JPH0566916B2 - - Google Patents

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。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
熱して溶解し、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ツク
バーガ法、ブリツ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
義にはフローテイングゾーン法も含むが、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）に温度差をつけ、温度勾
配と拡散によつ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。
例えば、GaAlAs系結晶の場合、グラフアイトか
らなるメルト槽にGa溶液からなるメルトを入れ、
800℃−1000℃で10℃−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
光ダ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に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温度分布を実現す
るのは困難であり、第１１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、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、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つた検討］ 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４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により順次ゲートバルブ６２を通つて押
し上げられる。入口側予備室５１は予備加熱炉５
９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内にゲートバルブ６３を通つて送られる。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
と接触した結晶成長を行う。結晶成長の終わつた
基板を載せたスライダはゲートバルブ７３を介し
て成長室５７の外に送られ、スライダ受取機構７
７によつてゲートバルブ７４を介して出口側予備
室７９に収められる。

第５図はメルト槽６４部分の１例の拡大説明図
である。溶媒であるGaの中に溶質のAl、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型領域のバンドギヤツプ
をＰ型領域のバンドギヤツプより大きくするため
Ｎメルト槽６６中のAlの量はＰメルト槽６５中
のAlの量より大きくするのがよい。たとえば、
赤色発光Ga_1-xAl_xAs発光ダイオードを得るには、
AlAsの組成割合ｘをｐ型領域で約0.35、ｎ型領
域で約0.6−0.85となるようにAlとGaAsの量を決
める。両メルト槽６５，６６内には図中右に示す
ような垂直方向の温度差が設定される。たとえ
ば、800℃−1000℃の温度で温度差を10℃−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
を作つ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つ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６図は温度と時間との関係を示す。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。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。このような操作をくりかえして多数枚の基
板上にエピタキシヤル成長を行う。

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アイトであるメ
ルト槽を作つ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
ア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７図、第８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。これはメルト層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。またメ
ルト槽の側壁（グラフアイト）の熱伝導率はメル
ト（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。したがつて温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９図、第１０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［Ａ］に比べ大きくない。また基板面
内の温度分布も［Ａ］に比べより均一である。し
たがつて成長速度は［Ａ］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
をエピタキシヤル成長させることのできないグラ
フアイトからなるスライダ５３に接している。し
たがつて基板外の周辺部８９において基板面内８
５，８７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つて流れる。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８
７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１１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。

［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、基板をメルトの横断面積より小さくして基板
の下方のスライダの内部に基板面積より大きい外
周部を有する空洞を設け、この空洞に成長温度で
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下方に
向かう凸部を形成し、基板とほぼ同じ表面積にわ
たり液体金属の上表面と接続させ、その外側の上
壁は高くして液体金属と接続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］ 第１図、第２図を参照して説明すると、基板の
下方のスライダ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
金属が熱対流によつて移動するため、基板面内方
向に温度分布があつても均熱化される。

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、基板とほぼ同じ断面積
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。その外側では、液体金属
が空洞上壁面と接さず、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２１が底の開口を塞ぐようになつてい
る。スライダ２１の中央部には凹部１７が設けら
れ、成長下地となる半導体基板１９が収められて
いる。従つて半導体基板１９の上面はメルト１３
の底部中央部と接する。スライダはガイド部材の
レール（図示せず）を摺動し、図面の紙面と垂直
の方向の動く。スライダ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。空洞の横方向
寸法は本実施例ではメルト１３の底面積よりやや
大きめとしてあるが、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２
７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２５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が残つている。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３
１の中になかば没する。

メルト槽１１、スライダ２１はグラフアイトの
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、GaAlAsP、
GaP、GaSb等の場合はGa、InAs、InAsP等の場
合はInを用いる。液体金属３１は使用温度（ほぼ
結晶成長温度）で液体であれば良く、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１９より外側の部分８９では微結
晶が発生しないことが望ましい。そのためには基
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１９、スライダ２１上部（凸部２７を含む）、
液体金属３１、スライダ２１下部と熱が流れる。
その外側ではスライダ２１上部に凸部２７が存在
せず、代わりに気体空間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つても熱を
輸送できるので、温度分布に不均一が生じた場合
対流によつ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、結晶成長装置の構成材料の熱伝導率
（300°K）［Ｗ／cm−deg］の代表例は以下の通り
である。

H₂ 0.0018 Ga 0.335 グラフイト 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
外の周辺領域８９における微結晶析出の抑制によ
り、第３図に示すような均一な厚さの成長結晶が
得られる。

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、細孔
により外部雰囲気と連結されているので、高温に
なつ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。

この方法は、GaAlAsのみならず、
GaPGaAsInP、InP、InGaAsP、あるいは、
ZnSe、ZnTe、HgCdTeその他の温度差法液相エ
ピタキシヤル成長法による結晶の成長に適用でき
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、空洞と熱対流によつても均熱化
を達しやすい液体金属とを用いることにより、基
板周辺の熱抵抗を大きくし、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。

従つて、均一な発光効率の発光ダイオード用エ
ピタキシヤルウエーハ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いを供
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は成長層の膜厚分布の測定例、第４図は
従来の液相結晶成長装置の概略図、第５図は第４
図の部分拡大図、第６図は成長操作を説明する温
度対時間のグラフ、第７図は従来技術の液相結晶
装置の部分拡大図、第８図は第７図の横断面図、
第９図は従来技術の液相結晶装置の部分拡大図、
第１０図は第９図の横断面図、第１１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、１１……メルト槽、１３……メル
ト、１７……スライダの凹部、１９……基板、２
１……スライダ、２５……空洞、２７……凸部、
２９……連絡孔、３１……液体金属、３３……空
間。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 成長用材料を溶解したメルトを保持し底部開
   口を有し耐熱材料で作られたメルト槽と結晶基板
   を上に保持した耐熱材料で作られたスライダーと
   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
   結晶をエピタキシヤル成長させる温度差法の液相
   の結晶成長方法において、基板の下方のスライダ
   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の結晶成長方法。 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を
   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ヤル成長させる温度差法
   の液相の結晶成長装置において、基板の下方のス
   ライダの内部に、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
   とする液相の結晶成長装置。