JP3214349B2 - ＩｎＧａＮ層を有する半導体ウエハ及びその製造方法並びにそれを具備する発光素子 - Google Patents
ＩｎＧａＮ層を有する半導体ウエハ及びその製造方法並びにそれを具備する発光素子Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、発光ダイオード
（ＬＥＤ）やレーザーダイオード（ＬＤ）等に使用され
る窒化インジウムガリウム層を有する半導体ウエハ及び
その製造方法に関するものである。
（ＬＥＤ）やレーザーダイオード（ＬＤ）等に使用され
る窒化インジウムガリウム層を有する半導体ウエハ及び
その製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】青色発光が実現できる半導体材料とし
て、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウムガリウム
（ＩｎＧａＮ）、窒化ガリウムアルミニウム（ＧａＡｌ
Ｎ）等の窒化ガリウム系化合物半導体が脚光を浴びてい
る。中でもＩｎＧａＮは、ｐ型不純物をドープしながら
成長させることで、発光波長領域を視感度の良い４５０
〜４９０ｎｍの青色領域とできることから注目され、特
開平６−２０９１２０号公報に示されているような青色
発光素子も開示されている。
て、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウムガリウム
（ＩｎＧａＮ）、窒化ガリウムアルミニウム（ＧａＡｌ
Ｎ）等の窒化ガリウム系化合物半導体が脚光を浴びてい
る。中でもＩｎＧａＮは、ｐ型不純物をドープしながら
成長させることで、発光波長領域を視感度の良い４５０
〜４９０ｎｍの青色領域とできることから注目され、特
開平６−２０９１２０号公報に示されているような青色
発光素子も開示されている。
【０００３】この青色発光素子用の基板は、通常、有機
金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により III族の有機金
属原料とアンモニアガスとを熱分解反応させて、単結晶
サファイア基板上に窒化ガリウム系化合物半導体層を積
層させることで作製されている。
金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により III族の有機金
属原料とアンモニアガスとを熱分解反応させて、単結晶
サファイア基板上に窒化ガリウム系化合物半導体層を積
層させることで作製されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来、
ＭＯＣＶＤ法でＩｎＧａＮ層を成長させる場合、Ｉｎを
供給する原料として一般的に使用されているトリメチル
インジウム（ＴＭＩ）やトリエチルインジウム（ＴＥ
Ｉ）は、他のガリウムやアルミニウムの化合物に比べて
インジウムの結合力が弱いために分解しやすく、成長温
度を低温に保持しないとＩｎの金属液滴が成長中にでき
てしまい、結晶性の良い膜を成長させることが非常に困
難であるという問題があった。
ＭＯＣＶＤ法でＩｎＧａＮ層を成長させる場合、Ｉｎを
供給する原料として一般的に使用されているトリメチル
インジウム（ＴＭＩ）やトリエチルインジウム（ＴＥ
Ｉ）は、他のガリウムやアルミニウムの化合物に比べて
インジウムの結合力が弱いために分解しやすく、成長温
度を低温に保持しないとＩｎの金属液滴が成長中にでき
てしまい、結晶性の良い膜を成長させることが非常に困
難であるという問題があった。
【０００５】成長中にＩｎの液滴ができると、成長した
ＩｎＧａＮ層が液滴に溶かされて分解してしまうため、
液滴はＩｎとＧａの混ざった組成となってどんどん増え
ていってしまう。しかし、成長温度を下げれば、液滴を
発生させずＩｎＧａＮ層を成長させることは可能である
が、低温で成長した結晶はアモルファスかそれに近い結
晶構造となってしまい、やはり結晶性の良い膜は得られ
ない。
ＩｎＧａＮ層が液滴に溶かされて分解してしまうため、
液滴はＩｎとＧａの混ざった組成となってどんどん増え
ていってしまう。しかし、成長温度を下げれば、液滴を
発生させずＩｎＧａＮ層を成長させることは可能である
が、低温で成長した結晶はアモルファスかそれに近い結
晶構造となってしまい、やはり結晶性の良い膜は得られ
ない。
【０００６】これを回避する方法として、ＧａＮの成長
時などに比べて成長速度を極端に遅くしたり（Jpn.J.Ap
pl.Phys.,Vol.31(1992)pp.L1457-1459) 、成長温度に応
じてＩｎＧａＮ層の成長させる成長速度を限定する方法
（特開平６−２０９１２２号公報）も提案されている
が、これらは生産効率が悪く、かつ成長条件の設定範囲
に裕度が乏しく、制御性にも問題がある。
時などに比べて成長速度を極端に遅くしたり（Jpn.J.Ap
pl.Phys.,Vol.31(1992)pp.L1457-1459) 、成長温度に応
じてＩｎＧａＮ層の成長させる成長速度を限定する方法
（特開平６−２０９１２２号公報）も提案されている
が、これらは生産効率が悪く、かつ成長条件の設定範囲
に裕度が乏しく、制御性にも問題がある。
【０００７】そこで本発明の目的は、青色発光素子に有
用な、結晶性の良いＩｎＧａＮ層を有する半導体ウエハ
と、その半導体ウエハを気相成長法で簡便かつ再現性良
く成長させることのできる製造方法を提供することにあ
る。
用な、結晶性の良いＩｎＧａＮ層を有する半導体ウエハ
と、その半導体ウエハを気相成長法で簡便かつ再現性良
く成長させることのできる製造方法を提供することにあ
る。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に請求項１の発明は、Ｇａ1-a Ａｌa Ｎ（０≦ａ＜１）
層上にＩｎx Ｇａ1-x Ｎ（０＜ｘ＜０．５）層を積層し
たＩｎＧａＮ層を有する半導体ウエハにおいて、上記Ｉ
ｎＧａＮ層を、その全部又は一部がアモルファス状の結
晶構造からなるように９００℃以下の低温で成長させた
後、その成長温度よりも高い温度で熱処理して、上記ア
モルファス状の結晶構造部分を、固相成長により再結晶
化させたものである。
に請求項１の発明は、Ｇａ1-a Ａｌa Ｎ（０≦ａ＜１）
層上にＩｎx Ｇａ1-x Ｎ（０＜ｘ＜０．５）層を積層し
たＩｎＧａＮ層を有する半導体ウエハにおいて、上記Ｉ
ｎＧａＮ層を、その全部又は一部がアモルファス状の結
晶構造からなるように９００℃以下の低温で成長させた
後、その成長温度よりも高い温度で熱処理して、上記ア
モルファス状の結晶構造部分を、固相成長により再結晶
化させたものである。
【０００９】請求項２の発明は、上記ＩｎＧａＮ層の厚
さが１μｍ以下であるものである。
さが１μｍ以下であるものである。
【００１０】請求項３の発明は、上記ＧａＡｌＮ層を１
０００℃以上の高温で成長させたものである。
０００℃以上の高温で成長させたものである。
【００１１】請求項４の発明は、Ｇａ1-a Ａｌa Ｎ（０
≦ａ＜１）層上にＩｎx Ｇａ1-x Ｎ（０＜ｘ＜０．５）
層を積層し、そのＩｎＧａＮ層上にＧａ1-b Ａｌb Ｎ
（０≦ｂ＜１）層を積層したＩｎＧａＮ層を有する半導
体ウエハにおいて、上記ＩｎＧａＮ層を、その全部又は
一部がアモルファス状の結晶構造からなるように９００
℃以下の低温で成長させると共に、上記Ｇａ1-b Ａｌb
Ｎ（０≦ｂ＜１）層を、その全部又は一部がアモルファ
ス状の結晶構造からなるように、かつ上記ＩｎＧａＮ層
との合計膜厚が１μｍ以下となるように成長させ、その
後、上記ＩｎＧａＮ層の成長温度よりも高い温度で熱処
理して、そのアモルファス状の結晶構造部分を、固相成
長により再結晶化させたものである。
≦ａ＜１）層上にＩｎx Ｇａ1-x Ｎ（０＜ｘ＜０．５）
層を積層し、そのＩｎＧａＮ層上にＧａ1-b Ａｌb Ｎ
（０≦ｂ＜１）層を積層したＩｎＧａＮ層を有する半導
体ウエハにおいて、上記ＩｎＧａＮ層を、その全部又は
一部がアモルファス状の結晶構造からなるように９００
℃以下の低温で成長させると共に、上記Ｇａ1-b Ａｌb
Ｎ（０≦ｂ＜１）層を、その全部又は一部がアモルファ
ス状の結晶構造からなるように、かつ上記ＩｎＧａＮ層
との合計膜厚が１μｍ以下となるように成長させ、その
後、上記ＩｎＧａＮ層の成長温度よりも高い温度で熱処
理して、そのアモルファス状の結晶構造部分を、固相成
長により再結晶化させたものである。
【００１２】請求項５の発明は、気相成長法により、Ｇ
ａ1-a Ａｌa Ｎ（０≦ａ＜１）層上にＩｎx Ｇａ1-x Ｎ
（０＜ｘ＜０．５）層を積層したＩｎＧａＮ層を有する
半導体ウエハの製造方法において、上記ＩｎＧａＮ層
を、その全部又は一部がアモルファス状の結晶構造から
なるように、かつその膜厚が１μｍ以下となるように９
００℃以下の低温で成長させた後、その成長温度よりも
高い温度で熱処理して、上記アモルファス状の結晶構造
部分を、固相成長により再結晶化させるものである。
ａ1-a Ａｌa Ｎ（０≦ａ＜１）層上にＩｎx Ｇａ1-x Ｎ
（０＜ｘ＜０．５）層を積層したＩｎＧａＮ層を有する
半導体ウエハの製造方法において、上記ＩｎＧａＮ層
を、その全部又は一部がアモルファス状の結晶構造から
なるように、かつその膜厚が１μｍ以下となるように９
００℃以下の低温で成長させた後、その成長温度よりも
高い温度で熱処理して、上記アモルファス状の結晶構造
部分を、固相成長により再結晶化させるものである。
【００１３】請求項６の発明は、気相成長法により、Ｇ
ａ1-a Ａｌa Ｎ（０≦ａ＜１）層上にＩｎx Ｇａ1-x Ｎ
（０＜ｘ＜０．５）層を積層したＩｎＧａＮ層を有する
半導体ウエハの製造方法において、上記ＧａＡｌＮ層を
１０００℃以上の高温で成長させた後、上記ＩｎＧａＮ
層を、その全部又は一部がアモルファス状の結晶構造か
らなるように、かつその膜厚が１μｍ以下となるように
９００℃以下の低温で成長させた後、その成長温度より
も高い温度で熱処理して、上記アモルファス状の結晶構
造部分を、固相成長により再結晶化させるものである。
ａ1-a Ａｌa Ｎ（０≦ａ＜１）層上にＩｎx Ｇａ1-x Ｎ
（０＜ｘ＜０．５）層を積層したＩｎＧａＮ層を有する
半導体ウエハの製造方法において、上記ＧａＡｌＮ層を
１０００℃以上の高温で成長させた後、上記ＩｎＧａＮ
層を、その全部又は一部がアモルファス状の結晶構造か
らなるように、かつその膜厚が１μｍ以下となるように
９００℃以下の低温で成長させた後、その成長温度より
も高い温度で熱処理して、上記アモルファス状の結晶構
造部分を、固相成長により再結晶化させるものである。
【００１４】請求項７の発明は、気相成長法により、Ｇ
ａ1-a Ａｌa Ｎ（０≦ａ＜１）層上にＩｎx Ｇａ1-x Ｎ
（０＜ｘ＜０．５）層を積層し、その上にＧａ1-b Ａｌ
b Ｎ（０≦ｂ＜１）層を積層するＩｎＧａＮ層を有する
半導体ウエハの製造方法において、上記ＩｎＧａＮ層
を、その全部又は一部がアモルファス状の結晶構造から
なるように９００℃以下の低温で成長させると共に、上
記Ｇａ1-b Ａｌb Ｎ（０≦ｂ＜１）層を、その全部又は
一部がアモルファス状の結晶構造からなるように、かつ
上記ＩｎＧａＮ層との合計膜厚が１μｍ以下となるよう
に成長させ、その後、上記ＩｎＧａＮ層の成長温度より
も高い温度で熱処理して、上記アモルファス状の結晶構
造部分を、固相成長により再結晶化させるものである。
ａ1-a Ａｌa Ｎ（０≦ａ＜１）層上にＩｎx Ｇａ1-x Ｎ
（０＜ｘ＜０．５）層を積層し、その上にＧａ1-b Ａｌ
b Ｎ（０≦ｂ＜１）層を積層するＩｎＧａＮ層を有する
半導体ウエハの製造方法において、上記ＩｎＧａＮ層
を、その全部又は一部がアモルファス状の結晶構造から
なるように９００℃以下の低温で成長させると共に、上
記Ｇａ1-b Ａｌb Ｎ（０≦ｂ＜１）層を、その全部又は
一部がアモルファス状の結晶構造からなるように、かつ
上記ＩｎＧａＮ層との合計膜厚が１μｍ以下となるよう
に成長させ、その後、上記ＩｎＧａＮ層の成長温度より
も高い温度で熱処理して、上記アモルファス状の結晶構
造部分を、固相成長により再結晶化させるものである。
【００１５】請求項８の発明は、上記ＩｎＧａＮ層の再
結晶化はアンモニアガス雰囲気中で行うものである。
結晶化はアンモニアガス雰囲気中で行うものである。
【００１６】請求項９の発明は、Ｇａ1-a Ａｌa Ｎ（０
≦ａ＜１）層上にＩｎx Ｇａ1-x Ｎ（０＜ｘ＜０．５）
層を積層したＩｎＧａＮ層を有する半導体ウエハを具備
する発光素子において、上記ＩｎＧａＮ層を、その全部
又は一部がアモルファス状の結晶構造からなるように、
かつその膜厚が１μｍ以下となるように９００℃以下の
低温で成長させた後、その成長温度よりも高い温度で熱
処理して、上記アモルファス状の結晶構造部分を、固相
成長により再結晶化させたものである。
≦ａ＜１）層上にＩｎx Ｇａ1-x Ｎ（０＜ｘ＜０．５）
層を積層したＩｎＧａＮ層を有する半導体ウエハを具備
する発光素子において、上記ＩｎＧａＮ層を、その全部
又は一部がアモルファス状の結晶構造からなるように、
かつその膜厚が１μｍ以下となるように９００℃以下の
低温で成長させた後、その成長温度よりも高い温度で熱
処理して、上記アモルファス状の結晶構造部分を、固相
成長により再結晶化させたものである。
【００１７】請求項１０の発明は、Ｇａ1-a Ａｌa Ｎ
（０≦ａ＜１）層上にＩｎx Ｇａ1- x Ｎ（０＜ｘ＜０．
５）層を積層し、そのＩｎＧａＮ層上にＧａ1-b Ａｌb
Ｎ（０≦ｂ＜１）層を積層した半導体ウエハを具備する
発光素子において、上記ＩｎＧａＮ層を、その全部又は
一部がアモルファス状の結晶構造からなるように９００
℃以下の低温で成長させると共に、上記Ｇａ1-b Ａｌb
Ｎ（０≦ｂ＜１）層を、その全部又は一部がアモルファ
ス状の結晶構造からなるように、かつ上記ＩｎＧａＮ層
との合計膜厚が１μｍ以下となるように成長させ、その
後、上記ＩｎＧａＮ層の成長温度よりも高い温度で熱処
理して、上記アモルファス状の結晶構造部分を、固相成
長により再結晶化させたものである。
（０≦ａ＜１）層上にＩｎx Ｇａ1- x Ｎ（０＜ｘ＜０．
５）層を積層し、そのＩｎＧａＮ層上にＧａ1-b Ａｌb
Ｎ（０≦ｂ＜１）層を積層した半導体ウエハを具備する
発光素子において、上記ＩｎＧａＮ層を、その全部又は
一部がアモルファス状の結晶構造からなるように９００
℃以下の低温で成長させると共に、上記Ｇａ1-b Ａｌb
Ｎ（０≦ｂ＜１）層を、その全部又は一部がアモルファ
ス状の結晶構造からなるように、かつ上記ＩｎＧａＮ層
との合計膜厚が１μｍ以下となるように成長させ、その
後、上記ＩｎＧａＮ層の成長温度よりも高い温度で熱処
理して、上記アモルファス状の結晶構造部分を、固相成
長により再結晶化させたものである。
【００１８】本発明はこのように構成することで、Ｉｎ
ＧａＮ層は、９００℃以下の低温で成長することで、そ
の全部又は一部がアモルファス状の結晶構造になり、そ
の後の熱処理により、単結晶構造として再結晶化する。
ＧａＮ層は、９００℃以下の低温で成長することで、そ
の全部又は一部がアモルファス状の結晶構造になり、そ
の後の熱処理により、単結晶構造として再結晶化する。
【００１９】すなわち、本発明の要点は、ＩｎＧａＮ層
を液滴ができない程度の低温で成長させ、そのままでは
アモルファス状である結晶構造を、ＩｎＧａＮ層の成長
終了後、その成長温度よりも高い温度で熱処理すること
により、熱分解を起こさずに下地の結晶層と結晶方位が
揃うようにＩｎＧａＮ層を固相成長させて結晶性を良く
することにある。
を液滴ができない程度の低温で成長させ、そのままでは
アモルファス状である結晶構造を、ＩｎＧａＮ層の成長
終了後、その成長温度よりも高い温度で熱処理すること
により、熱分解を起こさずに下地の結晶層と結晶方位が
揃うようにＩｎＧａＮ層を固相成長させて結晶性を良く
することにある。
【００２０】窒化ガリウム系の化合物半導体層を５００
〜９００℃程度の温度で成長させると、結晶構造がアモ
ルファスに近い形となる。これをサファイアやシリコン
基板上に積層して、１２００℃程度の高温で熱処理する
と、再結晶化して単結晶になることが知られている（例
えば、日本結晶成長学会紙 Vol.15 No.3&4(1988)pp.39-
47やJ.Crystal Growth,98(1989)209-219参照）。この技
術は、格子定数の異なる基板上に窒化ガリウム系の半導
体層を成長させる際に、結晶方位を引き継がせつつ格子
歪みを緩和させる目的で、基板と半導体層の間に挟んで
成長させる、いわゆるバッファ層の成長に用いられてい
る。
〜９００℃程度の温度で成長させると、結晶構造がアモ
ルファスに近い形となる。これをサファイアやシリコン
基板上に積層して、１２００℃程度の高温で熱処理する
と、再結晶化して単結晶になることが知られている（例
えば、日本結晶成長学会紙 Vol.15 No.3&4(1988)pp.39-
47やJ.Crystal Growth,98(1989)209-219参照）。この技
術は、格子定数の異なる基板上に窒化ガリウム系の半導
体層を成長させる際に、結晶方位を引き継がせつつ格子
歪みを緩和させる目的で、基板と半導体層の間に挟んで
成長させる、いわゆるバッファ層の成長に用いられてい
る。
【００２１】これに対して本発明は、このバッファ層成
長の原理であるところの、低温成長したアモルファス状
結晶を高温で熱処理して単結晶にする技術を、高温成長
が困難なＩｎＧａＮ層の成長に応用したものであり、歪
みを緩和する目的でなく、発光に直接関与する層を低温
気相成長法後に固相成長で作製するという手法は、未だ
かつてなかった新規なものである。
長の原理であるところの、低温成長したアモルファス状
結晶を高温で熱処理して単結晶にする技術を、高温成長
が困難なＩｎＧａＮ層の成長に応用したものであり、歪
みを緩和する目的でなく、発光に直接関与する層を低温
気相成長法後に固相成長で作製するという手法は、未だ
かつてなかった新規なものである。
【００２２】ＩｎＮが分解し始める温度はおよそ５００
℃、ＧａＮの場合はおよそ１２００℃であるため、Ｉｎ
ＧａＮはその組成によって５００℃から１２００℃の間
で分解し始める。しかし、原料となるＴＭＩやＴＥＩと
いったインジウムの有機化合物は、ＩｎＧａＮよりも低
い温度で分解し始めるので、インジウムの液滴を生じさ
せないようにするためには、ＩｎＧａＮの分解温度より
も十分低い温度で成長を行う必要があり、この温度は、
ＩｎＧａＮのＩｎ組成をどんなに低くおさえても経験的
に９００℃以下である。ＩｎＧａＮの分解開始温度は組
成を始めとして雰囲気ガスや圧力によっても大きく変化
するため、ＩｎＧａＮの最適成長温度を限定することは
困難である。よって、請求の範囲では上記の理由から９
００℃以下で成長させることとした。通常使用されるＩ
ｎ0.01Ｇａ0.99Ｎ〜Ｉｎ0.5 Ｇａ0.5 Ｎの範囲のＩｎ組
成であれば、５００〜７００℃程度の温度範囲で成長さ
せるのが望ましい。
℃、ＧａＮの場合はおよそ１２００℃であるため、Ｉｎ
ＧａＮはその組成によって５００℃から１２００℃の間
で分解し始める。しかし、原料となるＴＭＩやＴＥＩと
いったインジウムの有機化合物は、ＩｎＧａＮよりも低
い温度で分解し始めるので、インジウムの液滴を生じさ
せないようにするためには、ＩｎＧａＮの分解温度より
も十分低い温度で成長を行う必要があり、この温度は、
ＩｎＧａＮのＩｎ組成をどんなに低くおさえても経験的
に９００℃以下である。ＩｎＧａＮの分解開始温度は組
成を始めとして雰囲気ガスや圧力によっても大きく変化
するため、ＩｎＧａＮの最適成長温度を限定することは
困難である。よって、請求の範囲では上記の理由から９
００℃以下で成長させることとした。通常使用されるＩ
ｎ0.01Ｇａ0.99Ｎ〜Ｉｎ0.5 Ｇａ0.5 Ｎの範囲のＩｎ組
成であれば、５００〜７００℃程度の温度範囲で成長さ
せるのが望ましい。
【００２３】一方、アモルファス状に成長した結晶の格
子を固相成長で再配列させるためには、融点よりもわず
かに低い温度で熱処理する方法が一般的であるが、Ｉｎ
ＧａＮの場合、温度を上げていくと融解する以前に分解
・昇華が始まるため、分解が起こらない範囲でなるべく
高温に保持して熱処理を施す必要がある。分解開始温度
は上述のような理由で一概には決まらないが、少なくと
も成長温度よりも高い温度で固相成長のための熱処理を
行う必要がある。
子を固相成長で再配列させるためには、融点よりもわず
かに低い温度で熱処理する方法が一般的であるが、Ｉｎ
ＧａＮの場合、温度を上げていくと融解する以前に分解
・昇華が始まるため、分解が起こらない範囲でなるべく
高温に保持して熱処理を施す必要がある。分解開始温度
は上述のような理由で一概には決まらないが、少なくと
も成長温度よりも高い温度で固相成長のための熱処理を
行う必要がある。
【００２４】この固相成長のための熱処理は、ＩｎＧａ
Ｎが分解しないような雰囲気にして行うことが望まし
い。熱処理をアンモニアガス雰囲気中で行うのは、Ｉｎ
ＧａＮの分解を抑制する効果があるためである。同様
に、窒素ガスやアンモニアガスをプラズマで分解するな
どで発生させた窒素ラジカルを雰囲気ガス中に混ぜるこ
とも、ＩｎＧａＮの分解抑制に効果がある。
Ｎが分解しないような雰囲気にして行うことが望まし
い。熱処理をアンモニアガス雰囲気中で行うのは、Ｉｎ
ＧａＮの分解を抑制する効果があるためである。同様
に、窒素ガスやアンモニアガスをプラズマで分解するな
どで発生させた窒素ラジカルを雰囲気ガス中に混ぜるこ
とも、ＩｎＧａＮの分解抑制に効果がある。
【００２５】また、アモルファス状のＩｎＧａＮを固相
成長させて良質な単結晶を得るためには、下地となって
いるＧａ1-a Ａｌa Ｎ（０≦ａ＜１）層の結晶性が良く
なくてはならない。下地のＧａＡｌＮも低温で成長すれ
ばアモルファスに近い構造となってしまうため、少なく
とも１０００℃以上の温度で成長させておく必要があ
る。
成長させて良質な単結晶を得るためには、下地となって
いるＧａ1-a Ａｌa Ｎ（０≦ａ＜１）層の結晶性が良く
なくてはならない。下地のＧａＡｌＮも低温で成長すれ
ばアモルファスに近い構造となってしまうため、少なく
とも１０００℃以上の温度で成長させておく必要があ
る。
【００２６】更に、ＩｎＧａＮもしくはＩｎＧａＮとそ
の上に低温で積層するＧａＡｌＮ層の合計膜厚を１μｍ
以下としたのは、これ以上厚くなると固相成長時に結晶
表面に新たな核が発生して多結晶化してしまい、単結晶
が得られなくなるためである。
の上に低温で積層するＧａＡｌＮ層の合計膜厚を１μｍ
以下としたのは、これ以上厚くなると固相成長時に結晶
表面に新たな核が発生して多結晶化してしまい、単結晶
が得られなくなるためである。
【００２７】このように、ＩｎＧａＮ上に低温でＧａＡ
ｌＮを積層してから熱処理して固相成長させる方法は、
ＧａＡｌＮがＩｎＧａＮよりも分解しにくいことを利用
して、ＧａＡｌＮをキャップ層として、ＩｎＧａＮの分
解をおさえながらより高温で熱処理できるようにしたも
のであり、ダブルヘテロ構造のＬＥＤ用基板を作製する
際には、この上にさらに高温でＧａＡｌＮ層を成長させ
ていけば良い。
ｌＮを積層してから熱処理して固相成長させる方法は、
ＧａＡｌＮがＩｎＧａＮよりも分解しにくいことを利用
して、ＧａＡｌＮをキャップ層として、ＩｎＧａＮの分
解をおさえながらより高温で熱処理できるようにしたも
のであり、ダブルヘテロ構造のＬＥＤ用基板を作製する
際には、この上にさらに高温でＧａＡｌＮ層を成長させ
ていけば良い。
【００２８】
【発明の実施の形態】次に、本発明の好適実施の形態を
添付図面を用いて詳述する。
添付図面を用いて詳述する。
【００２９】図１に本発明のＩｎＧａＮ層を有する半導
体ウエハの断面図を示す。
体ウエハの断面図を示す。
【００３０】ＩｎＧａＮ層を有する半導体ウエハ２０
は、図示するように、Ｇａ1-a Ａｌa Ｎ（０≦ａ＜１）
層１１と、その上に形成されたＩｎx Ｇａ1-x Ｎ（０＜
ｘ＜０．５）層１３と、さらにその上に形成されたＧａ
1-b Ａｌb Ｎ（０≦ｂ＜１）層１５とから構成されてい
る。
は、図示するように、Ｇａ1-a Ａｌa Ｎ（０≦ａ＜１）
層１１と、その上に形成されたＩｎx Ｇａ1-x Ｎ（０＜
ｘ＜０．５）層１３と、さらにその上に形成されたＧａ
1-b Ａｌb Ｎ（０≦ｂ＜１）層１５とから構成されてい
る。
【００３１】このＩｎＧａＮ層１３とＧａ1-b Ａｌb Ｎ
（０≦ｂ＜１）層１５は、それぞれの全部又は一部がウ
ルツ鉱型（六方晶系）結晶構造となっており、これら合
計膜厚が１μｍ以下となっている。
（０≦ｂ＜１）層１５は、それぞれの全部又は一部がウ
ルツ鉱型（六方晶系）結晶構造となっており、これら合
計膜厚が１μｍ以下となっている。
【００３２】更に、図２にこの半導体ウエハ２０を具備
するダブルヘテロ構造の発光素子の断面図を示す。
するダブルヘテロ構造の発光素子の断面図を示す。
【００３３】図２中、４は基板、１１ａはその基板４上
に成長したＡｌＮバッファ層、１１ｂはそのＡｌＮバッ
ファ層１１ａ上に成長したＧａＮ層、１３ｐはそのＧａ
Ｎ層１１ｂ上にドーパントがドープされながら成長した
ＩｎＧａＮ活性層、１５はそのＩｎＧａＮ活性層上に成
長したＧａ1-b Ａｌb Ｎ（０≦ｂ＜１）層である。
に成長したＡｌＮバッファ層、１１ｂはそのＡｌＮバッ
ファ層１１ａ上に成長したＧａＮ層、１３ｐはそのＧａ
Ｎ層１１ｂ上にドーパントがドープされながら成長した
ＩｎＧａＮ活性層、１５はそのＩｎＧａＮ活性層上に成
長したＧａ1-b Ａｌb Ｎ（０≦ｂ＜１）層である。
【００３４】次に、このＩｎＧａＮ層を有する半導体ウ
エハ２０を製造するための横型ＭＯＣＶＤ装置の概略断
面図を図３に示す。
エハ２０を製造するための横型ＭＯＣＶＤ装置の概略断
面図を図３に示す。
【００３５】図３中、１はその内部で結晶成長を行うた
めの石英製のリアクター（反応容器）、２は基板４を載
置するためのグラファイトサセプター、３はこのグラフ
ァイトサセプター２を加熱するためのＲＦ加熱コイル、
５は基板４に向かって原料ガスを供給するための原料ガ
ス誘導ノズルである。また、６はリアクター１内を真空
にするための排気装置を備えた真空ポンプであり、８、
９、１０はそれぞれトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、ト
リメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウ
ム（ＴＭＩ）を収納する容器である。
めの石英製のリアクター（反応容器）、２は基板４を載
置するためのグラファイトサセプター、３はこのグラフ
ァイトサセプター２を加熱するためのＲＦ加熱コイル、
５は基板４に向かって原料ガスを供給するための原料ガ
ス誘導ノズルである。また、６はリアクター１内を真空
にするための排気装置を備えた真空ポンプであり、８、
９、１０はそれぞれトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、ト
リメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウ
ム（ＴＭＩ）を収納する容器である。
【００３６】これら各有機金属原料は、微量のバブリン
グガス（Ｈ2 ）によって気化され、キャリアガス
（Ｈ2 ）によって希釈されてリアクター１内に供給され
るようになっている。
グガス（Ｈ2 ）によって気化され、キャリアガス
（Ｈ2 ）によって希釈されてリアクター１内に供給され
るようになっている。
【００３７】更にリアクター１内に供給される有機金属
の流量は、ガス流量制御装置７によって制御されるよう
になっている。従って、アンモニアガス（ＮＨ3 ）は、
有機金属との寄生反応が抑制されるように、リアクター
１に導入する直前で各有機金属原料と混合されて、基板
４表面へと導かれることになる。
の流量は、ガス流量制御装置７によって制御されるよう
になっている。従って、アンモニアガス（ＮＨ3 ）は、
有機金属との寄生反応が抑制されるように、リアクター
１に導入する直前で各有機金属原料と混合されて、基板
４表面へと導かれることになる。
【００３８】次に、この横型ＭＯＣＶＤ装置を用いて、
本発明のＩｎＧａＮ層を有する半導体ウエハ２０の製造
方法を説明する。
本発明のＩｎＧａＮ層を有する半導体ウエハ２０の製造
方法を説明する。
【００３９】先ず、半導体ウエハ２０のＧａ1-a Ａｌa
Ｎ（０≦ａ＜１）層１１とＩｎx Ｇａ1-x Ｎ（０＜ｘ＜
０．５）層１３とを形成するに際しては、グラファイト
サセプター２上に基板４を載置すると共に、リアクター
１内を高純度水素ガス（以下、単に水素ガスと記す）で
十分に置換する。次に、リアクター１内に微量の水素ガ
スを流しながらＲＦ加熱コイル３でこのグラファイトサ
セプター２を加熱して基板温度を１０００〜１２００℃
まで上昇させる。ノズル５から基板４表面に、アンモニ
ア（ＮＨ3 ）と、水素ガスをキャリアガスとしてＴＭＧ
８とＴＭＡ９を供給して、Ｇａ1-a Ａｌa Ｎ（０≦ａ＜
１）層１１を成長させる。次に、これらＧａ1-a Ａｌa
Ｎ（０≦ａ＜１）層１１の基板温度を６００〜９００℃
まで下降させて、その基板表面に、アンモニア、ＴＭＧ
８、ＴＭＩ１０、および水素キャリアガスを供給して、
ＩｎＧａＮ層１３を成長させる。この成長温度が６００
〜９００℃と低温なので、ＩｎＧａＮ層１３中の全部ま
たは一部にアモルファス状の結晶構造が発生する。最後
に、ノズル５から供給するガスをアンモニアだけにし
て、基板表面をアンモニアガス雰囲気に保ちつつ、基板
温度を適宜昇温して熱処理を施す。これにより、ＩｎＧ
ａＮ層１３中のアモルファス状の結晶部分はウルツ鉱型
結晶構造の単結晶となる。従って、結晶性の良いＩｎＧ
ａＮ層を形成できる。
Ｎ（０≦ａ＜１）層１１とＩｎx Ｇａ1-x Ｎ（０＜ｘ＜
０．５）層１３とを形成するに際しては、グラファイト
サセプター２上に基板４を載置すると共に、リアクター
１内を高純度水素ガス（以下、単に水素ガスと記す）で
十分に置換する。次に、リアクター１内に微量の水素ガ
スを流しながらＲＦ加熱コイル３でこのグラファイトサ
セプター２を加熱して基板温度を１０００〜１２００℃
まで上昇させる。ノズル５から基板４表面に、アンモニ
ア（ＮＨ3 ）と、水素ガスをキャリアガスとしてＴＭＧ
８とＴＭＡ９を供給して、Ｇａ1-a Ａｌa Ｎ（０≦ａ＜
１）層１１を成長させる。次に、これらＧａ1-a Ａｌa
Ｎ（０≦ａ＜１）層１１の基板温度を６００〜９００℃
まで下降させて、その基板表面に、アンモニア、ＴＭＧ
８、ＴＭＩ１０、および水素キャリアガスを供給して、
ＩｎＧａＮ層１３を成長させる。この成長温度が６００
〜９００℃と低温なので、ＩｎＧａＮ層１３中の全部ま
たは一部にアモルファス状の結晶構造が発生する。最後
に、ノズル５から供給するガスをアンモニアだけにし
て、基板表面をアンモニアガス雰囲気に保ちつつ、基板
温度を適宜昇温して熱処理を施す。これにより、ＩｎＧ
ａＮ層１３中のアモルファス状の結晶部分はウルツ鉱型
結晶構造の単結晶となる。従って、結晶性の良いＩｎＧ
ａＮ層を形成できる。
【００４０】また、このＩｎＧａＮ層１３上にＧａ1-b
Ａｌb Ｎ（０≦ｂ＜１）層１５を形成するに際しては、
上述の熱処理を行う前に、そのＩｎＧａＮ層１３の表面
に、ＴＭＩ１０に代えてＴＭＡ９、アンモニア、ＴＭＧ
８、および水素キャリアガスを供給して成長させること
により行う。
Ａｌb Ｎ（０≦ｂ＜１）層１５を形成するに際しては、
上述の熱処理を行う前に、そのＩｎＧａＮ層１３の表面
に、ＴＭＩ１０に代えてＴＭＡ９、アンモニア、ＴＭＧ
８、および水素キャリアガスを供給して成長させること
により行う。
【００４１】このＧａ1-b Ａｌb Ｎ（０≦ｂ＜１）層１
５を形成した際には、この層１５中にも、その全部また
は一部にアモルファス状の結晶構造が発生する。従っ
て、その後の熱処理により、この層１５中のアモルファ
ス状の結晶部分もウルツ鉱型結晶構造の単結晶となる。
５を形成した際には、この層１５中にも、その全部また
は一部にアモルファス状の結晶構造が発生する。従っ
て、その後の熱処理により、この層１５中のアモルファ
ス状の結晶部分もウルツ鉱型結晶構造の単結晶となる。
【００４２】以上のように、本発明は、青色ＬＥＤや青
色ＬＤといった発光素子用基板を成長させる際に有効な
ＩｎＧａＮの結晶成長方法である。従ってＩｎＧａＮ層
は、図２に示すように、Ｓｉ、Ｓ等のｎ型ドーパントや
Ｃｄ、Ｚｎ、Ｍｇ等のｐ型ドーパントを加えて成長さ
せ、青色ＬＥＤの活性層として用いられる。ＩｎＧａＮ
層を有する青色ＬＥＤの構造としては、Jpn.J.Appl.Phy
s.,Vol.32(1993)pp.L8-L11やAppl.Phys.Letter,64(13)
(1994)pp.1687-1689 等に発表されている。
色ＬＤといった発光素子用基板を成長させる際に有効な
ＩｎＧａＮの結晶成長方法である。従ってＩｎＧａＮ層
は、図２に示すように、Ｓｉ、Ｓ等のｎ型ドーパントや
Ｃｄ、Ｚｎ、Ｍｇ等のｐ型ドーパントを加えて成長さ
せ、青色ＬＥＤの活性層として用いられる。ＩｎＧａＮ
層を有する青色ＬＥＤの構造としては、Jpn.J.Appl.Phy
s.,Vol.32(1993)pp.L8-L11やAppl.Phys.Letter,64(13)
(1994)pp.1687-1689 等に発表されている。
【００４３】尚、本実施の形態においてはＩｎＧａＮ層
を結晶性良く成長させたが、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、
ＧａＡｌＮといった他のＧａＮ系化合物半導体層の成長
に応用が可能である。また、ＭＯＣＶＤ法だけでなく、
ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）等の他の気相成長
法においても応用が可能である。更に、原理的には、Ｇ
ａＡｓやＩｎＰ等の III−Ｖ族化合物半導体やＺｅＳｅ
等のII−VI族化合物半導体層の気相成長法にも応用が可
能である。
を結晶性良く成長させたが、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、
ＧａＡｌＮといった他のＧａＮ系化合物半導体層の成長
に応用が可能である。また、ＭＯＣＶＤ法だけでなく、
ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）等の他の気相成長
法においても応用が可能である。更に、原理的には、Ｇ
ａＡｓやＩｎＰ等の III−Ｖ族化合物半導体やＺｅＳｅ
等のII−VI族化合物半導体層の気相成長法にも応用が可
能である。
【００４４】従って、成長層が下地と完全に格子整合し
ていない系でも、ある程度は単結晶成長が可能になるた
め、２元系化合物上に３元系化合物層を成長させる際の
組成のとりかたに裕度が広がるという利点もある。
ていない系でも、ある程度は単結晶成長が可能になるた
め、２元系化合物上に３元系化合物層を成長させる際の
組成のとりかたに裕度が広がるという利点もある。
【００４５】
【実施例】次に、本発明の製造方法で作製したＩｎＧａ
Ｎ層を有する半導体ウエハの、より具体的な実施例を比
較例と併せて説明する。
Ｎ層を有する半導体ウエハの、より具体的な実施例を比
較例と併せて説明する。
【００４６】先ず、鏡面研磨（ｃ面）サファイア基板
を、加熱した燐酸と硫酸の混酸中で洗浄し、その後純水
中でよく洗浄して乾燥させた後、サセプターに載置し、
リアクター内を高純度水素ガスで十分に置換する。次
に、リアクター内に微量の水素ガスを流しながら基板温
度を１１００℃まで上昇させ、３０分間保持して基板表
面のクリーニングを行う。
を、加熱した燐酸と硫酸の混酸中で洗浄し、その後純水
中でよく洗浄して乾燥させた後、サセプターに載置し、
リアクター内を高純度水素ガスで十分に置換する。次
に、リアクター内に微量の水素ガスを流しながら基板温
度を１１００℃まで上昇させ、３０分間保持して基板表
面のクリーニングを行う。
【００４７】続いて６００℃まで基板温度を下げ、ノズ
ルから基板表面にＮＨ3 ２．０リットル／分、ＴＭＡ
３．０×１０-5モル／分と水素ガス２．０リットル／分
を混合したガスを１分間供給して、ＡｌＮバッファ層を
約４０ｎｍ成長させる。この間、リアクター内の雰囲気
ガスには、微量の水素ガスを流し続ける。
ルから基板表面にＮＨ3 ２．０リットル／分、ＴＭＡ
３．０×１０-5モル／分と水素ガス２．０リットル／分
を混合したガスを１分間供給して、ＡｌＮバッファ層を
約４０ｎｍ成長させる。この間、リアクター内の雰囲気
ガスには、微量の水素ガスを流し続ける。
【００４８】ＡｌＮバッファ層成長後、ＴＭＡの供給だ
けを止めた状態でガスを流し続けながら、基板温度を１
１００℃にまで昇温する。基板温度がその温度に到達し
たら、ＡｌＮバッファ層の成長時と同じように、ＮＨ3
２．０リットル／分と、水素ガスとＴＭＧを６．２×１
０-5モル／分とを３０分間基板に供給して、ＧａＮ層を
約２μｍ成長させ、以下の実施例１，２と比較例１，２
の試料とした。
けを止めた状態でガスを流し続けながら、基板温度を１
１００℃にまで昇温する。基板温度がその温度に到達し
たら、ＡｌＮバッファ層の成長時と同じように、ＮＨ3
２．０リットル／分と、水素ガスとＴＭＧを６．２×１
０-5モル／分とを３０分間基板に供給して、ＧａＮ層を
約２μｍ成長させ、以下の実施例１，２と比較例１，２
の試料とした。
【００４９】実施例１ 上述したように形成した試料のＧａＮ層の基板温度を６
００℃にして、ＮＨ3 ４リットル／分とＴＭＧ２．０×
１０-6モル／分、ＴＭＩ２．０×１０-5モル／分および
水素ガス２．０リットル／分を混合して４０分間基板に
供給してＩｎＧａＮ層を０．１４μｍ成長させた。Ｉｎ
ＧａＮ層の成長後、ノズルから供給するガスをＮＨ3 ４
リットル／分だけにして、基板表面をアンモニアガス雰
囲気に保ちつつ、基板温度を９５０℃に昇温して６０分
保持し、その後、アンモニアガスを流しつつ基板を室温
まで冷却した。
００℃にして、ＮＨ3 ４リットル／分とＴＭＧ２．０×
１０-6モル／分、ＴＭＩ２．０×１０-5モル／分および
水素ガス２．０リットル／分を混合して４０分間基板に
供給してＩｎＧａＮ層を０．１４μｍ成長させた。Ｉｎ
ＧａＮ層の成長後、ノズルから供給するガスをＮＨ3 ４
リットル／分だけにして、基板表面をアンモニアガス雰
囲気に保ちつつ、基板温度を９５０℃に昇温して６０分
保持し、その後、アンモニアガスを流しつつ基板を室温
まで冷却した。
【００５０】実施例２ 上述したように形成した試料のＧａＮ層の基板温度を６
００℃にして、ＮＨ3 ４リットル／分とＴＭＧ２．０×
１０-6モル／分、ＴＭＩ２．０×１０-5モル／分および
ドーパントとしてジエチルカドミウム３．０×１０-6リ
ットル／分と水素ガス２．０リットル／分を混合して４
０分間基板に供給してＩｎＧａＮ層を０．１４μｍ成長
させた。ＩｎＧａＮ層の成長後、基板温度は６００℃の
ままで、ＮＨ3 ４リットル／分とＴＭＧ３．０×１０-5
モル／分、水素ガス２．０リットル／分を混合して１０
分間基板に供給してＧａＮ層を０．６μｍ成長させた。
６００℃でＧａＮ層を成長させた後、ノズルから供給す
るガスをＮＨ3 ４リットル／分だけにして、基板表面を
アンモニアガス雰囲気に保ちつつ、基板温度を１１００
℃に昇温して６０分保持し、その後、アンモニアガスを
流しつつ基板を室温まで冷却した。
００℃にして、ＮＨ3 ４リットル／分とＴＭＧ２．０×
１０-6モル／分、ＴＭＩ２．０×１０-5モル／分および
ドーパントとしてジエチルカドミウム３．０×１０-6リ
ットル／分と水素ガス２．０リットル／分を混合して４
０分間基板に供給してＩｎＧａＮ層を０．１４μｍ成長
させた。ＩｎＧａＮ層の成長後、基板温度は６００℃の
ままで、ＮＨ3 ４リットル／分とＴＭＧ３．０×１０-5
モル／分、水素ガス２．０リットル／分を混合して１０
分間基板に供給してＧａＮ層を０．６μｍ成長させた。
６００℃でＧａＮ層を成長させた後、ノズルから供給す
るガスをＮＨ3 ４リットル／分だけにして、基板表面を
アンモニアガス雰囲気に保ちつつ、基板温度を１１００
℃に昇温して６０分保持し、その後、アンモニアガスを
流しつつ基板を室温まで冷却した。
【００５１】比較例１ 上述したように形成した試料のＧａＮ層の基板温度を８
５０℃にして、ＮＨ3 ４リットル／分とＴＭＧ２．０×
１０-6モル／分、ＴＭＩ２．０×１０-5モル／分および
水素ガス２．０リットル／分を混合して６０分間基板に
供給してＩｎＧａＮ層を０．１５μｍ成長させた。Ｉｎ
ＧａＮ層の成長後、ノズルから供給するガスをＮＨ3 ４
リットル／分だけにして、基板表面をアンモニアガス雰
囲気に保ちつつ、基板を冷却した。
５０℃にして、ＮＨ3 ４リットル／分とＴＭＧ２．０×
１０-6モル／分、ＴＭＩ２．０×１０-5モル／分および
水素ガス２．０リットル／分を混合して６０分間基板に
供給してＩｎＧａＮ層を０．１５μｍ成長させた。Ｉｎ
ＧａＮ層の成長後、ノズルから供給するガスをＮＨ3 ４
リットル／分だけにして、基板表面をアンモニアガス雰
囲気に保ちつつ、基板を冷却した。
【００５２】比較例２ 上述したように形成した試料のＧａＮ層の基板温度を６
００℃にして、ＮＨ3 ４リットル／分とＴＭＧ４．０×
１０-6モル／分、ＴＭＩ４．０×１０-5モル／分および
水素ガス２．０リットル／分を混合して１８０分間基板
に供給してＩｎＧａＮ層を１．２μｍ成長させた。Ｉｎ
ＧａＮ層の成長後、ノズルから供給するガスをＮＨ3 ４
リットル／分だけにして、基板表面をアンモニアガス雰
囲気に保ちつつ、基板温度を９５０℃に昇温して６０分
保持し、その後、アンモニアガスを流しつつ基板を室温
まで冷却した。
００℃にして、ＮＨ3 ４リットル／分とＴＭＧ４．０×
１０-6モル／分、ＴＭＩ４．０×１０-5モル／分および
水素ガス２．０リットル／分を混合して１８０分間基板
に供給してＩｎＧａＮ層を１．２μｍ成長させた。Ｉｎ
ＧａＮ層の成長後、ノズルから供給するガスをＮＨ3 ４
リットル／分だけにして、基板表面をアンモニアガス雰
囲気に保ちつつ、基板温度を９５０℃に昇温して６０分
保持し、その後、アンモニアガスを流しつつ基板を室温
まで冷却した。
【００５３】次に、これら実施例１，２の基板と比較例
１，２の基板の表面を微分干渉顕微鏡及び走査電子顕微
鏡（ＳＥＭ）で観察して、表面の評価を行った。
１，２の基板の表面を微分干渉顕微鏡及び走査電子顕微
鏡（ＳＥＭ）で観察して、表面の評価を行った。
【００５４】この結果、実施例１の基板は、表面は平坦
な鏡面で、微分干渉顕微鏡及びＳＥＭによる表面観察で
は何の表面モルフォロジーも観察されなかった。この基
板の表面のＸ線ロッキングカーブをとると、下地のＧａ
Ｎの組成を示すピークの他に、Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎの組
成を示すところにピークが現れ、その半値幅（ＦＷＨ
Ｍ）は約６．５分であった。これは、非常に結晶性の良
いＩｎＧａＮ単結晶層が得られたことを示している。
な鏡面で、微分干渉顕微鏡及びＳＥＭによる表面観察で
は何の表面モルフォロジーも観察されなかった。この基
板の表面のＸ線ロッキングカーブをとると、下地のＧａ
Ｎの組成を示すピークの他に、Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎの組
成を示すところにピークが現れ、その半値幅（ＦＷＨ
Ｍ）は約６．５分であった。これは、非常に結晶性の良
いＩｎＧａＮ単結晶層が得られたことを示している。
【００５５】この方法で、６００℃でＩｎＧａＮ層を成
長した後、再結晶化熱処理を行わずに基板を冷却し、得
られた基板の表面をＲＨＥＥＤ（反射型高速電子線回
折）により評価した。ＲＨＥＥＤパターンはハローなパ
ターンの中にかすかにスポットが観察された。これは、
６００℃で成長したＩｎＧａＮ層が部分的に結晶性を有
するアモルファス状になっていることを示している。次
に、ＭＯＣＶＤ炉内で再結晶化熱処理まで施した基板の
ＲＨＥＥＤパターンを観察したところ、ストリーキーな
パターンが観測された。これは、ＩｎＧａＮ層表面が結
晶性が良くなだらかな面になっていることを示してい
る。
長した後、再結晶化熱処理を行わずに基板を冷却し、得
られた基板の表面をＲＨＥＥＤ（反射型高速電子線回
折）により評価した。ＲＨＥＥＤパターンはハローなパ
ターンの中にかすかにスポットが観察された。これは、
６００℃で成長したＩｎＧａＮ層が部分的に結晶性を有
するアモルファス状になっていることを示している。次
に、ＭＯＣＶＤ炉内で再結晶化熱処理まで施した基板の
ＲＨＥＥＤパターンを観察したところ、ストリーキーな
パターンが観測された。これは、ＩｎＧａＮ層表面が結
晶性が良くなだらかな面になっていることを示してい
る。
【００５６】実施例２の基板は、表面は平坦な鏡面で、
微分干渉顕微鏡及びＳＥＭによる表面観察では何の表面
モルフォロジーも観察されなかった。この基板の表面の
Ｘ線ロッキングカーブをとると、下地のＧａＮの組成を
示すピークの他に、Ｉｎ0. 15Ｇａ0.85Ｎの組成を示すと
ころにピークが現れ、その半値幅（ＦＷＨＭ）は約６．
０分であった。これも、非常に結晶性の良いＩｎＧａＮ
単結晶層が得られたことを示している。
微分干渉顕微鏡及びＳＥＭによる表面観察では何の表面
モルフォロジーも観察されなかった。この基板の表面の
Ｘ線ロッキングカーブをとると、下地のＧａＮの組成を
示すピークの他に、Ｉｎ0. 15Ｇａ0.85Ｎの組成を示すと
ころにピークが現れ、その半値幅（ＦＷＨＭ）は約６．
０分であった。これも、非常に結晶性の良いＩｎＧａＮ
単結晶層が得られたことを示している。
【００５７】比較例１の基板は、表面に直径１〜２μｍ
の球状の析出物が多数観察された。この析出物をＥＤＸ
（エネルギー分散型Ｘ線分析法）で分析したところ、析
出物はＩｎとＧａとからなっており、目的とする窒素化
合物にはなっていないことが判明した。
の球状の析出物が多数観察された。この析出物をＥＤＸ
（エネルギー分散型Ｘ線分析法）で分析したところ、析
出物はＩｎとＧａとからなっており、目的とする窒素化
合物にはなっていないことが判明した。
【００５８】比較例２の基板は、表面に直径０．５〜１
μｍ程度の周期の表面荒れが観察された。また、この熱
処理後の結晶の上にＧａＮを成長させたところ、ＧａＮ
の成長条件によらずＧａＮは多結晶化してしまい、単結
晶層は得られなかった。ＧａＮが単結晶にならないこと
から、ＩｎＧａＮ層の荒れた表面は、結晶方位が大きく
乱れているものと考えられる。アモルファス状の層が１
μｍよりも厚い場合は、常にこのような現象が観察され
た。
μｍ程度の周期の表面荒れが観察された。また、この熱
処理後の結晶の上にＧａＮを成長させたところ、ＧａＮ
の成長条件によらずＧａＮは多結晶化してしまい、単結
晶層は得られなかった。ＧａＮが単結晶にならないこと
から、ＩｎＧａＮ層の荒れた表面は、結晶方位が大きく
乱れているものと考えられる。アモルファス状の層が１
μｍよりも厚い場合は、常にこのような現象が観察され
た。
【００５９】
【発明の効果】以上要するに本発明によれば、Ｉｎの粒
上析出物を含まない結晶性の良いＩｎＧａＮ層を、従来
用いられてきたＭＯＣＶＤ装置を用いて、簡便な方法
で、かつ再現性良く成長させることができる。
上析出物を含まない結晶性の良いＩｎＧａＮ層を、従来
用いられてきたＭＯＣＶＤ装置を用いて、簡便な方法
で、かつ再現性良く成長させることができる。
【００６０】また、結晶性の良いＩｎＧａＮ層が得られ
るようになるので、高効率の青色ＬＥＤが作製できるよ
うになる。さらに、将来期待されている青色ＬＤにも有
効利用できる。
るようになるので、高効率の青色ＬＥＤが作製できるよ
うになる。さらに、将来期待されている青色ＬＤにも有
効利用できる。
【００６１】更に、この方法を用いれば、成長層が下地
と完全に格子整合していない系でも、ある程度は単結晶
成長が可能になるため、２元系化合物上に３元系化合物
層を成長させる際の組成のとりかたに裕度が広がるとい
う利点もある。
と完全に格子整合していない系でも、ある程度は単結晶
成長が可能になるため、２元系化合物上に３元系化合物
層を成長させる際の組成のとりかたに裕度が広がるとい
う利点もある。
【図１】本発明のＩｎＧａＮ層を有する半導体ウエハを
示す断面図である。
示す断面図である。
【図２】本発明のＩｎＧａＮ層を有する半導体ウエハを
具備するダブルヘテロ構造の発光素子を示す断面図であ
る。
具備するダブルヘテロ構造の発光素子を示す断面図であ
る。
【図３】本発明の半導体ウエハを製造するために用いる
横型ＭＯＣＶＤ装置の主要部の構成を示す概略断面図で
ある。
横型ＭＯＣＶＤ装置の主要部の構成を示す概略断面図で
ある。
１１ Ｇａ1-a Ａｌa Ｎ（０≦ａ＜１）層 １３ ＩｎＧａＮ層 １５ Ｇａ1-b Ａｌb Ｎ（０≦ｂ＜１）層 ２０ ＩｎＧａＮ層を有する半導体ウエハ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平９−186403（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/20 H01S 5/00
Claims (10)
- 【請求項１】 Ｇａ1-a Ａｌa Ｎ（０≦ａ＜１）層上に
Ｉｎx Ｇａ1-x Ｎ（０＜ｘ＜０．５）層を積層したＩｎ
ＧａＮ層を有する半導体ウエハにおいて、上記ＩｎＧａ
Ｎ層を、その全部又は一部がアモルファス状の結晶構造
からなるように９００℃以下の低温で成長させた後、そ
の成長温度よりも高い温度で熱処理して、上記アモルフ
ァス状の結晶構造部分を、固相成長により再結晶化させ
たことを特徴とするＩｎＧａＮ層を有する半導体ウエ
ハ。 - 【請求項２】 上記ＩｎＧａＮ層の厚さが１μｍ以下で
ある請求項１記載のＩｎＧａＮ層を有する半導体ウエ
ハ。 - 【請求項３】 上記ＧａＡｌＮ層を１０００℃以上の高
温で成長させた請求項１記載のＩｎＧａＮ層を有する半
導体ウエハ。 - 【請求項４】 Ｇａ1-a Ａｌa Ｎ（０≦ａ＜１）層上に
Ｉｎx Ｇａ1-x Ｎ（０＜ｘ＜０．５）層を積層し、その
ＩｎＧａＮ層上にＧａ1-b Ａｌb Ｎ（０≦ｂ＜１）層を
積層したＩｎＧａＮ層を有する半導体ウエハにおいて、
上記ＩｎＧａＮ層を、その全部又は一部がアモルファス
状の結晶構造からなるように９００℃以下の低温で成長
させると共に、上記Ｇａ1-b Ａｌb Ｎ（０≦ｂ＜１）層
を、その全部又は一部がアモルファス状の結晶構造から
なるように、かつ上記ＩｎＧａＮ層との合計膜厚が１μ
ｍ以下となるように成長させ、その後、上記ＩｎＧａＮ
層の成長温度よりも高い温度で熱処理して、上記アモル
ファス状の結晶構造部分を、固相成長により再結晶化さ
せたことを特徴とするＩｎＧａＮ層を有する半導体ウエ
ハ。 - 【請求項５】 気相成長法により、Ｇａ1-a Ａｌa Ｎ
（０≦ａ＜１）層上にＩｎx Ｇａ1-x Ｎ（０＜ｘ＜０．
５）層を積層したＩｎＧａＮ層を有する半導体ウエハの
製造方法において、上記ＩｎＧａＮ層を、その全部又は
一部がアモルファス状の結晶構造からなるように、かつ
その膜厚が１μｍ以下となるように９００℃以下の低温
で成長させた後、その成長温度よりも高い温度で熱処理
して、上記アモルファス状の結晶構造部分を、固相成長
により再結晶化させることを特徴とするＩｎＧａＮ層を
有する半導体ウエハの製造方法。 - 【請求項６】 気相成長法により、Ｇａ1-a Ａｌa Ｎ
（０≦ａ＜１）層上にＩｎx Ｇａ1-x Ｎ（０＜ｘ＜０．
５）層を積層したＩｎＧａＮ層を有する半導体ウエハの
製造方法において、上記ＧａＡｌＮ層を１０００℃以上
の高温で成長させた後、上記ＩｎＧａＮ層を、その全部
又は一部がアモルファス状の結晶構造からなるように、
かつその膜厚が１μｍ以下となるように９００℃以下の
低温で成長させた後、その成長温度よりも高い温度で熱
処理して、上記アモルファス状の結晶構造部分を、固相
成長により再結晶化させることを特徴とするＩｎＧａＮ
層を有する半導体ウエハの製造方法。 - 【請求項７】 気相成長法により、Ｇａ1-a Ａｌa Ｎ
（０≦ａ＜１）層上にＩｎx Ｇａ1-x Ｎ（０＜ｘ＜０．
５）層を積層し、その上にＧａ1-b Ａｌb Ｎ（０≦ｂ＜
１）層を積層したＩｎＧａＮ層を有する半導体ウエハの
製造方法において、上記ＩｎＧａＮ層を、その全部又は
一部がアモルファス状の結晶構造からなるように９００
℃以下の低温で成長させると共に、上記Ｇａ1-b Ａｌb
Ｎ（０≦ｂ＜１）層を、その全部又は一部がアモルファ
ス状の結晶構造からなるように、かつ上記ＩｎＧａＮ層
との合計膜厚が１μｍ以下となるように成長させ、その
後、上記ＩｎＧａＮ層の成長温度よりも高い温度で熱処
理して、上記アモルファス状の結晶構造部分を、固相成
長により再結晶化させることを特徴とするＩｎＧａＮ層
を有する半導体ウエハの製造方法。 - 【請求項８】上記ＩｎＧａＮ層の再結晶化はアンモニア
ガス雰囲気中で行う請求項５又は請求項６又は請求項７
記載のＩｎＧａＮ層を有する半導体ウエハの製造方法。 - 【請求項９】 Ｇａ1-a Ａｌa Ｎ（０≦ａ＜１）層上に
Ｉｎx Ｇａ1-x Ｎ（０＜ｘ＜０．５）層を積層したＩｎ
ＧａＮ層を有する半導体ウエハを具備する発光素子にお
いて、上記ＩｎＧａＮ層を、その全部又は一部がアモル
ファス状の結晶構造からなるように、かつその膜厚が１
μｍ以下となるように９００℃以下の低温で成長させた
後、その成長温度よりも高い温度で熱処理して、上記ア
モルファス状の結晶構造部分を、固相成長により再結晶
化させたことを特徴とする半導体ウエハを具備する発光
素子。 - 【請求項１０】 Ｇａ1-a Ａｌa Ｎ（０≦ａ＜１）層上
にＩｎx Ｇａ1-x Ｎ（０＜ｘ＜０．５）層を積層し、そ
のＩｎＧａＮ層上にＧａ1-b Ａｌb Ｎ（０≦ｂ＜１）層
を積層した半導体ウエハを具備する発光素子において、
上記ＩｎＧａＮ層を、その全部又は一部がアモルファス
状の結晶構造からなるように９００℃以下の低温で成長
させると共に、上記Ｇａ1-b Ａｌb Ｎ（０≦ｂ＜１）層
を、その全部又は一部がアモルファス状の結晶構造から
なるように、かつ上記ＩｎＧａＮ層との合計膜厚が１μ
ｍ以下となるように成長させ、その後、上記ＩｎＧａＮ
層の成長温度よりも高い温度で熱処理して、上記アモル
ファス状の結晶構造部分を、固相成長により再結晶化さ
せたことを特徴とする半導体ウエハを具備する発光素
子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10795696A JP3214349B2 (ja) | 1996-04-26 | 1996-04-26 | ＩｎＧａＮ層を有する半導体ウエハ及びその製造方法並びにそれを具備する発光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10795696A JP3214349B2 (ja) | 1996-04-26 | 1996-04-26 | ＩｎＧａＮ層を有する半導体ウエハ及びその製造方法並びにそれを具備する発光素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09293678A JPH09293678A (ja) | 1997-11-11 |
| JP3214349B2 true JP3214349B2 (ja) | 2001-10-02 |
Family
ID=14472330
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10795696A Expired - Fee Related JP3214349B2 (ja) | 1996-04-26 | 1996-04-26 | ＩｎＧａＮ層を有する半導体ウエハ及びその製造方法並びにそれを具備する発光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3214349B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100312019B1 (ko) * | 1999-03-30 | 2001-11-03 | 김효근 | 질화인듐갈륨 상분리를 이용한 백색 발광 다이오드의 제조방법 |
| JP2006210962A (ja) * | 2006-05-11 | 2006-08-10 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 |
| JP2010021576A (ja) * | 2009-10-19 | 2010-01-28 | Ricoh Co Ltd | 半導体装置の製造方法 |
-
1996
- 1996-04-26 JP JP10795696A patent/JP3214349B2/ja not_active Expired - Fee Related
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|---|---|
| JPH09293678A (ja) | 1997-11-11 |
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