JP2004524690A - ハイブリッド成長システムと方法 - Google Patents
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Abstract
ハイブリッド成長システム（３０）は、リアクタ・チャンバ（３２）、少なくとも１つの加熱ユニット（４０、４２、４４）、第１の試薬ガス源（４６）、有機金属源（５２）、第２の試薬ガス源（４８）、および有機金属源（５２）からのガス流を止めるためのバルブ・ユニット（５４ｂ）を含む。ハイブリッド・システム（３０）は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）とハイドライド気相エピタキシ法（ＨＶＰＥ）の両方の特徴を包含する。ハイブリッド・システム（３０）は、ＭＯＣＶＤモード、ＨＶＰＥモード、あるいは同時に両モードで運転できる。ハイブリッド・システム（３０）は、成長を中断することなく、あるいはリアクタ・チャンバ（３２）から試料を取り出すことなく、成長モード間の切り替えができる。加熱ユニット（４０、４２、４４）は、リアクタ・チャンバ（３２）の温度調節のために、リアクタ・チャンバ（３２）に対して、あるいは逆にリアクタ・チャンバが加熱ユニットに対して移動できる。ハイブリッド成長法は、同一のリアクタ・チャンバ（３２）内で２つの異なる成長法を用いて、処理された基板上にＩＩＩ−Ｖ族化合物のエピタキシャル層を生成させる。同一のリアクタ・チャンバ内で、２つの異なる成長法、たとえばＭＯＣＶＤとＨＶＰＥを、連続的に、また同時に実施することができる。
Description
【技術分野】
【０００１】
本発明はハイブリッド成長（ｈｙｂｒｉｄ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）システムに関する。本発明はさらに、有機金属気相成長法とハイドライド気相エピタキシ法の特徴を併せ持つ成長システムに関する。本発明はまた、１台のリアクタで、２つの異なる成長法により、半導体へテロ構造を形成する方法にも関する。
【背景技術】
【０００２】
ハイドライド気相エピタキシ法（ｈｙｄｒｉｄｅ ｖａｐｏｒ−ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔａｘｙ、ＨＶＰＥ）は、窒化ガリウムなどのさまざまな半導体のエピタキシャル成長のための重要な技術である。窒化ガリウム（ＧａＮ）は、重要な技術的材料として出現している。たとえば、ＧａＮは現在、青色発光ダイオード、半導体レーザ、および他のオプトエレクトロニクス・デバイスの製造に用いられている。関連技術の背景が、ＧａＮの成長を特に参照して検討されるであろう。
【０００３】
ＨＶＰＥは、費用効率が高く成長が比較的速いという理由で、現在好まれているＧａＮ成長技術である。この技術では、ＧａＮの成長は、塩化ガリウム（ＧａＣｌ）とアンモニア（ＮＨ３）間の高温気相反応により進行する。このアンモニアは標準的なガス源から供給され、一方ＧａＣｌは、加熱された液体ガリウム供給源上にＨＣｌを通すことにより生成する。この２種のガス（アンモニアとＧａＣｌ）は、加熱された基板に向けて送られ、そこでそれらは反応して基板表面上に固体ＧａＮを生成する。
【０００４】
ＨＶＰＥでは大きなＧａＮ成長速度が可能であるが、他のＩＩＩ−Ｖ族窒化物またはＧａＮアロイを成長させる技術として、ＨＶＰＥに付随する明白な困難が存在する。たとえば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）またはＡｌＮとＧａＮのアロイ（ＡｌＧａＮ）などの材料をＨＶＰＥによって成長させることは困難である。問題は塩化アルミニウムを適切に供給することにある。後者の物質は極端に安定であり、ＨＶＰＥリアクタの高温においてさえ低蒸気圧の固体を生成する傾向がある。このため、ＨＣｌがＡｌ金属上に通されたとき、生成する塩化アルミニウムは、固化し、基板の方に運ばれない傾向がある。
【０００５】
いくつかの用途では、ＡｌＮおよびＧａＮ層の両方を同じ試料上に成長させる技術が望まれる。たとえば、エピタキシャルＧａＮ層とサファイア（Ａｌ２Ｏ３）などの典型的な基板の間に成長させたＡｌＮまたはＡｌＧａＮのバッファ層は、ＧａＮエピタキシャル層の品質を向上させる。この品質の向上は、バッファ層とＧａＮの間の格子定数と熱膨張係数のよりよい一致により得られる。さらに、ＡｌＮ、ＧａＮ、およびＡｌＧａＮ層を互いの上に成長させたヘテロ構造の形成が望ましいことが多い。ヘテロ構造体には、半導体レーザ、発光ダイオード（ＬＥＤ）、高電子移動度トランジスタ、ならびに他のエレクトロニクスおよびオプトエレクトロニクス・デバイスに多くの応用が見出されている。
【０００６】
同様に、窒化インジウム（ＩｎＮ）および関連するアロイ（ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＮ、ＩｎＡｌＧａＮ）を含むヘテロ構造を同じ１つのシステムで成長させることもまた望ましい。ＩｎＮを用いることにより、成長させうるヘテロ構造の範囲が広がるので、多くの新しいデバイスへの応用に通じる。しかし、ＨＶＰＥによるＩｎＮの成長は問題を生じることがある。たとえば、薄くムラのないＩｎＧａＮ層は、ＨＶＰＥ法で通常連想される大きな成長速度を用いて作製することが困難である。さらに、ほとんどのデバイスへの応用では、導電性材料とするためにドーパントを選択的に組み入れることが必要である。含まれるドーパント種が異なる材料の接合は、ダイオード、トランジスタ、および半導体レーザなどのほとんどすべてのエレクトロニクス・デバイスの鍵となる重要な要素である。しかし、いくつかのドーパント材料は有機金属の形態で最もうまく用いられる。
【０００７】
従来技術の方法とシステムによるＨＶＰＥのさらなる欠点は、ある量のエピタキシャル材料が成長するまで、特定の基板をＨＶＰＥシステムに組み入れ得ないということである。たとえば、ＧａＮあるいは関連する材料を、シリコン（Ｓｉ）基板上に成長させることが望まれるであろう。別法として、複合（ｃｏｍｐｏｕｎｄ）基板（１種より多くの材料からなる）、あるいはパターン化された基板を用いることが望まれるであろう。これらの基板のいずれかに直接ＨＶＰＥで成長させようとすると、それらは破壊されるかもしれない。これは、ＨＶＰＥリアクタ内にあるガス、たとえば、ＨＶＰＥで損傷されやすい（ＨＶＰＥ−ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ）基板（たとえば、Ｓｉ）にエッチング剤として作用するＨＣｌが存在することによる。いずれの成長方法（ＭＯＣＶＤおよびＨＶＰＥ）も同一リアクタ内で実施され、ＨＶＰＥによる成長を始める前に有機金属気相成長法（ｍｅｔａｌ−ｏｒｇａｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、ＭＯＣＶＤ）のような方法によりエピタキシャル材料の保護層を成長させるシステムおよび方法を提供すれば利点があるであろう。
【０００８】
本発明は、従来技術による、ＧａＮおよび関連材料の成長に固有の前記問題の多くを克服するハイブリッド成長システムおよび方法を提供する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前記のように、本発明の目的は、窒化アルミニウム、窒化インジウム、窒化ガリウム、金属アロイ窒化物および関連材料を効率よく成長させるハイブリッド成長システム提供することである。本発明の方法により、複合（ｃｏｍｐｌｅｘ）ドーパントおよび複合ドーパント混合物をエピタキシャル層に組み入れることができ、膜厚と成長速度を広い範囲で変化させて製造できる。さらに、本発明の方法は多くの異なる種類の基板に適用可能である。一実施形態によれば、本発明は有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）とＨＶＰＥの特徴を、非常に多目的な１つのハイブリッド成長システムに統合する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
従来技術のＭＯＣＶＤ成長法では、アンモニア・ガスと有機金属化合物が高温で基板上方あるいはその上で反応して固体半導体材料が成長する。本発明では、ハイブリッド・リアクタ内で、有機金属源およびＨＶＰＥ用試薬送出（ｒｅａｇｅｎｔ ｄｅｌｉｖｅｒｙ）チャンバ（たとえば、液体ガリウム供給源）が用いられる。本発明のシステムでは、ＭＯＣＶＤモードとＨＶＰＥモードでの運転の間で切り替えること、あるいはＭＯＣＶＤ／ＨＶＰＥ統合モードで運転可能である。モード間のこのような切り替えは、リアクタに供給される原料または試薬ガスの種類を変えることにより、またリアクタの運転温度または成長温度の適切な何らかの変更により容易に実施される。
【００１１】
手短に言えば、ＭＯＣＶＤモードで本発明のハイブリッド・システムを運転するには、少なくとも１種の有機金属とアンモニア・ガスがリアクタに供給される。ハイブリッド・システムをＨＶＰＥモードに切り替えるには、有機金属の供給を停止し、ＨＣｌを液体金属（Ｇａ）上に通すことにより第２の試薬ガス（たとえば、ＧａＣｌ）を供給する。常にではないが通常、ＨＶＰＥモードとＭＯＣＶＤモード間の切り替え時に、リアクタの温度を変更することができる。
【００１２】
２つの成長方法（ＭＯＣＶＤとＨＶＰＥ）が、１つの反応システムに組み込まれているので、基板上での成長を中断することも、あるいはリアクタから試料を取り出すこともなく、２つの方法の間で切り替えが可能である。この特徴はまた効率を増し、本発明の方法のコストを低下させる。本発明のシステムおよび方法によれば、ＡｌＮおよび薄いＩｎＮ層を、厚いＧａＮの（ＨＶＰＥによる）成長に使用されるものと同一のリアクタで、（ＭＯＣＶＤにより）都合よく成長させることが可能である。同様に、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＧａＮ、およびそれらのアロイを、連続してあるいは同時に行われるＭＯＣＶＤおよびＨＶＰＥにより、同じリアクタで成長させることが可能である。したがって、本発明のシステムおよび方法を用いて、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＧａＮ、およびそれらのアロイからなるヘテロ構造体のさまざまな配列を、迅速に安価に成長させることが可能である。
【００１３】
本発明の一態様によれば、ＨＶＰＥとＭＯＣＶＤ成長法の両方を同時に用いて、処理された（ｎｏｎ−ｎａｔｉｖｅ）基板上にＩＩＩ−Ｖ族の窒化物層を成長させる方法が提供される。この場合の例として、ＧａＣｌとアルミニウム含有有機金属などの２種類の異なる原料ガスが、両方ともアンモニアと一緒にシステムに供給される。この例では、基板の位置で各原料ガスがアンモニア・ガスと反応し、ＡｌＧａＮの成長が起こる。適当な原料ガスを供給することにより、類似の方法によりＩｎＧａＮまたはＩｎＡｌＧａＮを成長させることもできる。さらに、本発明のハイブリッド成長システムを用いて成長させるＧａＮまたはそのアロイ層にドーパントを組み入れることもできる。
【００１４】
本発明の別の態様によれば、ＨＶＰＥによるＩＩＩ−Ｖ族化合物の成長に、ＨＶＰＥで損傷されやすい基板を用いる方法が提供される。ＨＶＰＥによる成長により通常は破壊されるであろう基板、たとえばＳｉ基板またはパターン化基板は、ＭＯＣＶＤによる成長では安定である。第１の、ＩＩＩ−Ｖ族化合物の保護層が、始めに、ハイブリッド・リアクタ内でＭＯＣＶＤにより基板上に成長させられる。次に、ＨＶＰＥモードで運転するようにハイブリッド・リアクタを切り替えることができ、第１の層の上にＨＶＰＥによりさらに少なくとも１層が形成される。ＨＶＰＥは、ＭＯＣＶＤより成長速度が速く、より費用が少なくてすむという利点がある。
【００１５】
本発明の１つの特長は、それがハイブリッド成長システムを提供することである。本発明の別の特徴は、それが２つの異なるモードで運転可能な成長システムを提供することである。本発明の別の特徴は、それがハイブリッドＭＯＣＶＤ／ＨＶＰＥ成長システムを提供することである。本発明の別の特徴は、それがリアクタおよびリアクタを加熱する複数の加熱ユニットを含む成長システムを提供することである。
【００１６】
本発明の１つの利点は、それが、ＭＯＣＶＤモードとＨＶＰＥモード間で切り替え可能であるため、１つのリアクタから別のものに移し替える際に起こる、生成する構造体の汚染を引き起こす可能性が少ないハイブリッド成長システムを提供することである。本発明の別の利点は、それが、第１の層がハイブリッド・リアクタ内でＭＯＣＶＤにより形成され、同じリアクタ内で第２の層がＨＶＰＥにより形成される、第１および第２のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層を形成する方法を提供することである。本発明の別の利点は、それが、ＭＯＣＶＤおよびＨＶＰＥによる同時成長により、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物層を形成する方法を提供することである。本発明の別の利点は、それが、少なくとも１つの加熱ユニットに対して可動性のリアクタを含むハイブリッド成長システムを提供することである。
【００１７】
本発明のさらに別の利点は、最初にＭＯＣＶＤにより薄い緩衝層、ＨＶＰＥによりこの薄い緩衝層上のより厚いＧａＮ層、ＭＯＣＶＤによりこの厚いＧａＮ層上の第３の窒化物層を生成させることにより、高品質のデバイス構造体を製造しうることである。
【００１８】
これらおよび他の目的、利点および特徴は、リアクタ；試薬送出チャンバ入口をもち、リアクタに連結した試薬送出チャンバ；リアクタに熱を供給するための少なくとも１つの加熱ユニット；およびリアクタに連結する少なくとも１種の有機金属源を含むハイブリッド成長システムの提供により実現される。
【００１９】
これらおよび他の目的、利点および特徴は、ａ）リアクタ内に基板を配置する工程；ｂ）リアクタを第１の成長温度に加熱する工程；ｃ）第１の試薬ガスと有機金属蒸気をリアクタに供給して、ＭＯＣＶＤにより第１のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層を基板上に得る工程；ｄ）工程ｃ）の後、有機金属蒸気のリアクタへの供給を停止する工程；およびｅ）第１の試薬ガスのリアクタへの供給を続けながら、第２の試薬ガスをリアクタに供給して、第１のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層上に少なくとも１つのさらなるＩＩＩ−Ｖ族窒化物層を得る工程を含む半導体層形成方法を提供することにより実現される。
【００２０】
これらおよび他の目的、利点および特徴は、ａ）リアクタ内に基板を配置する工程；ｂ）リアクタを第１の成長温度に加熱する工程；ｃ）第１の試薬ガスをリアクタに供給する工程；ｄ）有機金属蒸気をリアクタに供給して、ＭＯＣＶＤにより第１のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層を基板上に得る工程；ｅ）工程ｄ）の後、第１の試薬ガスおよび有機金属蒸気のリアクタへの供給を続けながら、第２の試薬ガスをリアクタに供給して、第１のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層上に少なくとも１つのさらなるＩＩＩ−Ｖ族窒化物層を得る工程を含む半導体層形成方法を提供することにより実現される。
【００２１】
これらおよび他の目的、利点および特徴は、１つには以下の説明に記載され、また１つには以下を検討することにより当分野の技術者には明らかとなるであろうし、あるいは本発明の実施により習得されうるであろう。添付の特許請求の範囲において詳しく示されるようにして、本発明の利点を実現し達成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図を参照すると、図１は従来技術によるＭＯＣＶＤシステム６を概略的に示している。手短に言えば、システム６は、少なくとも一部分が加熱ユニット１６により囲まれているリアクタ８を含んでいる。リアクタ８の内部に配置された基板１４が加熱ユニット１６により加熱される。アンモニアは標準的なガス原料源１３から供給される。有機金属化合物の蒸気は、通常は窒素または水素であるキャリア・ガス１７を、バブラ１５内に入っている有機金属化合物の供給液体を通して流すことにより供給される。供給有機金属化合物の温度は精密に制御され、キャリア・ガス１７の流量は、既知量の有機金属化合物蒸気を含むガス流となるように調節される。アンモニアと有機金属化合物の蒸気はチャンバ８に導入される。ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＧａＮまたはＩｎ、Ａｌ、およびＧａのアロイ窒化物の成長が、有機金属化合物とアンモニア・ガスの高温気相反応により基板１４の表面上で起こる。例として、ＡｌＮの成長では、バブラ１５内の金属有機（または有機金属）化合物はアルミニウム含有有機金属であり、一方ＧａＮの成長では、バブラ１５内の有機金属化合物はガリウム含有有機金属である。
【００２３】
図２は従来技術によるＨＶＰＥシステム１８を概略的に示している。手短に言えば、システム１８は、入口２２、および出口１９、ならびに試薬送出チャンバまたは反応アセンブリ２６をもつ成長管またはチャンバ２１を含んでいる。システム１８は熱源、たとえば炉２４内に全体として入っていてもよい。加熱された基板１４上のエピタキシャル成長は、リアクタ２１に導入される原料あるいは試薬ガスの気相反応により進む。たとえば、塩化ガリウム、塩化インジウム、または塩化アルミニウムなどの試薬ガスを反応アセンブリ２６を通して基板１４に向けて放出することができる；一方リアクタ入口２２を通してアンモニアを成長管２１に導入できる。高温でＨＣｌを液体金属（たとえば、ガリウム）上に通すことにより、試薬ガス、たとえばＧａＣｌを、反応アセンブリ２６内で生成させることができる。ガス流の方向が矢印により示されている。試薬ガス（たとえば、ＧａＣｌ、ＩｎＣｌ、ＡｌＣｌ）は成長管２１内でアンモニアと反応して、基板１４上に成長するそれぞれの窒化物、ＧａＮ、ＩｎＮ、またはＡｌＮを生成する。
【００２４】
図３は本発明の一実施形態によるハイブリッド成長システム３０を概略的に示している。システム３０は、入口３４および出口３６をもつリアクタ・チャンバ３２、ならびにリアクタ・チャンバ３２に連結された試薬送出チャンバ３８を含んでいる。リアクタ入口３４は、第１の試薬ガス源４６、および少なくとも１種の有機金属源５２に連結されている。ガス流の方向は矢印により示されている。第１の試薬ガス源４６は第１の試薬ガスをリアクタ３２に供給する。第１の試薬ガスは好ましくはアンモニアである。
【００２５】
有機金属源５２は、有機金属蒸気をリアクタ３２に供給するための有機金属組成物を含む。有機金属組成物は、好ましくは、アルミニウム、インジウム、またはガリウムを含有する有機金属化合物、あるいはＧａ、Ｉｎ、およびＡｌから選択される２種の異なる金属を含む、少なくとも２種の有機金属化合物の混合物またはアロイである。本発明の実施において有用な有機金属化合物の例は、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリエチルアルミニウム（ＴＥＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、トリエチルインジウム（ＴＥＩ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、およびトリエチルガリウム（ＴＥＧ）である。本明細書では、有機金属および金属有機という用語を、互いに交換可能なものとして使用してよい。有機金属源５２はバブラの形態であってよく、これは当技術分野においてよく知られている。
【００２６】
試薬送出チャンバ３８は前駆体（ｐｒｅｃｕｒｓｏｒ）ガス源４８およびキャリア・ガス源５０に連結されている。前駆体ガス源４８は、前駆体ガス、好ましくはＨＣｌを試薬送出チャンバ３８に供給する。試薬送出チャンバ３８には、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｌ、好ましくはＧａまたはＩｎのような液体金属が入っている。ＨＣｌガスがチャンバ３８内の液体金属上を通るとき、試薬送出チャンバ内で第２の試薬ガスが生成する。第２の試薬ガスは試薬送出チャンバ３８からリアクタ３２に移動する。キャリア・ガス源５０はキャアリ・ガスを供給する。キャリア・ガス源５０は試薬送出チャンバ入口３８ａおよび有機金属源５２の両方に連結されている。キャリア・ガス源５０からのキャリア・ガスは、前駆体ガス源４８からチャンバ３８の入口３８ａへ前駆体ガスを運ぶ役目をする。キャリア・ガス源５０からのキャリア・ガスはまた、有機金属源５２内に含まれる有機金属組成物からの有機金属蒸気も供給する。
【００２７】
キャリア・ガス源５０から試薬送出チャンバ３８の入口３８ａへのキャリア・ガス流は、第１のバルブ・ユニット５４ａにより制御される。キャリア・ガス源５０から有機金属源５２へのキャリア・ガス流は、第２のバルブ・ユニット５４ｂにより制御される。第１および第２のバルブ・ユニット５４ａ、５４ｂにより、キャリア・ガス源５０から試薬送出チャンバ３８および有機金属源５２へのキャリア・ガス流が制御できる。第３のバルブ・ユニット５４ｃは、前駆体ガス源４８からの試薬送出チャンバ３８への前駆体ガス流を制御する。
【００２８】
第１、第２、および第３のバルブ・ユニット５４ａ〜ｃによりシステム３０の成長モードを決定し調節することが可能である。たとえば、システム３０をＭＯＣＶＤ単独モードで運転するためには、バルブ・ユニット５４ａおよび５４ｃは閉じられ、バルブ・ユニット５４ｂが開けられる。キャリア・ガス源５０からのキャリア・ガスは有機金属源５２を通り有機金属蒸気をリアクタ３２に運び、同時に第１の試薬ガス（アンモニア）源４６はリアクタ３２に第１の試薬ガスを供給する。リアクタ３２と基板１４の温度は、特定のＩＩＩ−Ｖ族化合物またはアロイのＭＯＣＶＤ成長に合わせて、加熱ユニット４０、４２、４４により調節される。こうして基板１４上での成長がＭＯＣＶＤ単独で進行する。
【００２９】
以下のように、成長を中断することなく、あるいはリアクタ３２から基板を取り出すことなく、システム３０の成長モードを、ＭＯＣＶＤ単独モードからＨＶＰＥ単独モードに「切り替え」あるいは変更できる。バルブ・ユニット５４ｂは閉じられ、一方バルブ・ユニット５４ａおよび５４ｃが開けられる。通常バルブ・ユニット５４ａおよび５４ｃが最初に開けられ、その後でバルブ・ユニット５４ｂが閉じられる。有機金属蒸気はリアクタ３２にもう供給されない。代わりに、前駆体ガスが、前駆体ガス源４８からチャンバ３８に供給され、チャンバ３８が今度は第２の試薬ガス（たとえば、ＧａＣｌ、ＩｎＣｌ）をリアクタ３２に供給する；一方第１の試薬ガス源４６は、第１の試薬ガス（アンモニア）をリアクタ３２に供給し続ける。リアクタ３２と基板１４の温度は、特定のＩＩＩ−Ｖ族化合物またはアロイのＭＯＣＶＤ成長に合わせて、加熱ユニット４０、４２、４４により調節される。こうして基板１４上での成長はＨＶＰＥ単独モードで進行する。バルブ・ユニット５４ａ〜ｃの開閉の正確なタイミングは、少なくともある程度は、設計の選択の問題である。
【００３０】
システム３０の成長モードを、ＭＯＣＶＤ単独またはＨＶＰＥ単独モードから、ＭＯＣＶＤ／ＨＶＰＥ統合モードに切り替えることもできる。ＭＯＣＶＤ／ＨＶＰＥモードは、ＭＯＣＶＤとＨＶＰＥによる同時成長により特徴づけられる。成長を中断することなく、あるいはリアクタ３２から基板を取り出すことなく、これらの各モード間の切り替えを実施することができる。たとえば、ＩＩＩ−Ｖ族化合物、またはそれらのアロイの、ＭＯＣＶＤおよびＨＶＰＥによる同時成長では、バルブ・ユニット５４ａ、５４ｂ、および５４ｃの各々は適当な度合いで開かれているであろう。この場合、アンモニアは第１の試薬ガス源４６によりリアクタ３２に供給され、有機金属蒸気は有機金属源５２によりリアクタ３２に供給され、第２の試薬ガスはチャンバ３８からリアクタ３２に供給される。こうしてＭＯＣＶＤおよびＨＶＰＥ両方により成長が進んで、基板または試料上にハイブリッドＭＯＣＶＤ／ＨＶＰＥ層が生成する。各成長法（ＭＯＣＶＤとＨＶＰＥ）の相対的寄与を、バルブ・ユニット５４ａ〜ｃの調製により決めることができる。加熱ユニット４０、４２、４４により、リアクタ３２の温度を調節することができる。別法として、加熱ユニット４０、４２、４４に対してリアクタ３２を動かすことにより、リアクタ３２の温度を調節してもよい。
【００３１】
試薬送出チャンバ３８に第１の金属（たとえば、Ｇａ）を、また有機金属源５２に第２の金属（たとえばＩｎ、Ａｌ）を含む有機金属化合物を供用することにより、ＩＩＩ−Ｖ族化合物のさまざまな組成のアロイを基板１４上に容易に成長させることができる。さらに、ドープされたＩＩＩ−Ｖ族窒化物層を形成するために、ドーパント源を、バブラ、蒸発または昇華源の形態で、あるいはキャリア・ガス流への添加ガス成分の形態で、またはドーパント・ガスとキャリア・ガスの前混合された希薄混合物の形態で、ＨＶＰＥ成長工程中にリアクタ入口３４を通して導入することができる。試薬送出チャンバ３８内に、供給液体金属と共にドーパント源を含めることにより、あるいは図４に示されるように、金属試薬送出チャンバあるいはリアクタ・チャンバ入口と一体化されておらず、別のドーパント入口によりリアクタ・チャンバに接続する独立したドーパント送出システムを備えることにより、ＧａＮなどのＩＩＩ−Ｖ族窒化物層をドープすることもできる。
【００３２】
本発明のシステム３０は特に、ＨＶＰＥにより通常破壊されるが、ＭＯＣＶＤ成長条件下では安定な基板上でのエピタキシャル層（たとえば、ＧａＮまたはそのアロイ）の成長に有用である。ＨＶＰＥで損傷されやすい基板の例は、シリコン、およびパターン化基板である。この場合、リアクタ３２内でＭＯＣＶＤにより最初に保護層を形成することができる。その後、システム３０の成長モードは、完全にあるいは部分的にＨＶＰＥモードに切り替えられる。こうして、ＨＶＰＥで損傷されやすい基板上でのエピタキシャル成長に、より速くより費用のかからないＨＶＰＥモードを使用できるようになる。本明細書にすでに記載したように、成長を中断させること、あるいはリアクタ３２から試料を除去することなく、ＭＯＣＶＤモードからＨＶＰＥモードに、またその逆にシステム３０を切り替えることができる。
【００３３】
システム３０は複数の異なる加熱ユニットを含んでいてもよい。たとえば、システム３０は第１の加熱ユニット４０、第２の加熱ユニット４２、および第３の加熱ユニット４４を含むことができる。第１、第２、および第３の加熱ユニット４０、４２、４４はそれぞれ、炉、１つまたは複数のランプ、あるいは複数の高周波もしくはマイクロ波ヒータ誘導コイルの形態でありうる。第１、第２、および第３の加熱ユニット４０、４２、４４を、リアクタ３２に対して横および縦両方向で、異なる位置に配置することができる。こうして、第１、第２、および第３の加熱ユニット４０、４２、４４に対してリアクタ３２を動かすことにより、リアクタの温度を、実施されようとする特定の成長モードに合わせて調節することができる。加熱ユニット４０、４２、４４の操作（たとえば、移動）および／または調節により、リアクタ３２内の成長の微調整が可能となる。リアクタ３２の縦方向の動きは、図３に両方向矢印３２’により示されている。別法として、リアクタ３２内の温度変更を実施するために、１つまたは複数の、第１、第２、および第３の加熱ユニット４０、４２、４４自体を、互いに独立に、リアクタ３２に対して動かしてもよい。また、温度を制御するために、リアクタ３２内に置かれる内部加熱ユニット３１を用いてもよい。内部加熱ユニット３１は、好ましくは、基板プラットホーム１１内に置かれ、基板プラットホーム１１と取り付けられた基板１４の表面温度を制御する。
【００３４】
図４は、本発明の別の実施形態による成長システム３０’の一部分を概略的に示している。システム３０’はシステム３０（図３）に、前者が複数の有機金属源５２ａ、５２ｂ、５２ｃを含むこと以外は似ている。図４には３つの有機金属源が示されているが、他の数もまた本発明の範囲内である。各有機金属源５２ａ、５２ｂ、５２ｃは、キャリア・ガスを各有機金属源５２ａ、５２ｂ、５２ｃに供給するキャリア・ガス源５０に連結されている。各有機金属源５２ａ、５２ｂ、５２ｃへのキャリア・ガスの供給は、バルブ、たとえば５４により制御される。各有機金属源５２ａ、５２ｂ、５２ｃはさらに、リアクタ３２に有機金属蒸気を供給するために、リアクタ３２に連結されている。各有機金属源５２ａ、５２ｂ、５２ｃは異なる有機金属組成物を含みうる。たとえば、有機金属源５２ａ、５２ｂ、５２ｃはそれぞれ、Ａｌ、Ｉｎ、またはＧａを含有する化合物を含みうる。別法として、有機金属源５２ａ、５２ｂ、５２ｃは、さまざまなドーパントを含むかまたは含まない、Ａｌ、Ｉｎ、またはＧａを含有する化合物を含んでいてもよい。
【００３５】
再び図４を参照すると、リアクタ・チャンバ３２は、成長過程中にドーパント原料８３をリアクタ・チャンバ３２に送るための独立した入口８５を備えていてもよい。本発明の特定の実施形態では、ドーパント原料８３は、バブラによりリアクタ・チャンバ３２に送られる。ドーパント試薬または原料８３を通してのドーパント・キャリア・ガス８１によるバブリングが、有機金属原料をリアクタ・チャンバ３２に送る場合についてすでに記載されたものに似たやり方で、バルブ８４により制御される流量で行われる。適切なドーパント試薬には、有機窒素、有機ヒ素および有機リンが含まれる。
【００３６】
バルブ５４および８４を調節することにより、リアクタ３２に供給される各有機金属組成物およびドーパントの相対量を経時的に正確に制御することができる。このようにして、さまざまな厚さ、さまざまな組成およびさまざまなドーパント含量をもつ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＧａＮ、およびこれらのアロイ（たとえば、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＮ、ＩｎＡｌＧａＮ）の層を、ＭＯＣＶＤ、あるいは統合ＭＯＣＶＤ／ＨＶＰＥにより、単一基板上に成長させることができる。複数の有機金属源５２ａ〜ｃを備えると同時に、ＨＶＰＥモード、ＭＯＣＶＤモード、あるいはＨＶＰＥ／ＭＯＣＶＤ統合モードで作動するシステム３０’の能力により、本発明に従って形成されるさまざまなＩＩＩ−Ｖ族窒化物層の組成と厚さについてのより優れた制御が可能となる。このように、システム３０および３０’は、それらの運転の仕方が非常に多様で、半導体層およびヘテロ構造からなる非常に多くの配列形成を、１台の装置を用いて可能にすることが理解される。
【００３７】
図５Ａは、本発明によるハイブリッド成長法に含まれる一連の工程を概略的に示しており、工程５０はハイブリッド成長システムのリアクタでＨＶＰＥを実施して基板上に半導体層またはＩＩＩ−Ｖ族化合物を得ることを含む。「ハイブリッド成長システム」は、少なくとも２つの異なるモード（たとえば、ＭＯＣＶＤとＨＶＰＥ）により成長させられるようになったシステムで、この２つの異なるモードを同一のリアクタで連続してあるいは同時に実施しうるシステムを意味する。基板または試料は、成長システムの運転モードが変更される間、リアクタから取り出されないことが好ましい。試料は、シリコンまたはサファイアなどの処理された基板でよい。
【００３８】
工程５２は、工程５０で用いられたものと同一のハイブリッド成長システムのリアクタ内でＭＯＣＶＤを実施することを含む。試料の特定の用途、ＨＶＰＥおよびＭＯＣＶＤにより成長させる材料の性質、基板の性質などに応じて、工程５２を工程５０の前、後、あるいは同時に実施してよい。
【００３９】
図５Ｂは、本発明の別の実施形態によるハイブリッド成長法に含まれる一連の工程を概略的に示しており、工程５４は基板上にＭＯＣＶＤを実施することを含む。基板はハイブリッド成長システムのリアクタ内に配置される。基板は、シリコンまたはサファイアなどの処理された基板であってもよく、パターン化された基板であってもよい。ＩＩＩ−Ｖ族窒化物などの半導体の層を基板上に、好ましくは１．０ナノメートルから５．０ミクロンの範囲であるが、任意の望みの厚さに成長させることができる。本発明の一実施形態によれば、ＨＶＰＥで損傷されやすい基板上に、ＭＯＣＶＤにより、たとえばＡｌＮの比較的薄い保護層を成長させることができる。たとえば、アンモニア・ガスとアルミニウム含有有機化合物からの蒸気を、基板を収容するリアクタに供給することにより、工程５４を実施することができる。
【００４０】
工程５６は、ＭＯＣＶＤ成長を続けながらハイブリッド成長システムのリアクタでＨＶＰＥを実施することを含む。たとえば、第２の試薬ガス（たとえば、ＧａＣｌまたはＩｎＣｌ）を、アンモニア・ガスおよび有機金属化合物からの蒸気と一緒に、基板を収容するリアクタに供給することにより、工程５６を実施することができる。工程５４で開始された成長を中断させることなく、工程５６を実施することができる。工程５６でＭＯＣＶＤとＨＶＰＥ成長を同時に併用することにより、任意の望みの厚さで、さまざまな化学組成のさらなる半導体層を、工程５４で成長させた層の上に生成させることができる。
【００４１】
図６Ａは本発明の別の実施形態によるハイブリッド成長法に含まれる一連の工程を概略的に示しており、工程６０はハイブリッド成長システムのリアクタに基板を配置することを含む。このハイブリッド成長システムは、本明細書にすでに記載された、ハイブリッド成長システムの実施形態、あるいは当分野の技術者には通常明らかであるその変形形態のいずれかであってよい。工程６２はリアクタの加熱を含む。少なくとも１つの加熱ユニットにより任意の望みの温度にリアクタを加熱することができる。加熱ユニットは、たとえば１つまたは複数の炉、少なくとも１つのランプ、複数のｒｆ加熱コイル、あるいは内部加熱ユニットの形態でありうる。成長モード、成長させる材料、基板の性質などの要素により、望ましい成長温度を決めることができる。
【００４２】
工程６４は、基板上にＭＯＣＶＤを実施するための適切な試薬をリアクタに供給することを含む。ＭＯＣＶＤ用試薬は、ハイブリッド成長システムのリアクタにそれらを供給するための適切な技術と合わせて、本明細書にすでに記載された。工程６６は、ＭＯＣＶＤにより基板上に第１の層を形成することを含む。基板上に成長させる第１の層は通常、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮなどのＩＩＩ−Ｖ族窒化物、あるいはこれらのアロイである。工程６６の後、工程６８は、本明細書にすでに記載された技術と方法に通常従って、ハイブリッド成長システムのリアクタにＨＶＰＥ試薬を供給することを含む。工程６８の前に、第１の層の上にさらに少なくとも１層（工程７０）を成長させるのに適切であると思われるように、リアクタ温度が調節されるであろう。少なくとも１つの加熱ユニットにより、あるいは、たとえば、少なくとも１つの加熱ユニットに対するリアクタの位置を変えることにより、リアクタの温度を調節することができる。
【００４３】
工程７０は、第１の層の上にさらに少なくとも１層を形成することを含む。ＨＶＰＥだけで、あるいはＨＶＰＥとＭＯＣＶＤの組合せにより、このさらなる少なくとも１層を生成させることができる。さらなる少なくとも１層は通常ＩＩＩ−Ｖ族窒化物あるいは２種以上のＩＩＩ−Ｖ族窒化物のアロイである。本発明の現在好ましい実施形態によれば、このさらなる少なくとも１層として、ＧａＮおよび／またはＧａＮのアロイが含まれる。
【００４４】
図６Ｂは、本発明の別の実施形態によるハイブリッド成長法に含まれる一連の工程を概略的に示す図であり、工程６０’は工程６０（図６Ａ）と同様である。工程６２’は、通常、工程６２（図６Ａ）に対して本明細書にすでに記載されたように、第１の成長温度にリアクタを加熱することを含む。工程６２’の第１の成長温度は、特定の材料、たとえばＡｌＮの、特定の技術、たとえばＭＯＣＶＤによる成長に適するように選択されるであろう。工程６４’および６６’は工程６４および６６（図６Ａ）と同様である。工程７２は、有機金属試薬からの蒸気のリアクタへの供給を停止することを含む。任意選択である工程７４は、リアクタを、特定の材料、たとえばＧａＮのＨＶＰＥによる成長（工程７８）に相応しい第２の成長温度に調節することを含む。通常、工程６２（図６Ａ）に対して記載されたように、リアクタは第２の成長温度に調節されるであろう。工程７６は、ＨＶＰＥ用試薬、たとえば、通常本明細書にすでに記載されたように、アンモニアおよびＧａもしくはＩｎの塩化物を供給することを含む。工程７８は、たとえばＩＩＩ−Ｖ族窒化物からなる、さらなる少なくとも１層を第１の層（工程６６’）上に形成することを含む。図６Ｂの実施形態によれば、工程７８で形成される、さらなる少なくとも１層は、単独でＨＶＰＥにより形成されるであろう。
【００４５】
前記の実施形態は、単に例示のためであり、本発明を限定するものと解釈されるべきではない。本教示は他のタイプの装置と方法に適用されるであろう。本発明の記載は例示のためであり、添付の特許請求の範囲を限定しようとするものではない。当分野の技術者には多くの代替、変更、および変形が明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】従来技術のＭＯＣＶＤシステムを概略的に示す図。
【図２】従来技術のＨＶＰＥシステムを概略的に示す図。
【図３】本発明によるハイブリッド成長システムを概略的に示す図。
【図４】本発明の一実施形態による成長システムに接続して使用するための複数の有機金属源と１つのドーパント原料源を概略的に示す図。
【図５Ａ】本発明によるハイブリッド成長法に含まれる一連の工程を概略的に示す図。
【図５Ｂ】本発明の別の実施形態によるハイブリッド成長法に含まれる一連の工程を概略的に示す図。
【図６Ａ】本発明の別の実施形態によるハイブリッド成長法に含まれる一連の工程を概略的に示す図。
【図６Ｂ】本発明の別の実施形態によるハイブリッド成長法に含まれる一連の工程を概略的に示す図。
【０００１】
本発明はハイブリッド成長（ｈｙｂｒｉｄ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）システムに関する。本発明はさらに、有機金属気相成長法とハイドライド気相エピタキシ法の特徴を併せ持つ成長システムに関する。本発明はまた、１台のリアクタで、２つの異なる成長法により、半導体へテロ構造を形成する方法にも関する。
【背景技術】
【０００２】
ハイドライド気相エピタキシ法（ｈｙｄｒｉｄｅ ｖａｐｏｒ−ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔａｘｙ、ＨＶＰＥ）は、窒化ガリウムなどのさまざまな半導体のエピタキシャル成長のための重要な技術である。窒化ガリウム（ＧａＮ）は、重要な技術的材料として出現している。たとえば、ＧａＮは現在、青色発光ダイオード、半導体レーザ、および他のオプトエレクトロニクス・デバイスの製造に用いられている。関連技術の背景が、ＧａＮの成長を特に参照して検討されるであろう。
【０００３】
ＨＶＰＥは、費用効率が高く成長が比較的速いという理由で、現在好まれているＧａＮ成長技術である。この技術では、ＧａＮの成長は、塩化ガリウム（ＧａＣｌ）とアンモニア（ＮＨ３）間の高温気相反応により進行する。このアンモニアは標準的なガス源から供給され、一方ＧａＣｌは、加熱された液体ガリウム供給源上にＨＣｌを通すことにより生成する。この２種のガス（アンモニアとＧａＣｌ）は、加熱された基板に向けて送られ、そこでそれらは反応して基板表面上に固体ＧａＮを生成する。
【０００４】
ＨＶＰＥでは大きなＧａＮ成長速度が可能であるが、他のＩＩＩ−Ｖ族窒化物またはＧａＮアロイを成長させる技術として、ＨＶＰＥに付随する明白な困難が存在する。たとえば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）またはＡｌＮとＧａＮのアロイ（ＡｌＧａＮ）などの材料をＨＶＰＥによって成長させることは困難である。問題は塩化アルミニウムを適切に供給することにある。後者の物質は極端に安定であり、ＨＶＰＥリアクタの高温においてさえ低蒸気圧の固体を生成する傾向がある。このため、ＨＣｌがＡｌ金属上に通されたとき、生成する塩化アルミニウムは、固化し、基板の方に運ばれない傾向がある。
【０００５】
いくつかの用途では、ＡｌＮおよびＧａＮ層の両方を同じ試料上に成長させる技術が望まれる。たとえば、エピタキシャルＧａＮ層とサファイア（Ａｌ２Ｏ３）などの典型的な基板の間に成長させたＡｌＮまたはＡｌＧａＮのバッファ層は、ＧａＮエピタキシャル層の品質を向上させる。この品質の向上は、バッファ層とＧａＮの間の格子定数と熱膨張係数のよりよい一致により得られる。さらに、ＡｌＮ、ＧａＮ、およびＡｌＧａＮ層を互いの上に成長させたヘテロ構造の形成が望ましいことが多い。ヘテロ構造体には、半導体レーザ、発光ダイオード（ＬＥＤ）、高電子移動度トランジスタ、ならびに他のエレクトロニクスおよびオプトエレクトロニクス・デバイスに多くの応用が見出されている。
【０００６】
同様に、窒化インジウム（ＩｎＮ）および関連するアロイ（ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＮ、ＩｎＡｌＧａＮ）を含むヘテロ構造を同じ１つのシステムで成長させることもまた望ましい。ＩｎＮを用いることにより、成長させうるヘテロ構造の範囲が広がるので、多くの新しいデバイスへの応用に通じる。しかし、ＨＶＰＥによるＩｎＮの成長は問題を生じることがある。たとえば、薄くムラのないＩｎＧａＮ層は、ＨＶＰＥ法で通常連想される大きな成長速度を用いて作製することが困難である。さらに、ほとんどのデバイスへの応用では、導電性材料とするためにドーパントを選択的に組み入れることが必要である。含まれるドーパント種が異なる材料の接合は、ダイオード、トランジスタ、および半導体レーザなどのほとんどすべてのエレクトロニクス・デバイスの鍵となる重要な要素である。しかし、いくつかのドーパント材料は有機金属の形態で最もうまく用いられる。
【０００７】
従来技術の方法とシステムによるＨＶＰＥのさらなる欠点は、ある量のエピタキシャル材料が成長するまで、特定の基板をＨＶＰＥシステムに組み入れ得ないということである。たとえば、ＧａＮあるいは関連する材料を、シリコン（Ｓｉ）基板上に成長させることが望まれるであろう。別法として、複合（ｃｏｍｐｏｕｎｄ）基板（１種より多くの材料からなる）、あるいはパターン化された基板を用いることが望まれるであろう。これらの基板のいずれかに直接ＨＶＰＥで成長させようとすると、それらは破壊されるかもしれない。これは、ＨＶＰＥリアクタ内にあるガス、たとえば、ＨＶＰＥで損傷されやすい（ＨＶＰＥ−ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ）基板（たとえば、Ｓｉ）にエッチング剤として作用するＨＣｌが存在することによる。いずれの成長方法（ＭＯＣＶＤおよびＨＶＰＥ）も同一リアクタ内で実施され、ＨＶＰＥによる成長を始める前に有機金属気相成長法（ｍｅｔａｌ−ｏｒｇａｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、ＭＯＣＶＤ）のような方法によりエピタキシャル材料の保護層を成長させるシステムおよび方法を提供すれば利点があるであろう。
【０００８】
本発明は、従来技術による、ＧａＮおよび関連材料の成長に固有の前記問題の多くを克服するハイブリッド成長システムおよび方法を提供する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前記のように、本発明の目的は、窒化アルミニウム、窒化インジウム、窒化ガリウム、金属アロイ窒化物および関連材料を効率よく成長させるハイブリッド成長システム提供することである。本発明の方法により、複合（ｃｏｍｐｌｅｘ）ドーパントおよび複合ドーパント混合物をエピタキシャル層に組み入れることができ、膜厚と成長速度を広い範囲で変化させて製造できる。さらに、本発明の方法は多くの異なる種類の基板に適用可能である。一実施形態によれば、本発明は有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）とＨＶＰＥの特徴を、非常に多目的な１つのハイブリッド成長システムに統合する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
従来技術のＭＯＣＶＤ成長法では、アンモニア・ガスと有機金属化合物が高温で基板上方あるいはその上で反応して固体半導体材料が成長する。本発明では、ハイブリッド・リアクタ内で、有機金属源およびＨＶＰＥ用試薬送出（ｒｅａｇｅｎｔ ｄｅｌｉｖｅｒｙ）チャンバ（たとえば、液体ガリウム供給源）が用いられる。本発明のシステムでは、ＭＯＣＶＤモードとＨＶＰＥモードでの運転の間で切り替えること、あるいはＭＯＣＶＤ／ＨＶＰＥ統合モードで運転可能である。モード間のこのような切り替えは、リアクタに供給される原料または試薬ガスの種類を変えることにより、またリアクタの運転温度または成長温度の適切な何らかの変更により容易に実施される。
【００１１】
手短に言えば、ＭＯＣＶＤモードで本発明のハイブリッド・システムを運転するには、少なくとも１種の有機金属とアンモニア・ガスがリアクタに供給される。ハイブリッド・システムをＨＶＰＥモードに切り替えるには、有機金属の供給を停止し、ＨＣｌを液体金属（Ｇａ）上に通すことにより第２の試薬ガス（たとえば、ＧａＣｌ）を供給する。常にではないが通常、ＨＶＰＥモードとＭＯＣＶＤモード間の切り替え時に、リアクタの温度を変更することができる。
【００１２】
２つの成長方法（ＭＯＣＶＤとＨＶＰＥ）が、１つの反応システムに組み込まれているので、基板上での成長を中断することも、あるいはリアクタから試料を取り出すこともなく、２つの方法の間で切り替えが可能である。この特徴はまた効率を増し、本発明の方法のコストを低下させる。本発明のシステムおよび方法によれば、ＡｌＮおよび薄いＩｎＮ層を、厚いＧａＮの（ＨＶＰＥによる）成長に使用されるものと同一のリアクタで、（ＭＯＣＶＤにより）都合よく成長させることが可能である。同様に、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＧａＮ、およびそれらのアロイを、連続してあるいは同時に行われるＭＯＣＶＤおよびＨＶＰＥにより、同じリアクタで成長させることが可能である。したがって、本発明のシステムおよび方法を用いて、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＧａＮ、およびそれらのアロイからなるヘテロ構造体のさまざまな配列を、迅速に安価に成長させることが可能である。
【００１３】
本発明の一態様によれば、ＨＶＰＥとＭＯＣＶＤ成長法の両方を同時に用いて、処理された（ｎｏｎ−ｎａｔｉｖｅ）基板上にＩＩＩ−Ｖ族の窒化物層を成長させる方法が提供される。この場合の例として、ＧａＣｌとアルミニウム含有有機金属などの２種類の異なる原料ガスが、両方ともアンモニアと一緒にシステムに供給される。この例では、基板の位置で各原料ガスがアンモニア・ガスと反応し、ＡｌＧａＮの成長が起こる。適当な原料ガスを供給することにより、類似の方法によりＩｎＧａＮまたはＩｎＡｌＧａＮを成長させることもできる。さらに、本発明のハイブリッド成長システムを用いて成長させるＧａＮまたはそのアロイ層にドーパントを組み入れることもできる。
【００１４】
本発明の別の態様によれば、ＨＶＰＥによるＩＩＩ−Ｖ族化合物の成長に、ＨＶＰＥで損傷されやすい基板を用いる方法が提供される。ＨＶＰＥによる成長により通常は破壊されるであろう基板、たとえばＳｉ基板またはパターン化基板は、ＭＯＣＶＤによる成長では安定である。第１の、ＩＩＩ−Ｖ族化合物の保護層が、始めに、ハイブリッド・リアクタ内でＭＯＣＶＤにより基板上に成長させられる。次に、ＨＶＰＥモードで運転するようにハイブリッド・リアクタを切り替えることができ、第１の層の上にＨＶＰＥによりさらに少なくとも１層が形成される。ＨＶＰＥは、ＭＯＣＶＤより成長速度が速く、より費用が少なくてすむという利点がある。
【００１５】
本発明の１つの特長は、それがハイブリッド成長システムを提供することである。本発明の別の特徴は、それが２つの異なるモードで運転可能な成長システムを提供することである。本発明の別の特徴は、それがハイブリッドＭＯＣＶＤ／ＨＶＰＥ成長システムを提供することである。本発明の別の特徴は、それがリアクタおよびリアクタを加熱する複数の加熱ユニットを含む成長システムを提供することである。
【００１６】
本発明の１つの利点は、それが、ＭＯＣＶＤモードとＨＶＰＥモード間で切り替え可能であるため、１つのリアクタから別のものに移し替える際に起こる、生成する構造体の汚染を引き起こす可能性が少ないハイブリッド成長システムを提供することである。本発明の別の利点は、それが、第１の層がハイブリッド・リアクタ内でＭＯＣＶＤにより形成され、同じリアクタ内で第２の層がＨＶＰＥにより形成される、第１および第２のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層を形成する方法を提供することである。本発明の別の利点は、それが、ＭＯＣＶＤおよびＨＶＰＥによる同時成長により、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物層を形成する方法を提供することである。本発明の別の利点は、それが、少なくとも１つの加熱ユニットに対して可動性のリアクタを含むハイブリッド成長システムを提供することである。
【００１７】
本発明のさらに別の利点は、最初にＭＯＣＶＤにより薄い緩衝層、ＨＶＰＥによりこの薄い緩衝層上のより厚いＧａＮ層、ＭＯＣＶＤによりこの厚いＧａＮ層上の第３の窒化物層を生成させることにより、高品質のデバイス構造体を製造しうることである。
【００１８】
これらおよび他の目的、利点および特徴は、リアクタ；試薬送出チャンバ入口をもち、リアクタに連結した試薬送出チャンバ；リアクタに熱を供給するための少なくとも１つの加熱ユニット；およびリアクタに連結する少なくとも１種の有機金属源を含むハイブリッド成長システムの提供により実現される。
【００１９】
これらおよび他の目的、利点および特徴は、ａ）リアクタ内に基板を配置する工程；ｂ）リアクタを第１の成長温度に加熱する工程；ｃ）第１の試薬ガスと有機金属蒸気をリアクタに供給して、ＭＯＣＶＤにより第１のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層を基板上に得る工程；ｄ）工程ｃ）の後、有機金属蒸気のリアクタへの供給を停止する工程；およびｅ）第１の試薬ガスのリアクタへの供給を続けながら、第２の試薬ガスをリアクタに供給して、第１のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層上に少なくとも１つのさらなるＩＩＩ−Ｖ族窒化物層を得る工程を含む半導体層形成方法を提供することにより実現される。
【００２０】
これらおよび他の目的、利点および特徴は、ａ）リアクタ内に基板を配置する工程；ｂ）リアクタを第１の成長温度に加熱する工程；ｃ）第１の試薬ガスをリアクタに供給する工程；ｄ）有機金属蒸気をリアクタに供給して、ＭＯＣＶＤにより第１のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層を基板上に得る工程；ｅ）工程ｄ）の後、第１の試薬ガスおよび有機金属蒸気のリアクタへの供給を続けながら、第２の試薬ガスをリアクタに供給して、第１のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層上に少なくとも１つのさらなるＩＩＩ−Ｖ族窒化物層を得る工程を含む半導体層形成方法を提供することにより実現される。
【００２１】
これらおよび他の目的、利点および特徴は、１つには以下の説明に記載され、また１つには以下を検討することにより当分野の技術者には明らかとなるであろうし、あるいは本発明の実施により習得されうるであろう。添付の特許請求の範囲において詳しく示されるようにして、本発明の利点を実現し達成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図を参照すると、図１は従来技術によるＭＯＣＶＤシステム６を概略的に示している。手短に言えば、システム６は、少なくとも一部分が加熱ユニット１６により囲まれているリアクタ８を含んでいる。リアクタ８の内部に配置された基板１４が加熱ユニット１６により加熱される。アンモニアは標準的なガス原料源１３から供給される。有機金属化合物の蒸気は、通常は窒素または水素であるキャリア・ガス１７を、バブラ１５内に入っている有機金属化合物の供給液体を通して流すことにより供給される。供給有機金属化合物の温度は精密に制御され、キャリア・ガス１７の流量は、既知量の有機金属化合物蒸気を含むガス流となるように調節される。アンモニアと有機金属化合物の蒸気はチャンバ８に導入される。ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＧａＮまたはＩｎ、Ａｌ、およびＧａのアロイ窒化物の成長が、有機金属化合物とアンモニア・ガスの高温気相反応により基板１４の表面上で起こる。例として、ＡｌＮの成長では、バブラ１５内の金属有機（または有機金属）化合物はアルミニウム含有有機金属であり、一方ＧａＮの成長では、バブラ１５内の有機金属化合物はガリウム含有有機金属である。
【００２３】
図２は従来技術によるＨＶＰＥシステム１８を概略的に示している。手短に言えば、システム１８は、入口２２、および出口１９、ならびに試薬送出チャンバまたは反応アセンブリ２６をもつ成長管またはチャンバ２１を含んでいる。システム１８は熱源、たとえば炉２４内に全体として入っていてもよい。加熱された基板１４上のエピタキシャル成長は、リアクタ２１に導入される原料あるいは試薬ガスの気相反応により進む。たとえば、塩化ガリウム、塩化インジウム、または塩化アルミニウムなどの試薬ガスを反応アセンブリ２６を通して基板１４に向けて放出することができる；一方リアクタ入口２２を通してアンモニアを成長管２１に導入できる。高温でＨＣｌを液体金属（たとえば、ガリウム）上に通すことにより、試薬ガス、たとえばＧａＣｌを、反応アセンブリ２６内で生成させることができる。ガス流の方向が矢印により示されている。試薬ガス（たとえば、ＧａＣｌ、ＩｎＣｌ、ＡｌＣｌ）は成長管２１内でアンモニアと反応して、基板１４上に成長するそれぞれの窒化物、ＧａＮ、ＩｎＮ、またはＡｌＮを生成する。
【００２４】
図３は本発明の一実施形態によるハイブリッド成長システム３０を概略的に示している。システム３０は、入口３４および出口３６をもつリアクタ・チャンバ３２、ならびにリアクタ・チャンバ３２に連結された試薬送出チャンバ３８を含んでいる。リアクタ入口３４は、第１の試薬ガス源４６、および少なくとも１種の有機金属源５２に連結されている。ガス流の方向は矢印により示されている。第１の試薬ガス源４６は第１の試薬ガスをリアクタ３２に供給する。第１の試薬ガスは好ましくはアンモニアである。
【００２５】
有機金属源５２は、有機金属蒸気をリアクタ３２に供給するための有機金属組成物を含む。有機金属組成物は、好ましくは、アルミニウム、インジウム、またはガリウムを含有する有機金属化合物、あるいはＧａ、Ｉｎ、およびＡｌから選択される２種の異なる金属を含む、少なくとも２種の有機金属化合物の混合物またはアロイである。本発明の実施において有用な有機金属化合物の例は、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリエチルアルミニウム（ＴＥＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、トリエチルインジウム（ＴＥＩ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、およびトリエチルガリウム（ＴＥＧ）である。本明細書では、有機金属および金属有機という用語を、互いに交換可能なものとして使用してよい。有機金属源５２はバブラの形態であってよく、これは当技術分野においてよく知られている。
【００２６】
試薬送出チャンバ３８は前駆体（ｐｒｅｃｕｒｓｏｒ）ガス源４８およびキャリア・ガス源５０に連結されている。前駆体ガス源４８は、前駆体ガス、好ましくはＨＣｌを試薬送出チャンバ３８に供給する。試薬送出チャンバ３８には、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｌ、好ましくはＧａまたはＩｎのような液体金属が入っている。ＨＣｌガスがチャンバ３８内の液体金属上を通るとき、試薬送出チャンバ内で第２の試薬ガスが生成する。第２の試薬ガスは試薬送出チャンバ３８からリアクタ３２に移動する。キャリア・ガス源５０はキャアリ・ガスを供給する。キャリア・ガス源５０は試薬送出チャンバ入口３８ａおよび有機金属源５２の両方に連結されている。キャリア・ガス源５０からのキャリア・ガスは、前駆体ガス源４８からチャンバ３８の入口３８ａへ前駆体ガスを運ぶ役目をする。キャリア・ガス源５０からのキャリア・ガスはまた、有機金属源５２内に含まれる有機金属組成物からの有機金属蒸気も供給する。
【００２７】
キャリア・ガス源５０から試薬送出チャンバ３８の入口３８ａへのキャリア・ガス流は、第１のバルブ・ユニット５４ａにより制御される。キャリア・ガス源５０から有機金属源５２へのキャリア・ガス流は、第２のバルブ・ユニット５４ｂにより制御される。第１および第２のバルブ・ユニット５４ａ、５４ｂにより、キャリア・ガス源５０から試薬送出チャンバ３８および有機金属源５２へのキャリア・ガス流が制御できる。第３のバルブ・ユニット５４ｃは、前駆体ガス源４８からの試薬送出チャンバ３８への前駆体ガス流を制御する。
【００２８】
第１、第２、および第３のバルブ・ユニット５４ａ〜ｃによりシステム３０の成長モードを決定し調節することが可能である。たとえば、システム３０をＭＯＣＶＤ単独モードで運転するためには、バルブ・ユニット５４ａおよび５４ｃは閉じられ、バルブ・ユニット５４ｂが開けられる。キャリア・ガス源５０からのキャリア・ガスは有機金属源５２を通り有機金属蒸気をリアクタ３２に運び、同時に第１の試薬ガス（アンモニア）源４６はリアクタ３２に第１の試薬ガスを供給する。リアクタ３２と基板１４の温度は、特定のＩＩＩ−Ｖ族化合物またはアロイのＭＯＣＶＤ成長に合わせて、加熱ユニット４０、４２、４４により調節される。こうして基板１４上での成長がＭＯＣＶＤ単独で進行する。
【００２９】
以下のように、成長を中断することなく、あるいはリアクタ３２から基板を取り出すことなく、システム３０の成長モードを、ＭＯＣＶＤ単独モードからＨＶＰＥ単独モードに「切り替え」あるいは変更できる。バルブ・ユニット５４ｂは閉じられ、一方バルブ・ユニット５４ａおよび５４ｃが開けられる。通常バルブ・ユニット５４ａおよび５４ｃが最初に開けられ、その後でバルブ・ユニット５４ｂが閉じられる。有機金属蒸気はリアクタ３２にもう供給されない。代わりに、前駆体ガスが、前駆体ガス源４８からチャンバ３８に供給され、チャンバ３８が今度は第２の試薬ガス（たとえば、ＧａＣｌ、ＩｎＣｌ）をリアクタ３２に供給する；一方第１の試薬ガス源４６は、第１の試薬ガス（アンモニア）をリアクタ３２に供給し続ける。リアクタ３２と基板１４の温度は、特定のＩＩＩ−Ｖ族化合物またはアロイのＭＯＣＶＤ成長に合わせて、加熱ユニット４０、４２、４４により調節される。こうして基板１４上での成長はＨＶＰＥ単独モードで進行する。バルブ・ユニット５４ａ〜ｃの開閉の正確なタイミングは、少なくともある程度は、設計の選択の問題である。
【００３０】
システム３０の成長モードを、ＭＯＣＶＤ単独またはＨＶＰＥ単独モードから、ＭＯＣＶＤ／ＨＶＰＥ統合モードに切り替えることもできる。ＭＯＣＶＤ／ＨＶＰＥモードは、ＭＯＣＶＤとＨＶＰＥによる同時成長により特徴づけられる。成長を中断することなく、あるいはリアクタ３２から基板を取り出すことなく、これらの各モード間の切り替えを実施することができる。たとえば、ＩＩＩ−Ｖ族化合物、またはそれらのアロイの、ＭＯＣＶＤおよびＨＶＰＥによる同時成長では、バルブ・ユニット５４ａ、５４ｂ、および５４ｃの各々は適当な度合いで開かれているであろう。この場合、アンモニアは第１の試薬ガス源４６によりリアクタ３２に供給され、有機金属蒸気は有機金属源５２によりリアクタ３２に供給され、第２の試薬ガスはチャンバ３８からリアクタ３２に供給される。こうしてＭＯＣＶＤおよびＨＶＰＥ両方により成長が進んで、基板または試料上にハイブリッドＭＯＣＶＤ／ＨＶＰＥ層が生成する。各成長法（ＭＯＣＶＤとＨＶＰＥ）の相対的寄与を、バルブ・ユニット５４ａ〜ｃの調製により決めることができる。加熱ユニット４０、４２、４４により、リアクタ３２の温度を調節することができる。別法として、加熱ユニット４０、４２、４４に対してリアクタ３２を動かすことにより、リアクタ３２の温度を調節してもよい。
【００３１】
試薬送出チャンバ３８に第１の金属（たとえば、Ｇａ）を、また有機金属源５２に第２の金属（たとえばＩｎ、Ａｌ）を含む有機金属化合物を供用することにより、ＩＩＩ−Ｖ族化合物のさまざまな組成のアロイを基板１４上に容易に成長させることができる。さらに、ドープされたＩＩＩ−Ｖ族窒化物層を形成するために、ドーパント源を、バブラ、蒸発または昇華源の形態で、あるいはキャリア・ガス流への添加ガス成分の形態で、またはドーパント・ガスとキャリア・ガスの前混合された希薄混合物の形態で、ＨＶＰＥ成長工程中にリアクタ入口３４を通して導入することができる。試薬送出チャンバ３８内に、供給液体金属と共にドーパント源を含めることにより、あるいは図４に示されるように、金属試薬送出チャンバあるいはリアクタ・チャンバ入口と一体化されておらず、別のドーパント入口によりリアクタ・チャンバに接続する独立したドーパント送出システムを備えることにより、ＧａＮなどのＩＩＩ−Ｖ族窒化物層をドープすることもできる。
【００３２】
本発明のシステム３０は特に、ＨＶＰＥにより通常破壊されるが、ＭＯＣＶＤ成長条件下では安定な基板上でのエピタキシャル層（たとえば、ＧａＮまたはそのアロイ）の成長に有用である。ＨＶＰＥで損傷されやすい基板の例は、シリコン、およびパターン化基板である。この場合、リアクタ３２内でＭＯＣＶＤにより最初に保護層を形成することができる。その後、システム３０の成長モードは、完全にあるいは部分的にＨＶＰＥモードに切り替えられる。こうして、ＨＶＰＥで損傷されやすい基板上でのエピタキシャル成長に、より速くより費用のかからないＨＶＰＥモードを使用できるようになる。本明細書にすでに記載したように、成長を中断させること、あるいはリアクタ３２から試料を除去することなく、ＭＯＣＶＤモードからＨＶＰＥモードに、またその逆にシステム３０を切り替えることができる。
【００３３】
システム３０は複数の異なる加熱ユニットを含んでいてもよい。たとえば、システム３０は第１の加熱ユニット４０、第２の加熱ユニット４２、および第３の加熱ユニット４４を含むことができる。第１、第２、および第３の加熱ユニット４０、４２、４４はそれぞれ、炉、１つまたは複数のランプ、あるいは複数の高周波もしくはマイクロ波ヒータ誘導コイルの形態でありうる。第１、第２、および第３の加熱ユニット４０、４２、４４を、リアクタ３２に対して横および縦両方向で、異なる位置に配置することができる。こうして、第１、第２、および第３の加熱ユニット４０、４２、４４に対してリアクタ３２を動かすことにより、リアクタの温度を、実施されようとする特定の成長モードに合わせて調節することができる。加熱ユニット４０、４２、４４の操作（たとえば、移動）および／または調節により、リアクタ３２内の成長の微調整が可能となる。リアクタ３２の縦方向の動きは、図３に両方向矢印３２’により示されている。別法として、リアクタ３２内の温度変更を実施するために、１つまたは複数の、第１、第２、および第３の加熱ユニット４０、４２、４４自体を、互いに独立に、リアクタ３２に対して動かしてもよい。また、温度を制御するために、リアクタ３２内に置かれる内部加熱ユニット３１を用いてもよい。内部加熱ユニット３１は、好ましくは、基板プラットホーム１１内に置かれ、基板プラットホーム１１と取り付けられた基板１４の表面温度を制御する。
【００３４】
図４は、本発明の別の実施形態による成長システム３０’の一部分を概略的に示している。システム３０’はシステム３０（図３）に、前者が複数の有機金属源５２ａ、５２ｂ、５２ｃを含むこと以外は似ている。図４には３つの有機金属源が示されているが、他の数もまた本発明の範囲内である。各有機金属源５２ａ、５２ｂ、５２ｃは、キャリア・ガスを各有機金属源５２ａ、５２ｂ、５２ｃに供給するキャリア・ガス源５０に連結されている。各有機金属源５２ａ、５２ｂ、５２ｃへのキャリア・ガスの供給は、バルブ、たとえば５４により制御される。各有機金属源５２ａ、５２ｂ、５２ｃはさらに、リアクタ３２に有機金属蒸気を供給するために、リアクタ３２に連結されている。各有機金属源５２ａ、５２ｂ、５２ｃは異なる有機金属組成物を含みうる。たとえば、有機金属源５２ａ、５２ｂ、５２ｃはそれぞれ、Ａｌ、Ｉｎ、またはＧａを含有する化合物を含みうる。別法として、有機金属源５２ａ、５２ｂ、５２ｃは、さまざまなドーパントを含むかまたは含まない、Ａｌ、Ｉｎ、またはＧａを含有する化合物を含んでいてもよい。
【００３５】
再び図４を参照すると、リアクタ・チャンバ３２は、成長過程中にドーパント原料８３をリアクタ・チャンバ３２に送るための独立した入口８５を備えていてもよい。本発明の特定の実施形態では、ドーパント原料８３は、バブラによりリアクタ・チャンバ３２に送られる。ドーパント試薬または原料８３を通してのドーパント・キャリア・ガス８１によるバブリングが、有機金属原料をリアクタ・チャンバ３２に送る場合についてすでに記載されたものに似たやり方で、バルブ８４により制御される流量で行われる。適切なドーパント試薬には、有機窒素、有機ヒ素および有機リンが含まれる。
【００３６】
バルブ５４および８４を調節することにより、リアクタ３２に供給される各有機金属組成物およびドーパントの相対量を経時的に正確に制御することができる。このようにして、さまざまな厚さ、さまざまな組成およびさまざまなドーパント含量をもつ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＧａＮ、およびこれらのアロイ（たとえば、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＮ、ＩｎＡｌＧａＮ）の層を、ＭＯＣＶＤ、あるいは統合ＭＯＣＶＤ／ＨＶＰＥにより、単一基板上に成長させることができる。複数の有機金属源５２ａ〜ｃを備えると同時に、ＨＶＰＥモード、ＭＯＣＶＤモード、あるいはＨＶＰＥ／ＭＯＣＶＤ統合モードで作動するシステム３０’の能力により、本発明に従って形成されるさまざまなＩＩＩ−Ｖ族窒化物層の組成と厚さについてのより優れた制御が可能となる。このように、システム３０および３０’は、それらの運転の仕方が非常に多様で、半導体層およびヘテロ構造からなる非常に多くの配列形成を、１台の装置を用いて可能にすることが理解される。
【００３７】
図５Ａは、本発明によるハイブリッド成長法に含まれる一連の工程を概略的に示しており、工程５０はハイブリッド成長システムのリアクタでＨＶＰＥを実施して基板上に半導体層またはＩＩＩ−Ｖ族化合物を得ることを含む。「ハイブリッド成長システム」は、少なくとも２つの異なるモード（たとえば、ＭＯＣＶＤとＨＶＰＥ）により成長させられるようになったシステムで、この２つの異なるモードを同一のリアクタで連続してあるいは同時に実施しうるシステムを意味する。基板または試料は、成長システムの運転モードが変更される間、リアクタから取り出されないことが好ましい。試料は、シリコンまたはサファイアなどの処理された基板でよい。
【００３８】
工程５２は、工程５０で用いられたものと同一のハイブリッド成長システムのリアクタ内でＭＯＣＶＤを実施することを含む。試料の特定の用途、ＨＶＰＥおよびＭＯＣＶＤにより成長させる材料の性質、基板の性質などに応じて、工程５２を工程５０の前、後、あるいは同時に実施してよい。
【００３９】
図５Ｂは、本発明の別の実施形態によるハイブリッド成長法に含まれる一連の工程を概略的に示しており、工程５４は基板上にＭＯＣＶＤを実施することを含む。基板はハイブリッド成長システムのリアクタ内に配置される。基板は、シリコンまたはサファイアなどの処理された基板であってもよく、パターン化された基板であってもよい。ＩＩＩ−Ｖ族窒化物などの半導体の層を基板上に、好ましくは１．０ナノメートルから５．０ミクロンの範囲であるが、任意の望みの厚さに成長させることができる。本発明の一実施形態によれば、ＨＶＰＥで損傷されやすい基板上に、ＭＯＣＶＤにより、たとえばＡｌＮの比較的薄い保護層を成長させることができる。たとえば、アンモニア・ガスとアルミニウム含有有機化合物からの蒸気を、基板を収容するリアクタに供給することにより、工程５４を実施することができる。
【００４０】
工程５６は、ＭＯＣＶＤ成長を続けながらハイブリッド成長システムのリアクタでＨＶＰＥを実施することを含む。たとえば、第２の試薬ガス（たとえば、ＧａＣｌまたはＩｎＣｌ）を、アンモニア・ガスおよび有機金属化合物からの蒸気と一緒に、基板を収容するリアクタに供給することにより、工程５６を実施することができる。工程５４で開始された成長を中断させることなく、工程５６を実施することができる。工程５６でＭＯＣＶＤとＨＶＰＥ成長を同時に併用することにより、任意の望みの厚さで、さまざまな化学組成のさらなる半導体層を、工程５４で成長させた層の上に生成させることができる。
【００４１】
図６Ａは本発明の別の実施形態によるハイブリッド成長法に含まれる一連の工程を概略的に示しており、工程６０はハイブリッド成長システムのリアクタに基板を配置することを含む。このハイブリッド成長システムは、本明細書にすでに記載された、ハイブリッド成長システムの実施形態、あるいは当分野の技術者には通常明らかであるその変形形態のいずれかであってよい。工程６２はリアクタの加熱を含む。少なくとも１つの加熱ユニットにより任意の望みの温度にリアクタを加熱することができる。加熱ユニットは、たとえば１つまたは複数の炉、少なくとも１つのランプ、複数のｒｆ加熱コイル、あるいは内部加熱ユニットの形態でありうる。成長モード、成長させる材料、基板の性質などの要素により、望ましい成長温度を決めることができる。
【００４２】
工程６４は、基板上にＭＯＣＶＤを実施するための適切な試薬をリアクタに供給することを含む。ＭＯＣＶＤ用試薬は、ハイブリッド成長システムのリアクタにそれらを供給するための適切な技術と合わせて、本明細書にすでに記載された。工程６６は、ＭＯＣＶＤにより基板上に第１の層を形成することを含む。基板上に成長させる第１の層は通常、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮなどのＩＩＩ−Ｖ族窒化物、あるいはこれらのアロイである。工程６６の後、工程６８は、本明細書にすでに記載された技術と方法に通常従って、ハイブリッド成長システムのリアクタにＨＶＰＥ試薬を供給することを含む。工程６８の前に、第１の層の上にさらに少なくとも１層（工程７０）を成長させるのに適切であると思われるように、リアクタ温度が調節されるであろう。少なくとも１つの加熱ユニットにより、あるいは、たとえば、少なくとも１つの加熱ユニットに対するリアクタの位置を変えることにより、リアクタの温度を調節することができる。
【００４３】
工程７０は、第１の層の上にさらに少なくとも１層を形成することを含む。ＨＶＰＥだけで、あるいはＨＶＰＥとＭＯＣＶＤの組合せにより、このさらなる少なくとも１層を生成させることができる。さらなる少なくとも１層は通常ＩＩＩ−Ｖ族窒化物あるいは２種以上のＩＩＩ−Ｖ族窒化物のアロイである。本発明の現在好ましい実施形態によれば、このさらなる少なくとも１層として、ＧａＮおよび／またはＧａＮのアロイが含まれる。
【００４４】
図６Ｂは、本発明の別の実施形態によるハイブリッド成長法に含まれる一連の工程を概略的に示す図であり、工程６０’は工程６０（図６Ａ）と同様である。工程６２’は、通常、工程６２（図６Ａ）に対して本明細書にすでに記載されたように、第１の成長温度にリアクタを加熱することを含む。工程６２’の第１の成長温度は、特定の材料、たとえばＡｌＮの、特定の技術、たとえばＭＯＣＶＤによる成長に適するように選択されるであろう。工程６４’および６６’は工程６４および６６（図６Ａ）と同様である。工程７２は、有機金属試薬からの蒸気のリアクタへの供給を停止することを含む。任意選択である工程７４は、リアクタを、特定の材料、たとえばＧａＮのＨＶＰＥによる成長（工程７８）に相応しい第２の成長温度に調節することを含む。通常、工程６２（図６Ａ）に対して記載されたように、リアクタは第２の成長温度に調節されるであろう。工程７６は、ＨＶＰＥ用試薬、たとえば、通常本明細書にすでに記載されたように、アンモニアおよびＧａもしくはＩｎの塩化物を供給することを含む。工程７８は、たとえばＩＩＩ−Ｖ族窒化物からなる、さらなる少なくとも１層を第１の層（工程６６’）上に形成することを含む。図６Ｂの実施形態によれば、工程７８で形成される、さらなる少なくとも１層は、単独でＨＶＰＥにより形成されるであろう。
【００４５】
前記の実施形態は、単に例示のためであり、本発明を限定するものと解釈されるべきではない。本教示は他のタイプの装置と方法に適用されるであろう。本発明の記載は例示のためであり、添付の特許請求の範囲を限定しようとするものではない。当分野の技術者には多くの代替、変更、および変形が明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】従来技術のＭＯＣＶＤシステムを概略的に示す図。
【図２】従来技術のＨＶＰＥシステムを概略的に示す図。
【図３】本発明によるハイブリッド成長システムを概略的に示す図。
【図４】本発明の一実施形態による成長システムに接続して使用するための複数の有機金属源と１つのドーパント原料源を概略的に示す図。
【図５Ａ】本発明によるハイブリッド成長法に含まれる一連の工程を概略的に示す図。
【図５Ｂ】本発明の別の実施形態によるハイブリッド成長法に含まれる一連の工程を概略的に示す図。
【図６Ａ】本発明の別の実施形態によるハイブリッド成長法に含まれる一連の工程を概略的に示す図。
【図６Ｂ】本発明の別の実施形態によるハイブリッド成長法に含まれる一連の工程を概略的に示す図。
Claims (50)
- ａ）リアクタ・チャンバ；
ｂ）前記リアクタ・チャンバに連結し、試薬送出チャンバ入口をもつ試薬送出チャンバ；
ｃ）前記リアクタ・チャンバに熱を供給する少なくとも１つの加熱ユニット；および
ｄ）前記リアクタ・チャンバに連結した少なくとも１種の有機金属源
からなるハイブリッド成長システム。 - 前記少なくとも１つの加熱ユニットが前記試薬送出チャンバの外部にあり、また前記加熱ユニットが、炉、ランプ、ｒｆヒータ・コイルおよび抵抗加熱要素からなる群から選択される請求項１に記載のハイブリッド成長システム。
- 前記少なくとも１つの加熱ユニットが前記試薬送出チャンバの外部にあり、また前記加熱ユニットが、ランプ、ｒｆヒータ・コイルおよび抵抗加熱要素からなる群から選択される請求項１に記載のハイブリッド成長システム。
- 前記少なくとも１つの加熱ユニットが複数の加熱ユニットからなり、前記複数の加熱ユニットの少なくとも１つが前記試薬送出チャンバの内部にある内部加熱ユニットであり、また前記複数の加熱ユニットの少なくとも１つは前記送出チャンバの外部にある外部加熱ユニットであり、前記複数の加熱ユニットの各々は、炉、ランプ、ｒｆヒータ・コイルおよび抵抗加熱要素からなる群から選択される請求項１に記載のハイブリッド成長システム。
- さらに、基板を支えるために前記リアクタ・チャンバ内に位置する基板プラットホームからなり、前記少なくとも１つの内部加熱ユニットが前記基板プラットホーム・ユニット内に収容されている請求項１に記載のハイブリッド成長システム。
- 前記少なくとも１つの加熱ユニットが、炉、少なくとも１つのランプ、および少なくとも１つのｒｆヒータ・コイルからなる請求項１に記載のハイブリッド成長システム。
- さらに、キャリア・ガス源からなり、前記キャリア・ガス源が前記少なくとも１種の有機金属源に連結されている請求項１に記載のハイブリッド成長システム。
- さらに、キャリア・ガス源からなり、前記キャリア・ガス源が前記少なくとも１種の有機金属源に連結されている請求項１に記載のハイブリッド成長システム。
- 前記キャリア・ガス源が前記試薬送出チャンバ入口を通して前記試薬送出チャンバに連結されており、前記キャリア・ガス源から前記試薬送出チャンバへのキャリア・ガスの流れが第１のバルブ・ユニットにより制御され；前記キャリア・ガス源が前記少なくとも１種の有機金属源にさらに連結されており、前記キャリア・ガス源から前記少なくとも１種の有機金属源への前記キャリア・ガスの流れが第２のバルブ・ユニットにより制御される請求項８に記載のハイブリッド成長システム。
- 前記少なくとも１種の有機金属源が有機金属組成物を含み、前記有機金属組成物が、ガリウム、インジウム、またはアルミニウム含有有機化合物からなる請求項１に記載のハイブリッド成長システム。
- さらに、成長過程の間ドーパントを前記リアクタ・チャンバに送出するためのドーパント送出システムからなり、前記ドーパント送出システムが、
ａ）ドーパントをリアクタ・チャンバに運ぶためのドーパント・キャリア・ガス源；お
よび
ｂ）前記リアクタ・チャンバに連結されたドーパント源
からなる請求項１に記載のハイブリッド成長システム。 - 前記ドーパント送出システムが、前記リアクタ・チャンバ入口を通して前記リアクタ・チャンバに連結されている請求項１１に記載のハイブリッド成長システム。
- 前記ドーパント送出システムが、前記試薬送出チャンバを通して前記リアクタ・チャンバに連結されている請求項１１に記載のハイブリッド成長システム。
- 前記ドーパント源がドーパントを入れたバブラであり、前記ドーパントが、前記ドーパントを通した前記ドーパント・キャリア・ガス源のバブリングにより前記リアクタ・チャンバに送出される請求項１１に記載のハイブリッド成長システム。
- 前記前駆体ガス源が、前記試薬送出チャンバ入口を通して前期試薬送出チャンバに連結されており、前記前駆体ガス源から前記試薬送出チャンバへの前駆体ガス流が第３のバルブ・ユニットにより制御される請求項９に記載のハイブリッド成長システム。
- 前記リアクタが、前記少なくとも１つの加熱ユニットに対して可動性である請求項１に記載のハイブリッド成長システム。
- 前記少なくとも１つの加熱ユニットが前記リアクタに対して可動性である請求項１に記載のハイブリッド成長システム。
- 前記少なくとも１種の有機金属源が、ガリウム含有有機金属化合物を含む第１のバブラ、インジウム含有有機金属化合物を含む第２のバブラ、およびアルミニウム含有有機金属化合物を含む第３のバブラからなる請求項１に記載のハイブリッド成長システム。
- 前記有機金属組成物が少なくとも１種のドーパントを含む請求項１に記載のハイブリッド成長システム。
- 前記前駆体ガスがＨＣｌからなり、前記試薬送出チャンバが液体ガリウム、液体インジウム、あるいは液体アルミニウムを含む請求項１５に記載のハイブリッド成長システム。
- 前記システムがＨＶＰＥモード、ＭＯＣＶＤモード、ならびに同時にＨＶＰＥおよびＭＯＣＶＤモードの両方で運転しうる請求項１に記載のハイブリッド成長システム。
- ａ）リアクタ・チャンバ内の基板上にハイドライド気相エピタキシ法を実施する工程；および
ｂ）前記リアクタ・チャンバ内で前記基板上にＭＯＣＶＤを実施する工程
からなるハイブリッド成長法。 - 前記工程ｂ）が前記工程ａ）と同時に実施される請求項２２に記載の方法。
- 前記工程ｂ）が前記工程ａ）の前に実施される請求項２２に記載の方法。
- 前記工程ａ）およびｂ）が、前記基板上での化合物の成長を中断することなく、前記チャンバ内で実施される請求項２４に記載の方法。
- 前記工程ａ）およびｂ）が、前記工程ｂ）で始めること、およびその後前記工程ｂ）を続
けながら、前記工程ａ）を開始すること、からなる請求項２２に記載の方法。 - 前記工程ａ）およびＢ）が前記基板を前記リアクタ・チャンバから取り出すことなく実施される請求項２１に記載の方法。
- さらに、
ｃ）前記工程ａ）およびｂ）の前に、前記リアクタ・チャンバ内に基板を配置する工程；
からなり、前記工程ｂが、
ｄ）前記リアクタ・チャンバを第１の成長温度に加熱する工程；および
ｅ）第１の試薬ガスおよび有機金属蒸気を前記リアクタ・チャンバに供給する工程
からなり、前記工程ｂ）からｅ）により、第１のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層がＭＯＣＶＤにより前記基板上に得られる請求項２４に記載の方法。 - さらに、
ｆ）前記工程ｅ）に従って、前記第１の試薬ガスおよび前記有機金属蒸気の前記リアクタ・チャンバへの供給を続けながら、第２の試薬ガスを前記リアクタ・チャンバに供給する工程、
からなる請求項２８に記載の方法。 - 前記工程ｆ）により、少なくとも１つのさらなるＩＩＩ−Ｖ族窒化物層が得られ、前記少なくとも１つのさらなるＩＩＩ−Ｖ族窒化物層が、ＭＯＣＶＤにより、またそれと同時に、ＨＶＰＥにより成長する請求項２９に記載の方法。
- さらに、
ｇ）前記工程ｅ）の後に、前記有機金属蒸気の前記リアクタ・チャンバへの供給を停止する工程；
ｈ）前記第１の試薬ガスの前記リアクタ・チャンバへの供給を続ける工程；および
ｉ）第２の試薬ガスを前記リアクタ・チャンバに供給する工程
からなる請求項２８に記載の方法。 - 前記第１の試薬ガスと前記第２の試薬ガスが反応して、ＨＶＰＥにより、前記第１のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層上に少なくとも１つのさらなるＩＩＩ−Ｖ族窒化物層のエピタキシャル成長を形成する請求項３１に記載の方法。
- 前記第１の試薬ガスがアンモニアからなり、前記第２の試薬ガスがＧａＣｌ、ＩｎＣｌ、あるいはＡｌＣｌからなる請求項３２に記載の方法。
- 前記少なくとも１つのさらなるＩＩＩ−Ｖ族窒化物層が前記第１のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層の組成と異なる組成をもつ請求項３２に記載の方法。
- 前記少なくとも１つのさらなるＩＩＩ−Ｖ族窒化物層がドーパントを含む請求項３２に記載の方法。
- さらに、
ｊ）工程ｉ）の前に、前記リアクタ・チャンバの前記第１の成長温度を第２の成長温度に調節する工程、
からなる請求項３１に記載の方法。 - 前記工程ｊ）が、少なくとも１つの加熱ユニットに対する前記リアクタ・チャンバの相対
的位置を変えることにより、前記リアクタ・チャンバの前記第１の成長温度を調節することからなる請求項３６に記載の方法。 - さらに、前記第１の窒化物層上に少なくとも１つのさらなるＩＩＩ−Ｖ族窒化物層を形成する工程からなり、前記少なくとも１つのさらなるＩＩＩ−Ｖ族窒化物層が、ＩｎＮおよびＡｌＮからなる群から選択される少なくとも１種の窒化物と組み合わせたＧａＮからなる請求項２８に記載の方法。
- 前記基板が、ハイドライド気相エピタキシ法に直接曝すことにより破壊される材料からなる請求項２２に記載の方法。
- 前記工程ａ）が、
ｋ）前記リアクタ・チャンバにアンモニアを通す工程；および
ｌ）前記リアクタ・チャンバに第２の試薬ガスを通す工程
からなり、前記第２の試薬ガスがＨＣｌを試薬送出チャンバに通すことにより生成し、前記試薬送出チャンバが、液体ガリウム、液体インジウム、あるいは液体アルミニウムからなる群から選択される金属を含む請求項２２に記載の方法。 - ａ）リアクタ・チャンバ内に基板を配置する工程；
ｂ）前記リアクタ・チャンバを第１の成長温度に加熱する工程；
ｃ）第１の試薬ガスおよび有機金属蒸気を前記リアクタ・チャンバに供給して、ＭＯＣＶＤにより、前記基板上に第１のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層を得る工程；
ｄ）前記工程ｃ）の後、有機金属蒸気の前記リアクタ・チャンバへの前記供給を停止する工程；および
ｅ）前記第１の試薬ガスの前記リアクタ・チャンバへの供給を続けながら、第２の試薬ガスを前記リアクタ・チャンバに供給して、前記第１のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層上に、少なくとも１つのさらなるＩＩＩ−Ｖ族窒化物層を得る工程
からなる半導体層形成方法。 - 前記第１の試薬ガスがアンモニアからなり、前記第２の試薬ガスが、塩化ガリウム、塩化インジウム、あるいは塩化アルミニウムからなる請求項４１に記載の方法。
- 前記有機金属蒸気が、Ｇａ、Ｉｎ、あるいはＡｌを含有する化合物からなり、前記第１の試薬ガスがアンモニアからなる請求項４１に記載の方法。
- ａ）リアクタ・チャンバ内に基板を配置する工程；
ｂ）前記リアクタ・チャンバを第１の成長温度に加熱する工程；
ｃ）第１の試薬ガスおよび有機金属蒸気を前記リアクタ・チャンバに供給して、ＭＯＣＶＤにより、前記基板上に第１のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層を得る工程；
ｄ）前記リアクタ・チャンバへの、前記第１の試薬ガスの供給および有機金属蒸気の前記供給を続けながら、第２の試薬ガスを前記リアクタ・チャンバに供給して、前記第１のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層上に、少なくとも１つのさらなるＩＩＩ−Ｖ族窒化物層を得る工程からなる半導体層形成方法。 - 前記少なくとも１つのさらなるＩＩＩ−Ｖ族窒化物層が、統合されたＭＯＣＶＤおよびＨＶＰＥにより成長する請求項４４に記載の方法。
- 前記第２の試薬ガスが、ＧａＣｌ、ＩｎＣｌ、あるいはＡｌＣｌからなり、前記第２の試薬ガスが、ＨＣｌを液体金属上に通すことにより生成する請求項４４に記載の方法。
- 前記第１のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層がＡｌＮからなり、前記少なくとも１つのさらなるＩＩ−Ｖ族窒化物がＧａＮからなる請求項４４に記載の方法。
- さらに、前記工程ｄ）が、前記第１の試薬ガスを供給しながら前記有機金属蒸気を持続することからなる請求項４４に記載の方法。
- さらに、前記有機金属蒸気の供給を断ち、そして第２の試薬ならびに１種または複数の有機金属ガスを供給することからなる請求項４８に記載の方法。
- 第２の試薬ガスが、ガリウム、インジウム、アルミニウムおよびこれらのアロイからなる群から選択される金属上にＨＣｌを通すことにより生成する請求項４４に記載の方法。
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