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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Herstellen eines Gruppe III-Nitrid basierten Verbindungshalbleiters. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das sogenannte Flussverfahren, die ein Zuführen von Stickstoff zu der Oberfläche einer Schmelze wie zum Beispiel einer geschmolzenen Na-Ga Mischung, um dadurch GaN auf der Oberfläche eines GaN-Impfkristalls wachsen zu lassen.
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Stand der Technik
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Verfahren zum Wachsen von Kristallen aus Galliumnitrid (GaN) und anderen Gruppe III-Nitrid basierten Verbindungshalbleitern durch das Flussverfahren sind zum Beispiel in den unten angegebenen Patentdokumenten offenbart. In einem dieser Verfahren wird Gallium (Ga) in geschmolzenen Natrium (Na) bei einer konstanten Temperatur von ungefähr 800°C gelöst, und Gallium reagiert mit Stickstoff unter hohem Druck von ungefähr 100 atm, um dadurch ein Galliumnitrid (GaN) auf der Oberfläche eines Impfkristalls wachsen zu lassen. Eine bekannte Vorrichtung
9000 zum Herstellen eines Gruppe III-Nitrid basierten Verbindungshalbleiters ist in
4 gezeigt. Die Vorrichtung hat eine zu öffnende/zu schließende doppelt hermetische Gefäßstruktur mit einem Reaktor
100 und einem äußeren Gefäß
200, die widerstandsfähig gegen hohe Temperatur und Druck sind. Der Reaktor
100 wird durch Heizvorrichtungen
31a,
31b und
31c geheizt, die in dem äußeren Gefäß
200 angebracht sind, um dadurch in dem Reaktor
100 enthaltenes Natrium (Na) und Gallium (Ga) zu schmelzen. Mit dem Reaktor
100 sind eine Stickstoffzuführleitung
10 und eine Abführleitung
11 verbunden. Zuführen und Abführen von Stickstoff wird durchgeführt, während der interne Druck des Reaktors
100 durch eine Steuerung (nicht gezeigt) auf zum Beispiel 100 atm gesteuert wird.
[Patentdokument 1] Offengelegte
japanische Patentanmeldung (Kokai) Nr. 2001-058900 [Patentdokument 2] Offengelegte
japanische Patentanmeldung (Kokai) Nr. 2003-313099 -
In dem Flussverfahren dient Stickstoffgas zum Umschließen des Reaktionssystems auch als eine Quelle zum Bilden von GaN, und wird beim Fortschreiten der Reaktion verbraucht. Deswegen wird bevorzugt zusätzlicher Stickstoff in angemessener Weise dem Reaktionssystem zugeführt, während der Druck des Systems gehalten wird. Wenn jedoch der zusätzlich zugeführte Stickstoff nicht auf eine Temperatur geheizt wird, die nahezu gleich der Temperatur einer geschmolzenen Na-Ga Mischung ist, werden andere GaN-Kristalle als der Impfkristall zufällig an der Oberfläche des Flusses abgelagert. Dieses Phänomen beeinträchtigt eine Produktionseffizienz für ein dickes Einkristallsubstrat.
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Druckschrift
US 2004/134413 offenbart ein Kristallwachstumsverfahren einer Gruppe III-Nitrid-Verbindung mit den Schritten des Bildens einer Schmelzmischung aus einem Alkalimetall und einem Gruppe III Element in einem Reaktor, und des Wachsens eines Kristalls aus dem Gruppe III Element aus der Schmelzmischung und Stickstoff.
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Druckschrift
JP 2005-247594 offenbart ein Flussverfahren, um einen Gruppe III-Nitrid Kristall zu wachsen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung wurde ausgedacht, um das oben erwähnte Problem zu lösen. Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, effektiv einen Kristall auf einem Impfkristall in dem Flussverfahren durch Zuführen von Ausgangsstickstoffgas zu einem Reaktionssystem wachsen zu lassen, wobei das Ausgangsstickstoffgas ausreichend geheizt wurde.
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Gemäß der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Herstellen eines Gruppe III-Nitrid basierten Verbindungshalbleiters nach Patentanspruch 1 bzw. Patentanspruch 2 bereitgestellt.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Ausgangsstickstoffgas, das in dem Flussverfahren angewendet wird, ausreichend geheizt werden, bevor es dem Reaktionssystem zugeführt wird. Insbesondere ist nach dem ersten Aspekt der Erfindung die für das Heizen des Reaktors vorgesehene Heizvorrichtung angepasst, um die Zuführleitung zum Zuführen eines Stickstoff enthaltenden Gases vor dem Zuführen zu dem Reaktor zu heizen. Als Alternative wird gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung das Stickstoff enthaltende Gas durch ein Temperaturerhöhungsbauteil geheizt, das an der äußeren Peripherie des Reaktors bereitgestellt ist, und dann dem in dem Reaktor enthaltenen geschmolzenen Metall zugeführt. Auf jeden Fall wird gemäß der vorliegenden Erfindung das Stickstoff enthaltende Gas – das als Ausgangsgas dient – ausreichend in einer einfachen Weise nach der vorliegenden Erfindung geheizt. Deswegen erfolgt das Kristallwachstum mit einer hohen Effizienz auf einem Impfkristall, ohne dass nutzlose Kristalle wachsen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine schematische Ansicht der Konfiguration einer Vorrichtung 1000 zum Herstellen eines Gruppe III-Nitrid basierten Verbindungshalbleiters eines Ausführungsbeispiels 1 der vorliegenden Erfindung.
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2 ist eine schematische Ansicht der Konfiguration einer Vorrichtung 2000 zum Herstellen eines Gruppe III-Nitrid basierten Verbindungshalbleiters eines nicht beanspruchten Beispiels.
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3 ist eine schematische Ansicht der Konfiguration einer Vorrichtung 3000 zum Herstellen eines Gruppe III-Nitrid basierten Verbindungshalbleiters eines Ausführungsbeispiels 2 der vorliegenden Erfindung.
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4 ist eine schematische Ansicht der Konfiguration einer herkömmlichen Vorrichtung 9000 zum Herstellen eines Gruppe III-Nitrid basierten Verbindungshalbleiters.
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Beste Arten zum Ausführen der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung kann auf eine Vorrichtung zum Herstellen eines Gruppe III-Nitrid basierten Verbindungshalbleiters angewendet werden, wobei die Vorrichtung einen Reaktor zum Durchführen des Flussverfahrens, eine Heizvorrichtung und ein äußeres Gefäß zum Aufnehmen des Reaktors und der Heizvorrichtung verwenden. Die Zuführleitung zum Zuführen eines Stickstoff enthaltenden Gases kann jede beliebige Form haben. Zum Beispiel (nicht beansprucht) ist die Zuführleitung in der Konfiguration, in der die Zuführleitung gemeinsam mit dem Reaktor durch eine Heizvorrichtung geheizt wird, vorzugsweise in dem Raum zwischen dem Reaktor und der Heizvorrichtung angebracht. Nach einer bevorzugten Weise ist die Zuführleitung in einer spiralartigen Weise in dem Raum angebracht, und hat eine so große Länge und Kapazität, dass sie ausreichend geheizt wird. In dem (nicht beanspruchten) Fall, in dem eine zweite Heizvorrichtung, die getrennt von der ersten Heizvorrichtung zum Heizen des Reaktors angebracht ist, zum Heizen der Zuführleitung angewendet wird, sind die Positionen der zweiten Heizvorrichtung und der Zuführleitung nicht beschränkt auf den Raum zwischen dem Reaktor und der ersten Heizvorrichtung, und können an beliebigen gewünschten Positionen in dem äußeren Gefäß platziert werden.
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Ausführungsbeispiel 1
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1 ist eine schematische Ansicht der Konfiguration einer Vorrichtung 1000 zum Herstellen eines Gruppe III-Nitrid basierten Verbindungshalbleiters eines Ausführungsbeispiels 1 der vorliegenden Erfindung. Wie in 1 gezeigt, hat die Produktionsvorrichtung 1000 ein zu öffnendes/zu schließendes hermetisches Doppelgefäß einschließlich eines Reaktors 100 und eines äußeren Gefäßes 200, die widerstandsfähig gegen hohe Temperatur und Druck sind. Der Reaktor 100 hat eine Kapazität von ungefähr 0,1 bis 100 l, und das äußere Gefäß 200 hat eine Kapazität von ungefähr 1 bis 100 m3. In dem äußeren Gefäß 200 sind Heizvorrichtungen 31a, 31b und 31c angebracht. Die Heizvorrichtungen 31a und 31b sind nahe der Seitenwand des Reaktors 100 angebracht, und die Heizvorrichtung 31c ist unter der unteren Oberfläche des Reaktors 100 angebracht. Durch diese Heizvorrichtungen 31a, 31b und 31c wird der Reaktor 100 auf zum Beispiel 800 bis 900°C geheizt. Durch das Heizen wird eine Schmelze (Fluss) gebildet, die Natrium (Na) und Gallium (Ga) enthält. Mit dem Reaktor 100 sind eine Stickstoffzuführleitung 10 und eine Abführleitung 11 verbunden. Zuführen und Abführen von Stickstoff wird durchgeführt, während der interne Druck des Reaktors auf zum Beispiel 100 atm durch eine Steuerungseinrichtung (nicht gezeigt) gesteuert wird. Die Stickstoffzuführleitung 10 hat einen Heizabschnitt 10a, der durch spiralförmiges Winden der Stickstoffzuführleitung 10 um den Reaktor 100 gebildet ist. Das heißt, Stickstoff, der durch die Zuführleitung 10 zugeführt wird, läuft während einer ausreichend langen Zeitperiode durch den spiralförmigen Heizabschnitt 10a, der um den Reaktor 100 herum bereitgestellt ist. Wenn Stickstoff durch den Heizabschnitt 10a läuft, wird der Abschnitt 10a durch die Heizvorrichtungen 31a, 31b und 31c auf eine Temperatur geheizt, die so hoch ist wie die des Reaktors 100 (ungefähr 800 bis 900°C). Der Heizabschnitt 10a kann in direktem Kontakt mit der äußeren Peripherie des Reaktors 100 sein oder nicht. Dadurch kann die Oberfläche des in dem Reaktor 100 enthaltenen Flusses mit ausreichend geheiztem Stickstoff versorgt werden, und als ein Ergebnis kann ein hochqualitativer Kristall selektiv auf einem Impfkristall wachsen, ohne dass nutzlose Kristalle auf der Oberfläche des Flusses gebildet werden.
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Nicht beanspruchtes Beispiel
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2 ist eine schematische Ansicht der Konfiguration einer Vorrichtung 2000 zum Herstellen eines Gruppe III-Nitrid basierten Verbindungshalbleiters eines nicht beanspruchten Beispiels. Wie in 2 gezeigt, hat die Produktionsvorrichtung 2000 ein zu öffnendes/zu schließendes hermetisches Doppelgefäß einschließlich eines Reaktors 100 und eines äußeren Gefäßes 200, die widerstandsfähig gegen hohe Temperatur und Druck sind. In dem äußeren Gefäß 200 sind erste Heizvorrichtungen 31a und 31b und ein Heizabschnitt 10b und eine zweite Heizvorrichtung 32 angebracht. Die Heizvorrichtungen 31a und 31b sind nahe der Seitenwand des Reaktors 100 angebracht. Der Heizabschnitt 10b ist aus einem Teil einer Stickstoffzuführleitung 10 gebildet, und ist unter der unteren Oberfläche des Reaktors 100 angebracht. Die zweite Heizvorrichtung 32 zum Heizen des Heizabschnittes ist unter dem Heizabschnitt 10b angebracht. Der Reaktor 100 wird durch die Heizvorrichtungen 31a und 31b geheizt. Mit dem Reaktor 100 ist die Stickstoffzuführleitung 10 über den Heizabschnitt 10b verbunden, und eine Abführleitung 11 ist mit dem Reaktor 100 verbunden. Zuführen und Abführen von Stickstoff wird durchgeführt, während der interne Druck des Reaktors 100 auf zum Beispiel 100 atm durch eine Steuerungseinrichtung (nicht gezeigt) gesteuert wird. Die Stickstoffzuführleitung 10 hat den Heizabschnitt 10b, in dem das Gas geheizt wird, bevor es dem Reaktor 100 zugeführt wird. Der Heizabschnitt 10b wird durch die zweite Heizvorrichtung 32 geheizt. Der Heizabschnitt 10b ist aus einem Material hoher thermischer Leitfähigkeit wie zum Beispiel Kupfer gebildet, sodass die durch die Heizvorrichtung 32 abgestrahlte Wärme effektiv dem Stickstoff zugeführt wird. Zum Beispiel enthält der Heizabschnitt 10b eine Kupfer basierte Abstützung, die mit der Stickstoffzuführleitung 10 verbunden ist, und durch die das Stickstoffleitungssystem 10 dringt. Das Stickstoffleitungssystem 10 kann die Abstützung einmal durchdringen, oder so durchdringen, dass das Leitungssystem mehrere Male hin zu der ganzen Länge der Abstützung und von ihr weg gebogen ist. In dem Heizabschnitt 10b empfängt Stickstoff Wärmeenergie von der Atmosphäre. Durch ein Anwenden dieser Konfiguration wird Stickstoff, der durch die Stickstoffzuführleitung 10 zugeführt wird, in dem Heizabschnitt 10b durch die Heizvorrichtung 32 auf eine Temperatur geheizt, die beinahe äquivalent zu der Temperatur des Reaktors 100 ist (ungefähr 800 bis 900°C), bevor das Gas den Reaktor 100 erreicht. Dadurch kann ausreichend geheizter Stickstoff der Oberfläche des in dem Reaktor 100 enthaltenen Flusses zugeführt werden, und als ein Ergebnis kann ein hochqualitativer Kristall selektiv auf einem Impfkristall wachsen, ohne nutzlose Kristalle auf der Oberfläche des Flusses zu bilden.
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Ausführungsbeispiel 2
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3 ist eine schematische Ansicht der Konfiguration einer Vorrichtung 3000 zum Herstellen eines Gruppe III-Nitrid basierten Verbindungshalbleiters eines Ausführungsbeispiels 2 der vorliegenden Erfindung. Wie in 3 gezeigt, hat die Produktionsvorrichtung 3000 ein zu öffnendes/zu schließendes hermetisches Doppelgefäß einschließlich eines Reaktors 150 und eines äußeren Gefäßes 200, die widerstandsfähig gegen hohe Temperatur und Druck sind. In dem äußeren Gefäß 200 sind der Reaktor 150 für ein Kristallwachstum und Heizvorrichtungen 31a, 31b und 31c zum Heizen des Reaktors 150 angebracht. Die Heizvorrichtungen 31a und 31b sind nahe der Seitenwand des Reaktors 150 angebracht, während die Heizvorrichtung 31c unter der unteren Oberfläche des Reaktors 150 angebracht ist. Auf der äußeren Seitenfläche des Reaktors 150 ist ein Temperaturerhöhungsbauteil 50 angebracht, wobei das Temperaturerhöhungsbauteil mit einem Reaktionsbereich 152 verbunden ist, aber ein Bauteil ist, das von dem Reaktionsbereich 152 verschieden ist. Wie in 3 gezeigt, hat das Temperaturerhöhungsbauteil 50 eine Weg verlängernde Struktur, sodass der Weg verlängert ist, sodass er eine Länge entsprechend der zweifachen Höhe des Reaktors 150 hat. In Ausführungsbeispiel 2 wird der Weg einmal umgedreht. Es ist jedoch nicht nötig zu sagen, dass der Weg auch zweimal oder häufiger umgedreht werden kann, um die Stickstoffweglänge zu verlängern. Eine Stickstoffzuführleitung 10 ist mit dem Temperaturerhöhungsbauteil 50 verbunden, das auf der äußeren Peripherie des Reaktors 150 angebracht ist.
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Stickstoff wird durch das Temperaturerhöhungsbauteil 50 dem Reaktionsgebiet 152 in dem Reaktor 150 zugeführt. Eine Abführleitung 11 ist mit dem Reaktor 150 verbunden. Zuführen und Abführen von Stickstoff wird durchgeführt, während der interne Druck des Reaktors 150 auf zum Beispiel 100 atm durch eine Steuerungseinrichtung (nicht gezeigt) gesteuert wird. Stickstoff, der durch die Stickstoffzuführleitung 10 zugeführt wird, wird in dem Temperaturerhöhungsbauteil 50 auf eine Temperatur geheizt, die ungefähr äquivalent zu der inneren Temperatur des Reaktors 150 ist, bevor Stickstoff den Reaktor 150 erreicht. Das heißt, Stickstoff, der durch die Stickstoffzuführleitung 10 zugeführt wird, wird in dem Temperaturerhöhungsbauteil 50 durch die Heizvorrichtungen 31a, 31b und 31c auf eine Temperatur geheizt, die ungefähr äquivalent zu der Temperatur des Reaktors 150 ist (ungefähr 800 bis 900°C), bevor das Gas den Reaktor 150 erreicht. Dadurch kann die Oberfläche des in dem Reaktor 150 enthaltenen Flusses mit ausreichend geheiztem Stickstoff versorgt werden, und als ein Ergebnis kann ein hochqualitativer Kristall selektiv auf einem Impfkristall wachsen, ohne nutzlose Kristalle auf der Oberfläche des Flusses zu bilden.
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In Ausführungsbeispiel 2 ist das Temperaturerhöhungsbauteil 50 ganz auf der äußeren Seitenfläche des Reaktors 150 bereitgestellt mit einer Pfadlänge, die zweimal die Wandhöhe ist (aufwärts und abwärts). Jedoch kann anstelle solch einer Konfiguration auch eine Leitung, die aufwärts und abwärts läuft, um teilweise die äußere Seitenfläche des Reaktors 150 zu bedecken, auf der äußeren Seitenfläche bereitgestellt werden.
