JP2006013269A - Device and method for vapor phase epitaxy - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体膜の気相成長装置および気相成長方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor film vapor phase growth apparatus and a vapor phase growth method.
従来、この種の装置は例えば、特許文献1に示されている。この特許文献1によると、トリメチルガリウム等の有機金属ガスをIII族金属源として、アンモニアを窒素源として用い、あらかじめ反応管にセットされたサファイア等の基板上に原料導入管から、導入し、加熱された基板上で気相成長させている。
上記装置では、基板上で原料を含むガスが加熱されることにより発生する熱対流によって基板に対向した反応管壁に分解生成物または反応生成物が析出し、反応管を汚染し、析出した固形物が基板に落下し、落下した場所には反応が進まない、第1の欠点がある。
更に、p−GaAlNクラッド層,p−GaNコンタクト層を形成するために、p−GaAlN層,p−GaN層を高温で形成した時、p−GaAlN層,p−GaN層の下部に形成されたInGaN発光層を構成するInNが分解し発光出力の劣化が生じる、第2の欠点がある。また、p−GaAlN層,p−GaN層の成長温度を低くしなければならず、正孔濃度の低下、p層領域の抵抗増大、p−GaN層とp電極間の高抵抗化などの第3の欠点がある。
In the above apparatus, decomposition products or reaction products are deposited on the reaction tube wall facing the substrate by thermal convection generated by heating the gas containing the raw material on the substrate, contaminating the reaction tube, and depositing solids There is a first drawback in that an object falls on the substrate and the reaction does not proceed in the place where it falls.
Further, when the p-GaAlN layer and the p-GaN layer were formed at a high temperature to form the p-GaAlN cladding layer and the p-GaN contact layer, they were formed below the p-GaAlN layer and the p-GaN layer. There is a second drawback in that the InN constituting the InGaN light emitting layer is decomposed and the light emission output is deteriorated. In addition, the growth temperature of the p-GaAlN layer and the p-GaN layer must be lowered, the hole concentration is decreased, the resistance of the p-layer region is increased, and the resistance between the p-GaN layer and the p-electrode is increased. There are three drawbacks.
そこで、本発明はこの様な従来の欠点を考慮して、反応管壁を汚染しにくい、結晶の劣化の無い発光層を有し、p−GaN層とp電極の低抵抗化に適した、半導体膜の気相成長装置および気相成長方法を提供する。 Therefore, the present invention takes into account such conventional drawbacks, and has a light emitting layer that hardly contaminates the reaction tube wall and does not deteriorate the crystal, and is suitable for reducing the resistance of the p-GaN layer and the p electrode. Provided are a vapor deposition apparatus and a vapor deposition method for a semiconductor film.
上記課題を解決するために、請求項1の本発明では、基板を載せるためのサセプターと、該サセプターを加熱するためのヒーターを有する気相成長装置において、前記サセプターの温度をT1とし、前記基板表面の加熱手段により更にT2加熱することにより、T1+T2の温度にて気相成長させる。 In order to solve the above problems, in the present invention of claim 1, in a vapor phase growth apparatus having a susceptor for placing a substrate and a heater for heating the susceptor, the temperature of the susceptor is T1, and the substrate Further, T2 is heated by the heating means on the surface, so that vapor phase growth is performed at a temperature of T1 + T2.
請求項2の本発明では、基板を載せるためのサセプターと、該サセプターを加熱するためのヒーターを有する気相成長装置において、前記サセプターの温度をT3とし、前記サセプター上部から赤外光照射により前記基板表面の温度を更にT4加熱することにより、T3+T4の温度にて気相成長させる。
請求項3の本発明では、基板を載せるためのサセプターと、該サセプターを加熱するためのヒーターと、反応管内部の前記基板に実質的に平行になるように配置され、下部に第1種ガスの導入部と排出部を有し、上部に第2種ガスの導入部と排出部を有する仕切り部を備え、前記仕切り部において、前記基板の上部に位置する開口部を設け、前記開口部の上部に位置する前記反応管の外部に基板表面加熱用手段を備えた。
請求項4の本発明では、基板を載せるためのサセプターと、該サセプターを加熱するためのヒーターと、反応管内部の前記基板に実質的に平行になるように配置され、下部に第1種ガスの導入部と排出部を有し、上部に第2種ガスの導入部と排出部を有する仕切り部を備え、前記仕切り部において、前記基板の上部に位置する開口部を設け、前記開口部の上部に位置する前記反応管の外部に前記基板表面の加熱用として、赤外光光源を備えた。
請求項5の本発明では、前記第1種ガスとして成長ガス1を用い、前記第2種ガスとして成長ガス2を用い、前記成長ガス1を前記成長ガス2の側圧により、前記基板の表面に押し付け、成長させる。
請求項6の本発明では、前記第1種ガスとして有機III属金属を用い、前記第2種ガスとして窒化含有炭化水素を用い、前記第1種ガスを前記第2種ガスの側圧により、前記基板の表面に押し付け、成長させる。
請求項7の本発明では、基板を載せるためのサセプターと、該サセプターを加熱するためのヒーターを有し、前記サセプターの温度をT1とし、前記基板表面の加熱手段により更にT2加熱することにより、T1+T2の温度にて気相成長させる。
請求項8の本発明では、反応管内部の下部に第1種ガスの導入部と排出部を有し、上部に第2種ガスの導入部と排出部を有し、前記第1種ガスとして有機III属金属を用い、前記第2種ガスとして窒化含有炭化水素を用い、前記第1種ガスを前記第2種ガスの側圧により、前記基板の表面に押し付け、前記T1+T2の温度にて気相成長させる。
請求項9の本発明では、前記T1+T2の温度にて、n層領域窒化ガリウム系化合物半導体を形成した。
請求項10の本発明では、前記T1+T2の温度にて、p層領域窒化ガリウム系化合物半導体を形成した。
請求項11の本発明では、前記T1+T2の温度にて、発光層領域窒化ガリウム系化合物半導体を形成した。
請求項12の本発明では、前記n層領域はn型GaN層とn型Ga1−bAlbN層(但し0≦b≦1)からなる多層膜より構成される。
請求項13の本発明では、前記p層領域はp型GaN層とp型Ga1−bAlbN層(但し0≦b≦1)からなる多層膜より構成される。
請求項14の本発明では、前記発光層領域はInbGa1−bN層(但し、0≦b≦1)からなる膜より構成される。
In the present invention of claim 2, in a vapor phase growth apparatus having a susceptor for placing a substrate and a heater for heating the susceptor, the temperature of the susceptor is set to T3, and the susceptor is irradiated with infrared light from above. By further heating the temperature of the substrate surface by T4, vapor phase growth is performed at a temperature of T3 + T4.
In this invention of Claim 3, it arrange | positions so that it may become substantially parallel to the said board | substrate inside a reaction tube, the heater for heating this susceptor, and the said susceptor, 1st type gas A partition portion having an introduction portion and a discharge portion for the second type gas at the upper portion, and an opening portion located above the substrate is provided in the partition portion. A substrate surface heating means was provided outside the reaction tube located at the top.
In this invention of Claim 4, it arrange | positions so that it may be substantially parallel to the said susceptor for mounting a board | substrate, the heater for heating this susceptor, and the said board | substrate inside reaction tube, and it is 1st type gas in the lower part A partition portion having an introduction portion and a discharge portion for the second type gas at the upper portion, and an opening portion located above the substrate is provided in the partition portion. An infrared light source was provided outside the reaction tube located at the top for heating the substrate surface.
In the present invention of claim 5, the growth gas 1 is used as the first type gas, the growth gas 2 is used as the second type gas, and the growth gas 1 is applied to the surface of the substrate by the lateral pressure of the growth gas 2. Press and grow.
In the present invention of claim 6, an organic group III metal is used as the first type gas, a nitridation-containing hydrocarbon is used as the second type gas, and the first type gas is caused by a lateral pressure of the second type gas. Press against the surface of the substrate to grow.
In this invention of Claim 7, it has the susceptor for mounting a board | substrate, and the heater for heating this susceptor, the temperature of the said susceptor is set to T1, and further T2 heating is carried out by the heating means of the said substrate surface, Vapor phase growth is performed at a temperature of T1 + T2.
In this invention of Claim 8, it has the introduction part and discharge part of 1st type gas in the lower part inside reaction tube, has the introduction part and discharge part of 2nd type gas in the upper part, As said 1st type gas An organic group III metal is used, a nitridation-containing hydrocarbon is used as the second type gas, the first type gas is pressed against the surface of the substrate by a side pressure of the second type gas, and a gas phase is formed at a temperature of T1 + T2. Grow.
In the present invention of claim 9, the n-layer region gallium nitride compound semiconductor is formed at the temperature of T1 + T2.
In the present invention of claim 10, the p-layer region gallium nitride compound semiconductor is formed at the temperature of T1 + T2.
In the present invention of claim 11, the light emitting layer region gallium nitride compound semiconductor is formed at the temperature of T1 + T2.
According to the invention of claim 12, the n-layer region is composed of a multilayer film composed of an n-type GaN layer and an n-type Ga 1-b Al b N layer (where 0 ≦ b ≦ 1).
In a thirteenth aspect of the present invention, the p-layer region is composed of a multilayer film composed of a p-type GaN layer and a p-type Ga 1-b Al b N layer (where 0 ≦ b ≦ 1).
In the present invention of claim 14, the light emitting layer region is composed of a film composed of an In b Ga 1-b N layer (where 0 ≦ b ≦ 1).
本発明の気相成長装置および気相成長方法によると、気相成長させる基板に対向した仕切り壁を無くし、窒化含有炭化水素ガスにて有機III属金属ガスに側圧を加え、基板へ原料ガスを押し付け、有機III属金属ガスと窒化含有炭化水素ガスを反応させる。その結果、高速ではないが、反応を十分に進め結晶成長させ、反応管壁を汚染することなく、固形物が基板に落下することのない。それ故に、反応管の清掃が不要で、連続して気相成長でき、基板上に均一に、原料ガスを供給でき、又側圧で基板に原料ガスが抑えられているため、ガス流の乱れのない気相成長をさせることができる。
また、窒素供給源としてアンモニアを使用しないため副生成物の発生を少なくしてアンモニアに比べ1/3の使用量でよく原料ガスの使用量の少ない窒化化合物半導体の気相成長をさせることができる。
更に、反応炉外から照射される赤外光により、ヒーターで加熱された基板温度以上に基板表面を加熱して基板表面上に、窒化化合物半導体膜を気相成長させながら形成層の再分解を防ぎ、結晶の劣化のないn型コンタクト層、n型クラッド層を成長させることができる。
そして、窒素供給源としてアンモニアを使用しないため発光層形成時、キャリアガスとして水素を使用できるため結晶性を高め、高温成長でもInを取り込める気相成長ができるようになった。その結果、p−クラッド層,p−コンタクト層を形成時に、成長温度を下げることなく、正孔濃度を高く、p領域の低抵抗率化、p−コンタクト層とp電極間の低抵抗化が得られる。
According to the vapor phase growth apparatus and the vapor phase growth method of the present invention, the partition wall facing the vapor phase growth substrate is eliminated, a lateral pressure is applied to the organic group III metal gas with a nitriding-containing hydrocarbon gas, and the source gas is supplied to the substrate. The organic group III metal gas and the nitrogen-containing hydrocarbon gas are reacted by pressing. As a result, although not at high speed, the reaction is sufficiently advanced to grow crystals, and the solid wall does not fall on the substrate without contaminating the reaction tube wall. Therefore, there is no need to clean the reaction tube, continuous vapor phase growth can be performed, the source gas can be supplied uniformly on the substrate, and the source gas is suppressed on the substrate by the side pressure. There can be no vapor deposition.
Moreover, since ammonia is not used as a nitrogen supply source, the generation of by-products can be reduced, and the vapor phase growth of a nitride compound semiconductor can be performed with a consumption amount of 1/3 that of ammonia and a small amount of source gas. .
Further, the infrared rays irradiated from outside the reactor are used to heat the substrate surface to a temperature higher than the substrate temperature heated by the heater to re-decompose the formation layer while vapor-depositing a nitride compound semiconductor film on the substrate surface. Therefore, an n-type contact layer and an n-type clad layer can be grown without any crystal deterioration.
Since ammonia is not used as a nitrogen supply source, hydrogen can be used as a carrier gas when forming a light emitting layer, so that crystallinity is improved, and vapor phase growth capable of incorporating In even at high temperature growth can be performed. As a result, when forming the p-cladding layer and the p-contact layer, the hole concentration is increased without lowering the growth temperature, the resistivity of the p region is lowered, and the resistance between the p-contact layer and the p electrode is lowered. can get.
以下、図1に従い、本発明を実施するための最良の形態に係る気相成長装置92を説明する。図1は、気相成長装置92の基本的な構成を示す概略図である。
A vapor
図1に示す様に、幅150mm、高さ20mm、長さ250mm石英製反応炉100に、1インチのnーGaN 基板101を保持し、回転させると共に、加熱するサセプター102が設けられている。サセプター102を加熱するヒーター103が設けられている。
基板101に実質的に平行となるように配置された、下部に第1種ガス108の導入部104と、第1種ガス108の排出部105を有し、上部に第2種ガス109の導入部106と、第2種ガス109の排出部107を持つ仕切り部114、110が設けられている。基板101上部の仕切り部114に開口部111を形成し、開口部111の下部に第2種ガス106の突出部112を形成したことを特徴とする。
以下に、この気相成長装置92の構成の特徴を述べる。基板101を載せるためのサセプター102と、サセプター102を加熱するためのヒーター103が設けられている。そして、サセプター102の温度をT1とし、基板101の表面の加熱手段(図示せず)により更にT2加熱することにより、T1+T2の温度にて気相成長させる。
As shown in FIG. 1, a
Arranged so as to be substantially parallel to the
The characteristics of the configuration of the vapor
また、サセプター102の温度をT3とし、サセプター102の上部から、赤外線光源115による赤外光照射に従い、基板101の表面の温度を更にT4加熱することによりT3+T4の温度にて気相成長させる。
更に、基板101を載せるためのサセプター102と、サセプター102を加熱するためのヒーター103が設けられている。反応炉100内部の基板101に実質的に平行になるように配置され、下部に第1種ガス108の導入部104と排出部113,105を有し、上部に第2種ガス109の導入部106と排出部107を有する仕切り部114、110が設けられている。仕切り部114,110において、基板101の上部に位置する開口部111が設けられ、開口部111の上部に位置し、かつ、反応炉100の外部に基板表面加熱用手段が設けられている。そして、その基板表面加熱用手段として、例えば赤外光光源115が設けられている。
この気相成長装置92において、第1種ガス108として成長ガス1が用いられ、第2種ガス109として成長ガス2が用いられ、成長ガス1を成長ガス2の側圧109Aにより、基板101の表面に押し付け、成長させる。
そして、第1種ガス108として有機III属金属が用いられ、第2種ガス109として窒化含有炭化水素が用いられ、第1種ガス108を第2種ガスの側圧109Aにより、基板101の表面に押し付け、成長させる様に、構成されている。
Further, the temperature of the
Furthermore, a
In this vapor
An organic group III metal is used as the
図1において、第2種ガス109の1部は境界面90に沿って下方へ進み、第1種ガス108用の側圧(側方に衝突するガスのこと)109Aとして働く。第1種ガス108が成長された後に、それらの反応済みガスは、境界面91に沿って排出部113,105から排出される。
In FIG. 1, a part of the
次に、図1と図2に従い、本発明を実施するための最良の形態1に係る気相成長方法を説明する。図2は、n−コンタクト層の概略図である。図1において、n−GaN基板101をサセプター102にセットした後、反応炉100内を水素ガスで置換する。
Next, the vapor phase growth method according to the best mode 1 for carrying out the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a schematic diagram of an n-contact layer. In FIG. 1, after setting the n-
そして、第1種ガス108の導入部104より、窒素ガス3.5L/minと、第1種ガス108として、トリメチルガリウム(TMG) Ga(CH3)3を30μ―mol/minとn型ドーパントであるSiをドーピングするため水素で希釈した濃度1ppmのシランガス(SiH4)を供給する。
Then, from the
上記供給をしながら、第2種ガス109として、窒化含有炭化水素の1種であるトリメチルアミン N(CH3)3を0.1mol/minと、窒素ガス3.5L/minを供給しながら、基板101をヒーター103で550℃に加熱する。そして、n−GaN基板101の基板表面を、赤外光光源115からの光を反射板116で反射させ、基板101の表面を450℃更に加温する。そして、1000℃にて、図2に示す4μmのn−GaNコンタクト層117を形成した。
トリメチルアミンの反応がアンモニアに比べ遅いため、基板101をヒーター103であらかじめ550℃に加熱する。そして、図1の反応炉100の開口部111下部に、第2種ガス109のトリメチルアミンガスの流量コントロール(反応済みガスの排出部107の流量を絞る等)を行なう。
While supplying the above, as the
Since the reaction of trimethylamine is slower than that of ammonia, the
それにより、トリメチルアミンガス109の突出部112を形成し、第1種ガス108のトリメチルガリウムガスに側圧109Aを加え、第2種ガス109のトリメチルアミンガス及び第1種ガス108のトリメチルガリウムガスは、n−GaN基板101に押し付られる。そのため、第2種ガス109のトリメチルアミンガス及び第1種ガス108のトリメチルガリウムガスは、基板101の表面に接触した時に1000℃に加熱されるため熱対流は抑えられる。
Thereby, a protruding
成長したn−GaNコンタクト層117は、トリメチルアミンガス109にて覆われるので、窒素の再分解は抑えられる。更に詳しく説明を行うと、基板101はヒーター103であらかじめ550℃に加熱されているため、トリメチルガリウムガス108と、トリメチルアミンガス109が基板101表面に触れる。
Since the grown n-
そして、その瞬間に、赤外光光源115からの光が反射板116で反射され、450℃に更に加温しているため、1000℃の成長温度で結晶成長が進む。1000℃の成長温度でトリメチルアミン109が分解し、活性窒素が、トリメチルガリウムガス108を分離して活性化ガリウムと結合し、更にはシランガス(SiH4)によりn型ドーパントSiがドーピング、活性化され、n−GaNコンタクト層117が成長する。
At that moment, the light from the infrared
図2に示すn−GaNコンタクト層117形成において、窒素供給源としてアンモニアを使用した場合、反応式はGa(CH3)3+3NH3→GaN+N(CH3)2+NH(CH3)+4H2→GaN+N2+C2H6+CH4+4H2となる。窒素供給源としてトリメチルアミンN(CH3)3を使用した場合、反応式はGa(CH3)3+N(CH3)3→GaN+3C2H6となる。アンモニアに比べ同じ窒素を得るため、ガス量は1/3で良いが、アンモニアに比べて反応が遅いため従来の横型高流速気相成長装置が使用できない欠点があった。
In the formation of the n-
図1は、これを改善した気相成長装置92であり、トリメチルアミン はアンモニアに比べ上記反応式より副生成物が少ないため、気相成長後、基板101と対向する反応炉100壁に固形物の付着、及び汚れがあるかどうか調査した。結果、固形物付着、及び汚れはなかった。得られたn−GaNコンタクト層117の膜厚は4.0μm±2%で移動度800cm2/V・S、キャリア濃度として1×1017/cm3〜1×1019/cm3とアンモニアによる成長と同じ良好な結果が得られた。
FIG. 1 shows an improved vapor
次に、図1と図3に従い、本発明を実施するための最良の形態2に係る気相成長方法を説明する。図3は、n−クラッド層の概略図である。図1において、第1種ガス10の導入部104よりキャリアガス、水素ガス3.5L/minと、第1種ガス108として、トリメチルガリウム(TMG) Ga(CH3)3を27μ―mol/min,トリメチルアルミニュウム(TMA) Al(CH3)3を3μ―mol/minと、n型ドーパントであるSiをドーピングするため水素で希釈した濃度1ppmのシランガス(SiH4)を供給する。
Next, the vapor phase growth method according to the best mode 2 for carrying out the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is a schematic diagram of an n-cladding layer. In FIG. 1, carrier gas, hydrogen gas 3.5 L / min from the
上記供給をしながら、第2種ガス109として、トリメチルアミン N(CH3)3を0.1mol/minと、窒素ガス3.5L/minで供給しながら、基板101をヒーター103で550℃に加熱し、n−GaN基板101の基板表面を赤外光光源115からの光を反射板116で反射させる。そして、基板101表面を450℃に更に加温し、1000℃にて0.5μmのn−Ga0.9Al0.1Nクラッド層118(図3に示した)を形成した。
While supplying the above, the
トリメチルアミンの反応がアンモニアに比べ遅いため、基板101をヒーター103であらかじめ550℃に加熱し、図1の反応炉100の開口部111下部に第2種ガス109のトリメチルアミンガスの流量コントロール(反応済みガスの排出部107の流量を絞る等)を行なった。
Since the reaction of trimethylamine is slower than that of ammonia, the
これにより、トリメチルアミンガス109の突出部112を形成し、第1種ガス108のトリメチルガリウムガス、トリメチルアルミニュウムガス8に側圧109Aを加え、第2種ガス109のトリメチルアミンガス及び第1種ガス108のトリメチルガリウムガスは、n−GaN基板101に押し付られる。
Thus, a protruding
そのため、第2種ガス109のトリメチルアミンガス及び第1種ガス108のトリメチルガリウムガスは、基板101の表面に接触した時に、1000℃に加熱されるため熱対流は抑えられる。
Therefore, the trimethylamine gas of the
成長したn−Ga0.9Al0.1Nクラッド層118は、トリメチルアミンガス109にて覆われるため、アルミニュウム、窒素の再分解は抑えられる。更に詳しく説明を行うと、基板101はヒーター103であらかじめ550℃に加熱されているので、トリメチルガリウムガス、トリメチルアルミニュウムガス108、トリメチルアミンガス109が基板101表面に触れた瞬間に、基板101表面を赤外光光源115からの光を反射板116で反射させ、基板101の表面を450℃更に加温しているため、1000℃の成長温度により、基板101の表面で結晶成長が進む。
Since the grown n-Ga 0.9 Al 0.1
1000℃の成長温度でトリメチルアミン109が分解して活性窒素が、トリメチルガリウムガス、トリメチルアルミニュウムガス108が分離し、活性化ガリウム、活性アルミニュウムと結合する。そして、更には、シランガス(SiH4)によりn型ドーパントSiがドーピング、活性化され、n−Ga0.9Al0.1Nクラッド層118が成長する。
At a growth temperature of 1000 ° C.,
図3に示すn−Ga0.9Al0.1Nクラッド層118形成において、従来では、気相で窒素供給源であるアンモニアとIII属原料であるアルミニュウムが強く反応してアルキル化合物の付加化合物を作っていた。重合してGaAlNクラッド層の成長を阻害していた。
In the formation of the n-Ga 0.9 Al 0.1
しかし、図1の気相成長装置92による気相成長方法では、アンモニアを使用しないため、上記阻害がなくなる。反応式はAl(CH3)3+3NH3→AlN+N(CH3)2+NH(CH3)+4H2→InN+N2+C2H6+CH4+4H2となる。窒素供給源としてトリメチルアミンN(CH3)3を使用した場合には、反応式はAl(CH3)3+N(CH3)3→AlN+3C2H6となる。アンモニアに比べ同じ窒素を得るため、ガス量は1/3で良い。しかし、アンモニアに比べて反応が遅いため、従来の横型高流速気相成長装置が使用できない欠点があった。
However, in the vapor phase growth method using the vapor
図1はこれを改善した気相成長装置92である。即ち、トリメチルアミンはアンモニアに比べ上記反応式より副生成物が少ないため、気相成長後、基板101と対向する反応炉100の壁に固形物の付着、及び汚れがあるかどうか調査した。その結果、固形物付着、及び汚れはなかった。得られたn−Ga0.9Al0.1Nクラッド層118の膜厚は、0.5μm±2%であり、キヤリア濃度として1×1019/cm3であり、アンモニアを用いた場合と同じ良好な結果が得られた。
FIG. 1 shows a vapor
次に、図1と図4に従い、本発明を実施するための最良の形態3に係る気相成長方法を説明する。図4は、発光層の概略図である。図1において、n−GaN基板101をサセプター102にセットした後、反応炉100内を水素ガスで置換する。その後、第1種ガス108の導入部104より、水素ガス3.5L/minと、第1種ガス108としてトリメチルガリウム(TMG) Ga(CH3)3を20.5μ―mol/minと,トリメチルインジュウム(TMI) In(CH3)3を9.5μ―mol/minで供給する。そして、上記供給をしながら、第2種ガス109として、トリメチルアミンN(CH3)3を2.1mol/minと、窒素ガス3.5L/minで供給しながら、基板101をヒーター103で500℃に加熱する。
Next, a vapor phase growth method according to the best mode 3 for carrying out the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 4 is a schematic view of the light emitting layer. In FIG. 1, after setting the n-
そして、n−GaN基板101の表面を、赤外光光源115からの光を反射板116で反射させ、基板101の表面を300℃更に加温し、800℃にて50nmのIn0.2Ga0.8N青色発光層119を形成した。
Then, light from the infrared
トリメチルアミンの反応がアンモニアに比べ遅いので、基板101をヒーター103であらかじめ500℃に加熱し、図1の反応炉100の開口部111下部に、第2種ガス109のトリメチルアミンガスの流量コントロール(反応済みガスの排出部107の流量を絞る等)を行なう。
Since the reaction of trimethylamine is slower than that of ammonia, the
それにより、トリメチルアミンガス109の突出部112を形成し、第1種ガス108のトリメチルガリウムガスに側圧109Aを加える。第2種ガス109のトリメチルアミンガスと、第1種ガス108のトリメチルガリウムガス108は、n−GaN基板101に押し付けられる。
Thereby, a protruding
そのため、第1種ガス108のトリメチルガリウムガスに側圧109Aを加え、第2種ガス109のトリメチルアミンガスは基板101の表面に接触した時に、800℃に加熱されるので、熱対流は抑制される。
Therefore, when a side pressure 109A is applied to the trimethylgallium gas of the
成長したIn0.2Ga0.8N青色発光層119はトリメチルアミンガス109にて覆われるため、インジュウム、窒素の再分解は抑えられる。更に詳細に説明を行うと、基板101はヒーター103であらかじめ500℃に加熱されている。そのため、トリメチルガリウムガス、トリメチルインジュウム108と、トリメチルアミンガス109が基板101表面に触れた瞬間に、赤外光光源115からの光を反射板116で反射させ、300℃更に加温している。そのため、800℃の成長温度でIn0.2Ga0.8N発光層119の結晶成長が進む。
Since the grown In 0.2 Ga 0.8 N blue light-emitting
800℃の成長温度でトリメチルインジュウムガス、トリメチルガリウムガス108とトリメチルアミンガス109が分解し、活性インジュウム、活性窒素が、トリメチルインジュウムガス、トリメチルガリウムガス108を分解して、活性ガリウムと結合してIn0.2Ga0.8N青色発光層119が成長する。
At a growth temperature of 800 ° C., trimethylindium gas,
図4に示すIn0.2Ga0.8N青色発光層119形成において、窒素供給源としてアンモニアを使用した場合、反応式はIn(CH3)3+3NH3→InN+N(CH3)2+NH(CH3)+4H2→InN+N2+C2H6+CH4+4H2となる。
In the formation of the In 0.2 Ga 0.8 N blue light-emitting
窒素供給源としてトリメチルアミンN(CH3)3を使用した場合、反応式はIn(CH3)3+N(CH3)3→InN+3C2H6となる。アンモニアに比べ同じ窒素を得るためガス量は1/3で良い。しかし、アンモニアに比べて反応が遅いため、従来の横型高流速気相成長装置が使用できない欠点があった。 When trimethylamine N (CH 3 ) 3 is used as a nitrogen source, the reaction formula is In (CH 3 ) 3 + N (CH 3 ) 3 → InN + 3C 2 H 6 . In order to obtain the same nitrogen as ammonia, the gas amount may be 1/3. However, since the reaction is slower than that of ammonia, the conventional horizontal high flow rate vapor phase growth apparatus cannot be used.
図1はこれを改善した気相成長装置92であり、トリメチルアミンはアンモニアに比べ上記反応式より副生成物が少ないため、気相成長後、基板101と対向する反応炉100の壁に固形物の付着、及び汚れがあるかどうか調査した。その結果、固形物付着、及び汚れはなかった。得られたInGaN発光層119の膜厚は50nm±2%,バンドギャップ2.9eV,波長430nmであり、アンモニアによる成長と同じ光出力を得ることができた。
FIG. 1 shows an improved vapor
次に、図1と図5に従い、本発明を実施するための最良の形態4に係る気相成長方法を説明する。図5は、p−クラッド層の概略図である。図1において、第1種ガス108の導入部104より、キャリアガスである水素ガス3.5L/minと、第1種ガス108としてトリメチルガリウム(TMG) Ga(CH3)3が27μ―mol/minと,トリメチルアルミニュウム(TMA) Al(CH3)3が3μ―mol/minだけ導入される。
Next, a vapor phase growth method according to the best mode 4 for carrying out the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 5 is a schematic view of a p-cladding layer. In FIG. 1, from the
そして、p型ドーパントであるMgをドーピングするため、ビスミクロペンタ・ジェニルマグネシュウム(Cp2Mg)を供給しながら、第2種ガス109としてのトリメチルアミン N(CH3)3が、0.1mol/minと、窒素ガス3.5L/minが供給される。
Then, in order to dope p-type dopant Mg, trimethylamine N (CH 3 ) 3 as the
しかしながら、基板101をヒーター103で550℃に加熱し、n−GaN基板101の基板表面を、赤外光光源115からの光が反射板116で反射させ、基板101の表面が450℃更に加温される。1000℃にて0.5μmのp−Ga0.9Al0.1Nクラッド層120を形成した。
However, the
トリメチルアミンの反応がアンモニアに比べ遅いため、基板101をヒーター103であらかじめ550℃に加熱し、図1の反応炉100の開口部111下部に第2種ガス109のトリメチルアミンガスの流量コントロール(反応済みガスの排出部107の流量を絞る等)が行なわれる。
Since the reaction of trimethylamine is slower than that of ammonia, the
それにより、トリメチルアミンガス109の突出部112を形成し、第1種ガス108のトリメチルガリウムガス、トリメチルアルミニュウムガスに側圧109Aを加える。第2種ガス109のトリメチルアミンガス及び第1種ガス108のトリメチルガリウムガス108は、n−GaN基板101に押し付られる。そのため、第2種ガス19のトリメチルアミンガス及び第1種ガス108のトリメチルガリウムガスは、基板表面に接触した時に1000℃に加熱されるため、熱対流は抑えられる。
Thereby, the
成長したp−Ga0.9Al0.1Nクラッド層120はトリメチルアミンガス109にて覆われるため、アルミニュウム、窒素の再分解は抑えられる。更に詳しく説明を行うと、基板101はヒーター103であらかじめ550℃に加熱されている。そのため、トリメチルガリウムガス、トリメチルアルミニュウムガス108と、トリメチルアミンガス109が基板101表面に触れた瞬間に、赤外光光源115からの光が反射板116で反射され、450℃更に加温しているため、1000℃の成長温度で結晶成長が進む。
Since the grown p-Ga 0.9 Al 0.1
1000℃の成長温度でトリメチルアミン109が分解し、活性窒素が、トリメチルガリウムガス、トリメチルアルミニュウムガス108が分離し、活性化ガリウム、活性アルミニュウムと結合する。更には、ビスミクロペンタ・ジェニルマグネシュウム(Cp2Mg)により、p型ドーパントMgがドーピング、活性化され、p−Ga0.9Al0.1Nクラッド層120を発光層119の上に形成した。
At a growth temperature of 1000 ° C.,
図5に示すp−Ga0.9Al0.1Nクラッド層120形成において、従来では、気相で窒素供給源であるアンモニアと、III属原料であるアルミニュウムが強く反応してアルキル化合物の付加化合物を作っていた。重合してGaAlNの成長を阻害していたが、図1の気相成長装置92と、本発明の気相成長方法では、アンモニアを使用しないので、上記阻害がなくなる。
In the formation of the p-Ga 0.9 Al 0.1 N clad
反応式はAl(CH3)3+3NH3→AlN+N(CH3)2+NH(CH3)+4H2→AlN+N2+C2H6+CH4+4H2となる。窒素供給源としてトリメチルアミンN(CH3)3を使用した場合、反応式はAl(CH3)3+N(CH3)3→AlN+3C2H6となる。アンモニアに比べ同じ窒素を得るためガス量は1/3で良い。 The reaction formula is Al (CH 3 ) 3 + 3NH 3 → AlN + N (CH 3 ) 2 + NH (CH 3 ) + 4H 2 → AlN + N 2 + C 2 H 6 + CH 4 + 4H 2 . When trimethylamine N (CH 3 ) 3 is used as the nitrogen source, the reaction formula is Al (CH 3 ) 3 + N (CH 3 ) 3 → AlN + 3C 2 H 6 . In order to obtain the same nitrogen as ammonia, the gas amount may be 1/3.
しかし、アンモニアに比べて反応が遅いため、従来の横型高流速気相成長装置が使用できない欠点があった。図1はこれを改善した気相成長装置92であり、トリメチルアミンはアンモニアに比べ上記反応式より副生成物が少ないため、気相成長後、基板101と対向する反応炉100壁に固形物の付着、及び汚れがあるかどうか調査した。その結果、固形物付着、及び汚れはなかった。得られたp−Ga0.9Al0.1Nクラッド層120の膜厚は0.5μm±2%であり、キヤリア濃度として3×1018/cm3であり、アンモニアを用いた場合と同じ良好な結果が得られた。
However, since the reaction is slower than that of ammonia, the conventional horizontal high flow rate vapor phase growth apparatus cannot be used. FIG. 1 shows an improved vapor
次に、図1と図6に従い、本発明を実施するための最良の形態5に係る気相成長方法を説明する。図6は、p−コンタクト層とp電極など概略図である。図1において、第1種ガス108の導入部104より、キャリアガスである窒素ガス3.5L/minと、第1種ガス108として、トリメチルガリウム(TMG) Ga(CH3)3が30μ―mol/minだけ導入される。
Next, the vapor phase growth method according to the best mode 5 for carrying out the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 6 is a schematic diagram of the p-contact layer and the p electrode. In FIG. 1, from the
p型ドーパントであるMgをドーピングするため、ビスミクロペンタ・ジェニルマグネシュウム(Cp2Mg)を供給しながら、第2種ガス109としてトリメチルアミン N(CH3)3が0.1mol/minと、窒素ガス3.5L/minで供給しながら、n−GaN基板101がヒーター103で550℃に加熱される。
Nitrogen trimethylamine N (CH 3 ) 3 is 0.1 mol / min as the
そして、n−GaN基板101の基板表面は、赤外光光源115からの光を反射板116で反射され、基板101の表面を450℃更に加温し、1000℃にて0.1μmのp−GaNコンタクト層121を形成した。
Then, the substrate surface of the n-
トリメチルアミンの反応がアンモニアに比べ遅いため、基板101をヒーター103であらかじめ550℃に加熱する。図1の反応炉100の開口部111下部に、第2種ガス109のトリメチルアミンガスの流量コントロール(反応済みガスの排出部107の流量を絞る等)が行なわれる。
Since the reaction of trimethylamine is slower than that of ammonia, the
これにより、トリメチルアミンガス109の突出部112を形成し、第1種ガス108のトリメチルガリウムガスに側圧109Aを加える。第2種ガス109のトリメチルアミンガス及び第1種ガス108のトリメチルガリウムガスは、n−GaN基板101に押し付られる。そのため、第2種ガス109のトリメチルアミンガス及び第1種ガス108のトリメチルガリウムガスは、基板101の表面に接触した時に、1000℃に加熱されるため、熱対流は抑えられる。
Thereby, the protruding
成長したp−GaNコンタクト層121は、トリメチルアミンガス109にて覆われるため窒素の再分解は抑えられる。更に詳しく説明を行うと、基板101はヒーター103であらかじめ550℃に加熱されている。そのため、トリメチルガリウムガス108と、トリメチルアミンガス109は基板101の表面に触れた瞬間に、赤外光光源115からの光が反射板116で反射され、450℃更に加温しているので、1000℃の成長温度により結晶成長が進む。
Since the grown p-
1000℃の成長温度でトリメチルアミン109が分解して活性窒素が、トリメチルガリウムガス108が分離して活性化ガリウムと結合する。更には、ビスミクロペンタ・ジェニルマグネシュウム(Cp2Mg)により、p型ドーパントMgがドーピング、活性化され、p−GaNコンタクト層121が成長する。
At a growth temperature of 1000 ° C.,
図2と同じように、アンモニアに比べトリメチルアミンのガス量は1/3で良いが、アンモニアに比べて反応が遅いため従来の横型高流速気相成長装置が使用できない欠点があった。図1はこれを改善した気相成長装置92である。トリメチルアミンはアンモニアに比べ上記反応式より副生成物が少ないため、気相成長後、基板101と対向する反応炉100の壁に固形物の付着,及び汚れがあるかどうか調査した。
As in FIG. 2, the gas amount of trimethylamine may be 1/3 compared to ammonia, but the conventional horizontal type high flow rate vapor phase growth apparatus cannot be used because the reaction is slower than ammonia. FIG. 1 shows a vapor
その結果、固形物付着及び,汚れはなかった。得られたp−GaN膜の膜厚は0.1μm±2%、正孔濃度が6×1018cm−3、p領域の抵抗値が0.3Ω・cmと低抵抗化した。更にp電極122として、p−GaNコンタクト層121の上にニッケル、金を蒸着して形成した。その後に、p−GaNコンタクト層121とp電極122間の接触抵抗の測定を行なった所、アンモニアを使用した場合と同じ様に、10−3〜10−4Ω・cmと低減することができた。
As a result, there was no solid matter adhesion and contamination. The thickness of the obtained p-GaN film was reduced to 0.1 μm ± 2%, the hole concentration was 6 × 10 18 cm −3 , and the resistance value in the p region was 0.3 Ω · cm. Further, nickel and gold were deposited on the p-
次に、上記形態1〜5の特徴を、以下にまとめる。本発明の気相成長方法において、基板101を載せるためのサセプター102と、該サセプター102を加熱するためのヒーター103が設けられる。前記サセプター102の温度をT1とし、前記基板101の表面の加熱手段により、更にT2加熱することにより、T1+T2の温度にて気相成長させる。
Next, the features of Embodiments 1 to 5 are summarized below. In the vapor phase growth method of the present invention, a
そして、反応炉100の内部の下部に、第1種ガス108の導入部104と排出部105、113が設けられ、上部に第2種ガス109の導入部106と排出部107が設けられる。第1種ガス108として有機III属金属を用い、第2種ガス109として窒化含有炭化水素を用い、第1種ガス108を第2種ガスの側圧109Aにより、基板101の表面に押し付け、前記T1+T2の温度にて気相成長させる。
また、前記T1+T2の温度にて、n層領域窒化ガリウム系化合物半導体117,118を形成した。
そして、前記T1+T2の温度にて、p層領域窒化ガリウム系化合物半導体120,121を形成した。
また、前記T1+T2の温度にて、発光層領域窒化ガリウム系化合物半導体119を形成した。
そして、前記n層領域は117,118は、n型GaN層とn型Ga1−bAlbN層(但し0≦b≦1)からなる多層膜より構成される。
また、前記p層領域120,121は、p型GaN層とp型Ga1−bAlbN層(但し0≦b≦1)からなる多層膜より構成される。
そして、前記発光層領域119は、InbGa1−bN層(但し、0≦b≦1)からなる膜より構成される。
An
Further, n-layer region gallium
Then, the p-layer region gallium
In addition, the light emitting layer region gallium
The n-
The p-
The light emitting
なお、本発明は上記最良の形態1〜5に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形をすることが可能であり、それらを本発明の範囲から除外するものではない。例えば本発明の上記形態では、n−GaN基板を用いた半導体気相成長方法について説明したが、他の基板、例えば、サファイア基板、SiC基板、Si基板、GaAs基板、GaP基板、InP基板等、格子間の整合性や、熱膨張等を考慮して基板を適宜選択することができる。 In addition, this invention is not limited to the said best form 1-5, A various deformation | transformation is possible based on the meaning of this invention, and they are not excluded from the scope of the present invention. . For example, in the above embodiment of the present invention, a semiconductor vapor phase growth method using an n-GaN substrate has been described. However, other substrates such as a sapphire substrate, a SiC substrate, a Si substrate, a GaAs substrate, a GaP substrate, an InP substrate, etc. The substrate can be appropriately selected in consideration of the matching between lattices, thermal expansion, and the like.
更に、GaN系化合物半導体を用いた気相成長方法について説明したが、窒素供給源としてアンモニアを用いないため、他の半導体材料例えばInGaAlNのNの1部又は全部をAsおよび/またはP等で置換した材料やGaAs系化合物半導体を用いた気相成長方法にも本発明を適用できる。 Furthermore, the vapor phase growth method using a GaN-based compound semiconductor has been described. However, since ammonia is not used as a nitrogen supply source, one or all of N of other semiconductor materials such as InGaAlN are replaced with As and / or P. The present invention can also be applied to a vapor phase growth method using such a material or a GaAs compound semiconductor.
また、窒素供給源としてアンモニアを用いない気相成長装置、及び気相成長方法について説明を行ったが反応炉外から赤外光を基板表面加熱用に用いているためアンモニアを用いた場合にも適用できる。更に窒素供給源としてアンモニアとアンモニア以外の材料を成長膜の特性に合わせて併用をしてもよい。 Also, a vapor phase growth apparatus that does not use ammonia as a nitrogen supply source and a vapor phase growth method have been described. Even when ammonia is used because infrared light is used for heating the substrate surface from outside the reactor. Applicable. Further, ammonia and materials other than ammonia may be used in combination as the nitrogen supply source in accordance with the characteristics of the growth film.
更に、本発明の最良の形態1〜5では、1枚のn−GaN基板を用いた気相成長方法を示したが、サセプタ−上に複数枚の基板を載置して、基板自体の自転とサセプタ−の公転により量産性のよい気相成長装置、及び気相成長方法を実現できる。 Further, in the best modes 1 to 5 of the present invention, the vapor phase growth method using one n-GaN substrate has been described. However, a plurality of substrates are placed on a susceptor, and the substrate itself rotates. Further, by the revolution of the susceptor, a vapor phase growth apparatus and a vapor phase growth method with high productivity can be realized.
また、T1,T2の温度は、成長膜に合わせて適宜選択することができる。 Further, the temperatures of T1 and T2 can be appropriately selected according to the growth film.
更に、第一種ガスA、第二種ガスBとして原料ガスと原料ガスを含まないガスを混合した例を示したが、原料ガスと原料ガスを含まないガスを成長膜に合わせて適宜選択することができる。 Furthermore, although the example which mixed the gas which does not contain source gas and source gas as 1st type gas A and 2nd type gas B was shown, the gas which does not contain source gas and source gas is suitably selected according to a growth film. be able to.
また、GaN系化合物半導体を用いた例としてGaN系半導体発光素子の製造に適用した例を示したが、GaN系電界効果トランジスタ(FET)などのGaN系電子走行素子の製造に適用することもできる。 Moreover, although the example applied to manufacture of a GaN-type semiconductor light-emitting device was shown as an example using a GaN-type compound semiconductor, it is applicable also to manufacture of GaN-type electron transit devices, such as a GaN-type field effect transistor (FET). .
更に、反応炉として石英を用いた例を示したが石英ガラス、石英焼結体を用いることもできる。 Further, an example in which quartz is used as a reaction furnace has been shown, but quartz glass or quartz sintered body can also be used.
また、窒素供給源としてアンモニアのように、活性窒素分解時に水素を発生しないものであれば、形態1〜5で説明を行ったトリメチルアミンに、トリエチルアミンを加えたアルキルアミン、トリヒトラジン等から選択することができる。 In addition, as long as the nitrogen source does not generate hydrogen during active nitrogen decomposition, such as ammonia, select from trimethylamine, trimethylamine added to trimethylamine described in Forms 1 to 5, trihylazine, etc. Can do.
100 反応炉
101 基板
102 サセプター
103 ヒーター
104 第1種ガスの導入部
105 反応済みガスの排出部
106 第2種ガスの導入部
107 反応済みガスの排出部
108 第1種ガス
109 第2種ガス
110 仕切り部
111 開口部
112 第2種ガスの突出部
DESCRIPTION OF
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