JP5045033B2

JP5045033B2 - 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: JP5045033B2
Application number: JP2006236099A
Authority: JP
Inventors: 英良高須賀
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2006-08-31
Filing date: 2006-08-31
Publication date: 2012-10-10
Anticipated expiration: 2026-08-31
Also published as: JP2008060369A

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。

ＧａＮ、ＧａＡｓ、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ＧａＮ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ガスとＡｌＣｌ_３ガスとの混合が不十分であったため、原料ガスの利用効率が低かった。

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の向上が図られた気相成長装置、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の供給管における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おり、第１の供給管の第１の供給口の開口面積が、第１の供給管の断面積に比べて小さくなっている。

本発明の気相成長装置では、供給管の第１の供給口側の端部に設けられたガス流調整部により、第２の供給口から供給される第２の原料ガスは、滞留することなく第１の供給口付近まで流れて、第１の原料ガスと反応する。このとき、第１の供給口の開口面積が供給管の断面積に比べて小さくなっているため、第１の供給口から供給される第１の原料ガスの流速が有意に高められている。それにより、乱流が生じやすくなっており、供給管の端部と基板との間で、第１の原料ガスと第２の原料ガスとが効果的に混合されるため、原料ガスの利用効率の向上が実現される。

また、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の供給管における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おり、第１の供給口が複数の小孔が設けられたヘッド部によって塞がれている。

本発明の気相成長装置では、供給管から供給される第１の原料ガスは、第１の供給口のヘッド部の小孔から噴出されるため、供給管から供給される第１のガスの流速が有意に高められている。それにより、乱流が生じやすくなっており、供給管の端部と基板との間で、第１の原料ガスと第２の原料ガスとが効果的に混合されるため、原料ガスの利用効率の向上が実現される。

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。この化合物半導体の成長方法では、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の向上が図られた気相成長装置、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内に接続されている。

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配置されることが好ましい。この場合、円状の配置は、全ての基板の膜の成長速度が均一になるので好ましい。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が、端部２６の供給口２８の位置に設けられた絞り部２６ａにおいて断面積（開口面積）が小さくなっている。この絞り部２６ａにより、供給管２４から反応管１２に供給される原料ガスＧ１の流速が、例えば１０ｍ／ｓを超える程度にまで高められている。この絞り部２６ａは、供給管２４の内壁から管軸に向かって一体的に突出するリング状部分である。供給管２４は、反応管１２内に接続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）。

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。

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。

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。

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。そして、供給管２４の供給口２８の開口面積は、絞り部２６ａにより供給管２４の流路断面積に比べて小さくなっているために、供給口２８から原料ガスＧ１の高い流速で噴出される。その結果、供給口２８と基板Ｗとの間に乱流が生じて、その乱流により原料ガスＧ１と原料ガスＧ２との混合が促進され効果的に混合される。

一方、図３に示す気相成長装置１０Ａのように、供給管２４の端部２６に絞り部２６ａが設けられていない場合には、原料ガスＧ１は高速で供給されず、拡散主導の混合となる。そのため、このような気相成長装置１０Ａでは、原料ガスＧ１と原料ガスＧ２との混合が乱流によって促進されるような効果は得られない。

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１０においては、供給口２８に設けられた絞り部２６ａにより、供給口２８と基板Ｗとの間に乱流が生じやすくなっている。そして、この乱流により、原料ガスＧ１と原料ガスＧ２とが効果的に混合されて基板Ｗ上において反応するため、気相成長装置１０は気相成長装置１０Ａに比べて原料ガスＧ１，Ｇ２の利用効率が向上している。

また、反応管１２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Ｍへ欠陥が導入される事態が発生する場合があるが、上述した気相成長装置１０では、ガス流調整部３２により、反応管１２内壁などへの膜の成長が起こりにくくなっているため、成長膜Ｍへの欠陥導入も有意に抑制されている。
（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、供給管２４に代えて供給管２４Ａ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。

供給管２４Ａの端部２６は、その管肉厚は略均一で、下流側に向かうに連れて広くなる形状を有する。よって、原料ガスＧ１の流路断面積は、下流側に向かうに連れて大きくなる。これに伴って、気相成長装置１０Ｂにおける供給口３０は、下流側に向かうに連れて狭くなっている。よって、原料ガスＧ２の流路断面積は、下流側に向かうに連れて小さくなる。そして、供給管２４の供給口２８がヘッド部３１によって塞がれている。このヘッド部３１は供給管２４の管軸に直交するように配置されたプレート状部分であって、その厚さ方向に沿って複数の小孔３１ａが設けられている。すなわち、供給管２４Ａの端部２６は、シャワーヘッド構造となっている。

そのため、この供給管２４Ａから供給される原料ガスＧ１は、ヘッド部３１の小孔３１ａから反応管１２に噴出される。このヘッド部３１により、供給管２４Ａから噴出される原料ガスＧ１の流速は、例えば１０ｍ／ｓを超える程度にまで高められている。それにより、供給口２８と基板Ｗとの間に乱流が生じやすくなっている。

すなわち、この気相成長装置１０Ｂにおいても、気相成長装置１０同様、供給口２８と基板Ｗとの間に生じる乱流により、原料ガスＧ１と原料ガスＧ２とが効果的に混合され、原料ガスＧ１，Ｇ２の利用効率が向上している。

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１〜８及び比較例１〜４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、ｚが１ｍｍ、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１８４８μｍであったことから、ＡｌＮ結晶の成長速度は１６０μｍ／ｈｒと見積もることができた。

（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１７４２μｍであったことから、ＡｌＮ結晶の成長速度は１４０μｍ／ｈｒと見積もることができた。

（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、ｚが１ｍｍ、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３３８０μｍであったことから、ＧａＮ結晶の成長速度は３５０μｍ／ｈｒと見積もることができた。

（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１２００μｍであったことから、ＡｌＮ結晶の成長速度は４０μｍ／ｈｒと見積もることができた。

（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２７３０μｍであったことから、ＧａＮ結晶の成長速度は９１μｍ／ｈｒと見積もることができた。

（実施例６）
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４５６０μｍ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。

（実施例７）
図４に示される気相成長装置１０Ｂ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、供給口２８の断面積が約９６２ｍｍ^２、小孔３１ａの総断面積が約３０ｍｍ^２のものを用いた。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１００ｍｍ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２０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２１００μｍであったことから、ＡｌＮ結晶の成長速度は７０μｍ／ｈｒと見積もることができた。

（実施例８）
図４に示される気相成長装置１０Ｂ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１０Ｂとしては、供給口２８の断面積が約９６２ｍｍ^２、小孔３１ａの総断面積が約３０ｍｍ^２のものを用いた。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１００ｍｍとした。基板ホルダ１４にＧａＡｓ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時間させた後、表面にＧａＮ膜が成長したＧａＡｓ基板を反応管１２から取り出した。ＧａＮ膜の膜厚は４０００μｍであったことから、ＧａＮ結晶の成長速度は１３３μｍ／ｈｒと見積もることができた。

（比較例１）
図３に示される気相成長装置１０Ａを用いて、ＳｉＣ基板上にＡｌＮ膜を成長させた。気相成長装置１０Ａ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）。気相成長装置１０Ａでは図２中ｚに相当する大きさはｘと等しく、この比較例の場合は１０ｍｍである。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。

（比較例２）
図３に示される気相成長装置１０Ａ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１０Ａ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）。気相成長装置１０Ａでは図２中ｚに相当する大きさはｘと等しく、この比較例の場合は１０ｍｍである。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。

（比較例３）
図５に示される気相成長装置１０Ｃを用いて、ＳｉＣ基板上にＡｌＮ膜を成長させた。気相成長装置１０Ｃとしては、供給口２８の断面積が約９６２ｍｍ^２、供給口３０の断面積が約２９４ｍｍ^２のものを用いた。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１００ｍｍ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２０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１２４０μｍ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。

（比較例４）
図５に示される気相成長装置１０Ｃ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１０Ｃとしては、供給口２８の断面積が約９６２ｍｍ^２、供給口３０の断面積が約２９４ｍｍ^２のものを用いた。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１００ｍｍとした。基板ホルダ１４にＧａＡｓ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時間させた後、表面にＧａＮ膜が成長したＧａＡｓ基板を反応管１２から取り出した。ＧａＮ膜の膜厚は２５２０μｍであったことから、ＧａＮ結晶の成長速度は８４μｍ／ｈｒと見積もることができた。

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。図１に示した気相成長装置の開発段階における気相成長装置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。図４に示した気相成長装置の開発段階におけ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，１０Ｃ…気相成長装置、１２…反応管、２４，２４Ａ…供給管、２８…第１の供給口、３０…第２の供給口、３１…ヘッド部、３１ａ…小孔、３２…ガス流調整部、３２ａ…第１の部分、３２ｂ…第２の部分、Ｇ１…第１の原料ガス、Ｇ２…第２の原料ガス、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の供給管における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、
前記ガス流調整部が、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の供給口に向かって外周が狭まる第２の部分とによって構成されており、
前記第１の供給管の前記第１の供給口の開口面積が、前記第１の供給管の断面積に比べて小さくなっている、気相成長装置。
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の供給管における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、
前記ガス流調整部が、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の供給口に向かって外周が狭まる第２の部分とによって構成されており、
前記第１の供給口が複数の小孔が設けられたヘッド部によって塞がれている、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。