JP2001338887A - Iii−v族窒化物系半導体の成長方法及び成長装置 - Google Patents

Iii−v族窒化物系半導体の成長方法及び成長装置

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JP2001338887A
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melt
group iii
nitride semiconductor
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nitrogen
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Tatsu Hirota
龍 弘田
Masami Tatsumi
雅美 龍見
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高圧をかけずに成長速度を高めることができ
るIII-V族窒化物系半導体の成長方法及び成長装置を提
供すること。 【解決手段】 本発明のIII-V族窒化物系半導体の成長
装置1は、III族元素を含むIII族融液5を収容する融液
収容部2aと、融液収容部2aを収容すると共に窒素ガ
スを導入するための導入口4を有する成長容器2と、導
入口4から導入された窒素ガスを励起して窒素プラズマ
にする励起手段3と、を備え、窒素プラズマは融液収容
部2a内のIII族融液5に到達可能であることを特徴と
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、GaN、AlN、
InN等のIII-V族窒化物系半導体を成長させる方法及
び装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来から、GaN、AlN、InN等の
III-V族窒化物系半導体を成長させる方法の一つとし
て、高圧溶液法が知られている。この高圧溶液法で例え
ばGaN結晶を成長させるには、成長容器内でGa融液
に窒素ガスを接触させた状態で当該成長容器内を高圧に
し、これにより窒素ガスをGaに溶け込ませる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記高
圧溶液法には、次のような問題があった。すなわち、高
圧溶液法は、何万気圧をも成長容器内に加える必要があ
るため、設備が大掛かりになり、コスト高になるという
問題があった。一方、設備を簡略化してコスト削減を図
るために成長容器内に加える圧力を低下させると、成長
速度が遅くなり、実用性に乏しくなってしまう。
【0004】本発明は、かかる事情に鑑みてなされたも
のであり、高圧をかけずに成長速度を高めることができ
るIII-V族窒化物系半導体の成長方法及び成長装置を提
供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明のIII-V族窒化物系半導体の成長方法は、III
族元素を含むIII族融液に、窒素プラズマを接触させる
ことでIII-V族窒化物系半導体を成長させることを特徴
とする。
【0006】本発明に係るIII-V族窒化物系半導体の成
長方法によれば、分子状態よりも反応を起こし易い窒素
プラズマがGa等のIII族元素を含んだIII族融液に接触
するため、窒素をIII族融液に溶け込ませ易く、高圧を
かけることなく容易にGaN等のIII-V族窒化物系半導
体を成長させることができる。しかも、窒素プラズマが
III族融液の表面に接触するとIII族融液の表面の温度が
上昇し、III族融液の表面から底部に向けて温度勾配が
形成されるため、III族融液の底部にGaNを速い成長
速度で成長させることができる。
【0007】また、本発明に係るIII-V族窒化物系半導
体の成長方法において、III族融液の底部を冷却しなが
ら窒素プラズマを当該III族融液に接触させることが好
ましい。
【0008】これにより、III族融液の表面から底部へ
の温度勾配をさらに急にすることができ、III族融液の
底部から表面に向けてIII-V族窒化物系半導体が速い成
長速度で成長する。このようにIII族融液の底部から表
面に向けてIII-V族窒化物系半導体を成長させると、当
該半導体の表面がIII族融液で覆われるため窒素プラズ
マの衝突によって損傷しにくくなり、III-V族窒化物系
半導体の結晶性を向上させることができる。
【0009】また、本発明のIII-V族窒化物系半導体の
成長装置は、III族元素を含むIII族融液を収容する融液
収容部と、融液収容部を収容すると共に窒素ガスを導入
するための導入口を有する成長容器と、導入口から導入
された窒素ガスを励起して窒素プラズマにする励起手段
と、を備え、窒素プラズマは融液収容部内のIII族融液
に到達可能であることを特徴とする。
【0010】本発明に係るIII-V族窒化物系半導体の成
長装置によれば、導入口から成長容器内に導入された窒
素ガスは、励起手段によって窒素プラズマにされる。そ
して、この窒素プラズマが融液収容部内のGa等のIII
族元素を含むIII族融液に接触することにより、GaN
等のIII-V族窒化物系半導体が成長する。ここで、分子
状態よりも反応を起こし易い窒素プラズマをIII族融液
に接触させるため、窒素をIII族融液に溶け込ませ易
く、高圧をかけることなく容易にIII-V族窒化物系半導
体を成長させることができる。しかも、窒素プラズマが
III族融液の表面に接触するとIII族融液の表面の温度が
上昇し、III族融液の表面から底部に向けて温度勾配が
形成されるため、III族融液の底部にGaNを速い成長
速度で成長させることができる。
【0011】また、本発明に係るIII-V族窒化物系半導
体の成長装置において、融液収容部の底部を冷却する冷
却手段をさらに備えることが好ましい。
【0012】このような構成を採用した場合、冷却手段
で融液収容部の底部を冷却することにより、III族融液
の表面から底部への温度勾配をさらに急にすることがで
き、III族融液の底部から表面に向けてIII-V族窒化物系
半導体が速い成長速度で成長する。このようにIII族融
液の底部から表面に向けてIII-V族窒化物系半導体を成
長させると、当該半導体の表面がIII族融液で覆われる
ため窒素プラズマの衝突によって損傷しにくくなり、II
I-V族窒化物系半導体の結晶性を向上させることができ
る。
【0013】
【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して、本発
明に係るIII-V族窒化物系半導体の成長方法及び成長装
置の好適な実施形態について詳細に説明する。尚、同一
要素には同一符号を用いるものとし、重複する説明は省
略する。
【0014】[第1実施形態]図1は、本実施形態の成
長装置1を示す断面図である。同図に示すように、本実
施形態の成長装置1は、石英製の成長容器2と、この成
長容器2の外周を取り巻く高周波コイル3と、を備えて
おり、成長容器2の上部には、窒素ガスを内部に導入す
るための導入管(導入口)4が嵌挿されている。また、
成長容器2の内部には、III族融液であるGa融液5が
収容されている。尚、本実施形態では、成長容器2の底
部2a自体がGa融液5を収容するための融液収容部と
しての役割を果たしているが、Ga融液を収容するため
の容器を融液収容部として成長容器2内に装備してもよ
い。
【0015】また、高周波コイル3は、図示を省略する
電源から高周波電流を供給されることで、導入管4から
成長容器2内に導入された窒素ガスを高周波加熱によっ
て励起し、プラズマ状態にするものである。以下におい
て、プラズマ状態にある窒素を窒素プラズマと称する。
なお、窒素プラズマには、N*(窒素ラジカル)や、N2
+、N2 -等のイオン状のプラズマが含まれる。
【0016】次に、図1を参照して、本実施形態のIII-
V族窒化物系半導体の成長方法を説明する。まず、導入
管4より窒素ガスを5×10-3l/min(標準状態
で)導入し、高周波コイル3に高周波電流を流す。する
と、図中の破線Xで示す領域において窒素ガスが励起さ
れ、窒素プラズマとなる。そして、この窒素プラズマが
Ga融液5に接触することで、III族窒化物系半導体で
あるGaN(窒化ガリウム)10が成長する。尚、Ga
融液5の温度を約1000℃、成長容器2内の圧力を約
1000〜5000Paとして窒素ガスを成長容器2内
に1時間導入したところ、GaN10の膜厚は約50〜
100μmとなった。
【0017】ここで、本実施形態では、分子状態よりも
反応を起こし易い窒素プラズマがGa融液5に接触する
ため、窒素がGa融液5に溶け込み易く、窒素とGaと
を反応させ易い。このため、高圧をかけることなく容易
にGaN10を成長させることができる。しかも、窒素
プラズマは分子状態の窒素よりもエネルギ状態が高いた
め、窒素プラズマがGa融液5の表面に接触するとGa
融液5の表面の温度が上昇し、Ga融液5の表面から底
部に向けて温度勾配が形成される。これにより、Ga融
液5の底部にGaN10を速い成長速度で成長させるこ
とができる。
【0018】本実施形態のようにGa融液5の底部から
表面に向けてGaN10が成長すると、GaN10の表
面がGa融液5で覆われるため窒素プラズマの衝突によ
って損傷しにくくなり、GaN10の結晶品質を向上さ
せることができる。
【0019】また、上述のように本実施形態では成長容
器2内を高圧にすることなく常圧ないし低圧のままGa
N10を成長させることができるため、温度制御、圧力
制御、及び窒素ガスの導入作業等が、高圧炉を使用する
場合と比較して格段に容易になり、しかも、設備を簡略
化でき、コストを大幅に削減することができる。
【0020】また、本実施形態において、成長容器2内
に滞留させるGa融液5を少なくしてGa融液5の厚さ
を薄くすれば、Ga融液5の表面に衝突した窒素プラズ
マがGa融液5の底部に到達するまでの時間を短縮する
ことができ、GaN10の成長速度をさらに高めること
ができる。また、Ga融液5の厚さを薄くすることでG
a融液5における対流を抑制することができ、これによ
り、GaN10の成長界面の温度が安定し、GaN10
の結晶品質を一層向上することができる。
【0021】[第2実施形態]次に、図2を参照して、
本発明の第2実施形態を説明する。本実施形態の成長装
置1が第1実施形態と異なるのは、成長容器2の底部を
冷却する冷却部11が設けられている点である。冷却部
11は、ステンレスによって形成されており、成長容器
2の底部下面すなわち融液収容部の下面に接触してい
る。
【0022】このような冷却部11で成長容器2の底部
を冷却すると、Ga融液5の表面から底部への温度勾配
がさらに急になり、より確実にGa融液5の底部から表
面に向けてGaN10を成長させることができると共
に、成長速度を高めることができる。尚、GaN10が
Ga融液5の表層部から底部に向けて成長する場合は、
析出したGaN10が障壁となって窒素プラズマがGa
N10の下方に位置するGa融液5に到達することがで
きなくなるため多量のGaN10を得ることができない
が、本実施形態によればこのような問題を回避すること
ができる。
【0023】Ga融液5の温度を約1000℃とし、成
長容器2内の圧力を約1000〜5000Paとし、冷
却部11によって成長容器2の底部を約800℃に冷却
して窒素ガスを成長容器2内に1時間導入したところ、
GaN10の膜厚は約150μmとなった。
【0024】尚、冷却部11は、必ずしもステンレスで
形成する必要はなく、この他、銅等の金属、グラファイ
ト、又はカーボン等によって形成してもよい。さらに、
冷却部11として、成長容器2の底部を冷却する空冷フ
ァンを設けてもよい。
【0025】図3は、第2実施形態の変形例である。本
変形例では、成長容器2を支持部材18によって支持し
ている。この支持部材18には円形の貫通孔16が形成
されており、成長容器2の底部はこの貫通孔16から露
出し、支持部材18が載置されると共にGa融液5の温
度よりも低温の床20と対面している。このように構成
した場合も、Ga融液5の底部から床20への熱輻射に
よってGa融液5の底部を冷却することができる。これ
により、Ga融液5の表面から底部への温度勾配を急に
することができ、Ga融液5の底部から表面に向けてG
aN10を成長させることができる。尚、成長容器2の
底部下面に、光の透過率の良いサファイアロッド等を垂
下させ、当該サファイアロッドを介してGa融液5の底
部の熱を輻射によって床20へ放出させてもよい。
【0026】以上、本発明者によってなされた発明を実
施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記各実
施形態に限定されるものではない。例えば、成長容器内
に導入された窒素をプラズマ状態にする手法として、マ
イクロ波を窒素に照射して励起させる手法や、インパル
ス式の高周波高電圧を利用する公知の手法を利用しても
よい。また、III-V族窒化物系半導体として、GaNの
他、AlN、InN等も成長させることができる。
【0027】
【発明の効果】以上説明したように、本発明に係るIII-
V族窒化物系半導体の成長方法及び成長装置によれば、
分子状態よりも反応を起こし易い窒素プラズマがGa等
のIII族元素を含んだIII族融液に接触するため、窒素を
III族融液に溶け込ませ易く、高圧をかけることなく容
易にGaN等のIII-V族窒化物系半導体を成長させるこ
とができる。しかも、窒素プラズマがIII族融液の表面
に接触するとIII族融液の表面の温度が上昇し、III族融
液の表面から底部に向けて温度勾配が形成されるため、
III族融液の底部にGaNを速い成長速度で成長させる
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るIII-V族窒化物系半導体の成長装
置の第1実施形態を示す断面図である。
【図2】本発明に係るIII-V族窒化物系半導体の成長装
置の第2実施形態を示す断面図である。
【図3】第2実施形態の変形例を示す図である。
【符号の説明】
1…成長装置、2…成長容器、2a…成長容器の底部
(融液収容部)、3…高周波コイル(励起手段)、4…
導入管(導入口)、5…Ga融液(III族融液)、10
…GaN(III-V族窒化物系半導体)11…冷却部(冷
却手段)、16…貫通孔、18…支持部材、20…床。
フロントページの続き Fターム(参考) 4G077 AA03 BE15 CC04 EC03 EG30 EJ10 HA12 5F053 AA03 AA48 BB38 BB57 DD20 FF01 GG01 HH01 HH04 RR03 RR05

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 III族元素を含むIII族融液に、窒素プラ
    ズマを接触させることでIII-V族窒化物系半導体を成長
    させることを特徴とするIII-V族窒化物系半導体の成長
    方法。
  2. 【請求項2】 前記III族融液の底部を冷却しながら前
    記窒素プラズマを当該III族融液に接触させることを特
    徴とする請求項1記載のIII-V族窒化物系半導体の成長
    方法。
  3. 【請求項3】 III族元素を含むIII族融液を収容する融
    液収容部と、 前記融液収容部を収容すると共に、窒素ガスを導入する
    ための導入口を有する成長容器と、 前記導入口から導入された窒素ガスを励起して窒素プラ
    ズマにする励起手段と、を備え、 前記窒素プラズマは前記融液収容部内のIII族融液に到
    達可能であることを特徴とするIII-V族窒化物系半導体
    の成長装置。
  4. 【請求項4】 前記融液収容部の底部を冷却する冷却手
    段をさらに備えることを特徴とする請求項3記載のIII-
    V族窒化物系半導体の成長装置。
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