JP3714486B2 - 化合物半導体の気相成長法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、積層構造を有する化合物半導体の気相成長法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の結晶成長において、ＩＩＩ族原子原料とＶ族原子原料と共に、ｎ型もしくはｐ型の不純物となる原料を添加して気相成長することで、それぞれｎ型もしくはｐ型の導電形となったＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の結晶を成長できる。
従来、この、ｎ型，ｐ型それぞれの伝導型を実現するための添加物として、ＩＩＩ族，ＩＶ族，ＶＩ族の原子が広く用いられてきた。
中でも、ＩＶ族原子である炭素（Ｃ）は、結晶中での拡散定数が小さく高濃度ドーピングが可能であるなどの特徴を有していることから、近年ｐ型ドーパントとして注目を集めている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、一般的に、ＩＶ族元素は両性的な性質をしており、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の成長条件によっては、ｐ型にもｎ型にもなり得る。
すなわち、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の結晶成長において、炭素をドーピングした場合、ＩＩＩ族元素のサイトとなりドナーとして働く場合と、Ｖ族元素のサイトとなりアクセプターとして働く場合とがある。
このため、アクセプターとして働かせるようにドーピングしていても、ドナーとしてドーピングされてしまう状態、すなわち補償比が増大した状態となり、ドーピングした炭素原子のアクセプターの状態の量とドナーの状態の量とが近接してしまうことがある。
この結果、キャリア濃度が低下したり、所望の導電形が得られないという問題があった。
【０００４】
例えば、近年、超高速素子用材料として注目されている、３元系のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であるＩｎＧａＡｓ中へ炭素ドーピングを行う場合、炭素の両性的性質が顕著に現れる。
このため、このＩｎＧａＡｓの成長において、所望の性能を得るためにＩｎの組成比を増大させると、上述した補償比が増大し、キャリア（正孔）濃度が急激に低下してしまうという問題があった。
【０００５】
この発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、炭素不純物の取り込み効率を増大させて、ｐ型の導電形となった３元系の化合物半導体を気相成長できるようにすることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明の化合物半導体の気相成長法は、基板上に炭素が不純物として導入される化合物半導体層を結晶成長させる化合物半導体の気相成長法において、化合物半導体層を形成する基体の主表面が、（１００）面もしくはこの（１００）面と等価な面から、［０１１］方向もしくはこの［０１１］方向と等価な方向へ、２０度ないし６０度の範囲に傾けた面方位となっており、炭素をｐ型の不純物としてドーピングでき、キャリア濃度の低下を抑制できることを特徴とする。また、化合物半導体層は少なくとも３元系のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であることを特徴とする。
【０００７】
【作用】
不純物として導入される炭素は、ｐ型のドーパントとして作用する。
【０００８】
【実施例】
以下この発明の１実施例を図を参照して説明する。
図１は、この発明の１実施例におけるキャリア（正孔）の濃度とＩｎの組成比との関係を示す相関図である。
この実施例では、炭素をドープするＩｎＧａＡｓの結晶成長に関し、Ｇａの原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧａ），Ｉｎの原料としてトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ），Ａｓの原料としてアルシン（ＡｓＨ₃ ）を用いた。
また、ドープする炭素のソースとしては四臭化炭素（ＣＢｒ₄ ）を用いた。
【０００９】
そして、この場合、四臭化炭素の供給流量は一定とし、結晶成長の温度は５１０℃とした。
使用したＩｎＰ基板の面方位は、（１００）面から［０１１］方向へ約２５．２度傾けた（３１１）Ａ面である。なお、ＧａＡｓ基板を用いるようにしても良い。
また、これに対する従来の例として、面方位（１００）のＩｎＰ基板上にも、上述と同様にＩｎＧａＡｓの結晶を成長させた。
【００１０】
ここで、成長させているＩｎＧａＡｓ層のＩｎの組成を変化させると、図１に示すように、面方位が（１００）の基板でも（３１１）Ａの基板でも、Ｉｎ組成比の増大にともない、キャリア濃度は低下している。
しかし、Ｉｎの組成比（ｘ）が０．２以上で、面方位が（３１１）Ａの基板では、図中「○」で示すように、図中「△」で示す面方位が（１００）の基板の場合に比較して、キャリア濃度の低下が少なく、炭素のドーピング効率が数倍程度改善されることが分かる。
【００１１】
例えば、通常良く用いられるＩｎの組成が０．５３程度では、キャリア濃度は４倍であり、すなわち、炭素のドーピング効率が４倍となる。
この現象は、炭素原子と結晶を構成する各原子との結合力が、Ｇａ＞Ａｓ＞Ｉｎという関係になっていることに起因している。
【００１２】
炭素原子は、ＩｎＧａＡｓ結晶中でＩｎやＧａのＩＩＩ族原子と結合を作ること、すなわち、Ｖ族原子であるＡｓサイトとなることでｐ型不純物となる。
ここで、表面がほぼＡｓで覆われている（１００）基板を用いた場合、成長させる結晶中のＩｎ組成比を増大させると、炭素原子とＡｓとの結合確率が増大し、ｐ型不純物のドーピングによるキャリア濃度が急激に低下してしまう。
これに対して、（３１１）Ａ基板では、未結合のボンドを持つＩＩＩ族原子が基板表面に高密度に存在しているため、炭素原子とＩＩＩ族原子との結合確率が一定の割合で高く保たれ、ｐ型不純物のドーピングによるキャリア濃度の低下が抑制されるためと考えられる。
【００１３】
発明者らは、以上の効果が基板の面方位や成長させる結晶の組成と深い関係にあると考え、注意深く検討を行った結果、それらのことは、（１００）面より［０１１］方向へ約５４．７度傾けた（１１１）Ａ面から（３１１）Ａ面までと、これらの面から微傾斜した面方位の基板、または、これらと等価な面の基板を用いた場合に得られる効果であることを確認した。
すなわち、結晶を成長する基板の面方位が（１００）面、または、これと等価な面から、［０１１］方向またはこれと等価な方向へ、２０ないし６０度の範囲で同様に得られることを確認した。
【００１４】
本実施例では、ドープする炭素の原料として四臭化炭素を用いたが、この他、ＴＭＧａ，トリメチルアルシン（ＴＭＡｓ），トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ），四塩化炭素（ＣＣｌ₄ ）などを用いる場合でも同様である。
また、Ｇａの原料としてトリメチルガリウムを用いるようにしたが、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）を用いても良く、またＩｎの原料としてはトリエチルインジウム（ＴＥＩｎ）であっても良い。
また、Ａｓの原料としては、トリメチルアルシン（ＴＭＡｓ），トリエチルアルシン（ＴＥＡｓ），ターシャリーブチルアルシン（ＴＢＡｓ）などを用いるようにしても良い。
【００１５】
ところで、上記実施例においては、ＩｎＧａＡｓを結晶成長する場合について説明したが、これに限るものではなく、ＩｎＡｌＡｓやＩｎＧａＡｓＰを結晶成長する場合でも同様である。
すなわち、Ｉｎ_x Ａｌ_y Ｇａ_1-x-y Ａｓ_1-z Ｐ_z （０．２≦ｘ≦０．８、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦０．５）の結晶成長をする場合、同様な効果が得られる。
この場合、Ａｌの原料としては、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ），トリエチルアルミニウム（ＴＥＡｌ）などを用いれば良く、Ｐの原料としてはフォスフィン（ＰＨ₃ ）やターシャリーブチルフォスフィン（ＴＢＰ）などを用いるようにすればよい。また、上記構成にＳｂを加えても良い。
【００１６】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、３元系のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を結晶成長させる基板の面方位を、（１００）面もしくはこの（１００）面と等価な面から、［０１１］方向もしくはこの［０１１］方向と等価な方向へ、２０度ないし６０度の範囲に傾けた状態とするようにした。
このため、炭素をｐ型の不純物として効率よくドーピングでき、キャリア濃度の低下を抑制できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の１実施例における不純物の濃度とＩｎの組成比との関係を示す相関図である。

Claims (2)

1. 基板上に炭素が不純物として導入される化合物半導体層を結晶成長させる化合物半導体の気相成長法において、
   前記化合物半導体層を形成する基体の主表面が、（１００）面もしくはこの（１００）面と等価な面から、［０１１］方向もしくはこの［０１１］方向と等価な方向へ、２０度ないし６０度の範囲に傾けた面方位となっており、
   炭素をｐ型の不純物としてドーピングでき、キャリア濃度の低下を抑制できる
   ことを特徴とする化合物半導体の気相成長法。
2. 請求項１記載の化合物半導体の気相成長法において、
   前記化合物半導体層は少なくとも３元系のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であることを特徴とする化合物半導体の気相成長法。

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