JP7372059B2 - Iii族窒化物単結晶の製造方法 - Google Patents
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Description
複数の原料ガスを反応させることにより基板上に単結晶を成長させる反応域を有する反応器と、
前記反応域に配設され、基板を支持する支持台と、
該支持台の基板支持面と平行方向に原料ガスを前記反応域へ供給する第一の原料ガス供給ノズルと、第二の原料ガス供給ノズルとを有し、
前記第一の原料ガス供給ノズルと前記第二の原料ガス供給ノズルとは各々別体として設けられており、
該第一の原料ガス供給ノズルと第二の原料ガス供給ノズルは、前記反応器外部より、反応器の同一面を貫通するように設置されており、且つ、
前記第一の原料ガス供給ノズルルのガス供給口が、該支持台の基板支持面と平行方向に対して、前記第二の原料ガス供給ノズルのガス供給口より該反応器の原料ガス供給ノズルの貫通面側にあることを特徴とする気相成長装置おいて、
前記反応域に前記第一の原料ガスとして窒素源ガスを供給し、前記第二の原料ガスとしてIII族源ガスを供給することにより、支持台に設置された基板上で前記窒素源ガスとIII族源ガスとを反応させる工程を有し、
前記III族源ガスが、ハロゲン化アルミニウムガスであり、前記窒素源ガスがアンモニアガスであり、III族窒化物単結晶が窒化アルミニウム単結晶であり、
前記窒化アルミニウム単結晶を、前記基板中央において30μm/h以上の成長速度で成長させる、
III族窒化物単結晶の製造方法である。
1)前記第一の原料ガス供給ノズルが少なくとも2つ以上のガス供給口を有し、該ガス供給口の少なくとも一つが、該支持台の基板支持面と平行方向に対して、前記第二の原料ガス供給ノズルのガス供給口より該反応器の原料ガス供給ノズルの貫通面側にあり、かつ、配管下部に設けられている気相成長装置を用いること。
2)前記第二の原料ガス供給ノズルの外周を覆うように該第二の原料ガスの流路の外側にバリアガスの流路が形成されており、前記第二の原料ガス供給ノズルのガス供給口を取り囲むように前記バリアガスの吹き出し口がさらに形成されている気相成長装置を用いること。
3)前記バリアガスを前記反応器内で流通させる押し出しガスを供給する構造をさらに備える気相成長装置を用いること。
4)単結晶成長条件における前記第一の原料ガスが、前記第二の原料ガスよりも拡散速度が高いガスであること。
5)前記第一の原料ガスが窒素源ガスであり、前記第二の原料ガスがIII族源ガスであり、前記単結晶がIII族窒化物単結晶であること。
前記反応域に配設され、基板を支持する支持台と、
該支持台の基板支持面と平行方向に原料ガスを前記反応域へ供給する第一の原料ガス供給ノズルと第二の原料ガス供給ノズルとを有し、
該第一の原料ガス供給ノズルと第二の原料ガス供給ノズルは、前記反応器外部より、反応器の同一面を貫通するように設置されており、且つ、
前記第一の原料ガス供給ノズルのガス供給口が、該支持台の基板支持面と平行方向に対して、前記第二の原料ガス供給ノズルのガス供給口より該反応器の原料ガス供給ノズルの貫通面側にあることが特徴である。
図2は本発明の気相成長装置の一例を示す概略図である。気相成長装置100は、単結晶を成長させる基板(ベース基板)122を保持する支持台121を有し、単結晶を成長させる成長部反応域101を有する反応器110と、第一の原料ガスを前記反応域へ供給する、第一の原料ガス供給ノズル140と、第二の原料ガス供給ノズル150、成長部反応域101に供給された原料ガス等を排出する排出口160で構成される。第一の原料ガス供給ノズル140と、第二の原料ガス供給ノズル150は、反応器110における同一の面(貫通面とも言う)111に対して、反応器外部より反応器内部へ貫通して配置される。
本発明の第2の態様に係るIII族窒化物単結晶の製造方法は、上記本発明の第1の態様に係る気相成長装置の成長部反応域にIII族源ガス及び窒素源ガスを供給することにより、該III族源ガスと該窒素源ガスとを反応させる工程(以下において単に工程(a)ということがある。)を有する。工程(a)において、III族源ガスと窒素源ガスとの反応により、基板上にIII族窒化物単結晶が成長する。
III族源ガスとしては、塩化アルミニウム、臭化アルミニウム等のハロゲン化アルミニウム、塩化ガリウム等のハロゲン化ガリウム、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。また、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。混晶を製造する場合には、複数のIII族源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、III族源ガス供給ノズルの上流側に設けた原料部(不図示)の原料部反応器(不図示)にIII族金属原料を配置し、加熱装置(不図示)によって該原料部反応器を加熱(例えば塩化アルミニウムガスを発生させる場合には通常150~1000℃程度、好ましくは300~660℃程度、より好ましくは300~600℃程度であり、塩化ガリウムガスを発生させる場合には通常300~1000℃程度等である。)しながら該原料部反応器にハロゲン系ガス(例えば塩化水素ガスや塩素ガス等。)を供給することにより該原料部反応器において生成するIII族ハロゲン化物ガスを、前記III族源ガス供給ノズルを通じて成長部反応域101内に導入することができる。
ハロゲン系ガスは、ハロゲン系ガス供給ノズル(不図示)から反応器110或いは成長部反応域101に供給することができる。また、前記ハロゲン系ガスは、第一の原料ガス供給ノズルのガス供給口141と第二の原料ガス供給ノズルのガス供給口151の片方もしくは両方から、それぞれのノズルに流通させる原料ガスとともに成長部反応域101に供給してもよい。前記ハロゲン系ガスとしては、塩化水素ガス、塩素ガス等を用いることができるが、原料部反応器(不図示)に供給するハロゲン系ガスと同一のガスであることが好ましい。
窒素源ガスの濃度は、窒素源ガスと該窒素源ガスを希釈するキャリアガスとの合計量を基準(100体積%)として、例えば0.0001~100体積%とすることができる。
また、窒素源ガスの供給量は、例えば0.01~2000sccmとすることができる。窒素源ガスを基板122上に供給する順番は、特に制限されるものではないが、III族源ガスが成長部反応域101(基板122上)に供給される前に窒素源ガスを該成長部反応域101(基板122上)に供給することが好ましい。
単結晶層の膜厚は、単結晶成長後の基板を切断して露出させた単結晶層断面を日本電子製電界放射型走査電子顕微鏡JSM-7800F Primeを使用して5000倍の倍率で撮影し、ソフトウェアに内蔵されたスケールにより測定した。
単結晶層の成長速度は、先ず、上記サファイア単結晶をベース基板として成長した単結晶層の膜厚の測定方法により、成長後の基板を短冊状に4mm間隔で切断した各断片についてそれぞれの膜厚を切断方向に4mm間隔で測定した後、該成長速度を算出する位置に対応する断片の全測定点の平均値を成長時間で除することにより算出した。
単結晶層の膜厚はキーエンス製SI-F01型装置を使用し、分光干渉法により測定した。1mm間隔で全面測定し、得られた数値から下記式により膜厚分布を算出した。
膜厚分布=((最大膜厚-最小膜厚)/2)/平均膜厚
なお、上記式における最大膜厚は全測定点の最大値であり、最小膜厚は全測定点の最小値であり、平均膜厚は全測定点の平均値である。
窒化アルミニウム単結晶を成長した実施例であり、図2に示す気相成長装置100を使用した。貫通面から第一の原料ガス供給ノズルのガス供給口141までの長さは133mmであり、貫通面から第二の原料ガス供給ノズルのガス供給口151までの長さは244mmであった。
成長部部材や気相成長装置内部に吸着した水分を除去するために空焼を行った。空焼では、気相成長装置内の各ガス供給ノズルからキャリアガスを供給しながら高周波加熱コイルに電力を印加して支持台(サセプタ)を1500℃まで加熱し、成長部部材を前記サセプタからの輻射熱により加熱した。最高温度に達した状態で30分間保持した後、室温まで冷却した。
冷却後、単結晶層を成長するベース基板をサセプタ上に設置した。ベース基板には直径50.8mmのa面サファイア単結晶を使用した。次いで、気相成長装置内の各ガス供給ノズルからキャリアガスを流通した状態で、サセプタ及び基板温度を1500℃に加熱した。到達後に、塩化アルミニウムガスと塩化水素ガスとの混合ガスを、塩化アルミニウムガスを12sccm、塩化水素ガスを108sccmの流量で第一の原料ガス供給ノズル140を通じてベース基板上に供給した。さらに、第二の原料ガス供給ノズル150を通してアンモニアガスを80sccmの流量で供給して、ベース基板上に窒化アルミニウム単結晶層の成長を開始した。5分経過後、塩化アルミニウムガス、塩化水素ガス、アンモニアガスの供給を停止し、室温まで冷却した。
原料ガス供給ノズルとして図3に示す構造を採用した気相成長装置を使用した以外は、実施例1と同様に単結晶層の成長を行った。貫通面から第一の原料ガス供給ノズルの第二のガス供給口143までの長さは244mmであり、第一の原料ガス供給ノズルの第一のガス供給口142の貫通面からの距離は160mmであった。また、貫通面から第二の原料ガス供給ノズルのガス供給口151までの長さは244mmであった。第一の原料ガス供給ノズルの第一のガス供給口142の断面積の、第一の原料ガス供給ノズル140が有する全てのガス供給口の断面積の合計に対する比率は、0.25であった。得られた窒化アルミニウム単結晶の成長速度を表1に示す。
原料ガス供給ノズルの配管下部に設けられるガス供給口を2個とした気相成長装置を使用した以外は、実施例2と同様の気相成長装置を用いて、実施例1と同様の条件で単結晶層の成長を行った。貫通面から第一の原料ガス供給ノズル140の先端の供給口までの長さは244mmであり、該供給ノズルの配管下部に設けられたガス供給口の貫通面からの距離は160mmと200mmであった。また、貫通面から第二の原料ガス供給ノズル150の供給口までの長さは244mmであった。第一の原料ガス供給ノズル140の配管下部に設けられたガス供給口の断面積の合計の、第一の原料ガス供給ノズル140が有する全てのガス供給口の断面積の合計に対する比率は、0.50であった。得られた窒化アルミニウム単結晶の成長速度を表1に示す。
原料ガス供給ノズルとして図1に示す構造を採用した気相成長装置を使用した以外は、実施例1と同様に単結晶層の成長を行った。貫通面から第一の原料ガス供給ノズル140の供給口及びの第二の原料ガス供給ノズル150の供給口までの長さは共に244mmであった。得られた窒化アルミニウム単結晶の成長速度を表1に示す。
窒化アルミニウム単結晶を成長した実施例であり、図2に示す気相成長装置100を使用した。貫通面から第一の原料ガス供給ノズル140の供給口までの長さは133mmであり、貫通面から第二の原料ガス供給ノズル150の供給口までの長さは244mmであった。
成長部部材や気相成長装置内部に吸着した水分を除去するために空焼を行った。空焼では、気相成長装置内の各ガス供給ノズルからキャリアガスを供給しながら高周波加熱コイルに電力を印加して支持台(サセプタ)を1500℃まで加熱し、成長部部材を前記サセプタからの輻射熱により加熱した。最高温度に達した状態で30分間保持した後、室温まで冷却した。
冷却後、単結晶層を成長するベース基板をサセプタ上に設置した。ベース基板には直径35mmで厚さ500μmの昇華法で製造したc面窒化アルミニウム単結晶を使用した。次いで、気相成長装置内の各ガス供給ノズルからキャリアガスを流通した状態で、サセプタ及び基板温度を1500℃に加熱した。到達後に、支持台(サセプタ)を回転させながら、塩化アルミニウムガスと塩化水素ガスとの混合ガスを、塩化アルミニウムガスを12sccm、塩化水素ガスを108sccmの流量で第一の原料ガス供給ノズル140を通じてベース基板上に供給した。さらに、第二の原料ガス供給ノズル150を通してアンモニアガスを80sccmの流量で供給して、ベース基板上に窒化アルミニウム単結晶層の成長を開始した。8時間経過後、塩化アルミニウムガス、塩化水素ガス、アンモニアガスの供給を停止し、室温まで冷却した。
実施例2で用いた気相成長装置を使用した以外は、実施例4と同様に単結晶層の成長を行った。単結晶層の膜厚の測定結果を表2に示す。
実施例3で用いた気相成長装置を使用した以外は、実施例4と同様に単結晶層の成長を行った。単結晶層の膜厚の測定結果を表2に示す。
比較例1で用いた気相成長装置を使用した以外は、実施例4と同様に単結晶層の成長を行った。単結晶層の膜厚の測定結果を表2に示す。
101 成長部反応域
110 反応器
111 貫通面
121 支持台
122 基板(ベース基板)
123 ベース基板の上流側端部
131 加熱手段
132 外部加熱手段
140 第一の原料ガス供給ノズル
141 第一の原料ガス供給ノズルのガス供給口
142 第一の原料ガス供給ノズルの第一のガス供給口
143 第一の原料ガス供給ノズルの第二のガス供給口
150 第二の原料ガス供給ノズル
151 第二の原料ガス供給ノズルのガス供給口
160 排出口
Claims (6)
- 複数の原料ガスを反応させることにより基板上に単結晶を成長させる反応域を有する反応器と、
前記反応域に配設され、基板を支持する支持台と、
該支持台の基板支持面と平行方向に原料ガスを前記反応域へ供給する第一の原料ガス供給ノズルと第二の原料ガス供給ノズルとを有し、
前記第一の原料ガス供給ノズルと前記第二の原料ガス供給ノズルとは各々別体として設けられており、
該第一の原料ガス供給ノズルと第二の原料ガス供給ノズルは、前記反応器外部より、反応器の同一面を貫通するように設置されており、且つ、
前記第一の原料ガス供給ノズルのガス供給口が、該支持台の基板支持面と平行方向に対して、前記第二の原料ガス供給ノズルのガス供給口より該反応器の原料ガス供給ノズルの貫通面側にあることを特徴とする気相成長装置において、
前記反応域に前記第一の原料ガスとして窒素源ガスを供給し、前記第二の原料ガスとしてIII族源ガスを供給することにより、支持台に設置された基板上で前記窒素源ガスとIII族源ガスとを反応させる工程を有し、
前記III族源ガスが、ハロゲン化アルミニウムガスであり、前記窒素源ガスがアンモニアガスであり、III族窒化物単結晶が窒化アルミニウム単結晶であり、
前記窒化アルミニウム単結晶を、前記基板中央において30μm/h以上の成長速度で成長させる、
III族窒化物単結晶の製造方法。 - 前記第一の原料ガス供給ノズルが少なくとも2つ以上のガス供給口を有し、該ガス供給口の少なくとも一つが、該支持台の基板支持面と平行方向に対して、前記第二の原料ガス供給ノズルのガス供給口より該反応器の原料ガス供給ノズルの貫通面側にあり、かつ、配管下部に設けられている気相成長装置を用いることを特徴とする請求項1記載のIII族窒化物単結晶の製造方法。
- 前記第二の原料ガス供給ノズルの外周を覆うように該第二の原料ガスの流路の外側にバリアガスの流路が形成されており、
前記第二の原料ガス供給ノズルのガス供給口を取り囲むように前記バリアガスの吹き出し口がさらに形成されている気相成長装置を用いることを特徴とする、
請求項1又は2に記載のIII族窒化物単結晶の製造方法。 - 前記バリアガスを前記反応器内で流通させる押し出しガスを供給する構造をさらに備える気相成長装置を用いることを特徴とする、
請求項3に記載のIII族窒化物単結晶の製造方法。 - 単結晶成長条件における前記第一の原料ガスが、前記第二の原料ガスよりも拡散速度が高いガスである請求項1~4のいずれか一項に記載のIII族窒化物単結晶の製造方法。
- 前記第一の原料ガスが窒素源ガスであり、前記第二の原料ガスがIII族源ガスであり、前記単結晶がIII族窒化物単結晶である請求項1から5のいずれか一項に記載のIII族窒化物単結晶の製造方法。
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