JP3929017B2

JP3929017B2 - 半導体層成長方法

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Publication number: JP3929017B2
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Inventors: エドワードフーパースチュワート; メリーバーンズジェニファー; ヘファーナンジョナサン; ヘンダーソンキーンアリステア
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばＧａＮまたは他の（Ｇａ，Ａｌ，Ｉｎ）Ｎ系材料等のＩＩＩ族窒化物半導体材料をエピタキシャル成長させるための分子線エピタキシー（ＭＢＥ）方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
基板上でのＩＩＩ族窒化物半導体材料のエピタキシャル成長は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、または気相エピキタシー（ＶＰＥ）として知られる化学蒸着（ＣＶＤ）によって達成され得る。
【０００３】
通常、ＣＶＤ（またはＶＰＥ）は常圧であるが、しばしば、僅かに真空に低減された、典型的には約１０ｋＰａの圧力を有する装置内で行われる。エピタキシャル成長で用いられる、アンモニアおよび１つ以上のＩＩＩ族元素を提供する化学種は、エピタキシャル成長が行われる基板表面と実質的に平行に供給されて、基板表面に隣接する境界層を形成し、基板表面に沿って流れる。エピタキシャル堆積される窒素および他の元素を形成するために分解が行われるのは、このガスの境界層であり、エピタキシャル成長は気相平衡によって駆動される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ＣＶＤとは対照的に、ＭＢＥは、高真空環境において実施される。ＭＢＥがＧａＮシステムに適用される場合、典型的には約１×１０^-3Ｐａ付近の超高真空（ＵＨＶ）環境が用いられる。アンモニアまたは他の窒素前駆体は、供給配管によってＭＢＥチャンバに供給され、エピタキシャル成長期間の間、ガリウム、ならびに多分、インジウム、および／またはアルミニウムを提供する化学種が、ＭＢＥチャンバに供給される化学種の量を制御する制御可能シャッターが装着された、加熱された噴出セル内の適切なソースから供給される。噴出セルからのシャッター制御出口および窒素供給配管は、エピタキシャル成長が行われる基板の表面と向かい合う。噴出セルから供給されるアンモニアおよび化学種は、ＭＢＥチャンバ内を飛散し、堆積力学によって駆動される様態でエピタキシャル成長が行われる基板に達する。
【０００５】
現在では、高品質なＧａＮ層の成長の多くは、有機金属化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）プロセスを用いて実施される。ＭＯＣＶＤプロセスによって、核生成層の成長および核生成層のアニーリングを良好に制御することが可能になる。さらに、ＭＯＣＶＤプロセスによって、１０００：１を十分に越えるＶ／ＩＩＩ比で成長が行うことが可能になる。Ｖ／ＩＩＩ比は、成長プロセスの間での、Ｖ族元素のＩＩＩ族元素に対するモル比である。高Ｖ／ＩＩＩ比によって、用いられる基板の温度がより高くなり、より高品質なＧａＮ層を得ることが可能になるため好適である。
【０００６】
現在では、ＭＯＣＶＤによる高品質ＧａＮ層の成長と比較すると、ＭＢＥによる高品質ＧａＮ層の成長は、より困難である。主な困難性は、成長プロセスの間、十分な窒素を供給することにある。１０：１以上のＶ／ＩＩＩ比を得ることは困難である。ＭＢＥ成長において通常用いられる２つの窒素源は、プラズマ励起分子窒素またはアンモニアである。
【０００７】
ＧａＮは、約０．４５ｎｍの格子定数を有する。ＧａＮに格子整合する適切な基板がないため、概してＧａＮは、サファイア基板または炭化ケイ素基板のいずれかの基板上で成長する。ＧａＮの格子定数と、サファイアまたは炭化ケイ素の格子定数との間には、大きな不整合があり、さらにＧａＮ層と基板との間に、熱膨脹係数のような熱特性の大幅な相違が存在する。従って、サファイアまたは炭化ケイ素基板上に高品質ＧａＮ層を成長させるために、基板上に薄い初期核生成薄層を設ける必要がある。
【０００８】
Ｉ．ＡｋａｓａｋｉおよびＩ．Ａｍａｎｏは、「ＪａｐａｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ」、Ｖｏｌ．３６、５３９３〜５４０８頁、（１９９７年）において、低い成長温度で堆積されたＡｌＮ薄層が、有機金属化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）プロセスによるサファイアまたは炭化ケイ素基板上でのＧａＮ層の成長を促進する核生成層として用いられ得ることを報告している。米国特許第５，２９０，３９３号は、ＭＯＣＶＤを用いるＧａＮ層の成長を促進するために、低い成長温度で堆積されたＧａＮ核生成層の使用を開示している。
【０００９】
米国特許第５，３８５，８６２号は、ＭＢＥを用いてサファイア基板上に単結晶ＧａＮ膜を成長させるさらなる方法を開示している。この方法において、核生成層が、４００℃以下の成長温度で、基板上に成長する。さらに、この方法のＶ／ＩＩＩ比は、非常に小さく、５：１より小さいので、後に続くＧａＮ層は、９００℃より低い成長温度に制限される。この方法によって成長したＧａＮ層は、室温で、１００ｃｍ²Ｖ^-1ｓ^-1より低い電子移動度を有する。
【００１０】
従来技術による、サファイアまたは炭化ケイ素基板上にＧａＮを成長させるさらなる方法は、Ｚ．Ｙａｎｇらによる「ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ」，Ｖｏｌ６７，１６８６〜１６８８頁（１９９５年）、およびＮ．Ｇｒａｎｄｊｅａｎらにる「ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ」，Ｖｏｌ７１，２４０〜２４２頁（１９９７年）において報告されている。これらの方法の両方において、ＧａＮ核生成層が基板上で初期的に成長した後、ＧａＮ層が成長する。
【００１１】
核生成層を備えることによって、ＧａＮ層とサファイアまたは炭化ケイ素基板との間の格子および熱不整合の影響が低減されるが、格子および熱不整合の影響が完全に除去されるわけではない。しかも、可能な限り最も高品質のＧａＮを得るように核生成層を最適化することは、困難で時間がかかり、核生成層を成長させる工程によって成長プロセスの複雑さが増す。従って、エピタキシャルＧａＮ層の成長には、ＧａＮ基板を用いることが所望される。
【００１２】
ＧａＮのエピタキシャル成長に用いられるＧａＮ基板には、２つの可能な形態がある。ＧａＮ基板は、「自立型」基板であってもよいし、「テンプレート」基板であってもよい。自立型ＧａＮ基板はＧａＮのみからなり、例えばＧａＮ結晶によって形成される。テンプレートＧａＮ基板は、例えば、サファイアまたは炭化ケイ素の、基礎となる基板上に成長するＧａＮの厚いエピタキシャル層からなる。厚いエピタキシャル層は、金属−化学気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）または水素化気相エピタキシー（ＨＶＰＥ）のような任意の適切な技術によって、基礎となる基板上で成長する。上記の核生成層と比較すると、ＧａＮテンプレート基板のエピタキシャル層は核生成層よりずっと厚く、例えば厚さの範囲は、５μｍ〜１００μｍである。
【００１３】
Ｍ．Ｋａｍｐらは、「ＭａｔＲｅｓＳｏｃＰｒｏｃ」，Ｖｏｌ４４９，１６１頁（１９９７年）において、ＭＢＥによる自立型ＧａＮ層上でのＧａＮ層の成長について報告している。ＦＷＨＭが０．５ｍｅＶの光ルミネセンス（ＰＬ）線幅および１０²〜１０³ｃｍ^-2の範囲内の転位密度を有する良好な品質のＧａＮが得られている。しかしながら、Ｋａｍｐらは、唯一７５０℃の成長温度のみで達成している。
【００１４】
ＷＯ９７／１３８９１は、単結晶ＧａＮまたはＧａ（Ａｌ，Ｉｎ）_N上の窒化物半導体層（ＧａＮまたはＧａ（Ａｌ，Ｉｎ）Ｎ）のエピタキシャル成長方法を開示している。主にこの文献は、基板が製造される方法を示し、ＧａまたはＧａ，Ａｌ，Ｉｎの溶液を、加熱された窒素雰囲気下で配置して、ＧａＮまたはＧａ（Ａｌ，Ｉｎ）Ｎのバルク結晶を成長させることを教示している。
【００１５】
バルク結晶は、成長後にエピタキシャル成長プロセスにおいて基板として用いられ得る。この文献において、５００〜９００℃の温度範囲で、ＭＢＥによってエピタキシャル層を基板上で成長させることが可能であると推測されている。しかしこの文献は、９００℃というＧａＮのＭＢＥ成長温度が、どのようにして得られるかについての教示を含んでいない。
【００１６】
ＧａＮテンプレート基板上のＧａＮの成長は、例えば、Ｗ．Ｃ．Ｈｕｇｈｅｓらが、「Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．ＴｅｃｈｎｏｌＢ」、Ｖｏｌ．１３，１５７１頁（１９９５年）において報告されている。この報告において、ＧａＮは、ＭＢＥ成長プロセスの窒素源としてプラズマ励起分子窒素を用いるＭＢＥによって成長する。ＧａＮテンプレート基板上のＧａＮのＭＢＥ成長についての他の報告は、Ｅ．Ｊ．Ｔａｒｓａらによる「ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ」，Ｖｏｌ．８２，５４７２頁（１９９７年）、Ｈ．Ｓａｋａｉらによる「ＪａｐａｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ」，Ｖｏｌ．３４，Ｌ１４２９（１９９５年）、Ｍ．Ａ．Ｓａｎｃｈｅｚ−Ｇａｒｃｉａらによる、「Ｐｈｙｓ．Ｓｔａｔ．Ｓｏｌ．（ａ）」，Ｖｏｌ．１７６，４４７頁（１９９９年）、Ｓ．Ｋｕｒａｉらによる「Ｐｈｙｓ．Ｓｔａｔ．Ｓｏｌ．（ａ）」，Ｖｏｌ．１７６，４５９頁（１９９９年）、およびＡ．Ｒｉｎｔａ−Ｍｏｙｋｋｙらによる「Ｐｈｙｓ．Ｓｔａｔ．Ｓｏｌ．（ａ）」，Ｖｏｌ．１７６，４６５頁（１９９９年）において報告されている。これらの各報告において、ＭＢＥ成長プロセスの窒素源として、プラズマ励起分子窒素が用いられる。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明の方法は、分子線エピタキシーによって窒化物半導体層を成長させる方法であって、ａ）成長チャンバ（１０）内に配置されるＧａＮ基板（Ｓ）を少なくとも８５０℃の基板温度まで加熱する工程と、ｂ）分子線エピタキシーによって、少なくとも８５０℃の基板温度で、窒化物半導体層を該ＧａＮ基板上に成長させる工程であって、該窒化物半導体層の成長の間、アンモニアガスが該成長チャンバ（１０）に供給される工程とを包含し、工程（ａ）の間、該基板温度が８００℃に達する前に該アンモニアガスの成長チャンバへの供給を開始する工程をさらに包含する。
【００１８】
本発明の方法は、前記基板温度が前記窒化物半導体層の成長の間、８５０℃〜１０５０℃の範囲内であってもよい。
【００１９】
本発明の方法は、前記基板温度を、前記窒化物半導体層が成長した後、前記アンモニアガスの成長チャンバへの供給を維持しながら、８００℃より低い温度に低減する工程をさらに包含してもよい。
【００２０】
本発明の方法は、前記基板を、前記窒化物半導体層を成長させる前に、所定の時間、８５０℃より高い基板温度で維持する工程であって、該所定の時間の間、アンモニアガスが前記成長チャンバに供給される工程をさらに包含してもよい。
【００２１】
本発明の方法は、前記基板温度が前記所定の時間の間、８５０℃〜１０５０℃の範囲内に維持されてもよい。
【００２２】
本発明の方法は、前記所定の時間が３０分以下であってもよい。
【００２３】
本発明の方法は、アンモニアガスが工程（ａ）の全継続時間の間前記成長チャンバに供給されてもよい。
【００２４】
本発明の方法は、前記窒化物半導体層が、ＧａＮ層であってもよい。
【００２５】
本発明の方法は、前記基板が自立型ＧａＮ基板であってもよい。
【００２６】
本発明の方法は、前記基板がテンプレートＧａＮ基板であってもよい。
【００２７】
本発明の方法は、前記窒化物半導体層上に、少なくとも１つの（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ半導体層を成長させる工程をさらに包含してもよい。
【００２８】
本発明の方法は、前記方法によって成長する窒化物半導体層であってもよい。
【００２９】
本発明の方法は、前記窒化物半導体層を備える半導体デバイスであってもよい。
【００３０】
本発明の第１の局面によって、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）によって窒化物半導体層を成長させる方法が提供され、該方法は、成長チャンバ内に配置されるＧａＮ基板を少なくとも８５０℃の基板温度まで加熱する工程と、分子線エピタキシーによって、少なくとも８５０℃の基板温度で窒化物半導体層をＧａＮ基板上に成長させる工程であって、窒化物半導体層の成長の間、アンモニアガスが成長チャンバに供給される工程とを包含し、該方法は、工程（ａ）の間、基板温度が８００℃に達する前にアンモニアガスの成長チャンバへの供給を開始する工程をさらに包含する。従って本発明は、ＭＢＥによって高品質の窒化物半導体層を成長させる方法を提供する。基板を加熱する工程の間、基板温度が８００℃に達する前に、アンモニアガスの基板への供給を開始する工程によって、基板の熱分解が防止される（そうでない場合には、８００℃より高い基板温度で熱分解が起こる）。
【００３１】
基板温度が、窒化物半導体層の成長の間、８５０℃〜１０５０℃の範囲内であってもよい。
【００３２】
基板温度を、窒化物半導体層が成長した後、アンモニアガスの成長チャンバへの供給を維持しながら、８００℃より低い温度に低減する工程をさらに包含してもよい。
【００３３】
基板を、窒化物半導体層を成長させる前に、所定の時間、８５０℃より高い基板温度で維持する工程であって、所定の時間の間、アンモニアガスが成長チャンバに供給される工程をさらに包含してもよい。このため、基板のガス放出が可能になり、成長プロセスの開始の前に基板から不純物が除去される。
【００３４】
基板温度が、所定の時間の間、８５０℃〜１０５０℃の範囲内に維持されてもよい。
【００３５】
所定の時間が３０分以下であってもよい。
【００３６】
アンモニアガスが、工程（ａ）の全継続時間の間成長チャンバに供給されてもよい。
【００３７】
窒化物半導体層が、ＧａＮ層であってもよい。基板が、自立型ＧａＮ基板であってもよいし、あるいは、ＧａＮテンプレート基板であってもよい。ＧａＮ基板を用いることによって、例えば、ＧａＮ層がサファイアまたは炭化ケイ素基板上に成長する場合に生じる、格子不整合および熱不整合が除去される。
【００３８】
前記方法は、窒化物半導体層上に、少なくとも１つの（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ半導体層を成長させる工程をさらに包含してもよい。従って、本発明によって、高品質な（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ電子デバイスまたは光電子デバイスを製造することが可能になる。
【００３９】
本発明の第２の局面によって、上記の方法によって成長する窒化物半導体層が提供される。
【００４０】
本発明の第３の局面によって、上記の窒化物半導体層を備える半導体デバイスが規定される。
【００４１】
【発明の実施の形態】
次に、添付の図面を参照しながら、一例として本発明の好適な実施形態を説明する。
【００４２】
次に、本発明の方法によるＧａＮ層の成長を示す成長方法の一例を説明する。
【００４３】
適切な基板が、従来の様態で作製され、ＭＢＥ装置の成長チャンバに導入される。この基板は、好適には自立型ＧａＮ基板であるが、ＧａＮテンプレート基板も用いられ得る。上述したように、ＧａＮテンプレート基板は、基礎となる基板上に成長した、比較的厚いエピタキシャル層（例えば、厚さ５μｍ〜１００μｍの範囲）からなる。基礎となる基板は、例えば、サファイア、炭化ケイ素、ケイ素、酸化亜鉛、または酸化マグネシウムであり得る。
【００４４】
本発明の方法において、ＧａＮ基板上の窒化物半導体層のＭＢＥ成長は、８５０℃以上の温度で実施される。本発明によって約５，０００までのＶ／ＩＩＩ比を得ることができるので、このような高い成長温度を得ることが可能である。
【００４５】
実際には、使用されているＭＢＥ機器の制約によって、達成可能な成長温度が最大約１，０５０℃まで制限されることが分かっている。本発明の方法において、原則としてこれよりも高い成長温度を得ることができるが、窒化物半導体層を成長させるＭＯＣＶＤプロセスによって、達成可能な最大成長温度と対応するので、１，０５０℃の最大成長温度が許容される。
【００４６】
本発明の方法において、基板は、少なくとも８５０℃の所定の温度まで初期的に加熱される。上述のように実際に達成可能な最大温度は、１，０５０℃のオーダーである可能性が高い。これを、図１において工程（ａ）として示す。
【００４７】
基板の温度を増加させる速度は、基板において熱応力を引き起こすため、不均一な温度分布が発生するような速度にならないようにする必要がある。毎分１０〜１２０℃の温度上昇速度が適切であることが見出される。
【００４８】
ＧａＮは、８００℃付近以上の温度に加熱されると分解する傾向がある。ＧａＮの分解が開始する温度は、圧力に依存し、真空条件下では、分解が開始する温度は、７５０℃〜８００℃の範囲内である。この分解は、窒素ガスまたはアンモニアガスを成長チャンバに供給して、過剰圧力（分解圧力より高い圧力）の窒素ガスまたはアンモニアガスがＧａＮ基板の表面上に存在するようにすることによって防止され得る。従って、本発明によると、基板が分解しやすい温度では、アンモニアガスは、成長チャンバに供給されて、ＧａＮ基板の表面上で窒素ガスまたはアンモニアガスの過剰圧力を確立し、維持して、基板の熱分解を防止する。これは、基板の加熱工程（ａ）の間、基板の温度が８００℃に達する前に、アンモニアガスの成長チャンバへの供給を開始することによって達成される。
【００４９】
原則として、アンモニアガスは、基板の温度が実質的に８００℃より低い場合、このような温度では基板の分解が起こらないので、成長チャンバに供給される必要がない。しかし、実際には、アンモニアガスを、加熱工程の全継続時間の間成長チャンバに供給することがより簡便である。従って、本発明の好適な実施形態において、アンモニアガスは、加熱工程（ａ）の全継続時間にわたって成長チャンバに供給され、過剰圧力のアンモニアガスが加熱工程の全継続時間にわたって基板表面に存在する。あるいは、アンモニアガスの成長チャンバへの供給は、加熱工程の間ではあるが、８００℃より低い基板温度で、開始され得る。例えば、アンモニアガスの成長チャンバへの供給は、基板温度が、分解開始温度範囲の下限に達する前に（すなわち、基板温度が７５０℃に達する前に）、開始されてもよいし、誤差範囲を提供するために、これより低い基板温度で開始されてもよい。
【００５０】
基板温度が所望の値に達した後、基板はこの温度に維持されて、基板を熱焼成（ベーキング）し、基板から汚染物が除去される。これは、図１の工程（ｂ）である。図１において、熱焼成（ベーキング）工程は、５分を僅かに越える継続時間を有するが、熱焼成（ベーキング）工程の継続時間は、３０分間までの任意の時間であり得る。
【００５１】
熱焼成（ベーキング）工程の間、アンモニアガスの成長チャンバへの供給が維持されて、ＧａＮ基板の熱分解を防止する。また、アンモニアガスの供給は、熱焼成（ベーキング）工程の間、基板の表面からの汚染物の除去を促進し、窒化物である基板表面を露出させる。
【００５２】
熱焼成（ベーキング）工程が完了した後、分子線エピタキシーによって、基板の上にＧａＮ層が成長する。上述したように、アンモニアガスは、基板にすでに供給されており、ＭＢＥ成長プロセスの窒素源として機能する。従って、ＭＢＥ成長を開始するためには、ガリウム源を提供することしか必要でない。ガリウムが成長チャンバに供給された後、基板の上でＧａＮ膜のＭＢＥ成長が起こる。
【００５３】
この実施形態において、ＭＢＥ成長プロセスのためのガリウムは、１×１０^-8〜１×１０^-5ｍｂａｒの範囲のビーム等価圧力を有する、ガリウム元素ビームによって供給される。成長プロセスの間、アンモニアガス供給の適切なビーム等価圧力は、１×１０^-4〜１×１０^-2ｍｂａｒである。熱焼成および成長工程において同じビーム等価圧力を用いることが必須ではないが、熱焼成工程において、成長工程と同じアンモニアのビーム等価圧力が、用いられ得る。
【００５４】
ＭＢＥ成長工程は、図１の工程（ｃ）である。
【００５５】
ＧａＮ層が、所望の厚さまで成長した後、元素状態で存在するガリウムの成長チャンバへの供給を停止することによって、ＭＢＥ成長プロセスは停止される。その後、図１の工程（ｄ）で示すように、基板が冷却される。アンモニアガスの基板への供給は、基板の温度が工程（ｄ）で降下される間、少なくとも基板の温度が８００℃より下がるまで継続して、ＧａＮの熱分解を防止する。実際には、冷却工程（ｄ）の全継続時間の間アンモニアガスを成長チャンバに供給することがより簡便である。あるいは、アンモニアガスの成長チャンバへの供給は、冷却工程の間、例えば、基板温度が７５０℃以下に下がった場合、中断され得る。
【００５６】
基板の冷却工程の間、温度上昇速度が、基板内、または基板とＧａＮ層との間で不適切な熱応力を引き起こさないように、再び選択される必要がある。適切な温度降下速度は、再び毎分１０℃〜１２０℃の範囲内である。
【００５７】
ＧａＮ層の成長の間、Ｖ／ＩＩＩモル比は、好適には１０：１より大きく、好適には５，０００：１より小さい。原則として５，０００：１より大きいＶ／ＩＩＩモル比が用いられ得るが、５，０００：１より大幅に大きいＶ／ＩＩＩモル比で成長が実施される場合、成長速度が遅いことが分かる。約５，０００：１のＶ／ＩＩＩモル比が、約０．５〜１．０μｍ／ｈの範囲内の成長速度を提供する一方で、達成され得る最大値である。この高いＶ／ＩＩＩモル比によって、ＧａＮ層が、従来技術によるＧａＮのＭＢＥ成長において用いられる温度より大幅に高い８５０℃以上の温度で成長することが可能になる。本発明によって、より高い成長温度が用いられることが可能になるので、得られるＧａＮ層の質が向上する。
【００５８】
図２は、本発明の方法を用いるＧａＮ層成長の断面の透過電子顕微鏡写真である。図２は、ＧａＮテンプレート基板上に成長した、厚さ３μｍの、意図してはドーピングしていないＧａＮ層の断面を示す。ＧａＮ層における貫通転位の密度は、約１×１０⁸ｃｍ^-2である。これは、Ａｒａｓａｋｉら（上記）によって報告された、ＭＯＣＶＤによって成長したＧａＮにおける転位の典型的な密度、１０⁸〜１０¹⁰ｃｍ^-2に匹敵する。
【００５９】
図２の材料における貫通転位密度は、従来のＭＢＥによって成長したＧａＮのサンプルにおける密度よりも大幅に低い。例えば、Ｇｒａｎｄｊｅｎら（上記）は、ＭＢＥ成長したＧａＮにおける貫通転位密度が、５×１０⁹ｃｍ^-2より高いことを報告している。
【００６０】
本発明の方法を用いて成長させたＧａＮ層のフリーキャリアー濃度および電子移動度が、室温のホール効果測定を用いて測定された。本発明のＭＢＥ方法によって成長した、意図的にはドープしていないＧａＮ膜は、典型的には、ｎ型フリーキャリアー濃度が、３×１０¹⁶ｃｍ^-3より低く、電子移動度が、５００ｃｍ²Ｖ^-1ｓ^-1より高いことが見受けられる。これらの結果は、従来のＭＯＣＶＤ成長方法を用いて成長した典型的なＧａＮ層において得られるキャリアー濃度および電子移動度と比較すると有利である。
【００６１】
図３に、本発明のＭＢＥ成長プロセスを用いて成長した、意図的にはドーピングをしていないＧａＮ層のフォトルミネセンス（ＰＬ）スペクトルを示す。スペクトルが、バンド帯近くの放射によって支配され、自由励起子ピークを含むことが分かる。図３のＰＬスペクトルは、高品質ＧａＮ層が高品質であることを示している。
【００６２】
本発明の方法によって成長したＧａＮ層の表面は、非常に滑らかであることが分かった。粗さは、原子間力顕微鏡によって測定され、これによって、表面のＲＭＳ（自乗平均）粗さが１ｎｍのオーダーであることが示される。
【００６３】
本発明の成長プロセスの間、高いＶ／ＩＩＩ比を用いることによって、従来技術によるＭＢＥ方法において用いられる温度よりずっと高い温度で、窒化物半導体層が成長することが可能になる。これは、材料の質の向上につながる。本発明のＭＢＥ成長プロセスが必要とするアンモニアガスは、従来のＭＯＣＶＤプロセスが必要とするアンモニアガスより、少なくとも、０．００１倍である。
【００６４】
本発明は、成長プロセスの間、１０：１より大きいＶ／ＩＩＩモル比を得ることができるＭＢＥ成長装置を必要とする。このような高いＶ／ＩＩＩモル比は、例えば、基板からの放射熱が供給配管の出口を局所的に過剰に加熱しない状態で、可能な限り基板の近傍に出口端部が配置される配管を通して、アンモニアガスが成長チャンバに導入されるＭＢＥ成長装置において、達成することができる。ガリウム元素が、従来の噴出セルを用いる成長チャンバに導入される。必要に応じてエピタキシャル成長材料に組み込むために、さらなる噴出セルが用いられ、アルミニウムおよび／またはインジウムおよび／またはドーパント元素が供給され得る。
【００６５】
図４は、本発明の方法による、窒化物半導体材料の分子線エピタキシーによる成長に適切な装置の模式図である。この装置は、基板Ｓを支持し、加熱するように構成される加熱支持体１２を配置する成長チャンバ１０を備える。成長チャンバ１０は、成長チャンバ１０まで延びる排気配管１６を介して超高真空ポンプ１４に接続されている。排気配管１６の内部端は、成長チャンバ１０の真空出口１８を規定する。真空出口１８は、基板支持体１２に隣接するように配置される。
【００６６】
成長チャンバ１０には、第１の供給配管２０がさらに設けられ、第１の供給配管２０は、成長チャンバまで延びて、第１の供給配管２０の出口２２が、エピタキシャル成長が行われる基板Ｓの表面に隣接し、向かい合う。第１の供給配管２０が、チャンバに対して調節が可能なように実装されて、第１の供給配管２０の出口２２と基板Ｓのエピタキシャル成長表面との間の比較的短い距離は、エピタキシャル成長プロセスの間、変動し得る。第１の供給配管２０の長手軸は、エピタキシャル成長の平面に対して実質的に垂直である。
【００６７】
第１の供給配管２０が用いられて、エピタキシャル成長プロセスにおいて必要な窒素の前駆物質であるアンモニアが供給される。第１の供給配管２０の出口２２が、基板のＳの比較的近傍に位置するので、比較的高いアンモニア蒸気圧が、エピタキシャル成長材料の表面に局在する一方、成長チャンバ１０内においては、ポンプ１４によって得られる超高真空環境を可能にする。高いアンモニア蒸気圧によって、成長プロセスの間、高いＶ／ＩＩＩ比を実現することが可能になる。
【００６８】
装置は、エピタキシャル成長プロセスの間必要とされ得る、ガリウム元素および他の元素（例えば、アルミニウム、インジウム、もしくはドーパント）源を含む、独立に動作可能であり、シャッターによって制御される噴出セル２４および２６（このような２つのセルを図４に示す）をさらに備える。噴出セル２４および２６は、従来から配置されており、それぞれ、第２の、およびさらなる供給配管を規定する。
【００６９】
上記のタイプのＭＢＥ装置は、欧州特許出願第９８３０１８４２．５号に記載されている。この出願の内容を、本明細書中で参考として援用する。しかし、本発明が、欧州特許出願第９８３０１８４２．５／０８６４４７２号に記載されているタイプのＭＢＥ装置に限定されるものではなく、必要なＶ／ＩＩＩ比を提供し得るＭＢＥ成長装置において実行され得ることが理解されるべきである。
【００７０】
上述した実施形態は、ＧａＮ層の成長に関するが、本発明は、これに限定されるものではなく、例えば、Ｇａ_xＡｌ_1-xＮ、Ｇａ_yＩｎ_1-yＮ、またはＧａ_xＡｌ_yＩｎ_1-x-yＮのような他の窒素半導体層の成長において用いられ得る。
【００７１】
上述した実施形態において、成長したＧａＮ層は、意図的にドーピングされていない。しかし、ＭＢＥ成長プロセスの間、周知の様態で、適切なドーパントを導入することによって、ＧａＮ層をドーピングすることが可能である。適切なドーパントには、例えば、ケイ素、錫、ゲルマニウム、カルシウム、炭素、ベリリウム、およびインジウムが含まれる。
【００７２】
窒化物半導体層が、本発明の分子線エピタキシー方法によって成長した後、さらなる半導体層が、（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ電子デバイスまたは光電子デバイスを製造するように、成長し得る。例えば、本発明の方法によって成長したＧａＮ層は、３８０〜４５０ｎｍの範囲の波長の光を放出するレーザデバイスの基礎として用いられ得る。
【００７３】
窒化物半導体層を成長させる本発明による方法によって、高品質ＧａＮ層がＧａＮ基板上で成長することが可能になる。ＧａＮ基板は、ＭＢＥ装置の成長チャンバ内に位置し、少なくとも８５０℃まで加熱される（ａ）。アンモニアガスの成長チャンバへの供給は、この工程の間、基板温度が８００℃に達する前に、開始される。これによって、アンモニアの過剰圧力が基板の表面上で発生して、基板の熱分解を防止する。
【００７４】
その後、基板は、３０分間を上限として、焼成される（ｂ）。これによって、基板の表面から汚染物が除去される。
【００７５】
その後、ＭＢＥによって、窒化物半導体層が基板上で成長する（ｃ）。成長工程の間、基板温度は、少なくとも８５０℃である。
【００７６】
最終的に、基板の温度は、８００℃以下まで低減される（ｄ）。アンモニアガスの基板への供給は、この冷却工程の間、少なくとも基板温度が８００℃より下に下がるまで、維持される。
【００７７】
本発明は、自立型ＧａＮ基板とともに用いられてもよいし、テンプレートＧａＮ基板と共に用いられてもよい。本発明が用いられて、ドーピングされた窒化物半導体層または意図的にドーピングされていない窒化物半導体層が成長し得る。
【００７８】
【発明の効果】
本発明のＭＢＥ成長方法によって、従来技術によるＧａＮのＭＢＥ成長において用いられる温度より大幅に高い８５０℃以上の温度で成長することが可能になる。従って、高い成長温度が用いられることが可能になるため、得られるＧａＮ層の質を向上させる。
【００７９】
本発明のＭＢＥ成長方法によって、必要とされるアンモニアガスの量は、ＭＯＣＶＤ法と比較してわずか１０００分の１程度に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の一実施形態による、成長プロセスの間の時間に対する基板温度の模式図である。
【図２】図２は、本発明の方法による、ＧａＮテンプレート基板上のＧａＮ成長の層の断面を示す透過電子顕微鏡写真である。
【図３】図３は、本発明の方法による、ＧａＮテンプレート基板上で成長した、意図的にはドーピングしないＧａＮ層の光ルミネセンススペクトルを示す図である。
【図４】図４は、本発明を実行するための適切なＭＢＥ装置の一例の模式図である。
【符号の説明】
１０成長チャンバ

Claims

分子線エピタキシーによって窒化物半導体層を成長させる方法であって、
ａ）成長チャンバ（１０）内に配置されるＧａＮ基板（Ｓ）を少なくとも８５０℃の基板温度まで加熱する工程と、
ｂ）分子線エピタキシーによって、少なくとも８５０℃の基板温度で、窒化物半導体層を該ＧａＮ基板上に成長させる工程であって、該窒化物半導体層の成長の間、アンモニアガスが該成長チャンバ（１０）に供給される工程と、
を包含し、
工程ａ）の間、該基板温度が８００℃に達する前に、該アンモニアガスの成長チャンバへの供給を開始する工程をさらに包含する、
方法。
前記基板温度が、前記窒化物半導体層の成長の間、８５０℃〜１０５０℃の範囲内である、請求項１に記載の方法。
前記基板温度を、前記窒化物半導体層が成長した後、前記アンモニアガスの成長チャンバへの供給を維持しながら、８００℃より低い温度に低減する工程をさらに包含する、請求項１または２に記載の方法。
前記基板を、前記窒化物半導体層を成長させる前に、所定の時間、８５０℃より高い基板温度で維持する工程であって、該所定の時間の間、アンモニアガスが前記成長チャンバに供給される工程をさらに包含する、上記の請求項のいずれかに記載の方法。
前記基板温度が、前記所定の時間の間、８５０℃〜１０５０℃の範囲内に維持される、請求項４に記載の方法。
前記所定の時間が３０分以下である、請求項４または５に記載の方法。
アンモニアガスが、工程ａ）の全継続時間の間前記成長チャンバに供給される、上記の請求項のいずれかに記載の方法。
前記窒化物半導体層が、ＧａＮ層である、上記の請求項のいずれかに記載の方法。
前記基板が、自立型ＧａＮ基板である、上記の請求項のいずれかに記載の方法。
前記基板が、テンプレートＧａＮ基板である、請求項１〜８のいずれかに記載の方法。
前記窒化物半導体層上に、少なくとも１つの（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ半導体層を成長させる工程をさらに包含する、上記の請求項のいずれかに記載の方法。