JP2006134967A

JP2006134967A - 半導体層の組成制御方法

Info

Publication number: JP2006134967A
Application number: JP2004319930A
Authority: JP
Inventors: Kazuaki Sasaki; 和明佐々木
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2004-11-02
Filing date: 2004-11-02
Publication date: 2006-05-25

Abstract

【課題】Ｉｎを化合物半導体層の良好な組成制御を行える半導体層の組成制御方法を提供する。
【解決手段】有機金属気相成長装置を用いて、Ｉｎを含む材料ガスをＧａＡｓ基板１１に供給することにより、Ｉｎを含む化合物半導体層をＧａＡｓ基板１１上に形成する際に、材料ガスによってサセプタ１の中央部に堆積した堆積物の量を求め、求められた堆積物の量に応じて、材料ガスが含むＩｎの供給量を変更する。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は半導体層の組成制御方法に関する。

近年、化合物半導体を用いた電子デバイス、発光デバイスが様々な用途に用いられている。特に、可視光域で発光するＬＥＤ（発光ダイオード）が注目されており、屋内外の表示デバイスとして普及している。

可視光域で発光するＬＥＤとしては、ＡｌＧａＩｎＰ系材料で構成されたＬＥＤが知られており、例えば特許第３３７６８０９号公報（特許文献１）に記載された構成の有機金属気相成長装置で量産されるものがある。

図１Ａに、上記特許文献１の有機金属気相成長装置に類似する従来の有機金属気相成長装置の要部の模式断面図を示す。また、図１Ｂに、上記従来の有機金属気相成長装置のサセプタの模式平面図を示す。

上記従来の有機金属気相成長装置では、図１Ａに示すように、ｎ−ＧａＡｓ基板１１を搭載するカーボン製のサセプタ１がチャンバ５内に配置され、サセプタ１の中央部の上方に材料ガス導入口２が設けられ、サセプタ１の下方にＩＲ（赤外）ランプなどの加熱機構３が設置されている。また、上記基板１１は、図１Ｂに示すように、サセプタ１上に同心円状に配置されたカーボン製のディスク４（図１Ａでは図示を省略）の上に置かれており、材料ガス導入口２からチャンバ５内に吹き出したガスはサセプタ１の中央部上から径方向外側に向かって流れる。

詳述はしないが、上記従来の有機金属気相成長装置には、ディスク４を公転かつ自転させることができる機構が設けられている。また、図１Ａでは、材料ガス導入口２に繋がるシリンダや、このシリンダの温度を制御する恒温槽などの図示を省略している。

図２に、上記従来の有機金属気相成長装置で作られるＬＥＤの模式断面図を示す。

上記ＬＥＤは、ｎ−ＧａＡｓ基板１１上に、ｎ−ＡｌＩｎＰクラッド層１２（厚さ０．７５μｍ、Ｓｉドープ：５×１０¹⁷ｃｍ^-3）、（Ａ１_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＰ活性層１３（厚さ０．５μｍ、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）、ｐ−ＡｌＩｎＰクラッド層１４（厚さ０．７５μｍ、Ｚｎドープ：５×１０¹⁷ｃｍ^-3）、ｐ−ＡｌＧａＡｓ電流拡散層１５（厚さ６μｍ、Ｚｎドープ：３×１０¹⁸ｃｍ^-3）がこの順で積層されている。

上記クラッド層１２から電流拡散層１５までのトータル厚は８μｍである。

上記ＬＥＤの層は、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＤＥＺ（ジエチルジンク）などの有機金属と、アルシン（ＡｓＨ₃）、ホスフィン（ＰＨ₃）などのハイドライドガスとを用いて成長される。その際、発光波長、すなわち活性層の組成はＴＭＧ、ＴＭＡおよびＴＭＩの供給流量で決まる。

例えば発光波長５７０ｎｍのＬＥＤを得る場合、活性層１３の組成比は概ねｘ＝０.４、ｙ＝０.５であり、活性層１３の成長条件は条件出しの結果、下記となった。

ＴＭＧ：バブリング流量７.０ｃｃｍ、恒温槽制御圧力０.１ＭＰａ、制御温度５.０℃
ＴＭＡ：バブリング流量３９.６ｃｃｍ、恒温槽制御圧力０.１ＭＰａ、制御温度１７.０℃
ＴＭＩ：バブリング流量３２０.９ｃｃｍ、恒温槽制御圧力０.０２５ＭＰａ、制御温度１７.０℃
ＰＨ₃：１０００ｃｃｍ

しかしながら、上記条件で発光波長５７０ｎｍが得られるのは、図１Ａ，図１Ｂの有機金属気相成長装置を用いて基板上換算でトータル成膜厚が２５μｍ以上１６０μｍ以下の間だけである。つまり、一度も成膜に用いられていないサセプタ１を用いて図２のＬＥＤを繰り返し形成して行くとき、３回目〜２０回目に作製したＬＥＤだけが発光波長５７０ｎｍとなる。このとき、全く成膜を行っていない成膜を行っていないサセプタ１を用いて作製したＬＥＤ、つまり、１回目に作製したＬＥＤは、発光波長が５６４ｎｍとねらいから６ｎｍも短くなる。また、上記トータル成膜厚が２００μｍとなるＬＥＤ、つまり、２５回目に作製したＬＥＤは、発光波長が５７５ｎｍとねらいから５ｎｍ長くなった。

発光波長のねらいが５７０ｎｍの場合、発光波長がねらいから２ｎｍずれると見え方が微妙に異なり違和感が生じることが指摘されている。したがって、発光波長の制御性は、ねらいの発光波長に対して−１ｎｍ以上＋１以下であることが必要で、願わくば、ねらいの発光波長に対して−０.５ｎｍ以上＋０.５以下であることが望まれている。

発光波長が５６６ｎｍになったウエハをＸ線回折装置で調べたところ、ＧａＡｓ基板１１に対する活性層１３の格子整合率は−０.０４％であった。この格子整合率は、通常の場合（発光波長５７０ｎｍが得られる場合）が０.２０％であるのに比べてＩｎが少ない方向にずれている。発光波長が５７４ｎｍになったウエハをＸ線回折装置で調べたところ、ＧａＡｓ基板１１に対する格子整合率は０.４０％であった。この格子整合率は、通常の場合（発光波長５７０ｎｍが得られる場合）が０.２０％であるのに比べてＩｎが多い方向にずれている。

また、上記サセプタ１の中央部（基板１１のガス上流側部）の表面に堆積した堆積物の表面を削り取って組成分析を行ったところ、１回目のＬＥＤを作製した直後では、Ｉｎの量がＧａとＡｌの合計量に比べて１.５倍程度多いことが分かった。この分析の結果より、上記サセプタ１の中央部でＩｎが予想以上に消費されたため、成膜内のＩｎ取り込み量が減り、発光波長が短くなったものと判断した。

また、上記トータル成膜厚が２００μｍ以上の場合、上記堆積物では、Ｉｎの量がＧａとＡｌの合計量に比べて０.７５倍程度少ないことが分かった。これにより、上記サセプタ１の中央部でＩｎが蒸発して基板１１へ供給されたため、成膜内のＩｎ取り込み量が増え、発光波長が長くなったものと判断した。

なお、上記トータル成膜厚が２５μｍ以上１６０μｍ以下では、サセプタ１の中央部での堆積物のＩｎ量はＧａとＡｌの合計量にほぼ等しかった。

すなわち、上記従来の有機金属気相成長装置では、トータル成膜厚が概ね２００μｍに達した時点で、サセプタ１を一度も成膜に用いられていないもの交換した後、成膜を再開するという運用を行うが、常時、トータル成膜厚が２５μｍに達するまでと、１６０μｍを超えた後とでは、発光波長がねらいよりずれて不良を出すという問題があった。
特許第３３７６８０９号公報

そこで、本発明の課題は、Ｉｎを化合物半導体層の良好な組成制御を行える半導体層の組成制御方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の半導体層の組成制御方法は、
有機金属気相成長装置を用いて、Ｉｎを含む材料ガスを基板に供給することにより、Ｉｎを含む化合物半導体層を上記基板上に形成する際に、上記材料ガスによって上記基板よりも上流側の部材に堆積した堆積物の量を求める工程と、
上記求められた堆積物の量に応じて、上記材料ガスのＩｎの供給量を変更する工程と
を備えることを特徴としている。

上記構成の半導体層の組成制御方法によれば、上記求められた堆積物の量に応じて、材料ガスのＩｎの供給量を変更することにより、Ｉｎを化合物半導体層の組成制御を良好に行うことできる。つまり、上記化合物半導体層の組成が目標の組成から大きくずれるのを防ぐことができる。

一実施形態の半導体層の組成制御方法では、上記部材への堆積物の量が第１の量に達した後、上記堆積物の量が上記第１の量に達する前における上記材料ガスのＩｎの供給量よりも、上記堆積物の量が上記第１の量に達した後における上記材料ガスのＩｎの供給量が少なくなるように、上記材料ガスのＩｎの供給量を変更する。

一実施形態の半導体層の組成制御方法では、上記部材への堆積物の量が上記第１の量に達した後、上記部材への堆積物の量が第２の量に達すると、上記堆積物の量が上記第２の量に達する前における上記材料ガスのＩｎの供給量よりも、上記堆積物の量が上記第２の量に達した後における上記材料ガスのＩｎの供給量が少なくなるように、上記材料ガスのＩｎの供給量を変更する。

本発明の半導体層の組成制御方法は、有機金属気相成長装置を用いて、Ｉｎを含む材料を基板に供給することにより、Ｉｎを含む化合物半導体層を上記基板上に形成する際に、上記材料ガスによって上記基板よりも上流側の部材に堆積した堆積物の量を求め、この求められた堆積物の量に応じて、材料ガスのＩｎの供給量を変更するので、Ｉｎを化合物半導体層の組成制御を良好に行うことできる。

以下、本発明の半導体層の組成制御方法を図示の実施の形態により詳細に説明する。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係る半導体層の組成制御方法について説明する。この半導体層の組成制御方法は、図１Ａ，図１Ｂの有機金属気相成長装置で行うものとする。また、上記半導体層の組成制御方法を用いて作製するＬＥＤの構造は図２のＬＥＤの構造と同一とする。よって、上記サセプタ１が部材の一例であり、ＧａＡｓ基板１１が基板の一例となり、活性層１３が化合物半導体層の一例となる。

上述のように、部材の一例としてのサセプタ１の中央部に堆積物が無い場合は、発光波長がねらい（＝５７０ｎｍ）よりも６ｎｍ短くなった。つまり、１回目に作製したＬＥＤの発光波長は５６４ｎｍとなった。この後、同一条件で作製したＬＥＤ、つまり、２回目に作製したＬＥＤは、発光波長が５６７.５ｎｍとなり、ねらいからのずれは２.５ｎｍとなり、１回目よりは改善された。３回目に作製したＬＥＤの発光波長は５６９.０ｎｍであり、ねらいに対するずれは１ｎｍとわずかであった。このような傾向を考慮して、１回目、２回目、３回目に作製するＬＥＤの活性層１３の成長時におけるＴＭＩの供給は、下表１に示すように、４回目以降に作製するＬＥＤの活性層１３の成長時におけるＴＭＩの供給量よりも多くする。そうすると、１回目、２回目、３回目に作製した全てのＬＥＤの発光波長を５６９.８ｎｍ〜５７０.２ｎｍの範囲内に入れることができた。

上記活性層１３の成長時におけるＴＭＧの制御圧力は、１〜３回目および４回目以降に作製するＬＥＤにおいて同一で０.１ＭＰａとした。また、上記活性層１３の成長時におけるＴＭＡの制御圧力は、１〜３回目および４回目以降に作製するＬＥＤにおいて同一で０.１ＭＰａとした。そして、上記活性層１３の成長時におけるＴＭＩの制御圧力は、１〜３回目および４回目以降に作製するＬＥＤにおいて同一で０.０２５ＭＰａとした。

上記活性層１３の成長時におけるＴＭＧの恒温槽温度は、１〜３回目および４回目以降に作製するＬＥＤにおいて同一で５.０℃とした。また、上記活性層１３の成長時におけるＴＭＡの恒温槽温度は、１〜３回目および４回目以降に作製するＬＥＤにおいて同一で１７.０℃とした。そして、上記活性層１３の成長時におけるＴＭＩの恒温槽温度は、１〜３回目および４回目以降に作製するＬＥＤにおいて同一で１７.０℃とした。

上記活性層１３の成長時におけるＰＨ₃流量は、１〜３回目および４回目以降に作製するＬＥＤにおいて同一で１０００ｃｃｍとした。

上記表１のＴＭＩの供給流量から分かるように、１回目、２回目、３回目でＴＭＩの供給流量を減少させる方向に調節しながら行うことで、サセプタ１の中央部における堆積物の厚みが増して第１の量の一例としての約２５μｍに達するまでの間の組成制御（＝波長制御）が成功した。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態に係る半導体層の組成制御方法を説明する。この半導体層の組成制御方法は、図１Ａ，図１Ｂの有機金属気相成長装置で行うものとする。また、上記半導体層の組成制御方法を用いて作製するＬＥＤの構造は図２のＬＥＤの構造と同一とする。よって、上記サセプタ１が部材の一例であり、ＧａＡｓ基板１１が基板の一例となり、活性層１３が化合物半導体層の一例となる。

上述のように、上記トータル成膜厚が２００μｍとなるＬＥＤの発光波長はねらい（＝５７０ｎｍ）よりも５ｎｍ長くなった。つまり、２５回目に作製したＬＥＤの発光波長は５７５ｎｍとなった。このような発光波長の長波長化は、トータル成膜厚が１６０μｍを越えた当たりから生じている。具体的には、トータル成膜厚が１６０μｍとなるときに作製するＬＥＤの発光波長は５７０.４ｎｍとなり、トータル成膜厚が１７６μｍとなるときに作製するＬＥＤの発光波長は５７１.０ｎｍとなり、トータル成膜厚が１８４μｍとなるときに作製するＬＥＤの発光波長は５７１.８ｎｍとなり、トータル成膜厚が１９２μｍとなるときに作製するＬＥＤの発光波長は５７３.０ｎｍとなり、トータル成膜厚が２００μｍとなるときに作製するＬＥＤの発光波長は５７５.０ｎｍとなる。

このように、上記トータル成膜厚が１６０μｍを越えると、発光波長はねらいに対してずれて、このずれ量はトータル成膜厚が増加するに伴って大きくなっている。このような傾向を考慮して、トータル成膜厚が１６８μｍ以上となるときに作製するＬＥＤの活性層１３の成長時におけるＴＭＩの供給量は、下表２に示すように、トータル成膜厚が１６０μｍ以下となるときに作製するＬＥＤの活性層１３の成長時におけるＴＭＩの供給量よりも少なくする。そうすると、トータル成膜厚が１６８μｍ以上となるときに作製した全てのＬＥＤの活性層１３の発光波長を５６９.８ｎｍ〜５７０.２ｎｍの範囲内に入れることができた。

上記活性層１３の成長時におけるＴＭＧの制御圧力は、トータル成膜厚が１６０μｍ以下および１６８μｍ以上となるときに作製するＬＥＤにおいて同一で０.１ＭＰａとした。また、上記活性層１３の成長時におけるＴＭＡの制御圧力は、トータル成膜厚が１６０μｍ以下および１６８μｍ以上となるときに作製するＬＥＤにおいて同一で０.１ＭＰａとした。そして、上記活性層１３の成長時におけるＴＭＩの制御圧力は、トータル成膜厚が１６０μｍ以下および１６８μｍ以上となるときに作製するＬＥＤにおいて同一で０.０２５ＭＰａとした。

上記活性層１３の成長時におけるＴＭＧの恒温槽温度は、トータル成膜厚が１６０μｍ以下および１６８μｍ以上となるときに作製するＬＥＤにおいて同一で５.０℃とした。また、上記活性層１３の成長時におけるＴＭＡの恒温槽温度は、トータル成膜厚が１６０μｍ以下および１６８μｍ以上となるときに作製するＬＥＤにおいて同一で１７.０℃とした。そして、上記活性層１３の成長時におけるＴＭＩの恒温槽温度は、トータル成膜厚が１６０μｍ以下および１６８μｍ以上となるときに作製するＬＥＤにおいて同一で１７.０℃とした。

上記活性層１３の成長時におけるＰＨ₃流量は、トータル成膜厚が１６０μｍ以下および１６８μｍ以上となるときに作製するＬＥＤにおいて同一で１０００ｃｃｍとした。

上記表２のＴＭＩの供給流量から分かるように、トータル成膜厚が増える程、ＴＭＩの供給流量を減少させる方向に調節しながら行うことで、トータル成膜厚が１６０μｍ以上となるときに作製されるＬＥＤの発光層１３の組成制御（＝波長制御）が成功した。つまり、そうするとことで、サセプタ１の中央部における堆積物の厚みが増して第２の量の一例としての１６８μｍに達した後における発光層１３の組成制御が成功した。

上記トータル成膜厚がある量より少ない場合と多い場合でＬＥＤへのＩｎの取り込まれ量が減少したり増大したりする現象は、図１Ａ，図１Ｂに示すような縦型の有機金属気相成長装置のみで生じるものではない。例えば、図３に示したような横型の有機金属気相成長装置（図１Ａ，図１Ｂの有機金属気相成長装置の部分と同じ機能を持つ部分は、図１Ａ，図１Ｂの有機金属気相成長装置の部分の参照番号と同じ参照番号を付けている）においても、材料ガスが分解することによって基板よりも上流側で堆積物が堆積するものであれば、その現象は生じる。発光波長の短波長化が収まるトータル成膜厚と、発光波長の長波長化が始まるトータル成膜厚とが、図１Ａ，図１Ｂの有機金属気相成長装置と異なる可能性があるだけである。図１Ａ，図１Ｂの有機金属気相成長装置では、発光波長の短波長化が収まるトータル成膜厚が２５μｍであり、発光波長の長波長化が始まるトータル成膜厚が１６０μｍであった。

言うまでもないが、図３に示すような横型の有機金属気相成長装置でも第１，第２実施形態の半導体層の組成制御方法を行うことができる。

また、上記第１実施形態と上記第２実施形態とを組み合わせて本発明の実施の一形態としてもよい。

本発明では、基板よりも上流側の部材に堆積した堆積物の量は、例えば、基板上のトータル成膜厚に基づいて、堆積物の厚みと基板上のトータル成膜厚との関係を示す予め測定して作成されたテーブルを用いて求めてもよい。

また、本発明では、基板よりも上流側の部材に堆積した堆積物の量は、上記第１，２実施形態のように間接的に求めてもよいし、直接的に求めてもよい。つまり、上記堆積物の量は、基板上のトータル成膜厚を換算して求めてもよいし、直接測定してもよい。

また、本発明の半導体層の組成制御方法は、Ｉｎを含む化合物半導体層の成長に用いることができ、また、ＡｌＧａＩｎＰ系発光デバイスの成長に好適に用いることができる。

図１Ａは従来の有機金属気相成長装置の要部の模式断面図である。図１Ｂは上記従来の有機金属気相成長装置のサセプタの模式平面図である。図２は従来のＬＥＤの模式断面図である。図３は他の有機金属気相成長装置の要部の模式断面図である。

符号の説明

１サセプタ
２ガス導入口
３加熱機構
４ディスク
１１ｎ−ＧａＡｓ基板
１２ｎ−ＡｌＩｎＰクラッド層
１３（Ａ１_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＰ活性層
１４ｐ−ＡｌＩｎＰクラッド層
１５ｐ−ＡｌＧａＡｓ電流拡散層

Claims

有機金属気相成長装置を用いて、Ｉｎを含む材料ガスを基板に供給することにより、Ｉｎを含む化合物半導体層を上記基板上に形成する際に、上記材料ガスによって上記基板よりも上流側の部材に堆積した堆積物の量を求める工程と、
上記求められた堆積物の量に応じて、上記材料ガスのＩｎの供給量を変更する工程と
を備えることを特徴とする半導体層の組成制御方法。
請求項１に記載の半導体層の組成制御方法において、
上記部材への堆積物の量が第１の量に達した後、上記堆積物の量が上記第１の量に達する前における上記材料ガスのＩｎの供給量よりも、上記堆積物の量が上記第１の量に達した後における上記材料ガスのＩｎの供給量が少なくなるように、上記材料ガスのＩｎの供給量を変更することを特徴とする半導体層の組成制御方法。
請求項２に記載の半導体層の組成制御方法において、
上記部材への堆積物の量が上記第１の量に達した後、上記部材への堆積物の量が第２の量に達すると、上記堆積物の量が上記第２の量に達する前における上記材料ガスのＩｎの供給量よりも、上記堆積物の量が上記第２の量に達した後における上記材料ガスのＩｎの供給量が少なくなるように、上記材料ガスのＩｎの供給量を変更することを特徴とする半導体層の組成制御方法。