JP2001015442A - GaN film and GaN film forming method - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 立方晶GaN膜を容易に形成する。
【解決手段】 AsH3とTMGを導入してGaAs基
板上にGaAsエピタキシャル層を形成し(プロセス
A)、DMHyとTMGを導入してGaNバッファ層を
形成する(プロセスB)。GaNバッファ層を加熱して
成長させる過程において、AsH3を導入し(プロセス
C)、その後DMHyとTMGを導入してGaN膜を形
成する。アルゴンを含むガスをプロセスCにおいて導入
することで、安定な六方晶GaNの形成を抑制し、準安
定な立方晶GaNを形成する。
(57) Abstract: A cubic GaN film is easily formed. SOLUTION: AsH 3 and TMG are introduced to form a GaAs epitaxial layer on a GaAs substrate (process A), and DMHy and TMG are introduced to form a GaN buffer layer (process B). In the process of heating and growing the GaN buffer layer, AsH 3 is introduced (Process C), and then DMHy and TMG are introduced to form a GaN film. By introducing a gas containing argon in the process C, formation of stable hexagonal GaN is suppressed, and metastable cubic GaN is formed.
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明はGaN膜及びその形
成方法に関し、特に立方晶GaN膜の形成に関する。The present invention relates to a GaN film and a method for forming the same, and more particularly, to the formation of a cubic GaN film.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来より、基板上にGaN膜をエピタキ
シャル成長させ、パワーFETなどの電気伝導デバイス
や発光素子などの光デバイスに用いている。GaN膜を
結晶成長させるには、サファイア基板上に結晶成長させ
て六方晶(ウルザイト型)のGaN膜を形成する方法が
多く用いられている。すなわち、MOVPE法(有機金
属気相成長法)やMBE法(分子線エピタキシー法)を
用いてサファイア基板上にAIN相やGaN層を数十n
m程度成長させ、その後GaN層を数μm成長する方法
が採用されている。2. Description of the Related Art Heretofore, a GaN film has been epitaxially grown on a substrate and used for an electrically conductive device such as a power FET or an optical device such as a light emitting element. In order to grow a GaN film, a method of growing a crystal on a sapphire substrate to form a hexagonal (urzite-type) GaN film is often used. That is, an AIN phase or a GaN layer is formed on a sapphire substrate by several tens n using MOVPE (metal organic chemical vapor deposition) or MBE (molecular beam epitaxy).
A method of growing the GaN layer by about m and then growing the GaN layer by several μm is adopted.
【0003】一方、立方晶GaNは六方晶GaNよりも
貫通転位(スタッキングホールド)が少なく、キャリア
の高移動度が期待できることから近年盛んに立方晶Ga
Nの結晶成長が模索されている。[0003] On the other hand, cubic GaN has more threading dislocations (stacking hold) than hexagonal GaN, and high mobility of carriers can be expected.
Crystal growth of N is being sought.
【0004】図9には、従来のMOVPE法による立方
晶GaN結晶成長ダイアグラムが示されている。図にお
いて、横軸は時間、縦軸は温度を示しており、グラフの
下にはアルシンガス(AsH3)、ジメチルヒドラジン
(DMHy)、トリメチルガリウム(TMG)の導入/
停止の様子がタイミングチャートで示されている。ま
ず、酸化物をエッチングで除去したGaAs基板上に約
600〜750℃にてGaAsエピタキシャル層を約1
00〜200nm程度成長させる(プロセスα)。この
GaAs層形成プロセスにおいては、反応ガスとして例
えば10%のAsH3とTMGが用いられる。GaAs
層を形成すると、GaAs層の上に400〜600℃の
温度で10〜20nm程度のGaN低温バッファ層をT
MGとDMHyにて形成する(プロセスβ)。GaN低
温バッファ層形成後、加熱して再び反応管温度を上昇さ
せGaNバッファ層を成長させる(プロセスγ)。Ga
Nバッファ層加熱時には、DMHyを導入する。そし
て、反応管温度が所定のGaN成長温度(800〜95
0℃)に達すると、DMHyに加えてTMGを導入し、
GaN層を成長させる(プロセスδ)。FIG. 9 shows a cubic GaN crystal growth diagram by the conventional MOVPE method. In the figure, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents temperature. Below the graph, the introduction / introduction of arsine gas (AsH 3 ), dimethylhydrazine (DMHy), and trimethylgallium (TMG) /
The state of the stop is shown in a timing chart. First, a GaAs epitaxial layer was formed on a GaAs substrate from which oxide was removed by etching at a temperature of about 600 to 750 ° C. for about 1 hour.
It is grown to about 00 to 200 nm (process α). In this GaAs layer forming process, for example, 10% of AsH 3 and TMG are used as reaction gases. GaAs
When the layer is formed, a GaN low-temperature buffer layer of about 10 to 20 nm is formed on the GaAs layer at a temperature of 400 to 600 ° C.
It is formed of MG and DMHy (process β). After the formation of the GaN low-temperature buffer layer, the GaN buffer layer is grown by heating and raising the temperature of the reaction tube again (process γ). Ga
At the time of heating the N buffer layer, DMHy is introduced. Then, the reaction tube temperature is adjusted to a predetermined GaN growth temperature (800 to 95).
0 ° C.), TMG is introduced in addition to DMHy,
A GaN layer is grown (process δ).
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】従来においては、この
ような方法を用い、反応管圧力や反応性ガスのV属/II
I属比、反応管温度などのパラメータを最適化すること
で六方晶GaNの混在率低下を図っている。Conventionally, using such a method, the pressure in the reaction tube and the V / II
By optimizing parameters such as group I ratio and reaction tube temperature, the mixing ratio of hexagonal GaN is reduced.
【0006】しかしながら、基本的に六方晶の方が立方
晶よりもエネルギが低く安定であり、ファセット(同種
原子が配列した面)等から容易に六方晶が成長してしま
うため、立方晶GaN中の六方晶GaNの混在率は50
%程度で、より低い混在率を得ることが困難である問題
があった。However, the hexagonal crystal is basically lower in energy and more stable than the cubic crystal, and the hexagonal crystal easily grows from facets (planes where the same kind of atoms are arranged). Of hexagonal GaN is 50
%, There is a problem that it is difficult to obtain a lower mixing ratio.
【0007】本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑
みなされたものであり、その目的は、立方晶GaN中の
六方晶GaN混在率を容易に低下させることができる形
成方法及び立方晶を支配的に有するGaN膜を提供する
ことにある。The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, and has as its object to control a formation method and a cubic crystal capable of easily reducing the hexagonal GaN mixing ratio in cubic GaN. Another object is to provide a GaN film having a characteristic.
【0008】[0008]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、半導体基板上にGaN薄膜を形成する方
法であって、V属原料ガスとIII属原料ガスを導入する
ことにより半導体基板上にGaNバッファ層を形成する
バッファ層形成ステップと、前記GaNバッファ層を加
熱し、前記III属原料ガスの導入を停止するとともにA
sを含むガスを導入して前記GaNバッファ層上にGa
Nエピタキシャル層を形成すべくGaNエピタキシャル
層成長最適温度まで昇温する加熱ステップと、前記加熱
ステップ後前記V属原料ガスとIII属原料ガスを導入す
ることにより前記GaNバッファ層上にGaNエピタキ
シャル層を形成するGaN層形成ステップとを有するこ
とを特徴とする。In order to achieve the above object, the present invention provides a method for forming a GaN thin film on a semiconductor substrate, the method comprising introducing a group V source gas and a group III source gas. Forming a GaN buffer layer on the substrate; heating the GaN buffer layer to stop the introduction of the group III source gas;
s-containing gas is introduced to introduce Ga on the GaN buffer layer.
A heating step of raising the temperature to an optimum temperature for growing the GaN epitaxial layer to form an N epitaxial layer; and introducing the group V source gas and the group III source gas after the heating step to form a GaN epitaxial layer on the GaN buffer layer. Forming a GaN layer.
【0009】また、本発明は、前記半導体基板はGaA
s基板であることを特徴とする。Further, according to the present invention, the semiconductor substrate is GaAs.
It is an s substrate.
【0010】また、本発明は、前記バッファ層形成ステ
ップに先立ち、前記半導体基板上にGaAs層をエピタ
キシャル成長させるGaAs層形成ステップを有し、前
記GaNバッファ層は前記GaAs層上に形成されるこ
とを特徴とする。Further, the present invention includes a GaAs layer forming step of epitaxially growing a GaAs layer on the semiconductor substrate prior to the buffer layer forming step, wherein the GaN buffer layer is formed on the GaAs layer. Features.
【0011】また、本発明は、前記Asを含むガスはア
ルシンガスであることを特徴とする。Further, the present invention is characterized in that the gas containing As is arsine gas.
【0012】また、本発明は、前記アルシンガスは5%
から20%の濃度を有することを特徴とする。Further, according to the present invention, the arsine gas contains 5%
From 20% to 20%.
【0013】また、本発明は、GaAs基板上に形成さ
れるGaN膜であって、X線逆格子マッピングにおいて
六方晶のωの値が約10.790度であり、立方晶が六
方晶に対して支配的であることを特徴とする。Further, the present invention relates to a GaN film formed on a GaAs substrate, wherein the value of ω of hexagonal crystal is about 10.790 degrees in X-ray reciprocal lattice mapping, and the cubic crystal is And dominant.
【0014】このように、本発明においては、GaNバ
ッファ層及びGaNエピタキシャル層を成長させる初期
の段階でAsを含むガス、例えばアルシンガスを導入す
る。六方晶GaNは(111)B面に成長し易いことが
知られている。即ち、成長中に生じるファセット(同種
原子が揃ってしまう)、キンク、ステップ(成長面の不
整合)により(111)B面が形成されるとその面から
安定な六方晶GaNが形成されてしまう。GaAs(1
11)面上に形成されたステップにおいて[011]方向
のステップ面にはシングルボンドのAsが形成され、
[0−11]方向のステップ面にはトリプルボンドのAs
が形成される。[0−11]方向のステップ面にはファセ
ットが多く発生するから、Asを含むガスを導入してス
テップ面にAsを終端させ、[0−11]方向の本来六方
晶GaNが生成するべきステップ面に優先的にGaAs
を形成させて六方晶GaNの生成を抑制することができ
る。なお、バッファ層の加熱過程においては、GaAs
中のAsが解離してNに置換されGaNが形成されてい
くが、初期に形成されたGaAsの結晶構造を核として
GaNが形成されるため、引き続き六方晶の形成が抑え
られる。As described above, in the present invention, a gas containing As, for example, an arsine gas is introduced at an initial stage of growing the GaN buffer layer and the GaN epitaxial layer. Hexagonal GaN is known to grow easily on the (111) B plane. That is, when the (111) B plane is formed by facets (similar atoms are aligned), kinks, and steps (misalignment of the growth plane) generated during growth, stable hexagonal GaN is formed from the plane. . GaAs (1
11) In the step formed on the surface, a single bond As is formed on the step surface in the [011] direction,
Triple bond As on step surface in [0-11] direction
Is formed. Since many facets are generated on the step plane in the [0-11] direction, a gas containing As is introduced to terminate As on the step plane, and a step in which hexagonal GaN that should be generated in the [0-11] direction should be generated. GaAs preferentially on surface
To suppress the formation of hexagonal GaN. In the heating process of the buffer layer, GaAs
As in the metal is dissociated and replaced with N to form GaN. However, since GaN is formed with the crystal structure of GaAs formed initially as a nucleus, the formation of hexagonal crystals is suppressed continuously.
【0015】GaAs基板上にGaN膜を形成する場合
には、GaAs基板上にまずGaAsエピタキシャル層
を形成し、GaAsエピタキシャル層上にGaNバッフ
ァ層を形成する。従来技術においては、GaNバッファ
層を成長するために加熱する際にジメチルヒドラジンの
みを導入し、アルシンガスを導入していない(図9参
照)。このため、GaAsエピタキシャル層中のAsが
解離してピットのような構造欠陥が生じ、その上に形成
されるGaNバッファ層やGaN層にひずみが生じてス
タッキングフォールト(積層欠陥)が形成される。スタ
ッキングフォールトが生じると、そこから安定な六方晶
GaNが形成されてしまう。本発明では、GaAsエピ
タキシャル層上に形成されたGaNバッファ層を成長さ
せる初期の過程においてAsを含むガスを導入すること
で、GaAsエピタキシャル層からのAsの解離を抑
え、スタッキングフォールトを防止して六方晶GaNの
形成を抑制することができる。When a GaN film is formed on a GaAs substrate, a GaAs epitaxial layer is first formed on a GaAs substrate, and a GaN buffer layer is formed on the GaAs epitaxial layer. In the prior art, only dimethylhydrazine is introduced when heating to grow a GaN buffer layer, and no arsine gas is introduced (see FIG. 9). For this reason, As in the GaAs epitaxial layer is dissociated, causing a structural defect such as a pit, and a GaN buffer layer or a GaN layer formed thereon is distorted to form a stacking fault (stacking fault). When a stacking fault occurs, stable hexagonal GaN is formed therefrom. In the present invention, by introducing a gas containing As in the initial process of growing a GaN buffer layer formed on a GaAs epitaxial layer, dissociation of As from the GaAs epitaxial layer is suppressed, and stacking faults are prevented. The formation of crystalline GaN can be suppressed.
【0016】Asを含むガスとしては、アルシンガス
(AsH3)が好適であるが、その濃度は5%〜20%
が望ましい。濃度が少なすぎるとGaAsエピタキシャ
ル層からのAsの解離を有効に防止できず、多すぎると
GaとNとの結合を阻害しGaN膜の膜質を低下させて
いわゆるミラー面が得られず、デバイスとしての電気特
性あるいは光学特性が劣化するからである。また、Ga
Nバッファ層は下地層の結晶構造を核として成長してい
くため、GaNバッファ層を成長させる初期の段階でA
sを含むガスを導入することが必要である。初期の段階
とは、GaNバッファ層を加熱すると同時、あるいは実
質的に同時とみなせる程度の時間の意である。As a gas containing As, arsine gas (AsH 3 ) is preferable, but its concentration is 5% to 20%.
Is desirable. If the concentration is too low, the dissociation of As from the GaAs epitaxial layer cannot be effectively prevented. If the concentration is too high, the bonding between Ga and N is inhibited and the quality of the GaN film is reduced, so that a so-called mirror surface cannot be obtained. This is because the electrical characteristics or optical characteristics of the device deteriorate. Also, Ga
Since the N buffer layer grows with the crystal structure of the underlayer as a nucleus, the A buffer is formed at an initial stage of growing the GaN buffer layer.
It is necessary to introduce a gas containing s. The initial stage refers to a time period that can be regarded as simultaneous or substantially simultaneous when the GaN buffer layer is heated.
【0017】GaNバッファ層の成長の初期過程におい
てAsを含むガスを導入して六方晶GaNの形成を抑制
することで、準安定状態の立方晶GaNが支配的なGa
N膜を得ることができる。「支配的」とは、六方晶Ga
Nよりも立方晶GaNの存在量が多いことを意味する。
Asを含むガス中でGaNバッファ層を形成すること
で、六方晶GaNのX線逆格子マッピングにおけるωの
値も従来と異なる。すなわち、従来のGaN膜のω値は
約10.010度であり、本発明のGaN膜のω値は1
0.790度となる。In the initial stage of the growth of the GaN buffer layer, a gas containing As is introduced to suppress the formation of hexagonal GaN, so that cubic GaN in a metastable state is dominant.
An N film can be obtained. "Dominant" means hexagonal Ga
This means that the amount of cubic GaN is larger than that of N.
By forming the GaN buffer layer in a gas containing As, the value of ω in the X-ray reciprocal lattice mapping of hexagonal GaN also differs from the conventional one. That is, the ω value of the conventional GaN film is about 10.010 degrees, and the ω value of the GaN film of the present invention is 1
0.790 degrees.
【0018】[0018]
【発明の実施の形態】以下、図面に基づき本発明の実施
形態について説明する。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
【0019】図1には、本実施形態におけるGaN膜形
成用実験装置の概念図が示されている。反応管10の一
端にはガス流入口10aが形成され、他端にはガス流出
口10bが形成されている。反応管10の周囲には加熱
用の誘導コイル12が巻回されている、誘導コイル12
は図示しない交流電源に接続されている。反応管10内
には、流入ガスの経路を制御するためのスロープ14が
配置され、さらにスロープ14上にサセプタ16が配置
される。サセプタ16は例えばSiC/カーボンで形成
され、誘導コイル12に流れる交流電流により発熱す
る。サセプタ16上に半導体基板、例えばGaAs基板
18を載置する。FIG. 1 shows a conceptual diagram of an experimental apparatus for forming a GaN film in the present embodiment. A gas inlet 10a is formed at one end of the reaction tube 10, and a gas outlet 10b is formed at the other end. An induction coil 12 for heating is wound around the reaction tube 10.
Are connected to an AC power supply (not shown). A slope 14 for controlling the path of the inflow gas is disposed in the reaction tube 10, and a susceptor 16 is disposed on the slope 14. The susceptor 16 is formed of, for example, SiC / carbon, and generates heat by an alternating current flowing through the induction coil 12. A semiconductor substrate, for example, a GaAs substrate 18 is mounted on the susceptor 16.
【0020】このような構成において、ガス流入口10
aからH2を導入するとともに、AsH3、TMG、D
MHyを所定のタイミングで導入し、かつ、誘導コイル
12に通電する交流電流を調整して反応管10の温度
(正確にはサセプタ16の温度)を制御し、GaAs基
板18上に順次GaAsエピタキシャル層、GaNバッ
ファ層、GaN膜を積層して半導体デバイスを構成す
る。In such a configuration, the gas inlet 10
Introducing H2 from a, AsH 3 , TMG, D
MHy is introduced at a predetermined timing, and the temperature of the reaction tube 10 (more precisely, the temperature of the susceptor 16) is controlled by adjusting the alternating current supplied to the induction coil 12, and the GaAs epitaxial layer is sequentially formed on the GaAs substrate 18. , A GaN buffer layer and a GaN film are laminated to form a semiconductor device.
【0021】図2には、本実施形態の方法で形成される
半導体デバイスが示されている。GaAs基板18上に
100〜200nmのGaAsエピタキシャル層20が
形成され、GaAsエピタキシャル層20上に10〜2
0nmのGaNバッファ層(低温バッファ層)22が形
成される。そして、GaNバッファ層22上に2μmの
GaN膜が形成される。本実施形態の半導体デバイス
も、従来と同様にパワーFETや光デバイスとして用い
ることができ、OEIC(オプトエレクトロニックイン
テグレーテッドサーキット)に組み込むことができる。
但し、後述するように、本実施形態におけるGaN膜2
4は六方晶の混在率が極めて小さい立方晶なので、キャ
リアの移動度に優れ、従来以上の電気特性及び光学特性
を示すことができる。FIG. 2 shows a semiconductor device formed by the method of the present embodiment. A GaAs epitaxial layer 20 having a thickness of 100 to 200 nm is formed on a GaAs substrate 18, and a GaAs epitaxial layer 20 having a thickness of 10 to 200 nm is formed on the GaAs epitaxial layer 20.
A 0 nm GaN buffer layer (low temperature buffer layer) 22 is formed. Then, a 2 μm GaN film is formed on the GaN buffer layer 22. The semiconductor device of the present embodiment can also be used as a power FET or an optical device as in the related art, and can be incorporated in an OEIC (Opto-Electronic Integrated Circuit).
However, as described later, the GaN film 2 in this embodiment is
No. 4 is a cubic crystal having a very low hexagonal mixture ratio, so that it has excellent carrier mobility and can exhibit electric and optical characteristics higher than those of the prior art.
【0022】図3には、本実施形態におけるMOVPE
法による立方晶GaN結晶成長ダイアグラムが示されて
いる。まず、10%のAsH3を導入して反応管温度を
600〜750℃に加熱し、AsH3を導入したままIII
属系反応ガスのTMGを導入して、酸化物をエッチング
で除去したGaAs基板18上にGaAsエピタキシャ
ル層20を100〜200nm成長させる(プロセス
A)。GaAsエピタキシャル層20を形成すると、T
MGの導入を停止し、反応管を冷却する。そして、As
H3の導入を停止し、V属系反応ガスのDMHy及びT
MGを導入して、400〜600℃の温度で10〜20
nmのGaNバッファ層(低温バッファ層)22を形成
する(プロセスB)。GaNバッファ層22を形成した
後、TMGの導入を停止し、反応管を加熱してその温度
を上昇させる。反応管を加熱すると同時にTMGの導入
を停止し、かつ、速やかに10%のAsH3を導入して
GaNバッファ層22を保持したままGaNエピタキシ
ャル層の成長温度まで昇温させる(プロセスC)。した
がって、GaNバッファ層22の成長過程、特にその初
期においては、従来技術のようにDMHyのみが存在す
るのではなくAsH3も存在し、このAsH3の存在環境
においてGaNバッファ層22はGaNエピタキシャル
層の成長温度まで昇温される。FIG. 3 shows the MOVPE in this embodiment.
A cubic GaN crystal growth diagram by the method is shown. First, 10% AsH 3 was introduced, the temperature of the reaction tube was heated to 600 to 750 ° C., and AsH 3 was introduced.
By introducing TMG of a group-based reaction gas, a GaAs epitaxial layer 20 is grown to 100 to 200 nm on the GaAs substrate 18 from which oxides have been removed by etching (process A). When the GaAs epitaxial layer 20 is formed, T
Stop introduction of MG and cool the reaction tube. And As
The introduction of H 3 was stopped, and DMHy and T
Introducing MG, 10-20 at a temperature of 400-600 ° C
A GaN buffer layer (low temperature buffer layer) 22 of nm is formed (process B). After the GaN buffer layer 22 is formed, the introduction of TMG is stopped, and the temperature of the reaction tube is increased by heating the reaction tube. At the same time as heating the reaction tube, the introduction of TMG is stopped, and 10% of AsH 3 is immediately introduced to raise the temperature to the growth temperature of the GaN epitaxial layer while holding the GaN buffer layer 22 (process C). Therefore, in the growth process of the GaN buffer layer 22, particularly in the initial stage, not only DMHy but also AsH 3 exists as in the prior art, and in the presence environment of AsH 3 , the GaN buffer layer 22 becomes a GaN epitaxial layer. The temperature is raised to the growth temperature.
【0023】反応管10の温度が上昇し、所定のGaN
膜成長温度(800〜950℃)に達すると、AsH3
の導入を停止し、TMGを導入してDMHyと反応させ
てGaNバッファ層22上にGaN膜24を2μm形成
する(プロセスD)。なお、GaN膜24を形成する際
にAsH3ガスが残留しているとGaN膜形成時にGa
NAs膜が過渡的に形成され、GaN膜24の剥離を招
くのでAsH3ガスが充分排出されたことを確認した後
にGaN膜24を形成するのが望ましい。GaN膜24
を形成した後、TMG及びDMHyの導入を停止し、反
応管を冷却する。The temperature of the reaction tube 10 rises, and a predetermined GaN
When the film growth temperature (800-950 ° C.) is reached, AsH 3
Is stopped, TMG is introduced and reacted with DMHy to form a GaN film 24 having a thickness of 2 μm on the GaN buffer layer 22 (process D). If AsH 3 gas remains when the GaN film 24 is formed, GaH may be generated when the GaN film is formed.
Since the NAs film is formed transiently and causes peeling of the GaN film 24, it is preferable to form the GaN film 24 after confirming that the AsH 3 gas has been sufficiently exhausted. GaN film 24
After the formation of, the introduction of TMG and DMHy is stopped, and the reaction tube is cooled.
【0024】このように、本実施形態では、GaNバッ
ファ層22成長過程のプロセスCにおいてAsを含むA
sH3ガスを導入することにより、GaN膜24の六方
晶の形成を抑制して立方晶GaN膜24を形成すること
ができる。なお、プロセスA、B、Dは従来技術のプロ
セスα、β、δと同一で良いが、本実施形態ではGaN
バッファ層22における六方晶の形成やスタッキングフ
ォールトの形成が既にAsH3により抑制されているた
め、特にプロセスDにおいては従来のように厳密に反応
管温度や反応性ガスのV属/III属の比率を制御する必
要はなく、比較的容易に立方晶GaN膜24を形成する
ことができる。As described above, in the present embodiment, in the process C in the process of growing the GaN buffer layer 22, A containing As
By introducing the sH 3 gas, the cubic GaN film 24 can be formed while suppressing the formation of hexagonal crystals in the GaN film 24. Note that the processes A, B, and D may be the same as the processes α, β, and δ of the related art, but in this embodiment, GaN
Since the formation of hexagonal crystals and the formation of stacking faults in the buffer layer 22 are already suppressed by AsH 3 , especially in the process D, the reaction tube temperature and the ratio of the V / III group of the reactive gas are strictly different from those of the prior art. Need not be controlled, and the cubic GaN film 24 can be formed relatively easily.
【0025】図4には、プロセスCにおいて導入するA
sH3の濃度を変化させた場合のGaN膜24の六方晶
混在率の変化が示されている。図においては、横軸はA
sH3の濃度(%)であり、縦軸はGaN膜24の六方
晶の混在率(%)である。AsH3の濃度が低い領域
(0〜5%)では混在率は30%以上と大きく、また、
AsH3の濃度が高い領域(20%以上)でも混在率の
上昇が見られる。そして、AsH3の濃度が5%〜20
%では混在率は30%以下と低く抑えられており、特に
AsH3の濃度が10%では混在率20%が得られてい
る。このように、六方晶の混在率がAsH3の濃度に依
存するのは、濃度が少なすぎるとGaAsエピタキシャ
ル層からのAsの解離を有効に防止できず、多すぎると
GaとNとの結合を阻害してしまうからと考えられる。
したがって、AsH3の濃度としては5%から20%、
より好ましくは10%前後である。FIG. 4 shows A introduced in process C.
The change in the hexagonal crystal mixture rate of the GaN film 24 when the concentration of sH 3 is changed is shown. In the figure, the horizontal axis is A
The sH 3 concentration (%) is shown, and the vertical axis is the hexagonal mixture ratio (%) of the GaN film 24. In the region where the concentration of AsH 3 is low (0 to 5%), the mixture ratio is as large as 30% or more.
In the region where the concentration of AsH 3 is high (20% or more), the mixture ratio is increased. And, the concentration of AsH 3 is 5% to 20%.
%, The mixture ratio is suppressed to as low as 30% or less. In particular, when the concentration of AsH 3 is 10%, a mixture ratio of 20% is obtained. As described above, the mixing ratio of hexagonal crystals depends on the concentration of AsH 3. If the concentration is too low, the dissociation of As from the GaAs epitaxial layer cannot be effectively prevented. Probably because it would hinder.
Therefore, the concentration of AsH 3 is 5% to 20%,
More preferably, it is around 10%.
【0026】図5には、プロセスCにおいて導入するA
sH3の流量を変化させた場合のGaN膜24の六方晶
混在率の変化が示されている。図において、横軸は10
%のAsH3の流量(sccm)であり、縦軸はGaN
膜24の六方晶混在率(%)である。なお、プロセスD
におけるDMHyの流量は50sccmであり、10%
AsH3の流量20sccmは、100%AsH3の2s
ccmに相当する。図から分かるように、10%AsH
3の流量が100〜250sccm(100%AsH3で
は1〜2.5sccmに相当)で混在率30%以下が得
られている。したがって、プロセスCにおけるAsH3
の分圧も、図6に示される範囲内に設定することが好適
である。FIG. 5 shows A introduced in process C.
The change of the hexagonal mixture ratio of the GaN film 24 when the flow rate of sH 3 is changed is shown. In the figure, the horizontal axis is 10
% Of AsH 3 (sccm), and the vertical axis represents GaN.
This is the hexagonal mixture ratio (%) of the film 24. Note that process D
Of DMHy at 50 sccm, 10%
Flow rate 20sccm of AsH 3 is, of 100% AsH 3 2s
ccm. As can be seen from the figure, 10% AsH
At a flow rate of 100 to 250 sccm (corresponding to 1 to 2.5 sccm in 100% AsH 3 ), a mixture rate of 30% or less is obtained. Therefore, AsH 3 in process C
Is preferably set within the range shown in FIG.
【0027】図6には、プロセスCにおいてAsH3を
導入する時間とGaN膜24の六方晶混在率の変化が示
されている。図において、横軸は加熱直後にAsH3を
導入した場合の導入継続時間(sec)であり、縦軸は
GaN膜24の六方晶混在率(%)である。AsH3を
100sec〜250sec程度継続すると六方晶混在
率を30%以下に抑えることができ、AsH3の導入時
間が100secより短い、あるいは導入時間が250
secより長いと六方晶混在率が30%以上に増大す
る。AsH3の導入継続時間が150sec程度で最小
の混在率が得られるのは、10%のAsH3がGaNバ
ッファ層22の表面を充分覆うまでにこの程度の時間を
要したためと考えられる。FIG. 6 shows the time for introducing AsH 3 in the process C and the change in the hexagonal mixture ratio of the GaN film 24. In the figure, the horizontal axis represents the introduction duration time (sec) when AsH 3 is introduced immediately after heating, and the vertical axis represents the hexagonal mixture ratio (%) of the GaN film 24. If AsH 3 is continued for about 100 sec to 250 sec, the hexagonal mixture ratio can be suppressed to 30% or less, and the introduction time of AsH 3 is shorter than 100 sec or the introduction time is 250 sec.
If it is longer than sec, the hexagonal mixture ratio increases to 30% or more. The reason why the minimum mixing ratio is obtained when the introduction duration of AsH 3 is about 150 sec is considered to be that it took about this time for 10% of AsH 3 to sufficiently cover the surface of the GaN buffer layer 22.
【0028】図7には、本実施形態の方法で形成された
GaN膜24のX線逆格子マッピングが示されている。
図において、直交するx軸及びy軸はそれぞれ2θ及び
ωを示し、z軸は強度を示す。比較のため、図8に従来
の方法で形成したGaN膜のX線逆格子マッピングを示
す。両図を比較すると明らかなように、本実施形態にお
けるGaN膜では立方晶(002)のピークが増大し、
逆に六方晶(1−101)のピークが減少して、立方晶
が支配的になっていることが分かる。さらに、本実施形
態では六方晶はω値の約10.790度でピークを有す
るのに対し、従来技術では約10.010度にピークを
有する点で顕著に相違する。このようなω値のズレは、
Asを含むガスを導入して安定な六方晶の形成を抑制し
たことに起因するものである。FIG. 7 shows the X-ray reciprocal lattice mapping of the GaN film 24 formed by the method of the present embodiment.
In the figure, orthogonal x-axis and y-axis indicate 2θ and ω, respectively, and z-axis indicates intensity. For comparison, FIG. 8 shows an X-ray reciprocal lattice mapping of a GaN film formed by a conventional method. As is clear from the comparison between the two figures, the cubic (002) peak increases in the GaN film in this embodiment,
Conversely, it can be seen that the peak of the hexagonal crystal (1-101) decreases and the cubic crystal becomes dominant. Further, in the present embodiment, the hexagonal crystal has a peak at an ω value of about 10.790 degrees, whereas the conventional technique has a peak at about 10.010 degrees, which is a marked difference. Such a deviation of the ω value is as follows.
This is because the formation of a stable hexagonal crystal was suppressed by introducing a gas containing As.
【0029】以上、本発明の実施形態についてGaAs
基板上に形成する場合について説明したが、GaAs基
板以外の半導体基板、例えばZnO基板を用いることも
できる。ZnO基板を用いた場合、ZnO基板上にGa
Nバッファ層を形成し、GaNバッファ層上にGaN膜
を形成すればよい。As described above, the embodiment of the present invention
Although the case of forming on a substrate has been described, a semiconductor substrate other than a GaAs substrate, for example, a ZnO substrate can also be used. When a ZnO substrate is used, GaO
An N buffer layer may be formed, and a GaN film may be formed on the GaN buffer layer.
【0030】[0030]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
六方晶の形成を抑制して立方晶のGaNを容易に形成す
ることができる。As described above, according to the present invention,
Cubic GaN can be easily formed by suppressing the formation of hexagonal crystals.
【図1】 実施形態の装置構成を示す概念図である。FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating a device configuration of an embodiment.
【図2】 実施形態のGaN膜構成図である。FIG. 2 is a configuration diagram of a GaN film according to the embodiment.
【図3】 実施形態のGaN膜形成方法を示すダイヤグ
ラム図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a GaN film forming method according to an embodiment.
【図4】 実施形態のAsH3の濃度と六方晶混在率と
の関係を示すグラフ図である。FIG. 4 is a graph showing the relationship between the concentration of AsH 3 and the hexagonal mixture ratio in the embodiment.
【図5】 実施形態のAsH3の流量と六方晶混在率と
の関係を示すグラフ図である。FIG. 5 is a graph showing a relationship between a flow rate of AsH 3 and a hexagonal crystal mixture rate in the embodiment.
【図6】 実施形態のAsH3の導入時間と六方晶混在
率との関係を示すグラフ図である。FIG. 6 is a graph showing the relationship between the introduction time of AsH 3 and the hexagonal mixture ratio in the embodiment.
【図7】 実施形態のX線逆格子マッピング図である。FIG. 7 is an X-ray reciprocal lattice mapping diagram of the embodiment.
【図8】 従来技術のX線逆格子マッピング図である。FIG. 8 is a prior art X-ray reciprocal lattice mapping diagram.
【図9】 従来技術のGaN膜形成方法を示すダイヤグ
ラム図である。FIG. 9 is a diagram showing a conventional method of forming a GaN film.
10 反応管、12 誘導コイル、14 スロープ、1
6 サセプタ、18GaAs基板、20 GaAsエピ
タキシャル層、22 GaNバッファ層、24 GaN
膜(GaNエピタキシャル層)。10 reaction tube, 12 induction coil, 14 slope, 1
6 susceptor, 18 GaAs substrate, 20 GaAs epitaxial layer, 22 GaN buffer layer, 24 GaN
Film (GaN epitaxial layer).
フロントページの続き Fターム(参考) 4K030 AA05 AA11 BA08 BA35 BA38 BA55 BA56 BB02 BB13 CA04 FA04 JA06 LA15 LA16 5F045 AA04 AB10 AB14 AC01 AC08 AD08 AD09 AD10 AD11 AD12 AD13 AF04 DA53 DA61 DP04 DQ06 EE12 EK02 HA16 Continued on front page F term (reference) 4K030 AA05 AA11 BA08 BA35 BA38 BA55 BA56 BB02 BB13 CA04 FA04 JA06 LA15 LA16 5F045 AA04 AB10 AB14 AC01 AC08 AD08 AD09 AD10 AD11 AD12 AD13 AF04 DA53 DA61 DP04 DQ06 EE12 EK02 HA16
Claims (6)
法であって、 V属原料ガスとIII属原料ガスを導入することにより半
導体基板上にGaNバッファ層を形成するバッファ層形
成ステップと、 前記GaNバッファ層を加熱し、前記III属原料ガスの
導入を停止するとともにAsを含むガスを導入して前記
GaNバッファ層上にGaNエピタキシャル層を形成す
べくGaNエピタキシャル層成長最適温度まで昇温する
加熱ステップと、 前記加熱ステップ後前記V属原料ガ
スとIII属原料ガスを導入することにより前記GaNバ
ッファ層上にGaNエピタキシャル層を形成するGaN
層形成ステップと、 を有することを特徴とするGaN膜形成方法。1. A method for forming a GaN thin film on a semiconductor substrate, comprising: forming a GaN buffer layer on the semiconductor substrate by introducing a group V source gas and a group III source gas; Heating the GaN buffer layer to stop the introduction of the group III source gas and introduce a gas containing As to raise the temperature to the GaN epitaxial layer growth optimum temperature so as to form a GaN epitaxial layer on the GaN buffer layer; Forming a GaN epitaxial layer on the GaN buffer layer by introducing the group V source gas and the group III source gas after the heating step.
A GaN film forming method, comprising: a layer forming step.
GaN膜形成方法。2. The method according to claim 1, wherein the semiconductor substrate is a GaAs substrate.
上にGaAs層をエピタキシャル成長させるGaAs層
形成ステップを有し、前記GaNバッファ層は前記Ga
As層上に形成されることを特徴とするGaN膜形成方
法。3. The method according to claim 2, further comprising, prior to the buffer layer forming step, a GaAs layer forming step of epitaxially growing a GaAs layer on the semiconductor substrate.
A GaN film forming method characterized by being formed on an As layer.
おいて、 前記Asを含むガスはアルシンガスであることを特徴と
するGaN膜形成方法。4. The method according to claim 1, wherein the gas containing As is an arsine gas.
を特徴とするGaN膜形成方法。5. The method according to claim 4, wherein the arsine gas has a concentration of 5% to 20%.
あって、 X線逆格子マッピングにおいて六方晶のωの値が約1
0.790度であり、 立方晶が六方晶に対して支配的であることを特徴とする
GaN膜。6. A GaN film formed on a GaAs substrate, wherein a value of ω of a hexagonal crystal is about 1 in X-ray reciprocal lattice mapping.
A GaN film, wherein the cubic crystal is 0.790 degrees and the cubic crystal is dominant to the hexagonal crystal.
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---|---|---|---|
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7811902B2 (en) | 2005-02-22 | 2010-10-12 | Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd. | Method for manufacturing nitride based single crystal substrate and method for manufacturing nitride based light emitting diode using the same |
JP2020516070A (en) * | 2017-03-31 | 2020-05-28 | ケンブリッジ エンタープライズ リミティッド | Sphalerite structure III-nitride |
-
1999
- 1999-07-02 JP JP11188647A patent/JP2001015442A/en active Pending
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