JP7448387B2 - Ｉｉｉ族窒化物半導体結晶の製造装置 - Google Patents
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Description
本発明は、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶の製造装置に関する。特に、反応炉内の被処理基板を載置するための基板保持部材に対向して配置されて被処理基板に向かってガスを供給するために設けられたノズルを備えた気相成長装置であるＩＩＩ族窒化物半導体結晶の製造装置に関する。
ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮなどのＩＩＩ族窒化物半導体は、例えば、発光ダイオードや半導体レーザーなどの光デバイスやヘテロ接合高速電子デバイス等の分野に利用されている。ＩＩＩ族窒化物半導体であるＧａＮの製造方法の１つに、ＩＩＩ族元素金属（例えば、Ｇａ金属）と塩化物ガス（例えば、ＨＣｌガス）を反応させて、ＩＩＩ族元素金属塩化物ガス（ＧａＣｌガス）を生成し、前記ＩＩＩ族元素金属塩化物と窒素元素含有ガス（例えば、ＮＨ３ガス）からＧａＮを成長させる、Hydride Vapor Phase Epitaxy（ＨＶＰＥ法）が実用化されている（例えば、特許文献１参照。）。
しかし、前記ＨＶＰＥ法では、結晶成長において副生成物であるＮＨ４Ｃｌ（塩化アンモニウム）が多量に発生し、製造装置の排気配管を詰まらせるため、結晶成長を阻害するという課題があった。この問題を解決する方法として、ＩＩＩ族元素金属（例えば、Ｇａ金属）と酸化剤（例えば、Ｈ２Ｏガス）とを反応させてＩＩＩ族元素金属酸化物ガス（Ｇａ２Ｏガス）を生成し、前記ＩＩＩ族元素金属酸化物と窒素元素含有ガス（例えば、ＮＨ３ガス）からＧａＮを成長させる、Oxygen Vapor Phase Epitaxy（ＯＶＰＥ法）が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
前記ＨＶＰＥ法や前記ＯＶＰＥ法の特徴としては、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）など他の結晶成長法で典型的な１μｍ／ｈ程度の成長速度と比較して、１０μｍ／ｈ以上あるいは１００μｍ／ｈ以上の非常に大きい成長速度を得られることが挙げられる。このため、ＧａＮ自立基板の製造に用いられている。
図７は、従来のＩＩＩ族窒化物半導体結晶の製造装置５０の１つであるＯＶＰＥ装置の典型的な断面構造を示す概略断面図である。このＯＶＰＥ装置は、窒化物半導体の結晶成長を行う反応容器１０１を備え、反応容器１０１内には、Ｇａ２ＯなどのＩＩＩ族元素ガスを発生させる原料反応室１０２内に原料容器１０３が設けられている。第１ヒータ１０４により加熱される原料容器１０３内には、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｌなどを含む金属原料１０６が収容され、原料容器１０３には、Ｈ２Ｏガスなどの反応性ガスを供給する反応性ガス供給管１０７が接続されている。反応性ガス供給管１０７から原料容器１０３内に供給された反応性ガスと金属原料１０６との反応により、原料容器１０３内にはＩＩＩ族元素含有ガスが生成される。生成されたＩＩＩ族元素含有ガスは、原料容器１０３に接続されたＩＩＩ族元素含有ガス供給管１０８から原料容器１０３内に導入され、基板サセプタ１１２上に載置された種基板１１１へと輸送される。尚、種基板１１１は、第２ヒータにより加熱される。また、反応容器１０１には、ＮＨ３ガスなどの窒素元素含有ガスを供給する窒素元素含有ガス供給管１０９が設けられている。種基板１１１へと輸送されたＩＩＩ族元素含有ガスと窒素元素含有ガスとが反応して、種基板１１１上にＩＩＩ族窒化物半導体結晶が成長する。
ＩＩＩ族元素含有ガス供給管１０８と窒素元素含有ガス供給管１１０とは、図７に示すように、一般的に種基板１１１の主表面に対して垂直に構成される。従来の典型的なＯＶＰＥ装置の欠点としては、図７に示すように、ＩＩＩ族元素含有ガスと窒素元素含有ガスとが互いに平行に排出されるため、ＩＩＩ族元素含有ガスと窒素元素含有ガスとが混合しにくい。このため、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶の膜厚や結晶性の面内均一性を制御することが困難であることが挙げられる。
ＩＩＩ族元素含有ガスと窒素元素含有ガスの混合性を改善するための装置構成が、特許文献３で提案されている。特許文献３では、ＩＩＩ族元素含有ガスと窒素元素含有ガスとを均一に混合するために、ガス供給管と基板との間に、混合室や混合板などの均一化隔壁を設ける構造が記載されている。
ＯＶＰＥ装置の原料容器１０３内の金属原料１０６の温度は、ＩＩＩ族元素金属酸化性ガスと反応させ、ＩＩＩ族元素含有ガスを生成させるためには、９００℃以上の高温に保つ必要がある。基板上の成長部においても、ＩＩＩ族元素含有ガスと窒素元素含有ガスとから生成されるＩＩＩ族窒化物半導体結晶の駆動力を高めるために、１４００℃程度までの高温に保つ必要がある。このように、ＯＶＰＥ法やＨＶＰＥ法では、Ｈｏｔ Ｗａｌｌ加熱と呼ばれる、反応部内の全体を高温に保温していることから、特許文献３に記載の構成では、混合室や混合板にＩＩＩ族窒化物半導体結晶が析出してしまう。これは、基板上の成長部へ輸送される原料成分の低下を生じ、成長速度の低下を引き起こす恐れがある。さらに、混合室や混合板に析出したＩＩＩ族窒化物半導体結晶は、パーティクルとなり、成長中のＩＩＩ族窒化物半導体結晶へ混入するため、結晶欠陥を生じさせるという問題がある。
本発明の目的は、上記問題を解決するためになされたものであり、原料ガス導入経路上の構成物へのＩＩＩ族窒化物半導体結晶の析出を抑制し、基板上の成長部へ供給されるＩＩＩ族元素含有ガスと、窒素元素含有ガスとの混合性を向上させることができるＩＩＩ族窒化物半導体結晶の製造装置を提供することである。
前記目的を達成するために、本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体結晶の製造装置は、原料反応室と、
前記原料反応室内に設けられ、ＩＩＩ族元素含有ガスを生成する原料反応部と、
前記原料反応室内で、基板を保持する基板保持部材と、
前記原料反応室内で、前記ＩＩＩ族元素含有ガスを前記基板に向けて噴射する原料ノズルと、
前記原料反応室内で、窒素元素含有ガスを前記基板に向けて噴射し、鉛直方向と垂直な方向からの側面視で、噴射方向が前記基板より手前で前記原料ノズルの噴射方向と交差し、交差する箇所を中心としてその周辺に前記ＩＩＩ族元素含有ガスと前記窒素元素含有ガスとが混合される混合部を構成する、窒素源ノズルと、
前記原料反応室内で、前記原料反応室と前記原料ノズルと前記窒素源ノズルと前記基板保持部材とを加熱するための加熱手段と、
前記原料反応室内で、前記基板保持部材を回転するための回転機構と、
を備える。
前記原料反応室内に設けられ、ＩＩＩ族元素含有ガスを生成する原料反応部と、
前記原料反応室内で、基板を保持する基板保持部材と、
前記原料反応室内で、前記ＩＩＩ族元素含有ガスを前記基板に向けて噴射する原料ノズルと、
前記原料反応室内で、窒素元素含有ガスを前記基板に向けて噴射し、鉛直方向と垂直な方向からの側面視で、噴射方向が前記基板より手前で前記原料ノズルの噴射方向と交差し、交差する箇所を中心としてその周辺に前記ＩＩＩ族元素含有ガスと前記窒素元素含有ガスとが混合される混合部を構成する、窒素源ノズルと、
前記原料反応室内で、前記原料反応室と前記原料ノズルと前記窒素源ノズルと前記基板保持部材とを加熱するための加熱手段と、
前記原料反応室内で、前記基板保持部材を回転するための回転機構と、
を備える。
本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体結晶の製造装置によれば、原料ガス導入経路上の構成物へのＩＩＩ族窒化物半導体結晶の析出を抑制し、基板上の成長部へ供給されるＩＩＩ族元素含有ガスと、窒素元素含有ガスとの混合性を向上させることで、基板上のガス濃度分布を均一化することができる。
第１の態様に係るＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置は、原料反応室と、
前記原料反応室内に設けられ、ＩＩＩ族元素含有ガスを生成する原料反応部と、
前記原料反応室内で、基板を保持する基板保持部材と、
前記原料反応室内で、前記ＩＩＩ族元素含有ガスを前記基板に向けて噴射する原料ノズルと、
前記原料反応室内で、窒素元素含有ガスを前記基板に向けて噴射し、鉛直方向と垂直な方向からの側面視で、噴射方向が前記基板より手前で前記原料ノズルの噴射方向と交差し、交差する箇所を中心としてその周辺に前記ＩＩＩ族元素含有ガスと前記窒素元素含有ガスとが混合される混合部を構成する、窒素源ノズルと、
前記原料反応室内で、前記原料反応室と前記原料ノズルと前記窒素源ノズルと前記基板保持部材とを加熱するための加熱手段と、
前記原料反応室内で、前記基板保持部材を回転するための回転機構と、
を備える。
前記原料反応室内に設けられ、ＩＩＩ族元素含有ガスを生成する原料反応部と、
前記原料反応室内で、基板を保持する基板保持部材と、
前記原料反応室内で、前記ＩＩＩ族元素含有ガスを前記基板に向けて噴射する原料ノズルと、
前記原料反応室内で、窒素元素含有ガスを前記基板に向けて噴射し、鉛直方向と垂直な方向からの側面視で、噴射方向が前記基板より手前で前記原料ノズルの噴射方向と交差し、交差する箇所を中心としてその周辺に前記ＩＩＩ族元素含有ガスと前記窒素元素含有ガスとが混合される混合部を構成する、窒素源ノズルと、
前記原料反応室内で、前記原料反応室と前記原料ノズルと前記窒素源ノズルと前記基板保持部材とを加熱するための加熱手段と、
前記原料反応室内で、前記基板保持部材を回転するための回転機構と、
を備える。
第２の態様に係るＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置は、上記第１の態様において、前記原料ノズルの噴射口は、前記噴射方向が鉛直真下方向に配置され、前記窒素源ノズルの噴射口は、前記噴射方向が鉛直方向に対して傾斜し、かつ、水平方向に対して偏向して配置されていてもよい。
第３の態様に係るＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置は、上記第１又は第２の態様において、前記混合部は、基板よりも上部に配置されてもよい。
第４の態様に係るＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置は、上記第１から第３のいずれかの態様において、前記窒素源ノズルの偏向方向が前記基板の回転方向と順方向であってもよい。
以下、実施の形態に係るＩＩＩ族窒化物半導体結晶の製造装置および製造方法について、図面を参照しながら説明する。尚、図面において実質的に同一の部材については同一の符号を付している。
（実施の形態１）
＜ＩＩＩ族窒化物半導体結晶の製造装置＞
以下、実施の形態１について図１を参照して説明する。
図１は、実施の形態１に係るＩＩＩ族窒化物半導体結晶の製造装置の断面構成の一例を示す概略断面図である。なお、図１において、各構成部材の大きさ、比率等は実際とは異なっている場合がある。
本実施の形態１に係るＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置は、気相成長装置であり、窒化物半導体の結晶成長を行う反応容器１と、ＩＩＩ族元素含有ガスを発生する原料容器３と、ＩＩＩ族元素含有ガスを種基板１１に向けて噴射する原料ノズル８と、窒素元素含有ガスを種基板１１に向けて噴射する窒素源ノズル１０と、を備えている。鉛直方向と垂直な方向からの側面視で、窒素源ノズル１０の噴射方向が種基板１１より手前で原料ノズル８の噴射方向と交差し、交差する箇所を中心としてその周辺にＩＩＩ族元素含有ガスと窒素元素含有ガスとが混合される混合部を構成する。原料容器３と原料ノズル８とは接続されている。原料ノズル８から供給されるＩＩＩ族元素含有ガスと窒素源ノズル１０から供給される窒素元素含有ガスとは、混合部において混合された後、種基板１１上の成長部において基板サセプタ１２上に載置した種基板１１上にＩＩＩ族窒化物半導体結晶が成長する。尚、基板サセプタ１２と回転シャフト１３とは接続されており、回転シャフト１３により基板サセプタ１２は回転する。
実施の形態１に係るＩＩＩ族窒化物半導体結晶の製造装置２０によれば、原料ガス導入経路上の構成物へのＩＩＩ族窒化物半導体結晶の析出を抑制し、基板１１上の成長部１６へ供給されるＩＩＩ族元素含有ガスと、窒素元素含有ガスとの混合性を向上させることができる。さらに基板１１への原料ガス輸送効率を高めることができる
＜ＩＩＩ族窒化物半導体結晶の製造装置＞
以下、実施の形態１について図１を参照して説明する。
図１は、実施の形態１に係るＩＩＩ族窒化物半導体結晶の製造装置の断面構成の一例を示す概略断面図である。なお、図１において、各構成部材の大きさ、比率等は実際とは異なっている場合がある。
本実施の形態１に係るＩＩＩ族窒化物結晶の製造装置は、気相成長装置であり、窒化物半導体の結晶成長を行う反応容器１と、ＩＩＩ族元素含有ガスを発生する原料容器３と、ＩＩＩ族元素含有ガスを種基板１１に向けて噴射する原料ノズル８と、窒素元素含有ガスを種基板１１に向けて噴射する窒素源ノズル１０と、を備えている。鉛直方向と垂直な方向からの側面視で、窒素源ノズル１０の噴射方向が種基板１１より手前で原料ノズル８の噴射方向と交差し、交差する箇所を中心としてその周辺にＩＩＩ族元素含有ガスと窒素元素含有ガスとが混合される混合部を構成する。原料容器３と原料ノズル８とは接続されている。原料ノズル８から供給されるＩＩＩ族元素含有ガスと窒素源ノズル１０から供給される窒素元素含有ガスとは、混合部において混合された後、種基板１１上の成長部において基板サセプタ１２上に載置した種基板１１上にＩＩＩ族窒化物半導体結晶が成長する。尚、基板サセプタ１２と回転シャフト１３とは接続されており、回転シャフト１３により基板サセプタ１２は回転する。
実施の形態１に係るＩＩＩ族窒化物半導体結晶の製造装置２０によれば、原料ガス導入経路上の構成物へのＩＩＩ族窒化物半導体結晶の析出を抑制し、基板１１上の成長部１６へ供給されるＩＩＩ族元素含有ガスと、窒素元素含有ガスとの混合性を向上させることができる。さらに基板１１への原料ガス輸送効率を高めることができる
以下に、このＩＩＩ族窒化物半導体結晶の製造装置２０の構成部材について説明する。
＜原料反応室＞
反応性ガス供給管７を備えた原料反応室２内には、ＩＩＩ族元素含有源である出発Ｇａ源６を載置した原料容器３が配置されている。ＩＩＩ族元素としては、Ｇａのほかに、ＡｌやＩｎ、酸化物としてＧａ２Ｏ３などが利用される。原料反応室２の外周部には第１ヒータ４が設けられており、原料反応室２内は所望の温度に維持されている。ＩＩＩ族元素含有ガスを生成するためには、９００℃以上１３００℃以下に保つことが好ましい。加熱された出発Ｇａ源６に反応性ガスが供給されることで、出発Ｇａ源６と反応性ガスとが反応して、ＩＩＩ族元素含有ガスが発生する。
反応性ガス供給管７を備えた原料反応室２内には、ＩＩＩ族元素含有源である出発Ｇａ源６を載置した原料容器３が配置されている。ＩＩＩ族元素としては、Ｇａのほかに、ＡｌやＩｎ、酸化物としてＧａ２Ｏ３などが利用される。原料反応室２の外周部には第１ヒータ４が設けられており、原料反応室２内は所望の温度に維持されている。ＩＩＩ族元素含有ガスを生成するためには、９００℃以上１３００℃以下に保つことが好ましい。加熱された出発Ｇａ源６に反応性ガスが供給されることで、出発Ｇａ源６と反応性ガスとが反応して、ＩＩＩ族元素含有ガスが発生する。
ＩＩＩ族元素含有ガスを生成する方法としては、出発Ｇａ源６を酸化する方法と、出発Ｇａ源６を還元する方法がある。
出発Ｇａ源６を酸化する方法として、出発Ｇａ源６として金属Ｇａを用い、酸化性ガスとしてＨ２Ｏガスを用いた場合の反応系を説明する。出発Ｇａ源６である金属Ｇａを加熱し、この状態で酸化性ガスであるＨ２Ｏガスを導入する。下記式（１）に示すように、導入されたＨ２Ｏガスは、金属Ｇａと反応して、ＩＩＩ族元素含有ガスであるＧａ２Ｏガスを生成する。
２Ｇａ ＋ Ｈ２Ｏ → Ｇａ２Ｏ ＋ Ｈ２ （１）
また、出発Ｇａ源６のほかに、Ｉｎ源、Ａｌ源をＩＩＩ族元素含有源として採用できる。いずれの場合でも、ＩＩＩ族酸化物ガスが生成される。
出発Ｇａ源６を酸化する方法として、出発Ｇａ源６として金属Ｇａを用い、酸化性ガスとしてＨ２Ｏガスを用いた場合の反応系を説明する。出発Ｇａ源６である金属Ｇａを加熱し、この状態で酸化性ガスであるＨ２Ｏガスを導入する。下記式（１）に示すように、導入されたＨ２Ｏガスは、金属Ｇａと反応して、ＩＩＩ族元素含有ガスであるＧａ２Ｏガスを生成する。
２Ｇａ ＋ Ｈ２Ｏ → Ｇａ２Ｏ ＋ Ｈ２ （１）
また、出発Ｇａ源６のほかに、Ｉｎ源、Ａｌ源をＩＩＩ族元素含有源として採用できる。いずれの場合でも、ＩＩＩ族酸化物ガスが生成される。
次に、出発Ｇａ源６を還元する方法として、出発Ｇａ源６としてＧａ２Ｏ３を用い、還元性ガスとしてＨ２ガスを用いた場合の反応系を説明する。出発Ｇａ源６であるＧａ２Ｏ３を加熱し、この状態で還元性ガスであるＨ２ガスを導入する。下記式（２）に示すように、導入されたＨ２ガスは、Ｇａ２Ｏ３と反応して、ＩＩＩ族元素含有ガスであるＧａ２Ｏガスを生成する。
Ｇａ２Ｏ３ ＋ ２Ｈ２ → Ｇａ２Ｏ ＋ ２Ｈ２Ｏ （２）
酸化性ガスならびに還元性ガスの搬送ガスとしては、ＡｒやＮ２などの不活性ガス、またはＨ２ガスを用いる。
Ｇａ２Ｏ３ ＋ ２Ｈ２ → Ｇａ２Ｏ ＋ ２Ｈ２Ｏ （２）
酸化性ガスならびに還元性ガスの搬送ガスとしては、ＡｒやＮ２などの不活性ガス、またはＨ２ガスを用いる。
＜原料ノズル＞
原料反応室２で生成されたＩＩＩ族元素含有ガス、例えばＧａ２Ｏガスは、原料反応室２の下流側に設けられた原料ノズル８から種基板１１に向けて鉛直真下に噴射される。また、原料ノズル８と窒素源ノズル１０へのＩＩＩ族窒化物半導体結晶の析出を抑制するために、原料ノズル８の外周にセパレートガス排出口が形成されているとより好ましい。原料ノズル８の内径は、特に限定されないが、好ましくは、１ｍｍ以上１００ｍｍ以下の範囲、より好ましくは、２０ｍｍ以上６０ｍｍ以下である。
原料反応室２で生成されたＩＩＩ族元素含有ガス、例えばＧａ２Ｏガスは、原料反応室２の下流側に設けられた原料ノズル８から種基板１１に向けて鉛直真下に噴射される。また、原料ノズル８と窒素源ノズル１０へのＩＩＩ族窒化物半導体結晶の析出を抑制するために、原料ノズル８の外周にセパレートガス排出口が形成されているとより好ましい。原料ノズル８の内径は、特に限定されないが、好ましくは、１ｍｍ以上１００ｍｍ以下の範囲、より好ましくは、２０ｍｍ以上６０ｍｍ以下である。
＜窒素源ノズル＞
窒素源ノズル１０は、窒素元素含有ガス供給管９を備える。窒素源ノズル１０から窒素元素含有ガスを種基板１１に向けて噴射する。鉛直方向と垂直な方向からの側面視で、窒素源ノズル１０の噴射方向は、種基板１１より手前で原料ノズル８の噴射方向と交差する。この交差する箇所１５を中心としてその周辺にＩＩＩ族元素含有ガスと窒素元素含有ガスとが混合される混合部１４を構成する。この混合部１４は、具体的には、原料ノズル８及び窒素源ノズル１０と、種基板１１との間の水平面内に拡がる領域を意味している。
窒素元素含有ガスとしては、ＮＨ３ガス、ＮＯガス、ＮＯ２ガス、Ｎ２Ｈ２ガス、Ｎ２Ｈ４ガス、などを使用できる。窒素元素含有ガスは、図２（ａ）に示すように、側面視で鉛直方向に対して傾斜し、かつ、図２（ｂ）に示すように、平面視で水平方向に対して偏向した窒素源ノズル１０から噴射される。窒素源ノズル１０の内径は、特に限定されないが、好ましくは、０ｍｍを超え３０ｍｍ以下の間、より好ましくは、３ｍｍ以上１５ｍｍ以下である。窒素源ノズル１０の傾斜角度は、特に限定されないが、好ましくは、０度を超え９０度未満、より好ましくは、５度から６０度の範囲である。窒素源ノズル１０の偏向角度は、特に限定されないが、好ましくは、０度を超え９０度未満、より好ましくは、５度から４５度の範囲である。窒素源ノズル１０の外周部には第１ヒータ４が設けられており、上述した原料反応室２と同じ温度に加熱されている。この熱によって、窒素源ノズル１０内のＮＨ３は所定の割合で分解した状態となっている。
窒素源ノズル１０は、窒素元素含有ガス供給管９を備える。窒素源ノズル１０から窒素元素含有ガスを種基板１１に向けて噴射する。鉛直方向と垂直な方向からの側面視で、窒素源ノズル１０の噴射方向は、種基板１１より手前で原料ノズル８の噴射方向と交差する。この交差する箇所１５を中心としてその周辺にＩＩＩ族元素含有ガスと窒素元素含有ガスとが混合される混合部１４を構成する。この混合部１４は、具体的には、原料ノズル８及び窒素源ノズル１０と、種基板１１との間の水平面内に拡がる領域を意味している。
窒素元素含有ガスとしては、ＮＨ３ガス、ＮＯガス、ＮＯ２ガス、Ｎ２Ｈ２ガス、Ｎ２Ｈ４ガス、などを使用できる。窒素元素含有ガスは、図２（ａ）に示すように、側面視で鉛直方向に対して傾斜し、かつ、図２（ｂ）に示すように、平面視で水平方向に対して偏向した窒素源ノズル１０から噴射される。窒素源ノズル１０の内径は、特に限定されないが、好ましくは、０ｍｍを超え３０ｍｍ以下の間、より好ましくは、３ｍｍ以上１５ｍｍ以下である。窒素源ノズル１０の傾斜角度は、特に限定されないが、好ましくは、０度を超え９０度未満、より好ましくは、５度から６０度の範囲である。窒素源ノズル１０の偏向角度は、特に限定されないが、好ましくは、０度を超え９０度未満、より好ましくは、５度から４５度の範囲である。窒素源ノズル１０の外周部には第１ヒータ４が設けられており、上述した原料反応室２と同じ温度に加熱されている。この熱によって、窒素源ノズル１０内のＮＨ３は所定の割合で分解した状態となっている。
図２（ｂ）に示すように、窒素源ノズル１０は、噴射方向が平面視で基板サセプタ１２の回転方向と順方向に偏向していることで、旋回流を形成し、ＩＩＩ族元素含有ガスと窒素元素含有ガスとの混合性を高めることが可能となる。一方、窒素源ノズル１０の偏向方向は、前記の順方向の場合に限定されず、噴射方向が平面視で基板サセプタ１２の回転方向と逆方向に偏向していてもよい。
＜混合部＞
混合部１４にて、原料ノズル８から供給されるＩＩＩ族元素含有ガスと窒素源ノズル１０から供給される窒素元素含有ガスとが混合される。また、所望の温度に維持するために、外周部に第２ヒータ５が設けられている。
混合部１４は、特に限定されないが、基板表面からノズル源ノズル１０に向けて上方にあることが好ましい。
混合部１４にて、原料ノズル８から供給されるＩＩＩ族元素含有ガスと窒素源ノズル１０から供給される窒素元素含有ガスとが混合される。また、所望の温度に維持するために、外周部に第２ヒータ５が設けられている。
混合部１４は、特に限定されないが、基板表面からノズル源ノズル１０に向けて上方にあることが好ましい。
＜成長部＞
成長部１６は、種基板１１と基板サセプタ１２と回転シャフト１３とを備える。成長部１６の外周部には第２ヒータ５が設けられており、成長部は所望の温度に維持されている。第２ヒータ５の温度は、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶を成長させるために、１０００℃以上１４００℃以下に保つことが好ましい。加熱された成長部１６の種基板１１上に混合部１４にて混合されたＩＩＩ族元素含有ガスと窒素元素含有ガスとが反応することでＩＩＩ族窒化物半導体結晶が成長する。
成長部１６は、種基板１１と基板サセプタ１２と回転シャフト１３とを備える。成長部１６の外周部には第２ヒータ５が設けられており、成長部は所望の温度に維持されている。第２ヒータ５の温度は、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶を成長させるために、１０００℃以上１４００℃以下に保つことが好ましい。加熱された成長部１６の種基板１１上に混合部１４にて混合されたＩＩＩ族元素含有ガスと窒素元素含有ガスとが反応することでＩＩＩ族窒化物半導体結晶が成長する。
基板サセプタ１２は、種基板１１を保持するための形状を有し、種基板１１の主表面が原料ノズル８と対向して配置していれば特に制限されないが、結晶成長を阻害する構造になっていないことが好ましい。結晶成長面付近に成長する可能性がある構造物が存在すると、そこに多結晶体が付着し、成長膜の均一性を悪化させてしまう。材質としては、例えば、カーボン、ＳｉＣコートカーボン、ＰＧコートカーボン、ＰＢＮコートカーボン、窒化珪素を用いることができる。
回転シャフト１３の回転方向は、上述した窒素源ノズル１０の偏向方向と同じ方向とし、３０００ｒｐｍ程度までの回転を制御できる機構であることが好ましい。
未反応のＩＩＩ族酸化物ガス、窒素元素含有ガス、搬送ガスは排出口（図示しない）から排出される。
以上により、原料ノズル８と窒素源ノズル１０へのＩＩＩ族窒化物半導体結晶の析出を抑制し、成長部１６へ供給されるＩＩＩ族元素含有ガスと、窒素元素含有ガスとの混合性を向上させることができる。これにより、種基板１１上のガス濃度分布を均一化することができ、さらに種基板１１への原料ガス輸送効率を高めることができる。
（実施例１）
図４は、実施例１による混合部におけるＩＩＩ族元素含有ガスと窒素元素含有ガスの速度ベクトル分布を示す図である。実施例１では、実施の形態１に係るＩＩＩ族窒化物半導体結晶の製造方法の各条件を以下のように具体的に設定し、図４に示すように、ＣＡＥ（Computer Aided Engineering）による熱流体解析を実施した。
図４は、実施例１による混合部におけるＩＩＩ族元素含有ガスと窒素元素含有ガスの速度ベクトル分布を示す図である。実施例１では、実施の形態１に係るＩＩＩ族窒化物半導体結晶の製造方法の各条件を以下のように具体的に設定し、図４に示すように、ＣＡＥ（Computer Aided Engineering）による熱流体解析を実施した。
原料ノズル８の内径は５０ｍｍ、原料ノズル８の先端と種基板表面の距離は１００ｍｍとした。窒素源ノズル１０の内径は５ｍｍ、噴射方向は、傾斜角度は鉛直下方に対して４５度、偏向角度は平面視で中心に向かう半径方向に対して反時計回りに１０度とした。窒素源ノズル１０から噴射される窒素元素含有ガスの合流点と種基板１１表面の距離は、３５ｍｍとした。種基板１１は、直径１００ｍｍのＧａＮ単結晶基板を用いた。
出発Ｇａ源６として金属Ｇａを原料容器３にセットし、反応性ガス供給管７より反応性ガスとして、Ｈ２ガスを４ＳＬＭと、Ｏ２ガスを２０ＳＣＣＭとから生成したＨ２Ｏガスを導入し、Ｇａ２Ｏガスを生成した。また、キャリアガスとしてＮ２ガスを１ＳＬＭ導入した。一方、窒素源ガス供給管９より窒素元素含有ガスとしてＮＨ３ガスを１ＳＬＭ、キャリアガスとしてＨ２ガスを４ＳＬＭ、Ｎ２ガスを４ＳＬＭ導入した。反応容器１の外周部に配置した第１ヒータ４は１１５０℃、成長部外周部に配置した第２ヒータ５は１２００℃となるように電力を供給した。基板サセプタ１２は１０００ＲＰＭで回転させ、熱流体解析を実施した。
出発Ｇａ源６として金属Ｇａを原料容器３にセットし、反応性ガス供給管７より反応性ガスとして、Ｈ２ガスを４ＳＬＭと、Ｏ２ガスを２０ＳＣＣＭとから生成したＨ２Ｏガスを導入し、Ｇａ２Ｏガスを生成した。また、キャリアガスとしてＮ２ガスを１ＳＬＭ導入した。一方、窒素源ガス供給管９より窒素元素含有ガスとしてＮＨ３ガスを１ＳＬＭ、キャリアガスとしてＨ２ガスを４ＳＬＭ、Ｎ２ガスを４ＳＬＭ導入した。反応容器１の外周部に配置した第１ヒータ４は１１５０℃、成長部外周部に配置した第２ヒータ５は１２００℃となるように電力を供給した。基板サセプタ１２は１０００ＲＰＭで回転させ、熱流体解析を実施した。
（比較例１）
図３は、比較例１によるＩＩＩ族窒化物半導体結晶の製造装置４０の断面構成の一例を示す概略断面図である。比較例１では、実施例１と対比すると、噴射方向が傾斜・偏向した窒素源ノズル１０を無くしたことを特徴とする。すなわち、比較例１では、原料ノズル８から噴射されるＩＩＩ族元素含有ガスと窒素源ノズル１０から噴出される窒素元素含有ガスとの混合を積極的に行わなかった以外は、実施例１と同じ条件で、図５に示すようにＣＡＥによる熱流体解析を実施した。
図３は、比較例１によるＩＩＩ族窒化物半導体結晶の製造装置４０の断面構成の一例を示す概略断面図である。比較例１では、実施例１と対比すると、噴射方向が傾斜・偏向した窒素源ノズル１０を無くしたことを特徴とする。すなわち、比較例１では、原料ノズル８から噴射されるＩＩＩ族元素含有ガスと窒素源ノズル１０から噴出される窒素元素含有ガスとの混合を積極的に行わなかった以外は、実施例１と同じ条件で、図５に示すようにＣＡＥによる熱流体解析を実施した。
実施例１と比較例１とにおいて、熱流体解析を実施し、混合部におけるＩＩＩ族元素含有ガスと窒素元素含有ガスの速度ベクトルによる混合状態を評価した。図４及び図５に、混合部１４におけるＩＩＩ族元素含有ガスと窒素元素含有ガスとの速度ベクトル分布を示す。なお、図４及び図５は、本来カラーで表示されたものをグレースケールに変換したものであるため、厳密には濃淡がそのまま速度の高低に対応していないが、濃色の領域ほど高速であることを意味する。実施例１は、図４に示すように、濃色の領域が端部から中心に向かって広がっており、ＩＩＩ族元素含有ガスと窒素元素含有ガスとがよく混合していることが確認できるのに対して、比較例２は、図５に示すように３つの濃色の領域がそれぞれ別々に存在していることがわかり、ＩＩＩ族元素含有ガスと窒素元素含有ガスとが互いに層流となりあまり混合していないことが確認できた。
次に、実施例１と比較例１とにおいて、基板直上におけるＩＩＩ族元素含有ガスと窒素元素含有ガスの混合状態を定量的に評価した。基板直上の窒素元素含有ガスのモル分率を、ＩＩＩ族元素含有ガスのモル分率で除したものをＶ／ＩＩＩ比と定義する。窒素元素含有ガスとＩＩＩ族元素含有ガスとのガス混合度は、下記式から算出した。窒素元素含有ガスとＩＩＩ族元素含有ガスとのガス混合度は、数値が小さいほど混合性が高いことを示す。
ガス混合度＝（基板端部のＶ／ＩＩＩ比 － 基板中心のＶ／ＩＩＩ比）／（Ｖ／ＩＩＩ比の平均値）
図９は、比較例１と実施例１のガス混合度を示す表１である。表１に示すように、比較例１のガス混合度は２．３４であったのに対して、実施例１のガス混合度は０．２９となり、窒素源ノズル１０を傾斜、偏向させることにより混合性を約８倍向上させることが確認できた。
ガス混合度＝（基板端部のＶ／ＩＩＩ比 － 基板中心のＶ／ＩＩＩ比）／（Ｖ／ＩＩＩ比の平均値）
図９は、比較例１と実施例１のガス混合度を示す表１である。表１に示すように、比較例１のガス混合度は２．３４であったのに対して、実施例１のガス混合度は０．２９となり、窒素源ノズル１０を傾斜、偏向させることにより混合性を約８倍向上させることが確認できた。
（実施例２）
図８は、実施例２における、窒素源ノズルの偏向角度とガス混合度との関係を示す図である。
窒素源ノズルの偏向角度を０度、３０度とした。その他の構成は実施例１と同じ条件として、熱流体解析を実施し、窒素源ノズルの偏向角度とガス混合度の関係を検証した。図８に示すように、偏向角度が１０度のときが最も混合性が良いことが確認できた。
図８は、実施例２における、窒素源ノズルの偏向角度とガス混合度との関係を示す図である。
窒素源ノズルの偏向角度を０度、３０度とした。その他の構成は実施例１と同じ条件として、熱流体解析を実施し、窒素源ノズルの偏向角度とガス混合度の関係を検証した。図８に示すように、偏向角度が１０度のときが最も混合性が良いことが確認できた。
（実施例３）
基板サセプタ１２の回転数を、０ＲＰＭ（回転なし）と３０００ＲＰＭとした。その他の構成は実施例１と同じ条件として、熱流体解析を実施し原料ガスの輸送効率を検証した。尚、原料ガスの輸送効率は、ＩＩＩ族元素含有ガスであるＧａ２Ｏガスと窒素元素含有ガスであるＮＨ３ガスとが基板上１ｍｍ上方までの空間を通過した質量重量を、原料ノズル８と窒素源ノズル１０とから出たガスの質量流量で除して算出した。すなわち、原料ガス輸送効率が大きいほど、種基板１１上に到達するＧａ２ＯガスとＮＨ３ガスとが多く反応に寄与するため、成長レートが大きくなることを意味する。
基板サセプタ１２の回転数を、０ＲＰＭ（回転なし）と３０００ＲＰＭとした。その他の構成は実施例１と同じ条件として、熱流体解析を実施し原料ガスの輸送効率を検証した。尚、原料ガスの輸送効率は、ＩＩＩ族元素含有ガスであるＧａ２Ｏガスと窒素元素含有ガスであるＮＨ３ガスとが基板上１ｍｍ上方までの空間を通過した質量重量を、原料ノズル８と窒素源ノズル１０とから出たガスの質量流量で除して算出した。すなわち、原料ガス輸送効率が大きいほど、種基板１１上に到達するＧａ２ＯガスとＮＨ３ガスとが多く反応に寄与するため、成長レートが大きくなることを意味する。
図６に、実施例１ならびに実施例３における、基板サセプタの回転速度に対する原料ガス輸送効率との関係を示すグラフを示す。基板サセプタの回転数が上がるに伴い、Ｇａ２Ｏガス、ＮＨ３ガスともに原料輸送効率が上がることが確認できた。
（実施例４）
基板サセプタ１２の回転数を、－２３００ＲＰＭと２３００ＲＰＭとした。回転数の符号は、ノズルの偏向方向と基板の回転方向とが順方向の場合を正、逆方向を負とした。その他の構成は実施例１と同じ条件として、熱流体解析を実施しＧａ２Ｏガスの輸送効率を検証した。
図１０は、実施例４における、基板サセプタの回転方向に対するＧａ２Ｏガスの輸送効率を示す表２である。表２に示すように、基板サセプタの回転数が－２３００ｒｐｍ、つまり、ノズルの偏向方向と基板の回転方向とが逆方向の場合のＧａ２Ｏガスの輸送効率は６．３％であった。また、基板サセプタの回転数が２３００ｒｐｍ、つまり、ノズルの偏向方向と基板の回転方向とが順方向の場合のＧａ２Ｏガスの輸送効率は、８．６％であった。ノズルの偏向方向と基板の回転方向とが順方向であるのに対して、ノズルの偏向方向と基板の回転方向とを逆方向とすると、Ｇａ２Ｏガスの輸送効率は約２７％低下することが確認できた。
基板サセプタ１２の回転数を、－２３００ＲＰＭと２３００ＲＰＭとした。回転数の符号は、ノズルの偏向方向と基板の回転方向とが順方向の場合を正、逆方向を負とした。その他の構成は実施例１と同じ条件として、熱流体解析を実施しＧａ２Ｏガスの輸送効率を検証した。
図１０は、実施例４における、基板サセプタの回転方向に対するＧａ２Ｏガスの輸送効率を示す表２である。表２に示すように、基板サセプタの回転数が－２３００ｒｐｍ、つまり、ノズルの偏向方向と基板の回転方向とが逆方向の場合のＧａ２Ｏガスの輸送効率は６．３％であった。また、基板サセプタの回転数が２３００ｒｐｍ、つまり、ノズルの偏向方向と基板の回転方向とが順方向の場合のＧａ２Ｏガスの輸送効率は、８．６％であった。ノズルの偏向方向と基板の回転方向とが順方向であるのに対して、ノズルの偏向方向と基板の回転方向とを逆方向とすると、Ｇａ２Ｏガスの輸送効率は約２７％低下することが確認できた。
本発明は、上述した各実施の形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施の形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施の形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体結晶の製造装置によれば、原料ガス導入経路上の構成物へのＩＩＩ族窒化物半導体結晶の析出を抑制し、基板上の成長部へ供給されるＩＩＩ族元素含有ガスと、窒素元素含有ガスとの混合性を向上させることができる。これによって、基板上のガス濃度分布を均一化することができ、さらに基板への原料ガス輸送効率を高めることができる。本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体結晶の製造装置によって得られるＩＩＩ族窒化物半導体結晶は、例えば、発光ダイオード、レーザダイオードなどの光デバイス、整流器、バイポーラトランジスタなどの電子デバイス、温度センサ、圧力センサ、放射線センサ、可視―紫外光検出器などの半導体センサなどに用いることができる。但し、本発明は、上述の用途に限定されず、広い分野に適用可能である。
１ 反応容器
２ 原料反応室
３ 原料容器
４ 第１ヒータ
５ 第２ヒータ
６ 出発Ｇａ源
７ 反応性ガス供給管
８ 原料ノズル
９ 窒素源ガス供給管
１０ 窒素源ノズル
１１ 種基板
１２ 基板サセプタ
１３ 回転シャフト
１４ 混合部
１５ 交差点
１６ 成長部
２０ ＩＩＩ族窒化物半導体結晶製造装置
４０，５０ ＩＩＩ族窒化物半導体結晶製造装置
２ 原料反応室
３ 原料容器
４ 第１ヒータ
５ 第２ヒータ
６ 出発Ｇａ源
７ 反応性ガス供給管
８ 原料ノズル
９ 窒素源ガス供給管
１０ 窒素源ノズル
１１ 種基板
１２ 基板サセプタ
１３ 回転シャフト
１４ 混合部
１５ 交差点
１６ 成長部
２０ ＩＩＩ族窒化物半導体結晶製造装置
４０，５０ ＩＩＩ族窒化物半導体結晶製造装置
Claims (3)
- 原料反応室と、
前記原料反応室内に設けられ、ＩＩＩ族元素含有ガスを生成する原料反応部と、
前記原料反応室内で、基板を保持する基板保持部材と、
前記原料反応室内で、前記ＩＩＩ族元素含有ガスを前記基板に向けて噴射する原料ノズルと、
前記原料反応室内で、窒素元素含有ガスを前記基板に向けて噴射し、鉛直方向と垂直な方向からの側面視で、噴射方向が前記基板より手前で前記原料ノズルの噴射方向と交差し、交差する箇所を中心としてその周辺に前記ＩＩＩ族元素含有ガスと前記窒素元素含有ガスとが混合される混合部を構成する、窒素源ノズルと、
前記原料反応室内で、前記原料反応室と前記原料ノズルと前記窒素源ノズルと前記基板保持部材とを加熱するための加熱手段と、
前記原料反応室内で、前記基板保持部材を回転するための回転機構と、
を備え、
前記混合部は、前記基板よりも上部に配置される、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶の製造装置。 - 前記原料ノズルの噴射口は、前記噴射方向が鉛直真下方向に配置され、前記窒素源ノズルの噴射口は、前記噴射方向が鉛直方向に対して傾斜し、かつ、水平方向に対して偏向して配置されている、請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体結晶の製造装置。
- 前記窒素源ノズルの偏向方向が前記基板の回転方向と順方向である、請求項１又は２に記載のＩＩＩ族窒化物半導体結晶の製造装置。
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