JP4150911B2

JP4150911B2 - Ｓｉ添加砒化ガリウム単結晶基板

Info

Publication number: JP4150911B2
Application number: JP2003118078A
Authority: JP
Inventors: 三千則和地; 賢哉井谷
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2003-04-23
Filing date: 2003-04-23
Publication date: 2008-09-17
Anticipated expiration: 2023-04-23
Also published as: JP2004323271A; TWI283716B; TW200613587A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、垂直ブリッジマン法、垂直温度勾配凝固法によって製造されるＳｉ添加砒化ガリウム（ＧａＡｓ）単結晶基板に関するものであり、特に、ＬＥＤ、レーザーダイオード等の光デバイスを作製する際に基板として利用される垂直ブリッジマン法、垂直温度勾配凝固法によって製造されたＳｉ添加砒化ガリウム単結晶基板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
基板として利用される砒化ガリウム（以下、ＧａＡｓと記す）等の化合物半導体単結晶は、従来、水平ブリッジマン法（ＨＢ法）、液体封止引上法（ＬＥＣ法）、垂直ブリッジマン法（ＶＢ法）、および、垂直温度勾配凝固法（ＶＧＦ法）等様々な工業的方法により製造されることが知られている（例えば、特許文献１参照）。これらの方法のうち、ＶＢ法、ＶＧＦ法は、他の方法に比べて転位密度の低い良質な結晶を低コストで製造できる方法として有望視されている。ＶＢ法、ＶＧＦ法によるＧａＡｓ単結晶の製造方法では、るつぼの底部に種結晶を配置し、更にその上方に原料固体を配置した後、原料固体の全部を融解するとともに種結晶の上部を融解し、融解された原料融液を冷却することによって種結晶から上方に向かって固化させることにより単結晶を成長させていく。
【０００３】
【特許文献１】
特開平５−７０２７６号公報（図１〜図４）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述したようなＶＢ法、ＶＧＦ法で得られたＳｉ添加ＧａＡｓ単結晶基板は、他の方法に比べて転位密度の低い良質な結晶が得られるのが特徴であるが、基板面内のキャリア濃度分布で改善される余地が残されている。Ｓｉ添加ＧａＡｓ単結晶基板を光デバイスの作製において利用する際には、１枚の基板から取れる素子の歩留りやデバイス作製時の製造条件の合わせ込みの面から基板面内でのキャリア濃度の均一化が要求されるからである。
【０００５】
本発明の課題は、ＶＢ法、ＶＧＦ法によって製造されるＳｉ添加ＧａＡｓ単結晶基板において、前記従来技術の問題点を解消し、素子の歩留が大幅に向上するとともに、デバイス作製時の製造条件の合わせ込みが容易となるＳｉ添加ＧａＡｓ単結晶基板を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ＶＢ法によって製造された砒化ガリウム単結晶基板であって、基板内にキャリア濃度が０．１×１０^１８〜５．０×１０^１８／ｃｍ^３の範囲であり、基板面内のキャリア濃度の最大値、最小値の値が基板面内のキャリア濃度の１０％以下のばらつきの範囲内であり、前記基板面内において等キャリア濃度を示す概円形年輪状を呈する成長縞の中心が、基板中心から基板直径の１／２０以内の距離にあり、かつ、前記基板面内の転位密度の平均値が５，０００個／ｃｍ ^２以下であることを特徴としている。
【０００７】
Ｓｉ添加ＧａＡｓ単結晶基板をデバイス、例えば光デバイスの作製において利用する際の１枚の基板から取れる素子の歩留りは、利用するＳｉ添加ＧａＡｓ単結晶基板の面内でのキャリア濃度の分布と相関が認められる。
【０００８】
利用するＳｉ添加ＧａＡｓ単結晶基板の面内でのキャリア濃度の均一性が高いほど、デバイス作製時の素子の歩留りは向上する。また、Ｓｉ添加ＧａＡｓ単結晶基板の面内でのキャリア濃度の均一性が高いほどデバイス作製時の製造条件の合わせ込みが容易となる。キャリア濃度が０．１×１０^１８〜５．０×１０^１８／ｃｍ^３の範囲であり、基板面内のキャリア濃度の最大値、最小値の値が基板面内のキャリア濃度の１０％以下のばらつきの範囲内であるとき、デバイス作製時の素子の歩留まりが向上し、デバイス作製時の製造条件の合せ込みが容易となる。
【０００９】
更に、本発明は、基板面内において等キャリア濃度を示す概円形年輪状を呈する成長縞の中心が、基板中心から基板直径の１／２０以内の距離にあることを特徴としている。利用するＳｉ添加ＧａＡｓ単結晶基板の基板面内において等キャリア濃度を示す概円形年輪状を呈する成長縞の中心が、基板中心に近いほどデバイス作製時の素子の歩留りは向上し、製造条件の合わせ込みが容易となる。成長縞の中心が、基板中心から基板直径の１／２０以内の距離にあると、デバイス作製時の素子の歩留りは向上し、製造条件の合わせ込みが容易となる。
【００１０】
更に、本発明は、基板面内の転位密度の平均値が５，０００個／ｃｍ^２以下であることを特徴としている。利用するＳｉ添加ＧａＡｓ単結晶基板の転位密度が低いほど、素子の歩留りは向上し、デバイスの寿命は長くなる。転位密度の平均値が５，０００個／ｃｍ^２以下であると素子の歩留りは向上し、デバイスの寿命は長くなる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態について説明する。
【００１２】
図１にＶＢ法による単結晶製造装置の断面図を示す。単結晶成長用容器１１としてＰＢＮ製るつぼ１２と、これを保持するサセプタ１３とを用いた。なお、るつぼ１２は成長結晶部１２ａの直径８０mm、成長結晶部１２ａの長さ３００mm、種結晶部１２ｂの直径１０mmの形状を有する。まず、該るつぼ１２の底部にＧａＡｓ種結晶１８を挿入し、ＧａＡｓ融液層１５ａとしてＧａＡｓ多結晶原料を７，９００ｇ、液体封止剤１６として三酸化硼素を８００ｇ、更に成長結晶部１２ａの種結晶側でキャリア濃度が１．０×１０¹⁸／cm³となるようにＳｉを投入した。該容器１１を圧力容器１０内に装填、圧力容器１０内を不活性ガスで置換、ヒータ１７に給電し、ＧａＡｓ多結晶原料を溶融してＧａＡｓ融液層１５ａとして種付けを行った。次いで種付け部近傍に５℃／cmの温度勾配を設定して、該容器１１を５mm／ｈｒの速度で降下させるＶＢ法で単結晶１５ｂの結晶成長を行った。結晶成長後、圧力容器１０より該容器１１とともに成長完了後の結晶を取り出した。
【００１３】
なお、この時、融液と結晶の界面である固液界面付近の結晶成長方向に垂直な断面方向の温度分布は、断面方向全域で、従来は±数℃であったものを±０．２℃以内となるように精密な温度制御を行った。温度調整精度向上の方策としては、従来の圧力容器内の圧力が０．８ＭＰａであったのに対し、０．２ＭＰａと圧力を低減することで、圧力容器内のガス対流を低減したことが最も効果があったものと考えられる。
【００１４】
成長結晶は単結晶であり、該単結晶を水平方向に切断し、ラッピング処理及びポリッシング処理を施して鏡面にし、導電性のＳｉ添加ＧａＡｓ単結晶基板を作製した。該基板のキャリア濃度を測定したところ、結晶成長部内部の種結晶側で１．０×１０¹⁸／cm³、他端側で２．１×１０¹⁸／cm³、であり、基板内のキャリア濃度の最大値、最小値の値は基板面内の平均キャリア濃度の１０％以下のばらつきの範囲内であった。また、該基板にＡＢエッチングを施して概円形年輪状の成長縞を露呈させたところ、成長縞の中心は基板中心から基板直径の１／２０以内の距離にあった。また、転位密度は、基板面内の平均で５，０００個／cm²以下であった。
【００１５】
該Ｓｉ添加ＧａＡｓ単結晶基板から基板面内全域からＬＥＤを作成し、下記条件にて信頼性試験（寿命試験）を実施した。
【００１６】
＜信頼性試験条件＞
高温信頼性試験温度８５℃ 湿度８５％保持時間１，０００時間
低温信頼性試験温度−４０℃ 保持時間１，０００時間
信頼性試験において、１，０００時間経過後の発光輝度が信頼性試験前の発光輝度の７０％以上を合格とした場合、作製したＬＥＤの９９％が合格となった。
【００１７】
上述したように、実施の形態のＳｉ添加ＧａＡｓ単結晶基板は、結晶成長部内部の種結晶側で１．０×１０¹⁸／cm³、他端側で２．１×１０¹⁸／cm³であり、基板内のキャリア濃度の最大値、最小値の値は基板面内の平均キャリア濃度の１０％以下のばらつきの範囲内であった。したがって、光デバイス作製時の素子の歩留りが向上し、光デバイス作製時の製造条件の合わせ込みが容易となる。
【００１８】
また、成長縞の中心が基板中心から基板直径の１／２０以内の距離にあるので、光デバイス作製時の素子の歩留りが向上し、製造条件の合わせ込みが容易となる。また、転位密度が、基板面内の平均で５，０００個／cm²以下であるので、素子の歩留りが向上し、光デバイスの寿命が長くなる。
【００１９】
したがって、実施の形態のＳｉ添加ＧａＡｓ単結晶基板を用いて光テバイスを作製した場合、１枚の基板から取れる素子の歩留が大幅に向上するとともに、デバイス作製時の製造条件の合わせ込みも容易となる。以上のことから工業生産における経済的効果は多大なものがある。
【００２０】
なお、実施の形態では、ＶＢ法でＳｉ添加ＧａＡｓ単結晶基板を作製する場合について述べたが、ＶＧＦ法で作製しても同様の効果が得られる。また、ＶＢ法、ＶＧＦ法で単結晶基板を作製するＩｎＰ，ＧａＰ，ＩｎＡｓ等の他の化合物半導体単結晶基板に適用しても同様の効果が得られる。
【００２１】
【実施例１】
キャリア濃度が０．１×１０¹⁸〜５．０×１０¹⁸／cm³の範囲であり、基板面内のキャリア濃度の最大値、最小値の値が基板面内の平均キャリア濃度の１０％以下のばらつきの範囲内、成長縞の中心が、基板中心から基板直径の１／２０以内の距離にあり、転位密度の平均値が５，０００個／cm²以下を満たすＳｉ添加ＧａＡｓ単結晶基板１００枚からＬＥＤを作製し、上記信頼性試験を実施したところ、全ての基板において、信頼性試験合格率は９９％以上であった。
【００２２】
【比較例１】
キャリア濃度が０．１×１０^１８〜５．０×１０^１８／ｃｍ^３の範囲外である以外は、実施例１と同様のＳｉ添加ＧａＡｓ単結晶基板、つまり基板面内のキャリア濃度の最大値、最小値の値が基板面内の平均キャリア濃度の１０％以下のばらつきの範囲内、成長縞の中心が、基板中心から基板直径の１／２０以内の距離にあり、転位密度の平均値が５，０００個／ｃｍ^２以下を満たすＳｉ添加ＧａＡｓ単結晶基板１００枚からＬＥＤを作製し、上記信頼性試験を実施したところ、全ての基板において、信頼性試験合格率は９０％以下であった。
【００２３】
【比較例２】
基板面内のキャリア濃度の最大値、最小値の値が基板面内の平均キャリア濃度の１０％のばらつきより大きいこと以外は、実施例１と同様のＳｉ添加ＧａＡｓ単結晶基板、つまりキャリア濃度が０．１×１０^１８〜５．０×１０^１８／ｃｍ^３の範囲、成長縞の中心が、基板中心から基板直径の１／２０以内の距離にあり、転位密度の平均値が５，０００個／ｃｍ^２以下を満たすＳｉ添加ＧａＡｓ単結晶基板１００枚からＬＥＤを作製し、上記信頼性試験を実施したところ、全ての基板において、信頼性試験合格率は９２％以下であった。
【００２４】
【比較例３】
成長縞の中心が、基板中心から基板直径の１／２０より離れた距離にあること以外は、実施例１と同様のＳｉ添加ＧａＡｓ単結晶基板、つまりキャリア濃度が０．１×１０^１８〜５．０×１０^１８／ｃｍ^３の範囲、基板面内のキャリア濃度の最大値、最小値の値が基板面内の平均キャリア濃度の１０％以下のばらつきの範囲内、転位密度の平均値が５，０００個／ｃｍ^２以下を満たすＳｉ添加ＧａＡｓ単結晶基板１００枚からＬＥＤを作製し、上記信頼性試験を実施したところ、全ての基板において、信頼性合格率は９３％以下であった。
【００２５】
【比較例４】
転位密度の平均値が５，０００個／ｃｍ^２より多いこと以外は、実施例１と同様のＳｉ添加ＧａＡｓ単結晶、つまりキャリア濃度が０．１×１０^１８〜５．０×１０^１８／ｃｍ^３の範囲、成長縞の中心が、基板中心から基板直径の１／２０以内の距離にあり、基板面内のキャリア濃度の最大値、最小値の値が基板面内の平均キャリア濃度の１０％以下のばらつきの範囲内を満たすＳｉ添加ＧａＡｓ単結晶基板１００枚からＬＥＤを作製し、上記信頼性試験を実施したところ、全ての基板において、信頼性試験合格率は８０％以下であった。
【００２６】
【発明の効果】
本発明のＳｉ添加ＧａＡｓ単結晶基板は、基板面内のキャリア濃度が均一化し、成長縞の中心が基板中心に近く、転位密度が低いので、この基板を用いて光デバイスを作製すると、１枚の基板から取れる素子の歩留が大幅に向上するとともに、デバイス作製時の製造条件の合わせ込みも容易となる。更に、デバイスの寿命が長くなり、非常に高い信頼性が得られる。したがって経済性を大幅に向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明において用いる、ＶＢ法による単結晶製造装置の断面図
【符号の説明】
１０圧力容器
１１単結晶成長用容器
１２ＰＢＮ製るつぼ
１２ａ成長結晶部
１８ＧａＡｓ種結晶
１５ａＧａＡｓ融液層
１５ｂ単結晶

Claims

垂直ブリッジマン法によって製造されるＳｉ添加砒化ガリウム単結晶基板であって、
キャリア濃度が０．１×１０^１８〜５．０×１０^１８／ｃｍ^３の範囲であり、基板面内のキャリア濃度の最大値、最小値の値が基板面内の平均キャリア濃度の１０％以下のばらつきの範囲内であり、前記基板面内において等キャリア濃度を示す概円形年輪状を呈する成長縞の中心が、基板中心から基板直径の１／２０以内の距離にあり、かつ、前記基板面内の転位密度の平均値が５，０００個／ｃｍ ^２以下であることを特徴とするＳｉ添加砒化ガリウム単結晶基板。