JPH03241731A

JPH03241731A - 化合物半導体結晶の気相成長法

Info

Publication number: JPH03241731A
Application number: JP3725490A
Authority: JP
Inventors: Mitsuru Shimazu; 充嶋津; Hiroya Kimura; 浩也木村; Futatsu Shirakawa; 白川　二
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1990-02-20
Filing date: 1990-02-20
Publication date: 1991-10-28
Anticipated expiration: 2014-02-24
Also published as: JP2861199B2

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、有機金属気相成長法により、高濃度の炭素ド
ープ化合物半導体結晶、例えば、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡ
ｓ等の■−■族化合物半導体結晶を気相成長させる方法
に関する。

（従来の技術）有機金属気相成長法（ＯＭＶＰＥ法）は、有機金属化合
物と金属水素化物を反応炉中で熱分解させることにより
、基板上に薄膜の単結晶を成長させる方法である。この
方法は、超薄膜の多層構造の形成が容易であり、量産性
も高いので、化合物半導体を用いたヘテロ接合デバイス
用ウェハの作製に用いられている。特に、ペテロ接合デ
バイスの中でもペテロ・バイポーラ・トランジスタ（Ｉ
Ｉ　Ｂ　Ｔ　）は、超高速で動作するので、盛んに開発
されている。

ＨＢＴは、ｎ−ＧａＡｓのコレクタ、ｐ′″−ＧａＡｓ
のベース、ｎ−ＡｌＧａＡｓのエミッタから構成されて
いる。ＩＩＢＴの構造は、第３図に示すように、半絶縁
性または導電性ＧａＡｓ基板の上にｎ”−ＧａＡｓ及び
ｎ−ＧａＡｓ層のコレフタ層を積層し、さらにｐ”−Ｇ
ａＡｓ層のベース層を積層し、さらにその上にｎ−４１
ＧａＡｓ層及びｎ−ＧａＡｓ層のエミツタ層を積層し、
に記ｐ”−ＧｌｌＡｓ層とｎ−ＡｌＧａＡｓ層との間に
ｐｎ接合を形成したものである。そして、コレクタ電極
はｎ”−ＧａＡｓフレクタ層の上に、ベース電極はｐ’
−ＧａＡｓベース層の」二に、エミッタ電極はｎ−Ｇａ
Ａｓエミツタ層の上にそれぞれ形成する。

このようなＨＢＴの特性は、ｐ”−ＧａＡｓのベース層
の正孔濃度が高いほど優れた特性が得られ、ｐ’−Ｇａ
Ａｓのベース層とｎ−ＡｌＧａＡｓのエミツタ層との間
のｐｎ接合の界面が急峻なほど優れた特性が得られる。

従来、ＯＭＶＰＩ’Ｊでｐ型ドーパントとして亜鉛（Ｚ
ｎ）が用いられていたが、亜鉛は拡散係数が大きいため
、成長中にベース領域からエミッタ領域への拡散を避け
・ることかできず、急峻なｐｎ接合を得ることができな
いという問題があった。

分子線エピタキシャル法（ＭＢＥ法）テハ、ｌＸｌ０″
０ｃｒｓ−”程度までドーピングすることが可能で、か
つ、拡散係数の小さなりｅが一般的に用いられているが
、ＯＭＶＰＥ法では安全性の観点から、Ｂｅを用いるこ
とは困難である。そのため、亜鉛に比べて拡散係数が５
桁程度小さいＭｇがドーパントとして検討されている。

しかし、Ｍｇ原料のビスシクロペンタジェニルマグネシ
ウム（ＣｐＪｇ）やビスメチルシクロペンタジェニルマ
グネシウム（ＬＣｐＪｇ）は、室温状態の配管や反応管
の内壁に吸着されるため、反応管にＭｇ原料の供給を開
始しても、内壁への吸着が飽和するまで、化合物半導体
へのドーピング量が一定にならず、また、Ｍｇ原料を反
応管から排気管に切り換えた後も、配管や反応管の内壁
に吸着したＭｇ原料が徐々に脱離して基板結晶表面に運
ばれるために、Ｍｇが引き続きドーピングされる。それ
故、Ｍｇのドーピングによりｐ型化合物半導体を形成し
ようとするときに、急峻なドーピング・プロファイルを
得ることができないという問題があった。

そのため、最近では炭素ドーピングが検討されテイル。

例えば、Ｊ、　Ａｐｐｌ、　Ｐｈｙｓ、　Ｖｏｌ、　６
４．　Ｎｏ、　８゜ｐ、３９７５〜３９７９．に、５ａ
ｉｔｏ　ｅｔ　ａｌ、では、ガスソースＭＢＥ法により
■族原料にトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）を、− Ｖ族′原料に金属ヒ素を用いて１０”ｃ＋ａ−３程度の
炭素ドーピングを行っている。

また、Ａｐｐｌ、　Ｐｈｙｓ、　Ｌｅｔｔ、　Ｖｏｌ、
　５３．　Ｎｏ、　１４．　ｐ、　１３１７〜１３１９
、　Ｔ、　Ｆ、　Ｋｕｅｃｈ　ｅｔ　ａｌ、では、有機
金属気相成長法により、■族原料にＴＭＧａ、　Ｖ族原
料にＴＭＡｓを用い、成長圧カフ６Ｔｏｒｒで、成長温
度６００℃で炭素ドープＧａＡｓを成長するときに、炭
素ドープ量の最高値が２Ｘ１０”ｃｍ−３であったと報
告している。

（発明が解決しようとする課題）ＯＭＶＰＥ法により従来の成長条件の下で、ＴＭＧａと
ＴＭＡｓを原料として炭素ドープＧａＡｓを成長する場
合、ＴＭＧａやＴＭＡｓの流量を変えても炭素のドーピ
ング量は殆ど変化させることができない。そのため、成
長温度を変えることによりドーピング量を制御している
。例えば、上記のＡｐｐｌ、　Ｐｈｙｓ、　Ｌｅｔｔ、
　Ｖｏｌ、　５３゜Ｎｏ、１４．ｐ、１３１７〜１３］
９．Ｔ、Ｆ、Ｋｕｅｃｈ　ｅｔ　ａｌ、では、成長圧力
？６Ｔｏｒｒで、成長温度を６００℃から７００℃に上
げることにより、正孔濃度を１０”ｃ＋ｎ−３から１０
”ｃｍ−３に変化させたと報告されている。この成長温
度による制御法は、単層のエピタキシャル層を成長さ＝
４＝せるときには問題がないが、炭素ドーピング量の異なる
多層を成長させる場合は、層と層との間で成長を中断し
長時間かけて成長温度を変更しなければならないという
問題があった。

本発明は、上記の問題を解消し、成長温度を変化させる
ことなく、炭素ドーピング量を広い範囲で制御すること
のできる気相成長法を提供しようとするものである。

（課題を解決するための手段）本発明は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の有機金属気相成
長法において、■族原料として有機金属化合物を用いて
炭素をドーピングする際に、成長圧力を１〜４０Ｔｏｒ
ｒ、成長温度を６２５℃以下とし、全ガス流量を変化さ
せることにより炭素のドーピング量を制御することを特
徴とする気相成長法である。

（作用）ＴＭＧａとＴＭＡｓを原料に用いてＧａＡｓにドーピン
グされる炭素は、ＴＭＧａ及びＴＭＡｓのメチル基の炭
素がガリウム若しくはヒ素と結合した形で、結晶中に取
り込まれると考えられている。従来のＴＭＧａとＡｓＨ
３を原料とする場合には、ＡＢＯ３が分解してできる水
素原子がＴＭＧａのメチル基と結合しメタンとなるため
、炭素がドーピングされにくいと考えられていたが、実
際には、この場合も一定量の炭素が結晶中に取り込まれ
ている。この反応をもう少し詳しくみると、気相中でＴ
ＭＧａがＡＢＯ３から発生する水素原子と反応して、メ
チル基が１つずつ外れて行き、モノメチルガリウムの形
でＧａＡｓ基板」二に吸着され、最終的にガリウムと炭
素が結晶中に取り込まれると考えられる。従って、Ａ　
ｓ　Ｉｔ　３から発生する水素原子の濃度が高いほど炭
素の取り込みは少くなる。

通常、八５ｌｌｉを増やすと炭素の混入が少なくなるの
はこのためである。また、ＴＭＡｓを原料とするときに
、炭素が大量に結晶中に取り込まれのは、＾ｓＨ，＋か
ら発生する水素原子が存在しないためと考えられる。ま
た、炭素のドーピング量は、成長温度が低いほど増加す
るが、低温ではＴＭＧａやＴＭＡｓの分解が遅く、モノ
メチルガリウム、モノメチルヒ素の形で基板へ到達する
確率が増加するためと考えられる。

本発明者らは、有機金属化合物の分解が、１〜４゜Ｔｏ
ｒｒという低い成長圧力の下で、成長に用いる全ガス流
量にも影響されると考えた。これは、成長圧力を一定に
保ったまま、全ガス流量を変化させるとガス流速が変化
し、原料である有機金属化合物の基板表面における滞留
時間が変化するため、有機金属化合物の分解の割合も変
化するためである。通常、全ガス流量の変化は、成長速
度には大きな変化を及ぼさないが、炭素ドーピングにお
いては、モノメチルガリウムの生成確率が炭素のドーピ
ング量に支配的な影響を及ぼすと考えられるので、全ガ
ス流量によって炭素のドーピング量を大きく変化させる
ことができると考えた。そして、炭素ドーピングの全ガ
ス流量依存性について実験を繰り返したところ、炭素の
ドーピング量を全ガス流量により制御することが可能で
あることを見いだした。

（実施例１）反応管内の圧力を１０Ｔｏｒｒに保ち、予め、反応管内
にＴＭＡｓを流した状態で、半絶縁性ＧａＡｓ基板を成
長温度５７５℃まで加熱した後、ＴＭＧａとＴＭＡ　ｌ
を反応管へ導入し、ＡＩｏ、＋Ｇａｏ、ｓＡｓエピタキ
シャル層の成長を開始した。この際、ＴＭＡｓとＴＭＧ
ａのモル比を６．８とし、ＴＭＧａの流量を６．７ｍｌ
／ｍｉｎとし、ＴＭＡＩの流量を３．５ｍｌ／ｍｉｎと
し、エピタキシャル層の厚さが３μｍとなるまで成長さ
せた。その後、ＴＭＧａとＴＭＡ　ｌを排気管に切り換
えて、基板温度を室温に戻して成長を終了した。その間
に、全ガス流量を５００．３５０゜２５０ｓｅｃｍと変
化させた。成長させたＡＩｏ、＋Ｇａｏ、ｓＡＳエピタ
キシャル層について、ホール効果測定を室温で行い、得
られた正孔濃度を第１図に示す。正孔濃度は、全ガス流
量が５００ｓｃｃｍのときに１．２Ｘ１０”ｃｍ−’か
ら２５０ｓｅｃｍのときには４．０ＸＩＯ１８ｃ１″ま
で大きく変化させることができた。

（実施例２）反応管内の圧力を１ＯＴｏｒｒに保ち、全ガス流量を５
００ｓｅｃｍにした状態で、予め、反応管内にＴＭＡｓ
を流し、半絶縁性ＧａＡｓ基板を成長温度５７５℃まで
加熱した後、ＴＭＧａとＴＭＡ　ｌを反応管へ導入し、
Ａｌｏ、＋ＧａｏｆｌＡｓエピタキシャル層の成長を開
始した。

この際、ＴＭＡｓとＴＭＧａのモル比を６．８とし、Ｔ
ＭＧａの流量を６．７ｍｌ／ｗｉｎとし、ＴＭＡ　ｌの
流量を３．５１７ｍ１ｎとした。そして、エピタキシャ
ル層の厚さが１μｍとなるまで成長させた後、全ガス流
量を２５０ｓｃｃｎ＋に変更して１μｍのエピタキシャ
ル層を成長させた。

第１層と第２層の間の成長中断は設けず、連続成長を行
った。その後、ＴＭＧａとＴＭＡ　Ｉを排気管に切り換
えて基板温度を室温に戻して成長を終了した。

成長したＡＩｏ、＋Ｇａｏ、ｓＡｓエピタキシャル層の
炭素濃度をＳ１ＭＳ測定法で測定し、その結果を第２図
に示す。図から明らかなように、全ガス流量を５００ｓ
ｃｃｍとした第１層の炭素濃度は１．２ＸｌＯ”ｃｍ−
’であり、全ガス流量が２５０ｓｅｃｍとした第２層の
炭素濃度は４Ｘ１０”ａｍ−’であり、ともに深さ方向
に均一なプロファイルを示している。このことから、全
ガス流量を変化させることにより、炭素のドーピング量
を容易に制御可能であることが分かる。

この実施例では、２本の水素ラインを設け、その内の１
本を０Ｎ１０ＦＦ　して全ガス流量を制御しているが、
１本の水素ラインでも短時間に流量を変更すれば、任意
の正孔濃度を得ることができる。また、全ガス流量を時
間とともに徐々に変化させれば、任意の正孔濃度のプロ
ファイルを形成することが出来る。

（発明の効果）本発明は、上記の構成を採用することにより、Ｖ族原料
として有機金属化合物を用いた炭素ドーピングにおいて
、反応管に導入する全ガス流量を変化させることにより
、容易に炭素ドーピング量を制御することができる。こ
の方法によれば、成長温度の変更にともなう成長中断を
行うことなく、正孔濃度を制御することができるため、
簡単な操作で短時間で制御することができるようになり
、成長中断中に界面に不用な不純物や欠陥が導入される
という虞れもな（、良好な界面を得ることができ、エピ
タキシャル層の品質向りに大きく寄与するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例１において全ガス流量を変化させるとき
の、＾ｌＧａＡｓエピタキシャル層の正孔濃度の変化を
示す図、第２図は実施例２のＡ］ＧａＡｓエピタキシャ
ル層の正孔濃度の深さ方向のプロファイルを示す図、第
３図はＩＩＢＴの模式図である。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）III−Ｖ族化合物半導体の有機金属気相成長法に
おいて、Ｖ族原料として有機金属化合物を用いて炭素を
ドーピングする際に、成長圧力を１〜４０Ｔｏｒｒ、成
長温度を６２５℃以下とし、全ガス流量を変化させるこ
とにより炭素のドーピング量を制御することを特徴とす
る気相成長法。
（２）前記III−Ｖ族化合物半導体がＧａＡｓであり、
III族原料がトリメチルガリウム又はトリエチルガリウ
ムであり、Ｖ族有機金属化合物がトリメチルヒ素である
ことを特徴とする請求項（１）記載の気相成長法。
（３）前記III−Ｖ族化合物半導体がＡｌＧａＡｓであ
り、III族原料がトリメチルガリウム又はトリエチルガ
リウム、及び、トリメチルアルミニウムであり、Ｖ族有
機金属化合物がトリメチルヒ素であることを特徴とする
請求項（１）記載の気相成長法。