JPH088217B2 - 窒化ガリウム系化合物半導体の結晶成長方法 - Google Patents
窒化ガリウム系化合物半導体の結晶成長方法Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はサファイア等の基板上
に、窒化ガリウム系化合物半導体の結晶を成長させる方
法に関し、特に結晶性の優れた窒化ガリウム系半導体化
合物のエピタキシャル層の成長方法に関する。
に、窒化ガリウム系化合物半導体の結晶を成長させる方
法に関し、特に結晶性の優れた窒化ガリウム系半導体化
合物のエピタキシャル層の成長方法に関する。
【０００２】
【従来の技術及びその問題点】最近、窒化ガリウム系化
合物半導体、例えば、一般式が［ＧａＸＡｌ１−ＸＮ
（但し、Ｘは０≦Ｘ≦１の範囲にある）］の青色発光デ
バイスが注目されている。窒化ガリウム系化合物半導体
の結晶を成長させる方法として、有機金属化合物気相成
長法（以下、「ＭＯＣＶＤ法」という。）がよく知られ
ている。この方法はサファイア基板を設置した反応容器
内に、反応ガスとして有機金属化合物ガスを供給し、結
晶成長温度をおよそ９００℃〜１１００℃の高温で保持
して、基板上に化合物半導体結晶のエピタキシャル層を
成長させる方法である。例えばＧａＮエピタキシャル層
を成長させる場合には、ＩＩＩ族ガスとしてトリメチル
ガリウムと、Ｖ族ガスとしてアンモニアガスとを使用す
る。
合物半導体、例えば、一般式が［ＧａＸＡｌ１−ＸＮ
（但し、Ｘは０≦Ｘ≦１の範囲にある）］の青色発光デ
バイスが注目されている。窒化ガリウム系化合物半導体
の結晶を成長させる方法として、有機金属化合物気相成
長法（以下、「ＭＯＣＶＤ法」という。）がよく知られ
ている。この方法はサファイア基板を設置した反応容器
内に、反応ガスとして有機金属化合物ガスを供給し、結
晶成長温度をおよそ９００℃〜１１００℃の高温で保持
して、基板上に化合物半導体結晶のエピタキシャル層を
成長させる方法である。例えばＧａＮエピタキシャル層
を成長させる場合には、ＩＩＩ族ガスとしてトリメチル
ガリウムと、Ｖ族ガスとしてアンモニアガスとを使用す
る。
【０００３】このようにして成長させた窒化ガリウム系
化合物半導体のエピタキシャル層を発光デバイスとして
用いるためには、第一に結晶性を向上させることが不可
欠である。
化合物半導体のエピタキシャル層を発光デバイスとして
用いるためには、第一に結晶性を向上させることが不可
欠である。
【０００４】また、ＭＯＣＶＤ法を用いてサファイア基
板上に直接成長された、例えばＧａＮ層の表面は、６角
ピラミッド状、ないしは６角柱状の成長パターンとなっ
て無数の凹凸ができ、その表面モフォロジーが極めて悪
くなる欠点がある。表面に無数の凹凸がある表面モフォ
ロジーの極めて悪い半導体の結晶層を使用して青色発光
デバイスを作ることは、非常に歩留が悪く、ほとんど不
可能であった。
板上に直接成長された、例えばＧａＮ層の表面は、６角
ピラミッド状、ないしは６角柱状の成長パターンとなっ
て無数の凹凸ができ、その表面モフォロジーが極めて悪
くなる欠点がある。表面に無数の凹凸がある表面モフォ
ロジーの極めて悪い半導体の結晶層を使用して青色発光
デバイスを作ることは、非常に歩留が悪く、ほとんど不
可能であった。
【０００５】このような問題を解決するために、窒化ガ
リウム系化合物半導体の結晶を成長させる前に、基板上
にＡｌＮのバッファ層を成長させる方法が提案されてい
る｛Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ ４８，（１９８
６），３５３、（アプライドフィズィックス レターズ
４８巻、１９８６年、３５３頁）、および特開平２−
２２９４７６号公報｝。この方法は、サファイア基板上
に、成長温度４００〜９００℃の低温で、膜厚が１００
〜５００オングストロームのＡｌＮのバッファ層を設け
るものである。この方法はバッファ層であるＡｌＮ層上
にＧａＮを成長させることによって、ＧａＮ半導体層の
結晶性および表面モフォロジーを改善できる特徴があ
る。
リウム系化合物半導体の結晶を成長させる前に、基板上
にＡｌＮのバッファ層を成長させる方法が提案されてい
る｛Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ ４８，（１９８
６），３５３、（アプライドフィズィックス レターズ
４８巻、１９８６年、３５３頁）、および特開平２−
２２９４７６号公報｝。この方法は、サファイア基板上
に、成長温度４００〜９００℃の低温で、膜厚が１００
〜５００オングストロームのＡｌＮのバッファ層を設け
るものである。この方法はバッファ層であるＡｌＮ層上
にＧａＮを成長させることによって、ＧａＮ半導体層の
結晶性および表面モフォロジーを改善できる特徴があ
る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら前記方法
は、バッファ層の成長条件が厳しく制限され、しかも膜
厚を１００〜５００オングストロームと非常に薄い範囲
に厳密に設定する必要があるため、そのバッファ層を、
大面積のサファイア基板、例えば約５０ｍｍφのサファ
イア基板上全面に、均一に一定の膜厚で形成することが
困難である。したがって、そのバッファ層の上に形成す
る窒化ガリウム系化合物半導体の結晶性および表面モフ
ォロジーを歩留よく改善することが困難であり、またそ
の結晶性は未だ実用的な発光ダイオード、半導体レーザ
ー等を作るまでには至っておらず、さらなる結晶性の向
上が必要であった。
は、バッファ層の成長条件が厳しく制限され、しかも膜
厚を１００〜５００オングストロームと非常に薄い範囲
に厳密に設定する必要があるため、そのバッファ層を、
大面積のサファイア基板、例えば約５０ｍｍφのサファ
イア基板上全面に、均一に一定の膜厚で形成することが
困難である。したがって、そのバッファ層の上に形成す
る窒化ガリウム系化合物半導体の結晶性および表面モフ
ォロジーを歩留よく改善することが困難であり、またそ
の結晶性は未だ実用的な発光ダイオード、半導体レーザ
ー等を作るまでには至っておらず、さらなる結晶性の向
上が必要であった。
【０００７】さらに、特開昭６０−１７３８２９号公報
には、Ａｌ Ｘ Ｇａ １−Ｘ Ｎ、またはＩｎＮバッファ層を
高周波スパッタリングで形成し、そのバッファ層の上に
ＭＯＣＶＤ法でＡｌ Ｘ Ｇａ １−Ｘ Ｎ、ＩｎＮをエピタキ
シャル成長させる方法が示されている。高周波スパッタ
で形成されるバッファ層は、陰極のターゲットを高周波
プラズマでスパッタし、ターゲットから飛び出した原
子、イオンを加速して陽極にぶつけて薄膜に形成され
る。高周波スパッタは、加速された原子、イオンを衝突
させて薄膜のバッファ層を形成する。このため、高周波
スパッタリングで形成されたバッファ層は、プラズマダ
メージによる結晶欠陥が生じやすく、膜質の良いバッフ
ァ層を形成することが難しい。
には、Ａｌ Ｘ Ｇａ １−Ｘ Ｎ、またはＩｎＮバッファ層を
高周波スパッタリングで形成し、そのバッファ層の上に
ＭＯＣＶＤ法でＡｌ Ｘ Ｇａ １−Ｘ Ｎ、ＩｎＮをエピタキ
シャル成長させる方法が示されている。高周波スパッタ
で形成されるバッファ層は、陰極のターゲットを高周波
プラズマでスパッタし、ターゲットから飛び出した原
子、イオンを加速して陽極にぶつけて薄膜に形成され
る。高周波スパッタは、加速された原子、イオンを衝突
させて薄膜のバッファ層を形成する。このため、高周波
スパッタリングで形成されたバッファ層は、プラズマダ
メージによる結晶欠陥が生じやすく、膜質の良いバッフ
ァ層を形成することが難しい。
【０００８】さらに、この公報に記載される方法は、バ
ッファ層を高周波プラズマ装置で形成した後、バッファ
層の形成されたウエハをＭＯＣＶＤ装置に移し、バッフ
ァ層の上に窒化ガリウム系化合物半導体を結晶成長させ
ている。この製造方法は、バッファ層と窒化ガリウム系
化合物半導体とを連続的に成膜できない。バッファ層の
形成されたウエハを、ＭＯＣＶＤ装置に移送する際、バ
ッファ層の表面が空気に触れて酸化される恐れがある。
たとえバッファ層の表面が酸化されないように移送して
も、バッファ層の形成されたウエハを別工程に移すとき
に、バッファ層 の表面が変質してしまう。変質したバッ
ファ層の表面に窒化ガリウム系化合物半導体を形成する
と、結晶性の良いエピタキシャル層を得ることができな
い。
ッファ層を高周波プラズマ装置で形成した後、バッファ
層の形成されたウエハをＭＯＣＶＤ装置に移し、バッフ
ァ層の上に窒化ガリウム系化合物半導体を結晶成長させ
ている。この製造方法は、バッファ層と窒化ガリウム系
化合物半導体とを連続的に成膜できない。バッファ層の
形成されたウエハを、ＭＯＣＶＤ装置に移送する際、バ
ッファ層の表面が空気に触れて酸化される恐れがある。
たとえバッファ層の表面が酸化されないように移送して
も、バッファ層の形成されたウエハを別工程に移すとき
に、バッファ層 の表面が変質してしまう。変質したバッ
ファ層の表面に窒化ガリウム系化合物半導体を形成する
と、結晶性の良いエピタキシャル層を得ることができな
い。
【０００９】本発明はこのような事情を鑑みてなされた
ものであり、その目的とするところは、バッファ層上に
成長させる窒化ガリウム系化合物半導体の結晶性および
表面モフォロジーを実用レベルにまで改善し、さらに窒
化ガリウム系化合物半導体が安定して、歩留よく成長で
きるための成長方法を提供するものである。
ものであり、その目的とするところは、バッファ層上に
成長させる窒化ガリウム系化合物半導体の結晶性および
表面モフォロジーを実用レベルにまで改善し、さらに窒
化ガリウム系化合物半導体が安定して、歩留よく成長で
きるための成長方法を提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明の窒化ガリウム系
化合物半導体の結晶成長方法は、バッファ層の上に、有
機金属化合物気相成長法で反応容器内に反応ガスを供給
して窒化ガリウム系化合物半導体の結晶を成長させる方
法を改良したものである。本発明の方法は、バッファ層
と窒化ガリウム系化合物半導体の両方を有機金属化合物
気相成長法で成長させると共に、窒化ガリウム系化合物
半導体を成長させる反応容器内において、窒化ガリウム
系化合物半導体を成長させる前に、一般式を、Ｇａ Ｘ Ａ
ｌ １−Ｘ Ｎ（但しＸは０＜Ｘ≦１の範囲である。）とす
るバッファ層を成長させるものである。
化合物半導体の結晶成長方法は、バッファ層の上に、有
機金属化合物気相成長法で反応容器内に反応ガスを供給
して窒化ガリウム系化合物半導体の結晶を成長させる方
法を改良したものである。本発明の方法は、バッファ層
と窒化ガリウム系化合物半導体の両方を有機金属化合物
気相成長法で成長させると共に、窒化ガリウム系化合物
半導体を成長させる反応容器内において、窒化ガリウム
系化合物半導体を成長させる前に、一般式を、Ｇａ Ｘ Ａ
ｌ １−Ｘ Ｎ（但しＸは０＜Ｘ≦１の範囲である。）とす
るバッファ層を成長させるものである。
【００１１】前記バッファ層の厚さは、好ましくは０．
００２μｍ以上、０．５μｍ以下、さらに好ましくは
０．０１〜０．２μｍの範囲に調整する。その厚さが
０．００２μｍより薄く、また、０．５μｍより厚い
と、バッファ層の上に形成される窒化ガリウム系化合物
半導体の結晶の表面モフォロジーが悪くなる傾向にあ
る。
００２μｍ以上、０．５μｍ以下、さらに好ましくは
０．０１〜０．２μｍの範囲に調整する。その厚さが
０．００２μｍより薄く、また、０．５μｍより厚い
と、バッファ層の上に形成される窒化ガリウム系化合物
半導体の結晶の表面モフォロジーが悪くなる傾向にあ
る。
【００１２】また前記バッファ層の成長温度は２００℃
以上９００℃以下、好ましくは４００〜８００℃の範囲
に調整する。２００℃より低いと、バッファ層が形成し
にくく、また９００℃より高いと、バッファ層が単結晶
となってしまい、後述するバッファ層としての作用を果
たさなくなる傾向にある。
以上９００℃以下、好ましくは４００〜８００℃の範囲
に調整する。２００℃より低いと、バッファ層が形成し
にくく、また９００℃より高いと、バッファ層が単結晶
となってしまい、後述するバッファ層としての作用を果
たさなくなる傾向にある。
【００１３】
【作用】図１にＧａＸＡｌ１−ＸＮをバッファ層とし
て、その上に窒化ガリウム系化合物半導体の結晶を成長
させた場合のエピタキシャルウエハの構造を表す断面図
を示し、図２にＡｌＮをバッファ層として、同じくその
上に、同じ結晶を成長させた場合のエピタキシャルウエ
ハの構造を表す断面図を示す。本発明のバッファ層は従
来のバッファ層に比べて、厚さの許容範囲が大きいた
め、歩留良くバッファ層および窒化ガリウム系化合物半
導体結晶が成長できる。
て、その上に窒化ガリウム系化合物半導体の結晶を成長
させた場合のエピタキシャルウエハの構造を表す断面図
を示し、図２にＡｌＮをバッファ層として、同じくその
上に、同じ結晶を成長させた場合のエピタキシャルウエ
ハの構造を表す断面図を示す。本発明のバッファ層は従
来のバッファ層に比べて、厚さの許容範囲が大きいた
め、歩留良くバッファ層および窒化ガリウム系化合物半
導体結晶が成長できる。
【００１４】ところでＡｌＮをバッファ層として窒化ガ
リウム系化合物半導体の結晶を成長させる方法は、Ｔｈ
ｉｎ Ｓｏｌｉｄ Ｆｉｌｍｓ．１６３，（１９８
８），４１５（シィン ソリッド フィルムズ １６３
巻、１９８８年、４１５頁）、およびＡｐｐｌ．Ｐｈｙ
ｓ．Ｌｅｔｔ ４８，（１９８６），３５３（アプライ
ドフィズィックス レターズ ４８巻、１９８６年、３
５３頁）等に詳しく述べられているが、それらの文献に
記載されているバッファ層の作用を簡単に述べると以下
の内容である。
リウム系化合物半導体の結晶を成長させる方法は、Ｔｈ
ｉｎ Ｓｏｌｉｄ Ｆｉｌｍｓ．１６３，（１９８
８），４１５（シィン ソリッド フィルムズ １６３
巻、１９８８年、４１５頁）、およびＡｐｐｌ．Ｐｈｙ
ｓ．Ｌｅｔｔ ４８，（１９８６），３５３（アプライ
ドフィズィックス レターズ ４８巻、１９８６年、３
５３頁）等に詳しく述べられているが、それらの文献に
記載されているバッファ層の作用を簡単に述べると以下
の内容である。
【００１５】低温（約６００℃）で成長させるＡｌＮは
多結晶層であり、このバッファ層を例えばＧａＮを成長
させるために約１０００℃にまで温度を上げる際、層が
部分的に単結晶化する。部分的に単結晶化した部分が、
１０００℃でＧａＮを成長させる時に方位の揃った種結
晶となり、その種結晶からＧａＮ結晶が成長し、均一な
ＧａＮ単結晶層が成長できる。バッファ層がないときは
サファイア基板自身が種結晶となるため、方位が大きく
ばらついたＧａＮの六角柱の結晶が成長してしまうとい
う内容である。
多結晶層であり、このバッファ層を例えばＧａＮを成長
させるために約１０００℃にまで温度を上げる際、層が
部分的に単結晶化する。部分的に単結晶化した部分が、
１０００℃でＧａＮを成長させる時に方位の揃った種結
晶となり、その種結晶からＧａＮ結晶が成長し、均一な
ＧａＮ単結晶層が成長できる。バッファ層がないときは
サファイア基板自身が種結晶となるため、方位が大きく
ばらついたＧａＮの六角柱の結晶が成長してしまうとい
う内容である。
【００１６】本発明のようにＧａＸＡｌ１−ＸＮ（０＜
Ｘ≦１）をバッファ層として形成した場合を従来のＡｌ
Ｎをバッファ層とした場合と比較すると、以下のように
なると考えられる。
Ｘ≦１）をバッファ層として形成した場合を従来のＡｌ
Ｎをバッファ層とした場合と比較すると、以下のように
なると考えられる。
【００１７】まずバッファ層として、例えばＸ＝１のＧ
ａＮを形成する場合を考えると、ＧａＮの融点は１１０
０℃であり、ＡｌＮの融点は１７００℃である。このた
め６００℃でＧａＮのバッファ層を形成すると、多結晶
のバッファ層が成長する。次にこの多結晶のＧａＮバッ
ファ層の上にＧａＮのエピタキシャル層を成長するため
に１０００℃まで温度を上げると、ＧａＮのバッファ層
は部分的に単結晶化し、ＡｌＮをバッファ層とした場合
と同様に、ＧａＮエピタキシャル層用の種結晶として作
用することになる。
ａＮを形成する場合を考えると、ＧａＮの融点は１１０
０℃であり、ＡｌＮの融点は１７００℃である。このた
め６００℃でＧａＮのバッファ層を形成すると、多結晶
のバッファ層が成長する。次にこの多結晶のＧａＮバッ
ファ層の上にＧａＮのエピタキシャル層を成長するため
に１０００℃まで温度を上げると、ＧａＮのバッファ層
は部分的に単結晶化し、ＡｌＮをバッファ層とした場合
と同様に、ＧａＮエピタキシャル層用の種結晶として作
用することになる。
【００１８】しかもＡｌＮをバッファ層として形成した
場合よりも、 融点が低いので温度を上昇しているときに容易に単
結晶化しやすい。このため、バッファ層の厚さを厚くし
ても、バッファ層としての効果が期待できる。 バッファ層がＧａＮなので、その上にＧａＮのエピ
タキシャル層を成長する場合、同一材料の上に同一材料
を成長するため結晶性の向上が期待できる。等の利点が
あると考えられる。
場合よりも、 融点が低いので温度を上昇しているときに容易に単
結晶化しやすい。このため、バッファ層の厚さを厚くし
ても、バッファ層としての効果が期待できる。 バッファ層がＧａＮなので、その上にＧａＮのエピ
タキシャル層を成長する場合、同一材料の上に同一材料
を成長するため結晶性の向上が期待できる。等の利点が
あると考えられる。
【００１９】以上のことを確認するため、ＡｌＮ、Ｇａ
０．５Ａｌ０．５Ｎ、ＧａＮの３種類のバッファ層を６
００℃でそれぞれサファイア基板上に形成し、その上に
１０００℃でＧａＮエピタキシャル層を４μｍの厚さで
成長させた場合の、ＧａＮエピタキシャル層のダブルク
リスタルＸ線ロッキングロッキングカーブの半値巾（Ｆ
ＷＨＭ：ｆｕｌｌ ｗｉｄｔｈ ａｔ ｈａｌｆ−ｍａ
ｘｉｍｕｍ）とバッファ層の膜厚との関係を求めた図を
図３に表す。ＦＷＨＭは小さいほど結晶性がよい。
０．５Ａｌ０．５Ｎ、ＧａＮの３種類のバッファ層を６
００℃でそれぞれサファイア基板上に形成し、その上に
１０００℃でＧａＮエピタキシャル層を４μｍの厚さで
成長させた場合の、ＧａＮエピタキシャル層のダブルク
リスタルＸ線ロッキングロッキングカーブの半値巾（Ｆ
ＷＨＭ：ｆｕｌｌ ｗｉｄｔｈ ａｔ ｈａｌｆ−ｍａ
ｘｉｍｕｍ）とバッファ層の膜厚との関係を求めた図を
図３に表す。ＦＷＨＭは小さいほど結晶性がよい。
【００２０】図３に示すように、ＧａＮ、およびＧａ
０．５ Ａｌ ０．５ Ｎのバッファ層としたものは、広いバ
ッファ層の膜厚範囲で結晶性がよく、従来のＡｌＮのバ
ッファ層に比較して極めて優れた特性を示している。
０．５ Ａｌ ０．５ Ｎのバッファ層としたものは、広いバ
ッファ層の膜厚範囲で結晶性がよく、従来のＡｌＮのバ
ッファ層に比較して極めて優れた特性を示している。
【００２１】図４〜図７に、サファイア基板上に形成す
るＧａＮバッファ層の膜厚を変え、さらにその上にＧａ
Ｎのエピタキシャル層を４μｍ成長させた場合の、Ｇａ
Ｎエピタキシャル層の表面の結晶構造を表す顕微鏡写真
図を示す。図４から図７まで順に、バッファ層厚さは
０．００２μｍ、０．０７μｍ、０．２０μｍ、０μｍ
（バッファ層無し）である。
るＧａＮバッファ層の膜厚を変え、さらにその上にＧａ
Ｎのエピタキシャル層を４μｍ成長させた場合の、Ｇａ
Ｎエピタキシャル層の表面の結晶構造を表す顕微鏡写真
図を示す。図４から図７まで順に、バッファ層厚さは
０．００２μｍ、０．０７μｍ、０．２０μｍ、０μｍ
（バッファ層無し）である。
【００２２】これらの図を見ても分かるように、バッフ
ァ層がない場合は、図７が示すように表面に６角柱状の
結晶が現れる。バッファ層を形成する際の条件にもよる
が、バッファ層を形成するにしたがって表面が鏡面均一
になる傾向がある。しかしバッファ層が厚すぎると、表
面の状態（表面モフォロジー）が悪くなる傾向にある。
したがって好ましいバッファ層の厚さは０．０１μｍか
ら０．２μｍの間である。
ァ層がない場合は、図７が示すように表面に６角柱状の
結晶が現れる。バッファ層を形成する際の条件にもよる
が、バッファ層を形成するにしたがって表面が鏡面均一
になる傾向がある。しかしバッファ層が厚すぎると、表
面の状態（表面モフォロジー）が悪くなる傾向にある。
したがって好ましいバッファ層の厚さは０．０１μｍか
ら０．２μｍの間である。
【００２３】また本発明の結晶成長方法によるバッファ
層は、サファイア基板上だけでなく窒化ガリウム系化合
物半導体のエピタキシャル層を有する層であれば、どの
層に形成してもよい。例えばｎ型ＧａＮエピタキシャル
層の上に、ｐ型不純物であるＭｇがドープされたｐ型Ｇ
ａＮのエピタキシャル層を形成したい場合、前記ｎ型Ｇ
ａＮエピタキシャル層の上にバッファ層を形成し、その
バッファ層の上にｐ型ＧａＮエピタキシャル層を成長さ
せることもできる。
層は、サファイア基板上だけでなく窒化ガリウム系化合
物半導体のエピタキシャル層を有する層であれば、どの
層に形成してもよい。例えばｎ型ＧａＮエピタキシャル
層の上に、ｐ型不純物であるＭｇがドープされたｐ型Ｇ
ａＮのエピタキシャル層を形成したい場合、前記ｎ型Ｇ
ａＮエピタキシャル層の上にバッファ層を形成し、その
バッファ層の上にｐ型ＧａＮエピタキシャル層を成長さ
せることもできる。
【００２４】
【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。但し以下
に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための
方法を例示するものであって、本発明の方法は成長条
件、有機金属化合物ガスの種類、使用材料等を下記のも
のに特定するものではない。この発明の成長方法は、特
許請求の範囲において種々の変更を加えることができ
る。
に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための
方法を例示するものであって、本発明の方法は成長条
件、有機金属化合物ガスの種類、使用材料等を下記のも
のに特定するものではない。この発明の成長方法は、特
許請求の範囲において種々の変更を加えることができ
る。
【００２５】図８に示す装置を用いて窒化ガリウム系化
合物半導体の結晶成長を行った。 ［実施例１］ 下記の工程でサファイア基板にＧａＮのエピタキシャル
層を４μｍの膜厚で成長させた。 洗浄された２インチφのサファイア基板をサセプタ
ー２の上に載せる。 ステンレス製の反応容器１内の空気を、排気ポンプ
６で排気した後、さらに内部をＨ２で置換する。 その後、Ｈ２ガスを反応ガス噴射管４と、反応容器
１上部の副噴射管５とから、反応容器１内に供給しなが
ら、サセプター２をヒーター３によって１０６０℃まで
加熱する。 この状態を１０分間保持し、サファイア基板表面の
酸化膜を除去する。 次にサセプター２の温度を５００℃まで下げて、温
度が安定するまで静置する。 続いて副噴射管５からＨ２とＮ２の混合ガスを供給
し、反応ガス噴射管４からアンモニアガスとＨ２ガスの
混合ガスを供給する。副噴射管５から供給するＨ２ガス
とＮ２ガスの流量はそれぞれ１０リットル／分、反応ガ
ス噴射管４から供給するアンモニアガスの流量は４リッ
トル／分、Ｈ２ガスの流量は１リットル／分とし、この
状態でサセプター２の温度が５００℃に安定するまで待
つ。 その後、バッファ層を形成するため、反応ガス噴射
管４からアンモニアガスとＨ２ガスに加えて、ＴＭＧ
（トリメチルガリウム）ガスを２．７×１０−５モル／
分で１分間流す。 次にＴＭＧガスのみを止めて、バッファ層の成長を
止める。ここで膜厚０．０２μｍのバッファ層が形成で
きる。さらに他のガスを流しながらサセプター２の温度
を１０００℃まで上昇させる。 サセプター２の温度が１０２０℃まで上昇した後、
反応ガス噴射管４からアンモニアガスとＨ２ガスに加え
て、ＴＭＧガスを５．４×１０−５モル／分の流量で６
０分間供給して、ＧａＮエピタキシャル層を、４．０μ
ｍの膜厚で成長させる。この間、副噴射管５から常にＨ
２とＮ２ガスを前述の条件で供給し続け、反応ガスで反
応容器内が汚染されないようにしている。またサセプタ
ー２は均一に結晶が成長するように、モーター７で５ｒ
ｐｍで回転させる。なお当然のことではあるが、ガスを
供給している間、排気ポンプ６の配管と分岐した排気管
８から、供給しているガスを外部へ放出している。 上記のようにしてサファイア基板上に、膜厚０．０２μ
ｍのＧａＮバッファ層、その上に４μｍのＧａＮエピタ
キシャル層を成長させた。
合物半導体の結晶成長を行った。 ［実施例１］ 下記の工程でサファイア基板にＧａＮのエピタキシャル
層を４μｍの膜厚で成長させた。 洗浄された２インチφのサファイア基板をサセプタ
ー２の上に載せる。 ステンレス製の反応容器１内の空気を、排気ポンプ
６で排気した後、さらに内部をＨ２で置換する。 その後、Ｈ２ガスを反応ガス噴射管４と、反応容器
１上部の副噴射管５とから、反応容器１内に供給しなが
ら、サセプター２をヒーター３によって１０６０℃まで
加熱する。 この状態を１０分間保持し、サファイア基板表面の
酸化膜を除去する。 次にサセプター２の温度を５００℃まで下げて、温
度が安定するまで静置する。 続いて副噴射管５からＨ２とＮ２の混合ガスを供給
し、反応ガス噴射管４からアンモニアガスとＨ２ガスの
混合ガスを供給する。副噴射管５から供給するＨ２ガス
とＮ２ガスの流量はそれぞれ１０リットル／分、反応ガ
ス噴射管４から供給するアンモニアガスの流量は４リッ
トル／分、Ｈ２ガスの流量は１リットル／分とし、この
状態でサセプター２の温度が５００℃に安定するまで待
つ。 その後、バッファ層を形成するため、反応ガス噴射
管４からアンモニアガスとＨ２ガスに加えて、ＴＭＧ
（トリメチルガリウム）ガスを２．７×１０−５モル／
分で１分間流す。 次にＴＭＧガスのみを止めて、バッファ層の成長を
止める。ここで膜厚０．０２μｍのバッファ層が形成で
きる。さらに他のガスを流しながらサセプター２の温度
を１０００℃まで上昇させる。 サセプター２の温度が１０２０℃まで上昇した後、
反応ガス噴射管４からアンモニアガスとＨ２ガスに加え
て、ＴＭＧガスを５．４×１０−５モル／分の流量で６
０分間供給して、ＧａＮエピタキシャル層を、４．０μ
ｍの膜厚で成長させる。この間、副噴射管５から常にＨ
２とＮ２ガスを前述の条件で供給し続け、反応ガスで反
応容器内が汚染されないようにしている。またサセプタ
ー２は均一に結晶が成長するように、モーター７で５ｒ
ｐｍで回転させる。なお当然のことではあるが、ガスを
供給している間、排気ポンプ６の配管と分岐した排気管
８から、供給しているガスを外部へ放出している。 上記のようにしてサファイア基板上に、膜厚０．０２μ
ｍのＧａＮバッファ層、その上に４μｍのＧａＮエピタ
キシャル層を成長させた。
【００２６】［比較例１］ のバッファ層を形成する工程において、ＡｌＮのバッ
ファ層を０．０２μｍの膜厚で形成する以外は、実施例
１と同様にして、ＡｌＮバッファ層の上に４μｍのＧａ
Ｎエピタキシャル層を成長させた。なおＡｌＮバッファ
層を形成する際、において、反応ガス噴射管４からア
ンモニアガスとＨ２ガスに加えて、ＴＭＡ（トリメチル
アルミニウム）を２．７×１０−５モル／分で１分間流
した。
ファ層を０．０２μｍの膜厚で形成する以外は、実施例
１と同様にして、ＡｌＮバッファ層の上に４μｍのＧａ
Ｎエピタキシャル層を成長させた。なおＡｌＮバッファ
層を形成する際、において、反応ガス噴射管４からア
ンモニアガスとＨ２ガスに加えて、ＴＭＡ（トリメチル
アルミニウム）を２．７×１０−５モル／分で１分間流
した。
【００２７】成長後ホール測定を室温で行い、本発明に
よるＧａＮエピタキシャル層と、比較例１によるＧａＮ
エピタキシャル層の、キャリア濃度と移動度とをそれぞ
れ求め、その結果によるキャリア濃度、および移動度の
面内分布を表す図を、図９および図１０に示す。本発明
は図９、比較例は図１０、キャリア濃度は●、移動度は
○で示している。
よるＧａＮエピタキシャル層と、比較例１によるＧａＮ
エピタキシャル層の、キャリア濃度と移動度とをそれぞ
れ求め、その結果によるキャリア濃度、および移動度の
面内分布を表す図を、図９および図１０に示す。本発明
は図９、比較例は図１０、キャリア濃度は●、移動度は
○で示している。
【００２８】ノンドープの結晶を成長させた場合は、キ
ャリア濃度が小さく、しかも移動度が大きい程、結晶性
が良く、また不純物濃度が小さいことを表す。
ャリア濃度が小さく、しかも移動度が大きい程、結晶性
が良く、また不純物濃度が小さいことを表す。
【００２９】本発明によるＧａＮは、図９に示すように
キャリア濃度が４×１０１６／ｃｍ３、移動度が６００
ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃと非常によい値を示す。一方、Ａｌ
Ｎをバッファ層とした比較例１は、キャリア濃度が１×
１０１８／ｃｍ３、および移動度が約９０ｃｍ２／Ｖ・
ｓｅｃであった。
キャリア濃度が４×１０１６／ｃｍ３、移動度が６００
ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃと非常によい値を示す。一方、Ａｌ
Ｎをバッファ層とした比較例１は、キャリア濃度が１×
１０１８／ｃｍ３、および移動度が約９０ｃｍ２／Ｖ・
ｓｅｃであった。
【００３０】［実施例２］ のバッファ層を形成する工程において、Ｇａ０．５Ａ
ｌ０．５Ｎのバッファ層を０．０２μｍの膜厚で形成し
て、バッファ層と窒化ガリウム系化合物半導体とを同一
組成としない以外は、実施例１と同様にして、バッファ
層の上にＧａＮエピタキシャル層を成長した。なおバッ
ファ層を形成する際、反応ガス噴射管４からアンモニア
ガスと、Ｈ２ガスに加えて、ＴＭＧを２．７×１０−５
モル／分、ＴＭＡを２．７×１０−５モル／分でそれぞ
れ０．５分間流した。このＧａＮエピタキシャル層も図
３に示すように、優れたＸ線ロッキングカーブを示し、
また顕微鏡観察による表面モフォロジーは実施例１と同
等、キャリア濃度および移動度は、実施例１と比較例１
との中間に位置するものであった。
ｌ０．５Ｎのバッファ層を０．０２μｍの膜厚で形成し
て、バッファ層と窒化ガリウム系化合物半導体とを同一
組成としない以外は、実施例１と同様にして、バッファ
層の上にＧａＮエピタキシャル層を成長した。なおバッ
ファ層を形成する際、反応ガス噴射管４からアンモニア
ガスと、Ｈ２ガスに加えて、ＴＭＧを２．７×１０−５
モル／分、ＴＭＡを２．７×１０−５モル／分でそれぞ
れ０．５分間流した。このＧａＮエピタキシャル層も図
３に示すように、優れたＸ線ロッキングカーブを示し、
また顕微鏡観察による表面モフォロジーは実施例１と同
等、キャリア濃度および移動度は、実施例１と比較例１
との中間に位置するものであった。
【００３１】［実施例３］ においてバッファ層の成長温度を６００℃とし、の
ガス流時間を２．５分間に変えて、バッファ層の膜厚を
０．０５μｍとする他は、実施例１と同様にして、Ｇａ
Ｎエピタキシャル層を成長した。このＧａＮエピタキシ
ャル層も表面モフォロジーは実施例１と同等、Ｘ線ロッ
キングカーブの半値巾は３分と優れた結晶性を示し、キ
ャリア濃度、移動度とも実施例１と同等であった。
ガス流時間を２．５分間に変えて、バッファ層の膜厚を
０．０５μｍとする他は、実施例１と同様にして、Ｇａ
Ｎエピタキシャル層を成長した。このＧａＮエピタキシ
ャル層も表面モフォロジーは実施例１と同等、Ｘ線ロッ
キングカーブの半値巾は３分と優れた結晶性を示し、キ
ャリア濃度、移動度とも実施例１と同等であった。
【００３２】［実施例４］ においてバッファ層の成長温度を８００℃とする他
は、実施例１と同様にして、ＧａＮエピタキシャル層を
成長した。このＧａＮエピタキシャル層も表面モフォロ
ジーは実施例１と同等、Ｘ線ロッキングカーブの半値巾
は３分と優れた結晶性を示し、キャリア濃度、移動度と
も実施例１と同等であった。
は、実施例１と同様にして、ＧａＮエピタキシャル層を
成長した。このＧａＮエピタキシャル層も表面モフォロ
ジーは実施例１と同等、Ｘ線ロッキングカーブの半値巾
は３分と優れた結晶性を示し、キャリア濃度、移動度と
も実施例１と同等であった。
【００３３】［実施例５］ のバッファ層を形成する工程において、実施例２と同
様の条件で、Ｇａ０．５Ａｌ０．５Ｎのバッファ層を
０．０２μｍの膜厚で形成し、において、反応ガス噴
射管４からアンモニアガスとＨ２ガスに加えて、ＴＭＡ
ガスを２．７×１０−５モル／分、ＴＭＧガスを２．７
×１０−５モル／分の流量で６０分間供給して、Ｇａ
０．５Ａｌ０．５Ｎエピタキシャル層を４．０μｍの膜
厚で成長させる他は、実施例１と同様にして、サファイ
ア基板上に、膜厚０．０２μｍのＧａ０．５Ａｌ０．５
Ｎバッファ層と、その上に４μｍのＧａ０ ．５Ａｌ
０．５Ｎエピタキシャル層を成長させた。このＧａ
０．５Ａｌ０．５Ｎエピタキシャル層も、表面モフォロ
ジーは実施例１と同等であった。
様の条件で、Ｇａ０．５Ａｌ０．５Ｎのバッファ層を
０．０２μｍの膜厚で形成し、において、反応ガス噴
射管４からアンモニアガスとＨ２ガスに加えて、ＴＭＡ
ガスを２．７×１０−５モル／分、ＴＭＧガスを２．７
×１０−５モル／分の流量で６０分間供給して、Ｇａ
０．５Ａｌ０．５Ｎエピタキシャル層を４．０μｍの膜
厚で成長させる他は、実施例１と同様にして、サファイ
ア基板上に、膜厚０．０２μｍのＧａ０．５Ａｌ０．５
Ｎバッファ層と、その上に４μｍのＧａ０ ．５Ａｌ
０．５Ｎエピタキシャル層を成長させた。このＧａ
０．５Ａｌ０．５Ｎエピタキシャル層も、表面モフォロ
ジーは実施例１と同等であった。
【００３４】［実施例６］ において、アンモニアガス、Ｈ２ガス、およびＴＭＧ
ガスに加えて、Ｃｐ２Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニル
マグネシウム）ガスを流しながら、ＧａＮエピタキシャ
ル層にｐ型の不純物であるＭｇをドープして、ｐ型Ｇａ
Ｎエピタキシャル層を４．０μｍの膜厚で成長させた。
上記のようにしてサファイア基板上に、膜厚０．０２μ
ｍのＧａＮバッファ層、その上にＭｇを１０２０／ｃｍ
３ドープした膜厚４．０μｍのｐ型ＧａＮエピタキシャ
ル層を成長させた。このｐ型ＧａＮエピタキシャル層
も、表面モフォロジーは実施例１と同等であり、キャリ
ア濃度２．０×１０１５／ｃｍ３、移動度９．４ｃｍ２
／Ｖ・ｓｅｃと窒化ガリウム系化合物半導体では、初め
てｐ型特性を示した。このことは、このエピタキシャル
層の結晶性が非常に優れていることを示している。
ガスに加えて、Ｃｐ２Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニル
マグネシウム）ガスを流しながら、ＧａＮエピタキシャ
ル層にｐ型の不純物であるＭｇをドープして、ｐ型Ｇａ
Ｎエピタキシャル層を４．０μｍの膜厚で成長させた。
上記のようにしてサファイア基板上に、膜厚０．０２μ
ｍのＧａＮバッファ層、その上にＭｇを１０２０／ｃｍ
３ドープした膜厚４．０μｍのｐ型ＧａＮエピタキシャ
ル層を成長させた。このｐ型ＧａＮエピタキシャル層
も、表面モフォロジーは実施例１と同等であり、キャリ
ア濃度２．０×１０１５／ｃｍ３、移動度９．４ｃｍ２
／Ｖ・ｓｅｃと窒化ガリウム系化合物半導体では、初め
てｐ型特性を示した。このことは、このエピタキシャル
層の結晶性が非常に優れていることを示している。
【００３５】［実施例７］ 実施例１で得た膜厚４μｍのＧａＮエピタキシャル層の
上に、実施例６と同様にして、膜厚０．０２μｍのＧａ
Ｎバッファ層、その上にＭｇを１０２０／ｃｍ３ドープ
した膜厚４．０μｍのｐ型ＧａＮエピタキシャル層を成
長させた。このｐ型ＧａＮエピタキシャル層も、表面モ
フォロジーは実施例１と同等であり、キャリア濃度３．
５×１０１５／ｃｍ３、移動度８．５ｃｍ２／Ｖ・ｓｅ
ｃと同じくｐ型特性を示した。
上に、実施例６と同様にして、膜厚０．０２μｍのＧａ
Ｎバッファ層、その上にＭｇを１０２０／ｃｍ３ドープ
した膜厚４．０μｍのｐ型ＧａＮエピタキシャル層を成
長させた。このｐ型ＧａＮエピタキシャル層も、表面モ
フォロジーは実施例１と同等であり、キャリア濃度３．
５×１０１５／ｃｍ３、移動度８．５ｃｍ２／Ｖ・ｓｅ
ｃと同じくｐ型特性を示した。
【００３６】［実施例８］ において、アンモニアガス、Ｈ２ガス、およびＴＭＧ
ガスに加えて、シラン（ＳｉＨ４）ガスを流しながら、
ＧａＮエピタキシャル層にｎ型の不純物であるＳｉをド
ープして、４．０μｍの膜厚で成長させた。上記のよう
にしてサファイア基板上に、膜厚０．０２μｍのＧａＮ
バッファ層の上に、Ｓｉを約１０２０／ｃｍ３ドープし
た膜厚４μｍのｎ型ＧａＮエピタキシャル層を成長させ
た。このｎ型ＧａＮエピタキシャル層も、表面モフォロ
ジーは実施例１と同等であり、キャリア濃度１．０×１
０１９／ｃｍ３と非常に高いキャリア濃度を示した。
ガスに加えて、シラン（ＳｉＨ４）ガスを流しながら、
ＧａＮエピタキシャル層にｎ型の不純物であるＳｉをド
ープして、４．０μｍの膜厚で成長させた。上記のよう
にしてサファイア基板上に、膜厚０．０２μｍのＧａＮ
バッファ層の上に、Ｓｉを約１０２０／ｃｍ３ドープし
た膜厚４μｍのｎ型ＧａＮエピタキシャル層を成長させ
た。このｎ型ＧａＮエピタキシャル層も、表面モフォロ
ジーは実施例１と同等であり、キャリア濃度１．０×１
０１９／ｃｍ３と非常に高いキャリア濃度を示した。
【００３７】［比較例２］ ＡｌＮのバッファ層を０．０２μｍの膜厚で形成する以
外は、実施例８と同様にＳｉをドープして、サファイア
基板上に形成したＡｌＮバッファ層の上に、さらに４μ
ｍのｎ型ＧａＮエピタキシャル層を成長させた。このｎ
型ＧａＮエピタキシャル層は、キャリア濃度が５．０×
１０１８／ｃｍ３であり、比較例１程のキャリア濃度は
得られず、不純物により補償されて低くなっていると考
えられる。
外は、実施例８と同様にＳｉをドープして、サファイア
基板上に形成したＡｌＮバッファ層の上に、さらに４μ
ｍのｎ型ＧａＮエピタキシャル層を成長させた。このｎ
型ＧａＮエピタキシャル層は、キャリア濃度が５．０×
１０１８／ｃｍ３であり、比較例１程のキャリア濃度は
得られず、不純物により補償されて低くなっていると考
えられる。
【００３８】
【発明の効果】本発明の方法は、結晶性の飛躍的に改善
された窒化ガリウム系化合物半導体を成長できる極めて
優れた特長がある。窒化ガリウム系化合物半導体は、そ
の結晶性がいかに理想に近い状態にあるかは、キャリア
の移動度を測定して判定できる。結晶性に優れた窒化ガ
リウム系化合物半導体は、キャリアの移動度が大きくな
る。規則的に配列されて結晶欠陥の少ない結晶構造の窒
化ガリウム系化合物半導体は、キャリアが結晶欠陥に衝
突することなくスムーズに移動できて、移動度が大きく
なる。本発明の実施例１で試作した窒化ガリウム系化合
物半導体は、結晶性を示すキャリア移動度が６００ｃｍ
２ ／Ｖ・ｓｅｃである。この数値は、従来のいかなる方
法で製造された窒化ガリウム系化合物半導体に比較して
も、飛躍的に改善された数値である。それも、従来の方
法で製造された窒化ガリウム系化合物半導体の移動度
を、数％や数十％程度改善するものではなく、数倍以上
と飛躍的に改善するものである。
された窒化ガリウム系化合物半導体を成長できる極めて
優れた特長がある。窒化ガリウム系化合物半導体は、そ
の結晶性がいかに理想に近い状態にあるかは、キャリア
の移動度を測定して判定できる。結晶性に優れた窒化ガ
リウム系化合物半導体は、キャリアの移動度が大きくな
る。規則的に配列されて結晶欠陥の少ない結晶構造の窒
化ガリウム系化合物半導体は、キャリアが結晶欠陥に衝
突することなくスムーズに移動できて、移動度が大きく
なる。本発明の実施例１で試作した窒化ガリウム系化合
物半導体は、結晶性を示すキャリア移動度が６００ｃｍ
２ ／Ｖ・ｓｅｃである。この数値は、従来のいかなる方
法で製造された窒化ガリウム系化合物半導体に比較して
も、飛躍的に改善された数値である。それも、従来の方
法で製造された窒化ガリウム系化合物半導体の移動度
を、数％や数十％程度改善するものではなく、数倍以上
と飛躍的に改善するものである。
【００３９】ちなみに、バッファ層をＡｌＮとし、この
バッファ層と窒化ガリウム系化合物半導体の両方を有機
金属化合物気相成長法で成長させる比較例１の窒化ガリ
ウム系化合物半導体は、キャリアの移動度が約９０ｃｍ
２ ／Ｖ・ｓｅｃである。この数値は、本発明の方法で成
長された窒化ガリウム系化合物半導体の移動度の約７分
の１である。さらに、特開昭６０−１７３８２９号公報
に記載されるように、高周波スパッタリングでＡｌ Ｘ Ｇ
ａ １−Ｘ Ｎのバッファ層を成長し、その上に窒化ガリウ
ム系化合物半導体を成長させる方法で製造したものは、
移動度が約６０ｃｍ ２ ／Ｖ・ｓｅｃと、本発明の方法で
成長された層の１０分の１である。
バッファ層と窒化ガリウム系化合物半導体の両方を有機
金属化合物気相成長法で成長させる比較例１の窒化ガリ
ウム系化合物半導体は、キャリアの移動度が約９０ｃｍ
２ ／Ｖ・ｓｅｃである。この数値は、本発明の方法で成
長された窒化ガリウム系化合物半導体の移動度の約７分
の１である。さらに、特開昭６０−１７３８２９号公報
に記載されるように、高周波スパッタリングでＡｌ Ｘ Ｇ
ａ １−Ｘ Ｎのバッファ層を成長し、その上に窒化ガリウ
ム系化合物半導体を成長させる方法で製造したものは、
移動度が約６０ｃｍ ２ ／Ｖ・ｓｅｃと、本発明の方法で
成長された層の１０分の１である。
【００４０】本発明の窒化ガリウム系化合物半導体の結
晶成長方法は、バッファ層と窒化ガリウム系化合物半導
体の両方を、有機金属化合物気相成長法で成長させると
共に、窒化ガリウム系化合物半導体を成長させる反応容
器内において、窒化ガリウム系化合物半導体を成長させ
る前にバッファ層を成長させる技術と、この方法で成長
させるバッファ層の一般式を、Ｇａ Ｘ Ａｌ １−Ｘ Ｎ（但
しＸは０＜Ｘ≦１の範囲である）とすることを特徴とす
るものであるが、バッファ層と窒化ガリウム系化合物半
導体の両方を有機金属化合物気相成長法で製造する方法
によっても、また、一般式をＧａ Ｘ Ａｌ １−Ｘ Ｎとする
バッファ層を設ける方法によっても、到底実現できな
い、極めた優れた結晶性を実現するものである。
晶成長方法は、バッファ層と窒化ガリウム系化合物半導
体の両方を、有機金属化合物気相成長法で成長させると
共に、窒化ガリウム系化合物半導体を成長させる反応容
器内において、窒化ガリウム系化合物半導体を成長させ
る前にバッファ層を成長させる技術と、この方法で成長
させるバッファ層の一般式を、Ｇａ Ｘ Ａｌ １−Ｘ Ｎ（但
しＸは０＜Ｘ≦１の範囲である）とすることを特徴とす
るものであるが、バッファ層と窒化ガリウム系化合物半
導体の両方を有機金属化合物気相成長法で製造する方法
によっても、また、一般式をＧａ Ｘ Ａｌ １−Ｘ Ｎとする
バッファ層を設ける方法によっても、到底実現できな
い、極めた優れた結晶性を実現するものである。
【００４１】一般的な考察からすれば、優れた結晶性の
窒化物半導体層を製造できる二つの方法を組み合わせる
ことは、両方の特長を生かすことに効果があることは容
易に推測できる。本発明の窒化ガリウム系化合物半導体
の結晶成長方法は、同一の反応容器でバッファ層と窒化
ガリウム系化合物半導体の両方を形成する技術に、バッ
ファ層をＧａ Ｘ Ａｌ １−Ｘ Ｎ（０＜Ｘ≦１）とする技術
とを組み合わせたものであるが、この組み合わせによっ
て、従来の方法では到底推測もできないほどに飛躍的に
結晶性を改善することに成功したものである。
窒化物半導体層を製造できる二つの方法を組み合わせる
ことは、両方の特長を生かすことに効果があることは容
易に推測できる。本発明の窒化ガリウム系化合物半導体
の結晶成長方法は、同一の反応容器でバッファ層と窒化
ガリウム系化合物半導体の両方を形成する技術に、バッ
ファ層をＧａ Ｘ Ａｌ １−Ｘ Ｎ（０＜Ｘ≦１）とする技術
とを組み合わせたものであるが、この組み合わせによっ
て、従来の方法では到底推測もできないほどに飛躍的に
結晶性を改善することに成功したものである。
【００４２】本発明の方法が、このように飛躍的に結晶
性を改善できるのは、窒化ガリウム系化合物半導体を成
長させるのと同一の反応容器で、Ｇａ Ｘ Ａｌ １−Ｘ Ｎ
（０＜ Ｘ≦１）で示されるバッファ層を形成し、このバ
ッファ層の上に窒化ガリウム系化合物半導体を結晶成長
させることによって、バッファ層と窒化ガリウム系化合
物半導体との境界を極めて理想に近い状態にできるから
と推測する。
性を改善できるのは、窒化ガリウム系化合物半導体を成
長させるのと同一の反応容器で、Ｇａ Ｘ Ａｌ １−Ｘ Ｎ
（０＜ Ｘ≦１）で示されるバッファ層を形成し、このバ
ッファ層の上に窒化ガリウム系化合物半導体を結晶成長
させることによって、バッファ層と窒化ガリウム系化合
物半導体との境界を極めて理想に近い状態にできるから
と推測する。
【００４３】すなわち、本発明の方法は、窒化ガリウム
系化合物半導体を形成する反応容器において、まず多結
晶のＧａ Ｘ Ａｌ １−Ｘ Ｎ（０＜Ｘ≦１）で示されるバッ
ファ層が成長され、この多結晶バッファ層の上に、窒化
ガリウム系化合物半導体を結晶成長させると、多結晶バ
ッファ層は部分的に単結晶化して種結晶となり、この種
結晶に窒化ガリウム系化合物半導体のエピタキシャル層
が理想的な状態で結晶成長されるからである。
系化合物半導体を形成する反応容器において、まず多結
晶のＧａ Ｘ Ａｌ １−Ｘ Ｎ（０＜Ｘ≦１）で示されるバッ
ファ層が成長され、この多結晶バッファ層の上に、窒化
ガリウム系化合物半導体を結晶成長させると、多結晶バ
ッファ層は部分的に単結晶化して種結晶となり、この種
結晶に窒化ガリウム系化合物半導体のエピタキシャル層
が理想的な状態で結晶成長されるからである。
【００４４】窒化ガリウム系化合物半導体の結晶性はＸ
線ロッキングカーブのＦＷＨＭによっても測定でき、結
晶性が良くなると、ＦＷＨＭは小さくなる。本発明の窒
化ガリウム系化合物半導体の成長方法は、図３に示すよ
うに、ＡｌＮをバッファ層に使用する従来法で成長され
たＧａＮエピタキシャル層よりもＦＷＨＭを著しく改善
できる。図３は、本発明の方法で成長された窒化ガリウ
ム系化合物半導体であるＧａＮエピタキシャル層のＦＷ
ＨＭを、●と□でプロットし、バッファ層をＡｌＮとす
る従来の方法で製造したＧａＮエピタキシャル層のＦＷ
ＨＭを○で示している。この図に示すように、本発明の
方法で製造されたＧａＮエピタキシャル層は、ＦＷＨＭ
が小さく、優れた結晶性を示すことが明示される。
線ロッキングカーブのＦＷＨＭによっても測定でき、結
晶性が良くなると、ＦＷＨＭは小さくなる。本発明の窒
化ガリウム系化合物半導体の成長方法は、図３に示すよ
うに、ＡｌＮをバッファ層に使用する従来法で成長され
たＧａＮエピタキシャル層よりもＦＷＨＭを著しく改善
できる。図３は、本発明の方法で成長された窒化ガリウ
ム系化合物半導体であるＧａＮエピタキシャル層のＦＷ
ＨＭを、●と□でプロットし、バッファ層をＡｌＮとす
る従来の方法で製造したＧａＮエピタキシャル層のＦＷ
ＨＭを○で示している。この図に示すように、本発明の
方法で製造されたＧａＮエピタキシャル層は、ＦＷＨＭ
が小さく、優れた結晶性を示すことが明示される。
【００４５】キャリア濃度も、移動度のように結晶性を
示すパラメータである。ノンドープの結晶を成長した場
合、キャリア濃度が小さく、しかも移動度が大きい程、
結晶性が良く、また不純物濃度が小さいことを表す。本
発明の実施例１で試作された窒化ガリウム系化合物半導
体は、図９に示すように、結晶のホール測定において、
キャリア濃度が４×１０ １６ ／ｃｍ ３ と極めて優れた値
を示す。この値は、窒化ガリウム系化合物半導体結晶に
おいて飛躍的に優れた値である。ちなみに、ＡｌＮをバ
ッファ層とする従来の方法で製作された窒化ガリウム系
化合物半導体のキャリア濃度は１×１０ １８ ／ｃｍ ３ で
ある。さらに、特開昭６０−１７３８２ ９号公報に記載
されるように、高周波スパッタリングでＡｌ Ｘ Ｇａ
１−Ｘ Ｎのバッファ層を成長し、その上に窒化ガリウム
系化合物半導体を成長させる方法で製造したものも、キ
ャリア濃度は１×１０ １８ ／ｃｍ ３ である。これに対し
て、本発明の方法で結晶成長させた窒化ガリウム系化合
物半導体は、キャリア濃度が１００倍以上と飛躍的に優
れた数値を示した。
示すパラメータである。ノンドープの結晶を成長した場
合、キャリア濃度が小さく、しかも移動度が大きい程、
結晶性が良く、また不純物濃度が小さいことを表す。本
発明の実施例１で試作された窒化ガリウム系化合物半導
体は、図９に示すように、結晶のホール測定において、
キャリア濃度が４×１０ １６ ／ｃｍ ３ と極めて優れた値
を示す。この値は、窒化ガリウム系化合物半導体結晶に
おいて飛躍的に優れた値である。ちなみに、ＡｌＮをバ
ッファ層とする従来の方法で製作された窒化ガリウム系
化合物半導体のキャリア濃度は１×１０ １８ ／ｃｍ ３ で
ある。さらに、特開昭６０−１７３８２ ９号公報に記載
されるように、高周波スパッタリングでＡｌ Ｘ Ｇａ
１−Ｘ Ｎのバッファ層を成長し、その上に窒化ガリウム
系化合物半導体を成長させる方法で製造したものも、キ
ャリア濃度は１×１０ １８ ／ｃｍ ３ である。これに対し
て、本発明の方法で結晶成長させた窒化ガリウム系化合
物半導体は、キャリア濃度が１００倍以上と飛躍的に優
れた数値を示した。
【００４６】さらに、本発明の窒化ガリウム系化合物半
導体の結晶成長方法は、バッファ層を形成することによ
って、その上に成長させるＭｇをドープしたＧａＮエピ
タキシャル層が、何の処理もなしにｐ型を示す。これは
全く初めてのことであり、本発明の方法で成長させた窒
化ガリウム系化合物半導体の結晶性がいかに優れている
かを示すものである。またそのバッファ層上に成長させ
るＳｉをドープしたｎ型ＧａＮも、ＡｌＮをバッファ層
としたものに比較して、非常に高いキャリア濃度を示
す。さらにまた、従来のＡｌＮバッファ層に比べて、本
発明の方法では、バッファ層を成長させるための条件が
緩やかである。すなわち、バッファ層の厚みの広い範囲
で、その上に成長させる窒化ガリウム系化合物半導体層
の結晶性がよい。このため発光素子を形成する際の量産
性に優れている。このように本発明の技術を用いること
により、窒化ガリウム系化合物半導体の結晶を利用し
て、青色発光ダイオードはもちろんのこと、半導体レー
ザーまで、実用化に向けてその用途は非常に大きいもの
がある。
導体の結晶成長方法は、バッファ層を形成することによ
って、その上に成長させるＭｇをドープしたＧａＮエピ
タキシャル層が、何の処理もなしにｐ型を示す。これは
全く初めてのことであり、本発明の方法で成長させた窒
化ガリウム系化合物半導体の結晶性がいかに優れている
かを示すものである。またそのバッファ層上に成長させ
るＳｉをドープしたｎ型ＧａＮも、ＡｌＮをバッファ層
としたものに比較して、非常に高いキャリア濃度を示
す。さらにまた、従来のＡｌＮバッファ層に比べて、本
発明の方法では、バッファ層を成長させるための条件が
緩やかである。すなわち、バッファ層の厚みの広い範囲
で、その上に成長させる窒化ガリウム系化合物半導体層
の結晶性がよい。このため発光素子を形成する際の量産
性に優れている。このように本発明の技術を用いること
により、窒化ガリウム系化合物半導体の結晶を利用し
て、青色発光ダイオードはもちろんのこと、半導体レー
ザーまで、実用化に向けてその用途は非常に大きいもの
がある。
【図１】 本発明の結晶成長方法によるエピタキシャル
ウエハの構造を表す概略断面図
ウエハの構造を表す概略断面図
【図２】 従来の結晶成長方法によるエピタキシャルウ
エハの構造を表す概略断面図
エハの構造を表す概略断面図
【図３】 ＧａＮエピタキシャル層のダブルクリスタル
Ｘ線ロッキングカーブの半値巾（ＦＷＨＭ）と、バッフ
ァ層の膜厚との関係を表す図
Ｘ線ロッキングカーブの半値巾（ＦＷＨＭ）と、バッフ
ァ層の膜厚との関係を表す図
【図４】 ＧａＮエピタキシャル層の結晶の構造を表す
顕微鏡写真図
顕微鏡写真図
【図５】 ＧａＮエピタキシャル層の結晶の構造を表す
顕微鏡写真図
顕微鏡写真図
【図６】 ＧａＮエピタキシャル層の結晶の構造を表す
顕微鏡写真図
顕微鏡写真図
【図７】 ＧａＮエピタキシャル層の結晶の構造を表す
顕微鏡写真図
顕微鏡写真図
【図８】 本発明に使用した装置の部分概略断面図
【図９】 本発明の方法によるＧａＮ結晶のホール測定
結果による、キャリア濃度、および移動度の面内分布を
表す図
結果による、キャリア濃度、および移動度の面内分布を
表す図
【図１０】 従来の方法によるＧａＮ結晶のホール測定
結果による、キャリア濃度、および移動度の面内分布を
表す図
結果による、キャリア濃度、および移動度の面内分布を
表す図
１…反応容器 ２…サセプター ３…ヒーター ４…反応ガス噴射管 ５…副噴射管 ６…排気ポンプ ７…モーター ８…排気管
Claims (4)
- 【請求項１】 バッファ層の上に、有機金属化合物気相
成長法で反応容器内に反応ガスを供給して窒化ガリウム
系化合物半導体の結晶を成長させる方法において、バッファ層と窒化ガリウム系化合物半導体の両方を有機
金属化合物気相成長法で成長させると共に、窒化ガリウ
ム系化合物半導体を成長させる反応容器内において、窒
化ガリウム系化合物半導体を成長させる前に、一般式
を、 ＧａＸＡｌ１−ＸＮ（但しＸは０＜Ｘ≦１の範囲で
ある。）とするバッファ層を成長させることを特徴とす
る窒化ガリウム系化合物半導体の結晶成長方法。 - 【請求項２】 基板の上に、一般式がＧａＸＡｌ１−Ｘ
Ｎ（但しＸは０＜Ｘ≦１の範囲である。）で示されるバ
ッファ層を成長させ、このバッファ層の上に窒化ガリウ
ム系化合物半導体を成長させる請求項１記載の窒化ガリ
ウム系化合物半導体の結晶成長方法。 - 【請求項３】 窒化ガリウム系化合物半導体の上に、一
般式がＧａＸＡｌ１−ＸＮ（但しＸは０＜Ｘ≦１の範囲
である。）で示されるバッファ層を成長させ、さらにこ
のバッファ層の上に窒化ガリウム系化合物半導体を成長
させる請求項１記載の窒化ガリウム系化合物半導体の結
晶成長方法。 - 【請求項４】 前記バッファ層の厚さが０．００２μｍ
以上、０．５μｍ以上であることを特徴とする請求項１
記載の窒化ガリウム系化合物半導体の結晶成長方法。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8984091A JPH088217B2 (ja) | 1991-01-31 | 1991-03-27 | 窒化ガリウム系化合物半導体の結晶成長方法 |
| US07/826,997 US5290393A (en) | 1991-01-31 | 1992-01-28 | Crystal growth method for gallium nitride-based compound semiconductor |
| DE69203736T DE69203736T3 (de) | 1991-01-31 | 1992-01-30 | Kristallzuchtverfahren für Halbleiter auf Galliumnitrid-Basis. |
| EP92101560A EP0497350B2 (en) | 1991-01-31 | 1992-01-30 | Crystal growth method for gallium nitride-based compound semiconductor |
| KR1019920001542A KR950006968B1 (ko) | 1991-01-31 | 1992-01-31 | 질화갈륨계 화합물 반도체의 결정성장방법 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3225991 | 1991-01-31 | ||
| JP3-32259 | 1991-01-31 | ||
| JP8984091A JPH088217B2 (ja) | 1991-01-31 | 1991-03-27 | 窒化ガリウム系化合物半導体の結晶成長方法 |
Related Child Applications (2)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP15267695A Division JP3257344B2 (ja) | 1995-05-25 | 1995-05-25 | 窒化ガリウム系化合物半導体の結晶成長方法 |
| JP2922498A Division JP3257498B2 (ja) | 1998-01-26 | 1998-01-26 | 窒化ガリウム系化合物半導体の結晶成長方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04297023A JPH04297023A (ja) | 1992-10-21 |
| JPH088217B2 true JPH088217B2 (ja) | 1996-01-29 |
Family
ID=26370800
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8984091A Expired - Lifetime JPH088217B2 (ja) | 1991-01-31 | 1991-03-27 | 窒化ガリウム系化合物半導体の結晶成長方法 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP0497350B2 (ja) |
| JP (1) | JPH088217B2 (ja) |
| DE (1) | DE69203736T3 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH04297023A (ja) † | 1991-01-31 | 1992-10-21 | Nichia Chem Ind Ltd | 窒化ガリウム系化合物半導体の結晶成長方法 |
| WO2008153130A1 (ja) | 2007-06-15 | 2008-12-18 | Rohm Co., Ltd. | 窒化物半導体発光素子及び窒化物半導体の製造方法 |
Families Citing this family (103)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2751963B2 (ja) * | 1992-06-10 | 1998-05-18 | 日亜化学工業株式会社 | 窒化インジウムガリウム半導体の成長方法 |
| US5393993A (en) * | 1993-12-13 | 1995-02-28 | Cree Research, Inc. | Buffer structure between silicon carbide and gallium nitride and resulting semiconductor devices |
| US5656832A (en) * | 1994-03-09 | 1997-08-12 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Semiconductor heterojunction device with ALN buffer layer of 3nm-10nm average film thickness |
| JP2007184645A (ja) * | 1994-08-22 | 2007-07-19 | Rohm Co Ltd | 半導体発光素子の製法 |
| KR960007835A (ko) * | 1994-08-22 | 1996-03-22 | 강박광 | 청색 발광성 질화갈륨 적층막의 제조방법 |
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