JP3577880B2 - 3−5族化合物半導体の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、有機金属気相成長法による3−5族化合物半導体の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般式GaxAlyN(ただし、x+y=1、0≦x≦1、0≦y≦1)で表される3−5族化合物半導体は、紫外領域にバンドギャップを持つ、いわゆるワイドギャップ半導体である。以下、この一般式中のxおよびyをそれぞれGaN混晶比およびAlN混晶比と記すことがある。該化合物半導体は、大きなバンドギャップを持つため、SiやGaAs等、従来一般的に用いられている半導体では動作できないような高温でも動作可能な電子デバイス用材料として有望である。また、該3−5族化合物半導体は、直接型半導体であるために、短波長発光デバイス用材料としても重要である。
【0003】
ところで、該化合物半導体のデバイス応用を考える上で、微細構造を作製する技術が必要不可決であるにもかかわらず、該化合物半導体は、化学的に非常に安定なため、デバイス加工の上で大きな問題を抱えていた。つまり、一般的に湿式エッチングによる微細加工は、半導体に与えるダメージの少ないことが知られているが、該化合物半導体に対する適当な湿式エッチャントが知られていないのが実情である。このため、該化合物半導体の微細加工としては、高いエネルギーを持ったガスを真空中で半導体に照射して行なうドライエッチングが主要な技術となっている。しかし、ドライエッチングは、半導体に与えるダメージが大きく、デバイスの特性の劣化の大きな原因となる。
【0004】
一方、ドライエッチングや劈開を用いない微細加工技術として、選択成長法が知られている。これは、基板結晶の表面をSiO2等のマスク材で部分的に被覆したうえで結晶成長を行なう方法である。基板結晶の露出部分に成長する結晶は、露出部分の形状、結晶方位、成長条件等を適切に選ぶことにより特定の結晶面に囲まれた形状とすることができる場合がある。しかし、これまで該化合物半導体の選択成長についてはホモエピタキシャル成長を行なっても、3次元成長が起こることが確認されている(J.Cryst.Growth、144巻(1994年)、133ページ)。このため、該化合物半導体では、選択成長によっては充分に精度良く微細な構造を形成することが難しかったのが実情である。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、3次元成長が抑制された3−5族化合物半導体の選択成長法を実現することにより、良好な微細な構造を有する3−5族化合物半導体の制御性に優れた製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
このような状況をみて、本発明者らは、鋭意検討の結果、希ガス中での選択成長を行なうことにより、従来問題となっていた3次元成長を極めて有効に抑制できる方法を見出し、本発明に至った。
すなわち、本発明は、〔1〕有機金属気相成長法により、一般式GaxAlyN(式中、0≦x≦1、0≦y≦1、x+y=1)で表される3−5族化合物半導体層からなる層を、結晶表面をマスクでパターニングした一般式GauAlvN(式中、0≦u≦1、0≦v≦1、u+v=1)で表される3−5族化合物半導体層上に成長させる3−5族化合物半導体の成長方法において、キャリアガスとして不活性ガスを用いる3−5族化合物半導体の製造方法、特に、キャリアガスとして水素を実質的に含まない不活性ガスを用いる3−5族化合物半導体の製造方法に係るものである。
また、本発明は、〔2〕有機金属気相成長法により、一般式GaxAlyN(式中、0≦x≦1、0≦y≦1、x+y=1)で表される3−5族化合物半導体層からなる層を、結晶表面をマスクでパターニングした一般式GauAlvN(式中、0≦u≦1、0≦v≦1、u+v=1)で表される3−5族化合物半導体層上に成長させる3−5族化合物半導体の成長方法において、キャリアガスとして水素を体積比で95%以下含む、水素と不活性ガスとの混合ガスを用いる3−5族化合物半導体の製造方法に係るものである。
また、本発明は、〔3〕不活性ガスが窒素であることを特徴とする〔1〕または〔2〕記載の3−5族化合物半導体の製造方法に係るものである。
次に、本発明を詳細に説明する。
【0007】
【発明の実施の形態】
本発明は、有機金属気相成長法(以下、MOVPE法と記すことがある。)により一般式GaxAlyN(式中、0≦x≦1、0≦y≦1、x+y=1)で表される3−5族化合物半導体層からなる層を、結晶表面をマスクでパターニングした一般式GauAlvN(式中、0≦u≦1、0≦v≦1、u+v=1)で表される3−5族化合物半導体層上に成長させる3−5族化合物半導体の成長方法において、キャリアガスとして不活性ガス、または水素を体積比で95%以下含む、水素と不活性ガスとの混合ガスを用いることを特徴とする。
【0008】
まず、本発明において、選択成長の下地層として用いられる3−5族化合物半導体について説明する。
該3−5族化合物半導体の結晶成長用基板としては、サファイア、ZnO、GaAs、Si、SiC、NGO(NdGaO3)、スピネル(MgAl2O4)等が用いられる。とくにサファイアは、大面積の高品質の結晶が得られるため重要である。
これらの基板を用いると、該基板上にZnO、SiC、GaN、AlN、GaAlNなどの薄膜、およびその積層膜をバッファ層として成長する方法、いわゆる2段階成長法により、高い結晶性のGaN、AlN、GaAlN等の3−5族化合物半導体が成長できるため好ましい。
【0009】
本発明に用いられる選択成長用の下地層は、一般式GauAlvN(式中、0≦u≦1、0≦v≦1、u+v=1)で表される3−5族化合物半導体である。該下地層としては、サファイア等の基板上に成長したものまたは該化合物半導体の単結晶を用いることができる。基板上に成膜する場合には、公知の技術のものを用いることができる。具体的には、MOVPE法、分子線エピタキシー法(以下、MBE法と記すことがある。)、ハイドライド気相成長法(以下、HVPE法と記すことがある。)、昇華法、液相成長法等が挙げられる。この中では、MOVPE法、MBE法、HVPE法が大面積に成膜可能であるため好適に用いることができる。さらに、MOVPE法、HVPE法は成膜速度が大きく、高品質の結晶成長が可能であるため、本発明の下地層の成長にとくに好適に用いることができる。該化合物半導体の下地層が充分な膜厚であれば、基板を取り除いて単結晶として用いることもできる。
【0010】
下地層上に形成するマスクの材料としては、SiO2、SiNx、またはタングステンなどの金属など、選択成長の温度、成長雰囲気でも安定な材質のものであれば好適に用いることができる。マスク材を下地層に成膜する方法としては、蒸着法、スパッタ法、化学気相堆積法等を用いることができる。
【0011】
次に、本発明の3−5族化合物半導体のMOVPE法による製造方法について説明する。
MOVPE法の場合、以下のような原料を用いることができる。
即ち、3族原料としては、トリメチルガリウム[(CH3)3Ga、以下TMGと記すことがある。]、トリエチルガリウム[(C2H5)3Ga、以下TEGと記すことがある。]等の一般式R1R2R3Ga(ここで、R1、R2、R3は低級アルキル基を示す。)で表されるトリアルキルガリウム;トリメチルアルミニウム[(CH3)3Al]、トリエチルアルミニウム[(C2H5)3Al、以下TEAと記すことがある。]、トリイソブチルアルミニウム[(i−C4H9)3Al]等の一般式R1R2R3Al(ここで、R1、R2、R3は、前記の定義と同じである。)で表されるトリアルキルアルミニウム;トリメチルアミンアラン[(CH3)3N:AlH3]等が挙げられる。これらは単独または混合して用いられる。
【0012】
次に、5族原料としては、アンモニア、ヒドラジン、メチルヒドラジン、1、1−ジメチルヒドラジン、1、2−ジメチルヒドラジン、t−ブチルアミン、エチレンジアミンなどが挙げられる。これらは単独または混合して用いられる。これらの原料のうち、アンモニアとヒドラジンは、分子中に炭素原子を含まないため、半導体中への炭素の汚染が少なく好適である。
【0013】
本発明の3−5族化合物半導体の製造方法においては、キャリアガスとしては、不活性ガス、または水素を体積比で95%以下含む、水素と不活性ガスとの混合ガスを用いることを特徴とする。該混合ガスにおける水素の体積比は、好ましくは90%以下、さらに好ましくは80%以下である。該混合ガス中の水素の体積比が95%より大きい場合には、本発明の効果が得られにくいので好ましくない。
該不活性ガスとしては、具体的には窒素または希ガスが挙げられる。さらに、希ガスとしては、具体的にはアルゴン、ネオン、ヘリウムが挙げられる。これらのガスは、単独または混合して用いることができる。とくに、ヘリウムは、動粘係数が大きいため熱的対流を起こしにくく、キャリアガスとして用いた場合、反応炉内のガス流の乱れを抑える効果があり重要である。ただし、ヘリウムは他のガスに比べて高価であるため、大量にキャリアガスを用いる場合には、窒素、アルゴン等を用いてもよい。場合により、これらのガスを適切に混合して用いることもできる。
【0014】
キャリアガスとして、水素を用いた場合の選択成長の様子を模式的に図1に示す。選択成長の初期には、多数の結晶粒が形成されやすく、単一の構造とはなりにくい。成長が進むにつれ、結晶粒が大きくなり、結晶粒同志が合体し、次第に単一の構造に近づくものの、結晶粒の間に残るピット状の凹みは、単一の構造になる直前までなくならない。一方、本発明の製造方法によれば、選択成長のごく初期から単一の構造になるため、ピットは選択成長の初期からほとんどみられない。本発明での選択成長のようすを模式的に図2に示す。このため、本発明を用いて、微細な構造の作製が容易に行なうことができる。
【0015】
本発明によれば、選択成長において、伝導性の異なる層を順次積層することで、ダイオード、バイポーラトランジスタ、電界効果型トランジスタ、HEMTなどを、あらかじめ微細な構造として作製することができる。さらに、第1の伝導性の層を成長した後、マスクの形状を変えてさらに第1または第2の伝導性の層の成長を行なうことで、各伝導性の層を最終的に露出した構造で得ることができる。したがって、本発明によりあらかじめ素子が分離した構造で成長できるため、従来イオン打ち込みやエッチングによって行なっていた素子間の分離は行なう必要がなくなる。なお、最終的な層は本発明の成長によってもよいし、水素をキャリアガスとして用いてもよい。
【0016】
また、本発明により、屈折率の異なる層を順次積層することにより、微細な構造を有する多層反射膜を得ることができる。この多層反射膜上にヘテロ接合を構成することで、高効率の発光ダイオード、面発光レーザ等の発光素子が作製できる。また、活性層上にさらに多層反射膜を形成することで、より高い効率の発光素子が得られる場合がある。
【0017】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
実施例1、比較例1
MOVPE法によりサファイアC面上にバッファ層を介してGaNを成長させ、その上にマスクとしてSiO2膜をRFスパッタ法により1200Å堆積した後、フォトリソグラフィー技術を用い窓幅10μmのストライプパターンを形成し、選択成長用基板とした。マスクの配置を図3に示す。
【0018】
つぎに、上記の選択成長用基板を試料とし、選択成長を行なった。キャリアガスとしては、窒素を用いた(実施例1)。また比較例として水素(比較例1)を用いた実験も行なった。まず、基板をMOVPE成長炉内のサセプタに載置し、キャリアガスとアンモニアをそれぞれ2.5slmおよび1.5slm供給しながら、高周波加熱により基板の温度を1070℃まで加熱した。温度が安定した後、TMGを2sccm供給して成長を行なった後、高周波加熱を停止し、基板の温度が400℃になった時点でアンモニアの供給を停止した。TMGを供給した時間(選択成長の時間)は、窒素をキャリアガスとした場合には20分、水素をキャリアガスとした場合には2分であった。
ただし、slmおよびsccmとは、気体の流量の単位であり、1slmは、1分当たり、標準状態で1リットルの体積を占める重量の気体が流れていることを示し、1000sccmは、1slmに相当する。
【0019】
選択成長後、試料をマスクパターンのストライプ方向と垂直方向に劈開し、断面形状を走査型電子顕微鏡により観察したところ、キャリアガスとして窒素を用いた場合には、側面は平坦な{1−101}面、上面は平坦なc面で構成されていた。一方、キャリアガスとして水素を用いた場合には、側面は平坦な{1−101}面であったが、上面には多数の凹凸がみられ、平坦な上面を得ることはできなかった。
【0020】
【発明の効果】
本発明の3−5族化合物半導体の製造方法により、微細な形状を有する該化合物半導体の作製が可能となり、工業的価値が大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】水素を用いた場合の選択成長の様子を示す摸式図。
【図2】不活性ガスを用いた場合の選択成長の様子を示す摸式図。
【図3】実施例1、比較例1におけるマスクの配置を示す断面図。
【符号の説明】
1...下地層
2...マスク
3...下地層上に成長した半導体層
Claims (3)
- 有機金属気相成長法により、一般式GaxAlyN(式中、0≦x≦1、0≦y≦1、x+y=1)で表される3−5族化合物半導体層からなる層を、結晶表面をマスクでパターニングした一般式GauAlvN(式中、0≦u≦1、0≦v≦1、u+v=1)で表される3−5族化合物半導体層上に成長させる3−5族化合物半導体の成長方法において、キャリアガスとして不活性ガスを用いることを特徴とする3−5族化合物半導体の製造方法。
- 有機金属気相成長法により、一般式GaxAlyN(式中、0≦x≦1、0≦y≦1、x+y=1)で表される3−5族化合物半導体層からなる層を、結晶表面をマスクでパターニングした一般式GauAlvN(式中、0≦u≦1、0≦v≦1、u+v=1)で表される3−5族化合物半導体層上に成長させる3−5族化合物半導体の成長方法において、キャリアガスとして水素を体積比で95%以下含む、水素と不活性ガスとの混合ガスを用いることを特徴とする3−5族化合物半導体の製造方法。
- 不活性ガスが窒素または希ガスであることを特徴とする請求項1または2記載の3−5族化合物半導体の製造方法。
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