JP2005179171A - Ｉｎドーピングを通したＧａＮ側面成長方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明はＬＥＯ法を利用してＧａＮを側面成長させる際インジウム（Ｉｎ）ドーピングを通してＧａＮの側面成長速度を増加させ、より短時間内にＧａＮ層を形成するＩｎドーピングを通したＧａＮ側面成長方法に関するものである。本発明によると、ＬＥＯ法を用いたＧａＮの側面成長時Ｉｎを共にドーピングしてＧａＮの側面成長速度を増加させることにより、素子製作時間を短縮しその生産性を向上させる。
【解決手段】本発明は、ＧａＮを成長させるための基板３１を用意する段階と、上記基板３１上にＧａＮエピ層３２を形成する段階と、上記ＧａＮエピ層３２上に上記ＧａＮエピ層３２の上面の一部が露出するようマスク３３を形成する段階と、上記マスク３３を含むＧａＮエピ層３２上に所定量のＩｎをドーピングしてＧａＮを所定の厚さに再成長させる段階とを含むことを特徴とするＩｎドーピングを通したＧａＮ側面成長方法を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は窒化物半導体物質の成長方法に関するものとして、とりわけＬＥＯ法（Ｌａｔｅｒａｌ Ｅｐｉｔａｘｙ Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）を利用してＧａＮを側面成長させる際、インジウム（Ｉｎ）ドーピングを通してＧａＮの側面成長速度を増加させ、より短時間内にＧａＮ層を形成でき、結局ＧａＮの側面成長速度の増加により一層広い誘電体マスクが形成できるようになり、転位（ｄｉｓｐｌａｃｅ）密度を低減させた良質のＧａＮ層成長を可能にするＩｎドーピングを通したＧａＮ側面成長方法に関するものである。

近来、ＧａＮを始め窒化物を用いた窒化物半導体はその優れた物理、化学的特性に起因して現在光電材料及び電子素子の核心素材として脚光を浴びている。とりわけ、窒化物半導体発光素子は緑色、青色、及び紫外領域までの光を生成することができ、技術発展によりその輝度が飛躍的に向上するにつれて総天然色電光板、照明装置などの分野にも適用されている。

かかる窒化物半導体はＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ組成式（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１である）を有する窒化物半導体物質を用い、とりわけＧａＮを用いた半導体発光素子に対する研究が現在活発に進んでいる。通常、窒化物半導体発光素子には、ＧａＮなどのような窒化物半導体物質と結晶構造が同一でありながら格子整合を成す商業的な基板が存在しないので、絶縁性基板であるサファイア基板が使用される。

一般に窒化物半導体物質からなる単結晶薄膜成長は異種基板であるサファイア基板のためにＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法などを利用したヘテロエピタキシ（ｈｅｔｅｒｏｅｐｉｔａｘｙ）法により行われる。この場合、サファイア基板と窒化物半導体物質の薄膜との間には格子定数及び熱膨張係数の不一致により転位（ｄｉｓｐｌａｃｅ）という欠陥が発生する。

かかる転位密度を減少させるべく、現在までは転位を減少させる技術として、ＧａＮを側面成長させるＬＥＯ（Ｌａｔｅｒａｌ Ｅｐｏｉｔａｘｙ Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）法（ＥＬＯＧ（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｏｆ Ｌａｔｅｒａｌ Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）法ともいう）、低温中間層を形成する技法、Ｓｉ／Ｎ処理技法などが提案された。

とりわけ、ＬＥＯ法は低い転位密度を有する高品質エピタキシャル層の形成を保障する技術として知られている。上記ＬＥＯ法はＧａＮを側面方向に成長させサファイア基板とＧａＮ層との界面に形成された欠陥が上層部に移動するのを抑制する方法である。上記ＬＥＯ法はサファイア基板上または１次成長させたＧａＮエピ層の上面に誘電体マスクを形成した後、マスクの形成されない部分にＧａＮを再成長させマスク上面においてはＧａＮを側方向に成長させる方法である。

図５はかかる従来のＬＥＯ法を利用したＧａＮ層の成長方法を示す。上記ＬＥＯ法は、先ず図５（Ａ）のようにサファイア基板（１１０）の上面にＧａＮエピ層（１１１）を１次成長させた後、次いで図５（Ｂ）のように、１次成長エピ層（１１１）の上面にシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜などで所定のパターンを有するマスク（１１２）を形成する。次いで、図５（Ｃ）のようにマスク（１１２）が形成されない部分に再びＧａＮを再成長させる。この際、上記マスク（１１２）の上部は図５（Ｃ）に矢印で表示したように側方向にＧａＮ（１１３）が成長させられる。ＧａＮの側方向成長が完了すると、図５（Ｄ）のようにＧａＮ層（１１３）の成長が完了する。

上記ＬＥＯ法ＧａＮ層は一般に伝播される転位が減少すると知られている。図６に示したように、１次成長エピ層（１１１）が露出した部分においては下部に存在する転位（Ｂ）が以後再成長されるＧａＮ層（１１３）まで伝播されるが、マスク（１１２）で覆われた部分は側面成長により成長が行われないので下方から伝播される転位が無く欠陥が減少するようになる。

ところで、かかる方法によりＧａＮを成長させる場合にマスクで覆われない部位の転位（Ａ）が上方にそのまま伝播される問題と、側方向に再成長されるＧａＮ層（１１３）が出会う癒着面に高密度の転位（Ｂ）が発生する問題が存在する。かかる問題を解決すべく誘電体マスク（１１２）の数を減少させ、その面積を広くすると転位密度を低減させることもできるが、ＧａＮの側方向成長速度は時間当たり３．４５μｍほどと大変遅いので、実際マスク面積を広くする方法は産業上利用不可能である。したがって、当技術分野においてはサファイア基板とＧａＮなどの窒化物半導体物質同士の格子不整合により発生する転位のような欠陥を防止すべくＬＥＯ法を使用する際、広い面積の誘電体マスクを形成できるようＧａＮの側面成長速度を増加させられる新たなＧａＮ側面成長方法が要求される実情がある。

したがって、本発明は、上記問題を解決すべく案出されたもので、その目的は、ＬＥＯ法を利用したＧａＮの側面成長時に所定量のＩｎをドーピングすることにより、ＧａＮの側面成長速度を増加させられるＩｎドーピングを通したＧａＮ側面成長方法を提供することにある。

上記技術的課題を成し遂げるために本発明は、ＧａＮを成長させるための基板を用意する段階と、上記基板上にＧａＮエピ層を形成する段階と、上記ＧａＮエピ層上に上記ＧａＮエピ層の上面一部が露出するようマスクを形成する段階と、上記マスクを含むＧａＮエピ層上に所定量のＩｎをドーピングしてＧａＮを所定の厚さに再成長させる段階とを含むことを特徴とするＩｎドーピングを通したＧａＮ側面成長方法を提供する。

上記Ｉｎドーピングを通したＧａＮ側面成長方法において、上記Ｉｎのドーピング量は０ないし１０％であることが好ましい。また、好ましくは、上記再成長させる段階は上記Ｉｎのドーピング量の変更を通してＧａＮの再成長速度を調節する段階である。上記のような本発明によるＩｎドーピングを通したＧａＮ側面成長方法は、以下添付した図を参照しながら説明する実施例により一層明確に理解できるであろう。

上述したように、本発明によると、ＬＥＯ法を用いたＧａＮの側面成長時にＩｎを共にドーピングしてＧａＮの側面成長速度を増加させることにより、素子製作時間を短縮しその生産性を向上させる効果がある。とりわけ、Ｉｎドーピングを通してＧａＮの側面成長速度を増加させることができるので、ＬＥＯ法を実施する際より広面積のマスクパターンが形成でき、側面成長させられるＧａＮ薄膜の転位密度を低減させて結晶の優れたＧａＮ層が形成できる効果を奏する。また、これを通して製作される素子の電気的、光学的特性を向上できる優れた効果を奏する。

本発明の発明者はＩｎドーピング量に応じたＧａＮの側面成長速度の増加を観察すべく次のような実験を行った。図１に示したように、サファイア基板（３１）上にシード層として２０μｍ厚のＧａＮエピ層（３２）を成長させてから上記ＧａＮエピ層（３２）の上面に２００μｍ厚のＳｉＯ_２マスクパターン（３３）を形成した。

上記マスクパターン（３３）は上記ＧａＮエピ層（３２）の上面にＰＥＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によりＳｉＨ_４及びＮ_２Ｏソースを用いてＳｉＯ_２マスクを２００ｎｍで蒸着させた後、ＵＶフォトリソグラフィー法により帯状を形成した後ドライエッチングを通して除去することにより、平行の帯状を有するよう形成した。上記工程を通して、帯状のマスクパターン（３３）は＜１−１００＞方向に沿って形成され、帯状のマスクパターン一つの幅は３μｍ、各帯状のマスクパターン同士の間隔は９μｍになるよう形成した。本実施例においては帯状のマスクパターンを用いたが、その形状が本発明を限定するわけではない。

次いで、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いてＧａＮを再成長させた。この際、Ｇａ及びＮのソースにトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）及びアンモニア（ＮＨ_３）を用いて各々１分当り２１５μモル及び７０００ｓｃｃｍ（Ｖ／ＩＩＩ比率が１４５１）で流し、Ｈ_２をキャリアガスに用いた。かかるＧａＮの成長工程においてＩｎソースとなるトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）を１分当り２０μモルないし１分当り４０μモルで変更しながらＧａＮの成長速度を観察した。この際、成長温度及び反応圧力は各々１１９０℃及び１５０ｍｂａｒとした。

図２は同一時間が経過した後、Ｉｎがドーピングされない場合のＧａＮ側面の成長状態及びＩｎドーピングが行われたＧａＮ側面成長状態を比較した断面写真である。図２（Ａ）はＩｎをドーピングしない場合を示すＳＥＭ写真で、図２（Ｂ）はＩｎをドーピングした場合のＳＥＭ写真で、上記図２（Ａ）及び図２（Ｂ）を比較すると、同一の時間のあいだＧａＮを側面成長させる場合、Ｉｎをドーピングした場合のＧａＮ側面成長速度がＩｎをドーピングしない場合のＧａＮの側面成長速度に比べて増加することがわかる。

図３は本実施例によりＩｎドーピングとＧａＮ側面成長速度との関係を示したグラフである。図３に示したように、ＭＯＣＶＤ工程に投入されるＩｎソースであるＴＭＩｎの投入量が１分当り２０μモルである場合のＧａＮの側面速度は時間当り約３．８８μｍであり、ＴＭＩｎの投入量が１分当り４０μモルである場合にＧａＮの側面成長速度は時間当り約４．０１μｍであった。投入されるＴＭＩｎ量が増加するにつれて、ＧａＮの側面成長速度はほぼ線形的に増加した。ＴＭＩｎを投入しない場合、ＧａＮの側面成長速度が時間当り３．４７μｍである点に鑑みると、ＴＭＩｎの投入量が増加するほどＧａＮの側面成長速度の増加率が漸次減少するものと考えられる。

このように、ＬＥＯ法を適用する際Ｉｎをドーピングすると、側面成長させられるＧａＮ表面においてＧａ原子が自由に拡散できるようにする窒素原子との結合をＩｎが満たしＧａ原子の表面拡散を増加させる表面活性剤の役目を果たすため、ＧａＮの側面成長速度が増加するようになる。Ｉｎドーピング量が増加するほど側面成長速度が増加するがその増加率が減少することに鑑みると、適正Ｉｎドーピング量は０ないし１０％であることが好ましい。とりわけ、Ｉｎドーピング量が１０％以上になると、ＧａＮ層にＩｎがドーピングされるのではなく、ＩｎＧａＮの組成を有する他物質の層が形成されかねない。したがって、ＧａＮ層の成長時にドーピングするＩｎの最大量は１０％ほどが好ましい。

図４は本発明の実施例によるＩｎドーピングにより発生するチルトを観察するためのＸ線回折結果を示したグラフである。本実施例のように、ＭＯＣＶＤ工程を利用して＜１−１００＞方向の帯状の誘電体マスクパターンを形成した状態でＧａＮの側面成長を行う場合、上記帯状の誘電体マスクパターンが形成された方向に垂直な方向への歪み現象がチルトに発生する。かかるチルトが発生する正確な原因は明らかでないが、熱的ストレス及び側面の成長が進む間上記誘電体マスクパターン物質などがチルトに影響を及ぼすものと考えられている。とりわけ、側面成長速度が速いほど上記チルトは大きくなると報告されている。

図４のように、Ｉｎがドーピングされない状態のＧａＮ側面成長時のチルト（ω＝０を基準に両側のピーク値）（Ｅ）は約０．７１５°で、ＴＭＩｎの投入量が１分当り２０μモルである場合のチルト（Ｅ１）は約０．８６°、ＴＭＩｎの投入量が１分当り４０μモルである場合のチルト（Ｅ２）は約０．８８°であった。かかる結果はＩｎドーピング量が多いほどＧａＮの側面成長速度が増加することを示すものである。

以上説明したように、本発明はＬＥＯ法を用いたＧａＮの側面成長時Ｉｎをドーピングすることにより側面成長速度を増加させることができ、ドーピング量を調節することにより、必要に応じてＧａＮの側面成長速度を調節できるようになる。

本発明は上述した実施例及び添付の図面により限定されるものではなく、添付の請求の範囲により限定されるものであり、請求の範囲に記載された本発明の技術的思想を外れない範囲内において様々な形態の置換、変形及び変更が可能なことは当技術分野において通常の知識を有する者にとっては自明であろう。

本発明の実施例によりＧａＮ側面の成長を実験するための試料の断面図である。 本発明の実施例によりＩｎドーピング当否によるＧａＮ側面成長状態を比較した写真である。 本発明の実施例によりＩｎドーピングとＧａＮ側面成長速度との関係を示したグラフである。 本発明の実施例によりＩｎドーピングにより発生するチルト（ｔｉｌｔ）を観察するためのＸ線回折結果を示したグラフである。 通常のＧａＮ側面成長方法を示した工程断面図である。 通常のＧａＮ側面の成長時転位発生状態を示した状態断面図である。

符号の説明

３１ サファイア基板
３２ ＧａＮエピ層
３３ ＳｉＯ_２マスクパターン

Claims (3)

1. ＧａＮを成長させるための基板を用意する段階と、
   上記基板上にＧａＮエピ層を形成する段階と、
   上記ＧａＮエピ層上に上記ＧａＮエピ層の上面一部が露出するようマスクを形成する段階と、
   上記マスクを含んだＧａＮエピ層上に、所定量のＩｎをドーピングしてＧａＮを所定の厚さに再成長させる段階と、
   を有することを特徴とするＩｎドーピングを通したＧａＮ側面成長方法。
2. 上記Ｉｎのドーピング量は０ないし１０％であることを特徴とする請求項１に記載のＩｎドーピングを通したＧａＮ側面成長方法。
3. 上記再成長させる段階は、上記Ｉｎのドーピング量の変更を通してＧａＮの再成長速度を調節する段階であることを特徴とする請求項１に記載のＩｎドーピングを通したＧａＮ側面成長方法。