JP5848170B2 - Vapor growth equipment - Google Patents
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Description
本発明は、半導体結晶のエピタキシャル成長を行う気相成長装置、特に２フローリアクタ装置に関する。 The present invention relates to a vapor phase growth apparatus that performs epitaxial growth of a semiconductor crystal, and more particularly to a two-flow reactor apparatus.
エピタキシャル成長を行う気相成長装置は、その反応容器内に導入された反応ガスである材料ガスが加熱された成長用の基板上で熱分解反応して、化合物やその固溶体結晶となり、その時、基板の結晶面方位を維持したまま同じ結晶面の単結晶層が該基板上に成長するようにした装置である。 In a vapor phase growth apparatus that performs epitaxial growth, a material gas, which is a reaction gas introduced into the reaction vessel, undergoes a thermal decomposition reaction on a heated growth substrate to become a compound or a solid solution crystal thereof. This is an apparatus in which a single crystal layer having the same crystal plane is grown on the substrate while maintaining the crystal plane orientation.
気相成長装置のうち、２フローリアクタ装置では、基板上の材料ガスの層流と押さえガス流の合成流が形成され、材料ガスは基板と平行に、且つ直上に流される（特許文献１、参照）。押さえガス流は材料ガス流に垂直又は垂直から４０°程度まで傾けた角度で流される。その結果、材料ガスが基板に押し付けられるように流れる。この２つのガス流すなわち２フローの構成により、たとえば、ＧａＮ結晶成長において、材料ガスが基板上で高温１０００℃程度になり約４．５倍の体積膨張が起こっても、基板上で安定的な材料ガス流が保たれる。 Among the vapor phase growth apparatuses, in the two-flow reactor apparatus, a combined flow of a material gas laminar flow and a pressing gas flow on the substrate is formed, and the material gas flows in parallel and directly above the substrate (Patent Document 1, reference). The holding gas flow is made perpendicular to the material gas flow or at an angle inclined to about 40 ° from the vertical. As a result, the material gas flows so as to be pressed against the substrate. With the configuration of these two gas flows, that is, two flows, for example, even when the material gas reaches a high temperature of about 1000 ° C. on the substrate and a volume expansion of about 4.5 times occurs in GaN crystal growth, The material gas flow is maintained.
たとえば、特許文献２に開示された２フローリアクタ装置は、反応容器内部に、図１に示すように、サセプタ１４と、材料ガスノズル１０ａと、押さえガス噴出器１２とを備え、さらに、第２のガス噴射管１０ｂを備えている。材料ガスノズル１０ａは、回転するサセプタ１４の上に搭載された基板１５の上面に材料ガスを供給できるようにその先端が基板１５の近傍まで延長している。材料ガスとしては、たとえば、水素（Ｈ2）、アンモニアガス（ＮＨ3）、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）を適当な比率で混合した混合ガスが用いられる。また、押さえガス噴出器１２は、基板１５の上方に開口部がくるように設置されている。この押さえガス噴出器１２は、材料ガスを含まない不活性なガスの単体ガスまたはそれらの混合ガスを基板１５に対しで吹き付けている。第２のガス噴射管１０ｂは、基板１５の回転方向に対して逆方向に不活性ガスあるいは希釈された材料ガスを噴射できるように取り付けられ、その開口部は、基板１５の中心点に対して材料ガスノズル１０ａの反対側にある。
For example, a two-flow reactor apparatus disclosed in Patent Document 2 includes a
２フローリアクタ装置を用いた有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法によれば、図２（ａ）に示すように、基板１５上に沿って材料ガスを流した場合、ガスフローの速い流れの層と、この流れの層下の基板表面上に遅い流れの境界層（淀み層）が形成される。結晶成長において、材料ガス分子は速い流れの層から境界層へ供給され境界層の材料分解位置で原子が拡散して熱分解を伴って、基板上の結晶成長に至る。
According to the metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method using a two-flow reactor apparatus, as shown in FIG. 2 (a), when a material gas is flowed along the
図２（ｂ）に示すように、材料ガスはノズル近くの上流部の基板端で濃度は濃く、離れた下流部の基板中央では上流部で消費された分だけ濃度は薄くなる。よって、基板上のエピタキシャル層は、ノズル側前方の上流部の膜厚が厚く、ノズルから遠い後方の下流部の膜厚が薄くなる。 As shown in FIG. 2B, the concentration of the material gas is high at the upstream end of the substrate near the nozzle, and the concentration is reduced by the amount consumed in the upstream portion at the center of the remote downstream substrate. Therefore, in the epitaxial layer on the substrate, the film thickness of the upstream part on the front side of the nozzle is thick, and the film thickness of the downstream part far from the nozzle is thin.
図２（ａ）に示すように、加熱されているサセプタ１４上では基板１５の中央から全体が１０００℃程度となり、サセプタ１４の周縁に至るまでに２００℃程度まで温度が下降する故に、基板形状に沿った円弧状の温度分布が基板１５上に形成される。この円弧状の温度分布が膜厚分布の不均一の原因となる。
As shown in FIG. 2A, since the entire temperature of the
ノズルから供給されたガスは、上流部より急速に加熱されて高温になる。そして、サセプタ温度と同等な温度になり飽和する。材料ガスは４００℃〜４５０℃より急速に分解を開始する。かかる分解開始温度の分布線をガス材料分解熱等温度線と呼ぶことにする（なお、熱等温度線と省略する場合もある）。よって、材料ガス分解熱等温度線と基板の位置関係が膜厚分布を左右することになる。 The gas supplied from the nozzle is rapidly heated from the upstream portion and becomes high temperature. Then, the temperature becomes equal to the susceptor temperature and is saturated. The material gas starts to decompose more rapidly than 400 ° C to 450 ° C. The distribution line of the decomposition start temperature is referred to as a gas material decomposition heat isothermal line (in some cases, it may be abbreviated as a heat isothermal line). Therefore, the positional relationship between the material gas decomposition heat isotherm and the substrate affects the film thickness distribution.
特許文献２の開示技術では、かかる膜厚分布の不均一の解決策として基板の半分よりも材料ノズルから遠い下流位置で第２のガス噴射管から第２のガスを噴射し材料ガスを希釈することで膜厚の均一分布を改善している。 In the disclosed technique of Patent Document 2, as a solution to such non-uniform film thickness distribution, the second gas is injected from the second gas injection pipe at a downstream position farther from the material nozzle than half of the substrate to dilute the material gas. This improves the uniform distribution of film thickness.
さらに、特許文献３では、かかる膜厚分布が不均一になる問題を改善するために、ガス導入口の吹出し幅を横幅方向の場所により変化させることにより、材料ガスの流れに対して垂直方向の膜厚分布を制御することを提案している。さらに、特許文献４では、チャンバの幅方向中央部側と基板周辺部側とでそれぞれ濃度を変化させた材料ガスを複数のインジェクタから吹き出させることを提案されている。 Furthermore, in Patent Document 3, in order to improve the problem that the film thickness distribution becomes non-uniform, the blowing width of the gas inlet is changed depending on the location in the width direction, so that it is perpendicular to the flow of the material gas. It has been proposed to control the film thickness distribution. Further, Patent Document 4 proposes that a material gas whose concentration is changed at the central portion side in the width direction of the chamber and the peripheral portion side of the substrate is blown out from a plurality of injectors.
一般に、窒化物発光半導体素子を形成するにあたり、最低限ｎＧａＮ層、多重量子井戸(ＭＱＷ)層、ｐＧａＮ層の成膜が必要となる。各層はそれぞれ１０００℃、７００℃、９００℃、異なる成長温度が必要となる。ＭＱＷ層はＩｎＧａＮを用いるため温度が高すぎるとＩｎが取り込みにくくなるため低温となる。 Generally, when forming a nitride light emitting semiconductor device, it is necessary to form an nGaN layer, a multiple quantum well (MQW) layer, and a pGaN layer at a minimum. Each layer requires 1000 ° C., 700 ° C., 900 ° C. and different growth temperatures. Since the MQW layer uses InGaN, if the temperature is too high, it becomes difficult to incorporate In, and the temperature becomes low.
材料ガスは基板やセプタからの輻射熱に晒されるので、基板上に上昇気流が発生し成長温度が高いほど材料ガスの境界層が基板から離れてしまう。よって、効率よく材料ガスが基板に供給されない。そのため、成長温度が高い場合には押さえガス流量を多くし押さえの効果を強くし、成長温度が低い場合には押さえガス流量を前記よりも少なくするように、制御している。 Since the material gas is exposed to radiant heat from the substrate and the scepter, an upward air flow is generated on the substrate, and the boundary layer of the material gas is separated from the substrate as the growth temperature is higher. Therefore, the material gas is not efficiently supplied to the substrate. Therefore, when the growth temperature is high, the control gas flow rate is increased to increase the effect of the control, and when the growth temperature is low, the control gas flow rate is controlled to be lower than the above.
図３（ａ）は一般の２フローリアクタ装置における矩形開口の材料ガスノズル１０ａの正面図を示す。図３（ｂ）は材料ガスノズル１０ａとサセプタ１４と基板１５との関係を示す概略上面図を示す。図３（ｃ）は同場合の基板直径上の材料ガス流路における材料ガス濃度分布を説明するグラフを示す。たとえば２フローリアクタ装置において或る成長温度の場合、材料ガスノズル１０ａの長方形のノズル開口の縦幅Ｗｚは幅方向で一定であり、押さえガスが強いため材料ガスは広く材料ガス流路の外周部へ大きく曲げられる故に、図３（ｃ）に示すように材料ガスノズル１０ａによる層流では両側と中心部で平坦な材料ガス濃度分布となる。このような平坦な材料ガス濃度分布では膜厚分布は不均一となってしまう。
Fig.3 (a) shows the front view of the
しかし、窒化物発光半導体素子の成長のように各層毎に成長温度が異なる場合、押さえガス流量が成長温度により変わる故に、これにより生じる上昇気流も変化する。押さえガスもこの上昇気流に応じて変化させることになる。また、材料ガス濃度を層流中心で濃くし外周部を薄くしても、押さえガスによってある程度均一化されてまう。よって、成長温度の変化により押さえガスの作用は一定ではないため、材料ガス濃度分布は各層によって実質的に変化することになる。 However, when the growth temperature is different for each layer as in the growth of a nitride light emitting semiconductor element, the upward gas flow generated thereby also changes because the pressure gas flow rate changes depending on the growth temperature. The holding gas is also changed according to this updraft. Further, even if the material gas concentration is increased at the center of the laminar flow and the outer peripheral portion is decreased, it is made uniform to some extent by the pressing gas. Therefore, since the action of the pressing gas is not constant due to the change in the growth temperature, the material gas concentration distribution substantially changes depending on each layer.
特許文献３に記載された技術思想を適用し、材料ガスノズルの中央幅を狭くし中心付近に材料ガスを多く流す構造を採用したことにより膜厚分布を向上させても、成長温度が変化した場合の上記材料ガスの濃度分布が一定とならない問題は解消されず、成膜温度に応じ材料ガスの境界層位置が変わるため均一な膜厚制御ができない。 When the growth temperature changes even though the film thickness distribution is improved by applying the technical idea described in Patent Document 3 and adopting a structure in which the center width of the material gas nozzle is narrowed and a large amount of material gas flows near the center The problem that the concentration distribution of the material gas is not constant is not solved, and the position of the boundary layer of the material gas changes according to the film forming temperature, so that uniform film thickness control cannot be performed.
特許文献２に記載された技術でも第２のガス噴射口を含めガス供給設備を別に設けたり、特許文献４に記載された技術でも複数供給系統からのガス供給となり制御が複雑且つ多くのマスフローコントローラが必要となるため非常にコストがかかるという問題がある。 Even in the technique described in Patent Document 2, gas supply equipment including a second gas injection port is provided separately, or in the technique described in Patent Document 4, gas supply is performed from a plurality of supply systems, and the control is complicated and many mass flow controllers. There is a problem that it is very costly.
そこで本発明は、簡単な構造で成長結晶層の膜厚均一性を向上させることができ、歩留まりが高い気相成長装置を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a vapor phase growth apparatus that can improve the film thickness uniformity of a grown crystal layer with a simple structure and has a high yield.
本発明の気相成長装置は、基板を水平に担持して前記基板を加熱及び回転するサセプタと、前記サセプタの周囲に位置し、前記基板に水平に材料ガスを誘導するフロー補助板と、不活性ガスまたは水素ガスを、前記基板の法線方向に対して傾けた方向から、前記基板の面積より広い面積で、前記基板に吹付ける押さえガス噴出器と、前記フロー補助板上に沿って位置するノズル開口を有し且つ前記ノズル開口から前記基板の中心に向け前記基板上に沿って材料ガスの層流を水平に供給する材料ガスノズルと、を備え、前記材料ガスノズルは前記フロー補助板に面した底板を有し、前記底板は、前記フロー補助板に近い側に位置し且つ第１熱膨張率を有する第１金属板と、前記フロー補助板から遠い側に位置し且つ前記第１金属板に主面同士で接合され且つ前記第１熱膨張率より小なる第２熱膨張率を有する第２金属板と、からなるバイメタル板であることを特徴とする。 The vapor phase growth apparatus of the present invention includes a susceptor that horizontally supports and heats and rotates the substrate, a flow auxiliary plate that is positioned around the susceptor and guides a material gas horizontally to the substrate, An active gas or hydrogen gas is positioned along the flow auxiliary plate and a holding gas ejector that sprays the active gas or hydrogen gas on the substrate in a direction wider than the area of the substrate from a direction inclined with respect to the normal direction of the substrate. A material gas nozzle that horizontally supplies a laminar flow of material gas along the substrate from the nozzle opening toward the center of the substrate, and the material gas nozzle faces the flow auxiliary plate. A first metal plate having a first coefficient of thermal expansion located on a side closer to the flow auxiliary plate, and being located on a side far from the flow auxiliary plate and the first metal plate. Between the main faces The combined and wherein the second metal plate with small becomes second thermal expansion coefficient than the first thermal expansion coefficient, a bimetal plate made.
本発明の構成によれば、輻射熱に応じバイメタル板の底板をフロー補助板へ接近せしめて材料ガスの境界層を基板付近に作り、さらに材料ガス層流の中間部を両端部分より厚くすると同時に押さえガスの押さえ効果によって、基板中央より周囲のガス濃度を低く維持したまま成長温度による材料ガス濃度分布の変化を制御できる。その結果、成長層の膜厚の均一性を向上させることができる。つまり本発明では、材料ガスノズル先端部にバイメタル板からなる底板を用い、温度の異なる各成長層に最適な材料ガス分布及び押さえガス流量を設定することにより、各層ごとに最適な膜厚分布を得ることが可能となる。 According to the structure of the present invention, the bottom plate of the bimetal plate is brought close to the flow auxiliary plate according to the radiant heat to create a boundary layer of the material gas in the vicinity of the substrate, and the intermediate portion of the material gas laminar flow is made thicker than both end portions and simultaneously pressed. Due to the gas suppression effect, it is possible to control changes in the material gas concentration distribution due to the growth temperature while keeping the surrounding gas concentration lower than the center of the substrate. As a result, the uniformity of the film thickness of the growth layer can be improved. In other words, in the present invention, an optimum film thickness distribution is obtained for each layer by using a bottom plate made of a bimetal plate at the tip of the material gas nozzle and setting an optimum material gas distribution and holding gas flow rate for each growth layer having different temperatures. It becomes possible.
以下に、本発明による一実施形態の装置について、図面を用いて説明する。 Hereinafter, an apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図４は、横形の成長炉として構成された実施形態の２フローリアクタ装置の排気可能な反応容器の内部構造を示す材料ガスの層流に沿った概略断面図である。図５は同２フローリアクタ装置の材料ガスの層流に向かって眺めた概略断面図である。２フローリアクタ装置には、材料ガスの層流を水平に供給する材料ガスノズル１１と、材料ガスの層流を押さえる押さえガスを供給する押さえガス噴出器１２と、材料ガスを水平に誘導するフロー補助板１３と、半導体の成長用の基板１５が載置され回転するサセプタ１４と、遮熱板１６と、サセプタを輻射加熱する加熱器１７と、水冷ジャケット２０とが設けられている。
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view along the laminar flow of the material gas showing the internal structure of the evacuable reaction vessel of the two-flow reactor apparatus of the embodiment configured as a horizontal growth furnace. FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of the two-flow reactor apparatus viewed from the laminar flow of the material gas. The two-flow reactor device includes a
図６は、２フローリアクタ装置の材料ガスノズル１１とサセプタ１４と基板１５との関係を示す概略上面図である。サセプタ１４は、円盤形状をしており中心に回転軸を持ち、１０回／ｍｉｎ〜３０回／ｍｉｎで回転できる。サセプタ１４はカーボン材料で作られ、加熱状態で反応炉内のガスを汚染せず、且つ雰囲気ガスにより反応しない材料、たとえば炭化珪素などでコーティングされている。また、フロー補助板１３は、サセプタに取り付けられており一緒に、回転する。また、加熱器１７は、サセプタ下面に取り付けられており、サセプタより若干大きくサセプタを均一な温度に１０００℃以上に加熱できる。加熱器１７の近傍には、熱電対が設置され、その値から温度制御してサセプタ１４を設定温度に加熱する。
FIG. 6 is a schematic top view showing the relationship among the
遮熱板１６は、加熱器１７の外周に位置し、加熱器の輻射熱でノズル１１が加熱されないように遮断する。なお、遮熱板１６の外周に水冷ジャケット２０が設けると更に断熱性は向上する。また、水冷ジャケット２０の上端はフロー補助板１３の直下まで延長されている。但し、フロー補助板１３の回転を妨げないように僅かな隙間を設けてある。
The
基板１５はサセプタ１４上に共に同一平面となるように水平に載置される。
The
押さえガス噴出器１２は基板中央部上面に設置され基板１４に対し垂直又は数度で材料ガスの下流部方向に傾斜した状態すなわちやや斜めの角度θ（０°≦θ＜４０°）で流すように設置されている。押さえガス噴出器１２からの押さえガス流（フロー）としては、基板１５を覆う有効面積でＨ2又はＮ2（窒素）のガスを吹付ける。押さえガス流量は、１０００℃で成長する場合の流量は１０Ｌ／ｍｉｎ〜４０Ｌ／ｍｉｎを流す。８００℃で成長する場合は５Ｌ／ｍｉｎ〜３０Ｌ／ｍｉｎを流す。押さえガスには材料ガスは含まれない。
The holding
材料ガスノズル１１はフロー補助板１３に近い側に位置する水平な底板１１Ｕと底板１１Ｕの両端を固着するノズル本体１１Ｔとからなる管体である。材料ガスノズル１１は、サセプタ上基板に対し平行又は数度傾斜した状態で、基板１５から先端開口１１oが距離５ｍｍ〜１５ｍｍ以内になるように設置され、基板上に材料ガスを層流として噴射する。ここで、材料ガスには、窒素（Ｎ2）、Ｈ2、ＮＨ3、ｎ型ドーパントガス（モノシランガス（ＳｉＨ4）、ジシランガス（Ｓｉ2Ｈ6））、有機金属ガス（トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、ＴＥＧａ（トリエチルガリウム）、ＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）、Ｃｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム））が挙げられる。実施形態においては、常温時の材料ガスノズル１１の長方形の開口１１oの水平方向の横幅Ｗｙ及び鉛直方向の縦幅Ｗｚはそれぞれたとえば７０ｍｍ及び３ｍｍである。
The
図７は、フロー補助板１３側から見た材料ガスノズル１１の概略斜視図である。
FIG. 7 is a schematic perspective view of the
実施形態の材料ガスノズル１１では、その底板１１Ｕをバイメタル板として、加熱器１７からの幅射熱（成長温度）に応じてノズル先端形状を変化させてフロー補助板１３に近づける。底板１１Ｕは、フロー補助板１３に近い側に位置する第１金属板ＢＭ１と第２金属板ＢＭ２と接合されてなるバイメタル板である。第２金属板ＢＭ２は第１金属板ＢＭ１の第１熱膨張率より小なる第２熱膨張率を有する。
In the
底板１１Ｕのバイメタル板は熱膨張係数の大きい金属材料たとえばタングステン（熱膨張係数４．３×１０-6）の第１金属板ＢＭ１と熱膨張係数の小さい金属材料たとえばインバー（熱膨張係数１．２×１０-6）の第２金属板ＢＭ２を圧着接合して作製できる。ノズル本体１１Ｔは第２金属板ＢＭ２の第２熱膨張率と第１金属板ＢＭ１の第１熱膨張率の間の熱膨張率を有するたとえば石英などから形成され得る。
The bimetal plate of the bottom plate 11U is composed of a metal material having a large thermal expansion coefficient, for example, a first metal plate BM1 made of tungsten (thermal expansion coefficient 4.3 × 10 −6 ), and a metal material having a small thermal expansion coefficient, for example, Invar (thermal expansion coefficient 1.2). The second metal plate BM2 of × 10 -6 ) can be produced by pressure bonding. The
ガスノズル１１は、ノズル外側に大きい熱膨張係数の第１金属板ＢＭ１が位置しノズル内側に小さい熱膨張係数の第２金属板ＢＭ２が位置するように、底板１１Ｕをノズル本体１１Ｔにビス止めや圧着溶接で固定して作製できる。ノズル本体１１Ｔは底板１１Ｕの両端を支持するとともに、ノズル本体１１Ｔと底板１１Ｕが流路と開口１１oを画定する。よって底板１１Ｕの両端間の中央部分が、輻射熱で膨張した場合、フロー補助板に近づくように湾曲するので、本例の場合はノズル開口１１oの形状が中心縦幅で広く外周部両側で狭くすることができる。これにより、材料ガスノズル１１は、層流中心部で材料ガス濃度を高く外周部に向かい低くなる層流を供給できる。
In the
材料ガスノズル１１の先端が幅射熱を受けて変形するため、基板温度を１０００℃で成長する場合、ノズル先端部が約１５０℃程度となるように、ノズル位置を調整することが望ましい。上記構造の場合１０００℃で成長の場合、底板１１Ｕの中心縦幅は常温に対し約ｌｍｍほど下に広がることになる。
Since the front end of the
図７（ａ）に示すように、底板１１Ｕがノズル本体１１Ｔの下側の全てを覆うように一枚もののバイメタル板を用いてガスノズル１１は構成できる。この場合ガスノズル１１の後部の幅射熱は小さくなるため、底板１１Ｕにかかる熱が小さくなる。この場合、第１金属板ＢＭ１には熱膨張係数の大きな材料を使用することが望ましい。
As shown in FIG. 7A, the
図７（ｂ）に示すように、ノズル底板１１Ｕは先端部１１Ａと後端部１１Ｂに分け敷き詰めて構成できる。これによれば、ノズル先端部と後方部では加熱器１７からの輻射熱に違いがあり、先端部１１Ａが湾曲し易くなるので変形の時間応答性が向上する。
As shown in FIG. 7 (b), the nozzle bottom plate 11U can be configured by laying down the
図７（ｃ）に示すように、ノズル底板１１Ｕは複数、たとえば５枚の分割バイメタル板１１Ａ〜１１Ｅに分け敷き詰めて構成できる。５枚の分割バイメタル板１１Ａ〜１１Ｅはノズル開口１１oから管体の伸長方向へ順に並設されている。これによれば、上記の変形の時間応答性の向上と、分割板それぞれの湾曲率が異なるので基板に近づくに従い湾曲がおおきくなるノズル底板の形状が得られる。さらに、ノズル先端部と後方部では加熱器からの輻射熱に違いがあり、これによる温度分布は連続的なものなので、材料ガスノズルの奥行きに沿って開口縦幅も連続的なものになる。
As shown in FIG. 7 (c), the nozzle bottom plate 11U can be configured by being divided into a plurality of, for example, five divided
次に材料ガスノズル１１の動作について説明する。
Next, the operation of the
図８（ａ）は成長温度が低い場合の２フローリアクタ装置の材料ガスノズル１１の正面図である。図８（ｂ）は同場合の材料ガスノズル１１とサセプタ１４と基板１５との関係を示す概略上面図である。図８（ｃ）は同場合の基板直径上の材料ガス流路における材料ガス濃度分布を説明するグラフである。尚、ここでは押さえガスによる材料ガス濃度分布に対する影響はないものとして記載している。成長温度が低い場合、材料ガスノズル１１のノズル開口の縦幅は、輻射熱に応じて中心縦幅が広くなり（Ｗｚ１）、外周部にいくにつれて狭くなる。よって、材料ガスノズル１１からの層流では両側より中心部から少し多く材料ガス（太い矢印）が基板１５***へ供給される。実際、押さえガスにより材料ガスは外周部すなわち両側へ曲げられるけれども、材料ガス流路の横断方向の材料ガス濃度分布は中心が高く外側にいくに従い薄くなる。
FIG. 8A is a front view of the
図９（ａ）は成長温度が高い場合の２フローリアクタ装置の材料ガスノズル１１の正面図である。図９（ｂ）は同場合の材料ガスノズル１１とサセプタ１４と基板１５との関係を示す概略上面図である。図９（ｃ）は同場合の基板直径上の材料ガス流路における材料ガス濃度分布を説明するグラフである。尚、ここでは押さえガスによる材料ガス濃度分布に対する影響はないものとして記載している。成長温度が高い場合、材料ガスノズル１１のノズル開口の縦幅は、高い成長温度の場合より輻射熱に応じて中心縦幅が更に広くなり（Ｗｚ２）、外周部にいくにつれて狭くなる。よって、材料ガスノズル１１からの層流では両側より中心部から更に多く材料ガス（太い矢印）が基板１５***へ供給される。実際、押さえガスが強いため材料ガスはより外周部（材料ガス流路の）へより曲げられるけれども、材料ガス流路の横断方向の材料ガス濃度分布は中心が高く外側にいくに従い薄くなる。ただし、成長温度が高い場合は成長温度が低い場合に比べ上昇気流を抑えるため、押えガス流量を多くしている。そのため材料ガスを外周部へ曲げる作用も大きくなる。つまり、成長温度が高い場合は成長温度が低い場合に比べ、材料ガスノズルから中心部により材料ガスが供給されるが、より強い押えガスの作用により外周部へ広げられる。結果、材料ガスノズルと押えガスの作用は打ち消しあい、成長温度による材料ガス濃度分布の変化は抑制されることになる。
FIG. 9A is a front view of the
本例の構造を用いることにより、成長温度に応じて材料ガスノズルの中心縦幅から多く材料ガスが供給され、外周部に行くに従い極端に材料ガス濃度が薄くなる。押さえガスにより材料ガスは連続的に中心から外側に向かい濃度変化をもたらすと共に成長温度に応じて材料ガスを外側に曲げる作用も大きくしている。よって、本来ＧａＮ層は凹状の膜厚分布となるが上記材料ガスノズルの効果と重なって均一な膜厚分布を得ることが可能となる。また、本実施形態においては、押さえガスを利用し、材料ガスフローにおいて基板１５中心から両側外周部にかけて濃度分布を持たせることで、材料ガスの適正な濃度分布と材料ガスの効率的使用を達成している。
By using the structure of this example, a large amount of material gas is supplied from the center longitudinal width of the material gas nozzle according to the growth temperature, and the concentration of the material gas becomes extremely thin toward the outer peripheral portion. The holding gas continuously changes the concentration of the material gas from the center to the outside, and also increases the action of bending the material gas outward according to the growth temperature. Therefore, although the GaN layer originally has a concave film thickness distribution, it is possible to obtain a uniform film thickness distribution overlapping with the effect of the material gas nozzle. Further, in the present embodiment, by using a holding gas and having a concentration distribution from the center of the
次に材料ガスノズル１１の効果について説明する。
Next, the effect of the
一般にＧａＮ系エピタキシャル結晶成長は、図２（ａ）に示すように、材料分解位置が基板に近いほうが良質な結晶が成長する。これは、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓなどが８００℃程度で成長するのに対してＧａＮ系では１０５０℃と高温で成長する故に、従来のＭＯＣＶＤ装置と同様な熱設計では材料分解が基板遠方の上流で開始され、材料の枯渇による成膜エリアが減少する問題や、基板上への不活性結晶種が飛来し結晶性が低下する問題が発生することを防止するためである。 Generally, in the GaN-based epitaxial crystal growth, as shown in FIG. 2 (a), a higher quality crystal grows when the material decomposition position is closer to the substrate. This is because AlGaInP, AlGaAs, etc. grow at a temperature of about 800 ° C. whereas GaN grows at a high temperature of 1050 ° C. Therefore, material decomposition starts upstream from the far side of the substrate in the same thermal design as a conventional MOCVD apparatus. This is to prevent the problem that the film forming area is reduced due to the material depletion and the problem that the crystallinity is lowered due to the inactive crystal seeds flying on the substrate.
ＧａＮ結晶の結合エネルギーは高く、結晶の融点は２５００℃以上である。そのため、たとえばＴＭＧａとＮＨ3の材料ガスが分解生成したＧａＮ結晶種が、基板表面で結晶成長面の安定サイトに移動し結合する時間を長くするために、結晶成長温度を約１０５０℃と高くする。また、同理由により基板成長面以外の低温部で生成した不活性結晶種は、ただちにエネルギーを失うため結晶成長に寄与できない。又は、多結晶の核などになり結晶成長を阻害する。一方、ＴＭＧａなどの有機金属化合物の分解温度は約４００℃〜４５０℃と低い。そのため、材料ガス分解熱等温度線が基板より離れていると、成長速度が遅くなったり、基板全面に結晶成長できなったり、結晶性が低下する。以上より、ＧａＮ系の結晶成長においては、材料ガスの分解熱等温度線をできる限り基板上流端に近づける必要がある。 The binding energy of the GaN crystal is high, and the melting point of the crystal is 2500 ° C. or higher. Therefore, the crystal growth temperature is increased to about 1050 ° C., for example, in order to lengthen the time for the GaN crystal seeds generated by decomposition of TMGa and NH 3 material gas to move to the stable site of the crystal growth surface on the substrate surface and bond. . Further, for the same reason, the inert crystal seeds generated in the low temperature part other than the substrate growth surface immediately lose energy and cannot contribute to crystal growth. Alternatively, it becomes a polycrystal nucleus and inhibits crystal growth. On the other hand, the decomposition temperature of organometallic compounds such as TMGa is as low as about 400 ° C to 450 ° C. Therefore, if the temperature line of material gas decomposition heat is away from the substrate, the growth rate is slow, crystal growth cannot be performed on the entire surface of the substrate, or crystallinity is lowered. From the above, in GaN-based crystal growth, it is necessary to bring the decomposition heat isothermal line of the material gas as close as possible to the upstream end of the substrate.
しかしながら、上記の図２及び図３に示す構成の場合、材料ガスフローの上流側の「材料ガス分解熱等温度線」は円弧状になるので、膜厚分布が凹状になる。 However, in the case of the configuration shown in FIGS. 2 and 3, the “material gas decomposition heat isothermal line” on the upstream side of the material gas flow has an arc shape, so that the film thickness distribution becomes concave.
かかる膜厚分布が凹状になる現象を説明する。たとえば、材料ガス流路上のＧａＮ系結晶膜厚について、図１０（Ａ）に示すように、ノズル１１から基板１５の中心を通る材料ガス流路Ｆ１と、基板１５中心からの第１半径位置を通る材料ガス流路Ｆ２と、基板１５中心からの第１より遠い第２半径位置を通る材料ガス流路Ｆ３を考察してみる。ここで、円弧状のガス材料分解熱等温度線と流路Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３との交点ｃｐ１、ｃｐ２、ｃｐ３からガス材料分解が始まるとする。
The phenomenon that the film thickness distribution becomes concave will be described. For example, regarding the GaN-based crystal film thickness on the material gas flow path, as shown in FIG. 10A, the material gas flow path F1 passing through the center of the
まず、従来のノズル開口の幅は一定であって、基板が回転しない場合の材料ガス流路Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３上の膜厚分布を図１０（ａ）（ｂ）（ｃ）のグラフに示す。図１０（ａ）（ｂ）（ｃ）の縦軸は膜厚を、横軸は層流に沿った基板直径位置を示す。図１０（ａ）（ｂ）（ｃ）の縦軸においてｔ（ｃｐ１）は熱等温度線の流路Ｆ１の交点ｃｐ１下の膜厚を、ｔ（ｃｐ２）は熱等温度線の流路Ｆ２の交点ｃｐ２下の膜厚を、ｔ（ｃｐ３）は熱等温度線の流路Ｆ３の交点ｃｐ３下の膜厚を、示す。図１０（ａ）（ｂ）（ｃ）のそれぞれＴ１、Ｔ２、Ｔ３の膜厚分布は分解開始点である交点ｃｐ１、ｃｐ２、ｃｐ３から減少するように変化する。図１０（Ａ）に示す基板中心線ＣＬを通り流路Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３との交点ＣＬ１、ＣＬ２、ＣＬ３下の膜厚はそれぞれｔ（ＣＬ１）、ｔ（ＣＬ２）、ｔ（ＣＬ３）である。従って、基板が回転しない場合、材料ノズル１１に近い側の流路の上流部の膜厚が厚く、下流部の膜厚が薄くなる。
First, the film thickness distribution on the material gas flow paths F1, F2, and F3 when the width of the conventional nozzle opening is constant and the substrate does not rotate is shown in the graphs of FIGS. 10 (a), 10 (b), and 10 (c). . 10A, 10B, and 10C, the vertical axis represents the film thickness, and the horizontal axis represents the substrate diameter position along the laminar flow. 10 (a), (b), and (c), t (cp1) is the film thickness below the intersection cp1 of the flow path F1 of the thermal isothermal line, and t (cp2) is the flow path F2 of the thermal isothermal line. T (cp3) indicates the film thickness under the intersection cp3 of the flow path F3 of the thermal isothermal line. The film thickness distributions at T1, T2, and T3 in FIGS. 10A, 10B, and 10C change so as to decrease from the intersection points cp1, cp2, and cp3 that are the decomposition start points. The film thicknesses at the intersections CL1, CL2, and CL3 passing through the substrate center line CL shown in FIG. 10A and below the flow paths F1, F2, and F3 are t (CL1), t (CL2), and t (CL3), respectively. . Therefore, when the substrate does not rotate, the film thickness in the upstream portion of the flow path near the
基板が回転する場合、上流側と下流側が回転毎に入替るので膜厚はフラットになると考えられるが、実際は、熱等温度線が円弧状になっているために、基板の中央よりも外周側のほうが膜厚は厚くなる。具体的に、図１０（Ａ）に示す基板中心線ＣＬを通り流路Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３との交点ＣＬ１、ＣＬ２、ＣＬ３下の膜厚は図１０（ｄ）の直交方向の膜厚分布のグラフに示すように、流路の基板両端側ほど厚くなる。図１０（ｄ）の縦軸は層流に直交する基板直径位置を、横軸は膜厚ｔ（ＣＬ）を示す。かかるＧａＮ層の凹状膜厚分布は中央部と周辺部で約１０％程度の差異となる場合がある。この現象は、材料ガス流路Ｆ２、Ｆ３に示す材料ガス層流は基板直径の両端へ行くほど、基板エリアの中心線ＣＬ上では熱等温度線と近くなるため、材料ガスが使用されていない分、両端側が厚く堆積されるためである（ｔ（ＣＬ１）＜ｔ（ＣＬ２）＜ｔ（ＣＬ３））。 When the substrate rotates, the film thickness is thought to be flat because the upstream side and the downstream side are switched at each rotation, but in reality, the thermal isothermal line is arcuate, so the outer peripheral side of the center of the substrate The film becomes thicker. Specifically, the film thickness below the intersections CL1, CL2, and CL3 passing through the substrate center line CL shown in FIG. 10A and the flow paths F1, F2, and F3 is the film thickness distribution in the orthogonal direction of FIG. As shown in the graph, the thickness increases toward both ends of the substrate in the flow path. In FIG. 10D, the vertical axis represents the substrate diameter position orthogonal to the laminar flow, and the horizontal axis represents the film thickness t (CL). The concave film thickness distribution of the GaN layer may differ by about 10% between the central portion and the peripheral portion. This phenomenon is caused by the fact that the material gas laminar flow shown in the material gas flow paths F2 and F3 is closer to the thermal isothermal line on the center line CL of the substrate area as it goes to both ends of the substrate diameter. This is because both end sides are thickly deposited (t (CL1) <t (CL2) <t (CL3)).
結果、熱等温度線が円弧状の場合、基板回転しても膜厚均一にならず凹状になる。さらに、材料ガスノズルから噴出されたガスは押さえガスにより基板外周への拡げられるため、一層、基板外周部での成長が促進され凹状の膜厚分布になる。 As a result, when the heat isothermal line has an arc shape, the film thickness does not become uniform even when the substrate is rotated, resulting in a concave shape. Furthermore, since the gas ejected from the material gas nozzle is spread to the outer periphery of the substrate by the holding gas, the growth at the outer periphery of the substrate is further promoted to form a concave film thickness distribution.
上記の材料ガス分解熱等温度線より基板外周部に行くにつれ膜厚分布が厚くなるが、本実施形態によれば、材料ノズル間口の中心縦幅を広くし、外周にいくにつれて狭くすることにより、図１０（ｅ）に示すように、基板位置中心（ＣＬ１）から外周部（ＣＬ３）に行くにつれ材料ガス濃度が薄くすることを実現できる。これを利用して、膜厚分布と材料ガス濃度分布の関係が相殺され均一な面内膜厚分布が実現可能となる。このように、輻射熱に応じてノズル間口の中央の縦幅が外側の縦幅に対し２０〜５０％ほど広くなるように材料ガスノズルの設計を施すことにより、層流の最適な中心部のガス濃度が得られ、押さえガスにより連続的に中心から外周部へと濃度分布をもたらし均一な膜厚みを得ることが可能となる。 Although the film thickness distribution becomes thicker as it goes from the above-mentioned material gas decomposition heat isotherm to the outer periphery of the substrate, according to this embodiment, by increasing the center vertical width of the material nozzle opening and narrowing it toward the outer periphery, As shown in FIG. 10E, the material gas concentration can be reduced as it goes from the substrate position center (CL1) to the outer peripheral portion (CL3). By utilizing this, the relationship between the film thickness distribution and the material gas concentration distribution is offset, and a uniform in-plane film thickness distribution can be realized. In this way, by designing the material gas nozzle so that the vertical width of the center of the nozzle front is 20 to 50% wider than the vertical width of the nozzle according to the radiant heat, the optimum gas concentration at the center of the laminar flow Thus, a concentration distribution is continuously generated from the center to the outer peripheral portion by the pressing gas, and a uniform film thickness can be obtained.
従来構造では基板に対し材料ガスノズルの間口の縦及び横方向が一定の開口形状を用いる故に、基板周辺部でのガス濃度が高くなり、その結果、該周辺部の成長レートが上がり膜厚が厚くなる傾向があった。一方、本実施形態では図８及び図９に示すようにノズル開口の縦幅Ｗｚは、輻射熱に応じて中心縦幅を広く外周部にいくにつれて狭くなる特性を有する。これにより、材料ガスノズルから供給されるガスは、従来に比べ材料ガスノズル中心部からより多くガスが供給され、基板外周部すなわち材料ガス流路の両側上はガス濃度が薄くなる。さらに押さえガスを用いることにより材料ガスを上下方向に流れるようにし、濃度分布は基板前方の上流から後方の下流側に行くに従って薄くなる現象に加え、基板中心から外周部すなわち材料ガス流路の両側に向かって連続的に濃度分布を持つようになる。また、押さえガスは成長温度が高い場合は低い場合に比べて流量を大きくしているので材料ガスが外側に曲げられる作用も大きくなり、ガスノズルの供給量変化と打ち消しあい成長温度による材料ガス濃度分布の変化は抑制される。よって従来では基板の材料ガス流路の両側の前方の上流部に高濃度のガスが供給されていたが、本実施形態を利用することにより、材料ガス流路の両側部のガス濃度が減り、基板前方の上流からから後方の下流側に向かいガス濃度が薄くなるような傾向となる。また材料ガス流路の両側では、ノズル間口厚は基板の外周部にいくに従い薄くなる形状を反映し、さらに押さえガスも加わりガス濃度も基板の中心から材料ガス流路の両側に向かって連続的に濃度分布を持つようになる。また、材料ガス濃度分布の温度による変化は抑制される。これらの結果から均一な膜厚の結晶成長が可能となる。 In the conventional structure, the vertical and horizontal direction of the front edge of the material gas nozzle with respect to the substrate is used, so that the gas concentration in the peripheral portion of the substrate increases, and as a result, the growth rate of the peripheral portion increases and the film thickness increases. There was a tendency to become. On the other hand, in this embodiment, as shown in FIGS. 8 and 9, the vertical width Wz of the nozzle opening has a characteristic that the central vertical width becomes wider according to the radiant heat and becomes narrower toward the outer peripheral portion. As a result, the gas supplied from the material gas nozzle is supplied more from the center of the material gas nozzle than in the conventional case, and the gas concentration is reduced on the outer periphery of the substrate, that is, on both sides of the material gas flow path. Furthermore, by using a holding gas, the material gas flows in the vertical direction, and the concentration distribution becomes thinner as it goes from the upstream upstream of the substrate to the downstream downstream, and from the center of the substrate to the outer periphery, that is, both sides of the material gas flow path. It has a concentration distribution continuously toward the. In addition, since the flow rate of the holding gas is higher when the growth temperature is high compared to when it is low, the action of the material gas is also increased. This change is suppressed. Therefore, in the past, high-concentration gas was supplied to the front upstream portion on both sides of the material gas flow path of the substrate, but by using this embodiment, the gas concentration on both sides of the material gas flow path is reduced, The gas concentration tends to decrease from the upstream in front of the substrate to the downstream downstream in the rear. Also, on both sides of the material gas flow path, the nozzle gap thickness reflects the shape that becomes thinner toward the outer periphery of the substrate, and the gas concentration is continuously increased from the center of the substrate toward both sides of the material gas flow path. It has a concentration distribution. Moreover, the change by temperature of material gas concentration distribution is suppressed. From these results, crystal growth with a uniform film thickness becomes possible.
本実施形態は、Ｓｉ結晶などの他材料よりもＧａＮ結晶の結合エネルギーはより高く、結晶の融点が高いため、上記の２フローリアクタ装置を用いた、ＴＭＧａ、ＴＥＧａ、ＴＭＡｌ、ＴＭＩｎ、Ｃｐ２ＭｇとＮＨ3、ＳｉＨ4、Ｓｉ2Ｈ6などを材料として成長する窒化物半導体の結晶成長に特に適している。 In this embodiment, since the binding energy of the GaN crystal is higher than that of other materials such as Si crystal and the melting point of the crystal is higher, TMGa, TEGa, TMAl, TMIn, Cp2Mg, and NH using the above-described two-flow reactor device. 3 , particularly suitable for crystal growth of nitride semiconductors grown using SiH 4 , Si 2 H 6 or the like as a material.
また、本実施形態は、フロー断面の濃度分布を利用するので、フロー分割されガスの流れ方向が決まっているチャネル式ノズルよりも、ガスの流れを制限しないオープンフロー構造ノズルに対して有効の手段となる。 In addition, since this embodiment uses the concentration distribution of the flow cross section, it is more effective for an open flow structure nozzle that does not restrict the gas flow than a channel type nozzle in which the flow direction is divided and the gas flow direction is determined. It becomes.
さらに、実施形態において、材料ガス流量／材料ガスの流量比を変更することにより、異なる基板サイズにも対応が可能となる。押さえガス噴出器から放出される押さえガスは、噴出器の開口、スリットなど出口形状により流速は変化する。実際は、基板上の押さえガスが材料ガスを広げる形状に流速は関係するので、材料ガス流速を基準とした場合の押さえガス流量比Ｆｈｖ（＝押さえガス流速Ｙ／材料ガス流速Ｘ）を規定する。材料ガス流速をＸ、基板上での押さえガス流速をＹとすると、流量比はＦｈｖ＝Ｙ／Ｘで表される。流量比は材料ガス流速が速く押さえガスが材料ガスを横に曲げる効果に関係する。 Furthermore, in the embodiment, it is possible to cope with different substrate sizes by changing the material gas flow rate / material gas flow rate ratio. The flow rate of the holding gas released from the holding gas ejector varies depending on the shape of the outlet, such as the opening of the ejector and the slit. Actually, since the flow rate is related to the shape in which the holding gas on the substrate expands the material gas, the holding gas flow rate ratio Fhv (= pressing gas flow rate Y / material gas flow rate X) is defined based on the material gas flow rate. When the material gas flow rate is X and the pressure gas flow rate on the substrate is Y, the flow rate ratio is expressed as Fhv = Y / X. The flow rate ratio is related to the effect that the material gas flow rate is fast and the holding gas bends the material gas sideways.
たとえば、下記の実施例１の場合では、材料ガス流速Ｘが約２．２ｍ／ｓｅｃで、押さえガス流速Ｙが約０．０８６ｍ／ｓｅｃであって、つまり、流量比Ｆｈｖ＝Ｙ／Ｘ＝０．０４となる。流量比の範囲は、０．２５≦Ｆｈｖ≦１５、好ましくは１≦Ｆｈｖ≦８の範囲内で設定される。材料ガス流量／材料ガスの流量比を満たす条件に各流速を合わせることにより均一な膜の成長が可能となる。 For example, in the case of Example 1 below, the material gas flow rate X is about 2.2 m / sec and the pressure gas flow rate Y is about 0.086 m / sec, that is, the flow rate ratio Fhv = Y / X = 0. .04. The range of the flow rate ratio is set within a range of 0.25 ≦ Fhv ≦ 15, preferably 1 ≦ Fhv ≦ 8. A uniform film can be grown by adjusting each flow rate to a condition satisfying the material gas flow rate / material gas flow rate ratio.
上記実施形態の２フローリアクタ装置によりＧａＮ結晶を成長させた。
（基板）
成長用の基板には、２インチφのｃ面サファイア単結晶基板、厚みｔ＝０．４３ｍｍ、面方位が＜１０−１０＞方向へ０．０５°傾いた０．０５°オフ基板、いわゆる（０００１）０．０５°off to＜１０−１０＞基板を用いた。
（成長）
基板熱処理工程として、材料ガスノズルからＨ2を１０Ｌ／ｍｉｎ流し、押さえガスとしてＨ2とＮ2とを１：１の混合比で３０Ｌ／ｍｉｎ流し、１０００℃で１０分熱処理した。
A GaN crystal was grown by the two-flow reactor apparatus of the above embodiment.
(substrate)
As a growth substrate, a 2-inch φ c-plane sapphire single crystal substrate, a thickness t = 0.43 mm, and a 0.05 ° off-substrate whose plane orientation is inclined by 0.05 ° in the <10-10> direction, so-called ( [0001] 0.05 ° off to <10-10> substrate was used.
(growth)
As a substrate heat treatment step, H 2 was flowed from a material gas nozzle at 10 L / min, H 2 and N 2 were flowed at 30 L / min as a holding gas at a mixing ratio of 1: 1, and heat treatment was performed at 1000 ° C. for 10 minutes.
緩衝層の形成工程として、材料ガスノズルからＴＭＧａを２０μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ3を２Ｌ／ｍｉｎ、そして総量が１０Ｌ／ｍｉｎになるようにＨ2を加えて流した。押さえガスにはＨ2とＮ2とを１：１の混合比で３０Ｌ／ｍｉｎ流し、成長温度約５５０℃で１０分成長し、低温ＧａＮ層を成長した。 As a buffer layer forming step, TMGa was added from a material gas nozzle at 20 μmol / min, NH 3 was added at 2 L / min, and H 2 was added so that the total amount was 10 L / min. As a holding gas, H 2 and N 2 were flowed at a mixing ratio of 1: 1 of 30 L / min and grown at a growth temperature of about 550 ° C. for 10 minutes to grow a low-temperature GaN layer.
緩衝層の熱処理工程として、材料ガスノズルからＨ2を１０Ｌ／ｍｉｎ流し、押さえガスとしてＨ2とＮ2とを１：１の混合比で３０Ｌ／ｍｉｎ流し、１０５０℃で１０分熱処理し低温ＧａＮ層を熱処理した。 As a heat treatment step for the buffer layer, H 2 was flowed from the material gas nozzle at 10 L / min, H 2 and N 2 were flowed at 30 L / min as a holding gas at a mixing ratio of 1: 1, and heat treatment was performed at 1050 ° C. for 10 minutes to form a low temperature GaN layer Was heat treated.
次に、高温ＧａＮ層の形成工程として、上記のバイメタル板の底板を有する材料ガスノズルよりＴＭＧａを４０μｍｏｌ／ｍｉｎとＮＨ3を４Ｌ／ｍｉｎ、総量が１０Ｌ／ｍｉｎになるようにＨ2を加えて流した。押さえガスにはＨ2とＮ2とを１：１の混合比で３０Ｌ／ｍｉｎ流した。成長温度約１０５０℃で１時間成長し、膜厚約３μｍのＧａＮエピタキシャル結晶層を得た。ｎ型ＧａＮ層にするには、ＳｉＨ4又はＳｉ2Ｈ6をＳｉ不純物密度が５×１０18（個／ｃｍ3）程度になるように添加することができる。 Next, as a step of forming the high-temperature GaN layer, in addition of H 2 as a 40 [mu] mol / min and NH 3 and TMGa than the material nozzle having a bottom plate of the bimetallic plate 4L / min, the total amount becomes 10L / min flow did. As a holding gas, H 2 and N 2 were flowed at a mixing ratio of 1: 1 at 30 L / min. Growth was performed at a growth temperature of about 1050 ° C. for 1 hour to obtain a GaN epitaxial crystal layer having a thickness of about 3 μm. To form an n-type GaN layer, SiH 4 or Si 2 H 6 can be added so that the Si impurity density is about 5 × 10 18 (pieces / cm 3 ).
上記実施形態の２フローリアクタ装置により半導体層を成長させてＭＱＷ構造発光素子すなわち窒化物系半導体発光装置を作製した。 A semiconductor layer was grown by the two-flow reactor device of the above embodiment to produce an MQW structure light emitting element, that is, a nitride semiconductor light emitting device.
緩衝層の熱処理まで、実施例１に同じ故に、説明を省略する。 Since the process up to the heat treatment of the buffer layer is the same as that of the first embodiment, description thereof is omitted.
ｎ型ＧａＮ層の形成工程として、ｎ型ＧａＮ層の厚みを４．５μｍとし、ｎ型ＧａＮ層にするためにＳｉＨ4をＳｉ不純物密度が６×１０18（個／ｃｍ3）程度になるように添加した以外は、実施例１のＧａＮ層の形成工程に同一プロセスであった。 As a process for forming the n-type GaN layer, the thickness of the n-type GaN layer is 4.5 μm, and SiH 4 has a Si impurity density of about 6 × 10 18 (pieces / cm 3 ) to form the n-type GaN layer. The GaN layer was formed by the same process as that of Example 1 except that the GaN layer was added to the GaN layer.
次に、発光層の形成工程を次のように行った。実施例１と同一の材料ガスノズルからＮＨ3を４Ｌ／ｍｉｎ、総量が１０Ｌ／ｍｉｎになるようにＮ2を加えて流しながら成長温度約８００℃まで降下させた。押さえガスにはＮ2を３０Ｌ／ｍｉｎ流した。温度に達したら、まず、ＧａＮのバリア層を成長するために材料ガスノズルよりＴＥＧａを５．５μｍｏｌ／ｍｉｎとＮＨ3を４Ｌ／ｍｉｎ、総量が１０Ｌ／ｍｉｎになるようにＮ2を加えて流した。そのときの押さえガスにはＮ2を３０Ｌ／ｍｉｎ流した。約３分間成長し１８ｎｍの結晶層を得た。 Next, the formation process of the light emitting layer was performed as follows. The growth temperature was lowered to about 800 ° C. while N 2 was added and flowed from the same material gas nozzle as in Example 1 so that NH 3 was added at 4 L / min and the total amount was 10 L / min. The holding gas was made to flow N 2 at 30 L / min. When the temperature is reached, first, in order to grow a GaN barrier layer, N 2 is added and flowed from a material gas nozzle so that TEGa is 5.5 μmol / min, NH 3 is 4 L / min, and the total amount is 10 L / min. . At that time, N 2 was allowed to flow at 30 L / min. The crystal layer of 18 nm was obtained by growing for about 3 minutes.
次に、バリア層形成後、ＩｎＧａＮ井戸層を成長するために材料ガスノズルよりＴＥＧａを５．５μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＩｎを６．５μｍｏｌ／ｍｉｎとＮＨ3を４Ｌ／ｍｉｎ、総量が１０Ｌ／ｍｉｎになるようにＮ2を加えて流した。そのときの押さえガスにはＮ2を３０Ｌ／ｍｉｎ流した。約２５秒間成長し、３ｎｍの結晶層を得た。 Next, after forming the barrier layer, TEGa is 5.5 μmol / min, TMIn is 6.5 μmol / min, NH 3 is 4 L / min, and the total amount is 10 L / min from the material gas nozzle to grow the InGaN well layer. N 2 was added to the sample and allowed to flow. At that time, N 2 was allowed to flow at 30 L / min. Growing for about 25 seconds, a 3 nm crystal layer was obtained.
これらバリア層及び井戸層の形成工程を６周期繰り返し成長し、発光層として、ＭＱＷ構造を形成した。そして、キャップ層としてＧａＮバリア層を成長させた。 The formation process of these barrier layers and well layers was repeatedly grown for 6 periods to form an MQW structure as a light emitting layer. Then, a GaN barrier layer was grown as a cap layer.
次に、ブロック層の形成工程として、材料ガスノズルからＮＨ3を４Ｌ／ｍｉｎ、総量が１０Ｌ／ｍｉｎになるようにＨ2を加えて流しながら成長温度約９５０℃まで昇温させた。温度安定後ＴＭＧａを３．５μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡｌを０．４μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ3を４Ｌ／ｍｉｎ、総量が１０Ｌ／ｍｉｎになるようにＨ2を加えて流した。そのときの押さえガスにはＮ2を３０Ｌ／ｍｉｎ流した。約５分間成長を行い、２０ｎｍの結晶層を得た。 Next, as a step of forming the blocking layer, the NH 3 4L / min from material gas nozzle, the total amount was raised to the growth temperature of about 950 ° C. while passing added with H 2 so as to 10L / min. Temperature stability After TMGa the 3.5μmol / min, TMAl the 0.4μmol / min, the NH 3 4L / min, the total amount shed by adding of H 2 so as to 10L / min. At that time, N 2 was allowed to flow at 30 L / min. Growth was performed for about 5 minutes to obtain a 20 nm crystal layer.
次に、ｐ型ＧａＮ層の形成工程として、材料ガスノズルよりＴＭＧａを１２μｍｏｌ／ｍｉｎとＮＨ3を４Ｌ／ｍｉｎ、総量が１０Ｌ／ｍｉｎになるようにＨ2を加えて流した。押さえガスにはＨ2とＮ2とを１：１の混合比で３０Ｌ／ｍｉｎ流した。成長温度約９５０℃で１５分間成長し、膜厚約０．１５μｍのＧａＮエピタキシャル結晶層を得た。ｐ型ＧａＮ層にするにはＣｐ２ＭｇをＭｇ不純物密度が５×１０19（個／ｃｍ3）程度になるように添加すれば良い。 Next, as a process for forming the p-type GaN layer, H 2 was added and flowed from a material gas nozzle so that TMGa was 12 μmol / min, NH 3 was 4 L / min, and the total amount was 10 L / min. As a holding gas, H 2 and N 2 were flowed at a mixing ratio of 1: 1 at 30 L / min. Growth was performed at a growth temperature of about 950 ° C. for 15 minutes to obtain a GaN epitaxial crystal layer having a thickness of about 0.15 μm. In order to form a p-type GaN layer, Cp2Mg may be added so that the Mg impurity density is about 5 × 10 19 (pieces / cm 3 ).
（比較例１）
基板は実施例１と同じものを用い、バイメタル板含をまない同形状の材料ガスノズルを備えた従来の２フローリアクタ装置でＧａＮ結晶を成長させた。
(Comparative Example 1)
The same substrate as in Example 1 was used, and a GaN crystal was grown in a conventional two-flow reactor apparatus equipped with a material gas nozzle having the same shape not including a bimetal plate.
（比較例２）
基板は実施例１と同じものを用い、バイメタル板含をまない同形状の材料ガスノズルを備えた従来の２フローリアクタ装置でＧａＮ結晶を成長させた。
(Comparative Example 2)
The same substrate as in Example 1 was used, and a GaN crystal was grown in a conventional two-flow reactor apparatus equipped with a material gas nozzle having the same shape not including a bimetal plate.
（実施結果：膜厚分布比較）
比較例１と実施例１で得たＧａＮ層の膜厚分布の比較を表１に示す。
(Result: Comparison of film thickness distribution)
Table 1 shows a comparison of the film thickness distributions of the GaN layers obtained in Comparative Example 1 and Example 1.
実施例１は、膜厚中心値３．５１μｍにおいて周囲値３．６１２μｍ、差異３．２％であり均一性は非常に高い。面積換算ならば更に分布は狭くなる。 In Example 1, the film thickness center value is 3.51 μm, the ambient value is 3.612 μm, and the difference is 3.2%, and the uniformity is very high. If the area is converted, the distribution becomes narrower.
他方、比較例１では膜厚中心値３．１８μｍにおいて周囲値３．７７μｍ、差異１８．５％と周囲が厚くなっている。 On the other hand, in Comparative Example 1, the peripheral value is 3.77 μm at a film thickness center value of 3.18 μm, and the periphery is thick with a difference of 18.5%.
（実施結果：発光波長分布比較）
膜周囲部２ｍｍを除き測定した比較例２と実施例２で得た発光素子の発光波長分布の比較を表２に示す。
(Result: Comparison of emission wavelength distribution)
Table 2 shows a comparison of the emission wavelength distributions of the light emitting devices obtained in Comparative Example 2 and Example 2 measured excluding the peripheral part of the film 2 mm.
実施例２の素子の発光波長バラツキは標準偏差１．９３３ｎｍと非常に良好な値を示した。 The emission wavelength variation of the device of Example 2 was a very good value with a standard deviation of 1.933 nm.
他方、比較例２では平均波長４４０ｎｍに対して標準偏差６．８ｎｍと大きなバラツキを示した。波長は基板中心部で短く、同心円状に周囲方向に長波長化した。 On the other hand, Comparative Example 2 showed a large variation with a standard deviation of 6.8 nm with respect to the average wavelength of 440 nm. The wavelength was short at the center of the substrate, and the wavelength was increased concentrically in the peripheral direction.
１１ 材料ガスノズル
１２ 押さえガス噴出器
１３ フロー補助板
１４ サセプタ
１５ 基板
１６ 遮熱板
１７ 加熱器
２０ 水冷ジャケット
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記サセプタの周囲に位置し、前記基板に水平に材料ガスを誘導するフロー補助板と、
不活性ガスまたは水素ガスを、前記基板の法線方向に対して傾けた方向から、前記基板の面積より広い面積で、前記基板に吹付ける押さえガス噴出器と、
前記フロー補助板上に沿って位置するノズル開口を有し且つ前記ノズル開口から前記基板の中心に向け前記基板上に沿って材料ガスの層流を水平に供給する材料ガスノズルと、を備え、
前記材料ガスノズルは前記フロー補助板に面した底板を有し、
前記底板は、前記フロー補助板に近い側に位置し且つ第１熱膨張率を有する第１金属板と、前記フロー補助板から遠い側に位置し且つ前記第１金属板に主面同士で接合され且つ前記第１熱膨張率より小なる第２熱膨張率を有する第２金属板と、からなるバイメタル板であることを特徴とする気相成長装置。 A susceptor for horizontally supporting and heating and rotating the substrate;
A flow auxiliary plate that is positioned around the susceptor and guides a material gas horizontally to the substrate;
A holding gas blower that blows an inert gas or hydrogen gas onto the substrate in a direction wider than the area of the substrate from a direction inclined with respect to the normal direction of the substrate;
A material gas nozzle having a nozzle opening located along the auxiliary flow plate and supplying a laminar flow of material gas horizontally along the substrate from the nozzle opening toward the center of the substrate,
The material gas nozzle has a bottom plate facing the flow auxiliary plate,
The bottom plate is located on the side close to the flow auxiliary plate and has a first coefficient of thermal expansion, and is located on the side far from the flow auxiliary plate and is joined to the first metal plate at principal surfaces. And a second metal plate having a second coefficient of thermal expansion smaller than the first coefficient of thermal expansion.
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