JPH09260289A - 化合物半導体単結晶の成長方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 複数の化合物半導体層をエピタキシャル成長
させる際、途中で基板を大気中に取り出す必要がある場
合でも、その後成長させた層の結晶性を向上させること
ができる化合物半導体単結晶の成長方法を提供する。 【解決手段】 大気中に取り出す前に、エピタキシャル
成長させた化合物半導体層３上に、Ａｓ非晶質膜２０を
形成し、これを他の装置移して、非晶質膜２０を除去し
た後、さらに化合物半導体をエピタキシャル成長させる
単結晶の成長方法。化合物半導体層３の表面は非晶質膜
によって覆われているため基板を大気中に取り出して
も、汚染されたり自然酸化膜が形成されることがなく、
高い清浄度が保たれるので、その後に成長させる化合物
半導体層は結晶性のよいものとなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、化合物半導体単結晶の
成長方法に関し、特に複数の窒化ガリウム系化合物半導
体層をエピタキシャル成長させる方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】化合物半導体を用いた半導体素子や複数
の素子を一つの基板上に集積化した集積回路は、一般に
シリコン半導体を用いた装置より高速・高周波域で動作
することが可能であるため、例えば携帯電話などの無線
通信機器に数多く利用され、また、発光素子としても有
望であり多数の研究がなされている。

【０００３】この様な化合物半導体装置は、そのほとん
どが、基板上に複数の化合物半導体層を積層して製作さ
れている。特に、発光ダイオードや半導体レーザでは、
基板上に、少なくとも１層以上のバッファ層を形成後、
クラッド層、活性層、クラッド層、コンタクト層と多く
の化合物半導体層を積層しているし、場合によっては活
性層中にさらに超格子層と称する極薄い化合物半導体層
を幾重にも重ねた層を形成している。

【０００４】この様な複数の化合物半導体層をエピタキ
シャル成長させるための方法としては、例えば有機金属
気相エピタキシャル成長（ＭＯＣＶＤ）法や分子線エピ
タキシャル成長（ＭＢＥ）法などがその膜厚制御性やエ
ピタキシャル成長させる化合物半導体単結晶の安定性の
良さから多く利用されている。例えば窒化ガリウム系化
合物半導体を積層する場合、ＭＯＣＶＤ装置でバッファ
層となるＡｌＮ層やＧａＮ層を成長後、一旦、基板をＭ
ＯＣＶＤ装置より取り出し、より膜厚制御性の高いＭＢ
Ｅ装置を用いて次の層を成長させると、ＭＢＥ装置によ
り成長させた化合物半導体層の結晶性がよいことが報告
されている（Hiramatsu Sakai et.al.,Jpn.J.Appl.Phy
s. 34(1995)L1429 参照）。また、ＭＢＥ装置を用いる
ことにより、その場で成長させた層を観察することがで
きるなどの利点もあり、それぞれの化合物半導体層に合
わせて複数の装置を用いることが行われている。さらに
この様な理由によるもの以外にも、単純な製造工程中の
都合により、一層あるいは複数の化合物半導体層を成長
させた後、一旦装置から取り出し、その後また化合物半
導体層を成長させるようなことも行われている。

【０００５】このような複数の化合物半導体層をエピタ
キシャル成長させる場合、その前提として、すでに成膜
してある化合物半導体層の表面（以下、被成長面と称す
る）に非常に高い清浄度が要求される。特に、上記の様
に、何等かの理由によって化合物半導体層を成長させた
後、一旦、成長装置から基板を取り出した場合には、被
成長面に、パーティクルが付着したり、一般にその酸化
膜が形成され難いとされている化合物半導体であって
も、極薄い自然酸化膜が形成されるため、被成長面の清
浄度が低くなり、不純物などがあるとその上にエピタキ
シャル成長させた化合物半導体層の結晶性を乱し、高品
質の単結晶が得られず作製する半導体装置の特性に悪影
響を及ぼす原因となるので、被成長面からパーティクル
や自然酸化膜を取り除き清浄度を高くする必要がある。

【０００６】従来、この様なパーティクルや自然酸化膜
を被成長面から取り除き清浄化するためには、次の化合
物半導体層のエピタキシャル成長直前に、フッ化水素酸
溶液（または希フッ酸）や塩酸溶液（または希塩酸）な
どに基板を浸漬して被成長面を洗浄し、また、高温熱処
理によってパーティクルや自然酸化膜を分解させて、で
きるだけ被成長面の清浄度を上げるようにしている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ように、洗浄工程により被成長面を洗浄しただけでは、
完全にパーティクルや自然酸化膜が取り切れずに残って
しまったり、ときには液体で洗浄するため、その液体内
の汚染物が被成長面に付着するといったことも起こり、
また、高温熱処理では分解しないものもあり、必ずしも
被成長面の清浄度が高い状態とならず、その上に成長さ
せた化合物半導体の結晶性が悪くなって、作製される半
導体装置の歩留まりを低下させる原因の一つとなるとい
った問題があった。

【０００８】そこで、本発明の目的は、化合物半導体を
エピタキシャル成長させる被成長面の清浄度が高く保た
れた状態で、結晶性のよい化合物半導体層を成長するこ
とができる化合物半導体単結晶の成長方法を提供するこ
とである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の請求項１記載の本発明は、第１の結晶成長装置内で半
導体基板上に少なくとも１層以上の窒化ガリウム系化合
物半導体の単結晶を成長させる工程と、該窒化ガリウム
系化合物半導体の単結晶成長後、該窒化ガリウム系化合
物半導体の表面が大気中に晒されることなく前記第１の
結晶成長装置内で、該窒化ガリウム系化合物半導体上
に、Ｖ族元素およびIII −Ｖ族化合物よりなる群から選
択された少なくとも１つの物質による非晶質膜を成膜す
る工程と、前記第１の結晶成長装置または前記第１の結
晶成長装置と異なる第２の結晶成長装置内で、前記非晶
質膜を除去する工程と、前記非晶質膜の除去後、露出し
た前記窒化ガリウム系化合物半導体上に、少なくとも１
層以上の窒化ガリウム系化合物半導体をさらに成長させ
る工程と、を有することを特徴とする化合物半導体単結
晶の成長方法である。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、添付した図面を参照して、
本発明の一実施の形態を説明する。

【００１１】ここでは、本発明を適用して、青色または
紫外線発光素子を作製するために、窒化ガリウム系化合
物半導体層を複数積層する方法について説明する。

【００１２】まず、図１に示すように、ＭＯＣＶＤ装置
により、ｎ型６Ｈ−ＳｉＣ基板１上に、バッファ層とし
て厚さ０．１μｍのｎ型ＡｌＮ層２と、厚さ１．０μｍ
のｎ型ＧａＮ層３とを成膜する。この時、ＡｌＮ成膜時
の基板温度は１１５０℃、ＧａＮ成膜時の基板温度は１
０５０℃である。そして、ＧａＮ層３上に、基板温度を
約１００℃以下に下げて、Ａｓの非晶質膜２０を成膜す
る。

【００１３】ここで、Ａｓの非晶質膜２０は基板温度を
できるだけ下げることにより（ここでは１００℃以下）
非晶質膜２０を作り出す。これは、基板温度が高いとＡ
ｓ自体が蒸発して基板上に堆積することができないので
基板温度低くするものである。しかし、Ａｓの原料とな
るアルシンやモノエチルアルシンなどはその分解温度が
約４００℃以上であることから、基板温度が低いとＡｓ
非晶質膜２０の原料となるＡｓが供給されなくなる。そ
こで、本実施の形態では光ＭＯＣＶＤ法を用いることに
より基板温度を低くし、かつ、アルシンやモノエチルア
ルシンなどを分解させてＡｓ非晶質膜２０の成長を行っ
ている。

【００１４】この光ＭＯＣＶＤ法は、例えばＡｒＦエキ
シマレーザなどを基板面または原料ガスに照射すること
のできる装置を用いるもので、この様な装置を用いれば
基板面または原料ガスに照射するＡｒＦエキシマレーザ
によって、アルシンやモノエチルアルシンなどのＡｓ源
の分解が促進させる方法であるので、基板温度が２０〜
２００℃程度であっても、効率よくＡｓ非晶質膜を成膜
することができる。この光ＭＯＣＶＤ装置を用いたＡｓ
非晶質の成膜時の圧力は基板温度を前記のような範囲と
した場合、１〜７６０Ｔｏｒｒ程度とする。

【００１５】この様に、ＡｌＮ層２およひＧａＮ層３を
成長させた後、同一装置内において、さらにＡｓ非晶質
膜２０を成膜することにより、その後、大気中に、これ
ら各層を形成した基板を取り出しても、被成長面となる
ＧａＮ層３表面は、Ａｓ非晶質膜２０によって覆われて
いるため、大気中において自然酸化膜が形成されたり、
パーティクルが付着するようなことがなく、清浄度の高
い状態が保たれる。

【００１６】なお、非晶質膜としては、Ａｓの非晶質以
外に、Ｖ族元素およびIII −Ｖ族化合物、例えばＧａＡ
ｓ、ＡｌＡｓ、ＧａＰなどの非晶質でもよく、これらは
２０〜３００℃で非晶質として成膜することができ、後
述する非晶質膜の蒸発に際しては、４００℃以上の温度
で蒸発させることができる。そしてこれら非晶質膜は、
低温で形成され、またその下のＧａＮとは、周期表上の
同族であるので、ＧａＮに影響を与えることはない。

【００１７】次に、前記各層が形成された基板をＭＢＥ
装置に移し、真空中にて、基板温度を約３００℃に昇温
する。これにより、図２に示すように、ＧａＮ３層上の
Ａｓ非晶質膜２０は全て蒸発して、清浄度が高い状態に
保たれたままのＧａＮ層３表面が露出する。したがっ
て、この後、ＧａＮ層３上に成長させる化合物半導体層
はパーティクルや自然酸化膜などのないの非常に清浄度
の高い被成長面に成長させることができ、結晶性のよい
ものができる。

【００１８】以後、このＭＢＥ装置内において、図３に
示すように、ＧａＮ層３上に、まず、厚さ１．０μｍの
ｎ型ＧａＮ層４、クラッド層となる厚さ１．０μｍのｎ
型ＡｌＧａＮ層５、活性層となる厚さ０．１μｍのＧａ
Ｎ層６、クラッド層となる厚さ１．０μｍのｐ型ＡｌＧ
ａＮ層７、コンタクト層となる０．０３μｍのＧａＮ層
８を順にエピタキシャル成長させて積層構造を形成す
る。なお、ここでのエピタキシャル成長は、基板温度を
７００℃として、ｎ型ドーパントとしてシリコン（Ｓ
ｉ）（前記ＡｌＮ層２およびＧａＮ層３についても同じ
である）を、またｐ型ドーパントとしてマグネシウム
（Ｍｇ）を用いた。

【００１９】その後、ＳｉＣ基板１側にＮｉ電極１０を
設け、また、コンタクト層であるＧａＮ層８上にＴｉ電
極９を設けることで、半導体レーザとして完成する。

【００２０】この半導体レーザは、すでに説明したよう
に、高い清浄度が保たれているＧａＮ層３上にクラッド
層や活性層となるＡｌＧａＮやＧａＮなどの窒化ガリウ
ム系化合物半導体層をＭＢＥにより形成したことで、結
晶性のよいものができ、製造歩留まりが向上する。

【００２１】なお、以上の実施の形態では、半導体レー
ザを例に、ＡｌＮ、ＧａＮおよびＡｌＧａＮなどの窒化
ガリウム系化合物半導体を積層したものであるが、窒化
ガリウム系化合物半導体としては、この他、例えばＩｎ
Ｎ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＮ、ＡｌＧａＩｎＮなどであ
ってもよい。

【００２２】さらに、上記実施の形態では、ＭＯＣＶＤ
装置から次にＭＢＥ装置に移してエピタキシャル成長を
行ったものであるが、本発明はこれに限らず、ＭＯＣＶ
Ｄ装置から、他のＭＯＣＶＤ装置や、有機金属分子線エ
ピタキシャル成長（ＭＯＭＢＥ）装置、化学的ビームエ
ピタキシャル成長（ＣＢＥ）装置などに移したり、また
は同一装置であっても一旦大気中に基板を取り出した
後、さらにエピタキシャル成長を行う場合にも好適に用
いることができる。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
複数の化合物半導体層をエピタキシャル成長させる際、
途中、基板を大気中に取り出す必要がある場合に、大気
中に取り出す前に、エピタキシャル成長させた化合物半
導体層上に、非晶質膜を形成し、これを他の装置移し
て、非晶質膜を除去した後、エピタキシャル成長させる
こととしたので、始めの装置でエピタキシャル成長させ
た化合物半導体層の被成長面は非晶質膜によって覆われ
ているため基板を大気中に取り出しても、非成長面は汚
染されたり自然酸化膜が形成されることがなく、高い清
浄度が保たれるので、その後にエピタキシャル成長させ
る化合物半導体層は結晶性のよいものができる。

【００２４】また、本発明は、途中で基板を大気中に取
り出した後、従来のような洗浄工程を行う必要がないの
で、複数の化合物半導体を成長させる際の製造効率も向
上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明を適用した単結晶の成長方法を工程順
に説明するための断面図である。

【図２】 本発明を適用した単結晶の成長方法を工程順
に説明するための図１に続く断面図である。

【図３】 本発明を適用した単結晶の成長方法を工程順
に説明するための図２に続く断面図である。

【符号の説明】

１…ＳｉＣ基板、 ２…ＡｌＮ層、 ３，４，６，８…ＧａＮ層、 ５，７…ＡｌＧａＮ層、 ２０…Ａｓ非晶質膜。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の結晶成長装置内で半導体基板上に
   少なくとも１層以上の窒化ガリウム系化合物半導体の単
   結晶を成長させる工程と、 該窒化ガリウム系化合物半導体の単結晶成長後、該窒化
   ガリウム系化合物半導体の表面が大気中に晒されること
   なく前記第１の結晶成長装置内で、該窒化ガリウム系化
   合物半導体上に、Ｖ族元素およびIII −Ｖ族化合物より
   なる群から選択された少なくとも１つの物質による非晶
   質膜を成膜する工程と、 前記第１の結晶成長装置または前記第１の結晶成長装置
   と異なる第２の結晶成長装置内で、前記非晶質膜を除去
   する工程と、 前記非晶質膜の除去後、露出した前記窒化ガリウム系化
   合物半導体上に、少なくとも１層以上の窒化ガリウム系
   化合物半導体をさらに成長させる工程と、を有すること
   を特徴とする化合物半導体単結晶の成長方法。