JP3079591B2 - 化合物半導体の気相成長法 - Google Patents
化合物半導体の気相成長法Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、有機金属気相成長法
によりＧａＡｓ等の化合物半導体基板上へＡｌＧａＡｓ
混晶を形成する気相成長法に関するもので、特にＡｌＧ
ａＡｓ混晶のｐ型キャリア濃度を精密に制御する方法に
関するものである。
によりＧａＡｓ等の化合物半導体基板上へＡｌＧａＡｓ
混晶を形成する気相成長法に関するもので、特にＡｌＧ
ａＡｓ混晶のｐ型キャリア濃度を精密に制御する方法に
関するものである。
【０００２】
【従来の技術】ＡｌＧａＡｓ混晶のエピタキシャル層
は、近年高速電子デバイスや半導体レーザ等の発光デバ
イス、あるいは受光デバイスなどへの幅広い応用分野に
おいて不可欠の材料になっている。ＡｌＧａＡｓ混晶材
料では、デバイスの性能を左右する点で、特にキャリア
濃度の制御が重要となる。
は、近年高速電子デバイスや半導体レーザ等の発光デバ
イス、あるいは受光デバイスなどへの幅広い応用分野に
おいて不可欠の材料になっている。ＡｌＧａＡｓ混晶材
料では、デバイスの性能を左右する点で、特にキャリア
濃度の制御が重要となる。
【０００３】ＡｌＧａＡｓ混晶のエピタキシャル層を作
製する方法としては、有機金属気相成長法が着目されて
いる。この方法では、一般にＧａ、Ａｌ原料にはトリメ
チルガリウム〔Ｇａ（ＣＨ3）3：以下ＴＭＧと記す〕、
トリメチルアルミニウム〔Ａｌ（ＣＨ3）3：以下ＴＭＡ
と記す〕を、Ａｓ原料にはアルシン（ＡｓＨ3）を用い
る。これらの原料をＧａＡｓ等の基板上に輸送し、熱分
解によりエピタキシャル層を成長させる。
製する方法としては、有機金属気相成長法が着目されて
いる。この方法では、一般にＧａ、Ａｌ原料にはトリメ
チルガリウム〔Ｇａ（ＣＨ3）3：以下ＴＭＧと記す〕、
トリメチルアルミニウム〔Ａｌ（ＣＨ3）3：以下ＴＭＡ
と記す〕を、Ａｓ原料にはアルシン（ＡｓＨ3）を用い
る。これらの原料をＧａＡｓ等の基板上に輸送し、熱分
解によりエピタキシャル層を成長させる。
【０００４】上記の方法でｐ型のＡｌＧａＡｓ混晶エピ
タキシャル層を成長する場合、次のような方法が知られ
ていた。 （１）Ｖ族原料（アルシン）とIII族原料（ＴＭＧ、Ｔ
ＭＡ）のモル比（以下、これをＶ／III比と記す）を制
御する。例えば、K.TAMARURAらがApplied PhysicsLette
rs 50 (1987) 1149で報告しているように、低Ｖ／III比
側で成長するとＡｌＧａＡｓはｐ型伝導性を示し、高Ｖ
／III比側で成長するとｎ型伝導性を示す。図２にその
性質の１例を示す。この図からはＶ／III比＝１００程
度以下の範囲で成長すれば、ｐ型伝導性がえられること
がわかる。ただし成長装置の構造等によりこのＶ／III
比の範囲は異なることがある。 （２）ｐ型ドーパントとして亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウ
ム（Ｍｇ）等の浅いアクセプタ準位を形成する元素を添
加する。
タキシャル層を成長する場合、次のような方法が知られ
ていた。 （１）Ｖ族原料（アルシン）とIII族原料（ＴＭＧ、Ｔ
ＭＡ）のモル比（以下、これをＶ／III比と記す）を制
御する。例えば、K.TAMARURAらがApplied PhysicsLette
rs 50 (1987) 1149で報告しているように、低Ｖ／III比
側で成長するとＡｌＧａＡｓはｐ型伝導性を示し、高Ｖ
／III比側で成長するとｎ型伝導性を示す。図２にその
性質の１例を示す。この図からはＶ／III比＝１００程
度以下の範囲で成長すれば、ｐ型伝導性がえられること
がわかる。ただし成長装置の構造等によりこのＶ／III
比の範囲は異なることがある。 （２）ｐ型ドーパントとして亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウ
ム（Ｍｇ）等の浅いアクセプタ準位を形成する元素を添
加する。
【０００５】しかし、上記の（１）の方法を用いた場
合、図２から明らかなようにＶ／III比の増加に対し
て、ｐ型キャリア濃度が急峻に変化するために所望のキ
ャリア濃度特に低いキャリア濃度を制御することが極め
て難しいという問題があった。また、（２）の方法で
は、一般にｐ＝１×１０17ｃｍ-3以上の高いキャリア濃
度に対しては比較的精密にキャリア濃度を制御すること
が可能であった。しかし、ｐ＝１×１０17ｃｍ-3未満の
低いキャリア濃度の制御は非常に困難で、特にｐ＝１×
１０16ｃｍ-3以下の場合、その制御はほとんど不可能と
考えられていた。これは、アンドープＡｌＧａＡｓ混晶
の残留不純物濃度が上記所望のキャリア濃度とほぼ同じ
程度であり、しかもそれが成長時のわずかな条件の違い
により変動するためであると推定できる。これらの方法
以外に、ＡｌＧａＡｓ混晶中に添加した酸素は深いアク
セプタ準位を形成するといわれていた。しかし、従来の
成長方法では酸素を添加したＡｌＧａＡｓは高抵抗化は
するが、ｐ型の導電性を示すことはなかった。
合、図２から明らかなようにＶ／III比の増加に対し
て、ｐ型キャリア濃度が急峻に変化するために所望のキ
ャリア濃度特に低いキャリア濃度を制御することが極め
て難しいという問題があった。また、（２）の方法で
は、一般にｐ＝１×１０17ｃｍ-3以上の高いキャリア濃
度に対しては比較的精密にキャリア濃度を制御すること
が可能であった。しかし、ｐ＝１×１０17ｃｍ-3未満の
低いキャリア濃度の制御は非常に困難で、特にｐ＝１×
１０16ｃｍ-3以下の場合、その制御はほとんど不可能と
考えられていた。これは、アンドープＡｌＧａＡｓ混晶
の残留不純物濃度が上記所望のキャリア濃度とほぼ同じ
程度であり、しかもそれが成長時のわずかな条件の違い
により変動するためであると推定できる。これらの方法
以外に、ＡｌＧａＡｓ混晶中に添加した酸素は深いアク
セプタ準位を形成するといわれていた。しかし、従来の
成長方法では酸素を添加したＡｌＧａＡｓは高抵抗化は
するが、ｐ型の導電性を示すことはなかった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】この発明の目的は、有
機金属気相成長法によりＡｌＧａＡｓ混晶を化合物半導
体基板上へ成長する気相成長法において、低いキャリア
濃度のｐ型ＡｌＧａＡｓをねらい通り再現性良く成長す
る方法を提供することである。
機金属気相成長法によりＡｌＧａＡｓ混晶を化合物半導
体基板上へ成長する気相成長法において、低いキャリア
濃度のｐ型ＡｌＧａＡｓをねらい通り再現性良く成長す
る方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は、ＡｌとＧａと
のそれぞれの有機化合物とＡｓＨ3とを原料とする有機
金属気相成長法によりＡｌＧａＡｓ混晶を基板上へ成長
する気相成長法において、気相成長装置内部に存在する
酸素ガスおよび酸素を含有する残留ガスの分圧の合計が
１×１０ -5 Ｐａ以下である気相成長装置を用い、キャリ
アガス中に全ガス流量に対するモル分率として１〜１０
ｐｐｂの範囲の酸素を添加することにより、２×１０ 16
ｃｍ -3 から４×１０ 14 ｃｍ -3 の範囲のｐ型伝導性を有す
るＡｌＧａＡｓ混晶を得ることを特徴とする化合物半導
体の気相成長方法である。
のそれぞれの有機化合物とＡｓＨ3とを原料とする有機
金属気相成長法によりＡｌＧａＡｓ混晶を基板上へ成長
する気相成長法において、気相成長装置内部に存在する
酸素ガスおよび酸素を含有する残留ガスの分圧の合計が
１×１０ -5 Ｐａ以下である気相成長装置を用い、キャリ
アガス中に全ガス流量に対するモル分率として１〜１０
ｐｐｂの範囲の酸素を添加することにより、２×１０ 16
ｃｍ -3 から４×１０ 14 ｃｍ -3 の範囲のｐ型伝導性を有す
るＡｌＧａＡｓ混晶を得ることを特徴とする化合物半導
体の気相成長方法である。
【０００８】
【作用】有機金属気相成長法によりＡｌＧａＡｓ混晶を
化合物半導体基板上へ成長するとき、気相中に微量の酸
素を添加することによりｐ型ＡｌＧａＡｓ混晶エピタキ
シャル層を得ることができる。気相中に添加された酸素
は、ＡｌＧａＡｓ混晶エピタキシャル層の中にドープさ
れて深いドナー準位を形成する。この深いドナー準位が
ＡｌＧａＡｓ混晶エピタキシャル層の中に存在するカー
ボン（Ｃ）に起因する浅いアクセプタ準位を電気的に補
償し、ｐ型ＡｌＧａＡｓ混晶のキャリア濃度を制御する
ことができるのである。
化合物半導体基板上へ成長するとき、気相中に微量の酸
素を添加することによりｐ型ＡｌＧａＡｓ混晶エピタキ
シャル層を得ることができる。気相中に添加された酸素
は、ＡｌＧａＡｓ混晶エピタキシャル層の中にドープさ
れて深いドナー準位を形成する。この深いドナー準位が
ＡｌＧａＡｓ混晶エピタキシャル層の中に存在するカー
ボン（Ｃ）に起因する浅いアクセプタ準位を電気的に補
償し、ｐ型ＡｌＧａＡｓ混晶のキャリア濃度を制御する
ことができるのである。
【０００９】このことは、従来ＡｌＧａＡｓ混晶中の酸
素不純物の挙動に関し説明されていた事とはことなり、
新たな知見である。本発明者はＡｌＧａＡｓ混晶中にド
ープされた酸素は、ある条件においては深いドナー準位
を形成することを見いだした。すなわち、特定の条件に
おいてＡｌＧａＡｓ混晶中に酸素をドープすると、酸素
はドナーとして働き、カーボンのような浅いアクセプタ
準位を電気的に補償して、ＡｌＧａＡｓ混晶のｐ型キャ
リア濃度を精密に制御できる。
素不純物の挙動に関し説明されていた事とはことなり、
新たな知見である。本発明者はＡｌＧａＡｓ混晶中にド
ープされた酸素は、ある条件においては深いドナー準位
を形成することを見いだした。すなわち、特定の条件に
おいてＡｌＧａＡｓ混晶中に酸素をドープすると、酸素
はドナーとして働き、カーボンのような浅いアクセプタ
準位を電気的に補償して、ＡｌＧａＡｓ混晶のｐ型キャ
リア濃度を精密に制御できる。
【００１０】この発明の気相成長法では、装置内部に存
在する酸素ガスおよび酸素を含有する残留ガスの分圧の
合計が１×１０-5Ｐａ以下であるような有機金属気相成
長装置を用いる。このような気相成長装置を用いて、意
図的には不純物を添加しないＡｌＧａＡｓ混晶を成長す
ると、その残留不純物濃度はｐ＝１×１０16ｃｍ-3程度
の低い値になる。本発明者は、この気相成長装置により
ＡｌＧａＡｓ混晶を成長する際に、キャリアガス中に全
ガス流量に対するモル分率として１〜１００ｐｐｂの範
囲の酸素を添加すると、ＡｌＧａＡｓ混晶がｐ型の導電
性を示すことを見いだした。この発明の気相成長法では
上記のように残留不純物濃度が低いために、酸素の添加
によってｐ＝１×１０18ｃｍ-3以下程度の低いｐ型のキ
ャリア濃度を再現性良く制御できるのである。
在する酸素ガスおよび酸素を含有する残留ガスの分圧の
合計が１×１０-5Ｐａ以下であるような有機金属気相成
長装置を用いる。このような気相成長装置を用いて、意
図的には不純物を添加しないＡｌＧａＡｓ混晶を成長す
ると、その残留不純物濃度はｐ＝１×１０16ｃｍ-3程度
の低い値になる。本発明者は、この気相成長装置により
ＡｌＧａＡｓ混晶を成長する際に、キャリアガス中に全
ガス流量に対するモル分率として１〜１００ｐｐｂの範
囲の酸素を添加すると、ＡｌＧａＡｓ混晶がｐ型の導電
性を示すことを見いだした。この発明の気相成長法では
上記のように残留不純物濃度が低いために、酸素の添加
によってｐ＝１×１０18ｃｍ-3以下程度の低いｐ型のキ
ャリア濃度を再現性良く制御できるのである。
【００１１】
【実施例】装置内部に存在する酸素ガスおよび酸素を含
有する残留ガスの分圧の合計が１×１０-5Ｐａ以下であ
るような有機金属気相成長装置を用いて、まずアンドー
プＡｌＧａＡｓ混晶エピタキシャル層の特性を確認する
ための成長を行なった。III族の原料にはＴＭＧ、ＴＭ
Ａを、Ｖ族の原料にはアルシンを使用した。ＴＭＧ原料
は恒温槽中０℃に保持し、水素キャリアガス１０ＳＣＣ
Ｍで成長室へ輸送した。ＴＭＡ原料は恒温槽中に２０℃
に保持し、水素キャリアガス２０ＳＣＣＭで成長室へ輸
送した。アルシン原料は水素ベース１０％希釈のシリン
ダーを使用し、流量を３００ＳＣＣＭとした。全ガス流
量は２ＳＬＭとした。成長圧力は２．７×１０3Ｐａ、
成長温度７００℃のもとでＡｌ組成約２０％のＡｌＧａ
Ａｓ混晶エピタキシャル層を半絶縁性ＧａＡｓ基板上へ
形成した。このアンドープＡｌＧａＡｓ混晶エピタキシ
ャル層を約５μｍ成長し、ホール測定にてエピタキシャ
ル層の電気的特性を評価したところ、ｐ型伝導性を示
し、そのキャリア濃度はｐ＝２×１０16ｃｍ-3であり、
比抵抗はρ＝２Ω・ｃｍであった。
有する残留ガスの分圧の合計が１×１０-5Ｐａ以下であ
るような有機金属気相成長装置を用いて、まずアンドー
プＡｌＧａＡｓ混晶エピタキシャル層の特性を確認する
ための成長を行なった。III族の原料にはＴＭＧ、ＴＭ
Ａを、Ｖ族の原料にはアルシンを使用した。ＴＭＧ原料
は恒温槽中０℃に保持し、水素キャリアガス１０ＳＣＣ
Ｍで成長室へ輸送した。ＴＭＡ原料は恒温槽中に２０℃
に保持し、水素キャリアガス２０ＳＣＣＭで成長室へ輸
送した。アルシン原料は水素ベース１０％希釈のシリン
ダーを使用し、流量を３００ＳＣＣＭとした。全ガス流
量は２ＳＬＭとした。成長圧力は２．７×１０3Ｐａ、
成長温度７００℃のもとでＡｌ組成約２０％のＡｌＧａ
Ａｓ混晶エピタキシャル層を半絶縁性ＧａＡｓ基板上へ
形成した。このアンドープＡｌＧａＡｓ混晶エピタキシ
ャル層を約５μｍ成長し、ホール測定にてエピタキシャ
ル層の電気的特性を評価したところ、ｐ型伝導性を示
し、そのキャリア濃度はｐ＝２×１０16ｃｍ-3であり、
比抵抗はρ＝２Ω・ｃｍであった。
【００１２】アンドープＡｌＧａＡｓ混晶エピタキシャ
ル層がｐ型伝導性を示すことを確認した上で、微量の酸
素ガスを成長時に添加しｐ型キャリア濃度の変化を調べ
た。酸素ガスは、ヘリウムで希釈したものを使用した。
希釈ガスとしてはヘリウムに限らず窒素、アルゴン等の
不活性ガスを使うことが出来る。酸素ガスの成長室への
供給は、原料ガス供給系とは独立した供給ラインを使
い、マスフローコントローラにより流量を精密に制御し
た。全ガス流量に対する酸素添加濃度は２、５、１０、
１５、２０ｐｐｂに制御した。各酸素添加量において、
それぞれ厚み約５μｍに成長したＡｌＧａＡｓ混晶エピ
タキシャル層のキャリア濃度をホール測定で評価した。
ル層がｐ型伝導性を示すことを確認した上で、微量の酸
素ガスを成長時に添加しｐ型キャリア濃度の変化を調べ
た。酸素ガスは、ヘリウムで希釈したものを使用した。
希釈ガスとしてはヘリウムに限らず窒素、アルゴン等の
不活性ガスを使うことが出来る。酸素ガスの成長室への
供給は、原料ガス供給系とは独立した供給ラインを使
い、マスフローコントローラにより流量を精密に制御し
た。全ガス流量に対する酸素添加濃度は２、５、１０、
１５、２０ｐｐｂに制御した。各酸素添加量において、
それぞれ厚み約５μｍに成長したＡｌＧａＡｓ混晶エピ
タキシャル層のキャリア濃度をホール測定で評価した。
【００１３】評価した結果を図１に示す。図から明らか
なように、酸素添加量を増加するにつれてｐ型キャリア
濃度が減少していくことがわかる。酸素を添加しない場
合はｐ＝２×１０16ｃｍ-3であるが、酸素添加量を５ｐ
ｐｂにしたときｐ＝１×１０16ｃｍ-3になっている。１
５ｐｐｂではｐ＝４×１０14ｃｍ-3までｐ型キャリア濃
度が減少し、また図には示していないが、添加量２０ｐ
ｐｂではＡｌＧａＡｓ混晶は高抵抗特性を示した。
なように、酸素添加量を増加するにつれてｐ型キャリア
濃度が減少していくことがわかる。酸素を添加しない場
合はｐ＝２×１０16ｃｍ-3であるが、酸素添加量を５ｐ
ｐｂにしたときｐ＝１×１０16ｃｍ-3になっている。１
５ｐｐｂではｐ＝４×１０14ｃｍ-3までｐ型キャリア濃
度が減少し、また図には示していないが、添加量２０ｐ
ｐｂではＡｌＧａＡｓ混晶は高抵抗特性を示した。
【００１４】また図には示していないが、意図的には不
純物を添加しないで成長したＡｌＧａＡｓ混晶のｐ型キ
ャリア濃度がｐ＝８×１０16ｃｍ-3である場合、同様に
酸素添加量を増加させるにしたがって、ＡｌＧａＡｓ混
晶のｐ型キャリア濃度が減少することを確認した。この
場合、添加量２０ｐｐｂではｐ＝４×１０14ｃｍ-3を示
し、添加量５０ｐｐｂでは高抵抗特性を示した。さらに
添加量を１００ｐｐｂに増加すると、高抵抗化する。こ
のように、酸素添加量が１〜１００ｐｐｂ、好ましくは
１〜５０ｐｐｂ、また上記のとおり条件によっては１〜
２０ｐｐｂの範囲で、低い濃度のｐ型導電性を有するＡ
ｌＧａＡｓ混晶が得られた。
純物を添加しないで成長したＡｌＧａＡｓ混晶のｐ型キ
ャリア濃度がｐ＝８×１０16ｃｍ-3である場合、同様に
酸素添加量を増加させるにしたがって、ＡｌＧａＡｓ混
晶のｐ型キャリア濃度が減少することを確認した。この
場合、添加量２０ｐｐｂではｐ＝４×１０14ｃｍ-3を示
し、添加量５０ｐｐｂでは高抵抗特性を示した。さらに
添加量を１００ｐｐｂに増加すると、高抵抗化する。こ
のように、酸素添加量が１〜１００ｐｐｂ、好ましくは
１〜５０ｐｐｂ、また上記のとおり条件によっては１〜
２０ｐｐｂの範囲で、低い濃度のｐ型導電性を有するＡ
ｌＧａＡｓ混晶が得られた。
【００１５】
【発明の効果】本発明により、有機金属気相成長法によ
りＡｌＧａＡｓ混晶を化合物半導体基板上へ成長する気
相成長法において、低いキャリア濃度のｐ型ＡｌＧａＡ
ｓをねらい通り再現性良く成長することが容易にできる
ようになった。そのために高速電子デバイスや、半導体
レーザ等の発光デバイス、あるいは受光デバイスなどの
製造が歩留り良く出来るという大きな効果がある。
りＡｌＧａＡｓ混晶を化合物半導体基板上へ成長する気
相成長法において、低いキャリア濃度のｐ型ＡｌＧａＡ
ｓをねらい通り再現性良く成長することが容易にできる
ようになった。そのために高速電子デバイスや、半導体
レーザ等の発光デバイス、あるいは受光デバイスなどの
製造が歩留り良く出来るという大きな効果がある。
【図１】本発明の方法で成長したＡｌＧａＡｓ混晶のｐ
型キャリア濃度と、酸素添加濃度の関係を示すグラフで
ある。
型キャリア濃度と、酸素添加濃度の関係を示すグラフで
ある。
【図２】ＡｌＧａＡｓ混晶の伝導性と、Ｖ／III比の関
係を示すグラフである。
係を示すグラフである。
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/205 H01L 21/31
Claims (1)
- 【請求項１】 ＡｌとＧａとのそれぞれの有機化合物と
ＡｓＨ3とを原料とする有機金属気相成長法によりＡｌ
ＧａＡｓ混晶を基板上へ成長する気相成長法において、
気相成長装置内部に存在する酸素ガスおよび酸素を含有
する残留ガスの分圧の合計が１×１０ -5 Ｐａ以下である
気相成長装置を用い、キャリアガス中に全ガス流量に対
するモル分率として１〜１０ｐｐｂの範囲の酸素を添加
することにより、２×１０ 16 ｃｍ -3 から４×１０ 14 ｃｍ
-3 の範囲のｐ型伝導性を有するＡｌＧａＡｓ混晶を得る
ことを特徴とする化合物半導体の気相成長方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03029871A JP3079591B2 (ja) | 1991-02-25 | 1991-02-25 | 化合物半導体の気相成長法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03029871A JP3079591B2 (ja) | 1991-02-25 | 1991-02-25 | 化合物半導体の気相成長法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04268719A JPH04268719A (ja) | 1992-09-24 |
| JP3079591B2 true JP3079591B2 (ja) | 2000-08-21 |
Family
ID=12288039
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP03029871A Expired - Fee Related JP3079591B2 (ja) | 1991-02-25 | 1991-02-25 | 化合物半導体の気相成長法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3079591B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102301452A (zh) * | 2009-01-28 | 2011-12-28 | 住友化学株式会社 | 半导体基板的制造方法及半导体基板 |
-
1991
- 1991-02-25 JP JP03029871A patent/JP3079591B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04268719A (ja) | 1992-09-24 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |