JPWO2008117627A1 - AlGaN crystal growth method on silicon substrate - Google Patents
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Abstract
煩雑な処理をすることなく、シリコン基板上に高品質なAlGaNの結晶の成長を行う方法を提供する。シリコン基板1024の表面は、水素で終端されている。まず、700℃以上、例えば950℃程度で加熱し、水素を脱離する。キャリアガスを水素から窒素に変えた後、AlGaNの結晶成長温度まで上昇させる。同時に原料ガスも導入する。このようにして、AlGaNをエピタキシャル成長させる。水素を脱離してからAlGaNの結晶成長を行ったので、より高品質なAlGaN結晶を得ることができる。Provided is a method for growing high-quality AlGaN crystals on a silicon substrate without complicated processing. The surface of the silicon substrate 1024 is terminated with hydrogen. First, heating is performed at 700 ° C. or higher, for example, about 950 ° C. to desorb hydrogen. After changing the carrier gas from hydrogen to nitrogen, the temperature is raised to the crystal growth temperature of AlGaN. At the same time, the raw material gas is introduced. In this way, AlGaN is epitaxially grown. Since AlGaN crystal growth was performed after desorption of hydrogen, a higher quality AlGaN crystal can be obtained.
Description
本発明は、AlGaNを、シリコン基板上で結晶成長させる方法及びその関連技術に関する。 The present invention relates to a method for crystal growth of AlGaN on a silicon substrate and related techniques.
AlGaNは、発光ダイオード等の材料としてその利用範囲が大きな広がりを見せている。 AlGaN is widely used as a material for light-emitting diodes and the like.
このAlGaNを結晶成長させる方法の一つに、MOVPE(Metalorganic Chemical Vapor Phase Deposition)法が知られており、広く利用されてきた方法である。このMOVPE法によってAlGaNを結晶成長させる場合、その結晶成長の基となる基板(基板結晶と呼ぶ)としては、サファイア基板やシリコンカーバイド(SiC)基板が用いられてきた。 MOVPE (Metalorganic Chemical Vapor Phase Deposition) is known as one of the methods for growing AlGaN crystals, and has been widely used. When AlGaN is crystal-grown by this MOVPE method, a sapphire substrate or a silicon carbide (SiC) substrate has been used as a substrate (referred to as a substrate crystal) as a base for the crystal growth.
これらの基板は、非常に高価であるので、安価なシリコン基板の利用が古くから考えられてきた。 Since these substrates are very expensive, the use of inexpensive silicon substrates has long been considered.
シリコン基板
しかし、このシリコン基板を用いたMOVPE法によってAlGaN結晶を成長させようとすると、良質な結晶成長を長時間続けることが困難であることが知られている。その理由は、原料ガスとシリコンとが反応してしまうからであると考えられている。 Silicon substrate
However, it is known that when an AlGaN crystal is grown by the MOVPE method using this silicon substrate, it is difficult to continue high-quality crystal growth for a long time. The reason is considered to be that the source gas reacts with silicon.
また、例えば、インターネット上の「http://www.sanken-ele.co.jp/news/contents/20011122.htm」(サンケン電気、NEWSリリース)(非特許文献3)では、AlGaNからAlを除いた物質であるGaNに関しての同様の問題が指摘されている。この非特許文献3においては、上記問題点を解決する手法についても記載がある。
Also, for example, “http://www.sanken-ele.co.jp/news/contents/20011122.htm” (Sanken Electric, NEWS release) (Non-patent Document 3) on the Internet excludes Al from AlGaN. Similar problems have been pointed out with respect to GaN, which is a new material. This
この記載によれば、第1に、シリコンとGaN材料との反応を抑制するために、エピタキシャル成長を行わせる前のシリコン表面を、原子オーダーでフラットにすると共に、水素原子で覆うことが提案されている。また、第2に、GaNの結晶性の向上のために、シリコン基板の各種面方位を調査し、結晶性が最も優れているSi(111)面を採用することが提案されている。このような手法によって、SiとGaが反応してしまうために、シリコン基板上に直接GaNを結晶成長させることは困難であるとの一般技術常識を覆したと記載されている。 According to this description, firstly, in order to suppress the reaction between silicon and the GaN material, it is proposed that the silicon surface before epitaxial growth is made flat in atomic order and covered with hydrogen atoms. Yes. Second, in order to improve the crystallinity of GaN, it has been proposed to investigate various plane orientations of the silicon substrate and adopt the Si (111) plane having the best crystallinity. It is described that the general technical common sense that it is difficult to directly grow GaN crystals on a silicon substrate because Si and Ga react by such a method is described.
ここで、示されているのはGaN結晶の成長であるが、同様の問題がAlGaNに関しても存在することが知られている。 Although shown here is the growth of GaN crystals, it is known that similar problems exist for AlGaN.
このように、シリコン基板を用いたAlGaN結晶の成長は困難であった。 Thus, it was difficult to grow an AlGaN crystal using a silicon substrate.
そこで、AlGaNのエピタキシャル成長の前にシリコン基板上に、AlGaN又はGaNのバッファー層を形成すればよいのではないかというアイデアは古くから存在する。しかし、このようなバッファー層を形成しようとした場合、基板上に凹凸や、穴が生じることが知られている。この理由は、SiとGaが反応してしまうからであると考えられていた。この問題点は、例えば下記非特許文献1にも記載されている。この非特許文献1に記載されている上記「穴」の様子はGaNのバッファー層に関するものであるが、AlGaNについてもほぼ同様に考えることができよう。この非特許文献1には「穴」の様子を示す写真も掲載されている。
Therefore, the idea that an AlGaN or GaN buffer layer may be formed on a silicon substrate before the epitaxial growth of AlGaN has long existed. However, it is known that when such a buffer layer is formed, irregularities and holes are formed on the substrate. This reason was thought to be because Si and Ga would react. This problem is also described in
改良された従来の技術によるGaNやAlGaNの結晶成長
そこで、GaNによるバッファー層を採用することは困難であるため、近年、AlNによるバッファー層を用いることが考えられるに至った。 Crystal growth of GaN and AlGaN by the improved conventional technique Therefore, it is difficult to adopt a buffer layer made of GaN, and in recent years, it has been considered to use a buffer layer made of AlN.
AlNによるバッファー層を用いる場合は、シリコン基板の上に、まず低温でAlNのバッファー層が設けられる。次に、高温でGaNやAlGaNの結晶成長が行われる。 When an AlN buffer layer is used, an AlN buffer layer is first provided on a silicon substrate at a low temperature. Next, crystal growth of GaN or AlGaN is performed at a high temperature.
他の従来の先行技術文献
AlGaNや、GaNの結晶成長を行うためには、そのほかにも種々の技術が知られている。 Other prior art documents AlGaN and various other techniques are known for crystal growth of GaN.
(a)上述したようなAlNのバッファー層を用いた発光ダイオードが下記特許文献1に記載されている。この特許文献1には、シリコン基板上にポーラスシリコン層が形成され、その上にAlNから成るバッファー層が形成され、その上にInAlGaN層が形成される構造が示されている(松下電器)。
(A) A light-emitting diode using an AlN buffer layer as described above is described in
(b)また、下記特許文献2には、シリコン基板上に多層構造のバッファー層を形成する構造が示されている。この特許文献2のバッファー層は、AlNから成る第1層と、GaNから成る第2層と、AlGaNから成る第3層と、繰り返し積層した構造をなしている。バッファー層が高抵抗となりHEMTの漏れ電流が減少すると記述されている(サンケン電気)。
(B)
(c)また、下記特許文献3には、GaN系の半導体装置において、AlGaNバッファー層を用いた例が示されている。この特許文献3においては、SiMOX基板上にSiC薄膜層を設け、その上にAlGaNバッファー層が形成される構造が示されている(東芝)。
(C)
(d)例えば、GaNを、GaAsの上に堆積する技術が知られている。この技術では、GaAsの結晶面(111)に「表」と「裏」の面があることを考慮し、ヒ素が抜けやすい方の面にGaNを結晶成長させることが好ましいと言える。このような技術が下記非特許文献2に記載されている。
(D) For example, a technique for depositing GaN on GaAs is known. In this technique, it can be said that it is preferable to grow GaN on the surface where arsenic is easily removed in consideration of the “front” and “back” surfaces of the GaAs crystal surface (111). Such a technique is described in Non-Patent
(e)また、下記特許文献4には、シリコン基板上に、窒化チタンの膜を設け、その上にGaNを積層する構成が開示されている。 (E) Patent Document 4 below discloses a configuration in which a titanium nitride film is provided on a silicon substrate and GaN is stacked thereon.
(c)また、下記特許文献5には、 シリコン基板上に凹凸を設ける技術が開示されている。この凹凸によって、低温GaNバッファー層を設けずに、直接にGaNを結晶成長させても、結晶が横方向に成長してしまうのを抑制でき、平坦な結晶成長が実現できるとされている。 (C) Moreover, the following patent document 5 discloses a technique for providing irregularities on a silicon substrate. By this unevenness, even if GaN is directly grown without providing a low-temperature GaN buffer layer, it is possible to suppress the lateral growth of the crystal and to realize a flat crystal growth.
(d)また、下記特許文献6には、自然酸化膜が形成されているシリコン基板を用いて、III−V属窒化物(特にGaN)の結晶成長を行う技術が開示されている。この特許文献3では、上記自然酸化物を窒化し、SiON膜に転化してから、このSiON膜の上にIII−V属窒化物(特にGaN)を結晶成長させる技術が開示されている。
(D) Patent Document 6 listed below discloses a technique for crystal growth of III-V nitride (particularly GaN) using a silicon substrate on which a natural oxide film is formed.
(e)また、下記特許文献7には、窒化物半導体の結晶成長方法として、2段階の成長段階からなる手法が記載されている。まず、第1段階は、低温で遅い結晶成長速度で基板(基体)上に、島状の結晶領域を形成する。そして、第2段階は、島状の結晶領域を結合するように高温で速い結晶成長速度で結晶成長させる技術が開示されている。 (E) Patent Document 7 listed below describes a technique comprising two stages of growth as a method for growing a nitride semiconductor crystal. First, in the first stage, island-like crystal regions are formed on a substrate (base) at a low crystal growth rate at a low temperature. In the second stage, a technique is disclosed in which crystal growth is performed at a high temperature and a high crystal growth rate so as to bond island-like crystal regions.
(f)また、下記特許文献8には、GaN単結晶からなるベース板上に、GaNの非晶質層を形成し、この非晶質層の上に、さらにGaNの単結晶層を形成する記述が開示されている。転位等の結晶欠陥が減少するとされている。
(F) In
(g)また、下記特許文献9には、単結晶シリコン基板上に、3C−SiC単結晶層及び、BGaNの混晶層を順次設ける。そして、これらの上に、c−GaN単結晶膜を形成する。欠陥を制御しうるGaN半導体が得られると記載されている。 (G) In Patent Document 9 below, a 3C—SiC single crystal layer and a BGaN mixed crystal layer are sequentially provided on a single crystal silicon substrate. Then, a c-GaN single crystal film is formed on these. It is described that a GaN semiconductor capable of controlling defects can be obtained.
(h)また、下記特許文献10には、シリコン基板上に、c−BPの膜をバッファー層として成形し、このバッファー層の上から3C−SiC又はc−GaNをエピタキシャル成長させる技術が開示されている。格子不整合の問題を解消しうると記載されている。また、上記c−BPのバッファー層の上にアモルファスSiC又はGaNの膜を300℃から600℃で形成する技術も開示されている。
(H)
以上述べたように、シリコン基板上でAlGaNの結晶成長を行わせようとする試みは、種々存在するが、これらには以下のような問題がある。 As described above, there are various attempts to perform AlGaN crystal growth on a silicon substrate, but these have the following problems.
(1)AlNその他の物質をバッファー層とする技術では、使用する材料が増えてしまい、装置が煩雑となりがちである。また、材料の種類が増えるので、材料の管理コストも増大する。 (1) In the technique of using AlN or other substances as a buffer layer, the material used increases, and the apparatus tends to be complicated. In addition, since the types of materials increase, the management cost of the materials also increases.
(2)また、シリコン基板の表面に何らかの加工を施す手法では、表面を加工して「荒く」する必要があるので、却って平面性に問題が生じる恐れもある。また、加工のための工程が必要となり、結晶成長方法が煩雑となる恐れがある。 (2) Further, in the method of performing some processing on the surface of the silicon substrate, it is necessary to process the surface to “roughen”, and there is a possibility that a problem in flatness may occur. Moreover, the process for a process is needed and there exists a possibility that the crystal growth method may become complicated.
したがって、シリコン基板上で良質のAlGaN結晶をより簡便な手法で成長させることができる手法が広く望まれている。 Therefore, a technique capable of growing a high-quality AlGaN crystal on a silicon substrate by a simpler technique is widely desired.
本発明は、係る課題に鑑みなされたものであり、その目的は、煩雑な処理をすることなく、シリコン基板上にAlGaNの結晶の成長を行う方法を提供することである。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a method for growing an AlGaN crystal on a silicon substrate without complicated processing.
上述したように、シリコン基板(Si基板)は世の中に大型基板結晶として大量に出回っているので、これを基板として用いることができれば、非常に安価に光素子や電子デバイスの作製が可能となる。そのため、既に述べたように、シリコン基板上でAlGaNを結晶成長させる多くの研究がなされている。 As described above, silicon substrates (Si substrates) are widely available as large substrate crystals in the world, so that if they can be used as substrates, it is possible to manufacture optical elements and electronic devices at a very low cost. Therefore, as already described, many studies have been made on crystal growth of AlGaN on a silicon substrate.
上述したように、通常の条件でAlGaNをSi上にエピタキシャル成長させるとAlGaN−Si界面に穴状の欠陥が発生し、AlGaNの良好な結晶成長ができないと予想される。この現象を捉えて、一般に基板Siと原料であるGa分子種との反応が起きるためであるとの報告(論文や学会発表)が多くなされている。 As described above, when AlGaN is epitaxially grown on Si under normal conditions, a hole-like defect is generated at the AlGaN-Si interface, and it is expected that good crystal growth of AlGaN cannot be achieved. There have been many reports (papers and conference presentations) that capture this phenomenon and generally cause a reaction between the substrate Si and a Ga molecular species as a raw material.
現在、この問題を解決するための最もポピュラーな手法の一つは上述したバッファー層の利用であろう。すなわち、Si基板上にAlNの薄膜(バッファー層)を最初に成長させ、その後にGaNの成長を行うのである。この技術を用いて実際にLEDが作製され、市販されている。これは、上記非特許文献3に記載されている。
Currently, one of the most popular techniques for solving this problem would be the use of the buffer layer described above. That is, an AlN thin film (buffer layer) is first grown on a Si substrate, and then GaN is grown. LEDs are actually made using this technology and are commercially available. This is described in
本願発明者らの研究
ところで、本願発明者らは、Si基板上にAlGaNを成長させる手法を長年研究してきた。 By the way, the inventors of the present application have studied for a long time a method of growing AlGaN on a Si substrate.
その結果、本願発明者らは、シリコン基板上にAlGaNを直接結晶成長させた場合にシリコン基板状に穴などの欠陥が生じてしまう理由は、SiとGa原料が反応するのでなく、通常行われる気相雰囲気中の水素がSi最表面に吸着して、その吸着した水素がAlGaNの成長を妨げるためであることを見いだした。 As a result, the inventors of the present application normally do not react Si and Ga raw materials, but cause defects such as holes in the silicon substrate when AlGaN is directly grown on a silicon substrate. It was found that hydrogen in the gas phase atmosphere was adsorbed on the outermost surface of Si and the adsorbed hydrogen hindered the growth of AlGaN.
そして、例えば、そこにGaNバッファー層を成長させようとすると、その成長が妨げられることによってこの層に穴が開いてしまうと考えられる。そして、高温でのAlGaN成長時にその穴を通して、原料であるNH3とSiが反応し、界面が凸凹になることが本願発明者らの研究によって明らかになった。For example, if a GaN buffer layer is to be grown there, it is considered that the growth is hindered and a hole is formed in this layer. The inventors of the present invention have clarified that NH 3 and Si, which are raw materials, react through the holes during AlGaN growth at a high temperature, and the interface becomes uneven.
これらの研究を通して、本願発明者らは、Si基板上に直接AlGaNを成長するためには、水素がない(又は十分に少ない)雰囲気中でSiに吸着した水素を充分に脱離した後に、AlGaNのエピタキシャル成長を行う方法を発明するに至ったのである。 Through these studies, in order to grow AlGaN directly on a Si substrate, the inventors have fully desorbed hydrogen adsorbed on Si in an atmosphere without hydrogen (or sufficiently small), and then AlGaN. The inventors have invented a method for performing epitaxial growth.
この方法によれば、良質のAlGaN結晶を得ることができる。本願発明者らは、この方法を実際に実行し、Si基板上でAlGaNを成長させて、AlGaN結晶を得た。このAlGaN結晶はPL発光が可能な良質のAlGaNの結晶であることを確認した。 According to this method, a good quality AlGaN crystal can be obtained. The inventors of the present application actually executed this method and grown AlGaN on a Si substrate to obtain an AlGaN crystal. This AlGaN crystal was confirmed to be a high-quality AlGaN crystal capable of PL emission.
具体的には、本発明は、以下のような手段を採用する。 Specifically, the present invention employs the following means.
(1)本発明は、上記課題を解決するために、シリコン基板上でAlGaNを結晶成長させる方法において、前記シリコン基板上の水素原子を脱離する水素脱離工程と、前記水素脱離工程の後、前記シリコン基板上に、AlGaNを結晶成長させる結晶成長工程と、を含むことを特徴とするAlGaN結晶成長方法である。 (1) In order to solve the above problems, the present invention provides a method for crystal growth of AlGaN on a silicon substrate, wherein a hydrogen desorption step for desorbing hydrogen atoms on the silicon substrate, and a hydrogen desorption step And a crystal growth step of crystal growth of AlGaN on the silicon substrate.
このように、シリコン基板上の水素原子を脱離するので、水素がAlGaNの結晶成長を妨げてしまうことを防止することができる。その上でAlGaNの結晶成長を行わせれば、良質のAlGaNの結晶が得られる。 As described above, since hydrogen atoms on the silicon substrate are desorbed, it is possible to prevent hydrogen from interfering with AlGaN crystal growth. Then, if AlGaN crystal growth is performed, a good quality AlGaN crystal can be obtained.
(2)また、本発明は、上記(1)記載のAlGaN結晶成長方法において、前記水素脱離工程は、前記シリコン基板を、700℃以上の温度に加熱する工程を含むことを特徴とするAlGaN結晶成長方法である。 (2) Further, in the AlGaN crystal growth method according to the above (1), the hydrogen desorption step includes a step of heating the silicon substrate to a temperature of 700 ° C. or higher. This is a crystal growth method.
加熱によって、水素を脱離することができる。なお、加熱する温度は、800℃以上であればより好ましく、さらに900℃以上であればより一層好ましい。 Hydrogen can be eliminated by heating. The heating temperature is more preferably 800 ° C. or higher, and even more preferably 900 ° C. or higher.
(3)また、本発明は、上記(1)記載のAlGaN結晶成長方法において、前記水素脱離工程は、前記シリコン基板を、700℃以上の温度の窒素雰囲気下に置く工程を含むことを特徴とするAlGaN結晶成長方法である。 (3) Further, in the AlGaN crystal growth method according to the above (1), the hydrogen desorption step includes a step of placing the silicon substrate in a nitrogen atmosphere at a temperature of 700 ° C. or higher. This is an AlGaN crystal growth method.
加熱する際に、水素を含まない窒素雰囲気下にすることによって、水素が再び表面に結合して(終端して)しまうことを防止することができる。なお、窒素雰囲気下の温度は、800℃以上であればより好ましく、さらに900℃以上であればより一層好ましい。 When heating, under a nitrogen atmosphere not containing hydrogen, it is possible to prevent hydrogen from being bound (terminated) to the surface again. The temperature in the nitrogen atmosphere is more preferably 800 ° C. or higher, and even more preferably 900 ° C. or higher.
後述する実施の形態で示すように、加熱の初期段階で水素を含んでいても、加熱途中で水素を含まない雰囲気下に変更する場合も本件発明の技術的範囲に含まれる。 As shown in the embodiments described later, even when hydrogen is contained in the initial stage of heating, the case where the atmosphere is changed to an atmosphere not containing hydrogen during heating is also included in the technical scope of the present invention.
(4)また、本発明は、上記(1)記載のAlGaN結晶成長方法において、前記水素脱離工程は、前記シリコン基板を、700℃以上の温度の不活性ガス雰囲気下に置く工程を含むことを特徴とするAlGaN結晶成長方法である。 (4) Further, according to the present invention, in the AlGaN crystal growth method according to the above (1), the hydrogen desorption step includes a step of placing the silicon substrate in an inert gas atmosphere having a temperature of 700 ° C. or higher. An AlGaN crystal growth method characterized by the following.
加熱する際に、水素を含まない不活性ガス雰囲気下にすることによって、水素が再び表面に結合して(終端して)しまうことを防止することができる。なお、不活性ガスの温度は、800℃以上であればより好ましく、さらに900℃以上であればより一層好ましい。 When heating is performed in an inert gas atmosphere containing no hydrogen, it is possible to prevent hydrogen from being bonded (terminated) to the surface again. The temperature of the inert gas is more preferably 800 ° C. or higher, and even more preferably 900 ° C. or higher.
(5)また、本発明は、上記(1)記載のAlGaN結晶成長方法において、前記結晶成長工程は、水素を含まない雰囲気下で、AlGaNの結晶を成長させる工程を含むことを特徴とするAlGaN結晶成長方法である。 (5) Further, according to the present invention, in the AlGaN crystal growth method according to the above (1), the crystal growth step includes a step of growing an AlGaN crystal in an atmosphere not containing hydrogen. This is a crystal growth method.
(6)また、本発明は、上記(1)記載のAlGaN結晶成長方法において、前記水素脱離工程は、その工程中で、前記シリコン基板の周囲の雰囲気を水素を含まない雰囲気に変更する工程を含み、前記結晶成長工程は、前記変更後の雰囲気中に原料ガスを導入し、さらに結晶成長温度に温度を設定して、前記シリコン基板上にAlGaNの結晶を成長させる工程を含むことを特徴とするAlGaN結晶成長方法である。 (6) In the AlGaN crystal growth method according to (1), the hydrogen desorption step is a step of changing the atmosphere around the silicon substrate to an atmosphere containing no hydrogen in the step. And the crystal growth step includes a step of introducing a source gas into the atmosphere after the change, further setting a temperature to a crystal growth temperature, and growing an AlGaN crystal on the silicon substrate. This is an AlGaN crystal growth method.
このような構成によって、AlGaN結晶を形成する際に水素原子による妨害がないので、より高品質なAlGaN結晶を得ることができる。 With such a configuration, since there is no interference by hydrogen atoms when forming the AlGaN crystal, a higher quality AlGaN crystal can be obtained.
以上述べたように、本発明によれば、水素原子をシリコン基板表面から脱離したので、その結果、その上にAlGaN結晶の成長を行わせることが可能となった。 As described above, according to the present invention, hydrogen atoms are desorbed from the surface of the silicon substrate, and as a result, it is possible to grow AlGaN crystals thereon.
1000 GaN結晶成長装置
1012 アルミニウム原料供給部
1012a 第1ガス導入路
1014 ガリウム原料供給部
1014a 第2ガス導入路
1016 窒素原料供給部
1016a 第3ガス導入路
1018 混合部
1020 成長部
1020a 排出ポート
1022 AlGaN
1024 基板結晶、Si基板(シリコン基板)
1000 GaN
1014 Gallium
1024 substrate crystal, Si substrate (silicon substrate)
以下、図面に基づき、本発明の好適な実施の形態を説明する。本実施の形態においては、シリコン基板上にAlGaNの結晶を成長させる方法として、特に、脱水素を行ってからエピタキシャル成長を行わせる手法の好ましい実施の形態を説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the present embodiment, as a method for growing an AlGaN crystal on a silicon substrate, a preferred embodiment of a technique for performing epitaxial growth after dehydrogenation will be described.
第1章 原理
背景技術で述べたように、シリコン基板の上に例えばGaNバッファー層を形成した場合、基板表面に穴があいてしまう等、表面の平坦性が失われることが知られている。その結果、GaNバッファー層の上にAlGaN結晶をエピタキシャル成長させても良質のGaN結晶を得ることはできなかった。従来は、基板表面に穴があいてしまう等の原因は、SiとGaが反応してしまうからと言うのが通説であった。 As described in
本願発明者は、この通説は必ずしも妥当な理由とは言えないと考え、穴等が生じてしまう原因はシリコン基板表面に存在する水素原子であると考えた。そして、この考えの正当性を実験で確認することができた。 The inventor of the present application considered that this general theory is not necessarily a valid reason, and thought that the cause of the occurrence of holes and the like was hydrogen atoms existing on the surface of the silicon substrate. And we were able to confirm the validity of this idea through experiments.
この実験の結果が図8に示されている。この図8は、シリコン基板上にGaNバッファー層を設けた場合のシリコン基板表面の様子を示すSEM(走査型電子顕微鏡)写真である。これらのGaNバッファー層の成膜条件は、TMGガスの分圧が2.0×E−5atmであり、NH3ガスの分圧が0.2atmであり、温度が640℃であるようなガス雰囲気で成膜を行った。このガスの全圧力1atmである。この条件は図8(1)(2)(3)で共通である。The result of this experiment is shown in FIG. FIG. 8 is a SEM (scanning electron microscope) photograph showing the state of the silicon substrate surface when a GaN buffer layer is provided on the silicon substrate. The film formation conditions for these GaN buffer layers are: a gas atmosphere in which the partial pressure of TMG gas is 2.0 × E-5 atm, the partial pressure of NH 3 gas is 0.2 atm, and the temperature is 640 ° C. The film was formed. The total pressure of this gas is 1 atm. This condition is common to FIGS. 8 (1), (2), and (3).
図8の(1)(2)(3)の違いは用いているキャリアガスである。 The difference between (1), (2) and (3) in FIG. 8 is the carrier gas used.
図8(1)は、全てN2であるキャリアガスを用いた例である。本実施例では、キャリアガス中の水素分圧比を「F」と称している。すなわち、この図8(1)においては、F=0(水素分圧比が0)である。FIG. 8 (1) is an example using a carrier gas which is all N 2 . In this embodiment, the hydrogen partial pressure ratio in the carrier gas is referred to as “F”. That is, in FIG. 8 (1), F = 0 (hydrogen partial pressure ratio is 0).
この図8(1)に示すように、水素分圧比F=0では、GaNバッファー層がシリコン基板表面を全て覆っていることが明確に示されている。 As shown in FIG. 8A, it is clearly shown that the GaN buffer layer covers the entire surface of the silicon substrate at the hydrogen partial pressure ratio F = 0.
次に、図8(2)は、N2+H2をキャリアガスとして用いた。この場合の水素分圧比F=0.1である。つまり、水素が10%含まれたキャリアガスを用いた例である。Next, in FIG. 8 (2), N 2 + H 2 was used as a carrier gas. In this case, the hydrogen partial pressure ratio F = 0.1. That is, this is an example using a carrier gas containing 10% hydrogen.
この図8(2)に示すように、水素分圧比F=0.1では、GaNバッファー層がシリコン基板表面を覆ってはいるものの、部分的にシリコン基板が露出している箇所が散見される。このように、穴が部分的にあいたGaNバッファー層であることが写真から明らかである。 As shown in FIG. 8 (2), at the hydrogen partial pressure ratio F = 0.1, although the GaN buffer layer covers the silicon substrate surface, there are some places where the silicon substrate is partially exposed. . Thus, it is clear from the photograph that the GaN buffer layer has holes partially opened.
次に、図8(3)は、H2をキャリアガスとして用いた。この場合は、キャリアガスは全て水素ガスであるので水素分圧比F=1.0である。Next, in FIG. 8 (3), H 2 was used as a carrier gas. In this case, since the carrier gas is all hydrogen gas, the hydrogen partial pressure ratio F = 1.0.
この図8(3)に示すように、水素分圧比F=1.0では、GaNバッファー層がシリコン基板表面上で、島状に点在するのみであり、シリコン基板の多く部分が覆われずに露出している状態である。このように、GaNバッファー層はほとんど形成されていない。 As shown in FIG. 8 (3), at the hydrogen partial pressure ratio F = 1.0, the GaN buffer layer is only scattered in an island shape on the surface of the silicon substrate, and most of the silicon substrate is not covered. Is exposed. Thus, the GaN buffer layer is hardly formed.
これらのことから、GaNバッファー層の表面ホモロジーは、水素分圧に依存することが明らかである。そして、成膜の際の装置システム内に(具体的には、キャリアガス中に)わずか10パーセントでも水素が含まれるとGaNのバッファー層の形成が阻害されてしまうことが判明した。 From these facts, it is clear that the surface homology of the GaN buffer layer depends on the hydrogen partial pressure. Then, it was found that the formation of the GaN buffer layer is hindered when hydrogen is contained in the apparatus system during film formation (specifically, in the carrier gas) even at only 10 percent.
以上の結果、本願発明者らは、水素ガス分圧比が0又はほとんど0に近いキャリアガスを用いて、シリコン基板表面の水素を脱離し、その後でそのシリコン基板上にAlGaNを結晶成長させること特徴とする新しいAlGaN結晶の成長方法を実現するに至ったのである。 As a result of the above, the inventors of the present invention use a carrier gas having a hydrogen gas partial pressure ratio of 0 or almost close to 0 to desorb hydrogen on the surface of the silicon substrate, and then grow AlGaN on the silicon substrate. Thus, a new AlGaN crystal growth method has been realized.
第1章の2 装置構成
本実施の形態において使用する気相成長装置1000の模式図が図1に示されている。 Chapter 1-2 Apparatus Configuration A schematic diagram of a vapor
この気相成長装置1000は、アルミニウム原料を供給するアルミニウム原料供給部1012と、ガリウム原料を供給するガリウム原料供給部1014と、窒素原料を供給する窒素原料供給部1016と、を備えている。各供給部から出力されるガスは混合部1018において混合された後、成長部1020において結晶成長に供される。成長部1020は、石英反応チャンバーで構成されており、排気ポート1020aが備えられている。
The vapor
アルミニウム原料供給部
アルミニウム原料供給部1012は、図1に示すように、所定の反応室内に金属アルミニウムが収容された反応室である。このアルミニウム原料供給部1012には、第1ガス導入路1012aが設けられており、この第1ガス導入路1012aを介してHClと、水素ガスH2と、窒素ガスN2が導入される。水素ガスと窒素ガスの比率については後に詳述する。 As shown in FIG. 1, the aluminum raw
この結果、金属アルミニウムとこれらガスとが反応し、AlGaNのアルミニウム原料であるAlCl3が生成されるのである。生成されたAlCl3は、キャリアガスと共に混合部1018に移送される。As a result, the metal aluminum and these gases react to produce AlCl 3 which is an AlGaN aluminum material. The generated AlCl 3 is transferred to the mixing unit 1018 together with the carrier gas.
なお、アルミニウム原料供給部1012は図示されていない加熱装置を用いて所定の温度に維持する。
Note that the aluminum raw
ガリウム原料供給部
ガリウム原料供給部1014は、図1に示すように、所定の反応室内に金属ガリウムが収容された反応室である。このガリウム原料供給部1014には、第2ガス導入路1014aが設けられており、この第2ガス導入路1014aを介してHClと、水素ガスH2と、窒素ガスN2が導入される。この結果、金属ガリウムとこれらガスとが反応し、AlGaNのガリウム原料であるGaClが生成されるのである。このようにして得られたGaClは、キャリアガスと共に混合部1018に移送される。 As shown in FIG. 1, the gallium
窒素原料供給部
窒素原料供給部1016は、図1に示すように、所定の反応室である。この窒素原料供給部1016には、第3ガス導入路1016aが設けられており、この第3ガス導入路1016aを介して水素ガスH2と、窒素ガスN2と、アンモニアNH3が導入される。 Nitrogen source supply unit Nitrogen
図示されていないが、この窒素原料供給部1016の周囲には加熱装置が設けられており、所定の温度に加熱されている。この熱によって、窒素原料供給部1016内のアンモニアNH3は所定の割合で分解した状態に置かれる。このような所定の割合で分解したアンモニアNH3と、水素ガスH2と、窒素ガスN2との混合ガスが、混合部1018に移送される。Although not shown, a heating device is provided around the nitrogen raw
混合部
混合部1018は、上述したアルミニウム原料供給部1012、ガリウム原料供給部1014、窒素原料供給部1016、の各原料部から供給されてくる原料ガスが混合される。また、所定の温度に維持するため、不図示の所定の加熱装置が設けられている。 The mixing unit mixing unit 1018 mixes the source gases supplied from the above-described source units of the aluminum
成長部
成長部1020には、結晶が成長するための基板結晶(Si基板1024(シリコン基板))が収容されている。また、結晶の成長に適した温度とするために、図示されていない所定の加熱装置が設けられている。このような加熱装置は、従来から知られている種々の構成を採用することが可能である。例えば、電熱線による加熱や、高周波加熱等を利用することができる。 The growth part growth part 1020 accommodates a substrate crystal (Si substrate 1024 (silicon substrate)) for crystal growth. In order to obtain a temperature suitable for crystal growth, a predetermined heating device (not shown) is provided. Such a heating apparatus can employ various configurations that have been known in the past. For example, heating with a heating wire or high-frequency heating can be used.
本実施の形態においては、成長部1020には、Si基板1024が置かれ、このSi基板1024上にAlGaN1022が結晶成長する。
In the present embodiment, a
第1章の3 結晶成長の流れ
本実施の形態において説明するAlGaN結晶成長方法の概念図が図2に示されている。まず図2(1)において、Si基板1024の表面は、水素で終端されている。次に、図2(2)において、この水素を脱離する。この点が本実施の形態において特徴的なことである。そして、この水素を脱離された表面上にAlGaNをエピタキシャル成長させ、AlGaNの結晶層1022が形成されるのである。
第2章 具体的な実施例
第1章で述べた原理、利用する装置に基づき、実際にAlGaNの結晶を成長させる具体的な処理の流れについて説明する。
2.1 結晶成長の動作
図1に示すような結晶成長装置1000を用いて、AlGaNの結晶成長を行わせる。その際の温度やキャリアガスの変化が図3のグラフに示されている。図3のグラフにおいて、横軸は、経過時間を表し、縦軸は温度(℃)を表す。 2.1 Operation of Crystal Growth Crystal growth of AlGaN is performed using a
このグラフに示すように、Si基板1024はまずHFで洗浄され、洗浄直後はシリコン基板表面は、水素原子で終端されており、安定である。この状態から250℃まで温度を上昇させ、予備加熱する。この際に用いられるキャリアガスはH2である。As shown in this graph, the
およそ10分間程度、250℃で予備加熱した後、950℃まで温度を上昇させ、その温度で保持する。この結果、終端している水素原子を脱離させる。すなわち、この脱離によって水素の被覆率は0%になる。 After preheating at 250 ° C. for about 10 minutes, the temperature is raised to 950 ° C. and maintained at that temperature. As a result, the terminating hydrogen atom is desorbed. That is, this desorption causes the hydrogen coverage to be 0%.
この結果、清浄なSi面(シリコン面)を形成することができる。950℃の加熱をおよそ15分間続けた時点でキャリアガスをN2に置き換え、新たに水素原子が表面に終端しないようにする。As a result, a clean Si surface (silicon surface) can be formed. When heating at 950 ° C. is continued for about 15 minutes, the carrier gas is replaced with N 2 so that new hydrogen atoms do not terminate on the surface.
本実施の形態に於いて特徴的な事項の一つが、このキャリアガスをN2に置き換えて加熱する工程の存在である。N2に置き換えているので、新たに水素がSi面に終端してしまうことを防止している。One of the characteristic matters in the present embodiment is the presence of a heating step by replacing this carrier gas with N 2 . Since it is replaced with N 2 , hydrogen is newly prevented from terminating on the Si surface.
950℃による加熱をさらにおよそ10分間程度続けた後、さらに温度を上昇させ、1100℃又はそれ以上の温度に設定し、AlGaNのエピタキシャル成長を行う。もちろん、これにあわせて原料ガスも導入する。このようにして、AlGaNの結晶成長を行う。 After heating at 950 ° C. for about 10 minutes, the temperature is further raised to 1100 ° C. or higher, and AlGaN is epitaxially grown. Of course, the source gas will be introduced accordingly. In this way, crystal growth of AlGaN is performed.
水素の被覆率
さて、図3で説明した窒素キャリアガスに切り換える際に、水素ガスの割合を制御して混合を行うと、Si基板の表面を終端する水素の被覆率が変化する。 Hydrogen Coverage Now, when switching to the nitrogen carrier gas described with reference to FIG. 3, if the mixing is performed while controlling the ratio of hydrogen gas, the hydrogen coverage that terminates the surface of the Si substrate changes.
この現象を説明するためのグラフが図4に示されている。図4には、水素ガスの割合と被覆率との関係を示すグラフが示されている。この図4のグラフにおいては、横軸は、水素ガスの割合であり、縦軸は被覆率である。この図4のグラフにおいて横軸の「0」すなわち完全「窒素」系では、水素被覆率は0である。 A graph for explaining this phenomenon is shown in FIG. FIG. 4 shows a graph showing the relationship between the hydrogen gas ratio and the coverage. In the graph of FIG. 4, the horizontal axis represents the ratio of hydrogen gas, and the vertical axis represents the coverage. In the graph of FIG. 4, the hydrogen coverage is 0 in the “0” on the horizontal axis, that is, the complete “nitrogen” system.
一方、横軸の「1」すなわち、完全「水素」系では、被覆率は0.56である。このように、水素がSi基板表面に存在した状態ではAlGaN成長は妨げられてしまい、均一な膜の成長を行うことは困難である。 On the other hand, in the case of “1” on the horizontal axis, that is, the complete “hydrogen” system, the coverage is 0.56. Thus, AlGaN growth is hindered when hydrogen is present on the surface of the Si substrate, and it is difficult to grow a uniform film.
Al組成の調整
次に、本実施の形態では、原料ガスの比率を変化させることによって、得られる結晶の組成を調整することが可能である。本実施の形態では、III族原料(AlCl3及びGaCl)中のAlCl3の割合を変化させることによって、Al組成を0%から100%まで変化させることができる。 Adjustment of Al composition Next, in the present embodiment, it is possible to adjust the composition of the obtained crystal by changing the ratio of the raw material gas. In the present embodiment, the Al composition can be changed from 0% to 100% by changing the proportion of AlCl 3 in the group III raw materials (AlCl 3 and GaCl).
図5には、原料ガス中のAlCl3の割合と、得られたAlGaN結晶中のAl組成との関係を示すグラフが示されている。このグラフにおいて、横軸はAlCl3の割合(Al原料気相供給比率:R)であり、縦軸はAlGaN結晶中のAl組成(固相組成比率x)である。ここで、固層組成比率xは、AlxGa1−xNにおけるxである。FIG. 5 shows a graph showing the relationship between the proportion of AlCl 3 in the source gas and the Al composition in the obtained AlGaN crystal. In this graph, the horizontal axis represents the proportion of AlCl 3 (Al raw material vapor phase supply ratio: R), and the vertical axis represents the Al composition in the AlGaN crystal (solid phase composition ratio x). Here, the solid layer composition ratio x is x in Al x Ga 1-x N.
そしてSi基板1024の上で、上述のようなプロセスで成長させたAlGaN結晶(Al組成55%)に関し、X線回析を行った。その結果が図6に示されている。図6は、X線回析プロファイルであり、横軸は角度(度)、縦軸は信号強度(任意単位)である。
Then, X-ray diffraction was performed on the AlGaN crystal (Al composition 55%) grown on the
このプロファイルから明らかなように、Si(111)面と、Al組成55%のAlGaNに起因する強度ピークのみが観測されていることから、AlGaNがエピタキシャル成長していることが確認できた。 As is clear from this profile, only the intensity peak due to the Si (111) plane and AlGaN having an Al composition of 55% was observed, confirming that AlGaN was epitaxially grown.
次に、上と同じAlGaN結晶(Al組成55%)の光学物性を室温フォトルミネッセンス測定を用いて計測した。その結果を表すグラフが図7に示されている。このグラフの縦軸は発光強度(任意単位)であり、横軸は発光波長である。このグラフに示すように、308nmに強いピークを有する発光を行わせることができた。この結果、X線プロファイルの結果と同様に、高品質なAlGaN結晶が成長していることを確認できた。 Next, the optical physical properties of the same AlGaN crystal (Al composition 55%) as above were measured using room temperature photoluminescence measurement. A graph representing the result is shown in FIG. The vertical axis of this graph is the emission intensity (arbitrary unit), and the horizontal axis is the emission wavelength. As shown in this graph, it was possible to emit light having a strong peak at 308 nm. As a result, it was confirmed that a high-quality AlGaN crystal was grown, similar to the result of the X-ray profile.
2.2 Si基板上のAlGaN結晶の実際の様子
以上のような手法でAlGaN結晶をSi基板上で成長させることができた。Si基板上に約1μm厚のAlGaN結晶を成長させ、その断面図を電子顕微鏡写真で撮影した。その様子が図9に示されている。この図9から、Si基板とAlGaN層との界面が劣化していないことが確認できた。また、実際にSi基板上に均一なAlGaN層の結晶成長が可能であることを確認することができた。なお、図9の黒い領域は空中である。 2.2 Actual state of the AlGaN crystal on the Si substrate The AlGaN crystal could be grown on the Si substrate by the method described above. An AlGaN crystal having a thickness of about 1 μm was grown on a Si substrate, and a cross-sectional view thereof was taken with an electron micrograph. This is shown in FIG. From FIG. 9, it was confirmed that the interface between the Si substrate and the AlGaN layer was not deteriorated. It was also confirmed that a uniform crystal growth of the AlGaN layer was actually possible on the Si substrate. The black area in FIG. 9 is in the air.
なお、図9と同様の断面を、その断面部分から約20度斜め上方から電子顕微鏡で観察した場合の写真が図10に示されている。 FIG. 10 shows a photograph of a cross section similar to that shown in FIG. 9 observed with an electron microscope at an angle of about 20 degrees from the cross section.
第3章 変形例
(1)上述した例では、950℃にて水素の脱離を行ったが、本願発明者らの実験によって、概ね700℃以上であれば効率的に水素の脱離を行うことができることが判明した。そのため、水素脱離の工程は、700℃以上の温度で行うことが好適である。
(2)上述した例では、加熱をして水素の脱離を行う際に、キャリアガスを水素から窒素に変え、窒素雰囲気下にしている。これによって、水素が再びSi基板上に付着することを防止しているが、その際の雰囲気を、窒素雰囲気ではなく、不活性ガス雰囲気下にしても同様の効果が期待できるので好ましい。 (2) In the above-described example, when hydrogen is desorbed by heating, the carrier gas is changed from hydrogen to nitrogen, and the atmosphere is in a nitrogen atmosphere. This prevents hydrogen from adhering to the Si substrate again, but it is preferable because the same effect can be expected even if the atmosphere at that time is an inert gas atmosphere instead of a nitrogen atmosphere.
なお、窒素ガスや不活性ガスの温度は、800℃以上であればより好ましく、さらに900℃以上であればより一層好ましいことが、本願発明者らの実験により判明した。 It has been found through experiments by the present inventors that the temperature of nitrogen gas or inert gas is more preferably 800 ° C. or higher, and even more preferably 900 ° C. or higher.
(3)上述した例では、水素の脱離を行った後、すぐにAlGaN結晶の成長を行ったが、場合によっては、Si基板上にバッファー層を積層し、このバッファー層の上でAlGaN結晶の成長をさせることも好ましい。 (3) In the example described above, AlGaN crystal was grown immediately after desorption of hydrogen. However, in some cases, a buffer layer was stacked on the Si substrate, and the AlGaN crystal was formed on the buffer layer. It is also preferable to cause the growth.
Claims (6)
前記シリコン基板上の水素原子を脱離する水素脱離工程と、
前記水素脱離工程の後、前記シリコン基板上に、AlGaNを結晶成長させる結晶成長工程と、
を含むことを特徴とするAlGaN結晶成長方法。In a method for crystal growth of AlGaN on a silicon substrate,
A hydrogen desorption step of desorbing hydrogen atoms on the silicon substrate;
After the hydrogen desorption step, a crystal growth step for crystal growth of AlGaN on the silicon substrate;
An AlGaN crystal growth method comprising:
前記水素脱離工程は、前記シリコン基板を、700℃以上の温度に加熱する工程を含むことを特徴とするAlGaN結晶成長方法。In the AlGaN crystal growth method according to claim 1,
The AlGaN crystal growth method, wherein the hydrogen desorption step includes a step of heating the silicon substrate to a temperature of 700 ° C. or higher.
前記水素脱離工程は、前記シリコン基板を、700℃以上の温度の窒素雰囲気下に置く工程を含むことを特徴とするAlGaN結晶成長方法。In the AlGaN crystal growth method according to claim 1,
The AlGaN crystal growth method, wherein the hydrogen desorption step includes a step of placing the silicon substrate in a nitrogen atmosphere at a temperature of 700 ° C. or higher.
前記水素脱離工程は、前記シリコン基板を、700℃以上の温度の不活性ガス雰囲気下に置く工程を含むことを特徴とするAlGaN結晶成長方法。In the AlGaN crystal growth method according to claim 1,
The AlGaN crystal growth method, wherein the hydrogen desorption step includes a step of placing the silicon substrate in an inert gas atmosphere having a temperature of 700 ° C. or higher.
前記結晶成長工程は、水素を含まない雰囲気下で、AlGaNの結晶を成長させる工程を含むことを特徴とするAlGaN結晶成長方法。In the AlGaN crystal growth method according to claim 1,
The AlGaN crystal growth method, wherein the crystal growth step includes a step of growing an AlGaN crystal in an atmosphere containing no hydrogen.
前記水素脱離工程は、その工程中で、前記シリコン基板の周囲の雰囲気を水素を含まない雰囲気に変更する工程を含み、
前記結晶成長工程は、前記変更後の雰囲気中に原料ガスを導入し、さらに結晶成長温度に温度を設定して、前記シリコン基板上にAlGaNの結晶を成長させる工程を含むことを特徴とするAlGaN結晶成長方法。In the AlGaN crystal growth method according to claim 1,
The hydrogen desorption step includes a step of changing the atmosphere around the silicon substrate to an atmosphere containing no hydrogen in the step,
The crystal growth step includes a step of introducing a source gas into the atmosphere after the change, further setting a temperature to a crystal growth temperature, and growing an AlGaN crystal on the silicon substrate. Crystal growth method.
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