JP2751987B2 - 窒化インジウムガリウム半導体の成長方法 - Google Patents
窒化インジウムガリウム半導体の成長方法Info
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Description
色レーザーダイオード等に使用される窒化インジウムガ
リウム半導体の成長方法に関する。
ド等に使用される実用的な半導体材料として窒化ガリウ
ム(GaN)、窒化インジウムガリウム(InGa
N)、窒化ガリウムアルミニウム(GaAlN)等の窒
化ガリウム系化合物半導体が注目されており、その中で
もInGaNはバンドギャップが2eV〜3.4eVま
であるため非常に有望視されている。
VD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法
という。}によりInGaNを成長させる場合、成長温
度500℃〜600℃の低温で、サファイア基板上に成
長されていた。なぜなら、InNの融点はおよそ500
℃、GaNの融点はおよそ1000℃であるため、60
0℃以上の高温でInGaNを成長させると、InGa
N中のInNの分解圧がおよそ10気圧以上となり、I
nGaNがほとんど分解してしまい、形成されるものは
GaのメタルとInのメタルの堆積物のみとなってしま
うからである。従って、従来InGaNを成長させよう
とする場合は成長温度を低温に保持しなければならなか
った。
Nの結晶性は非常に悪く、例えば室温でフォトルミネッ
センス測定を行っても、バンド間発光はほとんど見られ
ず、深い準位からの発光がわずかに観測されるのみであ
り、青色発光が観測されたことはなかった。しかも、X
線回折でInGaNのピークを検出しようとしてもほと
んどピークは検出されず、その結晶性は、単結晶という
よりも、アモルファス状結晶に近いのが実状であった。
青色レーザーダイオード等の青色発光デバイスを実現す
るためには、高品質で、かつ優れた結晶性を有するIn
GaNの実現が強く望まれている。しかしながらInG
aNの成長に成功したという報告は未だされておらず、
その成長方法もよく知られていないのが実状である。よ
って、本発明はこの問題を解決するべくなされたもので
あり、その目的とするところは、高品質で結晶性に優れ
たInGaNの成長方法を提供すると共に、再現性良く
確実にその結晶が得られる方法を提供するものである。
OCVD法で成長するにあたり、数々の実験を繰り返し
た結果、GaNの上に、ある特定の範囲内の成長温度と
成長速度で成長させることにより、その結晶性が格段に
向上することを新たに見いだし本発明を成すに至った。
て、ガリウム源のガスと、インジウム源のガスと、窒素
源のガスとを用い、MOCVD法により、一般式Inα
Ga1-αN(但し、0<α<0.5)で表される窒化イ
ンジウムガリウム半導体を成長させる方法であって、成
長温度(℃)をX軸、成長温度(オングストローム/
分)をY軸として、添付図1のa(650,1)、b
(650,5)、c(900,60)、d(900,1)
の各座標で囲まれた領域内の条件で、次に成長させる窒
化ガリウム層または窒化ガリウムアルミニウム層よりも
低温で成長させるバッファ層を介して、バッファ層より
も高温で成長させた該窒化ガリウム層または窒化ガリウ
ムアルミニウム層の上に、成長させることを特徴とす
る。
に用いる原料ガスとして、例えばガリウム源にはトリメ
チルガリウム(TMG)、トリエチルガリウム(TE
G)、インジウム源としてトリメチルインジウム(TM
I)、トリエチルインジウム(TEI)等の有機金属化
合物ガス、窒素源にはアンモニア(NH3)、ヒドラジ
ン(N2H4)等のガスを好ましく用いることができ、こ
れらのガスをキャリアガスと共に混合し、加熱された基
板に向かって噴射することによりInGaNを成長させ
ることができる。InGaNの成長速度はGa源のガス
流量を制御することにより調整することができる。
整する必要がある。650℃より低い温度でもInGa
Nを成長させることは可能であるが、前記したように6
00℃以下であると、GaNの結晶が成長しにくいた
め、InGaNの結晶ができにくく、できたとしても従
来のように結晶性の悪いInGaNとなる。また600
℃〜650℃では再現性よく結晶性に優れたInGaN
を得ることが困難となる傾向にある。900℃より高い
温度であるとInNが分解しやすくなるため、InGa
NがGaNになりやすい傾向にある。成長温度は700
℃〜850℃の範囲が最も好ましい。
イアが用いられることが多い。また、基板の上に低温で
GaXAl1-XN(0≦X≦1)よりなるバッファ層を形
成することにより、その上に成長するGaNの結晶性を
向上させることができ、好ましくはAlNよりも、Ga
Nバッファ層の方が、その上に成長するGaN層の結晶
性を向上させることができる。
源のガスのインジウムのモル比は、ガリウム1に対し、
好ましく0.1以上、さらに好ましくは1.0以上に調
整することが望ましい。インジウムのモル比が0.1よ
り少ないと、InGaNの混晶が得にくく、また結晶性
が悪くなる傾向にある。なぜなら、成長温度650℃以
上では、多少なりともInNの分解が発生しInNがG
aN結晶中に入りにくくなる。そのため好ましくその分
解分よりもインジウムを多く供給することによって、I
nNをGaNの結晶中により多く入れることができる。
に分解しやすく、GaNは分解しにくい性質を有してい
るため、InGaNの成長速度はGaNの成長速度に支
配される。つまり、前記のようにガリウム源のガス流量
を調整することによって成長速度を自由に調整すること
ができる。
は、インジウムガスのガリウムに対するモル比、および
成長温度を変えることにより適宜変更できる。例えばI
nを多くしようとすれば650℃前後の低温で成長させ
るか、または原料ガスのInのモル比を多くすればよ
い、一方Gaを多くしようとするならば900℃前後の
高温で成長させればよい。インジウムガスのモル比は高
温で成長するほど多くする方が好ましく、例えば、90
0℃前後の成長温度では、インジウムをガリウムの10
〜50倍程度供給することにより、α値を0.5未満と
するInαGa1-αNを得ることができる。
が得られるα値は0<X<0.5の範囲にあり、またα
値を0.5以上とするInαGa1-αNを発光ダイオー
ド等の発光デバイスの発光素子とした場合、その発光波
長は黄色の領域にあり、青色として使用し得るものでは
ないため、α値は0.5未満を限定理由とした。
ガスとして、好ましく窒素を使用することにより、In
GaN中のInNが分解して結晶格子中から出ていくの
を抑制することができる。
成長させていたが、サファイアとInGaNとでは格子
定数不整がおよそ15%以上もあるため、得られた結晶
の結晶性が悪くなると考えられる。一方、本発明ではG
aN層の上に成長させることにより、その格子定数不整
を5%以下と小さくすることができるため、結晶性に優
れたInGaNを形成することができる。本発明の成長
方法において、このGaN層のGaの一部をAlで置換
してもよく、またSi、Ge等のn型不純物、Zn、M
g、Cd等のp型不純物をドープしてもよく、技術範囲
内である。
基板上にGaNバッファ層とGaN層とを順に積層した
後、さらにそのGaN層の上に数々の成長温度、成長速
度でInGaN層を成長させ、成長させたInGaN層
に室温でHe−Cdレーザーを照射し、そのフォトルミ
ネッセンス測定を行った結果、図2−aに示すようなI
nGaNのバンド間の発光ピークが得られたものだけを
プロットした図である。また、同時に本願の請求項1の
成長温度および成長速度の範囲も示している。なお、図
2−(A)に示すようにInGaNのシャープなバンド
間発光が得られているものは、そのInGaNの結晶性
が優れていると見なすことができる。
℃において、In0.15Ga0.85Nを成長速度20オング
ストローム/分で成長させたもの(A)と、成長速度6
0オングストローム/分で成長させたもの(B)とのフ
ォトルミネッセンス測定のスペクトルを比較して示す図
である。この図において、縦軸の発光強度は任意単位で
あり、(B)のスペクトルの発光強度は実測値を6倍に
拡大して示している。つまり、(B)の発光強度の1/
6が、(A)の縦軸のスケールと同一となる。
付近に強いIn0.15Ga0.85Nのバンド間発光が見られ
るのに対し、(B)では強度が弱く、しかも深い準位か
らの発光が強くなっている。即ち、(A)の方が(B)
に比して圧倒的に結晶性が優れていることを示し、40
6nm付近のピークを見ると(A)は(B)に比してお
よそ35倍も発光強度が大きい。
成長温度650℃、成長速度1オングストローム/分
と、b点の成長温度650℃、成長速度5オングストロ
ーム/分と、c点の成長温度900℃、成長速度60オ
ングストローム/分と、d点の成長温度900℃、成長
速度1オングストローム/分とを結ぶ範囲内の条件で、
InGaNをGaNの上に成長させることにより、優れ
た結晶性を実現できる。さらに、好ましい範囲としてプ
ロット数の多い成長温度700〜850℃で囲まれる範
囲を推奨できる。
を詳説する。図3は本発明の成長方法に使用したMOC
VD装置の主要部の構成を示す概略断面図であり、反応
部の構造、およびその反応部と通じるガス系統図を示し
ている。1は真空ポンプおよび排気装置と接続された反
応容器、2は基板を載置するサセプター、3はサセプタ
ーを加熱するヒーター、4はサセプターを回転、上下移
動させる制御軸、5は基板に向かって斜め、または水平
に原料ガスを供給する石英ノズル、6は不活性ガスを基
板に向かって垂直に供給することにより、原料ガスを基
板面に押圧して、原料ガスを基板に接触させる作用のあ
るコニカル石英チューブ、7は基板である。TMG、T
MI等の有機金属化合物ソースは微量のバブリングガス
によって気化され、メインガスであるキャリアガスによ
って反応容器内に供給される。なお、特に図示していな
いが、各原料ガス、キャリアガスの流量は、各ガスライ
ンに設置されたマスフローコントローラ(MFC)によ
って制御されている。
セットし、反応容器内を水素で十分置換する。
ヒーター3で温度を1050℃まで上昇させ、20分間
保持しサファイア基板7のクリーニングを行う。
ズル5からアンモニア(NH3)4リットル/分と、T
MGを27×10-6モル/分と、キャリアガスとして水
素を2リットル/分とで流しながら、1分間保持してG
aNバッファー層を約200オングストローム成長す
る。この間、コニカル石英チューブ7からは水素を10
リットル/分と、窒素を10リットル/分とで流し続
け、サセプター2をゆっくりと回転させる。
度を1020℃まで上昇させる。温度が1020℃にな
ったら、同じく水素をキャリアガスとしてTMGを60
×10-6モル/分で流して30分間成長させ、GaN層
を約2μm成長させる。
キャリアガスを窒素に切り替え、窒素を2リットル/
分、TMGを2×10-6モル/分、TMIを20×10
-6モル/分、アンモニアを4リットル/分、およびn型
不純物ガスとしてシラン(SiH4)を1×10-9モル
/分で流しながら、SiドープInGaNを成長速度2
0オングストーム/分で60分間成長させる。なお、こ
の間、コニカル石英チューブ7から供給するガスも窒素
のみとし、20リットル/分で流し続ける。
し、InGaN層に10mWのHe−Cdレーザーを照
射して室温でフォトルミネッセンス測定を行うと、ピー
ク波長406nmにIn0.15Ga0.85Nの強いバンド間
発光を示した。
を1020℃まで上昇させる。温度が1020℃になっ
たら、同じく水素をキャリアガスとしてTMGを54×
10-6モル/分、TMAを6×10-6モル/分で流して
30分間成長させ、Ga0.9Al0.1N層を2μm成長さ
せる他は実施例1と同様にしてSiドープInGaN
を、Ga0.9Al0.1N層の上に成長させる。成長後、得
られたInGaN層のフォトルミネッセンス測定を行う
と、同じくピーク波長406nmにIn0.15Ga0.85N
の強いバンド間発光を示した。
量を3倍にして、SiドープInGaNを成長温度80
5℃、成長速度60オングストローム/分で20分間成
長させる他は実施例1と同様にして、InGaNを成長
させる。このInGaNのフォトルミネッセンス測定を
行ったところ、430nm付近に微弱なバンド間発光を
示し、550nm付近の深い準位のブロードな発光が支
配的であった。これより成長されたInGaNの結晶性
は非常に悪いことがわかった。
aNのX線ロッキングカーブを測定したところ、その半
値幅は約1度近くあり、またピーク位置はGaNの所に
あり、結晶はInGaNがアモルファス状になっている
ことが判明した。
イオードで実用化されている半導体材料はSiCしかな
く、他の材料は未だ実用域には至っていない。また室温
で発光する青色レーザーダイオードはいまだに報告され
ていない。
と、一般式αを0<α<0.5とする結晶性に優れたI
nαGa1-αNを確実に成長させることができ、αを前
記範囲とするInGaNはその発光波長が青色〜緑色領
域にある。そのため、本発明の方法を用いることによ
り、窒化ガリウム系化合物半導体を利用した半導体デバ
イスをダブルへテロ構造にでき、発光効率の高い青色発
光ダイオードや、青色レーザーダイオードが実現可能と
なり、その産業上の利用価値は非常に大きい。
の範囲を示す図。
明の範囲外によるInGaNとのフォトルミネッセンス
測定のスペクトルを比較して示す図。
の主要部の構成を示す概略断面図。
チューブ 7・・・・・・・・基板
Claims (1)
- 【請求項1】 原料ガスとして、ガリウム源のガスと、
インジウム源のガスと、窒素源のガスとを用い、有機金
属気相成長法により、一般式InαGa1-αN(但し、
0<α<0.5)で表される窒化インジウムガリウム半
導体を成長させる方法であって、成長温度(℃)をX
軸、成長温度(オングストローム/分)をY軸として、
添付図1のa(650,1)、b(650,5)、c(9
00,60)、d(900,1)の各座標で囲まれた領域
内の条件で、次に成長させる窒化ガリウム層または窒化
ガリウムアルミニウム層よりも低温で成長させるバッフ
ァ層を介して、バッファ層よりも高温で成長させた該窒
化ガリウム層または窒化ガリウムアルミニウム層の上
に、成長させることを特徴とする窒化インジウムガリウ
ム半導体の成長方法。
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JPH06209122A JPH06209122A (ja) | 1994-07-26 |
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1993
- 1993-05-07 JP JP10655793A patent/JP2751987B2/ja not_active Expired - Fee Related
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Title |
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APPL.PHYS.LETT.59〜18!(1991)P.2251−2253 |
JPN.J.APPL.PHYS.PART2 31〜10B!(1992)P.L1457−L1459 |
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