TW451308B - Gallium arsenide single crystal wafer and Gallium arsenide liquid phase epitaxy wafer - Google Patents
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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 (1)
- 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)
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
GD4A | Issue of patent certificate for granted invention patent | ||
MK4A | Expiration of patent term of an invention patent |