(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
亜鉛を不純物として含有するｐ型のリン化インジウム単結晶で、主面の形状が略円形となるように形成されたリン化インジウム単結晶ウェハであって、
ｐ型キャリア濃度が１×１０１０ｃｍ−３以上１×１０１４ｃｍ−３以下であり、
中心が前記主面の中心と一致し、半径が前記主面の半径よりも５ｍｍ短い同心円によって囲まれる部位のうち９０％以上の領域でライフタイムτが４５μｓ以上となっており、かつ、ライフタイムτの相対標準偏差（σ／Ａｖｅ．）が１２％以下となっていることを特徴とするリン化インジウム単結晶ウェハ。
【請求項２】
前記全領域の９０％以上でキャリアの移動度μとライフタイムτの積μτが１×１０−３ｃｍ２／Ｖ以上となっていることを特徴とする請求項１に記載のリン化インジウム単結晶ウェハ。
【請求項３】
前記主面の直径が５０ｍｍ以上となっていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のリン化インジウム単結晶ウェハ。
【請求項４】
亜鉛を不純物として含有するｐ型のリン化インジウム単結晶ウェハの製造方法において、
直径が５０ｍｍ以上のリン化インジウム単結晶インゴットのうち、ｐ型キャリア濃度が１×１０１０ｃｍ−３以上１×１０１４ｃｍ−３以下の部位からウェハを切り出し、
該ウェハを、不活性ガス雰囲気において３０分以上３時間未満アニールすることを特徴とするリン化インジウム単結晶ウェハの製造方法。
【請求項５】
前記アニール時の温度を、５５０℃以上７００℃以下とすることを特徴とする請求項４に記載のリン化インジウム単結晶ウェハの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リン化インジウム単結晶ウェハ、およびこのリン化インジウム単結晶ウェハを製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
III−V族化合物半導体であるリン化インジウム（ＩｎＰ）の単結晶は、亜鉛（Ｚｎ）が添加されるとｐ型の特性を示すことが知られている。近年、このＺｎを不純物として含有するｐ型のＩｎＰ単結晶を、放射線検出素子の基板として用いるための研究が行われている。
放射線検出素子の基板として用いられる化合物半導体単結晶の特性を示す指標の一つに、単結晶内におけるキャリアの移動のし易さを示す移動度μと、少数キャリアが多数キャリアと再結合して消滅するまでの時間を示すライフタイムτとの積であるμτ積（ｃｍ２／Ｖ）というものがある。このμτ積の値が大きいほど、この単結晶を基板とする放射線検出器の電荷収集効率は向上することが知られており、ｐ型キャリアであるホールが示すμτ値が１×１０−３ｃｍ２／Ｖ以上であることが好ましいとされている。
【０００３】
μτ積は、単結晶内のキャリアの濃度を低くする、すなわち、添加する不純物を少なくすることにより上げることができると考えられている。これは、キャリアと不純物との再結合が抑制されるためであると考えられている。例えば、非特許文献１には、キャリア濃度が４×１０１６ｃｍ−３のｐ型ＩｎＰ基板のライフタイムが０．７５〜１．５ｎｓ程度であること、非特許文献２には、過剰電子キャリア濃度が１×１０１４ｃｍ−３であるｎ型ＩｎＰ結晶中における、少数キャリアである正孔のライフタイムが３μｓ程度であることがそれぞれ開示されている。このように、各種文献のデータからも、キャリア濃度の低減によるライフタイム値の増加を予想することができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】”Surface recombination velocity and lifetime in InP”、Solid-State Electronics Vol.34, No.1, pp.47-50,1991
【非特許文献２】“Electrical properties of Indium Phosphide”、［online］、The Ioffe Institute(Ioffe Physical-Technical Institute of the Russian Academy of Sciences)、［平成２６年１０月１６日検索］、インターネット＜URL：http://www.ioffe.ru/SVA/NSM/Semicond/InP/electric.html＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、研究の過程で、単結晶内のキャリア濃度を低くすると、単結晶から切り出したウェハの部位毎のτ値が大きくばらつくという事象が確認された。具体的には、ライフタイムτが４５μｓ未満の領域がウェハの中心部に生じてしまうというものである。そうなると、１枚のウェハから切り出される個々の基板の素子特性がばらついてしまうので、１枚のウェハから取得できるμτ積が１×１０−３ｃｍ２／Ｖ以上の基板の枚数が少なくなってしまう（例えば、直径５０ｍｍのウェハの周縁部を５ｍｍ幅で除いた後に残された中心部から取得できるμτ積が１×１０−３ｃｍ２／Ｖ以上の基板は、切り出した基板総数の８０％未満となってしまう）。つまり、Ｚｎを不純物として含有するＩｎＰで高いμτ値が求められる放射線検出素子用の基板を製造しようとすると、歩留まりが低くなってしまうという課題があった。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、亜鉛を不純物として含有する放射線検出素子用のリン化インジウム単結晶基板の歩留まりを向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本出願に係る一の発明は、亜鉛を不純物として含有するｐ型のリン化インジウム単結晶で、主面の形状が略円形となるように形成されたリン化インジウム単結晶ウェハであって、ｐ型キャリア濃度が１×１０１０ｃｍ−３以上１×１０１４ｃｍ−３以下であり、中心が前記主面の中心と一致し、半径が前記主面の半径よりも５ｍｍ短い同心円によって囲まれる部位のうち９０％以上の領域でライフタイムτが４５μｓ以上となっており、かつ、ライフタイムτの相対標準偏差（σ／Ａｖｅ．）が１２％以下となっていることを特徴とする。
なお、上記発明において「σ」、「Ａｖｅ．」、「キャリア濃度」は、以下のように定義している。
σ：ウェハ周縁部を５ｍｍ除いた中心部のライフタイム測定値の標準偏差
Ａｖｅ．：ウェハ周縁部を５ｍｍ除いた中心部のライフタイム測定値の平均値
キャリア濃度：ｐ型リン化インジウム基板中の多数キャリアである正孔の濃度から少数キャリアである電子の濃度を差し引いた値
【０００８】
なお、上記発明において、前記全領域の９０％以上でキャリアの移動度μとライフタイムτの積μτが１×１０−３ｃｍ２／Ｖ以上となっているものとしてもよい。
【０００９】
また、上記発明において、前記主面の形状が直径５０ｍｍ以上の円形となっているものとしてもよい。
【００１０】
また、本出願に係る他の発明は、亜鉛を不純物として含有するｐ型のリン化インジウム単結晶ウェハの製造方法において、直径が５０ｍｍ以上のリン化インジウム単結晶インゴットのうち、ｐ型キャリア濃度が１×１０１０ｃｍ−３以上１×１０１４ｃｍ−３以下の部位からウェハを切り出し、該ウェハを、不活性ガス雰囲気において３０分以上３時間未満アニールすることを特徴とする。
【００１１】
なお、上記発明において、前記アニール時の温度を、５５０℃以上７００℃以下としてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、亜鉛を不純物として含有する放射線検出素子用のリン化インジウム基板の歩留まりを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】（ａ）は本発明の実施形態に係るリン化インジウム単結晶ウェハの正面図であり、（ｂ）は（ａ）のウェハにおけるキャリアのライフタイムの長さを複数の領域毎に色分けして示した図である。
【図２】比較例に係るリン化インジウム単結晶ウェハにおけるキャリアのライフタイムを領域毎に色分けして示した図である。
【図３】本発明の実施形態（実施例）に係るリン化インジウム単結晶ウェハおよび比較例に係るリン化インジウム単結晶ウェハの製造条件および各種数値をまとめた表である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１５】
〔リン化インジウム単結晶ウェハ〕
まず、本実施形態のリン化インジウム単結晶ウェハ（以下ＩｎＰウェハ１）の構成について説明する。図１（ａ）は本実施形態のＩｎＰウェハ１の正面図である。
本実施形態のＩｎＰウェハ１は、亜鉛（Ｚｎ）をドーパントとして含有するｐ型のＩｎＰ単結晶で、主面の形状が略円形となるように形成されている。ＩｎＰウェハ１のキャリア濃度は１．０×１０１０ｃｍ−３以上１．０×１０１４ｃｍ−３以下となっている。また、ＩｎＰウェハ１の比抵抗は、１．０×１０２Ωｍ以上１．０×１０５Ωｍ以下となっており、従来の光デバイスとして用いる従来のｐ型ＩｎＰ単結晶の比抵抗に比べて高く（中抵抗率と）なっている。また、ＩｎＰウェハ１の移動度μは３．００×１０１ｃｍ２／Ｖｓ以上となっている。
【００１６】
以下、このＩｎＰウェハ１の主面の形状を、オリエンテーションフラット（オリフラ）の無い真円と見立てた上で、図１に示したように、中心が主面の中心Ｏと一致し、半径が前記主面の半径よりも５ｍｍ短い同心円（以下円Ｃ）を描いたときに、当該円Ｃに囲まれる部分（円Ｃの内側の部分）を中心部１１、円Ｃの外側の部分を周縁部１２と称することとする。
【００１７】
図１（ｂ）はライフタイム測定装置（例えばコベルコ科研社製：ＬＴＡ−２２００ＥＰ）を用いて、ＩｎＰウェハ１におけるキャリアのライフタイムτを微小な領域毎に色分けして示した図（以下τマップ）である。
ＩｎＰウェハ１のτマップを詳細に観察してみると、図１（ｂ）に示すように、周縁部１２はτ値が全体的に低く、中心部１１は全体的にτ値が高く、しかもばらつきが少なくなっている。具体的には、中心部１１に含まれる全領域に占める、ライフタイムτが４５μｓ以上の領域の割合は９０％以上となっており、領域毎のライフタイムτの相対標準偏差（σ／Ａｖｅ．）は１２％以下となっている。上述したように、ＩｎＰウェハのキャリアの移動度μは３．００×１０１ｃｍ２／Ｖｓ以上であり、τ値の高い領域ではμ値も平均以上となるため、中心部１１の９０％以上の部位において、μτ積が放射線検出素子の基板として求められる１×１０−３ｃｍ２／Ｖを上回ることになる。
【００１８】
〔リン化インジウム単結晶ウェハの製造方法〕
次に、上述したＩｎＰウェハ１を製造する方法について説明する。
まず、Ｚｎをドーパントとするｐ型で円柱状のＩｎＰ単結晶インゴットを製造する。次に、ＩｎＰ単結晶インゴットのキャリア濃度が１×１０１０ｃｍ−３以上１×１０１４ｃｍ−３以下の部位からウェハを切り出す。そして、切り出したウェハを炉に格納し、５５０〜７００℃の不活性ガス雰囲気中で３０分以上３時間以下保持することによりアニールする。こうすることで、上述したように、ウェハの中心部１１の９０％以上において、キャリアのライフタイムτが高い値で均一化され、μτ積の値が１×１０−３ｃｍ２／Ｖ以上となる。その後、ウェハの主面を鏡面研磨する。こうして、上述した本実施形態のＩｎＰウェハ１が製造される。
【００１９】
〔具体例〕
次に、本実施形態のＩｎＰウェハ１と、従来のＩｎＰウェハとの差異について説明する。
説明に際し、上述の製造方法に含まれる（上述の製造方法をより具体的にした）製造方法を用いて実施例１〜４に係るウェハを製造し、更に、従来の製造方法を用いて実施例１〜４に係るウェハ１と比較するため、初期状態や製造条件の異なる（詳細後述）３種類のＩｎＰウェハ（以下比較例１〜３に係るウェハ）を製造した。なお、ウェハのサイズは何れも直径５０．８ｍｍ（２インチ径）とした。そして、アニール前の各ウェハのキャリア濃度、比抵抗、移動度を、インゴットのトップおよびボトムから採取したウェハから更に中心部を切り出し、それをホール効果測定装置にて測定した値をもとに算出した。更に、ライフタイム測定装置（例えばコベルコ科研社製：ＬＴＡ−２２００ＥＰ）を用いてライフタイムτの平均値を求めるとともに、ウェハを複数（ここでは１８５９個）の微小な領域に区切り、領域毎のライフタイムτを示すτマップを作成した。更に、そのτマップから周縁部５ｍｍを除くウェハ中心部１１におけるライフタイムτの平均値を求めた。そして、得られた移動度とライフタイムの平均値からμτ積の平均値を求めるとともに、領域毎のライフタイムτから相対標準偏差を算出することにより、ライフタイムτの面内ばらつきの程度を調べた。図２は、比較例１〜３に係るウェハのτマップであり、図３は、各ウェハの製造条件と得られた各種数値をまとめたものである。
なお、本発明におけるτマップは、ＩｎＰウェハの口径によらず、測定対象である主面の形状が略円形のＩｎＰウェハについて、中心が前記主面の中心と一致し、半径が前記主面の半径よりも５ｍｍ短い同心円によって囲まれる部位を１ｍｍメッシュの領域に区切ってそれぞれのライフタイムτを測定し、ウェハ面内のτの値をマッピングしたものを言う。
【００２０】
（実施例１）
実施例１に係るウェハ１は、切り出した直後の正孔キャリア濃度が４．２０×１０１３ｃｍ−３のＩｎＰウェハを２枚のｐＢＮ製ウェハで挟み込んだ状態にしてアニール炉に格納し、６５０℃、２．０ＭＰａの窒素（Ｎ２）雰囲気中で３時間アニール処理し、その後、炉内を１時間未満で室温になるまで徐冷し、鏡面研磨したものである。
この実施例１に係るウェハ１の中心部におけるキャリアの濃度は３．６０×１０１２ｃｍ−３、比抵抗は２．９０×１０４Ωｃｍ、キャリアの移動度μは８０ｃｍ２／Ｖｓであった。また、中心部の正孔ライフタイムτの平均値は５８．３μｓであり、このウェハの中心部におけるμτ積の平均値は４．６６×１０−３ｃｍ２／Ｖとなった。
また、図１（ｂ）に示した実施例１に係るウェハ１のτマップからは、中心部１１内の全領域の９７．１％の領域でライフタイムτが４５μｓ以上となっていること、ライフタイムτの面内ばらつき（σ／Ａｖｅ．）が１０％となっていることがそれぞれ確認できた。
【００２１】
（実施例２）
実施例２に係るウェハ１は、正孔キャリア濃度が３．５０×１０１３ｃｍ−３のＩｎＰウェハを２枚のｐＢＮ製ウェハで挟み込んだ状態にしてアニール炉に格納し、実施例１と同じ６５０℃、２．０ＭＰａの窒素（Ｎ２）雰囲気中で、実施例１よりも短く３０分間アニール処理し、その後、炉内を１時間未満で室温になるまで徐冷し、鏡面研磨したものである。
この実施例２に係るウェハ１の中心部におけるキャリアの濃度は２．３３×１０１２ｃｍ−３、比抵抗は２．５９×１０４Ωｃｍ、キャリアの移動度μは１００ｃｍ２／Ｖｓであった。また、正孔ライフタイムτの平均値は５６．２μｓであり、このウェハの中心部におけるμτ積の平均値は５．６２×１０−３ｃｍ２／Ｖとなった。
また、実施例２に係るウェハ１のτマップからは、中心部１１内の全領域の９６．８％でライフタイムτが４５μｓ以上となっていること、ライフタイムの面内ばらつき（σ／Ａｖｅ．）が１２％となっていることがそれぞれ確認できた。
【００２２】
（実施例３）
実施例３に係るウェハ１は、正孔キャリア濃度が２．６５×１０１３ｃｍ−３のＩｎＰウェハを２枚のｐＢＮ製ウェハで挟み込んだ状態にしてアニール炉に格納し、実施例１、２よりも低い温度である５５０℃、２．０ＭＰａの窒素（Ｎ２）雰囲気中で、実施例１と同じ３時間アニール処理し、その後、炉内を１時間未満で室温になるまで徐冷し、鏡面研磨したものである。
この実施例３に係るウェハ１の中心部におけるキャリアの濃度は５．８×１０１２ｃｍ−３、比抵抗は１．３０×１０４Ωｃｍ、キャリアの移動度μは１１０ｃｍ２／Ｖｓであった。また、正孔ライフタイムτの平均値は４７．８μｓであり、このウェハの中心部におけるμτ積の平均値は５．２６×１０−３ｃｍ２／Ｖとなった。
また、実施例３に係るウェハ１のτマップからは、中心部１１内の全領域の９６．９％でライフタイムτが４５μｓ以上となっていること、ライフタイムの面内ばらつき（σ／Ａｖｅ．）が１１．５％となっていることがそれぞれ確認できた。
【００２３】
（実施例４）
実施例４に係るウェハ１は、正孔キャリア濃度が４．８８×１０１３ｃｍ−３のＩｎＰウェハを２枚のｐＢＮ製ウェハで挟み込んだ状態にしてアニール炉に格納し、実施例１、２よりも高い温度である７００℃、２．０ＭＰａの窒素（Ｎ２）雰囲気中で、実施例１と同じ３時間アニール処理し、その後、炉内を１時間未満で室温になるまで徐冷し、鏡面研磨したものである。
この実施例４に係るウェハ１の中心部におけるキャリアの濃度は２．４２×１０１２ｃｍ−３、比抵抗は３．６８×１０４Ωｃｍ、キャリアの移動度μは６７．２ｃｍ２／Ｖｓであった。また、正孔ライフタイムτの平均値は５９．１μｓであり、このウェハの中心部におけるμτ積の平均値は３．９７×１０−３ｃｍ２／Ｖとなった。
また、実施例４に係るウェハ１のτマップからは、中心部１１内の全領域の９７．５％でライフタイムτが４５μｓ以上となっていること、ライフタイムの面内ばらつき（σ／Ａｖｅ．）が１０．３％となっていることがそれぞれ確認できた。
【００２４】
（比較例１）
比較例１に係るウェハは、アニール前の正孔キャリア濃度が実施例１〜４よりも４桁程高い１．６０×１０１７ｃｍ−３のＩｎＰウェハを、アニール処理せずに鏡面研磨したもの（ａｓ−ｇｒｏｗｎ）である。
この比較例１に係るウェハの中心部における比抵抗は０．２６Ωｃｍ、キャリアの移動度は１３０ｃｍ２／Ｖｓであった。また、正孔ライフタイムτの平均値は０．２０４μｓであり、このウェハの中心部におけるμτ積の平均値は２．６５×１０−５ｃｍ２／Ｖとなった。すなわち、比較例１に係るウェハのμτ積の平均値は、放射線検出素子用の基板に求められる１×１０−３ｃｍ２／Ｖを大きく下回った。これは、実施例１〜４に比べ移動度は上昇したものの、ライフタイムが２桁以上小さくなったためであると考えられる。
また、図２（ａ）に示した比較例１に係るウェハのτマップからは、τ値の高い領域は周縁部にのみ分布していて中心部は総じてτ値が低くなっていること、ライフタイムτの面内バラツキ（σ／Ａｖｅ．）が２７．５％となっていること、すなわち、アニール処理しないａｓ−ｇｒｏｗｎのＩｎＰウェハの中心部は、ライフタイムτが不均一となっていることがそれぞれ確認できた。
【００２５】
（比較例２）
比較例２に係るウェハは、正孔キャリア濃度が実施例１，２とほぼ同じ３．９×１０１３ｃｍ−３のＩｎＰウェハをアンプルに収納した状態にしてアニール炉に格納し、温度は実施例１，２と同じ６５０℃であるが、実施例１〜４と異なる０．１ＭＰａのリン（Ｐ）雰囲気中で実施例１，３，４と同じ３時間アニール処理し、その後、炉内を室温になるまで徐冷し、鏡面研磨したものである。
この比較例２に係るウェハの中心部におけるキャリアの濃度は１．００×１０１５ｃｍ−３、比抵抗は４０．０Ωｃｍ、キャリアの移動度は１７０ｃｍ２／Ｖｓであった。また、中心部正孔のライフタイムτの平均値は７．３１×１０−３μｓであり、このウェハの中心部におけるμτ積の平均値は１．２４×１０−６ｃｍ２／Ｖとなった。すなわち、比較例２に係るウェハのμτ積も、放射線検出素子用の基板に求められる１×１０−３ｃｍ２／Ｖを大きく下回った。
また、図２（ｂ）に示した比較例２に係るウェハのτマップからは、正孔ライフタイムτの面内バラツキ（σ／Ａｖｅ．）が１．６４％と低くはなってはいるが、実施例１，２，３，４に係るウェハに比べて全体的にτ値が３桁も低くなっていることが確認できた。
【００２６】
（比較例３）
比較例３に係るウェハは、実施例１〜４、比較例２とほぼ同じ正孔キャリア濃度（３．６×１０１３ｃｍ−３）のＩｎＰウェハをアニールせずに鏡面研磨したもの（ａｓ−ｇｒｏｗｎ）である。
この比較例３に係るウェハの中心部における比抵抗は２．１０×１０３Ωｃｍ、キャリアの移動度は１１０ｃｍ２／Ｖｓであった。また、中心部の正孔ライフタイムτの平均値は５１，７μｓであり、中心部のμτ積の平均値は５．６８×１０−３ｃｍ２／Ｖとなった。すなわち、比較例３に係るウェハのμτ積の平均値は、実施例１〜４に係るウェハと同程度の値となった。
しかし、図２（ｃ）に示した比較例３に係るウェハのτマップからは、外周５ｍｍを除く中心部の複数個所（例えば主面の中心近傍）にτ値が４５μｓ未満の領域Ｌが存在しており、ウェハ中心でτ≧４５μｓを越える領域は８０．１％となった。また、ウェハ中心部１１のライフタイムの面内ばらつき（σ／Ａｖｅ．）が１４．９％と、高い値を示すことがそれぞれ確認できた。
【００２７】
以上の結果から、比較例１のように、キャリア濃度が１．０×１０１４ｃｍ−３を越えるような高キャリア濃度のウェハは、ライフタイムが短かくなる結果となった。また、比較例２のウェハのように、キャリア濃度は比較例１と同程度であっても、リンなどの原料元素雰囲気中でアニールしたものについても、ライフタイムが短くなる結果となった。また、比較例３のウェハのように、キャリア濃度は比較例１〜４と同程度であっても、アニール処理を行わないことにより、τ値の高い部位が実施例１〜４に比べて多くなっても、基板を切り出す中心部にτ値の低い部位が見受けられる結果となった。これに対し、実施例１〜４に係るウェハは、放射線検出素子として求められる高いμτ積と、歩留まりを向上させるために必要なバラツキの少なさを共に具備していた。
【００２８】
以上、本発明を実施形態に基づいて具体的に説明してきたが、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。
例えば、上記実施形態では不活性ガスとしてＮ２ガスを用いたが、アルゴンガス等を用いてもよい。
【符号の説明】
【００２９】
１      ＩｎＰウェハ
１１    中心部
１２    周縁部
【図１】
0006396245.tif 000002
【図２】
0006396245.tif 000003
【図３】
0006396245.tif 000004