JPH08203834A - 半導体薄膜及び半導体薄膜の製造方法 - Google Patents
半導体薄膜及び半導体薄膜の製造方法Info
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- JPH08203834A JPH08203834A JP909295A JP909295A JPH08203834A JP H08203834 A JPH08203834 A JP H08203834A JP 909295 A JP909295 A JP 909295A JP 909295 A JP909295 A JP 909295A JP H08203834 A JPH08203834 A JP H08203834A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 青色発光ダイオード等に用いることのできる
青色半導体レーザ素子製造に適した、転位や点欠陥の少
ない高品質なＡｌＧａＩｎＮ薄膜の形成方法を提供す
る。 【構成】 加熱されたＳｉＣ基板表面上にIII族構成元
素を含む原料および窒素を含む原料を供給して緩衝層を
介してＡｌＧａＩｎＮ薄膜を形成する方法である。ま
ず、８００℃に加熱したＳｉＣ基板１１上に単結晶Ａｌ
Ｎ１２を形成する。そして、６００℃で２０ｎｍの非単
結晶ＡｌＮ１３を形成する。次いで、９００℃以上の基
板温度で単結晶ＡｌＧａＮ層１４を形成する。そしてＡ
ｌＧａＮ層１４上に格子整合するＡｌＧａＩｎＮ層１５
を形成する。これにより転位や点欠陥の発生を抑制し、
高品質なＡｌＧａＩｎＮ薄膜を形成できる。
青色半導体レーザ素子製造に適した、転位や点欠陥の少
ない高品質なＡｌＧａＩｎＮ薄膜の形成方法を提供す
る。 【構成】 加熱されたＳｉＣ基板表面上にIII族構成元
素を含む原料および窒素を含む原料を供給して緩衝層を
介してＡｌＧａＩｎＮ薄膜を形成する方法である。ま
ず、８００℃に加熱したＳｉＣ基板１１上に単結晶Ａｌ
Ｎ１２を形成する。そして、６００℃で２０ｎｍの非単
結晶ＡｌＮ１３を形成する。次いで、９００℃以上の基
板温度で単結晶ＡｌＧａＮ層１４を形成する。そしてＡ
ｌＧａＮ層１４上に格子整合するＡｌＧａＩｎＮ層１５
を形成する。これにより転位や点欠陥の発生を抑制し、
高品質なＡｌＧａＩｎＮ薄膜を形成できる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、緑・青色発光ダイオー
ドや光ディスク等情報処理装置用光源に用いることので
きる青色もしくは更に短波長の半導体レーザ素子の製造
方法に関するもので、特に窒化物系材料の薄膜形成に係
わるものである。
ドや光ディスク等情報処理装置用光源に用いることので
きる青色もしくは更に短波長の半導体レーザ素子の製造
方法に関するもので、特に窒化物系材料の薄膜形成に係
わるものである。
【０００２】
【従来の技術】１９８８年に６７０ｎｍ帯ＡｌＧａＩｎ
Ｐ系赤色半導体レーザが商品化されて以来、レーザプリ
ンター、光ディスク等の情報処理装置用光源として短波
長半導体レーザの開発が活発に行われている。当初６７
０〜６９０ｎｍが開発の中心であったが、バーコードリ
ーダの視認性の改善、光ディスクの高密度化等の要求に
ともなって、波長領域はＨｅ−Ｎｅガスレーザと同レベ
ルの６３０ｎｍ帯へと移行しつつある。さらに将来、記
憶容量の増大に伴って、赤色よりさらに短波長の青・緑
色から紫外域にわたる半導体レーザの実現が切望されて
おり、ｐ型導電型制御が可能となったことを契機にＩＩ
-ＶＩ族系半導体レーザの研究が急速に進展してきてい
る。一方、窒化ガリウム(ＧａＮ）は、約３．４eVの広
エネルギーギャップを持つ直接遷移型の化合物半導体で
青色から紫外領域にわたる発光素子として有望な材料で
あるがＧａＮバルク基板結晶が容易に作製できず、ま
た、ほかに適当な基板結晶がないことから半導体レーザ
としての開発はあまり進展していなかった。
Ｐ系赤色半導体レーザが商品化されて以来、レーザプリ
ンター、光ディスク等の情報処理装置用光源として短波
長半導体レーザの開発が活発に行われている。当初６７
０〜６９０ｎｍが開発の中心であったが、バーコードリ
ーダの視認性の改善、光ディスクの高密度化等の要求に
ともなって、波長領域はＨｅ−Ｎｅガスレーザと同レベ
ルの６３０ｎｍ帯へと移行しつつある。さらに将来、記
憶容量の増大に伴って、赤色よりさらに短波長の青・緑
色から紫外域にわたる半導体レーザの実現が切望されて
おり、ｐ型導電型制御が可能となったことを契機にＩＩ
-ＶＩ族系半導体レーザの研究が急速に進展してきてい
る。一方、窒化ガリウム(ＧａＮ）は、約３．４eVの広
エネルギーギャップを持つ直接遷移型の化合物半導体で
青色から紫外領域にわたる発光素子として有望な材料で
あるがＧａＮバルク基板結晶が容易に作製できず、ま
た、ほかに適当な基板結晶がないことから半導体レーザ
としての開発はあまり進展していなかった。
【０００３】ＧａＮ薄膜の作製方法としては、αーＡｌ
2Ｏ3（サファイア）基板上にＭＯＶＰＥ法（有機金属気
相成長法）により気相成長する方法が一般的に用いられ
ている。これは、例えばトリメチルガリウムとアンモニ
アを１０５０℃程度に加熱した基板、例えば、サファイ
ア基板の表面上で分解、反応させ、ＧａＮ薄膜を成長し
ようとするものである。最近サファイアの（０００１）
Ｃ面を用い、低温で堆積したＧａＮやＡｌＮ緩衝層を介
して比較的良質のＧａＮ薄膜を形成できることが実証さ
れ、青色発光ダイオードとして商品化されまでに至っ
た。
2Ｏ3（サファイア）基板上にＭＯＶＰＥ法（有機金属気
相成長法）により気相成長する方法が一般的に用いられ
ている。これは、例えばトリメチルガリウムとアンモニ
アを１０５０℃程度に加熱した基板、例えば、サファイ
ア基板の表面上で分解、反応させ、ＧａＮ薄膜を成長し
ようとするものである。最近サファイアの（０００１）
Ｃ面を用い、低温で堆積したＧａＮやＡｌＮ緩衝層を介
して比較的良質のＧａＮ薄膜を形成できることが実証さ
れ、青色発光ダイオードとして商品化されまでに至っ
た。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上述の従来技術によれ
ば、サファイアＣ面とＧａＮとの間には１３．８％とい
う極めて大きな格子不整合や大きな熱膨張係数の差があ
るため、成長した窒化膜にはピットやクラックが入りや
すく、均一で平坦性のよい窒化膜の成長が困難であっ
た。
ば、サファイアＣ面とＧａＮとの間には１３．８％とい
う極めて大きな格子不整合や大きな熱膨張係数の差があ
るため、成長した窒化膜にはピットやクラックが入りや
すく、均一で平坦性のよい窒化膜の成長が困難であっ
た。
【０００５】低温で堆積した緩衝層を介した場合におい
ては、格子不整合の緩和は効率的におこり平坦で鏡面性
の窒化膜の成長が可能であるが、依然として１０8ｃｍ
-2以上のミスフィット転位が存在し高品質な薄膜の形成
が困難であった。さらに従来技術によれば、サファイア
が基板として用いられていたため加工が困難でデバイス
の作製が容易でないという問題があった。
ては、格子不整合の緩和は効率的におこり平坦で鏡面性
の窒化膜の成長が可能であるが、依然として１０8ｃｍ
-2以上のミスフィット転位が存在し高品質な薄膜の形成
が困難であった。さらに従来技術によれば、サファイア
が基板として用いられていたため加工が困難でデバイス
の作製が容易でないという問題があった。
【０００６】本発明は、転位が少なく平坦性のよいＡｌ
ＧａＩｎＮ薄膜の形成方法を提供することを目的とす
る。同時に、加工の容易な基板上への高品質なＡｌＧａ
ＩｎＮ薄膜の形成方法を提供することを目的とする。
ＧａＩｎＮ薄膜の形成方法を提供することを目的とす
る。同時に、加工の容易な基板上への高品質なＡｌＧａ
ＩｎＮ薄膜の形成方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１記載のＡｌＧａＩｎＮ薄膜の形成方法は、
加熱された基板表面上にIII族構成元素を含む原料およ
び窒素を含む原料を供給して緩衝層を介してＡｌＧａＩ
ｎＮ薄膜を形成する方法において、前記基板上に第一の
ＡｌＧａＮ単結晶薄膜を形成した後にＡｌＧａＮからな
る緩衝層を形成する工程と、次いで第二のＡｌＧａＮ単
結晶薄膜を形成した後にＡｌＧａＩｎＮ単結晶薄膜を形
成する工程を少なくとも含むことを特徴とする。ここ
で、前記第一及び第二のＡｌＧａＮ単結晶薄膜は８００
℃以上の基板温度で形成し、前記ＡｌＧａＮからなる緩
衝層は８００℃以下の基板温度とすることが望ましい。
に、請求項１記載のＡｌＧａＩｎＮ薄膜の形成方法は、
加熱された基板表面上にIII族構成元素を含む原料およ
び窒素を含む原料を供給して緩衝層を介してＡｌＧａＩ
ｎＮ薄膜を形成する方法において、前記基板上に第一の
ＡｌＧａＮ単結晶薄膜を形成した後にＡｌＧａＮからな
る緩衝層を形成する工程と、次いで第二のＡｌＧａＮ単
結晶薄膜を形成した後にＡｌＧａＩｎＮ単結晶薄膜を形
成する工程を少なくとも含むことを特徴とする。ここ
で、前記第一及び第二のＡｌＧａＮ単結晶薄膜は８００
℃以上の基板温度で形成し、前記ＡｌＧａＮからなる緩
衝層は８００℃以下の基板温度とすることが望ましい。
【０００８】請求項２記載のＡｌＧａＩｎＮ薄膜の形成
方法は、加熱された基板表面上にIII族構成元素を含む
原料および窒素を含む原料を供給して緩衝層を介してＡ
ｌＧａＩｎＮ薄膜を形成する方法において、前記基板上
に第一のＡｌＧａＮ単結晶薄膜を形成した後にＡｌＧａ
Ｎからなる緩衝層を形成する工程と、次いで第二のＡｌ
ＧａＮ単結晶薄膜を形成した後にＡｌＧａＩｎＮ単結晶
薄膜を形成する工程と、前記第二のＡｌＧａＮ単結晶薄
膜中もしくは前記第二のＡｌＧａＮ単結晶薄膜上に複数
の組成の異なるＡｌＧａＩｎＮ層からなる歪超格子構造
を形成する工程とを少なくとも含むことをを特徴とす
る。ここで、前記第一及び第二のＡｌＧａＮ単結晶薄膜
は８００℃以上の基板温度で形成し、前記ＡｌＧａＮか
らなる緩衝層は８００℃以下の基板温度とすることが望
ましい。
方法は、加熱された基板表面上にIII族構成元素を含む
原料および窒素を含む原料を供給して緩衝層を介してＡ
ｌＧａＩｎＮ薄膜を形成する方法において、前記基板上
に第一のＡｌＧａＮ単結晶薄膜を形成した後にＡｌＧａ
Ｎからなる緩衝層を形成する工程と、次いで第二のＡｌ
ＧａＮ単結晶薄膜を形成した後にＡｌＧａＩｎＮ単結晶
薄膜を形成する工程と、前記第二のＡｌＧａＮ単結晶薄
膜中もしくは前記第二のＡｌＧａＮ単結晶薄膜上に複数
の組成の異なるＡｌＧａＩｎＮ層からなる歪超格子構造
を形成する工程とを少なくとも含むことをを特徴とす
る。ここで、前記第一及び第二のＡｌＧａＮ単結晶薄膜
は８００℃以上の基板温度で形成し、前記ＡｌＧａＮか
らなる緩衝層は８００℃以下の基板温度とすることが望
ましい。
【０００９】以上の請求項において、基板を配置した加
熱体の回転速度は３００回転/分以上とすること、基板
はＳｉＣやＺｎＯであることが望ましい。
熱体の回転速度は３００回転/分以上とすること、基板
はＳｉＣやＺｎＯであることが望ましい。
【００１０】
【作用】請求項１のＡｌＧａＩｎＮ薄膜の作製方法によ
れば、以下のような作用がある。
れば、以下のような作用がある。
【００１１】ＡｌＧａＩｎＮとの格子不整合差や熱膨張
係数差がサファイア基板と比べ極めて小さいＳｉＣ、Ｚ
ｎＯ基板を用いることによって、臨界膜厚以下であれば
単結晶ＡｌＮ薄膜を平坦かつ均一に堆積できる。このＡ
ｌＮ薄膜上に低温で堆積する非単結晶ＡｌＮは同一元素
からなる単結晶上に堆積するので、その表面は平坦かつ
均一とすることが可能となる。
係数差がサファイア基板と比べ極めて小さいＳｉＣ、Ｚ
ｎＯ基板を用いることによって、臨界膜厚以下であれば
単結晶ＡｌＮ薄膜を平坦かつ均一に堆積できる。このＡ
ｌＮ薄膜上に低温で堆積する非単結晶ＡｌＮは同一元素
からなる単結晶上に堆積するので、その表面は平坦かつ
均一とすることが可能となる。
【００１２】さらには、単結晶層を介して非単結晶緩衝
層を低温で堆積しているので、基板からの不純物拡散は
著しく低減できる。従って、従来のサファイア基板上に
非単結晶緩衝層のみを介して堆積したＡｌＧａＩｎＮ層
に比べ、緩衝層界面から発生した欠陥の伝搬は著しく低
減され、上面に堆積したＡｌＧａＩｎＮ薄膜へのミスフ
ィット転位の伝搬を大幅に低減でき高品質なＡｌＧａＩ
ｎＮ薄膜の形成が可能である。
層を低温で堆積しているので、基板からの不純物拡散は
著しく低減できる。従って、従来のサファイア基板上に
非単結晶緩衝層のみを介して堆積したＡｌＧａＩｎＮ層
に比べ、緩衝層界面から発生した欠陥の伝搬は著しく低
減され、上面に堆積したＡｌＧａＩｎＮ薄膜へのミスフ
ィット転位の伝搬を大幅に低減でき高品質なＡｌＧａＩ
ｎＮ薄膜の形成が可能である。
【００１３】更に、請求項２記載のＡｌＧａＩｎＮ薄膜
の作製方法によれば、以下のような付加的な作用があ
る。
の作製方法によれば、以下のような付加的な作用があ
る。
【００１４】ＡｌＧａＩｎＮ薄膜の形成に先立ち歪Ａｌ
ＧａＩｎＮ超格子を配置するので、ミスフィット転位は
歪ＡｌＧａＩｎＮ超格子によって面内方向への運動成分
が大きくなるため、上面への伝搬を効率的に抑制でき高
品質なＡｌＧａＩｎＮ薄膜の形成が可能となる。
ＧａＩｎＮ超格子を配置するので、ミスフィット転位は
歪ＡｌＧａＩｎＮ超格子によって面内方向への運動成分
が大きくなるため、上面への伝搬を効率的に抑制でき高
品質なＡｌＧａＩｎＮ薄膜の形成が可能となる。
【００１５】また、本発明によれば、ＳｉＣなどの加工
の容易な基板上にも高品質なＡｌＧａＩｎＮ薄膜の形成
が可能である。
の容易な基板上にも高品質なＡｌＧａＩｎＮ薄膜の形成
が可能である。
【００１６】さらには、基板を高速回転させたので、比
較的低温で成長可能であり 、成長温度が高いことによ
るガス対流の抑制、Ｉｎの解離の抑制が可能となる。よ
って従来よりも低温で高品質なＡｌＧａＩｎＮ薄膜もし
くはＡｌＧａＩｎＮ多層膜の形成が可能となる。
較的低温で成長可能であり 、成長温度が高いことによ
るガス対流の抑制、Ｉｎの解離の抑制が可能となる。よ
って従来よりも低温で高品質なＡｌＧａＩｎＮ薄膜もし
くはＡｌＧａＩｎＮ多層膜の形成が可能となる。
【００１７】
【実施例】以下、実施例で本発明を説明する。なお、以
下同一部分については同一符号を記す。
下同一部分については同一符号を記す。
【００１８】ＡｌＧａＩｎＮ薄膜の製造には、図１に概
略的に示すＭＯＶＰＥ装置を用いた。ここで、石英製反
応管１の内部には石英製ガス導入管２が取り付けられて
いる。石英製ガス導入管からはIII族構成元素を含む原
料および窒素を含む原料を同時に供給できる構造となっ
ている。石英製反応管１の外周には高周波加熱用コイル
３が設置され、また、内部にはＳｉＣコートされたグラ
ファイト製サセプター４が設置されている。グラファイ
ト製サセプター４はモーターによって１０００回転/分
程度に回転可能なサセプター支持棒５により支持されて
いる。グラファイト製サセプター４上面には、石英製ト
レー６上に搭載された基板７が設置できる構成となって
いる。また、石英製反応管１の底部には真空ポンプに接
続された排気口８が設けられていて、石英製反応管１内
の圧力調整及びガスの排気ができる。
略的に示すＭＯＶＰＥ装置を用いた。ここで、石英製反
応管１の内部には石英製ガス導入管２が取り付けられて
いる。石英製ガス導入管からはIII族構成元素を含む原
料および窒素を含む原料を同時に供給できる構造となっ
ている。石英製反応管１の外周には高周波加熱用コイル
３が設置され、また、内部にはＳｉＣコートされたグラ
ファイト製サセプター４が設置されている。グラファイ
ト製サセプター４はモーターによって１０００回転/分
程度に回転可能なサセプター支持棒５により支持されて
いる。グラファイト製サセプター４上面には、石英製ト
レー６上に搭載された基板７が設置できる構成となって
いる。また、石英製反応管１の底部には真空ポンプに接
続された排気口８が設けられていて、石英製反応管１内
の圧力調整及びガスの排気ができる。
【００１９】（実施例１）図２に本発明の第一の実施例
のＡｌxＧａyＩｎzＮ薄膜（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦≦ｘ
≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、以下、ＡｌＧａＩｎＮ
と称す。）の形成方法により作製したＡｌＧａＩｎＮ薄
膜の断面構造図を示す。図１のＭＯＶＰＥ装置を用いた
ＡｌＧａＩｎＮ薄膜の形成方法について、順を追って説
明する。
のＡｌxＧａyＩｎzＮ薄膜（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦≦ｘ
≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、以下、ＡｌＧａＩｎＮ
と称す。）の形成方法により作製したＡｌＧａＩｎＮ薄
膜の断面構造図を示す。図１のＭＯＶＰＥ装置を用いた
ＡｌＧａＩｎＮ薄膜の形成方法について、順を追って説
明する。
【００２０】６Ｈ-ＳｉＣ基板１１を脱脂洗浄した後、
石英製トレー６上に結晶成長基板として配置し、石英製
反応管１内に導入した。石英製反応管１内に水素ガスを
導入し、石英製反応管１内圧力を１／１０気圧に設定し
た後、グラファイト製サセプター４を１０００回転/分
で回転させた。次いで、水素ガス中でグラファイト製サ
セプター４を１1００℃まで昇温し、６Ｈ-ＳｉＣ基板１
１表面の清浄化を行った。
石英製トレー６上に結晶成長基板として配置し、石英製
反応管１内に導入した。石英製反応管１内に水素ガスを
導入し、石英製反応管１内圧力を１／１０気圧に設定し
た後、グラファイト製サセプター４を１０００回転/分
で回転させた。次いで、水素ガス中でグラファイト製サ
セプター４を１1００℃まで昇温し、６Ｈ-ＳｉＣ基板１
１表面の清浄化を行った。
【００２１】その後、基板温度を９００℃まで降温し、
石英製ガス導入管２から６Ｈ-ＳｉＣ基板１１面上にＶ
族原料としてアンモニアガスを導入した後、１０秒後に
III族原料としてトリメチルアルミニウムを供給して膜
厚１０ｎｍの単結晶ＡｌＮ層１２を堆積した。このＡｌ
Ｎ層１２は１０ｎｍ程度であるので、欠陥が入ることの
ない高品質の膜となっている。またこの層は、これから
堆積させる層とＳｉＣ基板とのなじみをよくするはたら
きもある。ＳｉＣ基板はＡｌＧａＩｎＮ層と格子定数は
近いが、Ａｌを含んでいないなどの構成元素のちがいが
あるからである。
石英製ガス導入管２から６Ｈ-ＳｉＣ基板１１面上にＶ
族原料としてアンモニアガスを導入した後、１０秒後に
III族原料としてトリメチルアルミニウムを供給して膜
厚１０ｎｍの単結晶ＡｌＮ層１２を堆積した。このＡｌ
Ｎ層１２は１０ｎｍ程度であるので、欠陥が入ることの
ない高品質の膜となっている。またこの層は、これから
堆積させる層とＳｉＣ基板とのなじみをよくするはたら
きもある。ＳｉＣ基板はＡｌＧａＩｎＮ層と格子定数は
近いが、Ａｌを含んでいないなどの構成元素のちがいが
あるからである。
【００２２】その後、トリメチルアルミニウムの供給を
一旦停止し、基板温度を６００℃まで降温した後、石英
製ガス導入管２からIII族原料としてトリメチルアルミ
ニウムを再度供給して膜厚２０ｎｍの非単結晶ＡｌＮ層
１３を堆積した。これを緩衝層として用いた。ＡｌＮ層
１２は臨界膜厚以内であって、膜厚もうすいため、欠陥
がはいることはないが、このＡｌＮ１３は非単結晶とな
っている。ここで非単結晶とは、完全な単結晶ではない
ことを意味し、多結晶や非晶質も含まれる。
一旦停止し、基板温度を６００℃まで降温した後、石英
製ガス導入管２からIII族原料としてトリメチルアルミ
ニウムを再度供給して膜厚２０ｎｍの非単結晶ＡｌＮ層
１３を堆積した。これを緩衝層として用いた。ＡｌＮ層
１２は臨界膜厚以内であって、膜厚もうすいため、欠陥
がはいることはないが、このＡｌＮ１３は非単結晶とな
っている。ここで非単結晶とは、完全な単結晶ではない
ことを意味し、多結晶や非晶質も含まれる。
【００２３】次いで、基板温度を１０００℃に昇温した
後、III族原料としてトリメチルアルミニウムとトリメ
チルガリウムを供給して膜厚３μｍのＡｌＧａＮ層１４
を堆積した。組成は、Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎである。３μｍ
の成長によってＡｌＧａＮ層１４表面は平坦となった。
後、III族原料としてトリメチルアルミニウムとトリメ
チルガリウムを供給して膜厚３μｍのＡｌＧａＮ層１４
を堆積した。組成は、Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎである。３μｍ
の成長によってＡｌＧａＮ層１４表面は平坦となった。
【００２４】更に、基板温度を９００℃に降温した後、
トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウムとトリメ
チルインジウムを同時に供給して膜厚３μｍのＡｌＧａ
ＩｎＮ層１５を堆積した。組成はＡｌ0.8Ｇａ0.05Ｉｎ
0.15Ｎである。
トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウムとトリメ
チルインジウムを同時に供給して膜厚３μｍのＡｌＧａ
ＩｎＮ層１５を堆積した。組成はＡｌ0.8Ｇａ0.05Ｉｎ
0.15Ｎである。
【００２５】最後にトリメチルガリウム、トリメチルア
ルミニウムとトリメチルインジウムの供給を停止した
後、基板温度を降温して３００℃以下の温度になったと
ころでアンモニアの供給を停止した。基板の温度を室温
まで降下させた後、石英製反応管１内より基板を取り出
した。
ルミニウムとトリメチルインジウムの供給を停止した
後、基板温度を降温して３００℃以下の温度になったと
ころでアンモニアの供給を停止した。基板の温度を室温
まで降下させた後、石英製反応管１内より基板を取り出
した。
【００２６】本実施例においては、基板上に６μｍ以上
の厚膜を堆積したにもかかわらず、クラックの発生もな
く表面平坦であり、ホール効果によるとキャリア濃度は
１０ 15ｃｍ-3と極めて欠陥の少ない四元混晶層が得られ
た。
の厚膜を堆積したにもかかわらず、クラックの発生もな
く表面平坦であり、ホール効果によるとキャリア濃度は
１０ 15ｃｍ-3と極めて欠陥の少ない四元混晶層が得られ
た。
【００２７】また、グラファイト製サセプター４を１０
回転/分で回転させた場合は、結晶表面は凸凹で四元混
晶層のＩｎ組成が０．０６であったのに対し、本実施例
の場合、Ｉｎ組成は０．１５となり、１０００回転/分
の高速回転によりＩｎの取り込まれ率が増大することを
確認した。
回転/分で回転させた場合は、結晶表面は凸凹で四元混
晶層のＩｎ組成が０．０６であったのに対し、本実施例
の場合、Ｉｎ組成は０．１５となり、１０００回転/分
の高速回転によりＩｎの取り込まれ率が増大することを
確認した。
【００２８】本実施例によれば、従来のサファイア基板
上に非単結晶層のみを介して堆積したＡｌＧａＩｎＮ層
に比べ、緩衝層界面から発生した欠陥の伝搬は著しく低
減された。
上に非単結晶層のみを介して堆積したＡｌＧａＩｎＮ層
に比べ、緩衝層界面から発生した欠陥の伝搬は著しく低
減された。
【００２９】このように基板上に非常に品質のよいＡｌ
ＧａＩｎＮ層を堆積できる理由は、ＡｌＧａＩｎＮ層１
５に格子定数の近いＳｉＣ基板１１を用いた上に、この
基板１１上に、非単結晶ＡｌＮ層１３と同じ構成元素で
あるうすい単結晶ＡｌＮ層１２を堆積したので、非単結
晶ＡｌＮ層１３は厚みや結晶構造のばらつきが少ない層
を堆積できるからである。この単結晶ＡｌＮ層１２と非
単結晶層１３とを介してＡｌＧａＩｎＮ層を成長させれ
ば、かならずしもＳｉＣ基板を用いなくてもよい。た
だ、ＳｉＣ基板はサファイア基板に比べて格段に取扱が
容易である。
ＧａＩｎＮ層を堆積できる理由は、ＡｌＧａＩｎＮ層１
５に格子定数の近いＳｉＣ基板１１を用いた上に、この
基板１１上に、非単結晶ＡｌＮ層１３と同じ構成元素で
あるうすい単結晶ＡｌＮ層１２を堆積したので、非単結
晶ＡｌＮ層１３は厚みや結晶構造のばらつきが少ない層
を堆積できるからである。この単結晶ＡｌＮ層１２と非
単結晶層１３とを介してＡｌＧａＩｎＮ層を成長させれ
ば、かならずしもＳｉＣ基板を用いなくてもよい。た
だ、ＳｉＣ基板はサファイア基板に比べて格段に取扱が
容易である。
【００３０】またここではＳｉＣ基板上に組成がＡｌＮ
からなる単結晶ＡｌＮ層１２および非単結晶ＡｌＮ層１
３を用いているが、この組成にＧａが含まれていてもよ
く、いわゆるＡｌxＧａ1-xＮ層（０≦ｘ≦１）であって
もよい。
からなる単結晶ＡｌＮ層１２および非単結晶ＡｌＮ層１
３を用いているが、この組成にＧａが含まれていてもよ
く、いわゆるＡｌxＧａ1-xＮ層（０≦ｘ≦１）であって
もよい。
【００３１】なお、本実施例では、品質のよいＡｌＧａ
ＩｎＮ層１５の成長のために、非単結晶ＡｌＮ層１３の
上に、Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層１４を用いているが、この層
がない場合であってもかまわない。
ＩｎＮ層１５の成長のために、非単結晶ＡｌＮ層１３の
上に、Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層１４を用いているが、この層
がない場合であってもかまわない。
【００３２】（実施例２）図３に本発明の第二の実施例
のＡｌＧａＩｎＮ薄膜の形成方法により作製したＡｌＧ
ａＩｎＮ薄膜の断面構造図を示す。実施例１との違い
は、ＡｌＧａＩｎＮ層１５とＡｌＧａＮ層１４との間に
ＡｌＧａＮ／ＧａＩｎＮ歪超格子１８を用いていること
である。図１のＭＯＶＰＥ装置を用いたＡｌＧａＩｎＮ
薄膜の製造方法について、順を追って説明する。
のＡｌＧａＩｎＮ薄膜の形成方法により作製したＡｌＧ
ａＩｎＮ薄膜の断面構造図を示す。実施例１との違い
は、ＡｌＧａＩｎＮ層１５とＡｌＧａＮ層１４との間に
ＡｌＧａＮ／ＧａＩｎＮ歪超格子１８を用いていること
である。図１のＭＯＶＰＥ装置を用いたＡｌＧａＩｎＮ
薄膜の製造方法について、順を追って説明する。
【００３３】６Ｈ-ＳｉＣ基板１１を脱脂洗浄した後、
石英製トレー６上に結晶成長基板として配置し、石英製
反応管１内に導入した。石英製反応管１内に水素ガスを
導入し、石英製反応管１内圧力を１／１０気圧に設定し
た後、グラファイト製サセプター４を１０００回転/分
で回転させた。次いで、水素ガス中でグラファイト製サ
セプター４を１1００℃まで昇温し、６Ｈ-ＳｉＣ基板１
１表面の清浄化を行った。
石英製トレー６上に結晶成長基板として配置し、石英製
反応管１内に導入した。石英製反応管１内に水素ガスを
導入し、石英製反応管１内圧力を１／１０気圧に設定し
た後、グラファイト製サセプター４を１０００回転/分
で回転させた。次いで、水素ガス中でグラファイト製サ
セプター４を１1００℃まで昇温し、６Ｈ-ＳｉＣ基板１
１表面の清浄化を行った。
【００３４】その後、基板温度を９００℃まで降温し、
石英製ガス導入管２から６Ｈ-ＳｉＣ基板１１面上にＶ
族原料としてアンモニアガスを導入した後、１０秒後に
III族原料としてトリメチルアルミニウムを供給して膜
厚１０ｎｍの単結晶ＡｌＮ層１２を堆積した。
石英製ガス導入管２から６Ｈ-ＳｉＣ基板１１面上にＶ
族原料としてアンモニアガスを導入した後、１０秒後に
III族原料としてトリメチルアルミニウムを供給して膜
厚１０ｎｍの単結晶ＡｌＮ層１２を堆積した。
【００３５】その後、トリメチルアルミニウムの供給を
一旦停止し、基板温度を６００℃まで降温した後、石英
製ガス導入管２からIII族原料としてトリメチルアルミ
ニウムを再度供給して膜厚２０ｎｍの非単結晶ＡｌＮ層
１３を堆積した。これを緩衝層として用いた。
一旦停止し、基板温度を６００℃まで降温した後、石英
製ガス導入管２からIII族原料としてトリメチルアルミ
ニウムを再度供給して膜厚２０ｎｍの非単結晶ＡｌＮ層
１３を堆積した。これを緩衝層として用いた。
【００３６】次いで、基板温度を１０００℃に昇温した
後、III族原料としてトリメチルアルミニウムとトリメ
チルガリウムを供給して膜厚３μｍのＡｌＧａＮ層１４
を堆積した。組成はＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎである。３μｍの
成長によってＡｌＧａＮ層１４表面は平坦となった。
後、III族原料としてトリメチルアルミニウムとトリメ
チルガリウムを供給して膜厚３μｍのＡｌＧａＮ層１４
を堆積した。組成はＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎである。３μｍの
成長によってＡｌＧａＮ層１４表面は平坦となった。
【００３７】その後、基板温度を９００℃に降温した
後、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウムとト
リメチルインジウムを供給して膜厚２ｎｍのＡｌＧａＮ
層１６と膜厚２ｎｍのＧａＩｎＮ層１７を連続して４０
周期堆積し、ＡｌＧａＮ/ＡｌＩｎＮ歪超格子１８を形
成した。組成はＡｌ0.9Ｇａ0.1Ｎ、Ａｌ0.7Ｉｎ0.3Ｎで
ある。
後、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウムとト
リメチルインジウムを供給して膜厚２ｎｍのＡｌＧａＮ
層１６と膜厚２ｎｍのＧａＩｎＮ層１７を連続して４０
周期堆積し、ＡｌＧａＮ/ＡｌＩｎＮ歪超格子１８を形
成した。組成はＡｌ0.9Ｇａ0.1Ｎ、Ａｌ0.7Ｉｎ0.3Ｎで
ある。
【００３８】更に、トリメチルガリウム、トリメチルア
ルミニウムとトリメチルインジウムを同時に供給して膜
厚３μｍのＡｌＧａＩｎＮ層１５を堆積した。組成はＡ
ｌ0.8Ｇａ0.05Ｉｎ0.15Ｎである。
ルミニウムとトリメチルインジウムを同時に供給して膜
厚３μｍのＡｌＧａＩｎＮ層１５を堆積した。組成はＡ
ｌ0.8Ｇａ0.05Ｉｎ0.15Ｎである。
【００３９】最後にトリメチルガリウム、トリメチルア
ルミニウムとトリメチルインジウムの供給を停止した
後、基板温度を降温し３００℃以下の温度になったとこ
ろでアンモニアの供給を停止した。基板の温度を室温ま
で降下させた後、石英製反応管１内より基板を取り出し
た。
ルミニウムとトリメチルインジウムの供給を停止した
後、基板温度を降温し３００℃以下の温度になったとこ
ろでアンモニアの供給を停止した。基板の温度を室温ま
で降下させた後、石英製反応管１内より基板を取り出し
た。
【００４０】本実施例においては、基板上に６μｍ以上
の厚膜を堆積したにもかかわらず、クラックの発生もな
く表面平坦であり、ホール効果によるとキャリア濃度は
１０ 15ｃｍ-3と極めて欠陥の少ない四元混晶層が得られ
た。
の厚膜を堆積したにもかかわらず、クラックの発生もな
く表面平坦であり、ホール効果によるとキャリア濃度は
１０ 15ｃｍ-3と極めて欠陥の少ない四元混晶層が得られ
た。
【００４１】また、グラファイト製サセプター４を１０
回転/分で回転させた場合は、結晶表面は凸凹で四元混
晶層のＩｎ組成が０．０６であったのに対し、本実施例
の場合、Ｉｎ組成は０．１５となり、１０００回転/分
の高速回転によりＩｎの取り込まれ率が増大することを
確認した。
回転/分で回転させた場合は、結晶表面は凸凹で四元混
晶層のＩｎ組成が０．０６であったのに対し、本実施例
の場合、Ｉｎ組成は０．１５となり、１０００回転/分
の高速回転によりＩｎの取り込まれ率が増大することを
確認した。
【００４２】本実施例によれば、従来のサファイア基板
上に非単結晶層のみを介して堆積したＡｌＧａＩｎＮ層
に比べ、緩衝層界面から発生した欠陥の伝搬は著しく低
減されただけでなく、歪超格子１８を配置したので、ミ
スフィット転位がＡｌＧａＮ層１４から上面へ伝搬する
のを効率的に抑制でき、ＡｌＧａＩｎＮ層１５の欠陥密
度を実施例１の場合に比べてさらに２桁程度が低減され
た。
上に非単結晶層のみを介して堆積したＡｌＧａＩｎＮ層
に比べ、緩衝層界面から発生した欠陥の伝搬は著しく低
減されただけでなく、歪超格子１８を配置したので、ミ
スフィット転位がＡｌＧａＮ層１４から上面へ伝搬する
のを効率的に抑制でき、ＡｌＧａＩｎＮ層１５の欠陥密
度を実施例１の場合に比べてさらに２桁程度が低減され
た。
【００４３】この形成方法は、サファイア基板を用いた
場合には全く効果は認められず、ＳｉＣ基板の場合に極
めて有効であった。
場合には全く効果は認められず、ＳｉＣ基板の場合に極
めて有効であった。
【００４４】なお、本発明は上述した実施例に限定され
るものではない。また、用いる基板は上述の基板には限
定されない。ただ、ＳｉＣ基板やＺｎＯ基板は、ＡｌＧ
ａＩｎＮ層との格子定数の差がサファイア基板よりも格
段に小さく、また取扱いも容易である。結晶成長に用い
た原料や薄膜組成も上述の限りではない。ＡｌＧａＩｎ
Ｎ多層膜の組成や構成も限定されるものでない。
るものではない。また、用いる基板は上述の基板には限
定されない。ただ、ＳｉＣ基板やＺｎＯ基板は、ＡｌＧ
ａＩｎＮ層との格子定数の差がサファイア基板よりも格
段に小さく、また取扱いも容易である。結晶成長に用い
た原料や薄膜組成も上述の限りではない。ＡｌＧａＩｎ
Ｎ多層膜の組成や構成も限定されるものでない。
【００４５】さらには、本発明を用いた発光素子として
の多層薄膜形成にも適用できるのは言うまでもない。
の多層薄膜形成にも適用できるのは言うまでもない。
【００４６】
【発明の効果】このように本発明によれば、単結晶Ａｌ
Ｎ薄膜上に非単結晶ＡｌＮを形成し格子歪みを緩和した
後にＡｌＧａＮ単結晶薄膜を形成すると欠陥の発生が抑
制され、上面に堆積したＡｌＧａＩｎＮ薄膜への転位の
伝搬を大幅に低減できる構成とするため、高品質なＡｌ
ＧａＩｎＮ薄膜を形成できる。
Ｎ薄膜上に非単結晶ＡｌＮを形成し格子歪みを緩和した
後にＡｌＧａＮ単結晶薄膜を形成すると欠陥の発生が抑
制され、上面に堆積したＡｌＧａＩｎＮ薄膜への転位の
伝搬を大幅に低減できる構成とするため、高品質なＡｌ
ＧａＩｎＮ薄膜を形成できる。
【００４７】また、ＡｌＧａＩｎＮ薄膜の形成に先立ち
歪ＡｌＧａＩｎＮ超格子を配置するので、基板や緩衝層
界面から発生した転位は面内方向への運動成分が大きく
なるため、上面への伝搬を効率的に抑制でき高品質なＡ
ｌＧａＩｎＮ薄膜を形成できる。
歪ＡｌＧａＩｎＮ超格子を配置するので、基板や緩衝層
界面から発生した転位は面内方向への運動成分が大きく
なるため、上面への伝搬を効率的に抑制でき高品質なＡ
ｌＧａＩｎＮ薄膜を形成できる。
【００４８】したがって、発光効率の高い青色発光ダイ
オードや情報処理装置用光源などに用いることのできる
青色半導体レーザ素子製造に極めて有用である。
オードや情報処理装置用光源などに用いることのできる
青色半導体レーザ素子製造に極めて有用である。
【図１】本発明の実施例の形成方法を説明するＭＯＶＰ
Ｅ装置の概略図
Ｅ装置の概略図
【図２】本発明の第一の実施例のＡｌＧａＩｎＮ薄膜の
形成方法によるＡｌＧａＩｎＮ薄膜の断面構造図
形成方法によるＡｌＧａＩｎＮ薄膜の断面構造図
【図３】本発明の第二の実施例のＡｌＧａＩｎＮ層膜の
形成方法によるＡｌＧａＩｎＮ層膜の断面構造図
形成方法によるＡｌＧａＩｎＮ層膜の断面構造図
１ 石英製反応管 ２ 石英製ガス導入管 ３ 高周波加熱用コイル ４ グラファイト製サセプター ５ サセプター支持棒 ６ 石英製トレー ７ 基板 ８ 排気口 １１ ６Ｈ-ＳｉＣ基板 １２ 単結晶ＡｌＮ層 １３ 非単結晶ＡｌＮ層 １４ ＡｌＧａＮ層 １５ ＡｌＧａＩｎＮ層 １６ ＡｌＧａＮ層 １７ ＧａＩｎＮ層 １８ ＡｌＧａＮ/ＡｌＩｎＮ歪超格子
Claims (7)
- 【請求項１】加熱された基板表面上にIII族構成元素を
含む原料および窒素を含む原料を供給して緩衝層を介し
てＡｌＧａＩｎＮ薄膜を形成する方法であって、 前記基板上に第一のＡｌＧａＮ単結晶薄膜を形成した後
に、ＡｌＧａＮからなる緩衝層を形成する工程と、 次いで第二のＡｌＧａＮ単結晶薄膜を形成した後に、Ａ
ｌＧａＩｎＮ単結晶薄膜を形成する工程と、を含むこと
を特徴とするＡｌＧａＩｎＮ半導体薄膜の製造方法。 - 【請求項２】加熱された基板表面上にIII族構成元素を
含む原料および窒素を含む原料を供給して緩衝層を介し
てＡｌＧａＩｎＮ薄膜を形成する方法であって、 前記基板上に第一のＡｌＧａＮ単結晶薄膜を形成した後
に、ＡｌＧａＮからなる緩衝層を形成する工程と、 次いで第二のＡｌＧａＮ単結晶薄膜を形成した後に、前
記第二のＡｌＧａＮ単結晶薄膜中もしくは前記第二のＡ
ｌＧａＮ単結晶薄膜上に、複数の組成の異なるＡｌＧａ
ＩｎＮ層からなる歪超格子構造を形成する工程と、を含
むことを特徴とするＡｌＧａＩｎＮ半導体薄膜の製造方
法。 - 【請求項３】第一、及び第二のＡｌＧａＮ単結晶薄膜
は、８００℃以上の基板温度で形成し、ＡｌＧａＮから
なる緩衝層は８００℃以下の基板温度で形成することを
特徴とする請求項第１または２に記載のＡｌＧａＩｎＮ
半導体薄膜の製造方法。 - 【請求項４】形成する方法が有機金属を用いた気相成長
法であって、基板を配置した加熱体の回転速度を３００
回転/分以上とすることを特徴とする請求項１または２
に記載のＡｌＧａＩｎＮ半導体薄膜の製造方法。 - 【請求項５】基板がＳｉＣまたはＺｎＯであることを特
徴とする請求項１または２に記載のＡｌＧａＩｎＮ半導
体薄膜の製造方法。 - 【請求項６】単結晶ＡｌＧａＮ層と、 前記単結晶ＡｌＧａＮ層上に形成したＡｌＧａＮからな
る緩衝層と、 前記ＡｌＧａＮからなる緩衝層上に形成したＡｌＧａＩ
ｎＮ層と、を備えたことを特徴とする半導体薄膜構造。 - 【請求項７】ＳｉＣ基板またはＺｎＯ基板上に、請求項
６に記載の半導体薄膜構造を堆積したことを特徴とする
半導体発光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP909295A JPH08203834A (ja) | 1995-01-24 | 1995-01-24 | 半導体薄膜及び半導体薄膜の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP909295A JPH08203834A (ja) | 1995-01-24 | 1995-01-24 | 半導体薄膜及び半導体薄膜の製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08203834A true JPH08203834A (ja) | 1996-08-09 |
Family
ID=11710981
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP909295A Pending JPH08203834A (ja) | 1995-01-24 | 1995-01-24 | 半導体薄膜及び半導体薄膜の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH08203834A (ja) |
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6420283B1 (en) | 1997-10-28 | 2002-07-16 | Sharp Kabushiki Kaisha | methods for producing compound semiconductor substrates and light emitting elements |
| JP2004006556A (ja) * | 2001-06-08 | 2004-01-08 | Toyoda Gosei Co Ltd | Ｉｉｉ族窒化物系化合物半導体素子の製造方法 |
| US6677619B1 (en) | 1997-01-09 | 2004-01-13 | Nichia Chemical Industries, Ltd. | Nitride semiconductor device |
| JP2004200384A (ja) * | 2002-12-18 | 2004-07-15 | Ngk Insulators Ltd | エピタキシャル成長用基板 |
| US6872967B2 (en) | 2000-03-24 | 2005-03-29 | Sanyo Electric Co., Ltd. | Nitride-based semiconductor device and manufacturing method thereof |
| US6984840B2 (en) * | 1998-05-18 | 2006-01-10 | Fujitsu Limited | Optical semiconductor device having an epitaxial layer of III-V compound semiconductor material containing N as a group V element |
| US7554132B2 (en) | 2005-09-27 | 2009-06-30 | Toyoda Gosei, Co., Ltd. | Electronic device containing group-III element based nitride semiconductors |
| US20110095335A1 (en) * | 2008-07-03 | 2011-04-28 | Panasonic Corporation | Nitride semiconductor device |
| US8134168B2 (en) | 2003-10-14 | 2012-03-13 | Showa Denko K.K. | Group-III nitride semiconductor device |
| JP2016029741A (ja) * | 2015-11-05 | 2016-03-03 | 住友化学株式会社 | トランジスタ用窒化物半導体エピタキシャルウエハの製造方法 |
| CN109244203A (zh) * | 2018-09-12 | 2019-01-18 | 华灿光电(苏州）有限公司 | 一种发光二极管的外延片及其制备方法 |
-
1995
- 1995-01-24 JP JP909295A patent/JPH08203834A/ja active Pending
Cited By (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8541794B2 (en) | 1997-01-09 | 2013-09-24 | Nichia Chemical Industries, Ltd. | Nitride semiconductor light-emitting devices |
| US6677619B1 (en) | 1997-01-09 | 2004-01-13 | Nichia Chemical Industries, Ltd. | Nitride semiconductor device |
| US7615804B2 (en) | 1997-01-09 | 2009-11-10 | Nichia Chemical Industries, Ltd. | Superlattice nitride semiconductor LD device |
| US6849864B2 (en) | 1997-01-09 | 2005-02-01 | Nichia Chemical Industries, Ltd. | Nitride semiconductor device |
| US7211822B2 (en) | 1997-01-09 | 2007-05-01 | Nichia Chemical Industries, Ltd. | Nitride semiconductor device |
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| JP2004200384A (ja) * | 2002-12-18 | 2004-07-15 | Ngk Insulators Ltd | エピタキシャル成長用基板 |
| US8134168B2 (en) | 2003-10-14 | 2012-03-13 | Showa Denko K.K. | Group-III nitride semiconductor device |
| US7554132B2 (en) | 2005-09-27 | 2009-06-30 | Toyoda Gosei, Co., Ltd. | Electronic device containing group-III element based nitride semiconductors |
| US20110095335A1 (en) * | 2008-07-03 | 2011-04-28 | Panasonic Corporation | Nitride semiconductor device |
| JP2016029741A (ja) * | 2015-11-05 | 2016-03-03 | 住友化学株式会社 | トランジスタ用窒化物半導体エピタキシャルウエハの製造方法 |
| CN109244203A (zh) * | 2018-09-12 | 2019-01-18 | 华灿光电(苏州）有限公司 | 一种发光二极管的外延片及其制备方法 |
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