JP3288300B2 - 半導体の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、青色光から紫外光
までの波長領域にわたる発光ダイオード素子又は半導体
レーザダイオード素子に用いる窒化ガリウム系半導体、
特に、電気的及び光学的特性に優れる窒化ガリウム系半
導体を再現性良く成長させる半導体の製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】波長が青色よりも短い短波長発光素子
は、フルカラーディスプレィや高密度記録が可能な光デ
ィスク用光源として期待されており、亜鉛セレン（Ｚｎ
Ｓｅ）等のII−VI族化合物半導体又は炭化シリコン（Ｓ
ｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）等のIII −Ｖ族化合物
半導体を用いて盛んに研究がなされている。近年、特
に、ＧａＮ又はＩｎＧａＮ等を用いた青色発光ダイオー
ド素子及び青紫色レーザダイオード素子が実現され、窒
化ガリウム系半導体を用いた発光素子が注目されてい
る。窒化ガリウム系半導体結晶の成長方法には有機金属
気相成長（ＭＯＶＰＥ）法や分子線エピタキシー（ＭＢ
Ｅ）法が一般的に用いられている。

【０００３】例えば、特開平第２−２９１１４号公報に
は、ＭＯＶＰＥ法を用いた従来の窒化ガリウム系半導体
結晶の気相成長装置として、原料ガス導入ノズルに絞り
部及び案内部を設けて基板上に効率良く原料ガスを供給
する方法が開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来の気相成長装置は、基板に平行にガスを流す横型の反
応室を備え、反応室内のガス導入ノズルに絞り部を持つ
構造を有するため、成長回数を重ねるたびにガス導入ノ
ズルの基板上方に反応生成物が付着するので、付着した
反応生成物がフレイク状になって基板上に落下したり、
基板とガス導入ノズルとの距離やガスの流れを変えてし
まったりすることにより、結晶の成長の再現性が劣化す
るという問題がある。

【０００５】また、特開平第６−１９６７５７号公報に
開示されているようなツーフロー方式の場合には、反応
生成物が生じるという問題は少ないものの、基板の上方
からのサブフローガスは原料ガスの流れを乱しやすいた
め、最適なガス供給条件の範囲が狭くなり、また、反応
室内が少々汚れても成長条件が大きく変わるという問題
がある。

【０００６】本発明は、前記従来の問題を解決し、結晶
性に優れる窒化ガリウム半導体を再現性良く製造できる
ようにすることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
め、第１の発明は、層状の原料ガスを基板上に平行に導
入すると共に、該原料ガスの上側に層状のサブフローガ
スを導入する構成とする。

【０００８】第２の発明は、特に結晶性を向上させにく
いインジウム（Ｉｎ）を含む半導体層の成長時に、イン
ジウムを含まない半導体層の成長時よりも原料ガス等の
ガスの流速を小さくする構成とする。

【０００９】第３の発明は、インジウムを含む半導体層
とインジウムを含まない半導体層との間に、インジウム
を含む半導体層を保護する手段を講じる構成とする。

【００１０】具体的に、本発明に係る第１の半導体の製
造方法は、基板上に、III 族源と窒素源とを含む原料ガ
スを基板面にほぼ平行に且つ層状に導入することによ
り、基板上にIII 族窒化物半導体を製造する半導体の製
造方法であって、サブフローガスを原料ガスの上側に基
板面にほぼ平行に且つ層状に導入する工程を備えてい
る。

【００１１】第１の半導体の製造方法によると、原料ガ
スを基板面にほぼ平行に且つ層状に導入するため、基板
上でガスの乱流が生じにくい上に、サブフローガスを原
料ガスの上側に基板面にほぼ平行に且つ層状に導入する
ため、原料ガスの上側を流れるサブフローガスが加熱に
よる原料ガスの上方への対流を抑えるので、反応炉又は
ガス導入ノズルにおける基板上の内壁に余分な反応生成
物が生じにくくなる。

【００１２】第１の半導体の製造方法が、原料ガスのサ
ブフローガス側への拡散を防止する拡散防止手段を用い
て原料ガスを導入する工程をさらに備えていることが好
ましい。このようにすると、拡散防止手段により層状の
原料ガスが上方に対流しにくくなるので、余分な反応生
成物がさらに生成されなくなる。

【００１３】第１の半導体の製造方法において、サブフ
ローガスが水素、窒素又はアルゴンを含むことが好まし
い。

【００１４】本発明に係る第２の半導体の製造方法は、
少なくともインジウムと窒素とを含む第１の原料ガスを
導入して、基板上に第１の半導体層を成長させる第１の
半導体層成長工程と、アルミニウム又はガリウムと窒素
とを含む第２の原料ガスを導入して基板上に第２の半導
体層を成長させる第２の半導体層成長工程とを備え、基
板上に窒化ガリウム系半導体を成長させる半導体の製造
方法であって、第１の原料ガスの流速は第２の原料ガス
の流速よりも小さい。

【００１５】第２の半導体の製造方法によると、通常、
インジウムを含む第１の半導体層を成長させる場合は、
同一温度ではＩｎＮにおける窒素の平衡蒸気圧がＧａＮ
のそれよりも高いため、インジウムを含まない第２の半
導体層を成長させる場合に比べて成長温度を下げる必要
がある。しかしながら、窒素源にアンモニアを用いる
と、比較的低温下ではアンモニアの分解効率が低下する
ため、第１の半導体層の結晶性が劣化する。本発明の製
造方法は、第１の原料ガスの流速を、第２の原料ガスの
流速よりも小さくするため、単位量のアンモニアに対し
て単位時間当たりに供給される熱量が多くなるので、ア
ンモニアの分解効率が向上する。

【００１６】第２の半導体の製造方法において、第１の
原料ガスの圧力は第２の原料ガスの圧力よりも高いか、
又は、第１の原料ガスの流量は第２の原料ガスの流量よ
りも小さいことが好ましい。

【００１７】第２の半導体の製造方法において、第１の
原料ガスを基板面にほぼ平行に且つ層状に導入すると共
に、サブフローガスを第１の原料ガスの上側に基板面に
ほぼ平行に且つ層状に導入する工程を含む工程を含むこ
とが好ましい。このようにすると、サブフローガスによ
り原料ガスの上方への対流が抑えられる。

【００１８】第２の半導体の製造方法において、サブフ
ローガスが窒素又はアルゴンを含むことが好ましい。こ
のようにすると、窒素又はアルゴンの熱伝導率は相対的
に小さいため、基板の温度を拡散させにくい。

【００１９】本発明に係る第３の半導体の製造方法は、
基板上に原料ガスを含むガスを導入することにより窒化
ガリウム系半導体を成長させる半導体の製造方法であっ
て、少なくともインジウムと窒素とを含む第１の原料ガ
スを導入して基板上に第１の半導体層を成長させる第１
の半導体層成長工程と、アルミニウム又はガリウムと窒
素とを含む第２の原料ガスを第１の原料ガスとほぼ同一
の流速で導入して、第１の半導体層の上面に第１の半導
体層の分解を抑制する分解抑制層を成長させる分解抑制
層成長工程と、アルミニウム又はガリウムと窒素とを含
む第３の原料ガスを導入して、分解抑制層の上面に第２
の半導体層を成長させる第２の半導体層成長工程とを備
えている。

【００２０】第３の半導体の製造方法によると、少なく
ともインジウムを含む第１の半導体層の上に、第１の原
料ガスの流速とほぼ同一の流速で導入される第２の原料
ガスを用いて第１の半導体層の分解を抑制する分解抑制
層を第１の原料ガスの流速とほぼ同一の流速で成長させ
るため、第１の半導体層からインジウムが抜け出すこと
がない。

【００２１】本発明に係る第４の半導体の製造方法は、
少なくともインジウムと窒素とを含む第１の原料ガスを
導入して基板上に第１の半導体層を成長させる第１の半
導体層成長工程と、アルミニウム又はガリウムと窒素と
を含む第２の原料ガスを導入して、第１の半導体層の上
面に第２の半導体層を成長させる第２の半導体層成長工
程とを備え、基板上に窒化ガリウム系半導体を成長させ
る半導体の製造方法であって、第２の半導体層成長工程
は、第２の原料ガスを導入する前に、不活性ガスと窒素
源ガスとを含む混合ガスを第２の原料ガスの流速とほぼ
同一の流速で導入する工程を含む。

【００２２】第４の半導体の製造方法によると、基板上
に少なくともインジウムを含む第１の半導体層を成長さ
せた後、インジウムを含まない第２の半導体層を成長さ
せる前に、不活性ガスと窒素源ガスとを含む混合ガスを
第２の半導体層用の第２の原料ガスの流速とほぼ同一の
流速で導入するため、第１の半導体層からインジウムが
抜け出しにくい。

【００２３】

【発明の実施の形態】（第１の実施形態）本発明に係る
第１の実施形態について図面を参照しながら説明する。

【００２４】図１は本発明の第１の実施形態に係る半導
体の製造方法を実現する横型ＭＯＶＰＥ装置の反応炉及
び原料ガス導入ノズルの断面構成を示している。図１に
示すように、反応炉１０の内側には、底面に開口部と該
開口部の上方が排出側に狭くなるように絞られた絞り部
を有する石英よりなる原料ガス導入ノズル１１が設けら
れている。

【００２５】原料ガス導入ノズル１１の開口部には基板
１３を加熱し且つ保持するサセプタ１４が該サセプタ１
４の上面と原料ガス導入ノズル１１の底面とが互いに段
差がないように挿入される。原料ガス導入ノズル１１の
ガス導入側は、底面側から順に、Ｖ族の原料ガス及びそ
のキャリアガスを導入する第１の導入層１１ａ、III族
の原料ガス及びそのキャリアガスを導入する第２の導入
層１１ｂ、及び水素（Ｈ₂ ）ガス、窒素（Ｎ₂ ）ガス又
はアルゴン（Ａｒ）ガス等の不活性ガスよりなるサブフ
ローガスを導入する第３の導入層１１ｃの３層に分割さ
れている。

【００２６】第２の導入層１１ｂと第３の導入層１１ｃ
との間の隔壁の基板１３側（排出側）の端部には、該端
部が下方に屈曲してなる拡散防止手段手段しての屈曲部
１２が設けられている。

【００２７】このように、原料ガス導入ノズル１１にお
いて、サセプタ１４に保持された基板１３の上面には、
第１の導入層１１ａ及び第２の導入層１１ｂから各原料
ガスを含むガスが基板面にほぼ平行に且つ層状に導入さ
れると共に、第３の導入層１１ｃからサブフローガスが
各原料ガスを含むガスの上側で且つ基板面にほぼ平行に
流れるように層状に導入される。このサブフローガスに
より、各原料ガスを含むガスがサセプタ１４上で加熱さ
れ熱対流により基板１３の上方に拡散しにくくなる上
に、サブフローガスの流量を最適化することにより反応
生成物が付着するのを防止できる。

【００２８】さらに、第２の導入層１１ｂと第３の導入
層１１ｃとの間の隔壁の基板１３側の端部に屈曲部１２
を設けているため、各原料ガスを含むガスが基板１３の
上方に一層巻上がりにくくなるので、余分な反応生成物
はさらに生成されにくい。

【００２９】従って、本実施形態によると、原料ガス導
入ノズル１１のサセプタ１４の上方に、反応生成物がフ
レイク状に付着することもなく、これにより、成長中の
基板１３上に反応生成物が落下したり、原料ガス導入ノ
ズル１１に基板１３上のノズル径が小さくなったりする
ことがなくなるため、成長回数を重ねてもガスの流れの
再現性が良くなる。その結果、ＧａＮ系半導体の結晶品
質を高くでき且つこの高い結晶品質の再現性を良好に維
持できる。

【００３０】また、各原料ガスとサブフローガスとを互
いに平行に流れるようにしているため、基板１３上で乱
流が生じないので、各原料ガス及びサブフローガスの流
し方を容易に最適化できる。

【００３１】図２に本実施形態に係る原料ガス導入ノズ
ル１１と、屈曲部１２を持たない比較用の原料ガス導入
ノズルとを用いて成長させた各ＧａＮ結晶の成長回数に
対する室温バンド端発光強度比の関係を示すグラフであ
る。図２において、丸印の曲線が本実施形態に係るガス
導入ノズルを用いた場合のＧａＮ結晶を示し、バツ印の
曲線が比較用のガス導入ノズルを用いた場合のＧａＮ結
晶を示している。図２に示すように、比較用のＧａＮ結
晶は、成長回数を１００回重ねると１００回目のＧａＮ
結晶は初回のＧａＮ結晶に比べてバンド端発光強度比が
約２５％にまで低下している。一方、本実施形態に係る
ＧａＮ結晶は成長回数を１００回重ねてもほとんど強度
比が低下していない。このように、原料ガスの上方への
拡散を防止する屈曲部１２の効果は極めて大きい。

【００３２】ここで、従来のＭＯＶＰＥ法においては、
Ｉｎ_x Ｇａ_1-x Ｎ（但し、ｘは０＜ｘ≦１とする。）よ
りなる半導体層の成長時に、キャリアガスとしてＨ₂ ガ
スやＮ₂ ガスが用いられてきたが、本実施形態のように
サブフローガスとして、Ａｒガスを用いることが特に好
ましい。図３に示すように、Ａｒは熱伝導率がＨ₂ やＮ
₂ と比べて小さいため、基板１３上の熱を放散させにく
いので、Ｖ族源にアンモニア（ＮＨ₃ ）ガスを用いる場
合には、熱分解しにくいアンモニアガスの熱分解効率が
向上し、その結果、小さくなりがちなＶ族源とIII 族源
との比の値であるＶ／III 比の実効的な値を大きくでき
る。

【００３３】また、Ａｒは質量数がＨ₂ やＮ₂ と比べて
大きいため、熱対流によるガスの巻上がりが生じにくい
ので、各原料ガスを確実に基板１３上に導入できる。

【００３４】また、このＡｒガスはサブフローガスとし
て有効のみならず、III 族及びＶ族の各原料ガスのキャ
リアガスに用いてもよい。

【００３５】なお、図１に示すように、原料ガス導入ノ
ズル１１のガスの排出側に絞り部を設けたが、屈曲部１
２の効果により、該絞り部を必ずしも設けなくてもよ
い。また、第１の導入層１１ａと第２の導入層１１ｂと
の間の隔壁の基板１３側の端部は、屈曲部１２を有する
隔壁よりも短いが、この端部の位置は必ずしもこれに限
らない。

【００３６】（第２の実施形態）以下、本発明の第２の
実施形態に係る半導体の製造方法について説明する。

【００３７】本実施形態においては、結晶の品質を高め
るのが困難なＩｎ_x Ｇａ_1-x Ｎ（但し、ｘは０＜ｘ≦１
とする。）よりなる半導体層の結晶性を向上させられる
ようにする。

【００３８】従来のＩｎＧａＮ系半導体のＭＯＶＰＥ法
に、例えば、前述の特開平第６−１９６７５７号公報に
開示されている方法がある。すなわち、まず、サファイ
アよりなる基板上に、ＧａＮよりなるバッファ層とＧａ
Ｎよりなる半導体層とを順次成長させ、続いて、ＩｎＧ
ａＮよりなる半導体層を成長させる。このとき、ＧａＮ
よりなる半導体層の成長時にはキャリアガスにＨ₂ 及び
Ｎ₂ の混合ガスを用い、ＩｎＧａＮよりなる半導体層の
成長時にはキャリアガスに窒素ガスのみを用いることが
開示されている。このとき、窒素源のＮＨ₃ ガスとその
キャリアガスとの総流量は混晶の種類に関わらず所定値
を維持し、このことは、基板上の原料ガスを含むガスの
流速が一定であることを意味している。このように、従
来のＭＯＶＰＥ法を用いて多層膜を成長させる場合に
は、原料ガスとキャリアガスとの総流量及び圧力を所定
値に保ち、すなわち、流速を一定とすることが常識とな
っている。

【００３９】本願発明者らは、高品質のＩｎＧａＮ結晶
を得られない理由を種々検討した結果、以下のような問
題点を見出した。すなわち、ＩｎＮはＧａＮと比べて同
一温度における窒素の平衡蒸気圧が高いため、ＩｎＧａ
Ｎを成長させる際にはＧａＮよりも低い温度で行なう
が、窒素の蒸発を抑制するには、より高いＶ／III 供給
比が必要となり、従って、従来のような原料ガスとキャ
リアガスとの流速を一定とする条件では必ずしも実効的
に高いＶ／III 比が確保されていない。

【００４０】そこで、本発明は、ＩｎＧａＮを成長させ
る際の原料ガスを含むガスの流速を、Ｉｎを含まない半
導体層を成長させる際の原料ガスを含むガスの流速より
も小さくする。これにより、ＩｎＧａＮを成長させる際
に成長温度を下げたとしても、窒素源の単位量のアンモ
ニアに対して単位時間当たり供給される熱量が多くなる
ため、アンモニアの分解効率が向上し、その結果、Ｖ／
III 比の値を実質的に大きくできる。

【００４１】図４は第２の実施形態に係る半導体の製造
方法を用いて得られるＩｎＧａＮ系半導体の断面構成を
示している。

【００４２】まず、図１で示した反応炉１０の原料ガス
導入ノズル１１に対して、ＮＨ₃ ガスよりなるＶ族原料
ガスを原料ガス導入ノズル１１の第１の導入層１１ａに
供給できるようにし、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）又
はトリメチルインジウム（ＴＭＩ）よりなるIII 族原料
ガスを原料ガス導入ノズル１１の第２の導入層１１ｂに
供給できるようにし、さらに、Ｈ₂ ，Ｎ₂ 又はＡｒ等の
不活性ガスよりなるサブフローガスを第３の導入層１１
ｃに供給できるようにする。各原料ガスのキャリアガス
にも、Ｈ₂ ，Ｎ₂ 又はＡｒ等の不活性ガスを用いる。

【００４３】次に、表面を洗浄したサファイアよりなり
主面にＣ面を持つ基板２１を反応炉１０内のサセプタ１
４に保持する。続いて、反応炉１０を真空排気し、温度
が１０５０℃、圧力が７０Ｔｏｒｒの水素雰囲気で基板
２１に対して１５分間の加熱を行なって基板２１の表面
クリーニングを行なう。加熱処理は、例えば、サセプタ
１４に設けられたコイルによる高周波誘導加熱、又は抵
抗器による抵抗加熱で行なえばよい。

【００４４】次に、基板２１の温度を６００℃にまで降
温した後、基板２１上に、２０μｍｏｌ／分のＴＭＧと
５．０Ｌ／分のＮＨ₃ ガスを導入することにより、基板
２１の主面上に膜厚が５０ｎｍの多結晶状態のＧａＮよ
りなるバッファ層２２を堆積する。ここで、サブフロー
ガス、III 族原料用キャリアガス及びＶ族原料用キャリ
アガスのすべてにＨ₂ を用い、その流量をそれぞれ９Ｌ
／分、５．５Ｌ／分及び０．５Ｌ／分とする。

【００４５】次に、ＴＭＧの導入を停止し、基板２１の
温度を９５０℃にまで昇温した後、再度、２０μｍｏｌ
／分のＴＭＧを導入し、基板２１の温度を１０５０℃、
１０９０℃と段階的に昇温してＧａＮ単結晶よりなる第
１の半導体層２３を成長させる。ここで、各キャリアガ
スの種類及び流量はバッファ層２２の成長工程と同一と
する。

【００４６】次に、サブフローガスをＨ₂ ガスからＮ₂
ガスに切り替え、Ｖ族源のＮＨ₃ 、キャリアガスのＨ₂
及びサブフローガスのＮ₂ の混合雰囲気中で基板２１の
温度を８００℃にまで降温する。その後、反応炉１０内
の成長圧力を６５０Ｔｏｒｒにまで昇圧し、１０μｍｏ
ｌ／分のＴＭＩと１μｍｏｌ／分のＴＭＧとを加えて、
第１の半導体層２３の上にＩｎＧａＮよりなる第２の半
導体層２４を成長させる。ここで、Ｖ族源のＮＨ₃ の流
量を７．５Ｌ／分とし、サブフローガス、III族原料用
キャリアガス及びＶ族原料用キャリアガスの流量をそれ
ぞれ１２Ｌ／分、５．５Ｌ／分及び０．５Ｌ／分とす
る。

【００４７】図５は本実施形態に係る製造方法を用いて
得られるＩｎＧａＮ結晶と、従来の製造方法を用いて得
られる比較用のＩｎＧａＮ結晶とのフォトルミネッセン
ススペクトルを比較した結果を表わしている。図５にお
いて、曲線１は本発明のＩｎＧａＮ結晶のスペクトルを
表わし、曲線２は比較用のＩｎＧａＮ結晶のスペクトル
を表わしている。ここで、比較用のＩｎＧａＮ結晶は、
第２の半導体層の成長時の反応圧力を第１の半導体層の
成長時の反応圧力と同一の７０Ｔｏｒｒとし、サブフロ
ーガスをＮ₂ ガスとしている。図５から分かるように、
ＩｎＧａＮよりなる第２の半導体層をＧａＮよりなる第
１の半導体層と同一のガス流速で成長させるとＩｎの組
成が減少するため、バンド端発光がより短波長側にシフ
トし、且つ、長波長側には欠陥に起因する深い準位から
の発光が観測される。

【００４８】図６（ａ）はＩｎＧａＮ結晶における原料
ガスを含むガスの流速とバンド端発光の発光強度に対す
る深い準位からの発光強度の比の値との関係を表わして
いる。図６（ａ）に示すように、原料ガスを含むガスの
流速を０．１ｍ／秒，０．５ｍ／秒，１．５ｍ／秒，
２．０ｍ／秒及び３．０ｍ／秒として５種類のＩｎＧａ
Ｎ結晶を成長させ、各ＩｎＧａＮ結晶の結晶性を評価す
るためにそれぞれ室温フォトルミネッセンスを観測する
と、深い準位からの発光が小さい高品質の結晶性を得る
ためにはガスの流速を１ｍ／秒前後とすれば良いことが
分かる。

【００４９】ここで、図６（ｂ）はＧａＮ結晶における
原料ガスを含むガスの流速とバンド端発光の発光強度に
対する深い準位からの発光強度の比の値との関係を表わ
しており、ＧａＮ結晶の場合はＩｎＧａＮ結晶の場合よ
りも流速が大きい３ｍ／秒以上で結晶性が向上してい
る。

【００５０】このように、Ｉｎを含むＧａＮ系半導体層
を成長させる際には、Ｉｎを含まないＧａＮ系半導体を
結晶性良く成長させる際に比べて原料ガスを含むガスの
流速を小さくすれば、Ｉｎを含むＧａＮ系半導体の結晶
性を向上させることができる。

【００５１】なお、ガスの流速を小さくするには、原料
ガスを含むガスの圧力を高める以外に、ガスの総流量を
減らしてもよい。

【００５２】また、Ｉｎを含む半導体にＩｎＧａＮを用
いたが、Ａｌを含むＡｌＧａＩｎＮであってもよい。

【００５３】また、ＧａＮＡｓやＧａＮＰのように、一
般式がＡｌＧａＩｎＮＡｓＰで表わされるＶ族系混晶を
作製する場合に、本発明に係る原料ガス導入ノズル、及
び成長圧力又は総流量を変えることにより原料ガスを含
むガスの流速を変える製造方法が有効であることはいう
までもない。

【００５４】特に、ＧａＮＡｓやＧａＮＰを成長させる
場合には、ＧａＡｓやＩｎＰはＧａＮに比べて平衡蒸気
圧が低いので、原料ガスを含むガスの流速をＧａＮを成
長させる場合よりも大きくすることが有効である。

【００５５】（第３の実施形態）以下、本発明の第３の
実施形態について図面を参照しながら説明する。

【００５６】本実施形態の特徴は、結晶成長中に分解し
やすいＩｎＧａＮ結晶よりなる活性層の表面に活性層分
解抑制層を形成し、特性に優れた発光素子を形成できる
ようにする。

【００５７】図７は本発明の第３の実施形態に係るＩｎ
ＧａＮ系半導体発光素子の断面構成を示している。本実
施形態に係る半導体発光素子用の半導体層は、第１の実
施形態に係るＭＯＶＰＥ装置の反応炉及び原料ガス導入
ノズルを用いてもよく、通常のＭＯＶＰＥ装置を用いて
もよい。

【００５８】まず、表面を洗浄したサファイアよりなり
主面にＣ面を持つ基板２１を反応炉内のサセプタに保持
する。続いて、反応炉を真空排気し、温度が１０５０
℃、圧力が７０Ｔｏｒｒの水素雰囲気で基板３１に対し
て１５分間の加熱を行なって基板３１の表面クリーニン
グを行なう。

【００５９】次に、基板３１の温度を６００℃にまで降
温した後、サブフローガス、III 族原料用キャリアガス
及びＶ族原料用キャリアガスをすべてＨ₂ とし、基板３
１上に、２０μｍｏｌ／分のＴＭＧと５．０Ｌ／分のＮ
Ｈ₃ ガスを導入することにより、基板３１の主面上に膜
厚が５０ｎｍの多結晶状態のＧａＮよりなるバッファ層
３２を堆積する。

【００６０】次に、ＴＭＧの導入を停止し、基板３１の
温度を９５０℃にまで昇温した後、再度、２０μｍｏｌ
／分のＴＭＧ及び１０ｃｃ／分のｎ型ドーパントである
モノシラン（ＳｉＨ₄ ）を導入し、基板２１の温度を１
０５０℃、１０９０℃と段階的に昇温して、バッファ層
３２の上にｎ型ＧａＮ単結晶よりなるｎ型コンタクト層
３３を成長させる。

【００６１】次に、ｎ型コンタクト層３３の上に、５μ
ｍｏｌ／分のトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）をさら
に加えてｎ型ＡｌＧａＮよりなるｎ型クラッド層３４を
成長させ、続いて、ＴＭＡの導入を停止して、ｎ型ガイ
ド層３５を成長させる。

【００６２】次に、サブフローガスをＨ₂ ガスからＡｒ
ガスに、また、Ｖ族原料用キャリアガスをＨ₂ ガスから
Ｎ₂ ガスに切り替え、Ｖ族源のＮＨ₃ 、キャリアガスの
Ｈ₂，Ｎ₂ 及びサブフローガスのＡｒの混合雰囲気中で
基板３１の温度を８００℃にまで降温する。その後、反
応炉１０内の成長圧力を６５０Ｔｏｒｒにまで昇圧し、
１０μｍｏｌ／分のＴＭＩと１μｍｏｌ／分のＴＭＧと
を加えて、ｎ型ガイド層３５の上にＩｎＧａＮよりなる
１層目の井戸層を成長させ、続いて、ＴＭＩの導入を停
止して１０μｍｏｌ／分のＴＭＧを導入してＧａＮより
なる１層目の障壁層を井戸層の上に成長させる。井戸層
及び障壁層を所定の層数となるまで繰り返して多重量子
井戸層となるＭＱＷ活性層３６を形成する。ここで、障
壁層にはＩｎを含んでもよい。また、Ｖ族源のＮＨ₃ の
流量を７．５Ｌ／分とし、サブフローガス、III 族原料
用キャリアガス及びＶ族原料用キャリアガスの流量をそ
れぞれ１２Ｌ／分、５．５Ｌ／分及び０．５Ｌ／分とす
る。

【００６３】次に、ＴＭＩの導入を停止し、成長圧力を
６５０Ｔｏｒｒと高くしたまま、ＭＱＷ活性層３６の上
に膜厚が２０ｎｍのＧａＮよりなる活性層分解抑制層３
７を成長させる。その後、サブフローガス及びＶ族原料
用キャリアガスを共にＨ₂ ガスに戻す。

【００６４】次に、ＮＨ₃ ガスとＨ₂ ガスとの混合雰囲
気中で基板３１の温度を１０９０℃にまで昇温し、成長
圧力を７０Ｔｏｒｒに減圧して、２０μｍｏｌ／分のＴ
ＭＧ及び１μｍｏｌ／分のｐ型ドーパントであるビスシ
クロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂ Ｍｇ）を原料
に加えて、活性層分解抑制層３７の上にｐ型ＧａＮより
なるｐ型ガイド層３８を成長させる。続いて、５μｍｏ
ｌ／分のＴＭＡをさらに加えて、ｐ型ガイド層３８の上
にｐ型ＡｌＧａＮよりなるｐ型クラッド層３９を成長さ
せる。

【００６５】次に、ＴＭＡの導入を停止すると共に、約
１μｍｏｌ／分のＣｐ₂ Ｍｇを導入して、ｐ型クラッド
層３９の上に、膜厚が０．５μｍでｐ型ＧａＮよりなる
第１のｐ型コンタクト層４０を成長させ、続いて、約１
０μｍｏｌ／分のＣｐ₂ Ｍｇを導入して膜厚が０．１μ
ｍで高濃度のｐ型ＧａＮよりなる第２のｐ型コンタクト
層４１を順次成長させる。

【００６６】次に、エピタキシャル層が形成された基板
３１を反応炉から取り出し、フォトリソグラフィー法等
を用いて、第２のｐ型コンタクト層４１の上にニッケル
（Ｎｉ）又はＮｉを含む合金よりなる陽電極４２を選択
的に形成する。続いて、陽電極４２をマスクとし、例え
ば、混合比が１対１の水素と塩素との混合ガスを用いて
圧力が１Ｔｏｒｒのプラズマ雰囲気中で、且つ、基板３
１の温度を室温として、第２のｐ型コンタクト層４１，
第１のｐ型コンタクト層４０及びｐ型クラッド層３９の
上部に対してドライエッチングを行なってこれらを除去
する。ここで、水素と塩素との混合比は１対１が好まし
いが、これに限らない。また、典型的なエッチングレー
トは約５０ｎｍ／分である。

【００６７】次に、基板３１上の陰電極形成領域を除く
全面に、例えばＳｉＯ₂ よりなるマスクパターンを形成
し、該マスクパターンを用いて前述と同様のエッチング
条件で陰電極形成領域に対してドライエッチングを行な
うことにより、陰電極形成領域のｐ型クラッド層３９か
らｎ型コンタクト層３３の上部までを除去する。その
後、マスクパターンを除去し、続いて、ｎ型コンタクト
層３３上の陰電極形成領域にＡｌよりなる陰電極４３を
形成する。

【００６８】次に、電極形成時と同様のプラズマ雰囲気
中で基板３１に対してドライエッチングを行なって、図
７に示す発光素子の側面にレーザ光の出射端面（共振器
端面）を形成する。発光素子は生成した光を出射端面で
反射させて共振させることが必要であり、該出射端面に
は１ｎｍ程度以下の平坦性が要求される。

【００６９】次に、出射端面が形成された基板３１に対
して、圧力が１気圧（７６０Ｔｏｒｒ）で且つ温度が７
００℃程度の窒素雰囲気中で３０分間の熱処理を行な
う。ここで、雰囲気ガスは窒素のみが好ましいが、水素
と窒素との混合ガスであってもよい。また、熱処理温度
は５００℃以上であればよい。

【００７０】このようにして作製した半導体発光素子
は、室温で、波長４０５ｎｍのレーザ光を安定に出力で
き、信頼性も飛躍的に向上したことを確認している。

【００７１】本実施形態に係る半導体発光素子による
と、ＩｎＧａＮを含むＭＱＷ活性層３６の上に、該ＭＱ
Ｗ活性層３６と同様のガスの流速としながら、ＭＱＷ活
性層３６の上部の分解を抑制する活性層分解抑制層３７
を形成するため、所望のＭＱＷ活性層３６を確実に得る
ことができる。

【００７２】なお、活性層分解抑制層３７の成長時に、
成長圧力を７０Ｔｏｒｒとし、成長温度を８００℃から
１０９０℃まで徐々に上昇させながら成長させてもよ
い。

【００７３】また、本実施形態の一変形例として、ＭＱ
Ｗ活性層３６を成長させた後、活性層分解抑制層３７を
形成する代わりに、ｐ型ガイド層３８を成長させるガス
の流速と同様の流速となるように、Ｎ₂ ガス等の不活性
ガスと窒素源のＮＨ₃ ガスとの混合ガスを基板３１上に
導入してもよい。この後、所定の条件でＭＱＷ活性層３
６の上にｐ型ガイド層３８を形成する。

【００７４】このようにすると、活性層分解抑制層３７
を形成しない場合であっても、ＭＱＷ活性層３６の上に
ｐ型ガイド層３８を成長させる前に、ｐ型ガイド層３８
の成長時の流速とほぼ同一の流速で不活性ガスとＮＨ₃
ガスとの混合ガスを導入するため、ＭＱＷ活性層３６の
表面からＩｎ原子が抜け出しにくくなるので、ＭＱＷ活
性層３６の分解が抑制される。

【００７５】

【発明の効果】本発明の第１の半導体の製造方法による
と、原料ガスの上側を流れるサブフローガスが加熱によ
る原料ガスの上方への対流を抑えるため、反応炉又はガ
ス導入ノズルの基板上の内壁に余分な反応生成物が生じ
にくくなると共に、基板上の原料ガスの濃度が相対的に
高くなる。このため、結晶性に優れる窒化ガリウム系半
導体を再現性良く製造できるので、高効率で且つ光学的
特性に優れた青紫色半導体レーザ素子の製造が可能とな
る。

【００７６】第１の半導体の製造方法が、原料ガスのサ
ブフローガス側への拡散を防止する拡散防止手段を用い
て原料ガスを導入する工程をさらに備えていると、層状
の原料ガスが上方に対流しにくくなるので、余分な反応
生成物がさらに生成されなくなり、結晶の再現性が格段
に向上する。

【００７７】第１の半導体の製造方法において、サブフ
ローガスが水素、窒素又はアルゴンを含むと、これらの
ガスはIII −Ｖ族半導体の原料と反応しない不活性ガス
であるため、所望の半導体結晶が確実に成長する。

【００７８】本発明の第２の半導体の製造方法による
と、第１の半導体層用の第１の原料ガスの流速を、第２
の半導体層用の第２の原料ガスの流速よりも小さくする
ため、窒素源にアンモニアを用いた場合に単位量のアン
モニアに対して単位時間当たりに供給される熱量が多く
なるので、アンモニアの分解効率が向上する。その結
果、基板上にラジカルな窒素原子が増えるため、増加し
たラジカルな窒素原子がインジウムを取り込むため、所
望のインジウムを含む半導体層を得ることができる。

【００７９】第２の半導体の製造方法において、第１の
原料ガスの圧力は第２の原料ガスの圧力よりも高いか、
又は、第１の原料ガスの流量は第２の原料ガスの流量よ
りも小さいと、第１の原料ガスの流速が第２の原料ガス
の流速よりも確実に小さくなる。

【００８０】第２の半導体の製造方法において、第１の
原料ガスを基板面にほぼ平行に且つ層状に導入すると共
に、サブフローガスを第１の原料ガスの上側に基板面に
ほぼ平行に且つ層状に導入する工程を含む工程を含む
と、原料ガス等を基板面に平行な層状に流すため、ガス
の制御性が向上すると共に、第１の原料ガスの上側に基
板面にほぼ平行に且つ層状に導入されるサブフローガス
により原料ガスの上方への対流が抑えられるので、反応
炉又はガス導入ノズルの基板の上方に不要な反応生成物
が付着しにくくなり、結晶の品質の再現性が向上する。

【００８１】第２の半導体の製造方法において、サブフ
ローガスが窒素又はアルゴンを含むことが好ましい。こ
のようにすると、窒素又はアルゴンの熱伝導率は相対的
に小さいため、基板の温度を放散させにくいので、窒素
源のアンモニアガスの熱分解効率を高く維持できる。特
に、アルゴンは質量数が窒素よりも大きいため、熱対流
によるガスの巻上がりが生じにくいので、原料ガスを確
実に基板上に導入できる。

【００８２】本発明の第３の半導体の製造方法による
と、少なくともインジウムを含む第１の半導体層の上
に、第１の原料ガスの流速とほぼ同一の流速で導入され
る第２の原料ガスを用いて第１の半導体層の分解を抑制
する分解抑制層を成長させるため、第１の半導体層から
インジウムが抜け出すことがないので、インジウムを含
む所望の第１の半導体層を得ることができる。

【００８３】本発明の第４の半導体の製造方法による
と、基板上に少なくともインジウムを含む第１の半導体
層を成長させた後、インジウムを含まない第２の半導体
層を成長させる前に、不活性ガスと窒素源ガスとを含む
混合ガスを第２の半導体層用の第２の原料ガスの流速と
ほぼ同一の流速で導入するため、第１の半導体層からイ
ンジウムが抜け出しにくい。これにより、インジウムを
含む所望の第１の半導体層を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係る半導体の製造方
法を実現する横型ＭＯＶＰＥ装置の反応炉及び原料ガス
導入ノズルを示す構成断面図である。

【図２】本発明の第１の実施形態に係る半導体の製造方
法に用いる原料ガス導入ノズルと比較用の原料ガス導入
ノズルとを用いて成長させた各ＧａＮ結晶の成長回数に
対する室温バンド端発光強度比の関係を示すグラフであ
る。

【図３】各ガスの熱伝導率を比較した一覧表である。

【図４】本発明の第２の実施形態に係る半導体の製造方
法を用いて得られるＩｎＧａＮ系半導体を示す構成断面
図である。

【図５】本発明の第２の実施形態に係る半導体の製造方
法を用いて得られるＩｎＧａＮ結晶と従来の製造方法を
用いて得られる比較用のＩｎＧａＮ結晶とのフォトルミ
ネッセンススペクトルを比較したグラフである。

【図６】（ａ）はＩｎＧａＮ結晶における原料ガスを含
むガスの流速とバンド端発光の発光強度に対する深い準
位からの発光強度の比の値との関係を表わすグラフであ
る。（ｂ）はＧａＮ結晶における原料ガスを含むガスの
流速とバンド端発光の発光強度に対する深い準位からの
発光強度の比の値との関係を表わすグラフである。

【図７】本発明の第３の実施形態に係るＩｎＧａＮ系半
導体発光素子を示す構成断面図である。

【符号の説明】

１０ 反応炉 １１ 原料ガス導入ノズル １１ａ 第１の導入層 １１ｂ 第２の導入層 １１ｃ 第３の導入層 １２ 屈曲部(拡散防止手段手段） １３ 基板 １４ サセプタ ２１ 基板 ２２ バッファ層 ２３ 第１の半導体層 ２４ 第２の半導体層 ３１ 基板 ３２ バッファ層 ３３ ｎ型コンタクト層 ３４ ｎ型クラッド層 ３５ ｎ型ガイド層 ３６ ＭＱＷ活性層 ３７ 活性層分解抑制層（分解抑制層） ３８ ｐ型ガイド層 ３９ ｐ型クラッド層 ４０ 第１のｐ型コンタクト層 ４１ 第２のｐ型コンタクト層 ４２ 陽電極 ４３ 陰電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 辻村 歩 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 長谷川 義晃 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 平９−102461（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−190465（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−216030（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−164895（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−12555（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−36429（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−36426（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−196757（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/205 H01L 33/00

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくともインジウムと窒素とを含む第
   １の原料ガスを導入して、基板上に第１の半導体層を成
   長させる第１の半導体層成長工程と、アルミニウム又は
   ガリウムと窒素とを含む第２の原料ガスを導入して前記
   基板上に第２の半導体層を成長させる第２の半導体層成
   長工程とを備え、前記基板上に窒化ガリウム系半導体を
   成長させる半導体の製造方法であって、 前記第１の原料ガスの流速は前記第２の原料ガスの流速
   よりも小さいことを特徴とする半導体の製造方法。
2. 【請求項２】 前記第１の原料ガスの圧力は前記第２の
   原料ガスの圧力よりも高いか、又は、前記第１の原料ガ
   スの流量は前記第２の原料ガスの流量よりも小さいこと
   を特徴とする請求項４に記載の半導体の製造方法。
3. 【請求項３】 前記第１の半導体層成長工程は、 前記第１の原料ガスを基板面にほぼ平行に且つ層状に導
   入すると共に、サブフローガスを前記第１の原料ガスの
   上側に基板面にほぼ平行に且つ層状に導入する工程を含
   むことを特徴とする請求項４に記載の半導体の製造方
   法。
4. 【請求項４】 前記サブフローガスは、窒素又はアルゴ
   ンを含むことを特徴とする請求項６に記載の半導体の製
   造方法。
5. 【請求項５】 基板上に、III 族源と窒素源とを含む原
   料ガスを基板面にほぼ平行に且つ層状に導入する共に、
   サブフローガスを前記原料ガスの上側に基板面にほぼ平
   行に且つ層状に導入することにより、前記基板上にIII
   族窒化物半導体を製造する半導体の製造方法であって、 少なくともインジウムと窒素とを含む第１の原料ガスを
   導入して基板上に第１の半導体層を成長させる第１の半
   導体層成長工程と、 アルミニウム又はガリウムと窒素とを含む第２の原料ガ
   スを前記第１の原料ガスとほぼ同一の流速で導入して、
   前記第１の半導体層の上面に前記第１の半導体層の分解
   を抑制する分解抑制層を成長させる分解抑制層成長工程
   と、 アルミニウム又はガリウムと窒素とを含む第３の原料ガ
   スを導入して、前記分解抑制層の上面に第２の半導体層
   を成長させる第２の半導体層成長工程とを備えているこ
   とを特徴とする半導体の製造方法。
6. 【請求項６】 基板上に、III 族源と窒素源とを含む原
   料ガスを基板面にほぼ平行に且つ層状に導入する共に、
   サブフローガスを前記原料ガスの上側に基板面にほぼ平
   行に且つ層状に導入することにより、前記基板上にIII
   族窒化物半導体を製造する半導体の製造方法であって、 少なくともインジウムと窒素とを含む第１の原料ガスを
   導入して基板上に第１の半導体層を成長させる第１の半
   導体層成長工程と、アルミニウム又はガリウムと窒素と
   を含む第２の原料ガスを導入して、前記第１の半導体層
   の上面に第２の半導体層を成長させる第２の半導体層成
   長工程とを備え、 前記 第２の半導体層成長工程は、前記第２の原料ガスを
   導入する前に、不活性ガスと窒素源ガスとを含む混合ガ
   スを前記第２の原料ガスの流速とほぼ同一の流速で導入
   する工程を含むことを特徴とする半導体の製造方法。