JP3994130B2 - Ｉｉｉ−ｖ族化合物半導体製造装置及びｉｉｉ−ｖ族化合物半導体の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の厚膜を基板上に成膜するためのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置及びＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を有する発光素子を製造する場合、ＩＩＩ−Ｖ族化合物を成長させるための成長用基板としてサファイアを用いることが多い。
【０００３】
しかし、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体とサファイアとの格子定数及び熱膨張係数が異なるために、サファイア基板上に成膜されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層に、１０⁹〜１０¹⁰ｃｍ^-3の濃度の貫通転位が生じる。このような貫通転位が増加すると、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を有する発光素子の発光層に、Ｉｎ組成の揺らぎやドーパントの活性層への拡散等の現象が発生し、発光素子の素子特性、寿命、信頼性が低下する。
【０００４】
貫通転位を増加させる格子定数及び熱膨張係数の差異による影響を抑えるため、サファイヤ基板上にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の厚膜を成長させた後に、その厚膜の上に発光素子層を成長させる試み、また、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶を成長用基板として用いるために、厚さが３００μｍ以上のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の厚膜を作製する試みがなされている。このようなＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の厚膜を成膜する場合、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体膜の成膜速度を大きくすることが生産性の向上を図る上で重要となる。
【０００５】
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の厚膜を成膜する場合、成膜速度が大きく、結晶性が比較的良好な膜が得られる成膜方法として、Hydride Vapor Phase Epitaxy 法（以下、ＨＶＰＥ法）と呼ばれる成膜方法が知られている。
【０００６】
このＨＶＰＥ法によって、窒化物系ＩＩＩ‐Ｖ族化合物半導体であるＧａＮ膜を成膜する方法について説明する。
【０００７】
図２７は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を製造するＨＶＰＥ装置１の断面図、図２８は、図２７のＲ−Ｒ’線に沿う断面図である。
【０００８】
このＨＶＰＥ装置１は、ＧａＮを結晶化して基板上に成膜させるための反応場となる水平状態に配置された円筒状の反応容器２を有し、この反応容器２の内部には、反応容器２の中心軸付近に水平状態で配置されたＩＩＩ族原料であるＧａ原料を供給する１本のＩＩＩ族原料供給管３と、反応容器２の中心軸と同心の円周上に所定間隔を空けて水平状態で配置されたＶ族原料であるＮ原料を供給する３本のＶ族原料供給管４と、Ｖ族原料供給管４が配置された円周と同一の円周上に水平状態で配置されたドーピング原料を供給する１本のドーピング原料供給管５とが設けられている。
【０００９】
このＩＩＩ族原料供給管３及びＶ族原料供給管４及びドーピング原料供給管５のそれぞれの原料ガスの吹出し口となる各管の先端から所定距離離れた位置には、結晶成長用の基板１０１を固定するための円板状のサセプタ６が設けられている。サセプタ６は、カーボン（Ｃ）材によって円板状に形成され、その表面側が基板１０１を保持するための保持面６ａとなっている。この保持面６ａと反対側の面には、サセプタ６を回転自在に支持する回転軸７が設けられている。このサセプタ６の保持面６ａは、各原料供給管３〜５の延出方向とほぼ平行になるようにほぼ水平になっている。したがって、サセプタ６の保持面６ａの法線方向ベクトル（垂直下向きを正とする）ＡとＩＩＩ族原料供給管３の先端部分における原料が通過する方向のベクトル（ＩＩＩ族原料の進行方向を正とする）Ｂとのなす角度（α角）を、９０°としている。
【００１０】
このＨＶＰＥ装置１によってＧａＮの結晶を成長させるには、まず、反応容器２の外側に設けられる図示しない加熱ヒータによって、反応容器２を加熱することにより、サセプタ６上に固定された基板１０１の温度を約１０００℃に維持する。
【００１１】
ＩＩＩ族原料供給管３から放出させるＧａの原料としては、ＧａＣｌが用いられる。ＩＩＩ族原料供給管３には、所定の位置にＧａ金属を貯蔵するＩＩＩ族原料貯蔵部７を有しており、ＧａＣｌガスは、約７７０℃に加熱したＩＩＩ族原料貯蔵部７上にＨＣｌがスを導入して、Ｇａ金属とＨＣｌが、下記の（１）式に示す化学反応により反応することにより発生する。
【００１２】
Ga（液体）＋HCl（気体）→GaCl（気体）＋1/2H₂（気体） (1)
発生したＧａＣｌガスは、ＩＩＩ族原料供給管３の先端部に形成した石英製のＧａＣｌ吹出口３ａから放出される。
【００１３】
このＧａＣｌガスの吹出しと同時に、Ｎ原料ガスであるＮＨ₃ガスが、Ｖ族原料供給管４の先端に形成した石英製のＮＨ₃ガス吹出し口４ａから放出される。両原料供給管３及び４から放出されるＧａＣｌガス及びＮＨ₃ガスは、下記の（２）式で表される化学反応により、ＧａＮの結晶を生成し、基板１０１の表面上にＧａＮ膜が成膜される。
【００１４】
GaCl（気体）＋NH₃（気体）→GaN（固体）＋HCl（気体）＋H₂（気体） (2)
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＧａＮに代表されるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の厚膜を、成膜速度が速いＨＶＰＥ法によって成長させる場合、特に、直径２インチ程度の大きい基板上に成膜させる場合には、基板上に吹き付けられる各原料ガスを、基板に対して均一に供給しなければ、基板面内に不均一な膜厚の分布が生じる。このために、それぞれのガスの流量を制御することが、均一な膜を得る上で重要である。
【００１６】
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の厚膜をＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を結晶成長させるための基板として使用する場合、ＧａＮの結晶膜の膜厚が均一であることは不可欠であることから、各原料ガス供給管から吹出されるガスの流量を精密に制御することは、特に重要である。
【００１７】
しかし、上記のＨＶＰＥ装置１では、各原料吹出口３ａ、４ａ、５ａ、特に、ＩＩＩ族原料吹出口３ａから放出される各原料の基板１０１に対する入射角度及び基板１０１と各原料吹出口３ａ、４ａ、５ａとの距離に関する最適化が行われておらず、各原料の基板１０１の表面への流れを均一に制御することが困難である。
【００１８】
また、基板１０１に厚膜を成長させるために、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の原料を長時間にわたって放出すると、サセプタ６、各原料吹出口３ａ、４ａ、５ａ等にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の塊が付着する。
【００１９】
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の付着物の塊が、サセプタ６、各原料吹出口３ａ、４ａ、５ａ等に付着すると、付着物となるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体とサセプタ６、各原料吹出口３ａ、４ａ、５ａ等を構成する材料（主として石英）との熱膨張の違いにより、サセプタ６、各原料吹出口３ａ、４ａ、５ａ等に割れが生じるおそれがある。また、付着物の塊が各原料吹出口３ａ、４ａ、５ａをふさいで、正常な流量のガスが放出されないおそれがある。この場合には、基板１０１上に膜を正常に結晶成長させることができない。
【００２０】
このような付着物の塊の生成は、基板１０１上に成長するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の成長速度と大きな関係があり、特に、基板１０１上でのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体膜の成膜速度が速い場合、サセプタ６、各原料吹出口３ａ、４ａ、５ａ等にＩＩＩ−Ｖ族化合物の付着物の塊が生成し易くなってくることが顕著である。このことは、上記ＨＶＰＥ法のみならず、成長速度が１０μｍ／ｈｒ以上の高い成長速度を示す有機金属気相成長法（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ：以下、ＭＯＣＶＤ法と記す）によって結晶成長を行った場合にも生じる。
【００２１】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、基板面内に均一な膜厚のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の厚膜を結晶成長させるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体半導体製造装置及び均一な膜厚のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の厚膜を結晶成長させるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体半導体の製造方法を提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置は、ＨＶＰＥ法または成長速度が１０μｍ／ｈｒ以上であるＭＯＣＶＤ法によってＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を結晶成長させるための反応容器と、該反応容器内において基板を保持する基板保持具と、前記反応容器内においてＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のＩＩＩ族原料を前記基板保持具に保持された基板に向かって吹き出すためのＩＩＩ族原料供給管と、前記反応容器内において該ＩＩＩ族原料供給管に沿って配置されて前記基板に向かってＶ族原料を吹き出すためのＶ族原料供給管とを有し、前記ＩＩＩ族原料供給管は、前記基板保持具に保持された前記基板の中心軸線に沿った中心線方向ベクトル（基板表面から裏面への方向を正）と、該ＩＩＩ族原料供給管のＩＩＩ族原料が吹出される方向に沿ったＩＩＩ族原料吹出し方向ベクトル（ＩＩＩ族原料が吹き出される方向を正）とのなす角度が５°〜１５°の範囲になるように配置されているとともに、前記基板保持具に保持された前記基板表面の中心部分と、前記ＩＩＩ族原料供給管のＩＩＩ族原料吹出し部分との距離が５ｍｍ〜２００ｍｍの範囲になるように配置されており、前記Ｖ族原料供給管は、吹き出される前記Ｖ族原料と、前記ＩＩＩ族原料供給管から吹き出される前記ＩＩＩ族原料とが前記基板との間で混合されるとともに前記基板との間の気相中において反応しないように該基板に対して所定の距離をあけて配置されていることを特徴とする。
【００２３】
このような構成により、請求項１の発明は、結晶成長を行う基板に対して供給される原料ガスの流れを制御することが容易になり、均一な膜厚を有する厚膜のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を製造することができる。
【００２４】
請求項２は、請求項１に記載のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置において、前記Ｖ族原料供給管が複数設けられており、該Ｖ族原料供給管のそれぞれと前記ＩＩＩ族原料供給管との間隔が等しくなっている。
【００２６】
請求項３は、請求項１または２に記載のIII‐Ｖ族化合物半導体製造装置において、ドーピング用の原料を供給するドーピング原料供給管をさらに具備するものである。
【００２７】
このことにより、ＩＩＩ族及びＶ族原料と共にドーピング用原料を供給することができる。
【００２８】
請求項４は、請求項３に記載のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置において、前記ドーピング原料供給管は、前記ドーピング原料供給管の原料吹出し部分と、前記基板保持具に保持された基板の中心部分との距離が、５ｍｍ〜２００ｍｍの範囲になるように配置されているものである。
【００２９】
このことにより、より一層、ドーピング用原料ガスと他の原料ガスとの気相中での相互反応を抑制することができる。
【００３０】
請求項５は、請求項３または４に記載のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置において、前記基板保持具の表面部分、前記ＩＩＩ族原料供給管及び前記Ｖ 族原料供給管及び前記ドーピング原料供給管のそれぞれの原料吹出し部分が、ＰＢＮによりコーティングされた材質により構成されているものである。
【００３１】
このことにより、基板保持具の表面部分に付着するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の塊が自然に剥がれ落ち、基板保持具、ＩＩＩ族原料供給管及びＶ族原料供給管及びドーピング原料供給管のそれぞれの原料吹出し部分の割れを防ぐことができ、また、窒化物系化合物半導体の塊がそれぞれの表面に付着しないために、各原料の流れを阻害することがなく、安定してＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体厚膜を成長させることができる。
【００３２】
請求項６は、請求項３または４に記載のＩＩＩ−Ｖ族化合物化合物半導体製造装置において、前記基板保持具の表面部分、前記ＩＩＩ族原料原供給管及 び前記Ｖ族原料供給管及び前記ドーピング原料供給管のそれぞれの原料吹出し部分が、炭化シリコン（ＳｉＣ）、炭化タンタル（ＴａＣ）、ボロン化窒素（ＢＮ）のいずれかによりコーティングされた材質により構成されているものである。
【００３３】
このような構成により、基板保持具、ＩＩＩ族原料原供給管及びＶ族原料供給管及びドーピング原料供給管のそれぞれの原料吹出し部分がの割れを防ぐことができ、また、基板保持具に付着したＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の塊が、結晶成長毎に容易に加熱処理により除去することができるため、安定にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体厚膜を成長させることができる。
【００３４】
請求項７は、請求項３または４に記載のＩＩＩ−Ｖ族化合物化合物半導体製造装置において、前記基板保持具の表面部分、前記ＩＩＩ族原料原供給管及 び前記Ｖ族原料供給管及び前記ドーピング原料供給管のそれぞれの原料吹出し部分が、炭化シリコン（ＳｉＣ）、炭化タンタル（ＴａＣ）、ボロン化窒素（ＢＮ）のいずれかにより、内部まで浸透された材質により構成されているでものである。
【００３５】
このような構成により、基板保持具、ＩＩＩ族原料原供給管及びＶ族原料供給管及びドーピング原料供給管のそれぞれの原料吹出し部分の割れを防ぐことができ、また、基板保持具に付着したＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の塊が、結晶成長毎に容易に加熱処理により除去することができるため、安定にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体厚膜を成長させることができる。
【００３６】
請求項８は、請求項１〜７のいずれかに記載のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置において、ＩＩＩ族原料供給管から吹出されるＩＩＩ族原料は、ＩＩＩ族元素のハロゲン化物、Ｖ族原料供給管から吹出されるＶ族原料は、ＮＨ₃であるものである。
【００３７】
このことにより、膜厚が均一な厚膜の窒化物系化合物半導体膜を成長させることができる。
【００３８】
請求項９は、請求項１〜７のいずれかのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置を用い、前記ＩＩＩ族原料供給管からＩＩＩ族元素のハロゲン化物を、前記Ｖ族原料供給管からＮＨ₃を、それぞれ吹出させて、前記基板保持具に保持された前記基板上に前記ＩＩＩ族元素の窒化物を結晶成長させることを特徴とするものである。
【００３９】
このことにより、膜厚が均一な厚膜の窒化物系化合物半導体膜を成長させることができる。
【００４０】
なお、本発明において、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体とは、Ｖ族元素が窒素であるＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体のことを示しており、例えば、ＧａＮ、ＢＮ、ＡｌＮ、Ａｌα‐Ｇａ（１‐α）Ｎ（０＜α＜１）、ＩｎＮ、Ｉｎβ‐Ｇａ（１‐β）Ｎ（０＜β＜１）、ＩｎγＧａδＡｌ（１‐γ‐δ）Ｎ（０＜γ＜１、０＜δ＜１）等がある。
【００４１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置及びＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造方法について、図面に基づき詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置１０の概略を説明する断面図、図２は、図１のＡ−Ａ’線に沿う断面図をそれぞれ示している。
【００４２】
このＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置１０は、ＩＩＩ族原料及びＶ族原料を充填し、加熱処理することにより結晶成長させる反応場となる水平状態に配置された円筒状の反応容器１２を有し、この反応容器１２の内部に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を結晶成長させるための基板１０１を垂直状態で保持するサセプタ１６と、垂直状態に保持された基板１０１に向けてＩＩＩ族原料を供給する水平状態に配置された１本のＩＩＩ族原料供給管１３と、Ｖ族原料を供給する水平状態に配置された３本のＶ族原料供給管１４と、ドーピング原料を供給するドーピング原料供給管１５とが設けられている。反応容器１２の外部には、反応容器１２の外周面に沿うように加熱ヒータ１８が設けられており、反応容器１２全体を外周面から加熱する。
【００４３】
ＩＩＩ族原料供給管１３は、円筒状の反応容器１２の中心軸に沿って水平状態で設けられており、矢印Ｃで示す方向にＩＩＩ族原料を進行させる。また、ＩＩＩ族原料ガス供給管１３の所定の位置には、ＩＩＩ族原料を発生させるためのＩＩＩ族原料を貯蔵するＩＩＩ族原料貯蔵部１７を有している。
【００４４】
３本のＶ族原料供給管１４は、反応容器１２の中心軸と同心の内周円上にそれぞれ所定間隔を空けて、ＩＩＩ族原料ガス供給管１３を取り囲むように水平状態で配置されている。各Ｖ族原料供給管１４は、矢印Ｄで示す方向に、Ｖ族原料を進行させる。
【００４５】
また、このＶ族原料供給管１４が配置された円周と同一の円周上に、ドーピング原料を供給するための１本のドーピング原料供給管１５が水平状態で設けられている。３本のＶ族原料供給管１４と１本のドーピング原料供給管１５とは、それぞれ等しい間隔を空けて配置されている。ドーピング原料供給管１５は、矢印Ｅに示す方向に沿って、ドーピング原料を進行させる。
【００４６】
各原料供給管１３〜１５の先端部には、各原料を吹出す吹出ノズル１３ａ〜１５ａがそれぞれ設けられている。各吹出ノズル１３ａ〜１５ａは、それぞれカー ボン材（Ｃ）によって形成され、表面にはＰＢＮが２００ｎｍの膜厚でコーティングされている。
【００４７】
サセプタ１６は、各原料供給管１３〜１５に対向するように垂直方向に沿うように配置されており、各原料供給管１３〜１５に対向した表面には、基板１０１を保持するための保持爪１６ａが設けられている。サセプタ１６の裏面側には、サセプタ１６の中心軸に沿って回転軸１６ａが設けられており、回転軸１６ａの回転によってサセプタ１６が回転される。サセプタ１６は、カーボン材（Ｃ）により形成され、その表面には、ＰＢＮを２００ｎｍの膜厚でコーティングされている。
【００４８】
反応容器１２の一端には、各原料供給管１３〜１５から導入された未反応の原料ガス及びキャリアガスを排気するガス排気口１９が設けられており、未反応の原料ガス及びキャリアガスが順次、このガス排気口１９から図示しない排ガス処理装置に排出され、この排ガス処理装置によって排ガス処理が施された後、大気に放出される。
【００４９】
図３は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置１０のＩＩＩ族原料供給管１３及び基板１０１を保持した状態のサセプタ１６の周辺を拡大して示す概略断面図である。
【００５０】
基板１０１は、中心線に沿ったベクトルＡ（ＩＩＩ−Ｖ族化合物が積層される表面から裏面に向かう方向を正とする）Ａが、ＩＩＩ族原料ガス供給管１３の原料吹出ノズル１３ａの軸心線１３ｂに沿ってＩＩＩ族原料が吹き出される原料供給方向ベクトルＢ（ＩＩＩ族原料が吹き出される方向を正とする）に対してなす角度（以後、α角とする）と、ＩＩＩ族原料供給管１３のＩＩＩ族原料吹出ノズル１３ａの軸心線１３ｂからサセプタ１６に保持されている基板１０１の中心１０１ａまでの距離（以後、距離Ｓとする）とを任意に設定することができるように、移動可能になっている。なお、初期条件としては、距離Ｓが２５ｍｍ、α角が０°にそれぞれ設定される。
【００５１】
以下、上記構成のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置１０を用いて、基板１０１にＩＩＩ−Ｖ族半導体の厚膜を成膜する方法について、ＧａＮ厚膜の成膜を例として説明する。
【００５２】
まず、Ｃ面を有する２インチ径のサファイアから形成された基板１０１を、アセトン、アルコールによって洗浄した後、反応容器１２内のサセプタ１６に保持爪１６ａによって垂直状態で固定する。基板１０１は、距離Ｓが２５ｍｍ、α角が０°となるように設置されている。
【００５３】
なお、基板１０１としては、サファイア基板のほか、サファイア基板上にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を薄く成膜したもの、または、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、Ｓｉ等を用いてもよい。
【００５４】
次に、反応容器１２の内部を真空引きし、その後、大気圧になるまで、反応容器１２内に窒素ガスを充填する。
【００５５】
次に、サセプタ１６の回転軸１６ｂを回転駆動することにより、基板１０１を１回転／分程度の回転速度で回転させながら、加熱ヒータ１８を稼働させ、Ｖ族原料供給管１４及びドーピング原料供給管１５のそれぞれの原料供給ノズル１４ａ及び１５ａから、合計１０Ｌ／分の窒素ガスを流しながら、基板１０１の温度を１１００℃まで昇温する。また、ＩＩＩ族原料供給管１３のＩＩＩ族原料貯蔵部１７にＧａ金属を貯蔵しておき、ＩＩＩ族原料貯蔵部１７を８００℃程度に加熱する。各部の温度が安定した時点で、ＩＩＩ族原料供給管１３に、ＨＣｌガスを１００ｃｃ／分の流量で導入する。ＩＩＩ族原料供給管１３内に導入されたＨＣｌガスは、ＩＩＩ族原料貯蔵部のＧａと反応して、ＧａＣｌガスを発生し、ＩＩＩ族原料供給ノズル１３ａから、ＧａＣｌガスが吹き出される。
【００５６】
ＩＩＩ族原料供給管１３にＨＣｌガスを導入し始めてから約３分経過した後、Ｖ族原料供給管１４からＮＨ₃ガスを５Ｌ／分の流量で吹き出させる。各原料ガス供給管１３及び１４及び１５から吹き出されるＧａＣｌとＮＨ₃とが反応して、基板１０１上にＧａＮ結晶を生成して、膜の成長が開始される。
【００５７】
ドーピング原料供給管１５から供給されるガスは、ＧａＮ膜の電気伝導の特性をｐ型にする際には、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（以下、Ｃｐ₂Ｍｇと記す）等が吹き出される。他方、ＧａＮ膜の電気伝導の特性をｎ型にする際には、ジシクロシラン（以下、ＳｉＨ₂Ｃｌ₂と記す）等が吹き出される。以下、本実施の形態１では、ｎ型半導体を製造する場合について説明する。
【００５８】
Ｖ族原料ガス供給管１４からＮＨ₃ガスを供給した後、直ちに、水素ガスにより１００ｐｐｍに希釈したジシクロシラン（以下、ＳｉＨ₂Ｃｌ₂と記す）を２０ｃｃ／分の流量で吹き出させ、キャリアガスとして窒素ガスを２Ｌ／分の流量で導入し、ｎ型ＧａＮ膜を成長させた。１時間ＧａＮ結晶を成長させた後、加熱ヒータ１８による加熱を低下させると共に、ＩＩＩ族原料供給管１３から放出されているＨＣｌガスおよび窒素ガスと、ドーピング原料供給管１５から供給しているＳｉＨ₂Ｃｌ₂の供給を停止し、基板１０１の温度が４００℃になるまで降温する。
【００５９】
基板１０１の温度が４００℃以下になった後、Ｖ族原料供給管１４より供給するガスをＮＨ₃から窒素に変換し、反応容器１２内の温度を室温まで降温した後、ＧａＮ膜を成長させた基板１０１をサセプタ１６から取り出す。
【００６０】
図４に、本実施の形態１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置１０により成長させたＧａＮ膜の膜厚分布図を示す。基板１０１の中心１０１ａの膜厚は１００μｍとなり、基板１０１の中心１０１ａと基板１０１の外周面から５ｍｍ中心寄りの位置との膜厚差Δｄは、最も大きな個所でも５μｍ以下であり、均一性のよい膜厚のＧａＮ膜が得られた。また、ＧａＮ厚膜はｐ型電導特性を示し、電子濃度は３×１０¹⁹ｃｍ^-3であった。
【００６１】
一方、比較のために、従来の半導体製造装置である図２７に示すＨＶＰＥ装置１を用いて、本実施の形態１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置１０と同様の方法により、基板の中央部の膜厚が１００μｍ程度になるように、ＧａＮ膜を形成した。
【００６２】
図２９に、この場合のＧａＮ膜の膜厚分布図を示す。基板の周縁部における膜厚は、６０μｍ程度となり、膜厚の均一性が基板の中心部分から周縁部にかけて大きく悪化していることが分かった。
【００６３】
これは、従来のＨＶＰＥ装置１では、基板表面に対して吹き付けられるガスの角度が小さいために、ガス同士が均一に混合されず、さらに、ガスが流れる方向とサセプタとが平行に近く、原料ガスの分子や原子がサセプタ上でマイグレーションする距離が長くなるために、サセプタ等へ付着するＧａＮが多くなる。これらのために、膜厚の均一性を促進するガス流れを阻害し、膜厚分布が不均一になったと考えられる。一方、本実施の形態１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置１０で結晶成長を行った場合には、各原料供給管１３及び１４及び１５のそれぞれの原料吹出口１３ａ及び１４ａ及び１５ａからのガスの流れと基板との角度との関係から、ガス同士が均一に混合されるために、均一性のよい膜厚分布が得られたと考えられる。
【００６４】
次に、距離Ｓを、３ｍｍ、５ｍｍ、１０ｍｍ、２５ｍｍ、５０ｍｍ、１００ｍｍ、１５０ｍｍ、２００ｍｍ、２５０ｍｍのそれぞれに設定した場合において、α角を種々変更し、均一な膜厚を得るための、最適な距離Ｓ及びα角について調べた。
【００６５】
ここで、ＧａＮ膜の成膜に使用されるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置は、上記に説明したＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置１０を使用し、基板１０１上に成膜されるＧａＮの膜厚分布は、基板（φ２インチ）１０１の中心１０１ａ付近のＧａＮ膜厚が１００μｍのときの基板１０１の中心１０１ａと周縁部（外周面から５ｍｍの位置）との膜厚差Δｄを指標としている。
【００６６】
図５〜図７は、距離Ｓ及びα角と膜厚分布Δｄとの関係を示すグラフである。
【００６７】
図５に示すグラフより、距離Ｓが５ｍｍより小さいと、基板１０１表面の膜厚分布が大きくなり、膜厚の均一性が悪化していることが分かった。これは、距離Ｓが５ｍｍよりも小さくなると、ＧａＣｌガスが基板１０１に到達するまでの距離Ｓが短いために、ＮＨ₃ガスとＧａＣｌガスが充分に混合できていないことが原因であると考えられる。
【００６８】
また、図７に示すグラフより、距離Ｓが２００ｍｍより大きい場合も、基板１０１表面の膜厚分布が大きくなり、膜厚の均一性が悪化していることが分かった。これは、距離Ｓが２００ｍｍよりも大きくなると、ＧａＣｌガスとＮＨ₃ガスとが気相中で反応し、ＧａＮ結晶の微粒子が基板１０１の中心部分１０１ａに付着し、中心１０１ａでＧａＮ膜が異常成長することが原因であると考えられる。
【００６９】
また、図５〜図７の各グラフから、α角が約４０°以上になると、基板１０１表面の膜厚分布が大きくなり、膜厚の均一性が悪化していることが分かった。これは、α角が約４０°以上になると、基板１０１へのガス供給の角度が浅くなるために、ガス同士が均一に混合されていないこと、さらにガスが流れる方向と基板１０１の表面とが平行に近づき、原料ガスの分子や原子が基板１０１表面上でマイグレーションする距離が長くなり、その結果、サセプタ１６等へ付着するＧａＮが多くなって、サセプタ１６に付着するＧａＮ結晶がガス流れを阻害することにより、膜厚の均一性を促進されなくなることが原因であると考えられる。この結果から、α角は、０°〜４０°程度の範以内であれば、均一な膜厚の結晶膜が得られることが分かった。
【００７０】
さらに、最適なα角に関して検討した。すなわち、α角を０°、２．５°、５．０°として、厚さ１００μｍのＧａＮ結晶膜をそれぞれ成膜し、各結晶膜にＸ線を照射すると、半値全幅（ＦＷＨＭ）の平均は、２２０ａｒｃｓｅｃ.程度であったが、α角が５°、１０°、１５°であるときのＦＷＨＭは、それぞれ１９５ａｒｃｓｅｃ．程度となり、また、α角が１５°、２５°、４０°のときには、それぞれ２５０ａｒｃｓｅｃ．程度となることが分かった。この結果、ＧａＮの結晶性も考慮に入れ、α角は、５°〜１５°の範囲であることが好ましいことが分かった。これは、α角が５°〜１５°の範囲にあれば、各原料ガスを混合する効果と、基板表面に対して所定角度（α角）傾いたガス流れが生じ、反応原子のマイグレーションが促進させる効果とのバランスが取れるためであると考えられる。
【００７１】
以上の結果により、ＩＩＩ族原料供給管１３と基板１０１表面との距離Ｓは、５ｍｍ〜２００ｍｍ程度の範囲であることが好ましく、ＩＩＩ族原料供給管１３と基板１０１表面の中心軸との角度であるα角は、０°〜４０°程度の範囲であることが好ましく、５°〜１５°程度の範囲であれば、さらに好ましいことが分かった。
【００７２】
次に、ドーピング用原料を供給するドーピング原料供給管１５の原料吹出ノズル１５ａの中心部分と基板１０１表面の中心１０１ａとの距離Ｄを変化させることにより、ＧａＮ膜にドーピングされるドーピング原料のドーピング量を調べた。このドーピング原料としては、ＳｉＨ₂Ｃｌ₂を使用した。
【００７３】
図８は、距離ＤとＧａＮ膜のドーピング量との関係を示すグラフである。
【００７４】
図８に示すグラフから、距離Ｄが５ｍｍ以下、または、２００ｍｍ以上のときに、ドーピング量が大きく減少していることが分かった。これは、５ｍｍ以下の場合、ＳｉＨ₂Ｃｌ₂の分解が十分でなく、ＳｉＨ₂Ｃｌ₂が直接基板１０１に接触し、この基板１０１上にてＨＣｌと反応した赤茶色の化合物が生成して消費されたためと考えられる。また、距離Ｄを２００ｍｍ以上にした場合、ガスの混合は促進されるが、基板１０１に到達する前に、気相反応により、ＮＨ₃等と反応して、周辺治具等にＮＨ₄Ｃｌ等が析出し、消費されたためと考えられる。
【００７５】
さらに、ドーピング原料、ドーピング原料供給管１５、ドープング原料供給管１５の原料吹出ノズル１５ａの形状、サセプタ１６上の基板１０１とのなす角度を種々変更しても、ほぼ５ｍｍ以下、２００ｍｍ以上辺りから、同様の結果が得られた。したがって、距離Ｄは、５ｍｍ〜２００ｍｍ程度の範囲であることが好ましいことが分かった。
【００７６】
次に、本実施の形態１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置における、ＩＩＩ族原料供給管１３及びＶ族原料供給管１４及びドーピング原料供給管１５の配置例を、図９〜図１５にそれぞれ示す。
【００７７】
図９〜図１５は、それぞれ反応容器１２の横断面図である。
【００７８】
図９では、円筒状の反応容器１２の中心軸に沿って１本のＩＩＩ族原料ガス供給管１３を配置し、ＩＩＩ族原料供給管１３を中心とした上下の対称な位置にＶ族原料供給管１４をそれぞれＩＩＩ族原料供給管１３と平行に配置している。なお、２本のＶ族原料供給管１４のうち１本を保護ガス供給管２０に置き換えてもよい。
【００７９】
図１０では、反応容器１２の中心軸から下方にずれた位置に１本のＩＩＩ族原料供給管１３を水平状態で配置し、このＩＩＩ族原料供給管１３を中心とした上下の対称な位置にＶ族原料供給管１４及びドーピング原料供給管１５をそれぞれ配置して、Ｖ族原料供給管１４を反応容器１２の中心軸付近に配置している。なお、ドーピング原料供給管１５に代えてＶ族原料供給管１４を配置してもよい。
【００８０】
図１１では、反応容器１２の中心軸に沿って、１本のＩＩＩ族原料供給管１３を配置し、このＩＩＩ族原料供給管１３を取り囲むように、反応容器１２の中心軸と同軸の円周上に、等しい間隔を空けて、２本のＶ族原料ガス供給管１４及び１本のドーピング原料供給管１５を配置している。なお、ドーピング原料供給管１５に代えてＶ族原料供給管１４を配置してもよい。
【００８１】
図１２では、反応容器１２の中心軸に沿ってＩＩＩ族原料供給管１３を配置しこのＩＩＩ族原料供給管１３を中心として上下の対称な位置でＶ族原料供給管１４及びドーピング原料供給管１５をそれぞれ配置している。そして、ＩＩＩ族原料供給管１３には、窒素等の不活性ガスを供給する保護ガス供給管２０が、ＩＩＩ族原料供給管１３を取り囲むように同心状態で嵌合されている。保護ガス供給管２０は、ＩＩＩ族原料供給管１３から吹き出されるＩＩＩ族原料と、Ｖ族原料供給管１４から吹き出されるＶ族原料とが、基板１０１の表面以外の部分で反応することを防ぐために設けられている。
【００８２】
図１３では、反応容器１２の中心軸に沿って１本のＩＩＩ族原料供給管１３を配置し、このＩＩＩ族原料供給管１３を内部に同心状態で嵌合するようにドーピング原料供給管１５が配置されており、さらにドーピング原料供給管１５を内部に同心状態で嵌合するように、Ｖ族原料供給管１４が配置されている。この場合、ドーピング原料供給管１５に代えて保護ガス供給管２０を配置してもよい。
【００８３】
図１４では、反応容器１２の中心軸から下方にずれた位置に１本のＩＩＩ族原料供給管１３を配置し、ＩＩＩ族原料供給管を取り囲む円周上に３本のＶ族原料供給管１４及び１本のドーピング原料供給管１５を等しい間隔を空けて配置して、１本のＶ族原料供給管１４を反応容器１２の中心軸付近に配置するとともに、ドーピング原料供給管１５を反応容器１２の下部に配置している。なお、３本のＶ族原料供給管１４のうち１本を保護ガス供給管２０に置き換えてもよい。
【００８４】
図１５では、反応容器１２の中心軸に沿ってＩＩＩ族原料供給管１３を配置し、さらに、このＩＩＩ族原料供給管１３を内部に同心状態で嵌合したＶ族原料供給管１４を配置して、二重管構造とし、さらに、このＶ族原料供給管１４の下方に、ドーピング原料供給管１５を配置している。なお、Ｖ族原料供給管１４とドーピング原料供給管１５とを相互に入れ換えて配置するようにしてもよい。
【００８５】
以上、図９〜図１５に示すＩＩＩ族原料供給管１３及びＶ族原料供給管１４及びドーピング原料供給管１５の配置においても、距離Ｓが５ｍｍ〜２００ｍｍの範囲、α角が０°〜４０°の範囲内であれば、前述のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置１０と同様に均一な膜厚のＧａＮ膜を得ることができる。
【００８６】
図１６は、ＩＩＩ族原料供給管１３及びＶ族原料供給管１４及びドーピング原料供給管１５を有する他の構造のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置３０の断面図、図１７は、図１６のＧ−Ｇ’線に沿った断面図である。
【００８７】
このＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置３０は、円筒状の反応容器１２の中心軸に沿ってＩＩＩ族原料供給管１３が水平状態で配置されており、このＩＩＩ族原料供給管１３の下方にドーピング原料供給管１４が水平状態でを配置されている。そして、ＩＩＩ族原料供給管１３及びドーピング原料供給管１５を取り囲むように、円筒状の反応容器１２とほぼ同心状態でＶ族原料供給管１４が配置されている。Ｖ族原料供給管１４内には、Ｖ族原料が図１６の矢印Ｈで示す方向に放出され、また、ドーピング原料供給管１５内には、ドーピング原料が同じく矢印Ｉで示す方向に放出される。ＩＩＩ族原料供給管１３の端部は、Ｖ族原料供給管１４の端部内に位置されており、その端部は、ＩＩＩ族原料が矢印Ｂの方向に吹き出される先端側にさるにつれて径が広くなったテ−パ形状になっている。なお、図１６では、反応容器１２を加熱する加熱ヒータ１８は、図面を見やすくするため、省略している。
【００８８】
ＩＩＩ族原料供給管１３及びＶ族原料供給管１４をこのように配置することにより、ＩＩＩ族原料供給管１３のテ−パ形状になった端部から放出されるＩＩＩ族原料は、Ｖ族原料供給管１４内を流れるＶ族原料に向かって吹き出されることになり、ＩＩＩ族原料とＶ族原料との混合性能を向上させることができる。
【００８９】
図１８は、ＩＩＩ族原料供給管１３及び及びドーピング原料供給管１５を有する、さらに他の構造のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置４０の断面図、図１９は、図１８のＪ−Ｊ’線に沿った断面図である。
【００９０】
このＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置４０は、図１６及び図１７に示すＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置３０に対して、ＩＩＩ族原料供給管１３の径が小さくなっており、また、Ｖ族原料供給管１４の端部が、基板１０１の径にほぼ等しくなるように、大きな直径になっている。また、ＩＩＩ族原料供給管１３の端部は一定の直径となっている。その他の構成は、図１６及び図１７のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置３０と同様になっている。
【００９１】
このような構成のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置４０では、Ｖ族原料供給管１４の端部の直径が基板１０１の直径と同様の大きさになるように大きくなっているために、ＩＩＩ族原料供給管１３から放出されるＩＩＩ族原料がＶ族原料と効率よく混合される。
【００９２】
これらのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置３０及び４０を用いても、距離Ｓが５ｍｍ〜２００ｍｍの範囲、α角が０°〜４０°の範囲であることを満たしていれば、均一性に優れたＧａＮの厚膜を得ることができる。
【００９３】
以上、ＩＩＩ族原料ガス供給管１３のＩＩＩ族原料吹出ノズル１３ａとサセプタ１６との位置関係に関して説明してきたが、ＩＩＩ族原料供給管１３とＶ族原料供給管１４との位置関係を変えても、ＩＩＩ族原料供給管１３が、距離Ｓが５ｍｍ〜２００ｍｍの範囲、α角が０°〜４０°の範囲であれば、均一性のよい膜厚のＧａＮ膜を得ることができる。
【００９４】
ただし、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の成長速度は、ＩＩＩ族原料を供給する速度によってほぼ規定されるため、ＩＩＩ族原料供給管１３と基板１０１とのなす角度（α度）よりも、ＩＩＩ族原料供給管１３と基板１０１と距離Ｓの方が、結晶成長、特に膜厚均一性に大きく関与する。
【００９５】
〈サセプタ１６及びサセプタ１６を支持するための治具の材質〉
ＨＶＰＥ装置、成長速度が１０μｍ／ｈｒ以上であるＭＯＣＶＤ装置等の窒化物系化合物半導体の成長速度が大きい半導体製造装置では、サセプタ１６、サセプタ支持用の治具等に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物による析出物が塊となって付着する。サセプタ１６、サセプタ１６を支持するサセプタ支持用治具等をカーボン材、石英等を主体として構成すると、するサセプタ１６、サセプタ１６を支持するサセプタ支持用治具等は、析出物がサセプタ１６等に固着することによって、サセプタ１６等を形成する材料の材質と析出物との熱膨張の違いにより、サセプタ１６等に割れが生じてしまう場合がある。特に、石英製の治具に至っては、析出物が一回付着するだけで破損するおそれがある。
【００９６】
また、サセプタ１６、サセプタ支持用の治具等をカーボン材を主体として構成すると、石英に比べると、割れが生じることは少ないが、Ｖ族原料であるＮＨ₃ガスによって劣化し、カーボンダストを発生して、このカーボンダストを核として、ＧａＮ結晶が異常成長するために、成膜される膜厚の均一性が低下する。
【００９７】
そこで、本実施の形態１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置においては、ＮＨ₃、ＧａＣｌ等の原料ガス、また、Ｈ₂ガス等のキャリアガスが直接当たる部分であるサセプタ１６、サセプタ支持用の治具等の材料として、カーボン材の表面にＳｉＣまたはＴａＣをコートした材質、ＳｉＣ、ＴａＣ、ＢＮをカーボン材内部まで浸透させた、いわゆる含浸タイプの材質を使用している。このような材質を使用することにより、従来のカーボン材に比べて割れ、劣化が減少し、基板周辺のガス流れの変化が抑制され、膜厚の均一性をさらに向上することができる。
【００９８】
この材料をサセプタ１６等に使用した結果について説明する。
【００９９】
上記のサセプタ１６、サセプタ支持用治具を備えた本実施の形態１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置により、上記と同様の結晶成長方法を用いて、１００μｍの膜厚のＧａＮ成長を３回行い、その後、基板１０１を支持するために使用したサセプタ１６、サセプタ支持用治具等を取り外し、熱リン酸と硫酸の混合液中で加熱洗浄し、ＧａＮ結晶の成長中に付着したＧａＮの除去を行った。このような操作を所定回数繰り返し、ＮＨ₃、ＧａＣｌ等の原料ガス、Ｈ₂ガス等のキャリアガスが直接的に当たる部分であるサセプタ、サセプタ支持用治具等の材料の劣化を観察した。
【０１００】
カーボン材の表面にＳｉＣまたはＴａＣをコートしたカーボン材、ＳｉＣ、ＴａＣ、ＢＮをカーボン材内部まで浸透させた、いわゆる含浸タイプのカーボン材のいずれをサセプタ１６、サセプタ支持用治具の材質として用いても、ＧａＮの結晶成長を３回行う毎に、熱リン酸と硫酸との混合液により、サセプタ等に付着したＧａＮを除去処理するという成長、除去処理の一連の工程を２０回行っても、剥がれは確認されず、また、ＧａＮ膜の膜厚分布差は、３〜６μｍ程度であり、サセプタ支持用治具の劣化によるガスの流れの変化の影響も観察されなかった。さらに、上記操作を２０回行った後に、さらに結晶成長を行っても、ＧａＮ膜の膜厚分布差は、５〜６μｍ程度となり、サセプタ支持用治具の劣化によるガスの流れの変化による影響はほとんど観察されなかった。
【０１０１】
一方、カーボン密度を上げただけの従来のカーボン材を用いたサセプタ、サセプタ支持用治具を用いた場合には、ＧａＮの結晶成長を３回行った後、熱リン酸と硫酸との混合液により、サセプタ等に付着したＧａＮを除去処理する工程を１回行っただけで、カーボン材表面が脆くなって、サセプタ１６、サセプタ支持用治具の表面に剥がれが生じ、膜厚分布差は、１０〜１５μｍ程度になり、サセプタ等の劣化によるガス流れの悪化の影響が観察された。
【０１０２】
この結果は、ＳｉＣ、ＴｉＣ、ＢＮ等を蒸着等の方法によりコートしたカーボン材の場合、基板にＧａＮ結晶を成長させる操作中に、サセプタ、サセプタ支持用治具等に、ＧａＮ等の付着物が積層されても、サセプタ等の機械的強度が向上し、曲げ強度が３００ｋｇ／ｃｍ²になっているために、割れ、欠け等が発生することが抑えられ、また、熱リン酸混合液にも耐久性があるために、保護されていることによるものと考えられる。また、ＳｉＣ、ＴｉＣ、ＢＮ等を含侵したカーボン材についても、同様の理由が当てはまる。
【０１０３】
これに対して、図２７に示す従来型のＨＶＰＥ装置では、サセプタ、サセプタ支持用治具として、表面のカーボン密度を上げたカーボン材を材質とするものを用いても、ＧａＮの結晶成長を３回行う毎に、熱リン酸と硫酸との混合液によるサセプタ等に付着したＧａＮ結晶の付着物を除去処理するという成長、除去処理の一連の工程を５回行っても、問題が生じなかった。これは、従来型のＨＶＰＥ装置１では、ＧａＮ結晶を成長させる昇温条件下、及びＧａＮ膜結晶成長終了後の降温条件下に、ＮＨ₃、ＧａＣｌ等の原料ガス、Ｈ₂ガス等のキャリアガスがサセプタに対して垂直な方向から直接的に当たらないために、原料ガスがほぼ垂直にサセプタ等に当たる本実施の形態１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置１０ほどには、サセプタ支持用治具の劣化によるガス流れの悪化の影響が表われないためであると考えられる。
【０１０４】
したがって、ＳｉＣ、ＴｉＣ、ＢＮ等を蒸着等の方法でコートした材料、またはＳｉＣ、ＴｉＣ、ＢＮ等を含侵した材料を用いたサセプタ１６等は、本実施の形態１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置１０のように、原料ガス等を基板１０１に対してほぼ垂直な角度で入射する場合に、特に好ましい材料であることが分かった。
【０１０５】
以上説明したように、ＳｉＣ、ＴｉＣ、ＢＮ等を蒸着等の方法でコートした材料、またはＳｉＣ、ＴｉＣ、ＢＮ等を含侵した材料をサセプタ１６、サセプタ支持用治具に使用すると、サセプタ１６、サセプタ支持用治具の割れを防ぐことができ、サセプタ支持用治具の劣化によるガス流れが悪化せず、膜厚分布の少ないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体厚膜を成長させることができる。また、サセプタに付着したＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の付着物は、熱リン酸混合液等によって容易に除去することができる。
【０１０６】
カーボン材にコートされるＳｉＣの厚さは、５μＭ程度以下では、所望する機械的強度が得られず、また、５０００μｍ程度以上にしても、機械的強度の向上が認められず、材料の使用量が増加して高価になり好ましくない。このため、ＳｉＣの厚さは、５μｍ〜５０００μｍの範囲であることが好ましい。また、ＳｉＣ含侵の厚さは、同様の理由により、１μｍ〜１０００μｍの範囲であることが好ましい。
【０１０７】
さらに、同様の理由により、ＴａＣコートの厚さは、１μｍ〜１０００μｍの範囲であることが好ましく、ＴａＣ含侵の厚さは、０．２μｍ〜５００μｍの範囲であることが好ましい。ＢＮコートの厚さは、１μｍ〜３０００μｍの範囲であることが好ましく、ＢＮ含侵の厚さは、０．２μｍ〜６００μｍの範囲であることが好ましい。
【０１０８】
また、以上に説明したＳｉＣ、ＴｉＣ、ＢＮ等を蒸着等の方法でコートした材料、またはＳｉＣ、ＴｉＣ、ＢＮ等を含侵した材料を用いたサセプタ、サセプタ支持用治具は、ＨＶＰＥ装置だけでなく、ＭＯＣＶＤ装置にも同様に適用することができ、同様の効果が得られる。
【０１０９】
また、ＰＢＮをコートしたサセプタ１６、サセプタ支持用治具の耐久性、耐食性は、上記のＳｉＣ、ＴｉＣ、ＢＮ等を蒸着等の方法でコートした材料、またはＳｉＣ、ＴｉＣ、ＢＮ等を含侵した材料を用いたサセプタ、サセプタ支持用治具と同等であり、サセプタ、サセプタ支持用の治具の材質として、ＰＢＮコートしたカーボン材を使用してもよい。
【０１１０】
カーボン材にＰＢＮをコートすれば、その表面に窒化物が付着しても、ピンセット等で擦る程度で、容易に窒化物の付着物を剥離することができるために、サセプタ支持用治具等の表面部分に付着したＧａＮ結晶の塊は、自然に剥がれ落ち、サセプタ等の割れを防ぐことができる。さらに、ＧａＮ結晶の塊が付着しないために、この塊が原料ガスの流れを阻害することがないので、膜厚の均一性が高いＧａＮの厚膜を成長させることができる。
【０１１１】
ＰＢＮコートの厚さは、５μＭ程度以下では、コーティングしたＰＢＮがサセプタ等から剥がれ易くなり、５０００μｍ程度以上にしても、所望の機械的強度が得られず、材料の使用量が増加して高価になるため好ましくない。このため、ＰＢＮの厚さは、５μｍ〜５０００μｍの範囲であることが好ましい。
【０１１２】
なお、以上に説明したＰＢＮをコートしたカーボン材を使用したサセプタ、サセプタ支持用治具は、ＨＶＰＥ装置だけでなく、ＭＯＣＶＤ装置にも同様に適用することができ、同様の効果が得られる。
【０１１３】
〈ＩＩＩ族原料ガス供給管等の原料ガス吹出し部の材料〉
次に、ＩＩＩ族原料ガス供給管１３及びＶ族原料供給管１４及びドーピング原料供給管１５のそれぞれの原料を吹出す原料吹出ノズル１３ａ及び１４ａ及び１５ａに使用される材質について説明する。
【０１１４】
まず、各吹出ノズル１３ａ及び１４ａ及び１５ａの表面にＳｉＣコートしたカーボン材、ＳｉＣを含侵したカーボン材、ＴａＣコートのカーボン材、ＴａＣを含侵したカーボン材、ＢＮを含侵したカーボン材を使用した場合について説明する。
【０１１５】
各吹出ノズル１３ａ及び１４ａ及び１５ａをこれらの材料により形成すれば、耐久性及び耐食性が向上し、ＧａＮ結晶膜の膜厚均一性の向上に大きく寄与した。
【０１１６】
特に、本実施の形態１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置においては、各原料ガス供給管１３及び１４及び１５の各原料吹出ノズル１３ａ及び１４ａ及び１５ａも加熱されるため、各原料吹出ノズル１３ａ及び１４ａ及び１５ａの表面にＧａＮ結晶の塊が付着しやすくなっており、上記の材料を用いる効果が顕著であった。
【０１１７】
カーボン材にコート等されるＳｉＣ、ＴａＣ、ＢＮ等は、上記サセプタ等にコートされるＳｉＣ、ＴａＣ、ＢＮ等の許容される範囲の膜厚であることが好ましい。
【０１１８】
また、各原料吹出ノズル１３ａ及び１４ａ及び１５ａに使用される材質としては、カーボン材にＰＢＮをコートしたものを用いてもよい。
【０１１９】
この場合、ＰＢＮをカーボン材にコートすることにより、各原料吹出ノズル１３ａ及び１４ａ及び１５ａの表面に窒化物が付着しても、ピンセット等で擦る程度で、容易に窒化物の付着物を剥離することができるため、各原料吹出ノズル１３ａ及び１４ａ及び１５ａの表面部分に付着したＧａＮ結晶の塊は、自然に剥がれ落ち、各原料吹出ノズル１３ａ及び１４ａ及び１５ａの割れを防ぐことができる。さらに、ＧａＮ結晶の塊が付着しないために、この塊が原料ガスの流れを阻害することがないので、ウエハー内での膜厚の均一性が向上し、歩留まりも向上した。
【０１２０】
ここで、ＰＢＮコートの厚さは、５μｍ以下では、コーティングしたＰＢＮが剥離し易くなり、５００００μｍ以上にしても機械的強度の向上が認められず、材料の使用量が増加して高価になるため好ましくない。このため、ＰＢＮの厚さは、５μｍ〜５０００μｍの範囲であることが好ましい。
【０１２１】
（実施の形態２）
実施の形態２では、２枚以上のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の厚膜を、同時に製造するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置５０及びこのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置によるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の製造方法について、図面に基づき詳細に説明する。
【０１２２】
図２０は、６枚の基板１０１に同時に結晶成長させることができるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置５０の断面図、図２１は、図２１のＫ−Ｋ’線に沿った断面図である。
【０１２３】
このＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置５０は、ＩＩＩ族原料及びＶ族原料を基板１０１表面に供給し、加熱処理することにより基板１０１に結晶成長させる反応場となる円筒状の反応容器１２を有している。この反応容器１２の内部には、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を結晶成長させるための基板１０１を矢印Ｌに沿って回転可能に保持するサセプタ１６と、基板１０１に向けてＩＩＩ族原料を供給するＩＩＩ族原料供給管１３と、Ｖ族原料を供給するＶ族原料供給管１４と、ドーピング原料を供給するドーピング原料供給管１５とが設けられている。反応容器１２の外部には、反応容器１２の外周に沿うように、反応容器１２を加熱するための加熱ヒータ１８が設けられている。
【０１２４】
反応容器１２は、水平状態に配置された円板状の底板部１２ａを有し、この底板部１２ａ上に、底板部１２ａと同心状態になるように垂直状態に配置された円筒状の円筒部１２ｂが取り付けられている。この円筒部１２ｂは、上部を除いて一定の直径になっており、円筒部１２ｂの上部１２ｃは、上方に突出した半球形状に構成されている。円筒部１２ｂの最上部には、原料ガスを排気するための排気口１９が設けられている。
【０１２５】
反応容器１２の内部には、円筒部１２ｂの中心軸に沿って支軸５１が設けられており、この支軸５１の上端には、円板状に形成されたサセプタ装着台５２が、反応容器１２の円筒部１２ｂと同心状態で設けられている。
【０１２６】
このサセプタ装着台５２の下面には、６つのサセプタ１６がサセプタ装着台５２の中心軸と同心円上に等しい間隔を空けて設けられている。各サセプタ１６は、結晶成長時に膜の均一性を向上させるため、それぞれ矢印Ｌ方向に回転（自転）自在になっている。各サセプタ１６は、サセプタ装着台５２の下面側に設けられて、その下面に基板１０１がそれぞれ支持されるフェースダウン型となっており、結晶成長中に粉塵が発生しても、粉塵は下方に落下するために、結晶にピット等の欠陥が発生することを抑制することができる。
【０１２７】
上記のサセプタ装着台５２の下面に設けられた各サセプタ１６に対向して、６つのＩＩＩ族原料を供給するＩＩＩ族原料供給管１３及びドーピング材を供給するドーピング原料供給管１５が、ＩＩＩ族原料供給管１３を内部にした同心状態で嵌合された二重管５３がそれぞれ設けられている。また、各二重管５３には、各二重管５３を内部に同心状態で嵌合したＶ族原料供給管１４がそれぞれ設けられている。各二重管５３の所定の位置には、ＩＩＩ族原料を発生させるためのＩＩＩ族原料貯蔵部１７がそれぞれ設けられている。
【０１２８】
上記構成のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置５０により、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体としてＧａＮ膜を基板１０１に成膜する場合、ＩＩＩ族原料供給管１３からは、ＧａＣｌガスが吹き出される。このＧａＣｌガスは、ＩＩＩ族原料貯蔵部１７にＧａ金属を貯蔵しておき、ＩＩＩ族原料供給管１３内にＨＣｌガスを導入し、このＨＣｌガスがＩＩＩ族原料金属貯蔵部１７のＧａ金属と反応することにより発生され、ＩＩＩ族原料供給管１３の先端から吹き出される。また、Ｖ族原料供給管１４からは、ＮＨ₃ガスが基板１０１へ吹き出される。さらに、ドーピング原料は、ドーピング原料供給管１５を介して、基板１０１上に吹き出される。
【０１２９】
この場合、例えば、各基板１０１とＩＩＩ族原料供給管１３との位置関係は、距離Ｓを２５ｍｍ、α角を１０°になるように設定され、各基板１０１とドーピング原料供給管１５との位置関係は、距離Ｄが２５ｍｍになるように設定される。また、各サセプタ１６の回転は、３０回転／分程度の回転速度で回転される。
【０１３０】
また、サセプタ１６の表面部は、ＰＢＮ、ＳｉＣ、ＴａＣ、ＢＮのいずれかによりコーティングされ、Ｖ族原料ガス供給管１４、ＩＩＩ族原料供給管１３及びドーピング原料供給管１５の各原料が吹き出される端部の表面には、ＰＢＮ、ＳｉＣ、ＢＮのいずれかがコーティングされている。
【０１３１】
また、各原料のキャリア濃度は２×１０¹⁸ｃｍ^-3とされる。
【０１３２】
このような構成のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置５０を用いて、実施の形態１と同様の方法により、各基板１０１の中心部１０１ａで１００μｍの膜厚となるように、ＧａＮの結晶成長を行った結果、各基板１０１の中心部分１０１ａと端部との膜厚差Δｄは、６枚全てにおいて５μｍ以下であり、膜厚分布に関して、実施の形態１の１枚の基板１０１に成膜するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置１０により、ＧａＮ膜を製造する場合と同様に膜厚の均一性に優れたＧａＮ膜が得られた。
【０１３３】
その結果、６枚の基板１０１に結晶を同時に成長させる本実施の形態２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造においても、均一な膜厚のＧａＮ厚膜を成膜できることが分かった。
【０１３４】
このような構成のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置５０でも、実施の形態１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置１０と同様に、距離Ｓは５ｍｍ〜２００ｍｍの範囲、α角は０°〜４０°の範囲、距離Ｄは５ｍｍ〜２００ｍｍの範囲であることが好ましいことを確認している。
【０１３５】
また、本実施の形態２のＩＩＩ−Ｖ族半導体製造装置５０においても、サセプタ１６等、各原料供給管１３及び１４及び１５における各原料が吹き出される端部表面に、ＰＢＮ、ＳｉＣ、ＴａＣ、ＢＮ等をコーティングすることにより、ガス流れの変化を抑え、成長膜の膜厚均一性に大きく貢献する。
【０１３６】
次に、実施の形態２の他の構造のＩＩＩ−Ｖ族半導体製造装置６０について説明する。
【０１３７】
図２２は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置６０の水平方向断面図、図２３は、図２２のＭ−Ｍ’線に沿う断面図である。
【０１３８】
このＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置６０は、基板１０１を保持するためのサセプタ１６がサセプタ装着台５２の中心軸と同心の円周上に等間隔に６個設けられている。
【０１３９】
各サセプタ１６は、矢印Ｌ方向に回転（自転）可能に構成されているとともに、支軸５１を中心とした（矢印Ｎ）回転（公転）可能に構成されている。この矢印Ｎ方向の回転は、ＧａＮ膜の膜厚の均一性を向上させるために、３０回転／分程度で回転される。
【０１４０】
また、ＩＩＩ族原料を供給するＩＩＩ族原料供給管１３を内管とし、ドーピング原料を供給するドーピング原料供給管１５を外管とする二重管５３が、支軸５１を中心とする円周上に等間隔に３本設けられている。
【０１４１】
Ｖ族原料供給管１４は、反応容器１２の底板部１２ａ付近に設けられており、このＶ族原料供給管１４から吹き出されるＶ族原料は、反応容器１２の下端から反応容器１２の全体に拡散され、各サセプタ１６に保持された各基板１０１に到達される。
【０１４２】
また、各サセプタ１６に保持される各基板１０１とＩＩＩ族原料供給管１３との位置関係は、距離Ｓが２５ｍｍ、α角が１０°に設定され、各サセプタ１６に保持される各基板１０１とドーピング材供給管１５との位置関係は、距離Ｄが２５ｍｍになるように設定されている。また、各サセプタ１６及びＩＩＩ族原料供給管１３及びＶ族原料供給管１４及びドーピング材供給管１５の表面部は、ＰＢＮ、ＳｉＣ、ＴａＣ、ＢＮのいずれかによりコーティングされている。また、各原料ガスのキャリア濃度は２×１０¹⁸ｃｍ^-3とした。
【０１４３】
他の構成については、図２０及び図２１に示すＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置５０の構成と同一であるので、詳しい説明は省略する。
【０１４４】
このＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置６０を用いて、実施の形態１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置１０と同様の反応条件により、基板１０１の中心部１０１ａでの膜厚が１００μｍになるように、ＧａＮ膜を結晶成長させた。その結果、基板１０１の中心部分１０１ａと端部との膜厚差Δｄは、基板１０１の６枚全てにおいて７μｍ以下であり、膜厚分布に関して、実施の形態１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置１０によって、１枚の基板１０１にＧａＮ厚膜を製造する場合と同等の均一な膜厚のＩＩＩ−Ｖ族半導体の厚膜が得られた。
【０１４５】
この結果、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置６０も、６枚の基板１０１上に同時に結晶成長できることが分かった。
【０１４６】
このＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置６０においては、ＩＩＩ族原料及びドーピング材料を供給する二重管５３の設置数が、サセプタ１６に保持される基板１０１の枚数以下になっているが、各サセプタ１６が支軸５１の回りに公転可能になっているので、成長条件を最適化すれば、膜厚の均一性の良好なＧａＮ膜を得ることができる。
【０１４７】
また、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置６０は、実施の形態１のＩＩＩ−Ｖ族半導体製造装置１０と同様に、ＩＩＩ族原料供給管１３と基板１０１との位置関係は、距離Ｓが５ｍｍ〜２００ｍｍの範囲、α角が０°〜４０°の範囲、ドーピング材供給管１５と基板１０１との距離Ｄが、５ｍｍ〜２００ｍｍの範囲であることが最適であることを確認している。
【０１４８】
さらに、サセプタ１６等、ＩＩＩ族原料供給管１３、Ｖ族原料供給管１４、ドーピング材供給管１５における各原料が吹き出される端部表面に、ＰＢＮ、ＳｉＣ、ＴａＣ、ＢＮ等をコーティングすることにより、ガス流れの変化を抑え、成長膜の膜厚均一性に大きく貢献する。
【０１４９】
（実施の形態３）
本実施の形態３では、本発明のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造方法を利用したレーザダイオードを作製するＭＯＣＶＤ装置７０について、図面に基づいて説明する。
【０１５０】
図２４は、ＭＯＣＶＤ装置７０の概略図、図２５は、図２４のＰ−Ｐ’線に沿った断面図である。
【０１５１】
このＭＯＣＶＤ装置７０は、所望の基板上にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を結晶化して成膜させるための反応場となる反応容器となる石英フローライナー７１を有し、この石英フローライナー７１の内部には、結晶成長させる基板１０１を保持する円板状のサセプタ１６と、円筒状の石英フローライナー７１の中心軸に付近に設けられたＩＩＩ族元素供給管１３と、このＩＩＩ族原料供給管１３を中心とした対称な位置にそれぞれＩＩＩ族原料供給管１３に平行に配置されたＶ族原料供給管１４及びドーピング原料供給管１５とが設けられている。
【０１５２】
石英フローライナー７１は、水冷式の冷却ボックス７２の内部に備えられており、冷却ボックス７２の水冷により、石英フローライナー７１をその周囲から冷却する。
【０１５３】
また、石英フローライナー７１におけるサセプタ１６に近接した端面には、未反応の原料ガス及びキャリアーガスを排出する排気ガス出口７３が設けられており、この排気ガス出口７３は、石英フローライナー７１及び冷却ボックス７２の外部に引き出された排気用配管７４を介して排ガス処理装置７５に接続されている。
【０１５４】
サセプタ１６は、石英フローライナー７１の端面に回転自在に設けられた回転軸１６ｂに取り付けられており、サセプタ１６に保持される基板１０１が石英フローライナー７１の中心軸を軸として回転する。また、サセプタ１６は、カーボン材により構成され、その表面には、ＰＢＮがコーティングされている。
【０１５５】
また、サセプタ１６には、基板１０１を保持するための石英トレイ１６ｃが設けられている。サセプタ１６の内部には、炭素を材質とする熱電対により形成された抵抗加熱用ヒーター（図示せず）が配置されており、この抵抗加熱用ヒーターを加温することにより、基板１０１の温度を制御することができる。
【０１５６】
ＩＩＩ族原料ガス供給管１３の先端部は、サセプタ１６に対向する先端側に向かって徐々に径が広くなったＩＩＩ族原料吹出ノズル１３ａが設けられている。また、Ｖ族原料供給管１４及びドーピング原料供給管１５は、径の大きさは一定であり、サセプタ１６に対向する先端側において、基板１０１の中心１０１ａに向かうように設定されている。
【０１５７】
ＩＩＩ族原料供給管１３とサセプタ１６に保持される基板１０１との位置関係は、距離Ｓが５０ｍｍ、α角が０°に設定されている。また、ドーピング原料供給管１５とサセプタ１６に保持される基板１０１との位置関係は、距離Ｄが５０ｍｍに設定されている。
【０１５８】
各原料供給管１３及び１４及び１５の後端部は、石英フローライナー７１及び冷却ボックス７２の外部に設けられた原料入口７６を介して外部に導通されており、この原料入口７６を介して所望の原料ガスが各原料ガス供給管を通過して、石英フローライナー７１内に導入される。原料入口７６は、ＩＩＩ族原料を貯蔵するＩＩＩ族原料源７７、Ｖ族原料を貯蔵するＶ族原料源７８、ドーピング原料を貯蔵するドーピング原料源７９にそれぞれ導通パイプ８０を介して接続されている。
【０１５９】
ＩＩＩ族原料源７７は、さらに、トリメチルガリウム（以後、ＴＭＧ）を貯蔵するＴＭＧ貯蔵部７７Ａ、トリメチルアルミニウム（以後、ＴＭＡ）を貯蔵するＴＭＡ貯蔵部７７Ｂ、トリメチルインジウム（以後、ＴＭＩ）を貯蔵するＴＭＩ貯蔵部７７Ｃを有している。
【０１６０】
各ＩＩＩ族原料源７７Ａ〜７７Ｃは、マスフローコントローラ８１を介して、キャリアガスであるＮ₂またはＨ₂を供給するキャリアガス導通管８２に接続されている。このマスフローコントローラ８１は、各ＩＩＩ族原料源７７Ａ〜７７Ｃに供給されるキャリアガスであるＮ₂またはＨ₂の流量を正確に制御する。各ＩＩＩ族原料源７７Ａ〜７７Ｃに貯蔵される各ＩＩＩ族原料は、キャリアガス導通パイプ８２から供給されるＮ₂またはＨ₂ガスによってバブリングされて、キャリアガスとともに原料入口７６を介して石英フローライナー７１のＩＩＩ族原料供給管１３に導かれ、ＩＩＩ族原料吹出ノズル１３ａから基板１０１に向けて吹き出される。
【０１６１】
Ｖ族原料源７８には、ＮＨ₃ガスが貯蔵され、キャリアガス導通パイプ８２から供給されるキャリアガスとともに、原料入口７６を介して石英フローライナー７１内のＶ族原料供給管１４に通されて、先端のＶ族原料吹出ノズル１４ａから基板１０１に向けて吹き出される。
【０１６２】
ドーピング原料源７９には、ｎ型半導体を製造するドーピング原料として、シラン（以後、ＳｉＨ₄とする）が貯蔵される。なお、ｐ型半導体を製造する場合には、各ＩＩＩ族原料源７７Ａ〜７７Ｃに隣接して設けられた貯蔵部８３に、ｐ型半導体のドーピング原料であるＣｐ₂Ｍｇが貯蔵されて、ＩＩＩ族原料を基板１０１上に吹き出す際の経路と同様の経路を経て、基板１０１上に吹き出される。
【０１６３】
また、サセプタ１６に保持される基板１０１として、例えば、サファイヤ基板上のＧａＮ膜を上にＳｉＯ₂マスクをした基板が用いられる。
【０１６４】
図２６は、本実施の形態３のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置であるＭＯＣＶＤ装置７０を用いて作製したレーザダイオード１００の断面図である。
【０１６５】
このレーザダイオード１０１は、サファイア基板１０１の上に、ＧａＮバッファ層１０２、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０３が順次積層されており、さらに、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０３の所定領域上に、ｎ型Ａｌ０．０９Ｇａ０．９１Ｎクラッド層１０４、ｎ型ＧａＮガイド層１０５、活性層１０６、Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ０．８５Ａｓ０．１５蒸発防止層１０７、ｐ型ＧａＮガイド層１０８、ｐ型Ａｌ０．０９Ｎクラッド層１０９、ｐ型ＧａＮコンタクト層１１０が順次を積層されている。ｐ型ＧａＮコンタクト層１１０は、所定の形状にエッチングされており、基板１０１全体に結晶成長を行って、ＳｉＯ２絶縁膜１１１が形成された後に、ｐ型ＧａＮコンタクト層１１０上にｐ型電極１１２Ａ、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０３上にｎ型電極１１２Ｂがそれぞれ形成されている。
【０１６６】
上記構成のレーザダイオード１００の製造方法を、図２４に示すＭＯＣＶＤ装置７０を使用した場合について説明する。
【０１６７】
まず、サファイア基板１０１を洗浄して、結晶成長装置内のサセプタ１６に設置する。石英フローライナー７１内を７０Ｔｏｒｒまで減圧した後、Ｈ₂ガスを充填し、Ｈ₂雰囲気中、１１００℃程度の温度条件で、１０分程度熱処理を行い、その後、石英フローライナー７１内の温度を５５０℃程度に降温する。石英フローライナー７１内の温度が一定になった時点で、キャリアガス導通管８２から供給されるキャリアガスをＨ₂ガスからＮ₂ガスに交換し、Ｎ₂ガスの流量を１０Ｌ／ｍｉｎ．とし、また、Ｖ族元素供給源７８から供給されるＮＨ₃を３Ｌ／ｍｉｎ．の流量として、原料入口７６を介して、Ｖ族原料供給管１４に通し、数秒後、ＩＩＩ族原料供給源７７ＡからＴＭＧを２０μｍｏｌ／ｍｉｎ．の流量で、ＩＩＩ族原料供給管１３から１分間流し、ＧａＮバッファー層１０２の成長を行った。成長させたＧａＮ膜の厚さは３０ｎｍであった。
【０１６８】
次に、ＩＩＩ族原料供給管１３からのＴＭＧの供給を停止し、石英フローライナー７１内の温度を１０５０℃まで昇温し、再び、ＩＩＩ族原料供給管１３から、ＴＭＧを５０μｍｏｌ／ｍｉｎ．の流量で供給し、ドーピング原料供給管１５からは、ＳｉＨ₄を供給し、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０３を５０μｍの膜厚に成長させた。この操作により、膜厚が厚くなると共に発生するピット等の欠陥が減少し、レーザ素子の特性を向上させることができる。
【０１６９】
次に、石英フローライナー７１内を７６０Ｔｏｒｒの圧まで戻し、ＩＩＩ族原料供給管１３からＴＭＡを１０μｍｏｌ／ｍｉｎの流量で追加供給し、ドーピング原料供給管１５からは、ＳｉＨ₄を供給し、厚さ０．８０μｍの膜厚のＡｌ０．０９Ｇａ０．９１Ｎのｎ型クラッド層１０４を成長させた。
【０１７０】
次に、ＩＩＩ族原料供給管１３からのＴＭＡの供給を停止し、０．１μｍの膜厚のｎ型ＧａＮガイド層１０５を形成した。
【０１７１】
ｎ型ＧａＮガイド層１０５を成長させた後、ＳｉＨ₄とＴＭＧの供給を停止し、サファイア基板１０１の温度を７３０℃まで低下させ、温度が安定した時点で、ＩＩＩ族原料供給管１３からＴＭＧを１０μｍｏｌ／ｍｉｎ．の流量で、ＴＭＩを１０μｍｏｌ／ｍｉｎ．の流量で供給し、Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなる活性層１０６を５ｎｍの膜厚になるように成長させた。活性層１０６を成長させる時には、ドーピング原料供給管１５からＳｉＨ₄を１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎ．程度の流量で流しても良い。その後、ＩＩＩ族原料供給管１３からＴＭＧを１０μｍｏｌ／ｍｉｎ．の流量で、ＴＭＩを５０μｍｏｌ／ｍｉｎ．の流量で供給し、Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎからなる活性層１０６の井戸層を３ｎｍの膜厚になるように成長させた。さらに、ＩＩＩ族原料供給管１３から供給されるＩＩＩ族原料をＴＭＩに変更し、ＴＭＩ１０μｍｏｌ／ｍｉｎ．の流量で流し、Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなる活性層１０６の障壁層を５ｎｍの膜厚になるように成長させた。この活性層１０６の障壁層と井戸層との成長を繰り返し、３層の多重量子井戸層を成長させた後、最後に障壁層を成長させて活性層１０６の成長を終了する。活性層１０６作製時には、成長中断を入れても良く、この操作により井戸層、障壁層の界面が急峻になり、活性層の発光効率が向上する。
【０１７２】
活性層１０６を成長させた後、ＩＩＩ族原料供給管１３から、ＴＭＧを１０μｍｏｌ／ｍｉｎ．の流量、ＴＭＡを５μｍｏｌ／ｍｉｎ．の流量、Ｃｐ₂Ｍｇを０．１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎ．の流量で供給し、３０ｎｍの膜厚のｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ蒸発防止層１０７を成長させた。
【０１７３】
その後、ＩＩＩ族原料供給管１３からのＴＭＧ、ＴＭＡ、Ｃｐ₂Ｍｇの供給を停止し、ＮＨ₃とＮ₂との雰囲気中に、基板１０１の温度を再び１０５０℃に昇温する。昇温後、ＩＩＩ族原料供給管１３からＴＭＧを５０μｍｏｌ／ｍｉｎ．の流量、Ｃｐ₂Ｍｇを０．２０ｎｍｏｌ／ｍｉｎ．の流量で供給し、ｐ型ＧａＮガイド層１０８を０．１μｍの膜厚に成長させた。
【０１７４】
次に、ＩＩＩ族原料供給管１３からＴＭＡを１０μｍｏｌ／ｍｉｎ．の流量で供給し、０．５μｍの膜厚のＡｌ０．０９Ｇａ０．９１Ｎのｐ型クラッド層１０９を成長させた。
【０１７５】
その後、ＩＩＩ族原料供給管１３からのＴＭＡの供給を停止し、ＩＩＩ族原料供給管１３からＴＭＧとＣｐ₂Ｍｇとを供給し、ｐ型ＧａＮコンタクト層１１０を０．５μｍの膜厚に成長させ、その後、ＩＩＩ族原料供給管１３からのＴＭＧとＣｐ₂Ｍｇとの供給を停止して基板１０１の加熱を終了する。
【０１７６】
その後は、サファイア基板１０１が電導性をしていないため、反応性イオンエッチングを用いて、ｎ型ＧａＮ層を露出させて、この露出面にｎ型電極１１２Ｂを形成する。このｎ型電極１１２Ｂのｎ電極材料としては、Ｔｉ／Ｍｏ、Ｈｆ／Ａｌ等を使用しても良い。ｐ型電極部分には、サファイヤ基板１０１の〈１−１００〉方向に沿って、ストライプ状にエッチングを行い、ＳｉＯ₂誘導体膜１１１を蒸着し、ｐ型ＧａＮコンタクト層１１０を露出させ、Ｐｄ／Ａｕの２μｍの幅のリッジストライプ形状のｐ型電極１１２Ａを形成する。このｐ型電極１１２Ａのｐ型電極材料には、Ｎｉ／Ａｕ、Ｐｄ／Ｍｏ／Ａｕを使用しても良い。
【０１７７】
最後に、へき開またはドライエッチングを用いて、共振器長５００μｍのファブリ・ペロー共振器を作製する。共振器長は３００〜１０００μｍの範囲であることが好ましい。この共振器のミラー端面は、サファイヤ基板１０１のＭ面が端面になるように形成されている。へき開およびレーザ素子のチップ分割は、基板側からスクライバーにより行う。レーザ共振器の帰還手法以外に、ＤＦＢ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ）、ＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）等の手法を用いてもよい。
【０１７８】
次に、ファブリ・ペロー共振器のミラー端面に７０％の反射率を有するＳｉＯ₂とＴｉＯ₂の誘電体膜を交互に蒸着し、誘導体多層反射膜を形成した。この誘導体材料には、ＳｉＯ₂／Ａｌ₂Ｏ₃を誘電多層反射膜として用いても良い。
【０１７９】
次に、上記により製造されたレーザダイオードチップをパッケージに実装する方法について説明する。
【０１８０】
上記発光層を有するレーザダイオードの特性を活かし、高密度記録用光ディスクに適した青紫色（４１０ｎｍ波長）高出力（５０ｍＷ）レーザとして用いる場合、サファイヤ基板は熱伝導率が低いので、放熱対策に注意を払わなければならない。例えば、Ｉｎはんだ材を用いて、Ｊｕｎｃｔｉｏｎ ｄｏｗｎでパッケージ本体に接続することが好ましい。あるいは、直接パッケージ本体やヒートシンク部に取り付けるのではなく、Ｓｉ、ＡｌＮ、ダイヤモンド、Ｍｏ、ＣｕＷ、ＢＮのサブマウントを介して接続させても良い。
【０１８１】
以上の工程により、本発明を適用したＭＯＣＶＤ装置７０によりＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のレーザダイオードを製造することができる。
【０１８２】
上記のように製造されたレーザ素子の膜厚の分布差は、２インチ基板内において５μｍ以下であり、レーザ連続発振に至った素子の割合は、８６％であった。
【０１８３】
ＭＯＣＶＤ装置７０の基板１０１周辺の構造を変更し、基板１０１とＩＩＩ族原料供給管１３との距離Ｓを５０ｍｍに保ち、α角を４０°以上にした場合、またα角を０°に保ち、距離Ｓを５ｍｍ以下または２００ｍｍ以上にした場合には、いずれもレーザ連続発振に至った素子の割合は、３１％以下となり、本発明のＭＯＣＶＤ装置７０を用いた場合の方が基板面内の均一性に優れ、良品率が向上していることが明らかとなった。
【０１８４】
本実施の形態３のＭＯＣＶＤ装置７０においても、サセプタ１６等、各原料供給管１３及び１４及び１５のそれぞれの原料吹出ノズル１３ａ及び１４ａ及び１５ａの材料として、表面部に、ＰＢＮ、ＳｉＣ、ＴａＣ、ＢＮ等でコーティングされた材を用いることにより、ガス流れの変化を抑え、成長膜の膜厚均一性に大きく寄与することが明らかとなっている。
【０１８５】
以上の実施の形態１〜３においては、ＧａＮ膜の成膜を中心に説明したが、ＢＮ、ＡｌＮ、ＡｌαＧａ（1‐α）Ｎ（０＜α＜１）、ＩｎＮ、ＩｎβＧａ（１−β）Ｎ（０＜β＜１）、ＩｎγＧａδＡｌ1‐γ−δＮ（０＜γ＜１、０＜δ＜１）等の製造にも、本発明のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置は適用でき、実際にその効果も確認している。
【０１８６】
さらに、以上は、ＧａＮを中心とした窒化物ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の製造について説明したが、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＡｌＧａＡｓ等の他のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を製造する場合にも、本発明のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置は適用でき、実際にその効果も確認している。
【０１８７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の製造方法によれば、ＩＩＩ族原料供給管が、基板保持具に保持された基板の中心軸線に沿った中心線方向ベクトル（基板表面から裏面への方向を正）と、ＩＩＩ族原料供給管のＩＩＩ族原料が吹出される方向に沿ったＩＩＩ族原料吹出し方向ベクトル（ＩＩＩ族原料が吹き出される方向を正）とのなす角度が０°〜４０°の範囲、基板保持具に保持された基板表面の中心部分と、ＩＩＩ族原料供給管のＩＩＩ族原料吹出し部分との距離が５ｍｍ〜２００ｍｍの範囲になるように配置されているので、結晶成長を行う基板に対して供給される原料ガスの流れを制御することが容易になり、均一な膜厚を有する厚膜のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置１０の断面図である。
【図２】図１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置１０のＦ−Ｆ’線に沿う断面図である。
【図３】実施の形態１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置１０における基板及びＩＩＩ族原料供給管の周辺を示す断面図である。
【図４】実施の形態１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置１０を用いて作製したＧａＮ膜の膜厚分布を示す膜厚分布図である。
【図５】実施の形態１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置１０における距離Ｓ及びα角と膜厚分布Δｄとの関係を示すグラフ（距離Ｓ＝３ｍｍ、５ｍｍ、１０ｍｍの場合）である。
【図６】実施の形態１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置１０における距離Ｓ及びα角と膜厚分布Δｄとの関係を示すグラフ（距離Ｓ＝２５ｍｍ、５０ｍｍ、１００ｍｍの場合）である。
【図７】実施の形態１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置１０における距離Ｓ及びα角と膜厚分布Δｄとの関係を示すグラフ（距離Ｓ＝１５０ｍｍ、２００ｍｍ、２５０ｍｍの場合）である。
【図８】実施の形態１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置１０における距離ＤとＧａＮ膜のドーピング濃度との関係を示すグラフである。
【図９】実施の形態１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置１０における各原料供給管の他の配置を示す断面図である。
【図１０】実施の形態１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置１０における各原料供給管の他の配置を示す断面図である。
【図１１】実施の形態１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置１０における各原料供給管の他の配置を示す断面図である。
【図１２】実施の形態１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置１０における各原料供給管の他の配置を示す断面図である。
【図１３】実施の形態１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置１０における各原料供給管の他の配置を示す断面図である。
【図１４】実施の形態１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置１０における各原料供給管の他の配置を示す断面図である。
【図１５】実施の形態１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置１０における各原料供給管の他の配置を示す断面図である。
【図１６】実施の形態１の他の構造のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置３０を示す断面図である。
【図１７】図１６のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置３０のＧ−Ｇ’線に沿う断面図である。
【図１８】実施の形態１の他の構造のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置４０を示す断面図である。
【図１９】図１８のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置３０のＪ−Ｊ’線に沿う断面図である。
【図２０】実施の形態２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置５０の断面図である。
【図２１】図２０のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置５０のＫ−Ｋ’線に沿う断面図である。
【図２２】実施の形態２の他の構造のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置６０の断面図である。
【図２３】図２２のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置６０のＭ−Ｍ’線に沿う断面図である。
【図２４】実施の形態３の本発明に係るＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造方法を利用したレーザダイオードを作製するＭＯＣＶＤ装置７０を示す概略図である。
【図２５】図２４のＭＯＣＶＤ装置７０のＰ−Ｐ’線に沿う断面図である。
【図２６】実施の形態３のＭＯＣＶＤ装置７０を用いて作製したレーザダイオードを示す断面図である。
【図２７】従来のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を製造するＨＶＰＥ装置を示す断面図である。
【図２８】図２７のＨＶＰＥ装置のＲ−Ｒ’線に沿う断面図である。
【図２９】従来のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を製造するＨＶＰＥ装置を用いて作製したＧａＮ膜の膜厚を示す膜厚分布図である。
【符号の説明】
１０ ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置
１２ 反応容器
１３ ＩＩＩ族原料供給管
１３ａ ＩＩＩ族原料吹出ノズル
１４ Ｖ族原料供給管
１４ａ Ｖ族原料吹出ノズル
１５ ドーピング原料供給管
１５ａ ドーピング原料吹出ノズル
１６ サセプタ
１６ａ 保持爪
１６ｂ 回転軸
１７ ＩＩＩ族原料貯蔵部
１８ 加熱ヒータ
１９ ガス排気口
１０１ 基板
１０１ａ 中心

Claims (17)

1. ＨＶＰＥ法または成長速度が１０μｍ／ｈｒ以上であるＭＯＣＶＤ法によってＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を結晶成長させるための反応容器と、該反応容器内において基板を保持する基板保持具と、前記反応容器内においてＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のＩＩＩ族原料を前記基板保持具に保持された基板に向かって吹き出すためのＩＩＩ族原料供給管と、前記反応容器内において該ＩＩＩ族原料供給管に沿って配置されて前記基板に向かってＶ族原料を吹き出すためのＶ族原料供給管とを有し、
   前記ＩＩＩ族原料供給管は、前記基板保持具に保持された前記基板の中心軸線に沿った中心線方向ベクトル（基板表面から裏面への方向を正）と、該ＩＩＩ族原料供給管のＩＩＩ族原料が吹出される方向に沿ったＩＩＩ族原料吹出し方向ベクトル（ＩＩＩ族原料が吹き出される方向を正）とのなす角度が５°〜１５°の範囲になるように配置されているとともに、前記基板保持具に保持された前記基板表面の中心部分と、前記ＩＩＩ族原料供給管のＩＩＩ族原料吹出し部分との距離が５ｍｍ〜２００ｍｍの範囲になるように配置されており、
   前記Ｖ族原料供給管は、吹き出される前記Ｖ族原料と、前記ＩＩＩ族原料供給管から吹き出される前記ＩＩＩ族原料とが前記基板との間で混合されるとともに前記基板との間の気相中において反応しないように該基板に対して所定の距離をあけて配置されていることを特徴とするＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置。
2. 前記Ｖ族原料供給管が複数設けられており、該Ｖ族原料供給管のそれぞれと前記ＩＩＩ族原料供給管との間隔が等しくなっている、請求項１に記載のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置。
3. 前記反応容器内において前記基板に向かってドーピング用の原料を吹き出すドーピング原料供給管をさらに具備する、請求項１または２に記載のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置。
4. 前記ドーピング原料供給管は、前記ドーピング原料供給管の原料吹出し部分と、前記基板保持具に保持された前記基板の中心部分との距離が、５ｍｍ〜２００ｍｍの範囲になるように配置されている、請求項３に記載のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置。
5. 前記基板保持具の表面部分、前記ＩＩＩ族原料供給管及び前記Ｖ族原料供給管及び前記ドーピング原料供給管のそれぞれの原料吹出し部分が、ＰＢＮによりコーティングされた材質により構成されている、請求項３または４に記載のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置。
6. 前記基板保持具の表面部分、前記ＩＩＩ族原料供給管及び前記Ｖ族原料供給管及び前記ドーピング原料供給管のそれぞれの原料吹出し部分が、炭化シリコン（ＳｉＣ）、炭化タンタル（ＴａＣ）、ボロン化窒素（ＢＮ）のいずれかによりコーティングされた材質により構成されている、請求項３または４に記載のＩＩＩ−Ｖ族化合物化合物半導体製造装置。
7. 前記基板保持具の表面部分、前記ＩＩＩ族原料供給管及び前記Ｖ族原料供給管及び前記ドーピング原料供給管のそれぞれの原料吹出し部分が、炭化シリコン（ＳｉＣ）、炭化タンタル（ＴａＣ）、ボロン化窒素（ＢＮ）のいずれかにより、内部まで浸透された材質により構成されている、請求項３または４に記載のＩＩＩ−Ｖ族化合物化合物半導体製造装置。
8. 前記ＩＩＩ族原料供給管から吹出されるＩＩＩ族原料は、ＩＩＩ族元素のハロゲン化物、Ｖ族原料供給管から吹出されるＶ族原料は、ＮＨ₃である、請求項１〜７のいずれかに記載のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置。
9. 請求項１〜７のいずれかのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置を用い、前記ＩＩＩ族原料供給管からＩＩＩ族元素のハロゲン化物を、前記Ｖ族原料供給管からＮＨ₃を、それぞれ吹出させて、前記基板保持具に保持された前記基板上に前記ＩＩＩ族元素の窒化物を結晶成長させることを特徴とするＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の製造方法。
10. 前記基板保持具、前記ＩＩＩ族原料供給管、前記Ｖ族原料供給管、または前記ドーピング原料供給管に付着したＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が加熱処理により除去される請求項６または７に記載のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置。
11. 前記Ｖ族原料供給管が複数設けられて、前記ＩＩＩ族原料供給管を取り囲むように該ＩＩＩ族原料供給管の周囲に配置されている請求項１に記載のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置。
12. 前記ドーピング原料供給管と前記Ｖ族原料供給管のそれぞれとが、前記ＩＩＩ族原料供給管を取り囲むように該ＩＩＩ族原料供給管の周囲に配置されている請求項１１に記載のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置。
13. 不活性ガスを供給する保護ガス供給管が、前記ＩＩＩ族原料供給管を取り囲むように該ＩＩＩ族原料供給管と同心状態で嵌合されている請求項１に記載のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置。
14. 前記ＩＩＩ族原料供給管を内部に同心状態で嵌合するように前記ドーピング原料供給管が配置され、さらに前記ドーピング原料供給管を内部に同心状態で嵌合するように、前記Ｖ族原料供給管が配置されている請求項３に記載のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置。
15. 前記ドーピング原料供給管に代えて保護ガス供給管が配置されている請求項１４に記載のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置。
16. 前記ＩＩＩ族原料供給管の端部が、ＩＩＩ族原料が吹き出される先端側になるにつれて径が広くなっている請求項１に記載のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置。
17. 前記Ｖ族原料供給管の端部の直径が前記基板の直径とほぼ等しく、該Ｖ族原料供給管の内部に前記ＩＩＩ族原料供給管が配置されている請求項１に記載のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造装置。

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