(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
サファイア基板上に、ハロゲン化物と窒素の水素化物を含むガスを用いる気相成長法により窒化ガリウム系化合物半導体を気相成長する方法であって、
前記ハロゲン化物としてGaCl、前記窒素の水素化物としてアンモニア(NH3) を用いて気相成長させる方法であり、
前記基板の温度をGaN が単結晶化しない８００℃未満の温度にして、前記基板上に窒化ガリウム(GaN) から成り、アモルファス状又はアモルファスと微結晶とが混在した状態の非晶質構造の第１の半導体層を成長させ、
前記基板の温度を、GaN が単結晶化する８００〜１２００℃の温度にして、前記第１の半導体層上に窒化ガリウム(GaN) から成る単結晶構造の第２の半導体層を成長させること
を特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体の結晶成長方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、サファイア基板上への窒化ガリウム系化合物半導体(AlyGa1-x-yInxN(0≦x≦1,0≦y≦1,0≦x＋y≦1)) の結晶成長方法に関し、特にハロゲン化物と窒素の水素化物を用いた気相成長（例えば、ハライド気相成長）法によるものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、サファイア基板上への窒化ガリウム系化合物半導体層の成長方法としては、例えば、有機金属化合物気相成長法（以下「ＭＯＶＰＥ」と記す）やハライド気相成長法（以下「ＨＶＰＥ」と記す）などがある。
ＭＯＶＰＥによる方法では、例えば特開平２−２２９４７６号公報に開示されているように、サファイア基板上に窒化アルミニウム(AlN) を成長温度４００〜９００℃で１００〜５００Åの膜厚に形成し、このAlN 層上にｎ型のＧａＮを成長させる構成としている。
又、ＨＶＰＥによる方法では、例えば特開昭５２─２３６００号公報に開示されているように、サファイア基板上に成長温度８００〜１０００℃でＧａＮ層を成長させ、そのＧａＮ層上に１０００℃を超える成長温度でＧａＮ層を成長させる構成としている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＭＯＶＰＥによる方法では、良質な気相成長膜が得られるが、結晶成長速度が数μｍ／ｈと小さいので製造時間が長くなる。又、用いる有機金属ガスが高価であるので、製造コストがかさむという問題がある。
一方、ＨＶＰＥによる方法では、結晶成長速度が大きく、安価なガスを用いることができるが、ＭＯＶＰＥに比較して同等程度の良質な成長膜が得られていないという問題がある。
【０００４】
従って、本発明の目的は、上記課題に鑑み、製造時間を短縮すると共に製造コストの低減を図り、サファイア基板上に良質な窒化ガリウム系化合物半導体層を気相成長させることである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載の手段を採用することができる。この手段によると、ハロゲン化物としてGaCl、窒素の水素化物としてアンモニア(NH3) を用いて気相成長させる。ＨＶＰＥにより基板温度を、GaN が単結晶化しない８００℃未満の温度にして、サファイア基板上に窒化ガリウム(GaN) から成り、アモルファス状又はアモルファスと微結晶とが混在した状態の第１の半導体層を成長させる。GaN は８００℃を超える温度で成長させると単結晶化するが、８００℃未満で成長させることにより、アモルファス状又はアモルファスと微結晶とが混在した状態の非晶質構造で結晶成長する。その第１の半導体層であるGaN の上に、GaN が単結晶化する８００〜１２００℃の温度にして、窒化ガリウム(GaN) から成る第２の半導体層を成長させる。
アモルファス状又はアモルファスと微結晶とが混在した状態の非晶質構造のGaN 上に単結晶のGaN を成長させることにより、第２の半導体層であるGaN の横方向への単結晶成長が促進され、平坦で均一な結晶表面が得られ、第２の半導体層であるGaN の結晶性を高めることができる。又、ＨＶＰＥにより結晶成長させることで、ＭＯＶＰＥより大きな結晶成長速度が得られると共に、結晶成長に用いるガスが安価であるので製造コストを低減できる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。図１は、本発明を実施するためのＨＶＰＥ装置１０の構成を示した模式的断面図であり、図２は、本発明を実施して得られた素子の模式的断面図である。
ＨＶＰＥ装置１０は、石英管１１内にサファイア基板１を載置するためのサセプタ１４が設けられている。石英管１１内には窒素(N) の原料ガスとしてのアンモニア(NH3) 、ガリウム(Ga)の原料ガスとしてのGaClを生成するための塩化水素(HCl) 、及びキャリアガスとしての窒素(N2)が上流側（図中左側）より供給される。サセプタ１４の上流には、塩化水素(HCl) と反応してGaClを生成するためのGaを配置したＧａ溜１２が設けられている。又、Ｇａ溜１２の上流には、サファイア基板１に供給される上記各ガスの流れを適切な方向に制御するための石英板１３が配置されている。石英管１１の外周面には、石英管１１内及びサファイア基板１の温度を調節するための高周波加熱コイル１５が巻回されている。
【０００７】
次に、このハライド気相成長装置１０を用いたサファイア基板１への窒化ガリウム系化合物半導体層の形成方法について以下に説明する。
ｃ面((0001) 面) を主面とするサファイア基板１を洗浄した後、窒素(N2)ガスを吹き付けてサファイア基板１を乾燥させる。この後、サファイア基板１をＨＶＰＥ装置１０の石英管１１内に設けられたサセプタ１４上に載置する。  そして、基板温度を６００℃にして、N 源としてのNH3 を400 〜800cc/分、Ga源としてのGaClを生成するためのHCl を5 〜20cc/ 分、キャリアガスとしてのN2を2liter/ 分供給する。これにより、HCl とＧａ溜１２上に載置されたGaの反応生成物としてGaClが得られ、このGaClとNH3 とN2とがサファイア基板１上に30分間供給される。このようにして、基板１上にGaN から成るバッファ層（第１の半導体層）２が膜厚約0.2 μｍに成長する。GaN は、８００℃を超える温度で気相成長されると単結晶化するが、８００℃未満で気相成長されると非晶質であるアモルファス状又はアモルファスと微結晶とが混在した状態に結晶成長する。本実施例では基板温度６００℃でバッファ層２を気相成長させているので、アモルファス状又はアモルファスと微結晶とが混在した結晶構造を有したバッファ層２が得られる。
【０００８】
バッファ層２の形成の後、HCl の供給を停止し、基板温度を１１００℃にする。基板温度が１１００℃になった時点で、HCl の供給を開始する。このとき供給するガスの種類とその流量はバッファ層２の形成時と同様であり、30分間供給する。これにより、バッファ層２上に膜厚約２μｍのＧａＮ層（第２の半導体層）３が形成される。
【０００９】
このようにＨＶＰＥによりサファイア基板１上に非晶質であるアモルファス状又はアモルファスと微結晶とが混在した結晶構造を有するバッファ層２を形成し、バッファ層２上にＧａＮ層３を気相成長させることで平坦で均一な結晶表面が得られると共に、ＧａＮ層３の結晶性を高めることができる。
図３は、本実施例で得られたＧａＮ層３の微分干渉顕微鏡による表面写真図であり、図４は、バッファ層を設けずにＧａＮ層を形成したときの微分干渉顕微鏡による表面写真図である。図４に示されるようにバッファ層を設けずにＧａＮ層を形成した場合には、モザイク状となるが、図３に示されるように本実施例とすることで平坦で均一な結晶表面を有したＧａＮ層３が得られた。
【００１０】
又、図５は、本実施例で得られたＧａＮ層３の(002) 反射に対するＸ線回折曲線を示したものである。比較のためバッファ層を介さずにＧａＮ層を成長させたときのＸ線回折曲線も示した。図５よりバッファ層を介さない場合の半値幅は約２２００秒であった。一方、本実施例で得られたＸ線回折曲線の半値幅は約７００秒であった。この半値幅の値はＭＯＶＰＥにより得られたＧａＮ膜とほぼ同等の値である。このようにバッファ層２を設けたことで、大幅に半値幅が小さくなり、ＧａＮ層３の結晶性を向上させることができた。
【００１１】
上記実施例ではバッファ層２の成長温度を６００℃としたが、バッファ層２の成長温度が８００℃を超えるとバッファ層２が単結晶化し、バッファ層２上に形成されるＧａＮ層３が島状に結晶成長するので、バッファ層２の成長温度は単結晶にはならずアモルファス状又はアモルファスと微結晶とが混在した結晶構造が得られる８００℃未満であればよい。
又、上記実施例ではＧａＮ層３の成長温度を１１００℃としたが、８００〜１２００℃の範囲であればよく、より望ましくは１０００〜１１５０℃の範囲であればよい。
又、上記実施例ではバッファ層２及び層３の組成をGaN としたが、層２及び３はAlyGa1-x-yInxN(0≦x≦1,0≦y≦1,0≦x＋y≦1)を満たす組成であればよい。
【００１２】
上記に示されるように、本発明によれば、ＨＶＰＥによりサファイア基板上に成長温度８００℃未満で窒化ガリウム系化合物半導体から成るバッファ層を形成し、バッファ層上に成長温度８００〜１２００℃で窒化ガリウム系化合物半導体層を形成することにより、平坦で均一な結晶表面が得られ、良質な気相成長膜を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の具体的な実施例で用いられた装置構成を示した模式図。
【図２】本発明の具体的な実施例で形成された素子の断面構成を示した模式図。
【図３】本発明の具体的な実施例で得られた素子の微分干渉顕微鏡による表面写真図。
【図４】サファイア基板上にバッファ層を設けずにＧａＮ層を形成したときの微分干渉顕微鏡による表面写真図。
【図５】本発明の具体的な実施例で得られた素子の特性を示した特性図。
【符号の説明】
１        サファイア基板
２        バッファ層
３        ＧａＮ層
１０      ハライド気相成長装置
１１      石英管
１２      Ｇａ溜
１４      サセプタ
１５      高周波加熱コイル
【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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