JPH03190122A - 気相成長方法 - 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、ドーパントとして炭素を添加する１１−Ｖ族
化合物半導体薄膜の気相成長方法、特に炭素を添加して
なる低抵抗ｐ形１１１−Ｖ族化合物半導体薄膜層を極め
て高い収率をもって安定的に成長ならしめる有機金属熱
分解気相成長法、所謂ＭＯＣＶＤ法に関するものである
。

［従来の技術］ ヒ化ガリウム、アルミニウムーガリウムーヒ素等の１■
−Ｖ族化合物半導体薄膜より構成される半導体は、レー
ザダイオード等の光デバイスや、あるいはまた、ヘテロ
バイポーラ−トランジスタ（Ｉｌｅｔｃｒｏ　Ｂｉｐｏ
ｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ　：　ＨＢ　Ｔ　）等の
電子デバイスに広（用いられる。これらはｐ形であるＩ
ＩＩ　−Ｖ族化合物半導体薄膜層が電流狭窄に用いられ
、それら素子の機能を果たす目的において必要不可欠な
構成要素となっている。

従来より、これらｐ形の化合物半導体層を気相成長せし
める方法としては、＋１１−Ｖ族生導体の原料ガスを含
んでいる成長反応系に２　ドーパントとして亜鉛、マグ
ネシウム等の周期律表の第１＋族に属する元素を含む化
合物か、炭素等の第■族元素を含む化合物を上記成長反
応系に添加せしめてｐ形薄膜層を成長させることが一般
的に実施されている。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、従来よりｐ形であるＩＩＩ　−Ｖ族化合
物半導体成長層を得るに常用されている亜鉛やマグネシ
ウムは、例えばヒ化ガリウムやリン化インジウム結晶中
における拡散速度が極めて太きく、このため所望するキ
ャリア濃度のプロファイルを定常的に且つ安定的に制御
することが困難であるという欠点を有していた。

また、これら亜鉛やマグネシウムを含む化合物として使
用する、いわゆるドーピングガスは。

例えばこれらのドーピングガスな薄膜成長せしめる反応
容器等に導入するために設けられた配管内に吸着し、こ
の吸着物質が離脱して移動し、やがて反応系内に吸着す
る。このため、先ずｐ形薄膜層を形成し、然る後にｎ形
である成長層を堆積せしめる際に、この離脱したドーピ
ング元素が混入してくるため、所望のキャリア濃度及び
同プロファイルを有するｎ形成多層を得るのに支障を来
たす場合が多かった。

最近では、上記のような周期律表の第１Ｉ族の元＄では
な（、これらの元素に比較し、ヒ化ガリウム、リン化イ
ンジウム結晶内での拡散定数が遥かに小さい周期律表の
第■族に属する炭素をドーピングする試みがなされてい
る。

この炭素のドーピング原料としては１例えばメタン（Ｃ
Ｈ，）等の直鎖状の低級脂肪族炭化水素化合物が従来よ
り用いられているが、これら直鎖状脂肪族炭化水素をド
ーピング剤として用いた場合には高いドーパント濃度が
得られず、すなわち高いキャリア濃度を有する低抵抗の
ｐ形成多層が得られ難いという欠点があり１例えばＨＢ
Ｔのデバイス特性の向上に支障を来す要因となっていた
。

［課題を解決するための手段］ 本発明者らは、例えばｐ形ヒ化ガリウム成長層を炭素の
ドーピングにより得るに際し、炭素のドーピング効率を
支配する重要な因子として、成長層近傍、もしくは成長
中の成長層表面に存在するアルキル基等の濃度が挙げら
れるとの知見を基に、ドーピング用原料として使用され
る有機化合物のアルキル基等の官能基の脱離反応に付き
以下のごとく鋭意検討を重ねた。

その結果、従来から炭素のドーピング原料として使用さ
れているメタン、エタン等の直鎖状低級脂肪族炭化水素
は比較的安定であって、同化合物をメチル基（ＣＨ，−
）、エチル基（Ｃ＊）Ｉｇ−）等のアルキル基と水素ラ
ジカルとに分解するには多大なエネルギーを要し、アル
キル基の生成効率が極めて低い、あるいはまた分解し生
成したフラグメントが熱的に安定な芳香族化合物を形成
するが故に、結果として炭素のドーピング効率の低下を
招くと判断された。

この点に付き、更に有機電子論的な見地からアルキル基
の生成効率をアルキル基の誘起効果、ならびに同居が結
合している炭素原子の結合数に付き検討を進め本発明に
至った。

すなわち１本発明はドーパントとして炭素を用いるｐ形
ＩＩＩ　−Ｖ族化合物半導体薄膜層を気相成長法により
成長せしめるに際し、ドーピング剤として第４級炭素を
含む有機化合物を用いる気相成長方法である。

ここで本発明でいうＩＩＩ　−Ｖ族化合物半導体とは、
ヒ化ガリウム、アルミニウムーガリウムーヒ素、リン化
インジウム、ガリウム−インジウム−リン、アルミニウ
ムーガリウム−インジウムリン等の化合物半導体を意味
する０本発明では基板上に気相成長法により薄膜層を成
長させる場合に関するものである。

気相成長法としては、通常の気相成長法が使用できる。

特に薄い結晶の成長、多層構造の作成、多元混晶の組成
制御、化合物半導体の量産に適したＭＯＣＶＤと呼ばれ
る気相成長法に使用するときに効果が発揮できる。

ドーピング剤として使用するのは第４級炭素を含む有機
化合物である。第４級炭素とは、結合手のすべてが炭素
と結合している炭素を意味し、最も簡単な化合物として
ネオペンタンを挙げることができる。

第４級炭素を含む有機化合物の使用に際しては、ドーピ
ングする条件、ＩＩＩ　−Ｖ族化合物半導体の種類、ド
ーパントの濃度、有機化合物の種類等により変わるが、
気相成長系内で０．１１−１Ｏ０ｐｐ程度の濃度で用い
るのが適当である。

通常ｐ形化合物半導体中における炭素（°キャリア）濃
度は１０”　〜１０”原子／　ｃｍ”位である。

第４級炭素を含む有機化合物をドーピング剤とするとき
は、炭素濃度をｉｏ”原子７０１１１２以上のごと（高
くすることも容易であって、１Ｏ−３Ωｃｍより低い低
抵抗型のｐ形寮導体薄膜を作ることができ、大電流で使
用したいデバイスの製造に極めて有利である。

［作　用］ 本発明における第４級炭素を含む有機化合物を炭素のド
ーピング原料として使用することによって生ずる優位な
作用は、例えばアルキル基を４個結合してなる有機化合
物にあってはアルキル基が本質的に備えている電子供与
的な誘起効果により、第４級炭素に結合しているアルキ
ル基相互の電気的な反発作用により同アルキル基の脱離
が極めて容易に起こり、もって炭素のドーピング効率の
向上が果たされ、ｐ形でありしかも低抵抗のＩＩ−Ｖ族
化合物半導体薄膜を極めて簡便に得られる利点を有する
。

しかも、前述のごとくドーパントとしての炭素は、従来
からｐ形成長層形成のために常用されている亜鉛、マグ
ネシウムに比較してＩｌｌ　−Ｖ族化合物半導体結晶内
における拡散定数が遥かに小さいに加え、第４級炭素を
含む有機化合物は薄膜成長ｙｔ置の配管系あるいは反応
容器内壁への吸着が顕著に低減され、したがって所望の
キャリア濃度プロファイルを有するｐ形成長間が安定し
て得られるのみならず、該ｐ形成具層上に堆積される被
耐積層の電気的特性に悪影響を及ぼす現象を回避できる
優位性も兼ね備えている。

［実施例］ 本実施例においては、本発明の特許請求範囲に記載の第
４級炭素を含む有機化合物の一例としてネオペンタン（
ｎｅｏｐｅｎｔａｎｅ、　（Ｃ：Ｌｌ　４Ｇ）を使用し
、ｐ形のと化ガリウム薄膜をＭＯＣＶＤ法によりヒ化ガ
リウム単結晶基根上に堆積せしめた場合に付き説明する
。

第１図に、本発明の実施に用いた気相成長装置の概略を
模式的に示す。

ｐ形ヒ化ガリウムの成長にあたっては本発明に係るネオ
ペンタン（高純度水素により濃度４５ｖｏｆｆ、ｐｐｍ
に希釈されたもの）（１０１）を用い、流１制御系（１
０２）により所望の流量に調節せしめ、薄膜成長を実施
するための反応容器（＋０３）に配管（１０４）をもっ
て導入した。

ガリウムの供給源としてトリメチルガリウム（１０５）
を使用した。トリメチルガリウム（＋０５）はバブラー
容器（１０６）に収納され、恒温槽（１０７）に０℃に
保持せしめ、恒温に至らしめた後、同容器（１０６）内
に流量制御系（１０Ｂ）により３０ｃｃ／分の流量に調
節された高純度水素ガスを流通し、然る後配管（１０４
）内を流通させ、反応容器（１０３）内に導入した。

ヒ素源としては、高純度水素でｌＯ％濃度に希釈された
アルシン（１０９）を用い、流量制御系（１１０）によ
り所望の流量に調節し、上記配管（１０４）内に流通さ
せ、反応容器（１０３）内に導入した。

また、配管（１０４）内には、高純度水素ガスを毎分６
．０βの流量をもって流し、上記トリメチルガリウム（
１０５）ならびにアルシン（１０９）を反応容器（１０
３）に輸送せしめ、反応容器ｔｔｏ３）内に載置された
ヒ化ガリウム単結晶基板（１１１）上に導入した。なお
、単結晶基板（１１１）は反応容器（１０３）の外周に
設けた高周波コイル（１１２）で誘導加熱し、薄膜のエ
ピタキシャル成長時においては温度６６０℃に保持せし
めた。

第２図に、本実施例の条件下で得られるｐ形ヒ化ガリウ
ム薄膜成長層（膜厚約Ｑ、５ｕｍ）のキャリア濃度のネ
オペンタン流量依存性を示す。

同図に示すごとくネオペンタンの流量の増加にともない
キャリア濃度も増大し、ネオペンタンの７Ｍ量を適宜選
択することによりキャリア濃度が１０　”ｃｍ””を越
える高キャリア濃度低抵抗ｐ形ヒ化ガリウム成長層が容
易に得られることを和実に表わしている。

また、上述のごとく高キャリア濃度においても得られる
成長層の表面は鏡面となっており、高濃度ドーピングに
伴なう表面モホロジーの劣化は全く認められなかった。

更に、第３図に本発明に係るネオペンタンを用い、ヒ化
ガリウム単結晶基板上にキャリア濃度が］　、　　２　
Ｘ　ｌ　Ｏ”ｃｔｍ−”のｐ形ヒ化ガリウム薄膜層（膜
厚０．５μｍ）を成長せしめ、然る後に連続的に電子濃
度２．　Ｑｘ　ｌ　Ｏ”ｃｍ−”のケイ素（Ｓｉ）添加
ｎ形ヒ化ガリウム薄膜層（膜厚０゜５μｍ）を成長して
なる横道のエピタキシャルウェハの深さ方向のＳＩＭＳ
分析による炭素濃度プロファイルを示す。

同図に示すごとくｎ形／ｐ形層の界面近傍においても、
ｐ形層のキャリア濃度が高いにも拘らず、炭素濃度の急
峻な変化が果たされている。比較のため従来からｐ形ド
ーパントとして用いられているマグネシウムを添加して
−Ｆ記と同様の構造を有する（但し、ｐ形ヒ化ガリウム
成長層のキャリア濃度は４　Ｘ　１０　”ｃＩＩ＋−３
）ウェハより得られるマグネシウム濃度のプロファイル
を示す、（第３図中点線で示す。） 両者の比較対ｐべから明らかに判別されるように、従来
のｐ形ドーパントであるマグネシウムを使用した場合に
あってはｎ形／ｐ形層界面近傍のマグネシウム濃度のプ
ロファイル、特に同界面よりｎ形層の領域にかけて、マ
グネシウム濃度の急峻的な変化が果たされておらず、漸
次減少する傾向を示す、これは、上記ｐ形層成長時に採
用したマグネシウムが例えば配管系内に吸着し、それら
が時間的に連続してｎ形層を形成する場合において同層
形成時に経時的に脱着するためと考えられる。

［効　果］ 上述のごとく、本発明に係るネオペンタンを新たに炭素
のドーピング源として使用することにより、従来例に見
られるごとく配管系への吸着等により不純物の濃度プロ
ファイルに悪影響を及ぼすこともな（、もって所望のキ
ャリア濃度プロファイルを有する高キャリア濃度の低抵
抗ｐ形成長間が容易に得られ得る。

しかも、高濃度ドーピングにもかかわらず、極めて平坦
で且つ鏡面である良好な表面モホロジーを有する低抵抗
ｐ形ヒ化ガリウムが簡便に得られ、ＨＩ３Ｔ等のデバイ
ス特性の向上に寄与するところ大である。

なお、本実施例においては濃度４５ｖｏＩ２゜ｐｐｍの
ネオペンクンを用いる低抵抗ｐ形ヒ化ガリウム薄膜層の
成長を例にして本発明の特徴、効果を説明したが１本発
明による効果はネオペンタンのみならず他の第４級炭素
を含む有機化合物でもよく、またそれら化合物の濃度も
４５ｖｏβ。

ｐｐｍに限定されることはない６また、ヒ化ガリウムの
みならず、伯のｍ　−ｖ族化合物半導体、例えばアルミ
ニウムーガリウムーヒ素やインジウムを含むリン化イン
ジウムやガリウム−インジウム−リン、アルミニウムー
ガリウム−インジウム−リン等の混晶薄膜の成長にも発
揮されるのはもちろんである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例に用いた気相成長装置の概略
図である。 図中、１０１はネオペンタンを、１０２゜１０８及び１
１０は流量制御計を、１０３は反応容器を、１０４は配
管を、１０５はトリメチルガリウムを、１０６はバブラ
ー容器を、１０７は恒温槽を、１０９はアルシンを、Ｉ
ｌｌはヒ化ガリウム単結晶基板を、１１２は高周波コイ
ルを各々示す。 第２図は、ｐ形ヒ化ガリウム成長層のキャリア濃度のネ
オペンタン流量依存性を示す。 第３図は低抵抗ｐ形ヒ化ガリウム／ｎ形ヒ化ガリウム／
ヒ化ガリウム単結晶基板構造のエピタキシャルウェハの
深さ方向の不純物濃度を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）ドーパントとして炭素を用いIII−Ｖ族化合物半
   導体薄膜層を気相成長法により成長せしめるに際し、ド
   ーピング剤として第４級炭素を含む有機化合物を用いる
   ことを特徴とする気相成長方法。