JP2022134797A - Semiconductor layer growth method and semiconductor layer growth apparatus - Google Patents

Abstract

To provide a semiconductor layer growth method and a semiconductor layer growth apparatus capable of suppressing variations in characteristics.SOLUTION: A growth method for growing a semiconductor layer on a substrate placed on a susceptor by chemical vapor deposition includes the steps of: heating the susceptor; introducing gas for cooling a cavity inside a first cap provided above the susceptor and between the substrate and a region on the upstream side of the substrate in a flow direction of raw material gas; and growing a semiconductor layer on the substrate by introducing the raw material gas from the first cap side toward the substrate side while the gas is introduced.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本開示は半導体層の成長方法および半導体層の成長装置に関するものである。 The present disclosure relates to a semiconductor layer growth method and a semiconductor layer growth apparatus.

ＩＩＩ－Ｖ族半導体などの化合物半導体は例えば光学素子およびパワー半導体素子などに利用されている。有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によって化合物半導体をエピタキシャル成長する。成長装置のサセプタにウェハをセットし、装置内の温度を例えば数百度などとする。半導体の原料を含むガス（原料ガス）を装置内に流すことで、半導体層を形成する（例えば特許文献１）。 Compound semiconductors such as III-V group semiconductors are used, for example, in optical devices and power semiconductor devices. A compound semiconductor is epitaxially grown by MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition). A wafer is set on a susceptor of a growth apparatus, and the temperature inside the apparatus is set to, for example, several hundred degrees. A semiconductor layer is formed by flowing a gas containing a semiconductor raw material (raw material gas) into an apparatus (for example, Patent Document 1).

特開２０１４－１１６３３１号公報JP 2014-116331 A

しかし、ウェハ内で半導体装置の特性にばらつきが生じることがある。原料ガスがウェハに到達する前に分解し、ウェハ内で半導体の組成にずれが生じることが、特性のばらつきの原因と推測される。そこで、特性のばらつきを抑制することが可能な半導体層の成長方法および半導体層の成長装置を提供することを目的とする。 However, the characteristics of the semiconductor device may vary within the wafer. It is presumed that the cause of the characteristic variation is that the source gas is decomposed before it reaches the wafer, causing a deviation in the composition of the semiconductor within the wafer. Therefore, it is an object of the present invention to provide a method for growing a semiconductor layer and an apparatus for growing a semiconductor layer that can suppress variation in characteristics.

本開示に係る半導体層の成長方法は、化学気相成長法によって、サセプタに配置された基板に半導体層を成長する成長方法であって、前記サセプタを加熱する工程と、前記サセプタの上であって、原料ガスの流れる方向において前記基板よりも上流側の領域と前記基板との間に設けられる第１キャップの内部の空洞を冷却するガスを導入する工程と、前記ガスを導入した状態で、前記第１キャップ側から前記基板側に向けて前記原料ガスを導入することで、前記基板上に半導体層を成長する工程と、を有する。 A method for growing a semiconductor layer according to the present disclosure is a method for growing a semiconductor layer on a substrate placed on a susceptor by chemical vapor deposition, comprising the steps of: heating the susceptor; a step of introducing a gas for cooling a cavity inside a first cap provided between a region upstream of the substrate and the substrate in the flow direction of the raw material gas; and growing a semiconductor layer on the substrate by introducing the raw material gas from the first cap side toward the substrate side.

本開示に係る半導体層の成長装置は、化学気相成長法によって、半導体層を成長する成長装置であって、基板が配置されるサセプタと、前記サセプタを加熱する加熱部と、前記サセプタの上であって、原料ガスの流れる方向において前記基板よりも上流側の領域と前記基板との間に設けられ、内部に空洞を有する第１キャップと、前記第１キャップの空洞を冷却するガスを導入するガス導入部と、を具備する。 A semiconductor layer growth apparatus according to the present disclosure is a growth apparatus for growing a semiconductor layer by chemical vapor deposition, comprising a susceptor on which a substrate is arranged, a heating unit for heating the susceptor, and a heating unit for heating the susceptor. a first cap provided between a region upstream of the substrate and the substrate in the flow direction of the raw material gas and having a cavity therein; and introducing a gas for cooling the cavity of the first cap. and a gas introduction part.

本開示によれば特性のばらつきを抑制することが可能な半導体層の成長方法および半導体層の成長装置を提供することが可能である。 According to the present disclosure, it is possible to provide a semiconductor layer growth method and a semiconductor layer growth apparatus capable of suppressing variations in characteristics.

図１は第１実施形態に係る成長装置を例示する断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating the growth apparatus according to the first embodiment. 図２は成長装置の拡大図である。FIG. 2 is an enlarged view of the growth apparatus. 図３は成長装置を例示する平面図である。FIG. 3 is a plan view illustrating the growth apparatus. 図４はウェハに形成される半導体光素子を例示する斜視図である。FIG. 4 is a perspective view illustrating semiconductor optical devices formed on a wafer. 図５は半導体層の成長方法を例示するフローチャートである。FIG. 5 is a flow chart illustrating a method for growing a semiconductor layer. 図６は成長方法のタイミングチャートである。FIG. 6 is a timing chart of the growth method. 図７は比較例１に係る成長装置を例示する図である。FIG. 7 is a diagram illustrating a growth apparatus according to Comparative Example 1. FIG. 図８はフォトルミネッセンス波長の分布を例示する図である。FIG. 8 is a diagram illustrating the distribution of photoluminescence wavelengths. 図９は第２実施形態に係る成長装置を例示する断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating the growth apparatus according to the second embodiment.

[本開示の実施形態の説明]
最初に本開示の実施形態の内容を列記して説明する。 [Description of Embodiments of the Present Disclosure]
First, the contents of the embodiments of the present disclosure will be listed and described.

本開示の一形態は、（１）化学気相成長法によって、サセプタに配置された基板に半導体層を成長する成長方法であって、前記サセプタを加熱する工程と、前記サセプタの上であって、原料ガスの流れる方向において前記基板よりも上流側の領域と前記基板との間に設けられる第１キャップの内部の空洞を冷却するガスを導入する工程と、前記ガスを導入した状態で、前記第１キャップ側から前記基板側に向けて前記原料ガスを導入することで、前記基板上に半導体層を成長する工程と、を有する半導体層の成長方法である。第１キャップがサセプタよりも低い熱伝導率を有し、かつガスを導入することで、成長装置内の温度上昇を抑制し、原料ガスの分解を抑制する。基板に均一に近い組成の半導体層を成長することができ、半導体層の特性のばらつきを低減することができる。
（２）前記サセプタは、回転機構を有し、前記ガスは前記第１キャップの内部の前記空洞に導入され、前記空洞から排出されてもよい。空洞内のガスが交換されることで、冷却が促進される。
（３）前記第１キャップは石英、炭化シリコン、窒化アルミニウムおよび窒化ホウ素のうち少なくとも１つを含んでもよい。第１キャップがサセプタよりも低い熱伝導率を有することで、成長装置内の温度上昇を抑制し、原料ガスの分解を抑制する。半導体層の特性のばらつきを抑制することができる。
（４）前記サセプタは黒鉛を含んでもよい。第１キャップが黒鉛のサセプタよりも低い熱伝導率を有することで、成長装置内の温度上昇を抑制する。原料ガスの分解を抑制し、半導体層の特性のばらつきを抑制することができる。
（５）前記ガスは水素、窒素、アルゴンおよびヘリウムのうち少なくとも１つを含んでもよい。成長装置内の温度上昇を抑制し、原料ガスの分解を抑制する。半導体層の特性のばらつきを抑制することができる。
（６）前記ガスの温度は２６℃以下でもよい。成長装置内の温度上昇を抑制し、原料ガスの分解を抑制する。半導体層の特性のばらつきを抑制することができる。
（７）前記原料ガスはＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体の原料ガスでもよい。原料ガスの分解が抑制されることで、ＩＩＩ族元素とＶ族元素との比率が所望の値のＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層を形成することができる。
（８）前記サセプタの上であって、前記基板よりも外側に第２キャップが設けられ、前記第２キャップの内部の空洞を冷却するガスを導入する工程を有してもよい。成長装置内の温度上昇を効果的に抑制し、原料ガスの分解を抑制する。半導体層の特性のばらつきを抑制することができる。
（９）化学気相成長法によって、半導体層を成長する成長装置であって、基板が配置されるサセプタと、前記サセプタを加熱する加熱部と、前記サセプタの上であって、原料ガスの流れる方向において前記基板よりも上流側の領域と前記基板との間に設けられ、内部に空洞を有する第１キャップと、前記第１キャップの空洞を冷却するガスを導入するガス導入部と、を具備する半導体層の成長装置である。キャップがサセプタよりも低い熱伝導率を有し、かつガスを導入することで、成長装置内の温度上昇を抑制し、原料ガスの分解を抑制する。基板に均一に近い組成の半導体層を成長することができ、半導体層の特性のばらつきを抑制することができる。
（１０）前記ガス導入部はガス通路を有し、前記第１キャップの空洞の断面積は、前記ガス通路の２倍以上でもよい。空洞に多量のガスを供給することで、温度上昇を効果的に抑制し、特性のばらつきをさらに抑制することができる。
（１１）前記サセプタの上であって前記基板よりも外側に設けられ、内側に空洞を有する第２キャップを具備し、前記ガス導入部は、前記第２キャップの空洞を冷却するガスを導入してもよい。成長装置内の温度上昇を効果的に抑制し、原料ガスの分解を抑制する。半導体層の特性のばらつきを抑制することができる。 One embodiment of the present disclosure is (1) a growth method for growing a semiconductor layer on a substrate placed on a susceptor by chemical vapor deposition, comprising the steps of: heating the susceptor; a step of introducing a gas for cooling a cavity inside a first cap provided between the substrate and a region upstream of the substrate in the flow direction of the raw material gas; and growing a semiconductor layer on the substrate by introducing the raw material gas from the first cap side toward the substrate side. The first cap has a thermal conductivity lower than that of the susceptor and introduces the gas, thereby suppressing the temperature rise in the growth apparatus and suppressing the decomposition of the source gas. A semiconductor layer having a nearly uniform composition can be grown on the substrate, and variations in the characteristics of the semiconductor layer can be reduced.
(2) The susceptor may have a rotating mechanism, and the gas may be introduced into and discharged from the cavity inside the first cap. Cooling is facilitated by gas exchange within the cavity.
(3) The first cap may contain at least one of quartz, silicon carbide, aluminum nitride and boron nitride. Since the first cap has a lower thermal conductivity than the susceptor, it suppresses the temperature rise in the growth apparatus and suppresses the decomposition of the source gas. Variation in the characteristics of the semiconductor layer can be suppressed.
(4) The susceptor may contain graphite. Since the first cap has a thermal conductivity lower than that of the graphite susceptor, temperature rise in the growth apparatus is suppressed. It is possible to suppress the decomposition of the raw material gas and suppress the variation in the characteristics of the semiconductor layer.
(5) The gas may include at least one of hydrogen, nitrogen, argon and helium. It suppresses the temperature rise in the growth apparatus and suppresses the decomposition of the raw material gas. Variation in the characteristics of the semiconductor layer can be suppressed.
(6) The temperature of the gas may be 26° C. or lower. It suppresses the temperature rise in the growth apparatus and suppresses the decomposition of the raw material gas. Variation in the characteristics of the semiconductor layer can be suppressed.
(7) The raw material gas may be a raw material gas for a III-V group compound semiconductor. By suppressing the decomposition of the raw material gas, it is possible to form a III-V compound semiconductor layer having a desired ratio of the III-group element to the V-group element.
(8) A second cap may be provided above the susceptor and outside the substrate, and a step of introducing a gas for cooling a cavity inside the second cap may be provided. It effectively suppresses the temperature rise in the growth apparatus and suppresses the decomposition of the raw material gas. Variation in the characteristics of the semiconductor layer can be suppressed.
(9) A growth apparatus for growing a semiconductor layer by chemical vapor deposition, comprising a susceptor on which a substrate is placed, a heating unit for heating the susceptor, and a material gas flowing over the susceptor. A first cap provided between a region on the upstream side of the substrate in the direction and the substrate and having a cavity therein, and a gas introducing portion for introducing a gas for cooling the cavity of the first cap. It is a device for growing a semiconductor layer. The cap has a thermal conductivity lower than that of the susceptor and introduces the gas, thereby suppressing the temperature rise in the growth apparatus and suppressing the decomposition of the source gas. A semiconductor layer having a nearly uniform composition can be grown on the substrate, and variations in the characteristics of the semiconductor layer can be suppressed.
(10) The gas introducing portion may have a gas passage, and the cross-sectional area of the cavity of the first cap may be twice or more that of the gas passage. By supplying a large amount of gas to the cavity, it is possible to effectively suppress temperature rise and further suppress variation in characteristics.
(11) A second cap is provided above the susceptor and outside the substrate and has a cavity inside, and the gas introducing section introduces a gas for cooling the cavity of the second cap. may It effectively suppresses the temperature rise in the growth apparatus and suppresses the decomposition of the raw material gas. Variation in the characteristics of the semiconductor layer can be suppressed.

［本開示の実施形態の詳細］
本開示の実施形態に係る半導体層の成長方法および半導体層の成長装置の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本開示はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 [Details of the embodiment of the present disclosure]
Specific examples of a method for growing a semiconductor layer and an apparatus for growing a semiconductor layer according to an embodiment of the present disclosure will be described below with reference to the drawings. The present disclosure is not limited to these examples, but is indicated by the scope of the claims, and is intended to include all modifications within the scope and meaning equivalent to the scope of the claims.

（成長装置）
図１は第１実施形態に係る成長装置１００を例示する断面図である。図２は成長装置１００の拡大図であり、図１のうち右半分を拡大している。図３は成長装置１００を例示する平面図である。図２および図３においては制御部３２を省略している。図１および図２は成長装置１００の内部を図示するための模式的な図であり、ガスの導入口および排出口などを同一の断面に記載している。 (Growth device)
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a growth apparatus 100 according to the first embodiment. FIG. 2 is an enlarged view of the growth apparatus 100, and the right half of FIG. 1 is enlarged. FIG. 3 is a plan view illustrating the growth apparatus 100. FIG. 2 and 3, the control unit 32 is omitted. 1 and 2 are schematic diagrams for illustrating the inside of the growth apparatus 100, and the gas inlet and gas outlet are shown in the same cross section.

図１に示すように、成長装置１００は床部１０、壁部１４、天板１６、蓋１８、回転部２０、サセプタ２２、サテライト２４、ガス噴出部２６、加熱部２８、キャップ３０（第１キャップ）、制御部３２を備える。図３に示すように、成長装置１００の平面形状は円形である。成長装置１００は横型のＭＯＣＶＤ装置であり、ウェハ５０（基板）の上に化合物半導体層をエピタキシャル成長する装置である。 As shown in FIG. 1, the growth apparatus 100 includes a floor portion 10, a wall portion 14, a top plate 16, a lid 18, a rotating portion 20, a susceptor 22, a satellite 24, a gas ejection portion 26, a heating portion 28, a cap 30 (first cap) and a controller 32 . As shown in FIG. 3, the planar shape of the growth apparatus 100 is circular. The growth apparatus 100 is a horizontal MOCVD apparatus for epitaxially growing a compound semiconductor layer on a wafer 50 (substrate).

図１に示す制御部３２はコンピュータなどを含む制御装置であり、回転制御部３３、温度制御部３４、原料ガス制御部３５、回転用ガス制御部３６、およびガス制御部３８として機能する。 The control unit 32 shown in FIG. 1 is a control device including a computer, etc., and functions as a rotation control unit 33 , a temperature control unit 34 , a source gas control unit 35 , a rotation gas control unit 36 and a gas control unit 38 .

原料ガス貯留部８０ａおよび８０ｂは半導体層の原料ガスを貯留する。半導体層の成長には複数の原料ガスを用いる。原料ガスは種類ごとに、複数の原料ガス貯留部８０ａおよび８０ｂなどに別々に貯留される。図１には２つの原料ガス貯留部８０ａおよび８０ｂを図示しているが、原料ガス貯留部は３つ以上でもよい。回転用ガス貯留部８２は回転用のガスを貯留する。ガス貯留部８４は冷却用のガスを貯留する。 The source gas reservoirs 80a and 80b store the source gas for the semiconductor layer. A plurality of source gases are used to grow the semiconductor layer. The raw material gases are stored separately in a plurality of raw material gas storage units 80a and 80b, etc. for each type. Although two source gas reservoirs 80a and 80b are illustrated in FIG. 1, the number of source gas reservoirs may be three or more. The rotation gas reservoir 82 stores a rotation gas. The gas storage part 84 stores gas for cooling.

床部１０は例えば円形である。壁部１４は床部１０の外周部に位置し、床部１０から例えば垂直に突出する。天板１６は床部１０から離間し、床部１０の上に位置する。蓋１８は天板１６の上に取り付けられる。床部１０、壁部１４および蓋１８は密閉された空間４０を形成する。床部１０の上にサセプタ２２、サテライト２４、ガス噴出部２６が配置される。 The floor 10 is circular, for example. The wall portion 14 is located on the outer periphery of the floor portion 10 and protrudes vertically from the floor portion 10, for example. The top plate 16 is spaced apart from the floor section 10 and positioned on the floor section 10 . A lid 18 is attached on top of the top plate 16 . Floor 10 , walls 14 and lid 18 form an enclosed space 40 . A susceptor 22 , a satellite 24 and a gas ejection section 26 are arranged on the floor section 10 .

回転部２０（回転機構）は成長装置１００の平面内の中央に位置し、サセプタ２２に連結され、例えばモータなどを含む。回転部２０は、回転部２０を中心としてサセプタ２２を回転させる。回転制御部３３は回転部２０の回転数を制御する。 A rotating part 20 (rotating mechanism) is located in the center of the plane of the growth apparatus 100, is connected to the susceptor 22, and includes, for example, a motor. The rotating portion 20 rotates the susceptor 22 around the rotating portion 20 . A rotation control unit 33 controls the number of rotations of the rotating unit 20 .

原料ガス貯留部８０ａとガス噴出部２６とを接続する配管にはバルブ８１ａが設けられている。原料ガス貯留部８０ｂとガス噴出部２６とを接続する配管にはバルブ８１ｂが設けられている。原料ガス制御部３５は、バルブ８１ａおよび８１ｂの開閉などを行い、原料ガスの種類ごとに流量を制御する。 A valve 81a is provided in the pipe connecting the raw material gas storage section 80a and the gas ejection section 26 . A valve 81b is provided in the pipe connecting the raw material gas storage section 80b and the gas ejection section 26 . The source gas control unit 35 opens and closes the valves 81a and 81b, and controls the flow rate for each type of source gas.

ガス噴出部２６は、サセプタ２２の中央部の上に設けられており、例えば複数の噴出口２７を有する。噴出口２７はガス噴出部２６の側面に開口する。噴出口２７から空間４０に向けてキャリアガスおよび原料ガスが噴出される。原料ガスが空間４０内を流れ、ウェハ５０に到達し、半導体層がウェハ５０の上にエピタキシャル成長する。キャップ３０はガスの上流側に位置し、ウェハ５０は下流側に位置する。空間４０のうちガス噴出部２６からウェハ５０までは助走距離区間４０ａとなる。助走距離区間４０ａにおいて、原料ガスがキャリアガス中に均一に混合する。 The gas ejection part 26 is provided on the central part of the susceptor 22 and has a plurality of ejection holes 27, for example. The ejection port 27 opens on the side surface of the gas ejection portion 26 . A carrier gas and a raw material gas are ejected from the ejection port 27 toward the space 40 . A source gas flows through the space 40 and reaches the wafer 50 , and a semiconductor layer is epitaxially grown on the wafer 50 . The cap 30 is located upstream of the gas and the wafer 50 is located downstream. The space 40 from the gas ejection portion 26 to the wafer 50 is a run-up distance section 40a. In the approach distance section 40a, the raw material gas is uniformly mixed with the carrier gas.

サセプタ２２は例えばカーボン（黒鉛）で形成され、床部１０の上に設けられ、床部１０の中央から外周部まで覆う。サセプタ２２の内部には空洞２３が設けられている。図３に示すように、サセプタ２２の平面形状は円である。 The susceptor 22 is made of carbon (graphite), for example, and is provided on the floor 10 to cover the floor 10 from its center to its outer periphery. A cavity 23 is provided inside the susceptor 22 . As shown in FIG. 3, the planar shape of the susceptor 22 is circular.

図１および図２に示すように、サセプタ２２と床部１０との間には加熱部２８が設けられている。加熱部２８は例えば銅など金属製のコイルなどであり、電流が流れることで発熱する。温度制御部３４は加熱部２８に流す電流を制御する。 As shown in FIGS. 1 and 2, a heating section 28 is provided between the susceptor 22 and the floor section 10 . The heating unit 28 is, for example, a coil made of metal such as copper, and generates heat when current flows through it. The temperature control section 34 controls the current that flows through the heating section 28 .

サセプタ２２の上面にはキャップ３０および複数のサテライト２４が配置されている。図３に示すように、例えば１２個のサテライト２４が配置される。サテライト２４は例えば円板状のトレーであり、カーボンで形成される。サテライト２４の上面は座繰り加工されており、１つのサテライト２４に１枚のウェハ５０が搭載される。 A cap 30 and a plurality of satellites 24 are arranged on the upper surface of the susceptor 22 . As shown in FIG. 3, for example, 12 satellites 24 are arranged. The satellite 24 is, for example, a disc-shaped tray and is made of carbon. The upper surface of the satellite 24 is counterbored, and one wafer 50 is mounted on one satellite 24 .

図３に示すようにキャップ３０は例えば円環状の部材であり、図１および図２に示すようにサセプタ２２の中央とウェハ５０との間に位置し、助走距離区間４０ａに延伸する。キャップ３０は例えば石英、炭化シリコン（ＳｉＣ）の焼結体、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の焼結体、および窒化ホウ素（ＢＮ）の焼結体のいずれかなどで形成される。キャップ３０は内側に空洞３０ａを有する。キャップ３０の厚さＴは例えば５ｍｍである。キャップ３０とサテライト２４とは離間しており、これらの間の距離Ｄは例えば２ｍｍである。キャップ３０の表面の粗さ（算術平均粗さＲａ）は例えば１２．５μｍ以上である。 As shown in FIG. 3, the cap 30 is, for example, an annular member, is positioned between the center of the susceptor 22 and the wafer 50 as shown in FIGS. 1 and 2, and extends to the run-up distance section 40a. The cap 30 is made of, for example, quartz, a sintered body of silicon carbide (SiC), a sintered body of aluminum nitride (AlN), or a sintered body of boron nitride (BN). The cap 30 has a cavity 30a inside. The thickness T of the cap 30 is, for example, 5 mm. The cap 30 and the satellites 24 are separated and the distance D between them is, for example, 2 mm. The surface roughness (arithmetic mean roughness Ra) of the cap 30 is, for example, 12.5 μm or more.

回転部２０にガス通路４２および４４が設けられている。サセプタ２２はガス導入口４５および４８、ガス排出口４６を有する。ガス通路４２の一端は回転用ガス貯留部８２に接続され、他端はサセプタ２２の空洞２３に接続されている。ガス導入口４８はサテライト２４の下に位置し、サセプタ２２の空洞２３に連通する。空洞２３は不図示のガス通路を通じて排出口４９に接続される。 Gas passages 42 and 44 are provided in the rotating portion 20 . The susceptor 22 has gas inlets 45 and 48 and a gas outlet 46 . One end of the gas passage 42 is connected to the rotating gas reservoir 82 and the other end is connected to the cavity 23 of the susceptor 22 . A gas inlet 48 is positioned below the satellite 24 and communicates with the cavity 23 of the susceptor 22 . Cavity 23 is connected to outlet 49 through a gas passage (not shown).

回転用ガス貯留部８２には例えば２６℃の水素（Ｈ_２）ガスなどの回転用ガスが貯留されている。回転用ガス貯留部８２とガス通路４２とを接続する配管にはバルブ８３が設けられている。回転用ガス制御部３６は、バルブ８３を開閉することでガス通路４２に導入する回転用ガスの流量を制御する。回転用ガスは、ガス通路４２から空洞２３に流入し、ガス導入口４８からサテライト２４の下面に渦を巻くように吹き付けられる。回転用ガスの供給によって、サテライト２４はサセプタ２２から浮き上がり、平面内で回転する。 A rotation gas such as hydrogen (H ₂ ) gas at 26° C. is stored in the rotation gas reservoir 82 . A valve 83 is provided in a pipe connecting the rotation gas reservoir 82 and the gas passage 42 . The rotation gas control unit 36 controls the flow rate of the rotation gas introduced into the gas passage 42 by opening and closing the valve 83 . The rotation gas flows into the cavity 23 from the gas passage 42 and is sprayed from the gas introduction port 48 onto the lower surface of the satellite 24 in a swirling manner. The satellite 24 is lifted from the susceptor 22 by supplying the rotating gas and rotates in a plane.

ガス通路４４の一端は配管を通じてガス貯留部８４に接続され、他端はガス導入口４５を通じてキャップ３０の空洞３０ａに連通する。ガス排出口４６はキャップ３０の下に位置し、キャップ３０の空洞３０ａに連通し、かつ不図示のガス通路を通じて排出口４９に接続される。ガス通路４４およびガス導入口４５の断面の径は例えば５ｍｍ以上、６ｍｍ以下である。ガス貯留部８４はガスを貯留する。ガスは例えば水素ガス、窒素（Ｎ_２）ガス、アルゴン（Ａｒ）ガス、およびヘリウム（Ｈｅ）ガス、またはこれらの混合ガスなどであり、空洞３０ａを冷却するためのガスである。ガス貯留部８４とガス通路４４とを接続する配管にはバルブ８５が設けられている。ガス制御部３８は、バルブ８５を開閉することで空間４０に導入するガスの流量を制御する。 One end of the gas passage 44 is connected to the gas reservoir 84 through a pipe, and the other end communicates with the cavity 30 a of the cap 30 through the gas introduction port 45 . The gas discharge port 46 is located under the cap 30, communicates with the cavity 30a of the cap 30, and is connected to the discharge port 49 through a gas passage (not shown). The cross-sectional diameters of the gas passage 44 and the gas introduction port 45 are, for example, 5 mm or more and 6 mm or less. The gas storage part 84 stores gas. The gas is, for example, hydrogen gas, nitrogen (N ₂ ) gas, argon (Ar) gas, helium (He) gas, or a mixture of these gases, and is a gas for cooling the cavity 30a. A valve 85 is provided in the pipe connecting the gas reservoir 84 and the gas passage 44 . The gas control unit 38 controls the flow rate of the gas introduced into the space 40 by opening and closing the valve 85 .

ガスはガス貯留部８４からガス通路４４に流れ、ガス導入口４５からキャップ３０の空洞３０ａに導入される。ガス通路４４への導入時点でのガスの温度は例えば２６℃以下である。ガスが空洞３０ａに導入されることで、空洞３０ａおよび成長装置１００の空間４０が冷却され、温度上昇が抑制される。サテライト２４を回転させる回転ガスの温度は室温である。 Gas flows from the gas reservoir 84 into the gas passage 44 and is introduced into the cavity 30 a of the cap 30 through the gas introduction port 45 . The temperature of the gas when it is introduced into the gas passage 44 is, for example, 26° C. or lower. By introducing the gas into the cavity 30a, the cavity 30a and the space 40 of the growth apparatus 100 are cooled, and the temperature rise is suppressed. The temperature of the rotating gas that rotates the satellites 24 is room temperature.

（半導体素子５２）
図４はウェハ５０に形成される半導体光素子５２を例示する斜視図である。Ｘ軸方向は光の伝搬方向である。Ｚ軸方向は層の積層方向であり、Ｘ軸方向に直交する。Ｙ軸方向はＸ軸方向およびＺ軸方向に直交する。図４においては半導体光素子５２のうち一部の断面も図示している。 (Semiconductor element 52)
FIG. 4 is a perspective view illustrating the semiconductor optical device 52 formed on the wafer 50. As shown in FIG. The X-axis direction is the direction of light propagation. The Z-axis direction is the stacking direction of layers and is orthogonal to the X-axis direction. The Y-axis direction is orthogonal to the X-axis direction and the Z-axis direction. FIG. 4 also shows a cross section of a portion of the semiconductor optical device 52 .

半導体光素子５２は、変調器領域５４と分布帰還型（ＤＦＢ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ）レーザ領域５６とを集積した、ＥＭＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ－ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）素子である。変調器領域５４とＤＦＢレーザ領域５６とはＸ軸方向に並ぶ。 The semiconductor optical device 52 is an EML (Electro-absorption Modulator Integrated Laser Diode) device in which a modulator region 54 and a distributed feedback (DFB) laser region 56 are integrated. The modulator region 54 and the DFB laser region 56 are arranged in the X-axis direction.

半導体光素子５２は、基板５８、回折格子層６０、光吸収層６２、活性層６４、クラッド層６６、埋込層６３、電極７０、７２および７４を有する。変調器領域５４においては、基板５８の上に回折格子層６０、光吸収層６２、およびクラッド層６６が順に積層されている。基板５８、回折格子層６０、光吸収層６２およびクラッド層６６は、Ｚ軸方向に突出するメサ５５を形成する。Ｘ軸方向において変調器領域５４のＤＦＢレーザ領域５６とは反対側の端面には、不図示の反射防止膜を設ける。 The semiconductor optical device 52 has a substrate 58 , a diffraction grating layer 60 , a light absorption layer 62 , an active layer 64 , a clad layer 66 , a buried layer 63 and electrodes 70 , 72 and 74 . In the modulator region 54, a diffraction grating layer 60, a light absorption layer 62, and a clad layer 66 are sequentially laminated on a substrate 58. FIG. The substrate 58, the grating layer 60, the light absorbing layer 62 and the cladding layer 66 form the mesa 55 projecting in the Z-axis direction. An antireflection film (not shown) is provided on the end face of the modulator region 54 opposite to the DFB laser region 56 in the X-axis direction.

ＤＦＢレーザ領域５６においては、基板５８の上に回折格子層６０、活性層６４、およびクラッド層６６が順に積層されている。基板５８、回折格子層６０、活性層６４およびクラッド層６６は、Ｚ軸方向に突出するメサ５７を形成する。メサ５５および５７のＹ軸方向の両側に埋込層６３が設けられている。埋込層６３の上に絶縁膜６５が設けられている。回折格子層６０のうちＤＦＢレーザ領域５６内の部分には、Ｘ軸方向に延伸する回折格子６１が設けられている。Ｘ軸方向においてＤＦＢレーザ領域５６の変調器領域５４とは反対側の端面には、例えば反射防止膜または高反射膜を設ける。 In the DFB laser region 56, a diffraction grating layer 60, an active layer 64, and a clad layer 66 are laminated on a substrate 58 in this order. The substrate 58, grating layer 60, active layer 64 and cladding layer 66 form a mesa 57 projecting in the Z-axis direction. Buried layers 63 are provided on both sides of the mesas 55 and 57 in the Y-axis direction. An insulating film 65 is provided on the buried layer 63 . A diffraction grating 61 extending in the X-axis direction is provided in a portion of the diffraction grating layer 60 within the DFB laser region 56 . For example, an antireflection film or a high reflection film is provided on the end face of the DFB laser region 56 opposite to the modulator region 54 in the X-axis direction.

変調器領域５４の絶縁膜６５の上に電極７０が設けられている。ＤＦＢレーザ領域５６の絶縁膜６５の上に電極７２が設けられている。電極７０および７２はクラッド層６６に電気的に接続される。電極７４は基板５８の下に設けられ、基板５８に電気的に接続される。 An electrode 70 is provided on the insulating film 65 in the modulator region 54 . An electrode 72 is provided on the insulating film 65 in the DFB laser region 56 . Electrodes 70 and 72 are electrically connected to cladding layer 66 . Electrode 74 is provided below substrate 58 and is electrically connected to substrate 58 .

基板５８は例えばｎ型のインジウムリン（ｎ－ＩｎＰ）で形成され、ｎ型のクラッド層として機能する。回折格子層６０は例えばインジウムガリウム砒素リン（ＩｎＧａＡｓＰ）などで形成されている。活性層６４および光吸収層６２は、例えばアンドープのガリウムインジウム砒素（ｉ－ＧａＩｎＡｓ）で形成された複数の井戸層およびバリア層を含み、多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）を有する。クラッド層６６は例えばｐ－ＩｎＰで形成されている。埋込層６３は、例えば鉄（Ｆｅ）をドープされたＩｎＰなど、半絶縁性の半導体で形成されている。 The substrate 58 is made of, for example, n-type indium phosphide (n-InP) and functions as an n-type clad layer. The diffraction grating layer 60 is made of, for example, indium gallium arsenide phosphide (InGaAsP). The active layer 64 and the light absorption layer 62 include a plurality of well layers and barrier layers made of undoped gallium indium arsenide (i-GaInAs), for example, and have a multiquantum well (MQW) structure. The cladding layer 66 is made of p-InP, for example. The buried layer 63 is made of a semi-insulating semiconductor such as InP doped with iron (Fe).

絶縁膜６５は例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）などの絶縁体で形成されている。電極７０および７２はｐ型の電極であり、例えばチタン、白金および金の積層体（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）など、金属で形成される。電極７４はｎ型の電極であり、例えば金、ゲルマニウムおよびＮｉの合金（ＡｕＧｅＮｉ）などの金属で形成される。 The insulating film 65 is made of an insulator such as silicon nitride (SiN). Electrodes 70 and 72 are p-type electrodes and are formed of metal, for example a laminate of titanium, platinum and gold (Ti/Pt/Au). The electrode 74 is an n-type electrode and is made of metal such as an alloy of gold, germanium and Ni (AuGeNi).

電極７２および７４に電圧を印加し、活性層６４に電流を注入することで、活性層６４からＸ軸方向に光が出射される。回折格子６１により光の波長を調整する。光はＤＦＢレーザ領域５６から変調器領域５４に入射する。電極７０および７４に電圧を印加することで、光を変調する。変調された光は変調器領域５４の端面からＸ軸方向に出射される。 By applying a voltage to the electrodes 72 and 74 and injecting a current into the active layer 64, light is emitted from the active layer 64 in the X-axis direction. A diffraction grating 61 adjusts the wavelength of light. Light enters modulator region 54 from DFB laser region 56 . Applying a voltage to electrodes 70 and 74 modulates the light. The modulated light is emitted from the end face of the modulator region 54 in the X-axis direction.

（製造方法）
図５は半導体層の成長方法を例示するフローチャートであり、図４の半導体光素子５２のうち回折格子層６０の結晶成長の工程を示す。図５に示すように、ウェハ５０をサテライト２４の上に配置する（ステップＳ１０）。キャップ３０をサセプタ２２の上に配置する（ステップＳ１２）。ステップＳ１０およびＳ１２の順番は逆でもよい。 (Production method)
FIG. 5 is a flow chart illustrating a method of growing semiconductor layers, and shows steps of crystal growth of the diffraction grating layer 60 in the semiconductor optical device 52 of FIG. As shown in FIG. 5, wafer 50 is placed on satellite 24 (step S10). The cap 30 is placed on the susceptor 22 (step S12). The order of steps S10 and S12 may be reversed.

温度制御部３４は加熱部２８に通電することで加熱部２８を発熱させ、サセプタ２２を加熱する（ステップＳ１３）。ガス噴出部２６の噴出口２７から空間４０内にキャリアガスを噴出する（ステップＳ１４）。キャリアガスは例えば水素ガスである。空間４０内の圧力が所定の圧力になり、温度が所定の温度になるまで、キャリアガスを流し続け、原料ガスは流さない。 The temperature control unit 34 energizes the heating unit 28 to cause the heating unit 28 to generate heat, thereby heating the susceptor 22 (step S13). A carrier gas is jetted into the space 40 from the jetting port 27 of the gas jetting part 26 (step S14). A carrier gas is, for example, hydrogen gas. Until the pressure in the space 40 reaches a predetermined pressure and the temperature reaches a predetermined temperature, the carrier gas continues to flow and the raw material gas does not flow.

回転用ガス制御部３６は、ガス通路４２、サセプタ２２の空洞２３およびガス導入口４８を通じて、サテライト２４に回転用ガスを導入する（ステップＳ１６）。回転用ガスによりサテライト２４は回転する。 The rotation gas controller 36 introduces the rotation gas into the satellite 24 through the gas passage 42, the cavity 23 of the susceptor 22, and the gas introduction port 48 (step S16). The satellite 24 is rotated by the rotating gas.

ガス制御部３８は、ガス通路４４、ガス導入口４５を通じて、キャップ３０の空洞３０ａ内に、冷却用のガスを導入する（ステップＳ１８）。ガスの導入により、空洞３０ａおよび空間４０が冷却される。ガスは空間４０には流入せず、成長装置１００の外に排出される。 The gas control unit 38 introduces cooling gas into the cavity 30a of the cap 30 through the gas passage 44 and the gas introduction port 45 (step S18). The gas introduction cools the cavity 30a and the space 40 . The gas does not flow into space 40 and is exhausted outside growth apparatus 100 .

原料ガス制御部３５は、ガス噴出部２６から空間４０に向けて原料ガスを噴出させる（ステップＳ２０）。原料ガスの種類などは後述する。原料ガスは助走距離区間４０ａを流れ、ウェハ５０に到達する。ウェハ５０の上面にＩｎＧａＡｓＰの回折格子層６０がエピタキシャル成長する。成長の実行中にも、空洞３０ａにガスは供給され続けている。 The source gas control unit 35 ejects the source gas from the gas ejection unit 26 toward the space 40 (step S20). The kind of raw material gas etc. are mentioned later. The raw material gas flows through the run-up distance section 40 a and reaches the wafer 50 . A diffraction grating layer 60 of InGaAsP is epitaxially grown on the upper surface of the wafer 50 . The gas continues to be supplied to the cavity 30a even during the execution of the growth.

成長終了後、回転用ガス制御部３６は回転用ガスを停止し、ガス制御部３８はガスを停止し、原料ガス制御部３５は原料ガスを停止する（ステップＳ２２）。空間４０内には例えば窒素ガスを流す。温度が室温に到達したのち、ウェハ５０を成長装置１００から取り出す（ステップＳ２４）。エッチングによる回折格子６１の形成、他の半導体層の成長、エッチングによるメサ形成、埋込成長などを行い、半導体光素子５２を形成する。 After the growth is finished, the rotation gas control unit 36 stops the rotation gas, the gas control unit 38 stops the gas, and the source gas control unit 35 stops the source gas (step S22). Nitrogen gas, for example, is flowed in the space 40 . After the temperature reaches room temperature, wafer 50 is removed from growth apparatus 100 (step S24). A semiconductor optical device 52 is formed by forming a diffraction grating 61 by etching, growing another semiconductor layer, forming a mesa by etching, embedding growth, and the like.

図６は成長方法のタイミングチャートである。横軸は時間、縦軸は空間４０内の温度を表す。例えば、ｔ１～ｔ６間の時間は３０分であり、ｔ１～ｔ７間の時間は４０分であり、ｔ１～ｔ９間の時間は６０分である。回折格子層６０の原料ガスとしてホスフィン（ＰＨ_３）、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、アルシン（ＡｓＨ_３）を用いる。 FIG. 6 is a timing chart of the growth method. The horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the temperature within the space 40 . For example, the time between t1-t6 is 30 minutes, the time between t1-t7 is 40 minutes, and the time between t1-t9 is 60 minutes. Phosphine (PH ₃ ), trimethylgallium (TMGa), trimethylindium (TMIn), and arsine (AsH ₃ ) are used as raw material gases for the diffraction grating layer 60 .

時間ｔ１から時間ｔ５までの間に、ウェハ５０の温度を６５０℃に上昇させる（図５のステップＳ１３）。時間ｔ２に、キャリアガスである水素ガス（Ｈ_２）を空間４０内に流し始める（ステップＳ１４）。時間ｔ３に、ガスである窒素ガス（Ｎ_２）をキャップ３０の空洞３０ａ内に流し始める（ステップＳ１８）。時間ｔ４にＰＨ_３を空間４０内に流し始める。 Between time t1 and time t5, the temperature of wafer 50 is raised to 650° C. (step S13 in FIG. 5). At time t2, hydrogen gas (H ₂ ), which is a carrier gas, begins to flow into space 40 (step S14). At time t3, nitrogen gas (N ₂ ), which is gas, begins to flow into cavity 30a of cap 30 (step S18). PH ₃ begins to flow into space 40 at time t4.

時間ｔ５においてウェハ５０の温度は６５０℃に達し、時間ｔ７まで６５０℃を維持する。時間ｔ６において、ＴＭＧａ、ＴＭＩｎおよびＡＳＨ_３の導入を開始する。成長条件の一例は以下の通りである。
空間４０内の圧力：５０ｍｂａｒ（５０００Ｐａ）
ガスの総流量：２８０００ｓｃｃｍ
ＩＩＩ族元素の流量：４．８ｓｃｃｍ
Ｖ族元素の分圧：０．６ｔｏｒｒ（約８０Ｐａ）
ＩｎとＧａの合計に対するＩｎの気相比（Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ））：０．６９
ＰとＡｓの合計に対するＰの気相比（Ｐ／（Ｐ＋Ａｓ））：０．９３ The temperature of wafer 50 reaches 650° C. at time t5 and remains at 650° C. until time t7. At time t6, the introduction of TMGa, TMIn and ASH ₃ is started. An example of growth conditions is as follows.
Pressure in space 40: 50 mbar (5000 Pa)
Total gas flow: 28000sccm
Group III element flow rate: 4.8 sccm
Partial pressure of group V element: 0.6 torr (about 80 Pa)
Gas phase ratio of In to the sum of In and Ga (In/(In+Ga)): 0.69
Gas phase ratio of P to the sum of P and As (P / (P + As)): 0.93

時間ｔ７に、ＴＭＧａ、ＴＭＩｎおよびＡＳＨ_３、水素ガスおよびガスを停止し、窒素ガスを空間４０に導入する。時間ｔ７から温度は低下し始める。時間ｔ８にＰＨ_３の流入を停止させる。時間ｔ９に窒素ガスの流入を停止させる。時間ｔ９に温度は室温付近まで低下する。半導体光素子５２の他の半導体層も、回折格子層６０と同様に、キャップ３０の空洞３０ａにガスを導入しながら成長する。 At time t7, TMGa, TMIn and ASH ₃ , hydrogen gas and gas are stopped and nitrogen gas is introduced into space 40 . The temperature begins to drop from time t7. At time t8, the inflow of PH ₃ is stopped. At time t9, the inflow of nitrogen gas is stopped. At time t9, the temperature drops to around room temperature. Other semiconductor layers of the semiconductor optical device 52 are also grown while introducing gas into the cavity 30 a of the cap 30 in the same manner as the diffraction grating layer 60 .

図７は比較例１に係る成長装置１００Ｒを例示する図であり、図２と同様に拡大図である。成長装置１００Ｒはキャップ３０を有さず、板４１を有する。板４１は例えばカーボンで形成され、サセプタ２２の上に設けられている。板４１は例えばサセプタ２２と一体の部材でもよい。 FIG. 7 is a diagram illustrating a growth apparatus 100R according to Comparative Example 1, and is an enlarged diagram similar to FIG. The growth apparatus 100R does not have a cap 30 but has a plate 41. FIG. The plate 41 is made of carbon, for example, and is provided on the susceptor 22 . The plate 41 may be a member integral with the susceptor 22, for example.

４インチのウェハ５０に回折格子層６０を成長し、当該層におけるフォトルミネッセンス（ＰＬ：Ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｎｃｅ）波長の分布を調査した。ウェハ５０の外周部から中央部までを５ｍｍ間隔の領域に分け、領域ごとにＰＬ波長を測定する。ウェハ５０の端部の測定値は他の測定値から大きく外れる可能性があるため除外し、残りの測定値からＰＬ波長の標準偏差を算出する。 A diffraction grating layer 60 was grown on a 4-inch wafer 50, and the distribution of photoluminescence (PL) wavelengths in the layer was investigated. The area from the outer periphery to the center of the wafer 50 is divided into areas with an interval of 5 mm, and the PL wavelength is measured for each area. The edge measurements of the wafer 50 are excluded as they may deviate significantly from the other measurements, and the standard deviation of the PL wavelength is calculated from the remaining measurements.

図８はＰＬ波長の分布を例示する図である。横軸は層の厚さを表す。縦軸はウェハ５０におけるＰＬ波長の標準偏差を表す。図８中の黒丸は比較例１であり、三角は比較例２であり、白丸は第１実施形態の結果である。比較例１は図７の例である。比較例２は図１の成長装置においてガスを導入しない例である。第１実施形態は図１の成長装置において２０℃のガスを導入する例である。サセプタ２２はカーボン製であり、キャップ３０は石英製である。 FIG. 8 is a diagram illustrating the distribution of PL wavelengths. The horizontal axis represents the layer thickness. The vertical axis represents the standard deviation of PL wavelengths on the wafer 50 . In FIG. 8, black circles are Comparative Example 1, triangles are Comparative Example 2, and white circles are the results of the first embodiment. Comparative Example 1 is the example of FIG. Comparative Example 2 is an example in which no gas is introduced in the growth apparatus of FIG. The first embodiment is an example of introducing gas at 20° C. in the growth apparatus of FIG. The susceptor 22 is made of carbon and the cap 30 is made of quartz.

図８に示すように、いずれの例でも層が厚くなるほどＰＬ波長の分布は増加する。比較例１では、厚さが約７μｍのときに分布はおよそ２ｎｍから３ｎｍであり、厚さが２０μｍ以上になると分布は約５ｎｍに増加する。比較例２では、厚さが２０ｎｍ以上のときの分布が４ｎｍ以下に低下する。第１実施形態では、厚さが約７μｍのときに分布はおよそ１ｎｍであり、厚さが２０μｍ以上でも分布は約２ｎｍである。 As shown in FIG. 8, the distribution of PL wavelength increases as the layer becomes thicker in any example. In Comparative Example 1, the distribution is about 2 nm to 3 nm when the thickness is about 7 μm, and increases to about 5 nm when the thickness is 20 μm or more. In Comparative Example 2, the distribution decreases to 4 nm or less when the thickness is 20 nm or more. In the first embodiment, the distribution is about 1 nm when the thickness is about 7 μm, and about 2 nm even when the thickness is 20 μm or more.

比較例１においては、カーボン製の部材（サセプタ２２および板４１）から空間４０に熱が伝わり、温度が例えば３００℃まで上昇する。３００℃は、ＰＨ_３の分解が始まる温度である。３００℃以上の助走距離区間において、原料ガスがウェハ５０に到達する前に分解してしまう。ウェハ５０内において半導体層の組成にばらつきが生じ、図８に示したようなＰＬ波長の分布が拡大する。原料ガスの分解によってサセプタ２２の上に堆積物が形成されると、サセプタ２２の熱伝導率がさらに高くなる。温度がより上昇し、原料ガスの分解がさらに促進される。半導体層を厚く成長させるほど堆積物も厚く積み上がり、原料ガスが分解しやすくなる。この結果、図８に示すように半導体層が厚くなるほどＰＬ波長の分布が大きくなる。原料ガスのＰＨ_３が分解することで、ＩｎＧａＡｓＰのうちＰの組成比が高くなり、ＰＬ波長は短い側にシフトする。半導体層が厚くなるほど、ＰＬ波長は次第に短くなっていく。 In Comparative Example 1, heat is transferred from the members made of carbon (the susceptor 22 and the plate 41) to the space 40, and the temperature rises to 300.degree. ₃₀₀ °C is the temperature at which decomposition of PH3 begins. In the run-up distance section of 300° C. or more, the raw material gas is decomposed before reaching the wafer 50 . The composition of the semiconductor layer varies within the wafer 50, and the PL wavelength distribution as shown in FIG. 8 expands. When deposits are formed on the susceptor 22 by decomposition of the raw material gas, the thermal conductivity of the susceptor 22 is further increased. The temperature rises further, further promoting the decomposition of the raw material gas. The thicker the semiconductor layer is grown, the thicker the deposit accumulates, and the more easily the source gas is decomposed. As a result, as shown in FIG. 8, the thicker the semiconductor layer, the larger the PL wavelength distribution. By decomposing PH ₃ of the raw material gas, the composition ratio of P in InGaAsP increases, and the PL wavelength shifts to the shorter side. As the semiconductor layer becomes thicker, the PL wavelength becomes progressively shorter.

比較例２では、カーボンより熱伝導率の低い石英のキャップ３０をサセプタ２２の上に設けることで、空間４０の温度上昇を抑制し、助走距離区間４０ａにおける原料ガスの分解を抑制する。比較例１よりも分布を小さくすることができる。ただし、分解の抑制が不十分であり、ＰＬ波長の分布は４ｎｍ程度になってしまう。 In Comparative Example 2, a cap 30 made of quartz, which has a lower thermal conductivity than carbon, is provided on the susceptor 22 to suppress the temperature rise in the space 40 and suppress the decomposition of the raw material gas in the approach distance section 40a. The distribution can be made smaller than in Comparative Example 1. However, the suppression of decomposition is insufficient, and the PL wavelength distribution is about 4 nm.

第１実施形態によれば、サセプタ２２を加熱し、キャップ３０内の空洞３０ａにガスを導入した状態で、原料ガスを空間４０に導入し、半導体層の成長を行う。キャップ３０の熱伝導率はサセプタ２２よりも低く、かつガスを導入する。キャップ３０によりサセプタ２２から空間４０への熱の伝達が抑制され、かつガスによって空間４０が冷却される。空間４０の温度上昇が抑制されることで、助走距離区間４０ａにおける原料ガスの分解が抑制される。原料ガスが分解されずにウェハ５０まで到達することで、ウェハ５０の表面に均一に近い組成の半導体層を成長することができる。原料ガスの分解が抑制されるため、半導体層の成長工程を繰り返し実施しても、キャップ３０の表面に堆積物が発生しにくい。堆積物による熱伝導率の上昇が起こりにくく、空間４０の温度上昇が抑制され、特性がさらに安定する。例えば図８のように、成長を繰り返して膜厚を２０μｍ以上にしても、ＰＬ波長の分布がおよそ２ｎｍ程度に維持される。 According to the first embodiment, while the susceptor 22 is heated and the gas is introduced into the cavity 30a in the cap 30, the source gas is introduced into the space 40 to grow the semiconductor layer. The cap 30 has a lower thermal conductivity than the susceptor 22 and admits gas. The cap 30 suppresses heat transfer from the susceptor 22 to the space 40, and the space 40 is cooled by the gas. By suppressing the temperature rise in the space 40, decomposition of the raw material gas in the approach distance section 40a is suppressed. Since the raw material gas reaches the wafer 50 without being decomposed, a semiconductor layer having a nearly uniform composition can be grown on the surface of the wafer 50 . Since decomposition of the raw material gas is suppressed, deposits are less likely to occur on the surface of the cap 30 even if the semiconductor layer growth process is repeated. An increase in thermal conductivity due to deposits is less likely to occur, a temperature increase in the space 40 is suppressed, and the characteristics are further stabilized. For example, as shown in FIG. 8, even if the film thickness is increased to 20 μm or more by repeating growth, the PL wavelength distribution is maintained at approximately 2 nm.

回転部２０がサセプタ２２を回転させる。半導体層が均一に成長する。空間４０に導入されるガスは、空間４０から排出される。ガスが交換されることで、冷却が促進される。サセプタ２２はカーボンを含み、例えば全体がカーボン製である。キャップ３０はサセプタ２２よりも熱伝導率が低い材料で形成され、例えば全体が石英製である。キャップ３０は例えば石英、炭化シリコン、窒化アルミニウムおよび窒化ホウ素のうち少なくとも１つを含み、これらの組み合わせなどでもよい。キャップ３０によって空間４０への熱の伝達を抑制し、原料ガスの分解を抑制することができる。サセプタ２２およびキャップ３０を上記以外の材料で形成してもよい。 A rotating part 20 rotates the susceptor 22 . A semiconductor layer grows uniformly. Gas introduced into space 40 is discharged from space 40 . Cooling is facilitated by gas exchange. The susceptor 22 contains carbon and is entirely made of carbon, for example. The cap 30 is made of a material having a lower thermal conductivity than the susceptor 22, and is made entirely of quartz, for example. Cap 30 may include, for example, at least one of quartz, silicon carbide, aluminum nitride, and boron nitride, combinations thereof, and the like. The cap 30 can suppress heat transfer to the space 40 and suppress decomposition of the raw material gas. Susceptor 22 and cap 30 may be formed of materials other than those described above.

ガスは水素、窒素、アルゴンおよびヘリウムのうち少なくとも１つを含み、これらの混合ガスでもよい。空洞３０ａに導入するガスの温度は２６℃以下とすることが好ましい。効果的に冷却することができる。例えばガス貯留部８４に液体窒素を貯留し、液体窒素から気化した直後の約－１９６℃の窒素ガスをガスとして用いることで、温度上昇を効果的に抑制することができる。 The gas contains at least one of hydrogen, nitrogen, argon and helium, and may be a mixture of these gases. The temperature of the gas introduced into the cavity 30a is preferably 26° C. or lower. can be effectively cooled. For example, by storing liquid nitrogen in the gas storage unit 84 and using the nitrogen gas at about -196° C. immediately after being vaporized from the liquid nitrogen as the gas, the temperature rise can be effectively suppressed.

キャップ３０とサテライト２４およびウェハ５０とは離間している。キャップ３０とサテライト２４との間で熱の伝達が抑制され、空間４０の温度上昇も効果的に抑制することができる。キャップ３０にガスを流すことで、ガスを使用しない場合に比べて、原料ガスの分解を抑制し、キャップ３０の表面の堆積物を減少させる。キャップ３０の表面粗さ（算術平均粗さＲａ）は、例えば１２．５μｍ以上であることが好ましい。キャップ３０の表面が粗いことで、表面からの堆積物の剥離が抑制される。ウェハ５０へのパーティクルの付着を抑制することができる。堆積物がキャップ３０の表面に堆積することで、キャップ３０の熱伝導率が高くなる。ガスの流量および温度を調整することで、熱伝導率の変化を補い、半導体層の再現性の高いエピタキシャル成長を可能とする。 Cap 30 is separated from satellite 24 and wafer 50 . Heat transfer is suppressed between the cap 30 and the satellite 24, and the temperature rise in the space 40 can also be effectively suppressed. By flowing the gas through the cap 30, the decomposition of the raw material gas is suppressed and deposits on the surface of the cap 30 are reduced as compared with the case where the gas is not used. The surface roughness (arithmetic mean roughness Ra) of the cap 30 is preferably 12.5 μm or more, for example. The rough surface of the cap 30 suppresses the peeling of deposits from the surface. Adhesion of particles to the wafer 50 can be suppressed. The deposition of deposits on the surface of the cap 30 increases the thermal conductivity of the cap 30 . By adjusting the gas flow rate and temperature, it is possible to compensate for changes in thermal conductivity and to achieve highly reproducible epitaxial growth of semiconductor layers.

半導体光素子５２の回折格子層６０以外の半導体層の成長でも、成長装置１００を用いて、キャップ３０の空洞３０ａにガスを供給する。ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体の原料ガスの分解を抑制することで、ウェハ５０の全体にわたってＩＩＩ族元素とＶ族元素との比率を所望の値に近づけ、特性のばらつきを抑制する。成長装置１００で製造する半導体装置は、発光素子、受光素子、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などのトランジスタなどでもよい。ウェハ５０に半導体層を成長し、半導体基板を製造してもよい。成長する半導体層はＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層以外の化合物半導体層でもよい。 The gas is supplied to the cavity 30 a of the cap 30 using the growth apparatus 100 also for growing semiconductor layers other than the diffraction grating layer 60 of the semiconductor optical device 52 . By suppressing the decomposition of the raw material gas of the III-V compound semiconductor, the ratio of the III-group element and the V-group element is brought closer to the desired value over the entire wafer 50, and the variation in characteristics is suppressed. A semiconductor device manufactured by the growth apparatus 100 may be a light-emitting element, a light-receiving element, a transistor such as a high electron mobility transistor (HEMT), or the like. A semiconductor layer may be grown on the wafer 50 to produce a semiconductor substrate. The semiconductor layer to be grown may be a compound semiconductor layer other than the Group III-V compound semiconductor layer.

図１の上下方向における空洞３０ａの断面積は、例えばガス通路４４の断面積の２倍以上であり、３倍以上、４倍以上などでもよい。空洞３０ａ内に多量のガスを供給することで、空間４０の温度上昇を効果的に抑制することができる。成長装置１００は有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）以外の化学気相成長法（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を行ってもよい。 The cross-sectional area of the cavity 30a in the vertical direction in FIG. 1 is, for example, twice or more the cross-sectional area of the gas passage 44, or may be three times or more, or four times or more. By supplying a large amount of gas into the cavity 30a, the temperature rise of the space 40 can be effectively suppressed. The growth apparatus 100 may perform chemical vapor deposition (CVD) other than metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD).

＜第２実施形態＞
図９は第２実施形態に係る成長装置２００を例示する断面図であり、図２と同様に拡大した図である。第１実施形態と同じ構成については説明を省略する。図９に示すように、サセプタ２２の上であって、ウェハ５０より外側（キャップ３０とは反対側）にキャップ３１（第２キャップ）が設けられている。ガスの上流側から下流側にかけて、キャップ３０、ウェハ５０およびキャップ３１が並ぶ。キャップ３１はキャップ３０と同様に例えば石英、炭化シリコン、窒化アルミニウムおよび窒化ホウ素など、サセプタ２２よりも熱伝導率が低い材料で形成されている。 <Second embodiment>
FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating the growth apparatus 200 according to the second embodiment, and is an enlarged view similar to FIG. Description of the same configuration as in the first embodiment is omitted. As shown in FIG. 9, a cap 31 (second cap) is provided above the susceptor 22 and outside the wafer 50 (the side opposite to the cap 30). A cap 30, a wafer 50 and a cap 31 are arranged from the upstream side to the downstream side of the gas. Like the cap 30 , the cap 31 is made of a material having a lower thermal conductivity than the susceptor 22 , such as quartz, silicon carbide, aluminum nitride, and boron nitride.

第２実施形態によれば、キャップ３０の空洞にガスを導入する。さらに、下流側にキャップ３１を設ける。ウェハ５０の上流側および下流側において空間４０の温度上昇を抑制し、原料ガスの分解を防ぐことができる。特性のばらつきをより効果的に抑制することができる。キャップ３１の内側の空洞にガスを導入してもよいし、導入しなくてもよい。 According to a second embodiment, gas is introduced into the cavity of cap 30 . Furthermore, a cap 31 is provided on the downstream side. It is possible to suppress the temperature rise in the space 40 on the upstream and downstream sides of the wafer 50 and prevent the source gas from decomposing. Variation in characteristics can be suppressed more effectively. A gas may or may not be introduced into the cavity inside the cap 31 .

以上、本開示の実施形態について詳述したが、本開示は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本開示の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 Although the embodiments of the present disclosure have been described in detail above, the present disclosure is not limited to such specific embodiments, and various modifications and variations can be made within the scope of the gist of the present disclosure described in the claims. Change is possible.

１０ 床部
１４ 壁部
１６ 天板
１８ 蓋
２０ 回転部
２２ サセプタ
２４ サテライト
２６ ガス噴出部
２７ 噴出口
２８ 加熱部
３０、３１ キャップ
３０ａ 空洞
３２ 制御部
３３ 回転制御部
３４ 温度制御部
３５ 原料ガス制御部
３６ 回転用ガス制御部
３８ ガス制御部
４０ 空間
４０ａ 助走距離区間
４１ 板
４２、４４ ガス通路
４５、４８ ガス導入口
４６ ガス排出口
５０ ウェハ
５２ 半導体光素子
５４ 変調器領域
５５、５７ メサ
５６ ＤＦＢレーザ領域
５８ 基板
６０ 回折格子層
６１ 回折格子
６２ 光吸収層
６３ 埋込層
６４ 活性層
６５ 絶縁膜
６６ クラッド層
７０、７２、７４ 電極
８０ａ、８０ｂ 原料ガス貯留部
８１ａ、８１ｂ、８３、８５ バルブ
８２ 回転用ガス貯留部
８４ ガス貯留部
１００、１００Ｒ 成長装置
REFERENCE SIGNS LIST 10 floor 14 wall 16 top plate 18 lid 20 rotating part 22 susceptor 24 satellite 26 gas ejection part 27 ejection port 28 heating part 30, 31 cap 30a cavity 32 control part 33 rotation control part 34 temperature control part 35 source gas control part 36 rotation gas control unit 38 gas control unit 40 space 40a run-up distance section 41 plate 42, 44 gas passage 45, 48 gas introduction port 46 gas discharge port 50 wafer 52 semiconductor optical element 54 modulator region 55, 57 mesa 56 DFB laser Region 58 Substrate 60 Diffraction Grating Layer 61 Diffraction Grating 62 Light Absorbing Layer 63 Buried Layer 64 Active Layer 65 Insulating Film 66 Cladding Layer 70, 72, 74 Electrode 80a, 80b Source Gas Reservoir 81a, 81b, 83, 85 Valve 82 Rotation gas storage unit 84 gas storage unit 100, 100R growth apparatus

Claims (11)

化学気相成長法によって、サセプタに配置された基板に半導体層を成長する成長方法であって、
前記サセプタを加熱する工程と、
前記サセプタの上であって、原料ガスの流れる方向において前記基板よりも上流側の領域と前記基板との間に設けられる第１キャップの内部の空洞を冷却するガスを導入する工程と、
前記ガスを導入した状態で、前記第１キャップ側から前記基板側に向けて前記原料ガスを導入することで、前記基板上に半導体層を成長する工程と、を有する半導体層の成長方法。 A growth method for growing a semiconductor layer on a substrate placed on a susceptor by chemical vapor deposition, comprising:
heating the susceptor;
a step of introducing a gas for cooling a cavity inside a first cap provided above the susceptor and between the substrate and a region on the upstream side of the substrate in the flow direction of the raw material gas;
and growing a semiconductor layer on the substrate by introducing the raw material gas from the first cap side toward the substrate side while the gas is introduced. 前記サセプタは、回転機構を有し、
前記ガスは前記第１キャップの内部の前記空洞に導入され、前記空洞から排出される請求項１に記載の半導体層の成長方法。 The susceptor has a rotating mechanism,
2. The method of growing a semiconductor layer according to claim 1, wherein the gas is introduced into the cavity inside the first cap and exhausted from the cavity. 前記第１キャップは石英、炭化シリコン、窒化アルミニウムおよび窒化ホウ素のうち少なくとも１つを含む請求項１または請求項２に記載の半導体層の成長方法。 3. The method of growing a semiconductor layer according to claim 1, wherein the first cap includes at least one of quartz, silicon carbide, aluminum nitride and boron nitride. 前記サセプタは黒鉛を含む請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の半導体層の成長方法。 4. The method of growing a semiconductor layer according to claim 1, wherein the susceptor contains graphite. 前記ガスは水素、窒素、アルゴンおよびヘリウムのうち少なくとも１つを含む請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の半導体層の成長方法。 5. The method of growing a semiconductor layer according to claim 1, wherein said gas includes at least one of hydrogen, nitrogen, argon and helium. 前記ガスの温度は２６℃以下である請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の半導体層の成長方法。 6. The method of growing a semiconductor layer according to claim 1, wherein the temperature of said gas is 26[deg.] C. or lower. 前記原料ガスはＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体の原料ガスである請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の半導体層の成長方法。 7. The method for growing a semiconductor layer according to claim 1, wherein the raw material gas is a raw material gas for a group III-V compound semiconductor. 前記サセプタの上であって、前記基板よりも外側に第２キャップが設けられ、
前記第２キャップの内部の空洞を冷却するガスを導入する工程を有する請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の半導体層の成長方法。 A second cap is provided above the susceptor and outside the substrate,
8. The method of growing a semiconductor layer according to any one of claims 1 to 7, further comprising the step of introducing a gas for cooling the cavity inside the second cap. 化学気相成長法によって、半導体層を成長する成長装置であって、
基板が配置されるサセプタと、
前記サセプタを加熱する加熱部と、
前記サセプタの上であって、原料ガスの流れる方向において前記基板よりも上流側の領域と前記基板との間に設けられ、内部に空洞を有する第１キャップと、
前記第１キャップの空洞を冷却するガスを導入するガス導入部と、を具備する半導体層の成長装置。 A growth apparatus for growing a semiconductor layer by chemical vapor deposition,
a susceptor on which the substrate is placed;
a heating unit that heats the susceptor;
a first cap provided above the susceptor and between the substrate and a region on the upstream side of the substrate in the flow direction of the raw material gas, and having a cavity therein;
and a gas introduction unit for introducing a gas for cooling the cavity of the first cap. 前記ガス導入部はガス通路を有し、
前記第１キャップの空洞の断面積は、前記ガス通路の２倍以上である請求項９に記載の半導体層の成長装置。 The gas introduction part has a gas passage,
10. The apparatus for growing a semiconductor layer according to claim 9, wherein the cross-sectional area of the cavity of the first cap is at least twice the area of the gas passage. 前記サセプタの上であって前記基板よりも外側に設けられ、内側に空洞を有する第２キャップを具備し、
前記ガス導入部は、前記第２キャップの空洞を冷却するガスを導入する請求項９または請求項１０に記載の半導体層の成長装置。
a second cap provided above the susceptor and outside the substrate and having a cavity inside;
11. The apparatus for growing a semiconductor layer according to claim 9, wherein the gas introducing section introduces a gas for cooling the cavity of the second cap.

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