JP3941449B2 - Iii族窒化物膜 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、III族窒化物膜に関し、詳しくは、発光ダイオード素子又は高速ICチップなどを構成する半導体膜として好適に用いることのできる、Alを含むIII族窒化物膜に関する。
【0002】
【従来の技術】
Alを含むIII族窒化物膜は、発光ダイオード素子などを構成する半導体膜として用いられており、近年においては、携帯電話などに用いられる高速ICチップなどを構成する半導体膜としても注目を浴びている。
【0003】
従来、上記のようなIII族窒化物膜は、Al供給原料としてトリメチルアルミニウム(TMA)又はトリエチルアルミニウム(TEA)などを用い、窒素供給原料としてアンモニアなどを用いて、MOCVD法により製造される。
【0004】
この場合において、前記III族窒化物膜を形成すべき基板は、所定の反応管内に設けられたサセプタ上に設置させるとともに、このサセプタ内に埋め込まれたヒータによって1000℃以上にまで加熱される。そして、前記反応管内に前記Al供給原料及び前記窒素供給原料、並びに必要に応じてその他の元素の供給原料を導入し、キャリアガスとともに前記基板上に供給する。
【0005】
すると、前記基板上で熱化学反応が生じて、前記各原料は構成元素に分解されるとともに、これら構成元素同士が互いに反応し、目的とするIII族窒化物膜が前記基板上に堆積されて製造されるものである。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、例えば、c面サファイア基板やc面SiC基板などの単結晶基板、あるいは所定の基材上に同じIII族窒化物からなる下地膜を形成してなるエピタキシャル基板の上に、直接的に前記Alを含むIII族窒化物膜を形成すると、同じ組成のIII族窒化物膜であっても、成膜条件が異なったり、反応管の形状や大きさなどの成膜装置の状態が異なったりすると、前記III族窒化物膜にクラックが発生してしまう場合があった。
【0007】
このため、上記単結晶基板やエピタキシャル基板上に、前記Alを含むIII族窒化物膜が形成されてなる素子を歩留まり良く得ることができないという問題があった。
【0008】
本発明は、単結晶基板やエピタキシャル基板などの結晶性の基板上に直接的に形成された場合において、クラックを発生させることのないAl含有III族窒化物膜を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく、本発明は、
所定の基材上に、Al a Ga b In c N ( a>0,a+b+c=1 ) なる組成を有する III 族窒化物エピタキシャル下地膜が形成されてなるエピタキシャル基板上に、直接的にc面成長させてなる、六方晶系の、Al x Ga y In z N ( x>0,x+y+z=1 ) なる組成を有するIII族窒化物膜であって、a>xなる関係を有し、前記III族窒化物膜の主軸の格子定数cと、この主軸に垂直な結晶面の格子定数aとが、c>2.636a−3.232なる関係を満たすことを特徴とする、III族窒化物膜に関する。
【0010】
ここにおいて、c面成長とは、前記III族窒化物膜の成長条件の変動や、前記基板が僅かに傾斜することに起因して、実際のc軸から若干傾斜してなるc面成長をも含むものである。
【0011】
また、本発明の好ましい態様においては、前記格子定数c及び前記格子定数aは、c>2.636a−3.221なる関係を満たす。これによって、前記III族窒化物膜に対して熱衝撃が加えられた場合においても、クラックの発生をより効果的に防止することができる。
【0012】
本発明者らは、上記結晶性基板上に直接的に形成した場合においても、クラックを発生させることのない、Alを含むIII族窒化物膜を提供すべく鋭意検討を行った。そして、III族窒化物膜の組成が同じであっても、成膜条件や成膜装置の状態によってクラックの発生の有無が左右されることから、クラックの発生に影響を及ぼすIII族窒化物膜の物理的性質を見出すべく検討を行った。
【0013】
その結果、結晶性の基板上に直接的に前記III族窒化物膜を形成した場合のクラック発生の有無が、前記III族窒化物膜が具える結晶格子の各格子定数の大きさと関係していることを見出した。すなわち、前記III族窒化物膜を構成する六方格子において、主軸の格子定数cとこの主軸に垂直な結晶面の格子定数aとが上記のような関係を満足することにより、このようなIII族窒化物膜を前記結晶性の基板上に形成した場合においても、前記III族窒化物膜にクラックが発生しないことを見出した。本発明は上述したような膨大な研究の結果としてなされたものである。
【0014】
図1は、c面サファイア基板上にAlxGayInzN(x+y+z=1,x>0)なる組成のIII族窒化物膜を形成した場合のクラック発生の有無を調べたものである。図1から明らかなように、本発明にしたがってc>2.636a−3.232なる関係を満たす場合はクラックが発生しないのに対し、前記関係を満足しない場合はクラックが発生していることが分かる。
なお、図中において、〇プロットはクラック発生がない場合を示し、×プロットはクラック発生がある場合を示している。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、発明の実施の形態に基づいて詳細に説明する。
本発明においては、結晶性基板上に直接的にc面成長することにより形成されたAl含有III族窒化物膜が、それを構成する六方晶系の結晶格子において、主軸の格子定数cと、この主軸に垂直な結晶面の格子定数aとが、c>2.636a−3.232なる関係を満たすことが必要であり、さらには、c>2.636a−3.221なる関係を満たすことが好ましい。
【0016】
このような条件を満たすIII族窒化物膜は、例えば、成膜中の温度、圧力、及びガス組成比を制御することによって、さらには、排気速度及び基板面に対するガスの流れる方向を適宜に調節することによって得ることができる。これらの条件は、形成すべきIII族窒化物膜の材料、組成、及び厚さなどを考慮することにより適宜に選択し、最適化する。
【0017】
また、下地膜の組成を最適化することによっても上記条件を満足するIII族窒化物膜を得ることができる。具体的には、c面サファイア基板上に、比較的多量のAlを含んだ高品質単結晶III族窒化物膜を成膜し、これを下地膜としてこの上にIII族窒化物膜を成膜することにより、上記条件を満足する本発明のIII族窒化物膜を形成することができる。
【0018】
そして、本発明のIII族窒化物膜は、少なくともAlを含有することが必要であり、上述したように、発光ダイオード素子の半導体膜などとして使用する場合においては、AlxGayInzN(x+y+z=1,x>0)なる組成を有することが好ましい。またこのような組成を中心として、B、Si、及びMgなどの添加元素を含有することもできる。
【0019】
さらに、上記III族窒化物膜は、Alを比較的多く含有することが好ましく、具体的には、AlxGayInzN(x+y+z=1,x>0.5)、さらにはAlxGayInzN(x+y+z=1,x>0.9)なる組成を有することが好ましい。
【0020】
これらの半導体膜が結晶性基板上に直接的に形成されてなる素子は、発光ダイオード素子や高速ICチップなどに好適に用いることができる。さらに、結晶性基板上に直接的に形成した場合、成膜条件や成膜装置の状態の影響を特に強く受け、クラックを発生しやすい。
【0021】
したがって、このような組成の半導体膜に対して本発明を適用することにより、クラック発生の抑制効果が顕著になり、上記用途に対する素子を歩留まり良く提供することができる。
【0022】
また、本発明のIII族窒化物膜は1μm以上、さらには2μm以上の厚さを有することが好ましい。従来においては、III族窒化物膜の厚さが前記値以上に厚くなると、結晶性基板上に形成した場合において、クラックの発生が特に顕著になる傾向があった。したがって、このような厚さのIII族窒化物膜に対して本発明を適用することにより、クラック発生の抑制効果がより顕著に発源され、結晶性の基板上において比較的厚く形成されたIII族窒化物膜を提供することができる。
【0023】
本発明における結晶性の基板の種類については特に限定されるものでなく、サファイア単結晶、ZnO単結晶、LiAlO2単結晶、LiGaO2単結晶、MgAl2O4単結晶、MgO単結晶などの酸化物単結晶、Si単結晶、SiC単結晶などのIV族あるいはIV−IV族単結晶、GaAs単結晶、AlN単結晶、GaN単結晶、及びAlGaN単結晶などのIII−V族単結晶、ZrB2などのホウ化物単結晶などの、公知の基板材料から構成することができる。
【0026】
【実施例】
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
(実施例)
基板としてc面サファイア基板を用い、これを反応管内に設置されたサセプタ上に載置した後、吸引固定した。Al供給原料としてトリメチルアウミニウム(TMA)を用い、Ga供給原料としてトリメチルガリウム(TMG)を用いた。さらにIn供給原料としてトリメチルインジウム(TMI)を用い、N供給原料としてアンモニアガスを用いた。なお、アンモニアガスを除く原料は、室温においては液体又は固体であるので、それぞれバブリングの操作を施すことにより、気体状としたものを用いた。
【0027】
次いで、これらのガスをアンモニアガスからなるV族供給原料と、TMA、TMG、及びTMIからなるIII族供給原料との比(V/III比)が、1000以下となるようにして前記反応管内に導入するとともに、前記基板上に供給した。このとき前記基板を1150℃まで加熱して厚さ1μmのAlGaInN単結晶膜を形成した。この単結晶膜の結晶性をX線ロッキングカーブで評価したところ、半値幅が90秒以下であり結晶性に優れた高品質な膜であることが判明した。
【0028】
次いで、前記単結晶膜を下地膜として有する前記基板を1200℃以上に加熱した。その後、前記下地膜を形成した場合よりも基板温度を低く設定し、上述したIII族供給原料及びV族供給原料を上記下地膜を形成するときよりもV/III比が大きくなるようにして前記下地膜上に供給して、前記下地膜よりもAl含有量が少ない複数のAlGaInN膜を形成した。図中のデータは、下地膜の格子定数のデータも含む。
【0029】
各III族窒化物膜の格子定数をX線回折法によって測定し、得られた格子定数c及び格子定数aの値を図1に示すグラフ中に〇プロットで示した。また、このようにして形成したIII族窒化物膜には、クラックが全く発生していなかった。
【0030】
(比較例)
上記実施例においては、下地膜を構成するAlGaInN膜中のAl含有量を目的とするAlGaInN膜のAl含有量よりも小さくなるように、V/III比を調節して上記原料ガスを供給するとともに、基板温度を適宜に調節して形成した。そして、このようにして形成した下地膜上にAl含有量が前記下地膜よりも大きい2種類のAlGaInN膜を形成した。
【0031】
実施例と同様にして、各III族窒化物膜の格子定数c及び格子定数aを測定し、図1に示すグラフ中に×プロットで示した。また、このようにして形成したIII族窒化物膜には、多数のクラックが発生していた。
【0032】
図1から明らかなように、本発明にしたがって格子定数c及び格子定数aが、c>2.636a−3.232なる関係を満たすIII族窒化物膜には、クラックが全く発生しないのに対し、上記関係を満たさないIII族窒化物膜には多量のクラックが発生していることがわかる。
【0033】
次いで、得られたAlGaInN膜を1000℃の高温状態に晒し、熱衝撃試験を実施した。試験後において、各格子定数c及びaに対して、c>2.636a−3.221なる関係を満たすものについてはクラックの発生は確認されなかった。しかしながら、2.636a−3.221≧c>2.636a−3.232なる関係を満たすものについては、クラックの発生が確認された。したがって、c>2.636a−3.221なる関係を満足するAlGaInN膜については熱衝撃によるクラックをも効果的に防止できることが分かる。
【0034】
以上、具体例を挙げながら、発明の実施の形態に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記発明の実施に形態に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない範囲であらゆる変更や変形が可能である。
【0035】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、c面サファイア基板やc面SiC基板などの単結晶基板、及びエピタキシャル基板などの結晶性の基板上に直接的に形成した場合においても、クラックを発生することがないIII族窒化物膜を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】AlxGayInzN(x+y+z=1,x>0)なる組成のIII族窒化物膜の格子定数とクラック発生との相関を示すグラフである。
Claims (8)
- 所定の基材上に、Al a Ga b In c N ( a>0,a+b+c=1 ) なる組成を有する III 族窒化物エピタキシャル下地膜が形成されてなるエピタキシャル基板上に、直接的にc面成長させてなる、六方晶系の、Al x Ga y In z N ( x>0,x+y+z=1 ) なる組成を有するIII族窒化物膜であって、
a>xなる関係を有し、
前記III族窒化物膜の主軸の格子定数cと、この主軸に垂直な結晶面の格子定数aとが、c>2.636a−3.232なる関係を満たすことを特徴とする、III族窒化物膜。 - 前記格子定数c及び前記格子定数aは、c>2.636a−3.221なる関係を満たすことを特徴とする、請求項1に記載のIII族窒化物膜。
- 前記III族窒化物膜は、AlxGayInzN(x+y+z=1,x>0.5)なる組成を有することを特徴とする、請求項1又は2に記載のIII族窒化物膜。
- 前記III族窒化物膜は、AlxGayInzN(x+y+z=1,x>0.9)なる組成を有することを特徴とする、請求項3に記載のIII族窒化物膜。
- 前記III族窒化物膜は、1μm以上の厚さを有することを特徴とする、請求項1〜4のいずれか一に記載のIII族窒化物膜。
- 前記結晶性の基板は、単結晶基板であることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか一に記載のIII族窒化物膜。
- 前記単結晶基板は、c面サファイア基板又はc面SiC基板であることを特徴とする、請求項6に記載のIII族窒化物膜。
- 前記III族窒化物下地膜は、X線ロッキングカーブの半値幅で90秒以下の値の結晶性を有することを特徴とする、請求項1〜8に記載のIII族窒化物膜。
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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