JP4120435B2 - ウルツ鉱型ｉｉｉ族窒化物半導体結晶の成長方法 - Google Patents
ウルツ鉱型ｉｉｉ族窒化物半導体結晶の成長方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＩＩＩ族窒化物半導体結晶の気相成長方法に関し、特にＩＩＩ族金属の蒸気と窒素プラズマとを利用して成長させるウルツ鉱型ＩＩＩ族窒化物半導体結晶における方位制御に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年周知のように、青色光や紫外光を射出するための半導体発光ダイオードや半導体レーザなどに利用し得るウルツ鉱型ＩＩＩ族窒化物半導体結晶の需要が高まっている。したがって、ウルツ鉱型ＩＩＩ族窒化物半導体結晶を簡便かつ迅速に低コストで製造することが望まれている。そのようなＩＩＩ族窒化物半導体結晶の典型例として、ＧａＮ結晶が最もよく利用されている。
【０００３】
ＧａＮ結晶の成長方法として、例えばハイドライド気相成長法、有機金属気相成長法、化学蒸気輸送法などを利用することができる。
【０００４】
ここで、ハイドライド気相成長法や有機金属気相成長法では、反応室内に導入される原料ガスの反応においてＧａＮ結晶内にその構成成分として取り込まれないＨＣｌ、ＮＨ3、Ｈ2等が反応室内に滞るので、これらのガスを反応室から外部へ排出する必要がある。すなわち、ハイドライド気相成長法や有機金属気相成長法では、原料ガスの大半がＧａＮ結晶成長に寄与することなく捨てられることになり、原料収率が悪いという問題がある。また、大量のＨＣｌ、ＮＨ3、Ｈ2等を廃棄するためには大規模の除害設備が必要であり、プロセスのコスト高を招くことになる。
【０００５】
他方、閉管内の高温部において気化された原料ガスを低温部に輸送してその低温部で結晶成長させる化学蒸気輸送法によれば、反応管の外部にガスを排出しないので、原料収率は良好である。しかし、外部から原料ガスが供給されない化学蒸気輸送法では、原料ガスの輸送量を増大させることができないので、ＧａＮ結晶の成長速度を高めることは望めない。
【０００６】
上述のようなハイドライド気相成長法、有機金属気相成長法、化学蒸気輸送法などのそれぞれが含む課題に鑑みて、特許文献１の特開２００１−７７０３８号公報は、反応管内で金属Ｇａの蒸気と窒素プラズマを反応させて基板上にＧａＮ結晶を成長させる気相成長方法を開示している。
【０００７】
図２は、反応管内で金属Ｇａ蒸気と窒素プラズマを反応させてＧａＮ結晶を成長させる先行技術の一例を模式的な断面図で図解している。なお、本願の各図において、長さや高さのような寸法関係は、図面の簡略化と明瞭化のために適宜に変更されており、実際の寸法関係を表してはいない。
【０００８】
図２において、反応管１の上部には窒素ガス導入管１ａが設けられている。反応管１の底部には金属Ｇａ１２を蒸発させるために坩堝２が設けられており、この坩堝２の上方において基板１１を保持するための基板保持台３が配置されている。この基板保持台３は、円筒部３ａと網板３ｂを含んでいる。基板保持面として働くこの網板３ｂは、複数の開口３ｃを含んでいる。これらの反応管１、坩堝２、および基板保持台３は、好ましくは石英にて形成され得る。また、窒素ガス導入管１ａは、それらのフランジ部を伴って例えばステンレス鋼で形成することができ、反応管１に結合され得る。
【０００９】
反応管１の内部は、真空ポンプ（図示せず）によって一旦高真空度に減圧される。高真空度に減圧された反応管１内には、その上部に設けられた窒素ガス導入管１ａから、窒素ガス１３が所定圧まで導入される。その際に、反応管１の上部に設けられたマイクロ波導入管４を介して、マイクロ波４ａが窒素ガス１３に印加され、窒素プラズマ１３ａが生成させられる。
【００１０】
坩堝２内に入れられた金属Ｇａ１２は、反応管１の外部に設けられた加熱装置（図示せず）によって加熱されて溶融させられる。そのＧａ融液からのＧａ蒸気は基板保持面３ｂの開口３ｃを通過して、加熱された基板１１の上面上に至る。そして、そのＧａ蒸気が窒素プラズマと反応して、基板１１の上面上にＧａＮ結晶が成長し得る。
【００１１】
Ｇａ蒸気と窒素プラズマとが反応してＧａＮ結晶の成長が進行すれば、反応管１内の窒素ガスが消費されて反応管１内の圧力が所定圧から低下するので、窒素ガス導入管１ａを介して窒素ガス１３が追加導入される。すなわち、反応管１内の圧力は真空計（図示せず）によってモニタされており、所定圧力に保たれるように窒素ガス１３が補充される。
【００１２】
図２に図解されたＧａＮ結晶成長方法では、外部から反応管１内に窒素ガスが導入されるが、実質的にＧａ蒸気や窒素ガスが反応管１外へ排出される必要がない（ただし、好ましい反応ガス圧を維持するために、少量のＧａ蒸気や窒素ガスが反応管外へ排出されてもよいことは言うまでもない）。したがって、図２に示されているような気相成長法では、ハイドライド気相成長法や有機金属気相成長法の場合のように大規模な排ガス処理設備を必要とせず、ＧａＮ結晶成長の際の原料収率も良好になる。また、図２に示されているような気相成長法ではＧａ融液から大量のＧａ蒸気を発生させることができ、また消費された窒素ガスは外部から導入することができるので、化学蒸気輸送法に比べてＧａＮ結晶の成長速度を高めることができる。
【００１３】
【特許文献１】
特開２００１−７７０３８号公報
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、図２に示されているような気相成長法では、ハイドライド気相成長法や有機金属気相成長法の場合のように大規模な排ガス処理設備を必要としなくてＧａＮ結晶成長の際の原料収率も良好になり、かつまた化学蒸気輸送法に比べてＧａＮ結晶の成長速度を高めることができる。
【００１５】
ところで、ＧａＮ結晶のようなウルツ鉱型ＩＩＩ族窒化物半導体結晶を利用した発光ダイオードまたはレーザにおいては、その発光層が｛０００１｝面に平行である場合に、その自発分極が発光効率を低下させるように作用することが知られている（例えば、Ｐｈｙｓ．Ｓｔａｔ．Ｓｏｌ．（ａ），Ｖｏｌ．１８０（２０００）ｐｐ．１３３−１３８参照）。すなわち、そのＧａＮ結晶の｛０００１｝面においては、Ｇａ原子が配列した原子面とＮ原子が配列した原子面が交互に積層しており、ＧａＮ結晶のｃ軸方向（＜０００１＞方向）には強い自発分極が生じる。他方、｛１−１００｝面や｛１１−２０｝面に直交する方向には自発分極が生じない。したがって、発光層は、｛０００１｝面以外の｛１−１００｝面または｛１１−２０｝面などに平行に結晶成長させられることが望まれる。
【００１６】
ところが、ウルツ鉱型結晶構造を有するＧａＮ結晶において、現在一般に用いられている基板上に気相成長させられたＧａＮ結晶層は、通常はｃ軸方向に直交する｛０００１｝面に平行に成長する（ｃ軸が基板の主面に対して垂直になる）。これは、｛０００１｝面が最密原子面であって、エネルギ的に安定だからである。すなわち、基板上において、｛０００１｝面以外の結晶面に平行なウルツ鉱型ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層を気相成長方によって成長させることは容易ではない。
【００１７】
そこで、本発明は、基板上においてＩＩＩ族金属蒸気と窒素プラズマを利用する気相結晶成長法において、ウルツ鉱型ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層の方位を簡便に制御し得る方法を提供することを目的としている。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、上方から窒素ガスが導入される反応管内の下方においてＩＩＩ族金属を配置し、そのＩＩＩ族金属の上方に基板を配置し、反応管に導入された窒素ガスにマイクロ波を印加して生じさせた窒素プラズマとＩＩＩ族金属が蒸発させられたＩＩＩ族金属蒸気とを基板上で反応させるウルツ鉱型ＩＩＩ族窒化物半導体結晶の成長方法において、基板の主面に対して垂直以外の特定方向に高周波パルス電界を印加しながら結晶成長させ、それによって、窒化物半導体結晶のｃ軸を基板の主面に対して垂直方向から変位させることを特徴としている。
【００１９】
なお、パルス電界は、一方の電極側のみが他方の電極側に対して正電位になるように印加されることが好ましい。また、高周波パルス電界を印加する特定方向は、基板の主面に平行に設定し得る。その場合に、基板上に成長させられるウルツ鉱型ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層は、｛１−１００｝面または｛１１−２０｝面に平行になり得る。
【００２０】
印加される高周波パルス電界は、１０−１００ｋＨｚの範囲内の周波数を有し得る。また、パルス電界としては、インパルス電界が好ましく用いられ得る。基板の材質としては、サファイヤ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、およびＳｉから選択されたものを利用し得る。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明にしたがってＧａ蒸気と窒素プラズマとを利用してＧａＮ結晶を方位制御可能に成長させる方法の一例を模式的な断面図で図解している。図１の結晶成長方法においても、図２の場合と同様に、反応管１の上部には窒素ガス導入管１ａが設けられている。反応管１の底部には金属Ｇａ１２を蒸発させるために、坩堝２が設けられている。この坩堝２の上方において、基板１１を保持するための基板保持台３が配置されている。この基板保持台３は、円筒部３ａと網板３ｂを含んでいる。基板保持面として働くこの網板３ｂは、複数の開口３ｃを含んでいる。これらの反応管１、坩堝２、および基板保持台３は、好ましくは石英にて形成され得る。また、窒素ガス導入管１ａは、それらのフランジ部を伴って例えばステンレス鋼で形成することができ、反応管１に結合され得る。
【００２２】
図１の結晶成長装置は、さらに、高周波パルス電界印加手段を含んでいる。すなわち、高周波パルス発生装置２１に接続された第１電極２２ａと第２電極２２ｂを含んでいる。第１電極２２ａと第２電極２２ｂは、反応管１の外側において、基板１１の左側と右側にそれぞれ配置されている。なお、基板１１近傍は約１０００℃程度に加熱されているので、第１電極２２ａおよび第２電極２２ｂとしてはＷ電極、Ｍｏ電極、または黒鉛電極などを不活性雰囲気で用いることが好ましい。
【００２３】
反応管１の内部は、真空ポンプ（図示せず）によって、例えば１０-5Ｐａの高真空度まで一旦排気される。その後、反応管１の上部に設けられた窒素ガス導入管１ａから、例えば１０Ｐａから１０００Ｐａの範囲内で設定された所定圧力の窒素ガス１３が反応管１内に導入される。その際に、反応管１の上部に設けられたマイクロ波導入管４を介して、例えば周波数２．４５ＧＨｚで出力２５０−５００Ｗのマイクロ波４ａが窒素ガス１３に印加され、窒素プラズマ１３ｂが生成させられる。
【００２４】
このとき同時に、高周波パルス発生装置２１から第１電極２２ａと第２電極２２ｂとの間に約１０−１００ｋＨｚの範囲内の高周波パルス電界が印加される。なお、第１電極２２ａと第２電極２２ｂは、好ましくは一方のみが他方に対して正電位になるようなパルス電界が印加される。
【００２５】
坩堝２内に入れられた金属Ｇａ１２は、反応管１の外部に設けられた加熱装置（図示せず）によって例えば１１００℃に加熱されて溶融させられる。そのＧａ融液からのＧａ蒸気は基板保持面３ｂの開口３ｃを通過して、例えば９７０−９８０℃に加熱された基板１１の上面上に至る。そして、そのＧａ蒸気が窒素プラズマと反応して、基板１１の上面上にＧａＮ結晶が成長し得る。なお、基板１１としては、例えばサファイヤ基板またはＧａＮ種結晶基板が好ましく用いられ得る。ただし、基板１１はこれらに限定されず、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、Ｓｉなどの基板をも適宜に選択することができる。
【００２６】
Ｇａ蒸気と窒素プラズマとが反応してＧａＮ結晶の成長が進行すれば、反応管１内の窒素ガスが消費されて反応管１内の圧力が所定圧から低下するので、窒素ガス導入管１ａを介して窒素ガス１３が追加導入される。すなわち、反応管１内の圧力は真空計（図示せず）によってモニタされており、所定圧力に保たれるように窒素ガス１３が補充される。この際に、圧力の制御は、窒素ガスの流量制御器におけるＰＩＤ（比例積分微分）制御によって行われる。
【００２７】
すなわち、図１に図解されたＧａＮ結晶成長方法では、外部から反応管１内に窒素ガスが導入されるが、実質的にＧａ蒸気や窒素ガスが反応管１外へ排出される必要がない（ただし、好ましい反応ガス圧を維持するために、少量のＧａ蒸気や窒素ガスが反応管外へ排出されてもよいことは言うまでもない）。したがって、図１に示されているようなＧａ蒸気と窒素プラズマを利用するＧａＮ結晶成長法では、図３の場合と同様に、ハイドライド気相成長法や有機金属気相成長法の場合のように大規模な排ガス処理設備を必要としなくてＧａＮ結晶成長の際の原料収率も良好になり、かつまた化学蒸気輸送法に比べてＧａＮ結晶の成長速度を高めることができる。
【００２８】
さらに、図１に示されているＧａＮ結晶成長方法では、高周波パルス発生装置２１から第１電極２２ａと第２電極２２ｂとの間に高周波パルス電界が印加されるので、基板１１上のＧａＮ結晶の方位が制御され得る。すなわち、第１電極２２ａと第２電極２２ｂのいずれか一方のみが他方に対して実質的に正電位になるようにパルス電界が印加されれば、ＧａＮ結晶の分極軸であるｃ軸がそのパルス電界方向に平行になろうとする傾向が生じる。
【００２９】
第１電極２２ａと第２電極２２ｂの間に印加されるパルス電界としては、例えば７０ｋＨｚのインパルス電界（ｋＶ）を印加し得る。このときの電極２２ａ、２２ｂ間距離は、例えば約３０ｃｍに設定し得る。ここで、インパルス電圧とは、すばやくピーク値に立ち上がり、その後に立ち上がりよりは遅い速さで０Ｖになる電圧変化を意味する。ただし、図１の例ではインパルス電圧が高周波で印加されるが、その高周波パルス電圧の波形は、矩形波、三角波、サイン波などの他の任意の波形であってもよいことは言うまでもない。
【００３０】
図１の場合、パルス電界は基板１１の主面に平行に印加されるので、ＧａＮ結晶層のｃ軸はその層に平行になろうとる。そして、その成長したＧａＮ結晶層は、｛１−１００｝面または｛１１−２０｝面に平行になり得る。ただし、パルス電界の印加方向は基板１１の主面に平行な方向に限られず、垂直以外の任意の方向に印加することができる。
【００３１】
たとえば、基板１１の主面に対して４５度の方向にパルス電界を印加した場合には、成長するＧａＮ結晶層は｛１−１０１｝面に平行であった。ここで、ｃ軸は｛１−１０２｝面に対して４６度の角度を有しており、｛１−１０１｝面に対しては２７度をなしている。すなわち、ｃ軸を強引に電界方向に一致させ得るとすれば、ＧａＮ結晶層は｛１−１０１｝面よりも｛１−１０２｝面に平行になりやすいと考えられる。しかし、｛１−１０１｝面は｛１−１０２｝面に比べて低指数面であってエネルギ的により安定であるので、｛１−１０２｝面より優先して出現したと考えられる。また、印加する電界強度を高めれば、ｃ軸がより４５度方向に配向する傾向が強くなって、｛１−１０２｝面が出現する可能性が高くなると考えられる。
【００３２】
すなわち、基板の主面に対して垂直以外の特定方向にパルス電界を印加することによってｃ軸をその垂直方向から変位させることが可能であるが、その傾向は印加される電界強度に依存する。また、実際に出現するＧａＮ結晶層の面方位はその面のエネルギ的安定性の高い順に現れやすい傾向にある。したがって、このようなパルス電界の方向と強度および結晶面のエネルギ的安定性の順序を考慮して条件設定することによって、所望の面方位を有するＧａＮ結晶層を成長させることができる。
【００３３】
なお、基板の主面と電界方向との角度関係は相対的であって、基板の主面と電界方向とのいずれを他方に対して角度調整してもよいことは言うまでもない。
【００３４】
また、以上の実施形態ではＧａＮ結晶の例が説明されたが、本発明による結晶成長における方位制御方法は、他のＡｌＮ、ＩｎＮ、およびＢＮなどのＩＩＩ族窒化物半導体やそれらの混晶にも適用し得ることは言うまでもない。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、ハイドライド気相成長法、有機金属気相成長法、および化学蒸気輸送法などに比べて優れた利点を有し得るＩＩＩ族金属蒸気と窒素プラズマとを利用する結晶成長において、ウルツ鉱型ＩＩＩ族窒化物半導体結晶の方位を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によるＧａＮ結晶成長方法を模式的に図解する断面図である。
【図２】 先行技術によるＧａＮ結晶成長方法を模式的に図解する断面図である。
【符号の説明】
１ 反応管、１ａ 窒素ガス導入管、２ 金属Ｇａを蒸発させるための坩堝、３ 基板保持台、３ａ 基板保持台の円筒部、３ｂ 基板保持台の網板、３ｃ 網板３ｂに含まれる開口、４ マイクロ波導入管、４ａ マイクロ波、１１ ＧａＮ結晶を成長させるための基板、１２ 金属Ｇａ、１３ 窒素ガス、１３ａ 窒素プラズマ、２１ 高周波パルス電圧発生装置、２２ａ、２２ｂ 電極。
【発明の属する技術分野】
本発明はＩＩＩ族窒化物半導体結晶の気相成長方法に関し、特にＩＩＩ族金属の蒸気と窒素プラズマとを利用して成長させるウルツ鉱型ＩＩＩ族窒化物半導体結晶における方位制御に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年周知のように、青色光や紫外光を射出するための半導体発光ダイオードや半導体レーザなどに利用し得るウルツ鉱型ＩＩＩ族窒化物半導体結晶の需要が高まっている。したがって、ウルツ鉱型ＩＩＩ族窒化物半導体結晶を簡便かつ迅速に低コストで製造することが望まれている。そのようなＩＩＩ族窒化物半導体結晶の典型例として、ＧａＮ結晶が最もよく利用されている。
【０００３】
ＧａＮ結晶の成長方法として、例えばハイドライド気相成長法、有機金属気相成長法、化学蒸気輸送法などを利用することができる。
【０００４】
ここで、ハイドライド気相成長法や有機金属気相成長法では、反応室内に導入される原料ガスの反応においてＧａＮ結晶内にその構成成分として取り込まれないＨＣｌ、ＮＨ3、Ｈ2等が反応室内に滞るので、これらのガスを反応室から外部へ排出する必要がある。すなわち、ハイドライド気相成長法や有機金属気相成長法では、原料ガスの大半がＧａＮ結晶成長に寄与することなく捨てられることになり、原料収率が悪いという問題がある。また、大量のＨＣｌ、ＮＨ3、Ｈ2等を廃棄するためには大規模の除害設備が必要であり、プロセスのコスト高を招くことになる。
【０００５】
他方、閉管内の高温部において気化された原料ガスを低温部に輸送してその低温部で結晶成長させる化学蒸気輸送法によれば、反応管の外部にガスを排出しないので、原料収率は良好である。しかし、外部から原料ガスが供給されない化学蒸気輸送法では、原料ガスの輸送量を増大させることができないので、ＧａＮ結晶の成長速度を高めることは望めない。
【０００６】
上述のようなハイドライド気相成長法、有機金属気相成長法、化学蒸気輸送法などのそれぞれが含む課題に鑑みて、特許文献１の特開２００１−７７０３８号公報は、反応管内で金属Ｇａの蒸気と窒素プラズマを反応させて基板上にＧａＮ結晶を成長させる気相成長方法を開示している。
【０００７】
図２は、反応管内で金属Ｇａ蒸気と窒素プラズマを反応させてＧａＮ結晶を成長させる先行技術の一例を模式的な断面図で図解している。なお、本願の各図において、長さや高さのような寸法関係は、図面の簡略化と明瞭化のために適宜に変更されており、実際の寸法関係を表してはいない。
【０００８】
図２において、反応管１の上部には窒素ガス導入管１ａが設けられている。反応管１の底部には金属Ｇａ１２を蒸発させるために坩堝２が設けられており、この坩堝２の上方において基板１１を保持するための基板保持台３が配置されている。この基板保持台３は、円筒部３ａと網板３ｂを含んでいる。基板保持面として働くこの網板３ｂは、複数の開口３ｃを含んでいる。これらの反応管１、坩堝２、および基板保持台３は、好ましくは石英にて形成され得る。また、窒素ガス導入管１ａは、それらのフランジ部を伴って例えばステンレス鋼で形成することができ、反応管１に結合され得る。
【０００９】
反応管１の内部は、真空ポンプ（図示せず）によって一旦高真空度に減圧される。高真空度に減圧された反応管１内には、その上部に設けられた窒素ガス導入管１ａから、窒素ガス１３が所定圧まで導入される。その際に、反応管１の上部に設けられたマイクロ波導入管４を介して、マイクロ波４ａが窒素ガス１３に印加され、窒素プラズマ１３ａが生成させられる。
【００１０】
坩堝２内に入れられた金属Ｇａ１２は、反応管１の外部に設けられた加熱装置（図示せず）によって加熱されて溶融させられる。そのＧａ融液からのＧａ蒸気は基板保持面３ｂの開口３ｃを通過して、加熱された基板１１の上面上に至る。そして、そのＧａ蒸気が窒素プラズマと反応して、基板１１の上面上にＧａＮ結晶が成長し得る。
【００１１】
Ｇａ蒸気と窒素プラズマとが反応してＧａＮ結晶の成長が進行すれば、反応管１内の窒素ガスが消費されて反応管１内の圧力が所定圧から低下するので、窒素ガス導入管１ａを介して窒素ガス１３が追加導入される。すなわち、反応管１内の圧力は真空計（図示せず）によってモニタされており、所定圧力に保たれるように窒素ガス１３が補充される。
【００１２】
図２に図解されたＧａＮ結晶成長方法では、外部から反応管１内に窒素ガスが導入されるが、実質的にＧａ蒸気や窒素ガスが反応管１外へ排出される必要がない（ただし、好ましい反応ガス圧を維持するために、少量のＧａ蒸気や窒素ガスが反応管外へ排出されてもよいことは言うまでもない）。したがって、図２に示されているような気相成長法では、ハイドライド気相成長法や有機金属気相成長法の場合のように大規模な排ガス処理設備を必要とせず、ＧａＮ結晶成長の際の原料収率も良好になる。また、図２に示されているような気相成長法ではＧａ融液から大量のＧａ蒸気を発生させることができ、また消費された窒素ガスは外部から導入することができるので、化学蒸気輸送法に比べてＧａＮ結晶の成長速度を高めることができる。
【００１３】
【特許文献１】
特開２００１−７７０３８号公報
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、図２に示されているような気相成長法では、ハイドライド気相成長法や有機金属気相成長法の場合のように大規模な排ガス処理設備を必要としなくてＧａＮ結晶成長の際の原料収率も良好になり、かつまた化学蒸気輸送法に比べてＧａＮ結晶の成長速度を高めることができる。
【００１５】
ところで、ＧａＮ結晶のようなウルツ鉱型ＩＩＩ族窒化物半導体結晶を利用した発光ダイオードまたはレーザにおいては、その発光層が｛０００１｝面に平行である場合に、その自発分極が発光効率を低下させるように作用することが知られている（例えば、Ｐｈｙｓ．Ｓｔａｔ．Ｓｏｌ．（ａ），Ｖｏｌ．１８０（２０００）ｐｐ．１３３−１３８参照）。すなわち、そのＧａＮ結晶の｛０００１｝面においては、Ｇａ原子が配列した原子面とＮ原子が配列した原子面が交互に積層しており、ＧａＮ結晶のｃ軸方向（＜０００１＞方向）には強い自発分極が生じる。他方、｛１−１００｝面や｛１１−２０｝面に直交する方向には自発分極が生じない。したがって、発光層は、｛０００１｝面以外の｛１−１００｝面または｛１１−２０｝面などに平行に結晶成長させられることが望まれる。
【００１６】
ところが、ウルツ鉱型結晶構造を有するＧａＮ結晶において、現在一般に用いられている基板上に気相成長させられたＧａＮ結晶層は、通常はｃ軸方向に直交する｛０００１｝面に平行に成長する（ｃ軸が基板の主面に対して垂直になる）。これは、｛０００１｝面が最密原子面であって、エネルギ的に安定だからである。すなわち、基板上において、｛０００１｝面以外の結晶面に平行なウルツ鉱型ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層を気相成長方によって成長させることは容易ではない。
【００１７】
そこで、本発明は、基板上においてＩＩＩ族金属蒸気と窒素プラズマを利用する気相結晶成長法において、ウルツ鉱型ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層の方位を簡便に制御し得る方法を提供することを目的としている。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、上方から窒素ガスが導入される反応管内の下方においてＩＩＩ族金属を配置し、そのＩＩＩ族金属の上方に基板を配置し、反応管に導入された窒素ガスにマイクロ波を印加して生じさせた窒素プラズマとＩＩＩ族金属が蒸発させられたＩＩＩ族金属蒸気とを基板上で反応させるウルツ鉱型ＩＩＩ族窒化物半導体結晶の成長方法において、基板の主面に対して垂直以外の特定方向に高周波パルス電界を印加しながら結晶成長させ、それによって、窒化物半導体結晶のｃ軸を基板の主面に対して垂直方向から変位させることを特徴としている。
【００１９】
なお、パルス電界は、一方の電極側のみが他方の電極側に対して正電位になるように印加されることが好ましい。また、高周波パルス電界を印加する特定方向は、基板の主面に平行に設定し得る。その場合に、基板上に成長させられるウルツ鉱型ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層は、｛１−１００｝面または｛１１−２０｝面に平行になり得る。
【００２０】
印加される高周波パルス電界は、１０−１００ｋＨｚの範囲内の周波数を有し得る。また、パルス電界としては、インパルス電界が好ましく用いられ得る。基板の材質としては、サファイヤ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、およびＳｉから選択されたものを利用し得る。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明にしたがってＧａ蒸気と窒素プラズマとを利用してＧａＮ結晶を方位制御可能に成長させる方法の一例を模式的な断面図で図解している。図１の結晶成長方法においても、図２の場合と同様に、反応管１の上部には窒素ガス導入管１ａが設けられている。反応管１の底部には金属Ｇａ１２を蒸発させるために、坩堝２が設けられている。この坩堝２の上方において、基板１１を保持するための基板保持台３が配置されている。この基板保持台３は、円筒部３ａと網板３ｂを含んでいる。基板保持面として働くこの網板３ｂは、複数の開口３ｃを含んでいる。これらの反応管１、坩堝２、および基板保持台３は、好ましくは石英にて形成され得る。また、窒素ガス導入管１ａは、それらのフランジ部を伴って例えばステンレス鋼で形成することができ、反応管１に結合され得る。
【００２２】
図１の結晶成長装置は、さらに、高周波パルス電界印加手段を含んでいる。すなわち、高周波パルス発生装置２１に接続された第１電極２２ａと第２電極２２ｂを含んでいる。第１電極２２ａと第２電極２２ｂは、反応管１の外側において、基板１１の左側と右側にそれぞれ配置されている。なお、基板１１近傍は約１０００℃程度に加熱されているので、第１電極２２ａおよび第２電極２２ｂとしてはＷ電極、Ｍｏ電極、または黒鉛電極などを不活性雰囲気で用いることが好ましい。
【００２３】
反応管１の内部は、真空ポンプ（図示せず）によって、例えば１０-5Ｐａの高真空度まで一旦排気される。その後、反応管１の上部に設けられた窒素ガス導入管１ａから、例えば１０Ｐａから１０００Ｐａの範囲内で設定された所定圧力の窒素ガス１３が反応管１内に導入される。その際に、反応管１の上部に設けられたマイクロ波導入管４を介して、例えば周波数２．４５ＧＨｚで出力２５０−５００Ｗのマイクロ波４ａが窒素ガス１３に印加され、窒素プラズマ１３ｂが生成させられる。
【００２４】
このとき同時に、高周波パルス発生装置２１から第１電極２２ａと第２電極２２ｂとの間に約１０−１００ｋＨｚの範囲内の高周波パルス電界が印加される。なお、第１電極２２ａと第２電極２２ｂは、好ましくは一方のみが他方に対して正電位になるようなパルス電界が印加される。
【００２５】
坩堝２内に入れられた金属Ｇａ１２は、反応管１の外部に設けられた加熱装置（図示せず）によって例えば１１００℃に加熱されて溶融させられる。そのＧａ融液からのＧａ蒸気は基板保持面３ｂの開口３ｃを通過して、例えば９７０−９８０℃に加熱された基板１１の上面上に至る。そして、そのＧａ蒸気が窒素プラズマと反応して、基板１１の上面上にＧａＮ結晶が成長し得る。なお、基板１１としては、例えばサファイヤ基板またはＧａＮ種結晶基板が好ましく用いられ得る。ただし、基板１１はこれらに限定されず、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、Ｓｉなどの基板をも適宜に選択することができる。
【００２６】
Ｇａ蒸気と窒素プラズマとが反応してＧａＮ結晶の成長が進行すれば、反応管１内の窒素ガスが消費されて反応管１内の圧力が所定圧から低下するので、窒素ガス導入管１ａを介して窒素ガス１３が追加導入される。すなわち、反応管１内の圧力は真空計（図示せず）によってモニタされており、所定圧力に保たれるように窒素ガス１３が補充される。この際に、圧力の制御は、窒素ガスの流量制御器におけるＰＩＤ（比例積分微分）制御によって行われる。
【００２７】
すなわち、図１に図解されたＧａＮ結晶成長方法では、外部から反応管１内に窒素ガスが導入されるが、実質的にＧａ蒸気や窒素ガスが反応管１外へ排出される必要がない（ただし、好ましい反応ガス圧を維持するために、少量のＧａ蒸気や窒素ガスが反応管外へ排出されてもよいことは言うまでもない）。したがって、図１に示されているようなＧａ蒸気と窒素プラズマを利用するＧａＮ結晶成長法では、図３の場合と同様に、ハイドライド気相成長法や有機金属気相成長法の場合のように大規模な排ガス処理設備を必要としなくてＧａＮ結晶成長の際の原料収率も良好になり、かつまた化学蒸気輸送法に比べてＧａＮ結晶の成長速度を高めることができる。
【００２８】
さらに、図１に示されているＧａＮ結晶成長方法では、高周波パルス発生装置２１から第１電極２２ａと第２電極２２ｂとの間に高周波パルス電界が印加されるので、基板１１上のＧａＮ結晶の方位が制御され得る。すなわち、第１電極２２ａと第２電極２２ｂのいずれか一方のみが他方に対して実質的に正電位になるようにパルス電界が印加されれば、ＧａＮ結晶の分極軸であるｃ軸がそのパルス電界方向に平行になろうとする傾向が生じる。
【００２９】
第１電極２２ａと第２電極２２ｂの間に印加されるパルス電界としては、例えば７０ｋＨｚのインパルス電界（ｋＶ）を印加し得る。このときの電極２２ａ、２２ｂ間距離は、例えば約３０ｃｍに設定し得る。ここで、インパルス電圧とは、すばやくピーク値に立ち上がり、その後に立ち上がりよりは遅い速さで０Ｖになる電圧変化を意味する。ただし、図１の例ではインパルス電圧が高周波で印加されるが、その高周波パルス電圧の波形は、矩形波、三角波、サイン波などの他の任意の波形であってもよいことは言うまでもない。
【００３０】
図１の場合、パルス電界は基板１１の主面に平行に印加されるので、ＧａＮ結晶層のｃ軸はその層に平行になろうとる。そして、その成長したＧａＮ結晶層は、｛１−１００｝面または｛１１−２０｝面に平行になり得る。ただし、パルス電界の印加方向は基板１１の主面に平行な方向に限られず、垂直以外の任意の方向に印加することができる。
【００３１】
たとえば、基板１１の主面に対して４５度の方向にパルス電界を印加した場合には、成長するＧａＮ結晶層は｛１−１０１｝面に平行であった。ここで、ｃ軸は｛１−１０２｝面に対して４６度の角度を有しており、｛１−１０１｝面に対しては２７度をなしている。すなわち、ｃ軸を強引に電界方向に一致させ得るとすれば、ＧａＮ結晶層は｛１−１０１｝面よりも｛１−１０２｝面に平行になりやすいと考えられる。しかし、｛１−１０１｝面は｛１−１０２｝面に比べて低指数面であってエネルギ的により安定であるので、｛１−１０２｝面より優先して出現したと考えられる。また、印加する電界強度を高めれば、ｃ軸がより４５度方向に配向する傾向が強くなって、｛１−１０２｝面が出現する可能性が高くなると考えられる。
【００３２】
すなわち、基板の主面に対して垂直以外の特定方向にパルス電界を印加することによってｃ軸をその垂直方向から変位させることが可能であるが、その傾向は印加される電界強度に依存する。また、実際に出現するＧａＮ結晶層の面方位はその面のエネルギ的安定性の高い順に現れやすい傾向にある。したがって、このようなパルス電界の方向と強度および結晶面のエネルギ的安定性の順序を考慮して条件設定することによって、所望の面方位を有するＧａＮ結晶層を成長させることができる。
【００３３】
なお、基板の主面と電界方向との角度関係は相対的であって、基板の主面と電界方向とのいずれを他方に対して角度調整してもよいことは言うまでもない。
【００３４】
また、以上の実施形態ではＧａＮ結晶の例が説明されたが、本発明による結晶成長における方位制御方法は、他のＡｌＮ、ＩｎＮ、およびＢＮなどのＩＩＩ族窒化物半導体やそれらの混晶にも適用し得ることは言うまでもない。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、ハイドライド気相成長法、有機金属気相成長法、および化学蒸気輸送法などに比べて優れた利点を有し得るＩＩＩ族金属蒸気と窒素プラズマとを利用する結晶成長において、ウルツ鉱型ＩＩＩ族窒化物半導体結晶の方位を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によるＧａＮ結晶成長方法を模式的に図解する断面図である。
【図２】 先行技術によるＧａＮ結晶成長方法を模式的に図解する断面図である。
【符号の説明】
１ 反応管、１ａ 窒素ガス導入管、２ 金属Ｇａを蒸発させるための坩堝、３ 基板保持台、３ａ 基板保持台の円筒部、３ｂ 基板保持台の網板、３ｃ 網板３ｂに含まれる開口、４ マイクロ波導入管、４ａ マイクロ波、１１ ＧａＮ結晶を成長させるための基板、１２ 金属Ｇａ、１３ 窒素ガス、１３ａ 窒素プラズマ、２１ 高周波パルス電圧発生装置、２２ａ、２２ｂ 電極。
Claims (7)
- 上方から窒素ガスが導入される反応管内の下方においてＩＩＩ族金属を配置し、
そのＩＩＩ族金属の上方に基板を配置し、
前記反応管に導入された前記窒素ガスにマイクロ波を印加して生じさせた窒素プラズマと前記ＩＩＩ族金属が蒸発させられたＩＩＩ族金属蒸気とを前記基板上で反応させることによって窒化物半導体結晶を成長させる方法において、
前記基板の主面に対して垂直以外の特定方向に高周波パルス電界を印加しながら結晶成長させ、
それによって、前記窒化物半導体結晶のｃ軸を前記基板の主面に対して垂直方向から変位させることを特徴とするウルツ鉱型ＩＩＩ族窒化物半導体結晶の成長方法。 - 前記パルス電界は、一方の電極側のみが他方の電極側に対して正電位になるように印加されることを特徴とする請求項１に記載のウルツ鉱型ＩＩＩ族窒化物半導体結晶の成長方法。
- 前記基板に対して高周波パルス電界を印加する前記特定方向は前記基板の主面に平行であることを特徴とする請求項１または２に記載のウルツ鉱型ＩＩＩ族窒化物半導体結晶の成長方法。
- 前記基板上に成長させられるウルツ鉱型ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層は｛１−１００｝面または｛１１−２０｝面に平行であることを特徴とする請求項３に記載のウルツ鉱型ＩＩＩ族窒化物半導体結晶の成長方法。
- 前記高周波パルス電界は１０−１００ｋＨｚの範囲内の周波数を有することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のウルツ鉱型ＩＩＩ族窒化物半導体結晶の成長方法。
- 前記パルス電界はインパルス電界であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のウルツ鉱型ＩＩＩ族窒化物半導体結晶の成長方法。
- 前記基板の材質は、サファイヤ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、およびＳｉから選択されたものであることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のウルツ鉱型ＩＩＩ族窒化物半導体結晶の成長方法。
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