(57)【要約】分子線エピタキシによってＡｌＧａＮ半導体層構造を成長させる方法は、アンモニアとガリウムとアルミニウムとを成長チャンバに供給し、これにより、成長チャンバ内に配置された基板上に、ＭＢＥによって、第１の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層を成長させるステップを包含する。第１の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層は、ゼロではないアルミニウムモル分率を有する。成長ステップの間、アンモニアは、少なくとも１×１０−４ｍｂａｒのビーム平衡圧で供給され、ガリウムは、少なくとも１×１０−８ｍｂａｒのビーム平衡圧で供給され、アルミニウムは、少なくとも１×１０−８ｍｂａｒのビーム平衡圧で供給される。
2005536883.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＡｌＧａＮ半導体層構造を成長させる方法であって、前記方法は、
アンモニアとガリウムとアルミニウムとを成長チャンバに供給し、これにより、前記成長チャンバ内に配置された基板上に、ＭＢＥによって、ゼロではないアルミニウムモル分率を有する第１の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層を成長させるステップ（ａ）であって、アンモニアは、少なくとも１×１０−４ｍｂａｒのビーム平衡圧で供給され、ガリウムは、少なくとも１×１０−８ｍｂａｒのビーム平衡圧で供給され、アルミニウムは、少なくとも１×１０−８ｍｂａｒのビーム平衡圧で供給される、ステップを包含する、方法。
【請求項２】
アンモニアは、１×１０−４ｍｂａｒ〜２×１０−２ｍｂａｒの範囲のビーム平衡圧で供給される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記基板温度は、８５０℃〜１０５０℃の範囲内である、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
ガリウムは、１×１０−８ｍｂａｒ〜１×１０−４ｍｂａｒの範囲のビーム平衡圧で供給される、請求項１〜３に記載の方法。
【請求項５】
アルミニウムは、１×１０−８ｍｂａｒ〜１×１０−４ｍｂａｒの範囲のビーム平衡圧で供給される、請求項１〜４に記載の方法。
【請求項６】
アルミニウムは、１×１０−８ｍｂａｒ〜２×１０−７ｍｂａｒの範囲のビーム平衡圧で供給される、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記ガリウムおよび／またはアルミニウムの供給レートを変更し、これにより、前記第１の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層上に、ＭＢＥによって、第２の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層を成長させるステップ（ｂ）であって、前記第２の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層は、前記第１の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層とは異なったアルミニウムモル分率を有する、ステップ（ｂ）をさらに包含する、請求項１〜６の１つに記載の方法。
【請求項８】
前記ステップ（ｂ）は、前記アルミニウムの供給レートをゼロに低減し、これにより、前記第２の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層がＧａＮ層になるステップを包含する、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記ガリウムおよび／またはアルミニウムの供給レートを変更し、これにより、前記第２の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層上に、ＭＢＥによって、第３の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層を成長させるステップ（ｃ）であって、前記第３の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層は、前記第２の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層とは異なったアルミニウムモル分率を有する、ステップ（ｃ）をさらに包含する、請求項１〜７の１つに記載の方法。
【請求項１０】
前記第３の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層は、前記第１の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層と実質的に同じアルミニウムモル分率を有する、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記基板は、（Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ層を備える、請求項１〜１０の１つに記載の方法。
【請求項１２】
前記基板は、ＩｎＧａＮ基板である、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記基板は、ＧａＮ基板である、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記基板は、ベース基板上に配置される（Ｉｎ、Ｇａ）Ｎエピタキシャル層を備える、請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
ステップ（ａ）、ステップ）（ｂ）、ステップ（ｃ）の少なくとも１つの間、ドーパントを供給するさらなるステップを包含する、請求項１〜１４の１つに記載の方法。
【請求項１６】
前記第１の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層は、０．０１よりも大きいアルミニウムモル分率を有する、請求項１〜１５の１つに記載の方法。
【請求項１７】
前記第１の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層は、０．２よりも小さいアルミニウムモル分率を有する、請求項１〜１６の１つに記載の方法。
【請求項１８】
請求項１〜１７の１つに記載の方法によって成長させられる（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層。
【請求項１９】
請求項７〜１０の１つに記載の方法によって成長させられる（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ多層構造。
【請求項２０】
請求項１８に記載の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層を備える、光電子デバイス。
【請求項２１】
請求項１９に記載の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ多層構造を備える、光電子デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（技術分野）
本発明は、ＡｌＧａＮ層をエピタキシャル成長させる分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法に関する。本発明は、例えば、１つ以上のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）層を備える、量子井戸構造（単数または複数）等の半導体層構造のエピタキシャル成長に応用され得る。この層構造は、半導体発光デバイスに組み込まれ得る。
【背景技術】
【０００２】
（背景技術）
「ＡｌＧａＮ」という用語は、ゼロではないが１よりも小さいアルミニウムモル分率ｘを有するＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）材料系の構成要素を示すために用いられる。ｘ＝０およびｘ＝１を含む材料系全体は、本明細書中で、便宜的に「（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ」と呼ばれる。
【０００３】
同様に、「ＩｎＧａＮ」という用語は、ゼロではないが１よりも小さいアルミニウムモル分率ｙを有するＩｎｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）材料系の構成要素を示すために用いられる。ｙ＝０およびｙ＝１を含む材料系全体は、本明細書中で、便宜的に「（Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ」と呼ばれる。
【０００４】
ＩＩＩ族の窒化物半導体材料の基板へのエピタキシャル成長は、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）によって、または、気相エピタキシ（ＶＰＥ）としても知られる化学気相成長（ＣＶＤ）によって行われ得る。
【０００５】
ＣＶＤ／ＶＰＥは、一般に、大気圧の装置内で行われるが、通常、約１０ｋＰａのわずかに減圧された装置内で行われることもある。アンモニア、およびエピタキシャル成長において用いられるべき１つ以上のＩＩＩ族元素を提供する種が、エピタキシャル成長が生じるべき基板の表面と実質的に並行して供給され、これにより、その基板表面に隣接して、および、基板表面全体にわたって流れる境界層が形成される。この気体境界層において、エピタキシによって堆積されるべき窒素および他の元素を形成するための分解が行われ、これにより、気相平衡によってエピタキシャル成長が生じる。
【０００６】
ＣＶＤ／ＶＰＥとは異なり、ＭＢＥは高真空環境で行われる。（Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ系に適用されるＭＢＥの場合、通常、約１×１０−３Ｐａの超高真空（ＵＨＶ）環境が用いられる。窒素前駆体は供給管を用いてＭＢＥチャンバに供給され、ガリウムおよび／またはインジウムを提供する種、および、所望に応じた適切なドーパント種は、エピタキシャル成長期間中にＭＢＥチャンバの中に供給される種の量を制御する制御可能なシャッタを装備する加熱されたエフュージョンセル内の適切なソースから供給される。エフュージョンセルからのシャッタ制御排出口および窒素供給管は、エピタキシャル成長が行われるべき基板の表面に面している。エフュージョンセルから供給された窒素前駆体および種は、ＭＢＥチャンバにわたって移動し、基板に達すると、ここで、堆積力学によって行われる態様で、エピタキシャル成長が行われる。
【０００７】
現在、高品質の窒化物半導体層の成長の大多数は、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）プロセスを用いて行われている。ＭＯＶＰＥプロセスは、１０００：１をはるかに超えるＶ／ＩＩＩ比で成長を行うことを可能にする。Ｖ／ＩＩＩ比は、成長プロセスの間のＩＩＩ族元素に対するＶ族元素のモル比である。高Ｖ／ＩＩＩ比が好ましい。なぜなら、これにより、より高い基板温度が用いられることが可能になり、従って、より高品質の半導体層がもたらされるからである。
【０００８】
現在、ＭＢＥによる高品質の窒化物半導体層の成長は、ＭＯＶＰＥによってこのような層を成長させるよりも困難である。最も困難なのは、成長プロセスの間に十分な窒素を供給することであり、窒化物半導体層のＭＢＥ成長の間に１０：１以上のＶ／ＩＩＩ比を得ることは困難である。窒化物層のＭＢＥ成長において一般的に用いられる２つの窒素源は、プラズマ励起分子窒素またはアンモニアである。
【０００９】
例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）またはレーザダイオードといった発光デバイス等の複数の電子または光電子デバイスは、（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層または（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層構造（ヘテロ構造）を組み込む。従って、（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層の成長は、産業上、非常に重要である。
【００１０】
（従来技術の確認）
Ｓｐｒｉｎｇｅｒから出版されたＳ．Ｎａｋａｍｕｒａによる「Ｔｈｅ  Ｂｌｕｅ  Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ」を含む、有機金属ＶＰＥによるＡｌＧａＮ層およびＡｌＧａＮへテロ構造の成長に関する報告がある。ＭＯＶＰＥにより成長させられたＡｌＧａＮ層および層構造は、ＬＥＤおよびレーザダイオードに組み込まれる。
【００１１】
Ｍ．Ｊ．Ｍｕｒｐｈｙらは、「ＭＲＳ  Ｉｎｔｅｒｎｅｔ  Ｊ．Ｎｉｔｒｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ」（４Ｓ１、Ｇ８．４（１９９９年））において、分子線エピタキシによるＡｌＧａＮ層の成長を報告した。この従来技術は、電界効果トランジスタ等の電子デバイスの可能性を示す結果をもたらすが、ＡｌＧａＮ層構造の成長と関係がない。
【００１２】
Ｎ．ＧｒａｎｄｊｅａｎおよびＪ．Ｍａｓｓｉｅｓは、「Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．」Ｖｏｌ．７１、１８１６ページ（１９９７年）に、ならびにＮ．Ｇｒａｎｄｊｅａｎらは「Ｓｅｍｉｃ．Ｓｃｉ．＆Ｔｅｃｈｎ．」Ｖｏｌ．１６、３５８ページ（２００１年）に、窒素前駆体としてアンモニアを用いるＭＢＥによるＡｌＧａＮ層の成長を報告している。これらの報告は、約８００℃の成長温度と３〜５のＶ／ＩＩＩ比を用いる。これらの報告において取得されたＶ／ＩＩＩ比は、ＭＯＣＶＤ成長によって取得可能なＶ／ＩＩＩ比よりもはるかに低い。
【００１３】
Ｋ．Ｎｏｚａｗａらは、「Ｊ．Ｃｒｙｓｔ．Ｇｒｏｗｔｈ」Ｖｏｌ．１８９、１１４ページ（１９９８年）に、窒素源としてＲＦプラズマを用いるＭＢＥによるＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子の成長を報告する。この成長は、７６０℃の比較的低い温度で実行される。
【００１４】
Ｊ．Ｗ．Ｋｉｍらは、「Ｊ．Ｃｒｙｓｔ．Ｇｒｏｗｔｈ」Ｖｏｌ．２０８、３７ページ（２０００年）に、プラズマにより誘導されるＭＢＥによるサファイア基板上のＡｌＧａＮエピ層の成長を報告する。この成長法は、約８００℃の温度で実行される。この方法は、窒素前駆体としてアンモニアではなく窒素プラズマを用いるので、比較的低いＶ／ＩＩＩ比を有する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
半導体層のＭＢＥ成長に関する他の複数の報告がある。例えば、ＧＢ−Ａ−２３６３５１８号は、ＭＢＥによりＧａＮ層を成長させる方法を開示し、ＧＢ−Ａ−２３５０８４２号は、炭素ドープＧａＮのＭＢＥ成長の方法を開示し、ＧＢ−Ａ−２３３１３０７号は、ＧａＮバッファ層のＭＢＥ成長の方法を開示し、ＥＰ−Ａ−１０６１５６４号は、ＧａＮまたはＡｌＧａＮバッファ層のＭＢＥ成長の方法を開示し、ＥＰ−Ａ−０６０７４３５号は、ＧａＡｌＮ層構造のＭＢＥ成長の方法を開示し、ＪＰ−Ａ−５９５７９９７号は、ＡｌＮ層上のＧａＮ層の成長を開示する。しかしながら、これらの文献は、ＡｌＧａＮの成長を扱わない。
【００１６】
Ｊｐ−Ａ−６１１８１８４号は、ＡｌＧａＮ単結晶薄膜のＭＢＥ成長を開示するが、用いられる成長条件に関する詳細を提供しない。
【００１７】
ＧＢ−Ａ−２３７２６３２号およびＥＰ−Ａ−１２３５２５６号は、ＭＢＥによるＩｎＧａＮ層を成長させる方法を開示する。しかしながら、これらの文献は、ＡｌＧａＮの成長を特に扱わない。さらに、これらの文献は、この出願の優先日が過ぎるまで公表されなかった。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
（発明の開示）
本発明は、ＡｌＧａＮ半導体層構造を成長させる方法を提供し、本発明は、アンモニアとガリウムとアルミニウムとを成長チャンバに供給、これにより、成長チャンバ内に配置された基板上に、ＭＢＥによって、ゼロでないアルミニウムモル分率を有する第１の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層を成長させるステップ（ａ）であって、ここで、アンモニアは、少なくとも１×１０−４ｍｂａｒのビーム平衡圧（すなわち、ｂ．ｅ．ｐ）で供給され、ガリウムは、少なくとも１×１０−８ｍｂａｒのビーム平衡圧で供給され、アルミニウムは、少なくとも１×１０−８ｍｂａｒのビーム平衡圧で供給されるステップ（ａ）を包含してもよい。
【００１９】
アンモニアは、１×１０−４ｍｂａｒ〜２×１０−２ｍｂａｒの範囲のビーム平衡圧で供給されてもよい。
【００２０】
基板温度は、８５０℃〜１０５０℃の範囲内であってもよい。
【００２１】
ガリウムは、１×１０−８ｍｂａｒ〜１×１０−４ｍｂａｒの範囲のビーム平衡圧で供給されてもよい。アルミニウムは、１×１０−８ｍｂａｒ〜１×１０−４ｍｂａｒの範囲のビーム平衡圧で、より好ましくは、１×１０−８ｍｂａｒ〜２×１０−７ｍｂａｒの範囲のビーム平衡圧で供給されてもよい。
【００２２】
本方法は、ガリウムおよび／またはアルミニウムの供給レートを変更し、これにより、第１の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層上に、ＭＢＥによって、第２の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層を成長させるさらなるステップ（ｂ）であって、第１の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層とは異なったアルミニウムモル分率を有する第２の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層を有するステップ（ｂ）を包含してもよい。
【００２３】
ステップ（ｂ）は、アルミニウムの供給レートをゼロに低減し、これにより、第２の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層がＧａＮ層になるステップを包含してもよい。
【００２４】
本方法は、（ｃ）ガリウムおよび／またはアルミニウムの供給レートを変更し、これにより、第２の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層上に、ＭＢＥによって、第３の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層を成長させるさらなるステップであって、第３の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層は、第２の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層とは異なったアルミニウムモル分率を有する、ステップを包含してもよい。
【００２５】
第３（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層は、第１の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層と実質的に同じアルミニウムモル分率を有してもよい。
【００２６】
基板は、（Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ層を備えてもよい。この基板は、ＩｎＧａＮ基板であってもよいし、ＧａＮ基板であってもよい。この基板は、ベース基板上に配置される（Ｉｎ、Ｇａ）Ｎエピタキシャル層を備えてもよい。
【００２７】
本方法は、ステップ（ａ）、ステップ（ｂ）、またはステップ（ｃ）の少なくとも１つの間、ドーパントを供給するさらなるステップを包含してもよい。
【００２８】
第１の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層は、０．０１よりも大きいアルミニウムモル分率を有してもよい。この層は、０．２よりも小さいアルミニウムモル分率を有してもよい。
【００２９】
本発明の第２の局面は、上述の方法によって成長した（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層を提供する。
【００３０】
本発明の第３の局面は、上述の方法によって成長した（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ多層構造を提供する。
【００３１】
本発明の第４の局面は、上述の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層を備える光電子デバイスを提供する。
【００３２】
本発明の第５の局面は、上述の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ多層構造を備える光電子デバイスを提供する。
【００３３】
（図面の簡単な説明）
本発明の好ましい実施形態は、ここで、添付の図を参照して例示的に説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
（発明を実施するための最良の形態）
図１は、半導体構造１の模式図である。このような構造は、例えば、発光ダイオード（「ＬＥＤ」）またはレーザダイオード等の発光デバイスといった光電子デバイスに用いられ得る。基板は、ＧａＮまたはＩｎＧａＮのバルク基板であり得る。基板は、代替的に、例えば、サファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＺｎＯ、ＭｇＯまたはＧａＮ等のベース基板上に配置されたＧａＮまたはＩｎＧａＮのエピタキシャル層から構成され得る。
【００３５】
図１の半導体構造は、半導体多層構造３をさらに備える。多層構造３は、少なくとも２つの異なったアルミニウムモル分率を有する複数の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層からなる。４つの（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層は図１に示されるが、多層構造は、４つ以下または以上の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層から構成され得る。図１に示される構造では、多層構造３の第１の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層４は、ＡｌＧａＮ層（すなわち、これはゼロではないアルミニウムモル分率を有する）である。第２の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層５は、ゼロのアルミニウムモル分率を有し、従って、ＧａＮ層である。第３の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層６は、好ましくは、第１の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層４と同じアルミニウムモル分率を有するさらなるＡｌＧａＮ層である。最後に、第４の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層７は、さらなるＧａＮ層である。従って、多層構造３は、量子井戸を備え、かつ、代替的に複数の量子井戸構造として知られる。
【００３６】
実用的なデバイスは、例えば、キャッピング層およびコンタクト層等の他の層を十分に備え得るが、明瞭にするために、これらの層は、図１に示される構造から省略されている。これらの他の層は、基板２の下面上、基板２と多層構造３との間、または多層構造３上に提供され得る。
【００３７】
図１に示される半導体構造１の多層構造は、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層が交互に構成され、従って、「ＡｌＧａｎ／ＧａＮ多層構造」と呼ばれる。あるいは、多層構造は、異なっているが、同様にゼロではないアルミニウムモル分率を有するＡｌＧａＮ層と交互になった、ゼロではないアルミニウムモル分率を有するＡｌＧａＮ層から構成され得、これは、単に「ＡｌＧａＮ多層構造」と呼ばれる。
【００３８】
（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層４〜７の選択された層は、固有の導電性を有するように適切な不純物を用いてドーピングされ得る。適切なｎ型ドーパントの一例はＳｉであり、適切なｐ型ドーパントの一例はＭｇであるが、他のドーパントを用いてもよい。
【００３９】
図２は、半導体層構造の成長に、この例では、図１に示される一般的構造を有するデバイスの成長に応用される本発明の成長法を示す。本発明は、成長プロセスのための窒素源としてアンモニアを用いるＭＢＥ成長法を提供する。
【００４０】
本発明によると、（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層４〜７は、窒素前駆体としてアンモニアを用いるＭＢＥにより基板上に成長させられる。第１の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層４の成長は、図２におけるステップ９である。ステップ９のガリウムの供給レートおよびアルミニウムの供給レートが選択され、これにより、第１の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層４は、所望のアルミニウムモル分率を有する。複数の層構造において、第１の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層４の所望のアルミニウムモル分率は、０．０１よりも大きく、および／または、０．２よりも小さい。一旦第１の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層４が成長すると、ガリウムの供給レートおよび／またはアルミニウムの供給レート（単数または複数）が変更され、第２の層を第１の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎモル分率とは異なったアルミニウムモル分率で成長させることが可能になる。例えば、第２の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層５をＧａＮ層にすることを目的とする場合、一旦第１の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層４が所望の厚さに成長すると、アルミニウムの供給は停止される。第２の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層５の成長は、図２におけるステップ１０である。
【００４１】
一旦第２の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層５が所望の厚さに成長すると、ガリウムの供給レートおよび／またはアルミニウムの供給レート（単数または複数）が変更され、第３の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層６を第１の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層４と同じアルミニウムモル分率で成長させることが可能になる。第２の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層６の成長は、図２におけるステップ１１である。同様に、一旦第３の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層６が所望の厚さに成長すると、ガリウムの供給レートおよび／またはアルミニウムの供給レートが変更され、第４の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層７を第２の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層５と同じアルミニウムモル分率で成長させることが可能になる。第４の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層７の成長は、図２におけるステップ１２である。
【００４２】
成長チャンバへのアンモニアの供給は、ステップ９〜ステップ１２の間、継続的に維持される。アンモニアの流量は、実質的に一定に維持されることが好ましく、かつ、連続するステップ間、または１つのステップ内で意図的に変更されないことが好ましい。
【００４３】
ここで、図２の成長法全体が説明される。
【００４４】
最初に、適切な基板２は、従来の態様で準備および洗浄され、その後、適切なＭＢＥ装置の成長チャンバに導入される。上述のように、基板２は（Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ層を備え得る。例えば、この基板は、ＧａＮまたはＩｎＧａＮのバルク基板であり得るか、または、例えば、サファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＺｎＯ、ＭｇＯまたはＧａＮ等のベース基板上に配置されるＧａＮまたはＩｎＧａＮのエピタキシャル層から構成され得る。
【００４５】
ステップ８ａにおいて、基板は、所定の成長温度ＴＧに加熱される。本発明によると、この基板温度は、８５０℃よりも高いことが好ましく、１０５０℃よりも低いことがさらに好ましい。
【００４６】
ＧａＮは、約８００度以上の温度に加熱された場合に分解する傾向がある。この分解は、ＧａＮの表面に窒素ガスまたはアンモニアガスの過圧を供給することによって防止され得る。従って、基板１がＧａＮ基板であるか、または、ベース基板上に配置されたＧａＮのエピタキシャル層である場合、基板の熱分解を防止するために、基板を所望の温度に加熱するステップ８ａの間、成長チャンバにアンモニアガスを供給ことが好ましい。次の成長ステップが窒素前駆体としてアンモニアを用いて実行される場合、これは、ステップ８ａの間、窒素ガスではなくアンモニアガスが成長チャンバに供給される場合に好ましい。原則として、アンモニアガスは、実質的に８００℃よりも低い基板温度で供給される必要はないが、加熱ステップの全継続時間にわたってアンモニアガスを供給するほうが都合がよい。
【００４７】
ステップ８ａにおいて、基板の温度を所望の成長温度ＴＧに上昇させるレートは、基板において不均一な温度分布が生じるほど大きくなるべきでない。なぜなら、これは、基板において熱応力を引き起こすからである。毎分１０〜１２０℃の範囲の温度上昇率が適切であることが見出されている。
【００４８】
一旦基板が所望の基板温度に達すると（これは、第１の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層４の成長のために望ましい基板温度である）、基板は、３０分までの間、この温度で維持され、基板をベークし、これにより、基板から異物を除去することが好ましい。これは、図２のステップ８ｂである。成長チャンバへのアンモニアガスの供給は、ステップ８ｂを通じて維持され、実際、一旦開始すると、成長チャンバへのアンモニアガスの供給は、デバイス１の層の成長全体にわたって継続的に維持される。
【００４９】
ベーキングステップの終了時（または、ベーキングステップがない場合、一旦基板２の温度が所望の基板温度ＴＧに達すると）、成長チャンバへのガリウムの供給が開始される。これは、図２における時間ｔ１で生じる。第１の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層４がゼロではないアルミニウムモル分率を有することが所望される場合、成長チャンバへのアルミニウムの供給が時間ｔ１でさらに開始される。従って、ガリウムおよび窒素、ならびにアルミニウムは、ここで、成長チャンバに供給され、その結果、第１の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層４は、ここで、図２におけるステップ９として示され、このステップは、層４が所望の厚さに達するために必要とされる時間の間、維持される。
【００５０】
第１の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層４が所望の厚さに成長するために必要とされる時間に対応する成長期間の後、ガリウムの供給レートおよび／またはアルミニウムの供給レートが変更され、第２の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層５を第１の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎモル分率とは異なったアルミニウムモル分率で成長させることが可能になる。これは、図２における時間ｔ２で生じる。例えば、第２の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層５がＧａＮ層であることが所望される場合、アルミニウムの供給が、時間ｔ２で停止される。第２の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層５の成長は、図２におけるステップ１０である。上述のように、アンモニアの供給レートは、好ましくは、連続する成長ステップ間で変更されないが、全成長プロセスにわたって一定のレートで維持される。
【００５１】
同様に、第２の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層５を所望の厚さに成長させるために必要とされる時間に対応する成長期間の後、ガリウムの供給レートおよび／またはアルミニウムの供給レートが変更され、第３の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層６の成長が可能になる。これは、図２における時間ｔ３で生じる。
【００５２】
例えば、第３の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層６が第１の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層４と同じ（ゼロではない）アルミニウムモル分率を有することが所望される場合、ｔ３で選択されたガリウムおよびアルミニウムの供給レートは、ｔ１で選択されたガリウムおよびアルミニウムの供給レートと同じである。第３の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層６の成長は、図２におけるステップ１１である。
【００５３】
同様に、第３の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層６が所望の厚さに成長するために必要とされる時間に対応する成長期間の後、ガリウムの供給レートおよび／またはアルミニウムの供給レート（単数または複数）が再び変更され、第４の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層７の成長が可能になる。これは、図２における時間ｔ４で生じる。例えば、第４の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層７がＧａＮ層であることが所望される場合、アルミニウムの供給は、時間ｔ４で停止される。第４の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層７の成長は、図２におけるステップ１２である。
【００５４】
ガリウムフラックスは、（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層構造３の成長の継続時間全体にわたって、実質的に一定の値を保持することが好ましく、成長させる特定の層の組成は、アルミニウムフラックスを変更することによって選択される。この実施形態では、アルミニウムフラックスは、単にプリセット値（「オン」）とゼロ（「オフ」）との間で変更され得、これにより、ＡｌＧａｎ層およびＧａＮ層が交互になったシーケンスが成長する。あるいは、アルミニウムフラックスが、単に第１のゼロでない値と、第２のゼロでない異なった値との間で変更され得、これにより、低アルミニウム濃度のＡｌＧａＮ層および高アルミニウム濃度のＡｌＧａＮ層が交互になったシーケンスが成長する。
【００５５】
図１の説明において述べられたように、多層構造３は、４つよりも多い（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層を備え得る。この場合、ステップ１１およびステップ１２は、所望の層構造を成長させるために必要なだけ繰り返される。
【００５６】
図２の実施形態では、基板温度は、多層構造３の成長の間、好ましくは、意図的に変更されず、これにより、（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層４〜７は、同じ公称基板温度ＴＧで成長する。（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層を同じ公称基板温度で成長させることによって、ある（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層の成長と次の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層の成長との間で基板を加熱または冷却する成長プロセスを中断する必要がなくなる。
【００５７】
最後の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層が所望の厚さに成長するために必要とされる時間に対応する成長期間の後、成長チャンバへのガリウム、および、最後の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層がＡｌＧａＮ層である場合はアルミニウムの供給が停止される。これは、図２における時間ｔ５で生じる。図１に示される構造１は、ここで、完了する。
【００５８】
最後に、ステップ１３において、基板が成長温度ＴＧから室温に冷却される。最初の加熱ステップに関して、基板温度の変動レートが、基板において不均一な熱分布が生じ得るほど大きくなるべきでない。ここでも毎分１０〜１２０℃の温度上昇率が適切である。
【００５９】
成長チャンバへのアンモニアの供給は、基板温度が実質的に８００℃より低くなるまで維持され、最後に成長した（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層の熱分解を防止することが好ましい。成長チャンバへのアンモニアの供給は、便宜上、冷却ステップ１３の継続時間全体にわたって維持され得る。
【００６０】
上述のように、実際の電子または光電子デバイスは、さらなる層を備え得る。多層構造３上にさらなる層を成長させることが所望される場合、これらの層は、ステップ１２の後であるが、冷却ステップ１３の前に成長させられる（必要に応じて、基板温度は、これらの層の成長のための新規の値に変更される）。多層構造３の成長の前に、１つ以上のさらなる層を基板２上に成長させることを所望する場合、このような層（単数または複数）は、ベーキングステップ８ｂの後（または、ベーキングステップがない場合、加熱ステップ８ａの後）であるが、多層構造の第１の層を成長させるステップ９の前（必要に応じて、基板温度は、さらなる層の成長の後、第１の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層４の成長の前に新規の値に変更される）に成長させられる。
【００６１】
アンモニアガスは、ステップ９〜１２の間、成長チャンバに継続的に供給される。さらに、アンモニアは、最初の加熱段階８ａ、ベーキングステップ８ｂ（存在する場合）、および、基板温度が８００℃をはるかに下回るかもしれない場合を除いて、最後の冷却段階１３の間に提供されることが好ましい。成長チャンバに供給される元素金属に対するアンモニアの比率は、１０：１〜５０００：１の範囲であることが好ましい。この高Ｖ／ＩＩＩ比は、ＧａＮおよびＡｌＧａＮ層を従来のＭＢＥ成長法で用いられたものよりもはるかに高い温度でのＭＢＥによって成長させることを可能にし、その結果、材料品質が改善される。
【００６２】
アンモニアガスのビーム平衡圧は、少なくとも１×１０−４ｍｂａｒであることが好ましく、特に、１×１０−４〜２×１０−２ｍｂａｒの範囲であることが好ましい。（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層を成長させるステップ９〜１２において、元素ガリウムのビーム平衡圧は、少なくとも１×１０−８ｍｂａｒであることが好ましく、特に、１×１０−８〜１×１０−４ｍｂａｒの範囲内であることが好ましい。アルミニウムが供給させるステップの場合、アルミニウムのビーム平衡圧は、少なくとも１×１０−８ｍｂａｒであることが好ましく、１×１０−８〜１×１０−４ｍｂａｒの範囲内であることがより好ましい。
【００６３】
（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層の成長レートは、主に、ガリウムのｂ．ｅ．ｐ．によって決定される。上述のガリウムのｂ．ｅ．ｐ．の値は、許容可能な成長レートを与える。特に、１×１０−８ｍｂａｒよりも低いガリウムのｂ．ｅ．ｐ．の使用は、許容可能な成長レートまたは良好な材料品質を提供し得ない。
【００６４】
所与のガリウムｂ．ｅ．ｐ．の場合、アルミニウムのｂ．ｅ．ｐ．は、（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層のアルミニウム濃度を決定する。
【００６５】
所与のガリウムｂ．ｅ．ｐ．、および、（ＡｌＧａＮ層の場合）所与のアルミニウムｂ．ｅ．ｐ．については、アンモニアｂ．ｅ．ｐ．は、Ｖ／ＩＩＩ比を決定する。上述のように、Ｖ／ＩＩＩ比が高い状態で保持され、良好な材料品質を保証する。所望のアルミニウム濃度を有する（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層が所望の成長レートで成長させられるべき場合、ガリウムのｂ．ｅ．ｐ．またはアルミニウムのｂ．ｅ．ｐ．を著しく変更することは不可能である。なぜなら、これらは、大抵、成長レートおよび所望のアルミニウム濃度によって決定されるからである。従って、アンモニアのｂ．ｅ．ｐ．は、高Ｖ／ＩＩＩ比を維持するように調整される。
【００６６】
コンポーネントの供給レートは、成長チャンバ内のガス圧がＭＢＥ成長のために過度な高さであるほど高くなるべきでない。
【００６７】
上述の実施形態では、（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層は、意図的にドーピングされなかった。特定の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層が、意図的にドーピングされ、層に固有の導電性を提供することが所望され得る場合、これは、その層の成長の間、反応チャンバに適切なドーパントを供給することによって行われ得る。例えば、第１の（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層４がｎ型ドープされた層であることが所望される場合、成長チャンバへのシリコン等の適切なｎ型ドーパントの供給は、時間ｔ１で開始され、かつ、時間ｔ２で終了される。
【００６８】
図３は、本発明による方法で、ＧａＮテンプレート基板上に成長した０．８μｍ厚さのＡｌＧａＮ層の１０Ｋで得られたフォトルミネセンススペクトルを示す。３３０．７ｎｍでのＡｌＧａＮのピーク発光が、スペクトルにおいて目立っている。（基板から）３５５．７ｎｍでのＧａＮの発光ピークは、スペクトルにおいて、さらにはっきりと見え得る。
【００６９】
本発明は、特に、４つの（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層を備える図１の多層構造の成長に関して記載されてきた。本発明は、このような構造の成長に限定されないが、２つまたは３つの（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層を有するか、または、ただ１つの（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層を有する構造の成長に応用され得る。本発明は、４つよりも多い（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層を有する構造の成長にも応用され得る。
【００７０】
図４は、本発明による方法で成長した１０周期の（ＡｌＧａＮ／ＧａＮ）へテロ構造の（０００２）Ｘ線回折スペクトルを示す。（「１０周期」のへテロ構造は、１０個のＡｌＧａＮ／ＧａＮ層の対を備える。）スペクトルにおける主な特徴は、ＧａＮピークである。スペクトルには、強力な周辺ピークも存在し、これらの存在は、構造に良好な周期性があることを示す。ＧａＮピークの位置の近傍に見え得る細かいフリンジは、構造全体の高結晶品質を示す。
【００７１】
本発明は、成長プロセスの間、１０：１よりも大きいＶ／ＩＩＩ比を達成し得、かつ、好ましくは、成長プロセスの間、５００：１よりも大きいＶ／ＩＩＩ比を達成し得るＭＢＥ成長装置を必要とする。本発明の成長プロセスの間に高Ｖ／ＩＩＩ比を用いることによって、（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ窒化物半導体層を従来技術のＭＢＥ法で用いるものよりもかなり高い温度で成長させることが可能になる。これにより、材料品質が改善される。本発明のＭＢＥ成長プロセスは、従来のＭＯＶＰＥプロセスが必要とするよりも、少なくとも１０００倍少ないアンモニアガスしか必要としない。
【００７２】
このような高Ｖ／ＩＩＩ比は、例えば、アンモニアガスが、放出口の端部が可能な限り基板の近くに配置される導管を通って成長チャンバに導入され、そして、基板からの放射熱が供給管の放出口の過度な局所加熱を引き起こさないＭＢＥ成長装置で達成され得る。元素ガリウムおよび元素インジウムは、従来のエフュージョンセルを用いて成長チャンバに導入され得る。エピタキシャル成長材料内に必要に応じて取り入れる、アルミニウムおよび／または元素ドーパントを供給するために、さらなるエフュージョンセルが用いられ得る。
【００７３】
図５は、本発明の方法による、分子線エピタキシによる窒化物半導体材料の成長のために適切な装置の模式図である。この装置は、基板Ｓを支持および加熱するように構成された加熱サポート１５が配置された成長チャンバ１４を備える。成長チャンバ１４は、成長チャンバ１４の中に伸びる排気管１７を介して超高真空ポンプ１６と接続される。排気管１７の内端部は、成長チャンバ１４の真空ポンプの排気口１８を規定する。真空ポンプの排気口１８は、基板サポート１５の近傍に配置される。
【００７４】
成長チャンバ１４は、成長チャンバの中に伸びる第１の供給管１９をさらに備え、これにより、第１の供給管１９の排出口２０は、エピタキシャル成長が生じるべき基板Ｓの表面の近傍にあり、かつ、これに面する。第１の供給管１９は、チャンバに対して調節可能に取り付けられ得、これにより、第１の供給管１９の排出口２０と基板Ｓのエピタキシャル成長面との間の比較的小さい距離がエピタキシャル成長プロセスの間に変更され得る。第１の供給管１９の縦軸は、エピタキシャル成長の平面に対して実質的に垂直である。
【００７５】
第１の供給管１９は、エピタキシャル成長プロセスにおいて必要とされる窒素の前駆体であるアンモニアを供給するために用いられる。第１の供給管１９の排出口２０は、基板Ｓの比較的近くに配置されるので、成長チャンバ１４内の超高真空環境がポンプ１６によって達成されることが依然として可能である一方で、比較的高いアンモニア蒸気圧がエピタキシャル成長材料の表面に与えられる。高いアンモニア蒸気圧により、成長プロセスの間に高Ｖ／ＩＩＩ比が実現されることが可能になる。
【００７６】
この装置は、元素ガリウムおよびアルミニウムの、およびエピタキシャル成長プロセスのためのソースを備える個別に動作可能なシャッタ制御エフュージョンセル２１、２２（このような２つのセルは図５に示される）をさらに備える。エフュージョンセル２１および２２は、従来のように配置され、かつ、第２のさらなる供給管をそれぞれ規定する。例えば、成長プロセスの間にドーパント種を供給するためにさらなるエフュージョンセルが提供され得る。
【００７７】
上述のタイプのＭＢＥ装置は、欧州特許出願第９８３０１８４２．５号に記載され、この内容は、参考のため、本明細書中に援用される。しかしながら、本発明が、欧州特許出願第９８３０１８４２．５／０  ８６４  ６７２号のＭＢＥ装置に限定されず、必要とされるＶ／ＩＩＩ比を提供し得る任意のＭＢＥ成長装置で実行され得ることに留意されたい。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
（産業上の利用可能性）
本発明によると、１つ以上のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）層を備える高品質の半導体層構造は、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）によって成長させられ得る。本発明は、従来のＭＢＥ成長法によって改善された材料品質を達成し、かつ、従来の有機金属気相エピタキシャル成長よりも少なくとも１０００倍少ないアンモニアガスしか必要としない。これらの半導体層構造は、例えば、発光ダイオードおよびレーザダイオードにおいて用いるために適切である。従って、これらの層構造の成長は、産業上、非常に重要である。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】図１は、（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ多層構造を組み込む半導体構造の模式図である。
【図２】図２は、本発明の成長法の基板温度と時間との関係を示す。
【図３】図３は、本発明の方法により成長させられたＡｌＧａＮ層のフォトルミネセンススペクトルを示す。
【図４】図４は、本発明の方法により成長させられたＡｌＧａＮ／ＧａＮ半導体層のＸ線回折スペクトルを示す。
【図５】図５は、本発明の方法を実行するために適切なＭＢＥ成長装置の模式図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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