(57)【要約】【課題】１００００Ω・ｃｍ以上の高抵抗ＧａＮ薄膜を短時間にかつ容易に得られるようにする。【解決手段】アンモニアとトリメチルガリウムを原料としてＭＯＣＶＤ法によりＧａＮ薄膜を成膜する際、有機アルミニウム材料を同伴させて成膜する。有機アルミニウム材料にはトリメチルアルミウム、トリエチルアルミニウム、トリイソブチルアルミニウムが用いられ、トリメチルガリウムの供給量に対して有機アルミニウム材料を、気相モル分率で５％以下として供給する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンモニアとトリメチルガリウムを原料としてＭＯＣＶＤ法によりＧａＮ薄膜を成膜する気相成長方法において、有機アルミニウム材料を同伴させて成膜することにより高抵抗ＧａＮ薄膜を成膜することを特徴とする気相成長方法。
【請求項２】
有機アルミニウム材料がトリメチルアルミウム、トリエチルアルミニウム、トリイソブチルアルミニウムのいずれか１種以上であることを特徴とする請求項１記載の気相成長方法。
【請求項３】
トリメチルガリウムの供給量に対して有機アルミニウム材料を、気相モル分率で５％以下として供給することを特徴とする請求項１または２記載の気相成長方法。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の気相成長方法により得られたＧａＮ薄膜であって、
ＧａＮ薄膜中のガリウムが、モル比で、５％以下のアルミニウムで置換されていることを特徴とする高抵抗ＧａＮ薄膜。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電子デバイスなどの半導体素子を構成する半導体膜として用いられるＧａＮ薄膜、特に比抵抗が１００００Ω・ｃｍ以上である高抵抗ＧａＮ薄膜およびこの薄膜を成膜するための気相成長方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮ等の化合物半導体薄膜は、有機金属及びアンモニアを原料として水素または窒素をキャリアガスとしてフローチャンネルに導入することにより気相成長させることにより得られる。このような薄膜を得る気相成長装置は特開平９−２６０２９１号公報等に開示されている。
【０００３】
通常、発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザーダイオード（ＬＤ）に用いられるＧａＮ薄膜を成長させる場合は、ＳｉやＭｇ等の不純物をドーピングすることによりＧａＮ薄膜に導電性を持たせている。
一方で、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ、Ｈｉｇｈ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｏｂｉｌｉｔｙ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）や電界効果トランジスタ（ＦＥＴ、Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の電子デバイスでは、逆に不純物をドーピングしない高抵抗のＧａＮ薄膜が必要とされている。
ここでいう高抵抗とは薄膜のシート抵抗で１００００Ω・ｃｍ以上のことを言う。
【０００４】
ところが、従来の技術では、Ｍｇなどの不純物をドーピングしない、いわゆるノンドープＧａＮ薄膜でも、原料や成長装置およびその配管内に残留する不純物の影響や成長したＧａＮ薄膜中の格子欠陥等の影響により、高抵抗ＧａＮを得るのは困難であった。
従来、高抵抗ノンドープＧａＮ薄膜は、低温ＧａＮバッファー層の厚さ、成長温度や、アンモニアと有機ガリウム材料の供給モル比率等を最適化することにより成長していた。また、特開２００５−３５８６９号公報には、キャリアガスに水素と窒素の混合ガスを使用したり、その窒素含有量を制御することにより高抵抗ＧａＮ層を含む窒化膜を得る方法が開示されている。
【０００５】
しかしながら、これらの従来技術では、低温ＧａＮバッファー層の厚さ、成長温度、アンモニアと有機ガリウム化合物との供給モル比率、キャリアガスの組成比等を最適化する必要があり、成膜に手間を要する欠点があった。
【特許文献１】特開２００５−３５８６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
よって、本発明における課題は、１００００Ω・ｃｍ以上、特に１５０００Ω・ｃｍ以上の高抵抗ＧａＮ薄膜を短時間にかつ容易に得られるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
かかる課題を解決するため、
請求項１にかかる発明は、アンモニアとトリメチルガリウムを原料としてＭＯＣＶＤ法によりＧａＮ薄膜を成膜する気相成長方法において、有機アルミニウム材料を同伴させて成膜することにより高抵抗ＧａＮ薄膜を成膜することを特徴とする気相成長方法である。
【０００８】
請求項２にかかる発明は、有機アルミニウム材料がトリメチルアルミウム、トリエチルアルミニウム、トリイソブチルアルミニウムのいずれか１種以上であることを特徴とする請求項１記載の気相成長方法である。
【０００９】
請求項３にかかる発明は、トリメチルガリウムの供給量に対して有機アルミニウム材料を、気相モル分率で５％以下として供給することを特徴とする請求項１または２記載の気相成長方法である。
【００１０】
請求項４にかかる発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の気相成長方法により得られたＧａＮ薄膜であって、
ＧａＮ薄膜中のガリウムが、モル比で、５％以下のアルミニウムで置換されていることを特徴とする高抵抗ＧａＮ薄膜である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、通常のＧａＮ薄膜の成膜時にトリメチルアルミニウムなどの有機アルミニウム材料を同伴させるだけで、高抵抗ＧａＮ薄膜が得られるため、簡単に特別の技術を要することなく目的とする１００００Ω・ｃｍ以上の高抵抗ＧａＮ薄膜が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は、本発明の気相成長方法に用いられる気相成長装置（横型ＭＯＣＶＤ装置）の要部の一例を示すもので、図中符号１は、フローライナーを示す。このフローライナー１は、上流フローライナー２と、中間フローライナー３と、下流フローライナー４とから構成されており、これら上流フローライナー２と中間フローライナー３と下流フローライナー４とがこの順番に水平に並べられ、三分割された構造となっている。
【００１３】
これらフローライナー２、３、４の接続部分には、隙間が存在しており、特に中間フローライナー３と下流フローライナー４との隙間は大きくなっている。これはフローライナー１の外側を流れるパージガスをも下流フローライナー４が吸引排気するようになっているためである
【００１４】
また、これらフローライナー２、３、４は、いずれも断面形状が角筒状となっており、石英などの耐熱性、耐薬品性の材料から構成されている。
さらに、中間フローライナー３の下壁には開口部が形成されており、この開口部をほぼ塞ぐようにしてウエハートレイ５が設けられている。このウエハートレイ５は、サセプタ６上に載せられており、サセプタ６の回転軸９によって回転可能となっている。
【００１５】
また、サセプタ６の下方には円板状のカーボンヒータ７が設けられ、このカーボンヒータ７によりウエハートレイ５上の基板を加熱できるようになっている。また、サセプタ６の下方にはカバー８が取り付けられ、サセプタ６、カーボンヒータ７などを覆うようになっている。
また、これらフローライナー１、カバー８等は、図示しないステンレス鋼などからなるチャンバ内に収容され、外気から遮断された状態となっている。
【００１６】
そして、上流フローライナー２側より、水素及び窒素のキャリアガスと、アンモニア、トリメチルガリウムおよび有機アルミニウム材料の原料ガスとを流すことにより、中間フローライナー３のウエハートレイ５に置かれた基板表面にＣＶＤ反応によりＧａＮ薄膜が成長し、反応後の排ガスがチャンバー内を流れるパージガスと共に下流フローライナー４から吸引されて排気されるようになっている。
【００１７】
次に、この気相成長装置を用いる本発明の気相成長方法の一例を説明する。
まず、サファイア単結晶などからなる基板をウエハートレイ５上に置き、初めに基板のサーマルクリーニングを行う。
このサーマルクリーニングは、キャリアガスとしての水素と窒素とを上流フローライナー２から中間フローライナー３に流し、基板温度を１１００〜１２００℃に加熱して実施する。
【００１８】
その後、基板温度を５００℃程度にまで降下させ、低温ＧａＮバッファー層を形成する。中間フローライナー２にアンモニアとトリメチルガリウムを前記キャリアガスに追加して流して気相成長をさせ、基板上に厚さ２０〜５０ｎｍ程度のＧａＮバッファー層を成膜する。
ついで、トリメチルガリウムの供給を一時的に停止し、その間に基板温度を１１００〜１２００℃に昇温させ、基板がこの温度域に達したら、トリメチルガリウムとドーパントであるトリメチルアルミニウムを流して、厚さ０．１〜１０μｍのアルミニウムがドープされたＧａＮ薄膜を成膜する。
【００１９】
トリメチルガリウムとトリメチルアルミニウムとの供給量比は、得られるＧａＮ薄膜の固相におけるガリウムとアルミニウムとの存在比に比例するので、所望の抵抗値に対応してトリメチルガリウムとトリメチルアルミニウムとの気相モル比が定められるが、トリメチルアルミニウムの混合比が気相モル分率で５％以下とされる。
この値を超えてトリメチルアルミニウムの割合が多くなると、得られる薄膜がいわゆるＡｌＧａＮ薄膜となって不都合であり、またアルミニウム成分が多くなると成長阻害が生じ、成膜ができなくなる。
【００２０】
有機アルミニウム材料としては、上述のトリメチルアルミニウム以外に、トリエチルアルミニウム、トリイソブチルアルミニウムなどのトリアルキルアルミニウムが用いられ、これらのいずれか１種以上を混合してもよく、トリメチルアルミニウムと同様に高抵抗のＧａＮ薄膜が成膜できる。
【００２１】
本発明のＧａＮ薄膜は、上述の気相成長方法によって成膜されたもので、その抵抗値が１００００Ω・ｃｍ以上のものである。このＧａＮ薄膜中のアルミニウムの存在量は、原子数比またはモル比で５％以下のガリウムがアルミニウムに置換されているものである。この値が５％を超えると上述のように通常のＡｌＧａＮ薄膜となってしまう。
【００２２】
このように、本発明の気相成長方法では、所定量のトリメチルアルミニウムなどの有機アルミニウム材料を、従来のアンモニアとトリメチルガリウムとに単に同伴させることで１００００Ω・ｃｍ以上の高抵抗ＧａＮ薄膜が得られる。
特に、トリメチルアルミニウムの添加量をトリメチルガリウムとの気相モル比が５％以下とした場合には、１５０００Ω・ｃｍ以上の高抵抗ＧａＮ薄膜が得られる。したがって、種々の成膜条件を最適化する必要がなく、容易に目的とする高抵抗ＧａＮ薄膜を得ることができる。
【００２３】
以下、具体例を示す。
＜比較例＞
サファイア基板を１１７０℃で水素と窒素との雰囲気中で１０分間加熱し、サーマルクリーニングを行った後、５００℃まで１５分間かけて降温させた後、水素、窒素とともにアンモニア、トリメチルガリウムを原料として供給し、厚さ２０ｎｍの低温ＧａＮバッファ層を作製した。
【００２４】
その後、７分間で基板温度を１１６０℃まで昇温させ、水素、窒素、アンモニアおよびトリメチルガリウムを供給して、６０分間気相成長させ、厚さ５μｍのノンドープＧａＮ薄膜を作製した。
得られたノンドープＧａＮ薄膜について、渦電流式シート抵抗測定装置によりシート抵抗の測定を行った結果、約１０００Ω・ｃｍであった。
【００２５】
＜実施例１＞
比較例と同様の操作により、サーマルクリーニングを行い、低温ＧａＮバッファー層を形成した。その後、前記比較例での原料の他に、トリメチルガリウムの供給量に対して気相モル分率で１％の供給量のトリメチルアルミニウムを添加して成長させることによって厚さ５μｍのアルミニウムドープＧａＮを得た。
これを比較例と同様の方法でシート抵抗の測定を行ったところ、約２００００Ω・ｃｍであった。トリメチルアルミニウムを添加しない場合と比較すると約２０倍高抵抗のＧａＮ薄膜が得られた。
【００２６】
＜実施例２＞
比較例と同様の操作により、サーマルクリーニングを行い、低温ＧａＮバッファー層を形成した。その後、前記比較例での原料の他に、トリメチルガリウムの供給量に対して気相モル分率で０〜１０％の供給量でトリメチルアルミニウムを添加して成長させることによって厚さ５μｍのアルミニウムドープＧａＮを得た。
これを比較例と同様の方法でシート抵抗の測定を行い、トリメチルアルミニウムの供給量とシート抵抗との関係を求め、その結果を図２のグラフに示した。このグラフの結果から、トリメチルアルミニウムの添加量が過大になると、シート抵抗が減少することがわかる。よって、トリメチルアルミニウムの好適な添加量は、０．１〜５％（気相モル比）であることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の気相成長方法に用いられる気相成長装置の要部を示す概略構成図である。
【図２】本発明におけるトリメチルアルミニウムの添加量と得られるＧａＮ薄膜のシート抵抗の関係を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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