JP4555340B2 - GaN系窒化膜を形成する方法 - Google Patents
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Description
layer)を利用して高品質のGaN系窒化膜を形成する方法に関するものである。本発明によるGaN系窒化膜は、特にLED(Light Emitting Diode)及びLD(Laser
Diode)に適するものである。
また、上述したように、低い温度でサファイヤ基板上にバッファー層を成長させるのではなく、高い温度で基板上にGaN系窒化膜を成長させる場合もあるが、改善の余地が多くあるのが現状である。
1010〜1012/cm2)。
したがって、このような格子欠陥を低減させて、成長される薄膜の特性を改善するためには、既存のサファイヤ基板ではなく、GaNと格子が一致する基板を使用することが好ましいが、これは現実的に不可能な状態である。
device)を得ることができる。
また、本発明のバッファー層を利用することによって、サファイヤ基板とGaN系窒化膜間の格子不整合が緩和された発光ダイオード及びレーザーダイオードを実現することができる。
一般に、GaN系窒化膜を成長させるためにサファイヤ(Al2O3)とシリコンカーバイド(SiC)などからなる基板が多用されている。特に、低価であり、かつ優れた機械的特性を有するサファイヤ基板が最も多く用いられているが、サファイヤ基板は、GaN系窒化膜とは異なる物質特性(格子定数、熱膨張係数等)を有しており、高品質の窒化膜を成長させるのが困難であるため、GaN系窒化膜は、1010〜1012/cm2の転位密度を有することになる。
Physics letter)」(72巻),19号,1998年5月11日,2463‐2465,クリスタリンシリコンカーボンナイトライド(Crystalline
silicon carbon nitride)参照), (「フィジカルレビューB(Physical review B)」(55巻),9号,1997年3月1日,5684‐5688,1対1の化学量論比で混合されるカーボンナイトライド(carbon
nitride compounds with 1:1 stoichiometry)参照)。
CNの格子定数(a)は概略的に2.6nmであり、SiCの格子定数は0.308nm、GaNの格子定数は0.3189、サファイヤの格子定数は0.2747nmである。また最近の報告によるとSi23C38N39の場合、格子定数は0.3117nmであることが報告されている。ここでいう格子定数(a)とは、ヘキサゴナル構造のある平面において、最も近接する原子間の距離を意味する。
また、SiCNバッファー層の上にGaN膜を成長させる場合、成長条件(SiCN成長温度、SiCN物質構成比、GaN膜成長温度、V族に対するIII族の原子比(V/III ratio)等)にしたがって様々な特徴が現れるが、特に、高温でGaN系窒化膜、例えば、GaN膜を成長させると、SiCNとGaN間の接着力が良くない場合がある。初期状態ではウエハの表面全体に一様に連続的なGaN膜を得ることができず、不連続的なGaN膜が存在する場合がある。ここで、連続的なGaN膜を結合させるためには、水平成長モードを増加させて、相当な厚さのGaN膜を成長させなければならないという問題がある。
一方、上記GaN系窒化膜を成長させるためには、TMIn、TEIn、EDMIn、TMGa、TEGa、TMAl、TEAlNH3、ハイドラジンなどの多様な材料が使用され得る。
このように、本発明の構成要素である各薄膜等の材料を例示したが、本発明の思想は、これに制限されるのではない。
シリコンカーボンナイトライドバッファー層20の厚さは、5Å〜1000Åの値で構成されることが好ましい。しかしながら、成長時、膜は実質的に3次元で形成されるので、その厚さを正確に規定することは難しいが、平均的な高さが上記値を有することが好ましい。
また、ぬれ層30は、400℃〜1100℃の温度で成長させることが好ましく、その総厚さは5Å〜5000Åであることが好ましい。
さらに、ぬれ層30の形成段階において、V族に対するIII族の原子比は1〜5000の範囲内にあることが好ましく、さらに、GaN系窒化膜12にヒロックが発生するV族に対するIII族の原子比より小さい方がより一層好ましい。
一方、ぬれ層30の上に成長されるGaN系窒化膜12は900℃〜1200℃間の温度で成長されることが好ましい。
さらに、GaN系窒化膜12のV族に対するIII族の原子比は500〜20,000であることが好ましい。
上記実施例と比較例において、MOCVDを用い、かつ全てのサファイヤ基板10を使用し、GaN系窒化膜の成長は、全ての実施例において同一の条件で行った。
図2に示すように、サファイヤ基板10に初期高温(1000℃以上)でプレベーキングを施した後、900℃〜1000℃でシリコンカーボンナイトライドバッファー層20を成長させる。このとき、資料としてはDTBSi、CBr4、及びNH3を使用し、シリコンカーボンナイトライドバッファー層20の厚さは100Åである。キャリアガスとしては水素を使用した。シリコンカーボンナイトライドバッファー層20を成長させた後、反応器の温度を1050℃まで昇温させ、水分を安定にさせるために静置する。そして、TMGa、NH3を利用してGaN膜12を成長させる。
図3に示すように、サファイヤ基板10に初期高温(1000℃以上)でプレベーキングを施した後、900℃〜1000℃でシリコンカーボンナイトライドバッファー層20を成長させる。このとき、資料としてはDTBSi、CBr4、及びNH3を使用し、シリコンカーボンナイトライドバッファー層20の厚さ100Åまで成長させる。キャリアガスとしては水素を利用した。次いで、シリコンカーボンナイトライドバッファー層20の上にIn0.02Ga0.98Nからなるぬれ層30が形成される。このとき、資料としてはTMIn、TMGa及びNH3が使用され、成長温度は800℃であった。また、ぬれ層30の形成段階においてV族に対するIII族の原子比は5000〜6000の範囲内で設定した。その後、ぬれ層30の上にGaN膜12を形成する。ここで、GaN膜12の成長条件は通常知られている条件を使用するが、概して1050℃近くの温度で成長させる。
Claims (11)
- サファイヤ基板上にSiaCbNc(c,b>0,a≧0)の組成からなる第1層を形成する第1段階と、
SiaCbNc(c,b>0,a≧0)の組成からなる前記第1層の上にGaN成分を含む窒化膜を形成する第2段階と、
を含み、
SiaCbNc(c,b>0,a≧0)の組成からなる前記第1層の厚さが5Å以上1000Å以下であり、
a,b,cの値は、SiaCbNc(c,b>0,a≧0)の組成からなる前記第1層と前記サファイヤ基板との格子定数差がSiC(a,b=1,c=0)と前記サファイヤ基板との格子定数差より小さく、かつ、前記第1層の格子定数が前記サファイヤ基板の格子定数より大きくなるように設定されることを特徴とするGaN系窒化膜の形成方法。 - 前記第2段階に先立ち、SiaCbNc(c,b>0,a≧0)の組成からなる前記第1層の上にAl(x1)Ga(y1)In(z1)N(0≦x1≦1,0≦y1≦1,0≦z1≦1,x1+y1+z1=1)の組成からなる第2層を形成する段階をさらに含み、
GaN成分を含む前記窒化膜は前記第2層の上に形成されることを特徴とする請求項1に記載のGaN系窒化膜の形成方法。 - SiaCbNc(c,b>0,a≧0)の組成からなる前記第1層の成長温度が500℃以上1200℃以下であることを特徴とする請求項1に記載のGaN系窒化膜の形成方法。
- Al(x1)Ga(y1)In(z1)N(0≦x1≦1,0≦y1≦1,0≦z1≦1,x1+y1+z1=1)の組成からなる前記第2層の成長温度が400℃以上1100℃以下であることを特徴とする請求項2に記載のGaN系窒化膜の形成方法。
- Al(x1)Ga(y1)In(z1)N(0≦x1≦1,0≦y1≦1,0≦z1≦1,x1+y1+z1=1)の組成からなる前記第2層の厚さが5Å以上5000Å以下であることを特徴とする請求項2に記載のGaN系窒化膜の形成方法。
- サファイヤ基板上にSiaCbNc(c,b>0,a≧0)の組成からなる第1層を形成する第1段階と、
SiaCbNc(c,b>0,a≧0)の組成からなる前記第1層の上にGaN成分を含む窒化膜を形成する第2段階と、
を含み、
SiaCbNc(c,b>0,a≧0)の組成からなる前記第1層は、前記サファイヤ基板に近い側で該サファイヤ基板の格子定数に近接する格子定数を有し、GaN成分を含む前記窒化膜に近い側でGaN成分を含む該窒化膜の格子定数に近接する格子定数を有することを特徴とするGaN系窒化膜の形成方法。 - サファイヤ基板上にSiaCbNc(c,b>0,a≧0)の組成からなる第1層を形成する第1段階と、
SiaCbNc(c,b>0,a≧0)の組成からなる前記第1層の上にGaN成分を含む窒化膜を形成する第2段階と、
を含み、
前記第2段階に先立ち、SiaCbNc(c,b>0,a≧0)の組成からなる前記第1層の上にAl(x1)Ga(y1)In(z1)N(0≦x1≦1,0≦y1≦1,0≦z1≦1,x1+y1+z1=1)の組成からなる第2層を形成する段階をさらに含み、
GaN成分を含む前記窒化膜は前記第2層の上に形成されて、
SiaCbNc(c,b>0,a≧0)の組成からなる前記第1層は、前記サファイヤ基板に近い側で該サファイヤ基板の格子定数に近接する格子定数を有し、Al(x1)Ga(y1)In(z1)N(0≦x1≦1,0≦y1≦1,0≦z1≦1,x1+y1+z1=1)の組成からなる前記第2層に近い側でAl(x1)Ga(y1)In(z1)N(0≦x1≦1,0≦y1≦1,0≦z1≦1,x1+y1+z1=1)の組成からなる該第2層の格子定数に近接する格子定数を有することを特徴とするGaN系窒化膜の形成方法。 - サファイヤ基板上にSiaCbNc(c,b>0,a≧0)の組成からなる第1層を形成する第1段階と、
SiaCbNc(c,b>0,a≧0)の組成からなる前記第1層の上にGaN成分を含む窒化膜を形成する第2段階と、
を含み、
SiaCbNc(c,b>0,a≧0)の組成からなる前記第1層の厚さが5Å以上1000Å以下であり、
SiaCbNc(c,b>0,a≧0)の組成からなる前記第1層は、前記サファイヤ基板の格子定数とGaN成分を含む前記窒化膜の格子定数間の格子定数値を有することを特徴とするGaN系窒化膜の形成方法。 - サファイヤ基板上にSiaCbNc(c,b>0,a≧0)の組成からなる第1層を形成する第1段階と、
SiaCbNc(c,b>0,a≧0)の組成からなる前記第1層の上にGaN成分を含む窒化膜を形成する第2段階と、
を含み、
SiaCbNc(c,b>0,a≧0)の組成からなる前記第1層の厚さが5Å以上1000Å以下であり、
前記第2段階に先立ち、SiaCbNc(c,b>0,a≧0)の組成からなる前記第1層の上にAl(x1)Ga(y1)In(z1)N(0≦x1≦1,0≦y1≦1,0≦z1≦1,x1+y1+z1=1)の組成からなる第2層を形成する段階をさらに含み、
GaN成分を含む前記窒化膜は前記第2層の上に形成されて、
SiaCbNc(c,b>0,a≧0)の組成からなる前記第1層は、前記サファイヤ基板の格子定数とAl(x1)Ga(y1)In(z1)N(0≦x1≦1,0≦y1≦1,0≦z1≦1,x1+y1+z1=1)の組成からなる前記第2層の格子定数間の格子定数値を有することを特徴とするGaN系窒化膜の形成方法。 - SiaCbNc(c,b>0,a≧0)の組成からなる前記第1層は、GaN成分を含む前記窒化膜の格子定数と同一の格子定数値を有することを特徴とする請求項8に記載のGaN系窒化膜の形成方法。
- SiaCbNc(c,b>0,a≧0)の組成からなる前記第1層は、Al(x1)Ga(y1)In(z1)N(0≦x1≦1,0≦y1≦1,0≦z1≦1,x1+y1+z1=1)の組成からなる前記第2層の格子定数と同一の格子定数値を有することを特徴とする請求項9に記載のGaN系窒化膜の形成方法。
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