JP3430621B2 - III-V compound semiconductor crystal growth method - Google Patents

III-V compound semiconductor crystal growth method

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JP3430621B2 JP06733294A JP6733294A JP3430621B2 JP 3430621 B2 JP3430621 B2 JP 3430621B2 JP 06733294 A JP06733294 A JP 06733294A JP 6733294 A JP6733294 A JP 6733294A JP 3430621 B2 JP3430621 B2 JP 3430621B2
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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、有機金属気相成長方法
により炭素ドープIII-V族化合物半導体結晶を成長する
方法に関する。 【0002】 【従来の技術】有機金属気相成長法(以下、OMVPE
法という)は、有機金属化合物と金属水素化物を反応炉
中で熱分解することにより、基板上に薄膜単結晶を成長
する方法である。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、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。そして、HBTの特性は、ベー
ス層の正孔濃度が高いほど、高い特性が得られる。 【0003】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。また、MBE法では、1×1020cm-3
程度まで高濃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るが、OMV
PE法では安全性の問題から、Beを用いることは困難
である。さらに、Znに比べて拡散係数が5桁小さいM
gのドーピングも検討されているが、Mg原料のビスシ
クロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)やビス
メチルシクロペンタジエニルマグネシウム(M2Cp2
Mg)は、配管や反応管に吸着しやすいため、急峻なド
ーピングプロファイルを形成することが難しい。 【0004】そこで、最近は炭素ドーピングが検討され
ている。ある文献(K. Saito等著「J.Appl.Phys.,Vol.6
4,No.8,p3975〜3979」)では、ガスソースMBE法でII
I 族元素にTMGaを、V族原料に金属砒素を用いるこ
とにより、1020cm-3台のCドーピングを行ったと報
告され、他の文献(T.F.Kuech 等著「Appl.Phys.Lett.,
Vol.53,No.14,p1317〜1319」)では、成長圧力76To
rrでIII 族原料にTMGaを、V族原料にTMAsを
用いることにより、1019cm-3のCドーピングを行っ
たと報告されている。 【0005】そして、本発明者等は、特開平3─235
323号公報において、TMGaとTMAsを原料とし
てOMVPE法でCドープGaAsを成長するときに、
成長温度を変えることによりCドーピング量を制御する
方法を提案した。例えば、図6に示すように、成長温度
を590℃から660℃に上げるにつれて正孔濃度は1
19cm-3台から1017-3台に減少する。単層のエピ
タキシャル層を成長する場合にはこの方法でも問題はな
いが、Cドーピングレベルの異なる多層を成長する場合
には、層と層の間で成長を中断して次の成長温度まで長
時間かけて変更する必要があった。 【0006】 【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明では、
上記の問題点を解消し、成長温度を変化させずにCドー
ピング量を制御することが可能である、V族有機金属原
料を用いた有機金属気相成長方法によるIII-V族化合物
半導体結晶成長方法を提供しようとするものである。 【0007】 【課題を解決するための手段】本発明は、有機金属気相
成長方法により、V族原料として有機金属化合物を用い
て炭素ドープIII-V族化合物半導体結晶を成長する方法
において、III族原料とV族原料の供給比を変化させるこ
とにより(ただし、III族原料ガスのモル分率に対するV
族原料ガスのモル分率の比が1以下である範囲を除
く。)、炭素のドーピング量を制御することを特徴とす
るIII-V族化合物半導体結晶成長方法である。 【0008】本発明で使用されるIII 族有機金属原料と
しては、トリメチルガリウム(TMGa)、トリエチル
ガリウム(TEGa)、トリメチルアルミニウム(TM
Al)、トリエチルアルミニウム(TEAl)、トリメ
チルインジウム(TMIn)、トリエチルインジウム
(TEIn)などを挙げることができる。また、本発明
で使用されるV族有機金属原料としては、トリメチル砒
素(TMAs)、トリエチル砒素(TEAs)などを挙
げることができる。 【0009】 【作用】TMAsとTMGaを原料としてGaAsを成
長させるときに、Cドーピングの成長温度依存性は、図
5に示すように、成長温度620℃を境にして高温領域
と低温領域でCドーピングの活性化エネルギーが異な
る。本発明者等は、成長温度を変化させずにCドーピン
グ量を制御できる方法を鋭意検討する中で、上記の高温
領域及び低温領域におけるV族原料とIII 族原料の供給
比(V/III 比)に対するCドーピングの依存性を調べ
たところ、V/III 比によりCのドーピング量を制御で
きることを見いだした。 【0010】即ち、高温領域では、図3に示すように、
V/III 比に反比例して正孔濃度が減少し、低温領域で
は、図4に示すように、V/III 比に比例して正孔濃度
が増加することが分かった。したがって、高温領域又は
低温領域の一定の成長温度で、V/III 比を変化させる
ことによりCドーピング量(正孔濃度)を制御すること
ができる。 【0011】 【実施例】 (実施例1)反応管内の圧力を10Torrに保ち、予
め反応管内にTMAsを流した状態で、半絶縁性GaA
s基板を成長温度640℃まで加熱し、次いで、TMG
aを反応管に導入し、CドープGaAsの成長を始め
た。TMGaの流量は毎分6mlとし、TMAsの流量
を50,35,13mlと変化させてそれぞれ0.5μ
m成長させた。各層の間では一旦成長を中断し、TMA
sの流量を所定値まで達してから(約1分)成長を再開
した。成長したCドープGaAsのSIMS測定から得
た深さ方向のC濃度(正孔濃度)プロファイルは、図1
に示すように、TMAs流量に反比例してC濃度が変化
し、各層では所定のC濃度を有する均一なプロファイル
を得ることができた。 【0012】(実施例2)反応管内の圧力を10Tor
rに保ち、予め反応管内にTMAsを流した状態で、半
絶縁性GaAs基板を成長温度600℃まで加熱し、次
いで、TMGaを反応管に導入し、CドープGaAsの
成長を始めた。TMGaの流量は毎分6mlとし、TM
Asの流量を50,35,13mlと変化させてそれぞ
れ0.5μm成長させた。各層の間では一旦成長を中断
し、TMAsの流量を所定値まで達してから(約1分)
成長を再開した。成長したCドープGaAsのSIMS
測定から得た深さ方向のC濃度(正孔濃度)プロファイ
ルは、図2に示すように、TMAs流量に比例してC濃
度が変化し、各層では所定のC濃度を有する均一なプロ
ファイルを得ることができた。 【0013】 【発明の効果】本発明は、上記の構成を採用することに
より、成長温度を変化させることなく、Cのドーピング
量を容易に制御することができ、成長時間が短縮され、
生産性を高めることができた。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for growing a carbon-doped III-V compound semiconductor crystal by a metal organic chemical vapor deposition method. [0002] Metal organic chemical vapor deposition (hereinafter referred to as OMVPE)
Is a method of growing a thin film single crystal on a substrate by thermally decomposing an organometallic compound and a metal hydride in a reaction furnace. This method is used for fabricating a heterojunction device substrate using a compound semiconductor, because it is easy to form an ultrathin multilayer structure and has high mass productivity.
Among heterojunction devices, HBTs (hetero bipolar transistors) are being actively developed because they operate at an ultra-high speed. The structure of the HBT is composed of a collector of n-GaAs, a base of p-GaAs, and an emitter of n-AlGaAs. The higher the hole concentration of the base layer, the higher the characteristics of the HBT. Conventionally, in the OMVPE method, Zn has been used as a p-type dopant. However, since Zn has a large diffusion coefficient, it diffuses from the base region to the emitter region during growth, so that a steep pn junction is obtained. There was a problem that can not be. In the MBE method, 1 × 10 20 cm −3
It is possible to dope to a high concentration to the extent, and
Be having a small diffusion coefficient is generally used, but OMV
In the PE method, it is difficult to use Be due to safety issues. Further, M has a diffusion coefficient that is five orders of magnitude smaller than Zn.
Although doping of g is being studied, biscyclopentadienyl magnesium (Cp2Mg) and bismethylcyclopentadienyl magnesium (M2Cp2
Mg) is easily adsorbed on a pipe or a reaction tube, so that it is difficult to form a steep doping profile. Therefore, carbon doping has recently been studied. A certain document (K. Saito et al., J. Appl. Phys., Vol. 6
4, No.8, p3975-3979 ”), the gas source MBE method
It has been reported that C doping of the order of 10 20 cm −3 was performed by using TMGa as a group I element and metal arsenic as a group V raw material, and other literatures (Appl. Phys. Lett., TF Kuech et al.
Vol. 53, No. 14, pp. 1317 to 1319 ”), the growth pressure is 76 To.
It is reported that 10 19 cm -3 C doping was performed by using TMGa as a group III material and TMAs as a group V material at rr. The present inventors have disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-235
No. 323, when growing C-doped GaAs by the OMVPE method using TMGa and TMAs as raw materials,
A method of controlling the C doping amount by changing the growth temperature was proposed. For example, as shown in FIG. 6, as the growth temperature is increased from 590 ° C. to 660 ° C., the hole concentration becomes 1
It is reduced from 0 19 cm -3 to 10 17 m -3 . This method is not a problem when growing a single epitaxial layer, but when growing multiple layers having different C doping levels, the growth is interrupted between the layers and a long time until the next growth temperature is reached. It was necessary to change over time. [0006] Therefore, in the present invention,
III-V group compound semiconductor crystal growth by metal organic vapor phase epitaxy using group V organic metal raw material, which can solve the above problems and can control the C doping amount without changing the growth temperature. It seeks to provide a way. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a method for growing a carbon-doped III-V compound semiconductor crystal using an organometallic compound as a group V material by an organometallic vapor phase epitaxy method. By changing the supply ratio between the group III raw material and the group V raw material (however, V
Except for the range in which the molar fraction ratio of the group raw material gas is 1 or less.
Good. ) , A method of growing a group III-V compound semiconductor crystal characterized by controlling the doping amount of carbon. The group III organometallic raw materials used in the present invention include trimethylgallium (TMGa), triethylgallium (TEGa), and trimethylaluminum (TMGa).
Al), triethyl aluminum (TEAl), trimethyl indium (TMIn), and triethyl indium (TEIn). Examples of the group V organic metal raw material used in the present invention include trimethyl arsenic (TMAs) and triethyl arsenic (TEAs). When GaAs is grown using TMAs and TMGa as raw materials, the growth temperature dependency of C doping is as shown in FIG. The activation energy of doping is different. The present inventors have been diligently studying a method capable of controlling the C doping amount without changing the growth temperature, and have found that the supply ratio (V / III ratio) of the group V material and the group III material in the high-temperature region and the low-temperature region described above. Investigation of the dependence of C doping on ()) revealed that the amount of C doping can be controlled by the V / III ratio. That is, in the high temperature region, as shown in FIG.
It was found that the hole concentration decreased in inverse proportion to the V / III ratio, and in the low temperature region, the hole concentration increased in proportion to the V / III ratio, as shown in FIG. Therefore, the C doping amount (hole concentration) can be controlled by changing the V / III ratio at a constant growth temperature in the high temperature region or the low temperature region. (Embodiment 1) Semi-insulating GaAs with the pressure inside the reaction tube kept at 10 Torr and TMAs previously flowing into the reaction tube.
The substrate is heated to a growth temperature of 640 ° C., and then TMG
a was introduced into the reaction tube, and the growth of C-doped GaAs was started. The flow rate of TMGa was set to 6 ml per minute, and the flow rate of TMAs was changed to 50, 35, and 13 ml to 0.5 μm each.
m. The growth is temporarily suspended between the layers, and TMA is stopped.
After the flow rate of s reached a predetermined value (about 1 minute), the growth was restarted. FIG. 1 shows the C concentration (hole concentration) profile in the depth direction obtained from the SIMS measurement of the grown C-doped GaAs.
As shown in Fig. 7, the C concentration changed in inverse proportion to the flow rate of TMAs, and a uniform profile having a predetermined C concentration was obtained in each layer. (Example 2) The pressure in the reaction tube was set to 10 Torr.
The semi-insulating GaAs substrate was heated to a growth temperature of 600 ° C. with TMA flowing through the reaction tube in advance, and then TMGa was introduced into the reaction tube to start growing C-doped GaAs. The flow rate of TMGa was 6 ml per minute, and TM
The growth rate of As was changed to 50, 35, and 13 ml, and each was grown to 0.5 μm. The growth is temporarily suspended between the layers, and after the flow rate of TMAs reaches a predetermined value (about 1 minute).
Growth has resumed. SIMS of grown C-doped GaAs
As shown in FIG. 2, the C concentration (hole concentration) profile in the depth direction obtained from the measurement changes in proportion to the flow rate of TMAs, and a uniform profile having a predetermined C concentration is obtained in each layer. I was able to. According to the present invention, by adopting the above structure, the C doping amount can be easily controlled without changing the growth temperature, and the growth time can be shortened.
Productivity could be increased.

【図面の簡単な説明】 【図1】実施例1でTMAs流量を変化させたときの、
各層のC濃度プロファイルを示したグラフである。 【図2】実施例2でTMAs流量を変化させたときの、
各層のC濃度プロファイルを示したグラフである。 【図3】成長温度を高温領域の640℃に設定し、TM
As/TMGaの供給比を変化させたときの、C濃度の
変化を示したグラフである。 【図4】成長温度を低温領域の600℃に設定し、TM
As/TMGaの供給比を変化させたときの、C濃度の
変化を示したグラフである。 【図5】CドープGaAsの成長におけるC濃度の成長
温度依存性を示したグラフである。
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a diagram showing a case where the flow rate of TMAs is changed in Embodiment 1.
It is the graph which showed the C concentration profile of each layer. FIG. 2 shows the results when the flow rate of TMAs was changed in Example 2.
It is the graph which showed the C concentration profile of each layer. FIG. 3 shows a growth temperature set to 640 ° C. in a high temperature region, and TM
It is the graph which showed the change of C concentration when the supply ratio of As / TMGa was changed. FIG. 4 shows a growth temperature set to 600 ° C. in a low temperature region, and TM
It is the graph which showed the change of C concentration when the supply ratio of As / TMGa was changed. FIG. 5 is a graph showing the growth temperature dependence of the C concentration in the growth of C-doped GaAs.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平2−262332(JP,A) 特開 平7−22344(JP,A) 特開 平3−208890(JP,A) 特開 平7−247196(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/205 C30B 25/16 C30B 29/40 502 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) References JP-A-2-262332 (JP, A) JP-A-7-22344 (JP, A) JP-A-3-208890 (JP, A) JP-A-7-208 247196 (JP, A) (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) H01L 21/205 C30B 25/16 C30B 29/40 502

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】 【請求項1】 有機金属気相成長方法により、V族原料
として有機金属化合物を用いて炭素ドープIII-V族化合
物半導体結晶を成長する方法において、III族原料とV族
原料の供給比を変化させることにより(ただし、III族
原料ガスのモル分率に対するV族原料ガスのモル分率の
比が1以下である範囲を除く。)、炭素のドーピング量
を制御することを特徴とするIII-V族化合物半導体結晶
成長方法。
Claims: 1. A method for growing a carbon-doped III-V compound semiconductor crystal using an organometallic compound as a group V material by a metalorganic vapor phase epitaxy method. by changing the supply ratio of the group V raw material (however, III group
Of mole fraction of group V source gas to mole fraction of source gas
Excludes the range where the ratio is 1 or less. A method of growing a group III-V compound semiconductor crystal, characterized by controlling the doping amount of carbon.
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