結晶膜の作り方石くれと砂粒の世界/ウェブリブログ

結晶膜の作り方

<< 作成日時： 2005/09/03 19:11 >>

　実施例１の先に進むと、いよいよ結晶膜の成長の段階になります。もっともよく使われている半導体材料はシリコン（Ｓｉ、日本語では珪素）ですが、このＳｉという元素は周期律表でみるとⅣ族です。ゲルマニウムもⅣ族の半導体です。周期律表でⅣ族の両側にあるⅢ族とⅤ族の組み合わせ、あるいはⅡ族とⅥ族の組み合わせの化合物にも半導体として知られているものが多いです。Ⅲ族のＡｌ、Ｇａ、Ｉｎなどの金属とＶ族のＰ、Ａｓ、Ｓｂなどとの化合物はⅢ－Ｖ族化合物半導体としてよく知られています。ＧａＮやＡｌＮもＮはＶ族ですからⅢ－Ｖ族化合物半導体の一種です。

　このような半導体の結晶膜を作る方法はいろいろあります。大きく分けると、バルク結晶の成長と同じように半導体原料を融かして液状にしたものに基板を漬けて結晶膜を成長させる方法と基板表面に原料のガスや粒子を降り積もらせる方法とがあります。非常に薄い膜を作ったり、何層にも膜を積み重ねる場合には降り積もらせる方法の方が断然有利です。

　降り積もらせる方法にもいろいろありますが、化合物半導体の場合は加熱すると分解してしまうので、例えばⅢ族の原料とⅤ族の原料を別々に降らせ、基板の上で反応させて化合物を作る方法がとられます。ＧａＡｓの場合であれば、ＧａとＡｓを別々に加熱して蒸発させ、基板上で反応させＧａＡｓの結晶膜を作ることができます。またＧａの化合物とＡｓの化合物をガスとして基板上に送り、化学反応をさせて結晶膜を作る方法もあります。ＧａＮの場合、窒素は単体で蒸発させることはできませんので、どうしても後者の方法をとることになります。

　質のよい薄膜を工業生産のレベルで作製できる後者の方法として、有機金属化学気相成長法（略してＭＯＣＶＤ法）という方法があります。この特許の実施例に書かれている方法もこのＭＯＣＶＤ法です。この方法によってＧａＮの結晶膜を作るには、原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）という有機金属材料とアンモニア（ＮＨ3）とを使います。

　無機物の結晶を作るのに、有機化合物をわざわざ使うのは少し奇妙な気がしますが、これはつぎのような理由によります。ＴＭＧという材料は常温で液体ですので、これに水素などのガスを通してブクブクしてやれば（バブリングといいます）、ＴＭＧを含んだガスを簡単に基板上に送れます。またデバイスにする半導体はわずかな不純物の混入もきらいます。純粋なものに人為的に不純物をわずかに添加して特性をコントロールしているため、はじめから不純物が入っていると困るのです。精製したＴＭＧはＧａのほかにはメチル基（ＣＨ３）しかなく、これは揮発して半導体のなかには残らないので、純粋な無機半導体を作ることができるのです。

　窒素の原料としてはアンモニアガスが使われています。空気中にも窒素ガス（Ｎ２）はたくさんありますが、安定過ぎて他の物質と化合させるのは難しくあまり使われません。アンモニアを使ってもＧａＮを作るのはなかなか大変で、この実施例でも１０００℃に加熱しています。ＧａＡｓをＭＯＣＶＤ法で作るときの温度は６００℃位ですから、ずいぶんと高温です。このためガスを基板に吹き付けても熱対流でガスが基板表面にとどまりにくいのです。

　原料ガスの流量５リットル／分というのは相当な量です。上で原料を「降り積もらせる」と表現しましたが、この場合はそんなイメージではなく、細い管からガスを噴射させ基板に吹き付けるという方が近いでしょう。それでも吹き付けただけではだめなので、基板の横の方から原料ガスを送り、基板の上からは水素ガスを吹き付けて原料ガスを押さえ込んでしまうというのがこの特許の発明のポイントです。

　これによって直径２インチ（約５ｃｍ）の基板上に厚さ４μｍで、厚さのむらが±１０％以内の結晶膜ができたと書かれています。発光ダイオード１個のチップは数ｍｍ角ですから、１枚の基板上に均一な膜ができればかなりの数の発光ダイオードが取れることになります。これがこの発明の意義ということになります。