー層およびAlx Gay In1-x-y
N(0 ≦x,y かつ0 ≦x+y ≦1)からなるIII 族窒化物半導
体薄膜が積層されてなるIII 族窒化物半導体薄膜におい
て、前記III 族窒化物半導体薄膜を第１のIII 族窒化物
半導体層および第２のIII 族窒化物半導体層の２層とし
それらの間にはIV族元素からなる単一歪み層を介在させ
たため、特に２〜３原子層の単一歪み層は第１のIII 族
窒化物半導体層に生じた貫通転移をブロックし第２のII
I 族窒化物半導体層に伝えなず、第２のIII 族窒化物半
導体層中の貫通転移密度は低く、発光素子に適してい
る。
たはAlN からなるバッファー層およびAlx Gay In1-x-y
N(0 ≦x,y かつ0 ≦x+y ≦1)からなるIII 族窒化物半導
体薄膜が積層されてなるIII 族窒化物半導体薄膜におい
て、前記III 族窒化物半導体薄膜を第１のIII 族窒化物
半導体層および第２のIII 族窒化物半導体層の２層とし
それらの間にはIV族元素からなる単一歪み層を介在させ
たため、特に２〜３原子層の単一歪み層は第１のIII 族
窒化物半導体層に生じた貫通転移をブロックし第２のII
I 族窒化物半導体層に伝えなず、第２のIII 族窒化物半
導体層中の貫通転移密度は低く、発光素子に適してい
る。
【図１】本発明に係る単一歪み層を有するIII 族窒化物
半導体薄膜の断面図である。
半導体薄膜の断面図である。
１ 基板 ２ バッファー層 ３ａ 第１のIII 族窒化物半導体層 ４ 単一歪み層 ３ｂ 第２のIII 族窒化物半導体層
Claims (6)
- 【請求項１】単結晶基板上にGaN またはAlN からなるバ
ッファー層およびAl x Gay In1-x-y N(0 ≦x,y かつ0 ≦
x+y ≦1)からなるIII 族窒化物半導体薄膜が積層されて
なるIII 族窒化物半導体薄膜において、前記III 族窒化
物半導体薄膜は第１のIII 族窒化物半導体層および第２
のIII 族窒化物半導体層からなり、それらの間にはIV族
元素からなる単一歪み層が介在していることを特徴とす
るIII族窒化物半導体薄膜。 - 【請求項２】前記IV族元素はシリコンまたはゲルマニウ
ムであることを特徴とする請求項１に記載のIII 族窒化
物半導体薄膜。 - 【請求項３】前記単一歪み層の厚さは２ないし３原子層
であることを特徴とする請求項１または２に記載のIII
族窒化物半導体薄膜。 - 【請求項４】単結晶基板上にGaN またはAlN からなるバ
ッファー層を形成し、次いで前記第１および第２のIII
族窒化物半導体薄膜を有機金属気相成長により形成する
III 族窒化物半導体薄膜の製造方法において、前記バッ
ファー層上に、Alx Gay In1-x-y N (0≦x,y かつ 0≦x+
y ≦1)からなる第１のIII 族窒化物半導体層を形成し、
IV族元素からなる単一歪み層を形成してから、その上に
Alx Ga y In1-x-y N (0≦x,y かつ 0≦x+y ≦1)からなる
第２のIII 族窒化物半導体層を形成することを特徴とす
るIII 族窒化物半導体薄膜の製造方法。 - 【請求項５】前記単一歪み層を有機金属気相成長により
形成することを特徴とする請求項４に記載のIII 族窒化
物半導体薄膜の製造方法。 - 【請求項６】前記単一歪み層の有機金属気相成長にはシ
ランまたはゲランを原料ガスとして用いることを特徴と
する請求項５に記載のIII 族窒化物半導体薄膜の製造方
法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10313841A JP2000150388A (ja) | 1998-11-05 | 1998-11-05 | Ｉｉｉ族窒化物半導体薄膜およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10313841A JP2000150388A (ja) | 1998-11-05 | 1998-11-05 | Ｉｉｉ族窒化物半導体薄膜およびその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000150388A true JP2000150388A (ja) | 2000-05-30 |
Family
ID=18046161
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10313841A Pending JP2000150388A (ja) | 1998-11-05 | 1998-11-05 | Ｉｉｉ族窒化物半導体薄膜およびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000150388A (ja) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2000057460A1 (fr) * | 1999-03-23 | 2000-09-28 | Mitsubishi Cable Industries, Ltd. | PROCEDE DE CROISSANCE DE CRISTAUX SEMICONDUCTEURS COMPOSES DE GaN, ET SUBSTRAT DE SEMICONDUCTEUR |
| US6530991B2 (en) | 1999-12-14 | 2003-03-11 | Riken | Method for the formation of semiconductor layer |
| JP2004047763A (ja) * | 2002-07-12 | 2004-02-12 | Hitachi Cable Ltd | 窒化物半導体の製造方法および半導体ウェハならびに半導体デバイス |
| JP2004047762A (ja) * | 2002-07-12 | 2004-02-12 | Hitachi Cable Ltd | 窒化物半導体の製造方法および半導体ウェハならびに半導体デバイス |
| US6768137B2 (en) | 2002-03-29 | 2004-07-27 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Laminated semiconductor substrate and optical semiconductor element |
| CN1326205C (zh) * | 2001-07-25 | 2007-07-11 | 精工爱普生株式会社 | 半导体薄膜及半导体装置的制造方法、半导体装置、集成电路、电光学装置及电子机器 |
| JP2007311619A (ja) * | 2006-05-19 | 2007-11-29 | Hitachi Cable Ltd | 窒化物半導体発光ダイオード |
| CN100380588C (zh) * | 2000-06-09 | 2008-04-09 | 法国国家科学研究中心 | 氮化镓层的制备方法 |
-
1998
- 1998-11-05 JP JP10313841A patent/JP2000150388A/ja active Pending
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