(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にＭＯＣＶＤ法を用いるＩＩＩ−族窒化物薄膜の成長方法において、
前記基板上にＩＩＩ−族窒化物バッファ層を形成する段階と、
前記ＩＩＩ−族窒化物バッファ層上に、反応器内部の圧力を前記ＩＩＩ−族窒化物バッファ層を形成した圧力よりも増加させて、第１のＩＩＩ−族窒化物薄膜を形成する段階と、
前記第１のＩＩＩ−族窒化物薄膜上に、前記反応器内部の圧力を前記第１のＩＩＩ−族窒化物薄膜成長時の圧力より所定値以下に低めて第２のＩＩＩ−族窒化物薄膜を形成する段階とを含むことを特徴とするＭＯＣＶＤ法による高品位ＩＩＩ−族窒化物薄膜の成長方法。
【請求項２】
前記基板はサファイア基板、シリコン基板またはＧａＡｓ基板であることを特徴とする請求項１に記載の有機金属気相化学蒸着法による高品位ＩＩＩ−族窒化物薄膜の成長方法。
【請求項３】
前記窒化物バッファ層はＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）またはＩｎxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）より形成されることを特徴とする請求項１に記載のＭＯＣＶＤ法による高品位ＩＩＩ−族窒化物薄膜の成長方法。
【請求項４】
前記第１及び第２のＩＩＩ−族窒化物薄膜はＧａＮ系窒化物より形成されることを特徴とする請求項１に記載のＭＯＣＶＤ法による高品位ＩＩＩ−族窒化物薄膜の成長方法。
【請求項５】
前記第１のＩＩＩ−族窒化物薄膜は１５０〜４００Ｔｏｒｒの圧力範囲内で成長され、前記第２のＩＩＩ−族窒化物薄膜は５０〜１５０Ｔｏｒｒの圧力範囲内で成長させることを特徴とする請求項１に記載のＭＯＣＶＤ法による高品位ＩＩＩ−族窒化物薄膜の成長方法。
【請求項６】
前記第１のＩＩＩ−族窒化物薄膜を形成する段階は、前記圧力の上昇により前記バッファ層の分解が促進されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のＭＯＣＶＤ法による高品位ＩＩＩ−族窒化物薄膜の成長方法。
【請求項７】
前記第１のＩＩＩ−族窒化物薄膜と、前記第２のＩＩＩ−族窒化物薄膜とは、共にGaNである請求項４に記載の高品位ＩＩＩ−族窒化物薄膜の成長方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＩＩＩ−族窒化物系化合物（ＢＮ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮを含む化合物）半導体薄膜の成長方法に係り、より詳細には薄膜成長段階を二元化させることによって薄膜の特性を向上させうるＭＯＣＶＤ法（ＭＯＣＶＤ；ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）による高品位ＩＩＩ−族窒化物系化合物薄膜の成長方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１は、従来のＭＯＣＶＤ法により成長したＧａＮ薄膜の垂直断面図である。前記ＧａＮ薄膜は示したように、まずサファイア基板１上にＭＯＣＶＤ法により４００〜６００℃でＡｌＧａＮバッファ層２を成長させ、その上に再び９００〜１１００℃でＧａＮ層３を成長させる。
【０００３】
このようにＭＯＣＶＤ法で成長したＩＩＩ−族窒化物薄膜の特性は色々な実験変数により変化するが、特に成長過程で反応器圧力の変化によって初期成長機構に大きい差が生じる現象を見つけた。
【０００４】
また、窒化物系化合物半導体素子を製造する場合に一番基本的な特性は結晶性であって、研究者ごとに各自の反応器、実験条件に合うように最適化して使用している。ところが研究過程で多重量子ウェル、ｐ−ＧａＮ、ＡｌＧａＮなどの成長に有利な低い反応器圧力条件で結晶性が落ちる問題点が見つかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前記のような問題点を改善するために創案したものであって、ＭＯＣＶＤ法でＩＩＩ−族窒化物薄膜を成長させる時に、反応器内の圧力を変化させる多段成長法を用いて薄膜の結晶性及び表面形状が向上するＭＯＣＶＤ法による高品位ＩＩＩ−族窒化物薄膜の成長方法を提供するのにその目的がある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記のような目的を達成するために本発明に係るＭＯＣＶＤ法による高品位ＩＩＩ−族窒化物薄膜の成長方法は、基板上にＭＯＣＶＤ法を用いるＩＩＩ−族窒化物薄膜の成長方法において、前記基板上にＩＩＩ−族窒化物バッファ層を形成する段階と、前記ＩＩＩ−族窒化物バッファ層上に反応器内部の圧力を所定値以上に高めて第１のＩＩＩ−族窒化物薄膜を形成する段階と、前記第１のＩＩＩ−族窒化物薄膜上に、前記反応器内部の圧力を前記第１のＩＩＩ−族窒化物薄膜成長時の圧力より所定値以下に低めて第２のＩＩＩ−族窒化物薄膜を形成する段階とを含むことを特徴とする。
【０００７】
本発明において、前記基板はサファイア基板、シリコン基板またはＧａＡｓ基板であり、前記窒化物バッファ層はＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）またはＩｎxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）より形成され、前記第１及び第２のＩＩＩ−族窒化物薄膜はＧａＮ系窒化物より形成され、前記第１のＩＩＩ−族窒化物薄膜は１５０〜４００Ｔｏｒｒの圧力範囲内で成長させ、前記第２のＩＩＩ−族窒化物薄膜は５０〜１５０Ｔｏｒｒの圧力範囲内で成長させることが望ましい。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明に係るＭＯＣＶＤ法による高品位ＩＩＩ−族窒化物薄膜の成長方法を詳細に説明する。
【０００９】
図２は、本発明に係るＭＯＣＶＤ法により成長したＩＩＩ−族窒化物薄膜の垂直断面図である。本発明に係るＭＯＣＶＤ法により成長したＩＩＩ−族窒化物薄膜は、１段階目の圧力が２段階目の圧力より高い２段階成長法を用いて、薄膜の結晶性及び表面形状が向上する特徴を有する。すなわち、成長したＩＩＩ−族窒化物薄膜の結晶性が落ちて表面形状が滑らかでない問題を改善するために、１段目では反応器圧力を高めて薄膜の結晶性を向上させ、２段階目では反応器圧力を低めて気相反応が少なくて勾配の大きい界面が得られ、厚さの均一性に優れた素子構造を成長させうる。また、その成長方法自体は原料消耗側面でも優れた材料節減効果を有する。
【００１０】
このようなＩＩＩ−族窒化物半導体薄膜を具体的に製造する方法は次の通りである。
【００１１】
本発明に係るＭＯＣＶＤ法による高品位ＩＩＩ−族窒化物薄膜の成長方法では密着空間シャワーヘッド型反応器を用いる。
【００１２】
まず、サファイアよりなる基板１１上に４００〜６００℃の低温で２０〜３０ｎｍ厚さのＡｌＧａＮ緩衝膜１２を成長させた後、反応器内の温度を１０００℃程度に高め、結晶成長圧力を１５０〜４００Ｔｏｒｒに変更して０．５μｍ以上の厚さを有する第１のＩＩＩ−族窒化物薄膜１３を成長させる（第１段階）。
【００１３】
次に、ＩＩＩ−族窒化物薄膜１３の成長後に反応器内の温度を１０００℃程度に維持したまま原料気体の供給を中断し、反応器圧力を５０〜１５０Ｔｏｒｒに低めて第２のＩＩＩ−族窒化物薄膜１４を形成する（第２段階）。ここで、前記ＡｌＧａＮ緩衝膜１２はＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）の含量比を有する。
【００１４】
このように第１段階で反応器内の圧力が増加すれば、ＡｌＧａＮ緩衝膜１２の分解が促進されて核生成層の全体的な粒子サイズが大きくなり、その密度は減少する。粒子サイズが大きくなれば界面に形成される欠陥密度が急減する。また、反応器圧力が増加し、移送（キャリア）気体として使われる水素の解離が促進されて、ＩＩＩ−族元素の表面移動度が増加し、このために粒子成長が促進される。このような成長機構の変化によって、図３に示したように、成長圧力の増加によって双晶（ｄｏｕｂｌｅ  ｃｒｙｓｔａｌ）回折パターンの半価幅が減少し、これは欠陥密度の減少を意味する。しかし、粒子間の合体が起きつつ粒子界面に微細孔が形成される可能性が高まり、これは素子製造時に漏れ電流の原因となって素子破壊を促進する役割をする。結論的に、ＩＩＩ−族窒化物薄膜の成長時に反応器内部の圧力が高まれば垂直方向への成長が速くなり、外部的微細孔またはピットが多く生じる代わりに内部的結晶欠陥は減る。
【００１５】
一方、第２段階でＩＩＩ−族窒化物薄膜の成長時に反応器内部の圧力が低くなれば垂直方向への成長が遅くなり、相対的に側面への成長が速くなって外部的微細孔が少なく生じる代わりに内部的結晶欠陥は多くなる。
【００１６】
図４Ａ及び図４Ｂは、実際のＧａＮ薄膜で観察される微細孔の様相を示している。すなわち、図４Ａに示したように、２００ｔｏｒｒの高圧力で第１段階でのみ成長したＧａＮ表面では微細孔が観察される一方、図４Ｂに示したように、２００ｔｏｒｒで１次成長させた後、１００ｔｏｒｒで２次成長させたＧａＮ表面では微細孔がほとんど観察されなかった。
【００１７】
このような実験の結果に基づいて本発明の成長法では、第１段階の高圧成長で外部的微細孔は多いが内部的欠陥が少ない窒化物結晶を成長させ、このような微細孔を第２段階で反応器圧力を低める低圧成長で埋め立てることによって素子構造成長に適した良質のＧａＮ薄膜を確保できる。
【００１８】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明に係るＭＯＣＶＤ法による高品位ＩＩＩ−族窒化物薄膜の成長方法は、反応器内部の圧力が高まれば垂直方向への成長が速くなり、外部的微細孔が多く生じる代わりに内部的結晶欠陥は減り、一方、反応器内部の圧力が低くなれば垂直方向への成長が遅くなり、相対的に側面への成長が速くなって、外部的微細孔が少なく生じる代わりに内部的結晶欠陥は多くなる実験結果に基づいて、まず高圧で内部的に欠陥が少ないＩＩＩ−族窒化物結晶を成長させた後、相対的に多くなった微細孔を低圧成長で充填することによって、高品質のＩＩＩ−族窒化物薄膜の素子を得られる長所を有する。すなわち、高圧成長工程と低圧成長工程から各工程の変数の長所だけをとることによって薄膜特性の向上が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のＭＯＣＶＤ法により成長したＧａＮ薄膜の垂直断面図。
【図２】本発明に係るＭＯＣＶＤ法により成長したＧａＮ薄膜の垂直断面図。
【図３】図２のＧａＮ薄膜のＸ線（１０−１２面）半値幅変化を示すグラフ。
【図４】図４Ａは２００Ｔｏｒｒ圧力で１段階のみで成長させたＧａＮ薄膜のＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）写真であり、図４Ｂは２００Ｔｏｒｒで１次成長させた後１００Ｔｏｒｒ圧力で２次成長させたＧａＮ薄膜のＳＥＭ写真。
【符号の説明】
１…サファイア基板
２…ＡｌＧａＮバッファ層
３…ＧａＮ薄膜
１１…サファイア基板
１２…ＡｌＧａＮバッファ層
１３…第１ＧａＮ薄膜
１４…第２ＧａＮ薄膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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