(57)【要約】【課題】本発明は、このような窒化物半導体のエピ膜中に取り込まれる不純物の発生源となる原因を排除することができる反応管及びこれを用いた気相成長装置を提供することを目的とする。【解決手段】発明１の反応管は、この目的を達成するために、少なくとも前記サセプタ周辺をサファイアにて形成してあることを特徴とする構成を採用した。  発明２の気相成長装置は、発明１の反応管を用いることを特徴とする者である。【選択図】図１
2008042002.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に基板を配置するサセプタを設けた気相成長法に用いる反応管であって、少なくとも前記サセプタ周辺をサファイアにて形成してあることを特徴とする反応管
【請求項２】
反応管内に配置した基板を加熱しながら反応ガスを流して気相成長させるのに用いる気相成長装置であって、前記反応管として請求項１に記載のものを用いた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、内部に基板を配置するためのサセプタが設けてある反応管とこの反応管を用いた気相成長装置に関し、特にＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、あるいはそれらの混晶からなる窒化物系の化合物半導体の結晶成長あるいは熱処理に用いる反応管と気相成長装置に関わる。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＧａＮ／ＩｎＧａＮ／ＧａＮあるいはＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮのような量子井戸構造を利用した青色〜紫外域の発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオード（ＬＤ）といった発光デバイス、あるいはＡｌＧａＮ／ＧａＮ、ＩｎＡｌＮ／ＧａＮのようにバンドギャップの大きく異なる２つの材料のヘテロ界面に発生する高濃度の２次元電子ガス（２ＤＥＧ）を利用した電界効果トランジスタ（ＨＦＥＴ，  ＨＥＭＴ）への応用を目的に、ＧａＮ，  ＡｌＮ，  ＩｎＮおよびそれらの混晶からなる窒化物半導体の薄膜エピタキシャル成長技術が注目されている。
【０００３】
現在、実用化を睨んだ薄膜エピ膜の成長技術として、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤあるいはＭＯＶＰＥと呼ばれる）が広く用いられている。
この成長技術では、エピタキシャル層を構成するＩＩＩ族元素（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）としてトリメチルアルミニウム；ＴＭＡｌ，  トリメチルガリウム；ＴＭＧａ，トリメチルインジウム；ＴＭＩｎのような有機金属化合物が高純度のＨ２ガスあるいはＮ２ガスに混合して供給され、それと同時にＶ族元素である窒素（Ｎ）の原料ガスとしてアンモニア（ＮＨ３）が供給される。
反応管内には抵抗加熱や高周波誘導加熱で高温に加熱されたグラファイトやＳｉＣなどのサセプタが用意されており、この上に置かれた基板上流部で上記のガスが混合し、さらに熱分解して基板上層部あるいは基板表面上で化学反応を起こすことで所望のエピタキシャル薄膜（以下、エピ膜と記す。）が形成される。
【０００４】
これまでの多くの研究により結晶品質の高い窒化物薄膜を得るための成長条件、特に最適な成長温度が探索されており、例えばＧａＮの場合１０５０℃付近、ＡｌＮの場合には１２００℃付近であることが見出されている。また、特に青色域の光デバイスの高性能化に重要な役割を果す量子井戸構造ではバンドギャップを小さくしてキャリアと光の閉じ込めを行う目的で１０％程度のＩｎが添加されたＩｎＧａＮ混晶が用いられ、多くの場合その成長温度は８００℃付近に設定される。
【０００５】
このような窒化物系半導体のＭＯＣＶＤ成長技術はこの１０年余りの間に急速に発展した。現在では、ＧａＮエピ膜において１０１６−１０１７ｃｍ−３台のノンドープ結晶が得られるようになり、微量のＳｉＨ４を添加することでＳｉドープのｎ型結晶が、またＣｐ２Ｍｇ添加でＭｇドープのｐ型結晶が作れるようになったため、先に記した光デバイスや電子デバイスの応用が始まっているのである。この発展の裏には、基板上にＧａＮやＡｌＮのバッファ層を５００−８００℃の比較的低温で堆積し、その後高温でＧａＮなどのエピ膜を形成する２段階成長技術の開発があった。
【０００６】
この低温バッファ層技術が適用される以前のＧａＮエピ膜には多量の残留ドナが取り込まれ、意図的にドーパントを添加しないでも室温での電子濃度は１０１８−１０２０ｃｍ−３となっており、デバイス作製に必要なｎ型の濃度制御とアクセプタドーパントの添加によるｐ型化を阻んでいた。
残留ドナ不純物の原因としては、Ｇａサイトを置換したシリコン（Ｓｉ）やＮサイトを置換した酸素（Ｏ）が指摘されており、このうち特に酸素が最有力候補として考えられていた。
【０００７】
これは、低温バッファ層技術が開発される前のＧａＮ結晶では窒素（Ｎ）の空孔濃度が高く、ここに多くの酸素（Ｏ）が取り込まれると考えられていた。
しかし、低温バッファ層技術の出現によりバッファ層上のＧａＮ膜の結晶性が向上してＮ空孔の点欠陥濃度が大幅に下がったため、ここに取り込まれる酸素不純物量が減少して残留電子濃度の大幅な低減が実現されたと考えられている。
酸素不純物原子の出どころとしては、アンモニアガス中に含まれる水分（Ｈ２Ｏ）と酸素（Ｏ２）が考えられており、その後原料ガスの高純度化が図られるとガス中の不純物はほとんど影響がないとまで言われるようになった。このように原料ガスの高純度化も現在の窒化物半導体のＭＯＣＶＤ技術の発展に寄与していると言える。
【０００８】
上記のように窒化物系のＭＯＣＶＤ技術は相当なレベルまで改善されたと言えるが、まだ多くの課題を抱えている。例えば、ＧａＮのエピ膜の場合、成長温度や供給ガスのＶ／ＩＩＩ比（気相中のＮＨ３／ＴＭＧａモル比）を最適に選ばないと、ＯやＳｉが不純物として取り込まれる。
【０００９】
特に、ＧａＮエピ膜のフォトルミネッセンス（ＰＬ）スペクトルの２．２ｅＶ付近に現れるｙｅｌｌｏｗルミネッセンス強度は発光デバイス材料としての善し悪しの指標に使われており、成長温度やＶ／ＩＩＩ比によって大きく増加してしまうことがある。Ｙｅｌｌｏｗルミネッセンスの原因は現在でも論争があって必ずしも決着は付いていないが、Ｇａ空孔と窒素サイトの酸素不純物の複合体（ＶＧａ−ＯＮ）またはＧａ空孔とＧａサイトのＳｉ不純物の複合体（ＶＧａ−ＳｉＧａ）とする説が有力である。
【００１０】
一方でＧａ空孔と窒素サイトのカーボンの複合体（ＶＧａ−ＣＮ）とする説も根強く残っている。しかし、いずれにしても選択する成長条件によっては、エピ膜中に無視できない量の不純物が取り込まれ、これらが成長条件に依存して増減する窒素空孔の濃度と関連しながら複合欠陥を形成するため、膜の特性に大きな影響を及ぼすのである。特にＧａＮの場合、成長温度を１０００℃付近に低く設定したり、Ｖ／ＩＩＩ比を小さく設定するとｙｅｌｌｏｗルミネッセンスの影響が大きくなることが知られている。このことは、現在でもＭＯＣＶＤ装置のどこかにＳｉやＯのような不純物の発生源があり、これが結晶中の点欠陥濃度と関連しながら結晶品質を劣化させうることを意味している。
【００１１】
ＭＯＣＶＤ法の原理は上述したとおりであるが、エピタキシャル成長は高純度の溶融石英で製作された反応管内で行われることが多い。これは石英が加工性に優れ、しかも通常使用する温度範囲では熱的安定性と化学的安定性に優れていると考えられるためである。加えて、ＭＯＣＶＤプロセスによって石英部材に反応堆積物が付着しても、装置から取り外した後に酸などの溶液でクリーニングをすれば繰り返し使用できるというメリットもある。しかし、窒化物系ＭＯＣＶＤ装置の反応管部材として石英を使用するのは、ＧａＡｓやＩｎＰなど砒素やリン化合物のＭＯＣＶＤ装置から継承された技術であって必ずしも最適化されているとは言いがたい。特に、窒化物系ＭＯＣＶＤの環境下での石英反応管の熱的安定性と化学的安定性は、下記のごとく問題があると言える。
【００１２】
通常、高純度溶融石英の使用限界は１２００℃とされている。石英の軟化温度が約１５００−１６００℃にあり、やや安全率をも込んだものであろう。しかし、石英をさらにミクロな視点で見た場合、ガラス内に残っている結晶型構造（ＳｉＯ４四面体）の一部が１０５０℃あたりから体積膨張し始めることも指摘されている。
【００１３】
大切なことは、現在使用されている窒化物系のＭＯＣＶＤのプロセスでは、ＧａＮの場合１０５０−１０８０℃、ＡｌＮでは１１００−１２００℃付近で結晶成長が行われるのが一般的であり、これらの石英ガラスのミクロな構造変化が少なからず起こる温度域にあるということである。このため、ＭＯＣＶＤの高温プロセス中に石英ガラスの化学結合Ｓｉ−Ｏの一部が解離してＳｉやＯが遊離してくる可能性がある。また、加えてＭＯＣＶＤでは原料として多量に使用するアンモニア（ＮＨ３）ガスの反応性が高いため、単に石英を高温環境に晒すことだけではなく、アンモニアガスが石英の表面と反応してやはりＳｉやＯ不純物の原因を作りだす可能性も大きい。
【００１４】
さらに、石英ガラス表面にアルミニウム原子が付着すると、石英の構成元素のＳｉとＡｌが置換反応を起こし、Ａｌがガラス内に取り込まれ、Ｓｉが遊離してくる可能性もある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、このような窒化物半導体のエピ膜中に取り込まれる不純物の発生源となる原因を排除することができる反応管及びこれを用いた気相成長装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
発明１の反応管は、この目的を達成するために、少なくとも前記サセプタ周辺をサファイアにて形成してあることを特徴とする構成を採用した。
発明２の気相成長装置は、発明１の反応管を用いることを特徴とする者である。
【発明の効果】
【００１７】
サファイアの化学組成的はＡｌ２Ｏ３であって、実はアモルファスではなく結晶である。石英ガラス（Ｓｉ−Ｏ）とサファイア（Ａｌ−Ｏ）の化学結合力を比較するとＡｌ−Ｏのほうが遥かに安定であることから推察できるように、石英と比較して熱的安定性と化学安定性に優れる。
サファイアは１８００℃を越える高温でも安定に使用できる。また、研磨を施せば石英と同じく透明になるので、反応管内を観察する目的にも支障はない。
アンモニアとの反応性も低いので、サファイアを従来高温でアンモニアとの反応性が高いと考えられる反応管の少なくとも一部分に適用することでＳｉやＯの遊離量が激減する。
高純度のＧａＮ結晶やＡｌＮ結晶、あるいはＡｌＧａＮ混晶、さらにＩｎを添加した混晶のエピタキシャル成長に極めて効果的に作用する。
【００１８】
このような知見に基づき、上記構成を採用することにより、図３に示すような不純物のないエピ膜を得ることができた。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
【実施例１】
【００２０】
図１に、最も簡便な横型ＭＯＣＶＤ装置の反応管の模式図を示す。
これは実験室レベルで使用される小型反応管（１）であり、外径３５ｍｍφのサファイアチューブを用いている。
このような小型のチューブ形状であれば、サファイアのインゴットからチューブ形状を削りだして用いることが出来る。
チューブ内にはＳｉＣコートのグラファイトサセプタ（２）と窒化物半導体のエピ用基板ウエハとしてサファイアウエハ（１０ｍｍ角）（３）がセットされている。
加熱方式には、高周波誘導加熱コイル（４）がサファイアの反応管（１）外に設置されている。
このような構成の装置で、サファイア反応管（１）の効果を確認するために、反応管のチューブの材質が石英の場合を比較した実験を行った。
図２はＧａＮのＭＯＣＶＤに用いた温度プログラムである。
まず、基板（３）をＨ２キャリアガス中で１０５０℃で１０分間加熱クリーニングしたあと、成長温度を６００℃に下げて安定化させＧａＮの低温バッファ層を２０ｎｍ成長する。
この際、キャリアガス流量は２０００ｓｃｃｍとし、成長実験は大気圧（７６０Ｔｏｒｒ）で行った。
反応管内に供給するアンモニアとＴＭＧａのモル比（Ｖ／ＩＩＩ比）は、約３，０００とした。
引き続き、約１０分かけて成長温度を１０００−１０８０℃まで上昇させ、Ｖ／ＩＩＩ比を約７，０００の条件下でＧａＮを約１．５μｍの厚さ成長させた。
全く同一の成長条件下で、反応管材質が石英の場合とサファイアの場合で成長サンプルを作製し、フォトルミネッセンス（ＰＬ）でＧａＮエピ膜中に含まれる不純物を比較した。
図３は、成長温度１０５０℃の条件下で、サファイア反応管と通常の石英反応管で成長したＧａＮエピ膜の室温のＰＬスペクトルを比較したものである。
石英反応管で成長したサンプルでは、３６０−３７０ｎｍ付近のＧａＮのバンド端からの発光に加えて、５５０−５６０ｎｍ付近にｙｅｌｌｏｗルミネッセンスが見える。
一方、サファイア反応管で成長したサンプルのｙｅｌｌｏｗルミネッセンスの強度は非常に弱く、バンド端からの発光が支配的であることがわかった。
図４は、ＧａＮの成長温度を１０００℃、１０５０℃、１０８０℃と変えた場合のＰＬスペクトルの比較である。
サファイア反応管では、１０００−１０８０℃のいずれの温度でもｙｅｌｌｏｗルミネッセンス強度は抑制されているが、石英反応管の場合には１０８０℃にするとバンド端発光が支配的になるものの、成長温度の低下により、ｙｅｌｌｏｗルミネッセンスの強度が増加する。
このようにサファイア反応管を使用することで、高純度のＧａＮ結晶を得るための条件が広くなる。
【実施例２】
【００２１】
図５、図６は、中規模の反応管の場合に本発明を適用する場合の模式図を示している。
図１のように小型の反応管ではチューブ形状のサファイアを使用できるが、一般には大型のサファイアチューブを得るのは容易でないし、コストも高くなる。
従って、その場合には図５に示すように、石英フローチャネル（１０）の内面の内のＭＯＣＶＤプロセスで高温に晒されるサセプタ（１２）周囲、あるいはその対抗面の部分に、サファイア板（１５）（１６）をはめ込むことで同様な効果が期待できる。
また、図示しないがサファイヤ板（１５）（１６）に繋がる左右の側壁もサファイヤからなる板で覆うことも有用である。
なお、フローチャネル（１０）全体がＳＵＳ製のチャンバ（図外）内に格納される。
【実施例３】
【００２２】
本実施例は、大型の反応管のケースについて説明する。
プラネタリ型反応管のように多数枚のウエハを処理する大型の反応管の場合にも、従来は大型のサセプタ（１２）対向面に石英のシーリング（天井板）が使われている。
この場合にも原理としては図５に示したのと同様に、高温に加熱される部分にサファイア製の部材を適用すれば高純度結晶の作製が行える。
上述の中型と大型の反応管における高温サセプタ（２）と基板ウエハの配置は、ウエハ面を上に向けたフェースアップの配置で説明を行ったが、熱対流やパーティクルの付着防止のため採用されるフェースアップの反応管の場合にも、サファイヤ部品を基板と対向する下側に設置すれば良い。
また、本発明は有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）法だけでなく、ＨＣｌとＧａ、Ｉｎ，  Ａｌ金属、およびアンモニア（ＮＨ３）ガスを原料として高温の反応管に導入して窒化物系のＨＶＰＥ法、あるいはＩＩＩ族の出発原料にＧａＣｌ３やＩｎＣｌ３、ＡｌＣｌ３を用いるＨＶＰＥ法でも必要な部分にサファイア部材を用いれば同様の効果があることは言うまでもない。
さらに、窒化物結晶の高温熱アニール処理を必要とする場合にも、反応管の少なくとも一部をサファイアにすることで、ＳｉやＯの不純物混入を避けることができる。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
本発明によれば、窒化物系ＭＯＣＶＤで用いられている石英反応管で懸念されるエピ膜へのＳｉやＯ不純物の混入が軽減され、従来よりも広い成長条件で高純度の窒化物系薄膜結晶が作製でき、高性能の光デバイスや電子デバイスに資する。
なお、本発明はＭＯＣＶＤ法に適用する場合について述べたが、同様の原理によってハイドライドＶＰＥ、ハライドＶＰＥ、その他高温での熱処理炉においても類似の効果が期待できることを指摘しておく。特にハイドライドＶＰＥにおいては、反応系の中にＨＣｌが導入され、これが高温中で石英と反応してＳｉやＯの発生を促すことが古くから指摘されており、これらの反応が起こる部分をサファイアにすることでＨＣｌとの反応が軽減されるから大きな効果が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】実施例１の反応管を示す縦断正面図
【図２】実施例１の反応管をＧａＮのＭＯＣＶＤに用いた温度プログラム
【図３】図２の温度プログラムによる実施例１と従来の反応管によるＰＬスペクトルを示すグラフ
【図４】ＧａＮの成長温度を１０００℃、１０５０℃、１０８０℃と変えた場合の実施例１と従来の反応管によるＰＬスペクトルを示すグラフ
【図５】実施例２のフローチャネルの上面を示す上方から見た斜視図
【図６】実施例２のフローチャネルの底部を示す平面図
【符号の説明】
【００２５】
（１）反応管
（２）（１２）サセプタ
（３）ウエハ
（５）加熱コイル
（１０）石英フローチャネル
（１５）（１６）サファイア板
【図１】
2008042002.tif 000003
【図２】
2008042002.tif 000004
【図３】
2008042002.tif 000005
【図４】
2008042002.tif 000006
【図５】
2008042002.tif 000007
【図６】
2008042002.tif 000008