JP4499444B2 - 気相成長方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体基板上にエピタキシャル層を成長させる気相成長方法に関し、特に、化合物半導体からなるエピタキシャル層を所望の組成で成長させ、フォトルミネッセンスのピーク波長を改善する技術に関する。

従来、光デバイス用の半導体素子の用途には、ＩｎＰ基板上にＩｎＧａＡｓ層、ＡｌＧａＡｓ層、ＡｌＩｎＡｓ層、ＡｌＩｎＧａＡｓ層、ＩｎＧａＡｓＰ層等の化合物半導体からなるエピタキシャル層を有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）等により成長させた半導体素子が広く用いられている。この中でも、Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓ_yＰ_1-yはＩｎＰ基板と比較的容易に格子整合させることができるため、素子特性に優れた半導体素子を得るのに適しているといえる。

一方、半導体レーザ等の用途に用いるためには、フォトルミネッセンスのピーク波長（以下ＰＬピーク波長と略する）が一定であることが望ましいが、上述したＩｎＧａＡｓＰ等の４元系化合物半導体やＩｎＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ等の３元系化合物半導体においては構成元素の組成によりＰＬピーク波長が変動しやすいため、構成元素の組成が一定となるように制御しながら成長させることが極めて重要となる。

均一な組成の薄膜を成長させる技術としては、例えば、基板を配置する基板保持台の少なくとも一部の表面温度が原料ガスの分解温度以上となるように制御する気相成長方法が本発明者等によって提案されている（特許文献１）。
特開２００１−２２０２８８号公報

しかしながら、上記先願技術のような従来の気相成長法により、ＩｎＰ基板上にＩｎＧａＡｓ層、ＡｌＧａＡｓ層、ＡｌＩｎＡｓ層、ＡｌＩｎＧａＡｓ層等の化合物半導体からなるエピタキシャル層を成長させる場合には、成長温度（基板の設定温度）を含む成長条件を同一にして気相成長を行っているにもかかわらず、得られた半導体素子のＰＬピーク波長にばらつきが生じるという問題が明らかとなった。これは、使用する基板によって基板上に成長されるエピタキシャル層を構成する元素組成に変化が生じているためと考えられた。また、従来の気相成長装置の安定性、制御性の関係から、成長毎に成長条件が微妙にばらつくために成長されたエピタキシャル層の元素組成に変化が生じると考えられていた。

しかしながら、近年、気相成長装置の制御性が非常に向上し装置に起因する成長条件のばらつきを最小限に抑えることが可能となったが、本発明者等が検討した結果、このように改善された気相成長装置を使用しても基板によって決まった方向に組成が変化することが明らかとなった。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、ＩｎＰ等の半導体基板上にＩｎＧａＡｓＰ等の化合物半導体からなるエピタキシャル層を所望の元素組成で再現性よく成長させ、一定のＰＬ波長を有する半導体素子を安定して製造することのできる気相成長方法を提供することを目的とする。

以下に本発明を完成するに至った経緯について簡単に説明する。
まず、本発明者らは、有機金属気相成長法によって様々な種類のＩｎＰ基板上にＩｎ_1-xＧａ_xＡｓ_yＰ_1-y層をエピタキシャル成長させた。具体的には、Ｆｅ，Ｓ，Ｚｎをドープして異なるキャリア濃度を有するＩｎＰ基板を作成し、該基板上にＩｎＧａＡｓＰ層をエピタキシャル成長させた。そして、得られた半導体素子についてフォトルミネッセンス特性を測定した。その結果を図２に示す。図２には、ＩｎＰ基板のキャリア濃度とＰＬピーク波長の関係を示している。なお、図２中、□印はＦｅドープＩｎＰ基板、○印はＳドープＩｎＰ基板、△印はＺｎドープＩｎＰ基板を用いてＩｎＧａＡｓＰをエピタキシャル成長させたもにについての測定結果である（図３〜図５において同じ）。図２より、使用する基板のキャリア濃度によってＰＬピーク波長が変動することが判明し、これよりＰＬピーク波長で規定されるＩｎ_1-x1Ｇａ_xＡｓ_yＰ_1-y層の組成に変化が生じていることが明らかとなった。

次に、この原因を探るため、各種基板を成長炉内に導入した後、同一の設定温度でＩｎＰ基板を加熱して、基板の表面温度をパイロメータによって直接測定する実験を行った。その結果、ＳドープＩｎＰ基板を使用した場合（キャリア濃度３×１０¹⁷〜８×１０¹⁸ｃｍ^-3）、設定温度を同一としたにもかかわらず、基板の表面温度は基板のキャリア濃度によって最高で５℃程度変化することがわかった。また、キャリア濃度が高いほど表面温度は低くなるという結果が得られた。

続いて、基板の表面温度の変化がエピタキシャル層に与える影響を把握するため、基板の設定温度を意図的に変化させた成長条件でＩｎＰ基板上にＩｎＧａＡｓＰ層を成長させた。具体的には、基板温度を約６４０〜６６０℃の２０℃の範囲で変化させてＩｎＧａＡｓＰ層を成長させた。このとき、使用した基板はＳドープＩｎＰでキャリア濃度は３×１０¹⁸ｃｍ^-3で一定とした。そして、得られた半導体素子についてＰＬピーク波長を測定した。図３に得られた半導体素子のＰＬピーク波長の基板温度依存特性を示す。図３より、ＰＬピーク波長は基板温度が高くなるほど短くなることがわかった。

以上のことから、基板のキャリア濃度が高いと同一の設定温度であっても基板の表面温度が低くなり、その結果ＰＬピーク波長は長くなることがわかり、基板のキャリア濃度とＰＬピーク波長との間に良い相関関係があることが明らかとなった。

さらに、ＰＬピーク波長と格子不整合のデータからＩｎ_1-xＧａ_xＡｓ_yＰ_1-y層のＧａ組成ＸとＡｓ組成Ｙを算出し、ＩｎＧａＡｓＰ層の組成と成長させるＩｎＰ基板のキャリア濃度及びＩｎＰ基板の表面温度との関係を調べた。図４にＩｎＰ基板のキャリア濃度とＩｎＧａＡｓＰ層の組成との関係を示し、図５にＳドープＩｎＰ基板の表面温度とＩｎＧａＡｓＰ層の組成との関係を示す。図４，５ともＧａの組成Ｘの変動は比較的小さく、Ａｓの組成Ｙの変動が大きくなっている。これより、ＩｎＧａＡｓＰ層を成長させるときの基板の設定温度が同一でも、ＩｎＰ基板のキャリア濃度によって基板の表面温度が変化し、これに伴い主としてＡｓ（又はＰ）の組成が変化している可能性が高く、その結果ＰＬピーク波長が変化していることが判明した。

また、基板の表面温度は、基板厚みや加熱方法によって変化するため、それぞれについて、基板の種類、キャリア濃度ごとに表面温度の測定を実施した。

以上の研究結果に基づいて、ＩｎＰ基板上にＩｎＧａＡｓＰ等をエピタキシャル成長させるにあたり、基板のキャリア濃度に応じて設定温度を調整すれば、実際の基板の表面温度は一定となるため、成長されるエピタキシャル層の構成元素の組成を一定とすることができるとの知見を得て、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、半導体基板上にエピタキシャル層を成長させる気相成長方法において、予め半導体基板の室温におけるキャリア濃度を測定し、該半導体基板のキャリア濃度に関わらず実際の基板の表面温度が所望の温度となるように、前記室温におけるキャリア濃度に応じて基板の設定温度を制御し、エピタキシャル層を成長させることを特徴とする。また、基板の表面温度は、基板厚みや加熱方法（使用する気相成長装置）によって変化するので、それぞれについて、半導体基板のキャリア濃度に対する設定温度と実際の基板表面温度との関係を把握しておけば、基板の表面温度を所望の温度とするための温度設定が容易となる。

また、前記半導体基板はＩｎＰ等の化合物半導体とすることができる。ＩｎＰ基板とした場合、成長されるエピタキシャル層としては、ＩｎＰと比較的良好に格子整合しうるＩｎＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ等が考えられる。
また、上述した気相成長においては有機金属気相成長法を利用することができる。

本発明によれば、ＩｎＰ等の半導体基板上にＩｎＧａＡｓＰ層等の化合物半導体からなるエピタキシャル層を気相成長させる過程において、基板のキャリア濃度に起因して基板温度が変化することを考慮し、基板温度を適切に設定することで基板温度を所望の温度で一定とすることができる。したがって、基板上に成長される化合物半導体層の構成元素の組成を一定とすることができ、ＰＬピーク波長が一定の半導体素子を安定して製造することができるという効果を奏する。

以下、本発明の好適な実施の形態を図面に基づいて説明する。
はじめに、液体封止チョクラルスキー法（Liquid Encapsulated Czochralski；ＬＥＣ）法により、Ｆｅ，Ｓ，Ｚｎをドープしてさまざまなキャリア濃度の（１００）ＩｎＰ基板を作製した。そして、該基板上に有機金属気相成長法によりアンドープＩｎＰ層（膜厚０．３μｍ）、アンドープＩｎ_1-xＧａ_xＡｓ_yＰ_1-y層（膜厚０．３μｍ）及びアンドープＩｎＰ層（膜厚０．３μｍ）を順次成長させ、目標とするＰＬピーク波長が１２８５ｎｍの半導体素子を製造した。また、このときの成長圧力は４０ｔｏｒｒ、基板の目標表面温度は６２０℃とした。

本実施形態では、各種ドーパント、キャリア濃度を持つＩｎＰ基板に対し、予め基板の室温におけるキャリア濃度を測定し、該基板のキャリア濃度に基づいて実際の基板温度が６２０℃で一定になるように制御温度を調整してＩｎＧａＡｓＰ層を成長させた。具体的には、室温における基板のキャリア濃度が１×１０¹³ｃｍ^-3程度であるＦｅドープＩｎＰ基板を用いる場合には基板の設定温度を６１７℃とした。また、ＳドープＩｎＰ基板を用いる場合には、室温におけるキャリア濃度が３×１０¹⁷ｃｍ^-3程度のときは設定温度を６２２℃とし、８×１０¹⁸ｃｍ^-3程度であるときは設定温度を６２７℃とした。また、ＺｎドープＩｎＰ基板を用いる場合には、室温におけるキャリア濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3程度のときは設定温度を６２３℃とし、１×１０¹⁹ｃｍ^-3程度のときは設定温度を６２５℃とした。

なお、この温度設定は本実施形態において有効であって、例えば、使用する気相成長装置によっては異なる設定温度となることはいうまでもない。つまり、使用する気相成長装置について、半導体基板のキャリア濃度に対する設定温度と実際の基板表面温度との関係を把握しておけば、基板の表面温度を所望の温度とするための温度設定は容易に決定することができる。また、基板厚みについても同様のことがいえる。

一方、比較のため、上記と同様のキャリア濃度を有するＩｎＰ基板を用いて、基板の設定温度を６２０℃で一定とした条件でＩｎＧａＡｓＰ層を成長させた。

上述した方法により得られた半導体素子について、ＰＬピーク波長及び格子不整合の不整合を測定し、測定結果を基にアンドープＩｎＧａＡｓＰ層の各元素の組成を算出した。その結果を図１に示す。なお、図１中、□印はＦｅドープＩｎＰ基板、○印はＳドープＩｎＰ基板、△印はＺｎドープＩｎＰ基板を用いて実際の基板温度が６２０℃で一定となるように設定温度を調整してＩｎＧａＡｓＰ層をエピタキシャル成長させたもの（本実施形態）についての測定結果であり、■印はＦｅドープＩｎＰ基板、●印はＳドープＩｎＰ基板、▲印はＺｎドープＩｎＰ基板を用いて基板の設定温度を６２０℃で一定としてＩｎＧａＡｓＰ層をエピタキシャル成長させたもの（比較例）についての測定結果である。

図１より、本実施形態の気相成長方法により得られた半導体素子においてはＰＬピーク波長のばらつきは２ｎｍ以下であるのに対して、比較例により得られた半導体素子においてはＰＬピーク波長のばらつきは最大１５ｎｍとなっている。

このように、ＩｎＰ等の半導体基板上にＩｎＧａＡｓＰ層等の化合物半導体からなるエピタキシャル層を気相成長させる過程において、予め室温における半導体基板のキャリア濃度を測定し、該半導体基板のキャリア濃度に応じて基板の設定温度を制御することで、ＰＬピーク波長が一定の半導体素子を安定して製造することができる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
例えば、本実施形態では有機金属気相成長法によりＩｎＰ基板上にＩｎＧａＡｓＰ層を成長させた例について説明したが、基板のキャリア濃度に応じて温度設定を行い実際の基板温度が所望の温度で一定となるようにしてエピタキシャル成長させる方法は、成長させるエピタキシャル層の種類によらず同様の効果が期待できる。また、使用する基板の種類、成長方法も限定されず、その他の基板や成長方法においても適用できることは上述した説明から明らかである。

ＩｎＰ基板のキャリア濃度と、本発明に係る成長方法及び従来の成長方法により得られたエピタキシャル層のＰＬピーク波長の関係を示すグラフである。 ＩｎＰ基板のキャリア濃度と、従来の成長方法により得られたエピタキシャル層のＰＬピーク波長の関係を示すグラフである。 ＰＬピーク波長の基板温度依存特性を示すグラフである。 ＩｎＰ基板のキャリア濃度とＩｎＧａＡｓＰ層の組成との関係を示すグラフである。 ＩｎＰ基板の表面温度とＩｎＧａＡｓＰ層の組成との関係を示す。

Claims (4)

1. 各種ドーパントによりキャリア濃度を制御された半導体基板上にエピタキシャル層を成長させる気相成長方法において、
   予め使用する半導体基板の室温におけるキャリア濃度を測定し、該半導体基板のキャリア濃度に関わらず基板の表面温度が所望の温度となるように、前記半導体基板のドーパント種類と前記室温におけるキャリア濃度に応じて基板の設定温度を制御し、エピタキシャル層を成長させることを特徴とする気相成長方法。
2. 前記半導体基板は化合物半導体であることを特徴とする請求項１に記載の気相成長方法。
3. 前記半導体基板はＩｎＰ基板であることを特徴とする請求項２に記載の気相成長方法。
4. 有機金属気相成長法を利用してエピタキシャル層を成長させることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の気相成長方法。

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