JP5581777B2 - Iii族窒化物半導体の成長方法 - Google Patents
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Description
(1)基板上に、III族窒化物半導体の結晶核を島状に形成する第1の工程と、窒素源ガスを供給しながら珪素源ガスとIII族源ガスを交互に供給することにより、前記結晶核を島状に成長させる第2の工程と、該第2の工程後、窒素源ガスとIII族源ガスを供給し、前記島状の結晶核からIII族窒化物半導体を各々成長させ、層状のIII族窒化物半導体を形成する第3の工程と、を具備するIII族窒化物半導体の成長方法。
(2)前記第1の工程において、前記基板上に、窒素源ガスと珪素源ガスを供給した後、珪素源ガスの供給を止めて窒素源ガスとIII族源ガスを供給することにより、前記結晶核を島状に形成し、引き続き、同一の気相成長装置内で前記第2の工程を行う上記(1)に記載のIII族窒化物半導体の成長方法。
(3)前記第1の工程において、前記結晶核は、前記基板上に形成された非晶質又は多結晶の緩衝層上に形成される上記(1)又は(2)に記載のIII族窒化物半導体の成長方法。
(4)前記結晶核は、c軸に対して傾斜するファセット面を有する上記(1)〜(3)のいずれか1つに記載のIII族窒化物半導体の成長方法。
図1(a)〜(e)は、実施の形態1に係るIII族窒化物半導体の成長方法の各工程におけるIII族窒化物半導体の成長を示す概略断面図であり、図2は、その成長条件の一例を示すグラフである。図1,2に示すように、本発明のIII族窒化物半導体の成長方法は、主として、基板10上にIII族窒化物半導体の結晶核40を島状に形成する第1の工程(a)〜(b)と、この結晶核40を島状に成長させる第2の工程(c)と、その島状の結晶核40からIII族窒化物半導体を各々成長させ、層状のIII族窒化物半導体45を形成する第3の工程(d)と、を具備する。また特に、実施の形態1に係るIII族窒化物半導体の成長方法では、第3の工程後、層状のIII族窒化物半導体45上に基板層50を成長させる第4の工程(e)を更に具備する。なお、図1では、工程(b)について、(b−1)と(b−2)に分けて図示してある。また、図2中に記載の(a)〜(d)の各区間は、図1の工程(a)〜(d)に各々対応している。以下に、その各工程について説明する。
III族窒化物半導体は、例えばGaN、AlGaN、InGaNなど、一般式AlxInyGa1−x−yN(0≦x≦1,0≦y≦1,x+y≦1)で表されるものである。またIII族元素としてBを用いてもよく、V族元素のNの一部をAs、Pで置換した混晶とすることもできる。また適宜、III族窒化物半導体に不純物をドープすることができ、n型不純物としてはSiやO、p型不純物としてはMgを用いることが好ましい。
基板10は、III族窒化物半導体のエピタキシャル成長が可能なものであればよい。III族窒化物半導体の割れやクラックを防止するためには、基板10の大きさは直径2インチ以上4インチ以下が好ましく、厚さは0.5mm以上2mm以下が好ましい。III族窒化物半導体の成長基板10の具体的な材料としては、C面、R面、及びA面のいずれかを主面とするサファイアやスピネル(MgAl2O4)のほか、SiC(6H、4H、3C)、Si、GaAs、ZnS、ZnO、ダイヤモンドなどが挙げられる。このようなIII族窒化物半導体と異なる材料からなる異種基板においては、C面(0001)を主面とするサファイア基板を使用することが好ましい。このほか、GaNやAlN、AlGaN等のIII族窒化物半導体基板を用いてもよい。また、基板10は、III族窒化物半導体の成長面となる主面がオフアングルしたものでもよい(例えば、サファイアC面で0.01°以上3.0°以下)。
III族窒化物半導体の成長方法(装置)としては、例えば、有機金属気相成長法(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)、ハイドライド気相成長法(HVPE:Hydride Vapor Phase Epitaxy)などの方法(装置)が利用できる。MOCVD法は、成長速度や膜厚の制御がしやすい。MOCVD装置では、原料ガスに、窒素源ガスとしてアンモニア(NH3)と、III族源ガスとしてトリメチルガリウム(TMG)、トリメチルアルミニウム(TMA)、トリメチルインジウム(TMI)などを用いる。HVPE法は、MOCVD法に比べ高速成長が可能である。HVPE装置では、原料ガスに、NH3と、III族元素のハロゲン化物(例えばGaCl)と、を用いる。また上述のような不純物をドープする場合には、これらの原料ガスと共にドーパントガス、例えばシラン(SiH4)やシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)等のガスを供給する。なお、本発明のIII族窒化物半導体の成長方法は、複数の気相成長法を組み合わせて実施できる。例えば、比較的厚さの小さい結晶を成長させるまでの工程(a)〜(d)をMOCVD装置で行い、比較的厚さの大きい結晶を成長させる工程(e)をHVPE装置で行うと良い。他方、結晶成長の全工程を1つの方法、装置で一貫して行えば、より安価にIII族窒化物半導体を成長させることができる。
図4は、実施の形態1に係るIII族窒化物半導体素子の概略断面図である。本発明のIII族窒化物半導体の成長方法は、III族窒化物半導体の自立基板だけでなく、III族窒化物半導体素子の製造にも適用できる。III族窒化物半導体素子を製造する場合には、基板110上に下地層145を同様に成長させた後、上述の基板層50の代わりに半導体素子の素子構造150を形成すればよい。III族窒化物半導体素子100の一例として、図4に示す例の発光素子では、基板110の上面に、下地層145を介して、第1導電型(n型)半導体層151、活性層152である発光層、第2導電型(p型)半導体層153がこの順にエピタキシャル成長される。n型及びp型半導体層は、単層、多層を特に限定されず、活性層は単一(SQW)又は多重量子井戸構造(MQW)が好ましい。そして、n型半導体層151の一部が露出されて第1の電極156であるn型パッド電極が形成され、p型半導体層153の略全面にITO等の透光性導電層154、及び第2の電極155であるp型パッド電極が形成される。さらに、SiO2等の保護膜157が、各電極156,155の表面を露出し、半導体層を被覆して設けられる。青色発光の発光素子の具体例としては、サファイア基板上に、例えばGaNの緩衝層とGaNの下地層を介して、n型半導体層として、例えばSiドープGaNのn型コンタクト層とGaN/InGaNのn型多層膜層が積層され、続いてInGaN/GaNのMQWの活性層、更にp型半導体層として、例えばMgドープのInGaN/AlGaNのp型多層膜層とMgドープGaNのp型コンタクト層が積層された構造がある。本発明のIII族窒化物半導体の成長方法によれば、小さい膜厚で転位密度の低い下地層145を成長させることができるため、この下地層145を介して素子構造150を構成する半導体層を成長させることで、素子構造内の転位密度を低減することができ、優れた素子特性を有するIII族窒化物半導体素子が得られる。
まず、MOCVD装置の反応炉内に、直径3インチ、厚さ0.5mmのC面サファイア基板10を設置し、基板表面に付着した不純物を除去するため、950℃にて10分間サーマルクリーニングを行う。次に、500℃に降温し、キャリアガスにH2を用い(以下同様)、NH3ガスを流量7.0slm、TMGガスを流量40sccmにて10分間供給し、基板上に膜厚約0.07〜0.16μmの緩衝層20を形成する。次に、900℃に昇温し、NH3ガスを流量6.5slm、濃度10ppmのSiH4ガスを流量70sccmにて3分間供給した後、NH3ガスの供給を維持したまま、SiH4ガスの供給を止め、TMGガスを流量30sccmにて4分30秒間供給して、緩衝層20上にGaNの島状の結晶核40を形成する。続いて、900℃で、NH3ガスを流量6.5slmで供給しながら、SiH4ガスを流量70sccmにて3分間供給した後、SiH4ガスをTMGガスに切り替え流量30sccmにて4分30秒間供給する、この操作を4回繰り返すことで、GaNの結晶核40を成長させる。この成長した結晶核40は、大きさ(幅)5〜20μm程度、厚さ1〜4μm程度であり、隣り合う結晶核同士の間隔は1〜20μm程度となっている。なお、Siの検出限界が1000ppmのエネルギー分散型X線分光分析(EDS)において、緩衝層20及び結晶核40からSiはほぼ検出されず、それ以下の濃度でSiを含有する膜が形成されていると推測される。
実施例1と同様にして、C面サファイア基板10上に膜厚約60μmのGaNの下地層45を形成した後、その基板(ウエハ)をMOCVD装置から取り出して、エキシマレーザを基板下面側から基板10と緩衝層20との界面近傍に照射して、下地層45をサファイア基板10から剥離させる。その後、剥離した下地層45をHVPE装置の反応炉内に設置し、Gaボートに金属ガリウムを500g程度置き、温度1020℃で、NH3ガスを流量2.0slm、HClガスを流量200sccmにて200分間供給し、膜厚約800μmのGaNの基板層50を形成し、GaNの自立基板を得る。このGaNの自立基板の反りは、200μm程度であり、島状の結晶核を形成しない場合に比べて、10分の1程度に低減されている。
20…緩衝層
30…珪素含有膜
40…結晶核
42…転位
44…接合部
45,145…層状のIII族窒化物半導体(下地層)
50…基板層
100…III族窒化物半導体素子、150…素子構造(151…第1導電型(n型)半導体層、152…活性層、153…第2導電型(p型)半導体層)、154…透光性導電層、155…第2の電極(p側パッド電極)、156…第1の電極(n側パッド電極)、157…保護膜
Claims (3)
- 基板上に、珪素源ガスと窒素源ガスをIII族源ガスが存在しない状態で供給して、下記(1)及び(2)を満たす珪素含有膜を形成した後、窒素源ガスとIII族源ガスを供給することによりIII族窒化物半導体の結晶核を島状に形成する第1の工程と、
前記結晶核の上に珪素源ガスと窒素源ガスをIII族源ガスが存在しない状態で供給して、下記(1)及び(2)を満たす珪素含有膜を形成した後、窒素源ガスとIII族源ガスを供給することを繰り返すことにより、前記結晶核を島状に成長させる第2の工程と、
該第2の工程後、窒素源ガスとIII族源ガスを供給し、前記島状の結晶核からIII族窒化物半導体を各々成長させ、層状のIII族窒化物半導体を形成する第3の工程と、
を具備するIII族窒化物半導体の成長方法。
(1)多数の孔を有する、及び/又は島状である
(2)III族元素が存在しない - 前記第1の工程において、前記結晶核は、前記基板上に形成された非晶質又は多結晶の緩衝層上に形成される請求項1に記載のIII族窒化物半導体の成長方法。
- 前記結晶核は、c軸に対して傾斜するファセット面を有する請求項1又は2に記載のIII族窒化物半導体の成長方法。
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