JPH05109621A - Method for growing gallium nitride thin film - Google Patents

Method for growing gallium nitride thin film

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Publication number
JPH05109621A
JPH05109621A JP26583591A JP26583591A JPH05109621A JP H05109621 A JPH05109621 A JP H05109621A JP 26583591 A JP26583591 A JP 26583591A JP 26583591 A JP26583591 A JP 26583591A JP H05109621 A JPH05109621 A JP H05109621A
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JP
Japan
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thin film
substrate
gan
film
gas
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Withdrawn
Application number
JP26583591A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hiroshi Endo
宏 遠藤
Kunio Miyata
邦夫 宮田
Hideaki Imai
秀秋 今井
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Asahi Chemical Industry Co Ltd
Original Assignee
Asahi Chemical Industry Co Ltd
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Publication date
Application filed by Asahi Chemical Industry Co Ltd filed Critical Asahi Chemical Industry Co Ltd
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  • Physical Deposition Of Substances That Are Components Of Semiconductor Devices (AREA)
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Abstract

PURPOSE:To obtain a GaN semiconductor thin film which is suitable for optical element at ultraviolet to blue color regions. CONSTITUTION:When producing a GaN semiconductor thin film by the gas source MBE method, a thin film with an improved semiconductor property is obtained by supplying a raw material to a substrate 7 intermittently or alternately or providing a time where no raw materials are supplied, thus enabling flattening property and crystallinity to be improved and obtaining a semiconductor thin film which is optimum for a light-emitting element.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、特にディスプレー、光
通信に最適な紫外域〜青色発光ダイオードおよびレーザ
ーダーオード等に用いることができる窒化ガリウム系薄
膜に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a gallium nitride-based thin film which can be used particularly for displays, ultraviolet to blue light emitting diodes, laser diodes, etc., which are optimal for optical communication.

【0002】[0002]

【従来の技術】半導体素子、特に可視域発光ダイオード
(LED)は、広い分野において表示素子として使用さ
れているが、従来、紫外域〜青色発光ダイオードおよび
レーザーダイオードは実用化されておらず、特に3原色
を必要とするディスプレー用として開発が急がれてい
る。紫外域〜青色発光ダイオードおよびレーザーダイオ
ードとしては、ZnSe、ZnS、GaNやSiCなど
を用いたものが報告されている。
2. Description of the Related Art Semiconductor devices, particularly visible light emitting diodes (LEDs), are used as display devices in a wide range of fields, but ultraviolet to blue light emitting diodes and laser diodes have not been put into practical use. Development is urgently needed for displays that require three primary colors. Ultraviolet to blue light emitting diodes and laser diodes using ZnSe, ZnS, GaN, SiC or the like have been reported.

【0003】窒化ガリウム(GaN)は、多くの場合、
トリメチルガリウムやトリエチルガリウムを原料として
用いたMOCVD法、あるいはVPE法によりサファイ
ア基板上に連続的に原料を供給して成膜されている[ J
ournal of Applied Physics,56 P.2367-2368 (198
4)]。これらの方法では反応温度を高くする必要があり
製造が難しいうえに、窒素が不足しているためにキャリ
ア密度が極めて大きくなり、良好な半導体特性が得られ
ない。さらに、炭素を含有する原料を使用する必要があ
ったり、成膜時の圧力が比較的高いために、薄膜中には
炭素が不純物として多く取り込まれて特性の低いGaN
系薄膜しか得られない。
Gallium nitride (GaN) is often
The MOCVD method using trimethylgallium or triethylgallium as a raw material or the VPE method is used to continuously supply the raw material onto the sapphire substrate to form a film [J.
ournal of Applied Physics, 56 P.2367-2368 (198
Four)]. In these methods, it is necessary to raise the reaction temperature, which makes production difficult, and since nitrogen is insufficient, the carrier density becomes extremely large, and good semiconductor characteristics cannot be obtained. Further, since it is necessary to use a raw material containing carbon and the pressure during film formation is relatively high, carbon is often incorporated as an impurity in the thin film, and thus GaN having low characteristics is used.
Only thin films can be obtained.

【0004】また、GaN系薄膜はGaNの単結晶基板
がないため、ヘテロエピタキシー法による薄膜成長を行
なわなくてはならないという問題点がある。そのため、
従来はサファイア基板を用いて、その上に成長させるG
aN系薄膜の厚みを大きくしたり、AlNバッファー層
を設けたりすることにより発光素子として使用するGa
N系薄膜を得ていた。しかし、これらの方法によって得
られるGaN系薄膜は不純物や結晶欠陥によると考えら
れるルミネッセンスが観測される等、発光素子としては
まだ不十分であり、またGaN系薄膜の厚みを大きくす
る必要もあるため発光素子として用いる場合には光の取
り出し効率が下がる等の欠点がある。
Further, since the GaN-based thin film does not have a GaN single crystal substrate, there is a problem that the thin film growth must be performed by the heteroepitaxy method. for that reason,
Conventionally, a sapphire substrate is used and G is grown thereon.
Ga used as a light-emitting element by increasing the thickness of the aN-based thin film or providing an AlN buffer layer
An N-based thin film was obtained. However, the GaN-based thin film obtained by these methods is still insufficient as a light-emitting element, such as luminescence observed due to impurities and crystal defects, and it is necessary to increase the thickness of the GaN-based thin film. When it is used as a light emitting element, there are drawbacks such as a decrease in light extraction efficiency.

【0005】ところが、ガスソースMBE法を用いて成
膜を行うことによって良好な特性の薄膜を作製できるこ
とが特願平3−179407号に記載されている。ガス
ソースMBE法は高真空下で成膜を行うために不純物の
混入を抑えることができ、低温で成膜することができる
ために窒素空孔の少ない良好な薄膜を作製することがで
きる。
However, it is described in Japanese Patent Application No. 3-179407 that a thin film having good characteristics can be produced by forming a film using the gas source MBE method. In the gas source MBE method, since the film formation is performed in a high vacuum, the mixing of impurities can be suppressed, and since the film formation can be performed at a low temperature, a favorable thin film with few nitrogen vacancies can be formed.

【0006】従来のガスソースMBE法を用いたGaN
系薄膜の成長方法では基板上に連続的に原料を供給する
ことから、2次元的な結晶成長を行うためには基板への
原料供給レートや成長温度を高度に制御する必要があ
り、膜表面が平坦で欠陥が少なく結晶性の高い薄膜を再
現性よく作製するためには十分ではなかった。
GaN using the conventional gas source MBE method
In the growth method of the system-based thin film, since the raw material is continuously supplied onto the substrate, in order to perform two-dimensional crystal growth, it is necessary to highly control the raw material supply rate to the substrate and the growth temperature. However, it was not sufficient to produce a flat thin film with few defects and high crystallinity with good reproducibility.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】発光素子用の半導体薄
膜としての特性が良好なGaN系薄膜を作製するため
に、膜表面が平坦で欠陥が少なくルミネッセンス特性も
良く、従って結晶性に優れている薄膜を再現性よく作製
することが必要でありながら、まだ満足できるものでは
ないのが現状である。本発明は、この問題点を解決して
可視から紫外領域の発光素子に用いることができるGa
N系薄膜を提供しようとするものである。
In order to produce a GaN-based thin film having excellent characteristics as a semiconductor thin film for a light emitting device, the film surface is flat, there are few defects, and the luminescence characteristics are good, and therefore the crystallinity is excellent. Although it is necessary to produce thin films with good reproducibility, the present situation is still unsatisfactory. The present invention solves this problem and can be used for a light emitting device in the visible to ultraviolet region.
It is intended to provide an N-based thin film.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明者らは、ガスソー
スMBE法を用いて基板上に間欠的に原料を供給するこ
とにより成長させた窒化ガリウム系薄膜が、可視から紫
外領域の発光素子材料として優れた特性を有することを
見いだし、さらに鋭意研究を重ねた結果、本発明を完成
するにいたった。
The inventors of the present invention have found that a gallium nitride-based thin film grown by intermittently supplying a raw material onto a substrate using a gas source MBE method emits light in the visible to ultraviolet region. As a result of discovering that it has excellent properties as a material and further earnestly researching it, the present invention has been completed.

【0009】本発明は、ガスソースMBE法を用いて基
板上にIII族元素とV族元素とを交互に供給するこ
と、あるいはV族元素を連続的に供給しながらIII族
元素を間欠的に供給すること、あるいは薄膜成長中に基
板への原料供給を行わない時間を設けることを特徴とす
る窒化ガリウム系薄膜の成長方法である。III族元素
としては、ガリウムの金属、合金あるいは有機金属化合
物を主として、必要に応じてIn、Al、Bのうち少な
くとも1種の金属、合金あるいは有機金属化合物を併用
することができる。合金の例としては、たとえばGa・
In合金、In・Al合金、Ga・Al合金等を挙げる
ことができる。有機金属化合物の例としては、トリメチ
ルガリウム、トリエチルガリウム、トリメチルインジウ
ム、トリメチルアルミニウムを挙げることができる。こ
こで、金属および合金は蒸発用ルツボより供給し、有機
金属はガスセルを通じて供給する。
According to the present invention, the group III element and the group V element are alternately supplied onto the substrate by using the gas source MBE method, or the group III element is intermittently supplied while continuously supplying the group V element. The method is a method for growing a gallium nitride-based thin film, which comprises supplying the material or providing a time during which the material is not supplied to the substrate during the thin film growth. As the Group III element, a gallium metal, alloy or organometallic compound is mainly used, and if necessary, at least one metal, alloy or organometallic compound of In, Al and B can be used together. Examples of alloys include Ga.
Examples include In alloys, In.Al alloys, Ga.Al alloys, and the like. Examples of organometallic compounds include trimethylgallium, triethylgallium, trimethylindium, and trimethylaluminum. Here, the metal and the alloy are supplied from the evaporation crucible, and the organic metal is supplied through the gas cell.

【0010】V族元素としては、窒素を主として、必要
に応じてP、As、Sbのうち少なくとも1種を併用す
ることができる。窒素源としてはアンモニア、ヒドラジ
ン、トリメチルアミン、トリエチルアミン、あるいはそ
れらの混合ガスを用いることができ、必要に応じて不活
性ガスを混合してもよい。その他には、窒素プラズマ、
三フッ化窒素、三フッ化窒素と窒素あるいはヘリウムと
の混合ガスを用いることができる。
As the group V element, nitrogen is mainly used, and if necessary, at least one of P, As, and Sb can be used in combination. As the nitrogen source, ammonia, hydrazine, trimethylamine, triethylamine, or a mixed gas thereof can be used, and an inert gas may be mixed if necessary. In addition, nitrogen plasma,
Nitrogen trifluoride, a mixed gas of nitrogen trifluoride and nitrogen or helium can be used.

【0011】このようなV族元素の供給量は基板表面に
おいてIII族元素の供給量より大きくする必要があ
り、V族元素の供給量がIII族元素の供給量より小さ
くなると生成するGaN系薄膜からの窒素の抜けが大き
くなるため良好なGaN系薄膜を得ることができなくな
る。従って、基板表面におけるV族元素のビーム強度を
III族元素のビーム強度以上にするのが好ましい。
The supply amount of the group V element needs to be larger than the supply amount of the group III element on the surface of the substrate, and when the supply amount of the group V element is smaller than the supply amount of the group III element, a GaN-based thin film is formed. It becomes impossible to obtain a good GaN-based thin film because the escape of nitrogen from the substrate becomes large. Therefore, it is preferable that the beam intensity of the group V element on the surface of the substrate is equal to or higher than the beam intensity of the group III element.

【0012】V族元素の供給方法としてはガスセルを用
いればよく、これは窒化ボロン、アルミナ、石英、ステ
ンレスなどの管を基板面に開口部を向けて薄膜成長装置
内に設置し、バルブや流量制御装置、圧力制御装置を接
続することにより供給量の制御や供給の開始・停止を行
うことをできるようにしたものである。また、クラッキ
ングガスセルを使用することも窒素源を分解して活性窒
素を基板表面に効率的に供給するということで好ましい
ものとなる。クラッキングガスセルとは、触媒の存在下
において窒素源を加熱し、効率良く活性窒素を生成せし
めるものであって、触媒としてはアルミナ、シリカ、窒
化ホウ素、炭化ケイ素のようなセラミックスを繊維状あ
るいは多孔質状にして表面積を大きくすることが好まし
いものとなる。クラッキングの温度は触媒の種類や窒素
源の供給量等によって変えることが必要であるが、10
0〜600℃の範囲に設定することが好ましいものとな
る。P、As、Sbは固体ソースまたはガスソースとし
て供給することができる。
A gas cell may be used as a method for supplying the group V element, and a tube of boron nitride, alumina, quartz, stainless steel or the like is installed in the thin film growth apparatus with the opening facing the substrate surface, and a valve or flow rate is used. By connecting a control device and a pressure control device, the supply amount can be controlled and the supply can be started and stopped. It is also preferable to use a cracking gas cell because the nitrogen source is decomposed and active nitrogen is efficiently supplied to the substrate surface. The cracking gas cell is a cell that heats a nitrogen source in the presence of a catalyst to efficiently generate active nitrogen, and the catalyst is a fibrous or porous ceramic such as alumina, silica, boron nitride, or silicon carbide. It is preferable that the surface area be increased so as to increase the surface area. It is necessary to change the cracking temperature depending on the type of catalyst and the supply amount of nitrogen source.
It is preferable to set in the range of 0 to 600 ° C. P, As and Sb can be supplied as a solid source or a gas source.

【0013】本発明において使用する基板としては、S
i、Al2 3 、ZnO、MgO、SiC、もしくはG
aAs、InAsなどのIIIーV族化合物、ZnSe
などのIIーVI族化合物などの単結晶基板、石英ガラ
ス、MESAガラス等のガラス基板を用いる。また,基
板とGaN系薄膜との間にバッファ層としてアモルファ
ス状の物質、例えばAlN、GaN、Si、SiC等、
あるいは単結晶物質として、例えばAlN、ZnO、S
iC等を設けることができる。なかでも、サファイア
(Al2 3 )においてR面基板を用いることが好まし
く、そのオフ角は0.8度以下であることが高配向性の
GaN薄膜を得るうえで好ましい。さらには、サファイ
アR面をサファイアc軸のR面射影を軸として9.2度
回転させた面を用いるとも好ましいものとなる。基板は
基板加熱装置により200〜900℃の範囲で加熱す
る。
The substrate used in the present invention is S
i, Al 2 O 3 , ZnO, MgO, SiC, or G
III-V group compounds such as aAs and InAs, ZnSe
A single crystal substrate such as a II-VI group compound or the like, a glass substrate such as quartz glass, MESA glass, or the like is used. Further, as a buffer layer between the substrate and the GaN-based thin film, an amorphous substance such as AlN, GaN, Si, or SiC is used.
Alternatively, as a single crystal substance, for example, AlN, ZnO, S
iC etc. can be provided. Among them, it is preferable to use an R-plane substrate for sapphire (Al 2 O 3 ), and its off angle is preferably 0.8 degrees or less in order to obtain a highly oriented GaN thin film. Furthermore, it is also preferable to use a surface obtained by rotating the sapphire R surface by 9.2 degrees about the R surface projection of the sapphire c axis. The substrate is heated in the range of 200 to 900 ° C. by the substrate heating device.

【0014】本発明におけるGaN系薄膜とは、例えば
GaNの他にGa1-x Alx N、Ga1-x Inx N、G
1-x x NなどのGaNを主体とした混晶化合物薄膜
のことである。さらに、GaN系薄膜を作製するときに
不純物をドーピングして、キャリア密度制御、p型、i
型あるいはn型制御を行うこともできる。ドーピングす
る不純物の例としてはMg、Zn、Be、Sb、Si、
Ge、C、Sn、Hg、As、P等がある。これらのド
ーパントの種類、ドーピング量およびドーピングする位
置を変えることによってキャリアーの種類やキャリアー
密度を変えることができる。
The GaN-based thin film in the present invention means, for example, Ga 1-x Al x N, Ga 1-x In x N, G in addition to GaN.
a 1-x B x N is that of mixed crystal compound thin film mainly composed of GaN, such as. Further, when a GaN-based thin film is manufactured, impurities are doped to control carrier density, p-type, i
Type or n-type control can also be performed. Examples of impurities to be doped are Mg, Zn, Be, Sb, Si,
Ge, C, Sn, Hg, As, P and the like. The type of carrier and the carrier density can be changed by changing the type, doping amount and doping position of these dopants.

【0015】本発明の窒化ガリウム系薄膜成長方法にお
いて、基板上へのIII族元素およびV族元素の供給お
よび停止する方法としては、固体ソースの場合はルツボ
のシャッターを開閉することによって行い、ガスソース
についてはガスセルのバルブの開閉によって行うことが
できる。たとえば、III族元素として固体ソースを用
い、V族元素としてはガスソースを用いて、基板上にI
II族元素およびV族元素を交互に供給する場合、II
I族元素用ルツボのシャッターを開き、0.1から10
原子層分のIII族元素を供給した後、シャッターを閉
じると同時にガスセルからV族元素を1×1016から1
×1020/cm2 ・secのビーム強度で供給し、0.
1から100秒後にV族元素の供給を停止すると同時に
III族元素用ルツボのシャッターを開きIII族元素
の供給を行い、以下同様にくりかえして必要な厚さの薄
膜を得るものである。ここで、III族元素は、1回の
シャッター開閉によってちょうど1原子層分供給する成
長法が結晶性の良好な薄膜を形成するうえでより好まし
いものである。
In the method for growing a gallium nitride-based thin film of the present invention, the method for supplying and stopping the group III element and the group V element on the substrate is performed by opening and closing the shutter of the crucible in the case of a solid source. The source can be controlled by opening and closing the valve of the gas cell. For example, a solid source is used as the group III element and a gas source is used as the group V element, and I
When the group II element and the group V element are alternately supplied, II
Open the shutter of the crucible for group I element and set it from 0.1 to 10
After the group III element for the atomic layer is supplied, the shutter is closed and at the same time the group V element is changed from 1 × 10 16 to 1 from the gas cell.
It is supplied with a beam intensity of × 10 20 / cm 2 · sec.
The supply of the group V element is stopped after 1 to 100 seconds, and at the same time, the shutter of the crucible for the group III element is opened to supply the group III element, and the same process is repeated to obtain a thin film having a required thickness. Here, the growth method of supplying just one atomic layer by opening and closing the shutter once for the Group III element is more preferable in order to form a thin film having good crystallinity.

【0016】この様に原子層オーダーで元素供給量を制
御するための有力な手段として高速電子線回折法があ
る。成膜を行いながら回折スポットの輝度変化を観測す
ると原子層の積層に対応した振動が得られる。従って、
シャッターおよびバルブの開閉を電子線回折の振動と同
期させることによって原子層オーダーで元素供給量を制
御することができる。
As a powerful means for controlling the element supply amount on the atomic layer order, there is a high speed electron diffraction method. By observing the change in the brightness of the diffraction spot while forming the film, vibration corresponding to the stacking of atomic layers can be obtained. Therefore,
By synchronizing the opening and closing of the shutter and the valve with the vibration of electron beam diffraction, the element supply amount can be controlled on the atomic layer order.

【0017】基板上にV族元素を連続的に供給しながら
III族元素を間欠的に供給する場合は、ガスセルから
V族元素を1×1016から1×1020/cm2 ・sec
のビーム強度で連続的に供給しながらIII族元素用ル
ツボのシャッターを開き、III族元素を0.1から1
0原子層分供給した後シャッターを閉じる。シャッター
を閉じてから0.1から100秒後に再びシャッターを
開いて以下同様に繰り返し、必要な厚さの薄膜を得る。
ここで、III族元素は、1回のシャッター開閉によっ
てちょうど1原子層分供給する成長法が結晶性の良好な
薄膜を作成するうえでより好ましいものである。
When the group III element is intermittently supplied while continuously supplying the group V element onto the substrate, the group V element is supplied from the gas cell at 1 × 10 16 to 1 × 10 20 / cm 2 · sec.
Open the shutter of the crucible for group III element while continuously supplying with the beam intensity of 0.1 to 1
After supplying 0 atomic layer, close the shutter. 0.1 to 100 seconds after the shutter is closed, the shutter is opened again and the same process is repeated to obtain a thin film having a required thickness.
Here, the growth method of supplying just one atomic layer by opening and closing the shutter once for the Group III element is more preferable in order to form a thin film having good crystallinity.

【0018】さらに、成膜の途中にIII族元素、V族
元素のいずれの供給も行わない時間を設ける事によっ
て、各元素が表面上を拡散することができるようにし
て、より平坦で欠陥が少なく、結晶性の高い薄膜を形成
することができる。ここで、III族元素、V族元素の
いずれの供給も行わない時間は、連続して0.1から1
00秒とし、1回の成膜中に複数回設けることができ
る。
Furthermore, by providing a time during which neither the group III element nor the group V element is supplied during the film formation, each element is allowed to diffuse on the surface, resulting in a flatter and more defective surface. It is possible to form a thin film having a small amount and high crystallinity. Here, the time when neither group III element nor group V element is supplied is 0.1 to 1 continuously.
It can be set to 00 seconds and can be provided multiple times during one film formation.

【0019】本発明の窒化ガリウム薄膜の成長方法の1
例を挙げる。真空容器内にGa金属を入れた蒸発用ルツ
ボと、内部にアルミナファイバーを充填したクラッキン
グガスセルを備えたガスソースMBEを装置として用い
た。基板としてはサファイアのR面を用い、750℃に
加熱した。Gaのルツボは1050℃に加熱した。クラ
ッキングセルは400℃に加熱して、アンモニアを1×
1018/cm2 ・secのビーム強度で供給しサファイ
ア基板に吹き付けた。この状態でルツボのシャッターを
開けGaを1原子層分供給した後シャッターを閉じた。
20秒後、再びシャッターを開けて1原子層分のGaを
供給した。これをくりかえして、0.8μmの窒化ガリ
ウム薄膜を得た。
Method 1 for growing a gallium nitride thin film of the present invention
Here is an example. A gas source MBE equipped with a vaporizing crucible containing Ga metal in a vacuum container and a cracking gas cell filled with alumina fibers was used as an apparatus. A sapphire R surface was used as the substrate and heated to 750 ° C. The Ga crucible was heated to 1050 ° C. The cracking cell is heated to 400 ° C to add 1x ammonia.
It was supplied with a beam intensity of 10 18 / cm 2 · sec and sprayed onto a sapphire substrate. In this state, the shutter of the crucible was opened, Ga was supplied for one atomic layer, and then the shutter was closed.
After 20 seconds, the shutter was opened again to supply Ga for one atomic layer. This was repeated to obtain a 0.8 μm gallium nitride thin film.

【0020】本発明に於ける、基板への間欠的な原料供
給によって良好なGaN薄膜が得られる機構について
は、原料の供給停止時間を設けることによって基板表面
に供給された原料の拡散を促し、GaN系薄膜の2次元
成長を促したことによると推定している。実際に、Ga
N系薄膜を半導体部品、とくに発光素子(LED)やレ
ーザーダイオードを作製する場合においては、これらの
混晶系のGaN系薄膜やドーピングしたGaN系薄膜を
組み合わせて、pn接合、シングルヘテロ構造、ダブル
ヘテロ構造、量子井戸構造、超格子構造等の構造を持っ
た素子を製作するものである。
Regarding the mechanism of obtaining a good GaN thin film by intermittently supplying the raw material to the substrate in the present invention, the supply of the raw material is stopped to promote the diffusion of the raw material supplied to the substrate surface. It is presumed that this is because the two-dimensional growth of the GaN-based thin film was promoted. In fact, Ga
In the case of manufacturing an N-based thin film as a semiconductor component, particularly a light emitting device (LED) or a laser diode, a mixed crystal GaN-based thin film or a doped GaN-based thin film is combined to form a pn junction, a single hetero structure, or a double structure. A device having a heterostructure, a quantum well structure, a superlattice structure, or the like is manufactured.

【0021】[0021]

【実施例】以下、実施例によりさらに詳細に説明する。EXAMPLES The present invention will be described in more detail below with reference to examples.

【0022】[0022]

【実施例1】アンモニアガスを用いたガスソースMBE
法により、GaN薄膜を成膜した例について説明する。
図1に示すような真空容器1内に、蒸発用ルツボ2、ク
ラッキングガスセル5、および基板加熱ホルダー6を備
えたガスソースMBEを装置として用いた。
Example 1 Gas source MBE using ammonia gas
An example of forming a GaN thin film by the method will be described.
A gas source MBE provided with an evaporation crucible 2, a cracking gas cell 5, and a substrate heating holder 6 in a vacuum container 1 as shown in FIG. 1 was used as an apparatus.

【0023】蒸発用ルツボ2にはGa金属を入れ、10
20℃に加熱した。アンモニアガスの導入には内部にア
ルミナファイバーを充填したクラッキングガスセル5を
使用し、400℃に加熱して、アンモニアガスを直接に
基板7に吹き付けるようにして1×1018/cm2 ・s
ecのビーム強度で供給した。基板7としてはサファイ
アR面をサファイアC軸のR面射影を軸として9.2度
回転させた面を用いた。そのオフ角は0.4度以下のも
のを用いた。基板の大きさは、20mm角とした。
Ga metal is put in the evaporation crucible 2 and 10
Heated to 20 ° C. A cracking gas cell 5 having alumina fibers filled therein is used to introduce the ammonia gas, heated to 400 ° C., and the ammonia gas is directly blown onto the substrate 7 to obtain 1 × 10 18 / cm 2 · s.
It was supplied at a beam intensity of ec. As the substrate 7, a surface obtained by rotating the sapphire R surface by 9.2 degrees about the R surface projection of the sapphire C axis was used. The off angle was 0.4 degrees or less. The size of the substrate was 20 mm square.

【0024】真空容器内の圧力は、成膜時において1×
10-6Torrであった。成膜時の炭素含有不純物を四重極
質量分析計8により測定したところ、一酸化炭素が2×
10-8Torrで二酸化炭素が7×10ー10 Torrであった。
まず、基板7を900℃でアンモニアガスを供給しなが
ら15分間加熱し、ついで850℃の温度に保持し成膜
を行う。成膜はまずアンモニアガスを供給せずにGaの
ルツボのシャッターを開けて、1Å/sec の成膜速度で
1原子層分のGaを供給する。次にシャッターを閉じて
Gaの供給を止めると同時にアンモニアガスを供給し、
20秒後に再びアンモニアガスの供給を止めてGaの成
膜を行う。これをくりかえして膜厚0.7μmのGaN
薄膜を作製した。このGaN薄膜の電子密度および移動
度をファンデア・ポー法により測定したところ、それぞ
れ9×1018/cm3 、120cm2 /V・secであ
った。また、200Kにおいてカソードルミネッセンス
を測定したところ、図2に示すように3.5eV付近に
ピークを持つスペクトルが得られた。また、薄膜成長過
程において高速電子線回折による観察を行った。膜厚1
000Å成膜時の結晶構造を示す、[1,2,-3,0]
方向に電子線を入射した場合の回折パターンを図3に示
す。図3において、原子層オーダーで平坦であることを
示すストリークパターンが見られる。
The pressure in the vacuum container is 1 × during film formation.
It was 10 -6 Torr. When the carbon-containing impurities at the time of film formation were measured by a quadrupole mass spectrometer 8, carbon monoxide was 2 ×.
At 10 −8 Torr, carbon dioxide was 7 × 10 −10 Torr.
First, the substrate 7 is heated at 900 ° C. for 15 minutes while supplying ammonia gas, and then the temperature is maintained at 850 ° C. to form a film. For film formation, first, the shutter of the Ga crucible is opened without supplying ammonia gas, and Ga for one atomic layer is supplied at a film forming rate of 1Å / sec. Next, close the shutter to stop the Ga supply and at the same time supply the ammonia gas,
After 20 seconds, the supply of ammonia gas is stopped again to form a Ga film. By repeating this, GaN with a film thickness of 0.7 μm
A thin film was prepared. When the electron density and the mobility of this GaN thin film were measured by the Van der Pauw method, they were 9 × 10 18 / cm 3 and 120 cm 2 / V · sec, respectively. Further, when cathodoluminescence was measured at 200 K, a spectrum having a peak near 3.5 eV was obtained as shown in FIG. In addition, observation by high-speed electron diffraction was performed during the thin film growth process. Film thickness 1
[1,2, -3,0] showing the crystal structure during film formation
FIG. 3 shows a diffraction pattern when an electron beam is incident in the direction. In FIG. 3, a streak pattern showing flatness on the atomic layer order can be seen.

【0025】[0025]

【実施例2】蒸発用ルツボ2にはGa金属を入れ、10
20℃に加熱した。ガスの導入には内部にアルミナファ
イバーを充填したクラッキングガスセル5を使用し、2
00℃に加熱して、ガスを直接に基板7に吹き付けるよ
うにして1×1018/cm2 ・secのビーム強度で供
給した。
[Embodiment 2] Ga metal is put in the evaporation crucible 2 and 10
Heated to 20 ° C. A cracking gas cell 5 filled with alumina fibers was used to introduce the gas.
It was heated to 00 ° C., and the gas was directly blown onto the substrate 7 so that the gas was supplied with a beam intensity of 1 × 10 18 / cm 2 · sec.

【0026】基板7としては20mm角の大きさ、オフ角
が0.5度以下のサファイアR面を使用する。真空容器
内の圧力は、成膜時において2×10-6Torrであった。
成膜時の炭素含有不純物を四重極質量分析計8により測
定したところ、一酸化炭素が1×10-8Torrで二酸化炭
素が6×10ー10 Torrであった。
As the substrate 7, a sapphire R surface having a size of 20 mm square and an off angle of 0.5 degrees or less is used. The pressure in the vacuum container was 2 × 10 −6 Torr during film formation.
When the carbon-containing impurities at the time of film formation were measured by a quadrupole mass spectrometer 8, carbon monoxide was 1 × 10 −8 Torr and carbon dioxide was 6 × 10 −10 Torr.

【0027】まず、基板7を900℃でアンモニアガス
を供給しながら15分間加熱し、ついで750℃の温度
に保持し成膜を行う。成膜はアンモニアガスをクラッキ
ングガスセル5から供給しながらGaのルツボのシャッ
ターを開けて行い、1Å/sec の成膜速度で成膜を行
う。1原子層分成膜する毎にGaの供給を止め20秒の
待ち時間の後に再びGaの成膜を開始し、これをくりか
えして膜厚0.8μm のGaN薄膜を作製した。
First, the substrate 7 is heated at 900 ° C. for 15 minutes while supplying ammonia gas, and then the temperature is maintained at 750 ° C. to form a film. The film formation is performed by opening the shutter of the Ga crucible while supplying the ammonia gas from the cracking gas cell 5, and the film formation is performed at the film formation rate of 1Å / sec. The supply of Ga was stopped every time when one atomic layer was formed, and after a waiting time of 20 seconds, Ga was started to be formed again, and this was repeated to form a GaN thin film having a thickness of 0.8 μm.

【0028】このGaN薄膜の電子密度および移動度を
ファンデア・ポー法により測定したところ、それぞれ8
×1018/cm3 、100cm2 /V・secであっ
た。また、200Kにおいてカソードルミネッセンスを
測定したところ、3.5eV付近にピークを持つスペク
トルが得られた。
The electron density and the mobility of this GaN thin film were measured by the Van der Pauw method.
It was × 10 18 / cm 3 and 100 cm 2 / V · sec. Further, when cathodoluminescence was measured at 200 K, a spectrum having a peak near 3.5 eV was obtained.

【0029】[0029]

【実施例3】蒸発用ルツボ2にはGa金属を入れ、10
20℃に加熱した。蒸発用ルツボ4にはマグネシウム金
属を入れ310℃に加熱した。ガスの導入には内部にア
ルミナファイバーを充填したクラッキングガスセル5を
使用し、300℃に加熱して、ガスを直接に基板7に吹
き付けるようにして1×1018/cm2 ・secのビー
ム強度で供給した。
[Embodiment 3] Ga metal is put in the evaporation crucible 2 and 10
Heated to 20 ° C. Magnesium metal was placed in the evaporation crucible 4 and heated to 310 ° C. A cracking gas cell 5 having alumina fibers filled therein was used to introduce the gas, and was heated to 300 ° C. to directly blow the gas onto the substrate 7 with a beam intensity of 1 × 10 18 / cm 2 · sec. Supplied.

【0030】基板7としては20mm角の大きさ、オフ角
が0.5度以下のサファイアR面を使用する。真空容器
内の圧力は、成膜時において2×10-6Torrであった。
成膜時の炭素含有不純物を四重極質量分析計8により測
定したところ、一酸化炭素が2×10-8Torrで二酸化炭
素が5×10ー10 Torrであった。
As the substrate 7, a sapphire R surface having a size of 20 mm square and an off angle of 0.5 degrees or less is used. The pressure in the vacuum container was 2 × 10 −6 Torr during film formation.
When the carbon-containing impurities at the time of film formation were measured by a quadrupole mass spectrometer 8, carbon monoxide was 2 × 10 −8 Torr and carbon dioxide was 5 × 10 −10 Torr.

【0031】まず、基板7を900℃で三フッ化窒素を
供給しながら15分間加熱し、ついで700℃の温度に
保持し成膜を行う。成膜は三フッ化窒素をクラッキング
ガスセル5から供給しながらGaのルツボのシャッター
と同時にマグネシウムのルツボのシャッターを開けて、
1原子層分のGaを供給した後、両方のシャッターを同
時に閉じて20秒間基板へのGaおよびMgの供給を停
止した。その後再び同時にシャッターを開けて同様にく
りかえし、1μm の厚さのドーピング薄膜を形成した。
First, the substrate 7 is heated at 900 ° C. for 15 minutes while supplying nitrogen trifluoride, and then maintained at a temperature of 700 ° C. to form a film. For film formation, while supplying nitrogen trifluoride from the cracking gas cell 5, the shutter for the Ga crucible and the shutter for the magnesium crucible are opened at the same time.
After supplying Ga for one atomic layer, both shutters were simultaneously closed to stop supplying Ga and Mg to the substrate for 20 seconds. After that, the shutter was opened again at the same time and the same procedure was repeated to form a doping thin film having a thickness of 1 μm.

【0032】このようにして作製したドーピング薄膜は
抵抗率100Ω・cmの絶縁体であった。また、200
Kにおいてカソードルミネッセンスを測定したところ
3.5eV付近にピークをもつスペクトルが得られた。
The doping thin film thus produced was an insulator having a resistivity of 100 Ω · cm. Also, 200
When cathodoluminescence was measured at K, a spectrum having a peak near 3.5 eV was obtained.

【0033】[0033]

【実施例4】ガスソースMBE法によりGa1-x Inx
N混晶薄膜を作製した例について説明する。蒸発用ルツ
ボ2にはGa金属を入れ1020℃に加熱し、蒸発用ル
ツボ3にはInを入れ660℃に加熱した。ガスの導入
には内部にアルミナファイバーを充填したクラッキング
ガスセル5を使用し、450℃に加熱して、ガスを直接
に基板7に吹き付けるようにして2×1018/cm2
secのビーム強度で供給した。
Example 4 Ga 1-x In x by gas source MBE method
An example of producing an N mixed crystal thin film will be described. Ga metal was placed in the evaporation crucible 2 and heated to 1020 ° C., and In was placed in the evaporation crucible 3 and heated to 660 ° C. A cracking gas cell 5 having an alumina fiber filled therein is used for introducing gas, heated to 450 ° C., and blows the gas directly onto the substrate 7 to produce a gas of 2 × 10 18 / cm 2 ·.
It was supplied with a beam intensity of sec.

【0034】基板7としては20mm角の大きさ、オフ角
が0.5度以下のサファイアR面を使用した。真空容器
内の圧力は、成膜時において1×10-6Torrであった。
成膜時の炭素含有不純物を四重極質量分析計8により測
定したところ、一酸化炭素が1×10-8Torr、二酸化炭
素が6×10ー10 Torr、メタンが5×10-11 Torrであ
った。
As the substrate 7, a sapphire R surface having a size of 20 mm square and an off angle of 0.5 degrees or less was used. The pressure in the vacuum container was 1 × 10 −6 Torr during film formation.
The carbon-containing impurities at the time of film formation were measured by a quadrupole mass spectrometer 8. Carbon monoxide was 1 × 10 −8 Torr, carbon dioxide was 6 × 10 −10 Torr, and methane was 5 × 10 −11 Torr. there were.

【0035】まず、基板7を900℃でアンモニアガス
を供給しながら15分間加熱し、ついで800℃の温度
に保持し成膜を行った。成膜はクラッキングガスセル5
から供給しながらGaとInのルツボのシャッターを開
けて行い、1Å/sec の成膜速度で成膜を行った。但
し、1原子層分のGaおよびInを供給するごとにルツ
ボのシャッター16を閉じて基板へのGaおよびInの
供給を止め30秒後に再びシャッターを開き、これをく
りかえして0.8μmのGa1-x Inx N混晶薄膜(x
=0.2)を作製した。
First, the substrate 7 was heated at 900 ° C. for 15 minutes while supplying ammonia gas, and then the temperature was kept at 800 ° C. to form a film. Cracking gas cell 5 for film formation
The film was formed by opening the shutter of the crucible of Ga and In while supplying from the above. However, re-open the shutter after 30 seconds to stop the supply of Ga and In to the substrate by closing the shutter 16 of the crucible for each supplying Ga and In of 1 atomic layer, 0.8 [mu] m of Ga 1 to repeat this -x In x N mixed crystal thin film (x
= 0.2) was produced.

【0036】この混晶薄膜のキャリアー密度および移動
度をファンデア・ポー法により測定したところ、それぞ
れ8×1017/cm3 、110cm2 /V・secであっ
た。また、200Kにおいてカソードルミネッセンスを
測定したところ3.5eV付近にピークをもつスペクト
ルが得られた。
When the carrier density and the mobility of this mixed crystal thin film were measured by the Van der Pau method, they were 8 × 10 17 / cm 3 and 110 cm 2 / V · sec, respectively. Further, when cathodoluminescence was measured at 200 K, a spectrum having a peak near 3.5 eV was obtained.

【0037】[0037]

【実施例5】図1に示すような真空容器1内に、蒸発用
ルツボ2、クラッキングガスセル5、および基板加熱ホ
ルダー6を備えたガスソースMBEを装置として用い
た。蒸発用ルツボ2にはGa金属を入れ、1020℃に
加熱した。ガスの導入には内部にアルミナファイバーを
充填したクラッキングガスセル5を使用し、400℃に
加熱して、ガスを直接に基板7に吹き付けるようにして
1×1018/cm2 ・secのビーム強度で供給した。
Fifth Embodiment A gas source MBE equipped with an evaporation crucible 2, a cracking gas cell 5, and a substrate heating holder 6 was used as an apparatus in a vacuum container 1 as shown in FIG. Ga metal was placed in the evaporation crucible 2 and heated to 1020 ° C. A cracking gas cell 5 having alumina fibers filled therein was used to introduce the gas, and was heated to 400 ° C. to directly blow the gas onto the substrate 7 with a beam intensity of 1 × 10 18 / cm 2 · sec. Supplied.

【0038】基板7としてはサファイアR面をサファイ
アC軸のR面射影を軸として9.2度回転させた面を用
いた。そのオフ角は0.3度以下のものを用いた。基板
の大きさは、20mm角とした。真空容器内の圧力は、
成膜時において3×10-6Torrであった。成膜時の炭素
含有不純物を四重極質量分析計8により測定したとこ
ろ、一酸化炭素が3×10-8Torrで二酸化炭素が7×1
ー10Torrであった。
As the substrate 7, a surface obtained by rotating the sapphire R surface by 9.2 degrees about the R surface projection of the sapphire C axis was used. The off angle used was 0.3 degrees or less. The size of the substrate was 20 mm square. The pressure in the vacuum container is
It was 3 × 10 −6 Torr during film formation. When the carbon-containing impurities at the time of film formation were measured by a quadrupole mass spectrometer 8, carbon monoxide was 3 × 10 −8 Torr and carbon dioxide was 7 × 1.
Was 0 over 10 Torr.

【0039】まず、基板7を900℃でアンモニアガス
を供給しながら15分間加熱し、ついで750℃の温度
に保持し成膜を行う。成膜はアンモニアガスをクラッキ
ングガスセル5から供給しながらGaのルツボのシャッ
ターを開けて行い、1Å/secの成膜速度で成膜を行
う。1原子層分のGaを供給した後にGaの供給を止め
20秒後にアンモニアガスの供給も止めて10秒後に再
びGaの成膜を開始し、これをくりかえして膜厚0.8
μmのGaN薄膜を作製した。
First, the substrate 7 is heated at 900 ° C. for 15 minutes while supplying ammonia gas, and then the temperature is maintained at 750 ° C. to form a film. The film is formed by opening the shutter of the Ga crucible while supplying the ammonia gas from the cracking gas cell 5, and the film is formed at the film forming rate of 1Å / sec. After supplying one atomic layer of Ga, the supply of Ga is stopped, the supply of ammonia gas is stopped 20 seconds later, and the film formation of Ga is restarted 10 seconds later.
A μm GaN thin film was prepared.

【0040】このGaN薄膜のキャリアー密度および移
動度をファンデア・ポー法により測定したところ、それ
ぞれ6×1018/cm3 、130cm2 /V・secで
あった。また、200Kにおいてカソードルミネッセン
スを測定したところ、3.5eV付近にピークを持つス
ペクトルが得られた。
When the carrier density and the mobility of this GaN thin film were measured by the Van der Pau method, they were 6 × 10 18 / cm 3 and 130 cm 2 / V · sec, respectively. Further, when cathodoluminescence was measured at 200 K, a spectrum having a peak near 3.5 eV was obtained.

【0041】[0041]

【実施例6】蒸発用ルツボ2にはGa金属を入れ、10
20℃に加熱した。ガスの導入には内部にアルミナファ
イバーを充填したクラッキングガスセル5を使用し、2
00℃に加熱して、ガスを直接に基板7に吹き付けるよ
うにして1×1018/cm2 ・secのビーム強度で供
給した。
[Embodiment 6] Ga metal is put in the evaporation crucible 2 and 10
Heated to 20 ° C. A cracking gas cell 5 filled with alumina fibers was used to introduce the gas.
It was heated to 00 ° C., and the gas was directly blown onto the substrate 7 so that the gas was supplied with a beam intensity of 1 × 10 18 / cm 2 · sec.

【0042】基板7としては20mm角の大きさ、オフ角
が0.4度以下のサファイアR面を使用した。真空容器
内の圧力は、成膜時において2×10-6Torrであった。
成膜時の炭素含有不純物を四重極質量分析計8により測
定したところ、一酸化炭素が2×10-8Torrで二酸化炭
素が6×10ー10 Torrであった。
As the substrate 7, a sapphire R surface having a size of 20 mm square and an off angle of 0.4 degrees or less was used. The pressure in the vacuum container was 2 × 10 −6 Torr during film formation.
When the carbon-containing impurities at the time of film formation were measured by a quadrupole mass spectrometer 8, carbon monoxide was 2 × 10 −8 Torr and carbon dioxide was 6 × 10 −10 Torr.

【0043】まず、基板7を900℃でアンモニアガス
を供給しながら15分間加熱し、ついで850℃の温度
に保持し成膜を行う。成膜はまずアンモニアガスを供給
せずにGaのルツボのシャッターを開けて、1Å/sec
の成膜速度で1原子層分のGaを供給する。次にシャッ
ターを閉じてGaの供給を止めると同時にアンモニアガ
スを供給し、20秒後に再びアンモニアガスの供給を止
め、10秒後再びGaの供給を行う。これをくりかえし
て膜厚0.7μmのGaN薄膜を作製した。
First, the substrate 7 is heated at 900 ° C. for 15 minutes while supplying ammonia gas, and then the temperature is maintained at 850 ° C. to form a film. For film formation, first open the shutter of the Ga crucible without supplying ammonia gas, and 1 Å / sec
Ga of one atomic layer is supplied at the film forming rate of. Next, the shutter is closed to stop the supply of Ga and simultaneously supply the ammonia gas. After 20 seconds, the supply of the ammonia gas is stopped again and after 10 seconds, the Ga is supplied again. By repeating this, a GaN thin film having a thickness of 0.7 μm was produced.

【0044】このGaN薄膜のキャリアー密度および移
動度をファンデア・ポー法により測定したところ、それ
ぞれ7×1018/cm3 、180cm2 /V・secで
あった。また、200Kにおいてカソードルミネッセン
スを測定したところ、3.5eV付近にピークを持つス
ペクトルが得られた。さらに、成膜を行いながら[1,
2,-3 ,0]方向から電子線を入射して高速電子線回折
による観察を行った。その結果、500Å程度成膜した
時点で、膜表面が原子層オーダーで平坦であることを示
すストリークパターンが見られた。
When the carrier density and the mobility of this GaN thin film were measured by the Van der Pauw method, they were 7 × 10 18 / cm 3 and 180 cm 2 / V · sec, respectively. Further, when cathodoluminescence was measured at 200 K, a spectrum having a peak near 3.5 eV was obtained. Furthermore, while forming a film [1,
An electron beam was incident from the [2, -3, 0] direction and observation was performed by high-speed electron beam diffraction. As a result, a streak pattern indicating that the film surface was flat on the atomic layer order was observed at the time of film formation of about 500 Å.

【0045】[0045]

【発明の効果】本発明によるGaN系薄膜作製方法によ
れば、膜の結晶性を向上することができることから、キ
ャリアー密度を低減でき、膜平坦性も向上できるので、
優れた半導体発光素子用GaN系薄膜を得ることができ
る。
According to the GaN-based thin film manufacturing method of the present invention, since the crystallinity of the film can be improved, the carrier density can be reduced and the film flatness can be improved.
An excellent GaN-based thin film for semiconductor light emitting device can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】薄膜作製に用いたガスソースMBE装置の概略
図である。
FIG. 1 is a schematic view of a gas source MBE apparatus used for thin film production.

【図2】カソードルミネッセンスの測定結果を示すスペ
クトル図である。
FIG. 2 is a spectrum diagram showing a measurement result of cathodoluminescence.

【図3】実施例1で得られた窒素ガリウム薄膜の100
0Å成膜時の結晶構造を示す高速電子線回折写真であ
る。
3 is a graph of the nitrogen gallium thin film 100 obtained in Example 1. FIG.
It is a high-speed electron diffraction photograph showing a crystal structure at the time of 0Å film formation.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1. 真空容器 2. 蒸発用ルツボ 3. 蒸発用ルツボ 4. 蒸発用ルツボ 5. ガスセル 6. 基板加熱ホルダー 7. 基板 8. 四重極質量分析計 9. クライオパネル 10. バルブ 11. コールドトラップ 12. 油拡散ポンプ 13. 油回転ポンプ 14. シャッター 15. シャッター 16. シャッター 1. Vacuum container 2. Evaporating crucible 3. Evaporating crucible 4. Crucible for evaporation 5. Gas cell 6. Substrate heating holder 7. Substrate 8. Quadrupole mass spectrometer 9. Cryopanel 10. Valve 11. Cold trap 12. Oil diffusion pump 13. Oil rotary pump 14. Shutter 15. Shutter 16. shutter

【手続補正書】[Procedure amendment]

【提出日】平成3年10月29日[Submission date] October 29, 1991

【手続補正1】[Procedure Amendment 1]

【補正対象書類名】図面[Document name to be corrected] Drawing

【補正対象項目名】図3[Name of item to be corrected] Figure 3

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction content]

【図3】 [Figure 3]

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 ガスソースMBE法を用いて基板上にI
II族元素とV族元素とを交互に供給することを特徴と
する窒化ガリウム系薄膜の成長方法。
1. I on a substrate using a gas source MBE method
A method for growing a gallium nitride-based thin film, which comprises alternately supplying a group II element and a group V element.
【請求項2】 ガスソースMBE法を用いてV族元素を
連続的に供給しながらIII族元素を間欠的に供給する
ことを特徴とする窒化ガリウム系薄膜の成長方法。
2. A method for growing a gallium nitride-based thin film, which comprises intermittently supplying a group III element while continuously supplying a group V element using a gas source MBE method.
【請求項3】 ガスソースMBE法を用いて窒化ガリウ
ム薄膜を作製する際に、薄膜成長中に基板への原料供給
を行わない時間を設けることを特徴とする窒化ガリウム
系薄膜の成長方法。
3. A method for growing a gallium nitride-based thin film, which comprises providing a time during which a raw material is not supplied to a substrate during the growth of the thin film when the gallium nitride thin film is formed by using the gas source MBE method.
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