JP4096418B2

JP4096418B2 - Ｉｉｉ族窒化物半導体の成膜方法

Info

Publication number: JP4096418B2
Application number: JP27067498A
Authority: JP
Inventors: 慎吾榊原; 文保田上; 洋藤安
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 1998-09-25
Filing date: 1998-09-25
Publication date: 2008-06-04
Anticipated expiration: 2018-09-25
Also published as: JP2000100725A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、III族窒化物半導体の成膜方法に係り、特にＩｎＧａＮ等の混晶半導体膜を制御性よく成膜する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、III族窒化物半導体であるＧａＮをベースとする青色半導体発光素子（ＬＥＤやＬＤ）の研究開発が盛んに行われている。この種のＧａＮベース発光素子では、活性層にＩｎＧａＮの多重量子井戸構造を用いることが、高い発光効率を実現する上で重要になる。ＩｎＧａＮ膜の成長には従来、ＭＯＣＶＤやＭＢＥが一般に用いられているが、これらに代わって最近、簡単且つ低コストで良質の化合物半導体膜が得られるホットウォールエピタキシー（ＨＷＥ：Hot Wall Epitaxy）法が注目されている。
【０００３】
ＨＷＥ装置は、チャンバ内に、固体ソースを加熱蒸発させて熱分解させるＨＷＥ炉を配置し、その上方に成膜用基板の保持部を配置して構成される。ＨＷＥ炉は、固体ソース収容部とこの上につながるホットウォール部を有し、それぞれに最適加熱を行うヒータが設けられる。これにより、固体ソースを蒸発させ、ホットウォール部で更に蒸発ガスを熱分解させて、基板に成膜を行う。
【０００４】
この種のＨＷＥ装置で、ＧａＮ，ＩｎＧａＮ等のIII族窒化物半導体膜を成膜するには、窒素源も固体ソースとして用意しなければならないが、固体窒化物は一般に蒸気圧が高く、石英チューブを用いたＨＷＥ炉では加熱蒸発させることが困難である。そこで本出願人等は先に、窒素源等を気体ソースとしてチャンバ外部からＨＷＥ炉上部に供給するようにしたＨＷＥ法を提案している（特願平７−９０３０５号参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来のＨＷＥ法には、特に混晶半導体膜を成膜する場合に、次のような問題があった。
第１に、ＩｎＧａＮ等のIII族窒化物混晶を成膜する場合、ＩｎとＧａをそれぞれ別のＨＷＥ炉に収容してこれらを同時に基板に対向させて、加熱蒸発させることになるが、それぞれのＨＷＥ炉の加熱制御が難しく、所望の混晶比を得ることが難しい。特に従来のＨＷＥ炉は、固体ソース収容部とホットウォール部を別々に加熱するようになっており、これも成膜の制御を難しくしている。
第２に、ＩｎＧａＮ等のIII族窒化物混晶を成膜しようとすると、成長膜からの窒素（Ｎ）の抜け等に起因して良質の結晶膜が得られない。
第３に、特にＩｎＧａＮの混晶比を交互に変化させて多重量子井戸（ＭＱＷ）構造（超格子構造）を形成しようとすると、Ｉｎ分圧とＧａ分圧をＨＷＥ炉の加熱温度により切り替え制御しなければならず、この様なＨＷＥ炉の加熱温度制御では良質のＭＱＷ層を得ることは難しかった。
【０００６】
この発明は、上記事情を考慮してなされたもので、良質のIII族窒化物半導体膜を成膜することを可能とし、特に簡単に正確な混晶比制御を行うことを可能としたIII族窒化物半導体の成膜方法を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明は、固体ソースを加熱蒸発させて基板に成膜するホットウォールエピタキシー装置を用いてIII族窒化物半導体を成膜する方法において、二種のIII族金属を一つのホットウォールエピタキシー炉に混合して収容して加熱蒸発させると同時に、外部から前記ホットウォールエピタキシー炉の上部にＮ _２とＮＨ _３の混合ガスからなる窒素源ガスを供給して基板上にIII族窒化物混晶半導体膜の成膜を行い、且つ前記基板の加熱温度を制御することによって形成されるIII族窒化物混晶半導体膜の混晶比の制御を行うことを特徴とする。
【０００８】
この発明においては、基板加熱の温度制御により混晶比制御を行っており、ＨＷＥ炉は、固体ソース収容部からその上に連続するホットウォール部までを均等に加熱し、均一な温度とすることができる。
更にこの発明において、基板の加熱は、急激な温度切り替えの制御が容易なランプ加熱により行うことが好ましい。この発明においては、前記基板の加熱温度を繰り返し切り替え制御することにより、III族窒化物混晶半導体膜として、混晶比が交互に異なる複数層からなるＭＱＷ層を形成することができる。
この発明において、基板への成膜に先だって、ＮＨ₃ガスを供給して基板の前処理を行うことが好ましい。
【０００９】
この発明はまた、減圧されるチャンバと、このチャンバ内に固体ソースを加熱蒸発させるために配置された、固体ソース収容部からその上に連続するホットウォール部が一様な径の石英チューブにより構成されて全体が均等に加熱される複数のＨＷＥ炉と、これらのＨＷＥ炉の上方に配置される基板を保持するための基板保持手段と、この基板保持手段を駆動して前記基板を順次選択されたＨＷＥ炉の上方に配置させる駆動手段と、前記基板を加熱する基板加熱手段と、前記チャンバーの外部から各ＨＷＥ炉の上部にガスを供給する手段とを備えた成膜装置を用いてIII族窒化物半導体を成膜する方法であって、固体ソースを収容しない第１のＨＷＥ炉上に基板を配置して、ＮＨ₃ガスを供給して基板の前処理を行う工程と、一種のIII族金属を収容した第２のＨＷＥ炉上に前記基板を移動させて、ＮＨ₃とＮ₂の混合ガスを供給して前記前処理された基板にIII族窒化物半導体膜を成膜する工程と、二種のIII族金属を混合して収容した第３のＨＷＥ炉上に前記III族窒化物半導体膜が成膜された基板を移動させて、ＮＨ₃とＮ₂の混合ガスを供給し、且つ前記基板温度を切り替え制御することにより、前記III族窒化物半導体膜上に膜厚方向に混晶比が変化したIII族窒化物混晶半導体膜を成膜する工程とを有することを特徴としている。
【００１１】
この発明によると、ＨＷＥ装置によるIII族窒化物混晶半導体の成膜に際して、二種のIII族金属を一つのＨＷＥ炉に収容して同時に加熱蒸発させ、窒素源は外部からガスにより供給し、基板の加熱温度制御を行うことにより、形成されるIII族窒化物混晶半導体膜の混晶比の制御を行うことができる。この場合、ＨＷＥ炉としては、固体ソース収容部からホットウォール部まで均一な径を持つ石英チューブで構成したものを用いて、全体を均等に加熱し、均一な温度とした状態で成膜すればよい。特にこの発明において、窒素源ガスとしてＮＨ₃とＮ₂の混合ガスを供給すると、成長膜からのＮの再蒸発が効果的に抑えられ、所望の混晶比を得ることができる。これらは、本発明者等により実験的に確認された。
そしてこの発明によると、基板の加熱温度の切り替え制御を行うことにより、ＩｎＧａＮ等の混晶比を膜厚方向に変化させた構造、例えば異なる混晶比の交互繰り返しによるＭＱＷ構造（超格子構造）等を制御性よく形成することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施例を説明する。
図１は、この発明の一実施例に用いられたＨＷＥ装置を上から見たＨＷＥ炉の配置を示し、図２はそのＨＷＥ装置を側面から見た構造を示している。このＨＷＥ装置は、チャンバ１と、このチャンバ１内に、同軸的に互いに平行に立設された複数のＨＷＥ炉２（２ａ〜２ｄ）を有する。
【００１３】
チャンバ１内は、排気口３を通して排気されて減圧される。ＨＷＥ炉２は、固体ソースを加熱蒸発させ、熱分解するためのもので、固体ソース収容部２１からその上に連続するホットウォール部２２が一様な径の石英チューブ３により構成されている。石英チューブ３の周囲には、固体ソース収容部２１からホットウォール部２２まで全体を均等に加熱するヒータ４が配設され、その外側は断熱材で覆われている。
【００１４】
ＨＷＥ炉２の上方には、シャッターとなる回転板６が、チャンバ１外から駆動される支持軸１１に保持されて配置されている。この回転板６の開口部７に、ホルダー８により保持されて成膜すべき基板９が配置される。基板９の上部には基板加熱を行うヒータ１０が配置されている。ヒータ１０にはこの実施例の場合、基板加熱温度の急激な変化制御を可能とするため、ランプを用いている。
【００１５】
チャンバ１の側面には、これを貫通してガスを供給するガス供給管１２が取り付けられている。ガス供給管１２は、各ＨＷＥ炉２の上部にガスを供給するもので、III族窒化物半導体膜を成膜する場合には、このガス供給管１２を介して窒素源ガスが各ＨＷＥ炉２の上部に供給される。
【００１６】
この様なＨＷＥ装置を用いて、次にＩｎＧａＮ膜を成膜する工程を具体的に説明する。この場合基板９には例えば、（０００１）サファイア基板が用いられる。図４に示すように、この基板９上にバッファ層としてＧａＮ膜４１を成膜し、その上にＩｎＧａＮ膜４２を成膜する。この実施例で実際に目的としているＩｎＧａＮ膜４２は、図４に部分拡大図を示したように、バリア層／ウェル層（Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ／Ｉｎ_yＧａ_1-yＮ）の交互積層構造を有するＭＱＷ層である。
なお、この様なＭＱＷを用いる具体的な素子として想定しているのは、ＩｎＧａＮ青色ＬＥＤ（又はＬＤ）である。図示はしないが、具体的な素子においては、ＭＱＷ構造のＩｎＧａＮ膜４２を活性層として、これを挟んで上下にＩｎＧａＮクラッド層が形成される。
【００１７】
図３は、図１のＨＷＥ装置を用いて、３つのＨＷＥ炉２ａ〜２ｃに対して、矢印で示すように順に（０００１）サファイア基板９を対向させて、基板９にＧａＮ膜、続いてＩｎＧａＮ膜を成膜する工程を示している。第１のＨＷＥ炉２ａは、基板の前処理用であり、固体ソースを収容しない。第２のＨＷＥ炉２ｂは、ＧａＮ成長用であって、Ｇａを収容し、第３のＨＷＥ炉２ｃは、ＩｎＧａＮ成長用であって、ＩｎとＧａを混合して収容する。
【００１８】
実際の成膜工程に先立って、第１のＨＷＥ炉２ａ上にＮＨ₃ガスを供給して基板９の前処理を行う。このときの成膜条件は例えば、基板温度１０３０〜１０８０℃、ＨＷＥ炉２ａの温度は７５０〜８５０℃とする。
前処理を行った後、基板９を第２のＨＷＥ炉２ｃ上に移動させ、窒素源ガスとしてＮＨ₃とＮ₂ガスを同時に供給しながら、基板９上にＧａＮ膜４１を約１．６μｍ成膜する。このときの条件は例えば、基板温度１０００〜１０５０℃、ＨＷＥ炉２ｂの温度は８００〜９００℃である。
【００１９】
次に、基板９を第３のＨＷＥ炉２ｃ上に移動させて、窒素源ガスとしてＮＨ₃とＮ₂ガスを同時に供給しながら、形成されたＧａＮ膜４１上にＩｎＧａＮ膜４２を成膜する。このときの成膜条件は、ＨＷＥ炉２ｃの温度が７２０〜７６０℃、基板温度が６３０〜７５０℃である。また、ＮＨ₃とＮ₂ガスの流量はそれぞれ、８０〜１２０SCCM，０〜２０SCCMとする。この様な条件で、Ｉｎ，Ｇａの分圧はそれぞれ、１０^-4Torr，１０^-5Torrの近傍であった。
【００２０】
以上のＩｎＧａＮ成膜工程において、基板温度を上述の範囲内で繰り返し切り替え制御を行えば、交互に混晶比ｘ，ｙが変化したＩｎ_xＧａ_1-xＮ／Ｉｎ_yＧａ₁-y^{ＮのＭＱＷ構造を得ることができる。但しこの場合、基板温度の切り替えに際}して、基板温度が所望の値に安定するまで、基板９の位置をＨＷＥ炉上からスライドさせておくという制御を行う。
【００２１】
以上に説明したＩｎＧａＮ成膜工程を種々の条件で行って、得られたＩｎＧａＮ層について成膜条件と混晶比の関係を調べた実験データを次に説明する。
図５は、異なる基板上にそれぞれ異なる条件で成膜されたＩｎＧａＮ層の３例Ａ，Ｂ，Ｃについて、室温でのフォトルミネセンス（ＰＬ）スペクトルを示している。ＡおよびＣは、前述のように基板にＧａＮ膜を成膜した後、この上にＩｎＧａＮを成膜した場合であり、ＢはＧａＮ膜を成膜することなく直接ＩｎＧａＮを成膜した場合である。
【００２２】
Ａ，Ｂ，Ｃにおける４２０ｎｍ，３９７ｎｍ，３８４ｎの鋭いＰＬピーク（それぞれの半値幅は、３２．５ｎｍ，１６．８ｎｍ，１２．０ｎｍである）がＩｎＧａＮ層のバンドエッジ近傍のエミッションによるものである。Ａ，Ｃの５５０ｎｍ近傍の緩いピークは、ＩｎＧａＮ膜の下地のＧａＮ膜の深いレベルのエミッションを示している。このデータから、成膜条件に応じてＩｎＧａＮ膜のＩｎ組成比が異なり、ＰＬ強度のピーク位置が異なることが分かる。
なお、Ａ，ＢのＩｎＧａＮ（０００２）におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅はそれぞれ、７．３arcmin，１４．５arcminである。
【００２３】
図６は、基板温度を横軸にとって、基板温度によりＩｎＧａＮ膜のＩｎ組成比が変わり、その結果としてＰＬ強度のピーク位置が変わることを示している。
また、図７は、基板温度６８５℃一定の条件における、全窒素源ガスに対するＮ₂流量比Ｎ₂／（Ｎ₂＋ＮＨ₃）とＰＬ強度ピーク位置の関係を示している。
図８は、ＨＷＥ炉（ソース）の加熱温度とＰＬ強度ピーク位置との関係を示している。
【００２４】
これら図６〜図８の結果から、基板温度の変化に対して最も感度よく混晶比が変化しており、６５０〜７５０℃の基板温度範囲で、ＰＬ強度ピーク位置がおよそ３８０〜４２０ｎｍの範囲にわたって変化している。窒素源ガス流量比の変更、及びＨＷＥ炉の加熱温度の変更によるＰＬ強度ピーク位置に対する影響は、基板温度を変更した場合に比べて小さい。従って、メインには、基板加熱温度の可変制御により、ＩｎＧａＮ膜のＩｎ組成比を制御することが有効であることが分かる。具体的には、基板加熱温度の繰り返し切り替え制御を行うことによって、Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ／Ｉｎ_yＧａ_1-yＮのＭＱＷ構造を得ることができる。特に基板温度制御には、急激な基板温度変化を実現できるランプアニールを用いることが好ましく、これによりそれぞれ４ｎｍ〜１２ｎｍ程度のバリア層とウェル層の繰り返しとなるＭＱＷ構造を得ることができる。
【００２５】
また、窒素源ガスのＮ₂分圧の制御、及びＨＷＥ炉の温度制御は、前述のように基板温度制御に比べてＩｎＧａＮの混晶比（Ｉｎ組成比）に対する感度が低いが、これらの制御により、ＩｎＧａＮ膜の混晶比のより微妙な制御が可能である。従って、この発明をＩｎＧａＮ青色発光デバイスに適用する場合にも、基本的に基板温度制御によりＩｎＧａＮのＭＱＷ構造を決定し、更にＮ₂分圧の制御及びＨＷＥ炉の温度制御を組み合わせることにより、発光波長の精密な制御が可能になる。
【００２６】
またこの実施例によると、窒素源ガスとして、ＮＨ₃とＮ₂の混合ガスを用いることにより、形成される窒化物半導体膜からのＮの再蒸発が抑制されて、良質のIII族窒化物半導体膜が得られることが確認されている。
更にこの実施例では、ＨＷＥ炉は固体ソース収容部からホットウォール部まで連続的な均一径の石英チューブを用い、全体を均等に加熱すればよく、従来のように固体ソース部とホットウォール部をそれぞれ所定の温度になるまで別々に加熱制御する必要がない。即ち、ＨＷＥ炉については、二種の金属を同時に収容して簡単な加熱制御を行いながら、基板の加熱温度制御によって、混晶比の制御が可能になる。
【００２７】
この発明は、上記実施例に限られない。例えば実施例では、基板の加熱をランプ加熱としたが、これは微小膜厚のバリア層とウェル層の繰り返しであるＭＱＷを形成する場合に、急激な温度変化を実現しやすいためである。その様な急激な温度変化制御が必要でなければ、基板加熱を高周波加熱とすることもできる。
【００２８】
また実施例では、基板温度制御によりＭＱＷ構造を形成する例を説明したが、この発明はＭＱＷ構造に限らず、混晶比の異なる複数層を形成する場合に同様に適用できる。例えば、実際のＩｎＧａＮ発光デバイスでは、図９に示すように、基板９上にＧａＮバッファ層７１を形成し、この上にＩｎ_pＧａ_1-pＮ下部クラッド層７２、Ｉｎ_qＧａ_1-qＮ活性層７３、及びＩｎ_pＧａ_1-pＮ上部クラッド層７４を順次積層して形成される。この様な構造を実現する場合に、ＩｎとＧａを同時に収容した一つのＨＷＥ炉を用い、基板温度制御により下部クラッド層７２、上部クラッド層７４と活性層７３の混晶比を切り替えて連続的に成膜することができる。
【００２９】
またこの発明は、ＩｎＧａＮの他、他のIII族窒化物半導体であるＩｎＡｌＮ，ＧａＡｌＮ等の三元混晶を成膜する場合にも同様に適用することができる。
【００３０】
【発明の効果】
以上述べたようにこの発明によれば、ＨＷＥ装置によるIII族窒化物混晶半導体膜の成膜に際して、二種のIII族金属を一つのＨＷＥ炉に収容して同時に加熱蒸発させ、窒素源は外部からガスにより供給して、基板の加熱温度制御を行うことにより、形成されるIII族窒化物混晶半導体膜の混晶比の制御を行うことができる。ＨＷＥ炉としては、固体ソース収容部からホットウォール部まで均一な径を持つ石英チューブで構成したものを用いて、全体を均等に加熱した状態で成膜することができる。また、窒素源ガスとしてＮＨ₃とＮ₂の混合ガスを供給することによって、成長膜からのＮの再蒸発が効果的に抑えられ、所望の混晶比を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例に用いられるＨＷＥ装置の上面から見た炉配置を示す。
【図２】同実施例のＨＷＥ装置の側面から見た構成を示す。
【図３】同実施例のＨＷＥ装置によるＩｎＧａＮ成膜の工程を示す。
【図４】同実施例による膜構造を示す。
【図５】種々の条件の成膜実験によるＩｎＧａＮ膜のＰＬ強度スペクトルを示す。
【図６】同じく基板温度とＰＬ強度ピーク位置の関係を示す。
【図７】同じくＮ₂分圧とＰＬ強度ピーク位置の関係を示す。
【図８】同じくソース温度とＰＬ強度ピーク位置の関係を示す。
【図９】他の実施例による発光デバイス構造を示す。
【符号の説明】
１…チャンバ、２ａ〜２ｄ…ＨＷＥ炉、２１…固体ソース収容部、２２…ホットウォール部、３…排気口、４…石英チューブ、５…手ヒータ、６…回転板、７…開口、８…ホルダー、９…基板、１０…ヒータ、１１…支持軸。

Claims

固体ソースを加熱蒸発させて基板に成膜するホットウォールエピタキシー装置を用いてIII族窒化物半導体を成膜する方法において、
二種のIII族金属を一つのホットウォールエピタキシー炉に混合して収容して加熱蒸発させると同時に、外部から前記ホットウォールエピタキシー炉の上部にＮＨ ₃ とＮ ₂ の混合ガスからなる窒素源ガスを供給して基板上にIII族窒化物混晶半導体膜の成膜を行い、且つ
前記基板の加熱温度を制御することによって形成されるIII族窒化物混晶半導体膜の混晶比の制御を行う
ことを特徴とするIII族窒化物半導体の成膜方法。
前記ホットウォールエピタキシー炉は、固体ソース収容部からその上に連続するホットウォール部までを均等に加熱することを特徴とする請求項１記載のIII族窒化物半導体の成膜方法。
前記基板の加熱温度を繰り返し切り替え制御することにより、前記III族窒化物混晶半導体膜として混晶比が交互に変化した複数層からなる多重量子井戸層を形成することを特徴とする請求項１記載のIII族窒化物半導体の成膜方法。
減圧されるチャンバと、
このチャンバ内に固体ソースを加熱蒸発させるために配置された、固体ソース収容部からその上に連続するホットウォール部が一様な径の石英チューブにより構成されて全体が均等に加熱される複数のホットウォールエピタキシー炉と、
これらのホットウォールエピタキシー炉の上方に配置される基板を保持するための基板保持手段と、
この基板保持手段を駆動して前記基板を順次選択されたホットウォールエピタキシー炉の上方に配置させる駆動手段と、
前記基板を加熱する基板加熱手段と、
前記チャンバの外部から各ホットウォールエピタキシー炉の上部に窒素源ガスを供給する手段とを備えた成膜装置を用いてIII族窒化物半導体を成膜する方法であって、
固体ソースを収容しない第１のホットウォールエピタキシー炉上に基板を配置して、ＮＨ₃ガスを供給して基板の前処理を行う工程と、
一種のIII族金属を収容した第２のホットウォールエピタキシー炉上に前記基板を移動させて、ＮＨ₃とＮ₂の混合ガスを供給して前記前処理された基板にIII族窒化物半導体膜を成膜する工程と、
二種のIII族金属を混合して収容した第３のホットウォールエピタキシー炉上に前記III族窒化物半導体膜が成膜された基板を移動させて、ＮＨ₃とＮ₂の混合ガスを供給し、且つ前記基板温度を切り替え制御することにより、前記III族窒化物半導体膜上に膜厚方向に混晶比が変化したIII族窒化物混晶半導体膜を成膜する工程と
を有することを特徴とするIII族窒化物半導体の成膜方法。