(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
トレイ上に複数の基板を載置し、当該基板を公転運動又は自転運動させ、前記基板表面と平行な方向に反応ガスを流し、前記基板を予め設定された成長温度に保持して前記基板上にＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）をエピタキシャル成長させるエピタキシャル成長方法であって、
前記公転運動又は自転運動の１回転あたりの成長原子層数が１０層より大きく、かつ、
前記成長温度における前記反応ガスの前記基板上における実状態の流速の、前記公転運動又は自転運動による前記基板の外周の速度に対する比率が１７２．０より大きく８５９．８以下の範囲とすることを特徴とするエピタキシャル成長方法。
【請求項２】
前記反応ガスは、少なくともＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＮＨ３（アンモニア）を含む混合ガスであることを特徴とする請求項１に記載のエピタキシャル成長方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のエピタキシャル成長方法によって製造されたことを特徴とするエピタキシャルウェハ。
【請求項４】
請求項１又は２に記載のエピタキシャル成長方法によって製造され、深さ方向におけるＡｌ組成が周期的に変調され、前記Ａｌ組成の変調の振幅がウェハ面内で不均一であることを特徴とするエピタキシャルウェハ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化合物半導体を基板上にエピタキシャル成長させるエピタキシャル成長方法、及びこのエピタキシャル成長方法によって製造されたエピタキシャルウェハに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮに代表されるＩＩＩ族窒化物半導体は、そのバンドギャップが広いために、紫外、青色、緑色等のＬＥＤ（発光ダイオード）、ＬＤ（レーザーダイオード）等の発光素子やパワー素子の材料として広く用いられている。シリコン等を用いたＬＳＩ等の半導体装置を製造するに際しては、大口径のバルク結晶を切り出して得られた大口径のウェハが用いられるのに対して、こうした化合物半導体においては、大口径（例えば４インチ径以上）のバルク結晶を得ることが困難である。このため、こうした化合物半導体を用いた半導体装置を製造するに際しては、これと異なる材料からなる基板上にこの化合物半導体をエピタキシャル成長（ヘテロエピタキシャル成長）させたウェハを用いるのが一般的である。
【０００３】
ＩＩＩ族窒化物半導体に対するエピタキシャル成長方法としては、ＭＢＥ（分子線エピタキシー法）やＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）が知られている。この中で、ＭＯＣＶＤ法は、ＭＢＥ法よりも量産性が高いため、好ましく用いられている。ＭＯＣＶＤ法に用いられる炉には、鉛直方向に反応ガスを流す縦型炉と、水平方向に反応ガスを流す横型炉がある。
【０００４】
縦型炉や横型炉の構成は、例えば特許文献１に記載されている。例えばＡｌｘＧａ１−ｘＮ（以下、ＡｌＧａＮ）を用いたＬＥＤを製造する場合、サファイアやシリコン等の基板上に緩衝層を介してｎ型ＡｌＧａＮを成長させる。更にこの上にｐ型ＡｌＧａＮを成長させる。ｎ型ＡｌＧａＮ、ｐ型ＡｌＧａＮのどちらを成長させる場合にも、ＭＯＣＶＤ法で同様に行うことができるため、これらを同一炉内で連続して成長させることもできる。ＡｌＧａＮの原料ガスとしては、Ａｌ用にＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、Ｇａ用にＴＭＧ（トリメチルガリウム）、Ｎ用にＮＨ３（アンモニア）等が用いられる。また、伝導型（ｎ型、ｐ型）やそのキャリア濃度制御用の不純物（Ｓｉ、Ｍｇ）の原料ガスも同時に用いられる。更にこれらのガスがＨ２等のキャリアガスと混合された反応ガスとなって基板上を通過する構成とされる。基板となるのは、前記のＬＥＤの例では、ｎ型ＡｌＧａＮを成長させる場合にはサファイア等、ｐ型ＡｌＧａＮを成長させる場合には、ｎ型あるいはｉ型ＡｌＧａＮ層が形成されたサファイア等である。
【０００５】
図１（ａ）（ｂ）（ｃ）は、横型炉（横型ＭＯＣＶＤ炉）の構成を模式化して示した図である。横型炉は、特に量産性に優れているため好ましく用いられている。図１（ａ）の構成においては、上記のガスの混合ガスである反応ガスは太い矢印の方向に流される。基板１１は、ヒーター２１と一体化されたトレイ２２上に設置される。この場合、反応ガスは、トレイ２２の上を図中左側から右側に向かって流れる。この中で、ヒーター２１及びトレイ２２は、回転軸２３によって矢印で示されるような公転運動をする。トレイ２２上には、図示されるように複数枚あるいは１枚の基板１１を設置することができる。これにより、量産性を高めることができる。
【０００６】
図１（ｂ）、（ｃ）の構成においては、トレイ２２の中心軸上を、上側から下側（（ｂ）の場合）、開口した回転軸付近に沿って下側から上側（（ｃ）の場合）に向かって反応ガスが供給される。基板１１は、図示されるように各々が自転運動をする。これらの構成においては、反応ガスはトレイ２２の中心からその周辺部に向かって放射状に流れる。この中での反応ガスの流れと基板１１の関係は、図１（ａ）の場合と同様である。なお、これらの構成の場合には、トレイ２２が自転運動をする（基板１１が公転運動をする）場合であっても、状況は同様である。図１（ａ）（ｂ）（ｃ）のいずれかの構成を用いるかは、その目的や仕様によって適宜定められる。また、（ａ）（ｂ）（ｃ）の配置を上下反転させてウェハが下向きに配置される形態としてもよい。
【０００７】
どの場合においても、エピタキシャル成長には基板１１の温度が大きく影響を与えるが、これはヒーター２１により制御され、最適な結晶成長が行われる温度（成長温度）に設定される。これにより、基板１１上にＡｌＧａＮからなる成長層が形成されたウェハ（エピタキシャルウェハ）を同時に複数枚得ることができる。
【０００８】
例えばＡｌＧａＮのような３元系の化合物半導体を成長させる場合、その組成をウェハ間、あるいはウェハ内で均一とすることが必要である。しかしながら、上流側において結晶成長で消費されたガスが下流側に流れるため、上流側における基板１１上におけるガス組成と下流側における基板１１上におけるガス組成とは異なる。上記のガスを用いる場合、このガス組成の不均一が最も顕著となるのは、消費率の高いＴＭＡ（Ａｌ用原料ガス）であり、その組成比率の分布は、基板１１上で、図１（ａ）（ｂ）（ｃ）の上側に示された通りとなる。すなわち、図１（ａ）の場合には、右側でＡｌ組成が小さくなり、図１（ｂ）（ｃ）の場合には、トレイ２２の中心から外側に向かってＡｌ組成が小さくなる。このため、図１のどの構成においても、ＡｌｘＧａ１−ｘＮのｘ値が不均一となる可能性がある。ｘ値が不均一となれば、発光波長が均一ではなくなるために、本来使用すべき波長における発光強度が低下する。また、組成の不均一に起因する結晶欠陥が発生するおそれもある。
【０００９】
これに対して、図１（ａ）の構成においては、トレイ２２を回転させ、基板１１を公転運動させることにより、この不均一性を低減させている。図１（ｂ）（ｃ）の構成においては、基板１１を自転運動させることにより、この不均一性を低減させている。すなわち、これらの公転運動や自転運動を行わせることにより、複数枚のウェハ間、ウェハ内の組成（ｘ値）不均一性を低減させた多数のウェハを同時に得ることができる。
【００１０】
そして、膜厚方向における組成均一性を向上させるためには、公転速度や自転速度を高めることが有効であった。この場合、これらを高めることにより、１回転当たりで形成される膜厚を例えば原子層で３層以下となる程度に薄くすれば、膜厚方向における組成の均一性は実質的に問題のない程度となる。すなわち、基板１１の公転速度を高めることによって、膜厚方向における組成の均一性は高めることができる。
【００１１】
【特許文献１】特開平１０−１６７８９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上記の条件によって膜厚方向における組成の均一な成長層は得られるものの、層流性が減少し、得られる成長層中の結晶欠陥の数も多くなるために、例えばＬＥＤを製造する場合、充分な発光量子効率を得ることは困難であった。また、反応ガスの流れが遠心力の影響を受け、面内方向でＡｌ組成が偏る場合もあった。すなわち、公転や自転の速度を高めることによって結晶性の高い化合物半導体を、ウェハ面内にわたり歩留まり良く得ることは困難であった。
【００１３】
すなわち、反応ガス下で基板を回転させる横型ＣＶＤ炉を用いて結晶性と面内のＡｌ組成分布とが共に良好な化合物半導体を得ることは困難であった。
【００１４】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明のエピタキシャル成長方法は、トレイ上に複数の基板を載置し、当該基板を公転運動又は自転運動させ、前記基板表面と平行な方向に反応ガスを流し、前記基板を予め設定された成長温度に保持して前記基板上にＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）をエピタキシャル成長させるエピタキシャル成長方法であって、前記公転運動又は自転運動の１回転あたりの成長原子層数が１０層より大きく、かつ、前記成長温度における前記反応ガスの前記基板上における実状態の流速の、前記公転運動又は自転運動による前記基板の外周の速度に対する比率が１７２．０より大きく８５９．８以下の範囲とすることを特徴とする。
本発明のエピタキシャル成長方法において、前記反応ガスは、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＮＨ３（アンモニア）を含む混合ガスであることを特徴とする。
本発明のエピタキシャルウェハは、前記エピタキシャル成長方法によって製造されたことを特徴とする。
本発明のエピタキシャルウェハは、前記エピタキシャル成長方法によって製造され、深さ方向におけるＡｌ組成が周期的に変調され、前記Ａｌ組成の変調の振幅がウェハ面内で不均一であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明は以上のように構成されているので、反応ガス下で基板を回転させる横型ＭＯＣＶＤ炉を用いて結晶性が高く、かつ、面内のＡｌ組成分布が均一な化合物半導体ウェハを得ることができ、ＬＥＤの生産性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態及び従来のエピタキシャル成長方法において使用される横型炉の構成を模式的に示す図である。
【図２】ウェハ上の各点の変位の時間経過（上側）、膜厚方向の組成分布（下側）の関係を回転速度毎に模式的に示す図である。
【図３】試料１〜６におけるウェハ面内の組成分布を示す図である。
【図４】試料３における深さ方向の組成分布を外周側（ａ）、中心軸側（ｂ）で測定した結果を示す図である。
【図５】試料２〜４と試料１（１０ｒｐｍ）における組成とキャリア濃度との関係を測定した結果を示す図である。
【図６】試料１〜５において実測されたフォトルミネッセンススペクトルを示す図である。
【図７】フォトルミネッセンススペクトルの形状の詳細を試料２〜４（ａ）、試料１、５（ｂ）について示す図である。
【図８】ＬＥＤにおけるｐ型ＡｌＧａＮ層を１０ｒｐｍで形成した場合（ａ）と３ｒｐｍで形成した場合（ｂ）に得られた発光量子効率の面内分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態に係るエピタキシャル成長方法について説明する。このエピタキシャル成長方法を実現するエピタキシャル成長装置の構成は、図１（ａ）に記載の従来の横型炉と同様である。すなわち、反応ガスが水平方向に流され、回転するトレイ２２上に基板１１が複数枚もしくは１枚設置される。トレイ２２の下にはヒーター２１が設けられ、トレイ２２とヒーター２１とは一体化され、鉛直方向に設けられた回転軸２３で回転運動をする。これにより、基板１１は回転軸２３を軸にして反応ガス下で公転運動をする。反応ガスは上流側の噴出口（図示せず）から噴出し、下流側で排気される。また、図１（ｂ）（ｃ）に記載の構成を用いることもできる。この場合には、回転しないトレイ２２の中心軸上を、上側から下側にあるいは下側から上側に向かって反応ガスが供給される。基板１１は、図示されるように各々が自転運動をする。なお、これらと反応ガスの流れる方向が異なる２フロー成長などの成長方法は原理的に適合しない。
【００１９】
ここでは、基板１１の上にＡｌｘＧａ１−ｘＮ（以下、ＡｌＧａＮ）が成長層としてエピタキシャル成長する構成とされる。ここで、０＜ｘ＜１である。例えばＡｌＧａＮを用いたＬＥＤを製造する場合、サファイアやシリコン上に緩衝層を介してｎ型ないしはｉ型ＡｌＧａＮが形成され、更にこの上にｐ型ＡｌＧａＮが形成される。この場合、ｎ型ＡｌＧａＮを成長させる場合の基板１１は、サファイアやシリコン基板（あるいはこの上に緩衝層が形成された基板）であり、ｐ型ＡｌＧａＮを成長させる場合の基板としてはｎ型ＡｌＧａＮが形成されたサファイアやシリコン基板等となる。ｎ型ＡｌＧａＮとｐ型ＡｌＧａＮとを同一の炉内で連続して形成することも可能である。なお、緩衝層上に初めに形成するのはｉ型ＡｌＧａＮでもよく、ｎ型ＡｌＧａＮとｐ型ＡｌＧａＮの順序を逆転させてもよい。すなわち、ＡｌＧａＮ層におけるｎ型層、ｐ型層の順序や構成は、ＬＥＤの構造に応じて適宜設定が可能である。
【００２０】
ＡｌＧａＮ成長のために用いられる反応ガスは、成長層を形成する材料の原料となる原料ガスと、原料ガスを希釈して輸送するためのキャリアとなるキャリアガスの混合ガスである。原料ガスとしては、Ａｌ用にＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、Ｇａ用にＴＭＧ（トリメチルガリウム）、Ｎ用にＮＨ３（アンモニア）等が用いられる。キャリアガスとしては、水素（Ｈ２）や窒素（Ｎ２）が用いられる。なお、ｎ型ＡｌＧａＮを成長させる場合にはｎ型ドーパントの原料ガス、ｐ型ＡｌＧａＮを成長させる場合にはｐ型ドーパントの原料ガスがそれぞれ混合される。ＡｌｘＧａ１−ｘＮにおけるｘ値（Ａｌ組成）は、大雑把には、ＴＭＡ／（ＴＭＡ＋ＴＭＧ）の原料ガス組成比で定まる。
【００２１】
ヒーター２１で設定される基板１１の温度（成長温度）は、最も良好な結晶性でＡｌＧａＮが得られる温度（８００〜１２００℃）とされ、例えば１０５０℃程度とする。
【００２２】
ここで、成長層（ＡｌｘＧａ１−ｘＮ）におけるｘ値は、厳密には、基板１１上に導入される前の反応ガスにおけるＴＭＡのガス組成比ではなく、成長時点での基板１１上の反応ガス中におけるＴＭＡのガス組成比で定まる。このガス組成比は、反応ガスの上流側（図中左側）で高く、下流では上流でこれが消費された反応ガスが流れるため、低くなる。同様のことはＴＭＧ（Ｇａ原料ガス）、ＮＨ３（Ｎ原料ガス）にもいえるものの、ＡｌＧａＮを成長させる場合に一般に最も原料ガスの消費量が大きいのはＴＭＡであるため、公転運動や自転運動を行わない場合には、図１（ａ）（ｂ）（ｃ）上側に示されるように、上流側でｘが大きく、下流側でｘが小さくなる。これに対して、上記の製造方法においては、基板１１を回転軸２３を軸に公転運動、あるいは基板１１を自転運動させることにより、これを改善している。
【００２３】
これらの回転速度を高めることにより、膜厚方向における組成（ｘ値）の均一性を高めることができることは明らかであるが、これにより、成長層（ＡｌＧａＮ）の結晶性は充分とはならない。これに対して、本実施の形態のエピタキシャル成長方法では、あえて膜厚方向における組成の均一性が最適とならない条件で回転運動を行い、成長層の結晶性を向上させる。
【００２４】
以下に、この原理について説明する。図２（ａ）〜（ｄ）は、図１（ａ）の構成において公転速度が（ａ）から（ｄ）の順に公転速度が高くなった場合における基板１１の各点における変位（上側）の時間経過、膜厚方向の組成分布（ｘ値：下側）を模式的に示す図である。この変位が最も顕著となるのは、基板１１の外周部（トレイ２２の外側）であるため、この点の運動を元に考慮するのが適切である。図１（ｂ）（ｃ）の場合においては、この公転運動が基板１１の自転運動に変わったものとして同様に考えることができる。
【００２５】
ここで、変位の時間経過（上側）においては、公転運動による水平方向の変位が模式的に表されており、実際の変位は水平方向における公転運動の範囲内で行われる。この公転運動において基板１１上の各点が水平方向で変位する範囲はどの公転速度であっても同様である。このため、変位の時間経過における振動の振幅は図２（ａ）〜（ｄ）において変わらない。
【００２６】
また、膜厚方向の組成分布（下側）において、膜厚方向深さは、変位の時間経過（上側）における時間経過と対応することは明らかである。このため、どの場合においても、組成は公転速度に対応する周期Ｔで変調され、最も遅い場合（ａ）には、変調振幅Ａも大きい。公転速度を高めると、変調周期は短くなる。一方、原子層１層が形成されるのに要する時間は変わらないために、形成された１層における組成は、この時間内における平均の反応ガス組成を反映する。このため、反応ガス組成が短い周期で変動しても、成長層の組成には反映されにくくなる。このため、公転速度を高めた場合には、変調周期Ｔは短くなり、かつ変調振幅Ａは小さくなる。このため、図２（ａ）の状態から公転速度を高めると図２（ｂ）、（ｃ）の通りの組成分布となる。すなわち、公転速度が無限大となった場合には、完全に均一な組成（ｄ）が得られるものと予想される。なお、公転運動のみを用いる場合には基板１１の各点上における反応ガス組成の遍歴を完全に均一とすることは実際には困難であるため、実際には図２（ｄ）に示される均一な組成を得ることは困難であるが、上記はこれを簡略化した説明である。
【００２７】
なお、１原子層が形成されるのに要する時間が極端に遅い場合は図２のような区別がつきにくくなるため、回転数の影響が小さくなる。変調周期Ｔの間において有意の厚さの原子層が形成されるために有意な大きさの変調振幅Ａが発生する場合、例えば、１回転（１周期）あたり１０原子層以上形成される条件において特にこの回転数の影響が大きい。
【００２８】
しかしながら、公転速度を高めた場合、得られる成長層の結晶性は良好とはならない。この原因の一つは、公転速度が高い場合に反応ガスと基板１１界面で発生する乱流（渦流）の影響である。この乱流によって、ミクロに見た場合には反応ガスと基板１１表面における反応は均一とはならずに、局所的な結晶欠陥が発生する。あるいは、局所的な組成の不均一が生じ、これによる結晶欠陥が発生する。
【００２９】
また、公転速度が高い場合には、図２（ｂ）（ｃ）に示されるように、ある１点の深さにおける組成変動率は大きくなる。このため、この急峻な組成変動に伴うミスフィット転位が生じやすくなる。
【００３０】
こうした乱流の影響とミスフィット転位の影響を低減するためには、公転速度が低い方が有利である。しかしながら、この場合には、図２（ａ）に示されるように、組成の変調振幅は大きくなる。このため、公転速度には最適な範囲が存在する。
【００３１】
発明者は、上記の点を考慮し、最も良好な結晶性の得られる公転（自転）速度の範囲を見出した。以下、その実験結果について説明する。ここでは、公転（自転）速度を変えてｐ型ＡｌＧａＮを基板上に成長させた。ここで、公転（自転）速度以外の条件は全て同一とした。表１は、図１（ａ）の構成において、公転速度を１０〜０ｒｐｍとした場合（試料１、２、３、４、５）において得られた成長層の膜厚分布等を示す。また、試料６は、図１（ｂ）に示されたような、公転運動を行わずに基板１１の自転運動のみを行った構成（自転速度１０ｒｐｍ）を用いた場合の結果である。ここで、原料ガスは、標準条件においては、ＴＭＡ／ＴＭＧ／ＮＨ３＝１／１／２５００の比率（モル比）とし、圧力は１００ｋＰａ、基板温度は１０５０℃とし、成長時間は１２０ｍｉｎとした。ただし、試料１−１、１−２においては、試料１と同様の条件下で原料ガス流量と成長時間のみを変え、原料ガス流量を１／２、成長時間を２倍（試料１−１）、原料ガス流量を４倍、成長時間を１／４倍（試料１−２）としている。同様に、試料３−１、３−２においては、試料３と同様の条件下において、原料ガス流量を１／３、成長時間を３倍（試料３−１）、原料ガス流量を１／５、成長時間を５倍（試料３−２）としている。なお、原料ガス流量のみを変更に合わせてキャリアガス流量を調整し、原料ガスとキャリアガスを含めた反応ガス流量は変えていない。
【００３２】
また、ｐ型ドーパントとしてＭｇを添加し、その原料ガスとしてＣｐ２Ｍｇ（ビスシクロペンタジエチルマグネシウム）を用いた。なお、反応ガスの流速は、これらＴＭＡ、ＴＭＧ、ＮＨ３、Ｃｐ２Ｍｇのガスにキャリアガス（Ｈ２、Ｎ２）を加えた合計の標準状態（２５℃、１気圧）における流量（ｓｌｍまたはｓｃｃｍ）を、ウェハ上に反応ガスが流れる領域の断面積（例えば図１（ａ）ならばトレイ直径×ガスが流れる間隙の高さ）で割ることにより計算される。基板１１としては、サファイア基板上にｉ型ＡｌＮ層をエピタキシャル形成させたウェハを用いた。この条件で成長層を基板１１上に成長させたウェハ（エピタキシャルウェハ）を得た。
【００３３】
【表１】
0005588296.tif 000002
【００３４】
ここで、表１においては、回転速度に対応する量（試料６以外においては公転の回転速度（ｒｐｍ）、試料６においては自転の回転速度（ｒｐｍ）が記載されている。ここで、基板１１上を反応ガスが流れる横型ＭＯＣＶＤ炉において、図１（ａ）（ｂ）（ｃ）に共通して基板１１の回転運動と反応ガスの流れとの関係を統一的に表す量としては、基板１１の外周の速度（公転運動又は自転運動による基板１１の外周の移動速度：交播速度）と、反応ガスの流速との比率が最適である。基板１１上の反応ガスの流速は温度や圧力によって異なり、標準状態（２５℃）と実際の反応温度（１０５０℃）とで異なる。上記の実験条件においては、この流速は標準状態（２５℃、１気圧）で８８ｃｍ／ｓ、実際の反応温度においては３９１（＝８８×（１０５０＋２７３（℃））／（２５＋２７３（℃）））ｃｍ／ｓとなる。表１における速度比（標準状態）とは、この交播速度に対する標準状態（２５℃）でのこの反応ガスの流速の比であり、速度比（実状態）とは、この交播速度に対する反応温度におけるこの流速の比である。なお、原料ガス流量と成長時間以外は同一であるため、試料１と試料１−１、１−２における速度比（＝反応ガス流速／交播速度）は同一となる。試料３と試料３−１、３−２についても同様である。
【００３５】
この結果より、０ｒｐｍの場合（試料５）を除き、公転運動を行った試料１から４において、同一成長時間（１２０ｍｉｎ）においては、平均厚さが同等の成長層が得られていることがわかる。基板１１の自転のみを行っている試料６についても同様である。なお、試料１と試料１−１、１−２、試料３と試料３−１、３−２における成長速度は、原料ガス流量の大小関係と対応している。１回転あたりの成長原子層数は、成長速度を原子間距離（例えばｃ軸の格子定数０．５１８／４＝０．１２９５ｎｍ）と回転数で割ることで求めることができる。
【００３６】
次に、各試料における結晶性を評価した。結晶性の評価の基準としては、まず、ウルツ鉱構造の結晶型をもつＡｌＧａＮの（００２）面と（１０２）面のロッキングカーブ半値幅を測定した（測定装置：ブルカー社製Ｘ線回折測定装置Ｄ８ＤＩＳＣＯＶＥＲ）。これらについては、ウェハの中心での値、面内平均値、標準偏差（σ：％）を測定した。また、直接結晶性を反映するものではないが、これに関連する量として、ウェハ反り量についても測定（測定装置：ＮＩＤＥＫ社製反り測定装置ＦＴ−９００）し、これについては、成長前（基板の状態）との差分として評価した。この結果を表２に示す。
【００３７】
【表２】
0005588296.tif 000003
【００３８】
表２における（００２）面と（１０２）面のロッキングカーブ半値幅の絶対値より、３〜１ｒｐｍ（試料３、４）、及び１０ｒｐｍの自転を行った試料６の場合に、（００２）面の平均が２００より小さく（１０２）面の平均も９００より小さく、結晶性が良好であることがわかる。試料３−１は試料３に比べ（００２）面における結晶性の悪化が見られるものの、（１０２）面の平均は９００より小さく、結晶性が向上している。試料２については結晶性改善の傾向は見られるものの、その程度は試料１に比べて小さい。試料１−１、１−２は試料１に比べ結晶性が悪化している。試料３−２においても、試料３と比べて反り量と結晶性共に悪化している。また、反り量については、５〜１ｒｐｍ（試料２、３、３−１、４）、及び１０ｒｐｍの自転を行った試料６において、試料１に比べて小さな値が得られている。
【００３９】
これらの試料においては、基板１１として、ＡｌＮ層が形成されたサファイア基板が用いられている。ここで成長されたＡｌＧａＮ層は、下地となったＡｌＮ層よりも格子定数が大きく、この格子不整合のためにＡｌＧａＮ成長後には反りが大きくなる。しかしながら、格子定数は厳密には転位、結晶欠陥、結晶面の配向等によって変化する。ここで試料２、３、３−１、４、及び１０ｒｐｍの自転を行った試料６において反りが小さくなったことは、成長したＡｌＧａＮ層とＡｌＮ層との格子不整合が小さくなったこと、あるいは結晶の配向の乱れが小さくなったことを意味している。
【００４０】
次に、結晶性を反映する特性として、比抵抗及びこれから求めたキャリア濃度を測定した。周知のように、ｐ型ＡｌＧａＮにおいては、結晶欠陥が多くなると、これによりアクセプタ準位が補償されるために充分なキャリア濃度が得られないという現象が見られる。従って、充分なキャリア濃度を得るために、結晶欠陥を減らすことが必要となる。表３にこの結果について示す。ここでは、成長したＡｌＧａＮ層に対して８００℃のＮ２雰囲気で熱処理を行った後にシート抵抗を測定（測定装置：リハイトン社製シート抵抗測定装置１３１０Ｂ）し、そのシート抵抗値からキャリア濃度を算出した。ここで、ｐ型ＡｌＧａＮ層のうち０．５μｍの厚さだけが活性化されたものとしてキャリア濃度を算出した。
【００４１】
【表３】
0005588296.tif 000004
【００４２】
この結果より、試料３、３−１、４、及び１０ｒｐｍの自転を行った試料６の場合に、高いキャリア濃度が得られている。特に、試料３、３−１、４におけるキャリア濃度向上の効果が高い。これは、これらの場合に成長層全体として結晶欠陥が少なくなっていることに起因する。すなわち、これらの場合には結晶欠陥が少なくなり、これによって高いキャリア濃度のｐ型ＡｌＧａＮを得ることができる。また、１０ｒｐｍの場合（試料１、１−１、１−２）においては、原料ガス流量（成長速度）を変えた場合でも、高いキャリア濃度は得られていない。一方、３ｒｐｍの場合（試料３、３−１、３−２）においては、原料ガス流量が比較的大きな場合（試料３、３−１）においてのみ高いキャリア濃度が得られており、原料ガス流量が小さな場合（試料３−２）においては、キャリア濃度はこれよりも低くなっている。
【００４３】
次に、組成（ｘ値）分布の実測値について説明する。膜厚方向における組成分布については図２に定性的に示した通りであるが、面内方向の組成（ｘ値）分布について測定した。この組成分布については、フォトルミネッセンスのピーク波長（バンドギャップに対応）を測定し、ＡｌｘＧａ１−ｘＮのバンドギャップをＥｇとした場合にＥｇ＝ｘＥ１＋（１−ｘ）Ｅ２＋ｂｘ（１−ｘ）（ここで、Ｅ１＝６．２０ｅＶ、Ｅ２＝３．３９ｅＶ、ｂ＝１．０ｅＶ）となることから算出した。Ｅ１については、「Ｏｐｔｉｃａｌ  ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  ＡｌＮ  ｅｐｉｔａｘｉａｌ  ｔｈｉｎ  ｆｉｌｍｓ  ｉｎ  ｔｈｅ  ｖａｃｕｕｍ  ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ  ｒｅｇｉｏｎ」、Ｈ．Ｙａｍａｓｈｉｔａ、Ｋ．Ｆｕｋｕｉ、Ｓ．Ｍｉｓａｗａ、  ａｎｄ  Ｓ．Ｙｏｓｈｉｄａ、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ、ｖｏｌ．５０、ｐ８９６（１９７９年）、Ｅ２については、「Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ  ｅｎｅｒｇｙ  ｇａｐ  ｏｆ  ＧａＮ  ｆｒｏｍ  ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ  ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ  ｓｐｅｃｔｒａ」、Ｂ．Ｍｏｎｅｍａｒ、Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｂ、ｖｏｌ．１０、ｐ６７６（１９７４年）、ｂについては、「Ｅｎｅｒｇｙ  ｂａｎｄ  ｂｏｗｉｎｇ  ｐａｒａｍｅｔｅｒ  ｉｎ  ＡｌＸＧａ１−ＸＮ  ａｌｌｏｙｓ」、Ｆｅｎｇ  Ｙｕｎ、Ｍｉｃｈａｅｌ  Ａ．Ｒｅｓｈｃｈｉｋｏｖ、Ｌｅｉ  Ｈｅ、Ｔｈｏｍａｓ  Ｋｉｎｇ、Ｈａｄｉｓ  Ｍｏｒｋｏｃ、Ｓｔｅｖｅ  Ｗ．Ｎｏｖａｋ、ａｎｄ  Ｌｕｎｃｕｎ  Ｗｅｉ、  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ、ｖｏｌ．９２、ｐ４８３７（２００２年）に記載された値とした。組成についても、中心での値と、平均値、標準偏差（絶対値及び平均値に対する値（％））について算出した。結果を表４に示す。
【００４４】
【表４】
0005588296.tif 000005
【００４５】
この結果より、面内の組成分布についても、試料３、３−１、３−２、４、及び１０ｒｐｍの自転を行った試料６の場合に％σが１０より小さく、均一な成長層が得られていることがわかる。１０ｒｐｍの場合（試料１、１−１、１−２）には、原料ガス流量が小さな場合（試料１−１）には均一性が向上し、大きな場合（試料１−２）には均一性が劣化することが確認できる。これに対して、３ｒｐｍの場合（試料３、３−１、３−２）には、原料ガス流量が小さくなった場合に均一性はやや劣化するが、１０ｒｐｍの場合と比べてその劣化の度合いは小さい。試料３−２は、面内の組成分布は向上しているものの、結晶性が悪化している。したがって、同じ回転数でも１回転あたりの成長原子層数が少なくとも１０層より大きくなければ、結晶性と面内の組成分布を共に向上させることができないことがわかる。
【００４６】
図３は、実際の組成ｘの面内分布を、トレイ２２の中心から外側に向かって測定した結果を、試料１、２、３、４、５について示した図である。
【００４７】
この結果より、面内組成分布についても、１０ｒｐｍと５ｒｐｍ（試料１、２）に対して３ｒｐｍと１ｒｐｍ（試料３、４）の場合に最も良好（均一）な結果が得られている。０ｒｐｍで不均一となることは当然であるが、高い公転速度で面内均一性が悪くなることは、乱流（渦流）の影響によると考えられる。すなわち、上記のエピタキシャル成長方法においては、反応ガスに発生する乱流の影響が大きいため、公転速度は５ｒｐｍより小さい（速度比は１７２より大きい）ことが好ましい。
【００４８】
この最適な回転（公転、自転）速度は、トレイ２２や基板１１の大きさ、結晶成長温度等の成長条件等によって異なる場合がある。こうした場合においても、上記のメカニズムにより、同様の反応速度分布となる場合に、同様の効果が得られる。同様の反応速度分布が得られる場合とは、表１における実状態の速度比（成長温度（基板温度）における反応ガス流束と基板１１の交播速度との比）が同じ場合であると考えられる。このため、表１より、上記の公転速度５〜１ｒｐｍを一般化した場合とは、この速度比が１７２．０〜８５９．８となる場合である。すなわち、実状態の速度比（成長温度（基板温度）における反応ガス流束と基板１１の交播速度との比）が１７２．０より大きく８５９．８以下となる場合に、最も良好な結晶性をもつ成長層を得ることができる。
【００４９】
また、この速度比は、実際の成長温度（１０５０℃）ではなく、室温（２５℃）とした場合には、表１より、この範囲は、３８．７〜１９３．７となる。
【００５０】
上記の結果より、速度比が１７２．０より大きく８５９．８以下の範囲であり、かつ１回転当たりの成長原子層数が１０層より大きい場合に特に良好な結果（高い結晶性、高いキャリア濃度）が得られることがわかる。試料１、１−２および試料２の結果より、試料速度比が１７２．０以下では、原子層数が１０．６層以上でも面内組成分布が良好とはならず、試料３−２の結果より、試料速度比が１７２．０より大きくても、原子層数が１０層以下では結晶性（反り量、キャリア濃度を含む）が良好とはならないためである。なお、試料３−１においては、（００２）面の結晶性においてのみ、わずかではあるが悪化がみられることから、特に公転運動の場合には、少なくとも２０層以上とすれば、さらに良好な結果が得られる。
【００５１】
図４は、公転運動を行った試料３における深さ方向のＡｌ、Ｇａ組成をオージェ電子分光法（測定装置：日本電子（株）製ＪＡＭＰ７８９０Ｆ、測定条件：スポット径１０μｍ、１０ｋｅＶ、１０−８Ａ、サンプル傾斜角８５°）を用いてサンプルをエッチングしながら測定した結果であり、（ａ）は外周側、（ｂ）は回転軸（中心）側の結果である。なお、オージェ分析開始直後（Ｄｅｐｔｈが０ｎｍ付近）では表面汚染の影響があるため、がＧａが相対的に大きな値となって出てくるが、約３ｎｍ程度エッチングした以降からは汚染の影響もなくなってくる。外周側（ａ）においては、図２に示されたような周期的な分布が見られる。この周期Ｔは１回転当たりの成長膜厚と一致していた。すなわち、図２に示されたような組成分布が実際に確認された。ただし、中心軸側（ｂ）においては、こうした傾向は見られない。つまり、ウェハ面内の場所によってその振幅が異なる。
【００５２】
１ｒｐｍ（試料４）の場合には、この結果とは周期Ｔ、振幅Ａは異なるものの、同様の傾向が確認できた。しかしながら、１０ｒｐｍ（試料１）の場合には、外周側、回転軸側のいずれにおいてもこうした深さ方向の周期的な構造は見られず、膜厚方向の組成は均一であった。
【００５３】
このように、少なくともウェハの一部において図４（ａ）に示されるような１回転当たりの成長膜厚と同周期の深さ方向の組成変調を設ける、すなわち、深さ方向におけるＡｌ組成を周期的に変調し、かつ、このＡｌ組成の変調の振幅をウェハ面内で不均一とすることによって、特に成長層の結晶性と面内組成分布を共に高めることができる。このようにウェハ面内方向で振幅を変化させているにも係らず、結果としてトータルの面内組成分布を均一化されることができるということは、全く予期せぬ結果である。
【００５４】
なお、キャリア濃度（表３）が結晶欠陥に関連することは前記の通りであるが、同時にキャリア濃度は組成ｘにも依存し、ｘが大きな場合（バンドギャップが大きな場合）には小さくなる。このため、表３と表４の結果より、中心での組成ｘと平均キャリア濃度との関係を試料１〜６（○：実施例（試料２〜４、６）、△：従来例（試料１（１０ｒｐｍ））、×：試料１と同条件でＴＭＡ濃度を変えてＡｌ組成ｘを変えた場合）について示したのが図５である。この結果より、キャリア濃度が高いのは単にｘが小さいためでないことがわかる。すなわち、実施例においては、従来例と同程度のｘであっても高いキャリア濃度が得られている。
【００５５】
また、試料１、２、３、４、５におけるウェハ中心でのフォトルミネッセンススペクトルが図６である。ここで、ピーク強度は規格化している。このうち、試料２、３、４についてのスペクトルをピーク波長で標準化して示したのが図７（ａ）であり、試料１、５についてのスペクトルを同様に示したのが図７（ｂ）である。試料２、３、４のスペクトル（図７（ａ））においては、スペクトルの裾の部分でフリンジ（周期的なうねり）が見られるのに対して、試料１、５のスペクトル（図７（ｂ））においてはこのフリンジは全く見られない。このフリンジは、図２（ｂ）等に示された周期構造に起因する組成変調によって発生する。すなわち、図４（ａ）に示された組成変調がここでも確認された。
【００５６】
以上より、上記のエピタキシャル成長方法においては、試料２、３、３−１、４（５〜１ｒｐｍ）、及び１０ｒｐｍの自転を行った試料６において、結晶性、面内組成均一性、ウェハ反りの全てについて良好な結果が得られ、特に試料３、４について非常に良好な結果が得られた。この効果は、反応ガスの乱流が抑制され、かつ膜厚方向に適度な組成変調が設けられる条件でエピタキシャル成長を行うことによって実現される。
【００５７】
実際に上記の条件で形成したｐ型ＡｌＧａＮをｎ型ＡｌＧａＮ上に形成してＬＥＤを製造し、その発光量子効率を測定した。図８は、試料１と同様の成長条件（１０ｒｐｍ）の場合（ａ）、試料３と同様の成長条件（３ｒｐｍ）の場合（ｂ）における発光量子効率の面内分布の実測値である。縦軸（ｚ軸）が発光量子効率となっている。この結果より、３ｒｐｍの場合（ｂ）は、１０ｒｐｍの場合（ａ）と比べて、良好な結晶性、高いキャリア濃度が反映された高い量子効率が得られている。なお、エピタキシャルウェハの状態から電極等を形成してＬＥＤを製造する際、ウェハの反りが位置精度に悪影響を及ぼし、割れの原因にもなるため、反りが小さいほど素子を形成しやすい。このように、結晶成長におけるガス流速、回転速度および成長速度を特定の範囲とし、エピタキシャル成長に偏在した組成変調を加えることによって、結晶性、面内組成均一性が高く、反りも少ないウェハを得ることができ、ＬＥＤの品質と共に製造歩留まりを大幅に向上させ、生産性を高めることができる。
【００５８】
なお、上記の例では、ｐ型ＡｌＧａＮを成長させる例について記載したが、上記のメカニズム、特に組成分布や結晶欠陥については、ｎ型ＡｌＧａＮについても同様であることは明らかである。すなわち、導電型に関わらず上記のエピタキシャル成長条件が有効であることは明らかである。また、上記のメカニズムは反応ガスに起因するものであるため、上記の効果は基板の種類に依存しないことも明らかである。
【００５９】
また、例えばＡｌＧａＮを用いたＬＥＤやＰＤ（フォトダイオード）、ＬＤ（レーザーダイオード）を製造する場合には、ｎ型、ｉ型、ｐ型のＡｌＧａＮ上に、上記のエピタキシャル成長方法によってｐ型ＡｌＧａＮを成長させる。この際、成長させる側をｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮとし、基板側をｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮとした場合に、ｘ＝ｙとすることは不要である。
【００６０】
また、上記は３元系のＡｌＧａＮを成長させる場合、及びこれに不純物を添加する場合について記載したが、Ｉｎ等の他のＩＩＩ族元素がＡｌＧａＮに加わった４元系、５元系等とした場合においても同様であることも明らかである。
【００６１】
また、上記の成長条件下では、深さ方向におけるＡｌ組成の変調振幅が大きい箇所と振幅が小さい箇所がウェハ面内において生じる。こうした分布が生ずる公転運動の下において、公転運動によって生じた組成変調の振幅を消さない範囲でさらに自転運動を加える、つまり、振幅の大きさが周期性をもって変化するように更なる回転を加えることで、ウェハ面内の均一性をさらに高めることもできる。
【符号の説明】
【００６２】
１１  基板
２１  ヒーター
２２  トレイ
２３  回転軸
【図１】
0005588296.tif 000006
【図２】
0005588296.tif 000007
【図３】
0005588296.tif 000008
【図５】
0005588296.tif 000009
【図４】
0005588296.tif 000010
【図６】
0005588296.tif 000011
【図７】
0005588296.tif 000012
【図８】
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