JP3293035B2 - 窒化ガリウム系化合物半導体結晶の成長方法及び窒化ガリウム系化合物半導体装置 - Google Patents
窒化ガリウム系化合物半導体結晶の成長方法及び窒化ガリウム系化合物半導体装置Info
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Description
法に関し、特に青色発光材料として好適な結晶性の優れ
た窒化ガリウム系化合物半導体結晶の成長方法及び、窒
化ガリウム系化合物半導体装置に関するものである。
体(InxGayAl1-x-yN)(0≦x,y;x+y≦1)が注目を
集めている。
Al2O3)基板に成長させる場合、一般に窒化ガリウム系
化合物半導体結晶の(0001)面をサファイアの(0001)
面上に成長させることが多く、その場合格子定数のズレ
は16%にもなり、結晶性の優れた窒化ガリウム系化合物
半導体結晶を成長させることができなかった。
物半導体結晶の成長方法として、次の2つの方法が提案
されていた。
基板と窒化ガリウム系化合物半導体結晶との格子不整合
を緩和する目的でバッファ層をまず成長し、その後、窒
化ガリウム系化合物半導体結晶を成長する方法。
結晶と結晶構造および格子定数のできるだけ近い結晶を
用いる方法。
公昭59−48794号)やGaAlNバッファ層を用いるもの(特
開平4−297023号)が知られている。
ウム系化合物半導体結晶層の表面モフォロジーや結晶性
はある程度向上するが、依然として窒化ガリウム系化合
物半導体結晶はサファイア基板と格子不整合であるた
め、かなり歪んだ状態にあり、そのためこのような結晶
層を用いて発光素子を作成した場合、輝度が思ったよう
に向上しなかったり、寿命が短いという問題があった。
ト(ReAl2Al3O12)やガリウムガーネット(ReAl2Ga
3O12)を用いるもの(特開昭49−3899号)やMnO,ZnO,Mg
O,CaO等を用いるもの(特開平4−209577号)が知られ
ている。しかし、格子定数が12.00〜12.57Åの範囲にあ
るアルミニウムガーネットやガリウムガーネットでは、
その(111)面の格子間隔はGaNのa軸の5倍と対応する
に過ぎす、格子整合性は必ずしも良くない。
が、これらの酸化物は熱に弱いために1000℃程度の高温
で成長させる必要のある窒化ガリウム系化合物半導体結
晶を成長させる場合には、基板が熱分解して結晶性の良
好な窒化ガリウム系化合物半導体結晶層が得られないと
いう問題があった。
のであり、本発明の目的は、窒化ガリウム系化合物半導
体結晶と比較的良く格子整合し、窒化ガリウム系化合物
半導体結晶の成長条件下でも安定な単結晶基板を用いる
ことにより、青色発光材料として好適な良質の窒化ガリ
ウム系化合物半導体結晶の成長方法及び窒化ガリウム系
化合物半導体装置を提供することにある。
長に適した基板用結晶を広く検討した結果、希土類ガリ
ウムペロブスカイト(ReGaO3,Reは希土類元素)で代表
される希土類13(3B)族ペロブスカイトが極めて優れて
いるとの知見を得て、本発明を想到した。
半導体結晶を成長させる方法において、前記単結晶基板
として希土類13(3B)族ペロブスカイトの{011}面ま
たは{101}面を用いることを特徴とする窒化ガリウム
系化合物半導体結晶の成長方法を提供するものである。
希土類13(3B)族ペロブスカイトの単結晶基板の{01
1}面または{101}面上に形成された窒化ガリウム系半
導体結晶を有することを特徴とする窒化ガリウム系化合
物半導体装置を提供するものである。
B)族としてアルミニウム,ガリウムおよびインジウム
の少なくとも1種類を含み、また前記希土類として1種
類以上の希土類元素を含むものである。
1)面,(101)面と等価な面を表わす。
高く、窒化ガリウム系化合物半導体結晶を成長させる10
00℃程度の温度において熱的に安定であり、またHClやN
H3等の原料ガスに対しても化学的に安定である。さら
に、以下に説明するように窒化ガリウム系化合物半導体
結晶との格子整合性も良好である。
イト結晶の(011)面または(101)面の13(3B)族原子
の配列を示す。
の長さに等しく、(101)面ではb軸の長さに等しくな
り、実線で示した格子間隔は(011)面と(101)面とも
a軸、b軸、c軸のそれぞれの長さの自乗の和の平方根
の2分の1に等しくなっている。希土類13(3B)族ペロ
ブスカイトでは、a軸とb軸の長さがほぼ等しく、c軸
の長さがa軸とb軸のそれぞれの長さの自乗の和の平方
根の2分の1にほぼ等しいので、希土類13(3B)族ペロ
ブスカイト結晶の(011)面または(101)面では、13
(3B)族原子が第1図に示されるようにほぼ六方格子の
状態に配列している。
す。第2図に点線で示した格子間隔はa軸の長さの となり、実線で示した格子間隔はa軸の長さに等しい。
ガリウムペロブスカイト結晶の(011)面または(101)
面の原子配列と、GaNの(0001)面の原子配列とを対応
させた図を示す。図中の白丸(○)が希土類ガリウムペ
ロブスカイト結晶の(011)面または(101)面のGaの原
子配列を示し、黒丸(●)がGaNの(0001)面のGaある
いはNの原子配列を示す。
軸のそれぞれの長さの自乗の和の平方根の2分の1、a
軸の長さ、あるいはb軸の長さのいずれかとほぼ等しい
値であれば格子整合することが分かる。
はGaNとの格子間隔のずれは0.1〜6.1%の範囲にあり、
サファイアの16%と比較しかなり小さくなり、特にLaGa
O3,PrGaO3およびNdGaO3の場合は0.1〜1.8%となる。
には3.6〜8.3%の範囲となる。
には、GaNとの格子間隔のずれは大きくなるが、NdInO3
の場合にはIn0.4Ga0.6Nとはほぼ格子整合し、InNとGaN
との混晶を成長する場合に利点がある。
1}面または{101}面では、基板最表面層が13(3B)族
元素となっているので、同種元素を含む窒化ガリウム系
化合物半導体結晶が、同種元素を含まないサファイア等
の基板を用いた場合に比較して容易に成長できたものと
考えられる。
1)面または(101)面の13(3B)族原子の配列を示す図
であり、第2図は、GaNの(0001)面のGa原子の配列を
示す図であり、第3図は、希土類ガリウムペロブスカイ
トの(011)面または(101)面の原子配列と、GaNの(0
001)面の原子配列との対応を示す図である。
基板の(101)面上に窒化ガリウム系化合物半導体結晶
を成長させた実施例について説明する。
で洗浄した後、MOCVD装置にセットする。水素と窒素と
の混合ガスを流しながら基板温度を1050℃とし基板表面
を清浄にした後、水素と窒素との混合ガスに加えて、ア
ンモニアガスおよびトリメチルガリウムを流すことによ
り、GaN膜を60分間成長させた。
の異常成長が見られたが、同様の方法でサファイア基板
上に成長したGaN膜に比較し、異常成長の数は約10分の
1と少なかった。
1と同様に行い、表面清浄化後、基板温度を550℃に下
げ、水素と窒素との混合ガスに加えて、アンモニアガス
およびトリメチルガリウムを流すことにより、GaNのバ
ッファ層を200Å成長させる。
気下で再び基板温度を1050℃に上げ、トリメチルガリウ
ムを再び供給してGaN膜を60分間成長させた。
た。また、GaN膜のキャリア濃度は5×1017cm3で、ホー
ル移動度は300cm2/Vsであった。同様の方法でサファイ
ア基板上にGaNのバッファ層を介して成長したGaN膜に比
較し、キャリア濃度は約2分の1、ホール移動度は約2
倍であり、結晶性の良好なGaN膜であった。
行った後、基板温度を800℃に上げた後、トリメチルガ
リウムに加えてトリメチルインジウムを供給してInxGa
1-xNを120分間成長した。
に異常成長は観察されなかった。EPMA分析の結果、Inの
モル比は約10%(x=0.1)であった。また、X線回折
強度の半値幅は約2分であり、同様の方法でサファイア
基板上にGaNのバッファ層を介して成長したInxGa1-xN膜
の約10分に比較し、小さくなっており結晶性が良好であ
った。
E装置にセットした。窒素ガスを流しながら、基板部の
温度を800℃に、Ga原料の温度を850℃とした。Ga原料の
上流側から窒素ガスで希釈された塩化水素ガスを流し、
同時にGa原料部をバイパスして基板の直前にアンモニア
ガスを流し、基板上にGaNを60分間成長させた。このと
き、アンモニアガスと一緒に塩化水素ガスを適量流し
て、反応管内壁へのGaNの析出を抑制した。
成長はほとんど観察されなかった。同様の方法でサファ
イア基板上に成長したGaN膜は、島状にGaN膜が成長した
だけで表面モフォロジーに大きな違いがあった。
方位の面が観察された。
た以外は、実施例4と同様の成長を行った。
ず、X線回折分析でも別方位の面はまったく観察され
ず、(0001)面のGaNエピタキシャル膜であった。
青色の発光ダイオード(LED)や半導体レーザ・ダイオ
ード(LD)等の発光材料として有望である。
類以上の希土類元素を含む場合であっても良い。
化ガリウム系半導体結晶に比較的良く格子整合し、熱
的、化学的に安定な希土類13(3B)族ペロブスカイトの
{011}面または{101}面を用いるので、青色の発光ダ
イオード(LED)や半導体レーザ・ダイオード(LD)等
の発光材料に好適な良質の窒化ガリウム系化合物半導体
装置を得ることができる。
Claims (4)
- 【請求項1】単結晶基板上に窒化ガリウム系半導体結晶
を成長させる方法において、前記単結晶基板として1ま
たは2種類以上の希土類元素を含む希土類13(3B)族ペ
ロブスカイトの結晶を用い、且つその{011}面または
{101}面を成長面にしてInxGayAll−x−yN(x≧0,y
>0;x+y≦1)の組成を有する結晶を成長させること
を特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体結晶の成長方
法。 - 【請求項2】前記13(3B)族としてアルミニウム,ガリ
ウムおよびインジウムの少なくとも1種類を含むことを
特徴とする請求の範囲第1項に記載の窒化ガリウム系化
合物半導体結晶の成長方法。 - 【請求項3】1または2種類以上の希土類元素を含む希
土類13(3B)族ペロブスカイトの単結晶基板の{011}
面または{101}面上に成長され、且つInxGayAll−x−
yN(x≧0,y>0;x+y≦1)の組成を有する窒化ガリウ
ム系化合物半導体結晶を用いたことを特徴とする窒化ガ
リウム系化合物半導体装置。 - 【請求項4】前記13(3B)族としてアルミニウム,ガリ
ウムおよびインジウムの少なくとも1種類を含むことを
特徴とする請求の範囲第3項に記載の窒化ガリウム系化
合物半導体装置。
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