(57)【要約】基板１２を反応管１１内に載置する工程の後、３族元素を含む第１の材料ガスを反応管内の基板上に供給する工程と、窒素元素を含む第２の材料ガスを反応管内の基板上に供給する工程と、を交互に行うことにより、窒化物半導体結晶を基板上に直接堆積する窒化物半導体の結晶成長方法である。第１の材料ガスに含まれる３族元素のモル数に対する第２の材料ガスに含まれる窒素元素のモル数の比は２００以上である。
2008511969.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を反応管内に載置する工程の後、３族元素を含む第１の材料ガスを前記反応管内の前記基板上に供給する工程と、窒素元素を含む第２の材料ガスを前記反応管内の前記基板上に供給する工程と、を交互に行うことにより窒化物半導体結晶を前記基板上に直接堆積する窒化物半導体の結晶を成長させる方法であって、
前記第１の材料ガスに含まれる前記３族元素のモル数に対する前記第２の材料ガスに含まれる前記窒素元素のモル数の比を２００以上にすることを特徴とする窒化物半導体の結晶を成長させる方法。
【請求項２】
基板を反応管内に載置する工程の後、３族元素を含む第１の材料ガスを前記反応管内の前記基板上に供給する工程と、窒素元素を含む第２の材料ガスを前記反応管内の前記基板上に供給する工程と、を交互に行うことにより窒化物半導体結晶を前記基板上に直接堆積する窒化物半導体の結晶を成長させる方法であって、
前記第１の材料ガスに含まれる前記３族元素のモル数に対する前記第２の材料ガスに含まれる前記窒素元素のモル数の比を４５０以上にすることを特徴とする窒化物半導体の結晶を成長させる方法。
【請求項３】
基板を反応管内に載置する工程の後、３族元素を含む第１の材料ガスを前記反応管内の前記基板上に供給する工程と、窒素元素を含む第２の材料ガスを前記反応管内の前記基板上に供給する工程と、を交互に行うことにより窒化物半導体結晶を前記基板上に直接堆積する窒化物半導体の結晶を成長させる方法であって、
前記基板上に堆積した窒化物半導体結晶の膜厚が臨界膜厚に達するまでは、前記第１の材料ガスに含まれる前記３族元素のモル数に対する前記第２の材料ガスに含まれる前記窒素元素のモル数の比を２００以上にし、
前記膜厚が前記臨界膜厚以上では、前記第１の材料ガスに含まれる前記３族元素のモル数に対する前記第２の材料ガスに含まれる前記窒素元素のモル数の比を２００未満にすることを特徴とする窒化物半導体の結晶を成長させる方法。
【請求項４】
基板を反応管内に載置する工程の後、３族元素を含む第１の材料ガスを前記反応管内の前記基板上に供給する工程と、窒素元素を含む第２の材料ガスを前記反応管内の前記基板上に供給する工程と、を交互に行うことにより窒化物半導体結晶を前記基板上に直接堆積する窒化物半導体の結晶を成長させる方法であって、
前記基板上に堆積した窒化物半導体結晶の膜厚が臨界膜厚に達するまでは、前記第１の材料ガスに含まれる前記３族元素のモル数に対する前記第２の材料ガスに含まれる前記窒素元素のモル数の比を４５０以上にし、
前記膜厚が前記臨界膜厚以上では、前記第１の材料ガスに含まれる前記３族元素のモル数に対する前記第２の材料ガスに含まれる前記窒素元素のモル数の比を４５０未満にすることを特徴とする窒化物半導体の結晶を成長させる方法。
【請求項５】
基板を反応管内に載置する工程の後、３族元素を含む第１の材料ガスを前記反応管内の前記基板上に供給する工程と、窒素元素を含む第２の材料ガスを前記反応管内の前記基板上に供給する工程と、を交互に行うことにより窒化物半導体結晶を前記基板上に直接堆積する窒化物半導体の結晶を成長させる方法であって、
前記基板上に堆積した窒化物半導体結晶の膜厚が臨界膜厚に達するまでは、前記第１の材料ガスに含まれる前記３族元素のモル数に対する前記第２の材料ガスに含まれる前記窒素元素のモル数の比を２５０より大きくし、
前記膜厚が前記臨界膜厚以上では、前記第１の材料ガスに含まれる前記３族元素のモル数に対する前記第２の材料ガスに含まれる前記窒素元素のモル数の比を２０以上２５０以下にすることを特徴とする窒化物半導体の結晶を成長させる方法。
【請求項６】
基板を反応管内に載置する工程の後、３族元素を含む第１の材料ガスを前記反応管内の前記基板上に供給する工程と、窒素元素を含む第２の材料ガスを前記反応管内の前記基板上に供給する工程と、を交互に行うことにより窒化物半導体結晶を前記基板上に直接堆積する窒化物半導体の結晶を成長させる方法であって、
所定の基板温度及び所定の成長圧力の下で、前記第１の材料ガスに含まれる前記３族元素のモル数に対する前記第２の材料ガスに含まれる前記窒素元素のモル数の比を様々に変えて、前記基板上に堆積した窒化物半導体結晶の膜厚が臨界膜厚に達するまで前記窒化物半導体結晶を成長させる工程と、
成長した前記窒化物半導体結晶の表面平坦性を測定する工程と、
前記表面平坦性を最適なレベルにするために、前記第１の材料ガスに含まれる前記３族元素のモル数に対する前記第２の材料ガスに含まれる前記窒素元素のモル数の最適な比を決定する工程と、
前記第１の材料ガスに含まれる前記３族元素のモル数に対する前記第２の材料ガスに含まれる前記窒素元素のモル数の比を前記最適な比を決定する工程において決定された値にする工程と、
から成ることを特徴とする窒化物半導体の結晶を成長させる方法。
【請求項７】
基板を反応管内に載置する工程の後、３族元素を含む第１の材料ガスを前記反応管内の前記基板上に供給する工程と、窒素元素を含む第２の材料ガスを前記反応管内の前記基板上に供給する工程と、を交互に行うことにより窒化物半導体結晶を前記基板上に直接堆積する窒化物半導体の結晶を成長させる方法であって、
所定の基板温度及び所定の成長圧力の下で、前記第１の材料ガスに含まれる前記３族元素のモル数に対する前記第２の材料ガスに含まれる前記窒素元素のモル数の比を様々に変えて、前記基板上に堆積した窒化物半導体結晶の膜厚が臨界膜厚に達するまで前記窒化物半導体結晶を成長させる工程と、
成長した前記窒化物半導体結晶の表面平坦性を測定する工程と、
前記表面平坦性を最適なレベルにするために、前記第１の材料ガスに含まれる前記３族元素のモル数に対する前記第２の材料ガスに含まれる前記窒素元素のモル数の第１の最適な比を決定する工程と、
所定の基板温度及び所定の成長圧力の下で、前記第１の材料ガスに含まれる前記３族元素のモル数に対する前記第２の材料ガスに含まれる前記窒素元素のモル数の比を様々に変えて、前記基板上に堆積した前記窒化物半導体結晶の膜厚が臨界膜厚以上になるまで前記窒化物半導体結晶を成長させる工程と、
前記臨界膜厚以上の膜厚の成長した前記窒化物半導体結晶の表面平坦性を測定する工程と、
前記表面平坦性を最適なレベルにするために、前記第１の材料ガスに含まれる前記３族元素のモル数に対する前記第２の材料ガスに含まれる前記窒素元素のモル数の第２の最適な比を決定する工程と、
から成り、
もって、前記基板上に堆積した前記窒化物半導体結晶の膜厚が前記臨界膜厚に達するまでは、前記第１の材料ガスに含まれる前記３族元素のモル数に対する前記第２の材料ガスに含まれる前記窒素元素のモル数の比は、前記第１の最適な比に対応する値に設定され、
前記窒化物半導体結晶の膜厚が前記臨界膜厚以上になった後では、前記第１の材料ガスに含まれる前記３族元素のモル数に対する前記第２の材料ガスに含まれる前記窒素元素のモル数の比は、前記第２の最適な比に対応する値に設定されることを特徴とする窒化物半導体の結晶を成長させる方法。
【請求項８】
前記３族元素を含む前記第１の材料ガスを前記反応管内の前記基板上に供給する前記工程と、前記窒素元素を含む前記第２の材料ガスを前記反応管内の前記基板上に供給する前記工程と、を交互に行う回数は１回以上１０回以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の窒化物半導体の結晶を成長させる方法。
【請求項９】
前記３族元素を含む前記第１の材料ガスを前記反応管内の前記基板上に供給する前記工程と、前記窒素元素を含む前記第２の材料ガスを前記反応管内の前記基板上に供給する前記工程と、を交互に行う回数は６回であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の窒化物半導体の結晶を成長させる方法。
【請求項１０】
前記基板は、炭化けい素であることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の窒化物半導体の結晶を成長させる方法。
【請求項１１】
前記基板は、サファイア基板から成ることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の窒化物半導体の結晶を成長させる方法。
【請求項１２】
前記基板は、所定の結晶面に対してオフ角を持つことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の窒化物半導体の結晶を成長させる方法。
【請求項１３】
前記反応管内の圧力は、前記窒化物半導体結晶の成長を行うのに適するレベルにまで下げられていることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の窒化物半導体の結晶を成長させる方法。
【請求項１４】
前記窒化物半導体は、ＡｌＮと、ＧａＮと、ＩｎＮと、ＢＮと、前記ＡｌＮと前記ＧａＮと前記ＩｎＮと前記ＢＮとのうちのいくつかの組み合わせと、から成るグループのうちの１つの結晶から成ることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の窒化物半導体の結晶を成長させる方法。
【請求項１５】
反応管と、
前記反応管内に基板を載置する基板載置手段と、
前記反応管の内部の圧力を適切なレベルにまで下げる減圧手段と、
前記基板を加熱する加熱手段と、
前記反応管内にキャリアガスを供給するキャリアガス供給手段と、
３族元素を含む第１の材料ガスを前記反応管内の前記基板上に供給する第１材料ガス供給手段と、
窒素を含む第２の材料ガスを前記反応管内の前記基板上に供給する第２材料ガス供給手段と、
前記減圧手段と、前記加熱手段と、前記キャリアガス供給手段と、前記第１材料ガス供給手段と、前記第２材料ガス供給手段と、を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、
前記第１の材料ガスに含まれる前記３族元素のモル数に対する前記第２の材料ガスに含まれる窒素元素のモル数の比が２００以上であるように前記反応管内の前記基板上への前記第１の材料ガスの供給と、前記反応管内の前記基板上への前記第２の材料ガスの供給と、を交互に行うために、前記第１材料ガス供給手段と前記第２材料ガス供給手段とを制御することを特徴とする窒化物半導体の結晶を成長させる装置。
【請求項１６】
反応管と、
前記反応管内に基板を載置する基板載置手段と、
前記反応管の内部の圧力を適切なレベルにまで下げる減圧手段と、
前記基板を加熱する加熱手段と、
前記反応管内にキャリアガスを供給するキャリアガス供給手段と、
３族元素を含む第１の材料ガスを前記反応管内の前記基板上に供給する第１材料ガス供給手段と、
窒素を含む第２の材料ガスを前記反応管内の前記基板上に供給する第２材料ガス供給手段と、
前記減圧手段と、前記加熱手段と、前記キャリアガス供給手段と、前記第１材料ガス供給手段と、前記第２材料ガス供給手段と、を制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、
前記第１の材料ガスに含まれる前記３族元素のモル数に対する前記第２の材料ガスに含まれる窒素元素のモル数の比が４５０以上であるように前記反応管内の前記基板上への前記第１の材料ガスの供給と、前記反応管内の前記基板上への前記第２の材料ガスの供給と、を交互に行うために、前記第１材料ガス供給手段と前記第２材料ガス供給手段とを制御することを特徴とする窒化物半導体の結晶を成長させる装置。
【請求項１７】
反応管と、
前記反応管内に基板を載置する基板載置手段と、
前記反応管の内部の圧力を適切なレベルにまで下げる減圧手段と、
前記基板を加熱する加熱手段と、
前記反応管内にキャリアガスを供給するキャリアガス供給手段と、
３族元素を含む第１の材料ガスを前記反応管内の前記基板上に供給する第１材料ガス供給手段と、
窒素を含む第２の材料ガスを前記反応管内の前記基板上に供給する第２材料ガス供給手段と、
前記減圧手段と、前記加熱手段と、前記キャリアガス供給手段と、前記第１材料ガス供給手段と、前記第２材料ガス供給手段とを制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、
前記基板上に堆積した窒化物半導体結晶の膜厚が臨界膜厚に達するまでは、前記第１の材料ガスに含まれる前記３族元素のモル数に対する前記第２の材料ガスに含まれる窒素元素のモル数の比が２００以上であり、前記膜厚が前記臨界膜厚以上では、前記第１の材料ガスに含まれる前記３族元素のモル数に対する前記第２の材料ガスに含まれる前記窒素元素のモル数の比が２００未満であるように前記反応管内の前記基板上への前記第１の材料ガスの供給と、前記反応管内の前記基板上への前記第２の材料ガスの供給と、を交互に行うために、前記第１材料ガス供給手段と前記第２材料ガス供給手段とを制御することを特徴とする窒化物半導体の結晶を成長させる装置。
【請求項１８】
反応管と、
前記反応管内に基板を載置する基板載置手段と、
前記反応管の内部の圧力を適切なレベルにまで下げる減圧手段と、
前記基板を加熱する加熱手段と、
前記反応管内にキャリアガスを供給するキャリアガス供給手段と、
３族元素を含む第１の材料ガスを前記反応管内の前記基板上に供給する第１材料ガス供給手段と、
窒素を含む第２の材料ガスを前記反応管内の前記基板上に供給する第２材料ガス供給手段と、
前記減圧手段と、前記加熱手段と、前記キャリアガス供給手段と、前記第１材料ガス供給手段と、前記第２材料ガス供給手段と、を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、
前記基板上に堆積した窒化物半導体結晶の膜厚が臨界膜厚に達するまでは、前記第１の材料ガスに含まれる前記３族元素のモル数に対する前記第２の材料ガスに含まれる窒素元素のモル数の比が４５０以上であり、前記膜厚が前記臨界膜厚以上では、前記第１の材料ガスに含まれる前記３族元素のモル数に対する前記第２の材料ガスに含まれる前記窒素元素のモル数の比が４５０未満であるように前記反応管内の前記基板上への前記第１の材料ガスの供給と、前記反応管内の前記基板上への前記第２の材料ガスの供給と、を交互に行うために、前記第１材料ガス供給手段と前記第２材料ガス供給手段とを制御することを特徴とする窒化物半導体の結晶を成長させる装置。
【請求項１９】
反応管と、
前記反応管内に基板を載置する基板載置手段と、
前記反応管の内部の圧力を適切なレベルにまで下げる減圧手段と、
前記基板を加熱する加熱手段と、
前記反応管内にキャリアガスを供給するキャリアガス供給手段と、
３族元素を含む第１の材料ガスを前記反応管内の前記基板上に供給する第１材料ガス供給手段と、
窒素を含む第２の材料ガスを前記反応管内の前記基板上に供給する第２材料ガス供給手段と、
前記減圧手段と、前記加熱手段と、前記キャリアガス供給手段と、前記第１材料ガス供給手段と、前記第２材料ガス供給手段と、を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、
前記基板上に堆積した窒化物半導体結晶の膜厚が臨界膜厚に達するまでは、前記第１の材料ガスに含まれる前記３族元素のモル数に対する前記第２の材料ガスに含まれる窒素元素のモル数の比が２５０より大きく、前記膜厚が前記臨界膜厚以上では、前記第１の材料ガスに含まれる前記３族元素のモル数に対する前記第２の材料ガスに含まれる前記窒素元素のモル数の比が２０以上２５０以下であるように前記反応管内の前記基板上への前記第１の材料ガスの供給と、前記反応管内の前記基板上への前記第２の材料ガスの供給と、を交互に行うために、前記第１材料ガス供給手段と前記第２材料ガス供給手段とを制御することを特徴とする窒化物半導体の結晶を成長させる装置。
【請求項２０】
窒化物半導体の結晶を成長させる装置であって、
反応管と、
前記反応管内に基板を載置する基板載置手段と、
前記反応管の内部の圧力を適切なレベルにまで下げる減圧手段と、
前記基板を加熱する加熱手段と、
前記反応管内にキャリアガスを供給するキャリアガス供給手段と、
３族元素を含む第１の材料ガスを前記反応管内の前記基板上に供給する第１材料ガス供給手段と、
窒素を含む第２の材料ガスを前記反応管内の前記基板上に供給する第２材料ガス供給手段と、
前記減圧手段と、前記加熱手段と、前記キャリアガス供給手段と、前記第１材料ガス供給手段と、前記第２材料ガス供給手段と、を制御する制御手段と、
成長した前記窒化物半導体の結晶の表面平坦性を測定する表面平坦性測定手段と、
前記表面平坦性測定手段による測定から最良の表面平坦性を得るための成長パラメータを決定する成長パラメータ決定手段と、
を備え、
前記制御手段は、
前記反応管内の前記基板上への前記第１の材料ガスの供給と、前記反応管内の前記基板上への前記第２の材料ガスの供給と、を交互に行い、
所定の基板温度及び所定の成長圧力の下で、前記第１の材料ガスに含まれる前記３族元素のモル数に対する前記第２の材料ガスに含まれる窒素元素のモル数の比を様々に変えて、前記基板上に体積した窒化物半導体結晶の膜厚が臨界膜厚に達するまで前記窒化物半導体結晶を成長させ、
前記表面平坦性測定手段は、成長した前記窒化物半導体結晶の表面平坦性を測定し、
前記成長パラメータ決定手段は、前記表面平坦性が最適なレベル最良にするため、前記第１の材料ガスに含まれる前記３族元素のモル数に対する前記第２の材料ガスに含まれる前記窒素元素のモル数の比を決定し、
前記制御手段は、
前記第１の材料ガスに含まれる前記３族元素のモル数に対する前記第２の材料ガスに含まれる前記窒素元素のモル数の比を前記成長パラメータ決定手段によって決定された値にするように、前記第１材料ガス供給手段と前記第２材料ガス供給手段とを制御することを特徴とする窒化物半導体の結晶を成長させる装置。
【請求項２１】
窒化物半導体の結晶を成長させる装置であって、
反応管と、
前記反応管内に基板を載置する基板載置手段と、
前記反応管の内部の圧力を適切なレベルにまで下げる減圧手段と、
前記基板を加熱する加熱手段と、
前記反応管内にキャリアガスを供給するキャリアガス供給手段と、
３族元素を含む第１の材料ガスを前記反応管内の前記基板上に供給する第１材料ガス供給手段と、
窒素を含む第２の材料ガスを前記反応管内の前記基板上に供給する第２材料ガス供給手段と、
前記減圧手段と、前記加熱手段と、前記キャリアガス供給手段と、前記第１材料ガス供給手段と、前記第２材料ガス供給手段と、を制御する制御手段と、
成長した前記窒化物半導体結晶の表面平坦性を測定する表面平坦性測定手段と、
前記表面平坦性測定手段による測定から最良の表面平坦性を得るための成長パラメータを決定する成長パラメータ決定手段と、
を備え、
前記制御手段は、
前記反応管内の前記基板上への前記第１の材料ガスの供給と、前記反応管内の前記基板上への前記第２の材料ガスの供給と、を交互に行い、
所定の基板温度及び所定の成長圧力の下で、前記第１の材料ガスに含まれる前記３族元素のモル数に対する前記第２の材料ガスに含まれる窒素元素のモル数の比を様々に変えて、前記基板上に堆積した窒化物半導体結晶の膜厚が臨界膜厚に達するまで前記窒化物半導体結晶を成長させ、
前記表面平坦性測定手段は、成長した前記窒化物半導体結晶の表面平坦性を測定し、
前記成長パラメータ決定手段は、前記表面平坦性を最適のレベルにするために、前記第１の材料ガスに含まれる前記３族元素のモル数に対する前記第２の材料ガスに含まれる前記窒素元素のモル数の第１の比を決定し、
前記制御手段は、所定の基板温度及び所定の成長圧力の下で、前記第１の材料ガスに含まれる前記３族元素のモル数に対する前記第２の材料ガスに含まれる前記窒素元素のモル数の比を様々に変えて、前記基板上に堆積した前記窒化物半導体結晶の膜厚が前記臨界膜厚以上になるまで前記窒化物半導体結晶を成長させ、
前記表面平坦性測定手段は、成長した前記窒化物半導体結晶の表面平坦性を測定し、
前記成長パラメータ決定手段は、前記表面平坦性を最良のレベルにするために、前記第１の材料ガスに含まれる前記３族元素のモル数に対する前記第２の材料ガスに含まれる前記窒素元素のモル数の第２の比を決定し、
もって、前記基板上に堆積した前記窒化物半導体結晶の膜厚が前記臨界膜厚に達するまでは、前記第１の材料ガスに含まれる前記３族元素のモル数に対する前記第２の材料ガスに含まれる前記窒素元素のモル数の比は前記成長パラメータ決定手段によって決定された前記第１の比に設定され、前記膜厚が前記臨界膜厚以上になった後では、前記第１の材料ガスに含まれる前記３族元素のモル数に対する前記第２の材料ガスに含まれる前記窒素元素のモル数の比は前記成長パラメータ決定手段でによって決定された前記第２の比に設定されるように、前記第１材料ガス供給手段と前記第２材料ガス供給手段とは制御されることを特徴とする窒化物半導体の結晶を成長させる装置。
【請求項２２】
窒化物半導体の結晶を成長させる装置を制御するプログラムであって、
前記プログラムは、前記装置を制御するコンピュータが前記結晶の成長を実行することができるようにし、
前記プログラムは、
３族元素を含む第１の材料ガスを第１材料ガス供給手段から反応管内の基板上に供給させる手順と、窒素元素を含む第２の材料ガスを第２材料ガス供給手段から前記反応管内の前記基板上に供給させる手順と、を交互に行わせる手順を含み、
前記第１の材料ガスに含まれる前記３族元素のモル数に対する前記第２の材料ガスに含まれる前記窒素元素のモル数の比が２００以上となるような制御を行うことを特徴とする窒化物半導体の結晶を成長させる装置を制御するプログラム。
【請求項２３】
窒化物半導体の結晶を成長させる装置を制御するプログラムであって、
前記プログラムは、前記装置を制御するコンピュータが前記結晶の成長を実行することができるようにし、
前記プログラムは、
３族元素を含む第１の材料ガスを第１材料ガス供給手段から反応管内の基板上に供給させる手順と、窒素元素を含む第２の材料ガスを第２材料ガス供給手段から前記反応管内の前記基板上に供給させる手順と、を交互に行わせる手順を含み、
前記第１の材料ガスに含まれる前記３族元素のモル数に対する前記第２の材料ガスに含まれる前記窒素元素のモル数の比が４５０以上となるような制御を行うことを特徴とする窒化物半導体の結晶を成長させる装置を制御するプログラム。
【請求項２４】
窒化物半導体の結晶を成長させる装置を制御するプログラムであって、
前記プログラムは、
前記装置を制御するコンピュータが前記結晶の成長を実行することができるようにし、
前記プログラムは、
３族元素を含む第１の材料ガスを第１材料ガス供給手段から反応管内の基板上に供給させる手順と、窒素元素を含む第２の材料ガスを第２材料ガス供給手段から前記反応管内の前記基板上に供給させる手順と、を交互に行わせる手順を含み、
前記基板上に堆積した窒化物半導体の結晶の膜厚が臨界膜厚に達するまでは、前記第１の材料ガスに含まれる前記３族元素のモル数に対する前記第２の材料ガスに含まれる前記窒素元素のモル数の比が２００以上であるような制御を行い、
前記膜厚が前記臨界膜厚以上では、前記第１の材料ガスに含まれる前記３族元素のモル数に対する前記第２の材料ガスに含まれる前記窒素元素のモル数の比が２００未満であるような制御を行うことを特徴とする窒化物半導体の結晶を成長させる装置を制御するプログラム。
【請求項２５】
窒化物半導体の結晶を成長させる装置を制御するプログラムであって、
前記プログラムは、
前記装置を制御するコンピュータが前記結晶の成長を実行することができるようにし、
前記プログラムは、
３族元素を含む第１の材料ガスを第１材料ガス供給手段から反応管内の基板上に供給させる手順と、窒素元素を含む第２の材料ガスを第２材料ガス供給手段から前記反応管内の前記基板上に供給させる手順と、を交互に行わせる手順を含み、
前記基板上に堆積した窒化物半導体の結晶の膜厚が臨界膜厚に達するまでは、前記第１の材料ガスに含まれる前記３族元素のモル数に対する前記第２の材料ガスに含まれる前記窒素元素のモル数の比が４５０以上であるような制御を行い、
前記膜厚が前記臨界膜厚以上では、前記第１の材料ガスに含まれる前記３族元素のモル数に対する前記第２の材料ガスに含まれる前記窒素元素のモル数の比が４５０未満であるような制御を行うことを特徴とする窒化物半導体の結晶を成長させる装置を制御するプログラム。
【請求項２６】
窒化物半導体の結晶を成長させる装置を制御するプログラムであって、
前記プログラムは、
前記装置を制御するコンピュータが前記結晶の成長を実行することができるようにし、
前記プログラムは、
３族元素を含む第１の材料ガスを第１材料ガス供給手段から反応管内の基板上に供給させる手順と、窒素元素を含む第２の材料ガスを第２材料ガス供給手段から前記反応管内の前記基板上に供給させる手順と、を交互に行わせる手順を含み、
前記基板上に堆積した窒化物半導体の結晶の膜厚が臨界膜厚に達するまでは、前記第１の材料ガスに含まれる前記３族元素のモル数に対する前記第２の材料ガスに含まれる前記窒素元素のモル数の比が２５０より大きくなるような制御を行い、
前記膜厚が前記臨界膜厚以上では、前記第１の材料ガスに含まれる前記３族元素のモル数に対する前記第２の材料ガスに含まれる前記窒素元素のモル数の比が２０以上２５０以下であるような制御を行うことを特徴とする窒化物半導体の結晶を成長させる装置を制御するプログラム。
【請求項２７】
窒化物半導体の結晶を成長させる装置を制御するプログラムであって、
前記プログラムは、
前記装置を制御するコンピュータが前記結晶の成長を実行することができるようにし、
前記プログラムは、
３族元素を含む第１の材料ガスを第１材料ガス供給手段から反応管内の基板上に供給させる手順と、窒素元素を含む第２の材料ガスを第２材料ガス供給手段から前記反応管内の前記基板上に供給させる手順と、を交互に行わせる手順と、
所定の基板温度及び所定の成長圧力の下で、前記第１の材料ガスに含まれる前記３族元素のモル数に対する前記第２の材料ガスに含まれる前記窒素元素のモル数の比を様々に変えて、前記基板上に堆積した窒化物半導体の結晶の膜厚が臨界膜厚に達するまで、前記窒化物半導体の結晶を成長させる手順と、
成長した前記窒化物半導体の結晶の表面平坦性を測定する手順と、
前記表面平坦性を最適なレベルにするために、前記第１の材料ガスに含まれる前記３族元素のモル数に対する前記第２の材料ガスに含まれる前記窒素元素のモル数の最適な比を決定する手順と、
前記第１の材料ガスに含まれる前記３族元素のモル数に対する前記第２の材料ガスに含まれる前記窒素元素のモル数の比を、前記最適なモル数の比を決定する手順によって決定された値にする手順と、
を含むことを特徴とする窒化物半導体の結晶を成長させる装置を制御するプログラム。
【請求項２８】
窒化物半導体の結晶を成長させる装置を制御するプログラムであって、
前記プラグラムは、
前記装置を制御するコンピュータが前記結晶の成長を実行することができるようにし、
前記プログラムは、
３族元素を含む第１の材料ガスを第１材料ガス供給手段から反応管内の基板上に供給させる手順と、窒素元素を含む第２の材料ガスを第２材料ガス供給手段から前記反応管内の前記基板上に供給させる手順とを交互に行わせる手順と、
所定の基板温度及び所定の成長圧力の下で、前記第１の材料ガスに含まれる前記３族元素のモル数に対する前記第２の材料ガスに含まれる前記窒素元素のモル数の比を様々に変えて、前記基板上に堆積した窒化物半導体の結晶の膜厚が臨界膜厚に達するまで、前記窒化物半導体の結晶を成長させる手順と、
成長させた前記窒化物半導体結晶の表面平坦性を測定する手順と、
前記表面平坦性を最適なレベルにするために、前記第１の材料ガスに含まれる前記３族元素のモル数に対する前記第２の材料ガスに含まれる前記窒素元素のモル数の第１の最適な比を決定する手順と、
所定の基板温度及び所定の成長圧力の下で、前記第１の材料ガスに含まれる前記３族元素のモル数に対する前記第２の材料ガスに含まれる前記窒素元素のモル数の比を様々に変えて、前記基板上に堆積した前記窒化物半導体結晶の膜厚が前記臨界膜厚以上になるまで、前記窒化物半導体の結晶を成長させる手順と、
前記臨界膜厚以上に膜厚が成長した前記窒化物半導体の結晶の表面平坦性を測定する手順と、
前記表面平坦性を最適のレベルにするために、前記第１の材料ガスに含まれる前記３族元素のモル数に対する前記第２の材料ガスに含まれる前記窒素元素のモル数の第２の最適な比を決定する手順と、
を含み、
もって、前記基板上に堆積した前記窒化物半導体の結晶の膜厚が前記臨界膜厚に達するまでは、前記第１の材料ガスに含まれる前記３族元素のモル数に対する前記第２の材料ガスに含まれる前記窒素元素のモル数の比は、前記第１の最適な比に対応する値に設定され、
前記膜厚が前記臨界膜厚以上になった後では、前記第１の材料ガスに含まれる前記３族元素のモル数に対する前記第２の材料ガスに含まれる前記窒素元素のモル数の比は、前記第２の最適な比に対応する値に設定されることを特徴とする窒化物半導体の結晶を成長させる装置を制御するプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体結晶の成長に関し、特に、良好な平坦性と良好な結晶品質とを有する窒化物半導体結晶を異種基板上で直接成長させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体結晶とは、窒化ガリウム（ＧａＮ）結晶と、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）結晶と、窒化インジウム（ＩｎＮ）結晶と、窒化ほう素（ＢＮ）結晶と、これらの結晶の混合物（以下混晶と呼ぶ）とを指す。窒化物半導体の結晶の成長は、基本結晶構造が六方晶系を有しており格子定数が該半導体に近いサファイア（Ａｌ２Ｏ３）か炭化けい素（ＳｉＣ）の基板上で行われている。この結晶成長を高品質で行うためには、不純物の濃度と成長した膜の厚さとを厳密に制御する必要がある。
【０００３】
窒化物半導体結晶の成長方法としては、主に、分子線エピタキシー（以下“ＭＢＥ”と表記）法と気相成長（以下“ＶＰＥ”と表記）法とがある。ＶＰＥ法には、エピタキシャル成長する材料ガスを基板表面に対して水平に流すもの（以下“横型”と表記）と、該材料ガスを基板表面に対して垂直に流すもの（以下“縦型”と表記）とがある（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３、及び特許文献４参照）。
【０００４】
ＶＰＥによるエピタキシャル成長において、制御される必要のあるパラメータには、基板温度と、３族材料ガスに対する５族材料ガスの比（以下“５／３比”と表記）と、反応管内部を流れるガス（＝３族ガス＋５族ガス＋キャリアガス）の総量と、反応管の内部圧力と、そして、反応管の内部におけるガスの流速とが含まれており、これらのパラメータを調整することにより、結晶の膜厚、結晶の品質などを制御することができる。
【０００５】
上記のような結晶の成長を行うとき、成長した膜が基板に対して非常に薄い間は、基板の原子に１：１に対応して並び、両者の格子定数の差はあまり問題とならない。例えば、ＳｉＣ上にＡｌＮが成長するとき、ＡｌＮは、ＳｉＣの原子間隔で並ぶ。しかし、ＡｌＮは成長膜が厚くなると本来の格子定数の並びになっていき、基板との界面において、基板の原子と１：１には対応しない部分が規定的に生じてくる。すなわち、転位などの格子欠陥が生じて、１：１の対応が失われていく。この転位が生じる臨界となる膜の厚さを臨界膜厚という。
【０００６】
窒化物半導体結晶のような３族の元素と５族の元素とからなる化合物半導体結晶のエピタキシャル成長方法には、成長開始時に３族の元素と５族の元素とを同時に基板に供給する方法（以下同時供給法）と、交互に供給する方法（以下交互供給法）とがある。
【０００７】
横型ＶＰＥ装置で同時供給法を用いることによって、ＡｌＮがＳｉＣ基板（０００１）のＳｉ面上に格子緩和を起こす厚さ（臨界膜厚）以上の厚さを有するようにエピタキシャル成長する場合、成長パラメータが適宜に設定されていればＡｌＮエピタキシャル層の平坦性が向上することが分かっている。
【０００８】
一方、交互供給法は、化合物半導体結晶構造が持つ３族原子／５族原子の周期性を正確に保つことを狙いとして実施されている手法である。ガリウムヒ素の基板に用いる交互供給法は、非特許文献文献１及び非特許文献２に開示されている。
【０００９】
異種接合（ヘテロ接合）と同時供給法とを用いる従来例としては、窒化物半導体とＳｉＣ基板との異種接合部の特性を利用することによって、窒化物半導体のＧａＮを、ＳｉＣ基板上の非常に限定された領域に直接成長（以下“選択成長”）させている例がある。この窒化物半導体エピタキシャル成長手法に関し、ヘテロ接合デバイスの発表例が非特許文献３に記載されている。
【００１０】
異種基板上に窒化物半導体を直接形成せずにバッファ層を採用する従来例としては、窒化物半導体エピタキシャル層が光デバイス（青色発光ダイオード等）として使用されている例がある。窒化物半導体のみを機能デバイスとして応用している場合のエピタキシャル成長は、単結晶サファイアかＳｉＣの基板上に形成されており窒化物半導体と同じ組成物の材料のバッファ層の表面上にて行われる。バッファ層は、例えば、低い基板温度で形成される窒化物半導体の膜であるか、又は、ＧａＮとＡｌＮの超格子構造を有する膜である。
【００１１】
高品質の窒化物半導体をエピタキシャル成長させるためには、その格子定数が該窒化物半導体と完全に一致する窒化物半導体の単結晶基板を用いることが最も望ましい。しかし、そのような高品質な単結晶基板は存在しないため、代わりとして結晶系が窒化物半導体と同じ六方晶系のサファイアやＳｉＣの基板が用いられているのが現状である。それらの基板と窒化物半導体との間には、格子定数の差、熱膨張係数の差、表面エネルギーの差のような物理定数の差が発生する。
【００１２】
上記のような物理定数の差は、窒化物半導体エピタキシャル成長を基板上に直接行った場合、以下で述べるように、結晶性が悪化するという一般的な問題の原因となる。
【００１３】
先ず、窒化物半導体結晶は、窒化物半導体結晶の膜の厚さが臨界膜厚以下の場合、窒化物半導体結晶自身の格子定数を基板の格子定数に合わせるように歪んでエピタキシャル成長するが、窒化物半導体結晶の膜の厚さが臨界膜厚を超えると窒化物半導体結晶そのものの格子定数でエピタキシャル成長しようとして、その結果、基板と窒化物半導体の原子同士が１対１に対応せず、両者の界面部分に転位などの格子欠陥が発生するという問題がある。発生した格子欠陥はそのままエピタキシャル層を貫通する。
【００１４】
また、エピタキシャル成長温度から室温に下がるときにエピタキシャル層中にひずみが発生するという問題がある。これは、主に、基板と該基板に堆積した膜との熱膨張係数の違いにより応力がエピタキシャル層に発生したためと考えられる。エピタキシャル層は、窒化物半導体の種類、厚さ次第では、亀裂を生じる場合がある。
【００１５】
また、ＶＰＥを用いた同時供給法によって窒化物半導体をサファイアやＳｉＣの基板上に直接エピタキシャル成長させようとすると、窒化物半導体と基板との界面部分の領域において、窒化物半導体が層状ではなく島状に成長してしまうという問題がある。これは、供給ガス（例えば、ＴＭＡとＮＨ３と）の間での中間反応が生じた結果である。すなわち、島と島の間では結晶の連続性が失われ、格子欠陥が基板と窒化物半導体との接合界面部分に残留したり、或いは、平坦なエピタキシャル層が得られずに表面が荒れる。そして、上の層が下の島状の層をテンプレートにして形成されるので、該上の層は平坦性に欠陥を抱えた状態で成長する。
【００１６】
交互供給法については、現在実施されている例は、すべて３−５化合物半導体層を下地にした表面上に行われているもので、サファイアやＳｉＣの基板表面上に直接エピタキシャル成長は行われていない。すなわち、交互供給法を用いて異種基板上に直接ヘテロエピタキシャル成長をさせて良好な結果を得た従来例はなかった。
【００１７】
上述の非特許文献３に記載されているように、ＳｉＣ基板上の非常に限定された領域に窒化物半導体であるＧａＮを直接成長させているものがある。しかし、これは、ＧａＮとＳｉＣとの異種接合部（界面）の電気的特性が悪いために、その電流増幅率が非常に低い等のデバイス機能の不十分な点がある。従って、異種接合部の電気的特性がより優れ、デバイスとしても十分な機能を発揮し得る平坦性のある高品質な窒化物半導体結晶の成長方法の確立が望まれている。
【００１８】
窒化物半導体層と基板との間にバッファ層が設けられる従来例の構造では、バッファ層は、基板とヘテロ接合部との界面部を、欠陥、歪みの集中する領域にしてしまい、結晶としては犠牲になっているのが現状である。
【００１９】
また、常圧ＶＰＥ法による窒化物半導体のエピタキシャル成長は、反応管の内部の圧力が大気圧になり、材料ガスの流れが加熱された基板付近で乱れてしまい、層状のエピタキシャル成長を実現させることができないという問題もある。
【００２０】
【特許文献１】特開2000-216101号
【特許文献２】特開2001-302398号
【特許文献３】特開2000-49104号
【特許文献４】特開2004-47763号
【非特許文献１】Yoshiji Horikoshi, et al. "Surface atomic processes during flow-rate modulation epitaxy" Appl. Surf. Sci., 112, pp.48-54(1997)
【非特許文献２】Masanobu Hiroki, et al. "Flat Surface and Interface in AlN/GaN Heterostructures and Superlattices Grown by Flow-Rate Modulation Epitaxy" Jpn.J.Appl.Phys. Vol.42 (2003) pp.2305-2308
【非特許文献３】John T Torvik, et al. "A GaN/4H-SiC heterojunction bipolar transistor with operation up to 300℃", MRS Internet J. Nitride Semicond. Res. 4, 3 (1999)
【発明の開示】
【００２１】
本発明の１の概念において、基板を反応管内に載置する工程の後、３族元素を含む第１の材料ガスを反応管内の基板上に供給する工程と、窒素元素を含む第２の材料ガスを反応管内の基板上に供給する工程と、を交互に行うことにより窒化物半導体結晶を基板上に直接堆積する窒化物半導体の結晶を成長させる方法であって、第１の材料ガスに含まれる３族元素のモル数に対する第２の材料ガスに含まれる窒素元素のモル数の比を２００以上にすることを特徴とする窒化物半導体の結晶を成長させる方法が提供されている。
【００２２】
本発明の他の概念において、基板を反応管内に載置する工程の後、３族元素を含む第１の材料ガスを反応管内の基板上に供給する工程と、窒素元素を含む第２の材料ガスを反応管内の基板上に供給する工程と、を交互に行うことにより窒化物半導体結晶を基板上に直接堆積する窒化物半導体の結晶を成長させる方法であって、第１の材料ガスに含まれる３族元素のモル数に対する第２の材料ガスに含まれる窒素元素のモル数の比を４５０以上にすることを特徴とする窒化物半導体の結晶を成長させる方法が提供されている。
【００２３】
本発明の更なる他の概念において、基板を反応管内に載置する工程の後、３族元素を含む第１の材料ガスを反応管内の基板上に供給する工程と、窒素元素を含む第２の材料ガスを反応管内の基板上に供給する工程と、を交互に行うことにより窒化物半導体結晶を基板上に直接堆積する窒化物半導体の結晶を成長させる方法であって、基板上に堆積した窒化物半導体結晶の膜厚が臨界膜厚に達するまでは、第１の材料ガスに含まれる３族元素のモル数に対する第２の材料ガスに含まれる窒素元素のモル数の比を２００以上にし、膜厚が臨界膜厚以上では、第１の材料ガスに含まれる３族元素のモル数に対する第２の材料ガスに含まれる窒素元素のモル数の比を２００未満にすることを特徴とする窒化物半導体の結晶を成長させる方法が提供されている。
【００２４】
本発明の更なる他の概念において、基板を反応管内に載置する工程の後、３族元素を含む第１の材料ガスを反応管内の基板上に供給する工程と、窒素元素を含む第２の材料ガスを反応管内の基板上に供給する工程と、を交互に行うことにより窒化物半導体結晶を基板上に直接堆積する窒化物半導体の結晶を成長させる方法であって、基板上に堆積した窒化物半導体結晶の膜厚が臨界膜厚に達するまでは、第１の材料ガスに含まれる３族元素のモル数に対する第２の材料ガスに含まれる窒素元素のモル数の比を４５０以上にし、膜厚が臨界膜厚以上では、第１の材料ガスに含まれる３族元素のモル数に対する第２の材料ガスに含まれる窒素元素のモル数の比を４５０未満にすることを特徴とする窒化物半導体の結晶を成長させる方法が提供されている。
【００２５】
本発明の更なる他の概念において、基板を反応管内に載置する工程の後、３族元素を含む第１の材料ガスを反応管内の基板上に供給する工程と、窒素元素を含む第２の材料ガスを反応管内の基板上に供給する工程と、を交互に行うことにより窒化物半導体結晶を基板上に直接堆積する窒化物半導体の結晶を成長させる方法であって、基板上に堆積した窒化物半導体結晶の膜厚が臨界膜厚に達するまでは、第１の材料ガスに含まれる３族元素のモル数に対する第２の材料ガスに含まれる窒素元素のモル数の比を２５０より大きくし、膜厚が臨界膜厚以上では、第１の材料ガスに含まれる３族元素のモル数に対する第２の材料ガスに含まれる窒素元素のモル数の比を２０以上２５０以下にすることを特徴とする窒化物半導体の結晶を成長させる方法が提供されている。
【００２６】
本発明の更なる概念において、基板を反応管内に載置する工程の後、３族元素を含む第１の材料ガスを反応管内の基板上に供給する工程と、窒素元素を含む第２の材料ガスを反応管内の基板上に供給する工程と、を交互に行うことにより窒化物半導体結晶を基板上に直接堆積する窒化物半導体の結晶を成長させる方法であって、所定の基板温度及び所定の成長圧力の下で、第１の材料ガスに含まれる３族元素のモル数に対する第２の材料ガスに含まれる窒素元素のモル数の比を様々に変えて、基板上に堆積した窒化物半導体結晶の膜厚が臨界膜厚に達するまで窒化物半導体結晶を成長させる工程と、成長した窒化物半導体結晶の表面平坦性を測定する工程と、表面平坦性を最適なレベルにするために、第１の材料ガスに含まれる３族元素のモル数に対する第２の材料ガスに含まれる窒素元素のモル数の最適な比を決定する工程と、第１の材料ガスに含まれる３族元素のモル数に対する第２の材料ガスに含まれる窒素元素のモル数の比を最適な比を決定する工程において決定された値にする工程と、から成ることを特徴とする窒化物半導体の結晶を成長させる方法が提供されている。
【００２７】
本発明の更なる概念において、基板を反応管内に載置する工程の後、３族元素を含む第１の材料ガスを反応管内の基板上に供給する工程と、窒素元素を含む第２の材料ガスを反応管内の基板上に供給する工程と、を交互に行うことにより窒化物半導体結晶を基板上に直接堆積する窒化物半導体の結晶を成長させる方法であって、所定の基板温度及び所定の成長圧力の下で、第１の材料ガスに含まれる３族元素のモル数に対する第２の材料ガスに含まれる窒素元素のモル数の比を様々に変えて、基板上に堆積した窒化物半導体結晶の膜厚が臨界膜厚に達するまで窒化物半導体結晶を成長させる工程と、成長した窒化物半導体結晶の表面平坦性を測定する工程と、表面平坦性を最適なレベルにするために、第１の材料ガスに含まれる３族元素のモル数に対する第２の材料ガスに含まれる窒素元素のモル数の第１の最適な比を決定する工程と、所定の基板温度及び所定の成長圧力の下で、第１の材料ガスに含まれる３族元素のモル数に対する第２の材料ガスに含まれる窒素元素のモル数の比を様々に変えて、基板上に堆積した窒化物半導体結晶の膜厚が臨界膜厚以上になるまで窒化物半導体結晶を成長させる工程と、臨界膜厚以上の膜厚の成長した窒化物半導体結晶の表面平坦性を測定する工程と、表面平坦性を最適なレベルにするために、第１の材料ガスに含まれる３族元素のモル数に対する第２の材料ガスに含まれる窒素元素のモル数の第２の最適な比を決定する工程と、から成り、もって、基板上に堆積した窒化物半導体結晶の膜厚が臨界膜厚に達するまでは、第１の材料ガスに含まれる３族元素のモル数に対する第２の材料ガスに含まれる窒素元素のモル数の比は、第１の最適な比に対応する値に設定され、窒化物半導体結晶の膜厚が臨界膜厚以上になった後では、第１の材料ガスに含まれる３族元素のモル数に対する第２の材料ガスに含まれる窒素元素のモル数の比は、第２の最適な比に対応する値に設定されることを特徴とする窒化物半導体の結晶を成長させる方法が提供されている。
【００２８】
上記窒化物半導体結晶を成長させる方法において、３族元素を含む第１の材料ガスを反応管内の基板上に供給する工程と、窒素元素を含む第２の材料ガスを反応管内の基板上に供給する工程と、を交互に行う回数は１回以上１０回以下であることが好ましい。また、上記窒化物半導体結晶を成長させる方法において、３族元素を含む第１の材料ガスを反応管内の基板上に供給する工程と、窒素元素を含む第２の材料ガスを反応管内の基板上に供給する工程と、を交互に行う回数は６回であることが好ましい。
【００２９】
基板は炭化けい素でもよい。好ましくは、基板は、サファイア基板から成る。基板は、所定の結晶面に対してオフ角を持つことが好ましい。反応管内の圧力は、窒化物半導体結晶の成長を行うのに適するレベルにまで下げられている。望ましくは、窒化物半導体は、ＡｌＮと、ＧａＮと、ＩｎＮと、ＢＮと、前記ＡｌＮと前記ＧａＮと前記ＩｎＮと前記ＢＮとのうちのいくつかの組み合わせと、から成るグループのうちの１つの結晶から成る。
【００３０】
本発明の更なる概念において、反応管と、反応管内に基板を載置する基板載置部材と、反応管の内部の圧力を適切なレベルにまで下げる減圧装置と、基板を加熱する加熱器と、反応管内にキャリアガスを供給するキャリアガス供給体と、３族元素を含む第１の材料ガスを反応管内の基板上に供給する第１材料ガス供給体と、窒素を含む第２の材料ガスを反応管内の基板上に供給する第２材料ガス供給体と、減圧装置と加熱器とキャリアガス供給体と第１材料ガス供給体と第２材料ガス供給体とを制御する制御ユニットとを備え、制御ユニットは、第１の材料ガスに含まれる３族元素のモル数に対する第２の材料ガスに含まれる窒素元素のモル数の比が２００以上であるように反応管内の基板上への第１の材料ガスの供給と、反応管内の基板上への第２の材料ガスの供給と、を交互に行うために、第１材料ガス供給体と第２材料ガス供給体とを制御することを特徴とする窒化物半導体の結晶を成長させる装置が提供されている。
【００３１】
本発明の更なる概念において、反応管と、反応管内に基板を載置する基板載置部材と、反応管の内部の圧力を適切なレベルにまで下げる減圧装置と、基板を加熱する加熱器と、反応管内にキャリアガスを供給するキャリアガス供給体と、３族元素を含む第１の材料ガスを反応管内の基板上に供給する第１材料ガス供給体と、窒素を含む第２の材料ガスを反応管内の基板上に供給する第２材料ガス供給体と、減圧装置と加熱器とキャリアガス供給体と第１材料ガス供給体と第２材料ガス供給体とを制御する制御ユニットと、を備え、制御ユニットは、第１の材料ガスに含まれる３族元素のモル数に対する第２の材料ガスに含まれる窒素元素のモル数の比が４５０以上であるように反応管内の基板上への第１の材料ガスの供給と、反応管内の基板上への第２の材料ガスの供給と、を交互に行うために、第１材料ガス供給体と第２材料ガス供給体とを制御することを特徴とする窒化物半導体の結晶を成長させる装置が提供されている。
【００３２】
本発明の更なる概念において、反応管と、反応管内に基板を載置する基板載置部材と、反応管の内部の圧力を適切なレベルにまで下げる減圧装置と、基板を加熱する加熱器と、反応管内にキャリアガスを供給するキャリアガス供給体と、３族元素を含む第１の材料ガスを反応管内の基板上に供給する第１材料ガス供給体と、窒素を含む第２の材料ガスを反応管内の基板上に供給する第２材料ガス供給体と、減圧装置と加熱器とキャリアガス供給体と第１材料ガス供給体と第２材料ガス供給体とを制御する制御ユニットとを備え、制御ユニットは、基板上に堆積した窒化物半導体結晶の膜厚が臨界膜厚に達するまでは、第１の材料ガスに含まれる３族元素のモル数に対する第２の材料ガスに含まれる窒素元素のモル数の比が２００以上であり、膜厚が臨界膜厚以上では、第１の材料ガスに含まれる３族元素のモル数に対する第２の材料ガスに含まれる窒素元素のモル数の比が２００未満であるように反応管内の基板上への第１の材料ガスの供給と、反応管内の基板上への第２の材料ガスの供給と、を交互に行うために、第１材料ガス供給体と第２材料ガス供給体とを制御することを特徴とする窒化物半導体の結晶を成長させる装置が提供されている。
【００３３】
本発明の更なる概念において、反応管と、反応管内に基板を載置する基板載置部材と、反応管の内部の圧力を適切なレベルにまで下げる減圧装置と、基板を加熱する加熱器と、反応管内にキャリアガスを供給するキャリアガス供給体と、３族元素を含む第１の材料ガスを反応管内の基板上に供給する第１材料ガス供給体と、窒素を含む第２の材料ガスを反応管内の基板上に供給する第２材料ガス供給体と、減圧装置と加熱器とキャリアガス供給体と第１材料ガス供給体と第２材料ガス供給体とを制御する制御ユニットとを備え、制御ユニットは、基板上に堆積した窒化物半導体結晶の膜厚が臨界膜厚に達するまでは、第１の材料ガスに含まれる３族元素のモル数に対する第２の材料ガスに含まれる窒素元素のモル数の比が４５０以上であり、膜厚が臨界膜厚以上では、第１の材料ガスに含まれる３族元素のモル数に対する第２の材料ガスに含まれる窒素元素のモル数の比が４５０未満であるように反応管内の基板上への第１の材料ガスの供給と、反応管内の基板上への第２の材料ガスの供給と、を交互に行うために、第１材料ガス供給体と第２材料ガス供給体とを制御することを特徴とする窒化物半導体の結晶を成長させる装置が提供されている。
【００３４】
本発明の更なる概念において、反応管と、反応管内に基板を載置する基板載置部材と、反応管の内部の圧力を適切なレベルにまで下げる減圧装置と、基板を加熱する加熱器と、反応管内にキャリアガスを供給するキャリアガス供給体と、３族元素を含む第１の材料ガスを反応管内の基板上に供給する第１材料ガス供給体と、窒素を含む第２の材料ガスを反応管内の基板上に供給する第２材料ガス供給体と、減圧装置と加熱器とキャリアガス供給体と第１材料ガス供給体と第２材料ガス供給体とを制御する制御ユニットと、を備え、制御ユニットは、基板上に堆積した窒化物半導体結晶の膜厚が臨界膜厚に達するまでは、第１の材料ガスに含まれる３族元素のモル数に対する第２の材料ガスに含まれる窒素元素のモル数の比が２５０より大きく、膜厚が臨界膜厚以上では、第１の材料ガスに含まれる３族元素のモル数に対する第２の材料ガスに含まれる窒素元素のモル数の比が２０以上２５０以下であるように反応管内の基板上への第１の材料ガスの供給と、反応管内の基板上への第２の材料ガスの供給と、を交互に行うために、第１材料ガス供給体と第２材料ガス供給体とを制御することを特徴とする窒化物半導体の結晶を成長させる装置が提供されている。
【００３５】
本発明の更なる概念において、窒化物半導体の結晶を成長させる装置であって、反応管と、反応管内に基板を載置する基板載置手段と、反応管の内部の圧力を適切なレベルにまで下げる減圧手段と、基板を加熱する加熱手段と、反応管内にキャリアガスを供給するキャリアガス供給手段と、３族元素を含む第１の材料ガスを反応管内の基板上に供給する第１材料ガス供給手段と、窒素を含む第２の材料ガスを反応管内の基板上に供給する第２材料ガス供給手段と、減圧手段と加熱手段とキャリアガス供給手段と第１材料ガス供給手段と第２材料ガス供給手段とを制御する制御手段と、成長した窒化物半導体の結晶の表面平坦性を測定する表面平坦性測定手段と、表面平坦性測定手段による測定から最良の表面平坦性を得るための成長パラメータを決定する成長パラメータ決定手段と、を備え、制御手段は、反応管内の基板上への第１の材料ガスの供給と、反応管内の基板上への第２の材料ガスの供給と、を交互に行い、所定の基板温度及び所定の成長圧力の下で、第１の材料ガスに含まれる３族元素のモル数に対する第２の材料ガスに含まれる窒素元素のモル数の比を様々に変えて、基板上に体積した窒化物半導体結晶の膜厚が臨界膜厚に達するまで前記窒化物半導体結晶を成長させ、表面平坦性測定手段は、成長した窒化物半導体結晶の表面平坦性を測定し、成長パラメータ決定手段は、表面平坦性が最適なレベル最良にするため、第１の材料ガスに含まれる３族元素のモル数に対する第２の材料ガスに含まれる窒素元素のモル数の比を決定し、制御手段は、第１の材料ガスに含まれる３族元素のモル数に対する第２の材料ガスに含まれる窒素元素のモル数の比を成長パラメータ決定手段によって決定された値にするように、第１材料ガス供給手段と第２材料ガス供給手段とを制御することを特徴とする窒化物半導体の結晶を成長させる装置が提供されている。
【００３６】
本発明の更なる概念において、窒化物半導体の結晶を成長させる装置であって、反応管と、反応管内に基板を載置する基板載置手段と、反応管の内部の圧力を適切なレベルにまで下げる減圧手段と、基板を加熱する加熱手段と、反応管内にキャリアガスを供給するキャリアガス供給手段と、３族元素を含む第１の材料ガスを反応管内の基板上に供給する第１材料ガス供給手段と、窒素を含む第２の材料ガスを反応管内の基板上に供給する第２材料ガス供給手段と、減圧手段と加熱手段とキャリアガス供給手段と第１材料ガス供給手段と第２材料ガス供給手段とを制御する制御手段と、成長した窒化物半導体結晶の表面平坦性を測定する表面平坦性測定手段と、表面平坦性測定手段による測定から最良の表面平坦性を得るための成長パラメータを決定する成長パラメータ決定手段と、を備え、制御手段は、反応管内の基板上への第１の材料ガスの供給と、反応管内の基板上への第２の材料ガスの供給と、を交互に行い、所定の基板温度及び所定の成長圧力の下で、第１の材料ガスに含まれる３族元素のモル数に対する第２の材料ガスに含まれる窒素元素のモル数の比を様々に変えて、基板上に堆積した窒化物半導体結晶の膜厚が臨界膜厚に達するまで窒化物半導体結晶を成長させ、表面平坦性測定手段は、成長した窒化物半導体結晶の表面平坦性を測定し、成長パラメータ決定手段は、表面平坦性を最適のレベルにするために、第１の材料ガスに含まれる３族元素のモル数に対する第２の材料ガスに含まれる窒素元素のモル数の第１の比を決定し、制御手段は、所定の基板温度及び所定の成長圧力の下で、第１の材料ガスに含まれる３族元素のモル数に対する第２の材料ガスに含まれる窒素元素のモル数の比を様々に変えて、基板上に堆積した窒化物半導体結晶の膜厚が臨界膜厚以上になるまで窒化物半導体結晶を成長させ、表面平坦性測定手段は、成長した窒化物半導体結晶の表面平坦性を測定し、成長パラメータ決定手段は、表面平坦性を最良のレベルにするために、第１の材料ガスに含まれる３族元素のモル数に対する第２の材料ガスに含まれる窒素元素のモル数の第２の比を決定し、もって、基板上に堆積した窒化物半導体結晶の膜厚が臨界膜厚に達するまでは、第１の材料ガスに含まれる３族元素のモル数に対する第２の材料ガスに含まれる窒素元素のモル数の比は成長パラメータ決定手段によって決定された第１の比に設定され、膜厚が臨界膜厚以上になった後では、第１の材料ガスに含まれる３族元素のモル数に対する第２の材料ガスに含まれる窒素元素のモル数の比は成長パラメータ決定手段でによって決定された第２の比に設定されるように、第１材料ガス供給手段と第２材料ガス供給手段とは制御されることを特徴とする窒化物半導体の結晶を成長させる装置が提供されている。
【００３７】
本発明の更なる概念において、窒化物半導体の結晶を成長させる装置を制御するプログラムであって、プログラムは、該装置を制御するコンピュータが該結晶の成長を実行することができるようにし、プログラムは、３族元素を含む第１の材料ガスを第１材料ガス供給手段から反応管内の基板上に供給させる手順と、窒素元素を含む第２の材料ガスを第２材料ガス供給手段から前記反応管内の前記基板上に供給させる手順と、を交互に行わせる手順を含み、第１の材料ガスに含まれる３族元素のモル数に対する第２の材料ガスに含まれる窒素元素のモル数の比が２００以上となるような制御を行うことを特徴とする窒化物半導体の結晶を成長させる装置を制御するプログラムが提供されている。
【００３８】
本発明の更なる概念において、窒化物半導体の結晶を成長させる装置を制御するプログラムであって、プログラムは、該装置を制御するコンピュータが該結晶の成長を実行することができるようにし、プログラムは、３族元素を含む第１の材料ガスを第１材料ガス供給手段から反応管内の基板上に供給させる手順と、窒素元素を含む第２の材料ガスを第２材料ガス供給手段から前記反応管内の前記基板上に供給させる手順と、を交互に行わせる手順を含み、第１の材料ガスに含まれる３族元素のモル数に対する第２の材料ガスに含まれる窒素元素のモル数の比が４５０以上となるような制御を行うことを特徴とする窒化物半導体の結晶を成長させる装置を制御するプログラムが提供されている。
【００３９】
本発明の更なる概念において、窒化物半導体の結晶を成長させる装置を制御するプログラムであって、プログラムは、該装置を制御するコンピュータが該結晶の成長を実行することができるようにし、プログラムは、３族元素を含む第１の材料ガスを第１材料ガス供給手段から反応管内の基板上に供給させる手順と、窒素元素を含む第２の材料ガスを第２材料ガス供給手段から反応管内の基板上に供給させる手順と、を交互に行わせる手順を含み、基板上に堆積した窒化物半導体の結晶の膜厚が臨界膜厚に達するまでは、第１の材料ガスに含まれる３族元素のモル数に対する第２の材料ガスに含まれる窒素元素のモル数の比が２００以上であるような制御を行い、膜厚が臨界膜厚以上では、第１の材料ガスに含まれる３族元素のモル数に対する第２の材料ガスに含まれる窒素元素のモル数の比が２００未満であるような制御を行うことを特徴とする窒化物半導体の結晶を成長させる装置を制御するプログラムが提供されている。
【００４０】
本発明の更なる概念において、窒化物半導体の結晶を成長させる装置を制御するプログラムであって、プログラムは、該装置を制御するコンピュータが該結晶の成長を実行することができるようにし、プログラムは、３族元素を含む第１の材料ガスを第１材料ガス供給手段から反応管内の基板上に供給させる手順と、窒素元素を含む第２の材料ガスを第２材料ガス供給手段から反応管内の基板上に供給させる手順と、を交互に行わせる手順を含み、基板上に堆積した窒化物半導体の結晶の膜厚が臨界膜厚に達するまでは、第１の材料ガスに含まれる３族元素のモル数に対する第２の材料ガスに含まれる窒素元素のモル数の比が４５０以上であるような制御を行い、膜厚が臨界膜厚以上では、第１の材料ガスに含まれる３族元素のモル数に対する第２の材料ガスに含まれる窒素元素のモル数の比が４５０未満であるような制御を行うことを特徴とする窒化物半導体の結晶を成長させる装置を制御するプログラムが提供されている。
【００４１】
本発明の更なる概念において、窒化物半導体の結晶を成長させる装置を制御するプログラムであって、プログラムは、該装置を制御するコンピュータが該結晶の成長を実行することができるようにし、プログラムは、３族元素を含む第１の材料ガスを第１材料ガス供給手段から反応管内の基板上に供給させる手順と、窒素元素を含む第２の材料ガスを第２材料ガス供給手段から反応管内の基板上に供給させる手順と、を交互に行わせる手順を含み、基板上に堆積した窒化物半導体の結晶の膜厚が臨界膜厚に達するまでは、第１の材料ガスに含まれる３族元素のモル数に対する第２の材料ガスに含まれる窒素元素のモル数の比が２５０より大きくなるような制御を行い、膜厚が臨界膜厚以上では、第１の材料ガスに含まれる前記３族元素のモル数に対する第２の材料ガスに含まれる窒素元素のモル数の比が２０以上２５０以下であるような制御を行うことを特徴とする窒化物半導体の結晶を成長させる装置を制御するプログラムが提供されている。
【００４２】
本発明の更なる概念において、窒化物半導体の結晶を成長させる装置を制御するプログラムであって、プログラムは、該装置を制御するコンピュータが該結晶の成長を実行することができるようにし、プログラムは、３族元素を含む第１の材料ガスを第１材料ガス供給手段から反応管内の基板上に供給させる手順と、窒素元素を含む第２の材料ガスを第２材料ガス供給手段から反応管内の基板上に供給させる手順と、を交互に行わせる手順と、所定の基板温度及び所定の成長圧力の下で、第１の材料ガスに含まれる３族元素のモル数に対する第２の材料ガスに含まれる窒素元素のモル数の比を様々に変えて、基板上に堆積した窒化物半導体の結晶の膜厚が臨界膜厚に達するまで、窒化物半導体の結晶を成長させる手順と、成長した窒化物半導体の結晶の表面平坦性を測定する手順と、表面平坦性を最適なレベルにするために、第１の材料ガスに含まれる３族元素のモル数に対する第２の材料ガスに含まれる窒素元素のモル数の最適な比を決定する手順と、第１の材料ガスに含まれる３族元素のモル数に対する第２の材料ガスに含まれる窒素元素のモル数の比を、最適なモル数の比を決定する手順によって決定された値にする手順と、
を含むことを特徴とする窒化物半導体の結晶を成長させる装置を制御するプログラムが提供されている。
【００４３】
本発明の更なる概念において、窒化物半導体の結晶を成長させる装置を制御するプログラムであって、プラグラムは、該装置を制御するコンピュータが該結晶の成長を実行することができるようにし、プログラムは、３族元素を含む第１の材料ガスを第１材料ガス供給手段から反応管内の基板上に供給させる手順と、窒素元素を含む第２の材料ガスを第２材料ガス供給手段から反応管内の基板上に供給させる手順とを交互に行わせる手順と、所定の基板温度及び所定の成長圧力の下で、第１の材料ガスに含まれる前記３族元素のモル数に対する第２の材料ガスに含まれる窒素元素のモル数の比を様々に変えて、基板上に堆積した窒化物半導体の結晶の膜厚が臨界膜厚に達するまで、窒化物半導体の結晶を成長させる手順と、成長させた窒化物半導体結晶の表面平坦性を測定する手順と、表面平坦性を最適なレベルにするために、第１の材料ガスに含まれる３族元素のモル数に対する第２の材料ガスに含まれる窒素元素のモル数の第１の最適な比を決定する手順と、所定の基板温度及び所定の成長圧力の下で、第１の材料ガスに含まれる３族元素のモル数に対する第２の材料ガスに含まれる窒素元素のモル数の比を様々に変えて、基板上に堆積した窒化物半導体結晶の膜厚が臨界膜厚以上になるまで、窒化物半導体の結晶を成長させる手順と、臨界膜厚以上に膜厚が成長した窒化物半導体の結晶の表面平坦性を測定する手順と、表面平坦性を最適のレベルにするために、第１の材料ガスに含まれる３族元素のモル数に対する第２の材料ガスに含まれる窒素元素のモル数の第２の最適な比を決定する手順と、を含み、もって、基板上に堆積した窒化物半導体の結晶の膜厚が臨界膜厚に達するまでは、第１の材料ガスに含まれる３族元素のモル数に対する第２の材料ガスに含まれる窒素元素のモル数の比は、第１の最適な比に対応する値に設定され、膜厚が臨界膜厚以上になった後では、第１の材料ガスに含まれる３族元素のモル数に対する第２の材料ガスに含まれる窒素元素のモル数の比は、第２の最適な比に対応する値に設定されることを特徴とする窒化物半導体の結晶を成長させる装置を制御するプログラムが提供されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。先ず、図１を参照するに、窒化物半導体の結晶成長装置１０は、エピタキシャル成長装置であり、減圧横型ＭＯＶＰＥ（有機金属気相エピタキシー）法にて実施するものであり、大気圧以下で、ＳｉＣ基板表面に対して材料ガスを水平に流す横型有機金属気相成長装置である。
【００４５】
結晶成長装置１０は、反応管１１と、反応管１１内に基板１２を載置するサセプタ（基板載置部）１３と、反応管１１内を減圧させる減圧装置（排気装置）１４と、基板１２を加熱する加熱装置１５と、を備えている。また、結晶成長装置１０は、反応管１１内にキャリアガス（Ｈ２）を供給するキャリアガス供給部１６と、反応管１１内の基板１２上にアルミニウム等の３族元素を含むトリメチルアルミニウム（（ＣＨ３）３Ａｌ）等の第１の材料ガスを供給する第１材料ガス供給部１７と、反応管１１内の基板１２上に５族元素である窒素を含むアンモニア（ＮＨ３）等の第２の材料ガスを供給する第２材料ガス供給部１８と、を備えている。さらに、結晶成長装置１０は、減圧装置１４と加熱装置１５とキャリアガス供給部１６と第１材料ガス供給部１７と第２材料ガス供給部１８等とを制御する制御装置１９とを備えている。また、結晶成長装置１０は、Ｎ２ガスによるパージガス供給部４０を備えている。
【００４６】
マスフローコントローラ２３ａはパージガスの流量を制御する。マスフローコントローラ２３ｂはキャリアガスの流量を制御する。マスフローコントローラ２９、３３は、それぞれ第１材料ガス及び第２材料ガスの流量を制御する。バルブ２２、２６、３２、４３は、それぞれ対応するガスの流れのオン・オフ制御を行う。マスフローコントローラ２３ａ、２３ｂ、２９、３３及びバルブ２２、２６、３２、４３は制御装置１９によって制御される。反応管１１内には仕切板４５が設けられており、供給ガスであるＮＨ３とトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）が基板１２上に導かれるようになっている。減圧装置１４は圧力制御バルブ１とポンプ２とからなる。圧力制御バルブ１は、制御装置１９によって制御される。また、キャリアガス供給部１６から除外装置を介して排気するための配管には、バルブ３５が設けられている。
【００４７】
制御装置１９は、各パラメータを取得して記憶することにより、該装置１９の内部に格納された制御プログラムで各装置を制御することができる。そして、本発明の制御装置１９は、基板１２が反応管１１内に載置された後で第１の材料ガスの供給と第２の材料ガスの供給とを交互に行う際、第１の材料ガスに含まれる３族元素のモル数に対する第２の材料ガスに含まれる窒素元素のモル数の比が原則として２００以上になるように、バルブ２６、３２とマスフローコントローラ２９、３３等とを制御する。また、符号３４は、基板温度を測定する熱電対等の温度センサである。なお、制御装置１９は予めメモリに記憶されている制御プログラムを読み出して動作するようにしても良く、或いは、ＣＤ−ＲＯＭ等の記憶媒体の形態で外部から必要に応じて制御プログラムを供給するようにしても良い。
【００４８】
反応管１１は、基板１２周囲に位置する該反応管１１の中央部のみが誘導加熱方式の加熱装置１５によって温度上昇できるように、冷却水で覆われた構造となっている。サセプタ１３は凹部を有しており、この凹部には基板１２が面一となるように載置される。このため、供給される材料ガスが乱れることなく層流のまま基板１２上を流れるので、基板１２上でのガス反応制御の精度を向上させることができる。
【００４９】
次に、上記の結晶成長装置１０を用いて窒化物半導体の結晶成長方法を説明する。
【００５０】
第１の実施形態では、基板１２を反応管１１内に載置する工程の後、反応管１１内の基板１２上に３族元素を含む第１の材料ガスを供給する工程と、窒素元素を含む第２の材料ガスを基板１２上に供給する工程とを交互に行うことにより基板上に窒化物半導体結晶を直接堆積する窒化物半導体の結晶成長方法（交互供給法）であって、第１の材料ガスに含まれる３族元素のモル数に対する第２の材料ガスに含まれる窒素元素のモル数の比は２００以上である。
【００５１】
基板１２は炭化けい素（ＳｉＣ）基板であり、該炭化けい素基板は、（０００１）Ｓｉ面から０°から８°＜１１−２０＞方向に傾けたＳｉＣ基板である。これにより、上の層が良好に堆積される（結晶性の特性のため）。炭化けい素の格子定数と窒化物半導体の格子定数との差はサファイアの格子定数と窒化物半導体の格子定数との差に比べて小さいため、炭化けい素を基板として用いれば、ヘテロ接合界面部で発生する格子不整合による欠陥密度が少ないという利点がある。
【００５２】
本実施例では、窒化物半導体層はＡｌＮとする。該層は、厚さが４ｎｍ以下（臨界膜厚以下）であり、基板上に直接エピタキシャル成長する。このＡｌＮ層の性質は次の３つの性質を有する。（１）ＡｌＮ層は、混晶半導体を除けば、ＳｉＣ結晶に格子定数が最も近い窒化物半導体材料である。さらにＡｌＮ層の厚みが臨界膜厚を越えないように制御されれば、ヘテロ接合界面部分で発生する格子不整合による欠陥密度を最小限にできる。（２）ＡｌＮはバンドギャップが６．２ｅＶと大きく絶縁性が高いが、ＡｌＮ層の厚さが臨界膜厚以下であれば電子のトンネル現象で導電性を確保できヘテロ接合界面部の特性に影響を与えない。（３）ＡｌＮをＳｉＣ基板上に直接交互供給法によりエピタキシャル成長させることで、ＡｌＮがＳｉＣ基板上で成長初期から結晶構造の整ったエピタキシャル層構造を形成し、島状成長を抑制して、欠陥の少ないヘテロ接合部、平坦なＡｌＮ表面が実現できる効果があると期待される。
【００５３】
本実施例では、仕切板４５で反応管１１のガス導入部を仕切り、２種の材料ガスを基板１２上に交互に供給する。従って、２種の材料ガスの中間反応が基板１２より前で起きて窒化物半導体領域成長のムラが引き起こされることが防止される。また、同時供給ではなく、本実施例では仕切板４５で基板１２上まで導きながら２種の材料ガスを交互供給するので、基板１２より前で２種の材料ガスが中間反応を起こすことが防止され、窒化物半導体成長領域は島状ではなく層状に形成されていく。このため、本実施例では非常に平坦なエピタキシャル層が得られる。
【００５４】
使用する材料ガスは、Ａｌの原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ；（ＣＨ３）３Ａｌを用いる（３族ガス）。Ｎの原料としてアンモニアＮＨ３を用い（５族ガス）、材料ガスを搬送するガスとして水素Ｈ２を用いる（キャリアガス）。ＡｌＮ結晶を成長させるための材料ガスであるＴＭＡ、ＮＨ３のそれぞれの供給流量から室温、大気圧下でのモル数（単位時間当たりに供給される材料ガスのモル数）に換算した値は、該２つの材料ガスの供給量として用いられる。５／３比は、上記の方法で算出したそれぞれの材料ガスのモル数の比である。
【００５５】
次に、結晶成長装置１０の制御装置１９に記憶されている制御プログラムに従った結晶成長の手順を図２で示すフローチャートによって説明する。この結晶成長の制御プログラムは、臨界膜厚以下の膜厚の結晶成長を行うためのプログラムである。結晶成長時のパラメータは、（１）基板温度：結晶成長時のＳｉＣ基板の温度と、（２）成長圧力：結晶成長時の反応管の内部の圧力と、（３）成長時間：同時供給法での成長開始から成長終了までの時間と、（４）供給時間：交互供給の場合の材料ガスであるＮＨ３、ＴＭＡのそれぞれの供給時間と、（５）成長サイクル：交互供給を行う回数と、（６）５／３比：上記方法にて算出された供給されるＡｌＮ材料ガスのモル数比と、（７）ガス流量：結晶成長時のＴＭＡ、ＮＨ３、キャリアガス流量の和、である。
【００５６】
上記のパラメータを制御装置１９に入力する。操作者は、ＳｉＣ基板を結晶成長装置１０内のサセプタ１３に載置する（ステップＳ１１）。このとき、バルブ２２、２６、３２、４３は閉じられた状態になっている。次に、制御装置１９を動作させる。それにより、制御プログラムによって、プロセスが開始される。プロセスの開始後、排気装置１４が動作し、反応管内を真空排気する（ステップＳ１２）。バルブ２２を開けてＨ２ガスを導入する（ステップＳ１３）。反応管内が所定の圧力になったかどうか判断し（ステップＳ１４）、所定の圧力になったならば、加熱装置１５を動作させ、基板１２を加熱する（ステップＳ１５）。基板１２の温度が所定の温度になったならば、結晶成長を開始する。この結晶成長の前に、必要に応じてプレアニールを行う。このとき、バルブ２６を開けてＴＭＡガスを流し（ステップＳ１６）、次にバルブ２６を閉じ、バルブ３２を開けてＮＨ３を流す（ステップＳ１７）。そして、ステップＳ１６およびＳ１７の処理を所定の回数行ったか否かを判断する（ステップＳ１８）。なお、所定の回数とは、例えば６回である。所定の回数行ったならば、結晶成長を停止する（ステップＳ１９）。Ｈ２とＮＨ３を流したまま、加熱装置１５の動作を停止させ、基板１２の温度を所定の温度まで下げ、反応管内をＮ２ガスでパージして室温に戻す（ステップＳ２０）。排気装置１４の動作を停止し、反応管内の圧力が常圧になったならば、成長した結晶を備えた基板を取り出す（ステップＳ２１）。
【００５７】
上記の方法により、平坦性が良く高品質の窒化物半導体結晶が得られる。上記のような交互供給法では、まず、基板１２の温度がアルミニウムの融点より高い温度であり、また、ＳｉＣとアルミニウムの表面エネルギーとの関係で、アルミニウムが細かく分散した液滴となりＳｉＣ基板上に付着する。次に、アンモニアを流すことにより、該アンモニアから分解した窒素原子がＳｉＣ表面に吸着し、該表面エネルギーが変化して、もって、液滴となっていたアルミニウムは、Ｎが付着したＳｉＣ表面に一様に広がる。そして、ＡｌＮ膜が形成される。これが交互に繰り返されることにより、ＳｉＣに一様に広がった平坦性のあるＡｌＮ結晶を形成することができると考えられる。そのため、平坦性が良く高品質の窒化物半導体結晶が得られる。
【００５８】
また、制御装置１９は、反応管１１内の基板１２上への第１の材料ガスの供給と、反応管１１内の基板１２上への第２の材料ガスの供給と、を交互に行う回数を、原則として１回以上１０回以下になるように第１材料ガス供給部１７と第２材料ガス供給部１８を制御することによって、平坦な高品質のＡｌＮを形成することができる。交互供給の回数は、基板や材料ガスの特性、各種成長パラメータなどに応じて所望の膜厚が得られる回数から適宜決定する必要がある。そして、臨界膜厚以上の膜厚のＡｌＮ層を形成するには、成長パラメータを変更して成長層の平坦性を維持しながら交互ガス供給を必要な膜厚になるまで繰り返す必要がある。
【００５９】
次に、第２実施形態を説明する。第２実施形態では、制御装置１９内の制御プログラムが異なる以外は第１実施形態で用いた結晶成長装置１０と同様の装置を用いる。それゆえ、制御プログラムの説明のみを行い、他の装置の構成の説明は省略する。この実施形態では、臨界膜厚以上の膜厚が得られるように結晶成長を行う。
【００６０】
制御装置１９は、基板１２を反応管１１内に載置した後、反応管１１内の基板１２上への第１の材料ガスの供給と、反応管１１内の基板１２上への第２の材料ガスの供給と、を交互に行い、基板１２上に堆積する窒化物半導体結晶の膜厚が臨界膜厚に達するまでは、第１の材料ガスに含まれる３族元素のモル数に対する第２の材料ガスに含まれる窒素元素のモル数の比を４５０以上にし、該窒化物半導体結晶の膜厚が臨界膜厚以上では、第１の材料ガスに含まれる３族元素のモル数に対する第２の材料ガスに含まれる窒素元素のモル数の比を２０以上２５０以下にするように、第１材料ガス供給部と第２材料ガス供給部とを制御する。
【００６１】
図３は、制御装置１９に記憶された制御プログラムのフローチャートである。この結晶成長を行うための制御プログラムは、臨界膜厚以上の膜厚の結晶の成長を行うためのプログラムである。まず、各パラメータを制御装置１９に入力する。操作者は、ＳｉＣ基板を結晶成長装置１０内のサセプタ１３に載置する（ステップＳ３１）。このとき、バルブ２２、２６、３２、４３は閉じられた状態になっている。次に、制御装置１９を動作させる。それにより、制御プログラムによって、プロセスが開始される。スタート後、排気装置１４が動作し、反応管１１内を真空排気する（ステップＳ３２）。バルブ２２を開けてＨ２ガスを導入する（ステップＳ３３）。反応管１１内が所定の圧力になったかどうか判断する（ステップＳ３４）。所定の圧力になったならば、加熱装置１５を動作させ、基板１２を加熱する（ステップＳ３５）。基板１２の温度が所定の温度になったならば、結晶成長を開始する。このとき、第１の５／３比（４５０以上）となるようにマスフローコントローラ２９、３３を調整して、バルブ２６を開けてＴＭＡガスを流し（ステップＳ３６）、次にバルブ２６を閉じ、バルブ３２を開けて、ＮＨ３を流す（ステップＳ３７）。これを、結晶の膜厚が臨界膜厚になるまでの所定の回数（例えば、６回）繰り返す。所定の回数行ったかどうか判断する（ステップＳ３８）。所定の回数行ったならば、第２の５／３比（２０以上２５０以下）となるようにマスフローコントローラ２９、３３を調整し（ステップＳ３９）、バルブ２６を開けてＴＭＡガスを流し（ステップＳ４０）、次にバルブ２６を閉じ、バルブ３２を開けて、ＮＨ３を流す（ステップＳ４１）。そして、ステップＳ４０およびＳ４１の処理を所定の回数行ったか否かを判断する（ステップＳ４２）。なお、所定の回数は、例えば５００回であり、臨界膜厚以上であって必要とされる結晶の膜厚に応じて決定される。ステップＳ４２で所定の回数行ったと判断された場合、結晶成長を停止させ、Ｈ２とＮＨ３を流したまま、加熱装置１５の動作を停止させ、基板１２の温度を所定の温度まで下げ、Ｈ２とＮＨ３の供給を停止させ、Ｎ２ガスを流し室温に戻す（ステップＳ４３）。排気装置１４を停止し、圧力が常圧になったならば、成長した結晶を備えた基板を取り出す（ステップＳ４４）。
【００６２】
上記の方法により、平坦性が良く高品質の窒化物半導体結晶が得られる。上記のような交互供給法では、まず、基板１２の温度がアルミニウムの融点より高い温度であり、また、ＳｉＣとアルミニウムの表面エネルギーとの関係で、アルミニウムが細かく分散した液滴となりＳｉＣ基板上に付着する。次に、アンモニアを流すことにより、アンモニアから分解した窒素原子が、ＳｉＣ表面に吸着し、該表面エネルギーが変化し、もって、液滴となっていたアルミニウムは、Ｎが付着したＳｉＣの表面に一様に広がる。そして、ＡｌＮ膜が形成される。これが交互に繰り返されることにより、ＳｉＣに一様に広がった平坦性のあるＡｌＮ結晶を形成することができると考えられる。ＡｌＮ膜は、膜厚が臨界膜厚で平坦性を保ち、さらに、臨界膜厚以上の膜厚でも平坦性を得ることができる。そのため、平坦性が良く高品質の窒化物半導体結晶が得られる。なお、図２および図３を用いた処理フローの説明における供給ガスの５／３比（２００、４５０又は２０以上２５０以下）やガスの交互供給回数（６回、５００回）に決定した理由については、後述する。
【００６３】
続いて、上述の２つの実施例で説明した供給ガスの５／３比やガスの交互供給回数の根拠を説明する。ここでは、４種類の実験を行った。まず、第１の実験では、交互供給法でＳｉＣ基板上にＡｌＮを臨界膜厚である４ｎｍまで直接成長させたときの効果について調べるため、従来の同時供給法によってＳｉＣ基板上に直接成長したＡｌＮのエピタキシャル成長表面の平坦性と、本願の交互供給法とによってＳｉＣ基板上に直接成長したＡｌＮのエピタキシャル成長表面の平坦性と、を比較した。実験を行うための成長条件を表１に示す。
【表１】
2008511969.tif 000003
【００６４】
表１で示した条件で同時供給法と交互供給法とによってＡｌＮ成長実験を行った。すなわち、基板温度を１１００℃と１３００℃の間に設定し、成長圧力を５０ｋＰａより低く設定し、５／３比を２００〜１８００に設定し、成長する結晶の膜厚が臨界膜厚である４ｎｍに達する直前で交互供給を停止させた。ここで、例えば、５／３比が２００〜１８００であるということは、他の条件（基板温度、成長圧力、膜厚）が同一ならば、５／３比を２００〜１８００の間で変化させても成長した結晶表面の平坦性が同様であったことを意味する。基板温度が１１００〜１３００℃で、成長圧力が＜５０ｋＰａ等についても同様である。また、後述する表２および表３等を用いた他の実験についても同様である。
【００６５】
図４は、同時供給法におけるバルブの開閉の周知のパターンを示す図である。横軸は、時間を表し、縦軸は、ガスバルブの開閉を表す。時刻Ｔ２まで、キャリアガスのバルブは開き、キャリアガスを反応管内に流し、時刻Ｔ１の間は、ＴＭＡガスのバルブとアンモニアガスのバルブとが開き、ＴＭＡとアンモニアガスとを反応管に同時に導入して、結晶を成長させる。時刻Ｔ１は、その時刻Ｔ１までに膜厚が４ｎｍより薄くなるような成長を行うように選択された時刻であった。
【００６６】
図５は、本発明による交互供給法におけるバルブの開閉パターンを示す図である。時刻Ｔ２０までキャリアガスのバルブを開け、キャリアガスを反応管内に導入し、時刻Ｔ１０までＴＭＡガスのバルブを開け、アンモニアガスのバルブは閉じ、Ｔ１０からＴ１１までは、ＴＭＡガスのバルブを閉じ、アンモニアガスのバルブを開けるというサイクルを所定の回数繰り返し、終了時刻でサイクルを停止して、結晶成長を停止する。このとき、例えば、Ｔ１０は２秒であり、Ｔ１０からＴ１１の間は３秒間にして、１サイクルとする。また、例えば、各ガスの流量は、ＴＭＡを供給するとき、Ｈ２ガスが１〜５ｓｌｍ（standard l/min)であり、ＴＭＡが１００〜２５０ｓｃｃｍ（standard cubic cm/min)とし、ＮＨ３ガスを供給するとき、Ｈ２ガスが１〜５ｓｌｍであり、ＮＨ３が２０００〜５０００ｓｃｃｍとする。なお、結晶成長の前に、Ｈ２ガスを１０ｓｌｍ（standard l/min)以下の流量で流し、反応管内圧力を５０ｋＰａ以下で基板温度を１１００℃〜１３００℃にし、５〜１０分間のプレアニールを行う。また、結晶成長後、Ｈ２ガスとＮＨ３とをそれぞれ１０ｓｌｍ、２００ｓｃｃｍの流量で流し、反応管内の圧力を９５ＭＰａとして基板温度を３００℃まで下げ、反応管内をＮ２ガスで置換し、大気圧に戻しながら、基板温度を１００℃以下まで下げた。
【００６７】
なお、図５ではＮＨ３ガスとＴＭＡガスの供給時間帯が互いに全く重ならない例を示したが、多少重なるように交互供給しても良い。逆に１〜２秒程度両方のガスが共に供給されない時間帯が生じるように交互供給してもよい。この場合、一方のガスによる基板１２上での反応が十分に進行してから他方のガスが供給されることとなる。本実施例では図５に示すようにＴＭＡガスを先に供給している。仮にＮＨ３を先に供給すると、ＳｉＣ基板１２上に不要なＳｉＮの絶縁膜が形成されてしまうおそれがあるが、本実施例ではＴＭＡガスを先に供給することでこのような不具合を防止している。
【００６８】
成長した結晶の評価方法は、エピタキシャル成長後の表面を原子間力顕微鏡（以下ＡＦＭ）にて観察し、その観察像、観察後の中心線平均粗さ（以下Ｒａ）、ｎ点平均粗さ（以下Ｒｚ）の数値にて評価した。Ｒａ、Ｒｚはその値が小さいほど平坦性に優れている。
【００６９】
次に、第２の実験を説明する。第２の実験は、本発明による交互供給方法でＡｌＮをＳｉＣ上に約４ｎｍの厚さでエピタキシャル成長させるとき、５／３比に関するパラメータがＡｌＮエピタキシャル成長表面に与える効果を明らかにするために行われた。すなわち、表２で示すように、基板温度を１１００℃〜１３００℃に設定し、成長圧力を５０ｋＰａより低く設定し、結晶膜厚が４ｎｍに達する直前で成長を停止させた（サイクル数は６回）。
【表２】
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【００７０】
５／３比を１００〜１８００の間で変化させてそれぞれ計測した。成長した結晶の評価方法として、エピタキシャル成長後の表面をＡＦＭにて観察し、観察後のＲａ、Ｒｚの数値にて評価した。
【００７１】
第３の実験は、本発明により交互供給方法でＡｌＮをＳｉＣ上に４ｎｍ以上の厚さでエピタキシャル成長させたときのＡｌＮエピタキシャル成長表面の平坦性について明らかにする実験である。実験での成長条件は表３に示す条件であり、ＳｉＣ基板上のＡｌＮが臨界膜厚である約４ｎｍである状態から更に結晶成長をさせるために、その処理サイクル数を１から２０で変化させて成長実験を行った。
【００７２】
すなわち、基板温度を１１００℃と１３００℃との間に設定し、成長圧力を５０ｋＰａより低く設定し、５／３比を９００に設定し、サイクル数を１〜２０で変化させてそれぞれ計測した。
【００７３】
成長した結晶の評価方法としては、エピタキシャル成長後の表面をＡＦＭにて観察し、観察後のＲａ、Ｒｚの数値にて評価した。
【表３】
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【００７４】
図６〜図１２は、第１〜第３の実験の実験結果を示す。図６は、何も処理をされなかったＳｉＣ基板の表面ＡＦＭ像を示す。観察像中矢印の方向に基板面の傾斜による段差が観察される。図７は、実験１の同時供給法でエピタキシャル成長したＡｌＮ表面のＡＦＭ観察像を示す。Ｒａは０．７であり、Ｒｚは２．３である。表面が不規則に凹凸を形成している。すなわち、ＡｌＮが成長の初期に島状に成長していることがわかる。図８は、実験１の交互供給法でエピタキシャル成長したＡｌＮ表面のＡＦＭ観察像を示す。Ｒａは０．３であり、Ｒｚは１．２である。ＳｉＣ基板上にＡｌＮを約４ｎｍの厚さで成長させる場合、交互供給法の方が平坦性良く、ヘテロ界面接合部の特性もよいことがわかる。表面がＳｉＣ基板の傾斜方向に沿ってＡｌＮも規則正しく成長をしていることがわかる。
【００７５】
図９は、実験２の交互供給による成長時の５／３比と、Ｒａとの関係を示すグラフである。横軸は５／３比を表し、縦軸はＲａを示す。曲線Ｃ１０は、８μｍ四方の面内で測定した値である。Ｃ１１は、２μｍ四方での面内で測定した値である。曲線Ｃ１２は１μｍ四方での面内で測定した値である。５／３比が増加するとともにＲａが減少していることがわかる。そして、５／３比が２００以上ではＲａは０．６ｎｍ以下になり平坦性が顕著に良好となっていることが分かる。
【００７６】
図１０は、実験２の交互供給による成長時の５／３比と、Ｒｚとの関係を示すグラフである。横軸は５／３比を表し、縦軸はＲｚを示す。曲線Ｃ２０は、８μｍ四方の面内で測定した値である。Ｃ２１は、２μｍ四方での面内で測定した値である。曲線Ｃ２２は１μｍ四方での面内で測定した値である。５／３比が増加するとともにＲｚが減少していることがわかる。そして、５／３比が２００以上ではＲａは３ｎｍ以下になり平坦性が顕著に良好となっていることが分かる。本出願人の実験によれば、５／３比が４５０以上において更に安定的に良好な表面平坦性（Ｒａ，Ｒｚ）が得られることが分かった（図９、図１０参照）。そして、５／３比が１８００においても良好な平坦性が維持され、平坦性の悪化は見られなかった。
【００７７】
このように、窒化物半導体の結晶を成長させる場合には、交互供給法を用いて臨界膜厚までは５／３比を高く（＞２００）することが、平坦性向上のために効果的であることが分かる。
【００７８】
図１１は、実験３の交互供給による成長時のサイクル数と、Ｒａとの関係を示すグラフである。横軸はサイクル数を表し、縦軸はＲａを示す。曲線Ｃ３０は、８μｍ四方の面内で測定した値である。Ｃ３１は、２μｍ四方での面内で測定した値である。曲線Ｃ３２は１μｍ四方での面内で測定した値である。６サイクルより大きい場合、すなわち膜厚が臨界膜厚（＝６サイクル）を超える場合には、５／３比が高い状態を維持していても、Ｒａが増加していることが分かる。６サイクルで膜厚が臨界膜厚まで達していることは、原子間力顕微鏡を用いた表面観察によってＡｌＮが明確に成長していることを確認して判断した。
【００７９】
図１２は、実験３の交互供給による成長時のサイクル数と、Ｒｚとの関係を示すグラフである。横軸はサイクル数を表し、縦軸はＲｚを示す。曲線Ｃ４０は８μｍ四方の面内で測定した値である。Ｃ４１は２μｍ四方での面内で測定した値である。曲線Ｃ４２は１μｍ四方での面内で測定した値である。６サイクルより大きい場合、すなわち膜厚が臨界膜厚（＝６サイクル）を超える場合には、高５／３比が高い状態を維持しても、Ｒｚが増加していることがわかる。
【００８０】
表４は、第４の実験結果を示す表である。第４の実験では、表４中の条件（ａ）、（ｂ）においてそれぞれ交互供給法を用いてＡｌＮの総膜厚が６０ｎｍになるまで結晶成長を行った。基板温度および成長圧力の条件は、表１、表２および表３に示す条件と同一である。表４に示すように、ＡｌＮの臨界膜厚である４ｎｍ（＝６サイクル）を超える段階では、条件（ｂ）に示す如く５／３比を下げた方が平坦性が優れることが分かる。なお、比較のために同時供給法を用いた場合の実験結果も表４に示している（他の条件は、表１に示すものと同一）。
【表４】
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【００８１】
ただし、同時供給法のデータは総膜厚が７ｎｍまでのものである。これは、エピタキシャル成長の基本原理は、下地の結晶表面の情報を成長方向に伝えながら成長していくものであるところ、同時供給法では厚膜化することで７ｎｍのＲａを更に改善するとは考え難いことから、７ｎｍまでのデータ取得に留めたからである。
【００８２】
このように、交互供給成長のサイクル数とＲａ、Ｒｚとの実験の結果として、交互供給法においてサイクル数が６回より多くすると、すなわち、臨界膜厚を超えた厚さのＡｌＮをエピタキシャル成長すると、臨界膜厚以下での結果とは逆に表面が荒れ始めることが分かった。そして、臨界膜厚を超えた厚さのＡｌＮを平坦にエピタキシャル成長させる場合、膜厚が臨界膜厚以下のときは５／３比を４５０以上という高い比にした条件で交互供給法にてエピタキシャル成長を行い、膜厚が臨界膜厚を超えるときは５／３比を低くした条件でエピタキシャル成長を行うと、同時供給法で成長した表面よりも平坦性が向上することが分かった。本出願人の実験によれば、臨界膜厚が超えた時点で５／３比を２０以上２５０以下の値にすることで、安定的に良好な表面平坦性（Ｒａ，Ｒｚ）を得られることが分かった。しかし、この５／３比は、基板温度、成長圧力、総膜厚、結晶成長の制限時間など他の様々なパラメータを考慮して、適宜最適に決定されるものである。また、本願では、減圧ＶＰＥ法による窒化物半導体のエピタキシャル成長を行うため、材料ガスの流れが加熱された基板付近で乱れてしまうことがなく、層状のエピタキシャル成長を良好に実現できる。
【００８３】
なお、ＳｉＣ基板上に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）以外の窒化物半導体、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）、窒化ほう素（ＢＮ）またはそれらの混合結晶を成長させる場合であっても、本実施例のようにＳｉＣ基板上にＡｌＮ層がエピタキシャル成長するのと同様の反応が生じるので、臨界膜厚を境界に交互供給されるガスの５／３比を大（例えば、５／３比が２００以上）から小（例えば、５／３比が２００未満）に顕著に変更させる本発明はそのまま適用できる。また、ＳｉＣ基板の代わりに、窒化物半導体の結晶と格子定数が近いサファイア（Ａｌ２Ｏ３）を基板として適用した場合も同様である。
【００８４】
なお、特定の基板上に特定の成長膜を形成させるために、最適な成長パラメータが予め決定されて窒化物半導体結晶の成長方法に使用されることが有効であることは当業者には容易に理解できよう。このような最適な成長パラメータは、所定の基板温度、成長圧力の下で、供給ガスの５／３比を様々に変えて、臨界膜厚を得る結晶成長方法を多数回実行することによって、決定されるようにしてもよい。そして、この結晶成長方法の結果得られた表面平坦性に関するデータが得られる。このデータに基づいて、所定の成長パラメータにおける最適な５／３比が決定される。続いて、所定の基板温度及び所定の成長圧力の下で、供給ガスの５／３比を様々に変えることによって、膜厚が臨界膜厚を超えるような結晶成長方法を多数回実行する。そして、この結晶成長方法の結果から得られた表面平坦性についてのデータが得られる。この得られたデータに基づいて、所定の成長パラメータにおける最適な５／３比を決定した上で、この最適な５／３比を実際の半導体結晶の成長に使用するようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本発明は、異種基板上に窒化物半導体結晶を直接成長させる装置および方法に利用される。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体の結晶成長装置の概略図である。
【図２】図２は、本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体の結晶成長装置の制御装置に記憶されている制御プログラムに従った結晶成長の手順を示すフローチャートである。
【図３】図３は、本発明の第２の実施形態に係る窒化物半導体の結晶成長装置の制御装置に記憶されている制御プログラムに従った結晶成長の手順を示すフローチャートである。
【図４】図４は、同時供給法におけるバルブの開閉パターンを示す図である。
【図５】図５は、交互供給法におけるバルブの開閉パターンを示す図である。
【図６】図６は、ＳｉＣ基板の表面のＡＦＭ像を示す図である。
【図７】図７は、同時供給法でエピタキシャル成長したＡｌＮ表面のＡＦＭ観察によって得られた像を示す図である。
【図８】図８は、交互供給法でエピタキシャル成長したＡｌＮ表面のＡＦＭ観察によって得られた像を示す図である。
【図９】図９は、交互供給による成長の場合の５／３比とＲａとの関係を示すグラフである。
【図１０】図１０は、交互供給による成長の場合の５／３比とＲｚとの関係を示すグラフである。
【図１１】図１１は、交互供給による成長の場合のサイクル数とＲａとの関係を示すグラフである。
【図１２】図１２は、交互供給による成長の場合のサイクル数とＲｚとの関係を示すグラフである。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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