TW451308B

TW451308B - Gallium arsenide single crystal wafer and Gallium arsenide liquid phase epitaxy wafer

Info

Publication number: TW451308B
Application number: TW089114450A
Authority: TW
Inventors: Tatsuya Moriwake
Original assignee: Sumitomo Electric Industries
Priority date: 1999-08-02
Filing date: 2000-07-19
Publication date: 2001-08-21
Also published as: KR20010021132A; DE10036672A1; KR100403543B1; JP2001048694A; DE10036672B4

Description

4 5 13 08 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消费合作社印紫五、發明說明（1 ) 【發明之詳細解説] 【發明所屬的技術範圍】 - 本發明係與爲了用以製造紅外線發光二極體的GaAs液相蟲圓（以下簡稱蟲晶晶圓）有關。紅外線發光二極體 (LED)係於GaAs底板上製造而成的。本發明雖與GaAs液相磊晶晶®相關’事實上在前階段就深入籌劃。只有磊晶晶圓是無法說明的。所以從製造GaAs材料的步驟開始，簡單地敘述説明之。GaAs單結晶結晶塊（ing0t)是以水平布里茲曼（HB)法、垂直布里茲曼（VB)法、或是液體封止法，從 GaAs多結晶（或是從Ga原料跟As原料）所製造出來的。根據種子結晶的方位，來控制所製-造的結晶之方位。此時，低面指數方向，例如朝著（100}方向、或是方向成長。在此’根據（…）做爲個別面方位之代表，以做爲集合面方位之代表’以[…]做爲個別方向之代表，以 < … > 做爲集合方向之代表。將擁有從低面指數方位傾斜的表面之 βθ圓，亦可稱之爲遠離角度的晶圓（〇ff_angle wafer)。傾斜角Θ亦可稱之爲遠離角度（off_angle)。將結eg塊切斷成薄片的是切削晶圓（as cut wafer)。將製造後的材料切斷成晶片’爲了利用自然臂開，通常將晶圓做成是{ 100}的情況。GaAs的劈開面，因.爲是{〇-1 -1 }，所以跟表面{100}垂直，跟劈開面也是垂直的。以機械研磨，擦光，蝕刻{100}切削晶圓等，而做成鏡面晶圓 (mirror wafer)。於GaAs晶圓之上，因爲液相磊晶而形成含 -4- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 χ 297公釐） ----------- 裝--------訂---------^3. 請先閱讀背面之注意事寫本頁) 4 513 〇 8 經濟部智慧財產局貝工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（2 ) 有不純物質的GaAs層以及AlGaAs層，就成爲磊晶晶圓。到此階段，會由晶圓製造廠生產β裝置的製造業者係購入蟲晶晶.圓’根據照相微影法（photo-lithography)等設計電極，切割出晶片，收容至封裝裡面，便成爲紅外線L E D。本發明係與磊晶晶圓之製造階段的改良相關。也會限制不純物質的種類"在製造GaAs磊晶晶圓時，也有將η型不純物質與ρ型不純物質，摻雜於不同層之方法。可是在此，係以摻雜兩性的不純物質S i爲前提》即使摻雜不同的 ρ型、η型不純物質時不會產生問題，可是在以Si做爲摻雜劑的情況下，會有嚴重的問題發生。惟本發明並不是在磊晶晶圓的階段，而是在於之前的晶圓製造階段摻雜進入0 【先前之技術】將GaAs晶圓製造成正好是{100}面的產品。事實上，因爲有誤差之故，因此給予擁有容限J之{1〇〇}±j的規格要求。到底正好{100}是最好的。還有就是± β的是可以接受的β Φ特開昭57-1221號「單晶片（monolithic)複合半導體裝置及其製造方法」的申請人；富士通股份有限公司，發明者：秋田健三，（木某）生逸雄認爲，，對氣相磊晶而言，偏離{1〇〇}3度〜7度的GaAs晶圓是最適合的，對液相磊晶而言正好無偏差的是最適合的，因爲（gUn)二極體係用氣相，而受光粒子發光粒子是用液相製造是最好的，所以在一個 GaAs晶圓之上，以（1〇〇)的面跟（〗〇〇)+3。〜7。的面交互製 -5- 本紙張尺度適用令囤國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐），「裝--------訂--------- (請先閲讀背面之注意事項f寫本頁} 451308 A7 B7 五、發明說明（3 ) 作。因爲平坦面與傾斜面混合著，漸漸地形成晶圓。是個複雜的晶圓。在傾斜面之上以氣相磊晶製造（gun)二極體，在平坦面之上以液相磊晶製造受光粒子。在容限方面，是 ±0.5 。以液相蟲晶而言，到底（1〇〇)晶圓是最好的，且能允許0_5°的角度誤差。 ②特聞平7-302740號「液相磊晶成長用的GaAs單結晶基板」的申請人；住友電工股份有限公司，信越半導體股份有限公司’發明者：笈田和彦，川崎眞認爲，—直以來的 GaAs基板容許0.5*1的誤差，可是這誤差太大，只要誤差了 0.5° ，表面就會不平坦，這是我們所不希望發生的。因此主張容限應該更小，即以〇；2 取代0.5 °的誤差。所以提出Zn摻雜p型（l〇〇)GaAs基板爲（100) 士 0.2。，Si掺雜η 型（100)±0.2° GaAs基板的東西。因爲沒有寫出用途，所以不清楚用途爲何。並未改變正好（100)是最好的立場，僅縮小容限而已。經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 ⑤特開平9-18052號「磊晶晶圓以及發光二極體」的申請人：日立電線股份有限公司，發明者：柴田幸（彌），水庭清治，佐佐木幸男認爲，在p型GaAs基板之上，疊上ρ?ί 金屬包層（clad層），ρ型活性層，η型金屬包層，以製造發光二極體。也説明了爲了裏面反射型LED之故，所以使用 p型基板。在p型GaAs基板之上，以p型GaAlAs層金屬包層，p型GaAlAs活性層，η型GaAlAs金屬包層使得磊晶成長的LED架構完成之後，將p型GaAs基板研磨去除了以後，便可以自裡面取出光來。在②之中，也提及了 P塑 -6 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4规格（210 * 297公爱） 451 308 A7 B7 經濟部智慧財產局貝工消费合作社印製五、發明說明（4 ) Ga As基板的例子。在p型金屬包層很厚（100 以上）的情況下，p型基板剛好（100)面時，便會出現梯形波狀模樣的結構（morphology)。原因爲，在剛好（100)的情況下，結晶核的縱向成長，比橫向成長的速度快，因此表面形成階梯狀。「如果是（100)的話，……，則產生核的頭結（kink)變少，沒有較大的過飽和度則不會成長；可是在大的過飽和度之時，一口氣成長了之後，便會停止成長；爾後再於過飽和度之時點，再成長。成爲斷斷續續的成長架構。」也就是説，在p型基板上，以p型GaAlAs金屬包（clad)層使得磊晶成長之時，剛好（100)的-時候，結構狀況不好，變成一段一段的《爲了避免發生上述情形，所以主張應該使用以b軸[010]朝向a軸[100]方向傾斜0.25。〜2。，c抽[001] 朝向a軸[100]方向傾斜〇° ~2°的p型GaAs基板。總計傾斜 0.25。~2.8。。如此一來，認爲從磊晶成長面（1〇〇" m以上的p型金屬包層）產生的波狀模樣便會消失。這是在p型 GaAs基板上，使lOO/i m以上的p型GaAlAs金屬包層成長的情況。在以液相磊晶使得薄磊晶層成長的情形下，可以使用（100)基板；在MOVPE(有機金屬氣相磊晶）的情況下，應該使用自（100)傾斜1 °以上的GaAs基板。雖然是内容較不詳盡的説明書，但説明了在p型GaAs基板上，以薄膜使液相磊晶成長的情況下，對於表面狀態而言，以（丨〇〇)基板是最適合的狀況。 ④特開昭59-117111號「化合物半導體的液相成長法」的 (請先《讀背面之注意事 1>「裝填寫丄寫本頁)

C -111 — — — . — —--- - - 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 X 297公釐） 3〇8 A7 _____B7____ 五、發明說明（5 ) 申請人：三菱電機股份有限公司，發明者，田中利夫，高宮三郎提出了，在η型GaAs基板上製造半導體激光時之基板的改良。在Si摻雜η型GaAs(lOO)基板上，將Te摻雜 AlGaAs金屬包層，un-dope η型GaAs活性層，Ge接雜p型 AlGaAs金屬包層’ Ge掺雜p型GaAs接觸層，以液相磊晶成長；木過會引起表面會有小波紋，鱗狀的問題。小波纹的模樣是在η型GaAs基板，跟Te摻雜η型AlGaAs 金屬包層之間所發生的。因爲不是LED，而是LD，所以表面的小波紋便成爲問題。亦即是，在剛好（1 〇〇)的時候，會出現鱗狀，小波紋形狀。在此認爲，Si摻雜η型GaAs基板自（100)傾斜1°是最好的。在（1〇〇)+1 °的Si摻雜n型 GaAs基板之上，使Te接雜η型AlGaAs金屬包層成長的情況下，變成平坦面。一般來説，（100)+0.2。是最好的。 ⑤特許第2914246號「磊晶晶圓以及半導體發光粒子」的申請人：昭和電工股份有限公司，發明者，吉永敦提出於 η型GaAs基板上，以S i摻雜AlGaAs層使得液相磊晶成長，再根據自然的摻雜劑反轉製造pn接合的LD之時，使用自 (100)傾斜0.5°〜5。的GaAs基板。此點與①〜④不同，使用兩性的不純物質S i，根據一種的不純物質製造ρ η接合。此點與本發明是共同的。將GaAs基板的面方位自（1〇〇)移動的理由是爲了防止閃電型的半導體開關元件的發生。在 ρ η接合異常情況下，細的ρ η接合自直線狀的ρ η接合處，像箭一樣的朝斜的方向飛出的形狀，因爲像是閃電一樣，故而因之取名。於GaAs基板（100)上以Si作爲摻雜劑，使 -8 - 本紙張尺度適用_國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） )^ (請先閱讀背面之注意事項:寫本頁) 裝訂--------- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4 5 1 3 〇 8 A7 B7 五、發明說明（6 ) 得AlG a As層成長，根據溫度的變化而形成η型層與p型層的自然反轉法，因之作成磊晶晶圓；在剛好（1 〇〇)的情況下，閃電型的半導體開關元件便得以形成。因爲Ρ η接合變成了 2重，所以無法作爲發光粒子的基板使用。爲了避免上述情況，所以將基板的面方位自（100)傾斜0*5 °〜5 ° 。當其傾# 5 °以上時，磊晶表面發生了凹凸的情況，很難做成發光粒子。於傾斜角度比0.5 °小的情況下，會發生閃電型的半導體開關元件。在0.5 °的情況下，會形成閃電型半導體開關元件，可是因爲長度小於50μιη，所以不受影響》【發明所欲解決之課題】 r 爲了給予GaAs導電性的摻雜劑，有Ζ η、G e ' T e等幾種，此爲置換的元素決定了之後，該導電型係爲p型或是η 型也會同步固定》可是以Si置換Ga位置時便是η型，置換 As位置時便成爲ρ型。隨著溫度的不同，可以決定成爲何種型態。因爲什麼型態都可以變換，所以稱之爲兩性不純物質。隨著溫度的不同而變換傳導型，亦稱之爲自然反所謂的液相磊晶法，是一種將原料作成液體狀態，使其接觸結晶，在熱平衡的狀態下使其結晶成長的方法《雖然是舊式的方法，液相磊晶法是最適於製造LED。液相磊晶法也有數種種類。縱型的磊晶法是將多數的晶圓水平放置，上下並排地放入容器中，將原料溶液倒入容器内，使溶液與晶圓接觸的方法。可以一次處理5 0片到1 0 0片左右 -9 - 本紙張尺度適用中翻家裸準（CNS)A4規格咖X 297公g ) (锖先閱讀背面之注意事項 J·裝 *--- 寫本頁} 言經濟部智慧財產局貝工消費合作社印製 4 513 08 A7 B7 五、發明說明（7 ) 的晶圓（例如，特開昭59-128298 )。橫型的液相磊晶法是於有收容晶圓洞的板子上，滴上數滴的溶液，將積有溶液的滑觸頭滑動，使晶圓與溶液液滴接觸，調整適當的溫度以液相使得結晶成長的方法。跟著滑觸頭的滑動，晶圓便待以声溶液相接觸。除此以外尚有其他的方法，本發明不管何種的液相磊晶法皆可適用。本發明係以作爲紅外線L ED基板的S i摻雜GaAs磊晶晶圓爲對象。對於AlGaAs ' GaAs而言，S i是兩性不純物質’隨著條件的不同可以成爲η型，亦可以成爲p型。在高溫下是η型，在低溫下便成ρ型。根據液相磊晶，以S丨作爲摻雜劑的話，隨著溫度的變化”自然地可以做成ρ η接合的情事。不需要η型不純物質、ρ型不純物質的個別溶液液滴，裝置構造可以縮小。以下概略地敘述，S i摻雜GaAs 磊晶晶圓的液相磊晶之製造方法。以金屬G a爲溶劑。溶質係以可以促進成長的材料以及摻雜劑爲主，材料則添加至飽和濃度爲止。使A丨GaAs層成長的情況下，AlGaAs便成爲溶質。不論何者均相同，於此係以GaAs作爲溶質而解説。掺雜劑當然是S i。圖1爲顯示晶圓溫度的時間變化圖。經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 (Si摻雜GaAs-LPE 法） - 1 .橫型的情況下，η型GaAs晶圓係插入操作板的晶圓收納洞裡。滑觸頭裡收容著以飽和濃度溶解GaAs、Si的G a溶液。在晶圓與Ga溶液分離的狀態下，加熱鍋爐使溫度上升。達到開始成長的溫度（例如：950°C)之後’經過一定 -10- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 * 297公釐） 4 5 1 3 0 8 A7 B7 五、發明說明（8 ) 的時間（點a〜b)，啓動滑觸頭，使GaAs&Si的飽和溶液與 η型GaAs基板接觸（點b)。接觸之後需維持該溫果約一小時左右（b〜c)。在縱型的情況下，縱型匣可以水平地收容大約100片的GaAs晶圓。將此放入容器之中，隨著加熱後的 G a溶液約供給’使得g a溶液可以與GaAs晶圓接觸。不論係爲橫墊或是縱型，有關於溫度與膜的形成大約都是進行著相同的步祿〇 2 .接觸之後，使溫度緩緩地降低大約是2 X： /分〜3/ 分。因爲G a溶液的飽和濃度會降低，所以在GaAs基板上含有Si不純物質的GaAs磊晶層得以析出（點Cd)。在GaAs 磊晶層之中的Si，在高溫時的主要結晶過程中將進入Ga 的位置’所以會變成施主（donor)。磊晶層會是η型。η型 GaAs是晶層會成長〇. GaAs晶圓會吸收GaAs與S i成分，溶液中的GaAs、Si的濃度會下降。溫度一下降，GaAs的飽和濃度也會隨之下降。隨著晶圓的成長而下降的GaAs濃度，如果將其溫度控制到與飽和濃度相同時，可以永遠地一面持續著飽和的狀態，一面得以使液相成長。 3 ·不久後到達e點的反轉溫度Tc .(約850X：)。自c〜e之間大約需時一小時左右。於此S i的角色會反轉。到此階段已經成長的GaAs係爲η型，而現在開始要庳長的將會成爲p 型GaAs。因此，在時刻e之時’呈現出來的GaAs面會是ρ η 接合面。 4 · GaAs磊晶層之中的S i在溫度Τ低的時候（T<Tc)，主要在結晶中進入A s的位置裡所以會變爲受主（acceptor)。蟲本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格<210 χ 297公釐） ------------ C (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) tr--------- 經濟部智慧財產局貝工消费合作杜印製 451308 A7 B7 經濟部智慧財產局貝工消费合作社印製五、發明說明（9 ) 晶層即成爲p型。如同線efg般地溫度下降，在此之間，p 型的GaAs層會成長。 ’ 5.到所定的溫度（Tg)下冷卻之後，將溶液與GaAs基板分離。於此時點下’成長過程便已終了。在磊晶層内，可以得出形成pn接合後的晶圓。液相县晶（LPE)法，在GaAs {100}面之上進行了上述的成長過程時，在基板的面方位偏離{很遠的情況下，成長後的磊晶層表面會因爲步階綁缚（step_bunching)而形成凹凸。因爲這個凹凸的存在’使得晶圓電極的形成更加地困難。因此GaAs基板成長面要盡量使用接近{1〇〇}的東西。有誤差是沒有辦法的，可-是最佳的基板面方位是 {100}。更具體地説，切斷GaA結晶塊製造基板的時候，切斷面的中心係以剛好μ〇〇}的面爲準（例如，特開平7_ 302740號）。觀察使用剛好（100)的基板之羞晶晶圓的斷面，可以了解到會變成如圖2所示一般。這只是一個例子而已，會有各種各樣的情形的。在η型GaAs基板上形成GaAs層，再於其上有p型GaAs層。線m與線q之間的部分就是GaAs基板。線q與線r之間的部分是η型GaAs層。線r與線s之間的部分是p型GaAs層。在正常的情況下，，線r應是直線才對。但是’使用剛好（100)基板的磊晶晶圓的情況下，線r會像折線EFGHIJ—樣的彎曲。在正常情況下，η型GaAs層的厚度qr是36μιη。p型〇aAs 層的厚度是42μιη。也就是説，pn接合的深度距離表面 -12- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） i 11 ----裝--------訂-------- <請先Μ讀背面之注意事項Μ填寫本頁) 451308

五、發明說明（1〇 ) 42μιη»另，在GH郅分上，？11接合更偏向上方，距離表面 20μιη。取而代之的，n型層的厚度是56μπι。於gh之上， ρη接合偏離20μπι之上。合計厚度有2μιη的差異，爲測定誤差》中央的ρη接合在】重的部分（1；1間），ρη接合的高度偏離所定的數値。如果附上電極的話，就可以得出LED。該兩側妁GF、IH的部分，則成爲更致命的缺陷。pn接合成3重，一部份的p型層侵入n型層間^ n型層的一部份便如:入卩型層間。附上電極成爲LED的情況下，面與直角方向供給電壓，因爲3重的pn接合之故，GF、^11的部分便成爲一種叫做npnp的複雜架構。爲了成爲lED，即使在p 電極上供給正的電壓，η電極上供給負的電壓，因爲中間的Ρ η接合產生逆偏壓，所以電流不會流入。因爲不會流入電流，所以無法做成電子正孔對。因爲不會引起波段間之移動’所以也不會發光。因爲ηρηρ裝置與半導體開關元件的構造相同，所以稱之爲半導體開關元件架構.。半導雖開關元件部分的GF、IH是不良的。於本例中， GF的寬度是600μπχ，HI是900μιη。中間的FI不是半導體開關元件，而僅是ρ η接合深度失常的情形，也是不良β該部分的寬度有21 ΟΟμιη » —旦如此，因爲ρ η接合異常所引起的不良部分的長度G Η，在本例中係爲3600μπι。- 像這樣不良的磊晶晶圓，特別最常出現在於擁有未滿 { 100}±〇.02 °面方位的基板上成長的磊晶。在此所謂的 0,02°是容限，理想値是剛好【解決問題的方法】 -13- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐） (請先閱讀背面之注$項#<填寫本頁) 裝訂--------- 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 4 51 3 08 A7 B7 經濟部智慧財產局貝工消费合作社印製五、發明說明（11 本發明係依據液相磊晶法以S i作爲摻雜劑，爲了製造擁有ρπ接合的磊晶晶圓，而使用自{1〇〇}面的傾斜角0爲 0 02 ~0·2" (0·02° S Θ S 〇_2° )的單結晶 GaAs基板。自 η 型GaAs結晶塊切出晶圓時，並非以{100}爲目標，而是以自{100}傾斜0,02。〜0.2。的面切斷。傾斜的方位爲[110]' 或是[101 ]方向、或是[i 1丨]的方位都可以。不論哪個方位都是同等的。增加傾斜角Θ的角度，則發生不良的機率就會降低。可以説在〇，1〇。以上，幾乎就是〇。如果在〇 2。以上的話’發生的機率是完全是〇。可是傾斜角Θ大的時候，表面的step便很明顯，[E D電極變得難以製作。爲了使晶圓的-製造更加順利，傾斜角還是小一點比較好。傾斜角的上限最好是〇2。。要有效地控制pn接合發生異常現象的$的角度，是〇〇2。以上。將角度指定爲如上述一般，則實際上會有誤差，必須給予容限°規定容限or是要根據結晶塊的切斷裝置或是技術能力，在本發明的情況之下’切斷結晶塊的目標角度是要考慮容限α部分’即是自〇 02。+ α到0.2。- α。【發明的實施型態】在切斷結晶塊之際，自剛好（1〇〇)之面將傾斜角Θ每次增加0.01 ，—直增加到0.25。爲止！切出晶圓，調查以s】捧雜GaAs層使磊晶成長的？11接合楔裝置出現的頻率。圖4 爲其結果的圖示。縱軸是Θ，在〇〜〇·25。之間，以〇〇1。的刻度測定〇橫軸爲楔型pn接合的發生率（％)。在整個晶圓當中’/、要有一個pn接合異常情況發生的話，就會被算做 -14- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公楚） -----------裝--------訂---------^3· (請先Μ讀背面之注意事k填寫本頁) 4S1308 Α7 Β7 五、發明說明（12 ) 是片。不管Pn接合異常部位的面積大小，都算是一處。底版面方位在剛好（100)的情況下，會發生高達32%的模型ρη接合發生率。即使在（100)±001。的時候，ρη楔予的發生率也會高達2 7 %。在（1〇〇) ± 〇〇2。的時候是8 0/。。傾斜角Θ—超過〇.〇2。的時候，楔型ρη接合的發生率會大幅降低。Θ在0.04。的時候，是1%程度左右。$在〇〇5。之情況下時，會降低到〇_4%。超過〇〇2。到〇25。爲止，ρη 接合楔的發生，幾乎是看不到的。如同上述一般，基板面的方位自（1〇〇)偏離越大，ρη接口越y發生異常情況。可是，基板的面方位_超過〇.2。時，磊晶的表面變得雜亂無章，使得電極形成困難。因爲傾斜大的話，基板表面的原子step的數量過多所以在磊晶成長中會產生step的bunching(非常混亂的狀態）。磊晶成長終了之後，磊晶層表面會發生鱗狀的模樣以及凹凸的現象。在這樣的雜亂無章的表面狀態下，要形成電極是很困難的。經濟部智慧財產局霣工消費合作社印製根據上述的結果，不會在pn介面上產生楔子，而且爲了可以的到表面狀態良好的液相磊晶晶圓，只要切割出基板的面方位自{100}面偏離〇〇2。〜〇 2〇之角度就可以了。形成如上述般的異常pn接合裝置的原因，截至目前爲止尚不明確。根據本發明者的推測則敘説如下。本説明則根據圖3所描繪的（100)晶圓上的磊晶成長樣子説明之。 (1)橫成長晶圓的表面以ABCD表示。即使説是剛好（1〇〇)的晶圓， -15- 本紙張又度適用中國‘家標準（CNS)A4規格（21Q χ 297公楚） 451308 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製五、發明說明（13 ) 全體的方位並非（100)，而是方位會搖擺不定β於圖3中，中央部分的B C係剛好（100) »該兩侧的a Β ' C D則是稍稍偏離（100)。即使在同樣的基板面之上，根據格子擎曲晶圓的不同扭曲’結晶的方位會有所不同。此處則是2乘歪。即使在侧面的基板方位僅僅稍微偏離（丨00)，則在其表面之上會存立無數的原子1個分的高度之step(階段）。step的上面是（100)。高度Η係原子1個分，深度S是有1/Θ個分的原子並排的幅度。根據液相磊晶法，因爲Ga溶液中包含有飽和濃度的 GaAs ' Si，所以隨著系統的溫度下降，對於GaAs、si等溶質而s ’Ga溶液變成過飽和。該部.分的Gai\s、幻自原子 step的邊端（段部）附著於基板上，如同要將sUp擴大一般的使結晶成長》個別的step往橫的方向擴展而成長著。自段部離開的單獨之GaAs原子或是以原子就不會被吸附了。自GaAs基板上所析出而形成蟲晶層，那時所析出的物質，首先便會變會吸附於原子step上而成長。因此step—面吸入析出物質（GaAs、Si)，一面往橫的方向成長。隨著橫向，的成長累積，便形成了有厚度的磊晶層。 (2)縱成長於剛好（_的部分BC之上，並未存在有容易開始成長的原子因此在（100)之上往往無法析出GaAs。在飽和滚度的情況下，（100)無法析出物質，—直到過飽和爲止， (100)面都保持原狀。因此與有step的情況相比，需要更高的飽和度。一旦達到一定的飽和度之後，就會開始朝縱方 -16- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公楚〉

裝--------訂--------- <請先M讀背面之注意事填寫本頁) L 4^f3〇8 A7 _ B7 五、發明說明（14) 向成長。 <請先W讀背面之注意事$填寫本頁) 因爲縱向成長與橫向成長相比之後，會被沒有段部的部分吸著，所以推定縱向成長所需的能源必須要比橫向成長的能源還要高。爲此之故，所以考慮在縱向成長部分，將添加不純物質S i，放入GaAs中的G a之位置上，可以使得能源降抵《也就是説，Si成爲η型捧雜劑。即使在傾斜部 AB、CD中，一開始因爲溫度高，所以Si便是η型摻雜劑。在剛好的部分B C中，即使縱向成長係爲劣勢，可是在傾斜部ΑΒ跟CD之中，橫向成長係以快速的速度進行著。該橫向成長係朝向外侧累積積層成長。傾斜面的傾斜角度0越是傾斜，段的密度（對@的比例）越高，橫向成長的速度也越快。在BC中的成長比較緩慢，在其兩側較快，而使得中央平坦部BC慢慢地擴展。BC的長度逐漸地往兩側擴展’但是B C上的成長困難持續著。之後溫度達到了反轉溫度的丁(：。在傾斜部AB、CD中，Si將置換As 的位置。惟在平坦部BC中，成長速度緩慢，變成過飽和 I後，Si才開始吸附在表面之上，所以Si依然成爲置換 G a的η型。經濟部智慧財產局貝工消費合作社印製雖然在同一基板上，在平坦部的BC會成爲，在傾斜部AB ' CD中會成爲卩型。而且Bc部會慢慢地朝兩側擴展。在BC部中Si會成爲η型摻雜劑，在ab、cd部中， Si會成爲p型。AB、CD朝兩側後退，BC則擴散。也就是説，BC的n型會擴大。儘管溶液的溫度下降，Bc附近的n 型區域擴展，而p型部分則縮小。如上述般異常的成長運 -17- 本紙張尺度過用中酬家標準（CNS)A4規格（21Q x 297公缝) A7 B7 451308 玉、發明說明（15) 動，便會形成如圖2的楔型pn接合FGHI。再更嚴謹的討論。橫向的成長速度以w表示，縱向的成長速度以u表示。因爲W是從段的橫方向成長的，所以速度更快。而U 則是爲了消除在B c面的過飽和狀態，所以成長速度較慢。這常然也會因爲溫度T的不同而有所不同。過鉋和是不安定的狀態，而能維持過飽和的溫度也有一定的限度。在時間d t時點，B點會朝橫的方向（-X方向）移動w d t，縱的方向（y方向）則只移動u d t。B點或是C點的移動，決定了圈2的線分FG、ΙΗ。因此線分FG、ΙΗ的傾斜角便是 tan''(u/w) ° 溫度持續地下降，即使在BC部中，Si也無法置換Ga，而是置換As。此時在BC之上，會形成ρη接合GH。如此一來便會形成如圖2所示的楔型pn接合異常。經濟部智慧財產局貝工消f合作社印製如上述般的推論如果是正確的話，如圖3所示的去除結晶方位的2乘歪就可以了。一開始如果沒有平坦部B c就好了。如此一來，BC兩侧的AB、CD握有朝同一方向的段部即可。像圖3般的形狀，在實際上也是會存在的，結晶格子向下歪曲（不是向上歪曲）的情況，在幾何學上的平面表面也會存在。即使鏡面晶圓從外觀上看起來是平坦沒有歪曲，但是格子歪曲確實存在。 . 於GaAs表面一開始對於（1〇〇)就傾斜某一定程度時_，因爲並不會存在有如圖3般的平坦面BC，理論上不會引起異常情況。如果問起：要傾斜幾度呢？則不實驗的話是不知道結果的。如圏4所示之實驗係以GaAs晶圓約一萬片爲主， -18 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公龙） 451308 經濟部智慧財產局貝工消费合作社印製 Α7 Β7 五、發明說明（16) 随著0.02。的面方位之傾斜，幾乎不會發生pri接合異常的情況。這意味著於圖3中，傾斜部AB、CD對（100)面之傾斜角度的最大値爲0.02°之程度。如此一來，圖3中的微視的剖面圖裡，段部不會朝向兩侧，而是只朝向一側的成長所以會發生橫向成長，而不會引起縱向成長。也就是説過飽和的趺態也不存在。因此溫度跟S i的傳導性的反轉關係也是相同的。爲了消除楔型的ρ η接合異常，本發明決定使用自（jaAs基板{100}傾斜0‘02°〜0.2°的表面的東西。更好的是，能使用有傾斜0.03。〜0·15。的表面的東西。也就是説，自{】〇〇) 傾斜角度Θ應該是0.02° 客0.2° 。剛才所提及的以前之技術，⑤（特許第29 14246號）便成爲問題。在⑤中，8丨接雜π型、ρ型的GaAs、AlGaAs薄膜的ρη接合的異常也成爲問題。在⑤中，ρη接合異常被稱之爲閃電型半導體開關元件架構。圖5則爲所謂的閃電型半導體開關元件之圖示。在⑤中，爲了防止閃電型半導體開關元件的出現，提出了 0.5°〜5°的傾斜角度之GaAs基板。而爲了防止ρη接合異常’本發明也提出了基板的傾斜角度。隨之該角度也跟著明顯地不同。本發明認爲〇.〇2°〜0,2°是最好的。上限的 0.2°則是爲了防止表面的雜亂，也就是防止以叩的增加，所設置的》超過此角度，表面的凹凸變得更糟，對於電極的形成有很不好的影響。在⑤中，Θ的下限爲〇5。，本發明者認爲這是不會引起慕晶晶圓表面凹凸的情況。爲何基板傾斜角度的角度範圍會有所不同呢。這是因爲 -19 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐） (請先閲讀背面之注意事項祝填寫本頁) 裝丨丨丨丨訂—111 — I-- 451308 經濟部智慧財產局MC工消费合作社印製 A7 ___________B7____ 五、發明說明（17 ) 對象的pn接合異常有所不同之故。於圖5中，顯示了⑤的閃電型半導體開關元件的定義。圖6係爲説明閃苹型半導體開關元件之生成的圖示β⑤係如同圖6所示—般，一開始即想疋讓全想的結晶方位傾斜的情況。如同本發明之圖 3所示’並未考慮使用像中央平坦部的β c般的東西β剛剛於本發明中已經説明了，圖2的FG的傾斜是tanl(Ww)。u 係爲β C縱向成長的速度，w係爲從段的橫向成長速度。本發明的P n接合的傾斜角已經自動固定。只有 tan〗（u/w)。隨著過飽和的終了，水平的接合gh—生成之後’與GF的父又角也是tan-丨（u/w)。因爲gh與ef是平行的。因爲pn接合的傾斜只有一-個，.所以在本發明的情況下，不會發生閃電型的半導體開關元件。本發明中的最主要問題在於’可以在剛好{100}8(：的上方的磊晶厚度異常 FI(2100// m)，而兩側的半導體開關元件iH、GF隨附於後。也就疋説，只有二次曲線y = 的χ=〇時，其近旁的傾斜會逢生問題β剛好{ 1 〇〇}部的B C直徑爲d，剛好{ 100} 部BC的左面傾斜是- ^d，右面的傾斜是+ 々（1。因爲不能朝向不同的方向傾斜，所以在本發明中，—開始就把晶圓傾斜離{100}々d而已。在⑤中，並沒有像平坦部BC般的，東西。如同圖6二般的傾斜面，在傾斜之中，有不同的平坦部，分成上下二種。二個平坦部之間，沒有段的存在》所以在其間，並不會發生飽和成長（p型層成長）。有在上平坦部中的縱向方向成長速度Ul跟下平坦部的縱向方向成長u的東西。因爲過飽 -20- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）裝--------訂---------. <請先«讀背面之注意事填寫本頁} 451308 A7 B7 經濟部智慧財產局貝工消费合作社印製五、發明說明（18) 和度在上平坦部這一邊比較低，所以u I比較小。W 4。因爲U跟W的不同，使得個別平坦部傾斜地成長，該角度爲tan ^u’w)與tan-'u^w)。該傾斜，則給予圖5閃電型pn 接合的二個線分的角度。因爲tan.1(U|/w)<tair〗（u2/w)，所以兩條線終於相交。即爲囷5的閃電型半導體開關元件的終點》所以在⑤中的二次曲線尸-点乂2中，一開始就把χ>〇的範圍視爲問題之所在。閃電型半導體開關元件係以 x=C〜C+d爲範圍（d是半導體開關元件起點的幅度），以及爲了使其傾斜的相同高度，只將c+d/2的傾斜点（2c+d)，傾向於反側便可。閃電型半導體開關元件的起點有各式各樣的幅度。自半導體開關元件的頂點，χ = 0，偏離角度C，這與本發明中的ρη接合異常的初期幅度以幾乎相同，而⑤所需要的傾斜角度，則爲本發明的2倍以上。基於此因，所以在⑤中所喜好的傾斜角爲〇5。〜5。，而被認爲與本發明中的〇.〇2。〜〇.2"有非常顯著的不同。簡要來説，即便説是ρη接合異常，在⑤中與在本發明中，所看到的ρη接合異常是有所不同的。在⑤中，爲了製造閃電型半導體開關元件所極需的ρη接合異常成爲問題；而本發明毋寧説是非常重視如圖2的FI間之異常厚度。該成因不同’防止的方法亦不同。因此喜好的角來有所不同，毋寧説是理所當然的事。【發明之效果】使用了自{100}偏離角度在〇.〇2。〜〇_2。之傾斜角度的單結晶基板，以S i摻雜GaAs、AlGaAs使液相成長。因爲傾 -21 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 451 3〇8 Α7 Β7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製五、發明說明（19) 斜角度之故，所以不會發生楔型pn接合異常現象。另，在 0.2°以下的小傾斜角度’可以無視其表面的雜亂之;^在。不會妨礙電極的形成。作爲GaAs磊晶晶圓的L E D基板，其利用效率非常顯著地高。【圓式之簡單説明】【圖1】含有作爲掺雜劑的兩性不純物質Si的GaAs薄膜，以液相磊晶法使其成長的溫度控制圖。橫軸代表時間，縱抽代表溫度。【圖2】使液相抑晶成長的羞晶晶圓的齡面pn接合圖。【圖3】爲了説明在含有step跟段的GaAs(lOO)基板的面上，使 GaAs薄膜液相晶圓成長的說明圖。【圏4】切割自{100}偏離角度（傾斜角度）由〇。到〇25。爲止，每隔0.01刻化刻度的基板；於其上，爲使Si摻雜^心薄膜成長，而測定出現樓型pn接合的晶圓比率結果之圖表。橫軸代表楔型pn接合的出現頻率（％)，縱軸係爲自π〇〇} 處的偏離角度。【圏5】爲説明於特許第2914246號之圖1中，所記載之閃電型半導體開關元件，而顯示的磊晶晶圓剖面圖。【圖6】 -22- 太紙*疋庠摘用中团圃変樣進ΓΤΓΤΊΓΓ 一 f i - Μ s χ 3 r\ ψ 4 5 13 0 8 A7 B7 經濟部智慧財產局貝工消費合作社印製

本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

Claims

六、申請專利範圍 A8B8C8D8 1. -種GaAs單結其特徵爲，^Si做爲摻雜物，將 η型跟p型的Ga.As或是%GaAs薄膜做爲液相磊晶成長的 GaAs單結晶底板，從面傾斜qq2。〜〇2。。 2·如申請專利範園第1項之GaAs單結晶晶圓，其特徵爲，以Si做爲摻雜物，將n型跟p型的GaAs或是八丨以“薄膜做爲液相磊晶成長的GaAs單結晶底板，從（丨〇〇丨面傾斜 0_03。〜0.15° 。 3. —種GaAs液相蟲晶晶圓’其特徵爲，從（ίο。}面傾斜 0.02 ~0.2的GaAs單結晶晶圓之上，以g丨做爲摻雜物，將η型跟p型的GaAs或是AlGaAs薄膜做爲液相磊晶成長之G a A s液相县晶晶圓。- 4_如申請專利範園第3項之GaAs液相磊晶晶圓，其特徵爲’從{100}面傾斜0.03°〜0·15β的GaAs單結晶晶圓之上，以Si做爲摻雜物，將η型跟p型的〇aAs或是AlGaAs 薄膜做爲液相暴晶成長之GaAs液相羞晶晶圓。 (請先閲讀背面之注$項再填寫本頁) Ν.裝-----r---訂--- d. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -24- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 * 297公釐）