DE69132911T2

DE69132911T2 - Verfahren zur Dampfabscheidung eines Halbleiterkristalls

Info

Publication number: DE69132911T2
Application number: DE69132911T
Authority: DE
Inventors: Shuji Nakamura
Original assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 1990-10-25
Filing date: 1991-10-24
Publication date: 2002-08-22
Anticipated expiration: 2011-10-25
Also published as: EP0482648A1; US5334277A; DE69132911D1; EP0482648B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Züchten einer aus einer Stickstoffverbindung bestehenden Halbleiterkristallschicht in einer Dampfphase und insbesondere ein Verfahren zum Züchten einer Halbleiterkristallschicht auf der Dampfphase durch Blasen eines Reaktionsgases auf die Oberfläche eines Substrates.[0001]
Allgemein werden GaN, InN, AlN und deren Halbleiterkristalle durch die in den Fig. 1 bis 4 gezeigten Vorrichtungen aus der Dampfphase gezüchtet (das Beispiel aus Fig. 4 ist aus Appl. Phys. Lett. 48 (1986) 353 bekannt).[0002]
Beispielsweise wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 1 ein Verfahren zum Züchten von GaN auf der Oberfläche eines Substrats beschrieben.[0003]
i) Im Allgemeinen wird ein Saphir mit einer (0001)-Orientierung (C-Fläche) als Substrat verwendet. Es wird ein Saphirsubstrat 1 auf einem Kohlenstoffsuszeptor 4 angeordnet.
ii) Während H&sub2; fließt, wird der Kohlenstoffsuszeptor 4 durch Hochfrequenzinduktionsheizen auf eine Obertemperatur von 950ºC bis 1150ºC erhitzt.
iii) Von einem Reaktionsgasblasrohr wird Trimethylgallium (TMG) als Ga-Quelle, Ammoniak (NH&sub3;) als N-Quelle und H&sub2; als Träger auf die Oberfläche des Substrats geblasen.
[0004] Diese Reaktionsgase werden aus einem dünnen Reaktionsgasblasrohr 2 mit einem Innendurchmesser von ungefähr 5 mm bis 10 mm auf einen Bereich oberhalb und sehr nahe des Substrats 1 geblasen. Die Reaktionsgase werden als Hochgeschwindigkeitsströmung mit einer Strömungsrate von 2 m/s oder mehr gegen das Substrat geblasen.
[0005] Auf diese Weise kann eine GaN-Schicht mit einer Dicke von ungefähr 2 bis 5 um in einer Züchtungszeit von 30 bis 60 Minuten auf dem Saphirsubstrat gezüchtet werden.
[0006] Fig. 2 zeigt eine herkömmliche Halbleiterkristallschicht-Züchtungsvorrichtung. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, umfasst diese Vorrichtung eine Kammer, einen Kohlenstoffsuszeptor 43, der sich nicht dreht und in der Kammer enthalten ist und auf dem ein Substrat schräg zu der waagerechten Richtung fixiert werden kann, sowie ein Reaktionsgasblasrohr 45, das in der Lage ist, ein Reaktionsgas horizontal auf das Substrat zu blasen, und ein Blasrohr 44 für ein Reduktionsgas H&sub2;. Eine Hochfrequenzspule 42 ist horizontal angeordnet und um die äußere Wandungsfläche der Kammer um den Kohlenstoffsuszeptor 43 gewickelt. Mit der Kammer ist eine Kraftarretierungskammer 41 verbunden. Eine Rotationspumpe 46 ist mit der Kammer verbunden und eine Turbopumpe 47 sowie eine Rotationspumpe 48 sind mit der Kraftarretierungskammer 41 verbunden. In dieser Vorrichtung wird das Reaktionsgas horizontal auf ein Substrat geblasen, das auf dem feststehenden Kohlenstoffsuszeptor schräg zu der horizontalen Richtung fixiert ist. Es ist zu bemerken, dass der Kohlenstoffsuszeptor nicht gedreht wird und ein Druckgas verwendet wird.
[0007] Fig. 3 zeigt eine Vorrichtung, die zu der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung fast ähnlich ist. Diese Vorrichtung umfasst eine Kammer 51, einen in der Kammer enthaltenen drehbaren Kohlenstoffsuszeptor 53, ein sich von dem oberen Abschnitt der Kammer 51 nach unten erstreckendes Reaktionsgasblasrohr 55 sowie ein Blasrohr 54 für ein Reduktionsgas H&sub2;. Eine senkrechte Hochfrequenzspule 42 ist um die Außenwandung der Kammer 51 um den Kohlenstoffsuszeptor 53 herum angeordnet und herumgewickelt.
[0008] Fig. 4 zeigt eine Vorrichtung mit einer Kammer 61, einem drehbaren Kohlenstoffsuszeptor 63, der in der Kammer 61 enthalten ist und auf dem ein Substrat schräg zu der senkrechten Richtung fixiert werden kann, sowie ein sich von dem oberen Abschnitt der Kammer 61 nach unten erstreckendes Reaktionsgasblasrohr 65. Das Reaktionsgasblasrohr 65 ist in seinem oberen Bereich in Linien 70 und 71 verzweigt. Eine Gasmischung von NH&sub3; und H&sub2; fließt durch die Linie 70, und eine Gasmischung aus TMG und H&sub2; fließt durch die Linie 71. Eine senkrechte Hochfrequenzspule 62 ist um die Außenumfangswand der Kammer 61 um den Suszeptor 63 herum angeordnet und gewickelt.
[0009] Um durch das vorstehende Verfahren eine Halbleiterkristallschicht auf einem Substrat zu züchten, muss der Volumenstrom eines Reaktionsgases erhöht werden. Dies bedeutet, dass kein GaN gezüchtet werden kann, wenn der Volumenstrom des Reaktionsgases nicht 2 m/s oder mehr beträgt. Es wird angenommen, dass dies der Tatsache zuzurechnen ist, dass das Reaktionsgas durch den durch eine hohe Reaktionstemperatur gebildeten großen Wärmekonvektionsstrom daran gehindert wird, das Substrat zu erreichen, wenn die Strömungsgeschwindigkeit nicht hinreichend groß ist.
[0010] Aus diesem Grund wird bei herkömmlichen Züchtungsverfahren ein dünnes Reaktionsgasblasrohr mit einem Innendurchmesser von 5 bis 10 mm verwendet, um einen Hochgeschwindigkeitsstrom eines Reaktionsgases zu erhalten. Das untere Öffnungsende des dünnen Reaktionsgasblasrohres wird in einer Position angeordnet, die von der Oberfläche eines Substrats oberhalb durch 5 bis 10 mm getrennt ist.
[0011] Wenn GaN in diesem Zustand auf der Oberfläche eines Saphirsubstrats gezüchtet wird, ist der Durchmesser eines Bereichs der gezüchteten Halbleiterkristallschicht ungefähr 5 bis 10 mm, d. h. es kann nur eine sehr kleine Schicht erhalten werden. Beispielsweise ist der Bereich einer gezüchteten Halbleiterkristallschicht ungefähr 2/50 oder weniger des Bereichs des Substrates, wenn ein Saphirsubstrat mit einem Durchmesser von 50,8 mm (2 Zoll) verwendet wird, was zu einer sehr geringen Ausbeute führt. Dies bedeutet, dass die herkömmlichen Züchtungsverfahren nicht einheitlich eine Halbleiterkristallschicht in einem großen Bereich mit einem Durchmesser von 10 mm oder mehr auf der Oberfläche eines Substrats züchten können.
[0012] Zusätzlich haftet bei den herkömmlichen Verfahren jedes Mal eine große Menge eines GaN-Reaktionsproduktes an dem distalen Ende des dünnen Reaktionsgasblasrohres an, wenn eine Halbleiterkristallschicht auf der Oberfläche eines Substrats gezüchtet wird. Falls die Temperatur des Substrats während des Wachstums der Halbleiterkristallschicht erhöht wird, so zerfällt auf dem Reaktionsgasblasrohr niedergeschlagenes GaN durch den Einfluss dieser Hitze in Ga-Metall und das Ga-Metall fällt während der Reaktion auf das Substrat. Die Wachstumsausbeute wird extrem verringert, da kein GaN auf Bereichen wächst, wo Ga niedergeschlagen ist.
[0013] In einem extremen Fall muss das Reaktionsgasblasrohr jedes Mal durch ein neues ersetzt oder ausgewaschen werden, wenn die Reaktion veranlasst wird, was zu einer sehr schlechten Durchführbarkeit führt.
[0014] Bei der Verwendung eines CVD-Verfahrens wie eines metallorganischen chemischen Dampfabscheidungsverfahren (im Folgenden als MOCVD-Verfahren bezeichnet) oder eines molekularen Strahl-Epitaxie-Verfahrens zum Züchten der Halbleiterkristalle auf einem in einem Reaktor fixierten Substrat ist es wichtig, ein "Überwachungsfenster" frei von Verunreinigungen in dem Reaktor vorzubereiten. Während des Wachstums der Halbleiterkristalle wird dieses "Überwachungsfenster" verwendet, um den Kristallwachstumszustand extern zu beobachten oder es wird während des "Überwachungsfensters" Licht auf eine Kristallschicht gestrahlt, um dem Wachstum der Kristallschicht optische Energie zu geben, wodurch der Wachstumszustand verändert wird.
[0015] Herkömmlicherweise wurden mehrere Strukturen als "Überwachungsfenster" eines Reaktors vorgeschlagen und verwendet. Fig. 5 zeigt eine herkömmliche Vorrichtung, die ein Beispiel des "Überwachungsfensters" verwendet. Dieser Reaktorbehälter 10 hat eine Doppelzylinderstruktur unter Verwendung von Quarzrohren. Außerhalb eines äußeren Rohrs ist eine Induktionsspule 12 zum Heizen eines Substrats 18 gewickelt. In einem inneren Rohr ist an einer Position oberhalb des Substrats 18 ein "Überwachungsfenster" 13 offen. In das innere Rohr wird ein Reaktionsgas gespeist, um eine Halbleiterkristallschicht auf der Oberfläche eines Substrats zu züchten. Beispielsweise strömt Wasserstoff in das äußere Rohr, um das Reaktionsgas daran zu hindern, in das äußere Rohr zu fließen.
[0016] Bei der Vorrichtung mit der obigen Struktur können diese Röhren jedoch nicht oft aufeinanderfolgend verwendet werden, da die Innenflächen des inneren und äußeren Rohrs durch das Reaktionsgas verunreinigt werden. Dies bedeutet, dass ein Zerfallsprodukt des Reaktionsgases sofort an der Innenfläche des inneren Rohrs anhaftet, um dieses zu schwärzen, da das Reaktionsgas konstant durch das innere Rohr strömt. In ähnlicher Weise bildet das durch das äußere Rohr strömende Wasserstoffgas nahe dem "Überwachungsfenster" eine turbulente Strömung, um es dem Reaktionsgas zu ermöglichen, in das äußere Rohr zu strömen. Das Reaktionsgas wird in einem oberhalb des "Überwachungsfensters" befindlichen Bereich in Kontakt mit der Innenfläche des äußeren Rohrs gebracht und verunreinigt diesen Bereich allmählich, was es schwierig macht, ein Substrat zu beobachten.
[0017] Der gesamte Reaktor muss deshalb ersetzt werden, nachdem er nur wenige Male benutzt worden ist. Beim Austausch des Reaktors müssen wiederholt komplizierte Schritte, wie bspw. Vakuum- Brennen oder Gas-Brennen, mehrfach über mehrere Tage durchgeführt werden, um die Feuchtigkeit zu entfernen, da Luftfeuchtigkeit in dem Innenraum des Reaktors adsorbiert wird, was zu einem sehr lästigen Betrieb führt.
[0018] Als ein Verfahren zum Züchten einer Halbleiterkristallschicht ist ein Verfahren verfügbar, bei dem Kristalle gezüchtet werden, während Licht ausgestrahlt wird. Bei diesem Verfahren kann eine Züchtungstemperatur wesentlich verringert werden, indem Licht ausgestrahlt wird, und es wird eine Lichtquelle außerhalb eines Reaktors angeordnet, um Licht auszustrahlen. Die Lichtquelle bestrahlt eine Epitaxialkristallschicht mit Licht, das durch ein "Überwachungsfenster" übertragen wird. Bei diesem Verfahren ist es sehr wichtig, das "Überwachungsfenster" sauber zu halten, da ein verunreinigtes "Überwachungsfenster" Licht absorbiert und so die Lichtstrahlungsintensität auf die Epitaxialkristallschicht reduziert.
[0019] EP-A-0254654 offenbart ein Verfahren zur chemischen Dampfabscheidung einer metallischen Dünnschicht bspw. auf einem erhitzten Siliziumsubstrat unter Verwendung von Metall- Halogeniden als Reaktionsgase. Die Abscheidung wird durchgeführt, um Metallschichten und Metalllegierungsschichten zu bilden, und das Reaktionsgas wird in einer laminaren Strömung nahe und parallel zu der Oberfläche des Substrats bereitgestellt. In einer zu dem Substrat rechtwinkligen Richtung ist eine Inertgas-Injektionsplatte angeordnet, um die Reaktion auf den Raum nahe dem Substrat zu begrenzen. EP-A-0328417 offenbart eine Vorrichtung zur Bildung von Kristallen unter einem verringerten Druck und einer umlaufenden laminaren Gasströmung durch Ausnutzung einer photochemischen Reaktion. JP-A-62-228478 lehrt eine Vorrichtung zur chemischen Dampfabscheidung, die unter einem verringerten Druck arbeitet und in der der Durchmesser der Reaktionsgaseinspeisungsmittel in Richtung der Spitze erhöht ist.
[0020] Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die vorstehenden herkömmlichen Probleme zu lösen.
[0021] Es ist ein erstes Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Züchten einer Halbleiterkristallschicht aus einer Dampfphase zu schaffen, das bei großer Ausbeute eine Halbleiterkristallschicht züchten kann, die einen großen Bereich auf der Oberfläche eines Substrats aufweist.
[0022] Es ist insbesondere ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Züchten einer Halbleiterkristallschicht zu schaffen, das ein "Überwachungsfenster" über eine lange Zeitspanne daran hindert, verunreinigt zu werden, um eine Beobachtung des Zustands des Kristallwachstums zu ermöglichen.
[0023] Es ist weiterhin ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Züchten einer Halbleiterkristallschicht aus der Dampfphase zu schaffen, in dem eine Halbleiterkristallschicht-Züchtungs-Vorrichtung mit einem "Überwachungsfenster" geschaffen wird, das frei von Verunreinigungen ist und in dem mit hoher Wirksamkeit Licht durch das "Überwachungsfenster" gestrahlt wird.
[0024] Das Ziel der Erfindung wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 erreicht. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen definiert.
[0025] Entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Züchten einer Halbleiterkristallschicht aus der Gasphase vorgesehen, das insbesondere die Schritte der Einspeisung eines Reaktionsgases in einen Bereich oberhalb einer Oberfläche eines erhitzten Substrates umfasst, um parallel oder schräg zu dem Substrat zu sein, sowie das Anblasen eines in Bezug auf das Reaktionsgas inerten Druckgases auf das Substrat, um das Reaktionsgas in Kontakt mit der Oberfläche des Substrats zu bringen. Das Druckgas wird vorzugsweise unter Verwendung eines Blasrohres geblasen, das wie ein Trichter zu einer Blasöffnung erweitert ist. Vorzugsweise ist das Blasrohr durchsichtig.
[0026] Zusätzlich wird eine Vorrichtung zum Züchten einer Halbleiterkristallschicht beschrieben, die einen Reaktor, einen in dem Reaktor vorgesehenen Suszeptor zur Aufnahme eines Substrats, Mittel zum Erhitzen des Suszeptors, Reaktionsgaseinspeisemittel zum Einspeisen eines Reaktionsgases parallel oder schräg zu dem Substrat und ein Blasrohr mit einer sich in Richtung einer Blasöffnung wie ein Trichter erweiternden Form zum Blasen eines in Bezug auf das Reaktionsgas inerten Druckgases auf das Substrat, um das Reaktionsgas in Kontakt mit einer Oberfläche des Substrats zu bringen. Vorzugsweise ist dieses Blasrohr transparent.
[0027] Bei der Verwendung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung muss das Reaktionsgasblasrohr nicht oberhalb eines Substrats angeordnet werden. Deshalb schlägt selbst dann kein Ga-Metall nieder, um an dem Substrat anzuhaften, wenn sich auf dem Reaktionsgasblasrohr abgelagertes GaN in Ga-Metall zersetzt. Darüber hinaus erreicht das Ga-Metall selbst dann kaum ein Substrat, wenn das Reaktionsgas parallel zu dem Substrat geblasen wird, da die Richtung des Reaktionsgases durch das Druckgas verändert wird. Deshalb wird die Ausbeute eines Saphirsubstrats nicht verringert und das Reaktionsgasblasrohr muss nicht oft gewaschen oder ersetzt werden.
[0028] Der wichtigste Effekt dieses Druckgases besteht darin, das Reaktionsgas zu drängen und dazu zu bringen, parallel oder schräg zu einem Substrat in Kontakt mit der Oberfläche des Substrats zu strömen. Falls kein Druckgas verwendet wird, so wird fast kein Schichtwachstum auf dem Substrat erreicht. Der Grund dafür besteht darin, dass aufgrund einer hohen Substrattemperatur von ungefähr 1000ºC eine Wärmekonvektion auf dem Substrat verursacht wird. Wenn kein Druckgas verwendet wird, so steigt das Reaktionsgas aufgrund der Wärmekonvektion hoch und kann nicht in Kontakt mit dem Substrat gebracht werden. Deshalb strömt das Druckgas, um das hochsteigende Reaktionsgas abwärts zu drängen, damit es in Kontakt mit dem Substrat gebracht wird. Wie vorstehend beschrieben wurde, kann bei dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung eine GaN-Epitaxialschicht unter Verwendung des Druckgases gezüchtet werden.
[0029] Zusätzlich ermöglicht das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung selbst dann ein Wachstum von GaN, wenn ein Reaktionsgas horizontal geblasen wird. Weiterhin kann eine GaN- Epitaxialschicht auf einem großen Bereich einheitlich gezüchtet werden, da ein Substrat gedreht wird.
[0030] Bei herkömmlichen Verfahren ist der Durchmesser eines effektiven Bereichs einer auf der Oberfläche eines Substrats in einem Wachstumsbetriebszyklus gezüchteten Halbleiterkristallschicht höchstens 10 mm. Wenn ein Saphirsubstrat mit einem Durchmesser von 50,8 mm (2 Zoll) verwendet wird, muss dieser Betrieb deshalb mehrmals wiederholt werden, was es erschwert, eine einheitliche Halbleiterkristallschicht auf dem gesamten Substrat zu bilden. Wenn dagegen eine Halbleiterkristallschicht entsprechend der vorliegenden Erfindung auf der Oberfläche eines Saphirsubstrats gezüchtet wird, so kann einheitliches GaN selbst dann auf dem gesamten Saphirsubstrat gezüchtet werden, wenn der Außendurchmesser des Substrats 50,8 mm (2 Zoll) beträgt.
[0031] Diese Erfindung kann anhand der folgenden detaillierten Beschreibung vollständiger verstanden werden, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gebracht wird, wobei:
Fig. 1 bis 5 schematische Schnittdarstellungen sind, die jeweils eine herkömmliche Halbleiterkristallschicht- Züchtungsvorrichtung zeigen,
Fig. 6 eine Seitenansicht ist, die ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, in der die Strömungsrichtungen von Gasen erklärt werden,
Fig. 7 bis 9 schematische Schnittansichten sind, die jeweils eine Halbleiterkristallschicht-Züchtungsvorrichtung zeigen, die bei dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, und
Fig. 10 eine Kurve ist, welche die Temperatur als Funktion der Züchtungszeit zeigt.
[0032] Bei einem Verfahren zum Züchten einer Halbleiterkristallschicht gemäß der vorliegenden Erfindung wird zur Lösung herkömmlicher Probleme ein Reaktionsgas parallel oder schräg zu einem Substrat geblasen, und es strömt ein Druckgas in Richtung auf das Substrat, wodurch eine Halbleiterkristallschicht gebildet wird.
[0033] Dieses Verfahren kann auf Materialien angewendet werden, die durch chemische Dampfabscheidungsverfahren gezüchtet werden können, wie ein MOCVD-Verfahren, ein Plasma-CVD-Verfahren und ein Mikrowellen-CVD-Verfahren.
[0034] Fig. 6 ist eine Ansicht, die schematisch ein Verfahren zum Züchten einer Halbleiterkristallschicht entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in Fig. 6 dargestellt ist, wird ein Reaktionsgas parallel oder schräg zu einem auf einem Suszeptor 24 angeordneten Substrat 21 geblasen und es wird ein Druckgas in Richtung auf das Substrat 21 geblasen, das dadurch die Richtung einer Strömung des Reaktionsgases ändert, das gegen das Substrat 21 geblasen wird.
[0035] Vorzugsweise wird das Reaktionsgas mit einer hohen Geschwindigkeit parallel zu dem Substrat geblasen und das Druckgas strömt vertikal in Richtung auf das Substrat, wodurch die Richtung des Reaktionsgases oberhalb des Substrats so geändert wird, dass es gegen das Substrat geblasen wird.
[0036] Beispiele für das Reaktionsgas sind metallorganische Gase, wie Trimethylgallium (TMG), Trimethylaluminium (TMA), Diethylzink (DEZ) und Trimethylindium (TMI), Arsen (AsH3), Phosphin (PH3), Ammoniak (NH&sub3;), Silan (SiH&sub4;), H&sub2;Se, H&sub2;S sowie Methan (CH4).
[0037] Da das Druckgas, das senkrecht abwärts auf ein Substrat strömen soll, verwendet wird, um die Richtung des Reaktionsgases auf das Substrat zu ändern, können alle inerten Gase für das Druckgas verwendet werden, die keinen Einfluss auf das Reaktionsgas haben. Beispiele des Inertgases sind H&sub2;-Gas, N2-Gas, He-Gas, Ne-Gas und Ar-Gas, und diese Gase können einzeln oder als Mischung davon verwendet werden.
[0038] Damit das Druckgas gegen ein Substrat strömt, wird vorzugsweise ein Blasrohr verwendet, das in eine trichterartige Form gegossen ist, die sich gegen eine Gasblasöffnung erweitert. Wenn das Druckgas von einem Teilblasrohr mit dieser Form geblasen wird, bildet eine Strömung des Druckgases eine laminare Strömung, die einheitlich gegen ein Substrat strömen kann. Die Größe der Blasöffnung ist im Wesentlichen genauso groß wie das Substrat. Wenn dieses Blasrohr verwendet wird, kann selbst dann GaN durch einmalige Durchführung eines Züchtungsbetriebs aus der Dampfphase auf dem gesamten Substrat gezüchtet werden, wenn ein Saphirsubstrat mit einem Außendurchmesser von 50,8 mm (2 Zoll) verwendet wird.
[0039] Wenn ein Substrat mit einem Durchmesser von bspw. 50,8 mm (2 Zoll) verwendet wird, so ist eine bevorzugte Strömungsgeschwindigkeit des Druckgases auf das Substrat 0,02 bis 0,5 m/s. [0040] Da entsprechend der vorliegenden Erfindung eine Kristallschicht einheitlich auf der gesamten Oberfläche eines Saphirsubstrats (C-Fläche) mit einem Durchmesser von 50,8 mm (2 Zoll) gezüchtet werden kann, d. h. eine große Halbleiterkristallschicht kann durch einmaliges Ausführen eines Züchtungsbetriebs aus der Dampfphase gezüchtet werden, können großartige industrielle Vorzüge erreicht werden.
[0041] Zusätzlich ist die Trägerkonzentration einer durch das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Halbleiterkristallschicht 1/10 oder weniger derjenigen herkömmlicher Produkte, und ihre Hall-Beweglichkeit ist das Fünf- oder Mehrfache davon. Deshalb kann ein qualitativ hochwertiges GaN gezüchtet werden.
[0042] Entsprechend der vorliegenden Erfindung wurde das Blasrohr zum Blasen des Druckgases auf ein Substrat unabhängig von der Anzahl von Reaktionen nicht verunreinigt. Deshalb konnte die Temperatur des Substrats durch ein außerhalb des Blasrohrs vorgesehenes Infrarotstrahlungsthermometer überwacht werden.
[0043] Zusätzlich steigt die Temperatur des Rohrs kaum an und es haftet fast kein GaN an dem Rohr an, da das Reaktionsgasblasrohr zum Strömen des Reaktionsgases neben dem Suszeptor angeordnet sein kann. Deshalb schlägt sich während der Reaktion keine Ga-Schmelze auf dem Substrat nieder, um die Ausbeute zu verringern.
[0044] Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst einen Reaktor, einen in dem Reaktor vorgesehenen Suszeptor zum Tragen eines Substrats, Mittel zum Erhitzen des Suszeptors, Reaktionsgaszuführungsmittel zum Zuführen eines Reaktionsgases parallel oder schräg zu dem Substrat sowie ein Blasrohr mit einer Form, die sich wie ein Trichter gegen eine Blasöffnung davon erweitert zum Blasen eines in Bezug auf das Reaktionsgas inerten Druckgases gegen das Substrat, um das Reaktionsgas in Kontakt mit einer Oberfläche des Substrats zu bringen. Der trichterförmige Abschnitt des Blasrohrs erweitert sich in Bezug auf die Achse des Blasrohrs vorzugsweise mit einem Winkel von 20º oder weniger und noch bevorzugter 10º oder weniger. Vorzugsweise ist das Blasrohr durchsichtig. Diese Vorrichtung kann weiterhin Mittel aufweisen, um Lichtstrahlung auftreten zu lassen.
[0046] Wenn ein durchsichtiges Rohr in der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, so kann ein Züchtungszustand einer Halbleiterkristallschicht genau beobachtet werden, da das durchsichtige Rohr über eine lange Zeitspanne von dem Reaktionsgas nicht verunreinigt wird, sondern als "Überwachungsfenster" funktioniert. Bei der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines durchsichtigen Rohrs wurde selbst dann keine Verunreinigung in dem durchsichtigen Rohr gefunden, nachdem die Vorrichtung über mehrere hundert Stunden benutzt wurde.
[0047] Wenn bei dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ein als "Überwachungsfenster" dienendes durchsichtiges Rohr verwendet wird, das selbst nach einer sehr lang andauernden Verwendung frei von Verunreinigungen ist, so kann durch das durchsichtige Rohr Licht auf eine Halbleiterkristallschicht gestrahlt werden. Da deshalb das von einer Lichtquelle emittierte Licht nicht abgeschwächt wird, sondern effizient auf die Epitaxialkristallschicht strahlt, kann dessen optische Energie effektiv genutzt werden, um die Halbleiterkristallschicht aus der Dampfphase zu züchten.
[0048] Wenn ein durchsichtiges Rohr in der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, so kann darüber hinaus durch das durchsichtige Rohr die Temperatur eines Substrats gemessen werden, auf dem eine Kristallschicht gezüchtet wird, indem eine von der Kristallschicht abgestrahlte Infrarotintensität detektiert wird, wodurch die Schichtdicke der Kristallschicht gemessen wird.
[0049] Da das durchsichtige Rohr bei der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung nicht verunreinigt wird und deshalb nicht ersetzt werden muss, kann weiterhin die Anzahl der Reinigungsmittel unter Verwendung von Vakuum-Brennen oder Gas- Brennen minimiert werden. Deshalb können Halbleiterkristallschichten effizient hergestellt werden.
[0050] Das Züchten einer Halbleiterkristallschicht aus der Dampfphase wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 7 detaillierter beschrieben, die eine Vorrichtung zur Umsetzung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung zur Züchtung aus der Dampfphase zeigt.
[0051] Vor der Erklärung der Beispiele wird diese Vorrichtung kurz beschrieben.
[0052] Die in Fig. 7 gezeigte Vorrichtung zum Züchten einer Halbleiterkristallschicht aus der Dampfphase ist eine Vorrichtung zum Züchten einer Epitaxialschicht unter Verwendung eines MOCVD-Verfahrens, die aus GaN, AlN, InN oder gemischter Kristalle davon besteht. Die Vorrichtung umfasst eine Kammer 6, einen Suszeptor 4, einen Heizer 7, ein Reaktionsgasblasrohr 2 und ein Teilblasrohr 3.
[0053] Die Kammer 6 besteht aus Edelstahl und weist eine geschlossene Form auf, die in der Lage ist, die äußere Atmosphäre abzuschirmen. In der Kammer 6 ist - obwohl nicht dargestellt - eine Zuführungs-/Entnahmeöffnung gebildet, um ein Saphirsubstrat zuzuführen/zu entnehmen. Die Zuführungs-/Entnahmeöffnung ist mit einer Abdeckung abgedeckt, die in der Lage ist, diese luftdicht zu verschließen. In der Kammer ist eine Abgasöffnung 8 für ausströmende Gase in der Kammer gebildet. Die Abgasöffnung 8 ist mit einer Abgaspumpe (nicht dargestellt) verbunden, so dass Gase von der Abgaspumpe erzwungenermaßen herausgepumpt werden.
[0054] Der in der Kammer 6 angeordnete Suszeptor 4 weist eine horizontale Oberfläche auf und kann sich in einer horizontalen Ebene drehen. Der Suszeptor 4 ist eine kreisförmige Säule mit einem Durchmesser von 30 bis 100 mm und einer Höhe von 10 bis 30 mm, und es ist eine Welle 5 senkrecht an der Mitte der Unterseite des Suszeptors 4 befestigt.
[0055] Der Suszeptor 4 wird von dem unterhalb seiner Unterseite angeordneten Heizer 7 auf bis zu 1000ºC oder mehr erhitzt. Der Suszeptor 4 besteht aus einem Material, das einen Wärmewiderstand aufweist und die Gase in der Kammer 6 beim Erhitzen nicht verunreinigt, z. B. einem durch Beschichtung der Oberfläche von Kohlenstoff mit Siliziumkarbid erhaltenes Material.
[0056] Der Heizer 7 ist nahe, aber nicht in Kontakt mit der Unterseite des Suszeptors 4 angeordnet und stellt den Suszeptor 4 auf eine vorgegebene Temperatur ein entsprechend einem Temperatursensor (nicht dargestellt), der in dem Suszeptor enthalten ist und einer Ein-/Aus-Steuerung oder einer Stromzufuhrregelung.
[0057] Der Heizer 7 kann in jeder Position angeordnet werden, in der er den Suszeptor 4 heizen kann. Der Heizer kann - obwohl nicht dargestellt - in dem Suszeptor enthalten sein, um eine integrale Struktur zu bilden.
[0058] Das Reaktionsgasblasrohr 2 ist durch die Kammer 6 horizontal oder geringfügig schräg luftdicht fixiert. Das distale Ende des Reaktionsgasblasrohrs 2 erstreckt sich nahe an das Substrat 1, um ein Reaktionsgas auf die Oberfläche des auf dem Suszeptor 4 angeordneten Substrats 1 zu blasen.
[0059] Das Reaktionsgasblasrohr 2 bläst Wasserstoffgas, Ammoniakgas und Trimethylgallium- (TMG) oder Trimethylaluminlumgas (TMA) auf die Oberfläche des Substrats 1.
[0060] Das Teilblasrohr 3 ist durch die obere Wandung der Kammer 6 luftdicht fixiert. Das Teilblasrohr 3 bläst ein aus Wasserstoff oder Stickstoff bestehendes inertes Gas vertikal abwärts auf das Substrat 1. Um das inerte Gas einheitlich auf die Oberfläche des Substrats 1 zu blasen, weist das Teilblasrohr 3 eine trichterartige Form auf, wobei sich ein Öffnungsbereich nach unten erweitert. Der Öffnungsbereich im unteren Ende des Blasrohrs 3 ist so ausgelegt, dass er im Wesentlichen dieselbe Größe aufweist wie das Substrat 1. Das untere Ende des Teilblasrohrs 1 ist nahe der Oberfläche des Substrats 1 offen. Ein Zwischenraum zwischen dem unteren Ende des Teilblasrohrs 3 und dem Substrat 1 wird vorzugsweise auf 5 mm bis 50 cm und noch bevorzugter auf 10 mm bis 30 cm eingestellt.
[0061] Das Teilblasrohr 3 hat höchstvorzugsweise eine konische Form. Das Rohr muss jedoch nicht ein Konus sein, sondern kann auch ein elliptischer Konus oder eine Pyramide mit einem sich zu dem offenen Ende erweiternden Querschnittsbereich sein. Wenn ein pyramidenförmiges durchsichtiges Rohr als das Teilblasrohr 3 verwendet wird, so ist jede Ecke des mehreckigen Querschnitts vorzugsweise mit einer vorgegebenen Krümmung abgerundet.
[0062] Herkömmlicherweise wird ein konisches Quarzrohr oder ein pyramidenförmiges Quarzrohr mit Ecken, die mit einer vorgegebenen Krümmung abgerundet sind, als ein Reaktor einer vertikalen MOCVD-Vorrichtung verwendet. Da ein in einem Rohr mit dieser Form strömendes Gas eine einheitliche laminare Strömung bildet, kann das Gas einheitlich strömen.
[0063] Das Saphirsubstrat 1 wird auf dem Suszeptor 4 angeordnet, auf bis zu 1000ºC bis 1050ºC erhitzt und in der horizontalen Ebene gedreht. Der Suszeptor 4 wird durch die vertikal an dem Mittelpunkt seiner Unterseite befestigte Welle 5 gedreht. Der Züchtungsdruck wird auf den atmosphärischen Druck in der Kammer 6 eingestellt. Um GaN auf dem Saphirsubstrat zu züchten, strömt eine Reaktionsgasmischung aus TMG, NH&sub3; und H&sub2; auf dem Reaktionsgasblasrohr 2 in einer Richtung parallel zu dem Substrat 1 auf einen Bereich oberhalb des Substrats. Anschließend strömt eine Gasmischung aus N2 und H&sub2; als Druckgas aus dem oberhalb des Substrats 1 angeordneten Teilblasrohr 3 gegen die Oberfläche des Substrats 1.
[0064] Bezugnehmend auf Fig. 7 kann das Blasrohr 3 aus einem durchsichtigen Material bestehen, das der Temperatur des auf bis zu 1000ºC oder mehr erhitzten Suszeptors standhält, z. B. Quarzglas.
[0065] Eine in Fig. 8 dargestellte Vorrichtung weist einen Aufbau auf, bei dem eine Lichtquelle 89 oberhalb eines transparenten Rohrs 15 angeordnet ist, wie es in Fig. 7 gezeigt ist. Die Lichtquelle 89 strahlt Licht auf eine Halbleiterkristallschicht, um die Halbleiterkristallschicht bei einer geringen Temperatur zu züchten. Die Lichtquelle 89 ist oberhalb des durchsichtigen Rohrs 15 angeordnet, und das von der Lichtquelle 89 abgestrahlte Licht wird durch eine Linse 80 oder einen Reflektionsspiegel 81 fokussiert, und gleichmäßig auf die Oberfläche einer auf dem Substrat geschichteten Halbleiterkristallschicht gestrahlt. Wenn das Licht in dieser Weise fokussiert und gestrahlt wird, so kann eine Halbleiterkristallschicht mit Licht einer großen Intensität bestrahlt werden. Als Lichtquelle wird eine Ultraviolett-Lampe, wie eine Quecksilber-Lampe oder eine Xenon-Lampe, verwendet. Die Leistung einer als Lichtquelle verwendeten Lampe beträgt 200 W bis mehrere kW.
[0066] Fig. 9 zeigt eine Vorrichtung zum Züchten einer Halbleiterkristallschicht aus der Dampfphase auf einem Substrat 18, in dem ein Reaktionsgas von einer Seite eines zylindrischen Reaktors 10 zugeführt wird. Diese Vorrichtung wird häufig verwendet, um Kristalle von bspw. GaAs oder GaAlAs zu züchten. Die Form des Reaktors 10 ist ein horizontaler langgestreckter Zylinder. Ein Suszeptor 92 ist in dem Reaktor 10 angeordnet und wird durch eine Induktionsspule 12 erhitzt. Oberhalb des Substrats 18 erstreckt sich ein durchsichtiges Rohr 15 in vertikaler Richtung. Das durchsichtige Rohr 15 weist denselben Aufbau auf wie bei der in Fig. 8 gezeigten Vorrichtung. Das obere Ende des durchsichtigen Rohrs 15 ist mit einer Versorgungsquelle eines Gases, wie Wasserstoff oder Stickstoff, verbunden. Ein dem durchsichtigen Rohr 15 zugeführtes Gas fließt in dem durchsichtigen Rohr 15 gleichmäßig als laminare Strömung, um ein Reaktionsgas daran zu hindern, in das durchsichtige Rohr 15 zu strömen.
[0067] In der in Fig. 9 gezeigten Vorrichtung kann - obwohl nicht dargestellt - wie in der in Fig. 8 gezeigten Vorrichtung oberhalb des durchsichtigen Rohrs 15 eine Lichtquelle angeordnet sein, um Licht auf ein Substrat zu strahlen.
[0068] Die in Fig. 7 dargestellte Halbleiterkristallschicht- Züchtungsvorrichtung wurde verwendet, um unter den folgenden Bedingungen eine Halbleiterkristallschicht wie eine Stickstoffverbindung zu züchten.

Beispiel 1

[0069] Auf einem Saphirsubstrat wurde durch die folgenden Schritte GaN gezüchtet.
1 Ein gereinigtes Saphirsubstrat 1 (C-Fläche) mit einem Durchmesser von 50,8 mm (2 Zoll) wurde auf dem Suszeptor 4 angeordnet.
2 Von einer Abgaspumpe wurde Luft in der Edelstahlkammer 6 abgepumpt und durch H&sub2; ersetzt.
3 Anschließend wurde der Suszeptor 4 auf 1150ºC erhitzt, während H&sub2;-Gas aus dem Reaktionsgasblasrohr 2 mit einem Innendurchmesser von ungefähr 10 mm und dem Teilblasrohr 3 mit einem Maximaldurchmesser von ungefähr 60 mm zugeführt wurde.
4 Dieser Zustand wurde für 10 Minuten aufrechterhalten, um eine Oxidschicht auf der Oberfläche des Saphirsubstrats zu entfernen.
5 Die Reaktionstemperatur des Substrats wurde auf 1000ºC verringert und das Substrat wurde stehengelassen, bis sich die Temperatur stabilisiert hatte.
6 Anschließend wurden in den oberen Abschnitt der Kammer 6 Wasserstoff - und Stickstoffgase aus dem Teilblasrohr 3 eingespeist, und Ammoniakgas und Wasserstoffgas wurde aus dem horizontalen Reaktionsgasblasrohr 2 eingespeist.
Die Strömungsgeschwindigkeit der aus dem Teilblasrohr 3 in die Kammer 6 eingespeisten Wasserstoff- und Stickstoffgase wurde auf 5 l/min eingestellt. Die Strömungsgeschwindigkeiten des Ammoniakgases und des Wasserstoffgases, die aus dem Reaktionsgasblasrohr 2 geblasen wurden, wurde auf 5 l/min bzw. 1 l/min eingestellt. Dieser Zustand wurde beibehalten, bis sich die Temperatur stabilisiert hatte.
7 Danach wurde zusätzlich zu dem Ammoniakgas und dem Wasserstoffgas TMG aus dem Reaktionsgasblasrohr 2 geblasen. Die Strömungsgeschwindigkeit des TMG-Gases war 5,4 · 10&supmin;&sup5; mol/min. In diesem Zustand wurde die Züchtung aus der Gasphase gestartet und für 60 Minuten fortgesetzt. In diesem Schritt der Züchtung aus der Gasphase wurde der Suszeptor 4 mit 5 UpM gedreht.
[0070] Das erhaltene Substrat wurde aus der Kammer 6 entfernt, und die Schichtdickenverteilung des Substrats wurde durch ein Nomarski-Mikroskop gemessen. Als Ergebnis fiel die Schichtdicke einer Halbleiterkristallschicht innerhalb des Bereichs von 4 um ± 10% auf der gesamten Oberfläche, d. h. sie war sehr einheitlich.
[0071] Die in Beispiel 2 erhaltende Trägerkonzentration, welche die Reinheit von GaN anzeigt, war 1 · 10¹&sup8;/cm³ und die Hall- Beweglichkeit war 250 cm²/V·sek. Im Allgemeinen ist anzunehmen, dass die Konzentration einer als Träger dienenden Störstelle gering oder die Anzahl von als Trägern dienenden Gitterdefekten gering ist, wenn die Trägerkonzentration bei einer Hall-Messung gering ist. Darüber hinaus wird im Allgemeinen angenommen, dass N-(Stickstoff-)Lücken Quellen von Typ-N-Trägern in GaN- Kristallen sind und dass die Elektronenträgerkonzentration 2 · 1019/cm³ und die Hall-Beweglichkeit 50 cm²/V sek ist. Deshalb ist dieses GaN in seiner Kristallinität hervorragend, da der Wert der durch die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung erhaltenen Hall-Beweglichkeit von GaN das Fünffache der allgemeinen Beweglichkeit beträgt. Es ist anzunehmen, dass diese gute Kristallinität durch einen Effekt des Druckgases erhalten wird. Das bedeutet, dass das Reaktionsgas durch das Druckgas effizient in Kontrakt mit einem Substrat gebracht wird, um ein Wachstum einer GaN-Schicht zu verursachen. Darüber hinaus hindert das Druckgas N daran, durch Zersetzung aufgrund des erhitzten Substrats aus dem gezüchteten GaN freigesetzt zu werden. Bei herkömmlichen Verfahren werden N-Lücken auf die Freisetzung von N aus dem GaN gebildet. Bei dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Kristallinität jedoch verbessert, weil die Anzahl von N-Lücken in bemerkenswerter Weise verringert wird.
[0072] Das Teilblasrohr in dem oberen Abschnitt der Vorrichtung wurde überhaupt nicht verunreinigt. Darüber hinaus haftete an der Oberfläche einer gezüchteten Halbleiterkristallschicht kein Ga-Metall an, selbst nachdem die Reaktion von der Vorrichtung zwei- oder mehrmals veranlasst wurde.

Beispiel 2

[0073] Auf der Oberfläche eines Saphirsubstrats wurde AlN als Pufferschicht aus der Dampfphase gezüchtet und mit den folgenden Schritten wurde darauf GaN aus der Dampfphase gezüchtet.
1 Ein gut gereinigtes und einen Durchmesser von 50,8 mm (2 Zoll) aufweisendes Saphirsubstrat (C-Fläche) wurde auf dem Suszeptor 4 angeordnet.
2 Luft in der Kammer 6 wurde ausreichend evakuiert und durch H&sub2; ersetzt.
3 Aus dem Reaktionsgasblasrohr 2 mit einem Innendurchmesser von ungefähr 10 mm und einem Teilblasrohr 3 mit einem Maximaldurchmesser von ungefähr 60 mm wurde H&sub2;-Gas in die Kammer 6 eingespeist und der Suszeptor 4 wurde auf 1150ºC erhitzt.
4 Danach wurde dieser Zustand für 10 Minuten beibehalten, um eine Oxidschicht von der Saphiroberfläche zu entfernen.
5 Die Temperatur des Substrats 1 wurde langsam auf 600ºC verringert.
[0074] Wenn die Temperatur des Substrats 1 auf 600ºC festgesetzt wurde, so wurde Wasserstoffgas aus dem Teilblasrohr 3 in den oberen Abschnitt geblasen und Ammoniakgas, Wasserstoffgas sowie Trimethylaluminiumgas (TMA) wurde aus dem Reaktionsgasblasrohr 2 geblasen.
[0075] Die Strömungsgeschwindigkeit des aus dem Teilblasrohr 3 eingespeisten Wasserstoffgases war 15 l/min. Die Strömungsgeschwindigkeiten des aus dem Reaktionsgasblasrohr 2 geblasenen Ammoniakgases, Wasserstoffgases und des TMA-Gases betrugen 5 1/min. 1 l/min bzw. 1 · 10&supmin;&sup5; mol/min.
[0076] Dieser Zustand wurde für 1 Minute beibehalten, um auf der Oberfläche des Saphirsubstrats 1 eine AlN-Pufferschicht aus der Dampfphase zu züchten.
6 Anschließend wurde die Einspeisung des TMA-Gases gestoppt und die Temperatur des Substrats 1 wurde auf 1000ºC erhöht, während die anderen Gase eingespeist wurden.
7 Nachdem das Substrat 1 auf 1000ºC erhitzt worden war, strömte anstelle des TMA-Gases TMG-Gas mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 5,4 · 10&supmin;&sup5;/min. um für 60 Minuten GaN aus der Dampfphase zu züchten.
[0077] In diesem Schritt wurden die Wasserstoff- und Ammoniakgase mit den vorstehend beschriebenen Strömungsgeschwindigkeiten aus dem Teilblasrohr 3 und dem Reaktionsgasblasrohr 2 eingespeist.
[0078] Darüber hinaus wurde in diesem Züchtungsschritt der Suszeptor 4 mit 5 UpM gedreht.
[0079] Nach der Züchtung wurde das Substrat 1 aus der Kammer 6 entfernt und durch eine Nomarski-Mikroskop beobachtet. Im Ergebnis wurde die in Beispiel 2 erhaltene Halbleiterkristallschicht auf der gesamten Oberfläche des Saphirsubstrats 1 mit dem Durchmesser von 50,8 mm (2 Zoll) aus der Dampfphase gezüchtet. Die Oberfläche der Schicht war eine Spiegeloberfläche und die Schichtdicke betrug 5 um ± 10% auf der gesamten Oberfläche des Substrats 1 mit dem Durchmesser 50,8 mm (2 Zoll).
[0080] Wenn die gesamte Messung durchgeführt wurde, betrug die Trägerkonzentration von GaN 1 · 10¹&sup7; cm³ und die Löcherbeweglichkeit war 350 cm²/V sek, d. h. die Kristallinität des GaN war sehr gut. Wenn GaN mit einer herkömmlichen Vorrichtung auf einer AlN-Pufferschicht gezüchtet wurde, so war die Trägerkonzentration von GaN 5 · 10¹&sup7;/cm³ und deren Hall-Beweglichkeit war 250 cm²/V sek. Es ist zu bemerken, dass die Kristallinität von GaN wesentlich durch die Bildung einer AlN-Pufferschicht vor der Züchtung des GaN aus der Dampfphase verbessert wird, wie in Appl. Phys. Lett., 48, 1986, Seite 353 beschrieben wurde.
[0081] Selbst nach der zwei- oder mehrfachen Veranlassung der Reaktion durch die Vorrichtung schlug aus dem Reaktionsgas kein Ga aus dem Reaktionsgasblasrohr auf das Substrat 1 nieder und deshalb haftete Ga an dem Substrat 1 an. Darüber hinaus wurde das Teilblasrohr in dem oberen Abschnitt nicht verunreinigt.

Beispiel 3

[0082] auf der Oberfläche eines Saphirsubstrats wurde in den folgenden Schritten InGaN aus der Dampfphase gezüchtet.
1 Ein gut gereinigtes und einen Durchmesser von 50,8 mm (2 Zoll) aufweisendes Saphirsubstrat (C-Fläche) wurde auf dem Suszeptor 4 angeordnet.
2 Luft in der Kammer 6 wurde ausreichend abgepumpt und durch HZ ersetzt.
3 Während das H&sub2;-Gas aus dem Reaktionsgasblasrohr 2 mit einem Innendurchmesser von ungefähr 10 mm und dem Teilblasrohr 3 mit einem Maximaldurchmesser von ungefähr 60 mm in die Kammer 6 hineinströmte, wurde die Temperatur des Substrats 1 auf 1150ºC erhöht und für 10 Minuten beibehalten.
4 Danach wurde die Temperatur des Substrats 1 langsam auf 550ºC verringert.
5 Aus dem Teilblasrohr 3 wurden Wasserstoff- und Stickstoffgase in den oberen Abschnitt geblasen und Ammoniakgas, Wasserstoffgas, TMG-Gas und Trimethylindiumgas (TMG) wurden aus dem Reaktionsgasblasrohr geblasen.
[0083] Die Strömungsgeschwindigkeit sowohl der aus dem Teilblasrohr 3 geblasenen Wasserstoff- als auch der Stickstoffgase betrug 5 l/min.
[0084] Die Strömungsgeschwindigkeiten des Ammoniakgases, des Wasserstoffgases, des TMG-Gases und des Trimethylindiumgases (TMI) betrugen 5 l/min. 1 l/min. 2, 2 · 10&supmin;&sup6; mol/min bzw. 1,5 · 10&supmin;&sup7; mol/min.
[0085] Dieser Zustand wurde für 120 Minuten beibehalten, um auf der Oberfläche des Saphirsubstrats 1 eine gemischte Kristallschicht von Ino0.06GA0.94N aus der Dampfphase zu züchten.
[0086] Nach dem Züchten aus der Dampfphase wurde das Substrat aus der Kammer 6 entfernt und dessen Schichtdicke beobachtet. Im Ergebnis wurde auf der gesamten Oberfläche des Substrats mit einem Durchmesser von 50,8 mm (2 Zoll) InGaN mit einer Schichtdicke von 2 um ± 10% gezüchtet.
[0087] Wenn für dieses Muster eine Hall-Messung durchgeführt wurde, so war die Messung unmöglich, da der spezifische Widerstand über 10a Q cm lag.
[0088] Da die Hall-Messung fast unmöglich war, weil der spezifische Widerstand des InGaN-Kristalls sehr hoch war, wurde die Photoluminiszenz von InGaN gemessen, um dessen Kristallinität zu beurteilen. Da eine Luminiszenz von 440 nm in dem InGaN- Kristall bei Raumtemperatur schwer zu bestätigen war, wurde die Luminiszenz gemessen, indem die Temperatur auf diejenige von flüssigem Stickstoff oder flüssigem Helium verringert wurde. Im Allgemeinen ist die Kristallinität um so besser, je höher die Temperatur ist, bei der Luminiszenz gemessen werden kann. Entsprechend der vorliegenden Erfindung wurde jedoch eine Luminiszenz von 440 nm bei Raumtemperatur beobachtet. Dies zeigt, dass die Kristallinität der durch das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung erhaltenen Halbleiterkristallschicht sehr gut ist.

Beispiel 4

[0089] Ein zur Verwendung der Halbleiterkristallschicht entsprechend der vorliegenden Erfindung geeignetes Gerät ist hauptsächlich ein lichtemittierendes Gerät und insbesondere eine blaue Lichtdiode sowie eine blaue Laserdiode. Beispiele der Diode werden nachfolgend beschrieben.
[0090] Die Kristallzüchtung wurde unter Befolgung derselben Prozeduren wie in Beispiel 1 durchgeführt mit der Ausnahme, dass in dem siebten Schritt in Beispiel 1 Diethylzink (DEZ) zusätzlich zu dem TMG-Gas mit 5,0 · 10&supmin;&sup5; mol/min strömte, um eine Zn-dotierte GaN-Schicht für sechs Minuten aus der Dampfphase zu züchten, nachdem eine GaN-Schicht für 60 Minuten gezüchtet wurde.
[0091] Im Ergebnis wurde ein Wafer hergestellt, der eine Struktur aufweist, in der auf einem Saphirsubstrat eine 4-um dicke undotierte GaN-Schicht gebildet wurde und eine 0,4 um dicke Zndotierte GaN-Schicht darauf geschichtet wurde.
[0092] Dieser Wafer wurde durch eine Plättchensäge in rechteckige 0,5-mm · 0,5-mm Stücke geschnitten und Al- und In- Elektroden wurden aus der Zn-dotierten GaN-Schicht bzw. der undotierten GaN-Schicht extrahiert. Das resultierende quadratische Muster wurde auf einem Führungsrahmen angeordnet und einem Leitungs-Bonding unterzogen, und es wurde eine Harzvergießung durchgeführt, um eine Leuchtdiode herzustellen.
[0093] Wenn die Leuchtdiode mit der vorstehenden Struktur durch einen Strom von 10 mA veranlasst wurde, Licht zu emittieren, so war die Emissionswellenlänge der Diode 480 nm und deren Luminanz 20 mcd.
Züchtung von GaN durch ein herkömmliches Verfahren:
[0094] Zum Vergleich der durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung erhaltenen Halbleiterkristallschicht mit einem herkömmlichen Produkt wurde GaN auf der Oberfläche eines Saphirsubstrats durch die folgenden Schritte gezüchtet.
[0095] Die in Fig. 1 dargestellte Struktur wurde als Vorrichtung zum Züchten aus der Dampfphase verwendet. In der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung wurde das dünne Reaktionsgasblasrohr 2 mit einem Innendurchmesser von 8 mm vertikal oberhalb des Saphirsubstrats 1 fixiert, um von dem Substrat 1 durch 10 mm getrennt zu sein.
1 Das gut gereinigte und saubere Saphirsubstrat 1 (C-Ebene) mit einem Durchmesser von 50,8 mm (2 Zoll) wurde auf dem Suszeptor 4 angeordnet.
2 Die Edelstahlkammer 6 wurde durch die Abgaspumpe abgepumpt und mit H&sub2; ersetzt.
3 Danach wurde der Suszeptor 4 auf 1150ºC erhitzt, während aus dem Reaktionsgasblasrohr 2 H&sub2;-Gas in die Kammer 6 gespeist wurde.
4 Danach wurde dieser Zustand für 10 Minuten beibehalten, um eine Oxidschicht von der Saphiroberfläche zu entfernen.
5 Die Reaktionstemperatur des Substrats 1 wurde auf 1000ºC verringert und das Substrat wurde stehengelassen, bis sich die Temperatur stabilisiert hatte.
6 Anschließend wurde aus dem Reaktionsgasblasrohr 2 Ammoniakgas und Wasserstoffgas eingespeist.
[0096] Die Strömungsgeschwindigkeiten des aus dem Reaktionsgasblasrohr ausgeblasenen Ammoniakgases und des Wasserstoffgases wurden auf 5 l/min bzw. 1 l/min eingestellt und dieser Zustand wurde beibehalten, bis die Temperatur stabilisiert war.
7 Danach wurde zusätzlich zu dem Ammoniakgas und dem Wasserstoffgas TMG-Gas aus dem Reaktionsgasblasrohr 2 geblasen. Die Strömungsgeschwindigkeit des TMG-Gases betrug 2,7 · i05 mol/min. In diesem Zustand wurde das Züchten aus der Dampfphase gestartet und für 30 Minuten fortgesetzt. In diesem Schritt des Züchtens aus der Dampfphase wurde der Suszeptor 4 mit einer Geschwindigkeit von 4 UpM gedreht. Nach dem Züchten aus der Dampfphase wurde das Substrat 1 aus der Kammer 6 entnommen, um dessen Schichtdicke zu messen. Im Ergebnis wurde GaN mit einem Durchmesser von ungefähr 8 mm gezüchtet, um eine Dicke von 7 um im mittleren Bereich des Saphirsubstrats 1 mit einem Durchmesser von 50,8 mm (2 Zoll) aufzuweisen und außerhalb dieses Bereichs war fast keine GaN-Züchtung zu sehen.
[0097] Bei diesem Verfahren war ein in dem oberen Abschnitt der Kammer 6 gebildetes Quarzfenster vollständig geschwärzt, was es unmöglich machte, die Innenseite zu beobachten, nachdem die Reaktion nur einmal durchgeführt wurde.
[0098] Wenn die Reaktion von dieser Vorrichtung zweimal nacheinander durchgeführt wurde, haftete eine große Menge von Ga in einer Wachstumsregion mit einem Durchmesser von 8 mm in der Mitte des Saphirsubstrats 1 und kein GaN-Wachstum war in diesem Bereich zu sehen, wo Ga anhaftete, was in einer sehr geringen Ausbeute resultierte.

Beispiel 5

[0099] Der in Fig. 7 gezeigte Aufbau wurde als Vorrichtung zum Züchten aus der Dampfphase verwendet.
1 Ein gereinigtes und sauberes Saphirsubstrat wurde auf dem Suszeptor angeordnet und der Suszeptor 4 wurde in die Kammer 6 eingeführt.
2 Nachdem der Reaktor 6 durch die Abgasöffnung 8 von einer Vakuumpumpe (nicht dargestellt) evakuiert worden war, strömte H&sub2;- Gas aus dem Reaktionsgasblasrohr 2, um das Innere des Reaktors zu ersetzen.
3 Danach wurde der Suszeptor 4 auf 1050ºC erhitzt, während das H&sub2;-Gas strömte.
4 Dieser Zustand wurde für 10 Minuten beibehalten, um eine Oxidschicht auf der Saphiroberfläche zu entfernen.
5 Die Temperatur des Suszeptors 4 wurde auf 993ºC verringert, während das Wasserstoffgas strömte, und das Substrat wurde stehengelassen, bis die Temperatur stabilisiert war.
6 Aus dem Reaktionsgasblasrohr 2 wurden mit Strömungsgeschwindigkeiten von 5,0 l/min bzw. 1,0 l/min Ammoniakgas als Stickstoffquelle und Wasserstoffgas als Trägergas eingespeist und es strömte Wasserstoffgas aus dem durchsichtigen Rohr 15 mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 10,6 l/min. Dieser Zustand wurde beibehalten, bis sich die Temperatur stabilisiert hatte.
7 Anschließend strömte zusätzlich zu den Ammoniak- und Wasserstoffgasen TMG-Gas als Ga-Quelle mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 2,7 · 10&supmin;&sup5; mol/min für 60 Minuten aus dem Reaktionsgasblasrohr, um eine GaN-Epitaxialschicht zu züchten. Während der Züchtung wurde der Suszeptor 4 langsam gedreht.
[0100] Von der Epitaxialschicht in dem Schritt 7 abgestrahlte Infrarotstrahlung wurde durch ein enges optisches Bandpass- Pyrometer 14 erfasst, um eine Infrarotintensität von 0,96 um zu messen. Fig. 10 zeigt die von dem Pyrometer 14 erfasste Infrarotintensität, d. h. die Temperatur. Wie in Fig. 10 gezeigt ist, kann die Schichtdicke der Epitaxialschicht berechnet werden, indem die Periode der Oszillation gemessen wird, da die Infrarotintensität durch Interferenzeffekte oszilliert, wenn die Epitaxialschicht gezüchtet wird. Alternativ kann Laserlicht mit einer bestimmten Wellenlänge abgestrahlt werden, um die Schichtdicke auf der Basis einer Änderung der Intensität des reflektierten Laserlichts zu messen.
[0101] Das durchsichtige Rohr 15 war selbst dann nicht verunreinigt, nachdem die Züchtung von GaN nach diesem Verfahren 100mal aufeinanderfolgend durchgeführt wurde. Deshalb konnte der Züchtungszustand der Halbleiterkristallschicht durch das durchsichtige Rohr 15 beobachtet und unter Verwendung des Pyrometers genau geprüft werden.

Beispiel 6

[0102] Die in Fig. 8 gezeigte Vorrichtung wurde verwendet, um eine GaAs-Kristallschicht durch Bestrahlung mit ultravioletten Strahlen von der Lichtquelle 89 zu züchten.
[0103] GaAs-Kristalle wurden als das auf dem Suszeptor 4 anzuordnende Substrat 1 verwendet. Aus dem Reaktionsgasblasrohr 2 strömte TMG-Gas als Ga-Quelle und Wasserstoffgas als Trägergas.
[0104] Eine 500-W Quecksilberlampe wurde als die Lichtquelle 89 verwendet. Die von der Quecksilberlampe abgestrahlten ultravioletten Strahlen wurden durch eine Linse fokussiert und auf das Substrat 1 gestrahlt.
[0105] In diesem Zustand wurde die Substrattemperatur von dem Heizer 7 auf ungefähr 400ºC bis 500ºC erhöht, um entsprechend einem Lichtstrahlungs-MOCVD-Verfahren GaAs zu züchten. Vom Beginn bis zum Ende der Reaktion strömte konstant Wasserstoffgas durch das durchsichtige Rohr 15 mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 10,6 l/min.
[0106] In diesem Zustand konnte eine GaAs-Epitaxialschicht für 60 Minuten gezüchtet werden. Während dieses Züchtens konnten ultraviolette Strahlen gleichmäßig abgestrahlt werden, da das durchsichtige Rohr 15 nicht verunreinigt wurde.
[0107] Selbst nachdem das Züchten der GaAs-Kristallschicht von der in Fig. 8 gezeigten Vorrichtung entsprechend dem Lichtstrahlungs-MOCVD-Verfahren 100mal durchgeführt worden war, war das durchsichtige Rohr 15 nicht verunreinigt. Deshalb konnte ultraviolette Strahlen effizient durch das durchsichtige Rohr auf ein GaAs-Substrat gestrahlt werden.
[0108] Jede der in den Beispielen 5 und 6 verwendeten Vorrichtungen zur Züchtung von Halbleiterschichtkristallen weist ein durchsichtiges Rohr als "Überwachungsfenster" in dem Reaktor auf. Dieses durchsichtige Rohr ist ein Zylinder mit einem proximalen Ende, das sich enger verjüngt als dessen distales Ende. Mindestens ein Abschnitt des durchsichtigen Rohrs ragt aus dem Reaktor heraus und dessen distales Ende ist in dem Reaktor offen. Von dem proximalen Ende des durchsichtigen Rohrs wird ein Gas zugeführt. In der Vorrichtung mit diesem Aufbau bildet ein Gas keine turbulente Strömung, sondern bildet eine laminare Strömung in dem durchsichtigen Rohr, weil das distale Ende des durchsichtigen Rohrs in dem Reaktor offen ist. Deshalb strömt kein Reaktionsgas in das durchsichtige Rohr, um dieses zu verunreinigen.

Claims

1. Verfahren zum Züchten einer kristallinen Galliumnitridgruppen-Halbleiterschicht aus der Dampfphase unter Verwendung eines metallorganischen chemischen Dampfabscheidungsverfahrens, umfassend die Schritte:

Aufheizen eines Substrats (1) auf eine Temperatur zwischen 550ºC und 1050ºC; und

Zuführen eines Reaktionsgases zum Substrat (1), wobei:

das Reaktionsgas durch ein Reaktionsgaszuführmittel (2) mit einer Richtung parallel oder schräg zu der Oberfläche des geheizten Substrats (1) zugeführt wird;

das Reaktionsgas genügend durch ein Anpressgas angepresst wird, das in Bezug auf das Reaktionsgas inert ist, wobei das Anpressgas separat mit einer anderen Richtung hin zum Substrat (1) derart geblasen wird, dass das Reaktionsgas in Kontakt mit der Oberfläche des Substrats (1) gebracht wird, um die Schicht aufzuwachsen, und

jeder dieser Schritte unter atmosphärischem Druck durchgeführt wird.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas durch ein Blasrohr (3) geblasen wird, das sich hin zu seinem Blasaustritt trichterartig erweitert.

3. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein trichterartiger Bereich des Blasrohres (3) relativ zu einer Achse des Blasrohres (3) um einen Winkel erweitert ist, der nicht größer als 20º ist.

4. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein trichterartiger Teilbereich des Blasrohres (3) relativ zu einer Achse des Blasrohres (3) um einen Winkel erweitert ist, der nicht größer als 10º ist.

5. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Blasrohr (3) transparent ist und das Aufwachsen einer kristallinen Halbleiterschicht aus der Dampfphase durch das Blasrohr (3) beobachtet wird.

6. Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ferner der Schritt eines Einstrahlens von Licht durch das Blasrohr (3) auf das Substrat (1) vorgesehen ist.

7. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsgas aus der Gruppe ausgewählt ist, die Trimethylgallium (TMG), Trimethylaluminium (TMA), Diethylzink (DEZ), Trimethylindium (TMI), Arsin (AsH&sub3;), Phosphin (PH&sub3;), Ammoniak (NH&sub3;), Silan (SiH&sub4;), H&sub2;Se, H&sub2;S und Methan (CH&sub4;) umfasst.

8. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Anpressgas aus der Gruppe ausgewählt ist, die H&sub2;, N&sub2;, He, Ne and Ar umfasst.