JP2003342715A - ＧａＮ結晶の成長方法 - Google Patents
ＧａＮ結晶の成長方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 金属Ｇａ蒸気と窒素プラズマを利用するＧａ
Ｎ結晶成長方法において、結晶成長を継続的に維持し得
るように、そのＧａＮ結晶成長方法を改善する。 【解決手段】 第１の減圧下で上部から窒素プラズマが
導入される反応管１の底部において金属Ｇａを蒸発させ
るための坩堝２を設け、この坩堝の上方において基板１
１を保持するための基板保持台３を配置し、ＧａＮ結晶
を成長させるための基板を基板保持面上に載置し、坩堝
から蒸発させられた金属Ｇａの蒸気と反応管の上部から
導入された窒素プラズマとを基板上で反応させることに
よってＧａＮ結晶を成長させる方法において、坩堝内の
金属Ｇａの融液表面にＧａＮ皮膜が形成されたときに、
窒素プラズマの導入を停止して反応管内部を第１の圧力
より低い第２の圧力へさらに減圧することによってＧａ
Ｎ皮膜の表面上にＧａ融液を滲み出させ、その後に第１
の圧力下の窒素プラズマを反応管内に再導入する。
Ｎ結晶成長方法において、結晶成長を継続的に維持し得
るように、そのＧａＮ結晶成長方法を改善する。 【解決手段】 第１の減圧下で上部から窒素プラズマが
導入される反応管１の底部において金属Ｇａを蒸発させ
るための坩堝２を設け、この坩堝の上方において基板１
１を保持するための基板保持台３を配置し、ＧａＮ結晶
を成長させるための基板を基板保持面上に載置し、坩堝
から蒸発させられた金属Ｇａの蒸気と反応管の上部から
導入された窒素プラズマとを基板上で反応させることに
よってＧａＮ結晶を成長させる方法において、坩堝内の
金属Ｇａの融液表面にＧａＮ皮膜が形成されたときに、
窒素プラズマの導入を停止して反応管内部を第１の圧力
より低い第２の圧力へさらに減圧することによってＧａ
Ｎ皮膜の表面上にＧａ融液を滲み出させ、その後に第１
の圧力下の窒素プラズマを反応管内に再導入する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はＧａＮ結晶の気相成
長方法に関し、特に、金属Ｇａ蒸気と窒素プラズマとを
利用するＧａＮ結晶成長法の改善に関するものである。
長方法に関し、特に、金属Ｇａ蒸気と窒素プラズマとを
利用するＧａＮ結晶成長法の改善に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年周知のように、青色光や紫外光を射
出するための半導体発光ダイオードや半導体レーザなど
に利用し得るＧａＮ半導体結晶の需要が高まっている。
したがって、ＧａＮ結晶を簡便かつ迅速に低コストで製
造することが望まれている。
出するための半導体発光ダイオードや半導体レーザなど
に利用し得るＧａＮ半導体結晶の需要が高まっている。
したがって、ＧａＮ結晶を簡便かつ迅速に低コストで製
造することが望まれている。
【０００３】ＧａＮ結晶の成長方法として、たとえばハ
イドライド気相成長法、有機金属気相成長法、化学蒸気
輸送法などを利用することができる。
イドライド気相成長法、有機金属気相成長法、化学蒸気
輸送法などを利用することができる。
【０００４】ここで、ハイドライド気相成長法や有機金
属気相成長法では、反応室内に導入される原料ガスの反
応においてＧａＮ結晶内にその構成成分として取り込ま
れないＨＣｌ、ＮＨ3、Ｈ2等が反応室内に滞るので、こ
れらのガスを反応室から外部へ排出する必要がある。す
なわち、ハイドライド気相成長法や有機金属気相成長法
では、原料ガスの大半がＧａＮ結晶成長に寄与すること
なく捨てられることになり、原料収率が悪いという問題
がある。また、大量のＨＣｌ、ＮＨ3、Ｈ2等を廃棄する
ためには大規模の除害設備が必要であり、プロセスのコ
スト高を招くことになる。
属気相成長法では、反応室内に導入される原料ガスの反
応においてＧａＮ結晶内にその構成成分として取り込ま
れないＨＣｌ、ＮＨ3、Ｈ2等が反応室内に滞るので、こ
れらのガスを反応室から外部へ排出する必要がある。す
なわち、ハイドライド気相成長法や有機金属気相成長法
では、原料ガスの大半がＧａＮ結晶成長に寄与すること
なく捨てられることになり、原料収率が悪いという問題
がある。また、大量のＨＣｌ、ＮＨ3、Ｈ2等を廃棄する
ためには大規模の除害設備が必要であり、プロセスのコ
スト高を招くことになる。
【０００５】他方、閉管内の高温部において気化された
原料ガスを低温部に輸送してその低温部で結晶成長させ
る化学蒸気輸送法によれば、反応管の外部にガスを排出
しないので、原料収率は良好である。しかし、外部から
原料ガスが供給されない化学蒸気輸送法では、原料ガス
の輸送量を増大させることができないので、ＧａＮ結晶
の成長速度を高めることは望めない。
原料ガスを低温部に輸送してその低温部で結晶成長させ
る化学蒸気輸送法によれば、反応管の外部にガスを排出
しないので、原料収率は良好である。しかし、外部から
原料ガスが供給されない化学蒸気輸送法では、原料ガス
の輸送量を増大させることができないので、ＧａＮ結晶
の成長速度を高めることは望めない。
【０００６】上述のようなハイドライド気相成長法、有
機金属気相成長法、化学蒸気輸送法などのそれぞれが含
む課題に鑑みて、特開２００１−７７０３８は、反応管
内で金属Ｇａの蒸気と窒素プラズマを反応させて基板上
にＧａＮ結晶を成長させる気相成長方法を開示してい
る。
機金属気相成長法、化学蒸気輸送法などのそれぞれが含
む課題に鑑みて、特開２００１−７７０３８は、反応管
内で金属Ｇａの蒸気と窒素プラズマを反応させて基板上
にＧａＮ結晶を成長させる気相成長方法を開示してい
る。
【０００７】図１は、反応管内で金属Ｇａ蒸気と窒素プ
ラズマを反応させてＧａＮ結晶を成長させる先行技術の
一例を模式的な断面図で図解している。なお、この図に
おいて、長さや高さのような寸法関係は、図面の簡略化
と明瞭化のために適宜に変更されており、実際の寸法関
係を表してはいない。
ラズマを反応させてＧａＮ結晶を成長させる先行技術の
一例を模式的な断面図で図解している。なお、この図に
おいて、長さや高さのような寸法関係は、図面の簡略化
と明瞭化のために適宜に変更されており、実際の寸法関
係を表してはいない。
【０００８】図１において、たとえば内径が２３〜２６
ｍｍで高さが約６００ｍｍの反応管１の上部には排気口
１ａと窒素ガス導入管１ｂが設けられている。反応管１
の底部には金属Ｇａ１２を蒸発させるために、たとえば
外径が１７〜２１ｍｍで高さが約３０ｍｍの坩堝２が設
けられており、この坩堝２の上方において基板１１を保
持するための基板保持台３が配置されている。この基板
保持台３は、たとえば外径が１８．５〜２２ｍｍで高さ
が約４０ｍｍの円筒部３ａと、たとえば直径が１９〜２
５ｍｍで厚さが１．２ｍｍの網板３ｂを含んでいる。基
板保持面として働くこの網板３ｂは、たとえば直径２ｍ
ｍの開口３ｃを２１個含んでいる。これらの反応管１、
坩堝２、および基板保持台３は、好ましくは石英にて形
成され得る。また、排気口１ａおよび窒素ガス導入管１
ｂは、それらのフランジ部を含めてたとえばステンレス
鋼で好ましく形成され得る。
ｍｍで高さが約６００ｍｍの反応管１の上部には排気口
１ａと窒素ガス導入管１ｂが設けられている。反応管１
の底部には金属Ｇａ１２を蒸発させるために、たとえば
外径が１７〜２１ｍｍで高さが約３０ｍｍの坩堝２が設
けられており、この坩堝２の上方において基板１１を保
持するための基板保持台３が配置されている。この基板
保持台３は、たとえば外径が１８．５〜２２ｍｍで高さ
が約４０ｍｍの円筒部３ａと、たとえば直径が１９〜２
５ｍｍで厚さが１．２ｍｍの網板３ｂを含んでいる。基
板保持面として働くこの網板３ｂは、たとえば直径２ｍ
ｍの開口３ｃを２１個含んでいる。これらの反応管１、
坩堝２、および基板保持台３は、好ましくは石英にて形
成され得る。また、排気口１ａおよび窒素ガス導入管１
ｂは、それらのフランジ部を含めてたとえばステンレス
鋼で好ましく形成され得る。
【０００９】反応管１の内部は排気口１ａを介して真空
ポンプ（図示せず）によって高真空度に減圧され、その
後に排気口１ａが閉じられる。高真空度に減圧された反
応管１内には、その上部に設けられた窒素ガス導入管１
ｂから窒素ガス１３が所定圧まで導入される。その際
に、反応管１の上部に設けられたマイクロ波導入管４を
介して、マイクロ波４ａが窒素ガス１３に印加され、窒
素プラズマ１３ａが生成させられる。
ポンプ（図示せず）によって高真空度に減圧され、その
後に排気口１ａが閉じられる。高真空度に減圧された反
応管１内には、その上部に設けられた窒素ガス導入管１
ｂから窒素ガス１３が所定圧まで導入される。その際
に、反応管１の上部に設けられたマイクロ波導入管４を
介して、マイクロ波４ａが窒素ガス１３に印加され、窒
素プラズマ１３ａが生成させられる。
【００１０】坩堝２内に入れられた金属Ｇａ１２は、反
応管１の外部に設けられた加熱装置（図示せず）によっ
て加熱されて溶融させられる。そのＧａ融液からのＧａ
蒸気は基板保持面３ｂの開口３ｃを通過して、加熱され
た基板１１の上面上に至る。そして、そのＧａ蒸気が窒
素プラズマと反応して、基板１１の上面上にＧａＮ結晶
が成長し得る。
応管１の外部に設けられた加熱装置（図示せず）によっ
て加熱されて溶融させられる。そのＧａ融液からのＧａ
蒸気は基板保持面３ｂの開口３ｃを通過して、加熱され
た基板１１の上面上に至る。そして、そのＧａ蒸気が窒
素プラズマと反応して、基板１１の上面上にＧａＮ結晶
が成長し得る。
【００１１】Ｇａ蒸気と窒素プラズマとが反応してＧａ
Ｎ結晶の成長が進行すれば、反応管１内の窒素ガスが消
費されて反応管１内の圧力が所定圧から低下するので、
窒素ガス導入管１ａを介して窒素ガス１３が追加導入さ
れる。すなわち、反応管１内の圧力は真空計（図示せ
ず）によってモニタされており、一定の所定圧力に保た
れるように窒素ガス１３が補充される。
Ｎ結晶の成長が進行すれば、反応管１内の窒素ガスが消
費されて反応管１内の圧力が所定圧から低下するので、
窒素ガス導入管１ａを介して窒素ガス１３が追加導入さ
れる。すなわち、反応管１内の圧力は真空計（図示せ
ず）によってモニタされており、一定の所定圧力に保た
れるように窒素ガス１３が補充される。
【００１２】すなわち、図１に図解されたＧａＮ結晶成
長方法では、外部から反応管１内に窒素ガスが導入され
るが、実質的にＧａ蒸気や窒素ガスが反応管１外へ排出
される必要がない（ただし、好ましい反応ガス圧を維持
するために、少量のＧａ蒸気や窒素ガスが反応管外へ排
出されてもよいことは言うまでもない）。したがって、
図１に示されているような気相成長法では、ハイドライ
ド気相成長法や有機金属気相成長法の場合のように大規
模な排ガス処理設備を必要とせず、ＧａＮ結晶成長の際
の原料収率も良好になる。また、図１に示されているよ
うな気相成長法ではＧａ融液から大量のＧａ蒸気を発生
させることができ、また消費された窒素ガスは外部から
導入することができるので、化学蒸気輸送法に比べてＧ
ａＮ結晶の成長速度を高めることができる。
長方法では、外部から反応管１内に窒素ガスが導入され
るが、実質的にＧａ蒸気や窒素ガスが反応管１外へ排出
される必要がない（ただし、好ましい反応ガス圧を維持
するために、少量のＧａ蒸気や窒素ガスが反応管外へ排
出されてもよいことは言うまでもない）。したがって、
図１に示されているような気相成長法では、ハイドライ
ド気相成長法や有機金属気相成長法の場合のように大規
模な排ガス処理設備を必要とせず、ＧａＮ結晶成長の際
の原料収率も良好になる。また、図１に示されているよ
うな気相成長法ではＧａ融液から大量のＧａ蒸気を発生
させることができ、また消費された窒素ガスは外部から
導入することができるので、化学蒸気輸送法に比べてＧ
ａＮ結晶の成長速度を高めることができる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】上述のように、図１に
示されているような気相成長法では、ハイドライド気相
成長法や有機金属気相成長法の場合のように大規模な排
ガス処理設備を必要としなくてＧａＮ結晶成長の際の原
料収率も良好になり、かつまた化学蒸気輸送法に比べて
ＧａＮ結晶の成長速度を高めることができる。
示されているような気相成長法では、ハイドライド気相
成長法や有機金属気相成長法の場合のように大規模な排
ガス処理設備を必要としなくてＧａＮ結晶成長の際の原
料収率も良好になり、かつまた化学蒸気輸送法に比べて
ＧａＮ結晶の成長速度を高めることができる。
【００１４】ところが、図１に示されているような気相
成長法を実施した場合、ＧａＮ結晶成長の初期において
は順調な成長速度が得られるが、約１〜２時間程度の成
長時間の後に結晶成長速度の低下が顕著であり、ついに
は成長が停止してしまうことを本発明者が見出した。
成長法を実施した場合、ＧａＮ結晶成長の初期において
は順調な成長速度が得られるが、約１〜２時間程度の成
長時間の後に結晶成長速度の低下が顕著であり、ついに
は成長が停止してしまうことを本発明者が見出した。
【００１５】そこで、本発明は、金属Ｇａ蒸気と窒素プ
ラズマを利用する気相成長法においてＧａＮ結晶成長を
継続的に維持し得るように、ＧａＮ結晶の成長方法を改
善することを目的としている。
ラズマを利用する気相成長法においてＧａＮ結晶成長を
継続的に維持し得るように、ＧａＮ結晶の成長方法を改
善することを目的としている。
【００１６】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、第１の
圧力の減圧下において上部から窒素プラズマが導入され
る反応管を準備し、この反応管の底部において金属Ｇａ
を蒸発させるための坩堝を設け、この坩堝の上方におい
て基板を保持するための基板保持台を配置し、ＧａＮ結
晶を成長させるための基板を基板保持台上に載置し、坩
堝から蒸発させられた金属Ｇａの蒸気と反応管の上部か
ら導入された窒素プラズマとを基板上で反応させること
によってＧａＮ結晶を成長させる方法において、坩堝内
の金属Ｇａの融液表面にＧａＮ皮膜が形成されたとき
に、窒素プラズマの導入を停止して反応管内部を第１の
圧力より低い第２の圧力にさらに減圧することによって
ＧａＮ皮膜の表面上にＧａ融液を滲み出させ、その後に
第１の圧力下の窒素プラズマを反応管内に再導入するこ
とを特徴としている。
圧力の減圧下において上部から窒素プラズマが導入され
る反応管を準備し、この反応管の底部において金属Ｇａ
を蒸発させるための坩堝を設け、この坩堝の上方におい
て基板を保持するための基板保持台を配置し、ＧａＮ結
晶を成長させるための基板を基板保持台上に載置し、坩
堝から蒸発させられた金属Ｇａの蒸気と反応管の上部か
ら導入された窒素プラズマとを基板上で反応させること
によってＧａＮ結晶を成長させる方法において、坩堝内
の金属Ｇａの融液表面にＧａＮ皮膜が形成されたとき
に、窒素プラズマの導入を停止して反応管内部を第１の
圧力より低い第２の圧力にさらに減圧することによって
ＧａＮ皮膜の表面上にＧａ融液を滲み出させ、その後に
第１の圧力下の窒素プラズマを反応管内に再導入するこ
とを特徴としている。
【００１７】なお、ＧａＮ皮膜上にＧａ融液を滲み出さ
せるために反応管を第２の圧力に維持する期間は少なく
とも５分以上であることが望ましい。また、窒素プラズ
マは、マイクロ波による励起によって生じさせられるこ
とが好ましい。さらに、Ｇａ結晶を成長させるための基
板としては、サファイヤ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＳｉＣ、Ｇ
ａＡｓ、Ｓｉなどから適宜に選択することができる。
せるために反応管を第２の圧力に維持する期間は少なく
とも５分以上であることが望ましい。また、窒素プラズ
マは、マイクロ波による励起によって生じさせられるこ
とが好ましい。さらに、Ｇａ結晶を成長させるための基
板としては、サファイヤ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＳｉＣ、Ｇ
ａＡｓ、Ｓｉなどから適宜に選択することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】まず、本発明者は、図１に示され
ているようにＧａ蒸気と窒素プラズマを利用するＧａＮ
結晶成長法を実施した場合に、約１〜２時間程度のＧａ
Ｎ結晶成長の後にその成長速度が成長初期に比べて約１
／３〜１／５程度まで低下してしまうことの原因を調査
した。その結果、本発明者は、以下のような原因を見出
した。
ているようにＧａ蒸気と窒素プラズマを利用するＧａＮ
結晶成長法を実施した場合に、約１〜２時間程度のＧａ
Ｎ結晶成長の後にその成長速度が成長初期に比べて約１
／３〜１／５程度まで低下してしまうことの原因を調査
した。その結果、本発明者は、以下のような原因を見出
した。
【００１９】すなわち、先行技術によるＧａＮ結晶成長
方法では、窒素プラズマ１３ａが基板保持面３ｂの開口
３ｃを通過して金属Ｇａ融液１２の表面に到達し得る。
そうすれば、窒素プラズマ１３ａと金属Ｇａ融液１２の
表面とが直接反応して、その融液表面にＧａＮ被膜を形
成し得る。このようなＧａＮ被膜は金属Ｇａ融液１２の
蒸発を阻害し、基板１１上に至るＧａ蒸気を減少させ、
ついにはＧａＮ結晶成長を停止させてしまうのである。
方法では、窒素プラズマ１３ａが基板保持面３ｂの開口
３ｃを通過して金属Ｇａ融液１２の表面に到達し得る。
そうすれば、窒素プラズマ１３ａと金属Ｇａ融液１２の
表面とが直接反応して、その融液表面にＧａＮ被膜を形
成し得る。このようなＧａＮ被膜は金属Ｇａ融液１２の
蒸発を阻害し、基板１１上に至るＧａ蒸気を減少させ、
ついにはＧａＮ結晶成長を停止させてしまうのである。
【００２０】そこで、本発明者は、坩堝２内の金属Ｇａ
融液１２の表面にＧａＮ被膜が形成された後においても
反応管１内でＧａ蒸気の発生を可能ならしめる工夫を考
えた。
融液１２の表面にＧａＮ被膜が形成された後においても
反応管１内でＧａ蒸気の発生を可能ならしめる工夫を考
えた。
【００２１】図１に示された結晶成長装置は、本発明に
したがってＧａ蒸気と窒素プラズマからＧａＮ結晶を成
長させる方法においても利用し得る。すなわち、本発明
によるＧａＮ結晶成長方法においても、たとえば内径が
２３〜２６ｍｍで高さが約６００ｍｍの反応管１の上部
には排気口１ａと窒素ガス導入管１ｂが設けられてい
る。反応管１の底部には金属Ｇａ１２を蒸発させるため
に、たとえば外径が１７〜２１ｍｍで高さが約３０ｍｍ
の坩堝２が設けられており、この坩堝２の上方において
基板１１を保持するための基板保持台３が配置されてい
る。この基板保持台３は、たとえば外径が１８．５〜２
２ｍｍで高さが約４０ｍｍの円筒部３ａと、たとえば直
径が１９〜２５ｍｍで厚さが１．２ｍｍの網板３ｂを含
んでいる。基板保持面として働くこの網板３ｂは、たと
えば直径２ｍｍの開口３ｃを２１個含んでいる。これら
の反応管１、坩堝２、および基板保持台３は、好ましく
は石英にて形成され得る。また、排気口１ａと窒素ガス
導入管１ｂは、それらのフランジ部を伴ってたとえばス
テンレス鋼で好ましく形成することができ、反応管１に
結合され得る。
したがってＧａ蒸気と窒素プラズマからＧａＮ結晶を成
長させる方法においても利用し得る。すなわち、本発明
によるＧａＮ結晶成長方法においても、たとえば内径が
２３〜２６ｍｍで高さが約６００ｍｍの反応管１の上部
には排気口１ａと窒素ガス導入管１ｂが設けられてい
る。反応管１の底部には金属Ｇａ１２を蒸発させるため
に、たとえば外径が１７〜２１ｍｍで高さが約３０ｍｍ
の坩堝２が設けられており、この坩堝２の上方において
基板１１を保持するための基板保持台３が配置されてい
る。この基板保持台３は、たとえば外径が１８．５〜２
２ｍｍで高さが約４０ｍｍの円筒部３ａと、たとえば直
径が１９〜２５ｍｍで厚さが１．２ｍｍの網板３ｂを含
んでいる。基板保持面として働くこの網板３ｂは、たと
えば直径２ｍｍの開口３ｃを２１個含んでいる。これら
の反応管１、坩堝２、および基板保持台３は、好ましく
は石英にて形成され得る。また、排気口１ａと窒素ガス
導入管１ｂは、それらのフランジ部を伴ってたとえばス
テンレス鋼で好ましく形成することができ、反応管１に
結合され得る。
【００２２】反応管１の内部は、排気口１ａを介して真
空ポンプ（図示せず）によって、たとえば１０-5Ｐａの
高真空度まで一旦排気される。その後、排気口１ａが閉
じられて、反応管１の上部に設けられた窒素ガス導入管
１ｂから、たとえば１０Ｐａから１０００Ｐａの範囲内
で設定された所定圧力の窒素ガス１３が反応管１内に導
入される。その際に、反応管１の上部に設けられたマイ
クロ波導入管４を介して、たとえば周波数２．４５ＧＨ
ｚで出力２５０Ｗのマイクロ波４ａが窒素ガス１３に印
加され、窒素プラズマ１３ａが生成させられる。
空ポンプ（図示せず）によって、たとえば１０-5Ｐａの
高真空度まで一旦排気される。その後、排気口１ａが閉
じられて、反応管１の上部に設けられた窒素ガス導入管
１ｂから、たとえば１０Ｐａから１０００Ｐａの範囲内
で設定された所定圧力の窒素ガス１３が反応管１内に導
入される。その際に、反応管１の上部に設けられたマイ
クロ波導入管４を介して、たとえば周波数２．４５ＧＨ
ｚで出力２５０Ｗのマイクロ波４ａが窒素ガス１３に印
加され、窒素プラズマ１３ａが生成させられる。
【００２３】坩堝２内に入れられた金属Ｇａ１２は、反
応管１の外部に設けられた加熱装置（図示せず）によっ
てたとえば１１００℃に加熱されて溶融させられる。そ
のＧａ融液からのＧａ蒸気は基板保持面３ｂの開口３ｃ
を通過して、加熱された基板１１の上面上に至る。そし
て、そのＧａ蒸気が窒素プラズマと反応して、基板１１
の上面上にＧａＮ結晶が成長し得る。なお、基板１１と
しては、たとえば結晶学的（０００１）面を主面とする
５ｍｍ角のサファイヤ基板またはＧａＮ種結晶基板が好
ましく用いられ得る。ただし、基板１１はこれらに限定
されず、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、Ｓｉなどの基板を
も適宜に選択することができる。
応管１の外部に設けられた加熱装置（図示せず）によっ
てたとえば１１００℃に加熱されて溶融させられる。そ
のＧａ融液からのＧａ蒸気は基板保持面３ｂの開口３ｃ
を通過して、加熱された基板１１の上面上に至る。そし
て、そのＧａ蒸気が窒素プラズマと反応して、基板１１
の上面上にＧａＮ結晶が成長し得る。なお、基板１１と
しては、たとえば結晶学的（０００１）面を主面とする
５ｍｍ角のサファイヤ基板またはＧａＮ種結晶基板が好
ましく用いられ得る。ただし、基板１１はこれらに限定
されず、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、Ｓｉなどの基板を
も適宜に選択することができる。
【００２４】Ｇａ蒸気と窒素プラズマとが反応してＧａ
Ｎ結晶の成長が進行すれば、反応管１内の窒素ガスが消
費されて反応管１内の圧力が所定圧から低下するので、
窒素ガス導入管１ａを介して窒素ガス１３が追加導入さ
れる。すなわち、反応管１内の圧力は真空計（図示せ
ず）によってモニタされており、所定圧力に保たれるよ
うに窒素ガス１３が補充される。この際に、圧力の制御
は、窒素ガスの流量制御器におけるＰＩＤ（比例積分微
分）制御によって行われる。
Ｎ結晶の成長が進行すれば、反応管１内の窒素ガスが消
費されて反応管１内の圧力が所定圧から低下するので、
窒素ガス導入管１ａを介して窒素ガス１３が追加導入さ
れる。すなわち、反応管１内の圧力は真空計（図示せ
ず）によってモニタされており、所定圧力に保たれるよ
うに窒素ガス１３が補充される。この際に、圧力の制御
は、窒素ガスの流量制御器におけるＰＩＤ（比例積分微
分）制御によって行われる。
【００２５】すなわち、図１の結晶成長装置を利用する
本発明によるＧａＮ結晶成長方法では、外部から反応管
１内に窒素ガスが導入されるが、実質的にＧａ蒸気や窒
素ガスが反応管１外へ排出される必要がない（ただし、
好ましい反応ガス圧を維持するために、少量のＧａ蒸気
や窒素ガスが反応管外へ排出されてもよいことは言うま
でもない）。したがって、本発明にしたがってＧａ蒸気
と窒素プラズマを利用するＧａＮ結晶成長法では、ハイ
ドライド気相成長法や有機金属気相成長法の場合のよう
に大規模な排ガス処理設備を必要としなくてＧａＮ結晶
成長の際の原料収率も良好になり、かつまた化学蒸気輸
送法に比べてＧａＮ結晶の成長速度を高めることができ
る。
本発明によるＧａＮ結晶成長方法では、外部から反応管
１内に窒素ガスが導入されるが、実質的にＧａ蒸気や窒
素ガスが反応管１外へ排出される必要がない（ただし、
好ましい反応ガス圧を維持するために、少量のＧａ蒸気
や窒素ガスが反応管外へ排出されてもよいことは言うま
でもない）。したがって、本発明にしたがってＧａ蒸気
と窒素プラズマを利用するＧａＮ結晶成長法では、ハイ
ドライド気相成長法や有機金属気相成長法の場合のよう
に大規模な排ガス処理設備を必要としなくてＧａＮ結晶
成長の際の原料収率も良好になり、かつまた化学蒸気輸
送法に比べてＧａＮ結晶の成長速度を高めることができ
る。
【００２６】さらに、本発明によるＧａＮ結晶成長方法
においては、坩堝１内のＧａ融液１２表面にＧａＮ皮膜
が形成されてそのＧａ融液の蒸発が阻害されたときに、
窒素プラズマの導入が停止されるとともに、排気口１ａ
を介する真空ポンプによる排気によって反応管１内が高
真空にされる。そうすれば、ＧａＮ皮膜に多くの亀裂が
生じて、そのＧａＮ皮膜上にＧａ融液が滲み出してく
る。その結果、ＧａＮ皮膜上にＧａ融液が広がって、新
たなＧａ蒸気を発生させ得る。
においては、坩堝１内のＧａ融液１２表面にＧａＮ皮膜
が形成されてそのＧａ融液の蒸発が阻害されたときに、
窒素プラズマの導入が停止されるとともに、排気口１ａ
を介する真空ポンプによる排気によって反応管１内が高
真空にされる。そうすれば、ＧａＮ皮膜に多くの亀裂が
生じて、そのＧａＮ皮膜上にＧａ融液が滲み出してく
る。その結果、ＧａＮ皮膜上にＧａ融液が広がって、新
たなＧａ蒸気を発生させ得る。
【００２７】すなわち、先行技術による場合には約１〜
２時間でＧａＮ結晶成長速度が顕著に低下して最終的に
は成長が停止したのに対して、本発明による結晶成長方
法の場合には反応管１内を間欠的に繰り返して高真空に
することによってＧａＮ皮膜上にＧａ融液を滲み出させ
ることができるので、ＧａＮ結晶成長を維持継続するこ
とができる。
２時間でＧａＮ結晶成長速度が顕著に低下して最終的に
は成長が停止したのに対して、本発明による結晶成長方
法の場合には反応管１内を間欠的に繰り返して高真空に
することによってＧａＮ皮膜上にＧａ融液を滲み出させ
ることができるので、ＧａＮ結晶成長を維持継続するこ
とができる。
【００２８】（実施例）図２は、本発明の実施例による
ＧａＮ結晶成長方法の一例を示すグラフである。このグ
ラフの横軸はＧａ結晶成長開始後の時間（単位時間）を
表し、縦軸は窒素ガス１３の流量、窒素プラズマ生成用
マイクロ波出力、および反応管１内の圧力を表してい
る。また、その縦軸の数値は、窒素ガス１３の流量とし
て×１０-1ｓｃｃｍ、マイクロ波出力として×１００
Ｗ、および反応管１内の圧力として×１００Ｐａを表し
ている。グラフ中の曲線Ａは窒素ガス１３の流量を表
し、曲線Ｂはマイクロ波出力を表し、そして曲線Ｃは反
応管１内の圧力を示している。
ＧａＮ結晶成長方法の一例を示すグラフである。このグ
ラフの横軸はＧａ結晶成長開始後の時間（単位時間）を
表し、縦軸は窒素ガス１３の流量、窒素プラズマ生成用
マイクロ波出力、および反応管１内の圧力を表してい
る。また、その縦軸の数値は、窒素ガス１３の流量とし
て×１０-1ｓｃｃｍ、マイクロ波出力として×１００
Ｗ、および反応管１内の圧力として×１００Ｐａを表し
ている。グラフ中の曲線Ａは窒素ガス１３の流量を表
し、曲線Ｂはマイクロ波出力を表し、そして曲線Ｃは反
応管１内の圧力を示している。
【００２９】Ｇａ蒸気と窒素プラズマとが反応してＧａ
Ｎ結晶が成長している間は、窒素ガスが消費されて反応
管１内の圧力が減少する傾向になる。しかし、図２のグ
ラフ中の曲線Ｃから分かるように、反応管１内の圧力は
約１５０Ｐａの一定値に保たれている。すなわち、反応
管１内の圧力は常に真空計でモニタされ、圧力が低下し
ようとすると、それを補うように窒素ガス導入管１ｂか
ら窒素ガス１３が導入されるのである。その間は、窒素
プラズマ１３ａを生成するように、一定出力２５０Ｗの
マイクロ波４ａが窒素ガス１３に印加される（グラフ中
の曲線Ｂ参照）。
Ｎ結晶が成長している間は、窒素ガスが消費されて反応
管１内の圧力が減少する傾向になる。しかし、図２のグ
ラフ中の曲線Ｃから分かるように、反応管１内の圧力は
約１５０Ｐａの一定値に保たれている。すなわち、反応
管１内の圧力は常に真空計でモニタされ、圧力が低下し
ようとすると、それを補うように窒素ガス導入管１ｂか
ら窒素ガス１３が導入されるのである。その間は、窒素
プラズマ１３ａを生成するように、一定出力２５０Ｗの
マイクロ波４ａが窒素ガス１３に印加される（グラフ中
の曲線Ｂ参照）。
【００３０】ところで、図２中の曲線Ａに注目すれば、
ＧａＮ結晶成長時間の経過に伴って窒素ガスの流量が低
下している。このことは、反応管１内で消費される窒素
ガス量が時間とともに低下していることを意味してい
る。すなわち、坩堝２内のＧａ融液１２の表面上にＧａ
Ｎ皮膜が形成されてＧａ蒸気の生成が低下し、その結果
としてＧａ蒸気と反応する窒素ガス１３の消費が減っ
て、ＧａＮ結晶の成長速度も低下していることを意味し
ている。
ＧａＮ結晶成長時間の経過に伴って窒素ガスの流量が低
下している。このことは、反応管１内で消費される窒素
ガス量が時間とともに低下していることを意味してい
る。すなわち、坩堝２内のＧａ融液１２の表面上にＧａ
Ｎ皮膜が形成されてＧａ蒸気の生成が低下し、その結果
としてＧａ蒸気と反応する窒素ガス１３の消費が減っ
て、ＧａＮ結晶の成長速度も低下していることを意味し
ている。
【００３１】そこで、本実施例では、ＧａＮ結晶成長時
間が約１時間程度経過した後に、窒素ガス１３の供給を
停止するとともに、排気口１ａを介して反応管１内を真
空ポンプで再度高真空にし、その状態を約１０分間維持
した。そうすれば、坩堝２内のＧａ融液１２上に形成さ
れたＧａＮ皮膜に多数の亀裂が生じて、そこからＧａＮ
皮膜上にＧａ融液が滲み出してくる。そして、ＧａＮ皮
膜上に滲み出したＧａ融液からＧａ蒸気の生成が再開さ
れ得るようになる。なお、本実施例では反応管１内を高
真空に維持する時間が約１０分にされたが、ＧａＮ皮膜
上にＧａ融液を滲み出させるためには、約５分以上であ
れば効果がある。
間が約１時間程度経過した後に、窒素ガス１３の供給を
停止するとともに、排気口１ａを介して反応管１内を真
空ポンプで再度高真空にし、その状態を約１０分間維持
した。そうすれば、坩堝２内のＧａ融液１２上に形成さ
れたＧａＮ皮膜に多数の亀裂が生じて、そこからＧａＮ
皮膜上にＧａ融液が滲み出してくる。そして、ＧａＮ皮
膜上に滲み出したＧａ融液からＧａ蒸気の生成が再開さ
れ得るようになる。なお、本実施例では反応管１内を高
真空に維持する時間が約１０分にされたが、ＧａＮ皮膜
上にＧａ融液を滲み出させるためには、約５分以上であ
れば効果がある。
【００３２】ＧａＮ皮膜上にＧａ融液が滲み出した状態
において窒素ガス１３の供給とマイクロ波４ａの印加を
再開すれば、窒素ガスが多量に消費されて、大きな成長
速度でＧａＮ結晶の成長が再開される。このように、窒
素ガスの消費が低下するたびに窒素ガス１３の供給とマ
イクロ波４ａの印加を停止して反応管１内を高真空化す
ることを繰り返すことによって、ＧａＮ結晶の成長を長
時間継続させることが可能になる。
において窒素ガス１３の供給とマイクロ波４ａの印加を
再開すれば、窒素ガスが多量に消費されて、大きな成長
速度でＧａＮ結晶の成長が再開される。このように、窒
素ガスの消費が低下するたびに窒素ガス１３の供給とマ
イクロ波４ａの印加を停止して反応管１内を高真空化す
ることを繰り返すことによって、ＧａＮ結晶の成長を長
時間継続させることが可能になる。
【００３３】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、ハイド
ライド気相成長法、有機金属気相成長法、および化学蒸
気輸送法などに比べて優れた利点を有し得るＧａＮ蒸気
と窒素プラズマとを利用するＧａＮ結晶成長において、
その成長を継続的に維持し得るようにＧａＮ結晶の成長
方法を改善することができる。
ライド気相成長法、有機金属気相成長法、および化学蒸
気輸送法などに比べて優れた利点を有し得るＧａＮ蒸気
と窒素プラズマとを利用するＧａＮ結晶成長において、
その成長を継続的に維持し得るようにＧａＮ結晶の成長
方法を改善することができる。
【図１】 本発明によるＧａＮ結晶成長方法に利用し得
る結晶成長装置を模式的に図解する断面図である。
る結晶成長装置を模式的に図解する断面図である。
【図２】 本発明によるＧａＮ結晶成長方法における窒
素ガス供給量、反応管内圧力、および印加されるマイク
ロ波出力の時間的変化の一例を示すグラフである。
素ガス供給量、反応管内圧力、および印加されるマイク
ロ波出力の時間的変化の一例を示すグラフである。
１ 反応管、１ａ 排気口、１ｂ 窒素ガス導入管、２
金属Ｇａを蒸発させるための坩堝、３ 基板保持台、
３ａ 基板保持台の円筒部、３ｂ 基板保持台の網板、
３ｃ 網板３ｂに含まれる開口、４ マイクロ波導入
管、４ａ マイクロ波、１１ ＧａＮ結晶を成長させる
ための基板、１２ 金属Ｇａ、１３ 窒素ガス、１３ａ
窒素プラズマ。
金属Ｇａを蒸発させるための坩堝、３ 基板保持台、
３ａ 基板保持台の円筒部、３ｂ 基板保持台の網板、
３ｃ 網板３ｂに含まれる開口、４ マイクロ波導入
管、４ａ マイクロ波、１１ ＧａＮ結晶を成長させる
ための基板、１２ 金属Ｇａ、１３ 窒素ガス、１３ａ
窒素プラズマ。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考）
Ｈ０１Ｓ 5/323 ６１０ Ｈ０１Ｓ 5/323 ６１０
Ｆターム(参考） 4G077 AA03 BE15 DA02 EA08 ED06
EG01 SA08
4K029 AA04 AA06 AA07 BA58 BD01
CA02 DB03 DB15 EA03
5F041 AA42 CA40 CA64
5F073 CA02 CB02 CB04 DA07
5F103 AA01 BB02 BB09 DD01 GG01
HH03 HH04 LL02 NN04 RR02
Claims (4)
- 【請求項１】 第１の圧力の減圧下において上部から窒
素プラズマが導入される反応管を準備し、 前記反応管の底部において金属Ｇａを蒸発させるための
坩堝を設け、 前記坩堝の上方において基板を保持するための基板保持
台を配置し、 ＧａＮ結晶を成長させるための前記基板を前記基板保持
台上に載置し、 前記坩堝から蒸発させられた前記金属Ｇａの蒸気と前記
反応管の上部から導入された前記窒素プラズマとを前記
基板上で反応させることによってＧａＮ結晶を成長させ
る方法において、 前記坩堝内の前記金属Ｇａの融液表面にＧａＮ皮膜が形
成されたときに、前記窒素プラズマの導入を停止して前
記反応管内部を前記第１の圧力より低い第２の圧力へさ
らに減圧することによって前記ＧａＮ皮膜の表面上に前
記Ｇａ融液を滲み出させ、 その後に前記第１の圧力下の窒素プラズマを前記反応管
内に再導入することを特徴とするＧａＮ結晶の成長方
法。 - 【請求項２】 前記ＧａＮ皮膜上に前記Ｇａ融液を滲み
出させるために前記反応管を前記第２の圧力に維持する
期間は少なくとも５分以上であることを特徴とする請求
項１に記載のＧａＮ結晶の成長方法。 - 【請求項３】 前記窒素プラズマはマイクロ波による励
起によって生じさせられることを特徴とする請求項１ま
たは２に記載のＧａＮ結晶の成長方法。 - 【請求項４】 前記基板の材質は、サファイヤ、Ｇａ
Ｎ、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、およびＳｉから選択さ
れたものであることを特徴とする請求項１から３のいず
れかに記載のＧａＮ結晶の成長方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002152172A JP2003342715A (ja) | 2002-05-27 | 2002-05-27 | ＧａＮ結晶の成長方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002152172A JP2003342715A (ja) | 2002-05-27 | 2002-05-27 | ＧａＮ結晶の成長方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003342715A true JP2003342715A (ja) | 2003-12-03 |
Family
ID=29769559
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002152172A Withdrawn JP2003342715A (ja) | 2002-05-27 | 2002-05-27 | ＧａＮ結晶の成長方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003342715A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2006034540A1 (en) * | 2004-09-27 | 2006-04-06 | Gallium Enterprises Pty Ltd | Method and apparatus for growing a group (iii) metal nitride film and a group (iii) metal nitride film |
| JP2009046377A (ja) * | 2007-05-17 | 2009-03-05 | Mitsubishi Chemicals Corp | 窒化物半導体結晶の製造方法 |
| AU2005289367B2 (en) * | 2004-09-27 | 2009-12-03 | Gallium Enterprises Pty Ltd | Method and apparatus for growing a group (III) metal nitride film and a group (III) metal nitride film |
-
2002
- 2002-05-27 JP JP2002152172A patent/JP2003342715A/ja not_active Withdrawn
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2006034540A1 (en) * | 2004-09-27 | 2006-04-06 | Gallium Enterprises Pty Ltd | Method and apparatus for growing a group (iii) metal nitride film and a group (iii) metal nitride film |
| AU2005289367B2 (en) * | 2004-09-27 | 2009-12-03 | Gallium Enterprises Pty Ltd | Method and apparatus for growing a group (III) metal nitride film and a group (III) metal nitride film |
| US8298624B2 (en) | 2004-09-27 | 2012-10-30 | Gallium Enterprises Pty Ltd. | Method and apparatus for growing a group (III) metal nitride film and a group (III) metal nitride film |
| JP2009046377A (ja) * | 2007-05-17 | 2009-03-05 | Mitsubishi Chemicals Corp | 窒化物半導体結晶の製造方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20050802 |