JPH11297631A - 窒化物系化合物半導体の成長方法 - Google Patents

窒化物系化合物半導体の成長方法

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JPH11297631A
JPH11297631A JP10102355A JP10235598A JPH11297631A JP H11297631 A JPH11297631 A JP H11297631A JP 10102355 A JP10102355 A JP 10102355A JP 10235598 A JP10235598 A JP 10235598A JP H11297631 A JPH11297631 A JP H11297631A
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昌宏 石田
Masaaki Yuri
正昭 油利
Osamu Kondo
修 今藤
Tadaaki Hashimoto
忠朗 橋本
Kenji Orita
賢児 折田
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 窒化物系化合物半導体の成長において、バッ
ファ層を用いた成長では、バッファ層付近で欠陥が発生
して、窒化物系化合物半導体を用いた半導体装置の性
能、信頼性などに問題を生じる。 【解決手段】 窒化物系化合物半導体により構成される
基板２に、ＡｌＧａＮについては９００℃以上の成長温
度で、ＩｎＡｌＧａＮについては７００℃以上の成長温
度で窒化物系化合物半導体８を成長させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、窒化物系化合物半
導体の成長方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】窒化物系化合物半導体は、青色半導体レ
ーザなどの半導体装置の材料として用いられている。窒
化物系化合物半導体を用いた半導体装置の信頼性の向上
や性能の向上には、結晶性の優れた窒化物系化合物半導
体を基板上に成長させることが必要不可欠である。従
来、窒化物系化合物半導体の成長方法として、サファイ
ア基板上に成長温度４００℃以上９００℃以下でＡｌＮ
バッファ層を成長させたのちに、その上に窒化物系化合
物半導体を成長させる方法（特開平２−２２９４７６号
公報）や、サファイア基板上に成長温度２００℃以上９
００℃以下でＡｌＧａＮバッファ層を成長させたのち
に、その上に窒化物系化合物半導体を成長させる方法
（特開平７−３１２３５０号公報および特公平８−８２
１７号公報）が知られている。これらの方法は、いずれ
もサファイア基板上に低温で多結晶のバッファ層を成長
させ、昇温によってバッファ層を部分的に単結晶化させ
ることにより、この部分的に単結晶化させたバッファ層
を方位のそろった種結晶とし、この種結晶を核に窒化物
系化合物半導体を成長させるものである。さらに、核は
成長の進行とともに大きくなり、ついに隣接する核と合
体するが、この時、隣接する核同士は方位がそろってい
るため、核の合体後は単一の単結晶となって窒化物系化
合物半導体が成長する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところが、上記従来の
方法によりサファイア基板上に低温で成長させたバッフ
ァ層の上に成長させた窒化物系化合物半導体の断面を透
過型電子顕微鏡などで詳細に調べると、基板にはほとん
ど欠陥がみられないが、基板と窒化物系化合物半導体と
の界面から欠陥が発生して、窒化物系化合物半導体中に
転位密度が１×１０9ｃｍ-2〜１×１０11ｃｍ-2程度の
多量の欠陥が存在することが認められた。この欠陥の発
生は、部分的に単結晶化したバッファ層を中心に大きく
なった核が合体する時、結晶の方位や積層が原子レベル
でごくわずかにずれ、このずれが結晶欠陥として窒化物
系化合物半導体中に残存したまま成長することに起因し
ている。このような欠陥が存在した窒化物系化合物半導
体を用いて半導体装置を作成した場合、欠陥が非発光の
キャリア捕獲中心として働くことで発光効率の低下をま
ねいたり、さらには欠陥に起因する素子の破壊などの信
頼性の問題が発生したりする。また、サファイア基板の
上に窒化物系化合物半導体を成長させる場合、成長層が
ある膜厚以上になると、基板の温度を成長温度から室温
まで基板温度を下げる工程において両者の熱膨張係数の
違いによりクラックを生じてしまう。
【０００４】このように従来の方法では、欠陥の発生は
不可避であり、窒化物系化合物半導体を用いた半導体装
置の性能や信頼性のさらなる向上には、欠陥が発生しな
い成長法が必要となっていた。
【０００５】本発明はこのような事情に鑑みて成された
ものであり、欠陥の発生を抑制しつつ、基板上に窒化物
系化合物半導体を成長する方法を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明の請求項１記載の
窒化物系化合物半導体の成長方法は、窒化物系化合物半
導体からなる基板上に、一般式がＡｌxＧａ1-xＮ（ただ
し、０≦ｘ≦１）で示される化合物半導体を９００℃以
上の成長温度で成長させる構成を有している。
【０００７】これにより、基板と成長層の界面において
欠陥を発生することなく、ＡｌＧａＮを成長させること
が可能であるとともに、サファイア基板などを用いた場
合に比べ、基板と熱膨張係数の違いによるクラックの発
生を抑制することができる。
【０００８】本発明の請求項２記載の窒化物系化合物半
導体の成長方法は、窒化物系化合物半導体からなる基板
上に、一般式がＩｎyＡｌzＧａ1-y-zＮ（ただし、０＜
ｙ≦１、０≦ｚ＜１、０≦ｙ＋ｚ≦１）で示される化合
物半導体を７００℃以上の成長温度で成長させる構成を
有している。
【０００９】これにより、基板と成長層の界面において
欠陥を発生することなく、ＩｎＡｌＧａＮを成長させる
ことが可能であるとともに、サファイア基板などを用い
た場合に比べ、基板と熱膨張係数の違いによるクラック
の発生を抑制することができる。
【００１０】本発明の請求項３記載の窒化物系化合物半
導体の成長方法は、前記基板の転位密度が１×１０6ｃ
ｍ-2以下である構成を有している。
【００１１】これにより、従来のバッファ層を用いた成
長に比べて、キャリア移動度が向上するなど、結晶性が
良い窒化物系化合物半導体を成長することができる。
【００１２】本発明の請求項４記載の窒化物系化合物半
導体の成長方法は、前記基板の厚さが３０μｍ以上であ
る構成を有している。
【００１３】これにより、基板上への成長において、実
用的な基板強度が得られることで、高い歩留まりで窒化
物系化合物半導体の成長を行うことができる。
【００１４】本発明の請求項５記載の窒化物系化合物半
導体の成長方法は、前記基板上への前記化合物半導体の
成長中、前記基板上に砒素を含む分子または砒素を供給
する構成を有している。
【００１５】これにより、窒素空孔を防ぐことができ、
アンドープでのキャリア密度の低減など、結晶性が良い
窒化物系化合物半導体を成長することができる。
【００１６】本発明の請求項６記載の窒化物系化合物半
導体の成長方法は、前記基板上への前記化合物半導体の
成長中、前記基板上に燐を含む分子または燐を供給する
構成を有している。
【００１７】これにより、窒素空孔を防ぐことができ、
アンドープでのキャリア密度の低減など、結晶性が良い
窒化物系化合物半導体を成長することができる。
【００１８】これらの構成により、低欠陥密度の窒化物
系化合物半導体を成長させることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を用いて説明する。
【００２０】図１は、本発明の第１の実施の形態の方法
で用いられる有機金属化学気相成長装置の反応部を概略
的に示す断面図である。
【００２１】図１において、反応炉１内には基板２を保
持するためのサセプタ３が配置されている。サセプタ３
はヒータ４によって加熱されるように構成されている。
そして、サセプタ３上では、反応炉１のガス供給部５か
ら原料ガスとＨ2からなるキャリアガスとが反応炉１内
に供給され、層流が得られるようになっている。また、
反応炉１には排気管６を通じて圧力制御装置７が接続さ
れており、供給されたガスを外部へ放出するとともに反
応炉１内の圧力を制御することができる。
【００２２】なお、この実施の形態では、基板２に対し
て平行方向に流れる横型の反応炉１の例を示したが、基
板に対して層流が得られる構造になっていれば反応ガス
が垂直に流れる縦型の反応炉を用いてもよい。また、キ
ャリアガスとしてＨ2以外に、Ｎ2や希ガスを使用しても
よい。
【００２３】次に、有機金属気相成長法を用いて、Ｇａ
ＮおよびＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ基板上にＧａＮ結晶を成長さ
せる成長方法の手順を説明する。
【００２４】まず、図１において、洗浄したＧａＮまた
はＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎからなる基板２をサセプタ３上に載
置し、ガス供給部５からＨ2ガスを供給しながら、サセ
プタ３をヒータ４で１０００℃まで上昇させ、温度が安
定するまで待つ。次に、ガス供給部５から、３族原料と
してトリメチルガリウムおよび５族原料としてアンモニ
アをＨ2ガスに加えて、６０分間供給して、 基板２上に
厚さ２μｍのＧａＮ８を圧力１０ｋＰａの減圧中で成長
させた。ただし、トリメチルガリウムの流量を５０μmo
l/min、またアンモニアの流量を２００mmol/minとし
た。なお、成長温度の上限は、ＧａＮの分解温度よりも
低い温度であり、分解温度は圧力によって変わる。常圧
の分解温度は、約１１００℃である。
【００２５】比較のため、従来の成長方法によりサファ
イア基板上に、厚さ０．０５μｍのＧａＮバッファ層を
６００℃で成長させた後、成長温度を１０００℃とし
て、ＧａＮバッファ層上に厚さ２μｍのＧａＮを成長さ
せた。
【００２６】図２は、ＧａＮ基板上およびＡｌ0.2Ｇａ
0.8Ｎ基板上に成長温度１０００℃で直接成長させたＧ
ａＮと、サファイア基板の上のバッファ層上に成長させ
たＧａＮのそれぞれの欠陥密度の深さ分布を、断面ＴＥ
Ｍで測定した結果である。破線Ａに示すように低温で成
長させたバッファ層の上に成長させたＧａＮは、バッフ
ァ層付近で大量の欠陥が発生し、欠陥の一部は、消滅す
ることなく表面まで達している。一方、実線Ｂに示すよ
うにＧａＮ基板上およびＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ基板上に成長
させたＧａＮは基板と成長層で欠陥密度の変化はない。
このように、低温で成長させたバッファ層を用いた成長
では欠陥が多量に発生するのに対し、本発明では、基板
と成長層との界面における欠陥の発生が抑制されている
ことがわかる。
【００２７】本発明の第２の実施の形態の窒化物系化合
物半導体の成長方法は、ＧａＮ基板上に、成長温度を７
５０℃〜１１００℃の間で厚さ２μｍのＧａＮを成長さ
せる方法である。ただし、第２の実施の形態では成長温
度以外、第１の実施の形態と全く同様の成長方法であ
る。
【００２８】図３は、ＡＦＭで測定したＧａＮの表面荒
さの成長温度依存性である。９００℃未満では表面の凹
凸が激しいが、９００℃以上の成長温度では表面はほぼ
平坦である。９００℃未満で凹凸が発生したのは、成長
温度が低いと成長層が多結晶になるためである。
【００２９】本発明の第３の実施の形態の窒化物系化合
物半導体の成長方法は、従来の方法でＧａＮ基板上およ
びサファイア基板上にそれぞれ厚さ０．０５μｍのＧａ
Ｎバッファ層を成長温度６００℃で成長させ、さらに、
それぞれの上に厚さ２μｍのＡｌ0.4Ｇａ0.6Ｎを成長さ
せる方法である。
【００３０】その結果、サファイア基板上に成長させた
バッファ層上のＡｌＧａＮにはクラックが生じているの
に対し、ＧａＮ基板上のＡｌＧａＮはほぼ平坦であっ
た。サファイア基板上に成長させたバッファ層上のＡｌ
ＧａＮのクラックは、試料を成長温度から室温に下げた
ときに熱膨張係数差によって生じたものである。一方、
ＧａＮとＡｌＧａＮでは熱膨張係数や格子定数などの性
質が互いに非常に近いためクラックが生じない。
【００３１】本発明の第４の実施の形態の窒化物系化合
物半導体の成長方法は、第１の実施の形態に準じた方法
で、トリメチルガリウムおよびアンモニアの原料ガスに
さらにトリメチルインジウムを加え、ＧａＮ基板上に成
長温度を６５０℃から９００℃の間で厚さ１μｍのＩｎ
ＧａＮを成長させる方法である。ＩｎＧａＮの場合成長
温度を下げると組成が変化するといった現象があるが、
第４の実施の形態では原料流量を調節することで同じ組
成のＩｎＧａＮを得ている。ただし、ＩｎＧａＮの性質
とＩｎＡｌＧａＮの性質はほぼ同じであるといえる。
【００３２】図４は、成長させたＩｎＧａＮの表面荒さ
の成長温度依存性である。図４から明らかなようにＩｎ
ＡｌＧａＮを７００℃未満の温度で成長させた場合、表
面の凹凸が激しいが、７００℃以上の温度では表面はほ
ぼ平坦であることがわかる。ＩｎＡｌＧａＮの場合、融
点がＡｌＧａＮよりも低いために、ＡｌＧａＮに比べる
と低温での成長が可能で、７００℃以上の成長温度で結
晶性の良い単結晶が成長する。
【００３３】本発明の第５の実施の形態の窒化物系化合
物半導体の成長方法は、第１の実施の形態と同様の方法
で、ｐ型ＧａＮ基板上にｎ型ＧａＮを成長させる方法で
ある。また、成長層のキャリア移動度をホール測定によ
り測定した。ｎ型ＧａＮは、Ｓｉをドーピングすること
でキャリア密度を１×１０18ｃｍ-3とした。図５は、キ
ャリア移動度の基板転位密度依存性である。図５から明
らかなようにキャリア移動度は転位密度の減少とともに
増大しており、キャリア移動度が大きいほど成長層の結
晶性が良いことがわかる。転位密度１×１０6ｃｍ-2で
キャリア移動度の増大は飽和しキャリア移動度は一定と
なる。このことから、基板の転位密度を１×１０6ｃｍ
-2以下とすることで、結晶性の良い窒化物系化合物半導
体８を成長させることができることがわかる。
【００３４】本発明の第６の実施の形態の窒化物系化合
物半導体の成長方法は、第１の実施の形態と同様の方法
で、厚さの違う直径１インチＧａＮ基板上にそれぞれＧ
ａＮを成長させる方法である。また、ＧａＮ基板の厚さ
を変化させて基板の割れの発生状況を図６に示す。図６
から明らかように基板の厚さが薄いほど、割れが多く発
生し、基板厚さが３０μｍ未満ではほぼ全数に割れが生
じている。基板の厚さを６０μｍ以上とすると、基板の
割れは１％以内となり、実用上十分な歩留まりが得られ
ている。基板厚さを３０μｍ以上、望ましくは６０μｍ
以上とすることで基板として実用的な強度が得られてい
る。以上のような基板の割れは、原理的には基板の温度
分布の不均一の解消や、基板の取り扱い方法の改善によ
り減らすことが可能と考えられるが、実際には薄い基板
は非常に取り扱いが困難であり、本実施形態は実用的な
基板厚さを示したものである。
【００３５】ただし、基板は、その厚さが上記の条件を
満足し、かつ成長面の面方位が同じであれば多結晶の塊
などであってもよい。
【００３６】本発明の第７の実施の形態の窒化物系化合
物半導体の成長方法は、第１の実施の形態と同様の方法
で、成長中に原料ガスに加えてＡｓＨ3を供給した場
合、ＰＨ3を供給した場合、ＡｓＨ3、ＰＨ3いずれも供
給しなかった場合について、窒化物系化合物半導体８を
成長させる方法である。また、それぞれの成長層のキャ
リア密度の比較を図７に示す。ただし、基板の大きさは
それぞれ５×１０-8ｃｍ -2とした。また、ＡｓＨ3、Ｐ
Ｈ3の流量はいずれも１０ｓｃｃｍでガス供給部５から
供給する。得られたアンドープＧａＮの導電型はいずれ
もｎ型であった。図７から明らかなように、成長中にＡ
ｓあるいはＰを導入することによりキャリア密度が低下
する。ＧａＮがアンドープでｎ型を示すのは、ＧａＮは
Ｎの蒸気圧が高いためにＮの成長中への取り込み効率が
悪く、したがって、Ｎ空孔欠陥が生じやすくて、生じた
Ｎ空孔欠陥がドナー性の欠陥として働くからである。Ａ
ｓあるいはＰの導入によりキャリア密度が低下するの
は、窒素よりも蒸気圧の低いＡｓやＰを導入すること
で、Ｎの空孔を補償する働きがあるからと考えられる。
【００３７】
【発明の効果】以上説明したように、本発明は、基板界
面と成長層の間に欠陥を発生することなく窒化物系化合
物半導体の成長を行う方法を提供することができ、した
がってこの方法により成長した窒化物半導体を用いて短
波長発光素子等を作製することにより、素子の性能、信
頼性を飛躍的に向上させることができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に用いた有機金属化
学気相成長装置の構成を概略的に示す断面図
【図２】本発明の第１の実施の形態により成長させたＧ
ａＮとサファイア基板上に従来の方法により成長させた
ＧａＮの欠陥密度の深さ分布の比較を示す図
【図３】本発明の第２の実施の形態により成長させたＧ
ａＮの表面荒さの成長温度依存性を示す図
【図４】本発明の第４の実施の形態により成長させたＩ
ｎＧａＮの表面荒さの成長温度依存性を示す図
【図５】本発明の第５の実施の形態における成長層のキ
ャリア移動度の基板転位密度依存性を示す図
【図６】本発明の第６の実施の形態における基板割れの
発生率の基板厚さ依存性を示す図
【図７】本発明の第７の実施の形態におけるＡｓ、Ｐ導
入によるキャリア密度の低減効果を示す図
【符号の説明】
１ 反応炉 ２ 基板 ３ サセプタ ４ ヒータ ５ ガス供給部 ６ 排気管 ７ 圧力制御装置 ８ 窒化物系化合物半導体
フロントページの続き (72)発明者 橋本 忠朗 大阪府高槻市幸町１番１号 松下電子工業 株式会社内 (72)発明者 折田 賢児 大阪府高槻市幸町１番１号 松下電子工業 株式会社内

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 窒化物系化合物半導体からなる基板上
    に、一般式がＡｌxＧａ1 -xＮ（ただし、０≦ｘ≦１）で
    示される化合物半導体を９００℃以上の成長温度で成長
    させることを特徴とする窒化物系化合物半導体の成長方
    法。
  2. 【請求項２】 窒化物系化合物半導体からなる基板上
    に、一般式がＩｎyＡｌzＧａ1-y-zＮ（ただし、０＜ｙ
    ≦１、０≦ｚ＜１、０≦ｙ＋ｚ≦１）で示される化合物
    半導体を７００℃以上の成長温度で成長させることを特
    徴とする窒化物系化合物半導体の成長方法。
  3. 【請求項３】 前記基板の転位密度が１×１０6ｃｍ-2
    以下であることを特徴とする請求項１または請求項２記
    載の窒化物系化合物半導体の成長方法。
  4. 【請求項４】 前記基板の厚さが３０μｍ以上であるこ
    とを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記
    載の窒化物系化合物半導体の成長方法。
  5. 【請求項５】 前記基板上への前記化合物半導体の成長
    中、前記基板上に砒素を含む分子または砒素を供給する
    ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに
    記載の窒化物系化合物半導体の成長方法。
  6. 【請求項６】 前記基板上への前記化合物半導体の成長
    中、前記基板上に燐を含む分子または燐を供給すること
    を特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載
    の窒化物系化合物半導体の成長方法。
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