(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板上に分子線エピタキシャルによりＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ，ｙ≦１かつ０≦ｘ＋ｙ≦１）からなるＩＩＩ族窒化物半導体薄膜を成膜するＩＩＩ族窒化物半導体薄膜の製造方法において、前記シリコン基板に基板シリコンの窒化を防止する窒化防止層を形成した後、前記ＩＩＩ族窒化物半導体薄膜を成膜するＩＩＩ族窒化物半導体薄膜の製造方法であって、前記窒化防止層はＳｎまたはＳｂからなる金属層であることを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体薄膜の製造方法。
【請求項２】
前記金属層は厚さ数原子層以下の分子線エピタキシャル蒸着された層であることを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体薄膜の製造方法。
【請求項３】
前記金属層は基板温度５００℃以下で蒸着されることを特徴とする請求項１または２に記載のＩＩＩ族窒化物半導体薄膜の製造方法。
【請求項４】
シリコン基板上に分子線エピタキシャルによりＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ，ｙ≦１かつ０≦ｘ＋ｙ≦１）からなるＩＩＩ族窒化物半導体薄膜を成膜するＩＩＩ族窒化物半導体薄膜の製造方法において、前記シリコン基板にＩＩＩ／Ｖ流束比（基板に供給されるＩＩＩ族元素の流束の基板に供給される窒素ラジカルの流束に対する比）が０．２５ないし２．０以下で形成されたＡｌＮまたはＧａＮからなるバッファー層を成膜した後、前記ＩＩＩ族窒化物半導体薄膜を成膜することを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体薄膜の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
Alx Gay In1-x-y N (0≦x,y ≦1 かつ 0≦x+y ≦1)からなるIII 族窒化物半導体薄膜を用いた素子の製造法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Alx Gay In1-x-y N (0≦x,y ≦1 かつ 0≦x+y ≦1)（以下、AlGaInN と略記することもある）からなるIII 族窒化物半導体はエネルギーギャップが1.9 から6.2eV の直接遷移型の半導体であるため、特にレーザダイオード等の発光素子に適しており、その試作が行われている。III 族窒化物半導体薄膜の作製においては、良質で大型のIII 族窒化物結晶が得られていないため、格子定数および熱膨張係数の異なる基板上にヘテロエピタキシャル成長を行わなければならない。そのため、基板上にAlN やGaN のバッファ層を形成しその上に目的とするIII 族窒化物を形成する２段階成長が行われている。これまでに、バッファ層がエピタキシャル成長できる基板材料には、サファイア、炭化ケイ素、スピネル、シリコンあるいは砒化ガリウムなどが知られている。
【０００３】
レーザダイオードはサファイア基板上に上記バッファー層を介してAlGaInN 薄膜を積層しダブルヘテロ(DH)構造あるいは量子井戸(QW)構造を形成することにより作製されている。レーザー発振する光共振面は劈開あるいはAlGaInN 薄膜のエッチングによって形成されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
良好な光共振面を有するGaAlInN 薄膜のDH構造を作製する一つの方法は、劈開し易い材料を基板として用いることである。Si(111) 基板は基板の劈開方向とその上のAlGaInN 薄膜の劈開方向が一致するため、レーザーダイオードを作製するための基板として適している。
【０００５】
一般に、結晶性の良い、欠陥の少ないAlGaInN 膜作製のためには平坦で結晶性の良いバッファ層が要求される。しかし、次に説明するように、Si(111) 基板上には結晶性の良いバッファ層は形成できなかった。
従来の窒素ラジカル源を用いた分子線エピタキシー（以下MBE と記す）によるSi(111) 基板上へのAlGaInN 薄膜の作製は、まず最初に超高真空中でSi(111) の清浄面（７格子周期の特異な２次元構造が現れているので 7×7 構造の再構成面として知られている）を形成する。次に、AlN またはGaN からなるバッファ層を基板温度800 ℃で成膜した後Alx Gay In1-x-y N( 0≦x,y ≦1 かつ 0≦x+y ≦1)膜を積層する。
【０００６】
図２は従来の清浄なSi(111) 面に成膜されたAlN バッファ層の高速反射電子線回折(RHEED) 像を示し、（ａ）は成長初期段階の厚さが約0.5nm のときの結晶構造の写真であり、（ｂ）は成長終了後で厚さが約20nmのときの結晶構造の写真である。AlN バッファ層の高速反射電子線回折(RHEED) 像を観察すると、成長初期段階ではRHEED 像はハローとなる（図１（ａ））。これはSi基板表面でアモルファス状の窒化ケイ素が形成されたことによる。さらに、バッファ層を成長させ厚くするとRHEED 像は点状となり、AlN が島状成長したことが判る（図１（ｂ））。このようにAlN が島状成長した大きな要因として、成長初期のアモルファス状の窒化ケイ素が形成されたので、以降のAlN 単結晶が成長できなかったためである。
【０００７】
本発明の目的は、 Si(111)基板上の平坦で結晶性の良いIII 族窒化物薄膜およびその製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、シリコン基板上に分子線エピタキシャルによりAlx Gay In1-x-y N (0≦x,y ≦1 かつ 0≦x+y ≦1)からなるIII 族窒化物半導体薄膜を成膜するIII 族窒化物半導体薄膜の製造方法において、前記シリコン基板に基板シリコンの窒化を防止する窒化防止層を形成した後、前記III 族窒化物半導体薄膜を成膜することとする。
【０００９】
前記窒化防止層は水素終端化されたシリコンからなる層であると良い。
前記水素終端化層に隣接するIII 族窒化物半導体薄膜は水素離脱開始温度以下の基板温度で成膜されると良い。
前記基板温度は500 ℃以下であると良い。
前記窒化防止層はAl、GaまたはInのいずれかからなる金属層であると良い。
【００１０】
前記窒化防止層はSnまたはSbからなる金属層であると良い。
前記金属層は厚さ数原子層以下の分子線エピタキシャル蒸着された層であると良い。
前記金属層に隣接するIII 族窒化物半導体薄膜は前記金属層を構成する金属の窒化物からなると良い。
【００１１】
前記金属層は基板温度が500 ℃以下で蒸着されると良い。
シリコン基板上に分子線エピタキシャルによりAlx Gay In1-x-y N (0≦x,y ≦1 かつ 0≦x+y ≦1)からなるIII 族窒化物半導体薄膜からなるIII 族窒化物半導体薄膜において、前記III 族窒化物半導体薄膜は上記のいずれかのIII 族窒化物半導体薄膜の製造方法により製造されたこととする。
【００１２】
シリコン基板上に分子線エピタキシャルによりAlx Gay In1-x-y N (0≦x,y ≦1 かつ 0≦x+y ≦1)からなるIII 族窒化物半導体薄膜を成膜するIII 族窒化物半導体薄膜の製造方法において、前記シリコン基板にIII/V 流束比（基板に供給されるIII 族元素の基板に供給される窒素（V 族元素である）ラジカルの流束に対する比である）が0.25ないし2.0 以下で形成されたAlN またはGaN からなるバッファー層を成膜した後、前記III 族窒化物半導体薄膜を成膜することとする。
【００１３】
シリコン基板上に分子線エピタキシャルによりAlx Gay In1-x-y N (0≦x,y ≦1 かつ 0≦x+y ≦1)からなるIII 族窒化物半導体薄膜からなるIII 族窒化物半導体薄膜において、前記III 族窒化物半導体薄膜は上記のAlN またはGaN からなるバッファー層を有することとする。
Si(111) の清浄表面は 7×7 構造の再構成面であり、この表面に窒素ラジカルを照射すると表面は窒化され、アモルファス状の SiNx が数原子層にわたって形成される。一方、水素終端化されたSi(111) 表面は 1×1 構造（１格子周期の２次元構造が現れている）であり、清浄なSi(111) 表面と比較して、窒素ラジカルに対しては不活性である。そこで、水素脱離が開始する500 ℃以下でIII 族窒化物層を成長させると、 SiNx 層は形成されず SiNx 層による膜質劣化を防ぐことができる。
【００１４】
Si(111) 基板上に数原子層以下のIII 族元素のAl、Ga、Inまたは低融点金属のSb、Snを層を蒸着すると、Si(111) 表面は、清浄なSi(111) 表面と比較して、窒素ラジカルに対して不活性である。また、これら金属元素は成長中のIII 族窒化物層内で表面偏析を起こし常にIII 族窒化物層の表面を覆っている。この金属層は窒素ラジカルのSi(111) 基板への供給を抑制するので、窒素原子の拡散速度はIII 族窒化物層の成長速度より小さくなり、SiN x 層は殆ど成長することはできない。
【００１５】
特に、金属元素層と成長させるIII 族窒化物層の金属元素が同じであれば、III 族窒化物層の成長開始時点で、すでに最表面は成長中と同じ状態であり、成長方向に均一な成長が可能である。また、SnやSbのような金属元素層の場合も同様にIII 族窒化物層の成長中の最表面は常に金属元素層に覆われていて、成長方向に均一な成長が可能である。ただし、SnやSbは蒸気圧が高いので、蒸着時の基板温度を500 ℃以下として、蒸着時の原子数を若干多くして、この金属元素層を厚くし、その後のバッファ層形成時の基板温度800 ℃によっても、金属元素層が残るようにしておく。
【００１６】
Si(111) 基板の窒化を抑制する方法としては、III 族窒化物のバッファ層形成時のIII/V 流束比を通常の、バッファ層上へのIII 族窒化半導体薄膜の成膜時の0.1 付近より大きくする、すなわち窒素流束を減ずることによっても実現される。ただし、III/V 流束比は基板に供給されるIII 族元素の流束の基板に供給される窒素ラジカルの流束に対する比である。しかし、III/V 流束比が大き過ぎると、すなわち過剰のIII 族元素は成長層の結晶性を悪くするため、III 族元素の再蒸発速度によってその上限が決まる。通常のMBE においては、基板温度800 ℃では上限III/V 流束比は2 程度である。一方、成長層のRHEED 像を調べた結果、0.25以上でハローとならなくなることが判った。
【００１７】
【発明の実施の形態】
実施例１
この実施例は窒化防止層を水素終端化層とした場合である。
先ず、Si(111) 基板表面をHF処理して水素終端化した。そして基板温度を、Si基板からの水素の離脱開始温度以下である400 ℃とし、高周波ラジカルビーム分子線エピタキシー（以降rf-MBEと記す）により膜厚20nmのAlN 膜を成膜した。このAlN 膜は以降成膜されるIII 族窒化物層のためのバッファ層である。次に、基板温度を800 ℃に上げて、rf-MBEにより厚さ600 nmのGaN 薄膜を成膜した。
【００１８】
図１は本発明に係る水素終端化層上のAlN 膜のRHEED 像を示し、GaN 膜の成膜直前のAlN 膜の結晶構造の写真である。RHEED 像はstreak状であり、AlN 膜は平坦であることが判る。
AlN 膜上のGaN 薄膜のＸ線のロッキングカーブの半値幅は28arcminであった。これは清浄面に同一条件で成膜した（AlN 膜バッファ層とGaN 薄膜の積層の）GaN 薄膜のロッキングカーブの半値幅35arcminより狭く、結晶性が向上していることを示している。
実施例２
この実施例は窒化防止層をAl金属層とし、バッファ層をAlN 層とした場合である。
【００１９】
先ず、清浄なSi(111) 表面上に、基板温度を500 ℃として、MBE によりAlを１原子層蒸着した。その後、基板温度を800 ℃にあげ、rf-MBEにより膜厚5nm のAlN バッファ層を成膜した。AlN バッファ層のRHEED 像はstreak状であり、バッファ層は平坦であることが判る。次に、基板温度を800 ℃としてAlN バッファ層の上にrf-MBEにより膜厚600nm のGaN 薄膜を成膜した。
【００２０】
このGaN 薄膜のＸ線のロッキングカーブの半値幅は23arcminであり、清浄面に同一条件で成膜したGaN 薄膜の半値幅33arcminより狭く、結晶性が向上していることを示している。
実施例３
この実施例は窒化防止層をGa金属層とし、バッファ層をGaN 層とした場合である。
【００２１】
先ず、清浄なSi(111) 表面上に、基板温度を500 ℃として、MBE によりGaを１原子層蒸着した。その後、基板温度を800 ℃にあげ、rf-MBEにより膜厚5nm のGaN バッファ層を成膜した。GaN バッファ層のRHEED 像はstreak状であり、バッファ層は平坦であることが判る。次に、基板温度を800 ℃としてGaN バッファ層の上にrf-MBEにより膜厚600nm のGaN 薄膜を成膜した。
【００２２】
また、GaN 薄膜のＸ線のロッキングカーブの半値幅は24arcminであり、清浄面に同一条件で作製したGaN 薄膜の半値幅33arcminより狭くなり、結晶性は向上していることが判った。
実施例４
この実施例は窒化防止層をSn金属層とし、バッファ層をGaN 層とした。
【００２３】
先ず、清浄なSi(111) 表面上に、基板温度を500 ℃として、MBE によりSnを１原子層蒸着した。その上にrf-MBEにより膜厚5nm のGaN 層を成膜した。バッファ層成膜後、基板温度を800 ℃として厚さ600nm のGaN 薄膜を成膜した。
GaN バッファ層のRHEED 像はstreak状であり、平坦なバッファ層が得られたことがわかる。また、GaN 薄膜のＸ線のロッキングカーブの半値幅は27arcminであり、清浄面に同一条件で作製したGaN 薄膜の半値幅33arcminより狭くなり、結晶性は向上していることが判った。
実施例５
この実施例では、実施例４におけるバッファ層をGaN に換えてAlN とした以外は同じ手順方法とした。
【００２４】
AlN バッファ層のRHEED 像はstreak状であり、平坦なバッファ層が得られたことが判る。
また、GaN 薄膜のＸ線のロッキングカーブの半値幅は28arcminとなり、清浄面に同一条件で作製したGaN 薄膜の半値幅33arcminよりより狭くなり、結晶性は向上ていることが判った。
実施例６
実施例４におけるSnに換えてSbを用い、以降の手順方法によりGaN バッファ層次いで、厚さ600nm のGaN 薄膜を成膜した。
【００２５】
GaN バッファ層のRHEED 像はstreak状であり、平坦なバッファ層が得られたことが判る。
また、GaN 薄膜のＸ線のロッキングカーブの半値幅は27arcminであり、清浄面に同一条件で作製したGaN 薄膜の半値幅33arcminより狭くなり、結晶性は向上していることが判った。た。
実施例７
この実施例は窒化防止層をSb層とし、バッファ層をAlN 層とした。
【００２６】
先ず、清浄なSi(111) 表面上に、基板温度を500 ℃として、MBE によりSbを１原子層蒸着した。その後、基板温度を800 ℃にあげ、rf-MBEにより膜厚5nm のAlN バッファ層を成膜した。AlN バッファ層のRHEED 像はstreak状であり、バッファ層は平坦であることが判る。次に、基板温度を800 ℃としてAlN バッファ層の上にrf-MBEにより膜厚600nm のGaN 膜を成膜した。
【００２７】
GaN 薄膜のＸ線のロッキングカーブの半値幅は26arcminであり、清浄面に同一条件で成膜したGaN 薄膜の半値幅33arcminより狭くなり、結晶性が向上していることが判った。
実施例８
この実施例では、窒化防止層は特になく、AlN バッファ層の成長条件によって平坦なバッファ層を得た。
【００２８】
清浄なSi(111) 表面上に、基板温度を800 ℃として、III/V 流束比が0.3 となるようにAl流束と窒素ラジカル流束を調整して、膜厚20nmのAlN バッファ層をrf-MBEにより成膜した。
AlN バッファ層のRHEED 像はstreak状であり、平坦なバッファ層が得られたことがわかる。
【００２９】
AlN バッファ層の上に、引き続きrf-MBEにより厚さ600nm のGaN 膜を成膜した。このときのIII/V 流束比は通常のIII 族窒化物半導体薄膜の成膜条件通り0.1 とした。
GaN 薄膜のＸ線のロッキングカーブの半値幅は22arcminであり、清浄面に同一条件で成膜したGaN 薄膜の半値幅35arcminより狭くなり、結晶性が向上していることが判った。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、シリコン基板上に分子線エピタキシャルによりAlx Gay In1-x-y N (0≦x,y ≦1 かつ 0≦x+y ≦1)からなるIII 族窒化物半導体薄膜を成膜するIII 族窒化物半導体薄膜の製造方法において、前記シリコン基板に基板シリコンの窒化を防止する窒化防止層を形成した後、前記III 族窒化物半導体薄膜を成膜するようにしたため、窒化防止層は清浄なシリコン基板表面へのアモルファス状の窒化ケイ素形成を抑制し、良質のバッファ層の形成ができる。その結果、結晶性の良いAlGaInN 薄膜が製造できることが可能になった。
【００３１】
また、上記の窒化防止層を形成した後に成膜されたIII 族窒化物半導体薄膜の結晶性は良好であり、これら薄膜を用いた発光素子を始めとするIII 族窒化物半導体装置の特性は優れている。
また、前記シリコン基板にIII/V 流束比が0.25ないし2.0 以下で形成されたAlN またはGaN からなるバッファー層を成膜した後、前記III 族窒化物半導体薄膜を成膜するようにしたため、シリコン表面の窒化が抑制され、バッファ層自体も良質な結晶であり、以降のAlGaInN 薄膜は結晶性が良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る水素終端化層上のAlN 膜のRHEED 像を示し、GaN 膜を成膜直前のAlN 膜の結晶構造の写真
【図２】従来の清浄なSi(111) 面に成膜されたAlN バッファ層の高速反射電子線回折(RHEED) 像を示し、（ａ）は成長初期段階の厚さが約0.5nm のときの結晶構造の写真であり、（ｂ）は成長終了後で厚さが約20nmのときの結晶構造の写真
【図１】
0003707211.tif 000002
【図２】
0003707211.tif 000003