JPH02203518A - 化合物半導体の気相成長方法およびその装置 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は化合物半導体の気相成長方法およびそれを行う
ための装置に関するものである。

［従来の技術］ ■−ｖ族化合物半導体の成長技術は超薄膜成長を可能と
し、近年単分子層単位の成長をも可能にしてきた。それ
に伴い、超薄膜を積層した超格子構造や量子井戸構造を
有するデバイスが各所で検討されている。更には異種の
化合物半導体の単分子層を交互に積層したような単分子
層超格子も製作されるようになり、新たな物性が期待さ
れている。

上記超格子構造を成長する方法としては、例えば有機金
属気相成長方法（ＭＯＣＶＤ法）や分子線エピタキシャ
ル法（ＭＢＥ法）がある。しかし、これらの成長方法は
成長速度を原料供給量や成長時間によって精密に制御す
る必要がおり、単分子層レベルで高い制御精度を得るの
は困難であった。

そこで近年、単分子層単位での成長を可能とした原子層
エピタキシャル法（ＡＬＥ法）が開発され、注目を集め
ている。この方法は、化合物半導体の構成元素、あるい
はその元素を含むガス種を交互に基板結晶表面に供給す
ることにより単分子層単位で成長層を積層し、所望の化
合物半導体結晶を成長させようとするものである。この
方法によると、膜厚の制御のためには、従来の原料ガス
流量や供給時間で成長速度を制御する方法とは異なり、
ガスの切り替え回数を制御すればよいことになる。

一方、ＡＬＥ法は一分子層ごとの成長であることから、
成長速度の高速化が大きな問題となっている。近年、比
較的成長速度が高速なＡＬＥ法が報告されている。その
一つはアプライド・フィジックス・レターズ（Ａｐｐｌ
、　Ｐｈｙｓ、　Ｌｅｔｔ、　）　５２巻。

１９８８年、２７〜２９頁に記されており、他の一つは
ジャパニーズ・ジャーナル・アプライド・フィジックス
（Ｊｌ）ｎ、　Ｊ、　Ａｔ）ｌ）１．　ＰｈＶＳ、＞　
２７巻、　１９８８年。

［４９０〜［４９２頁に記されている。

そのうち、第１の方法による気相成長装置は、横型反応
管構造のＭＯＣＶＤ装置と同様な装置である。例えばＧ
ａＡＳの成長に際しての成長法は、■族原料ガスとして
ジエチルガリウムクロライド（ＤＥＧａＣ！　＞を用い
、Ｖ族原料ガスとしてはＡＳＨ３を用いる。反応管内に
設置させた結晶基板を所定の温度に加熱し、反応管の上
流から■族ガスの供給・停止、パージ、Ｖ族ガスの供給
・停止、パージを繰り返すことによって成長を行ってい
た。

今一つの第２の方法による気相成長装置は、第３図に示
すような構成のものである。即ち、反応管３１０内には
Ｖ族ガスである砒素（Ａｓ＞蒸気を発生させるだめの発
生室３０６が設けられている。

また、発生室３０６を含む反応管３１０は加熱炉３０５
によって加熱させる。

ここで基板３０７の結晶表面にＡｓを供給・停止する方
法を以下に）ホベる。マスフローコントローラ（ＭＦＣ
）３０４には常時Ｈ２を流しておく。

ＡＳを基板結晶に供給するには弁３０１を開、弁３０２
を閉にし、Ｍ　Ｆ　Ｃ３０４からのキャリアＨ２を発生
室３０６に供給し、Ａｓ蒸気を押し出す。また、停止す
るには弁３０１を閉、弁３０２を開にし、Ｍ　Ｆ　Ｃ３
０４からのＨ２と発生室内のＡｓ蒸気およびキャリアガ
スをＭＦｅ２Ｏ４を介して排気させる。

以上の工程によりＶ族ガスであるＡＳの供給・停止を行
い、■族原料ガスであるＤＥＧａＣｊ！との交互供給に
より単分子層ごとの成長を行っていた。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら第１の方法、即ちＤＥＧａＣｆｆｉとＡＳ
Ｈ３を原料に用いた従来の気相成長装置を用いた気相成
長方法では、成長温度を低温化するとＡＳＨ３の分解率
が著しく低下し、反応時間が長くなったり、大量のＡＳ
Ｈ３が必要となった。このように従来法では成長時間を
短縮することが難しく、また極めて有毒なＡＳＨ３を大
量に使用しなければならないといった安全面に問題があ
った。更に、Ｖ族ガスにＰＨ３を用（、Ｎだ場合には、
ＡＳＨ３に比べて更に分解率が低く、上記問題は更に大
きなものとなった。

次に、ＤＥＧａＣｆとＡＳを用いた第２の方法による気
相成長装置を用いた気相成長方法では、Ｖ液ガスにＡＳ
蒸気を用いており安全面には問題は少ない。しかしなが
ら、以下に挙げる理由から成長速度の高速化には問題が
あった。即ち、第３図において、ＡＳの供給を停止する
ときは、発生室３０６内のガスの流れは基板結晶３０７
の置かれた成長領域から上流に向っており、反応管３１
０の排気方向とは逆となる。従って、ガスが複雑な流れ
となり、長いパージ時間が必要であった。更に、成長速
度を高速化する一つの手段として反応管内を低圧にして
ガスの流れを高速化する方法が一般に用いられているが
、本成長装置ではＡｓ停止の際、ＭＦｅ２Ｏ４を用いて
発生室３０６内のガスを排気しており、ＭＦＣには動作
圧が必要なことから反応管を低圧化するのが困難であっ
た。

本発明の目的は化合物半導体結晶の原子層エピタキシャ
ル成長において、以上述べたような従来の欠点を除去し
、単分子層成長するのに必要な時間を短縮することによ
って短時間で目的とする成長層を得ることができ、Ｖ液
ガスにＡＳＨ３を用いた場合にはその必要量は少量でよ
く、またＶ液ガスにＡＳを用いて安全性を確保すること
もできる化合物半導体の気相成長方法およびその装置を
提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、成長させるべき■−ｖ族化合物半導体の各構
成元素あるいは該構成元素を含むガス種よりなる■液ガ
スおよびＶ液ガスを反応管内の結晶成長領域内に設置さ
れた基板結晶表面に交互に供給して結晶成長を行う化合
物半導体の気相成長方法において、Ｖ液ガスの供給工程
が、高温に保持されたＶ液ガスを反応管内または反応管
に導通して設置されたＶ液ガス蓄積室に導入・蓄積する
工程と、該Ｖ液ガスを基板結晶表面に搬送するキャリア
ガスを前記Ｖ液ガスよりも高い圧力で前記Ｖ液ガス蓄積
室に接続した予備室に蓄積する工程と、前記Ｖ液ガス蓄
積室と前記予備室とを導通させて、前記キャリアガスを
前記Ｖ液ガス蓄積室に導入すると共に、該Ｖ液ガスを基
板結晶表面に瞬時に供給する工程とを備えてなることを
特徴とする化合物半導体の気相成長方法である。

また、上記方法を実現するための装置は、成長させるべ
きＩ［ｒ−Ｖ族化合物半導体の各構成元素あるいは該構
成元素を含むガス種よりなる■液ガスおよびＶ液ガスを
結晶成長領域内に設置された基板結晶表面に交互に供給
して結晶成長を行う反応管を備えた化合物半導体の気相
成長装置において、反応管内または反応管に導通して設
置された前記反応管への供給用Ｖ液ガスを蓄積するＶ液
ガス蓄積室と該Ｖ液ガス蓄積室よりも高い圧力でキャリ
アガスを蓄積する前記Ｖ液ガス蓄積室に接続した予備室
とからなるＶ液ガス供給系と、前記Ｖ液ガス蓄積室と前
記反応管内の成長領域とをそれぞれ独立に温度制御する
手段とを備えてなることを特徴とする化合物半導体の気
相成長装置であり、さらにＶ液ガス蓄積室には、Ｖ液ガ
スを発生させるＶ液ガス発生室が付設されていることを
好適とする。

［作用］ 本発明による気相成長装置のＶ液ガス供給系の基本的構
成を第２図に示す。この例ではＶ液ガスとして金属ＡＳ
蒸気を用いて以下に説明する。Ｖ液ガス発生室２０４内
には固体Ａ　Ｓ　２０５が設置され、設定された温度に
おける分圧でＡｓ蒸気が発生している。ＡＳ蒸気は発生
室２０４に導入されたＨ２キャリアガスによって細管２
０６を通ってＶ液ガス蓄積室２０７に導かれ、蓄積され
る。この時、発生室２０４および蓄積室２０７は加熱炉
２０８によって加熱される。同時に予備室２０２には、
弁２０３を閉、弁２０１を開にすることによってキャリ
アガスであるＨ２をＶ液ガス蓄積室２０７より僅かに高
い圧力まで蓄え、弁２０１を閉める。ＡＳ供給時間にな
ったところで弁２０３を開け、蓄積室２０７にＨ２を導
入する。その結果、口の狭い蓄積室出口より所定量蓄積
されたＡＳが噴射され、予備室の圧力が蓄積室の圧力と
等しくなった時点でＡＳの供給は停止する。

以上のことより、本発明の方法によればＡｓの供給およ
び停止を極めて急峻に行うことができる。

また、基板結晶に１回供給されるＡＳｉは設定された温
度でのＡｓの分圧と反応室に導入されたキャリアガス流
量（ｓｃｃｍ／　ｓｅｃ　）と蓄積時間（Ｓｅｃ　）に
よって任意にかつ精密に制御することができる。

［実施例］ 次に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。

なお、本実施例ではＶ族原料として固体ＡＳを用い、Ｇ
ａＡＳ基板結晶にＧａＡＳ層を成長させた例について述
べる。

第１図は本実施例に用いられる気相成長装置の概略構成
図である。同図において、反応管１１０内には■族ガス
を蓄積するＶ族ガス蓄積室１０６が備えられ、該Ｖ族ガ
ス蓄積室１０６にはＨ２ガス配管を有するＶ族ガス発生
７１０４が付設されている。

発生室１０４内には固体ＡＳ１０５が設置され、発生室
１０４で発生したＶ族ガスが蓄積室１０６に蓄積される
ようになっている。蓄積室１０６はキャリアガスを蓄積
する予備室１０２に弁１０３を介して接続され、上記予
備室１０２、ｖ族ガス発生室１０４およびＶ族ガス蓄積
室１０６をもってＶ族ガス供給系が構成されている。

反応管１１０には、ざらに■族ガスを基板結晶１０８上
に供給するためのバイパス管１０９が設置されている。

また、加熱炉１０７はＶ族ガス発生室１０４とＶ族ガス
蓄積室１０６、および基板結晶１０８を載置された成長
領域を独立に温度制御できるようになっている。

以上のように構成された気相成長装置を用いて、次のよ
うにして気相成長を行った。

加熱炉１０７により、発生室１０４と蓄積室１０６は４
００°Ｃ１成長領域は４００°Ｃに設定した。反応管上
流部よりキャリアＨ２を流量１０Ｊ７／ｍｉｎで供給し
、Ｖ族ガス発生室１０４にはＨ２を３００ｃｃ／ｍｉｎ
流し、予備室１０２には圧力がＶ族ガス蓄積室１０６よ
り１００　Ｔｏｒｒ高くなるようにト１２を蓄積した。

成長方法を以下詳細に説明する。まず、弁１０３を開け
、蓄積室１０６内のＡｓガスを基板結晶表面に噴射した
。予備室の圧力は約０．５秒で反応管圧力と同じになり
、ＡＳの供給は停止した。その後、１秒間のＨ２パージ
を行い、続いてバイパス管１０９より■族ガスであるＤ
ＥＧａＣｊを”ｌ　ｃｃ／ｍｉｎの流量で０．５秒間、
基板結晶１０８表面に供給した。供給停止後１秒間のＨ
２パージを行った。

以上の工程を３０００回繰り返し、成長を終了した。

この結果、鏡面性に優れたエピタキシャル層が得られ、
全成長層厚より単分子層成長（２，８３人／Ｖイクル）
が実現されていることが確Ｌ’ｌ＋　６れた。

以上述べた成長条件ではＧａＡＳ単分子層が成長するの
に要する時間は４秒であり、この成長速度は分子線エピ
タキシー法（ＭＢＥ法）や有機金属気相成長法（ＭＯＣ
ＶＤ法）とほぼ同じであり、実用上なんら問題ない水準
である。

更に、上記と同じ成長装置を用い、Ｖ族原料としてＡＳ
Ｈ３を使用して同様な成長を試みた。Ｖ族ガス発生室１
０４内には何も設置されておらず、Ｈ２で１０％に希釈
されたＡＳＨ３を流量５　ＣＣ／ｍｉｎで導入した。ま
た、発生室１０４と蓄積室１０Ｂの温度は６００’Ｃに
、成長領域の温度は４００℃にそれぞれ設定した。その
他の条件は上記成長条件と同じとした。この結果、鏡面
性に優れたエピタキシャル層が得られ、全成長層厚より
単分子層成長（２，８３人／サイクル）が実現されてい
ることが確認された。今回使用したＡＳＨ３流量は従来
法に比べて１／１０以下の量であった。なお、このＡＳ
Ｈ３を用いた例では上記と同じ成長装置を用いたが、Ｖ
族ガス発生室１０４が装着されておらず、蓄積室１０６
と予備室１０２のみで構成されている装置を用いてもよ
い。

以上述べた２つの実施例では、いずれも反応管にＶ族ガ
ス供給系が１組であり、■族ガスを供給するバイパス管
も１つであったが、本発明は複数のＶ族ガス供給系、複
数の■族ガス供給系で構成しても差支えなく、また成長
せしめようとした半導体としてＧａＡＳを用いたが、本
発明はこれに限定されず、ＩｎＰやＧａＰ等の他の化合
物半導体でもよく、更に（ＩｎＡｓ）ｔ　　（ＧａＡＳ
）ｔといった分子層超格子構造半導体でもよい。

さらに、上記実施例では、基板加熱方法として加熱炉を
用いたが、本発明はこれに限定されず、高周波誘導加熱
法や赤外線加熱法等の他の加熱方法でもよく、また発生
室が付設された蓄積室を反応管内に設置したが、本発明
はこれに限定されず、反応管に蓄積室を接続したような
構造としてもよい。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、単分子層成長す
るのに必要な時間を従来よりも短縮することができ、短
時間で目的とする成長層を得ることができる。また、Ｖ
族原料にＡＳＨ３を用いた場合にはその必要量は少量で
よく、またＶ族原料に固体ＡＳを用いることもできるの
で、安全性に優れた気相成長方法および装置が提供され
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による気相成長装置の一例の概略構成図
、第２図は本発明のＶ族ガス供給系の基本的構成を示す
概略構成図、第３図は従来例による気相成長装置の一例
の概略構成図である。 ０１．１０３，２０１，２０３，３０１，３０２・・・
弁０２．２０２・・・予備室 ０４、２０４．３０６−Ｖ族ガス発生室０５、２０５・
・・固体ＡＳ ０６、２０７・・・Ｖ族ガス蓄積至 １０７、２０８．３０５・・・加熱炉 １０８、３０７・・・基板結晶 １０９・・・バイパス管 １１０、３１０・・・反応管 ２０６・・・細管

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）成長させるべきIII−Ｖ族化合物半導体の各構成
   元素、あるいは該構成元素を含むガス種よりなるIII族
   ガスおよびＶ族ガスを反応管内の結晶成長領域内に設置
   された基板結晶表面に交互に供給して結晶成長を行う化
   合物半導体の気相成長方法において、Ｖ族ガスの供給工
   程が、高温に保持されたＶ族ガスを反応管内または反応
   管に導通して設置されたＶ族ガス蓄積室に導入・蓄積す
   る工程と、該Ｖ族ガスを基板結晶表面に搬送するキャリ
   アガスを前記Ｖ族ガスよりも高い圧力で前記Ｖ族ガス蓄
   積室に接続した予備室に蓄積する工程と、前記Ｖ族ガス
   蓄積室と前記予備室とを導通させて、前記キャリアガス
   を前記Ｖ族ガス蓄積室に導入すると共に、該Ｖ族ガスを
   基板結晶表面に瞬時に供給する工程とを備えてなること
   を特徴とする化合物半導体の気相成長方法。
2. （２）成長させるべきIII−Ｖ族化合物半導体の各構成
   元素あるいは該構成元素を含むガス種よりなるIII族ガ
   スおよびＶ族ガスを結晶成長領域内に設置された基板結
   晶表面に交互に供給して結晶成長を行う反応管を備えた
   化合物半導体の気相成長装置において、反応管内または
   反応管に導通して設置された前記反応管への供給用Ｖ族
   ガスを蓄積するＶ族ガス蓄積室と該Ｖ族ガス蓄積室より
   も高い圧力でキャリアガスを蓄積する前記Ｖ族ガス蓄積
   室に接続した予備室とからなるＶ族ガス供給系と、前記
   Ｖ族ガス蓄積室と前記反応管内の成長領域とをそれぞれ
   独立に温度制御する手段とを備えてなることを特徴とす
   る化合物半導体の気相成長装置。
3. （３）Ｖ族ガス蓄積室には、Ｖ族ガスを発生させるＶ族
   ガス発生室が付設されている請求項（２）に記載の化合
   物半導体の気相成長装置。