JP3168574B2 - Crystal growth method for high concentration compound semiconductor - Google Patents

Crystal growth method for high concentration compound semiconductor

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JP3168574B2 JP08623390A JP8623390A JP3168574B2 JP 3168574 B2 JP3168574 B2 JP 3168574B2 JP 08623390 A JP08623390 A JP 08623390A JP 8623390 A JP8623390 A JP 8623390A JP 3168574 B2 JP3168574 B2 JP 3168574B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔概 要〕 本発明はヘテロ・エピタキシャル成長に於ける格子整
合に関し、 高濃度ドーピングによる格子定数のずれを補正して、
より正確な格子整合を実現することを目的とし、 本発明の化合物半導体のエピタキシャル成長では、 化合物A−B、ドープする不純物Cの組み合わせで、
例えばC−Bなる化合物を想定し、不純物Cが既知濃度
にドープされた化合物A−Bの格子定数の実測値を用い
て化合物C−B結晶の格子定数aVCを算出し、 別に想定した化合物A′A″−Bと化合物C−Bの間
にヴェガードの法則を適用した場合、Cの濃度が所望の
不純物濃度である時に基板結晶と同じ格子定数を持つと
した時の化合物A′A″−Bの格子定数aVTを算出し、 該格子定数aVTを持つように化合物A′A″−Bの組
成を定め、 該組成で不純物濃度が前記所定値となるように原料を
供給してエピタキシャル成長を行う構成とする。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Overview] The present invention relates to lattice matching in hetero-epitaxial growth.
For the purpose of realizing more accurate lattice matching, in the epitaxial growth of the compound semiconductor of the present invention, a combination of the compound AB and the impurity C to be doped is used.
For example, assuming a compound of CB , a lattice constant a VC of a compound CB crystal is calculated using an actually measured value of a lattice constant of compound AB doped with a known concentration of impurity C, and a compound assumed separately. When Vegard's law is applied between A'A "-B and the compound CB, the compound A'A" has the same lattice constant as the substrate crystal when the concentration of C is a desired impurity concentration. calculating the lattice constants a VT of -B, defines the composition of the compound A'A "-B to have a lattice constant a VT, and supplies the raw material such that the impurity concentration becomes the predetermined value in said set formed It is configured to perform epitaxial growth.

〔産業上の利用分野〕[Industrial applications]

本発明は多元系化合物半導体のエピタキシャル成長に
関わり、特に不純物濃度を高めた場合の格子定数のずれ
を補正して、格子整合させるエピタキシャル成長法に関
わる。
The present invention relates to an epitaxial growth method of a multi-component compound semiconductor, and more particularly to an epitaxial growth method for correcting a lattice constant shift when an impurity concentration is increased and performing lattice matching.

バイポーラトランジスタのエミッタ/ベース接合がホ
モ接合の場合は、E,B夫々の不純物濃度の違いによるバ
リヤだけが存在するので、注入効率を低下させることな
くベースの不純物濃度を高く設定することが困難であ
り、そのためベース抵抗を下げることが出来ないという
問題がある。
When the emitter / base junction of the bipolar transistor is a homojunction, it is difficult to set a high impurity concentration in the base without lowering the injection efficiency because only a barrier exists due to a difference in impurity concentration between E and B. Therefore, there is a problem that the base resistance cannot be reduced.

ヘテロ接合バイポーラトランジスタ(HBT)は主にIII
−V化合物半導体によって構成され、エミッタ/ベース
接合をヘテロ接合とすることにより正孔バリヤを設けた
(npnトランジスタの場合)ものであり、ベースの不純
物濃度を高めても、該バリヤの存在によって電子の注入
効率が高く維持されるものである。
Heterojunction bipolar transistor (HBT) is mainly III
A hole barrier is provided by making the emitter / base junction a heterojunction (in the case of an npn transistor). Even if the impurity concentration of the base is increased, the presence of the barrier causes the electron barrier. Is maintained at a high injection efficiency.

バイポーラトランジスタの動作速度を上げるにはベー
ス層の厚さを小にすることが必要であるが、その際ベー
ス抵抗を高くしないためには、ベース層の不純物濃度を
高めることが要求される。上に述べたように、ホモ接合
のトランジスタではこれが困難であるのに対し、HBTで
は可能な限り不純物濃度を高めてもキャリヤ注入は行わ
れるので、ベース層を薄くして高速化するのに適してい
る。
To increase the operation speed of the bipolar transistor, it is necessary to reduce the thickness of the base layer. At this time, in order to keep the base resistance from increasing, it is necessary to increase the impurity concentration of the base layer. As described above, this is difficult for a homojunction transistor, whereas for HBT, carrier injection is performed even if the impurity concentration is as high as possible, making it suitable for thinning the base layer and increasing the speed. ing.

ヘテロ接合をトランジスタのような素子内に持つ場合
は、格子定数を一致させ、接合部に格子不整合に起因す
る歪を生じさせないようにすることが一般的に要求され
ることである。そのために、化合物半導体の組成を調整
して格子定数とバンドギャップを所定値に合わせること
が行われる。
When a heterojunction is provided in an element such as a transistor, it is generally required that the lattice constants be matched so as not to cause distortion at the junction due to lattice mismatch. For that purpose, the lattice constant and the band gap are adjusted to predetermined values by adjusting the composition of the compound semiconductor.

HBTに通常利用される化合物半導体材料の組み合わせ
はAlGaAsであり、その他にInP/InGaAs、InAlAs/InGaA
s、InGaP/GaAs等である。その場合、エピタキシャル成
長の基板結晶はGaAs(格子定数0.5653nm)或いはInP
(格子定数0.5869nm)が用いられるが、InPに格子整合
する3元系化合物の組成はIn0.53Ga0.47As、In0.52Al
0.48As、In0.51Ga0.49Pであり、AlGaAsは全組成でGaAs
と整合する。
The combination of compound semiconductor materials commonly used for HBTs is AlGaAs, as well as InP / InGaAs, InAlAs / InGaA
s, InGaP / GaAs and the like. In this case, the substrate crystal for epitaxial growth is GaAs (lattice constant 0.5653 nm) or InP
(Lattice constant 0.5869 nm) is used, and the composition of the ternary compound lattice-matched to InP is In 0.53 Ga 0.47 As, In 0.52 Al
0.48 As, In 0.51 Ga 0.49 P
To match.

このように組成を設定して格子整合させた組み合わせ
で、これに不純物をドープする場合を考えると、不純物
濃度が通常程度であれば格子定数の変化は僅かであり、
格子不整合は生じないが、超高濃度ドーピングと呼ばれ
る1019cm-3以上の不純物ドーピングを行うと格子定数が
変化し、基板結晶との格子整合がずれることが起こる。
Considering the case where impurities are doped in a combination in which the composition is set and lattice-matched in this way, if the impurity concentration is about normal, the change in the lattice constant is slight,
Lattice mismatch does not occur, but when impurity doping of 10 19 cm −3 or more, which is called ultra-high concentration doping, is performed, the lattice constant changes and the lattice matching with the substrate crystal is shifted.

従って、単にHBTのベースの不純物濃度を超高濃度と
するだけでは、HBTの特製は満足できるものにならな
い。
Therefore, merely making the impurity concentration of the base of the HBT very high does not make the special production of the HBT satisfactory.

〔従来の技術と発明が解決しようとする課題〕[Problems to be solved by conventional technology and invention]

半導体材料中の不純物の濃度には固溶度として知られ
る限界があるが、現実にはエピタキシャル成長時の成長
条件、特に成長温度によって生ずる非平衡状態の不純物
濃度限界が支配的である。
Although the concentration of impurities in a semiconductor material has a limit known as solid solubility, in reality, the growth conditions during epitaxial growth, particularly the non-equilibrium state impurity concentration limit caused by the growth temperature is dominant.

例えばJ.L.Lievin & F.Alexandreの論文(“Ultra−
high doping levels of GaAs with beryllium by molec
ular beam epitaxy",Electronics Letters,Vol.21,No.1
0,pp.413−415,9th,May,1985)によれば、GaAsにBeをド
ーピングする場合、成長温度Tsが〜600℃の時はBeの最
大濃度は4×1019cm-3であるが、Tsが〜450℃の時はこ
れが2×1020cm-3となる。
For example, a paper by JLLievin & F. Alexandre (“Ultra-
high doping levels of GaAs with beryllium by molec
ular beam epitaxy ", Electronics Letters, Vol.21, No.1
0, pp. 413-415, 9th, May, 1985), when doping GaAs with Be, the maximum concentration of Be is 4 × 10 19 cm −3 when the growth temperature Ts is 600600 ° C. However, when Ts is 450450 ° C., this becomes 2 × 10 20 cm −3 .

また、InPに格子整合する組成のInGaAsにBeをドープ
する場合、Ts≒500℃の場合、最大濃度は2×1019cm-3
であるが、Tsを下げることによって、より高濃度のドー
ピングが可能なことも知られている。この点について
は、R.A.Hamm,M.B.Panish,R.N.Nottenburg,Y.K.Chen &
D.A.Humphrey;“Ultrahigh Be doping of Ga0.47In
0.53As by low−temperature molecular beam epitax
y",Appl.Phys.Lett.,Vol.54,No.25,pp.2586−2588,19t
h,June,1989)を参照されたい。
Also, when doping InGaAs with a composition lattice-matching to InP with Be, when Ts ≒ 500 ° C., the maximum concentration is 2 × 10 19 cm −3.
However, it is also known that a higher concentration of doping can be achieved by lowering Ts. In this regard, RAHamm, MBPanish, RNNottenburg, YKChen &
DAHumphrey; “Ultrahigh Be doping of Ga 0.47 In
0.53 As by low-temperature molecular beam epitax
y ", Appl.Phys.Lett., Vol. 54, No. 25, pp. 2586-2588, 19t
h, June, 1989).

上記の如き濃度限界を越えて過剰にドーピングを行う
と、エピタキシャル成長表面が鏡面にならず、島状成長
を物語る粗面となる。この状況では、Beの様なp型不純
物は格子位置に置換し切れなくなり、ドーパント拡散が
起こってドーピング効率が低下する。
If the doping is excessively performed beyond the concentration limit as described above, the epitaxial growth surface does not become a mirror surface but becomes a rough surface which indicates island growth. In this situation, a p-type impurity such as Be cannot be completely substituted at a lattice position, and dopant diffusion occurs to lower the doping efficiency.

このような認識の下に、超高濃度ドーピング・ベース
層を持つHBTを実現するために、いくつかの工夫がなさ
れている。
With such recognition, some efforts have been made to realize an HBT having an ultra-highly doped base layer.

その一つは成長温度を変化させる方法であって、J.L.
Lievin等はAlGaAs/GaAs系HBTの形成で、GaAsベース層の
成長時にはTs=450℃とし、AlGaAsエミッタ層成長時はT
s=620℃としている(J.L.Lievin,C.D.Cheval−lier,G.
Leroux,J.Dangla,F.Alexander & D.Ankri;“Ga0.72Al
0.28As/Ga0.99Be0.01As heterojunc−tion bipolar tra
nsistors with ultra low baser esistance grown by M
BE",Proc.11th Int'1S ymp.on GaAs and Related Compo
unds,Karuizawa,Japan,1985,Int.Phys.Conf.Ser.No.79,
pp.595−600)。
One of them is to change the growth temperature.
Lievin et al. Formed an AlGaAs / GaAs-based HBT. When growing a GaAs base layer, Ts was set at 450 ° C.
s = 620 ° C. (JLLievin, CDCheval-lier, G.
Leroux, J. Dangla, F. Alexander & D. Ankri; “Ga 0.72 Al
0.28 As / Ga 0.99 Be 0.01 As heterojunc-tion bipolar tra
nsistors with ultra low baser esistance grown by M
BE ", Proc.11th Int'1S ymp.on GaAs and Related Compo
unds, Karuizawa, Japan, 1985, Int.Phys.Conf.Ser.No.79,
pp. 595-600).

また、InP/InGaAs系HBTでは、Ts=365℃で5×1020cm
-3ドーピングできる低温成長技術によりInGaAsベース層
に1×1020cm-3のBeドーピングを行った例もある(前
出、R.A.Hamm et al,Appl.Phys.Lett.,1989)。
In the case of InP / InGaAs-based HBT, 5 × 10 20 cm at Ts = 365 ° C.
There is also an example in which 1 × 10 20 cm -3 Be doping is performed on an InGaAs base layer by a low-temperature growth technique capable of -3 doping (RAHamm et al, Appl. Phys. Lett., 1989, supra).

上述の通り、成長温度を下げることによって超高濃度
ドーピングは可能であるが、この方法ではベース層に続
いてエミッタ層をエピタキシャル成長させる時に、成長
温度Tsを変化させる処理が必要となる。
As described above, ultra-high concentration doping is possible by lowering the growth temperature, but this method requires a process of changing the growth temperature Ts when epitaxially growing the emitter layer following the base layer.

何故なら、エミッタ層であるAlGaAsのエピタキシャル
成長では、Tsは700℃程度が最適で、600℃以下では良質
のエピタキシャル成長皮膜を得ることは困難な故であ
る。AlGaAsの低温成長が困難な原因はAlのマイグレーシ
ョン速度が小という点にある。また、InAlAs/InGaAs−H
BTのエミッタであるInAlAsのTsは500℃程度が最適で、T
sが400℃以下では良くない。これもAlのマイグレーショ
ン速度が小さいことに原因がある。
This is because Ts is optimally about 700 ° C. in epitaxial growth of AlGaAs as an emitter layer, and it is difficult to obtain a high-quality epitaxially grown film at 600 ° C. or less. The reason that low-temperature growth of AlGaAs is difficult is that the migration rate of Al is low. In addition, InAlAs / InGaAs-H
The optimum Ts of InAlAs, which is the emitter of BT, is about 500 ° C.
If s is less than 400 ° C, it is not good. This is also due to the low migration speed of Al.

かかる事情のため、上述の如くベース層を成長させた
後、成長処理を中断して温度調整を行い、しかる後エミ
ッタ層の成長を行わなければならない。しかし、このよ
うに成長途中に中断時間が存在すると、基板はこの時間
中は成長環境に残留するガスに常に曝されていることに
なり、CO,CO2,O2等に汚染されると、エミッタ/ベース
界面に欠陥が導入され、形成されるHBTの素子特性を劣
化させることにつながる。
For this reason, after growing the base layer as described above, the growth process must be interrupted to adjust the temperature, and then the emitter layer must be grown. However, if there is an interruption time during the growth, the substrate is constantly exposed to the gas remaining in the growth environment during this time, and if the substrate is contaminated by CO, CO 2 , O 2, etc. Defects are introduced at the emitter / base interface, which leads to deterioration of the device characteristics of the formed HBT.

超高濃度ドーピング・ベース層を実現する他の方法と
して、等電子不純物をp型不純物と共にドープする方法
も知られている。一例を挙げると、AlGaAs/GaAs系のHBT
に於いて、GaAsベース層に、Beと共にIII族元素であるI
nをドープするのである。
As another method for realizing an ultra-high concentration doping base layer, a method of doping an isoelectronic impurity together with a p-type impurity is also known. One example is an AlGaAs / GaAs HBT.
In the GaAs base layer, the group III element I
Doping n.

K.C.Wang等はGaAsベース層にInを10%混在させてBeを
1×1020cm-3の濃度にドーピングしている(K.C.Wang,
P.M.Asbeck,M.F.Chang,G.J.Sullivan & D.L.Miller;
“A 20−GHz Frequency divider implemented with het
erojunction bi−poler transisters",IEEE Electron D
evice Lett.,Vol.EDL−8,No.9,pp.383−385,Sep.,198
7)。また、D.Barker等は、GaAsベース層にInを10%混
在させてBeを6×1019cm-3の濃度にドーピングしている
(D.Barker,Y.Ashizawa,P.Tasker,B.Tadayon & L.F.Ea
stman;“Extremely high peak specific transconductu
nce AlGaAs/GaAs hetero−junction bipolar transisto
rs",IEEE Electron Device Lett.,Vol.10,No.7,July,19
89)。
KCWang et al. Doped In with 10% In in a GaAs base layer and doped Be with a concentration of 1 × 10 20 cm −3 (KCWang,
PMAsbeck, MFChang, GJ Sullivan &DLMiller;
“A 20-GHz Frequency divider implemented with het
erojunction bi-poler transisters ", IEEE Electron D
evice Lett., Vol.EDL-8, No. 9, pp. 383-385, Sep., 198
7). In addition, D. Barker et al. Dope Be to a concentration of 6 × 10 19 cm -3 by mixing In with 10% in a GaAs base layer (D. Barker, Y. Ashizawa, P. Tasker, B. et al. Tadayon & LFEa
stman; “Extremely high peak specific transconductu
nce AlGaAs / GaAs hetero-junction bipolar transisto
rs ", IEEE Electron Device Lett., Vol. 10, No. 7, July, 19
89).

この方法でも超高濃度ドーピングは可能であるが、ド
ーピングすべき材料が導電率制御のための不純物の他に
存在することは、それが等電子不純物であっても、原料
ガスの供給系や制御系を余分に必要とすることである。
装置が複雑化すれば、それだけリーク等による汚染の機
会が増し、残留ガス等による不都合が増すことになる。
Although ultra-high-concentration doping is possible with this method, the fact that the material to be doped exists in addition to the impurity for controlling the conductivity, even if it is an isoelectronic impurity, does not require the supply system of the source gas or the control. It requires an extra system.
As the apparatus becomes more complicated, the chances of contamination due to leakage and the like increase, and the inconvenience due to residual gas and the like increases.

更に前出の例で言えば、Beをドープする時には、Beは
成長層内で拡散するので、それに対応してInを分布させ
ることが必要であり、それに合わせてIn原料の供給開始
時期や終了時期を調整することが必要となる。
Furthermore, in the above example, when Be is doped, Be is diffused in the growth layer, so it is necessary to distribute In correspondingly. It is necessary to adjust the timing.

以上説明したように、超高濃度ドーピングのための処
理法として2法が知られているが、成長温度Tsを変化さ
せる方法では昇温のための成長中断期間にエピタキシャ
ル結晶が汚染される可能性が高く、等電子不純物を添加
する方法は装置と制御条件の複雑化をもたらすことにな
る。
As described above, two methods are known as treatment methods for ultra-high concentration doping. However, in the method of changing the growth temperature Ts, there is a possibility that the epitaxial crystal is contaminated during the growth interruption period for raising the temperature. And the method of adding isoelectronic impurities adds complexity to equipment and control conditions.

本発明の目的は成長温度の変更や装置の複雑化のない
エピタキシャル成長法によって超高濃度ドーピングが行
われるエピタキシャル成長法を提供することである。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an epitaxial growth method in which ultra-high concentration doping is performed by an epitaxial growth method without changing the growth temperature or complicating the apparatus.

〔課題を解決するための手段〕[Means for solving the problem]

上記目的を達成するための本発明の基本的な方策は、
超高濃度ドーピングによって生ずる格子定数の変動を、
成長層の組成を予め調整することによって補償し、ドー
プされた不純物原子が所定の格子点に置換され易いよう
にするものである。
The basic measures of the present invention for achieving the above object are as follows:
The fluctuation of the lattice constant caused by ultra-high concentration doping,
The composition is compensated by adjusting the composition of the growth layer in advance, so that the doped impurity atoms are easily replaced with predetermined lattice points.

ドーピングによる格子定数の変動を予測して化合物組
成を設定する処理を、段階に分けて記すと次のようにな
る。
The process of setting the compound composition by predicting the change in the lattice constant due to doping is described below in steps.

最初の段階ではドーパント不純物原子が母体格子の置
換位置の原子を全て置換した結晶を仮定し、この仮想結
晶とエピタキシャル成長させようとする結晶との間にヴ
ェガード則が成立するものとして、仮想結晶の格子定数
を定める。これは同じ不純物をドープした結晶の格子定
数を実測し、それを高濃度側に外挿する作業である。
In the first stage, it is assumed that the crystal in which the dopant impurity atoms have replaced all the atoms at the substitutional positions of the parent lattice is assumed. Determine the constant. This is the work of actually measuring the lattice constant of a crystal doped with the same impurity and extrapolating it to the high concentration side.

次に、この仮想結晶と、超高濃度ドーピングを行う母
体化合物結晶との間にもヴェガード則が成立するものと
して、該化合物結晶が持つべき仮想的な格子定数を定め
る。ここでは所定濃度のドーピングを行った時に、格子
定数がエピタキシャル成長の基板結晶の格子定数と同じ
になることが満たすべき条件であり、前段階と同じく外
挿による格子定数の算出が行われる。
Next, a virtual lattice constant to be possessed by the compound crystal is determined on the assumption that the Vegard rule is satisfied between the virtual crystal and the parent compound crystal to be subjected to ultra-high concentration doping. Here, the condition that the lattice constant becomes the same as the lattice constant of the epitaxially grown substrate crystal when the doping is performed at a predetermined concentration is a condition to be satisfied, and the lattice constant is calculated by extrapolation as in the previous step.

このようにして母体結晶の格子定数が定まると、これ
に対応する化合物組成も定まるので、それに合わせて原
料ガスを供給し、エピタキシャル成長を行う。その際、
ドーパント不純物の原料も所定量が供給される。
When the lattice constant of the host crystal is determined in this manner, the corresponding compound composition is also determined, and accordingly, a source gas is supplied and epitaxial growth is performed. that time,
A predetermined amount of the dopant impurity material is also supplied.

〔作用〕[Action]

このように、エピタキシャル成長層の格子定数をバイ
アスさせておけば、母体格子の原子が不純物原子に置換
されることが格子整合を実現することになり、安定な状
態に近づくことになる。そのため不純物原子による置換
が促進されることになり、超高濃度ドーピングが行われ
る。
As described above, if the lattice constant of the epitaxial growth layer is biased, the substitution of the atoms of the host lattice with the impurity atoms realizes lattice matching, and approaches a stable state. Therefore, substitution by impurity atoms is promoted, and ultra-high concentration doping is performed.

不純物濃度の増加に伴う格子定数の変化の一例が第7
図に示されている。該図中には、不純物元素を多元系構
成元素の一と見なしてヴェガード則を適用した際の格子
定数の変化が実線で記入されており、実測値に合致する
状況から、本発明に於けるヴェガード則の適用が妥当な
ものであることを示している。
One example of a change in lattice constant with an increase in impurity concentration is the seventh.
It is shown in the figure. In the figure, the change in the lattice constant when the Vegard rule is applied by regarding the impurity element as one of the constituent elements of the multi-component system is plotted by a solid line. It shows that the application of Vegard's rule is reasonable.

〔実施例〕〔Example〕

格子定数をどれだけずらせるかの計算は次のように行
われる。
The calculation of how much the lattice constant is shifted is performed as follows.

先ず、結晶XAに置換型の不純物Cをドーピングする場
合を考える。結晶XA内の置換位置格子点が全てC原子に
よって置換された結晶XCを想定すると、XAにCをドーピ
ングした状態は、XA/XC擬2元系上の位置によって示す
ことができる。
First, the case where the substitutional impurity C is doped into the crystal XA will be considered. Assuming a crystal XC in which all substitution site lattice points in the crystal XA are substituted by C atoms, a state in which XA is doped with C can be indicated by a position on the XA / XC pseudo-binary system.

いま、Cが濃度n(cm-3)にドーピングされていると
し、その格子定数dをXA/XC擬2元系にヴェガード則を
適用して求めてみる。XAの分子密度をnA、格子定数を
a、XCの分子密度をnC、格子定数をcとすると、次の
(1)式が成立する。
Now, assuming that C is doped at a concentration of n (cm −3 ), its lattice constant d is obtained by applying the Vegard rule to the XA / XC pseudo-binary system. Assuming that the molecular density of XA is n A , the lattice constant is a, the molecular density of XC is n C , and the lattice constant is c, the following equation (1) holds.

d=(a×nA 1/3+c×nC 1/3)/(nA 1/3+nC 1/3) ……(1) ここでnAおよびncの1/3乗を用いたのは、体積当たり
の原子数である分子密度を長さで示される格子定数を整
合させたものであり、また、XCの分子密度はCの濃度n
に相当する。
d = (a × n A 1/3 + c × n C 1/3 ) / (n A 1/3 + n C 1/3 ) (1) Here, the 1/3 power of n A and n c is used. The reason is that the molecular density, which is the number of atoms per volume, is matched with the lattice constant represented by the length, and the molecular density of XC is the concentration n of C.
Is equivalent to

不純物をドープしない結晶XAの格子定数は既知であ
り、結晶XAに不純物Cをドープした時の格子定数dは実
測によって求めることが出来る。更に上記nAおよびnC
既知或いは実測値から算出し得る値である。従って、仮
想結晶XCの格子定数cはこれ等の値を上記(1)式に代
入することによって求めることが出来る。
The lattice constant of crystal XA not doped with impurities is known, and the lattice constant d when crystal XA is doped with impurity C can be obtained by actual measurement. Furthermore a value above n A and n C may also be calculated from the known or measured values. Therefore, the lattice constant c of the virtual crystal XC can be obtained by substituting these values into the above equation (1).

具体例を挙げてこれを説明する。結晶XAがGaAs結晶で
あり、これに不純物CとしてBeをドープする場合、Beは
Ga原子を置換するから、仮想結晶XCとしてBeAsなる化合
物を考える。GaAsは格子定数a=5.653Å、これにBeを
n=2×1020cm-3の濃度にドープした時の格子定数はd
=5.647ÅであることがJ.L.Lievin等によって報告され
ている(前出、J.L.Lievin et a1,Inst.Phys.Conf.,198
5)。なお、nA=4.4×1022cm-3である。
This will be described with a specific example. When the crystal XA is a GaAs crystal and is doped with Be as the impurity C, Be
Since a Ga atom is substituted, a compound called BeAs is considered as a virtual crystal XC. GaAs has a lattice constant a = 5.653 °, and when Be is doped to a concentration of n = 2 × 10 20 cm −3 , the lattice constant is d.
= 5.647 ° (JLLievin et al., Inst. Phys. Conf., 198, supra).
Five). Note that n A = 4.4 × 10 22 cm −3 .

これ等の数値を前記(1)式に代入して仮想結晶であ
るBeAsの格子定数を求めると、5.56Åとなる。なお、上
記格子定数は全て常温の値であり、本明細書の以後の記
載に於いても同様である。
When these numerical values are substituted into the above equation (1), the lattice constant of BeAs, which is a virtual crystal, is 5.56 °. Note that all the lattice constants are values at room temperature, and the same applies to the description later in this specification.

別の例を挙げると、結晶XAがGaAs、仮想結晶がSiAsと
なる場合、Siの濃度がn=5.5×1019cm-3の時に実測値
として格子定数5.652Åが得られており、その他既知の
数値を代入して計算すると、仮想結晶SiAsの格子定数は
5.643Åとなる。なお、上記格子定数の実測値は、徳永
他,;“HBT用超高濃度ドープp形GaAsの評価",東工大超
高速エレクトロニクス第2回研究報告会試料(May,198
8)に記載されている。
As another example, when the crystal XA is GaAs and the virtual crystal is SiAs, a lattice constant of 5.652 ° is obtained as an actually measured value when the concentration of Si is n = 5.5 × 10 19 cm −3. Is calculated by substituting the numerical value of
5.643Å. The measured values of the above lattice constants were obtained from Tokunaga et al., "Evaluation of ultra-highly doped p-type GaAs for HBT", Tokyo Tech Ultra-High Speed Electronics 2nd Research Report Meeting sample (May, 198
8).

更に、GaAs中の炭素(C)はAsを置換してアクセプタ
となるが、文献(山田他,;“メタリックp形GaAsのMOMB
E成長",東工大超高速エレクトロニクス第2回研究報告
会試料,June,1989)のデータを用いて同様の計算を行な
うと、仮想結晶GaCの格子定数は5.578Åとなる。
Furthermore, carbon (C) in GaAs becomes an acceptor by substituting As, as described in Yamada et al., “MOMB of metallic p-type GaAs.
When the same calculation is performed using the data of "E growth", a sample of the Tokyo Institute of Technology ultra-high-speed electronics second research report meeting, June, 1989), the lattice constant of virtual crystal GaC is 5.578Å.

上に述べた過程が本発明に於いてエピタキシャル成長
させる化合物半導体の組成決定の第1段階であり、続く
第2段階では、ここで求めた仮想結晶XCの格子定数aVC
とエピタキシャル成長基板結晶の格子定数aSBから、所
定不純物濃度に於ける格子定数がaSBとなる化合物結晶X
Bの格子定数が定められる。即ち、不純物をドープしな
い時の格子定数をどれだけ偏倚させておけばよいかを求
める処理である。以下、該第2段階の処理を詳細に説明
する。
The process described above is the first step of determining the composition of the compound semiconductor to be epitaxially grown in the present invention, and in the subsequent second step, the lattice constant a VC of the virtual crystal XC obtained here is determined.
From the lattice constants a SB of the epitaxial growth substrate crystal compound crystal X which in lattice constant to a predetermined impurity concentration of a SB
The lattice constant of B is determined. That is, this is a process for determining how much the lattice constant should be shifted when no impurity is doped. Hereinafter, the processing of the second stage will be described in detail.

この段階でも基本となるのは、化合物XBに不純物元素
Cを多量にドープした状態はXB/XC擬2元系内の位置に
よって示されるという点である。該XB/XC擬2元系にヴ
ェガード則を適用すると、系内の或る組成に於ける格子
定数d′と、XBの分子密度nB、格子定数b、XCの分子密
度nC、格子定数cとの間には、(1)式と同様に d′=(b×nB 1/3+c×nC 1/3)/(nB 1/3+nC 1/3) ……(2) なる関係が成立する。
At this stage, what is fundamental is that the state in which the compound XB is heavily doped with the impurity element C is indicated by the position in the XB / XC pseudo-binary system. When the Vegard rule is applied to the XB / XC pseudo-binary system, a lattice constant d 'at a certain composition in the system, a molecular density n B of XB, a lattice constant b, a molecular density n C of XC, a lattice constant c ′, d ′ = (b × n B 1/3 + c × n C 1/3 ) / (n B 1/3 + n C 1/3 ) (2) The following relationship holds.

結晶XCの格子定数cは第1段階ですでに求められてお
り、不純物濃度を示すXCの分子密度nCおよび基板結晶の
格子定数aSBに一致するd′は満たすべき条件として与
えられている。更に、nB>>nCであることから、nBは化
合物XBの組成が若干変動する場合も含めて、不純物濃度
に無関係に一定と見なしてよい。従って(2)式に測定
値を代入することによってbを求めることができる。
Lattice constant c of the crystal XC is given as d 'condition to be satisfied that matches the lattice constant a SB of already sought, the molecular density of XC showing an impurity concentration n C and the substrate crystal in the first stage . Further, since n B >> n C , n B may be regarded as constant regardless of the impurity concentration, even when the composition of the compound XB slightly varies. Therefore, b can be obtained by substituting the measured values into the equation (2).

ここで具体例を示す。仮想結晶XCがBeAsの場合、上に
求めたように格子定数c=5.56Åであり、d′をエピタ
キシャル成長基板InPの格子定数に一致させることから
d′=5.869Åである。エピタキシャル成長させるXBはI
nGaAs或いはInAlAsの何れであっても、組成には無関係
に分子密度nB=4.0×1022cm-3である。これ等の値を
(2)式に代入することにより、Beのドーピング濃度n
とドープしない結晶XBの格子定数の関係を求め、これを
グラフで表すと第1図のようになる。但し図のnは上記
nCに相当する。
Here is a specific example. In the case where the virtual crystal XC is BeAs, the lattice constant c is 5.56 ° as determined above, and d ′ is 5.869 ° because d ′ matches the lattice constant of the epitaxial growth substrate InP. XB for epitaxial growth is I
Regardless of nGaAs or InAlAs, the molecular density is n B = 4.0 × 10 22 cm −3 irrespective of the composition. By substituting these values into equation (2), the doping concentration of Be n
Fig. 1 shows the relationship between the lattice constant of the crystal XB and the undoped crystal XB. Where n in the figure is above
corresponding to n C.

即ち、InP基板上に超高濃度ドーピングのInGaAs或い
はInAlAsを成長させる場合、超高濃度ドーピング状態で
格子整合させるには、当該不純物濃度に対応する母結晶
格子の格子定数を第1図のグラフから求め、それに相当
するInxGa1-xAs或いはInxAl1-xAsのx値を別に算出し
て、該x値と不純物濃度が実現するように原料ガスの供
給を調整してエピタキシャル成長させれば良いわけであ
る。
That is, when growing InGaAs or InAlAs of ultra-high concentration doping on an InP substrate, the lattice constant of the mother crystal lattice corresponding to the impurity concentration is determined from the graph of FIG. The equivalent x value of In x Ga 1-x As or In x Al 1-x As is calculated separately, and the source gas is adjusted to achieve the x value and the impurity concentration, and the epitaxial growth is performed. That is good.

次に、仮想結晶XCがSiAsで、エピタキシャル成長層が
InGaAs或いはInAlAsである場合も、同様の処理により不
純物濃度とドープしない結晶XBの格子定数との関係が、
第2図に示すように求められる。
Next, the virtual crystal XC is SiAs and the epitaxial growth layer is
In the case of InGaAs or InAlAs, the relationship between the impurity concentration and the lattice constant of the undoped crystal XB by the same treatment is as follows.
It is determined as shown in FIG.

更に、仮想結晶XCがGaCで、エピタキシャル成長層がG
aAsSbである場合も同様の処理により、第3図に示すよ
うに、不純物濃度とドープしない結晶XBの格子定数との
関係が求められる。この場合は初めの2例と異なり、不
純物元素CはV族元素と置換されるが、考え方は全く同
じである。
Furthermore, the virtual crystal XC is GaC, and the epitaxial growth layer is G
In the case of aAsSb, the relationship between the impurity concentration and the lattice constant of the undoped crystal XB is obtained by the same processing as shown in FIG. In this case, unlike the first two examples, the impurity element C is replaced with a group V element, but the concept is exactly the same.

超高濃度ドーピングを行うことにより、エピタキシャ
ル成長層と基板結晶との間に格子不整合が生ずる場合に
は、上に説明した処理によって求めた値だけ格子定数を
バイアスさせたものを母格子とし、これに不純物をドー
プすることによって、結果的に格子整合を実現する。
In the case where a lattice mismatch occurs between the epitaxially grown layer and the substrate crystal due to the ultra-high concentration doping, a matrix lattice biased by the value obtained by the above-described processing is used as the mother lattice. By doping the impurities, lattice matching is realized as a result.

なお、上記x値と格子定数の関係は、InxGa1-xAsにつ
いては第4図に、InxAl1-xAsについては第5図に、GaAs
xSb1-xについては第6図に、夫々示されている。これ等
は公知の文献に記載されたもので、第4図及び第6図は
“Landort−Boernstein Numerical Data andFunc tiona
l Relationships in Sience and Tech−nology,New Ser
ies"Vol.17,p.619 & p.631(1982,New York)が出典で
あり、第5図は小長井誠著“半導体超格子入門",p.31
(1987,培風館)の図2.27(b)の一部を描き直したも
のである。
The relationship between the x value and the lattice constant is shown in FIG. 4 for In x Ga 1-x As, FIG. 5 for In x Al 1-x As, and FIG.
x Sb 1-x is shown in FIG. 6 respectively. These are described in publicly known documents, and FIGS. 4 and 6 show “Landort-Boernstein Numerical Data and Functiona”.
l Relationships in Sience and Tech-nology, New Ser
ies "Vol.17, p.619 & p.631 (1982, New York), and Fig. 5 is Makoto Konagai," Introduction to Semiconductor Superlattice ", p.31
(1987, Baifukan) is a redrawn part of Figure 2.27 (b).

かくの如き本発明のエピタキシャル成長法によってベ
ースを形成したHBTには、格子不整合に起因する素子特
性の劣化はなく、優れた特性を備えたものとなる。該HB
Tの諸元や製造方法は、ヘテロ接合の形成以外は通常の
ものと同じである。
As described above, the HBT whose base is formed by the epitaxial growth method of the present invention has excellent characteristics without deterioration of device characteristics due to lattice mismatch. The HB
The specifications and the manufacturing method of T are the same as those of the ordinary one except for the formation of the hetero junction.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上説明したように、本発明のエピタキシャル成長法
によれば、超高濃度ドーピングを行った状態で格子整合
が実現する。その結果、残留歪が減少し、HBTの素子特
性が向上する。
As described above, according to the epitaxial growth method of the present invention, lattice matching is realized in a state where ultra-high concentration doping is performed. As a result, the residual strain is reduced, and the device characteristics of the HBT are improved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は第1の実施例に於ける不純物濃度と母結晶の格
子定数との関係を示す図、 第2図は第2の実施例に於ける不純物濃度と母結晶の格
子定数との関係を示す図、 第3図は第3の実施例に於ける不純物濃度と母結晶の格
子定数との関係を示す図、 第4図は第1の母結晶の格子定数と組成の関係を示す
図、 第5図は第2の母結晶の格子定数と組成の関係を示す
図、 第6図は第3の母結晶の格子定数と組成の関係を示す
図、 第7図は不純物濃度と格子定数の関係を示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing the relationship between the impurity concentration and the lattice constant of the mother crystal in the first embodiment, and FIG. 2 is the relationship between the impurity concentration and the lattice constant of the mother crystal in the second embodiment. FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the impurity concentration and the lattice constant of the mother crystal in the third embodiment. FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the lattice constant and the composition of the first mother crystal. 5 is a diagram showing the relationship between the lattice constant and the composition of the second mother crystal, FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the lattice constant and the composition of the third mother crystal, and FIG. 7 is the impurity concentration and the lattice constant. FIG.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−217672(JP,A) 特開 平1−166568(JP,A) 永井治男(外2名)著「▲III▼− ▲V▼族半導体混晶」(昭63−10−25) コロナ社初版第1刷発行(第2刷)平成 5年7月30日発行 第30頁 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/20 H01L 21/331 H01L 29/205 H01L 29/73 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) References JP-A-63-217672 (JP, A) JP-A-1-166568 (JP, A) Nagai Haruo (Two others), "III-V" Group Semiconductor Mixed Crystals ”(63-10-25) Corona's first edition, first printing (second printing), issued July 30, 1993, page 30 (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB Name) H01L 21/20 H01L 21/331 H01L 29/205 H01L 29/73

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】各々が単一もしくは複数の同族元素である
A及びBによって構成される化合物A−Bに不純物元素
Cが高濃度にドーピングされて成る多元系化合物を、格
子定数がaSBである基板結晶上にエピタキシャル成長さ
せる処理に於いて、 該多元系を (a)元素Cが元素Aを置換する属性を持つ場合は化合
物A−Bと仮想化合物C−Bから成る擬2元系とみな
し、または (b)元素Cが元素Bを置換する属性を持つ場合は化合
物A−Bと仮想化合物A−Cから成る擬2元系とみな
し、 該擬2元系にヴェガードの法則を適用することにより、
前記多元系化合物の格子定数の実測値、Cの既知の濃度
および前記化合物A−Bの既知の格子定数から、C−B
またはA−Cなる仮想化合物の格子定数aVCを算出し、
次いで 前記化合物A−BにCを所望の濃度にドーピングした多
元系化合物の格子定数が、前記基板結晶の格子定数aSB
に等しい値となるために、前記化合物A−Bが持つべき
仮想の格子定数aVTを、該多元系を前記擬2元系と見な
してヴェガードの法則を適用することにより、前記格子
定数aVC、前記Cの所望の濃度および前記格子定数aSB
用いて算出し、次いで 前記化合物A−BのAまたはBが、各々がAまたはBと
同族の元素であるA′ならびにA″またはB′ならびに
B″から成るA′XA″1-XまたはB′XB″1-Xである時
に、前記化合物A−Bの格子定数が前記aVTとなるよう
なxの値をヴェガードの法則に従って算出し、 前記所望の濃度のCを含有すると共に、AまたはBが、
前記算出されたx値のA′XA″1-XまたはB′XB″1-X
ある多元系化合物層を、格子定数が前記aSBである基板
結晶上にエピタキシャル成長させることを特徴とする高
濃度化合物半導体の結晶成長方法。
1. A multi-component compound obtained by doping a compound AB composed of A and B, which are single or plural homologous elements, with a high concentration of an impurity element C, having a lattice constant of a SB In the process of epitaxially growing on a certain substrate crystal, the multi-system is regarded as (a) a pseudo-binary system composed of compound AB and virtual compound CB when element C has an attribute of substituting element A. Or (b) if element C has the attribute of substituting element B, consider it as a pseudo-binary system consisting of compound AB and virtual compound AC, and apply Vegard's law to the pseudo-binary system By
From the measured lattice constant of the multi-component compound, the known concentration of C and the known lattice constant of compound AB, CB
Or calculating the lattice constant a VC of the virtual compound AC ,
Next, the lattice constant of the multi-component compound obtained by doping the compound AB with C at a desired concentration is changed to the lattice constant a SB of the substrate crystal.
In order to be equal to the lattice constant a VT virtual should have said Compound A-B, by applying the law of Vegado considers multi source system and the pseudo binary system, the lattice constant a VC , Calculated using the desired concentration of C and the lattice constant a SB , wherein A or B of compound AB is A ′ and A ″ or B ′, each of which is an element analogous to A or B. And when A ′ X A ″ 1-X or B ′ X B ″ 1-X consisting of B ″, the value of x such that the lattice constant of the compound AB becomes the a VT is determined according to Vegard's law. Calculating, while containing the desired concentration of C, wherein A or B is
The multi-component compound layer having the calculated x value of A ′ X A ″ 1-X or B ′ X B ″ 1-X is epitaxially grown on a substrate crystal having a lattice constant of a SB. To grow a high concentration compound semiconductor.
【請求項2】前記A−B化合物がIII−V化合物である
ことを特徴とする請求項1の高濃度化合物半導体の結晶
成長方法。
2. The method for growing a high-concentration compound semiconductor according to claim 1, wherein said AB compound is a III-V compound.
【請求項3】エミッタ領域に対しヘテロ接合を形成する
ベース領域が、請求項1または請求項2の高濃度化合物
半導体の結晶成長方法によって形成されることを特徴と
するヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造方法。
3. A method for manufacturing a heterojunction bipolar transistor, wherein a base region forming a heterojunction with an emitter region is formed by the method for growing a high-concentration compound semiconductor crystal according to claim 1 or 2. .
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永井治男(外2名)著「▲III▼−▲V▼族半導体混晶」(昭63−10−25)コロナ社初版第1刷発行(第2刷)平成5年7月30日発行 第30頁

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