JPH03241732A

JPH03241732A - 化合物半導体結晶の気相成長法

Info

Publication number: JPH03241732A
Application number: JP3725590A
Authority: JP
Inventors: Mitsuru Shimazu; 充嶋津; Hiroya Kimura; 浩也木村; Futatsu Shirakawa; 白川　二; Kouichi Koukado; 香門　浩一; Shigeo Murai; 重夫村井
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: 2014-08-23
Also published as: JP2936620B2

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、基板上に薄膜の中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、ヘテロ接合
デバイスの中でもヘテロ・バイポーラ・トランジスタ（
ＩＩＢＴ）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のフレフタ、ｐ″ＧａＡｓのベ
ース、ｎ−ＡｌＧａＡｓのエミッタから構成されている
。ＨＢＴ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層及びｎ−
ＧａＡｓ層のコレクタ層を積層し、さらにｐ”−ＧａＡ
ｓ層のベース層を積層し、さらにその１−にｎＡｌＧａ
Ａｓ層及びｎ　−ＧａＡｓ層のエミツタ層を積層し、」
―記ｐ”−ＧａＡｓ層とｎ−ＡｌＧａＡｓ層との間にｐ
ｎ接合を形成したものである。そして、コレクタ電極は
ｎ”−ＧａＡｓコレクタ層の」二に、ベース電極はｐ”
−ＧａＡｓベース層の上に、エミッタ電極はｎ−ＧａＡ
ｓエミツタ層の上にそれぞれ形成する。このようなＨＢ
Ｔ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、１）’　ＧａＡｓ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、ＯＭＶＰＥ法でｐ型ドーパントとして亜鉛（Ｚｎ
）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
ことができず、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（Ｍ’ＢＥ法）では、ｌＸｌ０
’。

ｃｍ−３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、Ｏ
ＭＶＰＥ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ている。

例えば、Ｊ、　Ａｐｐｌ、　Ｐｈｙｓ、　Ｖｏｌ、　８
４．　Ｎｏ、　８゜ｊ）、３９７５〜３９７９．に、５
ａｉｔｏ　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、■族
原料に金属ヒ素を用いてｌ０１０ｃｍ−３程度の炭素ド
ーピングを行っている。

また、Ａｐｐｌ、　Ｐｈｙｓ、　Ｌｅｔｔ、　Ｖｏｗ、
　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、■族原料にＴＭ
Ａｓ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２Ｘｌ（１”ｃｍ−’であったと報告して
いる。

（発明が解決しようとする課題）従来のＯＭ　Ｖ　ｌ）Ｅ法において、ＴＭＧａとＴＭＡ
ｓを原料として炭素ドープＧａＡｓを成長する場合、Ｔ
ＭＧａやＴＭＡｓの流量を変えても炭素のドーピング量
は殆ど変化しない。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、１〕記のＡ
ｐｐｌ、　Ｐｈｙｓ、　Ｌｅｔｔ、　Ｖｏｌ、　５３．
　Ｎｏ、　１４．　ｐ、１３１７〜１３１９．　Ｔ、　
Ｐ。

Ｋｕｅｃｈ　ｅｔ　ａｌ、では、成長圧カフ６Ｔｏ’ｒ
ｒで、成長温度を６００℃から７００℃に」−げること
により、正孔濃度を１０Ｉｆ１ｃｍ−３から１０”ｃｍ
〜３に変化させたことが報告されている。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短時間で容易に変更する
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、Ｖ族原料として有機金属化合物を用い、
成長圧力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。なお、成
長圧力は１〜４０ＴＯｒｒの範囲で制御し、成長温度は
６２５℃以下とすることが好ましい。

（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Ａ　ｓ
　１１３を原料とする場合には、Ａ　ｓＩＩ　ｓ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（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ＴＭＧａが＾ｓＨ３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ＱＢＡｓ基板上に吸着され、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、＾ｓ　Ｈ３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、ＡＳ１１３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、＾８■１３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、Ｉｎ族原料にＴＭＧａを、Ｖ族原料にＴ
ＭＡｓを用い、ｌ０Ｔｏｒｒ〜７６Ｔｏｒｒの範囲の圧
力で成長圧力を変化させて炭素ドープＧａＡｓの結晶成
長を行い、炭素ドーピング量の成長圧力依存性を調べた
ところ、正孔濃度が７ＸＩＯ”ｃｎ＋−３から７ＸＩＯ
”ａｍ−’まで減少するという大きな変化を見いだした
。本発明は、この成長圧力依存性を利用して、炭素ドー
ピング量を制御する方法を提供しようとするものである
。なお、成長圧力の制御方法は、特に限定されるもので
はないが、例えば、反応管内を減圧ニ排気スるロータリ
ーポンプと反応管の間にバルブを配置し、その開口度を
変化させる方法、該バルブの開口度を一定にしたまま、
キャリアガスの流量を増減させて圧力を制御する方法、
ロータリーポンプの前にパラストガスを導入し、その流
量により成長圧力を制御する方法などを採用することが
できる。

（実施例１）反応管内の圧力を１０．２０．４０．７６Ｔｏｒｒの４
条件でＧａＡｓエピタキシャル層を成長させた。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を反
応管へ導入し、ＧａＡｓ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、ＴＭＧａの流量を６．７ｍｌ／ｍｉｎとし、エピタ
キシャル層の厚さが２μｍとなるまで成長させた。その
後、ＴＭＧａ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ＧａＡｓエピタキシャル層の正孔濃度及び移動
度をホール効果測定法で測定し、その結果を第１図に示
す。正孔濃度は、成長圧力］０Ｔｏｒｒの場合に？ＸＩ
Ｑ”ｃｍ−”から７６Ｔｏｒｒの場合の７ＸＩＤ１ｓｃ
ｒａ−”まで制御することができ、移動度は、正孔濃度
が７ｘＩＯＩ＠ｃＩ１１−３において７２ｃＩｌ”／Ｖ
−ｓｅｃ、　７Ｘ１Ｇ”ｃ＋ｗ−３において２００ｃｍ
”／Ｖ−ｓｅｃであり、他のドーパントと同等以上の値
であり、得られた炭素ドープＧａＡｓの結晶性が良好な
ことを示している。

（実施例２）反応管内の圧力を１ＯＴｏｒｒ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を反応管へ導
入し、ＧａＡｓ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。その後、−旦ＴＭＧａを排気管に切り換え、
成長圧力を４０Ｔｏｒｒまで−Ｊ二げ、再びＴＭＧａを
反応管に導入して厚さ１μｍのエピタキシャル層を成長
させた。第１層と第２層の間の成長中断時間は１分であ
る。その後、ＴＭＧａ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ＧａＡｓエピタキシャル層の正孔濃度をＣＶ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、成長圧力１０Ｔｏｒｒの第１層
の正孔濃度は７Ｘ１０”ｃｍ−３であり、成長圧力４０
Ｔｏｒｒの第２層の正孔濃度はｌＸｌ０”ｃｍ−’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、成長圧力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することが可能となる。

（発明の効果）本発明は、」二記の構成を採用することにより、■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、成長圧力を変化させることにより、炭素ドーピング
量を容易に制御することができるようになった。これは
、成長温度によるドーピング量の制御と比較して、バル
ブの開口度を変化させる等の、極めて簡単な操作で短時
間で制御することができるため、成長中断中に界面に不
用な不純物や欠陥が導入されに＜＜、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上に太き（寄与
するものである。

【図面の簡単な説明】

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、成長圧
力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）成長圧力の範囲を１〜４０Ｔｏｒｒとし、成長温
度の範囲を６２５℃以下とす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）又は（２）記載の気相成
長法。
（４）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）又は（２）記載の気相成長法。