JPH111395A

JPH111395A - ＧａＮ系化合物半導体のエピタキシャル成長方法

Info

Publication number: JPH111395A
Application number: JP16655597A
Authority: JP
Inventors: Kensaku Motoki; 健作元木; Masato Matsushima; 政人松島
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1997-06-09
Filing date: 1997-06-09
Publication date: 1999-01-06

Abstract

(57)【要約】【課題】原料ガスに渦流を生起させることにより、均一
性に優れたＧａＮ系化合物半導体を化合物半導体基板上
にエピタキシャル成長させる方法の提供。【解決手段】本発明では、化合物半導体（ＧａＡｓ）製
の半導体基板（２Ａ）の周辺に、ガリウム（Ｇａ）を含
む第１のガス（ＧａＣｌ）及び窒素（Ｎ）を含む第２の
ガス（ＮＨ₃）が導入される際、排気と逆方向から噴出
される水素（Ｈ₂）含有ガスのカウンタフローＣＦ、及
び／又は、ノズル３１の開口部３２に施された切欠き３
３による下降ガス流ＨＦが引金になって、渦流ＥＦが生
起させられる。この渦流ＥＦによって、これらのガスは
十分に攪拌及び混合が行われるので、均一性に優れた窒
化ガリウム（ＧａＮ）を基板（２Ａ）上にエピタキシャ
ル成長することができる。なお、キャリアガスには水素
（Ｈ₂）ガスが用いられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＧａＮ系化合物半
導体のエピタキシャル成長方法、より詳細には、窒化ガ
リウム（ＧａＮ）を化合物半導体基板の上にエピタキシ
ャル成長させるための方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１は、現在市販されているサファイア
基板を用いた窒化ガリウム（ＧａＮ）系の青色および緑
色の発光素子（ＬＥＤ）の構造を示す断面図を示してい
るが、このような発光素子は、例えば、「日経サイエン
ス」1994年10月号、第44〜55頁に記載されている。

【０００３】この青色および緑色発光素子は、サファイ
ア基板ＳＢと、基板ＳＢ上に形成されたＧａＮバッファ
層ＢＦと、ＧａＮバッファ層ＢＦ上に形成された六方晶
のＧａＮエピタキシャル層ＥＰ１とから構成されたエピ
タキシャルウェハを備えている。この青色および緑色発
光素子は、さらに、このエピタキシャルウェハの上に、
クラッド層ＣＬ１、発光層ＬＥ、クラッド層ＣＬ２およ
びＧａＮエピタキシャル層ＥＰ２が、順次形成され、Ｇ
ａＮエピタキシャル層ＥＰ１，ＥＰ２上には、オーミッ
ク電極ＥＲ１，ＥＲ２がそれぞれ形成されている。ま
た、ＧａＮバッファ層ＢＦは、この青色および緑色発光
素子において、サファイア基板ＳＢとＧａＮエピタキシ
ャル層ＥＰ１との格子定数の差による歪を緩和するため
に設けらるものである。

【０００４】上述した青色および緑色発光素子は、基板
ＳＢとして絶縁性のサファイアを用いており、また、電
極を形成して素子を作成する際には、２種の電極ＥＲ
１，ＥＲ２を同一面側に形成する必要があることから、
フォトリソグラフィによるパターニングが２回以上必要
になり、さらに反応性イオンエッチングによる窒化物の
エッチングを行う必要もあり、複雑な工程を要してい
た。

【０００５】また、サファイアは硬度が高いため、素子
分離の際に切断しにくいという問題もある。さらに、こ
の発光素子の応用について考えると、このサファイアは
劈開することができないので、劈開端面を光共振器とす
るレーザーダイオードに適用できないという応用上の問
題もあった。

【０００６】そこで、このような欠点を有するサファイ
アに代えて、導電性のＧａＡｓを基板として使用すると
いう試みがなされている。すなわち、ＭＯＣＶＰＥ（me
talorganic chloride vapor phase epitaxy：有機金属
クロライド気相エピタキシャル）法を用いてＧａＡｓ
（砒化ガリウム）基板上にＧａＮを成長させる方法であ
って、ＧａＮの成長速度を従来のＯＭＶＰＥ（organome
tallic vapor phase epitaxy：有機金属気相エピタキシ
ャル）法での成長速度と比べても十分に早いものである
ものが検討されている。

【０００７】このＭＯＣＶＰＥ法は、周期表の III族原
料Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎを塩化物（クロライド化合物）とし
て供給し、ＧａＮの高速成長を可能とし、発光素子の活
性層となるＩｎＧａＮ（インジウム窒化ガリウム）の成
長をも可能としたものである。このＭＯＣＶＰＥ方法の
一つとして、本出願人は、平成６年１２月２６日の特許
出願「エピタキシャルウェハおよびその製造方法」（特
開平８−１８１０７０号）等で既に提案しているが、こ
の方法では、例えば、周期表の III族原料を含む有機金
属原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧａ：C₃H₉Ga）
を用い、このＴＭＧａと塩化水素（ＨＣｌ）から塩化ガ
リウム（ＧａＣｌ）を合成し、これらの塩化物とアンモ
ニアガス（ＮＨ₃）を反応させてＧａＡｓ等の基板上に
ＧａＮを成長させている。

【０００８】このような方法により製造されるエピタキ
シャルウェハは、図２に示されるように、導電性のＧａ
Ａｓ等の基板２Ａ上に、ＧａＮ（窒化ガリウム）バッフ
ァ層２Ｂが形成され、このＧａＮバッファ層２Ｂ上に、
さらに、ＧａＮエピタキシャル層２Ｃが形成された高品
質のエピタキシャルウェハであって、工業的に十分に製
造可能である。

【０００９】そして、このようなＧａＮエピタキシャル
ウェハを製造するための気相成長装置には、例えば、図
３に示されるような構造の反応管が用いられる。この反
応管は、基板サセプタＳＳを内蔵する反応チャンバーＲ
Ｃに対して、キャリアガスＣＧと共にアンモニア（ＮＨ
₃ ）ガスを導入するための第１のガス導入口ＭＩ１、キ
ャリアガスＣＧと共にトリメチルガリウムＴＭＧａ（tr
imethylgallium；Ｃ₃Ｈ₉Ｇａ）ガスを導入するための
第２のガス導入口ＭＩ２、及び、キャリアガスＣＧと共
に塩化水素（ＨＣｌ）ガスを導入するための第３のガス
導入口ＭＩ３等の導入口や、ガス排気口ＧＯ等を備えて
いる。

【００１０】第１のガス導入口ＭＩ１は、管中央に位置
し基板サセプタＳＳの上部に至るノズルＮに連通してお
り、第２及び第３のガス導入口ＭＩ２，ＭＩ３は、管路
Ｐ２に通じている。反応チャンバーＲＣには、また、外
部に抵抗加熱ヒータＲＨが備えられている。

【００１１】このような装置における製造工程の一例を
示すと、先ず、反応チャンバーＲＣ内の底部に設けられ
た基板サセプタＳＳに、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）製の
基板２Ａが設置され、この基板２Ａは、抵抗加熱ヒータ
ーＲＨからのチャンバーＲＣ内の加熱によって第１の所
定温度に保持される。

【００１２】この状態で、第２のガス導入口ＭＩ２から
のＴＭＧａガス及び第３のガス導入口ＭＩ３からのＨＣ
ｌガスは、管路Ｐを経て互いに混合され反応して塩化ガ
リウム（ＧａＣｌ）となって反応管内に導入される。一
方、第１のガス導入口ＭＩ１からは、ＮＨ₃ ガスがキャ
リアガスＣＧによって、ノズルＮを通して導入されるの
で、ＧａＡｓ基板２Ａの上では、ＧａＣｌガス及びＮＨ
₃ ガスが反応する。所定の時間、このエピタキシャル成
長を行わせることによって、図２に示されるＧａＮバッ
ファ層２Ｂが基板２Ａ上に形成される。

【００１３】次に、このようにＧａＮからなるバッファ
層２Ｂが形成された基板２Ａの温度を、抵抗加熱ヒータ
ーＲＨにより第２の所定温度にまで昇温した後、再び、
ＴＭＧａガス、ＨＣｌガス及びＮＨ₃ ガスを導入して、
所定の時間、エビタキシャル成長させる。その結果、Ｇ
ａＮバッファ層２Ｂ上にＧａＮエピタキシャル層２Ｃを
形成される。

【００１４】しかしながら、図３の製造装置による成長
方法では、基板２Ａの上に得られるＧａＮエピタキシャ
ル層２Ｃにはムラがあり、基板２ＡのＧａＮの成長は不
均一であることが観察された。そこで、このＧａＮの不
均一成長の原因を種々検討した結果、ＧａＣｌガス、Ｎ
Ｈ₃ ガス及びキャリアガスＣＧの間で、混合が充分にな
されておらず、これがＧａＮエピタキシャル層２Ｃの成
長特性の不良に影響を及ぼしていることが分かった。

【００１５】図４には、このような従来技術によるＧａ
Ｎ成長方法における原料ガスの混合の様子が示されてい
る。従来の方法では、図４に示されるように、ノズルＮ
内を通るＮＨ₃ ガスは、ラッパ状のスカート部Ｓの下で
拡がりつつ下降する。これに対して、ノズルＮの外側を
通るＧａＣｌガスは、このＮＨ₃ ガスの拡がりを包囲す
るように下降する。これらのガスには、一般的に、キャ
リアガスＣＧとして拡散係数が相当に大きい水素
（Ｈ₂）ガスが含まれるので、ＮＨ₃ ガスの拡がりに伴
って、ＮＨ₃ ガスに対しては外側からＧａＣｌガスが効
果的に拡散し、ＧａＣｌガスに対しては内側からＮＨ₃
ガスが効果的に拡散することによって、原料ガスＮ
Ｈ₃，ＧａＣｌ間の混合が充分に行われることが期待さ
れていた。しかしながら、実際には、基板２Ａ上へのＧ
ａＮのエピタキシャル成長は、不均一になってしまうの
である。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明の主た
る目的は、ガスの拡散だけでなく、ガスの流れ自体を改
良して原料ガスの混合性を向上することによって、化合
物半導体基板の上にＧａＮを均一にエピタキシャル成長
させることができる方法を提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明によると、ガリウ
ム（Ｇａ）を含む第１のガス及び窒素（Ｎ）を含む第２
のガスを化合物半導体基板の上に導入して基板上に窒化
ガリウム（ＧａＮ）をエピタキシャル成長させるＧａＮ
系化合物半導体のエピタキシャル成長方法において、基
板の上で第１及び第２のガスに渦流を生起させることに
よってＧａＮをエピタキシャル成長させるＧａＮ系化合
物半導体のエピタキシャル成長方法が提供される。

【００１８】本発明の方法によると、基板の上で第１及
び第２の原料ガスに渦流を生起させられ、この渦流によ
って原料ガスの均一な混合が促進されるので、基板の上
にＧａＮを均一にエピタキシャル成長させることができ
る。

【００１９】また、本発明の第１の特徴に従うと、基板
に向かってガスの排気方向と逆方向からガスをカウンタ
フローとして噴出することによって、渦流を効果的に生
起させられるので、基板の上にＧａＮを均一にエピタキ
シャル成長させることができる。

【００２０】さらに、本発明の第２の特徴に従うと、基
板の上方で開口するノズルを通して第１及び第２のガス
のうちの一方がノズルを通して基板の上に導入され、他
方がノズルの外側から導入する場合に、ノズルの開口部
に切欠きを施すことによって簡単に渦流を生起させ、基
板の上にＧａＮを均一にエピタキシャル成長させること
ができ、この第２の特徴は、第１の特徴によるカウンタ
フローを用いた渦流生起方法と併用することによって、
一層効果的に実施することができる。

【００２１】本発明による成長方法では、基板には、砒
化ガリウム（ＧａＡｓ）、燐化ガリウム（ＧａＰ）、砒
化インジウム（ＩｎＡｓ）、燐化インジウム（ＩｎＰ）
および炭化珪素（ＳｉＣ）からなる群から選ばれた材料
から成る化合物半導体基板が用いられ、この基板の上
に、窒化ガリウム（ＧａＮ）がエピタキシャル成長させ
られる。

【００２２】本発明による成長方法では、また、キャリ
アガスとして、比較的軽く混合性能に優れた水素
（Ｈ₂）ガスが用いられ、ＧａＮの均一なエピタキシャ
ル成長をより一層促進することができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明を種々の実施例につ
いて更に詳しく説明するが、以下の開示は、本発明の単
なる実施例に過ぎず、本発明の技術的な範囲を何ら限定
するものではない。

【００２４】

【第１の実施例】図５には、本発明の成長方法の第１の
実施例に用いられるＧａＮ系化合物半導体の成長装置が
示されており、この成長装置は、石英からなる反応チャ
ンバー１内の下部のほぼ中央に基板サセプタ２を内蔵
し、上部には第１乃至第３のガス導入口３〜５を備えて
おり、外観的には、図３の製造装置と類似の構造を呈し
ている。反応チャンバー１内には、基板サセプタ２の周
辺に反応空間１１が形成され、さらに、底部にはガス排
気口６が設けられ、外部にはチャンバー内全体を加熱す
るための抵抗加熱ヒータ１２が設けられている。

【００２５】第１のガス導入口３は、Ｖ族原料としてア
ンモニア（ＮＨ₃ ）ガスを導入するために設けられ、反
応管のほぼ中心軸に沿うノズル７に連通している。この
ノズル３１は、基板サセプタ２の上でラッパ状に開口す
るノズルスカート部３２を有している。

【００２６】第２のガス導入口４は、 III族原料として
トリメチルガリウムＴＭＧａ（trimethylgallium；Ｃ₃
Ｈ₉Ｇａ）ガスを導入するために設けられ、第３のガス
導入口５は、塩化水素（ＨＣｌ）ガスを導入するために
設けられる。両ガス導入口４，５に連通する管路４１
は、反応チャンバー１内の上部に開口している。また、
反応チャンバー１内の中心部をノズル３１が通ってい
る。

【００２７】そして、反応チャンバー１の底部には、反
応空間１１でのガスの混合乃至反応の均一性を向上する
ために、本発明の第１の特徴に沿って、ガス排気口６に
隣接して第４のガス導入口７が設けられる。この第４の
ガス導入口７には、基板サセプタ２に載置される基板２
Ａに向かって、ガスの排気方向と逆方向からガスを噴出
させるために、キャリアガス或いはガス排気口６からの
排気系ガスＥＧを、ガス噴出路７１を介して導入するこ
とができるようになっている。

【００２８】このように構成された装置を使用して行う
成長工程の一例を簡単に説明しよう。先ず、基板サセプ
タ２には、化合物半導体製基板２Ａ、例えば、硫酸（Ｈ
₂ＳＯ₄ ）系の通常のエッチング液で前処理した砒化ガ
リウムＧａＡｓ[(100)面] のような基板２Ａが設置され
る。抵抗加熱ヒータ１２により外部からチャンバー１内
全体を加熱することによって、この基板２Ａは、比較的
低い第１の所定温度、例えば、 400℃〜 600℃に加熱さ
れ、好適には、 470℃に加熱され、この第１の温度状態
に保持される。

【００２９】この温度状態で、第１のガス導入口３から
ノズル３１を通して、水素（Ｈ₂）ガスをキャリアガス
として、Ｖ族原料としてＮＨ₃ ガスが、所定の分圧、例
えば1.6×10^-1atm で反応空間１１に導入される。一
方、第２及び第３のガス導入口４，５からは、同様にＨ
₂ガスをキャリアガスとして、 III属原料としてのＴＭ
Ｇａ及びＨＣｌガスが、それぞれ所定の分圧で、管路４
１を介して導入される。これらの分圧は、ガスの温度に
よる飽和蒸気圧と流量により管理される。混合室４１で
は、ＴＭＧａ及びＨＣｌが互いに反応して塩化ガリウム
（ＧａＣｌ）となって反応空間１１に導入される。ま
た、第４のガス導入口７からは、Ｈ₂キャリアガスが、
比較的大きい流量、例えば、 200sccm（standard cubic
centimeterpar minute）で、カウンタフローＣＦとし
て、ガス噴出路７１を介して反応空間１１に再導入され
る。

【００３０】このような条件の下で、ＧａＡｓ基板２Ａ
の上でＧａＣｌ及びＮＨ₃ を反応させて、所定の時間、
例えば、15分間、窒化ガリウム（ＧａＮ）をエピタキシ
ャル成長を行わせることによって、図２に示されるＧａ
Ｎバッファ層２Ｂが数十ｎｍオーダの所定の厚さで形成
される。

【００３１】次に、このようにしてＧａＮバッファ層２
Ｂを形成した後、ＮＨ₃ ガス、ＴＭＧａ及びＨＣｌの導
入を一旦停止し、ＧａＮからなるバッファ層２Ｂが形成
された基板２Ａの温度を、抵抗加熱ヒーター１３によっ
て比較的高い第２の所定温度、例えば 800℃以上、特に
好適な態様として、この例では 870℃に加熱され、この
第２の温度状態に保持される。

【００３２】このようにして基板２Ａを 870℃にまで昇
温した状態で、再度、ＮＨ₃ 、ＴＭＧａ及びＨＣｌが、
第１乃至第３のガス導入口３〜５から、同様の分圧条件
でＨ₂キャリアガスＩＧによって、導入される。また、
第４のガス導入口７からは、同様に、キャリアガスがが
カウンタフローＣＦとして導入される。これによって、
所定の時間、例えば、60分間、反応空間１１においてＧ
ａＣｌ及びＮＨ₃ を反応させ、ＧａＮバッファ層２Ｂ上
には、ＧａＮをエピタキシャル成長させる。

【００３３】その結果、バッファ層２Ｂ上には、図２に
示されるＧａＮエピタキシャル層２Ｃが、エピタキシャ
ル成長面にムラや不均一性がなく、μｍオーダの所定の
膜厚で形成されていることが確認された。このようにし
て得られた鏡面状の高品質なＧａＮエピタキシャル層２
Ｃは、ＧａＡｓ(100) 基板を使った場合、Ｘ線回折測定
によると、光共振器として使用するための劈開に適した
立方晶構造を有し、ＧａＡｓ(111) Ａ面上に成長した場
合に得られる六方晶のものとは明確に区分することがで
きることが確認された。このような視点から、立方晶構
造はレーザダイオードを製造するのに好適である。

【００３４】この実施例では、本発明の第１の特徴に従
って、ＧａＮをエピタキシャル成長させる際に、カウン
タフローＣＦとして第４のガス導入口７からは、図５の
太い直線状の矢印で示されるように、排気口６からの排
気系ガスＥＧの一部を、図５の太い半円形の矢印で示さ
れるように、基板２Ａに対して逆方向に再導入するよう
にしている。このカウンタフローＣＦは、単に、基板サ
セプタ２２の支持棒にドーパントを付着させないように
するためには、50sccm程度でよいのに比較すると、 200
sccm以上という相当大きい流量とされる。このように、
反応空間１１に向かって、ガスの排気系から排気方向と
は逆方向にカウンタフローＣＦを噴出させることによ
り、反応空間１１では、渦流ＥＦが引き起こされる。そ
して、この渦流ＥＦによって、原料のＧａＣｌガス及び
ＮＨ₃ ガスの混合が促進され、原料系ガスの十分な混合
がもたらされるので、エピタキシャル成長面のムラや不
均一性を大きく改善することができる。

【００３５】この渦流ＥＦは、後述するガス流れ可視化
装置によって確認されたものであるが、次のように考え
られている。つまり、管の上方から下方に向かう原料系
ガスの主たる流れに対して下方側から水素（Ｈ₂）キャ
リアガスによるカウンタフローＣＦを逆噴出することに
よって、反応空間１１において、ガスの還流が生起さ
れ、このガスの還流は、カウンタフローＣＦの僅かな偏
りによって対称性を失い、図示の太線で示されるような
渦流ＥＦを引き起こす。

【００３６】この渦流ＥＦは、特に、図５の成長装置の
ように、原料系ガスの主たる流れが上方から下方に向か
う縦形の反応装置において顕著に現れ、逆噴出ガスと原
料系ガスとの比重差に起因する。従って、原料系ガスに
対して比較的軽い比重のガスを下方から逆噴出すること
によって、渦流ＥＦの発生を促進することができ、原料
系ガスの混合を一層促進することができる。それ故、カ
ウンタフローＣＦのための逆噴出ガスには、Ｈ₂キャリ
アガス単体を用いることができるが、排気系ガスＥＧ
は、未反応原料ガス及び多量のＨ₂キャリアガスを含
み、軽比重であるので、原料の反応向上及び排気系ガス
の有効再利用の点から、排気系ガスＥＧを用いてもよ
い。

【００３７】また、第４のガス導入口７は、ガス噴出口
７１と共に反応管中心軸に関して若干偏在させてもよい
が、反応空間１１での広範且つ十分な原料系ガスの混合
のためには、図５に示されるように、中心軸にほぼ対称
に設けてカウンタフローＣＦに僅小な偏りが自然に生じ
るのを待つようにする方が好ましい。

【００３８】

【第２の実施例】図６には、本発明の成長方法の第２の
実施例において採用されるノズルの要部斜視図（ａ）、
及び、このノズルを用いた渦流生成作用の説明図（ｂ）
が示されている。本発明の第２の特徴に従うと、図６
（ａ）に示されるように、ノズル３１のスカート部３２
に切欠き３３が施され、利用される成長装置の全体的な
構造については、図３，５に示される成長装置と殆ど相
違しない。以下、図５の成長装置においてノズルスカー
ト部３２に切欠き３３を施した場合の第２の実施例を説
明しよう。

【００３９】この第２の実施例では、上述のように、図
５においてノズルスカート部３２に図６（ａ）のような
切欠き３３が施された成長装置が利用され、第４のガス
導入口７は閉じられて使用されない。従って、このよう
な成長装置を利用して行うこの実施例の成長工程は、第
４のガス導入口７からカウンタフローＣＦを逆噴出させ
ないことを除いて、第１の実施例と何ら変わることがな
い。

【００４０】しかしながら、第２の実施例では、図６
（ｂ）に示されるように、ノズルスカート部３２に設け
た切欠き３３の特異な作用によって、反応空間１１には
渦流ＥＦが引き起こされるので、原料系ガスの十分な混
合が効果的に行われる。そして、その結果、図２の基板
２Ａ上のバッファ層２Ｂ上には、ムラや不均一性がない
ＧａＮエピタキシャル層２Ｃが形成されていることが確
認された。

【００４１】この渦流ＥＦも、後述するガス流れ可視化
装置によって確認されたが、次のように考えられてい
る。つまり、ノズル３１の外側を下方に向かうＧａＣｌ
系ガスの流れの一部は、切欠き３３から侵入し、ノズル
３１の内側を下降するＮＨ₃原料系ガスを巻き込んで、
比較的高速で偏心的に下降する（ＨＦ）。一方、ノズル
スカート部３２で拡大されて下方に向かうＮＨ₃系ガス
や、ＧａＣｌ系ガスは、Ｈ₂キャリアガスを含み比重が
比較的小さく、これらの原料系ガスの主たる流れは、こ
の高速下降ガス流ＨＦに対しては比較的低速である。そ
れ故、原料系ガスの一部は、この軽比重及び速度差に起
因して上方向に向かって還流するので、このガスの還流
によって、反応空間１１に渦流ＥＦが引き起される。

【００４２】この実施例では、このように、切欠き３３
から流れ込んだガス流（ＨＦ）が引金となって生成され
る渦流ＥＦによって、原料系ガスの攪拌及び混合が促進
され、従って、均一性に優れたＧａＮエピタキシャル層
を得ることができる。

【００４３】ＭＯＣＶＰＥ法によるＧａＮのエピタキシ
ャル成長のようなシステムにおいては、長時間にわたっ
て原料ガスの混合状態を維持することができず、短時間
で原料ガスで混合し化合物半導体を成長させる操作を実
施しなければならない。しかしながら、第２の実施例に
ついて説明したように、本発明の第２の特徴に従うと、
ノズルスカート部に切欠きを施すという簡単な手段を用
いるだけで、このようなシステムに対して、重要且つ効
果的なガス攪拌機能を提供することができる。

【００４４】なお、本発明の第２の特徴は、図５の成長
装置ではなく、図３においてノズルＮのスカート部部に
図６（ａ）と同様の切欠きを施した成長装置を利用して
実施することもできる。また、第２の実施例では、図５
においてノズルスカート部３２に切欠き３３を施した成
長装置が利用されるが、第４のガス導入口７は使用され
なかった。しかしながら、Ｈ₂キャリアガス或いはガス
排気口６からの排気系ガスＥＧを、50sccm程度の低流量
で、この第４のガス導入口７に導入して、基板サセプタ
２２の支持棒にドーパントを付着させないようにするこ
とができる。

【００４５】

【第３の実施例】第３の実施例では、本発明の第１及び
第２の特徴が併せて実施される。つまり、この実施例で
は、図５においてノズルスカート部３２に図６（ａ）に
示される切欠き３３が施された成長装置が利用され、し
かも、第４のガス導入口７からは、ＧａＮをエピタキシ
ャル成長させる各工程において、Ｈ₂キャリアガス或い
はガス排気口６からの排気系ガスＥＧが、 200sccm程度
の相当大きい流量で、カウンタフローＣＦとして、ガス
噴出口７１を介して反応空間１１に逆噴出させられる。

【００４６】この第３の実施例では、上述のように、図
５においてノズルスカート部３２に切欠き３３が施され
た成長装置が利用され、且つ、第１の実施例と同様のＧ
ａＮエピタキシャル成長工程が適用されてカウンタフロ
ーＣＦが導入され、従って、カウンタフローＣＦ及び切
欠き３３による渦流生成作用が併用される。

【００４７】図７には、このようにカウンタフローＣＦ
及び切欠き３３を併用する場合の渦流生成作用の説明図
が示されている。つまり、この実施例においては、図６
に示されるように、反応空間に大きく定常的な渦流ＥＦ
が確実且つ高速に生成される。従って、より短い時間
で、原料系ガスの攪拌及び混合が一層促進され、従っ
て、より均一性に優れたＧａＮエピタキシャル層を得る
ことができる。

【００４８】

【作用の確認】本発明者らは、実際に、ガス流れ可視化
装置を使用してガスの流れの可視化実験を種々行った結
果、本発明の第１及び第２の特徴に従って、カウンタフ
ローＣＦや切欠き３３による下降ガス流ＨＦによって渦
流が生成することを確認することができた。

【００４９】このガス流れ可視化装置は、石英ガラスの
ような透明な可視管（後記図８の８Ａ）内に模擬基板
（同８Ｂ）及びノズル３１が設置され、ノズル３１の内
側からはアンモニア（ＮＨ₃）ガスがキャリアガスと共
に導入され、ノズル６３の外側からは塩化水素（ＨＣ
ｌ）ガスがキャリアガスと共に導入される。導入された
ＮＨ₃ガス及びＨＣｌガスは、室温下にて、ノズル３１
のラッパ状に拡がったスカート部３２の先で互いに混合
され、次式（１）に示される反応を生起する：ＮＨ₃＋ＨＣｌ → ＮＨ₄Ｃｌ（１）つまり、上式（１）の反応によって、塩化アンモニウム
（ＮＨ₄Ｃｌ）の白い微粒子が生成され、ノズル３１の
下には、ＮＨ₃とＨＣｌの混合ガスの流れを反映する視
認可能な模様となって現れる。従って、ガス流れはこの
模様によって肉眼で確認することができる。

【００５０】このように、ガス流れ可視化装置は、室温
対応であって、熱対流等を加味したより現実的な検出系
を忠実に反映したガスの流れを精確に把握するために、
コンピュータシミュレーションを実施した結果、やは
り、同じような渦流を確認した。

【００５１】ガス流れ可視化装置を使用してガスの流れ
の可視化実験を行った結果確認されたところによると、
本発明の第２実施例によりノズルスカート部３２に切欠
き３３を設けた場合は、例えば、キャリアガスにＨ₂ガ
スを用いると、前述したように、切欠き３３から流れ込
んだＧａＣｌ系ガスが渦流ＥＦを創成して、ＮＨ₃系ガ
スとの混合を促進する。これに対して、切欠き３３がな
い場合には、渦流ＥＦの発生が見られず、従って、各ガ
スの有する相互拡散機能によるだけで混合効果は低いと
考えられる。

【００５２】さて、図８には、これらの可視化実験の一
つにおいて観察されたガス流れの模写例が描かれてお
り、これらの観察例は、渦流ＥＦを生起させるための一
要素としては、キャリアガスの選択も一要素となること
を示している。即ち、図８は、これらの実験のち、特
に、ノズルスカート部３２に切欠き３３を設けた場合に
ついて観察された模写例であり、図８（Ａ）は、比重が
大きくＮＨ₃ガスやＨＣｌガスに対して相互拡散係数が
小さい窒素（Ｎ₂）ガスを、キャリアガスとして用いた
ときの観察例であり、図８（Ｂ）は、比重が小さくＮＨ
₃ガスやＨＣｌガスに対して相互拡散係数が大きい窒素
（Ｈ₂）ガスを、キャリアガスとして用いたときの観察
例であり、斜線部が、塩化アンモニウム（ＮＨ₄Ｃｌ）
の白い微粒子により視認可能に現れる模様を表してい
る。

【００５３】図８（Ａ）に示されるように、キャリアガ
スとしてＮ₂ガスを用いた場合には渦流が生じていな
い。これに対して、Ｈ₂キャリアガスを用いた場合に
は、図８（Ｂ）に示されるように、原料系ガスＮＨ₃，
ＨＣｌに渦流が生じ、しかも、両原料系ガス間で広範且
つ均一な混合が行われている。これは、Ｈ₂キャリアガ
スを用いた場合（Ｂ）には、ＮＨ₃，ＨＣｌ及びＨ₂ガ
スの間で相互拡散が十分に行われる上に、軽比重のＨ₂
ガスが含まれることにより上方に向かう流れが促進され
て、渦流ＥＦを生起するからである。つまり、ガスの流
れを決定する要因として、ガスの比重及び相互拡散係数
も、十分に考慮されなけれならない。

【００５４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
原料ガスに渦流を生起させることにより原料ガスの混合
を促進するので、均一性に優れたＧａＮ系化合物半導体
を化合物半導体基板上にエピタキシャル成長させること
ができる。そして、この渦流は、排気と逆方向から噴出
される水素（Ｈ₂）含有ガスのカウンタフロー乃至ノズ
ル開口部の切欠きによる下降ガス流が引金になって、容
易且つ確実に生起することができ、また、ＧａＮの成長
速度を速めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】青色および緑色の発光素子の一例の構造を示す
断面図である。

【図２】本発明による成長方法によって得られる化合物
半導体エピタキシャルウェハの構造例を示す断面図であ
る。

【図３】従来技術における成長装置の概略構成を示す図
である。

【図４】従来技術による成長方法における原料ガスの混
合の様子を説明するための図である。

【図５】本発明の一実施例による方法を実施するのに使
用される成長装置を概略的に示す図である。

【図６】本発明の別の実施例による方法で採用されるノ
ズルの要部斜視図である。

【図７】本発明の他の実施例による方法の定常的渦流発
生効果を説明するための図である。

【図８】窒素キャリアガス及び水素キャリアガスの使用
よるガス流の相違を、ガス可視化装置により説明するた
めの図である。

【符号の説明】

２Ａ：ＧａＡｓ基板、２Ｂ：ＧａＮバッファ層、２Ｃ：ＧａＮエピタキシャル層、１：反応チャンバー、２：基板サセプタ、３：第１のガス導入口、３１：スカート部３２に切欠き３３を有するノズル、４，５：第２及び第３のガス導入口、６：ガス排出口。７：カウンタフローＣＦを逆噴出するための第４のガス
導入口。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ガリウム（Ｇａ）を含む第１のガス及び窒
素（Ｎ）を含む第２のガスを化合物半導体基板の上に導
入して該基板上に窒化ガリウム（ＧａＮ）をエピタキシ
ャル成長させるＧａＮ系化合物半導体のエピタキシャル
成長方法において、前記基板の上で第１及び第２のガス
に渦流を生起させることによってＧａＮをエピタキシャ
ル成長させることを特徴とするＧａＮ系化合物半導体の
エピタキシャル成長方法。
【請求項２】前記基板に向かってガスの排気方向と逆方
向からガスを噴出することにより、前記基板の上の第１
及び第２のガスに渦流を生起させることを特徴とする請
求項１に記載のＧａＮ系化合物半導体のエピタキシャル
成長方法。
【請求項３】前記逆方向から噴出するガスは水素
（Ｈ₂）ガスを含むことを特徴とする請求項２に記載の
ＧａＮ系化合物半導体のエピタキシャル成長方法。
【請求項４】前記基板の上方で開口するノズルを通して
第１及び第２のガスのうちの一方を前記基板の上に導入
し、このノズルの外側から第１及び第２のガスのうちの
一方を前記基板の上に導入し、且つ、該ノズルの開口部
に切欠きを施すことによって、前記基板の上の第１及び
第２のガスに渦流を生起させることを特徴とする請求項
１又は２に記載のＧａＮ系化合物半導体のエピタキシャ
ル成長方法。
【請求項５】砒化ガリウム（ＧａＡｓ）、燐化ガリウム
（ＧａＰ）、砒化インジウム（ＩｎＡｓ）、燐化インジ
ウム（ＩｎＰ）および炭化珪素（ＳｉＣ）からなる群か
ら選ばれた材料から成る基板の上に、窒化ガリウム（Ｇ
ａＮ）をエピタキシャル成長させることを特徴とする請
求項１〜４の何れか一項に記載のＧａＮ系化合物半導体
のエピタキシャル成長方法。
【請求項６】キャリアガスに水素（Ｈ₂）ガスを用いる
ことを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載のＧ
ａＮ系化合物半導体のエピタキシャル成長方法。