JP7448387B2 - Iii族窒化物半導体結晶の製造装置 - Google Patents
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Description
前記原料反応室内に設けられ、III族元素含有ガスを生成する原料反応部と、
前記原料反応室内で、基板を保持する基板保持部材と、
前記原料反応室内で、前記III族元素含有ガスを前記基板に向けて噴射する原料ノズルと、
前記原料反応室内で、窒素元素含有ガスを前記基板に向けて噴射し、鉛直方向と垂直な方向からの側面視で、噴射方向が前記基板より手前で前記原料ノズルの噴射方向と交差し、交差する箇所を中心としてその周辺に前記III族元素含有ガスと前記窒素元素含有ガスとが混合される混合部を構成する、窒素源ノズルと、
前記原料反応室内で、前記原料反応室と前記原料ノズルと前記窒素源ノズルと前記基板保持部材とを加熱するための加熱手段と、
前記原料反応室内で、前記基板保持部材を回転するための回転機構と、
を備える。
前記原料反応室内に設けられ、III族元素含有ガスを生成する原料反応部と、
前記原料反応室内で、基板を保持する基板保持部材と、
前記原料反応室内で、前記III族元素含有ガスを前記基板に向けて噴射する原料ノズルと、
前記原料反応室内で、窒素元素含有ガスを前記基板に向けて噴射し、鉛直方向と垂直な方向からの側面視で、噴射方向が前記基板より手前で前記原料ノズルの噴射方向と交差し、交差する箇所を中心としてその周辺に前記III族元素含有ガスと前記窒素元素含有ガスとが混合される混合部を構成する、窒素源ノズルと、
前記原料反応室内で、前記原料反応室と前記原料ノズルと前記窒素源ノズルと前記基板保持部材とを加熱するための加熱手段と、
前記原料反応室内で、前記基板保持部材を回転するための回転機構と、
を備える。
<III族窒化物半導体結晶の製造装置>
以下、実施の形態1について図1を参照して説明する。
図1は、実施の形態1に係るIII族窒化物半導体結晶の製造装置の断面構成の一例を示す概略断面図である。なお、図1において、各構成部材の大きさ、比率等は実際とは異なっている場合がある。
本実施の形態1に係るIII族窒化物結晶の製造装置は、気相成長装置であり、窒化物半導体の結晶成長を行う反応容器1と、III族元素含有ガスを発生する原料容器3と、III族元素含有ガスを種基板11に向けて噴射する原料ノズル8と、窒素元素含有ガスを種基板11に向けて噴射する窒素源ノズル10と、を備えている。鉛直方向と垂直な方向からの側面視で、窒素源ノズル10の噴射方向が種基板11より手前で原料ノズル8の噴射方向と交差し、交差する箇所を中心としてその周辺にIII族元素含有ガスと窒素元素含有ガスとが混合される混合部を構成する。原料容器3と原料ノズル8とは接続されている。原料ノズル8から供給されるIII族元素含有ガスと窒素源ノズル10から供給される窒素元素含有ガスとは、混合部において混合された後、種基板11上の成長部において基板サセプタ12上に載置した種基板11上にIII族窒化物半導体結晶が成長する。尚、基板サセプタ12と回転シャフト13とは接続されており、回転シャフト13により基板サセプタ12は回転する。
実施の形態1に係るIII族窒化物半導体結晶の製造装置20によれば、原料ガス導入経路上の構成物へのIII族窒化物半導体結晶の析出を抑制し、基板11上の成長部16へ供給されるIII族元素含有ガスと、窒素元素含有ガスとの混合性を向上させることができる。さらに基板11への原料ガス輸送効率を高めることができる
反応性ガス供給管7を備えた原料反応室2内には、III族元素含有源である出発Ga源6を載置した原料容器3が配置されている。III族元素としては、Gaのほかに、AlやIn、酸化物としてGa2O3などが利用される。原料反応室2の外周部には第1ヒータ4が設けられており、原料反応室2内は所望の温度に維持されている。III族元素含有ガスを生成するためには、900℃以上1300℃以下に保つことが好ましい。加熱された出発Ga源6に反応性ガスが供給されることで、出発Ga源6と反応性ガスとが反応して、III族元素含有ガスが発生する。
出発Ga源6を酸化する方法として、出発Ga源6として金属Gaを用い、酸化性ガスとしてH2Oガスを用いた場合の反応系を説明する。出発Ga源6である金属Gaを加熱し、この状態で酸化性ガスであるH2Oガスを導入する。下記式(1)に示すように、導入されたH2Oガスは、金属Gaと反応して、III族元素含有ガスであるGa2Oガスを生成する。
2Ga + H2O → Ga2O + H2 (1)
また、出発Ga源6のほかに、In源、Al源をIII族元素含有源として採用できる。いずれの場合でも、III族酸化物ガスが生成される。
Ga2O3 + 2H2 → Ga2O + 2H2O (2)
酸化性ガスならびに還元性ガスの搬送ガスとしては、ArやN2などの不活性ガス、またはH2ガスを用いる。
原料反応室2で生成されたIII族元素含有ガス、例えばGa2Oガスは、原料反応室2の下流側に設けられた原料ノズル8から種基板11に向けて鉛直真下に噴射される。また、原料ノズル8と窒素源ノズル10へのIII族窒化物半導体結晶の析出を抑制するために、原料ノズル8の外周にセパレートガス排出口が形成されているとより好ましい。原料ノズル8の内径は、特に限定されないが、好ましくは、1mm以上100mm以下の範囲、より好ましくは、20mm以上60mm以下である。
窒素源ノズル10は、窒素元素含有ガス供給管9を備える。窒素源ノズル10から窒素元素含有ガスを種基板11に向けて噴射する。鉛直方向と垂直な方向からの側面視で、窒素源ノズル10の噴射方向は、種基板11より手前で原料ノズル8の噴射方向と交差する。この交差する箇所15を中心としてその周辺にIII族元素含有ガスと窒素元素含有ガスとが混合される混合部14を構成する。この混合部14は、具体的には、原料ノズル8及び窒素源ノズル10と、種基板11との間の水平面内に拡がる領域を意味している。
窒素元素含有ガスとしては、NH3ガス、NOガス、NO2ガス、N2H2ガス、N2H4ガス、などを使用できる。窒素元素含有ガスは、図2(a)に示すように、側面視で鉛直方向に対して傾斜し、かつ、図2(b)に示すように、平面視で水平方向に対して偏向した窒素源ノズル10から噴射される。窒素源ノズル10の内径は、特に限定されないが、好ましくは、0mmを超え30mm以下の間、より好ましくは、3mm以上15mm以下である。窒素源ノズル10の傾斜角度は、特に限定されないが、好ましくは、0度を超え90度未満、より好ましくは、5度から60度の範囲である。窒素源ノズル10の偏向角度は、特に限定されないが、好ましくは、0度を超え90度未満、より好ましくは、5度から45度の範囲である。窒素源ノズル10の外周部には第1ヒータ4が設けられており、上述した原料反応室2と同じ温度に加熱されている。この熱によって、窒素源ノズル10内のNH3は所定の割合で分解した状態となっている。
混合部14にて、原料ノズル8から供給されるIII族元素含有ガスと窒素源ノズル10から供給される窒素元素含有ガスとが混合される。また、所望の温度に維持するために、外周部に第2ヒータ5が設けられている。
混合部14は、特に限定されないが、基板表面からノズル源ノズル10に向けて上方にあることが好ましい。
成長部16は、種基板11と基板サセプタ12と回転シャフト13とを備える。成長部16の外周部には第2ヒータ5が設けられており、成長部は所望の温度に維持されている。第2ヒータ5の温度は、III族窒化物半導体結晶を成長させるために、1000℃以上1400℃以下に保つことが好ましい。加熱された成長部16の種基板11上に混合部14にて混合されたIII族元素含有ガスと窒素元素含有ガスとが反応することでIII族窒化物半導体結晶が成長する。
図4は、実施例1による混合部におけるIII族元素含有ガスと窒素元素含有ガスの速度ベクトル分布を示す図である。実施例1では、実施の形態1に係るIII族窒化物半導体結晶の製造方法の各条件を以下のように具体的に設定し、図4に示すように、CAE(Computer Aided Engineering)による熱流体解析を実施した。
出発Ga源6として金属Gaを原料容器3にセットし、反応性ガス供給管7より反応性ガスとして、H2ガスを4SLMと、O2ガスを20SCCMとから生成したH2Oガスを導入し、Ga2Oガスを生成した。また、キャリアガスとしてN2ガスを1SLM導入した。一方、窒素源ガス供給管9より窒素元素含有ガスとしてNH3ガスを1SLM、キャリアガスとしてH2ガスを4SLM、N2ガスを4SLM導入した。反応容器1の外周部に配置した第1ヒータ4は1150℃、成長部外周部に配置した第2ヒータ5は1200℃となるように電力を供給した。基板サセプタ12は1000RPMで回転させ、熱流体解析を実施した。
図3は、比較例1によるIII族窒化物半導体結晶の製造装置40の断面構成の一例を示す概略断面図である。比較例1では、実施例1と対比すると、噴射方向が傾斜・偏向した窒素源ノズル10を無くしたことを特徴とする。すなわち、比較例1では、原料ノズル8から噴射されるIII族元素含有ガスと窒素源ノズル10から噴出される窒素元素含有ガスとの混合を積極的に行わなかった以外は、実施例1と同じ条件で、図5に示すようにCAEによる熱流体解析を実施した。
ガス混合度=(基板端部のV/III比 - 基板中心のV/III比)/(V/III比の平均値)
図9は、比較例1と実施例1のガス混合度を示す表1である。表1に示すように、比較例1のガス混合度は2.34であったのに対して、実施例1のガス混合度は0.29となり、窒素源ノズル10を傾斜、偏向させることにより混合性を約8倍向上させることが確認できた。
図8は、実施例2における、窒素源ノズルの偏向角度とガス混合度との関係を示す図である。
窒素源ノズルの偏向角度を0度、30度とした。その他の構成は実施例1と同じ条件として、熱流体解析を実施し、窒素源ノズルの偏向角度とガス混合度の関係を検証した。図8に示すように、偏向角度が10度のときが最も混合性が良いことが確認できた。
基板サセプタ12の回転数を、0RPM(回転なし)と3000RPMとした。その他の構成は実施例1と同じ条件として、熱流体解析を実施し原料ガスの輸送効率を検証した。尚、原料ガスの輸送効率は、III族元素含有ガスであるGa2Oガスと窒素元素含有ガスであるNH3ガスとが基板上1mm上方までの空間を通過した質量重量を、原料ノズル8と窒素源ノズル10とから出たガスの質量流量で除して算出した。すなわち、原料ガス輸送効率が大きいほど、種基板11上に到達するGa2OガスとNH3ガスとが多く反応に寄与するため、成長レートが大きくなることを意味する。
基板サセプタ12の回転数を、-2300RPMと2300RPMとした。回転数の符号は、ノズルの偏向方向と基板の回転方向とが順方向の場合を正、逆方向を負とした。その他の構成は実施例1と同じ条件として、熱流体解析を実施しGa2Oガスの輸送効率を検証した。
図10は、実施例4における、基板サセプタの回転方向に対するGa2Oガスの輸送効率を示す表2である。表2に示すように、基板サセプタの回転数が-2300rpm、つまり、ノズルの偏向方向と基板の回転方向とが逆方向の場合のGa2Oガスの輸送効率は6.3%であった。また、基板サセプタの回転数が2300rpm、つまり、ノズルの偏向方向と基板の回転方向とが順方向の場合のGa2Oガスの輸送効率は、8.6%であった。ノズルの偏向方向と基板の回転方向とが順方向であるのに対して、ノズルの偏向方向と基板の回転方向とを逆方向とすると、Ga2Oガスの輸送効率は約27%低下することが確認できた。
2 原料反応室
3 原料容器
4 第1ヒータ
5 第2ヒータ
6 出発Ga源
7 反応性ガス供給管
8 原料ノズル
9 窒素源ガス供給管
10 窒素源ノズル
11 種基板
12 基板サセプタ
13 回転シャフト
14 混合部
15 交差点
16 成長部
20 III族窒化物半導体結晶製造装置
40,50 III族窒化物半導体結晶製造装置
Claims (3)
- 原料反応室と、
前記原料反応室内に設けられ、III族元素含有ガスを生成する原料反応部と、
前記原料反応室内で、基板を保持する基板保持部材と、
前記原料反応室内で、前記III族元素含有ガスを前記基板に向けて噴射する原料ノズルと、
前記原料反応室内で、窒素元素含有ガスを前記基板に向けて噴射し、鉛直方向と垂直な方向からの側面視で、噴射方向が前記基板より手前で前記原料ノズルの噴射方向と交差し、交差する箇所を中心としてその周辺に前記III族元素含有ガスと前記窒素元素含有ガスとが混合される混合部を構成する、窒素源ノズルと、
前記原料反応室内で、前記原料反応室と前記原料ノズルと前記窒素源ノズルと前記基板保持部材とを加熱するための加熱手段と、
前記原料反応室内で、前記基板保持部材を回転するための回転機構と、
を備え、
前記混合部は、前記基板よりも上部に配置される、III族窒化物半導体結晶の製造装置。 - 前記原料ノズルの噴射口は、前記噴射方向が鉛直真下方向に配置され、前記窒素源ノズルの噴射口は、前記噴射方向が鉛直方向に対して傾斜し、かつ、水平方向に対して偏向して配置されている、請求項1に記載のIII族窒化物半導体結晶の製造装置。
- 前記窒素源ノズルの偏向方向が前記基板の回転方向と順方向である、請求項1又は2に記載のIII族窒化物半導体結晶の製造装置。
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