JP3159788B2 - 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
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は化合物半導体の結晶成長
方法に係る。化合物半導体は、たとえば種々の電子デバ
イスの構成材料として用いられている。電子デバイスの
微細化、高性能化のためには、所望の場所に所望の組成
の化合物半導体を所望の厚さだけ成長することが望まれ
る場合がある。原子層単位で成長を制御する原子層エピ
タキシ(ALE)はこのような要求を実現する1つの方
法である。
方法に係る。化合物半導体は、たとえば種々の電子デバ
イスの構成材料として用いられている。電子デバイスの
微細化、高性能化のためには、所望の場所に所望の組成
の化合物半導体を所望の厚さだけ成長することが望まれ
る場合がある。原子層単位で成長を制御する原子層エピ
タキシ(ALE)はこのような要求を実現する1つの方
法である。
【0002】
【従来の技術】化合物半導体を気相で結晶成長させる方
法として、有機金属気相成長法(MOCVD)、分子線
エピタキシ(MBE)、原子層エピタキシ(ALE)等
が知られている。このうちMOCVDは、成長速度は早
いが、原子層単位の制御は難しい。MBEは、超高真空
装置を用い、超高真空中に原料を分子線として供給し、
結晶成長を行う。
法として、有機金属気相成長法(MOCVD)、分子線
エピタキシ(MBE)、原子層エピタキシ(ALE)等
が知られている。このうちMOCVDは、成長速度は早
いが、原子層単位の制御は難しい。MBEは、超高真空
装置を用い、超高真空中に原料を分子線として供給し、
結晶成長を行う。
【0003】ところで、一般の気相成長法で3元系の化
合物半導体を成長させると、1つのサイト(III族又はV
族)に2種類の元素がランダムに入り、キャリヤの走行
に対して合金散乱の原因となる。そこで、3元素のサイ
トを指定して整列させれば合金散乱は防止できる。この
3元素のそれぞれのサイトを指定するためには、元素ご
とに成長を制御できるALEが有効である。
合物半導体を成長させると、1つのサイト(III族又はV
族)に2種類の元素がランダムに入り、キャリヤの走行
に対して合金散乱の原因となる。そこで、3元素のサイ
トを指定して整列させれば合金散乱は防止できる。この
3元素のそれぞれのサイトを指定するためには、元素ご
とに成長を制御できるALEが有効である。
【0004】ALEとしては、成長槽内を超高真空に排
気すると共に、基板を加熱し、結晶成長させたい成分元
素を含むガスを順次所定量導入して半導体を分子層ごと
に成長する方法が知られている(特開昭61−3492
2号公報)。しかし、この方法では、原料ガスの切り換
えに時間がかかり、その際一旦堆積した原子層が変化し
易く、そのため制御性が悪いという問題がある。
気すると共に、基板を加熱し、結晶成長させたい成分元
素を含むガスを順次所定量導入して半導体を分子層ごと
に成長する方法が知られている(特開昭61−3492
2号公報)。しかし、この方法では、原料ガスの切り換
えに時間がかかり、その際一旦堆積した原子層が変化し
易く、そのため制御性が悪いという問題がある。
【0005】さらに、ALEでヘテロエピタキシャル成
長する場合には、種々の問題が生じる。まず、InAs
基板の上に、InAsエピタキシャル層を成長する場合
を説明する。石英等の反応管内に配置されたInAs基
板を、所定の温度たとえば350℃に加熱し、基板上に
III族元素の原料ガスとV族元素の原料ガスを交互に供
給する。成長ガス圧は、たとえば数torrから数100to
rrの範囲である。
長する場合には、種々の問題が生じる。まず、InAs
基板の上に、InAsエピタキシャル層を成長する場合
を説明する。石英等の反応管内に配置されたInAs基
板を、所定の温度たとえば350℃に加熱し、基板上に
III族元素の原料ガスとV族元素の原料ガスを交互に供
給する。成長ガス圧は、たとえば数torrから数100to
rrの範囲である。
【0006】インジウムの原料は、たとえばトリメチル
インジウム(CH3 )3 Inであり、砒素の原料は、た
とえばアルシンAsH3 である。基板上にIn層とAs
層とを交互に成長することにより、ALEによりInA
s結晶を成長することができる。GaAs結晶を成長す
る場合は、成長温度をたとえば500℃とし、ガリウム
原料ガスとしてトリメチルガリウム(CH3 )3 Gaを
用い、砒素原料としてアルシンAsH3 を用いる。
インジウム(CH3 )3 Inであり、砒素の原料は、た
とえばアルシンAsH3 である。基板上にIn層とAs
層とを交互に成長することにより、ALEによりInA
s結晶を成長することができる。GaAs結晶を成長す
る場合は、成長温度をたとえば500℃とし、ガリウム
原料ガスとしてトリメチルガリウム(CH3 )3 Gaを
用い、砒素原料としてアルシンAsH3 を用いる。
【0007】上述の例において、InAs結晶を成長す
る場合の成長温度は350℃であり、GaAs結晶を成
長する場合の成長温度は500℃である。InAs/G
aAsヘテロ接合を成長する場合、成長温度を500℃
にすると、InAsの成長にとっては温度が高過ぎて、
セルフリミッティング効果が失われ、単原子層成長が困
難になる。
る場合の成長温度は350℃であり、GaAs結晶を成
長する場合の成長温度は500℃である。InAs/G
aAsヘテロ接合を成長する場合、成長温度を500℃
にすると、InAsの成長にとっては温度が高過ぎて、
セルフリミッティング効果が失われ、単原子層成長が困
難になる。
【0008】一方、成長温度を350℃とすると、Ga
As結晶の成長には低温過ぎ、結晶成長が進行しない。
結晶成長中、頻繁に成長温度を変更することは、制御
上、効率上、好ましくない。また、ヘテロ接合を構成す
る物質間の格子定数差、熱膨張係数差、ヘテロ界面にお
ける各原子の安定性、ヘテロ界面における構成原子の相
互拡散等の問題がある。
As結晶の成長には低温過ぎ、結晶成長が進行しない。
結晶成長中、頻繁に成長温度を変更することは、制御
上、効率上、好ましくない。また、ヘテロ接合を構成す
る物質間の格子定数差、熱膨張係数差、ヘテロ界面にお
ける各原子の安定性、ヘテロ界面における構成原子の相
互拡散等の問題がある。
【0009】従来、ALEにおいては原料ガスを1サイ
クル供給した時の成長率は、 III族あるいはV族の原料
の供給濃度と供給時間で決定していた。ALEの成長率
については、例えばGaAsについてApplied Physics
Letters ,53巻1509−1511頁(1988)に
記載されている。また、GaAs結晶の純度については
同じく III族とV族の原料の供給濃度と供給時間に対す
る依存性が、Journalof Crystal Growth ,93巻55
7頁(1988)に記載されている。このように、従来
は、成長速度や結晶の特性に関して、原料を供給してい
ないときの影響は知られていなかった。
クル供給した時の成長率は、 III族あるいはV族の原料
の供給濃度と供給時間で決定していた。ALEの成長率
については、例えばGaAsについてApplied Physics
Letters ,53巻1509−1511頁(1988)に
記載されている。また、GaAs結晶の純度については
同じく III族とV族の原料の供給濃度と供給時間に対す
る依存性が、Journalof Crystal Growth ,93巻55
7頁(1988)に記載されている。このように、従来
は、成長速度や結晶の特性に関して、原料を供給してい
ないときの影響は知られていなかった。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
化合物半導体の原子層成長、特にヘテロエピタキシャル
成長は未だ十分に解明されておらず、所望の良質な結晶
を得ることは容易ではなかった。本発明の目的は、単原
子層の制御性を有し、良質な化合物半導体結晶を成長す
ることのできる化合物半導体の結晶成長方法を提供する
ことである。
化合物半導体の原子層成長、特にヘテロエピタキシャル
成長は未だ十分に解明されておらず、所望の良質な結晶
を得ることは容易ではなかった。本発明の目的は、単原
子層の制御性を有し、良質な化合物半導体結晶を成長す
ることのできる化合物半導体の結晶成長方法を提供する
ことである。
【0011】具体的には、 III族元素としてInを含む
化合物半導体のヘテロ接合を単原子層の厳密さをもって
容易に製造することのできる化合物半導体の結晶成長方
法を提供することである。本発明のさらに別の目的は、
III族とV族の原料供給時以外の時間が結晶成長の過程
に及ぼす効果を調べ、原料交互供給による結晶成長法の
成長技術を向上させ、原子レベルでの成長の制御をさら
には良質なヘテロエピタキシャル成長を、可能にするこ
とを目的とする。
化合物半導体のヘテロ接合を単原子層の厳密さをもって
容易に製造することのできる化合物半導体の結晶成長方
法を提供することである。本発明のさらに別の目的は、
III族とV族の原料供給時以外の時間が結晶成長の過程
に及ぼす効果を調べ、原料交互供給による結晶成長法の
成長技術を向上させ、原子レベルでの成長の制御をさら
には良質なヘテロエピタキシャル成長を、可能にするこ
とを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、下地結晶を300℃〜450℃の範囲内
の温度に加熱する工程と、該温度で、Inの有機化合物
を水素で希釈した III族原料ガスを所定圧力で未分解の
まま前記下地結晶上に供給する第1の III族供給工程
と、水素ガスを所定圧力で前記下地結晶上に供給すると
共に該 III族原料ガスを排気する工程と、V族元素を第
1の組成で含む第1のV族原料ガスを所定圧力で前記下
地結晶上に供給する第1のV族供給工程と、水素ガスを
所定圧力で前記下地結晶上に供給すると共に該第1のV
族原料ガスを排気する工程と、Inの有機化合物を水素
で希釈した III族原料ガスを所定圧力で未分解のまま前
記下地結晶上に供給する第2の III族供給工程と、水素
ガスを所定圧力で前記下地結晶上に供給すると共に該 I
II族原料ガスを排気する工程と、前記第1のV族原料ガ
スと組成の異なる、V族元素を第2の組成で含む第2の
V族原料ガスを所定圧力で前記下地結晶上に供給する第
2のV族供給工程と、水素ガスを所定圧力で前記下地結
晶上に供給すると共に該第2のV族原料ガスを排気する
工程と、を含み、前記第1のV族原料供給工程と前記第
2の III族原料供給工程の間および前記第2のV族原料
供給工程と前記第1の III族原料供給工程の間の前記水
素供給工程の水素供給時間を、該第1および第2のV族
原料供給工程で付着したV族原子の脱離が防止できる程
度に制限することを特徴とする化合物半導体の結晶成長
方法を提供する。
成するために、下地結晶を300℃〜450℃の範囲内
の温度に加熱する工程と、該温度で、Inの有機化合物
を水素で希釈した III族原料ガスを所定圧力で未分解の
まま前記下地結晶上に供給する第1の III族供給工程
と、水素ガスを所定圧力で前記下地結晶上に供給すると
共に該 III族原料ガスを排気する工程と、V族元素を第
1の組成で含む第1のV族原料ガスを所定圧力で前記下
地結晶上に供給する第1のV族供給工程と、水素ガスを
所定圧力で前記下地結晶上に供給すると共に該第1のV
族原料ガスを排気する工程と、Inの有機化合物を水素
で希釈した III族原料ガスを所定圧力で未分解のまま前
記下地結晶上に供給する第2の III族供給工程と、水素
ガスを所定圧力で前記下地結晶上に供給すると共に該 I
II族原料ガスを排気する工程と、前記第1のV族原料ガ
スと組成の異なる、V族元素を第2の組成で含む第2の
V族原料ガスを所定圧力で前記下地結晶上に供給する第
2のV族供給工程と、水素ガスを所定圧力で前記下地結
晶上に供給すると共に該第2のV族原料ガスを排気する
工程と、を含み、前記第1のV族原料供給工程と前記第
2の III族原料供給工程の間および前記第2のV族原料
供給工程と前記第1の III族原料供給工程の間の前記水
素供給工程の水素供給時間を、該第1および第2のV族
原料供給工程で付着したV族原子の脱離が防止できる程
度に制限することを特徴とする化合物半導体の結晶成長
方法を提供する。
【0013】この様にして成長される化合物半導体は、
代表的には、InAs/InP、InAsP/InPま
たはInAs/InAsPのヘテロ接合を有するものを
挙げることができる。この結晶成長方法では、In有機
化合物は下地結晶に到達するまでは実効的に分解せず、
下地結晶上で分解するように、前記所定温度、In有機
化合物の水素希釈率、 III族原料ガスの流速、および前
記所定圧力を選択する。
代表的には、InAs/InP、InAsP/InPま
たはInAs/InAsPのヘテロ接合を有するものを
挙げることができる。この結晶成長方法では、In有機
化合物は下地結晶に到達するまでは実効的に分解せず、
下地結晶上で分解するように、前記所定温度、In有機
化合物の水素希釈率、 III族原料ガスの流速、および前
記所定圧力を選択する。
【0014】
【0015】
【0016】
【作用】InAsは高電子移動度であり、これを利用し
た格子不整合系、ヘテロ接合系のデバイスは有用性が高
いが、このようなヘテロ成長は容易でなかった。例え
ば、GaAs/InGaAs系でもInの組成は高々
0.2程度にすぎなかった。そこで、本発明では、第1
に、InP/InAsの如くヘテロ接合の両方にInを
含む系に着目し、これによって両者の格子不整の小さい
系を選択し、成長を容易化する。特に、InPとInA
s界面ではAsとPの相互拡散が極めて小さいので有利
である。また、両方にInを含むヘテロ接合では両者の
ALE成長温度が近いので有利である。
た格子不整合系、ヘテロ接合系のデバイスは有用性が高
いが、このようなヘテロ成長は容易でなかった。例え
ば、GaAs/InGaAs系でもInの組成は高々
0.2程度にすぎなかった。そこで、本発明では、第1
に、InP/InAsの如くヘテロ接合の両方にInを
含む系に着目し、これによって両者の格子不整の小さい
系を選択し、成長を容易化する。特に、InPとInA
s界面ではAsとPの相互拡散が極めて小さいので有利
である。また、両方にInを含むヘテロ接合では両者の
ALE成長温度が近いので有利である。
【0017】第2に、Inの有機化合物を水素で希釈し
た III族原料ガスを所定圧力で用いることにより、下地
結晶上にInの単原子層を成長することが可能となる。
V族元素の単原子層は比較的容易に成長でき、その組成
を制御することによってヘテロ界面を実現することがで
きる。下地結晶を所定温度に設定することにより、ガス
中での反応および下地結晶上の反応を制御することが可
能となる。下地結晶の温度が高過ぎると、単原子層を成
長する2次元成長のみでなく、3次元成長が発生してし
まうため、下地結晶は3次元成長を抑圧する所定温度に
加熱する。In原子層の上に、V族元素の原料ガスを供
給することにより、V族元素の単原子層が成長する。
た III族原料ガスを所定圧力で用いることにより、下地
結晶上にInの単原子層を成長することが可能となる。
V族元素の単原子層は比較的容易に成長でき、その組成
を制御することによってヘテロ界面を実現することがで
きる。下地結晶を所定温度に設定することにより、ガス
中での反応および下地結晶上の反応を制御することが可
能となる。下地結晶の温度が高過ぎると、単原子層を成
長する2次元成長のみでなく、3次元成長が発生してし
まうため、下地結晶は3次元成長を抑圧する所定温度に
加熱する。In原子層の上に、V族元素の原料ガスを供
給することにより、V族元素の単原子層が成長する。
【0018】さらに、 III族元素の供給工程と、V族元
素の供給工程との間に水素ガスを流すことにより、両原
料ガスの分離を改善することができる。両原料ガスの分
離がより短時間により完全に行なわれることは、ヘテロ
界面の乱れを防止し、また水素ガスで希釈した原料ガス
からの成長が単原子成長に寄与することと相従って、各
化合物半導体の成長条件の制御可能範囲を拡大する。従
って、成長条件が同じでない化合物半導体間においても
より完全なヘテロ界面、分子層レベルで完全なヘテロ界
面を実現し、また超格子構造の単位を小さくすることを
可能にする。
素の供給工程との間に水素ガスを流すことにより、両原
料ガスの分離を改善することができる。両原料ガスの分
離がより短時間により完全に行なわれることは、ヘテロ
界面の乱れを防止し、また水素ガスで希釈した原料ガス
からの成長が単原子成長に寄与することと相従って、各
化合物半導体の成長条件の制御可能範囲を拡大する。従
って、成長条件が同じでない化合物半導体間においても
より完全なヘテロ界面、分子層レベルで完全なヘテロ界
面を実現し、また超格子構造の単位を小さくすることを
可能にする。
【0019】なお、V族元素の供給後、 III族元素の供
給前に水素ガスを流してパージする場合、このパージ時
間を長くすると一旦成長したV族原子が脱離する。V族
原子が離脱すると、そこに別のV族原子が入り、混晶状
態が形成され、ALE成長の利点が失なわれる。従っ
て、上記の如く完全な結晶、完全なヘテロ界面を形成す
るためには、このパージ時間は所定時間より短くなけれ
ばならないが、一方、脱離するV族原子の量はパージ量
(時間)に依存するので、パージ量(時間)を制御して
化合物半導体結晶の点欠陥やドービングの量を制御する
ことも可能である。
給前に水素ガスを流してパージする場合、このパージ時
間を長くすると一旦成長したV族原子が脱離する。V族
原子が離脱すると、そこに別のV族原子が入り、混晶状
態が形成され、ALE成長の利点が失なわれる。従っ
て、上記の如く完全な結晶、完全なヘテロ界面を形成す
るためには、このパージ時間は所定時間より短くなけれ
ばならないが、一方、脱離するV族原子の量はパージ量
(時間)に依存するので、パージ量(時間)を制御して
化合物半導体結晶の点欠陥やドービングの量を制御する
ことも可能である。
【0020】
(1)まず、基礎となる実験結果を説明する。図1は、
結晶成長を行う結晶成長装置を概略的に示す断面図であ
る。図2は、結晶成長速度の成長温度依存性を示す。ま
ず、図1に示す結晶成長装置を説明する。反応管1は一
端を絞られた石英管等で形成され、排気可能な構造を有
する。反応管1内に結晶成長をさせるための下地結晶9
を載置するサセプタ8が配置されている。
結晶成長を行う結晶成長装置を概略的に示す断面図であ
る。図2は、結晶成長速度の成長温度依存性を示す。ま
ず、図1に示す結晶成長装置を説明する。反応管1は一
端を絞られた石英管等で形成され、排気可能な構造を有
する。反応管1内に結晶成長をさせるための下地結晶9
を載置するサセプタ8が配置されている。
【0021】サセプタ8は、たとえば高周波を吸収でき
るカーボン(グラファイト)で形成される。サセプタ8
は支持棒11に支持され、ゲートバルブ12を介して試
料準備室13と結晶成長個所との間を移動可能に支持さ
れている。図中、上方に示すベローズ14は、気密を保
ったまま支持棒11を上下に移動させるための機構であ
る。結晶成長を行うべき位置の周囲には、反応管1外周
上にRFコイル2が配置されており、カーボンのサセプ
タ8を高周波加熱できるようにされている。
るカーボン(グラファイト)で形成される。サセプタ8
は支持棒11に支持され、ゲートバルブ12を介して試
料準備室13と結晶成長個所との間を移動可能に支持さ
れている。図中、上方に示すベローズ14は、気密を保
ったまま支持棒11を上下に移動させるための機構であ
る。結晶成長を行うべき位置の周囲には、反応管1外周
上にRFコイル2が配置されており、カーボンのサセプ
タ8を高周波加熱できるようにされている。
【0022】反応管1下部には、ガス流速(噴射速度)
を高めるために径を絞ったガス供給部15が接続されて
おり、このガス供給部15に複数のガスを切り換えて供
給するためのバルブ機構であるマニホールド5が接続さ
れている。マニホールド5のガス供給部6には、複数の
原料ガスが接続されている。マニホールド5には、供給
されるガスを反応管1に供給させず、そのまま排出させ
るためのベント管7も接続されている。
を高めるために径を絞ったガス供給部15が接続されて
おり、このガス供給部15に複数のガスを切り換えて供
給するためのバルブ機構であるマニホールド5が接続さ
れている。マニホールド5のガス供給部6には、複数の
原料ガスが接続されている。マニホールド5には、供給
されるガスを反応管1に供給させず、そのまま排出させ
るためのベント管7も接続されている。
【0023】反応管1上部には、使用後のガス原料を排
出するための排気装置3および圧力調整用の弁4が接続
されている。このような装置を用いることにより、下地
結晶を所定の温度に加熱し、その下地結晶上に所望の原
料ガスを所望圧力、所望流速で供給し、所望の速度で切
換えることができる。1つの特徴は各種ガスを高速の気
流として供給し、高速にガスの種類を切り換えること、
さらに同一方向にガスを流し、排出していることであ
る。
出するための排気装置3および圧力調整用の弁4が接続
されている。このような装置を用いることにより、下地
結晶を所定の温度に加熱し、その下地結晶上に所望の原
料ガスを所望圧力、所望流速で供給し、所望の速度で切
換えることができる。1つの特徴は各種ガスを高速の気
流として供給し、高速にガスの種類を切り換えること、
さらに同一方向にガスを流し、排出していることであ
る。
【0024】なお、加熱手段はRFコイルに限らず、抵
抗加熱、ランプ加熱等、他の加熱方法を用いてもよい。
同様、反応管1も石英製以外のものであってもよい。サ
セプタ8は、下地結晶を所定温度に保持できるものであ
ればよい。なお、マニホールド5は、100msec程度の
ガス切替えを行えるものである。図1に示すような成長
装置を用い、(100)面のInAs基板上にInAs
および(100)面のInP基板上にInPを結晶成長
した。なお、成長条件は以下の通りである。
抗加熱、ランプ加熱等、他の加熱方法を用いてもよい。
同様、反応管1も石英製以外のものであってもよい。サ
セプタ8は、下地結晶を所定温度に保持できるものであ
ればよい。なお、マニホールド5は、100msec程度の
ガス切替えを行えるものである。図1に示すような成長
装置を用い、(100)面のInAs基板上にInAs
および(100)面のInP基板上にInPを結晶成長
した。なお、成長条件は以下の通りである。
【0025】Inの原料は、トリメチルインジウム(T
MIn)、As原料はAsH3 、P原料はPH3 を用い
た。TMInは、容器を27.1℃に保ち、容器に水素
を通すことにより、In原料ガスを得た。この原料ガス
を60sccmで15秒間水素ガスと共に流した。AsH3
は、水素ガスで約10%に希釈し、480sccmの流量を
10秒間流した。PH3 は水素ガスで約20%に希釈
し、480sccmの流量を約20秒間流した。結晶成長
中、反応管内の圧力は約15torrに保った。
MIn)、As原料はAsH3 、P原料はPH3 を用い
た。TMInは、容器を27.1℃に保ち、容器に水素
を通すことにより、In原料ガスを得た。この原料ガス
を60sccmで15秒間水素ガスと共に流した。AsH3
は、水素ガスで約10%に希釈し、480sccmの流量を
10秒間流した。PH3 は水素ガスで約20%に希釈
し、480sccmの流量を約20秒間流した。結晶成長
中、反応管内の圧力は約15torrに保った。
【0026】ガス供給は、 III族原料、水素、V族原
料、水素の順で行い、これを1サイクルとして繰り返し
た。水素はパージガスとして機能し、 III族原料とV族
原料の空間での混合を防止する。図2は、上述の条件に
より III族元素の原料ガスを流し、次にガスを切り換え
てV族元素ガスを流した際に得られる成長層の厚さを成
長温度の関数としてプロットしたものである。V族元素
の原料ガスを1回供給し、 III族元素の原料ガスを1回
供給することを1サイクルとし、1サイクル当たりどの
程度の分子層ができるかを測定した。
料、水素の順で行い、これを1サイクルとして繰り返し
た。水素はパージガスとして機能し、 III族原料とV族
原料の空間での混合を防止する。図2は、上述の条件に
より III族元素の原料ガスを流し、次にガスを切り換え
てV族元素ガスを流した際に得られる成長層の厚さを成
長温度の関数としてプロットしたものである。V族元素
の原料ガスを1回供給し、 III族元素の原料ガスを1回
供給することを1サイクルとし、1サイクル当たりどの
程度の分子層ができるかを測定した。
【0027】図から明らかなように、InAsを成長し
たときは、約300℃から450℃の範囲において、よ
り好ましくは約310℃から450℃の範囲において1
サイクルで1分子層が成長した。InPの場合は、約3
00℃から450℃の範囲内において、より好ましくは
約310℃から425℃の範囲内において1サイクルで
0.5分子層が成長した。なお、InPの原子層成長に
おいて、1サイクルで0.5分子層が成長するのは、I
nP成長に特徴的なことであり、InP1分子層を成長
するためには2サイクルを繰り返すことが必要である。
たときは、約300℃から450℃の範囲において、よ
り好ましくは約310℃から450℃の範囲において1
サイクルで1分子層が成長した。InPの場合は、約3
00℃から450℃の範囲内において、より好ましくは
約310℃から425℃の範囲内において1サイクルで
0.5分子層が成長した。なお、InPの原子層成長に
おいて、1サイクルで0.5分子層が成長するのは、I
nP成長に特徴的なことであり、InP1分子層を成長
するためには2サイクルを繰り返すことが必要である。
【0028】図2から明らかなように、InAsを制御
性よく安定に成長することのできる温度領域と、InP
を制御性よく安定に成長できる温度領域とはほぼ重なり
あう。したがって、基板を所定一定温度に維持したま
ま、その上にInAs層とInP層とを成長し、ヘテロ
接合を形成することができる。 (2)次に、図1に示すような成長装置を用い、(10
0)面のInAs基板上に、(InAs)m (InP)
n 超格子構造を成長した。成長温度は365℃に選択
し、成長圧力は成長期間中に、一定の15torrに保っ
た。
性よく安定に成長することのできる温度領域と、InP
を制御性よく安定に成長できる温度領域とはほぼ重なり
あう。したがって、基板を所定一定温度に維持したま
ま、その上にInAs層とInP層とを成長し、ヘテロ
接合を形成することができる。 (2)次に、図1に示すような成長装置を用い、(10
0)面のInAs基板上に、(InAs)m (InP)
n 超格子構造を成長した。成長温度は365℃に選択
し、成長圧力は成長期間中に、一定の15torrに保っ
た。
【0029】マニホールド5には、 III族原料ガスとし
て27.1℃に保ったTMIn中に水素ガスをバブリン
グしたものを水素ガスで希釈したもの、AsH3 を水素
ガスで約10%に希釈したもの、PH3 を水素ガスで約
20%に希釈したものを用いた。なお、流量はTMIn
が60sccm、AsH3 が250sccm、PH3 が400sc
cmとした。なお、水素ガスをキャリアガスとし、反応管
内の総流量は2000sccmとした。
て27.1℃に保ったTMIn中に水素ガスをバブリン
グしたものを水素ガスで希釈したもの、AsH3 を水素
ガスで約10%に希釈したもの、PH3 を水素ガスで約
20%に希釈したものを用いた。なお、流量はTMIn
が60sccm、AsH3 が250sccm、PH3 が400sc
cmとした。なお、水素ガスをキャリアガスとし、反応管
内の総流量は2000sccmとした。
【0030】超格子の成長に先立ち、まずInAs層と
InP層の成長を行い、TMInを流す時間を定めた。
図3は、成長速度のTMInパルス幅に対する依存性を
示す。InAsの成長においては、TMInの供給時間
が約4秒以上あればほぼ完全な1分子層が成長した。
InP層の成長を行い、TMInを流す時間を定めた。
図3は、成長速度のTMInパルス幅に対する依存性を
示す。InAsの成長においては、TMInの供給時間
が約4秒以上あればほぼ完全な1分子層が成長した。
【0031】一方、InPの成長においては、TMIn
の供給時間が約7秒以上であればほぼ完全な半分子層が
成長した。InPの成長においては、2サイクルを繰り
返すことにより、1分子層のInPが成長する。なお、
図3から明らかなように、TMInの供給時間は一定以
上であれば、単分子層もしくは1/2分子層が成長し、
供給時間を長くしても成長はそれ以上進まない。すなわ
ち、いわゆるセルフリミッティング効果が観察される。
の供給時間が約7秒以上であればほぼ完全な半分子層が
成長した。InPの成長においては、2サイクルを繰り
返すことにより、1分子層のInPが成長する。なお、
図3から明らかなように、TMInの供給時間は一定以
上であれば、単分子層もしくは1/2分子層が成長し、
供給時間を長くしても成長はそれ以上進まない。すなわ
ち、いわゆるセルフリミッティング効果が観察される。
【0032】そこで、超格子構造の成長には、TMIn
の供給時間として供給時間を12秒に設定した。上述の
条件により、種々の(InAs)m (InP)n (ただ
し、m、nは正の整数)の超格子構造を成長した。図4
は、(InAs)3 (InP)2 の超格子構造のX線回
折グラフである。(100)、(400)、(60
0)、(900)、(11 00)の各ピークは、いわゆ
るサテライトと呼ばれるピークであり、良好な単分子層
成長が行われたことを示している。
の供給時間として供給時間を12秒に設定した。上述の
条件により、種々の(InAs)m (InP)n (ただ
し、m、nは正の整数)の超格子構造を成長した。図4
は、(InAs)3 (InP)2 の超格子構造のX線回
折グラフである。(100)、(400)、(60
0)、(900)、(11 00)の各ピークは、いわゆ
るサテライトと呼ばれるピークであり、良好な単分子層
成長が行われたことを示している。
【0033】また、(500)、(10 00)のピーク
は、5分子層を単位とする構造の示す回折ピークであ
り、基板であるInAsの(200)、(400)のピ
ークが重畳されたものである。このように、図4に示す
X線回折ピークからInAs基板の(100)面の上
に、(InAs)3 (InP)2 の超格子が作成されて
いることが明らかにわかる。
は、5分子層を単位とする構造の示す回折ピークであ
り、基板であるInAsの(200)、(400)のピ
ークが重畳されたものである。このように、図4に示す
X線回折ピークからInAs基板の(100)面の上
に、(InAs)3 (InP)2 の超格子が作成されて
いることが明らかにわかる。
【0034】図5は、同様の手順で(InAs)3 (I
nP)1 の超格子を作成した場合のX線回折ピークを示
す。この構成の場合、繰り返し周期は4分子層であり、
(400)ピーク、(800)ピークは、この繰り返し
周期に基づくものである。単分子層による(100)、
(300)、(500)、(700)、(900)のサ
テライトピークが明瞭に認められる。
nP)1 の超格子を作成した場合のX線回折ピークを示
す。この構成の場合、繰り返し周期は4分子層であり、
(400)ピーク、(800)ピークは、この繰り返し
周期に基づくものである。単分子層による(100)、
(300)、(500)、(700)、(900)のサ
テライトピークが明瞭に認められる。
【0035】図6は同様の手順により(InAs)
2 (InP)1 の超格子を作成した場合のX線回折ピー
クを示す。この構成においても、単分子層構造によるサ
テライトピークが明瞭に認められる。なお、図4〜図6
にX線回折ピークを示した各サンプルは、ほぼ100nm
の厚さを有する成長層に基づくものである。これらのX
線回折ピークからわかるように、設計通りの超格子構造
が作成できていることが確認された。
2 (InP)1 の超格子を作成した場合のX線回折ピー
クを示す。この構成においても、単分子層構造によるサ
テライトピークが明瞭に認められる。なお、図4〜図6
にX線回折ピークを示した各サンプルは、ほぼ100nm
の厚さを有する成長層に基づくものである。これらのX
線回折ピークからわかるように、設計通りの超格子構造
が作成できていることが確認された。
【0036】なお、上述の実施例において、 III族原料
であるTMInを水素ガスをキャリアとして供給するこ
とが重要である。上述の実験データおよびその他のデー
タに基づく解析によれば、本発明はこの理論に限定され
るわけではないが、以下に述べるような成長が行われて
いると考えられる。III族原料であるTMInは、下地
結晶に到達するまではほとんど分解せず、下地結晶上に
分子構造を保ったまま付着する。
であるTMInを水素ガスをキャリアとして供給するこ
とが重要である。上述の実験データおよびその他のデー
タに基づく解析によれば、本発明はこの理論に限定され
るわけではないが、以下に述べるような成長が行われて
いると考えられる。III族原料であるTMInは、下地
結晶に到達するまではほとんど分解せず、下地結晶上に
分子構造を保ったまま付着する。
【0037】TMInが分解しようとすると、メチル基
がメタンとなるために水素が不足する。キャリアガスの
水素がこのメチル基がメタンに変化する時の水素を供給
すると考えられる。この様子を図7に示す。メチル基を
Rで示し、インジウム原子を結合手を備えた白丸で示
す。
がメタンとなるために水素が不足する。キャリアガスの
水素がこのメチル基がメタンに変化する時の水素を供給
すると考えられる。この様子を図7に示す。メチル基を
Rで示し、インジウム原子を結合手を備えた白丸で示
す。
【0038】トリメチルインジウムの分子が図中右側に
示すように、As原子層上に吸着すれば脱離はしにく
く、水素と反応することによりAs原子層上にIn原子
を残し、メチル基RはメタンCH4 となってガス中に運
び去られる。一方、図中左側に示すように、既にIn原
子が付着している表面上にトリメチルインジウム分子が
吸着したときは、この吸着エネルギは低く、再びガス中
に脱離する。このためには基板温度が高過ぎないことが
重要である。
示すように、As原子層上に吸着すれば脱離はしにく
く、水素と反応することによりAs原子層上にIn原子
を残し、メチル基RはメタンCH4 となってガス中に運
び去られる。一方、図中左側に示すように、既にIn原
子が付着している表面上にトリメチルインジウム分子が
吸着したときは、この吸着エネルギは低く、再びガス中
に脱離する。このためには基板温度が高過ぎないことが
重要である。
【0039】基板上でトリメチルインジウム分子が分解
して作成したIn原子は、基板上をマイグレートし、I
n原子の集まった所で安定化する。このようにしてIn
原子層が次第に広がり、2次元成長が生じる。ガス中お
よび基板上でトリメチルインジウムの分子同志が衝突
し、反応してインジウム原子が生じることは成長機構を
乱す原因となる。
して作成したIn原子は、基板上をマイグレートし、I
n原子の集まった所で安定化する。このようにしてIn
原子層が次第に広がり、2次元成長が生じる。ガス中お
よび基板上でトリメチルインジウムの分子同志が衝突
し、反応してインジウム原子が生じることは成長機構を
乱す原因となる。
【0040】したがって、基板温度すなわち成長温度、
TMInの水素による希釈率、ソースから下地結晶上に
TMInが到達するまでの時間、すなわち装置を固定し
た場合は供給ガスの流速、およびガス中でのTMIn分
子同士の衝突、すなわち供給ガスの圧力等が成長機構を
制御するパラメータとなる。TMInがガス相において
は殆ど分解せず下地結晶に到達し、分子上のまま下地結
晶上に付着し、水素の供給により分解してIn原子とな
り、In原子層を形成するようにこれらパラメータを制
御することが望まれる。
TMInの水素による希釈率、ソースから下地結晶上に
TMInが到達するまでの時間、すなわち装置を固定し
た場合は供給ガスの流速、およびガス中でのTMIn分
子同士の衝突、すなわち供給ガスの圧力等が成長機構を
制御するパラメータとなる。TMInがガス相において
は殆ど分解せず下地結晶に到達し、分子上のまま下地結
晶上に付着し、水素の供給により分解してIn原子とな
り、In原子層を形成するようにこれらパラメータを制
御することが望まれる。
【0041】なお、V族原子層は III族原子層の成長と
比較すると、単原子層の成長が比較的容易であり、セル
フリミッティング効果も強い。V族原料としては、上述
のアルシン、ホスフィン等の他、ターシャリブチルアル
シン、ターシャリブチルホスフィン、モノエチルアルシ
ン、モノエチルホスフィン等を用いることもできると考
えられる。
比較すると、単原子層の成長が比較的容易であり、セル
フリミッティング効果も強い。V族原料としては、上述
のアルシン、ホスフィン等の他、ターシャリブチルアル
シン、ターシャリブチルホスフィン、モノエチルアルシ
ン、モノエチルホスフィン等を用いることもできると考
えられる。
【0042】また、V族元素としてAs、Pの他、他の
V族元素、たとえばSb等を用いることもできると考え
られる。Sbを混合すると、格子定数不整合を調整する
ことも可能となる。さらに、一般的には、 III族原子お
よびV族原子と水素、メチル、エチル、イソブチル、タ
ーシャリブチル、アミノ基、ハロゲン等と結合した分子
を原料ガスとすることができる。
V族元素、たとえばSb等を用いることもできると考え
られる。Sbを混合すると、格子定数不整合を調整する
ことも可能となる。さらに、一般的には、 III族原子お
よびV族原子と水素、メチル、エチル、イソブチル、タ
ーシャリブチル、アミノ基、ハロゲン等と結合した分子
を原料ガスとすることができる。
【0043】また、供給ガスの切り換え時、逆流を生じ
させないようにするためには、各ガスの圧力を一定値に
保つことが望ましい。なお、上述のように、InP分子
層を形成する際には、1サイクルで0.5分子層が形成
されるのみであるため、1分子層を形成するには2サイ
クルを続けて行う必要があることは自明であろう。
させないようにするためには、各ガスの圧力を一定値に
保つことが望ましい。なお、上述のように、InP分子
層を形成する際には、1サイクルで0.5分子層が形成
されるのみであるため、1分子層を形成するには2サイ
クルを続けて行う必要があることは自明であろう。
【0044】(3)V族元素供給工程後の水素パージ量
(時間)を制御して成長する化合物半導体結晶の結晶性
を制御する発明について、具体的実施例を述べる前に、
その原理を図8を参照し、H2 気流中でトリメチルガリ
ウム(TMGa)とアルシン(AsH3 )を用いて、G
aAsのホモ成長を行う場合について述べる。(a)は
GaAsの基板上にAsの原料であるAsH3 を供給し
ているときの図である。AsH3 は結晶表面の触媒作用
により分解してAsの原子あるいは分子となり、結晶表
面に1原子層だけ堆積する。Asはそれ自身の蒸気圧が
高いため、あるいはAs−Asの結合エネルギが小さい
ため、2層以上は堆積しない。次にAsH3 の供給を止
め、H2 ガスのみ供給してAsH3 分子をパージする。
このH2ガスによるパージ中にGaAsの表面からAs
が脱離し(図8(b))、成長温度とH2 ガスのパージ
時間で決定される数のAsが表面に残る。TMGaを用
いた原子層エピタキシ法では、TMGa分子は表面のA
s原子とのみ選択的に反応してGa原子を生成する(図
8(c))。次に先の過程と同様にH2 でTMGaをパ
ージする(図8(d))。ところが、後で示す実験事実
が示すように、Gaが堆積した表面をH2 雰囲気にさら
しても表面のGaは脱離しないし、また表面第2層目以
下のAs原子も脱離しない。したがって、図8で示され
たAsH3 →H2 →TMGa→H2 の1サイクル中の成
長量は結局のところ、図8(b)で示された表面Asの
脱離の結果表面に残ったAsの量で決定される。また、
この方法によれば表面のAsの空きサイトの数を制御で
きるのでたとえばAsサイトを占めてドナーになる VII
族元素をドープする場合、ドーピング量(ドーピング効
率)を制御できる。また表面でのストイキオメトリを変
えると考えると、他の不純物(ドナ、アクセプタ)の取
り込み率、点欠陥密度なども制御できる。
(時間)を制御して成長する化合物半導体結晶の結晶性
を制御する発明について、具体的実施例を述べる前に、
その原理を図8を参照し、H2 気流中でトリメチルガリ
ウム(TMGa)とアルシン(AsH3 )を用いて、G
aAsのホモ成長を行う場合について述べる。(a)は
GaAsの基板上にAsの原料であるAsH3 を供給し
ているときの図である。AsH3 は結晶表面の触媒作用
により分解してAsの原子あるいは分子となり、結晶表
面に1原子層だけ堆積する。Asはそれ自身の蒸気圧が
高いため、あるいはAs−Asの結合エネルギが小さい
ため、2層以上は堆積しない。次にAsH3 の供給を止
め、H2 ガスのみ供給してAsH3 分子をパージする。
このH2ガスによるパージ中にGaAsの表面からAs
が脱離し(図8(b))、成長温度とH2 ガスのパージ
時間で決定される数のAsが表面に残る。TMGaを用
いた原子層エピタキシ法では、TMGa分子は表面のA
s原子とのみ選択的に反応してGa原子を生成する(図
8(c))。次に先の過程と同様にH2 でTMGaをパ
ージする(図8(d))。ところが、後で示す実験事実
が示すように、Gaが堆積した表面をH2 雰囲気にさら
しても表面のGaは脱離しないし、また表面第2層目以
下のAs原子も脱離しない。したがって、図8で示され
たAsH3 →H2 →TMGa→H2 の1サイクル中の成
長量は結局のところ、図8(b)で示された表面Asの
脱離の結果表面に残ったAsの量で決定される。また、
この方法によれば表面のAsの空きサイトの数を制御で
きるのでたとえばAsサイトを占めてドナーになる VII
族元素をドープする場合、ドーピング量(ドーピング効
率)を制御できる。また表面でのストイキオメトリを変
えると考えると、他の不純物(ドナ、アクセプタ)の取
り込み率、点欠陥密度なども制御できる。
【0045】(4)上記原理をInAsの原子層エピタ
キシャル成長に適用した例について述べる。この実施例
でも図1に示した如き成長装置を使用した。成長原料は
トリメチルインジウム(TMIn)とアルシン(AsH
3 )を用い、H2 ガスで希釈してInAs結晶上に交互
に供給した。基板の加熱は20KHzの高周波誘導コイル
を用いた。成長中の圧力は15torrとし、反応管内の総
流量は2000cc/min である。TMInのシリンダは
27℃に保ち、60cc/minのH2 をシリンダに通し
た。AsH3 は10%濃度に水素希釈されたボンベから
480cc/min の流量で供給した。
キシャル成長に適用した例について述べる。この実施例
でも図1に示した如き成長装置を使用した。成長原料は
トリメチルインジウム(TMIn)とアルシン(AsH
3 )を用い、H2 ガスで希釈してInAs結晶上に交互
に供給した。基板の加熱は20KHzの高周波誘導コイル
を用いた。成長中の圧力は15torrとし、反応管内の総
流量は2000cc/min である。TMInのシリンダは
27℃に保ち、60cc/minのH2 をシリンダに通し
た。AsH3 は10%濃度に水素希釈されたボンベから
480cc/min の流量で供給した。
【0046】ガスの供給シーケンスを図9(a)に示
す。ここでt1 はAsH3 の後のH2パージの時間、t
2 はTMInの後のH2 パージの時間である。TMIn
とAsH3 は高速動作可能なマニホールドバルブの切り
換えにより、結晶上に交互に供給した。上記(3)の原
理で述べたような、結晶表面からのAs原子の脱離を調
べるため、t1 とt2 を変えて1サイクル当たりの成長
率を測定した。図10は成長温度が400℃のときのt
1 、t2 と成長速度の関係を示している。この実験では
TMInのパルス幅は5秒、AsH3 のパルス幅は10
秒で成長した。変化させていないほうのH2 パージの時
間は0.5秒である。
す。ここでt1 はAsH3 の後のH2パージの時間、t
2 はTMInの後のH2 パージの時間である。TMIn
とAsH3 は高速動作可能なマニホールドバルブの切り
換えにより、結晶上に交互に供給した。上記(3)の原
理で述べたような、結晶表面からのAs原子の脱離を調
べるため、t1 とt2 を変えて1サイクル当たりの成長
率を測定した。図10は成長温度が400℃のときのt
1 、t2 と成長速度の関係を示している。この実験では
TMInのパルス幅は5秒、AsH3 のパルス幅は10
秒で成長した。変化させていないほうのH2 パージの時
間は0.5秒である。
【0047】このようにAsH3 の後のH2 パージの時
間の増加とともに1サイクル当たりの成長率が減少する
ことが明らかである。一方TMInの後のH2 パージの
時間は成長速度に影響しないことが明らかである。同様
な傾向は365℃でも観察された(図11)。しかし、
成長温度が高いほうが同じt1 内に抜けるAsの量は多
い。
間の増加とともに1サイクル当たりの成長率が減少する
ことが明らかである。一方TMInの後のH2 パージの
時間は成長速度に影響しないことが明らかである。同様
な傾向は365℃でも観察された(図11)。しかし、
成長温度が高いほうが同じt1 内に抜けるAsの量は多
い。
【0048】図12に400℃の成長でt1 をパラメー
タにしてALE成長を行ったときの成長率と供給するT
MInの関係を示した。ALE成長の成長率がAsH3
の後のパージ時間で制御されていることがわかる。次に
図9(b)に示すようなシーケンスにより、AsH3 の
後のH2 パージ工程t1 が終わってからH2 Seを結晶
上に供給して、ドーピング量を調べた。H 2 Seは10
ppm に水素希釈されたものを30cc/min の流量で1秒
間供給した。
タにしてALE成長を行ったときの成長率と供給するT
MInの関係を示した。ALE成長の成長率がAsH3
の後のパージ時間で制御されていることがわかる。次に
図9(b)に示すようなシーケンスにより、AsH3 の
後のH2 パージ工程t1 が終わってからH2 Seを結晶
上に供給して、ドーピング量を調べた。H 2 Seは10
ppm に水素希釈されたものを30cc/min の流量で1秒
間供給した。
【0049】図13はt1 と結晶の電子濃度(Se濃
度)との関係を示している。t1 の増加とともに電子濃
度(Se濃度)が増加する傾向が明らかになった。一般
に、ドーピングガスはV族元素供給後H2 パージを行な
ってV族原子の一部離脱を実施した後、単独で、又はそ
の後の III族元素原料ガスの一部として供給することが
好ましい。 (5)図14は、InAsをALEで成長する際に、A
sH3 供給後のH2 パージの時間(秒)をどの範囲内に
制限するとAs離脱を防止できるかを、結晶成長温度と
の関係で示したものである。このときの成長条件は図2
の場合と同じとした。
度)との関係を示している。t1 の増加とともに電子濃
度(Se濃度)が増加する傾向が明らかになった。一般
に、ドーピングガスはV族元素供給後H2 パージを行な
ってV族原子の一部離脱を実施した後、単独で、又はそ
の後の III族元素原料ガスの一部として供給することが
好ましい。 (5)図14は、InAsをALEで成長する際に、A
sH3 供給後のH2 パージの時間(秒)をどの範囲内に
制限するとAs離脱を防止できるかを、結晶成長温度と
の関係で示したものである。このときの成長条件は図2
の場合と同じとした。
【0050】同図中、黒丸はAs離脱の防止可能な上限
となるパージ時間を、白丸は実用上最適となるパージ時
間を示すものであり、これらが本発明の好ましいH2 パ
ージ時間は式(1)、より好ましいH2 パージ時間は式
(2)として表わすことができる。 log t≦−(7.09/475)T+7.33 …(1) log t≦−(6.72/350)T+7.44 …(2) 〔式中、Tは基板温度(℃)、tはH2 パージ時間
(秒)である〕図15はH2 パージ時間が長すぎる場合
をInPAsの成長を例に説明する。ALEによりP→
In→Asと成長後、H2 パージ時間が長いとAsの一
部が離脱する。次に、In原料ガス(TMIn)を供給
するとInは残っているAs原子の上だけに付着し、離
脱したAs原子の空席には付着しない。その後、H2 パ
ージしてもInは離脱しにくいが、次いでP原料ガス
(PH3 )を供給すると、PはIn原子上に付着する。
このとき、先にAsが離脱した空席にも付着する。こう
して、AsサイトとPサイトが混り合い、合金化(混晶
化)すると、ALEで原子層ごとに制御することの意義
が失なわれる。
となるパージ時間を、白丸は実用上最適となるパージ時
間を示すものであり、これらが本発明の好ましいH2 パ
ージ時間は式(1)、より好ましいH2 パージ時間は式
(2)として表わすことができる。 log t≦−(7.09/475)T+7.33 …(1) log t≦−(6.72/350)T+7.44 …(2) 〔式中、Tは基板温度(℃)、tはH2 パージ時間
(秒)である〕図15はH2 パージ時間が長すぎる場合
をInPAsの成長を例に説明する。ALEによりP→
In→Asと成長後、H2 パージ時間が長いとAsの一
部が離脱する。次に、In原料ガス(TMIn)を供給
するとInは残っているAs原子の上だけに付着し、離
脱したAs原子の空席には付着しない。その後、H2 パ
ージしてもInは離脱しにくいが、次いでP原料ガス
(PH3 )を供給すると、PはIn原子上に付着する。
このとき、先にAsが離脱した空席にも付着する。こう
して、AsサイトとPサイトが混り合い、合金化(混晶
化)すると、ALEで原子層ごとに制御することの意義
が失なわれる。
【0051】図16(a)(b)に従来の一般的なIn
GaAs混晶と本発明によりIn,Ga,Asのサイト
を指定されたInGaAs結晶の構造を模式的に示す。
図16(a)の混晶では III族原子の位置が不規則のた
め、キャリアの運動に対して散乱(合金散乱)が生じ
る。図15の如く、本発明のALEにおいてH2 パージ
時間を長くした場合も、一種の混晶状態(PとAsとの
位置が不規則)となり、合金散乱が生じる。また、層数
の少ない超格子の作成が困難になる。図16(b)で
は、各原子のサイトが合金散乱を防ぐように整列されて
いる。
GaAs混晶と本発明によりIn,Ga,Asのサイト
を指定されたInGaAs結晶の構造を模式的に示す。
図16(a)の混晶では III族原子の位置が不規則のた
め、キャリアの運動に対して散乱(合金散乱)が生じ
る。図15の如く、本発明のALEにおいてH2 パージ
時間を長くした場合も、一種の混晶状態(PとAsとの
位置が不規則)となり、合金散乱が生じる。また、層数
の少ない超格子の作成が困難になる。図16(b)で
は、各原子のサイトが合金散乱を防ぐように整列されて
いる。
【0052】(6)本発明の半導体結晶の成長方法を応
用したデバイスの例について述べる。図17は、Feド
ープ半絶縁性InP(100)基板21上にノンドープ
InPバッファ層22を介してノンドープの(InA
s)m (InP)n の超格子構造23の電子チャネルを
作製して、その上にn型のInP24を成長したHEM
T構造の素子である。同図中、25はn+ 型ソース・ド
レインコンタクト領域、26はゲート電極、27はソー
ス電極、28はドレイン電極である。n型のInP層2
4は電子供給層として作用する。図18にバンド図を記
した。チャネル部に供給された電子はInPよりもIn
As部に局在して流れるから、(InAs)m (In
P)n のチャネルでありながら実質的にはInAsのチ
ャネルに近いものになり、大きな電子移動度を示す。ま
た(InAs)m (InP)n の周期構造は原子層エピ
タキシにより、原子レベルで制御されているから、電子
の散乱は極めて小さい。基板結晶との格子不整のため転
位などが生じて、チャネル部の結晶性を劣化させること
が考えられるが、(InAs)m (InP)n チャネル
部のm ,n を適当に選んで平均組成を変えることで、転
位の発生を抑制できる。
用したデバイスの例について述べる。図17は、Feド
ープ半絶縁性InP(100)基板21上にノンドープ
InPバッファ層22を介してノンドープの(InA
s)m (InP)n の超格子構造23の電子チャネルを
作製して、その上にn型のInP24を成長したHEM
T構造の素子である。同図中、25はn+ 型ソース・ド
レインコンタクト領域、26はゲート電極、27はソー
ス電極、28はドレイン電極である。n型のInP層2
4は電子供給層として作用する。図18にバンド図を記
した。チャネル部に供給された電子はInPよりもIn
As部に局在して流れるから、(InAs)m (In
P)n のチャネルでありながら実質的にはInAsのチ
ャネルに近いものになり、大きな電子移動度を示す。ま
た(InAs)m (InP)n の周期構造は原子層エピ
タキシにより、原子レベルで制御されているから、電子
の散乱は極めて小さい。基板結晶との格子不整のため転
位などが生じて、チャネル部の結晶性を劣化させること
が考えられるが、(InAs)m (InP)n チャネル
部のm ,n を適当に選んで平均組成を変えることで、転
位の発生を抑制できる。
【0053】特に、本発明によれば、(InAs)
m (InP)n の如き超格子構造を20分子層以下、特
に10分子層以下、さらには2〜5分子層の周期構造で
作製できる。次にヘテロ接合バイポーラトランジスタ
(HBT)に適用した例を述べる。図19にHBTの構
造を、図20にそのバンド図を示した。エミッタ31
(n−InP;〜5×1017cm-3)とコレクタ32(n
−InP;1019〜1020cm-3以上)にはn型のInP
を用いた。ベース33はInAsであり、1019〜10
20程度のp型にドープされている。そして、同図中、3
4は半絶縁性InP基板、35はp型In0.53Ga0.47
As層(1019cm-3以上)、36はn型In0.53Ga
0.47As層(1019cm-3以上)である。HBTの動作速
度は電子がベース部を通過してコレクタの中性領域に到
達する時間で決まるから、ここに示したInAsをベー
スにしたHBTでは速度は非常に速い。現在InPに格
子整合する組成のIn0.53Ga0.47Asをベースに用い
たHBT構造が研究されているが、本構造では動作速度
は顕著に改善される。
m (InP)n の如き超格子構造を20分子層以下、特
に10分子層以下、さらには2〜5分子層の周期構造で
作製できる。次にヘテロ接合バイポーラトランジスタ
(HBT)に適用した例を述べる。図19にHBTの構
造を、図20にそのバンド図を示した。エミッタ31
(n−InP;〜5×1017cm-3)とコレクタ32(n
−InP;1019〜1020cm-3以上)にはn型のInP
を用いた。ベース33はInAsであり、1019〜10
20程度のp型にドープされている。そして、同図中、3
4は半絶縁性InP基板、35はp型In0.53Ga0.47
As層(1019cm-3以上)、36はn型In0.53Ga
0.47As層(1019cm-3以上)である。HBTの動作速
度は電子がベース部を通過してコレクタの中性領域に到
達する時間で決まるから、ここに示したInAsをベー
スにしたHBTでは速度は非常に速い。現在InPに格
子整合する組成のIn0.53Ga0.47Asをベースに用い
たHBT構造が研究されているが、本構造では動作速度
は顕著に改善される。
【0054】このようなInAs/InPのヘテロ接合
を用いると、これまで実現出来なかったInAsの高電
子移動度を利用したデバイスが作製出来るが、このよう
な構造の作製には本発明の原子層エピタキシによる結晶
成長が極めて有効である。
を用いると、これまで実現出来なかったInAsの高電
子移動度を利用したデバイスが作製出来るが、このよう
な構造の作製には本発明の原子層エピタキシによる結晶
成長が極めて有効である。
【図1】原子層成長に用いる結晶成長装置を示す概略断
面図である。
面図である。
【図2】InAsとInPの原子層成長における成長速
度の成長温度依存性を示すグラフである。
度の成長温度依存性を示すグラフである。
【図3】In原料としてTMInを用いた原子層成長に
おける成長速度のTMIn供給時間幅依存性を示すグラ
フである。
おける成長速度のTMIn供給時間幅依存性を示すグラ
フである。
【図4】InAs基板上に作成した(InAs)3 (I
nP)2 超格子構造のX線回折ピークを示すグラフであ
る。
nP)2 超格子構造のX線回折ピークを示すグラフであ
る。
【図5】InAs基板上に形成した(InAs)3 (I
nP)1 超格子構造のX線回折ピークを示すグラフであ
る。
nP)1 超格子構造のX線回折ピークを示すグラフであ
る。
【図6】InAs基板上に形成した(InAs)2 (I
nP)1 超格子構造のX線回折ピークを示すグラフであ
る。
nP)1 超格子構造のX線回折ピークを示すグラフであ
る。
【図7】結晶成長機構を示す概念図である。
【図8】水素パージによる結晶成長制御の原理を示す概
念図である。
念図である。
【図9】InAsのALE成長のシーケンス図である。
【図10】400℃成長でのInAsの成長速度のH2
パージ時間依存性を示すグラフである。
パージ時間依存性を示すグラフである。
【図11】365℃成長でのInAsの成長速度のH2
パージ時間依存性を示すグラフである。
パージ時間依存性を示すグラフである。
【図12】図10,図11のt1 をパラメータとして、
ALE成長速度とTMIn供給時間との関係を示す図で
ある。
ALE成長速度とTMIn供給時間との関係を示す図で
ある。
【図13】t1 と電子濃度(Se濃度)との関係を示す
図である。
図である。
【図14】Asの離脱を防止するためのH2 パージ限界
時間の成長温度依存性を示す図である。
時間の成長温度依存性を示す図である。
【図15】H2 パージ時間が長い場合の成長結晶の乱れ
を説明する図である。
を説明する図である。
【図16】3元系結晶の構造と合金散乱との関係を示す
図である。
図である。
【図17】HEMTの断面図である。
【図18】図17のHEMTのバンドギャップ図であ
る。
る。
【図19】ヘテロ接合バイポーラトランジスタの断面図
である。
である。
【図20】図19のバイポーラトランジスタのバンドギ
ャップ図である。
ャップ図である。
1…反応管 2…RFコイル 3…排気装置 4…圧力調整弁 5…マニホールド 8…サセプタ 9…下地結晶 11…支持棒 12…ゲートバルブ 13…試料準備室 14…ベローズ 21…半絶縁性InP基板 23…ノンドープ(InAs)m (InP)n 24…n−InP 26…ゲート電極 27…ソース電極 28…ドレイン電極
フロントページの続き (72)発明者 児玉 邦彦 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内 (56)参考文献 特開 昭64−90523(JP,A) 特開 平2−166722(JP,A) 特開 平2−230722(JP,A) 特開 平3−23294(JP,A) 特開 平3−215390(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/205 C30B 25/02 C30B 25/14 C30B 29/40 502
Claims (1)
- 【請求項1】 下地結晶を300℃〜450℃の範囲内
の温度に加熱する工程と、該温度で、 Inの有機化合物を水素で希釈した III族原料ガスを所
定圧力で未分解のまま前記下地結晶上に供給する第1の
III族供給工程と、水素ガスを所定圧力で前記下地結晶上に供給すると共に
該 III族原料ガスを排気する工程と、 V族元素を第1の組成で含む第1のV族原料ガスを所定
圧力で前記下地結晶上に供給する第1のV族供給工程
と、水素ガスを所定圧力で前記下地結晶上に供給すると共に
該第1のV族原料ガスを排気する工程と、 Inの有機化合物を水素で希釈した III族原料ガスを所
定圧力で未分解のまま前記下地結晶上に供給する第2の
III族供給工程と、水素ガスを所定圧力で前記下地結晶上に供給すると共に
該 III族原料ガスを排気する工程と、 前記第1のV族原料ガスと組成の異なる、V族元素を第
2の組成で含む第2のV族原料ガスを所定圧力で前記下
地結晶上に供給する第2のV族供給工程と、水素ガスを所定圧力で前記下地結晶上に供給すると共に
該第2のV族原料ガスを排気する工程と、 を含み、前記第1のV族原料供給工程と前記第2の III
族原料供給工程の間および前記第2のV族原料供給工程
と前記第1の III族原料供給工程の間の前記水素供給工
程の水素供給時間を、該第1および第2のV族原料供給
工程で付着したV族原子の脱離が防止できる程度に制限
することを特徴とする化合物半導体の結晶成長方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP18125192A JP3159788B2 (ja) | 1991-07-12 | 1992-07-08 | 化合物半導体の結晶成長方法 |
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP17201391 | 1991-07-12 | ||
JP3-172013 | 1991-07-12 | ||
JP18125192A JP3159788B2 (ja) | 1991-07-12 | 1992-07-08 | 化合物半導体の結晶成長方法 |
Related Child Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2000379217A Division JP2001210599A (ja) | 1991-07-12 | 2000-12-13 | 化合物半導体の結晶成長方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH05267198A JPH05267198A (ja) | 1993-10-15 |
JP3159788B2 true JP3159788B2 (ja) | 2001-04-23 |
Family
ID=26494522
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP18125192A Expired - Fee Related JP3159788B2 (ja) | 1991-07-12 | 1992-07-08 | 化合物半導体の結晶成長方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3159788B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20030081144A (ko) * | 2002-04-11 | 2003-10-17 | 가부시키가이샤 히다치 고쿠사이 덴키 | 종형 반도체 제조 장치 |
GB0407804D0 (en) | 2004-04-06 | 2004-05-12 | Qinetiq Ltd | Manufacture of cadmium mercury telluride |
WO2006013344A1 (en) * | 2004-08-02 | 2006-02-09 | Qinetiq Limited | Manufacture of cadmium mercury telluride on patterned silicon |
-
1992
- 1992-07-08 JP JP18125192A patent/JP3159788B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH05267198A (ja) | 1993-10-15 |
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