JP3476754B2 - 窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は基板上に窒化ガリウ
ム（ＧａＮ）系化合物半導体を製造する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】窒化ガリウム系化合物半導体は、ＬＥＤ
等の発光デバイスその他に広く応用されている。例え
ば、サファイア基板上にＥＬＯ（Epitaxially Laterall
y Overgrown）法を用いてＧａＮを成長させた場合、室
温で１０，０００時間以上連続動作可能な青色レーザも
報告されている（S.Nakamura et al,Apply.Phys.Lett.7
2,211(1998))。ＥＬＯ法においては、サファイア基板上
に数ミクロンのＧａＮ層を形成し、ＧａＮの＜１１００
＞方向に沿ってストライプ状のマスクＳｉＯ₂を形成す
る。ストライプ状のＳｉＯ₂の開口比は約２：１であ
り、マスクＳｉＯ₂の開口から垂直方向にＧａＮを再成
長させ、その後ＳｉＯ₂を覆うように横方向にＧａＮを
成長させて連続したＧａＮ層を形成させる。これによ
り、マスクＳｉＯ₂上のＧａＮ層の転位密度を減じ、上
述した特性を有する発光デバイスを得ている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このＥ
ＬＯ法においては、マスクＳｉＯ₂が存在する部分にお
けるＧａＮ層で転位密度が減じているにすぎず、ＧａＮ
層の一部しか良好な特性が得られないことになる。

【０００４】一方、サファイアとＧａＮの格子不整合に
鑑みて、サファイア基板上に低温でＧａＮあるいはＡｌ
Ｎのバッファ層を成長させ、さらにこのバッファ層の上
にＧａＮ層あるいはＧａＡｌＮ層等を成長させることも
提案されている。例えば、特開平４−２９７０２３号公
報には、サファイア基板上に低温でＧａＡｌＮのバッフ
ァ層を成長させ、さらにＧａＮなどの半導体層を形成す
ることが記載されている。

【０００５】しかし、この方法においても、低温バッフ
ァ層に高密度の転位が生じるため、その上に形成される
ＧａＮあるいはＧａＡｌＮ層にも高密度の転位が生じて
しまい、長時間の連続動作可能な発光デバイスを得るに
は十分ではない。

【０００６】本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑
みなされたものであり、その目的は、比較的簡易な方法
でＥＬＯ法と同程度あるいはそれ以上にＧａＮ系化合物
半導体の転位密度を減じ、また、ＥＬＯ法以上に大きな
割合で（すなわち効率的に）転位密度を減じることがで
きる方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、ＧａＮ系化合物半導体の製造方法であっ
て、（ａ）基板上にＧａＮ系化合物半導体層を形成する
ステップと、（ｂ）前記ＧａＮ系化合物半導体層の形成
を中断し、原料ガスを化合物が離散的に形成される程度
に制限された供給量だけ供給することで離散的にバッフ
ァ体を形成するステップと、（ｃ）前記バッファ体上に
再び前記ＧａＮ系化合物半導体を形成するステップとを
有し、前記バッファ体はＳｉＮであり、前記（ａ）〜
（ｃ）のステップを同一装置内で行うことを特徴とす
る。

【０００８】また、本発明は、 ＧａＮ系化合物半導体
の製造方法であって、（ａ）基板上にＧａＮ系化合物半
導体層を形成するステップと、（ｂ）前記ＧａＮ系化合
物半導体層の形成を中断し、原料ガスを化合物が離散的
に形成される程度に制限された供給量だけ供給すること
で複数の孔を有するバッファ体を形成するステップと、
（ｃ）前記バッファ体上に再び前記ＧａＮ系化合物半導
体を形成するステップとを有し、前記バッファ体はＳｉ
Ｎであり、前記（ａ）〜（ｃ）のステップを同一装置内
で行うことを特徴とする。

【０００９】本発明において、離散的に形成されたバッ
ファ体あるいは複数の孔を有するバッファ体が存在する
と、バッファ体が形成されていない部分（この部分には
下地層であるＧａＮ系化合物半導体層が露出している）
から垂直方向にＧａＮ系化合物半導体層が成長し、やが
てバッファ体を覆うように横方向にＧａＮ系化合物半導
体層が成長していく。垂直方向に成長していく際には下
地層の影響を受けて転位が生じやすいが、横方向に成長
する場合には下地層の影響を受けないため転位が生じ難
い。これにより、バッファ体の上に形成（成長）される
ＧａＮ系化合物半導体の転位密度を減じることができ
る。なお、バッファ体の離散度あるいは孔の数、密度を
調整することで、横方向に結晶成長する割合も制御する
ことができる。

【００１０】バッファ体は、前記基板の温度が４００℃
〜１２００℃の範囲で形成することができ、バッファ体
としてはＳｉＮを用いることができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づき本発明の実施
形態について説明する。

【００１２】図１には、本実施形態の製造方法により製
造されたＧａＮ系化合物半導体の構成が示されている。
基板１０上にＧａＮ半導体層１２が形成され、その上に
ＳｉＮバッファ体１４が形成される。ＧａＮ半導体層１
２は、低温（例えば５００℃）で形成する必要はなく、
その形成温度や厚さは任意である。ＳｉＮバッファ体１
４は、基板温度を４００℃〜１２００℃とし、シランガ
スとアンモニアガスを供給することで形成することがで
きる。但し、ＳｉＮバッファ体１４は、ＧａＮ半導体層
１２上に一様に形成されるのではなく、離散的に、ある
いは複数の穴を有するように形成される。すなわち、Ｓ
ｉＮバッファ体１４の複数の箇所からその下のＧａＮ半
導体層１２が露出するように形成される。ＳｉＮバッフ
ァ体１４が形成された後、再びＧａＮ半導体層１６が形
成される。

【００１３】なお、図１では、ＧａＮ半導体層１２，１
６中に一回だけ挿入しているが、必要に応じてＧａＮ半
導体層１２，１６の成長を複数回中断し、その都度Ｓｉ
Ｎバッファ体１４を挿入してもよい。

【００１４】図２には、ＳｉＮバッファ体の模式的平面
図が示されている。ＳｉＮバッファ体１４は、ＧａＮ半
導体層１２を覆うように形成されるのではなく、離散的
あるいは孔１４ａを有するように形成される。孔１４ａ
の部分はＳｉＮバッファ体１４は形成されておらず、Ｇ
ａＮ半導体層１２が露出している。ＳｉＮバッファ体１
４が存在する領域では、その上に形成されるＧａＮ半導
体層１６の結晶成長が阻害される。したがって、ＳｉＮ
バッファ体１４の上ではＧａＮの結晶は成長せず、孔１
４ａの部分から垂直方向にＧａＮが成長していく。Ｓｉ
Ｎバッファ体１４の孔１４ａから始まった結晶成長は、
やがて横方向に広がり、ＳｉＮバッファ体１４の上部に
回り込む。ＳｉＮバッファ体１４の上部は特定の結晶方
位を有していないのでこの部分では単結晶化し易く、こ
の部分のＧａＮ半導体層１６には転位が生じにくく、Ｇ
ａＮ半導体層１６の結晶性が向上する。ＳｉＮバッファ
体１４が下地層であるＧａＮ半導体層１２を完全に覆っ
てしまうと、その上に形成されるべきＧａＮの成長を阻
害してしまうため、ＳｉＮバッファ体１４には孔、ある
いは隙間などの不形成部分が必要であることが理解され
よう。ＳｉＮバッファ体１４の離散度、あるいは孔１４
ａの密度は、例えばＳｉＮバッファ体の形成時間により
調整することができる（形成時間が短すぎるとＳｉＮバ
ッファ体が十分形成されず、形成時間が長すぎると層と
して下地を完全に覆ってしまう。両者の中間とすること
が好適である）。

【００１５】図３には、本実施形態の製造処理フローチ
ャートが示されており、図４には製造装置の概念図が示
されている。まず、反応管内２０内にサファイア基板１
０をサセプタ２１上に載置し、Ｈ₂雰囲気下でヒータ２
２を用いてサファイア基板１０を１１５０℃まで加熱し
て熱処理する。熱処理した後、ガス導入部２３からＴＭ
Ｇ（トリメチルガリウム）、ＮＨ₃、Ｈ₂を供給してＧａ
Ｎ半導体層１２を例えば１μｍ程度成長させる（Ｓ１０
１）。

【００１６】次に、ＴＭＧの供給を停止してＧａＮ半導
体層１２の成長を中断し、ガス導入部２３からシランガ
ス（ＳｉＨ₄）とＮＨ₃、Ｈ₂を供給してＳｉＮバッファ
体１４を形成する（Ｓ１０２）。ＳｉＨ₄の流量は２０
ｓｃｃｍ、ＮＨ₃の流量は５ｓｌｍ程度である。基板温
度は４００℃〜１２００℃でよい。ＳｉＨ₄とＮＨ₃は、
ＳｉＮがＧａＮ半導体層１２上に離散的に形成される
（あるいは一様に形成されず複数の孔を有するように形
成される）に十分な時間だけ（例えば５０秒程度）供給
すればよい。

【００１７】ＳｉＮバッファ体１４を形成した後、再び
ガス導入部２３からＴＭＧ、ＮＨ₃、Ｈ₂を導入し、再び
ＧａＮ半導体層１６を例えば２μｍ程度成長させる（Ｓ
１０３）。ＧａＮ半導体層１２，１６中のＳｉＮバッフ
ァ体１４の存在により、ＧａＮ半導体層１６の転位密度
を減少させることができる。

【００１８】本願出願人は、このようにして形成された
ＧａＮ半導体層の結晶構造をＸ線解析及び顕微鏡で観察
したが、従来よりも良好な値が得られることを確認して
いる。

【００１９】なお、ＳｉＮバッファ体１４を複数挿入す
るためには、Ｓ１０１〜Ｓ１０３の処理を必要な回数だ
け繰り返せばよい。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば簡
易な方法でＧａＮ層中の転位密度を減少させ、結晶性を
向上させることができる。これにより、特性に優れた半
導体デバイスを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施形態のＧａＮ系化合物半導体の構成図で
ある。

【図２】 図１におけるＳｉＮバッファ体の平面図であ
る。

【図３】 実施形態の製造処理フローチャートである。

【図４】 実施形態の製造装置の概念構成図である。

【符号の説明】

１０ 基板、１２ ＧａＮ半導体層、１４ ＳｉＮバッ
ファ体、１６ ＧａＮ半導体層。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開2000−21789（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−312971（ＪＰ，Ａ) 特開2001−185498（ＪＰ，Ａ) 特開2000−340511（ＪＰ，Ａ)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法
   であって、 （ａ）基板上にＧａＮ系化合物半導体層を形成するステ
   ップと、 （ｂ）前記ＧａＮ系化合物半導体層の形成を中断し、原
   料ガスを化合物が離散的に形成される程度に制限された
   供給量だけ供給することで離散的にバッファ体を形成す
   るステップと、 （ｃ）前記バッファ体上に再び前記ＧａＮ系化合物半導
   体を形成するステップと、 を有し、前記バッファ体はＳｉＮであり、前記（ａ）〜
   （ｃ）のステップを同一装置内で行うことを特徴とする
   窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。
2. 【請求項２】 窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法
   であって、 （ａ）基板上にＧａＮ系化合物半導体層を形成するステ
   ップと、 （ｂ）前記ＧａＮ系化合物半導体層の形成を中断し、原
   料ガスを化合物が離散的に形成される程度に制限された
   供給量だけ供給することで複数の孔を有するバッファ体
   を形成するステップと、 （ｃ）前記バッファ体上に再び前記ＧａＮ系化合物半導
   体を形成するステップと、 を有し、前記バッファ体はＳｉＮであり、前記（ａ）〜
   （ｃ）のステップを同一装置内で行うことを特徴とする
   窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。
3. 【請求項３】 請求項１、２のいずれかに記載の方法に
   おいて、 前記（ｂ）ステップでは、前記基板の温度が４００℃〜
   １２００℃の範囲で前記バッファ体が形成されることを
   特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。