JPH033233A - 化合物半導体単結晶薄膜の成長方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、■族窒化物半導体Ｉｎ）Ｊ＋　ＧａＮ、　Ａ
ＩＮ単結晶薄膜及びその混晶１ｎ＋−ｘ−ｙＧａ、ＡＩ
、Ｎ　　（０≦Ｘ≦１．Ｏ≦ｘ＋ｙ：１）単結晶薄膜の
エピタキシャル成長力法において、一般に窒化物で発生
し易い窒素空孔が少なく、かつ、平坦な表面形態を有す
る成長膜を得ることのできる化合物半導体単結品薄膜の
成長方法に関するものである。

（従来の技術） 従来、ＩｎＮ、　ＧａＮ＋　Ａｌ１１ｌｔ　Ｉｎｔ−ｍ
−ｘｙＧａｘＡｌｙＮの単結晶薄膜は、Ｉｎｎ　Ｇａ＋
　ＡＩのハライド化物１ｎＣ１ｓ。

ＧａＣ１５，ＡｌＣｌ３等あるいは有機化合物Ｒ＝Ｉｎ
、　Ｒ５Ｇａ。

Ｒ５Ａｌ　（Ｒ−ｃｕｓ、　ｃｉｕｓ）等のｍ族原料と
、ＮＨｓ等の■族原料とを用いた気相成長法が一般に用
いられ、主にサファイア（０００１）面（０面）上に成
長させていた。

（発明が解決しようとする課Ｂ） しかしながら、上記の何れの原料を用いて成長を行った
場合も、０面基板上では大きさ１〜１００μｍ、高さ１
〜Ｉｏｎの六角鐘状のヒルロックが現れ、平坦な成長膜
が得られていない、これは、サファイア単結晶の各種面
方位のうち最低次数の面指数をもつ０面が原子的に掻め
て平坦な面であるため、薄膜成長時基板面上で均一な核
形成が起こりにくく、疎に形成された成長核が各々独立
のヒルロックに成長することが原因である。平坦な表面
形態をもった成長膜を得られないことは、ＭＩＳ（金属
−絶縁体一半導体）構造やペテロ構造等からなるオプト
エレクトロニクス素子を製作する場合、大きな欠点とな
る。すなわち、表面に凹凸があると、ＭＩＳ　（金属−
絶縁体一半導体）構造やヘテロ構造等を製作する場合、
各層の膜厚や膜質が不均一になったりする。そのため、
これらの構造に電界をかけると、部分的な電界による１
１１Ａの破壊が生じる。また、これらの構造にキャリア
の注入を行うと、キャリアは不均一にしか注入されない
。

また、一般に■族窒化物の窒素蒸気圧は、他の■−Ｖ族
化合物のＶ族蒸気圧に比べて遥かに高いにもかかわらず
、従来から用いられ°ζいるサファイアＣ面基板状への
この■族窒化物の成長温度は現在実用に供されているＩ
ｎＰやＧａＡｓ等に比べて遥かに高かった。そのため、
窒素空孔の生成が避けられなかった。この窒素空孔はド
ナーとして働（。

そのため、これらの材料ではｎ型半導体しか得られてお
らず、ｐ型半導体は実現でき°ζいない、このように伝
導型制御を困難にしている最大の原因となっている窒素
空孔を低減するには、成長温度の低温化による窒素蒸気
圧の低減が必須であり、このことは結晶成長の基本と言
える。一般に、単結晶成長が起こるためには、成長表面
に到達した原料種が正規の格子値１までマイグレートす
ることが必要である。従って、低成長温度化のためには
、低温でも十分大きな表面マイグレーシラン速度を得る
必要がある。ところが、サファイアＣ面上に配向する＜
０００１＞軸配向膜は、（０００１）成長層表面のマイ
グレーシラン速度が小さい。

以上述べたように■族窒化物を成長する基板としてサフ
ァイアＣ面を用いるという従来の技術は、成長した薄膜
の表面の凹凸が激しく、かつ、成長温度が高いため’Ｉ
ｌｌ膜に多くの窒素空孔を生じるという欠点を有してい
た。

（発明の目的） 上記のように、従来量も一般的であったサファイアＣ面
を基板とすると、ＩｎＮ、　ＧａＮ＋　ＡＩＮ＋　Ｉｎ
＋−ｘ−ｙＧａ、Ａ１ｙＮ薄膜は、六角鐘状のファセッ
ト成長を起こし平坦な表面が得られない、また、サファ
イアＣ面上では単結晶成長温度が高く、窒素空孔生成の
ため電気的特性の制御が難しいという問題があった。

本発明は、上記問題点を解決するため、サファイア単結
晶の高指数面方位基板を用いた成長の検討を進めた結果
なされたものであり、平坦な表面形態をもち、かつ窒素
空孔の少ない成長膜を低温で化合物半導体単結品薄膜を
得る方法を提供することにある。

（ｙＡ題を解決するだめの手段） 上記の目的を達成するため、本発明は■族窒化物半導体
ＬｎＮ、　ＧａＮ、＾ＩＮ単結晶薄膜及びその混晶１ｎ
１−、−、Ｇａ、ＡｌｙＮ　（０≦ｘ：ｉａｌ、０≦ｘ
＋ｙ≦１）単結晶薄膜のエピタキシャル成長方法におい
て、該単結晶薄膜をサファイア（２ＴＴＯ）面（Ｒ面）
上に成長させることを特徴とする化合物半導体単結品薄
膜の成長方法を発明の要旨とするものである。

換言すれば本発明は、■族窒化物のエピタキシャル結晶
成長において、成長時に基板表面に飛来してきた原料種
が低温でもマイグレートし易いサファイアＲ面を基板と
することを最も主要な特徴とする。従来は成長基板とし
て表面マイグレーシタンの起きに（いサファイアのＣ面
等他の面方位を用いており、従来の技術とは基板面方位
が異なる。

（作用） 本発明においては、サファイアＲ面上に単結晶１１１１
を成長させているため、成長層の平坦性を向上させるこ
とができ、この結果、窒素空孔の低減によって電気的特
性を改善することができる。

（実施例） 次に本発明の実施例について説明する。なお、実施例は
一つの例示であうで、本発明の精神を逸脱しない範囲で
、種々の変更あるいは改良を行いうろことは言うまでも
ない。

第１図は、原料ガスとして■族有機金属とＮＨｓを用い
る場合について、本発明の成長方法を実施するための成
長装置の一例を示すものである０図において、１は成長
基板、２はカーボン・サセプタ、３は石英反応管、４は
高周波誘導コイル、５は熱電対、６は有機金属導入管、
７はＭＨＩガス導入管、８はＨ，ガス導入管、９は排気
口である。

この装置で、ＩＪＩＧａＮ＋　ＡＩＮ＋　１ｎｌ−、−
ｙＧａ＝ＡＩ、Ｎ単結晶膜を成長させるためには、まず
石英反応管３内を真空排気装置により排気する０次に、
基板表面の清浄化を目的として、石英反応管内にｈガス
を導入した後、高周波誘導コイル４に通電するごとによ
りカーボン・サセプタ２を６００〜１３５０°Ｃに加熱
し、１０〜３０分間保持する。基板熱処理後、サセプタ
温度を成長温度に設定し、ＮＨ，ガスを導入する。この
状態で、■族有機金属をバブリングしたＨ富ガス（ある
いはＮつガス）を石英反応管内に導入することにより、
基［１上で■族有機金属とＮＨ，を反応させ、ＩｎＮ、
　ＧａＮ、　ＡＩＮあるいはＩｎ１−ｘ−ｙＧａ、Ａ１
ｙＮ単結晶薄膜を得る。

以下に具体例をもって、ＩｎＮ、　ＧａＮ、＾ＩＮ、　
Ｉｎ＋−ｘ−ｙＧａＭＡｌｙＮの成長方法を詳細に説明
する。

（実施例１　）　（ＧａＮ単結晶膜の成長）第１図に示
す成長装置において、石英反応管３内を真空排気した後
、■８雰囲気中で９７７４７８面基板を６００〜１３５
０°Ｃ１１０〜３０分間熱処理する。

次に、基板温度を７００〜１１００°Ｃの成長温度に設
定し、ｌ〜５４！／ｗｉｎのＮｌ＋、ガスを導入管７よ
り供給する。続いて、バブラの温度を一３０〜５０°Ｃ
に設定したトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）を１〜１０
０ｃｃ／１１１１のＨ３ガス（あるいはＮ！ガス）でバ
ブリングし、Ｏ〜５４！／ｓｉｎのＨ８キャリアガス（
あるいはＮｔキャリアガス）と合流させた後、導入管６
より石英反応管３へ供給する。成長中の石英反応管３内
総圧力は４０〜９５０　Ｔｏｒｒに調整する。

第２図は、基板温度１０００°Ｃ，Ｎｉ１．とＴＭＧａ
（７）　％　Ｊｌ／供給比５０００の条件でサラ１４７
Ｒ面基板上に成長させたＧａＮｉ１膜の反射電子線回折
（ＲＨＥＥＤ）像の写真であり、スポット状の回折パタ
ーンが得られており、単結晶になっていることが判る。

また、このＲＨＥＥＤパターンを解析することにより、
＜２１ＴＯ＞軸配向したＧａＮ単結晶薄膜が得られてい
ることが判る。

第３図は、同一試料の顕微鏡写真である。比較のため、
サファイアＣ面上に上記と全く同じ手順で成長した結晶
の顕微鏡写真を第４図に示す、第４図のＣ面上のＧａＮ
には六角鐘状のヒルロックが現れ平坦性が悪いのに比べ
、第３図の８面上では極めて平坦性のよいＧａＮ１１ｊ
ｌが成長している。

また、上記と全く同じ手順で基板温度を低下させると、
成長層はサファイアＣ面上では９００°Ｃ以下で多結晶
化するのに対し、サファイアＲ面上でハフ８０°Ｃでも
単結晶が得られた。８面上に７８０°Ｃで成長した膜は
１０１？台のｎ型を示し、９００〜１０００°ＣでＣ面
上に成長した膜に比べ１〜２桁電子濃度が低下した。こ
れは、低成長温度化により窒素空孔が低減したためであ
る。

この実施例ではＧａ原料ガスとしてＴＭＧａを用いたが
、これに代え°ζトリエチルガリウム等の他の有機ガリ
ウム原料を用いても、基板の効果は変わらないので同様
に良質の膜が得られることは明らかである。

（実施例２　）　（ＡＩＮ単結晶膜の成長）第１図に示
す成長装置において、石英反応管３内を真空排気した後
、１１．雰囲気中で９７７４７８面基板を６００〜１３
５０°Ｃ１１０〜３０分間熱処理する。

次に、基板温度を１０００−１３５０℃の成長温度に設
定し、１〜５ｊ！／ｅ＋ｉｎのＮＨｉガスを導入管７よ
り供線する。続いて、バブラの温度を一３０〜４０℃に
設定したトリメチルアルミニウム（ＴＭ＾ｌ）を１〜１
００ｃｃ／ａｉ口のＨ８ガス（あるいはｈガス）でバブ
リングし、Ｏ〜５　ｊ！　／ｍｊｎ　（ＤＨｔＨ８キャ
リアガスルイはＮ、キャリアガス）と合流させた後、導
入管６より石英反応管３へ供給する。成長中の石英反応
管３内総圧力は４０〜９５０　Ｔｏｒｒに調整する。

第５図は、基板温度１２００°Ｃ５ＮｕｓとＴｌｌＡｌ
のモル供給比５０００の条件でサファイアＲＷＩ基板上
に成長させたＡＩＮＩ膜の顕＠鏡写真であり、極めて平
坦性のよい膜が成長していることが判る。ＲＨＥＥＤパ
ターンを解析した結果、ＧａＮの場合と同様に＜２ＴＴ
Ｏ＞軸配向したＡＩＮ単結晶薄膜が得られていることが
判った。

また、サファイアＣ面上に上記と全く同じ手順で成長し
た場合には単結晶薄膜は得られず、単結晶成長のために
は１２５０°Ｃ以上の高温を要することが判明した。

この実施例ではＡＩ原料ガスにＴＭＡＩを用いたが、こ
れに代えてトリエチルアルミニウム等の他の有機アルミ
ニウム原料を用いても、基板の効果は変わらないので同
様に良質の膜が得られることは明らかである。

（実施例３　）　（ＩｎＮ単結晶膜の成長）第１図に示
す成長装置におい”で、石英反応管３内を真空排気した
後、Ｈｓ雰囲気中で９７７４７８面基板を６００〜１３
５０°Ｃ５１０〜３０分間熱処理する。

次に、基板温度を３００〜７００°Ｃの成長温度に設定
し、１〜５ｊ！／＋ｓｉｎのＮｉガスを導入管７より供
給する。続いζ、バブラの温度を一３０〜４０’Ｃに設
定したトリメチルインジウム（Ｔ旧ｎ）を５〜３００ｃ
ｃ／ｓｉｎのＨ，ガス（あるいはＮｉガス）でバブリン
グし、０〜５１１／ｗｉｎの１１ｍキャリアガス（ある
いはＮ２キャリアガス）と合流させた後、導入管６より
石英反応管３へ供給する。成長中の石英反応管３内総圧
力は４０〜９５０　Ｔｏｒｒに調整する。

Ｒ）ＩＥＥＤパターンを解析した結果、ＧａＮ、　ＡＩ
Ｎの場合と同様に＜２ＴＴＯ＞軸配向したＩｎＮ単結晶
薄膜が得られていることが判った。

この実施例ではＩｎ原料ガスにＴＭＩｎを用いたが、こ
れに代えてトリエチルインジウム等の他の有機インジウ
ム原料を用いても、基板の効果は変わらないので同様に
良質の膜が得られることは明らかである。

Ｉｎ＋−ｘ−ｙＧ＆＋＋Ａ１ｙＮ　（０≦Ｘ≦１．Ｏ≦
ｘ＋ｙ≦１）単結晶薄膜も上記の３つの実施例と全く同
様の手順で成長することができる。

上記の実施例ではＮ原料としζＮ）Ｉｎを用いたが、こ
れに代えてＮＪａや有機アミン等の他のＮ原料を用いて
も同様の結果が得られる。また、上記の実施例ではキャ
リアガス、バブリングガスとし°ｒＨ１またはＮｉを用
いたが、これに代えてｆｌｅ、　Ａｒ等の他の不活性ガ
スを用いても同様の効果が得られる。

また、上記の実施例ではＧａ原料として有機ガリウムを
用いたが、これに代えてガリウムのハライド化物を用い
ても、基板の効果は変わらないので同様に良質の膜が得
られることは明らかである。

９７１４７８面は０面に比べ高指数の面であり、基板面
上で均一かつ密な核形成が起こるため、成長層の平坦性
を著しく改善できる。また、３面上に成長する＜２７Ｔ
Ｑ＞軸配向膜は表面マイグレーション速度の大きい（２
ＴＴＯ）面を成長面とするため、Ｃ面上に比べ２００〜
３００°Ｃ低温でも単結晶成長を行うことが可能となる
。低温で成長した膜では、窒素空孔が低減され電気的特
性も著しく改善される。

以上の結果から明らかなように、従来の技術に比べ表面
形態の平坦性が著しく改善された単結晶３’に９ｔが得
られる上、従来の技術に比べ１００〜３００°Ｃ低温で
も単結晶成長ができるため窒素空孔を１〜２桁低減でき
るという改善があった。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明によれば、高指数の面方位
をもつ９７１４７８面を基板に用いることにより、基板
面上で均一かつ密な核形成が起こるため、成長層の平坦
性を著しく改善できる。また、３面上に成長する＜２Ｔ
ＴＯ＞軸配向膜は、表面マイグレーション速度の大きい
（２ＴＴＯ）面を成長面とするため、Ｃ面上に比べ１０
０〜３００°Ｃ低温でも単結晶成長を行うことが可能と
なる。

この結果、窒素空孔の低減により電気的特性が改善され
るという利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の化合物半導体薄膜の成長装置、第２図
はサラ１４フ２面上に成長したＧａＮ膜の反射電子線回
折（ＲＨＥＥＤ）像、第３図はＧａＮｉ１膜の結晶構造
を示す光学顕微鏡写真、第４図はサファイアＣ面上に成
長したＧａＮ薄膜の結晶構造を示す光学顕微鏡写真、第
５図はサラ１４フ２面上に成長した＾ＩＮ薄膜の結晶構
造を示す光学顕微鏡写真を示す。 ｌ・・・・成長基板 ２・・・・カーボン・サセプタ ３・・・・石英反応管 ４・・・・高周波誘導コイル ５・・・・熱電対 ６・・・・有機金属導入管 ７・・・・ＮＨ３ガス導入口 ８・・・・Ｈ，ガス導入口 ９ ・排気口 第 コ 図 第２図 第５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ＩＩＩ族窒化物半導体ＩｎＮ、ＧａＮ、ＡｌＮ単結晶薄
   膜及びその混晶Ｉｎ＿１＿−＿ｘ＿ｙＧａ＿ｘＡｌ＿ｙ
   Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）単結晶薄膜のエピタ
   キシャル成長方法において、該単結晶薄膜をサファイア
   （２＠１＠＠１＠０）面（Ｒ面）上に成長させることを
   特徴とする化合物半導体単結品薄膜の成長方法。