JP5045032B2

JP5045032B2 - 気相成長装置及び化合物半導体膜の成長方法

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Publication number: JP5045032B2
Application number: JP2006230922A
Authority: JP
Inventors: 英良高須賀
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2006-08-28
Filing date: 2006-08-28
Publication date: 2012-10-10
Anticipated expiration: 2026-08-28
Also published as: JP2008053636A

Description

本発明は、気相成長装置、化合物半導体膜及びその成長方法に関する。

窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、インジウム燐（ＩｎＰ）等の化合物半導体は、発光素子、高速電子デバイスに好適に用いられている。このような化合物半導体からなる結晶は、通常、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）やハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）を用いて基板上に成長される。特に、ＨＶＰＥ法を用いると、高速でこれらの単結晶を成長することができる。

ＨＶＰＥ法を行うための気相成長装置としては、例えば非特許文献１に記載されたものが挙げられる。このような気相成長装置は、ＡｌＮ単結晶を成長するときにも用いられ、反応管にアンモニア（ＮＨ_３）を導入するＮＨ_３ガス導入管と、反応管に三塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ_３）を導入するＡｌＣｌ_３ガス導入管と、基板支持台とを備えている。このような気相成長装置を用いたＡｌＮの成長は、以下の手順によっておこなわれる。
（１）反応管にキャリアガス（水素ガス、窒素ガス）を導入し、基板支持台が１２００℃程度になるまで昇温する。
（２）ＮＨ_３ガス導入管からＮＨ_３を導入し、基板支持台の温度が安定するまで保持する。
（３）ＡｌＣｌ_３ガス導入管からＡｌＣｌ_３を導入し、基板上にＡｌＮ結晶膜が所定厚さになるまで成長させる。このとき、反応管内の基板上ではＮＨ_３とＡｌＣｌ_３が反応しＡｌＮ膜が成長する。
（４）ＡｌＮ膜が所定厚さになったら、ＡｌＣｌ_３の導入を停止しキャリアガスを流しながら、ヒーターを停止し、反応管が室温になるまで降温させる。温度が十分に低下したら容器内の表面にＡｌＮ膜が成長した基板を取り出す。
Ｔ．Ｇｏｔｏ他、ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＭＡＴＥＲＩＡＬＳＣＩＥＮＣＥ２７（１９９２）ｐ．２４７

しかしながら、上述の気相成長装置では、ＮＨ_３とＡｌＣｌ_３との反応が、反応管の内壁付近やガス供給管の噴出口付近といった基板上以外の場所でも生じやすくなっており、基板上に効率よくＡｌＮ膜を成長することができなかった。その上、基板上以外の場所で成長したＡｌＮ膜が、剥離して基板上に付着する事態も生じやすく、この場合、ＡｌＮ膜に欠陥が導入されるという不具合がある。

本発明は、上記事情に鑑みて為されたものであり、原料ガスの利用効率が高く、成長膜への欠陥導入を抑えることができる気相成長装置、欠陥の少ない化合物半導体膜及びその成長方法を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明の気相成長装置は、第１の原料ガスと第２の原料ガスとを混合し化合物半導体を成長するための反応管と、反応管内に挿入されており、第１の原料ガスを反応管内に供給するための第１の供給管と、反応管に接続されており、第２の原料ガスを反応管内に供給するための第２の供給管と、第１の供給管の反応管内に位置する端部に形成された第１の供給口の近くに基板を保持する基板ホルダとを備え、第１の供給管の外壁が反応管の内壁と対向する部分を有することによって、第１の供給管と反応管とが二重管構造を形成しており、第１の供給管の外壁と反応管の内壁との間に形成される空間が第２の原料ガスの流路となるように第２の供給管が反応管に接続されており、第１の供給管の反応管内に位置する端部には、第２の原料ガスの流路の断面積を減少させるように反応管の内壁に向かって膨らんだガス流調整部が設けられている。

本発明の気相成長装置では、ガス流調整部により、第２の供給管から供給される第２の原料ガスが、滞留することなく第１の供給管の第１の供給口付近まで流れて、第１の原料ガスと反応する。そのため、第１の原料ガスと第２の原料ガスとは、その大部分が、第１の供給管の第１の供給口近くで基板ホルダに保持された基板上において反応する。従って、原料ガスの利用効率が高くなっている。また、反応管内壁など基板表面以外の場所での膜の堆積が多いと、成長中にこれらの膜が厚くなってはがれ、基板表面へ浮遊、落下し、成長膜へ欠陥が導入される事態が発生する場合があるが、本発明の気相成長装置では、反応管内壁などへの膜の成長が起こりにくくなっている。このため、成長膜への欠陥導入も有意に抑制されている。

また、ガス流調整部は、第１の供給口に向かって外周が広がる第１の部分と、第１の部分より第１の供給口側に位置し、第１の供給口に向かって外周が狭まる第２の部分とを有していることが好ましい。この場合、第１の供給管の外壁と反応管の内壁との間に形成される空間を第２の原料ガスが渦を発生せずに流れ、下流の流れを乱さない。

また、上記気相成長装置は、第１の供給管内に挿入されており、第１の原料ガスを流すための第３の供給管を更に備え、第１の供給管と第３の供給管とが二重管構造を形成しており、第１及び第２の原料ガスと反応しないガスを反応管内に供給するための空間が、第３の供給管の外壁と第１の供給管の内壁との間に形成されていることが好ましい。この場合、第１及び第２の原料ガスと反応しないガスの存在により、第１の供給管の第１の供給口の位置において、第１の原料ガスと第２の原料ガスとが反応してしまう事態が抑制されるため、原料ガスの利用効率がより向上する。

本発明の化合物半導体膜は本発明の気相成長装置を用いて成長させる。本発明の気相成長装置を用いることで成長膜への欠陥導入が抑えられるため、欠陥の少ない化合物半導体膜が得られる。そのため、それを用いて作製した半導体素子の構造上の欠陥形成が抑制され、素子の動作不良の発生が低減される。なお、本発明における「化合物半導体膜」には、基板上に成膜した化合物半導体膜の他に、その化合物半導体膜を厚くバルク成長させて切り出したもの（例えば、半導体基板など）も含まれるものとする。

本発明の化合物半導体膜の成長方法では、本発明の気相成長装置を用いて化合物半導体膜を成長させる。この成長方法では、本発明の気相成長装置を用いるので、原料ガスの利用効率が高まり、成長膜への欠陥導入が抑えられる。

本発明によれば、原料ガスの利用効率が高く、成長膜への欠陥導入を抑えることができる気相成長装置、欠陥の少ない化合物半導体膜及びその成長方法が提供される。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号を用い、重複する説明を省略する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る気相成長装置を模式的に示す図である。図１に示される気相成長装置１０は、ハイドライド気相成長装置（ＨＶＰＥ装置）であることが好ましいが、有機金属気相成長装置（ＭＯＣＶＤ装置）であってもよい。気相成長装置１０がＨＶＰＥ装置であると、化合物半導体を高速で成長させることができる。成長される化合物半導体としては、III−Ｖ族化合物半導体（例えばＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ等）やＩＩ−ＶＩ族化合物半導体（ＺｎＳｅ、ＺｎＯ等）がある。

気相成長装置１０は、第１の原料ガスＧ１と第２の原料ガスＧ２とを混合することによって化合物半導体を成長するための略円筒形の反応管１２を備える。原料ガスＧ１，Ｇ２は、生成される化合物半導体に応じて適宜選択される。原料ガスＧ１はＧａ、Ａｌ、Ｉｎ等のIII族元素を含むことが好ましく、原料ガスＧ２はＡｓ、Ｐ、Ｎ等のＶ族元素を含むことが好ましい。また、これらの原料ガスＧ１，Ｇ２は、ガス流量を調整するために水素（Ｈ_２）、窒素（Ｎ_２）、アルゴン（Ａｒ）などのキャリアガスで希釈されることがある。一実施例において、原料ガスＧ１はＨ_２希釈されたＡｌＣｌ_３であり、原料ガスＧ２はＨ_２希釈されたＮＨ_３である。この場合、原料ガスＧ１と原料ガスＧ２とを混合させることによって、化合物半導体としてＡｌＮ単結晶が成長される。

反応管１２の一端（上流側の端部）１２ａには、原料ガスＧ１を反応管１２内に供給するための第１の供給管２４と、原料ガスＧ２を反応管１２内に供給するための第２の供給管１６とが取り付けられている。供給管１６，２４は反応管１２に接続されている。

反応管１２の他端（下流側の端部）１２ｂには、反応管１２内において基板Ｗを水平に保持する基板ホルダ１４が取り付けられている。基板ホルダ１４は、供給管２４における反応管１２内に位置する端部２６に形成された第１の供給口２８の近くに基板Ｗを保持する。基板Ｗは、反応管１２内に収容されており、例えばシリコン（Ｓｉ）基板、サファイア基板、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）基板、酸化亜鉛（ＺｎＯ）基板、又はＧａＡｓ基板などの半導体基板である。図１では一例として１個の基板Ｗが配置されているが、複数の基板Ｗが配置されてもよい。この場合、複数の基板Ｗを複数の基板ホルダ１４にそれぞれ固定し、各基板ホルダ１４を反応管１２の内面に固定する。基板ホルダ１４は、反応管１２の管軸を取り囲むように円状に配置されることが好ましい。このような配置では、各基板間の成長速度の差が小さく、全ての基板に関して均一な膜が形成されやすい。複数の基板Ｗを配置すると、各基板Ｗ上に化合物半導体膜Ｍ（化合物半導体）を同時に成長させることができるので、生産性がより向上する。また、基板ホルダ１４に回転機構を取り付け、成長中に基板を回転すれば、基板表面の成長速度の均一性は向上する。原料ガスＧ１と原料ガスＧ２との混合ガスＧ４が基板Ｗに到達すると、基板Ｗ上に化合物半導体膜Ｍが成長される。反応管１２の他端１２ｂには、基板Ｗよりも下流側に位置する排気口４０が形成されている。

供給管２４の一方の端部２５は原料ガスＧ１を発生する供給装置２３につながっている。供給管２４の他方の端部２６は、反応管１２の中に位置する。供給管２４は、原料ガスＧ１を反応管１２内に供給するための第１の供給口２８が形成された端部２６と、端部２６よりも上流側に位置する端部２５とを有する。供給管２４の内側形状は、端部２６から端部２５にわたって略ストレートな円管状となっており、流路断面積はほとんど変わらない。供給管２４は、反応管１２内に挿入されると共に反応管１２と二重管構造を形成する。すなわち、供給管２４の外壁が反応管１２の内壁と対向する部分を有することによって、反応管１２と供給管２４とは二重管構造を形成する。供給口２８よりも下流側の位置の供給口付近には基板Ｗが保持された基板ホルダ１４が配置されている。基板Ｗ上で高い成長速度を得るためには、供給口２８と基板Ｗとの距離（反応管１２の管軸方向における供給口２８と基板Ｗ表面の中心点との距離）ｄ１は、反応管１２の直径Ｌの０．２〜５倍であることが好ましい（図２参照）。

原料ガスＧ１の供給は、反応管１２の外で、固体ＡｌＣｌ_３を気化させてＡｌＣｌ_３ガスとしたのち、当該ＡｌＣｌ_３ガスを反応管１２に導入してもよいし、別途ヒーター２２ａを設けた生成管２１に、Ａｌペレット等の原料を収容したソースボートを設置してもよい。生成管２１内には、例えばＡｌペレットが収容されたソースボート２０が設置されている。生成管２１内には、導入管１８を介してガスＧ３が導入される。生成管２１内においてガスＧ３がソースボート２０の中のＡｌペレットに接触することによって、原料ガスＧ１が生成される。例えば、ガスＧ３としてＨ_２で希釈した塩化水素（ＨＣｌ）を用いて、ソースボート２０にＡｌペレットを収容した場合、原料ガスＧ１としてＨ_２で希釈したＡｌＣｌ_３が生成される。また、ここでは生成管２１は反応管１２の外に配置されてあるが、生成管２１を反応管１２の中に設置した構造をとることもできる。

供給管１６の放出口２９は、供給管２４の供給口２８よりも上流側に位置している。よって、供給管１６の放出口２９から放出される原料ガスＧ２は、供給管２４の端部２６と反応管１２との間から基板Ｗの表面に供給される。すなわち、供給管１６は、供給管２４の外壁と反応管１２の内壁との間に形成される空間ＳＰが原料ガスＧ２の流路となるように反応管１２に接続されている。これにより、供給管２４の端部２６と反応管１２との間に、原料ガスＧ２を基板Ｗの表面に供給するための第２の供給口３０が形成される。供給口３０は、反応管１２の管軸方向から見て供給口２８を環状に取り囲む。

供給管２４の端部２６には、第２の供給口３０の断面を狭めるように外側に膨らんだガス流調整部３２が形成されている。すなわち、ガス流調整部３２は、供給管２４の供給口２８の近くにおいて、原料ガスＧ２の流路の断面積を減少させるように反応管１２の内壁に向かって膨らんでいる。このガス流調整部３２は、供給口２８に向かって（すなわち、供給管の延在方向に沿う方向の下流側に向かって）外周が広がる第１の部分３２ａと、供給口２８に向かって外周が狭まる第２の部分３２ｂとによって構成されているが、第１の部分３２ａ及び第２の部分３２ｂのいずれか一方を有していてもよい。第２の部分３２ｂは第１の部分３２ａより供給口２８側に隣り合って位置しており、ガス流調整部３２全体としては紡錘形（若しくは流線形）をなしている。よって、原料ガスＧ２の流路断面積は、ガス流調整部３２の位置においては、下流側に向かって一旦狭まり、その後に広がっている。第２の部分３２ｂは、平坦な先端面２４ａを有している。図１ではガス流調整部３２はその横断面形状が直線で形成されているものを示しているが、これらは曲線であっても良く、ガス流調整部３２は流線形の形状を取りうる。

ここで、図２を用いて反応管１２、ガス流調整部３２、供給管２４がほぼ回転対称の場合の、これらの好ましい形状に関して詳しく説明する。図２は、図１に示される気相成長装置の主要部を模式的に示す図である。供給口２８の直径をｘ、反応管１２の直径をＬ、ガス流調整部３２の外周と反応管１２の内壁との最短距離をｄ、供給口２８の付近に形成されるガス流調整部３２の先端面２４ａの径方向距離をｙ、外径が広がる第１の部分３２ａの流れ方向の長さをｍ、供給口２８側に向かって外径が狭まる第２の部分３２ｂの流れ方向の長さをｌとする。これらのサイズの好ましい関係は以下のようになる。ｄはｘ/４以上２０ｘ以下が好ましい。ｙは０以上（Ｌ−ｘ）/２未満が好ましい。ｌは０以上２０ｘ以下が好ましい。ｍは０以上２０ｘ以下が好ましい。ただし、ｌ及びｍの少なくとも一方はゼロでない。ｘは０．００１Ｌ以上０．５Ｌ以下が好ましい。

反応管１２の周囲には、反応管１２の管軸方向に沿って延びるヒータ２２ｂが設けられていることが好ましい。ヒータ２２ｂは、ヒータ２２ａよりも下流側に位置する。ヒータ２２ａはソースボート２０を加熱し、原料ガスＧ１の生成を促進させる。ヒータ２２ｂは基板Ｗを加熱し、原料ガスＧ１と原料ガスＧ２との反応を促進させる。また、ヒータ２２ａ、ヒータ２２ｂの外周は、断熱材で覆われていることが好ましい。

ここで、気相成長装置１０を用いて化合物半導体を成長させる方法の一例について説明する。まず、反応管１２にキャリアガス（水素ガス、窒素ガスなど）を導入し、基板ホルダ１４が例えば１１００℃程度になるまで昇温する。次に、供給管１６から原料ガスＧ２を反応管１２内に供給し、基板ホルダ１４の温度を安定させる。さらに、供給管２４から原料ガスＧ１を反応管１２内に供給し、基板Ｗ上に化合物半導体膜Ｍを所定膜厚となるまで成長させる。このとき、反応管１２内の基板Ｗ上では原料ガスＧ１と原料ガスＧ２とが反応する。続いて、化合物半導体膜Ｍが所定膜厚となったら原料ガスＧ１の供給を停止し、キャリアガスを流しながら、ヒータを停止し、反応管１２が室温になるまで降温させる。温度が十分に低下したら、化合物半導体膜Ｍが成長された基板Ｗを反応管１２から取り出す。

本実施形態の気相成長装置１０では、原料ガスＧ２と原料ガスＧ１との混合は供給口２８付近でおこる。このとき、ガス流調整部３２によって、供給管２４の外周面における原料ガスＧ１，Ｇ２の滞留が有意に抑制されており、原料ガスＧ２と原料ガスＧ１とが反応する前に混合ガスが供給口２８から流れ去る。そのため、原料ガスＧ１と原料ガスＧ２とが供給管２４の端部２６で反応して供給管２４にＡｌＮ等の化合物半導体が堆積される事態が抑制されている。すなわち、原料ガスＧ１と原料ガスＧ２との反応は基板Ｗ上でおこりやすくなっており、基板Ｗ上において原料ガスＧ１，Ｇ２が効率よく化合物半導体膜（ＡｌＮ膜）Ｍの成膜に利用される。その上、ガス流調整部３２によって渦の発生が抑えられているため、供給口３０から流れ出た原料ガスＧ２がエアカーテンの役割を成し、原料ガスＧ１が反応管１２の内壁方向へ流れる事態が抑制され、内壁に化合物半導体膜（ＡｌＮ膜）が堆積されにくくなっている。したがって、本実施形態の気相成長装置１０では、原料ガスの利用効率を高くすることができ、成長膜への欠陥導入を抑えることができる。

また、ガス流調整部３２が第１の部分３２ａと第２の部分３２ｂとを有していると、原料ガスＧ２が空間ＳＰを渦発生なしに流れるので、原料ガスの利用効率が高く、成長膜への欠陥導入を更に抑えることができる。

図３は、好ましい形状のガス流調整部を備える第１実施形態に係る気相成長装置の変形例を模式的に示す図である。図３に示される気相成長装置１０Ａは、図１及び図２に示される気相成長装置１０のガス流調整部３２に代えて、ｙ＝２ｍｍのガス流調整部３２Ａを備えること以外は気相成長装置１０と同様の構成を有する。ガス流調整部３２Ａの第２の部分３２ｂは、その外径が、供給口２８の位置において供給口２８の縁と等しくなるまで狭まっており、供給口２８の口径と等しくなっている。すなわち、ガス流調整部３２Ａは、供給口２８の位置において、傾斜面のみを有し、管軸方向に直交する平面は実質的に形成されていない。換言すると、供給管２４の端部２６は、ガス流調整部３２Ａによって、供給口２８の位置において先鋭化された形状となっている。一方、図１に示す気相成長装置１０のように、ガス流調整部３２によって供給管２４の端部２６が先鋭化されていない（ｙ＞２ｍｍ）場合には、ガス流れ条件によっては、原料ガスＧ１，Ｇ２が滞留して、供給管２４の先端面２４ａにおいて反応生成物が堆積する傾向にある。この反応生成物が剥離してパーティクル（微粒子）が生成されると、そのパーティクルが供給口２８近くに配置された基板Ｗに付着し、基板Ｗ上に成長される化合物半導体膜Ｍに欠陥が導入される原因となる場合がある。

本実施形態の気相成長装置１０Ａでは、原料ガスＧ２と原料ガスＧ１との混合は供給口２８付近でおこる。このとき、供給管２４がガス流調整部３２Ａによって先鋭化されているため、供給管２４の外周面における原料ガスＧ１，Ｇ２の滞留が更に抑制されており、原料ガスＧ２と原料ガスＧ１とが反応する前に混合ガスが供給口２８から流れ去る。そのため、原料ガスＧ１と原料ガスＧ２とが供給管２４の端部２６で反応して供給管２４にＡｌＮ等の化合物半導体が堆積される事態が更に抑制されている。すなわち、原料ガスＧ１と原料ガスＧ２との反応は基板Ｗ上でおこりやすくなっており、基板Ｗ上において原料ガスＧ１，Ｇ２が効率よく化合物半導体膜（ＡｌＮ膜）Ｍの成膜に利用される。その上、ガス流調整部３２Ａによって渦の発生が抑えられているため、供給口３０から流れ出た原料ガスＧ２がエアカーテンの役割を成し、原料ガスＧ１が反応管１２の内壁方向へ流れる事態が抑制され、内壁に化合物半導体膜（ＡｌＮ膜）が堆積されにくくなっている。

以上で詳細に説明したとおり、本実施形態に係る気相成長装置１０Ａにおいては、ガス流調整部３２Ａにより、供給口３０から供給される原料ガスＧ２は、滞留することなく供給口２８付近まで流れて、原料ガスＧ１と反応する。そのため、原料ガスＧ１と原料ガスＧ２とは基板Ｗ上において反応する。すなわち、気相成長装置１０Ａでは、気相成長装置１０に比べて、原料ガスＧ１，Ｇ２の利用効率の更なる向上が図られている。その上、基板Ｗ上以外の場所での膜成長が起こりにくくなっているため、化合物半導体膜Ｍへ欠陥が導入される事態も更に抑制されている。

なお、供給管２４の管軸に直交する方向の位置ズレが生じて、反応管１２に対して偏りが生じると、原料ガスＧ２の流れのバランスが崩れてしまう。この場合、上述した原料ガスＧ２によるエアカーテンの効果が低減し、反応管１２の内壁に多量の化合物半導体膜（ＡｌＮ膜）が成膜されてしまう。このような事態を防止するため、ガス流調整部３２Ａの最大外径の部分と反応管１２の内壁面との最短距離ｄを、想定される位置ズレよりもある程度大きく（例えば１０倍以上に）設計することが好ましい。換言すると、ガス流調整部３２Ａの最大外径は、反応管１２の内径に比べてある程度小さく設計することが好ましい。ただし、ガス流調整部３２Ａの膨らみが小さ過ぎると、原料ガスＧ２が基板中央に向かう流れが弱まって、基板上における成長速度の均一性が保たれなくなるため好ましくない。

さらに、上述した実施形態において、原料ガスＧ１のＡｌＣｌ_３ガスは、原料ガスＧ２のＮＨ_３ガスに比べて比重が高い。そのため、原料ガスＧ１の流れが重力方向（図１における上下方向）に曲がる傾向がある。そのため、原料ガスＧ１，Ｇ２の混合をより均一におこないたい場合には、反応管１２及び供給管２４を鉛直方向に延在させて原料ガスＧ１，Ｇ２の流れと重力方向とを一致させた縦型の装置にすることが好ましい。

（第２実施形態）
図４は、第２実施形態に係る気相成長装置を模式的に示す図である。図４に示される気相成長装置１０Ｂは、供給装置２３に代えて供給装置２３Ａを備えること以外は気相成長装置１０と同様の構成を有する。この供給装置２３Ａは、第１の実施形態において示した生成管２１及び供給管２４に加えて、供給管２４内に挿入されており、原料ガスＧ１を流すための内側供給管３３（第３の供給管）と、反応管１２外部から供給管２４に原料ガスＧ１，Ｇ２と反応しないガスＧ５（例えば、Ｎ_２ガス）を供給する供給管３４とを備えている。供給管２４と内側供給管３３とは二重管構造を形成している。内側供給管３３の外壁と供給管２４の内壁との間には、ガスＧ５を反応管１２内に供給するための空間ＳＰＡが形成されている。

内側供給管３３は、生成管２１の供給管２４側の端部から供給管２４の端部２６まで供給管２４の延在方向に沿って延びており、生成管２１において生成される原料ガスＧ１を供給管２４の供給口２８まで送る。供給管３４は、供給管２４の端部２５に連結されており、供給管２４の内部、且つ、内側供給管３３の外部にガスＧ５を送る。すなわち、供給管２４と内側供給管３３との間に形成された第３の供給口３６から反応管１２にガスＧ５が供給される。

この気相成長装置１０Ｂにおいては、上述した気相成長装置１０Ａの効果に加えて、以下に示すような効果を奏する。すなわち、供給管２４の供給口２８においては、原料ガスＧ１を供給する内側供給管３３の供給口３８の周りに、ガスＧ５を供給する供給口３６が設けられている。そのため、供給管２４の供給口２８の位置では、供給口２８から供給されるガスＧ５が障壁となり、原料ガスＧ１と原料ガスＧ２との混合が抑えられている。そのため、原料ガスＧ１と原料ガスＧ２とは、より基板Ｗに近い位置において混ざり合って、基板Ｗ上に効率よく化合物半導体膜Ｍを成長する。すなわち、気相成長装置１０Ｂでは、供給口３６から供給されるガスＧ５により、供給口２８の位置において、原料ガスＧ１と原料ガスＧ２とが反応してしまう事態が抑制されるため、原料ガスＧ１，Ｇ２の利用効率がより向上される。

以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。上述した実施形態では反応管、供給管の形状はガス流れに垂直な断面が略円形の円筒管であるが、例えば、その断面が三角形、四角形など多角形の管であっても同様の効果が得られる。この場合でも、ガス流調整部のガス流れに平行な断面形状は上述の説明と同様であるが、ガス流れに垂直な断面形状に関しては、上記反応管及び供給管の断面形状に準じた形状となる。

また、上記説明では基板表面がガス流れに平行になるように基板及び基板ホルダが配置されているが、基板表面がガス流れに垂直になるように基板及び基板ホルダが配置されていても同様の効果が得られる。この場合、基板を１枚配置する場合は、反応管の管軸上に基板の中心が来るように配置されることが好ましい。また、反応管の管軸を取り囲むように複数の基板を配置しても良い。

以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

以下、実施例１〜１４及び比較例１，２について詳細に説明する。

（実施例１）
図１及び図２に示される気相成長装置１０を用いて、ＳｉＣ基板上にＡｌＮ膜を成長させた。気相成長装置１０としては、ｘが１０ｍｍ、Ｌが１００ｍｍ、ｄが１０ｍｍ、ｙが２ｍｍ、ｌが５０ｍｍ、ｍが１５０ｍｍのものを用いた（図２参照）。また、反応管１２の管軸方向における供給口２８とＳｉＣ基板表面の中心点との距離ｄ１を約５０ｍｍとした。基板ホルダ１４にＳｉＣ基板を設置した後、基板ホルダ１４の温度を１１００℃まで昇温した。Ａｌ原料としてはＡｌペレットを用いた。石英ボートに載せたＡｌペレットを５００℃に加熱した状態でＮ_２ガスで希釈したＨＣｌガスを流して、ＡｌＣｌ_３ガスを発生させた。一方、窒素原料としてＮＨ_３ガスを使用した。反応管１２内での平均的なＡｌＣｌ_３分圧が０．０１ａｔｍ、ＮＨ_３分圧が０．２ａｔｍとなるようにガス流量を調整した。ＨＣｌ分圧は０．０３ａｔｍであった。

上述の条件下においてＡｌＮ結晶を３０時間成長させた後、表面にＡｌＮ膜が成長したＳｉＣ基板を反応管１２から取り出した。ＡｌＮ膜の膜厚は１１１０μｍであったことから、ＡｌＮ結晶の成長速度は３７μｍ／ｈｒと見積もることができた。一方、供給口２８には、膜厚約１４０μｍのＡｌＮ膜が堆積していた。

（実施例２）
気相成長装置１０のｌを１００ｍｍとしたこと以外は実施例１と同様にしてＡｌＮ膜を成長させた。その結果、ＡｌＮ膜の膜厚は１２３０μｍであったことから、ＡｌＮ結晶の成長速度は４１μｍ／ｈｒと見積もることができた。一方、供給口２８には、膜厚約１２０μｍのＡｌＮ膜が堆積していた。

（実施例３）
図１及び図２に示される気相成長装置１０を用いて、サファイア基板上にＧａＮ膜を成長させた。気相成長装置１０としては、ｘが１０ｍｍ、Ｌが１００ｍｍ、ｄが１０ｍｍ、ｙが２ｍｍ、ｌが１５０ｍｍ、ｍが１５０ｍｍのものを用いた（図２参照）。また、反応管１２の管軸方向における供給口２８と基板表面の中心点との距離ｄ１を約５０ｍｍとした。基板ホルダ１４にサファイア基板を設置した後、基板ホルダ１４の温度を１０５０℃まで昇温した。Ｇａ原料としてはＧａ融液を用いた。石英ボートに載せたＧａ融液を８００℃に加熱した状態でＨ_２ガスで希釈したＨＣｌガスを流して、ＧａＣｌガスを発生させた。一方、窒素原料としてＮＨ_３ガスを使用した。反応管１２内での平均的なＧａＣｌ分圧が０．０１ａｔｍ、ＮＨ_３分圧が０．２ａｔｍとなるようにガス流量を調整した。ＨＣｌ分圧は０．０１ａｔｍであった。

上述の条件下においてＧａＮ結晶を３０時間成長させた後、表面にＧａＮ膜が成長した基板を反応管１２から取り出した。ＧａＮ膜の膜厚は２４６０μｍであったことから、ＧａＮ結晶の成長速度は８２μｍ／ｈｒと見積もることができた。一方、供給口２８には、膜厚約３２０μｍのＧａＮ膜が堆積していた。

（実施例４）
気相成長装置１０のｌを１５０ｍｍとしたこと以外は実施例１と同様にしてＡｌＮ膜を成長させた。その結果、ＡｌＮ膜の膜厚は８４０μｍであったことから、ＡｌＮ結晶の成長速度は２８μｍ／ｈｒと見積もることができた。一方、供給口２８には、膜厚約１６０μｍのＡｌＮ膜が堆積していた。

（実施例５）
気相成長装置１０のｌを２０ｍｍ、ｍを０ｍｍとしたこと以外は実施例１と同様にしてＡｌＮ膜を成長させた。その結果、ＡｌＮ膜の膜厚は１１４０μｍであったことから、ＡｌＮ結晶の成長速度は３８μｍ／ｈｒと見積もることができた。一方、供給口２８には、膜厚約１４０μｍのＡｌＮ膜が堆積していた。

（実施例６）
気相成長装置１０のｌを５０ｍｍ、ｍを０ｍｍとしたこと以外は実施例１と同様にしてＡｌＮ膜を成長させた。その結果、ＡｌＮ膜の膜厚は８４０μｍであったことから、ＡｌＮ結晶の成長速度は２８μｍ／ｈｒと見積もることができた。一方、供給口２８には、膜厚約１６０μｍのＡｌＮ膜が堆積していた。

（実施例７）
気相成長装置１０のｌを１００ｍｍ、ｍを０ｍｍとしたこと以外は実施例１と同様にしてＡｌＮ膜を成長させた。その結果、ＡｌＮ膜の膜厚は６９０μｍであったことから、ＡｌＮ結晶の成長速度は２３μｍ／ｈｒと見積もることができた。一方、供給口２８には、膜厚約１９０μｍのＡｌＮ膜が堆積していた。

（実施例８）
気相成長装置１０のｌを２０ｍｍ、ｍを０ｍｍとしたこと以外は実施例３と同様にしてＧａＮ膜を成長させた。その結果、ＧａＮ膜の膜厚は１９５０μｍであったことから、ＧａＮ結晶の成長速度は６５μｍ／ｈｒと見積もることができた。一方、供給口２８には、膜厚約４５０μｍのＧａＮ膜が堆積していた。

（実施例９）
気相成長装置１０のｌを２０ｍｍ、ｍを５０ｍｍとしたこと以外は実施例３と同様にしてＧａＮ膜を成長させた。その結果、ＧａＮ膜の膜厚は３６００μｍであったことから、ＧａＮ結晶の成長速度は１２０μｍ／ｈｒと見積もることができた。一方、供給口２８には、膜厚約１１０μｍのＧａＮ膜が堆積していた。

（実施例１０）
気相成長装置１０のｌを１００ｍｍ、ｍを０ｍｍとしたこと以外は実施例１と同様にしてＡｌＮ膜を成長させた。その結果、ＡｌＮ膜の膜厚は８１０μｍであったことから、ＡｌＮ結晶の成長速度は２７μｍ／ｈｒと見積もることができた。一方、供給口２８には、膜厚約１６０μｍのＡｌＮ膜が堆積していた。

（実施例１１）
気相成長装置１０のｌを０ｍｍ、ｍを１００ｍｍとしたこと以外は実施例１と同様にしてＡｌＮ膜を成長させた。その結果、ＡｌＮ膜の膜厚は１０８０μｍであったことから、ＡｌＮ結晶の成長速度は３６μｍ／ｈｒと見積もることができた。一方、供給口２８には、膜厚約１３０μｍのＡｌＮ膜が堆積していた。

（実施例１２）
気相成長装置１０のｌを０ｍｍ、ｍを１００ｍｍとしたこと以外は実施例３と同様にしてＧａＮ膜を成長させた。その結果、ＧａＮ膜の膜厚は２１６０μｍであったことから、ＧａＮ結晶の成長速度は７２μｍ／ｈｒと見積もることができた。一方、供給口２８には、膜厚約３４０μｍのＧａＮ膜が堆積していた。

（実施例１３）
気相成長装置１０のｙを１０ｍｍ、ｌを１００ｍｍ、ｍを１００ｍｍとしたこと以外は実施例１と同様にしてＡｌＮ膜を成長させた。その結果、ＡｌＮ膜の膜厚は１０８０μｍであったことから、ＡｌＮ結晶の成長速度は３６μｍ／ｈｒと見積もることができた。一方、供給口２８には、膜厚約１４０μｍのＡｌＮ膜が堆積していた。

（実施例１４）
気相成長装置１０のｙを２０ｍｍ、ｌを１００ｍｍ、ｍを１００ｍｍとしたこと以外は実施例１と同様にしてＡｌＮ膜を成長させた。その結果、ＡｌＮ膜の膜厚は１０５０μｍであったことから、ＡｌＮ結晶の成長速度は３５μｍ／ｈｒと見積もることができた。一方、供給口２８には、膜厚約１３０μｍのＡｌＮ膜が堆積していた。

（比較例１）
気相成長装置のｄを４５ｍｍ、ｌを０ｍｍ、ｍを０ｍｍとしたこと以外は実施例１と同様にしてＡｌＮ膜を成長させた。成長した膜には、直径が５０〜３００μｍ程度のＡｌＮとみられる膜状の破片が百個程度観察できた。また、ＡｌＮ膜の膜厚は２９４μｍであったことから、ＡｌＮ結晶の成長速度は９．８μｍ／ｈｒと見積もることができた。一方、供給口には、膜厚約６８０μｍのＡｌＮ膜が堆積していた。成長膜の破片の周りには高欠陥領域が形成されており、ＴＥＭを用いて成長膜を確認したところ、高欠陥領域以外の領域では２×１０^６／ｃｍ^２程度の低い転位密度であったのに対し、高欠陥領域では５×１０^７／ｃｍ^２もの高い転位密度になっていた。ＡｌＮ膜に観察された破片は、膜の成長中にガス供給口に堆積したＡｌＮ膜が剥がれ落ち、それが成長膜に付着したものと考えられる。そのために、成長膜の破片周辺に高欠陥領域が発生したものと考えられる。

（比較例２）
気相成長装置のｄを４５ｍｍ、ｌを０ｍｍ、ｍを０ｍｍとしたこと以外は実施例３と同様にしてＧａＮ膜を成長させた。ＧａＮ膜の膜厚は５１６μｍであったことから、ＧａＮ結晶の成長速度は１７．２μｍ／ｈｒと見積もることができた。一方、供給口には、膜厚約１３５０μｍのＧａＮ膜が堆積していた。ＧａＮ膜の表面あるいは内部には、直径が５０〜３００μｍ程度のＧａＮとみられる膜状の破片が約５個／ｃｍ^２の密度で観察できた。得られた結晶を研磨した後、カソードルミネッセンス（ＣＬ）で観察したところ、破片の周りには高欠陥領域が形成されており、高欠陥領域以外の領域では４×１０^６／ｃｍ^２以下の転位密度であったのに対し、高欠陥領域（破片から３００μｍの領域）では転位密度が１×１０^７／ｃｍ^２と倍以上に増加していた。ＧａＮ膜に観察された破片はガス供給口に堆積したＧａＮ膜が剥がれ落ちてきたものと考えられる。

一方、実施例１〜１４においては、基板上に成長させた膜の表面あるいは内部には、比較例で観察された膜状の破片は実質的に観察されず、いずれの結晶膜の転位密度も１×１０^６／ｃｍ^２台以下と良好であった。すなわち、本発明に係る実施例１〜１４においては、結晶欠陥の少ない良好な化合物半導体膜が得られい、このような化合物半導体膜を用いて半導体素子を作製した場合には、素子の欠陥起因の動作不良が有意に低減される。

第１実施形態に係る気相成長装置を模式的に示す図である。図１に示される気相成長装置の主要部を模式的に示す図である。好ましい形状のガス流調整部を備える第１実施形態に係る気相成長装置の変形例を模式的に示す図である。第２実施形態に係る気相成長装置を模式的に示す図である。

符号の説明

１０，１０Ａ，１０Ｂ…気相成長装置、１２…反応管、１４…基板ホルダ、１６…第２の供給管、２４…第１の供給管、２６…第１の供給管の端部、２８…第１の供給口、３０…第２の供給口、３２，３２Ａ…ガス流調整部、３２ａ…第１の部分、３２ｂ…第２の部分、３３…内側供給管（第３の供給管）、３６…第３の供給口、Ｇ１…第１の原料ガス、Ｇ２…第２の原料ガス、Ｇ５…ガス、Ｍ…化合物半導体膜（化合物半導体）、Ｗ…基板。

Claims

第１の原料ガスと第２の原料ガスとを混合し化合物半導体を成長するための反応管と、
前記反応管内に挿入されており、前記第１の原料ガスを前記反応管内に供給するための第１の供給管と、
前記反応管に接続されており、前記第２の原料ガスを前記反応管内に供給するための第２の供給管と、
前記第１の供給管の前記反応管内に位置する端部に形成された第１の供給口の近くに基板を保持する基板ホルダと
を備え、
前記第１の供給管の外壁が前記反応管の内壁と対向する部分を有することによって、前記第１の供給管と前記反応管とが二重管構造を形成しており、
前記第１の供給管の外壁と前記反応管の内壁との間に形成される空間が前記第２の原料ガスの流路となるように前記第２の供給管が前記反応管に接続されており、
前記第１の供給管の前記反応管内に位置する前記端部には、前記第２の原料ガスの前記流路の断面積を減少させるように前記反応管の内壁に向かって膨らんだガス流調整部が設けられており、
前記ガス流調整部は、前記第１の供給口に向かって外周が広がる第１の部分と、前記第１の部分より前記第１の供給口側に隣り合って位置し、前記第１の供給口に向かって外周が狭まる第２の部分とを有している、気相成長装置。
前記第１の供給管内に挿入されており、前記第１の原料ガスを流すための第３の供給管を更に備え、
前記第１の供給管と前記第３の供給管とが二重管構造を形成しており、
前記第１及び第２の原料ガスと反応しないガスを前記反応管内に供給するための空間が、前記第３の供給管の外壁と前記第１の供給管の内壁との間に形成されている、請求項１に記載の気相成長装置。
請求項１又は２に記載の気相成長装置を用いて化合物半導体膜を成長させる、化合物半導体膜の成長方法。