JP4549573B2

JP4549573B2 - Ｉｉｉ族窒化物薄膜の形成方法

Info

Publication number: JP4549573B2
Application number: JP2001160139A
Authority: JP
Inventors: 早紀園田; 三郎清水
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2001-05-29
Filing date: 2001-05-29
Publication date: 2010-09-22
Anticipated expiration: 2021-05-29
Also published as: JP2002348199A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＧａＮ系III族窒化物薄膜の形成方法、特に分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）によるＧａＮ系III族窒化物薄膜（極性：（０００１））の形成方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
サファイアは、六方晶系の結晶であり、６個の側面と２個の底面を有している。図４(ａ)は、サファイア結晶の底面に垂直な中心軸線(ｃ軸)を含む方向の面方位を表した図面であり、同図(ｂ)は、中心軸線を含まない面方位を表した図面である。同図(ｂ)には、サファイアＡ面、Ｃ面、Ｒ面、Ｍ面が表されている。
【０００３】
ここで、サファイアＣ面はサファイア結晶の底面のことであり、このサファイアＣ面上にＧａＮを成長させる場合には、通常、六方晶のウルツ鉱型ＧａＮがサファイア基板とｃ軸をそろえて成長する。
【０００４】
しかしウルツ鉱型ＧａＮはｃ軸方向に極性を持つため、通常は図１（ａ）および同図（ｂ）に示すように２種類の極性、すなわち２種類の原子の配列状態を持つ結晶の混在した膜となってしまう。
【０００５】
このサファイアＣ面基板１上に成長するＧａＮ膜において、図１（ａ）に示すようにＧａ原子の直上にＮ原子が配列された場合をＧａＮ（０００１）（Ｇａ−ｆａｃｅ）図１（ｂ）に示すようにＮ原子の直上にＧａ原子が配列された場合をＧａＮ（０００−１）（Ｎ−ｆａｃｅ）と呼んでいる。
【０００６】
これら２種類の極性と成長した膜の特性とは密接に関係しており、ＧａＮ（０００１）膜の方がＧａＮ（０００−１）膜、あるいはＧａＮ（０００１）とＧａＮ（０００−１）との混在した膜よりも、光学的、電気的特性、さらに表面平坦性に優れているということが報告されている（Keller et.al.,Appl.Phys.lett.68(1996)1525, Fuke et al.,J.Appl.Phys.83(1998)764）。
【０００７】
従って、いかに成長する膜の極性をＧａ−ｆａｃｅに制御するかということが高品質III族窒化物半導体素子を作成する上での重要なキーポイントとなっている。
【０００８】
有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法においては、有機金属ガスの供給時、核密度増大のためにサファイア基板上に成長させる低温バッファ層のアニール条件などを制御することにより、成長する膜の特性をＧａ−ｆａｃｅに制御することがすでに可能となっている。これに対し、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法においては、これまでＧａＮ（０００-１）が支配的な膜しか得られておらず、ＧａＮ（０００１）膜を得ることは不可能であった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法によるＧａＮ系III族窒化物薄膜形成の際の問題点を解決するものであり、その目的は、成長する膜の極性を（０００１）に制御して、従来よりも光学的、電気的に優れたＧａＮ系III族窒化物薄膜を形成する方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、窒素イオンを生成して放出するイオンガンと、Ｇａを主成分とする分子線を放出する金属ソースと、含窒素原子ガスをプラズマ化して窒素ラジカルを放出するプラズマガンとを設けておき、サファイア基板のサファイアＣ面上に、ＧａＮ系III族窒化物薄膜をエピタキシャル成長させる薄膜形成方法であって、前記サファイア基板の露出された前記サファイアＣ面に、前記イオンガンで生成された前記窒素イオンを電位差で加速して照射してＡｌＮ層を形成した後、形成された前記ＡｌＮ層表面に、前記金属ソースが放出した前記分子線と、前記プラズマガンが放出した前記窒素ラジカルとを照射し、前記ＡｌＮ層表面に前記ＧａＮ系III族窒化物薄膜を形成する薄膜形成方法である。
請求項２記載の発明は、前記ＡｌＮ層を形成する際に、前記サファイヤ基板を８００℃以上１１００℃以下に昇温させる請求項１記載の薄膜形成方法である。
請求項３記載の発明は、前記ＡｌＮ層を形成する際に、前記窒素イオンを５０ｅＶ以上１０００ｅＶに加速する請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の薄膜形成方法である。
【００１１】
本発明は上記のように構成されており、サファイア基板のサファイアＣ面を表面に露出させ、そのＣ面を清浄化処理した後に、該サファイア基板を８００℃以上１１００℃以下に加熱した状態で、サファイアＣ面に窒素イオンを照射し、ＡＩＮ（０００１）層を形成している。
【００１２】
窒素イオンは、窒素ガスをイオン源とし、この窒素イオンを５０ｅＶ以上１０００ｅＶ以下に加速し、サファイアＣ面に照射している。
【００１３】
そして、形成したＡＩＮ（０００１）層の表面に、所望の方法により、ＧａＮ薄膜等を形成すると、III族窒化物系の（０００１）薄膜が形成される。
【００１４】
ここでIII族窒化物薄膜は、ＧａＮ系の他、III族金属元素としてＩｎ、Ａｌ、を含んでもよいし、またドーパントとして、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｓｉ等を含んでもよい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下この発明の実施例を図面を参照して説明する。
【００１６】
図３の符号１０は、本発明に用いることができる分子線エピタキシー装置を示している。
【００１７】
この分子線エピタキシー装置１０は、真空槽１１を有しており、その底壁側には、イオンガン１２とプラズマガン１３と金属ソース１４とアンモニアガス導入用ノズル１５とが配置されている。真空槽１０の天井側には、ヒータ１７が配置されている。
【００１８】
イオンガン１２は、引き出し電極３１と、グリッド３２、電子放出フィラメント３３とを有しており、ガス導入管３４から容器３５内に窒素ガスを導入し、電子放出フィラメント３３からグリッド３２に対して電子線を射出させ、窒素ガスに照射すると、窒素ガスは電子衝撃によってイオン化し、窒素イオンが生成される。
【００１９】
このときサファイア基板２１に対するグリッドの電位Ｖ_Aを＋５０〜＋１０００Ｖに保つと、生成された窒素イオンは電場によって５０〜１０００ｅＶに加速され、容器３５の開口から真空槽１１内に放出されるようになっている。このとき引き出し電極の電位Ｖ_EXを負電位に保つと、イオンガン１２内で生成した窒素イオンがサファイア基板方向に効果的に引き出せる。
【００２０】
プラズマガン１３は、ＰＢＮ管３６を有しており、該ＰＢＮ管３６の周囲には、高周波コイル３７が巻回されている。ガス導入管３８からＰＢＮ管内に、窒素ガスやアンモニアガス等の含窒素原子ガスを導入し、コイル３７に高周波電圧を印加すると、ＰＢＮ管３６内の含窒素原子ガスがプラズマ化し、プラズマ中に含まれる窒素ラジカルが真空槽１１内に放出されるようになっている。
【００２１】
また、金属ソース１４内にはＧａを主成分とする金属材料３９が配置されており、金属ソース１４を加熱すると、金属材料３９から真空槽１１内にＧａを主成分とする分子線が放出されるようになっている。
【００２２】
【実施例】
図３の符号２１は、成膜対象であるサファイア基板を示している。このサファイア基板２１は、その表面に、サファイアＣ面２８が露出されている。
【００２３】
先ず、成膜対象のサファイア基板２１を、そのサファイアＣ面２８を真空槽１１の底壁側に向けてヒータ１７近傍に配置し、ヒータ１７に通電して発熱させ、サファイア基板２１を９５０℃に加熱して清浄化処理した後、９００℃まで降温させ、サファイア基板２１をその温度に保持する。
【００２４】
次いで、イオンガン１２から窒素イオンを放出させると、窒素イオンの飛行先には、サファイア基板２１のサファイアＣ面２８が位置しており、そのサファイアＣ面２８に窒素イオンが照射されると、ＡＩＮ層が形成される。ここでは、窒素イオンの加速電圧は３５０ｅＶであった。得られたＡＩＮ層の極性は（０００１）であった。
【００２５】
窒素イオンを３０分照射し、所定膜厚にＡｌＮ層を形成した後、サファイア基板２１の温度を６００℃まで降温させる。
【００２６】
次いで、プラズマガン１３から窒素プラズマを放出させると共に、金属ソース１４からＧａを主成分とする金属を放出させ、ＡｌＮ表面に照射すると、ＧａＮを主成分とするＧａＮ系III族窒化物薄膜が成長する。得られた薄膜の極性は（０００１）であった。
【００２７】
図２(ａ)の符号２２は、形成されたＡｌＮ層を示しており、符号２３は、ＧａＮ系III族窒化物薄膜を示している。窒素イオンの照射時間は１０分〜２時間の範囲で同じような結果が得られた。
【００２８】
【実施例】
次に、別のサファイア基板を分子線エピタキシー装置１０に装着し、９５０℃に加熱して清浄化処理した後、９００℃に降温させ、その温度を保持し、イオンガン１２から３５０ｅＶに加速した窒素イオンをサファイアＣ面に照射し、ＡＩＮ層を形成した。照射時間は３０分であり、得られたＡＩＮ層の極性は（０００１）であった。
【００２９】
次いで、サファイア基板の温度を８００℃に降温させ、その温度を保持し、アンモニアガス導入用ノズル１５内にアンモニアを導入するとともに、金属ソース１４から、Ｇａを主成分とする金属を放出させ、ＡｌＮ層の表面にＧａＮ系III族窒化物薄膜を成長させた。
【００３０】
図２(ｂ)の符号２４は、この実施例に用いたサファイア基板を示しており、符号２５はＡｌＮ層を示しており、符号２６は、アンモニアを用いて形成したＧａＮ系III族窒化物薄膜を示している。
【００３１】
得られたＧａＮ系III族窒化物薄膜の極性は（０００１）であった。窒素イオンの照射時間は１０分〜２時間であればどの程度でも同じような結果が得られた。
【００３２】
以上は同じ真空槽１１内で、ＡｌＮ層２２、２５とＧａＮ系III族窒化物薄膜２３、２６を形成したが、真空槽１１内で形成されたＡＩＮ（０００１）層２２、２５の表面が搬送中も清浄に保たれるならば、III族窒化物薄膜２３、２６を別の装置内に搬入し、ＡｌＮ層２２、２５を形成した真空槽１１とは異なる真空槽内で形成してもよい。
【００３３】
またイオンガン１２によるサファイアＣ面への窒素イオンの照射時間は、ＡＩＮ（０００１）がサファイア基板上に形成される程度の時間であればよい。
【００３４】
また、ＡＩＮ（０００１）層上に成長させるＧａＮ系（０００１）薄膜は、ＭＢＥ、スパッタ、ＣＶＤ、レーザーデポジッションなどの成長法を用いることもできる。
【００３５】
以上のようにして、この発明で形成されたＧａＮ系薄膜は、所望のタイプの電子デバイスあるいは光電子デバイスなどに組み込まれて利用出来る。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、従来のＭＢＥ法においては不可能であったＧａＮ系のIII族窒化物薄膜の極性を光学的、電気的特性、表面平坦性に優れた（０００１）に制御することが可能となるため、高品質なIII族窒化物半導体素子を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】(ａ)：ＧａＮ（０００１）（Ｇａ−ｆａｃｅ）薄膜の原子配列を説明するための図
(ｂ)：ＧａＮ（０００−１）（Ｎ−ｆａｃｅ）薄膜の原子配列を説明するための図
【図２】(ａ)、(ｂ)：本発明方法によって形成されたＧａＮ系III族窒化物薄膜（０００１）を説明するための図
【図３】本発明に用いることができる分子線エピタキシャル装置の一例
【図４】(ａ)、(ｂ)：サファイア結晶の面方位を説明するための図
【符号の説明】
２１、２４……サファイア基板
２２、２５……ＡｌＮ層
２３、２６……III族窒化物薄膜
２８……サファイアＣ面

Claims

窒素イオンを生成して放出するイオンガンと、Ｇａを主成分とする分子線を放出する金属ソースと、含窒素原子ガスをプラズマ化して窒素ラジカルを放出するプラズマガンとを設けておき、
サファイア基板のサファイアＣ面上に、ＧａＮ系III族窒化物薄膜をエピタキシャル成長させる薄膜形成方法であって、
前記サファイア基板の露出された前記サファイアＣ面に、前記イオンガンで生成された前記窒素イオンを電位差で加速して照射してＡｌＮ層を形成した後、
形成された前記ＡｌＮ層表面に、前記金属ソースが放出した前記分子線と、前記プラズマガンが放出した前記窒素ラジカルとを照射し、前記ＡｌＮ層表面に前記ＧａＮ系III族窒化物薄膜を形成する薄膜形成方法。
前記ＡｌＮ層を形成する際に、前記サファイヤ基板を８００℃以上１１００℃以下に昇温させる請求項１記載の薄膜形成方法。
前記ＡｌＮ層を形成する際に、前記窒素イオンを５０ｅＶ以上１０００ｅＶに加速する請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の薄膜形成方法。