JP5443223B2

JP5443223B2 - 気相成長装置および窒化物系半導体発光装置の製造方法

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Publication number: JP5443223B2
Application number: JP2010062860A
Authority: JP
Inventors: 正彦茂木; 直史堀尾
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2010-03-18
Filing date: 2010-03-18
Publication date: 2014-03-19
Anticipated expiration: 2030-03-18
Also published as: JP2011198939A

Description

本発明は、半導体結晶のエピタキシャル成長を行う気相成長装置、特に２フローリアクタに関する。

エピタキシャル成長（気相成長）を行う結晶成長装置は、その反応容器（リアクタ）内に導入された反応ガス（材料ガス）が加熱された基板（ウエハ）上で熱分解反応して、化合物やその固溶体結晶となり、その時、基板の結晶面方位を維持したまま同じ結晶面の単結晶層が該基板上に成長するようにした気相成長装置である。

気相成長反応装置のうち、２フローリアクタでは、ウエハ上の材料ガスの層流と押さえガス流の合成流で成膜ガス流が形成され、材料ガスは基板と平行に、かつ直上に流される（特許文献１、参照）。そして、押さえガス流は材料ガス流に垂直、または垂直から４０°程度まで傾けた角度で流される（特許文献２、参照）。その結果、材料ガスが基板に押し付けられるように流れる。この２つのガス流（フロー）構成により、例えば、ＧａＮ結晶成長において、材料ガスが基板上で高温１０００℃程度になり約４．５倍の体積膨張が起こっても、基板上で安定的な材料ガス流が保たれる。

図１は従来の２フローリアクタの排気可能な反応容器（図示せず）の内部構造の一例を示す概略断面図である。同図において、１１は材料ガスの層流を水平に供給する材料ガスノズルであり、１２は材料ガスの層流を押さえる押さえガスを供給する押さえガス噴出器であり、１３は材料ガスを水平に誘導するフロー補助板であり、１４は回転自在に配置されたサセプタであり、１５は半導体の基板であり、１６は遮熱板であり、１７はサセプタを輻射加熱する加熱器であり、２０は水冷ジャケットである。

特開平０４−２８４６２３号公報特開２００３−１７３９８１号公報

２フローリアクタを用いた例えば有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法によれば、図２に示すように、基板１５上に沿って材料ガスを流した場合、ガスフローの速い流れの層と、この流れの層下の基板表面上に遅い流れの境界層（淀み層）が形成される。結晶成長において、材料ガス分子は速い流れの層から境界層へ供給され境界層で拡散して熱分解を伴って、基板上の結晶成長に至る。

材料ガスはノズル近くの上流部で濃度は濃く、離れた下流部では上流部で消費された分だけ濃度は薄くなる。よって、基板上のエピタキシャル層は、ノズル側前方の上流部の膜厚が厚く、ノズルから遠い後方の下流部の膜厚が薄くなる。即ち、境界層上のガス濃度によりエピタキシャル層膜厚は左右される。

図２に示すように、加熱されているサセプタ１４上では基板１５上中央から全体が１０００℃程度となり、サセプタ１４周縁に至るまでに２００℃程度まで下降した温度分布が形成される。

ノズルから供給されたガスは、上流部より急速に加熱されて高温になる。そして、サセプタ温度と同等な温度になり飽和する。材料ガスは４００℃〜４５０℃より急速に分解を開始する。かかる分解開始温度の分布線をガス材料分解熱等温度線と呼ぶことにする（なお、熱等温度線と省略する場合もある）。よって、材料ガス分解熱等温度線と基板の位置関係が膜厚分布を左右することになる。

一般にＧａＮ系エピタキシャル結晶成長は、材料分解位置が基板に近いほうが良質な結晶が成長する。これは、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ等が８００℃程度で成長するのに対してＧａＮ系では１０５０℃と高温で成長するため、従来のＭＯＣＶＤ装置と同様な熱設計では材料分解が基板遠方の上流で開始されるので、材料の枯渇による成膜エリアが減少する問題や、基板上への不活性結晶種が飛来し結晶性が低下する問題が発生することを防止するためである。

ＧａＮ結晶の結合エネルギーは高く、結晶の融点は２５００℃以上である。そのため、基板表面で材料ガス（例えばＴＭＧａとＮＨ_３）が分解生成した結晶種（ＧａＮ最小単位）が、結晶成長面の安定サイトに移動し、結合する時間を長くする（マイグレーション時間）ために、結晶成長温度が約１０５０℃と高くなる。また、同理由により基板成長面以外の低温部で生成した結晶種（不活性結晶種）は、ただちにエネルギーを失うため結晶成長に寄与できない（再加熱しても十分なエネルギーに達しない）。または、多結晶の核などになり結晶成長を阻害する。一方、ＴＭＧａ等の有機金属化合物の分解温度は約４００℃〜４５０℃と低い。そのため、材料ガス分解熱等温度線が基板より離れていると、成長速度が遅くなったり、基板全面に結晶成長できなったり、結晶性（移動度で判別できる）が低下する。以上より、ＧａＮ系の結晶成長においては、材料ガスの分解熱等温度線をできる限り基板上流端に近づける必要があるので、大方その距離は５ｍｍ〜１５ｍｍ以内とされている。

そこで、図３に示すように、円形基板１５を基準基板として用いる場合、基板の均熱性を作り易い理由より、サセプタ１４および加熱器１７を円形になし、エピタキシャル成長膜が均一になるように基板を担持したサセプタ１４をフロー補助板１３とともに回転させる。

ところで、ＧａＮ系結晶を成長させる場合は、成長温度が１０５０℃と高温であるため、その輻射熱は基板遠方まで到達する。遮熱対策をしないと基板遠方より材料ガスの熱分解が起こり、基板上への材料ガス供給量が激減し枯渇する問題が発生する。また遠方で分解した材料ガスの残渣成分が基板へのエピタキシャル成長を阻害するため、ＧａＮ系結晶の結晶品質を低下させる問題が発生する。

そのため、加熱エリアを基板面積とできるだけ同じ面積にし、かつ基板全体で均熱になるように工夫している。例えば、抵抗加熱器と遮熱板と水冷ジャケット等の組合せで前記要件を満たすように構成される。このように、円形基板を使用前提とするリアクタは、サセプタ、加熱器共に円形にするのは、基板回転、サセプタの均熱化を図る為に最適な形状であるからである。

一般に流通する円形基板を使用すると、ＧａＮ系結晶の結晶品質を低下させないための措置として、円形のサセプタ１４および円形の加熱器１７として、図３に示すように、コンパクトな円形構成となっている。

しかしながら、図３に示す構成の場合、材料ガスフローの上流側の「材料ガス分解熱等温度線」は円弧状になるので、膜厚分布が凹状になる問題が発生する。

たとえば、材料ガス流路上のＧａＮ系結晶膜厚は、図４（Ａ）に示すように、ノズル１１からの材料ガス流路Ｆ１（基板１５中心）、Ｆ２（基板１５中心からの第１半径位置）、Ｆ３（基板１５中心からの第１より遠い第２半径位置）を考察してみる。ガス材料分解熱等温度線（ｃｐ１、ｃｐ２、ｃｐ３）によりガス材料分解が始まるが、材料ガス層流において基板直径の両端へ行くほど（材料ガス流路Ｆ２、Ｆ３）、基板エリアの中心線ＣＬ上では熱等温度線と近くなるため、材料ガスが使用されていない分、両端側が厚く堆積され、回転の結果、基板中央よりも基板周辺部のほうが厚膜になる。具体的に、基板中心線ＣＬを通り流路Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３との交点ＣＬ１、ＣＬ２、ＣＬ３の膜厚は図４（ｄ）のグラフに示すように、流路の基板両端側程厚くなる（ｔ（ＣＬ））。かかるＧａＮ層の凹状膜厚分布は中央部と周辺部で約１０％程度の差異となる場合がある。図４（ａ）（ｂ）（ｃ）のグラフは、基板が回転しない場合の材料ガス流路Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３上の膜厚分布（ｔ（ｃｐ１）、ｔ（ｃｐ２）、ｔ（ｃｐ３））を示し、ノズル側の流路上流部の膜厚が厚く、下流部の膜厚が薄くなる。が、基板が回転する場合、上流側と下流側が回転毎に入替るので膜厚はフラット（ｔ（ＣＬ１）、ｔ（ＣＬ２）、ｔ（ＣＬ３））になる。ところが、熱等温度線が円弧状になっている為に、材料ガス流路Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３上の膜厚はこの順に厚くなる（ｔ（ＣＬ１）＜ｔ（ＣＬ２）＜ｔ（ＣＬ３））。結果、熱等温度線が円弧状の場合、基板回転しても膜厚均一にならず凹状になる（特許文献２、参照）。

特許文献２開示技術では、その膜厚均一の解決策として基板の半分よりもノズルから遠い位置で第２のガスを噴射し原料ガスを希釈することで膜厚の分布を低減することを提案している。しかし、第２のガス噴射口を含めガス供給設備をも別に設ける必要があるため非常にコストがかかるという問題がある。

そこで本発明は、ＧａＮ層の凹状膜厚分布は中央部と周辺部で１０％をはるかに下回る程度に成長結晶層の膜厚均一性を向上させることができ、歩留まりが高い気相成長装置およびその気相成長装置により窒化物系半導体発光装置を製造する製造方法を提供することを目的とする。

本発明の気相成長装置は、その中心に基板を担持して基板を加熱および回転するサセプタと、サセプタの周囲に位置し、基板に水平に材料ガスを誘導するフロー補助板と、不活性ガスまたは水素を、基板の法線方向から４０°まで傾けた方向の範囲の角度で、基板の面積より広い面積で、基板に吹付ける押さえガス噴出器と、そのノズル幅が基板の直径の１／２〜１／１の幅であり、ノズル先端がフロー補助板上に位置し、基板上に沿って材料ガスの層流を水平に供給する材料ガスノズルと、を備え、押さえガス噴出器の噴出口から供給するガス流速を材料ガスノズルから供給するガス流速で除した比率が０．００４乃至０．１３の範囲内であることを特徴とする。かかる構成により、材料ガス流に対し垂直方向のノズルの幅を、基板幅と同等かあるいは狭くして、基板上への材料ガス供給幅を狭くすることにより、押さえガスが、供給された材料ガス層流を押さえることによって、基板中心より周囲のガス濃度が薄くなる結果、基板外周部の成長膜厚（速度）が低下し、基板中央と同じになり、均一な膜厚の単結晶成長層が成長する。このように、２フローリアクタにおいて、ノズル端から供給する材料ガスが、押さえガスによりガス濃度が薄くなる特徴を利用し、材料ガス供給するノズル幅を狭くして、押さえガスにより基板端部を通過する材料ガス濃度を薄くする方法により、成長層の膜厚の均一性が向上する。

本発明の窒化物系半導体発光装置製造方法においては、その中心に基板を担持して基板を加熱および回転するサセプタと、サセプタの周囲に位置し、基板に水平に材料ガスを誘導するフロー補助板と、不活性ガスまたは水素を、基板の法線方向から４０°まで傾けた方向の範囲の角度で、基板の面積より広い面積で、基板に吹付ける押さえガス噴出器と、ノズル先端がフロー補助板上に位置し、基板上に沿って材料ガスの層流を水平に供給する材料ガスノズルと、を備えた気相成長装置により窒化物系半導体発光装置を製造する製造方法であって、材料ガスノズルのノズル幅を、基板の直径の１／２〜１／１の幅に設定するステップと、押さえガス噴出器の噴出口から供給するガス流速を材料ガスノズルから供給するガス流速で除した比率を、０．００４〜０．１３の範囲内に設定するステップと、を含むことを特徴とする。

従来の２フローリアクタの内部構造を示す概略断面図である。従来の２フローリアクタにおけるサセプタおよび基板の概略断面図である。従来の２フローリアクタのサセプタと材料ガスノズルの関係を示す概略上面図である。従来の２フローリアクタにおけるサセプタおよび基板上の熱等温度線と膜厚分布を説明するための図である。本発明による実施形態の２フローリアクタの内部構造を示す概略断面図である。本発明による実施形態の２フローリアクタのサセプタと材料ガスノズルの関係を示す概略上面図である。本発明による実施形態を含む２フローリアクタにおける材料ガスノズルから噴出される材料ガスフローの基板の材料ガス流路における材料ガス濃度分布を説明するグラフである。本発明による実施形態の２フローリアクタにおけるサセプタおよび基板上の熱等温度線と膜厚分布を説明するための図である。

以下に、本発明による一実施形態の装置について、図面を用いて説明する。

図５は、横形の成長炉として構成された実施形態の２フローリアクタの排気可能な反応容器（図示せず）の内部構造を示す概略断面図である。同図において、１１は材料ガスノズルであり、１２は押さえガス噴出器であり、１３は押さえガスを受けるためのフロー補助板であり、１４はサセプタであり、１５は半導体成長用の基板であり、１６は遮熱板であり、１７は加熱器であり、２０は水冷ジャケットである。

サセプタ１４は、円盤形状をしており中心に回転軸を持ち、１０回／ｍｉｎ〜３０回／ｍｉｎで回転できる。サセプタ１４はカーボン材料で作られ、加熱状態で反応炉内のガスを汚染せず、かつ雰囲気ガスにより反応しない材料、たとえば炭化珪素等でコーティングされている。また、フロー補助板１３は、サセプタに取り付けられており一緒に、回転する。また、加熱器１７は、サセプタ下面に取り付けられており、サセプタより若干大きくサセプタを均一な温度に１０００℃以上に加熱できる。加熱器１７の近傍には、熱電対が設置され、その値から温度制御してサセプタ１４を設定温度に加熱する。

遮熱板１６は、加熱器１７の外周に位置し、加熱器の輻射熱でノズル１１が加熱されないように遮断する。なお、遮熱板１６の外周に水冷ジャケット２０が設けると更に断熱性は向上する。また、水冷ジャケット２０の上端はフロー補助板１３の直下まで延長されている。但し、フロー補助板１３の回転を妨げないように僅かな隙間を設けてある。

（材料ガスノズル、押さえガス噴出器）
材料ガスノズル１１は、サセプタ上基板に対し水平もしくは数度傾斜した状態で設置されていて基板上に材料ガスを噴射する。ここで、材料ガスには、窒素（Ｎ_２）、水素（Ｈ_２）、アンモニアガス（ＮＨ_３）、ｎ型ドーパントガス（モノシランガス（ＳｉＨ_４）、ジシランガス（Ｓｉ_２Ｈ_６））、有機金属ガス（ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）、ＴＥＧａ（トリエチルガリウム）、ＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）、Ｃｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム））を含む。

基板１５はサセプタ１４上に共に同一平面となるように載置され、押さえガス噴出器は基板中央部上面に設置され基板に対し垂直もしくは数度で材料ガスの下流部方向に傾斜した状態で設置されている。押さえガス噴出器１２は、材料ガスの層流をサセプタ１４と基板１５の全面に押さえる押さえガスを供給する。押さえガス噴出器から噴出されるガスは水素ガスもしくは窒素ガスであり、材料ガスは含まない。押さえガス噴出器１２からの押さえガス流（フロー）としては、基板１５を覆う面積で、基板と垂直からやや斜めの角度θ（０°≦θ＜４０°）にＨ_２またはＮ_２のガスを吹付ける。

（材料ガスノズルのノズル幅）
図６に示すように、実施形態においては、材料ガスノズル１１のノズル幅Ｗｎは基板１５の直径Ｄｓに対し同等もしくは狭くする（Ｗｎ≦Ｄｓ）ように設定する。

材料ガスノズルのノズル幅と基板上の材料ガス濃度の分布を調べた結果、ノズル１１から材料ガスを供給するため、材料ガス流路上の材料ガス濃度は基板１５のノズル側に近い前方（上流側）より基板後方（下流側）に行くにしたがって薄くなる。そこで、材料ガス流路に垂直な方向における材料ガス濃度（例えば基板後方図３のＦ２に垂直な基板上の）分布を調べてみる。図７は、材料ガスノズル幅が種々異なる場合の２フローリアクタにおける材料ガスノズルから噴出される材料ガスフローの基板の材料ガス流路における材料ガス濃度分布を示す。

まず、図３に示すように従来構造では、基板１５に対し広い幅（Ｗｎ＞＞Ｄｓ）を持ったノズル１１から材料ガスを供給するため、材料ガス濃度は基板１５のノズル側に近い前方（上流側）より濃い濃度となり基板後方（下流側）に行くにしたがって徐々に薄くなる。また、ノズル１１から噴出されたガスは基板１５上を広い範囲で直線的にガスが通過するが、図７（ａ）に示すように、材料ガス濃度は基板後方（下流側）でもブロードの分布となる。基板１５より外周部の材料ガスは押さえガスによりさらに外側に流れ、フロー補助板１３を通過して排気される。

一方、材料ガスノズル幅Ｗｎを基板１５に対し極端に狭く（Ｗｎ＜＜Ｄｓ）した場合、材料ガス供給そのものが制限され、図７（ｂ）に示すように、材料ガス濃度は基板後方（下流側）では不十分な大きさの分布となってしまうので、全体として成長レートが低下する。

しかしながら、材料ガスノズル幅Ｗｎが基板１５の直径Ｄｓと同等（Ｗｎ＝Ｄｓ）の場合でも、外側の材料ガスは押さえガスによりフロー補助板１３上へ広がり基板１５外周部のガス濃度は薄くなるものの、図７（ｃ）に示すように、材料ガス濃度は基板後方（下流側）でも十分な大きさの分布となる。

さらに、材料ガスノズル幅Ｗｎが基板１５の直径Ｄｓと同等（Ｗｎ＝１／２Ｄｓ）の場合でも、外側の材料ガスは押さえガスによりフロー補助板１３上へ広がり基板１５外周部のガス濃度は薄くなるものの、図７（ｄ）に示すように、より少ない材料ガス消費量でも十分な大きさの分布となる。ノズル幅Ｗｎを狭くし押さえガスを用いることにより材料ガスが、ガス流に対し基板表面に沿った垂直方向にも流れるようになり、ガス濃度分布は上流から下流へ薄くなる現象に加え、材料ガス流路中心から基板両側に向かって濃度分布をもつようになる。そのためノズル幅Ｗｎより広範囲での成長が可能となる。

実験より、そのため基板１５に対して１／２以下のノズル幅Ｗｎは適さない事を知見した。よって、材料ガスノズル幅Ｗｎは基板１５の直径Ｄｓの１／２〜１／１（Ｗｎ＝Ｄｓ１／２〜Ｄｓ１／１）の幅の範囲とし、好ましくは３／４程度と設定する。これにより、特に膜厚が問題となる基板両端の１／８程度の領域においては、材料はノズルから供給されるものではなく押さえガスにより左右に広げられたものが主となり、材料ガスノズルから直接に供給されている中央の領域よりもガス濃度は薄くなるため、確実に厚膜を防止できる。このように、本実施例に置いては、押さえガスを利用し、材料ガスフローにおいて基板１５中心から両側外周部にかけて濃度分布を持たせることで、材料ガスの適正な濃度分布と材料ガスの効率的使用を達成している。

上記の図４にて説明したように材料ガス分解熱等温度線より基板外周部に行くにつれ膜厚分布が厚くなるが、図８（ｅ）に示すように、本実施形態により材料ガスノズル幅を狭くし、押さえガスを利用することにより、基板位置中心（ＣＬ１）から外周部（ＣＬ３）に行くにつれ材料ガス濃度が薄くなっていくことを利用して、これらの関係が相殺され均一な面内膜厚分布が実現可能となる。

材料ガスはノズル１１から４Ｌ／ｍｉｎ〜２０Ｌ／ｍｉｎの範囲の量を、好ましくは５Ｌ／ｍｉｎ〜１５Ｌ／ｍｉｎの範囲の量を流す。材料ガス流量が４Ｌ／ｍｉｎより少ないと、線速が遅くなり基板後方端まで成長できなくなる。また材料ガス流量が２０Ｌ／ｍｉｎより多いと、線速が速くなりすぎ成長膜厚が薄くなり、材料使用効率が低下する。

そのときの押さえガス流量は、材料ガス流量より多く、５Ｌ／ｍｉｎ〜６０Ｌ／ｍｉｎの範囲を、好ましくは１０Ｌ／ｍｉｎ〜４０Ｌ／ｍｉｎの範囲の量を用いる。押さえガス流量が５Ｌ／ｍｉｎより少ないと、材料ガスの熱膨張による乱流により膜質が悪化する。また押さえガス流量が６０Ｌ／ｍｉｎより多いと、材料ガスの直進を阻害し、基板上に基板端まで成長できなくなる。

さらに、上記押さえガス流量を材料ガス流量で除した比率（押さえガス流量／材料ガス流量）を０．２５〜１５の範囲にする。この流量比率範囲（押さえガス流量／材料ガス流量＝０．２５〜１５）を満たすことにより、成長レートの変更および異なる基板サイズの成長にも対応が可能となる。この状態で回転させながら成長を行うことにより、図８（ｅ）に示すように、熱等温度線が円弧状であることと基板外周部の材料ガス濃度が薄くなることの効果が重なり、均一な面内分布の成膜が可能となる。

本実施形態は、Ｓｉ結晶などの他材料よりもＧａＮ結晶の結合エネルギーはより高く、結晶の融点が高いため、上記の２フローリアクタを用いた、ＴＭＧａ、ＴＥＧａ、ＴＭＡｌ、ＴＭＩｎ、Ｃｐ２ＭｇとＮＨ_３、ＳｉＨ_４、Ｓｉ_２Ｈ_６などを材料として成長する窒化物半導体の結晶成長に特に適している。

また、本実施形態は、フロー断面の濃度分布を利用するので、フロー分割されガスの流れ方向が決まっているチャネル式ノズルよりも、ガスの流れを制限しないオープンフロー構造ノズルに対して有効の手段となる。

さらに、ガス流量／材料ガス流量比を満たすことにより、異なる基板サイズにも対応が可能となる。

押さえガスによる材料ガスのガス流速と直進性の関係を、以下のように、実験により求めた。

押さえガス噴出器から放出される押さえガスは、噴出器の開口、スリットなど出口形状により流速は変化する。実際は、基板上の押さえガスが材料ガスを広げる形状に流速は関係する。よって、押さえガス噴出器の開口形状を矩形とし、噴出される押さえガスの基板上の矩形位置を有効面積（図６の基板およびサセプタを包含する正方形断面）として考慮する。押さえガス噴出器１２の外延となる噴出開口を矩形としたことで、材料ガスの材料ガスノズル端付近から噴出された材料ガスの外側への逸れ損失分が減少した。押さえガス噴出器が円形の場合、材料ガス流の端の流れが押さえガス流へ進入する角度が浅くなり外へ押し出されるように流れるからである。押さえガス流が矩形断面の場合、材料ガスが押さえガス流へ進入する角度は常に直角であり外へ押し出される材料ガス流が減少するので、採用した。

まず、材料ガス流速を基準とした場合の押さえガス流量比Ｆ（＝押さえガス流速Ｙ／材料ガス流速Ｘ）を求めた。材料ガス流速をＸ、基板上での押さえガス流速をＹとすると、流速比はＦ＝Ｙ／Ｘで表されるので、以下、単に流速比と呼ぶ。

ここで、材料ガス流速が速いとき（すなわち、押さえガスが材料ガスを横に曲げる効果がなくなる流速比の範囲は、Ｆ＜０．００８であった。

一方、材料ガス流速が遅いとき（すなわち、押さえガスが材料ガスを横に曲げる効果が有る流速比の範囲は、０．００８≦Ｆ≦０．１３であった。すなわち、流速比Ｆが０．００８より小さい範囲では材料ガスが横に曲がらず、流速比Ｆが０．１３より大きい範囲では材料ガスが基板後方まで届かないこととなった。よって、Ｆの下限は０．００８となる。

例えば、下記の実施例１の場合では、材料ガス流速Ｘが約２．２ｍ／secで、押さえガス流速Ｙが約０．０８６ｍ／secであって、つまり、流速比Ｆ＝Ｙ／Ｘ＝０．０４となった。下記の実施例２の場合も、流速比の範囲は、０．００８≦Ｆ≦０．１３の範囲内で設定された。

このように、本実施形態によれば、これらの流速比を満たす条件に各流速を合わせることにより均一な膜の成長が可能となる。

上記実施形態の２フローリアクタ装置によりＧａＮ結晶を成長させた。

（基板）
成長用の基板には、２インチφのｃ面サファイア単結晶基板、厚みｔ＝０．４３ｍｍ、面方位が＜１０−１０＞方向へ０．０５°傾いた０．０５°オフ基板、いわゆる（０００１）０．０５°off to＜１０−１０＞基板を用いた。

（成長）
基板熱処理工程として、材料ガスノズルからＨ_２（水素）を１０Ｌ／ｍｉｎ流し、押さえガスとしてＨ_２（水素）＋Ｎ_２（窒素）を１：１の混合比で３０Ｌ／ｍｉｎ流し、１０００℃で１０分熱処理した。

緩衝層の形成工程として、材料ガスノズルからＴＭＧａ（トリメチルガリウム）を２０μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ_３（アンモニア）２Ｌ／ｍｉｎ、そして総量が１０Ｌ／ｍｉｎになるようにＨ_２（水素）を加えて流した。押さえガスにはＨ_２（水素）＋Ｎ_２（窒素）を１：１の混合比で３０Ｌ／ｍｉｎ流し、成長温度約５５０℃で１０分成長し、低温ＧａＮ層を成長した。

緩衝層の熱処理工程として、材料ガスノズルからＨ_２（水素）を１０Ｌ／ｍｉｎ流し、押さえガスとしてＨ_２（水素）＋Ｎ_２（窒素）を１：１の混合比で３０Ｌ／ｍｉｎ流し、１０５０℃で１０分熱処理し低温ＧａＮ層を熱処理した。

次に、高温ＧａＮ層の形成工程として、ノズル幅を基板の直径の１７５／２５４の３５ｍｍ幅（Ｗｎ＝Ｄｓ１７５／２５４）に設定した材料ガスノズルよりＴＭＧａ（トリメチルガリウム）を４０μｍｏｌ／ｍｉｎとＮＨ_３（アンモニア）４Ｌ／ｍｉｎ、総量が１０Ｌ／ｍｉｎになるようにＨ_２（水素）を加えて流した。押さえガスにはＨ_２（水素）＋Ｎ_２（窒素）を１：１の混合比で３０Ｌ／ｍｉｎ流した。成長温度約１０５０℃で１時間成長し、膜厚約３μｍのＧａＮエピタキシャル結晶層を得た。ｎ型ＧａＮ層にするには、ＳｉＨ_４（モノシラン）またはＳｉ_２Ｈ_６（ジシラン）をＳｉ不純物密度が５×１０^１８（個／ｃｍ^３）程度になるように添加することができる。

上記実施形態の２フローリアクタ装置により半導体層を成長させてＭＱＷ構造発光素子すなわち窒化物系半導体発光装置を作製した。

緩衝層の熱処理まで、実施例１に同じ故に、説明を省略する。

ｎ型ＧａＮ層の形成工程として、ｎ型ＧａＮ層の厚みを４．５μｍとし、ｎ型ＧａＮ層にするためにＳｉＨ_４（モノシラン）をＳｉ不純物密度が６×１０^１８（個／ｃｍ^３）程度になるように添加した以外は、実施例１のＧａＮ層の形成工程に同一プロセスであった。

次に、発光層の形成工程を次のように行った。実施例１と同一の幅に設定した材料ガスノズルからＮＨ_３（アンモニア）４Ｌ／ｍｉｎ、総量が１０Ｌ／ｍｉｎになるようにＮ_２（窒素）を加えて流しながら成長温度約８００℃まで降下させた。押さえガスにはＮ_２（窒素）を３０Ｌ／ｍｉｎ流した。温度に達したら、まず、バリア層（ＧａＮ）を成長するために材料ガスノズルよりＴＥＧａ（トリエチルガリウム）を５．５μｍｏｌ／ｍｉｎとＮＨ_３（アンモニア）４Ｌ／ｍｉｎ、総量が１０Ｌ／ｍｉｎになるようにＮ_２（窒素）を加えて流した。そのときの押さえガスにはＮ_２（窒素）を３０Ｌ／ｍｉｎ流した。約３分間成長し１８ｎｍの結晶層を得た。

次に、バリア層形成後、井戸層（ＩｎＧａＮ）を成長するために材料ガスノズルよりＴＥＧａ（トリエチルガリウム）を５．５μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）を６．５μｍｏｌ／ｍｉｎとＮＨ_３（アンモニア）４Ｌ／ｍｉｎ、総量が１０Ｌ／ｍｉｎになるようにＮ_２（窒素）を加えて流した。そのときの押さえガスにはＮ_２（窒素）を３０Ｌ／ｍｉｎ流した。約２５秒間成長し、３ｎｍの結晶層を得た。

これらバリア層および井戸層の形成工程を６周期繰り返し成長し、発光層として、ＭＱＷ構造を形成した。そして、キャップ層としてバリア層（ＧａＮ）を成長させた。

次に、ブロック層の形成工程として、材料ガスノズルからＮＨ_３（アンモニア）４Ｌ／ｍｉｎ、総量が１０Ｌ／ｍｉｎになるようにＨ_２（水素）を加えて流しながら成長温度約９５０℃まで昇温させた。温度安定後ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）を３．５μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）０．４μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ_３（アンモニア）４Ｌ／ｍｉｎ、総量が１０Ｌ／ｍｉｎになるようにＨ_２（水素）を加えて流した。そのときの押さえガスにはＮ_２（窒素）を３０Ｌ／ｍｉｎ流した。約５分間成長を行い、２０ｎｍの結晶層を得た。

次に、ｐ型ＧａＮ層の形成工程として、材料ガスノズルよりＴＭＧａ（トリメチルガリウム）を１２μｍｏｌ／ｍｉｎとＮＨ_３（アンモニア）４Ｌ／ｍｉｎ、総量が１０Ｌ／ｍｉｎになるようにＨ_２（水素）を加えて流した。押さえガスにはＨ_２（水素）＋Ｎ_２（窒素）を１：１の混合比で３０Ｌ／ｍｉｎ流した。成長温度約９５０℃で１５分間成長し、膜厚約０．１５μｍのＧａＮエピタキシャル結晶層を得た。ｐ型ＧａＮ層にするにはＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）をＭｇ不純物密度が５×１０^１９（個／ｃｍ^３）程度になるように添加すれば良い。

（比較例１）
基板は実施例１と同じものを用い、上記実施形態と異なりノズル幅を基板の直径を越える幅に設定した材料ガスノズルを備えた従来の２フローリアクタでＧａＮ結晶を成長させた。

（比較例２）
基板は実施例１と同じものを用い、上記実施形態と異なりノズル幅を基板の直径を越える幅に設定した材料ガスノズルを備えた従来の２フローリアクタでＧａＮ結晶を成長させた。

（実施結果：膜厚分布比較）
比較例１と実施例１で得たＧａＮ層の膜厚分布の比較を表１に示す。

＊膜厚は中央部（膜厚中心値）と周囲部（端１．５ｍｍを除く：測定不可（膜厚周囲値））で比較した。差異は（式１）に基づき％で記載した。なお、膜厚は基板直径上で測定した。
差異（％）＝（周囲部−中央部）／中央部×１００・・・（式１）

実施例１は、膜厚中心値３．５７μｍにおいて周囲値３．６１μｍ、差異１．１４％であり均一性は非常に高い。面積換算ならば更に分布は狭くなる。

他方、比較例１では膜厚中心値３．１８μｍにおいて周囲値３．７７μｍ、差異１８．５％と周囲が厚くなっている。なお、分布は同心円状の凹状であった。

図８に、基板直径上の一方基板縁部から他方縁部までの膜厚変化のグラフを示す。

（実施結果：発光波長分布比較）
比較例２と実施例２で得た発光素子の発光波長分布の比較を表２に示す。

実施例２の素子の発光波長バラツキは標準偏差１．９３ｎｍと非常に良好な値を示した。

他方、比較例２では平均波長４３９．７ｎｍに対して標準偏差６．８１ｎｍと大きなバラツキを示した。波長はウエハ中心部で短く、同心円状に周囲方向に長波長化した。

１１材料ガスノズル
１４サセプタ
１５基板
１６遮熱板
２０水冷ジャケット
１２押さえガス噴出器
１３フロー補助板
１７加熱器

Claims

その中心に基板を担持して前記基板を加熱および回転するサセプタと、
前記サセプタの周囲に位置し、前記基板に水平に材料ガスを誘導するフロー補助板と、
不活性ガスまたは水素を、前記基板の法線方向から４０°まで傾けた方向の範囲の角度で、前記基板の面積より広い面積で、前記基板に吹付ける押さえガス噴出器と、
そのノズル幅が前記基板の直径の１／２乃至１／１の幅であり、ノズル先端が前記フロー補助板上に位置し、前記基板上に沿って材料ガスの層流を水平に供給する材料ガスノズルと、を備え、
前記押さえガス噴出器の噴出口から供給するガス流速を前記材料ガスノズルから供給するガス流速で除した比率が０．００４乃至０．１３の範囲内であることを特徴とする気相成長装置。
その中心に基板を担持して前記基板を加熱および回転するサセプタと、前記サセプタの周囲に位置し、前記基板に水平に材料ガスを誘導するフロー補助板と、不活性ガスまたは水素を、前記基板の法線方向から４０°まで傾けた方向の範囲の角度で、前記基板の面積より広い面積で、前記基板に吹付ける押さえガス噴出器と、ノズル先端が前記フロー補助板上に位置し、前記基板上に沿って材料ガスの層流を水平に供給する材料ガスノズルと、を備えた気相成長装置により窒化物系半導体発光装置を製造する製造方法であって、
前記材料ガスノズルのノズル幅を、前記基板の直径の１／２乃至１／１の幅に設定するステップと、前記押さえガス噴出器の噴出口から供給するガス流速を前記材料ガスノズルから供給するガス流速で除した比率を、０．００４乃至０．１３の範囲内に設定するステップと、を含むことを特徴とする窒化物系半導体発光装置の製造方法。
前記ノズル幅が前記基板の直径に対し１／２乃至３／４の幅であることを特徴とする請求項２に記載の窒化物系半導体発光装置の製造方法。
前記材料ガスノズルから供給する材料ガスのガス流量を５Ｌ／ｍｉｎ乃至６０Ｌ／ｍｉｎの範囲内に設定するステップを更に含むことを特徴とする請求項２または３に記載の窒化物系半導体発光装置の製造方法。