JP3098773B2 - 高絶縁性単結晶窒化ガリウム薄膜の作製及びドープ方法 - Google Patents
高絶縁性単結晶窒化ガリウム薄膜の作製及びドープ方法Info
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Description
マアシスト単結晶ビームエピタキシー(ECR−assisted
MBE)によって単結晶窒化ガリウム薄膜を作製する方法
に関する。更に、本発明は、n形又はp形の窒化ガリウ
ム(GaN)膜の作製方法に関する。
見込みがあるため、これを作製する試みが行われてい
る。GaNは廉価でかつコンパクトな固体の青いレーザー
の有望な源である。GaNのバンドギャップは約3.4eVであ
り、これはUV〜可視領域の端の光を発することができる
ことを意味している。真性GaNでは、キャリヤー濃度(n
i)は5.2×103cm-3、移動度は330cm2V-1s-1で、抵抗率
は3.6×1012Ω−cmである。
開発はその成長過程において遭遇する多くの問題のため
に遅れている。単結晶GaN膜を作製するために行われて
来た従来の試みではキャリヤー濃度の高いn形膜が作製
されてきた。n形の特性は、結晶構造中に含まれる窒素
の空孔のためである。なお、空孔は、該膜の成長中に結
晶格子中へ組み込まれる。結果として、膜は、成長中に
意図せずに窒素でドープされる。窒素の空孔は該膜の電
子的特性及び光学的特性に影響を及ぼす。
性でかつ意図せずにドープされたn形のGaN膜が得られ
た(S.ZembutsuとT.Sasaki J.Cryst.Growth 77,25−26
(1986))。キャリヤー濃度は1×1019cm-3で、移動度
は50〜100cm2V-1s-1であった。膜をp形にドープする試
みは成功していない。キャリヤー濃度は補正によって低
くさせた、すなわち、ドナー濃度をアクセプタ不純物の
添加によって“中性化”させた。
ットを用いてスパッターリングして作製した。膜はn形
で、高抵抗性は膜が多結晶性のためであった(E.Lakshm
i他Thin Solid Films 74,77(1977))。
は標準的な発散セル(effusion cell)から供給し、窒
素はイオンビームによって供給した。単結晶膜はn形だ
が、抵抗率は106Ω−cmとより高く、キャリヤー濃度と
移動度は比較的低い(1014cm-3と1〜10cm2V-1s-1)も
のが得られた(R.C.Powell他“Diamond,Silicon Carbid
e and Related Wide Bandgap Semiconductors"Vol.162,
J.T.Glass,R.MessierおよびN.Fujimori著、(Material
Research Society,Pittsburgh,1990),525〜530頁)。
ビームを放射して成長の後に処理したMgドープGaNであ
った。p形の導電性はn形GaNを補正することによって
達成された(H.Amano他、Jap.J Appl.Phys.28(12),L2
112〜L2114(1989))。
ことができない。したがって、真性GaNを作製すること
ができない。さらに、GaN膜のドープ工程を制御して、
p−n接合の製造を可能ならしめることが望ましい。本
発明は、真性に近い単結晶GaN膜を作製しかつこれらの
膜をn形又はp形に選択的にドープする方法を提供す
る。
製する方法はECRアシストMBEを利用したものである。好
適な実施例においては、Gaの分子ビーム源と活性窒素源
をMBE成長室内に設ける。所望の基板をGaと活性窒素に
暴露する。膜を2つの工程、低温核形成工程と高温成長
工程でエピタキシャル成長させる。核形成工程は基板を
100〜400℃の範囲の温度の窒素プラズマとガリウムに暴
露させるのが好ましく、高温成長工程は600〜900℃の範
囲の温度で実施するのが好ましい。好適な基板には、例
えば、(100)と(111)のシリコンと(0001)、(11−
20)及び(1−102)のサファイア、(111)と(100)
のヒ化ガリウム、酸化マグネシウム、酸化亜鉛及び炭化
ケイ素がある。好適な活性窒素種源は、電子サイクロト
ロン共鳴マイクロ波プラズマもしくはホットタングステ
ンフィラメント又はその他の慣用的な方法によって生じ
うる窒素プラズマである。
スの圧力を制御して、金属ガリウムの膜表面のビード
(beading)の形成と格子内の窒素空孔の形成を阻止す
る。Gaフラックスは2.0〜5.0×10-7トルの範囲にあるの
が好ましい。成長室内では窒素の過圧があるのが好まし
く、過圧は10-3〜10-5トルの範囲であるのがより好まし
い。
3〜15分間基板をGaと窒素とに暴露させる。厚さが200
〜500Åの膜を蒸着させる。この膜は、核形成工程の低
温下においては非晶質である。非晶質膜を活性窒素の存
在下において600〜900℃で加熱することによって結晶化
することができる。続いて、高温、好ましくは600〜900
℃の処理を行うと、単結晶の真性に近いGaN膜のエピタ
キシャル成長が行われる。成長層の好適な厚さは0.5〜1
0μmの範囲内である。
形で優先的にドープする。p形半導体を作り出すため
に、MBE成長室にはGa、活性窒素及びアクセプタの各源
が備えられている。アクセプタ源には、Be、Zn、Cd及び
CaのようなII族の元素が含まれる。基板には、基板表面
へ又は基板の正面に直接おかれた金属グリッドへ正のバ
イアスを付加することによって電子を衝突させる。低温
蒸着及び高温蒸着の条件は既述の通りである。基板をG
a、窒素及びアクセプタの源に暴露させると、ドープさ
れたGaN膜が得られ、アクセプタは電子を帯びて陰電荷
の種として格子内に組み込まれる。電荷を有するアクセ
プタ種は中性のアクセプタに比べて低いエネルギーでGa
N格子内に組み込むことができる。物質をn形でドープ
するために、基板又はグリッドに負のバイアスをかける
ことによって陽イオンを衝突させる。従って、ドナー不
純物は荷電状態でGaNに組み込まれる。これは、中性の
ドナー種を組み込む場合と比べて低いエネルギーしか必
要としないことを意味する。適切なドナーにはIV族とVI
族の元素がある。
00cm2V-1s-1の移動度を有する真性に近いGaN膜を作製す
ることができる。p形半導体とn形半導体を、単に表面
又はグリッドバイアス及び不純物源を選択することによ
って選択的に作製することができる。本発明の方法を使
ってp−n接合を効果的に製造することも可能である。
のGaN膜のX線回折パターンである。
のGaN膜のX線回折パターンである。
成による。GaNは、上記方法の処理温度(>1000℃)よ
り十分に低い温度である約650℃で分解する(かつ窒素
を失う)。それ故、成長法自身が空孔形成のために十分
な熱エネルギーを提供することになる。より低い温度で
の成長方法は、窒素の格子内の空孔の数が減り、GaN格
子に意図しないn形ドープが行なわれるのが阻止され、
真性GaNの形成が達成される。
低い処理温度でGaNを形成することができる。ECRマイク
ロ波窒素プラズマは好適な活性窒素源である。2工程加
熱法によれば、より低い温度で単結晶GaNを形成するこ
とができる。
ているものである。ECRシステム10は、ECRシステムが発
散口12に取り付けられていることによってMBEシステム1
1と一体にされている。ECRシステムには、マイクロ波発
生器13、導波器14、高真空プラズマ室15及び2つの電磁
石16、17が含まれている。2.43GHzのマイクロ波をマイ
クロ波発生器13で発生させて長四角形の導波器14に移送
させる。100〜500Wのパワーのマイクロ波が導波器14を
通過してプラズマ室15に至る。窒素がマスフロー制御器
18を通ってプラズマ室15に流れ込む。マスフロー制御器
18は調節可能な一定の流速を維持する。上方の磁石16は
2kWの出力供給器(図示せず)により機能し、下方の磁
石17は5kWの出力供給器(図示せず)により機能する。
このようにして電磁石を配置するとより強力で安定なプ
ラズマが生ずる。
軌道におく。サイクロトロンの振動数は磁界の強度と電
子の電荷−質量比(charge−mass ratio)に依存して変
わる。全ての電子がサイクロトロンの軌道にあると想定
されるので、ランダムな動きと衝突で失われるエネルギ
ーは減る。更に、プラズマは室15の中央へ閉じ込められ
る。磁界は、マイクロ波の振幅の振動数が電子のサイク
ロトロン振動数にちょうど等しくなるように調整され
る。その後、N2をマスフロー制御器18を通過させて室内
へ導入させ、そして、高エネルギーの電子の衝突によっ
て、高エネルギーの窒素原子と窒素イオンに分解させ
る。その後、下方の電磁石17がイオンを発散口12を通過
させて基板19まで誘導する。該基板19は、MBEシステム1
1の成長室21内の連続方位回転(continuous azimuthal
rotation)(C.A.R.)装置20上におかれたものである。
る。ある種の基板上ではGaN膜はウルツ鉱型(wurtziti
c)構造で成長し、その他の基板上ではGaN膜はジンクブ
レンデ型(zincblende)構造で成長する。このような基
板には、例えば、サファイア(ウルツ鉱型構造のGaN)
やSi(100)(ジンクブレンデ型構造のGaN)がある。ガ
リウムフラックスはクヌーセン発散セル22で発生する。
パッターエッチングした。基板を270℃まで窒素プラズ
マの存在下で冷却した。その後、Gaシャッター23を開い
て、始めにGaNのバッファ層を蒸着した。活性窒素源を
使用することにより、GaNを低温で蒸着させることが可
能となった。バッファ層は10分以上にわたって核形成を
可能とし、その後に、Gaシャッター23を閉めて該膜の核
形成を止めた。その後に、基板を、窒素プラズマの存在
下において15秒毎に4℃の割合でゆっくりと600℃にし
た。窒素の過圧も窒素空孔の形成を減らすのを助けた。
において30分間この温度で保持してGaNバッファ層を結
晶化させた。Gaシャッター23をもう一度開けて、GaN単
結晶膜を成長させた。膜の厚さは、理論上は制限はない
が、約1μmであった。窒素圧力とガリウムフラックス
は全工程にわたって一定に保たれている。
する。バッファ層は100〜400℃の範囲の温度で成長す
る。温度が低いために、窒素の空孔が形成される可能性
は低い。温度が600℃まで上がるにつれて、非晶質膜が
結晶化する。この2工程法により成長した膜は1工程法
により成長した膜より優れている。
(11−20)サファイアのα面上に成長したGaN膜のX線
回折(XRD)パターンを示している。図2Aの約2θ=35
゜における2つのピークはGaN結晶が不完全なためであ
る。図2Bは、よりよい品質の膜であることを示す単一の
ピークを示している。これは、GaNバッファの上に大部
分の膜が成長して下層の基板が見えないためである。Ga
Nの成長層はGaNバッファ層を“認めて”、その上に該成
長層が欠陥なく成長することができるからである。バッ
ファは唯一のかなり欠陥のある部分の膜である。
Ω−cm)。この物質の移動度は10cm2V-1s-1であり、真
性GaNの理論移動度である330Ω−cm-3に比べて応分な値
である。
ことによってn形又はp形にドープする。これは、格子
内に荷電不純物を組み入れるのに必要なエネルギーは中
性の不純物を組み入れるのに必要なエネルギーより低い
からである。図3は、荷電アクセプタをGaN格子へドー
プすることを概略的に示したものである。基板19又はそ
の前に直接おかれたグリッド19aに正のバイアスをかけ
る。図3は、基板19とグリッド19aの両方が電圧源に結
合していることを示している。本発明を実施する際に
は、基板19又はグリッド19aのいずれかに正のバイアス
をかけることになるであろう。それ故、電子は基板表面
へ引き寄せられ、一方で、N+のような陽イオンは反発さ
れる。成長方法は、既述のようにアクセプタ源24を加え
て実施して、Ga、窒素及びアクセプタを基板の電子で富
化した表面に蒸着させる。アクセプタの原子が表面に近
づくにつれて、それは電子を帯びて陰の種として格子内
へ組み込まれる。組み込まれる際のエネルギーは中性の
アクセプタ種と比べて低い。基板又はグリッドに負のバ
イアスをかけることを除いては同じようにして、GaN格
子にドナー不純物をドープする。あるいは、基板表面に
電子又は陽イオンを衝突させることによって、荷電表面
を作り出すことができる。電子ガンとイオンガンは、そ
れぞれ、これらの種の慣用的な源である。
リリウム、カルシウムなどがある。適切なドナー種に
は、例えば、シリコン、ゲルマニウム、酸素、セレン、
硫黄などがある。
Claims (19)
- 【請求項1】絶縁性単結晶GaN膜を作製する方法であっ
て、 分子ビームエピタキシャル成長室内に、所望の相のGaN
に整合する適当な格子を有する単結晶基板を設け、 分子ビームガリウム源を設け、 活性窒素源を設け、そして 前記基板を前記のガリウム源と窒素源に暴露することに
よって、下記の2工程成長法を用いてGaN膜を蒸着す
る: 工程中に、基板が約100℃〜400℃の温度に維持され、そ
して実質的に一定のガリウムフラックス圧力と実質的に
一定の窒素圧力が維持される、低温核形成工程、および 工程中に、基板が約600℃〜900℃の温度に維持され、そ
して実質的に一定のガリウムフラックス圧力と実質的に
一定の窒素圧力が維持される、高温成長工程、 以上の工程を含む方法。 - 【請求項2】ドープしたp形GaN膜を作製する方法であ
って、 分子ビームエピタキシャル成長室内に、所望の相のGaN
に整合する適当な格子を有する単結晶基板を設け、 ガリウム源、窒素プラズマ源およびアクセプタ源を設
け、 前記基板を、約100℃〜400℃の温度において、実質的に
一定のフラックス圧力に維持された前記ガリウム源と実
質的に一定の圧力に維持された前記窒素源に暴露するこ
とによって核形成工程を実施し、 約600℃〜900℃の温度において成長工程を実施して、そ
れによって前記基板上にGaN膜を蒸着させ、 前記基板の表面に正のバイアスをかけて、そして 前記表面を、前記実質的に一定のフラックス圧力に維持
された前記ガリウム源、前記実質的に一定の圧力に維持
された前記窒素源、及び前記アクセプタ源に暴露するこ
とによって、ドープしたGaN膜を蒸着させて、それによ
って、前記成長工程の間前記アクセプタを負に荷電した
状態におく、 以上の工程を含む方法。 - 【請求項3】ドープしたn形GaN膜を作製する方法であ
って、 分子ビームエピタキシャル成長室内に、所望の相のGaN
に整合する適当な格子を有する単結晶基板を設け、 ガリウム源、窒素プラズマ源およびドナー源を設け、 核形成工程において前記基板を前記のガリウム源と窒素
源に低温で暴露し、このとき、基板は約100℃〜400℃の
温度に維持され、また実質的に一定のガリウムフラック
ス圧力と実質的に一定の窒素圧力が維持され、そして 600℃〜900℃の温度において成長工程を実施して前記基
板上にGaN膜を蒸着させ、さらに 前記基板の表面を負にバイアスさせ、そして 前記表面を、前記実質的に一定のフラックス圧力に維持
された前記ガリウム源、前記実質的に一定の圧力に維持
された前記窒素源、及び前記ドナー源に暴露することに
よって、ドープしたGaN膜を蒸着させて、それによっ
て、前記成長工程の間前記ドナーを正に荷電した状態に
おく、 以上の工程を含む方法。 - 【請求項4】前記の単結晶基板は(100)シリコン又は
(111)シリコン、(11−3)サファイア、(0001)サ
ファイア又は(1−102)サファイア、(100)ヒ化ガリ
ウム又は(111)ヒ化ガリウム、炭化ケイ素、酸化亜鉛
又は酸化マグネシウムである、請求項1、2又は3に記
載の方法。 - 【請求項5】前記ガリウム源はクヌーセン発散セル又は
金属−有機源である、請求項1、2又は3に記載の方
法。 - 【請求項6】前記金属−有機源がトリメチルガリウムで
ある、請求項5に記載の方法。 - 【請求項7】ガリウムフラックス圧力は約2.0〜5.0×10
-7トルの範囲である、請求項1、2又は3に記載の方
法。 - 【請求項8】前記活性窒素源は電子サイクロトロン共鳴
マイクロ波プラズマ(ECR源)またはホットタングステ
ンフィラメントで発生した窒素のプラズマである、請求
項1、2又は3に記載の方法。 - 【請求項9】窒素の過圧を前記成長室内で保持する、請
求項1、2又は3に記載の方法。 - 【請求項10】前記窒素圧力/前記ガリウムフラックス
圧力の比率は約102〜104の範囲である、請求項1、2又
は3に記載の方法。 - 【請求項11】活性窒素源には窒素原子種又は窒素イオ
ン種が含まれる、請求項1、2又は3に記載の方法。 - 【請求項12】前記の低温核形成工程には、基板を前記
のガリウム源と窒素源へ3〜15分間暴露することが含ま
れる、請求項1、2又は3に記載の方法。 - 【請求項13】前記膜の厚さは30〜500Aである、請求項
12に記載の方法。 - 【請求項14】前記の高温成長工程で0.5〜10μmの厚
さの膜を蒸着する、請求項1、2又は3に記載の方法。 - 【請求項15】基板の表面を荷電させる前記工程は、前
記基板の直前におかれたグリッドに電気的にバイアスを
かけるか、電子ガンからの電子を前記表面に衝突させる
か、イオンガスからの陽イオンを前記表面に衝突させる
か、または前記基板表面の背面に電気アースを設けるこ
とを含む、請求項2又は3に記載の方法。 - 【請求項16】前記成長工程には、基板を800℃未満の
温度に保持することを含む、請求項1、2又は3に記載
の方法。 - 【請求項17】前記成長工程には、基板を600℃以下の
温度に保持することを含む、請求項16に記載の方法。 - 【請求項18】絶縁性単結晶GaN膜の作製装置であっ
て、 所望の相のGaNと整合する適当な格子を有する単結晶基
板を収容する分子ビームエピタキシャル成長室、 分子ビームガリウム源、 活性窒素源、および 前記基板を前記のガリウム源と窒素源に暴露させて、低
温核形成工程と高温成長工程を含む2工程成長法を用い
て膜を蒸着させる手段、 を含む装置。 - 【請求項19】ドープしたGaN膜の作製装置であって、 所望の相のGaNと整合する適当な格子を有する単結晶基
板を収容する分子ビームエピタキシャル成長室、 ガリウム源、活性窒素源及びアクセプタまたはドナー
源、 前記基板の表面に負または正のバイアスをかける手段、
および 前記基板を前記のガリウム源、窒素源及びアクセプタま
たはドナー源に暴露して、低温核形成工程と高温成長工
程とを含む2工程成長法を用いて膜を蒸着させる手段、 を含む装置。
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