JP3424467B2 - 窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法 - Google Patents
窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法Info
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】本発明は、発光ダイオードや
レーザーダイオード等の発光デバイス又は電子デバイス
等に用いる窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法に関
する。 【０００２】 【従来の技術】近年、青色及び緑色等の短波長発光デバ
イスや高温で動作する電子デバイスに用いる材料とし
て、ＡｌＧａＩｎＮで表わされる窒化ガリウム系化合物
半導体が脚光を浴びている。ここで、青色発光ダイオー
ドとして利用される窒化ガリウム系化合物半導体の構造
の一例を図４を用いて説明する。 【０００３】図４は窒化ガリウム系化合物半導体の構造
を示す模式図である。図４において、７はサファイヤ基
板、８はＡｌＮ層、９はｎ型ＧａＮ層、１０はｎ型Ａｌ
0.1Ｇａ0.9Ｎ層、１１ａ，１１ｂはＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ
層、１２はＩｎ0.3Ｇａ0.7Ｎ層、１３はｐ型Ａｌ0.1Ｇ
ａ0.9Ｎ層、１４はｐ型ＧａＮ層である。 【０００４】図４に示した窒化ガリウム系化合物半導体
は、サファイヤ基板７上にバッファ層としてＡｌＮ層８
が形成され、このＡｌＮ層８上にｎ型ＧａＮ層９、ｎ型
Ａｌ 0.1Ｇａ0.9Ｎ層１０、Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ層１１ａ、
Ｉｎ0.3Ｇａ0.7Ｎ層１２、Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ層１１ｂ、
ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層１３、ｐ型ＧａＮ層１４が順次
積層された多層膜から構成されている。 【０００５】ところで、このような窒化ガリウム系化合
物半導体は、有機金属気相成長装置や分子線エピタキシ
ー装置等の薄膜成長装置を用いて作製されるが、組成の
異なる化合物層を順次結晶成長させるためには、結晶成
長させる基板の温度を化合物層に応じて変化させる必要
がある。 【０００６】例えば、図４に示した化合物層の中で、Ｉ
ｎを含まないＡｌＮ層，ｎ型又はｐ型ＧａＮ層，ｎ型又
はｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層については、良好な表面や高
品質な結晶を得るために基板温度を１０００℃付近の高
温にして結晶成長させる。 【０００７】一方、Ｉｎを含むＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ層やＩ
ｎ0.3Ｇａ0.7Ｎ層といったＩｎＧａＮ層については、温
度の増加とともにＩｎＮの解離が著しくなり、１０００
℃といった高温では結晶成長時にほとんどのＩｎが結晶
中に取り込まれずに再蒸発する。したがって、通常Ｉｎ
ＧａＮ層の結晶成長は６００℃〜８００℃程度の温度範
囲で行われ、Ｉｎの組成比が大きいＩｎＧａＮ層ほど基
板温度を低くする必要がある。このような結晶成長時の
基板温度の調節は、薄膜成長装置内の基板ホルダーに配
設されている基板ヒーターの加熱量を制御して行われて
いる。 【０００８】 【発明が解決しようとする課題】上記従来の薄膜成長装
置を用いて窒化ガリウム系化合物半導体を製造する場
合、基板ヒーターの加熱量を変えて基板ホルダーに装着
されている基板の温度を６００℃〜１０００℃の範囲で
変化させては、その温度を維持して結晶成長させた後、
再び基板温度を変化させることを繰り返す必要がある。
この時、基板温度を１０００℃から８００℃、あるいは
８００℃から１０００℃に変える場合、基板温度が設定
した値で安定するまでには、ＲＦ高周波加熱、抵抗加
熱、ランプ加熱等のいずれの方法を用いても５分〜１０
分程度は必要である。 【０００９】この間、化合物層の結晶成長が中断される
ことになるが、結晶成長を中断している間に、結晶表面
からのＩｎの脱離や不純物の吸着等が生じて、化合物層
の界面における欠陥が増殖し、化合物半導体の発光特性
等が劣化するという問題を生じていた。特に、多重量子
井戸構造を有する化合物半導体では、数十ｎｍ以下の極
めて薄い化合物層を形成する必要があるため、結晶成長
中断時における化合物層表面の変化による影響が極めて
大きかった。 【００１０】本発明は上記従来の課題を解決するもので
あり、基板温度を速やかに変化させることが可能で、結
晶成長中断時における結晶表面の変化を抑制し、かつ多
層膜からなる化合物半導体の成膜時間を短縮することが
可能で、基板温度を迅速かつ精度よく制御することによ
って、化合物層間において良好なヘテロ接合界面を形成
することが可能な窒化ガリウム系化合物半導体の製造方
法の提供を目的とする。 【００１１】 【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明は、成長室と、成長室内に配設された基板ホル
ダーと、基板ホルダーを加熱する基板ヒーターと、基板
ホルダーと基板ヒーターの距離を制御できる距離制御手
段を備えた薄膜成長装置を用いた窒化ガリウム化合物半
導体の製造方法であって、組成比の異なるＡｌＩｎＧａ
Ｎ層を積層する際に、距離制御手段はＩｎの組成比が大
きいほど基板ホルダーと基板ヒーターの距離を遠くする
ように制御する構成を有する。 【００１２】この構成により、基板ヒーターの温度を一
定に保ったまま、距離制御手段で基板ホルダーまたは基
板ヒーターを移動させて基板ホルダーと基板ヒーターと
の距離を変化させることで、基板ホルダーに装着された
基板の温度を変えることができる。この時、基板ヒータ
ーの温度を一定にして、もしくはその温度変化量を小さ
くできるので、従来のように基板ホルダーと基板ヒータ
ーとの距離を固定し、基板ヒーターの加熱量を変化させ
る場合に比べて、基板温度を変えてから安定化するまで
の時間が短縮され、基板温度を極めて迅速に変化させる
ことが可能となる。また、基板ホルダーと基板ヒーター
の距離により、基板温度を厳密に制御することができ
る。したがって、結晶成長が中断される時間が短くなる
ため結晶成長中断時における結晶表面の変化を抑制して
高品質な多層膜を形成できるとともに、多層膜からなる
化合物半導体の全体的な成膜時間を短縮することが可能
となる。 【００１３】 【００１４】この構成により、従来に比べて基板温度を
変化させる際に結晶成長が中断される時間を短くするこ
とが可能になり、かつ基板ホルダーと基板ヒーターとの
距離を変えることで基板温度を精度よく制御できること
から、化合物層間において良好なヘテロ接合界面を形成
することが可能になり、窒化ガリウム系化合物半導体の
発光特性を向上させることができる。 【００１５】 【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載の発明
は、成長室と、成長室内に配設された基板ホルダーと、
基板ホルダーを加熱する基板ヒーターと、基板ホルダー
と基板ヒーターの距離を制御できる距離制御手段を備え
た薄膜成長装置を用いた窒化ガリウム化合物半導体の製
造方法であって、組成比の異なるＡｌＩｎＧａＮ層を積
層する際に、距離制御手段はＩｎの組成比が大きいほど
基板ホルダーと基板ヒーターの距離を遠くするように制
御する構成を有するものであり、結晶成長が中断される
時間が短くなり、結晶成長中断時における結晶表面の変
化を抑制して高品質な多層膜を形成できるとともに、多
層膜からなる化合物半導体の全体的な成膜時間を短縮す
ることが可能となるという作用を有する。ここで、薄膜
成長装置としては、有機金属気相成長装置又は分子線エ
ピタキシー装置等が挙げられる。また、距離制御手段
は、より具体的にはサーボモータ等を用いて基板ホルダ
ーを上下可動する方式、または基板ヒーターを上下可動
する等が挙げられる。基板温度を迅速かつ精度よく制御
することによって、化合物層間において良好なヘテロ接
合界面を形成することが可能となり、窒化ガリウム系化
合物半導体の発光特性を向上させることができるという
作用を有する。 【００１６】 【００１７】 【００１８】ここで、ＡｌＩｎＧａＮ層は、より具体的
には組成Ａｌx Ｉｎy Ｇａ1-x-y Ｎ（但し、０≦ｘ≦
１，０＜ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１）で表される化合物層を示
す。 【００１９】以下に、本発明の実施の形態の具体例を図
面を参照しながら説明する。 （実施の形態１）図１は本発明の一実施の形態における
薄膜成長装置である有機金属気相成長装置の要部模式
図、図２は本発明の一実施の形態における薄膜成長装置
である分子線エピタキシー装置の要部模式図である。図
１及び図２において、１は成長室、２は基板ホルダー、
３は基板ヒーター、４ａ，４ｂは通気管、５は原料セ
ル、６は基板である。 【００２０】図１に示した有機金属気相成長装置は、有
機金属化合物からなる原料ガスを通気管４ａから流入さ
せ、基板ホルダー２に装着された基板６を基板ヒーター
３で所定の温度に加熱した状態で、基板６上に化合物層
を結晶成長させる。 【００２１】また、図２に示した分子線エピタキシー装
置は、基板ホルダー２に装着された基板６を基板ヒータ
ー３で所定の温度に加熱した状態で、原料セル５より分
子（原子）線を基板６に照射し、基板６上に化合物層を
結晶成長させる。 【００２２】図１及び図２に示した薄膜成長装置が従来
例と異なるのは、基板ホルダー２と基板ヒーター３の距
離を制御できる距離制御手段（図示せず）を備えている
ことである。尚、図１及び図２においては、基板ホルダ
ー２が成長室１内に固定され、基板ヒーター３が上下可
動に配設されており、基板ヒーター３を移動させること
によって基板ホルダー２と基板ヒーター３との距離を変
える場合を示している。 【００２３】このように、距離制御手段で基板ヒーター
３を移動させて基板ホルダー２と基板ヒーター３との距
離を変えられることで、基板ヒーター３の温度を一定に
保ったまま、基板ホルダー２に装着された基板６の温度
を変えることができる。この時、基板ヒーター３の温度
が一定であるため、従来のように基板ヒーターの加熱量
を変化させる場合に比べて、基板温度を変えてから安定
化するまでの時間が短縮され、基板温度を極めて迅速に
変化させることが可能となる。また、基板ホルダー２と
基板ヒーター３の距離により、基板温度を厳密に制御す
ることができる。したがって、結晶成長が中断される時
間が短くなるため結晶成長中断時における結晶表面の変
化を抑制して高品質な多層膜を形成できるとともに、多
層膜からなる化合物半導体の全体的な成膜時間を短縮す
ることが可能となる。 【００２４】尚、本実施の形態においては、基板ヒータ
ーを基板ホルダーに対して移動させる構成としたが、基
板ヒーターに対して基板ホルダーを移動させるような距
離制御手段を設けてもよい。 【００２５】また、基板温度のモニターは成長装置の底
または側面にシャッター付きの窓を設け、前記窓から放
射温度計を用いて測定可能であり、基板ホルダーに熱電
対を取付けても基板温度は測定可能である。 【００２６】以下に、本発明を実施例を用いてより詳細
に説明する。 【００２７】 【実施例】図１に示したような有機金属気相成長装置を
用いて、図４に示した窒化ガリウム系化合物半導体を作
製した。以下に、その作製方法を図１及び図４を参照し
ながら説明する。 【００２８】洗浄済みのサファイア基板７を有機金属気
相成長装置の基板ホルダー２にセットし、成長室１に水
素を十分に流してから、図３（ａ）に示す温度プロファ
イルに従って１１００℃まで昇温し、サファイア基板７
のサーマルクリーニング（水分の除去）を１０分間行っ
た。尚、図３は本実施例の窒化ガリウム系化合物半導体
の作製時における基板ホルダーと基板ヒーターとの距
離、基板温度、基板ヒーター温度の関係図を示すもので
あり、図３（ａ）が基板ホルダーと基板ヒーターとの距
離の経時変化を示す図、図３（ｂ）が基板温度の経時変
化を示す図、図３（ｃ）が基板ヒーター温度の経時変化
を示す図である。 【００２９】次に、基板ヒーター３の設定温度を１００
０℃から６００℃に変更して基板温度を６００℃まで下
げた後、成長室１内にＮＨ3を５ｓｌｍ、トリメチルア
ルミニウム（以下、ＴＭＡと略称する。）を５ｓｃｃｍ
流しながら、ＡｌＮ層８を５０ｎｍ結晶成長させた。そ
の後、基板ヒーター３の設定温度を６００℃から１００
０℃に変更することによって基板温度を１０００℃まで
昇温させ、１０００℃に達したところでトリメチルガリ
ウム（以下、ＴＭＧと略称する。）を５ｓｃｃｍ、１０
ｐｐｍのモノシラン（ＳｉＨ4）を１００ｓｃｃｍ流
し、Ｓｉドープのｎ型ＧａＮ層９を２μｍ形成した。 【００３０】次に、ＴＭＧを４ｓｃｃｍ、ＴＭＡを２ｓ
ｃｃｍ流し、Ｓｉドープのｎ型Ａｌ 0.1Ｇａ0.9Ｎ層１０
を０．１μｍ成長させた。この後、成長室１へのＴＭ
Ａ、ＴＭＧ、ＳｉＨ4の通気を中断してから、基板ヒー
ター３を１０００℃に保ったまま、基板ヒーター３を基
板ホルダー２に装着されたサファイヤ基板７の面に対し
て平行に３ｍｍ上昇させた。これによって、サファイヤ
基板７の表面温度は８００℃に低下して安定した。そこ
で、トリメチルインジウム（以下、ＴＭＩと略称す
る。）を１００ｓｃｃｍ、ＴＭＧを２ｓｃｃｍ、ＮＨ3
を５ｓｌｍ流してＩｎ0 .1Ｇａ0.9Ｎ層１１ａを５ｎｍ成
長させた。 【００３１】次に、ＮＨ3以外の原料ガスの供給を中止
した後、基板ヒーター３を２ｍｍ上昇させた。この時、
サファイヤ基板７の表面温度は７００℃に下降して安定
した。この後、ＴＭＩを３００ｓｃｃｍ、ＴＭＧを１ｓ
ｃｃｍ流してＩｎ0.3Ｇａ0.7Ｎ層１２を５ｎｍ成長させ
た。 【００３２】次に、基板ヒーターを２ｍｍ下げてサファ
イヤ基板７の温度を８００℃とした後、Ｉｎ0.1Ｇａ0.9
Ｎ層１１ｂを５ｎｍ成長させてから、基板ヒーター３を
３ｍｍ下げて元の位置まで戻した。 【００３３】以上の操作において、基板ヒーター３を上
下に移動させてサファイヤ基板７の温度を変えた際に、
基板ヒーター３の移動開始から所望する温度に安定化す
るまでの時間は、１０００℃から８００℃、または８０
０℃から１０００℃で約１分、８００℃から７００℃、
または７００℃から８００℃で約３０秒であった。これ
らの時間は、従来のように基板温度を基板ヒーターの加
熱量を制御して変化させる場合に比べて、１／５程度で
あった。 【００３４】サファイヤ基板７の温度が１０００℃で安
定してから、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ 3に加えてシクロペ
ンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を１００ｓｃ
ｃｍ流してＭｇドープしたｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層１３
を０．１μｍの膜厚で成長させた。さらに、ＴＭＡの通
気を中止してＭｇドープしたｐ型ＧａＮ層１４を０．５
μｍ形成した。 【００３５】このようにして作製した多層膜基板をＥＣ
Ｒドライエッチ装置を用い、塩素ガスと水素ガスが各５
ｓｃｃｍの流量で、出力２００Ｗのプラズマ放電により
試料の一部を約１μｍエッチングしてｎ−ＧａＮ層を露
出させた。この試料のｎ型、ｐ型の各層にＩｎ電極を付
けて簡易型の青色ＬＥＤを作製した。 【００３６】以上の方法により、基板ヒーターの移動に
よって基板温度を変えて作製したＬＥＤは、有機金属気
相成長装置における多層膜の形成に必要な時間を従来よ
りも約３５分短縮することが可能であった。 【００３７】 【発明の効果】以上のように本発明によれば、結晶成長
が中断される時間が短くなるため結晶成長中断時におけ
る結晶表面の変化を抑制して高品質な多層膜を形成でき
るとともに、多層膜からなる化合物半導体の全体的な成
膜時間を短縮することが可能となることから、化合物半
導体の生産性及び量産性を向上させることができるとと
もに、化合物半導体における化合物層間の接合界面にお
いて良好なヘテロ接合を形成することが可能で、化合物
半導体の発光特性や電気的特性を向上させることができ
るという優れた効果が得られる。また、窒化ガリウム系
化合物半導体の生産性及び量産性を向上できるととも
に、発光特性に優れた窒化ガリウム系化合物半導体から
なる青色発光ダイオードを製造することができるという
優れた効果が得られる。 【００３８】
レーザーダイオード等の発光デバイス又は電子デバイス
等に用いる窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法に関
する。 【０００２】 【従来の技術】近年、青色及び緑色等の短波長発光デバ
イスや高温で動作する電子デバイスに用いる材料とし
て、ＡｌＧａＩｎＮで表わされる窒化ガリウム系化合物
半導体が脚光を浴びている。ここで、青色発光ダイオー
ドとして利用される窒化ガリウム系化合物半導体の構造
の一例を図４を用いて説明する。 【０００３】図４は窒化ガリウム系化合物半導体の構造
を示す模式図である。図４において、７はサファイヤ基
板、８はＡｌＮ層、９はｎ型ＧａＮ層、１０はｎ型Ａｌ
0.1Ｇａ0.9Ｎ層、１１ａ，１１ｂはＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ
層、１２はＩｎ0.3Ｇａ0.7Ｎ層、１３はｐ型Ａｌ0.1Ｇ
ａ0.9Ｎ層、１４はｐ型ＧａＮ層である。 【０００４】図４に示した窒化ガリウム系化合物半導体
は、サファイヤ基板７上にバッファ層としてＡｌＮ層８
が形成され、このＡｌＮ層８上にｎ型ＧａＮ層９、ｎ型
Ａｌ 0.1Ｇａ0.9Ｎ層１０、Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ層１１ａ、
Ｉｎ0.3Ｇａ0.7Ｎ層１２、Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ層１１ｂ、
ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層１３、ｐ型ＧａＮ層１４が順次
積層された多層膜から構成されている。 【０００５】ところで、このような窒化ガリウム系化合
物半導体は、有機金属気相成長装置や分子線エピタキシ
ー装置等の薄膜成長装置を用いて作製されるが、組成の
異なる化合物層を順次結晶成長させるためには、結晶成
長させる基板の温度を化合物層に応じて変化させる必要
がある。 【０００６】例えば、図４に示した化合物層の中で、Ｉ
ｎを含まないＡｌＮ層，ｎ型又はｐ型ＧａＮ層，ｎ型又
はｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層については、良好な表面や高
品質な結晶を得るために基板温度を１０００℃付近の高
温にして結晶成長させる。 【０００７】一方、Ｉｎを含むＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ層やＩ
ｎ0.3Ｇａ0.7Ｎ層といったＩｎＧａＮ層については、温
度の増加とともにＩｎＮの解離が著しくなり、１０００
℃といった高温では結晶成長時にほとんどのＩｎが結晶
中に取り込まれずに再蒸発する。したがって、通常Ｉｎ
ＧａＮ層の結晶成長は６００℃〜８００℃程度の温度範
囲で行われ、Ｉｎの組成比が大きいＩｎＧａＮ層ほど基
板温度を低くする必要がある。このような結晶成長時の
基板温度の調節は、薄膜成長装置内の基板ホルダーに配
設されている基板ヒーターの加熱量を制御して行われて
いる。 【０００８】 【発明が解決しようとする課題】上記従来の薄膜成長装
置を用いて窒化ガリウム系化合物半導体を製造する場
合、基板ヒーターの加熱量を変えて基板ホルダーに装着
されている基板の温度を６００℃〜１０００℃の範囲で
変化させては、その温度を維持して結晶成長させた後、
再び基板温度を変化させることを繰り返す必要がある。
この時、基板温度を１０００℃から８００℃、あるいは
８００℃から１０００℃に変える場合、基板温度が設定
した値で安定するまでには、ＲＦ高周波加熱、抵抗加
熱、ランプ加熱等のいずれの方法を用いても５分〜１０
分程度は必要である。 【０００９】この間、化合物層の結晶成長が中断される
ことになるが、結晶成長を中断している間に、結晶表面
からのＩｎの脱離や不純物の吸着等が生じて、化合物層
の界面における欠陥が増殖し、化合物半導体の発光特性
等が劣化するという問題を生じていた。特に、多重量子
井戸構造を有する化合物半導体では、数十ｎｍ以下の極
めて薄い化合物層を形成する必要があるため、結晶成長
中断時における化合物層表面の変化による影響が極めて
大きかった。 【００１０】本発明は上記従来の課題を解決するもので
あり、基板温度を速やかに変化させることが可能で、結
晶成長中断時における結晶表面の変化を抑制し、かつ多
層膜からなる化合物半導体の成膜時間を短縮することが
可能で、基板温度を迅速かつ精度よく制御することによ
って、化合物層間において良好なヘテロ接合界面を形成
することが可能な窒化ガリウム系化合物半導体の製造方
法の提供を目的とする。 【００１１】 【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明は、成長室と、成長室内に配設された基板ホル
ダーと、基板ホルダーを加熱する基板ヒーターと、基板
ホルダーと基板ヒーターの距離を制御できる距離制御手
段を備えた薄膜成長装置を用いた窒化ガリウム化合物半
導体の製造方法であって、組成比の異なるＡｌＩｎＧａ
Ｎ層を積層する際に、距離制御手段はＩｎの組成比が大
きいほど基板ホルダーと基板ヒーターの距離を遠くする
ように制御する構成を有する。 【００１２】この構成により、基板ヒーターの温度を一
定に保ったまま、距離制御手段で基板ホルダーまたは基
板ヒーターを移動させて基板ホルダーと基板ヒーターと
の距離を変化させることで、基板ホルダーに装着された
基板の温度を変えることができる。この時、基板ヒータ
ーの温度を一定にして、もしくはその温度変化量を小さ
くできるので、従来のように基板ホルダーと基板ヒータ
ーとの距離を固定し、基板ヒーターの加熱量を変化させ
る場合に比べて、基板温度を変えてから安定化するまで
の時間が短縮され、基板温度を極めて迅速に変化させる
ことが可能となる。また、基板ホルダーと基板ヒーター
の距離により、基板温度を厳密に制御することができ
る。したがって、結晶成長が中断される時間が短くなる
ため結晶成長中断時における結晶表面の変化を抑制して
高品質な多層膜を形成できるとともに、多層膜からなる
化合物半導体の全体的な成膜時間を短縮することが可能
となる。 【００１３】 【００１４】この構成により、従来に比べて基板温度を
変化させる際に結晶成長が中断される時間を短くするこ
とが可能になり、かつ基板ホルダーと基板ヒーターとの
距離を変えることで基板温度を精度よく制御できること
から、化合物層間において良好なヘテロ接合界面を形成
することが可能になり、窒化ガリウム系化合物半導体の
発光特性を向上させることができる。 【００１５】 【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載の発明
は、成長室と、成長室内に配設された基板ホルダーと、
基板ホルダーを加熱する基板ヒーターと、基板ホルダー
と基板ヒーターの距離を制御できる距離制御手段を備え
た薄膜成長装置を用いた窒化ガリウム化合物半導体の製
造方法であって、組成比の異なるＡｌＩｎＧａＮ層を積
層する際に、距離制御手段はＩｎの組成比が大きいほど
基板ホルダーと基板ヒーターの距離を遠くするように制
御する構成を有するものであり、結晶成長が中断される
時間が短くなり、結晶成長中断時における結晶表面の変
化を抑制して高品質な多層膜を形成できるとともに、多
層膜からなる化合物半導体の全体的な成膜時間を短縮す
ることが可能となるという作用を有する。ここで、薄膜
成長装置としては、有機金属気相成長装置又は分子線エ
ピタキシー装置等が挙げられる。また、距離制御手段
は、より具体的にはサーボモータ等を用いて基板ホルダ
ーを上下可動する方式、または基板ヒーターを上下可動
する等が挙げられる。基板温度を迅速かつ精度よく制御
することによって、化合物層間において良好なヘテロ接
合界面を形成することが可能となり、窒化ガリウム系化
合物半導体の発光特性を向上させることができるという
作用を有する。 【００１６】 【００１７】 【００１８】ここで、ＡｌＩｎＧａＮ層は、より具体的
には組成Ａｌx Ｉｎy Ｇａ1-x-y Ｎ（但し、０≦ｘ≦
１，０＜ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１）で表される化合物層を示
す。 【００１９】以下に、本発明の実施の形態の具体例を図
面を参照しながら説明する。 （実施の形態１）図１は本発明の一実施の形態における
薄膜成長装置である有機金属気相成長装置の要部模式
図、図２は本発明の一実施の形態における薄膜成長装置
である分子線エピタキシー装置の要部模式図である。図
１及び図２において、１は成長室、２は基板ホルダー、
３は基板ヒーター、４ａ，４ｂは通気管、５は原料セ
ル、６は基板である。 【００２０】図１に示した有機金属気相成長装置は、有
機金属化合物からなる原料ガスを通気管４ａから流入さ
せ、基板ホルダー２に装着された基板６を基板ヒーター
３で所定の温度に加熱した状態で、基板６上に化合物層
を結晶成長させる。 【００２１】また、図２に示した分子線エピタキシー装
置は、基板ホルダー２に装着された基板６を基板ヒータ
ー３で所定の温度に加熱した状態で、原料セル５より分
子（原子）線を基板６に照射し、基板６上に化合物層を
結晶成長させる。 【００２２】図１及び図２に示した薄膜成長装置が従来
例と異なるのは、基板ホルダー２と基板ヒーター３の距
離を制御できる距離制御手段（図示せず）を備えている
ことである。尚、図１及び図２においては、基板ホルダ
ー２が成長室１内に固定され、基板ヒーター３が上下可
動に配設されており、基板ヒーター３を移動させること
によって基板ホルダー２と基板ヒーター３との距離を変
える場合を示している。 【００２３】このように、距離制御手段で基板ヒーター
３を移動させて基板ホルダー２と基板ヒーター３との距
離を変えられることで、基板ヒーター３の温度を一定に
保ったまま、基板ホルダー２に装着された基板６の温度
を変えることができる。この時、基板ヒーター３の温度
が一定であるため、従来のように基板ヒーターの加熱量
を変化させる場合に比べて、基板温度を変えてから安定
化するまでの時間が短縮され、基板温度を極めて迅速に
変化させることが可能となる。また、基板ホルダー２と
基板ヒーター３の距離により、基板温度を厳密に制御す
ることができる。したがって、結晶成長が中断される時
間が短くなるため結晶成長中断時における結晶表面の変
化を抑制して高品質な多層膜を形成できるとともに、多
層膜からなる化合物半導体の全体的な成膜時間を短縮す
ることが可能となる。 【００２４】尚、本実施の形態においては、基板ヒータ
ーを基板ホルダーに対して移動させる構成としたが、基
板ヒーターに対して基板ホルダーを移動させるような距
離制御手段を設けてもよい。 【００２５】また、基板温度のモニターは成長装置の底
または側面にシャッター付きの窓を設け、前記窓から放
射温度計を用いて測定可能であり、基板ホルダーに熱電
対を取付けても基板温度は測定可能である。 【００２６】以下に、本発明を実施例を用いてより詳細
に説明する。 【００２７】 【実施例】図１に示したような有機金属気相成長装置を
用いて、図４に示した窒化ガリウム系化合物半導体を作
製した。以下に、その作製方法を図１及び図４を参照し
ながら説明する。 【００２８】洗浄済みのサファイア基板７を有機金属気
相成長装置の基板ホルダー２にセットし、成長室１に水
素を十分に流してから、図３（ａ）に示す温度プロファ
イルに従って１１００℃まで昇温し、サファイア基板７
のサーマルクリーニング（水分の除去）を１０分間行っ
た。尚、図３は本実施例の窒化ガリウム系化合物半導体
の作製時における基板ホルダーと基板ヒーターとの距
離、基板温度、基板ヒーター温度の関係図を示すもので
あり、図３（ａ）が基板ホルダーと基板ヒーターとの距
離の経時変化を示す図、図３（ｂ）が基板温度の経時変
化を示す図、図３（ｃ）が基板ヒーター温度の経時変化
を示す図である。 【００２９】次に、基板ヒーター３の設定温度を１００
０℃から６００℃に変更して基板温度を６００℃まで下
げた後、成長室１内にＮＨ3を５ｓｌｍ、トリメチルア
ルミニウム（以下、ＴＭＡと略称する。）を５ｓｃｃｍ
流しながら、ＡｌＮ層８を５０ｎｍ結晶成長させた。そ
の後、基板ヒーター３の設定温度を６００℃から１００
０℃に変更することによって基板温度を１０００℃まで
昇温させ、１０００℃に達したところでトリメチルガリ
ウム（以下、ＴＭＧと略称する。）を５ｓｃｃｍ、１０
ｐｐｍのモノシラン（ＳｉＨ4）を１００ｓｃｃｍ流
し、Ｓｉドープのｎ型ＧａＮ層９を２μｍ形成した。 【００３０】次に、ＴＭＧを４ｓｃｃｍ、ＴＭＡを２ｓ
ｃｃｍ流し、Ｓｉドープのｎ型Ａｌ 0.1Ｇａ0.9Ｎ層１０
を０．１μｍ成長させた。この後、成長室１へのＴＭ
Ａ、ＴＭＧ、ＳｉＨ4の通気を中断してから、基板ヒー
ター３を１０００℃に保ったまま、基板ヒーター３を基
板ホルダー２に装着されたサファイヤ基板７の面に対し
て平行に３ｍｍ上昇させた。これによって、サファイヤ
基板７の表面温度は８００℃に低下して安定した。そこ
で、トリメチルインジウム（以下、ＴＭＩと略称す
る。）を１００ｓｃｃｍ、ＴＭＧを２ｓｃｃｍ、ＮＨ3
を５ｓｌｍ流してＩｎ0 .1Ｇａ0.9Ｎ層１１ａを５ｎｍ成
長させた。 【００３１】次に、ＮＨ3以外の原料ガスの供給を中止
した後、基板ヒーター３を２ｍｍ上昇させた。この時、
サファイヤ基板７の表面温度は７００℃に下降して安定
した。この後、ＴＭＩを３００ｓｃｃｍ、ＴＭＧを１ｓ
ｃｃｍ流してＩｎ0.3Ｇａ0.7Ｎ層１２を５ｎｍ成長させ
た。 【００３２】次に、基板ヒーターを２ｍｍ下げてサファ
イヤ基板７の温度を８００℃とした後、Ｉｎ0.1Ｇａ0.9
Ｎ層１１ｂを５ｎｍ成長させてから、基板ヒーター３を
３ｍｍ下げて元の位置まで戻した。 【００３３】以上の操作において、基板ヒーター３を上
下に移動させてサファイヤ基板７の温度を変えた際に、
基板ヒーター３の移動開始から所望する温度に安定化す
るまでの時間は、１０００℃から８００℃、または８０
０℃から１０００℃で約１分、８００℃から７００℃、
または７００℃から８００℃で約３０秒であった。これ
らの時間は、従来のように基板温度を基板ヒーターの加
熱量を制御して変化させる場合に比べて、１／５程度で
あった。 【００３４】サファイヤ基板７の温度が１０００℃で安
定してから、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ 3に加えてシクロペ
ンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を１００ｓｃ
ｃｍ流してＭｇドープしたｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層１３
を０．１μｍの膜厚で成長させた。さらに、ＴＭＡの通
気を中止してＭｇドープしたｐ型ＧａＮ層１４を０．５
μｍ形成した。 【００３５】このようにして作製した多層膜基板をＥＣ
Ｒドライエッチ装置を用い、塩素ガスと水素ガスが各５
ｓｃｃｍの流量で、出力２００Ｗのプラズマ放電により
試料の一部を約１μｍエッチングしてｎ−ＧａＮ層を露
出させた。この試料のｎ型、ｐ型の各層にＩｎ電極を付
けて簡易型の青色ＬＥＤを作製した。 【００３６】以上の方法により、基板ヒーターの移動に
よって基板温度を変えて作製したＬＥＤは、有機金属気
相成長装置における多層膜の形成に必要な時間を従来よ
りも約３５分短縮することが可能であった。 【００３７】 【発明の効果】以上のように本発明によれば、結晶成長
が中断される時間が短くなるため結晶成長中断時におけ
る結晶表面の変化を抑制して高品質な多層膜を形成でき
るとともに、多層膜からなる化合物半導体の全体的な成
膜時間を短縮することが可能となることから、化合物半
導体の生産性及び量産性を向上させることができるとと
もに、化合物半導体における化合物層間の接合界面にお
いて良好なヘテロ接合を形成することが可能で、化合物
半導体の発光特性や電気的特性を向上させることができ
るという優れた効果が得られる。また、窒化ガリウム系
化合物半導体の生産性及び量産性を向上できるととも
に、発光特性に優れた窒化ガリウム系化合物半導体から
なる青色発光ダイオードを製造することができるという
優れた効果が得られる。 【００３８】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態における薄膜成長装置で
ある有機金属気相成長装置の要部模式図 【図２】本発明の一実施の形態における薄膜成長装置で
ある分子線エピタキシー装置の要部模式図 【図３】（ａ）基板ホルダーと基板ヒーターとの距離の
経時変化を示す図 （ｂ）基板温度の経時変化を示す図 （ｃ）基板ヒーター温度の経時変化を示す図 【図４】窒化ガリウム系化合物半導体の構造を示す模式
図 【符号の説明】 １ 成長室 ２ 基板ホルダー ３ 基板ヒーター ４ａ，４ｂ 通気管 ５ 原料セル ６ 基板 ７ サファイヤ基板 ８ ＡｌＮ層 ９ ｎ型ＧａＮ層 １０ ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層 １１ａ，１１ｂ Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ層 １２ Ｉｎ0.3Ｇａ0.7Ｎ層 １３ ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層 １４ ｐ型ＧａＮ層
ある有機金属気相成長装置の要部模式図 【図２】本発明の一実施の形態における薄膜成長装置で
ある分子線エピタキシー装置の要部模式図 【図３】（ａ）基板ホルダーと基板ヒーターとの距離の
経時変化を示す図 （ｂ）基板温度の経時変化を示す図 （ｃ）基板ヒーター温度の経時変化を示す図 【図４】窒化ガリウム系化合物半導体の構造を示す模式
図 【符号の説明】 １ 成長室 ２ 基板ホルダー ３ 基板ヒーター ４ａ，４ｂ 通気管 ５ 原料セル ６ 基板 ７ サファイヤ基板 ８ ＡｌＮ層 ９ ｎ型ＧａＮ層 １０ ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層 １１ａ，１１ｂ Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ層 １２ Ｉｎ0.3Ｇａ0.7Ｎ層 １３ ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層 １４ ｐ型ＧａＮ層
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 平６−333838（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01L 21/205
C23C 16/52
H01L 33/00
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】成長室と、前記成長室内に配設された基板
ホルダーと、前記基板ホルダーを加熱する基板ヒーター
と、前記基板ホルダーと前記基板ヒーターの距離を制御
できる距離制御手段を備えた薄膜成長装置を用いた窒化
ガリウム化合物半導体の製造方法であって、組成比の異
なるＡｌＩｎＧａＮ層を積層する際に、前記距離制御手
段はＩｎの組成比が大きいほど前記基板ホルダーと前記
基板ヒーターの距離を遠くするように制御することを特
徴とする窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP31032396A JP3424467B2 (ja) | 1996-11-21 | 1996-11-21 | 窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法 |
| US08/820,390 US6090211A (en) | 1996-03-27 | 1997-03-12 | Apparatus and method for forming semiconductor thin layer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP31032396A JP3424467B2 (ja) | 1996-11-21 | 1996-11-21 | 窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10149992A JPH10149992A (ja) | 1998-06-02 |
| JP3424467B2 true JP3424467B2 (ja) | 2003-07-07 |
Family
ID=18003859
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP31032396A Expired - Fee Related JP3424467B2 (ja) | 1996-03-27 | 1996-11-21 | 窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3424467B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| EP1869717B1 (en) * | 2005-04-07 | 2017-01-04 | Toyoda Gosei Co., Ltd. | Production method of group iii nitride semioconductor element |
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-
1996
- 1996-11-21 JP JP31032396A patent/JP3424467B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| JPH10149992A (ja) | 1998-06-02 |
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