JP3962101B2

JP3962101B2 - 窒化物半導体のヘテロエピタキシャル成長方法

Info

Publication number: JP3962101B2
Application number: JP9313295A
Authority: JP
Inventors: 正和桑原; 博文菅; 明広石田; 洋藤安; 愼吾榊原; 悦司山本
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK; Yamaha Corp
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK; Yamaha Corp
Priority date: 1995-03-27
Filing date: 1995-03-27
Publication date: 2007-08-22
Anticipated expiration: 2022-08-22
Also published as: JPH08264439A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、基板上での窒素化合物半導体の成長方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ系の窒素化合物半導体は、青色発光素子材料として研究が進められており、近年高輝度で発光する青色ＬＥＤが開発、商品化され脚光を浴びている。しかしながら、ＧａＮ系の結晶性の良いバルク単結晶が作製しにくいため、これらデバイスの薄膜成長は、サファイア基板等、別の材料へのヘテロエピタキシャルとなる。現在市販されているＧａＮ系ＬＥＤは、サファイア基板上に通常のＧａＮの成長（１０００℃）より低い温度（５００〜６００℃）で成長させたバッファー層を作製し、その上に１０００℃で薄膜結晶を成長させることにより高品質な薄膜の作成を可能にしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の技術におけるバッファー層は、高品質の薄膜結晶を作製するのに多大な効果を上げたが、その成長条件（温度、膜厚など）が厳しく、安定した窒化物半導体を得ることが困難であった。
【０００４】
本発明は、上記を鑑みてなされたものであり、良質の窒化物半導体層を得ることができる窒化物半導体のヘテロエピタキシャル成長方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の窒化物半導体のヘテロエピタキシャル成長方法は、基板の表面での窒化物半導体のヘテロエピタキシャル成長方法であって、基板の表面を、窒素が活性化する温度以上の高温にして、基板の表面を窒化する第１の工程と、基板の表面を前記高温よりも低温にして、窒化された基板の表面上に、成長すべき化合物半導体の陽イオン元素を１原子層以上堆積あるいは蒸着する第２の工程と、基板の表面を、再度、窒素が活性化する温度以上の高温にして、窒素を供給することにより、堆積あるいは蒸着された原子層を窒化して、基板の表面上に窒化物半導体から成る表面薄膜層を形成する第３の工程と、を備え、窒化物半導体は、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＧａＩｎＮ、またはＧａＡｌＮであり、窒化物半導体の陽イオン元素はＧａ、Ｉｎ、またはＡｌであることを特徴とする。
【０００７】
また、基板は、Ａｌ₂Ｏ₃、ＢＮ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、またはＺｎＯから成ることを特徴としてもよい。
【０００８】
また、第１の工程では、基板の表面をアンモニア基を有する化合物気体雰囲気中、窒素雰囲気中、もしくは、窒素ラジカル雰囲気中にさらす、または、窒素イオンを打ち込むことを特徴としてもよい。
【００１０】
第３の工程では、基板の表面をアンモニア基を有する化合物気体雰囲気中、窒素雰囲気中、もしくは窒素ラジカル雰囲気中にさらす、または、窒素イオンを打ち込むこととしてもよい。
【００１１】
また、第３の工程に引き続き、更に、第２の工程の処理と第３の工程の処理とを繰り返す第４の工程を備えることを特徴としてもよい。
【００１２】
【作用】
本発明の窒化物半導体のヘテロエピタキシャル成長方法では、基板表面をまず高温にして、窒素だけを供給して均一な窒化面を作製する。その後窒化した表面を比較的低温として、均一にＧａなどの陽イオン元素を蒸着する。そして再度高温にしながら窒素を供給することにより表面を窒化するとともに余分な陽イオン元素を再蒸発させ、陽イオン原子と窒素原子の結合を促し、これにより窒化物半導体の均質な初期層を形成する。
【００１３】
発明者は、ヘテロエピタキシャルの初期層の成長メカニズムに着目した研究および実験の結果、Ｇａなどの融点が比較的低く、窒素の活性化する温度、ＧａＮなどの成長温度が非常に高いため、これらの温度差が成長中の組成変動を引き起こし、均質なＧａＮの成長を困難にしているという知見を得た。
【００１４】
この知見によれば、本発明の窒化物半導体のヘテロエピタキシャル成長方法では、窒素の供給と陽イオン元素の供給とを別々の行うため、ヘテロエピタキシャル成長に伴う陽イオン元素の薄膜からの解離などによる欠陥の発生を抑制でき、その後の結晶成長における転位の発生を防ぐ。
【００１５】
これまでのバッファー層の成長が基板表面から進行するのに対し、Ｇａなどの陽イオン元素の堆積層の表面から進行することにより、基板との界面で効率的に格子不整合の吸収をさせることができる。
【００１６】
【実施例】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の窒素半導体のヘテロエピタキシャル成長方法の実施例を説明する。なお、図面の説明にあたって、同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００１７】
図１は、本発明の実施例の窒素半導体のヘテロエピタキシャル成長方法の工程図である。本実施例では、まず、清浄な表面１１０を有するサファイア基板１００を容易する（図１（ａ）参照）。本実施例では、有機洗浄および硫酸−過酸化水素系エッチング液で洗浄を行ったサファイア（０００１）基板１００を、真空チャンバ内で１０^-6Ｔｏｒｒ程度に真空引きして、１０００℃で３０分間サーマルクリーニングを行い、表面を洗浄化して清浄な表面１１０を得た。
【００１８】
次に、窒素源から供給された活性化した窒素原子Ｎで、基板１００の表面の酸素と置き換えるなどして、均一な窒化面１２０を生成する（図１（ｂ）参照）。本実施例では、基板温度を１０００℃に保つとともに、成長室内を８９０℃として、成長室内にアンモニアを１０ｃｃ／ｍｉｎで流入させつつ３０分間放置して、基板表面を窒化し、均一な窒化面１２０を生成した。
【００１９】
引き続き、アンモニアの流入を止め、基板１００の温度を５５０℃まで下げて、１分〜１０分の間Ｇａを蒸着して窒化面１２０上にＧａを堆積させ、窒化面１２０との界面ではＧａＮ層３１０を、ＧａＮ層３１０上にはＧａ層３２０を形成する（図１（ｃ）参照）。
【００２０】
次に、Ｇａの供給を止め、再びアンモニアを供給してアンモニア雰囲気中で９１０℃まで昇温して、ＧａＮの表面薄膜層３３０を生成するとともに、余分なＧａを再蒸発させる（図１（ｄ）参照）。引き続き、アンモニア雰囲気中で９１０℃の状態を約１分間以上維持して、ＧａＮ層３５０（以後、初期層とも呼ぶ）を形成し、サファイア／ＧａＮヘテロエピタキシャル基板を得る（図１（ｅ）参照）。
【００２１】
以上の工程で成長したサファイア／ＧａＮヘテロエピタキシャル基板のＧａＮの膜厚は、アルゴンイオンによるスパッタ時間の測定より、数十オングストロームであった。
【００２２】
こうして得られた初期層３５０の表面上に更にＧａＮ層を成長させる。
【００２３】
図２は、本発明の初期層形成工程の各工程におけるオージェ分析結果のグラフである。図２（ａ）は図１（ａ）におけるサファイア基板のオージェ分析結果であり、図２（ｂ）は図１（ｂ）における窒化後のオージェ分析結果であり、図２（ｃ）は図１（ｃ）におけるＧａの蒸着後オージェ分析結果であり、図２（ｄ）は図１（ｅ）におけるさらに窒化した表面を示している。図２に示す分析結果から、各工程での元素組成が確認できる。
【００２４】
図３は、初期層形成過程におけるＲＨＥＥＤ測定の結果である。図３（ａ）は図１（ｃ）におけるＧａの蒸着後のＲＨＥＥＤ測定の結果であり、基板１００の窒化面１２０にＧａ蒸着した表面がアモルファス状になっていることが確認できる。また、図３（ｂ）および図３（ｃ）は、図１（ｅ）におけるＧａＮ層３５０のＲＨＥＥＤ測定の結果であり、ＧａＮ層３５０がＧａＮの結晶からなっていることが確認できる。
【００２５】
図４は、成長したＧａＮ結晶のＳＥＭ写真である。図４（ａ）は、サファイア基板に直接ＧａとＮを供給して、ＧａＮを約２μｍ成長したものである。図４（ｂ）は、本発明による初期層を形成後、ＧａＮを同じく約２μｍ成長したものである。図４（ａ）と図４（ｂ）とを比較すると、小さな多結晶の集まりである図４（ａ）に比べ、図４（ｂ）では横方向の成長が促進され良質な単結晶の集まりとなっていることが分かる。
【００２６】
図５は、図４と同じ条件で成長させたＧａＮのＸ線回析パターンである。サファイア基板に直接ＧａとＮを供給してＧａＮを成長させた図５（ａ）は、結晶性が悪く、（０００１）方向の結晶にそろっていない。これに対し、本発明の初期層を形成後にＧａＮを成長させた図５（ｂ）では、回析強度が強く、良質な単結晶であることを示している。
【００２７】
本発明は、上記の実施例に限定されるものではなく、変形が可能である。例えば、上記実施例では基板として、サファイア基板を使用したが、ＢＮ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、またはＺｎＯのいずれかから成る基板を使用しても同様に良質の窒素半導体の形成が可能である。
【００２８】
また、上記実施例では窒素半導体をＧａＮとしたが、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＧａＩｎＮ、またはＧａＡｌＮも同様にして成長可能である。
【００２９】
また、図１（ｃ）の工程や図１（ｅ）に続く工程では、アンモニアとＧａとを同時に供給してもよい。
【００３０】
【発明の効果】
以上、詳細に説明した通り、本発明の窒化物半導体のヘテロエピタキシャル成長方法によれば、基板表面を高温にして窒素だけを供給して均一な窒化面を作製後、窒化した表面を比較的低温として均一に陽イオン元素を蒸着し、再度高温にしながら窒素を供給することにより表面を窒化するとともに余分な陽イオン元素を再蒸発させ、陽イオン原子と窒素原子の結合を促して窒化物半導体の均質な初期層を形成するので、点欠陥による転位の発生が抑制でき、基板との格子不整合を効率的に吸収することにより、その後の結晶核の生成および成長をスムーズにすることができ、均質な窒化物半導体の結晶の成長させることができる。
【００３１】
また、この本発明の窒化物半導体のヘテロエピタキシャル成長方法を応用すれば、超格子構造の窒化物半導体の作成が可能となり、デバイス応用の分野で、機能の大幅な拡張が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の窒素半導体のヘテロエピタキシャル成長方法の工程図である。
【図２】初期層形成過程におけるオージェ分析結果を示すグラフである。
【図３】初期層形成工程におけるＲＨＥＥＤ測定の結果図である。
【図４】成長したＧａＮの結晶構造の写真である。
【図５】成長したＧａＮのＸ線回析パターンの測定結果のグラフである。
【符号の説明】
１００…基板、１１０…清浄表面、１２０…窒化面、３１０，３３０，３５０…ＧａＮ層、３２０…Ｇａ層。
代理人弁理士長谷川芳樹

Claims

基板の表面での窒化物半導体のヘテロエピタキシャル成長方法であって、
前記基板の表面を、窒素が活性化する温度以上の高温にして、前記基板の表面を窒化する第１の工程と、
前記基板の表面を前記高温よりも低温にして、窒化された前記基板の表面上に、成長すべき化合物半導体の陽イオン元素を１原子層以上堆積あるいは蒸着する第２の工程と、
前記基板の表面を、再度、窒素が活性化する温度以上の高温にして、窒素を供給することにより、堆積あるいは蒸着された前記原子層を窒化して、前記基板の表面上に窒化物半導体から成る表面薄膜層を形成する第３の工程と、
を備え、
前記窒化物半導体は、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＧａＩｎＮ、またはＧａＡｌＮであり、
前記窒化物半導体の陽イオン元素はＧａ、Ｉｎ、またはＡｌであることを特徴とする窒化物半導体のヘテロエピタキシャル成長方法。
前記基板は、Ａｌ₂Ｏ₃、ＢＮ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、またはＺｎＯから成る、ことを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体のヘテロエピタキシャル成長方法。
前記第１の工程では、前記基板の表面をアンモニア基を有する化合物気体雰囲気中、窒素雰囲気中、もしくは、窒素ラジカル雰囲気中にさらす、または、窒素イオンを打ち込むことを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体のヘテロエピタキシャル成長方法。
前記第３の工程では、前記基板の表面をアンモニア基を有する化合物気体雰囲気中、窒素雰囲気中、もしくは窒素ラジカル雰囲気中にさらす、または、窒素イオンを打ち込むことを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体のヘテロエピタキシャル成長方法。
前記第３の工程に引き続き、更に、前記第２の工程の処理と前記第３の工程の処理とを繰り返す第４の工程を備える、ことを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体のヘテロエピタキシャル成長方法。