JPH1174202A

JPH1174202A - 窒化ガリウム系ｉｉｉ−ｖ族化合物半導体の気相成長装置並びに窒化ガリウム系ｉｉｉ−ｖ族化合物半導体装置及びその製造方法

Info

Publication number: JPH1174202A
Application number: JP23362097A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Hanaoka; 大介花岡; Masaki Furukawa; 勝紀古川
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1997-08-29
Filing date: 1997-08-29
Publication date: 1999-03-16

Abstract

(57)【要約】【課題】高品質な窒化ガリウム系ＩＩＩ−Ｖ族化合物
半導体を成長しうる有機金属気相成長装置、および、そ
の装置を用いた窒化ガリウム系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導
体の製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】窒化ガリウム系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導
体を成長する有機金属気相成長装置において、基板に対
して原料ガス流の上流側の位置で、原料ガスが混合され
ている状態の位置に気相温度を制御するための第１の加
熱部を有し、且つ、基板を加熱するための第２の加熱部
とを有する有機金属気相成長装置により、高品質な窒化
ガリウム系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を成長することが
できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、窒化ガリウム系Ｉ
ＩＩ−Ｖ族化合物半導体の成長装置並びに窒化ガリウム
系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置及びその製造方法に関
するものである。ここで、窒化ガリウム系化合物半導体
とは、ＩＩＩ族元素として少なくともＧａを含み、Ｖ族
元素として少なくとも窒素を含む化合物からなる半導体
をいう。

【０００２】

【従来の技術】窒化ガリウム系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導
体の成長方法としては、色々な方法がある。例えば、有
機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法、ＭＢＥ法、ハイドラ
イドＶＰＥ法等がある。

【０００３】特に、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ
法）は、窒化ガリウム系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の結
晶成長方法として注目されている。これは、一般に、Ｍ
ＯＣＶＤ法は、良質な半導体膜を得ることができ、ま
た、混晶膜や超薄膜の成長を制御よく行うことができ、
その上、量産性に優れているという特徴を持っているか
らである。

【０００４】通常、ＭＯＣＶＤ装置は、縦型と横型の二
種類に大別することができる。基本的な装置構成として
は、原料ガスの流れるリアクタ、半導体膜を成長させる
基板、基板を加熱する加熱部からなる。この構造は、例
えば、特開昭６３−１８８９３４号公報等で示されてい
る。

【０００５】原料ガスとしては、ＩＩＩ族原料として、
トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、トリメ
チルインジウム等のＩＩＩ族アルキル化合物が用いら
れ、Ｖ族原料としては、アルシン、フォスフィン、アン
モニア等のＶ族水素化物やトリメチルヒ素、ターシャリ
ーブチルアルシン、ターシャリーブチルフォスフィン、
ターシャリーブチルアミン、ジメチルヒドラジン、エチ
ルアジド等のＶ族アルキル化合物が用いられる。

【０００６】成長方法は以下のようになる。原料ガス
が、キャリアガス（例えば、水素ガスや窒素ガス）とと
もに、リアクタ内に導入される。そのガスが、加熱され
た基板に導かれ、化学反応を経て、基板上に半導体膜を
成長させる。そして、排気ガスが排気ラインに導かれ、
排気される。得られる半導体膜の特性は、ガス流量、ガ
ス流速、ガスの混合比や、基板温度に依存する。そのた
め、それぞれの条件の最適化が重要である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来の方法において
は、半導体膜の品質を向上させるための外部から制御し
うる条件としては、ガス流量、ガス流速、ガスの混合比
や、基板温度程度である。ＭＯＣＶＤ法は、原料の化学
反応を利用して結晶を得るわけだが、化学反応に特に影
響を与えるのは、気相温度である。特に、窒化ガリウム
系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の成長においては、他材料
系と比べ比較的低温の領域から原料ガス同士が反応しク
ラスタを形成し、それが成膜に寄与する反応種となる。
そして、気相温度の違いにより、成膜に寄与する反応種
が変化し、そのことが、得られる結晶性に大きく影響し
ていることを、本発明者は見いだした。

【０００８】しかし、例えば、特開昭６３−１８８９３
４号公報等で示されているような、従来のＭＯＣＶＤ装
置では、加熱部は基板のみを加熱しており、そのため、
気相温度を変えることができるのは基板表面の極近傍の
みであった。そのため、気相温度の制御という意味での
制御性はあまりなく、高品質な半導体膜を得ることが困
難であった。

【０００９】一方、特殊なＭＯＣＶＤ装置の形態とし
て、他材料系ではあるが、複数個の加熱部を有するＭＯ
ＣＶＤ装置も提案されている。例えば、特開昭６０−１
１２６９４号公報では、その従来例の記述において、フ
ォスフィン等の水素化物のみを予備加熱するための加熱
部と、基板を加熱するための加熱部を有するＭＯＣＶＤ
装置の技術が開示されている。この装置の場合、フォス
フィン等の水素化物のみを予備加熱しておいて、基板の
直前で有機金属化合物とその予備加熱された水素化物を
混合し半導体膜を成長させる方法である。

【００１０】しかし、この方法は、あくまでも、熱分解
効率が有機金属に比べて悪い水素化物を、効率よく分解
するように水素化物を予備加熱しているだけであり、成
膜に寄与する反応種の制御はできていない。これは、原
料ガスが混合された状態での予備加熱が行われていない
ために、半導体膜の成長に寄与する反応種の制御という
意味での気相温度の加熱制御ができていないということ
である。実際、予備加熱された水素化物がリアクタに導
入されて、有機金属化合物等の原料ガスと混合された場
合、混合された原料ガスの気相温度は予備加熱されてい
た温度に比べて大きく下がってしまう。

【００１１】また、複数個の加熱部を有する気相成長方
法としては、例えば、ハイドライドＶＰＥ法がある。こ
の方法においては、一般に２つの独立して制御しうる加
熱部が存在する。１つは、金属原料を塩化物に反応させ
るための加熱部、１つは、半導体膜が析出するよう基板
温度を制御するための加熱部であり、それぞれの加熱部
は、成長の機構上、いわゆるｈｏｔ−ｗａｌｌの構造を
とっており、ゾーン加熱、つまり、リアクタの壁等周辺
部のみならず、気相部全体を加熱するようになってい
る。

【００１２】しかし、この構造を窒化ガリウム系ＩＩＩ
−Ｖ族化合物半導体成長のＭＯＣＶＤ装置に利用するこ
とはできない。それは、以下の理由による。窒化ガリウ
ム系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のＭＯＣＶＤ法による成
長の場合、基板温度は１０００℃以上に設定する必要が
ある。しかし、ｈｏｔ−ｗａｌｌの構造を適用して、基
板、および、基板付近の気相部一帯をこのような高温の
状態に設定すると、有機金属化合物は比較的低温の状態
から反応しやすいこともあり、気相での反応が極端に進
んでしまい、得られる結晶の特性は非常に悪くなってし
まう。

【００１３】以上のようなことから、窒化ガリウム系Ｉ
ＩＩ−Ｖ族化合物半導体を成長する従来のＭＯＣＶＤ装
置において、気相温度を最適な状態で制御しながら成長
することは大変困難であった。

【００１４】

【課題を解決する手段】上記課題を解決するために、本
発明では、基板に対して原料ガス流の上流側の位置で、
原料ガスが混合されている状態の位置に、原料ガスの気
相温度を制御するための第１の加熱部を有し、且つ、半
導体を成長させる基板のみを加熱することを目的とする
第２の加熱部を有する有機金属気相成長装置を用いた。

【００１５】本発明の請求項１に記載の窒化ガリウム系
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の気相成長装置は、ＩＩＩ族
元素を含む有機金属化合物と、Ｖ族元素を含む水素化物
または有機金属化合物を原料ガスとして用いた、窒化ガ
リウム系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の気相成長装置にお
いて、原料ガスを混合する領域と、基板を装着する領域
があり、該原料ガスを混合する領域と、該基板を装着す
る領域との間に第１の加熱部があり、該基板を装着する
領域に第２の加熱部があり、該第１の加熱部の設定温度
が該第２の加熱部の設定温度より低いことを特徴とす
る。

【００１６】本発明の請求項２に記載の窒化ガリウム系
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の気相成長装置は、請求項１
に記載の発明において、前記第１の加熱部には加熱管と
第１の加熱体があり、前記第２の加熱部には加熱管に続
くリアクタと第２の加熱体があり、第１の加熱体と第２
の加熱体はリアクタに対して同じ側にあることを特徴と
する。

【００１７】本発明の請求項３に記載の窒化ガリウム系
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の気相成長装置は、請求項１
に記載の発明において、前記第１の加熱部には加熱管と
第１の加熱体があり、前記第１の加熱体は前記加熱管の
周囲を取り囲むように存在することを特徴とする。

【００１８】本発明の請求項４に記載の窒化ガリウム系
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の気相成長装置は、請求項１
に記載の発明において、前記第１の加熱部には加熱管と
第１の加熱体があり、前記第１の加熱体は前記加熱管の
内管側に存在することを特徴とする。

【００１９】本発明の請求項５に記載の窒化ガリウム系
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の製造方法は、請求項１に記
載の窒化ガリウム系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の気相成
長装置を用いた窒化ガリウム系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導
体の製造方法において、第１の加熱部の設定温度を１０
０〜５００℃とすることを特徴とする。

【００２０】本発明の請求項６に記載の窒化ガリウム系
化合物半導体装置は、請求項１に記載の窒化ガリウム系
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の気相成長装置を用いて作製
したことを特徴とする。

【００２１】本発明の具体的な装置構造図を図１に示
す。なお、この図はいわゆる横型のリアクタを持つ有機
金属気相成長装置であるが、これを縦型のリアクタにし
ても何ら差し支えはない。この第１の加熱部により気相
温度を最適な温度条件に設定しつつ、第２の加熱部によ
り基板周辺の気相温度を必要以上に加熱することなく基
板温度を十分高温に加熱することにより、理想的な成長
条件での成膜が可能になる。なお、それぞれの加熱方法
は、図１に示した方法に限定されることはない。

【００２２】

【本発明の実施の形態】

（実施形態１）まず、図面を用いて本発明の実施形態を
説明する。図１は、本実施形態で用いた有機金属気相成
長装置の構造の断面を模式的に示す図である。

【００２３】原料ガス、キャリアガスは混合された状態
で、ガス導入口１から導入され、混合された原料ガスを
加熱する加熱管４、半導体膜を成長させるリアクタ５を
通り、ガス排気口６からその排気ガスが排気される。加
熱管４に入るまでは、各原料ガスは分離されて供給され
るが、加熱管に入る段階で混合される。基板７はカーボ
ン製サセプタ８上に置かれ、外部から高周波コイル３に
より加熱される。サセプタ８により基板加熱のための第
２の加熱体を形成し、高周波コイル３、リアクタ５、サ
セプタ８により第２の加熱部を構成している。そして、
図１においては、ヒータ２が存在し、気相温度を制御す
ることができる。このように、ヒータ２により、気相温
度を制御するための第１の加熱体を形成し、ヒータ２、
加熱管４により、第１の加熱部を形成している。

【００２４】また、第１の加熱部の形状としては、次に
示すものを用いた。混合した原料ガスを流す加熱管は、
１０ｍｍ×２０ｍｍ、長さ１ｍの矩形の石英管を用い、
第２の加熱部が存在する面に続く面にヒータを配置し、
加熱部を形成した。また、混合した原料ガスの平均流速
は、１ｍ／ｓｅｃとなるようにキャリアガスの流量を調
整した。ここでいう原料ガスの平均流速とは、原料ガス
を含むキャリアガスの総流量を、加熱管の断面積で割る
ことによって得られるガス流速のことである。

【００２５】本実施形態においては、本発明を用いて窒
化ガリウム系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の成長を行っ
た。原料ガスとしては、ＩＩＩ族元素を含む有機金属化
合物としてトリメチルガリウム、Ｖ族元素を含む水素化
物としてアンモニアを用いた。図１のＭＯＣＶＤ装置に
おいて、ＧａＮ（４μｍ）／ＧａＮバッファ（３０ｎ
ｍ）／サファイア基板の構造を作製した。

【００２６】次に、窒化ガリウム系ＩＩＩ−Ｖ族化合物
半導体の構造の作製方法を示す。

【００２７】まず、ＭＯＣＶＤ装置内に洗浄済みのサフ
ァイア基板を導入し、Ｈ₂キャリアガスの雰囲気で、第
２の加熱部で基板を加熱することにより基板温度を１１
００℃にしてクリーニングを行う。なお、この段階では
第１の加熱部での加熱は行っていない。引き続き、第１
の加熱部で気相温度を３００℃に、第２の加熱部で基板
温度を６００℃に設定して、トリメチルガリウムを３０
μｍｏｌ／ｍｉｎ、アンモニアを５ｓｌｍ、Ｈ₂をキャ
リアガスとして、リアクタ内に導入し、サファイア基板
上にＧａＮバッファ層を３０ｎｍ成長した。その後、第
１の加熱部で気相温度を３００℃、第２の加熱部で基板
温度を１０５０℃に設定し、トリメチルガリウムを３０
μｍｏｌ／ｍｉｎ、アンモニアを５ｓｌｍ、Ｈ₂をキャ
リアガスとして、リアクタ内に導入し、ＧａＮバッファ
層上にＧａＮ層（４μｍ）を成長した。

【００２８】これらの工程により得られた半導体膜を、
Ｘ線回折測定、ホール測定によりその特性を評価した。
その結果、Ｘ線回折測定から、ＧａＮ（０００２）面か
らのＸ線回折ロッキングカーブ半値幅（ＸＲＣ−ＦＷＨ
Ｍ）が３．３分、ホール測定から伝導型はｎ型で、キャ
リア濃度（ｎ）は、ｎ＝２×１０¹⁶ｃｍ^-3、移動度
（μ）は、μ＝６８０ｃｍ²／Ｖｓであることが分かっ
た。

【００２９】次に、比較例として、従来の技術で半導体
膜を成長した場合を示す。従来の技術を用いての成長
は、図１の装置において、第１の加熱部での加熱を行わ
ないで成長することで可能となる。よって、一連の工程
において、第１の加熱部での加熱を全く行わないまま
で、それ以外は先の実施例と同じ工程で同様の構造を作
製した。

【００３０】これらの工程により得られた半導体膜を、
Ｘ線回折測定、ホール測定によりその特性を評価した。
その結果、Ｘ線回折測定から、ＧａＮ（０００２）面か
らのＸ線回折ロッキングカーブ半値幅（ＸＲＣ−ＦＷＨ
Ｍ）が５分、ホール測定から伝導型はｎ型で、キャリア
濃度（ｎ）は、ｎ＝３×１０¹⁷ｃｍ^-3、移動度（μ）
は、μ＝３５０ｃｍ²／Ｖｓであることが分かった。

【００３１】また、別の比較例として、アンモニアのみ
を予備加熱して半導体膜を成長した場合を示す。アンモ
ニアを他の原料ガスと混合されるまでに、例えば、５０
０℃まで予備加熱しておいて、その予備加熱されたアン
モニアと、その他の原料ガス、キャリアガスを基板直前
で混合させて、先の例と同じ半導体積層構造を作製し
た。この場合は、第１の加熱部は全く用いておらず、そ
の他、ガス流量等の成長条件は、先の例での条件に合わ
せている。

【００３２】これらの工程により得られた半導体膜を、
Ｘ線回折測定、ホール測定によりその特性を評価した。
その結果、Ｘ線回折測定から、ＧａＮ（０００２）面か
らのＸ線回折ロッキングカーブ半値幅（ＸＲＣ−ＦＷＨ
Ｍ）が４．９ｍｉｎ．、ホール測定から伝導型はｎ型
で、キャリア濃度（ｎ）は、ｎ＝３×１０¹⁷ｃｍ^-3、移
動度（μ）は、μ＝３６０ｃｍ²／Ｖｓであることが分
かった。

【００３３】これらを先の本発明を利用した場合での得
られた膜の特性とを比較すると、本発明を利用して得ら
れた膜の方が明らかに特性が良好であることが分かる。

【００３４】これは、次のように説明できる。ＭＯＣＶ
Ｄ法により得られる半導体膜の品質は、成膜に寄与する
反応種に依存し、特にその大きさにより膜質が大きく変
化し、また、その反応種の大きさは気相温度により変化
すると言える。この現象は、特に窒化ガリウム系ＩＩＩ
−Ｖ族化合物半導体の成長において顕著である。

【００３５】通常のＭＯＣＶＤ装置の場合、加熱部は基
板のみしか加熱しないため、気相温度が上がっているの
は基板の極近傍の領域である。反応種を含んだキャリア
ガスは、気相温度が低い状態のまま、基板表面に導入さ
れるが、気相温度が上がっているのは基板の極近傍に限
定されるため、十分に反応種の大きさが小さくならない
まま成膜することになる。その結果、良好な特性を持つ
半導体膜を得ることができない。

【００３６】また、原料ガスの一部、例えば、水素化物
のみを予備加熱する構造のＭＯＣＶＤ装置の場合、水素
化物の分解効率を高める目的で行われるわけだが、この
方法では、各原料ガスが混合されてから形成される反応
種の制御をすることはできず、良好な特性を持つ半導体
膜を得るには十分ではない。

【００３７】一方、本発明を利用したＭＯＣＶＤ装置の
場合、反応種が基板表面に到達する前に、適切な気相温
度に設定しておくことが可能なため、最適な状態で基板
表面に反応種を導入することができ、その結果、良好な
特性を持つ半導体膜を得ることができ、且つ、基板付近
は基板のみを加熱することにより、必要以上に基板付近
の気相温度を上げることなく理想的な状態で成膜が可能
となる。

【００３８】なお、本実施形態では、第１の加熱部を形
成する加熱体の位置が基板を加熱する加熱体の位置に続
く同じ面に存在するため、第１の加熱部で気相温度を制
御されたガスを効率よく膜を成長させる基板上に送り込
むことができていると考えられる。

【００３９】以上の理由から、本発明を利用した気相成
長装置を用いることにより、良好な結晶性を持つ窒化ガ
リウム系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体膜を得ることができ
る。

【００４０】（実施形態２）まず、図面を用いて本発明
の実施形態を説明する。図２は、本実施形態で用いた有
機金属気相成長装置の構造の断面を模式的に示す図であ
る。

【００４１】図１と異なる点は、第１の加熱部を形成す
る加熱体が加熱管の周囲を取り囲むように設置されてい
ることにある。具体的には、次のような形状のものを用
いた。混合した原料ガスを流す加熱管は、直径２０ｍ
ｍ、長さ１ｍの円筒形の石英管を用い、その外周部分全
域にヒータを配置し、加熱部を形成することにより、加
熱管を周囲から全域を加熱するようにした。

【００４２】本実施形態においては、本発明を用いて窒
化ガリウム系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の成長を行っ
た。原料ガスとしては、ＩＩＩ族元素を含む有機金属化
合物としてトリメチルガリウム、Ｖ族元素を含む水素化
物としてアンモニアを用いた。図２のＭＯＣＶＤ装置に
おいて、ＧａＮ（４μｍ）／ＧａＮバッファ（３０ｎ
ｍ）／サファイア基板の構造を作製した。なお、作製条
件は実施形態１と同じである。

【００４３】これらの工程により得られた半導体膜を、
Ｘ線回折測定、ホール測定によりその特性を評価した。
その結果、Ｘ線回折測定から、ＧａＮ（０００２）面か
らのＸ線回折ロッキングカーブ半値幅（ＸＲＣ−ＦＷＨ
Ｍ）が３．２分、ホール測定から伝導型はｎ型で、キャ
リア濃度（ｎ）は、ｎ＝２×１０¹⁶ｃｍ^-3、移動度
（μ）は、μ＝７００ｃｍ²／Ｖｓであることが分か
り、非常に良好な膜を得ることができた。

【００４４】本結果が得られた理由としては、実施形態
１と同様に、反応種が基板表面に到達する前に、適切な
気相温度に設定しておくことが可能なため、最適な状態
で基板表面に反応種を導入することができ、その結果、
良好な特性を持つ半導体膜を得ることができ、且つ、基
板付近は基板のみを加熱することにより、必要以上に基
板付近の気相温度を上げることなく理想的な状態で成膜
が可能となったからである。

【００４５】本実施形態での特徴としては、第１の加熱
部を加熱管全域に配置することにより、実施形態１の成
長装置に比べ、気相温度をより良好に制御できるように
なる。その結果、先に示したような良好な結晶性の膜が
得られる基板上での領域が、実施形態１の場合に比べて
広くなった。

【００４６】なお、この加熱管は、混合された原料ガス
を設定した気相温度まで管内において上げることが必要
である。流速が一定であれば、管径を太くした場合、管
の中心部では温度が上がりにくく、その場合は、長さを
長くして温度を上げる必要があるし、逆に、管径を細く
した場合、長さは短くても良い。例えば、加熱管の形状
として円管を考え、流すガスをＨ₂とした場合、各流速
に対して、管径と長さの相関は図３に示すようになり、
各曲線より上側の領域、つまり、長い管の長さがあれば
問題はない。

【００４７】（実施形態３）まず、図面を用いて本発明
の実施形態を説明する。図４は、本実施形態で用いた有
機金属気相成長装置の構造の断面を模式的に示す図であ
る。

【００４８】図１と異なる点は、第１の加熱部を形成す
る加熱体が加熱管の内管側、つまり、ガスが流れる側に
設置されていることにある。具体的には、次のような形
状のものを用いた。混合した原料ガスを流す加熱管は、
直径４０ｍｍ、長さ５０ｃｍの円筒形の石英管を用い、
その内側にＳｉＣコートした円柱型のカーボン９を設置
した。なお、このカーボンには、円柱の軸方向に管状の
穴が数本あけてあり、そこをガスが流れるようになって
いる。このカーボンを加熱管の外側から高周波コイル１
０により加熱して、気相温度を制御するようになってい
る。

【００４９】本実施形態においては、本発明を用いて窒
化ガリウム系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の成長を行っ
た。原料ガスとしては、ＩＩＩ族元素を含む有機金属化
合物としてトリメチルガリウム、Ｖ族元素を含む水素化
物としてアンモニアを用いた。図４のＭＯＣＶＤ装置に
おいて、ＧａＮ（４μｍ）／ＧａＮバッファ（３０ｎ
ｍ）／サファイア基板の構造を作製した。なお、作製条
件は実施形態１と同じである。

【００５０】これらの工程により得られた半導体膜を、
Ｘ線回折測定、ホール測定によりその特性を評価した。
その結果、Ｘ線回折測定から、ＧａＮ（０００２）面か
らのＸ線回折ロッキングカーブ半値幅（ＸＲＣ−ＦＷＨ
Ｍ）が３．２分、ホール測定から伝導型はｎ型で、キャ
リア濃度（ｎ）は、ｎ＝２×１０¹⁶ｃｍ^-3、移動度
（μ）は、μ＝７００ｃｍ²／Ｖｓであることが分かっ
た。

【００５１】本結果が得られた理由としては、実施形態
１と同様に、反応種が基板表面に到達する前に、適切な
気相温度に設定しておくことが可能なため、最適な状態
で基板表面に反応種を導入することができ、その結果、
良好な特性を持つ半導体膜を得ることができ、且つ、基
板付近は基板のみを加熱することにより、必要以上に基
板付近の気相温度を上げることなく理想的な状態で成膜
が可能となったからである。

【００５２】本実施形態での特徴としては、第１の加熱
部を加熱管の内管側に配置することにより、実施形態２
の成長装置に比べ、より短い加熱管の長さで気相温度を
より良好に制御できるようになる。それは、実施形態２
の場合、ガスを加熱管の外側から加熱するため、管の中
心付近、つまり、管壁から離れた領域のガスの温度を上
げるのには時間がかかるが、実施形態３の場合は、加熱
体が管内にあるため、直接、ガスを加熱することができ
るので、管内の全領域のガスを効率よく加熱することが
できる、ということによるものである。

【００５３】（実施形態４）本実施形態においては、本
発明を用いて、特に、気相温度を色々な温度に変えて、
窒化ガリウム系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の成長を行
い、得られた半導体膜の特性の気相温度依存性を調べ
た。成長装置は、実施形態２で用いた装置を使用した。

【００５４】原料ガスとしては、ＩＩＩ族元素を含む有
機金属化合物としてトリメチルガリウム、Ｖ族元素を含
む水素化物としてアンモニアを用いて、ＧａＮ（４μ
ｍ）／ＧａＮバッファ（３０ｎｍ）／サファイア基板の
構造を作製した。その作製方法は、基本的には、実施形
態２と同じであるが、第１の加熱部による気相温度の設
定を５０〜７００℃まで振って成長を行った。

【００５５】これらの工程により得られた半導体膜を、
Ｘ線回折測定、ホール測定によりその特性を評価した。
Ｘ線回折測定によるＧａＮ（０００２）面からのＸ線回
折ロッキングカーブ半値幅（ＸＲＣ−ＦＷＨＭ）の結果
を図５に、ホール測定による結果を図６に示す。

【００５６】これらの結果から、本発明を利用して、特
に、気相温度を１００〜５００℃に設定することにより
良好な結晶性を持つ窒化ガリウム系ＩＩＩ−Ｖ族化合物
半導体膜を得ることができることが分かった。

【００５７】これは、次のように説明できる。気相温度
によって、半導体の成膜に寄与する反応種が変化するこ
とを実施形態１で示した。気相温度が低い場合、例え
ば、１００℃以下の場合には、反応種の大きさが大き
く、基板に導入しても基板表面上での反応種のマイグレ
ーションが活発でないため、良好な結晶が得られない。
気相温度が高くなるにつれ、気相において反応種が分解
し、その大きさが小さくなるため基板表面上での反応種
のマイグレーションが活発になり、良好な結晶が得られ
るようになると言える。ただし、ある程度の温度、例え
ば、５００℃を超えて気相温度を上昇させると、気相で
の反応が進みすぎ、固体化、いわゆる粉が降るような現
象が現れ、得られる半導体膜の結晶性が逆に悪化し始め
る。

【００５８】以上の理由から、本発明の気相成長装置に
おいて、第１の加熱部による気相温度を１００〜５００
℃にすることにより、良好な結晶性を持つ窒化ガリウム
系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を得ることができる。

【００５９】（実施形態５）本実施形態においては、本
発明を用いて窒化ガリウム系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体
の成長を行った。成長装置は実施形態２で用いた図２の
装置を用いた。原料ガスとしては、ＩＩＩ族元素を含む
有機金属化合物としてトリメチルガリウム、トリメチル
アルミニウム、および、トリメチルインジウム、Ｖ族元
素を含む水素化物としてアンモニアを用いた。図２のＭ
ＯＣＶＤ装置において、Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ（１００ｎ
ｍ）／Ｉｎ_0.3Ｇａ_0.7Ｎ（２ｎｍ）／Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ
（１００ｎｍ）／ＧａＮ（４μｍ）／ＧａＮバッファ
（３０ｎｍ）／サファイア基板の構造を作製した。

【００６０】以下にその作製方法を示す。まず、ＭＯＣ
ＶＤ装置内に洗浄済みのサファイア基板を導入し、Ｈ₂
キャリアガスの雰囲気で、第２の加熱部で基板を加熱す
ることにより基板温度を１１００℃にしてクリーニング
を行う。なお、第１の加熱部での加熱はこの段階では行
っていない。

【００６１】引き続き、第１の加熱部を３００℃、第２
の加熱部を６００℃に設定して、トリメチルガリウムを
３０μｍｏｌ／ｍｉｎ、アンモニアを５ｓｌｍ、Ｈ₂を
キャリアガスとして、リアクタ内に導入し、サファイア
基板上にＧａＮバッファ層を３０ｎｍ成長した。

【００６２】その後、第１の加熱部は３００℃、第２の
加熱部を１０５０℃に設定し、トリメチルガリウムを３
０μｍｏｌ／ｍｉｎ、アンモニアを５ｓｌｍ、Ｈ₂をキ
ャリアガスとして、リアクタ内に導入し、ＧａＮバッフ
ァ層上にＧａＮ層（４μｍ）を成長した。

【００６３】そして、第１の加熱部は３００℃、第２の
加熱部を１０５０℃に設定し、トリメチルガリウムを３
０μｍｏｌ／ｍｉｎ、トリメチルアルミニウムを３μｍ
ｏｌ／ｍｉｎ、アンモニアを５ｓｌｍ、Ｈ₂をキャリア
ガスとして、リアクタ内に導入し、ＧａＮ層上にＡｌ組
成が０．１のＡｌＧａＮ層（１００ｎｍ）を成長した。

【００６４】次に、第１の加熱部は１５０℃、第２の加
熱部を７５０℃に設定し、トリメチルガリウムを３μｍ
ｏｌ／ｍｉｎ、トリメチルインジウムを３０μｍｏｌ／
ｍｉｎ、アンモニアを５ｓｌｍ、Ｎ₂をキャリアガスと
して、リアクタ内に導入し、ＡｌＧａＮ層上にＩｎ組成
が０．３のＩｎＧａＮ層（２ｎｍ）を成長した。なお、
ここで、第１の加熱部の設定温度を１５０℃にしたの
は、トリメチルインジウムが、例えば、トリメチルガリ
ウム等の他の有機金属化合物より気相での反応が進みや
すいので、あまり高い温度に上げる必要がないことによ
る。

【００６５】そして、第１の加熱部は３００℃、第２の
加熱部を１０５０℃に設定し、トリメチルガリウムを３
０μｍｏｌ／ｍｉｎ、トリメチルアルミニウムを３μｍ
ｏｌ／ｍｉｎ、アンモニアを５ｓｌｍ、Ｈ₂をキャリア
ガスとして、リアクタ内に導入し、ＩｎＧａＮ層上にＡ
ｌ組成が０．１のＡｌＧａＮ層（１００ｎｍ）を成長し
た。

【００６６】次に、比較例として、従来の技術で半導体
膜を成長した場合を示す。従来の技術を用いての成長
は、図２の装置において、第１の加熱部での加熱を行わ
ないで成長することで可能となる。よって、一連の工程
において、第１の加熱部での加熱を全く行わないまま
で、それ以外は先の例と同じ工程で同様の構造を作製し
た。

【００６７】また、別の比較例として、アンモニアのみ
を予備加熱して半導体膜を成長した場合を示す。アンモ
ニアを他の原料ガスと混合されるまでに、例えば、５０
０℃まで予備加熱しておいて、その予備加熱されたアン
モニアと、その他の原料ガス、キャリアガスを基板直前
で混合させて、先の例と同じ半導体積層構造を作製し
た。この場合は、第１の加熱部は全く用いておらず、そ
の他、ガス流量等の成長条件は、先の例での条件に合わ
せている。

【００６８】本発明を利用した場合で得られた試料と、
比較例としての２つの試料とを、フォトルミネッセンス
の測定により評価した。その結果、全ての試料でピーク
波長が４５０ｎｍの発光が確認され、本発明を利用した
試料の発光強度を１とすると、第１の加熱部を用いなか
った試料の発光強度は０．４、アンモニアのみを予備加
熱した試料の発光強度は０．５であった。

【００６９】これは、本発明を用いることにより、活性
層であるＩｎＧａＮ層の光学特性が大きく向上し、且
つ、それぞれの層の結晶性が改善されたものと考えられ
る。

【００７０】以上のことから、本発明の気相成長装置を
用いることにより、良好な特性を持つ窒化ガリウム系Ｉ
ＩＩ−Ｖ族化合物半導体の混晶が作製でき、その結果、
良好な特性を持つ窒化ガリウム系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半
導体のダブルへテロ（ＤＨ）構造を得ることができる。

【００７１】（実施形態６）本実施形態においては、本
発明を用いて窒化ガリウム系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体
の成長を行い、窒化ガリウム系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導
体の発光ダイオードを作製した。原料ガスとしては、Ｉ
ＩＩ族元素を含む有機金属化合物としてトリメチルガリ
ウム、トリメチルアルミニウム、トリメチルインジウ
ム、Ｖ族元素を含む水素化物としてアンモニア、不純物
としてはｐ型不純物としてビスシクロペンタジエニルマ
グネシウム、ｎ型不純物としてシランを用いた。

【００７２】図２のＭＯＣＶＤ装置において、図７に示
すｐｎ接合型発光ダイオードを作製した。構造は以下の
通りである。例えば、サファイア等の基板１１上に、順
に、ＧａＮからなる低温バッファ層１２、ｎ型ＧａＮ層
１３、ｎ型クラッド層としてｎ型ＡｌＧａＮ層１４、活
性層のＩｎＧａＮ層１５、ｐ型クラッド層としてｐ型Ａ
ｌＧａＮ層１６、ｐ型ＧａＮ層１７が積層されている。
更に、ｐ型ＧａＮ層１７からｎ型ＧａＮ層１３までの一
部をｎ型ＧａＮ層１３が表面に露出するまでエッチング
を施し、ｐ型ＧａＮ層１７上に電極１８、ｎ型ＧａＮ層
１３上に電極１９が形成されている。

【００７３】以下にその作製方法を示す。なお、図８
は、本実施形態での半導体装置の作製工程を示す半導体
装置の断面図である。

【００７４】まず、ＭＯＣＶＤ装置内に洗浄済みのサフ
ァイア基板１１を導入し、Ｈ₂キャリアガスの雰囲気
で、第２の加熱部で基板を加熱することにより基板温度
を１１００℃にしてクリーニングを行う。なお、この段
階では第１の加熱部での加熱は行っていない。

【００７５】引き続き、第１の加熱部で気相温度を３０
０℃に、第２の加熱部で基板温度を６００℃に設定し
て、トリメチルガリウムを３０μｍｏｌ／ｍｉｎ、アン
モニアを５ｓｌｍ、Ｈ₂をキャリアガスとして、リアク
タ内に導入し、サファイア基板１１上にＧａＮバッファ
層１２を３０ｎｍ成長した。

【００７６】そして、第１の加熱部で気相温度を３００
℃、第２の加熱部で基板温度を１０５０℃に設定し、ト
リメチルガリウムを３０μｍｏｌ／ｍｉｎ、アンモニア
を５ｓｌｍ、シランを１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎ、Ｈ₂をキ
ャリアガスとして、リアクタ内に導入し、ＧａＮバッフ
ァ層１２上にｎ型ＳｉドープＧａＮ層１３を４μｍ成長
した。

【００７７】ついで、第１の加熱部で気相温度を３００
℃、第２の加熱部で基板温度を１０５０℃に設定し、ト
リメチルガリウムを３０μｍｏｌ／ｍｉｎ、トリメチル
アルミニウムを３μｍｏｌ／ｍｉｎ、アンモニアを５ｓ
ｌｍ、シランを１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎ、Ｈ₂をキャリア
ガスとして、リアクタ内に導入し、ｎ型ＳｉドープＧａ
Ｎ層１３上に、ｎクラッド層としてＡｌ組成が０．１の
ｎ型ＳｉドープＡｌＧａＮ層１４を０．１μｍ成長し
た。

【００７８】その後、第１の加熱部で気相温度を１５０
℃、第２の加熱部で基板温度を７５０℃に設定し、トリ
メチルガリウムを３μｍｏｌ／ｍｉｎ、トリメチルイン
ジウムを３０μｍｏｌ／ｍｉｎ、アンモニアを５ｓｌ
ｍ、Ｎ₂をキャリアガスとして、リアクタ内に導入し、
ｎ型ＳｉドープＡｌＧａＮ層１４上にＩｎ組成が０．３
のＩｎＧａＮ層１５を２ｎｍ成長した。

【００７９】そして、第１の加熱部で気相温度を３００
℃、第２の加熱部で基板温度を１０５０℃に設定し、ト
リメチルガリウムを３０μｍｏｌ／ｍｉｎ、トリメチル
アルミニウムを３μｍｏｌ／ｍｉｎ、アンモニアを５ｓ
ｌｍ、ビスシクロペンタジエニルマグネシウムを０．１
μｍｏｌ／ｍｉｎ、Ｈ₂をキャリアガスとして、リアク
タ内に導入し、ＩｎＧａＮ層１５上に、ｐクラッド層と
してＡｌ組成が０．１のｐ型ＭｇドープＡｌＧａＮ層
１６を０．１μｍ成長した。

【００８０】最後に、第１の加熱部で気相温度を３００
℃、第２の加熱部で基板温度を１０５０℃に設定し、ト
リメチルガリウムを３０μｍｏｌ／ｍｉｎ、アンモニア
を５ｓｌｍ、ビスシクロペンタジエニルマグネシウムを
０．１μｍｏｌ／ｍｉｎ、Ｈ₂をキャリアガスとして、
リアクタ内に導入し、ｐ型ＭｇドープＡｌＧａＮ層１６
上にｐ型ＭｇドープＧａＮ層１７を０．３μｍ成長し
た。

【００８１】以上の工程により図８（ａ）に示す窒化ガ
リウム系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体積層構造を作製する
ことができる。

【００８２】引き続き、得られた半導体積層構造を、例
えば、Ｎ₂雰囲気、８００℃で熱アニールすることによ
り、Ｐ型ＡｌＧａＮ層１６、および、ｐ型ＧａＮ層１７
を活性化させ、低抵抗化させた。

【００８３】ついで、図８（ｂ）に示すように、半導体
積層構造の半導体表面にレジスト膜２０を付け、フォト
リソグラフィー技術によりその一部を除去する。そし
て、残ったレジスト膜をマスクとして、ＲＩＥによりエ
ッチングを行い、ｐ型ＧａＮ層１７からｎ型ＧａＮ層１
３を、ｎ型ＧａＮ層１３の一部が表面に露出するまでエ
ッチングをする。

【００８４】その後、図８（ｃ）に示すように、ｎ型Ｇ
ａＮ層１３上にＡｌ電極層１９、ｐ型ＧａＮ層１７上に
Ａｕ電極層１８の金属膜を蒸着し、電極を作製する。

【００８５】このようにして得られた半導体積層構造を
ダイシング等により分割して発光ダイオードのチップを
得ることができる。

【００８６】以上の工程で得られた発光ダイオードのチ
ップの特性を測定したところ、電流２０ｍＡ駆動時に印
加電圧３．４Ｖ、発光波長４５０ｎｍ、発光出力１．５
ｍＷを得ることができた。

【００８７】次に、比較例として、従来の技術で半導体
膜を成長した場合を示す。従来の技術を用いての成長
は、図２の装置において、第１の加熱部での加熱を行わ
ないで成長することで可能となる。よって、一連の工程
において、第１の加熱部での加熱を全く行わないまま
で、それ以外は本実施形態と同じ工程で同様の構造を作
製した。この工程で得られた、発光ダイオードのチップ
の特性を測定したところ、電流２０ｍＡ駆動時に印加電
圧３．６Ｖ、発光波長４５０ｎｍ、発光出力１．０ｍＷ
を得た。

【００８８】また、別の比較例として、アンモニアのみ
を予備加熱して半導体膜を成長した場合を示す。アンモ
ニアを他の原料ガスと混合されるまでに、例えば、５０
０℃まで予備加熱しておいて、その予備加熱されたアン
モニアと、その他の原料ガス、キャリアガスを基板直前
で混合させて、先の例と同じ半導体積層構造を作製し
た。この場合は、第１の加熱部は全く用いておらず、そ
の他、ガス流量等の成長条件は、先の例での条件に合わ
せている。この工程で得られた、発光ダイオードのチッ
プの特性を測定したところ、電流２０ｍＡ駆動時に印加
電圧３．６Ｖ、発光波長４５０ｎｍ、発光出力１．１ｍ
Ｗを得た。

【００８９】これらを、本発明を利用した場合での得ら
れた発光ダイオードの特性とを比較すると、本発明を利
用して得られた発光ダイオードの特性の方が明らかに良
好であることが分かる。

【００９０】本発明を利用することにより、特性の良好
な発光ダイオードを得ることができたのは、実施形態５
で述べたように、ＤＨ構造内の活性層の光学的特性が向
上したとともに、各層全体の結晶性が向上したことがそ
の理由と考えられる。

【００９１】以上のことから、本発明の気相成長装置を
用いることにより、良好な特性を有する発光ダイオード
を得ることができる。

【００９２】

【発明の効果】本発明においては、窒化物ガリウム系Ｉ
ＩＩ−Ｖ族化合物半導体を成長するＭＯＣＶＤ装置にお
いて、基板に対して原料ガス流の上流側の位置で、原料
ガスが混合されている状態の位置に気相温度制御用の第
１の加熱部を有し、且つ、基板加熱用の第２の加熱部と
を備えることにより、良好な半導体膜を得ることができ
た。

【００９３】これは以下に記述する理由によるものであ
る。ＭＯＣＶＤ法により得られる半導体膜の品質は、成
膜に寄与する反応種に依存し、特にその大きさにより膜
質が大きく変化し、また、その反応種の大きさは気相温
度により変化する。

【００９４】本発明を利用したＭＯＣＶＤ装置の場合、
反応種が基板表面に到達する前に、適切な気相温度に設
定しておくことが可能なため、最適な状態で基板表面に
反応種を導入することができ、その結果、良好な特性を
持つ半導体膜を得ることがでる。また、基板付近は基板
のみを加熱することにより、必要以上に基板付近の気相
温度を上げることなく理想的な状態で成膜が可能とな
る。

【００９５】特に、本発明においては、気相温度が１０
０〜５００℃の設定のとき、効果が顕著に現れる。

【００９６】また、原料の混ざり方というの観点から考
えると、反応種の拡散定数が小さい方がキャリアガス内
での拡散が大きくなり、その結果、反応種のキャリアガ
スに対する混ざりが良くなり、広い面積に均一な半導体
膜を得ることができる。ガス同士の拡散のし易さは拡散
定数で定義されるが、反応種の大きさが小さいほど拡散
定数が大きくなり、ガス同士が混ざりやすくなると言え
る。

【００９７】このことから、本発明を用いることによ
り、反応種が基板表面に到達する前に、気相温度を上げ
てその反応種の大きさを小さくする、つまり、拡散定数
を大きくすることができるので、反応種の混ざり方が均
一になり、広い面積に均一な半導体膜を得ることができ
る。

【００９８】以上の理由から、本発明を利用することに
より、良好な特性を持つ半導体膜を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態１で用いた、本発明による有機金属気
相成長装置の構造図である。

【図２】実施形態２で用いた、本発明による有機金属気
相成長装置の構造図である。

【図３】実施形態２で用いた有機金属気相成長装置にお
ける、管径と管の長さの相関図である。

【図４】実施形態３で用いた、本発明による有機金属気
相成長装置の構造図である。

【図５】気相温度を変化させて得られたＧａＮ膜のＧａ
Ｎ（０００２）面からのＸ線回折ロッキングカーブＦＷ
ＨＭの図である。

【図６】気相温度を変化させて得られたＧａＮ膜の電子
濃度と移動度を示す図である。

【図７】本発明を用いて作製した窒化ガリウム系ＩＩＩ
−Ｖ族化合物半導体装置の断面構造図である。

【図８】本発明を用いて作製した窒化ガリウム系ＩＩＩ
−Ｖ族化合物半導体装置の作製工程を示す図である。

【符号の説明】

１ガス導入口２ヒータ３高周波コイル４加熱管５リアクタ６ガス排気口７基板８サセプタ９カーボン製加熱体１０高周波コイル１１基板１２ＧａＮ低温バッファ層１３ｎ型ＧａＮ層１４ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１５ＩｎＧａＮ活性層１６ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１７ｐ型ＧａＮ層１８電極層１９電極層２０レジスト層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＩＩＩ族元素を含む有機金属化合物と、
Ｖ族元素を含む水素化物または有機金属化合物を原料ガ
スとして用いた、窒化ガリウム系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半
導体の気相成長装置において、原料ガスを混合する領域と基板を装着する領域があり、
該原料ガスを混合する領域と、該基板を装着する領域と
の間に第１の加熱部があり、該基板を装着する領域に第
２の加熱部があり、該第１の加熱部の設定温度が該第２
の加熱部の設定温度より低いことを特徴とする窒化ガリ
ウム系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の気相成長装置。
【請求項２】前記第１の加熱部には加熱管と第１の加
熱体があり、前記第２の加熱部には加熱管に続くリアク
タと第２の加熱体があり、第１の加熱体と第２の加熱体
はリアクタに対して同じ側にあることを特徴とする請求
項１に記載の窒化ガリウム系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体
の気相成長装置。
【請求項３】前記第１の加熱部には加熱管と第１の加
熱体があり、前記第１の加熱体は前記加熱管の周囲を取
り囲むように存在することを特徴とする請求項１に記載
の窒化ガリウム系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の気相成長
装置。
【請求項４】前記第１の加熱部には加熱管と第１の加
熱体があり、前記第１の加熱体は前記加熱管の内管側に
存在することを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウ
ム系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の気相成長装置。
【請求項５】請求項１に記載の窒化ガリウム系ＩＩＩ
−Ｖ族化合物半導体の気相成長装置を用いた窒化ガリウ
ム系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の製造方法において、第１の加熱部の設定温度を１００〜５００℃とすること
を特徴とした窒化ガリウム系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体
の製造方法。
【請求項６】請求項１に記載の窒化ガリウム系ＩＩＩ
−Ｖ族化合物半導体の気相成長装置を用いて作製したこ
とを特徴とする窒化ガリウム系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導
体装置。