(57)【要約】【課題】ＳｉＣ（炭化シリコン）基板上にバッファ層なしで結晶性良好なＧａＮ（窒化ガリウム）膜をエピタキシャル成長させる。【解決手段】ホットウォール型エピタキシー装置において、被処理基板３４として少なくとも蒸着面がＳｉＣ単結晶からなるものを用いる。また、ソース物質２８として金属Ｇａを用いると共に、ガス導入管３８を介してＧａ蒸気の通路にＮＨ３（アンモニア）等の窒素含有ガスを反応ガスＧとして導入する。このような装置を用いてエピタキシャル成長を行なうことにより基板３４の蒸着面にてＳｉＣ単結晶に直接連続してＧａＮ膜をエピタキシャル成長させる。ソース物質２８としては、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）等の有機ソースを用いてもよく、窒素含有ガスとしては、窒素ラジカルを含むガスを用いてもよい。【選択図】　　　　図３
2004134620.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空に排気されるチャンバと、
この真空チャンバ内に配置され、ソース物質を収容する収容手段と、
この収容手段に収容されたソース物質を蒸発させるべく加熱する第１の加熱手段と、
前記真空チャンバ内において前記収容手段の上方に配置され、被処理基板を蒸着面が前記収容手段に向く状態で保持する保持手段と、
この保持手段で保持された被処理基板を蒸着面とは反対側の面から加熱する第２の加熱手段と、
前記真空チャンバ内において前記収容手段に収容されたソース物質の蒸気を前記保持手段で保持された被処理基板の蒸着面に案内する案内手段と、
この案内手段で案内されるソース物質の蒸気を加熱する第３の加熱手段と、
前記ソース物質の蒸気と反応する反応ガスを前記真空チャンバの外部から前記ソース物質の蒸気の通路に導入する導入手段と
を備えたホットウォール型エピタキシー装置を用いる窒化ガリウムエピタキシー法であって、
前記被処理基板として少なくとも蒸着面が炭化シリコンの単結晶からなるものを用いると共に、前記ソース物質としてガリウムを、前記反応ガスとして窒素含有ガスをそれぞれ用いることにより前記被処理基板の蒸着面にて前記炭化シリコンの単結晶に直接連続して窒化ガリウムをエピタキシャル成長させることを特徴とする窒化ガリウムエピタキシー法。
【請求項２】
前記第３の加熱手段をランプヒータで構成すると共に該ランプヒータの輻射光を前記被処理基板の蒸着面に照射する構成にした請求項１記載の窒化ガリウムエピタキシー法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ＧａＮ（窒化ガリウム）膜をＳｉＣ（炭化シリコン）基板上にエピタキシャル成長させるＧａＮエピタキシー法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＳｉＣ基板上にバッファ層を介してＧａＮ膜をエピタキシャル成長させる方法としては、ＣＶＤ（ケミカル・ベーパー・デポジション）法又はＭＢＥ（分子線エピタキシー）法を用いたものが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来技術によると、ＣＶＤ法又はＭＢＥ法のいずれの方法に用いるにしても、熱的に非平衡な状態で結晶成長が行なわれるため、結晶性がよいＧａＮ膜が得られないという問題点がある。また、予めＳｉＣ基板上にＧａＮ又はＧａＡｌＮ等からなるバッファ層を形成するため、コスト高を招くという問題点がある。
【０００４】
この発明の目的は、ＳｉＣ基板の上にバッファ層なしに結晶性良好なＧａＮ膜を成長させることができる新規なＧａＮエピタキシー法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るＧａＮエピタキシー法は、
真空に排気されるチャンバと、
この真空チャンバ内に配置され、ソース物質を収容する収容手段と、
この収容手段に収容されたソース物質を蒸発させるべく加熱する第１の加熱手段と、
前記真空チャンバ内において前記収容手段の上方に配置され、被処理基板を蒸着面が前記収容手段に向く状態で保持する保持手段と、
この保持手段で保持された被処理基板を蒸着面とは反対側の面から加熱する第２の加熱手段と、
前記真空チャンバ内において前記収容手段に収容されたソース物質の蒸気を前記保持手段で保持された被処理基板の蒸着面に案内する案内手段と、
この案内手段で案内されるソース物質の蒸気を加熱する第３の加熱手段と、
前記ソース物質の蒸気と反応する反応ガスを前記真空チャンバの外部から前記ソース物質の蒸気の通路に導入する導入手段と
を備えたホットウォール型エピタキシー装置を用いるＧａＮエピタキシー法であって、
前記被処理基板として少なくとも蒸着面が炭化シリコンの単結晶からなるものを用いると共に、前記ソース物質としてガリウムを、前記反応ガスとして窒素含有ガスをそれぞれ用いることにより前記被処理基板の蒸着面にて前記炭化シリコンの単結晶に直接連続して窒化ガリウムをエピタキシャル成長させることを特徴とするものである。
【０００６】
この発明のＧａＮエピタキシー法によれば、ホットウォール型エピタキシー装置において被処理基板と案内手段（ホットウォール部）との間隔が約１ｃｍと狭く、ホットウォール部からの輻射と赤外線のエネルギーにより結合の弱い不安定な結晶が再蒸発するため、バッファ層なしでも結晶性良好なＧａＮ膜を得ることができる。
【０００７】
この発明のＧａＮエピタキシー法において、前記第３の加熱手段をランプヒータで構成すると共に該ランプヒータの輻射光を前記被処理基板の蒸着面に照射する構成にしてもよい。このようにすると、ＧａＮ膜の結晶性を一層向上させることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１、２は、この発明の一実施形態に係るＧａＮエピタキシー法を示すものである。
【０００９】
図１の工程では、単結晶ＳｉＣからなるＳｉＣ基板１０を用意する。基板１０は、少なくとも蒸着面がＳｉＣの単結晶からなっていればよく、他の部分がＳｉＣの多結晶からなっていてもよい。次に、基板１０に１０００℃付近の基板温度でサーマルアニール処理を施して自然酸化膜や不純物を飛ばすことにより基板表面を清浄化する。
【００１０】
図２の工程では、図３に示すホットウォール型エピタキシー装置を用いて基板１０の蒸着面にてＳｉＣの単結晶に直接連続してＧａＮ膜（ＧａＮ単結晶膜）１２をエピタキシャル成長させる。ＳｉＣ及びＧａＮの格子定数は、それぞれ３．０８１及び３．１８９であるが、バッファ層なしでも結晶性良好なＧａＮ膜１２が得られた。
【００１１】
図３に示すホットウォール型エピタキシー装置において、真空チャンバ２０は、排気口２０ａを介して真空に排気されるようになっている。真空チャンバ２０内において、底部には、支持台２２が配置されている。真空チャンバ２０内において、支持台２２上には、例えばステンレススチールからなる円筒状のホットウォール管２４内が直立した状態で支持されている。ホットウォール管２４内には、石英管２６が配置され、石英管２６の開口端の周囲に設けられたフランジ２６ａの周縁部がホットウォール管２４の開口端に支持されている。
【００１２】
石英管２６は、ソース物質２８を収容するソース収容部２６Ａと、ソース物質２８の蒸気を上方に案内する蒸気案内部（ホットウォール部）２６Ｂとに大別される。石英管２６において、ソース収容部２６Ａは、破線Ａで示すように蒸気案内部２６Ｂより直径が小さくなるように構成してもよい。石英管２６とホットウォール管２４との間には、ソース収容部２６Ａを取囲むように複数（例えば８個）のランプヒータ３０Ａが設けられると共に、蒸気案内部２６Ｂを取囲むように複数（例えば８個）のランプヒータ３０Ｂが設けられている。
【００１３】
複数のランプヒータ３０Ａは、ソース収容部２６Ａに収容されたソース物質２８を蒸発させるべく加熱するためのものである。複数のランプヒータ３０Ｂは、蒸気案内部２６Ｂで上方に案内されるソース物質２８の蒸気を加熱するためのものであるが、その輻射光は、石英管２６の開口端及びフランジ２６ａを並行的に介して被処理基板３４の蒸着面（石英管２６の開口端に対向する面）に照射されるようになっている。複数のランプヒータ３０Ｂのうちの各ランプヒータは、赤外光と共に可視光を輻射するので、基板３４の蒸着面では、高いエネルギーを持った輻射光照射により弱い結合の飛来原子が排除され、強い結合の飛来原子を主体に結晶性のよい薄膜が形成される。
【００１４】
ホットウォール管２４は、複数のランプヒータ３０Ａ，３０Ｂからの熱輻射をシールドするためのものである。ホットウォール管２４には、複数のランプヒータ３０Ａと複数のランプヒータ３０Ｂとの間で熱輻射をシールドすべく内方に突出した環状の仕切り部２４Ｓが設けられている。ホットウォール管２４をステンレススチール等の金属で構成するときは、仕切り部２４Ｓを管本体と一体的に形成することができる。複数のランプヒータ３０Ａの温度制御回路と、複数のランプヒータ３０Ｂの温度制御回路とは、互いに独立しており、別々に加熱温度を設定可能である。
【００１５】
石英管２６の上方には、被処理基板３４を保持する基板ホルダ３２が配置されている。基板ホルダ３２は、石英管２６の開口端から距離Ｄの位置に基板３４の蒸着面が配置されるように基板３４を保持する。距離Ｄは、約１ｃｍである。基板３４の蒸着面とは反対側には、基板３４を加熱するためのランプヒータ３６が設けられている。ランプヒータ３６の温度制御回路では、基板３４の加熱温度を適宜設定可能である。
【００１６】
ガス導入管３８は、ソース物質２８の蒸気と反応する反応ガスＧを真空チャンバ２０の外部からソース物質２８の蒸気の通路に導入するためのものである。ガス導入管３８の先端は、一例として石英管２６の開口端の近傍に配置したが、蒸気案内部２６Ｂの内部等に配置してもよい。
【００１７】
図３のエピタキシー装置を用いて図２のエピタキシャル成長処理を行なう際には、被処理基板３４としてＳｉＣ基板１０を基板ホルダ３２にセットする。また、ソース物質２８としては、金属Ｇａを用いると共に、反応ガスＧとしては、ＮＨ３（アンモニア）を用いる。基板１０の温度を９５０〜１０５０℃とし、金属Ｇａの加熱温度を７００〜８００℃とし、真空チャンバ２０内の圧力を０．１３３Ｐａ（１０−３Ｔｏｒｒ）とする。このような条件でエピタキシャル成長を行なうことにより結晶性良好なＧａＮ膜１２が得られた。
【００１８】
図４は、この発明のＧａＮエピタキシー法を用いて製作された発光ダイオードの発光特性を示すものである。図４によれば、バンド端での発光強度が強く、発光波長領域の幅が狭いので、結晶性がよいと評価される。結晶性が良好でない場合は、バンド端での発光強度が弱く、発光波長領域の幅が広い。
【００１９】
上記した実施形態において、ソース物質２８としては、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）等の有機ソースを用いてもよく、反応ガス（窒素含有ガス）Ｇとしては、Ｎ２をプラズマ励起して得られる窒素ラジカルを含むガス等を用いてもよい。
【００２０】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、ホットウォール型エピタキシー装置を用いてＳｉＣ基板上に直接的にＧａＮ膜をエピタキシャル成長させるようにしたので、ＧａＮ膜の結晶性が向上すると共にコスト低減が可能となる効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態に係るＧａＮエピタキシー法におけるサーマルアニール工程を示す断面図である。
【図２】図１の工程に続くエピタキシャル成長工程を示す断面図である。
【図３】図２のエピタキシャル成長工程で使用されるホットウォール型エピタキシー装置を示す断面図である。
【図４】この発明のＧａＮエピタキシー法を用いて製作された発光ダイオードの発光特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１０：ＳｉＣ基板、１２：ＧａＮ膜、２０：真空チャンバ、２２：支持台、２４：ホットウォール管、２６：石英管、２６Ａ：ソース収容部、２６Ｂ：蒸気案内部、２８：ソース物質、３０Ａ，３０Ｂ，３６：ランプヒータ、３２：基板ホルダ、３４：被処理基板、３８：ガス導入管。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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