JPH0280394A - 分子線エピタキシャル成長方法及びその成長装置 - 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、有機金属化合物を原料として用いる分子線エ
ピタキシャル成長方法及びその成長装置に関するもので
ある。

〔従来の技術〕

近年、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ等の■−■族化合物半導
体を用いた高速論理素子、半導体レーザ、光−電子集積
回路（ＯＥＩＣ）の開発が急速に発展し、それに伴い高
度な素子製作プロセスが必要になってきている。

分子線エピタキシャル成長法（以降ＭＢＥ法と称す）は
、超高真空に保たれた成長室内で元素が分子線となり基
板に到達するため、高精度に膜厚が制御でき、また、シ
ャッターの開閉により分子線をさえぎることができるの
で、急峻なヘテロ界面を得られるという特長がある。し
かも不純物の混入が少なく、高品質の■−Ｖ族化合物半
導体薄膜が成長できるため、上記のようなデバイス作製
には欠かせぬ重要な技術になっている。

以前分子線源原料としては、Ｇａ、ＡＩ、Ａｓ等の金属
が用いられ、これをるつぼに入れ分子線セルの温度を制
御することにより、適当なビーム強度の分子線を得てい
た。この方式では、原料によってはセルを１０００℃以
上の高温に熱する必要があり不純物発生や故障の原因に
なっている。

さらに原料を交換するため、大気開放する必要があり、
スループットが低くなることと共に不純物混入の問題が
おきる。また■族の金属原料に起因するオーバル欠陥と
呼ばれる欠陥が表面に発生し、ＩＣを作製する妨げとな
っている。

そこで最近ツァン（Ｔｓａｎｇ　）らにより金属原料の
かわりに有機金属化合物を用いたＭＢＥ法が試みられて
いる（「ジャーナル・オブ・バキューム・サイエンス・
チクノロシイＣＪｏｕｒｎａｌ　ｏｆＶａｃｕｕｍ　５
ｃｉｅｎｃｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｌ　Ｊ　Ｂ、Ｖｏ
ｌ、３　Ｎ［＋、２Ｐ６６６−６７０．１９８５　＞。

これは一般に有機金属分子線エピタキシャル成長法（以
降ＭＯＭＢＥ法と称す）、あるいはガスソースＭＢＥ法
と呼ばれている。ＭＯＭＢＥ法は、ガスによりＭＢＥ成
長室内に原料を供給するので、原料交換が容易であり、
その上表面欠陥の低減や選択成長が可能になるという利
点を有している。

有機金属化合物の中で、一般に用いられる■族原料は、
Ｇａ原料としてトリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ３）３
）　　トリエチルガリウム（Ｇａ（Ｃ２Ｈ５）３　）、
ＡＩ原料としてトリメチルアルミニウム（Ａｌ　（ＣＨ
３）３）、）リエチルアルミニウム（ＡＩ　（Ｃ２Ｈ５
）３　）　、Ｉ　ｎ原料としてトリメチルインジウム（
Ｉ　ｎ　（ＣＨ３）３　）、トリエチルインジウム（Ｉ
　ｎ　（Ｃ２Ｈ５）３　）等である。Ｖ族原料は、有機
金属化合物よりもアルシン（ＡｓＨ３）、ホスフィン（
ＰＨｓ　）等の水素化物の使用が主流である。これらは
猛毒なので安全のため■族原料のみ金属を用いる場合も
ある。

ＭＯＭＢＥ法は以前のＭＢＥの欠点を解決する成長法で
あるが、有機金属化合物を用いるため成長膜中にカーボ
ンが混入しやすく、ＭＢＥはど高純度の結晶が得られて
いない。特にＡｌＡｓ。

ＡｌＧａＡｓなどＡＩ原料に有機金属化合物を用いたも
のは純度が悪く、高濃度のＰ型半導体になる。

これは次のような理由による。

従来のＭＯＭＢＥ法の場合、■族有機金属化合物は、半
導体基板上で分解し金属原子に有機物を１個ないし２個
持った中間生成物の形で半導体基板に吸着すると推測さ
れる。トリメチルガリウムを例にとると、モノメチルガ
リウム（ＧａＣＨｖ）あるいは、ジメチルガリウム（Ｇ
　ａ　（ＣＨ３ｈ）になり基板表面に吸着している。こ
れらの有機金属化合物はＶ族原料と反応することにより
脱離する。

しかし未反応の有機金属化合物は膜中に残り、カーボン
アクセプターの原因となる。特にＡｌ（ＣＨ３）５やＡ
　Ｉ　（Ｃ２Ｈ５）　ｓのような　Ａ１を含む有機金属
化合物は、有機物と金属の結合エネルギーが大きいため
有機物が膜中に残りやすく、高いＰ型結晶になる。これ
はＶ族原料の供給量を大きくすることで、ある程度は解
決できる。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来、ＭＯＭＢＥ法で高純度の結晶を成長するためにＶ
族原料を■族原料の１０倍以上供給していたが、しかし
、この方法では成長室の真空度を低下させるため、ＭＯ
ＭＢＥ法の特長である有機金属化合物原料を半導体基板
に分子線で供給することが損われる上、排気装置に負担
をかけ、故障の原因になる。

本発明の目的は、■族原料と同程度のＶ族原料の供給量
で、高純度の結晶を成長させる分子線エピタキシャル成
長方法とその成長装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の分子線エピタキシャル成長方法は、有機金属化
合物を原料として用いかつ前記原料とともに高温に加熱
することにより少なくとも一部が熱的に解離した水素を
供給する工程を含んで成る。

本発明の分子線エピタキシャル成長装置は、成長室内を
超高真空に排気で、きる排気装置と、前記成長室に収容
した半導体基板を加熱する基板ホルダーと、前記成長室
内に有機金属化合物と水素を導入するためのガス導入管
と、前記ガス導入管に導入した水素を加熱するための加
熱装置とを少くとも備えて成る。

〔作用〕

本発明では熱的に解離した水素エピタキシャル成長時に
半導体基板表面に供給するため、少量で半導体基板表面
の有機物と反応し、有機物が膜中に入るのを抑える働き
がある。従って■族原料を大量に送る必要はなく、成長
室内の真空度を維持できる。

水素を解離する方法としては、熱分解だけでなくプラズ
マ等でイオン化する方法もあるが、これは基板表面にダ
メージを与えたり、イオン化する時に重金属で汚染され
るという問題があり、熱分解が最良である。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図により説明する。

本発明の分子線エピタキシャル成長方法の一実施例では
、■族原料としてトリエチルガリウム（Ｇａ　（Ｃ２Ｈ
５）ｇ　：ＴＥＧａ）　、Ｖ族原料として金属砒素（Ａ
ｓ　＞を用い、ＧａＡｓの成長を行っている。成長条件
は、ＴＥＧａがｌｃｃ／ｍｉｎ、Ａｓ圧２Ｘ　１０−’
Ｔｏ　ｒ　ｒ、水素（Ｈ２）ｌｃｃ／ｍｉｎである。水
素は加熱装置により１０００℃に加熱している。この時
、質量分析計１１により１０％の水素が解離しているこ
とを確かめている。基板温度を６００℃に設定して、半
絶縁性ＧａＡｓの半導体基板１上に４μｍ　／　ｍｉ　
ｎ、ＧａＡｓを成長した比較のためにＴＥＧａとＡｓ圧
の条件は変えず、水素を添加しない成長も行っ−ている
。

なお、成長した結晶ホール測定をしたところ、熱的に解
離させた水素を添加した場合は、室温で５　Ｘ　１０１
４（ｃｍ−’）のキャリア濃度のＰ型結晶が得られた。

水素添加を行っていない従来方法のものは、キャリア濃
度１×１０１フ（Ｃａｌ−’）のＰ型を示し、本発明に
よる大幅な結晶純度の改善を確認できた。

第１図はこの成長した結晶の７７Ｋにおけるフォトルミ
エツセンス評価（ＰＬ）の結果を示すものである。本実
施例では、点線で示す水素添加を行っていない従来の場
合と比較してカーボンアクセプタに起因するピーク（８
３００Ａ）が小さく、カーボンの混入が抑えられている
ことがわかる。

本実施例ではＧａＡｓについて記述したが、他の■−Ｖ
族化合物半導体あるいはその混晶においても同様な結果
が得られている。

第２図は本発明の分子線エピタキシャル成長装置の一実
施例の模式的断面図である。本装置は、超高真空に保持
される成長室１と、成長室１内を排気する排気袋Ｗ２と
、加熱機構を備えた基板ホルダー３と、ヌードイオンゲ
ージ４と、■族原料導入管５及び水素導入管と６、水素
を加熱する加熱装置と７、■族原料と水素の流量を制御
するマスフローコントローラ８．９と、Ｖ族原料用分子
線源１０とにより構成されている。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の分子線エピタキシャル成
長法及び成長装置により、■−Ｖ族化合物半導体を成長
させる際、解離水素によってカーボン不純物の少ない高
純度の結晶を得られるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の効果を示す７７にのＰＬ特
性図、第２図は本発明の分子線エピタキシャル成長装置
の一実施例の模式図的断面図である。 １・・・成長室、２・・・排気装置、３・・・基板ホル
ダー、３′・・・半導体基板、４・・・ヌードイオンゲ
ージ、５・・・■族原料導入管、６・・・水素導入管、
７・・・水素加熱装置、８．９・・・マスフローコント
ローラ、１０・・・■族原料用分子線源、１１・・・質
量分析計。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、有機金属化合物を原料として用いかつ前記原料とと
   もに高温に加熱することにより少なくとも一部が熱的に
   解離した水素を供給する工程を含むことを特徴とする分
   子線エピタキシャル成長方法。 ２、成長室内を超高真空に排気できる排気装置と、前記
   成長室に収容した半導体基板を加熱する基板ホルダーと
   、前記成長室内に有機金属化合物と水素を導入するため
   のガス導入管と、前記ガス導入管に導入した水素を加熱
   するための加熱装置とを少くとも備えたことを特徴とす
   る分子線エピタキシャル成長装置。