JPH0262033A - 化合物半導体薄膜結晶の成長方法 - 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） 本発明は予め定められた■−Ｖ族化合物半導体基板結晶
の表面に、互いに異なる化合物半導体薄膜結晶を平面的
に隣接させて、接合部を形成する化合物化合物半導体′
ＦｉＭ結晶の成長方法並びにこの成長方法を用いた化合
物半導体装置に関する。

（従来の技術） 一般に、基板結晶の表面に、縦方向に、即ち、”結晶の
成長方向に、種類の異なる化合物半導体薄膜結晶を同一
の成長室内で順次成長させることは、分子線結晶成長法
あるいは有機金属熱分解成長法等により可能である。こ
れらの成長法を用いれば、１００オングストローム以下
の厚さを有する化合物半導体薄膜結晶を得ることも容易
である。従って、成長方向に、種類の異なる化合物半導
体薄膜結晶を積層して、ヘテロ接合を形成したり、ある
いは、成長方向に量子井戸層を形成することも比較的容
易である。

しかしながら、従来技術では、異なる組成の良質のＡｌ
ＧａＡｓ等の化合物化合物半導体薄膜結晶を基板平面内
に、並置することは必ずしも容易ではない。従来技術を
用いて、異なる種類、即ち、異なる組成の化合物半導体
薄膜結晶を並置する場合、先ず、一種類の化合物半導体
薄膜結晶を成長室内で、成長させた後、成長室内から一
旦取出し、成長室外部でバターニングを施し、再び、成
長室内へ導入し、別の種類の化合物半導体薄膜結晶を成
長させる手順が採用されるのが普通である。

上記手順にしたがって、異なる種類の化合物半導体薄膜
結晶を平面内に形成した場合、成長した化合物半導体薄
膜結晶は不可避的に成長室外部の大気に曝されることに
なる。化合物半導体薄膜結晶が大気に曝されると、大気
中の炭素、酸素等が成長した化合物半導体薄膜結晶に付
着してしまい、その後の結晶特性に悪影響を及ぼす。

本発明者等は、先に提出した特願昭６３−６０゜４８５
号において、上記した従来技術の欠点を除去するために
、互いに異なる方位面を露出させた基板結晶を用意し、
各方位面上における元素の付着率に差が生じる温度まで
、基板結晶を加熱し、この温度雰囲気で成長すべき元素
を供給することにより、付着率の差を利用して、各方位
面上に互いに異なる種類の化合物半導体薄膜結晶を形成
する化合物化合物半導体薄膜結晶の成長方法を明らかに
した。この方法では、同一の成長室内で、複数種類の化
合物化合物半導体薄膜結晶を成長させることができるた
め、汚染等のない良質の化合物化合物半導体薄膜結晶を
生成することができる。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記した方法では、通常の成長条件より
も高温で成長を行う必要があり、成長前に、形成された
層に悪影響を及ぼすおそれがある。

本発明の目的は比較的低温で生成でき、汚染のない良質
の化合物半導体薄膜結晶を成長させることができる化合
物半導体薄膜結晶の成長方法を提供することである。

本発明の他の目的は他の層にドープされた不純物等に悪
影響を与えない化合物半導体薄膜結晶の成長方法を提供
することである。

（課題を解決するための手段） 本発明によれば、■−■化合物半導体薄膜結晶を基板結
晶上に成長させる方法において、前記基板結晶の一表面
上に、予め定められた原子面密度を有する第１の方位面
及び該第１の方位面より原子面密度の高い第２の方位面
を露出させ、前記第１の方位面の原子面密度対しては過
剰で、且つ、第２の方位面の原子面密度に対しては同等
以下となるように、少なくとも一種類の■族元素を供給
し、前記第１及び第２の方位面上に前記少なくとも一種
類の■族元素を付着させる工程と、前記第１の方位面上
の前記■族元素の過剰分を脱離させ、前記第１及び第２
の方位面上で互いに異なる量の■族元素を脱離させる工
程とを有することを特徴とする化合物半導体薄膜結晶の
成長方法が得られる。

（作用） 本発明では、異なる原子面密度を有する複数の方位面を
露出させた基板結晶を用意し、該基板結晶の原子面密度
より過剰に供給された■族原子が比較的小さなエネルギ
ーで脱離する特性を利用して、各方位面上に異なる組成
の化合物半導体薄膜結晶を成長させることができる。

本発明においては、互いに異なる原子面密度を有する二
つの方位面の、うち、一方の方位面に対しては過剰で且
つ他方の方位面に対しては飽和量以下となるように、■
族元素を供給する。この場合、過剰な■族元素の原子は
低いエネルギーで脱離するため、両方泣面上には、原子
数の異なる■族元素を残存させることができる。このた
め、過剰の■族原子の脱離を制御すると共に、後続の元
素が■族元素に依存して■族原子に付着することを利用
して、両方泣面上に組成の異なる化合物半導体薄膜結晶
を成長させ得る。

（実施例１） 第１図を参照して、本発明の一実施例に係る化合物半導
体薄膜結晶の成長方法を説明する。第１図の実施例では
、砒化ガリウム（以下、ＧａＡｓと略す）の基板結晶１
０上に、原子密度、即ち、組成の異なるＡｌＧａＡｓの
薄膜結晶をエピタキシャル成長させるものとする。

この場合、先ず、ＧａＡｓ基板結晶１０の表面に、第１
及び第２の方位面ａ及びｂが露出される。

第１−１図において、第１の方位面ａはＧａＡｓ（００
１）面であり、第２の方位面すはＧａＡｓ（１１１）Ｂ
面であるものとする。このように、単一の基板結晶表面
に、互いに異なる方位面を形成することは、方位面に対
して、選択性を有するエッチャントを用いて基板結晶１
０表面をエツチングすることにより可能である。従って
、基板結晶１０表面に異なる方位面を形成する方法につ
いてはここでは言及しない。

上記した表面を有するＧａＡｓ基板結晶１０は先ず試料
台（図示せず）に張付けられ、成長室（図示せず）内に
導かれる。

成長室内で、基板結晶１０は、６００℃以上の温度で加
熱保持された状態で、砒素（Ａｓ）分子線が照射される
。このとき、ＧａＡｓ基板結晶１０表面の酸化物は還元
され、Ａｓの原子１１によって形成された安定で、且つ
、清浄な表面が得られる。この場合、第１−１図に、黒
丸の数によって示されているように、第１の方位面ａ１
即ち、（００１）面上におけるＡｓの原子面密度は第２
の方位面ｂ１即ち、（１１１）８面上におけるＡＳの原
子面密度より低い。この例では、（００１）面上におけ
るＡｓの原子面密度を６．３ｘｌＯ１４−２とし、（１
１１）８面上におけるＡｓ　ｍ の原子面密度を７．２ｘ１０１４　−２である　ｍ ものとする。

清浄表面を得た後、基板温度を４５０℃まで下げ、Ａｓ
分子線の照射を停止し、成長室内に残留したＡｓ分子を
排気する。次に、同一の成長室内で、アルミニウム（Ａ
Ｉ）分子線を照射する。この時、Ａ１分子線の成長基板
に対する照射角は（００１）面、（１１１）Ｂ面ともに
等しくなるように設定されている。Ａ１分子線は夫々の
方位面に対して、６．３ｘｌＯ１４’照射され　ｍ た後、停止される。

第１−１図に示されているように、このＡ１分子線の照
射により、（００１）面おけるＡｓの全ての格子位置は
Ａｌ原子１２で覆われるが、（１１１）８面上には、Ａ
ｌ原子１２で覆われずに、露出したＡｓの格子位置も残
されている。

続いて、第１−２図に示すように、ガリウム（Ｇａ）分
子線がＡ１分子線同様、両方の方位面に対して、等しい
照射角で、９ｘｌＯ１３ｃｍ−２だけ照射される。この
照射により、（１１１）Ｂ面のＡｓの格子位置は全て■
族元素の原子（即ち、ＡＩ原子１２．Ｇａ原子１３）に
よって覆われ、他方、（００１）面では、過剰な■族元
素の原子（ここでは、Ｇａ原子１３）がＡｓ原子１１と
結合を持たずに、Ａ１原子１２上に存在している。この
過剰なＧａ原子１３は通常のＧａＡｓ中からＧａを脱離
させるための脱離エネルギー（４゜５ｅＶ）より小さな
エネルギーで脱離するため、Ｇａ分子線停止後、暫く、
放置することで、第１−２図に示されているように、そ
の一部を脱離させることができる。

Ａｌ原子１２上の過剰なＧａ原子１３を脱離させた後、
Ａｓ分子線を照射し、再び、第１−３図に示すように、
表面をＡｓで安定化させる。以後、前述と同様な手順に
より、Ａ１分子線、及びＧａ分子線の照射工程を繰返す
。この繰返し作業により、（００１）面上にはＧａ原子
を殆ど含まない砒化アルミニウム（ＡＩＡｓ）層が成長
し、（１１１−）８面上には、砒化ガリウムと砒化アル
ミニウムの混晶（ＡＩＧａＡｓ）層が成長するため、両
方泣面の境界にヘテロ接合部が形成される。このように
して、基板結晶の平面内に、組成の異なる化合物半導体
薄膜結晶を作成できることが分る。

また、（００１）面上の過剰なＧａ原子の脱離量を時間
的に制御することにより、アルミニウム組成を変化させ
た■−■族化合物半導体薄膜結晶を得ることも可能であ
る。

（実施例２） 第２図を参照すると、本発明の他の実施例に係る化合物
半導体薄膜結晶の成長方法はＶ族の元素（ここでは、リ
ンＰ）を含む化合物半導体薄膜結晶を成長させることが
できる。この実施例で使用される基板結晶１０並びに薄
膜結晶の成長条件等は第１図と同様であるものとする。

先ず、第１図の場合と同様に、（００１）面ａ、（１１
１）Ｂ而すの両面を高温のＡｓ雰囲気下で、還元処理し
、Ａｓ安定化した清浄表面を得た後、基板温度を４５０
℃まで下げ、Ａｓ分子線の供給を停止する。この状態で
は、基板結晶１０の各（００１）面ａ及び（１１１）面
す上には、Ａｓ原子１１が前述した原子面密度で配置さ
れている。

次に、成長室内の残留Ａｓ成分を十分排気した後、Ｇａ
分子線を両方泣面に、７．２Ｘ１０”ｃｍ−２照射する
。この時、（１１１）Ｂ面すでは、全ての■族格子位置
がＧａ原子１３によって満たされ、他方、（００１）面
ａでは、９Ｘ１０”ｃｍ−２のＧａ原子１３′が過剰と
なって、Ａｓとの結合を持たないまま存在する（ｍ２−
１図）。この過剰Ｇａ成分を適当な時間をかけて脱離さ
せると、各面の原子面密度に応じたＧａ原子１３が付着
された状態となる。

脱離後、Ｖ族元素であるリン（Ｐ）分子線を同一の成長
室内で照射する。ここで、Ａｓ、Ｐ等のＶ族元素は■−
Ｖ族化合物半導体の表面が■族で安定している時には、
１に近い付着率を持つのに対し、表面がＶ族で安定化し
ている時には、付着率はほぼ０になることが知られてい
る。

従って、第２図に示されているように、表面が■族のＧ
ａ原子１３で覆われている場合には、照射したＰのうち
、Ｇａ原子１３とほぼ同数のＰ原子１４が付着し、Ｐ安
定化面を形成する（第２−２図）。このことは、（００
１）面ａ及び、（１１１）Ｂ面すに、Ｐ原子１４が異な
る原子密度で夫々付着されることになる。

次に、２分子線照射を停止し、成長室内の残留２分子を
排気した後、再び、Ｇａ分子を両方泣面に、７．２ｘｌ
Ｏ１４ｃｍ−２照射する（第２−３図）。この状態では
、（００１）面のＰ原子１４上に、第２−１図の場合と
同様に、過剰のＧａ原子１３”が存在するが、第２−３
図では、Ｇａ原子１３“の脱離のための時間を置かず、
Ｇａ分子線の照射停止と同時に、Ａｓ分子線の照射を開
始する。

ここで、ＧａＡｓ基板結晶上に、過剰なＧａ原子が数層
分存在するときでも、過剰Ｇａ原子と同数程度のＡｓ原
子が取込まれることが知られている。このことからも明
らかな通り、この実施例では、（００１）面ａ１及び（
１１１）Ｂ面すに対して、第２−４図に示すように、同
数のＡｓ原子が取込まれることが分かる。

このようにして、２分子線照射前のみに、（００１）面
上の過剰Ｇａ原子を脱離させる工程を入れ、砒化ガリウ
ム（Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　）　、及びリン化ガリウム（Ｇａ
Ｐ）を交互に成長させることにより、（００１）面と、
（１１１）Ｂ面との間に、ＰとＡｓの比の異なるＧａＡ
ｓＰ結晶を成長させることが可能である。

（発明の効果） 以上述べた通り、本発明では、異なる方位面間で、供給
原子数と残存原子数との比が異なることを利用して、平
面内に異なる組成を有する化合物半導体薄膜結晶を作成
することができ、結晶成長装置の外部でバターニング加
工に伴う種々の問題を解決することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る■−ｖ族化合物半導体
薄膜結晶の成長方法を説明するための断面模式図、第２
図は本発明の他の実施例に係る■−Ｖ族化合物半導体薄
膜結晶の成長方法を説明するための図である。 （記号の説明） １０；砒化ガリウム基盤　１１；砒素原子１２；アルミ
ニウム原子　１３；ガリウム原子１４；リン原子　　　
　　　ａ；第１の方位面ｂ；第２の方位面

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、III−Ｖ族化合物半導体薄膜結晶を化合物化合物半
   導体基板結晶上に成長させる方法において前記基板結晶
   の一表面上に、予め定められた原子面密度を有する第１
   の方位面及び該第１の方位面より原子面密度の高い第２
   の方位面を露出させ、前記第１の方位面の原子面密度に
   対しては過剰で、且つ、第２の方位面の原子面密度に対
   しては同等以下となるように、少なくとも一種類のIII
   族元素を供給し、前記第１及び第２の方位面上に前記少
   なくとも一種類のIII族元素を付着させる工程と、前記
   第１の方位面上の前記III族元素の過剰分の一部又は全
   部を脱離させ、前記第１及び第２の方位面上で、互いに
   異なる量のIII族元素を脱離させる工程とを有すること
   を特徴とする化合物半導体薄膜結晶の成長方法。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記第１の方位面
   は（００１）面であり、他方、前記第２の方位面は（１
   １１）Ｂ面であることを特徴とする化合物半導体薄膜結
   晶の成長方法。 ３、特許請求の範囲第１項において、前記III族元素の
   付着工程はIII族から選ばれた第１のIII族元素を前記第
   １の方位面の原子面密度に対して同等又は過少で、且つ
   、第２の方位面の原子面密度に対して過少となるように
   、供給した後、前記第１及び第２の方位面上の原子面密
   度の過少分を補うと共に、第１の方位面の原子面密度に
   対して過剰となるように、前記第１の元素とは異なる第
   ２のIII族元素を供給することを特徴とする化合物半導
   体薄膜結晶の成長方法。 ４、特許請求の範囲第１項において、前記III族元素の
   付着工程はIII族から選ばれた元素を第１の方位面の原
   子面密度に対して過剰となり、且つ、第２の方位面の原
   子面密度に対して同等となるように供給することを特徴
   とする化合物半導体薄膜結晶の成長方法。 ５、特許請求の範囲第１項において、前記脱離工程後、
   結晶表面に残存したIII族元素の原子数に応じたＶ族元
   素を付着することを特徴とする化合物半導体薄膜結晶の
   成長方法。 ６、互いに異なる原子面密度を有する第１及び第２の方
   位面を互いに隣接して設けたIII−Ｖ族化合物化合物半
   導体基板結晶と、該第１及び第２の方位面上に設けられ
   、第１及び第２の方位面の原子面密度と実質上同程度の
   原子密度を有するIII族元素と、該III族元素上に形成さ
   れたＶ族元素とを有し、前記III族元素と前記Ｖ族元素
   とは前記第１及び第２の方位面の境界上で接合を形成し
   ていることを特徴とする化合物半導体装置。