JP3545962B2 - ＧａＮ系化合物半導体結晶の成長方法及び半導体結晶基材 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、ＧａＮ系化合物半導体結晶の成長方法及び半導体結晶基材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ系化合物半導体結晶のエピタキシャル成長は、格子整合する基板の入手が困難であるため、一般にサファイア基板などの上にバッファ層を介して行われている。この場合、エピタキシャル膜と基板との格子不整合のため、成長界面から欠陥が導入され、エピタキシャル膜の表面には約１０¹⁰ｃｍ^-1オーダーの転位が存在する。前記エピタキシャル膜中の転位は、デバイスにおいてリーク電流や電極材料の拡散の原因となるため、転位密度を減らす方法が試みられている。
【０００３】
その一つとして、例えば特開平１０−３１２９７１号公報に記載されているような、選択成長を用いた方法がある。この方法は、ＳｉＯ₂などのマスク材料を用いて基板上にパターニングを施与して選択成長を行い、さらにこのマスク材料を埋め込むまで成長を続けることで、マスク材料により転位が遮断され、転位密度の低減がなされるものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記の方法では、マスク材料を埋め込む際に、マスク上を成長面に対して横方向に成長した結晶が、成長が進むにつれその結晶軸が傾く（Ｔｉｌｔ；チルト）という現象がおこる。マスク上ではチルトした結晶同士が合体するのでそこで新たな欠陥が発生する。結晶軸がチルトする原因は定かではないが、マスク材料が影響しているものと考えられる。
【０００５】
従って本発明は、ＧａＮ系化合物半導体結晶のエピタキシャル成長において、マスク材料を用いること無しに転位密度を低減させ、高品質なエピタキシャル膜を得るための成長方法を提供することを目的とする。
【０００６】
さらに本発明は、上記成長方法により、高品質なＧａＮ系化合物半導体結晶を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のＧａＮ系化合物半導体結晶の成長方法は、基板表面にアンチサーファクタント領域を選択的に形成し、アンチサーファクタント領域上部に空洞を形成しながらＧａＮ系化合物半導体結晶をエピタキシャル成長させる工程を有することを特徴とするものである。
【０００８】
また本発明のＧａＮ系化合物半導体結晶の成長方法においては、前記基板表面にＧａＮ系化合物半導体膜を形成した後、アンチサーファクタント領域を選択的に形成し、アンチサーファクタント領域上部に空洞を形成しながらＧａＮ系化合物半導体結晶をエピタキシャル成長させる工程を具備させても良い。
【０００９】
前記アンチサーファクタント領域を、パターニングされたＳｉＯ₂を水素を含む雰囲気で蒸発させることにより形成することは、好ましい形成方法の一つである。
【００１０】
本発明のＧａＮ系化合物半導体基材は、基板上に上記したいずれかに記載の方法で得られたＧａＮ系化合物半導体結晶を備えたものであり、すなわち、基板表面に直接又はＧａＮ化合物半導体膜を介して、その表面にアンチサーファクタント領域を選択的に形成し、アンチサーファクタント領域上部に空洞を形成しながらエピタキシャル成長させたＧａＮ系化合物半導体を有することを特徴とするものである。
【００１１】
【発明の実施の態様】
以下本発明の実施態様につき、図１を用いて説明する。
まず基板１上にＧａＮ系化合物半導体２を予め成長しておき、その表面にＳｉＯ₂のパターン３をフォトリソグラフィー技術などを用い形成する（図１（ａ））。ここで基板はサファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＺｎＯ、スピネル等を用いることができる。パターン形状についてはどの様な形でも構わないが、エピタキシャル成長の成長速度に異方性があることから、ストライプ状が好ましい。
【００１２】
この基板を成長装置にセットし、水素を含む雰囲気で成長温度まで昇温する。水素を含む雰囲気とは、水素ガスまたは水素ガスを含む混合ガスを流した状態でも構わないし、例えばアンモニア（ＮＨ₃）など水素基を含むガスを流し、これが熱分解し、分解した水素が存在している状態でも構わない。
【００１３】
基板表面のＳｉＯ２は成長温度に達する間に蒸発し、ＳｉＯ₂パターンが存在していた領域はＳｉ残留部４で覆われる（図１（ｂ））。この状態でＧａＮ系化合物半導体のエピタキシャル成長を行うと、Ｓｉ残留部４で覆われていない部分から成長が起こる（図１（ｃ））。２０は、成長されたＧａＮ系化合物半導体結晶を示している。ここでの成長方法は気相成長が好ましく、例えば有機金属気相成長法（ＭＯＣＣＶＤ法）やハイドライドＶＰＥ法（ＨＶＰＥ法）が好ましい。
【００１４】
Ｓｉはアンチサーファクタント材料として知られており、Ｓｉで覆われることによりその領域の表面エネルギーが高くなり、そこからの成長は起こりにくくなる。このまま成長を続けると、ＧａＮ系化合物半導体結晶２０はＳｉで覆われた領域を覆うような形で成長が進み（図１（ｄ））、やがて空洞５が形成される（図１（ｅ））。
【００１５】
下地から伸びた転位線６はこの空洞部で遮断されるため、エピタキシャル膜表面での転位密度は低減される。またマスク材料を用いていないために、空洞上部で結晶が横方向成長する際に、結晶軸が傾く現象は起こらないので、新たな欠陥が発生することもない。
【００１６】
本発明ではアンチサーファクタント領域を選択的に形成するため、前記空洞部の形成位置を制御することが可能である。従って、空洞部の上方に櫛状の電極構造を形成すれば、電極下部はほぼ無転位であるため電極材料の拡散が抑制される。
【００１７】
本発明により得られた半導体結晶基材の表面に、前記各工程を繰り返すことにより、低転位化は促進され、無転位に近い結晶が得られる。
【００１８】
本発明の実施の形態では、基板上にＧａＮ系化合物半導体を予め成長しておき、その表面にアンチサーファクタント領域を形成したが、基板の表面に直接アンチサーファクタント領域を形成してもかまわない。
【００１９】
また本発明の実施の形態では、ＳｉＯ₂を蒸発させることによりアンチサーファクタント領域を得る例について述べたが、その形成方法についてはこれに限られるものではなく、例えばフォトリソグラフィー技術によりレジストパターンを作製し、そこへＳｉを含むガス、例えばＳｉＨ₄やテトラエチルシランを作用させ、その後レジストを除去することにより選択的にアンチサーファクタント領域を形成しても良い。
【００２０】
また本発明の実施の形態では、アンチサーファクタント材料としてＳｉを用いる例について述べたが、Ｍｇを用いても同様の効果が得られる。
【００２１】
【実施例】
以下具体的な実施例につき説明する。
サファイアｃ面基板上に予めＧａＮ膜を１．５μｍ成長させ、これをベース基板として用いた。ＧａＮ表面に厚さ２０ｎｍのＳｉＯ₂膜をスパッタリングにより堆積させ、フォトリソグラフィー技術によりストライプ状のパターンを形成し、エッチングにより、２μｍ間隔で幅２μｍのストライプ状のＳｉＯ₂を得た。この時ストライプの方向は下地のＧａＮ膜の＜１−１００＞方向と平行になるようにした。
【００２２】
上記のように表面にＳｉＯ２パターンが形成されたベース基板をＭＯＣＶＤ装置内にセットし、窒素キャリアガスを１０ｓｌｍ、アンモニアを５ｓｌｍ流し、成長温度１０００℃まで昇温した。この間にＳｉＯ₂は蒸発し、Ｓｉで覆われたストライプ状の領域が得られた。
【００２３】
成長温度が安定した後、キャリアガスを水素に切り換え、さらにトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を７０μｍｏｌ／ｍｉｎ供給し、Ｓｉで覆われた領域を覆い、空洞が形成されるまでＧａＮを成長した。
【００２４】
このようにして成長したＧａＮ表面の転位密度を測定したところ、１０⁷ｃｍ^-1であった。また断面ＴＥＭ観察から、空洞上部での新たな欠陥の発生は観察されなかった。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明した通りの本発明の成長方法によれば、マスク材料を用いること無しに転位密度の低減させることができ、より高品質なＧａＮ系化合物半導体結晶の作製が可能となる。この上にＬＥＤやＬＤなどの半導体発光素子や受光素子、電子デバイスを作製すれば、その特性は飛躍的に向上することが期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＧａＮ系化合物半導体結晶の成長工程を示す概略図である。
【符号の説明】
１ 基板
２ ＧａＮ系化合物半導体結晶
３ ＳｉＯ₂
４ Ｓｉ残留部
５ 空洞
６ 転位線

Claims (4)

1. 基板表面にアンチサーファクタント領域を選択的に形成し、アンチサーファクタント領域上部に空洞を形成しながらＧａＮ系化合物半導体結晶をエピタキシャル成長させる工程を有することを特徴とするＧａＮ系化合物半導体結晶の成長方法。
2. 前記基板表面にＧａＮ系化合物半導体膜を形成した後、アンチサーファクタント領域を選択的に形成することを特徴とする請求項１記載のＧａＮ系化合物半導体結晶の成長方法。
3. 前記アンチサーファクタント領域を、パターニングされたＳｉＯ₂を水素を含む雰囲気で蒸発させることにより形成することを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載のＧａＮ系化合物半導体結晶の成長方法。
4. 基板上に、請求項１、２又は３のいずれかに記載の方法で得られたＧａＮ系化合物半導体結晶を備えてなるＧａＮ系化合物半導体基材。

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