JP2001048694A - ＧａＡｓ単結晶ウエハ及びＧａＡｓ液相エピタキシャルウエハ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 両性不純物のＳｉを用いてｎ型、ｐ型のＧａ
Ａｓ、ＡｌＧａＡｓ薄膜を｛１００｝ＧａＡｓ基板に成
長させるときｐｎ接合の高さが不適当であったり２重に
なったりした部分が発生しないようなＧａＡｓ基板を提
供すること。 【構成】 ｛１００｝から０．０２゜〜０．２゜傾斜し
たＧａＡｓ基板、および｛１００｝から０．０２゜〜
０．２゜傾斜したＧａＡｓ基板を使用し、Ｓｉ、ＧａＡ
ｓを含むＧａ溶液を用いｎ型、ｐ型のＡｌＧａＡｓ、Ｇ
ａＡｓ層を液相エピタキシャル成長させたエピタキシャ
ルウエハ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は赤外発光ダイオー
ドを製造するために用いられるＧａＡｓエピタキシャル
ウエハ（エピウエハと略す）に関する。赤外発光ダイオ
ード（ＬＥＤ）はＧａＡｓ基板の上に作製される。本発
明はＧａＡｓエピタキシャルウエハに関するが、実際に
は前段階に工夫がなされる。エピウエハだけでは説明で
きない。だからＧａＡｓデバイスの全製造工程を初めに
簡単に述べる。ＧａＡｓ単結晶インゴットはＧａＡｓ多
結晶（或いはＧａ原料とＡｓ原料から）から水平ブリッ
ジマン（ＨＢ）法、垂直ブリッジマン（ＶＢ）法、或い
は液体封止チョコラルスキー（ＬＥＣ）によって製造す
る。種結晶の方位によって製造される結晶の方位を制御
できる。この際低面指数方向、例えば｛１００｝方向、
あるいは｛１１１｝方向に成長させる。

【０００２】ここで個別面方位は（…）により、集合面
方位は｛…｝によって表現し、個別方向は［…］によ
り、集合方向は＜…＞によって表現する習わしである。
低面指数の方位から傾斜した表面を持つウエハはオフア
ングルウエハと呼ぶこともある。傾斜角Θをオフアング
ルということもある。

【０００３】インゴットを薄く切断したものがアズカッ
トウエハである。デバイスを製造した後チップに切断す
るが、自然の劈開を利用するためウエハは｛１００｝と
する事が多い。ＧａＡｓの劈開面は｛０−１−１｝だか
ら表面｛１００｝と直交し劈開面同士も直交するからで
ある。｛１００｝アズカットウエハを機械研磨、ラッピ
ング、エッチング等によってミラーウエハとする。Ｇａ
Ａｓのウエハの上に不純物を含むＧａＡｓ層、ＡｌＧａ
Ａｓ層を液相エピタキシーによって形成してエピタキシ
ャルウエハとする。ここまではウエハ製造業者によって
なされる。デバイス製造業者はエピウエハを購入して、
フォトリソグラフィ等により電極などを設けチップに切
り出しパッケージに収容して赤外ＬＥＤとする。

【０００４】本発明はエピウエハを製造する段階の改良
に関する。それも不純物の種類に限定がある。ＧａＡｓ
エピウエハを製造するにはｎ型不純物とｐ型不純物を異
なる層にドープするという方法もある。しかし、ここで
は両性の不純物であるＳｉをドープすることを前提にす
る。異なるｐ型、ｎ型不純物をドープする場合は問題に
ならないことがＳｉをドーパントとする場合に深刻な問
題となる。しかし、本発明はエピウエハの段階ではなさ
れず、その前のウエハ製造の段階でなされる。

【０００５】

【従来の技術】ＧａＡｓウエハはジャスト｛１００｝面
を持つものとして製造される。実際には誤差が伴うから
トレランスδをもたせた｛１００｝±δとして要求仕様
が与えられる。あくまで｛１００｝ジャストが最上であ
る。それから±δの方位の狂いは甘受するということで
ある。

【０００６】特開昭５７−１２２１号「モノリシック
複合半導体装置とその製造方法」出願人；富士通株式会
社、発明者；秋田健三、楳生逸雄は、気相エピには｛１
００｝から３度〜７度ずれたＧａＡｓウエハが好適で、
液相エピにはジャストのものが好適であり、ガンダイオ
ードは気相、受光素子発光素子は液相で製造した方がよ
いので、一つのＧａＡｓウエハの上に（１００）の面と
（１００）＋３゜〜７゜の面を交互に作ると言ってい
る。平坦面と傾斜面が混在するからウエハは段々になっ
てしまう。複雑なウエハである。傾斜面には気相エピで
ガンダイオード、平坦面には液相エピで受光素子を作る
としている。トレランスとして±０．５゜を与えてい
る。液相エピとしてはあくまで（１００）ウエハが最上
であり、ずれの角度として０．５゜までを許容するとい
うわけである。

【０００７】特開平７−３０２７４０号「液相エピタ
キシャル成長用ＧａＡｓ単結晶基板」出願人；住友電工
株式会社、信越半導体株式会社、発明者；笈田和彦、川
崎真は、従来のＧａＡｓ基板がトレランスとして±０．
５゜を許容してきたがそれは大きすぎる、０．５゜もず
れると表面が荒れるので望ましくないと言っている。
０．５゜にかえて０．２゜にトレランスを小さくすべき
だと主張する。Ｚｎドープｐ型（１００）ＧａＡｓ基板
で（１００）±０．２゜、Ｓｉドープｎ型（１００）±
０．２゜ＧａＡｓ基板というものを提案している。用途
は書いていないのでわからない。（１００）ジャストが
最上だという立場は変わらず、トレランスを狭くしてい
るだけである。

【０００８】特開平９−１８０５２号「エピタキシャ
ルウエハ及び発光ダイオード」出願人；日立電線株式会
社、発明者；柴田幸弥、水庭清治、佐々木幸男は、ｐ型
ＧａＡｓ基板の上にｐ型クラッド層、ｐ型活性層、ｎ型
クラッド層を積んで発光ダイオードを作ろうとする。裏
面反射型ＬＥＤのためにｐ型基板を用いると述べてい
る。ｐ型ＧａＡｓ基板の上にｐ型ＧａＡｌＡｓ層クラッ
ド層、ｐ型ＧａＡｌＡｓ活性層、ｎ型ＧａＡｌＡｓクラ
ッド層をエピタキシャル成長させＬＥＤ構造を作製した
後、ｐ型ＧａＡｓ基板を研磨除去したら裏面から光を取
り出すことができるようになる。にもｐ型ＧａＡｓ基
板の例が述べてある。ｐ型クラッド層が厚い（１００μ
ｍ以上）場合ｐ型基板が（１００）面ジャストである
と、テラスをともなった波模様のモフォロジーが現れる
と述べている。その原因として、（１００）ジャストの
場合、結晶核の縦方向の成長が横方向の成長より速いの
で表面が段々になるのだと言っている。

【０００９】「（１００）であると…、核が発生するた
めの階段部（キンク）が少なくなり、大きな過飽和度で
ないと成長しないが、大きな過飽和度の時に、一気に成
長した後成長が停止し、さらにまた過飽和度が満たされ
た時点で、再成長するというような間欠的な成長機構に
なる。」

【００１０】つまりｐ型基板にｐ型ＧａＡｌＡｓクラッ
ド層をエピタキシャル成長させるとき（１００）ジャス
トだとモフォロジーが悪く段々になると言っている。こ
れを防ぐために、ｂ軸［０１０］をａ軸［１００］方向
へ０．２５゜〜２゜傾け、ｃ軸［００１］をａ軸［１０
０］方向へ０゜〜２゜傾けたｐ型ＧａＡｓ基板を使うべ
きだと主張している。合計の傾きは０．２５゜〜２．８
゜である。こうするとエピタキシャル成長面（１００μ
ｍ以上のｐ型クラッド層）から波模様が消失したと述べ
ている。これはｐ型ＧａＡｓ基板に１００μｍ以上のｐ
型ＧａＡｌＡｓクラッド層を成長させる場合である。薄
いエピ層を液相エピで成長させる場合は（１００）基板
がよいし、ＭＯＶＰＥ（有機金属気相エピ）の場合は、
（１００）から１゜以上傾いたＧａＡｓ基板を使うべき
だと述べている。は含蓄の多い明細書であるが、ｐ型
ＧａＡｓ基板に薄い膜を液相エピ成長させる場合は表面
状態に関し、（１００）基板が最適だと言っているので
ある。

【００１１】特開昭５９−１１７１１１号「化合物半
導体の液相成長法」出願人；三菱電機株式会社、発明
者；田中利夫、十河敏夫、高宮三郎は、ｎ型ＧａＡｓ基
板の上に半導体レ−ザ（ＬＤ）を製造する場合の基板の
改良を提案する。Ｓｉドープｎ型ＧａＡｓ（１００）基
板の上にＴｅドープｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層、アン
ドープｎ型ＧａＡｓ活性層、Ｇｅドープｐ型ＡｌＧａＡ
ｓクラッド層、Ｇｅドープｐ型ＧａＡｓコンタクト層を
液相エピ成長させるが、表面が小波、鱗状に乱れるとい
うことを問題にする。

【００１２】さざなみ模様はｎ型ＧａＡｓ基板と、Ｔｅ
ドープｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層の間に発生するとし
ている。ＬＥＤではなくＬＤであるから表面のさざなみ
は問題である。（１００）ジャストで鱗状、小波状模様
が出るという。そこでＳｉドープｎ型ＧａＡｓ基板を
（１００）から１゜傾けるのが良いと言っている。（１
００）＋１゜のＳｉドープｎ型ＧａＡｓ基板の上に、Ｔ
ｅドープｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層を成長させた場
合、平坦な面となると述べている。一般に（１００）＋
０．２゜〜５゜が良いと言っている。

【００１３】特許第２９１４２４６号「エピタキシャ
ルウエハおよび半導体発光素子」出願人；昭和電工株式
会社、発明者；吉永敦は、ｎ型ＧａＡｓ基板の上にＳｉ
ドープＡｌＧａＡｓ層を液相エピタキシャル成長させ、
自然のドーパント反転によりｐｎ接合を作製してＬＤと
する際、ＧａＡｓ基板を（１００）から０．５゜〜５゜
傾けたものを用いるということを提案している。これは
〜と違い、両性不純物のＳｉを用いて１種類の不純
物によってｐｎ接合を作製している。この点で本発明と
共通する。ＧａＡｓ基板の面方位を（１００）からずら
す理由はイナズマ型サイリスタの発生を防ぐためである
とある。直線状のｐｎ接合から矢のように細いｐｎ接合
が斜め方向に飛び出した形状のｐｎ接合異常を、形状に
ちなんでイナズマ型と呼んでいる。ＧａＡｓ基板（１０
０）にＳｉをドーパントとするＡｌＧａＡｓ層を成長さ
せ、温度変化によってｎ型層とｐ型層を形成する自然反
転法によりエピウエハを作るが、（１００）ジャストの
場合イナズマ型サイリスタができてしまうという。ｐｎ
接合が２重になるから発光素子基板として使えない。こ
れを防ぐために基板の面方位を（１００）から０．５゜
〜５゜傾斜させるのである。５゜以上傾斜させるとエピ
表面に凹凸が発生して発光素子を作りにくいと述べてい
る。０．５゜より小さい傾斜角の場合、イナズマ型サイ
リスタが発生してしまうと述べている。０．５゜の場合
イナズマ型サイリスタはできるが、長さが５０μｍより
短いので差し支えないという。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】ＧａＡｓに伝導性を与
えるためのドーパントはＺｎ、Ｇｅ、Ｔｅなど幾つもあ
るが、それが置換する元素は決まっており伝導型はｐ型
あるいはｎ型というふうに一義的に決まる。しかし、Ｓ
ｉはＧａサイトを置換するとｎ型に、Ａｓサイトを置換
するとｐ型になる。温度によって、いずれになるかとい
うことを決めることができる。どちらにでもなるから両
性不純物という。温度によって伝導型が変わることを自
然反転とも呼ぶ。

【００１５】液相エピタキシャル法というのは原料を液
体状にして結晶を接触させ熱平衡状態で結晶成長させる
方法である。旧い方法であるが、ＬＥＤを作るには液相
エピタキシャル法が最適である。液相エピタキシャル法
にも幾つかの種類がある。縦型のエピ法は数多くのウエ
ハを水平にして上下に並べ容器に入れて容器に原料溶液
を流し込んで溶液とウエハを接触させる方法である。５
０枚〜１００枚程度のウエハを一度に処理できる（例、
特開昭５９−１２８２９８）。横型の液相エピタキシャ
ル法は、ウエハを収容した穴の有る板の上を適数の溶液
溜を有するスライダーが摺動してゆき、ウエハと溶液溜
を接触させて適当な温度にし液相で結晶成長を行う方法
である。スライダーの動きによってウエハと溶液を接触
させることができる。これら以外にも独自の方法がある
が、本発明はいずれの液相エピタキシャル法でも適用で
きる。

【００１６】本発明は赤外ＬＥＤ基板としてのＳｉドー
プＧａＡｓエピウエハを対象にする。ＡｌＧａＡｓ、Ｇ
ａＡｓに対してＳｉは両性不純物であって温度条件によ
りｎ型にもｐ型にもなる。高温でｎ型に低温でｐ型にな
る。液相エピによってＳｉをドープすれば温度変化によ
って自然にｐｎ接合を作る事ができる。ｎ型不純物、ｐ
型不純物の別々の溶液溜が不要であって装置構造を小さ
くできる。以下にＳｉドープＧａＡｓエピウエハの液相
エピタキシャルによる製造方法の概略を述べる。金属Ｇ
ａを溶媒とする。溶質は成長させるべき材料とドーパン
トであり、材料は飽和濃度になるように添加する。Ａｌ
ＧａＡｓ層を成長させる場合はＡｌＧａＡｓが溶質にな
る。どちらでも同じであるが、ここでは溶質はＧａＡｓ
として説明する。ドーパントはもちろんＳｉである。図
１はウエハ温度の時間変化を示すグラフである。

【００１７】［ＳｉドープＧａＡｓ−ＬＰＥ法］ １．横型の場合ｎ型ＧａＡｓウエハは、操作板のウエハ
収納穴に挿入してある。スライダーにはＧａＡｓ、Ｓｉ
を飽和濃度で溶解したＧａ溶液が収容される。ウエハと
Ｇａ溶液が離別した状態で炉を加熱して温度を上げる。
成長開始温度（例：９５０℃）に達してから一定時間の
後（点ａ〜ｂ）、スライダーを動かして、ＧａＡｓ及び
Ｓｉの飽和溶液とｎ型ＧａＡｓ基板を接触（点ｂ）させ
る。接触後１時間程度（ｂ〜ｃ）そのままの温度を維持
する。縦型の場合は、縦型カセットに１００枚程度のＧ
ａＡｓウエハが水平に収容してある。これを容器に入れ
て、加熱したＧａ溶液を供給することによってＧａ溶液
とＧａＡｓウエハを接触させる。横型縦型いずれでも温
度と膜形成に関してはほぼ同じことを行う。

【００１８】２．接触後、徐々に温度を低下させる。２
℃／分〜３℃／分程度である。Ｇａ溶液の飽和濃度が低
下するので、ＧａＡｓ基板にＳｉを不純物として含んだ
ＧａＡｓエピタキシャル層が析出する（点ｃｄ）。Ｇａ
Ａｓエピタキシャル層の中のＳｉは、温度が高いときは
主として結晶中でＧａの位置に入るため、ドナーとな
る。エピタキシャル層はｎ型となる。ｎ型ＧａＡｓエピ
層が成長する。ＧａＡｓウエハにＧａＡｓとＳｉ成分が
吸収され、溶液中のＧａＡｓ、Ｓｉ濃度が下がる。温度
を下げていくと、ＧａＡｓの飽和濃度も下がる。エピ成
長によって下がるＧａＡｓ濃度と飽和濃度が等しくなる
ような温度制御をすれば恒に飽和を維持しながら液相成
長させることができる。

【００１９】３．やがてｅ点で反転温度Ｔｃ（約８５０
℃）に至る。ｃ〜ｅ間は約１時間ぐらいである。ここで
Ｓｉの役割が反転する。これまでに成長したＧａＡｓは
ｎ型、これから成長するのはｐ型ＧａＡｓになる。だか
ら時刻ｅで露呈しているＧａＡｓ面がｐｎ接合になるの
である。

【００２０】４．ＧａＡｓエピタキシャル層中のＳｉは
温度Ｔが低い時（Ｔ＜Ｔｃ）は主として結晶中でＡｓの
位置に入るためアクセプタとなる。エピタキシャル層は
ｐ型となる。線ｅｆｇというように温度が下がり、その
間にｐ型のＧａＡｓ層が成長する。

【００２１】５．所定の温度（Ｔｇ）まで冷却し、Ｇａ
溶液とＧａＡｓ基板を分離させる（ｇ点）。この時点で
成長は終了する。エピタキシャル層内にｐｎ接合が形成
されたウエハが得られる。

【００２２】液相エピタキシャル（ＬＰＥ）法、ＧａＡ
ｓ｛１００｝面上で上記のような成長を行う場合、基板
の面方位が｛１００｝から大きくずれている場合は、成
長後のエピタキシャル層表面にステップバンチングによ
る凹凸が形成される。この凹凸の存在によってウエハへ
の電極の形成が困難になる。だからＧａＡｓ基板成長面
はなるべく｛１００｝面に近いものを使用してきた。誤
差のあるのは仕方がないが、最良の基板面方位は｛１０
０｝なのである。より具体的にはＧａＡｓインゴットを
切断して基板を製作するとき、切断面の狙い中心は｛１
００｝ジャストの面とされてきた（例、特開平７−３０
２７４０号）。

【００２３】（１００）ジャストの基板を使用したエピ
タキシャルウエハの断面を観察すると図２のようになっ
ていることが分かった。これは一例にすぎず様々の場合
がある。ｎ型ＧａＡｓ基板の上にｎ型ＧａＡｓ層が形成
され、さらにその上にｐ型ＧａＡｓ層がある。線ｍ線ｑ
に挟まれる部分がＧａＡｓ基板である。線ｑｒに挟まれ
る部分がｎ型ＧａＡｓ層である。線ｒｓに挟まれる部分
がｐ型ＧａＡｓ層である。正常の場合線ｒは直線でなけ
ればならない。ところが、（１００）ジャストの基板を
使用したエピタキシャルウエハの場合線ｒは折れ線ＥＦ
ＧＨＩＪのように折れ曲がっている。

【００２４】正常の場合ｎ型ＧａＡｓ層の厚みｑｒは３
６μｍである。ｐ型ＧａＡｓ層の厚みは４２μｍであ
る。つまり表面からｐｎ接合の深さは４２μｍである。
ところが、ＧＨの部分ではｐｎ接合がもっと上に偏って
おり表面から２０μｍになっている。代わりにｎ型層が
厚くて５６μｍとなっている。ＧＨにおいてｐｎ接合が
２０μｍ上にずれているのである。厚み合計が２μｍく
い違うが、測定誤差である。中央のｐｎ接合が１重の部
分（ＦＩ間）ではｐｎ接合の高さが所定の値からずれて
いる。これは電極を付ければＬＥＤとなり得る。その両
側の折れ線ＧＦ、ＩＨの部分はもっと致命的な欠陥にな
っている。ｐｎ接合が３重になっておりｎ型層の間にｐ
型層が一部入り組んでいる。ｐ型層の間にｎ型層が一部
侵入している。電極を付けてＬＥＤとした場合、面と直
角な方向に電圧が掛かるがＧＦ、ＨＩの部分は３重のｐ
ｎ接合のために、ｎｐｎｐという複雑な構造になる。Ｌ
ＥＤとするためにｐ電極に正、ｎ電極に負の電圧を掛け
ても中間のｐｎ接合が逆バイアスされて電流が流れな
い。電流が流れないから電子正孔対が作られない。バン
ド間遷移が起こらないので発光しない。ｎｐｎｐ構造は
サイリスタの構造と同じであるからサイリスタ構造と呼
ぶことがある。

【００２５】サイリスタ部分のＧＦ、ＩＨは不良であ
る。この例ではＧＦの広さは６００μｍ、ＨＩは９００
μｍである。中間のＦＩはサイリスタでなくてｐｎ接合
の深さが狂っているだけであるが、やはり不良である。
その部分は２１００μｍの広さがあった。するとｐｎ接
合異常による不良部分の長さＧＨはこの例では３６００
μｍということになる。

【００２６】このようなエピウエハの不良は特に｛１０
０｝±０．０２゜未満の面方位を持った基板でエピタキ
シャル成長すると多く現れる。ここで０．０２゜という
のはトレランスであり理想値は｛１００｝ジャストなの
である。

【００２７】

【課題を解決するための手段】本発明は、Ｓｉをドーパ
ントとして液相エピタキシャル法によってｐｎ接合を有
するエピタキシャルウエハを製造するための単結晶Ｇａ
Ａｓ基板として｛１００｝からの傾き角Θが０．０２゜
〜０．２゜であるものを用いるようにする（０．０２゜
≦Θ≦０．２゜）。ｎ型ＧａＡｓインゴットからウエハ
を切り出す時に｛１００｝ジャストを目指すのではなく
て、｛１００｝から斜めに０．０２゜〜０．２゜の面で
切断するようにするのである。傾ける方位は［１１０］
でも［１０１］の方でも［１１１］の方位でも良い。ど
の方位も同等である。傾き角Θを増やすとこのような不
良部分の発生頻度が低下する。０．１０゜以上で殆ど０
であると言える。０．２゜以上なら完全に発生頻度は０
である。

【００２８】しかし、傾斜角Θが大きいと表面のステッ
プが著しくなり、ＬＥＤの電極を製作するのが難しくな
る。ウエハプロセスを円滑に行うためには、やはり傾斜
角Θは小さい方がよい。それで傾斜の上限は０．２゜程
度とする。ｐｎ接合異常発生を抑制する効果のあるのは
０．０２゜以上のΘである。角度をこのように指定する
が、実際には製造誤差がありトレランスを与える必要が
ある。トレランスαを規定するのはインゴット切断装置
や技術力によるが、本発明の場合インゴット切断の狙い
角はトレランスα分を考慮して、０．０２゜＋αから
０．２゜−αだということになる。

【００２９】

【発明の実施の形態】ＧａＡｓインゴットを切断するに
際し、（１００）ジャストから０．０１゜ずつ傾斜角Θ
を０．２５゜まで増やしたウエハを切り出し、Ｓｉドー
プＧａＡｓ層をエピタキシャル成長させｐｎ接合楔構造
の出現する頻度を調べた。図４にその結果を示す。縦軸
はΘであり、０〜０．２５゜の間で、０．０１゜刻みで
測定がなされている。横軸は楔型ｐｎ接合の発生率
（％）である。ウエハの全面において一つでもｐｎ接合
の異常があれば、それは１枚と数える。ｐｎ接合異常部
の面積の大小に拘らず１つとするのである。

【００３０】基板面方位が（１００）ジャストの場合３
２％という高い楔型ｐｎ接合発生率であった。（１０
０）±０．０１゜の時にもｐｎくさびの発生率が高く２
７％もある。（１００）±０．０２゜で８％であった。
傾斜Θが０．０２゜を越えると楔型ｐｎ接合の発生率が
大幅に低下した。Θが０．０４゜で１％程度である。Θ
が０．０５゜の場合に０．４％に低下する。０．０２゜
を越え０．２５゜までｐｎ接合楔の発生は殆ど見られな
かった。

【００３１】このように基板面方位が（１００）からず
れるほどｐｎ接合異常は少なくなる。しかし、基板の面
方位が０．２゜を越えるとエピタキシャル表面が荒れ電
極形成などが困難になる。傾きが大きいと基板表面の原
子ステップの数が多くなり過ぎるため、エピタキシャル
成長中にステップのバンチング（ひどく混み合う状態）
が生じる。エピタキシャル成長終了後のエピタキシャル
層表面にうろこ模様と、凹凸が発生する。このような荒
れた表面状態では電極の形成が難しい。

【００３２】以上の結果より、ｐｎ界面にくさび構造を
生じさせず、かつ表面状態の良好な液層エピタキシャル
ウエハを得るためには、基板面方位を｛１００｝面から
０．０２゜〜０．２゜の角度を成すように切り出せばよ
いということが分かった。

【００３３】上記のような異常なｐｎ接合構造が形成さ
れる原因はいまだに明確でない。本発明者の推測を述べ
ると次のようである。（１００）ウエハの上のエピタキ
シャル成長の有り様を描いた図３によって説明する。

【００３４】（１）横成長 ウエハの表面をＡＢＣＤとする。（１００）ジャストの
ウエハといっても全体で方位が（１００）なのでなく方
位が揺らいでいる。図３において中央部ＢＣは（１０
０）ジャストである。その両側ＡＢ、ＣＤは（１００）
から少しずれているとする。同じ基板面上でも格子の彎
曲ウエハの歪によって結晶方位が一様でない。ここでは
２乗歪があるものとしている。側方において基板方位が
僅かでも（１００）面から傾斜していると、その表面に
は無数の原子１個分の高さのステップ（階段）が存在す
る。ステップの上面は（１００）である。高さＨは原子
１個分であるが、奥行きＳは１／Θ個分の原子が並ぶよ
うな幅を持っている。

【００３５】液相エピタキシャル法において、Ｇａ溶液
に飽和濃度のＧａＡｓ、Ｓｉが含まれるようにしている
から、系の温度が下がるにつれてＧａ溶液はＧａＡｓ、
Ｓｉなどの溶質に対し過飽和となる。その分のＧａＡ
ｓ、Ｓｉが原子ステップの端（段部）から基板に取り付
いてステップを広げるように結晶成長してゆく。それぞ
れのステップが横方向に伸びるような成長をするのであ
る。段部から離れて孤立してＧａＡｓ原子やＳｉ原子が
吸着されることはない。ＧａＡｓ基板上に析出してエピ
タキシャル層を形成するが、その時析出する物質はまず
原子ステップに取り付いて成長する。そのためステップ
は析出物質（ＧａＡｓ、Ｓｉ）を取り込みながら横方向
に成長してゆく。その横成長が積み重なることによって
厚みをもったエピタキシャル層が形成される。

【００３６】（２）縦成長 （１００）ジャストの部分ＢＣにおいては成長開始しや
すい原子ステップが存在しない。だから（１００）の上
にはなかなかＧａＡｓが析出しない。飽和濃度では（１
００）に析出が起こらず、過飽和になるまで（１００）
面はそのままである。そのため、ステップがある場合に
比べてより高い飽和度が必要となる。ある一定の飽和度
に達すると、縦方向への成長が始まる。

【００３７】縦成長と横成長の両者を比較すると段部な
しの部分に吸着されるのだから、縦成長するためのエネ
ルギーは横成長に必要なエネルギーよりも高いと推定さ
れる。そのため縦成長部では添加不純物であるＳｉをＧ
ａＡｓ中のＧａサイトにいれることによって、エネルギ
ーを低下させていると考えられる。つまり、Ｓｉはｎ型
ドーパントとなる。傾斜部ＡＢ、ＣＤでも初めは温度が
高いからＳｉはｎ型ドーパントである。ジャスト部ＢＣ
では縦成長が劣勢であるのに、傾斜部ＡＢとＣＤでは横
成長が速い速度で行われる。この横成長は外側に向かう
積層成長である。傾斜面の傾斜Θがきつい程、段の密度
（Θに比例する）が高く横成長も速い。ＢＣで成長が遅
く、その両側で速いということは中央の平坦部ＢＣが徐
々に広がって行くということである。ＢＣの長さが両側
に拡大してゆくが、ＢＣ上での成長困難性は続く。やが
て温度が反転温度Ｔｃに達する。傾斜部ＡＢ、ＣＤでは
ＳｉがＡｓサイトを置換するようになる。ところが、平
坦部ＢＣでは成長速度は遅くて過飽和になって初めてＳ
ｉが表面に吸着されるから依然としてＳｉはＧａを置換
しｎ型となる。

【００３８】同一基板上であるのに平坦部ＢＣではｎ
型、傾斜部ＡＢ、ＣＤではｐ型となる。しかもＢＣ部は
徐々に両側に拡大して行く。ＢＣ部ではＳｉはｎ型ドー
パントになり、ＡＢ、ＣＤ部ではＳｉはｐ型となる。Ａ
Ｂ、ＣＤは両側に後退し、ＢＣは広がる。ということは
ＢＣのｎ型が拡大するということである。溶液の温度が
下がっているにもかかわらず、ＢＣ付近のｎ型域が広が
りｐ型部分が狭くなる。そのような異常な成長運動が図
２の楔型ｐｎ接合ＦＧＨＩを形成するようになる。より
厳密に議論しよう。横方向の成長速度をｗとし、縦方向
の成長速度をｕとする。ｗは段からの横方向の成長であ
るからより高速である。ｕはＢＣ面での過飽和を解消す
るための成長であるから低速である。これは当然に温度
Ｔにもよる。過飽和は不安定な状態であり、過飽和を保
持できる温度には限界があるからである。時間ｄｔでＢ
点は横方向（−ｘ方向）にｗｄｔ移動し、縦方向（ｙ方
向）にｕｄｔだけ移動する。Ｂ点やＣ点の移動が図２の
線分ＦＧ、ＩＨを決めるのである。だから、線分ＦＧ、
ＩＨの傾角はｔａｎ^−１（ｕ／ｗ）である。

【００３９】温度降下が進んで平坦部ＢＣにおいてもＳ
ｉがＧａを置換できずＡｓを置換するようになる。その
時にＢＣにおけるｐｎ接合ＧＨが形成される。このよう
にして図２の楔型のｐｎ接合異常が形成される。

【００４０】このような推論がもしも正しいとすれば、
図３のような結晶方位の２乗歪をなくせば良いというこ
とになる。平坦部ＢＣが初めからなければ良いのであ
る。そうするにはＢＣの両側のＡＢ、ＣＤが同一方向に
段部を持つようになれば良い。図３のような形状は実際
に存在することもあるが、結晶格子の下向きの歪（上向
きでなく）によって幾何学的な平面表面にも存在するこ
とができる。ミラーウエハは平坦で外見上歪みがないよ
うに見えても格子歪が存在するものである。

【００４１】それでＧａＡｓ基板表面を初めから（１０
０）面に対して有る程度傾けておけば図３のような平坦
面ＢＣが存在しないから異常な成長は起こらない筈であ
る。何度傾けるか？ということは実験によらなければ分
からない事である。図４に示した実験はＧａＡｓウエハ
約１万枚についてのものであるが、０．０２゜の面方位
の傾斜によって殆どｐｎ接合異常が起こらなくなってい
る。それは図３において傾斜部ＡＢ、ＣＤの（１００）
面に対する傾斜角の最大値が０．０２゜程度だというこ
とを意味する。すると図３のような微視的な断面図にお
いて段部が両側になく、ただ一方だけに生じるから横成
長だけが起こり、縦成長が起こらなくなる。つまり過飽
和という状態もなくなる。だから温度とＳｉの伝導性の
反転の関係も一義的になる。

【００４２】本発明は楔型のｐｎ接合異常を消去するた
めにＧａＡｓ基板を｛１００｝から０．０２゜〜０．２
゜傾斜させた表面をもつものにする。より好ましくは、
０．０３゜〜０．１５゜傾斜させた表面をもつものとす
る。つまり｛１００｝からのオフアングルΘを、０．０
２゜≦Θ≦０．２゜とするのである。先に従来技術とし
て挙げた（特許第２９１４２４６号）が問題になる。
もＳｉドープｎ型、ｐ型のＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ薄
膜のｐｎ接合の異常を問題にする。ｐｎ接合異常をは
イナズマ型サイリスタ構造と呼んでいる。図５にイナズ
マ型サイリスタといっているものを図示した。はイナ
ズマ型サイリスタの出現を防ぐため、０．５゜〜５゜の
オフアングルＧａＡｓ基板を提案している。本発明もｐ
ｎ接合異常を防ぐため基板のオフアングルを提案してい
る。がその角度が著しく異なる。本発明は０．０２゜〜
０．２゜をよしとしている。上限の０．２゜というのは
表面の荒れ、つまりステップの増加を防ぐために与えて
いる。それ以上になると表面の凹凸が甚だしくなって電
極形成などに悪影響を及ぼす。はΘの下限を０．５゜
としているが、それはエピウエハ表面に凹凸を引き起こ
し好ましくないと本発明者は考える。

【００４３】どうして基板オフアングルの角度範囲に相
違があるのか？それは対象になるｐｎ接合異常が違うか
らである。図５にのイナズマ型サイリスタの定義を示
す。図６はイナズマ型サイリスタの生成を説明するため
の図である。は図６に示すように初めから全体で結晶
方位が傾斜している場合を想定している。本発明の図３
に示すような中央平坦部ＢＣのようなものは考えていな
い。先に本発明において、図２のＦＧの傾きはｔａｎ
^−１（ｕ／ｗ）であると述べた。ｕはＢＣの縦成長速
度、ｗは段での横成長速度である。本発明ではｐｎ接合
の傾斜角は一義的に決まる。ｔａｎ^−１（ｕ／ｗ）しか
ないのである。過飽和の終了によって水平のｐｎ接合Ｇ
Ｈが生成されると、これとＧＦの交角もｔａｎ^−１（ｕ
／ｗ）である。ＧＨはＥＦに平行だからである。ｐｎ接
合の傾斜が一つしかないので、本発明の場合はイナズマ
型のサイリスタが発生しない。本発明が主に問題にする
のは｛１００｝ジャストＢＣの上方にできるエピ厚異常
ＦＩ（２１００μｍ）なのであり、両側のサイリスタＩ
Ｈ、ＧＦはこれに付随するものである。つまり、二次曲
線ｙ＝−βｘ^２のｘ＝０の近傍での傾斜だけを問題にす
る。｛１００｝ジャスト部ＢＣの直径をｄとすると、
｛１００｝ジャスト部ＢＣ左での面の傾きは−βｄ、右
での面の傾きは＋βｄとなる。異なる向きの傾きが有っ
てはいけないので、本発明はウエハを初めから｛１０
０｝よりβｄだけずらせるのである。

【００４４】はそうでなくて平坦部ＢＣのようなもの
はない。図６のような傾斜面であるが、異なる幅の平坦
部が傾斜の中に上下二つあるのである。二つの平坦部の
間には段が存在しないとする。だから、その間で飽和成
長（ｐ型層成長）が起こらないとする。上平坦部での縦
方向成長速度ｕ_１と下平坦部での縦方向成長速度ｕ_２と
いうものがある。過飽和度は上平坦部の方が低いのでｕ
_１はより小さい。ｕ_１＜ｕ_２である。それぞれの平坦部
はｕとｗの違いで斜め上に成長してゆくが、その角度は
ｔａｎ^−１（ｕ_１／ｗ）とｔａｎ^−１（ｕ_２／ｗ）であ
る。この傾斜が図５のイナズマ型ｐｎ接合の二つの線分
の角度を与えるのである。ｔａｎ^−１（ｕ_１／ｗ）＜ｔ
ａｎ^−１（ｕ_２／ｗ）であるから二つの線はやがて交わ
る。それが図５のイナズマ型サイリスタの終点である。
はだから二次曲線ｙ＝−βｘ^２において初めからｘ＞
０の領域を問題にしている。イナズマ型サイリスタの範
囲をｘ＝ｃ〜ｃ＋ｄとする（ｄはサイリスタ始点での
幅）とこれを傾けて同じ高さにしようとするのでｃ＋ｄ
／２での傾きβ（２ｃ＋ｄ）だけ反対側に傾けると良
い。イナズマ型サイリスタの始点での幅は様々である。
サイリスタの頂点ｘ＝０からのずれをｃとするが、これ
が本発明のｐｎ接合異常の初期幅ＦＩとほぼ同等とする
と、が必要とする傾斜角は、本発明の２倍以上だとい
うことになる。

【００４５】このような訳では好ましい傾斜角が０．
５゜〜５゜となり、本発明の０．０２゜〜０．２゜とは
顕著に食い違うのだろうと思われる。要するにｐｎ接合
異常といってもと本発明では異なるｐｎ接合異常を見
ているのである。はイナズマ型サイリスタをつくる極
めて希なｐｎ接合の異常を問題にし、本発明はむしろ図
２のＦＩ間のような厚み異常を重視しているのである。
その成因は相違し、それを回避する手段も異なる。だか
ら好ましい傾斜角が相違するのはむしろ当たり前という
ことができよう。

【００４６】

【発明の効果】｛１００｝面から０．０２゜〜０．２゜
のオフアングルのＧａＡｓ単結晶基板を用いてＳｉドー
プＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓを液相エピタキシャル成長さ
せる。オフアングルのために楔型ｐｎ接合異常が発生し
ない。また０．２゜以下の小さなオフアングルであるか
ら表面の荒れは無視できる程度である。電極形成の妨げ
になることはない。ＧａＡｓエピタキシャルウエハのＬ
ＥＤ基板としての利用効率を著しく高めることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】両性不純物であるＳｉをドーパントとして含む
ＧａＡｓ薄膜を液相エピタキシャル法で成長させるとき
の温度制御図。横軸が時間で縦軸が温度である。

【図２】液相エピタキシャル成長させたエピウエハの断
面のｐｎ接合図。

【図３】ステップと段を有するＧａＡｓ（１００）基板
の面上からのＧａＡｓ薄膜の液相エピ成長を説明するた
めの説明図。

【図４】｛１００｝からのズレ角（オフアングル）を０
゜〜０．２５゜まで０．０１゜刻みになるようなＧａＡ
ｓ基板を切り出して、その上にＳｉドープＧａＡｓ薄膜
を成長させ楔型ｐｎ接合が出現したウエハの割合を測定
した結果を示すグラフ。横軸が楔型ｐｎ接合の出現頻度
（％）、縦軸が｛１００｝からのズレ角。

【図５】特許第２９１４２４６号の図１に記載されたイ
ナズマ型サイリスタを説明するためのエピウエハ断面
図。

【図６】特許第２９１４２４６号の図３に記載されたエ
ピ成長の方向と原子ステップの成長方向を説明するため
のＧａＡｓウエハの断面図。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｓｉをドーパントとしてｎ型とｐ型のＧ
   ａＡｓ又はＡｌＧａＡｓ薄膜を液相エピタキシャル成長
   させるためのＧａＡｓ単結晶基板であって、｛１００｝
   面から０．０２゜〜０．２゜傾斜していることを特徴と
   するＧａＡｓ単結晶ウエハ。
2. 【請求項２】 Ｓｉをドーパントとしてｎ型とｐ型のＧ
   ａＡｓ又はＡｌＧａＡｓ薄膜を液相エピタキシャル成長
   させるためのＧａＡｓ単結晶基板であって、｛１００｝
   面から０．０３゜〜０．１５゜傾斜していることを特徴
   とする請求項１に記載のＧａＡｓ単結晶ウエハ。
3. 【請求項３】 ｛１００｝面から０．０２゜〜０．２゜
   傾斜しているＧａＡｓ単結晶ウエハの上にＳｉをドーパ
   ントとしてｎ型とｐ型のＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓ薄膜
   を液相エピタキシャル成長させたことを特徴とするＧａ
   Ａｓ液相エピタキシャルウエハ。
4. 【請求項４】 ｛１００｝面から０．０３゜〜０．１５
   ゜傾斜しているＧａＡｓ単結晶ウエハの上にＳｉをドー
   パントとしてｎ型とｐ型のＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓ薄
   膜を液相エピタキシャル成長させたことを特徴とする請
   求項３に記載のＧａＡｓ液相エピタキシャルウエハ。