JP2013172007A - 気相成長装置 - Google Patents

Abstract

【課題】結晶性がよくてＩｎ組成が高いＩｎＧａＮを含む半導体層を成膜でき、基板へのダメージを防ぐことができる気相成長装置を提供する。
【解決手段】本発明の一実施例のＭＯＣＶＤ装置は、成長室１０と、成長室１０内に設けられ、基板２を保持するサセプタ３と、基板２を加熱するヒータ４と、基板２に対向するように設けられ、III族系ガスおよびＶ族系ガスを噴出するシャワーヘッド５０と、サセプタ３とシャワーヘッド５０との間に配置されていると共に、シャワーヘッド５０が噴出したＶ族系ガスを分解して活性種を生成する触媒１３と、基板２の表面に対して平行な方向に紫外光を出射して、シャワーヘッド５０が噴出したＶ族系ガスをシャワーヘッド５０と基板２との間で励起する紫外光光源１２とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は気相成長装置に関する。

１９９０年代に入り、窒化物系半導体発光素子の発明から、ＬＥＤ(発光ダイオード)照明の実用化が始まった。現在、ＬＥＤ照明は、信号機だけに留まらず、液晶モニタのバックライト等の多方面の用途で活躍している。

ＬＥＤ照明は、一般的に青色半導体発光素子と、ＹＡＧ(イットリウム・アルミニウム・ガーネット)蛍光体との組み合わせにより白色ＬＥＤを実現している。白色ＬＥＤは、従来の照明よりも低消費電力・省スペース・水銀フリーのため環境に良いというメリットがあり、次世代の照明器具として期待が寄せられている。

青色半導体発光素子を作製するためには、青色波長域〜紫外波長域の短波長域で発光する発光層を形成する必要がある。このため、発光層には、Ｉｎ組成比ｘが０．２未満のＩｎ_ｘＧａ_1−ｘＮ混晶半導体を用いられるのが一般的である。上記Ｉｎ_ｘＧａ_1−ｘＮ混晶半導体は、ＭＯＣＶＤ(有機金属気相成長)法などの手法を用いて、エピタキシャル成長させることによって作製される。

さらに、近年では、太陽光スペクトルをカバーできる発光素子の研究開発が行なわれており、緑色波長の光を発光する半導体発光素子の登場が望まれている。緑色波長の光を発光する発光層を作製するために、Ｉｎ組成比ｘが０．２以上のＩｎ_ｘＧａ_1−ｘＮ混晶半導体を成膜する必要がある。

従来、Ｉｎ組成比ｘが０．２未満のＩｎ_ｘＧａ_1−ｘＮ混晶半導体は、Ｉｎ源およびＧａ源とＮＨ_３とを反応させることにより、比較的容易に形成することができたが、Ｉｎ組成比ｘが０．２以上のＩｎ_ｘＧａ_1−ｘＮ混晶半導体を形成することは容易ではなかった。Ｉｎ組成比ｘが０．２以上では、Ｉｎ反応温度をより低くする必要があるが、温度を低くするとＮＨ_３との反応性が低下し、Ｉｎ_ｘＧａ_1−ｘＮ混晶半導体は成膜しにくくなる(特許文献１(特開２００３−３７２８８号公報)参照)。逆に、基板を７００℃以上に加熱した状態で、Ｉｎ源とＮＨ_３との反応性を高める試みも行なわれているが、高温状態となる程、ＩｎＧａＮは熱分解し易く、Ｉｎ_ｘＧａ_1−ｘＮ混晶半導体に窒素空孔などの欠陥や相分離などが生じたり、膜応力による膜ゆがみが生じたりする。

したがって、ＮＨ_３(アンモニア)を加熱のみで分解するのではなく、他の分解方法を用いることにより、ＩｎＧａＮ混晶半導体を成長させる方法が提案されている。

例えば特許文献２(特開２０００−２４３７１２号公報)には、原料ガスを触媒体に接触させ、これによって生成した堆積種またはその前駆体および基板に電子を照射し、基板上に所定の膜を成長させる方法が示されている。

特開２００３−３７２８８号公報 特開２０００−２４３７１２号公報

しかしながら、上記特許文献２の方法では、生成した堆積種またはその前駆体および基板に電子を出射するので、この電子が基板にダメージを与えるという問題があった。

そこで、本発明の課題は、結晶性がよくてＩｎ組成比が高いＩｎＧａＮを含む半導体層を成膜でき、基板へのダメージを防ぐことができる気相成長装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の気相成長装置は、
成長室と、
上記成長室内に設けられ、基板を保持する基板保持部と、
上記基板を加熱する加熱部と、
上記基板に対向するように設けられ、III族系ガスおよびＶ族系ガスを噴出するガス噴出部と、
上記基板保持部と上記ガス噴出部との間に配置されていると共に、上記ガス噴出部が噴出したＶ族系ガスを分解して活性種を生成する触媒と、
上記基板の表面に対して平行な方向に紫外光を出射して、上記ガス噴出部が噴出したＶ族系ガスを上記ガス噴出部と上記基板との間で励起する紫外光光源と
を備えることを特徴としている。

上記構成によれば、上記基板保持部とガス噴出部との間に配置されていると共に、ガス噴出部が噴出したＶ族系ガスを分解して活性種を生成する触媒と、基板の表面に対して平行な方向に紫外光を出射して、ガス噴出部が噴出したＶ族系ガスをガス噴出部と基板との間で励起する紫外光光源とを備えるので、触媒と紫外光の相乗効果により、Ｖ族系ガスによる活性種を増やすことができる。したがって、上記気相成長装置は、基板上に、Ｉｎ組成比が高いＩｎＧａＮを含む半導体層を成膜することできると共に、その半導体層に窒素空孔などの欠陥や相分離などが生じたり、膜応力による膜ゆがみが生じたりするのを防ぐことができる。

また、上記特許文献２のような基板への電子の照射がないので、基板へのダメージを防ぐことができる。

一実施形態の気相成長装置では、
上記紫外光光源は、上記紫外光を、上記触媒と上記基板との間に入射するように出射して、上記Ｖ族系ガスを上記基板近傍で励起する。

上記実施形態によれば、上記紫外光光源は、紫外光を、触媒と基板との間に入射するように出射して、Ｖ族系ガスを基板近傍で励起するので、基板上の半導体層の成膜効率を上げることができる。

一実施形態の気相成長装置では、
上記Ｖ族系ガスがアンモニアを含有している。

上記実施形態によれば、上記Ｖ族系ガスがアンモニアを含有しているので、基板温度を低温にしても、結晶性が良いＩｎＧａＮを含む半導体層を成膜できる。

一実施形態の気相成長装置では、
上記触媒が、Ｐｔ、Ｗ、Ｍｏ、ＮｉおよびＦｅからなる群より選ばれる単体、または、Ｐｔ、Ｗ、Ｍｏ、ＮｉおよびＦｅからなる群より選ばれる少なくとも一つを含有している材料である。

上記実施形態によれば、上記触媒が、Ｐｔ、Ｗ、Ｍｏ、ＮｉおよびＦｅからなる群より選ばれる単体、または、Ｐｔ、Ｗ、Ｍｏ、ＮｉおよびＦｅからなる群より選ばれる少なくとも一つを含有している材料であるので、Ｖ族系ガスを効果的に活性化することができる。

一実施形態の気相成長装置では、
上記紫外光の波長が２７０ｎｍ以下である。

上記実施形態によれば、上記紫外光の波長が２７０ｎｍ以下であるので、Ｖ族系ガスを効果的に励起できる。

一実施形態の気相成長装置では、
上記基板を回転させる基板回転機構を備え、
上記ガス噴出部はシャワープレートを有し、
上記シャワープレートは上記基板の表面に対して平行である。

上記実施形態によれば、上記基板回転機構が基板を回転させながら、基板上に半導体層を成膜する場合、ガス噴出部のシャワープレートが基板の表面に対して平行であるので、半導体層の膜の均一性を高めることができる。

一実施形態の気相成長装置では、
上記触媒は、上記シャワープレートに設けられた触媒支持部に着脱可能に支持されている。

上記実施形態によれば、上記シャワープレートに設けられた触媒支持部に触媒を支持することにより、ガス噴出部が噴出したＶ族系ガスを触媒に確実に当てて、Ｖ族系ガスによる活性種を効率良く生成することができると共に、触媒の交換を容易に行うことができる。

本発明の気相成長装置によれば、基板保持部とガス噴出部との間に配置されていると共に、ガス噴出部が噴出したＶ族系ガスを分解して活性種を生成する触媒と、基板の表面に対して平行な方向に紫外光を出射して、ガス噴出部が噴出したＶ族系ガスをガス噴出部と基板との間で励起する紫外光光源とを備えることによって、触媒と紫外光の相乗効果により、Ｖ族系ガスによる活性種を増やすことができるので、基板上に、Ｉｎ組成比が高いＩｎＧａＮを含む半導体層を成膜することできると共に、その半導体層に窒素空孔などの欠陥や相分離などが生じたり、膜応力による膜ゆがみが生じたりするのを防ぐことができる。

また、上記特許文献２のような基板への電子の照射がないので、基板へのダメージを防ぐことができる。

図１は本発明の一実施例のＭＯＣＶＤ装置の模式構成図である。 図２はＩｎＧａＮ薄膜のＩｎ組成比と基板温度との関係を示すグラフである。

以下、本発明の気相成長装置を図示の実施例により詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施例の気相成長装置を構成を模試的に示した図である。

上記ＭＯＣＶＤ装置は、中空部である成長室１０を有する反応炉１と、この反応炉１に取り付けられたシャワーヘッド５０と、反応炉１内に一部が挿入された回転軸５と、回転軸５を取り囲むようにして設置された被覆板６と、回転軸５の成長室１０側の一端に固定された支持台４５と、この支持台４５上に設置されたヒータ４と、このヒータ４上に設置されたサセプタ３とを備えている。なお、上記シャワーヘッド５０はガス噴出部の一例で、サセプタ３は基板保持部の一例で、ヒータ４は加熱部の一例、回転軸５は基板回転機構の一例である。

上記シャワーヘッド５０は、基板２に対向するように設けられていて、底部となるシャワープレート２１を持っている。また、上記シャワープレート２１には、III族系ガスを成長室１０に供給するためのIII族系ガス供給部３１と、Ｖ族系ガスを成長室１０に供給するためのＶ族系ガス供給部４１とを設けている。また、上記シャワーヘッド５０はヒータ４の熱を受けて高温となる。このため、上記シャワーヘッド５０の熱ダメージを低減できるように、シャワーヘッド５０に水冷部２２を設けている。また、上記水冷部２２は、水冷装置２４から水冷水供給管２３を介して水冷水を供給を受けることができるようになっている。

上記サセプタ３は成長室１０内で基板２を保持する。このサセプタ３に保持された基板２の上面(シャワーヘッド５０側の表面)は、シャワーヘッド５０の底面(シャワープレート２１の下面)に触媒１３を介して対向すると共に、シャワーヘッド５０の底面に対して平行となる。

上記触媒１３は、タングステンからなるメッシュ形状体であり、シャワーヘッド５０が噴出したＶ族系ガスを分解して活性種を生成する。また、上記触媒１３は、シャワープレート２１に設けられた触媒支持部１４に着脱可能に支持されて、シャワープレート２１と基板２との間に位置している。上記タングステンはＶ族系ガスの一例であるＮＨ_３(アンモニア)ガスの活性化に有効である。

上記ヒータ４は基板２を間接的に加熱する。つまり、上記ヒータ４の熱がサセプタ３を介して基板２に伝わる。これにより、上記基板２の温度は室温から１４００℃までの範囲内で任意に調整可能となっている。

上記回転軸５は回転可能に設置されており、回転軸５の反応炉１外の他端はアクチュエータ(図示せず)に接続されている。この回転軸５が回転すると、基板２の上面がシャワーヘッド５０の底面との平行を保ちながら、基板２およびサセプタ３が回転する。

また、上記ＭＯＣＶＤ装置は、III族元素を含むIII族系ガスの供給源となるIII族系ガス供給源３４と、III族系ガス供給源３４からシャワーヘッド５０へIII族系ガスを案内するIII族系ガス供給管３２と、III族系ガス供給源３４からシャワーヘッド５０へのIII族系ガスの導入量を調整する調整するIII族系ガス用マスフローコントローラ３３と、Ｖ族元素を含むＶ族系ガスの供給源となるＶ族系ガス供給源４４と、Ｖ族系ガス供給源４４からシャワーヘッド５０へＶ族系ガスを案内するＶ族系ガス供給管４２と、Ｖ族系ガス供給源４４からシャワーヘッド５０へのＶ族系ガスの導入量を調整する調整するＶ族系ガス用マスフローコントローラ４３とを備えている。ここで、上記III族元素としては、例えば、Ｇａ(ガリウム)、Ａｌ(アルミニウム)またはＩｎ(インジウム)などがある。また、上記III族系ガスとしては、例えば、ＴＭＧ(トリメチルガリウム)ガス、ＴＭＡ(トリメチルアルミニウム)ガスまたはＴＭＩ(トリメチルインジウム)ガスなどの有機金属ガスがある。また、上記Ｖ族元素としては、例えば、Ｎ(窒素)、Ｐ(リン)またはＡｓ(ヒ素)などがある。また、上記Ｖ族系ガスとしては、例えば、ＮＨ₃(アンモニア)ガス、ＰＨ₃(ホスフィン)ガスまたはＡｓＨ₃ (アルシン)ガスなどの水素化合物ガスなどがある。

上記III族系ガスとＶ族系ガスとは、サセプタ３上に設置された基板２の上面(シャワーヘッド５０側の表面)に対して鉛直上方から噴射される。

上記III族系ガス用マスフローコントローラ３３およびＶ族系ガス用マスフローコントローラ４３は、制御部(図示せず)で制御される。

また、上記ＭＯＣＶＤ装置は、反応炉１内のガスを反応炉１外に排気するための排ガス処理装置９と、この排ガス処理装置９に一端が接続されたパージライン８とを備えている。

上記排ガス処理装置９は、反応炉１内のガスをガス排出管７およびパージライン８を介して導入して無害化する。このガス排出管７の一端は反応炉１に接続されている一方、ガス排出管７の他端はパージライン８の中間部に接続されている。なお、上記パージライン８の中間部はパージライン８の一端と他端との間の部分である。

また、上記ＭＯＣＶＤ装置は、基板２の上面に対して平行な方向に紫外光を平行光束として出射して、シャワーヘッド５０が噴出したＶ族系ガスをシャワーヘッド５０と基板２との間で励起する紫外光光源１２を備えている。

上記紫外光光源１２は、反応炉１外に設置された低圧水銀ランプである。また、上記紫外光光源１２が出射した紫外光は、反応炉１の隔壁に設けられた紫外光導入窓１１から成長室１０内に入って、触媒１３と基板２との間に入射して、基板２近傍でＶ族系ガスを励起する。

上記構成のＭＯＣＶＤ装置では、ＩｎＧａＮ薄膜を製造する場合、III族系ガスとしてＴＭＧガスおよびＴＭＩガスとを使用する一方、Ｖ族系ガスとしてＮＨ_３ガスを使用する。

より詳しくは、上記III族系ガス供給源３４からIII族系ガス供給管３２およびシャワーヘッド５０を通じて成長室１０に、ＴＭＧガスおよびＴＭＩガスを供給する。このとき、上記ＴＭＧガスおよびＴＭＩガスのキャリアガスとして窒素ガスを使用する。また、上記III族系ガス供給源３４からシャワーヘッド５０へのガスの流量はIII族系ガス用マスフローコントローラ３３で５００ｓｃｃｍに調節する。また、上記ＴＭＩガスの気相比を０．３に設定する。

一方、上記Ｖ族系ガス供給源４４からＶ族系ガス供給管４２およびシャワーヘッド５０を通じて成長室１０に、ＮＨ_３ガスを供給する。このとき、上記ＮＨ_３ガスのキャリアガスとして窒素ガスを使用する。また、上記Ｖ族系ガス供給源４４からシャワーヘッド５０へのガスの流量はＶ族系ガス用マスフローコントローラ４３で１０ｓｌｍに調節する。

また、上記水冷装置２４は、２５℃の水冷水を水冷部２２に３０Ｌ/ｍで供給して、シャワーヘッド５０の温度上昇を抑える。

また、上記サセプタ３上には、２インチサファイア基板上にＧａＮを５μｍ積層したＧａＮテンプレートを基板２として設置する。

また、上記アクチュエータおよび回転軸５によって、サセプタ３を３０ｒｐｍで回転させる。

また、上記基板２の温度を６００℃から８５０℃までの間で２５℃刻みで変えて、１１種類のＩｎＧａＮ薄膜を製造する。

また、上記成長室１０にＴＭＧガス、ＴＭＩガスおよびＮＨ_３ガスを供給している状態で、成長室１０内の圧力を７００Ｔｏｒｒで一定に保つ。

また、上記紫外光光源１２は、基板２の上面に平行となうように、波長２５４ｎｍ，照度２０ｍＷ／ｃｍ^２の紫外光の平行光束を基板２上に出射する。

このような条件で、上記基板２上に５０ｎｍのＩｎＧａＮ薄膜が得られる時間保持した後、紫外光光源１２の紫外光の出射を止め、サセプタ３の温度を室温まで降下させた。

その結果、図２のように、Ｉｎ組成比が基板温度に異存するＩｎＧａＮ薄膜が得られた。

図２の比較例１は、上記ＭＯＣＶＤ装置から触媒１３を除去して、他の条件を本実施例と同様にして製造したＩｎＧａＮ薄膜についての例である。

図２の比較例２は、上記ＭＯＣＶＤ装置から紫外光光源１２を除去して、他の条件を本実施例と同様にして製造したＩｎＧａＮ薄膜についての例である。

上記実施例と比較例１，２の結果から、本実施例の方がより高温まで高Ｉｎ組成比のＩｎＧａＮ薄膜の形成が可能であることがわかる。一般に、窒素化合物半導体では、高温で成長させる方が結晶性、特性が良いとされていることから、本実施例のＭＯＣＶＤ装置は、結晶性、特性が良好なＩｎＧａＮ薄膜を製造できる。

本実施例のＭＯＣＶＤ装置で製造したＩｎＧａＮ薄膜の結晶性、特性が良好であることを示すため、下表１のＰＬ(フォトルミネッセンス)発光の半値幅の比較を行った。

上記表１より、Ｉｎ組成比ｘが０．２５であるＩｎＧａＮ薄膜に関して、本実施例のＩｎＧａＮ薄膜は、半値幅が小さく、結晶性が良いことが判った。

また、上記表２のＩｎＧａＮ薄膜を使用して、ＬＥＤ素子を形成した場合の出力の比較を下表２に示す。

上記表２からも、本実施例のＭＯＣＶＤ装置で製造したＩｎＧａＮ薄膜の結晶性、特性が良好であることが判る。

すなわち、本実施例のＭＯＣＶＤ装置は、触媒１４と紫外光との相乗効果により、ＮＨ_３ガスによる活性種を増やして、Ｉｎ組成比が高くて高品質なＩｎＧａＮ薄膜を製造できる。

また、上記基板２への電子の照射がないので、基板２へのダメージを防ぐことができる。

また、上記紫外光光源１２は、紫外光を、触媒１４と基板２との間に入射するように出射して、ＮＨ_３ガスを基板２近傍で励起するので、ＩｎＧａＮ薄膜の成膜効率を上げることができる。

また、上記シャワーヘッド５０が成長室１０にＮＨ_３ガスを供給するので、基板温度を低温にしても、ＩｎＧａＮ薄膜の結晶性の低下を防ぐことができる。

また、上記触媒が、タングステンからなるので、ＮＨ_３ガスを効果的に活性化することができる。

また、上記紫外光光源１２が出射する紫外光の波長が２５４ｎｍであるので、ＮＨ_３ガスを効果的に励起できる。

また、上記ＩｎＧａＮ薄膜の成膜を回転軸５を回転させながら行う場合、シャワープレート２１が基板２の上面に対して平行であるので、ＩｎＧａＮ薄膜を均一な膜にすることができる。

また、上記触媒１３は、シャワープレート２１に設けられた触媒支持部１４に着脱可能に支持されているので、ＮＨ_３ガスを触媒１３に確実に当てて、ＮＨ_３ガスによる活性種を効率良く生成することができると共に、触媒１３の交換を容易に行うことができる。

上記実施例において、Ｐｔ、Ｗ、Ｍｏ、ＮｉおよびＦｅからなる群より選ばれる単体、または、Ｐｔ、Ｗ、Ｍｏ、ＮｉおよびＦｅからなる群より選ばれる少なくとも一つを含有している材料からなる触媒を用いてもよい。

上記実施例において、波長２７０ｎｍ以下の紫外光を出射する紫外光光源を用いてもよい。

上記実施例において、基板２の上方に、基板２の上面に対して略垂直な方向に紫外光を出射する紫外光光源を設置してもよい。この場合、上記紫外光光源は、成長室１０内に設置しもよいし、成長室１０外に設置してもよい。

上記実施例において、基板２の温度を６００度以上８００度未満にした状態で、シャワーヘッド５０が成長室１０にＴＭＧガス、ＴＭＩガスおよびＮＨ_３ガスを供給すると共に、紫外光光源１２が基板２上に紫外光を出射するようにして、基板２上にＩｎＧａＮ薄膜を成膜してもよい。

１…反応炉
２…基板
３…サセプタ
４…ヒータ
５…回転軸
６…被覆板(ヒータカバー)
７…ガス排気部
８…パージライン
９…排ガス処理装置
１０…成長室
１１…紫外線導入窓
１２…紫外線光源
１３…触媒
１４…触媒支持部
２１…シャワープレート
２２…水冷部
２３…水冷水供給管
２４…水冷装置
３１…III族系ガス供給部
３２…III族系ガス供給管
３３…III族系ガス用マスフローコントローラ
３４…III族系ガス供給源
４１…Ｖ族系ガス供給部
４２…Ｖ族系ガス供給管
４３…Ｖ族系ガス用マスフローコントローラ
４４…Ｖ族系ガス供給源
５０…シャワーヘッド

Claims (7)

1. 成長室と、
   上記成長室内に設けられ、基板を保持する基板保持部と、
   上記基板を加熱する加熱部と、
   上記基板に対向するように設けられ、III族系ガスおよびＶ族系ガスを噴出するガス噴出部と、
   上記基板保持部と上記ガス噴出部との間に配置されていると共に、上記ガス噴出部が噴出したＶ族系ガスを分解して活性種を生成する触媒と、
   上記基板の表面に対して平行な方向に紫外光を出射して、上記ガス噴出部が噴出したＶ族系ガスを上記ガス噴出部と上記基板との間で励起する紫外光光源と
   を備えることを特徴とする気相成長装置。
2. 請求項１に記載の気相成長装置において、
   上記紫外光光源は、上記紫外光を、上記触媒と上記基板との間に入射するように出射して、上記Ｖ族系ガスを上記基板近傍で励起することを特徴とする気相成長装置。
3. 請求項１または２に記載の気相成長装置において、
   上記Ｖ族系ガスがアンモニアを含有していることを特徴とする気相成長装置。
4. 請求項１から３までのいずれか一項に記載の気相成長装置において、
   上記触媒が、Ｐｔ、Ｗ、Ｍｏ、ＮｉおよびＦｅからなる群より選ばれる単体、または、Ｐｔ、Ｗ、Ｍｏ、ＮｉおよびＦｅからなる群より選ばれる少なくとも一つを含有している材料であることを特徴とする気相成長装置。
5. 請求項１から４までのいずれか一項に記載の気相成長装置において、
   上記紫外光の波長が２７０ｎｍ以下であることを特徴とする気相成長装置。
6. 請求項１から５までのいずれか一項に記載の気相成長装置において、
   上記基板を回転させる基板回転機構を備え、
   上記ガス噴出部はシャワープレートを有し、
   上記シャワープレートは上記基板の表面に対して平行であることを特徴とする気相成長装置。
7. 請求項６に記載の気相成長装置において、
   上記触媒は、上記シャワープレートに設けられた触媒支持部に着脱可能に支持されていることを特徴とする気相成長装置。

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