JP5077985B2 - 窒化物半導体層の形成方法 - Google Patents
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まず、本発明の一実施形態による無極性のIII族窒化物半導体層の形成方法について説明する。より具体的には、常圧MOVPE(有機金属気相成長)法によって、r面サファイア基板上に無極性のa面GaN層を形成する方法について説明する。なお、本発明におけるa面GaN層とは、とくに断らない限りr面サファイア基板上に成長させたa面GaN層を意味する。なお、GaN層を成長させるためには、周知のように、V族元素原料ガスとしてのNH3(アンモニア)、III族元素原料ガスとしてのTMGa(トリメチルガリウム)、およびキャリアガスとしてのH2ガスとN2ガスが用いられ得る。
上述のように窒化処理されたサファイア基板上に直接結晶成長した窒化物半導体層(以下、ダイレクト窒化物半導体層とも称す)の表面は、きわめて平坦でありかつ鏡面であり得る。より具体的には、ダイレクト窒化物半導体層の光学顕微鏡による観察からその表面の優れた平坦性を確認することができ、その表面にはピットおよびクラックの発生がみられない。さらに、その表面の原子間力顕微鏡(AFM)による自乗平均粗さ(Rms)は縦10μmで横10μmの測定領域において5nm以下であり得て、原子レベルでも極めて平坦な表面の得られることが確認され得る。
次に、サファイア基板上におけるGaN層の結晶成長の初期過程について説明する。より具体的には、異なる面方位の主面を有する2種類のサファイア基板を用いて、それらの基板面方位とGaN層の成長初期過程との関係を調査した結果について詳細に説明する。この調査において用いられた2種類の基板は、c面サファイア基板とr面サファイア基板である。
以下においては、サファイア基板の窒化処理時間とGaN層の結晶性との関係について調査した結果を説明する。この調査において、r面サファイア基板の窒化処理は図4に示す温度プロファイルによって行われた。すなわち、基板の窒化処理温度は1150℃である。
さらに、サファイア基板の窒化処理温度とGaN層の結晶性との関係について調査した結果を説明する。この場合も、基板の窒化処理は、図4に示す温度プロファイルにしたがって行われた。ただし、窒化処理時間は、10分間に設定された。他方、GaN層の成長条件はすべてのサンプルにおいて同一であり、基板温度は1150℃、TMGa供給量は88μmol/min、NH3供給量は5L/min、V/IIIモル比は2500、そしてキャリアガスはH2ガスとN2ガスである。成長させられるGaN層の最終的厚さは、5μmに設定された。
以下においては、MOVPEにおけるTMGa供給量とGaN層の表面平坦性との関係について調査した結果を説明する。この調査においても、MOVPEにおける温度プロファイルは、図4に示されたものと同じである。ただし、GaN層の成長に関しては、TMGa供給量を44、88、126、152、250μmol/minに変化させて5種類のサンプルを作製した。NH3供給量は、すべてのサンプルにおいて2.5L/minである。したがって、TMGa供給量が44、88、126、152、250μmol/minのときに、V/III供給モル比はそれぞれ2537、1268、883、736、446に対応する。すなわち、V/III供給モル比は、III族元素原料であるTMGa供給量に反比例する。
以下においては、NH3供給量とGaN層の表面平坦性との関係について調査した結果を説明する。この調査においても、基板温度プロファイルは図4の場合と同じである。ただし、GaN層の成長に関しては、NH3供給量を0.45、0.85、1.75、2.50、4.10L/minに変化させて5つのサンプルを作製した。TMGa供給量は、すべてのサンプルにおいて250μmol/minである。したがって、NH3供給量が0.45、0.85、1.75、2.50、4.10L/minのとき、V/III供給モル比はそれぞれ80、152、313、446、732となる。
Claims (4)
- MOVPE(有機金属気相成長)法を用いた窒化物半導体層の形成方法であって、
サファイア基板の一主面を窒化処理し、
前記窒化処理された前記主面上に窒化物半導体層を結晶成長させる窒化物半導体層の形成方法であって、
前記サファイア基板の前記主面は(1−102)面に平行であり、
H 2 ガス雰囲気中において前記サファイア基板の表面を熱クリーニングし、
前記窒化処理はNH 3 ガスの供給を開始して1100℃から1200℃の範囲内の温度において1分以上30分以下の処理時間で行われ、
前記窒化物半導体層は(11−20)面に平行なGaN層であることを特徴とする窒化物半導体層の形成方法。 - 前記MOVPE(有機金属気相成長)法において前記GaN層の堆積時に反応室内に導入されるトリメチルガリウムガスに対するアンモニアガスの体積比は152〜736の範囲内にあることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体層の形成方法。
- 前記窒化処理は実質的に1150℃の温度において1分以上30分以下の処理時間で行われることを特徴とする請求項1または2に記載の窒化物半導体層の形成方法。
- 前記窒化処理は1100℃から1200℃の範囲内の温度において実質的に10分の処理時間で行われることを特徴とする請求項1または2に記載の窒化物半導体層の形成方法。
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