(57)【要約】【課題】高いＩｎ組成を有し、かつ優れた光学的特性を有するＧａＩｎＮ層を成膜する方法を提供する。【解決手段】本方法では、洗浄したｃ面サファイア基板２２をＭＢＥ装置に導入して真空中で８００℃の温度でサーマルクリーニングを１０分間施す。次いで、基板温度を５５０℃まで下げ、窒素プラズマによりサファイア基板の基板面を窒化する。次いで、３００℃に基板温度を降温し、Ｉｎビーム量が８×１０−８　Ｔｏｒｒ　、窒素ガス流量が２ｓｃｃｍ、ＲＦパワーが３３０Ｗの条件で１０分間サファイア基板を維持し、ＭＢＥ法により窒素プラズマを用いて、平均成長速度７０ｎｍ／時間で膜厚３０ｎｍの低温ＩｎＮバッファ層２４をサファイア基板上に成長させる。低温ＩｎＮバッファ層の表面は窒素極性を有する。次いで、基板温度を５５０℃に上げ、３分間保持してアニール処理を施し、表面を平坦化する。続いて、Ｇａ、Ｉｎ及び窒素プラズマを供給して、ＭＢＥ法によりＩｎ組成Ｘが０．７３のＧａ１−ｘ　Ｉｎｘ　Ｎ混晶半導体層２６を低温ＩｎＮバッファ層上に成長させる。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２００℃以上４５０℃以下の成長温度でＭＢＥ法（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　Ｂｅａｍ　Ｅｐｉｔａｘｉａｌ　Ｇｒｏｗｔｈ　、分子線エピタキシャル成長法）により窒素プラズマを使って低温ＩｎＮバッファ層を基板上に成長させる工程と、
低温バッファ層の成長温度より高い基板温度で低温ＩｎＮバッファ層にアニール処理を施す工程と、
ＭＢＥ法によりアニール処理の温度と同じか又は高い温度で低温ＩｎＮバッファ層上にＧａ１−ｘ　Ｉｎｘ　Ｎ混晶半導体層をエピタキシャル成長させる工程と
を備えることを特徴とするＧａＩｎＮ層の成膜方法。
【請求項２】
低温ＩｎＮバッファ層の成長工程の前に、基板上で窒素プラズマを生成させて基板の基板面を窒化する工程を備えていることを特徴とする請求項１に記載のＧａＩｎＮ層の成膜方法。
【請求項３】
基板として、サファイア基板、ＧａＮ基板、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板、ＧａＡｓ基板、ＧａＰ基板、ＺｒＢ２　基板、及びＭｇＡｌ２　Ｏ４　基板のいずれかを使用することを特徴とする請求項１又は２に記載のＧａＩｎＮ層の成膜方法。
【請求項４】
アニール処理の処理温度が４００℃以上７００℃以下であり、アニール処理の処理時間が１分間以上１０分間以下であることを特徴とする請求項１から３のうちのいずれか１項に記載のＧａＩｎＮ層の成膜方法。
【請求項５】
低温ＩｎＮバッファ層上に成長させたＩｎ組成ＸのＧａ１−ｘ　Ｉｎｘ　Ｎ混晶半導体のバンドギャップＥＧａＩｎＮ　が
ＥＧａＩｎＮ　＝（１−Ｘ）ＥＧａＮ　＋ＸＥＩｎＮ　−ｂＸ（１−Ｘ）
で規定されることを特徴とする請求項１から４のうちのいずれか１項に記載のＧａＩｎＮ層の成膜方法。
但し、ＥＩｎＮ　はＩｎＮのバンドギャップエネルギーであって、０．７８ｅＶ、ＥＧａＮ　はＧａＮのバンドギャップエネルギーであって、３．４ｅＶ、及びｂはボーイングパラメータであって、２．３ｅＶである。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｇａ１−ｘ　Ｉｎｘ　Ｎ混晶半導体層の成膜方法に関し、更に詳細には優れた光学的特性を備え、かつバンドギャップエネルギーが正確に特定できるＧａ１−ｘ　Ｉｎｘ　Ｎ混晶半導体層の成膜方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
窒化物半導体であるＧａ１−ｘ　Ｉｎｘ　Ｎ混晶半導体を発光層として用いることにより、３６０ｎｍから６６０ｎｍ程度の発光波長を有する発光デバイスを実現できることが、広く知られている。
これは、これまでに行われた実験結果から算出されたＧａＮ及びＩｎＮのバンドギャップエネルギーに基づいて算出されたＧａ１−ｘ　Ｉｎｘ　Ｎ混晶半導体のバンドギャップエネルギーの幅が広いことにある。
つまり、Ｇａ１−ｘ　Ｉｎｘ　Ｎ混晶半導体のバンドギャップエネルギーＥＧａＩｎＮ　は、ボーイングパラメータを２．６ｅＶ（Ｃ．Ｗｅｔｚｅｌ　ｅｔ　ａｌ．，　Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．　７３　（１９９８）　１９９４．　）として、ＧａＮのバンドギャップエネルギーＥＧａＮ　とＩｎＮのバンドギャップエネルギーＥＩｎＮ　の間の値を取ることに基づいている。ここで、ＧａＮのバンドギャップエネルギーＥＧａＮ　は室温で３．３９ｅＶ（Ｈ．Ｐ．Ｍａｒｕｓｋａ　ｅｔ　ａｌ．，　Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．　１５　（１９６９）３２７．）であり、ＩｎＮのバンドギャップエネルギーＥＩｎＮ　は室温で１．９５ｅＶ（Ｋ．Ｏｓａｍｕｒａ　ｅｔ　ａｌ．（Ｓｏｌｉｄ　Ｓｔａｔｅ　Ｃｏｍｍｕｎ．１１（１９７２）　６１７．）である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、Ｉｎ組成Ｘが０．２未満のＧａ１−ｘ　Ｉｎｘ　Ｎ混晶半導体のエピタキシャル成長は比較的容易であるものの、Ｘ＞０．２の高いＩｎ組成を有しながら、結晶性及び光学的特性に優れたＧａ１−ｘ　Ｉｎｘ　Ｎ混晶半導体を作製することは、極めて難しかった。
また、従来のＩｎＮ層は単結晶層ではなく多結晶層であるために、従来使用されてきた上述のＩｎＮのバンドギャップエネルギーＥＩｎＮ　の数値には信頼性がなく、従って高いＩｎ組成のＧａ１−ｘ　Ｉｎｘ　Ｎ混晶半導体のバンドギャップエネルギーＥＧａＩｎＮ　にも大きな不確かさがあった。
これでは、Ｇａ１−ｘ　Ｉｎｘ　Ｎ混晶半導体を使って所望の光学特性を有する半導体発光素子を作製することが難しい。
【０００４】
そこで、Ｘ＞０．２の高いＩｎ組成を有し、かつ良好な結晶性及び優れた光学的特性を有するＧａ１−ｘ　Ｉｎｘ　Ｎ混晶半導体層を成膜する方法の確立、及びＧａ１−ｘ　Ｉｎｘ　Ｎ混晶半導体の正確なバンドギャップエネルギーＥＧａＩｎＮ　の算定式の確立が求められていた。
以上の事情に照らして、本発明の目的は、高いＩｎ組成を有し、かつ良好な結晶性及び優れた光学的特性を有するＧａ１−ｘ　Ｉｎｘ　Ｎ混晶半導体層を成膜する方法を提供し、更にその方法で成膜されたＧａ１−ｘ　Ｉｎｘ　Ｎ混晶半導体のバンドギャップエネルギーＥＧａＩｎＮ　の算定式を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、結晶性及び光学的特性に優れたＧａ１−ｘ　Ｉｎｘ　Ｎ混晶半導体層をエピタキシャル成長させる方法を確立するために、種々の実験を行った結果、ＭＢＥ法によりサファイア基板上に成長温度２００℃から４５０℃の範囲で窒素プラズマ及びＩｎ金属の分子線ビームを照射することにより、約７０ｎｍ／時間の成長速度で厚さ３０ｎｍ程度のＩｎＮ層を低温成長バッファ層として設けて表面の極性を窒素極性に制御する。次いで窒素プラズマ及びＩｎ金属の分子線ビームの照射をシャッタの閉止により停止して５５０℃の温度でアニーリングすることにより、低温ＩｎＮバッファ層の表面を原子層オーダで平坦化する。
次いで、アニール処理した低温ＩｎＮバッファ層上に５５０℃でＧａ１−ｘ　Ｉｎｘ　Ｎ混晶半導体層をＭＢＥ法により成長させることにより、本発明で規定した算出式でＩｎｘ　Ｎ混晶半導体のバンドギャップエピタキシャルＥＧａＩｎＮ　を特定できる良好な結晶性及び優れた光学的特性を有するＧａ１−ｘ　Ｉｎｘ　Ｎ混晶半導体層を形成できることを見い出した。
【０００６】
以下に、図２及び図３を参照して、本発明者が行った実験の一つを詳しく説明する。図２はＩｎＮ層又はＧａＩｎＮ層の成膜実験のタイムチャート、及び図３（ａ）から（ｄ）はＩｎＮ層又はＧａＩｎＮ層を成膜する際の工程毎の基板断面図である。
先ず、ｃ面サファイア基板を有機洗浄液により洗浄し、ＭＢＥ装置の成長室に導入し、図２に示すように、真空中で８００℃の温度でサーマルクリーニングを１０分間施した。
次いで、図２に示すように、基板温度を５５０℃まで下げ、ＲＦガンに流量１ｓｃｃｍの窒素ガスと出力３００Ｗの高周波（周波数１３．５６ＭＨｚ）を導入することにより窒素プラズマを生成させてサファイア基板に１時間照射して、図３（ａ）に示すように、サファイア基板１２の基板面を窒化した。
【０００７】
サファイア基板１２の基板面の窒化処理後、基板温度を３００℃まで降温して、Ｉｎビーム量が８×１０−８　Ｔｏｒｒ　、窒素ガス流量が２ｓｃｃｍ、ＲＦパワーが３３０Ｗの条件で成長室内にサファイア基板１２を１０分間維持し、図３（ｂ）に示すように、膜厚３０ｎｍの低温ＩｎＮバッファ層１４をサファイア基板１２上に成長させた。尚、低温ＩｎＮバッファ層の最適成長温度は２００℃から４５０℃であり、成長速度の平均値は、約７０ｎｍ／時間であった。但し、成長開始当初の成長速度は７０ｎｍ／時間より大きい。
このような成長条件を用いることにより、低温ＩｎＮバッファ層１４の表面を窒素極性に制御することができた。窒素極性になっていることは、ＣＡＩＣＩＳＳ（Ｃｏａｘｉａｌ　Ｉｍｐａｃｔ　Ｉｏｎ　Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ　Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）で直接評価することと、低温ＩｎＮバッファ層上に膜厚５０ｎｍ程度のＧａＮ層を成長させ、そのＲＨＥＥＤが３×３のパターンになることとで確認している。
【０００８】
次いで、窒素プラズマ及びＩｎビームのシャッタを閉じ、図２に示すように、基板温度を２０℃／分の昇温レートで５５０℃に上げ、その温度で３分間保持してアニール処理を施し、低温ＩｎＮバッファ層１４の表面を原子層オーダに平坦化した。
低温ＩｎＮバッファ層１４の表面が平坦化されていることは、低温ＩｎＮ層１４からの１×１のＲＨＥＥＤがより鮮明なストリーク状になることで確認している。
アニール処理後、Ｉｎと窒素プラズマとを成長室に供給して、成長レートが２５０ｎｍ／時間、成長温度が５５０℃、Ｉｎビーム量が３．２×１０−７　Ｔｏｒｒ　、窒素ガス流量が２ｓｃｃｍ、ＲＦパワーが２００Ｗから４００Ｗの条件で、膜厚２５０ｎｍのＩｎＮ層１６を低温ＩｎＮバッファ層１４上にエピタキシャル成長させた。成長時間は１時間であった。
【０００９】
低温ＩｎＮバッファ層１４上に成長させたＩｎＮ層１６をフォトルミネッセンス法で評価したところ、図４に示すようなスペクトルを得ることが出来た。図４は横軸にエネルギー（ｅＶ）を、縦軸に光強度（任意目盛）を取ってフォトルミネッセンススペクトルを示した図である。
図４に示すグラフ（１）は、温度７７Ｋでの光強度であり、グラフ（２）は室温での光強度である。図４に示すように、ＩｎＮのバンドギャップエネルギーＥＩｎＮ　は、Ｔ＝７７ＫでＥＩｎＮ　＝０．７７５ｅＶ、Ｔ＝室温でＥＩｎＮ　＝０．７８ｅＶであった。
これらの数値は、これまでに報告されている室温でのＩｎＮのバンドギャップエネルギーＥＩｎＮ　＝１．９５ｅＶ（Ｋ．Ｏｓａｍｕｒａ　ｅｔ　ａｌ．（Ｓｏｌｉｄ　Ｓｔａｔｅ　Ｃｏｍｍｕｎ．１１（１９７２）　６１７．）とは大きく異なっていることが分かった。
【００１０】
次に、低温ＩｎＮバッファ層１４のアニール処理後、低温ＩｎＮバッファ層１４上にＧａ１−ｘ　Ｉｎｘ　Ｎ混晶半導体層をエピタキシャル成長させる別の実験を行った。
Ｇａ、Ｉｎ及び窒素プラズマを供給し、ＩｎＮ層のエピタキシャル成長条件と同じ条件、つまり、成長レートが２５０ｎｍ／時間、成長温度が５５０℃、Ｉｎビーム量及びＧａビーム量の総和が３．０×１０−７　Ｔｏｒｒ　、窒素ガス流量が２ｓｃｃｍ、ＲＦパワーが２００Ｗから４００Ｗの条件で、図３（ｄ）に示すように、膜厚２５０ｎｍでＩｎ組成（Ｘ）が０を超え、かつ１．０未満の範囲で異なる種々のＧａ１−ｘ　Ｉｎｘ　Ｎ混晶半導体層１８を低温ＩｎＮバッファ層１４上にエピタキシャル成長させた。各Ｇａ１−ｘ　Ｉｎｘ　Ｎ混晶半導体層の成長時間は１時間であった。
【００１１】
Ｉｎ組成は、図６に示すように、ＭＢＥ装置でのＧａビームに対するＩｎビームのビームフラックス比を変えることにより、線形に制御することができる。図６は横軸にＩｎビーム及びＧａビームのインプットの比率ＩｎＮ／（ＩｎＮ＋Ｇａ）を取り、縦軸にＩｎ組成を取ったグラフである。
ＭＯＣＶＤ法では、気相比に対する固相比（Ｉｎ組成比）が非線形で与えられることから、Ｉｎ組成比制御が難しい（Ｔ．Ｍａｔｓｕｏｋａ　ｅｔ　ａｌ．　；Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍａｔｅｒ．
２１（１９９２）１５７．）ことと対照的であり、これが本方法の優位点である。
【００１２】
成膜したＧａ１−ｘ　Ｉｎｘ　Ｎ混晶半導体のバンドギャップエネルギーをフォトルミネッセンス（ＰＬ、Ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ　）法及びカソードルミネッセンス（ＣＬ）法によりＴ＝７７Ｋで測定をしたところ、図５に示すような、Ｇａ１−ｘ　Ｉｎｘ　Ｎ混晶半導体のバンドギャップエネルギーＥＧａＩｎＮ　とＩｎ組成（Ｘ）の関係を得ることができた。
図５は横軸にＩｎ組成を、縦軸にＧａ１−ｘ　Ｉｎｘ　Ｎ混晶半導体のバンドギャップエネルギーを取って、Ｔ＝７７Ｋで測定したフォトルミネッセンススペクトル及びカソードルミネッセンススペクトルのピークエネルギーをバンドギャップエネルギーとして示した図である。
尚、このとき、ＰＬおよびＣＬ法で得られたスペクトルのピークエネルギーをＧａ１−ｘ　Ｉｎｘ　Ｎ混晶半導体のバンドギャップエネルギーとした。
【００１３】
以上の実験により、低温ＩｎＮバッファ層上に成長させたＧａ１−ｘ　Ｉｎｘ　Ｎ混晶半導体のバンドギャップＥＧａＩｎＮ　が
ＥＧａＩｎＮ　＝（１−Ｘ）ＥＧａＮ　＋ＸＥＩｎＮ　−ｂＸ（１−Ｘ）
で規定されることを見い出した。
また、ボーイングパラメータｂは、上式を実験値に対して最小二乗法によりフィッティングすることで、ｂ＝２．３ｅＶと得ることができた。但し、ＥＩｎＮ　はＩｎＮのバンドギャップエネルギーであって、０．７８ｅＶ、ＥＧａＮ　はＧａＮのバンドギャップエネルギーであって、３．４ｅＶである。
【００１４】
この関係式と、Ｇａ１−ｘ　Ｉｎｘ　Ｎ混晶半導体のバンドギャップエネルギーＥＧａＩｎＮ　と発光波長λ（ｎｍ）　の関係、つまり
λ（ｎｍ）　＝１２３９．８／ＥＧａＩｎＮ　（ｅＶ）
から、Ｉｎ組成（Ｘ）を変えたＧａ１−ｘ　Ｉｎｘ　Ｎ混晶半導体を発光層として使うことにより、３６０ｎｍから１．５９μｍもの長波長領域までをカバーする半導体発光素子を実現することができる。
【００１５】
上述の実験では、窒素プラズマを用いて低温ＩｎＮバッファ層を低成長速度で成長させることにより、低温ＩｎＮバッファ層の表面極性を窒素極性に制御し、続くアニール処理により表面の平坦化を行うことにより、Ｉｎ組成Ｘが大きく、結晶性の良好なＧａ１−ｘ　Ｉｎｘ　Ｎ混晶半導体、或いはＩｎＮ層をエピタキシャル成長させることができた。
サファイア基板上に直接ＩｎＮ層又はＧａＩｎＮ層を成長させたとき、その極性は、通常、３族元素、例えばＧａ、Ｉｎ等の極性になり易い。表面極性が３族元素の極性を有している場合、高いＩｎ組成のＧａ１−ｘ　Ｉｎｘ　Ｎ混晶半導体層又はＩｎＮ層をエピタキシャル成長させる際には、蒸気圧の高いＩｎを多く取り込むために、低い成長温度でＧａ１−ｘ　Ｉｎｘ　Ｎ混晶半導体層又はＩｎＮ層を成長させることが必要になる。
この結果、Ｇａ１−ｘ　Ｉｎｘ　Ｎ混晶半導体又はＩｎＮの結晶性が低下する。
【００１６】
本実験のように窒素プラズマを用いて低成長速度で低温ＩｎＮバッファ層を成長させ、低温ＩｎＮバッファ層上にＧａ１−ｘ　Ｉｎｘ　Ｎ混晶半導体又はＩｎＮ層を成長させ、その表面を窒素極性にすることにより、高温でのエピタキシャル成長が可能となり、Ｉｎ組成が高く、かつ結晶性の良好なＧａ１−ｘ　Ｉｎｘ　Ｎ混晶半導体又はＩｎＮを成長させることができる。
また、低温ＩｎＮバッファ層をアニール処理することにより、表面を平坦化し、続いて成長させるＧａ１−ｘ　Ｉｎｘ　Ｎ混晶半導体又はＩｎＮ層との界面に発生する結晶欠陥を抑制することができる。
本実験では、窒素プラズマを用いて低温バッファ層を成長させているが、その理由は、低温バッファ層が成長するような低温でも効率的に成長に寄与できる原子状の活性窒素を供給するためである。ＭＯＣＶＤ法で使われる窒素源であるアンモニア（ＮＨ３　）は、５００℃以下のような低温では、分解効率が著しく低下するために、ＭＯＣＶＤ法を用いることができない。
【００１７】
上記目的を達成するために、上述の知見に基づいて、２００℃以上４５０℃以下の成長温度でＭＢＥ法（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　Ｂｅａｍ　Ｅｐｉｔａｘｉａｌ　Ｇｒｏｗｔｈ　、分子線エピタキシャル成長法）により窒素プラズマを使って低温ＩｎＮバッファ層を基板上に成長させる工程と、
低温バッファ層の成長温度より高い基板温度で低温ＩｎＮバッファ層にアニール処理を施す工程と、
ＭＢＥ法によりアニール処理の温度と同じか又は高い温度で低温ＩｎＮバッファ層上にＧａ１−ｘ　Ｉｎｘ　Ｎ混晶半導体層をエピタキシャル成長させる工程と
を備えることを特徴としている。
【００１８】
これまで、Ｋ．Ｏｓａｍｕｒａ　ｅｔ　ａｌ．（Ｓｏｌｉｄ　Ｓｔａｔｅ　Ｃｏｍｍｕｎ．１１（１９７２）６１７）などによって、ＩｎＮの基礎物性、例えば基礎吸収端がＥ＝１．８〜１．９ｅＶに存在することが報告されているが、現在のようなＭＢＥ法やＭＯＣＶＤ法のような高い結晶成長技術が開発されていなかったために、測定したＩｎＮ試料が多結晶であり、単結晶ＩｎＮ本来のバンドギャップエネルギーを反映した発光端を観測した例は報告されていない。
【００１９】
一方、本発明方法で成膜したＧａ１−ｘ　Ｉｎｘ　Ｎ混晶半導体層及びＩｎＮ層は単結晶であって、従来のものに比べて結晶欠陥が少なく、高品質の結晶性を有する。
実際に、上述の実験で得たＩｎＮ層では、吸収スペクトルで得られる吸収端近傍に、ＰＬ法により得られる発光端が、Ｔ＝７７Ｋのみならず室温でも観測することができる。このことは、上述の実験で得たＩｎＮ層には結晶欠陥に起因した非発光中心が少ないことを意味し、光学的結晶性が向上していることが判る。
また、Ｅ＝０．８ｅＶ近傍に吸収端と発光端の双方が観測できるということは、ＩｎＮ本来のバンドギャップエネルギーを反映した高品質の結晶が成長している証左にもなる。尚、成膜したＩｎＮ層の室温での吸収スペクトルを測定し、その結果を図７に示している。
本発明方法では、低温ＩｎＮバッファ層の成長速度は、低いほうが望ましく、例えば３００ｎｍ／時間以下の平均速度である。
本発明方法によれば、上述の実験から判るように、Ｉｎ組成Ｘが大きく、しかも優れた光学的特性を有するＧａ１−ｘ　Ｉｎｘ　Ｎ混晶半導体層を成膜することができる。
【００２０】
本発明方法に従って低温ＩｎＮバッファ層上に成長させたＩｎ組成ＸのＧａ１−ｘ　Ｉｎｘ　Ｎ混晶半導体は、バンドギャップＥＧａＩｎＮ　が
ＥＧａＩｎＮ　＝（１−Ｘ）ＥＧａＮ　＋ＸＥＩｎＮ　−ｂＸ（１−Ｘ）
で規定される。
但し、ＥＩｎＮ　はＩｎＮのバンドギャップエネルギーであって、０．７８ｅＶ、ＥＧａＮ　はＧａＮのバンドギャップエネルギーであって、３．４ｅＶ、及びｂはボーイングパラメータであって、２．３ｅＶである。また、上記の式は、Ｔ＝７７Ｋにおいて測定された実験データに基づいたものである。
【００２１】
低温ＩｎＮバッファ層の成長工程の前に、基板上で窒素プラズマを生成させて基板の基板面を窒化する工程を備えている。これにより、良好な低温ＩｎＮバッファ層を成長させることができる。
本発明方法では、基板として、サファイア基板、ＧａＮ基板、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板、ＧａＡｓ基板、ＧａＰ基板、ＺｒＢ２　基板、及びＭｇＡｌ２　Ｏ４　基板のいずれかを使用する。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下に、添付図面を参照し、実施形態例を挙げて本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。
実施形態例
本実施形態例は本発明に係るＧａＩｎＮ層の成膜方法の実施形態の一例であって、図１（ａ）から図１（ｃ）は、それぞれ、本実施形態例の方法に従ってＧａ１−ｘ　Ｉｎｘ　Ｎ混晶半導体層を成膜する際の工程毎の基板断面図である。
本実施形態例では、基本的には、前述の実験例と同じような手順でＧａ１−ｘ　Ｉｎｘ　Ｎ混晶半導体層を成膜する。即ち、先ず、図１（ａ）に示すような、ｃ面サファイア基板２２を有機洗浄液により洗浄し、ＭＢＥ装置の成長室に導入し、真空中で８００℃の温度でサーマルクリーニングを１０分間施す。
次いで、基板温度を５５０℃まで下げ、ＲＦガンに流量１ｓｃｃｍの窒素ガスと出力３００Ｗの高周波（周波数：１３．５６ＭＨｚ）を導入することにより窒素プラズマを生成させてサファイア基板２２に１時間照射して、サファイア基板２２の基板面を窒化する。
【００２３】
サファイア基板２２の基板面の窒化処理後、２００℃以上４５０℃以下の温度、例えば３００℃に基板温度を降温し、基板温度が３００℃、Ｉｎビーム量が８×１０−８　Ｔｏｒｒ　、窒素ガス流量が２ｓｃｃｍ、ＲＦパワーが３３０Ｗの条件でＭＢＥ装置の成長室に１０分間サファイア基板を維持し、図１（ｂ）に示すように、ＭＢＥ法により窒素プラズマを使って平均成長速度７０ｎｍ／時間で、膜厚３０ｎｍの低温ＩｎＮバッファ層２４をサファイア基板２２上に成長させる。これにより、低温ＩｎＮバッファ層２４の表面を窒素極性にすることができる。
【００２４】
次いで、基板温度を２０℃／分の昇温レートで４００℃以上７００℃以下の温度、例えば５５０℃に上げ、真空中で１分間以上１０分間以下、例えば３分間保持し、アニール処理を施して、低温ＩｎＮバッファ層２４の表面を原子層オーダに平坦化する。
アニール処理後、Ｇａ、Ｉｎ及び窒素プラズマを成長室に供給して、成長レートが２５０ｎｍ／時間、成長温度Ｔが５５０℃、Ｇａビーム量とＩｎビーム量との総和が３．０×１０−７　Ｔｏｒｒ　、窒素ガス流量が２ｓｃｃｍ、ＲＦパワーが２００Ｗから４００Ｗの条件で、図１（ｃ）に示すように、ＭＢＥ法により膜厚２５０ｎｍでＩｎ組成Ｘが０．７３のＧａ１−ｘ　Ｉｎｘ　Ｎ混晶半導体層２６を低温ＩｎＮバッファ層２４上にエピタキシャル成長させる。成長時間は１時間である。
【００２５】
成長させたＧａ１−ｘ　Ｉｎｘ　Ｎ混晶半導体層のバンドギャップエネルギーＥＧａＩｎＮ　は、ＥＧａＩｎＮ　＝（１−Ｘ）ＥＧａＮ　＋ＸＥＩｎＮ　−ｂＸ（１−Ｘ）で規定され、Ｘ＝０．７３であるから、
ＥＧａＩｎＮ　（ｅＶ）＝（１−０．７３）×３．４＋０．７３×０．７８−２．３×０．７３×（１−０．７３）
＝１．０３
に近いものであった。
従って、λ（ｎｍ）＝１２３９．８／ＥＧａＩｎＮ　であるから、λは１２００ｎｍとなる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明方法によれば、基板上に窒素プラズマを用いて低成長速度で低温ＩｎＮバッファ層を成長させることで、その表面を窒素極性にすることができ、アニール処理を施して表面を平坦化した後、ＧａＩｎＮ層を成長させることにより、本発明方法で特定したバンドギャップエネルギーを有する、優れた光学的特性のＧａＩｎＮ層を成膜することができる。
本発明方法により成膜したＧａＩｎＮ層を発光層に用いることにより、３６０ｎｍから１．５９μｍまでの広い波長領域をカバーする半導体発光素子を実現することができる。
また、本発明方法によって成膜したＧａＩｎＮ層を電界効果トランジスタのチャネル層に用いることによりバリア層とのバンドギャップエネルギー差を大きくとることができるので、電流増幅率の高い電子デバイスを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）から図１（ｃ）は、それぞれ、本実施形態例の方法に従ってＧａ１−ｘ　Ｉｎｘ　Ｎ混晶半導体層を成膜する際の工程毎の基板断面図である。
【図２】ＩｎＮ層又はＧａＩｎＮ層の成膜実験のタイムチャートである。
【図３】図３（ａ）から（ｄ）はＩｎＮ層又はＧａＩｎＮ層を成膜する際の工程毎の基板断面図である。
【図４】横軸にエネルギー（ｅＶ）を、縦軸に光強度（任意目盛）を取ってフォトルミネッセンススペクトルを示す図である。
【図５】横軸にＩｎ組成を、縦軸にＧａ１−ｘ　Ｉｎｘ　Ｎ混晶半導体のバンドギャップエネルギーを取って、Ｔ＝７７Ｋで測定したフォトルミネッセンススペクトル及びカソードルミネッセンススペクトルのピークエネルギーをバンドギャップエネルギーとして示した図である。
【図６】Ｉｎビーム及びＧａビームのインプットの比率ＩｎＮ／（ＩｎＮ＋Ｇａ）とＩｎ組成との関係を示すグラフである。
【図７】ＩｎＮの室温での吸収スペクトルを示す。
【符号の説明】
１２……サファイア基板、１４……低温ＩｎＮバッファ層、１６……ＩｎＮ層、１８……Ｇａ１−ｘ　Ｉｎｘ　Ｎ混晶半導体層、２２……サファイア基板、２４……低温ＩｎＮバッファ層、２６……Ｇａ１−ｘ　Ｉｎｘ　Ｎ混晶半導体層。
【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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【図６】
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【図７】
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