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JP3418384B2 - Vapor growth method - Google Patents
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JP3418384B2 - Vapor growth method - Google Patents

Vapor growth method

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JP3418384B2
JP3418384B2 JP2001220507A JP2001220507A JP3418384B2 JP 3418384 B2 JP3418384 B2 JP 3418384B2 JP 2001220507 A JP2001220507 A JP 2001220507A JP 2001220507 A JP2001220507 A JP 2001220507A JP 3418384 B2 JP3418384 B2 JP 3418384B2
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、サファイア基板上
に窒化ガリウム系化合物半導体結晶を気相成長させる気
相成長方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a vapor phase growth method for vapor phase growing a gallium nitride compound semiconductor crystal on a sapphire substrate.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、有機金属化合物気相成長法(以下
「MOVPE」と記す)を用いて、窒化ガリウム系化合
物半導体(AlX Ga1-X N;X=0 を含む) 薄膜をサフ
ァイア基板上に気相成長させることや、その窒化ガリウ
ム系化合物半導体薄膜を発光層とする発光素子が研究さ
れている。窒化ガリウム系化合物半導体の単結晶ウエハ
ーが容易に得られないことから、窒化ガリウム系化合物
半導体をそれと格子定数の近いサファイア基板上にエピ
タキシャル成長させることが行われている。
2. Description of the Related Art Conventionally, a gallium nitride-based compound semiconductor (Al X Ga 1-X N; including X = 0) thin film has been formed on a sapphire substrate by using a metal organic chemical vapor deposition method (hereinafter referred to as "MOVPE"). A light emitting device has been researched by vapor-depositing it on top and using the gallium nitride compound semiconductor thin film as a light emitting layer. Since a gallium nitride compound semiconductor single crystal wafer cannot be easily obtained, a gallium nitride compound semiconductor is epitaxially grown on a sapphire substrate having a lattice constant close to that of the gallium nitride compound semiconductor.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】ところが、サファイア
と発光層としての窒化ガリウム系化合物半導体との格子
不整合や、ガリウムと窒素の蒸気圧が大きく異なるた
め、良質な窒化ガリウム系化合物半導体結晶が得られな
いとう問題があり、このため、青色発光の発光効率の高
い発光素子が得られなかった。
However, since the lattice mismatch between sapphire and the gallium nitride compound semiconductor as the light emitting layer and the vapor pressures of gallium and nitrogen are greatly different, a good gallium nitride compound semiconductor crystal is obtained. However, there is a problem in that it is impossible to obtain a light emitting device having high emission efficiency for blue light emission.

【0004】従って、本発明は、サファイア基板上に場
所依存性の少ない良質な窒化ガリウム系化合物半導体結
晶を気相成長させることが可能な気相成長方法を提供す
ることにある。
Accordingly, it is an object of the present invention to provide a vapor phase growth method capable of vapor-depositing a good quality gallium nitride compound semiconductor crystal with little site dependence on a sapphire substrate.

【0005】本発明は、上記目的を達成するため、少な
くともガリウム源と窒素源とを有する反応ガスをサファ
イア基板の結晶成長面に供給して前記サファイア基板上
に窒化ガリウム系化合物半導体結晶を気相成長させる気
相成長方法において、前記サファイア基板の温度を窒化
ガリウム系化合物半導体の結晶成長温度まで加熱する工
程と、前記サファイア基板より反応ガス上流側に形成さ
れた偏平形状の空間を通じて前記反応ガスを前記サファ
イア基板上に流しながら前記サファイア基板に対して押
圧しつつ供給する工程と、を有することを特徴とする気
相成長方法を提供する。前記反応ガスを前記サファイア
基板上に流しながら前記サファイア基板に対して押圧し
つつ供給する工程は、前記サファイア基板の前記結晶成
長面の反応ガス上流側から下流側まで形成された偏平形
状の空間を通じて行われてもよい。
In order to achieve the above object, the present invention supplies a reaction gas having at least a gallium source and a nitrogen source to a crystal growth surface of a sapphire substrate to vapor-phase a gallium nitride compound semiconductor crystal on the sapphire substrate. In the vapor phase growth method for growing, a step of heating the temperature of the sapphire substrate to a crystal growth temperature of a gallium nitride-based compound semiconductor, and the reaction gas through the flat-shaped space formed on the reaction gas upstream side of the sapphire substrate. And a step of supplying the sapphire substrate while pressing the sapphire substrate while flowing the sapphire substrate. The step of supplying the reaction gas while pressing it against the sapphire substrate while flowing it over the sapphire substrate is through a flat-shaped space formed from the reaction gas upstream side to the downstream side of the crystal growth surface of the sapphire substrate. May be done.

【0006】[0006]

【発明の実施の形態】以下、本発明を具体的な実施例に
基づいて説明する。図1は本発明を実施するための気相
成長装置の構成を示した断面図である。石英管10はそ
の左端でOリング15でシールされてフランジ14に当
接し、緩衝材38と固定具39を用い、ボルト46,4
7とナット48,49等により数箇所にてフランジ14
に固定されている。又、石英管10の右端はOリング4
0でシールされてフランジ27に螺子締固定具41,4
2により固定されている。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present invention will be described below based on specific embodiments. FIG. 1 is a sectional view showing the structure of a vapor phase growth apparatus for carrying out the present invention. The quartz tube 10 is sealed with an O-ring 15 at the left end thereof and abuts the flange 14, and a shock absorbing material 38 and a fixing tool 39 are used to attach the bolts 46, 4 to the quartz tube 10.
7 and nuts 48, 49, etc. at several places for flange 14
It is fixed to. The right end of the quartz tube 10 is an O-ring 4.
0 and sealed to the flange 27 with screw fastening fixtures 41, 4
It is fixed by 2.

【0007】石英管10で囲われた内室11には、反応
ガスを導くライナー管12が配設されている。そのライ
ナー管12の一端13はフランジ14に固設された保持
プレート17で保持され、その他端16の底部18は保
持脚19で石英管10に保持されている。石英管10の
X軸方向に垂直なライナー管12の断面は、図2〜図5
に示すように、X軸方向での位置によって異なる。即
ち、反応ガスはX軸方向に流れるが、ガス流の上流側で
は円形であり、下流側(X軸正方向)に進むに従って、
紙面に垂直な方向(Y軸方向)を長軸とし、長軸方向に
拡大され、短軸方向に縮小された楕円形状となり、サセ
プタ20を載置するやや上流側のA位置では上下方向
(Z軸)方向に薄くY軸方向に長い偏平楕円形状となっ
ている。A位置におけるIV−IV矢視方向断面図における
開口部のY軸方向の長さは 7.0cmであり、Z軸方向の長
さは 1.2cmである。
A liner tube 12 for guiding a reaction gas is arranged in an inner chamber 11 surrounded by a quartz tube 10. One end 13 of the liner tube 12 is held by a holding plate 17 fixed to the flange 14, and the bottom portion 18 of the other end 16 is held by the quartz tube 10 by holding legs 19. The cross section of the liner tube 12 perpendicular to the X-axis direction of the quartz tube 10 is shown in FIGS.
As shown in, it depends on the position in the X-axis direction. That is, the reaction gas flows in the X-axis direction, but has a circular shape on the upstream side of the gas flow, and as it proceeds to the downstream side (X-axis positive direction),
The direction perpendicular to the paper surface (Y-axis direction) is the major axis, the major axis direction is enlarged, and the minor axis direction is reduced to form an elliptical shape. At a position A on the upstream side where the susceptor 20 is placed, the vertical direction (Z It has a flat elliptical shape that is thin in the (axis) direction and long in the Y-axis direction. In the sectional view taken along the line IV-IV at the position A, the length of the opening in the Y-axis direction is 7.0 cm and the length in the Z-axis direction is 1.2 cm.

【0008】ライナー管12の下流側には、サセプタ2
0を載置するX軸に垂直な断面形状が長方形の試料載置
室21が一体的に連設されている。その試料載置室21
の底部22にサセプタ20が載置される。そのサセプタ
20はX軸に垂直な断面は長方形であるが、その上面2
3はX軸に対して緩やかにZ軸正方向に傾斜している。
そのサセプタ20の上面23に試料、即ち、長方形のサ
ファイア基板50が載置されるが、そのサファイア基板
50とそれに面するライナー管12の上部管壁24との
間隙は、上流側で12mm,下流側で 4mmである。
A susceptor 2 is provided downstream of the liner tube 12.
A sample mounting chamber 21 having a rectangular cross section perpendicular to the X-axis for mounting 0 is integrally connected. The sample placing chamber 21
The susceptor 20 is placed on the bottom 22 of the. The susceptor 20 has a rectangular cross section perpendicular to the X-axis, but its upper surface 2
3 is gently inclined with respect to the X axis in the positive direction of the Z axis.
A sample, that is, a rectangular sapphire substrate 50 is placed on the upper surface 23 of the susceptor 20, and the gap between the sapphire substrate 50 and the upper tube wall 24 of the liner tube 12 facing the sapphire substrate 50 is 12 mm on the upstream side, and the downstream side is 12 mm. 4mm on the side.

【0009】サセプタ20には操作棒26が接続されて
おり、フランジ27を取り外してその操作棒26によ
り、サファイア基板50を載置したサセプタ20を試料
載置室21へ設置したり、結晶成長の終わった時に、試
料載置室21からサセプタ20を取り出せるようになっ
ている。又、ライナー管12の上流側には、第1ガス管
28が開口し、第2ガス管29は端部で封止されて第1
ガス管28を覆っている。そして、それらの両管28,
29は同軸状に2重管構造をしている。第1ガス管28
の第2ガス管29から突出した部分と第2ガス管29の
側周部には、多数の穴30が開けられており、第1ガス
管28と第2ガス管29により導入された反応ガスは、
それぞれ、多数の穴30を介してライナー管12の内部
に吹出される。そして、そのライナー管12の内部で、
両反応ガスは初めて混合される。
An operating rod 26 is connected to the susceptor 20. The flange 27 is removed and the operating rod 26 is used to set the susceptor 20 on which the sapphire substrate 50 is placed in the sample placing chamber 21 or to grow crystals. When finished, the susceptor 20 can be taken out from the sample mounting chamber 21. In addition, a first gas pipe 28 is opened on the upstream side of the liner pipe 12, and a second gas pipe 29 is sealed at an end portion to form a first gas pipe.
It covers the gas pipe 28. And both of these tubes 28,
Reference numeral 29 has a coaxial double tube structure. First gas pipe 28
A large number of holes 30 are formed in the portion protruding from the second gas pipe 29 and the side peripheral portion of the second gas pipe 29, and the reaction gas introduced by the first gas pipe 28 and the second gas pipe 29 is Is
Each is blown out into the liner tube 12 through a number of holes 30. And inside the liner tube 12,
Both reaction gases are mixed for the first time.

【0010】その第1ガス管28は第1マニホールド3
1に接続され、第2ガス管29は第2マニホールド32
に接続されている。そして、第1マニホールド31には
NH 3 の供給系統Hとキャリアガスの供給系統Iとトリ
メチルガリウム(以下「TMG」と記す)の供給系統J
とトリメチルアルミニウム(以下「TMA」と記す)の
供給系統Kとが接続され、第2マニホールド32にはキ
ャリアガスの供給系統Iとジエチル亜鉛(以下「DE
Z」と記す)の供給系統Lとが接続されている。
The first gas pipe 28 is the first manifold 3
1, the second gas pipe 29 is connected to the second manifold 32.
It is connected to the. And in the first manifold 31,
NH 3 Supply system H and carrier gas supply system I and birds
Methyl gallium (hereinafter referred to as "TMG") supply system J
And trimethylaluminum (hereinafter referred to as "TMA")
The supply system K is connected, and the second manifold 32 is connected to the key.
Carrier gas supply system I and diethyl zinc (hereinafter "DE
Z ”) supply system L is connected.

【0011】又、石英管10の外周部には冷却水を循環
させる冷却管33が形成され、その外周部には高周波電
界を印加するための高周波コイル34が配設されてい
る。又、ライナー管12はフランジ14を介して外部管
35と接続されており、その外部管35からはキャリア
ガスが導入されるようになっている。又、試料載置室2
1には、側方から導入管36がフランジ14を通過して
外部から伸びており、その導入管36内に試料の温度を
測定する熱電対43とその導線44,45が配設されて
おり、試料温度を外部から測定できるように構成されて
いる。このような装置構成により、第1ガス管28で導
かれたNH3 とTMGとTMAとH2 との混合ガスと、
第2ガス管29で導かれたDEZとH2との混合ガスが
それらの管の出口付近で混合され、その混合反応ガスは
ライナー管12により試料載置室21へ導かれ、サファ
イア基板50とライナー管12の上部管壁24との間で
形成された間隙を通過する。この時、サファイア基板5
0上の反応ガスの流れが均一となり、場所依存性の少な
い良質な結晶が成長する。
Further, a cooling pipe 33 for circulating cooling water is formed on the outer peripheral portion of the quartz tube 10, and a high frequency coil 34 for applying a high frequency electric field is arranged on the outer peripheral portion thereof. The liner pipe 12 is connected to an outer pipe 35 via a flange 14, and a carrier gas is introduced from the outer pipe 35. In addition, the sample placement chamber 2
In FIG. 1, an introduction pipe 36 extends from the outside through the flange 14 from the side, and a thermocouple 43 for measuring the temperature of the sample and its lead wires 44, 45 are arranged in the introduction pipe 36. The sample temperature can be externally measured. With such a device configuration, a mixed gas of NH 3 , TMG, TMA, and H 2 introduced through the first gas pipe 28,
The mixed gas of DEZ and H 2 introduced through the second gas pipe 29 is mixed in the vicinity of the outlets of those pipes, and the mixed reaction gas is introduced into the sample mounting chamber 21 through the liner pipe 12 and the sapphire substrate 50. It passes through the gap formed between the liner tube 12 and the upper tube wall 24. At this time, the sapphire substrate 5
The flow of the reaction gas above 0 becomes uniform, and a good quality crystal with little location dependence grows.

【0012】N型のAlX Ga1-XN薄膜を形成する場
合には、第1ガス管28だけから混合ガスを流出させれ
ば良く、I型のAlX Ga1-X N薄膜を形成する場合に
は、第1ガス管28と第2ガス管29とからそれぞれの
混合ガスを流出させれば良い。I型のAlXGa1-X
薄膜を形成する場合には、ドーパントガスであるDEZ
は第1ガス管28から流出する反応ガスとサファイア基
板50の近辺のライナー間12の内部で初めて混合され
ることになる。そして、DEZはサファイア基板50に
吹き付けられ熱分解し、ドーパント元素は成長するAl
XGa1-X Nにドーピングされて、I型のAlX Ga1-X
Nが得られる。この場合、第1ガス管28と第2ガス
管29とで分離して、反応ガスとドーパントガスがサフ
ァイア基板50の付近まで導かれるので、良好なドーピ
ングが行われる。
When forming an N - type Al X Ga 1-X N thin film, it is sufficient to let the mixed gas flow out only from the first gas pipe 28 to form an I-type Al X Ga 1-X N thin film. In that case, the mixed gas may be discharged from the first gas pipe 28 and the second gas pipe 29. I type Al X Ga 1-X N
When forming a thin film, the dopant gas DEZ
Will be mixed with the reaction gas flowing out of the first gas pipe 28 for the first time inside the liner gap 12 near the sapphire substrate 50. Then, DEZ is sprayed on the sapphire substrate 50 and thermally decomposed, and the dopant element grows Al.
I-type Al X Ga 1-X doped with X Ga 1-X N
N is obtained. In this case, the first gas pipe 28 and the second gas pipe 29 are separated from each other, and the reaction gas and the dopant gas are guided to the vicinity of the sapphire substrate 50, so that good doping is performed.

【0013】次に本装置を用いて、サファイア基板50
上に次のようにして結晶成長をおこなった。まず、有機
洗浄及び熱処理により洗浄した(0001)面を主面とする単
結晶のサファイア基板50をサセプタ20に装着する。
次に、H2 を 0.3 liter/分で、第1ガス管28及び第
2ガス管29及び外部管35を介してライナー管12に
流しながら、温度1100℃でサファイア基板50を気相エ
ッチングした。次に温度を650℃まで低下させて、第1
ガス管28からH2 を 3 liter/分、NH3 を2 liter
/分、15℃のTMAを50cc/分で2分間供給した。
Next, using this apparatus, a sapphire substrate 50
Crystal growth was carried out as follows. First, a single crystal sapphire substrate 50 having a (0001) plane as a main surface washed by organic washing and heat treatment is mounted on the susceptor 20.
Next, the sapphire substrate 50 was vapor-phase etched at a temperature of 1100 ° C. while flowing H 2 at 0.3 liter / min into the liner pipe 12 through the first gas pipe 28, the second gas pipe 29, and the outer pipe 35. Next, the temperature is lowered to 650 ° C and the first
H 2 3 liter / min, NH 3 2 liter from gas pipe 28
/ Min, TMA at 15 ° C was supplied at 50 cc / min for 2 minutes.

【0014】この成長工程で、図6に示すように、Al
Nのバッファ層51が約300 Åの厚さに形成された。こ
のバッファ層のRHEED像を測定した。その結果を図7に
示す。図7のRHEED 像から、結晶構造は非単結晶、即
ち、アモルファス、微結晶、多結晶となっていることが
理解される。
In this growth step, as shown in FIG.
The N buffer layer 51 was formed to a thickness of about 300 Å. The RHEED image of this buffer layer was measured. The result is shown in FIG. 7. From the RHEED image of FIG. 7, it is understood that the crystal structure is non-single crystal, that is, amorphous, microcrystalline, or polycrystalline.

【0015】又、上記装置を用いて他のサファイア基板
上に成長温度650 ℃で膜厚を50〜1000Å範囲で変化させ
て、各種のAlNのバッファ層を形成した。その時の表
面のRHEED像を測定した。その結果を図8(a),(b) に示
す。膜厚が100 Å以下だと単結晶性が強く、膜厚が500
Å以上だと多結晶性が強くなっている。又、AlNのバ
ッファ層の膜厚が50〜1000Å範囲の上記の各種の試料に
おいて、試料温度を970℃に保持し、第1ガス管28か
らH2 を 2.5 liter/分、NH3 を 1.5liter/分、−
15℃のTMGを100cc/分で60分間供給し、図9に示
すように、膜厚約7μmのN型のGaNから成るN層5
2をそれぞれ形成した。そして、このN層52のSEM 像
及びRHEED 像を測定した。その結果を図10(a),(b)、
図11(a),(b) に示す。SEM 像の倍率は4100倍である。
バッファ層51の膜厚が100 Å以下だどN層52はピッ
トの発生した状態となり、バッファ層51の膜厚が500
Å以上においてもN層52は100 Å以下と同じ状態とな
る。従って、結晶性の良いN層を得るには、AlNのバ
ッファ層51の膜厚は100 〜500 Åの範囲が望ましい。
Further, various AlN buffer layers were formed on another sapphire substrate by using the above-mentioned apparatus at a growth temperature of 650 ° C. and changing the film thickness in the range of 50 to 1000Å. The RHEED image of the surface at that time was measured. The results are shown in FIGS. 8 (a) and 8 (b). When the film thickness is 100 Å or less, the single crystallinity is strong and the film thickness is 500
If it is Å or higher, the polycrystallinity becomes stronger. Further, in each of the above various samples in which the film thickness of the AlN buffer layer is in the range of 50 to 1000 Å, the sample temperature is maintained at 970 ° C., and H 2 is 2.5 liter / min and NH 3 is 1.5 liter from the first gas pipe 28. / Min,-
TMG at 15 ° C. was supplied at 100 cc / min for 60 minutes, and as shown in FIG.
2 were each formed. Then, the SEM image and the RHEED image of the N layer 52 were measured. The results are shown in Fig. 10 (a), (b),
This is shown in FIGS. 11 (a) and 11 (b). The SEM image magnification is 4100 times.
When the film thickness of the buffer layer 51 is 100 Å or less, pits are generated in the N layer 52, and the film thickness of the buffer layer 51 is 500
Even above Å, the N layer 52 is in the same state as below 100 Å. Therefore, in order to obtain an N layer having good crystallinity, the film thickness of the AlN buffer layer 51 is preferably in the range of 100 to 500 Å.

【0016】又、他の試料として、サファイア基板上
に、膜厚300 ÅのAlNのバッファ層を成長温度を300
〜1200℃の範囲で変化させて、各種成長させた。そし
て、同様にAlNのバッファ層のRHEED 像を測定した。
その結果を12図(a),(b) に示す。このことから、成長
温度が300℃以下であるとAlNバッファ層の所望の膜
厚が得られず、成長温度が900 ℃以上となるとAlNの
結晶化が進んでしまい所望の膜質が得られないことが分
る。
As another sample, a 300 Å-thick AlN buffer layer was grown on a sapphire substrate at a growth temperature of 300.
Various growth was performed by changing the temperature within a range of up to 1200 ° C. Then, similarly, the RHEED image of the AlN buffer layer was measured.
The results are shown in Figures 12 (a) and (b). Therefore, if the growth temperature is 300 ° C. or lower, the desired film thickness of the AlN buffer layer cannot be obtained, and if the growth temperature is 900 ° C. or higher, the crystallization of AlN proceeds and the desired film quality cannot be obtained. I understand.

【0017】更に、上記の膜厚300 ÅのAlNのバッフ
ァ層を成長温度300 〜1200℃の範囲で成長させた各種試
料に対し、さらにAlNのバッファ層上に、上記と同一
条件で、膜厚約7μmのN型のGaNから成るN層を成
長させた。そして、このN層のSEM 像及びRHEED 像を測
定した。その結果を図13(a),(b) 、図14(a),(b)に
示す。SEM像の倍率は3700倍である。AlNのバッファ
層の成長温度を400 ℃より低くすると、N型のGaNか
ら成るN層はピットが発生した結晶となり、AlNのバ
ッファ層の成長温度を900℃以上とすると、六角形のモ
ホロジーをもつ結晶となる。その結果から、結晶性の良
いN層を得るには、AlNのバッファ層の成長温度は40
0 〜900 ℃が望ましいことが分る。
Further, with respect to various samples in which the AlN buffer layer having the above-mentioned film thickness of 300 Å was grown in the growth temperature range of 300 to 1200 ° C., the film thickness was further formed on the AlN buffer layer under the same conditions as described above. An N layer of about 7 μm N-type GaN was grown. Then, the SEM image and the RHEED image of this N layer were measured. The results are shown in FIGS. 13 (a) and 13 (b) and FIGS. 14 (a) and 14 (b). The magnification of the SEM image is 3700 times. When the growth temperature of the AlN buffer layer is lower than 400 ° C., the N layer made of N-type GaN becomes a crystal with pits formed, and when the growth temperature of the AlN buffer layer is 900 ° C. or higher, it has a hexagonal morphology. It becomes a crystal. From the result, the growth temperature of the AlN buffer layer is 40 in order to obtain an N layer with good crystallinity.
It turns out that 0 to 900 ° C is desirable.

【0018】尚、上記の実験により、AlNのバッファ
層の結晶構造は、無定形構造の中に、多結晶又は微結晶
が混在したウルツァイト構造であるときに、その上に成
長するGaN層の結晶性が良くなることが分かった。そ
して、その多結晶又は微結晶の存在割合は1〜90%が
良いことや、その大きさは0.1 μm以下であることが望
ましいことが分かった。このような結晶構造のAlNの
バッファ層の形成は、膜厚や成長温度が上記条件の他、
反応ガス流量として15℃のTMAが0.1〜1000cc/
分、NH3 が100cc 〜10liter/分、H2 が1 liter 〜50
liter/分の範囲で行ったが、いずれもウルツァイト構造
が得られた。
According to the above experiment, when the crystal structure of the AlN buffer layer is the wurtzite structure in which polycrystalline or microcrystals are mixed in the amorphous structure, the crystal of the GaN layer grown thereon is obtained. It turned out that the sex improved. It was also found that the existence ratio of the polycrystal or the microcrystal is preferably 1 to 90%, and the size thereof is preferably 0.1 μm or less. In the formation of the AlN buffer layer having such a crystal structure, the film thickness and the growth temperature are not limited to the above conditions,
TMA of 15 ℃ as a reaction gas flow rate is 0.1 to 1000cc /
Min, NH 3 is 100cc ~10liter / min, H 2 is 1 liter to 50
Although it was performed in the range of liter / minute, the wurtzite structure was obtained in each case.

【0019】次に、発光ダイオードの作成方法について
説明する。次に本装置を用いて、図15に示す構成に、
サファイア基板60上に次のようにして結晶成長をおこ
なった。上記と同様にして、単結晶のサファイア基板6
0上に、成長温度650 ℃で、第1ガス管28からH2
3liter /分、NH3 を 2liter /分、15℃のTMA
を500cc/分で1分間供給して350ÅのAlNのバッ
ファ層61を形成した。次に、1分経過した時にTMA
の供給を停止して、サファイア基板60の温度を970℃
に保持し、第1ガス管28からH2を 2.5liter /分、
NH3 を 1.5liter /分、−15℃のTMGを 100cc/
分で60分間供給し、膜厚約 7μmのN型のGaNから成
るN層62を形成した。そのN層62の形成されたサフ
ァイア基板60を気相成長装置から取り出し、N層62
の主面にホトレジストを塗布して所定パターンのマスク
を使って露光した後エッチングを行って所定パターンの
ホトレジストを得た。
Next, a method of manufacturing the light emitting diode will be described. Next, using this apparatus, the configuration shown in FIG.
Crystal growth was performed on the sapphire substrate 60 as follows. In the same manner as above, single crystal sapphire substrate 6
At a growth temperature of 650 ° C., from the first gas pipe 28, H 2 at 3 liter / min, NH 3 at 2 liter / min, and TMA at 15 ° C.
Was supplied at 500 cc / min for 1 minute to form a 350 Å AlN buffer layer 61. Next, when one minute has passed, TMA
Supply is stopped and the temperature of the sapphire substrate 60 is set to 970 ° C.
Held in the H 2 2.5liter / min through the first gas pipe 28,
The NH 3 1.5liter / minute, the TMG of -15 ℃ 100cc /
For 60 minutes to form an N layer 62 of N-type GaN having a film thickness of about 7 μm. The sapphire substrate 60 on which the N layer 62 is formed is taken out from the vapor phase growth apparatus, and the N layer 62
A photoresist having a predetermined pattern was obtained by applying a photoresist to the main surface of the substrate, exposing it using a mask having a predetermined pattern, and then performing etching.

【0020】次に、このホトレジストをマスクにして膜
厚 100Å程度のSi02膜63をパターン形成した。そ
の後、ホトレジストを除去しSi02 膜63のみがパタ
ーン形成されたサファイア基板60を洗浄後、再度、サ
セプタ20に装着し気相エッチングした。そして、サフ
ァイア基板60の温度を970℃に保持し、第1ガス管2
8からは、H2 を 2.5liter /分、NH3 を 1.5liter
/分、−15℃のTMGを100cc/分供給し、第2ガス
管29からは、30℃のDEZを 500cc/分で5分間供
給して、I型のGaNから成るI層64を膜厚 1.0μm
に形成した。
Next, using this photoresist as a mask, a SiO 2 film 63 having a film thickness of about 100 Å was patterned. After that, the photoresist was removed, and the sapphire substrate 60 on which only the SiO 2 film 63 was patterned was washed, and then mounted on the susceptor 20 again and vapor-phase etched. Then, the temperature of the sapphire substrate 60 is maintained at 970 ° C., and the first gas pipe 2
From 8, the H 2 2.5liter / min, 1.5Liter the NH 3
/ Min, TCC at −15 ° C. is supplied at 100 cc / min, and DEZ at 30 ° C. is supplied at 500 cc / min for 5 minutes from the second gas pipe 29 to form the I layer 64 made of I-type GaN. 1.0 μm
Formed.

【0021】この時、GaNの露出している部分は、単
結晶のI型のGaNが成長しI層64が得られるが、S
i02 膜63の上部には多結晶のGaNから成る導電層
65が形成される。その後、反応室20からサファイア
基板60を取り出し、I層64と導電層65の上にアル
ミニウム電極66、67を蒸着し、サファイア基板60
を所定の大きさにカッティングして発光ダイオードを形
成した。この場合、電極66はI層64の電極となり、
電極67は導電層65と極めて薄いSi02膜63を介
してN層62の電極となる。そして、I層64をN層6
2に対し正電位とすることにより、接合面から光が発光
する。このようにして得られた発光ダイオードは発光波
長485nmで、光度10 mcdであった。AlNバッファ層を
単結晶で形成したものに比べて、発光光度において、1
0倍の改善が見られた。
At this time, in the exposed portion of GaN, single crystal I-type GaN is grown to obtain the I layer 64.
A conductive layer 65 made of polycrystalline GaN is formed on the iO 2 film 63. After that, the sapphire substrate 60 is taken out of the reaction chamber 20, aluminum electrodes 66 and 67 are vapor-deposited on the I layer 64 and the conductive layer 65, and the sapphire substrate 60 is formed.
Was cut into a predetermined size to form a light emitting diode. In this case, the electrode 66 becomes the electrode of the I layer 64,
The electrode 67 becomes an electrode of the N layer 62 via the conductive layer 65 and the extremely thin SiO 2 film 63. Then, the I layer 64 is replaced with the N layer 6
By setting a positive potential with respect to 2, light is emitted from the joint surface. The light emitting diode thus obtained had an emission wavelength of 485 nm and a luminous intensity of 10 mcd. The luminous intensity is 1 compared to the AlN buffer layer formed of a single crystal.
A 0-fold improvement was seen.

【0022】以上説明した通り、本発明の気相成長方法
によれば、サファイア基板より反応ガス上流側に形成さ
れた偏平形状の空間を通じて前記反応ガスを前記サファ
イア基板上に流しながら前記サファイア基板に対して押
圧しつつ供給しているので、成長温度において蒸気圧が
大きく異なる元素の組み合わせである窒化ガリウム系に
おいても結晶成長が均一に行われ、場所依存性の少ない
良質な化合物半導体結晶を得ることができる。また、サ
ファイア基板の結晶成長面の反応ガス上流側から下流側
まで形成された偏平形状の空間を通じて反応ガスを供給
することにより、より良質な窒化ガリウム系化合物半導
体結晶を得ることができる。
As described above, according to the vapor phase growth method of the present invention, the reaction gas is flowed onto the sapphire substrate through the flat-shaped space formed on the upstream side of the reaction gas from the sapphire substrate. Since the crystals are supplied while being pressed against each other, even in the gallium nitride system, which is a combination of elements whose vapor pressures greatly differ at the growth temperature, crystal growth is performed uniformly, and a high-quality compound semiconductor crystal with little site dependence is obtained. You can Further, by supplying the reaction gas through the flat-shaped space formed from the reaction gas upstream side to the downstream side of the crystal growth surface of the sapphire substrate, a higher quality gallium nitride compound semiconductor crystal can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明を実施するのに使用した気相成長装置の
構成図
FIG. 1 is a block diagram of a vapor phase growth apparatus used to carry out the present invention.

【図2】同実施例のライナー管の断面図FIG. 2 is a sectional view of the liner pipe of the same embodiment.

【図3】同実施例のライナー管の断面図FIG. 3 is a sectional view of the liner pipe of the same embodiment.

【図4】同実施例のライナー管の断面図FIG. 4 is a sectional view of the liner pipe of the same embodiment.

【図5】同実施例のライナー管の断面図FIG. 5 is a sectional view of the liner pipe of the same embodiment.

【図6】結晶成長される半導体の構成を示した断面図FIG. 6 is a cross-sectional view showing the structure of a crystal-grown semiconductor.

【図7】AlNのバッファ層のRHEED による結晶構造を
示した写真
FIG. 7 is a photograph showing a RHEED crystal structure of an AlN buffer layer.

【図8】AlNのバッファ層の膜厚を変化させたときの
AlNのバッファ層のRHEED による結晶構造を示した写
FIG. 8 is a photograph showing the RHEED crystal structure of the AlN buffer layer when the thickness of the AlN buffer layer is changed.

【図9】N型GaN層の成長した半導体の構造を示した
断面図
FIG. 9 is a sectional view showing a structure of a semiconductor in which an N-type GaN layer is grown.

【図10】AlNのバッファ層の膜厚を変化させて、そ
のバッファ層上に成長させたGaN層の顕微鏡(SEM)に
よる結晶構造を示した写真
FIG. 10 is a photograph showing a crystal structure of a GaN layer grown on an AlN buffer layer with the thickness thereof changed by a microscope (SEM).

【図11】AlNのバッファ層の膜厚を変化させて、そ
のバッファ層上に成長させたGaN層のRHEEDによる結
晶構造を示した写真
FIG. 11 is a photograph showing a RHEED crystal structure of a GaN layer grown on an AlN buffer layer with the film thickness varied.

【図12】成長温度を変化させて成長させたAlNバッ
ファ層のRHEED による結晶構造を示した写真
FIG. 12 is a photograph showing a RHEED crystal structure of an AlN buffer layer grown by changing the growth temperature.

【図13】成長温度を変化させて成長させた各種のAl
Nバッファ層上に成長させたGaN層の顕微鏡(SEM)に
よる結晶構造を示した写真
FIG. 13: Various Al grown by changing the growth temperature
Photograph showing the crystal structure of the GaN layer grown on the N buffer layer under a microscope (SEM)

【図14】成長温度を変化させて成長させた各種のAl
Nバッファ層上に成長させたGaN層のRHEEDによる結
晶構造を示した写真
FIG. 14: Various Al grown by changing the growth temperature
A photograph showing the RHEED crystal structure of the GaN layer grown on the N buffer layer.

【図15】発光ダイオードを作成する場合の結晶構造を
示した断面図
FIG. 15 is a cross-sectional view showing a crystal structure for manufacturing a light emitting diode.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10─石英管 12─ライナー管 20─サセプタ 21─試料載置室 28─第1ガス管 29─第2ガス管 50、60─サファイア基板 51、61─AlNバッファ層 52、62─N層 53、63─I層 64─導電層 65、66─電極 H─NH3 の供給系統 I─キャリアガスの供給系統 J─TMGの供給系統 K─TMAの供給系統 L─DEZの供給系統 10-quartz tube 12-liner tube 20-susceptor 21-Sample Placement Room 28-First gas pipe 29-Second gas pipe 50, 60-sapphire substrate 51, 61-AlN buffer layer 52, 62-N layer 53, 63-I layer 64-conducting layer 65, 66-electrode H-NH3 supply system I-Carrier gas supply system J-TMG supply system K-TMA supply system L-DEZ supply system

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 真部 勝英 愛知県西春日井郡春日町大字落合字長畑 1番地 豊田合成株式会社内 (72)発明者 加藤 久喜 愛知県西春日井郡春日町大字落合字長畑 1番地 豊田合成株式会社内 (72)発明者 赤崎 勇 愛知県名古屋市千種区不老町(番地な し) 名古屋大学内 (72)発明者 平松 和政 愛知県名古屋市千種区不老町(番地な し) 名古屋大学内 (72)発明者 天野 浩 愛知県名古屋市千種区不老町(番地な し) 名古屋大学内 (56)参考文献 特開 昭61−186289(JP,A) 特開 昭63−188934(JP,A) 特開 昭63−188935(JP,A) 特開 昭63−176395(JP,A) 特開 昭64−27225(JP,A) 特開 昭61−77696(JP,A) 特開 昭55−110031(JP,A) 特開 昭63−188937(JP,A) 特開 昭63−188977(JP,A) 特開 昭64−82614(JP,A) 特開 平2−81482(JP,A) 特開 平2−211620(JP,A) 特開 平2−229476(JP,A) 特開 平2−257679(JP,A) 特開 平4−164895(JP,A) 特開 平11−121801(JP,A) 平松和政 他,MOVPE法によるサ ファイヤ基板上へのGaN結晶成長にお けるバッファ層の効果,日本結晶成長学 会誌,1988,Vol.15,No.3& 4,pp.74−82 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C30B 1/00 - 35/00 H01L 21/205 H01L 33/00 JICSTファイル(JOIS)─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Katsuhide Masabe 1 Ochiai, Nagachi, Kasuga-cho, Nishikasugai-gun, Aichi Prefecture Toyota Gosei Co., Ltd. (72) Inventor Kuki Kato, Kasuga-cho, Nishi-Kasugai, Aichi 1 Nagachiata, Ochiai Address: Toyoda Gosei Co., Ltd. (72) Inventor Yu Akasaki Furomachi, Chikusa-ku, Nagoya-shi, Aichi (No house number) Inside Nagoya University (72) Inventor Hamamatsu, Kazumasa Furo-cho, Chikusa-ku, Nagoya city, Aichi prefecture (No. Nagoya University (72) Inventor Hiroshi Amano Furo-cho, Chikusa-ku, Nagoya, Aichi (No house number) Nagoya University (56) Reference JP 61-186289 (JP, A) JP 63-188934 (JP) , A) JP 63-188935 (JP, A) JP 63-176395 (JP, A) JP 64-27225 (JP, A) JP 61-77696 (JP, A) JP 55-1 10031 (JP, A) JP 63-188937 (JP, A) JP 63-188977 (JP, A) JP 64-82614 (JP, A) JP 2-81482 (JP, A) JP-A-2-211620 (JP, A) JP-A-2-229476 (JP, A) JP-A-2-257679 (JP, A) JP-A-4-164895 (JP, A) JP-A-11-121801 (JP, A) Kazumasa Hiramatsu et al., Effect of buffer layer on GaN crystal growth on sapphire substrate by MOVPE method, Journal of Japanese Society for Crystal Growth, 1988, Vol. 15, No. 3 & 4, pp. 74-82 (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) C30B 1/00-35/00 H01L 21/205 H01L 33/00 JISST file (JOIS)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 少なくともガリウム源と窒素源とを有す
る反応ガスをサファイア基板の結晶成長面に供給して前
記サファイア基板上に窒化ガリウム系化合物半導体結晶
を気相成長させる気相成長方法において、 前記サファイア基板の温度を窒化ガリウム系化合物半導
体の結晶成長温度まで加熱する工程と、 前記サファイア基板より反応ガス上流側に形成された偏
平形状の空間を通じて前記反応ガスを前記サファイア基
板上に流しながら前記サファイア基板に対して押圧しつ
つ供給する工程と、を有することを特徴とする気相成長
方法。
1. A vapor phase growth method in which a reaction gas having at least a gallium source and a nitrogen source is supplied to a crystal growth surface of a sapphire substrate to vapor grow a gallium nitride compound semiconductor crystal on the sapphire substrate. Heating the temperature of the sapphire substrate to the crystal growth temperature of the gallium nitride-based compound semiconductor; the sapphire while flowing the reaction gas on the sapphire substrate through a flat-shaped space formed on the reaction gas upstream side of the sapphire substrate. And a step of supplying while pressing against the substrate.
【請求項2】 前記反応ガスを前記サファイア基板上に
流しながら前記サファイア基板に対して押圧しつつ供給
する工程は、前記サファイア基板の前記結晶成長面の反
応ガス上流側から下流側まで形成された偏平形状の空間
を通じて行われることを特徴とする請求項1記載の気相
成長方法。
2. The step of supplying the reaction gas while pressing it against the sapphire substrate while flowing the reaction gas onto the sapphire substrate is formed from a reaction gas upstream side to a downstream side of the crystal growth surface of the sapphire substrate. The vapor phase growth method according to claim 1, wherein the vapor phase growth is performed through a flat space.
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平松和政 他,MOVPE法によるサファイヤ基板上へのGaN結晶成長におけるバッファ層の効果,日本結晶成長学会誌,1988,Vol.15,No.3&4,pp.74−82

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