JPH04187597A - 窒化ガリウム薄膜の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は青色発光ダイオードや青色半導体レーザへの応
用か期待される窒化ガリウム薄膜の製造方法に関し、特
に均一で平坦性のよい窒化ガリウム薄膜を製造する方法
に関するものである。

「従来の技術］ 窒化ガリウム（Ｇ　ａ　Ｎ）は、約３．４ｅＶの塩エネ
ルギーギャップをもつ直接遷移型の化合物半導体で青色
から紫外領域にわたる発光素子として有望な材料である
。

従来、ＧａＮ薄膜の製造法として有機金属気相成長（Ｍ
ＯＣＶＤ）法が知られている。これは、トリメチルガリ
ウム（Ｇ　ａ　（ＣＨ３）　３　）とアンモニア（ＮＨ
３）を１０００℃程度に加熱した基板（通常、サファイ
ア（α−Ａ１２０３））表面上で分解、反応させ、Ｇａ
Ｎ薄膜を製造しようとするものである。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、ＧａＮとα−Ａ１２０３の格子定数の整合性は
悪く、また熱膨張係数の差も大きいため、製造したＧａ
Ｎ薄膜にはピットやクラックが入りやすく、均一で平坦
性のよいＧａＮ薄膜の製造が困難であった。

本発明は、前記課題を解決するため、加熱された基板表
面にガリウムを含む原料及び窒素を含む原料を供給して
窒化ガリウム薄膜を製造する方法において、特定の製造
条件を採用することにより、均一で平坦性のよい窒化ガ
リウム（Ｇ　ａ　Ｎ）薄膜の製造方法を提供することを
目的とする。

［課題を解決するための手段］ 前記目的を達成するため、本発明の窒化ガリウム薄膜の
製造方法は、加熱された基板表面にガリウムを含む原料
及び窒素を含む原料を供給して窒化ガリウム薄膜を製造
する方法において、前記基板の加熱温度を２段階に変化
させ、第１段階の基板温度を第２段階の基板温度より低
温にするとともに、少なくとも第１段階において前記基
板表面に光を照射させることを特徴とする。

前記本発明の構成においては、第１段階における照射光
が、３６６　ｎｍ以下の波長を含む光であることが好ま
しい。

また、前記本発明の構成においては、第１段階の基板温
度を、５００℃〜７５０°Ｃの範囲に設定することが好
ましい。

また、前記本発明の構成においては、第２段階の基板温
度を、９００℃〜１１０００Ｃの範囲に設、定すること
か好ましい。

また、前記本発明の構成においては、第２段階の窒化ガ
リウム薄膜成長中に、Ｓｅ、　　Ｓｉ、　　Ｇｅ。

Ｓｎから選ばれる少なくとも１種類を含む原料を基板表
面に供給することが好ましい。

また、前記本発明の構成においては、第２段階の窒化ガ
リウム薄膜成長中に、Ｃｄ、　　Ｇｅ、　　Ｂｅ。

Ｍｇ、Ｚｎ、Ｌｉから選ばれる少なくとも１種類を含む
原料を基板表面に供給することが好ましい。

［作用］ 前記本発明方法の構成によれば、基板の加熱温度を２段
階に変化させ、第１段階の基板温度を第２段階の基板温
度より低温にして積層するので、これによって得られる
積層構造のＧａＮ薄膜は、基板の影響を受けに＜＜、表
面モフォロジーおよび結晶性が良好で、優れた電気的光
学的特性を示す薄膜とすることができる。また、少なく
とも第１段階において前記基板表面に光を照射させるの
で、光を照射して形成されたＧａＮ薄膜はその後の真空
中での加熱においても非常に安定で鏡面を維持すること
ができる。

また、第１段階における照射光が、３６６　ｎｍ以下の
波長を含む光であるという本発明の好ましい構成によれ
ば、成長中のＧａＮ薄膜に吸収され、原料の分解、反応
を促進して低温においても結晶性の良好なＧａＮ薄膜が
形成できる。

また、第１段階の基板温度を、５００℃〜７５０°Ｃの
範囲に設定するという本発明の構成によれば、得られる
膜の結晶性および平坦性を良好なものとすることができ
る。

また、第２段階の基板温度を、９００℃〜１１００°Ｃ
の範囲に設定するという本発明の構成によれば、得られ
る膜の電気的光学特性を良好なものとすることができ、
空孔も少なく不純物ドーピングに悪影響を与えることも
少ない。

また、第２段階の窒化ガリウム薄膜成長中に、Ｓｅ、Ｓ
ｉ、Ｇｅ、Ｓｎから選ばれる少なくとも１種類を含む原
料を基板表面に供給するという本発明の構成によれば、
ｎ型伝導のＧａＮ薄膜（キャリヤ密度１０１８以上）を
得ることができる。

また、第２段階の窒化ガリウム薄膜成長中に、Ｃｄ、Ｇ
ｅ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｌｉから選ばれる少なくとも１
種類を含む原料を基板表面に供給するという本発明の好
ましい構成によれば、ｐ型伝導のＧａＮ薄膜（キャリヤ
密度１０１８以上）を得ることかできる。

［実施例］ 以下、本発明を実施例により詳細に説明する。

本実施例では、ＧａＮ薄膜を製造する場合、まず、従来
の方法より低い温度（例えば５００℃〜７５０℃）に加
熱された基板表面にガリウム原料及び窒素原料を同時に
供給しつつ、基板表面に光（例えばキセノン（Ｘｅ）ラ
ンプ光）を照射してＧａＮ薄膜を形成する。この光を照
射して形成されたＧａＮ薄膜は従来法に比べてかなり低
温で形成されたにもかかわらず結晶性に優れかつ鏡面の
表面モフォロジーを示した。さらには、光を照射しない
で同じ温度で形成されたＧａＮ薄膜がその後の真空中で
の加熱（１０００℃程度）によって基板から剥がれるの
に対し、光を照射して形成されたＧａＮ薄膜はその後の
真空中での加熱においても非常に安定で鏡面を維持する
ことを本発明者らは確認した。

しかしながら、この光を照射しつつ低温で形成されたＧ
ａＮ薄膜のままでは従来法に比べ電気的光学的特性が劣
るため、本発明者らは、光を照射して低温で形成された
ＧａＮ薄膜の上に従来法と同程度の温度（例えば９００
℃〜１１００６Ｃ）でＧａＮ薄膜を積層することを試み
た。

その結果、この積層構造のＧａ・Ｎ薄膜は基板の影響を
受けることなく表面モフオロジー、結晶性か非常に良好
で、優れた電気的光学的特性を示すことを本発明者らは
確認した。

第１図は本発明の製造方法の一実施例で用いられるＭＯ
ＣＶＤ装置の構造を示す概略図である。

同図において、１は真空容器、２は真空ポンプ、３は基
板、４は基板ホルダ、５はヒータ、６ａはＧａ’（ＣＨ
３）　３ガス、６ｂはＮＨ３ガス、６ＣはＨ２ガス、７
ａ、ｂ、ｃはマスフローコントローラ、８ａ、ｂ、ｃは
ノズル、９はＸｅランプ、ｌＱａ、ｂ、Ｃ，はＸｅラン
プ光、１１はコリメータ、１２はハーフミラ−１１３は
パワーメータ、１４は窓である。

実際の薄膜成長は次のような手順で行なう。まず表面を
清浄にした基板３を基板ホルダ４に装着する。この場合
基板３は例えばα−ＡＩ２０３とする。次に真空容器１
を真空ポンプ２により例えば１０’Ｔｏｒｒ以下程度の
高真空まで排気する。

次に基板３をヒータ５により第１の結晶成長に適切な温
度にする。この場合には例えば７００°Ｃとする。次に
Ｘｅランプ９を点灯する。Ｘｅランプ光１０ａはコリメ
ータ１１により平行光にされ、その後、ハーフミラ−１
２により同強度の二つの光１０ｂ、１０ｃとなり、光１
０ｂは窓１４を通って基板３に照射される。光１０ｃの
強度をパワーメータ１３により測定することにより、基
板３に照射される光１０ｂの強度を知る。光１０ｂの強
度をＸｅランプ９を調節することにより、第１の結晶成
長に必要な強度にする。この場合例えは５００ｍＷ／ａ
ｌとする。次にＧａ　（ＣＨ３）３カス６ａ及びＮＨ３
カス６ｂの流量をマスフローコントローラ７ａ、ｂによ
り適当な流量比になるよう調節し、ノズル８ａ、ｂによ
り基板３表面に供給する。また、同時にノズル８ｃより
Ｈ２ガス６Ｃを真空容器１内に導入する。この場合の流
量は、例えばＧ　ａ　（ＣＨ３）　３ガス６ａが０．３
ｓｅｃｍ、ＮＨガス６ｂが２７０ｓｅｃｍ、Ｈ２ガス６
ｃが５０ｓｅｃｍとする。用いたＸｅランプ光は第２図
に示すようにＧａＮのバンドギャップに相当する波長（
室温で３６６ｎｍ）以下の波長の光を含んでいるため、
成長中のＧａＮ薄膜に吸収され、原料の分解、反応を促
進して低温においても結晶性の良好なＧａＮ薄膜が形成
できる。

ここで、原料ガスの供給をいったん中止し、真空容器１
を真空ポンプ２により例えば１０　’Ｔ　。

ｒｒ以下程度の高真空まで排気する。次に基板３をヒー
タ５により第２の結晶成長に適切な温度にする。この場
合には例えば１００００Ｃとする。次にＧａ　（ＣＨ３
）３ガス６ａ及びＮＨ３ガス６ｂの流量をマスフローコ
ントローラ７ａ、ｂｌ：より適当な流量比になるよう調
節し、ノズル８ａ、ｂにより基板３表面に供給する。ま
た、同時にノズル８ＣよりＨ２ガス６ｃを真空容器１内
に導入する。この場合の流量は、例えばＧ　ａ　（ＣＨ
３）　３ガス６ａが０．３　ｓ　ｃ　ｃｍＸＮＨ３ガス
６ｂが２７０ｓｃｃｍ、Ｈ２ガス６Ｃが５０ｓ＋ｃｃｍ
とする。この場合、Ｘｅランプ９は点灯してもしなくて
もよい。このように第１のＧａＮ薄膜の上に第２のＧａ
Ｎ薄膜を積層させて結晶成長を行なった。

以上のような方法で製造したＧａＮ薄膜は、均一で平坦
性がよく、また優れた電気的光学的特性を示した。また
、第２の結晶成長中にＣｄ、Ｇｅ。

Ｂｅ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｌｉの内の１種類を含む原料気体分
子を基板表面に供給することによって、ｎ型伝導のＧａ
Ｎ薄膜（キャリヤ密度１０１８以上）が製造できること
を、また、ＧａＮ薄膜製造中にＳｅ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ
の内の１種類を含む原料気体分子を基板表面に供給する
ことによって、ｎ型伝導のＧａＮ薄膜（キャリヤ密度１
０１８以上）が製造できることを確認した。

なお上述の実施例では、Ｈ２ガス６Ｃを用いたが、必ず
しも必要ではないが、Ｈ２は反応の促進とＧａＮ薄膜へ
中の炭素原子の混入を防ぐ効果かある。また、原料ガス
は上述の実施例に限らず、ガリウム、窒素を含むもので
あればよい。

また、上述の実施例では基板としてα−ＡＩ。

０３を用いたがＧａＡｓ、Ｓｉ、ＳｉＣ等他の基板を用
いてもよい。

さらに、光源はＸｅランプに限らず、ＧａＮのバンドギ
ャップに相当する波長以下の光を含むものであれば同様
の効果が得られる。

また、第１の結晶成長の基板温度は、５００℃以上７５
０℃以下が好適である。５００℃以下では膜の結晶性が
悪化する傾向となり、また７５０℃以上では平坦性が悪
化するする傾向となる。

また、第２の結晶成長の基板温度は、９００°Ｃ以上１
１００’Ｃが好適である。９００℃以下では電気的光学
的特性が悪化する傾向となり、１１００℃以上では膜中
の窒素の空孔が多くなり不純物ドーピングに悪影響を及
ぼす傾向となる。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、均一で平坦性の
よい、電気的光学的特性の優れたＧａＮ薄膜を製造する
ことかでき、青色発光ダイオードや青色半導体レーザ製
造に極めて有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例で用いられる光Ｃ■Ｄ装置の
構造を示す概略図、第２図は本発明の一実施例で用いら
れるＸｅランプの分光分布図である。 １・・・真空容器、　２・・・真空ポンプ、　３・・・
基板、４・・・基板ホルダ、　　５・・・ヒータ、　　
６ａ・・・Ｇａ（ＣＨ）　　ガス、　　６ｂ・・・ＮＨ
３ガス、７Ｂ、ｂ、ｃ・・・マスフローコントローラ、
３ａ、ｂ、ｃ・・・ノズル、　　９・・・Ｘｅランプ、
ｌＱａ、ｂ、ｃ・・・Ｘｅランプ光、　１１　・・・コ
リメータ、　　１２・・・ハーフミラ−１１３・・・パ
ワーメータ、　　１４・・・窓。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）加熱された基板表面にガリウムを含む原料及び窒
   素を含む原料を供給して窒化ガリウム薄膜を製造する方
   法において、前記基板の加熱温度を２段階に変化させ、
   第１段階の基板温度を第２段階の基板温度より低温にす
   るとともに、少なくとも第１段階において前記基板表面
   に光を照射させることを特徴とする窒化ガリウム薄膜の
   製造方法。（２）第１段階における照射光が、３６６ｎ
   ｍ以下の波長を含む光である特許請求の範囲第１項記載
   の窒化ガリウム薄膜の製造方法。 （３）第１段階の基板温度を、５００℃〜７５０℃の範
   囲に設定した請求項１記載の窒化ガリウム薄膜の製造方
   法。 （４）第２段階の基板温度を、９００℃〜１１００℃の
   範囲に設定した請求項１記載の窒化ガリウム薄膜の製造
   方法。 （５）第２段階の窒化ガリウム薄膜成長中に、Ｓｅ、Ｓ
   ｉ、Ｇｅ、Ｓｎから選ばれる少なくとも１種類を含む原
   料を基板表面に供給する請求項１または４記載の窒化ガ
   リウム薄膜の製造方法。（６）第２段階の窒化ガリウム
   薄膜成長中に、Ｃｄ、Ｇｅ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｌｉか
   ら選ばれる少なくとも１種類を含む原料を基板表面に供
   給する請求項１、４または５記載の窒化ガリウム薄膜の
   製造方法。