JP5343274B2

JP5343274B2 - 窒化物半導体薄膜の製造方法

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Publication number: JP5343274B2
Application number: JP2009119315A
Authority: JP
Inventors: 智広山口; ▲やす▼之名西
Original assignee: Ritsumeikan Trust
Current assignee: Ritsumeikan Trust
Priority date: 2009-05-15
Filing date: 2009-05-15
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2029-05-15
Also published as: JP2010267888A

Description

本発明は、基板上に金属と活性窒素種とを供給して反応させることによって窒化物半導体薄膜をエピタキシャル成長させる窒化物半導体薄膜の製造方法において、特に、金属と窒素の供給比率の制御が容易であって、且つ、結晶品質や表面平坦性に優れた薄膜を形成し得る窒化物半導体薄膜の製造方法に関する。

発光ダイオード等の光デバイスやトランジスタ等の電子デバイスの材料としては、窒化物半導体が有用である。この窒化物半導体を基板上に結晶成長させる手法として、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）や、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）等が従来用いられている（例えば、特許文献１参照）。このうち、ＭＢＥ法は、基板上に金属と活性窒素種とを供給し、両者を反応させることによって基板上に窒化物半導体の薄膜をエピタキシャル成長させる方法である。このＭＢＥ法では、ストイキオメトリ条件を越えて窒素を過剰に供給した条件下で結晶成長させると、成長した窒化物半導体薄膜の結晶品質及び表面平坦性が悪くなり、しかもその回復を図るのは難しい。一方、ストイキオメトリ条件を越えて金属を過剰に供給した条件下で結晶を成長させると、成長した窒化物半導体薄膜の結晶品質及び表面平坦性は良好であるが、その表面には過剰な金属が析出したドロップレットと呼ばれるものが発生する。

そこで、金属を１種類の元素で組成する場合、結晶品質や表面平坦性に優れた窒化物半導体薄膜が得られるよう、金属と活性窒素種との供給比率を、図１５Ａに示すようにストイキオメトリ条件Ｓちょうど若しくはストイキオメトリ条件Ｓより僅かに金属が過剰に供給される領域７０で保持し、その条件下で結晶を成長させていた（例えば、特許文献１参照）。尚、金属と活性窒素種との供給比率の制御は、窒化物半導体薄膜の表面形状を反射高速電子線回折（ＲＨＥＥＤ）等を用いて調べることによって行われる。

他方、金属を２種類以上の元素で組成する場合、結晶品質や表面平坦性に優れた窒化物半導体薄膜が得られるよう、金属と活性窒素種との供給比率を金属が過剰に供給される条件で保持して結晶を成長させると、相分離の問題が生じる。この相分離をもたらす１つの要因は、過剰な金属の一部が析出することで窒化物半導体薄膜の表面にドロップレットが発生することであり、このドロップレットの量が多くなると、その影響によって組成の異なる複数種の窒化物半導体薄膜が成長してそれらが互いに分離する。例えば、金属をインジウムとガリウムで組成する場合、窒化物半導体としてＩｎ_０．１Ｇａ_０．９ＮやＩｎ_０．５Ｇａ_０．５Ｎといった組成の異なる窒化物半導体の結晶がそれぞれ成長し、これら各相間で分離が発生する。そこで、金属を２種類以上の元素で組成する場合には、結晶品質や表面平坦性を多少犠牲にしてでも相分離の問題を防止できるよう、金属と活性窒素種との供給比率を、図１５Ｂに示すようにストイキオメトリ条件Ｓちょうど若しくはストイキオメトリ条件Ｓより僅かに活性窒素種が過剰に供給される領域８０で保持し、その条件下で結晶を成長させていた。

特開２００９−０５５０５６号公報

しかし、従来の窒化物半導体薄膜の製造方法では、金属を１種類の元素で組成する場合、金属と活性窒素種との供給比率を、図１５Ａに示すようにストイキオメトリ条件Ｓちょうど若しくはストイキオメトリ条件Ｓより僅かに金属が過剰に供給される条件という非常に狭い領域７０で保持する必要がある。そして、供給比率がこの狭い領域７０から外れて活性窒素種を過剰に供給する側に移行すると、窒化物半導体の結晶品質や表面平坦性が悪くなりその回復を図ることができない。従って、金属と活性窒素種との供給比率が前記狭い領域７０から外れないよう、非常に厳密な制御が要求されるという問題があった。また、従来の窒化物半導体薄膜の製造方法では、ＲＨＥＥＤ等によっては、前記狭い領域７０の境界がどこにあるのかを判断するのが難しいという問題もあった。

他方、金属を２種類以上の元素で組成する場合も、金属と活性窒素種の供給比率を、図１５Ｂに示すようにストイキオメトリ条件Ｓちょうど若しくはストイキオメトリ条件Ｓより僅かに活性窒素種が過剰に供給される条件という非常に狭い領域８０で保持する必要がある。従って、この場合も、金属と活性窒素種との供給比率がこの狭い領域８０から外れないよう、非常に厳密な制御が要求されるという問題があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、基板上に金属と活性窒素種とを供給して反応させる窒化物半導体薄膜の製造方法において、金属と活性窒素種との供給比率を容易に制御可能とし、且つ、結晶品質や表面平坦性に優れた窒化物半導体薄膜を形成可能とする手段を提供する。

上記目的を達成するための本発明に係る窒化物半導体薄膜の製造方法は、基板上に取り込まれ量の異なる２種類以上の元素から組成される金属と活性窒素種とを供給して反応させることにより、前記基板上に組成の異なる窒化物半導体が互いに接合したヘテロ接合構造を有する窒化物半導体薄膜をエピタキシャル成長させる窒化物半導体薄膜の製造方法において、前記金属をストイキオメトリ条件を越えて過剰に供給する金属過剰供給工程と、該金属過剰供給工程で前記基板上に析出した前記金属からなるドロップレットを、前記活性窒素種をストイキオメトリ条件に達するまで供給することによって窒化物半導体に転換するドロップレット転換工程と、を含むものである。

また、本発明に係る窒化物半導体薄膜の製造方法は、基板上に取り込まれ量の異なる２種類以上の元素から組成される金属と活性窒素種とを供給して反応させることにより、前記基板上にバンドギャップの狭い窒化物半導体をバンドギャップの広い窒化物半導体で挟んだ量子井戸構造を有する窒化物半導体薄膜をエピタキシャル成長させる窒化物半導体薄膜の製造方法において、前記金属をストイキオメトリ条件を越えて過剰に供給する金属過剰供給工程と、該金属過剰供給工程で前記基板上に析出した前記金属からなるドロップレットを、前記活性窒素種をストイキオメトリ条件に達するまで供給することによって窒化物半導体に転換するドロップレット転換工程と、を含むものである。

また、本発明に係る窒化物半導体薄膜の製造方法は、前記金属過剰供給工程で前記金属のみが供給されるものである。

また、本発明に係る窒化物半導体薄膜の製造方法は、前記基板の温度が、前記金属の脱離温度以下に設定されるものである。

また、本発明に係る窒化物半導体薄膜の製造方法は、前記金属と前記活性窒素種との供給比率が、エピタキシャル成長した窒化物半導体薄膜の表面形状を反射高速電子線回折を用いて調べることによって制御されるものである。

また、本発明に係る窒化物半導体薄膜の製造方法は、前記活性窒素種の供給を開始してから前記ドロップレットが全て消えるまでの回復時間を測定することにより、前記活性窒素種の供給量を継続監視するものである。

本発明に係る窒化物半導体薄膜の製造方法によれば、金属と活性窒素種との供給比率を、ストイキオメトリ条件を越えて金属が過剰な条件、という相当に広い領域内で保持すれば足りる。従って、金属と活性窒素種との供給比率を、ストイキオメトリ条件ちょうど、またはストイキオメトリ条件を挟んで僅かに金属過剰側の条件若しくは僅かに活性窒素種過剰側の条件、という非常に狭い領域内で保持する必要があった従来と比較すると、金属と活性窒素種との供給比率に厳密な制御が要求されず、制御が容易化する。また、常に金属が過剰な条件下で結晶を成長させるので、結晶品質や表面平坦性に優れた薄膜が安定して得られる。

また、本発明に係る窒化物半導体薄膜の製造方法によれば、窒化物半導体薄膜がヘテロ接合構造を有するので、各種デバイスへの適用可能性が広がる。また、相分離を引き起こす原因となるドロップレットを窒化物半導体に転換することによってヘテロ接合構造を形成するので、窒化物半導体の組成が均一となって相分離が生じにくい。

また、本発明に係る窒化物半導体薄膜の製造方法によれば、窒化物半導体薄膜が量子井戸構造を有するので、各種デバイスへの適用可能性が広がる。

また、本発明に係る窒化物半導体薄膜の製造方法によれば、金属過剰供給工程で金属のみが供給されるので、金属と活性窒素種との供給比率を容易に制御することができる。また、常に金属が過剰な条件下で結晶を成長させるので、結晶品質や表面平坦性に優れた薄膜が安定して得られる。

また、本発明に係る窒化物半導体薄膜の製造方法によれば、基板の温度が金属の脱離温度以下に設定されるので、成長した窒化物半導体薄膜から金属が脱離してその厚みに影響を及ぼすことがない。従って、窒化物半導体薄膜の厚みを正確に制御することができる。

また、本発明に係る窒化物半導体薄膜の製造方法によれば、金属と活性窒素種との供給比率が、窒化物半導体薄膜の表面形状を反射高速電子線回折を用いて調べることによって制御されるので、窒化物半導体薄膜の表面からドロップレットが完全に消えてストイキオメトリ条件に達したことを容易且つ確実に捕捉することができる。

また、本発明に係る窒化物半導体薄膜の製造方法によれば、活性窒素種の供給を開始してからドロップレットが全て消えるまでの回復時間を測定することにより、活性窒素種の供給量を継続監視するので、活性窒素種の供給量を正確に制御して、窒化物半導体薄膜の品質に対する信頼性を向上させることができる。

本発明の第１実施例における活性窒素種とインジウムの供給または供給停止の時間変化を示すタイムチャート。第１実施例に係る窒化物半導体薄膜の製造方法を説明するための説明図。第１実施例に係る窒化物半導体薄膜の製造方法を説明するための説明図。第１実施例に係るストイキオメトリ条件Ｓについて説明するための説明図。本発明の第２実施例における活性窒素種とインジウムの供給または供給停止の時間変化を示すタイムチャート。第２実施例に係る窒化物半導体薄膜の製造方法を説明するための説明図。第２実施例に係る窒化物半導体薄膜の製造方法を説明するための説明図。本発明の第３実施例における活性窒素種とインジウムとガリウムの供給または供給停止の時間変化を示すタイムチャート。第３実施例に係る窒化物半導体薄膜の製造方法を説明するための説明図。第３実施例に係る窒化物半導体薄膜の製造方法を説明するための説明図。第３実施例に係る量子井戸構造３８について説明するための説明図。本発明の第４実施例における活性窒素種とインジウムとガリウムの供給または供給停止の時間変化を示すタイムチャート。第４実施例に係る窒化物半導体薄膜の製造方法を説明するための説明図。第４実施例に係る窒化物半導体薄膜の製造方法を説明するための説明図。従来の窒化物半導体薄膜の製造方法における金属と活性窒素種との供給比率について説明するための説明図。

まず、本発明の第１実施例に係る窒化物半導体薄膜の製造方法の手順について説明する。第１実施例に係る窒化物半導体薄膜の製造方法は、基板の上に窒化物半導体であるインジウムナイトライド（元素記号で「ＩｎＮ」）の薄膜を成長させるものである。本実施例に係る窒化物半導体薄膜の製造方法は、いわゆるＭＢＥ法であって、融点以上の温度に熱せられたインジウム（元素記号で「Ｉｎ」）と、窒素ラジカルを含む活性窒素種（元素記号で「Ｎ^＋，Ｎ^＊，Ｎ_２ ^＊」）とを供給し、両者を反応させることによってインジウムナイトライドの結晶を基板上にエピタキシャル成長させる。ここで、図１は、第１実施例における活性窒素種とインジウムの供給または供給停止の時間変化を示すタイムチャートである。

第１実施例に係る窒化物半導体薄膜の製造方法では、まず第１工程として、基板１０の温度をインジウムの脱離温度以下に設定した状態で、図１及び図２Ａに示すように、基板１０の上にインジウム１１と活性窒素種１２とを所定時間に渡って同時に供給する。この時、インジウム１１と活性窒素種１２との供給比率を、図４に示すようにストイキオメトリ条件Ｓを越えてインジウムが過剰となる領域１３に設定して両者を供給する（金属過剰供給工程）。このようにインジウム１１が過剰な条件での供給を行うと、活性窒素種１２とインジウム１１の一部とが反応することにより、図２Ｂに示すように、基板１０の上にインジウムナイトライド層１４が成長する。そして、このインジウムナイトライド層１４の上には、活性窒素種１２と反応しなかった余剰のインジウム１１が析出することにより、インジウムドロップレット１５が発生する。

尚、本発明において基板１０とは、例えばＧａＮ，ＡｌＮ，Ｓｉ，ＺｎＯ，ＳｉＣ，サファイア等からなるものであって、その表面にＧａＮ，ＡｌＮ，またはそれらの混晶を予め成長させたものも含んだ概念である。また、本発明において脱離温度とは、窒化物半導体から金属が脱離する温度を意味する。また、本発明において活性窒素種１２とは、反応性のある窒素元素のことを意味し、電荷を帯びたイオンであるＮ^＋や、電気的には中性であるが反応性を有するＮ^＊やＮ_２ ^＊等を意味する。また、本発明においてストイキオメトリ条件Ｓとは、ある化合物を構成する原子数の比が化学式通りの比である状態を意味する。また、本実施例ではインジウム１１と活性窒素種１２との供給比率の制御は、成長したインジウムナイトライド層１４の表面形状を反射高速電子線回折（以下、「ＲＨＥＥＤ」と呼ぶ）を用いて調べることによって行う。このＲＨＥＥＤは、電子線を試料表面で反射させた時のストリークパターンを観察するものであって、本実施例では薄いストリークパターンが得られることをもって、インジウムナイトライド層１４の表面にインジウムドロップレット１５が発生している、すなわちインジウム１１がストイキオメトリ条件Ｓを越えて過剰に供給されていると判断する。

次に、第２工程として、インジウムドロップレット１５をインジウムナイトライドに転換する（ドロップレット転換工程）。具体的には、第１工程の終了後、図１及び図３Ａに示すように、活性窒素種１２のみを所定時間に渡って追加的に供給する。そして、基板１０の上がストイキオメトリ条件Ｓに達した時点で活性窒素種１２の供給を停止する。ここで、基板１０の上がストイキオメトリ条件Ｓに達したことは、ＲＨＥＥＤにおいて前述のように薄いストリークパターンが得られる状態から、明瞭なストリークパターンが得られる状態へと変化する時点をもって、インジウムナイトライド層１４の表面からインジウムドロップレット１５が消えた、すなわちストイキオメトリ条件Ｓに達したと判断する。このようなドロップレット転換工程によれば、追加供給した活性窒素種１２が、前述のように発生したインジウムドロップレット１５と反応することにより、インジウムドロップレット１５がインジウムナイトライドに変化する。これにより、図３Ｂに示すように、インジウムナイトライド層１４の上に、インジウムドロップレット１５が転換されてなるインジウムナイトライド層１６が更に成長する。尚、本ドロップレット転換工程では、活性窒素種１２を供給し始めてからインジウムドロップレット１５が全て消えるまでの回復時間を測定することにより、活性窒素種１２の供給量を継続監視している。これにより、活性窒素種１２の供給量について信頼性を高めている。

このように、第１実施例に係る窒化物半導体薄膜の製造方法によれば、図４に示すように、インジウム１１と活性窒素種１２との供給比率を、ストイキオメトリ条件Ｓを越えてインジウム１１が過剰な条件、という相当に広い領域内で保持すれば足りる。従って、金属と活性窒素種との供給比率を、図１５Ａに示すように、ストイキオメトリ条件Ｓちょうど若しくはストイキオメトリ条件Ｓより僅かに金属が過剰に供給される条件、という非常に狭い領域７０で保持する必要があった従来と比較すると、インジウム１１と活性窒素種１２との供給比率に厳密な制御が要求されず、制御が容易化するという利点がある。また、常にインジウム１１が過剰な条件下で結晶を成長させるので、結晶品質や表面平坦性に優れた薄膜が安定して得られるという利点もある。更に、ＲＨＥＥＤにおいて薄いストリークパターンから明瞭なストリークパターンへと変化する時点を判断すればよいので、基板１０の上がストイキオメトリ条件Ｓに達したことを容易且つ確実に捕捉できるという利点がある。また、基板１０の温度がインジウム１１の脱離温度以下に設定されるので、成長したインジウムナイトライド層１４，１６からインジウム１１が脱離して、その厚みに影響を及ぼすことがない。従って、インジウムナイトライド層１４，１６の厚みを正確に制御できるという利点がある。

次に、本発明の第２実施例に係る窒化物半導体薄膜の製造方法の手順について説明する。第２実施例に係る窒化物半導体薄膜の製造方法は、ＭＢＥ法によって基板の上にインジウムナイトライドの薄膜を成長させる点では第１実施例と同様であるが、活性窒素種の供給方法が第１実施例とは異なっている。ここで、図５は、第２実施例における活性窒素種とインジウムの供給または供給停止の時間変化を示すタイムチャートである。

第２実施例に係る窒化物半導体薄膜の製造方法では、まず第１工程として、基板の温度をインジウムの脱離温度以下に設定した状態で、図５及び図６Ａに示すように、基板２０の上にインジウム２１のみを所定時間に渡って供給する（金属過剰供給工程）。このように、インジウム２１が究極に過剰な条件すなわちインジウム２１のみを供給すると、図６Ｂに示すように、基板２０の上に、供給した全てのインジウム２１がインジウムドロップレット２２として析出する。

次に、第２工程として、インジウムドロップレット２２をインジウムナイトライドに転換する（ドロップレット転換工程）。具体的には、第２工程の終了後、図５及び図７Ａに示すように、活性窒素種２３のみを所定時間に渡って供給する。そして、第１実施例と同様に、基板２０の上がストイキオメトリ条件Ｓに達した時点で活性窒素種２３の供給を停止する。このようなドロップレット転換工程によれば、供給した活性窒素種２３が全てインジウムドロップレット２２と反応することにより、インジウムドロップレット２２が全てインジウムナイトライドに変化する。これにより、図７に示すように、ガリウムナイトライド層２２の上に、インジウムドロップレット２２が転換されてなる肉厚のインジウムナイトライド層２４が成長する。

尚、本第２実施例についても、インジウム２１と活性窒素種２３との供給比率の制御にＲＨＥＥＤを用いる点、基板２０の上がストイキオメトリ条件Ｓに達したことをＲＨＥＥＤで判断する手法、及び活性窒素種２３を供給し始めてからインジウムドロップレット２２が全て消えるまでの回復時間を測定することで活性窒素種２３の供給量を継続監視している点、については第１実施例と同様である。

このように、第２実施例に係る窒化物半導体薄膜の製造方法によれば、最初にインジウム２１のみを供給し、その後に活性窒素種２３のみを供給すればよいので、インジウム２１と活性窒素種２３の供給比率を容易に制御できるという利点がある。尚、その他、結晶品質や表面平坦性に優れた薄膜が安定して得られるという利点、基板２０の上がストイキオメトリ条件Ｓに達したことを容易且つ確実に捕捉できるという利点、及びインジウムナイトライド層２４の厚みを正確に制御できるという利点、については第１実施例と同様である。

次に、本発明の第３実施例に係る窒化物半導体薄膜の製造方法の手順について説明する。第３実施例に係る窒化物半導体薄膜の製造方法は、基板の上に、窒化物半導体であるインジウムガリウムナイトライド（元素記号で「ＩｎＧａＮ」）とインジウムナイトライドとが層状に積み重なった薄膜を成長させるものである。本実施例に係る窒化物半導体薄膜の製造方法も、第１実施例と同様にＭＢＥ法であって、融点以上の温度に熱せれらたインジウムと、ガリウム（元素記号で「Ｇａ」）と、活性窒素種とを供給し、互いに反応させることによってインジウムガリウムナイトライド及びインジウムナイトライドの結晶を基板の上にエピタキシャル成長させる。ここで、図８は、第３実施例における活性窒素種とインジウムとガリウムの供給または供給停止の時間変化を示すタイムチャートである。

第３実施例に係る窒化物半導体薄膜の製造方法では、まず第１工程として、基板の温度をインジウム及びガリウムの脱離温度以下に設定した状態で、図８及び図９Ａに示すように、基板３０の上にインジウム３１とガリウム３２と活性窒素種３３とを所定時間に渡って同時に供給する。この時、金属の供給量すなわちガリウム３２とインジウム３１の供給量の合計が、活性窒素種３３の供給量との関係においてストイキオメトリ条件Ｓを越えて過剰となるように設定される（金属過剰供給工程）。且つ、活性窒素種３３の供給量が、ガリウム３２のみの供給量との関係においてストイキオメトリ条件Ｓを越えて過剰となるように設定される。

この金属過剰供給工程によれば、金属のうちまずガリウム３２が優先的に活性窒素種３３と反応する。これは、ガリウム３２とインジウム３１とを比較すると、ガリウム３２の方が活性窒素種３３への取り込まれ量が多い、すなわちガリウム３２の方が活性窒素種３３と反応し易いからである。ここで、ガリウム３２だけの供給量と活性窒素種３３の供給量との関係において、活性窒素種３３の供給量がストイキオメトリ条件Ｓを越えて過剰である場合、ガリウム３２の全てと反応しても活性窒素種３３はまだ反応し得る状態であるため、インジウム３１の一部とも反応する。このようにインジウム３１とガリウム３２の両方が活性窒素種３３と反応することにより、図９Ｂに示すように、基板３０の上に、インジウムガリウムナイトライド層３４が成長する。そして、このインジウムガリウムナイトライド層３４の上には、活性窒素種３３と反応しなかった余剰のインジウム３１が析出することにより、インジウムドロップレット３５が発生する。

次に、第２工程として、インジウムドロップレット３５をインジウムナイトライドに転換する（ドロップレット転換工程）。具体的には、第２工程の終了後、図８及び図１０Ａに示すように、活性窒素種３３のみを所定時間に渡って追加的に供給する。そして、第１実施例と同様に、基板３０の上がストイキオメトリ条件Ｓに達した時点で活性窒素種３３の供給を停止する。このようなドロップレット転換工程によれば、追加供給した活性窒素種３３が、前述のように発生したインジウムドロップレット３５と反応することにより、インジウムドロップレット３５がインジウムナイトライドに変化する。これにより、図１０Ｂに示すように、インジウムガリウムナイトライド層３４の上に、インジウムドロップレット３５が転換されてなるインジウムナイトライド層３６が成長し、異なる半導体が接合したいわゆるヘテロ接合構造３７が形成される。

また、その後に第１工程と第２工程とを繰り返し行い、図１１に示すように、バンドギャップの狭いインジウムナイトライド層３６をバンドギャップの広いインジウムガリウムナイトライド層３４で厚み方向に両側から挟むことにより、いわゆる量子井戸構造３８を形成することも可能である。この量子井戸構造３８は、電子の閉じ込めによって発光効率の改善を図ることができる構造として、量子井戸レーザ等に応用される。このようにして量子井戸構造３８を形成すれば、インジウムガリウムナイトライド層３４の組成比率を決定するためにインジウム３１とガリウム３２の供給比率を制御する必要はあるものの、金属全体として活性窒素種３３との供給比率を厳密に制御する必要はない。従って、量子井戸構造３８を形成するために、インジウム３１とガリウム３２と活性窒素種３３の供給比率を厳密に制御してインジウムガリウムナイトライド層３４を形成し、更にインジウム３１と活性窒素種３３との供給比率を厳密に制御してインジウムナイトライド層３６を形成する場合と比較すれば、成長制御を容易化することができるという利点がある。

尚、本第３実施例についても、インジウム３１とガリウム３２と活性窒素種３３との供給比率の制御にＲＨＥＥＤを用いる点、基板３０の上がストイキオメトリ条件Ｓに達したことをＲＨＥＥＤで判断する手法、及び活性窒素種３３を供給し始めてからインジウムドロップレット３５が全て消えるまでの回復時間を測定することで活性窒素種３３の供給量を継続監視している点、については第１実施例と同様である。

このように、第３実施例に係る窒化物半導体薄膜の製造方法によれば、ガリウム３２とインジウム３１と活性窒素種３３との供給比率を、金属の供給量が活性窒素種３３の供給量との関係においてストイキオメトリ条件Ｓを越えて過剰な範囲であって、且つ、活性窒素種３３の供給量がガリウム３２のみの供給量との関係においてストイキオメトリ条件Ｓを越えて過剰な範囲、という相当に広い領域内で保持すれば足りる。従って、金属と活性窒素種３３との供給比率を、図１５Ｂに示すようにストイキオメトリ条件Ｓちょうど若しくはストイキオメトリ条件Ｓより僅かに活性窒素種が過剰に供給される条件という非常に狭い領域８０で保持する必要があった従来と比較すると、ガリウム３２とインジウム３１と活性窒素種３３との供給比率に厳密な制御が要求されず、制御が容易化するという利点がある。また、この第３実施例に係る窒化物半導体薄膜の製造方法によれば、前述のように相分離を引き起こす原因となるインジウムドロップレット３５をインジウムナイトライド層３６に転換するので、インジウムガリウムナイトライド層３４の組成が均一となって相分離が生じにくく、且つ、転換したインジウムナイトライド層３６を量子井戸構造３８の一部として使用することができるという利点もある。尚、その他、結晶品質や表面平坦性に優れた薄膜が安定して得られるという利点、基板３０の上がストイキオメトリ条件Ｓに達したことを容易且つ確実に捕捉できるという利点、及びインジウムナイトライド層３６の厚みを正確に制御できるという利点、については第１実施例と同様である。

次に、本発明の第４実施例に係る窒化物半導体薄膜の製造方法の手順について説明する。第４実施例に係る窒化物半導体薄膜の製造方法は、ＭＢＥ法によって基板の上にインジウムガリウムナイトライドとインジウムナイトライドとのへテロ接合構造を有する薄膜を成長させる点では第３実施例と同様であるが、活性窒素種の供給方法が第３実施例とは異なっている。ここで、図１２は、第４実施例における活性窒素種とインジウムとガリウムの供給または供給停止の時間変化を示すタイムチャートである。

第４実施例に係る窒化物半導体薄膜の製造方法では、まず第１工程として、基板の温度をインジウム及びガリウムの脱離温度以下に設定した状態で、図１２及び図１３Ａに示すように、基板４０の上に金属のみをすなわちインジウム４１とガリウム４２だけを所定時間に渡って同時に供給する（金属過剰供給工程）。このように、金属が究極に過剰な条件、インジウム４１とガリウム４２だけを供給すると、図１３Ｂに示すように、基板４０の上に、供給した全てのインジウム４１とガリウム４２が、インジウムドロップレット４３とガリウムドロップレット４４としてそれぞれ析出する。

次に、第２工程として、インジウムドロップレット４３とガリウムドロップレット４４をインジウムナイトライドとガリウム４２ナイトライドとにそれぞれ転換する（ドロップレット転換工程）。具体的には、第２工程の終了後、図１２及び図１４Ａに示すように、活性窒素種４５のみを所定時間に渡って供給する。そして、第１実施例と同様に、基板４０の上がストイキオメトリ条件Ｓに達した時点で活性窒素種４５の供給を停止する。このようなドロップレット転換工程によれば、供給した活性窒素種４５に対しては、前述のようにガリウム４２とインジウム４１の取り込まれ量の違いによってガリウム４２が優先的に反応する。従って、活性窒素種４５の供給を開始した当初は、供給した活性窒素種４５は全てガリウムドロップレット４４と反応し、ガリウムドロップレット４４が徐々に消えるとともに、図１４Ａに示すように、基板４０の上に、ガリウムドロップレット４４が転換されてなるガリウムナイトライド層４６が成長する。一方、このガリウムナイトライド層４６の上には、活性窒素種４５と未反応のインジウムドロップレット４３がそのまま残存する。

その後、このドロップレット転換工程で更に活性窒素種４５の供給を続けると、ガリウムドロップレット４４の全てがガリウムナイトライド層４６に転換され、次にガリウムナイトライド層４６の上に残存したインジウムドロップレット４３が活性窒素種４５と反応し始める。これに伴い、インジウムドロップレット４３が徐々に消えるとともに、図１４Ｂに示すように、ガリウムナイトライド層４６の上に、インジウムドロップレット４３が転換されてなるインジウムナイトライド層４７が成長する。これにより、ガリウムナイトライド層４６とインジウムナイトライド層４７とが接合したいわゆるヘテロ接合構造４８が形成される。

尚、本第４実施例についても、インジウム４１とガリウム４２と活性窒素種４５との供給比率の制御にＲＨＥＥＤを用いる点、基板４０の上がストイキオメトリ条件Ｓに達したことをＲＨＥＥＤで判断する手法、及び活性窒素種４５を供給し始めてからインジウムドロップレット４３及びガリウムドロップレット４４が全て消えるまでの回復時間を測定することで活性窒素種４５の供給量を継続監視している点、については第１実施例と同様である。

このように、第４実施例に係る窒化物半導体薄膜の製造方法によれば、最初にインジウム４１とガリウム４２だけを供給し、その後に活性窒素種４５のみを供給すればよいので、金属と活性窒素種４５との供給比率を容易に制御できるという利点がある。尚、その他、結晶品質や表面平坦性に優れた薄膜が安定して得られるという利点、基板４０の上がストイキオメトリ条件Ｓに達したことを容易且つ確実に捕捉できるという利点、及びガリウムナイトライド層４６やインジウムナイトライド層４７の厚みを正確に制御できるという利点、については第１実施例と同様である。

尚、第１実施例と第２実施例では、活性窒素種１２，２３と反応させる金属としてインジウム１１，２１を例に説明したが、３Ｂ族に属する他の金属元素、例えばガリウムやアルミニウム等であってもよいし、３Ｂ族以外の他の金属元素であってもよい。また、第３実施例と第４実施例では、活性窒素種３３，４５と反応させる金属をインジウム３１，４１とガリウム３２，４２の２種類の金属元素で組成する場合を例に説明した。しかし、この金属は少なくとも２種類の元素で組成されていれば足り、例えばインジウムとガリウムとアルミニウムの３種類の３Ｂ族元素によって金属を組成してもよいし、３Ｂ族以外の他の金属元素を含めてもよい。

尚、第１実施例〜第４実施例に係る窒化物半導体薄膜の製造方法によって作製される薄膜、特に第３実施例と第４実施例で作製されるヘテロ接合構造や量子井戸構造を有する薄膜は、各種デバイスの製造に適用することができる。

１０基板
１１インジウム
１２活性窒素種
１４，１６インジウムナイトライド層（ＩｎＮ）
３７ヘテロ接合構造
３８量子井戸構造
Ｓストイキオメトリ条件

Claims

基板上に取り込まれ量の異なる２種類以上の元素から組成される金属と活性窒素種とを供給して反応させることにより、前記基板上に組成の異なる窒化物半導体が互いに接合したヘテロ接合構造を有する窒化物半導体薄膜をエピタキシャル成長させる窒化物半導体薄膜の製造方法において、
前記金属をストイキオメトリ条件を越えて過剰に供給する金属過剰供給工程と、
該金属過剰供給工程で前記基板上に析出した前記金属からなるドロップレットを、前記活性窒素種をストイキオメトリ条件に達するまで供給することによって窒化物半導体に転換するドロップレット転換工程と、
を含むことを特徴とする窒化物半導体薄膜の製造方法。
基板上に取り込まれ量の異なる２種類以上の元素から組成される金属と活性窒素種とを供給して反応させることにより、前記基板上にバンドギャップの狭い窒化物半導体をバンドギャップの広い窒化物半導体で挟んだ量子井戸構造を有する窒化物半導体薄膜をエピタキシャル成長させる窒化物半導体薄膜の製造方法において、
前記金属をストイキオメトリ条件を越えて過剰に供給する金属過剰供給工程と、
該金属過剰供給工程で前記基板上に析出した前記金属からなるドロップレットを、前記活性窒素種をストイキオメトリ条件に達するまで供給することによって窒化物半導体に転換するドロップレット転換工程と、
を含むことを特徴とする窒化物半導体薄膜の製造方法。
前記金属過剰供給工程で前記金属のみが供給されることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物半導体薄膜の製造方法。
前記基板の温度が、前記金属の脱離温度以下に設定されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の窒化物半導体薄膜の製造方法。
前記金属と前記活性窒素種との供給比率が、エピタキシャル成長した窒化物半導体薄膜の表面形状を反射高速電子線回析を用いて調べることによって制御されることを特徴とする請求項1乃至４のいずれかに記載の窒化物半導体薄膜の製造方法。
前記活性窒素種の供給を開始してから前記ドロップレットが全て消えるまでの回復時間を測定することにより、前記活性窒素種の供給量を継続監視することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の窒化物半導体薄膜の製造方法。