(57)【要約】【課題】  Ｚｎドープエピタキシャル層を成長した後に反応炉の壁面にＺｎを残さない化合物半導体エピタキシャル成長装置を提供することにある。【解決手段】  一定の減圧状態に保たれた加熱状態にある反応炉２内に半導体基板３をセットし、この反応炉内に、有機金属の蒸気であるIII族ガス、Ｖ族ガス、ドーピング原料をキャリアガスに含有させて送り込み、これらの原料ガスを半導体基板３上で熱分解及び化学反応させて、基板３上に化合物半導体結晶を気相成長する化合物半導体エピタキシャル成長装置において、反応炉の筐体部２０に形成した冷却水流路２３を水温制御が可能な冷却水ユニット３０と接続し、反応炉の筐体部２０を保冷するために流している冷却水の水温を常温（＝２３℃）より高く、具体的にはほぼ４０℃以上に、好ましくはほぼ４０℃に保つ。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一定の減圧状態に保たれた加熱状態にある反応炉内に結晶基板をセットし、この反応炉内に、有機金属の蒸気であるIII族ガス、Ｖ族ガス、ドーピング原料をキャリアガスに含有させて送り込み、これらの原料ガスを結晶基板上で熱分解及び化学反応させて、基板上に化合物半導体結晶を気相成長する化合物半導体エピタキシャル成長装置において、
反応炉の筐体部に形成した冷却水流路を水温制御が可能な冷却水ユニットと接続し、反応炉の筐体部を保冷するために流している冷却水の水温を２３℃より高くしたことを特徴とする化合物半導体エピタキシャル成長装置。
【請求項２】
請求項１記載の化合物半導体エピタキシャル成長装置において、
上記冷却水の水温を４０℃以上に設定したことを特徴とする化合物半導体エピタキシャル成長装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の化合物半導体エピタキシャル成長装置において、
上記基板上に気相成長する化合物半導体結晶がＺｎをドープしたＧａＡｓであることを特徴とする化合物半導体エピタキシャル成長装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化合物半導体エピタキシャル成長装置、特にその反応炉の筐体部の保冷に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
化合物半導体の薄膜結晶を有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）で結晶基板上にエピタキシャル成長させるときは、一定の減圧状態に保たれた加熱状態にある反応炉内に結晶基板をセットし、この反応炉内に、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）やトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）などの有機金属の蒸気（III族ガス）とアルシンガスなど（Ｖ族ガス）とジエチルジンクなど（ドーピング原料）をキャリアガスに含有させて送り込み、これらの原料ガスを結晶基板上で熱分解及び化学反応させて行われる。
【０００３】
このとき、反応炉の筐体部が加熱されて変形してしまうことを防ぐために、反応炉の筐体部の外周部に常温の冷却水を循環させて反応炉の筐体部を保冷している（例えば、特許文献１、２、３参照）。
【特許文献１】特開平６−２０９５５号公報
【特許文献２】特公平０６−０２８２４０号公報
【特許文献３】特開平１１−２５１３０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来技術において、Ｚｎ（亜鉛）をドーピングしたエピタキシャル層をエピタキシャル成長すると、反応炉の壁面にＺｎが吸着してしまう。この状態で、次に何もドーピングしないエピタキシャル層（アンドープエピタキシャル層）をエピタキシャル成長すると、反応炉の壁面に吸着したＺｎが蒸発して、成長中のエピタキシャル層中に取り込まれてしまうという問題がある。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、Ｚｎドープエピタキシャル層を成長した後に反応炉の壁面にＺｎを残さない化合物半導体エピタキシャル成長装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。
【０００７】
請求項１の発明に係る化合物半導体エピタキシャル成長装置は、一定の減圧状態に保たれた加熱状態にある反応炉内に結晶基板をセットし、この反応炉内に、有機金属の蒸気であるIII族ガス、Ｖ族ガス、ドーピング原料をキャリアガスに含有させて送り込み、これらの原料ガスを結晶基板上で熱分解及び化学反応させて、基板上に化合物半導体結晶を気相成長する化合物半導体エピタキシャル成長装置において、反応炉の筐体部に形成した冷却水流路を水温制御が可能な冷却水ユニットと接続し、反応炉の筐体部を保冷するために流している冷却水の水温を２３℃より高くしたことを特徴とする。
【０００８】
請求項２の発明は、請求項１記載の化合物半導体エピタキシャル成長装置において、上記冷却水の水温を４０℃以上、好ましくは４０℃に設定したことを特徴とする。
【０００９】
請求項３の発明は、請求項１又は２記載の化合物半導体エピタキシャル成長装置において、上記基板上に気相成長する化合物半導体結晶がＺｎをドープしたＧａＡｓであることを特徴とする。
【００１０】
＜発明の要点＞
本発明の要点は、Ｚｎドープエピタキシャル層をエピタキシャル成長した後に、反応炉の壁面にＺｎが付着してしまうことを防ぐため、反応炉の筐体部の外周部に常温（＝２３℃）より高い水温の冷却水を流し、反応炉の筐体部の温度を常温より高く保つことである。具体的には、冷却水の水温をほぼ４０℃以上、好ましくはほぼ４０℃に設定する。このように設定された化合物半導体エピタキシャル成長装置を使用すると、Ｚｎドープエピタキシャル層を成長しても成長後の反応炉内にＺｎが殆ど残らなくなる。
【００１１】
最近のレーザダイオード（ＬＤ）や発光ダイオード（ＬＥＤ）といった半導体発光素子では、その最上層にＺｎを高濃度にドープしたＧａＡｓのキャップ層を設けたり、ｐ型クラッド層等のドーパントにＺｎを用いることが行われている。従って、本発明は、このようなＺｎドープ層をＭＯＣＶＤ法でエピタキシャル成長する場合に、エピタキシャル成長後の反応炉内にＺｎを残さない技術として重要となる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の化合物半導体エピタキシャル成長装置を使用して、冷却水の水温を常温より高く、具体的にはほぼ４０℃以上に保つことにより、Ｚｎドープエピタキシャル層を成長しても成長後の反応炉内にＺｎが顕著には残らなくなる。従って、次にアンドープ層をエピタキシャル成長した場合に、従来の反応炉の壁面に吸着したＺｎが蒸発して、成長中のエピタキシャル層中に多量に取り込まれてしまうという問題を解決することができる。
【００１３】
本発明は、冷却水の水温を常温より高く、好ましくは４０℃以上に保つという非常に簡易な手段により、Ｚｎのメモリー効果を低減できるという優れた効果を発揮する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。
【００１５】
本発明の実施形態に係るＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長）法を用いて化合物半導体エピタキシャル成長装置の全体構成を図１に、また、この化合物半導体製造装置の主体をなす反応炉の構成を図２に示す。
【００１６】
図１に示すように、化合物半導体エピタキシャル成長装置は、シリンダーキャビネット１、反応炉２、排気系５により構成されている。シリンダーキャビネット１には原料ガスボンベ６が設置され、反応炉２には原料ガスボンベ６から原料ガスが供給される。
【００１７】
反応炉２には、その筐体部２０内に図２に示す如く反応管１０が設置されており、成長時には反応管１０に、基板３をセットした状態のサセプタ４を図２の如く配置し、ヒータ１２により加熱する。そして、反応管１０内に原料ガスを供給することで、原料ガスが熱分解して基板３上に結晶成長する。成長に寄与しなかった原料ガスは、排気系５により反応炉２外に排出される。
【００１８】
詳述するに、図２に示す成長装置は、原料ガス供給口１０ａからガス排気口１０ｂへ原料ガスが流通する反応管１０の上部壁に板状のサセプタ４を設け、これをモータで回転可能に構成すると共に、このサセプタ４に周方向に複数個設けた開口部１５内に半導体基板３の表面を下向きに収納し、下面を露出させた状態で支持すると共に、上記基板３を加熱する加熱源たるヒータ１２に面して前記開口部１５に均熱板９をはめ込んだエピタキシャル成長装置である。
【００１９】
反応炉２の筐体部２０には、図４に示す如く冷却水を循環させる冷却水流路２３が形成されており、この冷却水流路２３の冷却水入口２１と冷却水出口２２は、図１に示すように配管４１、４２により、水温制御が可能な冷却水ユニット３０の冷却水出口３１と冷却水入口３２に接続されている。この冷却水ユニット３０は、冷却水を反応炉２の筐体部２０に設けた冷却水流路２３へ流し、循環させた後、これを回収し冷却して再び送り出すことにより、反応炉２を連続的に冷却し、一定温度に保持する。すなわち、冷却水ユニット３０は、水温制御装置としての機能を有する。この冷却水の温度は、図３に示すように、冷却水ユニット３０の冷却水出口３１側で測定される温度である。
【００２０】
本発明に従い、この冷却水の温度は、冷却水ユニット３０の水温制御装置による機能により、常温（＝２３℃）より高く保持される。具体的には、ほぼ４０℃以上、好ましくはほぼ４０℃に保持される。このようにすると、Ｚｎドープ層をエピタキシャル成長しても成長後の反応炉内にＺｎが殆ど残らなくなる。
【００２１】
＜試作例＞
本発明の効果を確認するため、次のように従来技術と本実施形態の装置を用いて、ＧａＡｓエピタキシャル層を成長する試作を行った。
【００２２】
従来技術の装置による試作例は、従来の化合物半導体エピタキシャル成長装置（冷却水温度２３℃）で、図５に示すアンドープＧａＡｓエピタキシャル層と図６に示すＺｎドープＧａＡｓエピタキシャル層を、図７で示すフロー（１）〜（５）に従い、交互にエピタキシャル成長することにより作製した。得られたアンドープＧａＡｓエピタキシャル層のキャリア濃度を調べた。
【００２３】
また、本実施形態（本発明）の装置による試作例は、化合物半導体エピタキシャル成長装置（冷却水温度４０℃）で、同様に図５に示すアンドープＧａＡｓエピタキシャル層と図６に示すＺｎドープＧａＡｓエピタキシャル層を、図７で示すフロー（１）〜（５）に従い、交互にエピタキシャル成長することにより作製した。得られたアンドープＧａＡｓエピタキシャル層のキャリア濃度を調べた。
【００２４】
従来技術の試作例と本実施形態（本発明）の装置による試作例について、それぞれキャリア濃度を調べた結果を表１に纏める。
【表１】
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【００２５】
表１より、従来技術の装置による試作例では、ＺｎドープＧａＡｓエピタキシャル層の成長後で成長したアンドープＧａＡｓエピタキシャル層（図７ステップ（３）（５））のキャリア濃度が、最初に成長したアンドープＧａＡｓエピタキシャル層（図７ステップ（１））のキャリア濃度より、７．0×１０16ｃｍ-3程度高くなっている。これは、反応炉内に残留したＺｎがドーピングされたものと考える。
【００２６】
一方、本発明の装置を使った試作例においては、最初に成長したアンドープＧａＡｓエピタキシャル層（図７ステップ（１））のキャリア濃度と、ＺｎドープＧａＡｓエピタキシャル層の成長後に成長したアンドープＧａＡｓエピタキシャル層（図７ステップ（３）（５））のキャリア濃度が同レベルである。
【００２７】
＜最適条件についての根拠＞
次に、上記冷却水の温度を２３℃（常温）、３０℃、３５℃、４０℃、４５℃、５０℃と変化させて、キャリア濃度がどのように変化するかを調べた。この冷却水温の変化による、ＺｎドープＧａＡｓエピタキシャル層の成長後のアンドープＧａＡｓエピタキシャル層のキャリア濃度の推移を、下記表２に纏める。
【表２】
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【００２８】
表２より、冷却水温が２３℃（常温）では１．２３×１０17ｃｍ-3と多かったキャリア濃度は、冷却水温が３０℃以降では一桁小さい値となり、４０℃付近から上の温度では、ほぼ５×１０16ｃｍ-3台に安定した値となる。よって、冷却水温を４０℃以上にすれば、キャリア濃度がＺｎの影響を受けないことがわかる。
【００２９】
一方、もともと装置保護の目的で冷却水を流しており、冷却水温が高温になるとこの目的をはたせなくなる。よって、冷却水温は４０℃が最適である。
【００３０】
結論として、上記表１の本発明の試作例の通り、冷却水の水温を４０℃にすれば、ＺｎドープＧａＡｓエピタキシャル層の成長後にアンドープＧａＡｓエピタキシャル層を成長してもキャリア濃度は変わらない（Ｚｎはドーピングされない）。よって、冷却水の水温は４０℃が最適である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の化合物半導体エピタキシャル成長装置を示す概略図である。
【図２】図１の化合物半導体エピタキシャル成長装置の反応炉の構成を示す概略図である。
【図３】図１の化合物半導体エピタキシャル成長装置の反応炉と冷却ユニットとの関係を示した概略図である。
【図４】図１の化合物半導体エピタキシャル成長装置の反応炉の筐体部に設けられる冷却水流路を示した概略図である。
【図５】試作例で成長するアンドープＧａＡｓエピタキシャル層の構造を示す図である。
【図６】試作例で成長するＺｎドープＧａＡｓエピタキシャル層の構造を示す図である。
【図７】図５に示すアンドープ層と図６に示すＺｎドープ層を交互にエピタキシャル成長するフローを示した図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  シリンダーキャビネット
２  反応炉
３  基板
４  サセプタ
５  排気系
６  ガスボンベ
７  気孔
８  基板支持部
９  均熱板
１０  反応管
１０ａ  原料ガス供給口
１０ｂ  ガス排気口
１２  ヒータ
１４  自転型ホルダ
１５  開口部
２０  筐体部
２１  冷却水入口
２２  冷却水出口
２３  冷却水流路
３０  冷却水ユニット
３１  冷却水出口
３２  冷却水入口
４１、４２  配管
【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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