JP4852795B2 - 化合物半導体の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、化合物半導体の製造方法に関し、特に、GaN単結晶基板上に形成された窒化物系化合物半導体層を有する化合物半導体の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、窒化物系化合物層を用いた発光ダイオードやレーザーダイオード等の発光デバイスが注目を集めている。これら発光デバイスは、紫外光から青緑色光の領域における短波長の光を出射可能であることから、照明装置や表示装置として、また、次世代デジタルビデオディスク用光源として、実用化、量産化が期待されている。このような発光デバイス用の基板としては、窒化物系化合物半導体層(主に、GaN系化合物半導体層)をエピタキシャル成長させる上で、これと格子定数が一致するGaN単結晶基板を用いるのが本来好ましい。
【0003】
ところが、従来、GaN単結晶基板を製造すること自体が困難であると考えられていた。このため、窒化物系化合物半導体層を形成するに際しては、GaNに近い格子定数を有し、化学的にも安定なサファイア基板を用いるのが一般的であった。サファイア基板上にGaN層をエピタキシャル成長させる方法としては、有機金属化学気相成長法(OMVPE)が広く知られている。かかるOMVPE法では、まず、水素ガス雰囲気下で、サファイア基板の温度を1050℃程度に保持し、基板表面にクリーニングを施す。次に、450℃から600℃程度の温度の下で、基板上にGaNまたはAlNのバッファ層を成長させる。更に、1000℃以上の高温下で、バッファ層の上にGaN層を成長させる。
【0004】
しかしながら、上述したようにサファイア基板を用いると、次のような問題が生じてしまう。すなわち、サファイア基板とGaN系化合物半導体層とは、互いに近い格子定数を有するものの、両者の格子定数は一致していない。このため、サファイア基板とGaN層の界面に格子不整合による転位等の多数の欠陥が導入されてしまい、GaN系化合物半導体層の表面に多数の貫通欠陥が表出する。このような欠陥は、レーザーダイオードといった発光デバイスの特性や寿命を著しく劣化させる要因となる。
【0005】
一方、上述したような欠陥を低減させるための方法として、例えば、酒井ら(応用物理 第68巻 第7号 774〜779頁)は、選択横方向成長法(Selective Epitaxial Lateral Overgrowth; ELO)を提案している。この方法では、まず、上述した手法によりサファイア基板上にGaN層を成長させる。そして、GaN層上に、SiO2をマスク材料として、リソグラフィーによってストライプパターンを形成した後、HVPE法によりGaNを選択横方向成長させる。かかる方法によれば、従来比約2桁のオーダーで欠陥密度を低減させることが可能となる。しかしながら、GaN系化合物半導体層の表面には、依然として、107〜108 /cm2程度の欠陥が表出してしまう。
【0006】
このように、サファイア基板上に窒化物系化合物半導体層を形成した場合、発光デバイスの特性を十分に改善し、ロングライフ化を図ることは困難であった。また、サファイア基板とGaN層とでは、熱膨張率が大きく異なっているため、エピタキシャル成長後のサファイア基板には、大きな反りが発生してしまう。更に、サファイア基板は劈開性を有してはおらず、劈開面によって反射面を形成するレーザーダイオードの製造には本来適していないともいえる。
【0007】
このような状況のもと、本発明者らは、原則に立ちかえり、GaN単結晶基板の量産化を図るべく、鋭意研究を進めた。そして、本発明者らは、実験、解析を繰り返すことにより、窒化物系化合物半導体層の形成に適したGaN単結晶基板を製造する方法を確立するに至った。本発明者らが、国際公開公報WO99/23693(特願2000−519462号)において提案した方法は、次のようなものである。すなわち、第1の方法では、まず、GaAs基板上にストライプ状または円形状の開口部をもったマスク層を形成し、その上にGaN層をエピタキシャル成長させる。そして、エピタキシャル成長の完了後、GaAs基板を除去することによりGaN基板を得る。また、第2の方法では、また、GaN基板上に更にGaN層を成長させてインゴットを作製する。そして、得られたインゴットから複数のGaN基板を切り出す。これらの新たな製法を採用することにより、GaN単結晶基板の商業ベースでの量産化が可能となる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
さて、GaN単結晶基板上に窒化物系化合物半導体層を形成するに際しては、作成したGaN単結晶基板の表面を平坦にしておく必要がある。しかしながら、GaNは化学的に非常に安定なため、Si,GaAs等からなる他の半導体用基板に適用されている化学的機械研磨法(CMP)を採用しても、十分な平坦性をGaN単結晶基板の表面に付与することは困難である。このため、GaN単結晶基板に対しては、研磨材を用いた機械的研磨が施される。
【0009】
この場合、機械研磨を施した基板の表面粗さは、典型的にはRa=1.0nm程度となり、基板表面はエピタキシャル成長に適するほど平坦化されない。このように表面粗さが改善されていない基板上にGaN等をエピタキシャル成長させた場合、ランダムな核発生と粒成長による3次元成長が起こり易くなり、エピタキシャル成長後に平坦な表面を得ることが困難となる。また、このような成長モードでは、生成した成長核同士が合体する際に、核間に存在する微少な結晶方位のずれに起因する転位等の結晶欠陥が発生し易くなり、窒化物系化合物半導体層の結晶性も劣化してしまう。
【0010】
このような状況に鑑み、本発明は、GaN単結晶基板上に良好な窒化物系化合物半導体層を形成可能とする化合物半導体の製造方法の提供を目的とする。
【0011】
請求項1に記載の本発明による化合物半導体の製造方法は、GaN単結晶基板上に形成された窒化物系化合物半導体層を有する化合物半導体の製造方法において、少なくとも水素ガスを含む第1ガス雰囲気下でGaN単結晶基板を加熱する第1加熱工程と、少なくともアンモニアを含む第2ガス雰囲気下でGaN単結晶基板を加熱する第2加熱工程と、GaN単結晶基板上に窒化物系化合物半導体層を形成するエピタキシャル成長工程とを含み、第1加熱工程、第2加熱工程及びエピタキシャル成長工程はこの順序で連続的に行われ、第1加熱工程は、少なくともアンモニアを含む混合ガス雰囲気下でGaN単結晶基板の温度を第1加熱工程の加熱温度まで上昇させた後に行われるものである。
【0012】
本発明者らは、表面研磨ではGaN単結晶基板の表面に十分な平坦性を付与することが困難であることを踏まえた上で、GaN単結晶基板上に良好な窒化物系化合物半導体層を形成すべく、鋭意研究を進めた。その結果、GaN単結晶基板上に窒化物系化合物半導体層をエピタキシャル成長させる前に、GaN単結晶基板に対して2段階の加熱処理を施すことにより、GaN単結晶基板上に極めて良好な窒化物系化合物半導体層を形成可能となることを見出した。
【0013】
すなわち、第1加熱工程において、少なくとも水素ガスを含む第1ガス雰囲気下でGaN単結晶基板を加熱することにより、基板表面においてGaNが還元されて分解し、N原子は、NHx(1≦x≦3)となって脱離する。ここで、GaN単結晶基板の表面がエッチングされる際、基板表面に吸着または結合している有機分子や酸素等の分子も同時にエッチングされる。従って、基板表面の汚染物質を大幅に低減させることが可能となる。このようにして汚染物質を低減させておくことは、窒化物系化合物半導体層の結晶状態の改善に顕著な効果を与える。
【0014】
また、第1加熱工程を実施することにより、基板表面のN原子が脱離するので、GaN単結晶基板の表面のストイキオメトリーは、Gaリッチの状態となる。この場合、過剰Ga原子は、表面エネルギを低下させるようにマイグレーションし、表面の凹部に集まる。従って、第1加熱工程が施されたGaN単結晶基板を、少なくともアンモニアが含まれている第2ガス雰囲気下で加熱することにより(第2加熱工程)、表面の凹部内のGa原子は、第2ガス中のアンモニア(窒素)によって窒化される。これにより、基板表面の凹部に再度GaNが形成され、GaN単結晶基板の表面は良好に平坦化されることになる。そして、これら第1加熱工程および第2加熱工程を経て、良好に平坦化されたGaN単結晶基板上に窒化物系化合物半導体層を形成することにより、窒化物系化合物半導体層の結晶状態および表面モフォロジーを大幅に改善することが可能となる。
【0015】
そして、窒化物系化合物半導体層の原材料として、AlxGayIn1-x-yN(0≦x≦1,0≦y≦1,0≦x+y≦1)を用いると好ましい。
【0016】
また、第1加熱工程および第2加熱工程における基板温度をそれぞれ800℃以上とすると好ましい。
【0017】
更に、第2加熱工程における基板温度を1000℃以上とすると好ましい。
【0018】
また、第1加熱工程と第2加熱工程とを、それぞれ2回以上繰り返すと好ましい。
【0019】
更に、第1ガスには、窒素ガスおよび希ガスのうちの少なくとも何れか1種を含ませると好ましい。
【0020】
また、第1ガス中の水素含有率を、10%以上100%以下とすること好ましい。
【0021】
更に、第2ガスには、水素ガスおよび窒素ガスのうちの少なくとも何れか1種を含ませると好ましい。
【0022】
また、第1加熱工程における加熱時間を、10秒以上10分以下とすると好ましい。
【0023】
更に、第2加熱工程における加熱時間を、1分以上とすると好ましい。
【0024】
そして、エピタキシャル成長工程では、有機金属化学気相成長法(OMVPE)、ハイドライド気相成長法(HVPE)、有機金属塩化物気相成長法(MOCVPE)及び、分子線エピタキシー法(MBE)のうち、何れか一の手法により、窒化物系化合物半導体層を形成するとよい。
【0025】
【発明の実施の形態】
以下、図面と共に本発明による化合物半導体の製造方法の好適な実施形態について詳細に説明する。
【0026】
図1は、本発明による化合物半導体の製造方法によって製造した化合物半導体を示す断面図である。同図に示す化合物半導体1は、GaN単結晶基板2と、このGaN単結晶基板2上に形成された窒化物系化合物半導体層3とを備える。化合物半導体1は、発光ダイオードやレーザーダイオード等の発光デバイスの製造中間体となるものである。すなわち、この化合物半導体1上に適当なpn接合、好ましくはダブルへテロ接合、より好ましくは量子井戸構造を形成し、給電用の電極を取り付ければ、所望の発光デバイスが完成する。
【0027】
窒化物系化合物半導体層3の原材料としては、GaN単結晶基板2上に直接ホモエピタキシャル成長させることができるGaNが最も好ましい。もちろん、これに限られるものではなく、窒化物系化合物半導体層3の原材料として、
AlxGayIn1-x-yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)
で表される2、3ないしは4元系の化合物半導体から任意のものを選択してもよい。
【0028】
かかる化合物半導体1を製造するための本発明による化合物半導体の製造方法は、(a)基板製造工程、(b)第1加熱工程、(c)第2加熱工程、(d)エピタキシャル成長工程に大別される。
(a)基板製造工程では、GaN単結晶基板2を製造する。製造されたGaN単結晶基板2は、表面研磨された後、液体洗浄される。更に、基板に存在する加工変質層は、所定の表面処理方法により除去される。
(b)第1加熱工程では、少なくとも水素ガスを含む第1ガスG1の雰囲気下でGaN単結晶基板2を加熱する。この第1加熱工程における基板温度をT1とし、加熱時間をP1とする。
(c)第2加熱工程では、少なくともアンモニアを含む第2ガスG2の雰囲気下でGaN単結晶基板を加熱する。この第2加熱工程における基板温度をT2とし、加熱時間をP2とする。
(d)エピタキシャル成長工程では、第1加熱工程および第2加熱工程を施したGaN単結晶基板2の表面に、加熱状態の下、窒化物系化合物半導体層3の原材料ガスG3を供給し、GaN単結晶基板2上に窒化物系化合物半導体層3をエピタキシャル成長させる。このエピタキシャル成長工程における基板温度をT3とする。
以下、上記(a)〜(d)の各工程について詳説する。
【0029】
(a)基板製造工程
GaN単結晶基板2を製造するに際しては、本発明者らが国際公開公報WO99/23693(特願2000−519462号)において提案した方法を採用することができる。これらの各方法について簡単に説明する。第1の方法では、まず、GaAs基板上にストライプ状または円形状の開口部をもったマスク層を形成する。そして、マスク層の上にGaN層を気相成長法等によりエピタキシャル成長させる。この際、マスク層の各開口部内にGaN核が形成される。GaN核は、開口部からマスク層の非開口部(マスク部)に向かって自由にラテラル成長する。このようにGaN核がラテラル成長する際、GaN内の欠陥が広がることはない。従って、このような方法によれば、エピタキシャル成長の完了後、GaAs基板を除去すれば、結晶欠陥が大幅に低減されたGaN単結晶基板2を得ることができる。
【0030】
また、第2の方法では、まず、GaN単結晶の表面を研磨して種結晶基板を作製する。次に、加熱状態の下で、種結晶基板の表面に、GaおよびNを含む原材料ガスを供給する。これにより、種結晶基板上にGaN層がエピタキシャル成長し、インゴットが作製される。そして、得られたインゴットから複数のGaN基板を切り出す。これら各方法によって製造されたGaN単結晶基板2の表面には、研磨材を用いた機械研磨が施される。表面研磨が施されたGaN単結晶基板2は、純水等を用いて液体洗浄される。液体洗浄に際しては、適当な有機溶剤、酸、アルカリ溶液等を用いてもよい。なお、機械研磨が施されたGaN単結晶基板2の表面には、研磨時のダメージによる加工変質層が表出するが、これは、公知の適切な表面処理方法を適用することにより除去可能である。
【0031】
(b)第1加熱工程
以下に説明する第1加熱工程、第2加熱工程、および、エピタキシャル成長工程は、図2に例示する気相成長装置10や、図3に例示する気相成長装置20等を用いて、連続的に実施すると好ましい。
【0032】
ここでは、まず、図2に示す気相成長装置10について説明する。同図に示す気相成長装置10は、横型OMVPE装置として構成されており、本体11と、本体11の上部に設けられ、横方向(略水平)に延びる石英製のフローチャネル12とを有する。本体11の内部には、GaN単結晶基板2を載置するサセプター14が配されている。このサセプター14の下部には、ヒータ15が装着されている。これらサセプター14およびヒータ15は、図示しない駆動装置によって、フローチャネル12の延在方向と直交する方向(鉛直方向)に延びる軸周りに回転駆動される。また、フローチャネル12の一端側には、本体11側に原材料ガス等を導入するための導入ノズル16が設けられている。導入ノズル16は、複数(3層)の流路16a,16b,16cを有する。導入ノズル16の各流路16a,16b,16cから導入された流体は、サセプター14の上方付近で混ざり合う。本体11内で反応したガスは排気口17から外部に排出される。
【0033】
一方、図3に示す気相成長装置20は、HVPE装置として構成されており、チャンバ21を有する。チャンバ21の内部には、GaN単結晶基板2を載置するための試料台22、および、Ga等の金属原材料を加熱するためのボート23が配置されている。また、チャンバ21の上部には、ガス導入ポート24,25が設けられている。ガス導入ポート25は、ボート23のほぼ真上に配置されている。チャンバ21の内部で反応したガスは排気口26から外部に排出される。そして、チャンバ21の周囲には、試料台22上に載置されたGaN単結晶基板2を加熱するためのヒータ27が配置されている。
【0034】
例えば、気相成長装置10を用いて第1加熱工程を行なう場合は、まず、サセプター14上に、基板製造工程で製造したGaN単結晶基板2を載置する。そして、導入ノズル16から、少なくとも水素ガスを含む第1ガスG1をフローチャネル12内に導入すると共に、ヒータ15を作動させて基板温度T1を所定温度以上に保つ。また、気相成長装置20を用いて第1加熱工程を行なう場合は、まず、試料台22上に、基板製造工程で製造したGaN単結晶基板2を載置する。そして、ガス導入ポート24から、少なくとも水素ガスを含む第1ガスG1をチャンバ21内に導入すると共に、ヒータ27を作動させて基板温度T1を所定温度以上に保つ。このようなGaN単結晶基板2の加熱は、所定時間P1にわたって行なわれる。
【0035】
この場合、第1加熱工程における基板温度T1は、800℃以上であることが好ましい。つまり、基板温度T1を800℃以上とし、水素ガスを含む第1ガス雰囲気下でGaN単結晶基板2を加熱すれば、GaN単結晶基板2の表面においてGaNが還元されて分解し、N原子は、NHx(1≦x≦3)となって脱離する。そして、GaN単結晶基板2の表面がエッチングされる際に、GaN単結晶基板2の表面に吸着または結合している有機分子や酸素といった分子も同時にエッチングされる。この結果、GaN単結晶基板2の表面に存在する汚染物質を大幅に低減させることが可能となる。このようにして汚染物質を低減させておくことは、窒化物系化合物半導体層3の結晶状態の改善に顕著な効果を与える。
【0036】
また、第1加熱工程における加熱時間P1は、10秒以上10分以下であることが好ましい。本来、加熱時間P1は、GaN単結晶基板2の表面における汚染の度合いや、GaN分解の活性化エネルギ等によって調節されるべきであり、また、加熱時の基板温度T1によっても変更されるべきである。しかしながら、加熱時間P1を10秒以下とすると、表面吸着分子の脱離や、GaNの分解が不十分となってしまう。この場合、加熱処理後にGaN単結晶基板2上に成長させる窒化物系化合物半導体層3の結晶状態の改善に十分な効果が認められない。一方、加熱時間P1を10分以上とすると、GaNの分解が進行し過ぎて、GaN単結晶基板2の表面上に液体Gaが凝集したGaドロップレットが形成されてしまう。この場合、窒化物系化合物半導体層3の結晶状態を逆に劣化させてしまうおそれがある。これらを踏まえれば、加熱時間P1を10秒以上10分以下とすることが好ましい。
【0037】
更に、第1ガスG1としては、純水な水素ガスを用いるとよい。また、水素と、窒素ガスやヘリウム、アルゴン等の希ガスといった不活性ガスとの混合ガスを用いてもよい。第1ガスG1を水素と不活性ガスとの混合ガスとする場合、第1ガスG1中の水素含有率は10%以上100%未満であると好ましい。すなわち、第1ガスG1中の水素以外の成分が、GaNの分解には寄与しない不活性ガスであれば、GaNの分解速度は、第1ガスG1中の水素ガスの含有率に比例する。従って、GaNの分解速度を容易に制御することが可能となる。
【0038】
さて、このような第1加熱工程を実施することにより、GaN単結晶基板2の表面のN原子が脱離するので、GaN単結晶基板の表面のストイキオメトリーは、Gaリッチの状態となる。この結果、過剰Ga原子は、表面エネルギを低下させるようにマイグレーションし、GaN単結晶基板2の表面の凹部に集まる。第1加熱工程を行ない、GaN単結晶基板2の表面をこのような状態にしておいた上で、次の第2加熱工程を実施することにより、GaN単結晶基板2上に成長させる窒化物系化合物半導体層3の表面の平坦化を図ることが可能となる。
【0039】
(c)第2加熱工程
第1加熱工程の終了後、気相成長装置10を用いて第2加熱工程を行なう場合は、導入ノズル16から、少なくともアンモニアを含む第2ガスG2をフローチャネル12内に導入すると共に、ヒータ15を作動させて基板温度T2を所定温度以上に保つ。また、気相成長装置20を用いる場合は、ガス導入ポート24から、少なくともアンモニアを含む第2ガスG2をチャンバ21内に導入すると共に、ヒータ27を作動させて基板温度T2を所定温度以上に保つ。このようなGaN単結晶基板2の加熱は、所定時間P2にわたって行なわれる。
【0040】
第2加熱工程において用いると好適な第2ガスG2としては、(1)アンモニアガス(NH3)、窒素ガス(N2)、及び、水素ガス(H2)の混合ガス、(2)アンモニアガスおよび窒素ガスの混合ガス、(3)アンモニアガスおよび水素ガスの混合ガスが挙げられる。これらの場合、窒素ガスおよび水素ガスはキャリアガスとなる。また、ヘリウム(He)やアルゴン(Ar)などの不活性ガスをキャリアガスとして用いてもよい。
【0041】
ここで、本発明による化合物半導体の製造方法では、第2加熱工程に先立って第1加熱工程が行なわれることから、GaN単結晶基板2の表面からは、上述したように、水素を含む第1ガスG1によってエッチングされて窒素が脱離している。従って、GaN単結晶基板2の表面はGaリッチの組成となっており、過剰Ga原子はマイグレーションして、研磨傷等の基板表面の凹部に集まっている。従って、このようなGaN単結晶基板2を少なくともアンモニアが含まれている第2ガスG2の雰囲気下で加熱すれば、表面の凹部内のGa原子は、第2ガスG2中のアンモニア(窒素)によって窒化される。
【0042】
これにより、GaN単結晶基板2の表面の凹部に再度GaNが形成され、GaN単結晶基板2の表面は良好に平坦化されることになる。そして、これら第1加熱工程および第2加熱工程を経て、良好に平坦化されたGaN単結晶基板2上に窒化物系化合物半導体層3を形成することにより、窒化物系化合物半導体層3の結晶状態および表面モフォロジーを大幅に改善することが可能となる。
【0043】
この場合、第2加熱工程における基板温度T2は、800℃以上であるとよく、1000℃以上であればより好ましい。基板温度T2をこのような範囲に設定すれば、窒化物系化合物半導体層3の結晶状態を良好にすることができる。つまり、第2加熱工程における基板温度T2を800℃以上とすれば、GaN単結晶基板2の表面における窒化反応を促進させることができる。そして、基板温度T2を更に1000℃以上とすれば、窒化反応によって再形成されたGaN内に新たな欠陥等が導入され難くすることが可能となり、GaN単結晶基板2の表面の結晶状態を極めて良好に保つことができる。
【0044】
また、第2加熱工程における加熱時間P2は、1分以上であることが好ましい。本来、加熱時間P2は、第1加熱工程におけるGaNの分解の度合い、すなわち、GaN単結晶基板2の表面におけるストイキオメトリーや、GaN生成の速度等によって調節されるべきであり、また、加熱時の基板温度T2によっても変更されるべきである。しかしながら、加熱時間P2を1分未満とすると、GaNの生成が不十分となってしまう。この場合、第2加熱工程において十分にGaNの生成が行なわれないと、加熱処理後、GaN単結晶基板2上に成長させる窒化物系化合物半導体層3の結晶中に新たな欠陥が導入される等、結晶状態の改善を十分に図ることが困難となる。これらを踏まえれば、加熱時間P2を1分以上とすることが好ましい。
【0045】
更に、上述した第1加熱工程と第2加熱工程とを、それぞれ2回以上繰り返すと好ましい。このような手法を採用した場合、GaN単結晶基板2の表面において、還元性エッチングと、再窒化反応とが繰り返し行なわれることになる。これにより、表面平坦性の改善効果が増幅されると共に、結晶状態および表面モフォロジーについてもより良好な結果を得ることができる。
【0046】
なお、第1加熱工程と第2加熱工程とを2回以上繰り返す場合には、最初にGaN単結晶基板2を昇温させる時、および、各工程間の温度を変更する時に、GaN単結晶基板2にアンモニアを含む混合ガスを供給するとよい。これは、アンモニアを含む混合ガス雰囲気下では、基板表面におけるGaNの分解が還元反応によって抑制されるからである。これにより、不必要に表面のモフォロジーを悪化させてしまうことを防止することができる。
【0047】
(d)エピタキシャル成長工程
このエピタキシャル成長工程は、上述した第1加熱工程と第2加熱工程とを行なった後、更に連続的に行なうことが好ましい。図2に示す気相成長装置10を用いたOMVPE法により、GaN単結晶基板2上にGaNからなる窒化物系化合物半導体層3を形成する場合、原材料ガスG3としては、TMG(トリメチルガリウム)およびアンモニアガスを用いる。原材料ガスG3は、水素や窒素といったキャリアガスとともに供給される。原料ガスを供給するに際しては、導入ノズル16の最上層の流路16aに水素と窒素の混合ガス(H2+N2)を、中央層の流路16bにTMGおよびキャリアガスを、最下層の流路16cにアンモニアおよびキャリアガスを導入するのが一般的である。もちろん、これに限られるものではなく、最上層の流路16aに対する水素と窒素の混合ガスの導入は、場合によって適宜省略可能である。かかるOMVPE法では、GaNからなる窒化物系化合物半導体層3を形成する場合、成長時の基板温度T3は、ヒータ15によって1030℃程度に保持される。
【0048】
図3に示す気相成長装置20を用いたHVPE法により、GaN単結晶基板2上にGaNからなる窒化物系化合物半導体層3を形成する場合、図3において二点鎖線にて示すように金属Gaをボート23内に収容する。そして、ボート23内で金属Gaを加熱すると共に、金属Gaに対して、ガス導入ポート25から塩化水素ガス(HCl)をキャリアガス(H2)と共に供給する。また、チャンバ21内に、ガス導入ポート24から、アンモニア、水素、及び、窒素の混合ガスを導入する。これにより、試料台22上のGaN単結晶基板2の表面には、Gaと塩化水素とが反応して生成される塩化ガリウムと、アンモニアとが原材料ガスG3としてキャリアガス(水素、窒素)と共に供給される。そして、GaN単結晶基板2上で原材料ガスG3が反応することにより、GaN単結晶基板2上にGaNからなる窒化物系化合物半導体層3が形成される。かかるHVPE法では、成長時の基板温度T3は、ヒータ27によって1000℃程度に保持される。
【0049】
なお、GaN等からなる窒化物系化合物半導体層3を形成可能な他の方法としては、有機金属塩化物気相成長法(MOCVPE)や、分子線エピタキシー法(MBE)が挙げられる。これらの方法を採用する場合も、所定の原材料をGaN単結晶基板2の表面に供給することにより、窒化物系化合物半導体層3を成長させる。
【0050】
また、上述した第1加熱工程、第2加熱工程、及び、エピタキシャル成長工程を連続的に行なう場合には、次のような処理を行なうと好ましい。すなわち、第1加熱工程では、基板温度を室温からT1まで上昇させる間、GaN単結晶基板2の表面にアンモニアを含む混合ガスを流し続けながら、温度T1にて水素を含む第1ガスG1の雰囲気下で加熱処理を時間P1だけ行う。そして、GaN単結晶基板2の表面に、再びアンモニアを含む混合ガスを流しながら、基板温度をT2に変更し、温度T2にてアンモニアを含む第2ガスG2の雰囲気下で加熱処理を時間P2だけ行う。その後、更に基板温度をT3に変更し、温度T3のもとでエピタキシャル成長工程を行う。
【0051】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による化合物半導体の製造方法では、少なくとも水素ガスを含む第1ガス雰囲気下でGaN単結晶基板を加熱すると共に、少なくともアンモニアを含む第2ガス雰囲気下でGaN単結晶基板を加熱した後、GaN単結晶基板上に窒化物系化合物半導体層を形成するものである。このような方法を採用することにより、GaN単結晶基板上に良好な窒化物系化合物半導体層を形成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による化合物半導体の製造方法によって製造した化合物半導体を示す断面図である。
【図2】本発明による化合物半導体の製造方法を実施する際に使用可能な気相成長装置を示す概略構成図である。
【図3】本発明による化合物半導体の製造方法を実施する際に使用可能な気相成長装置を示す概略構成図である。
【符号の説明】
1…化合物半導体、2…GaN単結晶基板、3…窒化物系化合物半導体層、10…気相成長装置、11…本体、12…フローチャネル、14…サセプター、15…ヒータ、16…導入ノズル、16a,16b,16c…流路、17…排気口、20…気相成長装置、21…チャンバ、22…試料台、23…ボート、24,25…ガス導入ポート、26…排気口、27…ヒータ。
Claims (10)
- GaN単結晶基板上に形成された窒化物系化合物半導体層を有する化合物半導体の製造方法において、
少なくとも水素ガスを含む第1ガス雰囲気下で前記GaN単結晶基板を加熱する第1加熱工程と、
少なくともアンモニアを含む第2ガス雰囲気下で前記GaN単結晶基板を加熱する第2加熱工程と、
少なくとも水素ガスを含む雰囲気下で前記GaN単結晶基板を加熱した後に、少なくともアンモニアを含む雰囲気下で前記GaN単結晶基板を加熱する工程を1回以上繰り返す第3加熱工程と、
前記GaN単結晶基板上に前記窒化物系化合物半導体層を形成するエピタキシャル成長工程とを含み、
前記第1加熱工程、前記第2加熱工程、前記第3加熱工程及び前記エピタキシャル成長工程はこの順序で連続的に行われ、
前記第1加熱工程は、少なくともアンモニアを含む混合ガス雰囲気下で前記GaN単結晶基板の温度を前記第1加熱工程の加熱温度まで上昇させた後に行われる化合物半導体の製造方法。 - 前記窒化物系化合物半導体層の原材料として、AlxGayIn1−x−yN(0≦x≦1,0≦y≦1,0≦x+y≦1)を用いることを特徴とする請求項1に記載の化合物半導体の製造方法。
- 前記第1加熱工程および前記第2加熱工程における基板温度をそれぞれ800℃以上とすることを特徴とする請求項1又は2に記載の化合物半導体の製造方法。
- 前記第2加熱工程における基板温度を1000℃以上とすることを特徴とする請求項3に記載の化合物半導体の製造方法。
- 前記第1ガスに、窒素ガスおよび希ガスのうちの少なくとも何れか1種を含ませることを特徴とする請求項1〜4の何れかに記載の化合物半導体の製造方法。
- 前記第1ガス中の水素含有率を、10%以上100%以下とすることを特徴とする請求項1〜5の何れかに記載の化合物半導体の製造方法。
- 前記第2ガスに、水素ガスおよび窒素ガスのうちの少なくとも何れか1種を含ませることを特徴とする請求項1〜6の何れかに記載の化合物半導体の製造方法。
- 前記第1加熱工程における加熱時間を、10秒以上10分以下とすることを特徴とする請求項1〜7の何れかに記載の化合物半導体の製造方法。
- 前記第2加熱工程における加熱時間を、1分以上とすることを特徴とする請求項1〜8の何れかに記載の化合物半導体の製造方法。
- 前記エピタキシャル成長工程では、有機金属化学気相成長法(OMVPE)、ハイドライド気相成長法(HVPE)、有機金属塩化物気相成長法(MOCVPE)、及び、分子線エピタキシー法(MBE)のうち、何れか一の手法により、前記窒化物系化合物半導体層を形成することを特徴とする請求項1〜9の何れかに記載の化合物半導体の製造方法。
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