JPH0222194A - 液相結晶成長方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は液相結晶成長に関し、特に溶質を溶解したメル
ト内に一定の温度差を設け、高温部より低温部に連続的
に溶質を搬送して低温部で結晶を成長させる温度差法連
続液相成長に関する。

［従来の技術］ 液相結晶成長は特に化合物半導体゛の結晶成長技術とし
て広く用いられている８液相結晶成長法として徐冷法や
温度差法等が知られている。

徐冷法は、たとえば、結晶材料をルツボ内で加熱して溶
融し、徐々に冷却して結晶化させる方法である。冷却方
法、ルツボ形状等によりストックバーガ法、ブリッジマ
ン法等に分かれる。

温度差法は一定の温度差（ないし温度勾配）を持つ゛高
温部低温部を形成し、高温部から原料を供給して低温部
で結晶を析出させる方法であり、広義にはフローティン
グゾーン法等も含むが、狭義には溶液（メルト）内に温
度差を設け、高温部で溶質を溶解（供給）すると共に低
温部で過飽和溶液から溶質を析出させる方法をさす、す
なわち、温度差法液相結晶成長法は、成長用材料（溶質
）を溶解した溶液（メルト）に温度差をっけ、温度勾配
による拡散によって溶質を基板方向に輸送し、基板上に
結晶を成長させる方法で、一定温度で成長できるため均
一な不純物濃度や組成をもつ結晶性の良い結晶が多数枚
連続して得られる方法である１例えば、ＧａＡｌＡｓ系
結晶の場合、グラファイトからなるメルト槽にＧａ溶液
からなるメルトを入れ、８００℃−１０００℃でｉｏ”
ｃ−２００℃の温度差を設けて結晶成長を行う、この方
法により、特性の優れた発光グイオートやレーザー等が
製作されている。

［発明が解決しようとする問題点］ 溶質を基板に向けて輸送するために基板面に垂直の方向
に温度差をつける。しかし基板面内にわたり均一に成長
させるためには面内方向に均一な温度分布を設けること
が必要である。しかし面に垂直な温度差と面内の均一な
温度との両者を両立させることは容易ではない。

従来は、特公昭５９−４３０８７号公報に示されている
ように、加熱用炉体や冷却源のバランスをとることによ
り基板面内の温度分布を均一にしようとしていた。

しかし、これらの方法で均一な温度分布を実現するのは
固数であり、第１２図に示すような均一でない厚み分布
の成長結果が多く、また、炉体の成長システムのわずか
な相違、変動により厚み分布が変動してしまう。

このような均一でない厚み分布は９発光ダイオードの製
造においては発光効率のバラツキに直結しており、製造
歩留まりの低下の主要な原因である。

そこで１本発明の目的は均一な面内温度分布を実現でき
る温度差法液相結晶成長技術を提供することである。

［問題点を解決するためにおこなった検討−］上記の問
題点を解決するために、温度差法連続液相結晶成長での
結晶成長のメカニズムを検討した。

第５図に温度差法液相成長装置の例を概略的に示す、入
口側予備室５１内には半導体基板を載せたスライダ５３
が収められており、スライダ押上機構５５により順次ゲ
ートパルプ６２を通って押し上げられる。入口側予備室
５１は予備加熱炉５９で予熱されているのが好ましい、
押し上げられたスライダはスライダ駆動機構６１により
成長室５７内にゲートパルプ６３を通って送られる。成
長室５７内にはメルト槽６４が設けられ、主ヒータ６７
がメルト槽６４を加熱している。スライダ５３上の基板
６９はメルト槽６４の下部でメルトと接触し結晶成長を
行う、結晶成長の終わった基板を載せたスライダはゲー
トパルプ７３を介して成長室５７の外に送られ、スライ
ダ受取機構７７によってゲートバルブ７４を介して出口
側予備室７９に収められる。

第６図はメルト槽６４部分の１例の拡大説明図である５
溶媒であるＧａの中に溶質のＡＩ、ＧａＡｓが溶解され
て、Ｐメルト槽６５とＮメルト槽６６に収容されている
。さらに不純物としてＰメルト槽６５にはＺｎがＮメル
ト槽にはＴｅが溶解されている。後から成長するＮ型領
域のバンドギャップをＰ型頭域のバンドギャップより大
きくするなめＮメルト槽６６中のＡＩの量はＰメルト槽
６５中のＡＩの量より大きくするのがよい、たとえば、
赤色発光Ｇａ　　　　ＡＩ　　Ａｓ発光ダイ第１−ｘ　
　　ｘ −ドを得るには、ＡｌＡｓの組成割合Ｘをｐ型頭域で約
０．３５、ｎ型領域で約０．６−０．８５となるように
ＡＩとＧａＡｓの量を決める１両メルト槽６５．６６内
には図中台に示すような垂直方向の温度差が設定される
。たとえば、８００℃−ｔｏｏｏ℃の温度で温度差を１
０℃−２００℃設ける。溶質を連続的に供給するには高
温部であるメルト上部に溶質を浮かせておくか溶質収容
部を作ってメルトと接触させる。溶質は高温部で飽和溶
解度まで溶解し、拡散で低温部に輸送される。

通常溶解度は温度と共に増加するので、低温部では過飽
和溶液となって析出できる状態となる。このようなメル
ト低温部へ多数枚の基板６９を順次接触させる。たとえ
ば、成長時間約６０分で５０−６０μｍの成長層が得ら
れる。

第７図は温度と時間との関係を示す９図から判るように
温度分布は一定に保たれる。初め１番目の基板がＰメル
トの下に接し、Ｐ型層を成長させる８次にスライダを移
動させて１番目の基板がＮメルトの下に接し、２番目の
基板がＰメルトの下に接するよ、うにする、そこで、そ
れぞれの成長層を形成する。これで１番目の基板上には
下にＰ型層、上にＮ型層が成長され、ダイオードが形成
される。この様な操作を繰り返して多数枚の基板上にエ
ピタキシャル成長を行う。

さて、結晶成長を行えるのはメルト下部の低温部である
が、メルトと通常グラファイトであるメルト槽を作ワて
いる耐熱材とは熱伝導率等の熱的特性が異なる。メルト
下部で面内均一な温度分布を実現するために解明すべき
問題の１つはグラファイトに囲まれたメルトと基板との
関係であろう。

そこで、以下の場合に分けて検討した。

［Ａ、メルトの底面の大きさと基板の大きさがほぼ等し
い場合］　（第８図、第９図参照）基板中心付近８１に
比べて周辺部８３の成長速度が遅い、これはメルト槽の
内壁からは溶質の供給がないこと・が１つの原因と考え
られる。まなメルト槽の側壁（グラファイト）の熱伝導
率はメル）　（Ｇａ）の熱伝導率より大きい、このため
、基板中心付近８１に比べて周辺部８３の温度勾配が小
さい、したがって濃度勾配が小さく周辺部８３の成長速
度が遅いと考えられる。

［Ｂ、メルトの底面の大きさが基板の大きさより大きい
場合］　（第１０図、第１１図参照）基板の大きさがメ
ルトの底面の大きさより小さいため、基板周辺部８７も
メルト槽の側壁から離れ基板中心付近８５と基板の周辺
部８７との温度勾配の差は［ＡＩに比べ大きくない、ま
た基板面内の温度分布も［ＡＩに比べより均一である。

したがって成長速度は［ＡＩより面内で比較的均一にな
る。

しかし、基板より外の周辺部８９のメルト底面が、基板
より熱伝導率が大きくかつその上に結晶をエピタキシャ
ル成長させることのできないグラファイトからなるスラ
イダ５３に接している。したがって基板外の周辺部８９
において基板面内８５．８７においてと同等またはそれ
以上の熱がメルトからスライダに向かって流れる。すな
わち。

この領域においても、拡散による溶質の輸送は常に行わ
れている。しかし基板結晶がないため輸送された溶質は
過飽和状態となり、メルト内のスライダ表面近傍におい
て微結晶を析出させる。溶質の輸送が常に行われている
ため、この微結晶が種となりさらに連続して微結晶への
析出が行われる。

この基板外の周辺部８９のメルト内での微結晶析出のた
めに、基板内周辺部８７での溶質の輸送が影響され、中
心部８５に比べ基板内周辺部８７の成長速度が小さくな
る。

［Ａ］　　［Ｂ］いずれの場合も均一な厚み分布の成長
が実現されず、たとえば、第１２図に示すように周辺部
の成長厚が中心部より小さくなりやすい、さらに［Ａ］
　　［Ｂ］いずれの場合もスライダの移動により温度変
動が起こると、その影響を十分吸収出来ず、連続して多
数枚成長させたときの厚みや分布の変動を生ずる。

以上の検討に基ずいたとき、［Ｂ］において基板外周辺
部８９のメルト内での微結晶の析出を抑制するならばよ
り均一な厚みの結晶成長が可能になるものと考えられる
。

Ｌ問題点を解決するための手段］ 本発明によれば、温度差法液相結晶成長において、基板
の下方の冷却板の内部に基板面積より大きい外周部の空
洞を設け、こめ空洞に成長温度で液状となる金属（液体
金属）を収納し、この空洞の上壁面に段差を設け基板の
真下において、基板とほぼ同じ横断面積にわたり、上壁
面が液体金属の上表面と接触し、その外側の上壁面は高
くして液体金属と接触せず液体金属の上面に空間が形成
されるようにし、この空間と外部とを細孔で連結する。

［作用１ 第１図、第２図を参照して説明すると、基板の下方の冷
却板内部に基板面積より大きい横断面積の空洞を設け、
そこに結晶成長温度で液状となる金属（液体金属）が充
填されており、この液体金属が熱対流によって移動する
ため、基板面内方向に温度分布があっても均熱化される
。

基板の真下においては、空洞の上壁面から下方に向かう
凸部が設けられ、基板とほぼ同じ表面積にわたり前記の
液体金属の上表面と接触し、熱流の通路を形成している
。その外側の冷却板部材の空洞上壁面と接していない液
体金属の上面には気体空間が設けられている。このため
、メルトがスライダと直接接触している基板外の周辺部
８９における基板面に垂直方向の熱抵抗は、基板部８５
゜８７における熱抵抗より大きく、基板外の周辺部８９
を流れる熱を抑制することができる。

［実施例］ 第１図、第２図に本発明の１実施例による液相結晶成長
装置を部分的に示す。

メルト槽１１の中には結晶成長用のメルト１３が収容さ
れている。メルト槽１１の底は開いていてスライダ１５
が底の開口を塞ぐようになっている。スライダ１５の中
央部には凹部１７が設けられ１成長下地となる半導体基
板１９が収められている。従って半導体基板１９の上面
はメルト１３の底部中央部と接する。スライダは冷却板
２１の凹状レール２３内を摺動し１図面の紙面と垂直の
方向に動く、冷却板の内部にはメルト槽の下方に空洞部
２５が形成されている６空洞の横方向寸法は本実施例で
はスライダ１５とほぼ同じ寸法としであるが、これに限
らない、但しメルト１３の横断面積とほぼ同じかそれ以
上の横断面積をもつことが好ましい、空洞部２５の上壁
には下方への凸部２７が形成されている。この凸部２７
は基板１９ないしスライダの凹部１７とほぼ同じ横断面
積をもち水平な下面をもつよう設計される。さらにこの
空洞部２５と外部とを結ぶ連絡孔２９が形成され、液体
金属や雰囲気ガスの出入りを可能にしている。空洞部２
５に液体金属（例えばＧａ）３１を入れていくと液面と
凸部２７の下面とが均一に接する。この時凸部２７の周
囲には空間３３が残っている。液面を上げていくと空間
３３は次第に小さくなり、凸部２７は液体金属３１の中
になかば没する。

メルト槽１１．スライダ１５．冷却板２１はグラファイ
トのような耐熱材料で作られている。メルト１３は通常
成長すべき半導体材料の構成元素の１つを溶媒としてい
る。ＧａＡｓ、ＧａＡｌＡｓ　、　Ｇ　ａ　Ａ　Ｉ　Ａ
　ｓ　Ｐ　、　Ｇ　ａ　Ｐ　、　Ｇ　ａ　Ｓ　ｂ等の場
合はＧａ、ＩｎＡｓ、ＩｎＡｓＰ等の場合はＩｎを用い
る８液体金属３１は使用温度（はぼ結晶成長温度）で液
体であれば良＜、Ｇａ、Ｉｎ、Ｈｇ等が用いられる。メ
ルト１３の主成分と液体金属の主成分とを一致させてお
くのが不純物防止、熱的設計等の面から好ましいことが
多い、均一な厚さの結晶成長を得るには、基板１９上、
での温度分布が面内均一でかつ温度勾配も面内均一であ
り、さらに基板１つより外側の部分８９では、微結晶が
発生したいことが望ましい、そのなめには基板１９の断
面積内において均一な熱流が上から下に流れ、その外側
では上から下にの熱流が制限されることが望ましい。

まず基板１９の断面積内では上からメルト１３基板１つ
、スライダ１５．冷却板２１上部（凸部２７を含む）、
液体金属３１．冷却板２１下部と熱が流れる。その外側
では冷却板２１上部に凸部２７が存在せず１代わりに空
間３３が入る。

基板１９の断面積内では構造が面内で均一であり均一な
熱流を作り易くしている。さらに液体金属３１は熱伝導
のみでなく熱対流によっても熱を輸送できるので、温度
分布に不均一が生じた場合対流によって均熱化する役割
を果たす。

基板１９の外側では熱回路中に空間３３（気体）が入る
。気体の熱伝導率はグラファイト等の耐熱材料の熱伝導
率より格段に少ないので熱流は大きく制限される。この
ため、基板１９より外側の部分８９での微結晶析出は抑
制される。

たとえば、構成材料の熱伝導率（３００°Ｋ）［Ｗ／ｃ
ｍ−ｄｅｇｌの代表例は以下の通りである。

Ｈ２０，００１８ Ｇａ　　　　　　　　Ｏｌ　３３５ グラフアイト　　１．２ ＧａＡｓ　　　　０．５４ この液体金属３１の熱対流による均熱化と基板外周辺領
域８９における微結晶析出の抑制により。

均一な厚さの成長結晶が得られる。

期待される成長結晶の膜厚分布の１例を第３図に示す。

基板の下方には空間がなく、熱抵抗は大きく影響されな
いので、成長速度は従来例とほぼ同様であり、高輝度発
光ダイオードに必要な成長厚みが確保される。

また液体金属の上面に設けられた空間は、４１［１孔に
より外部雰囲気と連結されているので、高温になっても
内部圧力が上昇する危険はない。

さらに周辺部での液体金属の上面の空間３３の容積を調
節することにより、基板外周辺領域８９における基板面
に垂直方向の熱抵抗を調節することもでき、加熱用炉体
や冷却源等の成長システムのわずかな相違による。成長
条件の相違を調節補償することもできる。

また、液面を上下できるようにして液面を下げて凸部２
７でも液面から冷却板２１の上部を離すと、熱流を一時
的に制限することもできる。

この方法は、ＧａＡｌＡｓのみならず、ＧａＰＧａＡｓ
ＩｎＰ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、あるいは、Ｚｎ５ｅ
、ＺｎＴｅ、ＨｇＣｄＴｅその他の温度差法液相エピタ
キシャル成長法による結晶の成長に適用できる。

ＰＷＮ層を連続的に成長して発光ダイオード用ウェーハ
を製造する場合の実施例を第４図に示す。

石英製の反応管３５内にグラファイト製の結晶成長機構
３７が収容され、ヒータ３８，３９で加熱されている。

冷却板２１上をスライダ１５が滑って図中の右から左へ
移行する。スライダ１５上の基板１９はまずＰメルト４
１の下でＰ層の成長を受け９次にＮメルト４２の下でＮ
層の成長を受ける。各メルト下部には空洞４３．４４が
設けられ、その上壁からはほぼ基板１９と゛おなじ断面
形状の凸部４５．４６が基板１９と位置を合わせ下方に
延びている。液体金属３１が凸部４５．４６と接し、そ
の外周には空間４７．４８を作る。メルト４１，４２内
には図中右に示すような垂直方向の一定の温度勾配を形
成する。

この構成により、基板１９上に均一な熱流をつくり、そ
の外側での結晶析出を抑制し、特性の良い発光ダイオー
ドを高歩留まりで製造できる。

［発明の効果］ 以上のように、空洞と熱対流によっても均熱化を達しや
すい液体金属とを用いることにより、基板外周辺の熱抵
抗を大きくシ、基板外周辺のメルト内での微結晶の析出
を抑制し、均一な厚みの成長結晶が得られる。

従って、均一な発光効率の発光ダイオード用エピタキシ
ャルウェーへが高歩留まりで製造され。

安価に大量に高発光効率の発光ダイオードを供給するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例による液相結晶成長装置の部
分概略図、第２図は第１図の部分横断面図、第３図は成
長層の膜厚分布の１爲例、第４図は他の実施例による液
相結晶成長装置の部分概略図、第５図は従来の液相結晶
成長装置の概略図。 第６図は第５図の部分拡大図、第７図は成長操作を説明
する温度対時間のグラフ、第８図は従来技術の液相結晶
装置の部分拡大図、第９図は第８図の横断面図、第１０
図は従来技術の液相結晶装置の部分拡大図、第１１図は
第１０図の横断面図。 第１２図は従来技術による成長層の膜厚測定例である。 符号の説明 メルト槽 メルト スライダ スライダの凹部 基板 冷却板 冷却板の凹状レール 空洞 凸部 連絡孔 液体金属 空間 反応管 結晶成長機構 ヒータ ヒータ Ｐメルト Ｎメルト 空洞 空洞 凸部 凸部 空間 空間

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）成長用材料を溶解したメルトを保持し底部に開口
   を有し耐熱材料で作られたメルト槽と、結晶基板を上に
   保持し、耐熱材料で作られたスライダーと、このスライ
   ダーをメルト槽の開口側に摺動可能に保持接触させる耐
   熱材料で作られた冷却板とを用い、メルト内に上部が下
   部より高温となるように温度差を付け基板をメルト槽の
   開口と接するようにスライダーを移動し、メルト槽の開
   口の位置で基板をメルトと接触させ基板上にメルトから
   結晶をエピタキシャル成長させる温度差法液相結晶成長
   法において、基板の下方の冷却板の内部に、基板面積よ
   り大きい外周部を有し、外部と孔で通じている空洞を設
   け空洞の上壁に基板とほぼ同じ横断面積を持ち、下方に
   延びる凸部を形成し、この空洞に成長温度で液状となる
   金属を収容し、基板の真下において、前記の液状金属の
   上表面と前記凸部とを接触させ、かつ凸部周辺の液状金
   属の上面には空間を形成して、熱の流れを制御すること
   を特徴とする液相結晶成長方法。
2. （２）成長用材料を溶解したメルトを保持し、底部に開
   口を有し耐熱材料で作られたメルト槽と、結晶基板を上
   に保持し、耐熱材料で作られたスライダと、このスライ
   ダをメルト槽の開口部に摺動可能に保持接触させる耐熱
   材料で作られた冷却板とを備え、メルト内に上部が下部
   より高温となるように温度差をつけ、基板をメルト槽の
   開口と接するようにスライダーを移動し、メルト槽の開
   口の位置で基板をメルトと接触させ基板上にメルトから
   結晶をエピタキシャル成長させる温度差法の液相結晶成
   長装置において、基板の下方の冷却板の内部に、基板面
   積より大きい外周部を有し、外部と孔で通じている空洞
   を設け、空洞の上壁に基板とほぼ同じ横断面積を持ち、
   下方に延びる凸部を形成し、この空洞に成長温度で液状
   となる金属を収容した時基板の真下において、前記の液
   状金属の上表面と前記凸部とが接触し、凸部周辺の液状
   金属の上面には空間が形成されて、熱の流れを制御する
   ごとく構成されていることを特徴とする液相結晶成長装
   置。