JP2010258375A - Iii族窒化物半導体の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】基板11上に、組成式AlAGaBInCNで表され、A+B+C=1.0,B≧0,C≧0,0.5≦A≦1.0である関係を満足するAlGaInN層13が形成されたIII族窒化物半導体を製造する方法であって、反応炉1内に設置したダミー基板上に、組成式AlXGaYInZNで表され、X+Y+Z=1.0,Y≧0,Z≧0,0.5≦X≦1.0であり、かつY≦B、Z≦Cである関係を満足するダミー層を1100℃以上の温度で形成する準備処理工程と、反応炉内からダミー基板を取り出し、ダミー基板とは異なる基板11を反応炉1内に設置し、該基板11上に、組成式AlAGaBInCNで表される前記AlGaInN層を形成する第一製造工程と、を含む。
【選択図】図1
Description
基板上に、組成式AlAGaBInCNで表され、前記組成式中のA、BおよびCが、A+B+C=1.0,B≧0,C≧0,0.5≦A≦1.0である関係を満足するAlGaInN層が形成されたIII族窒化物半導体を製造する方法であって、
反応炉内にダミー基板を設置し、該ダミー基板上に、組成式AlXGaYInZNで表され、前記組成式中のX、YおよびZが、X+Y+Z=1.0,Y≧0,Z≧0,0.5≦X≦1.0であり、かつY≦B、Z≦Cである関係を満足するダミー層を1100℃以上の温度で形成する準備処理工程と、
反応炉内から前記ダミー層が形成された前記ダミー基板を取り出し、前記ダミー基板とは異なる基板を該反応炉内に設置し、該基板上に、組成式AlAGaBInCNで表される前記AlGaInN層を形成する第一製造工程と、
を含むことを特徴とする。
本発明に係る方法により製造されるIII族窒化物半導体は、特定組成を有するAlGaInN層を少なくとも含む。
次に、本発明に係るIII族窒化物半導体の製造方法を図1、図2、図3に示すフローチャートを用いて説明する。
本発明において、製造工程では、図4に示すように、III族窒化物半導体としてのAlAGaBInCN層14(図4においては、バッファ層(AlN層)12とAlGaInN層13の両層がAlAGaBInCN層に該当する)を形成する。なお、この第一製造工程の前には、後述する準備処理工程がすでに行われているものとする。
以上説明した通り、基板11上にAlAGaBInCN層14を形成する場合には、同じ反応炉でその前に形成したIII族窒化物層の影響を受け、特に、該III族窒化物層が、Ga、およびInから選ばれる少なくとも1種のIII族原子を含む層である場合には、該III族原子の影響を強く受けるものと考えられる。
本発明においては、図4に示す、基板11上にAlAGaBInCN層14を形成する第一製造工程前に、以下に詳述する準備処理工程を行うことを特徴とする。この準備処理工程は、反応炉内にダミー基板を設置し、該ダミー基板上に、組成式AlXGaYInZNで表され、前記組成式中のX、YおよびZが、X+Y+Z=1.0,Y≧0,Z≧0,0.5≦X≦1.0であり、かつY≦B、Z≦Cである関係を満足するダミー層を1100℃以上の温度で形成するものである。
本発明において、該ダミー層52を形成する前の熱処理工程では、反応炉内に水素ガスを所定の流量で導入しながら、ダミー基板51を好ましくは1250℃以上、より好ましくは1300℃以上に加熱してやればよい。ダミー基板51を1250℃以上に加熱する場合、その温度は、1250℃以上であれば一定の温度に保持してもよいし、変化させることもできる。また、ダミー基板51を1250℃以上の温度にする時間は、特に制限されるものではなく、好ましくは10分以上、より好ましくは20分以上である。
本実施例では、有機金属気相成長法(MOCVD法)を用いて、III族窒化物半導体を作製した。
(1回目の第一製造工程)
まず、III族窒化物半導体を結晶成長させるための基板として、サファイアC面単結晶基板を用いた。これをMOCVD装置の反応炉内のサセプター上に設置した後、水素ガスを13slmの流量で流しながら、サファイア基板を1250℃まで加熱し、10分間保持することで基板表面のクリーニングを行った。次いで、TMA流量が26μmol/min、アンモニア流量が0.5slm、全体のガス流量が10slm、圧力が25Torrの条件で、基板上にAlN層を層厚み1.0μmで形成した。このAlN層はバッファ層として機能する。
(熱処理工程)
次に、ダミー基板を反応炉内のサセプター上に設置した後、水素ガスを13slmの流量で流しながら、ダミー基板を1280℃まで加熱し、30分間保持して、反応炉内に堆積したGa等の脱離を行った。ダミー基板としては、サファイアC面単結晶基板を用いた。
次に、ダミー基板とは異なるサファイアC面単結晶基板を、反応炉内のサセプター上に設置した後、水素ガスを13slmの流量で流しながら、サファイア基板を1250℃まで加熱し、10分間保持することで基板表面のクリーニングを行った。次いで、TMA流量が26μmol/min、アンモニア流量が0.5slm、全体のガス流量が10slm、圧力が25Torrの条件で、基板上にAlN層を層厚み1.0μmで形成した。すなわち、AlAGaBInCN層において、A=1.0、B=C=0である。AlN層を形成後、サセプター温度が室温付近まで下がったことを確認して、AlN層が形成された基板をMOCVD装置から取り出した。
原子間力顕微鏡(東陽テクニカ製Nano−R)によりAlN層の表面について、5μm角の表面凹凸像を取得し、その像からAlN層の表面の2乗平均粗さ(RMS)を測定した。本実施例では、AlN層の表面のRMSが1nm以下を良好とした。実施例1に係る試料のAlN層の表面は非常に平滑であり、RMSは0.5nmであった。
2次イオン質量分析法(SIMS)によりAlN層中の炭素、酸素、ガリウムの定量分析を行った。炭素および酸素濃度測定は1次イオン種にセシウムイオンを用い、1次加速電圧5.0kVの条件で行った。また濃度はGaN標準試料の窒素2次イオン強度に基づき定量した。ガリウム濃度測定は1次イオン種に酸素イオンを用い、1次加速電圧6.0kVの条件で行った。AlN層中のガリウム濃度は、濃度変換のための適切な標準試料が無いため、2次イオン強度により評価した。
実施例1の準備処理工程において、ダミー層(AlN)の代わりに、ダミー層(Al0.9Ga0.1N)を形成した以外は同様の条件で、1回目の第一製造工程においてAl0.7Ga0.3N層を形成し、2回目の第一製造工程においてAlN層を形成し、AlN層について実施例1と同様の評価を行った。すなわち、AlXGaYInZN層において、X=0.9、Y=0.1、Z=0である。
実施例1において、準備処理工程を行わない以外は、実施例1と同様にして、1回目の第一製造工程においてAl0.7Ga0.3N層を形成し、2回目の第一製造工程においてAlN層を形成し、AlN層について実施例1と同様の評価を行った。
実施例1の準備処理工程において、ダミー層(AlN)の代わりに、ダミー層(Al0.3Ga0.7N)を形成した以外は同様の条件で、1回目の第一製造工程においてAl0.7Ga0.3N層を形成し、2回目の第一製造工程においてAlN層を形成し、AlN層について実施例1と同様の評価を行った。すなわち、AlXGaYInZN層において、X=0.3、Y=0.7、Z=0である。
(1回目の第一製造工程、および第二製造工程)
実施例1の1回目の第一製造工程において、基板上にAl0.7Ga0.3N層を形成した後、MOCVD装置から該基板を取り出すことなく、該Al0.7Ga0.3N層上に、第二製造工程として、GaN層を形成した。形成条件は基板温度が1080℃、TMG流量が22μmol/min、のアンモニア流量が2.0slm、全流量が7slm、圧力が150Torrの条件とした。GaN層の形成後、サセプターの温度が室温付近まで下がったことを確認して、GaN層が形成された基板をMOCVD装置から取り出した。
次いで、ダミー基板を反応炉内のサセプター上に設置し、実施例1と同じ条件で準備処理工程を行った。ダミー層を形成後、サセプター温度が室温付近まで下がったことを確認して、ダミー層が形成されたダミー基板をMOCVD装置から取り出した。
次に、ダミー基板とは異なるサファイアC面単結晶基板を、反応炉内のサセプター上に設置し、実施例1の2回目の第一製造工程と同じ条件でサファイア基板上にAlN層を形成した。得られた試料(2回目の第一製造工程で得られたIII族窒化物半導体)のAlN層の表面は非常に平滑であり、RMSは0.6nmであった。また、炭素濃度は検出限界以下であり、AlN層の表面近傍での酸素濃度は2×1018cm−3であった。また、Gaの2次イオン強度は3×102counts/secであった。
実施例3において、準備処理工程を行わない以外は、実施例3と同様にして、1回目の第一製造工程、および第二製造工程としてGaN層を形成し、2回目の第一製造工程においてAlN層を形成し、AlN層について実施例1と同様の評価を行った。
2… サセプター
11… 基板
12… バッファ層(AlN層)
13… AlGaInN層
14… AlAGaBInCN層
15… Ga、およびInから選ばれる少なくとも1種のIII族原子を含むIII族窒化物層
51… ダミー基板
52… ダミー層(AlXGaYInZN層)
Claims (4)
- 基板上に、組成式AlAGaBInCNで表され、前記組成式中のA、BおよびCが、A+B+C=1.0,B≧0,C≧0,0.5≦A≦1.0である関係を満足するAlGaInN層が形成されたIII族窒化物半導体を製造する方法であって、
反応炉内にダミー基板を設置し、該ダミー基板上に、組成式AlXGaYInZNで表され、前記組成式中のX、YおよびZが、X+Y+Z=1.0,Y≧0,Z≧0,0.5≦X≦1.0であり、かつY≦B、Z≦Cである関係を満足するダミー層を1100℃以上の温度で形成する準備処理工程と、
反応炉内から前記ダミー層が形成された前記ダミー基板を取り出し、前記ダミー基板とは異なる基板を該反応炉内に設置し、該基板上に、組成式AlAGaBInCNで表される前記AlGaInN層を形成する第一製造工程と、
を含むことを特徴とするIII族窒化物半導体の製造方法。 - 前記準備処理工程において、前記ダミー層を形成する前に、水素を含む雰囲気において、前記ダミー基板を1250℃以上の温度にする熱処理工程を含むことを特徴とする請求項1に記載のIII族窒化物半導体の製造方法。
- 前記準備処理工程において、前記ダミー層を窒化アルミニウム層とすることを特徴とする請求項1または2に記載のIII族窒化物半導体の製造方法。
- 前記準備処理工程よりも前に、
前記反応炉内において、Ga、およびInから選ばれる少なくとも1種のIII族原子を含有するIII族窒化物半導体を製造する第二製造工程を実施していることを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載のIII族窒化物半導体の製造方法。
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