JPH09315899A - 化合物半導体気相成長方法 - Google Patents
化合物半導体気相成長方法Info
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- JPH09315899A JPH09315899A JP8757097A JP8757097A JPH09315899A JP H09315899 A JPH09315899 A JP H09315899A JP 8757097 A JP8757097 A JP 8757097A JP 8757097 A JP8757097 A JP 8757097A JP H09315899 A JPH09315899 A JP H09315899A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】導電性化合物半導体基板上に、高品質の化合物
半導体ＩｎＧａＮエピタキシャル層を成長させる方法の
提供。 【解決手段】三塩化インジウムを含む第１のガス及びア
ンモニアの含む第２のガスを、外部から第１の温度に加
熱した反応チャンバー５６に導入し、キャリアガスＮ2
（窒素）を用いて基板１上にＩｎＮを気相成長させ、バ
ッファ層を形成する。次に、塩化水素およびガリウムを
含む第３のガスを、第１のガス及び第２のガスと共に、
より高い第２の温度に加熱したチャンバー５６に導入
し、キャリアガスＮ2 を用いてバッファ層上にＩｎx Ｇ
ａ1-x Ｎ層を気相成長させる。窒素（Ｎ2 ）に替えてヘ
リウム（Ｈｅ）をキャリアガスに用いることによって、
均一性がさらに良好なＩｎx Ｇａ1-x Ｎ層を得ることが
できる。なお、バッファ層は、ＩｎＮに替えてＧａＮに
より形成することができる。
半導体ＩｎＧａＮエピタキシャル層を成長させる方法の
提供。 【解決手段】三塩化インジウムを含む第１のガス及びア
ンモニアの含む第２のガスを、外部から第１の温度に加
熱した反応チャンバー５６に導入し、キャリアガスＮ2
（窒素）を用いて基板１上にＩｎＮを気相成長させ、バ
ッファ層を形成する。次に、塩化水素およびガリウムを
含む第３のガスを、第１のガス及び第２のガスと共に、
より高い第２の温度に加熱したチャンバー５６に導入
し、キャリアガスＮ2 を用いてバッファ層上にＩｎx Ｇ
ａ1-x Ｎ層を気相成長させる。窒素（Ｎ2 ）に替えてヘ
リウム（Ｈｅ）をキャリアガスに用いることによって、
均一性がさらに良好なＩｎx Ｇａ1-x Ｎ層を得ることが
できる。なお、バッファ層は、ＩｎＮに替えてＧａＮに
より形成することができる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、化合物半導体の
気相成長方法に関するものであり、特にインジウムガリ
ウム窒素（Ｉｎx Ｇａ1-x Ｎ、ただし、０＜ｘ＜１）の
気相成長方法に関するものである。
気相成長方法に関するものであり、特にインジウムガリ
ウム窒素（Ｉｎx Ｇａ1-x Ｎ、ただし、０＜ｘ＜１）の
気相成長方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図３は、例えば日経サイエンス1994年10
月号、P.44に記載された、現在市販されているサファイ
ア基板を用いたガリウム窒素（ＧａＮ）系の青色および
緑色の発光素子（ＬＥＤ）の構造を示す断面図である。
月号、P.44に記載された、現在市販されているサファイ
ア基板を用いたガリウム窒素（ＧａＮ）系の青色および
緑色の発光素子（ＬＥＤ）の構造を示す断面図である。
【０００３】この青色および緑色発光素子は、サファイ
ア基板１１と、基板１１上に形成されたＧａＮバッファ
層１２と、ＧａＮバッファ層１２上に形成された六方晶
のＧａＮエピタキシャル層１３とから構成されたエピタ
キシャルウェハ上に、クラッド層１４、発光層１５、ク
ラッド層１６およびＧａＮエピタキシャル層１７が順に
形成され、ＧａＮエピタキシャル層１３，１７上には、
オーミック電極１８，１９がそれぞれ形成されている。
また、この青色および緑色発光素子において、ＧａＮバ
ッファ層１２は、サファイア基板１１とＧａＮエピタキ
シャル層１３との格子定数の差による歪を緩和するため
に設けられている。
ア基板１１と、基板１１上に形成されたＧａＮバッファ
層１２と、ＧａＮバッファ層１２上に形成された六方晶
のＧａＮエピタキシャル層１３とから構成されたエピタ
キシャルウェハ上に、クラッド層１４、発光層１５、ク
ラッド層１６およびＧａＮエピタキシャル層１７が順に
形成され、ＧａＮエピタキシャル層１３，１７上には、
オーミック電極１８，１９がそれぞれ形成されている。
また、この青色および緑色発光素子において、ＧａＮバ
ッファ層１２は、サファイア基板１１とＧａＮエピタキ
シャル層１３との格子定数の差による歪を緩和するため
に設けられている。
【０００４】上記の青色および緑色発光素子は、基板１
１として絶縁性のサファイアを用いているため、電極を
形成して素子を作成する際には、２種の電極を同一面側
に形成する必要があることから、フォトリソグラフィに
よるパターニングが２回以上必要になり、さらに反応性
イオンエッチングによる窒化物のエッチングを行う必要
もあり、複雑な工程を要する。
１として絶縁性のサファイアを用いているため、電極を
形成して素子を作成する際には、２種の電極を同一面側
に形成する必要があることから、フォトリソグラフィに
よるパターニングが２回以上必要になり、さらに反応性
イオンエッチングによる窒化物のエッチングを行う必要
もあり、複雑な工程を要する。
【０００５】また、サファイアは硬度が高いため、素子
分離の際に切断しにくいという問題もある。さらに、こ
のサファイアは劈開出来ないため、劈開端面を光共振器
とするレーザーダイオードに適用できないという、発光
素子応用面での問題もあった。
分離の際に切断しにくいという問題もある。さらに、こ
のサファイアは劈開出来ないため、劈開端面を光共振器
とするレーザーダイオードに適用できないという、発光
素子応用面での問題もあった。
【０００６】そこで、このような欠点を有するサファイ
アに代えて、導電性のＧａＡｓを基板として使用すると
いう試みがなされている。すなわち、ＭＯＣＶＰＥ法
（有機金属クロライド気相エピタキシャル法）でのＧａ
Ａｓ基板へのＧａＮ成長について、その成長速度を従来
のＯＭＶＰＥ法（有機金属気相エピタキシャル法）での
成長速度と比べても十分に早いものであるものが検討さ
れている。それは、III 族原料を塩化物として供給し、
ＧａＮの高速成長を可能とし、発光素子の活性層となる
ＩｎＧａＮの成長も可能としたものである。
アに代えて、導電性のＧａＡｓを基板として使用すると
いう試みがなされている。すなわち、ＭＯＣＶＰＥ法
（有機金属クロライド気相エピタキシャル法）でのＧａ
Ａｓ基板へのＧａＮ成長について、その成長速度を従来
のＯＭＶＰＥ法（有機金属気相エピタキシャル法）での
成長速度と比べても十分に早いものであるものが検討さ
れている。それは、III 族原料を塩化物として供給し、
ＧａＮの高速成長を可能とし、発光素子の活性層となる
ＩｎＧａＮの成長も可能としたものである。
【０００７】しかし、一方では高Ｉｎ組成のＩｎＧａＮ
を用いて波長純度の良い青色の発光が要望されているの
であるが、ＩｎＧａＮのＩｎ組成を高くすると成長温度
を低くする必要があり、その結果、成長速度が小さくな
るという問題点があった。
を用いて波長純度の良い青色の発光が要望されているの
であるが、ＩｎＧａＮのＩｎ組成を高くすると成長温度
を低くする必要があり、その結果、成長速度が小さくな
るという問題点があった。
【０００８】又、Kristall und Technik vol.12 No6 (1
977) p.541〜545 にはＩｎ原料としてクロライド化合物
ＩｎＣｌ3 を用い、Ｖ族原料にＮＨ3 を用いてサファイ
ア基板上への六方晶のＩｎＮ結晶の成長が報告されてい
る。しかし、ＧａＡｓ基板等への成長については検討さ
れておらず、レーザーダイオードを製造するに適してい
る立方晶のＩｎＮおよびＩｎＧａＮは得られていないの
である。
977) p.541〜545 にはＩｎ原料としてクロライド化合物
ＩｎＣｌ3 を用い、Ｖ族原料にＮＨ3 を用いてサファイ
ア基板上への六方晶のＩｎＮ結晶の成長が報告されてい
る。しかし、ＧａＡｓ基板等への成長については検討さ
れておらず、レーザーダイオードを製造するに適してい
る立方晶のＩｎＮおよびＩｎＧａＮは得られていないの
である。
【０００９】周期表のIII 族のＡｌ、Ｇａ、Ｉｎを塩化
物すなわちクロライド化合物として供給する従来のＭＯ
ＣＶＰＥ法（有機金属クロライド気相エピタキシャル
法）では、III 族原料を含む有機金属原料として、例え
ば、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）及びトリメチル
ガリウム（ＴＭＧａ）を用い、これらの原料と塩化水素
（ＨＣｌ）から塩化インジウム（ＩｎＣｌ）及び塩化ガ
リウム（ＧａＣｌ）を合成し、これらの塩化物とアンモ
ニアガスを反応させてＧａＡｓ等の基板上にＩｎＮ及び
ＩｎＧａＮを成長させていた。
物すなわちクロライド化合物として供給する従来のＭＯ
ＣＶＰＥ法（有機金属クロライド気相エピタキシャル
法）では、III 族原料を含む有機金属原料として、例え
ば、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）及びトリメチル
ガリウム（ＴＭＧａ）を用い、これらの原料と塩化水素
（ＨＣｌ）から塩化インジウム（ＩｎＣｌ）及び塩化ガ
リウム（ＧａＣｌ）を合成し、これらの塩化物とアンモ
ニアガスを反応させてＧａＡｓ等の基板上にＩｎＮ及び
ＩｎＧａＮを成長させていた。
【００１０】しかし、この方法ではＧａＡｓ等の基板上
への成長速度が小さく、ＩｎＧａＮの組成の再現性がな
い。
への成長速度が小さく、ＩｎＧａＮの組成の再現性がな
い。
【００１１】一方、化合物半導体の気相成長を実施する
上で、雰囲気ガス或いはキャリアガスの選択は、作製さ
れるべき化合物半導体の品質を決定する一つの重要な要
素である。
上で、雰囲気ガス或いはキャリアガスの選択は、作製さ
れるべき化合物半導体の品質を決定する一つの重要な要
素である。
【００１２】例えば、特開昭４９−１２１４７８号公報
（日立製作所）には、不活性ガスＡｒの存在下で化合物
半導体を気相エピタキシャル成長させる技術が開示され
ている。それ以前の技術による水素ガス（Ｈ2 ）では、
原料ガス及びドーピングガスに比べて比重が小さいの
で、充分な混合がなされない。この技術は、原料ガス及
びドーピングガスに比重が近いアルゴンガス（Ａｒ）を
選択することによって、原料ガス及びドーピングガスが
均一に混合され、成長層の厚さ及び不純物濃度を均一に
しようとするものである。
（日立製作所）には、不活性ガスＡｒの存在下で化合物
半導体を気相エピタキシャル成長させる技術が開示され
ている。それ以前の技術による水素ガス（Ｈ2 ）では、
原料ガス及びドーピングガスに比べて比重が小さいの
で、充分な混合がなされない。この技術は、原料ガス及
びドーピングガスに比重が近いアルゴンガス（Ａｒ）を
選択することによって、原料ガス及びドーピングガスが
均一に混合され、成長層の厚さ及び不純物濃度を均一に
しようとするものである。
【００１３】また、特開昭５１−１２６０３６号公報
（富士通）には、不活性ガスに体積比で0.02以下の水素
ガス（Ｈ2 ）を添加したキャリアガスを用いた半導体結
晶成長法が記載されている。キャリアガスにＨ2 ガスを
用いる場合、反応炉の容器を形成する石英がＨ2 ガスに
より還元されてＳｉ不純物が生成されたり、横型の炉が
適用されるので、主として原料ガスとの分子量の差に起
因して、反応ガス濃度の不均一を生じたりする。この方
法では、三塩化砒素（ＡｓＣｌ3 ）を反応炉内に送入す
るキャリアガスとして、窒素ガス（Ｎ2 ）、アルゴンガ
ス（Ａｒ）等の不活性ガスを使用することによって、容
器との化学反応を皆無とし、大きな成長速度及び均一な
結晶成長層を得ることができるようにしている。
（富士通）には、不活性ガスに体積比で0.02以下の水素
ガス（Ｈ2 ）を添加したキャリアガスを用いた半導体結
晶成長法が記載されている。キャリアガスにＨ2 ガスを
用いる場合、反応炉の容器を形成する石英がＨ2 ガスに
より還元されてＳｉ不純物が生成されたり、横型の炉が
適用されるので、主として原料ガスとの分子量の差に起
因して、反応ガス濃度の不均一を生じたりする。この方
法では、三塩化砒素（ＡｓＣｌ3 ）を反応炉内に送入す
るキャリアガスとして、窒素ガス（Ｎ2 ）、アルゴンガ
ス（Ａｒ）等の不活性ガスを使用することによって、容
器との化学反応を皆無とし、大きな成長速度及び均一な
結晶成長層を得ることができるようにしている。
【００１４】この方法では、さらに、この不活性キャリ
アガスにＨ2 ガスを微量添加することによって、結晶成
長の制御性並びに不純物濃度レベルの制御性を維持させ
ている。つまり、Ｈ2 ガスがない場合は、次の反応式
（１）のように、ＡｓＣｌ3 が熱分解すると共に再結合
する可逆反応を呈して結晶成長が著しく不安定になる
が、Ｈ2 ガスを微量添加した場合には、次の式（２）で
示されるように、有効な反応が生じ、この反応は、Ｈ2
ガスの体積比0.02で飽和する（「←→」は可逆反応を示
す）： ４ＡｓＣｌ3 ←→Ａｓ6 ＋６Ｃｌ （１） ２ＡｓＣｌ3 ＋３Ｈ2 ←→Ａｓ6 ＋６ＨＣｌ （２）
アガスにＨ2 ガスを微量添加することによって、結晶成
長の制御性並びに不純物濃度レベルの制御性を維持させ
ている。つまり、Ｈ2 ガスがない場合は、次の反応式
（１）のように、ＡｓＣｌ3 が熱分解すると共に再結合
する可逆反応を呈して結晶成長が著しく不安定になる
が、Ｈ2 ガスを微量添加した場合には、次の式（２）で
示されるように、有効な反応が生じ、この反応は、Ｈ2
ガスの体積比0.02で飽和する（「←→」は可逆反応を示
す）： ４ＡｓＣｌ3 ←→Ａｓ6 ＋６Ｃｌ （１） ２ＡｓＣｌ3 ＋３Ｈ2 ←→Ａｓ6 ＋６ＨＣｌ （２）
【００１５】さらに、特開昭５８−１６７７６５号公報
（工業技術院長）には、原料ガスを下方から導入して上
方に排出する化学蒸着装置が記載されている。これは、
分子量の重い原料ガスを用いる場合に、キャリアガス中
の原料ガス分布の不均一性及び膜厚分布の問題に対し
て、キャリアガスより重い原料ガスを下方から供給する
ことによって被蒸着基板の平面分布の不均一性を改善す
るもので、このようなキャリアガスに窒素ガス
（Ｎ2 ）、アルゴンガス（Ａｒ）が用いられることが示
されている。
（工業技術院長）には、原料ガスを下方から導入して上
方に排出する化学蒸着装置が記載されている。これは、
分子量の重い原料ガスを用いる場合に、キャリアガス中
の原料ガス分布の不均一性及び膜厚分布の問題に対し
て、キャリアガスより重い原料ガスを下方から供給する
ことによって被蒸着基板の平面分布の不均一性を改善す
るもので、このようなキャリアガスに窒素ガス
（Ｎ2 ）、アルゴンガス（Ａｒ）が用いられることが示
されている。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】この発明の主たる目的
は、上述の諸問題を解決するために、原料ガスの混合性
を改善することによって、導電性の化合物半導体基板の
上に高品質で均一性に優れた化合物半導体Ｉｎx Ｇａ
1-x Ｎ（ただし、０＜ｘ＜１）エピタキシャル層を製造
する方法を提供することにある。
は、上述の諸問題を解決するために、原料ガスの混合性
を改善することによって、導電性の化合物半導体基板の
上に高品質で均一性に優れた化合物半導体Ｉｎx Ｇａ
1-x Ｎ（ただし、０＜ｘ＜１）エピタキシャル層を製造
する方法を提供することにある。
【００１７】この発明の目的は、より詳細には、新しい
Ｉｎ原料を供給することにより、導電性の化合物半導体
基板の上に高品質の化合物半導体Ｉｎx Ｇａ1-x Ｎ（た
だし、０＜ｘ＜１）エピタキシャル層を製造する方法を
提供することにある。
Ｉｎ原料を供給することにより、導電性の化合物半導体
基板の上に高品質の化合物半導体Ｉｎx Ｇａ1-x Ｎ（た
だし、０＜ｘ＜１）エピタキシャル層を製造する方法を
提供することにある。
【００１８】この発明の目的は、また、新しい視点から
選択されたキャリアガスを用いることによって、より高
品質の化合物半導体Ｉｎx Ｇａ1-x Ｎ（ただし、０＜ｘ
＜１）エピタキシャル層を導電性の化合物半導体基板の
上に製造する方法を提供することにある。
選択されたキャリアガスを用いることによって、より高
品質の化合物半導体Ｉｎx Ｇａ1-x Ｎ（ただし、０＜ｘ
＜１）エピタキシャル層を導電性の化合物半導体基板の
上に製造する方法を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】この発明による化合物半
導体気相成長方法は、この発明の第１の特徴に従うと、
請求項１に規定されるように、Ｉｎx Ｇａ1-x Ｎ（ただ
し、０＜ｘ＜１）の気相成長法において、Ｉｎ原料とし
て三塩化インジウム（ＩｎＣｌ3 ）を原料に用いる。
導体気相成長方法は、この発明の第１の特徴に従うと、
請求項１に規定されるように、Ｉｎx Ｇａ1-x Ｎ（ただ
し、０＜ｘ＜１）の気相成長法において、Ｉｎ原料とし
て三塩化インジウム（ＩｎＣｌ3 ）を原料に用いる。
【００２０】この発明の化合物半導体気相成長方法は、
請求項２に規定されるように、さらに、Ｉｎx Ｇａ1-x
Ｎ（ただし、０＜ｘ＜１）を化合物半導体であるＧａＡ
ｓ、ＧａＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰおよびＳｉＣからなる群
から選ばれ基板上に成長することを特徴としている。
請求項２に規定されるように、さらに、Ｉｎx Ｇａ1-x
Ｎ（ただし、０＜ｘ＜１）を化合物半導体であるＧａＡ
ｓ、ＧａＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰおよびＳｉＣからなる群
から選ばれ基板上に成長することを特徴としている。
【００２１】この発明の化合物半導体気相成長方法は、
請求項３に規定されるように、さらに、キャリアガスと
して窒素ガスなどの不活性ガスを用いることを特徴とし
ている。
請求項３に規定されるように、さらに、キャリアガスと
して窒素ガスなどの不活性ガスを用いることを特徴とし
ている。
【００２２】この発明の化合物半導体気相成長方法は、
また、請求項４に規定されるように、外部から反応室全
体を加熱しながら、三塩化インジウムを含む第１のガス
と、アンモニアを含む第２のガスと、塩化水素とガリウ
ム含有有機金属原料を含む第３のガスとを反応室内に導
入して、反応室内に設置された基板上にＩｎx Ｇａ1-x
Ｎ（ただし、０＜ｘ＜１）を気相成長することを特徴と
している。
また、請求項４に規定されるように、外部から反応室全
体を加熱しながら、三塩化インジウムを含む第１のガス
と、アンモニアを含む第２のガスと、塩化水素とガリウ
ム含有有機金属原料を含む第３のガスとを反応室内に導
入して、反応室内に設置された基板上にＩｎx Ｇａ1-x
Ｎ（ただし、０＜ｘ＜１）を気相成長することを特徴と
している。
【００２３】この発明による化合物半導体気相成長方法
は、この発明の第２の特徴に従って、請求項５に規定さ
れるように、Ｉｎx Ｇａ1-x Ｎ（ただし、０＜ｘ＜１）
の気相成長法において、キャリアガスにヘリウムガス
（Ｈｅ）を用いる。
は、この発明の第２の特徴に従って、請求項５に規定さ
れるように、Ｉｎx Ｇａ1-x Ｎ（ただし、０＜ｘ＜１）
の気相成長法において、キャリアガスにヘリウムガス
（Ｈｅ）を用いる。
【００２４】この発明の化合物半導体気相成長方法は、
さらに、請求項６に規定されるように、外部から反応室
全体を加熱しながら、塩化水素及びガリウム含有有機金
属原料を含む第１のガスと、アンモニアを含む第２のガ
スと、三塩化インジウムを含む第３のガスとを反応室内
に導入して、反応室内に設置された基板上にＩｎx Ｇａ
1-x Ｎ（ただし、０＜ｘ＜１）を気相成長することを特
徴としている。
さらに、請求項６に規定されるように、外部から反応室
全体を加熱しながら、塩化水素及びガリウム含有有機金
属原料を含む第１のガスと、アンモニアを含む第２のガ
スと、三塩化インジウムを含む第３のガスとを反応室内
に導入して、反応室内に設置された基板上にＩｎx Ｇａ
1-x Ｎ（ただし、０＜ｘ＜１）を気相成長することを特
徴としている。
【００２５】
【発明の実施の形態】従来のＭＯＣＶＰＥ法（有機金属
クロライド気相エピタキシャル法）では、ＩｎＣｌをＩ
ｎ源とした場合には高品質のＩｎＧａＮ系のエピタキシ
ャル層を得るための成長温度の範囲が狭く、再現性が難
しい。ＩｎＣｌを原料とした場合、ＩｎＮの成長温度の
範囲が狭く、且つ、成長温度を低くする必要から成長速
度がＧａＮの 100分の１程度に落ちてしまう。
クロライド気相エピタキシャル法）では、ＩｎＣｌをＩ
ｎ源とした場合には高品質のＩｎＧａＮ系のエピタキシ
ャル層を得るための成長温度の範囲が狭く、再現性が難
しい。ＩｎＣｌを原料とした場合、ＩｎＮの成長温度の
範囲が狭く、且つ、成長温度を低くする必要から成長速
度がＧａＮの 100分の１程度に落ちてしまう。
【００２６】
【特に、好ましい原料の選定】そこで、本発明者らはＩ
ｎＣｌ＋ＮＨ3 系とＩｎＣｌ3 ＋ＮＨ3 系を反応解析に
より比較した結果、前者に比べ後者の方が 100倍程度反
応量が多いため、高速成長が可能なことを見出した。ま
た、その際、キャリアガスとして水素（Ｈ2 ）ガスを用
いた場合には反応量が減少するが、窒素（Ｎ2 ）ガスや
ヘリウム（Ｈｅ）ガスのような不活性ガスを用いた場合
には、上記のように 100倍程の反応量が多いことによっ
て、良好な高速成長を維持できることを見出した。
ｎＣｌ＋ＮＨ3 系とＩｎＣｌ3 ＋ＮＨ3 系を反応解析に
より比較した結果、前者に比べ後者の方が 100倍程度反
応量が多いため、高速成長が可能なことを見出した。ま
た、その際、キャリアガスとして水素（Ｈ2 ）ガスを用
いた場合には反応量が減少するが、窒素（Ｎ2 ）ガスや
ヘリウム（Ｈｅ）ガスのような不活性ガスを用いた場合
には、上記のように 100倍程の反応量が多いことによっ
て、良好な高速成長を維持できることを見出した。
【００２７】ＩｎＣｌ3 は常温で個体の物質であるが、
350℃程度に加熱することで気相成長に必要な蒸気圧を
得ることが出来る。この発明による気相成長方法では、
不活性ガスをキャリアガスに用い、Ｉｎ原料として三塩
化インジウムを用いる。
350℃程度に加熱することで気相成長に必要な蒸気圧を
得ることが出来る。この発明による気相成長方法では、
不活性ガスをキャリアガスに用い、Ｉｎ原料として三塩
化インジウムを用いる。
【００２８】又、以下の実施例でも示されている通り、
この発明でのＩｎ原料をＩｎＣｌ3として気相成長させ
るものは、基板上のバッファ層（ＩｎＮ）及びバッファ
層上のＩｎＧａＮの両方にも有効なものであって、結果
的に気相成長において、基板、バッファ層に無関係に、
気相成長させるに関して有効なものであって、ＩｎＧａ
Ｎを成長させる原料となっている。
この発明でのＩｎ原料をＩｎＣｌ3として気相成長させ
るものは、基板上のバッファ層（ＩｎＮ）及びバッファ
層上のＩｎＧａＮの両方にも有効なものであって、結果
的に気相成長において、基板、バッファ層に無関係に、
気相成長させるに関して有効なものであって、ＩｎＧａ
Ｎを成長させる原料となっている。
【００２９】以下の実施例では、基板にＧａＡｓを用い
ているが、その他のＧａＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰあるいは
ＳｉＣにも適応出来るものである。キャリアガスについ
ても、第１実施例での窒素（Ｎ2 ）ガス以外に、ヘリウ
ム（Ｈｅ）ガス等の不活性ガスが同様に有効であって、
特にヘリウムキャリアガスについては後で詳しく説明さ
れる。なお、同じく以下の実施例の第１の温度は、 300
〜500 ℃の間で有効で、第２の温度は、 800℃以上で有
効であると考えられる。
ているが、その他のＧａＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰあるいは
ＳｉＣにも適応出来るものである。キャリアガスについ
ても、第１実施例での窒素（Ｎ2 ）ガス以外に、ヘリウ
ム（Ｈｅ）ガス等の不活性ガスが同様に有効であって、
特にヘリウムキャリアガスについては後で詳しく説明さ
れる。なお、同じく以下の実施例の第１の温度は、 300
〜500 ℃の間で有効で、第２の温度は、 800℃以上で有
効であると考えられる。
【００３０】図１は、この発明による気相成長方法を用
いてエピタキシャルウェハを製造するのに用いられる気
相成長装置の概略構成を示す図である。この装置は、第
１のガス導入口５２、第２のガス導入口５３、第３のガ
ス導入口５１、排気口５４、三塩化インジウム（ＩｎＣ
ｌ3 ）を収納するリザーバー５５、反応チャンバー５
６、この反応チャンバー５６の外部からチャンバー内全
体を加熱するための抵抗加熱ヒーター５７、及び、三塩
化インジウム（ＩｎＣｌ3 ）の蒸気圧を制御するための
リザーバー用抵抗加熱ヒーター５８から構成される。
いてエピタキシャルウェハを製造するのに用いられる気
相成長装置の概略構成を示す図である。この装置は、第
１のガス導入口５２、第２のガス導入口５３、第３のガ
ス導入口５１、排気口５４、三塩化インジウム（ＩｎＣ
ｌ3 ）を収納するリザーバー５５、反応チャンバー５
６、この反応チャンバー５６の外部からチャンバー内全
体を加熱するための抵抗加熱ヒーター５７、及び、三塩
化インジウム（ＩｎＣｌ3 ）の蒸気圧を制御するための
リザーバー用抵抗加熱ヒーター５８から構成される。
【００３１】
【第１の実施例】このように構成される装置を用いて、
以下のように、この発明の第１の実施例による気相成長
を行った。先ず、石英からなる反応チャンバー５６内
に、硫酸（Ｈ2 ＳＯ4 ）系の通常のエッチング液で前処
理したガリウム砒素ＧａＡｓ〔（ 100）面〕基板１を設
置する。
以下のように、この発明の第１の実施例による気相成長
を行った。先ず、石英からなる反応チャンバー５６内
に、硫酸（Ｈ2 ＳＯ4 ）系の通常のエッチング液で前処
理したガリウム砒素ＧａＡｓ〔（ 100）面〕基板１を設
置する。
【００３２】次に、抵抗加熱ヒーター５７により外部か
らチャンバー内全体を加熱して、基板１を第１の温度 4
00℃に保持した状態にしておいた。この状態で、第１の
ガス導入口５２からキャリアガスである窒素ガス（Ｎ
2 ）を入れヒーター５８で 350℃に加熱されたリザーバ
ー５５に導入し、このリザーバーに収納されているIII
族原料の三塩化インジウム（ＩｎＣｌ3 ）を分圧１×10
-4atm でチャンバー５６内に導入した。一方、第２のガ
ス導入口５３からはＶ族原料としてアンモニアガス（Ｎ
Ｈ3 ）を３×10-1atm で導入した。各ガスの分圧は、ガ
スの温度による飽和蒸気圧と流量により管理した。キャ
リアガスとしては全て窒素ガス（Ｎ2 ）が用いられた。
このような条件の下で、30分間エピタキシャル成長さ
せ、厚さ30nmのＩｎＮからなるバッファ層２（図２）を
形成した。
らチャンバー内全体を加熱して、基板１を第１の温度 4
00℃に保持した状態にしておいた。この状態で、第１の
ガス導入口５２からキャリアガスである窒素ガス（Ｎ
2 ）を入れヒーター５８で 350℃に加熱されたリザーバ
ー５５に導入し、このリザーバーに収納されているIII
族原料の三塩化インジウム（ＩｎＣｌ3 ）を分圧１×10
-4atm でチャンバー５６内に導入した。一方、第２のガ
ス導入口５３からはＶ族原料としてアンモニアガス（Ｎ
Ｈ3 ）を３×10-1atm で導入した。各ガスの分圧は、ガ
スの温度による飽和蒸気圧と流量により管理した。キャ
リアガスとしては全て窒素ガス（Ｎ2 ）が用いられた。
このような条件の下で、30分間エピタキシャル成長さ
せ、厚さ30nmのＩｎＮからなるバッファ層２（図２）を
形成した。
【００３３】以上のステップの次に、このようにＩｎＮ
からなるバッファ層２が形成された基板１の温度を、抵
抗加熱ヒーター５７により第２の温度 800℃まで昇温し
た。その後、この温度状態で、さらに、第３のガス導入
口５１からトリメチルガリウムＴＭＧａ（TriMethylGal
lium；Ｃ3 Ｈ9 Ｇａ）および塩化水素（ＨＣｌ）を同じ
くキャリアガスとして窒素ガス（Ｎ2 ）を用いて導入
し、原料ガスＩｎＣｌ3，ＴＭＧａ，ＨＣｌ，ＮＨ3 の
各々の分圧を５×10-3atm 、１×10-4atm 、１×10-4at
m 、３×10-1atm という条件で、60分間エピタキシャル
成長させるステップをとった。
からなるバッファ層２が形成された基板１の温度を、抵
抗加熱ヒーター５７により第２の温度 800℃まで昇温し
た。その後、この温度状態で、さらに、第３のガス導入
口５１からトリメチルガリウムＴＭＧａ（TriMethylGal
lium；Ｃ3 Ｈ9 Ｇａ）および塩化水素（ＨＣｌ）を同じ
くキャリアガスとして窒素ガス（Ｎ2 ）を用いて導入
し、原料ガスＩｎＣｌ3，ＴＭＧａ，ＨＣｌ，ＮＨ3 の
各々の分圧を５×10-3atm 、１×10-4atm 、１×10-4at
m 、３×10-1atm という条件で、60分間エピタキシャル
成長させるステップをとった。
【００３４】その結果、バッファ層２上に、厚さ１μｍ
の鏡面状のＩｎx Ｇａ1-x Ｎ、ただし、（０＜ｘ＜１）
エピタキシャル層３（図３）が形成された。Ｘ線回折測
定の結果、レーザダイオードを製造するに適した、すな
わち、光共振器として使用するための劈開に適した立方
晶のＩｎx Ｇａ1-x Ｎ（ｘ＝0.5 ）のＸ線回折のピーク
が観測された。六方晶のＸ線回折とは明確に区分されう
るものであった。前記バッファ層２をＧａＡｓ基板との
間に介在させることにより、その上に形成されるＩｎx
Ｇａ1-x Ｎエピタキシャル層の結晶性を向上させること
が出来たものである。
の鏡面状のＩｎx Ｇａ1-x Ｎ、ただし、（０＜ｘ＜１）
エピタキシャル層３（図３）が形成された。Ｘ線回折測
定の結果、レーザダイオードを製造するに適した、すな
わち、光共振器として使用するための劈開に適した立方
晶のＩｎx Ｇａ1-x Ｎ（ｘ＝0.5 ）のＸ線回折のピーク
が観測された。六方晶のＸ線回折とは明確に区分されう
るものであった。前記バッファ層２をＧａＡｓ基板との
間に介在させることにより、その上に形成されるＩｎx
Ｇａ1-x Ｎエピタキシャル層の結晶性を向上させること
が出来たものである。
【００３５】
【比較参考例】キャリアガスの違いによるＩｎＧａＮエ
ピタキシャル層成長の差異を比べるため、キャリアガス
として窒素ガス（Ｎ2 ）のかわりに、通常よく使われる
水素（Ｈ2 ）を用いて、ＧａＡｓ基板上にＩｎＧａＮを
成長させた。
ピタキシャル層成長の差異を比べるため、キャリアガス
として窒素ガス（Ｎ2 ）のかわりに、通常よく使われる
水素（Ｈ2 ）を用いて、ＧａＡｓ基板上にＩｎＧａＮを
成長させた。
【００３６】すなわち、バッファ層２の形成は、第１の
実施例と同条件とし、エピタキシャル層３を成長させる
場合にのみ、キャリアガスを第１該実施例のＮ2 ガスか
らＨ2 ガスに替えて成長させた。その結果、ＧａＡｓ基
板にはＩｎＧａＮエピタキシャル層３の形成を認めるこ
とができなかった。
実施例と同条件とし、エピタキシャル層３を成長させる
場合にのみ、キャリアガスを第１該実施例のＮ2 ガスか
らＨ2 ガスに替えて成長させた。その結果、ＧａＡｓ基
板にはＩｎＧａＮエピタキシャル層３の形成を認めるこ
とができなかった。
【００３７】このように、化合物半導体インジウムガリ
ウム窒素（Ｉｎx Ｇａ1-x Ｎ、ただし、０＜ｘ＜１）を
気相成長させるのに、インジウム（Ｉｎ）原料として三
塩化インジウム（ＩｎＣｌ3 ）を用いる場合には、その
キャリアガスには窒素（Ｎ2）ガス等の不活性ガスを用
いる必要がある。
ウム窒素（Ｉｎx Ｇａ1-x Ｎ、ただし、０＜ｘ＜１）を
気相成長させるのに、インジウム（Ｉｎ）原料として三
塩化インジウム（ＩｎＣｌ3 ）を用いる場合には、その
キャリアガスには窒素（Ｎ2）ガス等の不活性ガスを用
いる必要がある。
【００３８】つまり、三塩化インジウムＩｎＣｌ3 の可
能な反応は、次の式（３），（４）で表される： ＩｎＣｌ3 ＋ＮＨ3 →ＩｎＮ ＋３ＨＣｌ （３） ＩｎＣｌ3 ＋Ｈ2 →ＩｎＣｌ＋２ＨＣｌ （４） 従って、Ｈ2 キャリアガスは、反応式（４）にみられる
ように、所望の反応には不要であり、むしろ、ＩｎＣｌ
3 の分解が生じるので、悪影響をもたらす。そのため
に、前述の三塩化インジウム（ＩｎＣｌ3 ）を用いる場
合には、特に、反応性をもたない不活性ガスを使用する
のがよく、このような不活性ガスの中でも最も安価な窒
素ガスがキャリアガスとして使用されるのである。
能な反応は、次の式（３），（４）で表される： ＩｎＣｌ3 ＋ＮＨ3 →ＩｎＮ ＋３ＨＣｌ （３） ＩｎＣｌ3 ＋Ｈ2 →ＩｎＣｌ＋２ＨＣｌ （４） 従って、Ｈ2 キャリアガスは、反応式（４）にみられる
ように、所望の反応には不要であり、むしろ、ＩｎＣｌ
3 の分解が生じるので、悪影響をもたらす。そのため
に、前述の三塩化インジウム（ＩｎＣｌ3 ）を用いる場
合には、特に、反応性をもたない不活性ガスを使用する
のがよく、このような不活性ガスの中でも最も安価な窒
素ガスがキャリアガスとして使用されるのである。
【００３９】しかしながら、この窒素キャリアガスは、
ガス拡散係数が小さく、ＩｎＣｌ3、ＴＭＧ、ＨＣｌ、
ＮＨ3 などの原料ガスとの混合が充分でない。それ故、
この原料ガスの混合不足よりガス濃度分布の偏りや変動
が大きくなって、ＩｎＮバッファ層２上でのＩｎx Ｇａ
1-x Ｎの成長が不均一になり、その結果、得られるＩｎ
x Ｇａ1-x Ｎ層３の組成や膜厚は不均一になってしま
う。
ガス拡散係数が小さく、ＩｎＣｌ3、ＴＭＧ、ＨＣｌ、
ＮＨ3 などの原料ガスとの混合が充分でない。それ故、
この原料ガスの混合不足よりガス濃度分布の偏りや変動
が大きくなって、ＩｎＮバッファ層２上でのＩｎx Ｇａ
1-x Ｎの成長が不均一になり、その結果、得られるＩｎ
x Ｇａ1-x Ｎ層３の組成や膜厚は不均一になってしま
う。
【００４０】
【キャリアガスの好ましい選定】この問題を解決するた
めに、この発明の第２の大きな特徴によると、インジウ
ムガリウム窒素（Ｉｎx Ｇａ1-x Ｎ）を気相成長させる
のに、キャリアガスとしてヘリウム（Ｈｅ）ガスが用い
られる。このヘリウムキャリアガスは、ガリウム砒素
（ＧａＡｓ）等の導電性の化合物半導体基板の上に、イ
ンジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）及び窒素（Ｎ）組
成を提供することができる種々の原料ガスを用いて、均
一なＩｎx Ｇａ1-x Ｎ層を気相成長させるのに適してい
るが、インジウム（Ｉｎ）原料として三塩化インジウム
（ＩｎＣｌ3 ）を用いる場合に、特に好適である。
めに、この発明の第２の大きな特徴によると、インジウ
ムガリウム窒素（Ｉｎx Ｇａ1-x Ｎ）を気相成長させる
のに、キャリアガスとしてヘリウム（Ｈｅ）ガスが用い
られる。このヘリウムキャリアガスは、ガリウム砒素
（ＧａＡｓ）等の導電性の化合物半導体基板の上に、イ
ンジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）及び窒素（Ｎ）組
成を提供することができる種々の原料ガスを用いて、均
一なＩｎx Ｇａ1-x Ｎ層を気相成長させるのに適してい
るが、インジウム（Ｉｎ）原料として三塩化インジウム
（ＩｎＣｌ3 ）を用いる場合に、特に好適である。
【００４１】ガス相互拡散係数の計算式の１つで「藤田
の式」と呼ばれる半理論式がある。この式は、よく知ら
れているように、気相ａ，ｂの臨界温度をＴca，Ｔcb
〔Ｋ〕、臨界圧力をＰca，Ｐcb〔atm 〕、そして、分子
量をＭａ，Ｍｂとしたとき、温度Ｔ〔Ｋ〕における両気
相ａ，ｂ間の相互拡散係数Ｄabは、次式（５）で示され
るというものである： Ｄab＝ 0.00070×Ｔ1.838 ／[(Ｔca／Ｐca)1/3＋ (Ｔca／Ｐca)1/3]3 × (１／Ｍａ＋１／Ｍｂ)1/2 （５）
の式」と呼ばれる半理論式がある。この式は、よく知ら
れているように、気相ａ，ｂの臨界温度をＴca，Ｔcb
〔Ｋ〕、臨界圧力をＰca，Ｐcb〔atm 〕、そして、分子
量をＭａ，Ｍｂとしたとき、温度Ｔ〔Ｋ〕における両気
相ａ，ｂ間の相互拡散係数Ｄabは、次式（５）で示され
るというものである： Ｄab＝ 0.00070×Ｔ1.838 ／[(Ｔca／Ｐca)1/3＋ (Ｔca／Ｐca)1/3]3 × (１／Ｍａ＋１／Ｍｂ)1/2 （５）
【００４２】そこで、３種のキャリアガスＨ2 ，Ｎ2 ，
Ｈｅと原料ガスとの相互拡散係数をこの「藤田の式」に
より求めると、例えば、ＮＨ3 ガス及びＨＣｌガスにつ
いては、図４，５に示されるような特性が得られる。こ
れらの特性から、原料ガスとの相互拡散係数はＨ2 ＞Ｈ
ｅ＞Ｎ2 の順に大きく、温度 800℃におけるＮＨ3 ガス
と各キャリアガスとの相互拡散係数は、Ｈ2 ；7.91 [cm
2/sec]、Ｈｅ；6.27 [cm2/sec]、Ｈ2 ；2.71 [cm2/sec]
となる。これによって、ＮＨ3 ガスとＨｅキャリアガス
の相互拡散係数は、ＮＨ3 ガスとＮ2 キャリアガスの相
互拡散係数より２倍以上大きいことが分かる。
Ｈｅと原料ガスとの相互拡散係数をこの「藤田の式」に
より求めると、例えば、ＮＨ3 ガス及びＨＣｌガスにつ
いては、図４，５に示されるような特性が得られる。こ
れらの特性から、原料ガスとの相互拡散係数はＨ2 ＞Ｈ
ｅ＞Ｎ2 の順に大きく、温度 800℃におけるＮＨ3 ガス
と各キャリアガスとの相互拡散係数は、Ｈ2 ；7.91 [cm
2/sec]、Ｈｅ；6.27 [cm2/sec]、Ｈ2 ；2.71 [cm2/sec]
となる。これによって、ＮＨ3 ガスとＨｅキャリアガス
の相互拡散係数は、ＮＨ3 ガスとＮ2 キャリアガスの相
互拡散係数より２倍以上大きいことが分かる。
【００４３】Ｉｎx Ｇａ1-x Ｎ層を気相成長させるのに
第１の実施例のように窒素（Ｎ2 ）ガスをキャリアガス
に用いた場合には、このようにキャリアガスの拡散係数
が相当小さいことが大きな原因となって、原料ガスＮＨ
3 等との混合が充分に行われず、従って、成長層３の組
成及び膜厚が不均一になってしまう。
第１の実施例のように窒素（Ｎ2 ）ガスをキャリアガス
に用いた場合には、このようにキャリアガスの拡散係数
が相当小さいことが大きな原因となって、原料ガスＮＨ
3 等との混合が充分に行われず、従って、成長層３の組
成及び膜厚が不均一になってしまう。
【００４４】これに対して、ヘリウム（Ｈｅ）ガスの相
互拡散係数は、窒素（Ｎ2 ）ガスの約２．３倍であり、
水素（Ｈ2 ）キャリアガスガスに最も近い。そこで、キ
ャリアガスにＨｅガスを用いることによって、原料ガス
を十分に混合して均一に成長させ、Ｉｎx Ｇａ1-x Ｎ層
３の組成や膜厚の均一性を改善することができることが
見出された。
互拡散係数は、窒素（Ｎ2 ）ガスの約２．３倍であり、
水素（Ｈ2 ）キャリアガスガスに最も近い。そこで、キ
ャリアガスにＨｅガスを用いることによって、原料ガス
を十分に混合して均一に成長させ、Ｉｎx Ｇａ1-x Ｎ層
３の組成や膜厚の均一性を改善することができることが
見出された。
【００４５】本発明者らは、実際に、キャリアガスとし
てヘリウム（Ｈｅ）ガス及び窒素（Ｎ2 ）ガスの混合性
を確認するために、図６の上段の概略的な模写図に示さ
れるようなガス流れ可視化装置を使用してガスの流れの
可視化実験を行ってみた。この可視化実験では、石英ガ
ラスのような透明な可視管６１内に模擬基板６２及びノ
ズル６３が設置され、ノズル６３の内側からはアンモニ
ア（ＮＨ3 ）ガスが導入され、ノズル６３の外側からは
塩化水素（ＨＣｌ）ガスが導入される。そして、何れの
ガスについても、Ｈｅガス或いはＮ2 ガスが同時に流さ
れる。
てヘリウム（Ｈｅ）ガス及び窒素（Ｎ2 ）ガスの混合性
を確認するために、図６の上段の概略的な模写図に示さ
れるようなガス流れ可視化装置を使用してガスの流れの
可視化実験を行ってみた。この可視化実験では、石英ガ
ラスのような透明な可視管６１内に模擬基板６２及びノ
ズル６３が設置され、ノズル６３の内側からはアンモニ
ア（ＮＨ3 ）ガスが導入され、ノズル６３の外側からは
塩化水素（ＨＣｌ）ガスが導入される。そして、何れの
ガスについても、Ｈｅガス或いはＮ2 ガスが同時に流さ
れる。
【００４６】この可視化装置に導入されたＮＨ3 ガス及
びＨＣｌガスは、室温下にて、ノズル６３のラッパ状に
拡がったスカート部６４の先で、図６の上段の管内に破
線で示すように、互いに混合され、次式（６）に示され
る反応を生起する。 ＮＨ3 ＋ ＨＣｌ → ＮＨ4 Ｃｌ （６） つまり、上式（６）の反応によって、塩化アンモニウム
（ＮＨ4 Ｃｌ）の白い微粒子が生成され、ノズル６３の
下に斜線部で示されるように、ＮＨ3 とＨＣｌの混合ガ
スの流れを反映する視認可能な模様となって現れる。従
って、ガス流れはこの模様によって肉眼で確認すること
ができる。
びＨＣｌガスは、室温下にて、ノズル６３のラッパ状に
拡がったスカート部６４の先で、図６の上段の管内に破
線で示すように、互いに混合され、次式（６）に示され
る反応を生起する。 ＮＨ3 ＋ ＨＣｌ → ＮＨ4 Ｃｌ （６） つまり、上式（６）の反応によって、塩化アンモニウム
（ＮＨ4 Ｃｌ）の白い微粒子が生成され、ノズル６３の
下に斜線部で示されるように、ＮＨ3 とＨＣｌの混合ガ
スの流れを反映する視認可能な模様となって現れる。従
って、ガス流れはこの模様によって肉眼で確認すること
ができる。
【００４７】図６の上段には、この実験によって、室温
で管内にアンモニア（ＮＨ3 ）ガス及び塩化水素（ＨＣ
ｌ）ガスを導入したときに、観察されたガス流れの模写
例が示されている。キャリアガスとしてＮ2 ガスを用い
た場合（Ａ）、図６（Ａ）の上段に示されるように、Ｎ
Ｈ3 ガス及びＨＣｌガスの拡散が十分でなくガスの流れ
が不均一である。これに対して、キャリアガスとしてＨ
ｅガスを用いた場合（Ｂ）には、図６（Ｂ）の上段に示
されるように、これらのガスの拡散が十分に行われ、ガ
スの流れが均一となることが確認された。
で管内にアンモニア（ＮＨ3 ）ガス及び塩化水素（ＨＣ
ｌ）ガスを導入したときに、観察されたガス流れの模写
例が示されている。キャリアガスとしてＮ2 ガスを用い
た場合（Ａ）、図６（Ａ）の上段に示されるように、Ｎ
Ｈ3 ガス及びＨＣｌガスの拡散が十分でなくガスの流れ
が不均一である。これに対して、キャリアガスとしてＨ
ｅガスを用いた場合（Ｂ）には、図６（Ｂ）の上段に示
されるように、これらのガスの拡散が十分に行われ、ガ
スの流れが均一となることが確認された。
【００４８】次に、本発明者らは、上述した可視管６１
を実際にエピタキシャル成長のための反応管として使用
してインジウム窒素（ＩｎＮ）のピタキシャル成長の実
験を行った。この実験では、一例として、ガリウム砒素
（ＧａＡｓ）基板を管内に設置し、ノズル６３の内側か
らはＮＨ3 ガスが導入され、ノズル６３の外側からは三
塩化インジウム（ＩｎＣｌ3 ）が導入される。そして、
何れのガスについても、キャリアガスとしてＨｅガス或
いはＮ2 ガスを同時に流し、 500℃でＩｎＮをピタキシ
ャル成長させる。
を実際にエピタキシャル成長のための反応管として使用
してインジウム窒素（ＩｎＮ）のピタキシャル成長の実
験を行った。この実験では、一例として、ガリウム砒素
（ＧａＡｓ）基板を管内に設置し、ノズル６３の内側か
らはＮＨ3 ガスが導入され、ノズル６３の外側からは三
塩化インジウム（ＩｎＣｌ3 ）が導入される。そして、
何れのガスについても、キャリアガスとしてＨｅガス或
いはＮ2 ガスを同時に流し、 500℃でＩｎＮをピタキシ
ャル成長させる。
【００４９】図６の下段には、管内に設置したガリウム
砒素（ＧａＡｓ）基板を 500℃まで昇温し、原料ガスと
してＮＨ3 及び三塩化インジウム（ＩｎＣｌ3 ）を導入
して基板上にインジウム窒素（ＩｎＮ）をエピタキシャ
ル成長させた場合に得られたＩｎＮ層の模写例が示され
ている。キャリアガスとしてＮ2 ガスを用いた場合
（Ａ）、ＩｎＮ層は、図６（Ａ）の下段に示されるよう
にＧａＡｓ基板上に部分的にしか成長しておらず、不均
一である。これに対して、Ｈｅキャリアガスを用いた場
合（Ｂ）には、図６（Ｂ）の下段に示されるように、均
一にＩｎＮ層が成長することができることが確認され
た。従って、Ｈｅキャリアガスを使用した場合（Ｂ）に
は、Ｎ2 キャリアガスを使用した場合（Ａ）に比べて、
原料ガスの濃度分布を均一化し、成長の均一性を改善す
ることができる。
砒素（ＧａＡｓ）基板を 500℃まで昇温し、原料ガスと
してＮＨ3 及び三塩化インジウム（ＩｎＣｌ3 ）を導入
して基板上にインジウム窒素（ＩｎＮ）をエピタキシャ
ル成長させた場合に得られたＩｎＮ層の模写例が示され
ている。キャリアガスとしてＮ2 ガスを用いた場合
（Ａ）、ＩｎＮ層は、図６（Ａ）の下段に示されるよう
にＧａＡｓ基板上に部分的にしか成長しておらず、不均
一である。これに対して、Ｈｅキャリアガスを用いた場
合（Ｂ）には、図６（Ｂ）の下段に示されるように、均
一にＩｎＮ層が成長することができることが確認され
た。従って、Ｈｅキャリアガスを使用した場合（Ｂ）に
は、Ｎ2 キャリアガスを使用した場合（Ａ）に比べて、
原料ガスの濃度分布を均一化し、成長の均一性を改善す
ることができる。
【００５０】なお、Ｈｅキャリアガスの導入に伴って、
ＨｅガスはＮ2 ガスに比べて高価であるという問題点が
生じてくる。しかしながら、原料に３塩化インジウム
（ＩｎＣｌ3 ）を用いると成長時間を短くすることがで
き、また、Ｉｎx Ｇａ1-x Ｎの成長に限ってＨｅキャリ
アガスを導入することができるので、コストの増大を最
小限に抑えることができる。
ＨｅガスはＮ2 ガスに比べて高価であるという問題点が
生じてくる。しかしながら、原料に３塩化インジウム
（ＩｎＣｌ3 ）を用いると成長時間を短くすることがで
き、また、Ｉｎx Ｇａ1-x Ｎの成長に限ってＨｅキャリ
アガスを導入することができるので、コストの増大を最
小限に抑えることができる。
【００５１】
【第２の実施例】この発明の第２の特徴に従うと、この
ようなＨｅキャリアガスによる原料ガス濃度の均一化の
確認に基づいて、導電性の化合物半導体基板の上に化合
物半導体インジウムガリウム窒素（Ｉｎx Ｇａ1-x Ｎ、
ただし、０＜ｘ＜１）を気相成長させる際に、キャリア
ガスとしてヘリウム（Ｈｅ）ガスが用いられる。このた
めには、第１の実施例において、単に、キャリアガスと
して窒素ガス（Ｎ2 ）の代わりに上述したヘリウム（Ｈ
ｅ）を用いるだけで、図２のように、ＧａＡｓ基板１上
にＩｎＧａＮ層３を良好に成長させることができる。し
かしながら、以下に説明される第２の好適な実施例で
は、さらに、バッファー層の形成段階に工夫を加えるこ
とによって、Ｉｎx Ｇａ1-x Ｎをより一層均一に成長す
ることができるようにしている。
ようなＨｅキャリアガスによる原料ガス濃度の均一化の
確認に基づいて、導電性の化合物半導体基板の上に化合
物半導体インジウムガリウム窒素（Ｉｎx Ｇａ1-x Ｎ、
ただし、０＜ｘ＜１）を気相成長させる際に、キャリア
ガスとしてヘリウム（Ｈｅ）ガスが用いられる。このた
めには、第１の実施例において、単に、キャリアガスと
して窒素ガス（Ｎ2 ）の代わりに上述したヘリウム（Ｈ
ｅ）を用いるだけで、図２のように、ＧａＡｓ基板１上
にＩｎＧａＮ層３を良好に成長させることができる。し
かしながら、以下に説明される第２の好適な実施例で
は、さらに、バッファー層の形成段階に工夫を加えるこ
とによって、Ｉｎx Ｇａ1-x Ｎをより一層均一に成長す
ることができるようにしている。
【００５２】この第２の実施例においては、成長装置と
して図１の装置が使用され、図７に示すように、ガリウ
ム砒素ＧａＡｓ〔（ 111）Ａ面〕基板１上にＧａＮバッ
ファ層２１を形成した後このバッファ層２１上にＧａＮ
層２２を成長させ、さらに、その上にＩｎx Ｇａ1-x Ｎ
層を成長させる。この実施例では、また、ＧａＮバッフ
ァー層及びＧａＮ層の形成段階で水素（Ｈ2 ）ガスがキ
ャリアガスとして用いられる。
して図１の装置が使用され、図７に示すように、ガリウ
ム砒素ＧａＡｓ〔（ 111）Ａ面〕基板１上にＧａＮバッ
ファ層２１を形成した後このバッファ層２１上にＧａＮ
層２２を成長させ、さらに、その上にＩｎx Ｇａ1-x Ｎ
層を成長させる。この実施例では、また、ＧａＮバッフ
ァー層及びＧａＮ層の形成段階で水素（Ｈ2 ）ガスがキ
ャリアガスとして用いられる。
【００５３】先ず、ＧａＡｓ〔（ 111）Ａ面〕基板１が
反応チャンバー５６内にセットされ、この基板１の温度
を第１の温度、例えば 500℃まで昇温する。この温度状
態で、キャリアガスとして水素（Ｈ2 ）ガスを、そし
て、原料ガスとして、アンモニア（ＮＨ3 ）、トリメチ
ルガリウム（ＴＭＧａ）及び塩化水素（ＨＣｌ）を、チ
ャンバー５６内に導入し、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）
（ 111）Ａ面基板１上にガリウム窒素（ＧａＮ）がエピ
タキシャル成長され、図７のように、ＧａＮバッファ層
２１が形成される。
反応チャンバー５６内にセットされ、この基板１の温度
を第１の温度、例えば 500℃まで昇温する。この温度状
態で、キャリアガスとして水素（Ｈ2 ）ガスを、そし
て、原料ガスとして、アンモニア（ＮＨ3 ）、トリメチ
ルガリウム（ＴＭＧａ）及び塩化水素（ＨＣｌ）を、チ
ャンバー５６内に導入し、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）
（ 111）Ａ面基板１上にガリウム窒素（ＧａＮ）がエピ
タキシャル成長され、図７のように、ＧａＮバッファ層
２１が形成される。
【００５４】次に、ＧａＮバッファ層２１の形成後、Ｎ
Ｈ3 、ＴＭＧａ及びＨＣｌの導入を一旦停止し、基板１
の温度を比較的高い温度、例えば、1000℃まで昇温す
る。この温度状態で、再び、Ｈ2 キャリアガスと共にＮ
Ｈ3 、ＴＭＧａ及びＨＣｌを導入してＧａＮを成長さ
せ、図７のように、ＧａＮバッファ層２１上にＧａＮ層
２２を成長させる。なお、上記したＧａＮバッファ層２
１及びＧａＮ層２２の成長に当っては、キャリアガスと
してＨ2 ガスに替えてＨｅガスを用いてもよい。
Ｈ3 、ＴＭＧａ及びＨＣｌの導入を一旦停止し、基板１
の温度を比較的高い温度、例えば、1000℃まで昇温す
る。この温度状態で、再び、Ｈ2 キャリアガスと共にＮ
Ｈ3 、ＴＭＧａ及びＨＣｌを導入してＧａＮを成長さ
せ、図７のように、ＧａＮバッファ層２１上にＧａＮ層
２２を成長させる。なお、上記したＧａＮバッファ層２
１及びＧａＮ層２２の成長に当っては、キャリアガスと
してＨ2 ガスに替えてＨｅガスを用いてもよい。
【００５５】そして、ＧａＮ層２２の形成後、ＮＨ3 、
ＴＭＧａ及びＨＣｌの導入を停止し、基板１の温度を第
２の温度、例えば、 800℃まで降温する。この温度状態
で、キャリアガスをＨｅガスに切り替えると共に、ＮＨ
3 、ＴＭＧａ及びＨＣｌに加えて、三塩化インジウム
（ＩｎＣｌ3 ）を導入し、30分間エピタキシァル成長さ
せる。その結果、図７のように、ＧａＮ層２２上に厚さ
２μｍの鏡面状のＩｎxＧａ1-x Ｎ層３が形成される。
これをＸ線回折測定した結果、六方晶のＩｎx Ｇａ1-x
Ｎ（ｘ＝0.2 ）のＸ線回折ピークが観察され、第２の実
施例により得られるＩｎx Ｇａ1-x Ｎ層３は、組成及び
膜厚の均一性がより一層優れていることが確認された。
ＴＭＧａ及びＨＣｌの導入を停止し、基板１の温度を第
２の温度、例えば、 800℃まで降温する。この温度状態
で、キャリアガスをＨｅガスに切り替えると共に、ＮＨ
3 、ＴＭＧａ及びＨＣｌに加えて、三塩化インジウム
（ＩｎＣｌ3 ）を導入し、30分間エピタキシァル成長さ
せる。その結果、図７のように、ＧａＮ層２２上に厚さ
２μｍの鏡面状のＩｎxＧａ1-x Ｎ層３が形成される。
これをＸ線回折測定した結果、六方晶のＩｎx Ｇａ1-x
Ｎ（ｘ＝0.2 ）のＸ線回折ピークが観察され、第２の実
施例により得られるＩｎx Ｇａ1-x Ｎ層３は、組成及び
膜厚の均一性がより一層優れていることが確認された。
【００５６】
【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、Ｉｎ原料にＩｎＣｌ3 を用いることによって、実用
的な成長速度で高品質のＩｎＧａＮエピタキシャル層を
成長させることができる。また、このＩｎＧａＮエピタ
キシャル層を成長させる際のキャリアガスには、取扱い
易い窒素ガスやヘリウムその他の不活性ガスを用いるこ
とができ、特に、ヘリウムキャリアガスを使用した場合
には、ＩｎＧａＮエピタキシャル層の組成や膜厚の均一
性を改善することができ、より一層高品質のＩｎＧａＮ
エピタキシャル層を提供することができる。
ば、Ｉｎ原料にＩｎＣｌ3 を用いることによって、実用
的な成長速度で高品質のＩｎＧａＮエピタキシャル層を
成長させることができる。また、このＩｎＧａＮエピタ
キシャル層を成長させる際のキャリアガスには、取扱い
易い窒素ガスやヘリウムその他の不活性ガスを用いるこ
とができ、特に、ヘリウムキャリアガスを使用した場合
には、ＩｎＧａＮエピタキシャル層の組成や膜厚の均一
性を改善することができ、より一層高品質のＩｎＧａＮ
エピタキシャル層を提供することができる。
【図１】この発明による化合物半導体エピタキシャル層
の製造に用いられる気相成長装置の概略構成を示す図で
ある。
の製造に用いられる気相成長装置の概略構成を示す図で
ある。
【図２】この発明による化合物半導体エピタキシャル層
を備える構造の一例を示す断面図である。
を備える構造の一例を示す断面図である。
【図３】青色および緑色の発光素子の一例の構造を示す
断面図である。
断面図である。
【図４】各キャリアガスとＮＨ3 ガスとの相互拡散係数
特性を示す図である。
特性を示す図である。
【図５】各キャリアガスとＨＣｌガスとの相互拡散係数
特性を示す図である。
特性を示す図である。
【図６】窒素キャリアガス及びヘリウムキャリアガスを
使用した場合のガス流れ及び成長したＩｎＮ層を示す図
である。
使用した場合のガス流れ及び成長したＩｎＮ層を示す図
である。
【図７】この発明による化合物半導体エピタキシャル層
を備える構造の他の例を示す断面図である。
を備える構造の他の例を示す断面図である。
１：基板 ２：ＩｎＮバッファ層 ２１：ＧａＮバッファ層 ２２：ＧａＮ層 ３：化合物半導体エピタキシャル層（Ｉｎx Ｇａ1-x Ｎ
層） ５１：第３のガス導入口 ５２：第１のガス導入口 ５３：第２のガス導入口 ５４：排気口 ５５：リザーバー ５６：反応チャンバー ５７：反応チャンバー用抵抗加熱ヒーター ５８：リザーバー用抵抗加熱ヒーター
層） ５１：第３のガス導入口 ５２：第１のガス導入口 ５３：第２のガス導入口 ５４：排気口 ５５：リザーバー ５６：反応チャンバー ５７：反応チャンバー用抵抗加熱ヒーター ５８：リザーバー用抵抗加熱ヒーター
フロントページの続き (72)発明者 三浦 祥紀 兵庫県伊丹市昆陽北一丁目１番１号 住友 電気工業株式会社伊丹製作所内 (72)発明者 元木 健作 兵庫県伊丹市昆陽北一丁目１番１号 住友 電気工業株式会社伊丹製作所内 (72)発明者 関 壽 東京都八王子市南陽台３−21−12 (72)発明者 纐纈 明伯 東京都府中市幸町２−41−13
Claims (6)
- 【請求項１】化合物半導体インジウムガリウム窒素（Ｉ
ｎx Ｇａ1-x Ｎ、ただし、０＜ｘ＜１）の気相成長にお
いて、インジウム（Ｉｎ）原料を三塩化インジウム（Ｉ
ｎＣｌ3 ）とすることを特徴とする化合物半導体気相成
長方法。 - 【請求項２】ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、ガリウム燐
（ＧａＰ）、インジウム砒素（ＩｎＡｓ）、インジウム
燐（ＩｎＰ）および炭化珪素（ＳｉＣ）からなる群から
選ばれた材料から成る導電性基板の上に、前記化合物半
導体Ｉｎx Ｇａ1-x Ｎ（ただし、０＜ｘ＜１）を気相成
長させることを特徴とする請求項１に記載の化合物半導
体気相成長方法。 - 【請求項３】前記化合物半導体Ｉｎx Ｇａ1-x Ｎ（ただ
し、０＜ｘ＜１）の気相成長のキャリアガスに窒素（Ｎ
2 ）ガス又はヘリウム（Ｈｅ）ガス等の不活性ガスを用
いることを特徴とする請求項１又は２に記載の化合物半
導体気相成長方法。 - 【請求項４】ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰおよ
びＳｉＣからなる群から選ばれた材料から成る導電性基
板上に、外部から反応室全体を第１の温度に加熱しなが
ら、窒素（Ｎ2 ）ガス又はヘリウム（Ｈｅ）ガス等の不
活性ガスからなるキャリアガスと共に、インジウム（Ｉ
ｎ）原料をＩｎＣｌ3 とする第１のガスとアンモニア
（ＮＨ3 ）を含む第２のガスとを反応室に導入して、反
応室内に設置された前記基板上に気相成長させる方法に
より、前記第１の温度でインジウム窒素（ＩｎＮ）から
なるバッファ層を形成し、外部から反応室全体を前記第
１の温度より高い第２の温度に加熱しながら、前記キャ
リアガスと共に、塩化水素（ＨＣｌ）及び有機金属原料
としてガリウム（Ｇａ）を含む第３のガスと、前記第１
及び第２のガスとを、反応室内に導入して反応室内に設
置された基板上の前記バッファ層上に化合物半導体Ｉｎ
x Ｇａ1-x Ｎ（ただし、０＜ｘ＜１）からなるエピタキ
シャル層を気相成長させることを特徴とする化合物半導
体気相成長方法。 - 【請求項５】化合物半導体インジウムガリウム窒素（Ｉ
ｎx Ｇａ1-x Ｎ、ただし、０＜ｘ＜１）の気相成長にお
いて、キャリアガスにヘリウム（Ｈｅ）ガスを用いるこ
とを特徴とする化合物半導体気相成長方法。 - 【請求項６】ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰおよ
びＳｉＣからなる群から選ばれた材料から成る導電性基
板上に、外部から反応室全体を第１の温度に加熱しなが
ら、水素（Ｈ2 ）キャリアガスと共に、塩化水素（ＨＣ
ｌ）及び有機金属原料としてガリウム（Ｇａ）を含む第
１のガスとアンモニア（ＮＨ3 ）を含む第２のガスとを
反応室に導入して、反応室内に設置された前記基板上に
気相成長させる方法により、前記第１の温度でガリウム
窒素（ＧａＮ）からなるバッファ層を形成し、外部から
反応室全体を前記第１の温度より高い第２の温度に加熱
しながら、ヘリウム（Ｈｅ）キャリアガスと共に、イン
ジウム（Ｉｎ）原料をＩｎＣｌ3 とする第３のガスと、
前記第１及び第２のガスとを反応室内に導入して、反応
室内に設置された基板上の前記バッファ層の上に化合物
半導体Ｉｎx Ｇａ1-x Ｎ（ただし、０＜ｘ＜１）からな
るエピタキシャル層を気相成長させることを特徴とする
化合物半導体気相成長方法。
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