JPH05243153A - Growth of semiconductor thin film - Google Patents

Growth of semiconductor thin film

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JPH05243153A
JPH05243153A JP13816692A JP13816692A JPH05243153A JP H05243153 A JPH05243153 A JP H05243153A JP 13816692 A JP13816692 A JP 13816692A JP 13816692 A JP13816692 A JP 13816692A JP H05243153 A JPH05243153 A JP H05243153A
Authority
JP
Japan
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thin film
substrate
semiconductor thin
gallium nitride
carbon
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP13816692A
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Japanese (ja)
Inventor
Hideaki Imai
秀秋 今井
Kunio Miyata
邦夫 宮田
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Asahi Chemical Industry Co Ltd
Original Assignee
Asahi Chemical Industry Co Ltd
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Filing date
Publication date
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    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/42Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/44Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process
    • H01L24/45Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process of an individual wire connector
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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    • HELECTRICITY
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    • H01L2924/01Chemical elements
    • H01L2924/01006Carbon [C]

Abstract

PURPOSE:To obtain a gallium nitride semiconductor thin film, which is superior in surface smoothness and crystallinity, by a method wherein the interior of a thin film growing chamber is held in a high vacuum, the partial pressure of a carbon-containing compound is specified and ammonia gas or nitrogen trifluoride is fed as a nitrogen source. CONSTITUTION:A substrate 8 is heated to 1000 deg.C or higher and is set on a substrate heating holder in a vacuum container. Evaporation crucibles 2 with Ga put therein are heated and treated at 1000 deg.C or higher, whereby a degassing is previously performed and the partial pressure of carbon-containing impurities in the vacuum container is held at 10<78>Torr. In the introduction of ammonia gas or nitrogen trifluoride which is used as a nitrogen source, a cracking gas cell 6 whose inside is filled with alumina fibers is used, is heated to 600 deg.C and the gas is directly blown to the substrate 8. Thereby, a gallium nitride semiconductor thin film, which is superior in surface flatness and crystallinity, can be obtained.

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〜橙色の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
半導体薄膜の成長方法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for growing a gallium nitride-based semiconductor thin film which can be used in, for example, a light emitting diode in the ultraviolet range to orange, which is most suitable for displays and optical communications, and a laser diode.

【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〜青色の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〜青色の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、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), have been used as display devices in a wide range of fields, but conventionally, ultraviolet to blue light emitting diodes and laser diodes have not been put into practical use. In particular, development is urgently needed for displays that require three primary colors. It has been reported that ZnSe, ZnS, GaN, SiC and the like are used as light emitting diodes and laser diodes in the ultraviolet range to blue.

【0003】窒化ガリウム系半導体薄膜は、多くはサフ
ァイアC面上にMOCVD法、あるいはVPE法により
成膜されているが〔Journal of Appli
edPhysics,56 P.2367−2368
(1984)〕、反応温度を高くする必要があり製造が
難しいばかりでなく、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、半導体特性が良好な薄膜を
得ることが困難であった。また、ガスソースMBE法に
よる方法も行われているが〔Journalof Ap
plied Physics,42 P.427−42
9(1983)〕、まだ発光素子として応用できる水準
の窒化ガリウム系半導体薄膜は得られていないのが現状
である。
Most gallium nitride-based semiconductor thin films are formed on the sapphire C surface by MOCVD or VPE. [Journal of Appli]
edPhysics, 56 P.D. 2367-2368
(1984)], it was necessary to raise the reaction temperature, which was not only difficult to manufacture, but also the carrier density was extremely high due to lack of nitrogen, and it was difficult to obtain a thin film having good semiconductor characteristics. A method based on the gas source MBE method is also used [Journalof Ap.
plied Physics, 42 P.P. 427-42
9 (1983)], the current situation is that no gallium nitride based semiconductor thin film applicable to a light emitting device has been obtained yet.

【0004】GaInN混晶半導体薄膜では、サファイ
アC面上にMOCVD法、あるいはVPE法により成膜
されているが〔Journal of Applied
Physics,28 L−1334(198
9)〕、GaNとInNの成長温度が大きく異なるため
に良質なGaInN混晶半導体薄膜を得ることが難し
い。GaAlN混晶半導体薄膜についても、アンモニア
ガスを用いるガスソースMBE法により成膜された例が
報告されているが〔Journal of Appli
ed Physics,53 (1982)6844−
6848〕、液体窒素温度においてカソードルミネッセ
ンスが観測されているもののまだ発光素子を作製できる
ような良質な半導体は得られていない。
In the GaInN mixed crystal semiconductor thin film, the film is formed on the sapphire C surface by the MOCVD method or the VPE method. [Journal of Applied]
Physics, 28 L-1334 (198)
9)], it is difficult to obtain a good quality GaInN mixed crystal semiconductor thin film because the growth temperatures of GaN and InN are largely different. As for the GaAlN mixed crystal semiconductor thin film, an example in which it is formed by a gas source MBE method using ammonia gas is reported [Journal of Appli.
ed Physics, 53 (1982) 6844-.
6848], although cathodoluminescence is observed at the temperature of liquid nitrogen, a high-quality semiconductor capable of producing a light emitting device has not yet been obtained.

【0005】また、従来は窒化ガリウム系半導体薄膜の
成長時の雰囲気の制御の検討はなされておらず、成長時
の雰囲気が窒化ガリウム系半導体薄膜の特性に及ぼす影
響もはっきりとわかっていないのが現状である。さら
に、MOCVDやVPEのような方法を用いる場合は、
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、薄膜中には炭素や酸素が不
純物として多く取り込まれて特性の低い窒化ガリウム系
半導体薄膜しか得られないという問題点があった。
In addition, control of the atmosphere during the growth of the gallium nitride based semiconductor thin film has not been studied so far, and the effect of the growth atmosphere on the characteristics of the gallium nitride based semiconductor thin film has not been clearly understood. The current situation. Furthermore, when using a method such as MOCVD or VPE,
Since it is necessary to use a raw material containing carbon and the pressure during film formation is relatively high, a large amount of carbon and oxygen are incorporated as impurities in the thin film, and only gallium nitride-based semiconductor thin films with low characteristics can be obtained. There was a problem that it did not exist.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】半導体薄膜としての特
性が良好なと窒化ガリウム系薄膜を作製するために、薄
膜中の炭素や酸素の不純物濃度を低くすることは必要で
ありながら実現していないのが現状である。本発明は、
この問題点を解決して半導体として良好な特性を有する
窒化ガリウム系半導体薄膜を作製しようとするものであ
る。
In order to produce a gallium nitride-based thin film having excellent characteristics as a semiconductor thin film, it is necessary but not realized to reduce the impurity concentration of carbon and oxygen in the thin film. is the current situation. The present invention is
An object of the present invention is to solve this problem and manufacture a gallium nitride based semiconductor thin film having good characteristics as a semiconductor.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明者らは前記問題点
を解決するため鋭意研究を重ねた結果、成膜時の雰囲気
を制御する成膜方法による窒化ガリウム系半導体薄膜の
製造方法を見いだすにいたった。本発明は、窒化ガリウ
ム系半導体薄膜の製造において、薄膜成長室内を高真空
に、かつ炭素含有化合物の分圧を10-8Torr以下に
保持し、窒素源としてアンモニアガスあるいは三フッ化
窒素を供給することを特徴とする窒化ガリウム系半導体
薄膜の成長方法である。
As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventors have found a method for producing a gallium nitride based semiconductor thin film by a film formation method in which the atmosphere during film formation is controlled. Came to According to the present invention, in the production of a gallium nitride-based semiconductor thin film, the thin film growth chamber is kept in a high vacuum, the partial pressure of the carbon-containing compound is maintained at 10 −8 Torr or less, and ammonia gas or nitrogen trifluoride is supplied as a nitrogen source. And a method for growing a gallium nitride based semiconductor thin film.

【0008】本発明における高真空とは10-5Torr
以下の圧力のことであり、窒化ガリウム系半導体薄膜成
長に必要なガス、金属蒸気が互いに衝突せずに基板に到
達するためには、10-5Torr以下の圧力にし、平均
自由行程を大きくすることが好ましいものであり、ガス
ソースMBE法が最も好ましい成長方法である。本発明
においては、窒化ガリウム系薄膜を作製する際の成長室
内の炭素含有化合物の濃度を極力低減することにより、
得られる薄膜中の炭素や酸素の不純物を低くすることが
重要であって、炭素含有不純物を10-8Torr以下の
分圧にすることが必要となる。炭素含有不純物の種類と
しては、一酸化炭素、二酸化炭素やメタンが主であり、
時には分子量の大きな炭化水素や有機金属化合物があ
る。このなかでもとくに一酸化炭素、二酸化炭素の分圧
を制御することが重要であり、これらの分圧を小さくす
れば窒化ガリウム系半導体薄膜中に取り込まれる炭素お
よび酸素の不純物濃度も小さくなる。したがって、一酸
化炭素や二酸化炭素の分圧は10-10 Torr以下にす
ることがさらに好ましい。成長室内の不純物の種類およ
び分圧は四重極子質量分析器により測定することができ
る。
The high vacuum in the present invention means 10 -5 Torr
The pressure below is the pressure of 10 -5 Torr or less and the mean free path is increased so that the gases and metal vapors necessary for growth of the gallium nitride based semiconductor thin film reach the substrate without colliding with each other. Is preferable, and the gas source MBE method is the most preferable growth method. In the present invention, by reducing the concentration of the carbon-containing compound in the growth chamber when producing a gallium nitride-based thin film as much as possible,
It is important to reduce the impurities of carbon and oxygen in the obtained thin film, and it is necessary to adjust the carbon-containing impurities to a partial pressure of 10 -8 Torr or less. The types of carbon-containing impurities are mainly carbon monoxide, carbon dioxide and methane,
Sometimes there are high molecular weight hydrocarbons and organometallic compounds. Among these, it is particularly important to control the partial pressures of carbon monoxide and carbon dioxide, and if these partial pressures are made small, the impurity concentrations of carbon and oxygen taken into the gallium nitride-based semiconductor thin film also become small. Therefore, the partial pressure of carbon monoxide or carbon dioxide is more preferably 10 −10 Torr or less. The type and partial pressure of impurities in the growth chamber can be measured by a quadrupole mass spectrometer.

【0009】成長室内の不純物は、真空容器を構成する
種々の部品、供給する原料等から出てくると考えられる
が、これらを除去するためには真空容器を長時間ベーキ
ングする方法、供給する固体原料を真空容器中で加熱し
て脱ガスする方法、真空容器に導入するアンモニアガス
や三フッ化窒素を前もって吸着剤等を使用してクリーン
にする方法、使用する材料や原料の種類の選択、発生し
てくる炭素含有化合物の排気あるいはトラップ等の手段
があり、これらを適宜組み合わせることにより、炭素含
有化合物の低い成長雰囲気を作ることが可能となる。
Impurities in the growth chamber are considered to come out from various parts constituting the vacuum container, raw materials to be supplied, and the like. In order to remove these, a method of baking the vacuum container for a long time, a solid to be supplied. A method of degassing by heating the raw material in a vacuum vessel, a method of cleaning ammonia gas or nitrogen trifluoride introduced into the vacuum vessel with an adsorbent in advance, selection of the material and raw material used, There are means for exhausting or trapping the generated carbon-containing compound, and by appropriately combining these, it becomes possible to create a growth atmosphere with a low carbon-containing compound.

【0010】雰囲気の制御法としては、真空容器は10
0℃以上の温度で長時間のベーキングを行い、十分に脱
ガス処理を行うことが好ましい方法である。ベーキング
温度は、供給する金属の蒸気圧が十分小さい範囲で、か
つ真空容器やそれを形成する部品の耐熱性を考慮して行
えばよく、好ましくは150℃以上、さらに好ましくは
180℃以上の温度で行うことである。ベーキング時間
は長ければ長いほど不純物の除去という点ではよいが、
ベーキング温度も考慮し、実際には24時間以上好まし
くは48時間以上とすることである。また、アンモニア
ガスや三フッ化窒素を真空容器内へ供給するためのガス
ラインは可能な限り短くし、かつ上記のようにベーキン
グを行うことが好ましい。さらに、供給する固体原料は
純度の高いものを選択するのみならず、真空容器内へ導
入後に成長時の加熱温度より数十度高い温度での加熱を
行うことが好ましいものである。
As a method of controlling the atmosphere, the vacuum container is 10
A preferable method is to perform baking for a long time at a temperature of 0 ° C. or higher and to perform sufficient degassing treatment. The baking temperature may be set within a range where the vapor pressure of the supplied metal is sufficiently small, and in consideration of the heat resistance of the vacuum container and the components forming the vacuum container. The temperature is preferably 150 ° C or higher, more preferably 180 ° C or higher. Is to be done in. The longer the baking time, the better the removal of impurities,
In consideration of the baking temperature, it is practically 24 hours or longer, preferably 48 hours or longer. Further, it is preferable that the gas line for supplying the ammonia gas or the nitrogen trifluoride into the vacuum container is as short as possible and baking is performed as described above. Further, it is preferable not only to select a solid material having a high purity as the solid material to be supplied but also to perform heating at a temperature of several tens of degrees higher than the heating temperature at the time of growth after being introduced into the vacuum vessel.

【0011】本発明における窒素源としては、アンモニ
アガス、三フッ化窒素、またはアンモニアガスもしくは
三フッ化窒素を主体とする混合ガスを用いることができ
る。アンモニアガスまたは三フッ化窒素と混合するガス
としては窒素、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガスを使
用する。アンモニアガスや三フッ化窒素の供給量は基板
表面においてGaの供給量より大きくする必要があり、
アンモニアガスや三フッ化窒素の供給量がGa、In、
あるいはAlのようなIII族元素の供給量より小さく
なると生成する窒化ガリウム系半導体薄膜からの窒素の
抜けが大きくなるため良好な窒化ガリウム系半導体薄膜
を得ることができなくなる。したがって、アンモニアガ
スや三フッ化窒素の供給量はIII族元素より10倍以
上、好ましくは100倍以上、さらにこのましくは10
00倍以上にすることである。
As the nitrogen source in the present invention, ammonia gas, nitrogen trifluoride, or a mixed gas mainly containing ammonia gas or nitrogen trifluoride can be used. As a gas mixed with ammonia gas or nitrogen trifluoride, an inert gas such as nitrogen, argon or helium is used. The supply amount of ammonia gas or nitrogen trifluoride needs to be larger than the supply amount of Ga on the substrate surface.
The supply amount of ammonia gas or nitrogen trifluoride is Ga, In,
Alternatively, if the supplied amount of the group III element such as Al is smaller than the supplied amount, nitrogen is more likely to escape from the gallium nitride-based semiconductor thin film that is produced, so that a good gallium nitride-based semiconductor thin film cannot be obtained. Therefore, the supply amount of ammonia gas or nitrogen trifluoride is 10 times or more, preferably 100 times or more, more preferably 10 times that of the group III element.
It is to make it 00 times or more.

【0012】アンモニアガスや三フッ化窒素の供給方法
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
供給の開始および停止を行うことをできるようにしたも
のである。
A gas cell may be used as a method for supplying ammonia gas or nitrogen trifluoride.
Alumina, quartz, stainless steel, etc. tubes are installed in the thin film growth device with the opening facing the substrate surface, and the valve, flow rate control device, and pressure control device are connected to control the supply amount and start and stop the supply. It's something you can do.

【0013】また、クラッキングガスセルを使用するこ
ともアンモニアガスや三フッ化窒素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
おいてアンモニアガスや三フッ化窒素を加熱し、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
度は触媒の種類やアンモニアガス、三フッ化窒素等の窒
素源の供給量等によって変わるが、100〜700℃の
範囲に設定することが好ましい。
It is also preferable to use a cracking gas cell because it decomposes ammonia gas or nitrogen trifluoride to efficiently supply active nitrogen to the substrate surface. The cracking gas cell is one that heats ammonia gas or nitrogen trifluoride in the presence of a catalyst to efficiently generate active nitrogen, and the catalyst is a ceramic such as alumina, silica, boron nitride, or silicon carbide. It is preferable to increase the surface area by making it fibrous or porous. The cracking temperature varies depending on the type of catalyst, the supply amount of a nitrogen source such as ammonia gas and nitrogen trifluoride, etc., but is preferably set in the range of 100 to 700 ° C.

【0014】本発明において使用する基板としては、一
般的に用いられるガラス、多結晶基板、または単結晶基
板を用いることができる。その例としては、石英ガラ
ス,高ケイ酸ガラス等のガラス、GaAs,InAs,
InPのようなIII−V族化合物半導体、ZnSeの
ようなII−VI族化合物半導体、Si,Ge,SiC
のような半導体基板およびAlN,ZnO,MgO,A
2 3 ,ZnO,TiO2 ,ZrO2 等の単結晶基板
がある。
As the substrate used in the present invention, generally used glass, polycrystalline substrate, or single crystal substrate can be used. Examples thereof include quartz glass, glasses such as high silicate glass, GaAs, InAs,
III-V group compound semiconductors such as InP, II-VI group compound semiconductors such as ZnSe, Si, Ge, SiC
Substrate such as AlN, ZnO, MgO, A
There are single crystal substrates made of l 2 O 3 , ZnO, TiO 2 , ZrO 2, etc.

【0015】また、上記のような基板と成長させる窒化
ガリウム系半導体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,Zn
O,SiC等を設けることができる。なかでも、上記の
ような単結晶基板において、該基板上に形成する窒化ガ
リウム系半導体薄膜の少なくとも一つの格子定数の整数
倍が該単結晶基板の格子定数の整数倍と5%以下、好ま
しくは2%以下のミスマッチとなるような結晶表面を出
した単結晶基板をもちいることが好ましいものとなる。
このような結晶表面を有する基板を得る方法としては、
単結晶基板の適当な表面を基準として、これから所望の
角度だけ傾いた面が出るように結晶を成長させるか、結
晶成長させた後にカッティング、研磨することにより行
うことができる。さらに、一般的に用いられるガラス、
多結晶基板あるいは単結晶基板の上に、窒化ガリウム系
半導体の格子定数の整数倍が、該単結晶基板の格子定数
の整数倍と5%以下のミスマッチとなるような単結晶あ
るいは高配向性の薄膜を形成せしめて、その上に目的と
する窒化ガリウム系半導体薄膜を成長させることができ
る。
Further, an amorphous substance such as AlN, GaN, Si, or SiC is used as a buffer layer between the above substrate and the gallium nitride based semiconductor thin film to be grown.
Etc., or as a single crystal substance, for example, AlN, Zn
O, SiC, etc. can be provided. Among them, in the single crystal substrate as described above, an integer multiple of at least one lattice constant of the gallium nitride based semiconductor thin film formed on the substrate is 5% or less, preferably an integer multiple of the lattice constant of the single crystal substrate. It is preferable to use a single crystal substrate having a crystal surface that causes a mismatch of 2% or less.
As a method of obtaining a substrate having such a crystal surface,
This can be carried out by growing a crystal so that a plane inclined by a desired angle from the appropriate surface of the single crystal substrate as a reference, or by growing and then cutting and polishing. In addition, commonly used glass,
On a polycrystalline substrate or a single crystal substrate, a single crystal or highly oriented crystal in which the integer multiple of the lattice constant of the gallium nitride-based semiconductor is mismatched with the integer multiple of the lattice constant of the single crystal substrate by 5% or less. A thin film can be formed and a desired gallium nitride based semiconductor thin film can be grown on it.

【0016】単結晶基板としては、とくにサファイア
(Al2 3 )においてR面基板を用いるものが好まし
く、そのオフ角は0.8度以下であることが好ましい。
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より好まし
いものとなり、特性の優れた窒化ガリウム系半導体薄膜
を得ることが可能となる。基板は基板加熱装置により2
00〜900℃の範囲で加熱する。
As the single crystal substrate, it is particularly preferable to use an R-plane substrate of sapphire (Al 2 O 3 ), and its off angle is preferably 0.8 degrees or less.
Furthermore, it is more 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, and it is possible to obtain a gallium nitride based semiconductor thin film having excellent characteristics. The substrate is 2 by the substrate heating device.
Heat in the range of 00 to 900 ° C.

【0017】本発明における窒化ガリウム系半導体薄膜
とは、例えばGaNの他にGa1-xAlx N, Ga1-x
Inx N, Ga1-x-y Inx Aly , NGa1-x x
等のGaNを主体とした混晶化合物薄膜のことである。
さらに、窒化ガリウム系半導体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p型あるいはi型ドーパントとして
はMg,Zn,Be,Cd,Ca,Hg,Li等があ
り、n型ドーパントとしてはSi,Ge,C,Sn,S
e,Te等がある。これらのドーパントの種類とドーピ
ング量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。また、膜厚の方向によ
りドーピングする濃度を変えた構造としたり、特定の層
のみにドーピングするδドーピング層を設けた構造とす
ることもできる。
The gallium nitride based semiconductor thin film in the present invention means, for example, Ga 1 -x Al x N, Ga 1 -x in addition to GaN.
In x N, Ga 1-xy In x Al y , NGa 1-x B x N
Is a mixed crystal compound thin film mainly composed of GaN.
Further, when a gallium nitride-based semiconductor thin film is manufactured, impurities can be doped to perform carrier density control and p-type, i-type or n-type control. Examples of impurities to be doped are Mg, Zn, Be, Cd, Ca, Hg, Li, etc. as p-type or i-type dopants, and Si, Ge, C, Sn, S as n-type dopants.
e, Te, etc. The type of carrier and the carrier density can be changed by changing the type and doping amount of these dopants. Further, it is possible to adopt a structure in which the doping concentration is changed depending on the direction of the film thickness, or a structure in which a δ-doping layer for doping only a specific layer is provided.

【0018】実際に、窒化ガリウム系半導体薄膜を半導
体部品、とくに発光素子(LED)、レーザーダイオー
ド、電子デバイスを作製する場合においては、これらの
混晶系の窒化ガリウム系半導体薄膜やp型、i型あるい
はn型にドーピングした窒化ガリウム系半導体薄膜を組
み合わせて、pn接合、pin構造、ppn構造、pn
n構造、さらには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
作製することができる。
In practice, when a gallium nitride based semiconductor thin film is used to manufacture a semiconductor component, particularly a light emitting device (LED), a laser diode, or an electronic device, a mixed crystal of these gallium nitride based semiconductor thin films, p-type or i-type. Type or n-type doped gallium nitride based semiconductor thin films are combined to form a pn junction, pin structure, ppn structure, pn
It is possible to manufacture an element having an n structure, and further a single hetero structure, a double hetero structure, a quantum well structure, a superlattice structure, or the like.

【0019】以下、一例としてガスソースMBE法を用
いた窒化ガリウム系半導体薄膜の製造方法について説明
するが、とくにこれに限定されるものではない。装置と
しては、図1に示すような真空容器1内に、蒸発用ルツ
ボ(クヌードセンセル)2、3、4、5イおよび5ロ、
クラッキングガスセル6、基板加熱ホルダー7、四重極
質量分析器9、RHEED(Refractive H
ighEnergy Diffraction)ガン1
0、およびRHEEDスクリーン11を備えたガスソー
スMBE装置を使用した。
A method for manufacturing a gallium nitride based semiconductor thin film using the gas source MBE method will be described below as an example, but the method is not particularly limited to this. As an apparatus, in a vacuum container 1 as shown in FIG. 1, an evaporation crucible (Knudsen cell) 2, 3, 4, 5 a and 5 b,
Cracking gas cell 6, substrate heating holder 7, quadrupole mass spectrometer 9, RHEED (Refractive H)
IG Energy Diffraction) Gun 1
Gas source MBE equipment with 0 and RHEED screen 11 was used.

【0020】蒸発用ルツボ2にはGa金属を入れ、基板
面においてGaビームが1013〜1019原子/cm2
secになる温度に加熱した。アンモニアガスや三フッ
化窒素の導入にはクラッキングガスセル6を用い、アン
モニアガスや三フッ化窒素を基板8に直接吹き付けるよ
うに設置した。導入量は基板表面において1016〜10
20分子/cm2 ・secになるように供給した。蒸発用
ルツボ3および4にはIn,Al等を入れ、所定の組成
の化合物半導体になるように温度を制御して薄膜成長を
行なう。蒸発用ルツボ5イにはMg,Ca,Zn,B
e,Cd,Sr,Hg,Li等のp型ドーパントを、蒸
発用ルツボ5ロにはSi,Ge,C,Se,Te等のn
型ドーパントを入れ、所定の供給量になるように温度お
よび供給時間を制御することによりドーピングを行な
う。
Ga metal was put in the evaporation crucible 2 and the Ga beam was 10 13 to 10 19 atoms / cm 2 ·.
It was heated to a temperature of sec. A cracking gas cell 6 was used to introduce ammonia gas or nitrogen trifluoride, and the ammonia gas or nitrogen trifluoride was installed so as to be directly sprayed onto the substrate 8. The amount introduced is 10 16 to 10 on the substrate surface.
It was supplied so as to have 20 molecules / cm 2 · sec. In, Al, etc. are put into the evaporation crucibles 3 and 4, and the temperature is controlled so that a compound semiconductor having a predetermined composition is obtained, and thin film growth is performed. Mg, Ca, Zn, B are used for the evaporation crucible 5
A p-type dopant such as e, Cd, Sr, Hg, and Li is added to the evaporation crucible 5n by n such as Si, Ge, C, Se, and Te.
Doping is performed by adding a type dopant and controlling the temperature and the supply time so that a predetermined supply amount is obtained.

【0021】まず、真空容器は150℃以上の温度で長
時間のベーキングを行い、十分に脱ガス処理を行う。基
板8としては、オフ角が0.8度以下のサファイアR面
や、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度回転させた基板をあらかじめ所定の温度で
加熱処理したものを用いた。
First, the vacuum container is baked at a temperature of 150 ° C. or higher for a long time to sufficiently perform degassing. As the substrate 8, a sapphire R surface having an off angle of 0.8 degrees or less, or a substrate in which the sapphire R surface is rotated by 9.2 degrees about the R surface projection of the sapphire c axis is heat-treated in advance at a predetermined temperature. I used one.

【0022】まず、基板8を真空容器内で900℃で加
熱した後、所定の成長温度に設定し、および蒸発ルツボ
2を真空容器1内で加熱して脱ガスを行った後、所定の
成長温度に設定し0.1〜30Å/secの成長速度で
0.05〜10μmの厚みのGaN薄膜を作製する。成
膜時の炭素含有不純物を四重極質量分析計9により測定
したところ、一酸化炭素が2×10-9Torrで二酸化
炭素が5×10ー11 Torrであった。このGaN薄膜
のキャリアー密度をファンデア・ポー法により測定した
ところ、10 16/cm3 〜1020/cm3 であった。ま
た、77Kにおいてフォト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付近にピークをもつ
スペクトルが得られた。
First, the substrate 8 is heated at 900 ° C. in a vacuum container.
After heating, set it to the desired growth temperature and evaporate the crucible.
2 is heated in the vacuum container 1 to perform degassing, and
Set the growth temperature and grow at a growth rate of 0.1 to 30Å / sec.
A GaN thin film having a thickness of 0.05 to 10 μm is produced. Success
Measurement of carbon-containing impurities in the film by quadrupole mass spectrometer 9
And the carbon monoxide was 2 × 10-9Dioxide at Torr
5 × 10 carbonー 11It was Torr. This GaN thin film
Carrier density was measured by the Van der Pauw method
Where 10 16/ Cm3-1020/ Cm3Met. Well
Also, the photoluminescence was measured at 77K.
, Has a peak near 3.5 eV as shown in FIG.
A spectrum was obtained.

【0023】さらに、一酸化炭素が1×10-11 Tor
rで、かつ二酸化炭素が3×10ー1 1 Torrの条件で
成長したGaN薄膜のキャリアー密度は1015/cm3
〜1018/cm3 であり、300Kにおいてフォトルミ
ネッセンスを測定したところ、3.4eV付近にピーク
をもつスペクトルが得られた。
Further, the carbon monoxide content is 1 × 10 -11 Tor.
In r, and carrier density of the GaN films grown carbon dioxide under the conditions of 3 × 10 over 1 1 Torr is 10 15 / cm 3
Was ~10 18 / cm 3, was measured photoluminescence at 300K, the spectrum having a peak near 3.4eV was obtained.

【0024】[0024]

【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.

【0025】[0025]

【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、サファイア基板上にGaN薄膜を成長した例
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6、および基板
加熱ホルダー7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 growing a GaN thin film on a sapphire substrate by the method will be described. In a vacuum container 1 as shown in FIG.
A gas source MBE equipped with an evaporation crucible 2, a cracking gas cell 6, and a substrate heating holder 7 was used as an apparatus.

【0026】まず、基板8を1100℃で15分間の加
熱処理を行い、真空容器内の基板加熱ホルダーにセット
する。Gaを入れた蒸発用ルツボ2を1150℃で1時
間の加熱処理を行うことにより、あらかじめ脱ガスを行
った。真空容器内の炭素含有不純物を四重極質量分析計
9により測定したところ、一酸化炭素が2×10-9To
rrで二酸化炭素が5×10ー11 Torrであった。
First, the substrate 8 is heat-treated at 1100 ° C. for 15 minutes and set in a substrate heating holder in a vacuum container. The evaporating crucible 2 containing Ga was degassed in advance by performing a heat treatment at 1150 ° C. for 1 hour. When the carbon-containing impurities in the vacuum container were measured by a quadrupole mass spectrometer 9, carbon monoxide was found to be 2 × 10 −9 To.
The carbon dioxide was 5 × 10 -11 Torr at rr.

【0027】基板8としては20mm角の大きさ、オフ
角が0.8度以下のサファイアR面を使用する。その
後、基板温度を700℃、蒸発用ルツボ2を1020℃
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6を使用
し、600℃に加熱して、ガスを直接に基板8に吹き付
けるようにして5cc/minの速度で供給した。成膜
速度は1.0Å/secで行い、膜厚0.8μmのGa
N薄膜を作製した。
As the substrate 8, a sapphire R surface having a size of 20 mm square and an off angle of 0.8 degrees or less is used. After that, the substrate temperature is 700 ° C. and the evaporation crucible 2 is 1020 ° C.
Heated to. A cracking gas cell 6 having alumina fibers filled therein was used to introduce the ammonia gas, heated to 600 ° C., and supplied at a rate of 5 cc / min so that the gas was directly blown onto the substrate 8. The film formation rate is 1.0 Å / sec, and the Ga of 0.8 μm is formed.
An N thin film was prepared.

【0028】真空容器内の圧力は、成膜時において2×
10-6Torrであった。このGaN薄膜のRHEED
パターン(GaNのa軸方向と平行に電子線を入射)を
観察したところ図2に示すようにストリーク状のパター
ンが見られ、表面平坦性および結晶性が良好なことがわ
かった。電子顕微鏡による表面写真から、平坦な表面で
あることがわかった。また、キャリアー密度をファンデ
ア・ポー法により測定したところ、4×1018/cm3
であり、77Kにおいてフォトルミネッセンスを測定し
たところ、図4に示すように3.5eV付近にピークを
もつスペクトルが得られた。
The pressure in the vacuum container is 2 × during film formation.
It was 10 −6 Torr. RHEED of this GaN thin film
When a pattern (electron beam incident parallel to the a-axis direction of GaN) was observed, a streak pattern was observed as shown in FIG. 2, and it was found that the surface flatness and crystallinity were good. From a surface photograph by an electron microscope, it was found that the surface was flat. Further, the carrier density was measured by the Van der Pauw method to be 4 × 10 18 / cm 3.
When the photoluminescence was measured at 77 K, a spectrum having a peak near 3.5 eV was obtained as shown in FIG.

【0029】[0029]

【比較例1】成膜時の炭素含有不純物が、一酸化炭素が
2×10-8Torrで二酸化炭素が7×10ー10 Tor
rである以外は実施例1と同様の方法により、膜厚が
0.8μmのGaN薄膜を成長した。このGaN薄膜の
RHEEDパターン(GaNのa軸方向と平行に電子線
を入射)を観察したところ、図3に示すようにランダム
なスポット状のパターンが見られ、表面平坦性および結
晶性が低下していることがわかった。電子顕微鏡による
表面写真から、表面が荒れているでことがわかった。
[Comparative Example 1] Carbon-containing impurities during film formation, carbon monoxide carbon dioxide at 2 × 10 -8 Torr 7 × 10 over 10 Tor
A GaN thin film with a film thickness of 0.8 μm was grown by the same method as in Example 1 except that r was r. Observation of the RHEED pattern (electron beam incident parallel to the a-axis direction of GaN) of this GaN thin film revealed a random spot-shaped pattern as shown in FIG. 3, which resulted in deterioration of surface flatness and crystallinity. I found out. From the surface photograph by electron microscope, it was found that the surface was rough.

【0030】また、キャリアー密度をファンデア・ポー
法により測定したところ、3×10 19/cm3 であっ
た。77Kにおいてフォトルミネッセンスを測定したと
ころ、図5に示すような2.5eV付近に強度が小さく
幅広いピークを有するスペクトルが得られた。これは炭
素および酸素が不純物としてGaN薄膜中に取り込まれ
ることにより、不純物レベルが生成し、それに基づく発
光と考えられる。
In addition, the carrier density is determined by the van der por
3 × 10 when measured by the method 19/ Cm3And
It was Photoluminescence measured at 77K
The strength is small around 2.5eV as shown in Fig. 5.
A spectrum with broad peaks was obtained. This is charcoal
Elemental and oxygen are taken into the GaN thin film as impurities.
Impurity level is generated by the
Considered to be light.

【0031】[0031]

【実施例2】アンモニアガスを用いたガスソースMBE
法によりGa1-x Inx N混晶薄膜を成長した例につい
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および3、クラッキングガスセル6、および基
板加熱ホルダー7を備えたガスソースMBEを装置とし
て用いた。
[Example 2] Gas source MBE using ammonia gas
An example in which a Ga 1-x In x N mixed crystal thin film is grown by the method will be described. A gas source MBE provided with an evaporation crucible 2 and 3, a cracking gas cell 6, and a substrate heating holder 7 was used as an apparatus in a vacuum container 1 as shown in FIG.

【0032】まず、基板8を1100℃で15分間の加
熱処理を行い、真空容器内の基板加熱ホルダーにセット
する。さらに、Gaを入れた蒸発用ルツボ2を1150
℃で、Inを入れた蒸発用ルツボ3を800℃で1時間
の加熱を行い、あらかじめ脱ガスを行った。真空容器内
の炭素含有不純物を四重極質量分析計9により測定した
ところ、一酸化炭素が3×10-9Torr、二酸化炭素
が6×10ー11 Torr、メタンが1×10-11 Tor
rであった。
First, the substrate 8 is heated at 1100 ° C. for 15 minutes and set in a substrate heating holder in a vacuum container. Further, the evaporation crucible 2 containing Ga is set to 1150.
The vaporizing crucible 3 containing In was heated at 800 ° C. for 1 hour at 800 ° C. to degas in advance. Was measured by the quadrupole mass spectrometer 9 carbon-containing impurities in the vacuum chamber, carbon monoxide 3 × 10 -9 Torr, carbon dioxide 6 × 10 over 11 Torr, methane 1 × 10 -11 Tor
It was r.

【0033】基板8としては20mm角の大きさ、オフ
角が0.8度以下のサファイアR面を使用する。その
後、基板温度を700℃、蒸発用ルツボ2を1020
℃、蒸発用ルツボ3を660℃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6を使用し、600℃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10cc/
minの速度で供給した。蒸発用ルツボ2および3のシ
ャッターを開け、1.2Å/secの成膜速度で膜厚
0.8μmのGa1-x Inx N混晶薄膜(x=0.2)
を作製する。
As the substrate 8, a sapphire R surface having a size of 20 mm square and an off angle of 0.8 degrees or less is used. Then, the substrate temperature is set to 700 ° C., and the evaporation crucible 2 is set to 1020.
C., the evaporation crucible 3 was heated to 660.degree. A cracking gas cell 6 having alumina fibers filled therein is used to introduce ammonia gas, and heated to 600 ° C.,
Gas is sprayed directly onto the substrate 7 so that 10 cc /
It was supplied at a rate of min. The shutters of the evaporation crucibles 2 and 3 were opened, and a Ga 1-x In x N mixed crystal thin film (x = 0.2) having a film thickness of 0.8 μm at a film forming rate of 1.2Å / sec.
To make.

【0034】真空容器内の圧力は、成膜時において2×
10-6Torrであった。この混晶薄膜のRHEEDパ
ターンを観察したところストリーク状のパターンが見ら
れ、表面平坦性および結晶性が良好なことがわかった。
また、この混晶薄膜のキャリアー密度をファンデア・ポ
ー法により測定したところ、2×1018/cm3 であっ
た。77Kにおいてフォトルミネッセンスを測定したと
ころ2.9eV付近にピークをもつスペクトルが得られ
た。
The pressure in the vacuum container is 2 × during film formation.
It was 10 −6 Torr. When the RHEED pattern of this mixed crystal thin film was observed, a streak pattern was observed, and it was found that the surface flatness and crystallinity were good.
The carrier density of this mixed crystal thin film was 2 × 10 18 / cm 3 as measured by the Van der Pauw method. When photoluminescence was measured at 77 K, a spectrum having a peak near 2.9 eV was obtained.

【0035】[0035]

【実施例3】アンモニアガスを用いたガスソースMBE
法により、GaNのMIS(Metal/Insula
tor/Semiconductor)型構造を作製し
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、蒸発用ルツボ5イ、クラッキング
ガスセル6、および基板加熱ホルダー7を備えたガスソ
ースMBEを装置を使用する。
[Example 3] Gas source MBE using ammonia gas
GaN MIS (Metal / Insula)
An example of producing a tor / Semiconductor type structure will be described. The apparatus uses a gas source MBE equipped with an evaporation crucible 2, an evaporation crucible 5a, a cracking gas cell 6, and a substrate heating holder 7 in a vacuum container 1 as shown in FIG.

【0036】まず、基板8を1100℃で15分間の加
熱処理を行い、真空容器内の基板加熱ホルダーにセット
する。Gaを入れた蒸発用ルツボ2を1150℃で、M
gを入れた蒸発用ルツボ5イを400℃で1時間の加熱
を行い、あらかじめ脱ガスを行った。真空容器内の炭素
含有不純物を四重極質量分析計9により測定したとこ
ろ、一酸化炭素が1×10-9Torr、二酸化炭素が4
×10ー11 Torr、メタンが2×10-11 Torrで
あった。
First, the substrate 8 is heat-treated at 1100 ° C. for 15 minutes and set in a substrate heating holder in a vacuum container. The evaporation crucible 2 containing Ga was heated at 1150 ° C.
The evaporation crucible 5 containing g was heated at 400 ° C. for 1 hour to degas in advance. When the carbon-containing impurities in the vacuum container were measured by the quadrupole mass spectrometer 9, carbon monoxide was 1 × 10 −9 Torr and carbon dioxide was 4
× 10 over 11 Torr, methane was 2 × 10 -11 Torr.

【0037】基板8としては20mm角の大きさのサフ
ァィアR面からサファイア軸のR面射影を回転軸として
9.2度回転させた面を使用する。その後、基板温度を
700℃、蒸発用ルツボ2を1020℃、蒸発用ルツボ
4を290℃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6を使用し、600℃に加熱して、ガスを直接に基板
8に吹き付けるようにして7cc/minの速度で供給
した。まず、Ga蒸発用ルツボのシャッターを開け、
1.5Å/secの成膜速度で膜厚が1.0μmのn−
GaN薄膜を作製する。次いで、Ga蒸発用ルツボ2と
マグネシウム蒸発用のルツボ5イのシャッターを同時に
開けて、成膜速度が0.5Å/secのとして膜厚50
0Åのドーピング層を形成することにより、GaNMI
S構造の積層膜を作製した。
As the substrate 8, a surface obtained by rotating a sapphire R surface having a size of 20 mm square by 9.2 degrees about the R surface projection of the sapphire axis as a rotation axis is used. Then, the substrate temperature was heated to 700 ° C., the evaporation crucible 2 was heated to 1020 ° C., and the evaporation crucible 4 was heated to 290 ° C. A cracking gas cell 6 having alumina fibers filled therein was used to introduce the ammonia gas, and the ammonia gas was heated to 600 ° C. so that the gas was directly blown onto the substrate 8 and supplied at a rate of 7 cc / min. First, open the shutter of the Ga evaporation crucible,
N- with a film thickness of 1.0 μm at a film forming rate of 1.5 Å / sec
A GaN thin film is prepared. Then, the shutters of the Ga vaporizing crucible 2 and the magnesium vaporizing crucible 5 are simultaneously opened, and the film thickness is set to 50 Å / sec.
GaNMI is formed by forming a 0Å doping layer.
A laminated film having an S structure was produced.

【0038】このGaN積層薄膜のRHEEDパターン
を観察したところストリーク状のパターンが見られ、表
面平坦性・結晶性が良好なことがわかった。また、この
GaN積層薄膜の77Kにおけるフォトルミネッセンス
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。また、n−GaN層と絶縁性のGaN
層に真空蒸着法によりそれぞれAlの電極を形成し、図
6に示すような構造のMIS型素子を得た。その電流−
電圧特性を測定したところ、図7に示す様なダイオード
特性が得られた。
When the RHEED pattern of this GaN laminated thin film was observed, a streak pattern was observed, and it was found that the surface flatness and crystallinity were good. Further, the photoluminescence of this GaN laminated thin film at 77 K was measured, and a spectrum having a peak near 3.5 eV was obtained. In addition, GaN that is insulative with the n-GaN layer
An Al electrode was formed on each of the layers by vacuum vapor deposition to obtain a MIS type device having a structure as shown in FIG. That current −
When the voltage characteristic was measured, the diode characteristic as shown in FIG. 7 was obtained.

【0039】[0039]

【実施例4】アンモニアガスを用いたガスソースMBE
法により、サファイア基板上にGaN薄膜を成長した例
について説明する。まず、真空容器1およびアンモニア
導入のガスラインを180℃で100時間のベーキング
を行う。基板8を1100℃で15分間の加熱処理を行
い、真空容器内の基板加熱ホルダーにセットする。さら
に、Gaを入れた蒸発用ルツボ2を1150℃で3時間
の加熱を行い、あらかじめ脱ガスを行った。真空容器内
の炭素含有不純物を四重極質量分析計9により測定した
ところ、一酸化炭素が1×10-11 Torr、二酸化炭
素が3×10ー11 Torr、メタン等の炭素含有化合物
は検出することができなかった。
Example 4 Gas source MBE using ammonia gas
An example of growing a GaN thin film on a sapphire substrate by the method will be described. First, the vacuum container 1 and the gas line for introducing ammonia are baked at 180 ° C. for 100 hours. The substrate 8 is heat-treated at 1100 ° C. for 15 minutes and set in a substrate heating holder in a vacuum container. Further, the evaporation crucible 2 containing Ga was heated at 1150 ° C. for 3 hours to degas in advance. Was measured by the quadrupole mass spectrometer 9 carbon-containing impurities in the vacuum container, carbon monoxide 1 × 10 -11 Torr, carbon dioxide 3 × 10 over 11 Torr, carbon-containing compounds such as methane to detect I couldn't.

【0040】基板8としては20mm角の大きさ、オフ
角が0.8度以下のサファイアR面を使用する。その
後、基板温度を700℃、蒸発用ルツボ2を1020℃
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6を使用
し、600℃に加熱して、ガスを直接に基板8に吹き付
けるようにして5cc/minの速度で供給した。成膜
速度は1.0Å/secで行い、膜厚0.8μmのGa
N薄膜を作製した。
As the substrate 8, a sapphire R surface having a size of 20 mm square and an off angle of 0.8 degrees or less is used. After that, the substrate temperature is 700 ° C. and the evaporation crucible 2 is 1020 ° C.
Heated to. A cracking gas cell 6 having alumina fibers filled therein was used to introduce the ammonia gas, heated to 600 ° C., and supplied at a rate of 5 cc / min so that the gas was directly blown onto the substrate 8. The film formation rate is 1.0 Å / sec, and the Ga of 0.8 μm is formed.
An N thin film was prepared.

【0041】真空容器内の圧力は、成膜時において1×
10-6Torrであった。このGaN積層薄膜のRHE
EDパターンを観察したところストリーク状のパターン
が見られ、表面平坦性および結晶性が良好なことがわか
った。また、このGaN薄膜のキャリアー密度をファン
デア・ポー法により測定したところ、7×1017/cm
3 であった。300Kにおいてフォトルミネッセンスを
測定したところ、3.4eV付近にピークをもつスペク
トルが得られた。
The pressure in the vacuum container is 1 × during film formation.
It was 10 −6 Torr. RHE of this GaN laminated thin film
When the ED pattern was observed, a streak pattern was observed, and it was found that the surface flatness and crystallinity were good. The carrier density of this GaN thin film was measured by the Van der Pauw method to find that it was 7 × 10 17 / cm 3.
Was 3 . When the photoluminescence was measured at 300 K, a spectrum having a peak near 3.4 eV was obtained.

【0042】[0042]

【実施例5】三フッ化窒素を用いたガスソースMBE法
により、サファイア基板上にGaN薄膜を成長した例に
ついて説明する。まず、真空容器1およびアンモニア導
入のガスラインを180℃で100時間のベーキングを
行う。基板8を1100℃で15分間の加熱処理を行
い、真空容器内の基板加熱ホルダーにセットする。さら
にGaを入れた蒸発用ルツボ2を1150℃で3時間の
加熱を行い、あらかじめ脱ガスを行った。真空容器内の
炭素含有不純物を四重極質量分析計9により測定したと
ころ、一酸化炭素が1×10 -11 Torr、二酸化炭素
が3×10ー11 Torr、メタン等の炭素含有化合物は
検出することができなかった。
Example 5 Gas source MBE method using nitrogen trifluoride
To an example of growing a GaN thin film on a sapphire substrate
explain about. First, vacuum container 1 and ammonia
Bake the gas line at 180 ℃ for 100 hours
To do. Heat the substrate 8 at 1100 ° C. for 15 minutes.
Set it in the substrate heating holder inside the vacuum container. Furthermore
The evaporation crucible 2 containing Ga at 1150 ° C. for 3 hours
Heating was performed and degassing was performed in advance. In a vacuum container
The carbon-containing impurities were measured by the quadrupole mass spectrometer 9.
About 1 × 10 carbon monoxide -11Torr, carbon dioxide
Is 3 × 10ー 11Carbon-containing compounds such as Torr and methane
It could not be detected.

【0043】基板8としては20mm角の大きさ、オフ
角が0.8度以下のサファイアR面を使用する。その
後、基板温度を700℃、蒸発用ルツボ2を1020℃
に加熱した。三フッ化窒素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6を使用し、
200℃に加熱して、三フッ化窒素を直接に基板8に吹
き付けるようにして6cc/minの速度で供給した。
成膜速度は1.0Å/secで行い、膜厚0.8μmの
GaN薄膜を作製した。
As the substrate 8, a sapphire R surface having a size of 20 mm square and an off angle of 0.8 degrees or less is used. After that, the substrate temperature is 700 ° C. and the evaporation crucible 2 is 1020 ° C.
Heated to. To introduce nitrogen trifluoride, a cracking gas cell 6 filled with alumina fibers inside is used,
The substrate was heated to 200 ° C., and nitrogen trifluoride was directly blown onto the substrate 8 to supply the nitrogen at a rate of 6 cc / min.
The film formation rate was 1.0 Å / sec, and a GaN thin film having a film thickness of 0.8 μm was produced.

【0044】真空容器内の圧力は、成膜時において1×
10-6Torrであった。このGaN積層薄膜のRHE
EDパターンを観察したところストリーク状のパターン
が見られ、表面平坦性および結晶性が良好なことがわか
った。また、GaN薄膜のキャリアー密度をファンデア
・ポー法により測定したところ、5×10 17/cm3
あった。300Kにおいてフォトルミネッセンスを測定
したところ、3.4eV付近にピークをもつスペクトル
が得られた。
The pressure in the vacuum container is 1 × during film formation.
10-6It was Torr. RHE of this GaN laminated thin film
Observation of the ED pattern shows a streak pattern.
It was found that the surface flatness and crystallinity were good.
It was. In addition, the carrier density of the GaN thin film
・ 5 × 10 when measured by Poe method 17/ Cm3so
there were. Measure photoluminescence at 300K
The spectrum with a peak near 3.4 eV
was gotten.

【0045】[0045]

【実施例6】アンモニアガスを用いたガスソースMBE
法により成長したGa1-x Inx N積層を用いた発光素
子を作製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および3、蒸発用ルツボ
5イ、クラッキングガスセル6、および基板加熱ホルダ
ー7を備えたガスソースMBEを装置を使用する。
Example 6 Gas source MBE using ammonia gas
An example of manufacturing a light emitting element using a Ga 1-x In x N stack grown by the method will be described. The apparatus uses a gas source MBE equipped with evaporation crucibles 2 and 3, an evaporation crucible 5a, a cracking gas cell 6, and a substrate heating holder 7 in a vacuum container 1 as shown in FIG.

【0046】まず、真空容器1およびアンモニア導入の
ガスラインを180℃で100時間のベーキングを行
う。基板8を1100℃で15分間の加熱処理を行い、
真空容器内の基板加熱ホルダーにセットする。Gaを入
れた蒸発用ルツボ2を1150℃、Inを入れた蒸発用
ルツボを800℃でZnを入れた蒸発用ルツボを230
℃でそれぞれ3時間の加熱を行い、あらかじめ脱ガスを
行った。真空容器内の炭素含有不純物を四重極質量分析
計9により測定したところ、一酸化炭素が1×10-11
Torr、二酸化炭素が2×10ー11 Torr、メタン
等の炭素含有化合物は検出できなかった。
First, the vacuum vessel 1 and the gas line for introducing ammonia are baked at 180 ° C. for 100 hours. The substrate 8 is heat-treated at 1100 ° C. for 15 minutes,
Set on the substrate heating holder in the vacuum container. The evaporation crucible 2 containing Ga was 1150 ° C., the evaporation crucible containing In was 800 ° C., and the evaporation crucible containing Zn was 230.
Degassing was performed in advance by heating each at 3 ° C. for 3 hours. When the carbon-containing impurities in the vacuum container were measured by the quadrupole mass spectrometer 9, carbon monoxide was 1 × 10 −11.
Torr, carbon dioxide was 2 × 10 -11 Torr, and carbon-containing compounds such as methane could not be detected.

【0047】基板8としては20mm角の大きさのサフ
ァィアR面からサファイア軸のR面射影を回転軸として
9.2度回転させた面を使用する。その後、基板温度を
700℃、蒸発用ルツボ2を1020℃、蒸発用ルツボ
3を660℃、蒸発用ルツボ4を190℃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、300℃に
加熱して、ガスを直接に基板8に吹き付けるようにして
7cc/minの速度で供給した。まず、GaとIn蒸
発用ルツボのシャッターを開け、1.5Å/secの成
膜速度で膜厚が0.6μmのn−Ga1-x Inx N混晶
層(x=0.05)を作製する。次いで、GaとIn蒸
発用ルツボとZn蒸発用のルツボのシャッターを同時に
開けて、成膜速度が0.5Å/secのとして膜厚50
0Åのp型ドーピング層を形成することにより、p−G
1-x Inx N混晶層(x=0.05)を成長し、Ga
1-x Inx N混晶(x=0.05)積層構造を作製し
た。
As the substrate 8, a surface obtained by rotating the sapphire R surface having a size of 20 mm square by 9.2 degrees with the R surface projection of the sapphire axis as the rotation axis is used. Thereafter, the substrate temperature was heated to 700 ° C., the evaporation crucible 2 was heated to 1020 ° C., the evaporation crucible 3 was heated to 660 ° C., and the evaporation crucible 4 was heated to 190 ° C.
A cracking gas cell 5 having alumina fibers filled therein was used to introduce the ammonia gas, heated to 300 ° C., and supplied at a rate of 7 cc / min so that the gas was directly blown onto the substrate 8. First, the shutter for the Ga and In evaporation crucible was opened, and an n-Ga 1-x In x N mixed crystal layer (x = 0.05) with a film thickness of 0.6 μm was formed at a film formation rate of 1.5 Å / sec. Create. Then, the shutters for the Ga and In evaporation crucibles and the Zn evaporation crucible were simultaneously opened, and the film thickness was set to 50 Å / sec.
By forming a 0-type p-type doping layer, p-G
a 1-x In x N mixed crystal layer (x = 0.05) is grown, and Ga
1-x In x N mixed crystal (x = 0.05) was prepared laminated structure.

【0048】このGa1-x Inx N混晶(x=0.0
5)積層薄膜のRHEEDパターンを観察したところス
トリーク状のパターンが見られ、表面平坦性および結晶
性が良好なことがわかった。また、このGa1-x Inx
N混晶(x=0.05)積層薄膜の300Kにおけるフ
ォトルミネッセンスを測定したところ2.6eV付近に
ピークをもつスペクトルが得られた。
This Ga 1-x In x N mixed crystal (x = 0.0
5) When the RHEED pattern of the laminated thin film was observed, a streak pattern was observed, and it was found that the surface flatness and the crystallinity were good. In addition, this Ga 1-x In x
When the photoluminescence of the N mixed crystal (x = 0.05) laminated thin film was measured at 300 K, a spectrum having a peak near 2.6 eV was obtained.

【0049】ついで、微細加工プロセスを適用すること
により、発光素子としての素子パターンの作製および電
極の形成を行う。リソグラフィープロセスは通常のフォ
トレジスト材料を用いるプロセスにより行うことがで
き、エッチング法としてはイオンミリング法により、素
子パターンの作製および電極の形成を行った。ついで、
n−Ga1-x Inx N混晶(x=0.05)層にはAl
を、p−Ga1-x InxN混晶層(x=0.05)には
Auの電極を真空蒸着法により形成する。
Then, by applying a fine processing process, an element pattern as a light emitting element and an electrode are formed. The lithography process can be performed by a process using an ordinary photoresist material, and an element pattern and an electrode are formed by an ion milling method as an etching method. Then,
Al for the n-Ga 1-x In x N mixed crystal (x = 0.05) layer
On the p-Ga 1-x In x N mixed crystal layer (x = 0.05), an Au electrode is formed by a vacuum evaporation method.

【0050】この方法により得られた素子ウエハーをダ
イシングソーで切断し、ワイヤーボンダーによりAu線
を用いて配線を行った後、エポキシ樹脂によりパッケー
ジングした。本発明の素子の構造を図8に示す。この素
子に15Vの電圧を印加して20mAの電流を注入する
と、60mcdの発光が観測された。その発光スペクト
ルは480nm付近にピークを有し、青色の発光であっ
た。
The element wafer obtained by this method was cut with a dicing saw, wiring was performed using Au wires with a wire bonder, and then packaged with an epoxy resin. The structure of the device of the present invention is shown in FIG. When a voltage of 15 V was applied to this device and a current of 20 mA was injected, light emission of 60 mcd was observed. The emission spectrum had a peak near 480 nm and was blue emission.

【0051】[0051]

【発明の効果】本発明による薄膜成長方法によれば、表
面平坦性および結晶性に優れる窒化ガリウム計半導体薄
膜を得ることができ、とくに紫〜青色の半導体発光素子
として最適な窒化ガリウム系半導体薄膜を得ることがで
きる。
According to the thin film growth method of the present invention, a gallium nitride semiconductor thin film having excellent surface flatness and crystallinity can be obtained, and a gallium nitride based semiconductor thin film which is particularly suitable as a purple to blue 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】実施例1により作製したGaN薄膜の結晶構造
のRHEEDパターンを示す写真である(GaNのa軸
と平行に電子線を入射)。
FIG. 2 is a photograph showing an RHEED pattern of a crystal structure of a GaN thin film produced in Example 1 (electron beam is incident parallel to a-axis of GaN).

【図3】比較例1により作製したGaN薄膜の結晶構造
のRHEEDパターンを示す写真である(GaNのa軸
と平行に電子線を入射)。
FIG. 3 is a photograph showing an RHEED pattern of a crystal structure of a GaN thin film produced in Comparative Example 1 (an electron beam is incident parallel to the a-axis of GaN).

【図4】実施例1で作製したGaN薄膜のフォトルミネ
ッセンスの測定結果である。
FIG. 4 is a result of measuring photoluminescence of the GaN thin film manufactured in Example 1.

【図5】比較例1で作製したGaN薄膜のフォトルミネ
ッセンスの測定結果である。
5 is a photoluminescence measurement result of the GaN thin film produced in Comparative Example 1. FIG.

【図6】実施例3で作製したGaNMIS型構造素子の
断面図を示した図である。
FIG. 6 is a view showing a cross-sectional view of a GaNMIS type structural element manufactured in Example 3;

【図7】実施例3で作製したGaNMIS型構造素子の
電流−電圧測定結果である。
FIG. 7 is a result of current-voltage measurement of the GaNMIS type structural element manufactured in Example 3.

【図8】実施例6で作製したGa1-x Inx N混晶(x
=0.05)積層薄膜を用いた発光素子の断面構造であ
る。
8 is a Ga 1 -x In x N mixed crystal (x
= 0.05) A cross-sectional structure of a light emitting device using a laminated thin film.

【符号の簡単な説明】[Simple 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イ蒸発用ルツボ 5ロ蒸発用ルツボ 6 クラッキンクグガスセル 7 基板加熱ホルダー 8 基板 9 四重極質量分析計 10 RHEED電子銃 11 RHEEDスクリーン 12 クライオパネル 13 シャッター 14 シャッター 15 シャッター 16イシャッター 16ロシャッター 17 バルブ 18 コールドトラップ 19 油拡散ポンプ 20 油回転ポンプ 21 基板 22 Al電極 23 n−GaN 24 i−GaN 25 Au電極 26 n−Ga1-x Inx N混晶(x=0.05) 27 p−Ga1-x Inx N混晶(x=0.05)DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Vacuum container 2 Evaporating crucible 3 Evaporating crucible 4 Evaporating crucible 5 E Evaporating crucible 5 B Evaporating crucible 6 Cracking Kugu gas cell 7 Substrate heating holder 8 Substrate 9 Quadrupole mass spectrometer 10 RHEED electron gun 11 RHEED screen 12 Cryopanel 13 Shutter 14 Shutter 15 Shutter 16 E-Shutter 16 Lo-Shutter 17 Valve 18 Cold trap 19 Oil diffusion pump 20 Oil rotary pump 21 Substrate 22 Al electrode 23 n-GaN 24 i-GaN 25 Au electrode 26 n-Ga 1-x In x N mixed crystal (x = 0.05) 27 p-Ga 1-x In x N mixed crystal (x = 0.05)

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 窒化ガリウム系半導体薄膜の製造におい
て、薄膜成長室内を高真空に、かつ炭素含有化合物の分
圧を10-3Torr以下に保持し、窒素源としてアンモ
ニアガスまたは三フッ化窒素を供給することを特徴とす
る窒化ガリウム系半導体薄膜の成長方法。
1. In the production of a gallium nitride-based semiconductor thin film, the thin film growth chamber is kept at a high vacuum, the partial pressure of the carbon-containing compound is maintained at 10 −3 Torr or less, and ammonia gas or nitrogen trifluoride is used as a nitrogen source. A method for growing a gallium nitride-based semiconductor thin film, which comprises supplying the same.
JP13816692A 1991-07-19 1992-05-29 Growth of semiconductor thin film Withdrawn JPH05243153A (en)

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JP17940791 1991-07-19
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2006222224A (en) * 2005-02-09 2006-08-24 Sony Corp Manufacturing method of nitride semiconductor and of semiconductor device

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