JPH08162378A

JPH08162378A - 化合物半導体結晶基板

Info

Publication number: JPH08162378A
Application number: JP30072494A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Inoue; 哲也井上; Yoshiaki Haneki; 良明羽木
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1994-12-05
Filing date: 1994-12-05
Publication date: 1996-06-21
Anticipated expiration: 2016-09-25
Also published as: JP3211594B2

Abstract

(57)【要約】【目的】転位密度がより低下された化合物半導体結晶
基板を提供する。【構成】不純物が添加された化合物半導体からなる基
板であって、化合物半導体結晶は、そのキャリア濃度を
ｃ．ｃ．、活性化率をηとしたとき、以下の関係を満た
すことを特徴とする。 η≦ｃ．ｃ．／（７．８×１０¹⁵）…（１） η≦（１０／１９）×（１９７−２．５４×１０^-17×
ｃ．ｃ．）…（２） η≧ｃ．ｃ．／（３．６×１０¹⁶）…（３）

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、化合物半導体結晶基板
に関するものであり、特に、ＬＥＤ、レーザダイオード
等の光デバイスもしくはＩＣを作製する際に基板として
利用される化合物半導体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ＧａＡｓ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）、液体封止引上げ法（ＬＥＣ法）、垂直ブリッジマ
ン法（ＶＢ法）および垂直温度勾配法（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。
これらの方法のうち、ＶＢ法は、他の方法に比べて欠陥
密度の低い良質の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。このＶＢ法に関する従来技術とし
ては、たとえば、特開平４−３６７５８９号に開示され
ているように、Ｂ₂Ｏ₃封止剤を用いたＧａＡｓ結晶の
製造方法がある。

【０００３】ＶＢ法による化合物半導体単結晶の製造方
法では、るつぼの底部に種結晶を配置し、さらにその上
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出発して上方へ向かっ
て固化させることにより、単結晶を成長させていく。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たようなＶＢ法により得られた化合物半導体結晶基板
は、転位密度の点でさらに改善されるべき余地が残され
ている。化合物半導体結晶基板を光デバイスやＩＣの作
製において利用する際には、１枚の基板からとれる素子
の歩留りやデバイスの寿命を左右するため、さらに転位
密度が低下していることが要求されるからである。

【０００５】この発明の目的は、転位密度がより低下さ
れた化合物半導体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】この発明による化合物半
導体結晶基板は、不純物が添加された化合物半導体結晶
からなる基板であって、化合物半導体結晶は、そのキャ
リア濃度をｃ．ｃ．、活性化率をηとしたとき、以下の
関係を満たすことを特徴としている。

【０００７】 η≦ｃ．ｃ．／（７．８×１０¹⁵）…（１） η≦（１０／１９）×（１９７−２．５４×１０^-17×ｃ．ｃ．）…（２） η≧ｃ．ｃ．／（３．６×１０¹⁶）…（３）好ましくは、化合物半導体結晶は、さらに以下の関係を
満たすことを特徴とするとよい。

【０００８】 η≦（１０／１９）×（１９７−３．５×１０^-17×ｃ．ｃ．）…（４）また、好ましくは、化合物半導体結晶は、ＩＩＩ−Ｖ族
化合物半導体結晶であるとよい。

【０００９】さらに、好ましくは、ＩＩＩ−Ｖ族化合物
半導体結晶は、砒化ガリウム半導体結晶であるとよい。

【００１０】また、好ましくは、添加された不純物は、
Ｓｉ、Ｓ、Ｓｅ、Ｇｅ、ＴｅおよびＳｎからなる群より
選ばれる少なくとも１種のｎ型不純物であるとよい。

【００１１】さらに、好ましくは、化合物半導体結晶
は、１×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上６×１０¹⁸ａｔ
ｏｍｓ／ｃｍ³以下の濃度のボロンを含むとよい。

【００１２】また、好ましくは、化合物半導体結晶は、
５×１０¹⁴ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下の濃度のカーボンを
含むとよい。

【００１３】

【作用】本願発明者らは、キャリア濃度ｃ．ｃ．（ｃｍ
^-3）および活性化率η（％）がそれぞれ異なる、不純物
としてＳｉが添加されたＧａＡｓ化合物半導体結晶を種
々作製し、得られた結晶の転位密度を測定した。その結
果、上述の式（１）、式（２）および式（３）を満たす
場合に、低転位密度化された結晶が得られることを見い
出した。

【００１４】ここで、式（１）および式（３）は、Ｓｉ
（シリコン）濃度によって決定されるものであり、式
（１）を満たさない場合は、Ｓｉ濃度が不足し、一方、
式（３）を満たさない場合は、Ｓｉ濃度が過剰で析出し
てしまうため、好ましくない。

【００１５】また、式（２）および式（４）は、Ｂ（ボ
ロン）濃度によって決定されるものであり、式（２）を
満たす範囲においては、Ｂの一部がｐ型キャリアとして
活性化し、その結果、結晶の転位密度が減少するものと
考えられる。さらに、式（４）を満たす場合には、ｐ型
キャリア濃度がさらに増加するため、結晶の転位密度は
より減少すると考えられる。

【００１６】なお、本明細書において、活性化率η
（％）は、 η＝｛（ｎ−ｃ．ｃ．）−（ｐ−ｃ．ｃ．）＋（ｏ−
ｃ．ｃ．）｝／（Ｓｉ濃度）で表わされた値をいう。

【００１７】ここで、ｎ−ｃ．ｃ．：Ｓｉ等によるｎ型キャリア濃度ｐ−ｃ．ｃ．：Ｂ等によるｐ型キャリア濃度ｏ−ｃ．ｃ．：Ｓｉ、Ｂ以外の不純物によるキャリア濃
度この式より明らかなように、活性化率η（％）は、Ｓｉ
濃度とＢ濃度の差引きによって決定される値である。

【００１８】

【実施例】

（実験１）ＶＢ法を用いて、以下に示すように、直径８
０〜９０ｍｍφの１９種のＳｉ添加ＧａＡｓ単結晶を育
成した。

【００１９】まず、ｐＢＮ（パイロリティック・ボロン
・ナイトライド）製るつぼに種結晶を設置し、その上に
表１に示す量のＧａＡｓ多結晶原料融液をチャージし
た。次に、Ｓｉ濃度とＢ濃度を制御するため、必要量の
ＳｉとＢ₂Ｏ₃封止剤を入れた後、るつぼを炉内の下軸
上にセットした。これを、結晶を凝固させるのに必要な
温度勾配を有した温度分布内において、るつぼの相対移
動速度を４ｍｍ／Ｈとして、冷却により結晶成長させ
た。

【００２０】

【表１】

【００２１】このようにして得られたＧａＡｓ結晶につ
いて、製品重量（ｇ）、キャリア濃度（ｃｍ^-3）、Ｓｉ
濃度（ａｔｏｍｓ／ｃｍ³）、活性化率η（％）、転位
密度ＥＰＤ（ｃｍ^-2）、Ｂ濃度（ａｔｏｍｓ／ｃｍ³）
およびＣ濃度（ａｔｏｍｓ／ｃｍ³）を測定した。これ
らの結果を表１に併わせて示す。

【００２２】また、図１は、キャリア濃度と活性化率と
の関係を示す図である。図１において、横軸はキャリア
濃度ｃ．ｃ．（×１０¹⁷ｃｍ^-3）を示し、縦軸は活性化
率η（％）を示す。

【００２３】図１において、グラフ（１′）〜（４′）
は、それぞれ以下の式を表わす。 η＝ｃ．ｃ．／（７．８×１０¹⁵）…（１′） η＝（１０／１９）×（１９７−２．５４×１０^-17×ｃ．ｃ．）…（２′） η＝ｃ．ｃ．／（３．６×１０¹⁶）…（３′） η＝（１０／１９）×（１９７−３．５×１０^-17×ｃ．ｃ．）…（４′）この図１に、上述のようにして得られたＮｏ．１〜Ｎ
ｏ．１９のサンプルの結果をプロットした。

【００２４】表１および図１より明らかなように、本発
明によれば、より低転位密度化された化合物半導体結晶
基板が得られることがわかる。

【００２５】なお、キャリア濃度は、ファンデルパウ法
（Van der Pauw Method ）により、以下の条件で測定し
た。

【００２６】試料の大きさ：３〜５ｍｍ角チップ試料の厚さ：１００〜２０００μｍ電極：ＡｕＧｅ−Ｎｉ合金磁場：３０００〜６０００Ｇａｕｓｓ電流：１ｍＡ〜１００ｍＡＳｉ濃度は、本実施例においては、黒鉛炉原子吸光分析
装置（ＧＦＡＡＳ：Graphite Furnace Atomic Absorpti
on Spectrometer ）を用いて測定した。Ｓｉ濃度は、こ
の他に、二次イオン質量分析装置（ＳＩＭＳ：Secondar
y Ion Mass Spectrometer ）またはプラズマ発光分析装
置（ＩＣＰ：Inductively Coupled Plazma Atomic Emis
sion Spectrometer ）を用いて測定することも可能であ
る。

【００２７】Ｂ濃度は、本実施例においては、グロー放
電質量分析装置（ＧＤＭＳ：Glow Discharge Mass Spec
trometer）を用いて測定した。Ｂ濃度は、この他に、プ
ラズマ発光分析装置（ＩＣＰ）を用いて測定することも
可能である。

【００２８】Ｃ濃度は、フーリエ変換赤外分光分析装置
（ＦＴＩＲ：Fourier Transform Infrared Spectromete
r ）を用いて測定した。

【００２９】（実験２）実験１で作製したＮｏ．１の結
晶から、スライスおよびポリッシュすることにより、３
５０μｍの３インチウェハを作製した。ウェハのキャリ
ア濃度は８×１０¹⁷ｃｍ^-3、ＥＰＤは３００ｃｍ^-2であ
った。このウェハ上に、液相エピタキシャル成長法によ
り、第１エピタキシャル層を形成し、さらにその上に第
２エピタキシャル層を形成して、エピタキシャルウェハ
を作製した。

【００３０】なお、第１エピタキシャル層は、不純物と
してＳｉが添加されたｐ−ＧａＡｓからなり、厚さ４０
〜８０μｍの層であった。また、第２エピタキシャル層
は、不純物としてＳｉが添加されたｎ−ＧａＡｓからな
り、厚さ３０〜１２０μｍ、キャリア濃度１×１０¹⁸ｃ
ｍ^-3以上の層であった。

【００３１】このようにして得られたエピタキシャルウ
ェハは、その表面が良好であった。また、光出力も、所
望したものが得られた。さらに、エピタキシャル成長中
に、ウェハの割れも起こらなかった。また、このエピタ
キシャルウェハを用いて光素子を作製した場合のその光
素子の寿命は、従来と比較して平均１．３倍の値を示し
た。

【００３２】（実験３）実験１で作製したＮｏ．２の結
晶から、スライスおよびポリッシュすることにより、５
００μｍの３インチウェハを作製した。ウェハのキャリ
ア濃度は２×１０¹⁸ｃｍ^-3、ＥＰＤは２１０ｃｍ^-2であ
った。このウェハ上に、気相エピタキシャル成長法によ
り、第１エピタキシャル層を形成し、さらにその上に第
２エピタキシャル層を形成して、エピタキシャルウェハ
を作製した。

【００３３】なお、第１エピタキシャル層は、不純物と
してＳｉが添加されたｎ−ＧａＡｓからなり、厚さ３〜
７μｍ、キャリア濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上の層であっ
た。また、第２エピタキシャル層は、不純物としてＳｉ
が添加されたｎ−ＧａＡｓからなり、厚さ０．３〜０．
５μｍ、キャリア濃度１〜２×１０¹⁷ｃｍ^-3以上の層で
あった。

【００３４】このようにして得られたエピタキシャルウ
ェハは、その表面が良好な品質で、所望とする電気特性
を得ることができた。また、エピタキシャル成長中に、
ウェハの割れも起こらなかった。さらに、このエピタキ
シャルウェハから取れるデバイス歩留りは、従来の６０
％から７２％に向上した。

【００３５】なお、上述の実施例においては、砒化ガリ
ウム半導体結晶について説明したが、他のＩＩＩ−Ｖ族
化合物半導体結晶についても、同様の効果が得られるこ
とが予測できる。

【００３６】また、添加される不純物についても、Ｓｉ
に限らず、この他Ｓ、Ｓｅ、Ｇｅ、Ｔｅ、Ｓｎ等を添加
した場合にも、同様の効果が得られることが予測でき
る。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、より低転位密度化された化合物半導体結晶基板が得
られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】キャリア濃度と活性化率との関係を示す図であ
る。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】不純物が添加された化合物半導体結晶か
らなる基板であって、前記化合物半導体結晶は、そのキャリア濃度をｃ．ｃ．、活性化率をηとしたと
き、以下の関係を満たすことを特徴とする、化合物半導
体結晶基板。 η≦ｃ．ｃ．／（７．８×１０¹⁵）…（１） η≦（１０／１９）×（１９７−２．５４×１０^-17×ｃ．ｃ．）…（２） η≧ｃ．ｃ．／（３．６×１０¹⁶）…（３）
【請求項２】前記化合物半導体結晶は、さらに以下の
関係を満たすことを特徴とする、請求項１記載の化合物
半導体結晶基板。 η≦（１０／１９）×（１９７−３．５×１０^-17×ｃ．ｃ．）…（４）
【請求項３】前記化合物半導体結晶は、ＩＩＩ−Ｖ族
化合物半導体結晶である、請求項１または請求項２記載
の化合物半導体結晶基板。
【請求項４】前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶は、
砒化ガリウム半導体結晶である、請求項３記載の化合物
半導体結晶基板。
【請求項５】前記添加された不純物は、Ｓｉ、Ｓ、Ｓ
ｅ、Ｇｅ、ＴｅおよびＳｎからなる群より選ばれる少な
くとも１種のｎ型不純物である、請求項１〜請求項４の
いずれかに記載の化合物半導体結晶基板。