JP3471372B2 - Method of manufacturing semiconductor crystal - Google Patents

Method of manufacturing semiconductor crystal

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JP3471372B2
JP3471372B2 JP10965292A JP10965292A JP3471372B2 JP 3471372 B2 JP3471372 B2 JP 3471372B2 JP 10965292 A JP10965292 A JP 10965292A JP 10965292 A JP10965292 A JP 10965292A JP 3471372 B2 JP3471372 B2 JP 3471372B2
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信之 大塚
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Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【産業上の利用分野】本発明は半導体デバイスの特性を
飛躍的に向上する半導体結晶を製造する方法に関する。 【0002】 【従来の技術】量子ドットがキャリアを3次元的に閉じ
込めるのに対して、キャリアを1次元的に閉じ込める量
子井戸構造を作製する量子井戸結晶成長装置の従来例と
して、MOVPE結晶成長装置を図3に示す。これは、
リアクタ31と半導体単結晶基板(GaAs,InP
等)32をのせた黒鉛サセプタ33、および黒鉛サセプ
タを加熱するRFコイル34、反応管内に原料ガスを流
すガスライン35よりなる[江崎他:超格子ヘテロ構造
デバイス、工業調査会(1988)253]。 【0003】図3の従来のMOVPE結晶成長装置にお
いて、リアクタ31内に半導体単結晶基板32を設置
し、黒鉛サセプタ33により加熱を行うリアクタ31内
に原料ガスを流すことで結晶成長を行う。 【0004】量子ドットの結晶成長方法は第1の従来例
を図4に示す。従来のMOVPE法やMBE法でGaA
s基板40上に、AlGaAs層41を成長させ、Ga
As/AlGaAs超薄膜結晶とAlGaAsキャップ
層43を成長させる(図4a)。次に、エッチングによ
り量子箱44を形成し(図4b)、埋め込み層45を成
長(図4c)させる場合や、図5に示すようにGaAs
基板52に成長したAlGaAs層51のステップ50
(図5a)を利用して、組成の異なる2種類のガスを交
互に供給することでGaAs量子箱53(図5b)を作
製し、埋め込み層55を成長(図5c)する場合などが
ある[江崎他:超格子ヘテロ構造デバイス、工業調査会
(1988)464]。 【0005】 【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のような
構成のMOVPE装置では薄膜量子井戸構造は成長でき
てもリアクタ管の断面積が大きく原料ガスの流速を大き
くできないために完全平坦結晶を得ることはできない。
その結果、均一に結晶成長核を発生できず、量子ドット
構造の成長は不可能である。それを詳しく説明する。図
3の拡大図を図6(a)に示す。図6(a)のように基
板への結晶成長は、リアクタの温度を高くし、反応ガス
をリアクタ31内に流すのであるが、このガスの流速が
小さければ図6(b)のようにステップだけでなく、結
晶のテラス61にも結晶成長する。そこでガスの流速を
大きくすると図6(c)に示すように結晶は平坦に成長
する。 【0006】つまり、従来のMOVPE結晶成長装置は
リアクタの断面積が大きく反応ガスの流速を大きくでき
ず、図6(c)に示すような平坦結晶を得ることができ
ないのである。したがって、平坦な結晶面に量子ドット
を成長させることもできないという難点があった。 【0007】本発明は上記問題点に鑑み、結晶全面に均
一に結晶成長核を発生させ量子ドットを形成する半導体
結晶の製造方法を提供する。 【0008】さらに、上記のような量子ドット結晶成長
方法では第1にエッチング加工技術に量子ドットの形状
が依存する。現在、0.1μm程度の加工が限界であ
り、実際に量子ドットとして必要な10nm角程度の加
工は不可能である。とともに加工によるダメージで良好
な再成長界面が形成できず良好なデバイス特性を示すこ
とができない。また、結晶のステップを利用して量子ド
ット構造を成長する方法では結晶のステップを結晶表面
を斜めに研磨した後結晶を成長することである程度均一
な間隔のステップを得ることはできるが、結晶の初期状
態で規則正しいステップを形成する必要があると共に、
結晶の成長時間が僅かでもずれると量子ドットを形成し
ない。結晶成長を続けていく過程で量子ドット構造の均
一性および結晶性が低下する問題があった。 【0009】本発明は、上記問題点に鑑み、超平坦表面
上に均一に結晶成長核を発生させ量子ドット構造を作製
することができる半導体結晶の製造方法を提供すること
を目的とする。 【0010】 【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明の半導体結晶を製造する方法は、原料ガスの流
路を形成する反応管と、反応管を包含する外管とで構成
される結晶成長装置であって、反応管は黒鉛製のサセプ
タと押えとから構成され、結晶成長装置はサセプタを昇
温させる高周波加熱手段を有しており、サセプタと押え
とで形成される開口部を介して原料ガスが反応管内に導
入され、開口部の縦幅は開口部の横幅の略十分の一であ
る結晶成長装置を用いて、以下の工程を経る: 反応管の
内部に設置された半導体基板を第一の結晶成長温度にな
るまで昇温した後に第一の結晶成長温度に保持しなが
ら、全ガス流量を40リットル/分以上として第1原料
ガスを開口部を介して半導体基板に供給することによ
り、半導体基板の表面が原子レベルで平坦である超平坦
面を得る第1工程、半導体基板の温度を第二の結晶成長
温度に降温した後に第二の結晶成長温度に保持しなが
ら、第2原料ガスを開口部を介して半導体基板に供給す
ることにより、超平坦面に均一に結晶成長核を発生させ
て量子ドットを形成する第2工程、半導体基板の温度を
第二の結晶成長温度に保持しながら、第3原料ガスを開
口部を介して半導体基板に供給することにより、量子ド
ットを埋め込む結晶を成長させる第3工程、および半導
体基板の温度を結晶成長に最適な温度である第三の結晶
成長温度に昇温した後に第三の結晶成長温度に保持しな
がら、第4原料ガスを開口部を介して半導体基板に供給
することにより、結晶を成長する第4工程を有し、第一
の結晶成長温度は第三の結晶成長温度より略100℃高
く、第二の結晶成長温度は第三の結晶成長温度より略1
50℃低く、 第1原料ガスと第2原料ガスとは異なり、
第2原料ガスと第3原料ガスとが異なる。 【0011】 【作用】結晶基板を取り囲むようにサセプタを配し、結
晶成長基板と天板との間隔を1mm程度とする。ガス流
の流れに垂直な断面を10mm×1mmとし、全ガス流
量を40L(リットル)/min、成長圧力を17to
rrとすることで流速300m/secがられた。 【0012】また、成長圧力が低いことによる原料の利
用効率を増大するために天板を黒鉛製とし、ガスの分解
効率を向上した。一方、不純物の混入が問題となる場合
には天板の下に結晶基板と同様な単結晶基板を敷くこと
でサセプタからの汚染を防止することが可能となった。 【0013】量子ドットを結晶成長する場合、超平坦面
を得る必要がある。この超平坦面を得るために、前記し
た量子ドット結晶成長装置により結晶表面を原子レベル
で平坦化する。これは、ガスの流速を高速化することに
より、キンクまたはステップの位置に対して結晶表面に
おける原子の捕獲率が低下して結晶核の発生が抑制さ
れ、ステップが次々に結晶基板周辺まで動くこと(図6
(c))で超平坦面を得ることができる。ただし、結晶
表面の原子のマイグレーション速度を大きくするために
成長温度は結晶成長の最適条件より100度程度高温と
する必要がある。また、結晶基板としては螺旋転位など
が無い無転位基板を使用する必要がある。 【0014】次に、この平坦面上に均一に量子ドットを
作製する必要がある。量子ドットの原料原子のマイグレ
ーションを小さくし、かつ平坦面への核生成速度を、核
成長速度より大きくするために、量子ドットの成長は結
晶成長の最適条件より150度程度低温とする。ここ
で、量子井戸を1原子層の膜厚成長するに対して1/5
程度の時間成長を行うことにより均一に量子ドットを作
製できる。 【0015】さらに、続けて量子ドットを成長したのと
等しい成長温度で、量子ドットと組成の異なる結晶で量
子ドットよりもバンドギャップの大きい結晶を成長し、
量子ドットを結晶中につくり込むことができる。 【0016】 【実施例】図1に本発明において用いられる結晶成長装
の一例を示す。 【0017】図1に示すとおり、InP半導体結晶基板
1を黒鉛製サセプタ2で保持し、半導体結晶基板1と同
じ結晶を蓋3とし、蓋3を基板1と向かい合わせるよう
にしてサセプタ2に蓋をし、さらに黒鉛製押え4で保持
して、結晶基板1を保護する。サセプタ2と押え4で形
成される開口部5には、原料ガス6流入用のガイド管7
が挿入される。原料ガス6の漏洩を防止するためサセプ
タ2とガイド管7などは外管8で外気とシールドれて
いる。開口部5は高さが1mm横幅が10mmとなっ
ており、10mm×20mmの半導体結晶基板1が装填
できる。 【0018】つぎに、この量子ドット結晶成長装置の動
作を説明する。 【0019】まず、高周波加熱で黒鉛製サセプタ2を昇
温する。そしてガスの流速を大きくし、基板1表面が原
子レベルできわめて平坦な結晶を成長させるために、ガ
ス流域面積を10mm2とした。流速が大きくなること
による原料ガス6の収率の低下を抑制するためにサセプ
タ2内に基板1を設置して原料ガス6を供給した。すな
わち、ガス流域をサセプタ2で囲み、すべてのガスが成
長に寄与させるとともに、原料ガス6を四方から加熱し
てガス熱分解効率を向上させさらに原料ガス6の収率を
向上させた。 【0020】この装置では従来の結晶成長装置に比べて
原料ガスの通過する断面積がかなり小さくできる。ま
た、この装置ではガスの流路の断面積が小さいことによ
る成長圧力の上昇を防止するために、ガス流路はできる
だけ短いほうがよい。今回はガス混合部から結晶基板ま
で50cm程度とした。 【0021】また、結晶上での成長圧力の急激な低下を
防止するために結晶成長部よりサセプタをガス下流部に
も延長して設けた。原料ガスの開口部からの漏れを防止
するためにガイド管はサセプタを覆っている。成長圧力
を制御するためにガス供給管に圧力センサを設置しバタ
フライバルブでポンプの吸引力を調整して減圧成長を行
う。サセプタ温度は1000度まで昇温可能である。 【0022】2に本発明の半導体装置の製造方法につ
いて説明する。ここでは半導体装置として、量子ドット
を用いた半導体レーザの製造方法について示す。 【0023】図2に示したように、(001)InP基
板21を、実施例1で説明した量子ドット結晶成長装置
にセットし、PH 3 (40%)を200ccm添加した
水素ガス6を50L/min供給する(図2a)。成長
圧力は17torrとする。 【0024】サセプタ2を昇温し740度で10分間保
持した後、原料ガスとしてPH3を200ccmとTM
I(トリメチルインジウム 1%)を20ccm供給し
て5分間InP結晶22を約10nm成長する(図2
b)。 【0025】ここで、ガスの流速を高速化することによ
り、図6(c)に示したように、キンクまたはステップ
の位置に対して結晶表面における原子の捕獲率が低下し
て結晶核の発生が抑制され、ステップが次々に結晶基板
周辺まで動くことで超平坦面が得られる。 【0026】次に、TMIの供給のみ停止してサセプタ
温度を90度まで低下する。InGaAsP(λg=
1.4μm)量子ドットを作製する。この場合、TMI
を5.0ccm、TEG(1.8%)を2.2ccm、
PH 3 を20ccm、AsH3(10%)を3.0sc
cm添加した混合ガスを、0.5秒の間隔をおきながら
0.8秒間ずつ水素ガス中に添加する。全ガス流量は5
0L/minとする。すると、1辺が3nmのInGa
AsP量子ドット23がほぼ20nmピッチで形成され
る(図2c)。ここで、InP結晶22にInGaAs
P量子ドット23が成長するのは、平坦なInP結晶2
2上に、量子ドット23が核生成する最適条件を選んだ
からである。この量子ドット23の生成の最適条件は
結晶成長の最適条件より150度程度低、その温度で
は、量子ドットの原料原子はマイグレーションが小さく
し、かつ核生成速度を核成長速度より大きいから、In
P結晶22上に量子ドット23が形成できる。 【0027】さらに、サセプタは90度に保持したま
ま原料ガスとしてPH 3 を200ccmとTMIを20
ccm添加して5分間InP結晶24を約10nm成長
し、量子ドットを埋め込む(図2d)。量子ドット作製
工程と量子ドット埋め込み工程を10回繰り返す。 【0028】最後に、サセプタ2を640度に昇温して
原料ガスとしてPH 3 を200ccmとTMIを200
ccm添加して成長圧力を100torrで5分間In
P結晶25を約100nm成長する(図2e)。PH 3
を200ccm添加しながらサセプタを冷却し成長を終
了する。 【0029】得られた結晶のフォトルミネッセンスを測
定した結果、エネギーシフト量は120meV程度あ
り、量子ドット効果が確認された。 【0030】尚、結晶基板としサセプタ上に置いたもの
としたが蓋として利用した結晶であっても量子ドットが
形成されている。また、成長する結晶としてInP系と
したがGaAs系でもZnSe系でもよい。また、ガイ
ド管とサセプタのつなぎ口からのガスの漏洩を防止する
ためにガイド管はサセプタを覆う構造としてもよい。 【0031】 【発明の効果】以上のように本発明の半導体結晶の製造
方法では、原料ガスの流れる部分の断面積を小さくでき
るため、結晶に供給するガス流速を従来の10倍とする
ことができ、それによってキンクなどの無い極めて平坦
な結晶表面を作製することができる。続けて微量の量子
ドット成分ガスを供給することで半導体デバイスの特性
を飛躍的に向上する量子ドット結晶を成長できる。
BACKGROUND OF THE INVENTION [0001] Field of the Invention The present invention is related to a method of manufacturing a semiconductor crystal dramatically improve the characteristics of semiconductor devices. 2. Description of the Related Art As a conventional example of a quantum well crystal growth apparatus for producing a quantum well structure for confining carriers three-dimensionally while quantum dots confine carriers three-dimensionally, an MOVPE crystal growth apparatus is known. Is shown in FIG. this is,
Reactor 31 and semiconductor single crystal substrate (GaAs, InP)
Etc.) consisting of a graphite susceptor 33 on which 32 is placed, an RF coil 34 for heating the graphite susceptor, and a gas line 35 for flowing a raw material gas into the reaction tube [Ezaki et al .: Superlattice heterostructure device, Industrial Research Institute (1988) 253] . In a conventional MOVPE crystal growth apparatus of FIG. 3, the semiconductor single crystal substrate 32 was placed in the reactor 31, intends row crystal growth by passing a raw material gas into the reactor 31 for heating the graphite susceptor 33. FIG. 4 shows a first conventional example of a crystal growth method of quantum dots. Conventional MOVPE method and MBE method
An AlGaAs layer 41 is grown on the
An As / AlGaAs ultra-thin film crystal and an AlGaAs cap layer 43 are grown (FIG. 4a). Next, a quantum box 44 is formed by etching (FIG. 4B), and a buried layer 45 is grown (FIG. 4C), or GaAs as shown in FIG.
Step 50 of AlGaAs layer 51 grown on substrate 52
Using (FIG. 5A), a GaAs quantum box 53 (FIG. 5B) is produced by alternately supplying two kinds of gases having different compositions, and a buried layer 55 is grown (FIG. 5C). Ezaki et al .: Superlattice heterostructure device, Industrial Research Committee (1988) 464]. However, in the MOVPE apparatus having the above-described structure, the thin-film quantum well structure can be grown, but the reactor tube has a large cross-sectional area and the flow rate of the source gas cannot be increased. No crystals can be obtained.
As a result, crystal growth nuclei cannot be generated uniformly, and it is impossible to grow a quantum dot structure. It will be described in detail. FIG. 6A is an enlarged view of FIG. As shown in FIG. 6A, the growth of the crystal on the substrate involves increasing the temperature of the reactor and flowing the reaction gas into the reactor 31. If the flow rate of this gas is small, the step shown in FIG. In addition, the crystal grows on the terrace 61 of the crystal. Therefore, when the gas flow rate is increased, the crystal grows flat as shown in FIG. That is, in the conventional MOVPE crystal growth apparatus, the cross-sectional area of the reactor is large, the flow rate of the reaction gas cannot be increased, and a flat crystal as shown in FIG. 6 (c) cannot be obtained. Therefore, there is a problem that quantum dots cannot be grown on a flat crystal face. SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above problems, the present invention is directed to a semiconductor in which crystal growth nuclei are uniformly generated over the entire surface of a crystal to form quantum dots.
That provides a method of manufacturing a crystal. Further, in the above-described quantum dot crystal growth method, first, the shape of the quantum dot depends on the etching technique. At present, processing of about 0.1 μm is the limit, and processing of about 10 nm square, which is actually required as a quantum dot, is impossible. At the same time, a good regrowth interface cannot be formed due to damage caused by processing, and good device characteristics cannot be exhibited. In the method of growing the quantum dot structure using the crystal step, the crystal step is obliquely polished on the crystal surface, and then the crystal is grown. It is necessary to form regular steps in the initial state,
If the growth time of the crystal is slightly deviated, quantum dots are not formed. There is a problem that the uniformity and crystallinity of the quantum dot structure are reduced in the course of continuing the crystal growth. In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor crystal capable of uniformly generating crystal growth nuclei on an ultra-flat surface and manufacturing a quantum dot structure. [0010] In order to achieve this object, a method of manufacturing a semiconductor crystal according to the present invention comprises the steps of:
Consists of a reaction tube forming a passage and an outer tube containing the reaction tube
The reactor is a graphite susceptor.
The crystal growth device raises the susceptor.
It has high frequency heating means for heating, susceptor and presser
The source gas is introduced into the reaction tube through the opening formed by
The vertical width of the opening is approximately one tenth of the horizontal width of the opening.
That by using the crystal growth apparatus, through the following steps: the reaction tube
The semiconductor substrate placed inside is brought to the first crystal growth temperature.
And then hold at the first crystal growth temperature
First, the total gas flow rate was set to 40 liters / min or more,
By supplying gas to the semiconductor substrate through the opening,
Ultra flat surface where the surface of the semiconductor substrate is flat at the atomic level
The first step of obtaining a plane, the temperature of the semiconductor substrate is increased to the second crystal growth
After lowering the temperature to the second crystal growth temperature,
Supply the second source gas to the semiconductor substrate through the opening.
In this way, crystal growth nuclei are generated uniformly on the ultra-flat surface.
In the second step of forming quantum dots, the temperature of the semiconductor substrate is
While maintaining the second crystal growth temperature, the third source gas is opened.
By supplying to the semiconductor substrate through the opening, the quantum
Third step of growing a crystal to bury the unit, and a semiconductor
The third crystal whose body substrate temperature is the optimal temperature for crystal growth
Do not hold at the third crystal growth temperature after heating to the growth temperature.
Meanwhile, the fourth source gas is supplied to the semiconductor substrate through the opening.
A fourth step of growing a crystal,
Is approximately 100 ° C. higher than the third crystal growth temperature
In addition, the second crystal growth temperature is about one unit lower than the third crystal growth temperature.
50 ° C lower, unlike the first source gas and the second source gas,
The second source gas and the third source gas are different . The susceptor is arranged so as to surround the crystal substrate, and the distance between the crystal growth substrate and the top plate is set to about 1 mm. The cross section perpendicular to the flow of the gas flow was 10 mm × 1 mm, the total gas flow rate was 40 L (liter) / min, and the growth pressure was 17 to.
By setting it to rr, a flow rate of 300 m / sec was obtained . Further, in order to increase the utilization efficiency of the raw materials due to the low growth pressure, the top plate is made of graphite to improve the gas decomposition efficiency. On the other hand, when contamination of impurities becomes a problem, it is possible to prevent contamination from the susceptor by laying a single crystal substrate similar to a crystal substrate under the top plate. When growing a quantum dot crystal, it is necessary to obtain an ultra-flat surface. In order to obtain this ultra-flat surface, the crystal surface is flattened at the atomic level by the aforementioned quantum dot crystal growth apparatus. This is because, by increasing the gas flow velocity, the capture rate of atoms on the crystal surface decreases with respect to the position of the kink or step, and the generation of crystal nuclei is suppressed, and the steps move one after another to the periphery of the crystal substrate. (FIG. 6
(C)), an ultra-flat surface can be obtained. However, in order to increase the migration rate of atoms on the crystal surface, the growth temperature needs to be about 100 degrees higher than the optimum conditions for crystal growth. Further, it is necessary to use a dislocation-free substrate having no screw dislocation or the like as the crystal substrate. Next, it is necessary to form quantum dots uniformly on the flat surface. To reduce the migration of material atoms of the quantum dots, and the nucleation rate of the flat surface, in order to increase than nucleation rate, the growth of the quantum dots is 1 50 degrees cold Ri by optimal conditions for crystal growth. Here, the quantum well is 1/5 of the thickness of one atomic layer.
Quantum dots can be produced uniformly by performing growth for about a time. Further, a crystal having a composition different from that of the quantum dot and having a band gap larger than that of the quantum dot is grown at a growth temperature equal to that at which the quantum dot was subsequently grown,
Quantum dots can be built into the crystal. FIG. 1 shows an example of a crystal growth apparatus used in the present invention. As shown in FIG. 1, an InP semiconductor crystal substrate 1 is held by a graphite susceptor 2, and the same crystal as the semiconductor crystal substrate 1 is used as a lid 3, and the lid 3 is placed on the susceptor 2 so as to face the substrate 1. Then, it is held by the graphite presser 4 to protect the crystal substrate 1. An opening 5 formed by the susceptor 2 and the presser 4 has a guide pipe 7 through which a raw material gas 6 flows.
Is inserted. The susceptor 2 and the guide tube 7 are shielded from the outside air by an outer tube 8 in order to prevent leakage of the source gas 6. The opening 5 has a height of 1 mm and a width of 10 mm, and the semiconductor crystal substrate 1 of 10 mm × 20 mm can be loaded. [0018] Next, a dynamic <br/> operation of the quantum dot crystal growth apparatus. First, the temperature of the graphite susceptor 2 is increased by high-frequency heating. The gas flow area was set to 10 mm 2 in order to increase the gas flow rate and grow a crystal whose surface was extremely flat at the atomic level. In order to suppress a decrease in the yield of the source gas 6 due to an increase in the flow rate, the substrate 1 was placed in the susceptor 2 and the source gas 6 was supplied. That is, the gas flow area was surrounded by the susceptor 2, all the gases contributed to the growth, and the raw material gas 6 was heated from all sides to improve the gas thermal decomposition efficiency and further improve the yield of the raw material gas 6. In this apparatus, the sectional area through which the source gas passes can be considerably reduced as compared with the conventional crystal growth apparatus. In this apparatus, the gas flow path should be as short as possible in order to prevent an increase in growth pressure due to a small cross-sectional area of the gas flow path. In this case, the distance from the gas mixing section to the crystal substrate was about 50 cm. In order to prevent a rapid decrease in the growth pressure on the crystal, a susceptor is provided so as to extend from the crystal growth part to the gas downstream. The guide tube covers the susceptor to prevent the source gas from leaking from the opening. In order to control the growth pressure, a pressure sensor is installed in the gas supply pipe, and the suction force of the pump is adjusted with a butterfly valve to perform the reduced pressure growth. The susceptor temperature can be raised up to 1000 degrees. FIG . 2 illustrates a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention. Here, a method for manufacturing a semiconductor laser using quantum dots as a semiconductor device will be described. As shown in FIG. 2, the (001) InP substrate 21 was set in the quantum dot crystal growth apparatus described in Embodiment 1, and 50 L / 50 of hydrogen gas 6 containing 200 ccm of PH 3 (40%) was added. min (FIG. 2a). The growth pressure is 17 torr. After raising the temperature of the susceptor 2 and holding it at 740 ° C. for 10 minutes, 200 ccm of PH3 was
I (trimethylindium 1%) is supplied at 20 ccm and the InP crystal 22 is grown to about 10 nm for 5 minutes (FIG. 2).
b). Here, by increasing the gas flow rate, as shown in FIG. 6 (c), the trapping rate of atoms on the crystal surface is reduced with respect to the position of the kink or step, thereby generating crystal nuclei. Is suppressed, and the steps move one after another to the periphery of the crystal substrate to obtain an ultra-flat surface. Next, stop only the supply of TMI lowering the susceptor temperature to 4 90 °. InGaAsP (λg =
(1.4 μm) Prepare quantum dots. In this case, the TMI
5.0 ccm, TEG (1.8%) 2.2 ccm,
The PH 3 20ccm, AsH3 the (10%) 3.0sc
The mixed gas added in cm is added to the hydrogen gas at intervals of 0.5 seconds for 0.8 seconds. Total gas flow is 5
0 L / min. Then, InGa with a side of 3 nm
AsP quantum dots 23 are formed at a pitch of approximately 20 nm (FIG. 2c). Here, the InP crystal 22 is made of InGaAs.
The P quantum dot 23 grows on the flat InP crystal 2
This is because the optimum condition for nucleation of the quantum dot 23 was selected on the second. The optimum conditions for generating the quantum dots 23 are as follows :
Rather about 1 50 degrees lower than the optimum conditions for crystal growth, at that temperature, the raw material atoms of the quantum dots migration is small and because the nucleation rate greater than nucleation rate, In
Quantum dots 23 can be formed on the P crystal 22. Furthermore, the susceptor 4 90 ° 200ccm and TMI a PH 3 as a material gas while holding 20
The ccm is added, and the InP crystal 24 is grown to about 10 nm for 5 minutes, and the quantum dots are embedded (FIG. 2D). The quantum dot manufacturing process and the quantum dot embedding process are repeated 10 times. Finally, the temperature of the susceptor 2 was raised to 640 ° C., and PH 3 was 200 ccm and TMI was 200
ccm and a growth pressure of 100 torr for 5 minutes.
A P crystal 25 is grown to about 100 nm (FIG. 2e). PH 3
The susceptor is cooled while adding 200 ccm to complete the growth. The results of the photoluminescence of the obtained crystals was measured, Enel Gishifuto amount is about 120 meV, the quantum dots effect was confirmed. Although the crystal substrate is placed on the susceptor, even if the crystal is used as a lid, quantum dots are formed. Further, the crystal to be grown is made of InP, but may be made of GaAs or ZnSe. Further, the guide tube may be structured to cover the susceptor in order to prevent the gas from leaking from the joint between the guide tube and the susceptor. As described above, the production of the semiconductor crystal of the present invention
In the method, since the cross-sectional area of the portion where the raw material gas flows can be reduced, the gas flow rate supplied to the crystal can be made ten times that of the conventional method, thereby producing an extremely flat crystal surface without kink or the like. it can. Subsequently, by supplying a small amount of a quantum dot component gas, a quantum dot crystal that dramatically improves the characteristics of a semiconductor device can be grown.

【図面の簡単な説明】 【図1】本発明の第1の実施例における量子ドット結晶
成長装置の構造図 【図2】本発明の第2の実施例における量子ドット構造
の製造工程を示す図 【図3】MOVPE装置の構造を示す図 【図4】エッチングで量子ドット構造の製造工程を示す
製造工程断面図 【図5】結晶のステップを用いて量子ドット構造の製造
工程を示す製造工程断面図 【図6】原料ガスの流速により、基板のステップに結晶
成長する様子の違いを説明するための図 【符号の説明】 1 半導体結晶基板 2 サセプタ 3 蓋 4 押え 5 開口部 6 原料ガス 7 ガイド管 8 外管 21 InP基板 22 InP結晶 23 InGaAsP量子ドット 24 InP結晶 25 InP結晶
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a structural view of a quantum dot crystal growth apparatus according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a view showing a manufacturing process of a quantum dot structure according to a second embodiment of the present invention. FIG. 3 is a view showing a structure of a MOVPE apparatus. FIG. 4 is a manufacturing process sectional view showing a manufacturing process of a quantum dot structure by etching. FIG. 5 is a manufacturing process cross section showing a manufacturing process of a quantum dot structure using a crystal step. FIG. 6 is a diagram for explaining a difference in a state of crystal growth in steps of a substrate depending on a flow rate of a source gas. [Description of References] 1 semiconductor crystal substrate 2 susceptor 3 lid 4 presser 5 opening 6 source gas 7 guide Tube 8 outer tube 21 InP substrate 22 InP crystal 23 InGaAsP quantum dot 24 InP crystal 25 InP crystal

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−134600(JP,A) 特開 平3−159287(JP,A) 特開 平2−7419(JP,A) 特開 平5−62896(JP,A) 特開 平5−251352(JP,A)Continuation of front page       (56) References JP-A-63-134600 (JP, A)                 JP-A-3-159287 (JP, A)                 JP-A-2-7419 (JP, A)                 JP-A-5-62896 (JP, A)                 JP-A-5-251352 (JP, A)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】 【請求項1】 原料ガスの流路を形成する反応管と、前
記反応管を包含する外管とで構成される結晶成長装置で
あって、前記反応管は黒鉛製のサセプタと押えとから構
成され、前記結晶成長装置は前記サセプタを昇温させる
高周波加熱手段を有しており、前記サセプタと前記押え
とで形成される開口部を介して前記原料ガスが前記反応
管内に導入され、前記開口部の縦幅は前記開口部の横幅
の略十分の一である結晶成長装置を用いて、以下の工程
を経て半導体結晶を製造する方法: 前記反応管の内部に設置された半導体基板を第一の結晶
成長温度になるまで昇温した後に前記第一の結晶成長温
度に保持しながら、全ガス流量を40リットル/分以上
として第1原料ガスを前記開口部を介して前記半導体基
板に供給することにより、前記半導体基板の表面が原子
レベルで平坦である超平坦面を得る第1工程、 前記半導体基板の温度を第二の結晶成長温度に降温した
後に前記第二の結晶成長温度に保持しながら、第2原料
ガスを前記開口部を介して前記半導体基板に供給するこ
とにより、前記超平坦面に均一に結晶成長核を発生させ
て量子ドットを形成する第2工程、 前記半導体基板の温度を前記第二の結晶成長温度に保持
しながら、第3原料ガスを前記開口部を介して前記半導
体基板に供給することにより、前記量子ドットを埋め込
む結晶を成長させる第3工程、および 前記半導体基板の温度を結晶成長に最適な温度である第
三の結晶成長温度に昇温した後に前記第三の結晶成長温
度に保持しながら、第4原料ガスを前記開口部を介して
前記半導体基板に供給することにより、結晶を成長する
第4工程を有し、 前記第一の結晶成長温度は前記第三の結晶成長温度より
略100℃高く、 前記第二の結晶成長温度は前記第三の結晶成長温度より
略150℃低く、 前記第1原料ガスと前記第2原料ガスとは異なり、 前記第2原料ガスと前記第3原料ガスとは異なる、半導
体結晶を製造する方法
(57) [Claims] [Claim 1] A reaction tube forming a flow path of a source gas,
A crystal growth apparatus consisting of an outer tube including the reaction tube
The reaction tube is composed of a graphite susceptor and a presser.
And the crystal growth apparatus raises the temperature of the susceptor
High frequency heating means, the susceptor and the presser
Reacts with the source gas through the opening formed by
Introduced into the tube, the vertical width of the opening is the horizontal width of the opening
The following steps were performed using a crystal growth apparatus
For producing a semiconductor crystal via the following: a semiconductor substrate placed inside the reaction tube is first crystallized.
After raising the temperature to the growth temperature, the first crystal growth temperature
While maintaining the total gas flow rate at least 40 liters / min
The first source gas is supplied to the semiconductor substrate through the opening.
By supplying the semiconductor substrate, the surface of the semiconductor substrate becomes atomic.
A first step of obtaining an ultra-flat surface that is flat at the level, and lowering the temperature of the semiconductor substrate to a second crystal growth temperature.
While maintaining the second crystal growth temperature later, the second raw material
Supplying gas to the semiconductor substrate through the opening;
With this, crystal growth nuclei are uniformly generated on the ultra-flat surface.
A second step of forming quantum dots by heating, maintaining the temperature of the semiconductor substrate at the second crystal growth temperature
While the third source gas is being introduced into the semiconductor through the opening,
The quantum dots are embedded by supplying the quantum dots to the
A third step of growing a crystal, and setting the temperature of the semiconductor substrate to a temperature optimum for crystal growth.
After raising the temperature to the third crystal growth temperature, the third crystal growth temperature
While holding the fourth raw material gas through the opening.
Crystal is grown by supplying to the semiconductor substrate
A fourth step, wherein the first crystal growth temperature is higher than the third crystal growth temperature.
About 100 ° C. higher, wherein the second crystal growth temperature is higher than the third crystal growth temperature.
Approximately 150 ° C. lower, the first source gas and the second source gas are different, and the second source gas and the third source gas are different.
A method for producing body crystals .
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