JP2003031509A

JP2003031509A - 化合物半導体の製造方法

Info

Publication number: JP2003031509A
Application number: JP2001218681A
Authority: JP
Inventors: Takuji Okahisa; 拓司岡久; Kikurou Takemoto; 菊郎竹本; Kensaku Motoki; 健作元木; Akinori Koketsu; 明伯纐纈
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2001-07-18
Filing date: 2001-07-18
Publication date: 2003-01-31
Anticipated expiration: 2021-07-18
Also published as: JP3975700B2

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】この方法は、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を塩化水素
ガスを含む混合ガス雰囲気中で加熱することにより基板
１の表面層をエッチングする気相エッチング工程と、気
相エッチング工程の後に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半導体層成長工程とを備える。

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単結晶基板
上に形成された窒化物系化合物半導体層、特に、ＩＩＩ
−Ｖ族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。従来、サファイア基板を下地とするＧａ
Ｎ系化合物半導体層の製造方法が提案されていたが、本
願発明者らは、これに代えてＧａＮ単結晶基板を用いる
ことにより、ＧａＮ系化合物半導体層を成長させる方法
について考案した。特開２０００−２５２２１７号公報
は、かかる製造方法を開示するものである。同公報に記
載の製造方法によれば、ＧａＮ系化合物半導体の形成前
に、アンモニアガスでＧａＮ単結晶基板の表面処理を行
うことにより、優れた特性のＧａＮ系化合物半導体層を
製造することができるとされている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＧａＮ
単結晶基板上に形成された窒化物系化合物半導体層の特
性は更なる改善が期待されている。本発明は、このよう
な課題に鑑みてなされたものであり、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ことを目的とす
る。

【０００４】

【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、前記ＧａＮ単結晶基板
を塩化水素ガスを含む混合ガス雰囲気中で加熱すること
により前記基板の表面層をエッチングする気相エッチン
グ工程と、前記気相エッチング工程の後に前記窒化物系
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半導体層
成長工程とを備え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。

【０００５】塩化水素を含む上記混合ガスは、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もの
であることが好ましく、この混合ガス中の塩化水素の含
有率は０．０１％以上であることが好ましい。また、気
相エッチング工程の加熱は６００℃以上の基板温度で行
われ、この加熱は３０秒以上行われることが好ましい。
気相エッチング工程において、前記混合ガスは流速１ｃ
ｍ／秒以上でＧａＮ単結晶基板の表面上を流れており、
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。

【０００６】前記気相エッチング工程と前記半導体層成
長工程との間に表面処理工程を備え、この表面処理工程
は、前記ＧａＮ単結晶基板をアンモニアを含むガス雰囲
気中において９００℃以上の温度で１５秒以上加熱する
工程を有することが好ましい。

【０００７】なお、前記窒化物系化合物半導体層は、Ｇ
ａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、Ａｌ_XＧａ₁ _-XＮ、Ｉｎ_XＧａ_1-X
Ｎ、Ａｌ_XＩｎ_1-XＮ、又はＡｌ_XＩｎ_YＧａ_1-XＮ_1-Y（Ｘ
＋Ｙ＜１、Ｘ＞０、Ｙ＞０）である。

【０００８】

【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。

【０００９】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。

【００１０】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。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、この場合、基板１に対してホモエピタキシャル成長
となる。

【００１１】この化合物半導体を製造するためには、ま
ず、ＧａＮ単結晶基板１を用意する。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。

【００１２】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、ＧａＡｓ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。もちろん、市販のＧａＮ単結晶基板１を用意しても
よい。

【００１３】上記化合物半導体は、ＧａＮ単結晶基板１
を用意した後、以下の（：気相エッチング工程）、
（：半導体層成長工程）を順次行うことによって製造
される。

【００１４】（：気相エッチング工程）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。気相エッチング工
程に用いる混合ガスＧ１は、塩化水素ガス（ＨＣｌ）を
含むものであり、キャリアガスとして窒素ガス及び／又
は水素ガスを含むものである。キャリアガスとしては、
水素又は窒素を単独で用いてよい。水素ガスは還元効果
を有するので、水素ガスをキャリアガスとして使用する
とエッチング効果が大きくなる。なお、窒素をキャリア
ガスとして単独で用いた場合においても、塩化水素ガス
の分解生成物として水素が生成されているため、エッチ
ング処理は行われることとなる。したがって、キャリア
ガスとしては、ヘリウム（Ｈｅ）やアルゴン（Ａｒ）な
どの不活性ガスを使用することもできる。

【００１５】基板温度Ｔ１は６００℃以上が好ましい。
基板温度Ｔ１が６００℃以上の場合は気相エッチングが
進行し、７５０度以上の場合には気相エッチングが顕著
に進行し、これらの場合には、窒化物系化合物半導体層
２の結晶状態に顕著な改善効果が認められる。この場合
の加熱時間ｔ１は、３０秒以上であることが好ましく、
気相エッチング効果が観察される。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。この混合ガス中の塩化水素の含
有率（モル濃度、モル分圧）は０．０１％以上であるこ
とが好ましく、より好ましくは０．５％以上であること
が望ましい。

【００１６】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。

【００１７】最も効果が認められるのは、塩化水素ガス
を０．５％以上含有した水素ガス中において、７５０
℃、２０分間の加熱を行った場合である。

【００１８】（：半導体層成長工程）上述の気相エッ
チング工程によって、ＧａＮ単結晶１の損傷した表面層
を除去した後、半導体層成長工程を行う。これにより、
表面状態が良好なＧａＮ単結晶１が露出しているので、
これを下地として窒化物系化合物半導体層２を形成する
ことにより、窒化物系化合物半導体層２がエピタキシャ
ル成長し、その結晶状態を良好とすることができる。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（ＭＯＣＶＤ）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。

【００１９】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。

【００２０】ＭＯＣＶＤ法にてＧａＮ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Ｔ
ＭＧ（トリメチルガリウム）及び塩化水素ガスを用い
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。ＭＯＣ
ＶＤ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℃（±２０℃）に設定される。

【００２１】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、原料ガスとしての塩化水素を前記
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℃（±２０℃）に設定される。

【００２２】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ＴＭＧに加えて、ＴＭＩ（トリメチ
ルインジウム）及び塩化水素ガスを用いる。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８
００℃程度（±２０℃）に設定される。

【００２３】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。

【００２４】また、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、Ａｌ
ＩｎＮ、又はＡｌＩｎＧａＮを製造するに場合には、こ
れらの原料をＧａＮ単結晶基板１上に供給しながら、こ
れらが基板上のエピタキシャル成長する製法に応じた公
知の温度でＧａＮ基板１を加熱すればよい。

【００２５】なお、上記気相エッチング工程と半導体層
成長工程との間に以下の表面処理工程を備えることとし
てもよい。この表面処理工程は、ＧａＮ単結晶基板１を
アンモニア（ＮＨ₃）を含むガスＧαの雰囲気中におい
て９００℃以上の温度Ｔαで、時間ｔα＝１５秒以上加
熱する工程を有する。

【００２６】（表面処理工程）この表面処理工程にお
いては基板温度Ｔαは９００℃以上が好ましい。基板温
度Ｔαが１０００℃以上の場合は窒化物系化合物半導体
層２の結晶状態に更に顕著な効果が認められる。これら
の場合の、加熱時間ｔα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ｔα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ｔα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、１０００
℃、５分間の加熱を行った場合である。

【００２７】表面処理工程においては、混合ガスＧα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Ｇα中のアンモニアガス
の含有量が５％以上ある場合には、表面結晶性の更なる
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。

【００２８】なお、温度Ｔαにおける加熱時において、
混合ガスＧα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Ｇα
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。

【００２９】表面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Ｇαを流し続けながら、基板
温度を室温（２５℃）からＴαまで上昇させて、温度Ｔ
αにて表面処理を行い、この後、基板温度をＴ２に変更
し、この温度Ｔ２で、上述の半導体層成長工程を行うこ
とが好ましい。

【００３０】上述の方法によれば、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。この理由は以下のように考えられる。

【００３１】まず、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作製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、結晶成長
時の下地として機能するため、上部に形成される窒素系
化合物半導体２に悪影響を与える。通常、機械研磨や化
学研磨を用いて、当該加工変質層を除去することができ
るものと考えられるが、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。

【００３２】上述の実施形態の製造方法においては、塩
化水素を用いた気相エッチングにより加工変質層を除去
している。この方法によれば、下地状態を良好に変性さ
せることができ、最終的に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の結晶状態は、当該工
程を行わないで形成されたものよりも良好となる。

【００３３】また、本願発明者らは、上述の表面処理工
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
ことについて提案してきた（特開２０００−２５２２１
７号公報）。これは、アンモニアに含まれる水素による
還元反応と窒素による窒化反応をＧａＮ単結晶基板１の
表面上で同時に行うことにより、表面における選択的ピ
ットの形成を抑制しつつ、表面原子の再配列を行う方法
であり、上述の気相エッチング工程と組み合わせること
により、結晶成長における下地状態を更に良好に保持す
るものである。

【００３４】なお、表面処理工程後、半導体層成長工程
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。

【００３５】

【実施例】上記実施の形態に係る化合物半導体を製造し
た。化合物半導体の製造に用いる種結晶は、いずれの実
施例においても共通であり、GaN単結晶基板１を用い
た。このＧａＮ単結晶基板は、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。ＧａＮ単
結晶基板１は、直径２インチ、厚さ０．４ｍｍである。

【００３６】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、このＧａＮ単結晶基板１を用いる。

【００３７】以下の各実施例においては、上述の気相
エッチング工程、半導体層成長工程、表面処理工程
を適宜組み合わせて用いる。また、実施例１〜４におけ
る半導体層成長工程においてはMOCVD法を用い、実施
例５における半導体層成長工程においてはHVPE法を用
いる。

【００３８】（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、窒化物系化合物半導体層２の材料は単
結晶ＧａＮである。

【００３９】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。実施例１においては、上
記気相エッチング工程及び半導体層成長工程を続け
て用いる。まず、塩化水素ガスを用いて上述の気相エッ
チング工程を行った。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１０内には圧力Ｐ１で混合ガ
スＧ１を流した。

【００４０】実際のエッチングにおいては、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ｔ
１保持した。

【００４１】しかる後、基板温度をT１からT２に昇温
し、これに連続して成長温度T２でエピタキシャル工程
を行った。基板温度をT１からT２に昇温する際には、チ
ャンバ内部が１気圧となるようにアンモニアガスをチャ
ネル１０内に供給し、GaNの蒸気圧を抑制した。半導体
層成長工程においては、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。本実験の条件は以下の通りである。

【００４２】

【表１】

【００４３】なお、各サンプル１〜８における気相エッ
チング条件（基板温度Ｔ１、保持時間ｔ１、塩化水素含
有率Ｃ１、キャリアガス比Ｒ１（＝Ｈ₂：Ｎ₂）は以下の
通りである。

【００４４】

【表２】

【００４５】（実施例２）キャリアガスの影響を調べる
ため、上記実施例１における気相エッチング工程におい
て、エッチングガスとしての塩化水素の他にキャリアガ
スとして窒素のみを用い、しかる後、温度T２で半導体
層成長工程を行った（サンプル９）。他の工程は，実施
例１と同一である。また、比較のため、実施例１におけ
る気相エッチング工程を行わず、室温から成長温度T２
に至る間に、表面処理温度Tαを設定し、アンモニアガ
スを含む混合ガスGαの雰囲気中において基板温度Tαを
一定時間ｔαだけ保持し、表面処理工程を行い、続い
て、半導体成長工程を行った（サンプル１０）。他の工
程は，実施例１と同様である。

【００４６】各サンプル９，１０における気相エッチン
グ条件（基板温度Ｔ１、保持時間ｔ１、塩化水素含有率
Ｃ１、キャリアガス比Ｒ１（＝Ｈ₂：Ｎ₂）は以下の通り
である。

【００４７】

【表３】

【００４８】（実施例３）上記サンプル９の製造工程に
表面処理工程を加えて化合物半導体を製造した（サン
プル１１）。すなわち、まず、基板温度を室温ＲＴ（２
５℃）から基板温度Ｔ１に昇温し、チャネル１０内には
混合ガスＧ１を流し、塩化水素ガスによる気相エッチ
ング工程を行った。

【００４９】サンプル１１における気相エッチング条件
（基板温度Ｔ１、保持時間ｔ１、塩化水素含有率Ｃ１、
キャリアガス比Ｒ１（＝Ｈ₂：Ｎ₂）は以下の通りであ
る。

【００５０】

【表４】

【００５１】しかる後、基板温度をT１からTαに昇温し
て混合ガスGαを流すことで保持時間ｔαだけ表面処
理工程を行い、次に、基板温度をT２に設定してエピタ
キシャル工程を行った。表面処理工程の実験条件は以
下の通りである。

【００５２】

【表５】

【００５３】（実施例４）実施例３における気体エッ
チング工程及び表面処理工程を行った後、GaN単結晶
に代えてGaInN単結晶を形成するための半導体層成長
工程を行い、サンプル１２〜２０を作製した。形成され
たｎ型ＧａＩｎＮ単結晶の厚さは５００ｎｍ、組成はＩ
ｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎである。

【００５４】なお、各工程−間、工程−間にお
いては、アンモニアガスを１気圧でチャンバ内に供給し
た。実施例４の実験条件は以下の通りである。

【００５５】

【表６】

【００５６】なお、各サンプル１２〜２０における気相
エッチング条件（基板温度Ｔ１、保持時間ｔ１、塩化水
素含有率Ｃ１、キャリアガス比Ｒ１（＝Ｈ₂：Ｎ₂）は以
下の通りである。

【００５７】

【表７】

【００５８】（実施例５）ＧａＮ単結晶基板に表面研磨
加工を施さず、ＨＶＰＥ法によって成長表面上に直接Ｇ
ａＮエピタキシャル成長を行った。

【００５９】図２はＨＶＰＥ装置の断面構成図である。
チャンバ２０の外周には加熱器２２が配置されており、
内部は排気されている。チャンバ２０内には、アンモニ
アガス、水素ガス、窒素ガス、塩素ガスが導入可能な構
成とされており、Ｇａ金属を入れたボードが配置されて
いる。Ｇａ金属は加熱と同時に原料ガスが当たることに
より当該原料ガスに取り込まれ、キャリアガスによって
基板１の表面まで運ばれ、基板１の表面でＧａＮ単結晶
が成長する。

【００６０】この成長においては、まず、表面研磨加工
を特別には行わなわないＧａＮ単結晶基板１を用意し
た。これを試料ホルダー２３上に固定し、気相エッチ
ング工程、半導体層成長工程を順次行った。なお、各
工程−間においては、アンモニアガスを１気圧でチ
ャンバ内に供給した。実施例５の実験条件は以下の通り
である。

【００６１】

【表８】

【００６２】なお、各サンプル１２〜２０における気相
エッチング条件（基板温度Ｔ１、保持時間ｔ１、塩化水
素含有率Ｃ１、キャリアガス比Ｒ１（＝Ｈ₂：Ｎ₂）は以
下の通りである。

【００６３】

【表９】

【００６４】（評価及び結果）実施例１〜４のサンプル
に関しては、エピタキシャル成長した半導体層２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。

【００６５】なお、実施例５のサンプルに関しては、
（０００１）面や（１１−２２）面等が表面上に現れて
いるため、半導体層２の厚み方向に平行な（１０−１
０）面に沿って当該サンプルを切断し、切断面を研磨し
た後、この面を断面を蛍光顕微鏡で観察し、半導体層２
の結晶性を評価した。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、基板１と半導体層２
との界面が観察できないものを良好状態（ランクＡ）、
界面が明確に観察でき、且つ、界面より多結晶や面方位
の異なる結晶が多数成長しているものを（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、
界面が明確に観察でき、且つ、界面より多結晶や面方位
の異なる結晶が少数成長しているものを（ランクＤ）、
界面より多結晶や面方位の異なる結晶は成長していない
が界面が明確に観察できるものを（ランクＣ）、界面が
僅かに観察できるものを（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。

【００６６】以下、各サンプルの評価結果を示す。

【００６７】

【表１０】

【００６８】

【表１１】

【００６９】

【表１２】

【００７０】

【表１３】

【００７１】

【表１４】

【００７２】（結果１）サンプル１〜２９の評価結果を
比較すると、成長させる窒化物系化合物半導体がＧａＮ
であるか、ＩｎＧａＮであるか、成長方法がＭＯＣＶＤ
法であるか、ＨＶＰＥ法であるかに拘らず、基板温度Ｔ
１が６００℃以上、好ましくは７５０度以上、保持時間
ｔ１も１分間、好ましくは２０分間以上の方が良い評価
結果が得られることが判明した。なお、材料の融点を超
える加熱は行わない。

【００７３】（結果２）同様に、各実施例において、気
相エッチング工程時の塩化水素含有率は０．０１％以上
が望ましいことが分かった。

【００７４】（結果３）実施例１において、表面状態の
良いサンプル７，８の結晶状態を調査した。サンプル
７，８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）の半値幅を測定した。種結晶となるＧ
ａＮ単結晶基板１の半値幅は２分であった。サンプル
７，８の半値幅は、いずれも１．９〜２．１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。したがって、気相エッチン
グ工程におけるキャリアガスとして、水素を用いた場合
においても、また、水素に加えて窒素を用いた場合にお
いても、その後の半導体層成長工程において、エピタキ
シャル成長が達成されていることが判明した。

【００７５】（結果４）実施例１において、サンプル
６，７，８の比較より、塩化水素含有率は０．５％以上
が望ましいことが分かる。また、サンプル７，８の比較
により、キャリアガスに水素を含んだ方が良い結果が得
られることが分かる。また、キャリアガスが水素を含
み、窒素を含まない場合においても、塩化水素含有率が
０．５％以上の場合には、サンプル５よりも良い表面状
態のエピタキシャル層２が得られた。サンプル１７〜２
０及びサンプル２６〜２９についても同様の結果が得ら
れた。

【００７６】（結果５）サンプル９，１０の比較よ
り、表面処理工程を行わず気相エッチング工程のみを行
った場合にも、気相エッチング工程を行わず表面処理工
程のみを行ったものよりも良い評価結果が得られること
が分かった。

【００７７】（結果６）サンプル１１の結果から、気
相エッチング工程に表面処理工程を組み合わせることに
より、著しく良い評価結果が得られることが分かった。

【００７８】（結果７）サンプル７，８，１１の比較
より、気相エッチング工程時のキャリアガスに窒素のみ
を含んだものよりも、水素を含んだ方が良く、更に、水
素を含んで窒素を含まないものの方が良い評価結果が得
られることが判明した。サンプル１８，１９，２０及び
サンプル２７，２８，２９についても同様の結果が得ら
れた。

【００７９】

【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 (72)発明者元木健作兵庫県伊丹市昆陽北一丁目１番１号住友電気工業株式会社伊丹製作所内 (72)発明者纐纈明伯東京都府中市幸町２−41−13 府中第３住宅２−103 Ｆターム(参考） 5F004 AA14 DA00 DA22 DA23 DA24 DA25 DA30 5F041 AA40 CA34 CA40 CA65 CA74 5F045 AA03 AA04 AB09 AB17 AB18 AC08 AC12 AC13 AC15 AC16 AD12 AD14 AE29 BB12 DP03 DP04 DQ08 EB15 EM10 GH02 GH03

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単結晶基板を塩化水素ガスを含む混合
ガス雰囲気中で加熱することにより前記基板の表面層を
エッチングする気相エッチング工程と、前記気相エッチ
ング工程の後に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半導体層成長工程とを備えることを
特徴とする化合物半導体の製造方法。
【請求項２】前記気相エッチング工程と前記半導体層
成長工程との間に表面処理工程を備え、この表面処理工
程は、前記ＧａＮ単結晶基板をアンモニアを含むガス雰
囲気中において９００℃以上の温度で１５秒以上加熱す
る工程を有す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】前記窒化物系化合物半導体層は、Ｇａ
Ｎ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、Ａｌ_XＧａ_1-XＮ、Ｉｎ_XＧａ
_1-XＮ、Ａｌ_XＩｎ_1-XＮ、又はＡｌ_XＩｎ_YＧａ_1-XＮ₁ _-Y
（Ｘ＋Ｙ＜１、Ｘ＞０、Ｙ＞０）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４】前記気相エッチング工程の加熱は６００
℃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５】前記加熱は３０秒以上行われることを特
徴とする請求項４に記載の化合物半導体の製造方法。
【請求項６】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７】前記塩化水素の含有率は０．０１％以上
であることを特徴とする請求項６に記載の化合物半導体
の製造方法。
【請求項８】前記気相エッチング工程において、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９】前記窒化物系化合物半導体層はＭＯＣＶ
Ｄ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。