JP2011254015A - 化合物半導体膜気相成長用サセプタおよび化合物半導体膜の形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】基板の端部近傍から作製する素子、例えば発光素子の発光波長が長波長にならず、基板中心部から作製する発光素子との違いを小さくすることができる、基板中心部と基板周辺部から作製する素子の特性差を小さくすることができる化合物半導体膜の気相成長に好適な化合物半導体膜気相成長用サセプタを提供する。
【解決手段】化合物半導体膜の気相成長の際に基板を支持するサセプタであって、該サセプタは、前記基板が配置されるザグリ部を少なくとも１つ以上備え、該ザグリ部は、底部底面がすり鉢状に湾曲しており、該湾曲部の凹部の最大深さが２５０〜５００μｍとなっているものであることを特徴とする化合物半導体膜気相成長用サセプタ。
【選択図】図１

Description

本発明は化合物半導体膜気相成長用サセプタおよび化合物半導体膜の形成方法に関し、特にＭＯＶＰＥ法やＭＢＥ法などで基板上に化合物半導体膜を形成させる際に用いるサセプタとそれを利用した化合物半導体膜の形成方法に関する。

ＧａＡｓ単結晶基板上に、発光層部と電流拡散層とを形成した発光素子が従来知られている。

例えばｎ型ＧａＡｓ単結晶基板上に、有機金属気相成長法（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ法、以下単にＭＯＶＰＥ法ともいう）により組成式（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）（以下、ＡｌＧａＩｎＰとも記載）で表される化合物にて各々構成されたｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層がこの順序で積層されたダブルへテロ構造からなる発光層部と、ＧａＰからなる電流拡散層（窓層ともいう）を形成した化合物半導体膜を利用して作製した発光素子が知られている。

また、ＧａＰ電流拡散層は、発光層側にＭＯＶＰＥ法により比較的薄く第１電流拡散層を形成した後に、ハイドライド気相成長法（Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ法、以下単にＨＶＰＥ法ともいう）により比較的厚く第２電流拡散層を成長させて形成するものもあり、例えば特許文献１等に開示されている。

ここで、発光層を形成するＭＯＶＰＥ法で用いられる従来のサセプタの構造を図８に示す。
ＭＯＶＰＥ法で用いられるサセプタ３１は、例えばカーボンにグラファイトコーティングで構成され、このサセプタ３１上には、複数の基板がセッティングできるように、複数個、例えば７個のザクリ部（凹部）３２が形成されている。そしてこのザグリ部３２は、基板を保持するために、基板よりやや大きい形状に形成されている。
また、このサセプタ３１は、回転しながら複数の基板上に化合物半導体膜を均一に形成できるように、全体が円盤状に形成されている。

米国特許第５，００８，７１８号公報

ところで、ＭＯＶＰＥ法における化合物半導体膜の形成工程は、７００℃前後の高温で行われる。
この際、化合物半導体膜を形成させるために基板Ｗを加熱すると、図９に示すように、基板Ｗの端部がサセプタ３１のザクリ部３２の底面３２ａから離間するように凹状に反り、基板外周部が浮いた状態となる。
この場合、基板Ｗの中心部はサセプタ３１に当接するものの、基板Ｗの周辺部はサセプタ３１に当接もしくは近接しないことから、基板の中心部に比べて端部での温度が低下することになる。

この図９に示すような、基板の中心部と周辺部で温度分布が発生した状態で化合物半導体膜を形成させると、面内のキャリア濃度分布や組成分布が大きくなってしまうという問題がある。
従って、例えば直径２インチ（５０ｍｍ）のＧａＡｓ基板上に成長させた化合物半導体膜を用いて発光素子を形成した場合、基板周辺から１〜２ｍｍ程度の位置に形成される発光素子は中心部と比べて長波長になってしまうという問題があった。

本発明はこのような従来の問題点に鑑みてなされたものであり、基板の端部近傍から作製する素子、例えば発光素子の発光波長が長波長にならず、基板中心部から作製する発光素子との違いを小さくすることができる、基板中心部と基板周辺部から作製する素子の特性差を小さくすることができる化合物半導体膜の気相成長に好適な化合物半導体膜気相成長用サセプタと化合物半導体膜の形成方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明では、化合物半導体膜の気相成長の際に基板を支持するサセプタであって、該サセプタは、前記基板が配置されるザグリ部を少なくとも１つ以上備え、該ザグリ部は、底部底面がすり鉢状に湾曲しており、該湾曲部の凹部の最大深さが２５０〜５００μｍとなっているものであることを特徴とする化合物半導体膜気相成長用サセプタを提供する。

このように、ザクリ部の底部底面がすり鉢状に湾曲しており、当該湾曲部の凹部の最大深さが２５０〜５００μｍとなっているサセプタとする。
このようなサセプタを用いて基板を加熱すると、基板がすり鉢状に湾曲した底面に沿って反るため、基板中心部と基板周辺部の温度差が従来に比べて少なくなる。よって、基板の端部近傍に形成される化合物半導体膜の物性、組成等を従来に比べて所定の値とすることができ、基板中心部から作製した素子と基板端部近傍から作製した素子との特性差を従来より少なくすることができる。
すなわち、例えば発光素子を作製するにあたって、化合物半導体膜の周辺部から作製した発光素子の発光波長が、基板中心部の発光素子に比べて長波長になることを従来より抑制することができる化合物半導体膜の気相成長に適したサセプタが提供される。

また、本発明では、基板をサセプタのザグリ部に載置して、加熱しながら前記基板上に化合物半導体膜を成長させる化合物半導体膜の形成方法において、前記サセプタとして、前記ザグリ部の底部底面がすり鉢状に湾曲しており、該湾曲部の凹部の最大深さが２５０〜５００μｍとなっているものを用いることを特徴とする化合物半導体膜の形成方法を提供する。

このように、ザクリ部が、底部底面がすり鉢状に湾曲しており、当該湾曲部の凹部の最大深さが２５０〜５００μｍとなっているサセプタによって基板を加熱して、化合物半導体膜を形成する。
このようなサセプタを用いることによって、基板を加熱する際に、基板をすり鉢状に湾曲した底面に沿って反らすことができるので、基板中心部と基板周辺部の温度差を従来に比べて少なくすることができる。従って、基板の端部近傍に形成した化合物半導体膜と基板の中心部に形成した化合物半導体膜の物性・特性を従来より違いを小さくすることができる。よって、基板中心部から作製した素子と端部近傍から作製した素子の品質差を、従来より小さくすることができ、素子の歩留りを向上させることができる。更に、化合物半導体膜の外周部の利用領域が広がるため、無駄を従来より少なくでき、素子の製造コストを削減することができる。

ここで、前記基板としてｎ型ＧａＡｓ基板を用い、かつ前記化合物半導体膜として、少なくとも、組成式（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）で表される化合物にて各々構成されたｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層がこの順序で積層されたダブルへテロ構造からなる発光層を形成することができる。
このように、基板にＧａＡｓを用い、かつ上述のような組成の化合物半導体膜を形成することによって、発光強度が高く、端部での波長が長波長化しない発光素子を確実に製造することができる。

以上説明したように、本発明によれば、基板がセッティングされるサセプタが、ザクリ部の底部底面がすり鉢状に湾曲しており、当該湾曲部の凹部の最大深さが２５０〜５００μｍとなっていることから、基板が加熱される際に、基板の中央部と周辺部の双方がサセプタと当接若しくは近接し、基板の温度分布は均一となる。従って、化合物半導体膜の気相成長時に半導体不純物が均一にドーピングされ、この化合物半導体膜を用いて形成されるデバイスの特性の面内分布を均一とすることができ、製品歩留りの向上及び外周部の利用効率の向上を図ることができる。

本発明の化合物半導体膜気相成長用サセプタの断面の概略の一例を示した図である。 本発明の化合物半導体膜気相成長用サセプタに基板を載置して加熱した際の概略の一例を示した図である。 本発明の化合物半導体膜の形成方法の一例を示した工程フロー図である。 本発明の化合物半導体膜から製造した発光素子の概略の一例を示した図である。 実験例１−６の化合物半導体膜から作製した発光素子の、化合物半導体膜の面内位置と発光波長との関係を示した図である。 図５における（ａ）領域の拡大図である。 図５における（ｂ）領域の拡大図である。 化合物半導体膜気相成長用サセプタの概略の一例を示した図である。 従来の化合物半導体膜気相成長用サセプタの断面の概略の一例を示した図である。

以下、本発明について図を参照して詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。図１は本発明の化合物半導体膜気相成長用サセプタの断面の概略の一例を示した図、図２は本発明の化合物半導体膜気相成長用サセプタに基板を載置して加熱した際の概略の一例を示した図である。

本発明の化合物半導体膜の気相成長の際に基板を支持するサセプタ１は、例えばカーボンなどから成るものである。また、従来のサセプタと同様に、複数の基板をセッティングできるように、基板Ｗが配置されるザグリ部２を少なくとも１つ以上備えている。
そして、このザグリ部２は、ザグリ深さ（図１におけるＴ）が例えば４５０μｍで、各々の底部底面がすり鉢状に湾曲しており、湾曲部２ａの凹部の最大深さ（図１におけるＤ）が２５０〜５００μｍとなっているものである。

上述のような構造（ザクリ部の底部底面がすり鉢状に湾曲しており、当該湾曲部の凹部の最大深さが２５０〜５００μｍとなっている）のサセプタに基板を載置して化合物半導体膜の気相成長のために加熱すると、基板はすり鉢状に湾曲した底面にほぼ沿うようにして反る。このため、基板とサセプタの密着度を従来に比べて高くすることができ、基板中心部と基板周辺部の温度差が従来に比べて少なくすることができる。これによって、基板の端部近傍に形成される化合物半導体膜と基板中心部に形成される化合物半導体膜の組成、物性等に違いが出ることを抑制することができ、基板中心部から作製した素子と基板端部近傍から作製した素子との特性を近いものとすることができる。

例えば、発光素子を作製するために化合物半導体膜を気相成長させる場合、本発明のサセプタを用いることによって、基板外周部と内周部のドーパントドープ量を略同じ量とすることができる。このため、化合物半導体膜の周辺部から作製した発光素子の発光波長が基板中心部の発光素子の発光波長に比べて長波長になることを抑制することができ、基板の外周部まで使用することができるようになる。つまり、化合物半導体膜の利用面積を向上させ、製品歩留りを改善でき、また製造コストの低減にもつなげることができるという利点を有するものとなる。

なお、湾曲部２ａの凹部の最大深さＤが２５０μｍより浅いと、基板の反りの量が大きく、基板外周部のサセプタとの接触の程度が不十分になって、本発明の効果の発揮が不十分となり、基板外周部の素子不良の低減を図ることが困難となる。また５００μｍより深いと、反り過ぎにより同様に基板とサセプタとの接触量が不十分になる。そのため、湾曲部２ａの凹部の最大深さＤは２５０〜５００μｍとする。

なお、ザグリ深さＴは、上述の４５０μｍに限定されず、作製する化合物半導体膜や、用いる基板の種類や厚さ、気相成長条件、サセプタの仕様に応じて適宜選択することができる。

上記のような、本発明の化合物半導体膜気相成長用サセプタを用いた、本発明の化合物半導体膜の形成方法の一例を、図を参照して以下に示すが、本発明はこれらに限定されるものではない。
図３は、本発明の化合物半導体膜の製造方法の一例を示した工程フロー、図４は本発明の化合物半導体膜から製造した発光素子の概略の一例を示した図である。

まず、図３の工程（ａ）に示すように、ＧａＡｓ単結晶基板１１上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層１２を例えば０．５μｍ成長させる。

次いで図３の工程（ｂ）に示すように、ｎ型ＧａＡｓバッファ層１２上に、発光層１３として、各々（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（ただし０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）よりなる、例えば厚さ０．８〜４μｍのｎ型クラッド層１３ａ、厚さ０．４〜２μｍの活性層１３ｂ及び厚さ０．８〜４μｍのｐ型クラッド層１３ｃを、この順序にてエピタキシャル成長させる。なお、発光層１３は、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１３ｃ側の表面が第一主表面である。

上記各層のエピタキシャル成長は、公知の有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法により行うことができる。

この時、本発明では、基板を載置するサセプタとして、図１に示したようなザグリ深さ（Ｔ）が例えば４５０μｍで、ザグリ部２の底部底面がすり鉢状に湾曲しており、湾曲部２ａの凹部の最大深さ（Ｄ）が２５０〜５００μｍとなっているものを用いる。

このように底部底面がすり鉢状となり、湾曲部２ａの凹部の最大深さ（Ｄ）が２５０〜５００μｍとなったザグリ部２を有するサセプタ１を用いることで、図２に示すように、基板Ｗを加熱する際に、基板Ｗをすり鉢状に湾曲した底面の湾曲部２ａに沿って反らすことができるため、基板中心部と基板周辺部の温度差を従来に比べて小さくすることができる。
よって、基板の端部近傍に形成した化合物半導体膜と基板の中心部に形成した化合物半導体膜の物性に違いが出ることを抑制できるようになり、基板中心部から作製した素子と端部近傍から作製した素子の特性に違いが出る、例えば基板の端部近傍に形成される発光素子の発光波長が中心部から作製された発光素子に比べて長波長になることを抑制することができる。
従って、素子の製造歩留りを向上させることができ、また化合物半導体膜の外周部の利用領域を広げることができるので、無駄の発生を従来より少なくでき、素子の製造コストを削減することもできる。

この各層のエピタキシャル層を形成するための製造条件は、求めるエピタキシャル層の厚さや、組成比によって適宜選択することができる。
Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ（インジウム）、Ｐ（リン）の各成分源となる原料ガスとしては以下のようなものを使用できる。
・Ａｌ源ガス；トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリエチルアルミニウム（ＴＥＡｌ）など、
・Ｇａ源ガス；トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）など、
・Ｉｎ源ガス；トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、トリエチルインジウム（ＴＥＩｎ）など、
・Ｐ源ガス：トリメチルリン（ＴＭＰ）、トリエチルリン（ＴＥＰ）、ホスフィン（ＰＨ_３）など。

また、ドーパントガスとしては、以下のようなものを使用できる。
（ｐ型ドーパント）
・Ｍｇ源：ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）など、
・Ｚｎ源：ジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）、ジエチル亜鉛（ＤＥＺｎ）など、
（ｎ型ドーパント）
・Ｓｉ源：モノシランなどのシリコン水素化物など。

次に図３の工程（ｃ）に示すように、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１３ｃ上に、例えばｐ型ＧａＰからなるｐ型第１電流拡散層１４を、有機金属気相成長法によりヘテロエピタキシャル成長させて、ＭＯエピタキシャルウエーハを得る。

次に、ＨＶＰＥ炉にＭＯエピタキシャルウエーハを投入し、ｐ型第２電流拡散層をＨＶＰＥ法によってエピタキシャル成長させるために、エピタキシャル成長温度（例えば６４０〜８６０℃）まで基板を昇温する。
次に、図３の工程（ｄ）に示すように、ＭＯエピタキシャルウエーハのｐ型第１電流拡散層１４上に、ｐ型層として例えば厚さ５〜２００μｍのｐ型ＧａＰからなるｐ型第２電流拡散層１５を、ＨＶＰＥ法でエピタキシャル成長させる。
このＨＶＰＥ法は、具体的には、容器内にてＩＩＩ族元素である金属Ｇａを所定の温度に加熱保持しながら、その金属Ｇａ上に塩化水素を導入して、下記（１）式の反応によりＧａＣｌを生成させ、キャリアガスであるＨ_２ガスとともに基板上に供給する。
Ｇａ（液体）＋ＨＣｌ（気体） → ＧａＣｌ（気体）＋１／２Ｈ_２（気体）‥‥（１）
成長温度は例えば６４０℃以上８６０℃以下に設定する。また、Ｖ族元素であるＰは、ＰＨ_３をキャリアガスであるＨ_２ともに基板上に供給する。さらに、ｐ型ドーパントであるＺｎは、ＤＭＺｎ（ジメチルＺｎ）の形で供給する。
ＧａＣｌ（気体）＋ＰＨ_３（気体）
→ＧａＰ（固体）＋ＨＣｌ（気体）＋Ｈ_２（気体）‥‥（２）

以上の工程（ｄ）が終了すれば、本発明の化合物半導体膜１０’を有するエピタキシャルウエーハ１０が完成する。

なお、上記実施形態では、ＧａＡｓ膜及びＡｌＧａＩｎＰ膜をＭＯＶＰＥ法で形成する方法について説明したが、本発明の化合物半導体膜の形成方法はこれに限らず、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＰ、ＧａＮ等の膜を形成するに際しても適用可能であることはいうまでもない。その場合、成長させる化合物半導体膜の気相成長条件や用いる基板は、それぞれに適したものを適宜選択すればよい。

その後、真空蒸着法により、ｐ型第２電流拡散層１５上に第一電極２１を、ｎ型ＧａＡｓ基板１１上に第二電極２２を形成し、更に第一電極２１上にボンディングパッドを配置して、適当な温度で電極定着用のシンタリングを施す。
その後、ダイシングによりチップ化し、第二電極２２をＡｇペースト等の導電性ペーストを用いて支持体を兼ねた図示しない端子電極に固着する一方、ボンディングパッドと別の端子電極とにまたがる形態でＡｕ製のワイヤをボンディングし、更に樹脂モールドを形成することにより、図４に示すような発光素子２０が得られる。

なお、上記例示では、第二電極をＧａＡｓ基板上に形成して発光素子を作製する場合について説明したが、本発明のエピタキシャルウエーハを用いて発光素子を作製する実施形態はこれに限定されず、光吸収層となるＧａＡｓ基板をエッチング等により除去し、そこにｎ型ＧａＡｓ基板の代わりにｎ型ＧａＰ基板等の透明半導体基板を貼り合わせても良いし、また、エピタキシャル成長によりＧａＰ等の透明半導体層を形成しても良い。更に、発光層とＧａＡｓバッファ層との間に、活性層から発せられた光を反射するためのＤＢＲ層を形成したものとすることができる。

以下、実験例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実験例１−６）
図３の工程に従って、化合物半導体膜及び発光素子を製造した。
この図３の工程（ａ）〜（ｃ）におけるＭＯＶＰＥ工程において、ＧａＡｓ基板を載置するためのサセプタとして、厚み５ｍｍ、直径１５９ｍｍのカーボン製サセプタに、直径が５１．１５ｍｍｍ、深さ（Ｔ＝４５０μｍ）、底部底面がすり鉢状に湾曲しており、湾曲部の凹部の最大深さＤを、０μｍ（実験例１）、１００μｍ（実験例２）、２５０μｍ（実験例３）、４００μｍ（実験例４）、５００μｍ（実験例５）、６００μｍ（実験例６）の６種類のザグリ部を設けたものを用いた。

この実験例１−６の６種類のザグリ部に、厚みが０．２〜０．４ｍｍ、直径５０．８ｍｍのＧａＡｓ基板をセッティングして、厚みが２．６μｍ（ｎ型クラッド層１．０μｍ、活性層０．６μｍ、ｐ型クラッド層１．０μｍ）の４元（ＡｌＧａＩｎＰ）から成る発光層を形成した。更に発光素子を製造して、この発光素子の発光波長を調べた。
その結果を図５−７に示す。なお、図５は実験例１−６の化合物半導体膜から作製した発光素子の、化合物半導体膜の面内位置と発光波長との関係を示した図、図６は図５における（ａ）領域の拡大図、図７は図５における（ｂ）領域の拡大図である。

図５に示すように、基板中央やその付近（中央から１３ｍｍ程度の範囲内）に成長させたＡｌＧａＩｎＰ膜から作製した発光素子は、実験例１−６のいずれも発光波長はほとんど同じであった。

これに対し、基板外周部に成長させたＡｌＧａＩｎＰ膜から作製した発光素子の発光波長は基板中央部に比べて長波長側にシフトしている。
しかし、実験例３−５（湾曲部の凹部の最大深さＤが２５０−５００μｍ）を用いた場合は、図６、図７に示すように、長波長側へのシフト量が実験例１，２，６に比べて少ないことが判った。
このように、底部底面をすり鉢状に湾曲させ、その凹部の最大深さを２５０〜５００μｍとしたザグリ部を有するサセプタを用いることによって、発光波長が均一な部分を５ｍｍ程度外周方向へ広げることができ、特性の均一な発光素子の製造に適した膜の面積を従来に比べて広くできることが判った。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

１…化合物半導体膜気相成長用サセプタ、 ２…ザグリ部、 ２ａ…湾曲部、
１０…エピタキシャルウエーハ、１０’…化合物半導体膜、
１１…ＧａＡｓ基板、 １２…ＧａＡｓバッファ層、 １３…発光層、 １３ａ…ｎ型クラッド層、 １３ｂ…活性層、 １３ｃ…ｐ型クラッド層、 １４…ｐ型第１電流拡散層（ｐ型ＧａＰ層）、 １５…ｐ型第２電流拡散層（ｐ型ＧａＰ層）、
２０…発光素子、 ２１…第一電極、 ２２…第二電極、
３１…化合物半導体膜気相成長用サセプタ、 ３２…ザグリ部、 ３２ａ…底面、
Ｗ…基板。

Claims (3)

1. 化合物半導体膜の気相成長の際に基板を支持するサセプタであって、
   該サセプタは、前記基板が配置されるザグリ部を少なくとも１つ以上備え、
   該ザグリ部は、底部底面がすり鉢状に湾曲しており、該湾曲部の凹部の最大深さが２５０〜５００μｍとなっているものであることを特徴とする化合物半導体膜気相成長用サセプタ。
2. 基板をサセプタのザグリ部に載置して、加熱しながら前記基板上に化合物半導体膜を成長させる化合物半導体膜の形成方法において、
   前記サセプタとして、前記ザグリ部の底部底面がすり鉢状に湾曲しており、該湾曲部の凹部の最大深さが２５０〜５００μｍとなっているものを用いることを特徴とする化合物半導体膜の形成方法。
3. 前記基板としてｎ型ＧａＡｓ基板を用い、
   かつ前記化合物半導体膜として、少なくとも、組成式（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）で表される化合物にて各々構成されたｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層がこの順序で積層されたダブルへテロ構造からなる発光層を形成することを特徴とする請求項２に記載の化合物半導体膜の形成方法。

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