(57)【要約】  ＩｎＰ等のＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体基板上にエピタキシャル層を成長させたときに、エピタキシャル層のＰＬ特性を一定とすることができるエピタキシャル成長用基板及びエピタキシャル成長方法を提供する。  ＩｎＰ等のＩＩＩ−Ｖ族系半導体基板上にＩｎＧａＡｓＰ層等の化合物半導体からなるエピタキシャル層を気相成長させる過程において、基板裏面の楕円形エッチピットの大きさ（長径）に起因して基板温度（成長温度）が変化することを考慮して設定温度を適切に制御するようにした。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるエピタキシャル成長用基板であって、
［０１１］方向で測定した反射濃度の最大値が０．５から２．０で、［０−１１］方向で測定した反射濃度の最大値が０．５から１．５の範囲であり、
かつ、
それぞれの測定方向での測定値の標準偏差が平均値の１０％以内であることを特徴とするエピタキシャル成長用基板。
【請求項２】
基板裏面に存在する楕円形状のエッチピットの長径が５μｍから４０μｍの範囲であって、
かつ、
各エッチピットの長径の標準偏差が平均値の２０％以内であることを特徴とする請求項１に記載のエピタキシャル成長用基板。
【請求項３】
基板裏面を、リン酸１〜１０部、過酸化水素水１〜１０部、水０〜１０部からなるエッチング液により、温度１５〜１００℃でエッチングすることにより得られる請求項１または２に記載のエピタキシャル成長用基板。
【請求項４】
基板裏面の反射濃度と楕円形状のエッチピットの長径に応じてエピタキシャル成長条件を制御し、エピタキシャル層を成長させることを特徴とするエピタキシャル成長方法。
【請求項５】
同一炉で２枚以上のエピタキシャル成長用基板を用いて同時にエピタキシャル成長を行うとき、
前記エピタキシャル成長用基板として、請求項１から３のいずれか一項に記載の基板であって、
それぞれの基板の裏面の反射濃度の平均値が全投入基板の平均反射濃度の±１０％以内であり、
かつ、
基板裏面に存在する楕円形状のエッチピットの長径の平均値が、全投入基板の平均長径の±２０％以内である基板を用いてエピタキシャル成長を行うことを特徴とする請求項４に記載のエピタキシャル成長方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エピタキシャル成長用基板及び該基板上にエピタキシャル層を成長させるエピタキシャル成長方法に関し、特に、成長させたエピタキシャル層のフォトルミネッセンス（以下、ＰＬ（Photoluminescence）と略する）特性を改善する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光デバイス用の半導体素子の用途には、ＩｎＰ基板上にＩｎＧａＡｓ層、ＡｌＧａＡｓ層、ＡｌＩｎＡｓ層、ＡｌＩｎＧａＡｓ層、ＩｎＧａＡｓＰ層等の化合物半導体からなるエピタキシャル層を有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）等により成長させた半導体素子が広く用いられている。この中でも、Ｉｎ１-xＧａxＡｓyＰ１-yはＩｎＰ基板と比較的容易に格子整合させることができるため、素子特性に優れた半導体素子を得るのに適しているといえる。【０００３】
上述したＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体からなる半導体素子をレーザ等の用途に用いるためには、ＰＬピーク波長やＰＬ発光強度が一定であることが望ましい。しかしながら、まったく同一の条件でエピタキシャル成長を行っても、エピタキシャル成長に用いられる基板の特性によって、エピタキシャル成長後のＰＬ特性はばらつくことが知られている。【０００４】
また、これまでの実験等で、エピタキシャル成長層のＰＬ特性を一定にするためには、エピタキシャル成長に用いる基板の厚さやキャリア濃度を一定にすることが重要であることがわかっている。【０００５】
例えば、特許文献１では、予め半導体基板の室温におけるキャリア濃度を測定し、該半導体基板のキャリア濃度に関わらず、実際の基板の表面温度が所望の温度となるように、室温におけるキャリア濃度に応じて基板の設定温度を制御し、エピタキシャル層を成長させるようにしている。
【特許文献１】特開２００５−２３１９０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記先願技術のように、基板の厚さや基板のキャリア濃度を統一しても、なお得られる半導体素子のＰＬ特性がばらつくという問題があった。【０００７】
本発明は、ＩｎＰ等のＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体基板上にエピタキシャル層を成長させたときに、エピタキシャル層のＰＬ特性を一定とすることができるエピタキシャル成長用基板及びエピタキシャル成長方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるエピタキシャル成長用基板であって、［０１１］方向で測定した反射濃度の最大値が０．５から２．０で、［０−１１］方向で測定した反射濃度の最大値が０．５から１．５の範囲であり、かつ、それぞれの測定方向での測定値の標準偏差が平均値の１０％以内であることを特徴とする。
好ましくは、［０１１］方向で測定した反射濃度の最大値が０．５から１．６で、［０−１１］方向で測定した反射濃度の最大値が０．５から１．３の範囲であるようにする。【０００９】
このような基板を用いてエピタキシャル成長させることにより、エピタキシャル層のＰＬ発光強度のバラツキを所定の範囲にそろえることができる。特に、基板裏面の反射濃度（測定値）のバラツキの指標として標準偏差を規定することにより、この基板を用いてエピタキシャル成長させたときのエピタキシャル成長層のＰＬ発光強度のバラツキを効果的に小さくすることができる。【００１０】
ここで、「反射濃度」とは、反射率の逆数の常用対数で定義されるもので、ＪＩＳ  Ｂ９６２２で規定されている。【００１１】
なお、本願に示す反射濃度データは、大日本スクリーン社製のＤＭ−４００「カラー・白黒両用反射濃度計」（測定範囲：０．５〜２．５、測定面積：４ｍｍφ）の白黒モードで測定した数値である。例えば、基板中心部と、周縁部の数カ所（例えば、９０°刻みで４カ所）における反射濃度を測定し、これらの測定値から最大値、平均値、標準偏差を算出する。【００１２】
また、方向の表し方について、値が負の場合、一般には数字の上に“−”を付して表すが、本明細書および特許請求の範囲においては数字の前に“−”を付して表すこととする。【００１３】
また、基板裏面に存在する楕円形状のエッチピットの長径が５μｍから４０μｍの範囲であって、かつ、各エッチピットの長径の標準偏差が平均値の２０％以内であることを特徴とする。この基板裏面の楕円形エッチピットの長径の大きさの程度とエピタキシャル成長時の設定温度と実際の基板温度との差に相関があり、その関係を用いることによって所望の成長温度とするための成長条件（設定温度）の決定が容易となる。また、基板裏面に存在する楕円形状のエッチピットの長径のバラツキの指標として長径の標準偏差を規定することにより、この基板を用いてエピタキシャル成長させたときのエピタキシャル成長層のＰＬ波長のバラツキを小さくすることができる。【００１４】
上述した性質を有するエピタキシャル成長用基板は、基板裏面を、リン酸１〜１０部、過酸化水素水１〜１０部、水０〜１０部からなるエッチング液により、温度１５〜１００℃でエッチングすることにより得ることができる。【００１５】
また、エピタキシャル成長方法において、基板裏面の反射濃度と楕円形状のエッチピットの長径に応じてエピタキシャル成長条件を制御し、エピタキシャル層を成長させるようにした。これにより、エピタキシャル層のＰＬ発光強度のバラツキを所定の範囲にそろえることができる。【００１６】
さらに、同一炉で２枚以上のエピタキシャル成長用基板を用いて同時にエピタキシャル成長を行うとき、前記エピタキシャル成長用基板として、上述した性質を有する基板であって、それぞれの基板の裏面の反射濃度の平均値が全投入基板の平均の±１０％以内であり、かつ、基板裏面に存在する楕円形状のエッチピットの長径の平均値が、全投入基板の平均の±２０％以内である基板を用いてエピタキシャル成長を行うようにした。これにより、複数の基板に同時にエピタキシャル成長させた場合でも、エピタキシャル層のＰＬ特性を一定に保つことができる。【００１７】
以下に、本発明を完成するに至った経緯について簡単に説明する。
まず、上記特許文献１には、基板のキャリア濃度が高いと同一の設定温度であっても基板の表面温度が低くなるため、その結果ＰＬピーク波長は長くなることが開示されている。また、基板のキャリア濃度とＰＬピーク波長との間に良い相関関係があることが開示されている。すなわち、エピタキシャル成長条件（具体的には設定温度）を決めるための基板特性として基板のキャリア濃度が重要であることは公知である。【００１８】
しかしながら、基板のキャリア濃度に基づいて成長条件を制御してエピタキシャル成長させた場合でも、得られた半導体素子のＰＬ特性にばらつきがあることが判明した。そこで、本発明者等は、基板のキャリア濃度の他にもエピタキシャル成長条件に影響を与える基板特性があると推測し、基板裏面特性について検討した。【００１９】
具体的には、基板裏面の反射濃度、裏面エッチピットの形状及び大きさの測定により基板裏面性状を定量的に把握し、これらとエピタキシャル成長により得られた半導体素子のＰＬ特性（ＰＬ発光強度、ＰＬ波長）との関係を調査した。【００２０】
その結果を図１〜８に示す。
図１は、基板裏面の反射濃度（最大値）と、エピタキシャル成長により得られた半導体素子のＰＬ発光強度の関係を示す説明図である。なお、図１には、［０１１］方向から測定した反射濃度の最大値を示している。【００２１】
図１に示すように、基板裏面の反射濃度の最大値とＰＬ発光強度の間には良好な相関関係がある。これより、基板裏面の反射濃度の最大値が所定の範囲（例えば、０．５〜）にある基板を用いて、該基板上にエピタキシャル層を成長させることにより、ＰＬ発光強度のバラツキを所定の範囲にそろえられることがわかった。【００２２】
さらに実験を重ねたところ、［０１１］方向で測定した反射濃度の最大値が０．５から２．０で、［０−１１］方向で測定した反射濃度の最大値が０．５から１．５の範囲にある基板を用いた場合に、エピタキシャル層のＰＬ発光強度のバラツキを極めて小さくできることがわかった。【００２３】
図２は、基板裏面の反射濃度のバラツキと、エピタキシャル成長により得られた半導体素子のＰＬ発光強度の関係を示す説明図である。図２では、反射濃度のバラツキの指標として［０１１］方向から測定した反射濃度の最小値／最大値を用いており、図２中、“■”は反射濃度の最小値／最大値が０．８５（標準偏差／平均値は７％、バラツキ小）程度、“◆”は反射濃度の最小値／最大値が０．６５（標準偏差／平均値は１７％、バラツキ大）程度の基板を用いたときの規格化ＰＬ発光強度を示している。【００２４】
なお、反射濃度の最小値／最大値が０．８５程度のものと、最小値／最大値が０．６５程度のもののサンプル数は同じである。【００２５】
図２に示すように、反射濃度の最小値／最大値が０．８５程度である場合はＰＬ発光強度のバラツキ（標準偏差／平均値）は７％となり、反射濃度の最小値／最大値が０．６５程度である場合はＰＬ発光強度のバラツキ（標準偏差／平均値）は１７％となっている。すなわち、反射濃度のバラツキが小さい方が、ＰＬ発光強度のバラツキは格段に改善されることがわかる。【００２６】
さらに実験を重ねた結果、反射濃度の標準偏差／平均値が１０％以内となる場合に、半導体素子のＰＬ発光強度のバラツキを効果的に小さくすることができ、具体的にはＰＬ発光強度の標準偏差／平均値を１０％以下とできることがわかった。【００２７】
図３は、基板の裏面エッチピットの長径と、エピタキシャル成長温度（基板温度）との関係を示す説明図である。なお、図３には、成長温度を６４０℃に設定したときの実際の基板温度を示している。【００２８】
図３に示すように、基板の裏面エッチピットの大きさ（具体的には楕円形エッチピットの長径）と成長時の実際の基板温度との間には、所定の範囲（例えば、エッチピットの長径が５〜４０μｍの範囲）において良好な相関関係がある。これより、基板の裏面エッチピットの形状（楕円形エッチピットの長径）を制御することで、所望の成長温度とするための温度を正確に設定することができるようになる。【００２９】
図４は、エピタキシャル成長温度と、エピタキシャル成長により得られた半導体素子のＰＬピーク波長との関係を示す説明図である。図４に示すように、エピタキシャル成長温度（実際の基板温度）とＰＬピーク波長との間には、良好な相関関係がある。【００３０】
したがって、基板の裏面エッチピットの形状を制御して所望の成長温度でエピタキシャル成長させることで、所望のＰＬピーク波長を有する半導体素子を得ることができるようになる。なお、基板の表面温度は、基板厚みや加熱方法（使用する気相成長装置）によって変化するので、それぞれについて、半導体基板の裏面エッチピットの形状に対する設定温度と実際の基板温度との関係を把握しておけば、基板温度を所望の温度とするための温度設定が容易となる。【００３１】
図５は、基板裏面のピット長径のバラツキと、エピタキシャル成長により得られた半導体素子のＰＬピーク波長の関係を示す説明図である。図５では、ピット長径のバラツキの指標としてピット長径の最小値／最大値を用いており、図５中、“■”はピット長径の最小値／最大値が０．６５（標準偏差／平均値は１７％、バラツキ小）程度、“◆”はピット長径の最小値／最大値が０．３３（標準偏差／平均値は３４％、バラツキ大）程度の基板を用いたときのＰＬピーク波長を示している。【００３２】
なお、ピット長径の最小値／最大値が０．６５程度のものと、最小値／最大値が０．３３程度のもののサンプル数は同じである。【００３３】
図５に示すように、ピット長径の最小値／最大値が０．６５程度である場合はＰＬピーク波長のバラツキ（標準偏差／平均値）は０．０７％となり、ピット長径の最小値／最大値が０．３３程度である場合はＰＬピーク波長のバラツキ（標準偏差／平均値）は０．１５％となっている。すなわちピット長径のバラツキが小さい方が、ＰＬピーク波長のバラツキは格段に改善されることがわかる。【００３４】
具体的には、ピット長径の最小値／最大値が０．３３程度の場合は、ＰＬピーク波長が１５４７〜１５５５ｎｍであるのに対して、ピット長径の最小値／最大値が０．６５程度の場合は、ＰＬピーク波長は１５４８〜１５５１ｎｍであった。【００３５】
さらに実験を重ねた結果、ピット長径の標準偏差／平均値が２０％以内となる場合に、エピタキシャル層のＰＬピーク波長のバラツキを効果的に小さくすることができ、具体的にはＰＬピーク波長の標準偏差／平均値を０．１％以下とできることがわかった。【００３６】
次いで、基板の裏面特性（反射濃度、エッチピットの長径）と、エッチング条件について検討した。【００３７】
図６、７は、リン酸系エッチング液を用いたときのエッチング量と基板裏面の反射濃度との関係を示す説明図であり、使用したエッチング液の組成（混合比率）が異なる。つまり、図６には、リン酸：過酸化水素水：水＝２０：３：２０で混合したエッチング液１を用いたときの結果を、図７には、リン酸：過酸化水素水：水＝１：１：１で混合したエッチング液２を用いたときの結果を示している。
なお、図６、７では、［０１１］方向（測定方向１）と［０−１１］方向（測定方向２）から測定した反射濃度を示している。また、ピット長径の最小値／最大値が０．６５の場合のデータである。【００３８】
図６、７に示すように、エッチング量と基板裏面の反射濃度との間には良好な相関関係があり、エッチング量が増加するに伴い反射濃度は高くなる。これより、エッチング量によって反射濃度を調整できることがわかる。【００３９】
ただし、測定方向が異なるとエッチング量が同じでも反射濃度が若干変化することを注意する必要がある。また、エッチング液の組成比が異なると、エッチング量が同じでも反射濃度が変化するが、リン酸：過酸化水素：水＝１〜１０：１〜１０：０〜１０の割合で混合したエッチング液を用いることで、所望の反射濃度とエッチピットの範囲を実現することができる上、エッチピット長径の大きさを制御することもできる。【００４０】
図８は、リン酸系エッチング液１，２を用いたときのエッチング量と基板裏面のエッチピットの長径との関係を示す説明図である。図８に示すように、エッチング量と基板裏面のエッチピットの長径との間には良好な相関関係がある。これより、エッチング量によって、基板裏面のエッチピットの長径を調整できることがわかる。【００４１】
以上説明したように、エピタキシャル成長により得られる半導体素子の重要特性であるＰＬ発光強度とＰＬピーク波長は、基板裏面の反射濃度と、基板裏面の楕円形エッチピットの長径を調整することにより最適化できるという知見を得て、本発明を完成するに至った。
【発明の効果】
【００４２】
本発明によれば、ＩｎＰ等のＩＩＩ−Ｖ族系半導体基板上にＩｎＧａＡｓＰ層等の化合物半導体からなるエピタキシャル層を気相成長させる過程において、基板の裏面エッチピットの形状及び大きさに起因して基板温度（成長温度）が変化することを考慮し、加熱条件を適切に設定することで基板温度を所望の温度で一定とすることができるので、ＰＬピーク波長が一定の半導体素子を安定して製造することができるという効果を奏する。【００４３】
また、基板裏面の反射濃度が所定の範囲にある基板を用いるので、所定の範囲のＰＬ発光強度を有する半導体素子を実現することができる。【００４４】
さらに、２枚以上の基板上に同時にエピタキシャル層を成長させる際には、上記基板裏面の反射濃度及び楕円形エッチピットの大きさ（長径）を一定の範囲にそろえるようにしたので、これら複数の基板にエピタキシャル成長させて得られた半導体素子のＰＬ特性は一定となる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】基板裏面の反射濃度と、エピタキシャル成長により得られた半導体素子のＰＬ発光強度の関係を示す説明図である。
【図２】基板裏面の反射濃度のバラツキと規格化ＰＬ発光強度の関係を示す説明図である。
【図３】基板裏面のエッチピットの長径とエピタキシャル成長温度（基板温度）との関係を示す説明図である。
【図４】エピタキシャル成長温度とＰＬピーク波長との関係を示す説明図である。
【図５】基板裏面のピット長径のバラツキとＰＬピーク波長の関係を示す説明図である。
【図６】リン酸系エッチング液１を用いたときのエッチング量と基板裏面の反射濃度との関係を示す説明図である。
【図７】リン酸系エッチング液２を用いたときのエッチング量と基板裏面の反射濃度との関係を示す説明図である。
【図８】リン酸系エッチング液１，２を用いたときのエッチング量と基板裏面のエッチピットの長径との関係を示す説明図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４６】
以下、本発明の好適な実施の形態として、ＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体をエピタキシャル成長させて半導体装置を製造する場合について説明する。なお、製造する半導体装置の目標ＰＬピーク波長を１２８５ｎｍとする。【００４７】
はじめに、液体封止チョクラルスキー法（Liquid Encapsulated Czochralski；ＬＥＣ）法により、所定のキャリア濃度（例えば、１〜２×１０18ｃｍ-3）の（１００）ＩｎＰ基板を作製した。【００４８】
次いで、このＩｎＰ基板にリン酸系エッチング液によりエッチング処理を施した。具体的には、リン酸：過酸化水素水：水＝１：１：１の組成比で混合したエッチング液を使用し、８０℃、１２分間のエッチング処理とした。このとき、エッチング量は１０μｍであった。なお、エッチング量は、エッチング温度とエッチング時間によって調整できるが、エッチング温度は１５〜１００℃とするのが望ましい。【００４９】
このエッチング処理後のＩｎＰ基板について、裏面の複数箇所の反射濃度を測定したところ、［０１１］方向からの反射濃度の最大値は０．９で、［０−１１］方向からの反射濃度の最大値は０．７であった。また、測定反射濃度の標準偏差は平均反射濃度の１０％以内となっていた。【００５０】
また、基板裏面には楕円形のエッチピットが形成されており、その長径は平均２２μｍであり、標準偏差は平均値の２０％以内となっていた。【００５１】
そして、該基板上に有機金属気相成長法によりアンドープＩｎＰ層（膜厚０．３μｍ）、アンドープＩｎ１-xＧａxＡｓyＰ１-y層（膜厚０．３μｍ）及びアンドープＩｎＰ層（膜厚０．３μｍ）を順次成長させ、半導体素子を製造した。また、このときの成長圧力は４０ｔｏｒｒ、基板の目標表面温度は６５０℃とした。【００５２】
本実施形態では、ＩｎＰ基板に対し、予め基板裏面の楕円形エッチピットの長径を測定し、このエッチピットの平均長径に基づいて、実際の基板温度が６５０℃で一定になるように設定温度を調整してＩｎＧａＡｓＰ層を成長させた。【００５３】
具体的には、基板裏面の楕円形エッチピットの平均長径が２２μｍ程度であるＩｎＰ基板を用いているので、基板の加熱条件を６６０℃に設定した。【００５４】
なお、この温度設定は本実施形態において有効であって、例えば、使用する気相成長装置によっては異なる設定温度となることはいうまでもない。つまり、使用する気相成長装置について、基板裏面の楕円形エッチピットの長径に対する設定温度と実際の基板温度との関係を把握しておけば、基板温度を所望の温度とするための温度設定は容易に決定することができる。また、基板厚みについても同様のことがいえる。【００５５】
上述した方法により得られた半導体素子についてＰＬ特性を測定したところ、ＰＬ発光強度は４３００ＣＵで、ＰＬピーク波長は１．３μｍであり、目標とするＰＬ特性を達成することができた。【００５６】
また、２枚以上の基板上に同時にエピタキシャル層を成長させる際には、基板裏面の反射濃度及び楕円形エッチピットの大きさ（長径）を一定の範囲、具体的には、２２μｍにそろえることで、これら複数の基板にエピタキシャル成長させて得られた半導体素子のＰＬ特性は一定となった。【００５７】
このように、本実施形態では、ＩｎＰ等のＩＩＩ−Ｖ族系半導体基板上にＩｎＧａＡｓＰ層等の化合物半導体からなるエピタキシャル層を気相成長させる過程において、基板の裏面エッチピットの形状及び大きさに起因する基板温度（成長温度）の変化を考慮して成長温度を設定している。これにより、実際の基板温度を所望の温度で一定とすることができ、その結果、所望のＰＬ特性を有する半導体素子を安定して製造することができた。【００５８】
また、基板裏面の反射濃度が所定の範囲にある基板を用いたので、所定の範囲のＰＬ発光強度を有する半導体素子を実現することができる。【００５９】
以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。【００６０】
例えば、本実施形態では有機金属気相成長法によりＩｎＰ基板上にＩｎＧａＡｓＰ層を成長させた例について説明したが、基板裏面の楕円形エッチピットの大きさに応じて加熱条件を設定し、実際の基板温度が所望の温度で一定となるようにしてエピタキシャル成長させる方法は、成長させるエピタキシャル層の種類によらず同様の効果が期待できる。また、使用する基板の種類、成長方法も限定されず、その他の基板や成長方法においても適用できることは上述した説明から明らかである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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