HVPE Edition
For growth of GaN, AlN, InN, AlGaN, InGaN crystals by HVPE method
ハイドライド気相成長法によるGaN, AlN, AlGaN単結晶気相成長専用エディション
ハイドライド気相成長法によるGaN, AlN, AlGaN単結晶気相成長専用エディション
製品概要
HVPE Editionは、GaN(窒化ガリウム)、AlN(窒化アルミニウム)、InN(窒化インジウム)、AlGaN(アルミガリウムナイトライド)、InGaN(インジウムガリウムナイトライド)のハイドライド気相成長(HVPE)専用のエディションです。GaN、AlN、AlGaNのバルク結晶、及びエピ成長プロセスに対応しています。
原料ガスは、GaソースとしてGaCl（塩化ガリウム）、AlソースとしてAlCl（塩化アルミニウム）、InソースとしてInCl(塩化インジウム)、N（窒素）ソースとしてアンモニア(NH3)を考慮しています。
また、Ga融液、Al固体、及びIn融液 に HCl（塩化水素）ガス、Cl2(塩素ガス) を供給して、融液表面でGaCl、AlCl、及びInClが発生する表面反応も考慮する事が出来ます。キャリアガスとしては、H2、N2、Ar を考慮する事が可能です。
また、基板での成長以外に、リアクター内壁（石英壁など）での寄生付着も考慮する事ができます。
HVPE法による長時間バルク結晶成長の場合、時間経過による結晶形状の変化が周囲環境（温度場、流場、濃度場）に与える影響を無視する事は出来ません。Virtual Reactor HVPE editionでは、長時間成長における結晶形状変化と伴に各時間の温度場や流れ場の計算が可能なため、より現実に近い現象をシミュレーションする事が出来ます。
成長カイネティクスとして、GaN単結晶成長、及び多結晶の寄生付着において、表面における水素と塩素のブロッキング効果を考慮することができます。また、全結晶種(GaN、AlN、InN、AlGaN、InGaN)の原料であるアンモニアの分解を考慮する事ができ、結晶表面の混合ガス組成をより精度よく見積もることが可能です。これらの表面カイネティクスを勘案することにより、結晶成長速度をより高精度に見積もることが可能です。
また、結晶内の熱応力、基底面転位密度の解析も行う事が可能です。従って、リアクタースケールの成長解析から結晶の品質に関する解析まで総合的に扱うことが可能です。
HVPE Editionではアドオンモジュールとして、以下をご用意しております。
・非定常解析モジュール：昇温工程（温度）、冷却工程（温度、残留応力）の非定常解析が出来ます。
原料ガスは、GaソースとしてGaCl（塩化ガリウム）、AlソースとしてAlCl（塩化アルミニウム）、InソースとしてInCl(塩化インジウム)、N（窒素）ソースとしてアンモニア(NH3)を考慮しています。
また、Ga融液、Al固体、及びIn融液 に HCl（塩化水素）ガス、Cl2(塩素ガス) を供給して、融液表面でGaCl、AlCl、及びInClが発生する表面反応も考慮する事が出来ます。キャリアガスとしては、H2、N2、Ar を考慮する事が可能です。
また、基板での成長以外に、リアクター内壁（石英壁など）での寄生付着も考慮する事ができます。
HVPE法による長時間バルク結晶成長の場合、時間経過による結晶形状の変化が周囲環境（温度場、流場、濃度場）に与える影響を無視する事は出来ません。Virtual Reactor HVPE editionでは、長時間成長における結晶形状変化と伴に各時間の温度場や流れ場の計算が可能なため、より現実に近い現象をシミュレーションする事が出来ます。
成長カイネティクスとして、GaN単結晶成長、及び多結晶の寄生付着において、表面における水素と塩素のブロッキング効果を考慮することができます。また、全結晶種(GaN、AlN、InN、AlGaN、InGaN)の原料であるアンモニアの分解を考慮する事ができ、結晶表面の混合ガス組成をより精度よく見積もることが可能です。これらの表面カイネティクスを勘案することにより、結晶成長速度をより高精度に見積もることが可能です。
また、結晶内の熱応力、基底面転位密度の解析も行う事が可能です。従って、リアクタースケールの成長解析から結晶の品質に関する解析まで総合的に扱うことが可能です。
HVPE Editionではアドオンモジュールとして、以下をご用意しております。
・非定常解析モジュール：昇温工程（温度）、冷却工程（温度、残留応力）の非定常解析が出来ます。
製品特長
■ソフトウェアの機能
HVPE Editionでは気相からのバルク結晶成長プロセスを支配している物理現象を計算モデルとして実装しており、温度分布、対流パターン、化学種濃度分布、熱応力分布、転位密度分布等の結晶成長の最適化において重要な物理量を求める事が出来ます。
結晶表面近傍は熱力学的平衡状態と仮定した準熱平衡モデルを基本としており、拡散・脱離律速の温度領域を考慮することが出来ます。
結晶表面近傍は熱力学的平衡状態と仮定した準熱平衡モデルを基本としており、拡散・脱離律速の温度領域を考慮することが出来ます。
図1. HVPE GaN の成長モデル
図2. リアクター内の温度分布
By Kenji Fujito et al., J. Cryst. Growth (2009)
By Kenji Fujito et al., J. Cryst. Growth (2009)
[出力結果]
HVPE Editionでは、以下の様な計算結果を出力する事が可能です。
・温度分布
・対流パターン
・気相中の化学種濃度分布(ガス分圧)
・気相中、結晶表面におけるV/III比分布
・nドーパント濃度分布（GaN成長のみ）
・結晶表面における成長速度分布、混晶組成（AlGaN成長の場合）、結晶形状
・各応力成分(ミゼス応力、主応力、せん断応力)
・結晶内基底面転位密度分布
・誘導コイルによるジュール発熱分布
・ヒーターパワー電力量 など
HVPE Editionでは、以下の様な計算結果を出力する事が可能です。
・温度分布
・対流パターン
・気相中の化学種濃度分布(ガス分圧)
・気相中、結晶表面におけるV/III比分布
・nドーパント濃度分布（GaN成長のみ）
・結晶表面における成長速度分布、混晶組成（AlGaN成長の場合）、結晶形状
・各応力成分(ミゼス応力、主応力、せん断応力)
・結晶内基底面転位密度分布
・誘導コイルによるジュール発熱分布
・ヒーターパワー電力量 など
図3. 成長層内の温度分布、及び対流パターン
図4.成長層内のGaCl濃度(左)、及びNH3濃度(右)
[計算モデル]
HVPE Editionでは、以下の様なリアクター内で起こっている物理現象をモデルとして実装しています。
・熱輻射、熱伝導、対流伝熱
熱輻射は、形態係数を用いたSurface to Surfaceモデルを使用して計算を行います。
また、熱伝導に関しては、固体の熱伝導率の異方性を考慮する事が出来ます。
・2波長バンドモデルにより固体内部輻射を考慮することが出来ます。
・抵抗加熱、または誘導加熱による加熱
・パワーの温度フィッティング
指定座標の温度が指定温度になるようにパワーを自動的に制御する機能が実装されています。従って、
より現実に近いプロセス制御を考慮する事が可能です。誘導加熱の場合は、実効電流の制御も可能です。
・化学種の多成分輸送(濃度拡散・対流による移流)
・SiH2Cl2ガスをソースとするSi(ドナー）の取り込みモデル
・結晶界面形状の経時変化、寄生付着多結晶形状の経時変化
結晶形状変化は、擬定常近似モデルを考慮して計算されます。
・結晶内熱応力、基底面転位の発生
・冷却プロセスにおける温度の変化、及び残留応力の発生 など
HVPE Editionでは、以下の様なリアクター内で起こっている物理現象をモデルとして実装しています。
・熱輻射、熱伝導、対流伝熱
熱輻射は、形態係数を用いたSurface to Surfaceモデルを使用して計算を行います。
また、熱伝導に関しては、固体の熱伝導率の異方性を考慮する事が出来ます。
・2波長バンドモデルにより固体内部輻射を考慮することが出来ます。
・抵抗加熱、または誘導加熱による加熱
・パワーの温度フィッティング
指定座標の温度が指定温度になるようにパワーを自動的に制御する機能が実装されています。従って、
より現実に近いプロセス制御を考慮する事が可能です。誘導加熱の場合は、実効電流の制御も可能です。
・化学種の多成分輸送(濃度拡散・対流による移流)
・SiH2Cl2ガスをソースとするSi(ドナー）の取り込みモデル
・結晶界面形状の経時変化、寄生付着多結晶形状の経時変化
結晶形状変化は、擬定常近似モデルを考慮して計算されます。
・結晶内熱応力、基底面転位の発生
・冷却プロセスにおける温度の変化、及び残留応力の発生 など
図5. 10時間成長後のGaN結晶形状と多結晶GaN結晶形状
図6. 垂直型リアクターにおける
誘導加熱発熱分布(左)、及び温度分布(右)
誘導加熱発熱分布(左)、及び温度分布(右)
図7. 成長速度のHClガス流量依存性
図8. 水平型リアクターにおける流速分布、及び対流パターン
図9. リアクター内のInCl3濃度(左)、CaCl3(中)、NH3濃度(右)
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図10. 垂直型リアクターにおける基板上のInGaN結晶成長速度、III/V比
解析事例
