JPH08203838A - 化合物半導体の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 従来よりも厚い化合物半導体のエピタキシャ
ル成長層を形成する。また、上記化合物半導体の層成長
にともなう溶質の混晶比の低下を軽減する。 【構成】 基板を、成長用溶液を介して水平に上下配置
し、上記溶液を降温途中に昇温過程を加えながら漸次温
度降下させて基板表面にエピタキシャル層を成長させ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液相エピタキシャル成
長による化合物半導体の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の製造方法としては、例え
ばＡｌＧａＡｓ混晶を形成する場合、図３に示すよう
に、ＧａＡｓ基板１１，１１をそれぞれ治具１２の上下
に対向配置し、該基板１１，１１間に９００℃程度のＡ
ｌ−Ｇａ−Ａｓ成長用溶液（Ｇａを溶媒とし、溶質に単
結晶ＧａＡｓ、Ａｌ等を溶解した溶液）１３を介在させ
て上記Ａｌ−Ｇａ−Ａｓ溶液１３を７００℃程度まで、
途中昇温することなく、一定の冷却速度で降温するか又
は２種の冷却速度で段階的に降温して、上記基板１１，
１１の対向する表面にＡｌＧａＡｓエピタキシャル層を
成長させる方法が一般的である。このときエピタキシャ
ル層の成長量（成長膜厚）ｄは、図４及び図５に示すよ
うに、対向配置する上記基板１１，１１間に介在する成
長用溶液の厚み（溶液厚）Ｄと、上記成長用溶液１３の
冷却速度Ｖに依存する。上記溶液厚Ｄを厚くするにつれ
て成長膜厚ｄは略直線的に増加し、やがて頭打ちとな
る。また、上記冷却速度Ｖを高くするに従って成長膜厚
ｄは減少する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従って、上記従来の方
法において、成長膜厚を厚くするべく上記溶液厚及び冷
却速度を最良に調整したとしても、上記成長膜厚を大き
くするには限界がある。具体的には、一回の成長工程
で、ＧａＡｓ成長において膜厚１５０μｍ程度、溶解度
の低いＡｌ_XＧａ_1ーXＡｓ（ｘ＝０．７）成長においては
１００μｍ程度が限界である。

【０００４】また、例えば上記ＡｌＧａＡｓ成長におい
ては、エピタキシャル層の成長に伴いこの層に溶液中の
Ａｌが取り込まれていき、溶液中のＡｌの濃度が低下し
ていくために、エピタキシャル層の成長に伴い該層中の
Ａｌの混晶比が低くなる。このように成長したエピタキ
シャル層を用いてＬＥＤを製造した場合、ライトエミッ
ションに係るエネルギーバンド領域の幅が狭いものとな
るのである。

【０００５】本発明は、エピタキシャル成長層の膜厚に
対する制限を軽減し、上記成長層の膜厚の調整の範囲を
広くし得る方法を提供することを目的とする。また、本
発明は液相エピタキシャル成長による化合物半導体の製
造方法において、層成長にともなう溶質の混晶比の低下
を軽減し得る方法を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記目的を
達成すべく鋭意研究を重ねた結果、成長用溶液中、溶質
は溶媒に対する浮力により溶液の上層又は下層に移動す
るベクトルを有しており、溶質の濃度が溶液の上層で高
く下層になるにつれて低くなる又はその逆になるという
重力方向における溶質の濃度勾配が生じることに着目
し、基板を、成長用溶液を介して水平に上下配置し、上
記溶液を降温途中に昇温過程を加えながら漸次温度降下
させて基板表面にエピタキシャル層を成長させるとき
は、上記昇温時に溶液中の溶質濃度が低い側の基板表面
及び／又は基板表面に成長した層が溶解し、この溶解物
が溶媒との間の浮力による溶液の上層又は下層へと拡散
するときのベクトルにより、溶液中に存在していた上記
溶質の上方又は下方へのベクトルと相俟って、より大き
なベクトルとなり、溶液中の溶質濃度が高い側の基板へ
のエピタキシャル層の成長を促進し、得られる成長膜厚
を著しく向上できることを見いだしたのである。

【０００７】即ち、本発明は、以下の製造方法に係るも
のである。 基板を、成長用溶液を介して水平に上下配置し、上
記成長用溶液を温度降下することにより上記基板表面に
エピタキシャル層を成長させる化合物半導体の製造方法
であって、上記温度降下の途中に少なくとも１回は昇温
することを特徴とする化合物半導体の製造方法。 温度降下を、降温及び昇温を繰り返しつつ漸次行う
ことを特徴とする上記に記載の方法。 成長用溶液がＧａ−Ａｓ溶液又はＡｌ−Ｇａ−Ａｓ
溶液であることを特徴とする上記又はに記載の製造
方法。

【０００８】本発明において、エピタキシャル層を成長
させる基板及び成長用溶液としては、従来より液相エピ
タキシャル成長法で用いられている組み合わせのものを
特に制限なく用いることができる。具体的には、例えば
単結晶ＧａＡｓ基板とＧａ溶媒に多結晶ＧａＡｓ、Ａｌ
等を溶質とした溶液、単結晶Ｓｉ基板とＩｎ溶媒に多結
晶Ｓｉを溶質とした溶液等の組み合わせを挙げることが
できる。

【０００９】本発明における昇温速度としては、適宜選
択すればよいが、昇温速度が速過ぎると溶液濃度が高い
側の基板、即ち高成長させたい側の基板近傍における溶
液中の溶質が急激な温度上昇により未飽和状態となるの
で上記高成長させたい側の基板表面に成長した層の溶解
を生じることとなるので成長効率が低下するおそれがあ
り、一方遅過ぎると成長に長時間を要することになり生
産性の低下を招くこととなるので、１〜１０℃／ｍｉｎ
程度が好ましく、実用的である。また、昇温時間及び一
連の温度降下（成長操作）における昇温回数としては、
目的とする膜厚に応じて適宜選択すればよく、上記昇温
時間を長く、また昇温回数を多くすれば膜厚を厚くする
ことができる。よって、昇温時間及び昇温回数は、上記
昇温速度との関係で、全体として溶液を漸次温度降下で
きる範囲で、目的とする膜厚と生産性の見合う範囲で適
宜調整すればよい。

【００１０】本発明において、上記溶液の降温及び昇温
による温度降下の軌跡パターンについても、適宜決定す
ることができ、例えば降温及び昇温を絶えず繰り返し全
体として温度降下させてもかまわないし、降温及び／又
は昇温後に一定時間一定温度を保持するようにして降温
及び昇温を繰り返し行って温度降下させてもかまわな
い。

【００１１】また、本発明における降温速度としては、
特に制限なく、液相エピタキシャルによる徐冷法におけ
る周知の範囲で行うことができる。更に、本発明により
得られるエピタキシャル成長層の膜厚及び混晶比（組成
比）は、成長用溶液中の溶質の混合比、昇温及び降温速
度、昇温及び降温時間、昇温回数等により適宜調整する
ことができる。

【００１２】本発明における基板間隔としては、上記図
４に示したように、目的とする膜厚となるよう適当な条
件で行えばよい。

【００１３】

【作用】基板を、成長用溶液を介して水平に上下配置
し、上記溶液を降温すると基板表面にエピタキシャル層
が成長し始める。このとき溶質の溶解状態における比重
が溶媒よりも小さいとき、例えばＧａを溶媒としＡｌ及
びＡｓを溶質とした場合、溶液の上層ほど溶質の濃度が
高いという濃度勾配が生じるために、下側の基板に比し
て上側の基板における成長量が大となる。そこで、上記
溶液の降温途中に、溶液を昇温すると、成長したエピタ
キシャル層が再び溶解し始めるが、上記溶質の濃度勾配
により溶液の上下層での溶質濃度の低い側の基板（成長
量が小の基板）における溶解量が大となり、一方溶質濃
度の高い側の基板（上記成長量が大の基板）においては
その近傍の溶液が飽和もしくは飽和に近い状態であるた
めに、成長層の溶解を極めて低減できるのである。

【００１４】そして、再び、溶液の降温を始めると、上
記溶質濃度の高い側の基板（上記成長量が大の基板）に
おける成長が他方の基板に比して大となる。従って、上
下に配置した基板のうち溶質濃度の高い側の基板の成長
を効率よく促進させることができるのである。また、昇
温により溶質を追加させつつ、降温して成長を行えるの
で、溶質の成長層中の混晶比の低下を低減し得るのであ
る。

【００１５】

【実施例】以下実施例を示し、本発明の特徴とするとこ
ろをより詳細に説明するが、本発明がこれら実施例に限
定されることはない。第１の実施例では、ＬＥＤ用のＡ
ｌＧａＡｓ混晶を成長させる場合について説明する。図
１に、本実施例において使用する製造装置の概略を示
す。図中、符号ｇは重力方向を示す。上記製造装置にお
いて、成長槽１中に治具板２，２は水平に一定距離離間
して上下配置され、上記成長槽１上にはスライダー３を
介して成長用溶液の供給槽４が取り付けられている。上
記スライダー３は、穴３’が設けられており、上記成長
槽１の上板に設けられた穴１’と上記供給槽４の底板に
設けられた穴４’とを連通及び非連通とし得る弁機能を
備えている。また、上記成長槽１下にはスライダー５を
介して排出槽６が取り付けられている。このスライダー
５にも、上記スライダー３と同様に、穴５’により、上
記成長槽１の底板に設けられた穴１”と上記排出槽６の
上板に設けられた穴６’とを連通及び非連通とし得る弁
機能が備えられている。更に、図示しないが、これら全
体の温度を調整し得るヒータが備えられている。

【００１６】上記治具板２，２にそれぞれ種結晶となる
直径１３ｍｍ程度の円盤状単結晶ＧａＡｓ基板７，８を
４ｍｍ程度離間して固定する。そして、Ｇａを溶媒と
し、溶質としてＡｌ及び多結晶ＧａＡｓを用い、これら
重量比Ｇａ：Ａｌ：ＧａＡｓ＝１００：０．６：５とし
た成長用溶液９を、図２に示すように、平衡温度９２０
℃程度に加熱し、これを６０分程度保持した後、スライ
ダー３を操作することにより供給槽４から成長槽１中へ
供給し、上記基板７，８間を満たし、直ちに冷却速度１
℃／ｍｉｎ程度で６０分間程度冷却し、続いて加熱速度
５℃／ｍｉｎ程度で４分間程度加熱し、この冷却及び加
熱サイクルを更に４回繰り返した。引き続き、冷却速度
１℃／ｍｉｎ程度で６００℃程度まで冷却し、スライダ
ー５を操作することにより成長槽１中の成長用溶液９を
排出槽６に回収して結晶成長を終えた。

【００１７】以上のようにして得られた上側の基板７の
表面には、膜厚２００μｍ程度のＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓエ
ピタキシャル層が成長していた。また、このエピタキシ
ャル層は、成長方向におけるＡｌの混晶比の低下が僅か
にしか見られず、ＬＥＤの製造として用いた場合にエネ
ルギーバンド領域を広くし得る極めて優れたものであっ
た。

【００１８】次に、第２の実施例としてＧａＡｓ結晶の
成長の場合について説明する。成長用溶液９を、Ｇａを
溶媒とし溶質として単結晶ＧａＡｓを用い、これら重量
比Ｇａ：ＧａＡｓ＝２０：３とした溶液を用いて、溶液
温度を９２０℃程度から６００℃程度に降温した以外は
上記第１の実施例と同様の条件でエピタキシャル成長を
行った。

【００１９】その結果得られた上側の基板７の表面に
は、膜厚２５０μｍ程度のＧａＡｓエピタキシャル層が
成長していた。上記第１及び第２の実施例では、成長用
溶液に不純物（ドーパント）を加えなかったが、本発明
では、例えばＳｉ、Ｚｎ、Ｇｅ、Ｔｅ等の周知のドーパ
ントを上記溶液に適宜加えて、不純物を含有させたエピ
タキシャル成長層を製造することもできる。

【００２０】尚、比較例として、冷却速度０．２℃／ｍ
ｉｎで６００分間冷却し、この温度を６０分間維持した
後、冷却速度０．５℃／ｍｉｎとして温度降下を行った
以外は上記第１の実施例と同様の条件でエピタキシャル
成長を行った。得られた上側の基板の表面に成長したＡ
ｌＧａＡｓエピタキシャル層の膜厚は９０μｍでしかな
かった。

【００２１】

【発明の効果】本発明によれば、従来の方法では得られ
なかった厚みの化合物半導体のエピタキシャル成長層を
得ることができ、設計できる成長膜厚の幅を極めて広く
し得るのである。また、本発明によれば、従来の液相エ
ピタキシャル成長法により得られる化合物半導体の化合
物の混晶比のばらつきを極めて軽減することができ、結
果得られる化合物半導体は、ＬＥＤ等の半導体装置の製
造において極めて有用なものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１及び第２の実施例において用いた
結晶成長装置を示す概略断面図である。

【図２】本発明の第１の実施例における溶液の温度降下
の軌跡パターンを示す温度（Ｔ）−時間（ｔ）グラフで
ある。

【図３】従来の液相エピタキシャル成長方法を説明する
概略断面図である。

【図４】液相エピタキシャル成長における溶液厚（Ｄ）
と成長膜厚（ｄ）との関係を示すグラフである。

【図５】液相エピタキシャル成長における溶液の冷却速
度（Ｖ）と成長膜厚（ｄ）との関係を示すグラフであ
る。

【符号の説明】

７，８ ＧａＡｓ基板 ９ Ａｌ−Ｇａ−Ａｓ溶液 ｇ 重力方向

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板を、成長用溶液を介して水平に上下
   配置し、上記成長用溶液を温度降下することにより上記
   基板表面にエピタキシャル層を成長させる化合物半導体
   の製造方法であって、 上記温度降下の途中に少なくとも１回は昇温することを
   特徴とする化合物半導体の製造方法。
2. 【請求項２】 温度降下を、降温及び昇温を繰り返しつ
   つ漸次行うことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 【請求項３】 成長用溶液がＧａ−Ａｓ溶液又はＡｌ−
   Ｇａ−Ａｓ溶液であることを特徴とする請求項１又は２
   に記載の製造方法。