JP2007149877A

JP2007149877A - 気相成長装置

Info

Publication number: JP2007149877A
Application number: JP2005340822A
Authority: JP
Inventors: Hisataka Nagai; 久隆永井
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2005-11-25
Filing date: 2005-11-25
Publication date: 2007-06-14

Abstract

【課題】原料導入配管や装置本体にドーパント原料の残留を防止できる気相成長装置を提供すること。
【解決手段】半導体基板１１を加熱状態でサセプタ１３により保持する装置本体１２内へ、ドーパント原料（例えばＭｇ原料）が適宜混入された原料ガスを、原料導入配管１９により導入し、上記半導体基板の表面に半導体結晶を気相エピタキシャル成長させる気相成長装置１０において、上記装置本体１２における原料導入配管１９が接続される原料導入部１８と、上記原料導入配管１９とが５０℃以上の所定温度に保温されるよう構成されたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体基板上に半導体結晶を気相エピタキシャル成長させる気相成長装置に関する。

半導体基板上に半導体薄膜結晶を成長させる成長方法の１つに気相成長法がある。この気相成長法では、原料としてガスを使用し、加熱された半導体基板上に原料ガスを流し、半導体基板の表面に半導体結晶を成長させる。原料としてガスを使用するため、厚さ数ｎｍという超薄膜の半導体結晶を成長できる特長がある。また、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）のような超高真空を必要としないため、量産性に優れているという特長もある。

従来技術の気相成長装置１００の一例を図７に示す。この気相成長装置１００の装置本体１０７には、半導体基板１０１が表面を下向きにしてサセプタ１０２に保持されている。このサセプタ１０２は、中心部に結合された軸１０３をモータ１０４によって回転させることで回転する。サセプタ１０２の上方にヒータ１０５が設置されており、サセプタ１０２及び半導体基板１０１はヒータ１０５によって加熱される。原料ガスは、図７の矢印に示すように、原料導入配管１０９を用いてサセプタ１０２の中心へ向かって装置本体１０７内に導入され、サセプタ１０２の外周側へ向かって流れる。原料ガスは、ヒータ１０５により加熱された半導体基板１０１上で熱分解して結晶成長が行われる。結晶成長に使用されなかった原料ガスは、装置本体１０７の側面の排気口１０６から排出される。

ヒータ１０５からの熱によって気相成長装置１００が破損することを防止するために、この気相成長装置１００の装置本体１０７は、水温約１５〜２５℃以下の冷却水によって水冷される（例えば特許文献１、２、３参照）。図７中には、装置本体１０７を冷却水により冷却する冷却部が、符号１０８を用いて示されている。

特開平６‐２０９５５号公報特公平６‐２８２４０号公報特開平１１‐２５１３０５号公報

上述のように装置本体１０７の略全領域が冷却部１０８により冷却されることから、装置本体１０７において原料導入配管１０９が接続される原料導入部１１０と、原料導入配管１０９のうち原料導入部１１０近傍部分１０９Ａとの温度が低くなってしまう。このため、これらの原料導入部１１０と原料導入配管１０９の原料導入部１１０近傍部分１０９Ａに、半導体結晶のドーパント原料が付着して残留してしまう。特に、ドーパント原料としてＭｇ（マグネシウム）原料が使用される場合に、残留量が多い。

ドーパント原料が残留した状態で、同一の気相成長装置１００を用いて、アンドープ結晶層を気相成長させると、装置本体１０７の原料導入部１１０や原料導入配管１０９の原料導入部１１０近傍部分１０９Ａに残留したドーパント（Ｍｇ）が上記アンドープ結晶層に混入されてしまう。従って、この気相成長装置１００にて製造したエピタキシャル基板を用いて作製した半導体素子（例えば半導体レーザー）の特性が劣化してしまうという問題がある。

本発明の目的は、上述の事情を考慮してなされたものであり、原料導入配管や装置本体内にドーパント原料の残留を防止できる気相成長装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明は、半導体基板を加熱状態下で保持する装置本体に、ドーパント原料が適宜混入される原料ガスを、原料導入配管により導入し、上記半導体基板表面に半導体結晶を気相エピタキシャル成長させる気相成長装置において、上記装置本体における上記原料導入配管が接続される原料導入部と上記原料導入配管とが、５０℃以上の所定温度に保温されるよう構成されたことを特徴とするものである。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、上記原料導入部と上記原料導入配管のうち上記原料導入部近傍部分とが、５０〜９０℃の範囲の所定温度に保温されるよう構成されたことを特徴とするものである。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、上記原料導入部と原料導入配管のうち上記原料導入部近傍部分とが、上記装置本体を冷却する冷却水のうち、上記原料導入部を含む領域を流れる冷却水の水温を調整することにより、上記所定温度に保温されるよう構成されたことを特徴とするものである。

請求項４に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、上記原料導入部と原料導入配管のうち上記原料導入部近傍部分とが、上記装置本体を冷却する冷却水が上記原料導入部を除く領域を冷却することで、上記所定温度に保温されるよう構成されたことを特徴とするものである。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の発明において、上記ドーパント原料がＭｇ原料であることを特徴とするものである。

本発明によれば、原料導入配管が接続される原料導入部と、上記原料導入配管とが所定温度に保温されるよう構成されたことから、原料導入配管や装置本体内にドーパント原料の残留を防止できる。この結果、この気相成長装置によって製造されたエピタキシャル基板から作製される半導体素子(例えば半導体レーザー等)の特性劣化を確実に回避できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面に基づき説明する。
［Ａ］第１の実施の形態（図１〜図５）
図１は、本発明に係る気相成長装置における第１の実施の形態を概略して示す断面図である。この図１に示す気相成長装置１０は、ＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長）法を用いて、半導体基板１１上に半導体結晶を気相成長させて半導体素子（例えば半導体レーザー、発光ダイオード）用のエピタキシャル基板を製造するものである。

この気相成長装置１０では、装置本体（反応炉）１２内に円板形状のサセプタ１３が配設されている。このサセプタ１３の周方向複数箇所に、表面を下方に向けて半導体基板１１が設置される。上記サセプタ１３は、中央位置に固定された軸１４を介してモータ１５に連結され、このモータ１５の駆動により水平面内で回転される。装置本体１２内には、サセプタ１３の上方にヒータ１６が設置され、このヒータ１６が、回転されたサセプタ１３における半導体基板１１を、サセプタ１３と共に加熱する。

装置本体１２には、底部中央位置に原料導入口１７を含む原料導入部１８が設けられ、この原料導入部１８に原料導入配管１９が接続される。また、装置本体１２には、側部に排気口２０が形成されている。ドーパント原料（Ｍｇ、Ｚｎなど）が適宜混入されるIII族原料ガス、Ｖ族原料ガス及びキャリアガスは、原料導入配管１９を経て原料導入口１７から装置本体１２の中央部に導入され、サセプタ１３の中央から外周側に向かって放射状に流れて、排気口２０から装置本体１２外へ排出される。

サセプタ１３に保持された半導体基板１１はヒータ１６により加熱され、原料ガスは、装置本体１２内を流通する間に、加熱状態の半導体基板１１の表面上で熱分解され化学反応して、半導体基板１１表面に化合物半導体の結晶を気相成長させる。これにより、半導体素子（例えば半導体レーザー等）用のエピタキシャル基板が製造される。結晶成長に使用されなかった未使用の原料ガスは、排気口２０から排出される。

半導体素子がＣＤ‐Ｒ／ＲＷ読み書き用の赤外半導体レーザーや、ＤＶＤ‐Ｒ／ＲＷ読み書き用の赤色半導体レーザーの場合、上記半導体結晶はＧａＡｓ（ガリウムヒ素）、ＡｌＧａＡｓ（アルミニウムガリウムヒ素）、ＧａＩｎＰ（ガリウムインジウム燐）、ＡｌＧａＩｎＰ（アルミニウムガリウムインジウム燐）のエピタキシャル層である。

また、このようにして製造された半導体レーザー用のエピタキシャル基板２８の断面構造は、図２に示すように、半導体基板１１上にｎ型クラッド層２１、活性層２２、ｐ型クラッド層２３及びｐ型キャップ層２４が順次結晶成長されて構成される。活性層２２は、レーザー光を発生する層である。この活性層２２の両側に配置されるｎ型クラッド層２１及びｐ型クラッド層２３は、レーザー光を閉じ込める機能を有する。ｐ型キャップ層２４は、電極を形成する層である。上記ｐ型クラッド層２３及びｐ型キャップ層２４に、ドーパントとして例えばＭｇ（マグネシウム）が使用される。尚、ｎ型クラッド層２１には、ドーパントが使用されない。

上述の気相成長装置１０では、ヒータ１６が７００〜９００℃の高温となるため、この高温による損傷を防止するために装置本体１２が冷却水により冷却されている。つまり、装置本体１２におけるヒータ１６及びサセプタ１３に対応する上部壁側部分の冷却部２５には、常温ないし室温以下（約１５〜２５℃）の冷却水が供給されて冷却されている。

一方、装置本体１２における原料導入部１８を含む原料ガス流通領域に対応する底壁側部分の保温部２６には、温水（約５０℃）が供給されて、５０℃以上の所定温度に保温される。これにより、装置本体１２底壁部や原料導入部１８、原料導入部１８近傍の原料導入配管１９内に、ドーパント原料（特にＭｇ原料）が付着して残留することが防止される。

上記原料導入配管１９には、マスフローコントローラや圧力計などが設置されており、これらの動作保証温度は、その上限が５０℃程度である。従って、原料導入配管１９は、装置本体１２の原料導入部１８近傍を除く大部分（つまり、上記マスフローコントローラなどの機器の設置箇所を含む領域）が、機器の故障防止のために約５０℃に加熱される。これにより、原料導入配管２９の原料導入部１８近傍を除く大部分の内壁面に、ドーパント原料ガスの吸着が防止される。

また、装置本体１２の保温部２６と原料導入配管１９の原料導入部１８近傍部分１９Ａは、約５０〜９０℃の範囲の所定温度（例えば５０℃）に保温される。装置本体１２の保温部２６と原料導入配管１９の原料導入部１８近傍部分１９Ａの温度を５０℃よりも更に高く設定することで、装置本体１２の原料導入部１８と原料導入配管１９の原料導入部１８近傍部分１９Ａへの原料ガスの付着残留を更に低減できる。ところが、装置本体１２の原料導入配管１９が接続される原料導入部１８などには、バイトン（商標）製Ｏリングなどのシール部材が使用され、その耐熱温度の上限が約９０℃程度であるため、装置本体１２の保温部２６と原料導入配管１９の原料導入部１８近傍部分１９Ａは、上述の如く約５０〜９０℃の範囲に設定される。

これらの装置本体１２の保温部２６と原料導入配管１９の原料導入部１８近傍部分１９Ａの温度は、加熱・冷却機能を備えた熱交換器を有する水温制御コントローラ２７によって、装置本体１２の保温部２６を流れる冷却水の水温が制御されることにより調整される。つまり、この水温制御コントローラ２７から保温部２６に冷却水（温水）が供給・排出され、装置本体１２の保温部２６と原料導入配管１９の原料導入部１８近傍部分１９Ａとが約５０〜９０℃の範囲の所定温度（例えば５０℃）に保温されて、ドーパント原料ガス（特にＭｇ原料ガス）が、装置本体１２の原料導入部１８と原料導入配管１９の原料導入部１８近傍部分１９Ａとに付着し残留することが防止される。

次に、本実施形態の効果を確認するために、本実施形態の気相成長装置１０と従来技術の気相成長装置１００とを用いて、ＧａＡｓ半導体結晶を成長する試作を行った。

両気相成長装置１０、１００では、ｐ型ドーパントとしてＭｇをドーピングした厚さ１μｍのＭｇドープＧａＡｓ結晶層３１を、図３に示すようにＧａＡｓ基板３０上に気相成長した。Ｇa原料にはＧa（ＣＨ_３）_３（トリメチルガリウム）、Ａs原料にはＡsＨ_３（アルシン）、Ｍｇ原料にはＣＰ_２Ｍｇ（ビスペンタジエニルマグネシウム）を用いた。各原料の流量は、Ｇa（ＣＨ_３）_３が１０．５ｃｍ^３／分、ＡsＨ_３が３００ｃｍ^３／分、ＣＰ_２Ｍｇが０．００３ｃｍ^３／分である。また、ＧａＡｓ基板の温度は６５０℃である。

次に、引き続いて同一の気相成長装置１０または１００を用いて、何もドーピングしない厚さ５μｍのアンドープＧａＡｓ結晶層３２を、図４に示すようにＧａＡｓ基板３０上に気相成長した。原料および原料ガスの流量は、ＣＰ_２Ｍｇを供給しない以外は、前述のＭｇドープＧａＡｓ結晶層３１の気相成長の場合と同様である。気相成長したアンドープＧａＡｓ結晶層３２中のマグネシウム濃度をＳＩＭＳ（二次イオン質量分析）を用いて測定した測定結果を図５に示す。

従来技術の気相成長装置１００の場合には、図５（Ｂ）に示すように、アンドープＧａＡｓ結晶層３２の表面から約５μｍの位置Ｐでマグネシウムの濃度が増加している。これは、直前のＭｇドープＧａＡｓ結晶層３１の成長時に使用したＭｇ原料が、装置本体１２の原料導入部１８と原料導入配管１９の原料導入部１８近傍部分１９Ａに付着して残留し、この残留したＭｇが次のアンドープＧａＡｓ結晶層３２の気相成長時に、当該結晶層３２中に混入したためである。

これに対し、本実施の形態の気相成長装置１０の場合には、図５（Ａ）に示すように、アンドープＧａＡｓ結晶層３２中にマグネシウム濃度の上昇は見られず、装置本体１２の原料導入部１８と原料導入配管１９の原料導入部１８近傍部分１９ＡへのＭｇ原料の残留が防止されていること（Ｍｇのメモリ効果の低減）が確認できた。

従って、上記実施の形態の気相成長装置１０によれば、次の効果（１）及び（２）を奏する。
（１）装置本体１２の保温部２６と原料導入配管１９の原料導入部１８近傍部分１９Ａとが５０℃以上、好ましくは約５０〜９０℃の範囲の所定温度に保温されたことから、図２に示す半導体レーザー用のエピタキシャル基板２８の製造に際し、ドーパントとしてＭｇを使用してｐ型クラッド層２３及びｐ型キャップ層２４の半導体結晶を気相成長させるときに、上記装置本体１２の原料導入部１８及び原料導入配管１９の原料導入部１８近傍部分１９ＡにＭｇ原料の残留を防止できる。この結果、同一の気相成長装置１０を用いて次の半導体レーザー用のエピタキシャル基板２８を製造する場合、ドーパント未使用のｎ型クラッド層２１の半導体結晶を気相成長させるときに、当該クラッド層２１にＭｇの混入を防止できるので、このエピタキシャル基板２８を用いて製造される半導体レーザーの特性劣化を確実に回避できる。

（２）従来の気相成長装置１００では、１つの半導体レーザー用のエピタキシャル基板を製造した後に、次の成長時に、まず残留Ｍｇを取り込むためのアンドープＧａＡｓ結晶層を当該気相成長装置１００において成長させた後、Ｍｇアンドープのｎ型クラッド層を成長させている。しかし、この場合には、残留Ｍｇ取込用のアンドープＧａＡｓ結晶層を結晶成長させるため、原料費や人件費が余分に必要となり、またスループット（歩留まり）も低下してしまう。これに対し、本実施形態の気相成長装置１０では、装置本体１２の原料導入部１８と原料導入配管１９の原料導入部１８近傍部分１９ＡにＭｇ原料の残留が防止されるため、残留Ｍｇ取込用のアンドープＧａＡｓ結晶層を結晶成長させる必要がない。この結果、コストを低減できると共に、スループットも向上させることができる。

［Ｂ］第２の実施の形態（図６）
図６は、本発明に係る気相成長装置における第２の実施の形態を概略して示す断面図である。この第２の実施の形態において、前記第１の実施の形態と同様な部分は、同一の符号を付すことにより説明を省略する。

この第２の実施の形態の気相成長装置４０では、装置本体１２を冷却する冷却水（水温１５〜２５℃）は、前記実施の形態の冷却部２５（この気相成長装置４０では第１冷却部４１と称する）のみならず、装置本体１２における原料ガス流通領域のうち原料導入部１８を除く領域（第２冷却部４２）をも冷却する。装置本体１２内が高温となることから、上述のように装置本体１２の原料導入部１８が冷却されないことで、この装置本体１２の原料導入部１８と原料導入配管１９の原料導入部１８近傍部分１９Ａとが５０℃以上の所定温度、好ましくは約５０〜９０℃の範囲の所定温度（例えば５０℃）に保温される。

これにより、装置本体１２の原料導入部１８と原料導入配管１９の原料導入部１８近傍部分１９Ａとに、ドーパントとしてのＭｇの原料を含む原料が残留しなくなるので、本実施形態においても、前記第１の実施の形態の効果（１）及び（２）と同様な効果を奏する。

以上、本発明を上記実施の形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。

本発明に係る気相成長装置における第１の実施の形態を概略して示す断面図である。図１の気相成長装置にて製造される半導体レーザー用のエピタキシャル基板の構造を示す断面図である。ＧａＡｓ基板上にＭｇドープＧａＡｓ結晶層を気相成長させた構造を示す断面図である。ＧａＡｓ基板上にアンドープＧａＡｓ結晶層を気相成長させた構造を示す断面図である。（Ａ）は、図１の気相成長装置で製造した図４のアンドープＧａＡｓ結晶層中のマグネシウム濃度を示すグラフであり、（Ｂ）は、図７の気相成長装置で製造した図４のアンドープＧａＡｓ結晶層中のマグネシウム濃度を示すグラフである。本発明に係る気相成長装置における第２の実施の形態を概略して示す断面図である。従来の気相成長装置を概略して示す断面図である。

符号の説明

１０気相成長装置
１１半導体基板
１２装置本体
１３サセプタ
１６ヒータ
１８原料導入部
１９原料導入配管
２５冷却部
２６保温部
２７水温制御ユニット
４０気相成長装置
４１第１冷却部
４２第２冷却部

Claims

半導体基板を加熱状態下で保持する装置本体に、ドーパント原料が適宜混入される原料ガスを、原料導入配管により導入し、上記半導体基板表面に半導体結晶を気相エピタキシャル成長させる気相成長装置において、
上記装置本体における上記原料導入配管が接続される原料導入部と上記原料導入配管とが、５０℃以上の所定温度に保温されるよう構成されたことを特徴とする気相成長装置。
上記原料導入部と上記原料導入配管のうち上記原料導入部近傍部分とが、５０〜９０℃の範囲の所定温度に保温されるよう構成されたことを特徴とする請求項１に記載の気相成長装置。
上記原料導入部と原料導入配管のうち上記原料導入部近傍部分とが、上記装置本体を冷却する冷却水のうち、上記原料導入部を含む領域を流れる冷却水の水温を調整することにより、上記所定温度に保温されるよう構成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の気相成長装置。
上記原料導入部と原料導入配管のうち上記原料導入部近傍部分とが、上記装置本体を冷却する冷却水が上記原料導入部を除く領域を冷却することで、上記所定温度に保温されるよう構成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の気相成長装置。
上記ドーパント原料がＭｇ原料であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の気相成長装置。