JP4039286B2

JP4039286B2 - ＧａＮ結晶の成長方法

Info

Publication number: JP4039286B2
Application number: JP2003080256A
Authority: JP
Inventors: 幹草尾
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2003-03-24
Filing date: 2003-03-24
Publication date: 2008-01-30
Anticipated expiration: 2023-03-24
Also published as: JP2004288953A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＧａＮ結晶の気相成長方法に関し、特に、金属Ｇａ蒸気と窒素プラズマとを利用するＧａＮ結晶成長法の改善に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年周知のように、青色光や紫外光を射出するための半導体発光ダイオードや半導体レーザなどに利用し得るＧａＮ半導体結晶の需要が高まっている。したがって、ＧａＮ結晶を簡便かつ迅速に低コストで製造することが望まれている。
【０００３】
ＧａＮ結晶の成長方法として、たとえばハイドライド気相成長法、有機金属気相成長法、化学蒸気輸送法などを利用することができる。
【０００４】
ここで、ハイドライド気相成長法や有機金属気相成長法では、反応室内に導入される原料ガスの反応においてＧａＮ結晶内にその構成成分として取り込まれないＨＣｌ、ＮＨ₃、Ｈ₂等が反応室内に滞るので、これらのガスを反応室から外部へ排出する必要がある。すなわち、ハイドライド気相成長法や有機金属気相成長法では、原料ガスの大半がＧａＮ結晶成長に寄与することなく捨てられることになり、原料収率が悪いという問題がある。また、大量のＨＣｌ、ＮＨ₃、Ｈ₂等を廃棄するためには大規模の除害設備が必要であり、プロセスのコスト高を招くことになる。
【０００５】
他方、閉管内の高温部において気化された原料ガスを低温部に輸送してその低温部で結晶成長させる化学蒸気輸送法によれば、反応管の外部にガスを排出しないので、原料収率は良好である。しかし、外部から原料ガスが供給されない化学蒸気輸送法では、原料ガスの輸送量を増大させることができないので、ＧａＮ結晶の成長速度を高めることは望めない。
【０００６】
上述のようなハイドライド気相成長法、有機金属気相成長法、化学蒸気輸送法などのそれぞれが含む課題に鑑みて、特許文献１の特開２００１−７７０３８号公報は、反応管内で金属Ｇａの蒸気と窒素プラズマを直接に反応させて基板上にＧａＮ結晶を成長させる気相成長方法を開示している。
【０００７】
図２は、反応管内で金属Ｇａ蒸気と窒素プラズマを直接反応させてＧａＮ結晶を成長させる先行技術の一例を模式的な断面図で図解している。なお、本願の各図において、長さや高さのような寸法関係は、図面の簡略化と明瞭化のために適宜に変更されており、実際の寸法関係を表してはいない。
【０００８】
図２において、縦型反応管１の上部には窒素ガス導入管１ａが設けられている。反応管１の底部には金属Ｇａ１２を蒸発させるために、坩堝２が設けられており、この坩堝２の上方において基板１１を保持するための基板保持台３が配置されている。この基板保持台３は、円筒部３ａと網板３ｂを含んでいる。基板保持面として働くこの網板３ｂは、複数の開口３ｃを含んでいる。これらの反応管１、坩堝２、および基板保持台３は、好ましくは石英にて形成され得る。また、窒素ガス導入管１ａは、それらのフランジ部を伴ってたとえばステンレス鋼で形成することができ、反応管１に結合され得る。
【０００９】
反応管１の内部は、真空ポンプ（図示せず）によって一旦高真空度に減圧される。高真空度に減圧された反応管１内には、その上部に設けられた窒素ガス導入管１ａから、窒素ガス１３が所定圧まで導入される。その際に、反応管１の上部に設けられたマイクロ波導入管４を介して、マイクロ波４ａが窒素ガス１３に印加され、窒素プラズマ１３ａが生成させられる。
【００１０】
坩堝２内に入れられた金属Ｇａ１２は、反応管１の外部に設けられた加熱装置（図示せず）によって加熱されて溶融させられる。そのＧａ融液からのＧａ蒸気は基板保持面３ｂの開口３ｃを通過して、加熱された基板１１の上面上に至る。そして、そのＧａ蒸気が窒素プラズマと反応して、基板１１の上面上にＧａＮ結晶が成長し得る。
【００１１】
Ｇａ蒸気と窒素プラズマとが反応してＧａＮ結晶の成長が進行すれば、反応管１内の窒素ガスが消費されて反応管１内の圧力が所定圧から低下するので、窒素ガス導入管１ａを介して窒素ガス１３が追加導入される。すなわち、反応管１内の圧力は真空計（図示せず）によってモニタされており、所定圧力に保たれるように窒素ガス１３が補充される。
【００１２】
すなわち、図２に図解されたＧａＮ結晶成長方法では、外部から反応管１内に窒素ガスが導入されるが、実質的にＧａ蒸気や窒素ガスが反応管１外へ排出される必要がない（ただし、好ましい反応ガス圧を維持するために、少量のＧａ蒸気や窒素ガスが反応管外へ排出されてもよいことは言うまでもない）。したがって、図２に示されているような気相成長法では、ハイドライド気相成長法や有機金属気相成長法の場合のように大規模な排ガス処理設備を必要とせず、ＧａＮ結晶成長の際の原料収率も良好になる。また、図２に示されているような気相成長法ではＧａ融液から大量のＧａ蒸気を発生させることができ、また消費された窒素ガスは外部から導入することができるので、化学蒸気輸送法に比べてＧａＮ結晶の成長速度を高めることができる。
【００１３】
【特許文献１】
特開２００１−７７０３８号公報
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、図２に示されているような気相成長法では、ハイドライド気相成長法や有機金属気相成長法の場合のように大規模な排ガス処理設備を必要としなくてＧａＮ結晶成長の際の原料収率も良好になり、かつまた化学蒸気輸送法に比べてＧａＮ結晶の成長速度を高めることができる。
【００１５】
ところが、図２に示されているような気相成長法を実施した場合、ＧａＮ結晶成長の初期においては順調な成長速度が得られるが、約１〜２時間程度の成長時間の後に成長速度が成長初期に比べて約１／３〜１／５程度に低下してしまうことを本発明者が見出した。
【００１６】
そこで、本発明は、金属Ｇａ蒸気と窒素プラズマを利用する気相成長法においてＧａＮ結晶成長を継続的に維持し得るように、ＧａＮ結晶の成長方法を改善することを目的としている。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明によるＧａＮ結晶の成長方法においては、ガス導入口を有する第１の端部と排気口を有する第２の端部とを含む横型の反応管を準備し、その反応管内に基板を配置するとともに第１端部にＧａ融液を保持する坩堝を配置し、排気口から排気することによって反応管内を所定圧力に維持し、ガス導入口から導入されるキャリヤガスによってＧａ融液からのＧａ蒸気を基板上に輸送し、基板の上方から窒素プラズマを導入し、Ｇａ蒸気と窒素プラズマとを基板上で直接反応させてＧａＮ結晶を成長させることを特徴としている。
【００１８】
なお、キャリヤガスは、窒素、水素、および希ガスの少なくともいずれかを含み得る。また、窒素プラズマはマイクロ波による励起され得る。さらに、基板の材質は、サファイヤ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、およびＳｉから選択され得る。
【００１９】
【発明の実施の形態】
まず、本発明者は、図２に示されているようにＧａ蒸気と窒素プラズマを利用するＧａＮ結晶成長法を実施した場合に、約１〜２時間程度のＧａＮ結晶成長の後にその成長速度が成長初期に比べて約１／３〜１／５程度まで低下してしまうことの原因について調査した。その結果、本発明者は、以下のような原因を見出した。
【００２０】
すなわち、図２に図解されているような先行技術によるＧａＮ結晶成長方法では、窒素プラズマ１３ａが基板保持面３ｂの開口３ｃを通過して金属Ｇａ融液１２の表面に到達し得る。そうすれば、窒素プラズマ１３ａと金属Ｇａ融液１２の表面とが直接反応して、その融液表面にＧａＮ被膜を形成し得る。このようなＧａＮ被膜は金属Ｇａ融液１２の蒸発を阻害し、基板１１上に至るＧａ蒸気を減少させ、ついにはＧａＮ結晶成長を停止させてしまうのである。
【００２１】
そこで、本発明者は、坩堝２内の金属Ｇａ融液１２の表面にＧａＮ被膜を形成させることなく、反応管１内でＧａ蒸気の継続的発生を可能ならしめる工夫を考えた。
【００２２】
図１は、本発明にしたがってＧａ蒸気と窒素プラズマとを利用してＧａＮ結晶を成長させる方法の一例を模式的な断面図で図解している。図１の結晶成長方法においは、横型の反応管１が用いられる。その横型反応管１は、第１の端部において、キャリヤガス２１ａを導入するためのガス導入口２１を有している。また、横型反応管１は、第２の端部において、管内を所定の減圧圧力に維持するためにガスを排出する排気口２２を有している。
【００２３】
反応管１の内部においては、基板支持台３上に基板１１が載置される。反応管１の第１端部のガス導入口２１の近傍には、金属Ｇａ１２を蒸発させるために坩堝２が設けられている。基板１１の上方には、窒素ガス導入菅１ａとプラズマ生成室１ｂが設けられている。プラズマ生成室１ｂに導入された窒素ガスには、マイクロ波導入管４からマイクロ波４ａが印加され、窒素プラズマ１３ａが生成される。これらの反応管１、坩堝２、および基板保持台３は、好ましくは石英にて形成され得る。また、窒素ガス導入管１ａおよびプラズマ生成室１ｂは、そのフランジ部を伴ってたとえばステンレス鋼で形成することができ、反応管１に結合され得る。
【００２４】
反応管１の内部は、排気口２２を介して真空ポンプ（図示せず）によって、たとえば１０^-5Ｐａの高真空度まで一旦排気される。その後、基板１１の上方に設けられた窒素ガス導入管１ａから、たとえば１０Ｐａから１０００Ｐａの範囲内で設定された所定圧力の窒素ガス１３が反応管１内に導入される。その際に、マイクロ波導入管４を介して、たとえば周波数２．４５ＧＨｚで出力２５０−５００Ｗのマイクロ波４ａがプラズマ生成室１ｂ内の窒素ガス１３に印加され、窒素プラズマ１３ａが生成させられる。
【００２５】
坩堝２内に入れられた金属Ｇａ１２は、反応管１の外部に設けられた加熱装置（図示せず）によってたとえば１１００℃に加熱されて溶融させられる。そのＧａ融液からのＧａ蒸気はガス導入口２１から導入されたキャリヤガス２１ａによって輸送され、例えば９７０−９８０℃の温度に加熱された基板１１の上面上に至る。そして、そのＧａ蒸気が窒素プラズマ１３ａと直接反応して、基板１１の上面上にＧａＮ結晶が成長し得る。
【００２６】
図１に示されているようなＧａＮ結晶成長方法においては、坩堝２が窒素プラズマ生成室１ｂから遠く離されている。さらに、キャリヤガス２１ａは、窒素プラズマ１３ａが坩堝２の方へ拡散することを防止するように作用する。したがって、窒素プラズマ１３ａが坩堝２内のＧａ融液１２の表面と反応してＧａＮ被膜を形成することがない。その結果、坩堝２からはＧａ蒸気が途絶えることなく継続的に供給され、キャリヤガスによって基板１１に向けて輸送される。すなわち、図２に示されているような従来の結晶成長法の場合には約１〜２時間でＧａＮ結晶成長速度が顕著に低下して最終的には成長が停止したのに対して、本発明による図１の方法では結晶成長の進行に伴って成長速度が低下するという問題を生じることがない。
【００２７】
なお、反応管１内の圧力は真空計（図示せず）によってモニタされており、所定圧力に保たれるように窒素ガス１３の導入量および排気口２２からの排気量が調整される。キャリヤガス２１ａは、一定流量で供給されている。この際に、圧力の制御は、窒素ガスの流量制御器におけるＰＩＤ（比例積分微分）制御によって行われ得る。
【００２８】
また、基板１１としては、たとえば結晶学的（０００１）面を主面とするサファイヤ基板またはＧａＮ種結晶基板が好ましく用いられ得る。ただし、基板１１はこれらに限定されず、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、Ｓｉなどの基板をも適宜に選択することができる。
【００２９】
図１に図解されたＧａＮ結晶成長方法では、外部から反応管１内に窒素ガスが導入されるが、Ｇａ蒸気や窒素ガスの多くの部分はＧａＮ結晶に取り込まれるので、反応管１外へ排出される必要がない。ただし、キャリヤガスは結晶を構成する成分ではないので、そのすべてが反応管１外に排出されなければならない。
【００３０】
他方、ハイドライド気相成長法や有機金属気相成長法の場合は、金属Ｇａと窒素ガスのような直接的な原料に比べて原料コストが高く、かつまたキャリヤガス以外に原料ガス自体が結晶を構成しない元素成分を含んでいるので、大規模な排ガス処理設備を必要する。さらに、そのような原料ガスに含まれる不要成分は有毒ガスになるものが多い。
【００３１】
したがって、図１に図解されたＧａＮ結晶成長方法では、ハイドライド気相成長法や有機金属気相成長法と同等以上の結晶成長速度を達成することができ、かつ原料コストおよび排ガス処理コストを低減させることができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、ハイドライド気相成長法、有機金属気相成長法、および化学蒸気輸送法などに比べて優れた利点を有し得るＧａＮ蒸気と窒素プラズマとを利用するＧａＮ結晶成長において、その成長を継続的に維持し得るようにＧａＮ結晶の成長方法を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるＧａＮ結晶成長方法を模式的に図解する断面図である。
【図２】先行技術によるＧａＮ結晶成長方法を模式的に図解する断面図である。
【符号の説明】
１反応管、１ａ窒素ガス導入管、１ｂ窒素プラズマ生成室、２金属Ｇａを蒸発させるための坩堝、３基板保持台、３ａ基板保持台の円筒部、３ｂ基板保持台の網板、３ｃ網板３ｂに含まれる開口、４マイクロ波導入管、４ａマイクロ波、１１ＧａＮ結晶を成長させるための基板、１２金属Ｇａ、１３窒素ガス、１３ａ窒素プラズマ、２１ガス導入口、２１ａキャリヤガス、２２排気口。

Claims

ガス導入口を有する第１の端部と排気口を有する第２の端部とを含む横型の反応管を準備し、
前記反応管内に基板を配置するとともに前記第１端部にＧａ融液を保持する坩堝を配置し、
前記排気口から排気することによって前記反応管内を所定圧力に維持し、
前記ガス導入口から導入されるキャリヤガスによって前記Ｇａ融液からのＧａ蒸気を前記基板上に輸送し、
前記基板の上方から窒素プラズマを導入し、
前記Ｇａ蒸気と前記窒素プラズマとを基板上で反応させてＧａＮ結晶を成長させることを特徴とするＧａＮ結晶の成長方法。
前記キャリヤガスは窒素、水素、および希ガスの少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項１に記載のＧａＮ結晶の成長方法。
前記窒素プラズマはマイクロ波による励起によって生じさせられることを特徴とする請求項１または２に記載のＧａＮ結晶の成長方法。
前記基板の材質は、サファイヤ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、およびＳｉから選択されたものであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のＧａＮ結晶の成長方法。