专利名称：添加硅的砷化镓单结晶基板的制作方法
技术领域：
本发明涉及采用垂直布里奇曼法、垂直温度梯度凝固法制备的添加硅的砷化镓(GaAs)单结晶基板，尤其是关于制作LED、激光二极管等光装置时，作为基板使用的、采用垂直布里奇曼法、垂直温度梯度凝固法制备的添加硅的砷化镓单结晶基板。
背景技术：
作为基板使用的砷化镓(以下记作GaAs)等化合物半导体单结晶，一直以来，通过采用水平布里奇曼法(HB法)、液体封闭上引法(LEC法)、垂直布里奇曼法(VB法)及垂直温度梯度凝固法(VGF法)等各种工业方法来制备(如参考专利文献1)。这些方法中，VB法和VGF法同其它方法相比，被看作是可以低成本制备重排密度低、性质优良的结晶的方法。采用VB法、VGF法制备GaAs单结晶的方法包括，在坩锅底部放置晶种，接着在晶种上方放置固体原料后，随着全部固体原料的熔解，晶种的上部熔解，通过冷却已熔解的原料熔液，从晶种开始，向上固化，使单结晶生长起来。
专利文献1特开平5-70276号公报(图1～图4)发明内容以上述的VB法、VGF法制得的添加硅的砷化镓单结晶基板，其特征是，与其它方法相比，可得到重排密度低的性质优良的结晶，此外，通过改变基板面内载体浓度的分布，还有进一步改善的余地。使用添加硅的砷化镓单结晶基板制造光装置时，从一个基板得到的元件的成品率(相对于从一个基板取得的元件量，可能使用的元件量的比例)及制造装置时的生产条件综合考虑，基板面内的载体浓度需要达到均匀。
本发明的目的是解决采用VB法、VGF法生产的添加硅的砷化镓单结晶基板中以前存在的技术问题，提供一种大幅度增加元件的成品率，同时，符合制造装置的生产条件变得容易的添加硅的砷化镓单结晶基板。
发明1，是以VB法、VGF法生产的砷化镓单结晶基板，其特征是，基板内载体浓度在0.1×1018～5.0×1018/cm3范围内，基板面内的载体浓度的最大值和最小值，在小于等于基板内载体浓度的10％的范围内波动。
可以认为使用添加硅的砷化镓单结晶基板，制造装置、例如光装置时，从一个基板得到的元件的成品率，与所用的添加硅的砷化镓单结晶基板面内的载体浓度的分布有关。
所用的添加硅的砷化镓单结晶基板的面内，载体浓度的均匀性越高，制造装置时的元件合格率就越高。另外，所用的添加硅的砷化镓单结晶基板的面内，载体浓度的均匀性越高，制造装置时的制造条件的就越容易。如发明1那样，载体浓度的范围是0.1×1018～5.0×1018/cm3，基板面内载体浓度的最大值和最小值在小于等于基板内平均载体浓度10％的范围内波动时，制造装置时元件的合格率提高，制造装置时生产条件的满足都变得容易。
发明2的特征，是表示基板面内相同载体浓度的、呈类圆形年轮状的、生长纹的中心，与基板中心的距离小于等于基板直径的1/20。使用添加硅的砷化镓单结晶基板的基板面内，表示相同载体浓度的类圆形年轮状生长纹的中心，距离基板中心越近，制造装置时元件成品率就越提高、生产条件的满足就越容易。如发明2那样，生长纹的中心，与基板中心的距离一小于等于基板直径的1/20，制造装置时元件成品率就提高、生产条件的满足就越容易发明3的特征，是基板面内的重排密度的平均值小于等于5,000个/cm2。使用的添加硅的砷化镓单结晶基板的重排密度越低，元件合格率就越高、装置寿命就越长。如发明3，如重排密度的平均值小于等于5,000个/cm2，元件成品率就提高，装置的寿命就延长。
本发明的添加硅的砷化镓单结晶基板，由于基板面内的载体浓度分布均匀，使用此基板制造光装置时，在从一个基板得到的元件合格率大幅度提高的同时，装置制造时的生产条件的满足也变得容易。因此，可以大幅度提高经济效益。
图1本发明中使用的、根据VB法的单结晶制造装置截面图符号说明10压力器
11单结晶生长用容器12PBN制的坩锅12a生长结晶部位18砷化镓晶种15a砷化镓熔液层15b单结晶具体实施方式
以下说明本发明的实施方式。
图1是表示VB法的单结晶生产装置的截面图。11为单结晶成长用容器，12为PBN制的坩锅、13为支持12的基座。坩锅12具有直径80mm的成长结晶部位12a、长度300mm的成长结晶部位12a、直径10mm的种结晶部位12b。首先，在坩锅12的底部，装入砷化镓晶种18，加入7900g砷化镓多结晶作为砷化镓熔液层15a，800g三氧化硼作为液体封闭液16，接着加入硅使得成长结晶部位12a的种结晶侧载体浓度为1.0×1018/cm3。将单结晶成长用容器11装入压力容器10内，用惰性气体置换压力容器10内部，将加热器17通电，熔融砷化镓多结晶成为砷化镓熔液层15a，进行接种。接着，设定接种旁边的温度梯度为5℃/cm，使单结晶成长用容器11以5mm/小时的速度下降的VB法，进行单结晶15b的结晶生长。结晶生长之后，从压力容器10中，将容器11和生长完成后的结晶一同取出。
这时，和熔液与结晶之间的界面、固液界面附近的结晶生长方向相互垂直的截面方向的温度分布，在截面方向的全部范围内，将从前以±数℃变为±0.2℃以内的精密温度控制。作为提高温度调控精度的方法是，将以前压力容器内0.8Mpa的压力减少为0.2Mpa，可以认为对于减少压力容器内的气体对流最有效。
生长结晶为单结晶，沿水平方向切断该单结晶，磨光和抛光处理成为镜面状，制造导电性的添加硅的砷化镓单结晶基板。测定该基板载体浓度，位于结晶生长部内部的晶种一侧的载体浓度是1.0×1018/cm3，另一侧的载体浓度是2.1×1018/cm3，基板内载体浓度的最大值、最小值，在小于等于基板内平均载体浓度的10％的范围内波动。进而，对该基板作AB浸蚀处理，使呈现出类圆形年轮状的生长纹，生长纹的中心距离基板中心的距离，在基板直径的1/20以内。基板面内的平均重排密度小于等于5,000个/cm2。
由该添加硅的砷化镓单结晶基板，基板面内全部区域作成LED，按照下述条件，进行可靠性试验(寿命试验)。
<可靠性试验条件>
高温可靠性试验 温度85℃ 湿度85％ 保持时间1,000小时低温信赖性试验 温度-40℃ 保持时间1,000小时在可靠性试验中，1,000小时之后的发光度大于等于可靠性试验前的发光度的70％作为合格时，在全部基板中，制造的LED的合格率为100～99％。
如上述，实施方式中的添加硅的砷化镓单结晶基板，结晶生长部内部的种结晶侧的载体浓度为1.0×1018/cm3，另一端的载体浓度为2.1×1018/cm3，基板内载体浓度的最大值、最小值，在小于等于基板内平均载体浓度10％的范围内波动。因此，制造光装置时的元件合格率(可靠性试验合格率)提高及光制造装置时生产条件的满足变得容易。
另外，由于生长纹的中心距离基板中心的距离在基板直径的1/20以内，制造光装置时元件合格率的提高及制造光装置时生产条件的满足变得容易。此外，由于基本面内的平均重排密度小于等于5,000个/cm2，所以提高了元件合格率(可靠性试验合格率)，延长了光装置的寿命。
因而，使用实施方式中的添加硅的砷化镓单结晶基板、制造光装置时，不但从一个基板得到的元件合格率(可靠性试验合格率)大幅度增加，制造光装置的生长条件的满足也变得容易。因此，这对于工业生产有很大的经济效益。
在实施方式中，已叙述了采用VB法制造添加硅的砷化镓单结晶基板的情况，若用VGF法也可达到同样效果。此外，采用VB法、VGF法制造单结晶基板的InP，GaP，InAs等其它化合物半导体单结晶基板的场合，本发明也可达到同样效果。
实施例1图1是本实施例中由采用VB法的单结晶制造装置的截面图。使用单结晶成长用容器11的PBN制坩埚12与支持其的基座13。坩埚12具有直径80mm的结晶成长部12a、结晶成长部12a的长300mm、种结晶部12的直径10mm的形状。首先，在PBN制坩埚12的底部，插入砷化镓种结晶18、投入7900g砷化镓作砷化镓熔融液层15a、800g三氧化硼作液体封闭剂、再有在成长结晶部一侧使载体浓度成为1.0×1018地投入硅。在压力容器中装填单结晶成长容器11，以惰性气体置换压力容器10，对加热器17供电，熔融砷化镓多结晶原料，作为砷化镓融液层15a进行接种。接着，在接种部近处，设定5℃/cm的温度梯度，以5mm/hr的速度，使该容器11下降的VB法，进行单结晶15b的结晶成长。结晶成长后，由压力容器10，取出该容器11成长结束后的结晶。
本实施例中，为了提高由VB法使添加硅的砷化镓单结晶成长时的温度调整精度，对于现有的压力容器的压力是0.8MPa，将这次的压力容器内的压力降低到0.2MPa的策略。然后，由此，成功地降低了压力容器内的气体对流，将垂直于融液与结晶的界面固液界面附近的结晶成长方向的截面方向的温度分布，可以进行在截面方向全部区域在±0.2℃以内的精密的温度控制。
这样，由于比以往进行精密的温度控制，由此将制造的单结晶制成薄片，制造了添加硅的砷化镓单结晶板。然后，该基板载体浓度在0.1×1018～5.0×1018/cm3范围内，基板面内载体浓度的最大值和最小值在小于等于基板内平均载体浓度的10％的范围内波动，生长纹的中心距离基板中心的距离在基板直径的1/20以内，是满足平均重排密度小于等于5,000个/cm2条件的添加硅的砷化镓单结晶板。然后，从100个该基板制造LED，上述的可靠性试验，在全部基板中，从1个基板得到的元件的合格率(可靠性试验合格率)是100～99％。
另外，除使用VGF方法以外，由同样的方法，制作添加硅的砷化镓单结晶基板。制作了添加硅的砷化镓单结晶基板，该基板与由上述VB法制作的基板具有同样的性质，从1个基板取得的元件的合格率(可靠性试验的合格率)是100～99％。
实施例2由与上述实施例1相同的方法(但使用VB法)，制作添加硅的砷化镓的单结晶基板。然后，该基板，除了载体浓度在0.1×1018～5.0×1018/cm3范围以外，其它都与实施例1相同的、添加硅的砷化镓单结晶基板，即基板面内载体浓度的最大值和最小值在小于等于基板内载体浓度的10％的范围波动，生长纹的中心距离基板中心的距离在基板直径的1/20以内，平均重排密度小于等于5,000个/cm2的添加硅的砷化镓单结晶基板。然后，从100个此种基板制造LED，并进行可靠性试验，结果发现，在全部基板中，从1个基板取得的元件的合格率(可靠性试验的合格率)最高是90％。
使用100个此种添加硅的砷化镓单结晶基板制造LED，并进行可靠性试验，结果发现，在全部基板中，可靠性试验的合格率小于等于90％。
另外，除使用VGF方法以外，由同样的方法，制作添加硅的砷化镓单结晶基板。制作了添加硅的砷化镓单结晶基板，该基板与由上述VB法制作的基板具有同样的性质，从1个基板取得的元件的合格率(可靠性试验的合格率)最高是90％。
另外，无论使用VB法、VGF法的哪一种方法，载体浓度在0.1×1018～5.0×1018/cm3的范围以外时，从1个基板得到的元件的合格率(可靠性试验合格率)可以看到下降的倾向。
实施例3由与实施例1同样的方法(但是，使用VB法)，制作添加硅的砷化镓的单结晶基板。然后，该基板，除了载体浓度的最大值和最小值在大于基板面内载体浓度的10％波动这一点同实施例1不同，其它都与实施例1相同的添加硅的砷化镓单结晶基板，即载体浓度在0.1×1018～5.0×1018/cm3范围内，生长纹的中心距离基板中心的距离在基板直径的1/20以内，是满足平均重排密度小于等于5,000个/cm2的添加硅的砷化镓单结晶基板。然后，从100个该基板制造LED，并进行可靠性试验，在全部基板中，从1个基板取得的元件的合格率(可靠性试验的合格率)最高是92％。
另外，除使用VGF方法以外，由同样的方法，制作添加硅的砷化镓单结晶基板。制作了添加硅的砷化镓单结晶基板，该基板与由上述VB法制作的基板具有同样的性质，从1个基板取得的元件的合格率(可靠性试验的合格率)最高是92％。
另外，无论使用VB法、VGF法的哪一种方法，基板内的载体浓度的最大值、最小值比基板面内的平均载体浓度的10％波动大时，从1个基板得到的元件的合格率(可靠性试验合格率)可以看到下降的倾向。
实施例4由与实施例1同样的方法(但是，使用VB法)，制作添加硅的砷化镓的单结晶基板。然后，该基板，除了生长纹的中心距离基板中心的距离大于基板直径的1/20这一点同实施例1不同，其它都与实施例1相同的添加硅的砷化镓单结晶基板，载体浓度在0.1×1018～5.0×1018/cm3范围内，基板面内载体浓度的最大值和最小值在小于等于基板内载体浓度的10％范围内波动，平均重排密度小于等于5,000个/cm2。使用100个此种添加硅的砷化镓单结晶基板制造LED，进行可靠性试验，结果发现，在全部基板中，可靠性试验的合格率小于等于93％。
另外，除使用VGF方法以外，由同样的方法，制作添加硅的砷化镓单结晶基板。制作了添加硅的砷化镓单结晶基板，该基板与由上述VB法制作的基板具有同样的性质，从1个基板取得的元件的合格率(可靠性试验的合格率)最高是93％。
另外，无论使用VB法、VGF法的哪一种方法，生长纹的中心距离基板中心的距离在基板直径的1/20以外的距离左右时，从1个基板得到的元件的合格率(可靠性试验合格率)可以看到下降的倾向。
实施例5由与实施例1同样的方法(但是，使用VB法)，制作添加硅的砷化家的单结晶基板。然后，该基板，除了平均重排密度大于5,000个/cm2这一点同实施例1不同，其它都与实施例1相同的添加硅砷化镓单结晶基板，载体浓度在0.1×1018～5.0×1018/cm3范围内，生长纹的中心距离基板中心的距离在基板直径的1/20以内，基板面内载体浓度的最大值和最小值在小于等于基板内载体浓度的10％范围内波动。使用100个此种添加硅的砷化镓单结晶基板制造的LED，进行可靠性试验，结果发现，在全部基板中，从1个基板得到的元件的合格率(可靠性试验合格率)最高是80％。
另外，除使用VGF方法以外，由同样的方法，制作添加硅的砷化镓单结晶基板。制作了添加硅的砷化镓单结晶基板，该基板与由上述VB法制作的基板具有同样的性质，从1个基板取得的元件的合格率(可靠性试验的合格率)最高是80％。
另外，无论使用VB法、VGF法的哪一种方法，重排密度大于5,000个/cm2左右时，从1个基板得到的元件的合格率(可靠性试验合格率)可以看到下降的倾向。
权利要求
1.一种添加硅的砷化镓单结晶基板，是采用垂直布里奇曼法、垂直温度梯度凝固法制造的添加硅的砷化镓基板，其特征在于，载体浓度在0.1×1018～5.0×1018/cm3范围内，基板面内载体浓度的最大值和最小值在小于等于基板内载体浓度的10％的范围波动。
2.如权利要求1所述的添加硅的砷化镓单结晶基板，其特征在于，所述基板面内，呈现表示相同载体浓度的类圆形年轮状的生长纹的中心，与基板中心的距离，小于等于基板直径的1/20。
3.如权利要求1或2所述的添加硅的砷化镓单结晶基板，其特征在于，所述基板面内重排密度的平均值小于等于5,000个/cm2。
全文摘要
本发明提供了一种采用垂直布里奇曼法、垂直温度梯度凝固法制造的添加硅的砷化镓基板，基板的载体浓度在0.1×10
文档编号H01L21/20GK1763980SQ20041008645
公开日2006年4月26日 申请日期2004年10月20日 优先权日2004年10月20日
发明者和地三千则, 井谷贤哉 申请人:日立电线株式会社