窒化物系化合物半導体製造装置
【課題】結晶性と表面平坦性に優れ、大面積基板表面全面に渡って均一なＩｎＮ系化合物半導体薄膜を得ることができる窒化物系化合物半導体製造装置を提供することを目的とする。
【解決手段】窒化物系化合物半導体薄膜を基板１１上に成長させる分子線エピタキシー装置であって、窒素源として複数の窒素ラジカルセル１３を備えることを特徴とする窒化物系化合物半導体製造装置１０。複数の窒素ラジカルセル１３は、基板１１との間隔が変更でき、ＲＦプラズマ励起窒素ラジカルセル、又はＥＣＲプラズマ励起窒素ラジカルセル、又はその双方からなる。窒化物系化合物半導体薄膜は、ＩｎＮ単結晶半導体、ＩｎＮとＧａＮとの混晶半導体、ＩｎＮとＡｌＮとの混晶半導体、ＩｎＮとＧａＮとＡｌＮとの混晶半導体の内の何れかからなる。
【解決手段】窒化物系化合物半導体薄膜を基板１１上に成長させる分子線エピタキシー装置であって、窒素源として複数の窒素ラジカルセル１３を備えることを特徴とする窒化物系化合物半導体製造装置１０。複数の窒素ラジカルセル１３は、基板１１との間隔が変更でき、ＲＦプラズマ励起窒素ラジカルセル、又はＥＣＲプラズマ励起窒素ラジカルセル、又はその双方からなる。窒化物系化合物半導体薄膜は、ＩｎＮ単結晶半導体、ＩｎＮとＧａＮとの混晶半導体、ＩｎＮとＡｌＮとの混晶半導体、ＩｎＮとＧａＮとＡｌＮとの混晶半導体の内の何れかからなる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物系化合物半導体製造装置に関し、特に結晶性と表面平坦性に優れたＩｎＮ系半導体薄膜を大面積基板表面全面に渡って均一に得ることができる窒化物系化合物半導体製造装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
通常、窒化物系化合物半導体は、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法や分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Molecular Beam Expitaxy）法により、高品質な結晶薄膜を成長させることができる。近年、窒化物系化合物半導体を用いた青色発光ダイオードや青色レーザが実用化し、また、高周波電子デバイスの研究開発も活発である。これらには、窒化物系化合物半導体の中でもバンドギャップの広いＡｌＮ、ＧａＮ、及びＡｌＧａＮ（ＡｌＮとＧａＮとの混晶半導体）が使われてきた。
【０００３】
近年、ＩｎＮ単結晶半導体が近赤外光領域に吸収端を持つ狭いバンドギャップを有することが明らかにされ、ＩｎＮは、ＧａＮやＡｌＮとの混晶半導体、すなわち、ＩｎＧａＮ（ＩｎＮとＧａＮとの混晶半導体）、ＩｎＡｌＮ（ＩｎＮとＡｌＮとの混晶半導体）及びＡｌＧａＩｎＮ（ＩｎＮとＧａＮとＡｌＮとの混晶半導体）を形成することにより、近赤外、可視、近紫外までの広範囲な光スペクトル領域に対応した半導体を形成することがわかった。これにより、全可視領域に渡る発光素子、太陽光スペクトルに完全に合致した太陽電池を、窒化物系化合物半導体だけで構成できることが分かった。また、窒化物半導体の高周波電子デバイスにＩｎＮを含む窒化物半導体層を組み込むと、より高性能な高周波デバイスの実現が可能となる。ＩｎＮ系化合物半導体（ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＮ、及びＡｌＧａＩｎＮ）は、材料の解離温度が極めて低く、高温での成長が困難なため、比較的低い基板温度（成長温度）で結晶成長を行うことができる分子線エピタキシー法を用いて製造されてきた。その一般的な製造装置３０は、例えば非特許文献１に開示されており、図３に示すように、成長用の基板３１を取り付ける基板ホルダ３２から離して、１個の窒素ラジカルセル３３、及びＩｎ、Ｇａ、Ａｌ等の固体原料を装填した複数のクヌーセンセル３４，３５，３６を配置している。窒素ラジカルセル３３は、窒素源として用いられ、窒素ガスをＲＦプラズマ（Radio Frequency Plasma：高周波プラズマ）やＥＣＲプラズマ（Electron Cycrotron Resonance Plasma：電子サイクロトロン共鳴プラズマ）中で励起させる。この装置３０を用いて、ＧａＮ、ＡｌＮ、及びその混晶半導体を分子線エピタキシー法により成長する場合には、７００℃から９００℃の範囲の高い基板温度で膜を成長させることが可能であり、結晶性と表面平坦性の優れた成長膜を得ることができる。
【非特許文献１】Journal of Crystal Growth Vol. 175-176, pp. 100-106 (1997）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来装置３０を用いて、ＩｎＮ系半導体を分子線エピタキシー法により成長させる場合は、高い基板温度では膜が解離分解し成長しないため、３００℃から５５０℃の低い基板温度でしか成長膜を得ることができない。ところが、基板温度が低いため、原料元素が基板上で十分な移動と混合が行えないので、結晶品質が悪く表面の凹凸の激しい成長膜しか得ることができなかった。また、大面積基板表面全面に渡って均一な成長膜を得ることができなかった。
【０００５】
本発明は、かかる問題を解決すべくなされたものであり、表面平坦性と結晶性に優れ、大面積基板表面全面に渡って均一なＩｎＮ系化合物半導体薄膜を得ることができる窒化物系化合物半導体製造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の窒化物系化合物半導体製造装置は、窒化物系化合物半導体薄膜を基板上に成長させる分子線エピタキシー装置であって、窒素源として複数の窒素ラジカルセルを備えることを特徴としている。
【０００７】
請求項２に記載の窒化物系化合物半導体製造装置は、請求項１に記載の窒化物系化合物半導体製造装置において、前記複数の窒素ラジカルセルと前記基板との間隔が変更できることを特徴としている。
【０００８】
請求項３に記載の窒化物系化合物半導体製造装置は、請求項１又は２に記載の窒化物系化合物半導体製造装置において、前記窒素ラジカルセルが、ＲＦプラズマ励起窒素ラジカルセル、又はＥＣＲプラズマ励起窒素ラジカルセル、又はその双方であることを特徴としている。
【０００９】
請求項４に記載の窒化物系化合物半導体製造装置は、請求項１から３の何れか１項に記載の窒化物系化合物半導体製造装置において、前記薄膜が、ＩｎＮ単結晶半導体、ＩｎＮとＧａＮとの混晶半導体、ＩｎＮとＡｌＮとの混晶半導体、ＩｎＮとＧａＮとＡｌＮとの混晶半導体の内の何れかからなることを特徴としている。
【００１０】
請求項５に記載の窒化物系化合物半導体製造装置は、請求項１から４の何れか１項に記載の窒化物系化合物半導体製造装置において、前記複数の窒素ラジカルセルが、前記基板に対して均等間隔で配置されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１に記載の窒化物系化合物半導体製造装置によれば、窒素源として複数の窒素ラジカルセルを備えるので、複数の窒素ラジカルセルから十分な窒素量を供給して基板上の窒素圧力を高めることにより、窒素ラジカルセルを１つのみ備える従来装置に比べて、高い基板温度における成長膜の解離による成長困難を回避することが可能になる。このため、従来装置を用いた場合には高い基板温度で膜が解離する窒化物系化合物半導体薄膜を膜の解離なく成長させることが可能となり、結晶性と表面平坦性の優れた窒化物系化合物半導体薄膜を大面積基板表面全面に渡って均一に得ることができる。
【００１２】
請求項２に記載の窒化物系化合物半導体製造装置によれば、複数の窒素ラジカルセルと基板との間隔が変更できるので、この間隔を調整して薄膜成長時の基板上の窒素圧力を高めることにより、より結晶性と表面平坦性の優れた窒化物系化合物半導体薄膜を大面積基板表面全面に渡ってより均一に得ることができる。
【００１３】
請求項３に記載の窒化物系化合物半導体製造装置によれば、窒素ラジカルセルが、ＲＦプラズマ励起窒素ラジカルセル、又はＥＣＲプラズマ励起窒素ラジカルセル、又はその双方を備えているので、多流量のラジカル活性化した窒素ガスを安定して発生させることが可能となるため、より均質な窒化物系化合物半導体薄膜を得ることができる。
【００１４】
請求項４に記載の窒化物系化合物半導体製造装置によれば、本装置により得られる薄膜が、ＩｎＮ単結晶半導体、ＩｎＮとＧａＮとの混晶半導体、ＩｎＮとＡｌＮとの混晶半導体、ＩｎＮとＧａＮとＡｌＮとの混晶半導体の内の何れかからなっている。これらＩｎＮ系化合物半導体は、上記従来装置では低い基板温度でしか成長しないが、本装置を用いることにより、高い基板温度で成長させることが可能になるので、結晶性と表面平坦性の優れたＩｎＮ系化合物半導体薄膜を得ることができる。
【００１５】
請求項５に記載の窒化物系化合物半導体製造装置によれば、複数の窒素ラジカルセルが基板に対して均等間隔で配置されているので、複数の窒素ラジカルセルから発生するラジカル活性化した窒素ガスが基板表面に均一に照射されるため、より均一な窒化物系化合物半導体薄膜を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の窒化物系化合物半導体製造装置は、窒化物系化合物半導体薄膜を基板上に成長させる分子線エピタキシー装置であって、窒素源として複数の窒素ラジカルセルを備える。これにより、十分な窒素量を供給して基板ホルダに設置される基板上の窒素圧力を高めることが可能となり、高い基板温度（成長温度）における成長膜の解離による成長困難を回避することができる。このため、上記従来装置３０を用いた場合には高い基板温度で膜が解離する窒化物系化合物半導体薄膜を、６００℃から９００℃の範囲の高い基板温度でも膜の解離なく成長させることが可能となり、結晶性と表面平坦性の優れたＩｎＮ系化合物半導体（ＩｎＮ単結晶半導体，ＩｎＮとＧａＮとの混晶半導体、ＩｎＮとＡｌＮとの混晶半導体、及びＩｎＮとＧａＮとＡｌＮとの混晶半導体）薄膜を大面積基板表面全面に渡って均一に得ることができる。また、本発明の窒化物系化合物半導体製造装置は、複数の窒素ラジカルセルと基板との間隔を変更できることが好ましい。これにより、必要に応じて、複数の窒素ラジカルセルと基板との間隔を調整することによって、成長時の基板上の窒素圧力をさらに高めることができる。このため、より結晶性と表面平坦性の優れた窒化物系化合物半導体薄膜を大面積基板表面全面に渡ってより均一に得ることができる。
【００１７】
本発明の窒化物系化合物半導体製造装置は、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌ等のIII族の固体原料をそれぞれ装填したクヌーセンセルの内、少なくとも１つをIII族源として備える。また、窒素ラジカルセルとして、窒素ガスをプラズマ中を通過させることでラジカル活性化するＲＦプラズマ励起ラジカルセルか、ＥＣＲプラズマ励起ラジカルセルを複数個備える。窒素ラジカルセルは、基板に対して均等間隔で配置されている。すなわち、各窒素ラジカルセルは、基板から等距離かつ互いに均等間隔を隔てて配置されている。さらに、本発明の窒化物系化合物半導体製造装置は、成長室内が１×１０−９Ｔｏｒｒ（１×１０−７Ｐａ）から１×１０−１０Ｔｏｒｒ（１×１０−８Ｐａ）の超高真空に排気されるように、ターボポンプ、イオンポンプなどからなる真空排気系を備える。また、基板温度が２００℃から９００℃の範囲、より好ましくは３００℃から８００℃の範囲になるように加熱する加熱手段を備える。
【００１８】
次に、本発明の窒化物系化合物半導体製造装置を用いてＩｎＮ系化合物半導体薄膜を製造する方法について説明する。サファイアウェハ、Ｓｉウェハなどの成長用基板を基板ホルダに設置する。薄膜成長前の成長室内の真空度が１×１０−９Ｔｏｒｒから１×１０−１０Ｔｏｒｒの範囲となるように排気する。基板温度が２００℃から９００℃の範囲、より好ましくは３００℃から８００℃の範囲となるように昇温する。各クヌーセンセル及び窒素ラジカルセルの分子線出射口の前の各シャッタを閉じた状態で、所望のIII族原料を装填したクヌーセンセルを加熱する。複数の窒素ラジカルセルに同時に窒素ガスを流し、ＲＦプラズマ電源、あるいはＥＣＲプラズマ電源を動作状態にしてプラズマを発生させる。複数の窒素ラジカルセルのシャッタを同時に開き、窒素ラジカルビームが基板に到達した状態で、所望のIII族原料を装填したクヌーセンセルのシャッターを開け、ＩｎＮ系化合物半導体薄膜を所望の時間成長させる。薄膜成長時の成長室内の真空度が１×１０−９Ｔｏｒｒ（１×１０−７Ｐａ）から１×１０−３Ｔｏｒｒ（１×１０−１Ｐａ）の範囲、基板温度が２００℃から９００℃の範囲である。より好ましくは、薄膜成長時の成長室内の真空度が１×１０−６Ｔｏｒｒ（１×１０−４Ｐａ）から１×１０−４Ｔｏｒｒ（１×１０−２Ｐａ）の範囲、基板温度が３００℃から８００℃の範囲である。薄膜の成長速度は、０．１μｍ／ｈｒから５μｍ／ｈｒの範囲、より好ましくは０．５μｍ／ｈｒから２μｍ／ｈｒの範囲である。これにより、従来装置を用いた場合より高い基板温度で薄膜の成長が可能となり、結晶性と表面平坦性の優れたＩｎＮ系化合物半導体薄膜を得ることができる。
【実施例１】
【００１９】
以下に、本発明の具体的形態を実施例により説明するが、これら実施例により本発明は何ら制限を受けるものではない。
本実施例１で用いた窒化物系化合物半導体製造装置としての分子線エピタキシー装置１０は、その概略図を図１（ａ）に示すように、成長用基板１１を取り付ける基板ホルダ１２、２台の米国ＳＶＴ社製ＲＦプラズマ励起窒素ラジカルセル１３，１３、Ｉｎを装填したＩｎクヌーセンセル１４、Ａｌを装填したＡｌクヌーセンセル１５、Ｇａを装填したＧａクヌーセンセル１６を備える。分子線エピタキシー装置１０は、その上面配置略図を図１（ｂ）に示すように、２台の窒素ラジカルセル１３，１３を、基板１１に対してそれぞれが１８０度の位置になるように、すなわち上面視において基板１１を挟み対称に配置している。また、図示しないが、装置１０は、その成長室内全体を超高真空に排気するターボポンプとイオンポンプを備える。
【００２０】
成長用基板１１として１ｃｍ角の大きさのサファイア単結晶ウェハ（以下、サファイア基板という。）を用い、以下の成長プロセスでこのサファイア基板１１上にＩｎＮ膜の成長を行った。サファイア基板１１は、有機溶剤で洗浄した後に基板ホルダー１２に取り付け、１０−１０Ｔｏｒｒ台の超高真空に排気して８００℃で１０分間加熱し、表面を洗浄化した。次いで、基板温度を５５０℃とし、２台のラジカルセル１３，１３にそれぞれ毎秒１ｃｍ３の流量で窒素ガスを流し、ＲＦプラズマ電源にそれぞれ３００Ｗの入力を投入して、２本の窒素ラジカルビームを１時間サファイア基板１１に照射することによって、サファイア基板１１の表面を窒化した。次いで、基板温度を３００℃として、２台のラジカルセル１３，１３にそれぞれ毎秒２ｃｍ３の流量で窒素ガスを流し、ＲＦプラズマ電源にそれぞれ３３０Ｗの入力を投入して、２本の窒素ラジカルビームを発生させ、同時にＩｎクヌーセンセル１４を加熱してＩｎビーム（ビーム圧力８．０×１０−８Ｔｏｒｒ）を発生させ、ＩｎＮ低温成長バッファ層を１０分間成長させた。その後、基板温度を５５０℃にした場合と７００℃にした場合のそれぞれについて、２台の窒素ラジカルセル１３，１３にそれぞれ毎秒２ｃｍ３の流量で窒素ガスを流し、ＲＦプラズマ電源にそれぞれ２４０Ｗの入力を投入して、２本の窒素ラジカルビームを発生させ、同時にＩｎクヌーセンセル１４を加熱してＩｎビーム（ビーム圧力４．５×１０−７Ｔｏｒｒ）を発生させ、１時間、ＩｎＮ膜の成長を行った。
【００２１】
得られた薄膜の成長速度、結晶の完全性を示すＸ線回折ロッキングカーブ半値幅、及び表面平坦性を、１台のみの窒素ラジカルセルを備える従来装置３０（図３参照）を用いて同一の成長条件にて薄膜を成長させた場合と比較して表１に示す。表１に示すように、５５０℃の基板温度では、２μｍ／ｈの成長速度、２arcminのＸ線回折ロッキングカーブ半値幅が得られ、７００℃の基板温度では、０．５μｍ／ｈの成長速度、０．５arcminのＸ線回折ロッキングカーブ半値幅が得られた。いずれも結晶性に優れ表面が極めて平坦な単結晶膜であった。一方、従来装置３０を用いた場合には、５５０℃の基板温度では、成長速度は０．５μｍ／ｈと遅く、Ｘ線回折ロッキングカーブ半値幅は１０arcminと結晶性が悪く、表面に凹凸が観察された。７００℃の基板温度では、膜は全く成長しなかった。このように、本実施例１の装置１０を用いたことにより、７００℃という高い基板温度で初めてＩｎＮ単結晶膜を成長させることができ、かつ、単結晶性と表面平坦性の極めて優れたＩｎＮ半導体薄膜を得ることができた。なお、本実施例１の装置は、窒素ラジカルセル１３，１３が可動して基板ホルダ１２との間隔が可変であり、窒素ラジカルセル１３，１３とサファイア基板１１との間隔の最適化を図ることによって、サファイア基板１１表面の窒素圧力を調整した。
【表１】
【実施例２】
【００２２】
成長用基板として１ｃｍ角の大きさのＳｉ単結晶ウェハ（以下、Ｓｉ基板という。）を用い、以下の成長プロセスでこのＳｉ基板１１上にＩｎＮ膜の成長を行った。本実施例１で用いた分子線エピタキシー装置１０は、前記実施例２で用いた装置１０と同様である。Ｓｉ基板１１は、有機溶剤で洗浄した後にＨＦ溶液で表面酸化膜を除去し、基板ホルダ１２に取り付け、１０−１０Ｔｏｒｒ台の超高真空に排気した後、８００℃で２０分間加熱し、表面を洗浄化した。次いで、基板温度を８００℃とし、２台のラジカルセル１３，１３にそれぞれ毎秒１ｃｍ３の流量で窒素ガスを流し、ＲＦプラズマ電源にそれぞれ３００Ｗの入力を投入して、２本の窒素ラジカルビームを３分間Ｓｉ基板１１に照射することによって、Ｓｉ基板１１の表面を極薄く窒化した。次いで、基板温度を８００℃とし、２台のラジカルセル１３，１３にそれぞれ毎秒２ｃｍ３の流量で窒素ガスを流し、ＲＦプラズマ電源にそれぞれ３３０Ｗの入力を投入して、２本の窒素ラジカルビームを発生させ、同時にＡｌクヌーセンセル１５を加熱してＡｌビームを発生させ、Ａｌ薄層を２０分間成長させた。次いで、基板温度を３００℃として、２台のラジカルセル１３，１３にそれぞれ毎秒２ｃｍ３の流量で窒素ガスを流し、ＲＦプラズマ電源にそれぞれ３３０Ｗの入力を投入して、２本の窒素ラジカルビームを発生させ、同時にＩｎクヌーセンセル１４を加熱してＩｎビームを発生させ、ＩｎＮ低温成長バッファ層を１０分間成長させた。その後、基板温度を７００℃とし、２台の窒素ラジカルセル１３，１３にそれぞれ毎秒２ｃｍ３の流量で窒素ガスを流し、ＲＦプラズマ電源にそれぞれ２４０Ｗの入力を投入して、２本の窒素ラジカルビームを発生させ、同時にＩｎＮクヌーセンセル１４を加熱してＩｎビームを発生させ、１時間、ＩｎＮ膜の成長を行った。
【００２３】
得られた薄膜は、表２に示すように、０．５μｍ／ｈの成長速度、２arcminのＸ線回折ロッキングカーブ半値幅が得られ、結晶性に優れ表面が極めて平坦な単結晶膜であった。従来装置３０を用いた場合には、７００℃の基板温度で、膜は全く成長しなかった。このように、本実施例２の装置１０を用いたことにより、７００℃という高い基板温度でＳｉ基板１１上にＩｎＮ単結晶膜を成長させることができ、かつ、単結晶性と表面平坦性の極めて優れたＩｎＮ単結晶膜を得ることができた。なお、本実施例２においても、窒素ラジカルセル１３，１３とＳｉ基板ホルダ１２との間隔の最適化を図ることによって、Ｓｉ基板１１表面の窒素圧力を調整した。
【表２】
【実施例３】
【００２４】
成長用基板として１ｃｍ角の大きさのサファイア単結晶ウェハ（以下、サファイア基板という。）を用い、以下の成長プロセスでこのサファイア基板１１上にＩｎＮとＧａＮとの混晶膜の成長を行った。本実施例１で用いた分子線エピタキシー装置１０は、前記実施例１で用いた装置１０と同様である。サファイア基板１１は、有機溶剤で洗浄した後に基板ホルダ１２に取り付け、１０−１０Ｔｏｒｒ台の超高真空に排気して８００℃で１０分間加熱し、表面を洗浄化した。次いで、基板温度を５５０℃とし、２台のラジカルセル１３，１３にそれぞれ毎秒１ｃｍ３の流量で窒素ガスを流し、ＲＦプラズマ電源にそれぞれ３００Ｗの入力を投入して、２本の窒素ラジカルビームを１時間サファイア基板１１に照射することによって、サファイア基板１１の表面を窒化した。次いで、基板温度を３００℃とし、２台のラジカルセル１３，１３にそれぞれ毎秒２ｃｍ３の流量で窒素ガスを流し、ＲＦプラズマ電源にそれぞれ３３０Ｗの入力を投入して、２本の窒素ラジカルビームを発生させ、同時にＩｎクヌーセンセル１４を加熱してＩｎビームを発生させ、ＩｎＮ低温成長バッファ層を１０分間成長させた。その後、基板温度を７００℃とし、２台の窒素ラジカルセル１３，１３にそれぞれ毎秒２ｃｍ３の流量で窒素ガスを流し、ＲＦプラズマ電源にそれぞれ２４０Ｗの入力を投入して、２本の窒素ラジカルビームを発生させ、同時にＩｎクヌーセンセル１４とＧａクヌーセンセル１６を加熱してＩｎビームとＧａビームを発生させ、１時間、ＩｎＮとＧａＮとの混晶膜の成長を行った。ＩｎビームとＧａビームの合計ビーム圧を４．２×１０−７Ｔｏｒｒで一定とし、Ｇａビーム圧を０〜６．０×１０−８Ｔｏｒｒの範囲で成長毎に変えた。
【００２５】
得られた薄膜は、表３に示すように、いずれも表面平坦な混晶膜であり、約０．５μｍ／ｈの成長速度で得られた。Ｘ線回折の結果、得られた薄膜Ｉｎ１−ｘＧａｘＮの組成ｘは、Ｇａビーム圧力０〜６．０×１０−８Ｔｏｒｒに対応して、ｘ＝０〜０．４であった。また、それに対応してＸ線回折ロッキングカーブ半値幅は、０．５〜１０arcminが得られた。従来装置３０を用いた場合には、７００℃の基板温度では、凹凸の激しい多結晶膜が成長しただけであった。
【表３】
【実施例４】
【００２６】
本実施例４で用いた分子線エピタキシー装置２０は、図２に示すように、３台のＲＦプラズマ励起窒素ラジカルセル１３，１３，１３を備え、その上面視において、各基板ラジカルセル１３，１３，１３は、基板２１に対してそれぞれ１２０度の位置になるように設置している。これ以外は、実施例１から実施例３に用いた装置１０と同様である。
【００２７】
成長用基板として２インチ径の大型サファイア単結晶ウェハ（以下、サファイア大基板という。）を用い、以下の成長プロセスでこのサファイア大基板２１上にＩｎＮ膜の成長を行った。サファイア大基板２１は、有機溶剤で洗浄した後に基板ホルダ１２に取り付け、１０−１０Ｔｏｒｒ台の超高真空に排気して８００℃で１０分間加熱し、表面を洗浄化した。次いで、基板温度を５５０℃とし、３台のラジカルセル１３，１３，１３にそれぞれ毎秒１ｃｍ３の流量で窒素ガスを流し、ＲＦプラズマ電源にそれぞれ３００Ｗの入力を投入して、３本の窒素ラジカルビームを１時間サファイア大基板２１に照射することによって、サファイア大基板２１の表面を窒化した。次いで、基板温度を３００℃とし、３台のラジカルセル１３，１３，１３にそれぞれ毎秒２ｃｍ３の流量で窒素ガスを流し、ＲＦプラズマ電源にそれぞれ３３０Ｗの入力を投入して、３本の窒素ラジカルビームを発生させ、同時にＩｎクヌーセンセル１４を加熱してＩｎビーム（ビーム圧力１．０×１０−７Ｔｏｒｒ）を発生させ、ＩｎＮ低温成長バッファ層を１０分間成長させた。その後、基板温度を５５０℃にした場合と７００℃にした場合のそれぞれについて、３台の窒素ラジカルセル１３，１３，１３にそれぞれ毎秒２ｃｍ３の流量で窒素ガスを流し、ＲＦプラズマ電源にそれぞれ２４０Ｗの入力を投入して、３本の窒素ラジカルビームを発生させ、同時にＩｎＮクヌーセンセル１４を加熱してＩｎビーム（ビーム圧力６．０×１０−７Ｔｏｒｒ）を発生させ、１時間、ＩｎＮ膜の成長を行った。
【００２８】
得られた膜の成長速度、単結晶性（Ｘ線回折ロッキングカーブ半値幅）、表面平坦性を調べた。表４に示すように、５５０℃の基板温度では、３μｍ／ｈの成長速度、２arcminのＸ線回折ロッキングカーブ半値幅が得られ、７００℃の基板温度では、１μｍ／ｈの成長速度、０．５arcminのＸ線回折ロッキングカーブ半値幅が得られた。いずれも２インチ径のサファイア大基板２１表面全面に渡って結晶性に優れ表面が極めて平坦な単結晶膜であった。なお、以上の実施例１から実施例４においては、窒素ラジカルセルとして、ＲＦプラズマ励起の窒素ラジカルセルを用いたが、ＥＣＲプラズマ励起の窒素プラズマセルを用いてもよい。
【表４】
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施例１に係る窒化物系化合物半導体製造装置１０を示し、（ａ）は概略図であり、（ｂ）は上面配置略図である。
【図２】本発明の実施例４に係る窒化物系化合物半導体製造装置２０を示す上面配置略図である。
【図３】従来の窒化物系化合物半導体製造装置３０を示し、（ａ）は概略図であり、（ｂ）は上面配置略図である。
【符号の説明】
【００３０】
１０，２０ 分子線エピタキシー装置（窒化物系化合物半導体製造装置）
１１, ２１ 基板
１２ 基板ホルダ
１３ ＲＦプラズマ励起窒素ラジカルセル（窒素ラジカルセル）
１４ Ｉｎクヌーセンセル（クヌーセンセル）
１５ Ａｌクヌーセンセル（クヌーセンセル）
１６ Ｇａクヌーセンセル（クヌーセンセル）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物系化合物半導体製造装置に関し、特に結晶性と表面平坦性に優れたＩｎＮ系半導体薄膜を大面積基板表面全面に渡って均一に得ることができる窒化物系化合物半導体製造装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
通常、窒化物系化合物半導体は、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法や分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Molecular Beam Expitaxy）法により、高品質な結晶薄膜を成長させることができる。近年、窒化物系化合物半導体を用いた青色発光ダイオードや青色レーザが実用化し、また、高周波電子デバイスの研究開発も活発である。これらには、窒化物系化合物半導体の中でもバンドギャップの広いＡｌＮ、ＧａＮ、及びＡｌＧａＮ（ＡｌＮとＧａＮとの混晶半導体）が使われてきた。
【０００３】
近年、ＩｎＮ単結晶半導体が近赤外光領域に吸収端を持つ狭いバンドギャップを有することが明らかにされ、ＩｎＮは、ＧａＮやＡｌＮとの混晶半導体、すなわち、ＩｎＧａＮ（ＩｎＮとＧａＮとの混晶半導体）、ＩｎＡｌＮ（ＩｎＮとＡｌＮとの混晶半導体）及びＡｌＧａＩｎＮ（ＩｎＮとＧａＮとＡｌＮとの混晶半導体）を形成することにより、近赤外、可視、近紫外までの広範囲な光スペクトル領域に対応した半導体を形成することがわかった。これにより、全可視領域に渡る発光素子、太陽光スペクトルに完全に合致した太陽電池を、窒化物系化合物半導体だけで構成できることが分かった。また、窒化物半導体の高周波電子デバイスにＩｎＮを含む窒化物半導体層を組み込むと、より高性能な高周波デバイスの実現が可能となる。ＩｎＮ系化合物半導体（ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＮ、及びＡｌＧａＩｎＮ）は、材料の解離温度が極めて低く、高温での成長が困難なため、比較的低い基板温度（成長温度）で結晶成長を行うことができる分子線エピタキシー法を用いて製造されてきた。その一般的な製造装置３０は、例えば非特許文献１に開示されており、図３に示すように、成長用の基板３１を取り付ける基板ホルダ３２から離して、１個の窒素ラジカルセル３３、及びＩｎ、Ｇａ、Ａｌ等の固体原料を装填した複数のクヌーセンセル３４，３５，３６を配置している。窒素ラジカルセル３３は、窒素源として用いられ、窒素ガスをＲＦプラズマ（Radio Frequency Plasma：高周波プラズマ）やＥＣＲプラズマ（Electron Cycrotron Resonance Plasma：電子サイクロトロン共鳴プラズマ）中で励起させる。この装置３０を用いて、ＧａＮ、ＡｌＮ、及びその混晶半導体を分子線エピタキシー法により成長する場合には、７００℃から９００℃の範囲の高い基板温度で膜を成長させることが可能であり、結晶性と表面平坦性の優れた成長膜を得ることができる。
【非特許文献１】Journal of Crystal Growth Vol. 175-176, pp. 100-106 (1997）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来装置３０を用いて、ＩｎＮ系半導体を分子線エピタキシー法により成長させる場合は、高い基板温度では膜が解離分解し成長しないため、３００℃から５５０℃の低い基板温度でしか成長膜を得ることができない。ところが、基板温度が低いため、原料元素が基板上で十分な移動と混合が行えないので、結晶品質が悪く表面の凹凸の激しい成長膜しか得ることができなかった。また、大面積基板表面全面に渡って均一な成長膜を得ることができなかった。
【０００５】
本発明は、かかる問題を解決すべくなされたものであり、表面平坦性と結晶性に優れ、大面積基板表面全面に渡って均一なＩｎＮ系化合物半導体薄膜を得ることができる窒化物系化合物半導体製造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の窒化物系化合物半導体製造装置は、窒化物系化合物半導体薄膜を基板上に成長させる分子線エピタキシー装置であって、窒素源として複数の窒素ラジカルセルを備えることを特徴としている。
【０００７】
請求項２に記載の窒化物系化合物半導体製造装置は、請求項１に記載の窒化物系化合物半導体製造装置において、前記複数の窒素ラジカルセルと前記基板との間隔が変更できることを特徴としている。
【０００８】
請求項３に記載の窒化物系化合物半導体製造装置は、請求項１又は２に記載の窒化物系化合物半導体製造装置において、前記窒素ラジカルセルが、ＲＦプラズマ励起窒素ラジカルセル、又はＥＣＲプラズマ励起窒素ラジカルセル、又はその双方であることを特徴としている。
【０００９】
請求項４に記載の窒化物系化合物半導体製造装置は、請求項１から３の何れか１項に記載の窒化物系化合物半導体製造装置において、前記薄膜が、ＩｎＮ単結晶半導体、ＩｎＮとＧａＮとの混晶半導体、ＩｎＮとＡｌＮとの混晶半導体、ＩｎＮとＧａＮとＡｌＮとの混晶半導体の内の何れかからなることを特徴としている。
【００１０】
請求項５に記載の窒化物系化合物半導体製造装置は、請求項１から４の何れか１項に記載の窒化物系化合物半導体製造装置において、前記複数の窒素ラジカルセルが、前記基板に対して均等間隔で配置されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１に記載の窒化物系化合物半導体製造装置によれば、窒素源として複数の窒素ラジカルセルを備えるので、複数の窒素ラジカルセルから十分な窒素量を供給して基板上の窒素圧力を高めることにより、窒素ラジカルセルを１つのみ備える従来装置に比べて、高い基板温度における成長膜の解離による成長困難を回避することが可能になる。このため、従来装置を用いた場合には高い基板温度で膜が解離する窒化物系化合物半導体薄膜を膜の解離なく成長させることが可能となり、結晶性と表面平坦性の優れた窒化物系化合物半導体薄膜を大面積基板表面全面に渡って均一に得ることができる。
【００１２】
請求項２に記載の窒化物系化合物半導体製造装置によれば、複数の窒素ラジカルセルと基板との間隔が変更できるので、この間隔を調整して薄膜成長時の基板上の窒素圧力を高めることにより、より結晶性と表面平坦性の優れた窒化物系化合物半導体薄膜を大面積基板表面全面に渡ってより均一に得ることができる。
【００１３】
請求項３に記載の窒化物系化合物半導体製造装置によれば、窒素ラジカルセルが、ＲＦプラズマ励起窒素ラジカルセル、又はＥＣＲプラズマ励起窒素ラジカルセル、又はその双方を備えているので、多流量のラジカル活性化した窒素ガスを安定して発生させることが可能となるため、より均質な窒化物系化合物半導体薄膜を得ることができる。
【００１４】
請求項４に記載の窒化物系化合物半導体製造装置によれば、本装置により得られる薄膜が、ＩｎＮ単結晶半導体、ＩｎＮとＧａＮとの混晶半導体、ＩｎＮとＡｌＮとの混晶半導体、ＩｎＮとＧａＮとＡｌＮとの混晶半導体の内の何れかからなっている。これらＩｎＮ系化合物半導体は、上記従来装置では低い基板温度でしか成長しないが、本装置を用いることにより、高い基板温度で成長させることが可能になるので、結晶性と表面平坦性の優れたＩｎＮ系化合物半導体薄膜を得ることができる。
【００１５】
請求項５に記載の窒化物系化合物半導体製造装置によれば、複数の窒素ラジカルセルが基板に対して均等間隔で配置されているので、複数の窒素ラジカルセルから発生するラジカル活性化した窒素ガスが基板表面に均一に照射されるため、より均一な窒化物系化合物半導体薄膜を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の窒化物系化合物半導体製造装置は、窒化物系化合物半導体薄膜を基板上に成長させる分子線エピタキシー装置であって、窒素源として複数の窒素ラジカルセルを備える。これにより、十分な窒素量を供給して基板ホルダに設置される基板上の窒素圧力を高めることが可能となり、高い基板温度（成長温度）における成長膜の解離による成長困難を回避することができる。このため、上記従来装置３０を用いた場合には高い基板温度で膜が解離する窒化物系化合物半導体薄膜を、６００℃から９００℃の範囲の高い基板温度でも膜の解離なく成長させることが可能となり、結晶性と表面平坦性の優れたＩｎＮ系化合物半導体（ＩｎＮ単結晶半導体，ＩｎＮとＧａＮとの混晶半導体、ＩｎＮとＡｌＮとの混晶半導体、及びＩｎＮとＧａＮとＡｌＮとの混晶半導体）薄膜を大面積基板表面全面に渡って均一に得ることができる。また、本発明の窒化物系化合物半導体製造装置は、複数の窒素ラジカルセルと基板との間隔を変更できることが好ましい。これにより、必要に応じて、複数の窒素ラジカルセルと基板との間隔を調整することによって、成長時の基板上の窒素圧力をさらに高めることができる。このため、より結晶性と表面平坦性の優れた窒化物系化合物半導体薄膜を大面積基板表面全面に渡ってより均一に得ることができる。
【００１７】
本発明の窒化物系化合物半導体製造装置は、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌ等のIII族の固体原料をそれぞれ装填したクヌーセンセルの内、少なくとも１つをIII族源として備える。また、窒素ラジカルセルとして、窒素ガスをプラズマ中を通過させることでラジカル活性化するＲＦプラズマ励起ラジカルセルか、ＥＣＲプラズマ励起ラジカルセルを複数個備える。窒素ラジカルセルは、基板に対して均等間隔で配置されている。すなわち、各窒素ラジカルセルは、基板から等距離かつ互いに均等間隔を隔てて配置されている。さらに、本発明の窒化物系化合物半導体製造装置は、成長室内が１×１０−９Ｔｏｒｒ（１×１０−７Ｐａ）から１×１０−１０Ｔｏｒｒ（１×１０−８Ｐａ）の超高真空に排気されるように、ターボポンプ、イオンポンプなどからなる真空排気系を備える。また、基板温度が２００℃から９００℃の範囲、より好ましくは３００℃から８００℃の範囲になるように加熱する加熱手段を備える。
【００１８】
次に、本発明の窒化物系化合物半導体製造装置を用いてＩｎＮ系化合物半導体薄膜を製造する方法について説明する。サファイアウェハ、Ｓｉウェハなどの成長用基板を基板ホルダに設置する。薄膜成長前の成長室内の真空度が１×１０−９Ｔｏｒｒから１×１０−１０Ｔｏｒｒの範囲となるように排気する。基板温度が２００℃から９００℃の範囲、より好ましくは３００℃から８００℃の範囲となるように昇温する。各クヌーセンセル及び窒素ラジカルセルの分子線出射口の前の各シャッタを閉じた状態で、所望のIII族原料を装填したクヌーセンセルを加熱する。複数の窒素ラジカルセルに同時に窒素ガスを流し、ＲＦプラズマ電源、あるいはＥＣＲプラズマ電源を動作状態にしてプラズマを発生させる。複数の窒素ラジカルセルのシャッタを同時に開き、窒素ラジカルビームが基板に到達した状態で、所望のIII族原料を装填したクヌーセンセルのシャッターを開け、ＩｎＮ系化合物半導体薄膜を所望の時間成長させる。薄膜成長時の成長室内の真空度が１×１０−９Ｔｏｒｒ（１×１０−７Ｐａ）から１×１０−３Ｔｏｒｒ（１×１０−１Ｐａ）の範囲、基板温度が２００℃から９００℃の範囲である。より好ましくは、薄膜成長時の成長室内の真空度が１×１０−６Ｔｏｒｒ（１×１０−４Ｐａ）から１×１０−４Ｔｏｒｒ（１×１０−２Ｐａ）の範囲、基板温度が３００℃から８００℃の範囲である。薄膜の成長速度は、０．１μｍ／ｈｒから５μｍ／ｈｒの範囲、より好ましくは０．５μｍ／ｈｒから２μｍ／ｈｒの範囲である。これにより、従来装置を用いた場合より高い基板温度で薄膜の成長が可能となり、結晶性と表面平坦性の優れたＩｎＮ系化合物半導体薄膜を得ることができる。
【実施例１】
【００１９】
以下に、本発明の具体的形態を実施例により説明するが、これら実施例により本発明は何ら制限を受けるものではない。
本実施例１で用いた窒化物系化合物半導体製造装置としての分子線エピタキシー装置１０は、その概略図を図１（ａ）に示すように、成長用基板１１を取り付ける基板ホルダ１２、２台の米国ＳＶＴ社製ＲＦプラズマ励起窒素ラジカルセル１３，１３、Ｉｎを装填したＩｎクヌーセンセル１４、Ａｌを装填したＡｌクヌーセンセル１５、Ｇａを装填したＧａクヌーセンセル１６を備える。分子線エピタキシー装置１０は、その上面配置略図を図１（ｂ）に示すように、２台の窒素ラジカルセル１３，１３を、基板１１に対してそれぞれが１８０度の位置になるように、すなわち上面視において基板１１を挟み対称に配置している。また、図示しないが、装置１０は、その成長室内全体を超高真空に排気するターボポンプとイオンポンプを備える。
【００２０】
成長用基板１１として１ｃｍ角の大きさのサファイア単結晶ウェハ（以下、サファイア基板という。）を用い、以下の成長プロセスでこのサファイア基板１１上にＩｎＮ膜の成長を行った。サファイア基板１１は、有機溶剤で洗浄した後に基板ホルダー１２に取り付け、１０−１０Ｔｏｒｒ台の超高真空に排気して８００℃で１０分間加熱し、表面を洗浄化した。次いで、基板温度を５５０℃とし、２台のラジカルセル１３，１３にそれぞれ毎秒１ｃｍ３の流量で窒素ガスを流し、ＲＦプラズマ電源にそれぞれ３００Ｗの入力を投入して、２本の窒素ラジカルビームを１時間サファイア基板１１に照射することによって、サファイア基板１１の表面を窒化した。次いで、基板温度を３００℃として、２台のラジカルセル１３，１３にそれぞれ毎秒２ｃｍ３の流量で窒素ガスを流し、ＲＦプラズマ電源にそれぞれ３３０Ｗの入力を投入して、２本の窒素ラジカルビームを発生させ、同時にＩｎクヌーセンセル１４を加熱してＩｎビーム（ビーム圧力８．０×１０−８Ｔｏｒｒ）を発生させ、ＩｎＮ低温成長バッファ層を１０分間成長させた。その後、基板温度を５５０℃にした場合と７００℃にした場合のそれぞれについて、２台の窒素ラジカルセル１３，１３にそれぞれ毎秒２ｃｍ３の流量で窒素ガスを流し、ＲＦプラズマ電源にそれぞれ２４０Ｗの入力を投入して、２本の窒素ラジカルビームを発生させ、同時にＩｎクヌーセンセル１４を加熱してＩｎビーム（ビーム圧力４．５×１０−７Ｔｏｒｒ）を発生させ、１時間、ＩｎＮ膜の成長を行った。
【００２１】
得られた薄膜の成長速度、結晶の完全性を示すＸ線回折ロッキングカーブ半値幅、及び表面平坦性を、１台のみの窒素ラジカルセルを備える従来装置３０（図３参照）を用いて同一の成長条件にて薄膜を成長させた場合と比較して表１に示す。表１に示すように、５５０℃の基板温度では、２μｍ／ｈの成長速度、２arcminのＸ線回折ロッキングカーブ半値幅が得られ、７００℃の基板温度では、０．５μｍ／ｈの成長速度、０．５arcminのＸ線回折ロッキングカーブ半値幅が得られた。いずれも結晶性に優れ表面が極めて平坦な単結晶膜であった。一方、従来装置３０を用いた場合には、５５０℃の基板温度では、成長速度は０．５μｍ／ｈと遅く、Ｘ線回折ロッキングカーブ半値幅は１０arcminと結晶性が悪く、表面に凹凸が観察された。７００℃の基板温度では、膜は全く成長しなかった。このように、本実施例１の装置１０を用いたことにより、７００℃という高い基板温度で初めてＩｎＮ単結晶膜を成長させることができ、かつ、単結晶性と表面平坦性の極めて優れたＩｎＮ半導体薄膜を得ることができた。なお、本実施例１の装置は、窒素ラジカルセル１３，１３が可動して基板ホルダ１２との間隔が可変であり、窒素ラジカルセル１３，１３とサファイア基板１１との間隔の最適化を図ることによって、サファイア基板１１表面の窒素圧力を調整した。
【表１】
【実施例２】
【００２２】
成長用基板として１ｃｍ角の大きさのＳｉ単結晶ウェハ（以下、Ｓｉ基板という。）を用い、以下の成長プロセスでこのＳｉ基板１１上にＩｎＮ膜の成長を行った。本実施例１で用いた分子線エピタキシー装置１０は、前記実施例２で用いた装置１０と同様である。Ｓｉ基板１１は、有機溶剤で洗浄した後にＨＦ溶液で表面酸化膜を除去し、基板ホルダ１２に取り付け、１０−１０Ｔｏｒｒ台の超高真空に排気した後、８００℃で２０分間加熱し、表面を洗浄化した。次いで、基板温度を８００℃とし、２台のラジカルセル１３，１３にそれぞれ毎秒１ｃｍ３の流量で窒素ガスを流し、ＲＦプラズマ電源にそれぞれ３００Ｗの入力を投入して、２本の窒素ラジカルビームを３分間Ｓｉ基板１１に照射することによって、Ｓｉ基板１１の表面を極薄く窒化した。次いで、基板温度を８００℃とし、２台のラジカルセル１３，１３にそれぞれ毎秒２ｃｍ３の流量で窒素ガスを流し、ＲＦプラズマ電源にそれぞれ３３０Ｗの入力を投入して、２本の窒素ラジカルビームを発生させ、同時にＡｌクヌーセンセル１５を加熱してＡｌビームを発生させ、Ａｌ薄層を２０分間成長させた。次いで、基板温度を３００℃として、２台のラジカルセル１３，１３にそれぞれ毎秒２ｃｍ３の流量で窒素ガスを流し、ＲＦプラズマ電源にそれぞれ３３０Ｗの入力を投入して、２本の窒素ラジカルビームを発生させ、同時にＩｎクヌーセンセル１４を加熱してＩｎビームを発生させ、ＩｎＮ低温成長バッファ層を１０分間成長させた。その後、基板温度を７００℃とし、２台の窒素ラジカルセル１３，１３にそれぞれ毎秒２ｃｍ３の流量で窒素ガスを流し、ＲＦプラズマ電源にそれぞれ２４０Ｗの入力を投入して、２本の窒素ラジカルビームを発生させ、同時にＩｎＮクヌーセンセル１４を加熱してＩｎビームを発生させ、１時間、ＩｎＮ膜の成長を行った。
【００２３】
得られた薄膜は、表２に示すように、０．５μｍ／ｈの成長速度、２arcminのＸ線回折ロッキングカーブ半値幅が得られ、結晶性に優れ表面が極めて平坦な単結晶膜であった。従来装置３０を用いた場合には、７００℃の基板温度で、膜は全く成長しなかった。このように、本実施例２の装置１０を用いたことにより、７００℃という高い基板温度でＳｉ基板１１上にＩｎＮ単結晶膜を成長させることができ、かつ、単結晶性と表面平坦性の極めて優れたＩｎＮ単結晶膜を得ることができた。なお、本実施例２においても、窒素ラジカルセル１３，１３とＳｉ基板ホルダ１２との間隔の最適化を図ることによって、Ｓｉ基板１１表面の窒素圧力を調整した。
【表２】
【実施例３】
【００２４】
成長用基板として１ｃｍ角の大きさのサファイア単結晶ウェハ（以下、サファイア基板という。）を用い、以下の成長プロセスでこのサファイア基板１１上にＩｎＮとＧａＮとの混晶膜の成長を行った。本実施例１で用いた分子線エピタキシー装置１０は、前記実施例１で用いた装置１０と同様である。サファイア基板１１は、有機溶剤で洗浄した後に基板ホルダ１２に取り付け、１０−１０Ｔｏｒｒ台の超高真空に排気して８００℃で１０分間加熱し、表面を洗浄化した。次いで、基板温度を５５０℃とし、２台のラジカルセル１３，１３にそれぞれ毎秒１ｃｍ３の流量で窒素ガスを流し、ＲＦプラズマ電源にそれぞれ３００Ｗの入力を投入して、２本の窒素ラジカルビームを１時間サファイア基板１１に照射することによって、サファイア基板１１の表面を窒化した。次いで、基板温度を３００℃とし、２台のラジカルセル１３，１３にそれぞれ毎秒２ｃｍ３の流量で窒素ガスを流し、ＲＦプラズマ電源にそれぞれ３３０Ｗの入力を投入して、２本の窒素ラジカルビームを発生させ、同時にＩｎクヌーセンセル１４を加熱してＩｎビームを発生させ、ＩｎＮ低温成長バッファ層を１０分間成長させた。その後、基板温度を７００℃とし、２台の窒素ラジカルセル１３，１３にそれぞれ毎秒２ｃｍ３の流量で窒素ガスを流し、ＲＦプラズマ電源にそれぞれ２４０Ｗの入力を投入して、２本の窒素ラジカルビームを発生させ、同時にＩｎクヌーセンセル１４とＧａクヌーセンセル１６を加熱してＩｎビームとＧａビームを発生させ、１時間、ＩｎＮとＧａＮとの混晶膜の成長を行った。ＩｎビームとＧａビームの合計ビーム圧を４．２×１０−７Ｔｏｒｒで一定とし、Ｇａビーム圧を０〜６．０×１０−８Ｔｏｒｒの範囲で成長毎に変えた。
【００２５】
得られた薄膜は、表３に示すように、いずれも表面平坦な混晶膜であり、約０．５μｍ／ｈの成長速度で得られた。Ｘ線回折の結果、得られた薄膜Ｉｎ１−ｘＧａｘＮの組成ｘは、Ｇａビーム圧力０〜６．０×１０−８Ｔｏｒｒに対応して、ｘ＝０〜０．４であった。また、それに対応してＸ線回折ロッキングカーブ半値幅は、０．５〜１０arcminが得られた。従来装置３０を用いた場合には、７００℃の基板温度では、凹凸の激しい多結晶膜が成長しただけであった。
【表３】
【実施例４】
【００２６】
本実施例４で用いた分子線エピタキシー装置２０は、図２に示すように、３台のＲＦプラズマ励起窒素ラジカルセル１３，１３，１３を備え、その上面視において、各基板ラジカルセル１３，１３，１３は、基板２１に対してそれぞれ１２０度の位置になるように設置している。これ以外は、実施例１から実施例３に用いた装置１０と同様である。
【００２７】
成長用基板として２インチ径の大型サファイア単結晶ウェハ（以下、サファイア大基板という。）を用い、以下の成長プロセスでこのサファイア大基板２１上にＩｎＮ膜の成長を行った。サファイア大基板２１は、有機溶剤で洗浄した後に基板ホルダ１２に取り付け、１０−１０Ｔｏｒｒ台の超高真空に排気して８００℃で１０分間加熱し、表面を洗浄化した。次いで、基板温度を５５０℃とし、３台のラジカルセル１３，１３，１３にそれぞれ毎秒１ｃｍ３の流量で窒素ガスを流し、ＲＦプラズマ電源にそれぞれ３００Ｗの入力を投入して、３本の窒素ラジカルビームを１時間サファイア大基板２１に照射することによって、サファイア大基板２１の表面を窒化した。次いで、基板温度を３００℃とし、３台のラジカルセル１３，１３，１３にそれぞれ毎秒２ｃｍ３の流量で窒素ガスを流し、ＲＦプラズマ電源にそれぞれ３３０Ｗの入力を投入して、３本の窒素ラジカルビームを発生させ、同時にＩｎクヌーセンセル１４を加熱してＩｎビーム（ビーム圧力１．０×１０−７Ｔｏｒｒ）を発生させ、ＩｎＮ低温成長バッファ層を１０分間成長させた。その後、基板温度を５５０℃にした場合と７００℃にした場合のそれぞれについて、３台の窒素ラジカルセル１３，１３，１３にそれぞれ毎秒２ｃｍ３の流量で窒素ガスを流し、ＲＦプラズマ電源にそれぞれ２４０Ｗの入力を投入して、３本の窒素ラジカルビームを発生させ、同時にＩｎＮクヌーセンセル１４を加熱してＩｎビーム（ビーム圧力６．０×１０−７Ｔｏｒｒ）を発生させ、１時間、ＩｎＮ膜の成長を行った。
【００２８】
得られた膜の成長速度、単結晶性（Ｘ線回折ロッキングカーブ半値幅）、表面平坦性を調べた。表４に示すように、５５０℃の基板温度では、３μｍ／ｈの成長速度、２arcminのＸ線回折ロッキングカーブ半値幅が得られ、７００℃の基板温度では、１μｍ／ｈの成長速度、０．５arcminのＸ線回折ロッキングカーブ半値幅が得られた。いずれも２インチ径のサファイア大基板２１表面全面に渡って結晶性に優れ表面が極めて平坦な単結晶膜であった。なお、以上の実施例１から実施例４においては、窒素ラジカルセルとして、ＲＦプラズマ励起の窒素ラジカルセルを用いたが、ＥＣＲプラズマ励起の窒素プラズマセルを用いてもよい。
【表４】
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施例１に係る窒化物系化合物半導体製造装置１０を示し、（ａ）は概略図であり、（ｂ）は上面配置略図である。
【図２】本発明の実施例４に係る窒化物系化合物半導体製造装置２０を示す上面配置略図である。
【図３】従来の窒化物系化合物半導体製造装置３０を示し、（ａ）は概略図であり、（ｂ）は上面配置略図である。
【符号の説明】
【００３０】
１０，２０ 分子線エピタキシー装置（窒化物系化合物半導体製造装置）
１１, ２１ 基板
１２ 基板ホルダ
１３ ＲＦプラズマ励起窒素ラジカルセル（窒素ラジカルセル）
１４ Ｉｎクヌーセンセル（クヌーセンセル）
１５ Ａｌクヌーセンセル（クヌーセンセル）
１６ Ｇａクヌーセンセル（クヌーセンセル）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物系化合物半導体薄膜を基板上に成長させる分子線エピタキシー装置であって、窒素源として複数の窒素ラジカルセルを備えることを特徴とする窒化物系化合物半導体製造装置。
【請求項２】
前記複数の窒素ラジカルセルと前記基板との間隔が変更できることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系化合物半導体製造装置。
【請求項３】
前記窒素ラジカルセルが、ＲＦプラズマ励起窒素ラジカルセル、又はＥＣＲプラズマ励起窒素ラジカルセル、又はその双方であることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物系化合物半導体製造装置。
【請求項４】
前記薄膜が、ＩｎＮ単結晶半導体、ＩｎＮとＧａＮとの混晶半導体、ＩｎＮとＡｌＮとの混晶半導体、ＩｎＮとＧａＮとＡｌＮとの混晶半導体の内の何れかからなることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の窒化物系化合物半導体製造装置。
【請求項５】
前記複数の窒素ラジカルセルが、前記基板に対して均等間隔で配置されていることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の窒化物系化合物半導体製造装置。
【請求項１】
窒化物系化合物半導体薄膜を基板上に成長させる分子線エピタキシー装置であって、窒素源として複数の窒素ラジカルセルを備えることを特徴とする窒化物系化合物半導体製造装置。
【請求項２】
前記複数の窒素ラジカルセルと前記基板との間隔が変更できることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系化合物半導体製造装置。
【請求項３】
前記窒素ラジカルセルが、ＲＦプラズマ励起窒素ラジカルセル、又はＥＣＲプラズマ励起窒素ラジカルセル、又はその双方であることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物系化合物半導体製造装置。
【請求項４】
前記薄膜が、ＩｎＮ単結晶半導体、ＩｎＮとＧａＮとの混晶半導体、ＩｎＮとＡｌＮとの混晶半導体、ＩｎＮとＧａＮとＡｌＮとの混晶半導体の内の何れかからなることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の窒化物系化合物半導体製造装置。
【請求項５】
前記複数の窒素ラジカルセルが、前記基板に対して均等間隔で配置されていることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の窒化物系化合物半導体製造装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００６−１４０３９７（Ｐ２００６−１４０３９７Ａ）
【公開日】平成１８年６月１日（２００６．６．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３３０５６２（Ｐ２００４−３３０５６２）
【出願日】平成１６年１１月１５日（２００４．１１．１５）
【出願人】（５９３００６６３０）学校法人立命館 (359)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年６月１日（２００６．６．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１１月１５日（２００４．１１．１５）
【出願人】（５９３００６６３０）学校法人立命館 (359)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]