(57)【要約】【課題】ガス中間室を備えるシャワーヘッド型ＭＯＣＶＤ装置において、ヘテロ接合界面の界面急峻性が優れた結晶の成長を可能とする結晶成長方法を提供する。【解決手段】ＭＯＣＶＤ装置１０を用いる気相成長方法であって、第１III 族元素ガスをIII 族系ガス中間室２３ａに供給し、被成膜基板３に第１半導体層を形成する第１成膜工程と、被成膜基板３に第２半導体層を形成する第２成膜工程とを含み、第１III 族元素ガスと第２III 族元素ガスとが異なる場合、III 族用キャリアガスを第１成膜工程よりも増量してIII 族系ガス中間室２３ａへ、または、第１Ｖ族元素ガスと第２Ｖ族元素ガスとが異なる場合、Ｖ族系キャリアガスを第１成膜工程よりも増量してＶ族系ガス中間室２４ａへの供給のうち少なくとも一方への供給を行う残留ガス排出工程を含む。【選択図】図１
2010238810.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
キャリアガスと共に、III 族元素ガスおよびＶ族元素ガスをそれぞれ分離した状態で成長室へ吐出するガス吐出孔が配設されたシャワープレートと、上記III 族元素ガスおよびIII 族用キャリアガスを上記ガス吐出孔に供給するIII 族系ガス中間室と、Ｖ族元素ガスおよびＶ族用キャリアガスを上記ガス吐出孔に供給するＶ族系ガス中間室と、被成膜基板を収容し、成長室とを備える気相成長装置を用いて、上記被成膜基板に複数層のIII-Ｖ族化合物半導体結晶を成膜する気相成長方法であって、
第１III 族元素ガスを上記III 族系ガス中間室に供給し、第１Ｖ族元素ガスを上記Ｖ族系ガス中間室に供給して上記被成膜基板に第１半導体層を形成する第１成膜工程と、
第２III 族元素ガスを上記III 族系ガス中間室に供給し、第２Ｖ族元素ガスを上記Ｖ族系ガス中間室に供給して上記被成膜基板に第２半導体層を形成する第２成膜工程とを含み、
上記第１III 族元素ガスおよび第２III 族元素ガス、並びに、上記第１Ｖ族元素ガスおよび第２Ｖ族元素ガスの組み合わせのうち、少なくとも一方の組み合わせに係る元素ガス同士は互いに異なっており、
上記第１成膜工程および第２成膜工程の間に、
第１III 族元素ガスと第２III 族元素ガスとが異なる場合、III 族用キャリアガスを第１成膜工程よりも増量してIII 族系ガス中間室へ、または、第１Ｖ族元素ガスと第２Ｖ族元素ガスとが異なる場合、Ｖ族系キャリアガスを第１成膜工程よりも増量してＶ族系ガス中間室への供給のうち少なくとも一方への供給を行う残留ガス排出工程を含むことを特徴とする気相成長方法。
【請求項２】
第１III 族元素ガスおよび第２III 族元素ガスが互いに同一であり、第１Ｖ族元素ガスおよび第２Ｖ族元素ガスが互いに異なり、
上記残留ガス排出工程において、
上記Ｖ族用キャリアガスを、第１成膜工程よりも増量してＶ族系ガス中間室へ供給し、
上記III 族用キャリアガスを、第１成膜工程よりも減量してIII 族系ガス中間室に供給することを特徴とする請求項１に記載の気相成長方法。
【請求項３】
第１Ｖ族元素ガスおよび第２Ｖ族元素ガスが互いに同一であり、第１III 族元素ガスおよび第２III 族元素ガスが互いに異なり、
上記残留ガス排出工程において、
上記III 族用キャリアガスを、第１成膜工程よりも増量してIII 族系ガス中間室へ供給し、
上記Ｖ族用キャリアガスを、第１成膜工程よりも減量してＶ族系ガス中間室へ供給することを特徴とする請求項１に記載の気相成長方法。
【請求項４】
上記残留ガス排出工程におけるIII 族用キャリアガスおよびＶ族用キャリアガスの総流量が、上記第１成膜工程におけるIII 族用キャリアガスおよびＶ族用キャリアガスの総流量と等しいことを特徴とする請求項２または３に記載の気相成長方法。
【請求項５】
キャリアガスと共に、III 族元素ガスおよびＶ族元素ガスをそれぞれ分離した状態で成長室へ吐出するガス吐出孔が配設されたシャワープレートと、上記III 族元素ガスおよびIII 族用キャリアガスを上記ガス吐出孔に供給するIII 族系ガス中間室と、Ｖ族元素ガスおよびＶ族用キャリアガスを上記ガス吐出孔に供給するＶ族系ガス中間室と、被成膜基板を収容し、成長室とを備える気相成長装置において、
III 族元素ガス、Ｖ族元素ガス、III 族系キャリアガスおよびＶ族系キャリアガスの流量を制御する制御部が備えられており、
上記制御部は、
第１III 族元素ガスを上記III 族系ガス中間室に供給し、第１Ｖ族元素ガスを上記Ｖ族系ガス中間室に供給する第１供給を制御し、上記被成膜基板に第１半導体層が形成された後、第２III 族元素ガスを上記III 族系ガス中間室に供給し、第２Ｖ族元素ガスを上記Ｖ族系ガス中間室に供給する第２供給を制御し、
上記第１III 族元素ガスおよび第２III 族元素ガス、並びに、上記第１Ｖ族元素ガスおよび第２Ｖ族元素ガスの組み合わせのうち、少なくとも一方の組み合わせに係る元素ガス同士は互いに異なっており、
上記第１半導体層が形成された後であって、第２供給の前に、
第１III 族元素ガスと第２III 族元素ガスとが異なる場合、III 族用キャリアガスを第１供給時よりも増量してIII 族系ガス中間室へ、または、第１Ｖ族元素ガスと第２Ｖ族元素ガスとが異なる場合、Ｖ族系キャリアガスを第１供給時よりも増量してＶ族系ガス中間室への供給のうち少なくとも一方への供給を行うことを特徴とする気相成長装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば縦型シャワーヘッド型ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）等の気相成長装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、発光ダイオード及び半導体レーザの製造においては、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）又はトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）等の有機金属ガスと、アンモニア（ＮＨ３ ）、ホスフィン（ＰＨ３ ）又はアルシン（ＡｓＨ３ ）等の水素化合物ガスとを成膜に寄与する反応ガスとして成長室に導入して化合物半導体結晶を成長させるＭＯＣＶＤ法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）が用いられている。
【０００３】
ＭＯＣＶＤ法は、上記の反応ガスを水素等のキャリアガスと共に成長室内に導入して加熱し、所定の基板上で気相反応させることにより、上記基板上に化合物半導体結晶を成長させる方法である。ＭＯＣＶＤ法を用いた化合物半導体結晶の製造においては、成長する化合物半導体結晶の品質を向上させながら、コストを抑えて、歩留まりと生産能力とをどのように最大限確保するかという点が常に高く要求されている。
【０００４】
図６に、ＭＯＣＶＤ法に用いられる従来の縦型シャワーヘッド型であるＭＯＣＶＤ装置１００の一例の模式的な構成を示す。図６は、ＭＯＣＶＤ装置１００を示す断面図である。
【０００５】
ＭＯＣＶＤ装置１００においては、反応炉１０１の内部の成長室１１１に反応ガス及び不活性ガスを導入するためのガス配管１０３がガス供給源１０２および反応炉１０１の間に接続されている。また、反応炉１０１内部の成長室１１１の上部には該成長室１１１に反応ガス及び不活性ガスを導入するための複数のガス吐出孔を有するシャワープレート１１０がガス導入部として設置されている。
【０００６】
また、成長室１１１の下部中央には図示しないアクチュエータによって回転自在の回転軸１１２が設置され、この回転軸１１２の先端にはシャワープレート１１０と対向するようにしてサセプタ１０８が取り付けられている。上記サセプタ１０８の下部には該サセプタ１０８を加熱するためのヒータ１０９が取り付けられている。
【０００７】
さらに、反応炉１０１の下部には、該反応炉１０１における内部の成長室１１１内のガスを外部に排気するためのガス排気部１０４が設置されている。このガス排気部１０４は、パージライン１０５を介して、排気されたガスを無害化するための排ガス処理装置１０６に接続されている。
【０００８】
上記構成の縦型シャワーヘッド型のＭＯＣＶＤ装置１００において、化合物半導体結晶を成長させる場合には、まず、サセプタ１０８に基板１０７を設置し、回転軸１１２の回転によりサセプタ１０８を回転させ、ヒータ１０９の加熱によりサセプタ１０８を介して基板１０７を所定の温度に加熱する。その後、シャワープレート１１０に形成されている複数のガス吐出孔から反応炉１０１の内部の成長室１１１に反応ガス及び不活性ガスを導入する。
【０００９】
複数の反応ガスを供給して基板１０７上で反応せしめ薄膜を形成する方法として、従来は、シャワーヘッドの中で複数のガスを混合し、シャワープレート１１０に多数設けられているガス吐出孔から基板１０７に反応ガスを吹き出させる方法が採られている。
【００１０】
また、近年では、複数の反応ガスそれぞれに、中間室を設け、この中間室からそれぞれの反応ガスをシャワープレートのガス吐出孔を通して、分離した状態で成長室へ供給する方法が一般的に用いられている。これは、シャワーヘッド内で気相反応が生ずるのを避けるためである。この場合、III 族系ガス吐出孔とＶ族系ガス吐出孔とは交互に近接配置される。
【００１１】
図７は、特許文献１に開示された縦型シャワーヘッド型の気相成長装置２００を示す断面図である。気相成長装置２００では、III 族系ガスの中間室２０１とＶ族系ガスの中間室２０２とが２層上下に配置されており、それぞれのガスが成長室２０３以外で混合しないように、ガス流路が分離された積層構造が用いられている。
【００１２】
ところで、２種類以上の異なるIII −Ｖ族化合物半導体薄膜の積層構造は、いわゆるヘテロ構造と呼ばれ、半導体レーザ、発光ダイオードなどの発光素子、あるいは電界効果トランジスタ、またはヘテロ接合バイポーラトランジスタなどの電子素子に適用されている。例えば、ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ系は、ヘテロ接合面の再結合速度が小さいなどの理由で最近盛んに研究がなされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開平８−９１９８９号公報（１９９６年４月９日公開）
【特許文献２】特開２００１−９３８３８号公報（２００１年４月６日公開）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、上記従来のＭＯＣＶＤ法では、III −Ｖ族化合物半導体薄膜において急峻なヘテロ接合界面を形成することが困難であるという問題点を有している。
【００１５】
具体的には、ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ系のIII −Ｖ族化合物半導体薄膜は、製造過程においてＡｓおよびＰの２種類のＶ族元素が、ヘテロ接合界面で完全に切り替わる系が用いられ、結晶成長による作製が難しい。例えば、ＭＯＣＶＤ法でＩｎＧａＰ／ＧａＡｓを作製するためには、Ｇａ反応ガスであるトリメチルガリウム（以下、「ＴＭＧ」と適宜略す）とＡｓ反応ガスであるアルシン（ＡｓＨ３）とを用いてＧａＡｓ膜を形成した後に、ＴＭＧとＩｎ反応ガスであるトリメチルインジウム（以下、「ＴＭＩ」と適宜略す）およびＰ反応ガスであるホスフィン（ＰＨ３）を用いてＩｎＧａＰ膜を形成するが、界面においてＡｓ原子とＰ原子とは混合しやすく、急峻なヘテロ接合界面を形成することが困難である。
【００１６】
この混合が発生する原因は、現在よくわかっていないが、ＩｎＧａＰの成長初期において、ＡｓとＰとが置換すること等が考えられる。一般的には、ガス置換のための成長中断の温度や、ガス供給のシーケンスの工夫により界面急峻性の改善がなされている（特許文献２）。しかしながら、縦型シャワーヘッド型などの、ガス中間室を有するＭＯＣＶＤ装置に関しては十分な検討がなされていない。
【００１７】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、ガス中間室を備えるシャワーヘッド型ＭＯＣＶＤ装置において、ヘテロ構造を有する結晶を成膜する際、ヘテロ接合界面の界面急峻性が優れた結晶の成長を可能とする結晶成長方法を提供することにある。また、付随する目的としては、再現性のよい結晶成長を可能とする結晶成長方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記問題点について原因を解明するため、発明者らが研究を重ねたところ、第１半導体層から第２半導体層の成長を行うために反応ガスを切り替えた際に、ガス中間室内に充満している第１半導体層の反応ガスが完全に抜け切らないまま、第２半導体層の反応ガスが流れこんでしまうことが見出された。さらに検討したところ、２種類の反応ガスを切り替える際に、この２種類の反応ガスが混合された状態で基板上に到達してしまい、ヘテロ接合界面で２種類のガスが混じり合った半導体層が形成されていることが見出された。
【００１９】
例えば、ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ系では、ＧａＡｓを作製する際のＶ族元素ガスであるアルシン（ＡｓＨ３）がガス中間室内に残留した状態で、ガス中間室内にＩｎＧａＰ作製のためのＶ族元素ガスであるホスフィン（ＰＨ３）を導入すると、ＡｓＨ３およびＰＨ３が混合した状態で成長室へ導入されてしまい、ヘテロ接合界面で残留したＡｓが、成長中のＩｎＧａＰ結晶中に混入してしまっていた。
【００２０】
また、ヘテロ接合界面の急峻性が悪いという同様の問題は、III 族元素ガスを切り替えるＩｎＧａＮ／ＧａＮ系でも確認された。
【００２１】
本発明に係る気相成長方法は、上記課題を解決するために、キャリアガスと共に、III族元素ガスおよびＶ族元素ガスをそれぞれ分離した状態で成長室へ吐出するガス吐出孔が配設されたシャワープレートと、上記III 族元素ガスおよびIII 族用キャリアガスを上記ガス吐出孔に供給するIII 族系ガス中間室と、Ｖ族元素ガスおよびＶ族用キャリアガスを上記ガス吐出孔に供給するＶ族系ガス中間室と、被成膜基板を収容し、成長室とを備える気相成長装置を用いて、上記被成膜基板に複数層のIII-Ｖ族化合物半導体結晶を成膜する気相成長方法であって、第１III 族元素ガスを上記III 族系ガス中間室に供給し、第１Ｖ族元素ガスを上記Ｖ族系ガス中間室に供給して上記被成膜基板に第１半導体層を形成する第１成膜工程と、第２III 族元素ガスを上記III 族系ガス中間室に供給し、第２Ｖ族元素ガスを上記Ｖ族系ガス中間室に供給して上記被成膜基板に第２半導体層を形成する第２成膜工程とを含み、上記第１III 族元素ガスおよび第２III 族元素ガス、並びに、上記第１Ｖ族元素ガスおよび第２Ｖ族元素ガスの組み合わせのうち、少なくとも一方の組み合わせに係る元素ガス同士は互いに異なっており、上記第１成膜工程および第２成膜工程の間に、第１III 族元素ガスと第２III 族元素ガスとが異なる場合、III 族用キャリアガスを第１成膜工程よりも増量（増分）してIII 族系ガス中間室へ、または、第１Ｖ族元素ガスと第２Ｖ族元素ガスとが異なる場合、Ｖ族系キャリアガスを第１成膜工程よりも増量してＶ族系ガス中間室への供給のうち少なくとも一方への供給を行う残留ガス排出工程を含むことを特徴としている。
【００２２】
上記の発明によれば、第１成膜工程および第２成膜工程にて、異なる元素ガス、すなわち、切り替える元素ガスに係るIII 族用キャリアガスおよびＶ族用キャリアガスの少なくとも一方を第１成膜工程よりも増量してガス中間室に供給する。このため、第１成膜工程にて、ガス中間室に残留していた元素ガスを速やかに排出させることができる。これにより、第２成膜工程において、第１成膜工程と異なる元素ガスを供給する際、第２成膜工程にて不要なガスが中間室に残存することを抑制できる。従って、第２成膜工程において、残留したガスが第１半導体層の状態を損ねることなく、成膜を行うことができる。このため、第１結晶膜の状態に悪影響を与えず第２半導体層を形成することができ、第１半導体層と第２半導体層の界面急峻性を向上させることができる。また、均一で、結晶性の良い結晶を再現性よく成長させることが可能である。
【００２３】
また、本発明に係る気相成長方法では、第１III 族元素ガスおよび第２III 族元素ガスが互いに同一であり、第１Ｖ族元素ガスおよび第２Ｖ族元素ガスが互いに異なり、上記残留ガス排出工程において、上記Ｖ族用キャリアガスを、第１成膜工程よりも増量（増分）してＶ族系ガス中間室へ供給し、上記III 族用キャリアガスを、第１成膜工程よりも減量（減分）してIII 族系ガス中間室に供給することが好ましい。
【００２４】
上記のように、第１成膜工程に比較して、III 族用キャリアガスを増量させ、Ｖ族用キャリアガスを減量させることによって、成長室２内の被成膜基板３上に供給されるキャリアガスの総流量が過度に増量されることを抑制できる。これによって、結晶をより安定して成長させることができるので、再現性のよい結晶成長が可能となる。
【００２５】
また、本発明に係る気相成長方法では、第１Ｖ族元素ガスおよび第２Ｖ族元素ガスが互いに同一であり、第１III 族元素ガスおよび第２III 族元素ガスが互いに異なり、上記残留ガス排出工程において、上記III 族用キャリアガスを、第１成膜工程よりも増量してIII 族系ガス中間室へ供給し、上記Ｖ族用キャリアガスを、第１成膜工程よりも減量してＶ族系ガス中間室へ供給することが好ましい。
【００２６】
上記のように、第１成膜工程に比較して、Ｖ族用キャリアガスを増量させ、III 族用キャリアガスを減量させることによって、成長室２内の被成膜基板３上に供給されるガスの総流量が過度に増量されることを抑制できる。これによって、結晶をより安定して成長させることができるので、再現性のよい結晶成長が可能となる。
【００２７】
また、本発明に係る気相成長方法では、上記残留ガス排出工程におけるIII 族用キャリアガスおよびＶ族用キャリアガスの総流量が、上記第１成膜工程におけるIII 族用キャリアガスおよびＶ族用キャリアガスの総流量と等しいことが好ましい。
【００２８】
これにより、第１成膜工程および残留ガス排出工程において、材料ガスの流量は等しい。したがって、残留ガス排出工程において、成長室内部のガスの流れが乱れることを抑制することができ、その状態を保ちつつ第２成膜工程にて第２半導体層を積層することができる。このため、さらに、均一で結晶性のよい結晶を、非常に再現性よく成長させることができる。
【００２９】
また、本発明に係る気相成長装置は、上記課題を解決するために、キャリアガスと共に、III 族元素ガスおよびＶ族元素ガスをそれぞれ分離した状態で成長室へ吐出するガス吐出孔が配設されたシャワープレートと、上記III 族元素ガスおよびIII 族用キャリアガスを上記ガス吐出孔に供給するIII 族系ガス中間室と、Ｖ族元素ガスおよびＶ族用キャリアガスを上記ガス吐出孔に供給するＶ族系ガス中間室と、被成膜基板を収容し、成長室とを備える気相成長装置において、III 族元素ガス、Ｖ族元素ガス、III 族系キャリアガスおよびＶ族系キャリアガスの流量を制御する制御部が備えられており、上記制御部は、第１III 族元素ガスを上記III 族系ガス中間室に供給し、第１Ｖ族元素ガスを上記Ｖ族系ガス中間室に供給する第１供給を制御し、上記被成膜基板に第１半導体層が形成された後、第２III 族元素ガスを上記III 族系ガス中間室に供給し、第２Ｖ族元素ガスを上記Ｖ族系ガス中間室に供給する第２供給を制御し、上記第１III 族元素ガスおよび第２III 族元素ガス、並びに、上記第１Ｖ族元素ガスおよび第２Ｖ族元素ガスの組み合わせのうち、少なくとも一方の組み合わせに係る元素ガス同士は互いに異なっており、上記第１半導体層が形成された後であって、第２供給の前に、第１III 族元素ガスと第２III 族元素ガスとが異なる場合、III 族用キャリアガスを第１供給時よりも増量してIII 族系ガス中間室へ、または、第１Ｖ族元素ガスと第２Ｖ族元素ガスとが異なる場合、Ｖ族系キャリアガスを第１供給時よりも増量してＶ族系ガス中間室への供給のうち少なくとも一方への供給を行うことを特徴としている。
【００３０】
上記の発明によれば、第１供給および第２供給にて、異なる元素ガス、すなわち、切り替える元素ガスに係るIII 族用キャリアガスおよびＶ族用キャリアガスの少なくとも一方を第１供給時よりも増量してガス中間室に供給する。このため、第１供給にて、ガス中間室に残留していた元素ガスを速やかに排出させることができる。これにより、第２成膜工程において、第１成膜工程と異なる元素ガスを供給する際、第２成膜工程にて不要なガスが中間室に残存することを抑制できる。従って、第２供給後の成膜において、残留したガスが第１半導体層の状態を損ねることなく、成膜を行うことができる。このため、第１結晶膜の状態に悪影響を与えずさらに第２半導体層を形成することができ、第１半導体層と第２半導体層の界面急峻性を向上させることができる。また、均一で、結晶性の良い結晶を再現性よく成長させることが可能である。
【発明の効果】
【００３１】
本発明の気相成長方法は、以上のように、上記第１III 族元素ガスおよび第２III 族元素ガス、並びに、上記第１Ｖ族元素ガスおよび第２Ｖ族元素ガスの組み合わせのうち、少なくとも一方の組み合わせに係る元素ガス同士は互いに異なっており、上記第１成膜工程および第２成膜工程の間に、第１III 族元素ガスと第２III 族元素ガスとが異なる場合、III 族用キャリアガスを第１成膜工程よりも増量してIII 族系ガス中間室へ、または、第１Ｖ族元素ガスと第２Ｖ族元素ガスとが異なる場合、Ｖ族系キャリアガスを第１成膜工程よりも増量してＶ族系ガス中間室への供給のうち少なくとも一方への供給を行う残留ガス排出工程を含む方法である。
【００３２】
それゆえ、第１成膜工程にて、ガス中間室に残留していた元素ガスをキャリアガスによって速やかに排出させることができる。これにより、第２成膜工程において、第１成膜工程と異なる元素ガスを供給する際、第２成膜工程にて不要なガスが中間室に残存することを抑制できる。従って、第２成膜工程において、残留したガスが第１半導体層の状態を損ねることなく、成膜を行うことができ、第１半導体層と第２半導体層の界面急峻性を向上させることができる。また、均一で、結晶性の良い結晶を再現性よく成長させることが可能であるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に係る気相成長装置の全体構成を示す断面図である。
【図２】図１の気相成長装置におけるシャワーヘッドを示す断面図である。
【図３】本発明に係る気相成長方法を示すフローチャートである。
【図４】Ｖ族系ガス中間室内のＡｓＨ３濃度の計算結果を示すグラフである。
【図５】Ｖ族系ガス中間室内のＡｓＨ３濃度の計算結果を示すグラフである。
【図６】本発明に係るＩｎＧａＰおよび比較例であるＩｎＧａＰ表面を示す走査電子顕微鏡図である。
【図７】本発明に係る気相成長方法を示すフローチャートである。
【図８】従来の縦型シャワーヘッド型の気相成長装置を示す断面図である。
【図９】従来の他の縦型シャワーヘッド型の気相成長装置を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
本発明の一実施形態について図１ないし図７に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分又は相当部分を表わすものとする。
【００３５】
〔気相成長装置〕
図１に本発明の気相成長方法に用いるＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ：有機金属気相堆積）装置の一例である縦型シャワーヘッド型のＭＯＣＶＤ装置１０の模式的な構成の一例を示す。図１は、ＭＯＣＶＤ装置１０の断面図である。
【００３６】
同図に示すように、ＭＯＣＶＤ装置１０は、気相成長が行われる反応炉１およびシャワーヘッド２０を有している。
【００３７】
反応炉１には、中空部である成長室２が設けられており、さらに被成膜基板３を載置するサセプタ４と、サセプタ４の下側には被成膜基板３を加熱するヒータ５及び支持台６が設けられている。支持台６に取り付けた回転軸７が図示しないアクチュエータ等によって回転することにより、サセプタ４及びヒータ５が、回転する構造となっている。サセプタ４とシャワープレート２１とは対向しており、サセプタ４及びヒータ５の回転時には、サセプタ４の上面（シャワープレート２１側の面）がシャワープレート２１と平行な状態を保ちながら回転する。また、サセプタ４、ヒータ５、支持台６及び回転軸７の周囲には、ヒータカバーである被覆板８が、これらサセプタ４、ヒータ５、支持台６及び回転軸７を取り囲むように設けられている。
【００３８】
ＭＯＣＶＤ装置１０では、説明の便宜のため被成膜基板３が１枚設置された構成となっているが、被成膜基板３は複数枚備えられていてもよい。被成膜基板３の材料としては、例えば、サファイア、石英などを用いることができる。また、ＭＯＣＶＤ装置１０を構成する反応炉１、シャワープレート２１及びその他の部材の形状は、図１に示す形状に限定されない。
【００３９】
さらに、ＭＯＣＶＤ装置１０は、反応炉１内部のガスを反応炉１周辺に備えられたガス排出口を通して外部に排出するためのガス排出部１１と、このガス排出部１１に接続されたパージライン１２と、このパージライン１２に接続された排ガス処理装置１３とを有している。これにより、反応炉１の内部に導入されたガスはガス排出部１１を通して反応炉１の外部に排出される。排出されたガスはパージライン１２を通って排ガス処理装置１３に導入され、排ガス処理装置１３において無害化される。
【００４０】
さらに、シャワーヘッド２０は、下方から順番に、シャワープレート２１、冷媒供給部２２、III 族系ガス供給部２３およびＶ族系ガス供給部２４が積層された構成となっている。シャワープレート２１は、サセプタ４と対向しており、ガス供給手段として機能する部材である。シャワーヘッド２０の周囲には各種ガス、冷媒を供給するための部材が備えられている。
【００４１】
III 族系ガス供給源３１は、マスフローコントローラ３３を介して、III 族系ガス配管３２によってシャワーヘッド２０のIII 族系ガス供給部２３に接続されている。ＭＯＣＶＤ装置１０では、冷媒中間室２２ａの上にIII 族系ガス中間室２３ａとＶ族系ガス中間室２４ａとが異なる２層として積層されているが、例えば、逆の順序で積層されていてもよい。すなわち、III 族系ガス中間室２３ａおよびＶ族系ガス中間室２４ａは、III 族元素ガスおよびＶ族元素ガスをそれぞれ分離した状態で、成長室２に供給することができればよく、上記の構成に限定されるものではない。
【００４２】
III 族系ガス供給源３１は、III 族元素ガスおよびIII 族用キャリアガスの供給源となる部材である。なお、III 族元素ガスおよびIII 族用キャリアガスは別個に供給される構成であってもよい。
【００４３】
上記III 族ガスはIII 族元素を含んでいる。上記III 族元素としては、例えば、Ｇａ（ガリウム）、Ａｌ（アルミニウム）又はＩｎ（インジウム）等を挙げることができる。また、III 族元素ガスとしては、例えば、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）又はトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）等の有機金属ガスの１種類以上を挙げることができる。なお、複数種類のIII 族元素ガスを用いてもよい。
【００４４】
さらに、III 族系ガス供給源３１から、III 族元素ガスと共にまたは単独にてIII 族系ガス中間室２３ａへ供給されるIII 族用キャリアガスとしては、水素または窒素などを挙げることができる。
【００４５】
マスフローコントローラ３３は、III 族系ガス供給源３１から供給されたIII 族元素ガスおよびIII 族用キャリアガスの流量（供給量）を調節する機能を有しており、図示しない制御部にて制御される構成となっている。
【００４６】
また、Ｖ族系ガス供給源３４がマスフローコントローラ３６を介して、Ｖ族系ガス配管３５によってシャワーヘッド２０のＶ族系ガス供給部２４に接続されている。Ｖ族系ガス供給源３４は、Ｖ族元素ガスの供給源となる部材である。
【００４７】
なお、本実施の形態において、Ｖ族元素としては、例えば、Ｎ（窒素）、Ｐ（リン）又はＡｓ（ヒ素）等があり、Ｖ族元素を含むＶ族元素ガスとしては、例えば、アンモニア（ＮＨ３ ）、ホスフィン（ＰＨ３ ）又はアルシン（ＡｓＨ３ ）等の水素化合物ガスの１種類以上を用いることができる。なお、複数種類のＶ族元素ガスを用いてもよい。
【００４８】
さらに、Ｖ族系ガス供給源３４から、Ｖ族元素ガスと共にまたは単独にてＶ族系ガス中間室２４ａに供給されるＶ族用キャリアガスとしては、水素または窒素などを挙げることができる。
【００４９】
マスフローコントローラ３６は、Ｖ族系ガス供給源３４から供給されたＶ族元素ガスおよびＶ族用キャリアガスの流量（供給量）を調節する機能を有しており、上述した図示しない制御部にて制御される構成となっている。
【００５０】
上記制御部によって制御されたマスフローコントローラ３３およびマスフローコントローラ３６によって、III 族元素ガスがIII 族系ガス供給源３１からIII 族系ガス中間室２３ａに供給され、Ｖ族元素ガスがＶ族系ガス供給源３１からＶ 族系ガス中間室２４ａに供給される。
【００５１】
上記制御部は、例えばハートウェアロジックによって構成されていてもよいし、ＣＰＵ（central processing unit）などのソフトウェアロジックによって構成されていてもよい。また、上記制御部には、図示しない表示部、キーボードなどの入力部が備えられていてもよい。
【００５２】
また、ＭＯＣＶＤ装置１０では、III 族系ガス供給部２３とシャワープレート２１との間に冷媒供給部２２が設けられており、この冷媒供給部２２には、シャワープレート２１を冷却するために、冷媒装置３７から冷媒供給配管３８を通して冷媒が供給されるようになっている。この冷媒は、シャワープレート２１の冷却を行った後、冷媒排出配管３９を通して図示しない排出ユーティリティへ排出されるようになっている。なお、冷媒は、例えば、一般的な水を用いることができるが、必ずしも水に限らず、他の液体及び気体による冷媒を用いることが可能である。
【００５３】
次に、図２を用いてシャワーヘッド２０の構成を説明する。図２は、シャワーヘッド２０を示す断面図である。冷媒供給部２２およびIII 族系ガス供給部２３は境界として境界板２６ａが設置されており、III 族系ガス供給部２３およびＶ族系ガス供給部２４は境界として境界板２６ｂが設置されている。さらに、シャワーヘッド２０の上部に該当するＶ族系ガス供給部２４の上部には天板２６ｃが設置されている。
【００５４】
本実施の形態では、シャワープレート２１、冷媒供給部２２、III 族系ガス供給部２３およびＶ族系ガス供給部２４は積層に配置されている。
【００５５】
III 族系ガス供給部２３およびシャワープレート２１の間には、冷媒中間室２２ａを貫通して設けられたガス供給管であるIII 族系ガス供給管２３ｂが設けられている。III 族ガスは、III 族系ガス供給管２３ｂを通過してシャワープレート２１のガス吐出孔であるIII 族系ガス吐出孔（ガス吐出孔）Ｈ３から成長室２に吐出される。
【００５６】
また、Ｖ族系ガス供給部２４およびシャワープレート２１の間には、ガス個別中間室であるIII 族系ガス中間室（ガス中間室）２３ａおよび冷媒中間室２２ａを貫通したガス供給管であるＶ族系ガス供給管２４ｂが設けられている。Ｖ族元素ガスは、Ｖ族系ガス供給管２４ｂを通過してシャワープレート２１のＶ族系ガス吐出孔（ガス吐出孔）Ｈ４から成長室２に吐出される。
【００５７】
III 族系ガス中間室２３ａおよびＶ族系ガス中間室２４ａはそれぞれ分離して配置されており、III 族材料ガスおよびＶ族材料ガスはそれぞれ分離した状態で、III 族系ガス吐出孔Ｈ３およびＶ族系ガス吐出孔Ｈ４から成長室に吐出される。上記分離した状態とは、III 族材料ガスおよびＶ族材料ガスが混合していない状態を示す。
【００５８】
なお、シャワーヘッド２０は、シャワー上記に各種ガスを供給するガス供給手段として機能することができればよく、上記構成に限定されるものではない。すなわち、冷媒供給部２２、III 族系ガス供給部２３およびＶ族系ガス供給部２４が積層された構造でなくともよく、各供給部が独立したものであってもよい。しかし、上記のように積層構造であれば、各種のガスを均一にシャワープレートから供給し易いため好ましい。
【００５９】
以下、各部材について、詳細に説明する。図２に示すように、シャワープレート２１には、成長室２にIII 族系ガスを供給するためのIII 族系ガス吐出孔Ｈ３およびＶ族系ガスを供給するためのＶ族系ガス吐出孔Ｈ４がそれぞれ複数形成されている。そして、シャワープレート２１の面内（前記サセプタ４に対向している表面内）において、III 族系ガス吐出孔Ｈ３とＶ族系ガス吐出孔Ｈ４とが交互に配列されている。また、III 族系ガス吐出孔Ｈ３及びＶ族系ガス吐出孔Ｈ４の配列方向は、水平方向及び垂直方向となっている。つまり、格子状となっている。なお、上記配列方向は正方格子状に限らず、均一にガスが吐出される配列であればよく、例えば菱形状などの格子状であってもよい。
【００６０】
次に、各ガス供給部について説明する。図２に示すように、III 族系ガス供給部２３は、シャワーヘッド２０の例えば周辺部から供給されたIII 族系ガスを均一にIII 族系ガス吐出孔Ｈ３に導くため、III 族系ガス中間室２３ａと、このIII 族系ガス中間室２３ａから成長室２に連通するIII 族系ガス供給管２３ｂとにより構成されている。なお、III 族系ガス供給管２３ｂの断面は、必ずしも円形に限ることはなく、多角形管、楕円管又はその他の断面であってもよい。
【００６１】
一方、同様に、Ｖ族系ガス供給部２４は、シャワーヘッド２０の周辺部より供給された反応ガスを均一にＶ族系ガス吐出孔Ｈ４に導くため、Ｖ族系ガス中間室２４ａと、Ｖ族系ガス供給管２４ｂとにより構成されている。III 族系ガス供給管２３ｂの断面と同様に、Ｖ族系ガス供給管２４ｂの断面についても、必ずしも円形に限ることはなく、多角形管、楕円管又はその他の断面であってもよい。
【００６２】
Ｖ族系ガス供給管２４ｂの内部は、III 族系ガス中間室２３ａと通じていない。同様に、III族系ガス供給管２３ｂの内部も、Ｖ族系ガス中間室２４ａと通じていない。このため、III族系ガスおよびＶ族系ガスのガスは互いに混合しない。
【００６３】
上記構造のため、境界板２６ａにおいて、III 族系ガス吐出孔Ｈ３の位置には、III 族系ガス中間室２３ａからIII 族系ガス吐出孔Ｈ３へ連通されるIII 族系ガス供給管２３ｂが配置されていると共に、Ｖ族系ガス吐出孔Ｈ４の位置には、Ｖ族系ガス中間室２４ａからＶ族系ガス吐出孔Ｈ４に連通されるＶ族系ガス供給管２４ｂが柱のように林立している。
【００６４】
〔気相成長方法〕
ＭＯＣＶＤ装置１０を用いたＭＯＣＶＤ法によりIII −Ｖ族化合物半導体結晶を成長させて、III −Ｖ族化合物半導体を製造する本実施の形態の方法を、図１，図３〜７に基づいて説明する。
【００６５】
本実施の形態に係るIII-Ｖ族化合物半導体の結晶を成膜する気相成長方法は、キャリアガスと共に、III 族元素ガスおよびＶ族元素ガスをそれぞれ分離した状態で成長室へ吐出するガス吐出孔が配設されたシャワープレートと、上記III 族元素ガスおよびIII 族用キャリアガスを上記ガス吐出孔に供給するIII 族系ガス中間室と、Ｖ族元素ガスおよびＶ族用キャリアガスを上記ガス吐出孔に供給するＶ族系ガス中間室と、被成膜基板を収容し、成長室とを備える気相成長装置を用いて、上記被成膜基板に複数層のIII-Ｖ族化合物半導体結晶を成膜する気相成長方法である。
【００６６】
上記気相成長装置としては、例えば、図１のＭＯＣＶＤ装置１０を用いることができる。なお、ＭＯＣＶＤ装置１０はあくまでＭＯＣＶＤ装置の一例として用いるものであり、本発明に係る気相成長方法は、他のＭＯＣＶＤ装置を用いてももちろん実施可能である。
【００６７】
本実施の形態に係る気相成長方法は、複数層のIII-Ｖ族化合物半導体結晶を成膜する方法である。上記気相成長方法は、第１成膜工程、残留ガス排出工程、および、第２成膜工程を含んでいる。
【００６８】
＜準備工程＞
気相成長を行う準備工程について説明する。準備工程では、第１成膜工程の前工程として、気相成長装置の作動準備を行う。以下、ＭＯＣＶＤ装置１０の準備工程について説明する。
【００６９】
まず、サセプタ４上に下地となる被成膜基板３をサセプタ４に設置する。その後、成長室２を減圧する。減圧は、用いるIII 族元素ガスおよびＶ族元素ガスの量によって適宜設定されるが、概して１．３３ｋＰａ以上、１０１．３３ｋＰａ以下（１０ｔｏｒｒ以上、７６０ｔｏｒｒ以下）とすることができる。上記減圧は図示しない真空ポンプ等によってなされる。
【００７０】
その後、回転軸７の回転により、サセプタ４の上面に設置された被成膜基板３の表面がシャワープレート２１と平行な状態を保ちながら回転し、ヒータ５の加熱により、サセプタ４を介して被成膜基板３を所定の温度に加熱する。
【００７１】
被成膜基板３の加熱温度は成膜する結晶の種類に応じて適宜設定されるが、ＧａＡｓの場合、６５０℃以上、７３０℃以下に設定することができる。その後、第１成膜工程に移行する。なお、被成膜基板３に予め反応ガスを供給しながら上記加熱を行ってもよい。例えば、被成膜基板３がＧａＡｓの場合、ＧａＡｓを被成膜基板３に供給することによって、被成膜基板３が加熱された際に、被成膜基板３の表面からＧａＡｓが蒸発することを抑制することができるため好ましい。
【００７２】
＜第１成膜工程＞
第１成膜工程は、上記被成膜基板に第１半導体層を形成する工程である。まず、III 族元素ガスおよびＶ族元素ガスを、ガス中間室であるIII 族系ガス中間室２３ａおよびＶ族系ガス中間室２４ａにそれぞれ供給する。
【００７３】
ここで、工程１ａにおけるIII 族元素ガスおよびＶ族元素ガスの供給を第１供給と称する。第１供給は図示しない制御部によってマスフローコントローラ３３およびマスフローコントローラ３６が制御され、これらによってなされる。なお、上記第１供給において供給されるIII 族元素ガスを第１III 族元素ガスと称し、Ｖ族元素ガスを第１Ｖ族元素ガスと称する。
【００７４】
III 族元素ガスまたはＶ族元素ガスは、キャリアガスの流量を規定することによって調節することができる。キャリアガの流量（キャリアガス流量）は、特に限定されるものではないが、キャリアガス流量が低すぎると供給される元素ガスの量が低下し、成膜量が低下することとなる。一方、キャリアガス流量が高すぎると、成長室２内に付着しているフレークの巻き上げなどを起こし、成膜された結晶の結晶性の低下を招くだけでなく、再現性が悪くなる。このため、キャリアガス流量は、１ＳＬＭ（リットル／分）以上、５０ＳＬＭ以下の範囲内とすることが好ましい。
【００７５】
また、第１成膜にて成膜対象となる第１半導体層としては、後述する第２半導体層と共にIII-Ｖ族化合物半導体の結晶を構成するものであれば特に限定されない。例えば、第１半導体層／第２半導体層として、ＧａＡｓ／ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＮ／ＧａＮなどを挙げることができる。また、第１半導体層および第２半導体層を繰返し積層して３層以上のIII-Ｖ族化合物半導体の結晶を成膜してもよい。
【００７６】
第１成膜工程では、準備工程を経たＭＯＣＶＤ装置１０に、III 族元素ガスおよびＶ族元素ガスを供給すると、シャワープレート２１に形成されているIII 族系ガス吐出孔Ｈ３からIII 族元素ガスが成長室２へ、被成膜基板３の表面に対して垂直方向に導入される。これと共に、シャワープレート２１に形成されているＶ族系ガス吐出孔Ｈ４からＶ族元素ガスが成長室２に、被成膜基板３の表面に対して垂直方向に導入される。
【００７７】
これにより、被成膜基板３の表面上にIII −Ｖ族化合物半導体結晶が成長することになる。なお、ここでは、III 族元素ガスの供給量及びＶ族元素ガスの供給量は、図示しない制御部を介してマスフローコントローラ３３およびマスフローコントローラ３６にて制御され、III 族元素ガス及びＶ族元素ガスのそれぞれが成長室２に供給されることになる。
【００７８】
この際、III 族元素ガス及びＶ族元素ガスは、シャワープレート２１に交互に配列されたIII 族系ガス吐出孔Ｈ３及びＶ族系ガス吐出孔Ｈ４からそれぞれ供給される。このため、被成膜基板３表面の上方におけるIII 族系ガス吐出孔Ｈ３とＶ族系ガス吐出孔Ｈ４との分布の偏りを低減することができる。
【００７９】
III 族元素ガスとＶ族元素ガスとが混合して濃度分布が均一となると、ヒータ５による被成膜基板３の加熱と相俟ってIII 族元素ガスとＶ族元素ガスとの気相反応が被成膜基板３の表面近傍において進行する。これにより、第１半導体層が被成膜基板３に形成される。
【００８０】
＜第２成膜工程＞
第２成膜工程は、第１成膜工程とは異なる組成のIII-Ｖ族化合物半導体結晶を第１半導体層上に成膜する工程である。すなわち、第１半導体層および第２半導体層とは互いに組成が異なる。
【００８１】
ここで、工程１ｃにおけるIII 族元素ガスおよびＶ族元素ガスの供給を第２供給と称する。第２供給は図示しない制御部によってマスフローコントローラ３３およびマスフローコントローラ３６が制御され、これらによってなされる。なお、第２供給において供給されるIII 族元素ガスを第２III 族元素ガスと称し、Ｖ族元素ガスを第２Ｖ族元素ガスと称する。
【００８２】
第２成膜工程では、第２III 族元素ガスおよび第２Ｖ族元素ガスを用いるが、上記第１III 族元素ガスおよび第２III 族元素ガス、並びに、上記第１Ｖ族元素ガスおよび第２Ｖ族元素ガスの組み合わせのうち、少なくとも一方の組み合わせに係る元素ガス同士は互いに異なっている。すなわち、（１）第１III 族元素ガスおよび第２III 族元素ガスが互いに異なり、第１Ｖ族元素ガスおよび第２Ｖ族元素ガスが互いに異なる場合、（２）第１III 族元素ガスおよび第２III 族元素ガスが互いに異なり、第１Ｖ族元素ガスおよび第２Ｖ族元素ガスが互いに同一である場合、（３）第１III 族元素ガスおよび第２III 族元素ガスが互いに同一であり、第１Ｖ族元素ガスおよび第２Ｖ族元素ガスが互いに異なる場合の３つの場合が生じ得る。
【００８３】
第２成膜工程では、第２III 族元素ガスおよび第２Ｖ族元素ガスをIII 族系ガス中間室２３ａおよびＶ族系ガス中間室２４ａにそれぞれ分離した状態で供給する。
【００８４】
III 族用キャリアガスおよびＶ族用キャリアガスを供給する条件については、第１成膜工程における条件を用いることができる。なお、第１成膜工程にて用いた両キャリアガスの流量と異なる流量を採用することもできる。
【００８５】
なお、第１成膜工程および第２成膜工程は、複数回なされることによって、複数層のIII-Ｖ族化合物半導体結晶を成膜することができる。
【００８６】
＜残留ガス排出工程＞
残留ガス排出工程は、上記第１成膜工程および第２成膜工程の間にてなされる。すなわち、第１成膜工程、残留ガス排出工程および第２成膜工程の順序でなされてもよいし、第２成膜工程、残留ガス排出工程および第１成膜工程の順序でなされてもよい。また、第１成膜工程および第２成膜工程の間で常に残留ガス排出工程がなされることが望ましいが、第１成膜工程および第２成膜工程が繰り返される場合、上記第１成膜工程および第２成膜工程の間にて少なくとも１回なされればよい。
【００８７】
残留ガス排出工程では、第１III 族元素ガスと第２III 族元素ガスとが異なる場合、III 族用キャリアガスを第１成膜工程よりも増量してIII 族系ガス中間室２３ａへ、または、第１Ｖ族元素ガスと第２Ｖ族元素ガスとが異なる場合、Ｖ族系キャリアガスを第１成膜工程よりも増量してＶ族系ガス中間室２４ａへの供給のうち少なくとも一方への供給を行う。
【００８８】
すなわち、上記＜第２成膜工程＞における（１）の場合、III 族用キャリアガスおよびＶ族用キャリアガスのうち少なくとも一方をIII 族系ガス中間室２３ａおよび／またはＶ族系ガス中間室２４ａに、（２）の場合、III 族用キャリアガスをIII 族系ガス中間室２３ａに、（３）の場合、Ｖ族用キャリアガスをＶ族系ガス中間室２４ａに、第１成膜工程よりも増量して供給する。
【００８９】
このように、第１成膜工程および第２成膜工程にて、切り替える元素ガスに係るIII 族用キャリアガスおよびＶ族用キャリアガスを第１成膜工程よりも増量してガス中間室に供給する。このため第１成膜工程にて、ガス中間室に残留していた元素ガスを速やかに排出させることができる。これにより、第２成膜工程において、第１成膜工程と異なる元素ガスを供給する際、第２成膜工程にて不要なガスが中間室に残存することを抑制できる。従って、第２成膜工程において、残留したガスが第１半導体層の状態を損ねることなく、成膜を行うことができる。このため、第１結晶膜の状態に悪影響を与えず第２半導体層を形成することができ、第１半導体層と第２半導体層の界面急峻性を向上させることができる。また、均一で、結晶性の良い結晶を再現性よく成長させることが可能である。
【００９０】
本工程において、成長室に供給するIII 族用キャリアガスおよびＶ族用キャリアガスのそれぞれの流量は、第１成膜工程において対応するIII 族用キャリアガスおよびＶ族用キャリアガス以上の流量である。上記ガス流量は、上述したように、得られる成膜量の低下、および、成長室２内部におけるフレークの巻上げの抑制を鑑みて、１ＳＬＭ以上、５ＳＬＭ以下の範囲内とすることが好ましい。
【００９１】
なお、（１）第１III 族元素ガスおよび第２III 族元素ガスが互いに異なり、第１Ｖ族元素ガスおよび第２Ｖ族元素ガスが互いに異なる場合、III 族用キャリアガスおよびＶ族用キャリアガスの両方を、それぞれ第１成膜工程以上の流量にて供給することが好ましいが、一方を供給した場合であっても本発明の効果を得ることは可能である。
【００９２】
また、（２）第１III 族元素ガスおよび第２III 族元素ガスが互いに異なり、第１Ｖ族元素ガスおよび第２Ｖ族元素ガスが互いに同一である場合、III 族用キャリアガスを、第１成膜工程よりも増量してIII 族系ガス中間室２３ａに供給し、Ｖ族用キャリアガスを、第１成膜工程よりも減量してＶ族系ガス中間室２４ａに供給することが好ましい。
【００９３】
上記のように、第１成膜工程に比較して、III 族用キャリアガスを増量させ、Ｖ族用キャリアガスを減量させることによって、成長室２内の被成膜基板３上に供給されるキャリアガスの総流量が過度に増量されることを抑制できる。これによって、結晶をより安定して成長させることができるので、再現性のよい結晶成長が可能となる。
【００９４】
一方、（３）第１III 族元素ガスおよび第２III 族元素ガスが互いに同一であり、第１Ｖ族元素ガスおよび第２Ｖ族元素ガスが互いに異なる場合、Ｖ族用キャリアガスを第１成膜工程よりも増量してＶ族系ガス中間室へＶ族系ガス中間室２４ａに供給し、III 族用キャリアガスを、第１成膜工程よりも減量してIII 族系ガス中間室２３ａに供給することが好ましい。
【００９５】
上記のように、第１成膜工程に比較して、Ｖ族用キャリアガスを増量させ、III 族用キャリアガスを減量させることによって、成長室２内の被成膜基板３上に供給されるガスの総流量が過度に増量されることを抑制できる。これによって、結晶をより安定して成長させることができるので、再現性のよい結晶成長が可能となる。
【００９６】
さらに、残留ガス排出工程におけるIII 族用キャリアガスおよびＶ族用キャリアガスのガス総流量が、第１成膜工程におけるIII 族用キャリアガスおよびＶ族用キャリアガスのガス総流量のガス総流量と等しいことがさらに好ましい。これにより、第１成膜工程および残留ガス排出工程において、材料ガスの流量は等しい。したがって、残留ガス排出工程において、成長室２内部のガスの流れが乱れることを抑制することができ、その状態を保ちつつ第２成膜工程にて第２半導体層を積層することができる。このため、さらに、均一で結晶性のよい結晶を、非常に再現性よく成長させることができる。
【００９７】
また、残留ガス排出工程は、より長い時間行うことが残留ガスを多く排出する観点から、好ましいが作業効率等を考慮すると、１秒以上、１０秒以下の時間行うことが望ましい。
【００９８】
＜ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓの成膜＞
具体的に、Ｖ族元素ガスを切り替える例として、ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓへテロ構造を有する作製する方法を詳細に説明する。図３は、本発明に係る気相成長方法のフローを示すフローチャートである。
【００９９】
まず、図示しない準備工程では、ＧａＡｓの被成膜基板３を成長室２のサセプタ４に設置する。その後、成長室２を１．３３ｋＰａ以上、１３．３３ｋＰａ以下に減圧し、Ｖ族元素ガスであるＡｓＨ３をＶ族系ガス供給源３４からＶ族系ガス供給部２４を経由して、Ｖ族系ガス吐出孔Ｈ４から被成膜基板３に供給する。その後、ヒータ５によって被成膜基板３を加熱し、基板温度を６５０℃以上、７３０℃以下に上昇させる。加熱中にＡｓＨ３を導入している理由としては、基板表面からＡｓが蒸発するのを防ぐためである。
【０１００】
次に、工程１ａでは、第１半導体層であるＧａＡｓを成長させるために、上記ＡｓＨ３（第１Ｖ族元素ガス）を成長室２に吐出した状態で、III 族系ガス供給部２３からIII族元素ガスであるＴＭＧ（第１III 族元素ガス）を成長室２に吐出させる。この時のIII族用キャリアガスおよびＶ族用キャリアガスである水素キャリアガス流量はそれぞれ１．０ＳＬＭである。これにより、成長室内に導入されたＴＭＧおよびＡｓＨ３が基板近傍で気相反応を起こし、ＧａＡｓが基板上に成膜される。ＧａＡｓが所定の膜厚となった時点にて、ＴＭＧおよびＡｓＨ３の導入を停止する。これにより、工程１ａが終了する。
【０１０１】
工程１ｂでは、上記ＡｓＨ３に替えてＶ族元素ガスであるＰＨ３（第２Ｖ族元素ガス）を成長室２に導入する。このときＰＨ３の水素キャリアガスの流量を２．０ＳＬＭとする。ＰＨ３の供給によって、Ｖ族系ガス中間室２４ａに残存していたＡｓＨ３が成長室２に吐出され、さらに成長室２外へ速やかに排出されることとなる。
【０１０２】
最後に、工程１ｃでは、第２半導体層であるＩｎＧａＰを成長させるために、上記ＰＨ３（第２Ｖ族元素ガス）を成長室２に吐出した状態で、III族元素ガスであるＴＭＧおよびＴＭＩ（第２III 族元素ガス）を成長室２に吐出し、ＧａＡｓ層上にＩｎＧａＰを成長させる。
【０１０３】
なお、この工程１ｃでは、ＰＨ３のＶ族用キャリアガス流量を工程１ａのＡｓＨ３のＶ族用キャリアガス流量と同じ１．０ＳＬＭに戻してもよい。
【０１０４】
ここで、工程１ａから工程１ｂに移行する間における、Ｖ族元素ガスの切り替えによる効果を示す。図４および図５は、Ｖ族元素ガスの切り替え時の水素キャリアガス流量を変更することによって、流体力学に基づきＶ族系ガス中間室２４ａ内のＡｓＨ３濃度を計算した結果を示すグラフである。
【０１０５】
計算に用いたＶ族系ガス中間室２４ａの大きさは直径１５ｍｍ、高さ６ｍｍである。工程１ｂでは、Ｖ族系ガス中間室２４ａの側面からＰＨ３が供給されてＶ族系ガス吐出孔Ｈ４から排出される。
【０１０６】
図４のグラフにおける縦軸は、水素キャリアガス流量が１．０ＳＬＭの場合におけるＶ族系ガス中間室２４ａ内のＡｓＨ３濃度を示しており、横軸は、Ｖ族系ガス中間室２４ａの中心位置からの距離の割合を示している。また、各グラフは、工程１ａでのＡｓＨ３停止後から１．０秒後、２．０秒後、３．０秒後、および、４．０秒後に対応している。
【０１０７】
図４のグラフに示されるように、ＡｓＨ３停止から４．０秒経過した後には、ほとんど中心位置から０．６の距離割合の位置では、ほとんどＡｓＨ３が残存していないことがわかる。
【０１０８】
これに対し、図５では、図４の水素キャリアガスを２倍の２．０ＳＬＭにした場合、ＡｓＨ３導入停止後１．０秒であっても、図４の２．０秒後のグラフと同程度の残留ガス濃度比率が示されていることがわかる。さらに、図５の２．０秒後のグラフでは、ガス中間室内のＡｓＨ３がほとんど残留していないことが確認できる。
【０１０９】
装置サイズが大型になればガス中間室の体積も大きくなるため、この場合、さらに残留ガスが排出され難くなり、本発明の効果はより顕著に現れると考えられる。また、図３，４を用いて示したように、キャリアガス流量を２倍以上に増大させるとさらに時間が短縮できることは明らかである。
【０１１０】
ここで、本実施の形態では、工程１ｂにおいて、III 族系ガス中間室２３ａに供給されるIII 族用キャリアガスの流量を工程１ａよりも減量することができる。
【０１１１】
例えば、工程１ｂでＶ族用キャリアガスのキャリアガス流量を１．０ＳＬＭから２．０ＳＬＭに増量させた場合、III 族用キャリアガスのキャリアガス流量を１．０ＳＬＭから０．５ＳＬＭに減量させる。
【０１１２】
従来の気相成長方法では、キャリアガスの流量が大きくなると成長室内のガスの流れが大きく変わり、工程１ｃが開始された際に結晶成長がうまくいかないことが多い。しかしながら、上記のようにキャリアガス流量を調整することによって、工程１ｂにおいて過度にキャリアガスの流量が増量されることを抑制することができる。特にキャリアガスの流量が大きくなると、成長室内に付着しているフレークの巻き上げなどを起こし、結晶性の低下を招くだけでなく、気相成長方法の再現性が悪くなるため、これらを回避できる。
【０１１３】
さらに、本実施の形態では、工程１ｂにおいて、第１成膜工程に比較してＶ族用キャリアガス流量の増量とIII族用キャリアガス流量の減量とを等しくすることもできる。例えば、工程１ａで、Ｖ族用キャリアガス流量を１．５ＳＬＭとし、工程１ｂでＶ族用キャリアガス流量を２．５ＳＬＭに増分させた場合、III族元素ガスのキャリアガス流量を工程１ａの１．５ＳＬＭから工程１ｂの０．５ＳＬＭに減量させる。
【０１１４】
これによって工程１ａ〜１ｃにおいてガス総流量が変わらないことになり、成長室内のガスの流れが安定するため、気相成長方法の再現性が大きく向上する。
【０１１５】
上記のように、図３に示す本発明の結晶成長方法で成膜したＩｎＧａＰ表面の走査電子顕微鏡像を図６の（ａ）に、比較例として工程１ｂを行わず工程１ａおよび工程１ｃのみにて成膜したＩｎＧａＰ表面の走査電子顕微鏡像を図６の（ｂ）に示す。本発明の結晶成長方法で成膜したＩｎＧａＰ表面は鏡面であるのに対し、比較例の表面は小さな凹凸があり、白濁している。これは、工程１ｂを行わなかったため、ＩｎＧａＰにおいて、急峻なヘテロ界面が形成されなかった結果、Ａｓ原子とＰ原子との置換が生じた影響が現れたものと考えられる。しかし、本発明に係る図６の（ａ）に示す走査電子顕微鏡像では、そのような白濁が認められず、本発明の優位性が示されている。
【０１１６】
＜ＩｎＧａＮ／ＧａＮの成膜＞
次に、III族元素ガスを切り替える例として、ＩｎＧａＮ／ＧａＮの多重量子井戸（ｍｕｌｔｉｐｌｅ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｗｅｌｌ：ＭＱＷ）構造を作製する場合を取り上げて、本発明の結晶成長方法の詳細を述べる。
【０１１７】
まず、準備工程では、被成膜基板３としてサファイア基板を用い、被成膜基板３上にＧａＮバッファ層およびｎ型ＧａＮ層を成長させる。
【０１１８】
第１成膜工程である工程２ａとして第１半導体層のＧａＮを成長させるために、成長室２内にIII 族系ガス供給部２３からIII族元素ガスであるＴＭＧを、Ｖ族系ガス供給部２４からＶ族元素ガスであるＮＨ３を導入する。III 族用キャリアガスおよびＶ族用キャリアガスとしては、共に窒素を用い、両キャリアガス流量を一例として１．０ＳＬＭに設定する。
【０１１９】
次に、第２成膜工程である工程２ｂでは、第２半導体層のＩｎＧａＮを成長させるために、III族元素ガスであるＴＭＧおよびＴＭＩをIII 族系ガス中間室２３ａに供給し、ＧａＮ層上にＩｎＧａＮを成長させる。工程２ｂ終了後、ＴＭＧおよびＴＭＩの導入を停止する。工程２ａと同様に、III 族用キャリアガスおよびＶ族用キャリアガスとしては、共に窒素を用い、両キャリアガス流量を１．０ＳＬＭに設定する。
【０１２０】
その後、残留ガス排出工程である工程２ｃとして、III族元素ガスの窒素キャリアガス流量を例えば２．０ＳＬＭに増大させて、中間室内に残留しているＴＭＩを排出する。Ｖ族用キャリアガスの流量は、１．０ＳＬＭのままである。
【０１２１】
工程２ｃ終了後、少なくとも１回以上再び工程２ａを行い（工程２ｄでのＮＯ）、ＩｎＧａＮ層上にＧａＮを成長させる。このように工程２ａ〜２ｃを繰り返すことによってＩｎＧａＮ／ＧａＮのヘテロ界面が急峻なＭＱＷ構造を作製することができる。すなわち、本発明に係る気相成長方法では、第１成膜工程と第２成膜工程とを連続して行ってもよく、少なくとも１回、第１成膜工程および第２成膜工程の間で残留ガス排出工程がなされれば、ヘテロ界面が急峻な結晶を成長させることが可能である。
【０１２２】
ここで、本実施の形態では、工程２ｃにおいて、Ｖ族元素ガスのキャリアガス流量を減らすこともできる。例えば、工程２ｃでIII族用キャリアガスの流量を１．０ＳＬＭから２．０ＳＬＭに増分させた場合、Ｖ族元素ガスのキャリアガス流量を１．０ＳＬＭから０．５ＳＬＭに減分させる。
【０１２３】
さらに、本実施の形態では、さらに工程２ｃにおいて、III族用キャリアガス流量の増分量とＶ族用キャリアガス流量の減分量を等しくすることができる。例えば、工程２ｃでＶ族用キャリアガス流量を１．５ＳＬＭから２．５ＳＬＭに増分させた場合、III族用キャリアガスの流量を１．５ＳＬＭから０．５ＳＬＭに減分させる。
【０１２４】
これにより、工程２ａ〜２ｃにおいてガス総流量が変わらないことになり、成長室内のガスの流れが安定する。特にＭＱＷ作製のような短時間にガスの切り替えを頻繁に行う場合、成長室２のガス流れが安定することは結晶性、再現性の両方の観点から非常に重要である。
【０１２５】
なお、工程１ａおよび工程１ｃにおいて、III 族元素ガスとして、ＴＭＧを共通して用いているが、第２成膜工程では、第２III 族元素ガスとして、ＴＭＧと共にＴＭＩを用いているため、工程１ｃから再度工程１ａに移行する場合、成長室２内に残留したＴＭＩを排出するために、工程１ｃおよび工程１ａ間に残留ガス排出工程を設け、III 族用キャリアガスだけでなく、Ｖ族用キャリアガスの供給を行うことが好ましい。
【０１２６】
なお、上記においては、ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ系、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ系について詳細に説明したが、これらは一例にすぎず、本発明においては上記の系に限ったことではない。また、III 族元素ガス、Ｖ族元素ガスを導入する場合について説明したが、本発明においては、III 族元素ガス及びＶ族元素ガスと共に、不活性ガスやドーパント源となるガス等を成長室２に供給してもよい。
【０１２７】
また、本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１２８】
本発明によれば、急峻なヘテロ接合界面を有するIII-Ｖ族化合物半導体結晶を成膜することができるため、優れたIII-Ｖ族化合物半導体結晶を提供できる。したがって、本発明は、半導体結晶を製造する分野、および、半導体結晶を部品として用いる電気機器などを用いる分野にて利用が可能である。
【符号の説明】
【０１２９】
１      反応炉
２      成長室
３      被成膜基板
４      サセプタ
５      ヒータ
６      支持台
７      回転軸
８      被覆板
１０      ＭＯＣＶＤ装置（気相成長装置）
１１      ガス排出部
１２      パージライン
２０      シャワーヘッド
２１      シャワープレート
２２      冷媒供給部
２２ａ    冷媒中間室
２３      III 族系ガス供給部
２３ａ    III 族系ガス中間室
２３ｂ    III 族系ガス供給管
２４      Ｖ族系ガス供給部
２４ａ    Ｖ族系ガス中間室
２４ｂ    Ｖ族系ガス供給管
２６ａ    境界板
２６ｂ    境界板
２６ｃ    天板
３１      III 族系ガス供給源
３２      III 族系ガス配管
３３      マスフローコントローラ
３４      Ｖ族系ガス供給源
３５      Ｖ族系ガス配管
３６      マスフローコントローラ
３７      冷媒装置
３８      冷媒供給配管
３９      冷媒排出配管
Ｈ３      III 族系ガス吐出孔（ガス吐出孔）
Ｈ４      Ｖ族系ガス吐出孔（ガス吐出孔）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図６】
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