JPH035398A

JPH035398A - 化合物半導体薄膜の製造方法

Info

Publication number: JPH035398A
Application number: JP13885889A
Authority: JP
Inventors: Takao Noda; 隆夫野田; Yasuo Ashizawa; 芦沢　康夫
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-05-31
Filing date: 1989-05-31
Publication date: 1991-01-11

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】〔発明の目的コ（産業上の利用分野）本発明は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を用い
て化合物半導体薄膜を成長する方法に関し、特に導電型
がｐ型であるＧａＡｓ又はＡｐＧａＡｓ層を成長する化
合物半導体薄膜の製造方法に係わる。

（従来の技術）従来、■−Ｖ族化合物半導体をＭＯＣＶＤ法で成長する
際、ｐ型のドーパントとしてＢｅ５Ｚｎ。

Ｍｇ、Ｃｄ等が使用されている。これらのうち、Ｂｅは
高濃度のドーピングが可能であるが、極めて強い毒性を
有する。Ｚｎ、Ｍｇ及びＣｄは蒸気圧が高く、高温成長
でドーピング効率が低下したり、配管壁に付着した原料
ガスが遅れて取り込まれるメモリー効果があり、急峻な
ドーピングプロファイルが得られない問題がある。

また、Ｃはドーパント原料を用いなくても有機金属原料
の熱分解により生成されるＣが成長層に取り込まれ、■
−Ｖ族化合物半導体に対するアクセプタになり、良好な
電気特性を持つことが知れらている。しかも、Ｃは拡散
が小さく、ドーピングプロファイルが鈍化しないという
利点を有する。

しかしながら、キャリア濃度を制御するには、原料ガス
の供給量を変化させるか、又は成長温度を変化させる必
要があった。これらの方法では、変化させた原料ガスの
供給量又は成長温度が安定するまでに時間がかかり、所
望のキャリアプロファイルを有する■−Ｖ族化合物半導
体を成長させることが極めて困難であった。

（発明が解決しようとする課８）本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたも
ので、ＭＯＣＶＤ法により成長薄膜にＣを高濃度にかつ
制御性よく、ドーピングすることができ、高キャリア濃
度のｐ型ＧａＡｓ。

ＡｌＧａＡｓ等の化合物半導体薄膜を簡単かつ再現性よ
く製造し得る方法を提供しようとするものである。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）本発明は、化合物半導体基板を収納した反応容器内に有
機金属を■族元素の原料ガス、水素化金属又は有機金属
をＶ族元素の原料ガスとして供給し、有機金属気相成長
法により該基板上に化合物半導体薄膜を成長させるに際
し、前記反応容器の温度を５００〜７００℃に設定し、
かつ前記反応容器内に前記各原料ガスを■族原料ガスと
Ｖ族原料ガスとのモル比（Ｖ／ｍ）が１〜２．５になる
ように供給しながら、前記反応容器内の圧力を１〜４０
０ｔｏｒｒの範囲で制御することによって、■族元素と
してＧａ及びＡｌの少なくとも１種を含み、Ｖ族元素と
してＡｓを含む化合物半導体薄膜のｐ型キャリア濃度を
１ＸｌＯＩ８〜ｌＸ１０２０Ｃｆｆｌ−３の範囲で制御
することを特徴とする化合物半導体薄膜の製造方法であ
る。

上記■族元素の有機金属原料ガスとしては、例えばトリ
メチルガリウム（ＴＭＧ）及びトリメチルアルミニウム
（ＴＭＡ）等を挙げることができ、上記Ｖ族元素の水素
化金属又は有機金属原料ガスとしては例えばアルシン（
ＡｓＨｉ）、）リメチル砒素（ＴＭＡｓ）等を挙げるこ
とができる。

上記反応容器の温度（成長温度）範囲を限定した理由は
、その温度を５００℃未満にするとキャリア濃度を高く
できるが、■−Ｖ族化合物半導体薄膜の結晶性が悪化し
、一方７００’Ｃを越えると目的とするキャリア濃度（
ｌｘ　１×１０１８　〜ｌｘ　１ｇ２°ｃｍ−’）の化
合物半導体薄膜を成長することが困難となるからである
。

上記■族原料ガスとＶ族涼料ガスとのモル比ＣＶ／ｍ）
を１〜２．５に限定した理由は、次の通りである。即ち
、従来、これらの原料ガスを用いる方法ではモル比が２
０〜２００程度に設定されており、これよりもモル比を
小さくすると成長結晶の表面が荒れると考えられていた
。しかし、本発明者等の実験によれば上記モル比を小さ
く（１０以下）にすると確かに表面荒れが発生するが、
Ｃの取り込まれは大きくなる。さらに、モル比を十分に
小さく　（２，５以下程度）すると、表面荒れは逆に少
なくなり、しかもＣの取り込まれが急激に増大すること
が判明した。一般的に超高速素子のｐ型紙抵抗層として
必要とされるｐ型のキャリア濃度はＩＸ　１０１７〜Ｉ
Ｘ　１×１０１８ｃｍづであり、これを達成するための
条件は、■族原料とＶ族原料とのモル比を１〜２．５に
すればよいことが確認された。

（作用）本発明によれば、化合物半導体基板を収納した反応容器
内に有機金属を■族元素の原料ガス、水素化金属又は有
機金属をＶ族元素の原料ガスとして供給し、有機金属気
相成長法により該基板上に化合物半導体薄膜を成長させ
るに際し、前記反応容器を所定の温度に設定し、かつ前
記反応容器内に前記各原料ガスを■族原料ガスとＶ族原
料ガスとを所定のモル比になるように供給することによ
って、前記各原料ガスの熱分解反応により生成されるＣ
が成長層に取り込まれ、アクセプタ準位が形成される。

成長中に前記反応容器内の圧力を１〜４００ｔｏｒｒの
範囲で変化させることによって、ｐ型のキャリア濃度が
ＩＸ　１×１０１８　〜ＬＸ　１×１０１８ｃｍ−’の
ＧａＡｓ５ＡｆＩＧａＡｓを再現性よく成長できる。

従って、圧力を制御することにより、ｐ型キャリア濃度
を簡単に制御することができる。しかも、ドーピング用
に新たな材料を用いないので、メモリ効果はなく、該成
長層以外の成長層に同等影響を与えない。従って、急峻
なドーピングプロファイルを実現でき、半導体装置を製
造する上で極めて有益である。

また、本発明によれば従来のＭＯＣＶＤ法では困難であ
った高キャリア濃度のｐ型ＧａＡｓ。

ＡｌＧａＡｓ層を含む半導体素子が製造される。

これらの半導体装置では、急峻なキャリア濃度分布が得
られ、良好な素子特性が実現される。

（実施例）以下、本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明する
。

第１図は本発明の実施例に使用したＭＯＣＶＤ装置を示
す概略構成図である。図中１１は、反応容器であり、こ
の反応容器１１内には回転軸１２に支持されたグラファ
イト製サセプタ１３が設置されている０このサセプタ１
３上に単結晶ＧａＡｓ基板１４力（載置されている。前
記サセプタ１３は、高周波コイル１５により加熱され、
前記基板１４を適当な温度に保持する。

キャリアガスは、ガスライン１８に供給されると共に、
マスフローコントローラ４Ｌ　４２．４３を介して、恒
温槽２１．２２．２３により所定の温度に保たれたトリ
メチルガリウム（ＴＭＧ）　、）リメチルアルミニウム
（ＴＭＡ）　、）リメチルインジウム（ＴＭＩ）を収容
しているバブラ３１．３２．３３にそれぞれ供給される
。前記バブラ３１．３２．３３を通過したキャリアガス
は、前記ガスライン１８を流れるキャリアガスと混合さ
れ、前記反応容器１１の上部に設けられたガス導入口１
６を介して反応容器ｌｌ内に導入される。前記反応容器
ｌｌ内のガスは、油回転ポンプ４６が連結されたガス排
気管１７を通して排気される。なお、前記ガス排気管１
７にはニードルバルブ４７が介装されている。

また、前記ガスライン１８にはアルシン（ＡＳＨ３）及
びシランガス（ＳｉＨ４）がマスフローコントローラ４
４．４５を介してそれぞれ供給される。なお、図中１９
はガスの供給・停止を切り替えるバルブである。

上述したＭＯＣＶＤ装置による■−■化合物半導体層を
形成する方法を説明する。

まず、油回転ポンプ４６を作動してガス排気管１７を通
して反応容器１１内のガスを排気しながら、キャリアガ
スとしてＨ２を１０ｇ流し、ＴＭＧバブラ２１に流すＨ
２流量を１５ｓｃｃｎ＋とじて、ＡｓＨ３流量をＡｓＨ
，とＴＭＧのモル比が２．０になる反応容器ｌｌ内に供
給し、反応容器１１内での成長温度を５５０℃にしてＧ
ａＡｓ基板１４上で熱分解させて該基板１４上にＧａＡ
ｓ層を１μｍ成長した。また、かかる成長に際して前記
ガス排気管１７に介装されたニードルバルブ４７の開度
を調節して反応容器ｌｌ内の圧力を１〜４００ｔｏｒｒ
の範囲で制御した。成長層の電気的特性を測定したとこ
ろｐ型を示し、正孔濃度は反応容器１１内の圧力を１〜
４００ｔｏｒｒの範囲での１制御に対して、第２図に示
すようにＩＸ　１×１０１８〜８Ｘ　１×１０１８ｃｍ
−’で連続的に変化し、しかもその再現性も良好であっ
た。干渉顕微鏡で表面観察したところ、成長結晶表面は
平らな鏡面状態であった。

また、ＴＭＧと同時にＨ２で希釈したＴＭＡを流すこと
で、同じく鏡面状態を持つｐ型ＡΩＧａＡｓを成長した
。かかるＡ、ＱＧａＡｓにおいても反応容器ｌ内の圧力
を１〜４００ｔｏｒｒの範囲で制御することで、　ＬＸ
　１０１８〜ＬＸ　ｔｏ２０ｃ＋ｎ−’の正孔濃度を再
現性良く制御できた。

上述した本実施例の方法を用いて、第３図に示すヘテロ
バイポーラトランジスタを製造した。なお、図中５１は
半絶縁性ＧａＡｓ基板、５２はアンドープＧａＡｓバッ
ファ層、５３はｎ−−ＧａＡｓコレクタ層、５４はｐ”
−ＧａＡｓベース層、５５はアンドープＧａＡｓスペー
サ層、５Ｇはｎ−ＡΩｏ、ｉ　　Ｇ　ａ　０．７　　Ａ　ｓエミッタ
層Ｓ５７はｎ”　−ＧａＡｓ層、５８はｎ”　−１ｎＧ
ａＡｓオーミックコンタクト層を示している。

第＋ａ　−の例において、ＧａＡｓベース層５４以外の
ＧａＡｓ層、／ｌ　ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ。

５２．５３．５５〜５８は、ＡｓＨ，流量を４００ｓｅ
ｃｍ　、成長温度６８０℃で成長した。ベースＧａＡｓ
層５４は、成長温度を５５０℃、ＡｓＨ３流量をｌＯ１
０５ｃで成長した。このベース層５４中のキャリア濃度
は、コレクタ側からエミッタ側に向かって２Ｘ　１×１
０１８ａｌｌ−’から５×ｌ０Ｉ９ＣＩＩ−３まで直線
的に増加させている。かかる第３図に示す構造を用いて
ヘテロ接合バイポーラトランジスタを製造したところ、
良好なりＣ特性を°有することが確認された。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではな
い。例えば、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ以外に
も、ｐ型ＧａＡｓ５Ａｌ　ＧａＡｓ。

を含む半導体レーザ、ホットエレクトロントランジスタ
等、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、各種半導体素子
の製造に適用することができる。

［発明の効果］以上詳述した如く本発明によれば、反応容器内でＭＯＣ
ＶＤ法で■−Ｖ族化合物半導体を成長する際に、前記反
応容器内を所定の温度を設定し、かつ■族原料ガスとＶ
族原料ガスをそれらのモル比を所定の割合になるように
前記反応容器内に供給しながら、反応容器内の圧力を１
〜４００ｔｏｒｒの範囲で制御することによって、新た
なドーパント材料を用いることなく、高キャリア濃度（
ＬＸ　１０１８〜ＩＸ　１×１０１８ｃＩＩ−’）のｐ
型ＧａＡｓ。

Ａ、２ＧａＡｓを成長することができる。従って、特殊
なバルブ操作を一切行わず、装置に加わる負担の増大や
成長速度の低下等を招くことなく、ＭＯＣＶＤ法により
■−ｖ族化合物半導体薄膜にＣを高濃度、かつ再現性よ
くドーピングすることができ、高キャリア濃度のｐ型Ｇ
ａＡｓ。

ＡｌｌＧａＡｓを使う半導体素子の実現に有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例で使用したＭＯＣＶＤ装置を示す概略構成図、第２図は反応容器内
の圧力と正孔濃度との関係を示す特性図、第３図は同実
施例方法により作成した半導体素子を示す断面図である
。１１・・・反応容器、１２・・・回転軸、１３・・・サ
セプタ、１４・・・単結晶ＧａＡｓ基板、１５・・・高
周波コイル、１Ｂ・・・ガス導入口、１７・・・ガス排
気管、１８・・・ガスライン、１９・・・バルブ、２１
〜２３・・・恒温槽、３１〜３３・・・バブラ、４１〜
４５・・・マスフローコントローラ、４６・・・油回転
ポンプ、４７・・・ニードルバルブ。

Claims

【特許請求の範囲】

化合物半導体基板を収納した反応容器内に有機金属をI
II族元素の原料ガス、水素化金属又は有機金属をＶ族元
素の原料ガスとして供給し、有機金属気相成長法により
該基板上に化合物半導体薄膜を成長させるに際し、前記
反応容器の温度を５００〜７００℃に設定し、かつ前記
反応容器内に前記各原料ガスをIII族原料ガスとＶ族原
料ガスとのモル比（Ｖ／III）が１〜２．５になるよう
に供給しながら、前記反応容器内の圧力を１〜４００ｔ
ｏｒｒの範囲で制御することによって、III族元素とし
てＧａ及びＡｌの少なくとも１種を含み、Ｖ族元素とし
てＡｓを含む化合物半導体薄膜のｐ型キャリア濃度を１
×１０＾１＾８〜１×１０＾２＾０ｃｍ＾−＾３の範囲
で制御することをを特徴とする化合物半導体薄膜の製造
方法。