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JPH09255496A - 窒化ガリウムの結晶成長方法 - Google Patents

窒化ガリウムの結晶成長方法

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JPH09255496A
JPH09255496A JP6564496A JP6564496A JPH09255496A JP H09255496 A JPH09255496 A JP H09255496A JP 6564496 A JP6564496 A JP 6564496A JP 6564496 A JP6564496 A JP 6564496A JP H09255496 A JPH09255496 A JP H09255496A
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gallium
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晴夫 砂川
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NEC Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 GaAs基板上に表面の平坦なGaN層を結
晶成長させ得るようにして、導電性がありかつ劈開が可
能な基板上に良質なGaN層を形成しうるようにする。 【構成】 GaAs基板101に対し、V族元素を含む
原料を供給することなく600〜700℃で熱処理を行
って基板表面にGa過剰面104を形成する。窒素(キ
ャリアガス)、塩化ガリウム、アンモニアを供給し、始
めに低温でGaN低温成長バッファ層105を、次いで
高温でGaN高温成長層106を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、砒化ガリウム結晶
基板上に窒化ガリウム層を成長させる結晶成長方法に関
し、特に、表面が平坦な窒化ガリウム層を形成すること
ができる結晶成長方法に関する。
【0002】
【従来の技術】窒化ガリウム(GaN)は、その禁制帯
幅エネルギーが比較的大きいため、青色から紫外にかけ
ての発光デバイス(発光ダイオードや半導体レーザ)へ
の応用が期待されている。窒化ガリウムは適当な単結晶
基板の上に結晶成長により形成することが一般的であ
る。
【0003】これまで、結晶成長により窒化ガリウム層
を形成する際の基板としては、サファイア基板が最もよ
く使われており、サファイア基板上に窒化ガリウム層を
含む複数の半導体層を設けた構成の発光ダイオードが報
告されている(S.Nakamura:J.Vac.S
ci.Technol.A Vol.13,No.3,
p.705,May/June 1995)。図7はこ
の発光ダイオードの構成を示す概略断面図である。この
発光ダイオードは、(0001)面を表面とするサファ
イア基板701を使用し、このサファイア基板701上
に、510℃で形成された厚さ30nmのn型窒化ガリ
ウム低温成長バッファ層702、1020℃で形成され
珪素が添加された厚さ4μmのn型窒化ガリウム層70
3、1020℃で形成され珪素が添加された厚さ0・1
5μmのn型Al0.15Ga0.85N層704、800℃で
形成され亜鉛と珪素が添加された厚さ100nmのIn
0. 6 Ga0.94N層705、1020℃で形成されマグネ
シウムが添加された厚さ0.15μmのp型Al0.15
0.85N層706、1020℃で形成されマグネシウム
が添加された厚さ0.5μmのp型窒化ガリウム層70
7が順次積層された構成となっている。また、p型窒化
ガリウム層707に対して、ニッケルと金の2層からな
るp側電極708が設けられ、n型窒化ガリウム層70
3に対して、チタンとアルミニウムの2層からなるn側
電極709が設けられている。
【0004】サファイア基板上に結晶成長させた窒化ガ
リウム層には、他の基板上に形成したものに比べ表面の
平坦性がよく結晶性に優れているという利点があるが、
サファイア基板が導電性を持たないことやへき開ができ
ないことなどに起因する問題点があり、さらに、過去に
おいて砒化ガリウム(GaAs)基板上や燐化インジウ
ム(InP)基板上の他の化合物半導体で培われたプロ
セス技術を利用できないという問題点がある。例えば、
サファイア基板を用いていることにより、図7に示す従
来の発光ダイオードにおいては、p側電極、n側電極と
もデバイス表面に形成する必要があり、電極形成プロセ
スが複雑になっている。
【0005】一方、窒化ガリウム層の結晶成長のための
基板として砒化ガリウム基板を用いれば、導電性があ
る、へき開ができるという利点とともに、過去において
砒化ガリウム基板上に他の化合物半導体層を結晶成長さ
せたことで培われたプロセス技術が利用できるという利
点がある。(111)面を表面とする砒化ガリウム基板
上への窒化ガリウムの結晶成長は、例えばQintin
Guo and Hiroshi Ogawa,Ap
pl.Phys.Lett.66,715(1995)
などに示され、(100)面を表面とする砒化ガリウム
基板上への窒化ガリウム層の結晶成長は、例えばJ.A
ppl.Phys.78,1842(1995)などに
示されている。しかしながら、砒化ガリウム基板上に形
成した窒化ガリウム層は、砒化ガリウム表面の初期窒化
を十分に行なわないと、良好な結晶とはならず、サファ
イア基板上に形成したものに比較して、表面の平坦性が
劣るという問題点があった(Appl.Phys.Le
tt.59,1058(1991)、Japan.J.
Appl.Phys.Lett.30,L1665,
(1991)、J.Vac.Sci.Technol.
B9,1924(1991))。
【0006】初期窒化を行なうための方法には、例えば
碓井・砂川により特願平8−001610号において提
案された手法がある。これは、まずキャリアガスととも
にガリウムを含むIII 族原料のみを供給することによっ
て、ガリウム面を形成した後に、キャリアガスとともに
V族原料を供給することによって、基板表面の初期窒化
を行なうものである。
【0007】図9は、上記先行技術を用いて、ハイドラ
イド気相成長法により形成された窒化ガリウム層の断面
と表面を示す走査型電子顕微鏡写真である。図9に示さ
れた窒化ガリウムの概略断面図を図8に示す。図8にお
いて、砒化ガリウム基板101は、(100)面から
[111]B方向へ5°傾斜した面を表面とし、CrO
が濃度0・33重量ppmでドープされている。この砒
化ガリウム基板101上に、キャリアガスとともに塩化
ガリウムを供給することによってガリウム過剰面103
が形成され、その上で窒化ガリウム低温成長バッファ層
105と窒化ガリウム高温成長層106が順次形成され
ている。窒化ガリウム低温成長バッファ層105および
窒化ガリウム高温成長層106はいずれもアンドープで
ある。具体的な結晶成長過程は以下の通りである。
【0008】まず、キャリアガスである水素とともにア
ルシン(AsH3 )を供給した状態で、基板温度630
℃ないし640℃で基板101を5分間熱処理すること
によって、基板101表面の酸化膜を除去すると同時
に、基板101表面に砒素面を形成する。次に、基板温
度を485℃まで下げ、キャリアガスである窒素ととも
に塩化ガリウムを30秒間供給することによって、基板
101表面にガリウム過剰面103を形成する。その上
で、窒化ガリウム低温成長バッファ層105を30分間
形成し、その後基板温度700℃で窒化ガリウム高温成
長層106を30分間形成する。
【0009】図9に示されるように、窒化ガリウム高温
成長層106の表面の凹凸が大きく、平坦性はよくな
い。これは、形成されたガリウム面103がガリウムの
単原子層以下であるために、その後キャリアガスととも
にV族原料を供給することによってなされる砒化ガリウ
ム基板101表面の初期窒化が不十分なことが原因であ
る。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、本発
明の先行技術を用いて砒化ガリウム基板上に窒化ガリウ
ム層を結晶成長により形成した場合、窒化ガリウム層表
面の平坦性が悪いという問題がある。本発明の目的は、
表面の平坦性に優れた窒化ガリウム層を砒化ガリウム基
板上に形成することのできる結晶成長方法を提供するこ
とにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明の窒化ガリウムの
結晶成長方法は、砒化ガリウム基板を成長炉にロードし
て砒素を含むV族原料を供給することなく600℃以上
700℃以下に加熱する工程と、キャリアガスとともに
少なくともガリウムを含む原料と窒素を含む原料とを供
給することによって窒化ガリウム層を成長させる工程
と、を前記順序で少なくとも含むことを特徴とする。
【0012】または、砒化ガリウム基板表面に砒化ガリ
ウムバッファ層を形成する工程と、砒素を含むV族原料
を供給することなく600℃以上700℃以下に加熱す
る工程と、キヤリアガスとともに少なくともガリウムを
含む原料と窒素を含む原料とを供給することによって窒
化ガリウム層を成長させる工程と、を前記順序で少なく
とも含むことを特徴とする。または、砒素を含むV族原
料を供給することなく600℃以上700℃以下に加熱
する工程と、キャリアガスとともに窒素を含むV族原料
のみを供給することによって砒化ガリウム基板表面を窒
化する工程と、キャリアガスとともに少なくともガリウ
ムを含む原料と窒素を含む原料とを供給することによっ
て窒化ガリウム層を成長させる工程と、を前記順序で少
なくとも含むことを特徴とする。または、砒化ガリウム
基板表面に砒化ガリウムバッファ層を形成する工程と、
砒素を含むV族原料を供給することなく600℃以上7
00℃以下に加熱する工程と、キャリアガスとともに窒
素を含むV族原料のみを供給することによって砒化ガリ
ウムバッファ層表面を窒化する工程と、キャリアガスと
ともに少なくともガリウムを含む原料と窒素を含む原料
とを供給することによって窒化ガリウム層を成長させる
工程と、を前記順序で少なくとも含むことを特徴とす
る。本発明の結晶成長方法では、砒素を含むV族原料を
供給することなく加熱する際の温度を、620℃以上6
50℃以下とすることが最も好ましい。本発明の結晶成
長方法では、砒化ガリウム基板の表面に窒化ガリウム層
を成長させる方法として、例えばハイドライド気相成長
法を用いることができる。
【0013】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。図1および図2は、本発明
の結晶成長方法によって砒化ガリウム基板上に成長させ
た窒化ガリウム層を示す概略断面図である。本発明にお
いては、図1、図2に示すように、砒化ガリウム基板1
01に、若しくはその上に砒化ガリウムバッファ層10
2を形成したものに、V族元素を含む原料を供給するこ
となく600℃以上700℃以下(より好ましくは62
0℃以上650℃以下)に加熱して、砒化ガリウム基板
101表面または砒化ガリウムバッファ層102表面に
ガリウム過剰面104を形成する。その上で、ハイドラ
イド法等による気相成長法によって、相対的に低温で窒
化ガリウム低温成長バッファ層105を薄く形成し、窒
化ガリウム低温成長バッファ層105の上に、相対的に
高温で窒化ガリウム高温成長層106を厚く形成する。
窒化ガリウム低温成長バッファ層105は、砒化ガリウ
ムと窒化ガリウムの間に存在する大きな格子定数の差を
吸収するために形成される半導体結晶層である。本発明
における気相成長法は、例えばキャリアガスとして窒素
を、III 族原料ガスとして塩化ガリウムを、V族原料ガ
スとしてアンモニアを用いる。そして、窒化ガリウム低
温成長バッファ層105の結晶成長は、基板温度を46
0〜500℃に保持して、また窒化ガリウム高温成長層
106の結晶成長は、基板温度を680〜770℃に保
持して行われる。
【0014】本発明においては、窒化ガリウムを砒化ガ
リウム基板上に結晶成長させるに際して、熱処理によっ
て砒化ガリウムの表面をガリウム過剰面とするため、後
にキャリアガスとともにV族原料を供給した際に、砒化
ガリウム表面を十分に初期窒化することができ、平坦性
に優れた窒化ガリウム層を結晶成長させることができ
る。
【0015】
【実施例】次に、本発明の実施例についてさらに詳しく
説明する。 [第1の実施例]砒化ガリウム基板上に、ハイドライド
気相成長法により、窒化ガリウム層を形成した。図3
は、このようにして形成した窒化ガリウム層の断面と表
面の状態を示す走査型電子顕微鏡写真である。図3に示
された窒化ガリウムの概略断面図が図1に示される。図
1において、砒化ガリウム基板101は、(100)面
に対し[111]B方向へ5°傾斜した面を表面とし、
CrOが濃度0.33重量ppmでドープされている。
具体的な結晶成長過程は以下の通りである。まず、水素
のみを供給した状態で、基板温度630℃ないし640
℃で基板を5分間熱処理することによって、基板101
表面の酸化膜を除去すると同時に、基板101表面にガ
リウム過剰面104を形成する。その上で、基板温度を
485℃まで下げて塩化ガリウムおよびアンモニアおよ
びキャリアガスである窒素を供給することにより、窒化
ガリウム低温成長バッファ層105を30分間形成し、
その後基板温度を700℃まで上げて窒化ガリウム高温
成長層106を30分間形成した。窒化ガリウム低温成
長バッファ層105および窒化ガリウム高温成長層10
6はいずれもアンドープである。
【0016】図3から分かるように、この第1の実施例
による窒化ガリウム層は、図9に示された先行技術方法
による窒化ガリウム層に比べ、窒化ガリウム高温成長層
106の表面の平坦性が改善されている。
【0017】[第2の実施例]砒化ガリウム基板上に、
ハイドライド気相成長法により、まず砒化ガリウムバッ
ファ層を形成し、しかる後に窒化ガリウム層を形成し
た。図4は、このようにして形成した窒化ガリウム膜の
断面と表面の状態を示す走査型電子顕微鏡写真である。
図4に示された窒化ガリウムの概略断面図が図2に示さ
れる。図2において、砒化ガリウム基板101は、(1
00)面から[111]B方向へ5°傾斜した面を表面
とし、CrOが濃度0.33重量ppmでドープされて
いる。具体的な結晶成長過程は以下の通りである。
【0018】まず、基板温度650℃で砒化ガリウム基
板101上に1.0μm厚の砒化ガリウムバッファ層1
02を形成する。次に、水素のみを供給した状態で、基
板温度630℃ないし640℃で基板を5分間熱処理す
ることによって、砒化ガリウムバッファ層102表面に
ガリウム過剰面104を形成する。その上で、基板温度
を485℃まで下げて塩化ガリウムおよびアンモニアお
よびキャリアガスである窒素を供給することにより、窒
化ガリウム低温成長バッファ層105を30分間形成
し、その後基板温度を700℃まで上げて窒化ガリウム
高温成長層106を30分間形成した。砒化ガリウムバ
ッファ層102および窒化ガリウム低温成長バッファ層
105および窒化ガリウム高温成長層106はいずれも
アンドープである。
【0019】図4から分かるように、この第2の実施例
による窒化ガリウム層は、図9に示された先行技術方法
による窒化ガリウム層に比べ、表面の平坦性が改善され
ている。さらに、図3に示された第1の実施例の窒化ガ
リウム層に比べても、砒化ガリウム基板101上にまず
砒化ガリウムバッファ層102を形成したことにより、
砒化ガリウム表面の平坦性が向上し、窒化ガリウム高温
成長層106の表面の平坦性が改善されている。
【0020】[第3の実施例]砒化ガリウム基板上に、
ハイドライド気相成長法により、窒化ガリウム層を形成
した。図5は、このようにして形成した窒化ガリウム膜
の断面と表面の状態を示す走査型電子顕微鏡写真であ
る。図5に示された窒化ガリウムの概略断面図は、第1
の実施例の場合と同じであって、図1に示される。図1
において、砒化ガリウム基板101は、(100)面に
対し[111]B方向へ5°傾斜した面を表面とし、C
rOが濃度0.33重量ppmでドープされている。具
体的な結晶成長過程は以下の通りである。
【0021】まず、水素のみを供給した状態で、基板温
度630℃ないし640℃で基板を5分間熱処理するこ
とによって、砒化ガリウム基板101表面の酸化膜を除
去すると同時に、基板101表面にガリウム過剰面10
4を形成する。その上で、基板温度を485℃まで下げ
てアンモニアを含むキャリアガスを供給することによ
り、基板101表面を窒化する。しかる後に、塩化ガリ
ウムおよびアンモニアおよびキャリアガスである窒素を
供給することにより、窒化ガリウム低温成長バッファ層
105を30分間形成し、その後基板温度を700℃ま
で上げて窒化ガリウム高温成長層106を30分間形成
した。窒化ガリウム低温成長バッファ層105および窒
化ガリウム高温成長層106はいずれもアンドープであ
る。
【0022】図5から分かるように、この第3の実施例
による窒化ガリウム層は、図9に示された先行技術方法
による窒化ガリウム層に比べ、窒化ガリウム高温成長層
106の表面の平坦性が改善されている。
【0023】[第4の実施例]砒化ガリウム基板上に、
ハイドライド気相成長法により、まず砒化ガリウムバッ
ファ層を形成し、しかる後に窒化ガリウム層を形成し
た。図6は、このようにして形成した窒化ガリウム膜の
断面と表面の状態を示す走査型電子顕微鏡写真である。
図6に示された窒化ガリウムの概略断面図は、第2の実
施例の場合と同じであって、図2に示される。図2にお
いて、砒化ガリウム基板101は、(100)面から
[111]B方向へ5°傾斜した面を表面とし、CrO
が濃度0.33重量ppmでドープされている。具体的
な結晶成長過捏は以下の通りである。
【0024】まず、砒化ガリウム基板101上に1.0
μm厚の砒化ガリウムバッファ層102を形成する。次
に、水素のみを供給した状態で、基板温度630℃ない
し640℃で基板を5分間熱処理することによって、砒
化ガリウムバッファ層102表面にガリウム過剰面10
4を形成する。その上で、基板温度を485℃まで下げ
てアンモニアを含むキャリアガスを供給することによ
り、砒化ガリウムバッファ層102表面を窒化する。し
かる後に、塩化ガリウムおよびアンモニアおよびキャリ
アガスである窒素を供給することにより、窒化ガリウム
低温成長バッファ層105を30分間形成し、その後基
板温度を700℃まで上げて窒化ガリウム高温成長層1
06を30分間形成した。砒化ガリウムバッファ層10
2および窒化ガリウム低温成長バッファ層105および
窒化ガリウム高温成長層106はいずれもアンドープで
ある。
【0025】図6から分かるように、この第4の実施例
による窒化ガリウム層は、図9に示された先行技術方法
による窒化ガリウム層に比べ、表面の平坦性が改善され
ている。さらに、図3に示された第1の実施例または図
5に示された第3の実施例の窒化ガリウム層に比べて
も、砒化ガリウム基板101上にまず砒化ガリウムバッ
ファ層102を形成したことにより、砒化ガリウム表面
の平坦性が向上し、窒化ガリウム高温成長層106表面
の平坦性が改善されている。
【0026】以上の実施例で示したように、砒化ガリウ
ム基板に窒化ガリウム層を結晶成長により形成する際
に、まず砒素を含むV族原料を供給することなく600
℃以上700℃以下に加熱して砒化ガリウム表面にガリ
ウム過剰面を形成した場合、後にキャリアガスとともに
V族原料を供給した際に、砒化ガリウム表面を十分に初
期窒化することができ、表面が平坦な窒化ガリウム膜が
形成される。その平坦性は、砒化ガリウム基板上にまず
砒化ガリウムバッファ層を形成することにより、さらに
改善される。形成される窒化ガリウム膜の表面の平坦性
は、砒素を含むV族原料を供給することなく加熱する際
の温度を620℃以上650℃以下とした場合に、特に
優れたものとなる。
【0027】なお、以上の実施例では、アンドープの窒
化ガリウム層の結晶成長について説明したが、勿論、適
当な不純物のドープされた窒化ガリウム層を形成するこ
ともできる。また、砒化ガリウム上に形成された本発明
による窒化ガリウム層上に、他の窒化ガリウム層若しく
は他の半導体層をさらに成長させることができる。
【0028】
【発明の効果】以上説明したように、本発明による結晶
成長方法は、砒化ガリウム基板の表面状態を熱処理によ
りガリウム過剰面にした後にその上に窒化ガリウム層を
結晶成長させるものであるので、初期窒化を十分に行う
ことが可能になり導電性を有するとともにへき開ができ
る砒化ガリウム基板上に表面平坦性がよい窒化ガリウム
結晶層を形成することができるようになる。したがっ
て、本発明によれば、過去に砒化ガリウム基板上に他の
化合物半導体デバイスを作製する際に培われたプロセス
技術が利用でき、砒化ガリウム基板の利点を十分に活か
したデバイス作製を行なうことができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態および第1、第3の実施例
を説明するための砒化ガリウム基板上に形成した窒化ガ
リウム層の概略断面図である。
【図2】本発明の実施の形態および第2、第4の実施例
を説明するための砒化ガリウム基板上に形成した窒化ガ
リウム層の概略断面図である。
【図3】本発明の第1の実施例により形成された砒化ガ
リウム基板上の窒化ガリウム層の断面と表面の粒子構造
を示す走査型電子顕微鏡写真である。
【図4】本発明の第2の実施例により形成された砒化ガ
リウム基板上の窒化ガリウム層の断面と表面の粒子構造
を示す走査型電子顕微鏡写真である。
【図5】本発明の第3の実施例により形成された砒化ガ
リウム基板上の窒化ガリウム層の断面と表面の粒子構造
を示す走査型電子顕微鏡写真である。
【図6】本発明の第4の実施例により形成された砒化ガ
リウム基板上の窒化ガリウム層の断面と表面の粒子構造
を示す走査型電子顕微鏡写真である。
【図7】サファイア基板上に形成された窒化ガリウム層
からなる従来の発光ダイオードの構造を示す断面図であ
る。
【図8】本発明に先行して提案された手法により砒化ガ
リウム基板上に形成した窒化ガリウム層の概略断面図で
ある。
【図9】本発明に先行して提案された手法により形成さ
れた砒化ガリウム基板上の窒化ガリウム層の断面と表面
の粒子構造を示す走査型電子顕微鏡写真である。
【符号の説明】 101 砒化ガリウム基板 102 砒化ガリウムバッファ層 103 塩化ガリウムの供給により形成されたガリウム
過剰面 104 熱処理により形成されたガリウム過剰面 105 窒化ガリウム低温成長バッファ層 106 窒化ガリウム高温成長層 701 サファイア基板 702 n型窒化ガリウム低温成長バッファ層 703 n型窒化ガリウム層 704 n型Al0.15Ga0.85N層 705 In0.06Ga0.94N層 706 p型Al0.15Ga0.85N層 707 p型窒化ガリウム層 708 p側電極 709 n側電極

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 (1)砒化ガリウム基板を成長炉にロー
    ドし、砒素を含むV族原料を供給することなく600℃
    以上700℃以下に加熱する工程と、 (2)キャリアガスとともにガリウムを含む原料と窒素
    を含む原料とを供給して砒化ガリウム基板上に窒化ガリ
    ウム層を結晶成長させる工程と、を含むことを特徴とす
    る窒化ガリウムの結晶成長方法。
  2. 【請求項2】 前記第(1)の工程に先立って、前記砒
    化ガリウム基板上に砒化ガリウムバッファ層を成長させ
    る工程が付加されることを特徴とする請求項1記載の窒
    化ガリウムの結晶成長方法。
  3. 【請求項3】 前記第(1)の工程の後前記第(2)の
    工程に先立って、キャリアガスとともに窒素を含むV族
    原料のみを供給して前記砒化ガリウム基板表面を窒化さ
    せる工程が付加されることを特徴とする請求項1または
    2記載の窒化ガリウムの結晶成長方法。
  4. 【請求項4】 前記第(1)の工程における熱処理が、
    還元性雰囲気中にて行われることを特徴とする請求項1
    記載の窒化ガリウムの結晶成長方法。
  5. 【請求項5】 前記第(2)の工程における結晶成長
    が、ハイドライド気相成長法にて行われることを特徴と
    する請求項1記載の窒化ガリウムの結晶成長方法。
  6. 【請求項6】 前記第(2)の工程における結晶成長
    が、初期の段階では基板温度を低温にして、その後に基
    板温度を昇温して行われることを特徴とする請求項1記
    載の窒化ガリウムの結晶成長方法。
  7. 【請求項7】 [111]B方向に僅かに傾いた(10
    0)面上に窒化ガリウムを成長させることを特徴とする
    請求項1記載の窒化ガリウムの結晶成長方法。
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