(57)【要約】【課題】本発明は、反応管の清掃が不要で、連続して気相成長できる半導体膜の気相成長装置及び気相成長方法を提供する。【解決手段】基板を載せるためのサセプターと、該基板を加熱するためのヒーターと、反応管内部に前記基板に実質的に平行になるように配置され、下部に第１種ガスの導入部、排出部を有し、上部に第２種ガスの導入部、排出部を有する仕切り部と、を備え、前記仕切り部の前記サセプターの上方位置に開口部を設け、該開口部下部に前記開口部の面積より大きい面積の第２種ガスだまり部を形成したことを特徴とする。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を載せるためのサセプターと、該基板を加熱するためのヒーターと、反応管内部に前記基板に実質的に平行になるように配置され、下部に第１種ガスの導入部、排出部を有し、上部に第２種ガスの導入部、排出部を有する仕切り部と、を備え、前記仕切り部の前記サセプターの上方位置に開口部を設け、該開口部下部に前記開口部の面積より大きい面積の第２種ガスだまり部を形成したことを特徴とする気相成長装置。
【請求項２】
前記第２種ガスだまり部を前記仕切り部の前記開口部を含む凸状としたことを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。
【請求項３】
前記第２種ガスだまり部を基準として、その上流側である第２種ガス導入側流路の高さをＸ１、その下流側である第２種ガス排出側流路の高さをＹ１とした時、Ｘ１＞Ｙ１としたことを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。
【請求項４】
前記第２種ガスの流路長は前記第１種ガスの流路長より短くしたことを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。
【請求項５】
前記サセプターが複数枚の基板を載せる構造としたことを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。
【請求項６】
反応管内に設置され加熱された基板の表面に、原料ガスを供給して基板表面に実質的に半導体膜を気相成長させる方法において、基板に実質的に平行になるように配置され、下部に第１種ガスの導入部、排出部を有し、上部に第２種ガスの導入部、排出部を有する仕切り部を備え、該仕切り部の前記サセプターの上方位置に開口部を設け、該開口部下部に設けられた前記開口部より大きい第２種ガスだまり部により前記第２種ガスを制御し、前記第２種ガスによって前記第１種ガスに側圧を加えながら気相成長を行うことを特徴とする気相成長方法。
【請求項７】
反応管内に設置され加熱された基板の表面に、原料ガスを供給して基板表面に実質的に半導体膜を気相成長させる方法において、基板に実質的に平行になるように配置され、下部に第１種ガスの導入部、排出部を有し、上部に第２種ガスの導入部、排出部を有する仕切り部を備え、該仕切り部の前記サセプターの上方位置に開口部を設け、該開口部下部に設けられた開口部より大きい第２種ガスだまり部に第２種ガス突出部を形成し、該第２種ガス突出部により第１種ガスに側圧を加えるとともに、前記第２種ガスだまり部以外の前記仕切り部下部排出側へ第２種ガスを挟んで第１種ガスを排出するようにしたことを特徴とする気相成長方法。
【請求項８】
基板が自転及び／又は公転するとともに気相成長反応がサセプター全面に行われるようにしたことを特徴とする請求項６〜７記載の気相成長方法。
【請求項９】
前記第２種ガスだまり部の第２種ガス導入側の壁高さをＡ１、第２種ガス排出側壁高さをＢ１としたとき、Ａ１＞Ｂ１としたことを特徴とする請求項２記載の気相成長装置。
【請求項１０】
基板を載せるためのサセプターと、該基板を加熱するためのヒーター及び、反応管内部基板に実質的に平行になるように配置され、下部に第１種ガスの導入部、排出部を有し、上部に第２種ガスの導入部、排出部を有する仕切り部を備え、該仕切り部の前記基板の上方位置に開口部を設けた気相成長装置において、前記反応管の上壁に傾斜を持たせ、第２種ガス導入側の前記上壁高さをＸ３、第２種ガス排出側の前記上壁高さをＹ３としたとき、Ｘ３＞Ｙ３としたことを特徴とする気相成長装置。
【請求項１１】
基板を載せるためのサセプターと、該基板を加熱するためのヒーター及び、反応管内部基板に実質的に平行になるように配置され、下部に第１種ガスの導入部、排出部を有し、上部に第２種ガスの導入部、排出部を有する仕切り部を備え、該仕切り部の前記サセプターの上方位置に開口部を設けた気相成長装置において、前記開口部よりも下流の第２種ガス排出部側上壁に、排出部側面積が導入側面積より小さくなるような段差を持たせたことを特徴とする気相成長装置。
【請求項１２】
基板を載せるためのサセプターと、該基板を加熱するためのヒーター及び、反応管内部基板に実質的に平行になるように配置され、下部に第１種ガスの導入部、排出部を有し、上部に第２種ガスの導入部、排出部を有する仕切り部を備え、該仕切り部の前記サセプターの上方位置に開口部を設けた気相成長装置において、前記開口部の上に位置する第２種ガス流路上壁に、排出部側面積が導入側面積より小さくなるような段差を持たせたことを特徴とする気相成長装置。
【請求項１３】
基板を載せるためのサセプターと、該基板を加熱するためのヒーター及び、反応管内部基板に実質的に平行になるように配置された下部に第１種ガスの導入部、排出部を有し、上部に第２種ガスの導入部、排出部を有する仕切り部を備え、該仕切り部の前記サセプターの上方位置に開口部を設けた気相成長装置において、前記開口部の上方に位置する流路上壁に、第２種ガス排出部側面積が導入部側面積より小となるような傾斜をもたせたことを特徴とする気相成長装置。
【請求項１４】
基板を載せるためのサセプターと、該基板を加熱するためのヒーター及び、反応管内部基板に実質的に平行になるように配置された下部に第１種ガスの導入部、排出部を有し、上部に第２種ガスの導入部、排出部を有する第１の仕切り板を備え、該仕切り板の前記サセプターの上方位置に第１の開口部を設けた気相成長装置において、前記第２種ガス流路に第２の仕切り板を設け、該第２の仕切り板の前記サセプターの上方位置に第２の開口部を設け、前記第１の開口部の長さをＥ、前記第２の開口部の長さをＦとしたとき、Ｅ＞Ｆとしたことを特徴とする気相成長装置。
【請求項１５】
前記開口部の面積を前記基板の面積の０．５〜６倍にしたことを特徴とする請求項９〜１４記載の気相成長装置。
【請求項１６】
第１種ガスの導入部と排出部を持つ第１の反応管と、基板を載せるために前記第１の反応管の底部に配置されたサセプターと、該基板を加熱するためのヒーターと、第２種ガスの導入部と排出部を備え形状が略Ｕ字でガスを底部で第１の反応管内のガスと平行に流せるように前記第１の反応管に積層された第２の反応管とを備え、基板サセプターの上部に前記第１の反応管の上部と第２の反応管の底部を接続する開口部を設けたことを特徴とする気相成長装置。
【請求項１７】
基板を載せるためのサセプターと、該基板を加熱するためのヒーターと、第１種ガスを流すための導入部と排出部を備え前記サセプターに実質的に平行に第１種ガスを流す第１の流路を有する反応管とを備え、前記反応管は、該反応管の上部に第２種ガスを前記サセプターに実質的に平行に流す第２の流路と、前記第１と第２の流路を前記サセプターの上方位置で連絡する開口部とを備え、前記第２の流路は、第２種ガスが前記サセプターの上面と垂直な方向に導入と排出されるように、前記第２種ガスの導入部と排出部を反応管上部から上向きに引き出したことを特徴とする気相成長装置。
【請求項１８】
第２種のガスの導入側部、排出側部が反応管を通して反応管上部に引き出されたことを特徴とする請求項９〜１４記載の気相成長装置。
【請求項１９】
前記傾斜の角度を０．１〜１０度としたことを特徴とする請求項１０あるいは請求項１３記載の気相成長装置。
【請求項２０】
反応管内に設置され加熱された基板の表面に、原料ガスを供給して基板表面に実質的に半導体膜を気相成長させる方法において、基板に実質的に平行になるように配置され、下部に第１種ガスの導入部、排出部を有し、上部に第２種ガスの導入部、排出部を有する仕切り部を備え、前記仕切り部の前記基板の上方位置に開口部を設け、第２種ガス導入側の流路を第２種ガス排出側の流路より大きくすることにより、前記開口部に第２種ガスによる突出部を作り、該突出部によって第１種ガスに側圧を加えるとともに、前記仕切り部と第１種ガスの間に第２種ガスを挟むようにして第１種ガスを排出することを特徴とする気相成長方法。
【請求項２１】
反応管内に設置され加熱された基板の表面に、原料ガスを供給して基板表面に実質的に半導体膜を気相成長させる方法において、基板に実質的に平行になるように配置され、下部に第１種ガスの導入部、排出部を有し、上部に第２種ガスの導入部、排出部を有する第１の仕切り部を備え、第１の仕切り部の前記基板の上方位置に第１の開口部を設け、第１の仕切り部の上に第２の仕切り部を備え、第２の仕切り部の前記基板の上方位置に第２の開口部を設け、第１の仕切り部上及び第２の仕切り部２の上に第２種ガスを流し、第１、第２の開口部に第２種ガスによる突出部を作り、この突出部のによって第１種ガスに側圧を加えることを特徴とする気相成長方法。
【請求項２２】
反応管内に設置され加熱された基板の表面に、原料ガスを供給して基板表面に実質的に半導体膜を気相成長させる方法において、基板に実質的に平行になるように配置され、下部に第１種ガスの導入部、排出部を有し、上部に第２種ガスの導入部、排出部を有する第１の仕切り部を備え、第１の仕切り部の前記基板の上方位置に第１の開口部を設け、第１の仕切り部の上に第２の仕切り部２を備え、第２の仕切り部２の前記基板の上方位置に第２の開口部を設け、第１、第２の仕切り部の上に第２種ガスを流し、第１、第２の開口部１、開口部２に第２種ガスによる突出部を作り、この突出部によって第１種ガスに側圧を加えるとともに、前記第１の仕切り部と第１種ガスの間に第２種ガスを挟むようにして第１種ガスを排出することを特徴とする気相成長方法。
【請求項２３】
第１種ガスと第２種ガスを隔てる前記仕切り部を反応管を横断する仕切り板としたことを特徴とする請求項１に記載の気相成長装置。
【請求項２４】
前記第２種ガスだまり部において、ガス排出側ガスだまり壁高さを略０としたことを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。
【請求項２５】
第２種ガス専用の排出部を閉じることにより、第２種ガスの流路長を第１ガスの流路長より短くしたことを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。
【請求項２６】
前記開口部の平面形状は長方形、正方形、円、楕円、卵形の何れかとしたことを特徴とする請求項１、２、９〜１８の何れかに記載の気相成長装置。
【請求項２７】
前記第２種ガスだまり部の平面形状は長方形、正方形、円、楕円、卵形の何れかとしたことを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。
【請求項２８】
第１種ガスを原料ガスとし、第２種ガスを原料ガスを含まないガスとしたことを特徴とする請求項１、９〜１４，１６〜１８の何れかに記載の気相成長装置。
【請求項２９】
前記仕切り部の構成材料が石英であることを特徴とする請求項１、９〜１８の何れかに記載の気相成長装置。
【請求項３０】
反応管内に設置され加熱された基板の表面に、原料ガスを供給して基板表面に実質的に半導体膜を気相成長させる方法において、基板に実質的に平行に配置された第１種ガスと第２種ガスを隔てる仕切り部の前記基板上部に開口部を設け、この開口部において第２種ガス導入側のみとして排出側を閉じ、前記開口部によって第２種ガスの突出部を制御することにより、第１種ガスに第２種ガスの側圧を加えながら気相成長を行うことを特徴とする気相成長方法。
【請求項３１】
前記仕切り部と第１種ガスの間に前記第２種ガスを挟むようにして前記第１種ガスを排出するようにしたことを特徴とする請求項３０に記載の気相成長方法。
【請求項３２】
前記第２種ガスの流量は前記第１種ガスの流量の１／６〜１／３０であることを特徴とする請求項６，７，２０〜２２の何れかに記載の気相成長方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体膜の気相成長装置、及び成長方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ等のＩＩＩ族窒化ガリウム系半導体を用いた半導体レーザ素子、発光ダイオード等の半導体発光素子の需要が急速に高まっている。窒化ガリウム系半導体の製造方法としては、トリメチルガリウム、トリメチルインジュウム、又はトリメチルアルミニュウム等の有機金属ガスをＩＩＩ族金属源として、アンモニアを窒素源として用い、あらかじめ反応管にセットされたサファイア等の基板上に原料導入管から、導入し、加熱された基板上で気相成長させる方法が知られている。この方法では基板上で原料を含むガスが加熱されることにより発生する熱対流によって基板に対向した反応管壁に分解生成物または反応生成物が析出し、反応管を汚染し、析出した固形物が基板に落下し、落下した場所には反応が進まない不具合があった。気相成長を行う毎に反応管壁の清掃が必要となり、連続して成長できない欠点があつた。またこれらを解決するために別の方法が示されている（特許文献１参照）。基板に対して平行ないし傾斜する方向に、反応ガスを供給し、基板の表面に対して実質的に垂直な方向に副噴射管により反応ガスを含まない押圧ガスを供給し、反応ガスを基板に吹き付ける方向を変更させて半導体膜を成長させる方法が示されているが、副噴射管は下方の基板に向かって開口面積が大きくなるテーパー状をしているため装置が大型となる欠点があった。また窒化化合物半導体以外の使用では副噴射管における押圧ガスのロスが大きくて使用できない欠点があった。前記の気相成長装置あるいは気相成長方法においては、直交するガス流、すなわち原料ガスを含むガスと押圧ガスが基板上で混合されるためガス流に乱れが生じやすかった。例えば、複数枚の基板の同時成長を行う場合は基板の広範囲にわたって均一な濃度で原料ガスを供給することは困難であった。
【０００３】
【特許文献１】
特許２６２８４０４号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、反応管壁の汚染を防止することを課題の１つとする。また、反応管壁に付着した固形物の基板への落下を防止することを課題の１つとする。また、反応管の清掃回数を削減することを課題の１つとする。また、連続して気相成長でき、大型基板あるいは複数枚の基板の同時成長を可能とすることを課題の１つとする。また、ガス流の乱れを少なくして基板上に均一に原料ガスを供給することを課題の１つとする。そして、小型で、使用ガスの量の少ない気相成長装置及び気相成長方法を提供することを課題の１つとする。また、窒化化合物半導体以外の材料の気相成長にも使用できる、気相成長装置及び気相成長方法を提供することを課題の１つとする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、請求項１に記載のように、基板を載せるためのサセプターと、該基板を加熱するためのヒーターと、反応管内部に前記基板に実質的に平行になるように配置され、下部に第１種ガスの導入部、排出部を有し、上部に第２種ガスの導入部、排出部を有する仕切り部と、を備え、前記仕切り部の前記サセプターの上方位置に開口部を設け、該開口部下部に前記開口部の面積より大きい面積の第２種ガスだまり部を形成したことを特徴とする。
【０００６】
本発明は、請求項２に記載のように、前記第２種ガスだまり部を前記仕切り部の前記開口部を含む凸状としたことを特徴とする。
【０００７】
本発明は、請求項３に記載のように、前記第２種ガスだまり部を基準として、その上流側である第２種ガス導入側流路の高さをＸ１、その下流側である第２種ガス排出側流路の高さをＹ１とした時、Ｘ１＞Ｙ１としたことを特徴とする。
【０００８】
本発明は、請求項４に記載のように、前記第２種ガスの流路長は前記第１種ガスの流路長より短くしたことを特徴とする。
【０００９】
本発明は、請求項５に記載のように、前記サセプターが複数枚の基板を載せる構造としたことを特徴とする。
【００１０】
本発明は、請求項６に記載のように、反応管内に設置され加熱された基板の表面に、原料ガスを供給して基板表面に実質的に半導体膜を気相成長させる方法において、基板に実質的に平行になるように配置され、下部に第１種ガスの導入部、排出部を有し、上部に第２種ガスの導入部、排出部を有する仕切り部を備え、該仕切り部の前記サセプターの上方位置に開口部を設け、該開口部下部に設けられた前記開口部より大きい第２種ガスだまり部により前記第２種ガスを制御し、前記第２種ガスによって前記第１種ガスに側圧を加えながら気相成長を行うことを特徴とする。
【００１１】
本発明は、請求項７に記載のように、反応管内に設置され加熱された基板の表面に、原料ガスを供給して基板表面に実質的に半導体膜を気相成長させる方法において、基板に実質的に平行になるように配置され、下部に第１種ガスの導入部、排出部を有し、上部に第２種ガスの導入部、排出部を有する仕切り部を備え、該仕切り部の前記サセプターの上方位置に開口部を設け、該開口部下部に設けられた開口部より大きい第２種ガスだまり部に第２種ガス突出部を形成し、該第２種ガス突出部により第１種ガスに側圧を加えるとともに、前記第２種ガスだまり部以外の前記仕切り部下部排出側へ第２種ガスを挟んで第１種ガスを排出するようにしたことを特徴とする。
【００１２】
本発明は、請求項８に記載のように、基板が自転及び／又は公転するとともに気相成長反応がサセプター全面に行われるようにしたことを特徴とする。
【００１３】
本発明は、請求項９に記載のように、前記第２種ガスだまり部の第２種ガス導入側の壁高さをＡ１、第２種ガス排出側壁高さをＢ１としたとき、Ａ１＞Ｂ１としたことを特徴とする。
【００１４】
本発明は、請求項１０に記載のように、基板を載せるためのサセプターと、該基板を加熱するためのヒーター及び、反応管内部基板に実質的に平行になるように配置され、下部に第１種ガスの導入部、排出部を有し、上部に第２種ガスの導入部、排出部を有する仕切り部を備え、該仕切り部の前記基板の上方位置に開口部を設けた気相成長装置において、前記反応管の上壁に傾斜を持たせ、第２種ガス導入側の前記上壁高さをＸ３、第２種ガス排出側の前記上壁高さをＹ３としたとき、Ｘ３＞Ｙ３としたことを特徴とする。
【００１５】
本発明は、請求項１１に記載のように、基板を載せるためのサセプターと、該基板を加熱するためのヒーター及び、反応管内部基板に実質的に平行になるように配置され、下部に第１種ガスの導入部、排出部を有し、上部に第２種ガスの導入部、排出部を有する仕切り部を備え、該仕切り部の前記サセプターの上方位置に開口部を設けた気相成長装置において、前記開口部よりも下流の第２種ガス排出部側上壁に、排出部側面積が導入側面積より小さくなるような段差を持たせたことを特徴とする。
【００１６】
本発明は、請求項１２に記載のように、基板を載せるためのサセプターと、該基板を加熱するためのヒーター及び、反応管内部基板に実質的に平行になるように配置され、下部に第１種ガスの導入部、排出部を有し、上部に第２種ガスの導入部、排出部を有する仕切り部を備え、該仕切り部の前記サセプターの上方位置に開口部を設けた気相成長装置において、前記開口部の上に位置する第２種ガス流路上壁に、排出部側面積が導入側面積より小さくなるような段差を持たせたことを特徴とする。
【００１７】
本発明は、請求項１３に記載のように、基板を載せるためのサセプターと、該基板を加熱するためのヒーター及び、反応管内部基板に実質的に平行になるように配置された下部に第１種ガスの導入部、排出部を有し、上部に第２種ガスの導入部、排出部を有する仕切り部を備え、該仕切り部の前記サセプターの上方位置に開口部を設けた気相成長装置において、前記開口部の上方に位置する流路上壁に、第２種ガス排出部側面積が導入部側面積より小となるような傾斜をもたせたことを特徴とする。
【００１８】
本発明は、請求項１４に記載のように、基板を載せるためのサセプターと、該基板を加熱するためのヒーター及び、反応管内部基板に実質的に平行になるように配置された下部に第１種ガスの導入部、排出部を有し、上部に第２種ガスの導入部、排出部を有する第１の仕切り板を備え、該仕切り板の前記サセプターの上方位置に第１の開口部を設けた気相成長装置において、前記第２種ガス流路に第２の仕切り板を設け、該第２の仕切り板の前記サセプターの上方位置に第２の開口部を設け、前記第１の開口部の長さをＥ、前記第２の開口部の長さをＦとしたとき、Ｅ＞Ｆとしたことを特徴とする。
【００１９】
本発明は、請求項１５に記載のように、前記開口部の面積を前記基板の面積の０．５〜６倍にしたことを特徴とする。
【００２０】
本発明は、請求項１６に記載のように、第１種ガスの導入部と排出部を持つ第１の反応管と、基板を載せるために前記第１の反応管の底部に配置されたサセプターと、該基板を加熱するためのヒーターと、第２種ガスの導入部と排出部を備え形状が略Ｕ字でガスを底部で第１の反応管内のガスと平行に流せるように前記第１の反応管に積層された第２の反応管とを備え、基板サセプターの上部に前記第１の反応管の上部と第２の反応管の底部を接続する開口部を設けたことを特徴とする。
【００２１】
本発明は、請求項１７に記載のように、基板を載せるためのサセプターと、該基板を加熱するためのヒーターと、第１種ガスを流すための導入部と排出部を備え前記サセプターに実質的に平行に第１種ガスを流す第１の流路を有する反応管とを備え、前記反応管は、該反応管の上部に第２種ガスを前記サセプターに実質的に平行に流す第２の流路と、前記第１と第２の流路を前記サセプターの上方位置で連絡する開口部とを備え、前記第２の流路は、第２種ガスが前記サセプターの上面と垂直な方向に導入と排出されるように、前記第２種ガスの導入部と排出部を反応管上部から上向きに引き出したことを特徴とする。
【００２２】
本発明は、請求項１８に記載のように、第２種のガスの導入側部、排出側部が反応管を通して反応管上部に引き出されたことを特徴とする。
【００２３】
本発明は、請求項１９に記載のように、前記傾斜の角度を０．１〜１０度としたことを特徴とする。
【００２４】
本発明は、請求項２０に記載のように、反応管内に設置され加熱された基板の表面に、原料ガスを供給して基板表面に実質的に半導体膜を気相成長させる方法において、基板に実質的に平行になるように配置され、下部に第１種ガスの導入部、排出部を有し、上部に第２種ガスの導入部、排出部を有する仕切り部を備え、前記仕切り部の前記基板の上方位置に開口部を設け、第２種ガス導入側の流路を第２種ガス排出側の流路より大きくすることにより、前記開口部に第２種ガスによる突出部を作り、該突出部によって第１種ガスに側圧を加えるとともに、前記仕切り部と第１種ガスの間に第２種ガスを挟むようにして第１種ガスを排出することを特徴とする。
【００２５】
本発明は、請求項２１に記載のように、反応管内に設置され加熱された基板の表面に、原料ガスを供給して基板表面に実質的に半導体膜を気相成長させる方法において、基板に実質的に平行になるように配置され、下部に第１種ガスの導入部、排出部を有し、上部に第２種ガスの導入部、排出部を有する第１の仕切り部を備え、第１の仕切り部の前記基板の上方位置に第１の開口部を設け、第１の仕切り部の上に第２の仕切り部を備え、第２の仕切り部の前記基板の上方位置に第２の開口部を設け、第１の仕切り部上及び第２の仕切り部２の上に第２種ガスを流し、第１、第２の開口部に第２種ガスによる突出部を作り、この突出部のによって第１種ガスに側圧を加えることを特徴とする。
【００２６】
本発明は、請求項２２に記載のように、反応管内に設置され加熱された基板の表面に、原料ガスを供給して基板表面に実質的に半導体膜を気相成長させる方法において、基板に実質的に平行になるように配置され、下部に第１種ガスの導入部、排出部を有し、上部に第２種ガスの導入部、排出部を有する第１の仕切り部を備え、第１の仕切り部の前記基板の上方位置に第１の開口部を設け、第１の仕切り部の上に第２の仕切り部２を備え、第２の仕切り部２の前記基板の上方位置に第２の開口部を設け、第１、第２の仕切り部の上に第２種ガスを流し、第１、第２の開口部１、開口部２に第２種ガスによる突出部を作り、この突出部によって第１種ガスに側圧を加えるとともに、前記第１の仕切り部と第１種ガスの間に第２種ガスを挟むようにして第１種ガスを排出することを特徴とする。
【００２７】
本発明は、請求項２３に記載のように、第１種ガスと第２種ガスを隔てる前記仕切り部を反応管を横断する仕切り板としたことを特徴とする。
【００２８】
本発明は、請求項２４に記載のように、前記第２種ガスだまり部において、ガス排出側ガスだまり壁高さを略０としたことを特徴とする。
【００２９】
本発明は、請求項２５に記載のように、第２種ガス専用の排出部を閉じることにより、第２種ガスの流路長を第１ガスの流路長より短くしたことを特徴とする。
【００３０】
本発明は、請求項２６に記載のように、前記開口部の平面形状は長方形、正方形、円、楕円、卵形の何れかとしたことを特徴とする。
【００３１】
本発明は、請求項２７に記載のように、前記第２種ガスだまり部の平面形状は長方形、正方形、円、楕円、卵形の何れかとしたことを特徴とする。
【００３２】
本発明は、請求項２８に記載のように、第１種ガスを原料ガスとし、第２種ガスを原料ガスを含まないガスとしたことを特徴とする。
【００３３】
本発明は、請求項２９に記載のように、前記仕切り部の構成材料が石英であることを特徴とする。
【００３４】
本発明は、請求項３０に記載のように、反応管内に設置され加熱された基板の表面に、原料ガスを供給して基板表面に実質的に半導体膜を気相成長させる方法において、基板に実質的に平行に配置された第１種ガスと第２種ガスを隔てる仕切り部の前記基板上部に開口部を設け、この開口部において第２種ガス導入側のみとして排出側を閉じ、前記開口部によって第２種ガスの突出部を制御することにより、第１種ガスに第２種ガスの側圧を加えながら気相成長を行うことを特徴とする。
【００３５】
本発明は、請求項３１に記載のように、前記仕切り部と第１種ガスの間に前記第２種ガスを挟むようにして前記第１種ガスを排出するようにしたことを特徴とする。
【００３６】
本発明は、請求項３２に記載のように、前記第２種ガスの流量は前記第１種ガスの流量の１／６〜１／３０であることを特徴とする。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。図１は、本発明の第１の実施形態である気相成長装置１００の基本的な構成を示す概略図で、同図（Ａ）は、反応管の長さ方向に沿った装置の断面図、同図（Ｂ）は反応管の幅方向に沿った装置の断面図である。
【００３８】
図１に示すように、装置１００は、反応管１０１と、基板１０２を保持するサセプター１０３とを備えている。反応管１０１は石英製で、幅３００ｍｍ、高さ３０ｍｍ、長さ５００ｍｍの扁平で横長な筒状をしている。サセプター１０３は、反応管１０１の底部に配置され、外形寸法が２８０ｍｍ程度の円形の石英製で、基板１０２を回転（公転あるいは自転）させることができる。装置１００は、ヒーター１０４を備え、基板１０２を高温に加熱することができる。ヒーター１０４は、サセプター１０３と一体に設けている。図１には、サセプター１０３上に一枚の基板１０２しか記載していなが、直径が１インチ前後のＧａＮ基板の場合、中心に１枚、その周囲に５枚、合わせて６枚の基板をサセプター１０３上に配置することができ、複数枚の同時成膜を可能としている。
【００３９】
この成長装置は、基板１０２に実質的に平行となるように配置され、下部に原料ガス（第１種ガス）１０９の導入部１０５と反応済みガスの排出部１０６を備え、上部に原料ガス１０９を含まないガス（第２種ガス）（以下押圧ガスという）１１０の導入部１０７と排出部１０８を持つ仕切り部１１１ａ、１１１ｂを形成したことを特徴とする。基板１０２の上方に位置する仕切り部１１１ａに、開口部１１２を備え、開口部１１２の下部に開口部１１２の面積より大きい面積のガスだまり部１１５を形成したことを特徴とする。ガスだまり部１１５は、反応管１０１の中央に位置する仕切り部１１１ａを他の仕切り部１１１ｂよりも一段高い位置になるように上方に突出させることによって形成している。このガスだまり部１１５は、開口部１１２から導入されるガス（押圧ガス）１１０を下に向けて凸状に保つように作用する。
【００４０】
この装置１００は、反応管１０１の内部に仕切り部１１１を水平に配置することによって、反応管１０１の内部を上下に仕切っている。仕切り部１１１を配置することによって、異なるガスの流路を上下に平行に形成している。反応管１０１の一端に原料ガス１０９の導入部１０５、反応管１０１の他端に反応済みガスの排出部１０６を備えている。反応管１０１の一端に押圧ガス１１０の導入部１０７、反応管１０１の他端に押圧ガス１１０の排出部１０８を備えている。原料ガス１０９の導入部１０５と反応済みガスの排出部１０６を結ぶ流路と、押圧ガス１１０の導入部１０７と排出部１０８を結ぶ流路は、互いに平行で同じ方向にガスを流すようにしているが、互いに平行で反対方向にガスを流すようにすることもできる。
【００４１】
サセプター１０３（基板１０２）の上方に位置する仕切り部１１１ａには、凸状部が形成されている。この凸状部の上面に開口部１１２が形成され、この開口部１１２によって上下のガス流路が連絡する。開口部１１２は、上下の流路と平行な面に形成している。
【００４２】
図２は、本発明の第１の実施形態である気相成長装置による気相成長方法を示す概略図である。図２において、図１の気相成長装置を用い、基板１０２としてＧａＮ基板を用い、それをサセプター１０３の上面にセットする。次いで、反応管１０１内を水素ガスで置換し、その後、原料ガス導入部１０５より水素ガスを６０Ｌ／ｍｉｎの割合で供給し、押圧ガス導入部１０７より水素ガスを１０Ｌ／ｍｉｎの割合で供給しながら基板１０２を１，０００℃に加熱し、ＧａＮ基板１０２の熱処理を１０分間行った。
【００４３】
その後、原料ガス導入部１０５よりトリメチルガリウム、アンモニアを含む水素ガス（トリメチルガリウムを２５０μｍｏｌ／ｍｉｎの割合、アンモニアを４０Ｌ／ｍｉｎの割合、水素を５０Ｌ／ｍｉｎの割合）を供給した。ここで、開口部１１２の面積を直径２インチの円として、押圧ガス導入部１０７より窒素ガスを４０Ｌ／ｍｉｎの割合で供給し、押圧ガス排出部１０８の流路を絞り込み、開口部１１２に側圧により窒素ガスを供給した。その結果、開口部１１２の下部に設けられたガスだまり部１１５に窒素ガスが供給される。これにより図２に破線で示すように押圧ガス１１０の突出部１１３が、サセプター１０３（基板１０２）の真上に下向きに形成された。
【００４４】
この押圧ガス１１０の突出部１１３により原料ガス１０９に側圧を加え、トリメチルガリウム、アンモニアを含む水素ガスがＧａＮ基板１０２を包み込んだ状態とした。この状態で気相成長を６０分間行った。
【００４５】
サセプター１０３を毎分１０回転（公転）させるとともに、基板１０２自身も毎分３０回転（自転）させた。気相成長後、基板１０２と対向する反応管壁に固形物の付着及び汚れがあるかどうか調査した。その結果、固形物付着及び汚れはなかった。得られたＧａＮ膜の膜厚変動幅（最大値―最小値）／平均値は１％以下であった。ホール移動度は平均２６０ｃｍ＾２／ＶＳと良好な結果が得られた。
【００４６】
更に図面を参照して、本発明の別の実施形態を詳細に説明する。図３は、本発明の第２の実施形態である気相成長装置１００の基本的な構成を示す概略図である。この概略図を用いて本発明の別の気相成長方法を示す。先の実施形態と同一構成要素については同一符号を付してその説明を省略する。
【００４７】
図３において、開口部１１２を基準としてその上流側に位置するガス１１０の流路（押圧ガス１１０の導入部１０７側の流路）の高さをＸ１、下流側に位置するガス１１０の流路（押圧ガスの排出部１０８側の流路）の高さをＹ１としたとき、Ｘ１＞Ｙ１となるようにした。この例では、仕切り部１１１にＸ１＞Ｙ１となるような段差を形成した。そして、押圧ガス１１０の排出部１０８の流路を絞り込むような制御を行うことによって、ガスだまり部１１５に窒素ガスを側圧により供給すると、図３に示すように、突出部１１３が下向きに形成され、この突出部１１３により、原料ガス１０９に側圧を加える。そして、原料ガス１０９がＧａＮ基板１０２を包み込んだ状態とし、この状態で気相成長を行う。
【００４８】
このときＸ１−Ｙ１の差分の押圧ガスは、下部１１４において、下部１１４と反応済みガスに挟まれて反応済みガス排出部１０６より排出される。そのため反応済みガスと排出側仕切り部の下部１１４は接触することがない。気相成長後、排出側仕切り部の下部１１４に固形物の付着及び汚れがあるかどうか調査した。その結果、固形物付着及び汚れはなかった。反応管上部壁部及び押圧ガスの排出側仕切り部の下部１１４に汚れがないため反応管の清掃が不要で、連続して気相成長することができる。
【００４９】
図４は、本発明の第３の実施形態である気相成長装置の基本的な構成を示す概略図である。この概略図を用いて本発明の別の気相成長装置１００を示す。先の実施形態と同一構成要素については同一符号を付してその説明を省略する。
【００５０】
図４において、開口部１１２の面積より大きい押圧ガスだまり部１１５において、ガス導入側のガスだまり壁高さをＡ１、ガス排出側ガスだまり壁高さをＢ１としたときＡ１＞Ｂ１とした。このようにすることによりＡ１−Ｂ１の差分の押圧ガスは、原料を含まない窒素ガスの排出側仕切り板下部１１４において排出側仕切り板下部１１４と反応済みガスに挟まれる。そのため反応済みガスが仕切り板下部１１４に接触することなく、図２，３と同様に固形物の付着及び汚れはない。
【００５１】
図５は、本発明の第４の実施形態である気相成長装置の基本的な構成を示す概略図である。この概略図を用いて本発明の別の気相成長装置１００を示す。先の実施形態と同一構成要素については同一符号を付してその説明を省略する。
【００５２】
図５において、押圧ガス１１０を、仕切り部１１１を構成する一枚の仕切り板１１６によって仕切る。仕切り板１１６のサセプター１０３（基板１０２）の上方位置に開口部１１２を設ける。開口部１１２を含むように、仕切り板１１６の下部に周囲を壁で囲んだガスだまり部１１５を形成する。ガス導入側のガスだまり壁１１５ａ高さをＡ２、ガス排出側ガスだまり壁１１５ｂ高さをＢ２としたとき、Ａ２＞Ｂ２となるように壁高さを設定した。こうすることによりＡ２−Ｂ２の差分の押圧ガス１１０は、高さＢ２の壁１１５ｂを通り、仕切り板１１６のガス排出側下部１１４と反応済みガスに挟まれて反応済み排出側下部１０６より排出される。そのため反応済みガスと仕切り板排出側下部１１４は接触することはなく、図２，３，４の例と同様に固形物の付着及び汚れはない。
【００５３】
次に図面を参照して、本発明の別の実施形態を詳細に説明する。図６は、本発明の第５の実施形態である気相成長装置１００の基本的な構成を示す概略図である。この概略図を用いて本発明の別の気相成長方法を示す。先の実施形態と同一構成要素については同一符号を付してその説明を省略する。
【００５４】
図６において、原料ガス１０９と押圧ガス１１０を仕切る仕切り板１１６の基板の上方位置に開口部１１２を設け、一枚の仕切り板１１６によって仕切る。仕切り板１１６のサセプター１０３（基板１０２）の上方位置に開口部１１２を設ける。開口部１１２を含むように、仕切り板１１６の下部に周囲を壁で囲んだガスだまり部１１５を形成する。ガス導入側のガスだまり壁１１５ａの高さをＡ２、ガスの排出側ガスだまり壁１１５ｂ高さを略０とした。Ａ２＞０とすることにより、Ａ２相当の押圧ガス１１０は、仕切り板ガス排出側下部１１４と反応済みガスに挟まれて反応済みガス排出部１０６より排出されるため反応済みガスと仕切り板排出側下部１１４は接触することはないため、図２，３，４、５の例と同様に固形物の付着及び汚れはない。
【００５５】
以上、本発明の図２〜図６に示す気相成長装置、気相成長方法によると、基板１０２の上方に位置する反応管上壁部及び押圧ガスの仕切り部下部１１４の汚れがないため、反応管１０１の清掃が不要で、連続して気相成長できる特徴を有する。
【００５６】
更に、押圧ガス１１０の流路において、押圧ガス１１０の制御、例えば押圧ガス排出部１０８を絞ることによる流路の圧力の増加、或いは流速の低下により、押圧ガス１１０により開口部１１２の面積より大きいガスだまり部１１５ができる。これにより、押圧ガス１１０による突出部１１３を発生させ、突出部１１３により原料ガス１０９へ側圧を加えることにより原料ガス１０９が基板１０２を包み込んだ状態で気相成長するため大面積にわたってガス流の乱れはなく、安定した成長が可能となる。
【００５７】
ここで、原料ガス１０９と押圧ガス１１０を隔てる仕切り部を従来の反応管を用いて反応管の上部壁面とすることもできるし、又は、平面の仕切り板を用いてもよい。原料ガスと押圧ガスを隔てる仕切り部の開口部１１２面積を、ガスだまり部１１５を設けることにより基板面積の０．２〜２倍にすることができる。更に、原料ガスと押圧ガスを隔てる開口部を含んだ、押圧ガスだまり部１１５面積を基板面積の０．５〜６倍にして、大型基板あるいは複数枚の基板の同時成長ができるとともに基板１０２上に均一に、原料ガス１０９を供給できる。
【００５８】
押圧ガス１１０の流路長は原料ガス１０９の流路長より短くしてガスの消費量を削減するとともに装置を小型化することができる。開口部１１２の形状は、押圧ガス１１０の突出部１１３により原料ガス１０９（トリメチルガリウム、アンモニアを含む水素ガス）に側圧を加えて原料ガス１０９が基板１０２を包み込んだ状態で気相成長すれば、形状にこだわらないが長方形、正方形、円、楕円、卵形とすることができる。押圧ガス１１０、窒素ガスのガスだまり部１１５の形状も、原料ガス１０９が基板１０２を包み込んだ状態で気相成長すれば、形状にこだわらないが長方形、正方形、円、楕円、卵形とすることができる。
【００５９】
原料ガス１０９としてはアルシン、ホォスフィン、シラン等金属水素化合物、トリメチルガリウム、トリエチルガリウム、トリメチルインジウム、トリエチルインジウム、トリメチルアルミニウム、トリエチルアルミニウムなどのＩＩＩ族金属源、トリヒトラジン、アルキルアミン等、アンモニアなどが用いられる。原料ガスが含まれないガス１１０としては、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガスほか窒素、水素などが用いられる。
【００６０】
原料ガス１０９と押圧ガスを隔てる仕切り部１１１ａ、１１１ｂの構成材料として石英、石英ガラス、石英焼結体を用いることができる。サセプター１０３は４インチ以上の大型基板を載せるようにし、複数枚の基板を載せる構造とすることができる。基板１０２はサセプター１０３により自転及び又は公転することにより気相成長反応がサセプター１０３全面に行われる。開口部１１２から基板１０２までの距離は１５ｍｍ以下、好ましくは１０ｍｍ以下である。
【００６１】
以上のように、本発明によれば押圧ガスだまり部１１５のガス突出部１１３の側圧を用いることにより、基板１０２に均一に原料ガス１０９を供給でき、原料ガス１０９が基板１０２を包み込んだ状態で気相成長するため原料ガス１０９の流れに乱れは発生しない。
【００６２】
反応管１０１は横型で扁平形であるため小型化でき、押圧ガス１１０の使用量が少なく、原料ガス１０９、押圧ガス１１０の流路が平行であるため装置全体を扁平矩形とすることにより原料ガス１０９の量も少なくできる。押圧ガス１１０の流量（例えばＬ／ｍｉｎ）を、例えば押圧ガス排出部１０８を絞るなどの制御をすることにより、基板（サセプター）上部において押圧ガスだまり１１３により原料ガス１０９へ側圧を加えることができる。流量以外にも流速、流圧を変えることにより同様な効果が得られる。
【００６３】
ヒーター１０４による、基板１０２の最高加熱温度は３００℃程度の比較的低い温度から１，０００℃以上の比較的高い温度まで幅広く適用することができる。反応管１０１内の気圧は常圧のほか、減圧から０．１ＭＰａ／ｃｍ＾２Ｇのように加圧下とすることもできる。
【００６４】
図７は、本発明の第６の実施形態である気相成長装置１００の基本的な構成を示す概略図である。先の実施形態と同一構成要素については同一符号を付してその説明を省略する。
【００６５】
図７に示すように、例えば幅１５０ｍｍ、高さ２０ｍｍ、長さ２５０ｍｍの石英製の反応管１０１に、２枚の仕切り板１１６ａ，ｂを水平に配置する。２枚の仕切り板１１６ａ，ｂは、上下の高さ位置が相違するように段差をもって配置される。この例では、開口部１１２を基準としてガス１１０の流路（押圧ガス１１０の導入部１０７側の流路）の上流側の流路の高さをＸ２とし、下流側に位置するガス１１０の流路（押圧ガスの排出部１０８側の流路）の高さをＹ２としたとき、Ｘ２＞Ｙ２となるように仕切り板１１６ａ，ｂが配置される。そのため、ガス導入側の仕切り板１１６ａが排気側の仕切り板１１６ｂよりも低い位置に配置される。開口部１１２の直下にサセプター１０３が位置する。サセプター１０３は、直径が１００ｍｍの円形である。サセプター１０３の上に１インチＧａＮ  基板１０２を置く。
【００６６】
反応管内を水素ガスで置換した後、原料ガス導入部１０５より水素ガス６０Ｌ／ｍｉｎの割合（Ｌ／ｍｉｎはＬｉｔｅｒ／ｍｉｎの略である）で供給しながらＧａＮ  基板１０２を１，０００℃に加熱し  、ＧａＮ基板１０２の熱処理を１０分間行う。
【００６７】
その後、原料ガス導入部１０５より原料（トリメチルガリウム２５０μｍｏｌ／ｍｉｎの割合、アンモニア４０Ｌ／ｍｉｎの割合、水素５０Ｌ／ｍｉｎの割合）を供給する。ここで、押圧ガス導入部１０７より窒素ガス４０ｍＬ／ｍｉｎの割合を供給する。開口部１１２の面積を直径１インチの円とした。導入側の流路高さＸ２（８ｍｍ）、排出側の流路高さＹ２（４ｍｍ）の時、Ｘ２＞Ｙ２であるため、Ｘ２−Ｙ２にあたる流量差により、開口部１１２に窒素ガスの突出部１１３が発生する。この突出部１１３によって、原料ガスに側圧を加え、原料ガス１０９がＧａＮ基板１０２を包んだ状態を保ち、この状態で気相成長する。
【００６８】
押圧ガス１１０は、窒素ガスの排出側仕切り板下部１１４で反応済みガスを挟みこみ反応済みガス排出部１０６に排出するため排出側仕切り板下部１１４は反応済みガスで汚れることはない。気相成長は６０分間行った。サセプター１０３及び基板１０２は毎分３０回転させた。気相成長後、基板１０２と対向する反応管壁及び押圧ガス１１０の排出側仕切り板下部１１４に固形物の付着及び汚れがあるかどうか調査した。結果、固形物付着及び汚れはなかった。
【００６９】
以上のように反応管上部壁部及び押圧ガス１１０の排出側仕切り部下部１０４に汚れがないため反応管の清掃が不要にとなり、連続して気相成長できる。得られたＧａＮ膜の膜厚変動幅（最大値―最小値）／平均値は１％以下であった。ホール移動度は２６５ｃｍ＾２／ＶＳと良好な結果が得られた。
【００７０】
次に図面を使用して、本発明の別の実施形態を詳細に説明する。図８は、本発明の第７の実施形態である気相成長装置１００の基本的な構成を示す概略図である。先の実施形態と同一構成要素については同一符号を付してその説明を省略する。図７に示す実施形態においては、仕切り板１１６に段差を持たせていたが、この段差に代えて反応管１０１の上壁面に傾斜１０１ｃを設けた点を特徴としている。
【００７１】
図８に示すように、反応管１０１に、開口部１１２を有する仕切り板１１６を水平に配置するとともに、反応管１０１の上壁面に傾斜１０１ｃを持たせた。押圧ガス１１０の流路が、ガス導入側よりも排出側が狭くなるように、反応管１０１の上壁面に傾斜１０１ｃが形成されている。傾斜の角度は１度に設定しているが。０．１〜１０度の範囲に設定することができる。押圧ガス１１０の流路が先に行くにしたがって搾られるので、開口部１１２に窒素ガスの突出部１１３を発生させることができる。
【００７２】
図９は本発明の第８の実施形態である気相成長装置１００の基本的な構成を示す概略図である。先の実施形態と同一構成要素については同一符号を付してその説明を省略する。図８に示す実施形態においては、反応管１０１の上壁面を傾斜させていたが、この傾斜に代えて反応管１０１の上壁面に段差１０１ｓを設けた点を特徴としている。
【００７３】
図９に示すように、開口部１１２からガス排出側に３０ｍｍの位置、すなわち開口部１１２を基準として下流側に段差１０１ｓを形成した。この段差１０１ｓは、この段差よりも下流路のガス１１０の流路の面積が上流側のガス１１０の流路の面積の２／３以下、好ましくは１／２以下になるように設定される。この段差１０１ｓによって、開口部１１２に窒素ガスの突出部１１３を発生させることができる。
【００７４】
図１０は本発明の第９の実施形態である気相成長装置１００の基本的な構成を示す概略図である。先の実施形態と同一構成要素については同一符号を付してその説明を省略する。図９に示す実施形態においては、段差１０１ｓを開口部１１２を基準として下流側に形成していたが、図１０に示す例では、この段差１０１ｓの位置を変更して開口部１１２の真上に設けた点を特徴としている。
【００７５】
図１１は本発明の第１０の実施形態である気相成長装置１００の基本的な構成を示す概略図である。先の実施形態と同一構成要素については同一符号を付してその説明を省略する。図１０に示す実施形態においては、開口部１１２の真上に段差１０１ｓを設けていたが、図１１に示す例では、この段差１０１ｓに代えて、傾斜面１０１ｃを開口部１１２の真上に設けた点を特徴としている。傾斜面１０１ｃは、図８のように反応管１０１の上壁面の全長域にもけるのではなく、開口部１１２の長さ範囲と対応して反応管１０１の一部の領域に形成している。
【００７６】
図８〜図１１に示す気相成長装置において、１インチＧａＮ基板１０２を直径１００ｍｍのサセプター１０３に置き、反応管内を水素ガスで置換した。その後、原料ガス導入部１０５より水素ガス６０Ｌ／ｍｉｎの割合で供給しながらＧａＮ  基板１０２を１，０００℃に加熱し  、ＧａＮ基板１０２の熱処理を１０分間行った。原料ガス導入部１０５よりトリメチルガリウム、アンモニアを含む水素ガス（トリメチルガリウム２５０μｍｏｌ／ｍｉｎの割合、アンモニア４０Ｌ／ｍｉｎの割合，水素５０Ｌ／ｍｉｎの割合）を供給した。ここで、押圧ガス導入部１０７より窒素ガス４０Ｌ／ｍｉｎの割合を供給した。開口部１１２の面積を直径２インチの円として、押圧ガス導入部側面積―排出部側面積による流量差により、開口部１１２に窒素ガスの突出部１１３を発生させた。この突出部１１３によって、原料ガスに側圧を加え、原料がＧａＮ基板１０２を包み込んだ状態を保ちながら気相成長した。
【００７７】
押圧ガス１１０、窒素ガスの排出側仕切り板下部１１４で反応済みガスにより挟み込み排出部１０６に排出するため排出側仕切り部１１４は反応済みガスで汚れることはない。気相成長は６０分間行った。サセプター１０３及び基板１０２は毎分３０回転させた。気相成長後基板１０２と対向する反応管壁及び押圧ガス１１０の排出側仕切り板下部１１４に固形物の付着及び汚れがあるかどうか調査した。結果、固形物付着及び汚れはなかった。
【００７８】
以上のように反応管上部壁部及び押圧ガス１１０の排出側仕切り部下部１１４に汚れがないため反応管の清掃が不要になり、連続して気相成長できる。得られたＧａＮ膜の膜厚変動幅（最大値―最小値）／平均値は１％以下であった。ホール移動度は２６０ｃｍ＾２／ＶＳと良好な結果が得られた。
【００７９】
本発明によれば押圧ガス１１０の側圧を用いることにより基板１０２に均一に原料ガス１０９を供給でき、垂直に噴出する押圧ガスで原料ガス１０９を基板１０２に吹き付ける方法でないため、原料ガス１０９と押圧ガス１１０が基板１０２上で混合されることがないためガス流に乱れがない。反応管１０１は横型で扁平形であるため小型化でき、押圧ガス１１０の使用量が少なく、原料ガス１０９、押圧ガス１１０の流路が平行であるため装置全体を扁平矩形とすることにより原料ガス１０９の量も少なくできる。
【００８０】
ここで、原料ガス１０９と押圧ガス１１０を隔てる仕切り部を従来の反応管を用いて反応管の上部壁面とすることもできるし、又は反応管を横断する平面の仕切り板を用いてもよい。又、原料ガス１０９と押圧ガス１１０を隔てる仕切り部の開口部面積を、サセプター１０３が回転するため基板１枚の面積の０．５〜６倍にすることができる。開口部１１２から基板１０２までの距離は１５ｍｍ以下、好ましくは１０ｍｍ以下である。又、押圧ガス１１０の流路長は原料ガス１０９の流路長より短くして押圧ガス１１０の消費量を減らすことができる。
【００８１】
又、開口部１１２の形状は、押圧ガス１１０により原料ガス１０９へ側圧を加えて原料ガス１０９が基板１０２を包み込んだ状態で気相成長すれば、形状にこだわらないが長方形、正方形、円、楕円、卵形とすることができる。又、原料ガス１０９としてはアルシン、ホォスフィン、シラン等金属水素化合物、トリメチルガリウム、トリエチルガリウム、トリメチルインジウム、トリエチルインジウム、トリメチルアルミニウム、トリエチルアルミニウムなどのＩＩＩ族金属源、トリヒトラジン、アルキルアミン等、アンモニアなどが用いられる。本発明において、原料ガスとして原料を水素、ヘリウム、アルゴン、窒素等のガスによって希釈して供給するガスを含む。原料ガスが含まれないガス１１０としては、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガスほか窒素、水素などが用いられる。又、原料ガス１０９と押圧ガス１１０を隔てる仕切り部の構成材料として石英、石英ガラス、石英焼結体を用いることができる。
【００８２】
図１２は本発明の第１１の実施形態である気相成長装置１００の基本的な構成を示す概略図である。先の実施形態と同一構成要素については同一符号を付してその説明を省略する。
【００８３】
図１２に示すように、装置１００は、基板１０２を載せるためのサセプター１０３と、該基板を加熱するためのヒーター１０４及び、反応管内部基板１０２に実質的に平行になるように配置された下部に原料ガス１０９の導入部１０５、排出部１０６部を有し、上に押圧ガス１１０の第１導入部１０７ａ、第１排出部１０８ａを有する第１仕切り板１１６ａを備え、第１仕切り板１１６ａの基板１０２（サセプター１０３）の上部に、開口長さＥの開口部１１２ａを設け、第１仕切り板１１６ａの上に、押圧ガス１１０の第２導入部１０７ｂ、第２排出部１０８ｂを有する第２仕切り板１１６ｂを備え、第２仕切り板１１６ｂの基板１０２（サセプター１０３）の上部に、開口長さＦの開口部１１２ｂを設けた気相成長装置において、Ｅ（直径３０ｍｍ）＞Ｆ（直径１５ｍｍ）とし、２つの開口部１１２ａ，ｂにより押圧ガス１１０の突出部１１３を基板１０２方向により深く突出することができるような構成としたことを特徴とする。
【００８４】
仕切り部１１１を構成する第１、第２の仕切り板１１６ａ，１１６ｂは、原料ガス１０９の流路と平行に、押圧ガス１１０の２つの流路を形成する。押圧ガス１１０の２つの流路は、上下に平行して形成される。第１、第２の仕切り板１１６ａ，１１６ｂに形成した開口部１１２ａ，ｂは、それぞれがサセプター１０３（基板１０２）と平面的に重なる位置に配置される。
【００８５】
図１３は本発明の図１２に示す実施形態である気相成長装置を用いた、気相成長方法を示す概略図である。
【００８６】
図１３において、１インチのＧａＮ基板１０２をサセプター１０３に置き、反応管内を水素ガスで置換する。その後、原料ガス導入部１０５より水素ガス６０Ｌ／ｍｉｎの割合で供給しながらＧａＮ  基板１０２を１，０００℃に加熱し  、ＧａＮ基板１０２の熱処理を１０分間行った。原料ガス導入部１０５より原料ガス（トリメチルガリウム２５０μｍｏｌ／ｍｉｎの割合、アンモニア４０Ｌ／ｍｉｎの割合，水素５０Ｌ／ｍｉｎの割合）を供給するとともに、押圧ガス導入部１０７ａ，ｂより各々窒素ガス２０／ｍｉｎの割合を供給して、開口部１１２ａ，ｂに窒素ガスの突出部を発生させる。これらの突出部が合成され、突出部１１３が形成される。この突出部１１３によって、原料ガスに側圧を加え原料ガス１０９がＧａＮ基板１０２を包み込んだ状態に保ちながら気相成長する。ここで、窒素ガスの突出部１１３より窒素ガスの排出側仕切り部１１１の下部１１４に窒素ガス１１０が、反応済みガスにより挟まれ反応済みガス排出部１１６に排出される。そのため窒素ガスの排出側仕切り部下部１１４は反応済みガスで汚れることはない。気相成長は６０分間行った。
【００８７】
開口部１１２ｂの側圧が開口部１１２ａの側圧に加わり基板１０２に対してより深い側圧を加えることができるため、得られたＧａＮ膜の膜厚変動幅（最大値―最小値）／平均値は１％以下であった。ホール移動度は２６５ｃｍ＾２／ＶＳと良好な結果が得られた。
【００８８】
本発明によれば押圧ガス１１０の側圧を用いることにより基板１０２に均一に原料ガス１０９を供給でき、垂直方向からの押圧によって原料ガス１０９を基板１０２に吹き付ける方法でないため、原料ガス１０９と押圧ガス１１０が基板１０２上で混合されることが殆どないためガス流に乱れがない。更に開口部１１２ａ，ｂにより側圧を細かく調整できる特徴がある。
【００８９】
サセプター１０３及び基板１０２は毎分３０回転させた。気相成長後基板１０２と対向する反応管壁に固形物の付着及び汚れがあるかどうか調査した。結果、固形物付着及び汚れはなかった。以上のように反応管上部壁部及び押圧ガス１１０の排出側仕切り部下部１０４に汚れがないため反応管の清掃が不要にとなり、連続して気相成長できる。ここで、押圧ガス１１０の流量は原料ガス１０９の流量の１／１６〜１／３０とすることができる。又、押圧ガス１１０の流量（例えばＬ／ｍｉｎ）を制御することにより基板１０２上部において原料ガス１０９へ押圧ガス１１０の側圧を加えることができる。流量以外にも流速、流圧を変えることにより同様な効果が得られる。又、基板の最高温度は３００℃程度の比較的低い温度から１，０００℃以上の比較的高い温度まで幅広く適用することができる。反応管１０１内の気圧は常圧のほか、減圧から０．１ｍＰａ／ｃｍ＾２Ｇのように加圧下とすることもできる。
【００９０】
図１４は本発明の第１２の実施形態である気相成長装置の基本的な構成を示す概略図である。先の実施形態と同一構成要素については同一符号を付してその説明を省略する。
【００９１】
図１４において、装置１００は、反応管１０１の上部壁面を仕切り板１１６とし、基板１０２の上方位置に基板１０２と同じ面積の開口部１１２を設け、押圧ガスの導入部１０７、排出部１０８を備える流路１０１ｂが、略Ｕ字で、押圧ガス１１０がその流路の底部で基板１０２に水平に流せるように形成されていることを特徴とする。
【００９２】
装置１００は、横長筒状の反応管１０１ａに、Ｕ字状の反応管１０１ｂを積層し、横長筒状の反応管１０１ａの上壁とＵ字状の反応管１０１ｂの底壁にサセプター１０３の上方位置で穴を開けて開口部１１２を形成した構成となっている。
【００９３】
図７〜図１２の気相成長装置において押圧ガスの導入部１０７、排出部１０８形状を図１４のように略Ｕ字とし、反応管を通して反応管上部に導入部１０７、排出部１０８を引き出すことにより、ガス流路長を短くして押圧ガス１１０の使用量を少なくすることができる。
【００９４】
図１４においてガスの導入部１０７、排出部１０８を備える流路（反応管１０１ｂ）の形状を図１４のように略Ｕ字として反応管１０１ａ上部に引き出した構造を示したが、反応管上部に横方向に引き出しても良い。これにより装置を小型化できる。これが本発明の第１２の実施形態である気相成長装置の基本的な構成である。
【００９５】
反応管は横型で扁平形であるため小型化でき、押圧ガス１１０使用量が少なく、原料ガス１０９、押圧ガス１１０の流路が平行であるため装置全体を扁平矩形形とすることにより原料ガスの量も少なくできる。尚、図１２、図１３に示す実施形態による本発明は、既にある気相成長装置を改造することによって従来の半導体膜に加え、ＧａＮ等のＩＩＩ族窒化物半導体の成長も連続して可能となる特徴を有する。
【００９６】
図１５は、本発明の第１３の実施形態である気相成長装置１００の基本的な構成を示す概略図である。先の実施形態と同一構成要素については同一符号を付してその説明を省略する。
【００９７】
図１５に示すように、装置１００は、反応管１０１の中にガス流路を上下に仕切る仕切り板１１６を水平に配置し、仕切り板１１６に形成した開口部１１２の下流側で仕切り板の上に位置する流路（排出部１０８）を壁１０８ｗによって塞いだことを特徴とする。
【００９８】
ここで原料ガス１０９と押圧ガス１１０を隔てる仕切り部を従来の反応管を用いて反応管上部壁面とすることもできるし、又は平面の仕切り板を用いてもよい。又、原料ガス１０９と押圧ガス１１０を隔てる仕切り部の開口部面積を、サセプターが回転するため基板面積の０．５〜５倍にすることができる。また、開口部部分１１２の形状は、押圧ガス１１０の突出部１１３が発生し突出部により原料ガス１０９へ側圧を加えて原料ガス１０９が基板１０２を包み込んだ状態で気相成長すれば、形状にこだわらないが、長方形、正方形、円、楕円、卵形とすることができる。又、原料ガス１０９としてはアルシン、ホォスフィン、シラン等金属水素化合物、トリメチルガリウム、トリエチルガリウム、トリメチルインジウム、トリエチルインジウム、トリメチルアルミニウム、トリエチルアルミニウムなどのＩＩＩ族金属源、トリヒトラジン、アルキルアミン等、アンモニアなどが用いられる。原料が含まれないガス１１０としては、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガスほか窒素、水素などが用いられる。原料ガス１０９と押圧ガス１１０を隔てる仕切り部１１１の構成材料として石英、石英ガラス、石英焼結体を用いることができる。
【００９９】
図１６は、図１５で示した本発明の気相成長装置を用いた、気相成長方法を示す該略図である。図１５の気相成長装置を用い、ＧａＮ基板１０２をサセプター１０３にセットする。その後、反応管内を水素ガスで置換した後、原料ガス導入部１０５より水素ガス６０Ｌ／ｍｉｎの割合で供給し、押圧ガス導入部１０７より水素ガス１０Ｌ／ｍｉｎの割合で供給しながら基板１０２を１，０００℃に加熱し、ＧａＮ基板１０２の熱処理を１０分間行った。原料ガス導入部１０５より原料ガス（トリメチルガリウム２５０μｍｏｌ／ｍｉｎの割合、アンモニア４０Ｌ／ｍｉｎの割合，水素５０Ｌ／ｍｉｎの割合）を供給する。ここで、開口部１１２面積を基板面積と同じくして、押圧ガス導入部１０７より窒素ガスを４０Ｌ／ｍｉｎの割合を供給する。開口部１１２下の開口部１１２と同じ面積の押圧ガスだまり部１１５において、排出側仕切り部１１１の上部（押圧ガスの排出部１０８）は閉じられているため、開口部１１２の下に押圧ガス１１０の突出部１１３が形成され、突出部１１３により原料ガス１０９に側圧を加える。
【０１００】
そして、原料がＧａＮ基板１０２を包み込んだ状態で気相成長を６０分間行った。サセプター１０３を毎分１０回転させるとともに、基板１０２も毎分３０回転させた。気相成長後、基板１０２と対向する反応管壁に固形物の付着及び汚れがあるかどうか調査した。結果、固形物付着及び汚れはなかった。得られたＧａＮ膜の膜厚変動幅（最大値―最小値）／平均値は１％以下であった。ホール移動度は平均２６５ｃｍ＾２／ＶＳと良好な結果が得られた。
【０１０１】
ここで、押圧ガス排出部１０８が閉じられているため押圧ガスの量を１／２にできた。
【０１０２】
図１７は、本発明の第１４の実施形態である気相成長装置１００の基本的な構成を示す概略図である。先の実施形態と同一構成要素については同一符号を付してその説明を省略する。
【０１０３】
図１７に示す装置１００は、図１に示す装置１００を基本構成とし、その排気部１０８を開口部１１２の下流域で壁１０８ｗによって閉じたことに特徴がある。
【０１０４】
図１８は、図１７に示す本発明の気相成長装置を用いた、気相成長方法を示す概略図である。先と同様に気相成長後、基板１０２と対向する反応管壁に固形物の付着及び汚れがあるかどうか調査した。基板１０２と対向する反応管壁に固形物の付着及び汚れはなかった。又、反応済みガスは押圧ガス排出側仕切り部下部１１４と押圧ガスの突出部から流れ出す押圧ガスによって挟まれるため、押圧ガスの排出側仕切り部下部１１４は反応済みガスで汚れることはない。基板１０２上部の反応管上部壁部、押圧ガスだまり１１５内、及び押圧ガスの排出側仕切り部下部１０４の汚れが無いため反応管の清掃が不要で、連続して気相成長できる。
【０１０５】
ここで、押圧ガス１１０の流量は原料ガス１０９の流量の１／６〜１／３０とすることができる。又、基板１０２の最高加熱温度は３００℃の比較的低い温度から１０００℃以上の比較的高い温度まで幅広く適用することができる。反応管１０１内の気圧は常圧のほか、減圧から０．１ＭＰａ／ｃｍ＾２Ｇのように加圧下とすることもできる。
【０１０６】
尚、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形をすることが可能であり、それらを本発明の範囲から除外するものではない。
【０１０７】
例えば本発明の実施形態では、ＧａＮ基板を用いた半導体気相成長方法について説明したが、他の基板、例えば、サファイア基板、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板、ＧａＡｓ基板、ＩｎＰ基板等、格子間の整合性や、熱膨張等を考慮して基板を適宜選択することができる。
【０１０８】
更に、ＧａＮ系化合物半導体を用いた気相成長方法について説明したが、他の半導体材料例えばＩｎＧａＡｌＮのＮの１部又は全部をＡｓおよび／またはＰ等で置換した材料やＧａＡｓ系化合物半導体を用いた気相成長方法にも本発明を適用できる。
【０１０９】
【発明の効果】
以上説明した様に、本発明によると、加熱された基板上に半導体膜を気相成長させ際、側圧により大口径基板及び複数枚の基板に均一に原料ガスを供給できる。また、側圧を利用するため、ガス流の乱れを防止することができる。また、小型で、使用ガス量の少ない、半導体膜の気相成長装置もしくは方法を提供することができる。また、気相成長させる基板に対向した反応管壁や、反応済みガス排出側仕切り部の下部の汚染を防止することができる。固形物の基板上への落下を防止することができる。反応管の清掃が不要で、大口径基板、もしくは複数枚の基板を同時に、連続して、安定して気相成長することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態である気相成長装置の基本的な構成を示す概略図である。
【図２】本発明の実施形態である気相成長装置を用いた気相成長方法を示す概略図である。
【図３】本発明の別の実施形態を示す概略図である。
【図４】本発明の別の実施形態を示す概略図である。
【図５】本発明の別の実施形態を示す概略図である。
【図６】本発明の別の実施形態を示す概略図である。
【図７】本発明の別の実施形態を示す概略図である。
【図８】本発明の別の実施形態を示す概略図である。
【図９】本発明の別の実施形態を示す概略図である。
【図１０】本発明の別の実施形態を示す概略図である。
【図１１】本発明の別の実施形態を示す概略図である。
【図１２】本発明の別の実施形態を示す概略図である。
【図１３】本発明の別の実施形態を示す概略図である。
【図１４】本発明の別の実施形態を示す概略図である。
【図１５】本発明の別の実施形態を示す概略図である。
【図１６】本発明の別の実施形態を示す概略図である。
【図１７】本発明の別の実施形態を示す概略図である。
【図１８】本発明の別の実施形態を示す概略図である。
【符号の説明】
１０１：反応管
１０２：基板
１０３：サセプター
１０４：ヒーター
１０５：原料ガス導入部
１０６：反応済みガス排出部
１０７：押圧ガス導入部
１０８：押圧ガス排出部
１０９：原料ガス
１１０：押圧ガス
１１１，１１１ａ、１１１ｂ：仕切り部
１１２，１１２ａ、１１２ｂ：開口部
１１３：押圧ガスの突出部
１１４：押圧ガスの排出側仕切り部下部
１１５：押圧ガスのガスだまり部
１１６：仕切り板
【図１】
2004235543.tif 000003
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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