JP3574494B2 - 窒素化合物半導体結晶成長方法および成長装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、窒素化合物半導体結晶の成長方法および成長装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、窒素化合物半導体の結晶成長では、ＭＢＥ法（分子ビーム成長法）やＭＯＶＰＥ法（有機金属化学気相成長法）などが行われている。特に、Ｔｗｏ−Ｆｌｏｗ ＭＯＶＰＥ法により、高品質なＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮを成長させ、高輝度青色ＬＥＤがデバイスとして商品化されている。
【０００３】
このＴｗｏ−Ｆｌｏｗ ＭＯＶＰＥ法は、例えばＧａＮの成長の場合、従来のＭＯＶＰＥ法と同様、常圧下において加熱した基板上に、横方向からトリメチルガリウム、アンモニアそして水素からなる反応性ガスのメインフローを流すのと同時に、基板上方からメインフローを基板表面におさえつけるように窒素と水素からなるサブフローを流して成長を行う方法である。こうして基板表面への反応性ガスの供給効率を高め、均質な結晶成長を促している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような、従来の窒素化合物半導体の結晶成長方法においては、アンモニア等のガスから反応に寄与する活性化窒素を作り出す効率が大変低く、窒素化合物半導体結晶を約４μｍ／時の成長レートで成長するために、約１０リットル／分といった大量のアンモニアを流さなくてはならなかった。このため、原料や排気処理に莫大な費用を要していた。
【０００５】
本発明は、上記を鑑みてなされたものであり、原料ガスの消費量を低減できる窒素化合物半導体結晶の成長方法を提供することを目的とする。
【０００６】
また、本発明は、本発明の窒素化合物半導体結晶の成長方法を好適に実施できる窒素化合物半導体結晶の成長装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の窒素化合物半導体結晶成長方法は、窒素の供給源として窒素原子を含む気体を用いる窒素化合物半導体結晶成長方法であって、（ａ）残留蒸気圧が１０^-3Torr程度以下の雰囲気中で基板を加熱する第１の工程と、（ｂ）基板を第１の温度に設定しながら、基板の表面を第１の成長室内で第２の温度に設定された窒素原子を含む気体にさらし、基板の表面に窒素を化合させる第２の工程と、（ｃ）基板の温度を第１の温度よりも低い第３の温度に設定しながら、基板の表面を第２の成長室内で第４の温度に設定された成長させるべきＧａを含む気体にさらし、基板の表面にＧａを堆積または蒸着する第３の工程と、（ｄ）Ｇａが堆積または蒸着された基板の表面に加熱を行いながら、基板の表面を第１の成長室内で加熱された窒素原子を含む気体にさらす第４の工程と、（ｅ）基板の表面を第１の成長室内で加熱された窒素原子を含む気体にさらしながら、基板を第５の温度に設定し、窒素化合物半導体の初期層を形成する第５の工程と、（ｆ）窒素化合物半導体の初期層が形成された基板の表面に加熱を行いながら、第２の成長室内で第６の温度に設定された成長させるべきＧａと窒素原子とを含む気体にさらし、初期層の表面に窒素化合物半導体層を成長させる第６の工程と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
ここで、窒素原子を含む気体には、アンモニア基を有するアンモニア若しくはターシャルブチルアミンの化合物気体、または窒素、窒素ラジカル、若しくは窒素イオンを含む気体を使用可能である。
【０００９】
また、基板には、サファイア、ＢＮ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、またはＺｎＯから成る基板を使用可能である。
【００１０】
本発明の窒素化合物半導体結晶成長装置は、（ａ）基板の鉛直下方の表面を露出させて収納するととともに、基板に加熱を行う基板収納部と、（ｂ）窒素原子を含む気体に加熱を行う、鉛直上方が開放された第１の成長室と、（ｃ）成長させるべきＧａおよび窒素原子を含む気体に加熱を行うとともに、鉛直上方が開放され、Ｇａ金属が導入される内側中空部、及び窒素原子を含む気体が供給される外側中空部を有して構成された第２の成長室と、（ｄ）基板収納部で露出された基板の表面を、第１の成長室の開放部の上方ないし第２の成長室の開放部の上方へ移動する駆動部と、（ｅ）基板収納部、第１の成長室、第２の成長室、および駆動部を収納するとともに、内部の残留蒸気圧が１０^-3Torr程度以下とする真空槽と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
【作用】
本発明の窒素化合物半導体結晶の成長方法では、原料ガスを、加熱や光照射もしくはその両方が可能な第１および第２の成長室内に閉じ込め、加熱や光照射もしくはその両方により分解および活性化し、同時に基板の加熱や基板表面への光照射もしくはその両方により活性化して、基板表面上に、良質の窒素化合物半導体の結晶を成長させることにより、原料ガス、特に窒素の供給源ガスの分解効率を高めている。
【００１２】
原料ガスを成長室に閉じ込めて分解、活性化するために、原料ガスの成長薄膜への供給効率を高め、原料ガスの消費量を格段に減少させることができる。
【００１３】
本発明の窒素化合物半導体結晶の成長装置は、基板を加熱および基板表面への光照射もしくはその両方が可能な基板収納部、加熱や光照射もしくはその両方が可能な第１および第２の成長室、基板の露出表面を第１および第２の成長室の開放部に配置する駆動部とを備えるので、本発明の窒素化合物半導体結晶の成長方法を好適に実施する。
【００１４】
【実施例】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施例を説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１５】
本実施例は、アンモニアとＧａ単体からサファイア基板上にＧａＮを成長する場合ものである。
【００１６】
図１は、本実施例の窒素化合物半導体結晶成長で使用する、本発明の窒素化合物半導体結晶成長装置の構成図を示す。図１に示すように、この装置は、（ａ）基板の鉛直下方の表面を露出させて収納するととともに、サファイア基板９００に加熱および光照射を行う基板収納部１００と、（ｂ）窒素ガスを含む気体に加熱を行う、鉛直上方が開放された成長室２００と、（ｃ）成長させるべき陽イオン元素材料および窒素ガスを含む気体に加熱を行うとともに、鉛直上方が開放された成長室３００と、（ｄ）基板収納部で露出された基板の表面を、第１の成長室の開放部の上方ないし第２の成長室の開放部の上方へ移動する基板ステージ４００と、（ｅ）基板収納部、第１の成長室、第２の成長室、および駆動部を収納するとともに、内部の残留蒸気圧が１０^−３Ｔｏｒｒ程度以下とする真空槽５００と、を備えることを特徴とする。
【００１７】
基板収納部１００は、▲１▼基板ホルダ１１０と、▲２▼基板ホルダ１１０を収納する、鉛直下方が開放された石英管１２０と、▲３▼石英管１２０に巻かれたタングステン線からなる基板ヒータ１３０と、▲４▼石英管１２０と基板ヒータ１３０との回りを取り囲むステンレス管１４０とを備える。ステンレス管１４０は加熱効率を高める。
【００１８】
成長室２００は、▲１▼底のある石英管２１０と、▲２▼石英管２１０に巻かれたタングステン線からなるヒータ２２０と、▲３▼石英管２１０とヒータ２２０との回りを取り囲むステンレス管２３０とを備える。ステンレス管２３０は加熱効率を高める。石英管２１０には、アンモニアを供給する石英管２４０が挿入されている。
【００１９】
成長室３００は、▲１▼二重底構造をした石英管３１０と、▲２▼石英管３１０に巻かれたタングステン線からなるヒータ３２０と、▲３▼石英管３１０とヒータ３２０との回りを取り囲むステンレス管３３０とを備える。ステンレス管３３０は加熱効率を高める。石英管３１０の外側中空部には、アンモニアを供給する石英管３４０が挿入されている。
【００２０】
基板ステージ４００と、成長室２００、３００のギャップは任意に設定でき、また基板ステージ４００は成長室１、２の上を自由にスライドすることができる。
【００２１】
なお、サファイア基板の温度は、サファイア基板に接触させた熱電対６００でモニタでき、成長室２００、３００の底部と開口部とには同じく熱電対が接触されていて温度をモニタすることができる。
【００２２】
本実施例では、以下のようにして窒素化合物半導体結晶を成長させる。
【００２３】
まず、石英管３１０の内側中空部にＧａ金属を導入した後、真空槽５００内の残留蒸気圧を１０^−６Ｔｏｒｒ台まで真空引きを行い、不純物ガスを排気する。
【００２４】
次に、サファイア基板９００を成長室２００上部に移動して、ヒータ２２０により、基板９００を１０００℃に加熱して、不純物を蒸発させ、サーマルクリーニングを施す（図２（ａ）参照）。
【００２５】
引き続き、基板９００の温度はそのままにして、成長室２００の温度を８８０℃まで上げ、アンモニアを１０ｃｃ／ｍｉｎ の流量で導入し、３０分間、基板９００の表面に窒素を化合させる（図２（ｂ）参照）。
【００２６】
次いで、アンモニアの供給を止め、成長室２００上部から基板９００をはずし、５５０℃まで温度を下げる。この間に、成長室３００の底部および開口部の温度を８１０℃として、Ｇａの蒸気圧を安定化させ、この成長室３００上部に基板９００を移動して、基板温度を５５０℃に保ち、１〜１０分の間、Ｇａの蒸着膜を基板１００の表面に堆積させる（図２（ｃ）参照）。
【００２７】
次に、再度、成長室２００にアンモニアを１０ｃｃ／ｍｉｎ 供給し、流量が安定した後、基板９００を成長室３００上部から成長室２００上部に移動し、この状態で１分間保持し、後にこの状態から基板９００の温度を９１０℃まで３分間程度で上昇させ、９１０℃で１分間保持して、表面にＧａＮ単結晶の初期層を形成する（図２（ｄ）参照）。
【００２８】
この後、成長室３００の底部の温度を８７０℃まで下げ、開口部の温度は９１０℃のままとして、アンモニアを１０ｃｃ／ｍｉｎ 供給して、状態の安定したところで、基板９００を成長室３００上部にセットして、所望の厚さになるまで成長を行う（図２（ｅ）参照）。
【００２９】
所望の厚さの得られる時間経過後、成長室３００から基板９００をはずして、成長を停止する。
【００３０】
本発明は、上記の実施例に限定されるものではなく、変形が可能である。例えば、上記実施例では基板として、サファイア基板を使用したが、ＢＮ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、またはＺｎＯのいずれかから成る基板を使用しても同様に良質の窒素半導体の形成が可能である。また、上記実施例では窒素半導体をＧａＮとしたが、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＧａＩｎＮ、またはＧａＡｌＮも同様にして成長可能である。
【００３１】
【発明の効果】
本発明の窒素化合物半導体結晶成長方法および窒素化合物半導体結晶成長装置によれば、原料ガスを成長室に閉じ込めて成長を行うため、原料ガスの分解効率を高くすることができ、原料ガスの消費量を格段に少なくすることができる。
【００３２】
また、成長表面における成長源の蒸気圧が高く保たれるため、成長表面からの原子の解離等を防ぎ、点欠陥の生成を抑制する。また成長過程が疑似平衡状態で行われるので、均質な膜の成長を促す。
【００３３】
また、成長薄膜の膜厚を自由に設計することができ、超格子構造の作製が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の窒素化合物半導体結晶成長装置の構成図である。
【図２】本発明の実施例の窒素化合物半導体結晶成長方法の工程図である。
【符号の説明】
１００…基板収納部、１１０…基板ホルダ、１２０…石英管、１３０…基板ヒータ、１４０…ステンレス管、２００，３００…成長室、２１０，３１０…石英管、２２０，３２０…ヒータ、２３０，３３０…ステンレス管、２４０，３４０…石英管、４００…基板ステージ。
代理人弁理士 長谷川 芳樹

Claims (4)

1. 窒素の供給源として窒素原子を含む気体を用いる窒素化合物半導体結晶成長方法であって、
   残留蒸気圧が１０^-3Torr程度以下の雰囲気中で基板を加熱する第１の工程と、
   前記基板を第１の温度に設定しながら、前記基板の表面を第１の成長室内で第２の温度に設定された前記窒素原子を含む気体にさらし、前記基板の表面に窒素を化合させる第２の工程と、
   前記基板の温度を前記第１の温度よりも低い第３の温度に設定しながら、前記基板の表面を第２の成長室内で第４の温度に設定された成長させるべきＧａを含む気体にさらし、前記基板の表面にＧａを堆積または蒸着する第３の工程と、
   Ｇａが堆積または蒸着された前記基板の表面に加熱を行いながら、前記基板の表面を前記第１の成長室内で加熱された前記窒素原子を含む気体にさらす第４の工程と、
   前記基板の表面を前記第１の成長室内で加熱された前記窒素原子を含む気体にさらしながら、前記基板を第５の温度に設定し、窒素化合物半導体の初期層を形成する第５の工程と、
   前記窒素化合物半導体の初期層が形成された前記基板の表面に加熱を行いながら、前記第２の成長室内で第６の温度に設定された成長させるべきＧａと窒素原子とを含む気体にさらし、前記初期層の表面に前記窒素化合物半導体層を成長させる第６の工程と、
   を備えることを特徴とする窒素化合物半導体結晶成長方法。
2. 前記窒素原子を含む気体は、アンモニア基を有するアンモニア若しくはターシャルブチルアミンの化合物気体、または窒素、窒素ラジカル、若しくは窒素イオンを含む気体である、ことを特徴とする請求項１記載の窒素化合物半導体結晶成長方法。
3. 前記基板は、サファイア、ＢＮ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、またはＺｎＯから成る、ことを特徴とする請求項１記載の窒素化合物半導体結晶成長方法。
4. 基板の鉛直下方の表面を露出させて収納するととともに、基板に加熱を行う基板収納部と、
   窒素原子を含む気体に加熱を行う、鉛直上方が開放された第１の成長室と、
   成長させるべきＧａおよび窒素原子を含む気体に加熱を行うとともに、鉛直上方が開放され、Ｇａ金属が導入される内側中空部、及び窒素原子を含む気体が供給される外側中空部を有して構成された第２の成長室と、
   前記基板収納部で露出された前記基板の表面を、前記第１の成長室の開放部の上方ないし前記第２の成長室の開放部の上方へ移動する駆動部と、
   前記基板収納部、前記第１の成長室、前記第２の成長室、および前記駆動部を収納するとともに、内部の残留蒸気圧が１０^-3Torr程度以下とする真空槽と、
   を備えることを特徴とする窒素化合物半導体結晶成長装置。

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