JP4812035B2

JP4812035B2 - Ｃｖｄとｈｖｐｅによる窒化ガリウムの生長方法

Info

Publication number: JP4812035B2
Application number: JP2007143373A
Authority: JP
Inventors: 周明奇; 徐文慶
Original assignee: 國立中山大學; 中美▲せき▼晶製品股▲ふん▼有限公司
Priority date: 2007-05-30
Filing date: 2007-05-30
Publication date: 2011-11-09
Anticipated expiration: 2027-05-30
Also published as: JP2008297143A

Description

本発明は、CVDとHVPEによる窒化ガリウムの生長方法に関し、高温の化学蒸着法（Chemical Vapor Deposition、 CVD）とハイドライド気相成長法（Hydride Vapor Phase Epitaxy、 HVPE）を直列配列して、ナノ構造を新規の核形成点とし、厚い膜である窒化ガリウムを生長させるものに関する。

一般の、従来の、化学蒸着法とハイドライド気相成長法により窒化ガリウムを生長させる環境は、大量のアンモニアガス（NH₃）と塩化水素（HCl）を使用し、塩化水素が、アンモニアガスにより、高いエッチング率を有するため、その表面が、塩化水素により、容易に腐食される。

しかしながら、該方法により窒化ガリウムを生長させる過程が、複雑であるため、得られた窒化ガリウムが、薄いだけでなく、直接に、該ハイドライド気相成長法により、窒化ガリウムを生長させる場合、高温下でアルミン酸リチウム（LiAlO₂）基板を使用すると、そのリチウム原子が、分解されて窒化ガリウムが核形成される前の基板表面に拡散される問題がある。

以上のように、従来の生長させた窒化ガリウムは、構造上において、容易に、塩化水素が堆積され、また、アルミン酸リチウム基板のリチウム原子が、窒化ガリウムに拡散侵入することを防止できない構造であり、また、生長させた窒化ガリウムが、薄過ぎる。そのため、一般の従来のものは、実用とは言えない。

本発明の主な目的は、高温化学蒸着法によりナノ構造である窒化ガリウムを生長させて、該ナノ構造である窒化ガリウムを新規の核形成点とし、そして、ハイドライド気相成長法により、厚い膜である窒化ガリウムを生長させるCVDとHVPEによる窒化ガリウムの生長方法を提供する。

本発明の他の目的は、有効に、高温下で、アルミン酸リチウムを基板とする時、そのリチウム原子が、窒化ガリウムの隙間に拡散侵入する欠点を改善できるCVDとHVPEによる窒化ガリウムの生長方法を提供する。

本発明は、以上の目的を達成するため、まず、アルミン酸リチウム基板を選択して、直列配列された化学蒸着法とハイドライド気相成長法による２段式反応炉本体において、高温の化学蒸着法により、窒化ガリウムナノ柱が形成され、それを、新規の核形成点として、ハイドライド気相成長法により、厚い膜である窒化ガリウムを生長させるCVDとHVPEによる窒化ガリウムの生長方法である。

図１〜図４は、それぞれ、本発明の作製流れの概念図と本発明のアルミン酸リチウム基板の構造概念図、本発明の窒化ガリウムナノ柱を生長させる時の構造概念図及び本発明の厚い膜である窒化ガリウムを生長させる時の構造概念図である。図のように、本発明は、CVDとHVPEによる窒化ガリウムの生長方法であり、少なくとも、（A）図２のように、アルミン酸リチウム基板２１と反応炉本体（図に未表示）を用意する。該アルミン酸リチウム基板２１は、ガリウム酸リチウム（Lithium Gallium Oxide、LiGaO₂）、シリコン酸リチウム（Lithium Silicon Oxide、Li₂SiO₃）、ゲルマニウム酸リチウム（Lithium Germanium Oxide、LiGeO₃）、アルミン酸ナトリウム（Sodium Aluminum Oxide、NaAlO₂）、ゲルマニウム酸ナトリウム（Sodium Germanium Oxide、Na₂GeO₃）、シリコン酸ナトリウム（Sodium Silicon Oxide、Na₂SiO₃）、リン酸リチウム（Lithium Phosphor Oxide、Li₃PO₄）、ヒ酸リチウム（Lithium Arsenic Oxide、Li₃AsO₄）、バナジウム酸リチウム（Lithium Vanadium Oxide、Li₃VO₄）、ゲルマニウム酸リチウムマグネシウム（Lithium Magnesium Germanium Oxide、Li₂MgGeO₄）、ゲルマニウム酸リチウム亜鉛（Lithium Zinc Germanium Oxide、Li₂ZnGeO₄）、ゲルマニウム酸リチウムカドミウム（Lithium Cadmium Germanium Oxide、Li₂CdGeO₄）、シリコン酸リチウムマグネシウム（Lithium Magnesium Silicon Oxide、 Li₂MgSiO₄）、シリコン酸リチウム亜鉛（Lithium Zinc Silicon Oxide、Li₂ZnSiO₄）、シリコン酸リチウムカドミウム（Lithium Cadmium Silicon Oxide、Li₂CdSiO₄）、ゲルマニウム酸ナトリウムマグネシウム（Sodium Magnesium Germanium Oxide、Na₂MgGeO₄）、ゲルマニウム酸ナトリウム亜鉛（Sodium Zinc Germanium Oxide、Na₂ZnGeO₄）或いはシリコン酸ナトリウム亜鉛（Sodium Zinc Silicon Oxide、Na₂ZnSiO₄）の内の何れかから構成される基板に代えても良い。該反応炉本体は、化学蒸着法（Chemical Vapor Deposition、CVD）とハイドライド気相成長法（Hydride Vapor Phase Epitaxy、HVPE）が直列配列された２段式反応炉本体である。実施例では、アルミン酸リチウム（LiAlO₂）基板と反応炉本体を用意するステップ１１と、（B）図３のように、該アルミン酸リチウム基板２１を該反応炉本体中のベースにセットして、この時、該２段式反応炉本体内の１段目の化学蒸着法により、高温下で、アンモニアガス（NH₃）とガリウム（Ga）金属を、窒素（N）とガリウムの供給源として、また、窒素ガス（N₂）をキャリアガスとし、該ガリウム金属を、移動可能のウエハボートに添加し、該アンモニアガスが、マスフローコントローラーを介して石英管に導入されて、化学反応により、窒化ガリウムナノ柱（GaN nanorods）２１１を生長させる高温化学蒸着法により、窒化ガリウムナノ柱（GaN nanorods）２１１が形成されるステップ１２と、（C）図４のように、該窒化ガリウムナノ柱２１１を生長させたアルミン酸リチウム基板２１について、該２段式反応炉本体内の２段目のハイドライド気相成長法により、窒素ガスを希釈ガスとし、750〜800°Cで、該ガリウム金属を、導入された塩化水素（HCl）ガスと、反応させて、塩化ガリウム（GaCl）を形成し、また、該窒化ガリウムナノ柱２１１を、新規の核形成点として、500〜600°Cにおいて、該塩化ガリウムとアンモニアガスとを、該アルミン酸リチウム基板２１上において混合反応させて薄いフィルムである窒化ガリウム２１２を形成し、そして、温度と導入されたガスの流速を調整して、厚い膜である窒化ガリウムを成長させるハイドライド気相成長法により、厚い膜である窒化ガリウムを生長させるステップ１３とが含有される。

本発明を利用する時、また、ガリウム金属を、移動可能のウエハボートに入れ込み、また、アルミン酸リチウム基板２１を、ベース上にセットし、高温下において、反応炉本体により、該アルミン酸リチウム基板２１に対して化学蒸着法で、窒化ガリウムナノ柱２１１を生長させ、この時、線形窒化ホウ素（Boron Nitride、 BN）管により、該反応炉本体の石英管を、成長期間において、汚染から保護し、また、該窒化ガリウムナノ柱２１１と該アルミン酸リチウム基板２１の間の界面自由エネルギーを低減でき、そして、該窒化ガリウムナノ柱２１１から、次の化学反応である［化１］が行われ、
が行われ、
そして、該窒化ガリウムナノ柱２１１を新規の核形成点として、該反応炉本体により、２段目のハイドライド気相成長法を行い、次の化学反応である［化２］
と［化３］
が行われ、直接に、該新規の核形成点上において、窒化ガリウムを生長させ、その後、該アルミン酸リチウム基板２１を、予めに加熱された領域に運搬して、室温下で、ゆっくり冷却させ、該アルミン酸リチウム基板２１の温度を調整して、該アルミン酸リチウム基板２１とその回りとの間において、小さい温度差があることにより、成長状態を制御し、これにより、厚い膜である窒化ガリウムを生長させる。上記のように、該２段式反応炉本体に弱いピエゾフィールドがあるため、量子閉じ込めシュタルク効果（Quantum Confined Stark Effect、 QCSE）が低減され、有効に、高温下で、アルミン酸リチウムを基板とする時、そのリチウム原子が、窒化ガリウムの隙間に拡散侵入する問題を改善できる。

以上のように、本発明は、CVDとHVPEによる窒化ガリウムの生長方法であり、有効に、従来の諸欠点を改善でき、高温化学蒸着法により、ナノ構造である窒化ガリウムを生長させ、また、該ナノ構造である窒化ガリウムを新規の核形成点とし、ハイドライド気相成長法により、厚い膜である窒化ガリウムに生長させ、そのため、有効に、高温下で、アルミン酸リチウムを基板とする時、そのリチウム原子が窒化ガリウムの隙間に拡散侵入する問題を改善でき、そのため、本発明は、より進歩的かつより実用的で、法に従って特許請求を出願する。

以上は、ただ、本発明のより良い実施例であり、本発明は、それによって制限されることが無く、本発明に係わる特許請求の範囲や明細書の内容に基づいて行った等価の変更や修正は、全てが、本発明の特許請求の範囲内に含まれる。

本発明の作製流れの概念図本発明のアルミン酸リチウム基板の構造概念図本発明の窒化ガリウムナノ柱を生長させる時の構造概念図本発明の厚い膜である窒化ガリウムを生長させる時の構造概念図

符号の説明

１１〜１３ステップ
２１アルミン酸リチウム基板
２１１窒化ガリウムナノ柱
２１２フィルム窒化ガリウム

Claims

少なくとも、（A）アルミン酸リチウム基板と反応炉本体とを用意するステップと、（B）該アルミン酸リチウム基板を、ベース上にセットして、ガリウム金属を、移動可能のウエハボート中に載置し、高温下で、アンモニアガスを導入し、該反応炉本体で、化学蒸着法により、該アルミン酸リチウム基板上に、ナノ構造である窒化ガリウムナノ柱を堆積形成するステップと、（C）該反応炉本体で、該ナノ構造である窒化ガリウムナノ柱を新規の核形成点とし、該アルミン酸リチウム基板に対して、ハイドライド気相成長法により、ガリウム金属と塩化水素を７５０℃〜８００℃で反応させ塩化ガリウムを生成し、該塩化ガリウムとアンモニアとを５００℃〜６００℃で反応させ、基板上に窒化ガリウムを生長させるように、温度と該ガスの流速を調整しながら、厚い膜である窒化ガリウムを生長させるステップとが含有されることを特徴とするCVDとHVPEによる窒化ガリウムの生長方法。
請求項１におけるアルミン酸リチウム基板に代えて、基板がガリウム酸リチウム、シリコン酸リチウム、ゲルマニウム酸リチウム、アルミン酸ナトリウム、ゲルマニウム酸ナトリウム、シリコン酸ナトリウム、リン酸リチウム、ヒ酸リチウム、バナジウム酸リチウム、ゲルマニウム酸リチウムマグネシウム、ゲルマニウム酸リチウム亜鉛、ゲルマニウム酸リチウムカドミウム、シリコン酸リチウムマグネシウム、シリコン酸リチウム亜鉛、シリコン酸リチウムカドミウム、ゲルマニウム酸ナトリウムマグネシウム、ゲルマニウム酸ナトリウム亜鉛或いはシリコン酸ナトリウム亜鉛の内の何れかから構成されることを特徴とする請求項１に記載のCVDとHVPEによる窒化ガリウムの生長方法。
前記該反応炉本体は、２段式反応炉本体により、該化学蒸着法と該ハイドライド気相成長法が直列配列されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のCVDとHVPEによる窒化ガリウムの生長方法。