(57)【要約】【課題】本発明は、ガス流の乱れがなく、基板に均一に原料ガスを供給でき、反応管の清掃が不要で、連続して気相成長でき、窒化化合物半導体の成長膜に合った条件で結晶成長でき、ガスの量が少ない、高温で半導体膜を形成しても結晶性を維持し、成長結晶の再分解を防止する気相成長装置および気相成長方法を提供する。【解決手段】基板１０１を載せるためのサセプター１０２と、該サセプター１０２を加熱するためのヒーター１０３を有する反応管１００において、上記サセプター１０２の温度をＴ１とし、基板１０１表面を加熱手段１１５により更にＴ２加熱することによりＴ１＋Ｔ２の温度にて気相成長させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を載せるためのサセプターと、該サセプターを加熱するためのヒーターを有する気相成長装置において、前記サセプターの温度をＴ１とし、前記基板表面の加熱手段により更にＴ２加熱することにより、Ｔ１＋Ｔ２の温度にて気相成長させることを特徴とする気相成長装置。
【請求項２】
基板を載せるためのサセプターと、該サセプターを加熱するためのヒーターを有する気相成長装置において、前記サセプターの温度をＴ３とし、前記サセプター上部から赤外光照射により前記基板表面の温度を更にＴ４加熱することにより、Ｔ３＋Ｔ４の温度にて気相成長させることを特徴とする気相成長装置。
【請求項３】
基板を載せるためのサセプターと、該サセプターを加熱するためのヒーターと、反応管内部の前記基板に実質的に平行になるように配置され、下部に第１種ガスの導入部と排出部を有し、上部に第２種ガスの導入部と排出部を有する仕切り部を備え、前記仕切り部において、前記基板の上部に位置する開口部を設け、前記開口部の上部に位置する前記反応管の外部に基板表面加熱用手段を備えたことを特徴とする気相成長装置。
【請求項４】
基板を載せるためのサセプターと、該サセプターを加熱するためのヒーターと、反応管内部の前記基板に実質的に平行になるように配置され、下部に第１種ガスの導入部と排出部を有し、上部に第２種ガスの導入部と排出部を有する仕切り部を備え、前記仕切り部において、前記基板の上部に位置する開口部を設け、前記開口部の上部に位置する前記反応管の外部に、前記基板表面の加熱用として、赤外光光源を備えたことを特徴とする気相成長装置。
【請求項５】
前記第１種ガスとして成長ガス１を用い、前記第２種ガスとして成長ガス２を用い、前記成長ガス１を前記成長ガス２の側圧により、前記基板の表面に押し付け、成長させることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の気相成長装置。
【請求項６】
前記第１種ガスとして有機ＩＩＩ属金属を用い、前記第２種ガスとして窒化含有炭化水素を用い、前記第１種ガスを前記第２種ガスの側圧により、前記基板の表面に押し付け、成長させることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の気相成長装置。
【請求項７】
基板を載せるためのサセプターと、該サセプターを加熱するためのヒーターを有し、前記サセプターの温度をＴ１とし、前記基板表面の加熱手段により更にＴ２加熱することにより、Ｔ１＋Ｔ２の温度にて気相成長させることを特徴とする気相成長方法。
【請求項８】
反応管内部の下部に第１種ガスの導入部と排出部を有し、上部に第２種ガスの導入部と排出部を有し、前記第１種ガスとして有機ＩＩＩ属金属を用い、前記第２種ガスとして窒化含有炭化水素を用い、前記第１種ガスを前記第２種ガスの側圧により、前記基板の表面に押し付け、前記Ｔ１＋Ｔ２の温度にて気相成長させることを特徴とする請求項７に記載の気相成長方法。
【請求項９】
前記Ｔ１＋Ｔ２の温度にて、ｎ層領域窒化ガリウム系化合物半導体を形成したことを特徴とする請求項８に記載の気相成長方法。
【請求項１０】
前記Ｔ１＋Ｔ２の温度にて、ｐ層領域窒化ガリウム系化合物半導体を形成したことを特徴とする請求項８に記載気相成長方法。
【請求項１１】
前記Ｔ１＋Ｔ２の温度にて、発光層領域窒化ガリウム系化合物半導体を形成したことを特徴とする請求項８に記載の気相成長方法。
【請求項１２】
前記ｎ層領域はｎ型ＧａＮ層とｎ型Ｇａ１−ｂＡｌｂＮ層（但し、０≦ｂ≦１）からなる多層膜より構成されることを特徴とする請求項９に記載の気相成長方法。
【請求項１３】
前記ｐ層領域はｐ型ＧａＮ層とｐ型Ｇａ１−ｂＡｌｂＮ層（但し、０≦ｂ≦１）からなる多層膜より構成されることを特徴とする請求項１０に記載の気相成長方法。
【請求項１４】
前記発光層領域はＩｎｂＧａ１−ｂＮ層（但し、０≦ｂ≦１）からなる膜より構成されることを特徴とする請求項１１に記載の気相成長方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体膜の気相成長装置および気相成長方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の装置は例えば、特許文献１に示されている。この特許文献１によると、トリメチルガリウム等の有機金属ガスをＩＩＩ族金属源として、アンモニアを窒素源として用い、あらかじめ反応管にセットされたサファイア等の基板上に原料導入管から、導入し、加熱された基板上で気相成長させている。
【特許文献１】特開平１０−１２６２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記装置では、基板上で原料を含むガスが加熱されることにより発生する熱対流によって基板に対向した反応管壁に分解生成物または反応生成物が析出し、反応管を汚染し、析出した固形物が基板に落下し、落下した場所には反応が進まない、第１の欠点がある。
更に、ｐ−ＧａＡｌＮクラッド層，ｐ−ＧａＮコンタクト層を形成するために、ｐ−ＧａＡｌＮ層，ｐ−ＧａＮ層を高温で形成した時、ｐ−ＧａＡｌＮ層，ｐ−ＧａＮ層の下部に形成されたＩｎＧａＮ発光層を構成するＩｎＮが分解し発光出力の劣化が生じる、第２の欠点がある。また、ｐ−ＧａＡｌＮ層，ｐ−ＧａＮ層の成長温度を低くしなければならず、正孔濃度の低下、ｐ層領域の抵抗増大、ｐ−ＧａＮ層とｐ電極間の高抵抗化などの第３の欠点がある。
【０００４】
そこで、本発明はこの様な従来の欠点を考慮して、反応管壁を汚染しにくい、結晶の劣化の無い発光層を有し、ｐ−ＧａＮ層とｐ電極の低抵抗化に適した、半導体膜の気相成長装置および気相成長方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、請求項１の本発明では、基板を載せるためのサセプターと、該サセプターを加熱するためのヒーターを有する気相成長装置において、前記サセプターの温度をＴ１とし、前記基板表面の加熱手段により更にＴ２加熱することにより、Ｔ１＋Ｔ２の温度にて気相成長させる。
【０００６】
請求項２の本発明では、基板を載せるためのサセプターと、該サセプターを加熱するためのヒーターを有する気相成長装置において、前記サセプターの温度をＴ３とし、前記サセプター上部から赤外光照射により前記基板表面の温度を更にＴ４加熱することにより、Ｔ３＋Ｔ４の温度にて気相成長させる。
請求項３の本発明では、基板を載せるためのサセプターと、該サセプターを加熱するためのヒーターと、反応管内部の前記基板に実質的に平行になるように配置され、下部に第１種ガスの導入部と排出部を有し、上部に第２種ガスの導入部と排出部を有する仕切り部を備え、前記仕切り部において、前記基板の上部に位置する開口部を設け、前記開口部の上部に位置する前記反応管の外部に基板表面加熱用手段を備えた。
請求項４の本発明では、基板を載せるためのサセプターと、該サセプターを加熱するためのヒーターと、反応管内部の前記基板に実質的に平行になるように配置され、下部に第１種ガスの導入部と排出部を有し、上部に第２種ガスの導入部と排出部を有する仕切り部を備え、前記仕切り部において、前記基板の上部に位置する開口部を設け、前記開口部の上部に位置する前記反応管の外部に前記基板表面の加熱用として、赤外光光源を備えた。
請求項５の本発明では、前記第１種ガスとして成長ガス１を用い、前記第２種ガスとして成長ガス２を用い、前記成長ガス１を前記成長ガス２の側圧により、前記基板の表面に押し付け、成長させる。
請求項６の本発明では、前記第１種ガスとして有機ＩＩＩ属金属を用い、前記第２種ガスとして窒化含有炭化水素を用い、前記第１種ガスを前記第２種ガスの側圧により、前記基板の表面に押し付け、成長させる。
請求項７の本発明では、基板を載せるためのサセプターと、該サセプターを加熱するためのヒーターを有し、前記サセプターの温度をＴ１とし、前記基板表面の加熱手段により更にＴ２加熱することにより、Ｔ１＋Ｔ２の温度にて気相成長させる。
請求項８の本発明では、反応管内部の下部に第１種ガスの導入部と排出部を有し、上部に第２種ガスの導入部と排出部を有し、前記第１種ガスとして有機ＩＩＩ属金属を用い、前記第２種ガスとして窒化含有炭化水素を用い、前記第１種ガスを前記第２種ガスの側圧により、前記基板の表面に押し付け、前記Ｔ１＋Ｔ２の温度にて気相成長させる。
請求項９の本発明では、前記Ｔ１＋Ｔ２の温度にて、ｎ層領域窒化ガリウム系化合物半導体を形成した。
請求項１０の本発明では、前記Ｔ１＋Ｔ２の温度にて、ｐ層領域窒化ガリウム系化合物半導体を形成した。
請求項１１の本発明では、前記Ｔ１＋Ｔ２の温度にて、発光層領域窒化ガリウム系化合物半導体を形成した。
請求項１２の本発明では、前記ｎ層領域はｎ型ＧａＮ層とｎ型Ｇａ１−ｂＡｌｂＮ層（但し０≦ｂ≦１）からなる多層膜より構成される。
請求項１３の本発明では、前記ｐ層領域はｐ型ＧａＮ層とｐ型Ｇａ１−ｂＡｌｂＮ層（但し０≦ｂ≦１）からなる多層膜より構成される。
請求項１４の本発明では、前記発光層領域はＩｎｂＧａ１−ｂＮ層（但し、０≦ｂ≦１）からなる膜より構成される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の気相成長装置および気相成長方法によると、気相成長させる基板に対向した仕切り壁を無くし、窒化含有炭化水素ガスにて有機ＩＩＩ属金属ガスに側圧を加え、基板へ原料ガスを押し付け、有機ＩＩＩ属金属ガスと窒化含有炭化水素ガスを反応させる。その結果、高速ではないが、反応を十分に進め結晶成長させ、反応管壁を汚染することなく、固形物が基板に落下することのない。それ故に、反応管の清掃が不要で、連続して気相成長でき、基板上に均一に、原料ガスを供給でき、又側圧で基板に原料ガスが抑えられているため、ガス流の乱れのない気相成長をさせることができる。
また、窒素供給源としてアンモニアを使用しないため副生成物の発生を少なくしてアンモニアに比べ１／３の使用量でよく原料ガスの使用量の少ない窒化化合物半導体の気相成長をさせることができる。
更に、反応炉外から照射される赤外光により、ヒーターで加熱された基板温度以上に基板表面を加熱して基板表面上に、窒化化合物半導体膜を気相成長させながら形成層の再分解を防ぎ、結晶の劣化のないｎ型コンタクト層、ｎ型クラッド層を成長させることができる。
そして、窒素供給源としてアンモニアを使用しないため発光層形成時、キャリアガスとして水素を使用できるため結晶性を高め、高温成長でもＩｎを取り込める気相成長ができるようになった。その結果、ｐ−クラッド層，ｐ−コンタクト層を形成時に、成長温度を下げることなく、正孔濃度を高く、ｐ領域の低抵抗率化、ｐ−コンタクト層とｐ電極間の低抵抗化が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図１に従い、本発明を実施するための最良の形態に係る気相成長装置９２を説明する。図１は、気相成長装置９２の基本的な構成を示す概略図である。
【０００９】
図１に示す様に、幅１５０ｍｍ、高さ２０ｍｍ、長さ２５０ｍｍ石英製反応炉１００に、１インチのｎーＧａＮ 基板１０１を保持し、回転させると共に、加熱するサセプター１０２が設けられている。サセプター１０２を加熱するヒーター１０３が設けられている。
基板１０１に実質的に平行となるように配置された、下部に第１種ガス１０８の導入部１０４と、第１種ガス１０８の排出部１０５を有し、上部に第２種ガス１０９の導入部１０６と、第２種ガス１０９の排出部１０７を持つ仕切り部１１４、１１０が設けられている。基板１０１上部の仕切り部１１４に開口部１１１を形成し、開口部１１１の下部に第２種ガス１０６の突出部１１２を形成したことを特徴とする。
以下に、この気相成長装置９２の構成の特徴を述べる。基板１０１を載せるためのサセプター１０２と、サセプター１０２を加熱するためのヒーター１０３が設けられている。そして、サセプター１０２の温度をＴ１とし、基板１０１の表面の加熱手段（図示せず）により更にＴ２加熱することにより、Ｔ１＋Ｔ２の温度にて気相成長させる。
【００１０】
また、サセプター１０２の温度をＴ３とし、サセプター１０２の上部から、赤外線光源１１５による赤外光照射に従い、基板１０１の表面の温度を更にＴ４加熱することによりＴ３＋Ｔ４の温度にて気相成長させる。
更に、基板１０１を載せるためのサセプター１０２と、サセプター１０２を加熱するためのヒーター１０３が設けられている。反応炉１００内部の基板１０１に実質的に平行になるように配置され、下部に第１種ガス１０８の導入部１０４と排出部１１３，１０５を有し、上部に第２種ガス１０９の導入部１０６と排出部１０７を有する仕切り部１１４、１１０が設けられている。仕切り部１１４，１１０において、基板１０１の上部に位置する開口部１１１が設けられ、開口部１１１の上部に位置し、かつ、反応炉１００の外部に基板表面加熱用手段が設けられている。そして、その基板表面加熱用手段として、例えば赤外光光源１１５が設けられている。
この気相成長装置９２において、第１種ガス１０８として成長ガス１が用いられ、第２種ガス１０９として成長ガス２が用いられ、成長ガス１を成長ガス２の側圧１０９Ａにより、基板１０１の表面に押し付け、成長させる。
そして、第１種ガス１０８として有機ＩＩＩ属金属が用いられ、第２種ガス１０９として窒化含有炭化水素が用いられ、第１種ガス１０８を第２種ガスの側圧１０９Ａにより、基板１０１の表面に押し付け、成長させる様に、構成されている。
【００１１】
図１において、第２種ガス１０９の１部は境界面９０に沿って下方へ進み、第１種ガス１０８用の側圧（側方に衝突するガスのこと）１０９Ａとして働く。第１種ガス１０８が成長された後に、それらの反応済みガスは、境界面９１に沿って排出部１１３，１０５から排出される。
【００１２】
次に、図１と図２に従い、本発明を実施するための最良の形態１に係る気相成長方法を説明する。図２は、ｎ−コンタクト層の概略図である。図１において、ｎ−ＧａＮ基板１０１をサセプター１０２にセットした後、反応炉１００内を水素ガスで置換する。
【００１３】
そして、第１種ガス１０８の導入部１０４より、窒素ガス３．５Ｌ/ｍｉｎと、第１種ガス１０８として、トリメチルガリウム（ＴＭＧ） Ｇａ（ＣＨ３）３を３０μ―ｍｏｌ/ｍｉｎとｎ型ドーパントであるＳｉをドーピングするため水素で希釈した濃度１ｐｐｍのシランガス（ＳｉＨ４）を供給する。
【００１４】
上記供給をしながら、第２種ガス１０９として、窒化含有炭化水素の１種であるトリメチルアミン Ｎ（ＣＨ３）３を０．１ｍｏｌ/ｍｉｎと、窒素ガス３．５Ｌ/ｍｉｎを供給しながら、基板１０１をヒーター１０３で５５０℃に加熱する。そして、ｎ−ＧａＮ基板１０１の基板表面を、赤外光光源１１５からの光を反射板１１６で反射させ、基板１０１の表面を４５０℃更に加温する。そして、１０００℃にて、図２に示す４μｍのｎ−ＧａＮコンタクト層１１７を形成した。
トリメチルアミンの反応がアンモニアに比べ遅いため、基板１０１をヒーター１０３であらかじめ５５０℃に加熱する。そして、図１の反応炉１００の開口部１１１下部に、第２種ガス１０９のトリメチルアミンガスの流量コントロール（反応済みガスの排出部１０７の流量を絞る等）を行なう。
【００１５】
それにより、トリメチルアミンガス１０９の突出部１１２を形成し、第１種ガス１０８のトリメチルガリウムガスに側圧１０９Ａを加え、第２種ガス１０９のトリメチルアミンガス及び第１種ガス１０８のトリメチルガリウムガスは、ｎ−ＧａＮ基板１０１に押し付られる。そのため、第２種ガス１０９のトリメチルアミンガス及び第１種ガス１０８のトリメチルガリウムガスは、基板１０１の表面に接触した時に１０００℃に加熱されるため熱対流は抑えられる。
【００１６】
成長したｎ−ＧａＮコンタクト層１１７は、トリメチルアミンガス１０９にて覆われるので、窒素の再分解は抑えられる。更に詳しく説明を行うと、基板１０１はヒーター１０３であらかじめ５５０℃に加熱されているため、トリメチルガリウムガス１０８と、トリメチルアミンガス１０９が基板１０１表面に触れる。
【００１７】
そして、その瞬間に、赤外光光源１１５からの光が反射板１１６で反射され、４５０℃に更に加温しているため、１０００℃の成長温度で結晶成長が進む。１０００℃の成長温度でトリメチルアミン１０９が分解し、活性窒素が、トリメチルガリウムガス１０８を分離して活性化ガリウムと結合し、更にはシランガス（ＳｉＨ４）によりｎ型ドーパントＳｉがドーピング、活性化され、ｎ−ＧａＮコンタクト層１１７が成長する。
【００１８】
図２に示すｎ−ＧａＮコンタクト層１１７形成において、窒素供給源としてアンモニアを使用した場合、反応式はＧａ（ＣＨ３）３＋３ＮＨ３→ＧａＮ＋Ｎ（ＣＨ３）２＋ＮＨ（ＣＨ３）＋４Ｈ２→ＧａＮ＋Ｎ２＋Ｃ２Ｈ６＋ＣＨ４＋４Ｈ２となる。窒素供給源としてトリメチルアミンＮ（ＣＨ３）３を使用した場合、反応式はＧａ（ＣＨ３）３＋Ｎ（ＣＨ３）３→ＧａＮ＋３Ｃ２Ｈ６となる。アンモニアに比べ同じ窒素を得るため、ガス量は１／３で良いが、アンモニアに比べて反応が遅いため従来の横型高流速気相成長装置が使用できない欠点があった。
【００１９】
図１は、これを改善した気相成長装置９２であり、トリメチルアミン はアンモニアに比べ上記反応式より副生成物が少ないため、気相成長後、基板１０１と対向する反応炉１００壁に固形物の付着、及び汚れがあるかどうか調査した。結果、固形物付着、及び汚れはなかった。得られたｎ−ＧａＮコンタクト層１１７の膜厚は４．０μｍ±２％で移動度８００ｃｍ２／Ｖ・Ｓ、キャリア濃度として１×１０１７／ｃｍ３〜１×１０１９／ｃｍ３とアンモニアによる成長と同じ良好な結果が得られた。
【００２０】
次に、図１と図３に従い、本発明を実施するための最良の形態２に係る気相成長方法を説明する。図３は、ｎ−クラッド層の概略図である。図１において、第１種ガス１０の導入部１０４よりキャリアガス、水素ガス３．５Ｌ/ｍｉｎと、第１種ガス１０８として、トリメチルガリウム（ＴＭＧ） Ｇａ（ＣＨ３）３を２７μ―ｍｏｌ/ｍｉｎ，トリメチルアルミニュウム（ＴＭＡ） Ａｌ（ＣＨ３）３を３μ―ｍｏｌ/ｍｉｎと、ｎ型ドーパントであるＳｉをドーピングするため水素で希釈した濃度１ｐｐｍのシランガス（ＳｉＨ４）を供給する。
【００２１】
上記供給をしながら、第２種ガス１０９として、トリメチルアミン Ｎ（ＣＨ３）３を０．１ｍｏｌ/ｍｉｎと、窒素ガス３．５Ｌ/ｍｉｎで供給しながら、基板１０１をヒーター１０３で５５０℃に加熱し、ｎ−ＧａＮ基板１０１の基板表面を赤外光光源１１５からの光を反射板１１６で反射させる。そして、基板１０１表面を４５０℃に更に加温し、１０００℃にて０．５μｍのｎ−Ｇａ０．９Ａｌ０．１Ｎクラッド層１１８（図３に示した）を形成した。
【００２２】
トリメチルアミンの反応がアンモニアに比べ遅いため、基板１０１をヒーター１０３であらかじめ５５０℃に加熱し、図１の反応炉１００の開口部１１１下部に第２種ガス１０９のトリメチルアミンガスの流量コントロール（反応済みガスの排出部１０７の流量を絞る等）を行なった。
【００２３】
これにより、トリメチルアミンガス１０９の突出部１１２を形成し、第１種ガス１０８のトリメチルガリウムガス、トリメチルアルミニュウムガス８に側圧１０９Ａを加え、第２種ガス１０９のトリメチルアミンガス及び第１種ガス１０８のトリメチルガリウムガスは、ｎ−ＧａＮ基板１０１に押し付られる。
【００２４】
そのため、第２種ガス１０９のトリメチルアミンガス及び第１種ガス１０８のトリメチルガリウムガスは、基板１０１の表面に接触した時に、１０００℃に加熱されるため熱対流は抑えられる。
【００２５】
成長したｎ−Ｇａ０．９Ａｌ０．１Ｎクラッド層１１８は、トリメチルアミンガス１０９にて覆われるため、アルミニュウム、窒素の再分解は抑えられる。更に詳しく説明を行うと、基板１０１はヒーター１０３であらかじめ５５０℃に加熱されているので、トリメチルガリウムガス、トリメチルアルミニュウムガス１０８、トリメチルアミンガス１０９が基板１０１表面に触れた瞬間に、基板１０１表面を赤外光光源１１５からの光を反射板１１６で反射させ、基板１０１の表面を４５０℃更に加温しているため、１０００℃の成長温度により、基板１０１の表面で結晶成長が進む。
【００２６】
１０００℃の成長温度でトリメチルアミン１０９が分解して活性窒素が、トリメチルガリウムガス、トリメチルアルミニュウムガス１０８が分離し、活性化ガリウム、活性アルミニュウムと結合する。そして、更には、シランガス（ＳｉＨ４）によりｎ型ドーパントＳｉがドーピング、活性化され、ｎ−Ｇａ０．９Ａｌ０．１Ｎクラッド層１１８が成長する。
【００２７】
図３に示すｎ−Ｇａ０．９Ａｌ０．１Ｎクラッド層１１８形成において、従来では、気相で窒素供給源であるアンモニアとＩＩＩ属原料であるアルミニュウムが強く反応してアルキル化合物の付加化合物を作っていた。重合してＧａＡｌＮクラッド層の成長を阻害していた。
【００２８】
しかし、図１の気相成長装置９２による気相成長方法では、アンモニアを使用しないため、上記阻害がなくなる。反応式はＡｌ（ＣＨ３）３＋３ＮＨ３→ＡｌＮ＋Ｎ（ＣＨ３）２＋ＮＨ（ＣＨ３）＋４Ｈ２→ＩｎＮ＋Ｎ２＋Ｃ２Ｈ６＋ＣＨ４＋４Ｈ２となる。窒素供給源としてトリメチルアミンＮ（ＣＨ３）３を使用した場合には、反応式はＡｌ（ＣＨ３）３＋Ｎ（ＣＨ３）３→ＡｌＮ＋３Ｃ２Ｈ６となる。アンモニアに比べ同じ窒素を得るため、ガス量は１／３で良い。しかし、アンモニアに比べて反応が遅いため、従来の横型高流速気相成長装置が使用できない欠点があった。
【００２９】
図１はこれを改善した気相成長装置９２である。即ち、トリメチルアミンはアンモニアに比べ上記反応式より副生成物が少ないため、気相成長後、基板１０１と対向する反応炉１００の壁に固形物の付着、及び汚れがあるかどうか調査した。その結果、固形物付着、及び汚れはなかった。得られたｎ−Ｇａ０．９Ａｌ０．１Ｎクラッド層１１８の膜厚は、０．５μｍ±２％であり、キヤリア濃度として１×１０１９／ｃｍ３であり、アンモニアを用いた場合と同じ良好な結果が得られた。
【００３０】
次に、図１と図４に従い、本発明を実施するための最良の形態３に係る気相成長方法を説明する。図４は、発光層の概略図である。図１において、ｎ−ＧａＮ基板１０１をサセプター１０２にセットした後、反応炉１００内を水素ガスで置換する。その後、第１種ガス１０８の導入部１０４より、水素ガス３．５Ｌ/ｍｉｎと、第１種ガス１０８としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ） Ｇａ（ＣＨ３）３を２０．５μ―ｍｏｌ/ｍｉｎと，トリメチルインジュウム（ＴＭＩ） Ｉｎ（ＣＨ３）３を９．５μ―ｍｏｌ/ｍｉｎで供給する。そして、上記供給をしながら、第２種ガス１０９として、トリメチルアミンＮ（ＣＨ３）３を２．１ｍｏｌ/ｍｉｎと、窒素ガス３．５Ｌ/ｍｉｎで供給しながら、基板１０１をヒーター１０３で５００℃に加熱する。
【００３１】
そして、ｎ−ＧａＮ基板１０１の表面を、赤外光光源１１５からの光を反射板１１６で反射させ、基板１０１の表面を３００℃更に加温し、８００℃にて５０ｎｍのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ青色発光層１１９を形成した。
【００３２】
トリメチルアミンの反応がアンモニアに比べ遅いので、基板１０１をヒーター１０３であらかじめ５００℃に加熱し、図１の反応炉１００の開口部１１１下部に、第２種ガス１０９のトリメチルアミンガスの流量コントロール（反応済みガスの排出部１０７の流量を絞る等）を行なう。
【００３３】
それにより、トリメチルアミンガス１０９の突出部１１２を形成し、第１種ガス１０８のトリメチルガリウムガスに側圧１０９Ａを加える。第２種ガス１０９のトリメチルアミンガスと、第１種ガス１０８のトリメチルガリウムガス１０８は、ｎ−ＧａＮ基板１０１に押し付けられる。
【００３４】
そのため、第１種ガス１０８のトリメチルガリウムガスに側圧１０９Ａを加え、第２種ガス１０９のトリメチルアミンガスは基板１０１の表面に接触した時に、８００℃に加熱されるので、熱対流は抑制される。
【００３５】
成長したＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ青色発光層１１９はトリメチルアミンガス１０９にて覆われるため、インジュウム、窒素の再分解は抑えられる。更に詳細に説明を行うと、基板１０１はヒーター１０３であらかじめ５００℃に加熱されている。そのため、トリメチルガリウムガス、トリメチルインジュウム１０８と、トリメチルアミンガス１０９が基板１０１表面に触れた瞬間に、赤外光光源１１５からの光を反射板１１６で反射させ、３００℃更に加温している。そのため、８００℃の成長温度でＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ発光層１１９の結晶成長が進む。
【００３６】
８００℃の成長温度でトリメチルインジュウムガス、トリメチルガリウムガス１０８とトリメチルアミンガス１０９が分解し、活性インジュウム、活性窒素が、トリメチルインジュウムガス、トリメチルガリウムガス１０８を分解して、活性ガリウムと結合してＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ青色発光層１１９が成長する。
【００３７】
図４に示すＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ青色発光層１１９形成において、窒素供給源としてアンモニアを使用した場合、反応式はＩｎ（ＣＨ３）３＋３ＮＨ３→ＩｎＮ＋Ｎ（ＣＨ３）２＋ＮＨ（ＣＨ３）＋４Ｈ２→ＩｎＮ＋Ｎ２＋Ｃ２Ｈ６＋ＣＨ４＋４Ｈ２となる。
【００３８】
窒素供給源としてトリメチルアミンＮ（ＣＨ３）３を使用した場合、反応式はＩｎ（ＣＨ３）３＋Ｎ（ＣＨ３）３→ＩｎＮ＋３Ｃ２Ｈ６となる。アンモニアに比べ同じ窒素を得るためガス量は１／３で良い。しかし、アンモニアに比べて反応が遅いため、従来の横型高流速気相成長装置が使用できない欠点があった。
【００３９】
図１はこれを改善した気相成長装置９２であり、トリメチルアミンはアンモニアに比べ上記反応式より副生成物が少ないため、気相成長後、基板１０１と対向する反応炉１００の壁に固形物の付着、及び汚れがあるかどうか調査した。その結果、固形物付着、及び汚れはなかった。得られたＩｎＧａＮ発光層１１９の膜厚は５０ｎｍ±２％，バンドギャップ２．９ｅＶ，波長４３０ｎｍであり、アンモニアによる成長と同じ光出力を得ることができた。
【００４０】
次に、図１と図５に従い、本発明を実施するための最良の形態４に係る気相成長方法を説明する。図５は、ｐ−クラッド層の概略図である。図１において、第１種ガス１０８の導入部１０４より、キャリアガスである水素ガス３．５Ｌ/ｍｉｎと、第１種ガス１０８としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ） Ｇａ（ＣＨ３）３が２７μ―ｍｏｌ/ｍｉｎと，トリメチルアルミニュウム（ＴＭＡ） Ａｌ（ＣＨ３）３が３μ―ｍｏｌ/ｍｉｎだけ導入される。
【００４１】
そして、ｐ型ドーパントであるＭｇをドーピングするため、ビスミクロペンタ・ジェニルマグネシュウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を供給しながら、第２種ガス１０９としてのトリメチルアミン Ｎ（ＣＨ３）３が、０．１ｍｏｌ/ｍｉｎと、窒素ガス３．５Ｌ/ｍｉｎが供給される。
【００４２】
しかしながら、基板１０１をヒーター１０３で５５０℃に加熱し、ｎ−ＧａＮ基板１０１の基板表面を、赤外光光源１１５からの光が反射板１１６で反射させ、基板１０１の表面が４５０℃更に加温される。１０００℃にて０．５μｍのｐ−Ｇａ０．９Ａｌ０．１Ｎクラッド層１２０を形成した。
【００４３】
トリメチルアミンの反応がアンモニアに比べ遅いため、基板１０１をヒーター１０３であらかじめ５５０℃に加熱し、図１の反応炉１００の開口部１１１下部に第２種ガス１０９のトリメチルアミンガスの流量コントロール（反応済みガスの排出部１０７の流量を絞る等）が行なわれる。
【００４４】
それにより、トリメチルアミンガス１０９の突出部１１２を形成し、第１種ガス１０８のトリメチルガリウムガス、トリメチルアルミニュウムガスに側圧１０９Ａを加える。第２種ガス１０９のトリメチルアミンガス及び第１種ガス１０８のトリメチルガリウムガス１０８は、ｎ−ＧａＮ基板１０１に押し付られる。そのため、第２種ガス１９のトリメチルアミンガス及び第１種ガス１０８のトリメチルガリウムガスは、基板表面に接触した時に１０００℃に加熱されるため、熱対流は抑えられる。
【００４５】
成長したｐ−Ｇａ０．９Ａｌ０．１Ｎクラッド層１２０はトリメチルアミンガス１０９にて覆われるため、アルミニュウム、窒素の再分解は抑えられる。更に詳しく説明を行うと、基板１０１はヒーター１０３であらかじめ５５０℃に加熱されている。そのため、トリメチルガリウムガス、トリメチルアルミニュウムガス１０８と、トリメチルアミンガス１０９が基板１０１表面に触れた瞬間に、赤外光光源１１５からの光が反射板１１６で反射され、４５０℃更に加温しているため、１０００℃の成長温度で結晶成長が進む。
【００４６】
１０００℃の成長温度でトリメチルアミン１０９が分解し、活性窒素が、トリメチルガリウムガス、トリメチルアルミニュウムガス１０８が分離し、活性化ガリウム、活性アルミニュウムと結合する。更には、ビスミクロペンタ・ジェニルマグネシュウム（Ｃｐ２Ｍｇ）により、ｐ型ドーパントＭｇがドーピング、活性化され、ｐ−Ｇａ０．９Ａｌ０．１Ｎクラッド層１２０を発光層１１９の上に形成した。
【００４７】
図５に示すｐ−Ｇａ０．９Ａｌ０．１Ｎクラッド層１２０形成において、従来では、気相で窒素供給源であるアンモニアと、ＩＩＩ属原料であるアルミニュウムが強く反応してアルキル化合物の付加化合物を作っていた。重合してＧａＡｌＮの成長を阻害していたが、図１の気相成長装置９２と、本発明の気相成長方法では、アンモニアを使用しないので、上記阻害がなくなる。
【００４８】
反応式はＡｌ（ＣＨ３）３＋３ＮＨ３→ＡｌＮ＋Ｎ（ＣＨ３）２＋ＮＨ（ＣＨ３）＋４Ｈ２→ＡｌＮ＋Ｎ２＋Ｃ２Ｈ６＋ＣＨ４＋４Ｈ２となる。窒素供給源としてトリメチルアミンＮ（ＣＨ３）３を使用した場合、反応式はＡｌ（ＣＨ３）３＋Ｎ（ＣＨ３）３→ＡｌＮ＋３Ｃ２Ｈ６となる。アンモニアに比べ同じ窒素を得るためガス量は１／３で良い。
【００４９】
しかし、アンモニアに比べて反応が遅いため、従来の横型高流速気相成長装置が使用できない欠点があった。図１はこれを改善した気相成長装置９２であり、トリメチルアミンはアンモニアに比べ上記反応式より副生成物が少ないため、気相成長後、基板１０１と対向する反応炉１００壁に固形物の付着、及び汚れがあるかどうか調査した。その結果、固形物付着、及び汚れはなかった。得られたｐ−Ｇａ０．９Ａｌ０．１Ｎクラッド層１２０の膜厚は０．５μｍ±２％であり、キヤリア濃度として３×１０１８／ｃｍ３であり、アンモニアを用いた場合と同じ良好な結果が得られた。
【００５０】
次に、図１と図６に従い、本発明を実施するための最良の形態５に係る気相成長方法を説明する。図６は、ｐ−コンタクト層とｐ電極など概略図である。図１において、第１種ガス１０８の導入部１０４より、キャリアガスである窒素ガス３．５Ｌ/ｍｉｎと、第１種ガス１０８として、トリメチルガリウム（ＴＭＧ） Ｇａ（ＣＨ３）３が３０μ―ｍｏｌ/ｍｉｎだけ導入される。
【００５１】
ｐ型ドーパントであるＭｇをドーピングするため、ビスミクロペンタ・ジェニルマグネシュウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を供給しながら、第２種ガス１０９としてトリメチルアミン Ｎ（ＣＨ３）３が０．１ｍｏｌ/ｍｉｎと、窒素ガス３．５Ｌ/ｍｉｎで供給しながら、ｎ−ＧａＮ基板１０１がヒーター１０３で５５０℃に加熱される。
【００５２】
そして、ｎ−ＧａＮ基板１０１の基板表面は、赤外光光源１１５からの光を反射板１１６で反射され、基板１０１の表面を４５０℃更に加温し、１０００℃にて０．１μｍのｐ−ＧａＮコンタクト層１２１を形成した。
【００５３】
トリメチルアミンの反応がアンモニアに比べ遅いため、基板１０１をヒーター１０３であらかじめ５５０℃に加熱する。図１の反応炉１００の開口部１１１下部に、第２種ガス１０９のトリメチルアミンガスの流量コントロール（反応済みガスの排出部１０７の流量を絞る等）が行なわれる。
【００５４】
これにより、トリメチルアミンガス１０９の突出部１１２を形成し、第１種ガス１０８のトリメチルガリウムガスに側圧１０９Ａを加える。第２種ガス１０９のトリメチルアミンガス及び第１種ガス１０８のトリメチルガリウムガスは、ｎ−ＧａＮ基板１０１に押し付られる。そのため、第２種ガス１０９のトリメチルアミンガス及び第１種ガス１０８のトリメチルガリウムガスは、基板１０１の表面に接触した時に、１０００℃に加熱されるため、熱対流は抑えられる。
【００５５】
成長したｐ−ＧａＮコンタクト層１２１は、トリメチルアミンガス１０９にて覆われるため窒素の再分解は抑えられる。更に詳しく説明を行うと、基板１０１はヒーター１０３であらかじめ５５０℃に加熱されている。そのため、トリメチルガリウムガス１０８と、トリメチルアミンガス１０９は基板１０１の表面に触れた瞬間に、赤外光光源１１５からの光が反射板１１６で反射され、４５０℃更に加温しているので、１０００℃の成長温度により結晶成長が進む。
【００５６】
１０００℃の成長温度でトリメチルアミン１０９が分解して活性窒素が、トリメチルガリウムガス１０８が分離して活性化ガリウムと結合する。更には、ビスミクロペンタ・ジェニルマグネシュウム（Ｃｐ２Ｍｇ）により、ｐ型ドーパントＭｇがドーピング、活性化され、ｐ−ＧａＮコンタクト層１２１が成長する。
【００５７】
図２と同じように、アンモニアに比べトリメチルアミンのガス量は１／３で良いが、アンモニアに比べて反応が遅いため従来の横型高流速気相成長装置が使用できない欠点があった。図１はこれを改善した気相成長装置９２である。トリメチルアミンはアンモニアに比べ上記反応式より副生成物が少ないため、気相成長後、基板１０１と対向する反応炉１００の壁に固形物の付着，及び汚れがあるかどうか調査した。
【００５８】
その結果、固形物付着及び，汚れはなかった。得られたｐ−ＧａＮ膜の膜厚は０．１μｍ±２％、正孔濃度が６×１０１８ｃｍ−３、ｐ領域の抵抗値が０．３Ω・ｃｍと低抵抗化した。更にｐ電極１２２として、ｐ−ＧａＮコンタクト層１２１の上にニッケル、金を蒸着して形成した。その後に、ｐ−ＧａＮコンタクト層１２１とｐ電極１２２間の接触抵抗の測定を行なった所、アンモニアを使用した場合と同じ様に、１０−３〜１０−４Ω・ｃｍと低減することができた。
【００５９】
次に、上記形態１〜５の特徴を、以下にまとめる。本発明の気相成長方法において、基板１０１を載せるためのサセプター１０２と、該サセプター１０２を加熱するためのヒーター１０３が設けられる。前記サセプター１０２の温度をＴ１とし、前記基板１０１の表面の加熱手段により、更にＴ２加熱することにより、Ｔ１＋Ｔ２の温度にて気相成長させる。
【００６０】
そして、反応炉１００の内部の下部に、第１種ガス１０８の導入部１０４と排出部１０５、１１３が設けられ、上部に第２種ガス１０９の導入部１０６と排出部１０７が設けられる。第１種ガス１０８として有機ＩＩＩ属金属を用い、第２種ガス１０９として窒化含有炭化水素を用い、第１種ガス１０８を第２種ガスの側圧１０９Ａにより、基板１０１の表面に押し付け、前記Ｔ１＋Ｔ２の温度にて気相成長させる。
また、前記Ｔ１＋Ｔ２の温度にて、ｎ層領域窒化ガリウム系化合物半導体１１７，１１８を形成した。
そして、前記Ｔ１＋Ｔ２の温度にて、ｐ層領域窒化ガリウム系化合物半導体１２０，１２１を形成した。
また、前記Ｔ１＋Ｔ２の温度にて、発光層領域窒化ガリウム系化合物半導体１１９を形成した。
そして、前記ｎ層領域は１１７，１１８は、ｎ型ＧａＮ層とｎ型Ｇａ１−ｂＡｌｂＮ層（但し０≦ｂ≦１）からなる多層膜より構成される。
また、前記ｐ層領域１２０，１２１は、ｐ型ＧａＮ層とｐ型Ｇａ１−ｂＡｌｂＮ層（但し０≦ｂ≦１）からなる多層膜より構成される。
そして、前記発光層領域１１９は、ＩｎｂＧａ１−ｂＮ層（但し、０≦ｂ≦１）からなる膜より構成される。
【００６１】
なお、本発明は上記最良の形態１〜５に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形をすることが可能であり、それらを本発明の範囲から除外するものではない。例えば本発明の上記形態では、ｎ−ＧａＮ基板を用いた半導体気相成長方法について説明したが、他の基板、例えば、サファイア基板、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板、ＧａＡｓ基板、ＧａＰ基板、ＩｎＰ基板等、格子間の整合性や、熱膨張等を考慮して基板を適宜選択することができる。
【００６２】
更に、ＧａＮ系化合物半導体を用いた気相成長方法について説明したが、窒素供給源としてアンモニアを用いないため、他の半導体材料例えばＩｎＧａＡｌＮのＮの１部又は全部をＡｓおよび/またはＰ等で置換した材料やＧａＡｓ系化合物半導体を用いた気相成長方法にも本発明を適用できる。
【００６３】
また、窒素供給源としてアンモニアを用いない気相成長装置、及び気相成長方法について説明を行ったが反応炉外から赤外光を基板表面加熱用に用いているためアンモニアを用いた場合にも適用できる。更に窒素供給源としてアンモニアとアンモニア以外の材料を成長膜の特性に合わせて併用をしてもよい。
【００６４】
更に、本発明の最良の形態１〜５では、１枚のｎ−ＧａＮ基板を用いた気相成長方法を示したが、サセプタ−上に複数枚の基板を載置して、基板自体の自転とサセプタ−の公転により量産性のよい気相成長装置、及び気相成長方法を実現できる。
【００６５】
また、Ｔ１，Ｔ２の温度は、成長膜に合わせて適宜選択することができる。
【００６６】
更に、第一種ガスＡ、第二種ガスＢとして原料ガスと原料ガスを含まないガスを混合した例を示したが、原料ガスと原料ガスを含まないガスを成長膜に合わせて適宜選択することができる。
【００６７】
また、ＧａＮ系化合物半導体を用いた例としてＧａＮ系半導体発光素子の製造に適用した例を示したが、ＧａＮ系電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）などのＧａＮ系電子走行素子の製造に適用することもできる。
【００６８】
更に、反応炉として石英を用いた例を示したが石英ガラス、石英焼結体を用いることもできる。
【００６９】
また、窒素供給源としてアンモニアのように、活性窒素分解時に水素を発生しないものであれば、形態１〜５で説明を行ったトリメチルアミンに、トリエチルアミンを加えたアルキルアミン、トリヒトラジン等から選択することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明を実施するための最良の形態にかかる気相成長装置９２の概略図である。
【図２】本発明を実施するための最良の形態１に係る気相成長方法を説明するためのｎ−コンタクト層の概略図である。
【図３】本発明を実施するための最良の形態２に係る気相成長方法を説明するためのｎ−クラッド層の概略図である。
【図４】本発明を実施するための最良の形態３に係る気相成長方法を説明するための発光層の概略図である。
【図５】本発明を実施するための最良の形態４に係る気相成長方法を説明するためのｐ−クラッド層の概略図である。
【図６】本発明を実施するための最良の形態５に係る気相成長方法を説明するためのｐ−コンタクト層およびｐ電極の概略図である。
【符号の説明】
【００７１】
１００  反応炉
１０１  基板
１０２  サセプター
１０３  ヒーター
１０４  第１種ガスの導入部
１０５  反応済みガスの排出部
１０６  第２種ガスの導入部
１０７  反応済みガスの排出部
１０８  第１種ガス
１０９  第２種ガス
１１０  仕切り部
１１１  開口部
１１２  第２種ガスの突出部
【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６】
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