説明

エピタキシャルウエーハの製造方法

【課題】p型層を形成する際に混入するSiによって発生する順方向電圧(Vf)の不良を従来より低減させ、順方向電圧が良好なエピタキシャルウエーハの製造方法を提供する。
【解決手段】少なくとも、化合物半導体からなる基板上に、ハイドライド気相成長法によってp型層をエピタキシャル成長させる工程を有するエピタキシャルウエーハの製造方法であって、前記p型層をエピタキシャル成長を開始する前の前記基板の昇温時に、p型ドーパントガスを前記p型層のエピタキシャル成長時より多く流すことを特徴とするエピタキシャルウエーハの製造方法。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ハイドライド気相成長法によるエピタキシャルウエーハの製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
GaAs単結晶基板上に、発光層部と電流拡散層とを形成した発光素子が従来知られている。
例えばGaAs単結晶基板上に、AlGaInPの4元からなる発光層部とGaPからなる電流拡散層(以下、窓層とも言う)を形成した発光素子が知られている。
このGaP電流拡散層は、発光層部側を有機金属気相成長法(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy法、以下単にMOVPE法ともいう)により比較的薄い第1電流拡散層を形成した後に、ハイドライド気相成長法(Hydride Vapor Phase Epitaxy法、以下単にHVPE法ともいう)により比較的厚い第2電流拡散層を成長させて形成するものであり、特許文献1等に開示されている。
この電流拡散層は、全体として200μm程度の厚さにまで成長させることがある。
【0003】
しかし、HVPE法によるエピタキシャル成長に用いる成長装置において、溶融III族金属を収容した坩堝や、成長容器、あるいはウエーハを支持するサセプタなどの石英製反応部品からのコンタミにより、第1電流拡散層と第2電流拡散層との界面がSiにより汚染されやすいという問題があった。
【0004】
そして、このSiはn型ドーパントして働くため、p型第1電流拡散層と第2電流拡散層の界面でp型キャリアを補償しp型高抵抗層が形成されてしまい、得られる発光素子の駆動時の順方向電圧(Vf)が増大するという不具合が発生していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】米国特許第5,008,718号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本発明はこのような上記の課題を解決するためになされたものであり、p型層を形成する際に混入するSiによって発生する順方向電圧(Vf)の不良を従来より低減させ、順方向電圧が良好なエピタキシャルウエーハの製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記課題を解決するため、本発明では、少なくとも、化合物半導体からなる基板上に、ハイドライド気相成長法によってp型層をエピタキシャル成長させる工程を有するエピタキシャルウエーハの製造方法であって、前記p型層のエピタキシャル成長を開始する前の前記基板の昇温時に、p型ドーパントガスを前記p型層のエピタキシャル成長時より多く流すことを特徴とするエピタキシャルウエーハの製造方法を提供する。
【0008】
このように、ハイドライド気相成長法によりp型エピタキシャル成長させる工程において、p型層のエピタキシャル成長を開始させる前の基板温度の昇温時に、p型ドーパントガスをエピタキシャル成長時の流量より多く流すこととする。
これによって、基板とp型層との成長界面の汚染Si(n型ドーパントとして作用)と相殺するようにp型ドーパントが成長界面に供給されるため、成長界面にp型高抵抗層が形成されることを従来に比べて抑制することができる。そしてこのような製造方法によって得られたエピタキシャルウエーハから製造される発光素子の順方向電圧を従来に比べて低く抑えることができ、製品歩留りの向上を図ることができ、製造コストの低減も図ることができる。
【0009】
ここで、前記基板の昇温時の前記p型ドーパントガスの流量を、前記p型層のエピタキシャル層成長時の流量の1.1〜20倍とすることが好ましい。
このように、p型ドーパントガスを、昇温時にエピタキシャル成長時の流量の1.1〜20倍の流量で流すことによって、得られる発光素子の駆動時の順方向電圧(Vf)をより確実に低く抑えることができ、更なる製造歩留りの向上を図ることができる。なお、20倍を超える流量とすることは必要以上にp型ドーパントガスを消費し、コスト面から好ましくない。
【0010】
また、前記基板として、化合物半導体単体からなる基板上に、少なくとも、発光層、p型第1電流拡散層とを有機金属気相成長法によりエピタキシャル成長させたものを用い、該基板上に、前記p型層として、前記ハイドライド気相成長法によってp型第2電流拡散層をエピタキシャル成長させることが好ましい。
このように、基板に上述のような構造のものを用い、そしてその基板上にp型層としてp型第2電流拡散層をハイドライド気相成長法によりエピタキシャル成長させることによって、p型高抵抗層を形成させることなく厚膜の電流拡散層を早い速度でエピタキシャル成長させることができる。よって、効率的に光の取り出し効率を向上させることができ、高輝度の発光素子を製造することができるエピタキシャルウエーハをより効率的に製造することができる。
【0011】
そして、前記発光層を、組成式(AlGa1−xIn1−yP(ただし、0≦x≦1,0≦y≦1)にて表される化合物にて構成されたn型クラッド層、活性層、p型クラッド層がこの順序で積層されたダブルへテロ構造からなるものとすることが好ましい。
このように、発光層を上述のような構造とすることによって、発光輝度が高く、かつ順方向電圧(Vf)の低いエピタキシャルウエーハを製造することができる。
【0012】
更に、前記化合物半導体単体からなる基板を、GaAs基板とすることが好ましい。
このように、化合物半導体単体からなる基板をGaAs基板とすれば、上記発光層と格子定数が一致するため、容易に発光層を成長させることが可能となる。
【0013】
また、前記p型第1電流拡散層および前記p型第2電流拡散層を、GaP、GaAsPのいずれかからなるものとすることが好ましい。
このように、p型第1電流拡散層および前記p型第2電流拡散層がGaP、GaAsPのいずれかからなるものとすることで、発光輝度をより高くすることができる。
【0014】
そして、前記基板の昇温時の前記p型ドーパントガスの流量を、前記p型層のエピタキシャル成長時の流量の1.5〜20倍の流量とすることが好ましい。
このように、基板昇温時にp型ドーパントガスをエピタキシャル成長時の流量の1.5〜20倍の流量で流すことで、より確実に成長界面でのp型高抵抗層の形成を抑制できる。
【0015】
更に、前記p型ドーパントガスとして、DMZnを用いることが好ましい。
このように、p型ドーパントガスをDMZnとすれば、容易にp型ドーパントを供給することができる。
【発明の効果】
【0016】
以上のように、本発明のエピタキシャルウエーハの製造方法は、p型層をエピタキシャル成長させる前の昇温時に、p型ドーパントガスをエピタキシャル成長時より多く流すことによって、成長界面での汚染Si(n型ドーパントとして作用)を相殺するようにp型ドーパントを成長界面に供給することができる。このため、成長界面にp型高抵抗層が形成される可能性を従来に比べて低くすることができ、このような方法で製造されたエピタキシャルウエーハから製造される半導体素子の駆動電圧を、従来と比較して低く抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【図1】本発明のエピタキシャルウエーハの製造方法の一例を示した工程フローである。
【図2】本発明のエピタキシャルウエーハから製造した発光素子の概略の一例を示した図である。
【図3】本発明のエピタキシャルウエーハの製造方法で用いるHVPE炉の一例を示した模式図である。
【図4】実施例1−3,比較例1のエピタキシャルウエーハのVfの最大値、平均値、最小値の関係を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【0018】
以下、本発明について図を参照して詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。図1は、本発明のエピタキシャルウエーハの製造方法の一例を示した工程フロー、図2は本発明のエピタキシャルウエーハから製造した発光素子の概略の一例を示した図である。
【0019】
まず、図1の工程(a)に示すように、GaAs単結晶基板11上に、n型GaAsバッファ層12を例えば0.5μm成長させる。
【0020】
次いで図1の工程(b)に示すように、n型GaAsバッファ層12上に、発光層13として、各々(AlGa1−xIn1−yP(ただし、0≦x≦1,0≦y≦1)よりなる、例えば厚さ0.8〜4μmのn型クラッド層13a、厚さ0.4〜2μmの活性層13b及び厚さ0.8〜4μmのp型クラッド層13cを、この順序にてエピタキシャル成長させる。なお、発光層13は、p型AlGaInPクラッド層側の表面が第一主表面である。
【0021】
上記各層のエピタキシャル成長は、公知の有機金属気相成長(MOVPE)法により行うことができる。
この各層のエピタキシャル層を形成するための製造条件は、求めるエピタキシャル層の厚さや、組成比によって適宜選択することができる。
Al、Ga、In(インジウム)、P(リン)の各成分源となる原料ガスとしては以下のようなものを使用できる。
・Al源ガス;トリメチルアルミニウム(TMAl)、トリエチルアルミニウム(TEAl)など、
・Ga源ガス;トリメチルガリウム(TMGa)、トリエチルガリウム(TEGa)など、
・In源ガス;トリメチルインジウム(TMIn)、トリエチルインジウム(TEIn)など、
・P源ガス:トリメチルリン(TMP)、トリエチルリン(TEP)、ホスフィン(PH)など。
【0022】
また、ドーパントガスとしては、以下のようなものを使用できる。
(p型ドーパント)
・Mg源:ビスシクロペンタジエニルマグネシウム(CpMg)など、
・Zn源:ジメチル亜鉛(DMZn)、ジエチル亜鉛(DEZn)など、
(n型ドーパント)
・Si源:モノシランなどのシリコン水素化物など。
【0023】
次に図1の工程(c)に示すように、p型AlGaInPクラッド層13c上に、例えばp型GaPからなるp型第1電流拡散層14を、有機金属気相成長法によりヘテロエピタキシャル成長させて、MOエピタキシャルウエーハ(基板)を得る。
【0024】
次に、HVPE炉にMOエピタキシャルウエーハを投入し、p型第2電流拡散層をHVPE法によってエピタキシャル成長させるために、エピタキシャル成長温度(例えば640〜860℃)まで基板を昇温する。
そして、本発明においては、その際にp型第2電流拡散層のエピタキシャル成長時に流すよりも多くp型ドーパントガスを流すようにする。
【0025】
特に、HVPE炉内に基板を投入してから成長温度まで昇温してからエピタキシャル成長の開始までの過程では、成長容器あるいは基板を支持するサセプタなどの石英製反応部品からの珪素(Si)の炉内での濃度が高くなっており、昇温時に基板の表面(成長界面)に付着し、n型ドーパントとして作用する。
しかし、本発明のように、この昇温時において、成長時に流すp型ドーパントガスよりも多いp型ドーパントガスを流すようにすることで、成長界面のSiと相殺するようにp型ドーパントが成長界面に供給されるため、成長界面にp型高抵抗層が形成されることを従来に比べて強く抑制することができる。そして、このような方法で製造したエピタキシャルウエーハから製造される半導体素子の駆動電圧を、従来のものに比べて低く抑えることができ、製品歩留りを改善することができる。
【0026】
ここで図3は、本発明のハイドライド気相成長工程において用いるHVPE炉の一例を示す模式図である。
このHVPE炉30は、Ga融液33を収容する坩堝32が配置される第一室と、基板Wを保持する例えば石英製のサセプタ31が収容される第二室から成る成長容器35を有する。そして第一室と第二室は、坩堝32とともに石英にて構成され、それぞれ個別のヒータ36により昇温されるようになっている。
そしてこのようなHVPE炉30を用いてp型層をエピタキシャル成長させる際には、第一室と第二室の内部は、HVPE反応が十分に進むよう、適正な成長温度に昇温され、成長容器35内にはガス導入口34より例えば塩化水素ガスと、キャリアガスと、P源ガスと、p型ドーパントガスを導入して、p型GaP層をエピタキシャル成長させる。
【0027】
この場合、昇温時と成長時のp型ドーパントガスの流量の比率としては1.1〜20倍、望ましくは1.5〜20倍、より望ましくは1.5〜3倍とすることができる。
このように、p型ドーパントガスを、昇温時にエピタキシャル成長時の流量の1.1〜20倍、特には1.5〜20倍の流量で流すことによって、より確実に基板とp型層との成長界面でのp型高抵抗層の形成を抑制でき、得られる発光素子の駆動時の順方向電圧(Vf)をより確実に低く抑えることができる。また、必要以上にp型ドーパントガスを流すことを抑制でき、ガスの使用量の必要以上の増加を抑制でき、製造コストの上昇が発生することも防ぐことができる。
【0028】
また、p型ドーパントガスとしてはジメチル亜鉛(DMZn)、ジエチル亜鉛(DEZn)等とすることができる。
このように、p型ドーパントガスとしては、高純度の原料が得やすいジメチル亜鉛(DMZn)、ジエチル亜鉛(DEZn)、特にジメチル亜鉛(DMZn)を用いることによって、より高純度・高品質のエピタキシャルウエーハを得ることができる。
【0029】
次に、図1の工程(d)に示すように、基板が所定の温度になったら、p型ドーパントガスの流量を下げ、MOエピタキシャルウエーハのp型第1電流拡散層14上に、p型層として例えば厚いp型GaPからなるp型第2電流拡散層15を、ハイドライド気相成長法でエピタキシャル成長させる。
このHVPE法は、具体的には、容器内にてIII族元素である金属Gaを所定の温度に加熱保持しながら、その金属Ga上に塩化水素を導入して、下記(1)式の反応によりGaClを生成させ、キャリアガスであるHガスとともに基板上に供給する。
Ga(液体)+HCl(気体) → GaCl(気体)+1/2H(気体)‥‥(1)
成長温度は例えば640℃以上860℃以下に設定する。また、V族元素であるPは、PHをキャリアガスであるHともに基板上に供給する。さらに、p型ドーパントであるZnは、DMZn(ジメチルZn)の形で供給する。
GaCl(気体)+PH(気体)
→GaP(固体)+HCl(気体)+H(気体)‥‥(2)
【0030】
以上の工程(d)が終了すれば、本発明のエピタキシャルウエーハ10が完成する。
【0031】
なお、上記例示では、基板にGaAs、p型第1電流拡散層及びp型第2電流拡散層にGaPを用いる場合について説明したが、本発明はこれらに限定されず、窓層としてはGaAsPを用いることができ、基板も発光層や電流拡散層を形成するのに適したものを適宜採用することができる。
【0032】
その後、真空蒸着法により、p型第2電流拡散層15上に第一電極21を、n型GaAs基板11上に第二電極22を形成し、更に第一電極21上にボンディングパッドを配置して、適当な温度で電極定着用のシンタリングを施す。
その後、ダイシングによりチップ化し、第二電極22をAgペースト等の導電性ペーストを用いて支持体を兼ねた図示しない端子電極に固着する一方、ボンディングパッドと別の端子電極とにまたがる形態でAu製のワイヤをボンディングし、更に樹脂モールドを形成することにより、図2に示すような発光素子20が得られる。
【実施例】
【0033】
以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
(実施例1−3)
前記した本発明のエピタキシャルウエーハの製造方法である図1の工程に従い、厚さ280μmのn型GaAs基板上にn型GaAsバッファ層を0.5μm成長させた後、MOVPE法でAlGaInP発光層を8μm形成し、更にp型GaPからなる第1電流拡散層を1μm形成した。
以上の工程で製造された複数のMOエピタキシャルウエーハを、HVPE炉に移して窒素(N)ガスをHVPE炉内に20分導入し、空気を十分置換除去後、キャリアガスとして高純度水素(H)を導入し、Nを停止して昇温作業に入った。
【0034】
そしてこの昇温作業中には、p型ドーパントドープ用ガスであるDMZnをエピタキシャル成長開始2分前から8cc/min(実施例1)、10cc/min(実施例2)、20cc/min(実施例3)の流量でHVPE炉内に導入した。
そして、高純度りん化水素ガス(PH)の導入を開始し、所定の温度に到達した後、GaClを生成させるため高純度塩化水素ガスを石英ボート中のGa溜めに吹き込み、MOエピタキシャルウエーハの最表面(p型GaP)と同組成のGaPエピタキシャル層の気相成長を行った。
また、塩化水素ガスを流すと同時に、DMZn流量を所定のキャリア濃度を得るための6cc/minに下げた。
【0035】
その後、狙いのエピ厚(150μm)に応じた時間の間、HClとPH及びDMZnガスを流してp型GaP層のエピタキシャル成長を行い、エピタキシャルウエーハを製造した。
【0036】
その後、実施例1−3のエピタキシャルウエーハに真空蒸着法により第一電極及び第二電極を形成し、更に第一電極上にボンディングパッドを配置して、適当な温度で電極定着用のシンタリングを施し、その後ダイシングによりチップ化し発光素子を複数個得た。
そしてこの作製した実施例1−3の発光素子各々複数個に対して定電流電源にて20mAの電流を通電して、順方向電圧Vfを測定・評価した。その結果を図4に示す。
【0037】
(比較例1)
エピタキシャル成長開始2分前からのDMZn流量を6cc/minとし、塩化水素ガスを流す際にDMZnガスの流量を変化させなかった以外は実施例1と同様な方法でエピタキシャルウエーハ及び発光素子を製造した。そして実施例1−3と同様の評価を行い、その結果を図4に示した。
【0038】
図4に示すように、実施例1では(最大値)2.31V(平均値)2.04V(最小値)1.91V(標準偏差)0.128V、実施例2では(最大値)2.01V(平均値)1.96V(最小値)1.94V(標準偏差)0.013V、実施例3では(最大値)1.98V(平均値)1.96V(最小値)1.96V(標準偏差)0.006Vであったのに対し、比較例1では(最大値)2.91V(平均値)2.16V(最小値)1.93V(標準偏差)0.287Vであった。
このように、本発明のエピタキシャルウエーハの製造方法によればSi汚染によるVfの上昇を抑制することができ、また順方向電圧のバラツキも小さくすることができることが判った。
【0039】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【符号の説明】
【0040】
10…エピタキシャルウエーハ、
11…GaAs基板、 12…GaAsバッファ層、 13…発光層、 13a…n型クラッド層、 13b…活性層、 13c…p型クラッド層、 14…p型第1電流拡散層(p型GaP層)、 15…p型第2電流拡散層(p型GaP層)、
20…発光素子、 21…第一電極、 22…第二電極、
30…HVPE炉、 31…サセプタ、 32…坩堝、 33…Ga融液、 34…ガス導入口、 35…成長容器、 36…ヒータ、 W…基板。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
少なくとも、化合物半導体からなる基板上に、ハイドライド気相成長法によってp型層をエピタキシャル成長させる工程を有するエピタキシャルウエーハの製造方法であって、
前記p型層のエピタキシャル成長を開始する前の前記基板の昇温時に、p型ドーパントガスを前記p型層のエピタキシャル成長時より多く流すことを特徴とするエピタキシャルウエーハの製造方法。
【請求項2】
前記基板の昇温時の前記p型ドーパントガスの流量を、前記p型層のエピタキシャル層成長時の流量の1.1〜20倍とすることを特徴とする請求項1に記載のエピタキシャルウエーハの製造方法。
【請求項3】
前記基板として、化合物半導体単体からなる基板上に、少なくとも、発光層、p型第1電流拡散層とを有機金属気相成長法によりエピタキシャル成長させたものを用い、
該基板上に、前記p型層として、前記ハイドライド気相成長法によってp型第2電流拡散層をエピタキシャル成長させることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のエピタキシャルウエーハの製造方法。
【請求項4】
前記発光層を、組成式(AlGa1−xIn1−yP(ただし、0≦x≦1,0≦y≦1)にて表される化合物にて構成されたn型クラッド層、活性層、p型クラッド層がこの順序で積層されたダブルへテロ構造からなるものとすることを特徴とする請求項3に記載のエピタキシャルウエーハの製造方法。
【請求項5】
前記化合物半導体単体からなる基板を、GaAs基板とすることを特徴とする請求項3または請求項4に記載のエピタキシャルウエーハの製造方法。
【請求項6】
前記p型第1電流拡散層および前記p型第2電流拡散層を、GaP、GaAsPのいずれかからなるものとすることを特徴とする請求項3ないし請求項5のいずれか1項に記載のエピタキシャルウエーハの製造方法。
【請求項7】
前記基板の昇温時の前記p型ドーパントガスの流量を、前記p型層のエピタキシャル成長時の流量の1.5〜20倍の流量とすることを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか1項に記載のエピタキシャルウエーハの製造方法。
【請求項8】
前記p型ドーパントガスとして、DMZnを用いることを特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれか1項に記載のエピタキシャルウエーハの製造方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【公開番号】特開2011−253956(P2011−253956A)
【公開日】平成23年12月15日(2011.12.15)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−127152(P2010−127152)
【出願日】平成22年6月2日(2010.6.2)
【出願人】(000190149)信越半導体株式会社 (867)
【Fターム(参考)】