(57)【要約】【課題】薄い半導体結晶層を成長する場合にも、半導体結晶層の層厚を均一化できる気相成長方法を提供する。【解決手段】基板(1)を保持した自転サセプタ(2)を公転サセプタ(3)に設置して前記基板(1)を自公転させ、加熱された前記基板(1)上に原料ガス(G)を供給して基板(1)上に半導体結晶を成長させる気相成長方法において、前記基板(1)上に一つの半導体結晶層を成長させるのに要する基板(1)の自転回数が１６回未満の場合に、前記一つの半導体結晶層を成長させる時間を前記基板(1)の自転周期の整数倍とした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を保持した自転サセプタを公転サセプタに設置して前記基板を自公転させ、加熱された前記基板上に原料ガスを供給して基板上に半導体結晶を成長させる気相成長方法において、
前記基板上に一つの半導体結晶層を成長させるのに要する基板の自転回数が１６回未満の場合に、前記一つの半導体結晶層を成長させる時間を前記基板の自転周期の整数倍としたことを特徴とする気相成長方法。
【請求項２】
基板を保持した自転サセプタを公転サセプタに設置して前記基板を自公転させ、加熱された前記基板上に原料ガスを供給して基板上に半導体結晶を成長させる気相成長方法において、
前記基板上に一つの半導体結晶層を成長させるのに要する基板の自転回数が１６回未満の場合に、前記一つの半導体結晶層を成長させる時間を、前記基板の自転周期の５.０〜
５.１倍、５.９〜６.１倍、６.９〜７.１倍、７.９〜８.１倍、８.９〜９.１倍、９.８〜１０.２倍、１０.８〜１１.２倍、１１.８〜１２.２倍、１２.８〜１３.３倍、１３.７〜１４.３倍または１４.７〜１５.４倍としたことを特徴とする気相成長方法。
【請求項３】
公転サセプタの同一円周上に複数配置された自転サセプタに基板を保持して前記基板を自公転させ、前記公転サセプタの中心部から放射状に前記基板表面に沿って原料ガスを供給して、加熱された前記基板上に半導体結晶を成長させる気相成長方法において、
前記基板位置における前記原料ガスの流れ方向に沿った半導体結晶層の成長分布データに基づき、前記基板の自転回数に対する前記基板上に成長する前記半導体結晶層の層厚ばらつきを求め、一つの半導体結晶層を成長させる間の前記基板の自転回数を、前記層厚ばらつきが所定の許容値以下にある基板の自転回数域に設定することを特徴とする気相成長方法。
【請求項４】
前記一つの半導体結晶層が、ＨＥＭＴ用のスペーサ層又は発光素子用の活性層であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の気相成長方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気相成長方法、特に半導体結晶層の厚さの均一化を図った気相成長方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体結晶の成長方法の一つに気相成長方法がある。気相成長方法では、原料としてガスを使用しており、加熱された半導体基板上に原料ガスを流し、半導体基板の表面に半導体結晶を成長させる。原料ガスの供給量を制御することで、厚さ数ｎｍ（ナノメートル）という極めて薄い薄膜を成長できる。
【０００３】
図２は自転公転型の気相成長装置におけるサセプタ部の概略的な横断面図を示す。ＧａＡｓ等からなる半導体の基板１は自転サセプタ２に保持され、自転サセプタ２は公転サセプタ３に回転自在に支持されており、公転サセプタ３の回転に伴って歯車機構等を介して自転サセプタ２も回転するよう構成されている。つまり、自転サセプタ２に保持された基板１は公転と自転を行う。原料ガスＧは、図示のように公転サセプタ３の中心部から導入され、放射状に基板１表面に沿って流れる。ヒータ（図示せず）によって基板１が加熱されているため、原料ガスＧが基板１上で熱分解し、結晶成長が行われる。基板１が公転及び自転しているので、基板１上に均一な半導体結晶を成長できる。
【０００４】
なお、複数の基板をサセプタに回転対称に配置して保持し、サセプタにより基板を回転し、加熱された基板上に原料ガスを供給して半導体結晶を成長させる気相成長方法において、スペーサ層のような成長時間の短い半導体結晶層の成長に際して、一つの半導体結晶層を２回に分けて成長させ、２回の成長開始時刻をサセプタが半回転する時間の奇数倍だけずらすことにより、半導体結晶層の厚さを均一にするという提案がある（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００１−１９５９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、気相成長方法では、原料ガスの流れ方向の上流側から下流側へ向かうに従って、例えば上記図２のような自転公転型の気相成長装置では、公転サセプタ３の中心部から半径方向外方へ向かうに従って、半導体結晶層の厚さが単調に薄くなる傾向がある。これは、下流側になるほど原料ガスが消耗するからである。このため、上述したように、気相成長装置では基板１を自転させることで、基板１面内の半導体結晶層の厚さの均一化を図っている。
しかしながら、半導体レーザの活性層のように薄い半導体結晶層では、成長に要する時間が短く基板を十分に回転させられないため、基板面内の半導体結晶層の厚さが不均一になってしまう。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決し、薄い半導体結晶層を成長する場合にも、半導体結晶層の層厚を均一化できる気相成長方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は次のように構成されている。
本発明の第１の態様は、基板を保持した自転サセプタを公転サセプタに設置して前記基板を自公転させ、加熱された前記基板上に原料ガスを供給して基板上に半導体結晶を成長させる気相成長方法において、前記基板上に一つの半導体結晶層を成長させるのに要する
基板の自転回数が１６回未満の場合に、前記一つの半導体結晶層を成長させる時間を前記基板の自転周期の整数倍としたことを特徴とする気相成長方法である。
【０００８】
本発明の第２の態様は、基板を保持した自転サセプタを公転サセプタに設置して前記基板を自公転させ、加熱された前記基板上に原料ガスを供給して基板上に半導体結晶を成長させる気相成長方法において、前記基板上に一つの半導体結晶層を成長させるのに要する基板の自転回数が１６回未満の場合に、前記一つの半導体結晶層を成長させる時間を、前記基板の自転周期の５.０〜５.１倍、５.９〜６.１倍、６.９〜７.１倍、７.９〜８.１倍、８.９〜９.１倍、９.８〜１０.２倍、１０.８〜１１.２倍、１１.８〜１２.２倍、１２.８〜１３.３倍、１３.７〜１４.３倍または１４.７〜１５.４倍としたことを特徴とする気相成長方法である。
【０００９】
本発明の第３の態様は、公転サセプタの同一円周上に複数配置された自転サセプタに基板を保持して前記基板を自公転させ、前記公転サセプタの中心部から放射状に前記基板表面に沿って原料ガスを供給して、加熱された前記基板上に半導体結晶を成長させる気相成長方法において、前記基板位置における前記原料ガスの流れ方向に沿った半導体結晶層の成長分布データに基づき、前記基板の自転回数に対する前記基板上に成長する前記半導体結晶層の層厚ばらつきを求め、一つの半導体結晶層を成長させる間の前記基板の自転回数を、前記層厚ばらつきが所定の許容値以下にある基板の自転回数域に設定することを特徴とする気相成長方法である。
【００１０】
本発明の第４の態様は、第１〜第３の態様のいずれかの気相成長方法おいて、前記一つの半導体結晶層が、ＨＥＭＴ用のスペーサ層又は発光素子用の活性層であることを特徴とする気相成長方法である。
【００１１】
なお、上記第１〜第４の態様における前記基板の自転回数は、前記公転サセプタの座標系での回数である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、薄い半導体結晶層を成長する場合にも、半導体結晶層の層厚を均一化できる。このため、得られるデバイス特性が良好かつ均一となり、歩留り及び生産性を大幅に向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明に係る気相成長方法の実施形態を図面を用いて説明する。
【００１４】
図１は、この実施形態の気相成長方法に用いた気相成長装置の縦断面図である。図２は、図１の公転サセプタ部の動作を説明するための概略的な横断面図である。
図１に示す気相成長装置は、原料ガスＧが公転サセプタ３の中央部からその半径方向外方へと流れると共に、基板１がその成長面を下向きにして自転サセプタ２に保持されつつ自公転する、自転公転型のフェイスダウンタイプの気相成長装置である。
【００１５】
図１に示すように、気相成長装置の円筒状の成長容器１０内には、円板状の公転サセプタ３が水平に設けられている。成長容器１０の上部壁を貫通して設けられた駆動軸１１の下端に、公転サセプタ３の中央部が取り付けられており、駆動軸１１に連結されたモータ１２の駆動により、公転サセプタ３が回転する。
【００１６】
公転サセプタ３には、その外周に沿って等間隔に複数の円筒形の自転サセプタ２が設けられている。各自転サセプタ２はベアリング４を介して公転サセプタ３に回転自在に支持されている。各自転サセプタ２内の底部には半導体からなる基板１が収納され、その成長
面を下向きにして支持されている。
【００１７】
自転サセプタ２上端の外向フランジ部２ａには外歯車となる歯が形成され、外向フランジ部２ａの歯と、公転サセプタ３外側部に位置する成長容器１０の側壁内周面に設けられた内歯車（大歯車）７の歯とが噛み合うよう構成されている。このため、モーター１２によって公転サセプタ３を回転させると、図２に示すように、自転サセプタ２は公転サセプタ３と一緒に駆動軸１１周りに回転すると共に、自転サセプタ２の歯が内歯車７と噛み合っているため、自転サセプタ２は公転サセプタ３上で公転サセプタ３とは逆回りに回転する。従って、自転サセプタ２内に保持された基板１は、公転と自転とを行うことになる。
【００１８】
公転サセプタ３の上方には、基板１を加熱するヒータ５が設けられると共に、基板１の直上を覆うように、自転サセプタ２の上部には、基板１の面内温度分布を均一にするための均熱板６が嵌め込まれている。
【００１９】
原料ガスＧは、成長容器１０底壁の中心部に形成されたガス導入口８から上方に向けて成長容器１０内に導入された後、公転サセプタ３の中心部から放射状に半径方向外方に基板１の表面に沿って流れ、成長容器１０の側壁に複数形成されたガス排出口９より流出する。その間に、ヒータ５によって加熱された基板１上で原料ガスＧは熱分解し、基板１上に半導体結晶層（エピタキシャル層）が成長する。
【００２０】
原料ガスＧには、例えば、III−Ｖ族化合物半導体結晶を有機金属気相成長法（ＭＯＶ
ＰＥ法）により成長する場合には、III族原料ガス、Ｖ族原料ガス、希釈用ガス及びドー
パント原料ガスが含まれる。
具体的には、Ｖ族原料ガスとしては、ＡｓＨ３（アルシン）、Ａｓ（ＣＨ３）３（トリメチル砒素）、ＴＢＡ（ターシャリーブチルアルシン）、ＰＨ３（ホスフィン）、ＴＢＰ（ターシャリーブチルホスフィン）、ＮＨ３（アンモニア）などが、III族原料としては
、Ａｌ（ＣＨ３）３（トリメチルアルミニウム）、Ａｌ（ＣＨ３ＣＨ２）３（トリエチルアルミニウム）、Ｇａ（ＣＨ３）３（トリメチルガリウム）、Ｇａ（ＣＨ３ＣＨ２）３（トリエチルガリウム）、Ｉｎ（ＣＨ３）３（トリメチルインジウム）、Ｉｎ（ＣＨ３ＣＨ２）３（トリエチルインジウム）などが、希釈用ガスとしては、Ｈ２（水素）、Ｎ２（窒素）などが、ドーパント原料ガスとしては、Ｚｎ（Ｃ２Ｈ５）２（ジエチルジンク）、Ｃｐ２Ｍｇ（ビスペンタジエニルマグネシウム）、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）、Ｔｅ（Ｃ２Ｈ５）２（ジエチルテルル）、Ｈ２Ｓｅ（セレン化水素）、ＣＢｒ４（四臭化炭素）などが挙げられる。
【００２１】
図１、図２のような自転公転型の気相成長装置では、公転サセプタ３の中心部から半径方向外方へ向かうに従って、半導体結晶層の厚さが単調に薄くなる。これは、原料ガスが下流側になるほど消耗するからである。このため、基板１を自転させることで、基板１面内の半導体結晶層の層厚（膜厚）の均一化を図っている。しかし、半導体レーザの活性層のように薄い半導体結晶層では、成長に要する時間が短く、基板１を十分に回転させることができず、基板１面内の半導体結晶層の厚さが不均一になってしまう。
【００２２】
図１に示す気相成長装置を用いて、直径１００ｍｍのＧａＡｓ（ガリウム砒素）基板を自転させずに公転サセプタ３に設置し、ＧａＡｓ基板上にＡｌＧａＡｓ（アルミニウムガリウム砒素）を結晶成長させた。この時、原料ガスの流れ方向、即ち公転サセプタ３の中心から半径方向外方へのＧａＡｓ基板上のＡｌＧａＡｓ層の厚さを測定した実験データを図３に示す。図３の横軸はＧａＡｓ基板中心からの距離であり、単位はｍｍ（ミリメートル）である。縦軸はＡｌＧａＡｓ層の厚さであり、単位はμｍ（マイクロメートル）である。
【００２３】
図３の実験結果（原料ガスの流れ方向に沿った半導体結晶層の成長分布データないし成長速度データ）に基づき、基板の自転回数と基板面内の半導体結晶層の層厚ばらつきとの関係を計算した。その結果を図４に示す。図４の横軸は薄い半導体結晶層を成長中の基板の自転回数（回）であり、縦軸は半導体結晶層の膜厚ばらつき（％）である。層厚ばらつきの計算式は、層厚ばらつき＝（最大値−最小値）÷（最大値＋最小値）×１００である。なお、上記層厚ばらつきの計算式における最大値、最小値は、基板中心を基準点とし、オリエンテーションフラットに対して垂直な方向に１０ｍｍピッチで半導体結晶層の層厚を測定したときの、層厚の測定値の最大値、最小値である。
【００２４】
図４に示すように、基板の自転回数が少ない場合でも、基板の自転回数が整数の場合は、基板面内の各点の成長開始位置に依らずに層厚が均一化されるため、基板自転回数が１６回以下と少なくても層厚ばらつきを小さくできる。また、基板を１５.６回以上自転さ
せれば、基板自転回数を整数にしなくても、層厚ばらつきを１％以下にできることが分かる。
一方、一つの半導体結晶層の成長に要する基板自転回数が１６回未満でも、基板自転回数を、５.０〜５.１回、５.９〜６.１回、６.９〜７.１回、７.９〜８.１回、８.９〜９.１回、９.８〜１０.２回、１０.８〜１１.２回、１１.８〜１２.２回、１２.８〜１３.３回、１３.７〜１４.３回、１４.７〜１５.４回にすれば、図４に示すように、層厚ばらつきを１％以下に低減できる。
【００２５】
気相成長装置の構造、形状、寸法など、或いは気相成長時の温度、圧力、ガス供給量などの成長条件や半導体結晶成長層の種類などが上記実施形態と異なる場合にも、図３に示すような原料ガスの流れ方向に沿った半導体結晶層の成長分布データを実測し、得られた成長分布データに基づいて、図４に示すような基板の自転回数に対する基板上に成長する半導体結晶層の層厚ばらつきを求めておけば、一つの半導体結晶層を成長させる間の基板の自転回数を、層厚ばらつきが所望の許容値以下（１％以下など）にある基板の自転回数域に設定することにより、均一な層厚の半導体結晶層を歩留りよく成長できる。
【００２６】
なお、上記実施形態では、基板１がその成長面を下向きにして自転サセプタ２に保持されたフェイスダウンタイプの気相成長であったが、基板がその成長面を上向きにして自転サセプタに保持されたフェイスアップタイプの気相成長にも勿論適用できる。
【実施例】
【００２７】
次に、本発明の実施例を説明する。
［実施例１］
実施例１では、直径７６ｍｍの基板上に半導体レーザ用の半導体結晶をＭＯＶＰＥ法により成長させた。図５に、作製した半導体レーザ用の半導体結晶構造の断面図を示す。作製にあたっては、上記実施形態で用いた図１の気相成長装置を使用し、図５に示すように、ＧａＡｓ基板２１上に、ＡｌＧａＡｓクラッド層２２、ＡｌＧａＡｓガイド層２３、ＡｌＧａＡｓ活性層２４、ＡｌＧａＡｓガイド層２５，ＡｌＧａＡｓクラッド層２６およびＧａＡｓキャップ層２７を順次積層して形成した。
上記ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザの発光部はＡｌＧａＡｓ活性層２４であり、ＡｌＧａＡｓ活性層２４の上下にレーザ光の放射角度を制御するためのＡｌＧａＡｓガイド層２３，２５がある。さらにそれらの外側には、レーザ光を閉じ込めるためのＡｌＧａＡｓクラッド層２２，２６が形成され、最上層には電極を形成するためのＧａＡｓキャップ層２７が設けられている。
【００２８】
発光部であるＡｌＧａＡｓ活性層２４は、厚さ１０ｎｍ以下と薄く、ＡｌＧａＡｓ活性層２４の成長に要する時間が短い。比較例１では、ＡｌＧａＡｓ活性層２４を成長させている間に、ＧａＡｓ基板２１が４.３回自転していた。なお、自転回数は公転サセプタ３
の座標系を基準にして数えている。図６は、比較例１で作製したＡｌＧａＡｓ活性層２４を、ＰＬ（ホトルミネッセンス）装置でＰＬ波長を測定した結果である。図６の横軸は基板中心からの距離（ｍｍ）であり、縦軸はＰＬ波長（ｎｍ）である。なお、ＰＬ測定は、半導体結晶にレーザ光線を照射し、半導体結晶が発した光の波長を測定するものであって、活性層のＰＬ波長が活性層の厚さに依存することが理論的に分かっている。図６に示すように、基板面内のＰＬ波長の最大値と最小値の差は４.７ｎｍと大きく、基板面内のＡ
ｌＧａＡｓ活性層２４の厚さが不均一であることを示している。
【００２９】
これに対し、実施例１では、ＡｌＧａＡｓ活性層２４の成長中における基板自転回数を６.０回とした。図７に、実施例１で作製したＡｌＧａＡｓ活性層２４を、ＰＬ装置によ
ってＰＬ波長を測定した結果を示す。図示のように、実施例１では、基板面内のＡｌＧａＡｓ活性層２４のＰＬ波長の最大値と最小値の差は１.２ｎｍであり、比較例１の４.７ｎｍの３分の１以下と非常に小さく、基板面内のＡｌＧａＡｓ活性層２４の厚さが均一化されたといえる。
【００３０】
［実施例２］
実施例２では、直径１００ｍｍのＧａＡｓ基板上にＨＥＭＴ（High Electron Mobility
Transistor）用の半導体結晶をＭＯＶＰＥ法によって成長させた。図８に、作製したＨ
ＥＭＴ用の半導体結晶構造の断面図を示す。気相成長は、上記実施例１と同様に、図１の気相成長装置を使用して行い、図８に示すように、ＧａＡｓ基板３１上に、ＧａＡｓバッファ層３２、ＩｎＧａＡｓチャネル層３３、ＡｌＧａＡｓスペーサ層３４、ＡｌＧａＡｓキャリア供給層３５およびＧａＡｓキャップ層３６を順次積層して形成した。
【００３１】
ＨＥＭＴのＡｌＧａＡｓスペーサ層３４は厚さ５ｎｍ以下と薄く、ＡｌＧａＡｓスペーサ層３４の成長に要する時間が短いため、従来技術では基板の自転不足のため基板面内の厚さの均一化が困難である。比較例２では、ＡｌＧａＡｓスペーサ層３４の成長中における基板の自転回数は２.３回であった。図９に、比較例２で作製したＨＥＭＴを、Van der
Pauw法でシートキャリア濃度を測定した結果を示す。図９の横軸は基板中心からの距離
（ｍｍ）であり、縦軸はシートキャリア濃度（ｃｍ−２）である。ＡｌＧａＡｓスペーサ層３４の厚さが不均一であるため、基板面内のシートキャリア濃度のばらつき（＝（最大値−最小値）÷（最大値＋最小値）×１００）は４.６％と大きい。なお、上記基板面内
のシートキャリア濃度のばらつきにおける最大値、最小値は、基板中心を基準点とし、オリエンテーションフラットに対して垂直な方向に１０ｍｍピッチでシートキャリア濃度を測定したときの、シートキャリア濃度の測定値の最大値、最小値である。
【００３２】
これに対し、実施例２では、ＡｌＧａＡｓスペーサ層３４を成長している間の基板自転回数を４.０回とした。図１０に、実施例２で作製したＨＥＭＴを、Van der Pauw法でシ
ートキャリア濃度を測定した結果を示す。シートキャリア濃度のばらつきは１.４％であ
り、比較例２の４.６％の３分の１以下と小さく、ＡｌＧａＡｓスペーサ層３４の基板面
内の厚さを均一化できた。基板面内のシートキャリア濃度のばらつきを低減することで、ＨＥＭＴ素子の歩留が向上し、生産性を大幅に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に係る気相成長方法の実施形態で使用した気相成長装置の縦断面図である。
【図２】図１の気相成長装置のサセプタ部の動作を説明するための概略的な横断面図である。
【図３】ＧａＡｓ基板を自転させずにＡｌＧａＡｓ結晶を成長させた時の、ガス流れ方向のＡｌＧａＡｓ結晶の厚さを測定した結果を示す図である。
【図４】ガス流れ方向の半導体結晶層の厚さ分布を調べた実験結果から、基板自転回数と基板面内の層厚ばらつきとの関係を計算した結果を示す図である。
【図５】半導体レーザ用の結晶構造を示す断面図である。
【図６】比較例で作製した半導体レーザ用の活性層のＰＬ波長の測定結果を示す図である。
【図７】実施例で作製した半導体レーザ用の活性層のＰＬ波長の測定結果を示す図である。
【図８】ＨＥＭＴ用の結晶構造を示す断面図である。
【図９】比較例で作製したＨＥＭＴのシートキャリア濃度の測定結果を示す図である。
【図１０】実施例で作製したＨＥＭＴのシートキャリア濃度の測定結果を示す図である。
【符号の説明】
【００３４】
１  基板
２  自転サセプタ
３  公転サセプタ
４  ベアリング
５  ヒータ
６  均熱板
７  内歯車
８  ガス導入口
９  ガス排出口
１０  成長容器
１１  駆動軸
１２  モータ
Ｇ  原料ガス
【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】
2008130916.tif 000007
【図６】
2008130916.tif 000008
【図７】
2008130916.tif 000009
【図８】
2008130916.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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