JP2004507106A - Iii族窒化物半導体結晶の製造方法、窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法、窒化ガリウム系化合物半導体、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子およびその半導体発光素子を用いた光源 - Google Patents
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Abstract
Description
(技術分野)
本発明は、発光ダイオード(LED)、レーザダイオード(LD)、電子デバイス等の作製に用いられるIII族窒化物半導体結晶の製造方法、窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法、窒化ガリウム系化合物半導体、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子およびその半導体発光素子を用いた光源に関する。
【0002】
(背景技術)
III族窒化物半導体は、可視光から紫外光領域に相当するエネルギーの直接遷移型のバンドギャップをもち高効率な発光が可能であるため、LEDやLDとしての製品化が成されている。また窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)と窒化ガリウム(GaN)とのヘテロ接合界面では、III族窒化物半導体に特徴的な圧電効果による2次元電子層が発現するなど、電子デバイスとしても従来のIII―V族化合物半導体では得られない特性が得られるポテンシャルを持っている。
【0003】
しかしながらIII族化合物半導体は、単結晶の育成温度で2000気圧に及ぶ窒素の解離圧があるため、単結晶の育成が困難であり、他のIII―V族化合物半導体のようにエピタキシャル成長に使用する基板として、そのIII族化合物半導体の単結晶基板を利用することは現状では困難である。そこで、エピタキシャル成長に使用する基板としては、サファイア(Al2O3)単結晶や炭化珪素(SiC)単結晶等の異種の材質からなる基板が用いられる。
【0004】
これらの異種基板と、その上にエピタキシャル成長させるIII族窒化物半導体結晶の間には大きな格子不整合が存在する。例えばサファイアと窒化ガリウムの間には16%、SiCと窒化ガリウムの間には6%の格子不整合が存在する。一般にこのような大きな格子不整合の存在する場合には、基板上に結晶を直接エピタキシャル成長させることが困難であり、成長させても結晶性の良好な結晶は得られない。そこで、有機金属化学気相成長(MOCVD)法によりサファイア単結晶基板やSiC単結晶基板の上にIII族窒化物半導体結晶をエピタキシャル成長する場合、日本特許第3026087号公報や特開平4−297023号公報に示されているように、窒化アルミニウム(AlN)やAlGaNで構成される低温バッファ層と呼ばれる層を基板の上にまず堆積し、その上にIII族窒化物半導体結晶をエピタキシャル成長させる方法が一般に行われてきた。
【0005】
基板としてサファイアを用いる場合、上記の低温バッファ層は概略次のようにして形成される。まずサファイア基板をMOCVD法のエピタキシャル成長装置内で1000℃〜1200℃の高温に加熱し、表面の酸化膜等を除去する。その後、成長装置の温度を低下させて400〜600℃程度の温度で基板上に有機金属原料と窒素源を同時に供給して低温バッファ層を堆積させる。その後、有機金属原料の供給を停止し、成長装置の温度を再度上昇させて低温バッファ層の結晶化と呼ばれる熱処理を行い、しかる後に目的とするIII族窒化物半導体結晶をエピタキシャル成長させる。
【0006】
低温バッファ層の堆積温度である400℃〜600℃では、原料として用いられる有機金属原料や窒素源、特に窒素源として用いられるアンモニアの熱分解は不充分である。従ってこのような低温で堆積させたままの低温バッファ層中には欠陥が多く含まれる。また低温で原料を反応させる為に、原料の有機金属のアルキル基や未分解の窒素源の間で重合反応を生じて、不純物も低温バッファ層の結晶中に多量に含まれる。
【0007】
これらの欠陥や不純物を解消するために行われるのが、前記の低温バッファ層の結晶化と呼ばれる熱処理の工程である。バッファ層の結晶化工程は、不純物や欠陥を多く含む低温バッファ層に、III族窒化物半導体結晶のエピタキシャル成長温度に近い高温で熱処理を行い、これらの不純物や欠陥の除去を行う。
【0008】
以上のように低温バッファ層を形成するには、低温でのバッファ層の堆積の工程と高温での結晶化の工程が必要であり、高品質のバッファ層を得るには、これらの工程に関わる製造条件の最適化が必要となる。例えば低温でのバッファ層の堆積工程に関して列挙すると、有機金属原料と窒素源の比、堆積時の温度、キャリアガスの流量等が低温バッファ層の特性に影響を与える。また結晶化の工程では高温熱処理の温度や時間、昇温率などが低温バッファ層の特性に影響を与える。例えばT.Itoらは、窒化アルミニウムを用いた低温バッファ層についてこれらの条件を検討している。(Journal of Crystal Growth 205(1999)、20−24)
【0009】
高品質の低温バッファ層を得るには、上記の製造条件のそれぞれについて吟味し、最適化を図る必要がある。しかも通常これらの条件は、MOCVD法によるエピタキシャル成長に使用する成長装置毎に調整する必要があり、異なった成長装置間で最適条件を移植するには、多くの時間と労力を必要とするのが常であった。
【0010】
低温バッファ層は結晶化のための熱処理における昇温時に、昇華と再結晶を引き起こして変成し、サファイア基板上に窒化ガリウムよりなる結晶核がまばらに散在する構造となる。結晶核を核として窒化ガリウム系化合物半導体が成長し、適度な密度で発生した結晶が結合して結晶膜となる。つまり、良好な結晶性の窒化ガリウム系化合物半導体層の作製は、散在する結晶核の密度を適正に制御することにより可能である。
【0011】
しかし、結晶核の散在構造は、昇温時の熱履歴や窒化ガリウム系半導体層を成長するときのキャリアガスの組成によって、偶発的に決定されるのみであり、結晶核の密度や形状、大きさやその他の特性を自由に制御することは難しく、得られる窒化ガリウム系化合物半導体結晶の結晶性には限度があった。
【0012】
本発明は、多くの製造条件を最適化する必要がある上記の低温バッファ層を用いる方法に替わり、簡素化された方法で高品質のIII族窒化物半導体結晶を形成することが可能なIII族窒化物半導体結晶の製造方法を提供することを目的とする。特に、サファイア基板上に簡素化された方法で高品質のIII族窒化物半導体結晶をエピタキシャル成長することが可能なIII族窒化物半導体結晶の製造方法を提供するものである(以下、III族窒化物半導体は、InxGayAlzNで表され、x+y+z=1,0≦x≦1、0≦y≦1,0≦z≦1である。)
【0013】
また、この発明は、基板上に設ける層を構成する結晶核の密度や形状、大きさやその他の特性を自在に制御して、その結晶性を良好にすることができ、その上に積層する結晶層の結晶性を良好なものとすることができる窒化ガリウム系化合物半導体の製造法および窒化ガリウム系化合物半導体を提供することを目的とする。
【0014】
更にこの発明は、発光効率が優れ、劣化のスピードが遅く、省電力化、低コスト化、低交換頻度化の発光素子及び光源を提供することを目的とする。
【0015】
(発明の開示)
本発明に依るIII族窒化物半導体結晶の製造方法の第1の構成は、基板表面にIII族金属の微粒子を堆積させる第1の工程と、窒素源を含む雰囲気中で該微粒子を窒化する第2の工程と、その後該微粒子を堆積させた基板表面上に気相成長法によりIII族窒化物半導体結晶を形成する第3の工程とから成る。
【0016】
上記基板がサファイア(Al2O3)であることを含む。前記III族窒化物半導体結晶は、InxGaAlzN(但しx+y+=1、0≦u≦1、0≦v≦1、0≦w≦1)であることを含む。
【0017】
前記III族金属がInuGavAlw(但しu+v+w=1、0≦u≦1、0≦v≦1、0≦w≦1)であることを含む。
【0018】
前記III族金属の微粒子は、有機金属原料の熱分解により堆積させることを含む。
【0019】
上記第1の工程は、窒素源を含まない雰囲気で、前記III族金属の融点以上の温度で行うことを含む。
【0020】
上記第2の工程は、金属原料を含まない雰囲気中で、第1の工程の温度以上の温度で行うこと含む。
【0021】
上記第3の工程は、第2の工程の温度以上の温度で行うことを含む。有機金属化学気相成長法により上記III族窒化物半導体結晶は、有機金属化学気相成長法により形成することを含む。
【0022】
更に、第2の工程においてIII族金属の微粒子を窒化したものがIII族窒化物の多結晶および/または非晶質からなり、且つ未反応の金属を含む。
である。
【0023】
また、上記目的を達成する本発明に依るIII族窒化物半導体結晶の製造方法の第2の構成は、窒素源を含まない雰囲気中で、InとGaとAlのうちの少なくとも1種類の金属元素を含む有機金属原料の熱分解を用いて、サファイア基板上にInとGaとAlのうちの1種類以上からなるInuGavAlwで表される金属(但しu+v+w=1、0≦u≦1、0≦v≦1、0≦w≦1)を、該金属の融点以上の温度T1で堆積する第1の工程と、有機金属原料を含まず窒素源を含む雰囲気中において、温度T2(但しT2≧T1)で堆積した金属を窒化する第2の工程と、前記金属を堆積したサファイア基板上に、温度T3(但しT3≧T2)で有機金属化学気相成長法によって、III族窒化物半導体結晶をエピタキシャル成長させる第3の工程とを含む。
【0024】
前記サファイア基板が(0001)面を有し、該(0001)面の垂直軸が<0001>方向から特定の方向に傾斜していることを含む。
【0025】
前記サファイア基板の特定の方向が<1−100>方向であり、かつ<0001>方向からの傾斜の角度が0.2°から15°であることを含む。
【0026】
前記温度T1が900℃以上であり、前記温度T3が1000℃以上であることを含む。
【0027】
前記第1の工程において、有機金属原料の熱分解が水素雰囲気中で行われることを含む。
【0028】
前記サファイア基板上に堆積した金属が層状を成さず、粒状を成しており、前記粒状の金属の高さが50Å以上1000Å以下であることを含む。
【0029】
前記第2の工程において金属を窒化したものが多結晶よりなり、かつその多結晶は窒素と金属の化学量論比が1:1ではない領域(InuGavAlwNk、但しu+v+w=1、0≦u,v,w≦1、0<k<1)を含む。
【0030】
また、本発明に依るIII族窒素化合半導体結晶の製造方法の第3の構成は、加熱した基板にIII族金属原料を供給し、III族金属原料および/またはその分解生成物を該基板上に堆積する第1の工程と、その後該基板を窒素源を含む雰囲気中で熱処理する第2の工程と、その後、III族金属原料と窒素源を用いて該基板上にIII族窒化物半導体を気相法にて成長させる第3の工程を含む。
【0031】
前記基板上に成長したIII族窒化物半導体結晶が(0001)面を有し、且つ該面の垂直軸が<0001>方向から特定の方向に傾斜していることを含む。
【0032】
前記傾斜している特定の方向が<11−20>方向であり、かつ<0001>方向からの傾斜の角度が0.2°から15°であることを含む。
【0033】
更に、上記発明を達成する本発明に依る方法は、基板上に窒化ガリウム系化合物半導体結晶層を成長させてなる窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法の第1の構成は、上記基板上に金属核を付着させる第1の工程と、上記金属核をアニールする第2の工程と、上記アニール後の金属核を窒化して成長核を形成する第3の工程と、上記成長核を有する基板上に窒化ガリウム系化合物を成長させて窒化ガリウム系化合物半導体結晶層とする第4の工程とを含む、ことから成る。
【0034】
上記基板がサファイアであることを含む。また、上記第1の工程が、加熱した基板上に、有機金属原料の蒸気を含みかつ窒素源を含まないガスを流通することで金属核を付着させることを含む。
【0035】
また、有機金属原料の蒸気が、ガリウムを含む有機金属原料、アルミニウムを含む有機金属原料、およびインジウムを含む有機金属原料のうちの少なくとも1種類の有機金属原料の蒸気であることを含む。
【0036】
さらに、第2の工程が、窒素源も有機金属原料の蒸気も含まない、キャリアガスのみを流通して金属核のアニールを行うことを含む。
【0037】
また、第3の工程が、窒素源を含みかつ有機金属原料の蒸気を含まないガスを流通して金属核の窒化を行うことを含む。
【0038】
また、第4の工程が、窒素源と有機金属原料の両方を含むガスを流通して有機金属気相成長法により窒化ガリウム系化合物半導体結晶を成長させることを含む。
【0039】
また、第2の工程を第1の工程の温度以上の温度で行い、第3の工程を第2の工程の温度以上の温度で行い、第4の工程を第3の工程の温度以上の温度で行うことを含む。
【0040】
さらに、第1の工程と第2の工程とを交互に2回以上行った後第3の工程を行ったり、或いは、第1の工程と第2の工程と第3の工程とを繰り返し2回以上行った後第4の工程を行うことを含む。
【0041】
また、上記第1の工程が、アルミニウムを含む有機金属原料、ガリウムを含む有機金属原料およびインジウムを含む有機金属原料のうちの少なくとも1種類の有機金属原料の蒸気を含むガスを流通する前期工程と、この前期工程とは異なる有機金属原料の蒸気を含むガスを流通する後期工程との、2つの工程からなることを含む。
【0042】
さらに、上記第1の工程が、前期工程と後期工程とを交互に2回以上行う工程であり、その後第2の工程を行うことを含む。
【0043】
また、上記成長核は、基板と平行で平坦な頂面と平坦な側面とを有する略台形状の窒化物半導体結晶であることを含む。
【0044】
また、上記第4の工程で形成した窒化ガリウム系化合物半導体結晶層上に別の窒化ガリウム系化合物半導体結晶層を順次成長させることを含む。
【0045】
また、本発明に依る基板上に窒化ガリウム系化合物半導体結晶層を成長させてなる窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法の第2の構成は、アルミニウムを含む有機金属原料、ガリウムを含む有機金属原科およびインジウムを含む有機金属原料のうちの少なくとも1種類の有機金属原料の蒸気を含むガスを流通する前期工程と、この前期工程とは異なる有機金属原料の蒸気を含むガスを流通する後期工程との2つの工程からなる、基板上に金属核を付着させる第1の工程と、上記金属核を窒化して成長核を形成する第2の工程と、上記成長核を有する基板上に窒化ガリウム系化合物を成長させて窒化物ガリウム系化合物半導体結晶層とする第3の工程とを含むことから成る。
【0046】
上記基板は、サファイアであることを含む。
【0047】
また、上記第1の工程が、前期工程と後期工程とを交互に2回以上行う工程でありその後、第2の工程を行ったり、第1の工程と第2の工程とを交互に2回以上行った後、第3の工程を行うことを含む。
【0048】
さらに、上記第1の工程が、加熱した基板上に、有機金属原科の蒸気を含みかつ窒素源を含まないガスを流通することで金属核を付着させることを含む。
【0049】
また、上記第2の工程が、窒素源を含みかつ有機金属原料の蒸気を含まないガスを流通して金属核の窒化を行うことを含む。
【0050】
また、上記第3の工程が、窒素源と有機金属原料の両方を含むガスを流通して有機金属気相成長法により窒化ガリウム系化合物半導体を成長させること含む。
【0051】
また、上記第2の工程を第1の工程の温度以上の温度で行い、上記第3の工程を第2の工程の温度以上の温度で行うことを含む。
【0052】
また、上記成長核が、基板と平行で平坦な頂面と平坦な側面とを有する略台形状のIII族窒化物半導体結晶であることを含む。
【0053】
また、上記第3の工程で形成した窒化ガリウム系化合物半導体結晶層上に別の窒化ガリウム系化合物半導体結晶層を成長させることを含む。
【0054】
さらに、この発明は、上記した第1の構成、第2の構成及び第3の構成の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法によって製造した窒化ガリウム系化合物半導体を含む。
【0055】
また、この発明は、上記窒化ガリウム系化合物半導体を用いて作製した窒化ガリウム系化合物半導体発光素子であることを含む。
【0056】
また、この発明は、上記窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を用いて作製した光源であることを含む。
【0057】
また、この発明は、上記窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法の第1及び第2の構成において、上記基板上に、窒化ガリウム系化合物半導体の成長速度の遅いマスク層を形成する工程を含み、窒化ガリウム系化合物半導体を選択成長させることを含む。
【0058】
上記マスク層の形成の工程は、窒化ガリウム系化合物半導体を成長させるのと同じ成長装置内で行うことを含む。
【0059】
上記マスク層の形成は、加熱した基板上にSiを含む気体原料を流通させることで行うことを含む。
【0060】
上記マスク層の形成は、加熱した基板上にSiを含む気体原料とアンモニアとを同時に流通させることで行うことを含む。
【0061】
上記形成されたマスク層は、マスク層を構成する材料が基板面を覆っている部分と基板面が露出した部分とを含む。
【0062】
上記第1の工程で、III族元素を含む気体原料ガスの流通と同時に、Siを含む気体原料を流通させることを含む。
【0063】
更に上記窒化ガリウム系化合物半導体を成長させる直前の基板表面には、窒化ガリウム系化合物半導体の成長速度が遅い材料からなる部分と窒化ガリウム系化合物半導体からなる成長速度が速い材料からなる部分とが形成されていることを含む。
【0064】
(発明を実施するための最良の形態)
先ず、本発明に依るIII族窒化物半導体結晶の製造方法の第1構成から説明する。
この第1構成のIII族窒化物半導体結晶の製造方法は、基板表面にIII族金属の微粒子を堆積させる第1の工程と、その後窒素源を含む雰囲気中で該微粒子を窒化する第2の工程と、その後、気相成長法によりIII族窒化物半導体結晶を形成する第3の工程とを具備する。
【0065】
上記の3工程を具備するIII族窒化物半導体結晶の製造方法により、基板上に結晶性の良いIII族窒化物半導体結晶を形成することが可能となる。またこの方法は、従来の低温バッファ層を用いる方法に比較して製造条件を厳密に制御する必要がなく、容易に高品質のIII族窒化物半導体結晶を製造することができる。尚、本明細書で、III族窒化物半導体結晶とはInxGayAlzNを表す(x+y+z=1、0≦x≦1、0≦y≦1,0≦z≦1)。
【0066】
上記製造方法に於いて、基板としてガラス、SiC、Si、GaAs、サファイアなどを用いることができる。特に、前記基板がサファイア(Al2O3)であると、高品質な結晶が得られると共に、安価に入手可能であるという利点がある。サファイア基板の面方位としては、m面、a面、c面等が使えるが、なかでもc面((0001)面)が好ましく、さらに基板表面の垂直軸が<0001>方向から特定の方向に傾斜していることが望ましい。またこれらの発明に用いる基板は、第1の工程に用いる前に有機洗浄やエッチングのような前処理を行うと基板表面の状態を一定の状態に保つことができるため好ましい。
【0067】
この第1の工程で基板表面に堆積させるIII族金属の微粒子としてAlやGa、Inなどを用いることができる。ここで本発明では特に、III族金属の微粒子がInuGavAlw(但しu+v+w=1、0≦u≦1、0≦v≦1、0≦w≦1)であることが望ましい。III族金属がInuGavAlwであるとその後成長させるIII族窒化物半導体との親和性が高いという利点がある。また、これらのIII族金属の微粒子には不純物としてSi、Be、MgなどのIII族以外の金属を添加することも可能である。さらに、金属化合物の分解によりIII族金属を堆積させる場合は、形成されたIII族金属の微粒子中には炭素や水素、ハロゲンなどの不純物が含まれることがあるが、それらも金属の微粒子として用いることができる。
【0068】
この微粒子の堆積は、有機金属原料や金属ハロゲン化物の熱分解、または蒸着やスパッタなどの、様々な方法によって行うことができる。特に、有機金属原料の熱分解により前記III族金属の微粒子を堆積させることが望ましい。有機金属原料としてはトリメチルガリウム(TMG)またはトリエチルガリウム(TEG)やトリメチルアルミニウム(TMA)またはトリメチルインジウム(TMI)やビスシクロペンタジエニルインジウム(Cp2In)のような化合物を使用することが出来る。有機金属原料の熱分解により前記III族金属の微粒子を堆積させると金属微粒子をin situで堆積できるという利点がある。
【0069】
上記、第1の工程をアンモニアのような窒素源を含む雰囲気で行うと、表面移動の阻害のような問題が生じる場合があるため、上記の第1の工程を窒素源を含まない雰囲気で行うことが望ましい。またここでは、不活性なキャリアガスとして広く用いられるN2ガスは窒素源として考えない。N2の分解温度はアンモニアやヒドラジンなど通常の窒素源よりも高く、窒素源としては有効ではない。従って、これらの方法では第1の工程において雰囲気にN2ガスを含むことは、その効果を阻害しない。具体的には、雰囲気ガスとして、水素、希ガス、窒素等を用いることが出来る。
【0070】
この発明では、第1の工程を前記III族金属の融点以上の温度で行うことが望ましい。第1の工程を前記III族金属の融点以上の温度で行うと、基板上での金属原子の移動が容易に行われ、微粒子が形成されるという利点がある。
【0071】
この第1の工程で基板表面に堆積させるIII族金属の微粒子とは、基板表面に不連続に分散して堆積させるIII族金属の粒子である。III族金属の微粒子は部分的に相互に接合されていてもよい。このような基板表面に堆積したIII族金属の微粒子の状態はAFM(原子間力顕微鏡)を用いた測定方法で観察することができる。この第1の工程で形成されるIII族金属の微粒子は、高さが50Å〜1000Å程度、粒子を基板と垂直方向から見たときの粒子の端から端までの長さが100Å〜10000Å程度で、表面密度が1×106cm−2〜1×1010cm−2程度である。続く第2の工程は、金属原料を含む雰囲気で行うと、第3の工程で成長したIII族窒化物半導体結晶は結晶性が悪いため、第2の工程を金属原料を含まない雰囲気中で行うことが望ましい。また第2の工程の際の窒素源を含む雰囲気として、アンモニアやヒドラジンを含む雰囲気を用いることが出来る。この第2の工程を行う際の雰囲気の圧力は1000〜1×105Paとするのが好ましい。また、前記第2の工程で窒化されたIII族金属の微粒子は、断面透過電子顕微鏡(TEM)による解析の結果、多結晶及び/または非晶質からなり、且つ未反応の金属を含むものであった。
【0072】
上記第2の工程を第1の工程以上の温度で行うことが望ましい。本発明者らの実験結果では、第2の工程を第1の工程以上の温度で行うと、結晶性の良いIII族窒化物半導体結晶を作製することができた。さらに金属微粒子の窒化反応を進めるためには、具体的には、第2の工程は700℃以上、より好ましくは900℃以上の温度で行うのが好ましい。第2の工程のIII族金属の微粒子の窒化は、微粒子を堆積させた基板を窒素源を含む雰囲気中で700℃以上の温度で1〜10分程度保持することにより行うことが出来る。
【0073】
続く第3の工程は、第2の工程以上の温度で行うことが望ましい。第3の工程を第2の工程以上の温度で行うと、成長させるIII族窒化物半導体の高品質化が可能という利点がある。具体的には、第3の工程は700℃以上の温度、より好ましくは900℃以上の温度で行うのが好ましい。
【0074】
この第3の工程では、III族窒化物半導体結晶の形成を有機金属化学気相成長法(MOCVD)、分子線エピタキシー法(MBE)、気相成長法(VPE)などの様々な気相成長法により行うことが出来る。特に、薄膜成長が可能という利点があるため、有機金属化学気相成長法によりIII族窒化物半導体結晶を形成するのが望ましい。上記有機金属化学気相成長法としては、雰囲気ガスとして有機金属化合物と窒素源を含むガスを用い、1000〜1×105Pa程度の圧力で成長を行う公知の有機金属化学気相成長法を用いることができる。
【0075】
本発明のIII族窒化物半導体結晶の製造方法の第2の構成は、まず第1の工程において、窒素源を含まない雰囲気中で、InとGaとAlのうちの少なくとも1種類の金属元素を含む有機金属原料の熱分解を用いて、サファイア基板上にInとGaとAlのうちの1種類以上からなる金属1(金属1はInuGavAlwで表される。但しu+v+w=1、0≦u≦1、0≦v≦1、0≦w≦1)を、該金属1の融点以上の温度T1で堆積する。その後の第2の工程で、有機金属原料を含まず窒素源を含む雰囲気中において、温度T2(但しT2≧T1)で金属1を窒化する。さらにその後の第3の工程で、前記金属1を堆積したサファイア基板上に、温度T3(但しT3≧T2)で有機金属化学気相成長法によって、III族窒化物半導体(III族窒化物半導体はInxGayAlzNで表される。但しx+y+z=1、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1)結晶をエピタキシャル成長させる、というものである。
【0076】
上記の方法により、サファイア基板上に結晶性の良いIII族窒化物半導体結晶をエピタキシャル成長することが可能となる。またこの方法は、従来の低温バッファ層を用いる方法に比較して製造条件を厳密に制御する必要がなく、容易に高品質のIII族窒化物半導体結晶を製造することができる。
【0077】
さらに本発明者らは、前記サファイア基板が(0001)面を有し、該(0001)面の垂直軸が<0001>方向から特定の方向に傾斜していることによって、III族窒化物半導体結晶の成長様式として好ましいステップフロー成長が増強されることを見出した。このステップフロー成長は、垂直軸が傾斜している特定の方向が<1−100>方向であり、かつ<0001>方向からの傾斜の角度が0.2°から15°である場合に最も強調されるため、高品質のIII族窒化物半導体結晶を製造する条件として好ましく用いることができる。
【0078】
また有機金属原料を有効に熱分解するためには温度T1は200℃以上とし、かつT1は金属1の融点以上の温度とするのが好ましい。さらに好ましくは温度T1を900℃以上とすることで、有機金属原料の分解が100%に近くなり、かつ堆積した金属1は溶融状態とすることができる。またIII族窒化物半導体結晶をエピタキシャル成長させる温度T3を700℃以上好ましくは900℃以上とすることによって窒素源の分解が十分に行われることが保証される。
【0079】
前記の金属1は融点より高い温度で堆積されるため、自身の表面張力によりサファイア基板上で層状ではなく粒状の形状をとることが、原子間力顕微鏡(AFM)による観察で確認された。そしてこの粒状の金属1は、前記第2の工程で窒素源を用いて窒化した後も同じ形状を保つ。III窒化物半導体結晶のエピタキシャル成長は、この粒を核として進行するため結晶性の良いIII窒化物半導体結晶が得られると考えられる。
【0080】
また、前記第2の工程で窒化されたIII族金属粒子は、断面透過電子顕微鏡(TEM)による解析の結果、多結晶よりなっており、かつその多結晶は金属と窒素の化学量論比が1:1ではない領域(該領域の組成はInuGavAlwNkで表される。、但しu+v+w=1、0≦u,v,w≦1、0<k<1)を含むことが確認された。この点が、有機金属原料と窒素源を同時に供給して低温で堆積しその後高温で結晶化のための熱処理を行う従来の低温バッファ層と、本発明の金属1を窒化する方法との成長様式の違いによる相違点であると考えられる。
【0081】
この発明のIII族窒化物半導体結晶の製造方法の第3の構成は、加熱した基板にIII族金属原料を供給し、III族金属原料および/またはその分解生成物を該基板上に堆積する第1の工程と、その後該基板を窒素源を含む雰囲気中で熱処理する第2の工程と、その後、III族金属原料と窒素源を用いて該基板上にIII族窒化物半導体を気相法にて成長させる第3の工程を含むことを特徴とする。
【0082】
第1の工程において雰囲気中に含有されるIII族有機金属原料としては、有機金属化合物、金属ハロゲン化物、金属などを用いることができるが、その中でも、特に有機金属化合物を用いることが望ましい。使用可能なIII族元素の有機金属化合物としては、トリメチルガリウム(TMG)やトリメチルアルミニウム(TMA)またはトリメチルインジウム(TMI)やビスシクロペンタジエニルインジウム(Cp2In)のような化合物を使用することが出来る。また、第1の工程において、Si、MgなどのIII族金属以外の元素をドープさせる目的で、シラン(SiH4)、ジシラン(Si2H6)、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)などを雰囲気に含有させることができる。
【0083】
また、第1の工程は、雰囲気中に窒素源を含まないことが望ましい。第1の工程でアンモニアなどの窒素源を含む場合、成長された窒化ガリウム系化合物半導体膜の表面モフォロジーはミラーとはならない。このことは、特許第3026087号公報や特開平4−297023号公報に従来技術として記述されている通りである。ここで、不活性なキャリアガスとして広く用いられるN2ガスは窒素源として考えない。N2の分解温度はアンモニアやヒドラジンなど通常の窒素源よりも高く、窒素源としては有効ではない。従って、これらの発明では第1の工程において雰囲気にN2ガスを含むことは、本発明の効果を大きく阻害しない。また、第1の工程では雰囲気中に水素ガス、窒素ガス、希ガス等を含んでもよい。
【0084】
また本発明者らの実験結果によると、第2の工程を第1の工程以上の温度で行うと、結晶性の良いIII族窒化物半導体結晶を作製することができる。さらに金属1の窒化反応を進めるためには、具体的には、第2の工程は700℃以上、より好ましくは900℃以上の温度で行うのが好ましい。特に、1000℃以上の温度を用いることで良好な結晶性を得ることができる。また、第3の工程で用いるIII族窒化物半導体の成長方法として、有機金属化学気相成長(MOCVD)法を用いることが望ましい。この方法を採用することによって、第1の工程から第3の工程までを、同一の成長炉の中で行うことができる。有機金属化学気相成長法を用いてIII族窒化物半導体を成長する場合、第3の工程を行う温度は、1000℃以上であることが好適である。特に、第3の工程を1100℃以上の温度で行った場合にミラー結晶が得られやすいので、より好適である。また、第3の工程を行う雰囲気としては水素を含有することが望ましい。水素を含有する雰囲気で第3の工程を行った場合、結晶性および表面モフォロジーの制御がしやすいという利点がある。
【0085】
さらに前述のように、本発明に使用する基板としてはサファイア基板が好適であり、サファイア基板が(0001)面を有し、該(0001)面の垂直軸が<0001>方向から特定の方向に傾斜していることが望ましい。さらにサファイア基板の垂直軸が傾斜している特定の方向が<1−100>方向であり、かつ<0001>方向からの傾斜の角度が0.2°から15°であることが好適であることも、前述の通りである。
【0086】
上記のように、サファイア基板が(0001)面を有し、該(0001)面の垂直軸が<0001>方向から<1−100>方向に0.2°から15°の角度で傾斜していると、基板上に成長したIII族窒化物半導体結晶は(0001)面を有し、且つ該表面の垂直軸が<0001>方向から特定の方向に傾斜する。ここでIII族窒化物半導体結晶の表面が傾斜する特定の方向は<11−20>方向となる。これは結晶が、基板の面方位と比較して30°回転して成長するためである。この場合、<0001>方向から傾斜した角度が0.2°から15°であると、ステップフロー成長が増強されるため、高品質のIII族窒化物半導体結晶を製造する条件として好ましい。
【0087】
また、この製造方法は、第1の工程の前にサーマルアニーリングと呼ばれる、公知の熱処理工程を含んでも良い。サーマルアニーリングは、基板がサファイアである場合に広く用いられている、エピタキシャル炉内で行う洗浄処理の一種であり、具体的には、水素や窒素を含む雰囲気中で1000℃から1200℃の温度で基板を処理するのが一般的である。
【0088】
また、この製造方法では、第1の工程は数回に分けて行なっても良い。この場合、雰囲気に含有されるIII族金属原料の種類や組成、混合比などを変えることができる。また、基板の温度や処理を行う時間などの条件を変更することも可能である。第1の工程を数回に分けて実行する場合、一番始めに雰囲気に含有されるIII族金属原料は、Alを含む原料を含むことが望ましい。AlはIII族金属の中でも融点が高く、基板上に付着させやすい原料であるからである。
【0089】
また、この製造方法は、第1の工程と第2の工程の間および/または第2の工程と第3の工程の間に、金属原料も窒素源も含まない雰囲気中で基板を処理するアニール工程を含むことができる。このアニール工程によって金属微粒子の集散が促進される。この場合、アニールを行う温度は、III族金属の微粒子の融点以上であることが望ましく、より好適には、900℃以上、更に1000℃以上であることが望ましい。また、アニールを行う雰囲気は、水素を含有することが望ましい。
【0090】
第2の工程を基板温度を変えながら行うこともできる。この場合でも第2の工程を行う温度は、窒素源の分解温度以上であることが望ましいことは言うまでもない。第2の工程すべてを700℃以上、より好ましくは900℃以上、更に好ましくは1000℃以上で行うことが望ましい。また、第2の工程を開始する温度よりも、終了する温度が高いことが好ましい。また、第2の工程を開始する温度が第1の工程を行う温度と同じであり、第2の工程を終了する温度が第3の工程を行うための温度と同じであるとすることができる。また、温度を変えながら第2の工程を行う場合、温度の変更に伴ってキャリアガスの種類や流量、また、炉内の圧力の変更があっても良い。
【0091】
次に、この発明に依る窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法を図面に基づいて詳細に説明する。
【0092】
図1は窒化ガリウム系化合物半導体層形成時における各工程(ステップ)での成長機構の説明図、図2はこれらの発明に係る窒化ガリウム系化合物半導体層形成時におけるヒートパターンの一例を示す図である。
【0093】
窒化ガリウム系化合物半導体は、基板上に次のようなステップで形成される。すなわち、図1(a)に示すように、先ずステップA(第1の工程)において、基板1上に、金属元素、好ましくはIII族金属元素からなる金属核(金属ドロップレット)Saを付着させる。次に、ステップB(第2の工程)において、その金属核Saをアニールし(図1(b))、続いてステップC(第3の工程)において、アニール後の金属核Sa1を窒化して、成長核Sbとする(図1(c))。この成長核Sbは、どのような形状を持っていても、適当な密度で分布していれば、成長核として機能するものと思われる。しかしながら、成長核Sbの形状が窒化ガリウム系化合物半導体層の結晶性に影響を与えることも本発明者らの実験によって判明している。特に、基板1と平行で平坦な頂面と基板1とある角度をもって交わる平坦な側面とを有する略台形状のIII族窒化物半導体結晶であることが望ましい。そして、この成長核Sbは、例えば窒化を行う時のガス、炉内の圧力、基板温度や基板温度のヒートパターンに留意することで望ましい形状に形成することができる。
【0094】
ステップD(第4の工程)において、その成長核Sbを有する基板1上に窒化ガリウム系化合物半導体結晶層を成長させる(図1(d))。この成長は、主に転位を伴いつつ水平方向に行われ、それによって、垂直方向には十分な層厚(例えば2μm)を確保し、また水平方向では平坦な窒化ガリウム系化合物半導体2が得られる(図1(e))。
【0095】
上記の各ステップA〜Dは、MOCVD法の成長装置内で連続的に行われる。ステップAの実行の前に、図2に示すように、先ず例えばサファイアからなる基板をMOCVD法の成長装置内で、1000℃〜1200℃(図2では1170℃)の高温に加熱してサーマルクリーニングを行い、表面の酸化膜の除去等を行う。次に、エピタキシャル成長装置の温度を、例えば5℃〜200℃程度、降下させて一定温度(図2では1100℃)に保持し、その一定温度下でステップA、ステップBおよびステップCを実行する。次に、ステップCでの窒化処理による成長核Sbの形成の途中に、成長装置の温度を昇温させて一定温度(図2では1160℃)に保持し、その一定温度下でステップDを実行して、成長核Sbにさらに窒化ガリウム系化合物を成長させる。
【0096】
なお、上記の説明と図1に示す工程は、これらの発明の一例であって、これらの発明はこれに限定されるものではない。例えば、サーマルクリーニングは必要に応じて行えばよい。また、温度のパターンに関しても図2のパターンに限定されるものではなく、エピタキシャル反応炉の形状や有機金属原料、窒素源、キャリアガスの種類、流量などに応じて適切な条件を用いることが望ましい。
ステップA、ステップB、ステップCの各工程の温度は異なっても構わないし、ステップAとステップB、ステップBとステップCの温度がそれぞれ異なって構わない。また、ステップAからステップCの温度よりも、ステップDの温度が低くてもよいし、同じ温度でも構わない。
【0097】
このように、これらの発明の実施形態では、基板1上に先ず金属核Saを付着させ、その金属核Saを基にして成長核Sbを形成し、その成長核Sbにさらに窒化ガリウム系化合物を成長させるようにした。基板1上に付着する金属核Saは、有機金属ガスの流量や流通時間、処理温度等によりその成長を制御できるので、金属核Saが基板1上に存在する密度も自在に制御することできる。
【0098】
また、その金属核Saにアニール処理を施すことにより、基板との濡れ性の効果による凝集を生じて金属核Sa自体は垂直方向のサイズを増し(Sa1 in FIG.1(b))、金属核Saのない部分では金属の蒸発を生じて付着物が減少し、Sa1付着部分とその間の基板表面が露出しているスペースとで構成される基板面が形成される。このことにより、窒化の結果として得られる成長核Sbの密度を望ましい状態に制御することができる。特に、アニールを行う際のガス、温度、圧力、時間などが密度の制御に効果を持つ条件である。これらの条件は金属核Saとして付着させる金属種や炉の形状などによって適正に選ぶ必要がある。本発明者らの実験では、ガスとしては水素、温度としては900℃以上の温度を使用し、5分以上のアニールを施すことが望ましいことが判っている。
【0099】
また、その後、窒化処理を施すことにより金属核Sa1を窒化し、窒化物半導体で構成される成長核Sbへと変化させる。成長核Sbは、上記したように、基板と平行で平坦な頂面と平坦な側面とを有する略台形状の断面を有する形状を取ることが望ましい。成長核Sbの形状の制御は、窒化処理時の条件で制御することが可能である。特に、窒化を行う際の雰囲気ガス、温度、圧力などが形状の制御に効果を持つ条件である。これらの条件は金属核Saとして付着させる金属種や窒化処理に使用する窒素原料、炉の形状などによって適正に選ぶ必要がある。本発明者らの実験では、ガスとしては水素、温度としては900℃以上の温度を使用し、窒化工程の間に温度を上昇させることが望ましいことが判っている。
【0100】
この成長核Sb上にさらに窒化ガリウム系化合物半導体を成長させるので、窒化ガリウム系化合物は、隣り合う成長核Sb間を埋めるように成長し、隣り合う成長核Sb間のスペースを埋め尽くした後はその上に平坦な層となって成長する。したがって、最終的に、所望の層厚と結晶性とを備えた窒化ガリウム系化合物半導体2の層を形成することができる。
【0101】
この窒化ガリウム系化合物半導体層の表面は窒化ガリウム系化合物で覆われているので、その上にの層とは極めて良好な格子整合性を保つことができ、したがって、基板1に窒化ガリウム系化合物半導体層2を介して良好な結晶性を有する窒化ガリウム系化合物半導体各層を形成することができる。そして、この窒化ガリウム系化合物半導体を用いて半導体発光素子を製造した場合、その発光特性も確実に向上させることができる。また上記方法を用いて作製した半導体発光素子は、電子機器用、車両搭載用、交通信号用その他の電気装置に輝度等の発光特性の良好な光源として利用することができる。
【0102】
上記半導体に用いる基板としてガラス、SiC、Si、GaAs、サファイアなどを用いることができる。特に、前記基板がサファイア(Al2O3)であると、高品質な結晶が得られると共に安価に入手可能であるという利点がある。サファイア基板の面方位としては、m面、a面、c面等が使えるが、なかでもc面((0001)面)が好ましい。また本発明に用いる基板は、第1の工程に用いる前に有機洗浄やエッチングのような前処理を行うと基板表面の状態を一定の状態に保つことができるため好ましい。
【0103】
また第1の工程で基板上に付着させる金属核の材料としてAlやGa、Inなどの金属を用いることができる。ここで本発明では特に、金属核がInuGavAlw(但しu+v+w=1、0≦u≦1、0≦v≦1、0≦w≦1)で表せるIII族金属であることが望ましい。InuGavAlwであるとその後成長させる窒化ガリウム系化合物半導体との親和性が高いという利点がある。不純物としてSi、Be、MgなどのIII族以外の金属を添加することも可能である。さらに、有機金属原料の分解によりIII族金属を付着させる場合は、これらIII族金属中には炭素や水素、ハロゲンなどの不純物が含まれることがあるが、それらも金属核として用いることができる。
【0104】
また金属核の基板への付着は有機金属原料や金属ハロゲン化物の熱分解、または蒸着やスパッタなどの、様々な方法によって行うことができる。この発明では、金属核の密度や形状の制御が容易なため、特に有機金属原料の熱分解により前記金属核を付着させる方法を用いるのが望ましい。有機金属原料としてトリメチルガリウム(TMG)やトリエチルガリウム(TEG)、トリメチルアルミニウム(TMA)、トリメチルインジウム(TMI)、ビスシクロペンタジエニルインジウム(Cp2In)のようなガリウム、アルミニウムまたはインジウムを含む有機金属原料を使用するとInuGavAlwのようなIII族金属の金属核を付着させることができる。
【0105】
また第1の工程をアンモニアのような窒素源を含む雰囲気で行うと、金属原子の表面移動の阻害のような問題が生じる場合があるため、上記の第1の工程を窒素源を含まない雰囲気で行うことが望ましい。またここでは、不活性なキャリアガスとして広く用いられるN2ガスは窒素源として考えない。N2の分解温度はアンモニアやヒドラジンなど通常の窒素源よりも高く、窒素源としては有効ではない。従って、第1の工程において雰囲気にN2ガスを含むことは、これらの発明の効果を阻害しない。使用できるガスとして、水素、希ガス、窒素を用いることが出来る。
【0106】
基板上で金属原子の移動がスムーズに行われるので、第1の工程を金属核の融点以上の温度で行うことが望ましい。更に、第1の工程で基板表面に堆積させる金属核とは、基板表面に不連続に分散して堆積させる。微粒子は部分的に相互に接合されていてもよい。このような基板表面に付着した金属核の状態はAFM(原子間力顕微鏡)で観察することができる。これにより、第1の工程で形成される主な金属核は、高さが50Å〜1000Å程度、粒子を基板と垂直方向に見たときの端から端までの長さが100Å〜10000Å程度で、粒子の表面密度が1×106cm−2〜1×1010cm−2程度である。
【0107】
アニールの工程では、窒素源も有機金属原料も含まないキャリアガスのみを流通して金属核のアニールを行うと、効率よく金属核の凝集を生じるため好ましい。キャリアガスとしては、水素、希ガス、窒素を用いることができ、特に水素は金属核表面の酸化物を除去する作用を有するため、最も好ましい。また、金属核のアニールは金属核の融点以上の温度でかつ700℃以上の温度で行うと金属の凝集が効率よく生じるため好ましい。
【0108】
このアニールの工程を第1の工程以上の温度で行うことが望ましい。本発明者らの実験結果では、アニールの工程を第1の工程以上の温度で行うと、結晶性の良い窒化ガリウム系化合物半導体結晶を作製することができた。その中でも、アニールの工程と第1の工程の温度を同じとすることは、良い結晶性を得ることができ、装置による炉内状態の制御もしやすい。
【0109】
また金属核を窒化する工程を金属原料を含む雰囲気で行うと、次の工程で成長した窒化ガリウム系化合物半導体は結晶性が悪いため、金属核を窒化する工程は金属原料を含まない雰囲気中で行うことが望ましい。またこれらの発明では、金属核を窒化する際の窒素源を含む雰囲気として、アンモニアやヒドラジンを含む雰囲気を用いることが出来る。またこの工程を行う際の雰囲気の圧力は1000〜1×105Paとするのが好ましい。上記の窒化工程で金属核を窒化して形成した成長核は、断面透過電子顕微鏡(TEM)による解析の結果、多結晶及び/または非晶質からなり、且つ未反応の金属を含むものであった。
【0110】
また金属核の窒化反応を進めるために窒化の工程を700℃以上、より好ましくは900℃以上の温度で行うのが、結晶性の良い窒化ガリウム系化合物半導体結晶を作製するために好ましい。金属核の窒化による成長核の形成は、金属核を堆積させた基板を窒素源を含む雰囲気中で700℃以上の温度で1〜10分程度保持することにより行うことが出来る。
【0111】
またこの窒化の工程をアニールの工程以上の温度で行うことが望ましい。窒化の工程をアニールの工程以上の温度で行うと、結晶性の良い窒化ガリウム系化合物半導体結晶を作製することができた。その中でも、窒化の工程とアニールの工程の温度を同じとすることは、良い結晶性の窒化ガリウム系化合物半導体を形成することができ、装置による炉内状態の制御もしやすいため、実施性に優れている。
【0112】
成長核を有する基板上への窒化ガリウム系化合物半導体の成長の工程を、700℃以上の温度、より好ましくは900℃以上の温度で行うと、成長させる窒化ガリウム系化合物半導体の高品質化が可能となる利点がある。また窒化ガリウム系化合物半導体の成長の工程は、有機金属化学気相成長法(MOCVD)、分子線エピタキシー法(MBE)、気相成長法(VPE)などの様々な気相成長法を用いて行うことが出来る。特にこれらの発明においては、薄膜成長が可能という利点があるため、有機金属化学気相成長法を使用するのが望ましい。本発明の有機金属化学気相成長法としては、雰囲気ガスとして有機金属化合物と窒素源を含むガスを用い、1000〜1×105Pa程度の圧力で成長を行う公知の有機金属化学気相成長法(MOCD)を用いることができる。
【0113】
窒化ガリウム系化合物半導体の成長の工程を窒化の工程以上の温度で行うことが望ましい。本発明者らの実験結果では、窒化ガリウム系化合物半導体の成長の工程を窒化の工程以上の温度で行うと、結晶性の良い窒化ガリウム系化合物半導体結晶を作製することができた。その中でも、窒化ガリウム系化合物半導体の成長の工程と窒化の工程の温度を同じとすることは、良い結晶性の窒化ガリウム系化合物半導体を形成することができ、装置による炉内状態の制御もしやすい。
【0114】
なお、上記の説明では、基板1上に金属核Saを付着させ、その金属核Saにアニールを施すようにしたが、このアニールに替えて金属核Saの付着を繰り返し行うようにしてもよい。この金属核Saの付着を繰り返し行うことによっても、ステップCによって形成される成長核Sbの密度を制御することができる。この場合には、最初の金属核を付着する前期工程と、2回目の金属核の付着を行う後期工程とで、流通する原料の種類を、基板1への付着性に応じて選ぶことで、成長核Sbの密度や形状の制御が容易になる。本発明では、前期工程はアルミニウムを含む有機金属原料、ガリウムを含む有機金属原料およびインジウムを含む有機金属原料のうちの少なくとも1種類の有機金属原料の蒸気を含むガスを流通する工程とし、後期工程は、前期工程とは異なる有機金属原料の蒸気を含むガスを流通する工程とするのが好ましい。この場合、例えば前期工程で基板への付着性のよいAlを含む原料を流通させて基板上に所望の密度で金属核Saを形成させておき、後期工程で付着性の悪いGaやInを流通させることで、Alの周囲にGaやInを纏ったような構造を有する金属核Saを作製することができる。この前期工程と後期工程とは交互に1回のみ行うようにしてもよいが、交互に2回以上行うのが好ましい。
【0115】
その後、アニールを行うことなく、窒化による成長核の形成に入るが、この場合も、窒化を適正に制御することで、良好な形状を持つ成長核Sbを形成することができる。これは、アニールを用いて金属核Sa1の密度を制御する場合と同様である。アニールを用いたときと同様に、窒化を行う際の雰囲気ガス、温度、圧力などが形状の制御に効果を持つ条件である。これらの条件は金属核Saとして付着させる金属種や窒化処理に使用する窒素原料、炉の形状などによって適正に選ぶ必要がある。本発明者らの実験では、雰囲気ガスとしては水素、温度としては900℃以上の温度を使用し、窒化工程の間に温度を上昇させても良いことが判っている。
【0116】
またこの場合においても、窒化ガリウム系化合物半導体の成長の工程を窒化の工程以上の温度で行うことが望ましい。本発明者らの実験結果では、窒化ガリウム系化合物半導体の成長の工程を窒化の工程以上の温度で行うと、結晶性の良い窒化ガリウム系化合物半導体結晶を作製することができた。その中でも、窒化ガリウム系化合物半導体の成長の工程と窒化の工程の温度を同じとすることは、良い結晶性を形成することができ、装置による炉内状態の制御もしやすい。
本発明に依る窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法は、上述の如く、基板上に金属核を付着させ、成長させるが、基板として、サファイア基板を用い、基板上に窒化ガリウム系化合物半導体結晶の成長速度の遅いマスク層を形成し、窒化ガリウム系化合物半導体を選択成長させることにより、結晶性の優れた膜が形成する。
【0117】
この良好な結晶性を有する窒化ガリウム系化合物半導体の結晶膜が製造されるメカニズムを図9(a)〜(g)により説明する。
【0118】
図9(a)に示すように、所定温度に加熱したサファイア基板1上に、Siを含む原料ガス3とアンモニアガス4を流通することにより、2つの化合物同士が反応して窒化珪素の膜5が形成する。この膜5の形成は基板上に散在する活性点から開始されるため、膜5の初期形成には均一に全体を覆っては形成されない。このため、成長時間を適正に制御すると基板1上には、窒化珪素5で覆われた領域と、サファイアが露出した領域6が形成される(図9(b))。続いてIII族元素からなる液滴状の粒7をIII 族気体原料ガス3‘を流通させ、領域6に供給した後(図9(c))、アンモニアを流通させて反応させ、領域6にIII族窒化物8を生じさせる(図9(d))。すると、窒化珪素膜5で覆われた領域には窒化ガリウム系化合物半導体の成長核は発生せず、サファイアが露出した領域6から結晶9が成長し(図9(e))、窒化珪素膜5上で横方向へ成長する(図9(f))。その結果、結晶9はサファイア基板1全面を覆うことになり(図9(g))、サファイアと窒化ガリウム系化合物半導体との間の格子定数の違いによって生じる貫通転位の成長方向を制御することができ、転位の多くはループを描いて閉じて上方に向かっては伝搬せず、貫通転位の密度が低減されて良質な結晶が形成される。
【0119】
マスク層の作製に際しては、Si原料ガスと同時にアンモニア等の窒素原料ガスを流通する方法の他、あらかじめサファイア面にアンモニアを流通させておいて表面を部分的に窒化しておき、そこへSi原料ガスを流通させて1モノレイヤ分の窒化珪素をまばらに作製してマスク層とする方法がある。また、マスク層として酸化珪素層を作製する際には、サーマルクリーニングによってサファイア表面の酸素原子を活性化しておき、そこへSi原料ガスを流通させて1モノレイヤ分の酸化珪素をまばらに作製することもできる。
【0120】
更に、サファイア基板上に成長速度の差を持つ層を形成する方法として、Si原料ガスとIII族原料ガスを同時に加熱したサファイア基板上に流通し、その後にアンモニアガスを流通する方法が有効である。図10(a)〜(f)に、この方法を用いた場合の成長過程の模式図を示す。先ず加熱した基板1上にSi原料ガス3とIII族原料ガス3’を流通する(図10(a))。その結果、Si原料ガス3とIII族原料ガス3’が分解し、サファイア基板1上に珪素原子の集合体10とIII族金属の液滴状の粒7を所定の間隔で付着する(図10(b))。次に、アンモニアガス4を流通させると、それぞれが窒化されて、窒化珪素からなる成長速度の遅い膜5と、窒化ガリウム系化合物半導体からなる成長速度の速い膜8で構成されるマスク層が基板1上に形成することができる(10−(c))。このマスク層上に窒化ガリウム系化合物半導体9を成長させると、図9の実施例と同様に、窒化ガリウム系化合物半導体から成る膜8上の結晶9が選択的に成長し、この選択成長による結晶性の向上が実現される。
【0121】
また、図9と図10で説明した方法では、マスク層を形成した後の処理や成長を1000度以上の高温で行うことが必要である。なぜなら、600度などの低い温度では、III族元素の金属からなる粒7の形成や窒化ガリウム系化合物半導体8の形成の際に、発生の過程においてマイグレーションが充分に起きないために、酸化珪素や窒化珪素でサファイア基板1やバッファ層が覆われた領域でも、成長発生核が発生し、選択成長性を損ねることになる。あるいは、マスク層上に窒化ガリウム系化合物半導体層9の形成を行う場合でも、600度などの低い温度では、成長の初期においてマイグレーションが充分に起きないために、酸化珪素や窒化珪素でサファイア基板1やバッファ層が覆われた領域でも、成長発生核が生じてしまい、選択成長性が損なわれる。本発明に利用できる、Siを含む原料ガスとしては、シラン(SiH4)やジシラン(Si2H6)を用いることができる。上記のマスク層を形成する工程は、後の窒化ガリウム系化合物半導体を成長させる成長装置内で行うことができる。
【0122】
上述のように、この発明によれば、加熱した基板上に有機金属原料のみを流す工程を含むことにより、基板上に窒化ガリウム系化合物半導体を成長させることで、低温バッファ法によるよりも良好な結晶性を有し、平坦な鏡面状の表面を有する、半導体素子として用いるのに充分良好な結晶性の良好は半導体結晶膜を得ることができる。その結果、結晶成長欠陥に由来するピット部分での電流のリークや、貫通転位などの転位に由来する発光強度の減少などの半導体素子にとって不利な現象を抑えることが可能であり、それによって発光出力を向上させることができる。
次に、本発明のIII族窒化物半導体結晶及び窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法を、より具体的な実施例を以て説明するが、本発明はこれらに限定されない。以下の各実施例では、基板としてサファイア基板を用い、窒化ガリウム系化合物半導体層の形成は、MOCVD法を用いて行っている。
【0123】
実施例1
III族窒化物半導体結晶の製造方法の実施例を述べる。基板には(0001)面を有するサファイア単結晶基板を用いた。該基板は、アセトンによって有機洗浄を行った後、炭化珪素(SiC)製のサセプター上に載せてMOCVD法の成長装置にセットした。MOCVD法の成長装置はRF誘導加熱方式により温度を制御することができる。またサセプターには、熱電対を挿入した石英管が挿入されており、成長装置の温度はこの熱電対によって測定できる。
【0124】
基板を成長装置にセットした後、始めに水素雰囲気中で1180℃まで昇温し、10分間熱処理を行い基板表面の酸化膜等の除去を行った。その後、成長装置の温度を1100℃まで降温し、同じく窒素源を含まない水素雰囲気中で有機金属原料としてトリメチルアルミニウム(TMA)を12μmol/minで1分間供給した。その結果TMAの熱分解によりサファイア基板上にAlが堆積した。続いてTMAの供給を停止し、成長装置の温度を1180℃まで昇温し、窒素源としてアンモニア(NH3)を0.2mol/minで3分間供給し、Alの窒化を行った。その後NH3の供給量は変化させず、成長装置の温度を1180℃に保ったまま、有機金属原料としてトリメチルガリウム(TMG)を140μmol/minで供給し、Alを堆積させた基板上に窒化ガリウムを1.1μmエピタキシャル成長させた。その後、成長装置の温度を室温まで冷却し基板を取り出した。
【0125】
このように作製したエピタキシャルウェハーの表面はミラー面であり、エピタキシャル成長した窒化ガリウム層のX線ロッキングカーブの半値幅は959秒であった。このことからエピタキシャル成長した窒化ガリウム層は、結晶性が優れたものであったことが分かる。
【0126】
実施例2
実施例1と同じ方法で、(0001)面を有するサファイア基板に有機洗浄を行いさらに成長装置にセットして熱処理を行った。その後、窒素源を含まない水素雰囲気中で成長装置の温度を1180℃に保ったまま、有機金属原料としてトリメチルアルミニウム(TMA)とトリメチルガリウム(TMG)をそれぞれ12μmol/minで1分間供給した。その結果、サファイア基板上にAlとGaの合金が堆積した。TMAとTMGの供給を停止した後、成長装置の温度を1180℃に保ったまま、アンモニアを0.2mol/minで3分間供給し、AlとGaの合金の窒化を行った。その後アンモニアを供給し成長装置の温度を1180℃に保ったまま、トリメチルガリウム(TMG)を140μmol/minで成長装置に供給し、AlとGaの合金を堆積させた基板上に、窒化ガリウムを1.1μmエピタキシャル成長させた。
【0127】
このように成長させたエピタキシャルウェハーの表面はミラー面であり、エピタキシャル成長した窒化ガリウム層のX線ロッキングカーブの半値幅は720秒であった。このことからエピタキシャル成長した窒化ガリウム層は、結晶性が優れたものであったことが分かる。また、この窒化ガリウム層の表面を原子間力顕微鏡(AFM)で観察したところ、ステップフロー成長をしていることを示す原子ステップの列が観察された。この原子ステップの列は、エピタキシャルウェハーの中心部よりもウェハーの周辺部の特定の方向において、より等間隔で平行な列を示していた。これは、ウェハー周辺部の(0001)面の垂直軸が<0001>方向から特定の方向に傾斜している部分でステップフロー成長が増強されていることを意味する。そしてこの方向が<1−100>方向であった。
【0128】
さらにこのエピタキシャルウェハーのサファイア基板と窒化ガリウム層の界面の断面を透過電子顕微鏡(TEM)で観察した。観察の結果、有機金属の熱分解によって堆積した金属を窒化した多結晶が、基板と窒化ガリウム層の界面に観察された。多結晶は六方晶の晶系を持っており、その高さは5〜10nmであった。μ−EDS分析では上記の多結晶中でAl組成とGa組成が一様ではなく、更に金属と窒素の化学量論比が1:1からずれた領域(領域の組成はInuGavAlwNkで表される。但しu+v+w=1、0≦u,v,w≦1、0<k<1)があるのが観察された。
【0129】
また、本実施例2の結晶成長の機構を調べる目的で以下の実験を行った。
【0130】
実施例1と同じ方法で、(0001)面を有するサファイア基板に有機洗浄を行いさらに成長装置にセットして熱処理を行った。その後、実施例2と同じ条件で、窒素源を含まない水素雰囲気中で成長装置の温度を1180℃に保ったまま、成長装置にTMAとTMGを供給し、サファイア基板上にAlとGaの合金を堆積した。TMAとTMGの供給を停止した後、成長装置の温度を1180℃に保ったまま、アンモニアを0.2mol/minで3分間供給し、堆積したAlとGaの合金の窒化を行った。その後、成長装置の温度を室温まで低下させた。
【0131】
上記の方法で作製したウェハーの表面を原子間力顕微鏡(AFM)で観察した結果、高さが約50nmで直径が約0.1μmの粒状の金属を窒化した多結晶が観察された。多結晶はサファイア基板の表面の全面を被っておらず、多結晶と多結晶の間は平坦であった。本実施例2の窒化ガリウム層のエピタキシャル成長は、この粒状の多結晶を核として進行していると考えられる。
【0132】
また、基板表面に堆積させたIII族金属の微粒子の状態を調べる目的で以下のような実験を行った。
【0133】
実施例1と同じ方法で、(0001)面を有するサファイア基板に有機洗浄を行いさらに成長装置にセットして熱処理を行った。その後、実施例2と同じ条件で、窒素源を含まない水素雰囲気中で成長装置の温度を1180℃に保ったまま、成長装置にTMAとTMGを供給し、サファイア基板上にAlとGaの合金を堆積した。その後、成長装置の温度を室温まで低下させAFMで表面状態を観察した。その結果、サファイア基板表面には、高さが約100Å程度、大きさが約500Å前後の微粒子が表面密度1×108cm−2で観察できた。微粒子の一部はお互いに繋がっているのも観察された。
【0134】
実施例3
実施例1と同じ方法で、(0001)面を有するサファイア基板に有機洗浄を行いさらに成長装置にセットして熱処理を行った。その後、窒素源を含まない水素雰囲気中で成長装置の温度を1100℃に低下させ、有機金属原料としてトリメチルアルミニウム(TMA)とトリメチルガリウム(TMG)とトリメチルインジウム(TMI)をそれぞれ6μmol/min、18μmol/min、18μmol/minで30秒間供給した。その結果、サファイア基板上にAlとGaとInの合金が堆積した。上記の有機金属原料の供給を停止した後、成長装置の温度を1180℃に維持し、アンモニアを0.2mol/minで3分間供給し、堆積したAlとGaとInの合金の窒化を行った。さらにアンモニアの供給量をそのままに保ち成長装置の温度を1180℃としたまま、トリメチルガリウム(TMG)を140μmol/minで成長装置に供給し、AlとGaとInの合金が堆積した基板上に窒化ガリウム層を1.1μm成長させた。
【0135】
このように成長させたエピタキシャルウェハーの表面はミラー面であり、エピタキシャル成長した窒化ガリウム層のX線ロッキングカーブの半値幅は620秒であった。このことからエピタキシャル成長した窒化ガリウム層は、結晶性が優れたものであったことが分かる。なお上記の実施例1〜3では、III窒化物半導体結晶として窒化ガリウム層をエピタキシャル成長させたが、InxGayAlzNで表されるIII族窒化物半導体の混晶を成長させることも可能である。
【0136】
実施例4
本実施例4では、III窒化物半導体結晶の製造方法を用いる、窒化ガリウム系化合物半導体を用いた半導体発光素子の製造方法について説明する。
【0137】
本実施例4で作製する半導体発光素子用のエピタキシャル層構造は、図6に示すとおり、c面を有するサファイア基板11上に、格子不整合結晶のエピタキシャル成長方法によって、基板側から順に、1×1017cm−3の電子濃度を持つ2μmの低SiドープGaN層12、1×1019cm−3の電子濃度を持つ1μmの高SiドープGaN層13、1×1017cm−3の電子濃度を持つ100ÅのIn0.1Ga0.9Nクラッド層14、GaN障壁層に始まりGaN障壁層に終わる、6層の70ÅのGaN障壁層15と5層の20ÅのノンドープのIn0.2Ga0.8N井戸層16からなる多重量子井戸構造、30ÅのノンドープのAl0.2Ga0.8N拡散防止層17、8×1017cm−3の正孔濃度を持つ0.15μmのMgドープGaN層18、5×1018cm−3の正孔濃度を持つ100ÅのMgドープIn0.1Ga0.9N層19、を順に積層した構造である。
また、本実施例4で作製した半導体発光素子の電極構造の平面図を図7に示す。
【0138】
上記の半導体発光素子構造のエピタキシャル層を有するウェーハの作製は、MOCVD法を用いて以下の手順で行った。
まず、サファイア基板を、誘導加熱式ヒータのRFコイルの中に設置された石英製の反応炉の中に導入した。サファイア基板は、窒素ガス置換されたグローブボックスの中で、加熱用のカーボン製サセプター上に載置した。試料を導入後、窒素ガスを流通して反応炉内をパージした。窒素ガスを10分間に渡って流通した後、誘導加熱式ヒータを作動させ、10分をかけて基板温度を1170℃に昇温し、同時に炉内の圧力を50hPaとした。基板温度を1170℃に保ったまま、水素ガスと窒素ガスを流通させながら9分間放置して、基板表面のサーマルクリーニングを行った。サーマルクリーニングを行っている間に、反応炉に接続された原料であるトリメチルガリウム(TMGa)の入った容器(バブラ)およびトリメチルアルミニウム(TMAl)の入った容器(バブラ)の配管に水素キャリアガスを流通して、バブリングを開始した。各バブラの温度は、温度を調整するための恒温槽を用いて一定に調整しておいた。バブリングによって発生したTMGaおよびTMAlの蒸気は、成長工程が始まるまでは、キャリアガスと一緒に除害装置への配管へ流通させ、除害装置を通して系外へ放出した。サーマルクリーニングの終了後、窒素キャリアガスのバルブを閉とし、反応炉内へのガスの供給を水素のみとした。
【0139】
キャリアガスの切り替え後、基板の温度を1100℃に降温させるとともに、炉内の圧力を100hPaに調節した。1100℃で温度が安定したのを確認した後、TMGaとTMAlの配管のバルブを同時に切り替え、TMGaとTMAlの蒸気を含む気体を反応炉内へ供給して、サファイア基板上に金属核を付着させる処理を開始した。供給するTMGaとTMAlの混合比は、バブリングする配管に設置した流量調節器でモル比率で2:1となるように調節した。1分30秒間の処理の後、TMGaとTMAlの配管のバルブを同時に切り替え、TMGaとTMAlの蒸気を含む気体を反応炉内へ供給を停止し、10秒後、アンモニアガスの配管のバルブを切り替え、炉内にアンモニアガスの供給を開始した。
【0140】
10秒の後、アンモニアの流通を続けながら、サセプタの温度を1160℃に昇温した。サセプタ温度の昇温中、TMGaの配管の流量調整器の流量を調節した。また、SiH4の流通を開始した。低SiドープのGaN層の成長が始まるまでの間、SiH4はキャリアガスと一緒に除害装置への配管へ流通させ、除害装置を通して系外へ放出した。サセプタの温度が1160℃になったのを確認した後、温度の安定を待ち、その後TMGaとSiH4のバルブを切り替えてTMGaとSiH4の炉内への供給を開始し、低ドープのGaNの成長を開始し、約1時間15分に渡って上記のGaN層の成長を行った。SiH4の流通させる量は事前に検討してあり、低SiドープGaN層の電子濃度が1×1017cm−3となるように調整した。このようにして、2μmの膜厚を成す低SiドープGaN層を形成した。
【0141】
更に、この低SiドープGaN層上に高Siドープのn型GaN層を成長した。低SiドープのGaN層を成長後、1分間に渡ってTMGaとSiH4の炉内への供給を停止した。その間、SiH4の流通量を変更した。流通させる量は事前に検討してあり、高SiドープGaN層の電子濃度が1×1019cm−3となるように調整した。アンモニアはそのままの流量で炉内へ供給し続けた。1分間の停止の後、TMGaとSiH4の供給を再開し、45分間に渡って成長を行った。この操作により、1μmの膜厚を成す高SiドープGaN層を形成した。
【0142】
高SiドープGaN層を成長した後、TMGaとSiH4のバルブを切り替えて、これらの原料の炉内への供給を停止した。アンモニアはそのまま流通させながら、バルブを切り替えてキャリアガスを水素から窒素へ切り替えた。その後、基板の温度を1160℃から800℃へ低下させ、同時に炉内の圧力を100hPaから200hPaへ変更した。炉内の温度の変更を待つ間に、SiH4の供給量を変更した。流通させる量は事前に検討してあり、SiドープInGaNクラッド層の電子濃度が1×1017cm−3となるように調整した。アンモニアはそのままの流量で炉内へ供給し続けた。また、あらかじめトリメチルインジウム(TMIn)とトリエチルガリウム(TEGa)のバブラへのキャリアガスの流通を開始しておいた。 SiH4ガス、およびバブリングによって発生したTMInおよびTEGaの蒸気は、クラッド層の成長工程が始まるまでは、キャリアガスと一緒に除害装置への配管へ流通させ、除害装置を通して系外へ放出した。その後、炉内の状態が安定するのを待って、TMInとTEGaとSiH4のバルブを同時に切り替え、これらの原料の炉内への供給を開始した。約10分間に渡って供給を継続し、100Åの膜厚を成すSiドープIn0.1Ga0.9Nクラッド層を形成した。その後、TMIn、TEGaおよびSiH4のバルブを切り替え、これらの原料の供給を停止した。
【0143】
次に、GaNよりなる障壁層とIn0.2Ga0.8Nよりなる井戸層で構成される多重量子井戸構造を作製した。多重量子井戸構造の作製にあたっては、SiドープIn0.1Ga0.9Nクラッド層上に、始めにGaN障壁層を形成し、そのGaN障壁層上にIn0.2Ga0.8N井戸層を形成した。この構造を5回繰り返し積層したのち、5番目のIn0.2Ga0.8N井戸層上に、6番目のGaN障壁層を形成し、両側をGaN障壁層から構成した構造とした。
【0144】
すなわち、SiドープIn0.1Ga0.9Nクラッド層の成長終了後、30秒間に渡って停止したのち、基板温度や炉内の圧力、キャリアガスの流量や種類はそのままで、TEGaのバルブを切り替えてTEGaの炉内への供給を行った。7分間後、TEGaの供給を停止してGaN障壁層の成長を終了した。これにより、70Åの膜厚を成すGaN障壁層を形成した。
【0145】
GaN障壁層の成長を行っている間、除外設備への配管に流していたTMInの流量を、クラッド層の成長の時と比較して、モル流量にして2倍になるように調節しておいた。GaN障壁層の成長終了後、30秒間に渡ってIII族原料の供給を停止したのち、基板温度や炉内の圧力、キャリアガスの流量や種類はそのままで、TEGaとTMInのバルブを切り替えてTEGaとTMInの炉内への供給を行った。2分後、TEGaとTMInの供給を停止してIn0.2Ga0.8N井戸層の成長を終了した。20Åの膜厚を成すIn0.1Ga0.9Nクラッド層を形成した。
【0146】
In0.2Ga0.8N井戸層の成長終了後、30秒間に渡ってIII族原料の供給を停止したのち、基板温度や炉内の圧力、キャリアガスの流量や種類はそのままで、TEGaの炉内への供給を開始し、再びGaN障壁層の成長を行った。このような手順を5回繰り返し、5層のGaN障壁層と5層のIn0.2Ga0.8N井戸層を作製した。更に、最後のIn0.2Ga0.8N井戸層上にGaN障壁層を形成した。
【0147】
このGaN障壁層で終了する多重量子井戸構造上に、ノンドープのAl0.2Ga0.8N拡散防止層を作製した。TEGaの供給を停止して、GaN障壁層の成長が終了した後、1分間をかけて基板の温度とキャリアガスの種類、流量は同じにしたまま、炉内の圧力を100hPaに変更した。あらかじめトリメチルアルミニムウム(TMAl)のバブラへのキャリアガスの流通を開始しておいた。バブリングによって発生したTMAlの蒸気は、拡散防止層の成長工程が始まるまでは、キャリアガスと一緒に除害装置への配管へ流通させ、除害装置を通して系外へ放出した。次に、炉内の圧力が安定するのを待って、TEGaとTMAlの炉内への供給を開始した。その後、約3分間に渡って層の成長を行ったあと、TEGaとTMAlの供給を停止し、ノンドープのAl0.2Ga0.8N拡散防止層の成長を停止した。これにより、30Åの膜厚を成すノンドープのAl0.2Ga0.8N拡散防止層を形成した。
【0148】
このノンドープのAl0.2Ga0.8N拡散防止層上に、MgドープのGaN層を作製した。TEGaとTMAlの供給を停止して、ノンドープのAl0.2Ga0.8N拡散防止層の成長が終了した後、2分間をかけて、基板の温度を1060℃に上昇し、炉内の圧力を200hPaに変更した。更に、キャリアガスを水素に変更した。また、あらかじめビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)のバブラへのキャリアガスの流通を開始しておいた。バブリングによって発生したCp2Mgの蒸気は、MgドープGaN層の成長工程が始まるまでは、キャリアガスと一緒に除害装置への配管へ流通させ、除害装置を通して系外へ放出した。温度と圧力を変更して炉内の圧力が安定するのを待って、TMGaとCp2Mgの炉内への供給を開始した。 Cp2Mgを流通させる量は事前に検討してあり、MgドープGaNクラッド層の正孔濃度が8×1017cm−3となるように調整した。その後、約6分間に渡って成長を行ったあと、TMGaとCp2Mgの供給を停止し、MgドープのGaN層の成長を停止した。これにより、0.15μmの膜厚を成すMgドープGaN層が形成された。
【0149】
このMgドープのGaN層上に、MgドープのInGaN層を作製した。TMGaとCp2Mgの供給を停止して、MgドープのGaN層の成長が終了した後、2分間をかけて、基板の温度を800℃に下降させた。同時に、キャリアガスを窒素に変更した。炉内の圧力は200hPaのままとした。Cp2Mgの流量を変更して、 MgドープIn0.1Ga0.9N層のMgドープ量が、MgドープGaN層と同じになるようにした。事前の検討により、このドープ量では、MgドープIn0.1Ga0.9N層の正孔濃度が5×1018cm−3となることが判っている。基板温度が安定するのを待って、TMInとTEGaとCp2Mgのバルブを切り替え、これらの原料の炉内への供給を開始した。その後、約10分間に渡って成長を行ったあと、TEGaとTMInとCp2Mgの供給を停止し、MgドープのIn0.1Ga0.9N層の成長を停止した。これにより、100Åの膜厚を成すMgドープのIn0.1Ga0.9N層が形成された。
【0150】
MgドープIn0.1Ga0.9N層の成長を終了した後、誘導加熱式ヒータへの通電を停止して、基板の温度を室温まで20分をかけて降温した。降温中は、反応炉内の雰囲気を窒素のみから構成した。その後、基板温度が室温まで降温したのを確認して、ウェーハを反応炉から取り出した。以上のような手順により、半導体発光素子用のエピタキシャル層構造を有するウェーハを作製した。ここでMgドープGaN層とMgドープIn0.1Ga0.9N層は、p型キャリアを活性化するためのアニール処理を行わなくてもp型を示した。
【0151】
次いで、上記のサファイア基板上にエピタキシャル層構造が積層されたウェーハを用いて半導体発光素子の一種である発光ダイオードを作製した。作製したウェーハについて、公知のフォトリソグラフィーによってMgドープIn0.1Ga0.9N層の表面18a上に、表面側から順にチタン、アルミニウム、金を積層した構造を持つp電極ボンディングパッド12とそれに接合したAuのみからなる透光性p電極21を形成し、p側電極を作製した。更にその後ウェーハにドライエッチングを行い、高SiドープGaN層のn側電極を形成する部分23を露出させ、露出した部分にNi、Alよりなるn電極22を作製した。これらの作業により、ウエーハ上に図7に示すような形状を持つ電極を作製した。
【0152】
このようにしてp側およびn側の電極を形成したウェーハについて、サファイア基板の裏面を研削、研磨してミラー状の面とした。その後、該ウェーハを350μm角の正方形のチップに切断し、電極が上になるように、リードフレーム上に載置し、金線でリードフレームへ結線して発光素子とした。電極間に順方向電流を流したところ、電流20mAにおける順方向電圧は3.0Vであった。また、p側の透光性電極を通して発光を観察したところ、発光波長は470nmであり、発光出力は6cdを示した。このような発光ダイオードの特性は、作製したウェーハのほぼ全面から作製された発光ダイオードについて、ばらつきなく得られた。
【0153】
実施例5
窒化ガリウム系化合物半導体結晶の製造方法の実施例を述べる。
【0154】
この実施例では、図1に示したように、ステップAからステップDの順で、サファイア基板上に窒化ガリウム系化合物半導体層を形成した。先ずステップAとして、トリメチルアルミニウム(TMAl)の蒸気とトリメチルガリウム(TMGa)の蒸気をモル比にして1:2で混合したガスを含む気体を流通して基板上に金属核を付着する処理を施し、ステップBとして水素ガス中でアニール処理を行い、ステップCとして水素とアンモニアの混合気体を流通して、アニール後の金属核の窒化処理を行って成長核を形成し、その後、ステップDとしてTMGaとアンモニアを流通して成長核にさらに窒化ガリウムを成長させ、サファイア基板上に窒化ガリウム結晶膜を備えた窒化ガリウム系化合物半導体層を作製した。
【0155】
すなわち、先ずサファイア基板を、誘導加熱式ヒータのRFコイルの中に設置された石英製の反応炉の中に導入した。サファイア基板は、窒素ガス供給されたグローブボックスの中で、加熱用のカーボン製サセプター上に載置し、窒素ガスを10分間流通して反応炉内をパージした。
次に、誘導加熱式ヒータを作動させ、10分をかけて基板温度を1170℃に昇温した。基板温度を1170℃に保ったまま、水素ガスと窒素ガスを流通させながら9分間放置して、基板表面のサーマルクリーニングを行った。
【0156】
サーマルクリーニングを行っている間に、トリメチルガリウム(TMGa)が入っている容器(バブラ)およびトリメチルアルミニウム(TMAl)が入っている容器(バブラ)に水素キャリアガスを流通して、バブリングを開始した。なお、各バブラの温度は、温度を調整するための恒温槽を用いて一定に調整しておいた。また、各バブラの配管は反応路に接続されている。バブリングによって発生したTMGaおよびTMAlの蒸気は、窒化ガリウム系化合物半導体層の成長工程が始まるまでは、キャリアガスと一緒に除害装置への配管へ流通させ、除害装置を通して系外へ放出した。サーマルクリーニングの終了後、窒素キャリアガスのバルブを閉とし、反応炉内へのガスの供給を水素のみとした。キャリアガスの切り替え後、基板の温度を1100℃に降温させた。1100℃で温度が安定したのを確認した後、TMGaとTMAlの配管のバルブを切り替え、TMGaとTMAlの蒸気を含む気体を反応炉内へ供給して、サファイア基板上に金属核を付着させる処理を開始した。供給するTMGaとTMAlの混合比は、バブリングする配管に設置した流量調節器でモル比率で2:1となるように調節した。1分30秒間の処理の後、TMGaとTMAlの配管のバルブを切り替え、TMGaとTMAlの蒸気を含む気体の反応炉内への供給を停止した。そのまま、3分間保持し、形成した金属核を水素キャリアガス中でアニールした。3分間のアニールの後、アンモニアガスの配管のバルブを切り替え、炉内にアンモニアガスの供給を開始し、アニール後の金属核の窒化処理を行い、成長核を形成した。10秒間の流通の後、サセプタの温度を1160℃に昇温した。サセプタ温度の昇温中、TMGaの配管の流量調整器の流量を調節した。サセプタの温度が1160℃になったのを確認した後、温度の安定を待ち、その後TMGaのバルブを切り替えてTMGaの炉内への供給を開始し、成長核にさらに窒化ガリウムを成長させた。
【0157】
1時間に渡って上記の窒化ガリウム結晶膜の成長を行ったあと、TMGaの反応炉への供給を終了して成長を停止した。窒化ガリウム結晶膜の成長を終了した後、誘導加熱式ヒータへの通電を停止して、基板の温度を室温まで20分をかけて降温した。降温中は、反応炉内の雰囲気を成長中と同じようにアンモニアと窒素と水素から構成したが、基板の温度が300℃となったのを確認後、アンモニアと水素の供給を停止した。その後、窒素ガスを流通しながら基板温度を室温まで降温し、基板を大気中に取り出した。以上の工程により、サファイア基板上にアンドープの2μmの膜厚の窒化ガリウム結晶膜作製した。反応炉から取り出した基板は無色透明であり、成長面は鏡面であった。
【0158】
次に、上記の方法で成長させたアンドープ窒化ガリウム結晶膜のXRC測定を行った。測定には、Cuβ線X線発生源を光源として用い、対称面である(0002)面と非対称面である(10−12)面で行った。一般的に、窒化ガリウム系化合物半導体の場合、(0002)面のXRCスペクトル半値幅は結晶の平坦性(モザイシティ)の指標となり、(10−12)面のXRCスペクトル半値幅は転位密度の指標となる。この測定の結果、本発明の方法で作製したアンドープ窒化ガリウム結晶膜は、(0002)面の測定では半値幅230秒、(10−12)面では半値幅350秒を示し、ともに良好であった。
【0159】
また、上記の窒化ガリウム結晶膜の最表面を原子間力顕微鏡を用いて観察した。表面には成長ピットは見られず、良好なモフォロジーの表面が観察された。また、上記の窒化ガリウム結晶膜のエッチピット密度を測定するため、試料を硫酸と燐酸の混合溶液中で280℃で10分間の処理をした。この試料の表面を原子間力顕微鏡で観察してエッチピット密度を測定したところ、約5×107cm−2程度であった。
【0160】
また、上記プロセスと途中まで全く同じ工程で、窒化ガリウム結晶膜の成長の前にプロセスを停止して成長炉から取り出した試料を作製し、その表面のモフォロジーを原子間力顕微鏡にて観察したところ、サファイア表面には、台形状の断面を有する窒化ガリウムアルミニウム結晶塊が成長核として散在していた。
【0161】
実施例6
この実施例では、図3に示すように、ステップAとステップBとを交互に3回繰り返した後、ステップC→ステップDの順で、サファイア基板上に窒化ガリウム系化合物半導体層を形成した。先ずステップAとして、トリメチルアルミニウム(TMAl)の蒸気を含む気体を流通して基板上に金属核を付着する処理を施し、ステップBとして水素ガス中でアニール処理を行い、このステップAとステップBとを3回繰り返した後、ステップCとして水素とアンモニアの混合気体を流通し、アニール後の金属核の窒化処理を行って成長核を形成し、その後、ステップDとしてTMGaとアンモニアを流通して成長核にさらに窒化ガリウムを成長させ、サファイア基板上に窒化ガリウム結晶膜を備えた窒化ガリウム系化合物半導体層を作製した。
【0162】
基板表面のサーマルクリーニングを行うとともに、そのサーマルクリーニングを行っている間に、トリメチルガリウム(TMGa)が入っている容器(バブラ)およびトリメチルアルミニウム(TMAl)が入っている容器(バブラ)水素キャリアガスを流通して、バブリングを開始した。なお、各バブラの温度は、温度を調整するための恒温槽を用いて一定に調整しておいた。また、各バブラの配管は反応路に接続されている。バブリングによって発生したTMGaおよびTMAlの蒸気は、窒化ガリウム系化合物半導体層の成長工程が始まるまでは、キャリアガスと一緒に除害装置への配管へ流通させ、除害装置を通して系外へ放出した。サーマルクリーニングの終了後、窒素キャリアガスのバルブを閉とし、反応炉内へのガスの供給を水素のみとした。
【0163】
キャリアガスの切り替え後、基板の温度を1160℃に降温させた。1160℃で温度が安定したのを確認した後、TMAlの配管のバルブを切り替え、TMAlの蒸気を含む気体を反応炉内へ供給して、サファイア基板上に金属核を付着させた。
【0164】
3分間の処理の後、TMAlの蒸気を含む気体の反応炉内への供給を停止した。そのまま30秒間保持し、形成した金属核を水素キャリアガス中でアニールした。30秒間のアニールの後、再びTMAlの配管のバルブを切り替え、TMAlの蒸気を含む気体を反応路内に供給し、金属核を付着させた。一回目と同様に3分間の処理の後、TMAlの蒸気を含む気体の反応路内への供給を停止した。そのまま30秒間保持し、形成した金属核を水素キャリアガス中でアニールした。この後、これらの工程をもう一度行い、合計3回に渡って金属核の形成とアニール(ステップA→ステップB)を繰り返した。3回目のアニールの後、アンモニアガスの配管のバルブを切り替え、炉内にアンモニアガスの供給を開始し、アニール後の金属核の窒化処理を行い、成長核を形成した。10秒間の流通の後、TMGaのバルブを切り替えてTMGaの炉内への供給を開始し、成長核にさらに窒化ガリウムを成長させた。
【0165】
1時間に渡って上記の窒化ガリウム結晶膜の成長を行ったあと、TMGaの原料の反応炉への供給を終了して成長を停止した。誘導加熱式ヒータへの通電を停止して、基板の温度を室温まで20分をかけて降温した。降温中は、反応炉内の雰囲気を成長中と同じようにアンモニアと窒素と水素から構成したが、基板の温度が300℃となったのを確認後、アンモニアと水素の供給を停止した。その後、窒素ガスを流通しながら基板温度を室温まで降温し、基板を反応炉から取り出した。以上の工程により、サファイア基板上に2μmの膜厚の窒化ガリウム結晶膜を作製した。反応炉から取り出した基板は無色透明でありエピタキシャル層は、鏡面であった。
【0166】
次に、上記の方法で成長させたアンドープ窒化ガリウム結晶膜のXRC測定を行った。測定には、Cuβ線X線発生源を光源として用い、対称面である(0002)面と非対称面である(10−12)面で行った。この測定の結果、本発明の方法で作製したアンドープ窒化ガリウム結晶膜は、(0002)面の測定では半値幅300秒、(10−12)面では半値幅320秒を示し、ともに良好であった。また、上記の窒化ガリウム結晶膜の最表面を原子間力顕微鏡を用いて観察した。その結果、表面には成長ピットは見られず、良好なモフォロジーの表面が観察された。また、上記の窒化ガリウム結晶膜のエッチピット密度を測定するため、試料を硫酸と燐酸の混合溶液中で280℃で10分間の処理をした。表面を原子間力顕微鏡で観察してエッチピット密度を測定したところ、約7×107cm−2程度であった。
【0167】
また、上記プロセスと途中まで全く同じ工程で、窒化ガリウム結晶膜の成長の前にプロセスを停止して成長炉から取り出した試料を作製し、その表面のモフォロジーを原子間力顕微鏡にて観察したところ、サファイア表面には、台形状の断面を有する窒化アルミニウム結晶塊が成長核として散在していた。このように、この実施例では、金属核の形成とアニールを繰り返すようにしたので、金属核の基板上での密度や、アニール後の金属核の形状を制御するチャンスを増すことができ、したがって、その制御をより精度良く行うことができ、この金属核に基づいて形成する窒化ガリウム系化合物半導体層をより所望の形状、品質のものとすることができる。
【0168】
なお、この実施例6では、金属核の形成とアニールを繰り返す回数を3回としたが、その繰り返し回数は2回あるいは4回以上でもよく、必要に応じて適宜設定すればよい。
【0169】
実施例7
この実施例では、図4に示すように、ステップAとステップBとステップCとを交互に2回繰り返した後、ステップDを行い、サファイア基板上に窒化ガリウム系化合物半導体層を形成した。先ずステップAとして、トリメチルアルミニウム(TMAl)の蒸気とトリメチルガリウム(TMGa)の蒸気とトリメチルインジウム(TMIn)の蒸気をモル比にして1:2:4で混合したガスを含む気体を流通して基板上に金属核を付着する処理を施し、ステップBとして水素ガス中でアニール処理を行い、ステップCとして水素とアンモニアの混合気体を流通し、アニール後の金属核の窒化処理を行って成長核を形成した。このステップAとステップBとステップCとを2回繰り返した後、ステップDとしてTMGaとアンモニアを流通して成長核にさらに窒化ガリウムを成長させ、サファイア基板上に窒化ガリウム結晶膜を備えた窒化ガリウム系化合物半導体層を作製した。
【0170】
先ず、基板表面のサーマルクリーニングを行うとともに、そのサーマルクリーニングを行っている間に、トリメチルガリウム(TMGa)が入っている容器(バブラ)、トリメチルアルミニウム(TMAl)が入っている容器(バブラ)、およびトリメチルインジウム(TMIn)が入っている容器(バブラ)に水素キャリアガスを流通して、バブリングを開始した。なお、各バブラの温度は、温度を調整するための恒温槽を用いて一定に調整しておいた。また、各バブラの配管は反応路に接続されている。バブリングによって発生したTMGa、TMAlおよびTMInの蒸気は、窒化ガリウム系化合物半導体層の成長工程が始まるまでは、キャリアガスと一緒に除害装置への配管へ流通させ、除害装置を通して系外へ放出した。サーマルクリーニングの終了後、窒素キャリアガスのバルブを閉とし、反応炉内へのガスの供給を水素のみとした。
【0171】
キャリアガスの切り替え後、基板の温度を900℃に降温させた。900℃で温度が安定したのを確認した後、TMGa、TMAlおよびTMInの配管のバルブを切り替え、TMGa、TMAlおよびTMInの蒸気を含む気体を反応炉内へ供給して、サファイア基板上に金属核を付着させる処理を開始した。供給するTMGa、TMAlおよびTMInの混合比は、バブリングする配管に設置した流量調節器でモル比率で2:1:4となるように調節した。
【0172】
3分間の処理の後、TMGa、TMAlおよびTMInの蒸気を含む気体の反応炉内への供給を停止した。そのまま、30秒間保持し、形成した金属核を水素キャリアガス中でアニールした。30秒間のアニールの後、アンモニアガスの配管のバルブを切り替え、炉内にアンモニアガスの供給を開始し、アニール後の金属核の窒化処理を行い、成長核を形成した。アンモニアを1分間に渡って流通させた後、バルブを切り替え、炉内へのアンモニアガスの供給を停止し、そのままその状態を30秒間保持した後、再び、TMGa、TMAlおよびTMInの蒸気を含む気体を反応炉内へ供給して、再度サファイア基板上に金属核を付着させた。3分間の処理の後、TMGa、TMAlおよびTMInの蒸気を含む気体の反応炉内への供給を停止した。そのまま、30秒間保持し、形成した金属核を水素キャリアガス中でアニールした。30秒間のアニールの後、アンモニアガスの配管のバルブを切り替え、炉内にアンモニアガスの供給を開始し、アニール後の金属核の窒化処理を行い、成長核を形成した。このように、金属核の形成とアニールと成長核の形成(ステップA→ステップB→ステップC)を2回行った。
【0173】
10秒間のガス流通の後、サセプタの温度を1160℃に昇温した。サセプタ温度の昇温中、TMGaの配管の流量調整器の流量を調節した。サセプタの温度が1160℃になったのを確認した後、温度の安定を待ち、その後TMGaのバルブを切り替えてTMGaの炉内への供給を開始し、成長核にさらに窒化ガリウムを成長させた。1時間に渡って上記の窒化ガリウム結晶膜の成長を行ったあと、TMGaの配管のバルブを切り替え、原料の反応炉への供給を終了して成長を停止した。窒化ガリウム結晶膜の成長を終了した後、誘導加熱式ヒータへの通電を停止して、基板の温度を室温まで20分をかけて降温した。降温中は、反応炉内の雰囲気を成長中と同じようにアンモニアと窒素と水素から構成したが、基板の温度が300℃となったのを確認後、アンモニアと水素の供給を停止した。その後、窒素ガスを流通しながら基板温度を室温まで降温し、基板大気中に取り出した。
【0174】
以上の工程により、サファイア基板上にアンドープの2μmの膜厚の窒化ガリウム結晶膜を形成した試料を作製した。取り出した基板は無色透明であり、エピタキシャル層は鏡面であった。
【0175】
次に、上記の方法で成長を行ったアンドープ窒化ガリウム結晶膜のXRC測定を行った。測定には、Cuβ線X線発生源を光源として用い、対称面である(0002)面と非対称面である(10−12)面で行った。この測定の結果、本発明の方法で作製したアンドープ窒化ガリウム結晶膜は、(0002)面の測定では半値幅250秒、(10−12)面では半値幅300秒を示した。また、上記の窒化ガリウム結晶膜の最表面を一般的な原子間力顕微鏡(AFM)を用いて観察した。その結果、表面には成長ピットは見られず、良好なモフォロジーの表面が観察された。また、上記の窒化ガリウム結晶膜のエッチピット密度を測定するため、試料を硫酸と燐酸の混合溶液中で280℃で10分間の処理をした。この試料の表面をAFMで観察してエッチピット密度を測定したところ、約3×107cm−2程度であった。
【0176】
また、上記プロセスと途中まで全く同じ工程で、窒化ガリウム結晶膜の成長の前にプロセスを停止して成長炉から取り出した試料を作製し、その表面のモフォロジーを原子間力顕微鏡(AFM)にて観察したところ、サファイア表面には、台形状の断面を有する窒化ガリウムアルミニウムインジウム結晶塊が成長核として散在していた。このように、この第7実施例では、金属核の形成とアニールと成長核の形成を繰り返すようにしたので、金属核の基板上での密度や、アニール後の金属核の形状、また成長核の形状を制御するチャンスを増すことができ、したがって、その制御をより精度良く行うことができ、この金属核および成長核に基づいて形成する窒化ガリウム系化合物半導体層をより所望の形状、品質のものとすることができる。
【0177】
なお、この実施例7では、金属核の形成とアニールと成長核の形成を繰り返す回数を2回としたが、その繰り返し回数は3回以上でもよく、必要に応じて適宜設定すればよい。
【0178】
実施例8
この実施例では、図5に示すように、ステップAをステップA1とステップA2の2段階(前期工程と後期工程)とし、その後ステップB→ステップC→ステップDの順で、サファイア基板上に窒化ガリウム系化合物半導体層を形成した。先ずステップA1として、トリメチルアルミニウム(TMAl)の蒸気を含む気体を流通し、次のステップA2において、トリメチルガリウム(TMGa)の蒸気を含む気体を流通して基板上に金属核を付着する処理を施した。その後、ステップBとして水素ガス中でアニール処理を行い、ステップCとして水素とアンモニアの混合気体を流通し、アニール後の金属核の窒化処理を行って成長核を形成し、その後、ステップDとしてTMGaとアンモニアを流通して成長核にさらに窒化ガリウムを成長させ、サファイア基板上に窒化ガリウム結晶膜を備えた窒化ガリウム系化合物半導体層を作製した。
【0179】
その具体的な手順は下記の通りである。先ず上記の実施例1の場合と同様に、基板表面のサーマルクリーニングを行うとともに、そのサーマルクリーニングを行っている間に、原料であるトリメチルガリウム(TMGa)が入っている容器(バブラ)およびトリメチルアルミニウム(TMAl)が入っている容器(バブラ)の各配管に水素キャリアガスを流通して、バブリングを開始した。なお、各バブラの温度は、温度を調整するための恒温槽を用いて一定に調整しておいた。また、各バブラの配管は反応路に接続されている。バブリングによって発生したTMGaおよびTMAlの蒸気は、窒化ガリウム系化合物半導体層の成長工程が始まるまでは、キャリアガスと一緒に除害装置への配管へ流通させ、除害装置を通して系外へ放出した。
【0180】
サーマルクリーニングの終了後、窒素キャリアガスのバルブを閉とし、反応炉内へのガスの供給を水素のみとした。キャリアガスの切り替え後、基板の温度を1100℃に降温させた。1100℃で温度が安定したのを確認した後、TMAlの配管のバルブを切り替え、TMAlの蒸気を含む気体を反応炉内へ供給して、サファイア基板上に金属(Al)核を付着させる処理を開始した。この処理を1分間に渡って行った後、TMAlの配管のバルブを切り替え、TMAlの蒸気を含む気体の反応炉内への供給を停止した(ステップA1)。その後、TMGaの配管のバルブを切り替え、TMGaの蒸気を含む気体を反応炉内へ供給して、サファイア基板上に金属(Ga)核を付着させる処理を開始した。この処理を2分間に渡って行った後、TMGaの配管のバルブを切り替え、TMGaの蒸気を含む気体の反応炉内への供給を停止した(ステップA2)。このように、金属核の形成を2段階(ステップA1→ステップA2)に分けて行った。
【0181】
その後5分間保持し、形成した金属核を水素キャリアガス中でアニールした。5分間のアニールの後、アンモニアガスの配管のバルブを切り替え、炉内にアンモニアガスの供給を開始し、アニール後の金属核の窒化処理を行い、成長核を形成した。
【0182】
10秒間の流通の後、サセプタの温度を1160℃に昇温した。サセプタ温度の昇温中、TMGaの配管の流量調整器の流量を調節した。サセプタの温度が1160℃になったのを確認した後、温度の安定を待ち、その後TMGaのバルブを切り替えてTMGaの炉内への供給を開始し、成長核にさらに窒化ガリウムを成長させた。
【0183】
1時間に渡って上記の窒化ガリウム結晶膜の成長を行ったあと、TMGaの配管のバルブを切り替え、原料の反応炉への供給を終了して成長を停止した。窒化ガリウム結晶膜の成長を終了した後、誘導加熱式ヒータへの通電を停止して、基板の温度を室温まで20分をかけて降温した。降温中は、反応炉内の雰囲気を成長中と同じようにアンモニアと窒素と水素から構成したが、基板の温度が300℃となったのを確認後、アンモニアと水素の供給を停止した。その後、窒素ガスを流通しながら基板温度を室温まで降温し、試料を大気中に取り出した。
【0184】
以上の工程により、サファイア基板上にアンドープの2μmの膜厚の窒化ガリウム結晶膜を形成した試料を作製した。取り出した基板は無色透明であり、成長面は鏡面であった。
【0185】
次に、上記の方法で成長を行ったアンドープ窒化ガリウム結晶膜のXRC測定を行った。測定には、Cuβ線X線発生源を光源として用い、対称面である(0002)面と非対称面である(10−12)面で行った。この測定の結果、本発明の方法で作製したアンドープ窒化ガリウム結晶膜は、(0002)面の測定では半値幅180秒、(10−12)面では半値幅290秒を示した。また、上記の窒化ガリウム結晶膜の最表面を一般的な原子間力顕微鏡(AFM)を用いて観察した。その結果、表面には成長ピットは見られず、良好なモフォロジーの表面が観察された。また、上記の窒化ガリウム結晶膜のエッチピット密度を測定するため、試料を硫酸と燐酸の混合溶液中で280℃で10分間の処理をした。この試料の表面をAFMで観察してエッチピット密度を測定したところ、約1×107cm−2程度であった。
【0186】
また、上記プロセスと途中まで全く同じ工程で、窒化ガリウム結晶膜の成長の前にプロセスを停止して成長炉から取り出した試料を作製し、その表面のモフォロジーを原子間力顕微鏡(AFM)にて観察したところ、サファイア表面には、台形状の断面を有する窒化ガリウムアルミニウム結晶塊が成長核として散在していた。
【0187】
このように、この実施例8では、金属核の形成を前期工程と後期工程との2段階に分けて行うようにしたので、金属核を成す金属の種類を多様化させることができ、また金属核の基板上での密度をより精度良く制御することができ、したがって、この金属核に基づいて形成する窒化ガリウム系化合物半導体層をより所望の形状、品質のものとすることができる。
【0188】
なお、この実施例8では、金属核の形成を前期工程と後期工程との2段階に分けて行い、それぞれ1回ずつ行うようにしたが、その前期工程と後期工程とを2回以上繰り返し行うように構成してもよい。また、2段階だけでなく、3段階以上に分けて行うようにしてもよい。このように繰り返し回数を増したり、段階数を増すことで、金属核の形成をより高精度で行えるようになる。また、この実施例8では、金属核の形成を2段階に分けて行った後、金属核を水素キャリアガス中でアニールしたが、このアニール工程を省くことも可能である。但し、その場合金属核を形成するための原料の種類や金属核の窒化を行う際の雰囲気ガス温度、圧力などの条件を適正に選ぶ必要がある。
【0189】
実施例9
この実施例9では、上記の第4実施例(図5)の場合と同様に、ステップAをステップA1とステップA2の2段階とし、その後ステップB→ステップC→ステップDの順で、サファイア基板上に窒化ガリウム系化合物半導体層を形成した。先ずステップA1として、トリメチルアルミニウム(TMAl)の蒸気を含む気体を流通し、次のステップA2において、トリメチルガリウム(TMGa)とトリメチルインジウム(TMIn)が1:2の混合比で混合された蒸気を含む気体を流通して基板上に金属核を付着する処理を施した。また、その際に、第4実施例の場合と異なり、ステップA1を実施する温度と、ステップA2を実施する温度とを互いに異なる温度に設定した。その後、ステップBとして水素ガス中でアニール処理を行い、ステップCとして水素とアンモニアの混合気体を流通し、アニール後の金属核の窒化処理を行って成長核を形成し、その後、ステップDとしてTMGaとアンモニアを流通して成長核にさらに窒化ガリウムを成長させ、サファイア基板上に窒化ガリウム結晶膜を備えた窒化ガリウム系化合物半導体層を作製した。
【0190】
その具体的な手順は下記の通りである。先ず上記の第1実施例の場合と同様に、基板表面のサーマルクリーニングを行うとともに、そのサーマルクリーニングを行っている間に、原料であるトリメチルガリウム(TMGa)が入っている容器(バブラ)、トリメチルアルミニウム(TMAl)が入っている容器(バブラ)およびトリメチルインジウム(TMIn)が入っている容器(バブラ)の各配管に水素キャリアガスを流通して、バブリングを開始した。なお、各バブラの温度は、温度を調整するための恒温槽を用いて一定に調整しておいた。また、各バブラの配管は反応路に接続されている。バブリングによって発生したTMGa、TMAlおよびTMInの蒸気は、窒化ガリウム系化合物半導体層の成長工程が始まるまでは、キャリアガスと一緒に除害装置への配管へ流通させ、除害装置を通して系外へ放出した。サーマルクリーニングの終了後、窒素キャリアガスのバルブを閉とし、反応炉内へのガスの供給を水素のみとした。
【0191】
キャリアガスの切り替え後、基板の温度を1160℃に降温させた。1160℃で温度が安定したのを確認した後、TMAlの配管のバルブを切り替え、TMAlの蒸気を含む気体を反応炉内へ供給して、サファイア基板上に金属(Al)核を付着させる処理を開始した。この処理を1分間に渡って行った後、TMAlの配管のバルブを切り替え、TMAlの蒸気を含む気体の反応炉内への供給を停止した(ステップA1)。その後、RFコイルに通電する電流を制御して、サセプタの温度を950℃に変更した。10秒間、温度が安定するのを待った後、TMGaとTMInの配管のバルブを同時に切り替え、TMGaとTMInの蒸気を含む気体を反応炉内へ供給して、サファイア基板上に金属(Ga、In)核を付着させる処理を開始した。供給するTMGaとTMInの混合比は、バブリングする配管に設置した流量調節器でモル比率で1:2となるように調節した。この処理を2分間に渡って行った後、TMGaとTMInの配管のバルブを同時に切り替え、TMGaとTMInの蒸気を含む気体の反応炉内への供給を停止した(ステップA2)。このように、金属核の形成を2段階(ステップA1→ステップA2)に分けて行うとともに、各段階での成長温度を異なる温度に設定した。
【0192】
その後5分間保持し、形成した金属核を水素キャリアガス中でアニールした。5分間のアニールの後、アンモニアガスの配管のバルブを切り替え、炉内にアンモニアガスの供給を開始し、アニール後の金属核の窒化処理を行い、成長核を形成した。
【0193】
10秒間の流通の後、サセプタの温度を1160℃に昇温した。サセプタ温度の昇温中、TMGaの配管の流量調整器の流量を調節した。サセプタの温度が1160℃になったのを確認した後、温度の安定を待ち、その後TMGaのバルブを切り替えてTMGaの炉内への供給を開始し、成長核にさらに窒化ガリウムを成長させた。
【0194】
1時間に渡って上記の窒化ガリウム結晶膜の成長を行ったあと、TMGaの配管のバルブを切り替え、原料の反応炉への供給を終了して成長を停止した。窒化ガリウム結晶膜の成長を終了した後、誘導加熱式ヒータへの通電を停止して、基板の温度を室温まで20分をかけて降温した。降温中は、反応炉内の雰囲気を成長中と同じようにアンモニアと窒素と水素から構成したが、基板の温度が300℃となったのを確認後、アンモニアと水素の供給を停止した。その後、窒素ガスを流通しながら基板温度を室温まで降温し、試料を大気中に取り出した。
【0195】
以上の工程により、サファイア基板上にアンドープの2μmの膜厚の窒化ガリウム結晶膜を形成した試料を作製した。取り出した基板は無色透明であり、成長面は鏡面であった。
【0196】
次に、上記の方法で成長を行ったアンドープ窒化ガリウム結晶膜のXRC測定を行った。測定には、Cuβ線X線発生源を光源として用い、対称面である(0002)面と非対称面である(10−12)面で行った。この測定の結果、本発明の方法で作製したアンドープ窒化ガリウム結晶膜は、(0002)面の測定では半値幅190秒、(10−12)面では半値幅260秒を示した。また、上記の窒化ガリウム結晶膜の最表面を一般的な原子間力顕微鏡(AFM)を用いて観察した。その結果、表面には成長ピットは見られず、良好なモフォロジーの表面が観察された。また、上記の窒化ガリウム結晶膜のエッチピット密度を測定するため、試料を硫酸と燐酸の混合溶液中で280℃で10分間の処理をした。この試料の表面をAFMで観察してエッチピット密度を測定したところ、約1×107cm−2程度であった。
【0197】
また、上記プロセスと途中まで全く同じ工程で、窒化ガリウム結晶膜の成長の前にプロセスを停止して成長炉から取り出した試料を作製し、その表面のモフォロジーを原子間力顕微鏡(AFM)にて観察したところ、サファイア表面には、台形状の断面を有する窒化ガリウムアルミニウムインジウム結晶塊が成長核として散在していた。
【0198】
このように、この実施例9では、金属核の形成を2段階に分けて行うとともに、各段階での成長温度を異なる温度に設定したので、金属核を成す金属の種類を多様化させることができるとともに、その金属に適した温度で的確に付着させることができる。また金属核の基板上での密度をより精度良く制御することができ、したがって、この金属核に基づいて形成する窒化ガリウム系化合物半導体層をより所望の形状、品質のものとすることができる。
【0199】
なおこの実施例9では、金属核の形成を2段階に分けて行った後、金属核を水素キャリアガス中でアニールしたが、このアニール工程を省くことも可能である。またその場合、金属核の形成の工程と窒化の工程とを交互に2回以上行った後、窒化ガリウム系化合物半導体層を成長させることも可能である。
【0200】
比較例1
上記の実施例1〜3及び5〜9で作製した各試料と比較するための試料を作製した。この比較例では、[背景の技術]の欄で説明した特開平4−297023号公報の実施例で報告されているのと同じ低温バッファ層を形成する工程を用いて、基板上にアンドープの2μmの膜厚の窒化ガリウム結晶膜を形成した。取り出した基板は無色透明であり、成長面は鏡面であった。
【0201】
次に、上記の従来手法で得られたアンドープ窒化ガリウム結晶膜のXRC測定を行ったところ、(0002)面の測定では半値幅400秒、(10−12)面では半値幅500秒を示した。また、上記の窒化ガリウム結晶膜の最表面をAFMを用いて観察した。その結果、表面にはまばらに成長ピットが見られ、多くの転位の存在を示す弧の短いテラスからなるモフォロジーの表面が観察された。また、上記の窒化ガリウム結晶膜のエッチピット密度を測定するため、試料を実施例5と同様の処理をし、表面をAFMで観察してエッチピット密度を測定した。これによると、エッチピット密度は、2×109cm−2であった。
【0202】
実施例10
この実施例10では、実施例8に記載した方法により基板上に窒化ガリウム系化合物半導体層を形成し、その基板上の窒化ガリウム系化合物半導体層にさらに別の窒化ガリウム系化合物半導体層を積層させて半導体発光素子を構成した。
【0203】
図6は実施例10で作製した半導体発光素子の断面構造を模式的に示す図である。この実施例10では、MOCVD法を用いて、高温に加熱したサファイア基板11上に、先ずトリメチルアルミニウム(TMAl)の蒸気を含む気体を流通し、次にトリメチルガリウム(TMGa)の蒸気を含む気体を流通して基板上に金属核を形成した後、水素中で金属核をアニールし、その後でアンモニアを流通することで金属核を窒化し、その上に1×1017cm−3の電子濃度を持つ2μmの低SiドープGaN層12を形成し、この低SiドープGaN層上に順に、1×1019cm−3の電子濃度を持つ1μmの高SiドープGaN層13、1×1017cm−3の電子濃度を持つ100ÅのIn0.1Ga0.9Nクラッド層14、GaN障壁層15に始まりGaN障壁層15に終わる、6層の70ÅのGaN障壁層15と5層の20ÅのノンドープのIn0.2Ga0.8N井戸層16からなる多重量子井戸構造、30ÅのノンドープのAl0.2Ga0.8N拡散防止層17、8×1017cm−3の正孔濃度を持つ0.15μmのMgドープGaN層18、5×1018cm−3の正孔濃度を持つ100ÅのMgドープIn0.1Ga0.9N層19を積層し、半導体発光素子用の多層構造を有するウェーハを作製した。次いで、このサファイア基板上に積層された多層構造を有するウェーハを用いて発光ダイオードを作製した。
【0204】
上記の多層構造のウェーハの作製は、MOCVD法を用いて以下の手順で行った。
【0205】
まず、サファイア基板11を、誘導加熱式ヒータのRFコイルの中に設置された石英製の反応炉の中に導入した。サファイア基板11は、窒素ガス置換されたグローブボックスの中で、加熱用のカーボン製サセプター上に載置した。試料を導入後、窒素ガスを流通して反応炉内をパージした。窒素ガスを10分間に渡って流通した後、誘導加熱式ヒータを作動させ、10分をかけて基板温度を1170℃に昇温し、同時に炉内の圧力を50hPaとした。基板温度を1170℃に保ったまま、水素ガスと窒素ガスを流通させながら9分間放置して、基板表面のサーマルクリーニングを行った。
【0206】
サーマルクリーニングを行っている間に、反応炉に接続された原料であるトリメチルガリウム(TMGa)の入った容器(バブラ)及びトリメチルアルミニウム(TMAl)の入った容器(バブラ)の配管に水素キャリアガスを流通して、バブリングを開始した。各バブラの温度は、温度を調整するための恒温槽を用いて一定に調整しておいた。バブリングによって発生したTMGa及びTMAlの蒸気は、成長工程が始まるまでは、キャリアガスと一緒に除害装置への配管へ流通させ、除害装置を通して系外へ放出した。サーマルクリーニングの終了後、窒素キャリアガスのバルブを閉とし、反応炉内へのガスの供給を水素のみとした。
【0207】
キャリアガスの切り替え後、基板の温度を1100℃に降温させると共に、炉内の圧力を100hPaに調節した。1100℃で温度が安定したのを確認した後、TMAlの配管のバルブを切り替え、TMAlの蒸気を含む気体を反応炉内へ供給して、サファイア基板上に金属(Al)核を付着させる処理を開始した。この処理を1分間に渡って行った後、TMAlの配管のバルブを切り替え、TMAlの蒸気を含む気体の反応炉内への供給を停止した。その後、TMGaの配管のバルブを切り替え、TMGaの蒸気を含む気体を反応炉内へ供給して、サファイア基板11上に金属(Ga)核を付着させる処理を開始した。この処理を2分間に渡って行った後、TMGaの配管のバルブを切り替え、TMGaの蒸気を含む気体の反応炉内への供給を停止した。このように、金属核の形成を2段階に分けて行った。
【0208】
その後5分間保持し、形成した金属核を水素キャリアガス中でアニールした。5分間のアニールの後、アンモニアガスの配管のバルブを切り替え、炉内にアンモニアガスの供給を開始し、アニール後の金属核の窒化処理を行い、成長核を形成した。ここまでは、第4実施例の通りである。
【0209】
10秒の後、アンモニアの流通を続けながら、サセプタの温度を1160℃に昇温した。サセプタ温度の昇温中、TMGaの配管の流量調節器の流通を調節した。また、SiH4の流通を開始した。低SiドープのGaN層の成長が始まるまでの間、SiH4はキャリアガスと一緒に除害装置への配管へ流通させ、除害装置を通して系外へ放出した。サセプタの温度が1160℃になったのを確認した後、温度の安定を待ち、その後TMGaとSiH4のバルブを切り替えてTMGaとSiH4の炉内への供給を開始し、低ドープのGaNの成長を開始し、約1時間15分に渡って上記のGaN層の成長を行った。SiH4の流通させる量は事前に検討してあり、SiドープGaN層の電子濃度が1×1017cm−3となるように調整した。このようにして、2μmの膜厚を成す低SiドープGaN層12を形成した。
【0210】
さらに、この低SiドープGaN層12上にSiドープのn型GaN層を成長させた。すなわち、低SiドープのGaN層12を成長後、1分間に渡ってTMGaとSiH4の炉内への供給を停止した。その間、SiH4の流通量を変更した。流通させる量は事前に検討してあり、SiドープGaN層の電子濃度が1×1019cm−3となるように調整した。アンモニアはそのままの流量で炉内へ供給し続けた。1分間の停止の後、TMGaとSiH4の供給を再開し、45分間に渡って成長を行った。この操作により、1μmの膜厚を成す高SiドープGaN層13を形成した。
【0211】
高SiドープGaN層13を成長した後、TMGaとSiH4のバルブを切り替えて、これらの原料の炉内への供給を停止した。アンモニアはそのまま流通させながら、バルブを切り替えてキャリアガスを水素から窒素へ切り替えた。その後、基板の温度を1160℃から800℃へ低下させ、同時に炉内の圧力を100hPaから200hPaへ変更した。
【0212】
炉内の温度の変更を待つ間に、SiH4の供給量を変更した。流通させる量は事前に検討してあり、SiドープInGaNクラッド層の電子濃度が1×1017cm−3となるように調整した。アンモニアはそのままの流量で炉内へ供給し続けた。また、あらかじめトリメチルインジウム(TMIn)とトリエチルガリウム(TEGa)のバブラへのキャリアガスの流通を開始しておいた。SiH4ガス、およびバブリングによって発生したTMInおよびTEGaの蒸気は、クラッド層の成長工程が始まるまでは、キャリアガスと一緒に除害装置への配管へ流通させ、除害装置を通して系外へ放出した。その後、炉内の状態が安定するのを待って、TMInとTEGaとSiH4のバルブを同時に切り替え、これらの原料の炉内への供給を開始した。約10分間に渡って供給を継続し、100Åの膜厚を成すSiドープIn0.1Ga0.9Nクラッド層14を形成した。その後、TMIn、TEGaおよびSiH4のバルブを切り替え、これらの原料の供給を停止した。
【0213】
次に、GaNよりなる障壁層15とIn0.2Ga0.8Nよりなる井戸層16で構成される多重量子井戸構造を作製した。多重量子井戸構造の作製にあたっては、SiドープIn0.1Ga0.9Nクラッド層14上に、始めにGaN障壁層15を形成し、そのGaN障壁層15上にIn0.2Ga0.8N井戸層16を形成した。この構造を5層積層したのち、5番目のIn0.2Ga0.8N井戸層16上に、6番目のGaN障壁層15を形成し、両側をGaN障壁層15で挟んだ構造とした。
【0214】
1番目のGaN層を形成するために、SiドープIn0.1Ga0.9Nクラッド層14の成長終了後、30秒間に渡って停止したのち、基板温度や炉内の圧力、キャリアガスの流量や種類はそのままで、TEGaのバルブを切り替えてTEGaの炉内への供給を行った。7分間に渡ってTEGaの供給を行った後、再びバルブを切り替えてTEGaの供給を停止してGaN障壁層15の成長を終了した。これにより、70Åの膜厚を成すGaN障壁層15を形成した。
【0215】
GaN障壁層15の成長を行っている間、除害設備への配管に流していたTMInの流量を、クラッド層14の成長の時と比較して、モル流量にして2倍になるよう調節しておいた。GaN障壁層15の成長終了後、30秒間に渡ってIII族原料の供給を停止したのち、基板温度や炉内の圧力、キャリアガスの流量や種類はそのままで、TEGaとTMInのバルブを切り替えてTEGaとTMInの炉内への供給を行った。2分間に渡ってTEGaとTMInの供給を行った後、再びバルブを切り替えてTEGaとTMInの供給を停止してIn0.2Ga0.8N井戸層16の成長を終了した。これにより、20Åの膜厚を成すIn0.2Ga0.8N井戸層16を形成した。
【0216】
In0.2Ga0.8N井戸層16の成長終了後、30秒間に渡ってIII族原料の供給を停止したのち、基板温度や炉内の圧力、キャリアガスの流量や種類はそのままで、TEGaの炉内への供給を開始し、再びGaN障壁層15の成長を行った。このような手順を5回繰り返し、5層のGaN障壁層15と5層のIn0.2Ga0.8N井戸層16を作製した。更に、最後のIn0.2Ga0.8N井戸層16上にGaN障壁層15を形成した。
【0217】
このGaN障壁層15で終了する多重量子井戸構造上に、下記手順でノンドープのAl0.2Ga0.8N拡散防止層17を作製した。すなわち、TEGaの供給を停止して、GaN障壁層15の成長が終了した後、1分間をかけて基板の温度とキャリアガスの種類、流量は同じにしたまま、炉内の圧力を100hPaに変更した。あらかじめトリメチルアルミニウム(TMAl)のバブラへのキャリアガスの流通を開始しておいた。バブリングによって発生したTMAlの蒸気は、拡散防止層の成長工程が始まるまでは、キャリアガスと一緒に除害装置への配管へ流通させ、除害装置を通して系外へ放出した。炉内の圧力が安定するのを待って、TEGaとTMAlのバルブを切り替え、これらの原料の炉内への供給を開始した。その後、約3分間に渡って成長を行ったあと、TEGaとTMAlの供給を停止し、ノンドープのAl0.2Ga0.8N拡散防止層17の成長を停止した。これにより、30Åの膜厚を成すノンドープのAl0.2Ga0.8N拡散防止層17を形成した。
【0218】
このノンドープのAl0.2Ga0.8N拡散防止層17上に、下記手順でMgドープのGaN層18を作製した。すなわち、TEGaとTMAlの供給を停止して、ノンドープのAl0.2Ga0.8N拡散防止層17の成長が終了した後、2分間をかけて、基板の温度を1060℃に上昇し、炉内の圧力を200hPaに変更した。更に、キャリアガスを水素に変更した。また、あらかじめピスシクロペンタジエルマグネシウム(Cp2Mg)のバブラへのキャリアガスの流通を開始しておいた。バブリングによって発生したCp2Mgの蒸気は、MgドープGaN層の成長工程が始まるまでは、キャリアガスと一緒に除害装置への配管へ流通させ、除害装置を通して系外へ放出した。温度と圧力を変更して炉内の圧力が安定するのを待って、TEGaとCp2Mgのバルブを切り替え、これらの原料の炉内への供給を開始した。Cp2Mgを流通させる量は事前に検討してあり、MgドープGaNクラッド層の正孔濃度が8×1017cm−3となるように調整した。その後、約6分間に渡って成長を行ったあと、TEGaとCp2Mgの供給を停止し、MgドープのGaN層の成長を停止した。これにより、0.15μmの膜厚を成すMgドープのGaN層18が形成された。
【0219】
このMgドープのGaN層18上に、下記手順でMgドープのInGaN層19を作製した。すなわち、TEGaとCp2Mgの供給を停止して、MgドープのGaN層18の成長が終了した後、2分間をかけて、基板の温度を800℃に下降させた。同時に、キャリアガスを窒素に変更した。炉内の圧力は200hPaのままとした。Cp2Mgの流量を変更して、MgドープIn0.1Ga0.9N層19のMgドープ量が、MgドープGaN層と同じになるようにした。事前の検討により、このドープ量では、MgドープIn0.1Ga0.9N層の正孔濃度が5×1018cm−3となることが判っている。
【0220】
基板温度が安定するのを待って、TMInとTEGaとCp2Mgのバルブを切り替え、これらの原料の炉内への供給を開始した。その後、約10分間に渡って成長を行ったあと、TEGaとTMInとCp2Mgの供給を停止し、MgドープのIn0.1Ga0.9N層19の成長を停止した。これにより、100Åの膜厚を成すMgドープのIn0.1Ga0.9N層19が形成された。
【0221】
MgドープIn0.1Ga0.9N層19の成長を終了した後、誘導加熱式ヒータへの通電を停止して、基板の温度を室温まで20分をかけて降温した。降温中は、反応炉内の雰囲気を窒素のみから構成した。その後、基板温度が室温まで降温したのを確認して、試料を大気中に取り出した。取り出したウエハは、黄味を帯びた透明であり、成長面は鏡面であった。
以上のような手順により、半導体発光素子用の多層構造を有するウェーハを作製した。ここでMgドープGaN層18とMgドープIn0.1Ga0.9N層19は、p型キャリアを活性化するためのアニール処理を行わなくてもp型を示した。
【0222】
次いで、上記のサファイア基板上にエピタキシャル層構造が積層されたウェーハを用いて、半導体発光素子の一種である発光ダイオードを作製した。大気中に取り出したウェーハについて、公知のフォトリソグラフィーによって、図7に示すように、100ÅのMgドープのIn0.1Ga0.9N層18の表面18a上に、表面側から順に、チタン、アルミニウム、金と積層した構造を持つボンディングパッド20と、金のみからなる透明性の電極を形成し、p側電極21を作製した。更にその後、ウェーハにドライエッチングを行い、高SiドープGaN層13のn側電極を形成する部分131を露出させ、露出した部分131にNi、Alよりなるn側電極22を作製した。これらの作業により、ウェーハ上に図7に示すような形状を持つ電極を作製した。このようにしてp側およびn側の電極を形成したウェーハについて、サファイア基板の裏面を研削、研磨してミラー状の面とした。その後、該ウェーハを350μm角の正方形のチップに切断し、電極が上になるように、リードフレーム上に載置し、金線でリードフレームへ結線して発光素子とした。上記のようにして作製した発光ダイオードのp側およびn側の電極間に順方向電流を流したところ、電流20mAにおける順方向電圧は3.0Vであった。また、p側の透光性電極を通して発光を観察したところ、発光波長は470nmであり、発光出力は6cdを示した。
【0223】
実施例11
この実施例では、TMAlの流通(ステップA1)とTMGaの流通(ステップA2)による金属核の形成を交互に2回繰り返し、その後アニール(ステップB)を行うことなく金属核の窒化(ステップC)を行い、その上に窒化ガリウム系化合物半導体を成長(ステップD)する工程を用いて窒化ガリウム系化合物半導体を成長し半導体発光素子を製造した例について説明する。作製した素子の構造は、図6に示した構造と同じである。
【0224】
上記の素子構造試料の作製は、MOCVD法を用いて以下の手順で行った。まず、サファイア基板11を、誘導加熱式ヒータのRFコイルの中に設置された石英製の反応炉の中に導入した。サファイア基板は、窒素ガス置換されたグローブボックスの中で、加熱用のカーボン製サセプター上に載置した。試料を導入後、窒素ガスを流通して反応炉内をパージした。金属核を付着する工程を行う前に、実施例6と同様にしてサーマルアニーリングを行った。また、その間、実施例6と同様に使用する原料のバブリングを開始し、発生した蒸気を除害装置を通じて炉外へ放出しておいた。サーマルクリーニングの終了後、窒素キャリアガスのバルブを閉とし、反応炉内へのガスの供給を水素のみとした。
【0225】
キャリアガスの切り替え後、基板の温度を1100℃に降温させるとともに、炉内の圧力を100hPaに調節した。1100℃で温度が安定したのを確認した後、TMAlの配管のバルブを切り替え、TMAlの蒸気を含む気体を反応炉内へ供給して、サファイア基板上にアルミニウム金属核を付着させる処理を開始した。2分後、TMAlの配管のバルブを切り替え、TMAlの炉内への供給を停止した。1秒ののち、TMGaの配管のバルブを切り替え、TMGaの蒸気を含む気体を反応炉内へ供給して、サファイア基板上に付着したアルミニウム金属核にガリウムを付着させる処理を開始した。4分後、TMGaの配管のバルブを切り替え、TMGaの炉内への供給を停止した。このTMAlとTMGaの反応炉内への供給の操作を2回繰り返した。
【0226】
2度目のTMGaの蒸気を含む気体を反応炉内へ供給するのを停止するのと同時に、アンモニアガスの配管のバルブを切り替え、炉内にアンモニアガスの供給を開始し、金属核の窒化を開始した。さらに、10秒の後、アンモニアの流通を続けながら、サセプタの温度を1160℃に昇温し、引き続き低SiドープGaN層の作製に入った。そして、低SiドープGaN層12、高SiドープGaN層13、In0.1Ga0.9Nクラッド層14、6層のGaN障壁層と5層のIn0.2Ga0.8N井戸層16とを交互に積層した多重量子井戸構造、Al0.2Ga0.8N拡散防止層17、MgドープGaN層18、MgドープIn0.1Ga0.9N層19を、実施例10と同じ手順により順次成長した。
【0227】
ウェーハの最表面層であるMgドープIn0.1Ga0.9N層の成長を終了した後、誘導加熱式ヒータへの通電を停止して、基板の温度を室温まで20分をかけて降温した。降温中は、反応炉内の雰囲気を窒素のみから構成した。その後、基板温度が室温まで降温したのを確認して、試料を大気中に取り出した。取り出したウエハは、黄味を帯びた透明であり、成長面は鏡面であった。
【0228】
以上のような手順により、半導体発光素子用の多層構造を有するウェーハを作製した。本ウェーハ上に実施例6と同様のプロセスにより電極を形成してチップ化し、リードフレームにマウントして結線し、発光素子とした。上記のようにして作製した発光ダイオードのp側およびn側の電極間に順方向電流を流したところ、電流20mAにおける順方向電圧は3.2Vであった。また、p側の透光性電極を通して発光を観察したところ、発光波長は470nmであり、発光出力は5cdを示した。
【0229】
実施例12
この実施例では、本発明の方法により基板上に窒化ガリウム系化合物半導体層を形成し、その基板上の窒化ガリウム系化合物半導体層にさらに別の窒化ガリウム系化合物半導体層を積層させて半導体発光素子を構成した。
【0230】
図8は実施例12で作製した半導体発光素子の断面構造を模式的に示す図である。この実施例では、MOCVD法を用いて、高温に加熱したサファイア基板11上に、先ずトリメチルアルミニウム(TMAl)の蒸気を含む気体を流通し、次にトリメチルガリウム(TMGa)の蒸気を含む気体を流通して基板上に金属核を形成した後、水素中で金属核をアニールし、その後でアンモニアを流通することで金属核を窒化し、その上に1×1017cm−3の電子濃度を持つ2μmの低SiドープGaN層12を形成し、この低SiドープGaN層上に順に、1×1019cm−3の電子濃度を持つ1μmの高SiドープGaN層13、GaN障壁層15に始まりGaN障壁層15に終わる、6層の70ÅのGaN障壁層15と5層の20ÅのノンドープのIn0.2Ga0.8N井戸層16からなる多重量子井戸構造、30ÅのノンドープのAl0.2Ga0.8N拡散防止層17、8×1017cm−3の正孔濃度を持つ0.15μmのMgドープGaN層18を積層し、半導体発光素子用の多層構造を有するウェーハを作製した。次いで、このサファイア基板上に積層された多層構造を有するウェーハを用いて発光ダイオードを作製した。
【0231】
上記の多層構造のウェーハの作製は、MOCVD法を用いて以下の手順で行った。
【0232】
まず、サファイア基板11を、誘導加熱式ヒータのRFコイルの中に設置された石英製の反応炉の中に導入した。サファイア基板11は、窒素ガス置換されたグローブボックスの中で、加熱用のカーボン製サセプター上に載置した。試料を導入後、窒素ガスを流通して反応炉内をパージした。窒素ガスを10分間に渡って流通した後、誘導加熱式ヒータを作動させ、10分をかけて基板温度を1170℃に昇温し、同時に炉内の圧力を50hPaとした。基板温度を1170℃に保ったまま、水素ガスと窒素ガスを流通させながら9分間放置して、基板表面のサーマルクリーニングを行った。
【0233】
サーマルクリーニングを行っている間に、反応炉に接続された原料であるトリメチルガリウム(TMGa)の入った容器(バブラ)及びトリメチルアルミニウム(TMAl)の入った容器(バブラ)の配管に水素キャリアガスを流通して、バブリングを開始した。各バブラの温度は、温度を調整するための恒温槽を用いて一定に調整しておいた。バブリングによって発生したTMGa及びTMAlの蒸気は、成長工程が始まるまでは、キャリアガスと一緒に除害装置への配管へ流通させ、除害装置を通して系外へ放出した。サーマルクリーニングの終了後、窒素キャリアガスのバルブを閉とし、反応炉内へのガスの供給を水素のみとした。
【0234】
キャリアガスの切り替え後、基板の温度を1160℃に降温させると共に、炉内の圧力を100hPaに調節した。1160℃で温度が安定したのを確認した後、TMAlの配管のバルブを切り替え、TMAlの蒸気を含む気体を反応炉内へ供給して、サファイア基板上に金属(Al)核を付着させる処理を開始した。この処理を3分間に渡って行った後、TMAlの配管のバルブを切り替え、TMAlの蒸気を含む気体の反応炉内への供給を停止した。その後、TMGaの配管のバルブを切り替え、TMGaの蒸気を含む気体を反応炉内へ供給して、サファイア基板11上に金属(Ga)核を付着させる処理を開始した。この処理を3分間に渡って行った後、TMGaの配管のバルブを切り替え、TMGaの蒸気を含む気体の反応炉内への供給を停止した。このように、金属核の形成を2段階に分けて行った。
【0235】
その後5分間保持し、形成した金属核を水素キャリアガス中でアニールした。5分間のアニールの後、アンモニアガスの配管のバルブを切り替え、炉内にアンモニアガスの供給を開始し、アニール後の金属核の窒化処理を行い、成長核を形成した。アンモニアの流通を続けながら、TMGaの配管の流量調節器の流通を調節した。また、SiH4の流通を開始した。低SiドープのGaN層の成長が始まるまでの間、SiH4はキャリアガスと一緒に除害装置への配管へ流通させ、除害装置を通して系外へ放出した。TMGaとSiH4の流量の安定を待ち、その後TMGaとSiH4のバルブを切り替えてTMGaとSiH4の炉内への供給を開始し、低ドープのGaNの成長を開始し、約1時間15分に渡って上記のGaN層の成長を行った。SiH4の流通させる量は事前に検討してあり、SiドープGaN層の電子濃度が1×1017cm−3となるように調整した。このようにして、2μmの膜厚を成す低SiドープGaN層12を形成した。
【0236】
さらに、この低SiドープGaN層12上にSiドープのn型GaN層を成長させた。すなわち、低SiドープのGaN層12を成長後、1分間に渡ってTMGaとSiH4の炉内への供給を停止した。その間、SiH4の流通量を変更した。流通させる量は事前に検討してあり、SiドープGaN層の電子濃度が1×1019cm−3となるように調整した。アンモニアはそのままの流量で炉内へ供給し続けた。1分間の停止の後、TMGaとSiH4の供給を再開し、45分間に渡って成長を行った。この操作により、1μmの膜厚を成す高SiドープGaN層13を形成した。
【0237】
高SiドープGaN層13を成長した後、TMGaとSiH4のバルブを切り替えて、これらの原料の炉内への供給を停止した。アンモニアはそのまま流通させながら、バルブを切り替えてキャリアガスを水素から窒素へ切り替えた。その後、基板の温度を1160℃から800℃へ低下させ、同時に炉内の圧力を100hPaから200hPaへ変更した。炉内の温度の変更を待つ間、アンモニアはそのままの流量で炉内へ供給し続けた。また、あらかじめトリメチルインジウム(TMIn)とトリエチルガリウム(TEGa)のバブラへのキャリアガスの流通を開始しておいた。バブリングによって発生したTMInおよびTEGaの蒸気は、活性層の成長工程が始まるまでは、キャリアガスと一緒に除害装置への配管へ流通させ、除害装置を通して系外へ放出した。
【0238】
次に、GaNよりなる障壁層15とIn0.2Ga0.8Nよりなる井戸層16で構成される多重量子井戸構造を作製した。多重量子井戸構造の作製にあたっては、SiドープGaNコンタクト層13上に、始めにGaN障壁層15を形成し、そのGaN障壁層15上にIn0.2Ga0.8N井戸層16を形成した。この構造を5層積層したのち、5番目のIn0.2Ga0.8N井戸層16上に、6番目のGaN障壁層15を形成し、両側をGaN障壁層15で挟んだ構造とした。
【0239】
1番目のGaN層を形成するために、基板温度や炉内の圧力、キャリアガスの流量や種類はそのままで、TEGaのバルブを切り替えてTEGaの炉内への供給を続けた。7分間に渡ってTEGaの供給を行った後、再びバルブを切り替えてTEGaの供給を停止してGaN障壁層15の成長を終了した。これにより、70Åの膜厚を成すGaN障壁層15を形成した。
【0240】
GaN障壁層15の成長終了後、30秒間に渡ってIII族原料の供給を停止したのち、基板温度や炉内の圧力、キャリアガスの流量や種類はそのままで、TEGaとTMInのバルブを切り替えてTEGaとTMInの炉内への供給を行った。2分間に渡ってTEGaとTMInの供給を行った後、再びバルブを切り替えてTEGaとTMInの供給を停止してIn0.2Ga0.8N井戸層16の成長を終了した。これにより、20Åの膜厚を成すIn0.2Ga0.8N井戸層16を形成した。In0.2Ga0.8N井戸層16の成長終了後、30秒間に渡ってIII族原料の供給を停止したのち、基板温度や炉内の圧力、キャリアガスの流量や種類はそのままで、TEGaの炉内への供給を開始し、再びGaN障壁層15の成長を行った。このような手順を5回繰り返し、5層のGaN障壁層15と5層のIn0.2Ga0.8N井戸層16を作製した。更に、最後のIn0.2Ga0.8N井戸層16上にGaN障壁層15を形成した。
【0241】
このGaN障壁層15で終了する多重量子井戸構造上に、下記手順でノンドープのAl0.2Ga0.8N拡散防止層17を作製した。すなわち、TEGaの供給を停止して、GaN障壁層15の成長が終了した後、1分間をかけて基板の温度とキャリアガスの種類、流量は同じにしたまま、炉内の圧力を100hPaに変更した。あらかじめトリメチルアルミニウム(TMAl)のバブラへのキャリアガスの流通を開始しておいた。バブリングによって発生したTMAlの蒸気は、拡散防止層の成長工程が始まるまでは、キャリアガスと一緒に除害装置への配管へ流通させ、除害装置を通して系外へ放出した。炉内の圧力が安定するのを待って、TEGaとTMAlのバルブを切り替え、これらの原料の炉内への供給を開始した。その後、約3分間に渡って成長を行ったあと、TEGaとTMAlの供給を停止し、ノンドープのAl0.2Ga0.8N拡散防止層17の成長を停止した。これにより、30Åの膜厚を成すノンドープのAl0.2Ga0.8N拡散防止層17を形成した。
【0242】
このノンドープのAl0.2Ga0.8N拡散防止層17上に、下記手順でMgドープのGaN層18を作製した。すなわち、TEGaとTMAlの供給を停止して、ノンドープのAl0.2Ga0.8N拡散防止層17の成長が終了した後、2分間をかけて、基板の温度を1060℃に上昇し、炉内の圧力を200hPaに変更した。更に、キャリアガスを水素に変更した。また、あらかじめピスシクロペンタジエルマグネシウム(Cp2Mg)のバブラへのキャリアガスの流通を開始しておいた。バブリングによって発生したCp2Mgの蒸気は、MgドープGaN層の成長工程が始まるまでは、キャリアガスと一緒に除害装置への配管へ流通させ、除害装置を通して系外へ放出した。
【0243】
温度と圧力を変更して炉内の圧力が安定するのを待って、TMGaとCp2Mgのバルブを切り替え、これらの原料の炉内への供給を開始した。Cp2Mgを流通させる量は事前に検討してあり、MgドープGaNクラッド層の正孔濃度が8×1017cm−3となるように調整した。その後、約6分間に渡って成長を行ったあと、TMGaとCp2Mgの供給を停止し、MgドープのGaN層の成長を停止した。これにより、0.15μmの膜厚を成すMgドープのGaN層18が形成された。
【0244】
このMgドープのGaN層18上に、下記手順でMgドープのInGaN層19を作製した。すなわち、TMGaとCp2Mgの供給を停止して、MgドープのGaN層18の成長が終了した後、キャリアガスを窒素に変更し、アンモニアの流通量を全流量の1%まで低下させた。炉内の圧力は200hPaのままとした。その後、誘導加熱式ヒータへの通電を停止して、基板の温度を室温まで20分をかけて降温した。降温中は、反応炉内の雰囲気を窒素中にアンモニアを1%含む混合ガスから構成した。その後、基板温度が室温まで降温したのを確認して、試料を大気中に取り出した。取り出したウエハは、黄味を帯びた透明であり、成長面は鏡面であった。
【0245】
以上のような手順により、半導体発光素子用の多層構造を有するウェーハを作製した。ここでMgドープGaN層18は、p型キャリアを活性化するためのアニール処理を行わなくてもp型を示した。
【0246】
次いで、上記のサファイア基板11上にエピタキシャル層構造が積層されたウェーハを用いて、半導体発光素子の一種である発光ダイオードを作製した。大気中に取り出したウェーハについて、公知のフォトリソグラフィーによって、図7に示すように、MgドープのGaN層18の表面18a上に、表面側から順に、チタン、アルミニウム、金と積層した構造を持つボンディングパッド20と、金と酸化ニッケルの2層構造からなる透明性の電極を形成し、p側電極21を作製した。更にその後、ウェーハにドライエッチングを行い、高SiドープGaN層13のn側電極を形成する部分131を露出させ、露出した部分131にNi、Alよりなるn側電極22を作製した。これらの作業により、ウェーハ上に図7に示すような形状を持つ電極を作製した。
【0247】
このようにしてp側およびn側の電極を形成したウェーハについて、サファイア基板の裏面を研削、研磨してミラー状の面とした。その後、該ウェーハを350μm角の正方形のチップに切断し、電極が上になるように、リードフレーム上に載置し、金線でリードフレームへ結線して発光素子とした。上記のようにして作製した発光ダイオードのp側およびn側の電極間に順方向電流を流したところ、電流20mAにおける順方向電圧は3.0Vであった。また、p側の透光性電極を通して発光を観察したところ、発光波長は472nmであり、発光出力は5.9cdを示した。
【0248】
比較例2
比較例2では、従来の低温バッファ層を形成する工程を用いて、基板上にアンドープの2μmの膜厚の窒化ガリウム結晶膜を形成し、この低温バッファ層上に第10実施例と同じ積層構造を持つウェーハを作製した。取り出したウェーハは黄味を帯びた透明であり、成長面は鏡面であった。このウェーハに、実施例10と同様にしてp側およびn側の電極を形成し、サファイア基板の裏面を研削、研磨してミラー状の面とした。その後、該ウェーハを350μm角の正方形のチップに切断し、電極が上になるように、リードフレーム上に載置し、金線でリードフレームへ結線して発光素子とした。上記のようにして作製した発光ダイオードのp側およびn側の電極間に順方向電流を流したところ、電流20mAにおける順方向電圧は4.0Vと高かった。また、p側の透光性電極を通して発光を観察したところ、発光波長は470nmであり、発光出力は3cdと低い値を示した。
【0249】
これは、本発明の方法によって基板上に良好な窒化ガリウム系化合物半導体層が形成されたため、発光層の結晶性が向上し、発光の量子効率が上がったことによるものと思われる。
【0250】
実施例13
次に、基板上に窒化ガリウム系化合物半導体の成長速度の遅いマスク層を形成して窒化ガリウム系化合物半導体結晶を成長する実施例を述べる。
本実施例では、図9に示す工程に従って基板上に結晶を成長させた。MOCVD法を用いて、高温に加熱したサファイア基板上に、アンモニアとジシラン(Si2H6)を流通させた後で、TMGとTMAの混合気体を流通し、その後でアンモニアを流通することで、窒化珪素で覆われた領域とサファイア基板上に窒化アルミニウムと窒化ガリウムが付着した領域を持つ層をマスク層として形成し、その上にアンドープのGaN層を積層して試料を作製した。
【0251】
上記のGaN層を含む試料の作製は、MOCVD法を用いて以下の手順で行った。
まず、サファイア基板を、誘導加熱式ヒータのRFコイルの中に設置された石英製の反応炉の中に導入した。サファイア基板は、加熱用のカーボン製サセプター上に載置した。試料を導入後反応炉内を真空引きして空気を排出し、窒素ガスを流通して反応炉内をパージした。窒素ガスを10分間に渡って流通した後、誘導加熱式ヒータを作動させ、10分をかけて基板温度を1170℃に昇温した。基板温度を1170℃に保ったまま、水素ガスと窒素ガスを流通させながら9分間放置して、基板表面のサーマルクリーニングを行った。
【0252】
サーマルクリーニングを行っている間に、反応炉に接続された原料であるトリメチルガリウム(TMG)の入った容器(バブラ)の配管に水素キャリアガスを流通して、バブリングを開始した。各バブラの温度は、温度を調整するための恒温槽を用いて一定に調整しておいた。バブリングによって発生したTMGの蒸気は、GaN層の成長工程が始まるまでは、キャリアガスと一緒に除害装置への配管へ流通させ、除害装置を通して系外へ放出した。
【0253】
サーマルクリーニングの終了後、アンモニアの配管とジシランの配管のバルブを切り替え、サファイア基板上にアンモニアとジシランを1分間に渡って流通した。その後、アンモニアの配管とジシランの配管のバルブを切り替えて、アンモニアとジシランの供給を停止した。続いて、窒素からなるキャリアガスのバルブを切り替え、反応炉内への窒素の供給を開始した。その1分間後に、TMGとTMAの配管のバルブを切り替え、TMGとTMAの蒸気を含むキャリアガスを反応炉内へ1分間に渡って供給した後、TMGおよびTMAの配管のバルブを切り替えてTMGおよびTMAの反応炉への供給を停止した。同時に、窒素からなるキャリアガスのバルブを切り替え、反応炉内への窒素の供給を開始した。その1分間後に、アンモニアの配管のバルブを切り替えて反応炉へのアンモニアの供給を開始し、10分間アンモニアを流通させたあと、バルブを切り替えて供給を停止し、キャリアガスである窒素を供給した。この工程により、サファイア基板上に窒化珪素からなる領域5と窒化ガリウムアルミニウムからなる領域8とで構成されるマスク層を形成した。
【0254】
マスク層を形成した後、基板1の温度を1160℃に降温させた。1160℃で温度が安定したのを確認した後、アンモニアガスの配管のバルブを切り替え、炉内にアンモニアガス4の供給を開始した。約1分の流通の後、TMGの配管のバルブを切り替え、TMGの蒸気を含む気体を反応炉内へ供給して、マスク層上にGaN層9の成長を行った。約2時間に渡って上記のGaN層の成長を行ったあと、TMGの配管のバルブを切り替え、原料の反応炉への供給を終了して成長を停止した。
GaN層の成長を終了した後、誘導加熱式ヒータへの通電を停止し、実施例1と同様の手順で、試料を大気中に取り出した。以上の工程により、サファイア基板1上にマスク層を形成し、その上にアンドープの2μmの膜厚のGaN層を形成した試料を作製した。取り出した基板は無色透明であり、成長面は鏡面であった。
【0255】
次に、上記の方法で成長を行ったアンドープGaN層のXRC測定を行った。測定には、Cuβ線X線発生源を光源として用いて、対称面である(0002)面と非対称面である(10−12)面で行った。一般的に、窒化ガリウム系化合物半導体の場合、(0002)面のXRCスペクトル半値幅は結晶の平坦性の指標となり、(10−12)面のXRCスペクトル半値幅は転位密度の指標となる。この測定の結果、本発明の方法で作製したアンドープGaN層は、(0002)面の測定では半値幅280秒、(10−12)面では半値幅300秒を示した。
【0256】
また、上記のGaN層の最表面をAFMを用いて観察した。その結果、表面には成長ピットは見られず、良好なモフォロジーの表面が観察された。また、上記のGaN層のエッチピット密度を測定するため、試料を硫酸と燐酸の混合溶液中で280度で10分間の処理をし、表面をAFMで観察してエッチピット密度を測定した。これによると、エッチピット密度は、約9×106cm−2程度であった。
【0257】
実施例14
本実施例では、図10に示す工程に従って、基板上に結晶を成長させた。MOCVD法を用いて、高温でアンモニアを流通させて表面を窒化したサファイア基板上に、シランとTMGとの混合気体を流通し、その後でアンモニアを流通することで、窒化珪素で覆われた領域とサファイア基板面上に窒化ガリウムが付着した領域からなる層をマスク層として形成し、その上にアンドープのGaN層を積層して試料を作製した。上記のGaN層を含む試料の作製は、実施例13で使用したのと同じ装置を用い、MOCVD法で以下の手順で行った。まず、サファイア基板を実施例13と同様にして反応炉の中に導入し、実施例13と同様の手順でサーマルクリーニングを行った。サーマルクリーニングを行っている間に、実施例1と同様にして容器(バブラ)のバブリングを開始した。サーマルクリーニングの終了後、アンモニアの配管のバルブを切り替え、サファイア基板上にアンモニアを20分間に渡って流通した。その後、アンモニアの配管のバルブを切り替えてアンモニアの供給を停止した。続いて、窒素からなるキャリアガスのバルブを切り替え、反応炉内への窒素の供給を開始した。その後、シランの配管とTMGの配管のバルブを切り替え、サファイア基板上にシランとTMGとを30秒間流通した。その後、TMGの配管とシランの配管のバルブを切り替えて、TMGとシランの供給を停止した。続いて、窒素からなるキャリアガスのバルブを切り替え、反応炉内への窒素の供給を開始した。その1分間後に、アンモニアの配管のバルブを切り替えて反応炉へのアンモニアの供給を開始し、10分間アンモニアを流通させたあと、バルブを切り替えて供給を停止し、キャリアガスである窒素を供給した。この工程により、サファイア基板上に窒化珪素からなる領域5と窒化ガリウムからなる領域8とで構成されるマスク層を形成した。
【0258】
マスク層を形成した後、基板1の温度を1180℃に降温させた。1180℃で温度が安定したのを確認した後、アンモニアガスの配管のバルブを切り替え、炉内にアンモニアガスの供給を開始した。約1分の流通の後、TMGの配管のバルブを切り替え、TMGの蒸気を含む気体を反応炉内へ供給して、マスク層上にGaN層の成長を行った。約2時間に渡って上記のGaN層9の成長を行ったあと、TMGの配管のバルブを切り替え、原料の反応炉への供給を終了して成長を停止した。
GaN層の成長を終了した後、誘導加熱式ヒータへの通電を停止し、実施例1と同様の手順で、試料を大気中に取り出した。以上の工程により、サファイア基板1上にマスク層5,8を形成し、その上にアンドープの2μmの膜厚のGaN層9を形成した試料を作製した。取り出した基板は無色透明であり、成長面は鏡面であった。
【0259】
次に、上記の方法で成長を行ったアンドープGaN層のXRC測定を行った。この測定の結果、本実施例で作製したアンドープGaN層は、(0002)面の測定では半値幅290秒、(10−12)面では半値幅420秒を示した。また、上記のGaN層の最表面をAFMを用いて観察した。その結果、表面には成長ピットは見られず、良好なモフォロジーの表面が観察された。また、上記の膜のエッチピット密度を測定するため、試料を実施例13と同様の処理をし、表面をAFMで観察してエッチピット密度を測定した。これによると、エッチピット密度は、約6×107cm−2程度であった。
【0260】
実施例15
本実施例では、実施例13に記載した方法により窒化ガリウム系化合物半導体を製造する工程を含む、窒化ガリウム系化合物半導体を用いた半導体発光素子の製造方法について説明する。MOCVD法を用いて、高温に加熱したサファイア基板上に、アンモニアとジシラン(Si2H6)を流通させた後で、TMGとTMAの混合気体を流通し、その後でアンモニアを流通することで、窒化珪素で覆われた領域とGaAlNで覆われた領域とからなるマスク層を形成し、その上にアンドープのGaN層を積層し、Siドープのn型GaN層、InGaN層とGaN層からなる多重量子井戸(MQW)構造の発光層、アンドープのGaN層、MgドープのInGaN層を順に積層し、半導体発光素子用の多層構造を有するウェーハを作製した。次いで、このサファイア基板上に積層された多層構造を有するウェーハを用いて発光ダイオードを作製した。
【0261】
まず、MOCVD法を用いて、実施例13に記載したのと同様の手順に従って、サファイア基板上に、平坦な表面を持つ1x1017cm−3の電子濃度を持つ2μmの低SiドープGaN層12を形成した。その後、実施例12に示したのと同様の手順に従って、低SiドープGaN層12上に順に、高SiドープGaN層13、多重量子井戸構造、Al0.2Ga0.8N拡散防止層17、Mgドープ層GaN層18を積層した。
【0262】
大気中に取り出したウェーハについて、公知のフォトリソグラフィーによってp型のInGaN層の表面側から順に、チタン、金と積層した構造を持つボンディングパッドと、金とニッケル酸化物の順に積層した構造を持つ透光性の電極を形成し、p側電極を作製した。更にその後ウェーハにドライエッチングを行い、n側電極を形成する部分のn型GaN層を露出させ、露出した部分にAlよりなるn側電極を作製した。
このようにしてp側およびn側の電極を形成したウェーハについて、サファイア基板の裏面を研削、研磨してミラー状の面とした。その後、該ウェーハを350μm角の正方形のチップに切断し、電極が上になるように、リードフレーム上に載置し、金線でリードフレームへ結線して発光素子とした。
上記のようにして作製した発光ダイオードのp側およびn側の電極間に順方向電流を流したところ、電流20mAにおける順方向電圧は3.0Vであった。また、p側の透光性電極を通して発光を観察したところ、発光波長は465nmであり、発光出力は3cdを示した。
【0263】
(産業上の利用の可能性)
本発明のIII族窒化物半導体結晶の製造方法を用いると、従来の低温バッファ層を用いる方法に比較して製造条件を厳密に制御する必要がなく、容易に基板上に高品質のIII族窒化物半導体結晶の薄膜を製造することができる。
その結果、本発明のIII族窒化物半導体結晶の製造方法を用いて、窒化ガリウム系化合物半導体を用いた半導体発光素子を製造すると、高輝度でウェーハ面内でほぼ均一な特性を有する発光ダイオードを作製することができる。
【0264】
また、この発明の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法および窒化ガリウム系化合物半導体では、基板上に先ず金属核を付着させ、その金属核を基にして成長核を形成し、その成長核にさらに窒化ガリウム系化合物半導体層を成長させるようにした。基板上に付着する金属核は、有機金属ガスの流量や流通時間、処理温度等によりその成長を制御できるので、金属核が基板上に存在する密度も自在に制御することできる。また、その金属核にアニールおよび窒化処理を施すことにより、金属核は垂直方向、水平方向に自在に成長可能となるので、得られる成長核を所望の形状(例えば略台形状)に制御することができる。そして、この成長核上にさらに窒化ガリウム系化合物半導体層を成長させるので、窒化ガリウム系化合物半導体層は、隣り合う成長核間を埋めるように転位しつつ成長し、隣り合う成長核間を埋め尽くした後はその上に平坦な層となって成長する。したがって、最終的に、基板上に、所望の層厚と良好な結晶性とを備えた窒化ガリウム系化合物半導体層を形成することができる。この基板上に形成した窒化ガリウム系化合物半導体層は、その上に積層させる窒化ガリウム系化合物半導体とは極めて良好な格子整合性を保つことができ、したがって、基板上に良好な結晶性を有する窒化ガリウム系化合物半導体各層を形成することができる。そして、この窒化ガリウム系化合物半導体を用いて半導体発光素子を製造した場合、その発光特性も確実に向上させることができる。
【0265】
また本発明方法を用いて作製した半導体発光素子は、電子機器用、車両搭載用、交通信号用その他の電気装置に高輝度の光源として利用することができる。本明方法を用いて作製した半導体発光素子は、従来の方法を用いて作製した半導体発光素子と比較して結晶性が良いという特徴があるので、これを用いて作製した光源装置は、発光の効率が良く、劣化のスピードが遅くて長持ちするという特徴がある。これにより、省電力化、低コスト化、低交換頻度化が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明に係る基板上の窒化ガリウム系化合物半導体層形成時における各工程(ステップ)での成長機構の説明図である。
【図2】この発明に係る基板上の窒化ガリウム系化合物半導体層形成時におけるヒートパターンの一例を示す図である。
【図3】本発明の第6実施例の工程を示す図である。
【図4】本発明の第7実施例の工程を示す図である。
【図5】本発明の第8実施例および第9実施例の工程を示す図である。
【図6】本発明の第4実施例、第10実施例および第11実施例で作製した半導体発光素子の断面構造を模式的に示す図である。
【図7】図6の半導体発光素子の平面図である。
【図8】本発明の第12実施例で作製した半導体発光素子の断面構造を模式的に示す図である。
【図9】本発明に依る基板上にマスク層を形成して窒化ガリウム系化合物半導体層を形成するときの各工程での成長状態の一例を示す説明図である。
【図10】本発明に依る基板上にマスク層を形成して窒化ガリウム系化合物半導体層を形成するときの各工程での成長状態の他の例を示す説明図である。
Claims (88)
- 基板表面にIII族金属の微粒子を堆積させる第1の工程と、その後窒素源を含む雰囲気中で該微粒子を窒化する第2の工程と、その後該微粒子を堆積させた基板表面上に気相成長法によりIII族窒化物半導体(III族窒化物半導体はInxGayAlzNで表され、但しx+y+z=1、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1)結晶を形成する第3の工程とを具備するIII族窒化物半導体結晶の製造方法。
- 基板がサファイア(Al2O3)である請求項1に記載のIII族窒化物半導体結晶の製造方法。
- III族金属がInuGavAlw(但しu+v+w=1、0≦u≦1、0≦v≦1、0≦w≦1)である請求項1に記載のIII族窒化物半導体結晶の製造方法。
- 有機金属原料の熱分解により前記III族金属の微粒子を堆積させる請求項1に記載のIII族窒化物半導体結晶の製造方法。
- 第1の工程を窒素源を含まない雰囲気で行う請求項1に記載のIII族窒化物半導体結晶の製造方法。
- 第1の工程を前記III族金属の融点以上の温度で行う請求項1又は5に記載のIII族窒化物半導体結晶の製造方法。
- 第2の工程を金属原料を含まない雰囲気中で行う請求項1に記載のIII族窒化物半導体結晶の製造方法。
- 第2の工程を第1の工程の温度以上の温度で行う請求項1又は7に記載のIII族窒化物半導体結晶の製造方法。
- 第3の工程を第2の工程の温度以上の温度で行う請求項1に記載のIII族窒化物半導体結晶の製造方法。
- 該気相成長法が有機金属化学気相成長法である請求項1に記載のIII族窒化物半導体結晶の製造方法。
- 第2の工程においてIII族金属の微粒子を窒化したものがIII族窒化物の多結晶および/または非晶質からなり、且つ未反応の金属を含む請求項1に記載のIII族窒化物半導体結晶の製造方法。
- 更に、該基板上に、窒化ガリウム系化合物半導体結晶の成長速度の遅いマスク層を形成する工程を含み、窒化ガリウム系化合物半導体結晶を選択成長させることを特徴とする請求項1に記載の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。
- 該基板上に形成したマスク層は、窒化ガリウム系化合物半導体の成長速度が遅い材料から構成された部分と窒化ガリウム系化合物半導体からなる成長速度が速い材料から構成された部分とから成る請求項12に記載の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。
- 該マスク層の形成工程は、窒化ガリウム系化合物半導体を成長させるのと同じ成長装置内で行う請求項12に記載の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。
- 該マスク層の形成は、該基板上にSiを含む気体原料ガスを流通させることで行うことを特徴とする請求項12に記載の窒化ガリウム系化合物半導体製造方法。
- 該マスク層の形成は、該基板上にSiを含む気体原料ガスとアンモニアとを同時に流通させることで行う請求項12に記載の窒化ガリウム系化合物半導体製造方法。
- 形成されたマスク層が該基板を覆っている部分とサファイア面が露出した部分とを含む請求項12に記載の窒化ガリウム系化合物半導体製造方法。
- 該マスク層の形成は、該基板上にIII族元素を含む気体原料ガスとSiを含む気体原料ガスを同時に流通させる請求項12に記載の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。
- 窒素源を含まない雰囲気中で、InとGaとAlのうちの少なくとも1種類の金属元素を含む有機金属原料の熱分解を用いて、サファイア基板上にInとGaとAlのうちの1種類以上からなる金属1(金属1はInuGavAlwで表され、但しu+v+w=1、0≦u≦1、0≦v≦1、0≦w≦1)を、該金属1の融点以上の温度T1で堆積する第1の工程と、有機金属原料を含まず窒素源を含む雰囲気中において、温度T2(但しT2≧T1)で金属1を窒化する第2の工程と、前記金属を堆積したサファイア基板上に、温度T3(但しT3≧T2)で有機金属化学気相成長法によって、III族窒化物半導体(III族窒化物半導体はInxGayAlzNで表され、但しx+y+z=1、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1)結晶をエピタキシャル成長させる第3の工程とを含むIII族窒化物半導体結晶の製造方法。
- 前記サファイア基板が(0001)面を有し、該(0001)面の垂直軸が<0001>方向から特定の方向に傾斜している請求項19に記載のIII族窒化物半導体結晶の製造方法。
- 該特定の方向が<1−100>方向であり、かつ<0001>方向からの傾斜の角度が0.2°から15°である請求項20に記載のIII族窒化物半導体結晶の製造方法。
- 前記温度T1が900℃以上であり、前記温度T3が1000℃以上であることを特徴とする請求項19に記載のIII族窒化物半導体結晶の製造方法。
- 前記第1の工程において、有機金属原料の熱分解が水素雰囲気中で行われることを特徴とする請求項19に記載のIII族窒化物半導体結晶の製造方法。
- 前記サファイア基板上に堆積した金属が、層状でなく粒状を成している請求項19に記載のIII族窒化物半導体結晶の製造方法。
- 前記粒状の金属の前記サファイア基板表面から前記粒状金属の頂点までの高さが50Å以上1000Å以下である請求項24に記載のIII族窒化物半導体結晶の製造方法。
- 前記第2の工程において金属を窒化したものが多結晶よりなり、かつその多結晶は窒素と金属の化学量論比が1:1ではない領域(InuGavAlw、但しu+v+w=1、0≦u,v,w≦1、0<k<1)を含む請求項19に記載のIII族窒化物半導体結晶の製造方法。
- 更に、該基板上に、窒化ガリウム系化合物半導体結晶の成長速度の遅いマスク層を形成する工程を含み、窒化ガリウム系化合物半導体結晶を選択成長させることを特徴とする請求項19に記載の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。
- 該基板上に形成したマスク層は、窒化ガリウム系化合物半導体の成長速度が遅い材料から構成された部分と窒化ガリウム系化合物半導体からなる成長速度が速い材料から構成された部分とから成る請求項27に記載の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。
- 該マスク層の形成工程は、窒化ガリウム系化合物半導体を成長させるのと同じ成長装置内で行う請求項27に記載の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。
- 該マスク層の形成は、該基板上にSiを含む気体原料ガスを流通させることで行うことを特徴とする請求項27に記載の窒化ガリウム系化合物半導体製造方法。
- 該マスク層の形成は、該基板上にSiを含む気体原料ガスとアンモニアとを同時に流通させることで行う請求項27に記載の窒化ガリウム系化合物半導体製造方法。
- 形成されたマスク層が該基板を覆っている部分とサファイア面が露出した部分とを含む請求項27に記載の窒化ガリウム系化合物半導体製造方法。
- 該マスク層の形成は、該基板上にIII族元素を含む気体原料ガスとSiを含む気体原料ガスを同時に流通させる請求項27に記載の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。
- 基板にIII族金属原料を供給し、III族金属原料および/またはその分解生成物を該基板上に堆積する第1の工程と、その後該基板を窒素源を含む雰囲気中で熱処理する第2の工程と、その後、III族金属原料と窒素源を用いて該基板上にIII族窒化物半導体(III族窒化物半導体はInxGayAlzNで表され、但しx+y+z=1、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1)を気相法にて成長させる第3の工程を含むIII族窒化物半導体結晶の製造方法。
- 前記基板上に成長したIII族窒化物半導体結晶の表面が(0001)面となる面方位を有し、且つ該表面の垂直軸が<0001>方向から特定の方向に傾斜している請求項34に記載のIII族窒化物半導体結晶の製造方法。
- 該特定の方向が<11−20>方向であり、かつ<0001>方向からの傾斜の角度が0.2°から15°である請求項35に記載のIII族窒化物半導体結晶の製造方法。
- 更に、基板上に、窒化ガリウム系化合物半導体の成長速度の遅いマスク層を形成する工程を含み、窒化ガリウム系化合物半導体を選択成長させることを特徴とする請求項34に記載の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。
- 該基板上に形成したマスク層は、窒化ガリウム系化合物半導体の成長速度が遅い材料から構成された部分と窒化ガリウム系化合物半導体からなる成長速度が速い材料から構成された部分とから成る請求項37に記載の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。
- 該マスク層の形成工程は、窒化ガリウム系化合物半導体を成長させるのと同じ成長装置内で行うことを特徴とする請求項37に記載の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。
- 該マスク層の形成は、該基板上にSiを含む気体原料ガスを流通させることで行うる請求項37に記載の窒化ガリウム系化合物半導体製造方法。
- 該マスク層の形成は、該基板上にSiを含む気体原料ガスとアンモニアとを同時に流通させることで行うことを特徴とする請求項37に記載の窒化ガリウム系化合物半導体製造方法。
- 形成されたマスク層が該基板を覆っている部分とサファイア面が露出した部分とを含む請求項37に記載の窒化ガリウム系化合物半導体製造方法。
- 該マスク層の形成は、該基板上にIII族元素を含む気体原料ガスとSiを含む気体原料ガスを同時に流通させる請求項37に記載の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。
- 基板上に金属核を付着させる第1の工程と、上記金属核をアニールする第2の工程と、上記アニール後の金属核を窒化して成長核を形成する第3の工程と、上記成長核を有する基板上に窒化ガリウム系化合物を成長させて窒化ガリウム系化合物半導体結晶層とする第4の工程とを含む、窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。
- 該基板はサファイア基板であることを特徴とする請求項44に記載の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。
- 該第1の工程が、加熱した基板上に、有機金属原料の蒸気を含みかつ窒素源を含まないガスを流通することで金属核を付着させることを特徴とする請求項44に記載の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。
- 該有機金属原料が、ガリウムを含む有機金属原料、アルミニウムを含む有機金属原料、およびインジウムを含む有機金属原料のうちの少なくとも1種類の有機金属原料である請求項46に記載の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。
- 該第2の工程が、窒素源も有機金属原料の蒸気も含まない、キャリアガスのみを流通して金属核のアニールを行う請求項44に記載の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。
- 該第3の工程が、窒素源を含みかつ有機金属原料の蒸気を含まないガスを流通して金属核の窒化を行うことを特徴とする請求項44に記載の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。
- 該第4の工程が、窒素源と有機金属原料の両方を含むガスを流通して有機金属気相成長法により窒化ガリウム系化合物半導体を成長させる請求項44に記載の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。
- 該第2の工程を第1の工程の温度以上の温度で行うことを特徴とする請求項44又は48に記載の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。
- 該第3の工程を第2の工程の温度以上の温度で行う請求項44又は49に記載の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。
- 該第4の工程を第3の工程の温度以上の温度で行うことを特徴とする請求項44又は50に記載の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。
- 該第1の工程と第2の工程とを交互に2回以上行った後第3の工程を行う請求項44に記載の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。
- 該第1の工程と第2の工程と第3の工程とを繰り返し2回以上行った後第4の工程を行う請求項44に記載の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。
- 該第1の工程が、アルミニウムを含む有機金属原料、ガリウムを含む有機金属原料およびインジウムを含む有機金属原料のうちの少なくとも1種類の有機金属原料の蒸気を含むガスを流通する前期工程と、この前期工程とは異なる有機金属原料の蒸気を含むガスを流通する後期工程との、2つの工程からなる請求項44に記載の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。
- 該第1の工程が、前期工程と後期工程とを交互に2回以上行う工程であり、その後第2の工程を行う請求項56に記載の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。
- 該成長核は、該基板と平行で平坦な頂面と平坦な側面とを有する略台形状の窒化物半導体結晶であることを特徴とする請求項44に記載の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。
- 該第4の工程で形成した窒化ガリウム系化合物半導体結晶層上に別の窒化ガリウム系化合物半導体結晶層を成長させる請求項44に記載の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。
- 更に、該基板上に、窒化ガリウム系化合物半導体の成長速度の遅いマスク層を形成する工程を含み、窒化ガリウム系化合物半導体結晶層を選択成長させる請求項44に記載の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。
- 該基板上に形成したマスク層は、窒化ガリウム系化合物半導体の成長速度が遅い材料から構成された部分と窒化ガリウム系化合物半導体からなる成長速度が速い材料から構成された部分とから成る請求項60に記載の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。
- 該マスク層の形成工程は、窒化ガリウム系化合物半導体結晶を成長させるのと同じ成長装置内で行う請求項60に記載の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。
- 該マスク層の形成は、該基板上にSiを含む気体原料ガスを流通させることで行う請求項60に記載の窒化ガリウム系化合物半導体製造方法。
- 該マスク層の形成は、該基板上にSiを含む気体原料ガスとアンモニアとを同時に流通させることで行うことを特徴とする請求項60に記載の窒化ガリウム系化合物半導体製造方法。
- 形成されたマスク層が該基板を覆っている部分と該基板が露出した部分とを含むことを特徴とする請求項60に記載の窒化ガリウム系化合物半導体製造方法。
- 該マスク層の形成は、該基板上にIII族元素を含む気体原料ガスとSiを含む気体原料ガスを同時に流通させる請求項60に記載の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。
- 窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法において、アルミニウムを含む有機金属原料、ガリウムを含む有機金属原科およびインジウムを含む有機金属原料のうちの少なくとも1種類の有機金属原料の蒸気を含むガスを基板上に流通する前期工程と、この前期工程とは異なる有機金属原料の蒸気を含むガスを基板上に流通する後期工程との2つの工程からなる、基板上に金属核を付着させる第1の工程と、上記金属核を窒化して成長核を形成する第2の工程と、上記成長核を有する基板上に窒化ガリウム系化合物を成長させて窒化ガリウム系化合物半導体結晶層とする第3の工程とを含む、窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。
- 該基板はサファイア基板であることを特徴とする請求項67の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。
- 該第1の工程が、前期工程と後期工程とを交互に2回以上行う工程であり、その後、第2の工程を行うことを特徴とする請求項67に記載の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。
- 該第1の工程と第2の工程とを交互に2回以上行った後第3の工程を行う請求項67に記載の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。
- 該第1の工程が、該基板上に、有機金属原科の蒸気を含みかつ窒素源を含まないガスを流通することで金属核を付着させる請求項67に記載の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。
- 該第2の工程が、窒素源を含みかつ有機金属原料の蒸気を含まないガスを流通して金属核の窒化を行う請求項67に記載の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。
- 該第3の工程が、窒素源と有機金属原料の両方を含むガスを流通して有機金属気相成長法により窒化ガリウム系化合物半導体結晶を成長させる請求項67に記載の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。
- 該第2の工程を第1の工程の温度以上の温度で行う請求項67又は72に記載の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。
- 該第3の工程を第2の工程の温度以上の温度で行う請求項67又は73に記載の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。
- 該成長核が、基板と平行で平坦な頂面と平坦な側面とを有する略台形状のIII族窒化物半導体結晶である請求項67に記載の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。
- 該第3の工程で形成した窒化ガリウム系化合物半導体結晶層上に別の窒化ガリウム系化合物半導体結晶層を成長させる第4の工程を含む請求項67に記載の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。
- 更に、該基板上に、窒化ガリウム系化合物半導体結晶の成長速度の遅いマスク層を形成する第5の工程を含み、窒化ガリウム系化合物半導体結晶層を選択成長させることを特徴とする請求項67に記載の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。
- 該基板上に形成したマスク層は、窒化ガリウム系化合物半導体の成長速度が遅い材料から構成された部分と窒化ガリウム系化合物半導体からなる成長速度が速い材料から構成された部分とから成ることを特徴とする請求項78に記載の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。
- 該マスク層の形成の工程は、窒化ガリウム系化合物半導体を成長させるのと同じエピタキシャル成長装置内で行う請求項78に記載の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。
- 該マスク層の形成は、該基板上にSiを含む気体原料ガスを流通させることで行う請求項78に記載の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。
- 該マスク層の形成は、該基板上にSiを含む気体原料ガスとアンモニアとを同時に流通させることで行う請求項78に記載の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。
- 形成されたマスク層は、該基板を覆っている部分と該基板が露出した部分とを含む請求項78に記載の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。
- 該マスク層の形成は、該基板上にIII族元素を含む気体原料ガスとSiを含む気体原料ガスを同時に流通させる請求項78に記載の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。
- 請求項1、19又は34に記載のIII族窒化ガリウム系化合物半導体結晶の製造方法によって製造したIII族窒化物半導体。
- 請求項44又は67に記載の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法によって製造した窒化ガリウム系化合物半導体。
- 請求項85に記載のIII族窒化ガリウム系化合物半導体又は請求項86に記載の窒化ガリウム系化合物半導体を用いて作製した窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
- 請求項87に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を用いて作製した光源。
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