JP2000252217A

JP2000252217A - 化合物半導体の製造方法

Info

Publication number: JP2000252217A
Application number: JP5265699A
Authority: JP
Inventors: Kensaku Motoki; 健作元木; Naoki Matsumoto; 直樹松本
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1999-03-01
Filing date: 1999-03-01
Publication date: 2000-09-14
Anticipated expiration: 2019-03-01
Also published as: JP3658756B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ＧａＮ単結晶基板上に良好な窒化物系化合物
半導体層を形成することが可能な化合物半導体の製造方
法を提供する。【解決手段】ＧａＮ単結晶基板１上に形成された窒化
物系化合物半導体層２を備える化合物半導体の製造方法
において、ＧａＮ単結晶基板１をアンモニアガスを含む
混合ガス雰囲気中で加熱した後、窒化物系化合物半導体
層２の原材料をＧａＮ単結晶基板１上に供給して窒化物
系化合物半導体層を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、化合物半導体の製
造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＧａＮ系化合物半導体層を用いた発光デ
バイスは、短波長の光を出射するものとして、近年注目
を集めている。ＧａＮ系化合物半導体層、すなわち好適
にはＧａＮエピタキシャル層を形成するための基板とし
ては、これと格子定数の一致するＧａＮ基板を用いるこ
とが好ましい。しかしながら、従来、ＧａＮ基板は、そ
の製造が困難であると考えられていた。

【０００３】したがって、通常は、これに格子定数の近
似し、化学的にも安定なサファイア基板が代用されてい
る。サファイア基板上にＧａＮエピタキシャル層を成長
させる方法としては、常圧ＭＯＣＶＤ法が一般的に良く
用いられる。

【０００４】この成長方法においては、水素ガスフロー
中で、サファイア基板を１０５０℃程度に保持すること
によってサーマルクリーニングした後、４５０℃から６
００℃程度の温度で、ＧａＮの低温バッファー層を基板
上に成長させ、その後、１０００℃以上の高温でＧａＮ
エピタキシャル層を成長させる。基板材料としては、Ｓ
ｉＣのような劈開性のある基板の利用も考えられるが、
ＳｉＣ基板は高価であるので、コスト高を招く。

【０００５】サファイア基板の利用には以下の問題があ
る。まず、サファイア基板はＧａＮと格子定数が近似す
るものの、一致してはいないため、格子不整合によって
転位等の欠陥が導入される。この欠陥は半導体レーザの
寿命及び電気特性を劣化させる。

【０００６】このような欠陥の影響を抑制するための研
究も行われている。サファイア基板とＧａＮエピタキシ
ャル層との間にバッファ層を介在させると、デバイスの
電気特性が改善し、鏡面状の表面を有するＧａＮエピタ
キシャル層を成長させることができる。

【０００７】しかしながら、転位等の欠陥についてはバ
ッファ層の介在によっても大きくは改善されない。現在
市販中のデバイスにおいても、ＧａＮエピタキシャル層
中には、１０⁹／ｃｍ²程度の転位が存在する。したがっ
て、デバイスの寿命は劣化したままである。

【０００８】最近、欠陥低減のための新たな手法が報告
されている。この手法は、サファイア基板上にストライ
プ状のマスクを施し、その上にＧａＮエピタキシャル層
を厚膜成長させるものである。マスクの存在によって、
ＧａＮエピタキシャル層は横方向に成長する（ラテラル
成長）。同手法の報告によれば、ＧａＮエピタキシャル
層中の欠陥密度は大きく低減されるとされている。

【０００９】しかしながら、サファイア基板は、ＧａＮ
エピタキシャル層と熱膨張が大きく異なるので、熱処理
工程において基板にソリが発生する。また、サファイア
基板は、非常に硬い材料であって劈開性がないため、そ
のダイシングにはコストがかかる。更に、サファイア基
板は劈開面を形成することができないため、これを反射
面とする半導体レーザの作製は困難である。

【００１０】そこで、原則的に最も好適であると考えら
れるＧａＮ基板の利用が注目されている。ＧａＮ基板を
用いれば、サファイア基板の形成時に用いた低温バッフ
ァ層を省略する事も可能となり、プロセス時間の短縮も
期待できる。

【００１１】ところが、上述のように、その単結晶成長
は、従来、困難であると考えられてきた。ＧａＮ単結晶
基板の気相合成及び平衡状態における超高圧下の合成は
可能であると言われてきたが、基板として使用できる程
度の大きさのものを得ることはできなかった。

【００１２】そこで、本願発明者は、窓付のマスク層を
通してＧａＮをラテラル成長させる方法を提案してきた
（特願平９−２９８３００号、特願平１０−９００８
号）。具体的には、ＧａＡｓ基板上に、ストライプや円
形の形状をしたマスクを形成し、その上にＧａＮをラテ
ラル成長させた後、ＧａＡｓ基板を除去することによ
り、ＧａＮ基板を得る方法である。これらのＧａＮ基板
上に、更にＧａＮを成長させてインゴットを作製し、こ
のインゴットからＧａＮ基板を切り出すことにより、Ｇ
ａＮ基板を量産する方法についても既に提案した（特願
平１０−１０２５４６号）。これらの新しい製法によ
り、ＧａＮ単結晶基板の商業ベースでの実現が、初めて
達成されることとなった。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、作製し
たＧａＮ単結晶基板は表面研磨を行うことによって、基
板表面に平坦性を付与する必要がある。基板表面に平坦
性を付与するため、機械研磨を行うと、基板表面にダメ
ージが導入され、研磨された表面上には多くの欠陥が存
在することとなる。この表面上に、直接、高温でＧａＮ
層をエピタキシャル成長させた場合、上記欠陥を含む加
工変質層がエピタキシャル層である窒化物系化合物半導
体層に影響を与え、その表面状態等が劣化する。本発明
は、このような課題に鑑みてなされたものであり、Ｇａ
Ｎ単結晶基板上に良好な窒化物系化合物半導体層を形成
することが可能な化合物半導体の製造方法を提供するこ
とを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、ＧａＮ単結晶
基板上に形成された窒化物系化合物半導体層を備える化
合物半導体の製造方法において、ＧａＮ単結晶基板を水
素ガス及びアンモニアガスを含む混合ガス雰囲気中で加
熱した後、窒化物系化合物半導体層の原材料をＧａＮ単
結晶基板上に供給して窒化物系化合物半導体層を形成す
ることを特徴とする。本方法によれば、ＧａＮ基板上に
良好な窒化物系化合物半導体層を形成することが可能と
なる。

【００１５】窒化物系化合物半導体層は、ＧａＮ、Ａｌ
ＧａＮ又はＩｎＧａＮであることが好ましい。

【００１６】また、加熱は９００℃以上の基板温度で行
われることが好ましい。加熱は１５秒以上行われること
が好ましい。この加熱は５分以上行われることがより好
ましい。この加熱は１５分以上行われることが更に好ま
しい。この加熱は１０００℃以上の基板温度で行われる
ことが更に好ましい。

【００１７】混合ガスは、水素ガス及び窒素ガスの少な
くともいずれか一方を更に含むことが好ましい。この場
合、アンモニアの含有率は５％以上であることが好まし
く、４０％以上であることが更に好ましい。

【００１８】加熱時において、混合ガスは流速１ｃｍ／
秒以上でＧａＮ単結晶基板の表面上を流れていることが
好ましい。

【００１９】窒化物系化合物半導体層はＭＯＣＶＤ法又
はＨＶＰＥ法によって形成されることが好ましい。

【００２０】また、加熱前に、ＧａＮ単結晶基板の表面
を研磨する工程を更に備えることが好ましい。研磨の前
に前記ＧａＮ単結晶基板をＧａＮインゴットから切り出
す工程と、ＧａＮインゴットをＧａＮ種結晶から生成す
る工程と、種結晶をＧａＮ単結晶の表面を研磨して形成
する工程と、ＧａＮ単結晶を製造する工程とを備え、Ｇ
ａＮ単結晶を製造する工程は、ＧａＡｓ基板上に窓を有
するマスク層を形成する工程と、マスク層上に気相成長
法によってＧａＮをエピタキシャル成長させた後、Ｇａ
Ａｓ基板を除去する工程とを備えることが好ましい。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態に係る
化合物半導体の製造方法ついて添付の図面に基づき説明
する。

【００２２】図１は実施の形態に係る化合物半導体の断
面図である。この化合物半導体は、ＧａＮ単結晶基板１
上に形成された窒化物系化合物半導体層２を備えてい
る。この化合物半導体は、発光ダイオード又は半導体レ
ーザ等の発光デバイスの製造中間体であり、この上に適
当なｐｎ接合、好ましくはヘテロ接合を形成し、それぞ
れに電流を供給するための電極を取り付けることによ
り、発光デバイスが完成する。

【００２３】窒化物系化合物半導体層２の構成材料とし
ては、ＡｌＮ、ＩｎＮ、Ａｌ_xＧａ₁ _-xＮ、Ｉｎ_xＧａ_1-x
Ｎ、Ａｌ_xＩｎ_1-xＮ、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ（ｘ＋ｙ
＜１、ｘ＞０、ｙ＞０）等があり得るが、ＧａＮ、Ａｌ
ＧａＮ又はＩｎＧａＮが好適なものとして列挙される。
窒化物系化合物半導体層２の構成材料としては、ＧａＮ
が最も好ましく、基板１に対してホモエピタキシャル成
長となる。

【００２４】この化合物半導体は以下のようにして製造
される。

【００２５】（Ａ）まず、ＧａＮ単結晶基板１を製造
し、製造されたＧａＮ単結晶基板１を研磨材を用いて表
面研磨し、純水等を用いて液体洗浄する（基板製造工
程）。

【００２６】（Ｂ）次に、ＧａＮ単結晶基板１を所定の
混合ガスＧ１の雰囲気内に配置し、基板温度Ｔ１で時間
ｔ１の間、加熱する（前処理工程）。

【００２７】（Ｃ）しかる後、基板温度Ｔ２の加熱状態
で、窒化物系化合物半導体層２の原材料Ｇ２を当該表面
に供給し、ＧａＮ単結晶基板１上に窒化物系化合物半導
体層２をエピタキシャル成長させる（エピタキシャル成
長工程）。

【００２８】以下、詳説する。

【００２９】（Ａ）基板製造工程については、本願発明
者は従来から提案しているが、ここでも簡単に説明す
る。

【００３０】ＧａＮ単結晶基板１は、これをＧａＮイン
ゴットから切り出すことによって製造される。ＧａＮイ
ンゴットは、ＧａＮを種結晶とし、種結晶を加熱しなが
らＧａ及びＮを含む原料ガスを種結晶に供給し、この上
にエピタキシャル成長を行わせることによって製造され
る。この種結晶はＧａＮ単結晶の表面を研磨して形成さ
れる。ＧａＮ単結晶は、ＧａＡｓ基板上に窓を有するマ
スク層を形成する工程と、このマスク層上に気相成長法
によってＧａＮをエピタキシャル成長させた後、ＧａＡ
ｓ基板を除去することによって製造される。なお、製造
されたＧａＮ単結晶基板１は、研磨材を用いて表面研磨
され、純水等を用いて液体洗浄される。また、液体洗浄
においては、適当な有機溶剤を用いてもよい。

【００３１】（Ｂ）前処理工程について詳説する。

【００３２】前処理工程に用いる混合ガスＧ１として
は、（１）アンモニアガス（ＮＨ₃）、窒素ガス
（Ｎ₂）、水素ガス（Ｈ₂）、（２）アンモニアガス、窒
素ガス、（３）アンモニアガス、水素ガスの３つの組み
合わせが列挙される。窒素ガス及び水素ガスはキャリア
ガスである。ヘリウム（Ｈｅ）やアルゴン（Ａｒ）など
の不活性ガスをキャリアガスとして使用することもでき
る。

【００３３】基板温度Ｔ１は９００℃以上が好ましい。
基板温度Ｔ１が１０００℃以上の場合は窒化物系化合物
半導体層２の結晶状態に顕著な効果が認められる。これ
らの場合の、加熱時間ｔ１は１５秒以上であることが好
ましい。また、上記結晶状態の観点から、加熱時間ｔ１
は５分以上であることがより好ましく、１５分以上行わ
れることが更に好ましい。但し、加熱時間ｔ１が１時間
以上の場合、表面形態の劣化が見られるので、必ずしも
好ましくない。最も効果が認められるのは、アンモニア
ガスを４０％以上含有した水素ガス中において、１００
０℃、５分間の加熱を行った場合である。

【００３４】前処理工程においては、混合ガスＧ１中の
アンモニアの含有率（モル濃度、モル分圧）は、５％以
上であることが好ましく、４０％以上であることが更に
好ましい。すなわち、混合ガスＧ１中のアンモニアガス
の含有量が５％以上ある場合には、表面結晶性の改質効
果が認められる。これは窒化反応を進行させるために、
最低限必要なアンモニアガスの含有量である。アンモニ
アガスの含有量が４０％以上ある場合には、更に顕著な
効果を奏することができる。

【００３５】なお、温度Ｔ１における加熱時において、
混合ガスＧ１は流速１ｃｍ／秒以上でＧａＮ単結晶基板
１の表面上を流れていることが好ましい。混合ガスＧ１
は流速１ｃｍ／分以上でＧａＮ単結晶基板１の表面上を
流れていてもよい。

【００３６】（Ｃ）エピタキシャル成長工程について説
明する。

【００３７】上記窒化物系化合物半導体層２のエピタキ
シャル成長においては、有機金属化学気相成長（ＭＯＣ
ＶＤ）法、又はハイドライド気相エピタキシャル成長
（ＨＶＰＥ）法を用いることが可能である。これらの方
法においては、窒化物系化合物半導体層２の原材料を基
板１の表面に供給する。

【００３８】窒化物系化合物半導体層２の材料として
は、好適にはＧａＮが挙げられる。ＭＯＣＶＤ法にてＧ
ａＮを形成する場合においては、その原材料Ｇ２として
は、混合ガスとしてＴＭＧ（トリメチルガリウム）及び
アンモニアガスを用いる。この原材料Ｇ２は、キャリア
ガスとして水素ガス及び窒素ガスを含む。勿論、キャリ
アガスとして、ヘリウムやアルゴンなどの不活性ガスを
用いてもよい。ＭＯＣＶＤ法にてＧａＮを形成する場合
においては、成長時の基板温度Ｔ２は１０３０℃程度
（±２０℃）に設定される。ＨＶＰＥ法にてＧａＮを形
成する場合においては、金属Ｇａをつるぼ（ボード）内
で加熱して蒸発又は昇華させながら、原料ガスとしての
アンモニアを前記Ｇａと共に基板表面に原材料Ｇ２とし
て供給し、これらと共にキャリアガスとして水素ガス及
び塩素ガスを基板表面に供給する。ＨＶＰＥ法を用いる
場合には成長時の基板温度Ｔ２は１０００℃程度（±２
０℃）に設定される。

【００３９】窒化物系化合物半導体層２の材料として
は、ＩｎＧａＮであってもよい。ＭＯＣＶＤ法にてＩｎ
ＧａＮを形成する場合においては、原材料Ｇ２として
は、混合ガスとしてＴＭＩ（トリメチルインジウム）及
びアンモニアガスを用いる。原材料Ｇ２は、キャリアガ
スとして水素ガス及び窒素ガスを含む。勿論、キャリア
ガスとしてヘリウムやアルゴンなどの不活性ガスを用い
てもよい。ＩｎＧａＮをＭＯＣＶＤ法にて形成する場合
においては、成長時の基板温度Ｔ２は８００℃程度（±
２０℃）に設定される。

【００４０】なお、（Ｂ）前処理工程においては、当該
基板表面にアンモニアを含む混合ガスＧ１を流し続けな
がら、基板温度を室温（２５℃）からＴ１まで上昇させ
て、温度Ｔ１にて前処理を行い、この後、基板温度をＴ
２に変更し、この温度Ｔ２で、（Ｃ）エピタキシャル成
長工程を行うことが好ましい。

【００４１】ＧａＮ等の窒化物系化合物半導体層２を形
成可能な他の方法としては、有機金属塩化物気相成長法
及び分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法が列挙されるが、
これらの方法においても、窒化物系化合物半導体層２の
成長は窒化物系化合物半導体層２の原材料を基板１の表
面に供給することによって行われる。

【００４２】上述の方法は、ＧａＮ単結晶基板１上に形
成された窒化物系化合物半導体層２を備える化合物半導
体の製造方法において、ＧａＮ単結晶基板１をアンモニ
アガスを含む混合ガスＧ１雰囲気中で加熱した後（Ｂ）
（前処理工程）、窒化物系化合物半導体層２の原材料Ｇ
２をＧａＮ単結晶基板１上に供給して窒化物系化合物半
導体層２を形成する（Ｃ）（エピタキシャル成長工程）
ことを特徴とする。

【００４３】本方法によれば、ＧａＮ単結晶基板１上に
良好な窒化物系化合物半導体層２を形成することが可能
となる。また、逆に（Ｂ）前処理工程を行わないで、直
接、基板表面上にエピタキシャル成長を行った場合に
は、良好な窒化物系化合物半導体層２を得ることができ
ない。この理由は、以下のように考えられる。

【００４４】上記（Ａ）基板製造工程において、完全な
表面を有するＧａＮ単結晶基板１を研磨工程によって創
出することは大変難しい。なぜならば、研磨時に基板表
面にダメージが導入されるからである。このダメージを
含む加工変質層はデバイスの特性に悪影響を与える。勿
論、より細かい研磨粒を使用して研磨するなどの工夫を
行うことによって、導入されるダメージを最小限に抑え
ることも可能であるが、ダメージが導入されることには
かわりない。これらの加工変質層を除去するためには、
化学研磨や、メカノケミカル研磨を用いるが必要である
が、加工変質層を完全に除去することは難しい。特に、
研磨キズ部に入ったやや深い加工変質層は除去が難し
い。

【００４５】この研磨表面の欠陥をなくすために、研磨
時間を大きく取り、研磨傷の低減を図っても、研磨によ
るピットが深くなることがある。すなわち、加工変質層
除去のために、長時間研磨した場合、研磨の時間経過と
共に表面にピットが出現してくる。このピットの発生原
因は、現在まだ明らかになっていないが、研磨条件もさ
ることながら、基板単結晶の何らかの欠陥に起因してい
る可能性もある。

【００４６】これらの欠陥を有するＧａＮ単結晶基板１
の表面上に、直接、すなわち、工程（Ｂ）を行わずに、
高温でのエピタキシャル成長を行った場合、たとえ窒化
物系化合物半導体層２がＧａＮであったとしても、この
場合にはホモエピタキシャル成長であるにも拘わらず、
これらの欠陥が増幅されることによって表面モフォロジ
ーが悪化し、窒化物系化合物半導体層２の結晶品質が低
下することが判明した。すなわち、基板表面上に、直
接、エピタキシャル成長を行った場合、研磨傷に沿った
凹凸部が出来る。研磨傷上へはＧａＮエピタキシャル層
が成長しにくい。加工変質層の集合部では斑模様が見ら
れる場合もある。この表面上にエピタキシャル成長をし
た場合、表面のピットは、依然としてピットのままであ
る。また、貫通転位が基板表面に露出している場合、当
該基板を用いて、その上にエピタキシャル成長をした場
合、エピタキシャル成長層の結晶内にも連続して転位が
続くものと考えられる。いずれにしても、ＧａＮ単結晶
基板１の表面上に、直接、高温でのエピタキシャル成長
を行った場合、形成されたデバイスの特性は劣化する。

【００４７】本願発明者らは、上述の前処理工程が窒化
物系化合物半導体層２の成長に大きく影響することを発
見した。すなわち、窒化物系化合物半導体層２の結晶状
態は、ＧａＮ単結晶基板１表面の状態に影響され、Ｇａ
Ｎ単結晶基板１表面の状態は、高温中で保持された場
合、その雰囲気ガスに影響される。したがって、雰囲気
ガスを調整することにより、良好な表面状態を得ること
ができれば、窒化物系化合物半導体層２の結晶状態を良
好に保持することができるはずである。そこで、以下の
実験を行った。

【００４８】（実験１）まず、水素雰囲気中において、
ＧａＮ単結晶基板１を１０００℃に保持し、その表面状
態を観察した。この場合、基板表面でＧａＮの還元反応
が生じ、表面にＧａのドロップレットが発生した。

【００４９】（実験２）次に、アンモニアガス及び水素
ガスのみを含む混合ガスＧ１雰囲気中で、ＧａＮ単結晶
基板１を１０００℃に保持し、その表面状態を観察し
た。この場合、表面に数ｎｍから数十ｎｍ程度の起伏が
発生し表面形態に若干の変動が生じたが、Ｇａのドロッ
プレットは観察されなかった。この表面上に、窒化物系
化合物半導体層２を形成した場合、上記実験１の場合よ
りも良好な結晶状態を得ることができた。

【００５０】実験２の前処理工程で観察された現象は、
表面原子の再配列を示している。これは、ＧａＮの水素
による還元反応とアンモニアによる窒化反応とが同時に
進行するために生じたものと考えられる。すなわち、エ
ピタキシャル成長工程の直前に、アンモニアガス及び水
素ガスを含む混合ガスＧ１中で、基板１を高温保持する
ことにより（Ｂ）（前処理工程）、表面原子の再配列が
生じ、ＧａＮ単結晶基板１表面の研磨時の加工変質層等
の結晶欠陥が低減されているものと考えられる。したが
って、実験２においては、この工程（Ｂ）の後に、エピ
タキシャル成長工程（Ｃ）を行うことにより、窒化物系
化合物半導体層２の結晶性が大きく改善されたものと考
えられる。

【００５１】なお、（Ｂ）前処理工程において、水素ガ
ス以外のガスも使用可能であると考えられる。勿論、ア
ンモニアガスの他に水素ガスを用いた場合、ＧａＮ表面
の還元効果が大きいため、結晶性改善の効果が顕著であ
るが、アンモニアガスに加えて水素及び窒素の混合ガス
を使用することもできる。更に、還元効果の殆どない窒
素ガスを水素ガスの代わりに使用することも可能と考え
られる。これは、同時に流すアンモニアガスの分解生成
物である水素ガスが、還元効果を持つためである。ま
た、同じ意味から、コスト高となるものの、ヘリウムガ
スやアルゴンガスなどの不活性ガスを使用することも可
能である。

【００５２】以上、説明したように、上記方法によれ
ば、ＧａＮ単結晶基板１上にエピタキシャル成長を行う
に当たり、ＧａＮ単結晶基板１表面に、研磨加工に基づ
く研磨キズのような機械的、形状的な欠陥、及び加工変
質層による結晶欠陥、結晶成長時の結晶欠陥に起因する
表面結晶欠陥等が存在する場合においても、非常に結晶
性、品質の優れた、ＧａＮからなるホモエピタキシャル
層２、又は窒化物ＩＩＩ−Ｖ族からなるエピタキシャル
層２を成長することが可能となる。これにより、従来サ
ファイア基板上のＧａＮ成長時になされているバッファ
ー層の成長が不必要となるため、工程が簡略化され、エ
ピタキシャル成長のコスト低減もされる。

【００５３】なお、前処理工程（Ｂ）後、エピタキシャ
ル成長工程（Ｃ）までの間は、アンモニアガスを流し続
けるか、窒素ガスのみを流すことにより、基板表面の還
元反応を防止する必要がある。

【００５４】

【実施例】上記実施の形態に係る化合物半導体を製造し
た。以下の実施例においては、（Ａ）基板製造工程は実
施の形態に記載の通りのものであり、ＧａＡｓ基板上
に、窓を有したマスク層を形成し、当該マスク層の上に
気相成長法によりＧａＮをエピタキシャル成長した後、
ＧａＡｓ基板を王水中でエッチング除去して得たＧａＮ
単結晶の表面をさらに研磨加工する事により得られるＧ
ａＮ単結晶基板を基板として使用する。ＧａＮ単結晶基
板１は、直径１インチ、厚さ０．３ｍｍである。この基
板表面については、機械研磨、メカノケミカル研磨を施
したが、ノマルスキー型顕微鏡で観察したところ、高倍
率において基板表面に細かい研磨傷や欠陥が認められ
た。基板表面をＣＬ（カソードルミネッセンス）により
評価したところ、バンド端発光である３６０ｎｍの発光
波長で２次元マッピングすると、研磨傷の存在が黒い筋
となって判別できた。以下の各実施例においては、
（Ｂ）前処理工程及び（Ｃ）エピタキシャル成長工程の
みが異なる。

【００５５】（実施例１）上記実施の形態に係る化合物
半導体をＭＯＣＶＤ法を用いて製造した。基板１の材料
は単結晶ＧａＮ、窒化物化合物半導体２の材料は単結晶
ＧａＮである。

【００５６】図２は実験に用いるＭＯＣＶＤ装置を示
す。この装置は、石英製のフローチャンネル１０を有す
る横型ＭＯＣＶＤ装置である。

【００５７】まず、（Ｂ）前処理工程を行った。ＧａＮ
単結晶基板１をヒータ１１が内蔵されたターンテーブル
１２上にセットした。ターンテーブル１２を回転させな
がら、ヒータ１１を加熱して基板温度を室温ＲＴ（２５
℃）から基板温度Ｔ１に昇温した。この時、チャネル１
０内には圧力Ｐ１で混合ガスＧ１を流した。実際の成長
においては、室温ＲＴからの実施温度Ｔ１までの昇温中
においても混合ガスＧ１を流しており、昇温完了後、基
板温度Ｔ１で一定時間ｔ１保持した。

【００５８】この後、連続して（Ｃ）エピタキシャル工
程を行った。この場合、ターンテーブル１２を回転させ
ながら、基板温度Ｔ２、圧力Ｐ２で混合ガスＧ２をチャ
ネル１０内に流した（成長時間ｔ２）。これにより、厚
さ２μｍのｎ型ＧａＮエピタキシャル層２を成長させ
た。実験においては、上記（Ｂ）前処理工程における混
合ガスＧ１中のアンモニア（ＮＨ₃）含有率（モル分
圧）、キャリアガス比、保持時間ｔ１を可変した。実験
条件は以下の通りである。

【００５９】

【表１】

【００６０】（評価及び結果）エピタキシャル層２成長
後の表面形態を観察して評価した。この評価としては、
サンプル表面を電子顕微鏡観察によって観察し、サンプ
ル表面の粗れが殆ど観察できないものを良好状態（ラン
クＡ）、デバイスの基板として使用不可能な程度に表面
の凹凸が著しいものを表面粗れ大の状態（ランクＥ）と
し、これらの間の状態を３ランクに分けて相対評価し、
表面粗れ中の状態を（ランクＤ）、表面粗れ小の状態を
（ランクＣ）、表面の粗れが僅かに観察できる状態を良
好状態（ランクＢ）として規定した。なお、各ランク間
の中間に位置する状態は、良い状態の場合には（＋）
を、悪い状態の場合には（−）を付加することとした。
各サンプルにおけるアンモニア含有率、キャリアガス
比、１０３０℃（Ｔ１）における保持時間ｔ１、評価結
果は以下の通りである。

【００６１】

【表２】

【００６２】サンプルＢとＤの比較により、アンモニア
含有率（モル分圧）は５％以上の場合、保持時間ｔ１が
０．２５分以上の方が良い評価結果が得られることが分
かる。サンプルＥ、Ｆの結果より、アンモニア含有率が
高く、保持時間ｔ１も長い方が、良い表面形態を生む傾
向が分かる。アンモニア含有率は０．２以上、好ましく
は０．５以上が望ましい。保持時間ｔ１も５分以上、好
ましくは１５分以上が望ましい。しかしながら、保持時
間ｔ１が６０分以上となると、若干表面形態が劣化する
傾向が認められた。また、サンプルＣの結果より、水素
ガスを含んだ方が良い評価結果が得られることが分か
る。

【００６３】サンプルＤ、Ｅ、Ｆ、Ｇについて、Ｘ線回
折法による評価を行い、Ｘ線回折ピーク（ＧａＮ）の半
値幅について調査した。ＧａＮ単結晶基板１の半値幅は
３．０分であった。サンプルＤ、Ｅ、Ｆ、Ｇの半値幅
は、いずれも２．９〜３．１分の範囲であった。したが
って、窒化物系化合物半導体層２は、ほぼ基板の状態を
そのまま反映したエピタキシャル結晶となっていること
が判明した。

【００６４】（実施例２）実施例２は実施例１と比較し
て、窒化物系化合物半導体層２の材料及び前処理の条件
のみが異なり、窒化物系化合物半導体層２は同様にＭＯ
ＣＶＤ法を用いて形成した。窒化物系化合物半導体層２
の材料はＩｎＧａＮとした。上記（Ｂ）前処理工程にお
ける保持温度Ｔ１及び保持時間ｔ１を可変した。実験条
件は以下の通りである。これにより、厚さ５００ｎｍの
ｎ型ＩｎＧａＮ（Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ）エピタキシャル
層２を成長させた。

【００６５】

【表３】

【００６６】（評価及び結果）エピタキシャル層２成長
後の表面形態を観察して評価した。評価結果は以下の通
りである。

【００６７】

【表４】

【００６８】これらの結果より、８００℃の保持温度Ｔ
１は十分ではなく、９００℃以上が好ましく、１０００
℃以上が更に好ましいことがわかった。これは、還元反
応、窒化反応ともに、９００℃以上から活発になり、表
面原子の再配列も活発化するためであると考えられる。

【００６９】（実施例３）本実施例においては、窒化物
系化合物半導体層２をＨＶＰＥ法を用いて製造した。基
板１の材料は単結晶ＧａＮ、窒化物系化合物半導体層２
の材料は単結晶ＧａＮである。

【００７０】図３は実験に用いるＨＶＰＥ装置を示す。
この装置は、チャンバ２０内に配置された金属原材料加
熱用のボード（るつぼ）２１と、チャンバ２０の外周に
設けられ、基板１を加熱するヒータ２２と、基板１を配
置する試料台２３とから構成されている。

【００７１】まず、（Ｂ）前処理工程を行った。このＨ
ＶＰＥ装置の試料台２３にＧａＮ単結晶基板１をセット
した。ヒータ２２を加熱して基板温度を室温ＲＴ（２５
℃）から基板温度Ｔ１に昇温した。この時、チャンバ２
０内の圧力がＰ１となるように混合ガスＧ１を供給し
た。実際の成長においては、室温ＲＴからの実施温度Ｔ
１までの昇温中においても混合ガスＧ１を流しており、
昇温完了後、温度Ｔ１で一定時間ｔ１保持した。

【００７２】この後、連続して（Ｃ）エピタキシャル工
程を行った。この場合、Ｇａ金属を入れたボート２１は
常に８５０℃程度に保たれ、基板温度Ｔ２、圧力Ｐ２で
混合ガスＧ２を供給した（成長時間ｔ２）。これによ
り、厚さ１μｍのｎ型ＧａＮエピタキシャル層２を成長
させた。上記（Ｂ）前処理工程における混合ガスＧ１中
のアンモニア（ＮＨ₃）含有率（モル分圧）、保持時間
ｔ１を可変した。実験条件は以下の通りである。

【００７３】

【表５】

【００７４】（評価及び結果）エピタキシャル層２成長
後の表面形態を観察して評価した。評価結果は以下の通
りである。

【００７５】

【表６】

【００７６】１０００℃の保持温度Ｔ１においては、ア
ンモニア含有率が０．０５を越えたところから表面形態
の改善が見られ、０．４を越えると表面形態は更に改善
された。保持時間ｔ１は、条件によっては０．２５分か
ら効果が見られるが、長い方が効果は大きい事が分か
る。本実験においては、アンモニアガスの含有率が０．
５、基板温度Ｔ１が１０００℃、保持時間が１５分の場
合、最も良好な表面が得られた。以上のようにＨＶＰＥ
法においても、ＭＯＣＶＤ法の結果とほぼ同じ結果が得
られた。

【００７７】

【発明の効果】本発明の方法によれば、ＧａＮ単結晶基
板上に良好な窒化物系化合物半導体層を形成することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】化合物半導体の断面図。

【図２】ＨＶＰＥ装置の構成図。

【図３】ＭＯＣＶＤ装置の構成図。

【符号の説明】

１…ＧａＮ単結晶基板、２…窒化物系化合物半導体層。

フロントページの続きＦターム(参考） 5F041 CA34 CA35 CA40 CA64 CA65 CA73 CA74 CA77 5F045 AA04 AA07 AB14 AB40 AC12 AC15 AC16 AC17 AD13 AD14 AF04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＧａＮ単結晶基板上に形成された窒化物
系化合物半導体層を備える化合物半導体の製造方法にお
いて、前記ＧａＮ単結晶基板をアンモニアガスを含む混
合ガス雰囲気中で加熱した後、前記窒化物系化合物半導
体層の原材料を前記ＧａＮ単結晶基板上に供給して前記
窒化物系化合物半導体層を形成することを特徴とする化
合物半導体の製造方法。
【請求項２】前記窒化物系化合物半導体層は、Ｇａ
Ｎ、ＡｌＧａＮ又はＩｎＧａＮであることを特徴とする
請求項１に記載の化合物半導体の製造方法。
【請求項３】前記加熱は９００℃以上の基板温度で行
われることを特徴とする請求項１に記載の化合物半導体
の製造方法。
【請求項４】前記加熱は１５秒以上行われることを特
徴とする請求項３に記載の化合物半導体の製造方法。
【請求項５】前記加熱は５分以上行われることを特徴
とする請求項３に記載の化合物半導体の製造方法。
【請求項６】前記加熱は１５分以上行われることを特
徴とする請求項３に記載の化合物半導体の製造方法。
【請求項７】前記加熱は１０００℃以上の基板温度で
行われることを特徴とする請求項１に記載の化合物半導
体の製造方法。
【請求項８】前記混合ガスは、水素ガス及び窒素ガス
の少なくともいずれか一方を更に含むことを特徴とする
請求項１に記載の化合物半導体の製造方法。
【請求項９】前記アンモニアの含有率は５％以上であ
ることを特徴とする請求項８に記載の化合物半導体の製
造方法。
【請求項１０】前記アンモニアの含有率は４０％以上
であることを特徴とする請求項８に記載の化合物半導体
の製造方法。
【請求項１１】前記加熱時において、前記混合ガスは
流速１ｃｍ／秒以上で前記ＧａＮ単結晶基板の表面上を
流れていることを特徴とする請求項１に記載の化合物半
導体の製造方法。
【請求項１２】前記窒化物系化合物半導体層はＭＯＣ
ＶＤ法又はＨＶＰＥ法によって形成されることを特徴と
する請求項１に記載の化合物半導体の製造方法。
【請求項１３】前記加熱前に、前記ＧａＮ単結晶基板
の表面を研磨する工程を更に備えることを特徴とする請
求項１に記載の化合物半導体の製造方法。
【請求項１４】前記研磨の前に前記ＧａＮ単結晶基板
をＧａＮインゴットから切り出す工程と、前記ＧａＮイ
ンゴットをＧａＮ種結晶から生成する工程と、前記種結
晶をＧａＮ単結晶の表面を研磨して形成する工程と、前
記ＧａＮ単結晶を製造する工程とを備え、前記ＧａＮ単
結晶を製造する工程は、ＧａＡｓ基板上に窓を有するマ
スク層を形成する工程と、前記マスク層上に気相成長法
によってＧａＮをエピタキシャル成長させた後、前記Ｇ
ａＡｓ基板を除去する工程とを備えることを特徴とする
請求項１３に記載の化合物半導体の製造方法。