反応装置、化学気相成長反応装置及び有機金属化学気相成長反応装置
【課題】低温成長薄膜の特性を備え、様々な種類の光電素子及び電子素子を改善し、集積回路素子の品質を改善することができる反応装置を提供する。
【解決手段】反応装置５００は、第１の加熱ユニット１００及び第２の加熱ユニット２００を備える。第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００とが向かい合うように配置して反応領域１５０を形成し、第１の加熱ユニット１００の内側面と第２の加熱ユニット２００の内側面とにより角度が形成され、第１の加熱ユニット１００の温度と第２の加熱ユニット２００の温度とを個別に制御する。第１の加熱ユニット１００上に少なくとも１つの基板３００を配置し、少なくとも１つの基板３００が第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００との間に位置し、第１の加熱ユニット１００上の少なくとも１つの基板３００上に薄膜を形成する。
【解決手段】反応装置５００は、第１の加熱ユニット１００及び第２の加熱ユニット２００を備える。第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００とが向かい合うように配置して反応領域１５０を形成し、第１の加熱ユニット１００の内側面と第２の加熱ユニット２００の内側面とにより角度が形成され、第１の加熱ユニット１００の温度と第２の加熱ユニット２００の温度とを個別に制御する。第１の加熱ユニット１００上に少なくとも１つの基板３００を配置し、少なくとも１つの基板３００が第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００との間に位置し、第１の加熱ユニット１００上の少なくとも１つの基板３００上に薄膜を形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の独立した加熱ユニット（ｈｅａｔｉｎｇ ｕｎｉｔ）を有する反応装置に関し、特に複数の独立した加熱ユニットを有する化学気相成長反応装置に関し、さらに特に有機金属化学気相成長反応装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、ＩＩＩ族−Ｖ族半導体材料は、発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）、レーザダイオード（ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ）、薄膜ソーラバッテリ（ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌ）などの半導体光電素子に広く利用されている。産業界で赤外線、可視光線、紫外線などの光電素子を製造する場合、大部分は、例えば、ハイドライド気相成長（Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ：ＨＶＰＥ）、クロライド気相成長（Ｃｈｌｏｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ：ＣｌＶＰＥ）、有機金属化学気相成長（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ）などの化学気相成長（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ）システムを利用する。ＣＶＤシステムは、上述のＩＩＩ−Ｖ族光電素子の形成に応用する以外に、シリコン／シリコン・ゲルマニウム素子、金属層、誘電体層などの素子に必要な薄膜構造にも応用することができる。この薄膜構造は、例えば、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＯＮ又はポリシリコン、Ｗ（ｔｕｎｇｓｔｅｎ）金属層、Ｔｉ金属層、Ｃｕ金属層、Ａｌ金属層、ＴｉＮバリア層、ＴａＮバリア層、ＢａＳｒＴｉＯｘ高誘電体材料、ＳｉＯＦ低誘電体材料及びＳｒＢｉＴａＯｘ強誘電体材料などを含む。
【０００３】
前述のＣＶＤシステムにおいて、ＩＩＩ−Ｖ族光電素子の製造に最もよく用いられる薄膜製造システムは、有機金属化学気相成長（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ）システムである。ヘテロ構造のＩｎＧａＮ／ＧａＮの場合、ＧａＮとＩｎＮとの合成によるＩｎＧａＮ三元化合物は、適宜に固相組成を調整すると、紫外線、可視光線及び赤外線の範囲を含む３４０ｎｍから１８００ｎｍの発光波長に調整することができる。そのため、一般の窒化物光電素子構造において、異なるＩｎＧａＮ組成を有するダブルヘテロ構造、多重量子井戸又は量子ドットが素子発光層又は吸収層の材料として用い、青色、緑色、赤色の発光ダイオード、ホトディテクター及びソーラバッテリを製造する。近年、高パワー発光ダイオード及びソリッド・ステート照明（ｓｏｌｉｄ−ｓｔａｔｅ ｌｉｇｈｔｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ）の発展により、高電流、発光層が厚いＩｎＧａＮダブルヘテロ構造の高パワー青色及び緑色の発光ダイオードを開発する方法が産業界及び学術界で盛んに研究されている。
【０００４】
ＩｎＧａＮ三元化合物ＭＯＣＶＤの混晶成長は、困難度が高い薄膜成長技術である。製造に利用する上述構造の反応物は、トリメチルガリウム（ｔｒｉｍｅｔｈｙｌｇａｌｌｉｕｍ：ＴＭＧａ）、トリメチルインジウム（ｔｒｉｍｅｔｈｙｌｉｎｄｉｕｍ：ＴＭＩｎ）及びアンモニア（ａｍｍｏｎｉａ：ＮＨ３）である。ＩｎＮ薄膜は揮発し易く、ＮＨ３が分解しにくい特性を備えているため、ＩｎＧａＮ薄膜のＭＯＣＶＤ成長は、組成の違いに応じて温度成長が大きく異なる。ＧａＮの熱安定性は好ましく、ＮＨ３を完全に分解して多くの活性窒素原子が反応するため、ＧａＮ材料を９５０℃以上などの高いエピタキシャル温度で製造すると、好適なエピタキシャル薄膜を得ることができる。相対的に言えば、ＩｎＮ薄膜熱安定性が非常に悪いため、真空の環境下では４３５℃で分解し始めて６２７℃で完全に分解される。そのため、ＩｎＮ膜のＭＯＣＶＤ成長は、５５０〜６５０℃の低温度の範囲内で成長させなければならない。不都合なことに、この温度範囲では、ＮＨ３の分解率が約４％しかなく、少量のＮＨ３しか分解することができなかった。ＮＨ３の分解により得られる活性窒素原子は少なく、ＩｎＮ薄膜に大量の窒素空孔又はインジウム空孔が発生するため、ＩｎＮ薄膜の品質はＧａＮ薄膜よりはるかに劣る。三元ＩｎＧａＮ化合物の場合、ＩｎＧａＮ化合物のＭＯＣＶＤ成長温度は、ＧａＮとＩｎＮとの間である。Ｉｎ含量が少ないＩｎＧａＮ薄膜は、成長温度が高く（即ち、約７００〜８００℃）、成長薄膜は良好な光電性質を得る。Ｉｎの揮発を低減させるために、Ｉｎ含量が高いＩｎＧａＮ薄膜は、５５０℃〜６５０℃で成長させる。様々な種類のＩｎ組成を含む薄膜は合成することが可能であるが、薄膜の蛍光スペクトル信号が微弱となる。Ｉｎ組成が４０〜７０％の場合、蛍光信号が全く無い。低温で成長させたＭＯＣＶＤのＩｎＧａＮ薄膜の品質が低下する原因としては、成長温度が低い他、ＮＨ３の分解率が低く、活性窒素原子の供給不足が考えられる。
【０００５】
従来のＣＶＤシステムでは、前駆反応物の分解率を向上させて、薄膜の成長温度を低減させるために、補助的な方法（例えば、プラズマ、レーザ、発熱抵抗体、紫外線照射など）が多く開示されている。
【０００６】
特許文献１で開示しているように、従来、反応ガスを分解するために、反応チャンバの前方に、前処理装置（ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ ａｐｐａｒａｔｕｓ）が配置されている。この前処理装置は、プラズマ発生装置、触媒装置又は前述の組み合わせを有し、反応チャンバに入る前の前駆体反応ガスに高エネルギのプラズマを当て、反応ガスを解裂させる。
【０００７】
非特許文献１で開示しているように、Ｖ族ガスがパイプにより反応チャンバに入る前に、加設したプレヒーティング装置を用い、高温方式により前駆反応物の分解率を向上させる。
【０００８】
ＭＯＣＶＤシステムは、前処理装置を付加的に設けたり、Ｖ族ガスパイプの前端にプレヒーティング装置を加設したりすることにより、エネルギを加えて反応ガスの分解率を向上させることができるが、分解する活性反応分子は、成長基板から所定の距離で離され、温度低下により反応分子の活性が低下する。プレヒーティング装置が加設されたＭＯＣＶＤシステムは一定の効果を有するが、従来のＭＯＣＶＤシステムより僅かに性能が優れているだけであり、その効果には限界があった。
【０００９】
また、１つの加熱ユニットを有する反応装置は、前駆反応物の分解に用いる以外に、薄膜を製作する成長温度を供給するために用いる。ＧａＮバルクを成長させるＭＯＣＶＤシステムを例にした場合、ＮＨ３反応物は６００℃以下の解裂効率が約４％以下であるため、活性窒素原子を十分に提供するために、加熱ユニットの高温が必要である。従来、一つだけの加熱ユニットを有するＭＯＣＶＤシステムは、ＧａＮバルクを成長させる際、エピタキシャル品質を向上させるために、成長温度を９５０℃以上にする必要がある（例えば、非特許文献２）。また、青色光又は緑色光のＩｎＧａＮバルク薄膜の場合、青色光（４５０ｎｍ）に必要なＩｎＧａＮのＩｎ組成は約１９％であり、緑色光（５２０ｎｍ）に必要なＩｎ組成は約２５％である。一般に発光波長が長いほど、薄膜に必要なＩｎ成分は高くなる。ＩｎＧａＮ発光層のエピタキシャル製造は、Ｉｎ揮発性が高く、ＮＨ３が分解し難いという特性を有するため、高Ｉｎ組成のＩｎＧａＮ材料の成長温度の上限が制限を受ける。一般にエピタキシャル温度を高めた場合、ＮＨ３反応物の分解率を向上させることができるが、それととともにＩｎ原子に大量の脱着現象が発生し、高いＩｎ組成を合成させ難くなる。反対に、エピタキシャル温度が低いほど、Ｉｎ組成が高くなる。ＮＨ３反応物の分解率が低い場合、活性窒素原子の供給不足により、窒素空孔（ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｖａｃａｎｃｙ）、インジウム転位（ｉｎｄｉｕｍ ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ）などの真性欠陥が発生し、薄膜品質を低下させる虞がある。
【００１０】
ＣＶＤ薄膜の製造では、高温の副反応が発生する前に温度を高くすれば、高品質の薄膜を合成させることができる。青色光のＩｎＧａＮのＩｎ組成が低いため（１９％）、従来の１つの加熱ユニットのＭＯＣＶＤ技術を利用すると、８００℃のエピタキシャル温度により、高品質である青色光の発光材料を得ることができる。発光層の波長を緑色光（５２０ｎｍ）まで伸ばすには、Ｉｎ組成を約２５％まで増大させる必要がある。Ｉｎは、高温で揮発し易い特性を備えているため、薄膜を製造するエピタキシャル温度を７５０℃まで下げる必要がある。しかし、緑色光薄膜の発光強度は、青色光の材料より明らかに低下し、青色光の発光材料より薄膜品質の品質が大幅に低減する。つまり、これは緑色光の発光ダイオードの内部量子の変換効率が常に低い主な原因の一つである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００６／０１２１１９３号明細書
【非特許文献１】論文Current Applied Physics 3 351 (2003)、J. Cryst. Growth 247 55 (2003)
【非特許文献２】Jpn. J. Appl. Phys. 36 L598 (1997)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上述したように、従来、１つの加熱ユニットを有する反応装置は、加熱ユニットを元素の前駆反応物を分解するのに用いる以外に、薄膜を製造する成長温度を供給するが、両者が互いに牽制し合う状況下で、特に前駆反応物の熱分解温度が高くて、製造する薄膜材料が低温で分解し易い状況下では高品質の薄膜を成長させることが容易でなかった。
【００１３】
本発明は上述の点に鑑みて為されたもので、その第１の目的は、高品質の薄膜を成長させることができる反応装置を提供することにある。即ち、薄膜を製造する際、前駆反応物の熱分解と、薄膜の成長温度を個別に制御することにより、第２の加熱ユニットの温度を上げ、前駆反応物の熱分解効率を向上させたり、前駆反応物を完全に熱分解したりする。そのため、第１の加熱ユニットの温度が低い状態でも高品質の薄膜、特に揮発性が高く、熱安定性が低くて熱的に不安定な材料を成長させることができるとともに、高温で高品質の薄膜を成長させることを妨げない。
【００１４】
本発明の第２の目的は、中間組成領域の多元化合物薄膜、特にエピタキシィ溶解度ギャップ（ｍｉｓｃｉｂｉｌｉｔｙ ｇａｐ）の薄膜で、合成が容易でない組成薄膜を形成する反応装置を提供することにある。即ち、少なくとも２つの加熱ユニットを有する反応装置を利用することにより、前駆反応物の熱分解と薄膜成長の温度とを個別に制御し、加熱ユニットの温度が低い状態で、高品質で異なる組成の薄膜（特に、中間組成領域の多元化合物薄膜）を成長させることができる。
【００１５】
本発明の第３の目的は、良好な低温薄膜成長能力を備えた反応装置を提供することにある。低温下でヘテロ構造の半導体素子を製造することができる。例えば、ｐ／ｎインタフェース、ホモ構造、ダブルヘテロ構造、多重量子井戸構造、マグネティック・スピン・トランジスタ及び半導体光電素子（例えば、発光ダイオード、レーザダイオード及び単電子トランジスタ）の製造以外に、現在、シリコンを主な材料として使用している半導体産業において、先進の工程を組み合わせて先進の半導体素子を製造することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記の課題を解決するために、請求項１の発明では、少なくとも１つの基板上に薄膜を形成する反応装置であって、第１の加熱ユニット及び第２の加熱ユニットを備え、前記第１の加熱ユニットと前記第２の加熱ユニットとが向かい合うように配置して反応領域を形成し、前記第１の加熱ユニットの内側面と前記第２の加熱ユニットの内側面とにより角度が形成され、前記第１の加熱ユニットの温度と前記第２の加熱ユニットの温度とを個別に制御し、前記第１の加熱ユニット上に前記少なくとも１つの基板を配置し、前記少なくとも１つの基板が前記第１の加熱ユニットと前記第２の加熱ユニットとの間に位置し、前記第１の加熱ユニット上の前記少なくとも１つの基板上に薄膜を形成することを特徴とする。
【００１７】
請求項２の発明では、請求項１の発明において、前記第１の加熱ユニットと前記第２の加熱ユニットとからなる角度は調整可能なことを特徴とする。
【００１８】
請求項３の発明では、請求項２の発明において、前記第１の加熱ユニットと前記第２の加熱ユニットとの間の最小距離は数μｍ〜３００ｍｍであることを特徴とする。
【００１９】
請求項４の発明では、請求項１の発明において、前記第１の加熱ユニット及び前記第２の加熱ユニットは、接触式加熱方式又は非接触式加熱方式により温度を制御することを特徴とする。
【００２０】
請求項５の発明では、請求項４の発明において、前記第１の加熱ユニット及び前記第２の加熱ユニットは、液冷方式又は空冷方式を含む冷却方式により温度を制御することを特徴とする。
【００２１】
請求項６の発明では、請求項１の発明において、前記第１の加熱ユニット及び前記第２の加熱ユニットは、感熱抵抗線加熱、高周波感応加熱、紫外線ランプ加熱、可視光線ランプ加熱又は遠赤外線ランプ加熱により温度を制御することを特徴とする。
【００２２】
請求項７の発明では、請求項１の発明において、前記基板は、ガラス基板、窒化ガリウム基板、酸化アルミニウム基板、炭化珪素基板、ガリウム砒素基板、リン化インジウム基板及びシリコン基板からなる群から選ばれることを特徴とする。
【００２３】
請求項８の発明では、請求項１の発明において、前記薄膜は、ＩＡ、ＩＩＡ、ＩＩＩＢ、ＩＶＢ、ＶＢ、ＶＩＢ、ＶＩＩＢ、ＶＩＩＩ、ＩＢ、ＩＩＢ、ＩＩＩＡ、ＩＶＡ、ＶＡ、ＶＩＡ、ＶＩＩＡ及びＶＩＩＩＡ族の元素で組成される１つの元素薄膜又は２元以上の薄膜からなることを特徴とする。
【００２４】
請求項９の発明では、請求項１の発明において、前記薄膜には、ｐ型元素、ｎ型元素又は同価電性元素がドーピングされていることを特徴とする。
【００２５】
請求項１０の発明では、請求項１の発明において、前記少なくとも１つの基板は回転することを特徴とする。
【００２６】
請求項１１の発明では、請求項１の発明において、個別に温度を制御する複数の第１の加熱ユニット及び複数の第２の加熱ユニットをさらに備えることを特徴とする。
【００２７】
請求項１２の発明では、請求項１の発明において、前記反応装置に反応物を入れるガス導入構造をさらに備えることを特徴とする。
【００２８】
請求項１３の発明では、請求項１２の発明において、前記反応物は、前記第１の加熱ユニットと前記第２の加熱ユニットとの隙間から前記反応領域に入れられることを特徴とする。
【００２９】
請求項１４の発明では、請求項１２の発明において、前記第１の加熱ユニット及び前記第２の加熱ユニットのうちの少なくとも何れか１つは、その中に形成された少なくとも１つのガスチャネルを含み、少なくとも一部又は全部の前記反応物が、前記少なくとも１つのガスチャネルを介して前記反応領域に入れられることを特徴とする。
【００３０】
請求項１５の発明では、請求項１４の発明において、前記少なくとも１つのガスチャネルは、前記少なくとも一部の前記反応物がそれぞれ分かれて前記反応領域に入る複数のガスチャネルであることを特徴とする。
【００３１】
請求項１６の発明では、請求項１の発明において、前記第１の加熱ユニット及び前記第２の加熱ユニットに反応物が接触しないように、前記第１の加熱ユニット及び前記第２の加熱ユニットに配置される保護板構造をさらに備えることを特徴とする。
【００３２】
請求項１７の発明では、請求項１の発明において、前記第２の加熱ユニットの温度は、前記第１の加熱ユニットの温度より高いことを特徴とする。
【００３３】
請求項１８の発明では、請求項１の発明において、前記反応装置は化学気相成長反応装置であることを特徴とする。
【００３４】
請求項１９の発明では、請求項１の発明において、前記反応装置は有機金属化学気相成長反応装置であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３５】
本発明の反応装置は、低温成長薄膜の特性を備え、様々な種類の光電素子及び電子素子（例えば、発光ダイオード、レーザダイオード、ホトディテクター、ソリッド・ステート光源、薄膜ソーラバッテリなどを含む）を改善し、シリコン、シリコン・ゲルマニウム、ポリシリコン（ＬＴＰＳ）などの集積回路素子の品質を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１Ａ】本発明の一実施形態による複数の独立した加熱ユニットを有する反応装置を示す模式図である。
【図１Ｂ】本発明の一実施形態による複数の独立した加熱ユニットを有する反応装置を示す模式図である。
【図１Ｃ】本発明の一実施形態による複数の独立した加熱ユニットを有する反応装置を示す模式図である。
【図２Ａ】本発明の一実施形態による複数の独立した加熱ユニットを有する反応装置を示す模式図である。
【図２Ｂ】本発明の一実施形態による複数の独立した加熱ユニットを有する反応装置を示す模式図である。
【図２Ｃ】本発明の一実施形態による複数の独立した加熱ユニットを有する反応装置を示す模式図である。
【図２Ｄ】本発明の一実施形態による複数の独立した加熱ユニットを有する反応装置を示す模式図である。
【図３Ａ】本発明の一実施形態による複数の独立した加熱ユニットを有する反応装置を示す模式図である。
【図３Ｂ】本発明の一実施形態による複数の独立した加熱ユニットを有する反応装置を示す模式図である。
【図３Ｃ】本発明の一実施形態による複数の独立した加熱ユニットを有する反応装置を示す模式図である。
【図３Ｄ】本発明の一実施形態による複数の独立した加熱ユニットを有する反応装置を示す模式図である。
【図４Ａ】本発明の一実施形態による複数の独立した加熱ユニットを有する反応装置を示す模式図である。
【図４Ｂ】本発明の一実施形態による複数の独立した加熱ユニットを有する反応装置を示す模式図である。
【図４Ｃ】本発明の一実施形態による複数の独立した加熱ユニットを有する反応装置を示す模式図である。
【図４Ｄ】本発明の一実施形態による複数の独立した加熱ユニットを有する反応装置を示す模式図である。
【図５Ａ】本発明の一実施形態による複数の独立した加熱ユニットを有する反応装置を示す模式図である。
【図５Ｂ】本発明の一実施形態による複数の独立した加熱ユニットを有する反応装置を示す模式図である。
【図５Ｃ】本発明の一実施形態による複数の独立した加熱ユニットを有する反応装置を示す模式図である。
【図５Ｄ】本発明の一実施形態による複数の独立した加熱ユニットを有する反応装置を示す模式図である。
【図６】低温（１４Ｋ）で蛍光スペクトルを測定した際の（ａ）好ましいＧａＮ薄膜と、（ｂ）好ましくないＧａＮ薄膜のスペクトル図である。
【図７】本発明及び従来技術のＧａＮ薄膜の蛍光スペクトル積分強度（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）とエピタキシャル温度との変化を曲線で示すグラフであり、右下の挿入図は、半値幅値とエピタキシャル温度との変化を曲線で示すグラフである。
【図８】本発明及び従来技術のＩｎＧａＮ薄膜のＩｎ組成と発光波長との変化を曲線で示すグラフである。
【図９】本発明及び従来技術のＩｎＧａＮ薄膜の相対的な発光強度と発光波長との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施例について詳細に説明する。
【００３８】
本発明の反応装置は、少なくとも１つの基板上に薄膜が形成され、この薄膜は、第１の加熱ユニット及び第２の加熱ユニットを含む。第１の加熱ユニットと第２の加熱ユニットとは向かい合うように配置されている。第１の加熱ユニットの温度と第２の加熱ユニットの温度とは個別に制御することができる。第１の加熱ユニットは、少なくとも１つの基板に配置されている。基板は、第１の加熱ユニットと第２の加熱ユニットとの間に位置する。第２の加熱ユニットは、反応装置に入った反応物を加熱分解し、第１の加熱ユニット上の少なくとも１つの基板表面に薄膜を形成し、薄膜は、固定した化学計量割合を有する１種以上の成分組成からなる。第１の加熱ユニットの内側面と第２の加熱ユニットの内側面とで形成される角度は調整することができる。
【００３９】
上述の基板は回転可能である。この回転は、例えば、ステッピングモータによる回転方式又は気体浮上式の回転方式で行い、第１の加熱ユニットと第２の加熱ユニットとの間隔を、好適には数μｍ〜３００ｍｍに調整する。
【００４０】
上述の第１の加熱ユニット及び第２の加熱ユニットは、接触加熱方式（例えば、感熱抵抗線）を利用したり、非接触加熱方式（例えば、電磁波感応加熱又は電磁波輻射加熱）を利用して温度制御を行う。電磁波感応加熱は高周波感応加熱でもよい。電磁波輻射加熱は、紫外線ランプ加熱、可視光線ランプ加熱、遠赤外線ランプ加熱などの方式により加熱するが、これらは本発明の主旨と範囲を脱しない範囲内である。反応装置は、冷却方式（例えば、液冷方式又は空冷方式）を利用し、前述の加熱方式と組み合わせて第１の加熱ユニット及び第２の加熱ユニットを制御し、製造工程で必要な温度を得て、第１の加熱ユニットと第２の加熱ユニットとの温度差を広げる。
【００４１】
上述の基板は、ガラス基板、窒化ガリウム基板、酸化アルミニウム基板、炭化珪素基板、ガリウム砒素基板、リン化インジウム基板及びシリコン基板からなる群から選んでもよい。反応物は、ＩＡ、ＩＩＡ、ＩＩＩＢ、ＩＶＢ、ＶＢ、ＶＩＢ、ＶＩＩＢ、ＶＩＩＩ、ＩＢ、ＩＩＢ、ＩＩＩＡ、ＩＶＡ、ＶＡ、ＶＩＡ、ＶＩＩＡ及びＶＩＩＩＡ族の元素の前駆反応物からなる群から選んでもよい。
【００４２】
反応物は、第１の加熱ユニットと第２の加熱ユニットとの隙間から反応領域に入って反応を行う。或いは、第１の加熱ユニット及び／又は第２の加熱ユニットには、第１の加熱ユニット及び／又は第２の加熱ユニットのガスチャネルから反応領域に反応物を入れて反応を行うために、中央ガスチャネル及び／又は複数のガスチャネルが形成されている。或いは、一部の反応物が第１の加熱ユニット及び／又は第２の加熱ユニットのガスチャネルを介して反応領域に入り、残りの反応物が第１の加熱ユニットと第２の加熱ユニットとの間の隙間から反応領域に入って反応を行うが、これも本発明の主旨及び範囲内である。
【００４３】
また、本発明の他の実施形態による化学気相成長反応装置は、少なくとも１つの基板上に薄膜を形成し、上述の第１の加熱ユニット及び第２の加熱ユニットを含む。
【００４４】
また、本発明の他の実施形態による有機金属化学気相成長反応装置は、少なくとも１つの基板上に薄膜を形成し、上述の第１の加熱ユニット及び第２の加熱ユニットを含む。
【００４５】
そのため、本発明の反応装置は、第１の加熱ユニット及び第２の加熱ユニットを含み、独立した温度制御を行う加熱ユニットにより、基板上に薄膜構造を成長させ、この構造は、単層薄膜及び多層薄膜構造、ホモ構造、ダブルヘテロ構造、多重量子井戸構造、ナノ構造（例えば、量子効率を有する量子ドット）などの構造でもよく、その構造中の薄膜層又はナノ構造は、少なくとも１種の固定された化学計量割合の成分組成の一元、二元、三元、四元又は多元化合物からなり、ＩＡ、ＩＩＡ、ＩＩＩＢ、ＩＶＢ、ＶＢ、ＶＩＢ、ＶＩＩＢ、ＶＩＩＩ、ＩＢ、ＩＩＢ、ＩＩＩＡ、ＩＶＡ、ＶＡ、ＶＩＡ、ＶＩＩＡ及びＶＩＩＩＡ族の元素を含む。
【００４６】
従来技術では１つの加熱ユニットを有する反応装置は、加熱ユニットの温度を、薄膜製造の成長温度として用いる以外に、前駆反応物の熱分解の温度としても用いるため、前駆反応物の熱分解温度が高い場合、製造する薄膜材料は低温で分解し易く、互いの温度制限により、低温度で薄膜をエピタキシャル製造する必要があった。しかし、熱分解温度が低すぎるため、前駆反応物の熱分解が不完全な場合、薄膜品質が低下し、高性能な電子又は光電素子の薄膜を製造することはできない。
【００４７】
そのため、本発明の反応装置は、それぞれ個別に温度制御を行うことが可能な２つの加熱ユニットを利用し、第２の加熱ユニットと第１の加熱ユニットとを互いに向き合うように配置し、第１の加熱ユニットの温度を薄膜の成長温度として用い、第２の加熱ユニットの温度を主に元素の前駆反応物の熱分解を増進するために用いる。つまり、本発明の反応装置を利用すると、様々な種類の高品質薄膜を成長させることができる。このように、前駆反応物の熱分解と薄膜成長温度とを別々に制御することができるため、同一の反応チャンバ内で、一般の低い反応物の熱分解温度及び高い薄膜成長温度の薄膜とを成長させることができるだけでなく、高い反応物の熱分解温度及び低い薄膜成長温度の薄膜とを製造することもできる。第２の加熱ユニットの配置により、本発明が開示する反応装置は、前駆反応物の熱分解をより完全に行うことができるため、高温での高品質の薄膜成長を妨げない上、低い成長温度で高品質の薄膜を形成することもできる。
【００４８】
そのため、本発明の反応装置は、低温成長薄膜の特性を備え、様々な種類の光電素子及び電子素子（例えば、発光ダイオード、レーザダイオード、ホトディテクター、ソリッド・ステート光源、薄膜ソーラバッテリなどを含む）を改善し、シリコン、シリコン・ゲルマニウム、ポリシリコン（ＬＴＰＳ）などの集積回路素子の品質を改善することができる。
【００４９】
本発明の一実施形態による複数の独立した加熱ユニットを有する反応装置は、前駆反応物の熱分解及び薄膜成長の温度を個別に制御することにより、所定の温度で所望の高品質の薄膜を成長させることができる。
【００５０】
図１Ａ〜図１Ｃを参照する。図１Ａ〜図１Ｃに示すように、反応装置５００の内部には、個別に加熱させる第１の加熱ユニット１００及び第２の加熱ユニット２００が配置されている。第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００とは互いに向かい合うように配置されている。例えば、第１の加熱ユニット１００を下方に配置し、第２の加熱ユニット２００を上方に配置し、水平になるように配置したり、第１の加熱ユニット１００を上方に配置し、第２の加熱ユニット２００を下方に配置したりしてもよい（図１Ｂに示す）。第１の加熱ユニット１００の内側面には、１つ又は複数の基板３００が配置されている。第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００との最小距離は、例えば、数μｍ〜３００μｍであり、好ましくは５〜５０ｍｍであり、さらに好ましくは１０〜２０ｍｍに調整してもよい。第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００とは、互いに向かい合うように配置され、それぞれ垂直に配置されてもよい（図１Ｃに示す）。
【００５１】
或いは、第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００とは、互いに対向した内側面が所定角度に形成されるように配置されてもよい。この所定角度は、例えば０〜６０度であり、好ましくは０〜２０度であり、さらに好ましくは０〜１０度であり、何れも本発明の主旨と範囲を脱しない。
【００５２】
薄膜を製造する際、複数の反応物は、ガス導入構造４００から反応装置５００に入れられ、第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００との間に設けられた隙間から、第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００との間に形成された反応領域１５０に入る。その後、水平に基板３００を均一に流れて反応し、基板３００の表面に薄膜が形成される。
【００５３】
図２Ａ〜図２Ｄを参照する。図２Ａ〜図２Ｄに示すように、反応装置５００の内部には、それぞれ個別に加熱を行う第１の加熱ユニット１００及び第２の加熱ユニット２００が配置されている。第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００とは、互いに向かい合うように配置されている（例えば、水平になるように配置されている）。第１の加熱ユニット１００は下方に配置され、第２の加熱ユニット２００は上方に配置され、第１の加熱ユニット１００の内側面には、１つ又は複数の基板３００が配置されている。第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００との間の最小距離は、例えば、数μｍ〜３００ｍｍ、好ましくは５ｍｍ〜５０ｍｍ、さらに好ましくは１０ｍｍ〜２０ｍｍに調整することが可能である。第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００との互いに対向した内側面は所定の角度（例えば、０度〜６０度、好ましくは０度〜２０度、さらに好ましくは０度〜１０度など）になるように配置され、何れも本発明の主旨と範囲を脱しない。
【００５４】
第１の加熱ユニット１００及び第２の加熱ユニット２００のうちの少なくとも何れか１つは、反応装置５００へ反応物を入れるために用いるガスチャネル７００を有し、加熱ユニットのガスチャネル７００は、加熱ユニットの中央チャネル又は複数のガスチャネルを通る。ガスチャネル７００は、反応物のガス導入構造４００に接続され、ガス導入構造４００の一部を構成する。複数の反応物は、ガス導入構造４００及びガスチャネル７００から反応装置５００に入って反応領域１５０に入る。
【００５５】
図２Ａ〜図２Ｄを参照する。図２Ａ〜図２Ｄに示すように、水平反応装置は、下方に配置された第１の加熱ユニット１００と、上方に配置された第２の加熱ユニット２００とを有する。図２Ａ及び図２Ｂに示すように、ガスチャネル７００は、上方に配置された第２の加熱ユニット２００内に設けられている。ガスチャネル７００は、第２の加熱ユニット２００の中央チャネル又は複数のガスチャネルを通る。複数の反応物は、中央チャネルを有する第２の加熱ユニット２００（図２Ａに示す）又は複数のガスチャネルを有する第２の加熱ユニット２００（図２Ｂに示す）を介し、第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００との間に設けた反応領域１５０に入ってから基板３００の表面を均一に流れる。
【００５６】
図２Ｃ及び図２Ｄを参照する。図２Ｃ及び図２Ｄに示すように、水平反応装置は、下方に配置された第１の加熱ユニット１００と、上方に配置された第２の加熱ユニット２００とを有する。図２Ｃ及び図２Ｄに示すように、ガスチャネル７００は、下方の第１の加熱ユニット１００の中に設けられている。ガスチャネル７００は、第１の加熱ユニット１００の中央チャネル又は複数のガスチャネルを通る。複数の反応物は、中央チャネルを有する第１の加熱ユニット１００（図２Ｃに示す）又は複数のガスチャネル７００を有する第１の加熱ユニット１００（図２Ｄに示す）を介し、第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００との間に設けられた反応領域１５０に入り、好適には均一な気流方式により基板３００の表面を流れる。
【００５７】
図２Ａ〜図２Ｄを参照する。図２Ａ〜図２Ｄに示すように、水平反応装置は、ガスが渦流に形成されないように、第１の加熱ユニット１００の内側面に複数の基板３００が、中心から所定距離で離れるように外側に配置されているため、基板３００の表面を反応物が均一に流れる。図２Ａ〜図２Ｄに示すように、ガスチャネル７００は、複数のチャネル、多孔性のチャネル又は１つのチャネルでもよい。本発明の図面は、説明の便宜上示されているだけであり本発明を何ら制限するわけではなく、本発明の主旨と範囲を脱しない範囲内で、実際の必要に応じて変更することができる。
【００５８】
図３Ａ〜図３Ｄを参照する。図３Ａ〜図３Ｄに示すように、反応装置５００の内部には、個別に加熱を行う第１の加熱ユニット１００及び第２の加熱ユニット２００がそれぞれ配置されている。第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００とは、互いに向かい合うように配置されている（例えば、水平になるように配置されている）。第１の加熱ユニット１００は上方に配置され、第２の加熱ユニット２００は下方に配置されている。第１の加熱ユニット１００の内側面には、１つ又は複数の基板３００が配置されている。第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００との間の最小距離は、例えば、数μｍ〜３００ｍｍであり、好ましくは５ｍｍ〜５０ｍｍであり、さらに好ましくは１０ｍｍ〜２０ｍｍに調整することが可能である。第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００とは、互いに対向した内側面が所定の角度になるように配置されてもよい。この所定の角度は、例えば０〜６０度であり、好ましくは０〜２０度であり、さらに好ましくは０〜１０度であるが、何れも本発明の主旨と範囲を脱しない。
【００５９】
第１の加熱ユニット１００及び第２の加熱ユニット２００のうちの少なくとも何れか１つは、反応装置５００へ反応物を入れるために用いるガスチャネル７００を有し、加熱ユニットに貫設されたガスチャネル７００は、加熱ユニットの中央チャネル又は複数のガスチャネルを通る。ガスチャネル７００は、反応物のガス導入構造４００に接続され、ガス導入構造４００の一部を構成する。複数の反応物は、ガス導入構造４００及びガスチャネル７００から反応装置５００に入ってから反応領域１５０に入る。
【００６０】
図３Ａ〜図３Ｄを参照する。図３Ａ〜図３Ｄに示すように、水平反応装置は、上方に配置された第１の加熱ユニット１００と、下方に配置された第２の加熱ユニット２００とを有する。図３Ａ及び図３Ｂに示すように、ガスチャネル７００は、上方の第１の加熱ユニット１００の中に設けられている。ガスチャネル７００は、第１の加熱ユニット１００の中央チャネル又は複数のガスチャネルを通る。複数の反応物は、中央チャネルを有する第１の加熱ユニット１００（図３Ａに示す）又は複数のガスチャネル７００を有する第１の加熱ユニット１００（図３Ｂに示す）を介し、第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００との間に設けた反応領域１５０に入り、好ましくは基板３００の表面を均一に流れる。
【００６１】
図３Ｃ及び図３Ｄを参照する。図３Ｃ及び図３Ｄに示すように、水平反応装置は、上方に配置された第１の加熱ユニット１００と、下方に配置された第２の加熱ユニット２００とを有する。図３Ｃ及び図３Ｄに示すように、ガスチャネル７００は、下方の第２の加熱ユニット２００内に設けられている。ガスチャネル７００は、第２の加熱ユニット２００の中央チャネル又は複数のガスチャネルを通る。複数の反応物は、中央チャネルを有する第２の加熱ユニット２００（図３Ｃに示す）又は複数のガスチャネル７００を有する第２の加熱ユニット２００（図３Ｄに示す）を介し、完全に第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００との間に設けた反応領域１５０に入り、基板３００の表面を流れ、好ましくは均一な気流方式により基板３００の表面を流れる。
【００６２】
図３Ａ〜図３Ｄを参照する。図３Ａ〜図３Ｄに示すように、水平反応装置は、ガスが渦流に形成されないように、第１の加熱ユニット１００の内側面に複数の基板３００が、中心から所定距離で離れるように外側に配置され、基板３００の表面に反応物が均一に流れるようにする。図３Ａ〜図３Ｄに示すように、ガスチャネル７００は、複数のチャネル、多孔性のチャネル又は１つのチャネルでもよい。本発明の図面は、説明の便宜上示されているだけであり本発明を何ら制限するわけではなく、本発明の主旨と範囲を脱しない範囲内で、実際の必要に応じて変更することができる。
【００６３】
図４Ａ〜図４Ｄを参照する。図４Ａ〜図４Ｄに示すように、反応装置５００の内部には、個別に加熱を行う第１の加熱ユニット１００及び第２の加熱ユニット２００が配置されている。第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００とは、互いに向かい合うように配置されている（例えば、水平になるように配置されている）。第１の加熱ユニット１００は下方に配置され、第２の加熱ユニット２００は上方に配置され、第１の加熱ユニット１００の内側面には、１つ又は複数の基板３００が配置されている。第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００との最小距離は、例えば、数μｍ〜３００ｍｍ、好ましくは５ｍｍ〜５０ｍｍ、さらに好ましくは１０ｍｍ〜２０ｍｍに調整することが可能である。第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００とは、例えば、０〜６０度、好ましくは０〜２０度、さらに好ましくは０〜１０度となるように、互いに対向した内側面が所定の角度となるように配置され、何れも本発明の主旨と範囲を脱しない。
【００６４】
第１の加熱ユニット１００及び第２の加熱ユニット２００のそれぞれは、反応装置５００へ反応物を入れるために用いるガスチャネル７００を有する。このガスチャネル７００は、中央チャネル又は複数のガスチャネル構造でもよい。ガスチャネル７００は、反応物のガス導入構造４００に接続され、ガス導入構造４００の一部を構成してもよい。複数の反応物は、ガス導入構造４００及びガスチャネル７００から反応装置５００に入ってから反応領域１５０に入る。
【００６５】
図４Ａ〜図４Ｄを参照する。図４Ａ〜図４Ｄに示すように、水平反応装置は、ガスチャネル７００をそれぞれ有する第１の加熱ユニット１００及び第２の加熱ユニット２００を含む。ガスチャネル７００は、中央チャネル又は複数のガスチャネルでもよい。図４Ａ及び図４Ｂに示すように、複数の反応物は、一部に中央チャネルが設けられた第２の加熱ユニット２００を介し、第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００との間に設けられた反応領域１５０に入り、残りの複数の反応物が中央チャネルを有する第１の加熱ユニット１００（図４Ａに示す）又は複数のガスチャネルを有する第１の加熱ユニット１００（図４Ｂに示す）を介し、第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００との間に設けられた反応領域１５０に入り、基板３００の表面を好ましくは均一の気流方式により流れる。
【００６６】
図４Ｃ及び図４Ｄを参照する。図４Ｃ及び図４Ｄに示すように、複数の反応物は、一部が複数のガスチャネルを有する第２の加熱ユニット２００を介し、第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００との間に設けた反応領域１５０に入り、残りの複数の反応物が中央チャネルを有する第１の加熱ユニット１００（図４Ｃに示す）又は複数のガスチャネルを有する第１の加熱ユニット１００（図４Ｄに示す）を介し、第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００との間に設けた反応領域１５０に入り、好ましくは基板３００の表面を均一に流れる。
【００６７】
図４Ａ〜図４Ｄを参照する。図４Ａ〜図４Ｄに示すように、水平反応装置は、ガスが渦流に形成されないように、第１の加熱ユニット１００の内側面上に複数の基板３００が、中心から所定距離で離れるように外側に配置され、反応物が基板３００の表面を均一に流れる。図４Ａ〜図４Ｄに示すように、ガスチャネル７００は、複数のチャネル、多孔性のチャネル又は１つのチャネルでもよい。本発明の図面は、説明の便宜上示されているが、本発明の主旨と範囲を脱しない範囲内で、実際の必要に応じて変更してもよい。
【００６８】
図５Ａ〜図５Ｄを参照する。図５Ａ〜図５Ｄに示すように、反応装置５００の内部には、個別に加熱を行う第１の加熱ユニット１００及び第２の加熱ユニット２００が配置されている。第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００とは互いに向かい合うように配置されている（例えば、水平になるように配置されている）。第１の加熱ユニット１００は上方に配置され、第２の加熱ユニット２００は下方に配置されている。第１の加熱ユニット１００の内側面には、１つ又は複数の基板３００が配置されている。第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００との間の最小距離は、例えば、数μｍ〜３００ｍｍ、好ましくは５ｍｍ〜５０ｍｍ、さらに好ましくは１０ｍｍ〜２０ｍｍに調整することが可能である。第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００とは、互いに対向した内側面が所定の角度（例えば、０度〜６０度であり、好ましくは０度〜２０度であり、さらに好ましくは０度〜１０度）で配置され、何れも本発明の主旨と範囲を脱しない。
【００６９】
第１の加熱ユニット１００及び第２の加熱ユニット２００のそれぞれは、反応装置５００へ反応物を入れるために用いるガスチャネル７００を有する。このガスチャネル７００は、中央チャネル又は複数のガスチャネル構造でもよい。ガスチャネル７００は、反応物のガス導入構造４００に接続され、ガス導入構造４００の一部を構成してもよい。複数の反応物は、ガス導入構造４００及びガスチャネル７００から反応装置５００に入ってから反応領域１５０に入る。
【００７０】
図５Ａ〜図５Ｄを参照する。図５Ａ〜図５Ｄに示すように、水平反応装置は、ガスチャネル７００をそれぞれ有する第１の加熱ユニット１００及び第２の加熱ユニット２００を含む。ガスチャネル７００は、中央チャネル又は複数のガスチャネルでもよい。図５Ａ及び図５Ｂに示すように、複数の反応物は、一部が中央チャネルを有する第１の加熱ユニット１００を介し、第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００との間に設けた反応領域１５０に入り、中央チャネルを有する第２の加熱ユニット２００（図５Ａに示す）又は複数のガスチャネルを有する第２の加熱ユニット２００（図５Ｂに示す）を介し、第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００との間に設けた反応領域１５０に残りの複数の反応物が入って、好ましくは均一の気流方式により基板３００の表面を流れる。
【００７１】
図５Ｃ及び図５Ｄを参照する。図５Ｃ及び図５Ｄに示すように、複数の反応物は、一部が複数のガスチャネルを有する第１の加熱ユニット１００を介し、第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００との間に設けた反応領域１５０に入り、中央チャネルを有する第２の加熱ユニット２００（図５Ｃに示す）又は複数のガスチャネルを有する第２の加熱ユニット２００（図５Ｄに示す）を介し、第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００との間に設けた反応領域１５０に残りの複数の反応物が入り、好ましくは均一の気流方式により基板３００の表面を流れる。
【００７２】
図５Ａ〜図５Ｄを参照する。図５Ａ〜図５Ｄに示すように、水平反応装置は、ガスが渦流に形成されないように、第１の加熱ユニット１００の内側面上に複数の基板３００が、中心から所定距離で離れるように外側に配置され、反応物が基板３００の表面を均一に流れるようにする。図５Ａ〜図５Ｄに示すように、ガスチャネル７００は、複数のチャネル、多孔性のチャネル又は１つのチャネルでもよい。本発明の図面は、単なる説明のために示されているが、本発明の主旨と範囲を脱しない範囲内で、実際の必要に応じてその構造を変えてもよい。
【００７３】
図５Ａ〜図５Ｄを参照する。図５Ａ〜図５Ｄに示すように、反応装置は、複数の反応物が第１の加熱ユニット１００のガスチャネル７００を介し、第２の加熱ユニット２００のガスチャネル７００を介し、第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００との間に設けた反応領域１５０に残りの部分の複数の反応物が入り、第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００との間の隙間から反応領域１５０に入るが、本発明の主旨と範囲を脱しない範囲内で、実際の必要に応じてその構造を変更してもよい。
【００７４】
上述したことから分かるように、本発明の反応装置は、反応物が完全に第１の加熱ユニット１００のガスチャネル７００からか、完全に第２の加熱ユニット２００のガスチャネル７００から、第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００との間に設けた反応領域１５０に入ったり、完全に第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００との間の隙間から反応領域１５０に入ったりする。反応物は、第１の加熱ユニット１００のガスチャネル７００を介したり、第２の加熱ユニット２００のガスチャネル７００を介したり、第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００との間の隙間を介したりし、少なくとも２つ以上のガス導入方式により反応領域１５０に入る。そのうち少なくとも１つのガスチャネルは、少なくとも一部の反応物が互いに分かれて反応装置に入る複数のガスチャネルである。上述のガス導入方式及びガスチャネル構造は、本発明の主旨と範囲を脱しない範囲内で、実際の必要に応じてその構造を変えてもよい。
【００７５】
図１Ａ〜図１Ｃ、図２Ａ〜図２Ｄ、図３Ａ〜図３Ｄ、図４Ａ〜図４Ｄ及び図５Ａ〜図５Ｄを参照する。図１Ａ〜図１Ｃ、図２Ａ〜図２Ｄ、図３Ａ〜図３Ｄ、図４Ａ〜図４Ｄ及び図５Ａ〜図５Ｄに示すように、各加熱ユニットは個別に所望の温度を制御する。第１の加熱ユニット１００及び第２の加熱ユニット２００の温度制御は、接触加熱方式（例えば、感熱抵抗線）を利用したり、非接触加熱方式により電磁波感応加熱又は電磁波輻射加熱を行う。温度制御方式は、好適には液冷方式又は空冷方式を含む冷却方式を利用し、２つの加熱ユニット間の温度差を広げ、反応物の解裂効率を向上させ、低温で高品質の薄膜を成長させるとともに、高温で高品質の薄膜を成長させることができる。第１の加熱ユニット１００は、複数の加熱ユニットを含む構造でもよく、複数の加熱ユニット構造は、温度を個別又は同時に制御してもよい。また、第２の加熱ユニット２００は、複数の加熱ユニット構造でもよい。この複数の加熱ユニット構造は、温度を個別又は同時に制御してもよく、本発明の主旨と範囲を脱しない範囲内で、実際の必要に応じてその構造を変えてもよい。
【００７６】
また、第１の加熱ユニット１００及び第２の加熱ユニット２００は、反応ガスの接触面又は全表面を保護板構造８００で覆うことにより、加熱ユニットと保護板構造８００との間の熱接触を良好にし、反応ガスが加熱ユニットと直接に接触しないようにし、加熱ユニットの材料を保護して加熱ユニットの使用寿命を延ばしてもよい。好適には、保護板構造８００は、反応物と反応しにくい材料（例えば、石英ガラス、サファイア基板、白金シート、モリブデン金属板など）からなる。さらに好ましくは、保護板材料が熱放射効果を下げるために、低い放射率（ｅｍｉｓｓｉｖｉｔｙ）材料からなってもよい。好ましくは、保護板構造８００を交換可能にし、定期的に交換することにより、その上に成長させる堆積物を許容範囲内に維持する。その構造は、本発明の主旨と範囲を脱しない範囲内で、実際の必要に応じて変えてもよい。
【００７７】
そのため、上述の反応装置５００は、上方、下方及び／又は側部に設けたガス導入構造及びガスチャネルを利用して反応物を入れ、均一な気流方式により、第１の加熱ユニットと第２の加熱ユニットとの間に反応物を流動させ、所望の薄膜を形成する。
【００７８】
１つの加熱ユニットを有する従来のＭＯＣＶＤエピタキシャルシステムは、その加熱ユニットを元素の前駆反応物の分解に用いる以外に、薄膜の製作に必要な成長温度を提供する。本発明は、２つ以上の独立した加熱ユニットの装置を有し、第１の加熱ユニットが供給する温度により薄膜材料を成長させる。第２の加熱ユニットの温度は、第１の加熱ユニットの温度より高いため、前駆反応物の熱分解効率を向上させることができる。
【００７９】
（ＧａＮバルク成長の実施例）
図６は、低温（１４Ｋ）でＧａＮ材料の蛍光スペクトルを測定したスペクトル図である。ＧａＮのバンドギャップエネルギは直接バンドギャップエネルギである。このバンドギャップエネルギの値は３．４ｅＶであるため、３６５ｎｍ付近の発光スペクトルはＧａＮ材料のニア・バンド・エッジ・エミッション（ｎｅａｒ−ｂａｎｄ−ｅｄｇｅ ｅｍｉｓｓｉｏｎ）の発光波長に属し、ＧａＮ材料の好適な蛍光スペクトルは、ニア・バンド・エッジ・エミッションの発光波長のピーク値が約３．４ｅＶである（図６（Ａ）に示す）。ＧａＮは、一般にヘテロ基板材料（例えば、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板）上に成長される。ＧａＮ及びサファイア基板のＣ軸格子定数は、それぞれ０．５１ｎｍ、０．１３ｎｍであり、格子ミスマッチ度は１６％に達する。適宜なエピタキシャル条件下で成長させない場合（例えば、８５０℃以下のエピタキシャル温度）、ＧａＮ薄膜の品質は一般に好ましくない。図６（ａ）及び図６（ｂ）から分かるように、ニア・バンド・エッジ・エミッションは発光強度が急激に下がり、蛍光スペクトルは分布範囲が広く、フォトルミネセンス強度は強い黄色スペクトル（ｙｅｌｌｏｗ ｅｍｉｓｓｉｏｎ）であり、ピーク値は約２．２ｅＶであり、半値幅は３８０ｍｅＶである（図６（ｂ）に示す）。
【００８０】
本発明の一実施例では、ＭＯＣＶＤにより成長したＧａＮ薄膜を例に、従来の１つの加熱ユニットの反応装置と、本発明による２つの独立した加熱ユニットを有する反応装置との違いを説明する。図７に示すように、反応装置の中に前駆反応物であるトリメチルガリウム（ｔｒｉｍｅｔｈｙｌｇａｌｌｉｕｍ：ＴＭＧａ）、アンモニア（ａｍｍｏｎｉａ：ＮＨ３）を導入し、基板の成長温度（即ち、従来の反応装置の１つの加熱ユニットの温度及び本発明の第１の加熱ユニットの温度）を、７００℃から１１３０℃に変化させ、２つのシリーズでＧａＮ薄膜成長を行う。２つのシリーズの唯一異なる点は、２つの加熱ユニットを有する反応装置がＧａＮ薄膜を成長させる際、前駆反応物の熱分解効率を向上させるために、第２の加熱ユニットを第１の加熱ユニットより常に高い温度（例えば、８５０℃〜１１３０℃）に維持する点である。
【００８１】
蛍光スペクトルの積分強度は、通常、光電材料の発光効率（即ち、電子を光子の内部量子効率（ｉｎｔｅｒｎａｌ ｑｕａｎｔｕｍ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）に変換する）と直接の関連性がある。図７は、ＧａＮ薄膜の蛍光スペクトル積分強度（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）とエピタキシャル温度との変化を曲線で表すグラフである。図７に示すように、９００℃以上で高温成長させる場合、従来技術及び本実施形態の反応装置により成長させるＧａＮバルクの蛍光スペクトル（ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）発光強度は略同じであり、成長温度による影響がほとんど無い。しかし、成長温度が９００℃より低くなると、両者の違いは明らかになる。従来技術により成長させるＧａＮ薄膜の蛍光信号は、成長温度が９００℃より低い場合、急激に低下する。７５０℃の薄膜の発光強度は、高温１１３０℃の薄膜の一万分の一の信号強度である。成長温度が７００℃まで下がると、成長させるＧａＮ薄膜は蛍光信号が全く無い。反対に、本発明が２つの加熱ユニットの反応装置を利用して成長させたＧａＮ薄膜の場合、第１の加熱ユニットの温度が高温の１１３０℃から７００℃に下げて成長させた薄膜の蛍光強度は、高い強度に常に維持され、変化が全く無い。ここで、低温の７００℃で成長させた薄膜の発光強度は、１１３０℃の薄膜に略等しく、現在のところ光学品質が最も優れたＭＯＣＶＤ ＧａＮ薄膜を得ることができる。
【００８２】
また、発光強度以外に、蛍光スペクトルのニア・バンド・エッジ・エミッションの半値幅も薄膜材料の光学品質を表す重要な参考指標である。半値幅が狭いほど、薄膜トランジスタの構造が好ましくなり、不純物の濃度が低くなるほど、空孔欠陥、転位欠陥、線欠陥などの真性欠陥も少なくなる。
【００８３】
図７の右下の挿入図に示すように、従来技術では１１３０℃で成長させたＧａＮ薄膜の蛍光スペクトルは、ニア・バンド・エッジ・エミッションの半値幅が約１１ｍｅＶであり、エピタキシャル温度が下がるに伴い、半値幅が増大し、９００℃で２２ｍｅＶに増大すると、７５０℃で４０ｍｅＶまで上がり、７００℃では光学信号が無いため、半値幅の値が得られない。図７の右下の挿入図に示すように、本発明は２つの加熱ユニットにより成長したＧａＮ薄膜を利用し、成長温度が１１３０℃から８００℃に下がるときに、ＰＬスペクトルの半値幅が１２ｍｅＶから３０ｍｅＶへ僅かに増大し、温度が８００℃以下になるとその半値幅が次第に下がり、７００℃では約１４ｍｅＶとなり、発光品質が高温で成長させた薄膜に略等しい。本発明の反応装置は、所望の薄膜を成長させることができる。前駆反応物の熱分解及び薄膜成長温度を個別に制御することができるため、前駆反応物の熱分解をより完全に行うことができる。そのため、高温で高品質の薄膜成長を妨げない上、低い成長温度下でも高品質の薄膜を成長させることができる。
【００８４】
（ＩｎＧａＮ薄膜成長の実施例）
本発明の別の実施例では、ＩｎＧａＮ薄膜の成長を例に説明する。ＩｎＧａＮ材料は、ＧａＮ光電素子の発光層の材料であるため、ＧａＮ素子の発光波長に大きな影響を与える。理論上、ＩｎＧａＮ発光層中のＩｎ組成を変えることにより、発光素子の発光波長を紫外線の３６５ｎｍから赤外線の１８００ｎｍに調整する。ＧａＮ発光素子の発光波長及び内部量子効率は、主にＩｎＧａＮ発光層の薄膜光電の品質により決定される。そのため、ＩｎＧａＮ材料は、ＧａＮ光電素子の中で最も重要な材料である。
【００８５】
ＩｎＧａＮ薄膜組成は、材料自体の特性限界及び成長技術の条件の違いにより、一般に低Ｉｎ組成領域（＜４０％）、高Ｉｎ組成領域（＞８０％）及び中間Ｉｎ組成領域（４０〜８０％）の３つの領域に分けられる。従来のＭＯＣＶＤの技術限界（例えば、高Ｉｎ揮発特性及び低ＮＨ３の分解率の限界）により、良好な光学品質の低Ｉｎ組成のＩｎＧａＮ薄膜は、通常７００〜８００℃の高温のみで成長されるが、薄膜が高温成長されるため、高Ｉｎ組成のＩｎＧａＮ薄膜の成長が容易でなく、一般にＩｎ組成が４０％より低い。高Ｉｎ組成のＩｎＧａＮ薄膜は、Ｉｎ含量が高いため、低温の５５０℃〜６５０℃で成長させなければならず、成長薄膜の光学品質は良好であるが、全体的に高ＩｎのＩｎＧａＮ薄膜光学品質は、低Ｉｎ組成のＩｎＧａＮ薄膜より遥かに低く、素子の量産に必要な薄膜品質に達しない。ＩｎＧａＮ中間組成の薄膜は、上述の薄膜成長の制限要素以外に、混和性が低い問題も考慮しなければならない。ＩｎＧａＮは、成長温度が高いほど、中間組成の薄膜を合成させることが困難となる。しかし、エピタキシャル温度を低減させた場合、中間組成のＩｎＧａＮ薄膜を合成させることができるが、所望の光学性質を得ることができない。
【００８６】
図８は、本発明の実施例による２つの加熱ユニットを有する反応装置によりＩｎＧａＮ薄膜のＩｎ組成と、発光波長の変化とを示すグラフである。従来技術により成長させたＩｎＧａＮ薄膜と比較するため、特に現在の所、文献データで探すことが可能な優秀なＩｎＧａＮ研究チームであるカンサス・ユニバーシティー（Ｋａｎｓａｓ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）のＨ．Ｘ．Ｊｉａｎｇ教授の研究データも図面に収録している。図８は、各サンプルのエピタキシャル温度を示す。初歩の実験データでは、従来技術と本発明の反応装置により成長させるＩｎＧａＮの組成範囲が類似している（約１０％〜４０％）ことを表しているが、本発明が成長させる高Ｉｎ組成のＩｎＧａＮ薄膜の発光波長は、６８０ｎｍの赤色光まで伸ばしたり、さらには７４０ｎｍの近赤外線波長まで伸ばすこともできる。現在の従来技術で成長させることができるＩｎＧａＮ薄膜の波長は約６５０ｎｍまでしか達成できないことから分かるように、本発明の反応装置が成長することができる波長帯域は、従来技術の問題点を克服することができる。
【００８７】
ＩｎＧａＮ材料の発光波長及びそれが対応する発光強度は、光電メーカにとって関心があり、上述の本発明と、Ｈ．Ｘ．Ｊｉａｎｇ教授が研究した従来技術により成長させたＩｎＧａＮシリーズ薄膜の相対的な発光強度と発光波長との変化曲線のグラフを図９に示す。従来技術を利用して成長させたＩｎＧａＮ薄膜は、１つの加熱ユニットを有し、ＨＮ３の分解率が低いため、それが成長させるＩｎＧａＮ薄膜の発光強度は、発光波長の増加に伴い、インデックス型に低減する。発光波長が５９０ｎｍである発光強度は僅かに３７０ｎｍの２千分の１であり、様々なＩｎＧａＮ薄膜組成を成長させることができるが、波長が６５０ｎｍより大きな光学信号を形成することは容易でない。一方、本発明は、２つの独立した加熱ユニットにより成長させたＩｎＧａＮ薄膜の発光強度は大幅に変化しない。ここで、発光波長が４２０ｎｍ〜７４０ｎｍに増大すると、発光強度が元の５分の１程度にまで低下する。特に従来技術では、発光性質を有し、６５０ｎｍより高い発光波長のＩｎＧａＮ薄膜を成長させることはできないが、本発明が成長させるＩｎＧａＮ薄膜は、発光波長を少なくとも７４０ｎｍまで伸ばすため、発光強度が急激に下がる虞がない。
【００８８】
前述したように、発光強度以外に、蛍光スペクトルの半値幅も光学品質の優劣を判断するのに重要な指標である。図９の右下の挿入図に示すように、従来技術により成長させるＩｎＧａＮ薄膜蛍光スペクトルの半値幅値は、発光波長の増加に伴い大幅に増加する。例えば、発光波長４２０ｎｍの半値幅１４０ｎｍから発光波長５９０ｎｍの半値幅３００ｎｍに増加する。しかし、本発明が成長させるＩｎＧａＮ薄膜の半値幅は、僅かにゆっくり増加するだけであり、発光波長７４０ｎｍの半値幅は僅か１８０ｎｍである。
【００８９】
そのため、本発明が開示する反応装置は、独立した温度制御の加熱ユニットにより、基板上に薄膜構造を成長させ、この構造は、単層薄膜及び多層薄膜構造、ホモ構造、ダブルヘテロ構造、多重量子井戸構造、ナノ構造（例えば、量子効率を有する量子ドット）などの構造でもよく、その構造中の薄膜層又はナノ構造は、少なくとも１種の固定された化学計量割合の成分組成の一元、二元、三元、四元又は多元化合物からなり、ＩＡ、ＩＩＡ、ＩＩＩＢ、ＩＶＢ、ＶＢ、ＶＩＢ、ＶＩＩＢ、ＶＩＩＩ、ＩＢ、ＩＩＢ、ＩＩＩＡ、ＩＶＡ、ＶＡ、ＶＩＡ、ＶＩＩＡ及びＶＩＩＩＡ族の元素を含み、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ、ＡｌＰ、ＡｌＳｂ、ＡｌＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＧａＳ、ＧａＳｂ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＺｎＯ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、ＣｕＯ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＰ、ＡｌＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ、ＧａＡｌＡｓ、ＧａＡｓＮ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓＰ又はＡｌＩｎＧａＰから構成される薄膜を含む。この薄膜は、ドーピングｐ型元素、ｎ型元素又は同価電性元素（ｅｌｅｃｔｒｏ−ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｅｌｅｍｅｎｔ）でもよく、本発明の主旨と範囲を脱しない範囲内で、実際の必要に応じてその構造を変えることができる。
【００９０】
従来技術では１つの加熱ユニットを有する反応装置は、加熱ユニットの温度を、薄膜製造の成長温度として用いる以外に、前駆反応物の熱分解の温度としても用いるため、前駆反応物の熱分解温度が高い場合、製造する薄膜材料は低温で分解し易く、互いの温度制限により、低温で薄膜をエピタキシャル製造する必要があった。しかし、熱分解温度が低すぎるため、前駆反応物の熱分解が不完全となった結果、薄膜品質が低下し、高性能な電子又は光電素子の薄膜を製造することができなかった。
【００９１】
そのため、本発明が開示する反応装置は、それぞれ個別に温度制御を行うことが可能な２つの加熱ユニットを利用し、第２の加熱ユニットと第１の加熱ユニットとを互いに向き合うように配置し、第１の加熱ユニットの温度を薄膜の成長温度として用い、第２の加熱ユニットの温度を主に元素の前駆反応物の熱分解を増進するために用いる。そのため、本発明が開示する反応装置を利用した場合、様々な種類の高品質の薄膜を成長させることができる。このように、前駆反応物の熱分解と薄膜成長温度とを別々に制御することができるため、一般の低い反応物の熱分解温度及び高い薄膜成長温度の薄膜とを成長させることができるだけでなく、高い反応物の熱分解温度及び低い薄膜成長温度の薄膜とを成長させることもできる。第２の加熱ユニットの設置は、本発明が開示する反応装置により、前駆反応物の熱分解をより完全に行うことができるため、高温で高品質の薄膜を成長させるのを妨げない上、低い成長温度で高品質の薄膜を形成することもできる。
【００９２】
そのため、本発明の反応装置は、低温成長薄膜の特性を備え、様々な種類の光電素子及び電子素子（例えば、発光ダイオード、レーザダイオード、ホトディテクター、ソリッド・ステート光源、薄膜ソーラバッテリなどを含む）を改善し、シリコン、シリコン・ゲルマニウム、ポリシリコン（ＬＴＰＳ）などの集積回路素子の品質を改善することができる。
【００９３】
当該分野の技術を熟知するものが理解できるように、本発明の好適な実施例を前述の通り開示したが、これらは決して本発明を限定するものではない。本発明の主旨と範囲を脱しない範囲内で変更や修正を加えることができる。従って、本発明による特許請求の範囲は、このような変更や修正を含めて広く解釈されるべきである。
【符号の説明】
【００９４】
１００ 第１の加熱ユニット
１５０ 反応領域
２００ 第２の加熱ユニット
３００ 基板
４００ ガス導入構造
５００ 反応装置
７００ ガスチャネル
８００ 保護板構造
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の独立した加熱ユニット（ｈｅａｔｉｎｇ ｕｎｉｔ）を有する反応装置に関し、特に複数の独立した加熱ユニットを有する化学気相成長反応装置に関し、さらに特に有機金属化学気相成長反応装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、ＩＩＩ族−Ｖ族半導体材料は、発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）、レーザダイオード（ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ）、薄膜ソーラバッテリ（ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌ）などの半導体光電素子に広く利用されている。産業界で赤外線、可視光線、紫外線などの光電素子を製造する場合、大部分は、例えば、ハイドライド気相成長（Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ：ＨＶＰＥ）、クロライド気相成長（Ｃｈｌｏｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ：ＣｌＶＰＥ）、有機金属化学気相成長（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ）などの化学気相成長（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ）システムを利用する。ＣＶＤシステムは、上述のＩＩＩ−Ｖ族光電素子の形成に応用する以外に、シリコン／シリコン・ゲルマニウム素子、金属層、誘電体層などの素子に必要な薄膜構造にも応用することができる。この薄膜構造は、例えば、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＯＮ又はポリシリコン、Ｗ（ｔｕｎｇｓｔｅｎ）金属層、Ｔｉ金属層、Ｃｕ金属層、Ａｌ金属層、ＴｉＮバリア層、ＴａＮバリア層、ＢａＳｒＴｉＯｘ高誘電体材料、ＳｉＯＦ低誘電体材料及びＳｒＢｉＴａＯｘ強誘電体材料などを含む。
【０００３】
前述のＣＶＤシステムにおいて、ＩＩＩ−Ｖ族光電素子の製造に最もよく用いられる薄膜製造システムは、有機金属化学気相成長（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ）システムである。ヘテロ構造のＩｎＧａＮ／ＧａＮの場合、ＧａＮとＩｎＮとの合成によるＩｎＧａＮ三元化合物は、適宜に固相組成を調整すると、紫外線、可視光線及び赤外線の範囲を含む３４０ｎｍから１８００ｎｍの発光波長に調整することができる。そのため、一般の窒化物光電素子構造において、異なるＩｎＧａＮ組成を有するダブルヘテロ構造、多重量子井戸又は量子ドットが素子発光層又は吸収層の材料として用い、青色、緑色、赤色の発光ダイオード、ホトディテクター及びソーラバッテリを製造する。近年、高パワー発光ダイオード及びソリッド・ステート照明（ｓｏｌｉｄ−ｓｔａｔｅ ｌｉｇｈｔｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ）の発展により、高電流、発光層が厚いＩｎＧａＮダブルヘテロ構造の高パワー青色及び緑色の発光ダイオードを開発する方法が産業界及び学術界で盛んに研究されている。
【０００４】
ＩｎＧａＮ三元化合物ＭＯＣＶＤの混晶成長は、困難度が高い薄膜成長技術である。製造に利用する上述構造の反応物は、トリメチルガリウム（ｔｒｉｍｅｔｈｙｌｇａｌｌｉｕｍ：ＴＭＧａ）、トリメチルインジウム（ｔｒｉｍｅｔｈｙｌｉｎｄｉｕｍ：ＴＭＩｎ）及びアンモニア（ａｍｍｏｎｉａ：ＮＨ３）である。ＩｎＮ薄膜は揮発し易く、ＮＨ３が分解しにくい特性を備えているため、ＩｎＧａＮ薄膜のＭＯＣＶＤ成長は、組成の違いに応じて温度成長が大きく異なる。ＧａＮの熱安定性は好ましく、ＮＨ３を完全に分解して多くの活性窒素原子が反応するため、ＧａＮ材料を９５０℃以上などの高いエピタキシャル温度で製造すると、好適なエピタキシャル薄膜を得ることができる。相対的に言えば、ＩｎＮ薄膜熱安定性が非常に悪いため、真空の環境下では４３５℃で分解し始めて６２７℃で完全に分解される。そのため、ＩｎＮ膜のＭＯＣＶＤ成長は、５５０〜６５０℃の低温度の範囲内で成長させなければならない。不都合なことに、この温度範囲では、ＮＨ３の分解率が約４％しかなく、少量のＮＨ３しか分解することができなかった。ＮＨ３の分解により得られる活性窒素原子は少なく、ＩｎＮ薄膜に大量の窒素空孔又はインジウム空孔が発生するため、ＩｎＮ薄膜の品質はＧａＮ薄膜よりはるかに劣る。三元ＩｎＧａＮ化合物の場合、ＩｎＧａＮ化合物のＭＯＣＶＤ成長温度は、ＧａＮとＩｎＮとの間である。Ｉｎ含量が少ないＩｎＧａＮ薄膜は、成長温度が高く（即ち、約７００〜８００℃）、成長薄膜は良好な光電性質を得る。Ｉｎの揮発を低減させるために、Ｉｎ含量が高いＩｎＧａＮ薄膜は、５５０℃〜６５０℃で成長させる。様々な種類のＩｎ組成を含む薄膜は合成することが可能であるが、薄膜の蛍光スペクトル信号が微弱となる。Ｉｎ組成が４０〜７０％の場合、蛍光信号が全く無い。低温で成長させたＭＯＣＶＤのＩｎＧａＮ薄膜の品質が低下する原因としては、成長温度が低い他、ＮＨ３の分解率が低く、活性窒素原子の供給不足が考えられる。
【０００５】
従来のＣＶＤシステムでは、前駆反応物の分解率を向上させて、薄膜の成長温度を低減させるために、補助的な方法（例えば、プラズマ、レーザ、発熱抵抗体、紫外線照射など）が多く開示されている。
【０００６】
特許文献１で開示しているように、従来、反応ガスを分解するために、反応チャンバの前方に、前処理装置（ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ ａｐｐａｒａｔｕｓ）が配置されている。この前処理装置は、プラズマ発生装置、触媒装置又は前述の組み合わせを有し、反応チャンバに入る前の前駆体反応ガスに高エネルギのプラズマを当て、反応ガスを解裂させる。
【０００７】
非特許文献１で開示しているように、Ｖ族ガスがパイプにより反応チャンバに入る前に、加設したプレヒーティング装置を用い、高温方式により前駆反応物の分解率を向上させる。
【０００８】
ＭＯＣＶＤシステムは、前処理装置を付加的に設けたり、Ｖ族ガスパイプの前端にプレヒーティング装置を加設したりすることにより、エネルギを加えて反応ガスの分解率を向上させることができるが、分解する活性反応分子は、成長基板から所定の距離で離され、温度低下により反応分子の活性が低下する。プレヒーティング装置が加設されたＭＯＣＶＤシステムは一定の効果を有するが、従来のＭＯＣＶＤシステムより僅かに性能が優れているだけであり、その効果には限界があった。
【０００９】
また、１つの加熱ユニットを有する反応装置は、前駆反応物の分解に用いる以外に、薄膜を製作する成長温度を供給するために用いる。ＧａＮバルクを成長させるＭＯＣＶＤシステムを例にした場合、ＮＨ３反応物は６００℃以下の解裂効率が約４％以下であるため、活性窒素原子を十分に提供するために、加熱ユニットの高温が必要である。従来、一つだけの加熱ユニットを有するＭＯＣＶＤシステムは、ＧａＮバルクを成長させる際、エピタキシャル品質を向上させるために、成長温度を９５０℃以上にする必要がある（例えば、非特許文献２）。また、青色光又は緑色光のＩｎＧａＮバルク薄膜の場合、青色光（４５０ｎｍ）に必要なＩｎＧａＮのＩｎ組成は約１９％であり、緑色光（５２０ｎｍ）に必要なＩｎ組成は約２５％である。一般に発光波長が長いほど、薄膜に必要なＩｎ成分は高くなる。ＩｎＧａＮ発光層のエピタキシャル製造は、Ｉｎ揮発性が高く、ＮＨ３が分解し難いという特性を有するため、高Ｉｎ組成のＩｎＧａＮ材料の成長温度の上限が制限を受ける。一般にエピタキシャル温度を高めた場合、ＮＨ３反応物の分解率を向上させることができるが、それととともにＩｎ原子に大量の脱着現象が発生し、高いＩｎ組成を合成させ難くなる。反対に、エピタキシャル温度が低いほど、Ｉｎ組成が高くなる。ＮＨ３反応物の分解率が低い場合、活性窒素原子の供給不足により、窒素空孔（ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｖａｃａｎｃｙ）、インジウム転位（ｉｎｄｉｕｍ ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ）などの真性欠陥が発生し、薄膜品質を低下させる虞がある。
【００１０】
ＣＶＤ薄膜の製造では、高温の副反応が発生する前に温度を高くすれば、高品質の薄膜を合成させることができる。青色光のＩｎＧａＮのＩｎ組成が低いため（１９％）、従来の１つの加熱ユニットのＭＯＣＶＤ技術を利用すると、８００℃のエピタキシャル温度により、高品質である青色光の発光材料を得ることができる。発光層の波長を緑色光（５２０ｎｍ）まで伸ばすには、Ｉｎ組成を約２５％まで増大させる必要がある。Ｉｎは、高温で揮発し易い特性を備えているため、薄膜を製造するエピタキシャル温度を７５０℃まで下げる必要がある。しかし、緑色光薄膜の発光強度は、青色光の材料より明らかに低下し、青色光の発光材料より薄膜品質の品質が大幅に低減する。つまり、これは緑色光の発光ダイオードの内部量子の変換効率が常に低い主な原因の一つである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００６／０１２１１９３号明細書
【非特許文献１】論文Current Applied Physics 3 351 (2003)、J. Cryst. Growth 247 55 (2003)
【非特許文献２】Jpn. J. Appl. Phys. 36 L598 (1997)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上述したように、従来、１つの加熱ユニットを有する反応装置は、加熱ユニットを元素の前駆反応物を分解するのに用いる以外に、薄膜を製造する成長温度を供給するが、両者が互いに牽制し合う状況下で、特に前駆反応物の熱分解温度が高くて、製造する薄膜材料が低温で分解し易い状況下では高品質の薄膜を成長させることが容易でなかった。
【００１３】
本発明は上述の点に鑑みて為されたもので、その第１の目的は、高品質の薄膜を成長させることができる反応装置を提供することにある。即ち、薄膜を製造する際、前駆反応物の熱分解と、薄膜の成長温度を個別に制御することにより、第２の加熱ユニットの温度を上げ、前駆反応物の熱分解効率を向上させたり、前駆反応物を完全に熱分解したりする。そのため、第１の加熱ユニットの温度が低い状態でも高品質の薄膜、特に揮発性が高く、熱安定性が低くて熱的に不安定な材料を成長させることができるとともに、高温で高品質の薄膜を成長させることを妨げない。
【００１４】
本発明の第２の目的は、中間組成領域の多元化合物薄膜、特にエピタキシィ溶解度ギャップ（ｍｉｓｃｉｂｉｌｉｔｙ ｇａｐ）の薄膜で、合成が容易でない組成薄膜を形成する反応装置を提供することにある。即ち、少なくとも２つの加熱ユニットを有する反応装置を利用することにより、前駆反応物の熱分解と薄膜成長の温度とを個別に制御し、加熱ユニットの温度が低い状態で、高品質で異なる組成の薄膜（特に、中間組成領域の多元化合物薄膜）を成長させることができる。
【００１５】
本発明の第３の目的は、良好な低温薄膜成長能力を備えた反応装置を提供することにある。低温下でヘテロ構造の半導体素子を製造することができる。例えば、ｐ／ｎインタフェース、ホモ構造、ダブルヘテロ構造、多重量子井戸構造、マグネティック・スピン・トランジスタ及び半導体光電素子（例えば、発光ダイオード、レーザダイオード及び単電子トランジスタ）の製造以外に、現在、シリコンを主な材料として使用している半導体産業において、先進の工程を組み合わせて先進の半導体素子を製造することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記の課題を解決するために、請求項１の発明では、少なくとも１つの基板上に薄膜を形成する反応装置であって、第１の加熱ユニット及び第２の加熱ユニットを備え、前記第１の加熱ユニットと前記第２の加熱ユニットとが向かい合うように配置して反応領域を形成し、前記第１の加熱ユニットの内側面と前記第２の加熱ユニットの内側面とにより角度が形成され、前記第１の加熱ユニットの温度と前記第２の加熱ユニットの温度とを個別に制御し、前記第１の加熱ユニット上に前記少なくとも１つの基板を配置し、前記少なくとも１つの基板が前記第１の加熱ユニットと前記第２の加熱ユニットとの間に位置し、前記第１の加熱ユニット上の前記少なくとも１つの基板上に薄膜を形成することを特徴とする。
【００１７】
請求項２の発明では、請求項１の発明において、前記第１の加熱ユニットと前記第２の加熱ユニットとからなる角度は調整可能なことを特徴とする。
【００１８】
請求項３の発明では、請求項２の発明において、前記第１の加熱ユニットと前記第２の加熱ユニットとの間の最小距離は数μｍ〜３００ｍｍであることを特徴とする。
【００１９】
請求項４の発明では、請求項１の発明において、前記第１の加熱ユニット及び前記第２の加熱ユニットは、接触式加熱方式又は非接触式加熱方式により温度を制御することを特徴とする。
【００２０】
請求項５の発明では、請求項４の発明において、前記第１の加熱ユニット及び前記第２の加熱ユニットは、液冷方式又は空冷方式を含む冷却方式により温度を制御することを特徴とする。
【００２１】
請求項６の発明では、請求項１の発明において、前記第１の加熱ユニット及び前記第２の加熱ユニットは、感熱抵抗線加熱、高周波感応加熱、紫外線ランプ加熱、可視光線ランプ加熱又は遠赤外線ランプ加熱により温度を制御することを特徴とする。
【００２２】
請求項７の発明では、請求項１の発明において、前記基板は、ガラス基板、窒化ガリウム基板、酸化アルミニウム基板、炭化珪素基板、ガリウム砒素基板、リン化インジウム基板及びシリコン基板からなる群から選ばれることを特徴とする。
【００２３】
請求項８の発明では、請求項１の発明において、前記薄膜は、ＩＡ、ＩＩＡ、ＩＩＩＢ、ＩＶＢ、ＶＢ、ＶＩＢ、ＶＩＩＢ、ＶＩＩＩ、ＩＢ、ＩＩＢ、ＩＩＩＡ、ＩＶＡ、ＶＡ、ＶＩＡ、ＶＩＩＡ及びＶＩＩＩＡ族の元素で組成される１つの元素薄膜又は２元以上の薄膜からなることを特徴とする。
【００２４】
請求項９の発明では、請求項１の発明において、前記薄膜には、ｐ型元素、ｎ型元素又は同価電性元素がドーピングされていることを特徴とする。
【００２５】
請求項１０の発明では、請求項１の発明において、前記少なくとも１つの基板は回転することを特徴とする。
【００２６】
請求項１１の発明では、請求項１の発明において、個別に温度を制御する複数の第１の加熱ユニット及び複数の第２の加熱ユニットをさらに備えることを特徴とする。
【００２７】
請求項１２の発明では、請求項１の発明において、前記反応装置に反応物を入れるガス導入構造をさらに備えることを特徴とする。
【００２８】
請求項１３の発明では、請求項１２の発明において、前記反応物は、前記第１の加熱ユニットと前記第２の加熱ユニットとの隙間から前記反応領域に入れられることを特徴とする。
【００２９】
請求項１４の発明では、請求項１２の発明において、前記第１の加熱ユニット及び前記第２の加熱ユニットのうちの少なくとも何れか１つは、その中に形成された少なくとも１つのガスチャネルを含み、少なくとも一部又は全部の前記反応物が、前記少なくとも１つのガスチャネルを介して前記反応領域に入れられることを特徴とする。
【００３０】
請求項１５の発明では、請求項１４の発明において、前記少なくとも１つのガスチャネルは、前記少なくとも一部の前記反応物がそれぞれ分かれて前記反応領域に入る複数のガスチャネルであることを特徴とする。
【００３１】
請求項１６の発明では、請求項１の発明において、前記第１の加熱ユニット及び前記第２の加熱ユニットに反応物が接触しないように、前記第１の加熱ユニット及び前記第２の加熱ユニットに配置される保護板構造をさらに備えることを特徴とする。
【００３２】
請求項１７の発明では、請求項１の発明において、前記第２の加熱ユニットの温度は、前記第１の加熱ユニットの温度より高いことを特徴とする。
【００３３】
請求項１８の発明では、請求項１の発明において、前記反応装置は化学気相成長反応装置であることを特徴とする。
【００３４】
請求項１９の発明では、請求項１の発明において、前記反応装置は有機金属化学気相成長反応装置であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３５】
本発明の反応装置は、低温成長薄膜の特性を備え、様々な種類の光電素子及び電子素子（例えば、発光ダイオード、レーザダイオード、ホトディテクター、ソリッド・ステート光源、薄膜ソーラバッテリなどを含む）を改善し、シリコン、シリコン・ゲルマニウム、ポリシリコン（ＬＴＰＳ）などの集積回路素子の品質を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１Ａ】本発明の一実施形態による複数の独立した加熱ユニットを有する反応装置を示す模式図である。
【図１Ｂ】本発明の一実施形態による複数の独立した加熱ユニットを有する反応装置を示す模式図である。
【図１Ｃ】本発明の一実施形態による複数の独立した加熱ユニットを有する反応装置を示す模式図である。
【図２Ａ】本発明の一実施形態による複数の独立した加熱ユニットを有する反応装置を示す模式図である。
【図２Ｂ】本発明の一実施形態による複数の独立した加熱ユニットを有する反応装置を示す模式図である。
【図２Ｃ】本発明の一実施形態による複数の独立した加熱ユニットを有する反応装置を示す模式図である。
【図２Ｄ】本発明の一実施形態による複数の独立した加熱ユニットを有する反応装置を示す模式図である。
【図３Ａ】本発明の一実施形態による複数の独立した加熱ユニットを有する反応装置を示す模式図である。
【図３Ｂ】本発明の一実施形態による複数の独立した加熱ユニットを有する反応装置を示す模式図である。
【図３Ｃ】本発明の一実施形態による複数の独立した加熱ユニットを有する反応装置を示す模式図である。
【図３Ｄ】本発明の一実施形態による複数の独立した加熱ユニットを有する反応装置を示す模式図である。
【図４Ａ】本発明の一実施形態による複数の独立した加熱ユニットを有する反応装置を示す模式図である。
【図４Ｂ】本発明の一実施形態による複数の独立した加熱ユニットを有する反応装置を示す模式図である。
【図４Ｃ】本発明の一実施形態による複数の独立した加熱ユニットを有する反応装置を示す模式図である。
【図４Ｄ】本発明の一実施形態による複数の独立した加熱ユニットを有する反応装置を示す模式図である。
【図５Ａ】本発明の一実施形態による複数の独立した加熱ユニットを有する反応装置を示す模式図である。
【図５Ｂ】本発明の一実施形態による複数の独立した加熱ユニットを有する反応装置を示す模式図である。
【図５Ｃ】本発明の一実施形態による複数の独立した加熱ユニットを有する反応装置を示す模式図である。
【図５Ｄ】本発明の一実施形態による複数の独立した加熱ユニットを有する反応装置を示す模式図である。
【図６】低温（１４Ｋ）で蛍光スペクトルを測定した際の（ａ）好ましいＧａＮ薄膜と、（ｂ）好ましくないＧａＮ薄膜のスペクトル図である。
【図７】本発明及び従来技術のＧａＮ薄膜の蛍光スペクトル積分強度（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）とエピタキシャル温度との変化を曲線で示すグラフであり、右下の挿入図は、半値幅値とエピタキシャル温度との変化を曲線で示すグラフである。
【図８】本発明及び従来技術のＩｎＧａＮ薄膜のＩｎ組成と発光波長との変化を曲線で示すグラフである。
【図９】本発明及び従来技術のＩｎＧａＮ薄膜の相対的な発光強度と発光波長との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施例について詳細に説明する。
【００３８】
本発明の反応装置は、少なくとも１つの基板上に薄膜が形成され、この薄膜は、第１の加熱ユニット及び第２の加熱ユニットを含む。第１の加熱ユニットと第２の加熱ユニットとは向かい合うように配置されている。第１の加熱ユニットの温度と第２の加熱ユニットの温度とは個別に制御することができる。第１の加熱ユニットは、少なくとも１つの基板に配置されている。基板は、第１の加熱ユニットと第２の加熱ユニットとの間に位置する。第２の加熱ユニットは、反応装置に入った反応物を加熱分解し、第１の加熱ユニット上の少なくとも１つの基板表面に薄膜を形成し、薄膜は、固定した化学計量割合を有する１種以上の成分組成からなる。第１の加熱ユニットの内側面と第２の加熱ユニットの内側面とで形成される角度は調整することができる。
【００３９】
上述の基板は回転可能である。この回転は、例えば、ステッピングモータによる回転方式又は気体浮上式の回転方式で行い、第１の加熱ユニットと第２の加熱ユニットとの間隔を、好適には数μｍ〜３００ｍｍに調整する。
【００４０】
上述の第１の加熱ユニット及び第２の加熱ユニットは、接触加熱方式（例えば、感熱抵抗線）を利用したり、非接触加熱方式（例えば、電磁波感応加熱又は電磁波輻射加熱）を利用して温度制御を行う。電磁波感応加熱は高周波感応加熱でもよい。電磁波輻射加熱は、紫外線ランプ加熱、可視光線ランプ加熱、遠赤外線ランプ加熱などの方式により加熱するが、これらは本発明の主旨と範囲を脱しない範囲内である。反応装置は、冷却方式（例えば、液冷方式又は空冷方式）を利用し、前述の加熱方式と組み合わせて第１の加熱ユニット及び第２の加熱ユニットを制御し、製造工程で必要な温度を得て、第１の加熱ユニットと第２の加熱ユニットとの温度差を広げる。
【００４１】
上述の基板は、ガラス基板、窒化ガリウム基板、酸化アルミニウム基板、炭化珪素基板、ガリウム砒素基板、リン化インジウム基板及びシリコン基板からなる群から選んでもよい。反応物は、ＩＡ、ＩＩＡ、ＩＩＩＢ、ＩＶＢ、ＶＢ、ＶＩＢ、ＶＩＩＢ、ＶＩＩＩ、ＩＢ、ＩＩＢ、ＩＩＩＡ、ＩＶＡ、ＶＡ、ＶＩＡ、ＶＩＩＡ及びＶＩＩＩＡ族の元素の前駆反応物からなる群から選んでもよい。
【００４２】
反応物は、第１の加熱ユニットと第２の加熱ユニットとの隙間から反応領域に入って反応を行う。或いは、第１の加熱ユニット及び／又は第２の加熱ユニットには、第１の加熱ユニット及び／又は第２の加熱ユニットのガスチャネルから反応領域に反応物を入れて反応を行うために、中央ガスチャネル及び／又は複数のガスチャネルが形成されている。或いは、一部の反応物が第１の加熱ユニット及び／又は第２の加熱ユニットのガスチャネルを介して反応領域に入り、残りの反応物が第１の加熱ユニットと第２の加熱ユニットとの間の隙間から反応領域に入って反応を行うが、これも本発明の主旨及び範囲内である。
【００４３】
また、本発明の他の実施形態による化学気相成長反応装置は、少なくとも１つの基板上に薄膜を形成し、上述の第１の加熱ユニット及び第２の加熱ユニットを含む。
【００４４】
また、本発明の他の実施形態による有機金属化学気相成長反応装置は、少なくとも１つの基板上に薄膜を形成し、上述の第１の加熱ユニット及び第２の加熱ユニットを含む。
【００４５】
そのため、本発明の反応装置は、第１の加熱ユニット及び第２の加熱ユニットを含み、独立した温度制御を行う加熱ユニットにより、基板上に薄膜構造を成長させ、この構造は、単層薄膜及び多層薄膜構造、ホモ構造、ダブルヘテロ構造、多重量子井戸構造、ナノ構造（例えば、量子効率を有する量子ドット）などの構造でもよく、その構造中の薄膜層又はナノ構造は、少なくとも１種の固定された化学計量割合の成分組成の一元、二元、三元、四元又は多元化合物からなり、ＩＡ、ＩＩＡ、ＩＩＩＢ、ＩＶＢ、ＶＢ、ＶＩＢ、ＶＩＩＢ、ＶＩＩＩ、ＩＢ、ＩＩＢ、ＩＩＩＡ、ＩＶＡ、ＶＡ、ＶＩＡ、ＶＩＩＡ及びＶＩＩＩＡ族の元素を含む。
【００４６】
従来技術では１つの加熱ユニットを有する反応装置は、加熱ユニットの温度を、薄膜製造の成長温度として用いる以外に、前駆反応物の熱分解の温度としても用いるため、前駆反応物の熱分解温度が高い場合、製造する薄膜材料は低温で分解し易く、互いの温度制限により、低温度で薄膜をエピタキシャル製造する必要があった。しかし、熱分解温度が低すぎるため、前駆反応物の熱分解が不完全な場合、薄膜品質が低下し、高性能な電子又は光電素子の薄膜を製造することはできない。
【００４７】
そのため、本発明の反応装置は、それぞれ個別に温度制御を行うことが可能な２つの加熱ユニットを利用し、第２の加熱ユニットと第１の加熱ユニットとを互いに向き合うように配置し、第１の加熱ユニットの温度を薄膜の成長温度として用い、第２の加熱ユニットの温度を主に元素の前駆反応物の熱分解を増進するために用いる。つまり、本発明の反応装置を利用すると、様々な種類の高品質薄膜を成長させることができる。このように、前駆反応物の熱分解と薄膜成長温度とを別々に制御することができるため、同一の反応チャンバ内で、一般の低い反応物の熱分解温度及び高い薄膜成長温度の薄膜とを成長させることができるだけでなく、高い反応物の熱分解温度及び低い薄膜成長温度の薄膜とを製造することもできる。第２の加熱ユニットの配置により、本発明が開示する反応装置は、前駆反応物の熱分解をより完全に行うことができるため、高温での高品質の薄膜成長を妨げない上、低い成長温度で高品質の薄膜を形成することもできる。
【００４８】
そのため、本発明の反応装置は、低温成長薄膜の特性を備え、様々な種類の光電素子及び電子素子（例えば、発光ダイオード、レーザダイオード、ホトディテクター、ソリッド・ステート光源、薄膜ソーラバッテリなどを含む）を改善し、シリコン、シリコン・ゲルマニウム、ポリシリコン（ＬＴＰＳ）などの集積回路素子の品質を改善することができる。
【００４９】
本発明の一実施形態による複数の独立した加熱ユニットを有する反応装置は、前駆反応物の熱分解及び薄膜成長の温度を個別に制御することにより、所定の温度で所望の高品質の薄膜を成長させることができる。
【００５０】
図１Ａ〜図１Ｃを参照する。図１Ａ〜図１Ｃに示すように、反応装置５００の内部には、個別に加熱させる第１の加熱ユニット１００及び第２の加熱ユニット２００が配置されている。第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００とは互いに向かい合うように配置されている。例えば、第１の加熱ユニット１００を下方に配置し、第２の加熱ユニット２００を上方に配置し、水平になるように配置したり、第１の加熱ユニット１００を上方に配置し、第２の加熱ユニット２００を下方に配置したりしてもよい（図１Ｂに示す）。第１の加熱ユニット１００の内側面には、１つ又は複数の基板３００が配置されている。第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００との最小距離は、例えば、数μｍ〜３００μｍであり、好ましくは５〜５０ｍｍであり、さらに好ましくは１０〜２０ｍｍに調整してもよい。第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００とは、互いに向かい合うように配置され、それぞれ垂直に配置されてもよい（図１Ｃに示す）。
【００５１】
或いは、第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００とは、互いに対向した内側面が所定角度に形成されるように配置されてもよい。この所定角度は、例えば０〜６０度であり、好ましくは０〜２０度であり、さらに好ましくは０〜１０度であり、何れも本発明の主旨と範囲を脱しない。
【００５２】
薄膜を製造する際、複数の反応物は、ガス導入構造４００から反応装置５００に入れられ、第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００との間に設けられた隙間から、第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００との間に形成された反応領域１５０に入る。その後、水平に基板３００を均一に流れて反応し、基板３００の表面に薄膜が形成される。
【００５３】
図２Ａ〜図２Ｄを参照する。図２Ａ〜図２Ｄに示すように、反応装置５００の内部には、それぞれ個別に加熱を行う第１の加熱ユニット１００及び第２の加熱ユニット２００が配置されている。第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００とは、互いに向かい合うように配置されている（例えば、水平になるように配置されている）。第１の加熱ユニット１００は下方に配置され、第２の加熱ユニット２００は上方に配置され、第１の加熱ユニット１００の内側面には、１つ又は複数の基板３００が配置されている。第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００との間の最小距離は、例えば、数μｍ〜３００ｍｍ、好ましくは５ｍｍ〜５０ｍｍ、さらに好ましくは１０ｍｍ〜２０ｍｍに調整することが可能である。第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００との互いに対向した内側面は所定の角度（例えば、０度〜６０度、好ましくは０度〜２０度、さらに好ましくは０度〜１０度など）になるように配置され、何れも本発明の主旨と範囲を脱しない。
【００５４】
第１の加熱ユニット１００及び第２の加熱ユニット２００のうちの少なくとも何れか１つは、反応装置５００へ反応物を入れるために用いるガスチャネル７００を有し、加熱ユニットのガスチャネル７００は、加熱ユニットの中央チャネル又は複数のガスチャネルを通る。ガスチャネル７００は、反応物のガス導入構造４００に接続され、ガス導入構造４００の一部を構成する。複数の反応物は、ガス導入構造４００及びガスチャネル７００から反応装置５００に入って反応領域１５０に入る。
【００５５】
図２Ａ〜図２Ｄを参照する。図２Ａ〜図２Ｄに示すように、水平反応装置は、下方に配置された第１の加熱ユニット１００と、上方に配置された第２の加熱ユニット２００とを有する。図２Ａ及び図２Ｂに示すように、ガスチャネル７００は、上方に配置された第２の加熱ユニット２００内に設けられている。ガスチャネル７００は、第２の加熱ユニット２００の中央チャネル又は複数のガスチャネルを通る。複数の反応物は、中央チャネルを有する第２の加熱ユニット２００（図２Ａに示す）又は複数のガスチャネルを有する第２の加熱ユニット２００（図２Ｂに示す）を介し、第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００との間に設けた反応領域１５０に入ってから基板３００の表面を均一に流れる。
【００５６】
図２Ｃ及び図２Ｄを参照する。図２Ｃ及び図２Ｄに示すように、水平反応装置は、下方に配置された第１の加熱ユニット１００と、上方に配置された第２の加熱ユニット２００とを有する。図２Ｃ及び図２Ｄに示すように、ガスチャネル７００は、下方の第１の加熱ユニット１００の中に設けられている。ガスチャネル７００は、第１の加熱ユニット１００の中央チャネル又は複数のガスチャネルを通る。複数の反応物は、中央チャネルを有する第１の加熱ユニット１００（図２Ｃに示す）又は複数のガスチャネル７００を有する第１の加熱ユニット１００（図２Ｄに示す）を介し、第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００との間に設けられた反応領域１５０に入り、好適には均一な気流方式により基板３００の表面を流れる。
【００５７】
図２Ａ〜図２Ｄを参照する。図２Ａ〜図２Ｄに示すように、水平反応装置は、ガスが渦流に形成されないように、第１の加熱ユニット１００の内側面に複数の基板３００が、中心から所定距離で離れるように外側に配置されているため、基板３００の表面を反応物が均一に流れる。図２Ａ〜図２Ｄに示すように、ガスチャネル７００は、複数のチャネル、多孔性のチャネル又は１つのチャネルでもよい。本発明の図面は、説明の便宜上示されているだけであり本発明を何ら制限するわけではなく、本発明の主旨と範囲を脱しない範囲内で、実際の必要に応じて変更することができる。
【００５８】
図３Ａ〜図３Ｄを参照する。図３Ａ〜図３Ｄに示すように、反応装置５００の内部には、個別に加熱を行う第１の加熱ユニット１００及び第２の加熱ユニット２００がそれぞれ配置されている。第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００とは、互いに向かい合うように配置されている（例えば、水平になるように配置されている）。第１の加熱ユニット１００は上方に配置され、第２の加熱ユニット２００は下方に配置されている。第１の加熱ユニット１００の内側面には、１つ又は複数の基板３００が配置されている。第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００との間の最小距離は、例えば、数μｍ〜３００ｍｍであり、好ましくは５ｍｍ〜５０ｍｍであり、さらに好ましくは１０ｍｍ〜２０ｍｍに調整することが可能である。第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００とは、互いに対向した内側面が所定の角度になるように配置されてもよい。この所定の角度は、例えば０〜６０度であり、好ましくは０〜２０度であり、さらに好ましくは０〜１０度であるが、何れも本発明の主旨と範囲を脱しない。
【００５９】
第１の加熱ユニット１００及び第２の加熱ユニット２００のうちの少なくとも何れか１つは、反応装置５００へ反応物を入れるために用いるガスチャネル７００を有し、加熱ユニットに貫設されたガスチャネル７００は、加熱ユニットの中央チャネル又は複数のガスチャネルを通る。ガスチャネル７００は、反応物のガス導入構造４００に接続され、ガス導入構造４００の一部を構成する。複数の反応物は、ガス導入構造４００及びガスチャネル７００から反応装置５００に入ってから反応領域１５０に入る。
【００６０】
図３Ａ〜図３Ｄを参照する。図３Ａ〜図３Ｄに示すように、水平反応装置は、上方に配置された第１の加熱ユニット１００と、下方に配置された第２の加熱ユニット２００とを有する。図３Ａ及び図３Ｂに示すように、ガスチャネル７００は、上方の第１の加熱ユニット１００の中に設けられている。ガスチャネル７００は、第１の加熱ユニット１００の中央チャネル又は複数のガスチャネルを通る。複数の反応物は、中央チャネルを有する第１の加熱ユニット１００（図３Ａに示す）又は複数のガスチャネル７００を有する第１の加熱ユニット１００（図３Ｂに示す）を介し、第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００との間に設けた反応領域１５０に入り、好ましくは基板３００の表面を均一に流れる。
【００６１】
図３Ｃ及び図３Ｄを参照する。図３Ｃ及び図３Ｄに示すように、水平反応装置は、上方に配置された第１の加熱ユニット１００と、下方に配置された第２の加熱ユニット２００とを有する。図３Ｃ及び図３Ｄに示すように、ガスチャネル７００は、下方の第２の加熱ユニット２００内に設けられている。ガスチャネル７００は、第２の加熱ユニット２００の中央チャネル又は複数のガスチャネルを通る。複数の反応物は、中央チャネルを有する第２の加熱ユニット２００（図３Ｃに示す）又は複数のガスチャネル７００を有する第２の加熱ユニット２００（図３Ｄに示す）を介し、完全に第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００との間に設けた反応領域１５０に入り、基板３００の表面を流れ、好ましくは均一な気流方式により基板３００の表面を流れる。
【００６２】
図３Ａ〜図３Ｄを参照する。図３Ａ〜図３Ｄに示すように、水平反応装置は、ガスが渦流に形成されないように、第１の加熱ユニット１００の内側面に複数の基板３００が、中心から所定距離で離れるように外側に配置され、基板３００の表面に反応物が均一に流れるようにする。図３Ａ〜図３Ｄに示すように、ガスチャネル７００は、複数のチャネル、多孔性のチャネル又は１つのチャネルでもよい。本発明の図面は、説明の便宜上示されているだけであり本発明を何ら制限するわけではなく、本発明の主旨と範囲を脱しない範囲内で、実際の必要に応じて変更することができる。
【００６３】
図４Ａ〜図４Ｄを参照する。図４Ａ〜図４Ｄに示すように、反応装置５００の内部には、個別に加熱を行う第１の加熱ユニット１００及び第２の加熱ユニット２００が配置されている。第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００とは、互いに向かい合うように配置されている（例えば、水平になるように配置されている）。第１の加熱ユニット１００は下方に配置され、第２の加熱ユニット２００は上方に配置され、第１の加熱ユニット１００の内側面には、１つ又は複数の基板３００が配置されている。第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００との最小距離は、例えば、数μｍ〜３００ｍｍ、好ましくは５ｍｍ〜５０ｍｍ、さらに好ましくは１０ｍｍ〜２０ｍｍに調整することが可能である。第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００とは、例えば、０〜６０度、好ましくは０〜２０度、さらに好ましくは０〜１０度となるように、互いに対向した内側面が所定の角度となるように配置され、何れも本発明の主旨と範囲を脱しない。
【００６４】
第１の加熱ユニット１００及び第２の加熱ユニット２００のそれぞれは、反応装置５００へ反応物を入れるために用いるガスチャネル７００を有する。このガスチャネル７００は、中央チャネル又は複数のガスチャネル構造でもよい。ガスチャネル７００は、反応物のガス導入構造４００に接続され、ガス導入構造４００の一部を構成してもよい。複数の反応物は、ガス導入構造４００及びガスチャネル７００から反応装置５００に入ってから反応領域１５０に入る。
【００６５】
図４Ａ〜図４Ｄを参照する。図４Ａ〜図４Ｄに示すように、水平反応装置は、ガスチャネル７００をそれぞれ有する第１の加熱ユニット１００及び第２の加熱ユニット２００を含む。ガスチャネル７００は、中央チャネル又は複数のガスチャネルでもよい。図４Ａ及び図４Ｂに示すように、複数の反応物は、一部に中央チャネルが設けられた第２の加熱ユニット２００を介し、第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００との間に設けられた反応領域１５０に入り、残りの複数の反応物が中央チャネルを有する第１の加熱ユニット１００（図４Ａに示す）又は複数のガスチャネルを有する第１の加熱ユニット１００（図４Ｂに示す）を介し、第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００との間に設けられた反応領域１５０に入り、基板３００の表面を好ましくは均一の気流方式により流れる。
【００６６】
図４Ｃ及び図４Ｄを参照する。図４Ｃ及び図４Ｄに示すように、複数の反応物は、一部が複数のガスチャネルを有する第２の加熱ユニット２００を介し、第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００との間に設けた反応領域１５０に入り、残りの複数の反応物が中央チャネルを有する第１の加熱ユニット１００（図４Ｃに示す）又は複数のガスチャネルを有する第１の加熱ユニット１００（図４Ｄに示す）を介し、第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００との間に設けた反応領域１５０に入り、好ましくは基板３００の表面を均一に流れる。
【００６７】
図４Ａ〜図４Ｄを参照する。図４Ａ〜図４Ｄに示すように、水平反応装置は、ガスが渦流に形成されないように、第１の加熱ユニット１００の内側面上に複数の基板３００が、中心から所定距離で離れるように外側に配置され、反応物が基板３００の表面を均一に流れる。図４Ａ〜図４Ｄに示すように、ガスチャネル７００は、複数のチャネル、多孔性のチャネル又は１つのチャネルでもよい。本発明の図面は、説明の便宜上示されているが、本発明の主旨と範囲を脱しない範囲内で、実際の必要に応じて変更してもよい。
【００６８】
図５Ａ〜図５Ｄを参照する。図５Ａ〜図５Ｄに示すように、反応装置５００の内部には、個別に加熱を行う第１の加熱ユニット１００及び第２の加熱ユニット２００が配置されている。第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００とは互いに向かい合うように配置されている（例えば、水平になるように配置されている）。第１の加熱ユニット１００は上方に配置され、第２の加熱ユニット２００は下方に配置されている。第１の加熱ユニット１００の内側面には、１つ又は複数の基板３００が配置されている。第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００との間の最小距離は、例えば、数μｍ〜３００ｍｍ、好ましくは５ｍｍ〜５０ｍｍ、さらに好ましくは１０ｍｍ〜２０ｍｍに調整することが可能である。第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００とは、互いに対向した内側面が所定の角度（例えば、０度〜６０度であり、好ましくは０度〜２０度であり、さらに好ましくは０度〜１０度）で配置され、何れも本発明の主旨と範囲を脱しない。
【００６９】
第１の加熱ユニット１００及び第２の加熱ユニット２００のそれぞれは、反応装置５００へ反応物を入れるために用いるガスチャネル７００を有する。このガスチャネル７００は、中央チャネル又は複数のガスチャネル構造でもよい。ガスチャネル７００は、反応物のガス導入構造４００に接続され、ガス導入構造４００の一部を構成してもよい。複数の反応物は、ガス導入構造４００及びガスチャネル７００から反応装置５００に入ってから反応領域１５０に入る。
【００７０】
図５Ａ〜図５Ｄを参照する。図５Ａ〜図５Ｄに示すように、水平反応装置は、ガスチャネル７００をそれぞれ有する第１の加熱ユニット１００及び第２の加熱ユニット２００を含む。ガスチャネル７００は、中央チャネル又は複数のガスチャネルでもよい。図５Ａ及び図５Ｂに示すように、複数の反応物は、一部が中央チャネルを有する第１の加熱ユニット１００を介し、第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００との間に設けた反応領域１５０に入り、中央チャネルを有する第２の加熱ユニット２００（図５Ａに示す）又は複数のガスチャネルを有する第２の加熱ユニット２００（図５Ｂに示す）を介し、第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００との間に設けた反応領域１５０に残りの複数の反応物が入って、好ましくは均一の気流方式により基板３００の表面を流れる。
【００７１】
図５Ｃ及び図５Ｄを参照する。図５Ｃ及び図５Ｄに示すように、複数の反応物は、一部が複数のガスチャネルを有する第１の加熱ユニット１００を介し、第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００との間に設けた反応領域１５０に入り、中央チャネルを有する第２の加熱ユニット２００（図５Ｃに示す）又は複数のガスチャネルを有する第２の加熱ユニット２００（図５Ｄに示す）を介し、第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００との間に設けた反応領域１５０に残りの複数の反応物が入り、好ましくは均一の気流方式により基板３００の表面を流れる。
【００７２】
図５Ａ〜図５Ｄを参照する。図５Ａ〜図５Ｄに示すように、水平反応装置は、ガスが渦流に形成されないように、第１の加熱ユニット１００の内側面上に複数の基板３００が、中心から所定距離で離れるように外側に配置され、反応物が基板３００の表面を均一に流れるようにする。図５Ａ〜図５Ｄに示すように、ガスチャネル７００は、複数のチャネル、多孔性のチャネル又は１つのチャネルでもよい。本発明の図面は、単なる説明のために示されているが、本発明の主旨と範囲を脱しない範囲内で、実際の必要に応じてその構造を変えてもよい。
【００７３】
図５Ａ〜図５Ｄを参照する。図５Ａ〜図５Ｄに示すように、反応装置は、複数の反応物が第１の加熱ユニット１００のガスチャネル７００を介し、第２の加熱ユニット２００のガスチャネル７００を介し、第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００との間に設けた反応領域１５０に残りの部分の複数の反応物が入り、第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００との間の隙間から反応領域１５０に入るが、本発明の主旨と範囲を脱しない範囲内で、実際の必要に応じてその構造を変更してもよい。
【００７４】
上述したことから分かるように、本発明の反応装置は、反応物が完全に第１の加熱ユニット１００のガスチャネル７００からか、完全に第２の加熱ユニット２００のガスチャネル７００から、第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００との間に設けた反応領域１５０に入ったり、完全に第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００との間の隙間から反応領域１５０に入ったりする。反応物は、第１の加熱ユニット１００のガスチャネル７００を介したり、第２の加熱ユニット２００のガスチャネル７００を介したり、第１の加熱ユニット１００と第２の加熱ユニット２００との間の隙間を介したりし、少なくとも２つ以上のガス導入方式により反応領域１５０に入る。そのうち少なくとも１つのガスチャネルは、少なくとも一部の反応物が互いに分かれて反応装置に入る複数のガスチャネルである。上述のガス導入方式及びガスチャネル構造は、本発明の主旨と範囲を脱しない範囲内で、実際の必要に応じてその構造を変えてもよい。
【００７５】
図１Ａ〜図１Ｃ、図２Ａ〜図２Ｄ、図３Ａ〜図３Ｄ、図４Ａ〜図４Ｄ及び図５Ａ〜図５Ｄを参照する。図１Ａ〜図１Ｃ、図２Ａ〜図２Ｄ、図３Ａ〜図３Ｄ、図４Ａ〜図４Ｄ及び図５Ａ〜図５Ｄに示すように、各加熱ユニットは個別に所望の温度を制御する。第１の加熱ユニット１００及び第２の加熱ユニット２００の温度制御は、接触加熱方式（例えば、感熱抵抗線）を利用したり、非接触加熱方式により電磁波感応加熱又は電磁波輻射加熱を行う。温度制御方式は、好適には液冷方式又は空冷方式を含む冷却方式を利用し、２つの加熱ユニット間の温度差を広げ、反応物の解裂効率を向上させ、低温で高品質の薄膜を成長させるとともに、高温で高品質の薄膜を成長させることができる。第１の加熱ユニット１００は、複数の加熱ユニットを含む構造でもよく、複数の加熱ユニット構造は、温度を個別又は同時に制御してもよい。また、第２の加熱ユニット２００は、複数の加熱ユニット構造でもよい。この複数の加熱ユニット構造は、温度を個別又は同時に制御してもよく、本発明の主旨と範囲を脱しない範囲内で、実際の必要に応じてその構造を変えてもよい。
【００７６】
また、第１の加熱ユニット１００及び第２の加熱ユニット２００は、反応ガスの接触面又は全表面を保護板構造８００で覆うことにより、加熱ユニットと保護板構造８００との間の熱接触を良好にし、反応ガスが加熱ユニットと直接に接触しないようにし、加熱ユニットの材料を保護して加熱ユニットの使用寿命を延ばしてもよい。好適には、保護板構造８００は、反応物と反応しにくい材料（例えば、石英ガラス、サファイア基板、白金シート、モリブデン金属板など）からなる。さらに好ましくは、保護板材料が熱放射効果を下げるために、低い放射率（ｅｍｉｓｓｉｖｉｔｙ）材料からなってもよい。好ましくは、保護板構造８００を交換可能にし、定期的に交換することにより、その上に成長させる堆積物を許容範囲内に維持する。その構造は、本発明の主旨と範囲を脱しない範囲内で、実際の必要に応じて変えてもよい。
【００７７】
そのため、上述の反応装置５００は、上方、下方及び／又は側部に設けたガス導入構造及びガスチャネルを利用して反応物を入れ、均一な気流方式により、第１の加熱ユニットと第２の加熱ユニットとの間に反応物を流動させ、所望の薄膜を形成する。
【００７８】
１つの加熱ユニットを有する従来のＭＯＣＶＤエピタキシャルシステムは、その加熱ユニットを元素の前駆反応物の分解に用いる以外に、薄膜の製作に必要な成長温度を提供する。本発明は、２つ以上の独立した加熱ユニットの装置を有し、第１の加熱ユニットが供給する温度により薄膜材料を成長させる。第２の加熱ユニットの温度は、第１の加熱ユニットの温度より高いため、前駆反応物の熱分解効率を向上させることができる。
【００７９】
（ＧａＮバルク成長の実施例）
図６は、低温（１４Ｋ）でＧａＮ材料の蛍光スペクトルを測定したスペクトル図である。ＧａＮのバンドギャップエネルギは直接バンドギャップエネルギである。このバンドギャップエネルギの値は３．４ｅＶであるため、３６５ｎｍ付近の発光スペクトルはＧａＮ材料のニア・バンド・エッジ・エミッション（ｎｅａｒ−ｂａｎｄ−ｅｄｇｅ ｅｍｉｓｓｉｏｎ）の発光波長に属し、ＧａＮ材料の好適な蛍光スペクトルは、ニア・バンド・エッジ・エミッションの発光波長のピーク値が約３．４ｅＶである（図６（Ａ）に示す）。ＧａＮは、一般にヘテロ基板材料（例えば、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板）上に成長される。ＧａＮ及びサファイア基板のＣ軸格子定数は、それぞれ０．５１ｎｍ、０．１３ｎｍであり、格子ミスマッチ度は１６％に達する。適宜なエピタキシャル条件下で成長させない場合（例えば、８５０℃以下のエピタキシャル温度）、ＧａＮ薄膜の品質は一般に好ましくない。図６（ａ）及び図６（ｂ）から分かるように、ニア・バンド・エッジ・エミッションは発光強度が急激に下がり、蛍光スペクトルは分布範囲が広く、フォトルミネセンス強度は強い黄色スペクトル（ｙｅｌｌｏｗ ｅｍｉｓｓｉｏｎ）であり、ピーク値は約２．２ｅＶであり、半値幅は３８０ｍｅＶである（図６（ｂ）に示す）。
【００８０】
本発明の一実施例では、ＭＯＣＶＤにより成長したＧａＮ薄膜を例に、従来の１つの加熱ユニットの反応装置と、本発明による２つの独立した加熱ユニットを有する反応装置との違いを説明する。図７に示すように、反応装置の中に前駆反応物であるトリメチルガリウム（ｔｒｉｍｅｔｈｙｌｇａｌｌｉｕｍ：ＴＭＧａ）、アンモニア（ａｍｍｏｎｉａ：ＮＨ３）を導入し、基板の成長温度（即ち、従来の反応装置の１つの加熱ユニットの温度及び本発明の第１の加熱ユニットの温度）を、７００℃から１１３０℃に変化させ、２つのシリーズでＧａＮ薄膜成長を行う。２つのシリーズの唯一異なる点は、２つの加熱ユニットを有する反応装置がＧａＮ薄膜を成長させる際、前駆反応物の熱分解効率を向上させるために、第２の加熱ユニットを第１の加熱ユニットより常に高い温度（例えば、８５０℃〜１１３０℃）に維持する点である。
【００８１】
蛍光スペクトルの積分強度は、通常、光電材料の発光効率（即ち、電子を光子の内部量子効率（ｉｎｔｅｒｎａｌ ｑｕａｎｔｕｍ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）に変換する）と直接の関連性がある。図７は、ＧａＮ薄膜の蛍光スペクトル積分強度（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）とエピタキシャル温度との変化を曲線で表すグラフである。図７に示すように、９００℃以上で高温成長させる場合、従来技術及び本実施形態の反応装置により成長させるＧａＮバルクの蛍光スペクトル（ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）発光強度は略同じであり、成長温度による影響がほとんど無い。しかし、成長温度が９００℃より低くなると、両者の違いは明らかになる。従来技術により成長させるＧａＮ薄膜の蛍光信号は、成長温度が９００℃より低い場合、急激に低下する。７５０℃の薄膜の発光強度は、高温１１３０℃の薄膜の一万分の一の信号強度である。成長温度が７００℃まで下がると、成長させるＧａＮ薄膜は蛍光信号が全く無い。反対に、本発明が２つの加熱ユニットの反応装置を利用して成長させたＧａＮ薄膜の場合、第１の加熱ユニットの温度が高温の１１３０℃から７００℃に下げて成長させた薄膜の蛍光強度は、高い強度に常に維持され、変化が全く無い。ここで、低温の７００℃で成長させた薄膜の発光強度は、１１３０℃の薄膜に略等しく、現在のところ光学品質が最も優れたＭＯＣＶＤ ＧａＮ薄膜を得ることができる。
【００８２】
また、発光強度以外に、蛍光スペクトルのニア・バンド・エッジ・エミッションの半値幅も薄膜材料の光学品質を表す重要な参考指標である。半値幅が狭いほど、薄膜トランジスタの構造が好ましくなり、不純物の濃度が低くなるほど、空孔欠陥、転位欠陥、線欠陥などの真性欠陥も少なくなる。
【００８３】
図７の右下の挿入図に示すように、従来技術では１１３０℃で成長させたＧａＮ薄膜の蛍光スペクトルは、ニア・バンド・エッジ・エミッションの半値幅が約１１ｍｅＶであり、エピタキシャル温度が下がるに伴い、半値幅が増大し、９００℃で２２ｍｅＶに増大すると、７５０℃で４０ｍｅＶまで上がり、７００℃では光学信号が無いため、半値幅の値が得られない。図７の右下の挿入図に示すように、本発明は２つの加熱ユニットにより成長したＧａＮ薄膜を利用し、成長温度が１１３０℃から８００℃に下がるときに、ＰＬスペクトルの半値幅が１２ｍｅＶから３０ｍｅＶへ僅かに増大し、温度が８００℃以下になるとその半値幅が次第に下がり、７００℃では約１４ｍｅＶとなり、発光品質が高温で成長させた薄膜に略等しい。本発明の反応装置は、所望の薄膜を成長させることができる。前駆反応物の熱分解及び薄膜成長温度を個別に制御することができるため、前駆反応物の熱分解をより完全に行うことができる。そのため、高温で高品質の薄膜成長を妨げない上、低い成長温度下でも高品質の薄膜を成長させることができる。
【００８４】
（ＩｎＧａＮ薄膜成長の実施例）
本発明の別の実施例では、ＩｎＧａＮ薄膜の成長を例に説明する。ＩｎＧａＮ材料は、ＧａＮ光電素子の発光層の材料であるため、ＧａＮ素子の発光波長に大きな影響を与える。理論上、ＩｎＧａＮ発光層中のＩｎ組成を変えることにより、発光素子の発光波長を紫外線の３６５ｎｍから赤外線の１８００ｎｍに調整する。ＧａＮ発光素子の発光波長及び内部量子効率は、主にＩｎＧａＮ発光層の薄膜光電の品質により決定される。そのため、ＩｎＧａＮ材料は、ＧａＮ光電素子の中で最も重要な材料である。
【００８５】
ＩｎＧａＮ薄膜組成は、材料自体の特性限界及び成長技術の条件の違いにより、一般に低Ｉｎ組成領域（＜４０％）、高Ｉｎ組成領域（＞８０％）及び中間Ｉｎ組成領域（４０〜８０％）の３つの領域に分けられる。従来のＭＯＣＶＤの技術限界（例えば、高Ｉｎ揮発特性及び低ＮＨ３の分解率の限界）により、良好な光学品質の低Ｉｎ組成のＩｎＧａＮ薄膜は、通常７００〜８００℃の高温のみで成長されるが、薄膜が高温成長されるため、高Ｉｎ組成のＩｎＧａＮ薄膜の成長が容易でなく、一般にＩｎ組成が４０％より低い。高Ｉｎ組成のＩｎＧａＮ薄膜は、Ｉｎ含量が高いため、低温の５５０℃〜６５０℃で成長させなければならず、成長薄膜の光学品質は良好であるが、全体的に高ＩｎのＩｎＧａＮ薄膜光学品質は、低Ｉｎ組成のＩｎＧａＮ薄膜より遥かに低く、素子の量産に必要な薄膜品質に達しない。ＩｎＧａＮ中間組成の薄膜は、上述の薄膜成長の制限要素以外に、混和性が低い問題も考慮しなければならない。ＩｎＧａＮは、成長温度が高いほど、中間組成の薄膜を合成させることが困難となる。しかし、エピタキシャル温度を低減させた場合、中間組成のＩｎＧａＮ薄膜を合成させることができるが、所望の光学性質を得ることができない。
【００８６】
図８は、本発明の実施例による２つの加熱ユニットを有する反応装置によりＩｎＧａＮ薄膜のＩｎ組成と、発光波長の変化とを示すグラフである。従来技術により成長させたＩｎＧａＮ薄膜と比較するため、特に現在の所、文献データで探すことが可能な優秀なＩｎＧａＮ研究チームであるカンサス・ユニバーシティー（Ｋａｎｓａｓ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）のＨ．Ｘ．Ｊｉａｎｇ教授の研究データも図面に収録している。図８は、各サンプルのエピタキシャル温度を示す。初歩の実験データでは、従来技術と本発明の反応装置により成長させるＩｎＧａＮの組成範囲が類似している（約１０％〜４０％）ことを表しているが、本発明が成長させる高Ｉｎ組成のＩｎＧａＮ薄膜の発光波長は、６８０ｎｍの赤色光まで伸ばしたり、さらには７４０ｎｍの近赤外線波長まで伸ばすこともできる。現在の従来技術で成長させることができるＩｎＧａＮ薄膜の波長は約６５０ｎｍまでしか達成できないことから分かるように、本発明の反応装置が成長することができる波長帯域は、従来技術の問題点を克服することができる。
【００８７】
ＩｎＧａＮ材料の発光波長及びそれが対応する発光強度は、光電メーカにとって関心があり、上述の本発明と、Ｈ．Ｘ．Ｊｉａｎｇ教授が研究した従来技術により成長させたＩｎＧａＮシリーズ薄膜の相対的な発光強度と発光波長との変化曲線のグラフを図９に示す。従来技術を利用して成長させたＩｎＧａＮ薄膜は、１つの加熱ユニットを有し、ＨＮ３の分解率が低いため、それが成長させるＩｎＧａＮ薄膜の発光強度は、発光波長の増加に伴い、インデックス型に低減する。発光波長が５９０ｎｍである発光強度は僅かに３７０ｎｍの２千分の１であり、様々なＩｎＧａＮ薄膜組成を成長させることができるが、波長が６５０ｎｍより大きな光学信号を形成することは容易でない。一方、本発明は、２つの独立した加熱ユニットにより成長させたＩｎＧａＮ薄膜の発光強度は大幅に変化しない。ここで、発光波長が４２０ｎｍ〜７４０ｎｍに増大すると、発光強度が元の５分の１程度にまで低下する。特に従来技術では、発光性質を有し、６５０ｎｍより高い発光波長のＩｎＧａＮ薄膜を成長させることはできないが、本発明が成長させるＩｎＧａＮ薄膜は、発光波長を少なくとも７４０ｎｍまで伸ばすため、発光強度が急激に下がる虞がない。
【００８８】
前述したように、発光強度以外に、蛍光スペクトルの半値幅も光学品質の優劣を判断するのに重要な指標である。図９の右下の挿入図に示すように、従来技術により成長させるＩｎＧａＮ薄膜蛍光スペクトルの半値幅値は、発光波長の増加に伴い大幅に増加する。例えば、発光波長４２０ｎｍの半値幅１４０ｎｍから発光波長５９０ｎｍの半値幅３００ｎｍに増加する。しかし、本発明が成長させるＩｎＧａＮ薄膜の半値幅は、僅かにゆっくり増加するだけであり、発光波長７４０ｎｍの半値幅は僅か１８０ｎｍである。
【００８９】
そのため、本発明が開示する反応装置は、独立した温度制御の加熱ユニットにより、基板上に薄膜構造を成長させ、この構造は、単層薄膜及び多層薄膜構造、ホモ構造、ダブルヘテロ構造、多重量子井戸構造、ナノ構造（例えば、量子効率を有する量子ドット）などの構造でもよく、その構造中の薄膜層又はナノ構造は、少なくとも１種の固定された化学計量割合の成分組成の一元、二元、三元、四元又は多元化合物からなり、ＩＡ、ＩＩＡ、ＩＩＩＢ、ＩＶＢ、ＶＢ、ＶＩＢ、ＶＩＩＢ、ＶＩＩＩ、ＩＢ、ＩＩＢ、ＩＩＩＡ、ＩＶＡ、ＶＡ、ＶＩＡ、ＶＩＩＡ及びＶＩＩＩＡ族の元素を含み、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ、ＡｌＰ、ＡｌＳｂ、ＡｌＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＧａＳ、ＧａＳｂ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＺｎＯ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、ＣｕＯ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＰ、ＡｌＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ、ＧａＡｌＡｓ、ＧａＡｓＮ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓＰ又はＡｌＩｎＧａＰから構成される薄膜を含む。この薄膜は、ドーピングｐ型元素、ｎ型元素又は同価電性元素（ｅｌｅｃｔｒｏ−ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｅｌｅｍｅｎｔ）でもよく、本発明の主旨と範囲を脱しない範囲内で、実際の必要に応じてその構造を変えることができる。
【００９０】
従来技術では１つの加熱ユニットを有する反応装置は、加熱ユニットの温度を、薄膜製造の成長温度として用いる以外に、前駆反応物の熱分解の温度としても用いるため、前駆反応物の熱分解温度が高い場合、製造する薄膜材料は低温で分解し易く、互いの温度制限により、低温で薄膜をエピタキシャル製造する必要があった。しかし、熱分解温度が低すぎるため、前駆反応物の熱分解が不完全となった結果、薄膜品質が低下し、高性能な電子又は光電素子の薄膜を製造することができなかった。
【００９１】
そのため、本発明が開示する反応装置は、それぞれ個別に温度制御を行うことが可能な２つの加熱ユニットを利用し、第２の加熱ユニットと第１の加熱ユニットとを互いに向き合うように配置し、第１の加熱ユニットの温度を薄膜の成長温度として用い、第２の加熱ユニットの温度を主に元素の前駆反応物の熱分解を増進するために用いる。そのため、本発明が開示する反応装置を利用した場合、様々な種類の高品質の薄膜を成長させることができる。このように、前駆反応物の熱分解と薄膜成長温度とを別々に制御することができるため、一般の低い反応物の熱分解温度及び高い薄膜成長温度の薄膜とを成長させることができるだけでなく、高い反応物の熱分解温度及び低い薄膜成長温度の薄膜とを成長させることもできる。第２の加熱ユニットの設置は、本発明が開示する反応装置により、前駆反応物の熱分解をより完全に行うことができるため、高温で高品質の薄膜を成長させるのを妨げない上、低い成長温度で高品質の薄膜を形成することもできる。
【００９２】
そのため、本発明の反応装置は、低温成長薄膜の特性を備え、様々な種類の光電素子及び電子素子（例えば、発光ダイオード、レーザダイオード、ホトディテクター、ソリッド・ステート光源、薄膜ソーラバッテリなどを含む）を改善し、シリコン、シリコン・ゲルマニウム、ポリシリコン（ＬＴＰＳ）などの集積回路素子の品質を改善することができる。
【００９３】
当該分野の技術を熟知するものが理解できるように、本発明の好適な実施例を前述の通り開示したが、これらは決して本発明を限定するものではない。本発明の主旨と範囲を脱しない範囲内で変更や修正を加えることができる。従って、本発明による特許請求の範囲は、このような変更や修正を含めて広く解釈されるべきである。
【符号の説明】
【００９４】
１００ 第１の加熱ユニット
１５０ 反応領域
２００ 第２の加熱ユニット
３００ 基板
４００ ガス導入構造
５００ 反応装置
７００ ガスチャネル
８００ 保護板構造
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの基板上に薄膜を形成する反応装置であって、
第１の加熱ユニット及び第２の加熱ユニットを備え、
前記第１の加熱ユニットと前記第２の加熱ユニットとが向かい合うように配置して反応領域を形成し、前記第１の加熱ユニットの内側面と前記第２の加熱ユニットの内側面とにより角度が形成され、前記第１の加熱ユニットの温度と前記第２の加熱ユニットの温度とを個別に制御し、
前記第１の加熱ユニット上に前記少なくとも１つの基板を配置し、前記少なくとも１つの基板が前記第１の加熱ユニットと前記第２の加熱ユニットとの間に位置し、前記第１の加熱ユニット上の前記少なくとも１つの基板上に薄膜を形成することを特徴とする反応装置。
【請求項２】
前記第１の加熱ユニットと前記第２の加熱ユニットとからなる角度は調整可能なことを特徴とする請求項１に記載の反応装置。
【請求項３】
前記第１の加熱ユニットと前記第２の加熱ユニットとの間の最小距離は数μｍ〜３００ｍｍであることを特徴とする請求項２に記載の反応装置。
【請求項４】
前記第１の加熱ユニット及び前記第２の加熱ユニットは、接触式加熱方式又は非接触式加熱方式により温度を制御することを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の反応装置。
【請求項５】
前記第１の加熱ユニット及び前記第２の加熱ユニットは、液冷方式又は空冷方式を含む冷却方式により温度を制御することを特徴とする請求項４に記載の反応装置。
【請求項６】
前記第１の加熱ユニット及び前記第２の加熱ユニットは、感熱抵抗線加熱、高周波感応加熱、紫外線ランプ加熱、可視光線ランプ加熱又は遠赤外線ランプ加熱により温度を制御することを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の反応装置。
【請求項７】
前記基板は、ガラス基板、窒化ガリウム基板、酸化アルミニウム基板、炭化珪素基板、ガリウム砒素基板、リン化インジウム基板及びシリコン基板からなる群から選ばれることを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の反応装置。
【請求項８】
前記薄膜は、ＩＡ、ＩＩＡ、ＩＩＩＢ、ＩＶＢ、ＶＢ、ＶＩＢ、ＶＩＩＢ、ＶＩＩＩ、ＩＢ、ＩＩＢ、ＩＩＩＡ、ＩＶＡ、ＶＡ、ＶＩＡ、ＶＩＩＡ及びＶＩＩＩＡ族の元素で組成される１つの元素薄膜又は２元以上の薄膜からなることを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載の反応装置。
【請求項９】
前記薄膜には、ｐ型元素、ｎ型元素又は同価電性元素がドーピングされていることを特徴とする請求項１から８の何れか１項に記載の反応装置。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの基板は回転することを特徴とする請求項１から９の何れか１項に記載の反応装置。
【請求項１１】
個別に温度を制御する複数の第１の加熱ユニット及び複数の第２の加熱ユニットをさらに備えることを特徴とする請求項１から１０の何れか１項に記載の反応装置。
【請求項１２】
前記反応装置に反応物を入れるガス導入構造をさらに備えることを特徴とする請求項１から１１の何れか１項に記載の反応装置。
【請求項１３】
前記反応物は、前記第１の加熱ユニットと前記第２の加熱ユニットとの隙間から前記反応領域に入れられることを特徴とする請求項１２に記載の反応装置。
【請求項１４】
前記第１の加熱ユニット及び前記第２の加熱ユニットのうちの少なくとも何れか１つは、その中に形成された少なくとも１つのガスチャネルを含み、少なくとも一部又は全部の前記反応物が、前記少なくとも１つのガスチャネルを介して前記反応領域に入れられることを特徴とする請求項１２に記載の反応装置。
【請求項１５】
前記少なくとも１つのガスチャネルは、前記少なくとも一部の前記反応物がそれぞれ分かれて前記反応領域に入る複数のガスチャネルであることを特徴とする請求項１４に記載の反応装置。
【請求項１６】
前記第１の加熱ユニット及び前記第２の加熱ユニットに反応物が接触しないように、前記第１の加熱ユニット及び前記第２の加熱ユニットに配置される保護板構造をさらに備えることを特徴とする請求項１から１５の何れか１項に記載の反応装置。
【請求項１７】
前記第２の加熱ユニットの温度は、前記第１の加熱ユニットの温度より高いことを特徴とする請求項１から１６の何れか１項に記載の反応装置。
【請求項１８】
前記反応装置は化学気相成長反応装置であることを特徴とする請求項１から１７の何れか１項に記載の反応装置。
【請求項１９】
前記反応装置は有機金属化学気相成長反応装置であることを特徴とする請求項１から１８の何れか１項に記載の反応装置。
【請求項２０】
前記薄膜は、ＧａＮ、ＩｎＮ、Ａｌｎ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＮ又はこれらの組み合わせからなることを特徴とする請求項１から１９の何れか１項に記載の反応装置。
【請求項１】
少なくとも１つの基板上に薄膜を形成する反応装置であって、
第１の加熱ユニット及び第２の加熱ユニットを備え、
前記第１の加熱ユニットと前記第２の加熱ユニットとが向かい合うように配置して反応領域を形成し、前記第１の加熱ユニットの内側面と前記第２の加熱ユニットの内側面とにより角度が形成され、前記第１の加熱ユニットの温度と前記第２の加熱ユニットの温度とを個別に制御し、
前記第１の加熱ユニット上に前記少なくとも１つの基板を配置し、前記少なくとも１つの基板が前記第１の加熱ユニットと前記第２の加熱ユニットとの間に位置し、前記第１の加熱ユニット上の前記少なくとも１つの基板上に薄膜を形成することを特徴とする反応装置。
【請求項２】
前記第１の加熱ユニットと前記第２の加熱ユニットとからなる角度は調整可能なことを特徴とする請求項１に記載の反応装置。
【請求項３】
前記第１の加熱ユニットと前記第２の加熱ユニットとの間の最小距離は数μｍ〜３００ｍｍであることを特徴とする請求項２に記載の反応装置。
【請求項４】
前記第１の加熱ユニット及び前記第２の加熱ユニットは、接触式加熱方式又は非接触式加熱方式により温度を制御することを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の反応装置。
【請求項５】
前記第１の加熱ユニット及び前記第２の加熱ユニットは、液冷方式又は空冷方式を含む冷却方式により温度を制御することを特徴とする請求項４に記載の反応装置。
【請求項６】
前記第１の加熱ユニット及び前記第２の加熱ユニットは、感熱抵抗線加熱、高周波感応加熱、紫外線ランプ加熱、可視光線ランプ加熱又は遠赤外線ランプ加熱により温度を制御することを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の反応装置。
【請求項７】
前記基板は、ガラス基板、窒化ガリウム基板、酸化アルミニウム基板、炭化珪素基板、ガリウム砒素基板、リン化インジウム基板及びシリコン基板からなる群から選ばれることを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の反応装置。
【請求項８】
前記薄膜は、ＩＡ、ＩＩＡ、ＩＩＩＢ、ＩＶＢ、ＶＢ、ＶＩＢ、ＶＩＩＢ、ＶＩＩＩ、ＩＢ、ＩＩＢ、ＩＩＩＡ、ＩＶＡ、ＶＡ、ＶＩＡ、ＶＩＩＡ及びＶＩＩＩＡ族の元素で組成される１つの元素薄膜又は２元以上の薄膜からなることを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載の反応装置。
【請求項９】
前記薄膜には、ｐ型元素、ｎ型元素又は同価電性元素がドーピングされていることを特徴とする請求項１から８の何れか１項に記載の反応装置。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの基板は回転することを特徴とする請求項１から９の何れか１項に記載の反応装置。
【請求項１１】
個別に温度を制御する複数の第１の加熱ユニット及び複数の第２の加熱ユニットをさらに備えることを特徴とする請求項１から１０の何れか１項に記載の反応装置。
【請求項１２】
前記反応装置に反応物を入れるガス導入構造をさらに備えることを特徴とする請求項１から１１の何れか１項に記載の反応装置。
【請求項１３】
前記反応物は、前記第１の加熱ユニットと前記第２の加熱ユニットとの隙間から前記反応領域に入れられることを特徴とする請求項１２に記載の反応装置。
【請求項１４】
前記第１の加熱ユニット及び前記第２の加熱ユニットのうちの少なくとも何れか１つは、その中に形成された少なくとも１つのガスチャネルを含み、少なくとも一部又は全部の前記反応物が、前記少なくとも１つのガスチャネルを介して前記反応領域に入れられることを特徴とする請求項１２に記載の反応装置。
【請求項１５】
前記少なくとも１つのガスチャネルは、前記少なくとも一部の前記反応物がそれぞれ分かれて前記反応領域に入る複数のガスチャネルであることを特徴とする請求項１４に記載の反応装置。
【請求項１６】
前記第１の加熱ユニット及び前記第２の加熱ユニットに反応物が接触しないように、前記第１の加熱ユニット及び前記第２の加熱ユニットに配置される保護板構造をさらに備えることを特徴とする請求項１から１５の何れか１項に記載の反応装置。
【請求項１７】
前記第２の加熱ユニットの温度は、前記第１の加熱ユニットの温度より高いことを特徴とする請求項１から１６の何れか１項に記載の反応装置。
【請求項１８】
前記反応装置は化学気相成長反応装置であることを特徴とする請求項１から１７の何れか１項に記載の反応装置。
【請求項１９】
前記反応装置は有機金属化学気相成長反応装置であることを特徴とする請求項１から１８の何れか１項に記載の反応装置。
【請求項２０】
前記薄膜は、ＧａＮ、ＩｎＮ、Ａｌｎ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＮ又はこれらの組み合わせからなることを特徴とする請求項１から１９の何れか１項に記載の反応装置。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図２Ｄ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図４Ｄ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図５Ｄ】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図２Ｄ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図４Ｄ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図５Ｄ】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−１３９０１２（Ｐ２０１１−１３９０１２Ａ）
【公開日】平成２３年７月１４日（２０１１．７．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１１５６０１（Ｐ２０１０−１１５６０１）
【出願日】平成２２年５月１９日（２０１０．５．１９）
【出願人】（５９８１３９７４８）國立交通大學 (92)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年７月１４日（２０１１．７．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月１９日（２０１０．５．１９）
【出願人】（５９８１３９７４８）國立交通大學 (92)
【Ｆターム（参考）】
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