JPH04294527A - 液相エピタキシャル成長法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、同時に二以上の基板上
に、表面モホロジーが良好なエピタキシャル層を成長さ
せる液相エピタキシャル成長法に関する。

【０００２】

【従来の技術】液相エピタキシーにおける結晶の成長は
、各種の結晶成長方法の中で最も熱平衡に近い状態でお
こる。従って、液相エピタキシーで得られる結晶は、一
般に構造欠陥の少ない完全性の高いものである。また、
液相エピタキシーは半導体の融点より、かなり低い温度
で行われるため、この点からもエピタキシーで得られる
結晶、即ちエピタキシャル層の構造は完全性が高い。そ
のため、液相エピタキシャル成長法は、種々のエピタキ
シャル層の成長に利用される。

【０００３】例えば、ＩＩＩ　−Ｖ族系の化合物半導体
の三元混晶であるＡｌＧａＡｓ混晶をエピタキシャル成
長させる場合には、一般に基板として格子整合の要件か
ら同じＩＩＩ　−Ｖの二元化合物であるＧａＡｓを用い
る。このＧａＡｓ基板上にＡｌＧａＡｓ層を成長させる
場合、通常は液相エピタキシーによる徐冷法あるいは温
度差法を行っている。エピタキシャル成長に際して、Ｇ
ａＡｓ基板はＡｌ−Ｇａ−Ａｓ溶液層の上方または下方
のいずれか片方のみに配置されており、例えば徐冷法で
は９００　℃程度の高温溶液を７００　℃程度まで漸次
降温することによって、ＧａＡｓ基板上にＡｌＧａＡｓ
混晶をエピタキシャル成長させている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、エピタキシ
ャル成長に際して、ＧａＡｓ基板をＡｌ−Ｇａ−Ａｓ溶
液層の上方のみに配置した場合、ＡｌＧａＡｓ層を厚く
成長させることが可能であるが、表面モホロジーに問題
があり、また、デバイスとしての特性を劣化させる原因
となっていた。

【０００５】他方、ＧａＡｓ基板をＡｌ−Ｇａ−Ａｓ溶
液層の下方のみに配置した場合、良好な表面モホロジー
を得るためには、該溶液層の厚みを２ｍｍ以上にしなけ
ればならない。 その理由は、Ａｌ−Ｇａ−Ａｓ溶液層の厚みが２ｍｍ未
満の場合、ボードのメルト層上方のカーボン表面にＡｌ
ＧａＡｓの多結晶が部分的に成長し、その直下にあるＧ
ａＡｓ基板上のＡｌＧａＡｓエピタキシャル層が薄膜と
なり、結果的にＡｌＧａＡｓ層の表面モホロジーが悪化
するからである。従って、Ａｌ−Ｇａ−Ａｓ溶液層の厚
みを２ｍｍ以上とすれば、カーボン表面に析出するＡｌ
ＧａＡｓ多結晶の影響を受けずに済むが、多量のＡｌＧ
ａＡｓ多結晶の析出は避けられず、使用材料の有効利用
はできなかった。

【０００６】従って、本発明は、表面モホロジーが良好
なエピタキシャル層を効率よく成長させることをその目
的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明者らは、下記の液相エピタキシャル成長法を
開発するに到った。

【０００８】即ち、本発明の成長法においては、互いに
平行な基板が成長用溶液を介して配置され、該基板の該
溶液を介して対向する各面にエピタキシャル層を成長さ
せることを特徴とするものである。

【０００９】また、本発明のより望ましい態様は、該成
長用溶液がＡｌ−Ｇａ−Ａｓ溶液、該基板がＧａＡｓ基
板であることを特徴とするものである。

【００１０】特に、該溶液の層の厚み、即ち、該基板に
介在する成長用溶液の層（以下、「メルト層」ともいう
。）の厚みを３．３　ｍｍ以下とした態様が望ましい。

【００１１】本発明において、基板の配置方向は特に限
定されず、基板と水平線とのなす角度（θ）は０°（水
平）から９０°（垂直）まで任意の値をとり得る。しか
しながら、基板上に成長させるエピタキシャル層を均一
の厚みとするためには、θは４５°未満とすることが望
ましい。

【００１２】本発明においては、基板および成長用溶液
を構成する材料は特に制限されず、所望の材料が使用さ
れ、成長条件などについても適宜決定され得る。しかし
ながら、本発明の理解をより容易なものとするため、望
ましい態様として、基板がＧａＡｓ基板、成長用溶液が
Ａｌ−Ｇａ−Ａｓ溶液である場合の成長法について以下
具体的に詳説する。

【００１３】ＧａＡｓ基板は周知のように、成長してく
る結晶の最初の核となる結晶（種結晶）であり、この種
結晶としてはこれを核にしてＡｌＧａＡｓ結晶が成長す
るのであれば特に限定はないが、通常は従来のＧａＡｓ
バルク結晶を得る場合と同様に単または多結晶のＧａＡ
ｓを用いることが好ましい。ＧａＡｓ基板（種結晶）の
大きさは、得ようとするインゴットの大きさや形状にも
依るが、例えば直径１．５　〜２インチ（約３．８　〜
５．１　ｃｍ）程度の円板状のものが例示される。

【００１４】ＧａＡｓ基板（種結晶）を接触させるＡｌ
−Ｇａ−Ａｓ溶液は、Ｇａを溶媒とし、これに単結晶ま
たは多結晶のＧａＡｓ、Ａｌを溶質とした融液であり、
さらに所望により不純物を加えてもよい。不純物（ドー
パント）はＡｌＧａＡｓ混晶の導電性を制御するドーピ
ングを行うために添加するもので、ＡｌＧａＡｓの場合
、ｎ型結晶を得るためにはＴｅ、Ｓｎ、Ｓｅ、Ｓなどが
、ｐ型結晶を得るためにはＺｎ、Ｍｇ、Ｃｄなどがドー
プされる。また、両性不純物としてＳｉなどをドーパン
トとして加えてもよい。

【００１５】成長させるＡｌＧａＡｓ層としては、Ａｌ
の混晶比が０〜０．９　の範囲内の同一組成の混晶から
なる層、または成長開始時はＡｌの混晶比が０．３　で
あり、成長終了時はＡｌの混晶比が０となるような傾斜
的にＡｌ混晶比が変化する層を成長させることができる
。

【００１６】ＧａＡｓ基板の間隙に満たされたＡｌ−Ｇ
ａ−Ａｓ溶液の層（メルト層）の厚みは特に制限されな
いが、ＧａＡｓ基板のエピタキシャル成長層の厚みを同
一とするには、メルト層の厚みを３．３ｍｍ　以下とす
るのが望ましい。なお図１に、相互に平行な２枚のＧａ
Ａｓ基板を水平線に対して１５°傾け、その２枚の基板
の間隙をＡｌ−Ｇａ−Ａｓ溶液で満たして成長を行なっ
た際の、メルト層の厚みと両基板のエピタキシャル成長
の厚みとの関係を示した。但し、成長温度幅を９５０　
℃〜８００　℃、冷却速度を０．５　℃／分、成長開始
時のＡｌ−Ｇａ−Ａｓ結晶のＡｌ混晶比を０．７７とし
た。図中Ａはメルト層の上方の基板の成長を、Ｂはメル
ト層の下方の基板の成長を示す。

【００１７】

【実施例】以下、本発明に係る液相エピタキシャル成長
法を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施
例は、ＧａＡｓ基板にＡｌＧａＡｓ混晶を成長させる場
合についてのみ記載されているが、本発明の成長法は他
の材料からなる基板および成長用溶液を用いても行ない
得るものである。

【００１８】本実施例では、ＧａＡｓ基板を水平に配置
し、赤外ＬＥＤ用のＳｉドープＡｌＧａＡｓ混晶を成長
させる場合について説明する。

【００１９】図２に、本実施例において使用される結晶
成長装置の概略を示す。なお、図中で１３′，１３″は
フランジ、１４，１４′は雰囲気ガス用バルブ、１６は
石英管、１７は電気炉、２１は成長溶液導入孔、２２は
過剰溶液流出孔、２３は過剰溶液受皿、ｇは重力方向を
示す。

【００２０】基板（種結晶）には、直径５０ｍｍの円板
状単結晶ＧａＡｓ基板１，１　′（１００）面を用いる
。基板のＥＰＤ（転位密度）は、２０，０００ｃｍ−２
以下、特に　５，０００ｃｍ−２以下が望ましい。

【００２１】溶液は、Ｇａを溶媒とし、溶質に単結晶Ｇ
ａＡｓ、Ａｌ、ドーパントとして両性不純物のＳｉを使
用し、これら溶質をＧａ溶媒に溶解する。溶液中の各成
分の比は、成長開始温度と目的発光波長によって決定さ
れる。なお、メルト層３の厚みは、３．３ｍｍである。

【００２２】まず、既知の方法で清浄化した２枚のＧａ
Ａｓ（１００）面のＧａＡｓ種子結晶基板１，１′を適
当なボート内、たとえばボート２０の上側および下側に
それぞれ配置する。また成長溶液３′の組成は、成長開
始温度で目的とする組成の固溶体を析出するように調整
してある。

【００２３】これらの材料をボート２０内に仕込んだ後
、成長系に高純度水素ガスを流して、雰囲気を充分清浄
化する。そして、この成長系の温度を溶液３′の平衡温
度よりも幾分高い温度に昇温し、その温度で或る一定時
間保持して溶液３′の組成を均一化する。

【００２４】本実施例では、溶液３′を　９３５℃で平
衡にするために、１ｇのＧａに対して　１．７ｍｇのＡ
ｌ、　１２０ｍｇのＧａＡｓ、および　２．０ｍｇのＳ
ｉを仕込んだ溶液を用いた。ボート２０を　９４５℃ま
で昇温し、１時間３０分かけ溶液３′の組成を均一化し
た後、　９３５℃まで冷却する。ピストン１９を操作し
て、当該溶液を両ＧａＡｓ基板１，１　′の間隙に注入
し、直ちに　０．５℃／分の冷却速度で　７００℃位ま
で冷却する。 本実施例により、ｎ層の厚み５０〜　１００μｍ、ｐ層
の厚み　１１０〜　１４０μｍ程度のＳｉドープＡｌＧ
ａＡｓエピタキシャル層が成長される。

【００２５】図３のグラフは、本実施例で成長されたＡ
ｌＧａＡｓエピタキシャル層の厚みのばらつきを示す（
サンプル数は上下各２５枚の計５０枚）。なお比較例と
して、図４に従来法により成長させたＡｌＧａＡｓエピ
タキシャル層の厚みのばらつきを示す（サンプル数は５
０枚）。この従来法においては、１枚のＧａＡｓ基板を
ボートの下側に配置し、メルト層の厚みを１．６ｍｍ　
とした以外は、上記実施例と同様の条件として成長を行
なった。図３および４のグラフより、本発明の成長法に
よるエピタキシャル層は、厚みのばらつきが従来法に比
して小さいことがわかる。

【００２６】上記実施例および比較例により得られた半
導体素子の光電気特性〔ウエハ平均光出力，ＰＯ　（μ
Ｗ／ｃｍ２　）〕を各々測定し、そのばらつきを調べた
。その結果を図４（実施例）および図６（比較例）に示
す。なお、サンプル数は各々２０枚であり、順方向電流
（ＩＦ　）は２０ｍＡである。図５および６のグラフよ
り、本発明に係る成長法により得られた半導体素子の光
電気特性は、従来法の場合と殆ど変わらないことがわか
る。

【００２７】上記実施例においては、２枚のＧａＡｓ基
板を用いて成長を行なったが、本発明の成長法では、さ
らに多数枚の基板上に同時に成長させることができる。 図７にそれを実施するためのボートの一例を示す。なお
、図中で１２１　は成長溶液導入孔、１２２　は過剰溶
液流出孔、１２３　は過剰溶液受皿、ｇは重力方向を示
す。

【００２８】図７に示す如く、多数枚のＧａＡｓ基板１
０１，１０１′を交互且つ多段に高純度カーボンボート
１２０　の中に配置してある。最上段から最下段までの
各段（図７においては４段）の２枚のＧａＡｓ基板１０
１，１０１　′は、互いに平行をなし、その成長面が対
向するように配置されている。図７においては、各Ｇａ
Ａｓ基板１０１，１０１　′は直接カーボンに接してい
るが、適当なスペーサを介在させてもよい。

【００２９】成長を行なうに際しては、Ａｌ−Ｇａ−Ａ
ｓ溶液１０３　′をピストン１１９　を用いて成長室１
２５　に送り込み、各段の２枚のＧａＡｓ基板１０１，
１０１　′の間隙をＡｌ−Ｇａ−Ａｓ溶液で満たして、
各段にメルト層（Ａｌ−Ｇａ−Ａｓ溶液）を形成する（
図示せず）。なお、以降の成長工程は上記実施例と同様
にして行えばよい。

【００３０】この変更実施例を行なうことにより、多数
枚の基板上に成長を同時に行なえるだけでなく、さらに
製造コストを低減させることもできる。

【００３１】次に、他の実施例として、ＧａＡｓ基板を
傾斜させて配置し、多層構造のエピタキシャル成長を行
なう場合について説明する。

【００３２】図８に、本変更実施例において使用される
ボート２２０　の一例を示す。図８に示す如く、基板ホ
ルダ２２６　中の成長室２２５　に、２枚のＧａＡｓ基
板２０１，２０１　′を水平線に対してθ°傾斜させ、
互いの基板２０１，２０１　′が平行となるように配置
した。基板ホルダ２２６　の上方に第一成長用溶液溜め
２２７　′および第二成長用溶液溜め２２７″を配置し
、基板ホルダ２２６　の下方に第一使用済溶液溜め２２
８　′および第二使用済溶液溜め２２８　″を設けた。

【００３３】図８においては、成長室２２５　を有する
基板ホルダ２２６が水平方向に摺動する構造となってい
るが、基板ホルダ２２６　を固定し、他のボート２２０
　の部分が摺動する構造としてもよい。

【００３４】成長を行なうに際しては、例えば９３０　
℃で飽和するＡｌ−Ｇａ−Ａｓ溶液（メルト１）２０３
　′を第一成長用溶液溜め２２７′に注入し、８９０　
℃で飽和するＡｌ−Ｇａ−Ａｓ溶液（メルト２）２０３
　″を第二成長用溶液溜め２２７　″に注入する。Ｇａ
Ａｓ基板２０１　の清浄化、成長前処理は、前記の実施
例と同様にして行なう。

【００３５】次に、ボート２２０　を　９４０℃まで昇
温し、１時間３０分かけメルト１，２の組成を均一化し
た後、　９３０℃まで冷却する。その後、成長室２２５
　にメルト１が流入するように、基板ホルダ２２６　を
水平方向（図８においては右方向）に摺動させる。

【００３６】成長室２２５　をメルト１で満たして、両
基板２０１，２０１　′の間隙にメルト１層を形成させ
た後に、　０．５℃／分の冷却速度で　８９０℃まで冷
却する。成長終了後、ボート２２０　の温度を８９０　
℃に保持しつつ、第一使用済溶液溜め２２８　′にメル
ト１が流入するように、基板ホルダ２２６　を右方向に
摺動させる。

【００３７】さらに、成長室２２５　にメルト２が流入
するように、基板ホルダ２２６　を右方向に摺動させる
。成長室２２５　をメルト２で満たして、両基板２０１
，２０１　′の間隙にメルト２層を形成させた後に、０
．５℃／分の冷却速度で　８００℃まで冷却する。成長
終了後、ボート２２０　の温度を８００　℃に保持しつ
つ、第二使用済溶液溜め２２８　″にメルト２が流入す
るように、基板ホルダ２２６　を右方向に摺動させる。

【００３８】基板の傾き（θ）は、０．５　〜１０μｍ
程度の薄膜を成長させる場合には、３０〜４５°程度が
望ましく、１００　μｍ程度の膜を成長させる場合には
、１０〜３０°程度が望ましい。

【００３９】以上の成長プログラムは一例にすぎず、例
えばさらに多層構造のエピタキシャル成長層を形成する
には、層数分の溶液溜めをもったボートを用い、組成や
伝導型の異なる層を、順次成長させていけばよい。

【００４０】また、この変更実施例と、先に示した多数
枚の基板上に同時に成長させる変更実施例とを組み合わ
せることにより、多層構造のエピタキシャル成長層を低
コストで製造することができる。

【００４１】

【発明の効果】本発明の成長法では、互いに平行な基板
を成長用溶液を介して配置し、該基板の該溶液を介して
対向する各面にエピタキシャル層を成長させるため、成
長用溶液中の材料の無駄がなく、エピタキシャル成長層
の厚みは従来法に比してばらつきが少ない。また、得ら
れた成長層の表面モホロジーは良好であり、デバイス特
性もよい。さらに、該溶液層（メルト層）の厚みを３．
３　ｍｍ以下とすることにより、基板上のエピタキシャ
ル成長層の厚みを同一とすることが可能であり、同一特
性のものを効率よく生産できる。

【００４２】従って、基板の混晶比を適当に選択するこ
とにより、多種多様な半導体材料を効率良く作製するこ
とができ、様々な用途に応用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ａｌ−Ｇａ−Ａｓ溶液層（メルト層）の厚みと
、そのメルト層の上方および下方に配置された両ＧａＡ
ｓ基板のエピタキシャル成長層の厚みとの関係を示すグ
ラフである。

【図２】本発明の一実施例に使用される結晶成長装置の
概略断面図である。

【図３】実施例で成長されたＡｌＧａＡｓエピタキシャ
ル層の厚みのばらつきを示すグラフである。

【図４】従来法で成長されたＡｌＧａＡｓエピタキシャ
ル層の厚みのばらつきを示すグラフである。

【図５】実施例により得られた半導体素子の光電気特性
のばらつきを示すグラフである。

【図６】従来法により得られた半導体素子の光電気特性
のばらつきを示すグラフである。

【図７】本発明に係る成長法により複数枚の基板上に同
時にエピタキシャル成長を行なうに際して使用されるボ
ートの概略断面図である。

【図８】本発明に係る成長法により基板上に多層構造の
エピタキシャル成長を行なうに際して使用されるボート
の概略断面図である。

【符号の説明】

１，１′，１０１，１０１′，２０１，２０１′：Ｇａ
Ａｓ基板３′，１０３　′，２０３　′，２０３　″：
Ａｌ−Ｇａ−Ａｓ成長用溶液３　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　：Ａｌ−Ｇａ−Ａｓ成
長用溶液の層（メルト層） ４，４′　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　：
ＡｌＧａＡｓエピタキシャル成長層

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　互いに平行な基板が成長用溶液を介し
   て配置され、該基板の該溶液を介して対向する各面にエ
   ピタキシャル層を成長させることを特徴とする液相エピ
   タキシャル成長法。
2. 【請求項２】　　該基板がＧａＡｓ基板、該成長用溶液
   がＡｌ−Ｇａ−Ａｓ溶液であることを特徴とする請求項
   １記載の成長法。
3. 【請求項３】　　該溶液の層の厚みが３．３　ｍｍ以下
   であることを特徴とする請求項１または２記載の成長法
   。