專利名稱：添加硅的砷化鎵單結(jié)晶基板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及采用垂直布里奇曼法、垂直溫度梯度凝固法制備的添加硅的砷化鎵(GaAs)單結(jié)晶基板，尤其是關(guān)于制作LED、激光二極管等光裝置時(shí)，作為基板使用的、采用垂直布里奇曼法、垂直溫度梯度凝固法制備的添加硅的砷化鎵單結(jié)晶基板。
背景技術(shù)：
作為基板使用的砷化鎵(以下記作GaAs)等化合物半導(dǎo)體單結(jié)晶，一直以來，通過采用水平布里奇曼法(HB法)、液體封閉上引法(LEC法)、垂直布里奇曼法(VB法)及垂直溫度梯度凝固法(VGF法)等各種工業(yè)方法來制備(如參考專利文獻(xiàn)1)。這些方法中，VB法和VGF法同其它方法相比，被看作是可以低成本制備重排密度低、性質(zhì)優(yōu)良的結(jié)晶的方法。采用VB法、VGF法制備GaAs單結(jié)晶的方法包括，在坩鍋底部放置晶種，接著在晶種上方放置固體原料后，隨著全部固體原料的熔解，晶種的上部熔解，通過冷卻已熔解的原料熔液，從晶種開始，向上固化，使單結(jié)晶生長起來。
專利文獻(xiàn)1特開平5-70276號公報(bào)(圖1～圖4)發(fā)明內(nèi)容以上述的VB法、VGF法制得的添加硅的砷化鎵單結(jié)晶基板，其特征是，與其它方法相比，可得到重排密度低的性質(zhì)優(yōu)良的結(jié)晶，此外，通過改變基板面內(nèi)載體濃度的分布，還有進(jìn)一步改善的余地。使用添加硅的砷化鎵單結(jié)晶基板制造光裝置時(shí)，從一個(gè)基板得到的元件的成品率(相對于從一個(gè)基板取得的元件量，可能使用的元件量的比例)及制造裝置時(shí)的生產(chǎn)條件綜合考慮，基板面內(nèi)的載體濃度需要達(dá)到均勻。
本發(fā)明的目的是解決采用VB法、VGF法生產(chǎn)的添加硅的砷化鎵單結(jié)晶基板中以前存在的技術(shù)問題，提供一種大幅度增加元件的成品率，同時(shí)，符合制造裝置的生產(chǎn)條件變得容易的添加硅的砷化鎵單結(jié)晶基板。
發(fā)明1，是以VB法、VGF法生產(chǎn)的砷化鎵單結(jié)晶基板，其特征是，基板內(nèi)載體濃度在0.1×1018～5.0×1018/cm3范圍內(nèi)，基板面內(nèi)的載體濃度的最大值和最小值，在小于等于基板內(nèi)載體濃度的10％的范圍內(nèi)波動(dòng)。
可以認(rèn)為使用添加硅的砷化鎵單結(jié)晶基板，制造裝置、例如光裝置時(shí)，從一個(gè)基板得到的元件的成品率，與所用的添加硅的砷化鎵單結(jié)晶基板面內(nèi)的載體濃度的分布有關(guān)。
所用的添加硅的砷化鎵單結(jié)晶基板的面內(nèi)，載體濃度的均勻性越高，制造裝置時(shí)的元件合格率就越高。另外，所用的添加硅的砷化鎵單結(jié)晶基板的面內(nèi)，載體濃度的均勻性越高，制造裝置時(shí)的制造條件的就越容易。如發(fā)明1那樣，載體濃度的范圍是0.1×1018～5.0×1018/cm3，基板面內(nèi)載體濃度的最大值和最小值在小于等于基板內(nèi)平均載體濃度10％的范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，制造裝置時(shí)元件的合格率提高，制造裝置時(shí)生產(chǎn)條件的滿足都變得容易。
發(fā)明2的特征，是表示基板面內(nèi)相同載體濃度的、呈類圓形年輪狀的、生長紋的中心，與基板中心的距離小于等于基板直徑的1/20。使用添加硅的砷化鎵單結(jié)晶基板的基板面內(nèi)，表示相同載體濃度的類圓形年輪狀生長紋的中心，距離基板中心越近，制造裝置時(shí)元件成品率就越提高、生產(chǎn)條件的滿足就越容易。如發(fā)明2那樣，生長紋的中心，與基板中心的距離一小于等于基板直徑的1/20，制造裝置時(shí)元件成品率就提高、生產(chǎn)條件的滿足就越容易發(fā)明3的特征，是基板面內(nèi)的重排密度的平均值小于等于5,000個(gè)/cm2。使用的添加硅的砷化鎵單結(jié)晶基板的重排密度越低，元件合格率就越高、裝置壽命就越長。如發(fā)明3，如重排密度的平均值小于等于5,000個(gè)/cm2，元件成品率就提高，裝置的壽命就延長。
本發(fā)明的添加硅的砷化鎵單結(jié)晶基板，由于基板面內(nèi)的載體濃度分布均勻，使用此基板制造光裝置時(shí)，在從一個(gè)基板得到的元件合格率大幅度提高的同時(shí)，裝置制造時(shí)的生產(chǎn)條件的滿足也變得容易。因此，可以大幅度提高經(jīng)濟(jì)效益。


圖1本發(fā)明中使用的、根據(jù)VB法的單結(jié)晶制造裝置截面圖符號說明10壓力器
11單結(jié)晶生長用容器12PBN制的坩鍋12a生長結(jié)晶部位18砷化鎵晶種15a砷化鎵熔液層15b單結(jié)晶具體實(shí)施方式
以下說明本發(fā)明的實(shí)施方式。
圖1是表示VB法的單結(jié)晶生產(chǎn)裝置的截面圖。11為單結(jié)晶成長用容器，12為PBN制的坩鍋、13為支持12的基座。坩鍋12具有直徑80mm的成長結(jié)晶部位12a、長度300mm的成長結(jié)晶部位12a、直徑10mm的種結(jié)晶部位12b。首先，在坩鍋12的底部，裝入砷化鎵晶種18，加入7900g砷化鎵多結(jié)晶作為砷化鎵熔液層15a，800g三氧化硼作為液體封閉液16，接著加入硅使得成長結(jié)晶部位12a的種結(jié)晶側(cè)載體濃度為1.0×1018/cm3。將單結(jié)晶成長用容器11裝入壓力容器10內(nèi)，用惰性氣體置換壓力容器10內(nèi)部，將加熱器17通電，熔融砷化鎵多結(jié)晶成為砷化鎵熔液層15a，進(jìn)行接種。接著，設(shè)定接種旁邊的溫度梯度為5℃/cm，使單結(jié)晶成長用容器11以5mm/小時(shí)的速度下降的VB法，進(jìn)行單結(jié)晶15b的結(jié)晶生長。結(jié)晶生長之后，從壓力容器10中，將容器11和生長完成后的結(jié)晶一同取出。
這時(shí)，和熔液與結(jié)晶之間的界面、固液界面附近的結(jié)晶生長方向相互垂直的截面方向的溫度分布，在截面方向的全部范圍內(nèi)，將從前以±數(shù)℃變?yōu)椤?.2℃以內(nèi)的精密溫度控制。作為提高溫度調(diào)控精度的方法是，將以前壓力容器內(nèi)0.8Mpa的壓力減少為0.2Mpa，可以認(rèn)為對于減少壓力容器內(nèi)的氣體對流最有效。
生長結(jié)晶為單結(jié)晶，沿水平方向切斷該單結(jié)晶，磨光和拋光處理成為鏡面狀，制造導(dǎo)電性的添加硅的砷化鎵單結(jié)晶基板。測定該基板載體濃度，位于結(jié)晶生長部內(nèi)部的晶種一側(cè)的載體濃度是1.0×1018/cm3，另一側(cè)的載體濃度是2.1×1018/cm3，基板內(nèi)載體濃度的最大值、最小值，在小于等于基板內(nèi)平均載體濃度的10％的范圍內(nèi)波動(dòng)。進(jìn)而，對該基板作AB浸蝕處理，使呈現(xiàn)出類圓形年輪狀的生長紋，生長紋的中心距離基板中心的距離，在基板直徑的1/20以內(nèi)?；迕鎯?nèi)的平均重排密度小于等于5,000個(gè)/cm2。
由該添加硅的砷化鎵單結(jié)晶基板，基板面內(nèi)全部區(qū)域作成LED，按照下述條件，進(jìn)行可靠性試驗(yàn)(壽命試驗(yàn))。
<可靠性試驗(yàn)條件>
高溫可靠性試驗(yàn) 溫度85℃ 濕度85％ 保持時(shí)間1,000小時(shí)低溫信賴性試驗(yàn) 溫度-40℃ 保持時(shí)間1,000小時(shí)在可靠性試驗(yàn)中，1,000小時(shí)之后的發(fā)光度大于等于可靠性試驗(yàn)前的發(fā)光度的70％作為合格時(shí)，在全部基板中，制造的LED的合格率為100～99％。
如上述，實(shí)施方式中的添加硅的砷化鎵單結(jié)晶基板，結(jié)晶生長部內(nèi)部的種結(jié)晶側(cè)的載體濃度為1.0×1018/cm3，另一端的載體濃度為2.1×1018/cm3，基板內(nèi)載體濃度的最大值、最小值，在小于等于基板內(nèi)平均載體濃度10％的范圍內(nèi)波動(dòng)。因此，制造光裝置時(shí)的元件合格率(可靠性試驗(yàn)合格率)提高及光制造裝置時(shí)生產(chǎn)條件的滿足變得容易。
另外，由于生長紋的中心距離基板中心的距離在基板直徑的1/20以內(nèi)，制造光裝置時(shí)元件合格率的提高及制造光裝置時(shí)生產(chǎn)條件的滿足變得容易。此外，由于基本面內(nèi)的平均重排密度小于等于5,000個(gè)/cm2，所以提高了元件合格率(可靠性試驗(yàn)合格率)，延長了光裝置的壽命。
因而，使用實(shí)施方式中的添加硅的砷化鎵單結(jié)晶基板、制造光裝置時(shí)，不但從一個(gè)基板得到的元件合格率(可靠性試驗(yàn)合格率)大幅度增加，制造光裝置的生長條件的滿足也變得容易。因此，這對于工業(yè)生產(chǎn)有很大的經(jīng)濟(jì)效益。
在實(shí)施方式中，已敘述了采用VB法制造添加硅的砷化鎵單結(jié)晶基板的情況，若用VGF法也可達(dá)到同樣效果。此外，采用VB法、VGF法制造單結(jié)晶基板的InP，GaP，InAs等其它化合物半導(dǎo)體單結(jié)晶基板的場合，本發(fā)明也可達(dá)到同樣效果。
實(shí)施例1圖1是本實(shí)施例中由采用VB法的單結(jié)晶制造裝置的截面圖。使用單結(jié)晶成長用容器11的PBN制坩堝12與支持其的基座13。坩堝12具有直徑80mm的結(jié)晶成長部12a、結(jié)晶成長部12a的長300mm、種結(jié)晶部12的直徑10mm的形狀。首先，在PBN制坩堝12的底部，插入砷化鎵種結(jié)晶18、投入7900g砷化鎵作砷化鎵熔融液層15a、800g三氧化硼作液體封閉劑、再有在成長結(jié)晶部一側(cè)使載體濃度成為1.0×1018地投入硅。在壓力容器中裝填單結(jié)晶成長容器11，以惰性氣體置換壓力容器10，對加熱器17供電，熔融砷化鎵多結(jié)晶原料，作為砷化鎵融液層15a進(jìn)行接種。接著，在接種部近處，設(shè)定5℃/cm的溫度梯度，以5mm/hr的速度，使該容器11下降的VB法，進(jìn)行單結(jié)晶15b的結(jié)晶成長。結(jié)晶成長后，由壓力容器10，取出該容器11成長結(jié)束后的結(jié)晶。
本實(shí)施例中，為了提高由VB法使添加硅的砷化鎵單結(jié)晶成長時(shí)的溫度調(diào)整精度，對于現(xiàn)有的壓力容器的壓力是0.8MPa，將這次的壓力容器內(nèi)的壓力降低到0.2MPa的策略。然后，由此，成功地降低了壓力容器內(nèi)的氣體對流，將垂直于融液與結(jié)晶的界面固液界面附近的結(jié)晶成長方向的截面方向的溫度分布，可以進(jìn)行在截面方向全部區(qū)域在±0.2℃以內(nèi)的精密的溫度控制。
這樣，由于比以往進(jìn)行精密的溫度控制，由此將制造的單結(jié)晶制成薄片，制造了添加硅的砷化鎵單結(jié)晶板。然后，該基板載體濃度在0.1×1018～5.0×1018/cm3范圍內(nèi)，基板面內(nèi)載體濃度的最大值和最小值在小于等于基板內(nèi)平均載體濃度的10％的范圍內(nèi)波動(dòng)，生長紋的中心距離基板中心的距離在基板直徑的1/20以內(nèi)，是滿足平均重排密度小于等于5,000個(gè)/cm2條件的添加硅的砷化鎵單結(jié)晶板。然后，從100個(gè)該基板制造LED，上述的可靠性試驗(yàn)，在全部基板中，從1個(gè)基板得到的元件的合格率(可靠性試驗(yàn)合格率)是100～99％。
另外，除使用VGF方法以外，由同樣的方法，制作添加硅的砷化鎵單結(jié)晶基板。制作了添加硅的砷化鎵單結(jié)晶基板，該基板與由上述VB法制作的基板具有同樣的性質(zhì)，從1個(gè)基板取得的元件的合格率(可靠性試驗(yàn)的合格率)是100～99％。
實(shí)施例2由與上述實(shí)施例1相同的方法(但使用VB法)，制作添加硅的砷化鎵的單結(jié)晶基板。然后，該基板，除了載體濃度在0.1×1018～5.0×1018/cm3范圍以外，其它都與實(shí)施例1相同的、添加硅的砷化鎵單結(jié)晶基板，即基板面內(nèi)載體濃度的最大值和最小值在小于等于基板內(nèi)載體濃度的10％的范圍波動(dòng)，生長紋的中心距離基板中心的距離在基板直徑的1/20以內(nèi)，平均重排密度小于等于5,000個(gè)/cm2的添加硅的砷化鎵單結(jié)晶基板。然后，從100個(gè)此種基板制造LED，并進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在全部基板中，從1個(gè)基板取得的元件的合格率(可靠性試驗(yàn)的合格率)最高是90％。
使用100個(gè)此種添加硅的砷化鎵單結(jié)晶基板制造LED，并進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在全部基板中，可靠性試驗(yàn)的合格率小于等于90％。
另外，除使用VGF方法以外，由同樣的方法，制作添加硅的砷化鎵單結(jié)晶基板。制作了添加硅的砷化鎵單結(jié)晶基板，該基板與由上述VB法制作的基板具有同樣的性質(zhì)，從1個(gè)基板取得的元件的合格率(可靠性試驗(yàn)的合格率)最高是90％。
另外，無論使用VB法、VGF法的哪一種方法，載體濃度在0.1×1018～5.0×1018/cm3的范圍以外時(shí)，從1個(gè)基板得到的元件的合格率(可靠性試驗(yàn)合格率)可以看到下降的傾向。
實(shí)施例3由與實(shí)施例1同樣的方法(但是，使用VB法)，制作添加硅的砷化鎵的單結(jié)晶基板。然后，該基板，除了載體濃度的最大值和最小值在大于基板面內(nèi)載體濃度的10％波動(dòng)這一點(diǎn)同實(shí)施例1不同，其它都與實(shí)施例1相同的添加硅的砷化鎵單結(jié)晶基板，即載體濃度在0.1×1018～5.0×1018/cm3范圍內(nèi)，生長紋的中心距離基板中心的距離在基板直徑的1/20以內(nèi)，是滿足平均重排密度小于等于5,000個(gè)/cm2的添加硅的砷化鎵單結(jié)晶基板。然后，從100個(gè)該基板制造LED，并進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，在全部基板中，從1個(gè)基板取得的元件的合格率(可靠性試驗(yàn)的合格率)最高是92％。
另外，除使用VGF方法以外，由同樣的方法，制作添加硅的砷化鎵單結(jié)晶基板。制作了添加硅的砷化鎵單結(jié)晶基板，該基板與由上述VB法制作的基板具有同樣的性質(zhì)，從1個(gè)基板取得的元件的合格率(可靠性試驗(yàn)的合格率)最高是92％。
另外，無論使用VB法、VGF法的哪一種方法，基板內(nèi)的載體濃度的最大值、最小值比基板面內(nèi)的平均載體濃度的10％波動(dòng)大時(shí)，從1個(gè)基板得到的元件的合格率(可靠性試驗(yàn)合格率)可以看到下降的傾向。
實(shí)施例4由與實(shí)施例1同樣的方法(但是，使用VB法)，制作添加硅的砷化鎵的單結(jié)晶基板。然后，該基板，除了生長紋的中心距離基板中心的距離大于基板直徑的1/20這一點(diǎn)同實(shí)施例1不同，其它都與實(shí)施例1相同的添加硅的砷化鎵單結(jié)晶基板，載體濃度在0.1×1018～5.0×1018/cm3范圍內(nèi)，基板面內(nèi)載體濃度的最大值和最小值在小于等于基板內(nèi)載體濃度的10％范圍內(nèi)波動(dòng)，平均重排密度小于等于5,000個(gè)/cm2。使用100個(gè)此種添加硅的砷化鎵單結(jié)晶基板制造LED，進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在全部基板中，可靠性試驗(yàn)的合格率小于等于93％。
另外，除使用VGF方法以外，由同樣的方法，制作添加硅的砷化鎵單結(jié)晶基板。制作了添加硅的砷化鎵單結(jié)晶基板，該基板與由上述VB法制作的基板具有同樣的性質(zhì)，從1個(gè)基板取得的元件的合格率(可靠性試驗(yàn)的合格率)最高是93％。
另外，無論使用VB法、VGF法的哪一種方法，生長紋的中心距離基板中心的距離在基板直徑的1/20以外的距離左右時(shí)，從1個(gè)基板得到的元件的合格率(可靠性試驗(yàn)合格率)可以看到下降的傾向。
實(shí)施例5由與實(shí)施例1同樣的方法(但是，使用VB法)，制作添加硅的砷化家的單結(jié)晶基板。然后，該基板，除了平均重排密度大于5,000個(gè)/cm2這一點(diǎn)同實(shí)施例1不同，其它都與實(shí)施例1相同的添加硅砷化鎵單結(jié)晶基板，載體濃度在0.1×1018～5.0×1018/cm3范圍內(nèi)，生長紋的中心距離基板中心的距離在基板直徑的1/20以內(nèi)，基板面內(nèi)載體濃度的最大值和最小值在小于等于基板內(nèi)載體濃度的10％范圍內(nèi)波動(dòng)。使用100個(gè)此種添加硅的砷化鎵單結(jié)晶基板制造的LED，進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在全部基板中，從1個(gè)基板得到的元件的合格率(可靠性試驗(yàn)合格率)最高是80％。
另外，除使用VGF方法以外，由同樣的方法，制作添加硅的砷化鎵單結(jié)晶基板。制作了添加硅的砷化鎵單結(jié)晶基板，該基板與由上述VB法制作的基板具有同樣的性質(zhì)，從1個(gè)基板取得的元件的合格率(可靠性試驗(yàn)的合格率)最高是80％。
另外，無論使用VB法、VGF法的哪一種方法，重排密度大于5,000個(gè)/cm2左右時(shí)，從1個(gè)基板得到的元件的合格率(可靠性試驗(yàn)合格率)可以看到下降的傾向。
權(quán)利要求
1.一種添加硅的砷化鎵單結(jié)晶基板，是采用垂直布里奇曼法、垂直溫度梯度凝固法制造的添加硅的砷化鎵基板，其特征在于，載體濃度在0.1×1018～5.0×1018/cm3范圍內(nèi)，基板面內(nèi)載體濃度的最大值和最小值在小于等于基板內(nèi)載體濃度的10％的范圍波動(dòng)。
2.如權(quán)利要求1所述的添加硅的砷化鎵單結(jié)晶基板，其特征在于，所述基板面內(nèi)，呈現(xiàn)表示相同載體濃度的類圓形年輪狀的生長紋的中心，與基板中心的距離，小于等于基板直徑的1/20。
3.如權(quán)利要求1或2所述的添加硅的砷化鎵單結(jié)晶基板，其特征在于，所述基板面內(nèi)重排密度的平均值小于等于5,000個(gè)/cm2。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種采用垂直布里奇曼法、垂直溫度梯度凝固法制造的添加硅的砷化鎵基板，基板的載體濃度在0.1×10
文檔編號H01L21/20GK1763980SQ20041008645
公開日2006年4月26日 申請日期2004年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月20日
發(fā)明者和地三千則, 井谷賢哉 申請人:日立電線株式會(huì)社