JPH1126383A - 窒化物半導体の結晶成長方法 - Google Patents
窒化物半導体の結晶成長方法Info
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Abstract
形成することのできる窒化物半導体の結晶成長方法を提
供する。 【解決手段】 シリコン基板(11)上に厚さ500Å以
下のダイヤモンド構造を有するダイヤモンドカーボンを
バッファ層(12)として形成した後、このバッファ層上
に高濃度にカーボンをドープしたGaNバッファ層(1
3)を更に形成し、このGaNバッファ層上にGaN系半
導体(14)を形成する。特に原料ガスとしてメタンと窒
素ガスとを用い、ホットフィラメントを有するガスノズ
ルを用いて原料ガスを活性化することで高濃度にカーボ
ンをドープしたGaNバッファ層を形成する。
Description
導体をシリコン基板上にエピタキシャル成長させるに好
適な窒化物半導体の結晶成長方法に関する。
の材料としてGaN系の化合物半導体が注目されてい
る。ところがGaNと格子定数が一致する基板材料は全
く存在しないことから、実際的には異種の基板材料上に
GaN系の化合物半導体を結晶成長させている。この
際、格子不整合に起因する結晶欠陥の発生を極力抑える
べく、基板表面にバッファ層を成長させた後、このバッ
ファ層上にGaNを結晶成長させるようにしている。
体の基板としては、専らサファイヤ(Al2O3)基板が
用いられている。しかしGaNとサファイヤ基板との格
子不整合の度合は20%以上もある。そこでサファイヤ
基板上に予めAlNをバッファ層として成長させ、この
AlNバッファ層上にGaNを厚く成長させるようにして
いる。或いは前記サファイヤ基板上にアモルファス的な
GaNをバッファ層として成長させた後、その上にGaN
を厚く成長させるようにしている。
法(MOCVD法)を用い、先ずサファイヤ基板上にバ
ッファ層をなすAlNを500Å程度結晶成長させる。
このAlNバッファ層の結晶成長は、例えばトリメチル
アルミニウム(TMA)とアンモニア(NH3)とを用
い、水素をキャリアガスとして、その成長温度を800
℃として行われる。次いで上記AlNバッファ層上に、
成長温度を1000℃とし、トリメチルガリウム(TM
G)とアンモニア(NH3)とを用いてGaNの厚膜を結
晶成長させることにより実現される。
温でトリメチルガリウム(TMG)とアンモニア(NH
3)とを用い、水素をキャリアガスとして100〜20
0Å程度のGaNバッファ層を成長させる。次いで成長
温度を1000℃とし、トリメチルガリウム(TMG)
とアンモニア(NH3)とを用いてGaNの厚膜を結晶成
長させることにより実現される。
(GSMBE法)を用い、GaNバッファ層を2段階成
長させる場合には、メタルガリウムとプラズマ化した窒
素源とを用い、サファイヤ基板やシリコン基板上に成長
温度500〜550℃でGaNの薄膜をバッファ層とし
て形成した後、成長温度を800℃まで高めた上で上記
ガスを用いてGaNの厚膜を結晶成長させることにより
実現される。
基板上にGaNを成長させる際、シリコン基板とGaNと
の格子定数差が大きいので、格子不整合に起因する結晶
欠陥が多量に発生する。この為、高品質なGaNを成長
させることができないと言う問題があった。特にシリコ
ン基板上にGaNを成長させた化合物半導体(窒化物半
導体)は、特性の優れた高温動作トランジスタを実現す
る上でのワイドバンドギャップ半導体として好適である
にも拘わらず、高品質なGaN(窒化物半導体)を得難
いと言う問題があった。
たもので、その目的は、シリコン基板上にGaN系半導
体を高品質に形成することのできる窒化物半導体の結晶
成長方法を提供することにある。
べく本発明に係る窒化物半導体の結晶成長方法は、先ず
シリコン基板上に厚さ500Å以下のダイヤモンド構造
を有するダイヤモンドカーボンをバッファ層として形成
した後、このバッファ層上に高濃度にカーボンをドープ
したGaNバッファ層を更に形成し、このGaNバッファ
層上にGaN系半導体を形成することを特徴としてい
る。
カーボンをドープしたGaNバッファ層を形成するに際
して、その原料ガスとしてメタンと窒素ガスとを用い、
ホットフィラメントを有するガスノズルを用いて上記原
料ガスを活性化してGaNバッファ層を形成することを
特徴としている。即ち、本発明は、六方晶GaNのa軸
の格子定数(3.189Å)にダイヤモンドの格子定数
(3.567Å)が近いことに着目し、原子オーダーの
薄いダイヤモンド層(カーボン層)を、GaN成長の為
のバッファ層として用いることを特徴としている。そこ
でシリコン基板上にバッファ層を形成するに際して、先
ず1分子層程度のカーボンを形成し、このカーボン層上
にダイヤモンド構造を有するカーボン(ダイヤモンド)
を積層形成する。そしてこのバッファ層上に、カーボン
を濃度1020cm-3以上にドープしたGaNバッファ層を
形成して下地とのなじみ性を良くする。その上で上記G
aNバッファ層上にGaN系の半導体を形成することを特
徴としている。
成にはプラズマ化したメタン、或いはホットフィラメン
トにてラジカル化したカーボンを用いて行われる。例え
ば基板温度を850〜900℃とし、99%の水素に1
%のメタンを混ぜた混合ガス(30torr)を20sccm/m
inの流量で、2300℃に加熱したフィラメントに照射
し、その反応ガスを分解してラジカル化した炭素系ガス
を用いてダイヤモンドを形成する。またGaNバッファ
層の形成にはカーボンドープのGaNを用い、上記ダイ
ヤモンドの形成に用いたホットフィラメントを用いて、
メタンと窒素ガスとからなる原料ガスを活性化する。そ
してこのようにしてシリコン基板上にダイヤモンド(バ
ッファ層)とGaNバッファ層とを形成した後、上記Ga
Nバッファ層上にGaN系半導体層を成長させる。
る窒化物半導体の結晶成長方法の一実施形態について説
明する。図1はこの実施形態において用いられる結晶成
長装置としてのガスソース分子線エピタキシー装置の概
略構成を示すもので、1はシリコン基板を保持し、マニ
ピュレータによって操作される試料ホルダ、2は超高真
空を得るためのイオンポンプ、3はソープレーションポ
ンプ、4はエアロックシステムである。また5はイオン
源であって、6は原料ガスの噴出セル、7はそのノズル
部に対向配置されたシャッタ、そして8は上記ノズル部
の先端に設けられたホットフィラメント、そして9は噴
出セル6を覆うシュラウドである。
装置においては、水素ガスやメタンガスの活性化の為
の、例えばタングステン製のホットフィラメント8を原
料ガス噴出セル6のノズル部先端に備えており、原料ガ
スをシリコン基板に対して噴射する際、2000℃以上
に加熱されたホットフィラメント8にて上記ガスをラジ
カル化してその反応性を高めるようにしている。更にノ
ズル部にはダイヤモンドの成長速度を大きくするべく、
複数のフィラメント付ガスノズルを用いるようにしてい
る。
線エピタキシー装置を用いた窒化物半導体の結晶成長
は、先ずシリコン基板に対してダイヤモンド(バッファ
層)とGaNバッファ層とを順に形成することから開始
される。即ち、予め水素ガスだけをホットフィラメント
8を通すことで水素ラジカルを形成し、この水素ラジカ
ルを用いて前記シリコン基板の表面を、例えば950℃
で水素クリーニングし、該シリコン基板の表面の酸化物
を除去する(前処理)。
の温度を850℃として、その表面にダイヤモンド(バ
ッファ層)を成長させる。このダイヤモンドの成長の為
の原料ガスとしてはメタンガス(CH4)と水素との混
合ガスを用い、この混合ガスをホットフィラメント8を
用いてラジカル化して噴射する。この混合ガスのラジカ
ル化には、例えば2つのホットフィラメント8が用いら
れる。2つのホットフィラメント8は、3方向から通さ
れる混合ガスを効率良く分解し、実効的なラジカル化し
たカーボンの量を増加させる役割を果たす。このように
してラジカル化したカーボンを用いて前記シリコン基板
上にダイヤモンドを成長させる。
℃とし、97%水素に3%メタンを混ぜた混合ガス(3
0torr)を20sccm/minの流量で、2300℃に加熱し
たホットフィラメント8に照射し、上記混合ガス(反応
ガス)を分解してラジカル化した炭素系のガスを得る。
そしてこのラジカル化した炭素系ガスを用いて、例えば
前記シリコン基板上に厚み200Åのダイヤモンド(バ
ッファ層)を結晶成長させる。このようにして結晶成長
させたダイヤモンドは、多数のドメインを持つが、その
ドメインの方向は規則的に揃っており、結晶性の優れた
ものとなる。
モンド(バッファ層)を結晶成長させたならば、次に該
ダイヤモンド(バッファ層)上に、その成長初期時にカ
ーボンを濃度1020cm-3以上にドープしたGaNバッフ
ァ層を厚み200Å成長させる。このカーボンドープの
GaNの形成方法としては、例えば原料ガスとして2%
のメタンと98%の窒素からなる混合ガスを用い、上記
ダイヤモンドの形成に用いたホットフィラメント8によ
りラジカル化した窒素ガスとメチル系のガス、そしてメ
タルGa(5×10-7torr)を用い、分子線エピタキシ
ャル成長法にて成長温度640℃で厚み200ÅのGa
Nバッファ層を結晶成長させることによりなされる。
ープは、その下地であるダイヤモンド(バッファ層)と
の結合性を良くする為である。ちなみにカーボン濃度
は、その成長初期時には上述した如く高濃度とするが、
GaNバッファ層の成長と共に濃度を下げる。そして該
GaNバッファ層の成長終了時には上記カーボン濃度を
5×1018cm-3程度まで下げる。
性のGaNを成長させるべく、例えばメタルGa(1×1
0-6torr)とアンモニア(5×10-5torr)とを用い、
更にドーパントとしてシリコン(5×10-9torr)を用
いて、成長温度850℃にてn型のGaN層を、例えば
厚さ500Å結晶成長させる。この結果、図2にその素
子構造を模式的に示すように、シリコン基板11上にダ
イヤモンド(バッファ層)12、更にGaNバッファ層
13を介してn型のGaN層14が形成されることにな
る。即ち、シリコン基板11上にダイヤモンド(バッフ
ァ層)12を効率良く成長させ、その上に結晶性の優れ
た導電性のGaN層14を成長させることが可能とな
る。
るものではない。実施形態においてはシリコン基板上に
ダイヤモンドを成長させたが、ダイヤモンド構造を有す
るカーボンを形成しても同様な効果が得られる。特にダ
イヤモンド状のカーボンは熱伝導が良いので、デバイス
の放熱効果を高める上で効果的である。また高濃度ドー
プのGaN層(半絶縁性GaN膜)を形成するに際して、
その窒素源としてジメチルヒドラジンやモノメチルヒド
ラジン等を用いるようにしても良い。またGa源として
はトリエチルガリウムやトリメチルガリウム等の有機金
属ガスを用いることも可能である。同様にAl原料とし
てトリメチルアルミニウムやジメチルアルミニウムハイ
ドライド等の有機金属原料を用いることも可能である。
AlGaNを結晶成長させることも可能であり、Si等を
ドープしたInGaN,GaN,InGaAlN,AlNを成
長させることも可能である。同様に半絶縁性のバッファ
層としてカーボンドープのInGaN,GaN,InGaAl
N,AlNを用いることも可能である。その他、本発明
はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施するこ
とができる。
リコン基板上に結晶性良くGaN系半導体を結晶成長さ
せることができ、ワイドバンドギャップ半導体を実現す
ることができる。従って特性の優れた高温動作トランジ
スタの実現に大きく寄与することができる等の効果が奏
せられる。
いて用いられるガスソース分子線エピタキシー装置の概
略構成を示す図。
り成長させた窒化物半導体の概略的な素子構造を示す
図。
Claims (2)
- 【請求項1】 シリコン基板上に厚さ500Å以下のダ
イヤモンド構造を有するダイヤモンドカーボンをバッフ
ァ層として形成した後、このバッファ層上に高濃度にカ
ーボンをドープしたGaNバッファ層を形成し、このGa
Nバッファ層上にGaN系半導体を形成することを特徴
とする窒化物半導体の結晶成長方法。 - 【請求項2】 前記高濃度にカーボンをドープしたGa
Nバッファ層を形成するに際し、原料ガスとしてメタン
と窒素ガスとを用い、ホットフィラメントを有するガス
ノズルを用いて上記原料ガスを活性化してなることを特
徴とする請求項1に記載の窒化物半導体の結晶成長方
法。
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