JPH05267198A - Crystal growth method for compound semiconductor - Google Patents

Crystal growth method for compound semiconductor

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JPH05267198A
JPH05267198A JP4181251A JP18125192A JPH05267198A JP H05267198 A JPH05267198 A JP H05267198A JP 4181251 A JP4181251 A JP 4181251A JP 18125192 A JP18125192 A JP 18125192A JP H05267198 A JPH05267198 A JP H05267198A
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Nobuyuki Otsuka
信幸 大塚
Kunihiko Kodama
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Abstract

PURPOSE:To provide a crystal growth method which controls single atom layer and allows growth of compound semiconductor crystal of good quality. CONSTITUTION:A suscepter 8 on which a base crystal 9 is mounted is put in a quartz reaction tube 1. The suscepter 8 which is made of graphite is supported by a supporting rod 11, and the rod is movable vertically between a sample preparatory chamber 13 and the place of crystal growth through a gate valve 12, airtightness being maintained by a bellows 14. An RF coil 2 is disposed around the outer periphery of growth position. A gas supply part 15 and a manifold 5 for supplying multiple gases 6 by switching are connected to the lower part of reaction tube. An exhausting device 3 for material gas and a pressure adjusting valve 4 are connected to the upper part of the tube. In material gas generated by diluting trimethy lindium with hydrogen is flown for 15 seconds together with hydrogen at a specified flow rate over an InAs base crystal 9 heated to 300-450 deg.C, and then exhausted. Then, AsH3 is diluted with hydrogen and flown at a specified rate, and then exhausted. Gas supplying is performed in repetition and in the order of In, hydrogen, As and hydrogen, for InAs crystal growth, while mixing of both materials is prevented.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は化合物半導体の結晶成長
方法に係る。化合物半導体は、たとえば種々の電子デバ
イスの構成材料として用いられている。電子デバイスの
微細化、高性能化のためには、所望の場所に所望の組成
の化合物半導体を所望の厚さだけ成長することが望まれ
る場合がある。原子層単位で成長を制御する原子層エピ
タキシ(ALE)はこのような要求を実現する1つの方
法である。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a crystal growth method for compound semiconductors. Compound semiconductors are used, for example, as constituent materials for various electronic devices. In order to miniaturize an electronic device and improve its performance, it may be desired to grow a compound semiconductor having a desired composition at a desired location by a desired thickness. Atomic layer epitaxy (ALE), which controls the growth on an atomic layer basis, is one way to meet these requirements.

【0002】[0002]

【従来の技術】化合物半導体を気相で結晶成長させる方
法として、有機金属気相成長法(MOCVD)、分子線
エピタキシ(MBE)、原子層エピタキシ(ALE)等
が知られている。このうちMOCVDは、成長速度は早
いが、原子層単位の制御は難しい。MBEは、超高真空
装置を用い、超高真空中に原料を分子線として供給し、
結晶成長を行う。
2. Description of the Related Art Organic metal vapor phase epitaxy (MOCVD), molecular beam epitaxy (MBE), atomic layer epitaxy (ALE) and the like are known as vapor phase crystal growth methods for compound semiconductors. Among them, MOCVD has a high growth rate, but it is difficult to control the atomic layer unit. MBE uses an ultra-high vacuum device and supplies the raw material as a molecular beam into the ultra-high vacuum.
Perform crystal growth.

【0003】ところで、一般の気相成長法で3元系の化
合物半導体を成長させると、1つのサイト(III族又はV
族)に2種類の元素がランダムに入り、キャリヤの走行
に対して合金散乱の原因となる。そこで、3元素のサイ
トを指定して整列させれば合金散乱は防止できる。この
3元素のそれぞれのサイトを指定するためには、元素ご
とに成長を制御できるALEが有効である。
By the way, when a ternary compound semiconductor is grown by a general vapor deposition method, one site (group III or V) is grown.
Two kinds of elements randomly enter the (group) and cause the alloy scattering to the traveling of the carrier. Therefore, alloy scattering can be prevented by designating and aligning the sites of the three elements. In order to specify each site of these three elements, ALE that can control growth for each element is effective.

【0004】ALEとしては、成長槽内を超高真空に排
気すると共に、基板を加熱し、結晶成長させたい成分元
素を含むガスを順次所定量導入して半導体を分子層ごと
に成長する方法が知られている(特開昭61−3492
2号公報)。しかし、この方法では、原料ガスの切り換
えに時間がかかり、その際一旦堆積した原子層が変化し
易く、そのため制御性が悪いという問題がある。
As the ALE, there is a method of evacuating the inside of the growth chamber to an ultrahigh vacuum, heating the substrate, and sequentially introducing a predetermined amount of a gas containing a constituent element for crystal growth to grow a semiconductor for each molecular layer. Known (Japanese Patent Laid-Open No. 61-3492)
No. 2). However, this method has a problem that it takes a long time to switch the source gas, and at that time, the once-deposited atomic layer is apt to change, resulting in poor controllability.

【0005】さらに、ALEでヘテロエピタキシャル成
長する場合には、種々の問題が生じる。まず、InAs
基板の上に、InAsエピタキシャル層を成長する場合
を説明する。石英等の反応管内に配置されたInAs基
板を、所定の温度たとえば350℃に加熱し、基板上に
III族元素の原料ガスとV族元素の原料ガスを交互に供
給する。成長ガス圧は、たとえば数torrから数100to
rrの範囲である。
Further, various problems arise in heteroepitaxial growth by ALE. First, InAs
A case of growing an InAs epitaxial layer on a substrate will be described. The InAs substrate placed in a reaction tube such as quartz is heated to a predetermined temperature, for example, 350 ° C.
A group III element source gas and a group V element source gas are alternately supplied. The growth gas pressure is, for example, several torr to several 100 to
It is in the range of rr.

【0006】インジウムの原料は、たとえばトリメチル
インジウム(CH3 3 Inであり、砒素の原料は、た
とえばアルシンAsH3 である。基板上にIn層とAs
層とを交互に成長することにより、ALEによりInA
s結晶を成長することができる。GaAs結晶を成長す
る場合は、成長温度をたとえば500℃とし、ガリウム
原料ガスとしてトリメチルガリウム(CH3 3 Gaを
用い、砒素原料としてアルシンAsH3 を用いる。
The raw material of indium is, for example, trimethylindium (CH 3 ) 3 In, and the raw material of arsenic is, for example, arsine AsH 3 . In layer and As on the substrate
InA by ALE by alternately growing layers
s crystals can be grown. When growing a GaAs crystal, the growth temperature is set to 500 ° C., trimethylgallium (CH 3 ) 3 Ga is used as a gallium source gas, and arsine AsH 3 is used as an arsenic source.

【0007】上述の例において、InAs結晶を成長す
る場合の成長温度は350℃であり、GaAs結晶を成
長する場合の成長温度は500℃である。InAs/G
aAsヘテロ接合を成長する場合、成長温度を500℃
にすると、InAsの成長にとっては温度が高過ぎて、
セルフリミッティング効果が失われ、単原子層成長が困
難になる。
In the above example, the growth temperature when growing an InAs crystal is 350 ° C., and the growth temperature when growing a GaAs crystal is 500 ° C. InAs / G
When growing an aAs heterojunction, the growth temperature is 500 ° C.
Then, the temperature is too high for the growth of InAs,
The self-limiting effect is lost and monolayer growth becomes difficult.

【0008】一方、成長温度を350℃とすると、Ga
As結晶の成長には低温過ぎ、結晶成長が進行しない。
結晶成長中、頻繁に成長温度を変更することは、制御
上、効率上、好ましくない。また、ヘテロ接合を構成す
る物質間の格子定数差、熱膨張係数差、ヘテロ界面にお
ける各原子の安定性、ヘテロ界面における構成原子の相
互拡散等の問題がある。
On the other hand, when the growth temperature is 350 ° C., Ga
The temperature is too low for As crystal growth, and crystal growth does not proceed.
Frequently changing the growth temperature during crystal growth is not preferable in terms of control and efficiency. In addition, there are problems such as a difference in lattice constant between substances forming the heterojunction, a difference in thermal expansion coefficient, stability of each atom at the hetero interface, and mutual diffusion of constituent atoms at the hetero interface.

【0009】従来、ALEにおいては原料ガスを1サイ
クル供給した時の成長率は、 III族あるいはV族の原料
の供給濃度と供給時間で決定していた。ALEの成長率
については、例えばGaAsについてApplied Physics
Letters ,53巻1509−1511頁(1988)に
記載されている。また、GaAs結晶の純度については
同じく III族とV族の原料の供給濃度と供給時間に対す
る依存性が、Journalof Crystal Growth ,93巻55
7頁(1988)に記載されている。このように、従来
は、成長速度や結晶の特性に関して、原料を供給してい
ないときの影響は知られていなかった。
Conventionally, in ALE, the growth rate when one cycle of the raw material gas is supplied is determined by the supply concentration and the supply time of the group III or group V raw material. For the growth rate of ALE, for example, for GaAs, Applied Physics
Letters, 53, pp. 1509-1511 (1988). The dependence of the purity of GaAs crystals on the supply concentration and the supply time of the group III and V raw materials is also described in Journal of Crystal Growth, Vol. 93, 55.
7 (1988). As described above, hitherto, no influence on the growth rate and the characteristics of crystals when no raw material is supplied has been known.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
化合物半導体の原子層成長、特にヘテロエピタキシャル
成長は未だ十分に解明されておらず、所望の良質な結晶
を得ることは容易ではなかった。本発明の目的は、単原
子層の制御性を有し、良質な化合物半導体結晶を成長す
ることのできる化合物半導体の結晶成長方法を提供する
ことである。
As described above,
Atomic layer growth of compound semiconductors, particularly heteroepitaxial growth, has not been fully clarified yet, and it has not been easy to obtain desired high-quality crystals. An object of the present invention is to provide a crystal growth method of a compound semiconductor, which has a controllability of a monoatomic layer and can grow a good quality compound semiconductor crystal.

【0011】具体的には、 III族元素としてInを含む
化合物半導体のヘテロ接合を単原子層の厳密さをもって
容易に製造することのできる化合物半導体の結晶成長方
法を提供することである。本発明のさらに別の目的は、
III族とV族の原料供給時以外の時間が結晶成長の過程
に及ぼす効果を調べ、原料交互供給による結晶成長法の
成長技術を向上させ、原子レベルでの成長の制御をさら
には良質なヘテロエピタキシャル成長を、可能にするこ
とを目的とする。
Specifically, it is an object of the present invention to provide a compound semiconductor crystal growth method capable of easily producing a heterojunction of a compound semiconductor containing In as a group III element with the strictness of a monoatomic layer. Yet another object of the present invention is to
We investigated the effect of time other than III and V source materials on the process of crystal growth, improved the growth technique of the crystal growth method by alternate supply of materials, and controlled the growth at the atomic level with a higher quality hetero The purpose is to enable epitaxial growth.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、第1の側面において、下地結晶を所定温
度に加熱する工程と、該所定温度で、Inの有機化合物
を水素で希釈した III族原料ガスを所定圧力で未分解の
まま前記下地結晶上に供給する第1の III族供給工程
と、該 III族原料ガスを排気する工程と、V族元素を第
1の組成で含む第1のV族原料ガスを所定圧力で前記下
地結晶上に供給する第1のV族供給工程と、該第1のV
族原料ガスを排気する工程と、Inの有機化合物を水素
で希釈した III族原料ガスを所定圧力で未分解のまま前
記下地結晶上に供給する第2の III族供給工程と、該 I
II族原料ガスを排気する工程と、前記第1のV族原料ガ
スと組成の異なる、V族元素を第2の組成で含む第2の
V族原料ガスを所定圧力で前記下地結晶上に供給する第
2のV族供給工程と、該第2のV族原料ガスを排気する
工程と、を含む化合物半導体の結晶成長方法を提供す
る。
In order to achieve the above object, the present invention provides, in the first aspect, a step of heating a base crystal to a predetermined temperature, and a step of heating an organic compound of In with hydrogen at the predetermined temperature. A first group III supply step of supplying the diluted group III source gas onto the underlying crystal at a predetermined pressure without being decomposed, a step of exhausting the group III source gas, and a group V element in a first composition. A first group V supply step of supplying a first group V source material gas containing the same at a predetermined pressure onto the underlying crystal;
A step of exhausting the group III source gas; a second group III feed step of feeding a group III source gas obtained by diluting an In organic compound with hydrogen onto the underlying crystal at a predetermined pressure without being decomposed;
Exhausting the group II source gas, and supplying a second group V source gas containing a group V element in a second composition and having a different composition from the first group V source gas onto the underlying crystal at a predetermined pressure. There is provided a method for crystal growth of a compound semiconductor, which comprises a second group V supply step of: and a step of exhausting the second group V source gas.

【0013】この様にして成長される化合物半導体は、
代表的には、InAs/InP、InAsP/InPま
たはInAs/InAsPのヘテロ接合を有するものを
挙げることができる。この結晶成長方法では、In有機
化合物は下地結晶に到達するまでは実効的に分解せず、
下地結晶上で分解するように、前記所定温度、In有機
化合物の水素希釈率、 III族原料ガスの流速、および前
記所定圧力を選択する。
The compound semiconductor thus grown is
Typically, those having a heterojunction of InAs / InP, InAsP / InP, or InAs / InAsP can be mentioned. In this crystal growth method, the In organic compound is not effectively decomposed until reaching the underlying crystal,
The predetermined temperature, the hydrogen dilution ratio of the In organic compound, the flow rate of the group III source gas, and the predetermined pressure are selected so as to decompose on the base crystal.

【0014】さらに、第1のV族原料供給工程と第2の
III族原料供給工程の間および第2のV族原料供給工程
と第1の III族原料供給工程の間に水素を供給して原料
ガスを排気し、この水素供給(パージ)工程の水素供給
時間を、第1および第2のV族原料供給工程で付着した
V族原子の脱離が防止できる程度に制限することが望ま
しい。
Further, the first group V raw material supply step and the second
Hydrogen is supplied during the Group III source supply process and between the second Group V source supply process and the first Group III source supply process to exhaust the source gas, and the hydrogen supply time of this hydrogen supply (purge) process Is preferably limited to such an extent that the detachment of the group V atom attached in the first and second group V source material supplying steps can be prevented.

【0015】また、本発明によれば、第2の側面におい
て、下地結晶を所定温度に加熱する工程と、該所定温度
で以下の工程、すなわち、水素で希釈した III族原料ガ
スを所定圧力で未分解のまま前記下地結晶上に供給する
工程と、水素ガスを該下地結晶上に供給すると共に該 I
II族原料ガスを排気するパージ工程と、V族原料ガスを
所定圧力で前記下地結晶上に供給する工程と、水素ガス
を該下地結晶上に供給すると共に該V族原料ガスを排気
するパージ工程とを有し、パージ量を制御することによ
り、結晶成長速度を制御することを特徴とする化合物半
導体の結晶成長方法が提供され、また、下地結晶を所定
温度に加熱する工程と、該所定温度で以下の工程、すな
わち、水素で希釈した III族原料ガスを所定圧力で未分
解のまま前記下地結晶上に供給する工程と、水素ガスを
該下地結晶上に供給すると共に該III族原料ガスを排気
するパージ工程と、V族原料ガスを所定圧力で前記下地
結晶上に供給する工程と、水素ガスを該下地結晶上に供
給すると共に該V族原料ガスを排気するパージ工程と、
ドーピングガスを供給する工程とを有し、該ドーピング
ガスの供給前のパージ工程において、パージ量を制御す
ることによりドーピング量を制御することを特徴とする
化合物半導体の結晶成長方法が提供される。
Further, according to the present invention, in the second aspect, the step of heating the base crystal to a predetermined temperature and the following steps at the predetermined temperature, that is, the Group III source gas diluted with hydrogen at a predetermined pressure are used. A step of supplying hydrogen gas onto the base crystal without decomposition, and a step of supplying hydrogen gas onto the base crystal.
Purge step of exhausting the group II source gas, step of supplying group V source gas at a predetermined pressure onto the base crystal, and purge step of supplying hydrogen gas onto the base crystal and exhausting the group V source gas And a crystal growth method of a compound semiconductor, characterized in that the crystal growth rate is controlled by controlling a purge amount, and a step of heating a base crystal to a predetermined temperature; In the following steps, namely, a step of supplying a group III source gas diluted with hydrogen at a predetermined pressure onto the underlying crystal while undecomposed, a hydrogen gas is supplied onto the underlying crystal and the group III source gas is supplied. A purging step of exhausting, a step of supplying a group V source gas at a predetermined pressure onto the base crystal, a purge step of supplying hydrogen gas onto the base crystal and exhausting the group V source gas,
A method for growing a crystal of a compound semiconductor, comprising the step of supplying a doping gas, wherein the doping amount is controlled by controlling the purge amount in the purging step before supplying the doping gas.

【0016】[0016]

【作用】InAsは高電子移動度であり、これを利用し
た格子不整合系、ヘテロ接合系のデバイスは有用性が高
いが、このようなヘテロ成長は容易でなかった。例え
ば、GaAs/InGaAs系でもInの組成は高々
0.2程度にすぎなかった。そこで、本発明では、第1
に、InP/InAsの如くヘテロ接合の両方にInを
含む系に着目し、これによって両者の格子不整の小さい
系を選択し、成長を容易化する。特に、InPとInA
s界面ではAsとPの相互拡散が極めて小さいので有利
である。また、両方にInを含むヘテロ接合では両者の
ALE成長温度が近いので有利である。
InAs has a high electron mobility, a lattice-mismatch type device or a heterojunction type device using this is highly useful, but such a hetero growth was not easy. For example, even in the GaAs / InGaAs system, the composition of In was only about 0.2 at most. Therefore, in the present invention, the first
Attention is focused on a system containing In in both heterojunctions such as InP / InAs, and a system having a small lattice mismatch between the two is selected to facilitate growth. In particular, InP and InA
At the s interface, the mutual diffusion of As and P is extremely small, which is advantageous. Further, a heterojunction containing In in both is advantageous because the ALE growth temperatures of both are close.

【0017】第2に、Inの有機化合物を水素で希釈し
た III族原料ガスを所定圧力で用いることにより、下地
結晶上にInの単原子層を成長することが可能となる。
V族元素の単原子層は比較的容易に成長でき、その組成
を制御することによってヘテロ界面を実現することがで
きる。下地結晶を所定温度に設定することにより、ガス
中での反応および下地結晶上の反応を制御することが可
能となる。下地結晶の温度が高過ぎると、単原子層を成
長する2次元成長のみでなく、3次元成長が発生してし
まうため、下地結晶は3次元成長を抑圧する所定温度に
加熱する。In原子層の上に、V族元素の原料ガスを供
給することにより、V族元素の単原子層が成長する。
Secondly, by using a group III source gas obtained by diluting an In organic compound with hydrogen at a predetermined pressure, it becomes possible to grow a monoatomic layer of In on the underlying crystal.
A monoatomic layer of a Group V element can be grown relatively easily, and a hetero interface can be realized by controlling the composition thereof. By setting the base crystal to a predetermined temperature, it becomes possible to control the reaction in the gas and the reaction on the base crystal. If the temperature of the underlayer crystal is too high, not only two-dimensional growth for growing a monoatomic layer but also three-dimensional growth occurs, so the underlayer crystal is heated to a predetermined temperature that suppresses the three-dimensional growth. By supplying the source gas of the V group element on the In atomic layer, a monoatomic layer of the V group element grows.

【0018】さらに、 III族元素の供給工程と、V族元
素の供給工程との間に水素ガスを流すことにより、両原
料ガスの分離を改善することができる。両原料ガスの分
離がより短時間により完全に行なわれることは、ヘテロ
界面の乱れを防止し、また水素ガスで希釈した原料ガス
からの成長が単原子成長に寄与することと相従って、各
化合物半導体の成長条件の制御可能範囲を拡大する。従
って、成長条件が同じでない化合物半導体間においても
より完全なヘテロ界面、分子層レベルで完全なヘテロ界
面を実現し、また超格子構造の単位を小さくすることを
可能にする。
Furthermore, the separation of the two source gases can be improved by flowing hydrogen gas between the group III element supply step and the group V element supply step. The complete separation of the two source gases in a shorter time prevents the disorder of the hetero interface, and the growth from the source gas diluted with hydrogen gas contributes to monatomic growth. Expand the controllable range of semiconductor growth conditions. Therefore, it becomes possible to realize a more complete hetero interface even between compound semiconductors under different growth conditions, a complete hetero interface at the molecular layer level, and to reduce the unit of the superlattice structure.

【0019】なお、V族元素の供給後、 III族元素の供
給前に水素ガスを流してパージする場合、このパージ時
間を長くすると一旦成長したV族原子が脱離する。V族
原子が離脱すると、そこに別のV族原子が入り、混晶状
態が形成され、ALE成長の利点が失なわれる。従っ
て、上記の如く完全な結晶、完全なヘテロ界面を形成す
るためには、このパージ時間は所定時間より短くなけれ
ばならないが、一方、脱離するV族原子の量はパージ量
(時間)に依存するので、パージ量(時間)を制御して
化合物半導体結晶の点欠陥やドービングの量を制御する
ことも可能である。
When hydrogen gas is supplied and purged after the supply of the group V element and before the supply of the group III element, the once grown group V atoms are desorbed if the purge time is lengthened. When the group V atom leaves, another group V atom enters there, forming a mixed crystal state, and the advantage of ALE growth is lost. Therefore, in order to form a perfect crystal and a perfect hetero interface as described above, this purging time must be shorter than a predetermined time, while the amount of group V atoms to be desorbed is equal to the purging amount (time). Therefore, it is also possible to control the purge amount (time) to control the amount of point defects and doving of the compound semiconductor crystal.

【0020】[0020]

【実施例】【Example】

(1)まず、基礎となる実験結果を説明する。図1は、
結晶成長を行う結晶成長装置を概略的に示す断面図であ
る。図2は、結晶成長速度の成長温度依存性を示す。ま
ず、図1に示す結晶成長装置を説明する。反応管1は一
端を絞られた石英管等で形成され、排気可能な構造を有
する。反応管1内に結晶成長をさせるための下地結晶9
を載置するサセプタ8が配置されている。
(1) First, the basic experimental results will be described. Figure 1
It is a sectional view showing roughly a crystal growth device which performs crystal growth. FIG. 2 shows the growth temperature dependence of the crystal growth rate. First, the crystal growth apparatus shown in FIG. 1 will be described. The reaction tube 1 is formed of a quartz tube whose one end is narrowed and has a structure capable of exhausting. Base crystal 9 for growing crystals in the reaction tube 1
A susceptor 8 for mounting the is placed.

【0021】サセプタ8は、たとえば高周波を吸収でき
るカーボン(グラファイト)で形成される。サセプタ8
は支持棒11に支持され、ゲートバルブ12を介して試
料準備室13と結晶成長個所との間を移動可能に支持さ
れている。図中、上方に示すベローズ14は、気密を保
ったまま支持棒11を上下に移動させるための機構であ
る。結晶成長を行うべき位置の周囲には、反応管1外周
上にRFコイル2が配置されており、カーボンのサセプ
タ8を高周波加熱できるようにされている。
The susceptor 8 is made of, for example, carbon (graphite) capable of absorbing high frequencies. Susceptor 8
Is supported by a support rod 11 and is movably supported between a sample preparation chamber 13 and a crystal growth site via a gate valve 12. In the figure, a bellows 14 shown on the upper side is a mechanism for moving the support rod 11 up and down while maintaining airtightness. An RF coil 2 is arranged on the outer circumference of the reaction tube 1 around the position where crystal growth is to be performed, so that the carbon susceptor 8 can be heated by high frequency.

【0022】反応管1下部には、ガス流速(噴射速度)
を高めるために径を絞ったガス供給部15が接続されて
おり、このガス供給部15に複数のガスを切り換えて供
給するためのバルブ機構であるマニホールド5が接続さ
れている。マニホールド5のガス供給部6には、複数の
原料ガスが接続されている。マニホールド5には、供給
されるガスを反応管1に供給させず、そのまま排出させ
るためのベント管7も接続されている。
Below the reaction tube 1, the gas flow velocity (injection velocity)
A gas supply unit 15 having a reduced diameter is connected to the gas supply unit 15, and a manifold 5 which is a valve mechanism for switching and supplying a plurality of gases is connected to the gas supply unit 15. A plurality of source gases are connected to the gas supply unit 6 of the manifold 5. The manifold 5 is also connected to a vent pipe 7 for discharging the supplied gas to the reaction tube 1 without discharging it.

【0023】反応管1上部には、使用後のガス原料を排
出するための排気装置3および圧力調整用の弁4が接続
されている。このような装置を用いることにより、下地
結晶を所定の温度に加熱し、その下地結晶上に所望の原
料ガスを所望圧力、所望流速で供給し、所望の速度で切
換えることができる。1つの特徴は各種ガスを高速の気
流として供給し、高速にガスの種類を切り換えること、
さらに同一方向にガスを流し、排出していることであ
る。
To the upper part of the reaction tube 1, an exhaust device 3 for discharging the used gas raw material and a valve 4 for pressure adjustment are connected. By using such a device, it is possible to heat the underlayer crystal to a predetermined temperature, supply a desired source gas onto the underlayer crystal at a desired pressure and a desired flow rate, and switch at a desired rate. One of the features is that it supplies various gases as a high-speed air stream and switches the gas type at high speed.
Furthermore, the gas is made to flow in the same direction and discharged.

【0024】なお、加熱手段はRFコイルに限らず、抵
抗加熱、ランプ加熱等、他の加熱方法を用いてもよい。
同様、反応管1も石英製以外のものであってもよい。サ
セプタ8は、下地結晶を所定温度に保持できるものであ
ればよい。なお、マニホールド5は、100msec程度の
ガス切替えを行えるものである。図1に示すような成長
装置を用い、(100)面のInAs基板上にInAs
および(100)面のInP基板上にInPを結晶成長
した。なお、成長条件は以下の通りである。
The heating means is not limited to the RF coil, and other heating methods such as resistance heating and lamp heating may be used.
Similarly, the reaction tube 1 may be made of a material other than quartz. The susceptor 8 may be any one as long as it can keep the underlying crystal at a predetermined temperature. The manifold 5 can switch the gas for about 100 msec. Using a growth apparatus as shown in FIG. 1, InAs was formed on the (100) plane InAs substrate.
InP was crystal-grown on the (100) plane InP substrate. The growth conditions are as follows.

【0025】Inの原料は、トリメチルインジウム(T
MIn)、As原料はAsH3 、P原料はPH3 を用い
た。TMInは、容器を27.1℃に保ち、容器に水素
を通すことにより、In原料ガスを得た。この原料ガス
を60sccmで15秒間水素ガスと共に流した。AsH3
は、水素ガスで約10%に希釈し、480sccmの流量を
10秒間流した。PH3 は水素ガスで約20%に希釈
し、480sccmの流量を約20秒間流した。結晶成長
中、反応管内の圧力は約15torrに保った。
The raw material of In is trimethylindium (T
MIn), As raw material was AsH 3 , and P raw material was PH 3 . For TMIn, an In material gas was obtained by keeping the container at 27.1 ° C. and passing hydrogen through the container. This raw material gas was flowed together with hydrogen gas at 60 sccm for 15 seconds. AsH 3
Was diluted to about 10% with hydrogen gas, and a flow rate of 480 sccm was applied for 10 seconds. PH 3 was diluted to about 20% with hydrogen gas, and flowed at a flow rate of 480 sccm for about 20 seconds. The pressure in the reaction tube was kept at about 15 torr during crystal growth.

【0026】ガス供給は、 III族原料、水素、V族原
料、水素の順で行い、これを1サイクルとして繰り返し
た。水素はパージガスとして機能し、 III族原料とV族
原料の空間での混合を防止する。図2は、上述の条件に
より III族元素の原料ガスを流し、次にガスを切り換え
てV族元素ガスを流した際に得られる成長層の厚さを成
長温度の関数としてプロットしたものである。V族元素
の原料ガスを1回供給し、 III族元素の原料ガスを1回
供給することを1サイクルとし、1サイクル当たりどの
程度の分子層ができるかを測定した。
Gas was supplied in the order of group III raw material, hydrogen, group V raw material, and hydrogen, and this was repeated as one cycle. Hydrogen functions as a purge gas and prevents mixing of the group III raw material and the group V raw material in the space. FIG. 2 is a plot of the thickness of the growth layer obtained as a function of the growth temperature when the source gas of the group III element is flown under the above conditions, and then the gas is switched to flow the group V element gas. .. The supply of the source gas of the group V element once and the supply of the source gas of the group III element once were defined as one cycle, and the number of molecular layers formed per cycle was measured.

【0027】図から明らかなように、InAsを成長し
たときは、約300℃から450℃の範囲において、よ
り好ましくは約310℃から450℃の範囲において1
サイクルで1分子層が成長した。InPの場合は、約3
00℃から450℃の範囲内において、より好ましくは
約310℃から425℃の範囲内において1サイクルで
0.5分子層が成長した。なお、InPの原子層成長に
おいて、1サイクルで0.5分子層が成長するのは、I
nP成長に特徴的なことであり、InP1分子層を成長
するためには2サイクルを繰り返すことが必要である。
As can be seen from the figure, when InAs is grown, it is 1 in the range of about 300 ° C to 450 ° C, more preferably in the range of about 310 ° C to 450 ° C.
A monolayer grew in the cycle. About 3 for InP
In the range of 00 ° C to 450 ° C, more preferably in the range of about 310 ° C to 425 ° C, 0.5 molecular layer was grown in one cycle. In the atomic layer growth of InP, 0.5 molecular layer grows in one cycle because I
This is a characteristic of nP growth, and it is necessary to repeat two cycles to grow an InP1 molecular layer.

【0028】図2から明らかなように、InAsを制御
性よく安定に成長することのできる温度領域と、InP
を制御性よく安定に成長できる温度領域とはほぼ重なり
あう。したがって、基板を所定一定温度に維持したま
ま、その上にInAs層とInP層とを成長し、ヘテロ
接合を形成することができる。 (2)次に、図1に示すような成長装置を用い、(10
0)面のInAs基板上に、(InAs)m (InP)
n 超格子構造を成長した。成長温度は365℃に選択
し、成長圧力は成長期間中に、一定の15torrに保っ
た。
As is apparent from FIG. 2, the temperature range in which InAs can be grown with good controllability and InP.
It almost overlaps with the temperature range where stable growth is possible with good controllability. Therefore, while maintaining the substrate at a predetermined constant temperature, the InAs layer and the InP layer can be grown thereon to form a heterojunction. (2) Next, using a growth apparatus as shown in FIG.
(InAs) m (InP) on the (0) plane InAs substrate
n Superlattice structure was grown. The growth temperature was chosen to be 365 ° C. and the growth pressure was kept constant at 15 torr during the growth period.

【0029】マニホールド5には、 III族原料ガスとし
て27.1℃に保ったTMIn中に水素ガスをバブリン
グしたものを水素ガスで希釈したもの、AsH3 を水素
ガスで約10%に希釈したもの、PH3 を水素ガスで約
20%に希釈したものを用いた。なお、流量はTMIn
が60sccm、AsH3 が250sccm、PH3 が400sc
cmとした。なお、水素ガスをキャリアガスとし、反応管
内の総流量は2000sccmとした。
The manifold 5 was prepared by bubbling hydrogen gas into TMIn kept at 27.1 ° C. as a group III source gas, diluted with hydrogen gas, and diluted with AsH 3 to about 10% with hydrogen gas. , PH 3 diluted with hydrogen gas to about 20% was used. The flow rate is TMIn
There 60sccm, AsH 3 is 250sccm, PH 3 is 400sc
cm. The hydrogen gas was used as a carrier gas, and the total flow rate in the reaction tube was 2000 sccm.

【0030】超格子の成長に先立ち、まずInAs層と
InP層の成長を行い、TMInを流す時間を定めた。
図3は、成長速度のTMInパルス幅に対する依存性を
示す。InAsの成長においては、TMInの供給時間
が約4秒以上あればほぼ完全な1分子層が成長した。
Prior to the growth of the superlattice, the InAs layer and the InP layer were first grown and the time for flowing TMIn was determined.
FIG. 3 shows the dependence of the growth rate on the TMIn pulse width. In the growth of InAs, almost complete monolayer was grown if TMIn was supplied for about 4 seconds or longer.

【0031】一方、InPの成長においては、TMIn
の供給時間が約7秒以上であればほぼ完全な半分子層が
成長した。InPの成長においては、2サイクルを繰り
返すことにより、1分子層のInPが成長する。なお、
図3から明らかなように、TMInの供給時間は一定以
上であれば、単分子層もしくは1/2分子層が成長し、
供給時間を長くしても成長はそれ以上進まない。すなわ
ち、いわゆるセルフリミッティング効果が観察される。
On the other hand, in the growth of InP, TMIn
When the supply time of was about 7 seconds or more, a nearly complete semi-molecular layer grew. In InP growth, one cycle of InP grows by repeating two cycles. In addition,
As is clear from FIG. 3, if the supply time of TMIn is more than a certain value, a monomolecular layer or a ½ molecular layer grows,
Even if the feeding time is extended, the growth does not proceed any further. That is, a so-called self-limiting effect is observed.

【0032】そこで、超格子構造の成長には、TMIn
の供給時間として供給時間を12秒に設定した。上述の
条件により、種々の(InAs)m (InP)n (ただ
し、m、nは正の整数)の超格子構造を成長した。図4
は、(InAs)3 (InP)2 の超格子構造のX線回
折グラフである。(100)、(400)、(60
0)、(900)、(11 00)の各ピークは、いわゆ
るサテライトと呼ばれるピークであり、良好な単分子層
成長が行われたことを示している。
Therefore, in order to grow the superlattice structure, TMIn
The supply time was set to 12 seconds. Under the above conditions, various (InAs) m (InP) n (where m and n are positive integers) superlattice structures were grown. Figure 4
FIG. 3 is an X-ray diffraction graph of a superlattice structure of (InAs) 3 (InP) 2 . (100), (400), (60
The peaks of 0), (900), and (1100) are so-called satellite peaks, indicating that good monolayer growth was performed.

【0033】また、(500)、(10 00)のピーク
は、5分子層を単位とする構造の示す回折ピークであ
り、基板であるInAsの(200)、(400)のピ
ークが重畳されたものである。このように、図4に示す
X線回折ピークからInAs基板の(100)面の上
に、(InAs)3 (InP)2 の超格子が作成されて
いることが明らかにわかる。
Further, the (500) and (1000) peaks are diffraction peaks shown by the structure having five molecular layers as a unit, and the (200) and (400) peaks of InAs, which is the substrate, are superimposed. It is a thing. As described above, it is clearly understood from the X-ray diffraction peaks shown in FIG. 4 that the (InAs) 3 (InP) 2 superlattice is formed on the (100) plane of the InAs substrate.

【0034】図5は、同様の手順で(InAs)3 (I
nP)1 の超格子を作成した場合のX線回折ピークを示
す。この構成の場合、繰り返し周期は4分子層であり、
(400)ピーク、(800)ピークは、この繰り返し
周期に基づくものである。単分子層による(100)、
(300)、(500)、(700)、(900)のサ
テライトピークが明瞭に認められる。
FIG. 5 shows (InAs) 3 (I
The X-ray-diffraction peak at the time of creating a nP) 1 superlattice is shown. In the case of this configuration, the repeating period is 4 molecular layers,
The (400) peak and the (800) peak are based on this repeating period. With a monolayer (100),
Satellite peaks of (300), (500), (700) and (900) are clearly observed.

【0035】図6は同様の手順により(InAs)
2 (InP)1 の超格子を作成した場合のX線回折ピー
クを示す。この構成においても、単分子層構造によるサ
テライトピークが明瞭に認められる。なお、図4〜図6
にX線回折ピークを示した各サンプルは、ほぼ100nm
の厚さを有する成長層に基づくものである。これらのX
線回折ピークからわかるように、設計通りの超格子構造
が作成できていることが確認された。
FIG. 6 shows the same procedure (InAs).
2 shows an X-ray diffraction peak when a 2 (InP) 1 superlattice was created. Also in this structure, the satellite peak due to the monolayer structure is clearly recognized. 4 to 6
Each sample showing an X-ray diffraction peak at about 100 nm
Based on a grown layer having a thickness of. These X
As can be seen from the line diffraction peaks, it was confirmed that the superlattice structure as designed was created.

【0036】なお、上述の実施例において、 III族原料
であるTMInを水素ガスをキャリアとして供給するこ
とが重要である。上述の実験データおよびその他のデー
タに基づく解析によれば、本発明はこの理論に限定され
るわけではないが、以下に述べるような成長が行われて
いると考えられる。III族原料であるTMInは、下地
結晶に到達するまではほとんど分解せず、下地結晶上に
分子構造を保ったまま付着する。
In the above-mentioned embodiment, it is important to supply TMIn, which is a group III raw material, with hydrogen gas as a carrier. According to the analysis based on the above experimental data and other data, the present invention is not limited to this theory, but it is considered that the growth as described below is performed. TMIn, which is a group III material, is hardly decomposed until it reaches the underlayer crystal, and adheres to the underlayer crystal while maintaining its molecular structure.

【0037】TMInが分解しようとすると、メチル基
がメタンとなるために水素が不足する。キャリアガスの
水素がこのメチル基がメタンに変化する時の水素を供給
すると考えられる。この様子を図7に示す。メチル基を
Rで示し、インジウム原子を結合手を備えた白丸で示
す。
When TMIn is about to be decomposed, hydrogen becomes insufficient because the methyl group becomes methane. It is considered that hydrogen in the carrier gas supplies hydrogen when this methyl group changes to methane. This state is shown in FIG. A methyl group is indicated by R, and an indium atom is indicated by an open circle with a bond.

【0038】トリメチルインジウムの分子が図中右側に
示すように、As原子層上に吸着すれば脱離はしにく
く、水素と反応することによりAs原子層上にIn原子
を残し、メチル基RはメタンCH4 となってガス中に運
び去られる。一方、図中左側に示すように、既にIn原
子が付着している表面上にトリメチルインジウム分子が
吸着したときは、この吸着エネルギは低く、再びガス中
に脱離する。このためには基板温度が高過ぎないことが
重要である。
As shown in the right side of the figure, when the trimethylindium molecule is adsorbed on the As atomic layer, it is difficult to be desorbed, and by reacting with hydrogen, an In atom is left on the As atomic layer, and the methyl group R is It becomes methane CH 4 and is carried away into the gas. On the other hand, as shown on the left side of the figure, when trimethylindium molecules are adsorbed on the surface to which In atoms are already attached, the adsorption energy is low and the trimethylindium molecules are desorbed into the gas again. For this purpose, it is important that the substrate temperature is not too high.

【0039】基板上でトリメチルインジウム分子が分解
して作成したIn原子は、基板上をマイグレートし、I
n原子の集まった所で安定化する。このようにしてIn
原子層が次第に広がり、2次元成長が生じる。ガス中お
よび基板上でトリメチルインジウムの分子同志が衝突
し、反応してインジウム原子が生じることは成長機構を
乱す原因となる。
In atoms created by decomposition of trimethylindium molecules on the substrate migrate on the substrate and
Stabilize where n atoms gather. In this way
The atomic layer gradually expands, and two-dimensional growth occurs. The collision of molecules of trimethylindium with each other in the gas and on the substrate and reacting with each other to generate indium atoms disturbs the growth mechanism.

【0040】したがって、基板温度すなわち成長温度、
TMInの水素による希釈率、ソースから下地結晶上に
TMInが到達するまでの時間、すなわち装置を固定し
た場合は供給ガスの流速、およびガス中でのTMIn分
子同士の衝突、すなわち供給ガスの圧力等が成長機構を
制御するパラメータとなる。TMInがガス相において
は殆ど分解せず下地結晶に到達し、分子上のまま下地結
晶上に付着し、水素の供給により分解してIn原子とな
り、In原子層を形成するようにこれらパラメータを制
御することが望まれる。
Therefore, the substrate temperature, that is, the growth temperature,
Dilution ratio of TMIn with hydrogen, time required for TMIn to reach the underlying crystal from the source, that is, flow velocity of the supply gas when the device is fixed, and collision of TMIn molecules in the gas, that is, pressure of the supply gas, etc. Is the parameter that controls the growth mechanism. In the gas phase, TMIn hardly decomposes, reaches the underlying crystal, adheres to the underlying crystal as it is on the molecule, decomposes into hydrogen atoms by supplying hydrogen, and controls these parameters to form an In atomic layer. It is desirable to do.

【0041】なお、V族原子層は III族原子層の成長と
比較すると、単原子層の成長が比較的容易であり、セル
フリミッティング効果も強い。V族原料としては、上述
のアルシン、ホスフィン等の他、ターシャリブチルアル
シン、ターシャリブチルホスフィン、モノエチルアルシ
ン、モノエチルホスフィン等を用いることもできると考
えられる。
It should be noted that, compared with the growth of the group III atomic layer, the group V atomic layer is relatively easy to grow a monoatomic layer and has a strong self-limiting effect. In addition to the above-mentioned arsine and phosphine, it is considered that tert-butyl arsine, tert-butyl phosphine, monoethylarsine, monoethylphosphine and the like can be used as the group V raw material.

【0042】また、V族元素としてAs、Pの他、他の
V族元素、たとえばSb等を用いることもできると考え
られる。Sbを混合すると、格子定数不整合を調整する
ことも可能となる。さらに、一般的には、 III族原子お
よびV族原子と水素、メチル、エチル、イソブチル、タ
ーシャリブチル、アミノ基、ハロゲン等と結合した分子
を原料ガスとすることができる。
In addition to As and P, other V group elements such as Sb may be used as the V group element. By mixing Sb, it is possible to adjust the lattice constant mismatch. Further, generally, a molecule in which a group III atom and a group V atom are bonded to hydrogen, methyl, ethyl, isobutyl, tert-butyl, amino group, halogen or the like can be used as the source gas.

【0043】また、供給ガスの切り換え時、逆流を生じ
させないようにするためには、各ガスの圧力を一定値に
保つことが望ましい。なお、上述のように、InP分子
層を形成する際には、1サイクルで0.5分子層が形成
されるのみであるため、1分子層を形成するには2サイ
クルを続けて行う必要があることは自明であろう。
Further, it is desirable to maintain the pressure of each gas at a constant value in order to prevent backflow when switching the supply gas. As described above, when the InP molecular layer is formed, only 0.5 molecular layer is formed in one cycle, and therefore two cycles must be continuously performed to form one molecular layer. It would be obvious.

【0044】(3)V族元素供給工程後の水素パージ量
(時間)を制御して成長する化合物半導体結晶の結晶性
を制御する発明について、具体的実施例を述べる前に、
その原理を図8を参照し、H2 気流中でトリメチルガリ
ウム(TMGa)とアルシン(AsH3 )を用いて、G
aAsのホモ成長を行う場合について述べる。(a)は
GaAsの基板上にAsの原料であるAsH3 を供給し
ているときの図である。AsH3 は結晶表面の触媒作用
により分解してAsの原子あるいは分子となり、結晶表
面に1原子層だけ堆積する。Asはそれ自身の蒸気圧が
高いため、あるいはAs−Asの結合エネルギが小さい
ため、2層以上は堆積しない。次にAsH3 の供給を止
め、H2 ガスのみ供給してAsH3 分子をパージする。
このH2ガスによるパージ中にGaAsの表面からAs
が脱離し(図8(b))、成長温度とH2 ガスのパージ
時間で決定される数のAsが表面に残る。TMGaを用
いた原子層エピタキシ法では、TMGa分子は表面のA
s原子とのみ選択的に反応してGa原子を生成する(図
8(c))。次に先の過程と同様にH2 でTMGaをパ
ージする(図8(d))。ところが、後で示す実験事実
が示すように、Gaが堆積した表面をH2 雰囲気にさら
しても表面のGaは脱離しないし、また表面第2層目以
下のAs原子も脱離しない。したがって、図8で示され
たAsH3 →H2 →TMGa→H2 の1サイクル中の成
長量は結局のところ、図8(b)で示された表面Asの
脱離の結果表面に残ったAsの量で決定される。また、
この方法によれば表面のAsの空きサイトの数を制御で
きるのでたとえばAsサイトを占めてドナーになる VII
族元素をドープする場合、ドーピング量(ドーピング効
率)を制御できる。また表面でのストイキオメトリを変
えると考えると、他の不純物(ドナ、アクセプタ)の取
り込み率、点欠陥密度なども制御できる。
(3) Regarding the invention for controlling the crystallinity of the compound semiconductor crystal grown by controlling the hydrogen purge amount (time) after the group V element supply step, before describing specific examples,
With reference to FIG. 8, the principle is shown in FIG. 8 by using trimethylgallium (TMGa) and arsine (AsH 3 ) in an H 2 gas flow.
A case of performing homo-growth of aAs will be described. (A) is a diagram when AsH 3 which is a raw material of As is being supplied onto a GaAs substrate. AsH 3 is decomposed by the catalytic action on the crystal surface to become As atoms or molecules, and only one atomic layer is deposited on the crystal surface. Since As has a high vapor pressure itself or has a small As-As binding energy, two or more layers are not deposited. Then, the supply of AsH 3 is stopped and only H 2 gas is supplied to purge AsH 3 molecules.
During the purging with this H 2 gas, the As
Are desorbed (FIG. 8B), and a number of As determined by the growth temperature and the H 2 gas purge time remain on the surface. In the atomic layer epitaxy method using TMGa, TMGa molecules are
It selectively reacts only with s atoms to generate Ga atoms (FIG. 8 (c)). Next, TMGa is purged with H 2 as in the previous process (FIG. 8D). However, as shown by the experimental facts shown later, even when the surface on which Ga is deposited is exposed to an H 2 atmosphere, Ga on the surface is not desorbed, and As atoms in the second surface layer and below are not desorbed. Therefore, the growth amount of AsH 3 → H 2 → TMGa → H 2 shown in FIG. 8 during one cycle remained on the surface as a result of the desorption of the surface As shown in FIG. 8B. It is determined by the amount of As. Also,
According to this method, the number of vacant As sites on the surface can be controlled, so that, for example, the As sites are occupied and become donors. VII
When doping a group element, the doping amount (doping efficiency) can be controlled. Also, considering that the stoichiometry on the surface is changed, the uptake rate of other impurities (donors, acceptors), the point defect density, etc. can be controlled.

【0045】(4)上記原理をInAsの原子層エピタ
キシャル成長に適用した例について述べる。この実施例
でも図1に示した如き成長装置を使用した。成長原料は
トリメチルインジウム(TMIn)とアルシン(AsH
3 )を用い、H2 ガスで希釈してInAs結晶上に交互
に供給した。基板の加熱は20KHzの高周波誘導コイル
を用いた。成長中の圧力は15torrとし、反応管内の総
流量は2000cc/min である。TMInのシリンダは
27℃に保ち、60cc/minのH2 をシリンダに通し
た。AsH3 は10%濃度に水素希釈されたボンベから
480cc/min の流量で供給した。
(4) An example in which the above principle is applied to atomic layer epitaxial growth of InAs will be described. Also in this example, the growth apparatus as shown in FIG. 1 was used. Growth materials are trimethylindium (TMIn) and arsine (AsH
3 ) was used, diluted with H 2 gas, and alternately supplied onto the InAs crystal. A 20 KHz high frequency induction coil was used to heat the substrate. The pressure during growth was 15 torr, and the total flow rate in the reaction tube was 2000 cc / min. The TMIn cylinder was kept at 27 ° C., and 60 cc / min of H 2 was passed through the cylinder. AsH 3 was supplied from a cylinder diluted with hydrogen to a concentration of 10% at a flow rate of 480 cc / min.

【0046】ガスの供給シーケンスを図9(a)に示
す。ここでt1 はAsH3 の後のH2パージの時間、t
2 はTMInの後のH2 パージの時間である。TMIn
とAsH3 は高速動作可能なマニホールドバルブの切り
換えにより、結晶上に交互に供給した。上記(3)の原
理で述べたような、結晶表面からのAs原子の脱離を調
べるため、t1 とt2 を変えて1サイクル当たりの成長
率を測定した。図10は成長温度が400℃のときのt
1 、t2 と成長速度の関係を示している。この実験では
TMInのパルス幅は5秒、AsH3 のパルス幅は10
秒で成長した。変化させていないほうのH2 パージの時
間は0.5秒である。
The gas supply sequence is shown in FIG. Where t 1 is the time of H 2 purge after AsH 3 and t
2 is the time of H 2 purge after TMIn. TMIn
And AsH 3 were alternately supplied onto the crystal by switching the manifold valve capable of high-speed operation. In order to investigate the desorption of As atoms from the crystal surface as described in the principle of (3) above, the growth rate per cycle was measured by changing t 1 and t 2 . FIG. 10 shows t when the growth temperature is 400 ° C.
The relationship between 1 and t 2 and the growth rate is shown. In this experiment, the pulse width of TMIn is 5 seconds and the pulse width of AsH 3 is 10 seconds.
Grew in seconds. The H 2 purging time, which is not changed, is 0.5 second.

【0047】このようにAsH3 の後のH2 パージの時
間の増加とともに1サイクル当たりの成長率が減少する
ことが明らかである。一方TMInの後のH2 パージの
時間は成長速度に影響しないことが明らかである。同様
な傾向は365℃でも観察された(図11)。しかし、
成長温度が高いほうが同じt1 内に抜けるAsの量は多
い。
Thus, it is clear that the growth rate per cycle decreases with the increase of the H 2 purge time after AsH 3 . On the other hand, it is clear that the time of H 2 purge after TMIn does not affect the growth rate. A similar trend was observed at 365 ° C (Fig. 11). But,
The higher the growth temperature, the larger the amount of As that escapes within the same t 1 .

【0048】図12に400℃の成長でt1 をパラメー
タにしてALE成長を行ったときの成長率と供給するT
MInの関係を示した。ALE成長の成長率がAsH3
の後のパージ時間で制御されていることがわかる。次に
図9(b)に示すようなシーケンスにより、AsH3
後のH2 パージ工程t1 が終わってからH2 Seを結晶
上に供給して、ドーピング量を調べた。H 2 Seは10
ppm に水素希釈されたものを30cc/min の流量で1秒
間供給した。
FIG. 12 shows the growth rate at 400 ° C.1The parameter
Growth rate and T supplied when ALE growth is performed
The relationship of MIn is shown. The growth rate of ALE growth is AsH3
It can be seen that it is controlled by the purge time after. next
AsH by the sequence as shown in FIG.3of
After H2Purging process t1H after the end2Crystallize Se
It was supplied above and the doping amount was examined. H 2Se is 10
One diluted with ppm to 30 cc / min for 1 second
Supplied for a while.

【0049】図13はt1 と結晶の電子濃度(Se濃
度)との関係を示している。t1 の増加とともに電子濃
度(Se濃度)が増加する傾向が明らかになった。一般
に、ドーピングガスはV族元素供給後H2 パージを行な
ってV族原子の一部離脱を実施した後、単独で、又はそ
の後の III族元素原料ガスの一部として供給することが
好ましい。 (5)図14は、InAsをALEで成長する際に、A
sH3 供給後のH2 パージの時間(秒)をどの範囲内に
制限するとAs離脱を防止できるかを、結晶成長温度と
の関係で示したものである。このときの成長条件は図2
の場合と同じとした。
FIG. 13 shows the relationship between t 1 and the electron concentration (Se concentration) of the crystal. It became clear that the electron concentration (Se concentration) increased with the increase of t 1 . In general, it is preferable that the doping gas is supplied alone or as a part of the group III element source gas after the group V element is supplied after H 2 purging to partially remove the group V atoms. (5) FIG. 14 shows that when InAs is grown by ALE, A
It is shown in relation to the crystal growth temperature as to what range the time (second) of H 2 purge after sH 3 supply is limited to prevent As separation. The growth conditions at this time are shown in FIG.
The same as the case of.

【0050】同図中、黒丸はAs離脱の防止可能な上限
となるパージ時間を、白丸は実用上最適となるパージ時
間を示すものであり、これらが本発明の好ましいH2
ージ時間は式(1)、より好ましいH2 パージ時間は式
(2)として表わすことができる。 log t≦−(7.09/475)T+7.33 …(1) log t≦−(6.72/350)T+7.44 …(2) 〔式中、Tは基板温度(℃)、tはH2 パージ時間
(秒)である〕図15はH2 パージ時間が長すぎる場合
をInPAsの成長を例に説明する。ALEによりP→
In→Asと成長後、H2 パージ時間が長いとAsの一
部が離脱する。次に、In原料ガス(TMIn)を供給
するとInは残っているAs原子の上だけに付着し、離
脱したAs原子の空席には付着しない。その後、H2
ージしてもInは離脱しにくいが、次いでP原料ガス
(PH3 )を供給すると、PはIn原子上に付着する。
このとき、先にAsが離脱した空席にも付着する。こう
して、AsサイトとPサイトが混り合い、合金化(混晶
化)すると、ALEで原子層ごとに制御することの意義
が失なわれる。
In the figure, the black circles indicate the purge time which is the upper limit at which As can be prevented, and the white circles indicate the purge time which is practically optimal. These are the preferred H 2 purge times of the formula ( 1), and a more preferable H 2 purge time can be expressed by equation (2). log t ≦ − (7.09 / 475) T + 7.33 (1) log t ≦ − (6.72 / 350) T + 7.44 (2) [wherein T is the substrate temperature (° C.) and t is H 2 purge is time (sec)] 15 illustrates the case where H 2 purge time is too long examples growth InPAs. P → by ALE
After the growth of In → As, if the H 2 purge time is long, part of As is released. Next, when the In source gas (TMIn) is supplied, In adheres only on the remaining As atoms and does not adhere to the vacant As atoms that have left. After that, In is hard to be separated even if H 2 is purged, but when P source gas (PH 3 ) is supplied next, P adheres on the In atom.
At this time, As also attaches to the vacant seat from which the As has left. In this way, when As sites and P sites are mixed and alloyed (mixed crystal), the significance of controlling each atomic layer by ALE is lost.

【0051】図16(a)(b)に従来の一般的なIn
GaAs混晶と本発明によりIn,Ga,Asのサイト
を指定されたInGaAs結晶の構造を模式的に示す。
図16(a)の混晶では III族原子の位置が不規則のた
め、キャリアの運動に対して散乱(合金散乱)が生じ
る。図15の如く、本発明のALEにおいてH2 パージ
時間を長くした場合も、一種の混晶状態(PとAsとの
位置が不規則)となり、合金散乱が生じる。また、層数
の少ない超格子の作成が困難になる。図16(b)で
は、各原子のサイトが合金散乱を防ぐように整列されて
いる。
16 (a) and 16 (b), the conventional general In
The structures of a GaAs mixed crystal and an InGaAs crystal in which In, Ga and As sites are designated by the present invention are schematically shown.
In the mixed crystal of FIG. 16 (a), the position of the group III atom is irregular, so that scattering (alloy scattering) occurs with respect to carrier motion. As shown in FIG. 15, even when the H 2 purge time is lengthened in the ALE of the present invention, a kind of mixed crystal state (positions of P and As are irregular) occurs, and alloy scattering occurs. Moreover, it becomes difficult to form a superlattice having a small number of layers. In FIG. 16 (b), the sites of each atom are aligned so as to prevent alloy scattering.

【0052】(6)本発明の半導体結晶の成長方法を応
用したデバイスの例について述べる。図17は、Feド
ープ半絶縁性InP(100)基板21上にノンドープ
InPバッファ層22を介してノンドープの(InA
s)m (InP)n の超格子構造23の電子チャネルを
作製して、その上にn型のInP24を成長したHEM
T構造の素子である。同図中、25はn+ 型ソース・ド
レインコンタクト領域、26はゲート電極、27はソー
ス電極、28はドレイン電極である。n型のInP層2
4は電子供給層として作用する。図18にバンド図を記
した。チャネル部に供給された電子はInPよりもIn
As部に局在して流れるから、(InAs)m (In
P)n のチャネルでありながら実質的にはInAsのチ
ャネルに近いものになり、大きな電子移動度を示す。ま
た(InAs)m (InP)n の周期構造は原子層エピ
タキシにより、原子レベルで制御されているから、電子
の散乱は極めて小さい。基板結晶との格子不整のため転
位などが生じて、チャネル部の結晶性を劣化させること
が考えられるが、(InAs)m (InP)n チャネル
部のm n を適当に選んで平均組成を変えることで、転
位の発生を抑制できる。
(6) An example of a device to which the semiconductor crystal growth method of the present invention is applied will be described. FIG. 17 shows a non-doped InP (100) substrate 21 over a Fe-doped semi-insulating InP (100) substrate 21 with a non-doped (InA
s) An HEM in which an electron channel of a superlattice structure 23 of m (InP) n is prepared and n-type InP 24 is grown on the electron channel.
It is a T-structure element. In the figure, 25 is an n + type source / drain contact region, 26 is a gate electrode, 27 is a source electrode, and 28 is a drain electrode. n-type InP layer 2
4 acts as an electron supply layer. A band diagram is shown in FIG. The electrons supplied to the channel portion are In rather than InP.
Since it flows locally in the As part, (InAs) m (In
Although it is a P) n channel, it is substantially close to the InAs channel and exhibits a large electron mobility. Further, since the periodic structure of (InAs) m (InP) n is controlled at the atomic level by atomic layer epitaxy, the scattering of electrons is extremely small. Such as dislocations since the lattice mismatch between the substrate crystal is generated, it is conceivable to degrade the crystallinity of the channel section, the average composition (InAs) m (InP) m of n-channel unit, select appropriately the n By changing it, generation of dislocation can be suppressed.

【0053】特に、本発明によれば、(InAs)
m (InP)n の如き超格子構造を20分子層以下、特
に10分子層以下、さらには2〜5分子層の周期構造で
作製できる。次にヘテロ接合バイポーラトランジスタ
(HBT)に適用した例を述べる。図19にHBTの構
造を、図20にそのバンド図を示した。エミッタ31
(n−InP;〜5×1017cm-3)とコレクタ32(n
−InP;1019〜1020cm-3以上)にはn型のInP
を用いた。ベース33はInAsであり、1019〜10
20程度のp型にドープされている。そして、同図中、3
4は半絶縁性InP基板、35はp型In0.53Ga0.47
As層(1019cm-3以上)、36はn型In0.53Ga
0.47As層(1019cm-3以上)である。HBTの動作速
度は電子がベース部を通過してコレクタの中性領域に到
達する時間で決まるから、ここに示したInAsをベー
スにしたHBTでは速度は非常に速い。現在InPに格
子整合する組成のIn0.53Ga0.47Asをベースに用い
たHBT構造が研究されているが、本構造では動作速度
は顕著に改善される。
Particularly, according to the present invention, (InAs)
A superlattice structure such as m (InP) n can be prepared with a periodic structure of 20 molecular layers or less, particularly 10 molecular layers or less, and further 2 to 5 molecular layers. Next, an example applied to a heterojunction bipolar transistor (HBT) will be described. The structure of HBT is shown in FIG. 19 and its band diagram is shown in FIG. Emitter 31
(N-InP; up to 5 × 10 17 cm -3 ) and collector 32 (n
-InP; 10 19 to 10 20 cm -3 or more) is n-type InP
Was used. The base 33 is InAs, 10 19 to 10
It is doped to about 20 p-type. And in the figure, 3
4 is a semi-insulating InP substrate, 35 is p-type In 0.53 Ga 0.47
As layer (10 19 cm -3 or more), 36 is n-type In 0.53 Ga
It is a 0.47 As layer (10 19 cm −3 or more). Since the operating speed of the HBT is determined by the time it takes for the electrons to pass through the base portion and reach the neutral region of the collector, the speed is extremely high in the InAs-based HBT shown here. At present, an HBT structure using In 0.53 Ga 0.47 As having a composition that is lattice-matched to InP is being researched, but in this structure, the operating speed is remarkably improved.

【0054】このようなInAs/InPのヘテロ接合
を用いると、これまで実現出来なかったInAsの高電
子移動度を利用したデバイスが作製出来るが、このよう
な構造の作製には本発明の原子層エピタキシによる結晶
成長が極めて有効である。
By using such an InAs / InP heterojunction, a device utilizing high electron mobility of InAs, which has not been realized so far, can be manufactured. However, the atomic layer of the present invention is used for manufacturing such a structure. Crystal growth by epitaxy is extremely effective.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】原子層成長に用いる結晶成長装置を示す概略断
面図である。
FIG. 1 is a schematic sectional view showing a crystal growth apparatus used for atomic layer growth.

【図2】InAsとInPの原子層成長における成長速
度の成長温度依存性を示すグラフである。
FIG. 2 is a graph showing growth temperature dependence of growth rate in atomic layer growth of InAs and InP.

【図3】In原料としてTMInを用いた原子層成長に
おける成長速度のTMIn供給時間幅依存性を示すグラ
フである。
FIG. 3 is a graph showing the dependence of the growth rate on the TMIn supply time width in the atomic layer growth using TMIn as an In raw material.

【図4】InAs基板上に作成した(InAs)3 (I
nP)2 超格子構造のX線回折ピークを示すグラフであ
る。
FIG. 4 (InAs) 3 (I prepared on InAs substrate)
3 is a graph showing an X-ray diffraction peak of a nP) 2 superlattice structure.

【図5】InAs基板上に形成した(InAs)3 (I
nP)1 超格子構造のX線回折ピークを示すグラフであ
る。
FIG. 5: (InAs) 3 (I formed on InAs substrate)
3 is a graph showing an X-ray diffraction peak of a nP) 1 superlattice structure.

【図6】InAs基板上に形成した(InAs)2 (I
nP)1 超格子構造のX線回折ピークを示すグラフであ
る。
FIG. 6 shows (InAs) 2 (I formed on an InAs substrate).
3 is a graph showing an X-ray diffraction peak of a nP) 1 superlattice structure.

【図7】結晶成長機構を示す概念図である。FIG. 7 is a conceptual diagram showing a crystal growth mechanism.

【図8】水素パージによる結晶成長制御の原理を示す概
念図である。
FIG. 8 is a conceptual diagram showing the principle of crystal growth control by hydrogen purge.

【図9】InAsのALE成長のシーケンス図である。FIG. 9 is a sequence diagram of ALE growth of InAs.

【図10】400℃成長でのInAsの成長速度のH2
パージ時間依存性を示すグラフである。
FIG. 10: H 2 of InAs growth rate at 400 ° C. growth
It is a graph which shows purge time dependence.

【図11】365℃成長でのInAsの成長速度のH2
パージ時間依存性を示すグラフである。
FIG. 11: H 2 of InAs growth rate at 365 ° C. growth
It is a graph which shows purge time dependence.

【図12】図10,図11のt1 をパラメータとして、
ALE成長速度とTMIn供給時間との関係を示す図で
ある。
FIG. 12 is a diagram in which t 1 of FIGS. 10 and 11 is used as a parameter.
It is a figure which shows the relationship between ALE growth rate and TMIn supply time.

【図13】t1 と電子濃度(Se濃度)との関係を示す
図である。
FIG. 13 is a diagram showing a relationship between t 1 and an electron concentration (Se concentration).

【図14】Asの離脱を防止するためのH2 パージ限界
時間の成長温度依存性を示す図である。
FIG. 14 is a diagram showing the growth temperature dependence of the H 2 purge limit time for preventing the separation of As.

【図15】H2 パージ時間が長い場合の成長結晶の乱れ
を説明する図である。
FIG. 15 is a diagram for explaining the disorder of the grown crystal when the H 2 purge time is long.

【図16】3元系結晶の構造と合金散乱との関係を示す
図である。
FIG. 16 is a diagram showing the relationship between the structure of a ternary crystal and alloy scattering.

【図17】HEMTの断面図である。FIG. 17 is a cross-sectional view of HEMT.

【図18】図17のHEMTのバンドギャップ図であ
る。
FIG. 18 is a band gap diagram of the HEMT of FIG.

【図19】ヘテロ接合バイポーラトランジスタの断面図
である。
FIG. 19 is a cross-sectional view of a heterojunction bipolar transistor.

【図20】図19のバイポーラトランジスタのバンドギ
ャップ図である。
20 is a bandgap diagram of the bipolar transistor of FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…反応管 2…RFコイル 3…排気装置 4…圧力調整弁 5…マニホールド 8…サセプタ 9…下地結晶 11…支持棒 12…ゲートバルブ 13…試料準備室 14…ベローズ 21…半絶縁性InP基板 23…ノンドープ(InAs)m (InP)n 24…n−InP 26…ゲート電極 27…ソース電極 28…ドレイン電極DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Reaction tube 2 ... RF coil 3 ... Exhaust device 4 ... Pressure regulating valve 5 ... Manifold 8 ... Susceptor 9 ... Base crystal 11 ... Support rod 12 ... Gate valve 13 ... Sample preparation chamber 14 ... Bellows 21 ... Semi-insulating InP substrate 23 ... Non-doped (InAs) m (InP) n 24 ... n-InP 26 ... Gate electrode 27 ... Source electrode 28 ... Drain electrode

フロントページの続き (72)発明者 児玉 邦彦 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内Front Page Continuation (72) Inventor Kunihiko Kodama 1015 Kamiodanaka, Nakahara-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa Fujitsu Limited

Claims (11)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 下地結晶を所定温度に加熱する工程と、 該所定温度で、 Inの有機化合物を水素で希釈した III族原料ガスを所
定圧力で未分解のまま前記下地結晶上に供給する第1の
III族供給工程と、 該 III族原料ガスを排気する工程と、 V族元素を第1の組成で含む第1のV族原料ガスを所定
圧力で前記下地結晶上に供給する第1のV族供給工程
と、 該第1のV族原料ガスを排気する工程と、 Inの有機化合物を水素で希釈した III族原料ガスを所
定圧力で未分解のまま前記下地結晶上に供給する第2の
III族供給工程と、 該 III族原料ガスを排気する工程と、 前記第1のV族原料ガスと組成の異なる、V族元素を第
2の組成で含む第2のV族原料ガスを所定圧力で前記下
地結晶上に供給する第2のV族供給工程と、 該第2のV族原料ガスを排気する工程と、を含む化合物
半導体の結晶成長方法。
1. A step of heating a base crystal to a predetermined temperature, and supplying a group III source gas obtained by diluting an organic compound of In with hydrogen at the predetermined temperature to the base crystal without decomposition at a predetermined pressure. One
Group III supply step, step of exhausting the group III source gas, first group V source gas containing a group V element in a first composition at a predetermined pressure on the base crystal A supply step, a step of exhausting the first group V source gas, and a second step of supplying a group III source gas obtained by diluting an In organic compound with hydrogen at a predetermined pressure onto the underlying crystal in an undecomposed state.
Group III supply step, step of evacuating the group III source gas, second group V source gas containing a group V element in a second composition and having a different composition from the first group V source gas at a predetermined pressure 2. A crystal growth method for a compound semiconductor, comprising the step of: supplying a second group V gas onto the underlayer crystal; and the step of exhausting the second group V source gas.
【請求項2】 前記所定温度は、300℃〜450℃の
範囲内の温度である請求項1記載の化合物半導体の結晶
成長方法。
2. The crystal growth method for a compound semiconductor according to claim 1, wherein the predetermined temperature is a temperature within a range of 300 ° C. to 450 ° C.
【請求項3】 前記 III族原料ガス並びに第1および第
2のV族原料ガスの排気工程において、水素ガスを所定
圧力で前記下地結晶上に供給する水素供給工程を含む請
求項1または2記載の化合物半導体の結晶成長方法。
3. The hydrogen supply step of supplying hydrogen gas onto the base crystal at a predetermined pressure in the step of exhausting the group III source gas and the first and second group V source gases. Method for growing crystal of compound semiconductor of.
【請求項4】 前記第1および第2の III族供給工程、
前記第1および第2のV族供給工程の所定圧力は5torr
〜1000torrの範囲内の一定圧力である請求項1〜3
のいずれかに記載の化合物半導体の結晶成長方法。
4. The first and second Group III supply steps,
The predetermined pressure in the first and second group V supply steps is 5 torr
A constant pressure within the range of ~ 1000 torr.
The method for growing a crystal of a compound semiconductor according to any one of 1.
【請求項5】 前記Inの有機化合物はトリメチルイン
ジウムであり、前記V族原料ガスはAsの水素化物とP
の水素化物である請求項1〜4のいずれかに記載の化合
物半導体の結晶成長方法。
5. The organic compound of In is trimethylindium, and the group V source gas is hydride of As and P.
5. The crystal growth method for a compound semiconductor according to claim 1, wherein the compound semiconductor is a hydride.
【請求項6】 前記第1の III族供給工程と前記第1の
V族供給工程を所定回数繰り返し、前記第2の III族供
給工程と前記第2のV族供給工程を所定回数繰り返すこ
とにより、InAs/InP、InAsP/InPまた
はInAs/InAsPのヘテロ接合を形成する請求項
1〜5のいずれかに記載の化合物半導体の結晶成長方
法。
6. The first group III supply step and the first group V supply step are repeated a predetermined number of times, and the second group III supply step and the second group V supply step are repeated a predetermined number of times. , InAs / InP, InAsP / InP or InAs / InAsP heterojunction is formed, The crystal growth method of the compound semiconductor in any one of Claims 1-5.
【請求項7】 前記第1のV族原料供給工程と前記第2
の III族原料供給工程の間および前記第2のV族原料供
給工程と前記第1の III族原料供給工程の間の水素供給
工程の水素供給時間を、該第1および第2のV族原料供
給工程で付着したV族原子の脱離が防止できる程度に制
限する請求項3〜6のいずれか記載の化合物半導体の結
晶成長方法。
7. The first group V source material supplying step and the second step
The hydrogen supply time of the hydrogen supply step between the group III raw material supply step and between the second group V raw material supply step and the first group III raw material supply step of the first and second group V raw materials. 7. The crystal growth method for a compound semiconductor according to claim 3, wherein the group V atoms attached in the supplying step are limited to a degree that prevents desorption.
【請求項8】 前記第1又は第2のV族原料がAsH3
であり、その供給工程後の水素ガス供給時間tが式
(1) log t≦−(7.09/475)T+7.33 …(1) 〔式中、Tは基板温度(℃)、tは水素供給時間(秒)
である〕を満たす請求項7記載の化合物半導体の結晶成
長方法。
8. The first or second group V raw material is AsH 3
And the hydrogen gas supply time t after the supply step is expressed by the formula (1) log t ≦ − (7.09 / 475) T + 7.33 (1) [wherein T is the substrate temperature (° C.) and t is Hydrogen supply time (sec)
The method for growing a crystal of a compound semiconductor according to claim 7, wherein
【請求項9】 前記水素ガス供給時間tが式(2) log t≦−(6.72/350)T+7.44 …(2) を満たす請求項8記載の化合物半導体の結晶成長方法。9. The crystal growth method for a compound semiconductor according to claim 8, wherein the hydrogen gas supply time t satisfies the formula (2) log t ≦ − (6.72 / 350) T + 7.44 (2). 【請求項10】 下地結晶を所定温度に加熱する工程
と、 該所定温度で、 水素で希釈した III族原料ガスを所定圧力で未分解のま
ま前記下地結晶上に供給する工程と、 水素ガスを該下地結晶上に供給すると共に該 III族原料
ガスを排気するパージ工程と、 V族原料ガスを所定圧力で前記下地結晶上に供給する工
程と、 水素ガスを該下地結晶上に供給すると共に該V族原料ガ
スを排気するパージ工程とを有し、 パージ量を制御することにより、結晶成長速度を制御す
ることを特徴とする化合物半導体の結晶成長方法。
10. A step of heating a base crystal to a predetermined temperature, a step of supplying a group III source gas diluted with hydrogen at a predetermined temperature at a predetermined pressure to the base crystal without being decomposed, and a hydrogen gas A purging step of supplying the group III source gas onto the base crystal and exhausting the group III source gas; a step of supplying a group V source gas onto the base crystal at a predetermined pressure; and a step of supplying hydrogen gas onto the base crystal. And a purge step of exhausting a group V source gas, wherein the crystal growth rate is controlled by controlling the purge amount.
【請求項11】 下地結晶を所定温度に加熱する工程
と、 該所定温度で、 水素で希釈した III族原料ガスを所定圧力で未分解のま
ま前記下地結晶上に供給する工程と、 水素ガスを該下地結晶上に供給すると共に該 III族原料
ガスを排気するパージ工程と、 V族原料ガスを所定圧力で前記下地結晶上に供給する工
程と、 水素ガスを該下地結晶上に供給すると共に該V族原料ガ
スを排気するパージ工程と、 ドーピングガスを供給する工程とを有し、 該ドーピングガスの供給前のパージ工程において、パー
ジ量を制御することによりドーピング量を制御すること
を特徴とする化合物半導体の結晶成長方法。
11. A step of heating a base crystal to a predetermined temperature, a step of supplying a Group III source gas diluted with hydrogen at a predetermined temperature at a predetermined pressure to the base crystal without being decomposed, and a hydrogen gas A purging step of supplying the group III source gas onto the base crystal and exhausting the group III source gas; a step of supplying a group V source gas onto the base crystal at a predetermined pressure; and a step of supplying hydrogen gas onto the base crystal. The present invention is characterized by comprising a purge step of exhausting a group V source gas and a step of supplying a doping gas, wherein the doping amount is controlled by controlling the purge amount in the purging step before supplying the doping gas. Crystal growth method of compound semiconductor.
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