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分子線エピタキシャル成長装置およびそれを用いたシリコン基板上へのIII族窒化物単結晶膜の製造方法

国内特許コード P05A008121
整理番号 DP1080
掲載日 2006年1月6日
出願番号 特願2004-224039
公開番号 特開2005-307332
登録番号 特許第4590225号
出願日 平成16年7月30日(2004.7.30)
公開日 平成17年11月4日(2005.11.4)
登録日 平成22年9月17日(2010.9.17)
優先権データ
  • 特願2004-092228 (2004.3.26) JP
発明者
  • 大鉢 忠
  • 和田 元
出願人
  • 学校法人同志社
発明の名称 分子線エピタキシャル成長装置およびそれを用いたシリコン基板上へのIII族窒化物単結晶膜の製造方法
発明の概要

【課題】装置の小型化が図れるとともに、効率よく所望の単結晶薄膜を基板上にエピタキシャル成長させることができる分子線エピタキシャル成長装置および安価にかつ精度よく窒化ガリウム等のIII族グループ窒化物の単結晶薄膜が得られる分子線エピタキシャル成長装置を用いた窒化ガリウム等のIII族グループ窒化物単結晶薄膜の製造方法を提供することを目的としている。
【解決手段】高周波放電励起原子セルを備える分子線エピタキシャル成長装置において、前記高周波放電励起原子セルが、その放電室内で励起された励起原子に放電室外から磁界を作用させる磁束密度可変の磁界付与手段を備えていることを特徴としている。
【選択図】 図1

従来技術、競合技術の概要


薄膜形成においては基板の結晶構造とその上に成長する結晶構造が一致していることが必要であり、理想は同一単結晶上に成長させるホモエピタキシャル成長である。化合物の多くはそのホモエピタキシャル成長用基板結晶が得られず、異種単結晶上へ成長させるヘテロエピタキシャル成長によって得られるようになっている。現在窒化ガリウム、砒化ガリウムなどの化合物半導体は、サファイヤや炭化珪素などの高価な基板上に作製されている。しかし、これらは大面積化が困難で、工業的生産観点からも安価で大面積化が可能な基板が望まれている。



そこで、本発明の発明者は、分子線エピタキシャル成長装置(以下、「MBE装置」とも記す)を用い、まず、シリコン基板上にアセチレン等の炭素原子を含む気体を照射して立方晶炭化珪素層を形成させた後、立方晶炭化珪素層上に分子線セルから供給されるガリウムとともに励起させた原子状窒素流束を照射して窒化ガリウムの単結晶薄膜を形成する方法を既に提案している(たとえば、非特許文献1参照)。



前記方法、高価な炭化珪素などの基板を用いず、まず、MBE装置の超高真空の成長室内に、安価でダイヤモンド型立方晶構造の単一半導体として安定であると同時に大面積の良質の単結晶基板が利用できるシリコン基板をセットし、このシリコン基板上に炭化珪素単結晶(立方晶または六方晶)膜から成る、いわゆる、III族窒化物単結晶に対するヘテロバッファ層を形成た後、該へテロバッファ層上に窒化ガリウムの単結晶薄膜を形成して、安価に窒化ガリウム等のIII窒化物単結晶膜を得ようとするものである



また、上記のようなMBE装置を用いた方法によれば、現在、一般に使用されている有機金属気相化学反応堆積法(MOCVD)窒化ガリウムの製造方法(たとえば、特許文献1参照)に比べ、原材料の消費が100分の1と、材料コストの面でもメリットがある。
しかし、MBE装置において、立方晶単結晶薄膜の成長速度を速めるには、炭素源であるアセチレンガスの供給量、あるいは、窒素源である励起窒素の供給量を増やす必要があるが、アセチレンガスの供給量や励起窒素原子の供給量を増やすと、成長室内を高真空に保てなくなり、アセチレン等の反応ガスが成長室の内壁やシュラウドに付着する。そして、液体窒素で冷却されたシュラウドに吸着した反応ガスが、そこから再蒸発をするため、反応後に真空度が回復せず、継続して行うべき窒化ガリウム薄膜低温バッファ層作製を行うことに支障が生じる。



また、上記のようなMBE装置を用いた方法によれば、窒素源としてガスを利用することから、従来の固体原料のみを利用するMBE装置と比べ、排気系の排気量を大きくする必要があり、イオンポンプに変わり分子ターボポンプを利用する必要がある。
しかし、MBE装置において、III族グループ窒化物単結晶薄膜の成長速度を速めるには、窒素源である励起窒素の供給量を増やす必要があるが、励起窒素原子の供給量を増やすと、成長室内を高真空に保てなくなり、高品質の結晶を得ることが難しくなる。
したがって、従来のMBE装置では、大きな基板に高速に結晶薄膜を形成しようとすると、アセチレンガスの供給量や励起窒素原子の供給量に見合う容量の大きい真空ポンプが必要となり、装置が大型化するため、装置コストおよびエネルギーコストの点で問題がある。




【非特許文献1】International School on Crystal Growth ,Characterization and Applications 9-13 December 2003 La Pedrera Uruguay Abstract集 P.42-47

【特許文献1】特開平5-206520号公報

産業上の利用分野


本発明は、分子線エピタキシャル成長装置およびそれを用いたシリコン基板上へのIII窒化物単結晶膜の製造方法に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
高真空状態に設定される成長室と、前記成長室に配置された基板固定部材と、放電室内に供給する中性気体をRF(高周波)放電により解離して前記成長室内に解離粒子流束を前記基板固定部材に固定された基板に向けて射出可能とした励起原子セルと、前記基板に向けて原子線を照射する少なくとも1以上の溶融セルとを具備する分子線エピタキシャル成長装置において、
前記励起原子セルの放電室内に印加される高周波電磁界に加えて磁束密度を可変とするECR(電子サイクロトロン共鳴)用静磁界を印加するように構成した磁界付与手段と、前記励起原子セルの放電室の出口に取り付け可能とするとともに所定のアスペクト比を有する複数のオリフィスを形成した仕切り板とを備え、前記ECR用静磁界の磁束密度を調整するとともに前記仕切り板のオリフィスの設定数およびオリフィスのアスペクト比を調整することにより前記成長室内に射出される前記中性気体の励起原子および基底原子流量を調整可能に構成したことを特徴とする分子線エピタキシャル成長装置。

【請求項2】
更に、励起原子セルの放電室の出口周辺部に、該出口から放出される荷電粒子流束に交差する電界を発生する荷電粒子抑制用電界発生手段を設け、該荷電粒子抑制用電界発生手段により発生された電界により前記励起原子セルの放電室から成長室内に配置された基板に向けて射出される荷電粒子流を抑制するようにしたことを特徴とする請求項1に記載の分子線エピタキシャル成長装置。

【請求項3】
更に、高真空状態の成長室内に反応ガスを放出する少なくとも1つの反応ガスセルを備え、前記反応ガスセルのノズル先端部に形成した単一のオリフィスの周縁部を包囲するとともに前記成長室内に延びる反応ガスガイド筒部を設け、前記反応ガスセルの内部から前記オリフィスを介して前記成長室内に放出される反応ガスジェットを、前記反応ガスガイド筒部を介して前記成長室内の基板固定部材に固定された基板面に照射するように構成したことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の分子線エピタキシャル成長装置。

【請求項4】
前記請求項3に記載の分子線エピタキシャル成長装置を用いて、該分子線エピタキシャル成長装置の成長室内に設けた基板固定部材にシリコン基板を固定し、該シリコン基板を加熱するとともに該シリコン基板表面に反応ガスセルから炭素Cを含む反応ガスを照射することによりSiC単結晶ヘテロエピタキシャルバッファ層を形成する工程と、次いで、励起原子セルの放電室に供給される窒素ガスN2を高周波磁界により解離して該励起原子セルから前記SiC単結晶ヘテロエピタキシャルバッファ層に、励起窒素原子N*および基底窒素原子N流束を照射するとともに溶融セルからIII族原子流束を照射することにより、該単結晶SiCヘテロエピタキシャルバッファ層上にIII族窒化物単結晶層を形成する工程を含むことを特徴とするシリコン基板上へのIII族窒化物単結晶膜の製造方法。

【請求項5】
更に、励起原子セルの放電室から放出される励起窒素原子N*および基底窒素原子Nを含む解離粒子流量を検出する検出電極を、前記励起原子セルから基板固定部材に固定されたシリコン基板に向けて照射される解離粒子流束を阻害しない位置に配置し、前記検出電極による解離粒子流量検出値に基づきIII族窒化物単結晶層の成長速度を制御することを特徴とする請求項4に記載のシリコン基板上へのIII族窒化物単結晶膜の製造方法。
産業区分
  • 表面処理
  • 処理操作
  • 無機化合物
  • 省エネルギー
  • 工業用ロボット
  • 固体素子
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2004224039thum.jpg
出願権利状態 権利存続中
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