(57)【要約】 【課題】  混合される複数の原料ガスを、その流速分布を乱すことなく反応管に導入するとともに反応管内での原料ガスの分解を防止し、かつ用いる原料ガスの切換応答性を高めることによって、同一層内において均一な厚みおよび組成を有し、積層界面において組成の急峻性を有する層を形成できる気相成長装置を提供する。【解決手段】  第１の原料ガスを反応管４２に導入する第１ガス導入管４６と、第１の原料ガスと反応する第２の原料ガスまたは第１の原料ガスと反応する第３の原料ガスを反応管４２に導入する第２ガス導入管４７とを積層して設け、第２ガス導入管４７に第２の原料ガスを供給する第２ガス供給部５０および第２ガス導入管４７に第３の原料ガスを供給する第３ガス供給部５１を含むガス供給部と、第２ガス導入管４７に供給する原料ガスを第２の原料ガスと第３の原料ガスとの間で選択するガス選択手段５４とを備える。【選択図】      図１
2007063096.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の原料ガスおよび第１の原料ガスと反応する第２の原料ガスを反応管内に備えられる被処理基板の成層される面に沿う方向に導入し反応させて被処理基板上に第１の層を形成し、第１の原料ガスおよび第１の原料ガスと反応する第３の原料ガスを被処理基板の成層される面に沿う方向に導入し反応させて被処理基板の第１の層上に第２の層を形成する気相成長装置であって、
被処理基板の成層される面に略平行に設けられ、第１の原料ガスを反応管内に導入する第１ガス導入管と、
第１ガス導入管と略平行に、かつ被処理基板の成層される面に直交する方向に第１ガス導入管に積層して設けられ、第２の原料ガスまたは第３の原料ガスを反応管内に導入する第２ガス導入管と、
第２ガス導入管に第２の原料ガスを供給する第２ガス供給部および第２ガス導入管に第３の原料ガスを供給する第３ガス供給部を含むガス供給部と、
第２ガス導入管とガス供給部との間に設けられ、第２ガス導入管に供給する原料ガスを第２の原料ガスと第３の原料ガスとの間で選択するガス選択手段とを含むことを特徴とする気相成長装置。
【請求項２】
第２ガス供給部は、
第２ガス導入管に第２の原料ガスを導入する開口部が形成される第２ガス拡散室を含み、
第３ガス供給部は、
第２ガス導入管に第３の原料ガスを導入する開口部が形成される第３ガス拡散室を含み、
第２ガス拡散室および第３ガス拡散室に形成される開口部は、
第２ガス拡散室および第３ガス拡散室と第２ガス導入管とをそれぞれ連通するように形成される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】
ガス選択手段は、
第２ガス拡散室および第３ガス拡散室に形成される開口部のいずれか一方を開放し、他方を閉塞して第２ガス導入管に供給する原料ガスを選択することを特徴とする請求項２記載の気相成長装置。
【請求項４】
ガス選択手段は、
第２ガス拡散室に形成される開口部の開口面に対して垂直または平行に移動して第２ガス拡散室の開口部を開放または閉塞する第２弁体と、
第３ガス拡散室に形成される開口部の開口面に対して垂直または平行に移動して第３ガス拡散室の開口部を開放または閉塞する第３弁体と、
第２ガス拡散室の開口部および第３ガス拡散室の開口部のいずれか一方が開放され、他方が閉塞されるように第２弁体および第３弁体の動作を制御する制御手段とを含むことを特徴とする請求項３記載の気相成長装置。
【請求項５】
第２弁体および第３弁体が一体的に形成されることを特徴とする請求項４記載の気相成長装置。
【請求項６】
開口部は、スリット状に形成されることを特徴とする請求項２〜５のいずれか１つに記載の気相成長装置。
【請求項７】
スリット状に形成される開口部の長さは、
ガス導入方向に直交する方向における被処理基板の長さよりも大きいことを特徴とする請求項６記載の気相成長装置。
【請求項８】
開口部は、複数の貫通孔が形成されてなることを特徴とする請求項２〜５のいずれか１つに記載の気相成長装置。
【請求項９】
第２ガス拡散室および第３ガス拡散室には、
原料ガスに対して不活性なガスを供給する清浄化用ガス供給手段と、
ガス拡散室内のガスを排出する排出手段とが設けられることを特徴とする請求項２〜８のいずれか１つに記載の気相成長装置。
【請求項１０】
第２ガス拡散室および第３ガス拡散室には、その内部に、開口部から第２ガス導入管に供給される原料ガスの排出される方向を変化させる板状部材が設けられることを特徴とする請求項２〜９のいずれか１つに記載の気相成長装置。
【請求項１１】
第２ガス拡散室、第３ガス拡散室、第１ガス導入管、第２ガス導入管および反応管は、
金属材料により一体的に形成されることを特徴とする請求項２〜１０のいずれか１つに記載の気相成長装置。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１つに記載の気相成長装置を用いて被処理基板上に層を形成する気相成長方法であって、
第１の原料ガスと、第２ガス供給部から供給される第２の原料ガスとを被処理基板の成層される面に沿う方向に導入し反応させて被処理基板上に第１の層を形成する第１層形成工程と、
第１の原料ガスと、第３ガス供給部から供給される第３の原料ガスとを被処理基板の成層される面に沿う方向に導入し反応させて被処理基板の第１の層上に第２の層を形成する第２層形成工程とを含むことを特徴とする気相成長方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気相成長装置および気相成長方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
被処理基板上にエピタキシャル層が形成されてなる発光ダイオード（ＬＥＤ）、半導体レーザなどの半導体デバイスの製造方法として、気相エピタキシャル成長法（Vapor
Phase Epitaxy：略称ＶＰＥ法）、有機金属化学気相蒸着法（Metal Organic Chemical
Vapor Deposition：略称ＭＯＣＶＤ法）、分子線エピタキシャル法（Molecular Bear
Epitaxy：略称ＭＢＥ法）などが知られている。このうちＭＯＣＶＤ法は、層厚制御性が良好で大量生産に適しているので、化合物半導体のエピタキシャル成長に汎用されている。
【０００３】
ＭＯＣＶＤ法は、原料ガスとしてアルキル化物および水素化物を用い、これらの熱分解反応を利用した気相成長方法である。ＭＯＣＶＤ法では、高温に加熱した被処理基板上に原料ガスを導入し、原料ガスに化学反応を起こさせることによって薄層を形成するものである。たとえば、ＩＩＩ−Ｖ族化合物の反応では、ＩＩＩ族の原料としてトリメチルインジウム（ＴＭＩ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）などのＩＩＩ族元素のアルキル化物を用いる。これらのＩＩＩ族元素のアルキル化物は、常温（２５℃）で数〜数１０Ｔｏｒｒの蒸気圧を持つ液体または固体であり、水素などのキャリアガスとともに反応管に供給する。一方、Ｖ族の原料としては、Ｖ族元素の水素化物またはＶ族元素のアルキル化物を用いる。
【０００４】
このようなＭＯＣＶＤ法による気相成長方法では、ガス導入口から上記のような原料ガスを反応管内に導入し反応させることにより反応管内に備えられる被処理基板上に薄層を形成する気相成長装置が用いられる。またＭＯＣＶＤ法を用いる気相成長装置には、被処理基板上に形成する薄層の組成および厚みを均一とすることが求められており、このような要求に対していくつかの気相成長装置が提案されている（たとえば、特許文献１〜３参照）。
【０００５】
特許文献１に開示される気相成長装置では、ガス供給部から原料ガスが供給され、該供給される原料ガスを拡散させるバッファルームと、バッファルームと反応管とを連通するように設けられ、かつ折曲がった流路を有するガス導入ユニットとを含み、該ガス導入ユニットから反応管に原料ガスが導入されるので、ガス供給部からバッファルームに速い速度で流入する原料ガスをバッファルーム内で拡散させ、さらに折曲がった流路により反応管に導入される原料ガスの速度を減退させることができる。このため、反応管内での原料ガスの流速分布および混合割合が一様となり、厚みおよび組成の均一な薄層を形成することができる。
【０００６】
特許文献２に開示される気相成長装置では、２本の反応管を直交して設け、該直交部分付近に被処理基板を載置し、原料ガスを各反応管に交互に導入することにより被処理基板上に薄層を形成する。特許文献２に開示の気相成長装置によれば、２本の反応管を直交して設け、各反応管に交互に原料ガスを導入し反応させることによって、原料ガスを一方向のみに導入する際に生じる問題であるガス導入方向に直交する方向における薄層の厚みむらの発生を防止し、被処理基板の全面にわたって均一な成層を行なうことができる。
【０００７】
図８は、特許文献３に開示される気相成長装置に類似の気相成長装置１の構成を概略的に示す部分断面図である。気相成長装置１は、水平方向に延びる反応管２と、被処理基板３を載置するサセプタ４と、反応管２に第１の原料ガスを導入する第１導入路５と、反応管２に第２の原料ガスを導入する第２導入路６と、反応管２にサブフローガスを導入する第３導入路７とを含んで構成される。
【０００８】
反応管２は、一方の端部に第１導入路５、第２導入路６および第３導入路７が接続され、他方の端部が不図示のガス排気口となっており、該ガス排気口から成層に用いられなかった反応管２内のガスを排気する。反応管２には、下方に臨んで長手方向略中央部に開口部８が形成される。開口部８が形成される部分には、反応管２の下方にヒータ９が設けられる。ヒータ９は、たとえば、高周波コイル、抵抗発熱体などを含み、不図示の回転駆動手段によって回転可能に設けられ、また不図示の電源から電力供給されて発熱することができる。このヒータ９の上にサセプタ４が装着される。
【０００９】
サセプタ４は、保持部材であり、その上に載置される被処理基板３を保持することができる。ヒータ９に電力供給して発熱させるとともに回転駆動させることによって、サセプタ４が加熱および回転駆動され、さらにサセプタ４に載置される被処理基板３が、反応管２内で回転しながら加熱昇温される。
【００１０】
第１導入路５、第２導入路６および第３導入路７は、それぞれ反応管２に第１の原料ガス、第２の原料ガスおよび第３の原料ガスを導入する供給管路である。なお、第１の原料ガスとしては、たとえば、Ｖ族元素の水素化物であるアンモニア（ＮＨ３）を用いる。第２の原料ガスとしては、たとえば、ＩＩＩ族元素のアルキル化物であるＴＭＧを水素などのキャリアガスに含ませたものを用いる。サブフローガスとしては、たとえば、窒素（Ｎ２）、水素（Ｈ２）、アルゴン（Ａｒ）などの不活性ガスを用いる。
【００１１】
各導入路５，６，７は、一端側が反応管２に接続され、他端側がそれぞれの導入路から反応管２に導入するガスを供給するガス供給路１０，１１，１２に接続される。ガス供給路１０，１１，１２は、導入路５，６，７と接続される側と反対側に高圧ボンベなどのガス供給源、ガス供給源に接続される圧力／流量調整弁を備える。
【００１２】
第１導入路５、第２導入路６および第３導入路７は、それぞれ被処理基板３の成層面に略平行に延びて設けられ、被処理基板３の成層される面に直交する方向に、第１導入路５、第２導入路６、第３導入路７の順に積層して設けられる。また、第１導入路５と第２導入路６とは、第３導入路７と第１導入路５および第２導入路６とが合流する位置よりもガス導入方向上流側で合流し、該合流部分１３において第１導入路５を流過する第１の原料ガスおよび第２導入路６を流過する第２の原料ガスが混合される。このことにより、反応管２に導入される前に合流部分１３において予め混合される第１の原料ガスおよび第２の原料ガスと、サブフローガスとを、反応管２内に、被処理基板３の成層面に対してほぼ平行に、かつ層状に導入することができる。
【００１３】
以下、気相成長装置１による被処理基板３への成層動作について説明する。成層時、まず成層原料成分を含有する第１の原料ガスおよび第２の原料ガスならびにサブフローガスが、それぞれ導入路５，６，７から反応管２内へ導入される。なお、第１の原料ガスおよび第２の原料ガスは、反応管２内へ導入される前に、第１導入路５と第２導入路６との合流部分１３において混合される。導入路５，６，７から反応管２内へ導入され、被処理基板３付近に達した第１の原料ガスおよび第２の原料ガスは、ヒータ９からサセプタ４および被処理基板３を介して放射される輻射熱およびガス中の熱伝導で温められ、原料ガスが熱分解することによって被処理基板３上に薄層を形成する。
【００１４】
このような気相成長装置１によれば、予め混合される第１の原料ガスおよび第２の原料ガスと、サブフローガスとを被処理基板３の成層面に対してほぼ平行に、かつ滑らかに導入することができる。また、第１の原料ガスおよび第２の原料ガスの混合が反応管２に導入される前に行なわれ、原料ガスの混合後、好適な時間が経過してから混合ガスが反応管２に導入される。このため、第１の原料ガスと第２の原料ガスとの混合が不充分であることにより結晶組成が面内で不均一となるという問題、第１の原料ガスと第２の原料ガスとの混合後、反応管に導入されるまでの時間が長くなり過ぎることにより、第１の原料ガスおよび第２の原料ガスの各原料ガスが分解するという問題などが生じる恐れを低減でき、各原料ガスの混合割合を均一にして反応管２に原料ガスを導入することができる。したがって、このような気相成長装置１によれば、結晶学的に極めて高品位な層を形成することができる。
【００１５】
ところで近年では、青色・緑色発光ダイオード（ＬＥＤ）、白色発光ダイオード（ＬＥＤ）、紫色発光ダイオード（ＬＥＤ）などのように、組成の異なる複数の層が重ね合わされて形成される多重量子井戸構造（Multiple Quantum Well：ＭＱＷ）を有する半導体レーザデバイスが開発されている。このような多重量子井戸構造を有する半導体レーザデバイスは、たとえば、ＡｌＧａＡｓ（アルミガリウムヒ素）／ＧａＡｓ（ガリウムヒ素）の多重量子井戸構造を形成する場合、ＴＭＧなどのＧａを含む有機金属化合物とアルシン（ＡｓＨ３）などのＡｓを含むガスを反応管に供給してＧａＡｓを成長させた後、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）などのＡｌを含む有機金属化合物を共有してＡｌＧａＡｓを成長させることにより得られる。
【００１６】
また、たとえばＩｎｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮの多重量子井戸構造を形成する場合、ＩｎｘＧａ１−ｘの組成の異なる原料ガスを交互に反応管に導入して積層結晶を形成する。なお、このような多重量子井戸構造を有する積層結晶を形成する際、組成の異なる原料ガスを交互に反応管に導入するための手段が必要であるけれども、特許文献１〜３に開示される気相成長装置はいずれも単層の結晶を成長させるものであるので、このような気相成長装置には、組成の異なる原料ガスを交互に反応管に導入するための手段を設けることが必要である。
【００１７】
そこで、組成の異なる原料ガスを交互に反応管に導入するための手段を備え、多重量子井戸構造を有する積層結晶を形成する気相成長装置が提案されている（たとえば、特許文献４参照）。図９は、特許文献４に開示される気相成長装置２１の構成を概略的に示す系統図である。気相成長装置２１は、複数のガス供給手段に接続される混合器であるマニホールド２２と、マニホールド２２で混合されたガスを反応管２３に導入する導入管２４と、内部に被処理基板が備えられ、マニホールド２２で混合されたガスが導入管２４により供給される反応管２３とを含んで構成される。気相成長装置２１によってＩｎＰ層とＩｎＧａＡｓＰ層とを被処理基板上に交互に積層する例を説明する。
【００１８】
まず、マニホールド２２にガスを供給する複数のガス供給手段について説明する。気相成長装置２１では、ＩＩＩ族の原料であるＩＩＩ族のアルキル化物（ＴＭＩ、ＴＭＧ）は、ステンレス製の容器であるバブラ２５，２６にそれぞれ充填され、各バブラ２５，２６には水素などのキャリアガスが純化手段２７および流量制御手段であるマスフローコントローラ（ＭＦＣ）２８，２９を介して接続される。ＩＩＩ族原料は、このキャリアガスに含まれる状態で、配管３０，３１を介してマニホールド２２に供給可能にされる。また、Ｖ族の原料であるＶ族の水素化物（ＰＨ３（ホスフィン）、ＡｓＨ３）は、それぞれボンベ３２，３３に充填され、ＭＦＣ３４，３５により流量が調整されて配管３６，３７を通してマニホールド２２に供給可能にされる。
【００１９】
マニホールド２２は、上記複数のガス供給手段により供給される原料ガスを予め定められる割合で混合する混合器である。マニホールド２２には、複数のガス供給手段に接続される不図示の切換弁がそれぞれ設けられ、この切換弁を切換えることによってＴＭＩ、ＴＭＧ、ＰＨ３、ＡｓＨ３のそれぞれの供給量を調整し、マニホールド２２内の原料ガスの混合割合を予め定められるものに設定する。マニホールド２２で混合されたガスは、導入管２４により反応管２３に導入される。
【００２０】
反応管２３は、一方の端部が導入管２４に接続される。また反応管２３には、導入管２４により導入される反応管２３内のガスを、フィルタ３８を介して排出する排気手段３９が備えられる。反応管２３は、図示しないけれども、前述の図８に示す反応管２と同様にヒータおよびサセプタを備え、サセプタ上には被処理基板が載置される。なお、反応管２３は紙面の都合上図９においては縦型となっているけれども、前述の図８に示す反応管２と同様に水平方向に延びるように設けられる横型の反応管である。
【００２１】
以下、気相成長装置２１による被処理基板への成層動作について説明する。まず、ＩｎＰ層の原料成分を含有するＴＭＩとＰＨ３とを予め定められる割合となるように、マニホールド２２に備えられる切換弁を切換えることによりＴＭＩとＰＨ３とをマニホールド２２内に供給し、混合する。マニホールド２２内で混合されたＴＭＩおよびＰＨ３は、導入管２４を介して反応管２３に導入されて被処理基板付近に達し、熱化学反応によって分解し、被処理基板上にＩｎＰ層を形成する。
【００２２】
次いで、ＩｎＧａＡｓＰ層の原料成分を含有するＴＭＩ、ＴＭＧ、ＰＨ３およびＡｓＨ３を予め定められる割合となるように、マニホールド２２に備えられる切換弁を切換えることによりＴＭＩ、ＴＭＧ、ＰＨ３およびＡｓＨ３をマニホールド２２内に供給し、混合する。マニホールド２２内で混合された原料ガスは、導入管２４を介して反応管２３に導入されて被処理基板付近に達し、熱分解することによって被処理基板上にＩｎＧａＡｓＰ層を形成する。このようなＩｎＰ層の形成およびＩｎＧａＡｓＰ層の形成の動作を複数回繰返すことにより、被処理基板上にＩｎＰ層とＩｎＧａＡｓＰ層とを交互に積層することができる。
【００２３】
気相成長装置２１によれば、マニホールド２２内の原料ガスの割合を、切換弁を切換えて変化させ、予め定められる各層それぞれの割合で混合された原料ガスを被処理基板上で反応させることにより、組成の異なる複数の層を積層して形成することができる。また、反応管２３が横型の反応管であるので、原料ガスの反応管２３内での流れがスムーズであり、被処理基板に対する原料ガスの当たりが柔らかくなるという利点がある。
【００２４】
しかしながら、気相成長装置２１では、マニホールド２２から反応管２３に原料ガスを導入するための導入管２４の断面積が、反応管２３の断面積に比べて小さい。このため、導入管２４と反応管２３との接続部分付近において導入される原料ガスの流速が局所的に速くなり、反応管２３内での原料ガスの流速分布が乱れることによって被処理基板に形成される層に厚みむらが発生するという問題がある。
【００２５】
このような原料ガスの局所的な流速の変化を防止するためには、反応管２３の長さを長くして反応管２３内の被処理基板付近での原料ガスの流速分布を均一にすること、導入管２４の断面積を大きくして反応管２３の断面積に近づけて導入管２４と反応管２３との接続部分付近において導入される原料ガスの流速が局所的に速くなるのを防止することなどの対策が考えられる。
【００２６】
しかしながら、反応管２３の長さを長くすることは、ＩＩＩ族の原料とＶ族の原料とが合流する時間を長くするので、反応管２３のガス導入方向上流側で反応したＩＩＩ族の原料またはＶ族の原料の分解を引起こす恐れがある。このようなＩＩＩ族の原料またはＶ族の原料の分解が生じると、被処理基板に形成した同一層内に、ＩＩＩ族を多く含む部分とＶ族を多く含む部分とが生じ、被処理基板に形成される層の面内において組成が不均一となるという問題がある。
【００２７】
また、複数形成される各層の成長速度を一定とする場合、ＩＩＩ族原料の供給量とＶ族原料の供給量とを設定する場合などには、ＩＩＩ族原料に供給するキャリアガスの供給量を変化させることが必要である。ここで、このキャリアガスの供給量は一般に数ｃｃ〜１０数ｃｃ程度と少量であるので、特に反応管２３の長さが長くなると、供給量が安定化するまである程度の時間を必要とする。
【００２８】
すなわち、反応管２３の長さが長くなると、たとえば、ＩｎＰ層形成後、ＩｎＧａＡｓＰ層を形成する際に、マニホールド２２の切換弁を切換えてもマニホールド２２、導入管２４および反応管２３内にＩｎＰ層形成用の原料ガスが残存することにより、予め定める厚みのＩｎＰ層が形成された後でもＩｎＰ層の原料成分を含むガスが反応管２３内に供給されるので、原料ガスの変更要請に対する反応管２３内に存在する原料ガスの組成の応答性が低下する。このため、積層界面における組成がＩｎＰからＩｎＧａＡｓＰに緩やかに変化してＩｎＰ層とＩｎＧａＡｓＰ層との境界が不明瞭となり、積層界面に組成の急峻性が得られない。このような問題は、導入管２４の断面積を大きくする場合にも生じる。
【００２９】
多重量子井戸構造を有する半導体レーザデバイスでは、積層界面において組成が明瞭に変化すること、すなわち積層界面において組成の急峻性を有することが重要である。したがって、多重量子井戸構造を有する成層結晶を形成する気相成長装置では、混合される複数の原料ガスを、流速分布を乱すことなく反応管に導入するとともに、反応管内での原料ガスの分解を防止して同一層内において均一な厚みおよび組成を有する層を形成すること、さらに、用いる原料ガスを切換える際、その応答性を高めて積層界面の組成の急峻性を得ることが求められている。
【００３０】
【特許文献１】特開平３−１３１５９４号公報
【特許文献２】特開平７−７８７６８号公報
【特許文献３】特開２００４−６３５５５号公報
【特許文献４】特開平６−１７２０８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３１】
本発明の目的は、混合される複数の原料ガスを、その流速分布を乱すことなく反応管に導入するとともに反応管内での原料ガスの分解を防止し、かつ用いる原料ガスの切換応答性を高めることによって、同一層内において均一な厚みおよび組成を有し、積層界面において組成の急峻性を有する層を形成できる気相成長装置および気相成長方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００３２】
本発明は、第１の原料ガスおよび第１の原料ガスと反応する第２の原料ガスを反応管内に備えられる被処理基板の成層される面に沿う方向に導入し反応させて被処理基板上に第１の層を形成し、第１の原料ガスおよび第１の原料ガスと反応する第３の原料ガスを被処理基板の成層される面に沿う方向に導入し反応させて被処理基板の第１の層上に第２の層を形成する気相成長装置であって、
被処理基板の成層される面に略平行に設けられ、第１の原料ガスを反応管内に導入する第１ガス導入管と、
第１ガス導入管と略平行に、かつ被処理基板の成層される面に直交する方向に第１ガス導入管に積層して設けられ、第２の原料ガスまたは第３の原料ガスを反応管内に導入する第２ガス導入管と、
第２ガス導入管に第２の原料ガスを供給する第２ガス供給部および第２ガス導入管に第３の原料ガスを供給する第３ガス供給部を含むガス供給部と、
第２ガス導入管とガス供給部との間に設けられ、第２ガス導入管に供給する原料ガスを第２の原料ガスと第３の原料ガスとの間で選択するガス選択手段とを含むことを特徴とする気相成長装置である。
【００３３】
また本発明は、第２ガス供給部は、
第２ガス導入管に第２の原料ガスを導入する開口部が形成される第２ガス拡散室を含み、
第３ガス供給部は、
第２ガス導入管に第３の原料ガスを導入する開口部が形成される第３ガス拡散室を含み、
第２ガス拡散室および第３ガス拡散室に形成される開口部は、
第２ガス拡散室および第３ガス拡散室と第２ガス導入管とをそれぞれ連通するように形成されることを特徴とする。
【００３４】
また本発明は、ガス選択手段は、
第２ガス拡散室および第３ガス拡散室に形成される開口部のいずれか一方を開放し、他方を閉塞して第２ガス導入管に供給する原料ガスを選択することを特徴とする。
【００３５】
また本発明は、ガス選択手段は、
第２ガス拡散室に形成される開口部の開口面に対して垂直または平行に移動して第２ガス拡散室の開口部を開放または閉塞する第２弁体と、
第３ガス拡散室に形成される開口部の開口面に対して垂直または平行に移動して第３ガス拡散室の開口部を開放または閉塞する第３弁体と、
第２ガス拡散室の開口部および第３ガス拡散室の開口部のいずれか一方が開放され、他方が閉塞されるように第２弁体および第３弁体の動作を制御する制御手段とを含むことを特徴とする。
【００３６】
また本発明は、第２弁体および第３弁体が一体的に形成されることを特徴とする。
また本発明は、開口部は、スリット状に形成されることを特徴とする。
【００３７】
また本発明は、スリット状に形成される開口部の長さは、
ガス導入方向に直交する方向における被処理基板の長さよりも大きいことを特徴とする。
また本発明は、開口部は、複数の貫通孔が形成されてなることを特徴とする。
【００３８】
また本発明は、第２ガス拡散室および第３ガス拡散室には、
原料ガスに対して不活性なガスを供給する清浄化用ガス供給手段と、
ガス拡散室内のガスを排出する排出手段とが設けられることを特徴とする。
【００３９】
また本発明は、第２ガス拡散室および第３ガス拡散室には、その内部に、開口部から第２ガス導入管に供給される原料ガスの排出される方向を変化させる板状部材が設けられることを特徴とする。
【００４０】
また本発明は、第２ガス拡散室、第３ガス拡散室、第１ガス導入管、第２ガス導入管および反応管は、
金属材料により一体的に形成されることを特徴とする。
【００４１】
また本発明は、前記のいずれか１つに記載の気相成長装置を用いて被処理基板上に層を形成する気相成長方法であって、
第１の原料ガスと、第２ガス供給部から供給される第２の原料ガスとを被処理基板の成層される面に沿う方向に導入し反応させて被処理基板上に第１の層を形成する第１層形成工程と、
第１の原料ガスと、第３ガス供給部から供給される第３の原料ガスとを被処理基板の成層される面に沿う方向に導入し反応させて被処理基板の第１の層上に第２の層を形成する第２層形成工程とを含むことを特徴とする気相成長方法である。
【発明の効果】
【００４２】
本発明によれば、第１ガス導入管と第２ガス導入管とは、被処理基板の成層される面に略平行に設けられ、かつ被処理基板の成層される面に直交する方向に積層して設けられる。したがって、第１ガス導入管により導入される第１の原料ガスと、第２ガス導入管により導入される第２の原料ガスまたは第３の原料ガスとを、被処理基板の成層される面に対してほぼ平行に、かつ滑らかに導入することができるので、同一層内において均一な厚みおよび組成を有する層を被処理基板上に形成することができる。
【００４３】
また、第１の原料ガスを反応管に導入する第１ガス導入管と、第１の原料ガスと反応する第２の原料ガスおよび第１の原料ガスと反応する第３の原料ガスを反応管に導入する第２ガス導入管とが、それぞれ別個に設けられるので、第１の原料ガスと、第２の原料ガスまたは第３の原料ガスとが混合される時間が長くなり過ぎることによって、各原料ガスが導入管内または反応管内において分解することを防止できる。
【００４４】
さらに、第２ガス導入管に第２の原料ガスを供給する第２ガス供給部および第２ガス導入管に第３の原料ガスを供給する第３ガス供給部を含むガス供給部と、第２ガス導入管とガス供給部との間に設けられ、第２ガス導入管に供給する原料ガスを第２の原料ガスと第３の原料ガスとの間で選択するガス選択手段とを含む。このため、成層に用いる原料ガスの選択を第２の原料ガスと第３の原料ガスとの間で容易かつ迅速に行なうことができ、原料ガスの切換応答性を高めることができるので、積層界面における組成の急峻性が得られる。
【００４５】
また本発明によれば、第２ガス供給部は第２ガス導入管に第２の原料ガスを導入する開口部が形成される第２ガス拡散室を含み、第３ガス供給部は第２ガス導入管に第３の原料ガスを導入する開口部が形成される第３ガス拡散室を含み、第２ガス拡散室および第３ガス拡散室に形成される開口部は、第２ガス拡散室および第３ガス拡散室と第２ガス導入管とをそれぞれ連通するように形成される。このような構成によって、第２ガス拡散室に存在する第２の原料ガスおよび第３ガス拡散室に存在する第３の原料ガスを、開口部を通して第２ガス導入管に導入することができる。
【００４６】
また本発明によれば、ガス選択手段は、第２ガス拡散室および第３ガス拡散室に形成される開口部のいずれか一方を開放し、他方を閉塞して第２ガス導入管に供給する原料ガスを選択する。このようなガス選択手段では、開口部の開閉のみによって第２ガス導入管に導入するガスを第２の原料ガスと第３の原料ガスとの間で切換えることができるので、原料ガスの切換が容易かつ迅速に行なえる。
【００４７】
また本発明によれば、ガス選択手段は、第２ガス拡散室に形成される開口部の開口面に対して垂直または平行に移動して第２ガス拡散室の開口部を開放または閉塞する第２弁体と、第３ガス拡散室に形成される開口部の開口面に対して垂直または平行に移動して第３ガス拡散室の開口部を開放または閉塞する第３弁体と、第２ガス拡散室の開口部および第３ガス拡散室の開口部のいずれか一方が開放され、他方が閉塞されるように第２弁体および第３弁体の動作を制御する制御手段とを含む。このようなガス選択手段により、第２ガス拡散室および第３ガス拡散室に形成される開口部のいずれか一方を開放し、他方を閉塞して第２ガス導入管に供給する原料ガスを選択する構成を実現することができる。
【００４８】
また本発明によれば、第２弁体および第３弁体が一体的に形成されるので、第２弁体と第３弁体とをそれぞれ個別に制御する必要がなく、第２弁体と第３弁体との切換時間の誤差によって原料ガスの混合割合が変動するのを防止することができる。また、第２弁体および第３弁体の製造、第２弁体および第３弁体の気相成長装置への組立などに要するコストを低減することができる。
【００４９】
また本発明によれば、開口部はスリット状に形成される。このため、原料ガスがスリット状、すなわち原料ガス拡散室の内部空間に比べて小さい開口部から第２ガス導入管に供給される。このようなスリット状の開口部を備えると、原料ガス拡散室内の原料ガスがスリット状の開口部から流出する際に乱流となり、速度が低減されて第３ガス導入管に供給されるので、第２ガス導入管内における原料ガスの流速分布を一様にすることができる。このため、反応管内にも均一に原料ガスを導入することができ、ガス導入方向において厚みむらのない良好な層を形成することができる。
【００５０】
また本発明によれば、スリット状に形成される開口部の長さは、ガス導入方向に直交する方向における被処理基板の長さよりも大きい。このようなスリット状の開口部を通る原料ガスは、被処理基板のガス導入方向に直交する方向における長さより大きい長さにわたって均一な流速分布を有するので、被処理基板のガス導入方向に直交する方向についても厚みむらのない高品位の層を形成することができる。
【００５１】
また本発明によれば、開口部は、複数の貫通孔が形成されてなるので、このような貫通孔を通過することによっても原料ガスが第２ガス導入管に供給される速度を低減することができ、反応管に導入される原料ガスの流速分布が一様となる。このため、被処理基板上に厚みむらのない層を形成することができる。
【００５２】
また本発明によれば、第２ガス拡散室および第３ガス拡散室には、原料ガスに対して不活性なガスを供給する清浄化用ガス供給手段と、ガス拡散室内のガスを排出する排出手段とが設けられる。このため、たとえば第２ガス拡散室に第３の原料ガスが混入したり第３ガス拡散室に第２の原料ガスが混入したりしても、各ガス拡散室内部を不活性ガスで一旦置換して清浄化することができるので、形成される層の組成が予め定められる組成と異なるものとなることを防止できる。
【００５３】
また本発明によれば、第２ガス拡散室および第３ガス拡散室には、その内部に、開口部から第２ガス導入管に供給される原料ガスの排出される方向を変化させる板状部材が設けられるので、原料ガスが排出される際の障壁となり、原料ガスが第２ガス導入管に供給される速度を低減することができる。このため、第２ガス導入管内における原料ガスの流速分布を一様にすることができ、さらに反応管に均一に原料ガスを導入することができるので、厚みむらのない均一な層を形成することができる。
【００５４】
また本発明によれば、第２ガス拡散室、第３ガス拡散室、第１ガス導入管、第２ガス導入管および反応管は、金属材料により一体的に形成される。このため、気相成長装置を製造する工程を簡略化および短縮化することができる。また、各部材間の接続部分において、製造誤差による段差が生じることを防止できるので、該段差によって原料ガスの流速分布が乱れるなどの問題を防止することができる。
【００５５】
また本発明によれば、前記記載の気相成長装置を用いて、第１の原料ガスと、第２ガス供給部から供給される第２の原料ガスとを被処理基板の成層される面に沿う方向に導入し反応させて被処理基板上に第１の層を形成する第１層形成工程と、第１の原料ガスと、第３ガス供給部から供給される第３の原料ガスとを被処理基板の成層される面に沿う方向に導入し反応させて被処理基板の第１の層上に第２の層を形成する第２層形成工程とを含む気相成長方法が提案される。このような気相成長方法では、第１ガス導入管により導入される第１の原料ガスと、第２ガス導入管により導入される第２の原料ガスまたは第３の原料ガスとを、被処理基板の成層される面に対してほぼ平行に、かつ滑らかに導入することができるとともに、第２の原料ガスと第３の原料ガスとの切換を容易に行なうことができるので、同一層内において均一な厚みおよび組成を有するとともに、第１の層と第２の層との界面において組成の急峻性を有する層を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５６】
図１は、本発明の実施の一形態である気相成長装置４１の構成を概略的に示す断面図である。本実施形態の気相成長装置４１は、第１の原料ガスおよび第１の原料ガスと反応する第２の原料ガスを反応管４２内に備えられる被処理基板４３の成層される面４３ａに沿う方向に導入し反応させて被処理基板４３上に第１の層を形成し、第１の原料ガスおよび第１の原料ガスと反応する第３の原料ガスを被処理基板４３の成層される面４３ａに沿う方向に導入し反応させて被処理基板４３の第１の層上に第２の層を形成する装置であり、たとえば、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮ（ただし０＜ｘ＜１）の多重量子井戸構造を有する積層結晶の形成に用いられる。
【００５７】
気相成長装置４１は、反応管４２と、被処理基板４３を載置するサセプタ４４と、サセプタ４４の下方に設けられる加熱手段であるヒータ４５と、反応管４２に第１の原料ガスを導入する第１ガス導入管４６と、反応管４２に第２の原料ガスまたは第３の原料ガスを導入する第２ガス導入管４７と、反応管４２にサブフローガスを導入する第３ガス導入管４８と、第１ガス導入管４６に第１の原料ガスを供給する第１ガス供給部４９と、第２ガス導入管４７に第２の原料ガスを供給する第２ガス供給部５０および第２ガス導入管４７に第３の原料ガスを供給する第３ガス供給部５１を含むガス供給部５２と、第３ガス導入管４８にサブフローガスを導入するサブフローガス供給部５３と、第２ガス導入管４７に供給する原料ガスを第２の原料ガスと第３の原料ガスとの間で選択するガス選択手段５４とを含んで構成される。
【００５８】
気相成長装置４１は、第２ガス導入管４７が、第１ガス導入管４６と略平行に設けられ、かつ被処理基板４３の成層される面４３ａに直交する方向に第１ガス導入管４６に積層して設けられ、ガス選択手段５４が、第２ガス導入管４７とガス供給部５２との間に設けられることを特徴とする。
【００５９】
反応管４２は、耐熱性を有する金属材料からなり、一方の端部に第１ガス導入管４６、第２ガス導入管４７および第３ガス導入管４８が接続され、他方の端部に不図示のガス排気口が形成される。このガス排気口により、第１ガス導入管４６、第２ガス導入管４７および第３ガス導入管４８から導入されたガスであって、成層に用いられなかった反応管４２内のガスおよび熱分解により成層に用いられた後の残ガスを排気する。
【００６０】
反応管４２の下部には、長手方向略中央部に開口部５５が形成される。開口部５５の形成される部分には、反応管４２の開口部５５下方にヒータ４５が設けられる。ヒータ４５は、たとえば、高周波コイル、抵抗発熱体などを含み、不図示の回転駆動手段によって回転可能に設けられ、また不図示の電源から電力供給されて発熱することができる。このヒータ４５の上にサセプタ４４が装着される。
【００６１】
サセプタ４４は、たとえばＳｉＣなどからなる保持部材であり、その上に載置されるたとえばサファイアなどからなる複数の被処理基板４３を保持することができる。ヒータ４５に電力を供給して発熱させるとともに回転駆動させることによって、サセプタ４４が加熱および回転駆動され、さらにサセプタ４４に載置される被処理基板４３が、反応管４２内で回転しながら加熱昇温される。なお、ヒータ４５およびサセプタ４４は、必ずしも回転可能に設けられなくてもよい。
【００６２】
第１ガス導入管４６、第２ガス導入管４７および第３ガス導入管４８は、それぞれ反応管４２に第１の原料ガス、第２の原料ガスまたは第３の原料ガス、サブフローガスを導入する供給管である。ここで、気相成長装置９１が、たとえば、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮの多重量子井戸構造を有する半導体レーザデバイスを製造する場合、第１の原料ガスとしては、Ｖ族原料であるアンモニア（ＮＨ３）が用いられる。第２の原料ガスとしては、ＩＩＩ族原料であって、第１の原料ガスと反応してＧａＮ層を形成するＴＭＧを水素などのキャリアガスに含ませたものが用いられる。第３の原料ガスとしては、ＩＩＩ族原料であって、第１の原料ガスと反応してＩｎｘＧａ１−ｘＮ層を形成するＴＭＩとＴＭＧとが予め定める割合で混合され水素などのキャリアガスに含まれたものが用いられる。サブフローガスとしては、窒素（Ｎ２）、水素（Ｈ２）、アルゴン（Ａｒ）などの不活性ガスが用いられる。
【００６３】
第１ガス導入管４６、第２ガス導入管４７および第３ガス導入管４８は、それぞれ被処理基板４３の成層面４３ａに略平行に設けられ、第１の原料ガスが流過する第１導入路５６、第２の原料ガスまたは第３の原料ガスが流過する第２導入路５７、サブフローガスが流過する第３導入路５８を形成する。また、第１ガス導入管４６、第２ガス導入管４７および第３ガス導入管４８は、この順に被処理基板４３の成層される面４３ａに直交する方向に積層して設けられる。
【００６４】
なお、本実施形態では、第１ガス導入管４６、第２ガス導入管４７および第３ガス導入管４８は、金属材料により一体成型され、第１導入路５６と第２導入路５７とは、第１隔壁部材５９によって分離され、第２導入路５７と第３導入路５８とは、第２隔壁部材６０によって分離される。また、第１導入路５６と第２導入路５７とが合流する位置は、第３導入路５８が他の導入路５６，５７と合流する位置よりもガス導入方向上流側になるように、第２隔壁部材６０が第１隔壁部材５９よりもガス導入方向下流側まで長く延びて設けられる。このことによって、第１の原料ガスと第２の原料ガス（または第３の原料ガス）とを、反応管４２に導入される前に合流部分６１において予め混合し、混合された原料ガスとサブフローガスとを、反応管４２内に、被処理基板４３の成層面に対してほぼ平行に、かつ層状に導入することができる。
【００６５】
第１ガス導入管４６、第２ガス導入管４７、第３ガス導入管４８にガスを供給する第１ガス供給部４９、第２ガス供給部５０、第３ガス供給部５１およびサブフローガス供給部５３は、それぞれ第１ガス拡散室６２、第２ガス拡散室６３、第３ガス拡散室６４およびサブフローガス拡散室６５を含む。これらの各拡散室は、反応管４２に対するガス導入方向に直交する方向において、被処理基板の長さ（以後、反応管４２に対するガス導入方向に直交する方向における被処理基板の長さを被処理基板の幅と呼ぶ）よりも大きい長さで形成される。このような拡散室内でそれぞれのガスを拡散させることにより、拡散室内での対流によるバッファ効果が得られるので、導入管４６，４７，４８へガスを導入する際、ガスが速い速度で流入するのを防止し、ガスの流速分布が乱れる恐れを低減することができる。
【００６６】
第２ガス拡散室６３と第３ガス拡散室６４とは、第２ガス導入管４７を挟んで互いに対向するように設けられる。本実施形態では、第１ガス拡散室６２、第２ガス拡散室６３、第３ガス拡散室６４およびサブフローガス拡散室６５は、第１ガス導入管４６、第２ガス導入管４７、第３ガス導入管４８とともに金属材料により一体成型される。
【００６７】
第１ガス供給部４９の第１ガス拡散室６２には、第１ガス導入管４６に第１の原料ガスを導入するための開口部６２ａが、第１ガス拡散室６２と第１ガス導入管４６とを連通するように形成される。第１ガス拡散室６２には、不図示の高圧ボンベなどのガス供給源、ガス供給源に接続される圧力／流量調整弁が備えられ、これらによって供給される予め定める量の第１の原料ガスが拡散して存在する。
【００６８】
また、第１ガス拡散室６２には、第１の原料ガスに対して不活性なガスを供給する不図示の清浄化用ガス供給手段と、第１ガス拡散室６２内のガスを排出する排出手段６６とが設けられる。これらの手段により、成層動作を行なわないときに第１ガス拡散室６２内のガスを排出しつつ清浄化用の不活性なガスを供給し、その後清浄化用ガスを排出しながら第１の原料ガスを供給して第１ガス拡散室６２内部の清浄化を図ることができる。なお、排出手段６６として、真空ポンプなどを備える構成であってもよい。
【００６９】
第２ガス供給部５０の第２ガス拡散室６３には、第２ガス導入管４７に第２の原料ガスを導入するための開口部６３ａが、第２ガス拡散室６３と第２ガス導入管４７とを連通するように形成される。第２ガス拡散室６３には、第１ガス拡散室６２と同様に、不図示のガス供給源、圧力／流量調整弁、清浄化用ガス供給手段、排出手段６６などが備えられる。
【００７０】
また、第２ガス拡散室６３の内部には、開口部６３ａ付近に、開口部６３ａから第２ガス導入管４７に供給される第２の原料ガスが排出される方向を変化させる板状部材６７が設けられる。この板状部材６７を設けることによって、板状部材６７が第２の原料ガスが開口部６３ａから流出する際の障壁となり、第２の原料ガスが第２ガス導入管４７に供給される速度を低減することができるので、第２ガス導入管４７内における第２の原料ガスの流速分布を一様にすることができる。
【００７１】
第３ガス供給部５１は、第２ガス供給部５０と同様に構成されるので説明を省略する。ただし、第３ガス供給部５１の第３ガス拡散室６４には、第２ガス導入管４７に第３の原料ガスを導入するための開口部であって、第３ガス拡散室６４と第２ガス導入管４７とを連通するように形成される開口部６４ａが形成されるけれども、この開口部６４ａは、第２ガス拡散室６３に形成される開口部６３ａに対向して設けられる。
【００７２】
サブフローガス供給部５３は、第３ガス導入管４８にサブフローガスを導入するための開口部であって、サブフローガス拡散室６５と第３ガス導入管４８とを連通するように形成される開口部６５ａを有するサブフローガス拡散室６５を含んで構成されること以外は第１ガス拡散室６２と同様の構成であるので説明を省略する。
【００７３】
本発明の気相成長装置４１において最も特徴とすべきガス選択手段５４は、第２ガス拡散室６３に形成される開口部６３ａおよび第３ガス拡散室６４に形成される開口部６４ａの開口面に対して垂直に移動して第２ガス拡散室６３の開口部６３ａを開放または閉塞するとともに、第３ガス拡散室６４の開口部６４ａを開放または閉塞する弁体６８と、弁体６８の動作を制御する不図示の制御手段とを含む。
【００７４】
弁体６８は、耐熱性を有する金属材料からなり、断面形状が略Ｔ字状に形成される。弁対６８は、第２ガス拡散室６３と第３ガス拡散室６４との間に外方空間と第２導入路５７とを連通するように形成される開口部６９を塞ぐようにして、Ｔ字状の足部を第２導入路５７に向けて挿入される。弁体６８の第２導入路５７に向けて挿入される足部の長さは、第２ガス拡散室６３に開口部６３ａが形成される位置および第３ガス拡散室６４に開口部６４ａが形成される位置よりも、第２導入路５７へのガス導入方向下流側に延びて長くなるように形成される。
【００７５】
この弁体６８には、たとえば作動応答性に優れるフォースモータなどを含む駆動手段が設けられる。駆動手段によって、弁体６８は、前記開口部６９内において、第２ガス拡散室６３側へ向かって移動し、また第３ガス拡散室６４側へ向かって移動、すなわち図１に示す矢符７０方向へ可逆的に移動可能に構成される。
【００７６】
弁体６８は、第２ガス拡散室６３へ向かって移動し、第２ガス拡散室６３の開口部６３ａが形成される側壁部材に接触することによって第２ガス拡散室６３の開口部６３ａを閉塞する。このとき、第３ガス拡散室６４の開口部６４ａは開放される。また、弁体６８は、第３ガス拡散室６４へ向かって移動し、第３ガス拡散室６４の開口部６４ａが形成される側壁部材に接触することによって第３ガス拡散室６４の開口部６４ａを閉塞する。このとき、第２ガス拡散室６３の開口部６３ａは開放される。
【００７７】
なお、第２ガス拡散室６３および第３ガス拡散室６４と、弁体６８のＴ字状の足部とが接触する部分には、ガス漏れ防止のためのシール部材７６が設けられ、弁体６８と接触し、閉塞される側のガス拡散室からの原料ガスの漏出が防止される。
【００７８】
弁体６８の動作は、不図示の制御手段によって制御される。制御手段には、計時部が備えられる。制御手段には、予め試験などによって、第１の層（たとえば、ＧａＮ層）が形成されるのに要する時間および第２の層（たとえば、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層）が形成されるのに要する時間が記憶部に格納されており、この格納されるデータと計時部で計測される時間とに応じて、弁体６８を移動させるタイミングを決定する。
【００７９】
以下このような気相成長装置４１により被処理基板４３上にＩｎｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮの積層結晶を形成する気相成長方法を説明する。気相成長方法は、第１の原料ガスであるアンモニアと、第２ガス供給部５０から供給される第２の原料ガスであるＴＭＧとを被処理基板４３の成層される面４３ａに沿う方向に導入し反応させて被処理基板４３上に第１の層であるＧａＮ層を形成する第１層形成工程と、第１の原料ガスであるアンモニアと、第３ガス供給部５１から供給される第３の原料ガスであるＴＭＧとＴＭＩとの混合ガスとを被処理基板４３の成層される面４３ａに沿う方向に導入し反応させて被処理基板４３の第１の層上に第２の層であるＩｎｘＧａ１−ｘＮ層を形成する第２層形成工程とを含む。
【００８０】
まず弁体６８によって第３ガス拡散室６４の開口部６４ａが閉塞される状態で、第１層の原料成分を含有する第１の原料ガスであるアンモニアおよび第２の原料ガスであるＴＭＧならびにサブフローガスが、それぞれ導入路５６，５７，５８から反応管４２内へ導入される。なお、第１の原料ガスおよび第２の原料ガスは、反応管４２内へ導入される前に、第１導入路５６と第２導入路５７との合流部分６１において混合される。導入路５６，５７，５８から反応管４２内へ導入され、被処理基板４３付近に達した第１の原料ガスおよび第２の原料ガスは、ヒータ４５からサセプタ４４および被処理基板４３を介して放射される輻射熱およびガス中の熱伝導で温められ、原料ガスが熱分解することによって被処理基板４３上にＧａＮの薄層を形成する（第１層形成工程）。
【００８１】
次いで、制御手段によって、第１層形成工程が予め定める時間行なわれたことが検知されると、弁体６８を移動させて第２ガス拡散室６３の開口部６３ａを閉塞し、第３ガス拡散室６４の開口部６４ａを開放する。この状態で、第２層の原料成分を含有する第１の原料ガスであるアンモニアおよび第３の原料ガスであるＴＭＩとＴＭＧとの混合ガスならびにサブフローガスを、それぞれ導入路５６，５７，５８から反応管４２内へ導入する。ここでも、第１の原料ガスおよび第３の原料ガスは、反応管４２内へ導入される前に、第１導入路５６と第２導入路５７との合流部分６１において混合される。導入路５６，５７，５８から反応管４２内へ導入された第１の原料ガスおよび第３の原料ガスは、被処理基板４３付近に達して温められ、原料ガスが熱分解することによって被処理基板４３上にＩｎｘＧａ１−ｘＮの薄層を形成する（第２層形成工程）。上記のような第１層形成工程および第２層形成工程の一連の動作を繰返し、被処理基板４３上にＧａＮ層とＩｎｘＧａ１−ｘＮ層とが交互に積層される多重量子井戸構造の積層結晶を形成することができる。
【００８２】
本実施形態の気相成長装置４１によれば、被処理基板４３の成層される面４３ａに略平行に、かつ被処理基板４３の成層される面４３ａに直交する方向に第１ガス導入管４６と第２ガス導入管４７とが積層して設けられ、第１ガス導入管４６により導入される第１の原料ガスと、第２ガス導入管４７により導入される第２の原料ガスまたは第３の原料ガスとを、被処理基板４３の成層される面４３ａに対してほぼ平行に、かつ滑らかに導入することができるので、同一層内において均一な厚みおよび組成を有する層を被処理基板４３上に形成することができる。
【００８３】
また、第１の原料ガスを反応管４２に導入する第１ガス導入管４６と、第１の原料ガスと反応する第２の原料ガスおよび第１の原料ガスと反応する第３の原料ガスを反応管４２に導入する第２ガス導入管４７とがそれぞれ別個に設けられるので、第１の原料ガスと、第２の原料ガスまたは第３の原料ガスとが混合される時間が長くなり過ぎることによって生じる問題である第１の原料ガス、第２の原料ガスおよび第３の原料ガスがそれぞれ導入管４６，４７内または反応管４２内において分解するという問題を防止できる。
【００８４】
さらに、第２ガス導入管４７に供給する原料ガスを第２の原料ガスと第３の原料ガスとの間で選択するガス選択手段５４を含み、成層に用いる原料ガスの選択を第２の原料ガスと第３の原料ガスとの間で容易かつ迅速に行なうことができ、原料ガスの切換応答性を高めることができるので、積層界面における組成の急峻性が得られる。
【００８５】
なお、気相成長装置４１は、上記の構成に限定されることなく、種々の変更が可能である。
【００８６】
たとえば、本実施形態では、第１ガス拡散室６２、第２ガス拡散室６３、第３ガス拡散室６４およびサブフローガス拡散室６５ならびに第１ガス導入管４６、第２ガス導入管４７および第３ガス導入管４８は、金属材料により一体成型され、金属製の反応管４２が接続されるものであるけれども、上記拡散室および導入管とともに、反応管４２が金属材料により一体形成されるものであってもよい。このような構成であると、気相成長装置４１を製造する工程を簡略化および短縮化することができる。また、各部材間の接続部分において、製造誤差による段差が生じることを防止できるので、該段差によって原料ガスの流速分布が乱れるなどの問題を防止することができる。
【００８７】
図２は、本発明の実施の第２形態である気相成長装置７１の構成を簡略化して示す概略断面図である。本実施形態の気相成長装置７１は、前述の第１実施形態の気相成長装置４１に類似し、対応する部分については同一の参照符号を付して説明を省略する。
【００８８】
本実施形態の気相成長装置７１の特徴は、ガス選択手段として、第２ガス拡散室６３に形成される開口部６３ａの開口面に対して平行に移動して第２ガス拡散室６３の開口部６３ａを開放または閉塞する第２弁体７２と、第３ガス拡散室６４に形成される開口部６４ａの開口面に対して平行に移動して第３ガス拡散室６４の開口部６４ａを開放または閉塞する第３弁体７３と、第２弁体７２および第３弁体７３の動作を制御する不図示の制御手段とを含むものを用いることである。
【００８９】
第２弁体７２および第３弁体７３は、たとえばフォースモータなどによって、それぞれ第２ガス拡散室６３または第３ガス拡散室６４に形成される開口部６３ａ，６４ａの開口面に対して平行に移動してそれぞれの開口部６３ａ，６４ａを開放または閉塞する。なお、第２弁体７２および第３弁体７３のガス拡散室と接触する部分には、ガス漏れを防止するシール部材７４が備えられる。
【００９０】
制御手段は、第２弁体７２および第３弁体７３の各動作を制御し、第２弁体７２により第２ガス拡散室６３の開口部６３ａが閉塞されるときは第３ガス拡散室６４の開口部６４ａが開放されるように第３弁体７３の動作を制御し、第３弁体７３により第３ガス拡散室６４の開口部６４ａが閉塞されるときは第２ガス拡散室６３の開口部６３ａが開放されるように第２弁体７２の動作を制御する。
【００９１】
このような第２弁体７２および第３弁体７３を供えるガス選択手段によっても、第２ガス導入管４７に導入する原料ガスを、第２の原料ガスと第３の原料ガスとの間で選択することができる。
【００９２】
図３は、本発明の実施の第３形態である気相成長装置８１の構成を簡略化して示す概略断面図である。本実施形態の気相成長装置８１は、前述の第１実施形態の気相成長装置４１に類似し、対応する部分については同一の参照符号を付して説明を省略する。
【００９３】
本実施形態の気相成長装置８１の特徴は、ガス選択手段として、第２ガス拡散室８２に形成される開口部であって、第２ガス導入管４７に第２の原料ガスを供給する開口部８２ａの開口面に対して第２ガス拡散室８２内部で垂直に移動し、第２ガス拡散室８２の開口部８２ａを開放または閉塞する第２弁体８３と、第３ガス拡散室８４に形成される開口部であって、第２ガス導入管４７に第３の原料ガスを供給する開口部８４ａの開口面に対して第３ガス拡散室８４内部で垂直に移動し、第３ガス拡散室８４の開口部８４ａを開放または閉塞する第３弁体８５と、第２弁体８３および第３弁体８５の動作を制御する不図示の制御手段とを含むものを用いることである。
【００９４】
第２および第３弁体８３，８５を、開口部８２ａ，８４ａにそれぞれ当接させ、また離間させる駆動手段は、以下のように構成される。第２ガス拡散室８２および第３ガス拡散室８４の外方にそれぞれ設けられるたとえばフォースモータなどの駆動源８８と、駆動源８８の出力軸に接続されてガス拡散室８２，８４内で開口部８２ａ，８４ａに向かって延び、その先端部に弁体８３，８５がそれぞれ装着される弁軸８６と、弁軸８６を挿入するためにガス拡散室８２，８４に形成されるもう１つの開口部８２ｂ，８４ｂを封止しガスの漏出を防止する伸縮自在のベローズ８７であって、弁軸８６を覆うようにして設けられるベローズ８７とを含んで構成される。
【００９５】
第２弁体８３は、駆動部８８の駆動力が弁軸８６を介して伝達されて開口部８２ａに垂直な方向に往復移動し、第２ガス拡散室８２の開口部８２ａが備えられる側の側壁部材に接触することにより開口部８２ａを閉塞し、側壁部材から離間することにより開口部８２ａを開放する。第２弁体８３の第２ガス拡散室８２の側壁部材と接触する部分には、ガス漏れを防止するためのシール材８９が備えられる。
【００９６】
第３弁体８５は、第２弁体８３と同様の構成であるので説明を省略する。また、制御手段は前述の実施の第２形態の制御手段と同様の構成であるので、説明を省略する。
【００９７】
本実施形態の気相成長装置８１によれば、このような第２弁体８３および第３弁体８５を含むガス選択手段を用いることによっても、第２ガス導入管４７に導入する原料ガスを、第２の原料ガスと第３の原料ガスとの間で選択することができる。
【００９８】
図４は、本発明の実施の第４形態である気相成長装置９１の構成を簡略化して示す概略断面図である。本実施形態の気相成長装置９１は、前述の第３実施形態の気相成長装置８１に類似し、対応する部分については同一の参照符号を付して説明を省略する。
【００９９】
本実施形態の気相成長装置９１の特徴は、第２ガス拡散室９２および第３ガス拡散室９３に形成される第２ガス導入管４７への原料ガス供給のための開口部９２ａ，９３ａが、スリット状に形成され、第２弁体９４および第３弁体９５が該スリット状に形成される開口部９２ａ，９３ａに嵌合されるような形状に形成されることである。
【０１００】
第２ガス拡散室９２および第３ガス拡散室９３には、それぞれ第２ガス導入管４７に第２の原料ガスおよび第３の原料ガスを導入するためのスリット状の開口部９２ａ，９３ａが、第２ガス拡散室９２および第３ガス拡散室９３と第２ガス導入管４７とをそれぞれ連通するように形成される。なお、スリット状に形成される開口部９２ａ，９３ａの長さは、被処理基板４３の幅よりも大きいことが好ましい。
【０１０１】
第２弁体９４および第３弁体９５は、このようなスリット状に形成される開口部９２ａ，９３ａを閉塞および開放できるように、開口部９２ａ，９３ａに嵌合されるような形状、たとえば、断面形状が略Ｖ字形状に形成される。なお本実施形態においては、第２弁体９４および第３弁体９５は、それぞれ弁軸と一体的に構成される。
【０１０２】
本実施形態の気相成長装置９１によれば、スリット状、すなわちすなわち原料ガス拡散室の内部空間に比べて小さい開口部９２ａ，９３ａを通して原料ガスが第２ガス導入管４７に供給され、原料ガス拡散室９２，９３内の原料ガスが開口部９２ａ，９３ａから流出する際に乱流となり、開口部９２ａ，９３ａから第２ガス導入管４７に移動しようとする原料ガスの速度を低減させることができるので、第２ガス導入管４７内における原料ガスの流速分布を一様にすることができる。したがって、反応管４２内にも均一に原料ガスを導入することができ、ガス導入方向において厚みむらのない良好な層を形成することができる。
【０１０３】
さらに、スリット状に形成される開口部９２ａ，９３ａの長さが被処理基板４３の幅よりも大きいと、被処理基板４３の幅よりも大きい長さにわたって均一な原料ガスの流速分布を形成することができるので、被処理基板４３のガス導入方向に直交する方向についても厚みむらのない高品位の層を形成することができる。
【０１０４】
なお、開口部９２ａ，９３ａの形状は、スリット状に限定されることなく、たとえば、複数の小径の貫通孔が形成されてなるものであってもよい。このような小径の貫通孔からなる開口部によっても、原料ガスが第２ガス導入管４７に供給される速度を低減することができ、反応管４２に導入される原料ガスの流速分布を一様とすることができる。なお、この場合、第２弁体および第３弁体は、複数の貫通孔に嵌合されるような形状に形成される。
【０１０５】
図５は本発明の実施の第５形態である気相成長装置１０１の構成を示す斜視図であり、図６は本発明の実施の第５形態である気相成長装置１０１の構成を簡略化して示す断面図である。本実施形態の気相成長装置１０１は、前述の第４実施形態の気相成長装置９１に類似し、対応する部分については同一の参照符号を付して説明を省略する。
【０１０６】
本実施形態の気相成長装置１０１の特徴は、前述の実施形態における第２弁体９４および第３弁体９５が一体的に形成される弁体１０２を備えることである。なお、不図示の制御手段は、弁体１０２の動作を制御する。
【０１０７】
弁体１０２は、スリット状の開口部９２ａ，９３ａの短辺よりも細い幅に形成される接続部１０３によって第２弁体９４と第３弁体９５とが接続され、一体化される。このため、第２弁体９４は、第３弁体９５とともに移動可能に構成されるので、駆動部８８は、第２弁体９４側または第３弁体９５側のいずれか一方に備えられればよい。本実施形態では、駆動部８８は第３弁体９５側に備えられる。第２弁体９４側の弁軸は、軸受部材１０４に支持される。
【０１０８】
本実施形態の気相成長装置１０１によれば、第２弁体９４および第３弁体９５が一体的に形成されるので、第２弁体９４と第３弁体９５とをそれぞれ個別に制御する必要がなく、第２弁体９４と第３弁体９５との切換時間の誤差によって原料ガスの混合割合が変動するのを防止することができる。また、第２弁体９４および第３弁体９５の製造、第２弁体９４および第３弁体９５の気相成長装置１０１への組立などに要するコストを低減することができ、第２弁体９４と第３弁体９５とを移動させるための駆動手段が１つでよいので、装置としての小型化を図ることができる。
【０１０９】
図７は、本発明の実施の第６形態である気相成長装置１１１の構成を簡略化して示す概略断面図である。本実施形態の気相成長装置１１１は、前述の第３実施形態の気相成長装置８１に類似し、対応する部分については同一の参照符号を付して説明を省略する。また、本実施形態の気相成長装置１１１は、反応管４２に原料ガスを導入する導入路として前述の図８に示す気相成長装置１の導入路５，６，７を用いるものである。導入路５，６，７については、前述の図８に示す気相成長装置１における構成と同一であるので説明を省略する。
【０１１０】
ガス供給部１１２は、第１ガス拡散室６２、第２ガス拡散室８２、第３ガス拡散室８４およびサブフローガス拡散室６５の配置が異なり、各ガス拡散室の各開口部と第１導入路５、第２導入路６および第３導入路７とを連通させるための連通路１１３，１１４，１１５が形成されること以外は、前述の第３実施形態の気相成長装置８１に類似する。なお、ガス供給部１１２と導入路５，６，７との間には、ガス漏れを防止するシール部材１１６が備えられる。
【０１１１】
本実施形態の気相成長装置１１１によれば、導入路５，６，７の構成が異なっても、連通路１１３，１１４，１１５を介してガス拡散室の開口部と導入路５，６，７とを連通させることができ、また第２導入路６に導入する原料ガスを第２の原料ガスと第３の原料ガスとの間で選択することができるので、このような導入路を用いることによっても、容易に多重量子井戸構造を有する積層結晶を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１２】
【図１】本発明の実施の一形態である気相成長装置４１の構成を概略的に示す断面図である。
【図２】本発明の実施の第２形態である気相成長装置７１の構成を簡略化して示す概略断面図である。
【図３】本発明の実施の第３形態である気相成長装置８１の構成を簡略化して示す概略断面図である。
【図４】本発明の実施の第４形態である気相成長装置９１の構成を簡略化して示す概略断面図である。
【図５】本発明の実施の第５形態である気相成長装置１０１の構成を示す斜視図である。
【図６】本発明の実施の第５形態である気相成長装置１０１の構成を簡略化して示す断面図である。
【図７】本発明の実施の第６形態である気相成長装置１１１の構成を簡略化して示す概略断面図である。
【図８】特許文献３に開示される気相成長装置に類似の気相成長装置１の構成を概略的に示す部分断面図である。
【図９】特許文献４に開示される気相成長装置２１の構成を概略的に示す系統図である。
【符号の説明】
【０１１３】
１，２１，４１，７１，８１，９１，１０１，１１１  気相成長装置
２，２３，４２  反応管
３，４３  被処理基板
４，４４  サセプタ
５，５６  第１導入路
６，５７  第２導入路
７，５８  第３導入路
８，５５  反応管開口部
９，４５  ヒータ
１０，１１，１２  ガス供給路
１３，６１  合流部分
２２  マニホールド
２４  導入管
２５，２６  バブラ
２７  純化手段
２８，２９，３４，３５  マスフローコントローラ
３０，３１，３６，３７  配管
３２，３３  ボンベ
３８  フィルタ
３９  排気手段
４６  第１ガス導入管
４７  第２ガス導入管
４８  第３ガス導入管
４９  第１ガス供給部
５０  第２ガス供給部
５１  第３ガス供給部
５２，１１２  ガス供給部
５３  サブフローガス供給部
５４  ガス選択手段
５９  第１隔壁部材
６０  第２隔壁部材
６２  第１ガス拡散室
６２ａ，６３ａ，６４ａ，６５ａ，８２ａ，８４ａ  開口部
６３，８２，９２  第２ガス拡散室
６４，８４，９３  第３ガス拡散室
６５  サブフローガス拡散室
６６  排出手段
６７  板状部材
６８，１０２  弁体
６９  弁体装着用開口部
７０  弁体移動方向
７２，８３，９４  第２弁体
７３，８５，９５  第３弁体
７４，７６，８９，１１６  シール部材
８６  弁軸
８７  ベローズ
８８  駆動部
９２ａ，９３ａ  スリット状開口部
１０３  接続部
１０４  軸受部材
１１３，１１４，１１５  連通路
【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】
2007063096.tif 000007
【図６】
2007063096.tif 000008
【図７】
2007063096.tif 000009
【図８】
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【図９】
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