JP6257437B2 - Crystal growth equipment - Google Patents
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Description
本発明は、III族原料ガスと窒素源ガスとを反応させることにより複数の基板上に同時にIII族窒化物結晶を成長させることが可能な気相成長装置に関する。 The present invention relates to a vapor phase growth apparatus capable of simultaneously growing a group III nitride crystal on a plurality of substrates by reacting a group III source gas and a nitrogen source gas.
窒化アルミニウム、窒化ガリウム、窒化インジウムといったIII族窒化物半導体結晶は広範囲のバンドギャップエネルギーの値を有しており、それらのバンドギャップエネルギーは、それぞれ6.2eV程度、3.4eV程度、0.7eV程度である。これらのIII族窒化物半導体は任意の組成の混晶半導体をつくることが可能であり、その混晶組成によって、上記のバンドギャップの間の値を取ることが可能である。 Group III nitride semiconductor crystals such as aluminum nitride, gallium nitride, and indium nitride have a wide range of band gap energy values, which are about 6.2 eV, about 3.4 eV, and about 0.7 eV, respectively. Degree. These group III nitride semiconductors can form mixed crystal semiconductors having an arbitrary composition, and can take values between the above band gaps depending on the mixed crystal composition.
したがって、III族窒化物半導体結晶を用いることにより、原理的には赤外光から紫外光までの広範囲な発光素子を作ることが可能となる。特に、近年ではアルミニウム系III族窒化物半導体(主に窒化アルミニウムガリウム混晶)を用いた発光素子の開発が精力的に進められている。アルミニウム系III族窒化物半導体を用いることにより紫外領域の短波長発光が可能となり、白色光源用の紫外発光ダイオード、殺菌用の紫外発光ダイオード、高密度光ディスクメモリの読み書きに利用できるレーザー、通信用レーザー等の発光光源が製造可能になる。 Therefore, by using a group III nitride semiconductor crystal, it is possible in principle to produce a wide range of light emitting elements from infrared light to ultraviolet light. In particular, in recent years, development of light-emitting elements using aluminum-based group III nitride semiconductors (mainly aluminum gallium nitride mixed crystals) has been vigorously advanced. By using an aluminum-based group III nitride semiconductor, it is possible to emit light with a short wavelength in the ultraviolet region, an ultraviolet light emitting diode for a white light source, an ultraviolet light emitting diode for sterilization, a laser that can be used for reading and writing of a high-density optical disk memory, and a laser for communication A light emitting light source such as can be manufactured.
III族窒化物半導体(例えばアルミニウム系III族窒化物半導体)を用いた発光素子は、従来の半導体発光素子と同様に基板上に厚さが数ミクロン程度の半導体単結晶の薄膜(具体的にはn型半導体層、発光層、p型半導体層となる薄膜)を順次積層することにより形成可能である。このような半導体単結晶の薄膜の形成は、分子線エピタキシー(MBE:Molecular Beam Epitaxy)法、有機金属気相成長法(MOCVD:Metalorganic Chemical Vapor Deposition)法等の結晶成長方法を用いて行うことが可能であり、III族窒化物半導体発光素子についてもこのような方法を採用して発光素子として好適な積層構造を形成することが試みられている。 A light-emitting element using a group III nitride semiconductor (for example, an aluminum-based group III nitride semiconductor) is a semiconductor single crystal thin film (specifically, a thickness of about several microns on a substrate, like a conventional semiconductor light-emitting element). The thin film can be formed by sequentially stacking an n-type semiconductor layer, a light-emitting layer, and a p-type semiconductor layer. Such a thin film of a semiconductor single crystal is formed by using a crystal growth method such as a molecular beam epitaxy (MBE) method or a metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD) method. It is possible, and it has been attempted to form a laminated structure suitable as a light emitting device by adopting such a method for a group III nitride semiconductor light emitting device.
現在、III族窒化物半導体発光素子の製造にあたっては、基板としての結晶品質、紫外光透過性、量産性やコストの観点からサファイア基板が一般的に採用されている。しかし、サファイア基板上にIII族窒化物を成長させた場合、サファイア基板と半導体積層膜を形成するIII族窒化物(例えば窒化アルミニウムガリウム等)との間の格子定数や熱膨張係数等の違いに起因して、結晶欠陥(ミスフィット転位)やクラック等が生じ、素子の発光性能を低下させる原因になる。 Currently, in the manufacture of group III nitride semiconductor light-emitting devices, a sapphire substrate is generally employed from the viewpoint of crystal quality, ultraviolet light transparency, mass productivity, and cost as a substrate. However, when a group III nitride is grown on a sapphire substrate, there is a difference in lattice constant, thermal expansion coefficient, etc. between the sapphire substrate and the group III nitride (such as aluminum gallium nitride) forming the semiconductor laminated film. As a result, crystal defects (misfit dislocations), cracks, and the like occur, causing the light emitting performance of the device to deteriorate.
これらの問題を解決するためには、半導体積層膜の形成にあたり、格子定数が半導体積層膜の格子定数に近く、および熱膨張係数が半導体積層膜の熱膨張係数に近い基板を採用することが望ましい。III族窒化物半導体薄膜を形成する基板としては、III族窒化物単結晶基板が最も適しているといえる。例えばアルミニウム系III族窒化物半導体薄膜を形成する基板としては、窒化アルミニウム単結晶基板や窒化アルミニウムガリウム単結晶基板が最適である。したがって大面積かつ結晶品質が均質なIII族窒化物単結晶基板を量産できる方法の開発が望まれている。 In order to solve these problems, it is desirable to use a substrate having a lattice constant close to that of the semiconductor multilayer film and a thermal expansion coefficient close to that of the semiconductor multilayer film when forming the semiconductor multilayer film. . As a substrate on which the group III nitride semiconductor thin film is formed, a group III nitride single crystal substrate is most suitable. For example, an aluminum nitride single crystal substrate or an aluminum gallium nitride single crystal substrate is optimal as a substrate on which an aluminum-based group III nitride semiconductor thin film is formed. Therefore, it is desired to develop a method capable of mass-producing a group III nitride single crystal substrate having a large area and uniform crystal quality.
III族窒化物単結晶を基板として用いるには、機械的強度の観点から該単結晶が或る程度(例えば10μm以上。)の厚さを有することが好ましい。MOCVD法はMBE法に比べて結晶成長速度が速いため、III族窒化物単結晶基板の製造に適しているといえる。またMOCVD法よりもさらに成膜速度の速いIII族窒化物単結晶の成長方法として、ハイドライド気相エピタキシー(HVPE:Hydride Vapor Phase Epitaxy)法が知られている(特許文献1〜3参照)。HVPE法はMBE法やMOCVD法と比較すると膜厚を精密に制御することには適していない一方で、結晶性の良好な単結晶を速い成膜速度で成長させることが可能であるため、単結晶基板の量産に特に適しているといえる。MOCVD法やHVPE法によるIII族窒化物単結晶の成長は、III族原料ガスと、窒素源ガスとを反応器中に供給し、両者のガスを加熱された基板上で反応させることにより行われる。 In order to use a group III nitride single crystal as a substrate, it is preferable that the single crystal has a certain thickness (for example, 10 μm or more) from the viewpoint of mechanical strength. Since the MOCVD method has a higher crystal growth rate than the MBE method, it can be said that the MOCVD method is suitable for manufacturing a group III nitride single crystal substrate. Further, a hydride vapor phase epitaxy (HVPE) method is known as a method for growing a group III nitride single crystal having a film formation rate faster than that of the MOCVD method (see Patent Documents 1 to 3). The HVPE method is not suitable for precisely controlling the film thickness as compared with the MBE method or the MOCVD method, but a single crystal with good crystallinity can be grown at a high film formation rate. It can be said that it is particularly suitable for mass production of crystal substrates. Group III nitride single crystal growth by MOCVD or HVPE is performed by supplying a group III source gas and a nitrogen source gas into a reactor and reacting both gases on a heated substrate. .
近年においては、量産効率を向上させるために、気相成長法によってIII族窒化物単結晶を製造するにあたり、複数の基板上に同時にIII族窒化物単結晶を成長させることが試みられている。そのような多数枚型の気相成長装置として、例えば特許文献4には、フローチャネルの底面部分に配置された、ヒーターによって加熱されるとともに駆動手段によって回転される円盤状のサセプタに、該サセプタの周方向に複数の基板保持部材を転動部材を介して回転可能に設け、サセプタの回転に伴って基板保持部材を回転させ、該基板保持部材に保持された基板をサセプタの回転軸に対して公転させながら自転させる自公転構造を備えた気相成長装置が開示されている。特許文献4には、当該気相成長装置において基板を自転および公転させ、かつヒーターからサセプタを介して基板を所定温度に加熱しながら、気相原料、例えばトリメチルガリウムとアンモニアとの混合ガスをフローチャネル内に導入し、外周の排気口から排出することにより、複数の基板の表面に薄膜を堆積させることが記載されている。 In recent years, in order to improve mass production efficiency, it has been attempted to simultaneously grow a group III nitride single crystal on a plurality of substrates when producing a group III nitride single crystal by a vapor phase growth method. As such a multi-plate type vapor phase growth apparatus, for example, Patent Document 4 discloses that the susceptor is arranged on a disk-shaped susceptor disposed on the bottom surface portion of the flow channel and heated by a heater and rotated by driving means. A plurality of substrate holding members are rotatably provided in the circumferential direction via the rolling member, the substrate holding member is rotated with the rotation of the susceptor, and the substrate held by the substrate holding member is rotated with respect to the rotation axis of the susceptor. A vapor phase growth apparatus having a self-revolving structure that revolves while revolving is disclosed. In Patent Document 4, a gas phase raw material, for example, a mixed gas of trimethylgallium and ammonia is flowed while rotating and revolving the substrate in the vapor phase growth apparatus and heating the substrate to a predetermined temperature via a susceptor from a heater. It is described that a thin film is deposited on the surfaces of a plurality of substrates by being introduced into a channel and discharged from an exhaust port on the outer periphery.
しかしながら本発明者らがさらに検討したところ、従来公知の多数枚型の気相成長装置を用いて複数の基板上にIII族窒化物単結晶を成長させる場合に、結晶の成長速度を高めようとすると、同一のフローチャネル内で製造された複数の基板の間で成長膜厚や結晶品質にばらつきが生じ易くなることが判明した。この傾向は結晶成長の速いHVPE法を採用した場合において顕著であり、中でも窒化アルミニウム単結晶を製造する場合に特に顕著であった。 However, as a result of further investigation by the present inventors, when a group III nitride single crystal is grown on a plurality of substrates using a conventionally known multiple-type vapor phase growth apparatus, an attempt is made to increase the growth rate of the crystal. As a result, it has been found that the growth film thickness and the crystal quality tend to vary among a plurality of substrates manufactured in the same flow channel. This tendency is prominent when the HVPE method with fast crystal growth is employed, and particularly, when an aluminum nitride single crystal is produced.
本発明は、複数の基板上に同時にIII族窒化物結晶を成長させる気相成長装置であって、安定した品質のIII族窒化物単結晶基板を量産することが可能な気相成長装置を、簡易な構成によって提供することを課題とする。また該気相成長装置を用いたIII族窒化物の製造方法を提供する。 The present invention relates to a vapor phase growth apparatus for simultaneously growing a group III nitride crystal on a plurality of substrates, and capable of mass-producing a group III nitride single crystal substrate having a stable quality. It is an object to provide a simple configuration. A method for producing a group III nitride using the vapor phase growth apparatus is also provided.
本発明の第1の態様は、III族原料ガスと窒素源ガスとを反応させることにより基板上にIII族窒化物結晶を成長させる気相成長装置であって、
複数の中空状フローチャネルと、
集合部と、
III族原料ガスを供給する、1つ以上の第1の原料供給部と、
窒素源ガスを供給する、1つ以上の第2の原料供給部と
を有し、
それぞれの中空状フローチャネルの一方の端部は、集合部に臨んで設けられており、
集合部に第1の原料供給部の全てが配設され、
第1の原料供給部の全てを同一かつ共通の加熱手段で加熱する第1の加熱装置を有し、
それぞれの中空状フローチャネルが、
該中空状フローチャネルの一方の端部と他方の端部との間に配設された、基板を回転可能に支持する支持台と、
該支持台を加熱する局所加熱装置と、
支持台の集合部側の側上方から支持台の上方へ向けてIII族原料ガスを吹き出すように配設された第1のガス供給管と、
支持台の集合部側の側上方から支持台の上方へ向けて窒素源ガスを吹き出すように配設された第2のガス供給管と、
中空状フローチャネルの他方の端部、又は、支持台が設けられた位置と該中空状フローチャネルの他方の端部との間に配設され、該中空状フローチャネル内のガスを排出させる排気口と
を有することを特徴とする、気相成長装置である。
A first aspect of the present invention is a vapor phase growth apparatus for growing a group III nitride crystal on a substrate by reacting a group III source gas and a nitrogen source gas,
A plurality of hollow flow channels;
The assembly section;
One or more first raw material supply sections for supplying a group III raw material gas;
One or more second raw material supply parts for supplying a nitrogen source gas,
One end of each hollow flow channel is provided facing the assembly,
All of the first raw material supply units are disposed in the gathering unit,
A first heating device that heats all of the first raw material supply units with the same and common heating means;
Each hollow flow channel
A support base disposed between one end and the other end of the hollow flow channel and rotatably supporting the substrate;
A local heating device for heating the support;
A first gas supply pipe arranged so as to blow out the group III source gas from the upper side of the support table toward the upper side of the support table;
A second gas supply pipe arranged so as to blow out nitrogen source gas from the upper side of the support unit on the collecting part side toward the upper side of the support table;
Exhaust gas that is disposed between the other end portion of the hollow flow channel or the position where the support is provided and the other end portion of the hollow flow channel, and discharges the gas in the hollow flow channel. A vapor phase growth apparatus having a mouth.
本発明の第2の態様は、本発明の第1の態様に係る気相成長装置を用いて、複数の基板上に同時にIII族窒化物結晶を成長させる工程を有することを特徴とする、III族窒化物の製造方法である。 A second aspect of the present invention includes a step of simultaneously growing a group III nitride crystal on a plurality of substrates using the vapor phase growth apparatus according to the first aspect of the present invention. This is a method for producing a group nitride.
本発明の第1の態様によれば、複数の基板上に同時にIII族窒化物結晶を成長させる気相成長装置であって安定した品質のIII族窒化物単結晶基板を量産することが可能な気相成長装置を、簡易な構成によって提供できる。 According to the first aspect of the present invention, it is a vapor phase growth apparatus for simultaneously growing a group III nitride crystal on a plurality of substrates, and a group III nitride single crystal substrate having a stable quality can be mass-produced. A vapor phase growth apparatus can be provided with a simple configuration.
本発明の第2の態様に係るIII族窒化物の製造方法によれば、簡易な構成の気相成長装置によって、複数の基板上に同時にIII族窒化物結晶を成長させ、安定した品質のIII族窒化物単結晶基板を量産することが可能である。 According to the method for producing a group III nitride according to the second aspect of the present invention, a group III nitride crystal is simultaneously grown on a plurality of substrates by a vapor phase growth apparatus having a simple configuration, and stable III Group nitride single crystal substrates can be mass-produced.
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。図では、符号を一部省略することがある。本明細書において、数値A及びBについて「A〜B」は、特に別途規定されない限り、「A以上B以下」を意味する。該表記において数値Aの単位を省略する場合には、数値Bに付された単位が数値Aの単位として適用されるものとする。なお、以下に示す形態は本発明の例示であり、本発明がこれらの形態に限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawing, some symbols may be omitted. In the present specification, “A to B” for the numerical values A and B means “A or more and B or less” unless otherwise specified. In the notation, when the unit of the numerical value A is omitted, the unit attached to the numerical value B is applied as the unit of the numerical value A. In addition, the form shown below is an illustration of this invention and this invention is not limited to these forms.
<1.気相成長装置>
本発明の第1の態様に係る気相成長装置について説明する。図1は、本発明の一の実施形態に係る気相成長装置1000の模式図である。気相成長装置1000は、複数の中空状フローチャネル100、100と;集合部200と;集合部200に配設された、III族原料ガスを供給する第1の原料供給部300、300と;第1の原料供給部のいずれも同一かつ共通の加熱手段で加熱する、第1の加熱装置400と;窒素源ガスを供給する第2の原料供給部500、500とを有する。中空状フローチャネル100、100のそれぞれの一方の端部100a、100aは、いずれも集合部200に臨んで設けられている。
<1. Vapor growth equipment>
The vapor phase growth apparatus according to the first aspect of the present invention will be described. FIG. 1 is a schematic diagram of a vapor
それぞれの中空状フローチャネル100は、外チャンバ101と;外チャンバ101の内側に形成された内チャンバ102と;当該中空状フローチャネル100の一方の端部100aと他方の端部100bとの間に配設された、基板110を回転可能に支持する支持台(サセプタ)120と;支持台120を加熱する局所加熱装置130と;支持台120の集合部側200の側上方から支持台20の上方へ向けてIII族原料ガスを吹き出すように配設された第1のガス供給管140と;支持台120の集合部側の側上方から前記支持台の上方へ向けて窒素源ガスを吹き出すように配設された第2のガス供給管150と;当該中空状フローチャネル100の他方の端部100b、又は、当該中空状フローチャネル100において支持台120が設けられた位置と当該中空状フローチャネル100の他方の端部100bとの間に配設され、当該中空状フローチャネル100内のガスを排出させる排気口160とを有する。なお支持台120は、基板110を回転可能に支持するために、回転駆動軸121に連結されている。回転駆動軸121は、電動機(不図示)からの動力を支持台120に伝達し、支持台120を適切な回転速度で回転させる。
Each
局所加熱装置130としては、例えば高周波コイルや抵抗式ヒータ等の公知の加熱手段を採用可能である。内チャンバ102は、III族原料ガスと窒素源ガスとが反応する反応域を内部に有することから、石英ガラス、アルミナ、サファイア、耐熱ガラス等の耐熱性および耐酸性の非金属材料で構成されることが好ましく、第1のガス供給管140及び第2のガス供給管150も同様の材質で構成されることが好ましい。外チャンバ101は、内チャンバ102と同様の材質で構成してもよい。ただし外チャンバ101は反応域に直接には接していないので、一般的な金属材料、たとえばステンレス鋼等で構成することも可能である。
As the
従来の多数枚型気相成長装置においては、基板表面だけでなく、基板近傍の装置内面にIII族窒化物が析出することにより、同一のフローチャネル内に配置された他の基板の表面におけるIII族原料ガス及び窒素源ガスのフローが乱され、その結果同一のフローチャネル内で製造された複数の基板の間で成長膜厚や結晶品質にばらつきを生じる。この傾向は、成長速度の高いHVPE法を採用する場合に顕著であり、中でもHVPE法により窒化アルミニウム単結晶を製造する場合に特に顕著である。窒化アルミニウムをHVPE法によって製造する際にはIII族原料ガスとして三塩化アルミニウムガスが好ましく用いられるところ、三塩化アルミニウムガスは一塩化ガリウムガス等の他のIII族原料ガスよりも窒素源ガス(例えばアンモニア等)との反応性が高いため、反応条件が少しでも乱されると多結晶の窒化アルミニウムが容易に生成する。
気相成長装置1000においては、支持台120、120がそれぞれ別個の中空状フローチャネル100、100内に設けられているため、一の基板110の近傍にIII族窒化物が析出しても他の基板110の表面におけるIII族原料ガス及び窒素源ガスのフローは影響を受けない。その一方で、III族原料ガスを供給する第1の原料供給部300、300はいずれも、第1の加熱装置400によって、同一かつ共通の加熱手段で加熱される。これにより、気相成長装置1000は、簡易な構成でありながら、複数の基板上に同時にIII族窒化物結晶を気相成長させ、安定した品質のIII族窒化物単結晶基板を量産することが可能である。
In the conventional multi-plate type vapor phase growth apparatus, not only the substrate surface but also the group III nitride precipitates on the inner surface of the apparatus in the vicinity of the substrate, so that the III on the surface of another substrate disposed in the same flow channel. The flow of the group source gas and the nitrogen source gas is disturbed, and as a result, the growth film thickness and the crystal quality are varied among a plurality of substrates manufactured in the same flow channel. This tendency is conspicuous when the HVPE method having a high growth rate is employed, and particularly, when an aluminum nitride single crystal is produced by the HVPE method. When aluminum nitride is produced by the HVPE method, aluminum trichloride gas is preferably used as the group III source gas. The aluminum trichloride gas is a nitrogen source gas (for example, more than other group III source gases such as gallium monochloride gas). Because of its high reactivity with ammonia and the like, polycrystalline aluminum nitride is easily formed when the reaction conditions are disturbed even a little.
In the vapor
気相成長装置1000において、排気口160、160は、同一且つ共通の排気装置(不図示)に接続されている。すなわち、排気口160、160からの排気ガスは、同一且つ共通の排気装置に導かれる。このように各フローチャネルの排気系を統合することにより、気相成長装置1000は、さらに簡略化された構成によってIII族窒化物単結晶基板を量産することが可能になっている。
In the vapor
気相成長装置1000において、中空状フローチャネル100、100の一方の端部100a、100a、すなわち中空状フローチャネル100、100の集合部200に臨んで設けられている側の端部100a、100aは、集合部200において独立している。すなわち、中空状フローチャネル100、100の一方の端部100a、100aは、集合部200において相互に連通はしていない。これにより、中空状フローチャネル100、100のそれぞれについて、III族窒化物単結晶の製造条件(例えば、フローチャネルの内圧、基板の温度条件、基板の回転速度等。)をより精密に調整することができるので、安定した品質のIII族窒化物単結晶基板を量産することがより容易になる。また、1つの中空状フローチャネル100の点検整備を行う間にも、他の中空状フローチャネル100でIII族窒化物単結晶基板を製造することが可能である。
In the vapor
気相成長装置1000は、中空状フローチャネル100、100と同数の第1の原料供給部300、300を有し、各一の第1の原料供給部300から各一の中空状フローチャネル100へIII族原料ガスが導かれ、かつ、異なる2つの第1の原料供給部300、300からは異なる2つの中空状フローチャネル100、100にIII族原料ガスが導かれるように第1のガス供給管140、140が配設されている。これにより、装置のメンテナンスがより容易になるほか、中空状フローチャネル100、100のそれぞれについて、個別に反応域のIII族原料ガス供給条件を制御することが可能になるので、安定した品質のIII族窒化物単結晶基板を量産することがより容易になる。
The vapor
気相成長装置1000においては、第2の原料供給部500、500が、いずれも集合部200に配設されている。そして気相成長装置1000は、第2の原料供給部500、500のいずれも同一かつ共通の加熱手段で加熱する、第2の加熱装置700を有する。気相成長装置1000においては、第1の加熱装置400と、第2の加熱装置700とは同一かつ共通の装置であるので、当該加熱装置を「共通加熱装置400/700」と称する。このようにIII族原料ガスだけでなく窒素源ガスも、加熱してから中空状フローチャネルに導入することが好ましい。また装置の簡略化の観点からは、窒素源ガスの加熱手段も上記のように共通化することが好ましく、III族原料ガスの加熱手段(第1の加熱装置400)及び窒素源ガスの加熱手段(第2の加熱装置700)を上記のように共通化することがさらに好ましい。
In the vapor
気相成長装置1000は、中空状フローチャネル100、100と同数の第2の原料供給部500、500を有し、各一の第2の原料供給部500から各一の中空状フローチャネル100へ窒素源ガスが導かれ、かつ、異なる2つの第2の原料供給部500、500からは異なる2つの中空状フローチャネル100、100に窒素源ガスが導かれるように第2のガス供給管150、150が配設されている。これにより、装置のメンテナンスがより容易になるほか、中空状フローチャネル100、100のそれぞれについて、個別に反応域の窒素源ガス供給条件を制御することが可能になるので、安定した品質のIII族窒化物単結晶基板を量産することがより容易になる。
The vapor
気相成長装置1000の第1の原料供給部300、300には、それぞれIII族金属301、301(例えばアルミニウム、ガリウム等。)が配置されており、第1の原料供給部300、300にハロゲン化物ガスとしてハロゲン化水素ガス(例えば塩化水素ガス等。)を供給することにより、中空状フローチャネル100、100にIII族原料ガスとしてIII族金属ハロゲン化物ガス(例えば塩化アルミニウムガス、塩化ガリウムガス等。)が導かれる。III族金属ハロゲン化物ガスは、加熱したIII族金属の固体(301)とハロゲン化水素ガスとの反応により発生させることができる。この反応を進行させるため、第1の原料供給部300、300は、第1の加熱装置400(共通加熱装置400/700)により、反応に適した温度(例えば塩化アルミニウムガスの発生においては150〜1000℃程度であり、好ましくは300〜660℃程度であり、さらに好ましくは300〜600℃程度、塩化ガリウムガスの発生においては300〜1000℃程度等である。)に加熱される。この反応は固体(III族金属)と気体(ハロゲン化水素ガス)との反応であって、両者の接触は一方(固体)が動かない状態で、他方(ハロゲン化水素ガス)のみが移動することにより行われる。そのため第1の原料供給部300、300を加熱する加熱手段が共通化(すなわち第1の加熱装置400。)されていても、III族金属ハロゲン化物ガスを安定して供給することができる。なおIII族金属ハロゲン化物ガスと反応させる窒素源ガスとしては窒素を含有する反応性ガスを用いることができるが、コスト及び取扱い容易性の点で、アンモニアガスを好ましく用いることができる。
本発明に関する上記説明では、中空状フローチャネル100、100のそれぞれの排気口160、160が、同一かつ共通の排気装置に接続されている形態の気相成長装置1000を例示したが、本発明の気相成長装置は当該形態に限定されない。例えば各中空状フローチャネルの排気口が別個の排気装置に接続されている形態の気相成長装置とすることも可能である。ただし装置をより簡略化する観点からは、上記のように排気口からの排気が導かれる排気装置を共通化することが好ましい。
In the above description of the present invention, the vapor
本発明に関する上記説明では、HVPE法によってIII族窒化物結晶を成長させる形態の気相成長装置1000を主に例示したが、本発明は当該形態に限定されない。例えば、MOCVD法によってIII族窒化物結晶を成長させる形態の気相成長装置とすることも可能である。より具体的には、第1の原料供給部がIII族原料ガスとしてIII族有機金属化合物ガス(例えばトリメチルアルミニウムガスやトリメチルガリウムガス等。)を供給する形態の気相成長装置とすることも可能である。その場合、第1の原料供給部はIII族金属301を配置しない形態とし、ハロゲン化物ガスに代えて別途III族有機金属化合物を気化させたガスを第1の原料供給部に供給し、第1の原料供給部において第1の加熱装置400(共通加熱装置400/700)により所望の温度(例えば室温〜100℃等。)まで昇温した後、第1のガス供給管140を通じて中空状フローチャネル100内に導入する形態を例示できる。またHVPE法によってIII族窒化物結晶を成長させる場合であっても、第1の原料供給部にIII族金属301を配置せずに、ハロゲン化物ガスに代えて別途生成されたIII族ハロゲン化物ガスを第1の原料供給部に供給し、第1の原料供給部において第1の加熱装置400(共通加熱装置400/700)により所望の温度(例えば150〜1000℃等。)まで昇温した後、第1のガス供給管140を通じて中空状フローチャネル100内に導入する形態とすることも可能である。
また例えばHVPE法によって混晶を成長させる場合においては、第1の原料供給部に複数種類のIII族金属を配置してハロゲン化物ガスの供給によりIII族ハロゲン化物の混合ガスを発生させ、該混合ガスを第1のガス供給管140を通じて中空状フローチャネル100内に導入することも可能である一方で、第1の原料供給部にはIII族金属を配置せず、ハロゲン化物ガスに代えて別途生成したIII族ハロゲン化物混合ガスを第1の原料供給部に供給し、第1の原料供給部において第1の加熱装置400(共通加熱装置400/700)により所望の温度(例えば150〜1000℃等。)まで昇温した後、第1のガス供給管140を通じて中空状フローチャネル100内に導入する形態とすることも可能である。
In the above description regarding the present invention, the vapor
Further, for example, in the case of growing a mixed crystal by the HVPE method, a plurality of types of Group III metals are arranged in the first raw material supply unit, and a Group III halide mixed gas is generated by supplying a halide gas, and the mixing is performed. While it is possible to introduce the gas into the
本発明に関する上記説明では、中空状フローチャネル100、100の集合部200に臨んで設けられている側の端部100a、100aが、集合部200において独立している形態の気相成長装置1000を例示したが、本発明の気相成長装置は当該形態に限定されない。例えば、各中空状フローチャネルの一方の端部(集合部に臨んで設けられている側の端部)が、集合部において連通している形態の気相成長装置とすることも可能である。図2は、そのような他の実施形態に係る本発明の気相成長装置2000を模式的に説明する図である。図2において、既に図1に記載された要素と同一の要素については、図1中の符号と同一の符号を付し、説明を省略する。図2の気相成長装置2000においては、集合部2200に設けられたフローチャネル連通管103が中空状フローチャネル100、100の集合部2200側の端部100a、100aと連通することにより、中空状フローチャネル100、100が集合部2200において相互に連通している。このような形態によれば、各中空状フローチャネルの内圧を等しくすることが容易になる。
In the above description related to the present invention, the vapor
本発明に関する上記説明では、反対方向に延在する2つの中空状フローチャネル100、100を有する形態の気相成長装置1000を主に例示したが、本発明の気相成長装置は当該形態に限定されない。例えば、3つ以上の中空状フローチャネルを有する形態の気相成長装置とすることも可能である。本発明の気相成長装置が3つ以上の中空状フローチャネルを有する場合においても、2つの中空状フローチャネルを有する場合(図1〜2)と同様に、各中空状フローチャネルの一方の端部(III族原料ガス及び窒素源ガスが供給される側の端部。例えば図1〜2においては端部100a。)が集合部に臨むように設けられ、各中空状フローチャネルは集合部から離れる方向に延在するように配置される。図3は中空状フローチャネルを3つ有する形態の本発明の気相成長装置における中空状フローチャネルの配置の例を上面視で説明する図である。図4は中空状フローチャネルを4つ有する形態の本発明の気相成長装置における中空状フローチャネルの配置の例を上面視で説明する図である。図3及び図4においては、視認性のため、中空状フローチャネルのみを抜き出している。図3及び図4に例示するように、複数の中空状フローチャネルは上面視において放射状に配置することができる。本発明の気相成長装置における中空状フローチャネルの数は2つ以上である限りにおいて特に制限されるものではないが、装置のメンテナンス性を良好にする観点からは、好ましくは6以下である。
In the above description regarding the present invention, the vapor
上記例示した2つの中空状フローチャネルを有する形態の気相成長装置1000においては、中空状フローチャネル100、100と同数の第1の原料供給部300、300を有し、各一の第1の原料供給部300から各一の中空状フローチャネル100へIII族原料ガスが導かれ、かつ、異なる2つの第1の原料供給部300、300からは異なる2つの中空状フローチャネル100、100にIII族原料ガスが導かれるように第1のガス供給管140、140が配設されている。中空状フローチャネルを3つ以上有する形態の本発明の気相成長装置においては、複数の中空状フローチャネルと同数の第1の原料供給部を有し、各一の第1の原料供給部から各一の中空状フローチャネルへIII族原料ガスが導かれ、かつ、異なる2つの第1の原料供給部の組のいずれについても、該異なる2つの第1の原料供給部からは異なる2つの中空状フローチャネルにIII族原料ガスが導かれるように第1のガス供給管が配設されていることが好ましい。このような形態によれば、装置のメンテナンスがより容易になるほか、複数の中空状フローチャネルのそれぞれについて、個別に反応域のIII族原料ガス供給条件を制御することが可能になるので、安定した品質のIII族窒化物単結晶基板を量産することがより容易になる。なおここで気相成長装置がN個(Nは2以上の整数)の中空状フローチャネルF1、…、FN及び同数(N個)の第1の原料供給部S1 1、…、S1 Nを有するとき、「各一の第1の原料供給部から各一の中空状フローチャネルへIII族原料ガスが導かれる」とは、第1の原料供給部S1 i(1≦i≦N)のいずれについても、第1の原料供給部S1 iからIII原料ガスの供給を受ける中空状フローチャネルFj(1≦j≦N)が存在し、かつ、第1の原料供給部S1 iからIII族原料ガスが中空状フローチャネルFj(1≦j≦N)に導かれるならば他の中空状フローチャネルFk(1≦k≦N、k≠j)は同一の第1の原料供給部S1 iからはIII族原料ガスの供給を受けないことを意味する。また気相成長装置がN個(Nは2以上の整数)の中空状フローチャネルF1、…、FN及び同数(N個)の第1の原料供給部S1 1、…、S1 Nを有するとき、「異なる2つの第1の原料供給部の組のいずれについても、該異なる2つの第1の原料供給部からは異なる2つの中空状フローチャネルにIII族原料ガスが導かれる」とは、異なる2つの第1の原料供給部S1 i、S1 j(1≦i,j≦N、i≠j)のいかなる組み合わせについても、S1 iからIII族原料ガスが導かれる中空状フローチャネルFp(1≦p≦N)と、S1 jからIII族原料ガスが導かれる中空状フローチャネルFq(1≦q≦N)とが異なっている(すなわちp≠qである)ことを意味する。
The vapor
また上記例示した2つの中空状フローチャネルを有する形態の気相成長装置1000においては、中空状フローチャネル100、100と同数の第2の原料供給部500、500を有し、各一の第2の原料供給部500から各一の中空状フローチャネル100へ窒素源ガスが導かれ、かつ、異なる2つの第2の原料供給部500、500からは異なる2つの中空状フローチャネル100、100に窒素源ガスが導かれるように第2のガス供給管150、150が配設されている。中空状フローチャネルを3つ以上有する形態の本発明の気相成長装置においては、複数の中空状フローチャネルと同数の第2の原料供給部を有し、各一の第2の原料供給部から各一の中空状フローチャネルへ窒素源ガスが導かれ、かつ、異なる2つの第2の原料供給部の組のいずれについても、該異なる2つの第2の原料供給部からは異なる2つの中空状フローチャネルに窒素源ガスが導かれるように第2のガス供給管が配設されていることが好ましい。このような形態によれば、装置のメンテナンスがより容易になるほか、中空状フローチャネルのそれぞれについて、個別に反応域の窒素源ガス供給条件を制御することが可能になるので、安定した品質のIII族窒化物単結晶基板を量産することがより容易になる。なおここで気相成長装置がN個(Nは2以上の整数)の中空状フローチャネルF1、…、FN及び同数(N個)の第2の原料供給部S2 1、…、S2 Nを有するとき、「各一の第2の原料供給部から各一の中空状フローチャネルへ窒素源ガスが導かれる」とは、第2の原料供給部S2 i(1≦i≦N)のいずれについても、第2の原料供給部S2 iから窒素源ガスの供給を受ける中空状フローチャネルFj(1≦j≦N)が存在し、かつ、第2の原料部S2 iから窒素源ガスが中空状フローチャネルFj(1≦j≦N)に導かれるならば他の中空状フローチャネルFk(1≦k≦N、k≠j)は同一の第2の原料供給部S2 iから窒素源ガスの供給を受けないことを意味する。また気相成長装置がN個(Nは2以上の整数)の中空状フローチャネルF1、…、FN及び同数(N個)の第2の原料供給部S2 1、…、S2 Nを有するとき、「異なる2つの第2の原料供給部の組のいずれについても、該異なる2つの第2の原料供給部からは異なる2つの中空状フローチャネルに窒素源ガスが導かれる」とは、異なる2つの第1の原料供給部S2 i、S2 j(1≦i,j≦N、i≠j)のいかなる組み合わせについても、S2 iから窒素源ガスが導かれる中空状フローチャネルFp(1≦p≦N)と、S2 jから窒素源ガスが導かれる中空状フローチャネルFq(1≦q≦N)とが異なっている(すなわちp≠qである)ことを意味する。
Further, the vapor
本発明に関する上記説明では、中空状フローチャネル100、100と同数の第1の原料供給部300、300を有し、各一の第1の原料供給部300から各一の中空状フローチャネル100へIII族原料ガスが導かれ、かつ、異なる2つの第1の原料供給部300、300からは異なる2つの中空状フローチャネル100、100にIII族原料ガスが導かれるように第1のガス供給管140、140が配設されている態様の気相成長装置1000を主に例示したが、本発明の気相成長装置は当該形態に限定されない。単一の第1の原料供給部から、複数の中空状フローチャネルのいずれにもIII族原料ガスが導かれるように、第1のガス供給管が配設されている形態の気相成長装置とすることも可能である。図5は、そのような他の実施形態に係る本発明の気相成長装置3000を模式的に説明する図である。図5において、図1〜4に既に表れた要素と同一の要素については同一の符号を付し、説明を省略する。気相成長装置3000は、2つの中空状フローチャネル100、100を有する一方で、単一の第1の原料供給部3300を有する。そして単一の第1の原料供給部3300から、中空状フローチャネル100、100のいずれにもIII族原料ガスが導かれるように、第1のガス供給管3140、3140が配設されている。気相成長装置3000においては、単一の第1の原料供給部3300から流出したIII族原料ガスは集合部3200において分岐され、第1のガス供給管3140、3140を介して中空状フローチャネル100、100の両方に導かれる。このような形態によれば、III族原料ガスを供給する手段を簡略化することが可能である。
In the above description regarding the present invention, the same number of first raw
本発明に関する上記説明では、第2の原料供給部500、500が、いずれも集合部200に配設されており、第2の原料供給部500、500のいずれも同一かつ共通の加熱手段で加熱する第2の加熱装置700を有し、第1の加熱装置400と第2の加熱装置700とが同一の共通加熱装置400/700である形態の気相成長装置1000を主に例示したが、本発明は当該形態に限定されない。III族原料ガスを供給する第1の原料供給部を加熱する第1の加熱装置と、窒素源ガスを供給する第2の原料供給部を加熱する第2の加熱装置とが別個の装置である形態の気相成長装置とすることも可能であり、また、複数の第2の原料供給部を別個の加熱手段で加熱する第2の加熱装置を有する形態の気相成長装置とすることも可能である。図6は、そのような他の実施形態に係る本発明の気相成長装置4000を模式的に説明する図である。図6において、図1〜5に既に表れた要素と同一の要素については同一の符号を付し、説明を省略する。気相成長装置4000は、集合部4200に配設されたIII族原料ガスを供給する第1の原料供給部300、300のいずれも同一かつ共通の加熱手段で加熱する、第1の加熱装置4400と、集合部4200に配設された第2の原料供給部4500、4500をそれぞれ別個の加熱手段で加熱する、第2の加熱装置4700とを有している。気相成長装置4000において、第1の加熱装置4400と第2の加熱装置4700とは、共通化されていない別個の加熱装置である。
In the above description regarding the present invention, the second raw
また図6に示した気相成長装置4000においては、中空状フローチャネル100、100と同数の第1の原料供給部300、300を有し、各一の第1の原料供給部300から各一の中空状フローチャネル100へIII族原料ガスが導かれ、かつ、異なる2つの第1の原料供給部300、300からは異なる2つの中空状フローチャネル100、100にIII族原料ガスが導かれるように第1のガス供給管140、140が配設されているが、本発明の気相成長装置がそのような形態に限定されないことは上記した通りである。単一の第1の原料供給部から複数の中空状フローチャネルのいずれにもIII族原料ガスが導かれるように第1のガス供給管が配設されている形態の気相成長装置とすることも可能であって、図7は、そのような他の実施形態に係る本発明の気相成長装置5000を模式的に説明する図である。図7において、図1〜6に既に表れた要素と同一の要素については同一の符号を付し、説明を省略する。気相成長装置5000は、2つの中空状フローチャネル100、100を有する一方で、単一の第1の原料供給部5300を有する。そして単一の第1の原料供給部5300から、中空状フローチャネル100、100のいずれにもIII族原料ガスが導かれるように、第1のガス供給管5140、5140が配設されている。気相成長装置5000においては、単一の第1の原料供給部5300から流出したIII族原料ガスは集合部5200において分岐され、第1のガス供給管5140、5140を介して中空状フローチャネル100、100の両方に導かれる。そして気相成長装置5000は、集合部5200に配設された単一の第1の原料供給部5300を加熱する、第1の加熱装置5400と、集合部5200に配設された第2の原料供給部5500、5500をそれぞれ別個の加熱手段で加熱する、第2の加熱装置5700とを有している。気相成長装置5000において、第1の加熱装置5400と第2の加熱装置5700とは、共通化されていない別個の加熱装置である。
In addition, the vapor
本発明に関する上記説明では、中空状フローチャネル100、100と同数の第2の原料供給部500、500を有し、各一の第2の原料供給部500から各一の中空状フローチャネル100へ窒素源ガスが導かれ、かつ、異なる2つの第2の原料供給部500、500からは異なる2つの中空状フローチャネル100、100に窒素源ガスが導かれるように第2のガス供給管150、150が配設されている形態の気相成長装置1000を主に例示したが、本発明の気相成長装置は当該形態に限定されない。例えば、単一の第2の原料供給部から、複数の中空状フローチャネルのいずれにも窒素源ガスが導かれるように、第2のガス供給管が配設されている形態の気相成長装置とすることも可能である。図8は、そのような他の実施形態に係る本発明の気相成長装置6000を模式的に説明する図である。図8において、図1〜7に既に表れた要素と同一の要素については同一の符号を付し、説明を省略する。気相成長装置6000は、2つの中空状フローチャネル100、100を有する一方で、単一の第2の原料供給部6500を有する。そして単一の第2の原料供給部6500から、中空状フローチャネル100、100のいずれにも窒素源ガスが導かれるように、第2のガス供給管6150、6150が配設されている。気相成長装置5000においては、単一の第2の原料供給部6500から流出した窒素源ガスは集合部6200において分岐され、第2のガス供給管6150、6150を介して中空状フローチャネル100、100の両方に導かれる。
In the above description of the present invention, the same number of second raw
なお図1〜8中に示してはいないが、本発明の気相成長装置は以下の構成部材を有していてもよい。例えば、各中空状フローチャネル100において、第1のガス供給管140から流出するIII族原料ガスのフローと、第2のガス供給管150から流出する窒素源ガスのフローとの間に、バリアガスを供給する構造を有していてもよい。バリアガスとしては、例えば水素、窒素、アルゴン、ヘリウム等の一般的なガスを使用することができる。
またIII族原料ガス及び窒素源ガスが、排気口160が設けられた側へ、各中空状フローチャネル100内で逆流することなく一様に流通するように、各中空状フローチャネル100内において第1のガス供給管140および第2のガス供給管150のノズル側から排気口160が設けられた側に向けて押し出しガスを供給する構造を有していてもよい。中空状フローチャネル内で押し出しガスを供給する位置は、窒素源ガス、III族原料ガス、およびバリアガスのフローよりも外側の位置とすることができる。押し出しガスとしては、例えば水素、窒素、アルゴン、ヘリウム等の一般的なガスを使用することができる。
また本発明の結晶成長装置には、集合部(200、2200、3200、4200、5200、6200)に設けられた配管を加熱できるように補助加熱装置が設けられていてもよい。このような補助加熱装置を設けることにより、集合部を流通している原料ガスが温度低下により配管(例えば第1のガス供給管140、3140、5140等。)内部に析出することを防止することが可能である。補助加熱装置としては、例えば抵抗加熱装置、光加熱装置、高周波加熱装置等の公知の加熱手段を用いることができる。
Although not shown in FIGS. 1 to 8, the vapor phase growth apparatus of the present invention may have the following constituent members. For example, in each
Further, the group III source gas and the nitrogen source gas are circulated in each
In addition, the crystal growth apparatus of the present invention may be provided with an auxiliary heating device so as to heat the pipes provided in the gathering portions (200, 2200, 3200, 4200, 5200, 6200). By providing such an auxiliary heating device, it is possible to prevent the source gas flowing through the collecting portion from being precipitated in the pipe (for example, the first
<2.III族窒化物の製造方法>
本発明の第2の態様に係るIII族窒化物の製造方法について説明する。本発明のIII族窒化物の製造方法は、上記本発明の第1の態様に係る結晶成長装置を用いて複数の基板上に同時にIII族窒化物結晶を気相成長させることを特徴とする。
<2. Method for Producing Group III Nitride>
A method for producing a group III nitride according to the second aspect of the present invention will be described. The method for producing a group III nitride of the present invention is characterized in that group III nitride crystals are vapor-phase grown simultaneously on a plurality of substrates using the crystal growth apparatus according to the first aspect of the present invention.
気相成長装置1000(図1)において第1の原料供給部300から供給するIII族原料ガスとしては、三塩化アルミニウム、三臭化アルミニウム等のハロゲン化アルミニウム;三塩化ガリウム、一塩化ガリウム等のハロゲン化ガリウム;三塩化インジウム等のハロゲン化インジウム、等のIII族ハロゲン化物ガスや、トリメチルアルミニウム、トリメチルガリウム等のIII族有機金属化合物ガスを特に制限なく採用可能である。混晶を製造する場合には、複数のIII族原料ガスを含有する混合ガスを使用する。HVPE法を採用する場合、上記の通り、第1の原料供給部300にIII族金属301を配置し、第1の加熱装置400(共通加熱装置400/700)によって第1の原料供給部300を加熱(例えば三塩化アルミニウムガスを発生させる場合には150〜1000℃程度であり、好ましくは300〜660℃程度であり、さらに好ましくは300〜600℃程度、一塩化ガリウムガスを発生させる場合には300〜1000℃程度等。)しながら第1の原料供給部300にハロゲン化物ガス(例えば塩化水素ガス等。)を供給することにより第1の原料供給部300において生成するIII族ハロゲン化物ガスを、第1のガス供給管140を通じて中空状フローチャネル100内に導入することができる。他方、第1の原料供給部300にIII族金属301を配置せず、ハロゲン化物ガスに代えて別途生成したIII族原料ガス(HVPE法の場合にはIII族ハロゲン化物ガス、MOCVD法の場合にはIII族有機金属化合物ガス。)を第1の原料供給部に供給し、第1の原料供給部において第1の加熱装置400(共通加熱装置400/700)により所望の温度(例えば室温〜100℃。)まで昇温した後、第1のガス供給管140を通じて中空状フローチャネル100内に導入する形態とすることも可能である。これらのIII族原料ガスは通常、キャリアガスによって希釈した状態で供給する。キャリアガスとしては、水素ガス、窒素ガス、ヘリウムガス、若しくはアルゴンガス、又はこれらの混合ガスを特に制限なく用いることができ、水素ガスを含むキャリアガスを用いることが好ましい。
Group III source gas supplied from the first
なお一般に、III族原料ガスとしてIII族ハロゲン化物ガスを用いる場合、すなわち成膜速度の高いHVPE法によりIII族窒化物を成長させる場合には、従来の多数枚型気相成長装置では同一フローチャネル内の複数の基板の間で膜厚や結晶性にばらつきが生じ易く、この傾向は反応速度の速いハロゲン化アルミニウムガスを使用する場合に特に顕著であることから、本発明の気相成長装置およびIII族窒化物の製造方法は、HVPE法によってIII族窒化物を成長させる場合に好ましく用いることができ、HVPE法によってIII族元素としてアルミニウムを含むIII族窒化物(以下「Al系III族窒化物」ということがある。)の単結晶を成長させる場合に特に好ましく用いることができ、HVPE法によって窒化アルミニウムの単結晶を成長させる場合に最も好ましく用いることができる。この観点から、本発明のIII族窒化物の製造方法においては、III族原料ガスがハロゲン化アルミニウムガスを含むことが好ましく、III族原料ガスがハロゲン化アルミニウムガスであることが特に好ましい。 In general, when a group III halide gas is used as a group III source gas, that is, when a group III nitride is grown by the HVPE method having a high film formation rate, the conventional multi-plate vapor phase growth apparatus uses the same flow channel. The film thickness and crystallinity are likely to vary among a plurality of the substrates, and this tendency is particularly noticeable when an aluminum halide gas having a high reaction rate is used. The Group III nitride production method can be preferably used when a Group III nitride is grown by the HVPE method. The Group III nitride containing aluminum as a Group III element by the HVPE method (hereinafter referred to as “Al-based Group III nitride”). )) Is preferably used for growing a single crystal, and nitride nitride is formed by the HVPE method. It can be most preferably used when growing a single crystal of Miniumu. From this viewpoint, in the Group III nitride production method of the present invention, the Group III source gas preferably contains an aluminum halide gas, and the Group III source gas is particularly preferably an aluminum halide gas.
気相成長装置1000の各中空状フローチャネル100において第1のガス供給管140から流出するIII族原料ガスのフローと、第2のガス供給管150から流出する窒素源ガスのフローとの間には、バリアガスのフローを介在させてもよい。III族原料ガスのフローと窒素源ガスのフローとの間に流出させるバリアガスとしては、不活性である点、及び、分子量が大きいためにIII族原料ガスや窒素源ガスのバリアガスへの拡散が遅い(バリア効果が高い)点で、窒素ガス若しくはアルゴンガス、又はこれらの混合ガスを好ましく用いることができる。ただしバリアガスの効果を調整するために、窒素ガス若しくはアルゴンガス又はこれらの混合ガスに、水素ガス、ヘリウムガス、ネオンガス等の、不活性な(すなわち、III族原料ガス及び窒素源ガスと反応しない)低分子量ガスを混合してもよい。
Between the flow of the group III source gas flowing out from the first
III族窒化物単結晶を析出させる基板110の材質としては、例えばサファイア、シリコン、シリコンカーバイド、酸化亜鉛、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化アルミニウムガリウム、ガリウムヒ素、ホウ素化ジルコニウム、ホウ素化チタニウム等を特に制限なく採用できる。
Examples of the material of the
第1の原料供給部300から第1のガス供給管140を介して中空状フローチャネル100に導入されたIII族原料ガスを窒化してIII族窒化物単結晶を得るために、第2の原料供給部500から第2のガス供給管150を介して中空状フローチャネル100に窒素源ガスを導入する。この窒素源ガスは通常キャリアガスによって希釈した状態で供給する。窒素源ガスとしては、窒素を含有する反応性ガスを特に制限なく採用可能であるが、コストと取扱の容易性の点で、アンモニアガスを好ましく用いることができる。キャリアガスとしては、水素ガス、窒素ガス、ヘリウムガス、若しくはアルゴンガス、又はこれらの混合ガスを特に制限なく用いることができ、水素ガスを含むキャリアガスを用いることが好ましい。
In order to obtain a group III nitride single crystal by nitriding the group III source gas introduced into the
III族原料ガスと窒素源ガスとを反応させる前に、基板110に付着している有機物を除去するため、中空状フローチャネル100に水素ガスを含むキャリアガスを流通しながら支持台120を介して基板110を加熱することにより、サーマルクリーニングを行うことが好ましい。基板110としてサファイア基板を用いる場合、一般的には1100℃で10分間程度保持する。その後、第1のガス供給管140を通じてIII族原料ガスを中空状フローチャネル100に導入し、第2のガス供給管150を通じて窒素源ガスを中空状フローチャネル100に導入しながら、加熱された(HVPE法の場合好ましくは1000〜1700℃、MOCVD法の場合好ましくは1000〜1600℃)基板110上にIII族窒化物単結晶を成長させる。本発明のIII族窒化物の製造方法におけるIII族窒化物の成長は、HVPE法を用いる場合(すなわちIII族原料ガスとしてIII族ハロゲン化物ガスを用いる場合)には通常大気圧付近の圧力下で行われ、MOCVD法を用いる場合(すなわちIII族原料ガスとしてIII族有機金属化合物ガスを用いる場合)には通常100Pa〜大気圧の圧力下で行われる。
Before the reaction between the group III source gas and the nitrogen source gas, in order to remove organic substances adhering to the
HVPE法を用いる場合、III族原料ガス(III族ハロゲン化物ガス)の供給量は、供給分圧(供給される全ガス(キャリアガス、III族原料ガス、窒素源ガス、バリアガス、押し出しガス)の標準状態における体積の合計に対するIII族原料ガスの標準状態における体積の割合。)に換算して通常1Pa〜1000Paである。MOCVD法を用いる場合、III族原料ガス(III族有機金属化合物ガス)の供給量は、供給分圧換算で通常0.1〜100Paの範囲の値が選択される。窒素源ガスの供給量は特に制限されるものではないが、一般的には、供給する上記III族原料ガスの0.5〜500倍の供給量が好ましく採用される。 When the HVPE method is used, the supply amount of the group III source gas (group III halide gas) is the supply partial pressure (total gas to be supplied (carrier gas, group III source gas, nitrogen source gas, barrier gas, extrusion gas). The ratio of the volume of the group III source gas in the standard state to the total volume in the standard state. When the MOCVD method is used, the supply amount of the group III source gas (group III organometallic compound gas) is usually selected in the range of 0.1 to 100 Pa in terms of supply partial pressure. The supply amount of the nitrogen source gas is not particularly limited, but generally, a supply amount of 0.5 to 500 times that of the group III source gas to be supplied is preferably employed.
成長時間は所望の成長膜厚が達成されるように適宜調節される。一定時間結晶成長を行った後、III族原料ガスの供給を停止することにより結晶成長を終了する。その後基板110を室温まで降温する。以上の操作により、基板110上にIII族窒化物単結晶を成長させることができる。
The growth time is appropriately adjusted so that a desired growth film thickness is achieved. After crystal growth for a certain time, the crystal growth is terminated by stopping the supply of the group III source gas. Thereafter, the temperature of the
本発明の気相成長装置及びIII族窒化物の製造方法は、基板上に膜厚10μm以上のIII族窒化物結晶を成長させる場合に好ましく採用でき、基板上に膜厚100μm以上のIII族窒化物結晶を成長させる場合に特に好ましく用いることができる。 The vapor phase growth apparatus and the Group III nitride manufacturing method of the present invention can be preferably used when a Group III nitride crystal having a thickness of 10 μm or more is grown on a substrate, and the Group III nitride having a thickness of 100 μm or more on the substrate. It can be particularly preferably used when growing a physical crystal.
本発明に関する上記説明では、図1に例示した気相成長装置1000を用いる形態のIII族窒化物の製造方法を主に例示したが、本発明のIII族窒化物の製造方法は当該形態に限定されない。本発明の気相成長装置について上記説明した通り、中空状フローチャネルを3つ以上有する形態の気相成長装置(図2、3参照);複数の中空状フローチャネルからの排気が別個の排気装置に導かれる形態の気相成長装置;中空状フローチャネルの集合部側の端部が集合部において連通している形態の気相成長装置(図4参照);単一の第1の原料供給部から複数の中空状フローチャネルのいずれにもIII族原料ガスが導かれるように第1のガス供給管が配設されている形態の気相成長装置(図5、7参照);第2の加熱装置が複数の第2の原料部を別個の加熱手段で加熱する形態や、第1の加熱装置と第2の加熱装置とが別個の装置である形態の気相成長装置(図6、7参照);あるいは、単一の第2の原料供給部から複数の中空状フローチャネルのいずれにも窒素源ガスが導かれるように第2のガス供給管が配設されている形態の気相成長装置(図8参照)を用いて、複数の基板上に同時にIII族窒化物結晶を成長させる工程を有するIII族窒化物の製造方法とすることも可能である。
In the above description regarding the present invention, the method for producing a group III nitride using the vapor
1000、2000、3000、4000、5000 気相成長装置
100 中空状フローチャネル
100a 中空状フローチャネル100の一方の端部(集合部側の端部)
100b 中空状フローチャネル100の他方の端部
200、2200、3200、4200、5200、6200 集合部
300、3300、5300 第1の原料供給部
301 III族金属
400、4400、5400 第1の加熱装置
500、4500、5500、6500 第2の原料供給部
700、4700、5700 第2の加熱装置
400/700 共通加熱装置
101 外チャンバ
102 内チャンバ
103 フローチャネル連通管
110 基板
120 支持台(サセプタ)
121 回転駆動軸
130 局所加熱装置
140、3140、5140 第1のガス供給管
150、6150 第2のガス供給管
160 排気口
1000, 2000, 3000, 4000, 5000 Vapor
100b The
121
Claims (11)
複数の中空状フローチャネルと、
集合部と、
該集合部に配設された、III族原料ガスを供給する1つ以上の第1の原料供給部と、
該1つ以上の第1の原料供給部のいずれも同一かつ共通の加熱手段で加熱する、第1の加熱装置と、
窒素源ガスを供給する、1つ以上の第2の原料供給部と
を有し、
それぞれの前記中空状フローチャネルの一方の端部は、前記集合部に臨んで設けられており、
それぞれの前記中空状フローチャネルが、
該中空状フローチャネルの前記一方の端部と他方の端部との間に配設された、基板を回転可能に支持する支持台と、
該支持台を加熱する局所加熱装置と、
前記支持台の前記集合部側の側上方から前記支持台の上方へ向けて前記III族原料ガスを吹き出すように配設された第1のガス供給管と、
前記支持台の前記集合部側の側上方から前記支持台の上方へ向けて前記窒素源ガスを吹き出すように配設された第2のガス供給管と、
前記中空状フローチャネルの他方の端部、又は、前記支持台が設けられた位置と該中空状フローチャネルの他方の端部との間に配設され、該中空状フローチャネル内のガスを排出させる排気口と
を有し、
前記1つ以上の第2の原料供給部が、いずれも前記集合部に配設されており、
前記第2の原料供給部のいずれも同一かつ共通の加熱手段で加熱する、第2の加熱装置を有することを特徴とする、気相成長装置。 A vapor phase growth apparatus for growing a group III nitride crystal on a substrate by reacting a group III source gas and a nitrogen source gas,
A plurality of hollow flow channels;
The assembly section;
One or more first raw material supply parts arranged in the collecting part for supplying a group III raw material gas;
A first heating device that heats all of the one or more first raw material supply units with the same and common heating means;
One or more second raw material supply sections for supplying a nitrogen source gas;
Have
One end of each of the hollow flow channels is provided facing the assembly part,
Each said hollow flow channel is
A support base rotatably disposed between the one end and the other end of the hollow flow channel;
A local heating device for heating the support;
A first gas supply pipe arranged to blow out the group III source gas from the upper side of the support table toward the upper side of the support table;
A second gas supply pipe arranged to blow out the nitrogen source gas from the upper side of the support table on the side of the collecting portion toward the upper side of the support table;
Disposed between the other end of the hollow flow channel or between the position where the support is provided and the other end of the hollow flow channel, and discharges the gas in the hollow flow channel With exhaust vent
Have
The one or more second raw material supply units are all disposed in the assembly unit,
A vapor phase growth apparatus characterized by having a second heating device in which all of the second raw material supply sections are heated by the same and common heating means.
各一の第1の原料供給部から各一の中空状フローチャネルへIII族原料ガスが導かれ、かつ、異なる2つの第1の原料供給部の組のいずれについても、該異なる2つの第1の原料供給部からは異なる2つの中空状フローチャネルにIII族原料ガスが導かれるように前記第1のガス供給管が配設されていることを特徴とする、請求項1〜3のいずれかに記載の気相成長装置。 Having the same number of the first raw material supply sections as the plurality of hollow flow channels,
The group III source gas is guided from each one first source supply unit to each one hollow flow channel, and the two different firsts are set for any of the two different sets of first source supply units. The first gas supply pipe is arranged so that the group III source gas is led to two different hollow flow channels from the raw material supply section of any one of claims 1 to 3 The vapor phase growth apparatus described in 1.
各一の第2の原料供給部から各一の中空状フローチャネルへ窒素源ガスが導かれ、かつ、異なる2つの第2の原料供給部の組のいずれについても、該異なる2つの第2の原料供給部からは異なる2つの中空状フローチャネルに窒素源ガスが導かれるように前記第2のガス供給管が配設されていることを特徴とする、請求項1〜6のいずれかに記載の気相成長装置。 Having the same number of second raw material supply sections as the plurality of hollow flow channels,
Nitrogen source gas is led from each one second raw material supply section to each one hollow flow channel, and each of the two different second raw material supply sections has the two different second The said 2nd gas supply pipe | tube is arrange | positioned so that nitrogen source gas may be guide | induced to two different hollow flow channels from a raw material supply part, The any one of Claims 1-6 characterized by the above-mentioned. Vapor growth equipment.
該第1の原料供給部に塩化水素ガスを供給することにより、III族原料ガスとして塩化アルミニウムガスが前記複数の中空状フローチャネルに導かれることを特徴とする、請求項1〜8のいずれかに記載の気相成長装置。 Aluminum is disposed in the first raw material supply unit,
By supplying hydrogen chloride gas to the raw material supply section of the first, characterized in that the aluminum chloride gas as a group III material gas is led to the plurality of hollow flow channel, claim 1-8 The vapor phase growth apparatus described in 1.
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