7780145 窒化ガリウム層製造装置および窒化ガリウム層の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-11-26

(45)【発行日】2025-12-04

(54)【発明の名称】窒化ガリウム層製造装置および窒化ガリウム層の製造方法

(51)【国際特許分類】

   C30B 29/38 20060101AFI20251127BHJP

   C30B 25/14 20060101ALI20251127BHJP

   H01L 21/20 20060101ALI20251127BHJP

   H01L 21/205 20060101ALI20251127BHJP

【ＦＩ】

C30B29/38 D

C30B25/14

H01L21/20

H01L21/205

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2021206095

(22)【出願日】2021-12-20

(65)【公開番号】P2023091381

(43)【公開日】2023-06-30

【審査請求日】2024-06-24

(73)【特許権者】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】520124752

【氏名又は名称】株式会社ミライズテクノロジーズ

(73)【特許権者】

【識別番号】504139662

【氏名又は名称】国立大学法人東海国立大学機構

(74)【代理人】

【識別番号】110001128

【氏名又は名称】弁理士法人ゆうあい特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】原 一都

(72)【発明者】

【氏名】小澤 基

(72)【発明者】

【氏名】山本 栄蔵

(72)【発明者】

【氏名】恩田 正一

(72)【発明者】

【氏名】小島 淳

(72)【発明者】

【氏名】笹岡 千秋

【審査官】宮崎 園子

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１１／１４２４０２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１５／０３７２３２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１９－００１６７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０５５９０１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ３０Ｂ ２９／３８

Ｃ３０Ｂ ２５／１４

Ｈ０１Ｌ ２１／２０

Ｈ０１Ｌ ２１／２０５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

窒化ガリウムで構成される種基板（１２１）上にガリウム系ガスおよびアンモニア系ガスを供給することで窒化ガリウム層（１２２）を成長させる窒化ガリウム層製造装置であって、
反応室を構成する中空部（１０１ａ）で前記窒化ガリウム層が成長させられる筒状の成長用容器（１００）を有する成長装置（１０）と、
前記成長用容器の前記中空部内に配置され、前記窒化ガリウム層が成長させられる前記種基板が配置される台座（１２０）と、
前記ガリウム系ガスとしての三塩化ガリウムガスを生成する生成装置（２０）と、
前記生成装置と前記成長装置とを繋ぎ、前記生成装置で生成された前記三塩化ガリウムガスを前記成長装置へ供給する供給配管（３１０）と、を備え、
前記生成装置は、金属ガリウム（２２０）が配置される第１空間（２１１）および前記第１空間と前記供給配管との間に位置する第２空間（２１２）と、前記第１空間に塩素ガスを誘導する第１誘導配管（２３１）と、前記第２空間に塩素ガスを誘導する第２誘導配管（２３２）と、を有し、
前記第２誘導配管は、前記第１誘導配管から前記塩素ガスが誘導されることで生成された一塩化ガリウムガスを前記三塩化ガリウムガスにするのに必要な塩素ガスの量よりも多い塩素ガスが誘導されるようになっており、
前記生成装置は、前記第２誘導配管から塩素ガスが誘導される部分よりも前記供給配管側の部分に、前記第２空間に塩素ガスを誘導する第３誘導配管（２３３）が備えられている窒化ガリウム層製造装置。

【請求項2】

前記成長装置には、水素ガスを供給する供給配管（３４０）が備えられている請求項１に記載の窒化ガリウム層製造装置。

【請求項3】

窒化ガリウムで構成される種基板（１２１）上にガリウム系ガスおよびアンモニア系ガスを供給することで窒化ガリウム層（１２２）を成長させる窒化ガリウム層製造装置であって、
反応室を構成する中空部（１０１ａ）で前記窒化ガリウム層が成長させられる筒状の成長用容器（１００）を有する成長装置（１０）と、
前記成長用容器の前記中空部内に配置され、前記窒化ガリウム層が成長させられる前記種基板が配置される台座（１２０）と、
前記ガリウム系ガスとしての三塩化ガリウムガスを生成する生成装置（２０）と、
前記生成装置と前記成長装置とを繋ぎ、前記生成装置で生成された前記三塩化ガリウムガスを前記成長装置へ供給する供給配管（３１０）と、を備え、
前記生成装置は、金属ガリウム（２２０）が配置される第１空間（２１１）および前記第１空間と前記供給配管との間に位置する第２空間（２１２）と、前記第１空間に塩素ガスを誘導する第１誘導配管（２３１）と、前記第２空間に塩素ガスを誘導する第２誘導配管（２３２）と、を有し、
前記第２誘導配管は、前記第１誘導配管から前記塩素ガスが誘導されることで生成された一塩化ガリウムガスを前記三塩化ガリウムガスにするのに必要な塩素ガスの量よりも多い塩素ガスが誘導されるようになっており、
前記成長装置には、水素ガスを供給する供給配管（３４０）が備えられている窒化ガリウム層製造装置。

【請求項4】

窒化ガリウムで構成される種基板（１２１）上にガリウム系ガスおよびアンモニア系ガスを供給することで窒化ガリウム層（１２２）を成長させる窒化ガリウム層の製造方法であって、
反応室を構成する中空部（１０１ａ）で前記窒化ガリウム層が成長させられる筒状の成長用容器（１００）を有する成長装置（１０）と、
前記成長用容器の前記中空部内に配置され、前記窒化ガリウム層が成長させられる前記種基板が配置される台座（１２０）と、
前記ガリウム系ガスとしての三塩化ガリウムガスを生成する生成装置（２０）と、
前記生成装置と前記成長装置とを繋ぎ、前記生成装置で生成された前記三塩化ガリウムガスを前記成長装置へ供給する供給配管（３１０）と、を備え、
前記生成装置は、金属ガリウム（２２０）が配置される第１空間（２１１）および前記第１空間と前記供給配管との間に位置する第２空間（２１２）と、前記第１空間に塩素ガスを誘導する第１誘導配管（２３１）と、前記第２空間に塩素ガスを誘導する第２誘導配管（２３２）と、前記第２誘導配管から塩素ガスが誘導される部分よりも前記供給配管側の部分に備えられ、前記第２空間に塩素ガスを誘導する第３誘導配管（２３３）と、を有する窒化ガリウム層製造装置を用意することと、
前記生成装置で前記三塩化ガリウムガスを生成して前記窒化ガリウム層を成長させることと、を行い、
前記三塩化ガリウムガスを生成することでは、前記第１誘導配管から前記塩素ガスを誘導して前記金属ガリウムと前記塩素ガスを反応させて一塩化ガリウムガスを生成することと、前記第２誘導配管および前記第３誘導配管から前記塩素ガスを誘導し、前記一塩化ガリウムガスと前記塩素ガスとを反応させて前記三塩化ガリウムガスを生成することと、を行い、
前記第２誘導配管から前記塩素ガスを誘導することでは、前記一塩化ガリウムガスを前記三塩化ガリウムガスにするのに必要な塩素ガスの量よりも多い塩素ガスを誘導する窒化ガリウム層の製造方法。

【請求項5】

窒化ガリウムで構成される種基板（１２１）上にガリウム系ガスおよびアンモニア系ガスを供給することで窒化ガリウム層（１２２）を成長させる窒化ガリウム層の製造方法であって、
反応室を構成する中空部（１０１ａ）で前記窒化ガリウム層が成長させられる筒状の成長用容器（１００）を有し、水素ガスを供給する供給配管（３４０）が備えられている成長装置（１０）と、
前記成長用容器の前記中空部内に配置され、前記窒化ガリウム層が成長させられる前記種基板が配置される台座（１２０）と、
前記ガリウム系ガスとしての三塩化ガリウムガスを生成する生成装置（２０）と、
前記生成装置と前記成長装置とを繋ぎ、前記生成装置で生成された前記三塩化ガリウムガスを前記成長装置へ供給する供給配管（３１０）と、を備え、
前記生成装置は、金属ガリウム（２２０）が配置される第１空間（２１１）および前記第１空間と前記供給配管との間に位置する第２空間（２１２）と、前記第１空間に塩素ガスを誘導する第１誘導配管（２３１）と、前記第２空間に塩素ガスを誘導する第２誘導配管（２３２）と、を有する窒化ガリウム層製造装置を用意することと、
前記生成装置で前記三塩化ガリウムガスを生成して前記窒化ガリウム層を成長させることと、を行い、
前記三塩化ガリウムガスを生成することでは、前記第１誘導配管から前記塩素ガスを誘導して前記金属ガリウムと前記塩素ガスを反応させて一塩化ガリウムガスを生成することと、前記第２誘導配管から前記塩素ガスを誘導し、前記一塩化ガリウムガスと前記塩素ガスとを反応させて前記三塩化ガリウムガスを生成することと、を行い、
前記第２誘導配管から前記塩素ガスを誘導することでは、前記一塩化ガリウムガスを前記三塩化ガリウムガスにするのに必要な塩素ガスの量よりも多い塩素ガスを誘導し、
前記窒化ガリウム層を成長させることでは、前記成長装置内に前記水素ガスを誘導しながら前記窒化ガリウム層を成長させる窒化ガリウム層の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、窒化ガリウム（以下では、単にＧａＮともいう）で構成される種基板上にＧａＮ層を成長させるＧａＮ層製造装置およびＧａＮ層の製造方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来より、ハイドライド気層成長法を用い、ＧａＮで構成される種基板上にＧａＮ層を成長させるＧａＮ層製造装置およびその製造方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。具体的には、この製造装置では、種基板が配置されてＧａＮ層を成長させる成長装置と、ＧａＮ層を成長させるための原料ガスとなる三塩化ガリウムガスを生成する生成装置とを備えている。また、この製造装置では、成長装置と生成装置とを繋いで生成装置で生成されたガスを成長装置へ供給する第１供給配管と、ＧａＮ層を成長させるための原料ガスとなるアンモニアガスを成長装置へ供給する第２供給配管とを備えている。

【0003】

成長装置は、種基板が配置される成長用容器を有し、生成装置で生成された三塩化ガリウムガスが第１供給配管を介して成長用容器内に供給されるように構成されている。また、成長装置は、アンモニアガスが第２供給配管を介して成長用容器内に供給されるように構成されている。

【0004】

生成装置は、金属ガリウムが配置される生成用容器を備えている。生成用容器は、金属ガリウムが配置される第１空間と、第１空間と連通した第２空間とを備える構成とされている。また、生成用容器は、第１空間に塩素ガスを誘導するための第１誘導配管、および第２空間に塩素ガスを誘導するための第２誘導配管が備えられている。

【0005】

そして、生成装置では、第１誘導配管から塩素ガスが誘導されると、下記化学式１の反応のように、金属ガリウムと塩素ガスとが反応して一塩化ガリウムガスが生成される。

【0006】

（化１）Ｇａ＋１／２Ｃｌ_２→ＧａＣｌ
また、生成装置では、生成用容器に第２誘導配管から塩素ガスが誘導されると、下記化学式２のように、一塩化ガリウムガスと塩素ガスとが反応して三塩化ガリウムガスが生成される。

【0007】

（化２）ＧａＣｌ＋Ｃｌ_２→ＧａＣｌ_３
なお、生成装置で三塩化ガリウムガスが生成される際、生成装置は、第１空間が８００～９００℃程度となり、第２空間のうちの第１供給配管側の部分が１５０℃程度となるように加熱される。また、第１供給配管は、１５０℃程度となるように加熱される。

【0008】

そして、このようなＧａＮ層製造装置では、種基板上に、三塩化ガリウムガスおよびアンモニアガスが供給されることにより、下記化学式３の反応によってＧａＮ層が成長させられる。

【0009】

（化３）ＧａＣｌ_３＋ＮＨ_３→ＧａＮ＋３ＨＣｌ

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【文献】特許第５７８７３２４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

ところで、一塩化ガリウムは、三塩化ガリウムよりも沸点が高く、固化し易い材料である。このため、第１供給配管を介して三塩化ガリウムガスを成長装置内へ供給する際、一塩化ガリウムガスが残存していると、第１供給配管内で一塩化ガリウムガスが固化してしまう可能性があり、第１供給配管内が閉塞される可能性がある。

【0012】

本発明は上記点に鑑み、三塩化ガリウムガスを供給する供給配管が閉塞することを抑制できるＧａＮ層製造装置およびＧａＮ層の製造方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0013】

上記目的を達成するための請求項１および３では、ＧａＮで構成される種基板（１２１）上にガリウム系ガスおよびアンモニア系ガスを供給することでＧａＮ層（１２２）を成長させるＧａＮ層製造装置であって、反応室を構成する中空部（１０１ａ）でＧａＮ層が成長させられる筒状の成長用容器（１００）を有する成長装置（１０）と、成長用容器の中空部内に配置され、ＧａＮ層が成長させられる種基板が配置される台座（１２０）と、ガリウム系ガスとしての三塩化ガリウムガスを生成する生成装置（２０）と、生成装置と成長装置とを繋ぎ、生成装置で生成された三塩化ガリウムガスを成長装置へ供給する供給配管（３１０）と、を備え、生成装置は、金属ガリウム（２２０）が配置される第１空間（２１１）および第１空間と供給配管との間に位置する第２空間（２１２）と、第１空間に塩素ガスを誘導する第１誘導配管（２３１）と、第２空間に塩素ガスを誘導する第２誘導配管（２３２）と、を有し、第２誘導配管は、第１誘導配管から塩素ガスが誘導されることで生成された一塩化ガリウムガスを三塩化ガリウムガスにするのに必要な塩素ガスの量よりも多い塩素ガスが誘導されるようになっている。
そして、請求項１では、生成装置は、第２誘導配管から塩素ガスが誘導される部分よりも供給配管側の部分に、第２空間に塩素ガスを誘導する第３誘導配管（２３３）が備えられている。
請求項３では、成長装置には、水素ガスを供給する供給配管（３４０）が備えられている。

【0014】

これによれば、一塩化ガリウムガスが残存することを抑制でき、一塩化ガリウムガスが固化して供給配管が閉塞することを抑制しつつ、ＧａＮ層を成長させることができる。

【0015】

また、請求項４は、請求項１に記載のＧａＮ層製造装置を用いたＧａＮ層の製造方法であり、請求項１に記載のＧａＮ層製造装置を用意することと、生成装置で三塩化ガリウムガスを生成してＧａＮ層を成長させることと、を行い、三塩化ガリウムガスを生成することでは、第１誘導配管から塩素ガスを誘導して金属ガリウムと塩素ガスを反応させて一塩化ガリウムガスを生成することと、第２誘導配管および第３誘導配管から塩素ガスを誘導し、一塩化ガリウムガスと塩素ガスとを反応させて三塩化ガリウムガスを生成することと、を行い、第２誘導配管から塩素ガスを誘導することでは、一塩化ガリウムガスを三塩化ガリウムガスにするのに必要な塩素ガスの量よりも多い塩素ガスを誘導する。
請求項５は、請求項３に記載のＧａＮ層製造装置を用いたＧａＮ層の製造方法であり、請求項３に記載のＧａＮ層製造装置を用意することと、生成装置で三塩化ガリウムガスを生成して窒化ガリウム層を成長させることと、を行い、三塩化ガリウムガスを生成することでは、第１誘導配管から塩素ガスを誘導して金属ガリウムと塩素ガスを反応させて一塩化ガリウムガスを生成することと、第２誘導配管から塩素ガスを誘導し、一塩化ガリウムガスと塩素ガスとを反応させて三塩化ガリウムガスを生成することと、を行い、第２誘導配管から塩素ガスを誘導することでは、一塩化ガリウムガスを三塩化ガリウムガスにするのに必要な塩素ガスの量よりも多い塩素ガスを誘導し、窒化ガリウム層を成長させることでは、成長装置内に水素ガスを誘導しながら窒化ガリウム層を成長させる。

【0016】

これによれば、一塩化ガリウムガスが残存することを抑制でき、一塩化ガリウムガスが固化して供給配管が閉塞することを抑制しつつ、ＧａＮ層を成長させることができる。

【0017】

なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】第１実施形態におけるＧａＮ層製造装置の断面模式図である。

【図2】第２実施形態におけるＧａＮ層製造装置の断面模式図である。

【図3】第３実施形態におけるＧａＮ層製造装置の断面模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

【0020】

（第１実施形態）
第１実施形態について、図面を参照しつつ説明する。まず、ＧａＮ層製造装置の構成について、図１を参照しつつ説明する。なお、図１に示されるＧａＮ層製造装置は、図１の紙面上下方向を天地方向として設置され、種基板１２１上にＧａＮ層１２２を成長させるものである。

【0021】

図１に示されるように、ＧａＮ層製造装置は、ＧａＮ層１２２を成長させる成長装置１０、およびＧａＮ層１２２を成長させるための原料ガスとしての三塩化ガリウムガスを生成する生成装置２０を備えている。また、ＧａＮ層製造装置は、ＧａＮ層１２２を成長させるための各種のガスを成長装置１０へ供給する第１～第３供給配管３１０～３３０等を備えている。

【0022】

成長装置１０は、成長用容器１００、加熱容器１１０、台座１２０、シャフト１３１、回転変位機構１３２、加熱装置１４０等を有している。

【0023】

成長用容器１００は、反応室を構成する中空部１０１ａを備えた筒状の筒部１０１と、筒部１０１に備えられて中空部１０１ａを閉塞する第１蓋部１０２および第２蓋部１０３とを有している。筒部１０１は、石英ガラス等で構成され、本実施形態では、円筒状とされている。第１蓋部１０２および第２蓋部１０３は、ＳＵＳ等で構成されており、第１蓋部１０２が筒部１０１のうちの天側となる端部に備えられ、第２蓋部１０３が筒部１０１のうちの地側となる端部に備えられている。そして、成長用容器１００は、ＧａＮ層１２２を成長させるための他の構成要素が中空部１０１ａ内に配置され、この中空部１０１ａの圧力を真空引きすることによって減圧できる構造とされている。

【0024】

また、成長用容器１００には、ＧａＮ層１２２を成長させるための各種のガスを供給する第１～第３供給配管３１０～３３０が備えられている。本実施形態では、第１蓋部１０２に第１～第３供給配管３１０～３３０が備えられている。具体的には、第１蓋部１０２には、生成装置２０で生成されたＧａＮ層１２２を成長させるためのガリウム系ガスとして、三塩化ガリウムガスを成長用容器１００内に供給する第１供給配管３１０が備えられている。第１蓋部１０２には、三塩化ガリウムガスと共にＧａＮ層１２２を成長させるためのアンモニア系ガスとして、アンモニアガスを成長用容器１００内に供給する第２供給配管３２０が備えられている。第１蓋部１０２には、キャリアガスとしての窒素ガスを成長用容器１００内に供給する第３供給配管３３０が備えられている。なお、本実施形態では、後述するように、第１供給配管３１０に塩素ガスが供給され得る。このため、第１供給配管３１０は、例えば、耐腐食性を有するフッ素コーティングが施された配管で構成される。

【0025】

そして、本実施形態の第１～第３供給配管３１０～３３０は、一端部が後述の加熱容器１１０内に位置するように配置されている。但し、第３供給配管３３０は、一端部が第１供給配管３１０および第２供給配管３２０の一端部よりも第１蓋部１０２側に位置するように配置されている。言い換えると、第１～第３供給配管３１０～３３０は、第１、第２供給配管３１０、３２０から供給されたガスが、第３供給配管３３０から供給されたガスによって下方（すなわち、後述の種基板１２１側）に流動し易くなるように、配置されている。

【0026】

なお、第１供給配管３１０は、成長装置１０側の一端部と反対側の他端部側が生成装置２０に備えられている。つまり、第１供給配管３１０は、成長装置１０と生成装置２０とを繋ぐように配置されている。また、第１供給配管３１０は、後述する生成用容器２００よりもガスの流れ方向を法線方向とする断面積が小さくされている。そして、第２供給配管３２０および第３供給配管３３０は、特に図示しないが、成長装置１０の一端部と反対側の他端部がそれぞれのガス供給源と接続されている。

【0027】

さらに、成長用容器１００には、ＧａＮ層１２２の成長に寄与しなかった未反応ガス等を含む排気ガスを排出する排出口１０４が備えられている。本実施形態では、成長用容器１００のうちの第２蓋部１０３側の部分に排出口１０４が備えられている。

【0028】

加熱容器１１０は、例えば、アルミナ、ジルコニア、熱分解炭素、黒鉛（グラファイト）等で構成されており、中空部１１０ａを有する円筒状に形成されている。そして、加熱容器１１０は、第１～第３供給配管３１０～３３０からの各種のガスが中空部１１０ａ内に供給されるように、第１蓋部１０２に備えられている。

【0029】

台座１２０は、ＧａＮ層１２２を成長させるためのＧａＮで構成される種基板１２１が配置される部材であり、加熱容器１１０よりも下方に配置されている。台座１２０は、熱エッチングされ難い材料で構成され、例えば、表面をＰｂＮ、ＳｉＣ、ＴａＣやＮｂＣ等の高融点金属炭化物にてコーティングした黒鉛等で構成されている。そして、この台座１２０のうち第１～第３供給配管３１０～３３０側に位置する一面１２０ａに種基板１２１が貼り付けられ、種基板１２１の表面にＧａＮ層１２２が成長させられる。

【0030】

なお、本実施形態では、後述するように、種基板１２１上に三塩化ガリウムガスおよびアンモニアガスが供給されることでＧａＮ層１２２が成長させられる。ここで、ＧａＮ層１２２を成長させる際に三塩化ガリウムガスを用いた場合、ＧａＮ層１２２は、種基板１２１の成長面が窒素面であると成長し易く、種基板１２１の成長面がガリウム面であると成長し難いことが報告されている。したがって、本実施形態では、種基板１２１は、ＧａＮ層１２２の成長面が窒素面となるようにして配置される。言い換えると、種基板１２１は、台座１２０と反対側の面が窒素面となるようにして配置される。

【0031】

また、台座１２０は、種基板１２１が配置される面と反対側の面にシャフト１３１が連結されている。そして、台座１２０は、シャフト１３１の回転に伴って回転させられると共に、シャフト１３１が成長用容器１００の軸方向（すなわち、図１中紙面上下方向）に沿って変位することで共に変位する構成とされている。なお、シャフト１３１は、台座１２０と同様に、熱エッチングされ難い材料で構成され、例えば、表面をＰｂＮ、ＳｉＣ、ＴａＣやＮｂＣ等の高融点金属炭化物にてコーティングした黒鉛等で構成されている。

【0032】

回転変位機構１３２は、ギアやモータ等を含んで構成され、シャフト１３１と接続されてシャフト１３１を回転させると共にシャフト１３１を変位させる部材である。なお、回転変位機構１３２は、シャフト１３１を変位させる際には、ＧａＮ層１２２の成長に伴って当該ＧａＮ層１２２における成長表面の温度が成長に適した温度となるようにシャフト１３１（すなわち、種基板１２１）を変位させる。また、本実施形態の回転変位機構１３２は、ＧａＮ層１２２を成長させる際には、特に限定されるものではないが、台座１２０が１分間に２００回転以上の回転となるようにシャフト１３１を回転させる。

【0033】

加熱装置１４０は、加熱容器１１０や成長用容器１００内を加熱するものであり、例えば、誘導加熱用コイルや直接加熱用コイル等の加熱コイルによって構成され、成長用容器１００の周囲を囲むように配置されている。そして、本実施形態の加熱装置１４０は、ＧａＮ層１２２を成長させる際には、種基板１２１の周囲が１０００～１３００℃程度となり、加熱容器１１０内の温度が７００℃以上となるように駆動される。

【0034】

生成装置２０は、生成用容器２００および加熱装置２４０等を有している。生成用容器２００は、中空部２０１ａを有する筒状の筒部２０１と、筒部２０１に備えられて中空部２０１ａを閉塞する第１蓋部２０２および第２蓋部２０３とを有している。筒部２０１は、石英ガラス等で構成され、本実施形態では、円筒状とされている。第１蓋部２０２および第２蓋部２０３は、ＳＵＳ等で構成されている。第１蓋部２０２は、筒部２０１のうちの第１供給配管３１０が接続される側と反対側の端部に備えられ、第２蓋部２０３は、筒部２０１のうちの第１供給配管３１０が接続される側の端部に備えられている。なお、生成用容器２００は、成長用容器１００と同様に、中空部２０１ａの圧力を真空引きすることによって減圧できる構造とされている。

【0035】

生成用容器２００には、中空部２０１ａを、第１蓋部２０２側の第１空間２１１と、第２蓋部２０３側の第２空間２１２とに区画する区画壁２１３が備えられている。但し、この区画壁２１３は、第１空間２１１と第２空間２１２との連通が維持されるように形成されている。言い換えると、区画壁２１３は、第１空間２１１と第２空間２１２とを完全に区画しないように備えられている。

【0036】

そして、第１空間２１１には、金属ガリウム２２０が配置されている。第２空間２１２には、本実施形態では、後述するように第１空間２１１で生成された一塩化ガリウムガスおよび塩素ガスと接触する壁面を増加させるための仕切壁２１４が備えられている。

【0037】

また、生成用容器２００には、塩素ガスを生成用容器２００内に誘導する第１誘導配管２３１および第２誘導配管２３２が備えられている。本実施形態では、第１誘導配管２３１は、第１空間２１１に塩素ガスを誘導できるように、第１蓋部２０２に備えられている。第２誘導配管２３２は、第２空間２１２に塩素ガスを誘導できるように、筒部２０１に備えられている。なお、本実施形態では、第１誘導配管２３１および第２誘導配管２３２から生成用容器２００内にキャリアガスとしての窒素ガスも誘導される。

【0038】

加熱装置２４０は、生成用容器２００内を加熱するものであり、例えば、抵抗加熱式ヒータ等で構成され、生成用容器２００の周囲に配置されている。本実施形態では、加熱装置２４０は、生成用容器２００のうちの第１空間２１１を構成する部分を囲むように配置される。そして、加熱装置２４０は、ＧａＮ層１２２を成長させる際には、第１空間２１１が８００～９００℃程度となり、第２空間２１２のうちの第２蓋部２０３側の温度が第１空間２１１からの伝熱によって１５０℃程度となるように、駆動される。なお、本実施形態の第２空間２１２は、第１空間２１１からの伝熱によって加熱されるため、第１空間２１１側の部分から第２蓋部２０３側に向かって温度が徐々に低くなる温度勾配となる。

【0039】

そして、生成装置２０には、第２蓋部２０３に第１供給配管３１０の他端部が備えられている。なお、特に図示しないが、第１供給配管３１０の周囲にも加熱装置が配置される。そして、第１供給配管３１０は、ＧａＮ層１２２を成長させる際には、例えば、１５０℃程度に加熱されるようになっている。

【0040】

以上が本実施形態におけるＧａＮ層製造装置の構成である。次に、上記ＧａＮ層製造装置を用いたＧａＮ層１２２の製造方法について説明する。

【0041】

まず、上記ＧａＮ層製造装置を用意し、台座１２０の一面１２０ａに種基板１２１を配置する。本実施形態では、上記のように、ＧａＮ層１２２の成長面が窒素面となるように種基板１２１を配置する。そして、回転変位機構１３２により、シャフト１３１を介して台座１２０を回転させると共に、台座１２０の位置を調整する。なお、ＧａＮ層１２２を成長させている際には、ＧａＮ層１２２の成長レートに合せて台座の高さを調整する。これにより、ＧａＮ層の成長表面の高さがほぼ一定に保たれ、成長表面温度の温度分布を効果的に制御することが可能となる。

【0042】

次に、各加熱装置１４０、２４０を駆動する。具体的には、成長用容器１００内に配置された種基板１２１の周囲が１０００～１３００℃程度となると共に加熱容器１１０内の温度が７００℃以上となるように、加熱装置１４０を駆動する。また、生成用容器２００における第１空間２１１が８００～９００℃程度となり、第２空間２１２のうちの第２蓋部２０３側の部分が１５０℃程度となるように加熱装置２４０を駆動する。さらに、図示を省略しているが、第１供給配管３１０も１５０℃程度なるように、これらの周囲に配置される加熱装置を駆動する。

【0043】

続いて、生成装置２０内に、第１誘導配管２３１および第２誘導配管２３２から、塩素ガスおよびキャリアガスとしての窒素ガスを誘導する。これにより、第１空間２１１では、上記化学式１で示されるように、金属ガリウム２２０と塩素ガスとが反応し、一塩化ガリウムガスが生成される。また、この一塩化ガリウムガスが第２空間２１２に流動することにより、上記化学式２で示されるように、一塩化ガリウムガスが第２空間２１２に誘導されている塩素ガスと反応して三塩化ガリウムガスが生成される。そして、三塩化ガリウムガスが第１供給配管３１０を介して成長装置１０に供給される。この場合、本実施形態の第２空間２１２には、仕切壁２１４が備えられている。このため、第２空間２１２に誘導されたガスは、高温部分としての仕切壁２１４に衝突し易くなると共に流動距離が長くなる。したがって、一塩化ガリウムガスが塩素ガスと反応されずに残存することを抑制できる。

【0044】

この際、本実施形態では、第２誘導配管２３２からは、第１空間２１１で生成された一塩化ガリウムの全てを三塩化ガリウムにするのに必要な量以上の塩素ガスを誘導する。例えば、第１誘導配管２３１から１００ｓｃｃｍの塩素ガスを誘導した場合には、第２誘導配管２３２から２００ｓｃｃｍ以上の塩素ガスを誘導する。これにより、第２空間２１２で一塩化ガリウムガスが残存することを抑制できる。なお、第１誘導配管２３１および第２誘導配管２３２から誘導されるキャリアガスとしての窒素ガスは、例えば、１ｓｌｍ程度が誘導される。

【0045】

そして、第２供給配管３２０からアンモニアガスを成長用容器１００に供給すると共に、第３供給配管３３０から窒素ガスを成長用容器１００に供給する。これにより、アンモニアガスおよび三塩化ガリウムガスが流動して種基板１２１に供給され、種基板１２１の表面にＧａＮ層１２２が成長させられる。なお、アンモニアガスの供給は、加熱装置１４０を駆動した後であって、窒素抜けを防止するために、種基板１２１の周囲の温度が５００℃以下である状態で開始することが好ましい。また、アンモニアガスは、例えば、１～５ｓｌｍ程度が供給される。キャリアガスとしての窒素ガスは、例えば、１～１０ｓｌｍ程度が供給される。

【0046】

以上説明した本実施形態によれば、生成装置２０では、第２誘導配管２３２から、第１空間２１１で生成された一塩化ガリウムガスの全てを三塩化ガリウムガスにするのに必要な量以上の塩素ガスを誘導する。このため、一塩化ガリウムガスが残存することを抑制でき、一塩化ガリウムガスが固化して第１供給配管３１０が閉塞することを抑制できる。

【0047】

（第２実施形態）
第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対し、生成装置２０に第３誘導配管を追加したものである。その他に関しては、第１実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。

【0048】

本実施形態では、図２に示されるように、生成装置２０に第３誘導配管２３３が備えられている。具体的には、第３誘導配管２３３は、第２空間２１２に塩素ガスおよび窒素ガスを誘導できるように、筒部２０１に備えられている。より詳しくは、第３誘導配管２３３は、第２誘導配管２３２よりも第２蓋部２０３側に備えられており、生成装置２０と第１供給配管３１０との連結部分の近傍に塩素ガスを誘導できるように配置されている。

【0049】

以上が本実施形態におけるＧａＮ層製造装置の構成である。次に、上記ＧａＮ層製造装置を用いたＧａＮ層１２２の製造方法について説明する。

【0050】

本実施形態では、生成装置２０で三塩化ガリウムガスを生成する際、第３誘導配管２３３からも塩素ガスを誘導する。例えば、第１誘導配管２３１から１００ｓｃｃｍの塩素ガスを誘導した場合には、第２誘導配管２３２から２００ｓｃｃｍ以上の塩素ガスを誘導し、第３誘導配管２３３から２０ｓｃｃｍ程度の塩素ガスを誘導する。これにより、第２空間２１２で一塩化ガリウムガスが残存することをさらに抑制できる。つまり、第１供給配管３１０に一塩化ガリウムガスが誘導されることをさらに抑制できる。

【0051】

以上説明した本実施形態によれば、生成装置２０では、第２誘導配管２３２から一塩化ガリウムガスの全てを三塩化ガリウムガスにするのに必要な量以上の塩素ガスを誘導する。このため、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

【0052】

（１）本実施形態では、第３誘導配管２３３からも塩素ガスを誘導している。このため、一塩化ガリウムガスが第１供給配管３１０内に誘導されることをさらに抑制でき、第１供給配管３１０が閉塞することをさらに抑制できる。

【0053】

（第３実施形態）
第３実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対し、成長装置１０に第４供給配管を備えるものである。その他に関しては、第１実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。

【0054】

まず、上記のようなＧａＮ層製造装置では、生成装置２０の第２空間２１２に誘導する塩素ガスを多量にすることにより、第１供給配管３１０が閉塞することを抑制できるようにしている。しかしながら、生成装置２０の第２空間２１２に誘導する塩素ガスを多量にすることにより、生成装置２０から成長装置１０へ塩素ガスも供給され得る。この場合、塩素ガスがエッチングガスとして機能し、ＧａＮ層１２２がエッチングされる可能性がある。

【0055】

このため、本実施形態では、図３に示されるように、成長装置１０に水素ガスを供給する第４供給配管３４０が備えられている。具体的には、第４供給配管３４０は、一端部が加熱容器１１０内に位置すると共に第３供給配管３３０とほぼ同じ位置となるように配置され、他端部が図示しないガス供給源と接続されている。

【0056】

以上が本実施形態におけるＧａＮ層製造装置の構成である。次に、上記ＧａＮ層製造装置を用いたＧａＮ層１２２の製造方法について説明する。

【0057】

本実施形態では、ＧａＮ層１２２を成長させる際、第４供給配管３４０から成長装置１０内に水素ガスを誘導する。これにより、第１供給配管３１０から供給され得る塩素ガスは、下記化学式４のように、水素ガスと反応し、塩素ガスよりエッチング性の弱い塩化水素ガスとなる。

【0058】

（化４）１／２Ｃｌ_２＋Ｈ_２→ＨＣｌ
したがって、第１供給配管３１０（すなわち、生成装置２０）から供給され得る塩素ガスによってＧａＮ層１２２がエッチングされることを抑制できる。

【0059】

なお、塩素ガスを水素ガスと反応させる場合には、周囲の温度が７００℃以上となる部分で反応させることが好ましい。このため、本実施形態では、加熱容器１１０内の温度が７００℃以上となるようにしている。また、第４供給配管３４０から供給される水素ガスは、例えば、第２誘導配管２３２から２００ｓｃｃｍの塩素ガスを第２空間２１２に誘導した場合には、５０～５００ｓｃｃｍ程度とされればよい。

【0060】

さらに、成長装置１０内に水素ガスを供給することにより、下記化学式５に示されるように、水素ガスは、第１供給配管３１０から供給される三塩化ガリウムガスとも反応して一塩化ガリウムガスを生成する。

【0061】

（化５）ＧａＣｌ_３＋Ｈ_２→ＧａＣｌ＋２ＨＣｌ
このため、本実施形態では、アンモニアガスおよび一塩化ガリウムガスが流動して種基板１２１に供給されることにより、下記化学式６に示されるように、種基板１２１の表面にＧａＮ層１２２が成長させられる。

【0062】

（化６）ＧａＣｌ＋ＮＨ_３→ＧａＮ＋ＨＣｌ＋Ｈ_２
ここで、ＧａＮ層１２２を成長させる際に一塩化ガリウムガスを用いた場合、ＧａＮ層１２２は、種基板１２１の成長面が窒素面であってもガリウム面であっても成長し易いことが報告されている。したがって、本実施形態では、種基板１２１は、ＧａＮ層１２２の成長面として所望の面を選択することができる。

【0063】

以上説明した本実施形態によれば、生成装置２０では、第２誘導配管２３２から一塩化ガリウムガスの全てを三塩化ガリウムガスにするのに必要な量以上の塩素ガスを誘導する。このため、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

【0064】

（１）本実施形態では、成長装置１０内へ水素ガスを供給している。このため、第１供給配管３１０から成長装置１０内へ供給され得る塩素ガスがそのままＧａＮ層１２２に達することを抑制でき、ＧａＮ層１２２がエッチングされることを抑制できる。また、第１供給配管３１０から成長装置１０内へ供給される三塩化ガリウムガスが水素ガスと反応して一塩化ガリウムガスとなり、ＧａＮ層１２２は、一塩化ガリウムとアンモニアガスとの反応によって成長させられる。このため、ＧａＮ層１２２の成長面として所望の面を選択することができる。

【0065】

（他の実施形態）
本開示は、実施形態に準拠して記述されたが、本開示は当該実施形態や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

【0066】

上記各実施形態において、成長装置１０の構成は適宜変更である。例えば、上記各実施形態では、台座１２０の回転および変位を行う回転変位機構１３２を備える例を説明したが、台座１２０の回転のみを行って変位を行わないようにしてもよい。また、排出口１０４は、成長用容器１００における第１蓋部１０２側に配置されていてもよい。

【0067】

また、上記各実施形態において、第２空間２１２に仕切壁２１４が備えられていなくてもよい。
そして、上記各実施形態を組み合わせることもできる。例えば、上記第２実施形態を上記第３実施形態に組み合わせ、第３誘導配管２３３を備えるようにしてもよい。

【符号の説明】

【0068】

１０ 成長装置
２０ 生成装置
１０１ａ 中空部
１００ 成長用容器
１２０ 台座
１２１ 種基板
１２２ ＧａＮ層
２１１ 第１空間
２１２ 第２空間
２２０ 金属ガリウム
２３１ 第１誘導配管
２３２ 第２誘導配管
３１０ 供給配管

【図1】

【図2】

【図3】