JP2845064B2 - 化合物半導体の気相成長方法及び気相成長装置 - Google Patents

化合物半導体の気相成長方法及び気相成長装置

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JP2845064B2 JP32388292A JP32388292A JP2845064B2 JP 2845064 B2 JP2845064 B2 JP 2845064B2 JP 32388292 A JP32388292 A JP 32388292A JP 32388292 A JP32388292 A JP 32388292A JP 2845064 B2 JP2845064 B2 JP 2845064B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は化合物半導体の気相成長
方法及び気相成長装置に関し、特に3−5族化合物半導
体、例えばGaAs、InP、InGaAs等の気相成
長方法及びこれに使用する気相成長装置に関するもので
ある。
【0002】
【従来の技術】近年化合物半導体を用いた長波長帯通信
用受光素子、例えばアバランシェフォトダイオード(A
PD)やPINフォトダイオードの需要が増加してい
る。アバランシェフォトダイオードはN+ InP基板上
に成長させた多層構造のヘテロエピタキシャル層に形成
されるが、このエピタキシシャル層を成長させるために
は一般にハイドライド法による気相成長方法が用いられ
ている。
【0003】図4に従来のハイドライド法による気相成
長に用いられている気相成長装置を示す。図4において
401は成長炉、402は反応管、403は3族原料、
404は基板ホルダー、405は基板、406は3族原
料輸送ガス供給管、407は5族原料ガス供給管、40
8はドーピングガス供給管、409はガスディフューザ
ー、410は上部反応室、411は下部反応室である。
【0004】この方法は、成長炉401により加熱され
た反応管402内の高温領域に置かれた3族原料40
3、たとえばGaあるいはIn上に、3族原料輸送ガス
供給管406より3族原料輸送ガスであるHCIガスを
供給し、3族原料と反応せしめ、この反応生成ガスを3
族原料ガスとし、又、5族原料ガス供給管407より5
族成分の水素化合物例えばAsH3 、PH3 を供給して
5族原料ガスとし、多孔板を数枚組み合わせたガスディ
フューザー409を通して十分混合攪半した後、反応管
402内の低温領域に置かれた基板ホルダー404上の
基板405に輸送し、ここで反応させて所望のエピタキ
シャル層を成長させるものである。
【0005】なお基板ホルダー404は反応管402内
で回転し、反応管内の上部反応室410と下部反応室4
11の前に位置することが出来るため、例えば上部反応
室410の3族原料としてGa及びIn、5族原料ガス
としてAsH3 を、又、下部反応室411の3族原料と
してIn、5族原料ガスとしてPH3 を用い、まず基板
405を下部反応室411の前に位置させてInP層を
成長させ、次に基板405を上部反応室410の前に移
動しInGaAs層を成長させることによりInGaA
s/InPヘテロエピタキシャル層を成長させることが
できる。又、N型エピタキシャル層を成長させる際に
は、必要に応じてドーピングガス供給管408よりS
i、S等のN型ドーパントを供給してエピタキシャル層
を成長させる。
【0006】さて、APDやPIN−PDでは光吸収層
としてInGaAs層を用いているが、この層はデバイ
ス特性上高純度であることが要求され、N型不純物濃度
がN≦1×1015cm-3であることが望ましい。
【0007】また、InPバッファー層も同様にN≦1
×1015cm-3の高純度であることが望ましい。
【0008】バックグラウンドレベルに影響を及ぼす不
純物は、反応管、ソースボード、ガスディフューザー、
各種ガス供給管、基本ホルダー等の反応系石英治工具か
らその主成分SiO2 がHCI及びGa、Inと反応し
て発生するSiと、3族原料輸送ガスであるHC1ガス
に含まれるS等の不純物であるが、このうち主なものは
反応系石英治工具から発生するSiである。
【0009】これに対して従来はInGaAs層InP
層成長時に3族原料輸送ガス供給管406よりO2 ガス
を添加し反応系中のSiと反応せしめ、SiO2 とし、
InGaAs層中への不純物Siの取り組みを低減して
いた。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、InG
aAs層、InP層成長中3族原料輸送ガス供給管から
2 ガスを反応系中に添加しただけではO2 ガスと反応
管等の石英治工具から発生するSiとの反応が十分行わ
れず、従ってInP層、InGaAs層へのSiの取り
込みを低減させ所望の純度の結晶を得ることは出来ず、
特に反応系洗浄直後などには反応管等石英治工具から遊
離するSiが増加するためにN≦1×1015cm-3を達
成することが出来なかった。
【0011】図5は従来法成長による反応系洗浄直後数
回成長のInGaAs層不純物濃度の推移を示してい
る。図5に示す様に、従来法成長ではInGaAs層の
N型不純物濃度の目標値N≦1×1015cm-3達成率は
50%以下で、特に反応系洗浄直後では0%であった。
【0012】図6は従来法成長による反応系洗浄直後数
回成長のInP層不純物濃度の推移を示している。In
GaAs層と同様にInP層に於いても、N型不純物濃
度の目標値N≦1×1015cm-3達成率は50%以下
で、特に反応系洗浄直後では0%であった。
【0013】本発明の目的は上述した不都合を排除すべ
くなされたもので、反応系洗浄直後でも安定してN≦1
×1015cm-3のInGaAs層、InP層を成長する
ことが出来る化合物半導体の気相成長方法及びこれに使
用する気相成長装置を提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】本発明の第1の発明の化
合物半導体の気相成長方法は、反応管内に設けられた筒
状の反応室の一端から原料ガスを送り、原料ガスの流れ
と直角になるように対じして保持された基板結晶の表面
にエピタキシャル層を形成する化合物半導体の気相成長
法において、前記反応管の内壁に沿って、原料ガス流下
流方向になるに従って口径が大きくなる複数個のガス吐
出口を有する内管を設け、該反応管と該内管の間にO2
ガスを供給し、該内管に設けた複数個のガス吐出口から
反応系中にO2 ガスを吐出供給することを特徴として構
成される。
【0015】また、本発明の第2の発明の気相成長装置
は、成長炉内に挿入された反応管と、該反応管の内側に
位置し、ガス上流側で小さく下流側で大きい複数個のO
2 ガス吐出口を有する内管と、該内管を区画して設けら
れた上部及び下部反応室と、前記上部及び下部反応室の
それぞれのガス導入側に設けられた3族原料ガス供給管
及びドーピングガス供給管と、前記供給管により供給さ
れたガスを混合均一化するガスディフューザーと、該ガ
スディフューザーの下流側に前記原料ガスの流れと直角
に対じして設けられた回転可能な基板を設置する基板ホ
ルダーとを有することを特徴として構成される。
【0016】
【実施例】次に本発明について図面を参照して説明す
る。図1は本発明の一実施例を説明するための気相成長
装置の断面図である。
【0017】図1において、101は成長炉、102は
反応管、103は3族原料、104は基板ホルダー、1
05は基板、106は3族原料輸送ガス供給管、107
は5族原料ガス供給管、108はドーピングガス供給
管、109はガス吐出口を有する内管、110はガスデ
ィフューザー、111は上部反応室、112は下部反応
室である。
【0018】成長炉101内に反応管102を挿入し、
成長炉101により加熱する。反応管102内の約90
0℃の高温領域に3族原料103として上部反応室11
1にGa400g、In800gを設置する。次に基板
ホルダー104を回転させて基板ホルダー104上の基
板105を上部反応室111の前に原料ガスの流れと直
角になるように対じして位置させる。3族原料輸送ガス
供給管106より3族原料輸送ガスである10%HCl
を100ml/min供給する。一方5族原料ガス供給
管107より5族成分の水素化物である10%AsH3
を50ml/min供給する。さらに反応管102とガ
ス吐出口を有する内管109に間に0.1%O2 20
ml/min(N2 ベース)供給し、ガス吐出口より反
応系中へO2 ガスを吐出供給する。なお内管109に設
けているガス吐出口は、ガス流上流端で2mmφ、ガス
流下流端で5mmφの口径であり、20mmピッチで内
管全体に設けてある。以上の操作により約670℃の低
温領域に設置された基板ホルダー104上の基板105
上に高純度InGaAs層が成長される。
【0019】図2は本発明による気相成長方法によって
InGaAs層のエピタキシャル成長を行った際の不純
物濃度の推移を示している。図2に示す様に本発明によ
る成長では、InGaAs層の不純物濃度は、全成長に
おいてN≦1×1015cm-3となっており、特に反応系
洗浄直後の成長に於いてもN≦1×1015cm-3を満足
しており、高純度InGaAs層を再現性よく成長する
ことができる。
【0020】第1の実施例では本発明による気相成長方
法をInGaAs層の成長に適用した場合について述べ
たが、InP層の成長に適用した場合にも同様の効果が
得られ実施例2にのべる。
【0021】第1の実施例と同様に成長炉101内に反
応管102を挿入し、成長炉101により加熱する。反
応管102内の約900℃の高温領域に3族原料103
として下部反応室112にIn800gを設置する。次
に基板ホルダー104を回転させて基板ホルダー104
上の基板105を下部反応室112の前に原料ガスの流
れと直角になるように対じして位置させる。3族原料輸
送ガス供給管106より3族原料輸送ガスである10%
HClを100ml/min供給する。一方5族原料ガ
ス供給管107より5族成分の水素化物である10%P
3 を150ml/min供給する。さらに反応管10
2とガス吐出口を有する内管109の間に従来法と同流
量の0.1%O2 20ml/min(N2 ベース)を供
給し、ガス吐出口より反応系中へO2 ガスを吐出供給す
る。なお内管109に設けているガス吐出口は実施例1
と同様で、ガス流上流端で2mmφ、ガス流下流端で5
mmφの口径であり、20mmピッチで内管全体に設け
てある。以上の操作により約670℃の低温領域に設置
された基板ホルダー104上に基板105上に高純度I
nP層が成長される。
【0022】図3は本発明による気相成長方法によって
InP層のエピタキシャル成長を行った際の不純物濃度
の推移を示している。
【0023】図3に示す様に本発明による成長では、I
nP層の不純物濃度も、全成長においてN≦1×1015
cm-3となっており、特に反応系洗浄直後の成長に於い
てもN≦1×1015cm-3を満足にしており、高純度I
nP層を再現性よく成長することができる。
【0024】
【発明の効果】本発明は以上に述べた方法で化合物半導
体の気相成長を行うもので、反応管の内壁に沿って設け
た内管の、原料ガス流下流方向になるに従って口径が大
きくなる複数個のガス吐出口からO2 ガスを反応系中に
吐出供給することにより、反応系中全体に渡ってO2
スを万遍無く供給することが出来、従って、反応管等の
石英治工具から発生するSiと供給O2 ガスとの反応効
率は高まり、反応系中のSiは低減し、エピタキシャル
層への不純物Siの取り込みも抑制され、高純度なエピ
タキシャル層が成長される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を説明するための気相成長装
置の断面図である。
【図2】本発明の一実施例による気相成長方法によって
InGaAs層のエピタキシャル成長を行った際の不純
物濃度の推移を示す図である。
【図3】本発明の第2の実施例による気相成長方法によ
ってInP層エピタキシャル成長を行った際の不純物濃
度の推移を示す図である。
【図4】従来法による気相成長方法を説明するための気
相成長装置の断面図である。
【図5】従来法成長による反応系洗浄直後数回成長のI
nGaAs層不純物濃度の推移を示す図である。
【図6】従来法成長による反応系洗浄直後数回成長のI
nP層不純物濃度の推移を示す図である。
【符号の説明】
101 成長炉 102 反応管 103 3族原料 104 基板ホルダー 105 基板 106 3族原料輸送ガス供給管 107 5族原料ガス供給管 108 ドーピングガス供給管 109 ガス吐出口を有する内管 110 ガスディフューザー 111 上部反応室 112 下部反応室 401 成長炉 402 反応管 403 3族原料 404 基板ホルダー 405 基板 406 3族原料輸送ガス供給管 407 5族原料ガス供給管 408 ドーピングガス供給管 409 ガスディフューザー 410 上部反応室 411 下部反応室
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 21/205 C23C 16/44 C30B 25/08

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 反応管内に設けられた筒状の反応室の一
    端から原料ガスを送り、原料ガスの流れと直角になるよ
    うに対じて保持された基板結晶の表面にエピタキシャル
    層を形成する化合物半導体の気相成長方法において、前
    記反応管の内壁に沿って、原料ガス流下流方向になるに
    従って口径が大きくなる複数個のガス吐出口を有する内
    管を設け、該反応管の間にO2 ガスを供給し、該内管に
    設けた複数個のガス吐出口から反応系中にO2 ガスを吐
    出供給することを特徴とする化合物半導体の気相成長方
    法。
  2. 【請求項2】 成長炉内に挿入された反応管と、該反応
    管の内側に位置し、ガス上流側で小さくガス下流側で大
    きい複数個のO2 ガス吐出口を有する内管と、該内管を
    区画して設けられた上部及び下部反応室と、前記上部及
    び下部反応室のガス導入側にそれぞれ設けられた3族原
    料ガス供給管と、5族原料ガス供給管及びドーピングガ
    ス供給管と、前記供給管により供給されたガスを混合均
    一化するガスディフューザーと、該ガスディフューザー
    の下流側に前記原料ガスの流れと直角に対じして設けら
    れ回転可能な基板を設置する基板ホルダーとを有するこ
    とを特徴とする化合物半導体の気相成長装置。
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