JPH10256167A

JPH10256167A - 半導体薄膜の製造方法

Info

Publication number: JPH10256167A
Application number: JP6265997A
Authority: JP
Inventors: Yasunari Oku; 保成奥; Hidenori Kamei; 英徳亀井; Hidemi Takeishi; 英見武石
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1997-03-17
Filing date: 1997-03-17
Publication date: 1998-09-25
Anticipated expiration: 2017-03-17
Also published as: JP3376849B2

Abstract

(57)【要約】【課題】薄膜成長面を下向きに保持した基板上に窒化
ガリウム系化合物半導体薄膜を成長する有機金属気相成
長装置において、ｐ型不純物としてＭｇをドープした窒
化ガリウム系化合物半導体薄膜を成長する際に、クラッ
クを発生させることなく、Ｍｇを高濃度に効率良くドー
プするための方法を提供することを目的とする。【解決手段】原料ガスを反応管へ輸送するためのキャ
リアガスとして水素が２％以上且つ２０％以下の濃度で
混合された窒素をベースとするキャリアガスを用いるこ
とにより、クラック発生を抑制し且つＭｇのドーピング
効率低下を招くことなくＭｇをドープした窒化ガリウム
系化合物半導体薄膜を製造する方法を提供することが可
能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は青色、緑色発光ダイ
オード等の光デバイスに利用されるｐ型窒化ガリウム系
化合物半導体薄膜の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】最近、窒化ガリウム系化合物半導体を用
いた青色、緑色発光デバイスが注目されている。このよ
うな発光デバイスを作製するために、ｎ型不純物をドー
プしたｎ型半導体薄膜とｐ型不純物をドープしたｐ型半
導体薄膜とを積層し、ｐｎ接合を形成する方法が一般的
に用いられている。窒化ガリウム系化合物半導体薄膜を
成長させる方法として、有機金属気相成長法が良く知ら
れている。この方法は、サファイア基板を設置した反応
管内に、原料ガスとして有機金属化合物ガス（トリメチ
ルガリウム（以下、「ＴＭＧ」と略称する。）、トリメ
チルアルミニウム（以下、「ＴＭＡ」と略称する。）
等）とアンモニアとを供給し、基板温度をおよそ９００
℃〜１１００℃の高温で保持して、基板上に窒化ガリウ
ム系化合物半導体薄膜を成長させ、必要に応じて他の不
純物ガスを同時に供給しながらｎ型、あるいはｐ型半導
体薄膜を成長させる方法である。ｎ型不純物としてはケ
イ素（Ｓｉ）が良く知られている。ｐ型不純物として
は、亜鉛（Ｚｎ）やマグネシウム（Ｍｇ）等が良く知ら
れている。有機金属化合物はこれらの有機金属化合物が
収納されたシリンダー内に副キャリアガスとなる微量の
水素を導入し、この副キャリアガス中にバブリング等に
より蒸発あるいは昇華させる（以下、簡便のために「バ
ブリング」と表現する。）ことにより有機金属化合物は
ガス化し、さらに反応管に効率よく供給するために水素
や窒素などの主キャリアガスによって輸送される。従
来、窒化ガリウム系化合物半導体を成長させるための結
晶成長装置においては、特開平４−２９７０２３号公報
や特開平２−２２９４７６号公報において開示されてい
るように、基板の薄膜成長面を上向きに保持する方法が
一般的に用いられている。また、ｐ型不純物としてＭｇ
をドープした窒化ガリウム（ＧａＮ）を成長する際に
は、特２５４０７９１号公報や特開平６−１５１９６２
号公報において開示されているように、キャリアガスと
して水素が一般的に用いられている。

【０００３】ところで、本発明者は特願平８−０７２７
２１号において、薄膜成長面を下向きに保持した基板上
に窒化ガリウム系化合物半導体等の薄膜を面内均一に成
長することができる有機金属気相成長装置を示した。本
有機金属気相成長装置によれば、１０００℃以上の高温
を必要とするＧａＮ系化合物半導体を成長する場合にお
いても基板表面への原料供給が効率良くなされるという
優れた効果が得られる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、本発明
者は、有機金属気相成長法により薄膜成長面を下向きに
保持した基板上に、キャリアガスとして水素を用いてｐ
型不純物としてＭｇをドープしながら窒化ガリウム系化
合物半導体薄膜や窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａ
Ｎ）薄膜等の窒化ガリウム系化合物半導体薄膜を成長さ
せる場合、ｐ型不純物を高濃度にドープすると膜にクラ
ックが発生しやすくなるという問題があることを発見し
た。このようにして成長させたｐ型不純物をドープした
窒化ガリウム系化合物半導体薄膜やＡｌ窒化ガリウム系
化合物半導体薄膜を用いて発光デバイスを作製すると、
基板上に成長した積層構造にクラックが発生するため、
通電しても発光しないものや発光しても部分的にしか光
らないものや瞬時に劣化するものが発生し、歩留まりが
悪いという問題がある。

【０００５】電気抵抗が低い、すなわち動作電圧が低く
発熱の少ない発光デバイスを実現するためにはｐ型不純
物が高濃度にドープされたｐ型層が不可欠であり、デバ
イスの信頼性を高めるためにはクラックのない薄膜を実
現する必要がある。

【０００６】本発明は、上記の問題を解決するものであ
り、１０００℃以上の高温で良好な結晶性および均一性
を得るために薄膜成長面を下向きに保持した基板上に窒
化ガリウム系化合物半導体薄膜を成長する有機金属気相
成長装置において、ｐ型不純物としてＭｇをドープした
窒化ガリウム系化合物半導体薄膜を成長する際に、クラ
ックを発生させることなく、Ｍｇを高濃度に効率良くド
ープするための方法を提供することを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明のｐ型窒化ガリウム系化合物半導体薄膜の製造
方法は、有機金属気相成長法により、基板上に、ｐ型不
純物をドープした窒化ガリウム系化合物半導体薄膜を成
長する方法において、前記基板の前記ｐ型不純物をドー
プした窒化ガリウム系化合物半導体薄膜を成長させる面
を下向きに保持して、原料ガスを反応管へ輸送するため
のキャリアガスとして水素が２０％以下、および水素が
２％以上且つ２０％以下の濃度で混合された窒素をベー
スとするキャリアガスを用いることとする構成よりな
る。

【０００８】この構成により、薄膜成長面を下向きに保
持した基板上に窒化ガリウム系化合物半導体薄膜を成長
する有機金属気相成長装置において、窒素ベースキャリ
アガス中の水素濃度を２０％以下とすることでｐ型不純
物としてＭｇをドープした窒化ガリウム系化合物半導体
薄膜の結晶性を改善し、クラックを発生させることな
く、歩留まり良くＭｇをドープした窒化ガリウム系化合
物半導体薄膜を製造する方法を提供することが可能とな
る。さらに、窒素ベースキャリアガス中の水素濃度を２
％以上且つ２０％以下とすることで、クラック発生を抑
制し且つＭｇのドーピング効率低下を招くことなくＭｇ
をドープした窒化ガリウム系化合物半導体薄膜の製造方
法を提供することが可能となる。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載の発明
は、水素が２０％以下の濃度で混合された窒素をベース
とするキャリアガスを用いて原料ガスを反応管へ輸送
し、前記反応管内に装着された基板上にｐ型不純物をド
ープした窒化ガリウム系化合物半導体薄膜を成長させる
ことを特徴とする半導体薄膜の製造方法であり、ｐ型窒
化ガリウム系化合物半導体薄膜の結晶性を改善し、クラ
ックを発生させることなく成長できるという作用を有す
る。

【００１０】また、本発明の請求項２に記載の発明は、
薄膜成長面を下向きに基板を装着することを特徴とする
上記の半導体薄膜の製造方法であり、ｐ型窒化ガリウム
系化合物半導体薄膜の結晶性を改善し、クラックを発生
させることなく成長できるという作用が更に向上され
る。

【００１１】本発明の請求項３に記載の発明は、前記成
長させる方法が有機金属気相成長法であることを特徴と
する半導体薄膜の製造方法であり、ｐ型窒化ガリウム系
化合物半導体薄膜の結晶性を改善し、クラックを発生さ
せることなく簡便に成膜できるという作用を有する。

【００１２】本発明の請求項４に記載の発明は、前記キ
ャリアガスとして水素が２％以上且つ２０％以下の濃度
で混合された窒素をベースとするキャリアガスを用いる
ことを特徴とする上記の半導体薄膜の製造方法であり、
ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体薄膜の結晶性を改善
し、クラックを発生させることなく、且つ半導体薄膜に
ｐ型不純物を高濃度に効率良くドープできるという作用
を有する。

【００１３】以下に、本発明の実施の形態の具体例を図
面を参照しながら説明する。まず、全キャリアガス中の
水素ガスの濃度を変化させた場合の窒化ガリウム系化合
物半導体薄膜の表面の結晶構造を観察した。

【００１４】（実施の形態１）図１は本発明の第１実施
の形態で使用した有機金属気相成長装置の主要部を示す
概略断面図であり、反応部の構造、およびその反応部に
通じるガス系統を示している。図１において、反応管１
内に、基板２の薄膜成長面を下向きに保持する基板ホル
ダー３が配設されており、基板ホルダー３および基板２
は発熱体４によって加熱される。原料ガスである有機金
属化合物ガスは、流量制御器５ｃ、５ｄおよび５ｅによ
って流量を制御された水素ガスからなる副キャリアガス
を、それぞれＴＭＧ、ＴＭＡ、ビスシクロペンタジエニ
ルマグネシウム（以下、「Ｃｐ₂Ｍｇ」と略称する。）
を内包するシリンダー内に導入しバブリングさせること
によって気化されて取り出される。これらの有機金属化
合物ガスは、流量制御器５ｆによって流量を制御された
アンモニアとともに、流量制御器５ａ、５ｂによって流
量を制御された窒素ガスおよび水素ガスの混合ガスから
なる主キャリアガスによって効率良く反応管に供給さ
れ、原料ガスであるアンモニアと有機金属化合物ガスが
反応した後、加熱された基板２上に窒化ガリウム系化合
物半導体薄膜が形成される。原料ガスの残りは排気ガス
６として排出される。

【００１５】ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体薄膜は、
以下の工程によって成長される。まず、良く洗浄したサ
ファイア基板を反応管内の基板ホルダーに設置する。水
素ガスを流しながら基板を１１００℃で、１０分間加熱
し、表面をクリーニングする。その後、温度を６００℃
にまで冷却し、６００℃において主キャリアガスとして
水素ガスと、ＴＭＡの副キャリアガスと、アンモニア
と、を流しながら、バッファ層としてＡｌＮ層を５００
オングストロームの膜厚で成長させる。次に、ＴＭＡの
副キャリアガスのみを止めて１０５０℃まで昇温させた
後、主キャリアガスとして窒素ガスと水素ガスとからな
る混合ガスと、新たにＴＭＧの副キャリアガスと、Ｃｐ
₂Ｍｇの副キャリアガスと、を流しながら６０分間成長
させて、Ｍｇをドープした窒化ガリウム系化合物半導体
薄膜を２μｍの膜厚で成長させる。Ｍｇをドープするこ
とにより、窒化ガリウム系化合物半導体薄膜をｐ型にす
ることができる。成長後、原料ガスであるＴＭＧガスと
Ｃｐ₂Ｍｇガスとアンモニアを止めて、窒素ガスと水素
ガスをそのままの流量で流しながら室温まで冷却した
後、ウェハーを反応管から取り出す。

【００１６】（実施の形態２）実施の形態１と同様の装
置を用い、実施の形態２においては、基板上にｎ型窒化
ガリウム系化合物半導体薄膜とｐ型窒化ガリウム系化合
物半導体薄膜を順番に積層する。即ち、まず、良く洗浄
したサファイア基板を反応管内の基板ホルダーに設置す
る。水素ガスを流しながら基板を１１００℃で、１０分
間加熱し、表面をクリーニングする。その後、温度を６
００℃にまで冷却し、６００℃において主キャリアガス
として水素ガスと、ＴＭＡの副キャリアガスと、アンモ
ニアと、を流しながら、バッファ層としてＡｌＮ層を５
００オングストロームの膜厚で成長させる。次に、Ａｌ
Ｎ層のバッファ層上に、主キャリアガスとして窒素ガ
ス、水素ガス、原料ガスとして新たにＴＭＧガス、Ｓｉ
源である１０ｐｐｍのＳｉＨ ₄（モノシラン）ガスを流
しながら６０分間成長させて、Ｓｉをドープしたｎ型窒
化ガリウム系化合物半導体薄膜を２μｍの膜厚で成長さ
せる。引き続き、ＳｉＨ₄ガスを止め、新たに主キャリ
アガスとして窒素ガス、水素ガス、Ｃｐ₂Ｍｇの副キャ
リアガスを流しながら１５分間成長させて、Ｍｇをドー
プしたｐ型窒化ガリウム系化合物半導体薄膜を０．５μ
ｍの膜厚で成長させた。成長後、原料ガスであるＴＭＧ
ガスとＣｐ₂Ｍｇガスとアンモニアを止めて、窒素ガス
と水素ガスをそのままの流量で流しながら室温まで冷却
した後、ウェハーを反応管から取り出した。

【００１７】

【実施例】次に、本発明の実施の形態１の具体例を説明
する。

【００１８】（実施例１）実施例１において、キャリア
ガスは、有機金属化合物のバブリングに用いられる副キ
ャリアガスと、原料ガスを効率良く反応管に供給するた
めの主キャリアガスとからなる。Ｍｇをドープした窒化
ガリウム系化合物半導体薄膜を成長する場合、全キャリ
アガス中の水素ガスの濃度を０．５％とした。即ち、原
料を効率良く供給するための主キャリアガスとして窒素
ガスを９．９５リットル／分、水素ガス０．４５リット
ル／分、ＴＭＧおよびＣｐ₂Ｍｇのバブリングに用いら
れる水素ガスからなる副キャリアガスをそれぞれ４ｃｃ
／分、５０ｃｃ／分とした。

【００１９】図２は、全キャリアガス中の水素ガスの濃
度を０．５％とした場合にＭｇをドープして形成した窒
化ガリウム系化合物半導体薄膜表面の結晶構造を表す顕
微鏡図である。

【００２０】（実施例２）実施例２は、水素ガスの濃度
を１５％とした以外は全ての実施例１と同様の形態とし
た。図３は、全キャリアガス中の水素ガスの濃度が１５
％とした場合にＭｇをドープして形成した窒化ガリウム
系化合物半導体薄膜表面の結晶構造を表す顕微鏡図であ
る。

【００２１】（比較例１）比較例１は、水素ガスの濃度
を３０％とした。キャリアガス中の水素ガス濃度が約３
０％以上の条件でＭｇドープの窒化ガリウム系化合物半
導体薄膜を成長する場合は、基板上に形成したＡｌＮ層
からなるバッファ層上に直接窒化ガリウム系化合物半導
体薄膜を平坦に成長することが困難であるため、予めキ
ャリアガス中の水素ガス濃度が２０％以下、具体的には
１５％の条件でＡｌＮバッファ層上に約０．４μｍ厚の
アンドープＧａＮを平坦に形成した後、所望のＭｇドー
プの窒化ガリウム系化合物半導体薄膜を引き続き成長し
た。

【００２２】図４は、全キャリアガス中の水素ガスの濃
度を３０％とした場合にＭｇをドープして形成した窒化
ガリウム系化合物半導体薄膜表面の結晶構造を表す顕微
鏡図である。

【００２３】（比較例２）比較例２は、水素ガスの濃度
が１００％（水素のみ）とした以外は全ての場合比較例
１と同様の形態とした。

【００２４】図５は、全キャリアガス中の水素ガスの濃
度を１００％とした場合にＭｇをドープして形成した窒
化ガリウム系化合物半導体薄膜表面の結晶構造を表す顕
微鏡図である。

【００２５】実施例１、実施例２、比較例１、比較例２
から分かるように、比較例２の水素濃度が１００％のキ
ャリアガスを用いた場合は、図５が示すようにウェハー
全面にわたって表面に微細なクラックが高密度に発生す
る。水素濃度を減らすにしたがって表面にクラックが発
生する密度が減少する傾向がある。比較例１の水素濃度
が３０％の場合は、図４が示すようにクラックが発生す
る密度は小さいが、ウェハー周縁部では比較的高密度に
発生する。実施例１と実施例２の水素濃度が１５％以下
の場合では、図３ならびに図２が示すようにクラックは
全く発生せず、結晶性の良い平坦な表面が得られる。ま
た、水素濃度を２０％とすると、ウェハー周縁部の一部
にのみクラックが発生するが、ウェハー面内の大部分で
クラックが発生せず、図３と同様の結晶性の良い平坦な
表面が得られる。すなわち、クラックの発生を抑制する
ためには、有機金属化合物のバブリングに用いる水素キ
ャリアガスをも含めた窒素をベースとした全キャリアガ
ス中における水素濃度を２０％以下とすることが有効で
ある。

【００２６】次に、キャリアガスの水素濃度と窒化ガリ
ウム系化合物半導体薄膜中に取り込まれたｐ型不純物と
してのＭｇの元素濃度の関係を調べた。

【００２７】（実施例３）実施例３において、全キャリ
アガス中の水素ガスの濃度は５％である。ｐ型窒化ガリ
ウム系化合物半導体薄膜の製造工程は、実施例１と同様
である。

【００２８】主キャリアガスとして水素ガスを１０リッ
トル／分、ＴＭＡの副キャリアガスを５ｃｃ／分、アン
モニアを５リットル／分で流しながら、バッファ層とし
てのＡｌＮ層を５００オングストロームの膜厚で成長さ
せる。次に、ＴＭＡの副キャリアガスのみを止めて１０
５０℃まで昇温させた後、主キャリアガスとして、窒素
ガスを９．５リットル／分、水素ガスを０．４５リット
ル／分で流しながら、新たにＴＭＧの副キャリアガスを
４ｃｃ／分、Ｃｐ₂Ｍｇの副キャリアガスを５０ｃｃ／
分で流しながら６０分間成長させて、Ｍｇをドープした
窒化ガリウム系化合物半導体薄膜を２μｍの膜厚で成長
させる。成長後、原料ガスであるＴＭＧガスとＣｐ₂Ｍ
ｇガスとアンモニアを止めて、窒素ガスと水素ガスをそ
のままの流量で流しながら室温まで冷却した後、ウェハ
ーを反応管から取り出す。このようにして得られたＭｇ
ドープ窒化ガリウム系化合物半導体薄膜を顕微鏡で観察
したところ、図２、図３と同様にクラックのない平坦な
表面であった。

【００２９】薄膜中のＭｇの元素濃度は３．３×１０¹⁹
／ｃｍ³であった。（実施例４）実施例４において、全キャリアガス中の水
素ガスの濃度は１０％である。上記実施例３の１０５０
℃でＭｇをドープした窒化ガリウム系化合物半導体薄膜
を成長させる工程において、主キャリアガスとして窒素
ガスを９リットル／分、水素ガスを０．９５リットル／
分で流す以外は実施例３と同様にして、Ｍｇをドープし
た窒化ガリウム系化合物半導体薄膜を成長させる。この
とき、全キャリアガス中の水素ガスの濃度は５％であ
る。成長後、Ｍｇドープ窒化ガリウム系化合物半導体薄
膜の表面を顕微鏡で観察したところ、図３と同様にクラ
ックのない平坦な表面であった。薄膜中のＭｇの元素濃
度は２．３×１０¹⁹／ｃｍ³であった。

【００３０】（実施例５）実施例５において、全キャリ
アガス中の水素ガスの濃度は２０％である。上記実施例
３の１０５０℃でＭｇをドープした窒化ガリウム系化合
物半導体薄膜を成長させる工程において、主キャリアガ
スとして窒素ガスを８リットル／分、水素ガスを１．９
５リットル／分で流す以外は実施例３と同様にして、Ｍ
ｇをドープした窒化ガリウム系化合物半導体薄膜を成長
させる。成長後、Ｍｇドープ窒化ガリウム系化合物半導
体薄膜の表面を顕微鏡で観察したところ、ウェハーの周
縁部の一部にクラックが発生しているものの、大部分は
図３と同様にクラックのない平坦な表面であった。薄膜
中のＭｇの元素濃度は５．４×１０¹⁹／ｃｍ³であっ
た。

【００３１】（比較例３）比較例３において、全キャリ
アガス中の水素ガスの濃度は０．５％である。上記実施
例３の１０５０℃でＭｇをドープした窒化ガリウム系化
合物半導体薄膜を成長させる工程において、主キャリア
ガスとして窒素ガスを９．９５リットル／分で流す以外
は実施例３と同様にして、Ｍｇをドープした窒化ガリウ
ム系化合物半導体薄膜を成長させる。但し、前述のよう
にＭｇドープ窒化ガリウム系化合物半導体薄膜の成長の
前に、水素ガス濃度が１０％のキャリアガスの条件でＡ
ｌＮバッファ層上に約０．４μｍ厚のアンドープＧａＮ
を成長した後、引き続き水素ガス濃度が０．５％のキャ
リアガスでＭｇドープ窒化ガリウム系化合物半導体薄膜
を成長した。成長後、Ｍｇドープ窒化ガリウム系化合物
半導体薄膜の表面を顕微鏡で観察したところ、図２と同
様にクラックのない平坦な表面であった。薄膜中のＭｇ
の元素濃度は１．９×１０¹⁸／ｃｍ³であった。

【００３２】（比較例４）比較例４において、全キャリ
アガス中の水素ガスの濃度は１００％である。上記実施
例３の１０５０℃でＭｇをドープした窒化ガリウム系化
合物半導体薄膜を成長させる工程において、主キャリア
ガスとして水素ガスを９．９５リットル／分で流す以外
は実施例３と同様にして、Ｍｇをドープした窒化ガリウ
ム系化合物半導体薄膜を成長させる。但し、前述のよう
にＭｇドープ窒化ガリウム系化合物半導体薄膜の成長の
前に、水素ガス濃度が１０％のキャリアガスの条件でＡ
ｌＮバッファ層上に約０．４μｍ厚のアンドープＧａＮ
を成長した後、引き続き水素ガス濃度が１００％のキャ
リアガスでＭｇドープ窒化ガリウム系化合物半導体薄膜
を成長した。成長後、Ｍｇドープ窒化ガリウム系化合物
半導体薄膜の表面を顕微鏡で観察したところ、ウェハー
全体にわたって図５に示すような微細なクラックが高密
度に発生していた。Ｍｇドープ窒化ガリウム系化合物半
導体薄膜中のＭｇの元素濃度は２．０×１０²⁰／ｃｍ³
であった。

【００３３】図６に、全キャリアガス中の水素濃度と窒
化ガリウム系化合物半導体薄膜中に取り込まれたＭｇの
元素濃度の関係を示す。ここで、Ｍｇ源となるＣｐ₂Ｍ
ｇガスはバブリングガスを５０ｃｃ／分に固定し供給量
を一定とした。図６に示すように、水素濃度が大きくな
るにつれ、窒化ガリウム系化合物半導体薄膜中に取り込
まれるＭｇの元素濃度は飛躍的に増大する。キャリアガ
スの水素濃度をわずか２％とするだけでも、Ｍｇの元素
濃度は水素濃度が０．５％の場合に対して約５倍に増大
する。水素濃度を５％とすると、Ｍｇの元素濃度は水素
濃度が０．５％の場合に対して約１０倍に増大し、Ｍｇ
が膜中に取り込まれる効率が格段に向上する。さらに水
素濃度を増大させていくと、窒化ガリウム系化合物半導
体薄膜中に取り込まれるＭｇの元素濃度は徐々に増大し
ていく。このようなＭｇ元素濃度の窒素ベースキャリア
ガス中の水素濃度依存性は、Ｃｐ₂Ｍｇガスがキャリア
ガス中の水素濃度増加とともに気相中で拡散し易くな
り、基板表面への到達量が増加するためではないかと推
測される。

【００３４】したがって、Ｍｇドープ窒化ガリウム系化
合物半導体薄膜成長において、窒素をベースとした全キ
ャリアガス中における有機金属化合物のバブリングに用
いる水素からなる副キャリアガスをも含めた好ましい水
素濃度は、膜中へのＭｇ元素の取り込みを促進するとい
う要請から２％以上、且つ膜のクラックの発生を抑制す
るという要請から２０％以下であり、さらに望ましくは
５％以上且つ１５％以下である。

【００３５】次に、本発明の実施の形態２の具体例を説
明する。（実施例６）次に、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体薄
膜とｎ型窒化ガリウム系化合物半導体薄膜とからなるｐ
ｎ接合を形成し、発光ダイオードを作製した。全キャリ
アガス中の水素ガスの濃度は１０％である。

【００３６】上記実施例１と同様にして、サファイア基
板上にＡｌＮ層バッファ層を成長させた後、その上に、
主キャリアガスとして窒素ガスを９リットル／分、水素
ガスを１リットル／分で流しながら、新たにＴＭＧガス
を４ｃｃ／分、Ｓｉ源である１０ｐｐｍのＳｉＨ₄（モ
ノシラン）ガスを１００ｃｃ／分で流しながら６０分間
成長させて、Ｓｉをドープしたｎ型窒化ガリウム系化合
物半導体薄膜を２μｍの膜厚で成長させた。引き続き、
ＳｉＨ₄ガスを止め、新たに主キャリアガスとして窒素
ガスを９リットル／分、水素ガスを０．９５リットル／
分、Ｃｐ₂Ｍｇの副キャリアガスを５０ｃｃ／分で流し
ながら１５分間成長させて、Ｍｇをドープしたｐ型窒化
ガリウム系化合物半導体薄膜を０．５μｍの膜厚で成長
させた。成長後、原料ガスであるＴＭＧガスとＣｐ₂Ｍ
ｇガスとアンモニアを止めて、窒素ガスと水素ガスをそ
のままの流量で流しながら室温まで冷却した後、ウェハ
ーを反応管から取り出した。

【００３７】ウェハー表面を顕微鏡で観察したところ、
面内全体にわたってクラックのない平坦な表面であっ
た。

【００３８】このようにして形成したｎ型窒化ガリウム
系化合物半導体薄膜とｐ型窒化ガリウム系化合物半導体
薄膜からなるｐｎ接合を、ｐ型ＧａＮ層の一部をエッチ
ングしてｎ型ＧａＮ層の一部を露出させ、ｐ型ＧａＮお
よびｎ型ＧａＮそれぞれの層にオーミック電極を形成し
た。この後、サファイア基板の裏面を研磨して１００μ
ｍ程度まで薄くし、スクライブによりチップ状に分離し
た。このチップをｐｎ接合形成面を上向きにしてステム
に接着した後、チップのｎ型およびｐ型電極を各々ステ
ム上の電極にワイヤで結線し、その後樹脂モールドして
発光ダイオードを作製した。この発光ダイオードを２０
ｍＡの順方向電流で駆動したところ、順方向電圧は４
Ｖ、発光出力は３０μＷであり、波長４３０ｎｍ付近で
青紫色発光を示した。この積層構造において、ｎ型窒化
ガリウム系化合物半導体薄膜とｐ型窒化ガリウム系化合
物半導体薄膜の間に窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａ
Ｎ）薄膜を形成し、これを発光層としたダブルへテロ構
造とすると、より発光効率の高い発光ダイオードを作製
することが可能である。

【００３９】（比較例５）一方、実施例６において、Ｍ
ｇドープのｐ型窒化ガリウム系化合物半導体薄膜を成長
する際に主キャリアガスとして水素ガスのみを用いて、
それ以外の条件は実施例６と同様にしてＧａＮのｐｎ接
合膜を作製した。即ち、全キャリアガス中の水素ガスの
濃度は１００％である。作製されたｐｎ接合膜は、ウェ
ハー表面全体にわたって微細なクラックが発生した。実
施例６と同様な方法で発光ダイオードを作製したとこ
ろ、電流を流しても発光しないものが多く、また、発光
しても瞬時に劣化して発光しなくなってしまい、特性を
測定することはできなかった。

【００４０】ところで、上記キャリアガス中の水素濃度
が２０％より高い場合で窒化ガリウム系化合物半導体薄
膜にクラックが発生する原因を考える上において、以下
に示す二つの要因を考慮する必要があると思われる。

【００４１】即ち、第一には高い水素濃度ほど窒化ガリ
ウム系化合物半導体薄膜中にはＭｇ元素がより多く含ま
れるため、薄膜中の残留応力が大きくなること、第二に
は水素は窒素に比較して熱伝導度が高いため、高い水素
濃度ほど薄膜成長後の冷却中（成長時と同じ水素濃度）
において冷却速度が速く、基板と薄膜の熱膨張係数の差
による応力変化が激しくなること、の２点である。そこ
で本発明者らはこれらの二つの要因の影響を調べるた
め、以下に記す二つの実験を行った。

【００４２】先ず第一の実験として、全キャリアガス中
の水素濃度を１００％（水素のみ）とした場合と水素濃
度を１５％とした場合で、膜中のＭｇの元素濃度が約５
×１０１９／ｃｍ³で同程度になるようにＭｇ源のＣｐ₂
Ｍｇガスの供給量を調整してＭｇドープ窒化ガリウム系
化合物半導体薄膜を成長すると、水素濃度を１００％
（水素のみ）とした場合にクラックがウェハー面内全体
にわたって発生したのに対して、水素濃度を１５％とし
た場合にはクラックは全く発生せず、結晶性の良い平坦
な表面が得られた。

【００４３】次に第二の実験として、キャリアガスの水
素濃度を１００％（水素のみ）としてＭｇドープ窒化ガ
リウム系化合物半導体薄膜を成長した後、水素ガスを窒
素ガスに切り替え、窒素ガス中で室温まで冷却したとこ
ろ、水素ガス中で冷却した場合と同様にウェハー面内全
体にわたってクラックが発生した。

【００４４】以上二つの実験結果より、クラックの発生
の有無は本質的にＭｇドープ窒化ガリウム系化合物半導
体薄膜成長時のキャリアガス中の水素ガス濃度そのもの
で決定されている可能性が高い。

【００４５】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、ｐ型不純
物としてＭｇをドープした窒化ガリウム系化合物半導体
薄膜を成長する際に、クラックの発生を抑制し、且つ薄
膜中にＭｇを高濃度に取り込むことが可能となるという
優れた効果が得られる。また、このｐ型不純物をドープ
したｐ型窒化ガリウム系化合物半導体薄膜を用いて発光
ダイオードやレーザダイオード等の発光デバイスを作製
した場合でも、成長した積層構造にクラックを発生させ
ることなく動作抵抗を低減できることから、性能および
信頼性に優れた発光デバイスを歩留まり良く製造できる
という優れた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施の形態で使用した有機金属気
相成長装置の主要部を示す概略断面図

【図２】全キャリアガス中の水素ガスの濃度を０．５％
とした場合にＭｇをドープして形成した窒化ガリウム系
化合物半導体薄膜表面の結晶構造を表す顕微鏡図

【図３】全キャリアガス中の水素ガスの濃度が１５％と
した場合にＭｇをドープして形成した窒化ガリウム系化
合物半導体薄膜表面の結晶構造を表す顕微鏡図

【図４】全キャリアガス中の水素ガスの濃度を３０％と
した場合にＭｇをドープして形成した窒化ガリウム系化
合物半導体薄膜表面の結晶構造を表す顕微鏡図

【図５】全キャリアガス中の水素ガスの濃度を１００％
とした場合にＭｇをドープして形成した窒化ガリウム系
化合物半導体薄膜表面の結晶構造を表す顕微鏡図

【図６】全キャリアガス中の水素濃度と窒化ガリウム系
化合物半導体薄膜中に取り込まれたＭｇの元素濃度の関
係を示す図

【符号の説明】

１反応管２基板３基板ホルダー４発熱体５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆ流量制御器６排気ガス

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】窒素がベースで水素が２０％以下の濃度で
混合されたキャリアガスを用いて原料ガスを反応管へ輸
送し、前記反応管内に装着された基板上にｐ型不純物を
ドープした窒化ガリウム系化合物半導体薄膜を成長させ
ることを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
【請求項２】半導体薄膜成長面を下向きに前記基板を装
着することを特徴とする請求項１に記載の半導体薄膜の
製造方法。
【請求項３】前記成長させる方法が有機金属気相成長法
であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導
体薄膜の製造方法。
【請求項４】前記キャリアガスとして水素が２％以上且
つ２０％以下の濃度で混合された窒素をベースとするキ
ャリアガスを用いることを特徴とする請求項１〜３の内
のいずれかに記載の半導体薄膜の製造方法。