JP2011108870A - エピタキシャル基板の製造方法およびエピタキシャル基板 - Google Patents

Abstract

【課題】成膜に用いる原料ガス同士の気相反応を抑制し、均一な成膜速度で均一な膜厚のエピタキシャル膜を形成するためのエピタキシャル基板の製造方法を提供する。
【解決手段】ＩｎＡｌＧａＮエピタキシャル膜を形成する工程（Ｓ２０）において、基板１５に近いほうから順に配置された、窒素ガスとＶ族元素ガスとが混合された第１の混合ガスを流す第１ガスライン１０と、窒素ガスとＩＩＩ族元素ガスとが混合された第２の混合ガスを流す第２ガスライン２０と、サブフロー窒素ガスを流す第３ガスライン３０から、基板の主表面に対向する領域へガスを流す。ＩｎＡｌＧａＮエピタキシャル膜を形成する工程（Ｓ２０）における、基板１５が配置される反応室内５０の圧力は１５ｋＰａ以上２５ｋＰａ以下であり、第２の混合ガス中に含まれる窒素ガスの流速が３．２５ｍ／ｓ以上３．３５ｍ／ｓ以下である。
【選択図】図１

Description

本発明は、エピタキシャル基板の製造方法およびエピタキシャル基板に関するものであり、より具体的には、ＩｎＡｌＧａＮエピタキシャル膜が形成されたエピタキシャル基板の製造方法、およびその製造方法により形成されたエピタキシャル基板に関するものである。

ＬＥＤなどの発光素子を形成するために用いる発光素子用のエピタキシャル基板は、窒化物半導体を用いて形成されることが多い。特にたとえば紫外線などの短波長の光を発光することが可能な発光素子として、ＩｎＡｌＧａＮ（窒化インジウムアルミニウムガリウム）の薄膜（エピタキシャル膜）が形成されたエピタキシャル基板を用いた発光素子に関する研究が盛んに行なわれている。

たとえば特開２００１−２３７４５５号公報（特許文献１）には、ＩｎＡｌＧａＮを用いた紫外発光素子が開示されている。特許文献１には、室温の環境下で波長３６０ｎｍ以下の紫外線を高効率に発光することが可能なＩｎＡｌＧａＮを用いた紫外発光素子の製造方法が開示されている。

またたとえば特開２００２−３３５０５２号公報（特許文献２）には、ＡｌＧａＮ径の窒化物半導体素子において、Ａｌを含む窒化物半導体を用いることによる結晶性の劣化を抑制するために、Ａｌよりも弾性に富む材料であるＩｎを含むクラッド層を形成した窒化物半導体素子が形成されている。

特開２００１−２３７４５５号公報 特開２００２−３３５０５２号公報

ところでＩｎＡｌＧａＮのように構成される元素数の多い（４元の）材質からなる薄膜を、たとえばエピタキシャル成長により形成する場合には、たとえばトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）などの複数種類の原料ガスを、窒素ガスなどのキャリアガスに乗せて（窒素ガスなどのキャリアガスと一緒に）流通させる。このようにして、これら複数の原料ガスを同時に所望の処理対象物であるたとえば基板上に供給する必要がある。このとき当該所望の場所へ複数種類の原料ガスを流通すれば、成膜のための加熱により、原料ガス同士が本来予定していた基板上での成膜につながらない気相反応を起こすことがある。気相反応を起こすことにより、本来存在すべきＴＭＧ、ＴＭＡなどの原料ガスは、その絶対量が減少する。つまり当該気相反応は、本来起こらないことがより好ましい副反応（寄生反応）である。

したがって複数の原料ガスは、特に薄膜が形成されるために加熱される領域においては、その上流側に比べて下流側において存在する絶対量が減少する。このためたとえば基板の主表面に沿った方向に上記原料ガスが流通して基板の主表面上に到達する場合、基板の主表面上においても、原料ガスの流通方向における上流側と下流側とでは原料ガスの供給量が異なることになる。なおここで主表面とは、表面のうち最も面積の大きい主要な面をいう。

つまり同一基板の主表面上においても、原料ガスの上流側においては副反応が起こっていない原料ガスの割合が多い。このため原料ガスの上流側においては成膜速度が速くなる。これに対して同一基板の主表面上においても、原料ガスの下流側へ行くにつれて、未反応の原料ガスの割合が少なくなるために成膜速度が遅くなる。したがって同一基板の主表面上において、成膜速度に差が発生し、その結果、当該基板の主表面上に形成される薄膜の膜厚が不均一となる可能性がある。この傾向は特に、原料ガスの流路が長い、あるいは基板を載置するサセプタの主表面の面積が大きい、大型の成膜装置を用いた場合に顕著になる。

基板の主表面上に形成される薄膜の膜厚が不均一となれば、当該薄膜が積層された積層構造を用いて形成された発光素子は、その発光特性が劣化することがある。具体的には、たとえば発光素子を構成する積層構造のうち、光を発生させる活性層において発生した光を、当該活性層の内部に閉じ込める機能が不均一なものとなる可能性がある。このようになれば、当該発光素子が発光する光の出力が不安定になることがある。したがって、形成する発光素子の光の出力特性を良好なものにするためには、基板の主表面上に形成される薄膜の膜厚をほぼ均一にする必要がある。

特許文献１には、波長が３６０ｎｍ以下の紫外線を高効率に発光する発光素子を提供するために、当該発光素子を構成するＩｎＡｌＧａＮなどの薄膜中に含まれるＩｎやＡｌ、Ｇａの組成比を制御することにより形成された紫外発光素子が開示されている。特許文献１には、上述した組成比を制御するために必要な、各原料ガスの流量について開示されているが、当該原料ガス同士が反応する副反応の影響については考慮されていない。

また特許文献２には、成膜に用いる元素間での反応により、形成される薄膜の結晶性が劣化する可能性については示唆されている。しかし特許文献２においても、当該成膜に用いる元素間での反応が、薄膜の成膜速度や、形成される薄膜の膜厚分布の均一性に与える影響については開示も示唆もされていない。つまり特許文献２には、形成される薄膜の成膜速度や膜厚分布を制御する方法については開示も示唆もされていない。

本発明は、以上の問題点に鑑みなされたものである。その目的は、成膜に用いる原料ガス同士の気相反応を抑制し、基板の主表面上において均一な成膜速度で均一な膜厚の薄膜（エピタキシャル膜）を形成するためのエピタキシャル基板の製造方法を提供することである。また当該エピタキシャル基板の製造方法を用いて形成したエピタキシャル基板を提供することである。

本発明の一の局面に係るエピタキシャル基板の製造方法は、基板の一方の主表面上にＩｎＡｌＧａＮエピタキシャル膜を形成する、エピタキシャル基板の製造方法である。当該製造方法には、基板を準備する工程と、基板の一方の主表面上にＩｎＡｌＧａＮエピタキシャル膜を形成する工程とを備えている。上記ＩｎＡｌＧａＮエピタキシャル膜を形成する工程においては、基板に近いほうから順に配置された、窒素ガスとＶ族元素ガスとが混合された第１の混合ガスを流す第１ガスラインと、窒素ガスとＩＩＩ族元素ガスとが混合された第２の混合ガスを流す第２ガスラインと、サブフロー窒素ガスを流す第３ガスラインから、基板の主表面に対向する領域へガスを流す。ＩｎＡｌＧａＮエピタキシャル膜を形成する工程における、基板が投入される反応室内の圧力は１５ｋＰａ以上２５ｋＰａ以下である。上記第２の混合ガス中に含まれる窒素ガスが上記第２ガスラインを流通して基板の主表面に対向する領域を単位時間当たりに流れる流量を、上記（基板の主表面に対向する）領域における流路の断面積で除して求めた流速が３．２５ｍ／ｓ以上３．３５ｍ／ｓ以下である。

流路の途中で互いに気相反応を起こす複数の原料ガス（ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＴＭＩ）とは、この場合第２のガスラインを流れるＩＩＩ族元素ガスである。これらが第２のガスラインを通って下流側へ向かい、同時に第２のガスラインとは別のラインである第１のガスラインおよび第３のガスラインを通ったガスと合流し、すべてが同一のラインを流通するようになった状態で、成膜しようとする基板の主表面に対向する領域において、基板の主表面に沿った方向に延在する流路（そのうち一部の領域がリアクタとなっている）の内部を流通する。

このとき基板の主表面上において、成膜するための原料ガスと一緒に流れる窒素ガスの流れる速度（流速）を速くする。すると、窒素ガスと一緒に流れる原料ガスの流速も速くなる。すると基板の主表面上を当該ガスが通過するのに要する時間が短くなる。したがってガスの流速を上げると、複数のＩＩＩ族元素ガスのうち、副反応を起こすガスの濃度（割合）が高くなる領域が、より下流側にシフトする。したがって流速を上げることにより、副反応を起こすガスの濃度のピークをたとえば基板の主表面上よりも下流側の領域にシフトさせれば、基板の主表面には副反応を起こす前の原料ガスをより多く供給することができる。また流速が速く、基板の主表面上を当該ガスが通過する時間が短くなるため、基板の主表面上における最も上流側と最も下流側とを当該ガスが通過する際における各原料ガスの濃度の差が小さくなる。したがって、基板の主表面上における各領域の薄膜の成膜速度の差を小さくすることができる。その結果、基板の主表面上において当該薄膜の膜厚の分布をほぼ均一にすることができる。

ここで、第２のガスラインを流れるＴＭＧ、ＴＭＡなどが互いに副反応を起こすことを抑制するためには、第２のガスラインを流れる窒素ガスの流速を高めることが最も効果的である。このため上述したように、第２ガスラインを流れる窒素ガスの流速を制御することがもっとも好ましい。

なお、本発明の発明者は鋭意研究の結果、上述したラインおよび上述した各ガスを用いて（ＭＯＶＰＥ法により）ＩｎＡｌＧａＮの成膜を行なう場合、基板が投入される反応室内の圧力が１５ｋＰａ以上２５ｋＰａ以下であり、かつ第２の混合ガス中の窒素ガスの流量が上記の流速範囲内（３．２５ｍ／ｓ以上３．３５ｍ／ｓ以下）であれば、基板の主表面上における各領域の薄膜の成膜速度の差を小さくし、基板の主表面上に形成される当該薄膜の膜厚の分布をほぼ均一にすることができることを見出した。

本発明の他の局面に係るエピタキシャル基板の製造方法は、基板の一方の主表面上にＩｎＡｌＧａＮエピタキシャル膜を形成する、エピタキシャル基板の製造方法である。当該製造方法には、基板を準備する工程と、基板の一方の主表面上にＩｎＡｌＧａＮエピタキシャル膜を形成する工程とを備えている。上記ＩｎＡｌＧａＮエピタキシャル膜を形成する工程においては、基板に近いほうから順に配置された、窒素ガスとＶ族元素ガスとが混合された第１の混合ガスを流す第１ガスラインと、窒素ガスとＩＩＩ族元素ガスとが混合された第２の混合ガスを流す第２ガスラインと、サブフロー窒素ガスを流す第３ガスラインから、基板の主表面に対向する領域へガスを流す。ＩｎＡｌＧａＮエピタキシャル膜を形成する工程における、基板が投入される反応室内の圧力は３５ｋＰａ以上４５ｋＰａ以下である。上記第２の混合ガス中に含まれる窒素ガスが上記第２ガスラインを流通して基板の主表面に対向する領域を単位時間当たりに流れる流量を、上記（基板の主表面に対向する）領域における流路の断面積で除して求めた流速が０．７５ｍ／ｓ以上１．２ｍ／ｓ以下である。

上述した本発明の一の局面に係るエピタキシャル基板の製造方法における、反応室内の圧力と、第２ガスラインを流れる窒素ガスの流速との条件の組み合わせのほかに、反応室内の圧力が３５ｋＰａ以上４５ｋＰａ以下、第２ガスラインを流れる窒素ガスの流速が０．７５ｍ／ｓ以上１．２ｍ／ｓ以下である場合についても、基板の主表面上における各領域の薄膜の成膜速度の差を小さくし、基板の主表面上に形成される当該薄膜の膜厚の分布をほぼ均一にすることができることを見出した。

また本発明の発明者は、上記の場合に窒素ガスの流速が非常に上がりたとえば上述した定義（流量を、ガスラインの断面積で除する）に基づく流速が１．６ｍ／ｓ以上となれば却って成膜速度が遅くなることも見出した。これは上記定義に基づく流速を上げることは第２ガスラインを流通する窒素ガスの流量が増加することにより、その分だけ供給されるガス中に含まれる有機金属化合物蒸気の割合が減少するため、反応速度が低下することによるものである。成膜速度が遅くなれば実用性に乏しくなるため、成膜速度を確保する観点から、反応室内の圧力が３５ｋＰａ以上４５ｋＰａ以下である場合、上記流速は０．７５ｍ／ｓ以上１．２ｍ／ｓ以下とすることが好ましい。

本発明のさらに他の局面に係るエピタキシャル基板の製造方法は、基板の一方の主表面上にＩｎＡｌＧａＮエピタキシャル膜を形成する、エピタキシャル基板の製造方法である。当該製造方法には、基板を準備する工程と、基板の一方の主表面上にＩｎＡｌＧａＮエピタキシャル膜を形成する工程とを備えている。上記ＩｎＡｌＧａＮエピタキシャル膜を形成する工程においては、基板に近いほうから順に配置された、窒素ガスとＶ族元素ガスとが混合された第１の混合ガスを流す第１ガスラインと、窒素ガスとＩＩＩ族元素ガスとが混合された第２の混合ガスを流す第２ガスラインと、サブフロー窒素ガスを流す第３ガスラインから、基板の主表面に対向する領域へガスを流す。ＩｎＡｌＧａＮエピタキシャル膜を形成する工程における、基板が投入される反応室内の圧力は１５ｋＰａ以上２５ｋＰａ以下である。上記第２の混合ガス中に含まれる窒素ガスが前記第２ガスラインを単位時間当たりに流れる流量が７２ｓｌｍ以上８０ｓｌｍ以下である。

上述した本発明の他の局面に係る薄膜の製造方法においては、原料ガスとともに流れる窒素ガスの流量の適正値を規定する。たとえば第２ガスラインを流れるすべてのガスの流量の和が一定であれば、原料ガスとともに流れる窒素ガスの流量が増加することにより、当該ガスラインを流れるガス全体に対する原料ガスの濃度が減少する。したがって成膜しようとする基板の主表面に対向する領域において、複数の原料ガス同士が副反応を起こす確率が低下する。このため基板の主表面上に、副反応が起こっていない原料ガスを高効率に供給することにより、副反応を抑制して高効率に成膜することが可能となる。

なお窒素ガスの流量が過剰に多くなれば、上述した流速規定の場合と同様に、窒素ガスの流量が増加することにより、その分だけガス中に含まれる有機金属化合物蒸気（たとえばＴＭＧなど）の割合が減少するため、反応速度が低下する。反応速度の低下により成膜速度が遅くなれば実用性に乏しくなるため、成膜速度を確保する観点から、上記流量は７２ｓｌｍ以上８０ｓｌｍ以下とすることが好ましいことを本発明の発明者は見出した。ただし上記の好ましい流量の範囲は、基板が投入される反応室内の圧力が１５ｋＰａ以上２５ｋＰａ以下である場合に成り立つ。

本発明の他の局面に係るエピタキシャル基板の製造方法は、基板の一方の主表面上にＩｎＡｌＧａＮエピタキシャル膜を形成する、エピタキシャル基板の製造方法である。当該製造方法には、基板を準備する工程と、基板の一方の主表面上にＩｎＡｌＧａＮエピタキシャル膜を形成する工程とを備えている。上記ＩｎＡｌＧａＮエピタキシャル膜を形成する工程においては、基板に近いほうから順に配置された、窒素ガスとＶ族元素ガスとが混合された第１の混合ガスを流す第１ガスラインと、窒素ガスとＩＩＩ族元素ガスとが混合された第２の混合ガスを流す第２ガスラインと、サブフロー窒素ガスを流す第３ガスラインから、基板の主表面に対向する領域へガスを流す。ＩｎＡｌＧａＮエピタキシャル膜を形成する工程における、基板が投入される反応室内の圧力は３５ｋＰａ以上４５ｋＰａ以下である。上記第２の混合ガス中に含まれる窒素ガスが前記第２ガスラインを単位時間当たりに流れる流量が３４ｓｌｍ以上５２ｓｌｍ以下である。

上述した本発明の一の局面に係るエピタキシャル基板の製造方法における、反応室内の圧力と、第２ガスラインを流れる窒素ガスの流量との条件の組み合わせのほかに、反応室内の圧力が３５ｋＰａ以上４５ｋＰａ以下、第２ガスラインを流れる窒素ガスの流量が３４ｓｌｍ以上５２ｓｌｍ以下である場合についても、基板の主表面上における各領域の薄膜の成膜速度の差を小さくし、基板の主表面上に形成される当該薄膜の膜厚の分布をほぼ均一にすることができることを見出した。

また本発明の発明者は、鋭意研究の結果、上述した各エピタキシャル基板の製造方法における成膜速度や形成される薄膜中の各元素の組成、形成される薄膜の内部における組成の分布などそれぞれについて、以下の範囲内であることが好ましいことを見出した。つまり、ＩｎＡｌＧａＮエピタキシャル膜を形成する工程における、基板の一方の主表面上への成膜速度の最大値は０．６μｍ／ｈ以上０．８μｍ／ｈ以下であることが好ましい。

ＩｎＡｌＧａＮエピタキシャル膜を形成する工程において、基板を載置するサセプタを固定する場合、ＩｎＡｌＧａＮエピタキシャル膜を形成する工程において形成されるＩｎＡｌＧａＮエピタキシャル膜の成膜速度の最大値と最小値との分布は２０％以下であることが好ましい。ただし基板を載置するサセプタを基板の主表面に交差する方向を軸として回転させる場合は、上記成膜速度の最大値と最小値との分布は１０％以下であることが好ましい。

ＩｎＡｌＧａＮエピタキシャル膜を形成する工程において形成されるＩｎＡｌＧａＮエピタキシャル膜中のＡｌの組成が０．１１以上０．３以下であることが好ましい。上記Ａｌの組成の最大値と最小値との分布は２０％以下であることが好ましい。

ＩｎＡｌＧａＮエピタキシャル膜を形成する工程において形成される前記ＩｎＡｌＧａＮエピタキシャル膜中のＩｎの組成が０．０２４以上０．１以下であることが好ましい。上記Ｉｎの組成の最大値と最小値との分布は２０％以下であることが好ましい。

以上に述べたエピタキシャル基板の製造方法を用いて基板の主表面上に形成される薄膜（エピタキシャル膜）は、基板の主表面上における領域間の膜厚のばらつきが小さくなる。つまりほぼ均一な膜厚とすることができる。また当該薄膜の組成についても、基板の主表面上における領域間の分布をより均一にすることができる。

本発明の製造方法によれば、基板の主表面上において均一な成膜速度で均一な膜厚のエピタキシャル膜を有するエピタキシャル基板を形成することができる。また、形成される薄膜の組成を均一にすることができる。

本実施の形態に係るエピタキシャル基板の製造方法を説明するためのフローチャートである。 本発明の実施の形態に係る気相成長装置の態様を示す概略断面図である。 図２の線分ＩＩＩ−ＩＩＩにおける概略断面図である。 図２の線分ＩＶ−ＩＶにおける概略断面図である。 図２の線分Ｖ，ＶＩ−Ｖ，ＶＩにおける一の態様を示す概略断面図である。 図２の線分Ｖ，ＶＩ−Ｖ，ＶＩにおける他の態様を示す概略断面図である。 ガスの流速が比較的遅い場合の原料ガスを構成する気体分子の動きを説明する概略図である。 ガスの流速が比較的速い場合の原料ガスを構成する気体分子の動きを説明する概略図である。 本実施の形態に係るエピタキシャル基板の製造方法を用いて形成された薄膜の態様を示す概略断面図である。 キャリアガスの流量が比較的少ない場合の原料ガスを構成する気体分子の配置を説明する概略図である。 キャリアガスの流量が比較的多い場合の原料ガスを構成する気体分子の配置を説明する概略図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の各実施の形態について説明する。なお、各実施の形態において、同一の機能を果たす要素に異なる参照符号を付す場合において、その説明は、特に必要がなければ繰り返さない。

（実施の形態１）
図１のフローチャートに示すように、本実施の形態に係るエピタキシャル基板の製造方法は、基板を準備する工程（Ｓ１０）と、ＩｎＡｌＧａＮエピタキシャル膜を形成する工程（Ｓ２０）とを備えている。

基板を準備する工程（Ｓ１０）において具体的には、たとえば主表面が直径２インチでＧａＮ（窒化ガリウム）からなる基板が準備されることが好ましい。ここで既存のＧａＮからなる基板を用いてもよい。このＧａＮからなる基板は任意の方法で製造することができる。たとえば、ＧａＮとは異なる材質（たとえばＳｉＣ（炭化珪素）やＳｉ（珪素）、サファイアなど）からなる下地基板の主表面上にＧａＮの単結晶を成長させ、成長させた当該ＧａＮの単結晶を下地基板から分離させることにより、ＧａＮの基板を形成してもよい。

ＧａＮの単結晶を形成する方法としては、たとえば昇華法やＰＬＤ（Pulsed Laser Deposition）（パルス・レーザー堆積）法、ＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy）（ハイドライド気相成長）法などの一般公知の方法を用いることが好ましい。またＧａＮの単結晶を下地基板から分離させる方法としては、スクライバ装置やレーザ光を用いて形成した損傷を起点とした分離（剥離）を行なうといった、一般公知の方法を用いることが好ましい。次工程に進む前に、当該基板の一方の主表面、および一方の主表面に対向する他方の主表面を、所望の表面粗さとなるように研磨することが好ましい。

あるいはたとえばＳｉＣからなる既存の基板をそのまま、次工程においてＩｎＡｌＧａＮの薄膜を形成するための下地基板として準備してもよい。その他、ＩｎＡｌＧａＮの薄膜を形成することが可能な任意の材質からなる基板を、一般公知の任意の方法により準備することができる。

上記手順により、薄膜を形成するための基板が準備できたところで、図１のフローチャートに示すように、ＩｎＡｌＧａＮエピタキシャル膜を形成する工程（Ｓ２０）が実施される。これは上記のＧａＮ基板の一方の主表面上に、窒化物半導体デバイスを形成するためのＩｎＡｌＧａＮの薄膜を、エピタキシャル成長により形成する工程である。

なお窒化物半導体デバイスを形成するためには、たとえば上述したＧａＮ基板の一方の主表面上に、ＩｎＡｌＧａＮの薄膜に限らず、たとえばＧａＮの薄膜やＡｌＧａＮの薄膜なども適宜組み合わせ、薄膜の積層構造となるように形成する。しかし以下においては特にＩｎＡｌＧａＮの薄膜をエピタキシャル成長により形成する手順について説明する。

ここで本実施の形態において用いる気相成長装置について説明する。図２に示すように、本発明の実施の形態に係る気相処理装置は、薄膜を形成する処理対象物である基板１５の表面近傍に供給する原料ガス（反応ガス）の流路であり、かつ基板１５の一方の主表面上に薄膜を形成する反応室５０と、基板１５の主表面上に原料ガスを供給するガスラインとを備えている。ガスラインは、ガスの流通する上流側（図２の右側）に配置されており、３つのルートに分かれている。これらのガスラインが流路の途中（図２における線分ＩＩＩ−ＩＩＩの存在する地点）にて合流する。３つのルートが合流する地点よりも下流側（図２の左側）においては３つのルートを流通した各種のガスがすべて、反応ガス中継路７の内部を流通する。反応ガス中継路７の内部のうち、基板１５を載置したサセプタ５１と対向する領域が反応室５０である。なおここでは、反応室５０と、サセプタ５１やサセプタ５１を回転可能に支持するための回転軸５３や、サセプタ５１を加熱するヒータ５５を内部に保持する空間とを含めてリアクタと定義することにする。

原料ガス（反応ガス）の流路のうち上流側は、３つのガスラインすなわちＶ族ライン１０とＩＩＩ族ライン２０とサブフローライン３０とから構成される。具体的にはＶ族ライン１０は、図２の最も下側すなわち基板１５の主表面に近い側を流通する第１ガスラインである。Ｖ族ライン１０は、キャリアガスとしての窒素ガスとＶ族元素の水素化合物であるＶ族元素ガスとが混合された第１の混合ガスを流す。ＩＩＩ族ライン２０は、図２の上下方向に関する中央を流通する第２ガスラインである。つまり第２ガスラインは、第１ガスラインに次いで基板１５の主表面に近い位置に配置されている。ＩＩＩ族ライン２０は、キャリアガスとしての窒素ガスとＩＩＩ族元素の有機金属化合物であるＩＩＩ族元素ガスとが混合された第２の混合ガスを流す。

サブフローライン３０は、図２の最も上側すなわち基板１５の主表面から離れた側を流通する第３ガスラインである。つまり第３ガスラインは、第１ガスラインや第２ガスラインよりも、基板１５の主表面から遠い位置に配置されている。サブフローライン３０は、サブフローとしての窒素ガスを流す。Ｖ族ライン１０は上流側から順に導入Ｖ族ライン１１と接近Ｖ族ライン１２と、接触Ｖ族ライン１３とからなる。同様にＩＩＩ族ライン２０は上流側から順に導入ＩＩＩ族ライン２１と接近ＩＩＩ族ライン２２と、接触ＩＩＩ族ライン２３とからなる。またサブフローライン３０は上流側から順に導入サブフローライン３１と接近サブフローライン３２と、接触サブフローライン３３とからなる。

図２においては導入Ｖ族ライン１１などの最も上流側は描写を割愛してあるが、当該上流側はたとえば当該気相処理装置を設置する設備の壁面３の背後（図２における右側）に埋れている。また、上述したＶ族ライン１０などの３つのルートが合流する領域より下流側に延在する反応ガス中継路７のさらに下流側（図２の左側）には、反応室５０の内部に存在する余剰のガスを排気するための排気ガス流路９が配置されている。Ｖ族ライン１０、ＩＩＩ族ライン２０およびサブフローライン３０は、たとえば石英あるいはクロム、鉄、ニッケル、ステンレス、マンガン、モリブデン、タングステン、アルミニウムなどの金属により形成されたものであることが好ましい。このようにすれば、たとえば流通させようとするガスにより各ガス導入部が反応するなどのダメージを受けることなく、当該ガスをスムーズに流通させることができる。ただし、当該ガス導入部を流すガスとして腐食性ガスを用いる場合には、上述した各材質のうちアルミニウム以外の材質を用いることが好ましい。

図２においては、Ｖ族ライン１０などの各ガスラインの一部の領域が、ガス導入部ケース１により覆われている。ガス導入部ケース１はたとえばボルトなどの固定用部材２により壁面３と固定されている。このようにして各ガス導入部が固定されている。しかし各ガスラインを壁面３に固定する方法は上述した方法に限られず、一般周知の任意の方法を用いることができる。また図２においては、接近Ｖ族ライン１２などの各接近ガスラインが接近ガスラインケース４により覆われており、接触Ｖ族ライン１３などの各接触ガスラインが接触ガスラインケース５により覆われている。これらについても上述した構成に限られず、一般公知の任意の方法により各部材を収納することができる。さらに図２においては、接触ガスラインケース５の一部の領域を覆いながら接続するように反応ガス中継路７が構成され、反応ガス中継路７と排気ガス流路９とが一部の領域において一体であるように描かれている。しかし両者は不連続であってもよい。

図２においてＶ族ライン１０およびサブフローライン３０は、接近Ｖ族ライン１２および接近サブフローライン３２が図２の上下方向、すなわち反応室５０内の基板１５の主表面に交差する方向に屈曲している。これは３台のガスラインが
図２の上下方向に並列するように配置されているためである。したがってたとえば３台のガスラインが図１の基板１５の主表面に沿った方向に並列するように配置されれば、接近Ｖ族ライン１２、接近サブフローライン３２を図２の上下方向に屈曲しない構成とすることができる。この場合は接近Ｖ族ライン１２、接近サブフローライン３２を、図２の紙面に垂直な奥行き方向に、並列するように配置することが好ましい。

図３の断面図に示すように、３ルートのガスラインが接触した接触ガスライン（接触Ｖ族ライン１３、接触ＩＩＩ族ライン２３、接触サブフローライン３３）はライン内部の幅（流通する方向に交差する、図２の奥行き方向）がＷであり、ラインの外壁（接触ガスラインケース５および反応ガス中継路７）を含む幅がＷ_１であるとする。また各接触ガスライン内部の厚み（図２の上下方向）の和がＨ_１であり、接触ＩＩＩ族ライン２３の（ラインの外壁を含む）厚みをＨとする。

このとき図４の断面図に示すように、各接触ガスラインの下流側に位置する反応ガス中継路７において、たとえばライン内部の幅がＷ_２、ラインの外壁を含む幅は各接触ガスラインと同じＷ_１であることが好ましい。反応ガス中継路７の厚みＨ_２は図２〜図４においてはＨ_１よりも薄くなっている。しかしＨ_２とＨ_１とがほぼ同じとなるようにしてもよい。またＷ_２とＷとの大小関係についても特に限定されず、任意に指定することができる。

また図５の断面図に示すように、一般にはＩＩＩ族ライン２０のうち、導入ＩＩＩ族ライン２１はサセプタ５１の主表面に比べて幅が非常に狭く、反応ガス中継路７においてサセプタ５１の主表面の直径と同程度にまで幅が広がる。図５のように、接近ＩＩＩ族ライン２２および接触ＩＩＩ族ライン２３においても反応ガス中継路７と同等の幅を有していてもよいし、図６の断面図に示すように、接近ＩＩＩ族ライン２２および接触ＩＩＩ族ライン２３において幅が徐々に広がる態様となっていてもよい。図５および図６には代表例としてＩＩＩ族ライン２０を示しているが、Ｖ族ライン１０およびサブフローライン３０についてもＩＩＩ族ライン２０と同様である。

以上に示す気相成長装置を用いて基板１５の表面近傍に原料ガスを供給する。具体的にはＶ族ライン１０からは、キャリアガスとしての窒素ガスとＶ族元素の水素化合物であるＮＨ_３（アンモニア）ガスとが混合された第１の混合ガスが供給される。ＩＩＩ族ライン２０からは、キャリアガスとしての窒素ガスとＩＩＩ族元素の有機金属化合物であるＴＭＧ、ＴＭＡおよびＴＭＩとが混合された第２の混合ガスが供給される。そしてサブフローライン３０からは、キャリアガスとしての窒素ガスが供給される。

これらのガスを各ガスラインから同時に供給すれば、図２の線分ＩＩＩ−ＩＩＩの存在する地点よりも上流側においては第１の混合ガス、第２の混合ガスおよびサブフローライン３０の窒素ガスとの３種類のガスが独立に流通する。しかし上記図２の線分ＩＩＩ−ＩＩＩの存在する地点以降はこれら３種類のガスが同一のラインを流通する。つまり上記の３種類のガスが同様に反応ガス中継路７を流通して基板１５の表面近傍に到達する。

ただし各ガスラインを流通したガスが一部混合されるとはいえ、たとえば図２の下側に配置されたＶ族ライン１０を流通したガスは反応ガス中継路７においても比較的下側（基板１５に近い側）を流通する傾向にある。同様に図２の上側に配置されたＩＩＩ族ライン２０を流通したガスは反応ガス中継路７においても比較的上側（基板１５から離れた側）を流通する傾向にある。ここで基板１５の主表面上への成膜に直接関与する原料ガスはＮＨ_３ガスおよびＴＭＧなどの有機金属化合物ガスである。このため上述したように、当該成膜に直接関与するガスが基板に近い側のガスラインから供給され、サブフローラインは基板１５から離れた、たとえば図２の上側に配置されることが好ましい。このようにすれば、成膜に直接関与するガスが比較的高い確率で基板１５の主表面上に供給される。

反応ガス中継路７の内部を流れる、各ガスラインを流通した各種ガスが基板１５の表面近傍に達する。つまり、ＩＩＩ族ライン２０を流通したＴＭＧ、ＴＭＡ、ＴＭＩなどの成膜に直接関与するガスも基板１５の表面近傍に達する。このときＩＩＩ族ライン２０を流通したＴＭＧなどのガスと、Ｖ族ライン１０を流通したＮＨ_３ガスとがサセプタ５１の下部のヒータ５５により加熱され、基板１５の主表面上で熱分解反応を起こし、メタンガスなどを遊離しながらＩｎＡｌＧａＮの結晶からなる薄膜を形成する。これはエピタキシャル成長の一種であるＭＯＶＰＥ法（有機金属気相成長法）によるものである。

しかしここで当該ガスの流速が遅いと、サセプタ５１の主表面上（反応室５０）にてサセプタ５１の下部のヒータ５５により、上述した原料ガスが加熱される際に、これらの原料ガスが互いに激しく気相反応を起こすことがある。

このような激しい気相反応（副反応）が起こると、本来成膜に用いるＴＭＧなどの原料ガスが当該副反応により消費されることになる。このため、反応室５０の上流側では副反応の起こっていないＴＭＧなどの原料ガスの割合が多いために成膜速度が速く所望の厚みの薄膜が形成されるが、反応室５０の下流側では副反応の起こっていない原料ガスの割合が少なくなるために成膜速度が遅くなる。したがって、基板１５の主表面上の間にて成膜速度や膜厚の不均一が発生する。つまり、所望のＩｎＡｌＧａＮの薄膜を所望の厚みとなるよう均一に形成することが困難となる。これを抑制するために、反応室５０の内部を流通する第２の混合ガスの流速を速くすることが好ましい。

このことについて図７と図８とを比較しながら説明する。図７および図８はともに、反応ガス中継路７のうち反応室５０近傍に第２の混合ガスが流通する態様を示している。図７よりも図８の方が当該混合ガスの流速が速い。ここで反応ガス中継路７内部の基準点（たとえばサセプタ５１の最上流の地点に対向する領域）におけるＴＭＧ４１、ＴＭＡ４２およびＴＭＩ４３の各気体分子間の距離が、図７と図８とにおいてほぼ同じであった場合を仮定する。図７および図８は、上記基準点を各気体分子が通過してから、所定の時間が経過した後の状態を模式的に示している。このとき、反応室５０の内部を流通するＴＭＧ４１、ＴＭＡ４２およびＴＭＩ４３の気体分子は、図７においては反応室５０の比較的上流側にて互いに接近しているが、図８においては反応室５０の比較的下流に達するまで互いに接近していない。つまり図８の方が図７よりも流速が速いため、反応室５０の最上流側から最下流側までを当該ガスが流通するのに要する時間が短い。

このため図７に示すように流速が遅ければ、反応室５０の比較的上流側にてＴＭＧ４１、ＴＭＡ４２、ＴＭＩ４３が互いにかなり接近する。この場合反応室５０における加熱により、これらの気体分子は反応室５０の最下流側に到達する前に副反応を起こす可能性が高い。しかし図８に示すように流速が速ければ、単位時間内に気体分子がガスの流通する方向に移動する距離が長い。このため反応室５０の比較的下流側にてＴＭＧ４１、ＴＭＧ４２、ＴＭＩ４３が互いにかなり接近する。この場合反応室５０の最下流側に到達するまでこれらの気体分子が副反応を起こさない可能性が高くなる。

したがって、第２の混合ガスを構成するキャリアガスとしての窒素ガスの流速を速くすることにより、第２の混合ガス中の副反応を起こす各原料ガスの濃度が最も高くなる領域を、反応室５０よりも下流側の領域へとシフトさせることができる。このため第２の混合ガス中の各原料ガスが反応室５０の領域内にて副反応を起こすことを抑制することができる。したがって所望の量の原料ガスを基板１５の主表面上に均一に供給することができる。つまり基板１５の主表面上における各領域の薄膜の成膜速度の差を小さくし、基板の主表面上に形成される当該薄膜の膜厚の分布をほぼ均一にすることができる。

ここでは副反応が起こるＴＭＧ、ＴＭＡなどの原料ガスと同じＩＩＩ族ライン２０を流通する窒素ガスの流速を制御することにより、上述した反応室５０内における副反応を抑制することができる。ここでは、たとえばＩＩＩ族ライン２０を流通した窒素ガスが、当該反応室５０の内部のある地点（図２の左右方向に関する１点としての地点）を示す平面（ガスの流通方向に交差する断面）を単位時間当たりに流れる（通過する）流量を、当該地点におけるガスの流通方向に交差する断面の面積（流路の断面積）で除することにより、上記ＩＩＩ族ライン２０を流通する窒素ガスの「流速」を定義している。つまりここでの「流速」は窒素ガスが単位時間当たりに移動する距離を基に規定した速度とは異なる仮想的なものである。しかし当該「流速」を速くするためには単位時間当たりにＩＩＩ族ライン２０から供給する窒素ガスの流量を多くすればよい。またたとえば反応室５０の内部のある地点を単位時間当たりにガスが流れる流量を多くすれば、必然的に当該ガスが単位時間当たりに移動する距離である速度が速くなる。このため上述した仮想的な定義に基づく流速を上げることにより、通常の規定に基づく速度を速くすることと同等の効果を奏する。

具体的には、工程（Ｓ２０）の成膜時における反応室５０内の圧力が１５ｋＰａ以上２５ｋＰａ以下であり、かつ上記ＩＩＩ族ライン２０を流通した窒素ガスの、反応室５０内の任意の断面における流速が３．２５ｍ／ｓ以上３．３５ｍ／ｓ以下であることが好ましい。なお、ここでの圧力は、特に反応室５０内のガスが基板１５の主表面上に及ぼす圧力を意味するが、反応室５０の下部に存在するサセプタ５１やヒータ５５を内部に保持するリアクタ全体の圧力を含めてもよい。

このようにすれば、上述したＴＭＧ４１などが反応室５０の内部で副反応を起こすことを抑制し、基板１５の主表面上における成膜速度の均一性を高めることができる。つまり基板１５の主表面上の各領域間における成膜速度の分布を所望の範囲内に収めることができる。その結果、均一性に優れた薄膜を形成することができる。あるいは、反応室５０内の圧力が３５ｋＰａ以上４５ｋＰａ以下であり、かつ上記ＩＩＩ族ライン２０を流通した窒素ガスの、反応室５０内の任意の断面における流速が０．７５ｍ／ｓ以上１．２ｍ／ｓ以下であってもよい。ここで３．３５ｍ／ｓ以下または１．２ｍ／ｓ以下と流速に上限が設けられているのは、窒素の流量を過度に増加させると、各原料ガスとキャリアガスとの混合ガス中での原料ガスの濃度が相対的に減少し、成膜速度が低下することがあるためである。

たとえばサセプタ５１の主表面の直径が１００ｍｍ以上である大型のリアクタを用いた気相成長装置の場合、ＩＩＩ族ライン２０から流れる窒素ガスの流量を増加させることにより上述した流速を３．２５ｍ／ｓ以上（０．７５ｍ／ｓ以上）となるよう増加させることが好ましい。このようにすれば、サセプタ５１の主表面の直径１５０ｍｍの範囲内に存在する基板１５の主表面上に、膜厚分布の均一性や成膜速度の均一性に優れた薄膜を形成することができる。ただし大型のリアクタとは、サセプタ５１の主表面上に直径が２インチの基板を複数枚（たとえば２枚以上７枚以下）設置しうる大型炉を意味する。この場合、サセプタ５１の主表面の直径は１００ｍｍ以上１５０ｍｍ以下となる。

上記においてはＴＭＧなどのＩＩＩ族ライン２０を流通する窒素ガスの流速を速くした場合の効果について記載している。これはＩＩＩ族ライン２０を流通する窒素ガスの流速を速くすれば、上述したＴＭＧ４１などが反応室５０の内部で副反応を起こすことを抑制する効果が最も大きくなるためである。Ｖ族ライン１０、ＩＩＩ族ライン２０、サブフローライン３０を流通したガスが反応ガス中継路７の内部を流通するが、反応ガス中継路７の下流側に進むにつれて、Ｖ族ライン１０、ＩＩＩ族ライン２０、サブフローライン３０間の異なるラインから反応ガス中継路７に流入したガス同士が拡散により混合される。つまり反応ガス中継路７の下流側に進むにつれて、異なるラインから反応ガス中継路７に流入して一体となったガスが等速で反応ガス中継路７の内部を流通するようになる。

したがってたとえばＶ族ライン１０を流通する窒素ガスや、サブフローライン３０を流通する窒素ガスの流速を速くしてもよい。言い換えればＶ族ライン１０やサブフローライン３０を流通した窒素ガスが反応室５０の内部のある地点を単位時間当たりに流れる流量を、当該地点の断面積で除した値である「流速」を上げてもよい。このようにすれば、特に反応室５０（反応ガス中継路７）の下流側において、ＩＩＩ族ライン２０を流通する窒素ガスの流速を速くする場合と同様の効果を奏する。

したがって、当該反応室５０の内部のある地点を単位時間当たりに流れるすべてのガスの流量を、当該地点におけるガスの流通方向に交差する断面の面積で除した値である流速が上がれば、上述した原料ガスの副反応の起こる位置を下流側にシフトさせ、成膜速度や膜厚をより均一にすることができる。

以上に述べた手順により、図９に示すように基板１５の一方（図９における上側）の主表面上にＩｎＡｌＧａＮの結晶からなる薄膜１６が形成される。薄膜１６の膜厚分布や、内部の各領域における結晶の組成分布は、所望の優れた均一性を有するものとなっている。

以上に述べたＩｎＡｌＧａＮエピタキシャル膜を形成する工程（Ｓ２０）における、基板１５の一方の主表面上への成膜速度の最大値は０．６μｍ／ｈ以上０．８μｍ／ｈ以下であることが好ましい。これは基板１５の主表面に交差する（図２の上下方向である）厚み方向に関する成膜速度である。

上記成膜速度が０．６μｍ／ｈを下回ると、成膜速度が遅いために成膜条件としての実用性に乏しくなる。また上記成膜速度が０．８μｍ／ｈを超えると、成膜速度が速いために形成される薄膜１６の結晶性が劣化する要因となる。具体的にはたとえば当該結晶を構成する格子の配列が不均一となるなどの不具合が発生する可能性がある。このため上述した成膜速度の範囲であることが好ましく、このなかでも０．６μｍ／ｓ以上０．７５μｍ／ｓ以下であることがより好ましい。

また上記工程（Ｓ２０）において基板１５を載置するために用いるサセプタ５１は、回転軸５３を中心として回転させることができる。サセプタ５１を回転させると、基板１５の主表面上に形成される薄膜１６の成膜速度や、形成される薄膜１６の膜厚分布をより均一にすることができる。この場合、上記エピタキシャル基板の製造方法を用いて形成されるＩｎＡｌＧａＮエピタキシャル膜の成膜速度の最大値と最小値との分布は１０％以下であることが好ましい。

ここで成膜速度の最大値と最小値との分布とは、基板１５の主表面上において選出した任意の複数の異なる地点における薄膜１６の成膜速度のうち最大である最大値と最小である最小値との差の、当該最大値と最小値との和に対する割合である。つまり当該値が小さいほど均一な成膜速度で成膜がなされているといえる。当該気相成長装置を用いて薄膜１６が形成された基板を量産するためには、上述したように薄膜１６の成膜速度の分布は１０％以下であることが好ましく、２％以下であることがより好ましい。

ただしサセプタ５１を回転させずに成膜を行なってもよい。この場合は、形成されるＩｎＡｌＧａＮエピタキシャル膜の成膜速度の最大値と最小値との分布は２０％以下であることが好ましい。当該分布が２０％を超えると、形成される薄膜１６の結晶性が劣化する可能性がある。なお当該分布は１７％以下であることがより好ましく、１０％以下であることがより好ましい。

また特にサセプタ５１を回転させる場合において、工程（Ｓ２０）において形成される薄膜１６中のＡｌの組成は、０．１１以上０．３以下であることが好ましい。また当該薄膜１６中のＩｎの組成は０．０２４以上０．１以下であることが好ましい。具体的には、ＩｎＡｌＧａＮからなる薄膜をＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_ｚＮ_ｗと表記し、ｘ＋ｙ＋ｚ＋ｗ＝１とする場合、ｘの値が０．０２４以上０．１以下、ｙの値が０．１１以上０．３以下であることが好ましい。

薄膜１６であるＩｎＡｌＧａＮ膜からなる基板を用いて形成される発光素子の、活性層において発生した光を、当該活性層の内部に閉じ込める機能を確保するためには、上述したｙの値が０．１１以上０．３以下であることが好ましい。また、たとえばＩｎＡｌＧａＮ膜をＧａＮの薄膜（エピタキシャル膜）やＧａＮ基板の主表面上に形成する場合には、ＧａＮの結晶との格子整合を良好にするために、ｘの値を０．０２４以上０．１以下とすることが好ましい。特に上述したようにｙの値が０．１１以上である場合には、ｘの値を０．０２４以上とすることが好ましい。ただしｙの値は上述した範囲の中でも０．１１以上０．２以下であることが特に好ましく、ｘの値は上述した範囲の中でも０．０２４以上０．０５以下であることが特に好ましい。

また薄膜１６であるＩｎＡｌＧａＮ膜中のＡｌおよびＩｎの組成の最大値と最小値との分布は２０％以下であることが好ましい。組成の分布についても上述した成膜速度の最大値と最小値との分布と同様に定義される。これは当該気相成長装置を用いて薄膜１６が形成された基板を量産するために好ましい組成分布である。

（実施の形態２）
実施の形態２においても、実施の形態１と同様に、図１のフローチャートに示す製造工程に従いＭＯＶＰＥ法を用いて、図２に示す気相成長装置を用いて基板１５の主表面上にＩｎＡｌＧａＮの薄膜が形成される。ただし実施の形態２においては、第２ガスラインであるＩＩＩ族ライン２０を流通する窒素ガスの単位時間当たりの流量を制御する。このようにして、基板１５の主表面上の反応室５０内にてＩＩＩ族ライン２０を流通した原料ガス同士が加熱により気相反応を起こすことを抑制する。

この点において、基板１５の主表面上の反応室５０を流通するキャリアガスの流速を制御することにより、ＩＩＩ族ライン２０を流通した原料ガス同士が気相反応することを抑制する実施の形態１と異なる。

つまり実施の形態２においては、工程（Ｓ２０）の成膜時に、ＩＩＩ族ライン２０を流通する窒素ガスの流量を増加させる。このようにすれば、ＩＩＩ族ラインを流通する原料ガスであるＴＭＧ、ＴＭＡおよびＴＭＩの気体分子の、当該ＩＩＩ族ライン２０を流通するガス全体に対する割合（濃度）が低くなる。

このことについて図１０と図１１とを比較しながら説明する。図１０および図１１はともに、同一の大きさの気体分子であるＴＭＧ４１とＴＭＡ４２とＴＭＩ４３とが１個ずつ存在する。ただし図１０の方が図１１よりも、これらの気体分子を取り囲む空間（キャリアガス）の容積が小さい。この場合図１０と図１１とのいずれも、内部に存在する原料ガス（ＴＭＧ４１など）の量や大きさは同じであるが、図１０の方がキャリアガスの容量が小さいため、空間内部における原料ガスの濃度が高くなっている。これら図１０と図１１の各状態に対し、空間の内部を加熱すれば、図１０の方が図１１よりも先にＴＭＧ４１などの気体分子同士が気相反応を起こす確率が高い。逆に言えば図１１の方が図１０よりもキャリアガスの容量が大きいため気体分子の濃度が低く、気体分子同士の気相反応は起こりにくい。つまりＩＩＩ族ライン２０を流通するキャリアガス（窒素ガス）の流量を増加させることにより、下流側の反応ガス中継路７や反応室５０を流通する窒素ガスの流量を増加させる。このようにすれば、反応室５０の内部において窒素ガスの流量が多くなるために、当該領域においてガスが加熱されるために原料ガス同士が激しい副反応を起こすことを抑制することができる。したがって実施の形態１と同様に、形成されるＩｎＡｌＧａＮの薄膜１６（図９参照）の成膜速度や膜厚分布を所望の範囲で均一にすることができる。

上述したように反応室５０における窒素ガスの流量を多くすることにより副反応を抑制するためには、工程（Ｓ２０）の成膜時における反応室５０内の圧力が１５ｋＰａ以上２５ｋＰａ以下であり、かつＩＩＩ族ライン２０を単位時間当たりに流れる窒素ガスの流量が７２ｓｌｍ以上８０ｓｌｍ以下であることが好ましい。あるいは、反応室５０内の圧力が３５ｋＰａ以上４５ｋＰａ以下であり、かつＩＩＩ族ライン２０を単位時間当たりに流れる窒素ガスの流量が３４ｓｌｍ以上５２ｓｌｍ以下であってもよい。

なお流量が８０ｓｌｍ（５２ｓｌｍ）を超えると、窒素ガスの量に対するＴＭＧ４１などの原料ガスの濃度が低下するため、基板１５の主表面上への成膜速度が低下する。このため窒素ガスの流量は上述した範囲内とすることが好ましい。このようにすれば、上流側のＩＩＩ族ライン２０を流通する、ＴＭＧ４１などの原料ガスを含有する窒素ガス中における原料ガスの濃度を低下させることもできる。

なお実施の形態２においても実施の形態１と同様に、反応室５０内において原料ガスの濃度を低下させるために流量を増加させる窒素ガスは、第２ガスラインであるＩＩＩ族ライン２０であることがより好ましい。しかしこれに限らず、たとえば第１ガスラインであるＶ族ライン１０を流通する窒素ガスや、第３ガスラインであるサブフローライン３０を流通する窒素ガスであってもよい。

本発明の実施の形態２は、以上に述べた各点についてのみ、本発明の実施の形態１と異なる。すなわち、本発明の実施の形態２について、上述しなかった構成や条件、手順や効果などは、全て本発明の実施の形態１に順ずる。

上述した図２の気相成長装置を用いて複数の基板１５の主表面上に薄膜１６（図９参照）を形成した場合の成膜速度や組成の分布をシミュレーションした。ここで反応室５０の内部の圧力や、各ガスラインから供給されるガスの流量、流速、サセプタ５１の回転の有無などの条件を様々に変化させた。

上の表１に示すように、図１のＩｎＡｌＧａＮエピタキシャル膜を形成する工程（Ｓ２０）において反応室５０の内部の圧力を２０ｋＰａとして成膜を行なった基板と、当該圧力を４０ｋＰａ、６０ｋＰａとして成膜を行なった基板とを想定した。なお基板はすべてＧａＮ基板とした。

反応室５０の内部の圧力の条件を同じとした基板を４枚ずつ想定し、それぞれに対する成膜時の、反応室５０の内部の圧力以外の条件を変化させた。圧力２０ｋＰａで処理する基板には２０Ａ〜２０Ｄとサンプル名（基板Ｎｏ．）を付している。同様に４０ｋＰａで処理する基板には４０Ａ〜４０Ｄ、６０ｋＰａで処理する基板には６０Ａ〜６０Ｄのサンプル名を付している。

表１に示すように、すべての基板の成膜時に、Ｖ族ライン１０を流通するガスのトータルの流量は１５．２ｓｌｍとし、ＮＨ_３ガスのモル分率が０．９６７（９６．７％）、Ｎ_２ガスのモル分率が０．０３３（３．３％）となるようにした。またＩＩＩ族ライン２０を流通するガスは、基板ごとにトータルの流量を変化させ（１４．７ｓｌｍ〜７２ｓｌｍ）、当該ガス中に含まれる各種ガスのモル分率を変化させた。ただしいずれの基板を処理する際にも、ＩＩＩ族ライン２０にはＮ_２ガスとＴＭＧとＴＭＡとＴＭＩとを流通させている。またＩＩＩ族ライン２０を流通する窒素ガスの流速（反応室５０の内部のある地点を単位時間当たりに流れる当該窒素ガスの流量を、当該地点における当該窒素ガスの流通方向に交差する断面の面積で除することにより求めた流速）は、表１の「（ＩＩＩ族ライン２０）流速（ｍ／ｓ）」の欄に示すとおりである。サブフローライン３０を流通するガスは、すべての基板の成膜時において、サブフローとしてのＮ_２ガスのみを３４．３ｓｌｍの流量となるように流している。

これらの３つのラインを流れるすべてのガスが合流して、反応室５０の内部のある地点を単位時間当たりに流れる流量を、当該地点におけるガスの流通方向に交差する断面の面積で除することにより求めた流速が、表１中の「トータルの流速（ｍ／ｓ）」である。上述したように、基板１５の主表面に対向する反応室５０を流れるトータルの流量や流速により、反応室５０における原料ガスの副反応を制御することができる。このため表１中には、「トータルの流速」を記載している。

なお表１中には記載がないが、すべての基板において、成膜時のサセプタ５１の加熱温度は８９０℃と設定した。

上の表２には、上記各条件で形成した薄膜（ＩｎＡｌＧａＮ膜）の成膜速度のシミュレーション結果を示している。表２中の左側の「計算値（回転止）」の欄には、サセプタ５１を回転させずに固定した場合を想定した計算値を示している。また表２中の右側の「計算値（回転）」の欄には、サセプタ５１を２０ｒｐｍの回転速度で回転軸５３を中心として回転させた場合を想定した計算値を示している。各条件下で基板１５の主表面上に形成されるＩｎＡｌＧａＮ膜の、基板１５の主表面に交差する厚み方向に関する成膜速度を算出している。当該成膜速度は、形成される薄膜の主表面上に関して異なる５点に関して算出し、これらのうち最大値と最小値とを表２中に記載している。また、成膜速度を算出した５点の位置は、基板１５の主表面の中心（０ｍｍ点）および、当該中心を通りガスが当該基板１５の主表面上を流通する方向に沿った方向に延びる直線上の、上記０ｍｍ点からの距離が±１０ｍｍである−１０ｍｍ点および＋１０ｍｍ点、そして上記０ｍｍ点からの距離が±２０ｍｍである−２０ｍｍ点および＋２０ｍｍ点の、合計５点である。ただしサセプタ５１を回転させない場合は、サセプタ５１の中心を通り、ガスの流通する方向に沿った方向に延びる直線上に存在する基板１５のそれぞれ（２枚）に対して、上述した５点ずつに対して成膜速度を算出するため、合計１０点の成膜速度を算出し、これらの最大値および最小値を表２中に記載している。また、上記最大値と最小値との差の、最大値と最小値との和に対する割合を、成膜速度の分布（％）として表２中に記載している。

表３には、上記各条件で形成したＩｎＡｌＧａＮ膜中のＡｌの組成のシミュレーション結果を示している。つまり形成される薄膜の組成式をＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_ｚＮ_ｗ（ｘ＋ｙ＋ｚ＋ｗ＝１）としたときのｙの値を算出したものである。上述した成膜速度と同様に、サセプタ５１を固定した場合を想定した計算値を「計算値（回転止）」の欄に、サセプタ５１を２０ｒｐｍの回転速度で回転させた場合を想定した計算値を「計算値（回転）」の欄に示している。また上述した成膜速度と同様に、形成される薄膜の主表面上に関して異なる５点（１０点）に関してｙの値を算出し、これらのうち最大値と最小値、および最大値と最小値とから求めた分布（％）を表３中に記載している。なお、算出対象とした点の位置は、表２において成膜速度を算出した点の位置と同じである。

表４には、上記各条件で形成したＩｎＡｌＧａＮ膜中のＩｎの組成のシミュレーション結果を示している。つまり形成される薄膜の組成式をＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_ｚＮ_ｗ（ｘ＋ｙ＋ｚ＋ｗ＝１）としたときのｘの値を算出したものである。上述したｙの値と同様に、サセプタ５１を固定した場合を想定した計算値を「計算値（回転止）」の欄に、サセプタ５１を２０ｒｐｍの回転速度で回転させた場合を想定した計算値を「計算値（回転）」の欄に示している。また、形成される薄膜の主表面上に関して異なる５点（１０点）に関してｘの値を算出し、これらのうち最大値と最小値、および最大値と最小値とから求めた分布（％）を表４中に記載している。なお、算出対象とした点の位置は、表２において成膜速度を算出した点の位置と同じである。

以下において表１〜表４に示された結果について考察する。基板Ｎｏ．２０Ａ〜２０Ｄ、４０Ａ〜４０Ｄ、６０Ａ〜６０Ｄのそれぞれの間では、薄膜の成膜条件として、ＩＩＩ族ライン２０を流通するガスの流量が大きく異なる。しかし各条件におけるＩＩＩ族ライン２０を流れるガスのモル分率を見ると、当該ガスの大部分が窒素ガス（Ｎ_２ガス）であることがわかる。したがってＩＩＩ族ライン２０に流れる流量が大きくなれば、ＩＩＩ族ライン２０を流れるＮ_２ガスの流量が増加していると考えられる。

つまり主に反応室５０の内部の圧力と、ＩＩＩ族ライン２０を流れるＮ_２ガスの流量を変化させて成膜をシミュレーションしたところ、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃおよび４０Ａについては、表２に示すように、サセプタ５１を回転させずに成膜した場合の成膜速度の最大値が０．８μｍ／ｈを超えている。成膜速度が０．８μｍ／ｈを超えると、形成される薄膜の結晶性が悪化する可能性があるため、当該成膜速度は０．８μｍ／ｈ以下であることが好ましい。これは、０．８μｍ／ｈを超える成膜速度の最大値にて形成される薄膜には、表面に多数の凹凸が形成され、表面モフォロジーが悪化するということからも示される。

また４０Ａ、６０Ａおよび６０Ｂについては、表２に示すように、サセプタ５１を回転させずに成膜した場合の成膜速度の分布が２０％を超えている。当該分布が２０％を超えると、形成される薄膜１６の結晶性が劣化する可能性がある。このためサセプタ５１を回転させない場合は、分布は２０％以下であることが好ましい。

表２に示すように、反応室５０の内部の圧力が６０ｋＰａである場合は、サセプタ５１を回転させた場合の成膜速度が、最大値においても０．５μｍ／ｈ程度または０．５μｍ／ｈ以下となっている。また４０Ｄについても当該成膜速度の最大値が０．５３０μｍ／ｈとやや低くなっている。一例としてｎ型のＩｎＡｌＧａＮ膜のクラッド層は厚みが１．２μｍであり、ｐ型のＩｎＡｌＧａＮ膜のクラッド層は厚みが０．４μｍである。上述した厚みの薄膜を形成する必要があるための実用性を考慮すれば、成膜速度は０．６μｍ／ｈ以上であることが好ましい。

６０ｋＰａの場合には４０ｋＰａや２０ｋＰａの場合と比較して成膜速度が遅くなっている。上述したようにＩＩＩ族ライン２０を流通し、反応室５０に達するＮ_２ガスの流量や流速を上げると、基本的に反応室５０に対向する基板１５の主表面上の薄膜の成膜速度や膜厚が均一となる。しかしガスの圧力が高くなれば薄膜の成膜速度や膜厚を均一にするために必要なＮ_２ガスの流量が増加する。表２の結果から明らかなように、ＩＩＩ族ライン２０を流れるガスの量（Ｎ_２ガスの量）を増加すると成膜速度が低下する。このため６０ｋＰａにおいて特に成膜速度が低下するものと考えられる。

また表３に示すように、６０Ａと６０Ｂとは、サセプタ５１を回転させずに形成されたＩｎＡｌＧａＮ膜中のＡｌ組成の分布が２０％を越えている。４０Ａ、６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃについては、サセプタ５１を回転させて形成されたＩｎＡｌＧａＮ膜中のＡｌ組成の最大値が０．１１を下回っている。当該薄膜からなる発光素子が発光する光を当該薄膜内に閉じ込めるための屈折率を確保する観点から、上記Ａｌ組成の最大値は０．１１以上であることが好ましい。

以上に述べなかったサンプル、すなわち２０Ｄ、４０Ｂおよび４０Ｃについては、上述した問題点を特に有さず、適正な成膜速度、成膜速度分布、ＡｌやＩｎの組成および組成分布を備えた均一で高品質な薄膜となっている。反応室５０内部の圧力が２０ｋＰａと低い場合は、ＩＩＩ族ライン２０を流れるガスの流量を増加させる（具体的にはたとえば２０Ｄに示す７２ｓｌｍとする）ことにより成長速度を遅くすれば、成長速度が適正な範囲となる。表１に示すように、２０ＤのＩＩＩ族ライン２０を流通したＮ_２ガスの流速は３．２５ｍ／ｓである。ただし上述したようにＩＩＩ族ライン２０を流れるガスの流量を増加（流速を増加）すれば、成長速度が遅くなることにより、成長速度が適正な範囲となる。このため７２ｓｌｍ（３．２５ｍ／ｓ）に限らず、適正な流量（流速）の範囲は７２ｓｌｍ以上８０ｓｌｍ以下（３．２５ｍ／ｓ以上３．３５ｍ／ｓ以下）とすることが好ましい。また圧力についても、２０ｋＰａに限らず、測定誤差等も加味して考慮すれば、１５ｋＰａ以上２５ｋＰａ以下とすることが好ましいといえる。

また４０ｋＰａの場合は、反応室５０の圧力が適正な値であるため、流量を３３．７ｓｌｍ以上５２．０ｓｌｍとすることにより、成膜速度の分布や組成の分布などを適正な範囲とすることができる。表１に示すように、４０Ｂおよび４０Ｃにおける窒素ガスの流速はそれぞれ０．７５ｍ／ｓおよび１．１７ｍ／ｓである。このため、測定誤差等も加味して考慮すれば、圧力については３５ｋＰａ以上４５ｋＰａ以下であることが好ましいといえ、このときの窒素ガスの流量は３４ｓｌｍ以上５２ｓｌｍ以下、窒素ガスの流速は０．７５ｍ／ｓ以上１．２ｍ／ｓ以下とすることが好ましい。

参考用に、上記シミュレーション結果が良好であった反応室５０の内部の圧力が４０ｋＰａであり、他の成膜条件をすべて上記のシミュレーションによる４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃと同一としてＩｎＡｌＧａＮ膜を形成する実験を行なった。なおサセプタ５１は回転させなかった。最大値と最小値との分布を測定するために実測を行なった点数についても上述したシミュレーションの場合と同じ１０点である。このときの成長速度、および形成される薄膜中のＡｌとＩｎとの組成と分布との測定結果を表５に示す。表５に示すように、測定値の分布はシミュレーションによる理論値の分布に比べて大きくなっている。

以上のように本発明の各実施の形態および実施例について説明を行なったが、今回開示した各実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明は、均一な膜厚や組成を有する窒化物半導体の薄膜を均一な成膜速度にて形成する技術として、特に優れている。

１ ガス導入部ケース、２ 固定用部材、３ 壁面、４ 接近ガスラインケース、５ 接触ガスラインケース、７ 反応ガス中継路、９ 排気ガス流路、１０ Ｖ族ライン、１１ 導入Ｖ族ライン、１２ 接近Ｖ族ライン、１３ 接触Ｖ族ライン、１５ 基板、１６ 薄膜、２０ ＩＩＩ族ライン、２１ 導入ＩＩＩ族ライン、２２ 接近ＩＩＩ族ライン、２３ 接触ＩＩＩ族ライン、３０ サブフローライン、３１ 導入サブフローライン、３２ 接近サブフローライン、３３ 接触サブフローライン、４１ ＴＭＧ、４２ ＴＭＡ、４３ ＴＭＩ、５０ 反応室、５１ サセプタ、５３ 回転軸、５５ ヒータ。

Claims (12)

1. 基板の一方の主表面上にＩｎＡｌＧａＮエピタキシャル膜を形成する、エピタキシャル基板の製造方法であって、
   前記基板を準備する工程と、
   前記基板の一方の主表面上に前記ＩｎＡｌＧａＮエピタキシャル膜を形成する工程とを備えており、
   前記ＩｎＡｌＧａＮエピタキシャル膜を形成する工程においては、前記基板に近いほうから順に配置された、窒素ガスとＶ族元素ガスとが混合された第１の混合ガスを流す第１ガスラインと、窒素ガスとＩＩＩ族元素ガスとが混合された第２の混合ガスを流す第２ガスラインと、サブフロー窒素ガスを流す第３ガスラインから前記基板の前記主表面に対向する領域へガスを流し、
   前記ＩｎＡｌＧａＮエピタキシャル膜を形成する工程における、前記基板が配置される反応室内の圧力は１５ｋＰａ以上２５ｋＰａ以下であり、
   前記第２の混合ガス中に含まれる窒素ガスが前記第２ガスラインを流通して前記基板の主表面に対向する前記領域を単位時間当たりに流れる流量を、前記領域における流路の断面積で除して求めた流速が３．２５ｍ／ｓ以上３．３５ｍ／ｓ以下である、エピタキシャル基板の製造方法。
2. 基板の一方の主表面上にＩｎＡｌＧａＮエピタキシャル膜を形成する、エピタキシャル基板の製造方法であって、
   前記基板を準備する工程と、
   前記基板の一方の主表面上に前記ＩｎＡｌＧａＮエピタキシャル膜を形成する工程とを備えており、
   前記ＩｎＡｌＧａＮエピタキシャル膜を形成する工程においては、前記基板に近いほうから順に配置された、窒素ガスとＶ族元素ガスとが混合された第１の混合ガスを流す第１ガスラインと、窒素ガスとＩＩＩ族元素ガスとが混合された第２の混合ガスを流す第２ガスラインと、サブフロー窒素ガスを流す第３ガスラインから前記基板の前記主表面に対向する領域へガスを流し、
   前記ＩｎＡｌＧａＮエピタキシャル膜を形成する工程における、前記基板が配置される反応室内の圧力は３５ｋＰａ以上４５ｋＰａ以下であり、
   前記第２の混合ガス中に含まれる窒素ガスが前記第２ガスラインを流通して前記基板の主表面に対向する前記領域を単位時間当たりに流れる流量を、前記領域における流路の断面積で除して求めた流速が０．７５ｍ／ｓ以上１．２ｍ／ｓ以下である、エピタキシャル基板の製造方法。
3. 基板の一方の主表面上にＩｎＡｌＧａＮエピタキシャル膜を形成する、エピタキシャル基板の製造方法であって、
   前記基板を準備する工程と、
   前記基板の一方の主表面上に前記ＩｎＡｌＧａＮエピタキシャル膜を形成する工程とを備えており、
   前記ＩｎＡｌＧａＮエピタキシャル膜を形成する工程においては、前記基板に近いほうから順に配置された、窒素ガスとＶ族元素ガスとが混合された第１の混合ガスを流す第１ガスラインと、窒素ガスとＩＩＩ族元素ガスとが混合された第２の混合ガスを流す第２ガスラインと、サブフロー窒素ガスを流す第３ガスラインから前記基板の前記主表面に対向する領域へガスを流し、
   前記ＩｎＡｌＧａＮエピタキシャル膜を形成する工程における、前記基板が配置される反応室内の圧力は１５ｋＰａ以上２５ｋＰａ以下であり、
   前記第２の混合ガス中に含まれる窒素ガスが前記第２ガスラインを単位時間当たりに流れる流量が７２ｓｌｍ以上８０ｓｌｍ以下である、エピタキシャル基板の製造方法。
4. 基板の一方の主表面上にＩｎＡｌＧａＮエピタキシャル膜を形成する、エピタキシャル基板の製造方法であって、
   前記基板を準備する工程と、
   前記基板の一方の主表面上に前記ＩｎＡｌＧａＮエピタキシャル膜を形成する工程とを備えており、
   前記ＩｎＡｌＧａＮエピタキシャル膜を形成する工程においては、前記基板に近いほうから順に配置された、窒素ガスとＶ族元素ガスとが混合された第１の混合ガスを流す第１ガスラインと、窒素ガスとＩＩＩ族元素ガスとが混合された第２の混合ガスを流す第２ガスラインと、サブフロー窒素ガスを流す第３ガスラインから前記基板の前記主表面に対向する領域へガスを流し、
   前記ＩｎＡｌＧａＮエピタキシャル膜を形成する工程における、前記基板が配置される反応室内の圧力は３５ｋＰａ以上４５ｋＰａ以下であり、
   前記第２の混合ガス中に含まれる窒素ガスが前記第２ガスラインを単位時間当たりに流れる流量が３４ｓｌｍ以上５２ｓｌｍ以下である、エピタキシャル基板の製造方法。
5. 前記ＩｎＡｌＧａＮエピタキシャル膜を形成する工程における、前記基板の一方の主表面上への成膜速度の最大値は０．６μｍ／ｈ以上０．８μｍ／ｈ以下である、請求項１〜４のいずれか１項に記載のエピタキシャル基板の製造方法。
6. 前記ＩｎＡｌＧａＮエピタキシャル膜を形成する工程においては、前記基板を載置するサセプタを固定し、
   前記ＩｎＡｌＧａＮエピタキシャル膜を形成する工程において形成される前記ＩｎＡｌＧａＮエピタキシャル膜の前記成膜速度の最大値と最小値との分布は２０％以下である、請求項５に記載のエピタキシャル基板の製造方法。
7. 前記ＩｎＡｌＧａＮエピタキシャル膜を形成する工程においては、前記基板を載置するサセプタを、前記基板の主表面に交差する方向に沿った軸を中心として回転させ、
   前記ＩｎＡｌＧａＮエピタキシャル膜を形成する工程において形成される前記ＩｎＡｌＧａＮエピタキシャル膜の前記成膜速度の最大値と最小値との分布は１０％以下である、請求項５に記載のエピタキシャル基板の製造方法。
8. 前記ＩｎＡｌＧａＮエピタキシャル膜を形成する工程において、前記サセプタを回転させて形成される前記ＩｎＡｌＧａＮエピタキシャル膜中のＡｌの組成が０．１１以上０．３以下である、請求項７に記載のエピタキシャル基板の製造方法。
9. 前記Ａｌの組成の最大値と最小値との分布は２０％以下である、請求項８に記載のエピタキシャル基板の製造方法。
10. 前記ＩｎＡｌＧａＮエピタキシャル膜を形成する工程において、前記サセプタを回転させて形成される前記ＩｎＡｌＧａＮエピタキシャル膜中のＩｎの組成が０．０２４以上０．１以下である、請求項７〜９のいずれか１項に記載のエピタキシャル基板の製造方法。
11. 前記Ｉｎの組成の最大値と最小値との分布は２０％以下である、請求項１０に記載のエピタキシャル基板の製造方法。
12. 請求項１に記載のエピタキシャル基板の製造方法を用いて形成されるエピタキシャル基板。

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