JPH04254499A - 化合物半導体結晶の製造方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は化合物半導体結晶の製造
方法，特に化合物半導体の原子層エピタキシャル成長方
法に関する。

【０００２】近年の電子素子，光半導体素子の発達に伴
い，素子を構成する半導体の電子エネルギーバンド構造
を任意かつ精密に形成する技術が要請されている。この
ため，新たなエネルギーバンド構造を創造し，かつ複雑
な形状のエネルギーバンド構造を有する半導体構造を精
密に形成する必要があり，その手段として，化合物半導
体の原子層エピタキシャル成長法が注目されている。

【０００３】とくに，２種以上の３族原子層を有する多
元３族−５族化合物半導体を一原子層ずつ成長する原子
層エピタキシは，エネルギーバンド構造を極めて広範に
操作できる可能性を有しており，半導体素子の性能向上
に寄与するものとしてその実現が強く期待されている。

【０００４】

【従来の技術】３族−５族化合物半導体の原子層エピタ
キシャル成長は，基板結晶上に３族元素の化合物ガスを
供給して一原子層の３族原子層を堆積したのち，５族元
素の化合物ガスを供給して一原子層の５族原子層を堆積
する過程を１成長サイクルとして，かかる成長サイクル
を繰り返し，原子層を任意に組み合わせた化合物半導体
結晶を，一原子層を単位として堆積，形成する結晶成長
方法である。

【０００５】従来の３族−５族化合物半導体の原子層エ
ピタキシャル成長法においては，３族原子層を成長する
ために，原料として３族元素の有機金属化合物が広く用
いられている。

【０００６】例えば，ＧａＡｓを原子層エピタキシャル
成長するには，Ａｓ層の堆積時にはＡｓＨ３　を，Ｇａ
層の堆積時にはＴＭＧ（Ｔｒｉｍｅｔｈｙｌｇａｌｌｉ
ｕｍ）を供給する。 またＩｎＡｓを成長する例では，Ｉｎ層の堆積時にＴＭ
Ｉ（Ｔｒｉｍｅｔｈｙｌｉｎｄｉｕｍ　）を供給する。

【０００７】しかし，有機金属化合物を原料とするとき
，原子層エピタキシャル成長が正常になされる温度範囲
は，原料となる有機金属化合物の種類と堆積すべき結晶
の熱的安定性により異なる。

【０００８】かかる状況を図４を参照して説明する。図
４は従来の成長条件の一例を示す図であり，原子層エピ
タキシャル成長法において，３族元素が異なる２種類の
化合物半導体について成長速度と成長温度との関係を示
したものである。

【０００９】図４中，ＡはＩｎＡｓの，ＢはＧａＡｓの
成長について示したものである。正常な原子層エピタキ
シャル成長がなされるのは，一成長サイクルについて一
原子層のみ堆積する場合であり，第４図中に原子層成長
として示された温度範囲に限られる。

【００１０】一般に，３族元素を異にする３族−５族化
合物半導体の原子層エピタキシャルができる成長温度は
３族元素の種類により異なるため，図４に例示する如く
互いに重複しない場合がある。

【００１１】かかる場合，異なる３族原子層を有する２
種以上の化合物半導体を，同一の成長温度の下で原子層
エピタキシャル成長をすることはできない。従って，同
一成長温度の下で単に原料の供給源を切替えるだけでは
，異なる３族原子層を有する化合物半導体を積層するこ
とはできないのである。

【００１２】上記の問題を回避して原子層エピタキシャ
ル成長をするには，３族元素の種類が異なる化合物半導
体層を成長する毎に成長温度を変えなければならず，こ
れでは多大の時間を費やすことになる。

【００１３】さらに，ＩｎＡｓの如く高温で結晶性が劣
化するものは，かかる方法を用いることができない。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】上述したように，従来
の原子層エピタキシャル成長法において，３族元素が異
なるために成長温度範囲が重複しない場合には，２種以
上の化合物半導体を同一温度で成長することはできず，
従って２種以上の３族原子層を積層することは困難であ
った。

【００１５】また，温度を原子層毎に変えて成長する方
法は，時間を要するのみならず高温で劣化する結晶には
適用できないという欠点がある。本発明は，一定の成長
温度の下で，原料ガスを交互に切替えて供給する原子層
エピタキシャル結晶成長法について，原子組成の異なる
２種類以上の３族原子層を有する化合物半導体結晶の製
造方法を提供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に，本発明の構成は，所定温度に保持された基板結晶上
に３族元素の化合物ガスと５族元素の化合物ガスとを交
互に供給して，３族−５族化合物半導体結晶を１原子層
ずつ堆積する原子層エピタキシャル成長法において，少
なくとも２種類の３族原子層を有する３族−５族化合物
半導体結晶を，該基板表面に光を照射しつつ堆積する工
程を有することを特徴として構成され，及び，上記３族
化合物ガスのうち少なくとも１種類のガスの供給に同期
して光を照射することを特徴として構成される。

【００１７】

【作用】本発明では，３族−５族化合物半導体結晶の成
長の際，特に３族原子層を成長する際に光を照射するも
のであり，光照射なくば原子層エピタキシャル成長が起
こらない低温において，原子層エピタキシャル成長を可
能とする。

【００１８】従って，種々の３族−５族化合物半導体か
らなる層を原子層の単位で積層することができるのであ
る。前記したように，３族元素の有機化合物ガスを基板
上に流して１種類の原子層を原子層エピタキシャル成長
できる成長温度であっても，他の種類の原子層を原子層
エピタキシャル成長し得ない場合が起こる。

【００１９】本発明によれば，光の照射により，かかる
成長温度においても上記他の種類の原子層を成長するこ
とが可能となるので，従来の方法では共通する成長温度
範囲がないことから原子層エピタキシャル成長をするこ
とができなかった２種以上の化合物半導体結晶を積層し
た構造を，同一温度下で成長することができるのである
。

【００２０】かかる低温度において原子層エピタキシャ
ル成長がおこるのは，本発明の発明者により以下の理由
によるものと考察されている。原子層エピタキシを起す
には，基板表面に吸着した原料ガスの分子が，続く原子
層の成長の際に分解し，化学反応を起こすために必要な
活性化エネルギーを熱エネルギーから与えねばならない
。

【００２１】しかし，低温では活性化エネルギーは与え
られず，原料分子が一層に吸着した後は，原料分子が分
解，反応しないため以後のエピタキシャル反応が進行し
ないのである。

【００２２】しかるに，光照射により上記活性化エネル
ギーが光化学反応として又は表面近傍の温度上昇の効果
として与えられるので，基板表面に吸着した原料分子は
容易に分解，反応し，その結果，低温でも原子層エピタ
キシが起こるのである。

【００２３】従って，上述した効果は，ＴＭＧ，ＴＭＩ
，ＴＭＡ（Ｔｒｉｍｅｔｈｙｌａｌｕｍｉｎｕｍ）のほ
か，３族元素の有機化合物について同様の効果を奏する
のである。また，５族の化合物についても同様である。

【００２４】従って，本発明を５族元素の種類が異なる
ことにより原子層エピタキシャル成長温度が相違する２
以上の３族−５族化合物半導体を積層して堆積するため
に適用できるのは当然である。

【００２５】

【実施例】本発明を，減圧下で面方位（１００）のＩｎ
Ｐ基板上にＧａＡｓとＩｎＡｓとを各一原子層毎に交互
に積層する原子層エピタキシャル成長に適用した例によ
り説明する。

【００２６】図３は本発明の実施例の構成図であり，成
長装置を示している。成長装置は例えば原料ガスが下か
ら上へ流れるチムニ型構造であり，反応管２は例えば透
明石英製とすることができる。

【００２７】成長温度の制御は，例えばコイル４に流れ
る高周波電流による誘導加熱によりその下面に基板１を
保持したカーボンサセプタ３を所定の温度に保持するこ
とにより達成される。

【００２８】照射用光源９は，例えば波長４８８ｎｍ又
は５１４．５ｎｍのアルゴンイオンレーザを用いること
ができる。光源９を出た光は，ミラー１０で反射され，
反応管２の壁面に設けられた例えば石英製の窓１１を透
過して，反応管２内に設置されている基板１表面に照射
する。

【００２９】ミラー１０は，光のビームを基板１表面上
所要の範囲に走査するためのもので，他の光学系又は他
の広いビームを発生する光源の使用により除くこともで
きる。窓１１の周辺部１２からＨ２　ガスをパージガス
として導入し，反応生成物の付着による窓１１の曇りを
防止している。

【００３０】原料ガスは通常の有機金属気相成長法と同
様のガス供給系から，例えばベントラン方式のガスマニ
ホールド５，６を通して反応管２内に導入される。これ
らの原料ガスは，例えば３℃に保たれたＴＭＧの容器７
に４０ｃｃ／分の水素ガスを，及び２７．１℃に保たれ
たＴＭＩの容器８に６０ｃｃ／分の水素ガスを流して供
給される。

【００３１】なお，キャリアガスには例えば水素ガスが
使用でき，反応管２内のガスの総流量は例えば２ｌ／分
，圧力は例えば２０Ｔｏｒｒである。初めに，キャリア
ガスと共に２０％濃度のＰＨ３　を４８０ｃｃ／分の速
さで供給しつつ，基板１温度を成長温度に例えば３５０
℃に上昇し保持する。

【００３２】ここでＰＨ３　は基板１の劣化を防止する
ため供給するもので，本発明に必須のものではない。次
いで，ＰＨ３　の供給を停止し，成長サイクルを開始す
る。

【００３３】図１は本発明の実施例工程図であって，成
長サイクルにおける原料ガスの供給，パージガスの供給
及び光照射のシーケンスを示したものである。成長サイ
クルの最初の工程では，図１を参照して，ＴＭＧガスの
パルスａを所要時間流す。同時にこのＴＭＧガスのパル
スａに同期した光照射ｅを行う。

【００３４】次いで水素ガスのパルスｂ１を例えば１秒
間流してパージした後，ＡｓＨ３　ガスのパルスｃ１を
例えば１０秒間流す。なお，ＡｓＨ３　ガスは例えば１
０％濃度のものを４８０ｃｃ／分の速さで供給する。

【００３５】次いで水素ガスのパルスｂ２を例えば１秒
間流してパージした後，ＴＭＩガスのパルスｄを所要時
間流す。次いで水素ガスのパルスｂ３を例えば１秒間流
してパージした後，ＡｓＨ３　ガスのパルスｃ２を例え
ば１０秒間流す。

【００３６】次いで水素ガスのパルスｂ４を例えば１秒
間流してパージする。以下上記の成長サイクルを繰り返
すことにより（ＧａＡｓ）１　（ＩｎＡｓ）１　からな
る層が交互に積層された半導体結晶を製造することがで
きる。

【００３７】図２は本発明の実施例説明図であって，上
記の成長サイクルを１成長工程とするとき，１成長工程
の間に成長した結晶層の厚さを示している。なお，光照
射は上記アルゴンイオンレーザを光源とし，基板表面上
の照射強度を２００Ｗ／ｃｍ２　として行った。

【００３８】図２における１成長工程当たりの成長量が
（ＧａＡｓ）１　（ＩｎＡｓ）１　層の厚さ０．５８５
ｎｍに一致することから，ＴＭＧガスのパルスａ幅が４
秒を越えるとき正常な原子層エピタキシャル成長がなさ
れることが確認される。

【００３９】従って上記成長工程におけるＴＭＧガスの
所要のパルスａ幅を４秒間以上とすることにより原子層
エピタキシャル成長がなされる。ＴＭＩガスについても
同様の実験結果から，原子層エピタキシャル成長がなさ
れる所要のパルスｅ幅は３秒以上とされる。

【００４０】もちろん，成長温度，各種ガスの流量，光
の強度及び波長，その他の条件により上記ガスのパルス
を流す所要の時間は変動するのであり，これらの条件は
上記実施例に限られず，原子層エピタキシャル成長がな
され得る範囲で選択できるものである。

【００４１】上記実施例によれば，従来はかかる低温で
は成長することができなかったＧａＡｓとＩｎＡｓとを
交互に積層した原子層エピタキシャル成長を，同一温度
の下で成長することができる。

【００４２】また，上記実施例において，ＴＭＩガスの
パルスに同期した光照射を加えることができる。かかる
方法により，原子層エピタキシャル成長を上記実施例よ
りも低温で実現することができるという効果を奏する。

【００４３】さらに本発明は，Ｇａ，Ｉｎ，Ａｌを含む
各種３族元素についても原子層エピタキシャル成長のお
こる温度範囲が拡大されるから，かかる各種３族元素か
らなる任意の原子層と，Ａｓ，Ｐ，Ｓｂを含む各種５族
元素からなる任意の原子層とを同一温度の下で交互に成
長させることができるのである。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したように，本発明によれば３
族−５族化合物半導体の原子層エピタキシャル成長を低
温下で行うことができるから，原子組成が異なる３族原
子層を同一温度で成長することができるという効果を奏
し，組成の異なる化合物半導体層が積層された結晶を容
易に製造できることから，半導体装置の性能向上に寄与
するところが大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】　　本発明の実施例工程図

【図２】　　本発明の実施例説明図

【図３】　　本発明の実施例構成図

【図４】　　従来の成長条件の一例

【符号の説明】

１　　基板 ２　　反応管 ３　　カーボンサセプタ ４　　コイル ５，６　　ガスマニホールド ７，８　　容器 ９　　光源 １０　　ミラー １１　　窓 １２　　周辺部 ａ　　ＹＭＧガスのパルス ｂ１，ｂ２，ｂ３，ｂ４　　Ｈ２　ガスのパルスｃ１，
ｃ２　　ＡｓＨ３　ガスのパルスｄ　　ＴＭＩガスのパ
ルス ｅ　　光照射

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　所定温度に保持された基板結晶上に３
   族元素の化合物ガスと５族元素の化合物ガスとを交互に
   供給して，３族−５族化合物半導体結晶を１原子層ずつ
   堆積する原子層エピタキシャル成長法において，少なく
   とも２種類の３族原子層を有する３族−５族化合物半導
   体結晶を，該基板表面に光を照射しつつ堆積する工程を
   有することを特徴とする化合物半導体結晶の製造方法。
2. 【請求項２】　　上記３族化合物ガスのうち少なくとも
   １種類のガスの供給に同期して光を照射することを特徴
   とする請求項１記載の化合物半導体結晶の製造方法。