JP5023267B2

JP5023267B2 - Ｉｉｉ族窒化物薄膜の形成方法

Info

Publication number: JP5023267B2
Application number: JP2009082780A
Authority: JP
Inventors: 三郎清水; 早紀園田; 元奥村; 旭強沈; 三聡清水
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Ulvac Inc
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Ulvac Inc
Priority date: 2009-03-30
Filing date: 2009-03-30
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2019-12-24
Also published as: JP2009147395A

Description

本発明は、III族窒化物薄膜の形成方法、特に分子線エピタキシー（ＭＢＥ）によるIII族窒化物薄膜（極性：(０００１)）の形成方法に関するものである。

六方晶であるサファイアＣ面基板上にＧａＮを成長させる場合、通常、六方晶のウルツ鉱型ＧａＮがサファイア基板とｃ軸を揃えて成長する。しかし、ウルツ鉱型ＧａＮはｃ軸方向に極性をもつため、通常は、図１(Ａ)および(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もつ結晶の混在した膜となってしまう。このようにサファイア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。これらの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、さらには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)。したがって、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製するうえでの重要なキーポイントとなっている。

有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）においては、有機金属ガスの供給時期、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等を制御することにより、成長する膜の極性をＧａ−ｆａｃｅに制御することが既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。

この発明は、上記のような従来のＭＢＥ法における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、成長する膜の極性を（０００１）に制御して、従来よりも光学的、電気的特性に優れたＧａＮ系III族窒化物薄膜を形成する方法を提供することを課題としている。

本発明者らは、上記従来技術の問題点を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、次のような手段を用いることにより、成長する膜の極性を（０００１）に制御することに成功し、本発明を完成するに至った。

（１）サファイアＣ面基板上に、窒素プラズマを窒素源とし、金属ＧａをＧａ源として、ＭＢＥ法によりＧａＮ単結晶薄膜をエピタキシャル成長させるには、まず基板を約８００℃で加熱して清浄化する。次いで、約２００オングストローム程度のＧａＮ層を約５００℃の低温で堆積させた後にアニールすることによって、ＧａＮの核形成を促進させる低温バッファ層を形成する。このようにして形成された低温バッファ層上に、成長温度６００℃〜８００℃でＧａＮ層を成長させるという方法が通常用いられている。また、さらに核密度を増大させることを目的として低温バッファ層形成前に、窒素プラズマをサファイア基板に照射してサファイア基板を窒化し、ＧａＮと格子定数の近いＡｌＮ層を基板表面に形成させる方法が採用されることもある。以上のような方法でＧａＮを成長させた場合には、得られたＧａＮ膜はＧａＮ（０００１）とＧａＮ（０００−１）との混在した膜となってしまう。また、サファイア基板の窒化プロセスを導入した場合には、ＧａＮ（０００−１）の混在率が増大するのみで、ＧａＮ（０００１）のみの膜を得ることはできなかった。しかし、本発明者らは、低温バッファ層形成後、成長温度６００℃〜８００℃でＧａＮ膜を成長させる際に、窒素プラズマ、金属Ｇａを主成分とする金属とともに金属Ｉｎを同時に成長表面に照射すると、Ｉｎが成長膜中に取り込まれることもなく、成長膜の極性が（０００１）になることを見い出した。この発明は、このことを利用して、成長するＧａＮ系III族窒化物薄膜の極性を（０００１）に制御し、目的とするＧａＮ系III族窒化物を得ようとするものである。

この発明によれば、従来のＭＢＥ法においては不可能であったＧａＮ系III族窒化物薄膜の極性を光学的、電気的特性に優れた（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という効果を奏する。

（Ａ）基板上に形成されたＧａＮ系膜の極性（０００１）を説明するための原子配列状態を示す模型図。（Ｂ）基板上に形成されたＧａＮ系膜の極性（０００−１）を説明するための原子配列状態を示す模型図。（Ａ）この発明の実施例１により得られたＧａＮ系薄膜を有する基板の断面図。（Ｂ）この発明の実施例１により得られたＧａＮ系薄膜を有する基板の断面図。

以下、この発明の実施の形態を説明する。

この発明の実施の形態によれば、通常の分子線エピタキシャル装置を用い、通常の真空下で原料物質を蒸発させ、このガス状物質を６００〜８００℃に加熱したサファイアＣ面基板上に供給し、薄膜結晶を成長させて、目的とするＧａＮ系III族窒化物薄膜を形成する。成長温度６００℃〜８００℃において、窒素源として窒素プラズマを、またIII族源としてＧａを主成分とする金属を基板に照射してＧａＮ系III族窒化物薄膜を成長させる際に、窒素源およびIII族源の照射と同時に成長初期の間だけ金属Ｉｎを照射する。これにより、極性が（０００１）に制御された、光学的、電気的特性に優れた薄膜を得ることができる。このようにして形成された薄膜を有する基板の一つの例を図２(Ａ)および(Ｂ)に示す。図２(Ａ)および(Ｂ)に示したように、サファイア基板２１上に、ＧａＮ系（０００１）膜、あるいはＧａＮ系（０００−１）膜、あるいは（０００１）と（０００−１）との混在した膜２２、２２’が下地として設けられ、その上にＩｎ照射中に形成されるＧａＮ系III族窒化物薄膜（Ｉｎ照射層）２３が形成され、さらにその上にＧａＮ系III族窒化物薄膜２４が形成される。ここで、ＧａＮ系III族窒化物薄膜２４は、Ｇａの他、III族金属元素としてＩｎ、Ａｌ等を含んでも良いし、また、ドーパントとしてＢｅ、Ｍｇ、Ｓｉなどを含んでも良い。この実施の形態においては：
１．成長させるIII族窒化物薄膜の下地としては、ＧａＮ系（０００１）膜、あるいはＧａＮ系（０００−１）膜、あるいは（０００１）と（０００−１）との混在した膜であればいずれの膜でも使用できる。例えば、サファイアＣ面基板２１を加熱して（例えば、約８００℃）清浄化した後、所定の厚さのＧａＮ層を低温（例えば、約５００℃）で堆積せしめ、次いでアニール処理することにより形成された低温バッファ層２２でも（図２(Ａ)）、あるいは他の成長法（例えば、スパッタ、レーザーデポジションなど）で成長させた膜２２’でも（図２(Ｂ)）、上記結晶方位を有するものであれば使用できる。この低温バッファ層はＧａＮの核形成を促進させる。

２．窒素プラズマは、ＲＦで生成されるものでもＥＣＲで生成されるものでも良い。

３．III族金属（Ｇａ）としては、その強度（フラックス）が１×１０¹³コ／ｃｍ²ｓ〜１×１０¹⁵コ／ｃｍ²ｓであるものを用いる。強度が１×１０¹³コ／ｃｍ²ｓ未満であると実用的な成長速度（０．１μｍ／ｈｒ）が得られず、また、１×１０¹⁵コ／ｃｍ²ｓを超えると結晶性が劣化するからである。

４．金属Ｉｎとしては、照射するIII族金属（Ｇａ）の強度の２桁低い強度から１桁高い強度までの範囲内のものを用いることが好ましい。これは、この強度の範囲外では効果がないからである。

５．金属Ｉｎは、III族窒化物薄膜の成長初期にのみ照射しても、または成長中照射し続けても良い。

（実施例）
以下、この発明の実施例を図面を参照して説明する。
（実施例１）
通常の分子線エピタキシャル装置を用い、図２(Ａ)および(Ｂ)に示したようなＧａＮ系薄膜を以下のようにして形成した。

まず、サファイアＣ面基板２１を８００℃に加熱して清浄化処理し、この基板上に、窒素プラズマとＧａを主成分とする金属を照射して所定の厚さのＧａＮ層を約５００℃で堆積せしめ、次いで約６００℃でアニール処理して、低温バッファ層（極性：(０００１)と(０００−１)との混在）２２を形成せしめた。その後、約１０^-2〜１０^-4Ｐａの真空中で、III族源としてのＧａを主成分とする金属原料物質（強度：２×１０¹³コ／ｃｍ²ｓ）を蒸発させ、このガス状物質を、ＲＦで生成された窒素プラズマと共に、８００℃に加熱したサファイアＣ面基板上に供給し、照射した。結晶成長温度７３０℃でＧａＮ系薄膜を成長させる際に、上記ガス状物質と窒素プラズマの照射と同時にガス状の金属Ｉｎ（強度：７×１０¹²コ／ｃｍ²ｓ）を結晶成長初期にだけ照射した。このようにして低温バッファ層２２上に薄膜結晶を成長させて、目的とするＧａＮ系薄膜を形成した（図２(Ａ)）。この場合、結晶成長初期の金属Ｉｎ照射中に形成されたＧａＮ系薄膜２３には、金属Ｉｎは取り込まれておらず、また、その極性は（０００１）であった。金属Ｉｎ照射をやめた後に成長したＧａＮ系薄膜２４の極性も（０００１）であった。

下地としての低温バッファ層２２に代えてスパッタ法により成長せしめた膜（極性：(０００１)と(０００−１)との混在）２２’を使用して上記方法を繰り返したところ、得られたＧａＮ系薄膜の極性も上記の場合と同様に（０００１）であった（図２(Ｂ)）。また、下地として、ＧａＮ系（０００１）膜、あるいはＧａＮ系（０００−１）膜、あるいは（０００１）と（０００−１）との混在した膜を形成せしめ、これを用いて上記方法を繰り返したところ、下地の極性にとらわれることなく、得られたＧａＮ系薄膜の極性は全て（０００１）であった。これは、金属Ｉｎを照射することにより、下地の極性に関わりなく所望の極性のＧａＮ系薄膜が得られることを意味する。

なお、窒素プラズマとして、ＲＦで生成したものに代えてＥＣＲで生成したものを用いても同様な結果が得られる。また、金属Ｉｎを結晶成長中照射し続けた場合も、上記と同様に金属ＩｎがＧａＮ系薄膜中に取り込まれることもなく、得られた薄膜の極性は所望のものである。

上記のようにして得られたＧａＮ系（０００１）薄膜は、光学的、電気的特性に優れている。

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できる。

１サファイアＣ面基板
２１、３１、４１、５１サファイアＣ面基板
２２、２２’ 下地
２３Ｉｎ照射層
２４ＧａＮ系薄膜

Claims

サファイアＣ面基板上に、窒素源として窒素プラズマを、またIII族源としてＧａを主成分とする金属を用いて分子線エピタキシーにより成長温度６００℃〜８００℃でＧａＮ系III族窒化物薄膜をエピタキシャル成長させるに際し、金属Ｇａとして、その強度（フラックス）が１×１０¹³コ／ｃｍ²ｓ〜１×１０¹⁵コ／ｃｍ²ｓであるものを用い、該ＧａＮ系III族窒化物薄膜の成長初期に金属Ｉｎを、照射する金属Ｇａの強度の２桁低い強度から１桁高い強度で、照射することにより、成長する膜の極性を（０００１）に制御することを特徴とするIII族窒化物薄膜の形成方法。