(57)【要約】      （修正有）【課題】簡易に転位密度の小さな結晶薄膜を製造することができる結晶成長方法および結晶成長装置を提供する。【解決手段】基板１８に供給された金属原料および融剤からなる液体原料に気体原料を反応させ、金属原料および気体原料のうち、それぞれ少なくとも１元素同士から構成される結晶原料を液体原料および気体原料からなる混合物から結晶化することによって、結晶薄膜を得る結晶成長方法であり、基板１８上における結晶原料の結晶化が開始される成長開始部から、その周囲に亘って、結晶原料の温度を変化させるよう上記結晶原料の温度分布を制御し、生じた結晶薄膜の周囲に亘る結晶原料の溶解濃度が結晶成長可能な過飽和度となるよう、上記結晶原料の溶解濃度を制御する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に供給された、金属原料および融剤からなる液体原料に気体原料を反応させ、金属原料および気体原料のうち、それぞれ少なくとも１元素同士から構成される結晶原料を液体原料および気体原料からなる混合物から結晶化することによって、結晶薄膜を得る結晶成長方法において、
上記基板上における結晶原料の結晶化が開始される成長開始部から、その周囲に亘って、結晶原料の温度を変化させるよう上記結晶原料の温度分布を制御し、
生じた結晶薄膜の周囲に亘る結晶原料の溶解濃度が結晶成長可能な過飽和度となるよう、上記結晶原料の溶解濃度を制御することを特徴とする結晶成長方法。
【請求項２】
上記気体原料の溶解濃度を制御することによって、結晶原料の溶解濃度を制御することを特徴とする請求項１に記載の結晶成長方法。
【請求項３】
基板に供給された、結晶原料を含む液体原料を結晶化することによって、結晶薄膜を得る結晶成長方法において、
上記基板上における結晶原料の結晶化が開始される成長開始部から、その周囲に亘って、結晶原料の温度を変化させるよう上記結晶原料の温度分布を制御し、
生じた結晶薄膜の周囲に亘る結晶原料の溶解濃度が結晶成長可能な過飽和度となるよう、上記結晶原料の溶解濃度を制御することを特徴とする結晶成長方法。
【請求項４】
上記結晶原料の温度分布を制御することによって、結晶原料の温度分布を形成した後に、
上記気体原料の溶解濃度を制御することによって、結晶原料の溶解濃度を制御することを特徴とする請求項２に記載の結晶成長方法。
【請求項５】
上記成長開始部が、上記基板の中心部分であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の結晶成長方法。
【請求項６】
上記成長開始部から、その周囲に亘って、結晶原料の温度を放射状に変化させるよう温度を制御し、上記結晶原料の溶解濃度を制御することを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の結晶成長方法。
【請求項７】
上記基板は、線対称な形状であると共に、上記成長開始部が、上記基板を線対称とする対称軸上に配置されており、
上記対象軸に対し直角方向に向かうにつれ、上記結晶原料の温度を変化させることによって、上記結晶原料の温度を制御することを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の結晶成長方法。
【請求項８】
上記結晶原料の温度を、上記基板を加熱することによって制御することを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の結晶成長方法。
【請求項９】
金属原料および融剤からなる液体原料を基板上に供給する原料供給部と、
気体原料を基板上に供給するガス供給部と、
上記基板を収容するサセプタと、
上記サセプタに備えられており、上記基板を加熱するヒータを備え、
基板上に供給された結晶原料から結晶を析出させることによって、結晶薄膜を得る結晶成長装置において、
上記ヒータは、上記基板における結晶成長が開始される成長開始部からその周囲に亘って、温度分布が生じるよう基板を加熱し、
上記ガス供給部は、生じた結晶薄膜の周囲に亘る結晶原料の溶解濃度が結晶成長可能な過飽和度となるよう、上記結晶原料の溶解濃度を制御する気体原料の供給量を制御することを特徴とする結晶成長装置。
【請求項１０】
上記サセプタが凹形状を有しており、
サセプタの凹部が上記基板と対向するよう配置されており、
上記基板の外周部とサセプタの外周部とが当接していることを特徴とする請求項９に記載の結晶成長装置。
【請求項１１】
結晶成長装置の一部であり、供給されたガスの状態を維持するチャンバを備え、
上記ガス供給部と、上記チャンバとがそれぞれ独立した状態で結晶成長を行うことが可能であることを特徴とする請求項９または１０に記載の結晶成長装置。
【請求項１２】
請求項１〜８の何れか１項に記載の結晶成長方法または請求項９〜１１の何れか１項に記載の結晶成長装置を用いて、結晶薄膜を得る結晶成長方法であって、
上記基板が、気相法で形成された窒化物からなる層を基板の表面に有しており、
得られた結晶薄膜の厚さが、４μｍ以上、１００μｍ以下であることを特徴とする結晶成長方法。
【請求項１３】
結晶成長中において、上記気体原料の供給を停止させることを特徴とする請求項１２に記載の結晶成長方法。
【請求項１４】
請求項１〜８の何れか１項に記載の結晶成長方法によって製造された結晶薄膜、もしくは、請求項９〜１１の何れか１項に記載の結晶成長装置によって製造された結晶薄膜を有することを特徴とする半導体デバイス。
【請求項１５】
請求項１〜８，１２，１３の何れか１項に記載の結晶成長方法によって製造された結晶薄膜、もしくは、請求項９〜１１の何れか１項に記載の結晶成長装置によって製造された結晶薄膜を有する半導体デバイスであって、
上記基板が、気相法で形成された窒化物からなる層を基板の表面に有しており、
上記結晶薄膜の厚さが、４μｍ以上、１００μｍ以下であることを特徴とする半導体デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、結晶成長方法、結晶成長装置およびこれらによって製造された結晶薄膜を有する半導体デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザダイオードや発光ダイオードの開発が以前から盛んになされており、特に青色のレーザダイオードや発光ダイオードは、近年の劇的な性能の向上に伴って、高密度光ディスク、ディスプレイ、各種照明などへの実用に至り、今後もコストパフォーマンスの向上による用途の広がりが期待されている。
【０００３】
青色の発光デバイスの発光材料には一般的に窒化ガリウムをベースとする半導体材料が用いられており、窒化ガリウムはバンドギャップが大きく、インジウムやアルミニウムの混合量を変えてバンドギャップを調整することにより、可視領域の広い波長範囲の発光が可能なため、青色以外の発光デバイスの発光材料としても注目されている。また、窒化ガリウムはバンドギャップが大きいことおよび電子の移動度が大きいことによって、高出力や、高周波数のトランジスタ動作が可能なため、電子デバイス材料としても注目されている。
【０００４】
従来の青色発光ダイオードの発光層は、一般的に、サファイア基板上に窒化ガリウムを主材料とする結晶を気相エピタキシャル成長法によって形成され、この方法で得られる結晶の転位密度は、通常約１０８ｃｍ−２〜１０９ｃｍ−２と大きな値となっている。このように転位密度が大きい主な理由は、サファイアと窒化ガリウムとの格子定数差が大きいからであり、窒化ガリウムの結晶成長の初期に形成された転位は通常成長方向、すなわち発光層に伝播し、デバイスを貫通して形成される。このように転位密度が大きいことによって、インジウムの混合量によっては良好な発光効率が得られない場合がある。また、特に大きな電流密度で駆動された場合に、駆動電流や駆動時間の増加に対する発光効率の低下が著しく大きくなる、という問題がある。
【０００５】
結晶の転位密度を低減する製造方法として、結晶成長の初期において、部分的に基板面内方向に結晶成長させることにより、転位を基板面内方向に伝播させ、デバイスを貫通する転位を減少させるラテラルオーバグロース法が、特許文献１および特許文献２に開示されている。
【０００６】
特許文献１に開示された製造方法は、成長初期の結晶層を、例えばストライプ上にマスクし、その後の結晶成長領域を制限することによって、部分的に基板面内方向に結晶成長させる方法であり、この製造方法によって成長した結晶の転位密度は１０６ｃｍ−２程度であり、低減された値となっている。また、特許文献２に開示された製造方法は、成長初期の結晶層を、例えばストライプ上にエッチングして取り除き、その後の結晶成長領域を制限することによって、部分的に基板面内方向に結晶成長させる方法であり、この製造方法によってクラックや転位の少ない結晶成長ができる。
【０００７】
しかし、これらの方法は製造工程が複雑であるというデメリットに加えて、これらの方法によって製造した結晶は、横方向に成長した領域は転位が大幅に低減されているものの、成長初期の結晶層をマスクしない領域やエッチングしない領域は、基板面に垂直な方向に結晶成長するため依然として転位は多く、横方向成長した低転位領域にのみデバイスを作製すると、デバイスの取れ数が基板面積に対して少ない、という問題や、デバイス作製のための位置合わせに大きな手間がかかる、という問題がある。
【０００８】
また、気相エピタキシャル成長法とは別の製造方法として、液相で結晶成長を行う結晶の製造方法も提案されている。例えば、特許文献３には、窒素含有ガス雰囲気下で、ガリウムおよびナトリウムの混合融解液中で、ガリウムと窒素とを反応させ、窒化ガリウム結晶を生成するナトリウムフラックス法が開示されている。この製造方法によれば、転位密度を１０４ｃｍ−２程度の値に留めることができる。
【０００９】
図１５は、特許文献３に開示された製造方法に用いられる結晶成長装置１２０を示す全体図である。結晶成長装置１２０は、原料ガスタンク１１１に圧力調整機１１２が連結され、圧力調整機１１２は、電気炉１１４内に備えられた耐圧耐熱容器１１３と連結されている。また、圧力調整機１１２と耐圧耐熱容器１１３との間には、リーク用バルブ１１６が設置されている。
【００１０】
原料ガスタンク１１１にはＧａＮ結晶の原料となる窒素含有ガスが充填されている。また、耐圧耐熱容器１１３としては、例えば、ステンレス容器を用いることができる。耐圧耐熱容器１１３は、これを内包する電気炉１１４によって加熱される。
【００１１】
耐圧耐熱容器１１３内には、坩堝１１５が設置されており、坩堝１１５の中には、グローブボックスの中で、所定量が秤量されたガリウムおよびナトリウムが配置されている。この坩堝１１５において結晶成長がなされることとなる。
【００１２】
次に、結晶の製造工程の一例を以下に示す。まず、原料ガスタンク１１１中の１００ａｔｍ〜１５０ａｔｍである窒素含有ガスが、圧力調整機１１２によって、１００ａｔｍ以下に調節された後、耐圧耐熱容器１１３中に供給される。次に、耐圧耐熱容器１１３は電気炉１１４によって加熱される。
【００１３】
耐圧耐熱容器１１３内の坩堝１１５において、電気炉１１４による加熱によって、ガリウムおよびナトリウムの混合融解液が生じる。この混合融解液に対し、供給された窒素含有ガス中の窒素が溶解し、ガリウムと反応することによって、窒化ガリウム結晶が成長する。結晶の成長時間は、特に限定されず１０時間〜２００時間とすることができる。成長終了後、原料ガスタンク１１１からの窒素含有ガスの供給を停止すると共に、電気炉１１４での加熱を停止し、坩堝１１５内の温度を室温まで下げた後にＧａＮ結晶を取出す。また、坩堝１１５内に予め種結晶となる窒化ガリウム結晶を入れ、窒化ガリウム結晶の製造を行ってもよい。
【特許文献１】特開平１０−３１２９７１号公報（平成１０年１１月２４日公開）
【特許文献２】特開平１１−１４５５１６号公報（平成１１年５月２８日公開）
【特許文献３】特開２００５−３０６７０９号公報（平成１７年１１月４日公開）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、特許文献１および特許文献２に開示された結晶成長方法では、複雑な製造工程が必要なためコストが増加してしまうという問題がある。
【００１５】
すなわち、コスト増加を招くことなく半導体デバイスの性能を向上させるためには、例えば、発光デバイスであれば発光層の転位密度が小さい必要があり、そのためには上記発光層の下地となる層を複雑な製造工程を経ることなく、転位密度が小さい高品質な結晶層として製造する必要があるが、これを満足させることはできない。
【００１６】
また、特許文献３に開示されたナトリウムフラックス法では、薄い結晶成長層を得ようとする場合にその厚みを制御することが困難である、という問題も存在する。
【００１７】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであって、本発明の目的は、簡易に転位密度の小さな結晶薄膜を製造することができる結晶成長方法および結晶成長装置を提供することである。また、その結晶成長方法よって得られた結晶薄膜を用いることにより、低コストで高性能な半導体デバイスを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明に係る結晶成長方法は、基板に供給された、金属原料および融剤からなる液体原料に気体原料を反応させ、金属原料および気体原料のうち、それぞれ少なくとも１元素同士から構成される結晶原料を液体原料および気体原料からなる混合物から結晶化することによって、結晶薄膜を得る結晶成長方法において、上記基板上における結晶原料の結晶化が開始される成長開始部から、その周囲に亘って、結晶原料の温度を変化させるよう上記結晶原料の温度分布を制御し、生じた結晶薄膜の周囲に亘る結晶原料の溶解濃度が結晶成長可能な過飽和度となるよう、上記結晶原料の溶解濃度を制御することを特徴としている。
【００１９】
上記の発明によれば、成長開始部から結晶薄膜が成長し、成長開始部の周囲方向に順次結晶成長可能な過飽和状態を形成することができ、結晶成長部において、生じた結晶を引継ぎながら結晶薄膜の成長を生じさせることができる。このため、転位密度が小さく、結晶粒径の大きい結晶薄膜を簡易に成長させることができる。また、気体原料が用いられるので、用いることのできる反応の自由度を増すことができ、種々の結晶薄膜を得ることが可能となる。
【００２０】
また、本発明に係る結晶成長方法では、上記気体原料の溶解濃度を制御することによって、結晶原料の溶解濃度を制御することが好ましい。
【００２１】
これにより、上記気体原料の溶解濃度を制御することによって、過飽和度分布を制御する自由度がさらに増し、転位密度が小さく、結晶粒径の大きい結晶薄膜を成長させることができる。具体的には、例えば、より短時間で結晶成長を行うことが可能となる。
【００２２】
本発明に係る結晶成長方法は、上記課題を解決するために、基板に供給された、結晶原料を含む液体原料を結晶化することによって、結晶薄膜を得る結晶成長方法において、上記基板上における結晶原料の結晶化が開始される成長開始部から、その周囲に亘って、結晶原料の温度を変化させるよう上記結晶原料の温度分布を制御し、生じた結晶薄膜の周囲に亘る結晶原料の溶解濃度が結晶成長可能な過飽和度となるよう、上記結晶原料の溶解濃度を制御することを特徴としている。
【００２３】
上記の発明によれば、成長開始部から結晶薄膜が成長し、成長開始部から結晶薄膜が成長し、成長開始部の周囲方向に順次結晶成長可能な過飽和状態を形成することができ、結晶成長部において、生じた結晶を引継ぎながら結晶薄膜の成長を生じさせることができる。このため、転位密度が小さく、結晶粒径の大きい結晶薄膜を簡易に成長させることができる。
【００２４】
また、本発明に係る結晶成長方法では、上記結晶原料の温度分布を制御することによって、結晶原料の温度分布を形成した後に、上記気体原料の溶解濃度を制御することによって、結晶原料の溶解濃度を制御することが好ましい。
【００２５】
これにより、結晶成長の制御性をさらに向上させることができる。
【００２６】
また、本発明に係る結晶成長方法では、上記成長開始部が、上記基板の中心部分であることが好ましい。
【００２７】
これにより、温度分布を形成し易い構成とすることができる。
【００２８】
また、本発明に係る結晶成長方法では、上記成長開始部から、その周囲に亘って、結晶原料の温度を放射状に変化させるよう温度を制御し、上記結晶原料の溶解濃度を制御することが好ましい。
【００２９】
このように結晶原料の温度を放射状となるよう変化させることによって、対象性に優れた温度分布が実現でき、結晶粒径の大きい結晶薄膜を成長させることができる。
【００３０】
また、本発明に係る結晶成長方法では、上記基板は、線対称な形状であると共に、上記成長開始部が、上記基板を線対称とする対称軸上に配置されており、上記対象軸に対し直角方向に、上記結晶原料の温度を変化させることによって、上記結晶原料の温度を制御することが好ましい。
【００３１】
上記の構成によれば、上記対象軸に対し直角方向に、結晶原料の温度分布が制御されるので、上記対象軸に対し直角方向へ沿って結晶薄膜が成長する。このため、結晶薄膜の粒界も上記直角方向に沿って形成され易くなる。したがって、結晶品質のより高い結晶薄膜を形成することが可能となる。
【００３２】
また、本発明に係る結晶成長方法では、上記結晶原料の温度を、上記基板を加熱することによって制御することが好ましい。
【００３３】
これにより、簡易な装置によって、上記結晶原料の温度を制御することができる。
【００３４】
本発明に係る結晶成長装置は、上記課題を解決するために、金属原料および融剤からなる液体原料を基板上に供給する原料供給部と、気体原料を基板上に供給するガス供給部と、上記基板を収容するサセプタと、上記サセプタに備えられており、上記基板を加熱するヒータを備え、基板上に供給された結晶原料から結晶を析出させることによって、結晶薄膜を得る結晶成長装置において、上記ヒータは、上記基板における結晶成長が開始される成長開始部からその周囲に亘って、温度分布が生じるよう基板を加熱し、上記ガス供給部は、結晶原料の結晶化が開始される成長開始部の周囲に亘る結晶原料の溶解濃度が結晶成長可能な過飽和度となるよう、気体原料の供給量を制御することを特徴としている。
【００３５】
上記の発明によれば、成長開始部から結晶薄膜が成長し、成長開始部の周囲方向に順次結晶成長可能な過飽和状態を形成することができ、結晶成長部において、生じた結晶を引継ぎながら結晶薄膜の成長を生じさせることができる。このため、転位密度が小さく、結晶粒径の大きい結晶薄膜を成長させることが可能であり、簡易な結晶成長装置を提供することができる。
【００３６】
また、本発明に係る結晶成長装置では、上記サセプタが凹形状を有しており、サセプタの凹部が上記基板と対向するよう配置されており、上記基板の外周部とサセプタの外周部とが当接していることが好ましい。
【００３７】
これにより、サセプタを介してヒータから供給される熱の大部分が基板の外周部から基板へ流入するため、上記温度分布を容易に形成することができる。
【００３８】
また、本発明に係る結晶成長装置では、結晶成長装置の一部であり、供給されたガスの状態を維持するチャンバを備え、上記ガス供給部と、上記チャンバとがそれぞれ独立した状態で結晶成長を行うことが可能であることが好ましい。
【００３９】
これにより、結晶成長装置の構造のバリエーションを増やすことができる。
【００４０】
また、本発明に係る結晶成長方法は、上記の結晶成長方法または上記の結晶成長装置を用いて、結晶薄膜を得る結晶成長方法であって、上記基板が、気相法で形成された窒化物からなる層を基板の表面に有しており、得られた結晶薄膜の厚さが、４μｍ以上、１００μｍ以下である方法である。
【００４１】
これにより、結晶薄膜の厚さが薄いにもかかわらず、小さな転位密度を有する結晶薄膜を得ることができる。また、また、結晶薄膜の厚さが１００μｍ以下と薄いため、用いる原料がより少量でよいため、高性能な結晶薄膜を低コストにて提供することができる。
【００４２】
また、本発明に係る結晶成長方法では、結晶成長中において、上記気体原料の供給を停止させることが好ましい。これは、結晶成長中において、外部から気体原料を供給することなく結晶成長を行なうとも換言できる。
【００４３】
上記構成では、得られる結晶薄膜の厚さが、１００μｍ以下であり、必要な気体原料の量が少ないため、結晶成長中に気体原料を供給する必要はないため、気体原料の供給を停止することによって、結晶薄膜の製造において用いる気体原料の量を削減することができる。
【００４４】
また、本発明に係る半導体デバイスは、上記結晶成長方法によって製造された結晶薄膜、もしくは、上記結晶成長装置によって製造された結晶薄膜を有するものである。
【００４５】
半導体デバイスが、高品質である上記結晶薄膜を有するため、高品質な半導体デバイスを提供することが可能である。
【００４６】
また、本発明に係る半導体デバイスは、上記結晶成長方法によって製造された結晶薄膜、もしくは、上記結晶成長装置によって製造された結晶薄膜を有する半導体デバイスであって、上記基板が、気相法で形成された窒化物からなる層を基板の表面に有しており、上記結晶薄膜の厚さが、４μｍ以上、１００μｍ以下である。
【００４７】
上記の構成であれば、半導体デバイスが有する結晶薄膜は、厚さが薄いにもかかわらず、転位密度が小さな半導体デバイスを提供できる。また、結晶薄膜の厚さが１００μｍ以下と薄いため、用いる原料がより少量でよいため、高性能な半導体デバイスを低コストにて提供することができる。
【発明の効果】
【００４８】
本発明の結晶成長方法は、以上のように、上記基板上における結晶原料の結晶化が開始される成長開始部から、その周囲に亘って、結晶原料の温度を変化させるよう上記結晶原料の温度分布を制御し、生じた結晶薄膜の周囲に亘る結晶原料の溶解濃度が結晶成長可能な過飽和度となるよう、上記結晶原料の溶解濃度を制御する方法である。
【００４９】
また、本発明の結晶成長装置は、以上のように、上記ヒータは、上記基板における結晶成長が開始される成長開始部からその周囲に亘って、温度分布が生じるよう基板を加熱し、上記ガス供給部は、生じた結晶薄膜の周囲に亘る結晶原料の溶解濃度が結晶成長可能な過飽和度となるよう、上記結晶原料の溶解濃度を制御する気体原料の供給量を制御するものである。
【００５０】
それゆえ、成長開始部から結晶薄膜が成長し、成長開始部の周囲方向に順次結晶成長可能な過飽和状態を形成することができ、結晶成長部において、生じた結晶を引継ぎながら結晶薄膜の成長を生じさせることができる。このため、転位密度が小さく、結晶粒径の大きい結晶薄膜を簡易に成長させることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５１】
本発明の一実施形態について図１ないし図１０に基づいて説明すれば、以下の通りである。
【００５２】
＜結晶成長装置＞
図１は、本発明に係る結晶成長装置２０の断面図である。結晶成長装置２０は、耐熱耐圧製のメインチャンバ１とロードロックチャンバ２とから構成されている。メインチャンバ１内には、昇降機構３と昇降機構３の上に設置された基板用ヒータ（ヒータ）４とディスペンサヘッド（原料供給部）５およびこれを加熱するためのディスペンサヘッド用ヒータ６が配設されている。ディスペンサヘッド５にはメインチャンバ１を貫通して原料供給管（原料供給部）７が接続されており、ディスペンサ本体（原料供給部）８に接続されている。
【００５３】
また、ディスペンサヘッド５とディスペンサ本体８との間には圧力計９が取り付けられている。メインチャンバ１にはガス供給管（ガス供給部）１０およびガス排気管１１が接続されており、ガス供給管１０は圧力調整機１２を介して図示しないガス供給源に接続されており、ガス排気管１１は可変コンダクタンスバルブ１３を介して図示しない真空ポンプに接続されている。ロードロックチャンバ２内には、サセプタ１４を保持するためのフォーク１５とフォーク１５を操作する操作棒１６が配設されている。なお、図示しないがロードロックチャンバ２もガスの供給と排気が可能な構成となっている。
【００５４】
メインチャンバ１およびロードロックチャンバ２は、結晶成長がなされる場となる基板１８およびサセプタ１４をその内部に収容するものであり、公知のチャンバを用いればよい。また、昇降機構３についても、基板用ヒータ４、サセプタ１４および基板１８を昇降させることができれば特に限定されない。なお、基板１８に結晶原料が供給された際に濡れ広がりの均一性を向上するため、基板１８を回転させることができるよう昇降機構３が回転可能な構造を備えることが好ましい。
【００５５】
基板１８は、目的生成物である結晶薄膜が成長する基材となるものでもあり、例えば、サファイア、炭化ケイ素、シリコンなどを用いることができる。結晶成長装置２０においては、サファイア製の未鏡面研磨面を用いた基板１８が用いられている。また、基板１８の表面には、気相法により窒化物半導体層が設けられていてもよい。窒化物半導体層を備える場合については、後述する。
【００５６】
基板１８における結晶成長が開始される部分を成長開始部とする。成長開始部は、基板１８上に供給される結晶材料の諸条件によって、変更されるものである。例えば、基板１８が加熱される温度によって適宜変更でき、基板１８の温度を分布が低い部分を成長開始部とすることができる。
【００５７】
このため、例えば、基板１８の外周部を成長開始部とすることも可能である。しかしながら、結晶成長は成長開始部からその周囲へ進行するため、結晶薄膜の成長する面積が結晶の進行に伴って増加するように、成長開始部の位置は、基板１８の中心部にあることが好ましい。また、基板１８の形状としては、特に限定されるものではないが、円形、楕円形、長方形、正方形などの正多角形である線対称の形状とすることができる。
【００５８】
サセプタ１４は、基板１８を収容するものであり、基板用ヒータ４からの熱を基板１８に伝達する役割を果たすものである。その材料としては、石英、サファイアなどを挙げることができる。
【００５９】
基板用ヒータ４は、サセプタ１４を介して基板１８を加熱するために設置されている。基板用ヒータ４は、基板１８における結晶成長が開始される成長開始部からその周囲に亘って、温度分布が生じるよう基板１８を加熱する構造となっている。以下、サセプタ１４および基板用ヒータ４の構成について、具体的に説明する。
【００６０】
まず、基板１８の形状が、円形である場合を例として説明する。成長開始部は基板１８の中心部に設定されている。この場合、基板用ヒータ４は、基板１８の中心部からその周囲に亘って、温度分布が生じるよう、中心部は低く、中心部から遠ざかるに従って、温度が高くなるよう加熱を行う構成とすることができる。上記温度分布を図２における（ａ）に示す。図２（ａ）は基板１８における温度分布を示すグラフである。一方、図２（ｂ）は、基板１８における上方向からの温度の等温線を示すグラフである。同図に示されるように、温度分布が、成長開始部から放射状となるように加熱がなされている。このように放射状となるよう加熱がなされることによって、結晶粒径の大きい結晶薄膜を成長させることができるので好ましい。
【００６１】
また、基板１８は、線対称な形状であると共に、上記成長開始部が、基板１８を線対称とする対称軸上に配置されており、上記対象軸から直角方向に基板１８の温度を増加させるよう、基板１８を加熱する構成とすることもできる。すなわち、基板用ヒータ４の加熱パターンを調整して図３に示す温度分布としてもよい。同図は基板１８の上面から見た等温線を表しており、対称軸は一点鎖線で示され、基板外は点線で示されている。
【００６２】
このような温度分布とすることにより、結晶薄膜は同図中の矢印方向に示されるように、平行方向に沿った成長がなされるため、粒界も矢印に沿った方向にできやすくなり、結晶を引き継ぎながら成長していく過程において結晶品質を向上させることができる。また基板１８の中心部における線対称線上における最初の核発生位置を制御すれば、周期的な結晶成長が可能となり、得られる薄層薄膜を有するデバイス性能のばらつきを低減することができる。
【００６３】
上記の温度分布を実現するための基板用ヒータ４およびサセプタ１４の構成について説明する。上記のように、本発明に係る温度分布を実現するためには、基板１８の外周部（周端部）のみを加熱する構成とすることができる。すなわち、図４に示すように、サセプタ１４は、凹形状を有しており、サセプタ１４の凹部１４ａが基板１８と対向しているよう配置され、基板１８の外周部とサセプタ１４の外周部とが当接する構造とすることができる。上記の構成により、基板用ヒータ４から供給される熱のうち、大部分は基板１８の外周部から基板１８内に流入するため、図２に示す温度分布を形成することができる。
【００６４】
また、他の基板用ヒータ４、サセプタ１４および基板１８の形態として、図５に示す構造の基板用ヒータを用いることもできる。同図は、基板用ヒータ４の他の形態を示す側面図である。同図に示す基板用ヒータ４は、基板１８の中心部を加熱するようサセプタ１４の中心部分に備えられており、基板１８の外周部のみを加熱するための外周部用ヒータ４ａがサセプタ１４の外周部に備えられている。すなわち、基板用ヒータ４と外周部用ヒータ４ａとの間には、ヒータが備えられていない。
【００６５】
基板用ヒータ４および外周部用ヒータ４ａは、それぞれ独立して加熱量を調節することが可能である。本構成によれば、基板１８の中心部における温度の最下点と基板１８の外周部における温度の最上点の温度を制御する点において、より自由度が増えるため、最適な結晶成長条件に調整し易くなるという利点がある。
【００６６】
また、基板用ヒータ４およびサセプタ１４を長方形に形成し、基板１８の長辺部分の外周部を基板用ヒータ４によって加熱できるよう基板用ヒータ４を設計変更することによって、図３に示す温度分布を実現することができる。
【００６７】
なお、サセプタ１４および基板用ヒータ４が上記構成でない場合、他の構成として、例えば、サセプタ１４がその凹形状を有しておらず、基板とは平面部分にて接しており、基板１８が円形の場合、基板用ヒータ４が基板１８と同じ円形であり、基板用ヒータ４の中心部から外周部へとなるにしたがって、基板用ヒータ４に備えられた加熱手段が高出力となる構成を採用することもできる。
【００６８】
上記各構成において用いられる基板用ヒータ４としては、セラミックヒータなど基板加熱用の公知のヒータを用いることができる。
【００６９】
ディスペンサヘッド５は、基板１８上に結晶原料を供給するための装置である。ディスペンサヘッド５は、基板１８の上方に備えられており、中央部に結晶原料を供給されるよう、ディスペンサヘッド５に備えられたノズルは、基板１８の中央部に向けられて設置されている。また、ディスペンサヘッド５は往復回転動作が可能であることが好ましい。これにより、ディスペンサヘッド５に到達した金属原料および融剤からなる液体原料が攪拌され、これを均一な状態にすることができる。
【００７０】
さらに、原料供給管（原料供給部）７によって、ディスペンサヘッド５とディスペンサ本体８とが連結されている。原料供給管７にはヒータが備えられており、原料供給管７の内部を通過する液体原料が加熱可能な構造となっている。また、ディスペンサ本体８の内部には封止管１７が備えられている。封止管１７には結晶薄膜の原料となる結晶原料を含む液体原料が収容されており、封止管１７がディスペンサ本体８に収容されると共に、封止管１７の封止が初めて破られる構造となっている。これにより、液体原料に不純物が取り込まれることなく、液体原料を基板１８上に供給することができる。原料供給管７はその内部を通る液体原料を加熱可能な構成となっており、所望の温度にて液体原料の供給を可能とする構成となっている。なお、結晶成長装置２０では、原料供給部としてディスペンサの構成を用いているが、原料が供給できれば、本構成に限定されるものではない。
【００７１】
上記液体原料は、目的生成物である結晶薄膜を製造するための原料となる金属原料および融剤を含むものであり、金属原料としてガリウムを、融剤としてナトリウムを用いることができる。これらは、常温で固体であるが、加熱されることによって液体原料として用いられる。
【００７２】
ガス供給管１０からメインチャンバ１へは、圧力調整機１２によって所望の圧力に調整された気体原料が供給される。ガス供給管１０および圧力調整機１２には、図示しないが、制御部が備えられており、気体原料を所望の圧力にて供給がなされる構成となっている。気体原料は目的生成物である結晶薄膜を製造するための原料となる気体を少なくとも一種類含み、窒化ガリウム結晶を製造する場合には、窒素を用いる。この場合、加熱されたガリウムとナトリウムは液体原料であり、窒素が気体原料であるので、これらそれぞれの１元素同士であるガリウムおよび窒素から構成される窒化ガリウムが結晶化され、結晶薄膜が得られることとなる。
【００７３】
一方、ガス排気管１１からは、連結されている図示しない真空ポンプによって、メインチャンバ１の内部における不要なガスが排出される。なお、ガス排気管１１に備えられている可変コンダクタンスバルブ１３は、ガスの圧力を調整することができ、メインチャンバ１の内部の圧力が低下し過ぎないよう圧力調整を行うものである。
【００７４】
ロードロックチャンバ２は、メインチャンバ１内部での結晶成長の準備前に、フォーク１５上のサセプタ１４および基板１８を収容しておく部材である。メインチャンバ１において、結晶成長処理を行う準備が整った後に、メインチャンバ１とロードロックチャンバ２との間に設置された図示しないゲートバルブが開かれ、操作棒１６がメインチャンバ１方向へ移動し、サセプタ１４および基板１８が基板用ヒータ４上に設置される。図１において、ロードロックチャンバ２は、１箇所のみ図示しているが、この設置数に限定されず、メインチャンバ１の周囲に複数設置する構成としてももちろんよい。
【００７５】
結晶成長装置２０の動作方法については、以下の結晶成長方法の説明と共に後述するが、結晶成長装置２０によれば、成長開始部から結晶薄膜が成長し、成長開始部の周囲方向に順次結晶成長可能な過飽和状態を形成することができ、結晶成長部において、生じた結晶を引継ぎながら結晶薄膜の成長を生じさせることができる。このため、転位密度が小さく、結晶粒径の大きい結晶薄膜を成長させることが可能であり、結晶成長装置２０は非常に有用な装置であるといえる。
【００７６】
＜結晶成長方法＞
次に本発明に係る結晶成長方法について説明する。本発明に係る結晶成長方法は、基板に供給された、結晶原料を含む液体原料を結晶化することによって、結晶薄膜を得る結晶成長方法である。また、基板に供給された、金属原料および融剤からなる液体原料に気体原料を反応させ、金属原料および気体原料のうち、それぞれ少なくとも１元素同士から構成される結晶原料を液体原料および気体原料からなる混合物から結晶化することによって、結晶薄膜を得る結晶成長方法である。以下、結晶成長装置２０を用いて、本発明に係る結晶成長方法について説明するが、当該結晶成長方法は、結晶成長装置２０を用いることによって、好適に実施できるが、本装置に実施が限定されるわけではない。まず、結晶成長を行う前に、準備段階として、基板１８の配置、結晶原料の調製を行う。
【００７７】
〔基板の配置動作〕
基板１８を基板用ヒータ４へ配置する動作について説明する。基板１８は、ロードロックチャンバ２の内部に収容されており、基板１８はサセプタ１４に設置され、さらにフォーク１５に配置する。ロードロックチャンバ２内は窒素ガス、希ガス等で置換された雰囲気とすることが好ましい。
【００７８】
メインチャンバ１とロードロックチャンバ２を隔てているゲートバルブを開き、操作棒１６を操作して基板１８を支持するサセプタ１４をメインチャンバ１内に搬入し、基板用ヒータ４の所定の位置に基板１８を設置する。
【００７９】
〔結晶原料の供給〕
上記基板１８の配置と共に、結晶原料の供給準備がなされる。封止管１７に収容されていた液体原料はディスペンサ本体８内部で加熱され、原料供給管７を通りディスペンサヘッド５へ供給される。原料供給管７、ディスペンサヘッド用ヒータ６によっても液体原料は所望の温度に加熱され得る。
【００８０】
上記の基板１８の配置がなされた後、ディスペンサヘッド５からは所望の量の液体原料が基板１８上に供給され、融液薄層１９が基板１８上に形成される。融液薄層１９は結晶原料を含む液体原料が薄層に配置された結晶薄膜の前駆体である。
【００８１】
さらに気体原料を用いる場合、気体原料はガス供給管１０から供給される。気体原料の圧力は圧力調整機１２にて所望の圧力に調整され、メインチャンバ１に供給された後に、融液薄層１９に溶解する。
【００８２】
〔結晶原料の温度分布の制御〕
本発明の結晶成長方法では、基板１８上における結晶原料の結晶化が開始される成長開始部から、その周囲に亘って、結晶原料の温度を変化させるよう上記結晶原料の温度分布を制御する。結晶原料の温度の変化は、増加させてもよく、減少させるように制御してもよく、用いる結晶原料の種類、製造方法の諸条件に応じて、適宜選択すればよい。以下、温度分布を増加させる場合について説明する。
【００８３】
結晶原料の温度分布の制御は、例えば、上述した各種形態の基板用ヒータにて基板１８を加熱する温度を制御し、基板１８上に形成された結晶原料である融液薄層１９を加熱することで行うことができる。基板１８を加熱する方法によれば、簡便に基板１８を加熱し、結晶材料の温度分布を制御することができる。
【００８４】
図２（ａ）、図２（ｂ）にて示したように、基板１８の中心部の温度を低く、その周囲に亘って、温度が高くなるよう温度分布を形成することができる。この場合、基板１８の中心部が成長開始部となる。成長開始部は基板１８の中心部であることが、温度分布を形成し易いので好ましい。
【００８５】
また、図２（ｂ）において、温度分布は基板１８の中心部分である成長開始部からその周囲に向かって温度勾配を有するよう、すなわち、放射状となるように制御されている。このような温度分布であれば、結晶粒径の大きい結晶薄膜を成長させることができることができるため、好ましい温度分布といえる。なお、温度分布が放射状となっていればよく、基板１８の温度分布の形状は、円形に限られない。例えば、楕円形、正方形などの正多角形、また、線対称でない形状であってもよい。
【００８６】
一方、基板１８の形状は、線対称な形状であると共に、上記成長開始部が、基板１８を線対称とする対称軸上に配置されており、上記対象軸に対し直角方向に、上記結晶原料の温度を増加させることによって、上記結晶原料の温度を制御することもできる。
【００８７】
基板１８が線対称な形状であるとは、対象軸を有する形状であればよく、円形、楕円形、長方形、正方形などの正多角形を挙げることができる。図３において、対象軸は一点鎖線で示されている。対象軸はどのように設定してもよく、長辺方向に限られない。同図に示すように、上記対象軸に対し直角方向に、基板１８の温度を増加させることによって、融液薄層１９の温度を制御することができる。
【００８８】
上記の温度分布とすることにより、結晶成長は同図における矢印方向に示されるように、平行方向の成長となるため、粒界も矢印に沿った方向にできやすくなり、結晶を引き継ぎながら成長していく過程において結晶品質を向上させることができる。また基板１８中心部の線対称線上における最初の核発生位置を制御すれば、周期的な結晶成長が可能となり、デバイス性能のばらつきを低減することができる。
【００８９】
〔結晶原料の溶解濃度の調節〕
本発明に係る結晶成長方法では、生じた結晶薄膜の周囲に亘る結晶原料の溶解濃度が結晶成長可能な過飽和度となるよう、上記結晶原料の溶解濃度を制御する。
【００９０】
結晶原料の溶解濃度の調節は、上述した結晶原料の温度分布の制御と同時に行ってもよいが、結晶原料の温度分布を形成した後に、結晶原料の溶解濃度を制御することが好ましい。これにより、結晶原料の過飽和度の時間的な変化をより制御し易くなり、結晶成長の制御性をさらに向上させることができる。
【００９１】
結晶原料の溶解濃度が結晶成長可能な過飽和度となるよう、結晶原料の溶解濃度を調節するためには、液体原料と気体原料とを反応させる場合、気体原料の圧力を調節し、結晶原料中の気体原料の溶解濃度を調節する方法が挙げられる。
【００９２】
図６および図７を用いて詳細に説明する。図６は、結晶原料である窒化ガリウムおよび窒素の溶解度と、温度との関係を示す図である。基板１８が所定の温度に加熱され、温度分布が形成された後に、窒素ガスを供給すると、同図中の時間ｔ１〜ｔ６の曲線に示すように、ガリウム−ナトリウム融液中の窒素溶解度は時間とともに徐々に大きくなってくる。この窒素の溶解度曲線が窒化ガリウムの溶解度曲線を上回ると過飽和状態になり、窒素の溶解度と窒化ガリウムの溶解度の差が結晶原料の過飽和度となる。
【００９３】
図６を参照して、基板１８の位置による結晶原料の過飽和度に係る分布の時間変化を図７に示す。同図における時間ｔ２において、温度の最下点である基板１８の中心部の成長開始部が最初に過飽和状態になり、過飽和度が閾値を超えると結晶が析出する。一旦結晶が析出するとその結晶周りは平衡状態にあるため、析出した結晶を核として結晶化が進む過飽和度の閾値が小さくなり、基板１８の外周部（周端部）方向への結晶原料過飽和度が順次大きくなっていく。
【００９４】
これに従って、基板１８の中心部で最初に析出した結晶を引き継ぎながら基板１８の外周部方向へ結晶が成長するため、高品質な結晶成長が可能になると推測される。すなわち、本発明に係る結晶成長方法は、結晶原料（液体原料）の温度分布を制御し、結晶原料の過飽和度分布に係る時間的な変化を利用して、結晶化の進む方向と速度を制御しているともいえる。
【００９５】
また、得られた結晶薄膜断面をＳＥＭによって観察したところ、基板１８の表面と窒化ガリウム結晶薄膜層は不連続な成長となっており、このことも不所望な歪を内部に抱えることのない結晶成長が可能となる要因と思われる。
【００９６】
結晶品質は結晶成長速度に大きく依存していると推測されるが、この結晶成長速度は上述した結晶成長機構により、基板温度と、基板温度の勾配及び気体原料（窒素）の圧力で制御できることが分かる。基板ガリウム−ナトリウム融液の熱伝導率が不明なため、融液薄層１９自体の温度分布は定かではないが、定性的傾向は基板１８の温度分布と変わらないものと考えられ、上記の制御因子を適宜調整することにより、目的とする結晶性を持つ結晶成長を行うことができる。
【００９７】
結晶薄膜の厚みは、特に限定されるものではなく、結晶薄膜が実装される半導体デバイス等によって変更されるため、適宜変更すればよい。
【００９８】
また、本発明者らは、気相法で形成された窒化物半導体層を表面に有する基板上に、結晶薄膜を成長させることによって、転位密度が小さい結晶薄膜を得ることができることを見出した。上記の結晶成長方法によれば、厚さが薄くとも、１０６（個／ｃｍ２）オーダーの転位密度を備える結晶薄膜を得ることができる。よって、所望の転位密度の結晶薄膜を得るため、結晶薄膜の厚さを大きくする必要がない。このため、例えば、従来４００μｍ厚の結晶薄膜を得るために、１００時間以上の成長時間を要していたのに対し、本発明においては、５〜２０時間の成長時間で、ＬＥＤ素子として必要な１０６（個／ｃｍ２）オーダーの転位密度の結晶薄膜を得ることができる。また、結晶薄膜の厚さを薄くできるため、用いる原料の量を削減でき、コスト面においても有利となる。
【００９９】
気相法で形成された窒化物半導体層を表面に有する基板上に、結晶薄膜を成長させる場合、基板上の窒化物半導体層としては、窒化ガリウム層、窒化アルミニウム層などを挙げることができ、窒化原子が化合物として含まれていればよい。また、気相成長法としては、有機金属気相成長法を使用した。
【０１００】
上記窒化物半導体層の厚さとしては、数μｍ程度とすることができ、具体的には、２μｍ以上、６μｍ以下の範囲を挙げることができる。
【０１０１】
さらに、気相法で形成された窒化物半導体層を表面に有する基板上に成長させる結晶薄膜の厚さは特に限定されるものではないが、好ましくは、４μｍ以上、１００μｍ以下である。上記範囲であれば、結晶薄膜の転位密度を低下させることができる効果を好適に得ることができる。また、上記範囲のうち、さらに好ましい下限は６μｍ、特に好ましい下限は１０μｍであり、さらに好ましい上限は５０μｍである。
【０１０２】
なお、上述した結晶成長方法において、融液薄層１９を形成する方法としてディスペンサを用いる方法を説明したが、従来の液相エピタキシャル成長に用いられるディップ法やボート法であっても構わない。
【０１０３】
以上、液体原料に気体原料を供給し、反応を行う方法について説明したが、予め気体原料が含まれる結晶原料および融剤を用いることもできる。この場合であっても、上記の場合と同様にして、高品質の結晶薄膜を得ることができる。
【０１０４】
〔結晶薄膜の後処理〕
融液薄層１９から結晶薄膜が得られた後には、基板用ヒータ４の加熱を停止し、基板１８を冷却する。冷却時には、メインチャンバ１内部のガスを置換することによって、冷却時間を短縮することができる。なお、結晶薄膜からの気体原料の再蒸発を防止するために、可変コンダクタンスバルブ１３を調整し、メインチャンバ内の圧力を１ＭＰａ程度に保った状態でガス置換を行うことが好ましい。冷却後、サセプタ１４および基板１８をロードロックチャンバ２へ移動させ、サセプタ１４および基板１８を洗浄し、残留したナトリウム、ガリウムおよびナトリウムの金属間化合物を除去、洗浄する。
【０１０５】
これにより、窒化ガリウム結晶薄膜が形成されたサファイア製の基板１８が得られる。なお、上記の洗浄を終えたサセプタ１４は再利用できる。また、ディスペンサヘッド５を加熱するディスペンサヘッド用ヒータ６は加熱が停止される必要はなく、新たな基板１８に対する原料供給に備える構成とできる。
【０１０６】
＜結晶薄膜を有する半導体デバイス＞
本発明に係る半導体デバイスは、上記結晶成長方法によって製造された結晶薄膜または結晶成長装置によって製造された結晶薄膜を有するものである。低コストで得られた高品質な上記結晶薄膜上に半導体デバイスを作製するわけであるから、最終製品である半導体デバイスのコストパフォーマンスを向上することができる。
【０１０７】
半導体デバイスの製造方法としては、特に限定されず従来公知の製造方法を用いればよい。なお、半導体デバイスとしては、例えば、発光ダイオード、レーザダイオードなどの発光デバイスや、高出力ＩＣ（集積回路）、高周波ＩＣ（集積回路）などの電子デバイスを挙げることができ、特に限定されるものではないことを付言する。
【０１０８】
また、本発明に係る半導体デバイスは、上記結晶成長方法によって製造された結晶薄膜または結晶成長装置によって製造された結晶薄膜を有するものであって、結晶成長において用いられる基板が、気相法で形成された窒化物からなる層を基板の表面に有しており、上記結晶薄膜の厚さが、４μｍ以上、１００μｍ以下であることが好ましい。
【０１０９】
上記の構成であれば、半導体デバイスが有する結晶薄膜は、転位密度が小さく、その厚さが１００μｍ以下と薄いため、高性能な半導体デバイスを低コストにて提供することが可能である。
【０１１０】
なお、本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【実施例】
【０１１１】
以下、より詳細に本発明について説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【０１１２】
〔実施例１〕
図１に示す結晶成長装置２０を用い、結晶薄膜を製造する方法について説明する。あらかじめ表面の有機物をプラズマ処理などの方法で除去された、サファイア製で、直径２インチの基板１８をロードロックチャンバ２内の石英製のサセプタ１４に設置する。サセプタ１４はアルミナ製のフォーク１５上に配置されている。ロードロックチャンバ２内を十分に窒素ガス置換した後に、メインチャンバ１とロードロックチャンバ２を隔てているゲートバルブを開き、操作棒１６を操作して基板１８を支持するサセプタ１４をメインチャンバ１内に搬入する。
【０１１３】
サセプタ１４が所定位置まで移動したところで、昇降機構３により基板用ヒータ４が上昇され、フォーク１５上のサセプタ１４が持ち上げられることにより、サセプタ１４が基板用ヒータ４上に配置される。フォーク１５は操作棒１６の操作によりロードロックチャンバ２に戻され、ゲートバルブが閉じられる。
【０１１４】
ガス排気管１１からメインチャンバ１内のガスを抜き、ガス供給管１０から窒素ガスを供給する動作を繰り返すことによりメインチャンバ１内のガスを十分置換した後に、セラミックス製で抵抗発熱体が一体的に焼結された基板用ヒータ４によりサセプタ１４、基板１８を加熱する。
【０１１５】
またこれらの一連の動作とは別に、次の順序で原料の準備を行う。原料の酸化防止のためグローブボックス内でガリウムおよびナトリウムのモル比率が２０：８０となるように秤量し、これを封止管１７の中に装填しディスペンサ本体８に設置する。封止管１７および原料供給管７を加熱し、２００℃程度に加熱することにより、ガリウムおよびナトリウムは液状化する。液状化したガリウムおよびナトリウムの融液（液体原料）がポンプによってディスペンサヘッド５まで送られた後、ディスペンサヘッド５を取り囲むディスペンサヘッド用ヒータ６により、上記融液が約６００℃に加熱され、ガリウムとナトリウムの融液が均一に混ざり合い、液体原料の調製準備が完了する。
【０１１６】
基板１８が、後に詳述する所定の温度に加熱され、ディスペンサヘッド５内のガリウム−ナトリウム融液が十分均一に混ざり合うと、ディスペンサヘッド５により３０ｍｍ３に計量されたガリウム−ナトリウム融液が基板１８の上面に供給される。高温のガリウム−ナトリウム融液は基板１８の面に濡れ広がり、融液薄層１９を形成する。
【０１１７】
基板１８の加熱については、図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、基板１８の中心部の温度が最も低く、外周端に向かって単調増加の温度分布となるように加熱した。サセプタ１４の構造としては、図４で示される構造を用いた。
【０１１８】
基板用ヒータ４及びサセプタ１４を用いて基板１８の中心部の温度を約８００℃に調整したところ、基板１８の外周部の温度は、約８５０度となった。この温度分布条件で上述した結晶成長方法に従い、メインチャンバ１内部に１ＭＰａとなるように窒素を供給し、結晶成長を行った。
【０１１９】
得られた結晶薄膜を１時間放置し、冷却処理を行った。その後、取出したサセプタ１４と基板１８を、エタノール、純水、塩酸に順次浸漬させて、取り残されたナトリウム、ガリウムとナトリウムとの金属間化合物を除去、洗浄した。得られた結晶薄膜の膜厚は約１５μｍであった。
【０１２０】
上記結晶薄膜の結晶性を、カーソードルミネッセンスによる転位密度観測、｛０００４｝面のＸ線回折のロッキングカーブ、蛍光顕微鏡による結晶粒観察により評価した結果、転位密度は１〜５×１０７個／ｃｍ２、ロッキングカーブの半値幅は約２００Ａｒｃｓｅｃと良好な結晶性が得られた。得られた結晶薄膜の写真を図８に示す。同図は、結晶薄膜の蛍光顕微鏡写真である。同図に示すように、結晶粒観察においては、明確な粒界が少ないと思われる結果あり、これが高品質な結晶薄膜が得られた１つの要因であると考えられる。
【０１２１】
〔比較例１〕
実施例１における基板１８を均一に加熱し、基板１８に均一な温度分布を形成すべく、作成された基板用ヒータを基板用ヒータ４に代え、窒素の供給量を変更しない点以外は、実施例１と同様に結晶薄膜の製造を行った。得られた結晶薄膜の膜厚は約１５μｍであった。
【０１２２】
上記の結晶成長方法により基板１８上に窒化ガリウムを結晶成長させ、実施例１における結晶薄膜と同様の評価を行った。基板面の温度幅は約4度である。転位密度は３〜１０×１０７個／ｃｍ２、ロッキングカーブの半値幅は約４００Ａｒｃｓｅｃであり、その品質は実施例１において得られた結晶薄膜より劣ることは明白であることが分かる。また、得られた結晶薄膜の写真を図９に示す。同図は、結晶薄膜の蛍光顕微鏡写真である。同図に示すように、結晶粒観察においては、数μｍサイズの多数の粒状結晶が観測された。
【０１２３】
〔実施例２〕
本実施例では、実施例１において得られた結晶薄膜を有する半導体デバイスである発光ダイオードについて説明する。図１０における（ａ）〜（ｃ）は、発光ダイオードの製造過程を示している。
【０１２４】
図１０（ａ）は、基板１８上に実施例１において得られた結晶薄膜の表面を研磨、反応性イオンエッチング処理を施して得られた結晶薄膜層１８ａと、この結晶薄膜層１８ａ上に従来の製造方法によって窒化物半導体層が形成された様子を示している。すなわち、ＭＯＣＶＤ装置を用いて、トリメチルガリウムとアンモニアを原料に、またシランをドーパントとしてｎ型窒化ガリウム層（ｎ−ＧａＮ）１８ｂが、上記原料にトリメチルインジウムを加え成長温度と原料供給量を変えながら、障壁層と井戸層が繰り返される活性層（ＩｎＧａＮ）１８ｃが、トリメチルアルミニウム、トリメチルガリウム、アンモニアを原料にビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウムをドーパントとしたキャリアブロック層（ｐ−ＡｌＧａＮ）１８ｄ及びｐ型窒化ガリウム層（ｐ−ＧａＮ）１８ｅが順次形成されている。次に、図１０ｐ電極１８ｆ、光反射層１８ｇ、接着層１８ｈが形成された後に金属基板１８ｉをリフローにより接着し、基板１８を剥離する。なお、基板１８と結晶薄膜層１８ａの密着性は悪いので、界面にせん断力を与えることにより容易に剥離することができる。その後、図１０（ｃ）に示すように、結晶薄膜層１８ａを研磨により除去し、ｎ型電極１８ｊを形成することにより発光ダイオードを構成する。
【０１２５】
上記の方法で製造された活性層表面の転位密度は結晶薄膜層１８ａと同等であり、また表面ラフネスもＲｚ＝５ｎｍ程度であった。従来のＭＯＣＶＤを用いた製造方法による活性層より高品質な活性層が得られていることから、発光素子としての高出力化、高効率化、長寿命化が可能であることを示していると考えられる。
【０１２６】
〔実施例３〕
本実施例では、実施例１、２で使用した基板とは別の形態基板を使用し、その基板上に本発明の結晶成長方法を適用した場合について説明する。
【０１２７】
図１１は、本実施例３で用いた結晶成長装置２１を示す断面図である。結晶成長装置２１は、結晶成長装置２０とほぼ同様の構成であるが、結晶を製造するための液体原料及び気体原料を供給する部分の構成が、異なっており、メインチャンバ１と原料供給管７及びガス供給管１０とが独立した状態で結晶成長を行うことができる構造となっている。これにより、上記両原料を供給する際の供給方法及び装置構造のバリエーションを増やすことができる。
【０１２８】
本実施例では、基板１８が、気相法である有機金属気相成長法によって形成された窒化物からなる層を基板１の表面に有しており、成長させる結晶薄膜の厚さを図１４に示す表のように、１μｍ〜２００μｍまでの９種類の厚みに変更して、９種の結晶薄膜を得た。
【０１２９】
本実施例においては、結晶薄膜の厚さが１００μｍ以下と小さい場合、結晶成長に必要な窒素ガスの必要量が、特に少なくてよいため好ましい。そのため、メインチャンバ１内に一度供給された窒素ガスのみで結晶成長を行った場合においても、窒素ガス分圧の変動が小さく、結晶の成長状態に変化がない。よって、結晶成長中に窒素ガスを連続的に供給する必要がないので、メインチャンバ１と原料供給管７とが独立した状態で結晶成長を行うことができる。
【０１３０】
バルブ３１の上流側には排気ライン３２が設けられて、図示しないガス供給部及びディスペンサ本体８を接続する際には、一度配管内のガスを排気することができる構造となっており、気体原料及び液体原料の純度が下がらないような構造としている。
【０１３１】
結晶成長装置２１は、ロードロックチャンバ２を有した構造としているが、図１２の結晶成長装置２２に示すように、ロードロックチャンバ２を使用せず、メインチャンバ１を開放して基板１８を設置、取り外しする構成としてもよい。
【０１３２】
結晶成長装置２１に比べ、結晶成長装置２２ではプロセスに要する時間は長くなると考えられるが、装置構成が単純になり製造コストを低くすることができる、という特徴を持つ。本発明の結晶成長方法を用いた基板１８を大量に生産する必要があり、メインチャンバ１自体を多く備える構成の場合、結晶成長装置２２の装置構成が好ましい。
【０１３３】
なお、本実施例では、基板１８上に気相成長法によって形成した窒化物からなる層１８ｚを窒化ガリウム層としたが、必ずしもこれに限らない。窒化アルミニウム層など窒素原子を含む化合物層が気相成長法により形成されていれば、上記に示した範囲の厚さで本発明の結晶成長方法を用いて結晶薄膜を形成することにより、転位密度を低くし、同時に割れのない結晶薄膜を得ることが可能となる。
【０１３４】
次に、得られた結晶薄膜を用いた発光ダイオードの製造構成を示す。図１３は、発光ダイオードの製造過程を示している。図１３（a）は基板１８上に気相成長法によって形成された窒化ガリウム層１８ｚと、その表面上に本発明の結晶成長方法を用いて結晶薄膜１８ｘを製造した状態を示している。図１３（b）は実施例１と同様に図１３（a）で得られた結晶薄膜１８ｘ上に、ｎ型窒化ガリウム層（ｎ−ＧａＮ）１８ｂ、活性層（ＩｎＧａＮ）１８ｃ、キャリアブロック層（ｐ−ＡｌＧａＮ）１８ｄ及びｐ型窒化ガリウム層（ｐ−ＧａＮ）１８ｅが順次形成された状態を示している。以降も実施例１と同様に電極を作製する工程に続くが、本実施例においては、基板１８が剥離しにくい場合は、ｐ型窒化ガリウム層（ｐ−ＧａＮ）１８ｅ側から一部分エッチングを行い、ｎ型窒化ガリウム層（ｎ−ＧａＮ）１８ｂと電気的なコンタクトを取れるようにしてもよい。その後、図示しない光反射層１８ｇ、接着層１８ｈを形成し、発光ダイオードを作製する。
【０１３５】
また、図１４は、本実施例における本発明の結晶成長方法を用いて製造した薄膜の厚さと転位密度の関係を示す図である。ここで、本実施例では、気相成長法によって形成された窒化ガリウム層１８ｚの上に本発明の結晶成長方法で製造した結晶薄膜１８ｘの厚さを４〜１００μｍの範囲とすることを特徴とする。以下に、その範囲を規定した理由について説明する。
【０１３６】
図１４は、本実施例における本発明の結晶成長方法を用いて製造した結晶薄膜の厚さと転位密度の関係を示す図である。ここで、サファイア基板上に気相法で形成された窒化物半導体層は一般的には数μｍの厚さで形成され、図２１中に示すように転位密度は１０８個／ｃｍ２台である。一方、本発明の結晶方法を用いて、気相法で形成された窒化物からなる層を表面に有した基板上に製造した結晶薄膜１８ｘの転位密度は同図に示すように、結晶薄膜の厚さが４μｍのときに１０６個／ｃｍ２台となっていることが確認された。よって、少なくとも４μｍ以上の厚さで成長すれば一桁以上低い転位密度の結晶層を得ることができる。
【０１３７】
また、１００μｍ以上の厚さで結晶薄膜１８ｘを形成した場合でも転位密度がある数値以上には低くならないことが確認された。さらに、１００μｍ以上の厚さで結晶薄膜１８ｘを形成した場合、基板１８との熱膨張係数の差があるため、本発明の結晶成長プロセス後の冷却時に、基板１８もしくは結晶薄膜１８ｘのいずれかに亀裂が生じ割れるという現象が確認された。よって、結晶薄膜１８ｘを製造する際の厚さとして、４μｍ以上、１００μｍ以下の範囲で行うことが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【０１３８】
本発明に係る結晶成長方法および結晶成長装置によれば、複雑な工程を設けることなく薄層で高品質な結晶膜を得ることができる。また、この結晶薄膜を用いて作成される半導体デバイスは高品質であり、高性能なデバイスとなり得るから、低コストで高性能な半導体デバイスを製造することが可能となる。このため、本発明は結晶薄膜および半導体デバイスに係る分野において利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１３９】
【図１】本発明の実施の形態に係る結晶成長装置の断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る基板の温度分布および等温線を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る基板の等温線を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る基板用ヒータおよびサセプタの構造を示す断面図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る基板用ヒータおよびサセプタの構造を示す側面図である。
【図６】窒化ガリウムと窒素の温度と溶解度の関係を示す図である。
【図７】基板位置に対する過飽和度分布の時間変化を示す図である。
【図８】本発明の結晶成長方法によって製造された結晶薄膜の蛍光顕微鏡写真である。
【図９】比較例１において製造された結晶薄膜の結晶薄膜の蛍光顕微鏡写真である
【図１０】本発明の実施の形態に係る結晶薄膜を用いた発光ダイオードの製造工程を示す断面図である。
【図１１】本発明の実施例３に係る結晶成長装置の断面図である。
【図１２】本発明の実施例３に係る結晶成長装置の変形例を示す断面図である。
【図１３】本発明の実施例３に係る結晶薄膜を用いた発光ダイオードの製造工程を示す断面図である。
【図１４】本発明の実施例３に係る結晶薄膜の厚さと転位密度との関係を示す図である。
【図１５】従来の結晶成長装置を示す断面図である。
【符号の説明】
【０１４０】
１      メインチャンバ
２      ロードロックチャンバ
３      昇降機構
４      基板用ヒータ（ヒータ）
５      ディスペンサヘッド
６      ディスペンサヘッド用ヒータ
７      原料供給管（原料供給部）
８      ディスペンサ本体（原料供給部）
９      圧力計
１０    ガス供給管（ガス供給部）
１１    ガス排気管
１２    圧力調整機
１３    可変コンダクタンスバルブ
１４    サセプタ
１５    フォーク
１６    操作棒
１７    封止管
１８    基板
１８ａ  結晶薄膜層（結晶薄膜）
１８ｚ  窒化物半導体層
１９    融液薄層
２０    結晶成長装置
３１    バルブ
３２    排気ライン
【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８】
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【図９】
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