JP2008066575A - Manufacturing method of epitaxial wafer for semiconductor device and epitaxial wafer for semiconductor device - Google Patents
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Abstract
【課題】高精度な構造設計と、その成長条件への正確なフィードバックを可能にすることにより、垂直放射角などの光学特性が非常に安定で、かつバラツキが少ないLDを作製できる半導体デバイス用エピタキシャルウエハの製造方法を提供する。
【解決手段】基板上にエピタキシャル層を複数層を成長させて作製する半導体デバイス用エピタキシャルウエハの製造方法において、予め作製した複数層のエピタキシャル層におけるAl組成の深さ方向プロファイルを、2次イオン質量分析法により直接求め、求めたAl組成の深さ方向プロファイルデータを基に、上記Al組成が深さ方向で所定のプロファイルとなるように成長させる方法である。
【選択図】図2Epitaxial semiconductor device capable of producing LD with highly stable optical characteristics such as vertical radiation angle and less variation by enabling highly accurate structural design and accurate feedback to growth conditions A method for manufacturing a wafer is provided.
In a method for manufacturing an epitaxial wafer for a semiconductor device in which a plurality of epitaxial layers are grown on a substrate, a profile in the depth direction of the Al composition in the plurality of epitaxial layers prepared in advance is determined as a secondary ion mass. This is a method in which the Al composition is grown so that the Al composition has a predetermined profile in the depth direction based on the obtained Al composition depth direction profile data.
[Selection] Figure 2
Description
本発明は、半導体デバイス用エピタキシャルウエハ、特に、光ディスク上の情報を読み取るか、あるいは光ディスクに情報を記録するために用いられるLD(半導体レーザ)用エピタキシャルウエハの製造方法及びLD用エピタキシャルウエハに関する。 The present invention relates to an epitaxial wafer for a semiconductor device, and more particularly to a method of manufacturing an epitaxial wafer for LD (semiconductor laser) used for reading information on an optical disk or recording information on an optical disk, and an epitaxial wafer for LD.
従来、LD用エピタキシャルウエハの構造の設計、およびその構造を実現するためのエピタキシャルウエハ作製時において、まず、MOVPE(有機金属気相成長)法の成長条件を決定する必要がある。 Conventionally, when designing the structure of an LD epitaxial wafer and producing an epitaxial wafer for realizing the structure, it is first necessary to determine the growth conditions of the MOVPE (metal organic vapor phase epitaxy) method.
このため、まず、フォトルミネセンス(PL)法により測定したAlGaInPなどの4元層やAlGaAsなどの3元層からなるp型クラッド層、ガイド層、およびn型クラッド層のPL波長を用いる。具体的には、基板上に、上述したp型クラッド層などの各エピタキシャル層を1層ずつ作製した単層エピ(単層エピタキシャルウエハ)を用いる。 For this reason, first, PL wavelengths of a p-type cladding layer, a guide layer, and an n-type cladding layer made of a quaternary layer such as AlGaInP or a ternary layer such as AlGaAs measured by a photoluminescence (PL) method are used. Specifically, a single-layer epi (single-layer epitaxial wafer) in which each epitaxial layer such as the above-described p-type cladding layer is formed on a substrate is used.
これら単層エピをPL法により測定し、各エピタキシャル層のPL波長からGaに対するAlの組成を計算した結果を用いていた。そして、このAl組成からさらに各エピタキシャル層の屈折率を計算し、光学的な構造設計を行うという3段階の計算が必要であった。 These single-layer epis were measured by the PL method, and the result of calculating the Al composition with respect to Ga from the PL wavelength of each epitaxial layer was used. Further, a three-stage calculation is required in which the refractive index of each epitaxial layer is further calculated from the Al composition, and the optical structure is designed.
最後に、この構造設計から上記と逆の手順で各エピタキシャル層の成長条件を算出し、その成長条件を基に、基板上に各エピタキシャル層を成長させ、LD用エピタキシャルウエハを製造していた。 Finally, the growth conditions of each epitaxial layer are calculated from this structural design in the reverse procedure, and based on the growth conditions, each epitaxial layer is grown on the substrate to produce an LD epitaxial wafer.
一方、Gaに対するAl組成を直接測定する方法としては、例えばEDX(エネルギー分散型X線分光)のような元素の定量分析法がある。 On the other hand, as a method for directly measuring the Al composition with respect to Ga, there is a quantitative analysis method of elements such as EDX (energy dispersive X-ray spectroscopy).
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、次のものがある。 The prior art document information related to the invention of this application includes the following.
しかしながら、上記従来技術のうち、4元または3元層のPL波長からGaに対するAlの組成を計算する場合には、PL測定時の測定誤差の問題がある。特に多層構造のエピタキシャルウエハにおいては、p型クラッド層のPLの発光強度が弱い場合が多く、測定精度に大きな問題があった。Ga対するAl組成が0.7を超えるような場合では、ほとんどピーク波長が読みとれないほど発光強度が微弱である場合もある。 However, when calculating the Al composition with respect to Ga from the quaternary or ternary layer PL wavelength, there is a problem of measurement error during PL measurement. In particular, in an epitaxial wafer having a multilayer structure, the PL emission intensity of the p-type cladding layer is often weak, and there has been a serious problem in measurement accuracy. When the Al composition for Ga exceeds 0.7, the emission intensity may be so weak that almost no peak wavelength can be read.
当然のことながら、このように精度の悪い測定結果を用いて計算を行い、構造設計を行うことは、得られるLDの光学特性が不安定になり、バラツキが多いため問題である。 As a matter of course, it is a problem to perform the calculation by using the measurement result having such a low accuracy and to design the structure because the optical characteristics of the obtained LD become unstable and there are many variations.
一方、Gaに対するAl組成を直接測定するような元素の定量分析法では、結晶の表面の分析しかできず、エピタキシャルウエハのような多層構造を一括して測定し、多層構造内でのAl組成の組成差や相関関係を定量化するような測定は不可能である。 On the other hand, the elemental quantitative analysis method that directly measures the Al composition with respect to Ga can only analyze the surface of the crystal. The multilayer structure such as an epitaxial wafer is measured at once, and the Al composition in the multilayer structure is measured. Measurements that quantify compositional differences and correlations are not possible.
そこで、本発明の目的は、これらの問題点を解決し、高精度な構造設計と、その成長条件への正確なフィードバックを可能にすることにより、垂直放射角などの光学特性が非常に安定で、かつ製品のバラツキが少ないLDを作製できる半導体デバイス用エピタキシャルウエハの製造方法及び半導体デバイス用エピタキシャルウエハを提供することにある。 Therefore, the object of the present invention is to solve these problems and to enable highly accurate structural design and accurate feedback to the growth conditions, so that the optical characteristics such as the vertical radiation angle are very stable. Another object of the present invention is to provide an epitaxial wafer for a semiconductor device and an epitaxial wafer for a semiconductor device capable of producing an LD with less product variation.
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項1の発明は、基板上にエピタキシャル層を複数層を成長させて作製する半導体デバイス用エピタキシャルウエハの製造方法において、
予め作製した上記複数層のエピタキシャル層におけるAl組成の深さ方向プロファイルを、2次イオン質量分析法により直接求め、求めたAl組成の深さ方向プロファイルデータを基に、上記Al組成が深さ方向で所定のプロファイルとなるように複数層のエピタキシャル層を成長させる半導体デバイス用エピタキシャルウエハの製造方法である。
The present invention was devised to achieve the above object, and the invention of claim 1 is a method for producing an epitaxial wafer for a semiconductor device, wherein a plurality of epitaxial layers are grown on a substrate.
A depth direction profile of the Al composition in the plurality of epitaxial layers prepared in advance is obtained directly by secondary ion mass spectrometry, and the Al composition is in the depth direction based on the obtained depth direction profile data of the Al composition. In this method, a plurality of epitaxial layers are grown so as to have a predetermined profile.
請求項2の発明は、上記Al組成は、2次イオン質量分析法によりAl原子濃度とGa原子濃度を求め、これら求めた原子濃度と式(1)とで求める請求項1記載の半導体デバイス用エピタキシャルウエハの製造方法である。
The invention according to
請求項3の発明は、上記各エピタキシャル層の成長条件は、予め作製した上記複数層のエピタキシャル層の製造で用いたGa原料量、Al原料量、式(1)で求めたAl組成を用いて求める請求項2記載の半導体デバイス用エピタキシャルウエハの製造方法である。
According to a third aspect of the present invention, the growth conditions of the respective epitaxial layers are determined by using the amount of Ga raw material, the amount of Al raw material used in the manufacture of the plurality of epitaxial layers prepared in advance, and the Al composition obtained by the formula (1). The method for producing an epitaxial wafer for a semiconductor device according to
請求項4の発明は、上記各エピタキシャル層の成長条件は、前回作製した上記複数層のエピタキシャル層の製造で用いた前回のGa原料量、前回のAl原料量、式(1)で求めた前回のAl組成、今回作製する複数層のエピタキシャル層に要求される式(1)で求めた今回のAl組成を用いて、式(2)、式(3)で求める請求項2または3記載の半導体デバイス用エピタキシャルウエハの製造方法である。
In the invention of
請求項5の発明は、上記複数層のエピタキシャル層は、Al、Ga、In、Pからなる4元層、あるいはAl、Ga、Asからなる3元層を含む請求項1〜4いずれかに記載の半導体デバイス用エピタキシャルウエハの製造方法である。 According to a fifth aspect of the present invention, the plurality of epitaxial layers include a quaternary layer made of Al, Ga, In, or P, or a ternary layer made of Al, Ga, As. It is the manufacturing method of the epitaxial wafer for semiconductor devices.
請求項6の発明は、上記複数層のエピタキシャル層は、少なくともp型クラッド層、活性層、n型クラッド層を含む請求項1〜5いずれかに記載の半導体デバイス用エピタキシャルウエハの製造方法である。 The invention of claim 6 is the method for producing an epitaxial wafer for a semiconductor device according to any one of claims 1 to 5, wherein the plurality of epitaxial layers include at least a p-type cladding layer, an active layer, and an n-type cladding layer. .
請求項7の発明は、予め上記複数層のエピタキシャル層を作製する際、上記活性層の通常の厚さよりも厚くしたダミー活性層を作製しておき、そのダミー活性層のデータに基づき、上記活性層を通常の厚さで作製する請求項6記載の半導体デバイス用エピタキシャルウエハの製造方法である。 According to the seventh aspect of the present invention, when the plurality of epitaxial layers are prepared in advance, a dummy active layer having a thickness larger than a normal thickness of the active layer is prepared, and the active activity is determined based on data of the dummy active layer. The method for producing an epitaxial wafer for a semiconductor device according to claim 6, wherein the layer is produced with a normal thickness.
請求項8の発明は、請求項1〜7いずれかに記載した半導体デバイス用エピタキシャルウエハの製造方法を用いて作製された半導体デバイス用エピタキシャルウエハである。 The invention of claim 8 is an epitaxial wafer for semiconductor devices produced by using the method for producing an epitaxial wafer for semiconductor devices according to any one of claims 1 to 7.
本発明によれば、光学特性が非常に安定で、かつ製品のバラツキが少ないLDを作製できる半導体デバイス用エピタキシャルウエハを実現できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the epitaxial wafer for semiconductor devices which can produce LD with a very stable optical characteristic and few product variations is realizable.
以下、本発明の好適な実施形態を添付図面にしたがって説明する。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described with reference to the accompanying drawings.
まず、本実施形態に係る半導体デバイス用エピタキシャルウエハの製造方法を用いて作製した半導体デバイス用エピタキシャルウエハの一例を図1で説明する。 First, an example of an epitaxial wafer for a semiconductor device manufactured using the method for manufacturing an epitaxial wafer for a semiconductor device according to this embodiment will be described with reference to FIG.
図1に示すように、本実施形態に係る半導体デバイス用エピタキシャルウエハ(エピウエハ)1は、n型GaAs基板などの基板2上に、複数層のエピタキシャル層3を形成したダブルへテロ構造のLD用エピタキシャルウエハである。
As shown in FIG. 1, an epitaxial wafer (epiwafer) 1 for a semiconductor device according to this embodiment is for a double heterostructure LD in which a plurality of
複数層のエピタキシャル層3の各層は、Al、Ga、In、Pからなる4元層、あるいはAl、Ga、Asからなる3元層のエピタキシャル層で構成される。4元層を含むエピタキシャルウエハ1は、高出力の赤色光を発するLDを作製する場合に用いられ、3元層を含むエピタキシャルウエハ1は、高出力の赤外光を発するLDを作製する場合に用いられる。エピタキシャルウエハ1から得られるLDは、例えば、DVDやCDの書き込み用あるいは読み込み用として使用される。
Each layer of the plurality of
複数層のエピタキシャル層3は、第1n型クラッド層4、第2n型クラッド層5、n型活性層6、第1p型クラッド層7、エッチングストップ層8、第2p型クラッド層9、コンタクト層10を、MOVPE法により基板2側から順次エピタキシャル成長させて形成したものである。
The plurality of
活性層6は、所望するLDの発光波長に必要なAl混晶比にする。Al混晶比は、複数層のエピタキシャル層3の各層に含まれるGaに対するAl組成、あるいは単にAl組成、あるいはAl組成比ともいう。
The active layer 6 has an Al mixed crystal ratio necessary for the desired emission wavelength of the LD. The Al mixed crystal ratio is also referred to as an Al composition with respect to Ga contained in each layer of the plurality of
各クラッド層4,5,7,9は、電子の逆流を防止し、活性層6で発生する光に対して透明な窓になる層である。p型の不純物としては、例えばZnを使用し、n型の不純物としては、例えばSiを使用する。
Each of the
図1では示していないが、高品質な活性層6を得るために、その上下層である第2n型クラッド層5と活性層6間や、活性層6と第1p型クラッド層7間、あるいは活性層6中に、格子不整合を緩和するバッファ層としてガイド層を形成してもよい。
Although not shown in FIG. 1, in order to obtain a high quality active layer 6, the upper and lower layers of the second n-
さて、本実施形態に係るエピタキシャルウエハの製造方法を説明する。 Now, a method for manufacturing an epitaxial wafer according to the present embodiment will be described.
従来、2次イオン質量(SIMS)分析法では、Gaに対するAl組成の深さ方向プロファイルのような組成分析はできないとされてきたが、最近ではSIMS分析装置の測定精度が向上したため、工夫をすれば、かなり精度よく測定できるようになってきた。 Conventionally, the secondary ion mass (SIMS) analysis method has been considered not to be able to analyze the composition such as the profile in the depth direction of the Al composition with respect to Ga. As a result, it has become possible to measure with considerable accuracy.
そこで、本発明者は、多層構造の深さ方向のプロファイルが測定できるというSIMS分析法の特長を生かし、その測定結果を、作製したい半導体デバイス用エピタキシャルウエハの構造設計と作製時の成長条件の算出とにフィードバックして利用する本発明を創案した。 Therefore, the present inventor makes use of the feature of the SIMS analysis method that the profile in the depth direction of the multilayer structure can be measured, and the measurement result is used to calculate the structure design of the epitaxial wafer for semiconductor device to be manufactured and the growth conditions at the time of manufacturing. The present invention has been invented for feedback.
本実施形態に係る半導体デバイス用エピタキシャルウエハ1の製造方法は、MOVPE法によって予め作製した複数層のエピタキシャル層におけるGaに対するAl組成の深さ方向プロファイル(例えば、図2で後述するプロファイルX)を、SIMS分析法により直接求め、求めたAl組成の深さ方向プロファイルデータを基に、Al組成が深さ方向で所定のプロファイル(例えば、図2で後述するプロファイルY)となるように、MOVPE法で基板2上に複数層のエピタキシャル層3を成長させる方法である。
In the manufacturing method of the semiconductor device epitaxial wafer 1 according to the present embodiment, a depth direction profile of Al composition with respect to Ga in a plurality of epitaxial layers prepared in advance by the MOVPE method (for example, a profile X described later in FIG. 2) The MOVPE method is used so that the Al composition becomes a predetermined profile in the depth direction (for example, profile Y described later in FIG. 2) based on the obtained Al profile depth direction profile data. In this method, a plurality of
ここで、予め作製した複数層のエピタキシャル層とは、製造に先立って作製したサンプルや、顧客の要求に応じて現場で作製した複数層のエピタキシャル層のことをいう。 Here, the plurality of epitaxial layers prepared in advance refers to a sample prepared prior to manufacturing or a plurality of epitaxial layers prepared on site according to customer requirements.
SIMS分析法は、O2+やCs+のようなイオンを試料表面に照射し、スパッタされた原子の中でイオン化された2次イオンを質量分析することにより、物質の成分、不純物の分析を行う方法である。イオンによって試料表面がスパッタされるので、試料の表面からの深さ方向の元素分布も得られる。 In the SIMS analysis method, ions such as O 2+ and Cs + are irradiated on the sample surface, and secondary ions ionized in the sputtered atoms are subjected to mass analysis, thereby analyzing the components and impurities of the substance. How to do it. Since the sample surface is sputtered by ions, an element distribution in the depth direction from the sample surface can also be obtained.
複数層のエピタキシャル層3の原料には、例えば、Ga原料としてTMG(トリメチルガリウム)、Al原料としてTMA(トリメチルアルミニウム)、In原料としてTMI(トリメチルインジウム)、As原料としてAsH3 (アルシン)、P原料としてPH3 (ホスフィン)、Si原料としてSi2 H6 (ジシラン)、p型の不純物であるZn原料としてDMZ(ジメチル亜鉛)を用いる。
Examples of the raw material for the multiple
Al組成は、SIMS分析法によりAl原子濃度とGa原子濃度を求め、これら求めた原子濃度と式(1)とで求める。 The Al composition is obtained from the obtained atomic concentration and formula (1) by obtaining the Al atom concentration and the Ga atom concentration by SIMS analysis.
また、各エピタキシャル層4〜10の成長条件は、予め作製した複数層のエピタキシャル層の製造で用いたGa原料量、Al原料量、式(1)で求めたAl組成を用いて、所望のAl組成比となるように求める。
The growth conditions of each
例えば、顧客の要求(LDの垂直放射角などの光学特性)Xに応じて現場で作製したエピタキシャルウエハを1Xとし、その複数層のエピタキシャル層を前回作製した複数層のエピタキシャル層3Xとする。その後、顧客の要求Xが要求Yに変更され、この要求Yに応じて作製するエピタキシャルウエハを1Yとし、その複数層のエピタキシャル層を今回作製するエピタキシャル層3Yとする。 For example, an epitaxial wafer manufactured in-situ in accordance with customer requirements (optical characteristics such as the vertical emission angle of LD) X is 1X, and the multiple epitaxial layers are the previously prepared multiple epitaxial layers 3X. Thereafter, the customer's request X is changed to the request Y, and an epitaxial wafer manufactured in response to the request Y is defined as 1Y, and the plurality of epitaxial layers are defined as an epitaxial layer 3Y fabricated this time.
この場合、各エピタキシャル層4〜10の成長条件は、複数層のエピタキシャル層3Xにおいて、各層の製造で用いた前回のGa原料量、前回のAl原料量、式(1)で求めた前回のAl組成、今回作製する複数層のエピタキシャル層3Yにおいて、各層4〜10に要求される式(1)で求めた今回のAl組成を用いて、所望のAl組成比となるように式(2)、式(3)で求める。
In this case, the growth conditions of the
また、予め複数層のエピタキシャル層を作製する際、活性層の通常の厚さよりも厚くした(例えば、100nm以上の)ダミー活性層を作製しておき、そのダミー活性層のデータに基づき、活性層6を通常の厚さで作製してもよい。 In addition, when preparing a plurality of epitaxial layers in advance, a dummy active layer having a thickness larger than the normal thickness of the active layer (for example, 100 nm or more) is prepared, and based on the data of the dummy active layer, the active layer 6 may be produced with a normal thickness.
これは、一般に活性層6を数十μmの膜厚で形成することが多いので、その場合、SIMS分析法で予め作製した活性層のAl組成の深さ方向プロファイルを求めようとしても、分解能が低いため、正確に測定できないからである。 In general, the active layer 6 is often formed with a film thickness of several tens of μm. In this case, even if an attempt is made to obtain a depth profile of the Al composition of the active layer prepared in advance by SIMS analysis, the resolution is low. This is because it is low and cannot be measured accurately.
MOVPE装置を用いて、求めた各成長条件で基板2上に各層4〜10をそれぞれエピタキシャル成長させ、複数層のエピタキシャル層3を形成すると、例えば、図1に示したようなエピタキシャルウエハ1が得られる。このエピタキシャルウエハ1をチップ化し、電極を形成すると、発光素子としてのLDが得られる。
When each of the
本実施形態の作用を説明する。 The operation of this embodiment will be described.
本実施形態に係る半導体デバイス用エピタキシャルウエハの製造方法では、まず、MOVPE法によって予め作製した複数層のエピタキシャル層におけるAl組成の深さ方向プロファイルを、SIMS分析法を用い、直接測定して求める。 In the method for manufacturing an epitaxial wafer for a semiconductor device according to the present embodiment, first, an Al composition depth direction profile in a plurality of epitaxial layers prepared in advance by the MOVPE method is obtained by direct measurement using SIMS analysis.
そして、この測定結果から得られたAl組成の深さ方向プロファイルデータを基に、Al組成が深さ方向で所定のプロファイルとなるようにフィードバックする。 Then, feedback is performed so that the Al composition has a predetermined profile in the depth direction based on the depth profile data of the Al composition obtained from the measurement result.
ここでいうフィードバックとは、予め作製した複数層のエピタキシャル層を構成する各層において、設計値や理論値よりもGa原料量及び/又はAl原料量が多いときは、式(1)〜式(3)で求めたGa原料量及び/又はAl原料量を少なくし、Ga原料量及び/又はAl原料量が少ないときには、式(1)〜式(3)で求めたGa原料量及び/又はAl原料量を多くすることをいう。 The feedback here means that in each layer constituting a plurality of epitaxial layers prepared in advance, when the amount of Ga raw material and / or Al raw material is larger than the design value or theoretical value, the equations (1) to (3) When the amount of the Ga raw material and / or Al raw material obtained in (1) is reduced and the amount of the Ga raw material and / or Al raw material is small, the amount of the Ga raw material and / or Al raw material obtained by the formulas (1) to (3) To increase the amount.
これにより、予め作製した複数層のエピタキシャル層を構成する各層において発生する設計値や理論値からのAl組成や膜厚などのズレを補正して、基板2上に複数層のエピタキシャル層3を成長させる。
Thereby, the deviation of the Al composition and the film thickness from the design value and the theoretical value generated in each layer constituting the plurality of epitaxial layers prepared in advance is corrected, and the plurality of
すなわち、測定データを基に、複数層のエピタキシャル層3の各層4〜10に要求される特性(例えば、LDの垂直放射角などの光学特性)に応じて、測定データからAl組成を変更して変更後のAl組成(光学特性の場合は、例えば、活性層6や各クラッド層の屈折率を求め、求めた屈折率となるようにAl組成)を決定する。
That is, based on the measurement data, the Al composition is changed from the measurement data according to the characteristics required for each of the
続いて、決定したAl組成を基に、MOVPE法で作製するエピタキシャルウエハ1の各層4〜10の成長条件をそれぞれ求め、求めた各成長条件で基板2上に各層4〜10をそれぞれエピタキシャル成長させ、複数層のエピタキシャル層3を形成する。
Subsequently, based on the determined Al composition, the growth conditions of the
つまり、本実施形態に係る製造方法によれば、SIMS分析法により予め作製した複数層のエピタキシャル層のGaに対するAl組成を直接測定する手法を利用することによって、予め作製したエピウエハ構造中の各層のAl組成とその深さ方向プロファイル、および各層間のAl組成の相関が精度よく測定できる。 That is, according to the manufacturing method according to the present embodiment, by using a method of directly measuring the Al composition with respect to Ga of a plurality of epitaxial layers prepared in advance by SIMS analysis, each layer in the epitaxial wafer structure prepared in advance is used. The correlation between the Al composition, its depth profile, and the Al composition between the layers can be measured with high accuracy.
この測定結果をエピウエハ1の構造設計、成長条件の計算に用いることで、高精度な構造設計と、その成長条件への正確なフィードバックが可能となり、従来のPL波長からAl組成を計算する場合に問題であった測定誤差を排除できる。 By using this measurement result for the structural design of epi-wafer 1 and the calculation of growth conditions, it is possible to provide highly accurate structural design and accurate feedback to the growth conditions, and when calculating the Al composition from the conventional PL wavelength. The measurement error that was a problem can be eliminated.
その結果、本実施形態に係る製造方法によれば、従来方法に起因するレーザの垂直放射角特性などの光学特性を始めとする製品のバラツキが非常に少なく、光学特性が非常に安定なLD用エピタキシャルウエハ1が得られる。 As a result, according to the manufacturing method according to the present embodiment, there is very little variation in products including optical characteristics such as the vertical radiation angle characteristics of laser caused by the conventional method, and the optical characteristics are very stable for LD. An epitaxial wafer 1 is obtained.
ここで、本実施形態に係る半導体デバイス用エピタキシャルウエハの製造方法の作用効果をより詳細に説明する。 Here, the operational effects of the method for manufacturing an epitaxial wafer for a semiconductor device according to the present embodiment will be described in more detail.
本発明の特徴は、高品質なLD設計のために、LDを構成する各層4〜10の成長条件をSIMS測定を用いて決定することにある。
The feature of the present invention is to determine the growth conditions of the
i)従来方法と問題点
上述したように、従来はPL測定の方法を用いて、複数層のエピタキシャル層を構成する各層の組成の成長条件を決定していた。しかしながら、例えばp型クラッド層などのエピタキシャル層(半導体層)はバンドギャップがほぼ間接遷移となるために、PL測定時にレーザ光を照射して、そのp型クラッド層からのPL発光を見ようとしても、その強度が弱すぎて、きちんとピーク波長が検出されず、測定精度が悪くなると言う問題があった。
i) Conventional Method and Problems As described above, conventionally, the growth condition of the composition of each layer constituting a plurality of epitaxial layers has been determined using a PL measurement method. However, for example, an epitaxial layer (semiconductor layer) such as a p-type cladding layer has an indirect transition in the band gap. Therefore, even if it is attempted to observe PL emission from the p-type cladding layer by irradiating laser light during PL measurement. There is a problem that the intensity is too weak, the peak wavelength is not properly detected, and the measurement accuracy is deteriorated.
PLの測定精度が悪くなると、各層の組成が設計値よりずれ、所望のLDスポット径のものが得られず、書き込み・読み込み用LDとして使用できない。 If the PL measurement accuracy deteriorates, the composition of each layer deviates from the design value, and a desired LD spot diameter cannot be obtained and cannot be used as a writing / reading LD.
また、キャリア濃度や成長速度を求めるために、その目的に応じた測定サンプルを準備し、それに適した評価方法を用いる必要性があった。 Moreover, in order to obtain | require carrier concentration and a growth rate, it was necessary to prepare the measurement sample according to the objective and to use the evaluation method suitable for it.
ii)本発明
そこで、本発明では、まずは仮のLDエピ構造を成長し、そのSIMS測定により、仮のLDエピ構造各層の組成・キャリア濃度・成長速度(膜厚)全てを一度に評価して、次の成長から直ぐに、それらの結果をフィードバックして、LDエピ(実際のLDエピや、顧客要求変更後のLDエピ)生産本番に進めるという利点がある。
ii) Present Invention Therefore, in the present invention, first, a temporary LD epi structure is grown, and the composition, carrier concentration, and growth rate (film thickness) of each layer of the temporary LD epi structure are evaluated at once by SIMS measurement. There is an advantage that immediately after the next growth, those results are fed back to proceed to production of LD epi (actual LD epi and LD epi after changing customer requirements).
つまり、本発明によれば、従来方法の上述した問題を解決し、以下のa)〜d)の効果を発揮する。 That is, according to the present invention, the above-described problems of the conventional method are solved, and the following effects a) to d) are exhibited.
a)p型クラッド層などの間接遷移のバンドギャップを有する半導体層でも、そのAl組成が精度よく測定でき、実際の製造にフィードバックできるようになった。 a) Even in a semiconductor layer having a band gap of indirect transition such as a p-type cladding layer, the Al composition can be measured with high accuracy and fed back to actual manufacturing.
b)また、LDを構成する各層4〜10の成長条件を決定するために、従来のように各層を1層ずつの単層エピで成長し、さらに種々の評価のために、それに応じた評価サンプルを作製し、色々な評価装置を用いて評価する必要がなくなったので、エピタキシャルウエハ1の生産期間の短縮につながる。
c)成長条件決定のための単層エピが不要になったことで、原料費の節約ができるようになった。
b) Further, in order to determine the growth conditions of the
c) By eliminating the need for single-layer epi for the growth condition determination, raw material costs can be saved.
d)成長条件決定のための単層エピが不要になったので、そのエピ膜厚分をLD生産に回せるようになったので、1製造ロットあたりの生産枚数をアップし、スループットを向上できる。(従来方法では、1製造ロットごとに、MOVPE装置のメンテナンス−成長条件出し−生産−MOVPE装置のメンテナンスという流れであり、1回の製造ロットあたり、エピ成長できる限度(トータルのエピ成長膜厚限度)がある)
例えば、d)について具体例を挙げると、
(d1)1製造ロットあたりのエピウエハ生産枚数(3インチ品)
(従来)300枚
(本発明)330枚
(d2)1製造ロットに必要な日数
(従来)15日間→つまり、月産600枚
(本発明)13日間→つまり、月産761枚(+127%)
上記実施の形態では、n/p構造のエピタキシャルウエハ1の例で説明したが、p型基板上に、p型のクラッド層、p型活性層、n型クラッド層などを含む複数層のエピタキシャル層を順次形成したp/n構造のエピタキシャルウエハでもよい。
d) Since the single-layer epi for determining the growth conditions is no longer necessary, the epitaxial film thickness can be used for LD production, so that the number of production per production lot can be increased and the throughput can be improved. (In the conventional method, for each production lot, the flow of MOVPE apparatus maintenance-growth condition determination-production-MOVPE apparatus maintenance is performed, and an epi-growth limit per production lot (total epi-growth film thickness limit) )
For example, a specific example of d)
(D1) Number of epi wafers produced per production lot (3 inch product)
(Conventional) 300 sheets (Invention) 330 sheets (d2) Days required for one production lot (Conventional) 15 days → That is, 600 sheets per month (Invention) 13 days → That is, 761 sheets per month (+ 127%)
In the above embodiment, the example of the epitaxial wafer 1 having an n / p structure has been described. However, a plurality of epitaxial layers including a p-type cladding layer, a p-type active layer, an n-type cladding layer, and the like on a p-type substrate. Alternatively, an epitaxial wafer having a p / n structure may be used.
上記実施形態では、半導体デバイス用エピタキシャルウエハの一例として、発光素子としてのLD用のエピタキシャルウエハの例で説明したが、LED(発光ダイオード)用のエピタキシャルウエハについても本発明を応用できる。 In the above embodiment, an example of an LD epitaxial wafer as a light emitting element has been described as an example of an epitaxial wafer for a semiconductor device, but the present invention can also be applied to an epitaxial wafer for an LED (light emitting diode).
(実施例1)
あるMOVPE炉で生産している(前回の生産)DVD書き込み用赤色高出力LDエピタキシャルウエハのSIMS分析によるAl組成の深さ方向プロファイルを図2に示す。図2中の一点鎖線で示した曲線Xがそれである。図2の左側がエピの表面側、右側が基板側である。この曲線Xのうち、4Xが第1クラッド層、5Xが第2クラッド層、6Xが活性層、7Xが第1p型クラッド層、8Xがエッチストップ層、9Xが第2p型クラッド層、10Xがコンタクト層に相当している。
(Example 1)
FIG. 2 shows a depth profile of the Al composition by SIMS analysis of a red high-power LD epitaxial wafer for DVD writing produced in a certain MOVPE furnace (previous production). This is the curve X shown by the one-dot chain line in FIG. The left side of FIG. 2 is the epi surface side, and the right side is the substrate side. Of this curve X, 4X is the first cladding layer, 5X is the second cladding layer, 6X is the active layer, 7X is the first p-type cladding layer, 8X is the etch stop layer, 9X is the second p-type cladding layer, and 10X is the contact Corresponds to a layer.
次回の生産(今回の生産)では、顧客でのLD特性においてレーザ光の垂直放射角を1°小さくする必要が生じたため、図2の4X,5X,7X,9Xの4つの層のAl組成およびそれから計算された屈折率を土台として垂直放射角を、1°小さくなるように逆算したところ、4X,5Xの2つの層のAl組成を0.01下げればよいことがわかった。ただし屈折率は、あらかじめAl組成と屈折率の関係を求めておき、その関係より求めた。
In the next production (current production), it is necessary to reduce the vertical radiation angle of the laser beam by 1 ° in the LD characteristics at the customer, so the Al composition of the four
そこで、両層4X,5XのAl組成が前回よりも0.01小さくなる成長条件を式(1)〜式(3)で算出し、この条件で図1で説明した半導体デバイス用エピタキシャルウエハ1を作製した。 Therefore, the growth conditions in which the Al composition of both layers 4X and 5X is 0.01 smaller than the previous time are calculated by the equations (1) to (3), and the epitaxial wafer 1 for semiconductor devices described in FIG. Produced.
変更後の成長条件で生産した半導体デバイス用エピタキシャルウエハ1のSIMS分析によるAl組成の深さ方向プロファイルが図2中の実線で示した曲線Yである。曲線Yを見ると、今回の生産で要求された半導体デバイス用エピタキシャルウエハ1の各層4Y〜10Yは、設計どおりのAl組成となっていることが確認できる。 The profile in the depth direction of the Al composition by SIMS analysis of the epitaxial wafer 1 for semiconductor devices produced under the changed growth conditions is the curve Y indicated by the solid line in FIG. When the curve Y is seen, it can confirm that each layer 4Y-10Y of the epitaxial wafer 1 for semiconductor devices requested | required by this production has Al composition as a design.
この半導体デバイス用エピタキシャルウエハ1を用いて顧客でDVD書き込み用赤色高出力LDを作製したところ、レーザ光の垂直放射角は所望どおり1°小さくなっていた。 When a red high output LD for DVD writing was produced by a customer using this epitaxial wafer 1 for semiconductor devices, the vertical emission angle of the laser beam was reduced by 1 ° as desired.
この一連の作業において、従来手法で用いていたフォトルミネセンス法による波長測定データは一切用いていない。 In this series of operations, wavelength measurement data by the photoluminescence method used in the conventional method is not used at all.
(実施例2)
実施例1に加えて、図1中の活性層6に含まれているガイド層のAl組成の値も考慮すると、LDの垂直放射角特性などの光学特性をより向上し、製品のバラツキをさらに少なくすることができる。
(Example 2)
Considering the value of the Al composition of the guide layer included in the active layer 6 in FIG. 1 in addition to Example 1, the optical characteristics such as the vertical radiation angle characteristics of the LD are further improved, and the product variation is further increased. Can be reduced.
ただし、ガイド層は通常数十nmの膜厚しかないため、SIMS分析法によるAl組成深さ方向プロファイルでは分解能が低く、正確に測定できない。 However, since the guide layer usually has a film thickness of only several tens of nm, the Al composition depth profile by SIMS analysis has low resolution and cannot be measured accurately.
そこで、SIMS分析に供するエピタキシャルウエハのみ故意にガイド層を厚く成長(約100nm)してダミーガイド層を形成し、そのAl組成もSIMS分析法で測定する。この測定データも含めて各層4Y〜10Yの構造設計、成長条件の計算を式(1)〜式(3)で行い、実際の生産のときにはガイド層膜厚を通常値に戻して、基板2上に各層4Y〜10Yの成長を行い、図1の半導体デバイス用エピタキシャルウエハ1を作製した。 Therefore, a dummy guide layer is formed by intentionally growing a thick guide layer (about 100 nm) only on an epitaxial wafer to be subjected to SIMS analysis, and its Al composition is also measured by SIMS analysis. The structural design of each layer 4Y to 10Y including this measurement data and calculation of growth conditions are performed by equations (1) to (3), and the thickness of the guide layer is returned to the normal value during actual production. Then, the respective layers 4Y to 10Y were grown to prepare the epitaxial wafer 1 for semiconductor devices of FIG.
この実施例2は、垂直放射角の仕様が厳しい300mW級以上の赤色高出力LDエピの生産に特に有効である。 This Example 2 is particularly effective for the production of a red high-power LD epi of 300 mW class or higher with strict specifications of the vertical emission angle.
(実施例3)
CD書き込み用赤外LDエピウエハも、実施例1,2のDVD書き込み用赤色LDエピウエハと全く同様の方法で作製したところ、同様の効果を確認した。
(Example 3)
An infrared LD epiwafer for CD writing was also produced in the same manner as the red LD epiwafer for DVD writing in Examples 1 and 2, and the same effect was confirmed.
Claims (8)
予め作製した複数層のエピタキシャル層におけるAl組成の深さ方向プロファイルを、2次イオン質量分析法により直接求め、求めたAl組成の深さ方向プロファイルデータを基に、上記Al組成が深さ方向で所定のプロファイルとなるように成長させることを特徴とする半導体デバイス用エピタキシャルウエハの製造方法。 In a method for producing an epitaxial wafer for a semiconductor device, which is produced by growing a plurality of epitaxial layers on a substrate,
The Al composition depth profile in a plurality of epitaxial layers prepared in advance was directly obtained by secondary ion mass spectrometry, and the Al composition was determined in the depth direction based on the obtained Al profile depth profile data. A method of manufacturing an epitaxial wafer for a semiconductor device, wherein the epitaxial wafer is grown to have a predetermined profile.
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