JPH08181073A - 半導体ウエハ及び結晶成長方法 - Google Patents
半導体ウエハ及び結晶成長方法Info
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- JPH08181073A JPH08181073A JP31823794A JP31823794A JPH08181073A JP H08181073 A JPH08181073 A JP H08181073A JP 31823794 A JP31823794 A JP 31823794A JP 31823794 A JP31823794 A JP 31823794A JP H08181073 A JPH08181073 A JP H08181073A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 良質のGaN単結晶を実現するヘテロエピタ
キシャル成長法を提供するとともに、GaNデバイスに
使用可能な大面積GaNエピウエハ及びその製造方法を
提供する。 【構成】 GaNを主成分とする単結晶の結晶成長方法
において、Gaを主成分とする冷却されたターゲット8
と、スパッタリング・ガス16とN2 ガス20とを主成
分とし、H2 以外の不純物ガス分圧が10-8torr以
下の放電ガスとを用い、該スパッタリング・ガスの高周
波プラズマ中のイオンのエネルギーを制御して結晶成長
表面へイオン照射しながら結晶成長を行なう反応性スパ
ッタリング法により、GaN以外の材料からなる基体5
上に、GaNを主成分とする単結晶を成長させることを
特徴とする結晶成長方法。
キシャル成長法を提供するとともに、GaNデバイスに
使用可能な大面積GaNエピウエハ及びその製造方法を
提供する。 【構成】 GaNを主成分とする単結晶の結晶成長方法
において、Gaを主成分とする冷却されたターゲット8
と、スパッタリング・ガス16とN2 ガス20とを主成
分とし、H2 以外の不純物ガス分圧が10-8torr以
下の放電ガスとを用い、該スパッタリング・ガスの高周
波プラズマ中のイオンのエネルギーを制御して結晶成長
表面へイオン照射しながら結晶成長を行なう反応性スパ
ッタリング法により、GaN以外の材料からなる基体5
上に、GaNを主成分とする単結晶を成長させることを
特徴とする結晶成長方法。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置に用いる半
導体結晶の成長方法に関し、特にGaNのエピタキシャ
ルウエハ及びその結晶成長方法として必要なヘテロ・エ
ピタキシャル成長法に関する。
導体結晶の成長方法に関し、特にGaNのエピタキシャ
ルウエハ及びその結晶成長方法として必要なヘテロ・エ
ピタキシャル成長法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、発光ダイオードや半導体レーザー
のような発光デバイス用の半導体材料としては、SiC
等のIV族系半導体、GaAs等のIII −V族半導体、Z
nSe等のII−VI半導体、あるいはIII −V族系四元混
晶系や、カルコパライト等の更に複雑な組成を持つもの
が検討されてきた。これらの中でもIV族系の間接遷移型
の半導体よりもIII −V族系やII−VI族系などの直接遷
移型半導体は、発光効率が高いこと、レーザー発振が期
待できること等のために、発光材料として重要性が高
い。
のような発光デバイス用の半導体材料としては、SiC
等のIV族系半導体、GaAs等のIII −V族半導体、Z
nSe等のII−VI半導体、あるいはIII −V族系四元混
晶系や、カルコパライト等の更に複雑な組成を持つもの
が検討されてきた。これらの中でもIV族系の間接遷移型
の半導体よりもIII −V族系やII−VI族系などの直接遷
移型半導体は、発光効率が高いこと、レーザー発振が期
待できること等のために、発光材料として重要性が高
い。
【0003】これまでは、GaAlAs系を中心とした
近赤外から赤の領域(〜780nm)の発振波長の半導
体レーザーが光記録用等に広く使われてきた。また、こ
れよりも長波長の赤外域の半導体レーザーが光通信用に
使われている。しかし、従来よりも高密度の光、又は光
磁気記録装置や、カラー画像表示装置などのために、よ
り短波長の小型半導体レーザーが必要とされている。
近赤外から赤の領域(〜780nm)の発振波長の半導
体レーザーが光記録用等に広く使われてきた。また、こ
れよりも長波長の赤外域の半導体レーザーが光通信用に
使われている。しかし、従来よりも高密度の光、又は光
磁気記録装置や、カラー画像表示装置などのために、よ
り短波長の小型半導体レーザーが必要とされている。
【0004】短波長発光用半導体材料としては、これま
でSiC,ZnSe,GaN,カルコパライト等の広い
バンドギャップを持つものが検討されてきたが、種々の
課題を抱えている。
でSiC,ZnSe,GaN,カルコパライト等の広い
バンドギャップを持つものが検討されてきたが、種々の
課題を抱えている。
【0005】例えば、SiCは間接遷移型半導体であり
ながらバンドギャップ内に発光中心を形成することによ
り発光ダイオードを実現しているが、発光強度は充分で
はない。
ながらバンドギャップ内に発光中心を形成することによ
り発光ダイオードを実現しているが、発光強度は充分で
はない。
【0006】また、ZnSe系のII−VI族は、短波長レ
ーザー・ダイオードとしては初めてレーザー発振に成功
(Applied Physics Letters
第59巻 第11号 1272ページ、1991年)と
しているが、発光を続けると結晶欠陥が増加するなどの
ため、まだ長時間の連続発振が困難である。
ーザー・ダイオードとしては初めてレーザー発振に成功
(Applied Physics Letters
第59巻 第11号 1272ページ、1991年)と
しているが、発光を続けると結晶欠陥が増加するなどの
ため、まだ長時間の連続発振が困難である。
【0007】また、GaNは、気相成長以外で実用的な
大きさの単結晶成長に成功した例が無く、今のところ結
晶基板上のエピ(エピタキシャル)成長(Applie
dPhysics Letters 第15巻 第10
号 327ページ、1969年)を用いる以外には無い
が、GaNに格子整合する適当な基板が無いため何らか
のバッファ層を介したヘテロエピにならざるを得ず、ど
うしても結晶欠陥が残るという問題点が有った。
大きさの単結晶成長に成功した例が無く、今のところ結
晶基板上のエピ(エピタキシャル)成長(Applie
dPhysics Letters 第15巻 第10
号 327ページ、1969年)を用いる以外には無い
が、GaNに格子整合する適当な基板が無いため何らか
のバッファ層を介したヘテロエピにならざるを得ず、ど
うしても結晶欠陥が残るという問題点が有った。
【0008】しかし、バッファ層として配向のそろった
AlN、GaNあるいはZnO多結晶を用いることによ
り、欠陥は大幅に減少する。さらにZn等の発光中心を
作る元素を添加する事により、発光効率を飛躍的に向上
させる試みもあり、MOCVD法などによりかなり成功
している。
AlN、GaNあるいはZnO多結晶を用いることによ
り、欠陥は大幅に減少する。さらにZn等の発光中心を
作る元素を添加する事により、発光効率を飛躍的に向上
させる試みもあり、MOCVD法などによりかなり成功
している。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、GaN
のヘテロエピタキシャル成長層の結晶欠陥は、上記のよ
うなバッファ層により完全に無くなる訳ではなく、これ
だけでは発光強度は必ずしも充分とはいえない。
のヘテロエピタキシャル成長層の結晶欠陥は、上記のよ
うなバッファ層により完全に無くなる訳ではなく、これ
だけでは発光強度は必ずしも充分とはいえない。
【0010】また、従来最も良質のGaN単結晶を得る
ことが出来ているMOCVD法では、結晶成長温度が約
1000℃程度であるが、ヘテロエピ成長であるため、
基板とGaN層との熱膨張率に差が有り、熱歪みによる
欠陥生成が無視出来ないという問題点が有る。
ことが出来ているMOCVD法では、結晶成長温度が約
1000℃程度であるが、ヘテロエピ成長であるため、
基板とGaN層との熱膨張率に差が有り、熱歪みによる
欠陥生成が無視出来ないという問題点が有る。
【0011】また、通常用いられるサファイア等の基板
を用いる場合には、GaN中へのAl拡散などの問題が
ある。
を用いる場合には、GaN中へのAl拡散などの問題が
ある。
【0012】このような欠陥が有る程度残っても充分な
発光強度を得るために、発光中心を添加する方法も有る
が、この場合、発光強度は増加するけれども誘導放出を
効率的に起こすことが困難なのでレーザー発振は難しい
という問題が残る。
発光強度を得るために、発光中心を添加する方法も有る
が、この場合、発光強度は増加するけれども誘導放出を
効率的に起こすことが困難なのでレーザー発振は難しい
という問題が残る。
【0013】また、発光中心を添加する方法では、バン
ドギャップ内に形成されるエネルギー準位を利用するの
で、必然的に発光波長は、バンドギャップに相当するエ
ネルギーよりも低エネルギー、すなわち長波長になるた
め、短波長化にとっては不利であるという問題がある。
ドギャップ内に形成されるエネルギー準位を利用するの
で、必然的に発光波長は、バンドギャップに相当するエ
ネルギーよりも低エネルギー、すなわち長波長になるた
め、短波長化にとっては不利であるという問題がある。
【0014】さらに、結晶成長にMOCVD法を用いる
場合には、トリメチルガリウム等の有毒で高価で不安定
な半導体ガスが必要になるので、反応に使用した後の廃
ガスの除害装置や、ガス漏洩を検知する警報システム、
その他の高価で大がかりな安全対策が必要となり、高額
の設備投資が必要となるという問題もある。
場合には、トリメチルガリウム等の有毒で高価で不安定
な半導体ガスが必要になるので、反応に使用した後の廃
ガスの除害装置や、ガス漏洩を検知する警報システム、
その他の高価で大がかりな安全対策が必要となり、高額
の設備投資が必要となるという問題もある。
【0015】[発明の目的]本発明の目的は、上記のよ
うな問題点を解決し、良質のGaN単結晶を実現するヘ
テロエピタキシャル成長法を提供することにある。
うな問題点を解決し、良質のGaN単結晶を実現するヘ
テロエピタキシャル成長法を提供することにある。
【0016】また本発明の他の目的は、GaNデバイス
に使用可能な大面積GaNエピウエハ及びその製造方法
を提供することである。
に使用可能な大面積GaNエピウエハ及びその製造方法
を提供することである。
【0017】
【課題を解決するための手段及び作用】上記本発明の目
的は、GaNを主成分とする単結晶の成長において、G
aを主成分とする冷却されたターゲットと、スパッタリ
ング・ガスとN2 ガス、NH3、N2 H4 等のNを含む
ガスを主成分とし、H2 以外の不純物ガス分圧が10-8
torr以下の放電ガスとを用い、スパッタリング・ガ
スの高周波プラズマ中のイオンのエネルギーを制御して
結晶成長表面へイオン照射しながら結晶成長を行なう反
応性スパッタリング法により、GaN以外の材料からな
る基体上に、GaNを主成分とする単結晶を成長させる
ことを特徴とする成長法により達成される。
的は、GaNを主成分とする単結晶の成長において、G
aを主成分とする冷却されたターゲットと、スパッタリ
ング・ガスとN2 ガス、NH3、N2 H4 等のNを含む
ガスを主成分とし、H2 以外の不純物ガス分圧が10-8
torr以下の放電ガスとを用い、スパッタリング・ガ
スの高周波プラズマ中のイオンのエネルギーを制御して
結晶成長表面へイオン照射しながら結晶成長を行なう反
応性スパッタリング法により、GaN以外の材料からな
る基体上に、GaNを主成分とする単結晶を成長させる
ことを特徴とする成長法により達成される。
【0018】本発明者等は、上記の方法により、600
℃以下、特に400℃程度の成長温度でもGaN以外の
材料の基板上に、極めて低欠陥のGaN単結晶を成長で
きることを見い出し、本発明に至った。
℃以下、特に400℃程度の成長温度でもGaN以外の
材料の基板上に、極めて低欠陥のGaN単結晶を成長で
きることを見い出し、本発明に至った。
【0019】欠陥の少ない良質のエピタキシャル膜を成
長するためには、エピ成長の際の不純物混入を防止する
ことが必要不可欠である。これを実現するためには、ス
パッタリングを行なう成長室内のガス中のスパッタリン
グ・ガスとN2 とH2 以外の汚染不純物分圧が1×10
-8torr以下に抑える必要がある。これにより、結晶
成長表面の汚染が避けられ、結晶の原子の表面移動性が
向上して結晶欠陥の発生を抑制する効果もある。1×1
0-8torr以上の不純物分圧では欠陥が急激に増加す
るので、低欠陥の単結晶成長は困難になる。
長するためには、エピ成長の際の不純物混入を防止する
ことが必要不可欠である。これを実現するためには、ス
パッタリングを行なう成長室内のガス中のスパッタリン
グ・ガスとN2 とH2 以外の汚染不純物分圧が1×10
-8torr以下に抑える必要がある。これにより、結晶
成長表面の汚染が避けられ、結晶の原子の表面移動性が
向上して結晶欠陥の発生を抑制する効果もある。1×1
0-8torr以上の不純物分圧では欠陥が急激に増加す
るので、低欠陥の単結晶成長は困難になる。
【0020】Nは、GaNの構成元素として必要である
から、高純度のN2 ガスとして供給する。
から、高純度のN2 ガスとして供給する。
【0021】スパッタリング・ガスとしては、高純度の
Arガスを使うことが出来るが、He,Ne,Xe,K
r等のガスでも良い。水素は成長条件により結晶欠陥の
低減に効果がある場合が有るので存在しても良い。
Arガスを使うことが出来るが、He,Ne,Xe,K
r等のガスでも良い。水素は成長条件により結晶欠陥の
低減に効果がある場合が有るので存在しても良い。
【0022】ArとN2 などのNを含むガスの放電プラ
ズマを用いたスパッタリングにより、Gaターゲットか
ら高純度のGaを基体上に供給して結晶成長を行ないな
がら、結晶成長表面にAr等のスパッタリング・ガスの
低エネルギーイオン照射を行なう事により、Ga原子や
N原子の成長表面での表面拡散性が向上して低温での単
結晶成長が可能になる。
ズマを用いたスパッタリングにより、Gaターゲットか
ら高純度のGaを基体上に供給して結晶成長を行ないな
がら、結晶成長表面にAr等のスパッタリング・ガスの
低エネルギーイオン照射を行なう事により、Ga原子や
N原子の成長表面での表面拡散性が向上して低温での単
結晶成長が可能になる。
【0023】このイオンエネルギーが小さすぎると、上
記の原子の表面拡散性が不十分なために結晶欠陥が発生
しやすくなり、単結晶成長が不可能になる。反対にイオ
ンエネルギーが大きすぎると、成長したエピ成長層がイ
オンダメージを受け、結晶欠陥が増大する。従ってイオ
ンエネルギーを最適な値に制御することが必要である。
記の原子の表面拡散性が不十分なために結晶欠陥が発生
しやすくなり、単結晶成長が不可能になる。反対にイオ
ンエネルギーが大きすぎると、成長したエピ成長層がイ
オンダメージを受け、結晶欠陥が増大する。従ってイオ
ンエネルギーを最適な値に制御することが必要である。
【0024】結晶成長表面に入射するイオンの制御は、
基体側に直流バイアス電圧を印加することにより可能で
あるが、プラズマ中のイオンのエネルギー分布が広いと
バイアス電圧印加によりイオンエネルギーのピーク値を
制御しても基体表面に入射するイオンのエネルギーは広
い分布を持つことになり、小さすぎるエネルギーを持つ
イオンと大きすぎるイオンの両方が基体表面に飛び込ん
でくる。このため正確なイオンエネルギー制御は実際上
不可能となり、例えば全体としてエネルギーは不足だ
が、イオンダメージは避けられないといった不都合が生
じてしまう。この問題を解決するためにはプラズマ中の
イオンが充分に狭いエネルギー分布を持っている必要が
ある。
基体側に直流バイアス電圧を印加することにより可能で
あるが、プラズマ中のイオンのエネルギー分布が広いと
バイアス電圧印加によりイオンエネルギーのピーク値を
制御しても基体表面に入射するイオンのエネルギーは広
い分布を持つことになり、小さすぎるエネルギーを持つ
イオンと大きすぎるイオンの両方が基体表面に飛び込ん
でくる。このため正確なイオンエネルギー制御は実際上
不可能となり、例えば全体としてエネルギーは不足だ
が、イオンダメージは避けられないといった不都合が生
じてしまう。この問題を解決するためにはプラズマ中の
イオンが充分に狭いエネルギー分布を持っている必要が
ある。
【0025】図1は、プラズマ中のイオンのエネルギー
分布を測定したものであるが、通常の高周波スパッタリ
ングに使用される周波数13.56MHzでは、エネル
ギー分布が広すぎて充分なイオンエネルギー制御が出来
ない。これに対し100MHz又はそれ以上の周波数で
はイオンエネルギーの分布がシャープになり、基体バイ
アス制御によりイオンエネルギーの制御が可能になる。
分布を測定したものであるが、通常の高周波スパッタリ
ングに使用される周波数13.56MHzでは、エネル
ギー分布が広すぎて充分なイオンエネルギー制御が出来
ない。これに対し100MHz又はそれ以上の周波数で
はイオンエネルギーの分布がシャープになり、基体バイ
アス制御によりイオンエネルギーの制御が可能になる。
【0026】イオンエネルギー分布をシャープにすると
いう点では周波数は高い程よいが、その分波長が短くな
っていくので、広い領域でプラズマ密度の均一性を得難
くなる。このため、100〜500MHz程度の周波数
は実用上適当な周波数である。100MHz以下の周波
数は、目的によっては使用出来るが結晶欠陥は増大す
る。エネルギーの最適値は、基体温度、イオン照射量、
基体材質等により変化するので基体バイアスを変えて最
適化を行なえば良い。具体的な例は実施例の中で述べ
る。
いう点では周波数は高い程よいが、その分波長が短くな
っていくので、広い領域でプラズマ密度の均一性を得難
くなる。このため、100〜500MHz程度の周波数
は実用上適当な周波数である。100MHz以下の周波
数は、目的によっては使用出来るが結晶欠陥は増大す
る。エネルギーの最適値は、基体温度、イオン照射量、
基体材質等により変化するので基体バイアスを変えて最
適化を行なえば良い。具体的な例は実施例の中で述べ
る。
【0027】GaNは、単結晶基板が存在しないので、
基体としてはサファイア、SiC,Si等を用いる必要
が有るが、GaNとの格子不整合が大きいため欠陥の少
ない単結晶成長は容易ではない。AlN,GaN、Zn
O等のアモルファス層等をバッファ層として用いて欠陥
を下げる方法が試みられ、ある程度成功しているが、欠
陥は完全には無くならない上にMOCVD等の高温プロ
セスではAl,Zn等の拡散が起きる。
基体としてはサファイア、SiC,Si等を用いる必要
が有るが、GaNとの格子不整合が大きいため欠陥の少
ない単結晶成長は容易ではない。AlN,GaN、Zn
O等のアモルファス層等をバッファ層として用いて欠陥
を下げる方法が試みられ、ある程度成功しているが、欠
陥は完全には無くならない上にMOCVD等の高温プロ
セスではAl,Zn等の拡散が起きる。
【0028】本発明によれば、以下の方法により結晶欠
陥の少ないヘテロエピ成長が可能になる。
陥の少ないヘテロエピ成長が可能になる。
【0029】即ち、GaN以外の基体の表面をクリーニ
ングした後、基体バイアスを制御して若干のイオンダメ
ージが入る程度にイオンエネルギーを高くしてGaN膜
の堆積をスタートさせる。100〜1000オングスト
ロームの欠陥を含む層を堆積させた後、再び基体バイア
スを制御してイオンエネルギーを下げイオンダメージを
受けない低欠陥のGaN単結晶膜を成長させる。
ングした後、基体バイアスを制御して若干のイオンダメ
ージが入る程度にイオンエネルギーを高くしてGaN膜
の堆積をスタートさせる。100〜1000オングスト
ロームの欠陥を含む層を堆積させた後、再び基体バイア
スを制御してイオンエネルギーを下げイオンダメージを
受けない低欠陥のGaN単結晶膜を成長させる。
【0030】このように、膜堆積の途中でイオンエネル
ギーを変化させる事は、本発明においては自由に行なえ
る。イオンエネルギーを強くして堆積する層はヘテロエ
ピのためのバッファ層として機能するが、MOCVDの
様に基板温度変化によらず電圧印加が可能であるため、
低温で瞬時に簡単に切り替えが出来るばかりでなく、様
々な精密制御が可能であるという利点がある。
ギーを変化させる事は、本発明においては自由に行なえ
る。イオンエネルギーを強くして堆積する層はヘテロエ
ピのためのバッファ層として機能するが、MOCVDの
様に基板温度変化によらず電圧印加が可能であるため、
低温で瞬時に簡単に切り替えが出来るばかりでなく、様
々な精密制御が可能であるという利点がある。
【0031】GaNのエピ成長を本発明により行なう場
合は、Siの場合に較べてイオンダメージの影響を受け
にくい事が見い出された。この理由は解明できていない
が、Siエピの場合よりも使用できるイオンエネルギー
の範囲が広く取れるという利点もある。
合は、Siの場合に較べてイオンダメージの影響を受け
にくい事が見い出された。この理由は解明できていない
が、Siエピの場合よりも使用できるイオンエネルギー
の範囲が広く取れるという利点もある。
【0032】基体としては、通常GaNのエピタキシャ
ル成長に使われるAlNだけでなくSiCやZnOも可
能である。低抵抗のn型やp型のSiウエハはデバイス
として基板のコンタクトを取る上でも本発明のエピ成長
時に基板バイアスを印加する上でも好都合である。
ル成長に使われるAlNだけでなくSiCやZnOも可
能である。低抵抗のn型やp型のSiウエハはデバイス
として基板のコンタクトを取る上でも本発明のエピ成長
時に基板バイアスを印加する上でも好都合である。
【0033】AlNやSiCのような高抵抗基体上にG
aNをエピ成長する場合には、特開昭63−50025
号公報に開示されているような、基体側にも高周波印加
するような方法により基体バイアス制御が可能である。
aNをエピ成長する場合には、特開昭63−50025
号公報に開示されているような、基体側にも高周波印加
するような方法により基体バイアス制御が可能である。
【0034】基体表面の不純物汚染は、エピタキシャル
成長に大きく影響を与える。大気中での酸などによる洗
浄の他に、本発明では基体上にイオン照射出来ることを
利用して真空中でプラズマを利用してイオンボンバード
メントを行なうことが容易に可能である。ボンバードメ
ントの後そのまま真空を破らずにエピ成長を行なう事が
出来る。
成長に大きく影響を与える。大気中での酸などによる洗
浄の他に、本発明では基体上にイオン照射出来ることを
利用して真空中でプラズマを利用してイオンボンバード
メントを行なうことが容易に可能である。ボンバードメ
ントの後そのまま真空を破らずにエピ成長を行なう事が
出来る。
【0035】ターゲットとして使用するGaは、N以外
の成分が出来るだけ少ないものが望ましい。Gaの融点
は30℃以下であるのでターゲットの冷却は徹底して行
なう必要がある。通常のスパッタリングで用いられる水
冷では不充分であり、液体窒素による冷却が望ましい。
ただし、これ以外の方法でも充分な冷却効果が得られる
ものならば使用可能である。
の成分が出来るだけ少ないものが望ましい。Gaの融点
は30℃以下であるのでターゲットの冷却は徹底して行
なう必要がある。通常のスパッタリングで用いられる水
冷では不充分であり、液体窒素による冷却が望ましい。
ただし、これ以外の方法でも充分な冷却効果が得られる
ものならば使用可能である。
【0036】もし、発光デバイスにバンドギャップが異
なる活性層やクラッド層を設ける場合には、GaN層に
In等のバンドギャップ調整元素を添加すれば良い。こ
のようなことは、GaターゲットにIn等の必要な元素
をあらかじめ添加しておくことにより可能である。
なる活性層やクラッド層を設ける場合には、GaN層に
In等のバンドギャップ調整元素を添加すれば良い。こ
のようなことは、GaターゲットにIn等の必要な元素
をあらかじめ添加しておくことにより可能である。
【0037】また、発光中心が必要なら、発光中心とし
て機能するZnその他の元素を添加しておけば良い。
て機能するZnその他の元素を添加しておけば良い。
【0038】また、p型のエピ膜を得たければ、Mg等
のアクセプター不純物をあらかじめターゲット中に添加
しておけば良い。同様にn型のエピ膜の場合には、Si
等のドナー不純物を添加しておけば良い。pinその他
の積層構造を堆積する場合には、エピ成長の途中で成長
を中断してターゲットの交換を行うか、又は各層ごとに
別のターゲットを設置した成長室を用意し基板を移動す
ることによって積層するなどの方法が可能である。
のアクセプター不純物をあらかじめターゲット中に添加
しておけば良い。同様にn型のエピ膜の場合には、Si
等のドナー不純物を添加しておけば良い。pinその他
の積層構造を堆積する場合には、エピ成長の途中で成長
を中断してターゲットの交換を行うか、又は各層ごとに
別のターゲットを設置した成長室を用意し基板を移動す
ることによって積層するなどの方法が可能である。
【0039】また本発明でGaN以外の基板上にGaN
のヘテロエピウエハをつくり、これを基板としてMBE
やMOCVDなどの他の方法で薄膜のホモエピ成長を行
なう事で結晶欠陥を減少させる方法も可能である。
のヘテロエピウエハをつくり、これを基板としてMBE
やMOCVDなどの他の方法で薄膜のホモエピ成長を行
なう事で結晶欠陥を減少させる方法も可能である。
【0040】本発明の結晶成長法に使用する装置の一例
を図2に示す。超高真空を達成出来る結晶成長室1の中
にターゲット電極8を設置し、Gaを主成分とするター
ゲットを取り付けてある。基板5は基板サセプター6に
取り付け、基板ヒーター7で加熱する事が出来る。ター
ゲット電極8はマッチング・ボックス11を介して高周
波電源12に接続されている。さらにローパスフィルタ
ー13を介して直流電源と接続され直流バイアスを重ね
て印加できるようにしてある。基板電極も別のローパス
フィルター13を介して別の直流電源14に接続されて
いる。Arなどのスパッタリング・ガスはボンベ16か
ら供給し、ガス純化器15とマスフローコントローラー
18を介して成長室1に導入される。N2 ガスは別のボ
ンベ20から供給され別のガス純化器19とマスフロー
コントローラー22を介して成長室1へ導入される。成
長室1はターボ分子ポンプ3と補助排気ポンプ4により
超高真空へ排気される。
を図2に示す。超高真空を達成出来る結晶成長室1の中
にターゲット電極8を設置し、Gaを主成分とするター
ゲットを取り付けてある。基板5は基板サセプター6に
取り付け、基板ヒーター7で加熱する事が出来る。ター
ゲット電極8はマッチング・ボックス11を介して高周
波電源12に接続されている。さらにローパスフィルタ
ー13を介して直流電源と接続され直流バイアスを重ね
て印加できるようにしてある。基板電極も別のローパス
フィルター13を介して別の直流電源14に接続されて
いる。Arなどのスパッタリング・ガスはボンベ16か
ら供給し、ガス純化器15とマスフローコントローラー
18を介して成長室1に導入される。N2 ガスは別のボ
ンベ20から供給され別のガス純化器19とマスフロー
コントローラー22を介して成長室1へ導入される。成
長室1はターボ分子ポンプ3と補助排気ポンプ4により
超高真空へ排気される。
【0041】
[実施例1]充分に洗浄したn型Siウエハ基板を、図
2に示す装置の真空に保たれた成長室1内のサセプター
6上に設置する。同じく充分に洗浄したGaターゲット
8をターゲットサセプターに設置する。
2に示す装置の真空に保たれた成長室1内のサセプター
6上に設置する。同じく充分に洗浄したGaターゲット
8をターゲットサセプターに設置する。
【0042】真空度をターボ分子ポンプ3と補助排気ポ
ンプ4により5×10-10 Torr以下に保ち、液体窒
素トラップ23に液体窒素を注入してターゲットを冷却
し、基板温度を基板ヒーター7により550℃に保つ。
ンプ4により5×10-10 Torr以下に保ち、液体窒
素トラップ23に液体窒素を注入してターゲットを冷却
し、基板温度を基板ヒーター7により550℃に保つ。
【0043】Arガスボンベ16よりArガス純化器1
5、マスフローコントローラー18を介して成長室1内
へ導入し、N2 ガスボンベ20よりN2 ガス純化器1
9、マスフローコントローラ22を介して成長室1内へ
導入し、成長室1内を10mTorrに保つ。
5、マスフローコントローラー18を介して成長室1内
へ導入し、N2 ガスボンベ20よりN2 ガス純化器1
9、マスフローコントローラ22を介して成長室1内へ
導入し、成長室1内を10mTorrに保つ。
【0044】ローパスフィルター13を介して直流電源
14によりターゲット側に−5V、基板側に+5Vの直
流バイアスを印加する。高周波発振器12を用いマッチ
ングボックス11を介して105MHzの高周波をター
ゲットに印加してターゲット8と基板5との間に高周波
プラズマを発生させる。投入する高周波パワーは80W
とした。
14によりターゲット側に−5V、基板側に+5Vの直
流バイアスを印加する。高周波発振器12を用いマッチ
ングボックス11を介して105MHzの高周波をター
ゲットに印加してターゲット8と基板5との間に高周波
プラズマを発生させる。投入する高周波パワーは80W
とした。
【0045】プラズマ発生により基板へのイオン照射が
起きることが、基板への流入電流モニターにより確認で
きる。ターゲットバイアスが充分低いので膜堆積は起き
ない。こうして基板表面をイオン照射によりクリーニン
グした後、ターゲットバイアスを−100Vに下げ、膜
堆積を開始する。
起きることが、基板への流入電流モニターにより確認で
きる。ターゲットバイアスが充分低いので膜堆積は起き
ない。こうして基板表面をイオン照射によりクリーニン
グした後、ターゲットバイアスを−100Vに下げ、膜
堆積を開始する。
【0046】このターゲット・バイアス変化により、A
r+ 及びN+ イオンがGaターゲットを叩きGaを基板
上へ供給し始める。膜は初め結晶粒径の小さい多結晶で
あるが膜厚が増えるにつれて配向した粒径のより大きな
多結晶となり欠陥の多い単結晶に変化する。堆積膜が5
00オングストロームになったところで基板バイアスを
+15Vに上げ入射イオンのエネルギーを下げる。する
と結晶中の欠陥は減少し低欠陥のエピ膜が成長する。放
電を停止し基板を冷却してから大気中へ取り出して結晶
成長が完了する。
r+ 及びN+ イオンがGaターゲットを叩きGaを基板
上へ供給し始める。膜は初め結晶粒径の小さい多結晶で
あるが膜厚が増えるにつれて配向した粒径のより大きな
多結晶となり欠陥の多い単結晶に変化する。堆積膜が5
00オングストロームになったところで基板バイアスを
+15Vに上げ入射イオンのエネルギーを下げる。する
と結晶中の欠陥は減少し低欠陥のエピ膜が成長する。放
電を停止し基板を冷却してから大気中へ取り出して結晶
成長が完了する。
【0047】こうして、低抵抗のn型Si上に多結晶の
バッファ層を介して約5000オングストロームのGa
N単結晶層をヘテロエピ成長させる事が出来る。TEM
観察によれば上記バッファ層の上のGaN層の欠陥はほ
とんど検知されない。熱歪みによるとみられる欠陥生成
も検知されない。
バッファ層を介して約5000オングストロームのGa
N単結晶層をヘテロエピ成長させる事が出来る。TEM
観察によれば上記バッファ層の上のGaN層の欠陥はほ
とんど検知されない。熱歪みによるとみられる欠陥生成
も検知されない。
【0048】[実施例2]実施例1と概略同様の方法に
てAlN基板上にGaNのエピタキシャル成長を行なっ
た。
てAlN基板上にGaNのエピタキシャル成長を行なっ
た。
【0049】図2の装置において、基板側の直流電源と
ローパスフィルターをターゲット側と同様の高周波電源
とマッチング・ボックスに交換した装置を用いる。基板
サセプター上に良く洗浄したAlN基板を設置し成長室
1内を5×10-10 Torrまで減圧する。液体窒素ト
ラップ23に液体窒素を注入してターゲットを冷却し、
基板温度を基板ヒーター7により450℃に保つ。
ローパスフィルターをターゲット側と同様の高周波電源
とマッチング・ボックスに交換した装置を用いる。基板
サセプター上に良く洗浄したAlN基板を設置し成長室
1内を5×10-10 Torrまで減圧する。液体窒素ト
ラップ23に液体窒素を注入してターゲットを冷却し、
基板温度を基板ヒーター7により450℃に保つ。
【0050】Arガスボンベ16よりArガス純化器1
5、マスフローコントローラー18を介して成長室1内
へ導入し、N2 ガスボンベ20よりN2 ガス純化器1
9、マスフローコントローラ22を介して成長室1内へ
導入し、成長室1内を10mTorrに保つ。
5、マスフローコントローラー18を介して成長室1内
へ導入し、N2 ガスボンベ20よりN2 ガス純化器1
9、マスフローコントローラ22を介して成長室1内へ
導入し、成長室1内を10mTorrに保つ。
【0051】ローパスフィルター13を介して直流電源
14によりターゲット側に−5Vを印加する。基板側に
200MHzの高周波バイアスを印加し、50WのRF
パワーを投入する。高周波発振器12を用いてマッチン
グ・ボックス11を介して105MHzの高周波をター
ゲットに印加してターゲット8と基板5との間に高周波
プラズマを発生させる。投入する高周波パワーは100
Wとした。絶縁性のAlN基板には高周波バイアスター
ゲットへの高周波投入による自己バイアスがかかる。こ
のバイアスは基板側の高周波バイアスの投入パワーによ
り最適値に制御する。
14によりターゲット側に−5Vを印加する。基板側に
200MHzの高周波バイアスを印加し、50WのRF
パワーを投入する。高周波発振器12を用いてマッチン
グ・ボックス11を介して105MHzの高周波をター
ゲットに印加してターゲット8と基板5との間に高周波
プラズマを発生させる。投入する高周波パワーは100
Wとした。絶縁性のAlN基板には高周波バイアスター
ゲットへの高周波投入による自己バイアスがかかる。こ
のバイアスは基板側の高周波バイアスの投入パワーによ
り最適値に制御する。
【0052】プラズマ発生により基板へのイオン照射が
起きることが基板への流入電流モニターにより確認でき
る。ターゲットバイアスが充分低いので膜堆積は起きな
い。こうして基板表面をイオン照射によりクリーニング
した後、ターゲットバイアスを−70Vに下げ、膜堆積
を開始する。
起きることが基板への流入電流モニターにより確認でき
る。ターゲットバイアスが充分低いので膜堆積は起きな
い。こうして基板表面をイオン照射によりクリーニング
した後、ターゲットバイアスを−70Vに下げ、膜堆積
を開始する。
【0053】このターゲット・バイアス変化によりAr
+ 及びN+ イオンがGaターゲットを叩きGaを基板上
へ供給し始める。膜は初め結晶粒径の小さい多結晶であ
るが膜厚が増えるにつれて配向した粒径のより大きな多
結晶となり欠陥の多い単結晶に変化する。堆積を継続す
ると結晶中の欠陥は減少し低欠陥のエピ膜が成長する。
放電を停止し基板を冷却してから大気中へ取り出して結
晶成長を完了する。
+ 及びN+ イオンがGaターゲットを叩きGaを基板上
へ供給し始める。膜は初め結晶粒径の小さい多結晶であ
るが膜厚が増えるにつれて配向した粒径のより大きな多
結晶となり欠陥の多い単結晶に変化する。堆積を継続す
ると結晶中の欠陥は減少し低欠陥のエピ膜が成長する。
放電を停止し基板を冷却してから大気中へ取り出して結
晶成長を完了する。
【0054】こうして、高抵抗のAlN基板上に多結晶
のバッファ層を介して約7000オングストロームのG
aN単結晶層をヘテロエピ成長させる事が出来る。TE
M観察によれば表面から深さ6000オングストローム
までのGaN層の欠陥はほとんど検知されない。熱歪み
によるとみられる欠陥生成も検知されない。
のバッファ層を介して約7000オングストロームのG
aN単結晶層をヘテロエピ成長させる事が出来る。TE
M観察によれば表面から深さ6000オングストローム
までのGaN層の欠陥はほとんど検知されない。熱歪み
によるとみられる欠陥生成も検知されない。
【0055】[実施例3]実施例1とほぼ同様の装置が
ゲートバルブを介して成長室で2個つながった成長室を
2個持つ装置を使用する。基板は図示されていない基板
搬送装置により真空を破らずに2つの成長室間を移動さ
せる事が可能である様にする。
ゲートバルブを介して成長室で2個つながった成長室を
2個持つ装置を使用する。基板は図示されていない基板
搬送装置により真空を破らずに2つの成長室間を移動さ
せる事が可能である様にする。
【0056】片方の成長室1Aのターゲット・サセプタ
ーにはSiを添加したGaターゲットを、もう一方の成
長室1Bのターゲット・サセプターにはMgを添加した
Gaターゲットを設置する。
ーにはSiを添加したGaターゲットを、もう一方の成
長室1Bのターゲット・サセプターにはMgを添加した
Gaターゲットを設置する。
【0057】Si基板を成長室1Aの基板サセプター上
に設置し、実施例1と同様の方法によりSi基板上にS
iを含むn型のGaNのバッファ層約400オングスト
ロームと結晶層5000オングストロームをエピ成長さ
せる。
に設置し、実施例1と同様の方法によりSi基板上にS
iを含むn型のGaNのバッファ層約400オングスト
ロームと結晶層5000オングストロームをエピ成長さ
せる。
【0058】次に成長室1Aと1Bとの間のゲートバル
ブを空けて真空を破らずに基板搬送装置により基板を成
長室1Bへ移す。ゲートバルブを閉じてから全く同様の
条件でMgを含むp型のGaNを既にエピ成長したn型
GaNの上に1000オングストローム成長させる。p
層の方は既にn層が単結晶GaNになっているのでバッ
ファ層は無しに直接基板バイアス+15Vで堆積する。
ブを空けて真空を破らずに基板搬送装置により基板を成
長室1Bへ移す。ゲートバルブを閉じてから全く同様の
条件でMgを含むp型のGaNを既にエピ成長したn型
GaNの上に1000オングストローム成長させる。p
層の方は既にn層が単結晶GaNになっているのでバッ
ファ層は無しに直接基板バイアス+15Vで堆積する。
【0059】こうしてSi基板上に図3に示すようなG
aNの単結晶pn接合を形成する事が出来た。電極を形
成して順方向バイアスをかけると表面側から強いブルー
の発光が認められた。
aNの単結晶pn接合を形成する事が出来た。電極を形
成して順方向バイアスをかけると表面側から強いブルー
の発光が認められた。
【0060】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
GaN以外の基体上に低欠陥のGaNをヘテロエピタキ
シャル成長する事が出来る。例えば8インチφ程度のS
iウエハ上にGaNをエピ成長させることによりGaN
の8インチエピウエハが可能となる。そこで、この上に
GaN発光デバイスを本発明の方法により、あるいはM
OCVDやMBEにより形成することにより低コストの
発光デバイスが実現可能となる。
GaN以外の基体上に低欠陥のGaNをヘテロエピタキ
シャル成長する事が出来る。例えば8インチφ程度のS
iウエハ上にGaNをエピ成長させることによりGaN
の8インチエピウエハが可能となる。そこで、この上に
GaN発光デバイスを本発明の方法により、あるいはM
OCVDやMBEにより形成することにより低コストの
発光デバイスが実現可能となる。
【図1】本発明に用いる高周波放電プラズマ中のイオン
エネルギー分布を従来の13.56MHzのプラズマの
イオン・エネルギー分布と比較した図である。
エネルギー分布を従来の13.56MHzのプラズマの
イオン・エネルギー分布と比較した図である。
【図2】本発明に用いる高周波スパッタリング装置の一
例を示す概略構成図である。
例を示す概略構成図である。
【図3】本発明により形成したpnダイオードの構造を
示す概念図である。
示す概念図である。
1 結晶成長室 2 排気ダクト 3 ターボ分子ポンプ 4 補助排気ポンプ 5 基板 6 基板サセプター 7 基板ヒーター 8 ターゲット 9 マグネット 11 マッチングボックス 12 高周波電源 13 低周波透過フィルター 14 直流電源 15,16 ガス純化器 16,20 ガスボンベ 17,21 ガス配管 18,22 マスフローコントローラー 10 コンデンサー 17 メインバルブ 23 液体窒素トラップ
Claims (11)
- 【請求項1】 GaNを主成分とする単結晶層を有する
半導体ウエハにおいて、 GaN以外の材料からなる基体上に、 Gaを主成分とする冷却されたターゲットと、 スパッタリング・ガスとNを含むガスとを主成分とし、
H2 以外の不純物ガス分圧が10-8torr以下の放電
ガスとを用い、 該スパッタリング・ガスの高周波プラズマ中のイオンの
エネルギーを制御して結晶成長表面上へイオン照射しな
がら結晶成長を行なう反応性スパッタリング法により成
長された、前記GaNを主成分とする単結晶層を有する
ことを特徴とする半導体ウエハ。 - 【請求項2】 前記基体はSiウエハであり、該Siウ
エハ上にヘテロエピタキシャル成長された前記GaN層
を有することを特徴とする請求項1に記載の半導体ウエ
ハ。 - 【請求項3】 GaNを主成分とする単結晶の結晶成長
方法において、 Gaを主成分とする冷却されたターゲットと、 スパッタリング・ガスとNを含むガスとを主成分とし、
H2 以外の不純物ガス分圧が10-8torr以下の放電
ガスとを用い、 該スパッタリング・ガスの高周波プラズマ中のイオンの
エネルギーを制御して結晶成長表面上へイオン照射しな
がら結晶成長を行なう反応性スパッタリング法により、
GaN以外の材料からなる基体上に、GaNを主成分と
する単結晶を成長させることを特徴とする結晶成長方
法。 - 【請求項4】 前記結晶成長表面へのイオン照射のエネ
ルギーを制御する手段として、100MHz以上の高周
波放電プラズマを用い、前記ターゲットと前記基体の少
なくとも一方に、直流又は交流のバイアス電圧印加を行
なう反応性スパッタリング法を用いることを特徴とする
請求項3に記載の結晶成長方法。 - 【請求項5】 前記結晶成長表面へのイオン照射のエネ
ルギーは、結晶成長の途中で変化させて制御されること
を特徴とする請求項3に記載の結晶成長方法。 - 【請求項6】 前記スパッタリングガスは、Arガスで
あることを特徴とする請求項3に記載の結晶成長方法。 - 【請求項7】 前記Nを含むガスは、N2 ガスであるこ
とを特徴とする請求項3に記載の結晶成長方法。 - 【請求項8】 前記単結晶成長の成長温度は、600℃
以下であることを特徴とする請求項3に記載の結晶成長
方法。 - 【請求項9】 前記結晶成長の前に、前記基体表面を不
活性ガスのイオン照射によりクリーニングし、そのまま
表面を大気にさらすことなく結晶成長することを特徴と
する請求項3に記載の結晶成長方法。 - 【請求項10】 前記ターゲットの冷却は、液体窒素で
行なわれることを特徴とする請求項3に記載の結晶成長
方法。 - 【請求項11】 GaN以外の材料からなる基体上に、
GaNを主成分とする単結晶層を成長させる結晶成長方
法において、 Gaを主成分とする冷却されたターゲットと、 スパッタリング・ガスとN2 ガスとを主成分とし、H2
以外の不純物ガス分圧が10-8torr以下の放電ガス
と、 100MHz以上の高周波放電プラズマと、 前記ターゲットと前記基体の少なくとも一方に、直流又
は交流のバイアス電圧印加手段と、を具備して行われる
反応性スパッタリング法を用い、 前記GaN以外の材料からなる基体の表面を不活性ガス
のイオン照射によりクリーニングし、 その後、該基体を大気にさらすことなく、前記基体バイ
アスを制御して若干のイオンダメージが入る程度にイオ
ンエネルギーを高くして、前記基体上に任意の層厚の欠
陥を含むGaN膜を堆積させ、 その後、再び前記基体バイアスを制御してイオンエネル
ギーを下げ、イオンダメージを受けない低欠陥のGaN
単結晶膜を前記基体上に成長させることを特徴とする結
晶成長方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP31823794A JPH08181073A (ja) | 1994-12-21 | 1994-12-21 | 半導体ウエハ及び結晶成長方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP31823794A JPH08181073A (ja) | 1994-12-21 | 1994-12-21 | 半導体ウエハ及び結晶成長方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08181073A true JPH08181073A (ja) | 1996-07-12 |
Family
ID=18096964
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP31823794A Pending JPH08181073A (ja) | 1994-12-21 | 1994-12-21 | 半導体ウエハ及び結晶成長方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH08181073A (ja) |
Cited By (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100381742B1 (ko) * | 1999-06-30 | 2003-04-26 | 스미토모덴키고교가부시키가이샤 | Ⅲ-ⅴ족 질화물반도체의 성장방법 및 기상성장장치 |
| JP2004327905A (ja) * | 2003-04-28 | 2004-11-18 | Doshisha | 薄膜材料の形成方法および形成装置 |
| JP2008153619A (ja) * | 2006-11-24 | 2008-07-03 | Showa Denko Kk | Iii族窒化物化合物半導体発光素子の製造装置、iii族窒化物化合物半導体発光素子の製造方法、及びiii族窒化物化合物半導体発光素子、並びにランプ |
| JP2008159954A (ja) * | 2006-12-26 | 2008-07-10 | Showa Denko Kk | Iii族窒化物半導体の製造方法、iii族窒化物半導体発光素子の製造方法、及びiii族窒化物半導体発光素子、並びにランプ |
| JP2008159958A (ja) * | 2006-12-26 | 2008-07-10 | Showa Denko Kk | Iii族窒化物半導体の製造方法、iii族窒化物半導体発光素子の製造方法、及びiii族窒化物半導体発光素子、並びにランプ |
| JP2008198705A (ja) * | 2007-02-09 | 2008-08-28 | Showa Denko Kk | Iii族窒化物半導体発光素子の製造方法、及びiii族窒化物半導体発光素子、並びにランプ |
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| JP2008311420A (ja) * | 2007-06-14 | 2008-12-25 | Showa Denko Kk | スパッタターゲットの製造方法、スパッタターゲット、スパッタ装置、iii族窒化物化合物半導体発光素子の製造方法、及びiii族窒化物化合物半導体発光素子、並びにランプ |
| JP2009155672A (ja) * | 2007-12-25 | 2009-07-16 | Showa Denko Kk | Iii族窒化物半導体の製造方法、iii族窒化物半導体発光素子の製造方法、iii族窒化物半導体製造装置、iii族窒化物半導体及びiii族窒化物半導体発光素子、並びにランプ |
| WO2009113497A1 (ja) * | 2008-03-12 | 2009-09-17 | 昭和電工株式会社 | Iii族窒化物半導体層の製造方法、iii族窒化物半導体発光素子の製造方法、及びiii族窒化物半導体発光素子、並びにランプ |
| JP2011119720A (ja) * | 2009-11-06 | 2011-06-16 | Semiconductor Energy Lab Co Ltd | 半導体素子、及び半導体装置の作製方法、並びに成膜装置 |
| JP5471440B2 (ja) * | 2007-05-02 | 2014-04-16 | 豊田合成株式会社 | Iii族窒化物半導体発光素子の製造方法 |
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-
1994
- 1994-12-21 JP JP31823794A patent/JPH08181073A/ja active Pending
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| JP2008198705A (ja) * | 2007-02-09 | 2008-08-28 | Showa Denko Kk | Iii族窒化物半導体発光素子の製造方法、及びiii族窒化物半導体発光素子、並びにランプ |
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| WO2008152944A1 (ja) * | 2007-06-11 | 2008-12-18 | Showa Denko K.K. | Iii族窒化物半導体の製造方法、iii族窒化物半導体発光素子の製造方法、及びiii族窒化物半導体発光素子、並びにランプ |
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