JPH09102461A

JPH09102461A - 気相成長装置

Info

Publication number: JPH09102461A
Application number: JP25800995A
Authority: JP
Inventors: Shinya Ishida; 真也石田
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1995-10-04
Filing date: 1995-10-04
Publication date: 1997-04-15
Anticipated expiration: 2015-10-04
Also published as: JP3485285B2

Abstract

(57)【要約】【課題】膜厚及び混晶比が均一な大面積のIII族−窒
素化合物半導体薄膜を形成することができる気相成長装
置を得る。【解決手段】原料ガスの吹き出し口を、基板表面を含
む平面から高さ方向に向かって、第１の有機金属化合物
ガスの吹き出し口６ａ，水素化物化合物ガスの吹き出し
口５ａ，第２の有機金属化合物ガスの吹き出し口２６
ａ，バリアガスの吹き出し口７ａの順で配置した。

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に関
し、特に、III族−窒素化合物半導体の気相成長装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、青色発光デバイスについて、その
構成材料としてII−VI族、ＳｉＣ、窒化ガリウム系化合
物半導体を用いたものの研究が進められている。このよ
うな構成材料の中でも窒化ガリウム系化合物半導体は、
最近、室温で優れた発光特性を示すことが発表されてお
り、これを用いた青色ＬＥＤも開発され、さらに青色レ
ーザの開発も進められている。

【０００３】ところで、現在の窒化ガリウム系化合物半
導体の成長方法は、ＭＯＣＶＤ、ＭＢＥなどの気相成長
方法が主流であるが、窒化ガリウム系化合物半導体は構
成元素の窒素の平衡蒸気圧が極めて高いため、超高真空
中での成長では窒素の空孔が生じやすい。よって現時点
ではＭＢＥよりもＭＯＣＶＤ成長の方が比較的容易に高
品質の結晶が得られるとして、研究開発が盛んに行われ
ている。

【０００４】例えば、特開昭６０−２０７３３２号公報
には、青色発光素子の構成材料としての窒化ガリウム結
晶を成長する結晶成長方法が開示されている。

【０００５】この公報に開示の方法では、ＧａＮ結晶の
成長を第１段階と第２段階に分けて行うようにしてい
る。つまり、第１段階ではＧａＮ結晶の成長を成膜界面
の応力の小さいＭＯＣＶＤ法により行い、第２段階では
ＧａＮ結晶の成長を、良質の結晶性が得られるＣＶＤ法
により行うようにしている。上記ＭＯＣＶＤ法による第
１段階では、サセプタ上に載置された基板に対して、基
板表面と垂直方向に成膜ガスを流す縦型反応炉を用い、
またＣＶＤ法による第２段階では、該基板に対して、そ
の表面に平行な方向に成膜ガスを流す横型反応炉を用い
ている。上記各反応炉では、III族有機金属と窒素の水
素化化合物原料とが別々のガス導入経路から供給される
ようになっており、特に上記縦型反応炉では、III族有
機金属ガスの吹き出し口と窒素の水素化化合物のガス原
料の吹き出し口を独立して設けている。

【０００６】また、特開平４−２３８８９０号公報に
は、III族−窒素化合物半導体のＭＯＣＶＤ成長方法と
して、III族有機金属ガスと窒素の水素化化合物のガス
とについてそれぞれのガス導入経路を有し、反応管の直
前で該両ガス導入経路を合流させた気相成長装置を用
い、上記両成膜ガスを交互に反応室に供給するようにし
たものが開示されている。

【０００７】このように上記各公報開示のIII族−窒素
化合物半導体のＭＯＣＶＤ成長では、III族有機金属と
窒素の水素化化合物の気相反応を避けるため、III族有
機金属と窒素の水素化化合物原料とを分離して供給する
方法がとられている。

【０００８】ところが、上記両公報開示の方法では、ど
ちらもＭＯＣＶＤ成長装置として縦型炉を用いているた
め、原料ガス及びキャリアガスの流れる方向が基板表面
に垂直であり、ガスが基板にぶつかることによるガス流
の乱れに起因して、大面積の均質な膜を得ることができ
ないという問題がある。

【０００９】そこで、このような縦型反応炉における問
題を解決したものとして、成膜ガスを反応室内で、基板
の表面にほぼ平行な方向に流すように構成した横型反応
炉を有するＭＯＣＶＤ装置がすでに開発されている。

【００１０】図４は、従来の横型反応炉を有するＭＯＣ
ＶＤ装置を説明するための図であり、図４（ａ）はその
構造を模式的に示す図である。図において、２０１はＭ
ＯＣＶＤ装置で、原料ガスを基板表面にほぼ平行な方向
に流すように構成した石英反応管１を有している。該反
応管１は、その長手方向に平行な周壁が２重構造となっ
ており、該反応管１を冷却水により冷却できるようにな
っている。また該反応管１の周囲には、高周波誘導加熱
コイル２が取り付けられており、該反応管１の内部に
は、高周波誘導加熱コイル２に対応させて、基板４を載
置するためのカーボンサセプタ３が設けられている。

【００１１】また、該反応管１のガス導入側端の開口
部、及びガス排出側端の開口部は、それぞれフランジ８
ａ，８ｂにより塞がれており、該ガス導入側端フランジ
８ａには、３つのガス導入管５，６，７が該フランジ８
ａを貫通させて取り付けられており、各ガス導入管５，
６，７のガス吹き出し口５ａ，６ａ，７ａは、上記サセ
プタ４上に載置された基板の近傍にて、この順に基板表
面から鉛直方向に遠ざかるよう位置している。ここで該
基板４の幅Ｗは５０ｍｍであり、各ガス導入管の吹き出
し口から基板までの、反応管長手方向における距離Ｄは
３０ｍｍとなっている。

【００１２】ここでは、上記ガス導入管５からは窒素の
水素化合物が、ガス導入管６からは有機金属ガスが、ガ
ス導入管７からは水素と窒素の混合ガスが供給されるよ
うになっている。

【００１３】また、上記反応管１周壁のガス排出側端近
傍には、ガス排出用開口９が形成されている。

【００１４】このような構成のＭＯＣＶＤ装置２０１で
は、各ガス導入管から供給された成膜用ガスは、サセプ
タ３上に載置された基板１の表面に沿って流れることと
なり、このため基板表面との衝突によるガス流の乱れは
ほとんどない。

【００１５】図４（ｂ）は、上記横型反応管を有するＭ
ＯＣＶＤ装置２０１によりＧａＮ膜を基板上に成長した
場合の、基板上の各部分での成膜速度（μｍ／ｈ）をグ
ラフで示しており、縦軸に成膜速度、横軸に、基板表面
上での上記ガス導入管の吹き出し口側端からの距離をと
っている。この図４（ｂ）から、ＧａＮ膜は、基板の吹
き出し口直下部分ではほとんど成長せず、また成長に寄
与するIII族有機金属の量が少なく、原料の収率が悪く
なっていることが分かる。

【００１６】また、図５は、横型反応管を有するＭＯＣ
ＶＤ装置の他の構成例を説明するための図であり、図５
（ａ）はその断面構造を模式的に示している。図におい
て、２０２は原料ガスを基板の表面にほぼ平行な方向に
流すように構成した石英反応管１を有するＭＯＣＶＤ装
置であり、この装置は、上記図４に示すＭＯＣＶＤ装置
２０１における、水素化物化合物ガスを供給するガス導
入管５と、有機金属化合物ガスを供給するガス導入管６
との上下の配置関係を逆にしたものである。つまりこの
ＭＯＣＶＤ装置２０２の反応管１では、窒素の水素化合
物を導入するためのガス導入管５は、有機金属を導入す
るためのガス導入管６の上側に位置しており、そのガス
吹き出し口５ａ及び６ａの上下関係も、上記ＭＯＣＶＤ
装置２０１とは逆になっている。

【００１７】図５（ｂ）は、図４（ｂ）と同一の座標に
より、上記ＭＯＣＶＤ装置２０２によりＧａＮ膜を基板
上に成長した場合の、基板上の各部分での成膜速度（μ
ｍ／ｈ）をグラフで示しており、この図から、ＧａＮの
成長は、基板の吹き出し口直下部分に集中していること
が分かる。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】以上説明したように従
来の技術では以下のような問題がある。

【００１９】すなわち、上記公報に開示の方法では、ど
ちらもＭＯＣＶＤ成長装置として縦型炉を用いているた
め、原料ガス及びキャリアガスの流れる方向が基板表面
に垂直であり、ガスが基板にぶつかることによるガス流
の乱れに起因して、大面積の均質な膜を得ることができ
ないという問題がある。

【００２０】また、III族有機金属の窒素の水素化化合
物に対する拡散定数は、III族有機金属の水素に対する
拡散定数よりも極端に小さい。またIII族−窒素化合物
半導体のＭＯＣＶＤ成長では通常のＧａＡｓ系のＭＯＣ
ＶＤ成長に比べＶ／III比が１０倍以上と大きく、III族
有機金属と窒素の水素化化合物の混ざりが悪さがIII族
−窒素化合物半導体の結晶性，組成および均一性に大き
く影響する。

【００２１】このため、横型反応管を有するＭＯＣＶＤ
装置においても、単にIII族有機金属ガスの吹き出し口
と窒素の水素化化合物ガスの吹き出し口とを別々に設け
た構成では均一な膜厚で成膜できないという問題があ
る。

【００２２】つまり、図４（ａ）に示すように、窒素の
水素化化合物ガスの吹き出し口５ａを基板に近くなるよ
うサセプタ表面上の低い位置に設置し、III族有機金属
ガスの吹き出し口６ａを基板から遠くなるようサセプタ
表面上の高い位置に設置すると、図４（ｂ）に示すよう
に、ＧａＮは吹き出し口直下ではほとんど成長せず、ま
た成長に寄与するIII族有機金属の量が少なく、原料の
収率が悪くなってしまう。

【００２３】一方、図５（ａ）に示すように、III族有
機金属ガスの吹き出し口６ａを基板に近くなるようサセ
プタ表面上の低い位置に設置し、窒素の水素化化合物ガ
スの吹き出し口５ａを基板から遠くなるようサセプタ表
面上の高い位置に設置すると、ＧａＮの成長は図５
（ｂ）に示すように、基板の吹き出し口直下部分に集中
することとなる。

【００２４】従って、縦型反応管を有するＭＯＣＶＤ装
置、あるいは横型反応管を有するＭＯＣＶＤ装置のいず
れの成長装置を用いても、膜厚が均一な大面積のＧａＮ
膜を得ることは極めて困難であるという問題がある。

【００２５】なお、ＭＯＣＶＤ装置では、基板を載置す
るサセプタを回転可能な構成とし、成膜時に基板を回転
させて、膜厚や組成の均一化を図るようにしているが、
ＧａＮ膜の成長は、III族有機金属ガスと窒素の水素化
化合物原料ガスとを別々のガス吹き出し口から吹き出す
ようにしている、またＧａＮ膜の成長が１０００℃以上
と高温で行われるなどの点から、膜厚のばらつきがＧａ
Ａｓ系に比べ極端に大きく、回転だけでは均一な膜厚の
大面積のＧａＮ膜を得ることがかなり難しいという問題
がある。

【００２６】本発明は上記のような問題点を解決するた
めになされたもので、膜厚及び混晶比が均一な大面積の
III族−窒素化合物半導体薄膜を形成することができる
気相成長装置を得ることを目的とする。

【００２７】

【課題を解決するための手段】そこで、本件発明者は、
原料としてIII族有機金属化合物及び窒素の水素化化合
物を用いた気相成長法により、従来よりも大面積の均一
な膜厚のIII族−窒素化合物半導体結晶を得るべく、各I
II族有機金属化合物の窒素の水素化化合物に対する拡散
定数を測定し、その定数に基づいて種々の反応炉形状、
ガスの吹き出し口位置及び流量について、化学反応を考
慮した流れのシミュレーションを行い最適値を導出し、
実際に結晶成長を行い、条件の最適値を決定し、以下の
発明を完成した。

【００２８】この発明（請求項１）に係る気相成長装置
は、基板を載置する載置部が内部に設けられている反応
室を有し、該反応室内に導入された有機金属化合物ガス
と水素化物化合物ガスとから、該載置部上に載置された
基板の表面に化合物半導体膜を気相成長する装置であ
る。該反応室は、該反応室内部にそれぞれ独立して設け
られた、原料ガスとして該有機金属化合物ガスを吹き出
す２つ以上の第１の吹き出し口と、該反応室内部に該個
々の第１の吹き出し口と独立して設けられた、原料ガス
として該水素化物化合物ガスを吹き出す１つあるいは複
数の第２の吹き出し口とを有し、該各吹き出し口から吹
き出された原料ガスが、該載置部上の基板の表面とほぼ
平行に流れる構成となっている。また、該反応室内部に
設けられている第１及び第２の吹き出し口の数は、６個
以下となっている。そのことにより上記目的が達成され
る。

【００２９】この発明（請求項２）は、請求項１記載の
気相成長装置において、前記反応室を、前記第１及び第
２の吹き出し口のうちの、前記載置部の基板載置面を含
む平面から最も離れた吹き出し口の上側に設けられ、窒
素ガスもしくは水素ガス、または窒素ガスと水素ガスの
混合ガスを吹き出す吹き出し口を有する構成としたもの
である。

【００３０】この発明（請求項３）は、請求項１記載の
気相成長装置において、前記有機金属化合物ガスとして
III族元素の有機金属化合物を前記反応室内に供給する
ようにしたものである。

【００３１】この発明（請求項４）は請求項１記載の気
相成長装置において、前記水素化物化合物ガスとして窒
素の水素化化合物を前記反応室内に供給するようにした
ものである。

【００３２】以下、本発明の作用について説明する。

【００３３】この発明（請求項１）においては、有機金
属化合物ガスの吹き出し口と、窒素の水素化物化合物ガ
スの吹き出し口とを独立して設けているため、有機金属
化合物ガスと水素化物化合物ガスとの気相反応を回避す
ることができる。

【００３４】また、反応室を、該各吹き出し口から吹き
出された原料ガスが、基板載置部上に載置された基板の
表面とほぼ平行に流れるよう構成しているため、原料ガ
ス及びキャリアガスが基板にぶつかることによるガス流
の乱れが生ずるのを防止することができる。

【００３５】さらに、反応室内に、有機金属化合物ガス
の吹き出し口を独立して２個以上設けているため、基板
表面に到達する有機金属化合物ガスが分散されることと
なり、基板表面での成膜がより均一に行われることとな
る。従って、原料の濃度、流速を最適化することで大面
積の均一な膜厚のIII族−窒素化合物半導体結晶を得る
ことができる。

【００３６】この発明（請求項２）においては、前記反
応室を、前記第１及び第２の吹き出し口のうちの、前記
載置部の基板載置面を含む平面から最も離れた吹き出し
口の上側に設けられ、窒素ガスもしくは水素ガス、また
はこれらの混合ガスをバリアガスとして吹き出す吹き出
し口を有する構成としたので、該バリアガスにより、反
応室内の上部が汚れるのを防止できる。

【００３７】この発明（請求項３）においては、前記有
機金属化合物ガスとしてIII族元素の有機金属化合物を
反応室内に供給することにより、III族元素を含む化合
物半導体を基板上に成長させることができる。

【００３８】この発明（請求項４）においては、前記水
素化物化合物ガスとして窒素の水素化化合物を反応室内
に供給することにより、窒素を含む化合物半導体を基板
上に成長させることができる。

【００３９】

【発明の実施の形態】

（実施の形態１）図１は本発明の実施の形態１によるII
I族−窒素化合物半導体結晶の気相成長装置を概念的に
示す図である。図において、図５（ａ）と同一符号は従
来の気相成長装置２０２と同一のものを示し、１００
は、反応管１内に導入されたIII族元素の有機金属化合
物ガスと窒素の水素化物化合物ガスとから、該載置部３
上に載置された基板４の表面にIII族−窒素化合物半導
体膜を気相成長する気相成長装置である。

【００４０】この実施の形態１の気相成長装置１００に
は、図５（ａ）に示す従来の気相成長装置２０２の構成
に加えて、上記有機金属化合物ガス（以下第１の有機金
属化合物ガスという。）を導入するガス導入管（以下、
第１のＭＯガス導入管という。）６とは独立した、第２
の有機金属化合物ガスを導入する第２のＭＯガス導入管
２６が設けられており、そのガス噴出口２６ａは、窒素
の水素化化合物ガスを導入するためのガス導入管５の吹
き出し口５ａと、水素と窒素の混合ガスを導入するため
のガス導入管７の吹き出し口７ａとの間の高さ位置に配
置されている。つまり、この気相成長装置１００では、
各原料ガスの吹き出し口は、基板から高さ方向に向かっ
て、第１の有機金属化合物ガスの吹き出し口６ａ、アン
モニアガスの吹き出し口５ａ、第２の有機金属化合物ガ
スの吹き出し口２６ａの順に配列されている。そしてさ
らに、上記吹き出し口２６ａの上側に、成長中の反応管
内面上部の汚れを防止するためのバリアガス（水素と窒
素の混合物）の吹き出し口７ａが配置されている。ここ
で、上記各吹き出し口は基板の端より水平方向（紙面左
右方向）に３０ｍｍ離れており、最も基板に近い吹き出
し口６ａと基板とは垂直方向（紙面上下方向）に４ｍｍ
離れて設置されており、各吹き出し口は、相互に４ｍｍ
づつ垂直方向に離れて位置している。なお、上記バリア
ガスとしては、窒素ガスと水素ガスの混合ガスに代え
て、水素ガスあるいは窒素ガスを単独で用いてもよい。

【００４１】次に上記気相成長装置１００によりＧａＮ
膜を成長する方法について説明する。

【００４２】まず、有機金属化合物ガスとしてトリメチ
ルガリウム（以下ＴＭＧと記す）を用い、サファイア
（０００１面）２ｉｎｃｈ基板上に基板温度５５０℃で
ＧａＮバッファ層を３０ｍｍ成長させ、ひき続き、基板
温度を１１００℃に上昇させ、ＧａＮ膜を４μｍ成長さ
せた。

【００４３】ここでは、上記ＧａＮの成長は常圧で行
い、吹き出し口６ａから吹き出される第１の有機金属化
合物ガスの供給量は、Ｈ２ガスをキャリアガスとして１
６μｍｏｌ／ｍｉｎ．とし、その流速は３．５ｍ／ｓｅ
ｃとした。また吹き出し口２６ａから吹き出される第２
の有機金属化合物ガスの供給量は、Ｈ２ガスをキャリア
ガスとして４０μｍｏｌ／ｍｉｎ．とし、その流速は
３．５ｍ／ｓｅｃとした。またアンモニアガスとして
は、供給量の比率（Ｈ２：ＮＨ３＝０．６５：０．３
５）の混合ガスを用い、流速は２．３ｍ／ｓｅｃとし
た。また基板回転は行わずに上記成長を行った。

【００４４】得られたＧａＮ膜についてＸ線回折測定を
行ったところロッキングカーブの半値幅（Δω：Ｘ線の
振れ幅）は約５ｍｉｎ．と小さく、良好な結晶性の膜が
得られたことが判明した。ロッキングカーブの半値幅は
膜の全域にわたって約５ｍｉｎ．であった。またフォト
ルミネセンス測定（以下、ＰＬ測定と略記する。）にお
いても室温で強いバンド端発光が得られ、ＰＬ測定でも
良好なＧａＮ膜が得られていることを確認した。

【００４５】最後に上記ＧａＮ膜を成長した基板を切断
し、断面ＳＥＭにより得られたＧａＮ膜の膜厚分布を測
定した結果を図１（ｂ）に示す。

【００４６】ここで、位置０ｍｍは基板の最も上流側の
位置を示し、流れに垂直な方向（水平面内）については
基板の中心を基準位置（０ｍｍ）とし、測定は該基準位
置で行った。図１（ｃ）は流れに垂直な方向のＧａＮ膜
厚分布を示している。

【００４７】これらの結果から本成長装置により厚さ４
μｍ（成膜時間４時間）に成長したＧａＮ膜は、２ｉｎ
ｃｈ基板上で膜厚分布が±２％以内に納まっており、非
常に均一なＧａＮ膜であることがわかる。

【００４８】このように本実施の形態１では、原料ガス
の吹き出し口を、基板から高さ方向に向かって、第１の
有機金属化合物ガスの吹き出し口６ａ，水素化物化合物
ガスの吹き出し口５ａ，第２の有機金属化合物ガスの吹
き出し口２６ａ，バリアガスの吹き出し口７ａの順で配
置したので、従来の気相成長装置２０１のように窒素の
水素化化合物原料の吹き出し口５ａを基板に近い高さ位
置に、III族有機金属ガスの吹き出し口６ａを基板から
遠い高さ位置に配置した場合に得られる基板上でのＧａ
Ｎ膜の膜厚分布と、気相成長装置２０２のように上記窒
素の水素化化合物ガスの吹き出し口とIII族有機金属の
吹き出し口の高さ位置を気相成長装置２０１のものと逆
転した場合に得られる上記ＧａＮの膜厚分布とが重合わ
された膜厚分布が得られる。

【００４９】これにより原料の濃度、流速を最適化する
ことで大面積の均一な膜厚のIII族−窒素化合物半導体
結晶を得ることができる。

【００５０】さらに有機金属化合物ガスの吹き出し口６
ａ，２６ａと、窒素の水素化物化合物ガスの吹き出し口
５ａとを独立して設けているため、有機金属化合物ガス
と水素化物化合物ガスとの気相反応を回避することがで
きる。

【００５１】また、反応室を、該各吹き出し口から吹き
出された原料ガスが、基板載置部上に載置された基板の
表面とほぼ平行に流れるよう構成しているため、原料ガ
ス及びキャリアガスが基板にぶつかることによるガス流
の乱れが生ずるのを防止することができる。

【００５２】また、上記原料ガスの吹き出し口の最も上
側のもの２６ａのさらに上側に、バリアガスを吹き出す
吹き出し口７ａを設けているので、反応室内の上部が汚
れるのを防止できる。

【００５３】（実施の形態２）次に本発明の実施の形態
２について説明する。

【００５４】この実施の形態２では、図１に示す気相成
長装置１００により、有機金属化合物ガスとしてＴＭＧ
とトリメチルアルミニウム（以下ＴＭＡと記す）を用い
て、化合物半導体の成長を行った。

【００５５】すなわち、有機金属化合物ガスとしてＴＭ
Ｇを用いて、サファイア（０００１面）２ｉｎｃｈ基板
上に、基板温度５５０℃でＧａＮバッファ層を３０ｎｍ
成長させ、ひき続き、基板温度を１１００℃に上昇さ
せ、ＧａＮ膜を２μｍ成長させた。なおここまでの成長
では、有機金属化合物ガスとしては、ＴＭＧのみを用い
る。

【００５６】その後、有機金属化合物ガスとして、ＴＭ
ＧにＴＭＡを追加してＡｌＧａＮ膜を２μｍ成長した。

【００５７】ここでの化合物半導体の成長は常圧で行
い、吹き出し口６ａから吹き出される第１の有機金属化
合物ガスの供給量は、Ｈ２ガスをキャリアガスとし、Ｔ
ＭＧについては１６μｍｏｌ／ｍｉｎ．、ＴＭＡについ
ては２．８μｍｏｌ／ｍｉｎ．とした。つまりＴＭＧに
ＴＭＡを追加した場合のこれらのガスの供給量の比率
は、ＴＭＧ：ＴＭＡ＝０．８５：０．１５である。ま
た、吹き出し口６ａから反応管に供給されるガスの流速
は、ＴＭＧ単独の場合及びＴＭＧにＴＭＡを追加した場
合のいずれも２．３ｍ／ｓｅｃとした。

【００５８】また、吹き出し口２６ａから吹き出される
第２の有機金属化合物ガスの供給量は、Ｈ２ガスをキャ
リアとし、ＴＭＧについては４０μｍｏｌ／ｍｉｎ．、
ＴＭＡについては７μｍｏｌ／ｍｉｎ．とした。つまり
ＴＭＧにＴＭＡを追加した場合のこれらのガスの供給量
の比率はＴＭＧ：ＴＭＡ＝０．８５：０．１５である。
また上記吹き出し口２６ａから反応管に供給されるガス
の流速は、ＴＭＧ単独の場合及びＴＭＧにＴＭＡを追加
した場合のいずれも３．５ｍ／ｓｅｃした。

【００５９】また、ＮＨ３ガスとしては、供給量の比率
がＨ２：ＮＨ３＝０．６５：０．３５である混合ガスを
用い、流速は２．３ｍ／ｓｅｃとした。またここでは、
基板回転を行わずに化合物半導体の成長を行った。

【００６０】得られたＧａＮ膜についてＸ線回折測定を
行ったところロッキングカーブの半値幅（Δω）は約７
ｍｉｎ．と小さく、良好な結晶性の膜が得られたことが
判明した。ロッキングカーブの半値幅は膜の全域にわた
って約７ｍｉｎ．であった。またＸ線回折測定により得
られた格子定数よりＡｌＧａＮ膜のＡｌ濃度を求めたと
ころ、得られた膜は投入した原料の濃度比と同様のＡｌ
_0.15Ｇａ_0.85Ｎ膜であることが判明した。また断面ＳＥ
Ｍにより膜厚分布を求めたところＡｌＧａＮ膜は２イン
チ基板上で膜厚分布が±２％以内に納まっており、非常
に均一なＡｌＧａＮ膜が得られた。

【００６１】（実施の形態３）この実施の形態３では、
図１に示す気相成長装置１００により、有機金属化合物
ガスとしてＴＭＧとトリメチルインジウム（以下ＴＭＩ
と記す）を用いて、化合物半導体の成長を行った。

【００６２】すなわち、有機金属化合物ガスとしてＴＭ
Ｇを用い、サファイア（０００１面）２ｉｎｃｈ基板上
に、基板温度５５０℃でＧａＮバッファを３０ｎｍ成長
させ、ひき続き、基板温度を１１００℃に上昇させ、Ｇ
ａＮ膜を２μｍ成長させた。なお、ここまでの成長で
は、有機金属化合物ガスとしてＴＭＧのみを用いる。

【００６３】その後、基板温度を８００℃に下げ、ＴＭ
ＧにＴＭＩを追加してＩｎＧａＮ膜を５ｎｍ成長した。

【００６４】ここでの化合物半導体の成長は常圧で行
い、吹き出し口６ａから吹き出される第１の有機金属化
合物ガスの供給量は、Ｈ２ガスをキャリアガスとし、Ｔ
ＭＧについては０．７μｍｏｌ／ｍｉｎ．、ＴＭＩにつ
いては１４μｍｏｌ／ｍｉｎ．とした。また吹き出し口
６ａから反応管に供給されるガスの流速は、ＴＭＧ単独
の場合及びＴＭＧにＴＭＩを追加した場合のいずれも
１．５ｍ／ｓｅｃとした。また吹き出し口２６ａから吹
き出される第２の有機金属化合物ガスの供給量は、Ｈ２
ガスをキャリアガスとし、ＴＭＧについては２μｍｏｌ
／ｍｉｎ．、ＴＭＩについては４０μｍｏｌ／ｍｉｎと
した。該吹き出し口２６ａから反応管に供給されるガス
の流速は、ＴＭＧ単独の場合及びＴＭＧにＴＭＩを追加
した場合のいずれも２ｍ／ｓｅｃとした。

【００６５】また、ＮＨ３ガスとしては、供給量の比率
がＨ２：ＮＨ３＝０．６５：０．３５である混合ガスを
用い、流速は２．３ｍ／ｓｅｃとした。またここでは、
基板回転は行わずに上記各化合物半導体層の成長を行っ
た。

【００６６】得られた膜についてＰＬ測定を行ったとこ
ろ、３８０ｎｍ付近にシャープな発光が観測された。こ
れよりＩｎＧａＮ膜のＩｎの濃度を求めたところ０．０
６であることが判明した。また断面ＳＥＭにより膜厚分
布を求めたところ、ＧａＮ膜とＩｎＧａＮ膜との全体の
膜厚は、２ｉｎｃｈ基板上で膜厚分布が±５％以内に納
まっており、非常に均一なＩｎＧａＮ膜が得られた。

【００６７】（実施の形態４）図２は本発明の実施の形
態４によるIII族−窒素化合物半導体結晶の気相成長装
置を概念的に示す図である。図において、図１（ａ）と
同一符号は実施の形態１の気相成長装置１００と同一の
ものを示し、１０１は、反応管１内に導入されたIII族
元素の有機金属化合物ガスと窒素の水素化物化合物ガス
とから、該載置部３上に載置された基板４の表面にIII
族−窒素化合物半導体膜を気相成長する気相成長装置で
ある。

【００６８】この実施の形態４の気相成長装置１０１に
は、図１（ａ）に示す実施の形態１の気相成長装置１０
０の構成に加えて、上記アンモニアガス（以下第１のア
ンモニアガスという。）を導入するガス導入管（以下、
第１のＮＨ₃ガス導入管という。）５とは独立した、第
２のアンモニアガスを導入する第２のＮＨ₃ガス導入管
２５が設けられており、そのガス噴出口２５ａは、第２
のＭＯガス導入管２６の吹き出し口２６ａと、水素と窒
素の混合ガスを導入するためのガス導入管７の吹き出し
口７ａとの間の高さ位置に配置されている。

【００６９】次に上記気相成長装置１０１によりＧａＮ
膜を成長する方法について説明する。

【００７０】まず、有機金属化合物ガスとしてＴＭＧを
用い、サファイア（０００１面）２ｉｎｃｈ基板上に基
板温度５５０℃でＧａＮバッファを３０ｎｍ成長させ、
ひき続き基板温度を１１００℃に上昇させ、ＧａＮ膜を
４μｍ成長させた。

【００７１】ここでは、上記ＧａＮの成長は常圧で行
い、吹き出し口６ａから吹き出される第１の有機金属化
合物ガスの供給量は、Ｈ２ガスをキャリアガスとして１
６μｍｏｌ／ｍｉｎ．とし、流速は２．３ｍ／ｓｅｃと
した。また吹き出し口２６ａから吹き出される第２の有
機金属化合物ガスの供給量は、Ｈ₂ガスをキャリアガス
として４０μｍｏｌ／ｍｉｎ．とし、その流速は３．５
ｍ／ｓｅｃとした。

【００７２】また第１のアンモニアガスとしては、供給
量の比率がＨ２：ＮＨ３＝０．６５：０．３５である混
合ガスを用い、流速は２．３ｍ／ｓｅｃとした。また第
２のアンモニアガスとしては、供給量の比率がＨ２：Ｎ
Ｈ３＝０．６５：０．３５である混合ガスを用い、流速
は３．５ｍ／ｓｅｃとした。また基板回転は行わずに上
記成長を行った。

【００７３】得られたＧａＮ膜についてＸ線回折測定を
行ったところロッキングカーブの半値幅は膜の全域にわ
たって約５ｍｉｎ．であった。またフォトルミネセンス
（以下ＰＬと記す。）測定においても室温で強いバンド
端発光が得られ、ＰＬ測定でも良好なＧａＮ膜が得られ
ていることを確認した。最後に得られた膜（基板）を切
断し断面ＳＥＭで観察したところ、４μｍ成長したＧａ
Ｎ膜は２ｉｎｃｈ基板上で膜厚分布が±２％以内に納ま
っており、非常に均一なＧａＮ膜が得られていることが
分かった。

【００７４】この実施の形態４では、上記実施の形態１
の効果に加えて、独立した２つのアンモニアガスの吹き
出し口を設けているため、基板表面上でのアンモニアガ
スの分布をより均一なものとできる効果がある。

【００７５】（実施の形態５）図３は本発明の実施の形
態５によるIII族−窒素化合物半導体結晶の気相成長装
置を概念的に示す図である。図において、図２と同一符
号は実施の形態４の気相成長装置１０１と同一のものを
示し、１０２は、反応管１内に導入されたIII族元素の
有機金属化合物ガスと窒素の水素化物化合物ガスとか
ら、該載置部３上に載置された基板４の表面にIII族−
窒素化合物半導体膜を気相成長する気相成長装置であ
る。

【００７６】この実施の形態５の気相成長装置１０２に
は、図２に示す実施の形態４の気相成長装置１０１の構
成に加えて、上記第１及び第２の有機金属化合物ガスを
導入する第１，第２のＭＯガス導入管６，２６とは独立
した、第３の有機金属化合物ガスを導入する第３のＭＯ
ガス導入管３６が設けられており、そのガス噴出口３６
ａは、第２のＮＨ₃ガス導入管２５の吹き出し口２５ａ
と、バリアガスを導入するためのガス導入管７の吹き出
し口７ａとの間の高さ位置に配置されている。次に上記
気相成長装置１０２によりＧａＮ膜を成長する方法につ
いて説明する。

【００７７】まず、有機金属化合物としてＴＭＧを用
い、サファイア（０００１面）３ｉｎｃｈ基板上に基板
温度５５０℃でＧａＮバッファを３０ｎｍ成長させ、ひ
き続き温度を１１００℃に上昇させ、ＧａＮを４μｍ成
長させた。

【００７８】ここでは、上記ＧａＮの成長は常圧で行
い、吹き出し口６ａから吹き出される第１の有機金属化
合物ガスの供給量は、Ｈ₂ガスをキャリアガスとして、
１２μｍｏｌ／ｍｉｎ．とし、流速は２．３ｍ／ｓｅｃ
とした。また吹き出し口２６ａから吹き出される第２の
有機金属化合物ガスの供給量は、Ｈ₂ガスをキャリアガ
スとして、３５μｍｏｌ／ｍｉｎ．とし、流速は３．５
ｍ／ｓｅｃとした。さらに吹き出し口３６ａから吹き出
される第３の有機金属化合物ガスの供給量は、Ｈ₂ガス
をキャリアガスとして３５μｍｏｌ／ｍｉｎ．とし、流
速は５ｍ／ｓｅｃとした。

【００７９】また、第１のアンモニアガスとしては、供
給量の比率がＨ２：ＮＨ３＝０．６５：０．３５である
混合ガスを用い、流速は２．３ｍ／ｓｅｃとした。また
第２のアンモニアガスとしては、供給量の比率がＨ２：
ＮＨ３＝０．６５：０．３５である混合ガスを用い、流
速は３．５ｍ／ｓｅｃとした。また基板回転は行わずに
上記成長を行った。

【００８０】得られたＧａＮ膜についてＸ線回折測定を
行ったところトッキングカーブの半値幅（Δω）は約５
ｍｉｎ．であり、良好な結晶性の膜が得られたことが判
明した。ロッキングカーブの半得幅は膜の全域にわたっ
て約５ｍｉｎ．であった。またフォトルミネセンス（以
下ＰＬと記す）測定においても室温で強いバンド端発光
が得られ、ＰＬ測定でも良好なＧａＮ膜が得られている
ことを確認した。最後に得られた膜（基板）を切断し断
面ＳＥＭで観察したところ、４μｍ成長したＧａＮ膜は
３ｉｎｃｈ基板上で膜厚分布が±５％以内に納まってお
り、非常に均一なＧａＮ膜が得られたことが分かった。

【００８１】

【発明の効果】以上のように本発明に係る気相成長装置
によれば、反応室内に、有機金属化合物ガスの吹き出し
口を独立して２個以上設けているため、基板表面に到達
する有機金属化合物ガスが分散されることとなり、基板
表面での成膜がより均一に行われることとなる。従っ
て、原料の濃度、流速を最適化することで大面積の均一
な膜厚のIII族−窒素化合物半導体結晶を得ることがで
きる。

【００８２】本装置は、特にIII族−窒素化合物半導体
結晶を気相成長させる装置に最適であり、該装置を用い
て光学特性に優れた発光ダイオード及びレーザーを作製
することができる。しかも大面積の成長が可能なため、
１回の成長で従来より多数のダイオード及びレーザーを
得ることが可能であり、ダイオード及びレーザー作製の
コストダウンを可能にする。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１，２，３によるIII族−
窒素化合物半導体結晶の気相成長装置を説明するための
図であり、図１（ａ）はその構成を概念的に示し、図１
（ｂ）は上記気相成長装置により成膜したＧａＮ膜の、
ガス流の流れ方向の膜厚分布を示し、図１（ｃ）は該Ｇ
ａＮ膜の、ガス流の流れ方向と垂直な方向の膜厚分布を
示している。

【図２】本発明の実施の形態４によるIII族−窒素化合
物半導体結晶の気相成長装置の構成を概念的に示す図で
ある。

【図３】本発明の実施の形態５によるIII族−窒素化合
物半導体結晶の気相成長装置の構成を概念的に示す図で
ある。

【図４】従来の横型反応炉を有するＭＯＣＶＤ装置を説
明するための図であり、図４（ａ）はその構造を模式的
に示し、図４（ｂ）は上記横型反応管を有するＭＯＣＶ
Ｄ装置２０１によりＧａＮ膜を基板上に成長した場合
の、基板上の各部分での成膜速度（μｍ／ｈ）をグラフ
で示している。

【図５】従来の横型反応管を有するＭＯＣＶＤ装置の他
の構成例を説明するための図であり、図５（ａ）はその
断面構造を模式的に示し、図５（ｂ）は上記ＭＯＣＶＤ
装置２０２によりＧａＮ膜を基板上に成長した場合の、
基板上の各部分での成膜速度（μｍ／ｈ）をグラフで示
している。

【符号の説明】

１石英反応管２高周波誘導加熱コイル３カーボンサセプター４基板５，２５ＮＨ₃ガス導入管５ａ，２５ａ窒素の水素化合物用吹き出し口６，２６，３６ＭＯガス導入管６ａ，２６ａ，３６ａ有機金属用吹き出し口７混合ガス導入管７ａバリアガス用吹き出し口８ａ，８ｂフランジ部９ガス排出口１００，１０１，１０２気相成長装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板を載置する載置部が内部に設けられ
ている反応室を有し、該反応室内に導入された有機金属
化合物ガスと水素化物化合物ガスとから、該載置部上に
載置された基板の表面に化合物半導体膜を気相成長する
装置であって、該反応室は、該反応室内部にそれぞれ独立して設けられた、原料ガス
として該有機金属化合物ガスを吹き出す２つ以上の第１
の吹き出し口と、該反応室内部に該個々の第１の吹き出し口と独立して設
けられた、原料ガスとして該水素化物化合物ガスを吹き
出す１つあるいは複数の第２の吹き出し口とを有し、該各吹き出し口から吹き出された原料ガスが、該載置部
上の基板の表面とほぼ平行に流れるよう構成されてお
り、該反応室内部に設けられている第１及び第２の吹き出し
口の数は、合計で６個以下となっている気相成長装置。
【請求項２】請求項１記載の気相成長装置において、前記反応室は、前記第１及び第２の吹き出し口のうち
の、前記載置部の基板載置面を含む平面から最も離れた
吹き出し口の上側に設けられ、窒素ガスもしくは水素ガ
ス、または窒素と水素の混合ガスを吹き出す吹き出し口
を有する気相成長装置。
【請求項３】請求項１記載の気相成長装置において、前記有機金属化合物ガスとしてIII族元素の有機金属化
合物を前記反応室内に供給する気相成長装置。
【請求項４】請求項１記載の気相成長装置において、前記水素化物化合物ガスとして窒素の水素化化合物を前
記反応室内に供給する気相成長装置。