(57)【要約】      （修正有）【課題】Ｎａフラックス法によるＧａＮ結晶育成において、雑晶の発生を抑制することができるIII族窒化物半導体結晶の製造方法、およびIII族窒化物半導体製造装置を提供する。【解決手段】III族窒化物半導体製造装置は、窒素溶解手段１０と、電磁ポンプ１１と、配管１２と、配管１２に連結接続し、種結晶１８が配置された育成用配管１３と、育成用配管１３の外側に配置された温度制御装置１４ａとを有している。窒素溶解手段１０により窒素を溶解させた混合融液１７は、電磁ポンプ１１により配管１２内を結晶しない温度、圧力で循環する。温度制御装置１４ａによる温度制御とバルブ１２ｖ１、ｖ２による圧力制御によって育成用配管１３内のみが結晶育成可能な状態にする。混合融液１７が軸方向に流動した状態でＧａＮ結晶が育成するため、雑晶の発生が抑制される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
III 族金属とアルカリ金属とを少なくとも含む混合融液に、窒素を溶解させる窒素溶解手段と、
窒素を溶解させた前記混合融液を、III 族窒化物半導体結晶が成長しない温度、圧力であって、かつ前記混合融液が凝固、気化しない温度、圧力で保持する配管と、
前記配管中の前記混合融液を流動させる流動手段と、
前記種結晶が配置されている前記配管内の領域の温度または圧力を制御してIII 族窒化物半導体結晶が成長する温度、圧力とする成長条件調整手段と、
を有することを特徴とするIII 族窒化物半導体製造装置。
【請求項２】
前記配管は、前記混合融液をIII 族窒化物半導体結晶が成長する温度よりも低い温度で保持し、
前記成長条件調整手段は、加熱装置による加熱により温度を制御する、
ことを特徴とする請求項１に記載のIII 族窒化物半導体製造装置。
【請求項３】
前記流動手段は、電磁ポンプであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のIII 族窒化物半導体製造装置。
【請求項４】
前記配管はループ状に形成され、前記混合融液を循環させることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体製造装置。
【請求項５】
前記配管中の前記混合融液に生じた雑晶を取り除くための濾過装置を有することを特徴とする請求項４に記載のIII 族窒化物半導体製造装置。
【請求項６】
III 族金属とアルカリ金属とを少なくとも含む混合融液に窒素を溶解させる工程と、
窒素を溶解させた前記混合融液をIII 族窒化物半導体が成長しない温度、圧力で１方向に流動させる工程と、
前記混合融液中に種結晶を配置し、前記種結晶近傍の前記混合融液の温度、圧力を制御して、III 族窒化物半導体結晶が成長する温度、圧力とする工程と、
を有することを特徴とするIII 族窒化物半導体結晶の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルカリ金属を用いたフラックス法によるIII 族窒化物半導体結晶の製造方法、およびIII 族窒化物半導体製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、Ｎａフラックス法によるIII 族窒化物半導体の結晶成長方法が知られている。これは、Ｎａ（ナトリウム）とＧａ（ガリウム）を溶解して８００℃程度に保ち、数十気圧の圧力下で窒素と反応させて、ＧａＮ（窒化ガリウム）を種結晶表面に結晶成長させるものである。
【０００３】
品質のよいＧａＮ結晶を得るためには、ＮａのＧａの混合融液を流動させて攪拌しながら結晶を育成するのがよく、攪拌の方法としては、混合融液を保持する坩堝を回転させる方法などがある。
【０００４】
また、特許文献１には、コイルに交流電流を流すことで金属融液を加熱するとともに、誘導電流による電磁力で金属融液を流動させる方法が示されている。
【特許文献１】特開２００８−２４５３５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来のＮａフラックス法によるＧａＮ結晶の製造方法は、反応容器内という閉じた系での結晶育成であり、ＮａとＧａの混合融液が窒素と接する気液界面が存在する状態であるため、坩堝の回転や特許文献１などの方法により混合融液を流動させてもなお気液界面に雑晶が発生していた。そして、この気液界面に生じた雑晶によって窒素が混合融液に溶け込みにくくなり、ＧａＮ結晶の成長を阻害していた。
【０００６】
そこで本発明の目的は、雑晶の発生を十分に抑制することができるIII 族窒化物半導体結晶の製造方法、およびIII 族窒化物半導体製造装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の発明は、III 族金属とアルカリ金属とを少なくとも含む混合融液に、窒素を溶解させる窒素溶解手段と、窒素を溶解させた混合融液を、III 族窒化物半導体結晶が成長しない温度、圧力であって、かつ混合融液が凝固、気化しない温度、圧力で保持する配管と、配管中の混合融液を流動させる流動手段と、種結晶が配置されている配管内の領域の温度または圧力を制御してIII 族窒化物半導体結晶が成長する温度、圧力とする成長条件調整手段と、を有することを特徴とするIII 族窒化物半導体製造装置である。
【０００８】
III 族窒化物半導体結晶が成長する温度および圧力の範囲は、７５０〜９５０℃、０．５〜１０ＭＰａであり、温度、圧力の一方または双方がこの範囲外の温度、圧力であればIII 族窒化物半導体結晶は成長しない。また、混合融液が凝固、気化しない温度の範囲は、１００〜７４０℃である。良質のIII 族窒化物半導体結晶を得るためには、８００〜９００℃、４．５〜４．７ＭＰａの範囲で結晶を育成することが望ましい。
【０００９】
配管中における混合融液の温度と圧力の双方をIII 族窒化物半導体が結晶成長しない範囲とする場合は、成長条件調整手段は温度、圧力の双方を制御可能な手段であればよい。また、混合融液の温度をIII 族窒化物半導体が結晶成長する範囲とし、圧力をIII 族窒化物半導体が結晶成長しない範囲とする場合は、成長条件調整手段は圧力制御手段のみを有していればよく、また、混合融液の圧力をIII 族窒化物半導体が結晶成長する範囲とし、温度をIII 族窒化物半導体が結晶成長しない範囲とする場合は、成長条件調整手段は温度制御手段のみを有していればよい。
【００１０】
また、温度を結晶成長可能な温度よりも低い温度とする場合には、成長条件調整手段における温度制御は加熱のみであってもよく、温度を結晶成長可能な温度よりも高い温度とする場合には、温度制御は冷却のみであってもよい。同様に、圧力を結晶成長可能な圧力よりも低い圧力とする場合には、成長条件調整手段における圧力制御は加圧のみであってもよく、圧力を結晶成長可能な温度よりも高い圧力とする場合には、圧力制御は減圧のみであってもよい。
【００１１】
配管をループ状に形成し、混合融液を循環させて再び窒素溶解手段に戻るようにすると、効率的に結晶を育成することができるので望ましい。この場合、種結晶を通過した混合融液の温度、圧力は、再びIII 族窒化物半導体結晶が成長しない温度、圧力となるように制御する必要がある。また、混合融液を循環させる場合には、濾過装置を用いて混合融液中に発生した雑晶を取り除くようにするのが望ましい。
【００１２】
流動手段には、電磁ポンプや真空ポンプなどを用いることができる。特に電磁ポンプを用いると安全性が高く望ましい。駆動部がなく、非接触で混合融液を流動させることができ、配管から液漏れを生じさせることがないためである。
【００１３】
アルカリ金属は通常Ｎａを用いるが、Ｋ（カリウム）を用いることもできる。また、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｃａ（カルシウム）などの２族金属や、Ｌｉ（リチウム）、炭素などを混合させてもよい。
【００１４】
第２の発明は、第１の発明において、配管は混合融液をIII 族窒化物半導体結晶が成長する温度よりも低い温度で保持し、成長条件調整手段は、加熱装置による加熱により温度を制御する、ことを特徴とするIII 族窒化物半導体製造装置である。
【００１５】
第３の発明は、第１の発明または第２の発明において、流動手段は電磁ポンプであることを特徴とするIII 族窒化物半導体製造装置である。
【００１６】
第４の発明は、第１の発明から第３の発明において、配管はループ状に形成され、混合融液を循環させることを特徴とするIII 族窒化物半導体製造装置である。
【００１７】
第５の発明は、第４の発明において、配管中の混合融液に生じた雑晶を取り除くための濾過装置を有することを特徴とするIII 族窒化物半導体製造放置である。
【００１８】
第６の発明は、III 族金属とアルカリ金属とを少なくとも含む混合融液に窒素を溶解させる工程と、窒素を溶解させた混合融液をIII 族窒化物半導体が成長しない温度、圧力で１方向に流動させる工程と、混合融液中に種結晶を配置し、種結晶近傍の混合融液の温度、圧力を制御して、III 族窒化物半導体結晶が成長する温度、圧力とする工程と、を有することを特徴とするIII 族窒化物半導体結晶の製造方法である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によると、種結晶を配管中に配置し、窒素を溶解させた混合融液を流動させながらIII 族窒化物半導体結晶を成長させることができるため、混合融液と窒素との気液界面が存在せず、雑晶の発生が抑制される。また、雑晶が発生したとしても、混合融液によって流されるため、種結晶に雑晶が付着することがない。したがって、品質のよいIII 族窒化物半導体結晶を効率的に育成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００２１】
図１は、III 族窒化物半導体製造装置の構成を示す図である。III 族窒化物半導体製造装置は、窒素溶解手段１０と、電磁ポンプ１１と、配管１２と、育成用配管（育成室）１３と、温度制御装置１４ａ、ｂと、冷却減圧手段１５と、濾過装置１９を有している。
【００２２】
窒素溶解手段１０には供給管１６が接続されていて、供給管１６によって窒素溶解手段１０に窒素が供給される。窒素溶解手段１０は、ＧａとＮａの混合融液１７を８８０℃に保持し、２．５ＭＰａに加圧して混合融液１７に窒素を溶解させる。
【００２３】
配管１２はループ状に形成されていて、窒素溶解手段１０によって窒素を溶解させた混合融液１７を、電磁ポンプ１１によって流動させ、窒素溶解手段１０に戻して循環させる。電磁ポンプ１１は、配管１２中の混合融液１７の流速を制御可能である。電磁ポンプ１１は駆動部がなく、非接触で配管１２内の混合融液１７を流動させることができ、液漏れを生じさせることがないため、安全性が高い。電磁ポンプ１１は、従来より知られている任意の構造のものを用いればよい。たとえば、図２に示すように、配管１２の外側に配管１２の径方向に対向して１対の電磁石１１０ａ、ｂを配置し、配管１２の外側に配管１２の径方向に対向して１対の電極板１１１ａ、ｂを配置し、電磁石による磁界Ｂと電極板の間に流す電流Ｉの方向が交差するようにすれば、配管１２の軸方向にローレンツ力Ｆが生じ、ローレンツ力Ｆにより液体金属である混合融液１７を流動させることができる電磁ポンプを構成することができる。配管１２には、ステンレス鋼などの耐熱性、耐圧性を有した材料を用いる。
【００２４】
育成用配管１３は、バルブ１２ｖ１、ｖ２によって配管１２に連結接続されていて、バルブ１２ｖ１、ｖ２の位置で配管１２から育成用配管１３を取り外すことができる。配管１２から育成用配管１３に流入してきた混合融液１７は、育成用配管１３内を軸方向に流動して再び配管１２へと流出する。また、バルブ１２ｖ１、ｖ２により育成用配管１３中を流れる混合融液１７の流速を制御し、また育成用配管１３内の圧力を制御することが可能となっている。育成用配管１３の内部には、種結晶１８が配置される。種結晶１８はＧａＮ基板でもよいし、サファイアなどの異種基板にＭＯＣＶＤ法などによってＧａＮを成長させたテンプレート基板であってもよい。また、ｃ面、ａ面、ｍ面など各種面方位の基板を用いることができる。育成用配管１３には、配管１２と同様にステンレス鋼などの耐熱性、耐圧性を有した材料を用いる。
【００２５】
温度制御装置１４ａは、育成用配管１３の外側に配置されており、育成用配管１３内の混合融液１７、種結晶１８の温度を制御する。この加熱装置１４ａと、バルブ１２ｖ１、ｖ２は、本発明の成長条件調整手段に相当するものである。また、温度制御装置１４ｂは、配管１２の外側であって、電磁ポンプ１１から育成用配管１３までの区間の間に配置されており、この区間において混合融液１７の温度が８８０℃に維持されるよう制御する。
【００２６】
冷却減圧手段１５は、育成用配管１３を流れて配管１２に戻った混合融液１７を４００℃まで冷却し、２〜３ＭＰａまで減圧する手段である。これにより、ＧａＮ結晶が成長しない温度、圧力となるため、冷却減圧手段１５から窒素溶解手段１０までの配管１２中において雑晶が発生しないようにできる。冷却方法は任意の方法でよく、たとえば水冷などによる。また減圧は、たとえば配管１２に減圧弁を設けるなどして行う。冷却減圧手段１５によって冷却、減圧された混合融液１７は、配管１２を流れて窒素溶解手段１０に流入し、再び加圧されて窒素が溶解される。
【００２７】
なお、冷却のみ、または減圧のみによってＧａＮ結晶の成長条件を満たさないようにしてもよいが、高い安全性を確保するため冷却と減圧の双方を行うことが望ましい。
【００２８】
濾過装置１９は、配管１２中を流れる混合融液１７中に発生した雑晶を濾過して取り除く手段である。
【００２９】
次に、このIII 族窒化物半導体製造装置を用いたＧａＮ結晶の製造工程について説明する。
【００３０】
まず、窒素溶解手段１０によって加圧することで、供給管１６から供給される窒素をＧａとＮａの混合融液１７中に溶解させる。加圧は約５時間行い、これにより十分な量の窒素が混合融液１７に溶解する。また、この工程と平行して配管１２から取り外した育成用配管１３内に種結晶１８を配置し、配管１２に育成用配管１３を連結接続する。
【００３１】
次に、電磁ポンプ１１を駆動して配管１２内に混合融液１７を流し、育成用配管１３、冷却減圧手段１５、濾過装置１９の順に通過させて再び窒素溶解手段１０に戻るようにして混合融液１７を循環させる。
【００３２】
次に、加熱装置１４ａにより育成用配管１３中の種結晶１８を８５０℃となるよう制御し、バルブ１２ｖ１、ｖ２を調整して育成用配管１３内の圧力を４．５ＭＰａとなるようにする。また、加熱装置１４ｂにより電磁ポンプ１１から育成用配管１３までの区間において、配管１２中の混合融液１７の温度が８８０℃に維持されるよう制御する。また、冷却減圧手段１５により育成用配管１３から配管１２に戻る混合融液１７を冷却、減圧する。循環して窒素溶解手段１０に戻ってきた混合融液１７は、再び加圧して窒素を溶解し、電磁ポンプ１１により配管１２に排出する。これにより混合融液１７は、配管１２中の窒素溶解手段１０から育成用配管１３までの区間においては温度８８０℃、圧力２．５ＭＰａ、育成用配管１３中においては温度８５０℃、圧力４．５ＭＰａ、配管１２中の冷却減圧手段１５から窒素溶解手段１０までの区間においては温度４００℃、圧力２．５ＭＰａ、の状態で循環する。つまり、育成用配管１３中のみがＧａＮ結晶の育成する温度、圧力であり、それ以外の領域ではＧａＮ結晶が育成しない温度、圧力となっている。
【００３３】
このように混合融液１７を循環させた状態を１００時間以上維持し、種結晶１８上にＧａＮ結晶を成長させる。この結晶育成中において、育成用配管１３内は窒素を溶解させた混合融液１７が育成用配管１３の軸方向に流動している状態であり、従来のＮａフラックス法によるＧａＮ結晶育成のように、混合融液と窒素との気液界面が存在しない状態である。そのため、雑晶の発生は抑制される。なお、ＧａＮ結晶の成長速度は、育成用配管１３中を流れる混合融液１７の流速により制御することが可能である。また、育成用配管１３中の混合融液１７に雑晶が発生したとしても、混合融液１７によって流され、濾過装置１９によって取り除かれるため、種結晶１８や育成したＧａＮ結晶に付着することはない。
【００３４】
なお、加熱装置１４ａによる温度制御は、種結晶１８表面近傍のみがＧａＮ結晶の育成する温度となるよう制御するのが望ましい。雑晶の発生がより抑制されるからである。
【００３５】
次に、加熱装置１４ａ、ｂによる温度制御、電磁ポンプ１１による混合融液１７の流動、窒素溶解手段１０による窒素の溶解を停止し、混合融液１７を約２００℃まで低下させる。
【００３６】
次に、バルブ１２ｖ１、ｖ２を閉じて育成用配管１３を配管１２から取り外し、育成用配管１３にドレーン配管を接続して育成用配管１３内部の混合融液１７を排出する。その後、育成用配管１３から種結晶１８上に成長したＧａＮ結晶を取り出す。
【００３７】
以上の製造方法によると、あらかじめ窒素を溶解させた混合融液を流動させながらの育成であるため、気液界面が存在せず、雑晶の発生を抑制することができる。また、雑晶は混合融液に流されるため、ＧａＮ結晶に付着して品質を落とすこともない。
【００３８】
なお、実施例では混合融液を流動させるために電磁ポンプを用いているが、真空ポンプなどの手段によって流動させてもよい。
【００３９】
また、実施例では配管により混合融液を循環させているが、必ずしも循環させる必要はない。しかし、混合融液を循環させて再利用するようにした方が効率的に結晶を育成させることができるので望ましい。
【００４０】
また、配管１２、育成用配管１３中の混合融液の温度、圧力は実施例に示した値に限定されるものではなく、育成用配管１３中においてはＧａＮ結晶が成長する温度、圧力で、配管１２中においてはＧａＮ結晶が成長しない温度、圧力で、かつ、混合融液が凝固、気化しない温度、圧力であればよい。ＧａＮ結晶が成長する温度および圧力の範囲は、７５０〜９５０℃、０．５〜１０ＭＰａであり、温度、圧力の一方または双方がこの範囲外の温度、圧力であればＧａＮ結晶は成長しない。また、混合融液が凝固、気化しない温度の範囲は、１００〜７４０℃である。良質のＧａＮ結晶を得るためには、８００〜９００℃、４．５〜４．７ＭＰａの範囲で結晶を育成することが望ましい。
【００４１】
また、実施例ではＧａＮ結晶の製造方法について説明しているが、本発明はＧａＮに限るものではなく、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮなど、III 族窒化物半導体結晶の製造方法に適用することができる。
【００４２】
また、実施例では、フラックスとしてＮａを用いているが、他にもＬｉやＫなどのアルカリ金属や、ＭｇやＣａなどのアルカリ土類金属、およびそれらの混合物を用いることができる。また、結晶成長の促進、雑晶発生の抑制などのために炭素などを混合させてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明によって得られるIII 族窒化物半導体結晶は、半導体素子製造のための成長基板などに用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】III 族窒化物半導体製造装置の構成を示した図。
【図２】電磁ポンプ１１の構成の１例を示した図。
【符号の説明】
【００４５】
１０：窒素溶解手段
１１：電磁ポンプ
１２：配管
１３：育成用配管
１４ａ、ｂ：温度制御装置
１５：冷却減圧手段
１６：供給管
１７：混合融液
１８：種結晶
１９：濾過装置
【図１】
2010083706.tif 000003
【図２】
2010083706.tif 000004