JP2870989B2 - 化合物半導体の結晶成長方法 - Google Patents
化合物半導体の結晶成長方法Info
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Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、マグネシウム元素をドープした閃亜鉛鉱型
III−Ｖ型化合物半導体を有機金属気相成長法で結晶成
長させる方法に関する。
III−Ｖ型化合物半導体を有機金属気相成長法で結晶成
長させる方法に関する。
（従来の技術） 有機金属気相成長法（OMVPE法）は、有機金属化合物
と金属水素化物を、反応炉中で熱分解させることによ
り、基板上に薄膜の単結晶を成長させる方法である。こ
の方法は、超薄膜の多層構造の形成が容易であり、量産
性も高いので、化合物半導体を用いたヘテロ接合デバイ
ス用基板の作製に用いられている。ヘテロ接合デバイス
の中でもHBT（ヘテロ・バイポーラ・トランジスタ）は
超高速で動作するため、盛んに開発されている。HBTの
構造は第３図に示すように、ｎ−GaAsのコレクタ、ｐ−
GaAsのベース、ｎ−AlGaAsのエミッタから構成されてい
る。HBTの特性は、ベース層にキャリア密度が高いほ
ど、高い特性が得られる。従来、OMVPE法ではｐ型ドー
パントとしてZnが用いられていたが、Znは拡散係数が大
きいため、成長中にベース領域からエミッタ領域に拡散
してしまい、急峻なpn接合を得ることができないという
問題があった。MBE法では、１×1020cm-3程度まで高密
度にドーピングすることが可能で、かつ、拡散係数の小
さなBeが一般的に用いられているが、OMVPE法では安全
性の問題から、Beを用いることは困難である。そのた
め、Znに比べて拡散係数が５桁小さいMgのドーピングが
検討されている。Mgの原料としては、ビスシクロペンタ
ジエニルマグネシウム（Cp2Mg）又はビスメチルシクロ
ペンタジエニルマグネシウム（M2Cp2Mg）が用いられ
る。これらの原料は、液体又は固体の有機金属であり、
キャリアガスである水素によって、化合物半導体の原料
である有機金属と金属水素化物と共に反応管に導入さ
れ、基板上で熱分解され、結晶中に取り込まれる。
と金属水素化物を、反応炉中で熱分解させることによ
り、基板上に薄膜の単結晶を成長させる方法である。こ
の方法は、超薄膜の多層構造の形成が容易であり、量産
性も高いので、化合物半導体を用いたヘテロ接合デバイ
ス用基板の作製に用いられている。ヘテロ接合デバイス
の中でもHBT（ヘテロ・バイポーラ・トランジスタ）は
超高速で動作するため、盛んに開発されている。HBTの
構造は第３図に示すように、ｎ−GaAsのコレクタ、ｐ−
GaAsのベース、ｎ−AlGaAsのエミッタから構成されてい
る。HBTの特性は、ベース層にキャリア密度が高いほ
ど、高い特性が得られる。従来、OMVPE法ではｐ型ドー
パントとしてZnが用いられていたが、Znは拡散係数が大
きいため、成長中にベース領域からエミッタ領域に拡散
してしまい、急峻なpn接合を得ることができないという
問題があった。MBE法では、１×1020cm-3程度まで高密
度にドーピングすることが可能で、かつ、拡散係数の小
さなBeが一般的に用いられているが、OMVPE法では安全
性の問題から、Beを用いることは困難である。そのた
め、Znに比べて拡散係数が５桁小さいMgのドーピングが
検討されている。Mgの原料としては、ビスシクロペンタ
ジエニルマグネシウム（Cp2Mg）又はビスメチルシクロ
ペンタジエニルマグネシウム（M2Cp2Mg）が用いられ
る。これらの原料は、液体又は固体の有機金属であり、
キャリアガスである水素によって、化合物半導体の原料
である有機金属と金属水素化物と共に反応管に導入さ
れ、基板上で熱分解され、結晶中に取り込まれる。
第４図は、有機金属気相成長法により、Mgドープ化合
物半導体結晶を成長させる装置の概念図である。予め、
反応管を減圧し、化合物半導体のIII族原料は水素ガス
によって反応管に導入され、Ｖ族原料は水素化物ガスの
形で導入される。これらの原料は、過熱された基板上で
熱分解され、基板上に化合物半導体結晶を成長する。こ
の化合物半導体中にｐ型の層を形成するには、予め排気
管に流していたMg原料を含んだ水素ガスを、バルブＢを
閉じ、バルブＡを開くことによって、反応管中に導入
し、所定の厚さのＰ層を成長した後、バルブＡを閉じ、
バルブＢを開いてMg原料ガスを反応管から排気管へ切り
替えることにより行われる。
物半導体結晶を成長させる装置の概念図である。予め、
反応管を減圧し、化合物半導体のIII族原料は水素ガス
によって反応管に導入され、Ｖ族原料は水素化物ガスの
形で導入される。これらの原料は、過熱された基板上で
熱分解され、基板上に化合物半導体結晶を成長する。こ
の化合物半導体中にｐ型の層を形成するには、予め排気
管に流していたMg原料を含んだ水素ガスを、バルブＢを
閉じ、バルブＡを開くことによって、反応管中に導入
し、所定の厚さのＰ層を成長した後、バルブＡを閉じ、
バルブＢを開いてMg原料ガスを反応管から排気管へ切り
替えることにより行われる。
（発明が解決しようとする課題） 上記のOMVPE法でMgドープGaAs層を成長するときに、
基板の（100）面から隣接する（110）面へ２度傾けた基
板上にMgドープGaAsを成長しているが、１×1019cm-3以
上のドーピングを行うと結晶表面が劣化するという問題
があった（例えば、Jounal of Electonics Materials,V
ol.12,No.3,p.507〜524）。
基板の（100）面から隣接する（110）面へ２度傾けた基
板上にMgドープGaAsを成長しているが、１×1019cm-3以
上のドーピングを行うと結晶表面が劣化するという問題
があった（例えば、Jounal of Electonics Materials,V
ol.12,No.3,p.507〜524）。
本発明は、上記の問題を解消して、1019cm-3以上のマ
グネシウム元素をドーピングする場合においても、結晶
表面が平坦な閃亜鉛鉱型III−Ｖ族化合物半導体単結晶
を結晶成長可能な方法を提供しようとするものである。
グネシウム元素をドーピングする場合においても、結晶
表面が平坦な閃亜鉛鉱型III−Ｖ族化合物半導体単結晶
を結晶成長可能な方法を提供しようとするものである。
（課題を解決するための手段） 本発明は、マグネシウム元素をドープした閃亜鉛鉱型
III−Ｖ族化合物半導体を有機金属気相成長法で結晶成
長させる方法において、同一結晶構造を有する基板を
（100）面から隣接する（111）Ａ面又は（111）Ｂ面に
0.5度以上傾けて結晶成長させ、1019cm-3以上のマグネ
シウム元素をドープした化合物半導体を得ることを特徴
とする化合物半導体の結晶成長方法である。なお、上記
基板の傾きの好ましい上限は、約10度である。
III−Ｖ族化合物半導体を有機金属気相成長法で結晶成
長させる方法において、同一結晶構造を有する基板を
（100）面から隣接する（111）Ａ面又は（111）Ｂ面に
0.5度以上傾けて結晶成長させ、1019cm-3以上のマグネ
シウム元素をドープした化合物半導体を得ることを特徴
とする化合物半導体の結晶成長方法である。なお、上記
基板の傾きの好ましい上限は、約10度である。
本発明の結晶成長方法に好適な化合物半導体として
は、GaAs、AlGaAs、InP、GaInAsなどを挙げることがで
きる。
は、GaAs、AlGaAs、InP、GaInAsなどを挙げることがで
きる。
（作用） OMVPE法においては、上記の文献に示されるように、M
g原料の供給量の２乗に比例してドーピングされるが、
約２×1019cm-3で飽和する。このように、正孔密度が飽
和する原因としては、通常の（100）面又は（100）面か
ら隣接する（110）面へ傾けた基板上に成長する方法で
は、２×1019cm-3以上のMg原子が結晶中に取り込まれて
も、結晶格子上に配置されずに結晶格子間に位置し、正
孔を供給するアクセプタとして機能しないためと考えら
れる。
g原料の供給量の２乗に比例してドーピングされるが、
約２×1019cm-3で飽和する。このように、正孔密度が飽
和する原因としては、通常の（100）面又は（100）面か
ら隣接する（110）面へ傾けた基板上に成長する方法で
は、２×1019cm-3以上のMg原子が結晶中に取り込まれて
も、結晶格子上に配置されずに結晶格子間に位置し、正
孔を供給するアクセプタとして機能しないためと考えら
れる。
そこで、本発明者らは、基板面を傾ける方位を隣接の
（111）面に変更し、傾ける角度も0.5度以上、好ましく
は0.5〜10度の範囲で調節したところ、１×1019cm-3以
上のMgドーピングを行っても平坦なエピタキシャル表面
を得ることができた。これは、III族原子の格子位置にM
g原子が位置しやすくなり、格子間に位置するMg原子が
減少するため、異常成長の発生が抑制され、１×1019cm
-3以上のMgドーピングを行っても表面が劣化しないもの
と考えられる。
（111）面に変更し、傾ける角度も0.5度以上、好ましく
は0.5〜10度の範囲で調節したところ、１×1019cm-3以
上のMgドーピングを行っても平坦なエピタキシャル表面
を得ることができた。これは、III族原子の格子位置にM
g原子が位置しやすくなり、格子間に位置するMg原子が
減少するため、異常成長の発生が抑制され、１×1019cm
-3以上のMgドーピングを行っても表面が劣化しないもの
と考えられる。
（実施例１） 予め反応管内にAs原料のアルシン（AsH3）ガスを流し
た状態で、（100）面から隣接した（111）Ａ面へ２度傾
けたGaAs基板と、比較のために（100）面から隣接した
（110）Ａ面へ２度傾けたGaAs基板を、同時に反応管内
に設置し、温度650℃まで加熱した後、予め排気管へ流
しておいたCp2Mgを毎分60mlで反応管内に導入した。10
分後に、Ga原料のTMGaを毎分7mlで反応管へ導入して、
毎時２μｍの成長速度でGaAsの成長を始めた。90分後、
TMGaとCp2Mgを排気管に切り替え、基板温度を室温に戻
し成長を終了した。
た状態で、（100）面から隣接した（111）Ａ面へ２度傾
けたGaAs基板と、比較のために（100）面から隣接した
（110）Ａ面へ２度傾けたGaAs基板を、同時に反応管内
に設置し、温度650℃まで加熱した後、予め排気管へ流
しておいたCp2Mgを毎分60mlで反応管内に導入した。10
分後に、Ga原料のTMGaを毎分7mlで反応管へ導入して、
毎時２μｍの成長速度でGaAsの成長を始めた。90分後、
TMGaとCp2Mgを排気管に切り替え、基板温度を室温に戻
し成長を終了した。
第１図及び第２図は、上記実施例及び比較例の２種類
のGaAs基板上に成長したMgドープGaAsエピタキシャル層
の表面をノマルスキィ式光学顕微鏡を用いて倍率1000倍
で撮影した結晶構造の顕微鏡写真である。第１図は、本
発明とは関係のない表面欠陥による中央のキズを除い
て、エピタキシャル表面が鏡面であるのに対し、第２図
は、エピタキシャル表面が劣化していることが分かる。
のGaAs基板上に成長したMgドープGaAsエピタキシャル層
の表面をノマルスキィ式光学顕微鏡を用いて倍率1000倍
で撮影した結晶構造の顕微鏡写真である。第１図は、本
発明とは関係のない表面欠陥による中央のキズを除い
て、エピタキシャル表面が鏡面であるのに対し、第２図
は、エピタキシャル表面が劣化していることが分かる。
（実施例２） 実施例１の成長条件において、基板を（100）面から
隣接（111）Ａ面へ７度傾け、その他の成長条件を同じ
にしてMgドープGaAsエピタキシャル層を成長させたとこ
ろ、エピタキシャル表面は実施例１と同様に鏡面であ
り、劣化は見られなかった。
隣接（111）Ａ面へ７度傾け、その他の成長条件を同じ
にしてMgドープGaAsエピタキシャル層を成長させたとこ
ろ、エピタキシャル表面は実施例１と同様に鏡面であ
り、劣化は見られなかった。
（発明の効果） 本発明は、上記の構成を採用し、基板の傾きを調節す
ることにより、1019cm-3以上のマグネシウム元素をドー
ピングする場合においても、結晶表面が平坦な閃亜鉛鉱
型III−Ｖ族化合物半導体単結晶を得ることができるよ
うになった。
ることにより、1019cm-3以上のマグネシウム元素をドー
ピングする場合においても、結晶表面が平坦な閃亜鉛鉱
型III−Ｖ族化合物半導体単結晶を得ることができるよ
うになった。
【図面の簡単な説明】 第１図並びに第２図は、本発明の実施例１並びに比較例
で得たGaAsエピタキシャル層の表面を撮影した結晶構造
の顕微鏡写真、第３図は、HBTの断面模式図、第４図
は、OMVPE装置の概念図である。
で得たGaAsエピタキシャル層の表面を撮影した結晶構造
の顕微鏡写真、第３図は、HBTの断面模式図、第４図
は、OMVPE装置の概念図である。
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) C30B 28/00 - 35/00 H01L 21/205
Claims (2)
- 【請求項１】マグネシウム元素をドープした閃亜鉛鉱型
III−Ｖ族化合物半導体を有機金属気相成長法で結晶成
長させる方法において、同一結晶構造を有する基板を
（100）面から隣接する（111）Ａ面又は（111）Ｂ面に
0.5度以上傾けて結晶成長させ、1019cm-3以上のマグネ
シウム元素をドープした化合物半導体を得ることを特徴
とする化合物半導体の結晶成長方法。 - 【請求項２】上記の化合物半導体がGaAs、AlGaAs、InP
及びGaInAsからなる群より選ばれる１種類以上の化合物
半導体である請求項（１）記載の化合物半導体の結晶成
長方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14446990A JP2870989B2 (ja) | 1990-06-04 | 1990-06-04 | 化合物半導体の結晶成長方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14446990A JP2870989B2 (ja) | 1990-06-04 | 1990-06-04 | 化合物半導体の結晶成長方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0442898A JPH0442898A (ja) | 1992-02-13 |
| JP2870989B2 true JP2870989B2 (ja) | 1999-03-17 |
Family
ID=15363010
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP14446990A Expired - Lifetime JP2870989B2 (ja) | 1990-06-04 | 1990-06-04 | 化合物半導体の結晶成長方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2870989B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1994016459A1 (en) * | 1993-01-13 | 1994-07-21 | Sumitomo Chemical Company, Limited | Semiconductor expitaxial substrate |
| US5709745A (en) * | 1993-01-25 | 1998-01-20 | Ohio Aerospace Institute | Compound semi-conductors and controlled doping thereof |
| CA2113336C (en) * | 1993-01-25 | 2001-10-23 | David J. Larkin | Compound semi-conductors and controlled doping thereof |
-
1990
- 1990-06-04 JP JP14446990A patent/JP2870989B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0442898A (ja) | 1992-02-13 |
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