(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板が収納された成長容器と、当該成長容器の上部に配置された原料容器とを有し、前記原料容器及び成長容器の温度を制御しつつ原料容器に収容された液状原料を前記成長容器内に供給して前記基板表面に原料物質の結晶をエピタキシャル成長させる液相エピタキシャル成長装置であって、
前記原料容器内の液状原料中に浮游する固体原料を液状原料中に埋没させる固体原料埋没装置を有し、
前記成長容器は、その内部に多数の基板が略垂直に立てられ、互いに所定の距離をおいて平行に配置されて収納される成長室を有し、当該成長室の天井部に液状原料を導入する原料導入口が形成されたものであり、
前記成長室の原料導入口は、当該成長室に配置された基板の主表面に平行な方向に沿った細長いスリット状をなし、
前記成長室に配置されている基板は、互いに間隔をおいて配置された多数の基板保持板に保持され、かつ、前記多数の基板保持板の内の２枚の基板保持板の相対向面には基板は保持されておらず、かつ、前記２枚の基板保持板の互いの間隙の中心を当該原料導入口の真下に位置させることで、前記原料導入口の直下には、前記基板が配置されていないことを特徴とする液相エピタキシャル成長装置。
【請求項２】
請求項１に記載の液相エピタキシャル成長装置を用いた液相エピタキシャル成長方法であって、
前記原料容器内で、液状原料中に浮游する固体原料を液状原料中に埋没させた後、
前記原料容器から、前記成長室内への液状原料の導入の際、当該液状原料を、導入途中では直接基板に接触させず、
原料排出時には、前記シャッターを移動し、当該成長室の下半分の領域に渡って解放して排出することを特徴とする液相エピタキシャル成長方法。
【請求項３】
請求項２に記載の液相エピタキシャル成長方法において、前記原料が、Ｇａ、Ａｓ、Ａｌを含むものであり、前記基板がＧａＡｓのウエハであることを特徴とする液相エピタキシャル成長方法。
【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（ＬＥＤ）等の半導体素子の製造の際に用いられる液相エピタキシャル成長方法及びその装置並びに発光ダイオード用ウエハー及び発光ダイオードに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１０は従来の液相エピタキシャル成長装置の縦断面図、図１１は図１０におけるＸＩーＸＩ線断面図である。これらの図において、成長容器１には成長室２が形成されており、多数の基板保持板１０１と基板１１０とが２本の基板保持棒２１ａ，２１ｂによって保持されて収納されている。また、この成長容器１の上部には該上部表面上を密接して摺動可能に原料容器３が設けられている。成長室２の天井部には液状の原料を導入する原料導入口２ａが形成され、また、その底部には原料排出口２ｂが形成されている。なお、この原料排出口２ｂはシャッター４によって開閉自在に構成されている。
【０００３】
さらに、原料容器３は３つの独立した原料収容室３１，３２，３３を有しており、それぞれの底部は開口されて原料供給口３１ａ，３２ａ，３３ａとされて常時は前記成長容器１の上部表面に当接されることによって塞がれており、前記原料容器３を移動して原料供給口３１ａ，３２ａ，３３ａと前記成長室の原料導入口２ａとが一致したときにそれぞれの原料収容室内の液状原料が成長室２内に供給されるようになっている。
【０００４】
また、それぞれの原料収容室の上部は開口されて原料補給口３１ｂ，３２ｂ，３３ｂが形成され、これらにそれぞれ開閉自在な蓋体３１ｃ，３２ｃ，３３ｃが取付けられている。なお、成長容器１及び原料容器３は、図示しない石英等の炉芯管内に設置され、その炉芯管は熱処理炉内に収容されている。さらに、必要に応じてこれら成長容器１及び原料容器３にはこれらを所定の温度に設定するための図示しない温度制御装置等が設けられる。
【０００５】
上述の装置によって、例えば、基板１１０としてＧａＡｓウエハを用い、原料としてＧａ、ＧａＡｓ、Ａｌ及び不純物（Ｚｎ，Ｍｇ，Ｔｅ等）を用いてＡｌＧａＡｓダブルヘテロ構造発光ダイオードを製造する場合には、以下の手順で行う。まず、原料収容室３１，３２，３３にＧａ（３０°Ｃ以上で液体）、ＧａＡｓ（固体）、Ａｌ（固体）及び不純物（Ｚｎ，Ｍｇ，Ｔｅ等→固体）を投入する。この場合、原料収容室３１にはＰ型クラッド層用の原料（不純物としてＺｎ又はＭｇ等を加えたもの）、原料収容室３２にはＰ型活性層用の原料、原料収容室３３にはＮ型クラッド層用の原料（不純物としてＴｅ等を加えたもの）がそれぞれ投入される。
【０００６】
次に、炉芯管内を所定の温度及び雰囲気に設定する。原料容器３の温度が所定の温度になったときに移動して原料供給口３１ａと成長室の原料導入口２ａとを一致させて液状原料を成長室に導入する。次いで、成長容器１の温度を下げてＧａＡｓウエハにＰ型クラッド層をエピキタキシャル成長させる。成長が終了したらシャッター４を開いて不用になった液状原料を排出し、しかる後にシャッター４をとじておく。同様にして原料収容室３２及び３３の液状原料を順次成長室２内に導入し、エピタキシャル成長させてＡｌＧａＡｓダブルヘテロ構造発光ダイオードを得る。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述の従来の装置では、以下の欠点のあることがわかった。
▲１▼原料収容室内においては、Ｇａ溶液（溶媒）に、固体のＧａＡｓ、Ａｌ及び不純物（溶質）が所定の割合で溶けることによって所定の組成の液状原料が形成されるが、液状原料の上部と下部とで組成割合が異なってしまう場合があった。すなわち、液状原料の下部で溶質濃度が低くなる場合があった。その場合には、溶質濃度の低い液状原料が先に成長室に導入されることになり、基板の一部を瞬間的に溶解することになって、良好なエピタキシャル成長を阻害する場合がある。
【０００８】
▲２▼原料収容室から成長室に液状原料を導入する際、液状原料が成長室全体に満たされる前に液状原料が飛散して先に基板表面に付着する場合があり、その場合には飛散して先に付着した箇所で異常成長が起こり易く、これがために良質なエピタキシャル成長を阻害する場合がある。
▲３▼基板表面に、Ｐ型クラッド層、Ｐ型活性層及びＮ型クラッド層を順次成長させていく際、各層の境界部にそれぞれの層を形成するための液状原料が混合された液状原料によって成長した層が形成されてしまう場合があり、所望の成長層が得られない場合がある。特に、発光部となるＰ型活性層とＮ型クラッド層の界面でこの様な層が形成されると、発光ダイオードの特性に大きく影響を及ぼす場合があり、発光半値幅の増大や電流電圧特性に異常をきたす原因になるおそれもある。
【０００９】
本発明者等の研究によれば、上記▲１▼の原因は、固体のＧａＡｓ、Ａｌ及び不純物（溶質）の比重がＧａ溶液（溶媒）の比重より小さい。このため、図１２に示すように、溶質が液状原料の上部に浮いた状態になり、これがため、液状原料の下部に溶質濃度の低い部分が生ずることがわかった。
【００１０】
また、上述の▲２▼の点については、成長室２の天井部に形成されている原料導入口２ａが必要以上に大きいとともに、液状原料が落下する部位にも基板が配置されていることが原因であることがわかった。
【００１１】
さらに、上述の▲３▼の点については、前の層を形成した液状原料が十分に排出されないことが原因であることがわかった。すなわち、原料排出口２ｂの大きさが不十分であると共に、その形状にも問題があることがわかった。
【００１２】
本発明は、上述の解明結果に基づいてなされたものであり、良質なエピタキシャル層を再現性良く成長させることが可能な液相エピタキシャル成長方法及びその装置並びに上記方法及び装置を用いて製造した発光ダイオード用ウエハー及び発光ダイオードを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための手段として、第１の発明は、
所定の処理条件に設定された処理領域内において、基板が収納された成長容器に、液状原料を収容した原料容器から液状原料を供給して前記基板表面に原料物質の結晶をエピタキシャル成長させる液相エピタキシャル成長方法において、
前記原料容器内の液状原料中に浮游する固体原料を固体原料埋没手段によって液状原料中に埋没させる操作を行うことを特徴とする液相エピタキシャル成長方法である。
【００１４】
第２の発明は、
第１の発明にかかる液相エピタキシャル成長方法において、
前記原料が、Ｇａ、Ａｓ、Ａｌを含むものであり、前記基板がＧａＡｓのウエハであることを特徴とする液相エピタキシャル成長方法である。
【００１５】
第３の発明は、
基板が収納された成長容器と、この成長容器の上部に配置された原料容器とを有し、前記原料容器及び成長容器の温度を制御しつつ原料容器に収容された液状原料を前記成長容器内に供給して前記基板表面に原料物質の結晶をエピタキシャル成長させる液相エピタキシャル成長装置において、
前記原料容器内の液状原料中に浮游する固体原料を液状原料中に埋没させる固体原料埋没装置を有することを特徴とする液相エピタキシャル成長装置である。
【００１６】
第４の発明は、
第３の発明にかかる液相エピタキシャル成長装置において、
前記固体原料埋没装置は、固体原料を通過させずに液状原料のみを通過させる網状体を備えたものであり、該網状体を液状原料中に埋没させることによって固体原料を該網状体によって液状原料中に埋没させるものであることを特徴とする液相エピタキシャル成長装置である。
【００１７】
第５の発明は、
第３又は第４の発明にかかる液相エピタキシャル成長装置において、
前記成長容器は、その内部に多数の基板が略垂直に立てられて互いに所定の距離をおいて平行に配置されて収納される成長室を有し、この成長室の天井部に液状原料を導入する原料導入口が、底部に液状原料を排出する原料排出口がそれぞれ形成されたものであり、
前記原料容器は、前記成長容器の上部に該上部表面上をその底部が密接して摺動可能なように設置されていると共に、複数の独立した原料収容室を有し、これら各々の原料収容室の底部は開口されて原料供給口とされて常時は前記成長容器の上部表面に当接されることによって塞がれており、前記原料容器を移動して原料供給口と前記成長室の原料導入口とが一致したときに原料収容室内の液状原料を前記成長室に供給するものであることを特徴とする液相エピタキシャル成長装置である。
【００１８】
第６の発明は、
基板が収納された成長容器と、この成長容器の上部に配置された原料容器とを有し、前記原料容器及び成長容器の温度を制御しつつ原料容器に収容された液状原料を前記成長容器内に供給して前記基板表面に原料物質の結晶をエピタキシャル成長させる液相エピタキシャル成長装置であって、
前記成長容器は、その内部に多数の基板が略垂直に立てられて互いに所定の距離をおいて平行に配置されて収納される成長室を有し、この成長室の天井部に液状原料を導入する原料導入口が、底部に液状原料を排出する原料排出口がそれぞれ形成されたものであり、
前記原料容器は、前記成長容器の上部に該上部表面上をその底部が密接して摺動可能なように設置されていると共に、複数の独立した原料収容室を有し、これら各々の原料収容室の底部は開口されて原料供給口とされて常時は前記成長容器の上部表面に当接されることによって塞がれており、前記原料容器を移動して原料供給口と前記成長室の原料導入口とが一致したときに原料収容室内の液状原料を前記成長室に供給するものである液相エピタキシャル成長装置において、
前記成長室は、前記原料導入口から導入される原料が導入途中では直接基板に接触しないように該導入口の直下には基板を配置しないようにしたものであることを特徴とする液相エピタキシャル成長装置である。
【００１９】
第７の発明は、
第５又は第６の発明にかかる液相エピタキシャル成長装置において、
前記成長室の原料導入口は、前記成長室に配置された基板の主表面に平行な方向に沿った細長いスリット状をなしたものであることを特徴とする液相エピタキシャル成長装置である。
【００２０】
第８の発明は、
第５ないし第７のいずれかの発明にかかる液相エピタキシャル成長装置において、
前記成長室の原料排出口は、前記成長室底部の１／３以上が開口される構造になっていることを特徴とする液相エピタキシャル成長装置である。
【００２１】
第９の発明は、
ＧａＡｓウエハー上に、Ｇａ及びＡｓを構成元素に含む複数の半導体層を順次エピタキシャル成長によって形成させてなる発光ダイオード用ウエハーであって、
前記複数の半導体層を、第１又は第２の発明にかかる液相エピタキシャル製造方法及び／又は第３ないし第８のいずれかの発明にかかる液相エピタキシャル製造装置を用いて形成させたものであることを特徴とする発光ダイオード用ウエハーである。
【００２２】
第１０の発明は、
第９の発明にかかる発光ダイオード用ウエハーを切断してチップ状に形成したことを特徴とする発光ダイオードである。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施の形態にかかる液相エピタキシャル成長装置の縦断面図、図２は図１におけるＩＩーＩＩ線断面図、図３は図１におけるＩＩＩーＩＩＩ線断面図、図４は図１におけるＩＶーＩＶ線断面図、図５は図１におけるＶーＶ線断面図、図６は図１におけるＶＩーＶＩ線断面図、図７は図２におけるＶＩＩーＶＩＩ線断面図である。以下、これらの図面を参照にしながら本発明の実施の形態にかかる液相エピタキシャル成長方法及びその装置を説明する。なお、本実施の形態の形態にかかる液相エピタキシャル成長装置は、図１０に示した従来の装置と共通する部分が多いので、共通する部分には同一の符号を付し、その詳細説明の一部を省略して説明する。
【００２４】
図において、成長容器１には成長室２が形成されており、この成長室２内には多数の基板保持板１０１と２枚の基板保持板１０２とが多数の基板１１０とともに２本の基板保持棒２０１ａ，２０１ｂによって保持されて収納されている。
【００２５】
基板保持板１０２は、ウエハー１１０が保持されていない面が相対向するようにし、かつ、互いの間隙を他の保持板相互の間隙よりも大きくとり、その間隙の中心が後述する原料導入口の真下に位置するようにして基板保持棒２０１ａ，２０１ｂによって保持されるようになっている。これにより、液状原料が導入される際に液状原料の飛散物が直接ウエハーに付着しないようにしている。
【００２６】
成長室２の天井部には液状の原料を導入する原料導入口２ａが形成され、また、その底部には原料排出口２ｂが形成されている。原料導入口２ａはその長軸が上記基板保持板１０１の表面と略平行なスリット状の開口（導入口の断面形状）をなしている。この実施の形態では、開口部の寸法を幅８ｍｍ、長さ２５ｍｍとした。なお、この開口部の形状は楕円形状であってもよい。スリット状にしたことにより、原料導入を比較的ゆっくり行うと共に、導入される原料が直接ウエハーに接触したり、飛散した原料がウエハーに付着することがないようにしている。
【００２７】
原料排出口２ｂは成長室２の下部に成長室のほぼ半分の領域に渡って解放されるように大きく形成されている。なお、この原料排出口２ｂの大きさは、使用済み原料を速やかにかつ完全に排出できるように、成長室の底部の１／３以上の大きさであることが望ましい。また、原料排出口２ｂは、シャッター４によって開閉自在に構成されている。シャッター４は、エピタキシャル成長を行うときは、図１及び図２に示されるように成長室２を密閉するようになっている。
【００２８】
また、エピタキシャル成長が終了した原料を排出する際には、図１の矢印で示した方向に移動させ、成長室２の下部を成長室のほぼ半分の領域に渡って解放させる。図７はシャッター４が閉じている状態での図２におけるＶＩＩーＶＩＩ線断面図、図８はシャッター４を開いた状態での図２におけるＩーＩ線断面図、図９はシャッター４が開いている状態での図２におけるＶＩＩーＶＩＩ線断面図である。
【００２９】
シャッター４は、図１及び図７に示される位置から、成長容器１中に固定されたガイド支柱１１，１２に沿って移動し、図８及び図９に示される位置に設定される。図７及び図９に示されるように、シャッター４は原料排出位置では、原料排出口２ｂの開口部の全部（成長室２の下部半分）を解放し、原料を極めて迅速にかつ完全に排出できるようになっている。
【００３０】
成長容器１の上部には該上部表面上を密接して摺動可能に原料容器３が設けられている。原料容器３は３つの独立した原料収容室３１，３２，３３を有しており、それぞれの底部は開口されて原料供給口３１ａ，３２ａ，３３ａとされて常時は前記成長容器１の上部表面に当接されることによって塞がれており、前記原料容器３を移動して原料供給口３１ａ，３２ａ，３３ａと前記成長室の原料導入口２ａとが一致したときにそれぞれの原料収容室内の液状原料が成長室２内に供給されるようになっている。
【００３１】
また、それぞれの原料収容室の上部は開口されて原料補給口３１ｂ，３２ｂ，３３ｂが形成され、これらにそれぞれ開閉自在な蓋体３１ｃ，３２ｃ，３３ｃが取付けられている。蓋体３１ｃ，３２ｃ，３３ｃには、それぞれ２本の支持棒３１ｄ，３２ｄ，３３ｄがこれら蓋体の内表面に略直角に取り付けられている。支持棒３１ｄの先端部には網状体３１ｅが固定されている。この網状体３１ｅは、液状原料５中に浮游する固体状の原料５１を液状原料の下部に沈めるものである。したがって、その網目の細かさは固体状原料５１の大部分を通過させない大きさであればよい。なお、網状体３１ｅの代わりに同様の機能を有する他の部材、例えば、カーボン板に多数の貫通孔を形成したもの等を用いてもよい。
【００３２】
なお、成長容器１及び原料容器３は、図示しない石英等の炉芯管内に設置され、その炉芯管は熱処理炉内に収容されている。さらに、必要に応じてこれら成長容器１及び原料容器３にはこれらを所定の温度に設定するための図示しない温度制御装置等が設けられる。また、成長容器１及び原料容器３等を構成する材料は、液状原料５が付着せず、かつ反応しない材料、例えば、カーボン、あるいは、ｐーＢＮ（焦性窒化ホウ素）等を用いることができる。
【００３３】
上述の装置によって、例えば、ウエハー１１０としてＧａＡｓウエハーを用い、原料としてＧａ、ＧａＡｓ、Ａｌ及び不純物（Ｚｎ，Ｍｇ，Ｔｅ等）を用いてＡｌＧａＡｓダブルヘテロ構造発光ダイオードを製造する場合には、以下の手順で行う。まず、原料収容室３１，３２，３３にＧａ（３０°Ｃ以上で液体）、ＧａＡｓ（固体）、Ａｌ（固体）及び不純物（Ｚｎ，Ｍｇ，Ｔｅ等→固体）を投入する。この場合、原料収容室３１にはＰ型クラッド層用の原料（不純物としてＺｎ又はＭｇ等を加えたもの）、原料収容室３２にはＰ型活性層用の原料、原料収容室３３にはＮ型クラッド層用の原料（不純物としてＴｅ等を加えたもの）がそれぞれ投入される。次いで、蓋体３１ｃ，３２ｃ，３３ｃをして、固体状原料５１が液状原料５の下部に保持されるようにする。
【００３４】
次に、炉芯管内を９２０°Ｃで１時間保持する。次に、原料容器３を移動して原料供給口３１ａと成長室の原料導入口２ａとを一致させて液状原料を成長室に約２０秒で導入する。次いで、成長容器１の温度を０．１〜２．０°Ｃ／ｍｉｎの速度で下げてＧａＡｓウエハにＰ型クラッド層をエピキタキシャル成長させる。成長が終了したらシャッター４を開いて不用になった液状原料を排出し、しかる後にシャッター４をとじておく。同様にして原料収容室３２及び３３の液状原料を順次成長室２内に導入し、エピタキシャル成長させてＡｌＧａＡｓダブルヘテロ構造発光ダイオード用ウエハーを得る。
【００３５】
次に、こうして得られたＡｌＧａＡｓダブルヘテロ構造発光ダイオード用ウエハーを、０．３〜０．５ｍｍ角の大きさのチップ状に切断してＡｌＧａＡｓダブルヘテロ構造発光ダイオードを得る。なお、実際には、このチップ状の発光ダイオードは、所定の取り付け台等にマウントされて発光ダイオード製品に仕上げられる。
【００３６】
上述の実施の形態にかかる装置及び方法によれば、原料収容室内の液状原料の濃度を極めて均一に保つことができ、また、成長室に液状原料を導入する際に、ウエハーの一部を溶解したり、原料の飛散物がウエハーに付着したりすることがなく、さらには、エピタキシャル成長が終了した後の原料排出はほぼ完全に行なわれることが確認されている。これにより、良質なエピタキシャル層を再現性良く成長させることが可能になった。
【００３７】
なお、上述の実施例では、液状原料が導入される際に液状原料の飛散物が直接ウエハーに付着しないようにするために、原料導入口が２枚の基板保持板１０２の中間部に位置するようにしたが、原料導入口が成長室のいずれかの端部に位置するようにして、液状原料の飛散物が直接ウエハーに付着しないようにしてもよい。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、原料容器内の液状原料中に浮游する固体原料を固体原料埋没手段によって液状原料中に埋没させるようにし、また、成長室に導入される原料が導入途中では直接基板に接触しないように該導入口の直下には基板を配置しないようにし、さらには、成長室の原料排出口を成長室底部の１／３以上の大きさにして使用済みの原料が速やかに完全に排出されるようにしたことによって、良質なエピタキシャル層を再現性良く成長させることを可能にしたものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態にかかる液相エピタキシャル成長装置の縦断面図である。
【図２】図１におけるＩＩーＩＩ線断面図である。
【図３】図１におけるＩＩＩーＩＩＩ線断面図である。
【図４】図１におけるＩＶーＩＶ線断面図である。
【図５】図１におけるＶーＶ線断面図である。
【図６】図１におけるＶＩーＶＩ線断面図である。
【図７】シャッター４が閉じている状態での図２におけるＶＩＩーＶＩＩ線断面図である。
【図８】シャッター４を開いた状態での図２におけるＩーＩ線断面図である。
【図９】シャッター４が開いている状態での図２におけるＶＩＩーＶＩＩ線断面図である。
【図１０】従来の液相エピタキシャル成長装置の縦断面図である。
【図１１】図１０におけるＸＩーＸＩ線断面図である。
【図１２】従来の液相エピタキシャル成長装置の説明図である。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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