JPH01179312A - 3‐5族化合物半導体の気相成長方法 - Google Patents
3‐5族化合物半導体の気相成長方法Info
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- JPH01179312A JPH01179312A JP94188A JP94188A JPH01179312A JP H01179312 A JPH01179312 A JP H01179312A JP 94188 A JP94188 A JP 94188A JP 94188 A JP94188 A JP 94188A JP H01179312 A JPH01179312 A JP H01179312A
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
(産業上の利用分野)
本発明はIILV族化合物半導体の気相成長方法に係る
ものであり、特に低温で高品質なエピタキシャル膜を形
成するIII −V族化合物半導体気相成長技術に関す
るものである。
ものであり、特に低温で高品質なエピタキシャル膜を形
成するIII −V族化合物半導体気相成長技術に関す
るものである。
(従来の技術)
III e V族化合物半導体のエピタキシャル成長層
は発光ダイオード、レーザーダイオードなどの光デバイ
スや、FETなとの高速デバイス等に広く応用されてい
る。さらに最近では、デバイス性能を向上させるために
数〜数十人の薄膜半導体を積み重ねた微細な構造が要求
されている。たとえば、量子井戸構造を持つし・−ザダ
イオードでは駆動電流の低減や温度特性の向上、また発
振波長の短波長化が可能である。また二次元電子ガスを
利用したFETなとは、高速低雑音デバイスとして期待
されている。
は発光ダイオード、レーザーダイオードなどの光デバイ
スや、FETなとの高速デバイス等に広く応用されてい
る。さらに最近では、デバイス性能を向上させるために
数〜数十人の薄膜半導体を積み重ねた微細な構造が要求
されている。たとえば、量子井戸構造を持つし・−ザダ
イオードでは駆動電流の低減や温度特性の向上、また発
振波長の短波長化が可能である。また二次元電子ガスを
利用したFETなとは、高速低雑音デバイスとして期待
されている。
これらの薄膜エピタキシャル成長法としては、有機金属
気相成長法(MOCVD法)やハロゲン輸送法などのガ
スを用いる気相成長法(VPE法)、また高真空中での
元素のビームを飛ばして成長を行う分子線エピタキシャ
ル成長法(MBE法)が知られている。
気相成長法(MOCVD法)やハロゲン輸送法などのガ
スを用いる気相成長法(VPE法)、また高真空中での
元素のビームを飛ばして成長を行う分子線エピタキシャ
ル成長法(MBE法)が知られている。
この中で特に有機金属気相成長法(MOCVD法)は装
置が比較的安価で一度に多数の基板を処理できるため、
量産技術として最も期待されている。
置が比較的安価で一度に多数の基板を処理できるため、
量産技術として最も期待されている。
ところで、MOCVD法では通常v挨原料としてアルシ
ン(AsH3)、ホスフィン(PH3)などのV放水素
化物を用いるが、これらは極めて毒性が強く危険である
ため、安全対策を厳重にする必要があるなど取扱上極め
て不便である。
ン(AsH3)、ホスフィン(PH3)などのV放水素
化物を用いるが、これらは極めて毒性が強く危険である
ため、安全対策を厳重にする必要があるなど取扱上極め
て不便である。
また、MOCVD法では通常600°C〜700°Cと
成長温度が高いが、薄膜半導体を積み重ねた構造をデバ
イスに用いる場合、高温での熱処理による構成原子どう
しの相互拡散がしばしば問題となる。たった今成長した
ばかりの微細な層構造がその上層の成長中に次々熱拡散
によって壊れてしまうことがあり、同様の理由で急峻な
不純物プロファイルも得にくい。もっと低温の少なくと
も600°C以下で成に500’Cではほとんど分解し
ない。このため低温成長時にV族原子の供給効率が低く
なり、成長膜の膜質低下につながる。
成長温度が高いが、薄膜半導体を積み重ねた構造をデバ
イスに用いる場合、高温での熱処理による構成原子どう
しの相互拡散がしばしば問題となる。たった今成長した
ばかりの微細な層構造がその上層の成長中に次々熱拡散
によって壊れてしまうことがあり、同様の理由で急峻な
不純物プロファイルも得にくい。もっと低温の少なくと
も600°C以下で成に500’Cではほとんど分解し
ない。このため低温成長時にV族原子の供給効率が低く
なり、成長膜の膜質低下につながる。
これらの理由から、アルシン、ホスフィンと比べると分
解温度が低い■族有機化合物、例えばトリエチルアルシ
ン(TEAs)、トリエチルホスフィン(TEP)等を
V族原料として用いる試みが近年多くなされるようにな
った。V族有機化合物は、毒性もずっと弱く、また液体
であるため高圧ボンベも必要ないため、アルシン、ホス
フィンに代る原料として期待される。しかし■族有機化
合物を原料とした成長では、成長膜にカーボンが非常に
多く取り込まれる。通常のMOCVDでは基板部分のみ
を加熱しているが、基板上の境界層中での原料の分解が
完全ではないため一部未分解のまま基板表面に到達する
ためとかんかえられる。
解温度が低い■族有機化合物、例えばトリエチルアルシ
ン(TEAs)、トリエチルホスフィン(TEP)等を
V族原料として用いる試みが近年多くなされるようにな
った。V族有機化合物は、毒性もずっと弱く、また液体
であるため高圧ボンベも必要ないため、アルシン、ホス
フィンに代る原料として期待される。しかし■族有機化
合物を原料とした成長では、成長膜にカーボンが非常に
多く取り込まれる。通常のMOCVDでは基板部分のみ
を加熱しているが、基板上の境界層中での原料の分解が
完全ではないため一部未分解のまま基板表面に到達する
ためとかんかえられる。
これを改良したのが雑誌「アプライド・フィジクス・レ
ター(Appl、 Phys、 1etL) J第50
巻第19号(1987年5月)の第1386−1387
項に説明されているV族有機金る。800〜900°C
に保たれたグラファイトバッフルでV族有機金属原料の
みを分解し、その下流の短い低温域でIII族有機金属
原料を混合して基板上へ供給し成長をおこなった。
ター(Appl、 Phys、 1etL) J第50
巻第19号(1987年5月)の第1386−1387
項に説明されているV族有機金る。800〜900°C
に保たれたグラファイトバッフルでV族有機金属原料の
みを分解し、その下流の短い低温域でIII族有機金属
原料を混合して基板上へ供給し成長をおこなった。
(発明が解決しようとする問題点)
III + V族化合物半導体薄膜のエピタキシャル成
長法において、上記の従来技術の問題点を考えてみる。
長法において、上記の従来技術の問題点を考えてみる。
前記V族有機金属原料を前分解する方法ではIII族有
機金属原料の方は分解していない。この理由は、III
族有機金属原料として用いたトリメチルガリウム(TM
G)は、分解すると蒸気圧の極めて低い金属ガリウムと
なり、基板上へ到達する前に析出してしまうためである
。また、その雰囲気にヒ素があれば気相中でGaAs核
成長が起こってしまう。
機金属原料の方は分解していない。この理由は、III
族有機金属原料として用いたトリメチルガリウム(TM
G)は、分解すると蒸気圧の極めて低い金属ガリウムと
なり、基板上へ到達する前に析出してしまうためである
。また、その雰囲気にヒ素があれば気相中でGaAs核
成長が起こってしまう。
そのためV族原料の分解域の下流にIII族有機金属原
料との低温混合域を設けているのだが、一方V族金属は
室温で蒸気圧をほとんど持たないため、V族原料の分解
物であるヒ素は下流の低温湯V族原料のみを分解するこ
とが要求されるため、反応系も極めて複雑になってしま
う。これはトリエチルガリウム(TEG)等を用いても
同様である。
料との低温混合域を設けているのだが、一方V族金属は
室温で蒸気圧をほとんど持たないため、V族原料の分解
物であるヒ素は下流の低温湯V族原料のみを分解するこ
とが要求されるため、反応系も極めて複雑になってしま
う。これはトリエチルガリウム(TEG)等を用いても
同様である。
ところで、低温ではIII族有機金属原料の分解率も低
下するため、III族原料からのカーボン汚染も増大す
る。したがって、このことからもV族原料のみならずI
II族原料も基板上へ供給する前に十分に分解してやる
方が好ましい。
下するため、III族原料からのカーボン汚染も増大す
る。したがって、このことからもV族原料のみならずI
II族原料も基板上へ供給する前に十分に分解してやる
方が好ましい。
本発明の目的はこのような従来技術の欠点を克服し、低
温で高品質なエピタキシャル膜を形成するIII +
V族化合物半導体気相成長技術を提供することにある。
温で高品質なエピタキシャル膜を形成するIII +
V族化合物半導体気相成長技術を提供することにある。
(問題点を解決するための手段)
本発明によればIII族元素の有機揮発性化合物と■族
元素の揮発性化合物を基板上に供給することによるII
LV族化合物半導体のエピタキシャル成長方法において
、上記IIIIII有機金属原料にハロゲン化水素ガス
を混合後、反応管中で、上記基板結晶」二に導入する前
に該混合ガスを分解させてから該基板結晶」二に供給す
ることを特徴とするIILV族化合物半導体の気相成長
方法かえられる。
元素の揮発性化合物を基板上に供給することによるII
LV族化合物半導体のエピタキシャル成長方法において
、上記IIIIII有機金属原料にハロゲン化水素ガス
を混合後、反応管中で、上記基板結晶」二に導入する前
に該混合ガスを分解させてから該基板結晶」二に供給す
ることを特徴とするIILV族化合物半導体の気相成長
方法かえられる。
(作用)
III族有機金属原料として3つのアルキル基をもつト
リメチルガリウム(TMG)やトリエチルガリウム(T
EG)等を用いた場合には、これらは分解すると蒸気圧
の極めて低い金属ガリウムとなり、基板上へ到達する前
に析出してしまう。また、その雰囲気にヒ素があれば気
相中でGaAs核成長が起こってしまう。
リメチルガリウム(TMG)やトリエチルガリウム(T
EG)等を用いた場合には、これらは分解すると蒸気圧
の極めて低い金属ガリウムとなり、基板上へ到達する前
に析出してしまう。また、その雰囲気にヒ素があれば気
相中でGaAs核成長が起こってしまう。
これに対してトリメチルガリウム(TMG)やトリエチ
ルガリウム(TEG)等のIII族有機金属原料ガスに
ハロゲン化水素ガス、たとえば塩化水素(MCI)ガス
を混合後十分分解してやると、モノハロゲン化金属、す
なわちGaC1が生成する。このGaC1は、通常用い
られる約300°C以上、900°C程度までの成長温
度範囲では気相中で安定であり、析出することなく基板
上へ到達する。また、その雰囲気にヒ素があっても吸着
反応サイトを持つGaAs基板がないかぎり、 GaC1+ 1/4As4+ 1/2H2→GaAs
+ HCIの反応は進行せず過飽和状態を保つため、気
相中でのGaAsの核成長や、反応管壁への成長は起こ
らない。
ルガリウム(TEG)等のIII族有機金属原料ガスに
ハロゲン化水素ガス、たとえば塩化水素(MCI)ガス
を混合後十分分解してやると、モノハロゲン化金属、す
なわちGaC1が生成する。このGaC1は、通常用い
られる約300°C以上、900°C程度までの成長温
度範囲では気相中で安定であり、析出することなく基板
上へ到達する。また、その雰囲気にヒ素があっても吸着
反応サイトを持つGaAs基板がないかぎり、 GaC1+ 1/4As4+ 1/2H2→GaAs
+ HCIの反応は進行せず過飽和状態を保つため、気
相中でのGaAsの核成長や、反応管壁への成長は起こ
らない。
以上のように、III族有機金属原料ガスにハロゲン化
水素ガスを混合しておけば、基板結晶上に供給する前に
、200°C以上9008C以下に独立に温度制御され
た分解領域中で、III族およびV族原料ガスを一緒に
分解しておくことができるため、低温でも高品質なエピ
タキシャル膜を形成するIII −V族化合物半導体気
相成長方法を実現できる。
水素ガスを混合しておけば、基板結晶上に供給する前に
、200°C以上9008C以下に独立に温度制御され
た分解領域中で、III族およびV族原料ガスを一緒に
分解しておくことができるため、低温でも高品質なエピ
タキシャル膜を形成するIII −V族化合物半導体気
相成長方法を実現できる。
(実施例)
以下、本発明の実施例について図面を参照して詳細に説
明する。
明する。
第1図は本発明を実施するための装置の一例を示T構成
図である。この成長装置を用いてGaAsの成長を行な
った。反応容器1の中に石英サセプタ2があり、この上
に基板結晶3が置かれている。反応容器1の外側には抵
抗加熱または赤外線ランプ加熱袋およびその上流の分解
領域の二つに分けて独立に加熱することができる。分解
領域の反応容器1には合成石英製の窓6があり、重水素
ランプ7の光が導入できるようになっている。また8〜
14がガス導入系統で、8.9.10.11が原料ガス
を発生するそれぞれAsH3ガスボンベ、TEAsバブ
ラ、HCIガスボンベ、TEGバブラであり、12がキ
ャリアとなるH2ガスである。それぞれのガスは流量制
御装置13とバルブ14を介して反応容器1に導入され
る。
図である。この成長装置を用いてGaAsの成長を行な
った。反応容器1の中に石英サセプタ2があり、この上
に基板結晶3が置かれている。反応容器1の外側には抵
抗加熱または赤外線ランプ加熱袋およびその上流の分解
領域の二つに分けて独立に加熱することができる。分解
領域の反応容器1には合成石英製の窓6があり、重水素
ランプ7の光が導入できるようになっている。また8〜
14がガス導入系統で、8.9.10.11が原料ガス
を発生するそれぞれAsH3ガスボンベ、TEAsバブ
ラ、HCIガスボンベ、TEGバブラであり、12がキ
ャリアとなるH2ガスである。それぞれのガスは流量制
御装置13とバルブ14を介して反応容器1に導入され
る。
キャリアガスとしてH2を7e/min流し、基板設置
領域を400〜600’C1分解領域を400〜900
°Cに加熱した。必要に応じて重水素ランプ7の光を分
解領域に照射した。このとき反応容器内に4.5tor
rの分圧のAsH3またはTEAsを供給しておいた。
領域を400〜600’C1分解領域を400〜900
°Cに加熱した。必要に応じて重水素ランプ7の光を分
解領域に照射した。このとき反応容器内に4.5tor
rの分圧のAsH3またはTEAsを供給しておいた。
しかる後に2X10−1torrの分圧のHCIとlX
l0−1torrの分圧のTEGを60m1n供給しG
aAsを〜2pm成長した。
l0−1torrの分圧のTEGを60m1n供給しG
aAsを〜2pm成長した。
TEAsをV族原料とした場合、分解領域の温度と基板
温度(基板設置領域)をともに450°Cとしかつ光を
照射しない時、すなわちあらかじめ原料ガスを積極的に
分解しない時の成長膜は、p型伝導を示し、ホール濃度
は3×1018cm−3であった。この試料の77Kに
おけるフォトルミネッセンススペクトルはカーボンアク
セプタに起因する弱い発光のみが見られた。一方、分解
領域の温度を800°Cとし、基板温度は450°C1
かつ光は照射しない時には、p型ではあるがホール濃度
は9 X 10110l6まで下がった。
温度(基板設置領域)をともに450°Cとしかつ光を
照射しない時、すなわちあらかじめ原料ガスを積極的に
分解しない時の成長膜は、p型伝導を示し、ホール濃度
は3×1018cm−3であった。この試料の77Kに
おけるフォトルミネッセンススペクトルはカーボンアク
セプタに起因する弱い発光のみが見られた。一方、分解
領域の温度を800°Cとし、基板温度は450°C1
かつ光は照射しない時には、p型ではあるがホール濃度
は9 X 10110l6まで下がった。
次に分解領域の温度と基板温度をともに450°Cとし
かつ重水素ランプの光を照射した。この時得られた成長
膜はやはりp型ではあるがホール濃度は5 X 101
10l7であった。そこで分解領域の温度を800°C
とし、かつ重水素ランプの光を照射した結果n型でエレ
クトロン濃度2X1016cm−3と純度のかなり高い
ものが得られた。これらの成長で基板結晶より上流の反
応容器内壁には析出物は認められず、また得られた膜は
すべて鏡面であった。
かつ重水素ランプの光を照射した。この時得られた成長
膜はやはりp型ではあるがホール濃度は5 X 101
10l7であった。そこで分解領域の温度を800°C
とし、かつ重水素ランプの光を照射した結果n型でエレ
クトロン濃度2X1016cm−3と純度のかなり高い
ものが得られた。これらの成長で基板結晶より上流の反
応容器内壁には析出物は認められず、また得られた膜は
すべて鏡面であった。
AsH3を■族原料とした場合、分解領域の温度、基板
温度をともに450°Cとしかつ光を照射しない時の成
長膜は、p型伝導を示し、ホール濃度は5 X 101
7cm−3であった。この試料も77Kにおける取り込
まれていることがわかった。一方、分解領域の温度を8
00°Cとし、基板温度は450°C1かつ重水素ラン
プの光を照射した結果n型でエレクトロン濃度3X10
15am−3と非常に高純度の結晶が得られた。これら
の成長でも基板結晶より上流の反応容器内壁には析出物
は認められず、また得られた膜はすべて鏡面であった。
温度をともに450°Cとしかつ光を照射しない時の成
長膜は、p型伝導を示し、ホール濃度は5 X 101
7cm−3であった。この試料も77Kにおける取り込
まれていることがわかった。一方、分解領域の温度を8
00°Cとし、基板温度は450°C1かつ重水素ラン
プの光を照射した結果n型でエレクトロン濃度3X10
15am−3と非常に高純度の結晶が得られた。これら
の成長でも基板結晶より上流の反応容器内壁には析出物
は認められず、また得られた膜はすべて鏡面であった。
以上から明らかなように、III族有機金属原料ガスに
ハロゲン化水素ガスを混合しておくことによって、II
I族およびV族原料ガスをあらかじめ加熱または光照射
によって分解してから基板結晶上に供給しても、途中で
の析出や気相核成長による供給効率の低下や結晶性の低
下はなく、成長膜へのカーボン不純物の取り込みを1〜
2桁低減させる事ができることが示された。また同様の
結果はTMIn + HCIとTEPまたはPH3を用
いたInPの成長でも得られる。さらにAlと反応しや
すい石英部品をSiCコートしたりカーボン製にかえれ
ばTMAI+HCIとAsH3またはTEAsを用いた
AlAsの成長などでも同様の結果が得られ、これらの
例に限らず混晶も含み広< IILV族化合物半導体の
成長に本発明を適用することができる。III族有機金
属化合物を構成するアルキル基としては他のアルキル基
でもよく分解脱離が容易であるほど良い。V族有機金属
原料についても他のアルキル基を持つものやアルキル基
の一部を水素で置き換えたような物でも良い。光照射に
用いる光源としてはエキシマレーザ−でもよく、反応容
器としてカーボン管を使用した場合、加熱手段として高
周波を使っても良い。
ハロゲン化水素ガスを混合しておくことによって、II
I族およびV族原料ガスをあらかじめ加熱または光照射
によって分解してから基板結晶上に供給しても、途中で
の析出や気相核成長による供給効率の低下や結晶性の低
下はなく、成長膜へのカーボン不純物の取り込みを1〜
2桁低減させる事ができることが示された。また同様の
結果はTMIn + HCIとTEPまたはPH3を用
いたInPの成長でも得られる。さらにAlと反応しや
すい石英部品をSiCコートしたりカーボン製にかえれ
ばTMAI+HCIとAsH3またはTEAsを用いた
AlAsの成長などでも同様の結果が得られ、これらの
例に限らず混晶も含み広< IILV族化合物半導体の
成長に本発明を適用することができる。III族有機金
属化合物を構成するアルキル基としては他のアルキル基
でもよく分解脱離が容易であるほど良い。V族有機金属
原料についても他のアルキル基を持つものやアルキル基
の一部を水素で置き換えたような物でも良い。光照射に
用いる光源としてはエキシマレーザ−でもよく、反応容
器としてカーボン管を使用した場合、加熱手段として高
周波を使っても良い。
(発明の効果)
以上のように本発明によれば、独立に温度制御され、ま
たは光が照射された分解領域中でIII族およびV挨原
料ガスを分解しておき、しかる後に基板結晶上に供給す
ることができるため、低温でも高品質なエピタキシャル
膜を形成するIILV族化合物半導体気相成長方法が実
現でき、発明の効果が示された。
たは光が照射された分解領域中でIII族およびV挨原
料ガスを分解しておき、しかる後に基板結晶上に供給す
ることができるため、低温でも高品質なエピタキシャル
膜を形成するIILV族化合物半導体気相成長方法が実
現でき、発明の効果が示された。
第1図は本発明の方法を実施するための装置の一例を示
す構成図である。 1−反応容器、2−石英サセプタ、3一基板結晶、4,
5−抵抗または赤外線ランプ加熱装置、6−合成石英製
の窓、7−重水素ランプ、8−AsH3ガスボンベ、9
−TEAsバブラ、1O−HCIガスボンベ、1l−T
EGaバブラ、12−キャリアH2ガス、13−流量制
御装置、14−バルブ。
す構成図である。 1−反応容器、2−石英サセプタ、3一基板結晶、4,
5−抵抗または赤外線ランプ加熱装置、6−合成石英製
の窓、7−重水素ランプ、8−AsH3ガスボンベ、9
−TEAsバブラ、1O−HCIガスボンベ、1l−T
EGaバブラ、12−キャリアH2ガス、13−流量制
御装置、14−バルブ。
Claims (3)
- (1)III族元素の有機金属原料ガスとV族原料ガスを
基板上に供給することによるIII−V族化合物半導体の
エピタキシャル成長方法において、上記III族有機金属
原料ガスにハロゲン化水素ガスを混合後、反応管中で、
上記基板結晶上に導入する前に該混合ガスを分解させて
から該基板結晶上に供給することを特徴とするIII−V
族化合物半導体の気相成長方法。 - (2)前記V族原料がV族水素化物またはV族有機金属
化合物であることを特徴とする特許請求の範囲第1項の
化合物半導体の気相成長方法。 - (3)前記分解させる手段が光照射または加熱またはそ
の両方であることを特徴とする特許請求の範囲第1項の
化合物半導体の気相成長方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP94188A JPH01179312A (ja) | 1988-01-05 | 1988-01-05 | 3‐5族化合物半導体の気相成長方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP94188A JPH01179312A (ja) | 1988-01-05 | 1988-01-05 | 3‐5族化合物半導体の気相成長方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH01179312A true JPH01179312A (ja) | 1989-07-17 |
Family
ID=11487699
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP94188A Pending JPH01179312A (ja) | 1988-01-05 | 1988-01-05 | 3‐5族化合物半導体の気相成長方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH01179312A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH03250623A (ja) * | 1990-02-28 | 1991-11-08 | Nec Corp | 3―5族化合物半導体の気相成長方法 |
-
1988
- 1988-01-05 JP JP94188A patent/JPH01179312A/ja active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH03250623A (ja) * | 1990-02-28 | 1991-11-08 | Nec Corp | 3―5族化合物半導体の気相成長方法 |
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