(57)【要約】【課題】化合物半導体の気相成長装置に関する技術を提供すること。【解決手段】気相成長装置は、反応容器を備える。気相成長装置は、反応容器内に配置されており、第１面に基板を保持する基板保持面を備えた基板ホルダを備える。気相成長装置は、基板保持面に保持された基板に対応した孔部を備えたリング部を備える。気相成長装置は、第１原料ガスおよび第１原料ガスと反応する第２原料ガスを反応容器内に供給する原料ガス供給管を備える。第１原料ガスおよび第２原料ガスは、基板の表面に化合物半導体の結晶を成長させる原料ガスである。気相成長装置は、基板ホルダとリング部との少なくとも一方を、基板保持面に対して垂直な軸線に沿って移動させるアクチュエータを備える。アクチュエータは、基板に成長する化合物半導体の結晶の表面とリング部の表面との距離を一定に維持する。【選択図】図１
2019196292.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応容器と、
前記反応容器内に配置されており、第１面に基板を保持する基板保持面を備えた基板ホルダと、
前記基板保持面に保持された基板に対応した孔部を備えたリング部と、
第１原料ガスおよび前記第１原料ガスと反応する第２原料ガスを前記反応容器内に供給する原料ガス供給管であって、前記第１原料ガスおよび前記第２原料ガスは前記基板の表面に化合物半導体の結晶を成長させる原料ガスである、前記原料ガス供給管と、
前記基板ホルダと前記リング部との少なくとも一方を、前記基板保持面に対して垂直な軸線に沿って移動させるアクチュエータであって、前記基板に成長する前記化合物半導体の結晶の表面と前記リング部の表面との距離を一定に維持する前記アクチュエータと、
を備える、化合物半導体の気相成長装置。
【請求項２】
前記アクチュエータは、前記基板ホルダを前記第１面と反対側の第２面側へ移動させ、
前記基板ホルダの移動速度は前記化合物半導体の結晶の厚さ方向の成長速度と同等である、請求項１に記載の気相成長装置。
【請求項３】
前記アクチュエータは、前記基板保持面から前記リング部の表面までの距離の方が、前記基板保持面から前記基板に成長する前記化合物半導体の結晶の表面までの距離よりも所定距離だけ大きい状態を維持する、請求項１または２に記載の気相成長装置。
【請求項４】
前記リング部の表面が、前記第２原料ガスを触媒効果によって分解可能な所定金属で覆われている、請求項１〜３の何れか１項に記載の気相成長装置。
【請求項５】
前記所定金属は、タングステンまたはタングステンを含む金属、タングステンまたはタングステンを含む金属の酸化物、タングステンまたはタングステンを含む金属の炭化物、タングステンまたはタングステンを含む金属の窒化物を含む、請求項４に記載の気相成長装置。
【請求項６】
前記原料ガス供給管のガス供給口が前記基板保持面と対向する位置に配置されており、
前記アクチュエータは、前記基板に成長する前記化合物半導体の結晶の表面と前記ガス供給口との距離を一定に維持するように、前記基板ホルダを移動させる、
請求項１〜５の何れか１項に記載の気相成長装置。
【請求項７】
前記第１原料ガスはＧａＣｌを含むガスであり、
前記第２原料ガスはＮＨ３を含むガスである、請求項１〜６の何れか１項に記載の気相成長装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書では、化合物半導体の気相成長装置に関する技術を開示する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮ基板の低コストな製造法の構築が要求されている。現在のＧａＮ基板は、１枚ごとに成長する枚葉式が主流であり、高コストの原因であった。なお、関連する技術が特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３１６８９２公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＧａＮの長尺結晶成長が可能となれば、１つの長尺結晶から複数枚のウェハを生成できるため、基板製造コストを低下させることができる。しかし、ＧａＮを長尺結晶成長させることは困難である。要因の一つとして、長尺結晶成長させるとクラックが発生してしまうことが挙げられる。これは、成長した結晶の外周部の端面が、種基板の表面に対して垂直にならず、テーパ面になってしまうためである。テーパ面が酸素を取り込むと、格子定数が小さくなり、応力が発生するため、成長した結晶にクラックが入ってしまう。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書では、気相成長装置を開示する。この気相成長装置は、反応容器を備える。気相成長装置は、反応容器内に配置されており、第１面に基板を保持する基板保持面を備えた基板ホルダを備える。気相成長装置は、基板保持面に保持された基板に対応した孔部を備えたリング部を備える。気相成長装置は、第１原料ガスおよび第１原料ガスと反応する第２原料ガスを反応容器内に供給する原料ガス供給管を備える。第１原料ガスおよび第２原料ガスは、基板の表面に化合物半導体の結晶を成長させる原料ガスである。気相成長装置は、基板ホルダとリング部との少なくとも一方を、基板保持面に対して垂直な軸線に沿って移動させるアクチュエータを備える。アクチュエータは、基板に成長する化合物半導体の結晶の表面とリング部の表面との距離を一定に維持する。
【０００６】
本明細書の気相成長装置では、アクチュエータによって、基板に成長する化合物半導体の結晶の表面とリング部の表面との距離を一定に維持することができる。これにより、結晶が成長し厚さが厚くなっていく場合においても、基板外周部における第１および第２原料ガスの流れを一定に維持することができる。このことにより結晶が厚くなっても均質な結晶を得ることができる。さらに結晶の外周部をリング部の内壁面で支持することにより、成長させた結晶の外周部の端面を、基板の表面に対して垂直な面にすることができる。成長させた結晶にクラックが発生してしまう事態を防止することが可能となる。
【０００７】
アクチュエータは、基板ホルダを第１面と反対側の第２面側へ移動させてもよい。基板ホルダの移動速度は化合物半導体の結晶の厚さ方向の成長速度と同等であってもよい。
【０００８】
アクチュエータは、基板保持面からリング部の表面までの距離の方が、基板保持面から基板に成長する化合物半導体の結晶の表面までの距離よりも所定距離だけ大きい状態を維持してもよい。
【０００９】
リング部の表面が、第２原料ガスを触媒効果によって分解可能な所定金属で覆われていてもよい。
【００１０】
所定金属はタングステンを含む金属であってもよい。
【００１１】
原料ガス供給管のガス供給口が基板保持面と対向する位置に配置されていてもよい。アクチュエータは、基板に成長する化合物半導体の結晶の表面とガス供給口との距離を一定に維持するように、基板ホルダを移動させてもよい。
【００１２】
第１原料ガスはＧａＣｌを含むガスであってもよい。第２原料ガスはＮＨ３を含むガスであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施例１に係る気相成長装置を側面からみた概略断面図である。
【図２】基板ホルダ、リングプレートおよびシャワーヘッドの断面図の部分拡大図である。
【図３】III−III線における断面図を鉛直下方から見た図である。
【図４】IV−IV線における断面図を鉛直上方から見た図である。
【図５】基板ホルダ、リングプレートおよびシャワーヘッドの断面図の部分拡大図である。
【図６】基板ホルダ、リングプレートおよびシャワーヘッドの断面図の部分拡大図である。
【図７】比較例における、基板ホルダ、リングプレートおよびシャワーヘッドの断面図の部分拡大図である。
【図８】比較例における、基板ホルダ、リングプレートおよびシャワーヘッドの断面図の部分拡大図である。
【図９】実施例２に係る気相成長装置を側面からみた概略断面図である。
【図１０】実施例３に係る気相成長装置を側面からみた概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００１４】
＜気相成長装置の構成＞
図１に、本明細書の技術に係る気相成長装置１を側面から見た概略断面図を示す。気相成長装置１は、ＨＶＰＥ（Halide Vapor Phase Epitaxy）法を実施するための装置構成の一例である。気相成長装置１は、反応容器１０を備えている。反応容器１０は、円筒形状をしている。反応容器１０は、石英で構成されていてもよい。反応容器１０の内部には、原料ガス供給部２０および基板ホルダ１１が配置されている。
【００１５】
図２に、基板ホルダ１１、リングプレート１２およびシャワーヘッド５０の断面図の部分拡大図を示す。基板ホルダ１１は、ホルダ本体１１ｂおよび支持部１１ｃを備えている。基板ホルダ１１の下面には、基板保持面１１ａが備えられている。基板ホルダ１１の支持部１１ｃは、基板１３の表面が略鉛直下向きになるように基板１３を保持する。なお「略鉛直下向き」は、基板の法線が鉛直下方向に一致する態様に限定されない。基板の法線が鉛直下方向に対して４５度までの傾きを含む概念である。基板１３は、ＧａＮ単結晶を成長させるための種基板であり、ＧａＮの単結晶である。基板１３の表面は、＋ｃ面（（０００１）面ともいう）である。
【００１６】
支持部１１ｃの表面は、所定金属１７で覆われている。所定金属１７は、第２原料ガスＧ２を触媒効果によって分解可能な金属である。本実施例では、所定金属１７として、タングステンを含む材料が使用されている。これにより、支持部１１ｃの表面へのＧａＮ多結晶の析出を抑制する効果が得られる。触媒効果によってＮＨ３が分解されて発生する活性水素が、ＧａＮ多結晶の析出を抑制するためである。
【００１７】
基板ホルダ１１の下側には、リングプレート１２が配置されている。リングプレート１２の表面は、所定金属１８で覆われている。所定金属１８は、第２原料ガスＧ２を触媒効果によって分解可能な金属である。本実施例では、所定金属１８として、タングステンを含む材料が使用されている。これにより、リングプレート１２の表面へのＧａＮ多結晶の析出を抑制する効果が得られる。
【００１８】
リングプレート１２の下面１２ａは、基板保持面１１ａに対応した面である。本実施例では、下面１２ａは、基板保持面１１ａと平行な平面である。リングプレート１２は、基板保持面１１ａに保持された基板１３に対応した孔部１２ｂを備えている。ここで基板ホルダ１１の中心軸をＡ１とする。支持部１１ｃの内壁１１ｃｗの位置を位置Ｐ１とする。リングプレート１２の孔部１２ｂを形成している内壁１２ｗの位置を位置Ｐ２とする。中心軸Ａ１から位置Ｐ２までの距離Ｄ２は、中心軸Ａ１から位置Ｐ１までの距離Ｄ１以上であってもよい。
【００１９】
図３に、図１のIII−III線における断面図を鉛直下方から見た図を示す。図３に示すように、リングプレート１２は、リング形状の部材である。前述したように、距離Ｄ２が距離Ｄ１以上である場合には、リングプレート１２の孔部１２ｂの範囲内に、基板１３の露出面の全面が含まれることになる。
【００２０】
基板ホルダ１１の上部には、回転軸１４の下端が接続している。回転軸１４の上端部は、反応容器１０の外部に突出している（図１参照）。回転軸１４の上端部は、アクチュエータ１５に接続している。これにより基板ホルダ１１は、基板保持面１１ａに対して垂直な中心軸Ａ１に沿って上方向（基板ホルダ１１の上面１１ｄ側の方向）および下方向（基板ホルダ１１の基板保持面１１ａ側の方向）に移動させることが可能である。またアクチュエータ１５によって、基板ホルダ１１を回転させることが可能である。
【００２１】
原料ガス供給部２０の構造を説明する。原料ガス供給部２０は、円筒形状の部材である。原料ガス供給部２０は、円筒形のカバー２４を備えている。カバー２４の上端部には、円盤状のシャワーヘッド５０が配置されている。原料ガス供給部２０の下部には、ＨＣｌガス供給管２５の入口および第２原料ガス供給管２２の入口が配置されている。ＨＣｌガス供給管２５の入口には、第１バルブ６１が配置されている。第１バルブ６１は、ＨＣｌを含むガスの供給を制御する。ＨＣｌガス供給管２５の出口は、第１原料ガス生成部４１に接続されている。第１原料ガス生成部４１は、内部に金属ガリウムを格納している。第１原料ガス生成部４１は、ＧａＣｌを含んだ第１原料ガスＧ１を生成する部位である。第１原料ガス供給管２１は、第１原料ガスＧ１を供給する管である。第１原料ガス供給管２１の入口は、第１原料ガス生成部４１に接続されている。第１原料ガス供給管２１の出口は、シャワーヘッド５０に接続されている。第２原料ガス供給管２２の入口には、第２バルブ６２が配置されている。第２バルブ６２は、第２原料ガスＧ２を含むガスの供給を制御する。第２原料ガスＧ２は、ＮＨ３を含むガスである。第２原料ガス供給管２２の出口は、シャワーヘッド５０に接続されている。
【００２２】
第１原料ガス供給管２１および第２原料ガス供給管２２は、鉛直方向（すなわち図１のｚ軸方向）へ伸びるように配置されている。第１原料ガス供給管２１および第２原料ガス供給管２２の経路上には、隔壁４２が配置されている。隔壁４２は、カバー２４内を水平方向に伸びる石英板である。カバー２４内の空間は、隔壁４２によって上下に隔離されている。隔壁４２は断熱材として機能する。
【００２３】
シャワーヘッド５０は、第１原料ガスＧ１および第２原料ガスＧ２を基板１３の表面近傍へ排出するための部位である。シャワーヘッド５０は、基板ホルダ１１の基板保持面１１ａと対向する位置に配置されている。シャワーヘッド５０から排出された第１原料ガスＧ１および第２原料ガスＧ２は、反応容器１０内を矢印Ｙ１方向に鉛直上方に流れる。
【００２４】
シャワーヘッド５０の構造を、図４を用いて説明する。図４は、図１のIV−IV線における断面図を鉛直上方から見た図である。シャワーヘッド５０の表面には、第１原料ガスＧ１を排出する複数の第１ガス供給口５１と、第２原料ガスＧ２を排出する複数の第２ガス供給口５２が配置されている。多数のガス供給口から第１原料ガスＧ１および第２原料ガスＧ２を排出することで、基板１３表面へのガス供給量を面内で均一化することができる。よって、成長したＧａＮ結晶膜厚の面内バラつきを抑制することが可能となる。シャワーヘッド５０の表面において、第１ガス供給口５１および第２ガス供給口５２が形成されていない領域は、所定金属５３で覆われている。本実施例では、所定金属として、タングステンを含む材料が使用されている。
【００２５】
原料ガス供給部２０の周囲には、反応容器１０内のガスを排気するガス排気管２３が構成されている。図４を用いて説明する。円筒形の反応容器１０の内側に、さらに円筒形の原料ガス供給部２０が配置されている。これにより、反応容器１０の内壁と、原料ガス供給部２０のカバー２４の外壁との間に、環状の隙間が形成されている。この環状の隙間が、ガス排気管２３として機能する。
【００２６】
また、ガス排気管２３の入口２３ａ（図１参照）を、シャワーヘッド５０の側面に位置させることができる。よって図１の矢印Ｙ２に示すように、基板１３の表面でＧａＮ結晶成長に使用された第１原料ガスＧ１および第２原料ガスＧ２を、シャワーヘッド５０の側面方向かつ基板１３の下方向に排気させることができる。反応容器１０の下端には、ガス排気管２３の出口２３ｂが配置されている。ガス排気管２３の入口２３ａから吸入されたガスは、出口２３ｂからベントラインへ排出される。
【００２７】
反応容器１０の上部には、特定ガス供給管１６が備えられている。特定ガス供給管１６の入口には特定ガスＧ３が供給される。特定ガスＧ３は、図１の矢印Ｙ３に示すように、基板ホルダ１１の上方から鉛直下方へ流れ、ガス排気管２３の入口２３ａに吸入される。これにより、特定ガスＧ３によってダウンフローを生成することができる。特定ガスＧ３は、酸素を含まないガスであって、第１原料ガスＧ１および第２原料ガスＧ２と反応しないガスである。具体例としては、特定ガスＧ３は、水素、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトンの少なくとも一つを含むガスである。
【００２８】
反応容器１０の外側には、上部ヒータ３１および下部ヒータ３２が配置されている。上部ヒータ３１が配置されている領域Ｈ１と下部ヒータ３２が配置されている領域Ｈ２の境界近傍には、隔壁４２が配置されている。上部ヒータ３１によって、基板１３をＧａＮ結晶成長に十分な温度（１０５０±５０℃）に加熱することができる。また下部ヒータ３２によって、第１原料ガス生成部４１をＧａＣｌの安定的な生成に必要な温度（７５０℃）以上に加熱することができる。
【００２９】
＜気相成長方法＞
ＨＶＰＥ法による気層成長条件の一例を列挙する。第１原料ガスＧ１中のＧａＣｌと第２原料ガスＧ２中のＮＨ３の供給量は、モル比を１：２０とした。反応容器１０内の圧力は１０００ｈＰａとした。
【００３０】
上部ヒータ３１および下部ヒータ３２をオンするとともに、第１原料ガスＧ１および第２原料ガスＧ２の供給を開始する。これにより、基板１３上にＧａＮ結晶層の気相成長を行うことができる。ＧａＮ結晶層の成長速度は、５０〜１０００μｍ／ｈｏｕｒ程度である。図２の状態から図５の状態までＧａＮ結晶層１９が成長すると、アクチュエータ１５は、基板ホルダ１１を中心軸Ａ１に沿って上方（矢印Ｙ１０方向）に移動させる制御を開始する。基板ホルダ１１の上昇速度は、ＧａＮ結晶層１９の成長速度と同等である。成長速度は、計算で予想してもよいし、実測により算出してもよい。図５の状態は、基板保持面１１ａからリングプレート１２の下面１２ａまでの距離Ｄ３の方が、基板保持面１１ａからＧａＮ結晶層１９の表面１９ａまでの距離Ｄ４よりも所定距離ＰＤだけ大きい状態である。換言すると、図５の状態は、ＧａＮ結晶層１９の表面１９ａに対して、リングプレート１２の下面１２ａが所定距離ＰＤだけシャワーヘッド５０側に突出している状態である。所定距離ＰＤは、実験等によって任意の値に決定することができる。
【００３１】
図５の状態から、厚さＴ１だけＧａＮ結晶層１９をさらに成長させた状態の図を、図６に示す。基板ホルダ１１の上昇速度は、ＧａＮ結晶層１９の成長速度と同等であるため、基板ホルダ１１も厚さＴ１と同等の距離だけ上昇している。その結果、距離Ｄ３の方が距離Ｄ４よりも所定距離ＰＤだけ大きい状態が維持されている。また、ＧａＮ結晶層１９の表面１９ａとシャワーヘッド５０（ガス供給口）の表面との距離Ｄ５が、図５と図６において一定に維持される。
【００３２】
＜効果＞
まず、図７および図８を用いて比較例を説明する。比較例は、本実施例に係るリングプレート１２を備えない場合の例である。図７の状態から図８の状態へ、ＧａＮ結晶層１９が成長し厚さが厚くなっていく場合において、厚さの増加に応じて基板ホルダ１１を中心軸Ａ１に沿って上方（矢印Ｙ１０方向）に移動させる場合を説明する。この場合、ＧａＮ結晶層１９の表面１９ａとシャワーヘッド５０（ガス供給口）の表面との距離Ｄ５は、一定に維持される。しかし、ＧａＮ結晶層１９の外周に配置されている支持部１１ｃの下面１１ｃｓとシャワーヘッド５０の表面との距離Ｄ６は、一定とはならず、基板ホルダ１１が上昇するに従って大きくなる。すると、基板外周部における第１および第２原料ガスの流れを一定に維持することができなくなってしまう。すなわち、図７に示すガス流れＹ２０ａと、図８に示すガス流れＹ２０ｂとが異なってしまう。すると、ガス流れの流路が不安定となり、ＧａＮ結晶層１９の表面１９ａへの原料供給や温度分布が成長初期から変化してしまうため、結晶品質や分布が劣化してしまう場合がある。また結晶端面が開放された状態で厚膜化成長したＧａＮ結晶層１９の外周部の端面１９ｂは、基板１３の表面（ｃ面）に対して垂直にならず、テーパ面になってしまう（図８参照）。これは、垂直面よりもテーパ面の方が安定な面であるためである。このようなテーパ面は、ｍ面より安定な面（｛１０−１１｝面）や、ａ面より安定な面（｛１１−２１｝面、｛１１−２２｝面）である。そして、これらのテーパ面が酸素を取り込むと、格子定数が小さくなり、応力が発生するため、成長したＧａＮ結晶層１９にクラックが入ってしまう。
【００３３】
一方、本実施例の気相成長装置１は、図５および図６に示すように、リングプレート１２を備えている。リングプレート１２の位置は、シャワーヘッド５０に対して固定されている。従って、ＧａＮ結晶層１９の厚さの増加に応じて基板ホルダ１１を上方に移動させる場合においても、リングプレート１２の下面１２ａとシャワーヘッド５０の表面との距離Ｄ７を一定にすることができる。その結果、リングプレート１２の第１の効果として、ＧａＮ結晶層１９を長時間成長（すなわち厚膜成長）させる場合においても、厚さ方向に均質な結晶が得られることを、本発明者らは見出した。これは、基板ホルダ１１を上昇させていく場合においても、リングプレート１２によって、基板外周部における第１および第２原料ガスの流れを一定に維持することが可能であるためと考えられる。すなわち、ＧａＮ結晶層１９の成長中においても、図５および図６に示すガス流れＹ２０を同一にすることができるためと考えられる。
【００３４】
またリングプレート１２の第２の効果として、ＧａＮ結晶層１９の外周部の端面１９ｂを、基板１３の表面に対して垂直にすることができることを、本発明者らは見出した。これは、ＧａＮ結晶層１９の表面１９ａに対して、リングプレート１２の下面１２ａが所定距離ＰＤだけシャワーヘッド５０側に突出させた状態を形成することができるためと考えられる（図５および図６参照）。具体的に説明する。リングプレート１２の下面１２ａを突出させることにより、リングプレート１２とＧａＮ結晶層１９との境界近傍の領域Ｒ１に、ガス流れの滞留を形成することができる。この滞留したガスの一部が、壁面に沿った垂直な結晶面（例えばｍ面（｛１−１００｝面）やａ面（｛１１−２０｝面））の形成に寄与しているものと考えられる。これにより、成長したＧａＮ結晶層端面１９ｂに酸素原子が取り込まれ、ＧａＮ結晶層１９にクラックが入ってしまう事態を防止することが可能となる。また、ＧａＮ結晶層１９から複数枚のウェハを切り出す際に、一定面積のウェハを切り出すことが可能となる。
【実施例２】
【００３５】
図９に、実施例２に係る気相成長装置２０１を側面から見た概略断面図を示す。実施例２に係る気相成長装置２０１は、実施例１に係る気相成長装置１に対して、第１原料ガスＧ１および第２原料ガスＧ２の供給方向を上向きから横向きに変更するとともに、基板表面の向きを下向きから上向きに変更した構成を備えている。実施例２の気相成長装置２０１の基本的な構成は、実施例１の気相成長装置１と同様であるため、詳細な説明は省略する。
【００３６】
気相成長装置２０１は、反応容器２１０、基板ホルダ２１１、リングプレート２１２、第１原料ガス供給管２２１、第２原料ガス供給管２２２、ガス排気管２７１、を備えている。基板ホルダ２１１は、ホルダ本体２１１ｂおよび支持部２１１ｃを備えている。基板ホルダ２１１の上面には、基板保持面２１１ａが備えられている。基板保持面２１１ａには、基板２１３が保持されている。
【００３７】
基板ホルダ２１１の上側には、リングプレート２１２が配置されている。リングプレート２１２の上面２１２ａは、基板保持面２１１ａに対応した面である。本実施例では、上面２１２ａは、基板保持面２１１ａと平行な平面である。リングプレート２１２は、基板２１３に対応した孔部２１２ｂを備えている。
【００３８】
基板ホルダ２１１の下部には、回転軸２１４を介してアクチュエータ２１５が接続されている。基板ホルダ２１１は、基板保持面２１１ａに対して垂直な中心軸Ａ２に沿って上下方向（図９のｚ方向）に移動させることが可能である。
【００３９】
反応容器２１０には、第１原料ガスＧ１を供給する第１原料ガス供給管２２１、および、第２原料ガスＧ２を供給する第２原料ガス供給管２２２が接続されている。第２原料ガス供給管２２２の内部には、第１原料ガス供給管２２１が配置されている。第１原料ガス供給管２２１の経路上には、第１原料ガス生成部２４１が配置されている。第１原料ガス生成部２４１の内部には、金属ガリウム２４３が格納されている。第１原料ガス供給管２２１の入口にはＨＣｌガスが供給され、ガス供給口からは第１原料ガスＧ１が排出される。第２原料ガス供給管２２２の入口には第２原料ガスＧ２が供給され、ガス供給口からは第２原料ガスＧ２が排出される。反応容器２１０には、ガス排気管２７１が接続されている。ＧａＮの気相成長に使用された原料ガスは、ガス排気管２７１を介してベントラインへ排出される。
【００４０】
反応容器２１０の外周には、基板ホルダ２１１を取り囲むようにヒータ２３１が配置されている。ヒータ２３１は、ホットウォール方式により基板２１３を加熱する装置である。これにより、基板２１３をＧａＮ結晶成長に十分な温度（１０５０±５０℃）に維持することができる。また反応容器２１０内壁への副生成物の析出を抑制することができる。第２原料ガス供給管２２２の外側には、第１原料ガス生成部２４１を取り囲むようにヒータ２３３が配置されている。これにより、ＧａＣｌを発生させるために、第１原料ガス生成部２４１を７５０℃以上に維持することができる。
【００４１】
＜効果＞
実施例２の気相成長装置２０１は、リングプレート２１２を備えている。リングプレート２１２は、反応容器２１０内に固定されている。従って、基板ホルダ２１１の下降速度と、基板２１３上に成長するＧａＮ結晶層の成長速度とを同等に設定することにより、リングプレート２１２の上面２１２ａとＧａＮ結晶層の表面との距離を一定にすることができる。その結果、基板ホルダ２１１を下降させていく場合においても、基板外周部における第１および第２原料ガスの流れを一定に維持することが可能となる。厚さ方向に均質なＧａＮ結晶層１９を成長させることができる。またＧａＮ結晶層の表面外周部の領域に、ガス流れの滞留を発生させることができる。これにより、成長したＧａＮ結晶層の外周部の端面を、基板２１３の表面に対して垂直にすることが可能となる。よって、成長したＧａＮ結晶層にクラックが入ってしまう事態を防止することができる。
【実施例３】
【００４２】
図１０に、実施例３に係る気相成長装置３０１を側面から見た概略断面図を示す。実施例３に係る気相成長装置３０１は、実施例２に係る気相成長装置２０１に対して、第１原料ガス供給管２２１および第２原料ガス供給管２２２の位置を、基板右側から基板上方側へ移動させた構成を備えている。また、ガス排気管２７１の位置を、基板左側から基板下方側へ移動させた構成を備えている。実施例２の気相成長装置２０１と同一の構成要素には同一の符号を付与しているため、詳細な説明は省略する。
【００４３】
実施例３の気相成長装置３０１においても、基板ホルダ２１１の下降速度と、基板２１３上に成長するＧａＮ結晶層の成長速度とを同等に設定することにより、リングプレート２１２の上面２１２ａとＧａＮ結晶層の表面との距離を一定にすることができる。基板外周部における第１および第２原料ガスの流れを一定に維持することができるため、厚さ方向に均質なＧａＮ結晶層を成長させることができる。また、ＧａＮ結晶層の表面外周部の領域にガス流れの滞留を発生させることができるため、成長したＧａＮ結晶層の外周部の端面を、基板２１３の表面に対して垂直にすることが可能となる。
【００４４】
＜変形例＞
以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
【００４５】
図２で説明したリングプレート１２の下面１２ａは、平面に限られない。曲面であってもよいし、一部が平面であってもよい。また下面１２ａが平面部を備える場合には、その平面部が基板保持面１１ａに対して傾きを有していてもよい。図９および図１０のリングプレート２１２の上面２１２ａについても同様である。
【００４６】
基板１３の形状は円形に限られない。正方形や六角形などの形状の基板も使用可能である。
【００４７】
リングプレート１２や２１２は円形に限られず、多角形や矩形等の形状でもよい。またリングプレート１２や２１２は、実質的にリング形状であればよく、完全に閉じた形状である必要はない。例えば、Ｃ字型の形状であってもよい。
【００４８】
図２において、距離Ｄ２が距離Ｄ１以上である場合を説明したが、この形態に限られない。例えば、距離Ｄ２が距離Ｄ１よりも小さくてもよい。これにより、ＧａＮ結晶層１９の表面がリングプレート１２の上面に到達するまでの初期期間（すなわちリングプレート１２が機能し始めるまでの期間）に結晶径が縮小した場合においても、縮小後の結晶径にリングプレート１２の孔部１２ｂの内径を対応させることが可能となる。
【００４９】
種基板の表面が＋ｃ面である場合を説明したが、この形態に限られない。様々な面を種基板の表面として使用可能である。
【００５０】
結晶表面に垂直な端面の形成例としてｍ面（｛１−１００｝面）やａ面（｛１１−２０｝面）である場合を説明したが、この形態に限られない。様々な結晶面や中間的な表面形態を使用可能である。
【００５１】
ＮＨ３を触媒効果によって分解可能な金属の一例として、タングステンを説明したが、この材料に限られない。タングステンの酸化物（ＷＯｘ）、タングステンの炭化物（ＷＣｘ）、タングステンの窒化物（ＷＮｘ）、なども使用可能である。またタングステンを含む金属（タングステン合金）、および、それらの酸化物、炭化物、窒化物も使用可能である。またルテニウム、イリジウム、白金、モリブデン、パラジウム、ロジウム、鉄、ニッケル、レニウム、などの他金属も使用可能である。また、これらの金属の酸化物、炭化物、窒化物や、これらの金属を含んだ合金なども使用可能である。
【００５２】
ＧａＮ結晶成長に十分な温度を１０５０±５０℃と説明した。また、ＧａＣｌの発生に必要な温度を、７５０℃以上と説明した。しかし、これらの温度は例示である。例えば、ＧａＮ結晶成長に十分な温度は、１０５０℃±１００℃の範囲であってもよい。
【００５３】
本明細書で説明している、第１原料ガス供給管および第２原料ガス供給管の数や配置は一例であり、この形態に限られない。
【００５４】
本明細書に記載の技術は、ＨＶＰＥ法に限らず、様々な成長法に対して適用することが可能である。例えば、ＭＯＶＰＥ（Metal Organic Vapor Phase Epitaxy）法に適用することができる。この場合、第１原料ガスＧ１としてトリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ３）３））等を使用すればよい。
【００５５】
本明細書に記載の技術は、ＧａＮに限らず、様々な化合物半導体の結晶成長に適用することが可能である。例えば、ＧａＡｓ結晶の成長に適用することができる。この場合、第２原料ガスＧ２としてアルシン（ＡｓＨ５）を使用すればよい。
【００５６】
第１原料ガスＧ１、第２原料ガスＧ２は、Ｈ２やＮ２などのキャリアガスと共に流してもよい。
【００５７】
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【００５８】
リングプレート１２は、リング部の一例である。下面は、第１面の一例である。上面は、第２面の一例である。
【符号の説明】
【００５９】
１：気相成長装置    １０：反応容器    １１：基板ホルダ    １２、２１２：リングプレート    １５：アクチュエータ    １７、１８、５３：所定金属    ２１、２２１：第１原料ガス供給管    ２２、２２２：第２原料ガス供給管    ４１、２４１：第１原料ガス生成部    ５０：シャワーヘッド
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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