(57)【要約】 【課題】  半導体多層膜表面内の最大反射波長分布の均一性を向上させる【解決手段】  自転機構上に基板を取り付けた基台をリアクタ内で公転させる装置を用いて、有機金属気相成長法により基板上に第１の半導体層と第２の半導体層を交互に積層して半導体多層反射膜を成長させる際、半導体多層膜の成長効率分布の傾斜を３〜１０（１０−３／ｍｏｌ）とする。【選択図】図３
2008071820.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自転機構上に基板を取り付けた基台をリアクタ内で公転させる装置を用いて、有機金属気相成長法により、前記基板の１表面上方に第１の半導体層と第２の半導体層を交互に積層して半導体多層射膜を成長させる工程を含む半導体装置の製造方法であって、
前記半導体多層膜の成長効率分布の傾斜を３〜１０（１０−３／ｍｏｌ）とする半導体装置の製造方法。  
【請求項２】
自転機構上に基板を取り付けた基台をリアクタ内で公転させる装置を用いて、有機金属気相成長法により、基板の１表面上方に第一導電型の第１の半導体層と、第一導電型の第２の半導体層とを交互に積層した半導体多層膜を成長させる工程と、
第一導電型の下部クラッド層を成長させる工程と、
前記下部クラッド層上に、発光層を成長させる工程と、
前記発光層上に、第二導電型の上部クラッド層を成長させる工程と
を含む半導体装置の製造方法であって、
前記半導体多層膜の成長効率分布の傾斜を３〜１０（１０−３／ｍｏｌ）とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記半導体多層膜を前記基板と前記下部クラッド層との間に成長させる請求項２記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記半導体多層膜を前記上部クラッド層上方に成長させる請求項２記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関し、特に多層反射膜を有する半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体多層反射膜ＤＢＲ（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）とは、屈折率に差のある半導体をλ／４を単位とした厚さで交互に積層させることで、特定の波長域に対して反射率を持つ膜を形成する技術である。この光学薄膜を発光ダイオードや半導体レーザに組み込むことで高出力化が図れる。また、ＶＩＣＳＥＬ（面発光型半導体レーザ）などの新規なレーザ構造にも多く使用される技術である。
【０００３】
ＧａＡｓ（ガリウム砒素）基板を使用するＡｌＧａＩｎＰ（アルミガリウムインジウムリン）系の可視光発光ダイオードなどは、発光した光がＧａＡｓ基板に吸収されてしまうという問題がある。これに対し、ＧａＡｓ基板上にＤＢＲ反射鏡を形成すると、これまで吸収されていた光を取り出すことが可能となる。このためＤＢＲ技術は発光ダイオードの高出力化には欠かせない技術となっている。ＤＢＲを構成する半導体材料には、ＡｌＧａＩｎＰやＡｌＧａＡｓなどが使われることが多い。
【０００４】
ＤＢＲの作製手法の代表例として、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相堆積）法やＭＢＥ（分子線エピタキシ）法が挙げられる。特にＭＯＣＶＤ法は薄膜成長が可能で、ＭＢＥ法に比べて成長速度が速く、量産性にも優れるため幅広く利用される。
【０００５】
ＭＯＣＶＤ装置を用い良質な半導体結晶成長を行うためには、成長基板への反応ガスの供給を最適化する必要がある。その為に、ガス供給量や成長圧力を変えたり、成長装置の形状の最適化を行ったりする。
【０００６】
特開平０８−００８１９３号公報に、ウエハを自公転させることにより、薄膜の生産性と均一性を高める薄膜成長装置が提案されている。ここでいう均一な膜とは、表面モフォロジー、組成および厚みが成長基板面内で数％以内の差に収まることを指す。
【０００７】
【特許文献１】特開平８−００８１９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特開平８−００８１９３号公報に記載の方法や他の従来技術では、基板面内での反射波長には分布が生じる。このことは、従来以上の精度での薄膜成長が必要であることを示しており、それを実現する方法が望まれている。
【０００９】
本発明の目的は、反射波長の均一性を向上させる半導体多層膜の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一観点によれば、自転機構上に基板を取り付けた基台をリアクタ内で公転させる装置を用いて、有機金属気相成長法により、前記基板の１表面上方に第１の半導体層と第２の半導体層を交互に積層して半導体多層反射膜を成長させる工程を含む半導体装置の製造方法であって、前記半導体多層反射膜の成長効率分布の傾斜を３〜１０（１０−３／ｍｏｌ）とする半導体装置の製造方法が提供される。
【００１１】
本発明の他の観点によれば、自転機構上に基板を取り付けた基台をリアクタ内で公転させる装置を用いて、有機金属気相成長法により、基板の１表面上方に第一導電型の第１の半導体層と、第一導電型の第２の半導体層とを交互に積層した半導体多層反射膜を成長させる工程と、第一導電型の下部クラッド層を成長させる工程と、前記下部クラッド層上に、発光層を成長させる工程と、前記発光層上に、第二導電型の上部クラッド層を成長させる工程とを含む半導体装置の製造方法であって、前記半導体多層反射膜の成長効率分布の傾斜を３〜１０（１０−３／ｍｏｌ）とする半導体装置の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１２】
半導体多層膜の反射波長の均一性が向上する。均一性の向上した半導体多層膜を搭載した半導体発光装置の外部量子効率の均一性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
現在、半導体多層膜を成長させるための装置としてＭＯＣＶＤ装置が用いられることが多い。
【００１４】
図１Ａに、ＭＯＣＶＤ装置の構成を表した概略図を示す。表面に成長基板１を保持したサセプタ２がチャンバ１０内に設置されている。成長基板１には例えばＧａＡｓ基板を用いる。サセプタ２には例えばカーボンを用いる。
【００１５】
キャリアガスとして水素（Ｈ２）を使用し、減圧下で結晶成長を行う。材料ガスとして、アルシン（ＡｓＨ３）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）を使用する。ＴＭＧおよびＴＭＡｌは水素ガスでバブリングする。それらの材料ガスの流量をマスフロコントローラ（ＭＦＣ）３で制御する。材料ガスは、ガス流路４を経由してサセプタ中心の上部にあるガス導入口５からチャンバ１０内に導入され、放射状に広がる構造である。チャンバ１０内に導入されたガスを原料として、サセプタ２の回転台２ｂに保持されている成長基板１上で半導体結晶を成長させる。本装置は、基板上の温度（所謂、成長温度）だけでなく、石英製の対向面６の温度も制御する。
【００１６】
図１Ｂに、サセプタ２の概略平面図を示す。図示のように、サセプタ２は例えば矢印ａの方向に公転する。また、成長基板１はサセプタ２の周縁に近い位置に円周方向に複数配置された自転機構（回転台）２ｂ上に保持されている。それぞれの成長基板１は回転台２ｂにより例えば矢印ｂの方向に自転させることが出来る。サセプタ２の中心上方から導入された材料ガスは、矢印ｃが示すように放射状に広がる。
【００１７】
上記のようなＭＯＣＶＤ装置においては、成長効率（μｍ／ｍｏｌ）が重要なパラメータとなる。サセプタ中心からの距離に対するサセプタ２上の成長効率（成長分布）は、サセプタ中心から外周に行くにしたがって増加し、成長基板１が配置された境界付近で最大値を持つ。成長基板１上の成長効率は、外周に向かって次第に低下する分布となる。この分布のままでは成長基板１上に成長分布が生じてしまうため、基板１を自転させることで均一化を図っている。この成長効率の分布は対向面温度、リアクタ圧力、ガス流量バランスなどにより変化する。このため、これらの因子を目的に応じ制御することが重要となる。
【００１８】
発明者らは、基板温度７６０℃の下で、対向面６の温度とガス流量の条件を変えてＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ＝０．５）成長効率の測定を行った。カーボンサセプタは公転のみ行っている。対向面６の温度と供給ガスの総流量について条件１から条件６までの６種の条件で成長効率の測定を行った。条件（対向面６の温度、供給ガスの総流量）は以下の通りである。
【００１９】
・条件１（１８０℃、２０ＳＬＭ）
・条件２（１８０℃、２５ＳＬＭ）
・条件３（１８０℃、１０ＳＬＭ）
・条件４（１８０℃、２３ＳＬＭ）
・条件５（２２０℃、２０ＳＬＭ）
・条件６（１４０℃、２０ＳＬＭ）
図２に、測定結果を表したグラフを示す。縦軸に成長効率をとる。横軸にカーボンサセプタ中心からの距離をとる。カーボンサセプタ中心からの距離とは、ガス導入口５からの距離の事を指す。なお、成長基板１は横軸における１００ｍｍ〜１５０ｍｍの位置に保持されている。成長条件を変えることで、基板上での成長効率分布が変化する。傾向としては、対向面６の温度が高いほど、供給ガスの総流量が少ないほど、成長効率の傾きが大きくなることが分かる。なお、Ａｌの組成が変化しても膜厚分布の傾向は同様である。
【００２０】
図３Ａに、次に説明する実験において作製したサンプル１１の概略断面図を示す。発明者らは、上記の条件１〜条件６の下で、低屈折率材料層７にＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ＝０．９）、高屈折率材料層８にＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ＝０．５）を用いて、成長基板１の上にＤＢＲ９Ａを成長させたサンプル１１を作製した。１層の膜厚はそれぞれ４８．７ｎｍ、４７．６ｎｍである。低屈折率材料層７を下部、高屈折率材料層８を上部としたペアを２０ペア積層した構造である。その結果、各条件下の作製サンプル間で成長基板１面内での反射波長λの分布に違いがある事が分かった。
【００２１】
図３Ｂに、図３Ａに示したサンプル１１における、最大反射波長λｍａｘの最大値と最小値の差分Δλｍａｘと成長効率分布の傾斜Ａ（１０−３／ｍｏｌ）との関係を示す。なお、最大反射率を示す波長（最大反射率がある範囲を持つ場合はその中心波長）を最大反射波長と定義する。また、成長効率分布の傾斜Ａとは、線形外挿線の傾きのことである。
【００２２】
成長効率分布の傾斜Ａが０〜１の場合は、Δλｍａｘが０に近いと思われる。傾斜Ａが０〜１の範囲においては、単層膜の膜厚分布が成長基板上で均一である。従ってΔλｍａｘが０に近いことは容易に想像できる。しかし、通常ＭＯＣＶＤ成長では供給律則が支配的であるため、膜厚分布を均一にすることは容易ではなく現実的な数値ではない。
【００２３】
成長効率分布の傾斜Ａが１〜３、特に２〜３の場合においては、面内でのΔλｍａｘが急激に大きくなる。例えば発光ダイオードの発光波長の半値幅が数十ｎｍ程度であることから、Δλｍａｘが１０ｎｍ以上ずれると多層反射膜を搭載した発光ダイオードを作製した場合、発光ダイオードの発光波長と最大反射率を有するＤＢＲ反射波長が異なる箇所が面内で生じてしまう。これは量産性を考えた場合、歩留まり低下につながるため実用上適用しにくい。
【００２４】
成長効率分布の傾斜Ａが３以上の場合Δλｍａｘは３ｎｍ以下に、４以上の場合１ｎｍ以下に制御することが可能である。成長効率分布の傾斜Ａをこの領域で制御するならば、比較的容易に小さなΔλｍａｘを安定に得られることが分かる。理想的にはΔλｍａｘは１ｎｍ以下のレベルで制御されることが望ましいが、発光ダイオードの発光波長の半値幅との関係から、Δλｍａｘが３ｎｍ以下であれば生産性に問題は生じない。
【００２５】
成長効率分布の傾斜Ａの上限値について考察する。ＭＯＣＶＤ成長において、モル流量は１０−５〜１０−４（ｍｏｌ／ｍｉｎ）が一般的である。上記条件１〜条件６においては３．５×１０−４（ｍｏｌ／ｍｉｎ）である。より高速成長を行うためには、他の成長方法に頼らざるを得ないのが現実である。ＭＯＣＶＤ法の場合、成長速度は最大でも４μｍ／ｍｉｎ程度が一般的であるが、この成長速度を得るための成長効率は３００μｍ／ｍｏｌ〜４００μｍ／ｍｏｌ程度である。この場合成長効率分布の傾斜Ａが１０となる。成長基板の大きさ４０ｍｍの間に４００μｍ／ｍｏｌの違いが出ることを意味する。これ以上の成長速度を得るためにはさらに大量の反応材料ガスを使用するため、生産性の点から好ましくない。これが現実の限界であろうと思われる。
【００２６】
従って、反射波長のＤＢＲ面内におけるばらつきを減少させる現実的なＡの好適範囲は３〜１０である。上記の条件１〜６の中では、条件３および条件５がこの好適範囲内に入っている。
【００２７】
なお、成長効率分布は、対向面温度や総流量だけでなく、成長圧力、五族元素の三族元素に対する供給比Ｖ／ＩＩＩを調整することによっても制御可能である。また、成長基板のサイズを変えた場合においても、成長効率分布の傾斜を上記の好適範囲に制御できれば反射波長の面内均一化は可能である。
【００２８】
上記の成長効率分布の傾斜の好適範囲に基づいてＤＢＲを搭載した半導体発光装置を作製した。以下、作製の実施例を示す。材料ガスとして、アルシン（ＡｓＨ３）、フォスフィン（ＰＨ３）、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）を使用した。ｎ型ドーパントガスとしてシラン（ＳｉＨ４）、ｐ型ドーパントガスにジメチルジンク（ＤＭＺｎ）およびビスシクロペンタジエニルマグネシウム（ＣＰ２Ｍｇ）を使用した。
【００２９】
図４に、作製した半導体発光装置１０１の概略断面図を示す。
【００３０】
まず、ｎ−ＧａＡｓ成長基板１上に多層反射膜ＤＢＲ９Ａ（低屈折率材料層７にＳｉドープしたＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ；ｘ＝０．９、高屈折率材料層８にＳｉドープしたＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ；ｘ＝０．５）２０ペア（低屈折率材料層７を下部、高屈折率材料層８を上部とするペアを２０ペア）を成長させた。１層の膜厚は低屈折率材料層７：４８．７ｎｍ、高屈折率材料層８：４７．６ｎｍである。その後、ｎ型のＳｉ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１２（Ａｌ組成：０．７）を１μｍ成長させた。
【００３１】
さらに発光層１３として、量子井戸構造を１０層成長させた。井戸層にはＡｌＧａＩｎＰ（Ａｌ組成：０．１）、障壁層にはＡｌＧａＩｎＰ（Ａｌ組成：０．５）を用いた。
【００３２】
その後、ｐ型のＺｎ−ＡｌＧａＩｎＰ（Ａｌ組成：０．７）クラッド層１４を１μｍ成長させた。
【００３３】
さらに、電流拡散層１５としてＺｎ、Ｍｇ−ＧａＰ（Ｉｎ）を６μｍ成長させて半導体発光装置１０１を完成させた。
【００３４】
なお、使用ガスは一般的なＭＯＣＶＤ成長に用いられるガスを用いればよく、使用材料ガスの違いが本発明の効果に影響するものではないと考えられる。また、発光層１３が量子井戸層であっても、バルク層であっても良い。
【００３５】
図５に、作製した半導体発光装置の最大反射波長分布を表したグラフを示す。半導体発光装置の発光波長は６３５ｎｍである。横軸に成長基板のサセプタ半径方向における位置をとり、縦軸に成長基板面内の最大反射波長をとる（図中◆）。本実施例により作製した半導体発光装置の最大反射波長分布は均一に近い状態となった。比較例として、成長効率分布の傾きＡが０〜２の場合の最大反射波長分布のグラフを示す（図中■）。図示のように、最大反射波長には最大で１５ｎｍの差が存在する。
【００３６】
図６に、作製した半導体発光装置の外部量子効率を表したグラフを示す。横軸は成長基板のサセプタ半径方向における位置をとる。縦軸は成長基板面内の外部量子効率をその最大値で規格化したものである（図中◆）。本実施例により作製したＤＢＲを搭載した半導体発光装置では、面内での外部量子効率の分布が均一に近い状態である。
【００３７】
比較例として、成長効率分布の傾きＡが２〜３の場合の外部量子効率分布のグラフを示す（図中■）。図示のように、最大で外部量子効率は最大値の７割以下に落ちてしまう。
【００３８】
上記のように、本実施例によりＭＯＣＶＤ装置において成長効率分布の傾斜を３〜１０の範囲に調整して成長させたＤＢＲを含む半導体発光装置は、ＤＢＲ表面内の最大反射波長分布および外部量子効率分布を均一に近づけることが出来る。
【００３９】
なお、本実施例で半導体発光装置１０１の発光波長が６３５ｎｍであるが、ＤＢＲの厚さを調整することで、最大反射波長分布を６３５ｎｍ近傍に調整することも可能である。また、他の波長についても対応可能であることは想像できるであろう。
【００４０】
図７に、半導体発光装置１０２の概略断面図を示す。上記の実施例では半導体多層膜をＤＢＲとして用いたが、他の構成例として、半導体多層膜を反射防止層として用いた半導体発光装置１０２が挙げられる。
【００４１】
図示のように、基板１の上に、低抵抗コンタクト層１６、第１導電型クラッド層１２、発光層１３、第２導電型クラッド層１４がこの順に積層する。第２導電型クラッド層１４の上に、低屈折率材料層７としてＡｌＩｎＰ（屈折率３．２）、高屈折率材料層８としてＡｌＧａＩｎＰ（Ａｌ組成：０．３、屈折率３．４５）を例えば２０．５ペア（低屈折率材料層７を下部、高屈折率材料層８を上部とするペアを基本とし、上下端には低屈折率材料層７を成長させた構造）成長させて、反射防止層としての半導体多層膜９Ｂを形成する。この場合における反射防止層９Ｂは第２導電型となる。以上が半導体発光装置１０２の構成である。
【００４２】
なお、第１、第２導電型クラッド層、発光層は、ＡｌＧａＩｎＰまたはＧａＩｎＰを主成分とする半導体である。またコンタクト層１６は、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＰなどを材料とする。基板は半導体製造で一般的に用いられるものであって、例えばＧａＡｓである。その他の基板として、ＩｎＰなどを用いても良い。
【００４３】
図７に示したように半導体多層膜を反射防止層として用いる場合であっても、成長効率分布の傾斜Ａを好適範囲に調整して半導体多層膜を形成することによって、半導体多層膜表面内の外部量子効率分布および反射特性分布を均一に近づけることが出来る。
【００４４】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、サセプタ２の材料は、カーボン以外に、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）などを用いても良い。また、成長基板１にはＧａＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＰなどを用いても良い。
【００４５】
材料ガスとしては、ターシャルブチルフォスフィン（ＴＢＰ）、ターシャルブチルアルシン（ＴＢＡ）、トリエチルインジウム（ＴＥＩ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）トリエチルアルミニウム（ＴＥＡ）などを用いてもよく、所望の半導体装置および半導体多層膜に応じて適宜選択することが出来る。
【００４６】
その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】図１Ａは、ＭＯＣＶＤ装置の概略図であり、図１Ｂは、ＭＯＣＶＤ装置中のサセプタ構造を表した概略平面図である。
【図２】図２は、カーボンサセプタ上の成長効率分布を表すグラフである。
【図３】図３Ａは成長基板１にＤＢＲ９Ａを成長させたサンプル１１の概略断面図であり、図３Ｂは、サンプル１１のＤＢＲ表面における最大反射波長の最大値と最小値の差分の、成長効率分布の傾きＡに対する依存性を表したグラフである。
【図４】図４は、実施例による半導体発光装置の概略断面図である。
【図５】図５は、最大反射波長の分布を表したグラフである。
【図６】図６は、外部量子効率の分布を表したグラフである。
【図７】図７は、半導体多層膜を反射防止層として用いた場合の半導体発光装置の構成例を表した概略断面図である。
【符号の説明】
【００４８】
１  成長基板
２  サセプタ
２ｂ  自転機構、回転台
３  マスフロコントローラ
４  ガス流路
５  ガス導入路
６  対向面
７  低屈折率材料層
８  高屈折率材料層
９Ａ  （半導体）多層反射膜、ＤＢＲ
９Ｂ  （半導体）多層膜、反射防止層
１０  チャンバ
１１  サンプル
１２  第１導電型クラッド層
１３  発光層
１４  第２導電型クラッド層
１５  電流拡散層
１６  コンタクト層
１０１、１０２  半導体発光装置  
【図１】
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【図２】
2008071820.tif 000004
【図３】
2008071820.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2008071820.tif 000009