專利名稱：用于制造第Ⅲ族氮化物基化合物半導體的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于制造第III族氮化物基化合物半導體的方法和設備。
本發(fā)明涉及包括將氮氣供給到諸如熔融的Na-Ga混合物的熔體的表面、由 此在GaN籽晶(晶種)的表面上生長GaN的所謂熔劑方法。
背景技術：
在例如以下專利文件中公開了通過熔劑方法生長基于氮化鎵(GaN) 和其它第III族氮化物的化合物半導體的晶體的方法。在這些方法中的之 一中，在約800°C的恒定溫度下在熔融的鈉(Na)中溶解鎵(Ga)，并 且鎵在約100大氣壓(atm)的高壓下與氮>^應，由此在籽晶的表面上生 長氮化鎵(GaN)。在圖4中示出用于制造第III族氮化物基化合物半導 體的示例性設備卯00。該設備具有可打開/可關閉的雙密封容器結構，該 雙密封容器結構具有耐高溫高壓的反應器100和外部容器200。通過設置 在外部容器200中的加熱裝置31a、 31b和31c加熱反應器100,由此熔化 在M器100中包含的鈉(Na)和鎵(Ga)。氮氣i^fr管10和排放管11 與反應器100連接。在實施氮供給和排放的同時，反應器100的內部壓力 通過控制器(未示出)控制為例如100atm。
[專利文件1日本專利申請公開公報(特開)No. :2001-058900
[專利文件2日本專利申請公開公報(特開)No. 2003-313099
在熔劑方法中，用于包封反應器系統(tǒng)的氮氣還用作形成GaN的源，并 且隨著M的iiJl被消耗。因此，優(yōu)選地，在維持系統(tǒng)壓力的同時，適當 向M器系統(tǒng)供給另外的氮氣。但是，當另外供給的氮氣沒有加熱到幾乎 等于熔融的Na-Ga混合物溫度的溫度時，籽晶以外的GaN晶體隨機地沉 積到熔劑的表面上。該現(xiàn)象有損厚單晶襯底的制造效率。

發(fā)明內容
設計本發(fā)明以解決上述問題。因此，本發(fā)明的目的是，通過向及^應系 統(tǒng)供給被充分加熱的源氮氣，有效地在熔劑方法中在籽晶上生長晶體.因此，在本發(fā)明的第一方面中，提供一種用于制造第III族氮化物基 化合物半導體的方法，該方法包括向保持在熔融狀態(tài)的包含第III族金屬 和與該第III族金屬不同的金屬的熔劑供M氮的氣體，其特征在于，在 含氮的氣體與熔融的物質接觸之前，供給到熔劑的含氮的氣體被加熱到幾 乎等于熔融物質溫度的溫度。當用于本文中時，術語"含氮的氣體"指的 是單一成分的氣體或包含氮氣分子和/或氣態(tài)氮化合物的混合氣。例如，含 氮的氣體可以以希望的比例包舍睹如稀有氣體的惰性氣體。
在本發(fā)明的第二方面中，提供一種用于制造第III族氮化物基化合物
半導體的設備，該設備包括反應器，該反應器保持熔融狀態(tài)的第III族 金屬和與該第III族金屬不同的金屬；用于加熱反應器的加熱裝置；用于 容納反應器和加熱裝置的外部容器；和用于將至少包含氮的氣體從外部容 器的外部供給到^^應器中的i^Hf,其特征在于，*管具有通#熱裝 置與>^應器一起被加熱的區(qū)域，其中，在外部容器內部和>^應器外部加熱 該區(qū)域。
在本發(fā)明的第三方面中，提供一種用于制造第III族氮化物基化合物 半導體的設備，該設備包括反應器，該^^應器保持熔融狀態(tài)的第III族 金屬和與該第III族金屬不同的金屬；用于加熱反應器的第一加熱裝置； 用于容納>^應器和第一加熱裝置的外部容器；和用于將至少包含氮的氣體 從外部容器的外部供給到反應器中的i^Hf，其特征在于，*管具有通
過第二加熱裝置與反應器一起被加熱的區(qū)域，其中，在外部容器內部和反 應器外部加熱該區(qū)域。
在本發(fā)明的第四方面中，提供一種用于制造第III族氮化物基化合物 半導體的設備，該設備包括反應器，該反應器保持熔融狀態(tài)的第III族 金屬和與該第III族金屬不同的金屬；用于加熱反應器的加熱裝置；用于 容納反應器和加熱裝置的外部容器；和用于將至少包含氮的氣體從外部容 器的外部供給到反應器中的iW管，其特征在于，^^應器在其外周邊上具 有與iW管連接的升溫元件，該升溫元件用于在將至少包含氮的氣體供給 到處于熔融狀態(tài)的第III族金屬和與該第III族金屬不同的金屬之前加熱穿 過該升溫元件的所述氣體。
根據(jù)本發(fā)明，在熔劑方法中使用的源氮氣可在供給到反應系統(tǒng)之前被 充分加熱。具體地，根據(jù)本發(fā)明的第二方面，設置用于加熱反應器的加熱 裝置優(yōu)選適于在將含氮的氣體供給到反應器之前加熱用于供給含氮的氣體的#管。作為替代方案，根據(jù)本發(fā)明的第三方面，優(yōu)選地設置第二加 熱裝置，用于在將含氮的氣體供給到反應器之前加熱用于供給含氮的氣體 的*管。作為替代方案，根據(jù)本發(fā)明的第四方面，優(yōu)選地，通過設置在 加熱裝置外周邊的升溫元件加熱含氮的氣體，然后將其供給到包含在反應 器中的熔融金屬。在任何情況下，根據(jù)本發(fā)明，可以以簡單的方式充分地 加熱用作源氣體的含氮的氣體。因此，可以籽晶上高效地進行晶體生長而 不生長無用晶體。


圖1是本發(fā)明實施方案1的用于制造第III族氮化物基化合物半導體
的i殳備1000的結構示意圖。
圖2是本發(fā)明實施方案2的用于制造第III族氮化物基化合物半導體 的i殳備2000的結構示意圖。
圖3是本發(fā)明實施方案3的用于制造第III族氮化物基化合物半導體 的i更備3000的結構示意圖。
圖4是用于制造第III族氮化物基化合物半導體的常規(guī)設備9000的結 構示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明可應用于制造第III族氮化物基化合物半導體的方法和設備， 該方法和設備采用用于實施熔劑方法的反應器、加熱裝置以及用于容納反 應器和加熱裝置的外部容器。用于供給包含氮的氣體的i^fr管可具有任意 希望的形狀。例如，在i^管通過加熱裝置與反應器一起被加熱的結構中， 進料管優(yōu)選設置在反應器和加熱裝置之間的所述空間中。在另一優(yōu)選的模 式中，i^h管以螺旋的方式設置在空間中，并具有大的長度和容量以便充 分加熱。在使用相對于用于加熱>^應器的第一加熱裝置獨立地設置的第二 加熱裝置來加熱i^Hf的情況下，第二加熱裝置和i^管的位置不限于在 反應器與第一加熱裝置之間的空間，而是可置于外部容器中的任意希望的 位置。
實施方案1
圖1是本發(fā)明實施方案1的用于制造第III族氮化物基化合物半導體的設備1000的結構示意圖。如圖1所示，制造設備1000具有包含耐高溫 高壓的反應器100和外部容器200的可打開/可關閉的密封雙容器結構。反 應器100具有約0.1-100L的容量，外部容器200具有約l-100m3的容量。 在外部容器200中設置加熱裝置31a、 31b和31c。加熱裝置31a和31b設 置在反應器100的側壁附近，加熱裝置31c設置在反應器100的底表面之 下。通過這些加熱裝置31a、 31b和31c，反應器100被加熱到例如 800~900°C。通過加熱，形成包含鈉(Na)和鎵(Ga)的熔體(熔劑，flux )。 氮糾管10和排放管11與M器100連接。在實施氮供給和排放的同時， 反應器100的內部壓力通過控制器(未示出)控制為例如100atm。氮i^fr 管10具有通it^反應器100周圍螺旋纏繞氮氣進桿管10而形成的加熱部 分10a。即，通過進料管10供給的氮氣在足夠長的時間內穿過設置在Jl應 器100周圍的螺旋加熱部分10a。當?shù)獨獯┻^加熱部分10a時，所述部分 10a被加熱裝置31a、 31b和31c加熱到與反應器100 —樣高的溫度(約 800 卯0。C )。加熱部分10a可以與或不與反應器100的外周邊直捲接觸。 因此，可向包含在反應器IOO中的熔劑的表面供給充分加熱的氮，結果， 可以在籽晶上選擇性地生長高質量的晶體而不在熔劑的表面上形成無用 的晶體。
實施方案2
圖2是本發(fā)明實施方案2的用于制造第III族氮化物基化合物半導體 的設備2000的結構示意圖。如圖2所示，制造設備2000具有包含耐高溫 高壓的反應器100和外部容器200的可打開/可關閉的密封雙容器結構。在 外部容器200中^L置第一加熱裝置31a和31b以及加熱部分10b和第二加 熱裝置32。加熱裝置31a和31b設置在反應器100的側壁附近。加熱部分 10b由氮進料管10的一部分形成，并設置在反應器100的底表面之下。用 于加熱所述加熱部分的第二加熱裝置32設置在所述加熱部分10b之下。 通過加熱裝置31a和31b加熱反應器100。氮進桿管10通過加熱部分10b 作為過渡(mediation )與反應器100連接，排放管11與反應器100連接。 在實施氮供給和排放的同時，反應器100的內部壓力通過控制器(未示出) 控制為例如100atm。氮*管10具有加熱部分10b，在將氣體供給到反 應器100之前該氣體在加熱部分10b中被加熱。加熱部分10b被第二加熱 裝置32加熱。加熱部分10b由諸如銅的高熱導率的材料形成，使得由加 熱裝置32輻射的熱有效供給到氮。例如，加熱部分10b包括與氮iW管IO連接的銅基支撐，氮管道10穿過該銅基支撐。氮管道10可一次穿過該
支撐，或者在穿過時4吏得管道關于支撐的全長來回彎曲幾次。在加熱部分
10b中，氮接收來自環(huán)境的熱能。通過使用這種結構，在氣體到達反應器 100之前，通過氮進桿管10供給的氮在加熱部分10b中被加熱裝置32加 熱到幾乎等于反應器100溫度的溫度(約800 900。C )。因此，可向包含在 反應器IOO中的熔劑的表面供給充分加熱的氮，結果，可以在籽晶上選擇 性地生長高質量的晶體，而在不在熔劑的表面上形成無用的晶體。
實施方案3
圖3是本發(fā)明實施方案3的用于制造第III族氮化物基化合物半導體 的設備3000的結構示意圖。如圖3所示，制造i殳備3000具有包含耐高溫 高壓的>^應器150和外部容器200的可打開/可關閉的密封雙容器結構。在 外部容器200中設置用于晶體生長的反應器150和用于加熱反應器150的 加熱裝置31a、 31b和31c。加熱裝置31a和31b i殳置在反應器100的側壁 附近，加熱裝置31c設置在反應器100的底表面之下。在反應器150的外 側壁上，設置升溫元件50，該升溫元件與反應區(qū)域152連接，但是為不同 于反應區(qū)域152的元件。如圖3所示，升溫元件50具有路徑擴展結構，使 得路徑擴展為具有大于反應器150的高度的長度。在實施方案3中，# 折返一次。但是，顯然，路徑可折返兩次或更多次以延長氮氣5g^長度。 氮i^F管10與設置在反應器150的外周邊上的升溫元件50連接。氮經(jīng)過 升溫元件50供給到M器150中的反應區(qū)域152。排放管11與反應器150 連接。在實施氮供給和排放同時，反應器150的內部壓力通過控制器(未 示出)控制為例如100atm。在氣體到達反應器150之前，通過氮iW管 10供給的氮在升溫元件50中被加熱到幾乎等于^^應器150內部溫度的溫 度。即，在氣體到達反應器150之前，通過氮進料管10供給的氮在升溫元 件50中被加熱裝置31a、 31b和31c加熱到幾乎等于^JL器150溫度的溫 度(約800 卯0。C )。因此，充分加熱的氮可供給到包含在反應器150中的 熔劑的表面，結果，可以在籽晶上選擇性地生長高質量的晶體，而不在熔 劑的表面上形成無用的晶體。
在實施例3中，升溫元件50完全i更置在反應器150的外側壁上，使得 5M^長度為壁高的兩倍(向上和向下)。但是，作為這種結構的替代方案， 可以在外側壁上設置向上和向下行進以部分覆蓋反應器150的外側壁的導管。
權利要求
1. 一種用于制造第III族氮化物基化合物半導體的方法，所述方法包括向保持熔融狀態(tài)的包含第III族金屬和與所述第III族金屬不同的金屬的熔劑供給含氮的氣體，其特征在于，在所述含氮的氣體與所述熔融物質接觸之前，供給到所述熔劑的所述含氮的氣體被加熱到幾乎等于所述熔融物質溫度的溫度。
2. —種用于制造第III族氮化物基化合物半導體的設備，所述設備包括 反應器，所述反應器保持熔融狀態(tài)的第III族金屬和與所述第III族金 屬不同的金屬；用于加熱所述反應器的加熱裝置；用于容納所述反應器 和所述加熱裝置的外部容器；和用于將至少包含氮的氣體從所述外部容 器的外部供給到所述反應器中的進料管，其特征在于，所述進料管在所 述外部容器內部具有通過所述加熱裝置與所述反應器一起被加熱的區(qū) 域，其中，在所述外部容器內部且所述反應器外部加熱所述區(qū)域。
3. —種用于制造第III族氮化物基化合物半導體的設備，所述設備包括 反應器，所述反應器保持熔融狀態(tài)的第III族金屬和與所述第III族金 屬不同的金屬；用于加熱所述反應器的第一加熱裝置；用于容納所述反 應器和所述第一加熱裝置的外部容器；和用于將至少包含氮的氣體從所 述外部容器的外部供給到所述反應器中的進料管，其特征在于，所述進料管具有通過第二加熱裝置與所述反應器一起被加熱的區(qū)域，其中，在 所述外部容器內部且所述反應器外部加熱所述區(qū)域。
4. 一種用于制造第III族氮化物基化合物半導體的設備，所述設備包括 反應器，所述反應器保持熔融狀態(tài)的第III族金屬和與所述第III族金 屬不同的金屬；用于加熱所述反應器的加熱裝置；用于容納所述反應器 和所述加熱裝置的外部容器；和用于將至少包含氮的氣體從所述外部容 器的外部供給到所述反應器中的進料管，其特征在于，所述反應器在其 外周邊上具有與所述進料管連接的升溫元件，所述升溫元件用于在將所 述至少包含氮的氣體供給到處于熔融狀態(tài)的第III族金屬和與所述第III 族金屬不同的金屬之前加熱穿過該升溫元件的所述氣體。
全文摘要
在熔劑方法中，在將源氮氣供給到Na-Ga混合物之前將其充分加熱。本發(fā)明提供一種用于制造第III族氮化物基化合物半導體的設備。該設備包括反應器，該反應器保持熔融狀態(tài)的第III族金屬和與該第III族金屬不同的金屬；用于加熱反應器的加熱裝置；用于容納反應器和加熱裝置的外部容器；和用于將至少包含氮的氣體從外部容器的外面供給到反應器中的進料管。進料管具有通過加熱裝置與反應器一起被加熱的區(qū)域，其中，該區(qū)域在外部容器內部和反應器外部被加熱。
文檔編號C30B29/38GK101415867SQ20078001161
公開日2009年4月22日 申請日期2007年4月5日 優(yōu)先權日2006年4月7日
發(fā)明者下平孝直, 佐佐木孝友, 山崎史郎, 巖井真, 川村史朗, 森勇介 申請人:豐田合成株式會社;日本礙子株式會社;國立大學法人大阪大學