(57)【要約】      （修正有）【課題】クラックがほとんど生じないＧａＮバルク単結晶の成長方法および成長装置を提供する。【解決手段】それぞれＮＨ３ガス、Ｎ２ガスおよびＨＣｌガスを供給する第１ガス流入管２１、第２ガス流入管２２および第３ガス流入管２３と、前記第３ガス流入管２３と連結されてＨＣｌガスにガリウムを供給するガリウム源保存部２４を備えた反応チャンバー２０において、ＧａＮ種結晶が装着されたサセプタ３０を反応チャンバー２０内に設ける段階と、前記ＧａＮ種結晶上にＧａＮバルク単結晶を成長させる段階と、成長された前記ＧａＮバルク単結晶を冷却し、前記ＧａＮバルク単結晶をサセプタ３０から分離する段階と、を含み、前記反応チャンバー内で前記ＧａＮ種結晶の上面のみが露出されるように、サセプタ３０の上面に所定の深さを有する種結晶収容部が形成されており、前記ＧａＮ種結晶は、前記種結晶収容部の底面に装着される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧａＮ種結晶が装着されたサセプタを反応チャンバー内に設ける段階と、
前記ＧａＮ種結晶上にＧａＮバルク単結晶を成長させる段階と、
成長された前記ＧａＮバルク単結晶を冷却し、前記ＧａＮバルク単結晶を前記サセプタから分離する段階と、
を含み、
前記反応チャンバー内で前記ＧａＮ種結晶の上面のみが露出されるように、前記サセプタの上面に所定の深さを有する種結晶収容部が形成されており、前記ＧａＮ種結晶は、前記種結晶収容部の底面に装着されることを特徴とする、ＧａＮバルク単結晶の成長方法。
【請求項２】
前記種結晶収容部の深さは、ＧａＮ種結晶の厚さの５０〜１５０％であることを特徴とする、請求項１に記載のＧａＮバルク単結晶の成長方法。
【請求項３】
前記種結晶収容部の深さは５００μｍであることを特徴とする、請求項２に記載のＧａＮバルク単結晶の成長方法。
【請求項４】
前記種結晶収容部の内壁とＧａＮ種結晶との距離が、１００μｍ〜１０ｍｍの範囲にあることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のＧａＮバルク単結晶の成長方法。
【請求項５】
前記種結晶収容部は、円形、楕円形、および多角形のうちいずれか一つの形状を有し、前記種結晶収容部の形状とＧａＮ種結晶の形状とは同じであることを特徴とする、請求項４に記載のＧａＮバルク単結晶の成長方法。
【請求項６】
前記サセプタは、耐熱性を有しＧａＮとは反応しない物質から形成されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載のＧａＮバルク単結晶の成長方法。
【請求項７】
前記サセプタは、炭化ケイ素がコートされたグラファイトまたはＳｉＯ２から形成されることを特徴とする、請求項６に記載のＧａＮバルク単結晶の成長方法。
【請求項８】
前記ＧａＮバルク単結晶を成長させる段階は、
反応チャンバー内に窒素を流して反応チャンバーから酸素を除去する段階と、
反応チャンバーの温度を１０００〜１１００℃に維持しながら、反応チャンバー内にソースガスとしてアンモニアガスと塩化ガリウムガスとを供給する段階と、
を含むことを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載のＧａＮバルク単結晶の成長方法。
【請求項９】
反応チャンバーと、
前記反応チャンバー内に装着されるサセプタと、
ＧａＮ種結晶を収容するためのものであって、前記反応チャンバー内でＧａＮ種結晶の上面のみが露出されるように、前記サセプタの上面に所定の深さで形成された種結晶収容部と、
を備えることを特徴とする、ＧａＮバルク単結晶成長装置。
【請求項１０】
前記種結晶収容部の深さは、前記ＧａＮ種結晶の厚さの５０〜１５０％であることを特徴とする、請求項９に記載のＧａＮバルク単結晶成長装置。
【請求項１１】
前記種結晶収容部の深さは５００μｍであることを特徴とする、請求項１０に記載のＧａＮバルク単結晶成長装置。
【請求項１２】
前記種結晶収容部の内壁とＧａＮ種結晶との距離が、１００μｍ〜１０ｍｍの範囲にあることを特徴とする、請求項９〜１１のいずれか１項に記載のＧａＮバルク単結晶成長装置。
【請求項１３】
前記種結晶収容部は、円形、楕円形、および多角形のうちいずれか一つの形状を有し、前記種結晶収容部の形状とＧａＮ種結晶の形状とは同じであることを特徴とする、請求項１２に記載のＧａＮバルク単結晶成長装置。
【請求項１４】
前記サセプタは、耐熱性を有しＧａＮとは反応しない物質から形成されることを特徴とする、請求項９〜１３のいずれか１項に記載のＧａＮバルク単結晶成長装置。
【請求項１５】
前記サセプタは、炭化ケイ素がコートされたグラファイトまたはＳｉＯ２から形成されることを特徴とする、請求項１４に記載のＧａＮバルク単結晶成長装置。
【請求項１６】
前記反応チャンバー内にアンモニアガスを供給する第１ガス流入管と、
前記反応チャンバー内に窒素ガスを供給する第２ガス流入管と、
前記反応チャンバー内に塩化水素ガスを供給する第３ガス流入管と、
前記第３ガス流入管と連結されたガリウム源保存部と、
前記反応チャンバー内のガスを排出するガス排出管と、
をさらに備えることを特徴とする、請求項９〜１５のいずれか１項に記載のＧａＮバルク単結晶成長装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＧａＮバルク単結晶の成長方法および成長装置に関し、より詳細には、クラックをほとんど発生させずに高品質のＧａＮバルク単結晶を成長させるための方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム（ＧａＮ）は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であって、青磁色および紫外線領域で動作する半導体レーザーおよび発光ダイオード（ＬＥＤ）素子の形成材料として広く利用されている。かかるＧａＮは、同じ六方晶系の構造を有するサファイアや炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板などの異種の基板で、有機金属気相成長法（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ）や分子線エピタキシー法（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＢＥ）などの方法を用いて製造されうる。
【０００３】
しかし、前記サファイアや前記ＳｉＣ基板は、格子定数および／または熱膨張係数においてＧａＮ結晶と差があるため、成長したＧａＮ結晶中に、高い結晶欠陥密度が存在する。このような問題を解決するために、高品質のＧａＮ単結晶を基板として用いる必要がある。現在、高品質のＧａＮ単結晶をさらに低コストで大量に製造するために、数ｍｍから数十ｍｍの厚さを有する大口径のＧａＮバルク単結晶を、ハイドライド気相成長法（Ｈｙｄｒｉｄｅ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ：ＨＶＰＥ）を利用することによって主に成長させている。すなわち、ＧａＮ種結晶が装着された平らなサセプタを、ＨＶＰＥ装置の反応チャンバー内に取り付け、約１０００℃の温度で前記反応チャンバー内に適当なソースガスを供給することによって、ＧａＮ種結晶上にＧａＮ単結晶を成長させる。ＨＶＰＥにより成長させたＧａＮバルク単結晶は、必要に応じて適当なサイズにカットする。
【０００４】
図１Ａおよび図１Ｂは、平らなサセプタ上でＧａＮバルク単結晶を成長させる工程を示す断面概略図である。図１Ａは成長初期を示し、図１Ｂは成長後を示す。図１Ａおよび図１Ｂに示すように、ＨＶＰＥによれば、平らなサセプタ１０上でＧａＮバルク単結晶１１が成長される。しかし、サセプタ１０の側面とその周辺部にもＧａＮ結晶１２が成長される。前記サセプタ１０の側面で成長されるＧａＮ結晶は、多結晶となる。この場合、成長がなされる間にＧａＮ単結晶１１とＧａＮ多結晶１２とが互いに連結され、成長が終了した後には、前記ＧａＮ単結晶１１と多結晶１２とが１つの塊として存在する。これは、ＧａＮ単結晶１１の成長終了後、冷却工程で前記ＧａＮ単結晶１１にクラックを引き起こす。さらに具体的に説明すれば、約１０００℃の高温でＧａＮ単結晶１１を成長させた後には、成長されたＧａＮ単結晶１１を常温に冷却する。このとき、一般的には、ＧａＮ単結晶１１の熱膨張係数は、サセプタ１０の熱膨張係数より大きいため、ＧａＮ単結晶１１はサセプタ１０より速く収縮しなければならない。しかし、ＧａＮ単結晶１１の周辺についているＧａＮ多結晶１２が、前記ＧａＮ単結晶１１の収縮を妨害して、ＧａＮ単結晶１１の内部にクラックが発生する。
【０００５】
図２Ａおよび図２Ｂに示すように、サセプタ１０の直径よりＧａＮバルク単結晶１１の直径を小さくする場合にも、外部に露出されたサセプタ１０の上面の端部でＧａＮ多結晶１２が形成される。そのため、前述のような問題が依然として存在する。さらに、ＧａＮ多結晶１２の成長速度がＧａＮ単結晶１１の成長速度よりも速く、ＧａＮ多結晶１２がＧａＮ単結晶１１の領域まで拡がるため、ＧａＮ単結晶１１の領域が少なくなるという問題も発生する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、クラックをほとんど発生させずに高品質のＧａＮバルク単結晶を成長させる方法および装置を提供するところにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、ＧａＮ種結晶が装着されたサセプタを反応チャンバー内に設ける段階と、前記ＧａＮ種結晶上にＧａＮバルク単結晶を成長させる段階と、成長されたＧａＮバルク単結晶を冷却し、前記ＧａＮバルク単結晶をサセプタから分離する段階と、を含み、前記反応チャンバー内で前記ＧａＮ種結晶の上面のみが露出されるように、前記サセプタの上面に所定の深さを有する種結晶収容部が形成されており、前記ＧａＮ種結晶は、前記種結晶収容部の底面に装着されることを特徴とする、ＧａＮバルク単結晶の成長方法を提供する。
【０００８】
本発明の望ましい実施形態によれば、前記種結晶収容部の深さは、ＧａＮ種結晶の厚さの５０〜１５０％であることが好ましい。
【０００９】
本発明の一実施形態によれば、前記種結晶収容部の深さは、５００μｍであることが好ましい。
【００１０】
本発明の一実施形態によれば、前記種結晶収容部の内壁とＧａＮ種結晶との距離は、１００μｍ〜１０ｍｍの範囲にあることが好ましい。
【００１１】
本発明の一実施形態によれば、前記種結晶収容部は、円形、楕円形、または多角形のいずれか一つの形状を有し、前記種結晶収容部の形態とＧａＮ種結晶の形態とは同じであることが好ましい。
【００１２】
本発明の一実施形態によれば、前記サセプタは、耐熱性を有しＧａＮと反応しない物質から形成されることが好ましい。
【００１３】
本発明の一実施形態によれば、前記サセプタは、ＳｉＣがコートされたグラファイトまたはＳｉＯ２から形成されることが好ましい。
【００１４】
本発明の一実施形態によれば、前記ＧａＮバルク単結晶を成長させる段階は、反応チャンバー内に窒素（Ｎ２）を流して反応チャンバーから酸素を除去する段階と、反応チャンバーの温度を１０００〜１１００℃に維持しながら、反応チャンバー内にソースガスとしてアンモニア（ＮＨ３）ガスと塩化ガリウム（ＧａＣｌ）ガスとを供給する段階と、を含むことが好ましい。
【００１５】
また、本発明は、反応チャンバーと、前記反応チャンバー内に装着されるサセプタと、ＧａＮ種結晶を収容するためのものであって、前記反応チャンバー内でＧａＮ種結晶の上面のみが露出されるように、前記サセプタの上面に所定の深さで形成された種結晶収容部と、を備えることを特徴とする、ＧａＮバルク単結晶成長装置を提供する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、ＧａＮバルク単結晶の成長工程で、前記ＧａＮバルク単結晶にＧａＮ多結晶が付着しなくなる。したがって、冷却工程でＧａＮバルク単結晶にクラックが発生しないため、高品質のＧａＮバルク単結晶が得られる。また、ＧａＮバルク単結晶にＧａＮ多結晶が付着しないので、成長が完了したＧａＮバルク単結晶をサセプタから容易に分離できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、添付した図面を参照して、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。
【００１８】
図３は、本発明の一実施形態によるＧａＮバルク単結晶成長装置およびサセプタの示す断面概略図である。
【００１９】
前述したように、一般的に、ＧａＮバルク単結晶は、ＨＶＰＥ装置を利用して成長させる。図３に示した本発明の一実施形態によるＧａＮバルク単結晶成長装置は、ＨＶＰＥ装置の一種と考えられる。図３に示したように、本発明によるＧａＮバルク単結晶成長装置は、高温の化学反応が起きる反応チャンバー２０、前記反応チャンバー２０の一の側を貫通して前記反応チャンバー２０の内部にＮＨ３ガスを供給する第１ガス流入管２１、前記反応チャンバー２０の一の側を貫通して前記反応チャンバー２０の内部にＮ２ガスを供給する第２ガス流入管２２、前記反応チャンバー２０の一の側を貫通して前記反応チャンバー２０の内部にＨＣｌガスを供給する第３ガス流入管２３、前記第３ガス流入管２３と連結されてＨＣｌガスにガリウムを供給するガリウム源保存部２４、前記反応チャンバー２０の内部のガスを外部に排出するためのガス排出管２５、ＧａＮ種結晶が装着されＧａＮバルク単結晶が成長されるサセプタ３０、および前記反応チャンバー２０内に位置して前記サセプタ３０を支持するサセプタ支持部２６を備えている。
【００２０】
ここで、前記サセプタ３０は、耐熱性を有しＧａＮと反応しない材料から形成されることが好ましい。前記の耐熱性とは、結晶成長に必要なチャンバー内の温度範囲で耐熱性を有することを意味する。前記サセプタは、ＳｉＣがコートされたグラファイトまたはＳｉＯ２から形成されることが好ましい。前記ＳｉＣがコートされたグラファイトは２，０００℃以上の温度に耐えることができ、前記ＳｉＯ２は約１，２００℃の温度に耐えうる。
【００２１】
図１Ａ〜図２Ｂを通じて説明したように、従来、上面が完全に平らなサセプタ１０が使用される。その結果、サセプタの側面で成長するＧａＮ多結晶により、冷却工程でＧａＮバルク単結晶にクラックが発生するという問題がある。このような問題が発生することを防ぐかまたは解決するために、本発明の一実施形態にとおいては、図３に示したように、サセプタ３０の上面に、所定の深さで窪んだ種結晶収容部３１が形成されており、ＧａＮ種結晶は、前記種結晶収容部３１の底面に装着される。前記種結晶収容部３１は、ＧａＮ種結晶が装着されたサセプタ３０が反応チャンバー２０内に取り付けられた際に、前記反応チャンバー２０内でＧａＮ種結晶の上面のみを露出させる役割を果たす。このため、前記種結晶収容部３１の深さは、ＧａＮ種結晶の厚さの５０〜１５０％であることが好ましい。
【００２２】
一方、前記種結晶収容部３１の内壁３１’とＧａＮ種結晶との距離が遠すぎると、ＧａＮ種結晶の側面が実質的に露出され、ＧａＮ種結晶の側面でＧａＮ多結晶が成長されることもある。また、前記種結晶収容部３１の内壁３１’とＧａＮ種結晶との距離が近すぎると、前記サセプタ３０の側面で発生するＧａＮ多結晶と種結晶収容部３１で成長するＧａＮバルク単結晶とが互いに連結されることもある。この場合、従来の場合と同様に、冷却工程でＧａＮバルク単結晶にクラックが発生しうる。したがって、前記種結晶収容部３１の内壁３１’とＧａＮ種結晶との距離は、適当に維持させる必要がある。好ましくは、前記種結晶収容部３１の内壁３１’とＧａＮ種結晶との距離は１００μｍ〜１０ｍｍの範囲である。
【００２３】
例えば、厚さが約５００μｍ、直径が約５ｃｍ（２インチ）であるＧａＮ種結晶が用いられる場合、前記サセプタ３０の種結晶収容部３１の深さは５００μｍであり、直径は５２ｍｍであることが好ましい。ここで、前記種結晶収容部３１の形状は、必ずしも円形である必要はなく、ＧａＮ種結晶の形状によって多様な形状で種結晶収容部３１が形成されうる。例えば、ＧａＮ種結晶の形状によって、前記種結晶収容部は、円形、楕円形、および多角形のうちいずれか一つの形状を有することが好ましい。
【００２４】
以下、図３に示した本発明の一実施形態によるＧａＮバルク単結晶成長装置およびサセプタ３０を用いるＧａＮバルク単結晶の成長方法について説明する。
【００２５】
まず、深さが例えば約５００μｍであり、直径が例えば約５２ｍｍである種結晶収容部３１が形成されたサセプタ３０を準備する。前記サセプタ３０の種結晶収容部３１の底面に、厚さが約５００μｍであり、直径が約５ｃｍ（２インチ）であるＧａＮ種結晶が装着される。この場合、前記種結晶収容部３１の内壁３１’とＧａＮ種結晶とは、約１ｍｍの間隔で互いに離れていることが好ましい。次いで、ＧａＮ種結晶が装着された前記サセプタ３０を、反応チャンバー２０内のサセプタ支持部２６上に固定する。
【００２６】
次いで、第２ガス流入管２２を通じて反応チャンバー２０内にＮ２ガスを十分に流して、反応チャンバー２０内に存在する酸素を除去する。酸素が除去された後には、反応チャンバー２０の内部の温度を好ましくは１０００〜１１００℃、より好ましくは、１０５０℃に維持させる。そして、第１ガス流入管２１を通じて反応チャンバー２０内にＮＨ３ガスを供給すると共に、第３ガス流入管２３を通じてＨＣｌガスを供給する。このとき、第３ガス流入管２３を通じて供給されるＨＣｌガスは、前記第３ガス流入管２３と連結されているガリウム源保存部２４にあるガリウム源と結合される。その結果として形成されたＧａＣｌが、前記第３ガス流入管２３を通じて前記反応チャンバー２０に流入される。
【００２７】
これにより、前記反応チャンバー２０内のＮＨ３ガスとＧａＣｌガスとがサセプタ３０上のＧａＮ種結晶と接触して、前記ＧａＮ種結晶上でＧａＮ単結晶が成長し始める。通常、本発明の成長方法によるＧａＮ単結晶の成長速度は、好ましくは５０〜５００μｍ／ｈｒである。このような方法により数十時間ほどＧａＮ単結晶を成長させれば、好ましくは数ｍｍ〜数十ｍｍの厚さのＧａＮバルク単結晶が得られる。例えば、約１０時間成長させる場合、約５ｍｍの厚さのＧａＮバルク単結晶が得られる。
【００２８】
このようにして、ＧａＮバルク単結晶の成長が終了すれば、反応チャンバー２０の内部の温度を常温に冷却し、反応チャンバー２０内のサセプタ３０を取り出す。そして、前記サセプタ３０の側面に存在するＧａＮ多結晶を除去し、種結晶収容部３１の内部で成長したＧａＮバルク単結晶をサセプタ３０から分離する。
【００２９】
本発明の一実施形態によれば、前記サセプタ３０に、窪んだ種結晶収容部３１が形成されているため、冷却工程においても成長が完了したＧａＮバルク単結晶にクラックが発生しない。図４Ａおよび図４Ｂは、前記種結晶収容部３１が、クラックを減らすかまたは防止する原理を説明するための断面概略図である。図４Ａは、成長初期の状態を示し、図４Ｂは、成長後の状態を示す。
【００３０】
前述したように、従来、クラックが発生する原因は、ＧａＮバルク単結晶の側面についているＧａＮ多結晶のためである。本発明の一実施形態によれば、サセプタ３０の窪んだ種結晶収容部３１にＧａＮ種結晶が装着されるため、図４Ａに示したように、成長初期のＧａＮバルク単結晶３２は、上面のみが外部に露出され、側面は外部に露出されていない。したがって、ＧａＮ種結晶の側面ではＧａＮ多結晶が成長せず、サセプタ３０の側面で成長するＧａＮ多結晶３３も、ＧａＮバルク単結晶３２と連結されない。この目的のために、前述したように、前記種結晶収容部３１の内壁３１’とＧａＮ種結晶との距離は１００μｍ〜１０ｍｍの範囲にあることが好ましい。また、ＧａＮ単結晶やＧａＮ多結晶は、水平方向よりは垂直方向に成長する傾向があるため（一般的に、垂直方向の成長速度が水平方向の成長速度より５倍以上速い）、成長がなされる間にも、ＧａＮバルク単結晶３２とＧａＮ多結晶３３とが互いに付着せずに、それぞれ独立して成長できる。その結果、図４Ｂに示したように、成長が完了した後でも、前記ＧａＮバルク単結晶３２と前記ＧａＮ多結晶３３とは互いに連結されない。したがって、冷却工程でＧａＮバルク単結晶３２の収縮がＧａＮ多結晶３３により妨害されないので、ＧａＮバルク単結晶３２にクラックがほとんど発生しない。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明は、半導体レーザーおよび発光ダイオードの素子関連の技術分野に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１Ａ】従来の平らなサセプタでＧａＮバルク単結晶を成長させる方法を示す断面概略図である。
【図１Ｂ】従来の平らなサセプタでＧａＮバルク単結晶を成長させる方法を示す断面概略図である。
【図２Ａ】従来の平らなサセプタでＧａＮバルク単結晶を成長させる他の方法を示す断面概略図である。
【図２Ｂ】従来の平らなサセプタでＧａＮバルク単結晶を成長させる他の方法を示す断面概略図である。
【図３】ＧａＮバルク単結晶を成長させるための本発明の装置およびサセプタの構造を示す断面概略図である。
【図４Ａ】本発明の一実施形態による、サセプタでＧａＮバルク単結晶を成長させる工程を示す断面概略図である。
【図４Ｂ】本発明の一実施形態による、サセプタでＧａＮバルク単結晶を成長させる工程を示す断面概略図である。
【符号の説明】
【００３３】
１０、３０    サセプタ、
１１、３２    ＧａＮ単結晶、
１２、３３    ＧａＮ多結晶、
２０    反応チャンバー、
２１    第１ガス流入管、
２２    第２ガス流入管、
２３    第３ガス流入管、
２４    ガリウムソース保存部、
２５    ガス排出管、
２６    サセプタ支持部、
３１    種結晶収容部、
３１’    内壁。
【図１Ａ】
2007320849.tif 000003
【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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