JP7349341B2 - 気相成長装置及び気相成長方法 - Google Patents

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本発明は、気相成長装置及び気相成長方法に関し、特に、凝縮温度や分解温度が大きく異なる少なくとも２種以上の原料ガスを用いて基板上に半導体膜を形成・成長させるための気相成長装置及び気相成長方法に関する。
従来より、基板上に半導体膜を成長させるための装置として気相成長装置が知られている。この気相成長装置は、反応炉内において、加熱環境下でサセプタ上に載置された基板に対して、原料ガス（例えば、トリメチルガリウムとアンモニア等）を供給した作用させることにより、当該基板上に半導体薄膜を形成・成長させるための装置である。このような気相成長装置を用いて、結晶成長用の基板上に窒化ガリウム（ＧａＮ）や酸化ガリウム結晶（Ｇａ２Ｏ５）等からなる化合物半導体薄膜を形成する場合、基板の表面に、該基板の横方向から原料ガスを供給して薄膜成長を行う。
上記のようなＧａＮやＧａ２Ｏ５等からなるエピタキシャル結晶を基板上に成長させて化合物半導体を製造する気相成長装置としては、例えば、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）装置、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置、ＨＶＰＥ（Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）装置等が挙げられ、それぞれの特徴から製造用途が異なる。
上記の気相成長装置のうち、ＭＢＥ装置は、分子線結晶成長法により、超高真空下で分子線セル内の原料を加熱して蒸発させ、蒸発分子の飛散方向を揃えたジェット流（分子線）を、加熱した基板上に供給する方法で半導体結晶を成長させるものである。ＭＢＥ装置によれば、高純度の結晶を成膜でき、また、ヘテロ界面を比較的容易に製作できるものの、成長速度が比較的遅く、また、設備費も高いことから、量産には向かない。
また、ＭＯＣＶＤ装置は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により、有機金属化合物の蒸気から、加熱した基板上に半導体結晶を成長させるものであり、現在、化合物半導体デバイスを製造する方法・装置の主流となっている。ＭＯＣＶＤ装置を用いることで、結晶の成長速度がサブミクロン単位～１０μｍ／ｈｒ程度まで制御できるとともに、Ｐ型及びＮ型ドーピングも１０１６～１０２０ｃｍ－３程度まで制御でき、さらに、界面の急峻性も原子層レベルで制御可能となるメリットがある。
しかしながら、ＭＯＣＶＤ装置を用いた場合、原料にトリメチルガリウム（ＴＭＧ）等の有機金属化合物を用いるため、原料が高価となり、また、設備費も比較的高価になるというデメリットがある。
また、近年、ＧａＮを用いたパワーデバイスにおいても、縦方向に電気を流す縦型ダイオードやトランジスタ等の開発が注目されている。一方、このようなパワーデバイスには数十ミクロン程度の膜厚が必要になることから、成長速度が最大で１０μｍ／ｈｒ程度のＭＯＣＶＤ装置では生産性の向上が見込めず、また、生産コストを抑制することも難しいというデメリットもある。
また、ＨＶＰＥ装置は、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）により、高温下において金属材料の塩化物ガスと非金属材料の水素化物ガスとを反応させる方法で、基板上に半導体結晶を成膜するものである（例えば、特許文献１を参照）。ＨＶＰＥ装置は、結晶の成長速度が１００μｍ／ｈｒと非常に速く、短時間で厚膜を成膜でき、また、原料由来のカーボン不純物が少ないというメリットがある。一方、ＨＶＰＥ装置は、反応炉内で結晶原料を発生させる構造のため、炉内容積が大きくなり、ガス種の切替えに時間がかかることから、急峻な界面が得られないというデメリットもある。これは、ＨＶＰＥ装置の特徴として、金属塩化物を反応炉内で製造することに起因するデメリットである。
ＨＶＰＥ法においては、反応炉の上流部に金属原料のボートを設置し、そのボートに塩化水素又は塩素を導入して塩化物へと反応させ、金属塩化物を生成させる。ここで、金属原料がガリウムである場合、塩化水素との低温反応において三塩化ガリウム（ＧａＣｌ３）が生成されるが、三塩化ガリウムを用いて成長した結晶には酸素等の不純物が多く取り込まれることが知られており、通常の結晶成長には適さない。また、結晶成長に適した生成量で金属塩化物を生成させるには、８００℃程度に加熱することが必要となり、この場合には一塩化ガリウム（ＧａＣｌ）が生成される。
ＨＶＰＥ法における金属塩化物の生成は、通常、反応炉の内部又は周囲に電気炉を設置し、この電気炉によって行われる。このように、反応炉内において金属塩化物を生成させる理由としては、一塩化ガリウムは３５０℃付近の温度で分解して三塩化ガリウムと金属ガリウムを生成するため、基板上に供給するまで一定温度に維持する必要があることが挙げられる。また、金属塩化物は吸水性が高めであることから、反応炉の外部から炉内に供給した場合には大気成分の混入等によって原料の純度が低下したり、また、金属塩化物が微量の水分と反応することで塩酸となり、気相成長装置の構成部品を腐食させたりするおそれがあることも挙げられる。
特開２０１７－１１８１２９号公報
一方、ＨＶＰＥ法における大きな課題として、以下に詳述するような理由により、半導体結晶にＰ型のドーピングを付与する場合に、Ｐ型ドーパント原料として適当なものが無く、ＰＮ接合ができないという点が挙げられる。このため、ＨＶＰＥ装置（ＨＶＰＥ法）によるプロセスは、もっぱら、ＧａＮの単層膜を長時間成長させることでＧａＮ基板を製造すること等に用いられていた。即ち、ＨＶＰＥ法では、高純度のＧａＮ層に続けてＰ型層を連続して成長させることができなかった。
即ち、上述したような縦型ダイオード等の縦型電子デバイス等を低コストで製造するためには、半導体膜の高成長速度を維持しつつ、上記のようなＰ型ドーピング層の形成が困難であるという問題を克服する必要がある。このようなＰ型ドーパント層は、例えば、ＭＯＣＶＤ法を用いた場合には、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を原料とし、水素や窒素をキャリアガスとして、常温下でバブリングすることにより、飽和蒸気圧分をキャリアガスに同伴させて反応炉内に供給する。この際、上記のＣｐ２Ｍｇのような有機金属化合物は、熱分解しやすい特性を有することから、１００～２００℃以下の比較的低温のままで基板上に到達させる必要がある。
しかしながら、ＨＶＰＥ法においては、上述したように、ＧａＣｌを８００℃程度の温度で生成して基板上に送り込む必要があるため、ＧａＣｌとＣｐ２Ｍｇとを基板よりも上流側で合流させた場合や、これら両材料を近接させながら炉内に導入した場合、Ｃｐ２Ｍｇが熱分解してしまう。このため、Ｐ型ドーパント原料であるＣｐ２Ｍｇが、基板上の多くの場所に届かないばかりか、熱分解された化合物が反応炉内の上流部に付着し、炉内が汚染されてしまうという問題がある。また、従来から用いられているＨＶＰＥ装置は、常圧下での結晶成長におけるガス流速が数ｃｍ／ｓｅｃと比較的低速な設計とされていることから、この点も、Ｃｐ２Ｍｇが容易に加熱されてしまう要因となっていた。
上記のように、従来の技術では、ＨＶＰＥ装置でＰ型ドーピング層を成長させることができなかった。このため、例えば、ＨＶＰＥ装置を用いて高純度で厚膜のＧａＮ層を基板上に成長させた後、反応炉内から取り出し、ＭＯＣＶＤ装置の反応炉内に搬入してＰ型ドーピング層を成長させる必要があった。しかしながら、このような複数の装置（反応炉）を用いる複雑なプロセスを採用した場合には、エピサブ界面にシリコン等の不純物が混入するのを避けられず、ＰＮ接合特性が劣化する問題があるとともに、生産性や生産コストの面でもデメリットとなっていた。
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、ＨＶＰＥ装置を用いて高純度のＧａＮ層を高い成長速度で成膜した後、同一の反応炉を用いて、引き続いてＰ型ドーピング層を成長させることができ、ＰＮ接合特性に優れるとともに、生産性に優れ、且つ、生産コストを低減することが可能な気相成長装置及び気相成長方法を提供することを目的とする。
本発明者等は、上記問題を解決するため、鋭意検討を重ねた。この結果、２種類以上の原料ガスのうち、分解温度が相対的に低い低温分解原料ガスが流通する原料ガス供給ラインを、他の原料ガス供給ラインとの間で断熱する断熱構造を採用することで、低温分解原料ガスを、凝縮温度以上かつ分解温度以下の温度に独立して保持するか、又は、反応に最適化された分子形態と取り得る温度範囲に独立して保持しつつ、基板上に供給できることを知見した。これにより、ＨＶＰＥ装置を用いて半導体膜を成膜する場合においても、高純度のＧａＮ層を高い成長速度で成膜できるとともに、別の反応炉に基板を入れ替えることなく、同一の反応炉内で、引き続いてＰ型ドーピング層を成長させることができることを見いだし、本発明を完成させた。
即ち、本発明は、以下の態様を包含する。
請求項１に係る発明は、凝縮温度及び分解温度のうちの少なくとも何れかが異なる２種類以上の原料ガスを反応炉内に導入し、前記反応炉内に設置した基板を前記原料ガスの分解温度以上に加熱することで、前記基板上に半導体膜を成長させる気相成長装置であって、反応炉内に配置され、前記基板を保持するサセプタと、前記サセプタを加熱する加熱器と、前記反応炉内に配置され、前記原料ガスを前記基板上まで導くフローチャンネルと、前記フローチャンネルに接続されるとともに、２種類以上の前記原料ガスを個別に噴出する複数の噴出口を有し、前記フローチャンネル内に向けて前記原料ガスを噴出する集合配管部と、前記集合配管部に前記原料ガスを供給するガス供給部と、を備え、前記ガス供給部、前記集合配管部及び前記フローチャンネルは、前記２種類以上の原料ガスのうち、分解温度が相対的に低い低温分解原料ガスが流通する原料ガス供給ラインを、他の原料ガス供給ラインとの間で断熱する断熱構造を有し、前記低温分解原料ガスを、凝縮温度以上かつ分解温度以下の温度に独立して保持するか、又は、反応に最適化された分子形態となる温度範囲に独立して保持しつつ、前記基板上に供給することを特徴とする気相成長装置である。
また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載の気相成長装置であって、前記断熱構造が、下記（１）～（８）に示す構造の何れかであることを特徴とする気相成長装置である。
（１）前記低温分解原料ガスが流通する原料ガス供給ラインと、他の原料ガス供給ラインとの間に石英材を配置した構造。
（２）上記（１）における石英材の表面が不透明化された構造。
（３）上記（１）における石英材が不透明石英材である構造。
（４）前記低温分解原料ガスが流通する原料ガス供給ラインと、他の原料ガス供給ラインとの間に真空層を配置した構造。
（５）前記低温分解原料ガスが流通する原料ガス供給ラインと、他の原料ガス供給ラインとの間にガス流層を配置した構造。
（６）前記低温分解原料ガスが流通する原料ガス供給ラインと、他の原料ガス供給ラインとの間に、少なくとも窒化ボロン（ＢＮ）、炭化タンタル（ＴａＣ）、モリブデン（Ｍｏ）又はタングステン（Ｗ）の何れかを含む、耐熱性を有する高反射率材を配置した構造。
（７）前記低温分解原料ガスが流通する原料ガス供給ライン、及び、他の原料ガス供給ラインを含む各流路の間に空間を配置した構造。
（８）上記（１）～（７）に示す断熱構造を少なくとも２以上で組み合わせた構造。
また、請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２に記載の気相成長装置であって、前記原料ガスが前記基板上を通過する平均通過時間が、前記基板に４ｉｎｃｈ基板を用い、且つ、前記基板の中心を含む直径方向で前記原料ガスが通過する条件で、０．２秒以下であることを特徴とする気相成長装置である。
また、請求項４に係る発明は、請求項１～請求項３の何れか一項に記載の気相成長装置であって、前記基板の外周上における回転速度を付加した前記原料ガスの相対流速が０．８ｍ／ｓ以上であることを特徴とする気相成長装置である。
また、請求項５に係る発明は、請求項１～請求項４の何れか一項に記載の気相成長装置であって、さらに、前記反応炉内を減圧する減圧機構を備えることを特徴とする気相成長装置である。
また、請求項６に係る発明は、請求項１～請求項５の何れか一項に記載の気相成長装置であって、前記フローチャンネルは、前記基板の成長面に対して平行に前記原料ガスを供給したときに、該原料ガスの流れを規制する、前記基板の成長面と面一に配置される底面と、該底面と対向して配置される天井面と、前記底面と前記天井面とを繋ぐように配置される側面とを有し、前記底面から前記天井面までの高さが９ｍｍ以下であることを特徴とする気相成長装置である。
また、請求項７に係る発明は、請求項１～請求項６の何れか一項に記載の気相成長装置であって、前記加熱器が、電気ヒータ、及び、高周波誘導式加熱器のうちの何れか一方又は両方であることを特徴とする気相成長装置である。
また、請求項８に係る発明は、請求項１～請求項７の何れか一項に記載の気相成長装置であって、前記サセプタは、前記基板を水平に保持し、前記集合配管部は、前記フローチャンネルを介して、前記基板に向けて、前記原料ガスを水平方向で噴出することを特徴とする気相成長装置である。
また、請求項９に係る発明は、請求項１～請求項８の何れか一項に記載の気相成長装置であって、前記原料ガスが、有機金属化合物であるトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、及びトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、又は、金属塩化物である一塩化ガリウム（ＧａＣｌ）、三塩化ガリウム（ＩＩＩ）（ＧａＣｌ３）、一塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ）、三塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ３）、一塩化インジウム（ＩｎＣｌ）、及び三塩化インジウム（ＩｎＣｌ３）のうちから選ばれる少なくとも何れかを含むことを特徴とする気相成長装置である。
また、請求項１０に係る発明は、請求項１～請求項９の何れか一項に記載の気相成長装置であって、前記原料ガスが、少なくともアンモニア（ＮＨ３）を含むことを特徴とする気相成長装置である。
また、請求項１１に係る発明は、請求項１～請求項１０の何れか一項に記載の気相成長装置であって、前記原料ガスが、少なくとも酸素（Ｏ２）を含むことを特徴とする気相成長装置である。
また、請求項１２に係る発明は、請求項１～請求項１１の何れか一項に記載の気相成長装置であって、前記原料ガスが、前記低温分解原料ガスとして、ドーピング原料であるビス（シクロペンタジエニル）マグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を含むことを特徴とする気相成長装置である。
また、請求項１３に係る発明は、請求項１～請求項１１の何れか一項に記載の気相成長装置であって、前記原料ガスが、前記低温分解原料ガスとして、ドーピング原料であるビス（シクロペンタジエニル）鉄（Ｃｐ２Ｆｅ）を含むことを特徴とする気相成長装置である。
また、請求項１４に係る発明は、請求項１～請求項１１の何れか一項に記載の気相成長装置であって、前記原料ガスが、前記低温分解原料ガスとして、ドーピング原料である水素化ゲルマニウム（ＧｅＨ４）を含むことを特徴とする気相成長装置である。
請求項１５に係る発明は、請求項１～請求項１４の何れか一項に記載の気相成長装置を用いて、凝縮温度及び分解温度の少なくとも何れかが異なる２種類以上の原料ガスを反応炉内に導入し、前記反応炉内に設置した基板を前記原料ガスの分解温度以上に加熱することで、前記基板上に半導体膜を成膜することを特徴とする気相成長方法である。
また、請求項１６に係る発明は、請求項１５に記載の気相成長方法であって、前記基板上に成膜する前記半導体膜が、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、及び窒化インジウム（ＩｎＮ）のうちの何れか１種からなる成長膜であることを特徴とする気相成長方法である。
また、請求項１７に係る発明は、請求項１５に記載の気相成長方法であって、前記基板上に成膜する前記半導体膜が、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、及び窒化インジウム（ＩｎＮ）の混合物からなる成長膜であることを特徴とする気相成長方法である。
また、請求項１８に係る発明は、請求項１５に記載の気相成長方法であって、前記基板上に成膜する前記半導体膜が、次式｛Ｇａ２Ｏ５｝で表される酸化ガリウム結晶、酸化アルミニウム（ＡｌＯ）又は次式｛ＡｌＧａＯｘ（但し、ｘは任意の整数）｝で表される酸化ガリウムアルミニウムからなる成長膜であることを特徴とする気相成長方法である。
本発明に係る気相成長装置によれば、上記構成により、低温分解原料ガスを、凝縮温度以上かつ分解温度以下の温度に独立して保持するか、又は、反応に最適化された分子形態と取り得る温度範囲に独立して保持しつつ、基板上に供給できる。これにより、ＨＶＰＥ法によって半導体膜を成膜する場合においても、高純度のＧａＮ層を高い成長速度で成膜できるとともに、別の反応炉に基板を入れ替えることなく、引き続いてＰ型ドーピング層を成長させることができる。従って、ＧａＮ層を成膜した後、同一の反応炉内でＰ型ドーピング層を形成できるので、ＰＮ接合特性に優れる半導体膜を、優れた生産性及び低コストで成膜することが可能になる。
また、本発明に係る気相成長方法によれば、上記構成を備える本発明に係る気相成長装置を用いて基板上に半導体膜を成膜する方法なので、上記同様、ＨＶＰＥ法による半導体膜の成膜プロセスにおいて、高純度のＧａＮ層を高い成長速度で成膜できるとともに、同一の反応炉内でＰ型ドーピング層を成長させることができる。従って、ＰＮ接合特性に優れる半導体膜を、優れた生産性及び低コストで成膜することが可能になる。
本発明の第１の実施形態である気相成長装置及び気相成長方法について模式的に説明する図であり、気相成長装置の概略構成を側面側から示す断面図である。 本発明の第１の実施形態である気相成長装置及び気相成長方法について模式的に説明する図であり、図１中に示したフローチャンネルの平面図である。 本発明の第２の実施形態である気相成長装置及び気相成長方法について模式的に説明する図であり、気相成長装置の概略構成を側面側から示す断面図である。 本発明の第３の実施形態である気相成長装置及び気相成長方法について模式的に説明する図であり、気相成長装置の概略構成を側面側から示す断面図である。 本発明の第３の実施形態である気相成長装置及び気相成長方法について模式的に説明する図であり、図４中に示した気相成長装置を上面側から示す断面図である。
以下、本発明を適用した第１～３の実施形態である気相成長装置について、図１～図５を適宜参照しながら説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、その特徴をわかり易くするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。また、以下の説明において例示される材料等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
図１及び図２は、本発明の第１の実施形態である気相成長装置を模式的に説明する図で、図１は気相成長装置の概略構成を側面側から示す断面図であり、図２は図１中に示したフローチャンネルの平面図である。
図３は、本発明の第２の実施形態である気相成長装置を模式的に説明する図であり、気相成長装置の概略構成を側面側から示す断面図である。
また、図４及び図５は、本発明の第３の実施形態である気相成長装置を模式的に説明する図で、図４は気相成長装置の概略構成を側面側から示す断面図であり、図５は気相成長装置を上面側から示す断面図である。
なお、図１～図５に示す各気相成長装置においては、集合配管部、フローチャンネル、サセプタ、又は反応炉等、本発明の特徴を有する構成を示す一方、一般的な気相成長装置に備えられる他の構成、例えば、サセプタの駆動機構等については、その図示を省略していることがある。
また、図１～図５に示す例の各気相成長装置は、サセプタが基板を水平に保持し、集合配管部が、フローチャンネルを介して、基板に向けて原料ガスを水平方向で噴出する、所謂横型の気相成長装置とされている。
＜第１の実施形態＞
以下に、第１の実施形態の気相成長装置１、及び、それを用いた気相成長方法について、図１及び図２を参照しながら詳しく説明する。
［気相成長装置の構成］
図１に示した第１の実施形態の気相成長装置１は、基板８０上に図視略の半導体薄膜を成長させるためのものである。本実施形態の気相成長装置１は、凝縮温度及び分解温度のうちの少なくとも何れかが異なる２種類以上の原料ガス（図１中の符号Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３を参照）を反応炉１０内に導入し、反応炉１０内に設置した基板８０を原料ガスの分解温度以上に加熱することで、基板８０上に半導体膜を成長させるものであり、集合配管部２、フローチャンネル３、サセプタ４、反応炉１０を備えて概略構成される。また、図１中では図示を省略しているが、本実施形態の気相成長装置１には、集合配管部２に向けて複数の原料ガスを供給するためのガス供給部が備えられ、これら複数の原料ガスが、それぞれ、ガス供給部（図１中の符号５１，５２，５３を参照）によって集合配管部２に導入される。
より詳しくは、本実施形態の気相成長装置１は、反応炉１０内に、基板８０を保持するサセプタ４と、反応炉１０内に配置されて原料ガスＧ１，Ｇ２，Ｇ３を基板８０上まで導くフローチャンネル３と、フローチャンネル３内に向けて原料ガスを噴出する集合配管部２と、集合配管部２に向けて原料ガスＧ１，Ｇ２，Ｇ３を導入するガス供給部５１，５２，５３とが配置される。また、反応炉１０の外側には、サセプタ４を加熱する加熱器４５が設けられているとともに、ガス供給部５２及び原料発生室５５を加熱するための加熱器５６が設けられている。また、複数のガス供給部５１，５２，５３は、それぞれ集合配管部２に接続されている。
そして、気相成長装置１は、複数のガス供給部５１，５２，５３、集合配管部２及びフローチャンネル３が、複数の原料ガスＧ１，Ｇ２，Ｇ３のうち、分解温度が相対的に低い低温分解原料ガス（原料ガス）Ｇ３が流通する原料ガス供給ラインＬ３を、他の原料ガス供給ラインＬ１，Ｌ２との間で断熱する断熱構造を有する。図示例においては、低温分解原料ガスＧ３が流通する原料ガス供給ラインＬ３と、他の隣接する原料ガス供給ラインＬ２との間に石英材が配置されている。
気相成長装置１は、上記の断熱構造を有することにより、低温分解原料ガスＧ３を、凝縮温度以上かつ分解温度以下の温度に独立して保持するか、あるいは、反応に最適化された分子形態となる温度範囲に独立して保持しつつ、基板８０上に供給する。
以下、気相成長装置１の各構成要素について詳述する。
反応炉１０は、側壁１１と、上流側フランジ１２と、下流側フランジ１３とにより、略円筒形の密閉容器を形成している。即ち、反応炉１０は、気相成長装置１の筐体としても機能するものであり、例えば、石英材からなる円筒管等から構成される。また、図示例では、反応炉１０の下流側と、下流側フランジ１３と間に接続管１５が介在されている。また、反応炉１０の内部には、例えば、パージガスとして窒素（Ｎ２）ガスが封入される。
また、反応炉１０の下流側に配置された接続管１５における下流側フランジ１３の近傍には、例えば、余剰の原料ガス等を外部に向けて排気できる排気ポート１４が設けられており、図１中に示す例では、図中の下方に向かって開口するように設けられている。本実施形態の気相成長装置１に備えられる排気ポート１４は、基板８０の成長面８０ａよりも下方に配置され、原料ガス等を下方に向けて排気できるように構成されている。
なお、以下の説明においては、反応炉１０内における、その長手方向の位置を説明するにあたり、便宜上、原料ガスの流れ方向の上流を、単に「反応炉１０の上流（又は前方）」、原料ガスの流れ方向の下流を、単に「反応炉１０の下流（又は後方）」と称する場合がある。
また、反応炉１０内において、複数のガス供給部５１，５２，５３は上流側（図１中における左側）に配置され、サセプタ４は下流側（図１中における右側）に配置される。
なお、反応炉１０は、円筒形のものには限定されず、原料ガスの流れが層流をなして基板８０の成長面８０ａ上に到達し、且つ、反応炉１０の外側に配置された加熱器４５，５６による加熱効率が確保できる形状であればよく、例えば、四角形の筒形状等であってもよい。
また、反応炉１０の材料としては、特に限定されないが、例えば、耐熱性及び耐腐食性を有する材料、具体的には石英材料等から構成することが好ましい。反応炉１０を耐熱性及び耐腐食性を有する材料から構成することで、反応炉１０が破損するのを極力抑制することが可能になるとともに、内部で成膜する半導体膜の膜質を向上させることも可能になる。
サセプタ４は、基板８０が載置され、該基板８０を回転させるものであり、反応炉１０内における下流側に、回転軸４１によって支持されている。
サセプタ４は、通常、熱の良導体（例えば、カーボン等）で形成され、さらに好適には、原料ガスによる腐食を防止する観点から、ＳｉＣ等のコーティングが施される。また、サセプタ４は、気相成長する薄膜の膜厚の平均化を図るため、図視略のモータによる駆動に伴って回転可能に構成されている。
また、反応炉１０の外側には、上述した加熱器４５が、サセプタ４を加熱できる位置で、反応炉１０を取り巻くように設けられている。
また、サセプタ４の回転軸４１の一端には、図視略のかさ歯車が取り付けられており、その他端には、図示略のモータが取り付けられ、このモータの駆動によって回転軸４１が回転するように構成されている。従って、回転軸４１の回転に伴い、かさ歯車も回転することになる。一方、回転軸４１、図視略のかさ歯車及びモータは一体とされ、回転軸４１の軸方向に一定距離で摺動して移動することが可能に構成されており、図１中に示したサセプタ４の位置において、かさ歯車が、サセプタ４の下面に設けられた図視略の複数の歯と嵌合するように構成されている。従って、当該位置においてモータが駆動されると、回転軸４１及びかさ歯車を介してサセプタ４が回転することになる。
また、サセプタ４は、上面４ａ上に載置して保持される基板８０の上流側端部が、詳細を後述するフローチャンネル３の出口側から若干離間するように配置されている。
サセプタ４の平面視サイズは、薄膜を成長させる基板８０のサイズによって決定することができるが、例えば、大径のサセプタ４を用いたうえで、この上に複数の小径基板を載置して、複数の小径基板の各々に薄膜を成長させることも可能である。
フローチャンネル３は、反応炉１０内において、詳細を後述する集合配管部２から噴出された原料ガスＧ１，Ｇ２，Ｇ３を、基板８０の成長面８０ａに平行な方向で供給するものである。フローチャンネル３は、反応炉１０内において、図視略の架台に支持固定されている。また、フローチャンネル３の上流開口端３ａは、後述する集合配管部２の噴出口２１，２２，２３と接続されている。
本実施形態の気相成長装置１に備えられるフローチャンネル３は、図２の平面図に示すように、上流開口端３ａ側から、即ち、原料ガスの流れ方向における上流側から、下流側に向かうに従って、基板８０の平面方向で漸次拡開するように構成されている。
また、フローチャンネル３の材質としては、特に限定されないが、例えば、耐熱性及び耐腐食性を有する石英等が好適に用いられる。
また、本実施形態のフローチャンネル３は、詳細を後述する集合配管部２から噴出する原料ガスＧ１，Ｇ２，Ｇ３を、サセプタ４に保持された基板８０の成長面８０ａ上に向けて、それぞれ個別に供給する複数の原料ガス供給ラインＬ１，Ｌ２，Ｌ３を有している。これら原料ガス供給ラインＬ１，Ｌ２，Ｌ３は、概略で断面矩形状とされ、基板８０の平面方向に対して直交する方向で積層されており、図示例では、図中における下側から、第１原料ガス供給ラインＬ１、第２原料ガス供給ラインＬ２、第３原料ガス供給ラインＬ３の順で積層された３層構造とされている。また、これら原料ガス供給ラインＬ１，Ｌ２，Ｌ３は、それぞれ、後述の集合配管部２内やガス供給部５１，５２，５３内の原料ガス供給ラインＬ１，Ｌ２，Ｌ３と連通している。そして、フローチャンネル３は、原料ガス供給ラインＬ１，Ｌ２，Ｌ３に開口した噴出口３１，３２，３３から、それぞれ、原料ガスＧ１，Ｇ２，Ｇ３を個別に噴出する。本実施形態においては、詳細を後述するガス供給部５１，５２，５３から供給されるそれぞれのガス種により、原料ガス供給ラインＬ１に開口した噴出口３１から原料ガスＧ１が噴出され、原料ガス供給ラインＬ２に開口した噴出口３２から原料ガスＧ２が噴出され、また、原料ガス供給ラインＬ３に開口した噴出口３３から原料ガスＧ３が噴出される。
なお、フローチャンネル３と後述の集合配管部２との接続方法としては、フローチャンネル３に備えられるフランジ３６と、集合配管部２に備えられるフランジ２６とを互いに対向させ、図視略のボルトでねじ留めするか、あるいは、溶接する方法を採用できる。
フローチャンネル３を、上記のような複層構造（図示例では３層の積層構造）とすることで、フローチャンネル３内において、ガス種の異なる原料ガス同士が混じり合うのを防止できる。即ち、例えば、アンモニア（ＮＨ３）等のＶ族原料ガスを含む原料ガスと、Ｇａ等の有機金属材料を含む原料ガスとが、フローチャンネル３から噴出される前に、フローチャンネル３内で混じり合ってしまうのを防止できるので、薄膜の成長効率が低下するのを抑制できる。
フローチャンネル３は、例えば、石英材からなる板材を用い、上板と底板との間に仕切り板を計２枚配置し、この仕切り板を側壁に溶接することで作製することができる。
集合配管部２は、反応炉５０内において、複数の噴出口２１，２２，２３から原料ガスＧ１，Ｇ２，Ｇ３を噴出することで、フローチャンネル３の上流開口端３ａから、フローチャンネル３の内部に向けて原料ガスＧ１，Ｇ２，Ｇ３を導入する。また、図１に示す例の集合配管部２も、上述したフローチャンネル３と同様、内部に第１原料ガス供給ラインＬ１、第２原料ガス供給ラインＬ２、及び第３原料ガス供給ラインＬ３を有し、これらが、基板８０の平面方向に対して直交する方向で順次積層された３層構造とされている。また、これら原料ガス供給ラインＬ１，Ｌ２，Ｌ３は、それぞれ、フローチャンネル３や後述のガス供給部５１，５２，５３内の原料ガス供給ラインＬ１，Ｌ２，Ｌ３と連通している。そして、集合配管部２は、原料ガス供給ラインＬ１，Ｌ２，Ｌ３に開口した複数の噴出口２１，２２，２３から、フローチャンネル３に向けて、それぞれ、原料ガスＧ１，Ｇ２，Ｇ３を個別に噴出する。本実施形態においては、上記同様、第１原料ガス供給ラインＬ１に開口した第１噴出口２１から原料ガスＧ１を噴出し、第２原料ガス供給ラインＬ２に開口した第２噴出口２２から原料ガスＧ２を噴出し、また、第３原料ガス供給ラインＬ３に開口した第３噴出口２３から原料ガスＧ３を噴出する。
集合配管部２を、上記のような複層構造（図示例では３層の積層構造）とすることで、上述したフローチャンネル３の場合と同様、集合配管部２内において、ガス種の異なる原料ガス同士が混じり合うのを防止できる。即ち、例えば、アンモニア（ＮＨ３）等のＶ族原料ガスを含む原料ガスと、Ｇａ等の有機金属材料を含む原料ガスとが、集合配管部２から噴出される前に、集合配管部２内で混じり合ってしまうのを防止できるので、薄膜の成長効率が低下するのを抑制できる。
集合配管部２の材料としては、特に限定されないが、例えば、耐熱性を有するブロック状の金属材等から構成することができる。
ガス供給部５１，５２，５３は、上述したように、凝縮温度及び分解温度のうちの少なくとも何れかが異なる２種類以上の原料ガスを集合配管部２に向けて供給するものである。本実施形態で説明する例では、第１ガス供給部５１が原料ガスＧ１を供給し、第２ガス供給部５２が原料ガスＧ２を生成させる塩化水素（ＨＣｌ）を供給し、また、第３ガス供給部５３が原料ガスＧ３を供給する。即ち、第１ガス供給部５１が、原料ガスＧ１が流通する第１原料ガス供給ラインＬ１であり、第２ガス供給部５２が、原料ガスＧ２を生成及び流通させる第２原料ガス供給ラインＬ２であり、また、第３ガス供給部５３が、原料ガスＧ３が流通する第３原料ガス供給ラインＬ３である。
また、複数のガス供給部５１，５２，５３は、各々、上流側フランジ１２を貫通するように設けられる。
第１ガス供給部５１は、半導体膜原料として、例えば、Ｖ属原料ガスであるアンモニア（ＮＨ３）を含む原料ガスＧ１を供給するものであり、キャリアガスとして、一般に、水素（Ｈ２）及び窒素（Ｎ２）を用いた混合ガスが用いられる。これらのＮＨ３ガス、Ｈ２ガス及びＮ２ガスは、反応炉１０の外部に配置された図視略のタンクから、第１ガス供給部５１の入口５１ａに導入され、出口側から集合配管部２に向けて供給する。上記のようなアンモニア（ＮＨ３）を含むガスを用いることで、ＧａＮからなる半導体膜の成膜が可能になる。
一方、酸化アルミニウム（ＡｌＯ）からなる半導体膜を成膜する場合には、原料ガスＧ１に、ＮＨ３ガスに代えて、酸素（Ｏ２）を含むものを用いる。
上記のような第１ガス供給部５１には、一般的な配管部材を用いることが可能である。
第２ガス供給部５２は、半導体膜原料として、例えば、有機金属化合物であるトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、及びトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、又は、金属塩化物である一塩化ガリウム（ＧａＣｌ）、三塩化ガリウム（ＩＩＩ）（ＧａＣｌ３）、一塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ）、三塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ３）、一塩化インジウム（ＩｎＣｌ）、及び三塩化インジウム（ＩｎＣｌ３）のうちから選ばれる少なくとも何れかを含む原料ガスＧ２を生成・供給するために備えられる。
第２ガス供給部５２は、図１中に示すように、第２原料ガス供給ラインＬ２中に含まれる原料発生室５５に対して、例えば、一塩化ガリウムの原料となる塩化水素ガスを供給する。原料発生室５５内には、基板８０の成長面８０ａにＧａＮからなる半導体膜を成長させる場合、液体ガリウム（Ｇａ）を収容した容器５５ａが設置される。
そして、第２ガス供給部５２は、入口５２ａより塩化水素（ＨＣｌ）ガスを導入し、出口５２ｂから原料発生室５５内に吐出することで、この原料発生室５５内において液体ガリウムとＨＣｌとを反応させる。このとき、原料発生室５５内は、反応炉１０の外側に配置された加熱器５６によって加熱される。これにより、原料発生室５５内で、半導体膜原料である一塩化ガリウム（ＧａＣｌ）を生成させ、出口側から集合配管部２に向けて供給する。
ここで、例えば、基板８０の成長面８０ａに窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる半導体膜を成膜する場合、原料発生室５５には、固体アルミニウム（Ａｌ）を収容する容器５５ａが設置される。
第３ガス供給部５３は、複数の原料ガスのうち、分解温度が相対的に低い低温分解原料ガス（原料ガス）Ｇ３を供給するものである。このような、低温分解原料ガスＧ３としては、例えば、成膜する半導体膜にドーピングを行うドーピング原料が挙げられ、具体的には、ビス（シクロペンタジエニル）マグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）、ビス（シクロペンタジエニル）鉄（Ｃｐ２Ｆｅ）、又は水素化ゲルマニウム（ＧｅＨ４）等の有機金属化合物を含むガスが挙げられる。また、低温分解原料ガスＧ３は、上記のような有機金属化合物に加え、キャリアガスとして水素（Ｈ２）や窒素（Ｎ２）が加えられた混合ガスとされる。
第３ガス供給部５３は、上記のような混合ガスが、反応炉１０の外部に配置された図視略のタンクから、第３ガス供給部５３の入口５３ａに導入され、出口側から集合配管部２に向けて供給する。
上記のような第３ガス供給部５３にも、一般的な配管部材を用いることが可能である。
なお、サセプタ４及び基板８０を加熱するための加熱器４５としては、特に限定されず、従来からこの分野で用いられている電気ヒータ、又は、高周波誘導式加熱器のうちの何れか一方を採用することができ、また、両方を併用してもよい。
また、ガス供給部５２及び原料発生室５５を加熱するための加熱器５６としても、加熱器４５と同様の加熱手段を何ら制限無く採用することができる。
そして、本実施形態の気相成長装置１においては、分解温度が相対的に低い低温分解原料ガス（原料ガス）Ｇ３が流通する第２原料ガス供給ラインＬ３と、原料ガスＧ１，Ｇ２が流通する他の原料ガス供給ラインＬ１，Ｌ２との間が断熱構造とされており、具体的には、これらの間に石英材６が配置されている。これにより、気相成長装置１は、低温分解原料ガスＧ３を、凝縮温度以上かつ分解温度以下の温度に独立して保持しながら、基板８０の成長面８０ａ上に供給する。また、低温分解原料ガスＧ３が上記の温度範囲に保持された場合には、低温分解原料ガスＧ３が、反応に最適化された分子形態となる温度範囲に独立して保持される。
図１に示す気相成長装置１においては、第１原料ガス供給ラインＬ３と他の原料ガス供給ラインＬ１，Ｌ２との間の断熱構造を、下記（１）に示すような石英材６からなる断熱部材を配置して構成しているが、本実施形態の断熱構造は、この構成に限定されるものではない。本実施形態においては、詳細な図示は省略するが、例えば、下記（２）～（８）に示す構造の何れかを採用することも可能である。
（１）低温分解原料ガスＧ３が流通する第３原料ガス供給ラインＬ３と、他の原料ガス供給ラインＬ１，Ｌ２との間に石英材を配置した構造。
（２）上記（１）における石英材６の表面が不透明化された構造。
（３）上記（１）における石英材６が不透明石英材である構造。
（４）低温分解原料ガスＧ３が流通する第３原料ガス供給ラインＬ３と、他の原料ガス供給ラインＬ１，Ｌ２との間に真空層を配置した構造（図４に示した第３の実施形態に係る気相成長装置１Ｂに備えられる真空層２４を参照）。
（５）低温分解原料ガスＧ３が流通する第３原料ガス供給ラインＬ３と、他の原料ガス供給ラインＬ１，Ｌ２との間にガス流層（図視略）を配置した構造。
（６）低温分解原料ガスＧ３が流通する第３原料ガス供給ラインＬ３と、他の原料ガス供給ラインＬ１，Ｌ２との間に、少なくとも窒化ボロン（ＢＮ）、炭化タンタル（ＴａＣ）、モリブデン（Ｍｏ）又はタングステン（Ｗ）の何れかを含む、耐熱性を有する高反射率材を配置した構造（図４に示した第３の実施形態に係る気相成長装置１Ｂに備えられる高反射率材２５を参照）。
（７）低温分解原料ガスＧ３が流通する第３原料ガス供給ラインＬ３、及び、他の原料ガス供給ラインＬ２，Ｌ３を含む各流路の間に空間（図視略）を配置した構造。
（８）上記（１）～（７）に示す断熱構造を少なくとも２以上で組み合わせた構造。
本実施形態の気相成長装置１のようなＨＶＰＥ装置を用いて基板８０上に半導体膜を成膜する際に、供給温度が大きく異なる複数の原料ガスを反応炉１０内に導入するための断熱構造としては、材料として、耐熱性、塩化物と反応し難い安定性、断熱性及び反射性を有し、さらに、良好な密閉性が得られる複雑な形状を形成できるものを選択する必要がある。これらの各条件を満たす材料として石英が挙げられる。
例えば、石英材料を用いて、基板８０に対して水平な方向から複数の原料ガスを分離供給する形状でフローチャンネル３を作製した場合、一塩化ガリウム（ＧａＣｌ）の供給温度（８００℃）と、Ｃｐ２Ｍｇの供給可能温度（１００℃以下）とを、定常状態で両立させるためには、各々の原料ガス供給ラインの間の仕切り部材となる石英材６の厚みを大きくすることが考えられる。しかしながら、このような場合には、石英材６の厚みを相当に大きくする必要があることから、基板８０に対して複数の原料ガスを同時に供給できる形状・構造を形成することが難しくなる。また、上記の温度帯域における熱伝達形態は、熱伝導が主となるが、輻射熱の影響も無視できない。
このため、供給温度が大きく異なる原料ガスの各供給ライン間で生じる熱伝導を低減させ、フローチャンネル３における各供給ライン間の仕切りとなる石英材６の厚みが増大するのを抑制するためには、石英材料の中でも特に熱伝導率が低い発泡石英を採用することが好ましい。これにより、一般的な石英材料に対して熱伝導率が半減するので、石英材６の厚みも半分程度に抑制することが可能になる。
さらに、石英材６を２枚重ねて配置し、それらの間に窒素（Ｎ２）や水素（Ｈ２）等のパージガスを流通させる構成を採用してもよいし、さらに、パージガスを流通させる位置で、フローチャンネルが各原料ガス供給ライン単位で分割された構造を採用することも、断熱の観点からより効果的である。この場合、パージガスに用いるＮ２や水素Ｈ２の熱伝導率は、石英の熱伝導率の１／１０～１／２０程度であるため、仕切り部分の厚みも、パージガスを用いない場合に比べて１／１０～１／２０程度に薄く構成することができる。
さらに、上記同様に石英材６を２枚重ねて配置し、それらの間を真空密封した場合には、熱伝導率はほぼ０（ゼロ）となる。
また、輻射熱による熱伝達を抑制するためには、透明な石英材６の表面を砂目加工して不透明としたものを用いることも効果的である。
さらに、上記同様に石英材６を２枚重ねて配置し、それらの間に、例えば、窒化ボロン（ＢＮ）、炭化タンタル（ＴａＣ）、モリブデン（Ｍｏ）又はタングステン（Ｗ）の何れかを含む、耐熱性を有する高反射率材を配置した構造を採用することで、輻射熱の影響をより効果的に抑制できる（後述の第３の実施形態における気相成長装置１Ｂの説明も参照）。
一方、同じ形状の原料ガス供給ライン同士で比較した場合、例えば、各原料ガスが熱平衡にならない程度にガス流速を上げることで、低温分解原料ガスＧ３を、他の原料ガスＧ１，Ｇ２からの熱影響を受けにくい状態で、基板８０の近傍に供給できる。
そこで、本発明者等が、装置形状や原料ガスの流通条件について鋭意検討した結果、以下のような形態が最も好ましいことを見いだした。
まず、装置形状としては、上述した複層構造とされたフローチャンネル３における各層、即ち、各々の噴出口３１，３２，３３の高さ寸法を、石英材料の加工可能な範囲で最小とすることが好ましい。
ここで、図１中では詳細な符号の付与を省略しているが、フローチャンネル３内における各々の原料ガス供給ラインＬ１，Ｌ２，Ｌ３は、それぞれ、底面と対向して配置される天井面と、底面と天井面とを繋ぐように配置される、それぞれ対向した側面とを有し、さらに、上記の各噴出口３１，３２，３３が開口している。そして、上記のように構成されたフローチャンネル３において、基板８０の成長面８０ａに対して平行に原料ガスＧ１，Ｇ２，Ｇ３を供給したときに、これら原料ガスＧ１，Ｇ２，Ｇ３の流れを規制する、基板８０の成長面８０ａと面一に配置される底面から天井面までの高さが９ｍｍ以下であることが好ましい。
また、原料ガスの流通条件としては、各々の原料ガスＧ１，Ｇ２，Ｇ３が基板８０上を通過する平均通過時間が、基板８０に４ｉｎｃｈ基板を用い、且つ、基板８０の中心を含む直径方向で原料ガスＧ１，Ｇ２，Ｇ３が通過する条件で、０．２秒以下となるように調整することが好ましい。
また、基板８０の外周上における回転速度を付加した原料ガスの相対流速が０．８ｍ／ｓ以上となるように調整することが好ましい。
また、上記の条件を効率よく達成するため、フローチャンネルの外枠の一部を、基板８０上から下流側まで延設した構成を採用することも可能である（例えば、図４中に示すフローチャンネル３Ｂの第２フローチャンネル３５を参照）。
上記のように、原料ガスの相対流速を０．８ｍ／ｓ以上に調整し、且つ、４ｉｎｃｈ基板に対して平行（水平方向）に原料ガスＧ１，Ｇ２，Ｇ３を供給する場合、上流側端部から下流側端部に到達する平均通過時間は０．２秒以下になる。原料ガスの流通条件を上記のように調整することで、半導体膜に対するＰ型ドーピングを効果的に行うことができるとともに、複数の異種原料ガスの切り替えによる、膜界面の切り替えもすばやく行うことができるという効果が得られる。
本実施形態の気相成長装置１においては、特に、原料ガスの相対流速や平均通過時間を上記の範囲に制御する場合に、さらに、反応炉１０内を減圧する図視略の減圧機構を備えることがより好ましい。このような減圧機構を備えることで、原料ガスの相対流速を容易に増加させることが可能になる。さらに、減圧機構を用いて反応炉１０内を減圧することで、装置内の全体的な熱伝導率も低下するので、断熱効果がより顕著に得られる。
なお、図１中に示すような集合配管部２及びフローチャンネル３は、構造が複雑になるため、集合配管部２とフローチャンネル３とを別々に作製したうえで、上述のように、フランジ３６とフランジ２６とをボルト締めすること等で一体化したものであってもよい。
＜気相成長方法（気相成長装置を用いた半導体の製膜プロセス）＞
本実施形態の気相成長方法、即ち、上記構成の気相成長装置１を用いた、半導体膜の製膜プロセスの一例について、以下に説明する。
本実施形態の気相成長方法は、気相成長装置１を用いて、凝縮温度及び分解温度の少なくとも何れかが異なる２種類以上の原料ガスを反応炉１０内に導入し、反応炉１０内に設置した基板８０を原料ガスの分解温度以上に加熱することで、基板８０上に半導体膜を成膜する方法である。
なお、以下においては、基板８０の成長面８０ａ上にＧａＮからなる半導体膜を成膜する例を挙げて説明する。
まず、反応炉１０内に設置されたサセプタ４を加熱器４５によって加熱することにより、サセプタ４に保持された基板８０を所定の温度に加熱維持した状態とする。このとき、反応炉１０の炉内雰囲気も、加熱器４５により、例えば、１１００℃の温度に加熱した状態とする。
次いで、第１ガス供給部５１に、反応炉１０の外部に配置された図視略のタンクから、アンモニア（ＮＨ３）、水素（Ｈ２）及び窒素（Ｎ２）の混合ガスを導入し、この混合ガスを原料ガスＧ１として、第１ガス供給部５１の出口側から集合配管部２に向けて供給する。この原料ガスＧ１の温度は、例えば６０℃とする。
また、第２ガス供給部５２に、反応炉１０の外部に配置された図視略のタンクから、塩化水素（ＨＣｌ）ガスを導入し、原料発生室５５内において、容器５５ａに収容された液体ガリウムとＨＣｌとを、加熱器５６によって加熱しながら反応させ、一塩化ガリウム（ＧａＣｌ）を生成させる。そして、この塩化ガリウムを原料ガスＧ２として、出口側から集合配管部２に向けて供給する。この原料ガスＧ２の温度は、例えば８００℃とする。
また、第３ガス供給部５３に、反応炉１０の外部に配置された図視略のタンクから、ビス（シクロペンタジエニル）マグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）に水素（Ｈ２）又は窒素（Ｎ２）が加えられた混合ガスを導入し、この混合ガスを、低温分解原料ガス（原料ガス）Ｇ３として、第３ガス供給部５３の出口側から集合配管部２に向けて供給する。この低温分解原料ガスＧ３の温度は、例えば、２０℃とする。
なお、各々の原料ガスＧ１，Ｇ２，Ｇ３の供給タイミングは、以下に説明するように、適宜、調整する。
まず、集合配管部２からフローチャンネル３に向けて原料ガスＧ１，Ｇ２を導入することで、フローチャンネル３内の第１，第２原料ガス供給ラインＬ１，Ｌ２を通過した原料ガスＧ１，Ｇ２を、それぞれ第１，第２噴出口３１，３２から噴出させ、基板８０の成長面８０ａ上に向けて供給する。この際、基板８０の成長面８０ａ上に到達した原料ガスＧ１，Ｇ２が、加熱器４５の加熱作用によって高温に加熱されたサセプタ４上で熱分解し、この分解したガス分子を、サセプタ４の回転に伴って回転する基板８０の成長面８０ａ上に堆積させることで、ＧａＮからなる半導体膜を成膜する。
引き続き、集合配管部２からフローチャンネル３に向けて低温分解原料ガスＧ３を導入することで、フローチャンネル３内の第３原料ガス供給ラインＬ３を通過した低温分解原料ガスＧ３を第３噴出口３３から噴出させ、基板８０の成長面８０ａ上に向けて供給する。基板８０の成長面８０ａ上に到達した原料ガスＧ３も、上記同様、加熱器４５の加熱作用によって高温に加熱されたサセプタ４上で熱分解し、この分解したガス分子が、基板８０の成長面８０ａ上に成膜したＧａＮからなる半導体膜上に堆積することで、Ｐ型ドーピング層を形成できる。
基板８０の成長面８０ａ上を通過した余剰の原料ガスＧ１，Ｇ２，Ｇ３等は、反応炉１０の排気ポート１４から、図視略の排気手段により、外部に排出される。
本実施形態の気相成長方法によれば、上述した気相成長装置１を用いて基板８０上に半導体膜を成膜する方法なので、低温分解原料ガスＧ３が流通する第３原料ガス供給ラインＬ３と、他の原料ガス供給ラインＬ１，Ｌ２とが断熱されている。これにより、低温分解原料ガスＧ３が基板８０上に到達する前に分解するのを防止できるので、ＨＶＰＥ装置を用いて高純度のＧａＮ層を高い成長速度で成膜できるとともに、同一の反応炉内で、引き続いてＰ型ドーピング層を成長させることが可能になる。
なお、上記説明においては、基板８０上にＧａＮからなる半導体膜を成膜する方法を例に挙げているが、本実施形態の気相成長方法で成膜する半導体膜は、ＧａＮには限定されない。
例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、又は窒化インジウム（ＩｎＮ）からなる半導体膜を基板８０上に成膜することもできる。このような場合には、例えば、原料発生室５５内にアルミニウム又はインジウムからなる固体材料を収容することで、原料ガスＧ２の組成を変更し、所望の組成を有する半導体膜を成膜することができる。
あるいは、ガス供給部をさらに増設することで原料ガスを多種に拡充し、例えば、ＧａＮ、ＡｌＮ及びＩｎＮの混合物からなる成長膜として、基板８０上に半導体膜を成膜してもよい。
また、基板８０上に成膜する半導体膜は、次式｛Ｇａ２Ｏ５｝で表される酸化ガリウム結晶からなる成長膜であってもよいし、酸化アルミニウム（ＡｌＯ）からなる成長膜であってもよく、あるいは、次式｛ＡｌＧａＯｘ（但し、ｘは任意の整数）｝で表される酸化ガリウムアルミニウムからなる成長膜であってもよい。
ここで、Ｇａ２Ｏ５成長膜からなる半導体膜を成膜する場合には、原料ガスＧ１として酸素（Ｏ２）を含むガスを用いればよい。
また、ＡｌＯ成長膜からなる半導体膜を形成する場合には、原料ガスＧ１として酸素（Ｏ２）を含むガスを用いるとともに、原料発生室５５内に固体アルミニウムを収容し、外部から供給されるＨＣｌと反応させてＡｌＣｌ３を生成させ、これを原料ガスＧ２として用いればよい。
また、ＡｌＧａＯｘ成長膜からなる半導体膜を成膜する場合には、原料ガスＧ１としてＯ２を含むガスを用いるとともに、ガス供給部５２を２台設置し、それぞれの原料発生室５５内に固体アルミニウム又は液体ガリウムを収容して、それぞれ、ＧａＣｌ又はＡｌＣｌ３を生成させ、これを原料ガスＧ２として用いればよい。
［作用効果］
以上説明したような、本実施形態の気相成長装置１によれば、上記の各構成により、低温分解原料ガスＧ３を、凝縮温度以上かつ分解温度以下の温度に独立して保持するか、又は、反応に最適化された分子形態となる温度範囲に独立して保持しつつ、基板８０上に供給できる。これにより、ＨＶＰＥ法によって半導体膜を成膜する場合においても、高純度のＧａＮ層を高い成長速度で成膜できるとともに、別の反応炉に基板８０を入れ替えることなく、引き続いてＰ型ドーピング層を成長させることができる。従って、ＧａＮ層を成膜した後、同一の反応炉１０内でＰ型ドーピング層を形成できるので、ＰＮ接合特性に優れる半導体膜を、優れた生産性及び低コストで成膜することが可能になる。
また、本実施形態の気相成長方法によれば、上記の各構成を備える本実施形態の気相成長装置１を用いて基板８０上に半導体膜を成膜する方法なので、上記同様、ＨＶＰＥ法を用いた半導体膜の成膜プロセスにおいて、高純度のＧａＮ層を高い成長速度で成膜できるとともに、同一の反応炉１０内でＰ型ドーピング層を成長させることができる。従って、ＰＮ接合特性に優れる半導体膜を、優れた生産性及び低コストで成膜することが可能になる。
＜第２の実施形態＞
以下に、第２の実施形態の気相成長装置１Ａについて、図３を参照しながら詳しく説明する。
なお、以下の説明においては、上述した第１の実施形態の気相成長装置１と同様の構成については、同じ符号を付与するとともに、その詳しい説明を省略することがある。
図３に示すように、第２の実施形態の気相成長装置１Ａは、複数のガス供給部のうち、低温分解原料ガスＧ３を供給する第３ガス供給部５３Ａが、反応炉１０の長さ方向の概略中央における側壁１１側に備えられ、石英材６がフローチャンネル３の位置にのみ設けられている点で、第１の実施形態の気相成長装置１とは異なる。
第３ガス供給部５３Ａは、第１の実施形態で説明したような成分とされた、分解温度が相対的に低い低温分解原料ガス（原料ガス）Ｇ３が、反応炉１０の外部に設けられた図視略のタンクから入口５３ａに導入され、出口側から集合配管部２に向けて低温分解原料ガスＧ３を供給する。
このような第３ガス供給部５３Ａにも、一般的な配管部材を用いることが可能である。
第２の実施形態の気相成長装置１Ａによれば、上記のように、複数のガス供給部のうち、第３ガス供給部５３Ａが、他のガス供給部５１，５２と離間した位置に配置されている。即ち、ガス流れの上流側において、低温分解原料ガスＧ３が流通する第３原料ガス供給ラインＬ３Ａが、他の原料ガスＧ１，Ｇ２が流通する第１，第２原料ガス供給ラインＬ１，Ｌ２と熱的に分離された構成とされている。これにより、低温分解原料ガスＧ３を、より効果的に、凝縮温度以上かつ分解温度以下の温度に独立して保持するか、又は、反応に最適化された分子形態と取り得る温度範囲に独立して保持しつつ、基板８０上に供給できる。従って、上記同様、ＧａＮ層を成膜した後、同一の反応炉１０内で良好なＰ型ドーピング層を形成できるので、ＰＮ接合特性に優れる半導体膜を、生産性よく、且つ、低コストで成膜することが可能になる。
なお、図３中に示す集合配管部２及びフローチャンネル３も、上述した第１の実施形態の場合と同様、構造が複雑になるため、集合配管部２とフローチャンネル３とを別々に作製したうえで、フランジ３６とフランジ２６とをボルト締めすること等で一体化したものであってもよい。
＜第３の実施形態＞
以下に、第３の実施形態の気相成長装置１Ｂについて、図４及び図５を参照しながら詳しく説明する。
なお、以下の説明においては、上述した第１，２の実施形態の気相成長装置１，１Ａと同様の構成については、同じ符号を付与するとともに、その詳しい説明を省略することがある。
図４に示すように、第３の実施形態の気相成長装置１Ｂは、まず、ガス供給部が、第１及び第２の実施形態のような、反応路内でＨＣｌと液体ガリウムとを反応させて一塩化ガリウム（ＧａＣｌ）を生成する原料発生室を有していない点で、これら各実施形態の気相成長装置１，１Ａとは異なる。
また、本実施形態の気相成長装置１Ｂは、ノズル２Ｂ及びフローチャンネル３Ｂの全体が石英材から断熱構造とされている。これとともに、気相成長装置１Ｂは、複数のガス供給部５１Ｂ，５２Ｂ，５３Ｂの各々の出口５１ｂ，５２ｂ，５３ｂが、ノズル２Ｂ内に設けられる複数の原料ガス供給ラインＬ１Ｂ，Ｌ２Ｂ，Ｌ３Ｂ内に開口するように構成されている。また、本実施形態の気相成長装置１Ｂにおいては、ノズル２Ｂが、第１，２の実施形態で説明した集合配管部の機能を有している。
また、ノズル２Ｂ及びフローチャンネル３Ｂにおいては、複数の原料ガス供給ラインＬ１Ｂ，Ｌ２Ｂ，Ｌ３Ｂのうち、低温分解原料ガスＧ３が流通する第３原料ガス供給ラインＬ３Ｂと、他の原料ガスＧ２が流通する第２原料ガス供給ラインＬ２Ｂとの間に、石英材で囲まれた空間からなる真空層２４が配置され、この真空層２４の内部に耐熱性を有する高反射率材２５が設けられている。
また、本実施形態の気相成長装置１Ｂは、反応炉１０Ｂ内におけるサセプタ４に対応する位置で、サセプタ４を取り囲むように加熱器５７が設けられている。さらに、気相成長装置１Ｂは、上流側フランジ１２に、反応炉１０Ｂの内部をパージガス（Ｎ２）で満たすための導入口１２ａが設けられている。
また、気相成長装置１Ｂは、図４及び図５に示すように、フローチャンネル３Ｂが、第１フローチャンネル３４と、第２フローチャンネル３５とから構成される。より詳細には、気相成長装置１Ｂは、フローチャンネル３Ｂが、上流側から下流側に向かうに従って、基板８０の平面方向で漸次拡開する形状を有する第１フローチャンネル３４と、その下流に延設され、且つサセプタ４上に位置する第２フローチャンネル３５とを有している点でも、第１及び第２の実施形態の気相成長装置１，１Ａとは異なる。
なお、第３の実施形態の気相成長装置１Ｂにおいても、反応炉１０Ｂにおける下流側に配置された接続管１５における下流側フランジ１３の近傍に、余剰の原料ガス等を排気できる排気ポート１４が設けられている。気相成長装置１Ｂにおいては、第１，２の気相成長装置１，１Ａとは異なり、排気ポート１４が基板８０の成長面８０ａよりも上方に配置され、上方に向けて原料ガス等を排気できるように構成されている。
図４に示すように、本実施形態の気相成長装置１Ｂに備えられるフローチャンネル３Ｂの上流側には、複数のガス供給部５１Ｂ，５２Ｂ，５３Ｂが連通され、複数の原料ガス供給ラインＬ１Ｂ，Ｌ２Ｂ，Ｌ３Ｂの一部を構成している。
第１フローチャンネル３４は、上述したように、原料ガスの流れ方向における上流側から下流側に向かうに従って、基板８０の平面方向で漸次拡開している。一方、図示例の第１フローチャンネル３４は、原料ガスの流れ方向における上流側から下流側に向かうに従って、基板８０の成長面８０ａに対して直交する方向で、流路高さが漸次縮小するように構成されている。
なお、第１フローチャンネル３４は、下流側においては、第２フローチャンネル３５と連接するよう、第２フローチャンネル３５と同サイズの開口端を有し、且つ、基板８０の平面方向において、底面と天井面とが平行とされた区間を有していてもよい。
さらに、第１フローチャンネル３４は、対向する側壁同士が平行とされた区間を有していてもよい。
第２フローチャンネル３５は、上述したように、第１フローチャンネル３４の下流側から延設され、内部に基板８０の成長面８０ａ全体を収容するように配置される。また、第２フローチャンネル３５は、その下流側が上方（略９０度）に向きを変える形状とされることで、概略Ｌ字型に構成されており、その先端が、反応炉１０Ｂの下流側に配置された排気ポート１４に連通する排気口３７とされている。
第１フローチャンネル３４においては、上述したように、原料ガス供給ラインＬ３Ｂと原料ガス供給ラインＬ２Ｂとの間に、石英材で囲まれた真空層２４が配置されている。また、図５中に示すように、ノズル２Ｂの側壁側には、真空層２４を真空にするための減圧封止管２４ａが備えられている。本実施形態においては、この減圧封止管２４ａから真空吸引することで真空層２４が減圧状態とされ、減圧封止管２４ａを溶接することで封止されている。
高反射率材２５は、真空層２４内において、原料ガス供給ラインＬ２Ｂ側の底面に配置されている。高反射率材２５としては、上述したように、例えば、少なくとも窒化ボロン（ＢＮ）、炭化タンタル（ＴａＣ）、モリブデン（Ｍｏ）又はタングステン（Ｗ）の何れかを含む、耐熱性を有する高反射率材からなるものが好ましい。また、高反射率材２５としては、タングステンに鏡面仕上げを施した薄板等を採用することがより好ましい。
本実施形態の気相成長装置１Ｂにおいては、第１，２の実施形態におけるガス供給部５２と異なり、第２ガス供給部５２Ｂが原料発生室を有していない構成なので、他のガス供給部５１Ｂ，５３Ｂと同様、反応炉１０Ｂの外部に配置された図視略のタンクから原料ガスが導入される。即ち、例えば、基板８０上にＧａＮからなる半導体膜を成膜する場合は、ガス供給部５１Ｂには、原料ガスＧ１としてＮＨ３ガス、Ｈ２ガス及びＮ２ガスの混合ガスを導入し、ガス供給部５２Ｂには、原料ガスＧ２として一塩化ガリウム（ＧａＣｌ）を導入し、ガス供給部５３Ｂには、低温分解原料ガスＧ３として、Ｃｐ２ＭｇにＨ２又はＮ２が加えられた混合ガスを導入する。この場合、ガス供給部５２Ｂに原料ガスＧ２として供給する一塩化ガリウム（ＧａＣｌ）は、例えば、反応炉１０Ｂの外部に図視略の原料発生室を設置し、この原料発生室に収容した液体ガリウムを加熱しながら塩化水素や塩素を反応させる方法で得る方法を採用できる。また、この場合には、Ｃｐ２Ｍｇを含む低温分解原料ガスＧ３を、図視略の塩化ガリウムの原料発生室よりも下流側から導入することが、Ｃｐ２Ｍｇの熱分解を避ける観点から好ましい。
なお、上述した複数のガス供給部５１Ｂ，５２Ｂ，５３Ｂにも、一般的な配管部材を用いることが可能である。
第３の実施形態の気相成長装置１Ｂによれば、上記のように、ノズル２Ｂ及び第１フローチャンネル３４において、第３原料ガス供給ラインＬ３Ｂと第２原料ガス供給ラインＬ２Ｂとの間に真空層２４が配置され、さらに、真空層２４内に耐熱性を有する高反射率材２５が配置されている。即ち、低温分解原料ガスＧ３が流通する第３原料ガス供給ラインＬ３Ｂと、原料ガスＧ２が流通する第２原料ガス供給ラインＬ２Ｂとの間が熱的に分離された構成とされている。これにより、上記同様、低温分解原料ガスＧ３を、より効果的に、凝縮温度以上かつ分解温度以下の温度に独立して保持するか、又は、反応に最適化された分子形態となる温度範囲に独立して保持しつつ、基板８０上に供給できる。従って、ＧａＮ層を成膜した後、同一の反応炉１０Ｂ内で良好なＰ型ドーピング層を形成でき、ＰＮ接合特性に優れる半導体膜を、生産性よく、且つ、低コストで成膜することが可能になる。
また、本実施形態の気相成長装置１Ｂによれば、フローチャンネル３Ｂに備えられる第２フローチャンネル３５が、内部に基板８０の成長面８０ａ全体を収容するように配置された構成なので、複数の原料ガスＧ１，Ｇ２，Ｇ３が熱分解したガス分子を、基板８０の成長面８０ａ上に効率よく堆積させることができる。これにより、ＰＮ接合特性にさらに優れる半導体膜を、優れた生産性及び低コストで成膜することが可能になる。
さらに、本実施形態では、第２フローチャンネル３５における下流側が概略Ｌ字型に構成され、その先端に設けられる排気口３７が反応炉１０Ｂの排気ポート１４に連通していることで、余剰の原料ガス等の排気効率を高めることができる。
＜その他の形態＞
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は上記の各実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
例えば、複数のガス供給部の取り回しや設置数等は、使用するガス種に応じて適宜、追加変更すればよい。
また、上記の各実施形態においては、サセプタ４上に基板８０を設置したフェイスアップ方式を採用しているが、基板８０が下方を向くフェイスダウン方式を採用してもよい。
また、上記の各実施形態においては、原料ガスＧ１，Ｇ２，Ｇ３を、基板８０側から、ＮＨ３を含む原料ガスＧ１、塩化ガリウムを含む原料ガスＧ２、Ｃｐ２Ｍｇを含む低温分解原料ガスＧ３の順で重なるように、基板８０の成長面８０ａ上に供給しているが、これには限定されず、適宜変更することも可能である。
以下、実施例により、本発明に係る気相成長装置及び気相成長方法についてさらに詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することができる。
＜試験条件＞
本実施例においては、実験用の気相成長装置として、図１に示すような、ＨＶＰＥ方式の気相成長装置１を使用して、ＧａＮ基板（バルク）上に、窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる半導体膜を１０μｍで成膜した後、引き続いて、さらに、Ｐ型ドーピング層を成膜する実験を行った。
即ち、本実施例では、水平に設置された横型の石英ガラス管からなる反応炉１０を備え、この反応炉１０内に、４ｉｎｃｈのＧａＮ（バルク）からなる基板８０を載置したフェイスアップ型のサセプタ４が配置され、このサセプタ４及び基板８０を加熱するためのＲＦコイルからなる加熱器４５を有する気相成長装置１を用いた。また、気相成長装置１として、反応炉１０におけるガス流れの上流側が、上流側フランジ１２によって封止されているものを用いた。
そして、以下に、示す条件で成膜処理を実施した後、半導体膜が成膜された基板８０に対し、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）による分析測定を実施するとともに、ホール効果測定を実施した。
［ＧａＮからなる半導体膜の成膜条件］
・原料ガスＧ１
ＮＨ３（アンモニア）：１ｓｌｍ
・原料ガスＧ２
ＧａＣｌ（一塩化ガリウム）：２０ｓｃｃｍ（但し、塩化水素としての流量）
・原料ガス（低温分解原料ガス）Ｇ３
Ｃｐ２Ｍｇ（ビス（シクロペンタジエニル）マグネシウム）：３０℃の恒温槽に窒素（Ｎ２）を５００ｓｃｃｍで導入し、飽和蒸気圧分を原料ガスＧ３として反応炉１０内に供給。
設定温度：１１００℃
設定圧力：常圧
成膜時間：１時間
［評価条件］
（ＳＩＭＳ測定）
測定装置として、市販の二次イオン質量分析装置（機種名：ＰＨＩ ＡＤＥＰＴ－１０１０ＴＭ（登録商標；アルバック・ファイ株式会社製））を用いて、ＧａＮからなる半導体膜の表面から５μｍほど膜を破壊しつつ、半導体膜中の不純物の量を測定した。
（ホール効果測定）
半導体膜が成膜された基板８０のサンプルにおいて、概略で４隅の位置に電極を接続し、測定装置として、市販のホール効果測定装置（機種名：Ｒｅｓｉｔｅｓｔ８３２０（登録商標；株式会社東陽テクニカ製））を用いて測定した。
［評価結果］
ＳＩＭＳ測定の結果、上記条件で基板８０上に成膜した半導体膜は、Ｍｇの濃度が概ね１×１０１８／ｃｍ３程度であった。
また、ホール効果測定の結果、上記条件で成膜した半導体膜は、ホール移動度が３×１０１７／ｃｍ３であった。
上記の結果より、本実施例で成膜した半導体膜は、良好なＰ型特性を有するＰ型ドーピング層を有していることが確認できた。
ここで、本実施例においては、原料ガスとしてＧａＣｌ及びＣｐ２Ｍｇを用いて実験を行ったが、例えば、ＴＨＶＰＥ法においては、原料としてＧａＣｌ３（三塩化ガリウム）を用いる。このＧａＣｌ３は８００℃以下で安定となるが、下記表１中に示すように、ＧａＣｌ３の凝縮温度は２０１℃であるため、これよりも高温で輸送する必要があることから、ＧａＣｌの場合と同様の条件を採用することが好ましい。即ち、ＧａＣｌは８００℃以上の温度で供給し、且つ、その他のガスは２００℃以下で供給することが好ましい。
また、Ｐ型ドーピング層を成膜するためのドーパント化合物原料としては、Ｃｐ２Ｍｇの他、下記表１中に示すようなＣｐ２ＦｅやＧｅＨ４等を用いることが考えられるが、これらの化合物は、Ｃｐ２Ｍｇの場合と同様、比較的低温で分解するため、Ｃｐ２Ｍｇを用いた場合と同様の条件を採用することが好ましい。
参考として、下記表１に、半導体膜の成膜に用いられる各種原料の物性を示す。
Figure 0007349341000001
以上説明したような実施例の結果より、本発明の気相成長装置を用いて、ＨＶＰＥ法による半導体膜の気相成長プロセスを実施することで、高純度のＧａＮ層を成膜した後、同一の反応炉内で、引き続いてＰ型ドーピング層を成長させることができ、且つ、ＰＮ接合特性に優れる半導体膜が得られることが明らかとなった。
本発明の気相成長装置及び気相成長方法は、ＨＶＰＥ装置を用いて半導体膜を成膜する場合においても、高純度のＧａＮ層を高い成長速度で成膜できるとともに、別の反応炉に基板を入れ替えることなく、引き続いてＰ型ドーピング層を成長させることができるので、ＰＮ接合特性に優れる半導体膜が得られる、生産性に優れ、且つ、生産コストを低減することが可能になる。従って、特に、縦方向に電気を流す縦型ダイオードやトランジスタ等のようなパワーデバイスを製造するための気相成長装置として好適である。
１，１Ａ，１Ｂ…気相成長装置
１０，１０Ｂ…反応炉
１１…側壁
１２…上流側フランジ
１２ａ…導入口
１３…下流側フランジ
１４…排気ポート
１５…接続管
Ｌ１，Ｌ１Ｂ…第１原料ガス供給ライン（原料ガス供給ライン：原料ガスＧ１）
Ｌ２，Ｌ２Ｂ…第２原料ガス供給ライン（原料ガス供給ライン：原料ガスＧ２）
Ｌ３，Ｌ３Ａ，Ｌ３Ｂ…第３原料ガス供給ライン（原料ガス供給ライン：原料ガス（低温分解原料ガス）Ｇ３）
２…集合配管部
２１…第１噴出口（噴出口：原料ガス供給ラインＬ１，Ｌ１Ｂ）
２２…第２噴出口（噴出口：原料ガス供給ラインＬ２，Ｌ２Ｂ）
２３…第３噴出口（噴出口：原料ガス供給ラインＬ３，Ｌ３Ａ，Ｌ３Ｂ）
２４…真空層
２５…高反射率材
２６…フランジ
２Ｂ…ノズル
３，３Ｂ…フローチャンネル
３ａ…上流開口端
３１…第１噴出口（噴出口：原料ガス供給ラインＬ１，Ｌ１Ｂ）
３２…第２噴出口（噴出口：原料ガス供給ラインＬ２，Ｌ２Ｂ）
３３…第３噴出口（噴出口：原料ガス供給ラインＬ３，Ｌ３Ａ，Ｌ３Ｂ）
３４…第１フローチャンネル
３５…第２フローチャンネル
３６…フランジ
３７…排気口
４…サセプタ
４ａ…上面
４１…回転軸
４５…加熱器
５１，５１Ｂ…第１ガス供給部（ガス供給部：原料ガスＧ１）
５１ａ…入口
５１ｂ…出口
５２，５２Ｂ…第２ガス供給部（ガス供給部：原料ガスＧ２を生成する塩化水素）
５２ａ…入口
５２ｂ…出口
５５…原料発生室
５５ａ…容器
５３，５３Ａ，５３Ｂ…第３ガス供給部（ガス供給部：原料ガスＧ３）
５３ａ…入口
５３ｂ…出口
５６，５７…加熱器
８０…基板
８０ａ…成長面
Ｇ１…原料ガス
Ｇ２…原料ガス
Ｇ３…原料ガス（低温分解原料ガス）

Claims (18)

  1. 凝縮温度及び分解温度のうちの少なくとも何れかが異なる２種類以上の原料ガスを反応炉内に導入し、前記反応炉内に設置した基板を前記原料ガスの分解温度以上に加熱することで、前記基板上に半導体膜を成長させる気相成長装置であって、
    反応炉内に配置され、前記基板を保持するサセプタと、
    前記サセプタを加熱する加熱器と、
    前記反応炉内に配置され、前記原料ガスを前記基板上まで導くフローチャンネルと、
    前記フローチャンネルに接続されるとともに、２種類以上の前記原料ガスを個別に噴出する複数の噴出口を有し、前記フローチャンネル内に向けて前記原料ガスを噴出する集合配管部と、
    前記集合配管部に前記原料ガスを供給するガス供給部と、
    を備え、
    前記ガス供給部、前記集合配管部及び前記フローチャンネルは、前記２種類以上の原料ガスのうち、分解温度が相対的に低い低温分解原料ガスが流通する原料ガス供給ラインを、他の原料ガス供給ラインとの間で断熱する断熱構造を有し、前記低温分解原料ガスを、凝縮温度以上かつ分解温度以下の温度に独立して保持するか、又は、反応に最適化された分子形態となる温度範囲に独立して保持しつつ、前記基板上に供給することを特徴とする気相成長装置。
  2. 前記断熱構造が、下記（１）～（８）に示す構造の何れかであることを特徴とする請求項１に記載の気相成長装置。
    （１）前記低温分解原料ガスが流通する原料ガス供給ラインと、他の原料ガス供給ラインとの間に石英材を配置した構造。
    （２）上記（１）における石英材の表面が不透明化された構造。
    （３）上記（１）における石英材が不透明石英材である構造。
    （４）前記低温分解原料ガスが流通する原料ガス供給ラインと、他の原料ガス供給ラインとの間に真空層を配置した構造。
    （５）前記低温分解原料ガスが流通する原料ガス供給ラインと、他の原料ガス供給ラインとの間にガス流層を配置した構造。
    （６）前記低温分解原料ガスが流通する原料ガス供給ラインと、他の原料ガス供給ラインとの間に、少なくとも窒化ボロン（ＢＮ）、炭化タンタル（ＴａＣ）、モリブデン（Ｍｏ）又はタングステン（Ｗ）の何れかを含む、耐熱性を有する高反射率材を配置した構造。
    （７）前記低温分解原料ガスが流通する原料ガス供給ライン、及び、他の原料ガス供給ラインを含む各流路の間に空間を配置した構造。
    （８）上記（１）～（７）に示す断熱構造を少なくとも２以上で組み合わせた構造。
  3. 前記原料ガスが前記基板上を通過する平均通過時間が、前記基板に４ｉｎｃｈ基板を用い、且つ、前記基板の中心を含む直径方向で前記原料ガスが通過する条件で、０．２秒以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の気相成長装置。
  4. 前記基板の外周上における回転速度を付加した前記原料ガスの相対流速が０．８ｍ／ｓ以上であることを特徴とする請求項１～請求項３の何れか一項に記載の気相成長装置。
  5. さらに、前記反応炉内を減圧する減圧機構を備えることを特徴とする請求項１～請求項４の何れか一項に記載の気相成長装置。
  6. 前記フローチャンネルは、前記基板の成長面に対して平行に前記原料ガスを供給したときに、該原料ガスの流れを規制する、前記基板の成長面と面一に配置される底面と、該底面と対向して配置される天井面と、前記底面と前記天井面とを繋ぐように配置される側面とを有し、前記底面から前記天井面までの高さが９ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１～請求項５の何れか一項に記載の気相成長装置。
  7. 前記加熱器が、電気ヒータ、及び、高周波誘導式加熱器のうちの何れか一方又は両方であることを特徴とする請求項１～請求項６の何れか一項に記載の気相成長装置。
  8. 前記サセプタは、前記基板を水平に保持し、
    前記集合配管部は、前記フローチャンネルを介して、前記基板に向けて、前記原料ガスを水平方向で噴出することを特徴とする請求項１～請求項７の何れか一項に記載の気相成長装置。
  9. 前記原料ガスが、有機金属化合物であるトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、及びトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、又は、金属塩化物である一塩化ガリウム（ＧａＣｌ）、三塩化ガリウム（ＩＩＩ）（ＧａＣｌ３）、一塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ）、三塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ３）、一塩化インジウム（ＩｎＣｌ）、及び三塩化インジウム（ＩｎＣｌ３）のうちから選ばれる少なくとも何れかを含むことを特徴とする請求項１～請求項８の何れか一項に記載の気相成長装置。
  10. 前記原料ガスが、少なくともアンモニア（ＮＨ３）を含むことを特徴とする請求項１～請求項９の何れか一項に記載の気相成長装置。
  11. 前記原料ガスが、少なくとも酸素（Ｏ２）を含むことを特徴とする請求項１～請求項１０の何れか一項に記載の気相成長装置。
  12. 前記原料ガスは、前記低温分解原料ガスとして、ドーピング原料であるビス（シクロペンタジエニル）マグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を含むことを特徴とする請求項１～請求項１１の何れか一項に記載の気相成長装置。
  13. 前記原料ガスは、前記低温分解原料ガスとして、ドーピング原料であるビス（シクロペンタジエニル）鉄（Ｃｐ２Ｆｅ）を含むことを特徴とする請求項１～請求項１１の何れか一項に記載の気相成長装置。
  14. 前記原料ガスは、前記低温分解原料ガスとして、ドーピング原料である水素化ゲルマニウム（ＧｅＨ４）を含むことを特徴とする請求項１～請求項１１の何れか一項に記載の気相成長装置。
  15. 請求項１～請求項１４の何れか一項に記載の気相成長装置を用いて、凝縮温度及び分解温度の少なくとも何れかが異なる２種類以上の原料ガスを反応炉内に導入し、前記反応炉内に設置した基板を前記原料ガスの分解温度以上に加熱することで、前記基板上に半導体膜を成膜することを特徴とする気相成長方法。
  16. 前記基板上に成膜する前記半導体膜が、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、及び窒化インジウム（ＩｎＮ）のうちの何れか１種からなる成長膜であることを特徴とする請求項１５に記載の気相成長方法。
  17. 前記基板上に成膜する前記半導体膜が、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、及び窒化インジウム（ＩｎＮ）の混合物からなる成長膜であることを特徴とする請求項１５に記載の気相成長方法。
  18. 前記基板上に成膜する前記半導体膜が、次式｛Ｇａ２Ｏ５｝で表される酸化ガリウム結晶、酸化アルミニウム（ＡｌＯ）又は次式｛ＡｌＧａＯｘ（但し、ｘは任意の整数）｝で表される酸化ガリウムアルミニウムからなる成長膜であることを特徴とする請求項１５に記載の気相成長方法。
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