JPH10242053A - Gallium nitride semiconductor device and method of manufacturing gallium nitride semiconductor device - Google Patents
Gallium nitride semiconductor device and method of manufacturing gallium nitride semiconductor deviceInfo
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- JPH10242053A JPH10242053A JP4371797A JP4371797A JPH10242053A JP H10242053 A JPH10242053 A JP H10242053A JP 4371797 A JP4371797 A JP 4371797A JP 4371797 A JP4371797 A JP 4371797A JP H10242053 A JPH10242053 A JP H10242053A
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、品質の優れたGa
N系半導体層を有するGaN系半導体装置および、その
製造方法に関し、特にGaN系半導体層の品質を向上さ
せることができるバッファー層の構造およびその作製方
法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a high quality Ga
The present invention relates to a GaN-based semiconductor device having an N-based semiconductor layer and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a structure of a buffer layer capable of improving the quality of a GaN-based semiconductor layer and a method of manufacturing the same.
【0002】[0002]
【従来の技術】各種のトランジスタや光素子などの半導
体装置は、基体となる基板上に1以上の半導体層を積層
形成した半導体積層体を作製し、これにエッチングやド
ーピング技術により所望のパターニングを行いあるいは
更に必要な電極を付加形成して作製される。2. Description of the Related Art Various types of semiconductor devices such as transistors and optical elements are manufactured by laminating one or more semiconductor layers on a substrate serving as a base, and subjecting them to desired patterning by etching or doping techniques. It is produced by performing or additionally forming necessary electrodes.
【0003】GaN系半導体は、可視から紫外域の光素
子材料として、あるいは、高温域で使用可能な電子材料
として期待されており、高品質のGaN系半導体装置の
開発が望まれているが、GaNは融点が2000℃を越
え、かつその融点での蒸気圧が高いため、基体となるべ
きGaN単結晶基板の作製が困難である。[0003] GaN-based semiconductors are expected to be used as optical element materials in the visible to ultraviolet region or as electronic materials that can be used in high-temperature regions, and the development of high-quality GaN-based semiconductor devices has been desired. Since GaN has a melting point exceeding 2000 ° C. and a high vapor pressure at the melting point, it is difficult to manufacture a GaN single crystal substrate to be a base.
【0004】このためGaN系半導体装置はサファイア
などの異種基板上にGaN系半導体層を成長することに
より作製せざるを得ないが、サファイアとGaN系半導
体の格子定数は20%以上相違するため、サファイア基
板上に直接GaN系半導体層をエピタキシャル成長する
ことは困難である。For this reason, a GaN-based semiconductor device must be manufactured by growing a GaN-based semiconductor layer on a heterogeneous substrate such as sapphire. However, since the lattice constants of sapphire and the GaN-based semiconductor differ by more than 20%, It is difficult to epitaxially grow a GaN-based semiconductor layer directly on a sapphire substrate.
【0005】そこで従来は、サファイア基板上にアモル
ファス状のAlN、あるいは、アモルファス状のGaN
よりなるバッファー層を形成し、このバッファー層上
に、GaN、AlGaN、InGaN等を単層あるいは
複数層積層したGaN系半導体層を形成する方法が用い
られていた。Therefore, conventionally, amorphous AlN or amorphous GaN is formed on a sapphire substrate.
There has been used a method of forming a buffer layer made of GaN, and forming a GaN-based semiconductor layer in which a single layer or a plurality of layers of GaN, AlGaN, InGaN or the like are stacked on the buffer layer.
【0006】アモルファス状のバッファー層を形成する
ためには、その成長温度を通常のエピタキシャル結晶成
長条件よりも低温とすれば良く、例えばアモルファス状
のGaNバッファー層は、500〜600℃程度で有機
金属気相成長法(MOCVD)により成長を行うか、5
00〜550℃程度でガスソース分子線エピタキシャル
法(GSMBE)により成長を行うことにより作成する
ことができる。In order to form an amorphous buffer layer, the growth temperature may be lower than normal epitaxial crystal growth conditions. For example, an amorphous GaN buffer layer may be formed at a temperature of about 500 to 600.degree. Growth by vapor phase epitaxy (MOCVD) or 5
It can be formed by growing at about 00 to 550 ° C. by gas source molecular beam epitaxy (GSMBE).
【0007】[0007]
【発明が解決しようとする課題】上述の方法より、サフ
ァイアなどの異種基板を用いて、一応のLED発光が得
られる程度のGaN系半導体層の成長が可能となった
が、なお品質は十分なものではなく、より高品質のGa
N系半導体層を有するGaN系半導体装置の実現が望ま
れていた。According to the above-mentioned method, it is possible to grow a GaN-based semiconductor layer using a heterogeneous substrate such as sapphire or the like so as to obtain a temporary LED light emission, but the quality is still insufficient. Not higher quality Ga
It has been desired to realize a GaN-based semiconductor device having an N-based semiconductor layer.
【0008】また従来方法には、アモルファス状のバッ
ファー層の表面状態の制御が容易でないという問題があ
った。即ち、前記したアモルファス状のバッファー層の
形成条件では、島状に成長が開始されるので、表面の平
滑性を高めるためにはバッファー層膜厚を一定以上とす
る必要がある一方、バッファー層膜厚を増大していくと
結晶状態がアモルファス状から多結晶状態に変化して表
面に荒れを生じてしまう。ところが、アモルファス状で
ある故にRHEEDなどにより成膜中に表面状態を観察
することができないため、表面に凹凸のないアモルファ
ス状のバッファー層を得ることは困難であった。Further, the conventional method has a problem that it is not easy to control the surface state of the amorphous buffer layer. That is, under the above-described conditions for forming the amorphous buffer layer, the growth starts in an island shape, so that the buffer layer thickness must be equal to or more than a certain value in order to enhance the surface smoothness. As the thickness increases, the crystalline state changes from an amorphous state to a polycrystalline state, and the surface becomes rough. However, since the surface state cannot be observed during film formation by RHEED or the like due to the amorphous state, it has been difficult to obtain an amorphous buffer layer having no irregularities on the surface.
【0009】[0009]
【課題を解決するための手段】本願発明は上記問題を解
決したものであり、基板表面に膜厚3nm以下のGaN
単結晶バッファー層を有すことを特徴とするGaN系半
導体装置であり、基板表面にGaN単結晶バッファー層
を成長した後、該GaN単結晶バッファー層上にGaN
系半導体層の成長を行うことを特徴とするGaN系半導
体装置の製造方法であり、基板表面に1〜2モノレーヤ
ーのGaを照射した後、GaN単結晶バッファー層を成
長し、更に該GaN単結晶バッファー層上にGaN系半
導体層の成長を行うことを特徴とするGaN系半導体装
置の製造方法であり、GaAs基板またはGaP基板を
砒素圧下または燐圧下で熱処理した後、GaN単結晶バ
ッファー層を成長し、更に該GaN単結晶バッファー層
上にGaN系半導体層の成長を行うことを特徴とするG
aN系半導体装置の製造方法である。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has solved the above-mentioned problem, and has a GaN film having a thickness of 3 nm or less on a substrate surface.
A GaN-based semiconductor device having a single crystal buffer layer, comprising: growing a GaN single crystal buffer layer on a substrate surface;
A method of manufacturing a GaN-based semiconductor device, comprising growing a base-based semiconductor layer, irradiating a substrate surface with 1 to 2 monolayers of Ga, growing a GaN single-crystal buffer layer, and further forming the GaN single-crystal buffer layer. A method for manufacturing a GaN-based semiconductor device, comprising growing a GaN-based semiconductor layer on a buffer layer, wherein the GaN single-crystal buffer layer is grown after a GaAs substrate or a GaP substrate is heat-treated under arsenic pressure or phosphorous pressure. And growing a GaN-based semiconductor layer on the GaN single-crystal buffer layer.
This is a method for manufacturing an aN-based semiconductor device.
【0010】本願発明は、基板表面にGaN単結晶から
なる超薄膜(3nm以下)のバッファー層を形成するこ
とにより、その上に形成したGaN系半導体膜の結晶品
質が極めて良好であることを実験的に見いだすことによ
り完成したものである。According to the present invention, an ultra-thin (3 nm or less) buffer layer made of GaN single crystal is formed on a substrate surface, and the crystal quality of a GaN-based semiconductor film formed thereon is extremely good. It was completed by finding the target.
【0011】なお本願発明は、サファイア基板だけでな
く、Si基板、GaAs基板、GaP基板にも適用が可
能であり、いずれの基板を用いた場合も極めて品質の高
いGaN系半導体層を有するGaN系半導体装置を得る
ことができる。The present invention can be applied not only to a sapphire substrate but also to a Si substrate, a GaAs substrate, and a GaP substrate. In any case, a GaN-based semiconductor layer having a very high-quality GaN-based semiconductor layer is used. A semiconductor device can be obtained.
【0012】ここで本願発明においてGaN単結晶と
は、RHEEDによりストリーク状の回析パターンが得
られる程度に結晶方向が揃った結晶状態(例えば加速電
圧25KeVの条件で、形成されたGaN結晶のスペキ
ュラービームスポットの強度が基板結晶のスペキュラー
ビームスポットの強度の5倍以上となる程度の結晶状
態)を意味し、結晶方向が揃っていれば結晶がドメイン
状に分かれて形成されている状態も含まれる。In the present invention, a GaN single crystal is a crystal state in which the crystal directions are aligned to such an extent that a streak-like diffraction pattern can be obtained by RHEED (for example, a specular state of a GaN crystal formed under the condition of an acceleration voltage of 25 KeV). (A crystal state in which the intensity of the beam spot is at least 5 times the intensity of the specular beam spot of the substrate crystal), and includes a state in which the crystals are formed into domains when the crystal directions are aligned. .
【0013】本願発明においてGaN単結晶からなるバ
ッファー層の膜厚は3nm以下とすることが好適であ
る。その理由は、3nm以上のGaN単結晶の成長が困
難で欠陥等の発生を招くおそれがあるからである。In the present invention, the buffer layer made of GaN single crystal preferably has a thickness of 3 nm or less. The reason is that it is difficult to grow a GaN single crystal of 3 nm or more, which may cause defects or the like.
【0014】基板表面にGaN単結晶よりなるバッファ
ー層を形成するためには、有機金属気相成長法(MOC
VD法)による場合は、800〜900℃の成長温度
(成長時の基板表面温度)が好適であり、分子線エピタ
キシャル成長法(MBE法)による場合は650〜75
0℃の成長温度が好適である。 また、このときの窒素
原料としては、分解効率の高いジメチルヒドラジン、エ
チルアザイド(C2 H5N3 )、プラズマ化した窒素、
ラジカル化した窒素、クラッキングしたアンモニアを用
いると成長時間を短縮できて好適であり、特にジメチル
ヒドラジン、エチルアザイドを用いると、GaN単結晶
バッファー層の特性が向上し、GaN単結晶バッファー
層上に形成するGaN系半導体層の結晶性が極めて高く
することができる。In order to form a buffer layer made of GaN single crystal on the substrate surface, metal organic chemical vapor deposition (MOC)
In the case of using the VD method, a growth temperature of 800 to 900 ° C. (substrate surface temperature during growth) is preferable, and in the case of using the molecular beam epitaxial growth method (MBE method), 650 to 75.
A growth temperature of 0 ° C. is preferred. In this case, the nitrogen raw materials include dimethylhydrazine, ethylazide (C2H5N3), nitrogen that has been turned into plasma, and high decomposition efficiency.
The use of radicalized nitrogen or cracked ammonia is preferable because the growth time can be shortened, and in particular, the use of dimethylhydrazine or ethylazide improves the properties of the GaN single crystal buffer layer and forms the GaN single crystal buffer layer on the GaN single crystal buffer layer. The crystallinity of the GaN-based semiconductor layer can be made extremely high.
【0015】また、基板表面に1〜2モノレーヤーのガ
リウムを照射することで基板表面をGaリッチな状態と
した後に、GaN単結晶バッファー層の成長を開始する
ことにより、GaNの形成が島状となることが効果的に
防止でき、基板全面へのGaN単結晶の形成が容易とな
る。The surface of the substrate is irradiated with one or two monolayers of gallium to bring the surface of the substrate into a Ga-rich state, and then the growth of the GaN single crystal buffer layer is started. Can be effectively prevented, and the GaN single crystal can be easily formed on the entire surface of the substrate.
【0016】なお、GaAs基板またはGaP基板を用
いた場合は、砒素圧下または燐圧下で熱処理することに
より基板表面をGaリッチな状態とできるので、この状
態で、GaN単結晶バッファー層の成長を行っても同様
に、GaN単結晶バッファー層の品質を高めることがで
きる。When a GaAs substrate or a GaP substrate is used, the surface of the substrate can be made Ga-rich by heat treatment under arsenic pressure or phosphorous pressure. In this state, the GaN single crystal buffer layer is grown. Similarly, the quality of the GaN single crystal buffer layer can be improved.
【0017】本願発明によれば、従来にない高品質のG
aN系半導体層を有するGaN系半導体装置を得ること
ができる。また更に、バッファー層の表面状態をRHE
EDにより観察しながら成膜を行うことが可能であるた
めに、バッファー層の品質の再現性を高めることがで
き、ひいてはバッファー層上に形成するGaN系半導体
層の特性のばらつきも低減できるという利点を有する。According to the present invention, high-quality G which has never existed before
A GaN-based semiconductor device having an aN-based semiconductor layer can be obtained. Furthermore, the surface condition of the buffer layer was changed to RHE
Since the film can be formed while observing with the ED, the reproducibility of the quality of the buffer layer can be enhanced, and the variation in the characteristics of the GaN-based semiconductor layer formed on the buffer layer can be reduced. Having.
【0018】[0018]
【発明の実施の形態】まず、本願発明の実施例を実施す
るために用いた半導体成長装置について説明する。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS First, a description will be given of a semiconductor growth apparatus used for carrying out an embodiment of the present invention.
【0019】図1に示すように装置は導入室(ロードロ
ック室)、準備室及び成長室を有する超高真空装置にな
っている。装置構成について説明する。導入室は大気圧
から超高真空の10-10 Torrまで真空引きができる
ようにロータリーポンプと組み合わせたターボ分子ポン
プ(排気量500l/sec)が設置され、ターボ分子
ポンプと真空室の間にはいつでもポンプと切り放せるよ
うにゲートバルブが設置されている。更にこの真空室に
は高真空排気ができるようにイオンポンプ(排気量50
0l/sec)が設置されている。又イオンポンプと導
入室の間には上記と同様の理由でゲートバルブが設置さ
れている。この真空室の中央部には他の真空室へ基板の
受け渡しができるように回転可能な基板ホルダーが設置
されていて、またこのホルダーに一旦設置した基板を導
入室より準備室、更に成長室に搬送するためのトランス
ファーロッドが基板ホルダーと中心軸が一致するように
設置されている。又これらの3室は準備室とロードロッ
ク室がゲートバルブで連結され、準備室と成長室がゲー
トバルブで連結されている。更にこれらのすべての真空
室には基板の受け渡しが常に観察できるように覗き窓が
設置されている。As shown in FIG. 1, the apparatus is an ultrahigh vacuum apparatus having an introduction chamber (load lock chamber), a preparation chamber, and a growth chamber. The device configuration will be described. The introduction chamber is provided with a turbo molecular pump (displacement: 500 l / sec) combined with a rotary pump so that vacuum can be evacuated from atmospheric pressure to an ultra-high vacuum of 10 −10 Torr, and between the turbo molecular pump and the vacuum chamber. A gate valve is installed so that the pump can be disconnected at any time. Furthermore, an ion pump (displacement 50
0 l / sec). A gate valve is provided between the ion pump and the introduction chamber for the same reason as described above. At the center of this vacuum chamber, a rotatable substrate holder is installed so that the substrate can be transferred to another vacuum chamber, and the substrate once installed in this holder is transferred from the introduction chamber to the preparation room and further to the growth chamber. A transfer rod for transport is installed such that the central axis of the transfer rod coincides with the substrate holder. In these three chambers, the preparation chamber and the load lock chamber are connected by a gate valve, and the preparation chamber and the growth chamber are connected by a gate valve. Further, all of these vacuum chambers are provided with viewing windows so that the delivery of the substrate can always be observed.
【0020】準備室には、その中央部に基板加熱ができ
る基板ホルダーが設置されている。真空排気は、イオン
ポンプ(排気量500l/sec)を用いて1x10
-11 Torrまで高真空排気できるようになっている。
この準備室において導入した基板を成長室に入れる前に
一旦この室で基板を比較的低い温度(基板の種類に応じ
て200〜500℃の温度で)で水分などを除去する目
的で加熱する。In the preparation room, a substrate holder capable of heating the substrate is provided at the center thereof. Vacuum evacuation was performed using an ion pump (displacement volume 500 l / sec) at 1 × 10
High vacuum evacuation up to -11 Torr is possible.
Before the substrate introduced in the preparation chamber is put into the growth chamber, the substrate is once heated in this chamber at a relatively low temperature (at a temperature of 200 to 500 ° C. depending on the type of the substrate) for the purpose of removing moisture and the like.
【0021】成長室には成長のために必要な有機原料、
メタル原料、基板加熱ヒーター反応ガス分析するための
四重極質量分析計(QMS)、成長の様子をその場観察
するための高速電子線回折装置(RHEED)等が設置
されている。The growth chamber contains organic materials necessary for growth,
A quadrupole mass spectrometer (QMS) for analyzing a metal raw material, a substrate heater reaction gas, and a high-speed electron beam diffractometer (RHEED) for in-situ observation of the growth state are provided.
【0022】先ず原料ガスは窒素源のジメチルヒドラジ
ン(DMHy,(CH3)2NNH2)、及びアンモニ
アガスようのノズルが設置されている。ジメチルヒドラ
ジンは50ccのシリンダーに充填されていて、シリン
ダーより1/4インチサイズのステンレス配管を通し超
精密制御できるグランベルフィリップス製のバリアブル
リークバルブを用い、所望の流量に精密制御して、成長
室に導入できるようになっている。アンモニアガスは1
0リットルボンベに充填されて、1/4インチサイズの
ステンレス配管を通しマスフローコントローラーを通し
流量を精密制御して上記ガス同様に成長室に導入できる
ようになっている。First, nozzles such as dimethylhydrazine (DMHy, (CH3) 2NNH2) as a source gas of nitrogen and ammonia gas are provided. Dimethylhydrazine is filled in a 50cc cylinder, and it is precisely controlled to a desired flow rate using a Granbell Phillips variable leak valve that can be ultra-precisely controlled through a 1/4 inch stainless steel pipe from the cylinder. It can be introduced. Ammonia gas is 1
The gas is filled in a 0 liter cylinder, passed through a stainless steel pipe of 1/4 inch size, precisely controlled through a mass flow controller through a mass flow controller, and can be introduced into the growth chamber similarly to the above-mentioned gas.
【0023】結晶成長に用いるIII族の原料となるメ
タルガリウム(Ga)、アルミニウム(Al)、インジ
ウム(In)のKnudsenセルがそれぞれ成長チャ
ンバーに設置されている。更にドウパント用のマグネシ
ウム(Mg)、シリコン(Si)のための1段ヒーター
構造のKnudsenセル(Kセル)がそれぞれ同様に
設置されている。Knudsen cells of metal gallium (Ga), aluminum (Al), and indium (In), which are Group III raw materials used for crystal growth, are provided in the growth chamber. Further, Knudsen cells (K cells) each having a one-stage heater structure for magnesium (Mg) for doping and silicon (Si) are similarly installed.
【0024】セルの構造を簡単に説明するとセルの中に
は高純度のPBN製の100ccの容積を有する坩堝が
中央に設置されこの中に原料がチャージされる。その外
側には、坩堝の外周全体を覆うようにタンタル製のヒー
ターが巻かれていて、更にその外側には、熱を逃がさな
いようにするために熱遮蔽板が巻かれている。To briefly explain the structure of the cell, a crucible having a capacity of 100 cc made of high-purity PBN is installed in the center of the cell, and the raw material is charged therein. A heater made of tantalum is wound around the outside of the crucible so as to cover the entire outer periphery of the crucible, and a heat shielding plate is wound around the outside of the heater to prevent heat from being released.
【0025】このヒーターの温度を温度コントローラを
用いて精密に調節することにより、原料の温度を精密に
コントロールし、原料の蒸気圧を精密にコントロール
し、成長のために必要な原料にフラックスを精密に調節
する。上述のKセルはコンピューターコントロールでき
る自動シャッター開閉機構により、瞬時にシャッターの
開閉ができ、原料の基板表面への導入或いは遮断を瞬時
に切り変えることができ急峻な成長界面を得ることがで
きる。By precisely controlling the temperature of this heater using a temperature controller, the temperature of the raw material is precisely controlled, the vapor pressure of the raw material is precisely controlled, and the flux required for the growth is precisely controlled. Adjust to. The above-mentioned K cell can be opened and closed instantly by an automatic shutter opening / closing mechanism which can be controlled by a computer, and can instantaneously switch between introducing or shutting off the raw material to the substrate surface, thereby obtaining a steep growth interface.
【0026】成長室の中央部には基板加熱機構を有する
マニュピレーターが設置されている。このマニュピレー
ターはX軸、Y軸、Z軸において独立に微調する事が可
能で、更に回転機構がついている。このマニュピレータ
ーの加熱機構を有するホルダーに基板が設置できる様に
なっている。基板加熱ヒーターは直径が3インチサイズ
のヒーターを用いている。この基板加熱ヒーターと上述
のすべてのセルの温度管理はユーロサーム製の精密コン
トローラのFICS11を用い、又これらのセル及び基
板加熱ヒーターの電源には、電源変動を極力抑えるため
に直流の安定化電源を用いている。これらの電源と温度
コントローラはコンピューターに接続されコンピュータ
ー制御により精密な温度管理を行っている。成長中のセ
ルの温度変動は0.5℃以内に抑えている。At the center of the growth chamber, a manipulator having a substrate heating mechanism is provided. This manipulator can be finely adjusted independently in the X-axis, Y-axis, and Z-axis, and further has a rotating mechanism. The substrate can be set on a holder having a heating mechanism of the manipulator. As the substrate heating heater, a heater having a diameter of 3 inches is used. The temperature control of this substrate heater and all the above-mentioned cells uses FICS11 of a precision controller made by Eurotherm, and the power supply of these cells and the substrate heater uses a stabilized DC power supply to minimize power supply fluctuation. Used. These power supply and temperature controller are connected to a computer and perform precise temperature control by computer control. The temperature fluctuation of the growing cell is kept within 0.5 ° C.
【0027】又、成長に用いる反応ガス或いは生成ガス
の分析ができるようにQMSが設置され成長前後或いは
成長中のガス分析ができるようになっている。更にRH
EEDにより成長中の結晶表面の様子をリアルタイムで
観察できるようになっている。原料のフラックスを逐次
測定するためのフラックスゲージが設置されている。A QMS is provided so that a reaction gas or a product gas used for the growth can be analyzed, so that gas analysis can be performed before, during, or after the growth. Further RH
The state of the growing crystal surface can be observed in real time by EED. A flux gauge for sequentially measuring the flux of the raw material is provided.
【0028】(実施例1)サファイア基板を用いてGa
N系半導体装置を作製した。サファイア基板はまずウェ
ットエッチングされる。超音波洗浄機を用いてサファイ
ア基板を有機洗浄した後、加熱した熱燐酸でエッチング
した後、超純水で洗浄し、図1に示すロードロックチャ
ンバーの中に設置する。ロードロックチャンバーをター
ボポンプ、イオンポンプを用いて5×10-8Torrま
で十分に真空排気した後、準備室とロードロック室の間
のゲートバルブを開けてトランスファーロッドを用いて
ロードロック室より準備室に基板を搬送する。準備室に
入れた後、真空度が1×10-9Torrに達した後、基
板ヒーターを500℃まで加熱して15分間保持し、基
板表面の水分などを除去する。その後200℃以下まで
冷却した後、準備室より成長室に基板を搬送する。(Example 1) Ga using a sapphire substrate
An N-based semiconductor device was manufactured. The sapphire substrate is first wet etched. The sapphire substrate is organically cleaned using an ultrasonic cleaner, etched with heated hot phosphoric acid, cleaned with ultrapure water, and placed in a load lock chamber shown in FIG. After the load lock chamber is sufficiently evacuated to 5 × 10 −8 Torr using a turbo pump or an ion pump, the gate valve between the preparation chamber and the load lock chamber is opened, and the load lock chamber is prepared from the load lock chamber using a transfer rod. Transfer the substrate to the chamber. After the vacuum chamber has reached 1 × 10 −9 Torr after being placed in the preparation room, the substrate heater is heated to 500 ° C. and held for 15 minutes to remove moisture on the substrate surface. After cooling to 200 ° C. or lower, the substrate is transferred from the preparation room to the growth room.
【0029】これらの一連の作業の間に成長室では、そ
れぞれのKセルの温度を上げて原料のフラックス調整と
ジメチルヒドラジン及びアンモニアガスの流量調整を行
いいつでもスタートできるように調整しシャッターを閉
じた状態にしておく。先ずKセルの温度をGaセルの場
合、ヒーターを900℃にして、Gaフラックスをフラ
ックスゲージの真空度で6.0×10-7Torrになる
ように調整する。このときセルヒーターの温度変動は±
0.2℃以内になるように抑えている。即ち、フラック
スの変動も1%以下に抑えている。Alの場合はヒータ
ー温度を1000℃としてフラックスがフラックスゲー
ジの真空度で3.0×10-7Torrになるように調整
する。同様にフラックスの変動も1%以下に抑えてい
る。Inの場合、セル温度を750℃として、フラック
スがフラックスゲージの真空度で3.0×10-7Tor
rになるように調整する。同様にして、ドーパント用の
Siのセルは温度を1280℃としてフラックスがフラ
ックスゲージの真空度が5.0×10-9Torrになる
ように調整する。Mgはセル温度を220℃として、フ
ラックスがフラックスゲージの真空度で5.0×10-9
Torrになるように調整する。いずれのセルもフラッ
クスの変動は1%以下に抑えている。調整後いつでもス
タートできるようにシャッターを閉じておく。During the series of operations, in the growth chamber, the temperature of each K cell was increased to adjust the flux of the raw material and the flow rates of dimethylhydrazine and ammonia gas so that they could be started at any time, and the shutter was closed. Keep it in a state. First, when the temperature of the K cell is a Ga cell, the heater is set to 900 ° C. and the Ga flux is adjusted so that the vacuum degree of the flux gauge becomes 6.0 × 10 −7 Torr. At this time, the temperature fluctuation of the cell heater is ±
The temperature is controlled to be within 0.2 ° C. That is, the fluctuation of the flux is suppressed to 1% or less. In the case of Al, the heater temperature is set to 1000 ° C. and the flux is adjusted so as to be 3.0 × 10 −7 Torr by the vacuum degree of the flux gauge. Similarly, the fluctuation of the flux is suppressed to 1% or less. In the case of In, the cell temperature is set to 750 ° C., and the flux is 3.0 × 10 −7 Torr at the vacuum degree of the flux gauge.
Adjust to r. Similarly, the temperature of the Si cell for the dopant is adjusted to 1280 ° C. so that the flux has a flux gauge vacuum of 5.0 × 10 −9 Torr. For Mg, the cell temperature was set to 220 ° C., and the flux was 5.0 × 10 −9 at a vacuum degree of a flux gauge.
Adjust to Torr. In each cell, the fluctuation of the flux is suppressed to 1% or less. Close the shutter so that you can start anytime after adjustment.
【0030】ジメチルヒドラジンの場合は、精密調整の
できるバリアブルリークバルブを用いそのフラックスが
フラックスゲージの真空度で4.0×10−5Torr
になるように調整する。フラックスの変動は1%以下に
抑えている。調整後いつでもスタートできるように元バ
ルブのみ閉じておく。In the case of dimethylhydrazine, a variable leak valve that can be precisely adjusted is used, and its flux is 4.0 × 10 −5 Torr at a vacuum of a flux gauge.
Adjust so that The fluctuation of the flux is suppressed to 1% or less. Only the main valve is closed so that it can be started at any time after adjustment.
【0031】アンモニアの場合はマスフローコントロー
ラを用いてガスの流量が4sccmになるように調整
し、フラックスゲージの真空度で6.0×10-6Tor
rになるように調整する。いずれのセルもフラックスの
変動は1%以下に抑えている。調整後いつでもスタート
できるようにシャッターを閉じておく。In the case of ammonia, the flow rate of the gas is adjusted to 4 sccm using a mass flow controller, and the degree of vacuum of the flux gauge is 6.0 × 10 −6 Torr.
Adjust to r. In each cell, the fluctuation of the flux is suppressed to 1% or less. Close the shutter so that you can start anytime after adjustment.
【0032】一連の調整作業を基板を準備室で加熱冷却
している間に行っておく。上記作業が終了した後、基板
を準備室より成長室に搬送する。成長室に搬送した後、
成長室の真空度が1×10-9Torrに達した後、Ga
N関連材料の成長プロセスに入っていく。基板をマニュ
ピレーターの基板加熱ホルダーに取り付けた後、基板を
10〜20rpmの回転速度で成長終了まで回転させ
る。A series of adjustment operations are performed while the substrate is being heated and cooled in the preparation room. After the above operation is completed, the substrate is transferred from the preparation room to the growth room. After being transported to the growth chamber,
After the degree of vacuum in the growth chamber reaches 1 × 10 −9 Torr, Ga
Enter the growth process for N-related materials. After attaching the substrate to the substrate heating holder of the manipulator, the substrate is rotated at a rotation speed of 10 to 20 rpm until the growth is completed.
【0033】基板には図2(a)に示すように、自然酸
化膜が付着しているので、基板を昇温することでこれを
除去する(図2(b))。As shown in FIG. 2A, a natural oxide film is adhered to the substrate, and is removed by raising the temperature of the substrate (FIG. 2B).
【0034】次にGaN単結晶バッファー層の成長を行
う。基板温度を700℃として温度が安定したところ
で、Gaおよびジメチルヒドラジンの照射を開始する。
このときのGaフラックスは6.0×10-7Torrと
し、ジメチルヒドラジンの照射量は4×10-5Torr
とした。Next, a GaN single crystal buffer layer is grown. When the substrate temperature is stabilized at 700 ° C., irradiation of Ga and dimethylhydrazine is started.
At this time, the Ga flux was 6.0 × 10 −7 Torr, and the irradiation amount of dimethylhydrazine was 4 × 10 −5 Torr.
And
【0035】RHEEDで観察すると、1分後にGaN
のスポットがサファイアー基板を示すスポット列の間に
現れ始める。サファイアー基板を示すスペキュラースポ
ットが完全に消えないところ、即ち下地の基板のRHE
EDスポットが消えないところでGaNの成長を止める
(図2(c))。この間に要する時間は、5分であっ
た。この時のGaNを示すRHEEDパターンはストリ
ーク状のスポットとなり単結晶であることを示し、サフ
ァイアー基板のスペキュラースポットも消えずに残って
いる。このRHEEDパターンは、GaNの表面が原子
オーダーでフラットでありかつGaNが単結晶であるこ
とをしめしている。Observation by RHEED shows that GaN
Spots begin to appear between the rows of spots indicating the sapphire substrate. Where the specular spot indicating the sapphire substrate does not completely disappear, that is, the RHE of the underlying substrate
The GaN growth is stopped where the ED spot does not disappear (FIG. 2 (c)). The time required during this time was 5 minutes. At this time, the RHEED pattern indicating GaN becomes a streak-like spot, indicating that it is a single crystal, and the specular spot on the sapphire substrate remains without disappearing. This RHEED pattern indicates that the surface of GaN is flat in atomic order and that GaN is a single crystal.
【0036】このときのGaNの膜厚はオージェ測定お
よび透過電子顕微鏡により2nmに相当する事を確認し
ている。上記GaNのRHEEDパターンで成長を終了
すると再現性よくGaNの膜厚が2nmになり、RHE
EDによるその場観察は膜厚制御及び結晶評価に非常に
有効であった。At this time, it was confirmed by Auger measurement and transmission electron microscope that the film thickness of GaN was equivalent to 2 nm. When the growth is completed with the GaN RHEED pattern, the GaN film thickness becomes 2 nm with good reproducibility,
In-situ observation by ED was very effective for film thickness control and crystal evaluation.
【0037】つぎにGaN系半導体層を成長する。ここ
で窒素源をジメチルヒドラジンよりアンモニアに変え
る。この理由は、ジメチルヒドラジンでGaNを厚く成
長すると結晶中に多量のカーボンが混入し高純度な結晶
が得にくく、アンモニアを用いた方が高純度結晶を得易
いためである。Next, a GaN-based semiconductor layer is grown. Here, the nitrogen source is changed from dimethylhydrazine to ammonia. The reason for this is that when GaN is grown thick with dimethylhydrazine, a large amount of carbon is mixed into the crystal, making it difficult to obtain a high-purity crystal, and using ammonia to obtain a high-purity crystal.
【0038】先ずGaとジメチルヒドラジンのシャッタ
ーは窒化終了後直ちに閉じておく。この後基板温度を上
昇させ850℃に達した時点でアンモニアを照射する。First, the shutters of Ga and dimethylhydrazine are closed immediately after the end of nitriding. Thereafter, when the substrate temperature is raised to reach 850 ° C., ammonia is irradiated.
【0039】アンモニアをGaN単結晶バッファー層表
面に照射した後、基板の温度変動が0.1℃以内になっ
た後にGaのシャッターを開け予め設定したフラックス
のGa(6.0×10-7Torr)を照射する。アンモ
ニアを照射してからGaを照射するまでに要する時間は
約5分である。これによりGaNの成長を開始する。成
長中の温度変動は設定温度で0.1℃以内に抑え、かつ
フラックス変動は1%以下に抑えている。成長が進むと
ともに成長結晶表面の表面温度がシフト(ノンドープ及
びn型不純物ドープは温度が高くなる方に、p型不純物
ドープの場合は低くなるほうへ温度がシフトする)する
が、この温度の変化は、覗き窓より色温度計等を用い、
肉眼で温度を5分毎に監視しながら表面温度が常に一定
保たれるように、この変化した温度を補正する様に設定
温度を変えていく。成長中のRHEEDパターンはGa
Nのストリーク状のパターンを示していて、このパター
ンはGaNが単結晶でかつ表面が非常にスムースである
ことを意味している。こうして2時間成長を行った(図
2(d))。成長後、膜厚を測定してみると500nm
であった。ノマルスキー顕微鏡等を用い成長後の結晶表
面を観察してみると表面欠陥は観察されず鏡面となって
いることが確認された。After irradiating the surface of the GaN single crystal buffer layer with ammonia, the temperature of the substrate is brought to within 0.1 ° C., and then a Ga shutter is opened to open a predetermined flux of Ga (6.0 × 10 −7 Torr). ). The time required from the irradiation of ammonia to the irradiation of Ga is about 5 minutes. This starts the growth of GaN. Temperature fluctuation during growth is suppressed within 0.1 ° C. at a set temperature, and flux fluctuation is suppressed to 1% or less. As the growth progresses, the surface temperature of the grown crystal surface shifts (the temperature shifts toward higher temperatures for non-doped and n-type impurity doping, and to lower temperatures for p-type impurity doping). Uses a color thermometer from the viewing window,
While monitoring the temperature with the naked eye every 5 minutes, the set temperature is changed so as to correct the changed temperature so that the surface temperature is always kept constant. The growing RHEED pattern is Ga
It shows a streak-like pattern of N, which means that GaN is a single crystal and the surface is very smooth. Thus, growth was performed for 2 hours (FIG. 2D). After growth, the film thickness was measured to be 500 nm.
Met. When the crystal surface after growth was observed using a Nomarski microscope or the like, it was confirmed that no surface defects were observed and the surface had a mirror surface.
【0040】また、GaN単結晶バッファー層の膜厚を
変化させたサンプルを作製し、その上に形成したGaN
半導体層の結晶状態の評価を行った。即ち、上述と同一
の条件で処理したサファイア基板上に、成長時間を1、
3、7、9、11分とした点を除いて上述と同一の条件
でGaN単結晶バッファー層を形成し、その膜厚をオー
ジェ測定により測定したところ、それぞれ、0.4、
1.2、2.8、3.5、4.5nmであった。Further, a sample was prepared in which the thickness of the GaN single crystal buffer layer was changed, and the GaN
The crystal state of the semiconductor layer was evaluated. That is, a growth time of 1, on a sapphire substrate treated under the same conditions as described above,
A GaN single-crystal buffer layer was formed under the same conditions as described above except for 3, 7, 9, and 11 minutes, and the film thickness was measured by Auger measurement.
1.2, 2.8, 3.5, and 4.5 nm.
【0041】次にこれらそれぞれのサンプルについてG
aN単結晶バッファー層上に500nmのGaN系半導
体膜を成長したところ、成長時間1、3分のサンプル
は、GaN系半導体層成長中のRHEEDパターンはG
aNのストリーク状のパターンを示していて、GaN系
半導体層が単結晶でかつ表面が非常にスムースであるが
確認された。また、ノマルスキー顕微鏡等を用い成長後
の結晶表面を観察してみると、表面欠陥は観察されず鏡
面となっていることが確認された。一方、成長時間7、
9、11分としたサンプルについては表面欠陥、表面荒
れが多数観察された。 以上の結果から、GaNの厚膜
の成長前に3nm以下の原子オーダーで薄くかつフラッ
トなGaN単結晶バッファー層が高品質のGaNの厚膜
成長に有効であることがわかった。Next, for each of these samples, G
When a 500-nm GaN-based semiconductor film was grown on the aN single-crystal buffer layer, the RHEED pattern during the growth of the GaN-based semiconductor layer was G
It shows a streak-like pattern of aN, and it was confirmed that the GaN-based semiconductor layer was a single crystal and the surface was very smooth. When the crystal surface after growth was observed using a Nomarski microscope or the like, it was confirmed that no surface defects were observed and the surface had a mirror surface. Meanwhile, growth time 7,
Many surface defects and surface roughness were observed for the samples at 9 and 11 minutes. From the above results, it was found that a thin and flat GaN single crystal buffer layer having an atomic order of 3 nm or less before growing a GaN thick film is effective for growing a high-quality GaN thick film.
【0042】更に、GaNの厚膜成長においてMg或い
はSiを上述のフラックス条件でドーピングしても同様
に高品質のGaN系半導体膜を得ることができた。又、
超薄膜(3nm以下)のGaN単結晶バッファー層及び
GaN系半導体膜を成長した後、In,Ga,アンモニ
アを上述のフラックス条件で同時照射してInGaNを
厚く成長した場合、或いはAl,Ga,アンモニアを上
述のフラックス条件で同時照射してAlGaNを厚く成
長した場合でも最終的に得られた結晶表面は鏡面を示
し、得られた結晶が高品質のエピタキシャル膜であるこ
とが確認された。Furthermore, a high-quality GaN-based semiconductor film could be similarly obtained by doping Mg or Si under the above-mentioned flux conditions in growing a GaN thick film. or,
After growing an ultra-thin (3 nm or less) GaN single-crystal buffer layer and a GaN-based semiconductor film, In, Ga, and ammonia are simultaneously irradiated under the above flux conditions to grow InGaN thickly, or when Al, Ga, and ammonia are grown. Even when AlGaN was grown thick by simultaneous irradiation under the above flux conditions, the finally obtained crystal surface showed a mirror surface, and it was confirmed that the obtained crystal was a high quality epitaxial film.
【0043】(実施例2)基板表面に予め1〜2モノレ
ーヤーのGaを照射した後、GaN単結晶バッファー層
の成長を行う点を除いて実施例1と同様の条件で、Ga
N系半導体装置の作製を行った。即ち、実施例1と同一
の条件でサファイア基板の処理を行った後、サファイア
基板の温度を700℃に設定し、Gaフラックスが6.
0×10-7TorrのGaを10秒間照射した後、実施
例1と同一の条件でGaN単結晶バッファー層(成長時
間は5分とした)およびGaN系半導体層の成長を行っ
た。(Example 2) After irradiating the substrate surface with 1-2 monolayers of Ga in advance and growing a GaN single crystal buffer layer under the same conditions as in Example 1,
An N-based semiconductor device was manufactured. That is, after processing the sapphire substrate under the same conditions as in Example 1, the temperature of the sapphire substrate was set to 700 ° C., and the Ga flux was 6.
After irradiating 0 × 10 −7 Torr of Ga for 10 seconds, a GaN single crystal buffer layer (with a growth time of 5 minutes) and a GaN-based semiconductor layer were grown under the same conditions as in Example 1.
【0044】本実施例で作製したサンプルは実施例1と
比較してGaNを示すRHEEDパターンは回析スポッ
トがよりストリーク(線)状となり、表面の平坦性が更
に改善されていることが確認された。The RHEED pattern showing GaN of the sample manufactured in this embodiment is more streak (linear) in the RHEED pattern showing GaN, and it is confirmed that the flatness of the surface is further improved. Was.
【0045】(実施例3)次にSi基板を用いた場合も
超薄膜のGaN単結晶バッファー層がGaN系半導体層
の品質向上に有効であることを示す。先ずSi(11
1)基板の有機洗浄を15分間行った後、フッ酸の中に
5分間浸し、フッ酸から取り出した後ただちにロードロ
ックチャンバーの中に入れ、真空引きを開始する。上述
のようにロードロックチャンバーをターボポンプ、イオ
ンポンプを用いて5×10-8Torrまで十分に真空排
気した後、準備室とロードロック室の間のゲートバルブ
を開けてトランスファーロッドを用いてロードロック室
より準備室に基板を搬送する。準備室に入れた後、真空
度が1×10-9Torrに達した後、基板ヒーターを5
00℃まで加熱して15分間保持し、基板表面の水分な
どを除去する。その後200℃以下まで冷却した後、準
備室より成長室に基板を搬送する。(Embodiment 3) Next, it will be shown that an ultra-thin GaN single crystal buffer layer is effective for improving the quality of a GaN-based semiconductor layer even when a Si substrate is used. First, Si (11
1) After performing the organic cleaning of the substrate for 15 minutes, the substrate is immersed in hydrofluoric acid for 5 minutes, taken out of the hydrofluoric acid, immediately put into a load lock chamber, and starts evacuation. After the load lock chamber is sufficiently evacuated to 5 × 10 −8 Torr using a turbo pump or an ion pump as described above, the gate valve between the preparation chamber and the load lock chamber is opened, and the load is loaded using the transfer rod. The substrate is transferred from the lock chamber to the preparation chamber. After the vacuum chamber reached 1 × 10 −9 Torr after the wafer was placed in the preparation room, the substrate heater was turned on for 5 hours.
Heat to 00 ° C. and hold for 15 minutes to remove moisture and the like on the substrate surface. After cooling to 200 ° C. or lower, the substrate is transferred from the preparation room to the growth room.
【0046】これらの一連の作業の間に成長室では、上
述のようにそれぞれのKセルの温度を上げて原料のフラ
ックス調整とジメチルヒドラジン及びアンモニアガスの
流量調整を行いいつでもスタートできるように調整しシ
ャッターを閉じた状態にしておく。During the above series of operations, in the growth chamber, the temperature of each K cell is increased as described above to adjust the flux of the raw material and the flow rates of dimethylhydrazine and ammonia gas so that they can be started at any time. Keep the shutter closed.
【0047】上記作業が終了した後、基板を準備室より
成長室に搬送する。成長室に搬送した後、成長室の真空
度が1×10-9Torrに達した後、GaN関連材料の
成長プロセスに入っていく。先ず基板の昇温を開始す
る。図2(b)に示すように、基板表面の自然酸化膜を
除去する。この後、基板温度を700℃まで下げて温度
が安定したところで、Gaのセルシャッターを開けGa
フラックスが6.0×10-7TorrのフラックスのG
aを照射し、10秒後に、ジメチルヒドラジンを照射す
る。RHEEDで観察すると、1分後にGaNのスポッ
トが現れ始める。Si(111)基板を示すスペキュラ
ースポットが完全に消えないところ、即ち下地のRHE
EDスポットが消えないところでGaNの成長を止め
る。この間に要する時間は、4〜5分である。この時の
GaNを示すRHEEDパターンはストリーク状のスポ
ットとなり単結晶であることを示し、サファイアー基板
のスペキュラースポットも消えずに残っている。このR
HEEDパターンは、GaNの表面が原子オーダーでフ
ラットでありかつGaNが単結晶であることを示してい
る。After the above operation is completed, the substrate is transferred from the preparation room to the growth room. After being transported to the growth chamber, the degree of vacuum in the growth chamber reaches 1 × 10 −9 Torr, and then the process of growing a GaN-related material is started. First, the temperature of the substrate is started. As shown in FIG. 2B, the natural oxide film on the substrate surface is removed. Thereafter, when the substrate temperature was lowered to 700 ° C. and the temperature was stabilized, the Ga cell shutter was opened and Ga was removed.
G of flux with a flux of 6.0 × 10 −7 Torr
a, and after 10 seconds, irradiate with dimethylhydrazine. When observed by RHEED, a spot of GaN starts appearing after 1 minute. Where the specular spot indicating the Si (111) substrate does not completely disappear, that is, the RHE of the base
Stop the growth of GaN where the ED spot does not disappear. The time required during this time is 4-5 minutes. At this time, the RHEED pattern indicating GaN becomes a streak-like spot, indicating that it is a single crystal, and the specular spot on the sapphire substrate remains without disappearing. This R
The HEED pattern indicates that the surface of GaN is flat on the atomic order and that GaN is a single crystal.
【0048】このときのGaNの膜厚はオージェ測定な
どより2nmに相当する事を確認している。上記GaN
のRHEEDパターンで成長を終了すると再現性よくG
aNの膜厚が2nmになり、RHEEDによるその場観
察は膜厚制御及び結晶評価に非常に有効であった。At this time, it has been confirmed that the thickness of GaN is equivalent to 2 nm by Auger measurement or the like. The above GaN
When growth is completed with RHEED pattern of G
The aN film thickness became 2 nm, and in-situ observation by RHEED was very effective for film thickness control and crystal evaluation.
【0049】更にこのバッファー層の上に実施例1と同
様の条件でGaNを500nm成長するとサファイアー
基板上の場合と同様、成長後の表面は鏡面となった。更
に、GaNの厚膜成長においてMg或いはSiを上述の
フラックス条件でドーピングしても同様に高品質のGa
N系半導体層を得ることができた。又、GaN単結晶バ
ッファー層及びGaN系半導体層を成長した後、In,
Ga,アンモニアを上述のフラックス条件で同時照射し
てInGaNを厚く成長した場合、或いはAl,Ga,
アンモニアを上述のフラックス条件で同時照射してAl
GaNを厚く成長した場合でも最終的に得られた結晶表
面は鏡面を示し、高品質のエピタキシャル膜であること
が確認された。この時のInGaN、AlGaNの膜厚
は500nmであった。Further, when GaN was grown to a thickness of 500 nm on the buffer layer under the same conditions as in Example 1, the surface after the growth became a mirror surface as in the case of the sapphire substrate. Further, even if Mg or Si is doped under the above-mentioned flux conditions in the growth of a GaN thick film, similarly high quality Ga
An N-based semiconductor layer was obtained. After growing the GaN single crystal buffer layer and the GaN-based semiconductor layer, the In,
When Ga and ammonia are simultaneously irradiated under the above flux conditions to grow InGaN thickly, or when Al, Ga,
Simultaneously irradiating ammonia under the above flux conditions
Even when GaN is grown thick, the crystal surface finally obtained shows a mirror surface, confirming that it is a high quality epitaxial film. At this time, the thicknesses of InGaN and AlGaN were 500 nm.
【0050】従って、超薄膜のGaN単結晶バッファー
層がSi基板上へのGaN系半導体膜成長にも有効であ
ることが示された。Therefore, it was shown that the ultra-thin GaN single crystal buffer layer was also effective for growing a GaN-based semiconductor film on a Si substrate.
【0051】(実施例4)GaAs,GaP基板を用い
る場合、これらの結晶は構造上Gaのみが最上表面に並
ぶ面が存在する。即ち、超高真空中で加熱したとき、そ
の結晶の最上表面をGa面とすることができる。従って
この場合は、GaN単結晶バッファー層作製前にGaを
照射しなくても基板表面をGaリッチな状態とすること
ができる。例えば、GaAs或いはGaP基板を超高真
空中で砒素圧或いは燐圧を照射しながら加熱し、基板温
度を600〜580℃とするとその表面はRHEEDで
観察するとストリークの(1×1)Gaリッチ面とな
る。原子オーダーで平坦なガリウム面を構成することが
できる。(Embodiment 4) When a GaAs or GaP substrate is used, these crystals have a structure in which only Ga is arranged on the uppermost surface in terms of structure. That is, when heated in an ultra-high vacuum, the uppermost surface of the crystal can be a Ga plane. Therefore, in this case, the substrate surface can be made to be in a Ga-rich state without irradiating Ga before producing the GaN single crystal buffer layer. For example, when a GaAs or GaP substrate is heated in an ultra-high vacuum while irradiating arsenic pressure or phosphorous pressure, and the substrate temperature is set to 600 to 580 ° C., its surface is observed as a streak (1 × 1) Ga-rich surface by RHEED. Becomes A gallium plane that is flat on the order of atoms can be formed.
【0052】GaAsの場合、基板温度620℃で砒素
圧下(1.5×10-6Torr)で自然酸化膜を除去す
る。この時、酸化膜除去後の表面は荒れているため、基
板温度を580℃まで下げて、メタルガリウム(1.5
×10-7Torr)と砒素(1.5×10-6Torr)
を同時照射しながら原子オーダーで平坦なGaAsのエ
ピタキシャル膜を500Å程度形成する。次にガリウム
の照射を止め、基板温度を610℃まで上げると、Ga
As表面はRHEEDで観察するとストリークの(1×
1)Gaリッチ面となる。In the case of GaAs, the natural oxide film is removed at a substrate temperature of 620 ° C. and under an arsenic pressure (1.5 × 10 −6 Torr). At this time, since the surface after removing the oxide film is rough, the substrate temperature is lowered to 580 ° C.
× 10 −7 Torr) and arsenic (1.5 × 10 −6 Torr)
A GaAs epitaxial film that is flat in the atomic order is formed at about 500.degree. Next, the irradiation of gallium was stopped and the substrate temperature was raised to 610 ° C.
When the As surface is observed with RHEED, a streak (1 ×
1) It becomes a Ga-rich surface.
【0053】この表面に上述のフラックスに設定された
ジメチルヒドラジンを15分照射し砒素の供給を止める
と、実施例2、3と同等の品質のGaN単結晶バッファ
ー層が得られる。When the surface is irradiated with dimethylhydrazine set to the above-mentioned flux for 15 minutes to stop the supply of arsenic, a GaN single crystal buffer layer having the same quality as that of the second and third embodiments can be obtained.
【0054】GaPの場合もGaAsの場合と同様の手
法で原子オーダーで平坦なGaN単結晶バッファー層を
形成することができる。GaPの場合650℃で燐圧下
(1.5×10-6Torr)で自然酸化膜を除去する。
この時、酸化膜除去後の表面は荒れているため、基板温
度を600℃まで下げて、メタルガリウム(1.5×1
0-7Torr)と燐(1.5×10-6Torr)を同時
照射しながら原子オーダーで平坦なGaPのエピタキシ
ャル膜を500Å程度形成する。次にガリウムの照射を
止め、基板温度を620℃まで上げると、GaP表面は
RHEEDで観察するとストリークの(1×1)Gaリ
ッチ面となる。In the case of GaP, a flat GaN single crystal buffer layer can be formed in the atomic order by the same method as in the case of GaAs. In the case of GaP, the native oxide film is removed at 650 ° C. under a phosphorous pressure (1.5 × 10 −6 Torr).
At this time, since the surface after removing the oxide film is rough, the substrate temperature is lowered to 600 ° C., and the metal gallium (1.5 × 1
While simultaneously irradiating with 0 -7 Torr and phosphorous (1.5 × 10 -6 Torr), a flat epitaxial layer of GaP on the order of atoms is formed at about 500 °. Next, when the gallium irradiation is stopped and the substrate temperature is raised to 620 ° C., the GaP surface becomes a streak (1 × 1) Ga-rich surface when observed by RHEED.
【0055】この表面に上述のフラックスに設定された
ジメチルヒドラジンを15分照射し砒素の供給を止める
と、実施例2、3と同等の品質のGaN単結晶バッファ
ー層が得られる。When the surface is irradiated with dimethylhydrazine set to the above-mentioned flux for 15 minutes to stop the supply of arsenic, a GaN single crystal buffer layer having the same quality as that of the second and third embodiments can be obtained.
【0056】なお以上の実施例ではGaN単結晶バッフ
ァー層成長時に使用する窒素源としてジメチルヒドラジ
ンを採用した場合について説明したが、他に分解効率の
高いエチルアザイド、プラズマ化した窒素、ラジカル化
した窒素、クラッキングしたアンモニアを用いることも
可能である。In the above embodiments, the case where dimethylhydrazine is used as the nitrogen source used for growing the GaN single crystal buffer layer has been described. However, other than the above, ethylazide having high decomposition efficiency, nitrogen that has been turned into plasma, nitrogen that has been radicalized, It is also possible to use cracked ammonia.
【0057】[0057]
【発明の効果】本発明により、光及び電子デバイス作成
のための高品質GaN膜を形成することができ、特に青
色発光素子及び高温でかつ高耐圧で動作できる電子デバ
イスを製造することができ情報産業、衛星通信、軍需産
業の分野で工業上絶大なる効果をもたらす。According to the present invention, a high-quality GaN film for producing optical and electronic devices can be formed. In particular, a blue light emitting device and an electronic device which can operate at high temperature and high withstand voltage can be manufactured. It has tremendous industrial benefits in the fields of industry, satellite communications and the munitions industry.
【図1】本発明の実施例で用いた半導体成長装置の説明
図である。FIG. 1 is an explanatory diagram of a semiconductor growth apparatus used in an embodiment of the present invention.
【図2】本発明の実施例のプロセスの説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram of a process according to an embodiment of the present invention.
Claims (4)
バッファー層を有すことを特徴とするGaN系半導体装
置。1. A GaN-based semiconductor device comprising a GaN single crystal buffer layer having a thickness of 3 nm or less on a substrate surface.
バッファー層を成長した後、該GaN単結晶バッファー
層上にGaN系半導体層の成長を行うことを特徴とする
GaN系半導体装置の製造方法。2. A method of manufacturing a GaN-based semiconductor device, comprising: growing a GaN single-crystal buffer layer having a thickness of 3 nm or less on a substrate surface, and then growing a GaN-based semiconductor layer on the GaN single-crystal buffer layer. Method.
射した後、GaN単結晶バッファー層の成長を行うこと
を特徴とする請求項2に記載のGaN系半導体装置の製
造方法。3. The method of manufacturing a GaN-based semiconductor device according to claim 2, wherein a GaN single crystal buffer layer is grown after irradiating the substrate surface with one to two monolayers of Ga.
または燐圧下で熱処理した後、GaN単結晶バッファー
層の成長を行うことを特徴とする請求項2に記載のGa
N系半導体装置の製造方法。4. The GaN single crystal buffer layer is grown after a GaAs substrate or a GaP substrate is heat-treated under arsenic pressure or phosphorous pressure.
A method for manufacturing an N-based semiconductor device.
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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KR100366706B1 (en) * | 2000-04-27 | 2003-01-09 | 삼성코닝 주식회사 | Method for fabricating a GaN single crystal substrate |
JP2006261476A (en) * | 2005-03-18 | 2006-09-28 | Nokodai Tlo Kk | Method for growing gallium nitride crystal over silicon substrate crystal |
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JP2009182315A (en) * | 2008-02-01 | 2009-08-13 | Nippon Mining & Metals Co Ltd | Method of processing surface of semiconductor substrate, semiconductor substrate, and thin film forming method |
-
1997
- 1997-02-27 JP JP4371797A patent/JPH10242053A/en active Pending
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