JP5205613B2 - ＧａＮ層の選択成長方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＧａＮ層の選択成長方法に関する。

窒化ガリウム（ＧａＮ）等のＧａＮ系化合物半導体は、青色発光ダイオード、レーザダイオードさらには電子デバイス用の原材料として、従来より研究が進められている。
またＧａＮ系化合物では、ＬＥＤ素子の光取り出し効率向上や転位低減等のためのＧａＮ層の成長方法に関して多数の提案がなされている。その一つとして凹凸加工を施したサファイア基板上へのＧａＮ層の成長方法が試みられている。

凹凸を施した表面を有するサファイア基板上に普通にＧａＮを成長させると、図４のように凹凸部双方からＧａＮ層が成長する。図４(a)(b) はサファイアの面方位が異なる。紙面方向が、(a)ではサファイアのａ軸、(b)ではｍ軸である。
上記の成長方法によると、従来の成長方法で得られたＧａＮ層よりも特性は改善されるが、（ａ）の場合は凸部から成長するＧａＮ層が基板表面の転位等の欠陥を引き継いで成長するため転位密度が減少しない欠点があった。また、（ｂ）の場合は全体的に転位密度は減少するが、転位の減少の割合は小さい欠点があった。例えば非特許文献１によると、１０^８［ｃｍ^−２］オーダー以上の転位密度がなお残存していることが明記されている。

このため特許文献１では、凸部をシリコン酸化膜で被覆することにより、凸部からの成長を抑止してサファイア基板の凹部から成長を開始して、凸部上に横方向成長をさせるＧａＮ層の選択成長方法が提案されている。
ところがこの方法では、凸部をシリコン酸化膜で被覆するための工程をさらに必要とするという問題点を有する。
特開２００４−５５７９９号公報 K.Tadatomo etal.,Jpn.J.Appl.Phys.40(2001)L583 K.Tadatomo etal.,J.Light&Vis.Env.Vol.27,No3,2003

そこで本発明は、上記従来のＧａＮ層の成長方法を改善し、追加の工程を必要とすることなく転位密度低減を図ったＧａＮ層の選択成長方法を提供することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本願は、次のようなＧａＮ層の形成方法（成長方法ともいう）を提供するものである。
（１）凹凸表面を有するサファイア基板を用いるＭＯＶＰＥ法により、ＧａＮ層を形成する方法において、成長温度Ｔ（℃）とガス雰囲気に係るＦ値（＝水素流量／（水素流量＋窒素流量））（容積比）を下記関係に調整することを特徴とし、その効果として、凸部からの成長を抑止する一方凹部からの成長を促進させ、サファイア基板の凹部から成長を開始して凸部上に横方向成長させる、サフィア基板上へのＧａＮ層の形成方法。
Ｆ＞−０．００４Ｔ＋５．２
但し、Ｆ≦１．０
（２）上記成長温度とＦ値の関係は、下記の範囲から選定されることを特徴とする（１）項に記載の方法。
Ｆ≧−０．００４Ｔ＋５，４
但し、Ｆ≦１．０
（３）上記成長温度の範囲は、１０５０〜１３００℃であることを特徴とする（１）項又は（２）項に記載の方法。

本発明によれば、凹凸を施した表面を有するサファイア基板上に、追加の工程を必要とすることなく成長条件を調整するのみで、転位密度の低いＧａＮ層の選択成長が実現される。

本発明において、凹凸表面を有するサファイア基板上にＭＯＶＰＥ法によるＧａＮ層を成長形成させる方法にあっては、サファイア基板上に流すガス中の水素濃度と成長温度との関係が極めて大きいことが分かった。
すなわち、成長温度範囲としてあまりに低い温度を用いると、良好なＧａＮ層を形成させ難い。
一般に成長温度は、好ましくは１０５０℃以上の温度、また上限は特に限定はないが、装置の耐熱限界等より、一般に１０５０〜１３００℃、好ましくは１１００℃〜１２５０℃程度であり、水素と窒素との混合割合、Ｆ値（水素／（水素＋不活性ガス）の容積値）は、一般に０．１〜１、好ましくは、０．５〜１の範囲で用いられる。
他は、一般にＭＯＶＰＥ法に用いられる装置及び製造条件を適宜選択して用いればよい。
本発明に係る、ＭＯＶＰＥ（Metalorganic Vapor Phase Epitaxy）法によるＧａＮ層の選択成長方法について実施例を引用して詳細に説明する。勿論、本発明は、これら実施例における数値範囲に限定されるものではない。
ｃ面のサファイア基板を用意し、その表面にサファイアのｍ軸に平行に、幅３μｍ、深さ１μｍの溝を３μｍ間隔でストライプ状に凹凸加工した。
そしてこの基板上に横型３層流常圧ＭＯＶＰＥ装置を用いてＧａＮ層を成長させた。

図１は、成長温度１１５０ ℃、ＮＨ_３流量５slm、ガス雰囲気のＦ値（＝水素流量／（水素流量＋窒素流量））０．８の条件でＧａＮ層を１．５μｍ成長方法させたときの図面であり、（ａ）は、その断面、（ｂ）は、その表面ＳＥＭ像である。図１から明らかなように、基板の凹部からＧａＮが優先的に成長し、台形状のファセットが形成されていることが分かる。なお本発明では、サファイア基板直下の熱電対の指示値をもって成長温度とした。

図２は、ＧａＮを６μｍ成長させたときのＣＬ（Cathod Luminescence）像である。図２によれば、貫通転位に起因した暗点がストライプ状に並んでおり、サファイア基板の凸部上では転位が減少していることが分かる。このときの転位密度は、９×１０^７［ｃｍ^−２］であった。これは、通常ＧａＮ成長層が１０^８［ｃｍ^−２］オーダー以上の転位密度を有することからみて、転位密度の大幅な減少が達成さていることが分かる。この理由としては、サファイア基板の凸部においては、凹部からの横方向成長が支配的であるため、それによって転位の伝搬方向が横方向に曲げられたものと考えられる。

次に同様の条件で、成長温度Ｔ（℃）と、水素と窒素を含むガス雰囲気に係るＦ値を変えて、ＧａＮ層の選択成長について調べた。
その結果をまとめると次のとおりである。
成長温度１１５０℃、Ｆ＝１では、確実に凹部からの成長が優勢な選択成長が認められた。また、転位密度は、８×１０^７［ｃｍ^−２］程度まで低下していた。（Ａ）
成長温度１１００℃、Ｆ＝１でも同様に選択成長が認められた。（Ｂ）
成長温度１２００℃、Ｆ＝１でも同様に選択成長が認められた。（Ｃ）
成長温度１０５０℃、Ｆ＝１では凸部からの成長も競争的に生じ、ここでいう選択成長とは異なる成長モードに移行し始めた。（Ｄ）

成長温度１２００℃、Ｆ＝０．８では、（Ａ）と同様に選択成長が認められた。（Ｅ）
成長温度１１５０℃、Ｆ＝０．９では、（Ａ）と同様に選択成長が認められた。（Ｆ）
成長温度１１５０℃、Ｆ＝０．８では、（Ａ）と同様に選択成長が認められた。（Ｇ）
成長温度１１５０℃、Ｆ＝０．６では、（Ｄ）に近い成長モードとなった。（Ｈ）
成長温度１１００℃、Ｆ＝０．８では、（Ｄ）に近い成長モードとなった。（Ｉ）
成長温度１１００℃、Ｆ＝０．６では、選択成長がない従来と同じ成長モードとなった。（Ｊ）
成長温度１０５０℃、Ｆ＝０．６では、選択成長がない（Ｊ）と同じ成長モードとなった。（Ｋ）

以上の結果をＴ−Ｆ関係図に○、△、×印で表示したのが図３である。ここで○印は選択成長が認められた場合、×印は選択成長がない従来と同じ成長モードの場合、△印は凸部からの成長も競争的に生じ、ここでいう選択成長とは異なる成長モードの場合をそれぞれ表す。
図３によれば、△印を１点鎖線で結んだ線より上側の領域、すなわちＦ＞−０．００４Ｔ＋５．２より上側の領域では、ＧａＮ層の選択成長が期待できることが分かる。
さらに○印を点線で結んだ線より上側の領域、すなわちＦ≧−０．００４Ｔ＋５．４に当たる線上及びその上側の領域ではＧａＮ層の選択成長が確実に生じていることが分かる。

なお、実施した最大成長温度１２００℃は用いた成長装置の仕様限界温度であり、成長炉の材料である石英ガラスが耐えうる限り、それ以上の温度においても選択成長が期待できる。

本発明に係る実施例の断面及び表面ＳＥＭ像である。 本発明に係る実施例のＣＬ像である。 Ｔ−Ｆ関係図である。 従来のＧａＮ成長の断面図である。

Claims (3)

1. 凹凸表面を有するサファイア基板に、アンモニアガス、水素及び窒素ガスを含む混合ガスを用いるＭＯＶＰＥ法によりＧａＮ層を形成する方法において、成長温度Ｔ（℃）とガス雰囲気に係るＦ値（＝水素流量／（水素流量＋窒素流量））（容積比）を下記関係に調整することを特徴とするＧａＮ層の形成方法。
   Ｆ＞−０．００４Ｔ＋５．２
   但し、Ｆ≦１．０
2. 上記成長温度とＦ値の関係は、下記の範囲から選定されることを特徴とする請求項１に記載のＧａＮ層の形成方法。
   Ｆ≧−０．００４Ｔ＋５．４
   但し、Ｆ≦１．０
3. 上記成長温度の範囲は、１０５０〜１３００℃であることを特徴とする請求項１又は２に記載のＧａＮ層の形成方法。

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