JP2022134797A - 半導体層の成長方法および半導体層の成長装置 - Google Patents

Abstract

【課題】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。【解決手段】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。【選択図】 図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。

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）。

特開２０１４－１１６３３１号公報

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。

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。

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。

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。

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。 図２は成長装置の拡大図である。 図３は成長装置を例示する平面図である。 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。 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。 図６は成長方法のタイミングチャートである。 図７は比較例１に係る成長装置を例示する図である。 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。 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。

[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。

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。

［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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

＜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。

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。

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。

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

Claims (11)

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。
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る請求項１に記載の半導体層の成長方法。
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。
4. 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。
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。
6. 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。
7. 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。
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。
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。
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倍以上である請求項９に記載の半導体層の成長装置。
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。
    

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