JPH10182282A - 気相成長装置及び結晶成長方法 - Google Patents

気相成長装置及び結晶成長方法

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JPH10182282A
JPH10182282A JP34720296A JP34720296A JPH10182282A JP H10182282 A JPH10182282 A JP H10182282A JP 34720296 A JP34720296 A JP 34720296A JP 34720296 A JP34720296 A JP 34720296A JP H10182282 A JPH10182282 A JP H10182282A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高温成長材料を高品質で再現性よく、大面積
で成長できる気相成長装置及びその結晶成長方法を課題
とする。 【解決手段】 原料ガス14を基板13に吹き付ける気
相成長装置において、原料ガス14の吹き出し口12a
の周囲に原料ガス以外のガス15の吹き出し口を有し、
上記原料ガスを基板周囲或いは周囲を通過してガス排気
16する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、気相成長装置及び
結晶成長方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、気相成長には、図4に示すよう
な、基板01の上部から垂直に原料ガス02を該基板0
1に吹き付ける構造の成長炉03が用いられている。
尚、符号04はガス排気を図示する。この成長炉は、い
わゆる縦型気相成長装置と称されており、該成長炉で用
いて成長する材料としては、InPやGaAs等が主で
あった。これらの材料の成長において成長炉内の圧力
を、0.1気圧程度の減圧としている。このような減圧と
する理由は、用いられる原料同士が基板01に到達する
前に気相中で反応(中間反応)し易いためである。この
ため、ガスの流速を速めて中間反応を防止している。ま
た、成長温度を、600〜700℃としている。
【0003】また、固相からV族原子の脱離を防止する
ために、結晶成長時には、V族原料と III族原料との供
給比、すなわち、V/III 比として、200〜300が
用いられている。以上の方法で、高品質で、膜厚均一性
の良い結晶を成長していた。
【0004】一方、青色発光素子原料であるIn1-X-Y
GaX AlY N(0≦X,Y 、X+Y ≦1)の成長において
は、固相上の窒素の平衡蒸気圧が高いため、減圧成長で
は結晶表面からの窒素の脱離を生じる、という問題があ
る。この脱離を防止するために、成長炉内の圧力を高く
する必要がある。さらに、V/III 比を数千以上に大き
くする必要もある。また、窒素原料として用いるアンモ
ニアガスは、窒素原子やNHやNH2 の形で結晶表面で
反応して、結晶成長が行われる。このような形へのアン
モニアの分解は、1000℃でさえ1%以下といわれて
いる。そこで、分解の高効率化のためにも、高温状態と
することが必要である。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】以上のことから、In
1-X-Y GaX AlY Nの成長においては、成長圧力を高
く、成長温度も高いことが必要である。この常圧・高温
の成長条件は、従来の気相成長装置や成長方法を用いる
と、該成長中に、反応炉内でガスの対流を引き起こし、
原料ガスの中間反応を起こし易くする。その結果、膜厚
の不均一性や、制御性の良い結晶成長の基本となる成長
速度の原料供給律則がくずれる、という問題がある。
【0006】さらに、原料ガスの対流のために、成長炉
壁にフレーク状の物質が付着し、基板上にフレークが落
下するという、不具合が生じ、頻繁に成長炉をクリーニ
ングする必要があり、装置の可動効率が低下するとい
う、問題がある。
【0007】これらの問題は、In1-X-Y GaX AlY
Nの成長に関するばかりでなく、高温環境下用、且つ大
電流動作用トランジスタ材料として期待されているSi
Cの成長においても同様に問題である。実際のSiCの
成長では、高品質結晶を得るためには、成長温度として
1500〜1600℃が必要である。
【0008】本発明は、上記問題に鑑み、高温成長材料
を高品質で再現性よく、大面積で成長できる気相成長装
置及びその結晶成長方法を提供することを課題とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明にかかる第1の気相成長装置は、原料ガスを基板に吹
き付ける気相成長装置において、原料ガスの吹き出し口
の周囲に原料ガス以外のガスの吹き出し口を有し、上記
原料ガスを基板周囲或いは周囲を通過して排気する手段
を有することを特徴とする。
【0010】第2の気相成長装置は、上記第1の気相成
長装置において、上記原料ガスを基板近傍まで吹き出す
ラッパ状の吹き出し口と、該ラッパ状の吹き出し口の外
側と成長炉壁間に原料ガス以外のガスを吹き出す手段と
を有することを特徴とする。
【0011】一方、本発明の第1の結晶成長方法は、第
1又は第2の気相成長装置を用い、上記原料ガス吹き出
し口からは原料ガスを、上記原料ガス吹き出し口以外か
らは原料ガス以外のガスを供給し、上記排気する手段に
よって上記原料ガス及び原料ガス以外のガスを排気し、
成長基板の周囲の気圧が600Torr以上、成長基板
の温度が500℃以上の状態で原料ガスの吹き出し口か
らのガス流量より原料ガス以外の吹き出し口からのガス
流量が多いことを特徴とする。
【0012】一方、本発明の第2の結晶成長方法は、第
1記載の結晶成長方法において、上記成長基板がサファ
イア等の酸化物やSiC等の炭化物からなり、In
1-X-Y GaX AlY N(0≦X,Y 、X+Y ≦1)と組成が
同一又は略同一である層を複数積層することを特徴とす
る。
【0013】すなわち、原料ガス吹き出し口の外周に沿
って導入する層流ガスが基板周辺からガス排気口までの
流れを形成するため、成長炉内でのガス対流が発生しな
い。この結果、高温且つ常圧を条件とする気相成長にお
いて、原料ガス間での中間反応を防止し、膜厚の不均一
性を生じることなく、結晶成長できる。また、壁に原料
ガスが接せず、且つ反応炉内の対流が発生しないので、
反応管壁への膜の付着を防止でき、成長炉壁を清浄に保
つことができる。この結果、成長炉の洗浄を行う必要が
なく、装置の稼働効率も向上する。よって、高温・常圧
の条件下でも従来の減圧成長におけるGaAsやInP
の成長の場合と同様に、高品質・高膜厚均一の設計通り
の層構造を成長することができる。
【0014】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態の原理・効果を詳細に説明する。
【0015】本発明にかかる第1の実施の形態を図1を
参照して説明する。図1は、気相成長装置の成長炉を示
す。図1に示すように、炉本体11内には、ガス吹き出
しノズル12が設けられており、該吹き出しノズル12
の入口部12aからは、基板13の上部から吹き付ける
原料ガス14を導入すると共に、上記入口部12a及び
炉本体11の入口部11aとの間より該吹き出しノズル
12の外周に沿って層流用ガス15が別途導入されてい
る。上記層流用ガス15の導入により、原料ガス14の
上昇を抑えることとなり、上記炉本体11の対流が防止
される。本実施の形態においては、上記吹き出しノズル
12は、テーパ部12bと筒部12cとから構成された
ラッパ状としており、該筒部12cは基板13の近傍ま
で、原料ガス14を供給するようにしている。上記別途
導入される層流用ガス16は、上記原料ガス吹き出しノ
ズル12の外周(テーパ部12bと筒部12cの外壁)
に沿って基板13周辺からガス排気16までの流れを形
成するため、原料ガス14の上昇を抑えることとなり、
上記炉本体11の対流が防止される。また、上記導入さ
れる層流用ガス15は、原料ガス14の流量より速度を
速くすることが望ましく、原料ガスの流量に依存するが
例えば原料ガス14の流量の1.5〜6倍程度とするのが
好ましい。この結果、高温且つ常圧を条件とする気相成
長において、原料ガス間での中間反応を防止し、膜厚の
不均一性を生じることなく、結晶成長できる。また、反
応炉内の対流が発生しないので、従来のように反応管壁
へのフレーク付着が防止され、成長炉壁を清浄に保つこ
とができる。
【0016】[試験例]上記構造の成長装置を用い、層
流用ガスの流量の相違における整流効果を確認した。基
板13として、サファイアC面基板を用い、該基板にG
aNを1000℃で成長したときの基板面内の膜厚分布
を示す。原料ガス14として、アンモニア3.5 slm(stan
dard litter per minute) ,トリメチルガリウム 52 μ
mol/min 及び水素キャリアガス 0.5 slm である。成長
圧力は、大気圧に近い650Torr である。また、層流用ガ
ス15として、窒素ガスを用いた。
【0017】<層流用ガスを用いない従来例の場合> 層流ガス15を用いない従来技術の場合には、成長
した膜の表面は荒れており、且つガス吹き出しノズルに
フレーク状の物質が付着した。 また、水冷されている成長炉壁においても、同様の
フレーク状の物質が付着した。 さらに、層流用ガスを流さない場合には、成長速度
は III族原料ガスの供給規律とならかった。 <層流用ガスを用いた本発明の場合> 層流ガス15を用いた場合には、成長炉壁には、フ
レーク状の物質の付着が見られなかった。 特に、層流ガス流量を15slm (原料ガスの流量の約
4.3 倍) の場合には、図2に示すように、直径25mm内
での膜厚分布は数%以内となり、極めて均一性のよい成
長を実現できた。 比較のために、層流用ガス流量を7.5slm(原料ガス
の流量の約2.1 倍) の場合には、図2に示すように、こ
の条件の場合には、まだ膜厚分布が大きく、層流用ガス
の効果が不十分である。
【0018】このように、層流用ガスの流量は、原料ガ
ス用のノズル内に流れるガスとのバランスで決定され
る。層流用ガス流量をある程度以上高くすると、膜厚均
一性を確保することができる。成長速度は、基板表面で
の原料ガスのガス流速に依存するので、層流用ガスが多
すぎると、原料ガスが引き込まれて流速が高くなる。従
って、層流用ガス量をあまり大きくしすぎると成長速度
が遅くなる。以上のことから、層流用ガスの決定におい
ては、原料ガスノズルを流れる量と、層流用ガス量との
バランスを考慮する必要がある。
【0019】[素子形成]本発明にかかる装置を用いて
結晶成長して作製した素子の例を以下に述べる。図3
は、作製した素子の断面構造である。図3に示すよう
に、サファイア(0001)基板21の表面に形成した
窒化層(窒化深さ5nm)22、膜厚50nmのAlN
バッファ層23、膜厚5μmのSiドープn型低抵抗G
aN膜24、膜厚50nmのZnドーピングにより半絶
縁化したGaN発光層25、半絶層の電極26、n型低
抵抗層のオーミック電極27から形成してなる。上記構
成において、電極26に正の電圧を電極27に負の電圧
を加えると、発光層25は480nmの波長で発光し
た。最大出力は0.8mWであり、外部量子効率は、0.22%
であった。
【0020】尚、本発明では、基板に形成される素子の
組成として、In1-X-Y GaX Al Y N(0≦X,Y 、X+
Y ≦1)の組成のものに何ら限定されず、これと同一の
組成或いは異なる素子構成のものにも適用することがで
きる。
【0021】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
高温・常圧の条件下でも、ガス対流を防止できるから、
これらの条件を必要とする結晶を高品質・大面積で成長
できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態にかかる気相成長装置の概
略図である。
【図2】本発明の実施の形態にかかる気相成長膜分布図
である。
【図3】本発明によって作製した素子構造の概略図であ
る。
【図4】従来技術の気相成長装置の概略図である。
【符号の説明】
11 炉本体 12 ガス吹き出しノズル 13 基板 14 原料ガス 15 層流用ガス 16 排気ガス 21 基板 22 窒化層 23 AlNバッファ層 24 Siドープn型低抵抗GaN膜 25 GaN発光層 26 電極 27 オーミック電極

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 原料ガスを基板に吹き付ける気相成長装
    置において、 原料ガスの吹き出し口の周囲に原料ガス以外のガスの吹
    き出し口を有し、上記原料ガスを基板周囲或いは周囲を
    通過して排気する手段を有することを特徴とする気相成
    長装置。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の気相成長装置において、 上記原料ガスを基板近傍まで吹き出すラッパ状の吹き出
    し口と、該ラッパ状の吹き出し口の外側と成長炉壁間に
    原料ガス以外のガスを吹き出す手段とを有することを特
    徴とする気相成長装置。
  3. 【請求項3】 請求項1又は2記載の気相成長装置を用
    い、上記原料ガス吹き出し口からは原料ガスを、上記原
    料ガス吹き出し口以外からは原料ガス以外のガスを供給
    し、上記排気する手段によって上記原料ガス及び排気ガ
    スを排気し、成長基板の周囲の気圧が600Torr以
    上、成長基板の温度が500℃以上の状態で原料ガスの
    吹き出し口からのガス流量より原料ガス以外の吹き出し
    口からのガス流量が多いことを特徴とする結晶成長方
    法。
  4. 【請求項4】 請求項3記載の結晶成長方法において、 上記成長基板がサファイア等の酸化物やSiC等の炭化
    物からなり、In1-X- Y GaX AlY N(0≦X,Y 、X+
    Y ≦1)と組成が同一又は略同一である層を複数積層す
    ることを特徴とする結晶成長方法。
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