JP5640822B2 - 窒化物半導体製造装置、窒化物半導体の製造方法および窒化物半導体結晶 - Google Patents
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Description
[2] 窒化物半導体を製造する際に装置内に導入する材料が、窒化物半導体製造用の原料ガスであることを特徴とする[1]に記載の窒化物半導体製造装置。
[3] 前記合成石英ガラスが、前記原料ガスの導管の壁面に用いられていることを特徴とする[2]に記載の窒化物半導体製造装置。
[4] 前記窒化物半導体がIII族窒化物半導体であり、前記合成石英ガラスがIII族原料ガスの導管の壁面に用いられていることを特徴とする[3]に記載の窒化物半導体製造装置。
[5] 前記III族原料が窒化ガリウムであることを特徴とする[4]に記載の窒化物半導体製造装置。
[6] 窒化物半導体を製造する際に装置内に導入する材料および前記材料の混合物の少なくとも一方が接触する面のうち、前記合成石英ガラスで構成されていない部分が主として天然石英ガラスで構成されていることを特徴とする[1]〜[5]のいずれか一項に記載の窒化物半導体製造装置。
[7] 前記合成石英ガラスが天然石英ガラスの表面に形成されていることを特徴とする[1]〜[6]のいずれか一項に記載の窒化物半導体製造装置。
[8] [1]〜[7]のいずれか一項に記載の窒化物半導体製造装置内に窒化物半導体製造用の原料を導入し、該装置内で窒化物半導体を成長させることを特徴とする窒化物半導体の製造方法。
[9] 前記窒化物半導体の成長中に前記合成石英ガラスで構成されている部分の温度が750℃以上に達することを特徴とする[8]に記載の窒化物半導体の製造方法。
[10] 前記窒化物半導体をハイドライド気相成長法により成長させることを特徴とする[8]または[9]に記載の窒化物半導体の製造方法。
[11] [8]〜[10]のいずれか一項に記載の製造方法により製造される窒化物半導体結晶。
[12] 結晶中のAl原子濃度が重量基準で0.5ppm以下であることを特徴とする[11]に記載の窒化物半導体結晶。
[13] 結晶中のFe原子濃度が重量基準で0.5ppm以下であることを特徴とする[11]または[12]に記載の窒化物半導体結晶。
[14] 結晶中のTi原子濃度が重量基準で0.5ppm以下であることを特徴とする[11]〜[13]のいずれか一項に記載の窒化物半導体結晶。
(合成石英ガラスの使用箇所)
本発明の窒化物半導体製造装置は、窒化物半導体を製造する際に装置内に導入する材料およびこれらの材料の混合物の少なくとも一方が接触する面の一部または全部が合成石英ガラスで構成されていることを特徴とする。ここでいう石英ガラスとは、石英の溶融物を結晶化させることなく冷却して、非晶質状態にある物質をいう。
また、装置内に導入する材料が接触する面としては、分離した部材同士を石英ガラスにより溶接した溶接部が含まれる。通常、溶接部は石英ガラスからなる溶接棒を溶融させて形成するが、該溶接棒として、合成石英ガラスからなる溶接棒を用いることが好ましい。合成石英ガラスからなる溶接棒を用いると、特に腐食されやすい溶接部の不純物を低減することができ、結果として顕著に本発明の効果を発揮することが可能となる。
本発明の窒化物半導体製造装置に用いる合成石英ガラスは、従来の窒化物半導体製造装置に用いられていた天然石英ガラスに比べて不純物濃度が極めて小さい。本発明に用いることができる合成石英ガラスは、通常Al原子濃度(重量基準)が10ppm以下であり、好ましくは1ppm以下であり、より好ましくは0.1ppm以下である。また、通常Fe原子濃度(重量基準)は0.15ppm以下であり、好ましくは0.1ppm以下であり、より好ましくは0.08ppm以下である。Al原子濃度が10ppm以下であり、Fe原子濃度が0.15ppm以下である合成石英ガラスを使用することにより、窒化物半導体製造装置の白濁を効果的に抑制することができる。また、本発明に用いることのできる合成石英ガラスのOH基濃度(重量基準)は、合成石英ガラスを使用する部分の温度によって使いわけることができる。概略950℃以上の高温部分での使用にはOH基濃度が低い方が好ましく、10ppm以下がより好ましく、5ppm以下がさらに好ましい。概略950℃未満の比較的低温部分の使用にはOH基濃度が低い物に加え、OH基濃度が比較的高い10ppm〜1000ppmのものも使用できる。
本発明で用いられる合成石英ガラスは、クリストバライト化すると安定な化学構造を形成することが可能であり、これにより表面の耐食性をさらに向上させたものを用いてもよい。合成石英ガラスのクリストバライト化は、通常1550℃付近の高温状態で実施されるが、合成石英ガラス中にナトリウムイオン、カリウムイオンなどのアルカリ金属イオン;カルシウムイオン;あるいはOH基が多く含まれている場合には、1000℃前後の比較的低い温度でもクリストバライト化が進むことが知られている。
クリストバライト層は冷却時にβ型からα型に相転移し、この際に収縮が生じることで、ひびや剥がれが発生することが知られている。従って、一度クリストバライト化した合成石英ガラスの層を含む装置を使用する際には、低温まで冷却せずに連続使用することが望ましい。また、運用上、一度室温にまで冷却する必要がある場合には、あらかじめクリストバライト層を低温あるいは短時間処理で形成して薄くしておくことで、冷却時のひびや剥がれの程度を抑制することもより望ましい形態として考えられる。
本発明の窒化物半導体製造装置の構造の詳細は、特に制限されない。窒化物半導体製造用として従来用いられてきた製造装置の構造を、本発明においても採用することができる。特に、本発明は気相成長に用いられ得る構造を有していることが好ましく、HVPE法に用いられ得る構造を有していることがより好ましい。
(特徴)
本発明の窒化物半導体の製造方法は、上記の本発明の製造装置を用いて窒化物半導体を製造することを特徴とする。本発明の製造方法によれば、繰り返して製造装置を使用しても、装置表面での白濁が発生しにくい。天然石英ガラスを用いた製造装置を使用する従来の製造方法では、繰り返して製造装置を使用しているうちに徐々に製造装置が白濁しやすかったが、本発明によれば、同じ回数を繰り返して使用しても白濁の程度をかなり抑えることができる。したがって、本発明の製造方法によれば、反応装置の交換頻度を抑え、交換に伴うコストを削減することができる。
本発明の製造装置は、種々の窒化物半導体の製造方法に用いることができる。本発明の製造方法では、気相成長法を採用することが好ましく、量産性の理由からHVPE法またはMOCVD法を採用することがより好ましく、HVPE法を採用することが特に好ましい。
本発明の製造方法により製造する窒化物半導体の種類は特に制限されない。具体的には、III族窒化物半導体を例示することができ、より具体的には、窒化ガリウム、窒化インジウム、またはこれらの混晶を挙げることができる。
(特徴)
本発明の窒化物半導体結晶は、本発明の製造方法により製造されるものである。本発明の窒化物半導体結晶は、不純物濃度が低いという特徴を有する。具体的には、Al原子濃度(重量基準)が0.5ppm以下であり、好ましくは0.1ppm以下であり、より好ましくは0.01ppm以下である。また、Fe原子濃度(重量基準)が0.5ppm以下であり、好ましくは0.1ppm以下であり、より好ましくは0.01ppm以下である。Ti原子濃度(重量基準)が0.5ppm以下であり、好ましくは0.1ppm以下であり、より好ましくは0.01ppm以下である。
このような特徴を有することから、本発明の窒化物半導体結晶は、さまざまな用途に用いることができる。特に、紫外、青色または緑色などの発光ダイオード、半導体レーザーなどの比較的短波長側の発光素子や、電子デバイスなどの半導体デバイスの基板として有用である。また、本発明の窒化物半導体結晶を下地基板として用いて、さらに大きな窒化物半導体結晶を得ることも可能である。
図1の製造装置を用いて、HVPE法により窒化物半導体結晶を製造する工程を実施した。図1に示す製造装置のうち、導管6には2mm厚の合成石英ガラスチューブが用いられている。それ以外の製造装置の内壁面は、すべて天然石英ガラスで構成されている。本実施例に使用した合成石英ガラスと天然石英ガラスの不純物濃度、OH基濃度を表1に示す。
実施例1の製造装置の合成石英ガラスを使用した部分を、天然石英ガラスで構成した以外は実施例1と同じ構成を有する製造装置を2つ用意して、実施例1と同じ方法でGaN結晶を成長させて測定を行った。
さらに工程を繰り返して合計10回実施した後、天然石英ガラスからなる導管6の先端部分の状態を観察したところ、先端から幅10mmの範囲が白濁していた。
天然石英ガラス上にコートされた合成石英ガラスが実施例1と同様に白濁を抑制出来るかを確認するために、天然石英ガラスからなる試験片の一部を合成石英ガラスでコートした。キシレン溶媒に溶解したパーヒドロポリシラザン(PHPS)(商標名アクアミカ、AZエレクトロニックマテリアルズ社製)をディップコート法により天然石英ガラスからなる試験片の片側半分にコートした。この天然石英ガラスを大気中で500℃で1時間焼成後、自然冷却し、表面に合成石英ガラス層を形成した。
図1の製造装置に前記試験片を配置して、GaClガスによる腐食に対する合成石英ガラス層有無の効果を調べた。まず、製造装置の反応容器1を1080℃に昇温し、リザーバ5の温度を800℃に調整し、その後、リザーバ5中のGaに導管4を通してHClガスを導入し、発生したGaClガスG1を、H2とN2の混合キャリアガスG2とともに支持部7に配置した試験片に供給した。60時間後の表面の状態を目視にて観察したところ、合成石英ガラスをコートした部分は、合成石英ガラスでコートしなかった部分に比べて白濁していなかった。
2、3、4 導管
5 リザーバ
6 導管
7 支持部
8 種結晶
9 窒化物半導体結晶
10 排気管
11 ヒータ
G1 III族原料ガス
G2 キャリアガス
G3 V族原料ガス
Claims (8)
- III族原料ガスを装置内に導入するための導管の内壁面に合成石英ガラスが用いられていることを特徴とするIII族窒化物半導体製造装置。
- 前記III族原料ガスが塩化ガリウムであることを特徴とする請求項1に記載のIII族窒化物半導体製造装置。
- 請求項1または2に記載のIII族化物半導体製造装置内で、内壁面に合成石英ガラスが用いられた導管を通じて、III族原料ガスを導入してIII族窒化物半導体を成長させることを特徴とするIII族窒化物半導体の製造方法。
- 前記III族窒化物半導体の成長中に前記導管の内壁面に用いられている合成石英ガラスの温度が750℃以上に達することを特徴とする請求項3に記載の製造方法。
- 前記III族窒化物半導体をハイドライド気相成長法により成長させることを特徴とする請求項3または4に記載の製造方法。
- 前記III族窒化物半導体は結晶中のAl原子濃度が重量基準で0.5ppm以下のIII族窒化物半導体結晶であることを特徴とする請求項3〜5のいずれか一項に記載の製造方法。
- 前記III族窒化物半導体は結晶中のFe原子濃度が重量基準で0.5ppm以下のIII族窒化物半導体結晶であることを特徴とする請求項3〜6のいずれか一項に記載の製造方法。
- 前記III族窒化物半導体は結晶中のTi原子濃度が重量基準で0.5ppm以下のIII族窒化物半導体結晶であることを特徴とする請求項3〜7のいずれか一項に記載の製造方法。
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