(57)【要約】      （修正有）【課題】結晶性に優れた窒化物半導体を製造することができる窒化物半導体製造装置、窒化物半導体の製造方法および窒化物半導体発光素子の製造方法を提供する。【解決手段】原料ガスを流すためのフローチャンネル１０２とフローチャンネル１０２の形状を変化させるための形状変化装置１０４とを備える構造とした。また、この窒化物半導体製造装置を使用して、原料ガスを流すフローチャンネル１０２の形状を変化させて窒化物半導体を製造する。【選択図】図３
2008108974.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体を気相成長により製造するための窒化物半導体製造装置であって、
原料ガスを流すためのフローチャンネルと、
前記フローチャンネルの形状を変化させるための形状変化装置と、
を備えた、窒化物半導体製造装置。
【請求項２】
前記形状変化装置は前記フローチャンネルの容積を変化させる装置であることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体製造装置。
【請求項３】
前記形状変化装置は前記フローチャンネルの形状を変化して、前記フローチャンネルを流れる原料ガスの流れ方向を水平方向から非水平方向に変化させる装置であることを特徴とする、請求項１または２に記載の窒化物半導体製造装置。
【請求項４】
前記フローチャンネルの形状が変化するタイミングを制御するための制御装置を備えたことを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の窒化物半導体製造装置。
【請求項５】
窒化物半導体を気相成長により製造する窒化物半導体の製造方法であって、
原料ガスを流すフローチャンネルの形状を変化させることを特徴とする、窒化物半導体の製造方法。
【請求項６】
前記フローチャンネルの形状の変化は、前記フローチャンネルの容積の変化により行なわれることを特徴とする、請求項５に記載の窒化物半導体の製造方法。
【請求項７】
前記フローチャンネルの形状の変化によって前記フローチャンネルを流れる原料ガスの流れ方向を水平方向から非水平方向に変化させることを特徴とする、請求項５または６に記載の窒化物半導体の製造方法。
【請求項８】
前記フローチャンネルの形状を所定のタイミングで変化させることを特徴とする、請求項５から７のいずれかに記載の窒化物半導体の製造方法。
【請求項９】
請求項５から８のいずれかに記載の窒化物半導体の製造方法を用いた、窒化物半導体発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体製造装置、窒化物半導体の製造方法および窒化物半導体発光素子の製造方法に関し、特に、結晶性に優れた窒化物半導体を製造することができる窒化物半導体製造装置、窒化物半導体の製造方法および窒化物半導体発光素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体は、青色光を発光する発光ダイオード（ＬＥＤ）素子やレーザダイオード（ＬＤ）素子等の窒化物半導体発光素子の材料として有用である。このような窒化物半導体は主に原料ガスを用いた気相成長法により製造されている。
【０００３】
従来の気相成長方法においては、気相成長させる窒化物半導体結晶の材質および厚さに応じて基板の表面上に到達する原料ガスの供給を適宜調節しているが、その手法としては原料ガスの供給量を調節するＭＦＣ（マスフローコントローラ）を用いた方法または原料ガスが流れるフローチャンネルの形状を加工する方法等が主流となっている。
【０００４】
たとえば、特許文献１には、フローチャンネルに設置されている回転自在なサセプタの外周の段部に鍔部材を設置することによって、原料ガスの漏洩を抑制して、原料ガスの供給量の均一化を図る発明が開示されている。
【０００５】
また、特許文献２には、原料ガスの流れ方向の下流部に向かって次第に高さが減少する第１フローチャンネル部と水平方向に扁平な形状を有する第２フローチャンネル部とを連結することにより、基板の表面上に原料ガスを均質な状態で到達させる発明が開示されている。
【特許文献１】特開２００５−１５０４９７号公報
【特許文献２】特開２００５−２４３７６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した従来の手法においては、基板の表面上に効率良く、かつ結晶性に優れた窒化物半導体を製造するという観点からは十分ではなかったため、結晶性をさらに向上させることができる窒化物半導体の製造方法および窒化物半導体の製造装置ならびにこれらを用いた窒化物半導体発光素子の製造方法を開発することが求められていた。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、結晶性に優れた窒化物半導体を製造することができる窒化物半導体製造装置、窒化物半導体の製造方法および窒化物半導体発光素子の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、窒化物半導体を気相成長により製造するための窒化物半導体製造装置であって、原料ガスを流すためのフローチャンネルと、フローチャンネルの形状を変化させるための形状変化装置と、を備えた、窒化物半導体製造装置である。
【０００９】
ここで、本発明の窒化物半導体製造装置においては、形状変化装置としては、フローチャンネルの容積を変化させる装置を用いることができる。
【００１０】
また、本発明の窒化物半導体製造装置において、形状変化装置としては、フローチャンネルの形状を変化して、フローチャンネルを流れる原料ガスの流れ方向を水平方向から非水平方向に変化させる装置を用いることができる。
【００１１】
また、本発明の窒化物半導体製造装置には、フローチャンネルの形状が変化するタイミングを制御するための制御装置が備えられていてもよい。
【００１２】
また、本発明は、窒化物半導体を気相成長により製造する窒化物半導体の製造方法であって、原料ガスを流すフローチャンネルの形状を変化させることを特徴とする窒化物半導体の製造方法である。
【００１３】
ここで、本発明の窒化物半導体の製造方法において、フローチャンネルの形状の変化は、フローチャンネルの容積の変化により行なうことができる。
【００１４】
また、本発明の窒化物半導体の製造方法においては、フローチャンネルの形状の変化によってフローチャンネルを流れる原料ガスの流れ方向を水平方向から非水平方向に変化させることができる。
【００１５】
また、本発明の窒化物半導体の製造方法においては、フローチャンネルの形状を所定のタイミングで変化させることができる。
【００１６】
さらに、本発明は、上記のいずれかに記載の窒化物半導体の製造方法を用いた窒化物半導体発光素子の製造方法である。
【００１７】
なお、本発明において、窒化物半導体としては、たとえば、ＡｌxＧａyＩｎzＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ≠１）の組成式で表わされる窒化物半導体結晶が挙げられる。ここで、上記の組成式において、Ａｌはアルミニウムを示し、Ｇａはガリウムを示し、Ｉｎはインジウムを示し、Ｎは窒素を示す。また、ｘはＡｌの組成比を示し、ｙはＧａの組成比を示し、ｚはＩｎの組成比を示す。また、窒化物半導体には、Ｓｉ等のｎ型ドーパントまたはＭｇ等のｐ型ドーパントが含まれていてもよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、結晶性に優れた窒化物半導体を製造することができる窒化物半導体製造装置、窒化物半導体の製造方法および窒化物半導体発光素子の製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。
【００２０】
（実施例）
図１に、本発明の窒化物半導体製造装置の一例の模式的な構成を示す。ここで、図１に示す窒化物半導体製造装置には、原料ガスを流すためのフローチャンネル１０２が備えられており、フローチャンネル１０２の一方の端部にはガス供給管１０６が備え付けられており、フローチャンネル１０２の他方の端部にはガス排出管１０７が備え付けられている。
【００２１】
図２に、図１に示されているフローチャンネル１０２を拡大した模式的な断面図を示す。ここで、フローチャンネル１０２は主に石英から構成されており、中空状に形成されている。また、フローチャンネル１０２の内部のサセプタ１０５上には基板１０１が設置されており、基板１０１としてはサファイア基板が設置されている。
【００２２】
また、図１に示すフローチャンネル１０２の左側から右側に原料ガス１０３が流れる仕組みになっている。また、原料ガスとしては、たとえば、ＩＩＩ族源となるガス、Ｖ族源となるガス、ドーパント源となるガス、キャリアガス等を用いることができる。
【００２３】
ここで、ＩＩＩ族源となるガスとしては、たとえば、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）およびＴＭＩ（トリメチルインジウム）からなる群から選択された少なくとも１種のガスを用いることができる。また、Ｖ族源となるガスとしては、たとえば、アンモニア等を用いることができる。また、ドーパント源となるガスとしては、たとえば、モノシランまたはビスシクロペンタジエニルマグネシウム等を用いることができる。また、キャリアガスとしては、たとえば水素等を用いることができる。
【００２４】
また、フローチャンネル１０２の上部には形状変化装置としての天井昇降ユニット１０４が備え付けられている。この天井昇降ユニット１０４は、たとえば図３の模式的断面図に示すように、フローチャンネル１０２の天井を下方に移動させてフローチャンネル１０２の中空部の容積を減少させたり、たとえば図４の模式的断面図に示すように、フローチャンネル１０２の天井を上方に移動させてフローチャンネル１０２の中空部の容積を増加させたりすることができる。
【００２５】
また、フローチャンネル１０２は図示しないコンピュータ等の制御装置に接続されており、この制御装置によって天井昇降ユニット１０４の上昇のタイミングおよび下降のタイミングがそれぞれ制御されている。これにより、フローチャンネル１０２の形状の変化のタイミングが制御装置によって制御されることになる。
【００２６】
図１に示す窒化物半導体製造装置は、この天井昇降ユニット１０４によりフローチャンネル１０２の天井を昇降させてフローチャンネル１０２の容積を変化させ、フローチャンネル１０２の形状を変化させることを特徴としている。
【００２７】
たとえば、窒化物半導体を用いたＬＥＤやＬＤの製造においては、サファイア基板等の所定の基板上に、材質および厚さが異なる窒化物半導体層を順次積層していく必要があるが、積層されるそれぞれの窒化物半導体層の結晶性が良好となる条件はそれぞれ異なっている。
【００２８】
そこで、図１に示す窒化物半導体製造装置においては、天井昇降ユニット１０４の昇降によってフローチャンネル１０２の容積を増減させてフローチャンネル１０２の形状を変化させることにより、基板１０１上に積層されるそれぞれの窒化物半導体層の結晶性が良好となる条件に合わせることが可能となるため、図１に示す窒化物半導体製造装置を用いた場合には、たとえばＬＥＤやＬＤを構成するそれぞれの窒化物半導体層の結晶性を良好に成長させることができ、発光特性に優れたＬＥＤやＬＤを作製することができる。
【００２９】
以下に、図１に示す窒化物半導体製造装置を用いたＬＥＤの製造方法の一例について説明する。
【００３０】
まず、図２に示すフローチャンネル１０２の内部にＴＭＡ、ＴＭＧ、アンモニアおよびキャリアガスとしての水素からなる原料ガス１０３を供給することによって、図５の模式的断面図に示すように、サファイア基板である基板１０１の表面上にＡｌＧａＮからなるバッファ層２０１をＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法により成長させる。
【００３１】
次に、ＴＭＡの供給のみを停止して、図６の模式的断面図に示すように、バッファ層２０１の表面上にＭＯＣＶＤ法によりアンドープのＧａＮ層２０２を１μｍの厚さに成長させる。
【００３２】
続いて、フローチャンネル１０２の内部にモノシランを追加供給することによって、図７の模式的断面図に示すように、ＧａＮ層２０２の表面上にＭＯＣＶＤ法によりＳｉドープのｎ型ＧａＮ層２０３をＭＯＣＶＤ法により４μｍの厚さに成長させる。
【００３３】
次に、モノシランの供給を停止するとともに、フローチャンネル１０２の内部に供給されるガスの種類を適宜変更することによって、図８の模式的断面図に示すように、ＧａＮからなるバリア層とＩｎＧａＮからなる井戸層とから構成された多重量子井戸構造を有する活性層２０４をＭＯＣＶＤ法により成長させる。
【００３４】
次に、図３の模式的断面図に示すように、制御装置によってフローチャンネル１０２の上部に取り付けられた天井昇降ユニット１０４が下方に移動するように制御される。これにより、フローチャンネル１０２の天井が下方に移動し、フローチャンネル１０２の内部の中空部の高さが半分となって、フローチャンネル１０２の中空部の容積が半分に減少する。
【００３５】
次いで、フローチャンネル１０２の内部にＴＭＡ、ＴＭＧ、アンモニア、ビスシクロペンタジエニルマグネシウムおよびキャリアガスとしての水素からなる原料ガス１０３を供給することによって、図９の模式的断面図に示すように、活性層２０４の表面上にｐ型ＡｌＧａＮ層２０５をＭＯＣＶＤ法により成長させる。
【００３６】
続いて、ＴＭＡの供給のみを停止して、図１０の模式的断面図に示すように、ｐ型ＡｌＧａＮ層２０５の表面上にｐ型ＧａＮ層２０６をＭＯＣＶＤ法により成長させる。
【００３７】
そして、ｐ型ＧａＮ層２０６の成長後のウエハの一部をフォトリソグラフィ技術を利用したエッチング等によって除去し、ｎ型ＧａＮ層２０３の表面の一部を露出させる。その後、図１１の模式的断面図に示すように、露出させたｎ型ＧａＮ層２０３の表面上に電極３０１を形成するとともに、ｐ型ＧａＮ層２０６の表面上に電極３０２を形成する。
【００３８】
そして、電極３０１および電極３０２の形成後のウエハをチップ状に分割することによって、窒化物半導体発光ダイオード素子としてのＬＥＤチップが作製される。
【００３９】
その後、図１２の模式的側面図に示すように、上述のようにして作製したＬＥＤチップ４０１をリードフレーム４０３のカップ状に設置した後、ＬＥＤチップ４０１の電極３０２をリードフレーム４０３に電気的に接続するとともに電極３０１をリードフレーム４０４に電気的に接続する。そして、透明樹脂４０２によって上記接続後のＬＥＤチップ４０１で封止することによってＬＥＤを作製する。
【００４０】
そして、同一の基板から作製されたＬＥＤチップのそれぞれについて上述のようにＬＥＤを作製し、作製された１２０００個のＬＥＤのそれぞれについて電気特性を調査した。その結果、実施例のＬＥＤに２０ｍＡの電流を注入した際の平均の駆動電圧は３．２５Ｖであって、標準偏差は０．０６１であった。
【００４１】
従来の窒化物半導体製造装置におけるフローチャンネルはその形状および容積が固定化されていたため、窒化物半導体層の成長条件はその形状および容積に依存してしまい、ＬＥＤやＬＤ等の窒化物半導体発光素子の作製時に積層される窒化物半導体層のそれぞれの層の成長に適した条件とすることは困難であった。特に、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層を成長させる場合には、ドーパントであるＭｇと結合する水素の取り込みが重要とされるため、形状および容積が固定化された従来の窒化物半導体製造装置ではその条件の最適化が困難であった。
【００４２】
しかしながら、本発明の窒化物半導体製造装置のように、フローチャンネルの形状および容積を変化可能である場合には、従来と比べて、ＬＥＤやＬＤ等の窒化物半導体発光素子の作製時に積層される窒化物半導体層のそれぞれの層の成長に適した条件に近づけることが可能であるため、結晶性の高い窒化物半導体層を順次積層して、高発光特性のＬＥＤやＬＤ等の窒化物半導体発光素子の作製が可能となる。
【００４３】
また、本発明の窒化物半導体製造装置を用いて活性層を成長させる場合には、フローチャンネルの断面積（原料ガスが流れる方向に垂直な断面の面積）を小さく、または、フローチャンネルの天井を基板側に傾けることによって、窒化物半導体層の表面に原料ガスが凝集し、表面から離脱しにくい傾向となり、活性層を成長させるには効果的な状態が保持されると考えられる。
【００４４】
なお、本発明において、窒化物半導体層の成長中にフローチャンネルの形状を変化させてもよいことは言うまでもない。窒化物半導体層の成長中にフローチャンネルの形状を変化させる場合には、均熱性を向上させること等を目的として原料ガスの流量を変更して成長を行なってもよい。
【００４５】
（比較例１）
図２に示すフローチャンネル１０２の形状を全く変更させずに窒化物半導体層を順次積層したこと以外は実施例と同様にしてＬＥＤチップを作製した。そして、同一の基板から作製されたＬＥＤチップのそれぞれについて実施例と同様にして比較例１のＬＥＤを作製し、比較例１のＬＥＤの１２０００個のそれぞれについて電気特性を調査した。その結果、比較例１のＬＥＤに２０ｍＡの電流を注入した際の平均の駆動電圧は３．３７Ｖであって、標準偏差は０．１２１であった。
【００４６】
上記の実施例のＬＥＤと比較例１のＬＥＤの駆動電圧の差は、ｐ型ＡｌＧａＮ層２０５およびｐ型ＧａＮ層２０６の抵抗に依存していると考えられる。
【００４７】
すなわち、実施例のように、フローチャンネル１０２の形状を変化させた場合には原料ガスが窒化物半導体層の表面に凝集して表面から離脱しにくくなるため、ドーパントであるＭｇと結合する水素が取り込まれて低抵抗化する傾向にあると推測される。
【００４８】
一方、比較例１のように、フローチャンネル１０２の形状を変化させなかった場合には窒化物半導体層の表面に凝集した原料ガスが窒化物半導体層の表面から取り除かれて、再度、窒化物半導体層に取り込まれにくいため、ドーパントであるＭｇと結合する水素が取り込まれにくく、高抵抗化する傾向にあると推測される。
【００４９】
また、駆動電圧のばらつきに関しても、実施例のように、フローチャンネル１０２の形状を変化させた方がばらつきが少なく、その結果、比較例１に比べて標準偏差が低減しているものと考えられる。また、基板間のばらつきについても、実施例の方が比較例１と比べてばらつきが低減できているものと考えられる。
【００５０】
（比較例２）
キャリア濃度の面内分布を確認するため、サファイア基板上にＭＯＣＶＤ法で厚さ０．４μｍのＡｌ0.07Ｇａ0.93Ｎ層を成長させた。
【００５１】
その後、上記と同様にして、実施例と比較例１のそれぞれの方法で、Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎ層の表面上にｐ型ＡｌＧａＮ層２０５およびｐ型ＧａＮ層２０６を順次積層してウエハを作製した。そして、そのウエハの５ｍｍ角を１サンプルとしてホール効果測定を行なった。
【００５２】
その結果、実施例の方法で作製したウエハのサンプルにおけるキャリア濃度の平均値は１．６×１０17／ｃｍ2であって、標準偏差は６．７％であった。
【００５３】
また、比較例１の方法で作製したウエハのサンプルにおけるキャリア濃度の平均値は２×１０17／ｃｍ2であって、標準偏差は１０．２％であった。
【００５４】
この実施例の方法で作製したウエハのサンプルにおけるキャリア濃度と比較例１の方法で作製したウエハのサンプルにおけるキャリア濃度およびその標準偏差の差異は比較例１で説明した理由と同様の理由に基づいて生じたものであると考えられる。
【００５５】
（その他）
なお、上記において、フローチャンネル１０２の材質としては主に石英からなる材料を用いた場合について説明したが、本発明において、フローチャンネル１０２の材質は特に限定されない。しかしながら、フローチャンネル１０２の材質に石英を用いた場合には、基板温度が１３００℃付近の高温において、窒化物半導体層を成長させ、かつフローチャンネル１０２の形状変化が可能となる点で好ましい。また、本発明においては、フローチャンネル１０２の形状も特に限定されないことは言うまでもない。
【００５６】
また、上記においては、フローチャンネル１０２の形状の変化は、主にフローチャンネル１０２の内部の中空部の容積を変化させた場合によるものについて説明したが、本発明において、フローチャンネル１０２の形状の変化は上記の容積の変化による場合に限定されないことは言うまでもない。
【００５７】
また、上記においては、形状変化装置として天井昇降ユニット１０４を用い、フローチャンネル１０２の天井を上下させることによってフローチャンネル１０２の形状を変化させる場合について説明したが、本発明においてはこれに限定されず、たとえば、フローチャンネル１０２の天井を水平方向から傾ける形状変化装置を用いることによって、フローチャンネルを流れる原料ガスの流れ方向を水平方向から非水平方向に変化させてもよい。
【００５８】
また、上記においては、ｐ型ＡｌＧａＮ層２０５を成長させるタイミングでフローチャンネル１０２の形状を変化させる場合について説明したが、本発明においてフローチャンネル１０２の形状を変化させるタイミングはこれに限定されるものではない。
【００５９】
また、上記においては、基板１としてサファイア基板を用いたが、サファイア基板に限定されないことは言うまでもない。
【００６０】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明によれば、原料ガスの取り込み性に優れ、原料ガスを高効率で利用して、結晶性の高い窒化物半導体層を気相成長させることができる。これにより、高発光特性のＬＥＤまたはＬＤ等の窒化物半導体発光素子を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の窒化物半導体製造装置の一例の模式的な構成を示す図である。
【図２】図１に示すフローチャンネルの模式的な拡大断面図である。
【図３】図２に示すフローチャンネルの形状の変化の一例を図解するための模式的な拡大断面図である。
【図４】図２に示すフローチャンネルの形状の変化の他の一例を図解するための模式的な拡大断面図である。
【図５】図１に示す窒化物半導体製造装置を用いたＬＥＤの製造方法の一例を図解するための模式的な断面図である。
【図６】図１に示す窒化物半導体製造装置を用いたＬＥＤの製造方法の一例を図解するための模式的な断面図である。
【図７】図１に示す窒化物半導体製造装置を用いたＬＥＤの製造方法の一例を図解するための模式的な断面図である。
【図８】図１に示す窒化物半導体製造装置を用いたＬＥＤの製造方法の一例を図解するための模式的な断面図である。
【図９】図１に示す窒化物半導体製造装置を用いたＬＥＤの製造方法の一例を図解するための模式的な断面図である。
【図１０】図１に示す窒化物半導体製造装置を用いたＬＥＤの製造方法の一例を図解するための模式的な断面図である。
【図１１】図１に示す窒化物半導体製造装置を用いたＬＥＤの製造方法の一例を図解するための模式的な断面図である。
【図１２】本発明によって作製されたＬＥＤの一例の模式的な側面図である。
【符号の説明】
【００６３】
１０１  基板、１０２  フローチャンネル、１０３  原料ガス、１０４  天井昇降ユニット、１０５  サセプタ、１０６  ガス供給管、１０７  ガス排出管、２０１  バッファ層、２０２  ＧａＮ層、２０３  ｎ型ＧａＮ層、２０４  活性層、２０５  ｐ型ＡｌＧａＮ層、２０６  ｐ型ＧａＮ層、３０１，３０２  電極、４０１  ＬＥＤチップ、４０２  透明樹脂、４０３，４０４  リードフレーム。
【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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