(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を昇温させ、その基板の表面にエピタキシャル成長により半導体層を形成する半導体発光素子の製法において、基板の裏面側で、水素ガスと酸素ガスとを金属触媒の存在下で反応させ、その反応熱で上記基板を昇温させることを特徴とする半導体発光素子の製法。
【請求項２】
青色発光ダイオード用の半導体発光素子として、半導体層を窒化ガリウム系化合物半導体からなる層に形成する請求項１記載の半導体発光素子の製法。
【請求項３】
反応させる水素ガスと酸素ガスのモル比を２．３：１〜２．５：１の範囲に設定することにより、基板の温度を１０００〜１５００℃の範囲に昇温させる請求項１または２記載の半導体発光素子の製法。
【請求項４】
上下の２空間に仕切られている減圧室を備え、この減圧室の上側の空間に発熱体が設けられているとともに、下側の空間に半導体層形成用の原料ガスを噴出するためのマニホールドが設けられ、上記減圧室における上下２空間の仕切り部分に、基板表面を上記減圧室の下側の空間に露呈した状態で、その基板を着脱自在に保持できる半導体発光素子の製造装置において、上記発熱体が水素ガスと酸素ガスとを噴出する開口部を備え、その開口部の周辺に金属触媒が配設されていることを特徴とする半導体発光素子の製造装置。
【請求項５】
開口部が形成されている形成面が基板と平行であり、その形成面の中心部から周縁部にいくにつれて徐々に水素ガスと酸素ガスの噴出量が多くなっている請求項４記載の半導体発光素子の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光ダイオード用の半導体発光素子の製法およびそれに用いる装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、発光ダイオードは、半導体発光素子に加工が施されて各電極が形成され、その電極間に電圧が印加されることにより、発光するようになっている。上記半導体発光素子は、基板上に、直接またはバッファ層を介して、順に、ｎ型半導体層，発光層およびｐ型半導体層が形成されているものであり、これら各層は、ＭＯＣＶＤ法等により形成される。そして、各電極の形成は、上記半導体発光素子にエッチング等を施してｎ型半導体層およびｐ型半導体層の一部を露出させ、各露出面にスパッタリング法や真空蒸着法等により行われ、各電極の材料には、アルミニウム等が用いられる。
【０００３】
一方、本出願人は、基板上に半導体層を形成する装置として、つぎのような半導体製造装置を商品化している。すなわち、この半導体製造装置は、図２に示すように、減圧室１０を備えており、この減圧室１０は、上下の２空間に仕切られている。上側の空間は、基板加熱部１１となっており、下側の空間は、半導体形成部１２となっている。各空間は、それぞれ真空配管１３，１４を介して真空ポンプ（図示せず）に接続されており、各真空ポンプにより減圧されるようになっている。減圧室１０における上下２空間の仕切り部分は、開口部が形成された仕切り板１５と、上記開口部の周縁に形成された基板保持用トレイ１６と、この基板保持用トレイ１６に着脱自在に保持される基板１７とからなっている。この基板１７の保持は、基板１７の周縁部が上記基板保持用トレイ１６で支持されることにより行われ、基板１７の表面（下面）は、下側の半導体形成部１２に露呈している。上側の基板加熱部１１には、電気ヒーター１８が設けられており、このヒーター１８の上部および周側部には、リフレクター１９が配設され、上記ヒーター１８の下部には、均熱板２０が配置されている。そして、その下方に位置する基板１７を効率よく均一に加熱できるようになっている。一方、下側の半導体形成部１２には、原料ガスを噴出するためのマニホールド２１が設けられており、このマニホールド２１は、中板２２により上室２３と下室２４の上下２室に仕切られている。上室２３には、第１の原料ガス供給配管２５が連通されており、この供給配管２５から第１の原料ガスが上室２３に供給されるようになっている。また、上室２３の天板には、多数の開口部２６が形成されており、その開口部２６から第１の原料ガスが噴出するようになっている。一方、下室２４には、第２の原料ガス供給配管２７が連通されており、この供給配管２７から第２の原料ガスが下室２４に供給されるようになっている。また、下室２４の天井部から上方へ多数の連通管２８が延びており、各連通管２８の先端部は、上記上室２３の天板の各開口部２６の略中心に位置し、各開口部２６の周縁と空隙を設けている。
【０００４】
そして、上記基板１７に半導体を形成する際には、通常、減圧室１０の圧力を１０−１〜１０−２Ｐａ程度に減圧設定した状態で行う。そして、基板１７をヒーター１８により昇温させ、マニホールド２１の上室２３の天板の開口部２６および下室２４の連通管２８からそれぞれ原料ガスを噴出させて上記基板１７の表面（下面）に供給することにより、上記基板１７の表面（下面）に半導体層を形成する。この半導体層の形成の際に、上記のように減圧設定することにより、原料ガスの各分子は、互いに衝突することなく分子線で基板１７の表面（下面）に供給される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
青色発光ダイオードに用いる半導体発光素子は、基板１７上のｎ型半導体層，発光層およびｐ型半導体層として、通常、窒化ガリウム系化合物半導体（例えば、ＧａＮ，ＩｎＧａＮ等）が形成されている。そして、その窒化ガリウム系化合物半導体からなる層の形成には、基板１７を１０００℃以上に保持する必要がある。しかしながら、上記半導体製造装置では、基板１７を１０００℃以上に昇温することが困難である。その理由は、ヒーター１８が設けられている基板加熱部１１の空間が高度に減圧されているため、ヒーター１８による基板１７の加熱が放射熱のみとなっているからである。特に、半導体としてＧａＮを形成する場合には、基板１７としてサファイア基板１７を用いるが、サファイアは、赤外線を透過する性質が大きいため、サファイア基板１７の温度を１０００℃以上に昇温することが困難となっている。このため、基板１７の昇温には時間を要し、その対策としては、ヒーター１８の数を増やしたり、ヒーター１８の出力を上げたり等する必要がある。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、簡単かつ短時間で、基板を１０００℃以上に昇温させることができる半導体発光素子の製法およびそれに用いる装置の提供をその目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明は、基板を昇温させ、その基板の表面にエピタキシャル成長により半導体層を形成する半導体発光素子の製法において、基板の裏面側で、水素ガスと酸素ガスとを金属触媒の存在下で反応させ、その反応熱で上記基板を昇温させる半導体発光素子の製法を第１の要旨とし、上下の２空間に仕切られている減圧室を備え、この減圧室の上側の空間に発熱体が設けられているとともに、下側の空間に半導体層形成用の原料ガスを噴出するためのマニホールドが設けられ、上記減圧室における上下２空間の仕切り部分に、基板表面を上記減圧室の下側の空間に露呈した状態で、その基板を着脱自在に保持できる半導体発光素子の製造装置において、上記発熱体が水素ガスと酸素ガスとを噴出する開口部を備え、その開口部の周辺に金属触媒が配設されている半導体発光素子の製造装置を第２の要旨とする。
【０００８】
本発明者は、半導体発光素子の製法およびそれに用いる装置において、簡単かつ短時間で、基板を１０００℃以上に昇温させることができるようにすべく、鋭意研究を重ねた。その研究の過程で、水素ガスと酸素ガスとを金属触媒の存在下で反応させ、その反応熱で上記基板を昇温させればよいと着想し、本発明に到達した。
【０００９】
【発明の実施の形態】
つぎに、本発明の実施の形態を図面にもとづいて詳しく説明する。
【００１０】
図１は、本発明の半導体発光素子の製造装置の一実施の形態を示している。このものは、図２に示す従来の半導体製造装置において、電気ヒーター１８およびその下部に配設された均熱板２０を下記に説明する発熱体１に換えたものである。それ以外は、図２に示す従来の半導体製造装置と同様であり、同様の部分には、同じ符号を付している。
【００１１】
すなわち、上記発熱体１は、石英製の中空マニホールド２と、このマニホールド２の底板の表面部に取り付けられた白金やパラジウム等の金属触媒からなる網状体３とからなっている。そして、上記マニホールド２は、ガス供給配管４が連通されており、この供給配管４から水素ガスと酸素ガスとの混合ガスがマニホールド２の内部空間に供給されるようになっている。また、上記マニホールド２の底板には、多数の開口部５が形成されており、その開口部５から水素ガスと酸素ガスとの混合ガスが噴出するようになっている。そして、その噴出量は、底板の中心部から周縁部にいくにつれて徐々に多くなるようになっている。このようにするために、底板の中心部から周縁部にいくにつれて、開口部５の分布密度を徐々に大きくしている。また、上記発熱体１の底板の表面は、基板１７の上方に配置されているとともに、基板１７と平行に配置されている。
【００１２】
上記発熱体１のマニホールド２の開口部５から、水素ガスと酸素ガスとの混合ガスを噴出させれば、上記網状体３を構成する金属触媒の作用により水素ガスと酸素ガスとが反応し、その反応熱の輻射により上記基板１７を昇温させることができる。このように、この昇温は、水素ガスと酸素ガスとの混合ガスを噴出させるという簡単な作業により行うことができる。また、上記昇温は、反応熱の輻射を利用するため、短時間で基板１７を昇温させることができるとともに、安定して均一に基板１７を昇温させることができる。そして、上記昇温温度は、水素ガスと酸素ガスとの混合ガスの噴出量を適宜設定することにより、調節することができる。
【００１３】
特に、噴出させる水素ガスと酸素ガスのモル比を２：１にすれば、上記基板１７を最も高く昇温させることができ、そのモル比を２：１から外すことにより、上記基板１７の昇温温度を調節することができる。例えば、上記半導体発光素子の製造装置においては、上記モル比を２．３：１〜２．５：１の範囲に設定すれば、基板１７の温度を１０００〜１５００℃の範囲に昇温させることができる。この昇温温度範囲は、窒化ガリウム系化合物半導体からなる層の形成に好適である。
【００１４】
さらに、単に上記発熱体１のマニホールド２の底板における噴出量が均一であれば、その周縁部では、中心部よりも温度が低くなる傾向にあり、基板１７を均一に昇温できないおそれがあるが、上記発熱体１のように、水素ガスと酸素ガスとの混合ガスの噴出量が、底板の中心部から周縁部にいくにつれて徐々に多くなるようにすれば、基板１７の昇温をより確実に均一にすることができる。
【００１５】
このような装置を用いて、基板１７の表面（下面）にエピタキシャル成長により半導体を形成することができるが、この実施の形態では、その一例として、青色発光ダイオードに用いる半導体発光素子の製法について説明する。すなわち、まず、サファイア基板１７を準備し、上記基板保持用トレイ１６に着脱自在に保持させる。そして、上記サファイア基板１７の表面（下面）にバッファ層を形成する。このバッファ層としては、ＧａＮやＡｌＮ等があげられる。例えば、ＡｌＮからなるバッファ層を形成する場合には、まず、上記発熱体１への水素ガスおよび酸素ガスの供給量を調節することにより、サファイア基板１７を５００℃に昇温させる。そして、その昇温状態で、マニホールド２１の上室２３に窒素ガスを供給し、下室２４にトリメチルアルミニウムガス〔Ａｌ（ＣＨ３  ）３  〕を供給し、これら原料ガスをマニホールド２１から噴出させてサファイア基板１７の表面（下面）に供給すればよい。
【００１６】
つぎに、上記バッファ層の表面（下面）にｎ型半導体層を形成する。このｎ型半導体層としては、ＧａＮ，ＩｎＧａＮ等があげられる。例えば、ＧａＮからなるｎ型半導体層を形成する場合には、まず、上記発熱体１への水素ガスおよび酸素ガスの供給量を調節することにより、サファイア基板１７を１１００℃に昇温させる。そして、その昇温状態で、マニホールド２１の上室２３に窒素ガスを供給し、下室２４にトリメチルガリウムガス〔Ｇａ（ＣＨ３  ）３  〕を供給し、これら原料ガスをマニホールド２１から噴出させてバッファ層の表面（下面）に供給すればよい。窒化ガリウム系化合物半導体は、不純物をドープしない状態でｎ型半導体を示すが、ｎ型ドーパントとして、Ｓｉ，Ｇｅ，Ｓｅ，Ｔｅ，Ｃ等を適宜ドープしてもよい。例えば、ｎ型ドーパントとしてＳｉを導入する場合には、マニホールド２１の下室２４にシランガス〔ＳｉＨ４  〕を供給すればよい。
【００１７】
つぎに、上記ｎ型半導体層の表面（下面）に発光層を形成する。この発光層としても、ＧａＮ，ＩｎＧａＮ等があげられる。例えば、ＩｎＧａＮからなる発光層を形成する場合には、サファイア基板１７を上記１１００℃に保持させた状態で、マニホールド２１の上室２３に窒素ガスを供給し、下室２４にトリメチルガリウムガス〔Ｇａ（ＣＨ３  ）３  〕とトリメチルインジウムガス〔Ｉｎ（ＣＨ３  ）３  〕とを供給し、これら原料ガスをマニホールド２１から噴出させてｎ型半導体層の表面（下面）に供給すればよい。
【００１８】
つぎに、上記発光層の表面（下面）にｐ型半導体層を形成する。このｐ型半導体層としても、ＧａＮ，ＩｎＧａＮ等があげられる。また、ｐ型半導体層を形成する場合には、ｐ型ドーパントであるＭｇ，Ｚｎ，Ｂｅ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ等をドープする。例えば、ＧａＮからなるｐ型半導体層を形成する場合には、サファイア基板１７を上記１１００℃に保持させた状態で、マニホールド２１の上室２３に窒素ガスを供給し、下室２４にトリメチルガリウムガス〔Ｇａ（ＣＨ３  ）３  〕とシクロペンタジエニルマグネシウム〔Ｍｇ（Ｃ５  Ｈ５  ）２  〕とを供給し、これら原料ガスをマニホールド２１から噴出させて発光層の表面（下面）に供給すればよい。
【００１９】
なお、上記実施の形態では、水素ガスと酸素ガスとの混合ガスの噴出量が、発熱体１の底板の中心部から周縁部にいくにつれて徐々に多くなるようにするために、底板の中心部から周縁部にいくにつれて、開口部５の分布密度を徐々に大きくしたが、これに限定されるものではなく、底板の中心部から周縁部にいくにつれて、開口部５の開口径を徐々に大きくしたり等してもよい。
【００２０】
また、上記実施の形態では、金属触媒を網状体３として設けたが、これに限定されるものではなく、金属触媒を粒状体として発熱体１の底板に付着させる等してもよい。
【００２１】
【発明の効果】
以上のように、本発明の半導体発光素子の製法によれば、基板を昇温させ、その基板の表面にエピタキシャル成長により半導体層を形成する半導体発光素子の製法において、基板の裏面側で、水素ガスと酸素ガスとを金属触媒の存在下で反応させ、その反応熱で上記基板を昇温させるため、簡単かつ短時間で、基板を１０００℃以上に昇温させることができる。
【００２２】
また、本発明の半導体発光素子の製法において、半導体層を窒化ガリウム系化合物半導体からなる層に形成する場合には、その半導体発光素子を青色発光ダイオード用として用いることができる。
【００２３】
特に、本発明の半導体発光素子の製法において、反応させる水素ガスと酸素ガスのモル比を２．３：１〜２．５：１の範囲に設定することにより、基板の温度を１０００〜１５００℃の範囲に昇温させる場合には、好適に半導体層を窒化ガリウム系化合物半導体からなる層に形成することができる。
【００２４】
一方、本発明の半導体発光素子の製造装置によれば、発熱体が水素ガスと酸素ガスとを噴出する開口部を備え、その開口部の周辺に金属触媒が配設されているため、その開口部から水素ガスと酸素ガスとを噴出すれば、簡単かつ短時間で、基板を１０００℃以上に昇温させることができる。
【００２５】
そして、本発明の半導体発光素子の製造装置において、開口部が形成されている形成面が基板と平行であり、その形成面の中心部から周縁部にいくにつれて徐々に水素ガスと酸素ガスの噴出量が多くなっている場合には、基板の昇温をより確実に均一にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体発光素子の製造装置の一実施の形態を示す説明図である。
【図２】従来の半導体製造装置を示す説明図である。
【符号の説明】
１  発熱体
５  開口部
１７  基板
【図１】
0003600602.tif 000002
【図２】
0003600602.tif 000003