JPH0527598B2

JPH0527598B2 -

Info

Publication number: JPH0527598B2
Application number: JP23675587A
Authority: JP
Inventors: Shigenori Takagishi; Hideki Mori
Original assignee: Nissin Electric Co Ltd; Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Nissin Electric Co Ltd; Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1987-09-21
Filing date: 1987-09-21
Publication date: 1993-04-21
Also published as: JPS6479097A

Description

【発明の詳細な説明】 (ア) 技術分野この発明は、化合物半導体単結晶薄膜の気相成
長装置に関する。

化合物半導体というのは、GaAs、InP、
AlGaAs、InGaAsPなどの−族化合物半導体
やCdTe、HgCdTe、ZnSeなどの−族化合物
半導体をいう。

薄膜というのは、基板の上に薄く堆積した層の
事であるが、ここでは、単結晶薄膜であるので、
基板の結晶構造に整合したエピタキシヤル薄膜を
指す。

気相成長装置というのは、気相反応を利用して
薄膜を成長させるものである。本発明に於ては、
有機金属ガスを原料ガスとして用いるものを気相
成長法といつている。一般に気相エピタキシー
（VPE）と呼ばれるものの、ひとつのカテゴリー
である。

(イ) 従来技術化合物半導体の単結晶薄膜をエピタキシヤル成
長させる方法として、従来は、主に、液相エピタ
キシー（LPE）が用いられた。熱平衡状態での
成長であるので、完全性の高い良質な単結晶が得
られる。現在でも、発光素子材料の製造のために
液相エピタキシーが用いられる。

しかし、液相エピタキシーは量産性に難があ
り、制御性に乏しい。

このため、化合物半導体の相エピタキシヤル成
長法として、制御性のよい有機金属気相成長法
（Organometallic Vapor Phase Epitaxy：
OMVPE）や、分子線エピタキシー（Molecular
Beam Epitaxy）法が注目されている。

本発明は、このうちOMVPE法の改良に関す
る。

OMVPE法は化合物半導体の一方の構成元素を
含む有機金属ガスを用いる。他方の構成元素を含
むガスは水素化物である事が多い。

気相反応を利用するので、気相エピタキシーの
一種と考えられOMVPEの名称がある。しかし、
これはCVD法（chemical vapor deposition）の
一種であるとも考えられる。そこで、MOCVD
と呼ばれる事もある。同一の技術である。

有機金属としては、アルキル基に金属が結合し
た化合物が用いられる。

例えばGaに対しては、トリメチルガリウム
（CH₃）₃Ga、トリエチルガリウム（C₂H₅）₃Ga、
などが用いられる。

Inに対しても同様で、トリメチルインジウム、
トリエチルインジウムなどの有機金属が用いられ
る。

Alに対しても同様である。

Znに対しては、ジメチル亜鉛（CH₃）₂Zn、ジ
エチル亜鉛（C₂H₅）₂Znなどを使うことができる。

Cdに対しては、ジメチルカドミウム
（CH₃）₂Cd、ジエチルカドミウム（C₂H₅）₂Cdなど
を使うことができる。

これらの有機金属は、室温付近で適当な蒸気圧
を持ち、加熱によつて分解しやすいという利点が
あり、OMVPE法に於て原料ガスとして用いられ
る。

ただし、前記の有機金属は常温で液体である。
そのままでは気体として扱う事ができない。そこ
で恒温槽の中に置いたバブラの中に有機金属を入
れ、水素ガスによつてバブリングしガス状として
運搬する。

一方、Ｖ族や族の元素を含むガスとしては水
素化物のガスがある。これは常温で気体である。

Ｎに対してはアンモニアNH₃を用いる。Ｐに
対してはホスフインPH₃、Asに対してはアルシ
ンAsH₃、Sbに対してはSbH₃が用いられる。い
ずれも常温で気体である。

Ｓに対しては硫化水素H₂S、Seに対しては
H₂Se、Teに対してはH₂Teが用いられる。これ
らも、常温で気体である。

、族元素を含む有機金属と、、族元素
を含む水素化物とが反応すると、所望の半導体化
合物（−族、−族）と、メタン、エタン
などのアルカン（Alkane）が生ずる。これらの
アルカンは常温で気体である。加熱された状態で
は当然気体である。これらのガスは排気装置によ
つて排気される。

OMVPE法は、横型のものと縦型のものとがあ
る。いずれにしても、サセプタの上に半導体基板
を置き、これを加熱する。そして、原料ガスを流
すと、サセプタの近傍で加熱され気相中又は基板
表面で反応が起こり、基板上に化合物半導体がエ
ピタキシヤル成長する。

横型のものは、ガスが水平に流れる。縦型のも
のはガスが上から下へ流れる。

本発明は縦型の装置の改良に関する。

第２図は従来例にかかる縦型OMVPE装置の概
略構成図である。

マスフローコントローラ等で流量制御された原
料ガスが、導入口１３より成長室１０に入る。

成長室１０には、円筒形のサセプタ１１があ
り、ここに複数の半導体基板１２が装着されてい
る。サセプタの内部には、抵抗加熱用のヒータ２
３があつて、サセプタを加熱している。

原料ガスはサセプタ１１の近傍で加熱され熱分
解反応を起こして、基板１２の上に所望の半導体
薄膜を形成する。サセプタ１１はサセプタ軸２４
によつて支持される。サセプタ軸２４はサセプタ
回転機構（図示せず）によつて回転する。

排ガスは下側方の排出口１５から排出される。
縦型の気相成長装置は、円筒形のサセプタを用い
るが、これは縦型円筒であるのでバレル型サセプ
タという事がある。

(ウ) 発明が解決すべき問題点サセプタ１１の形状に関して問題がある。

サセプタ１１の上面は単に平板上としたものが
ある。この場合は、成長室１０のガス導入口１３
から、サセプタ上面に至る半球状の空間が広いデ
ツトスペースとなる。

原料ガスの種類が同じであれば、デツドスペー
スが広くても問題がない。

しかし、エピタキシヤル成長に於ては、薄膜を
何枚かの層に積層する事が多い。この場合、原料
ガスを別異のガスに切換えることになる。

もしも、サセプタ上面のデツトスペースが広い
と、原料ガスの切換えが迅速にゆかない。

原料ガスを切換えても、しばらくの間は、この
空間で、前回の原料ガスと混在する事になる。す
ると、エピタキシヤル薄膜を積層した時に、境界
がぼけるという事になる。シヤープな層境界が形
成されない。薄い活性層や薄いバツフア層が必要
な事も多いが、このようなものを良好に成長させ
る事ができないし、超格子構造なども成長させる
事は困難である。

そこで、サセプタ上面と成長室壁で囲まれる上
部空間を狭くするという事が考えられる。

このような目的で、サセプタ１１の上には半球
体２５を設ける事がある。

半球体２５の直径はサセプタ１１の直径と等し
くし、軸芯は合致するようにする。

こうすると、原料ガスの流れが円滑になり、デ
ツドスペースがなくなる、という利点がある。

しかし、半球体２５を設けたことによる欠点も
ある。

半球体２５はサセプタ１１に固定されている。
サセプタ１１の内部にはヒータ２３がある。ヒー
タ２３によつて半球体２５も加熱される。

サセプタ１１は原料ガスの熱分解温度以上に加
熱しなければならない。しかし半球体２５も熱分
解温度となると、半球体２５の上でも原料ガスの
熱分解が起こり、ここに反応生成物が堆積するこ
とになる。

半球体２５で反応が進むと原料が無駄になる。
また、所望の厚さ及び組成の薄膜が半導体基板の
上へ形成されない。また、ドーパントを入れる場
合、所望のドーピング量が得られないという事も
ある。

さらに、半球体２５で生じた反応生成物の一部
が剥離して飛び、基板表面に付着する、という事
もありうる。こうなると、基板表面に表面欠陥が
生じる。

こういうわけで、半球体２５は熱分解温度以下
に冷却しなければならない。

冷却のためには、ガス又は水を半球体２５の内
部に通す、という事が考えられる。

ガスの場合、充分な冷却効果を得るには、非常
に大量のガスを必要とする。このガスのために、
成長室内部の圧力が上つてしまう。

この装置は、真空ポンプで成長室内部の排ガス
を排気しながら、成長を行なう減圧気相成長装置
である。このような装置に、冷却用ガスを入れ
る、という事は望ましい事ではない。

サセプタ上部の半球体２５を水で冷却する場合
は、成長室内部空間に水が入つてはいけないの
で、半球体２５を密封した容器にし、ここへ冷却
水を導入し、排出しなければならない。

半球体２５はサセプタ１１とともに回転し、サ
セプタ１１の内側にはヒータ２３がある。冷却水
を下部から導き半球体２５へ通すには、冷却水系
が極めて複雑なものになつてしまう。

このような複雑な機構は、故障をともないがち
なものである。信頼性に欠ける。

結局、従来、このような気相成長装置では、再
現性良く化合物半導体単結晶薄膜を得る事ができ
なかつた。

(エ) 目的バレル型サセプタを持つ従来の気相成長装置の
欠点を解決し、再現性よく、良質の化合物半導体
単結晶を成長させる事ができる気相成長装置を提
供する事が本発明の目的である。

(オ) 構成本発明の気相成長装置に於ては、サセプタ上部
の半球体を、サセプタから切離し、成長室の上方
から支持するようにする。そして冷却水は、成長
室と半球体とを結ぶ短い水管によつて半球体の内
部へ送給するようにする。さらに、半球体の表面
温度が、原料ガスの熱分解温度をこえないように
するため、半球体の温度コントロール機構を設け
ている。

図面によつて説明する。第１図は本発明の気相
成長装置の概略構成図である。

最初に、本発明の特徴部を説明する。

円筒状の成長室１０の内部には、円筒形のサセ
プタ１１がサセプタ軸２４によつて回転可能に設
けられている。

サセプタ１１の外周面は、鉛直面或は鉛直に近
い傾斜面となつている。外周面は多角形状になつ
ており、複数枚の半導体基板１２が取付けられる
ようになつている。

この部分の拡大断面図を第３図に示す。

サセプタ１１の上方には、これと離隔して半球
体２２が設けられる。半球体２２は上頂部に於て
接続管１８，１８により成長室１０の上頂部に結
合される。

接続管１８は半球体２２を支持する機能と、半
球体２２の内部空間に冷却水を循環させる機能と
を有する。

接続管１８によつて支持されているので、サセ
プタ上面との間にギヤツプ３０がある。サセプタ
１１は回転する。しかし半球体２２は回転しな
い。回定されているからである。

成長室１０の外に温度調節機構１７がある。こ
れは、半球体２２の温度を測定し、冷却水の量や
温度を調節する。そうする事によつて、半球体２
２の表面温度を、原料ガスの熱分解温度以下に保
つ。

サセプタ１１はサセプタ軸２４によつて支持さ
れるが、これは回転する。サセプタ１１の内部の
ヒータ２３は、サセプタ１１に対し同心位置に設
けられるが、これは回転しない。

ヒータ２３はヒータ用電流導入端子１９から、
電極棒２６，２６が鉛直に延び、これによつて支
持されている。

また、成長室１０の壁面が加熱されてはならな
いので、成長室１０の外壁に冷却水ジヤケツト２
７が設けられる。

冷却水入口２１から水が導入されて、冷却水ジ
ヤケツトに入り、成長室１０の壁面を冷却する。
この水は冷却水出口２０から排出される。

成長室１０の上頂部のガス導入口１３から原料
ガスが導入されるが、これには、有機金属供給系
Ａ，Ｂ、水素化物供給系Ｃ、ドーパント供給系Ｄ
などの供給系がつながれている。

(カ) 作用ガス供給系から説明する。

水素ガスライン１から水素ガスが、窒素ガスラ
イン２から窒素ガスが供給される。いずれも高純
度のガスである。水素と窒素は排他的に用いられ
る。水素と窒素の切替はバルブ５１，５２により
行う。通常、成長時には水素ガスを用いる。

水素ガスは、ガスライン６７から、いくつかの
ガスライン６８，６９，７０，７１に分かれる。
ガスラインの数は基板の上へ成長させるエピタキ
シヤル層の組成により決定する。

第１有機金属供給系では、第１有機金属を入れ
たバブラ８が、恒温水槽７の中に保持されてい
る。これはGaやIn、Znなどの有機金属化合物を
入れてある。これらは液体であるが、水素ガスが
バブラに吹きこまれるから、有機金属化合物の蒸
気圧分が水素ガス中に含まれガスとともに輸送さ
れる。バルブ５３，５４，５５の開閉により有機
金属を含むガスの発生を停止することができる。
ガス量はマスフローコントローラで制御できる。

例えばGaを含む有機金属ガスはバルブ６０を
経て、その他のガスと混合され、原料ガス導入口
１３から成長室１０の中へ入る。

第２有機金属供給系Ｂでは、マスフローコント
ローラ７１を通つた水素ガスが第２有機金属バブ
ラ９の中へ送給される。第２有機金属バブラ９は
恒温水槽７によつて一定の温度に保たれる。水素
ガスが有機金属を含む液体をバブリングし、有機
金属の蒸気を含むガスとなる。これはたとえば
AlIn、Gaなどの供給系である。

混晶を作つたり、或は不純物金属をドープする
必要がある場合のみ、有機金属供給系を２以上使
う必要がある。そうでない場合は、ひとつでもよ
い。

水素化物供給系Ｃには、対象となる元素の水素
化物AsH₃、PH₃、SbH₃、H₂S、H₂Seなどのガ
スボンベ３が設けられる。水素化物は常温で気体
であるから、ガスボンベ３から直接にとることが
できる。水素ガスと水素化物ガスの切替はバルブ
４６，４７により行なう。

水素化物ガスの流量は、マスフローコントロー
ラ７２によつて制御される。

ドーパントを入れる場合、それが気体又は気体
となる化合物によつて与えられる時、ガスボンベ
４からドーパントガスを供給する。流量はマスフ
ローコントローラによつて制御される。

ドーパントを入れない場合、ドーパント供給系
Ｄは用いない。

図示していないが、全体のガス流量を増すた
め、水素ガスのみを制御するためのラインを設け
ることもある。

成長室１０のサセプタ１１には、予め基板結晶
１２をセツトしておく。

さらに内部のヒータ２３によつてサセプタ１１
及び基板結晶１２を適当な温度に加熱しておく。

サセプタ１１上方の半球体２２には内部に水を
通して冷却する。水は成長室１０の上方から、接
続管１８によつて導入する。温度調整機構１７が
半球体２２の温度を制御する。半球体２２の温度
を測定し、所望の温度になるように、冷却水の流
量又は温度を調整するのである。

成長室１０の壁面にそつて形成された冷却水ジ
ヤケツト２７には冷却水が流されている。

サセプタ１１はサセプタ軸２４によつて回転す
る。これは、基板結晶１２の成長条件を実効的に
同一にするためである。サセプタ１１は原料ガス
の熱分解温度以上に加熱される。

半球体２２とヒータ２３は回転しない。ヒータ
２３は半球体２２も加熱するが、半球体２２は冷
却水によつて冷却されているので、熱分解温度以
下に保たれている。

成長室１０の上頂部の原料ガス導入口１３から
導入された原料ガスは、半球体２２の表面に接触
して流れ、下降して、サセプタ１１の表面に接し
て流れる。

半球体２２は分解温度以下であるので、ここで
分解生成物が生じない。

次に原料ガスは、熱分解温度以上に加熱された
サセプタ１１に接触する。ここで加熱されて熱分
解し、基板結晶１２の上にエピタキシヤル成長し
てゆく。

排ガス１４は、真空排気口１５から排出され
る。以上は、熱分解しやすい原料ガスを用いる場
合である。

反対に、熱分解しにくい原料ガスを用いる場合
もある。その場合、半球体２２の役割を反対にす
る。つまり、半球体２２を加熱しておき、これに
よつて原料ガスを予熱する。予熱しておくと、サ
セプタ１１に接触した時、容易に原料ガスが熱分
解するので、エピタキシヤル成長がより円滑にゆ
く。この場合、水を循環させる方式でなく、ヒー
タを半球体２２の中に設けても良い。

さらに、半球体２２に通すのは水に限らず、水
以外の液体であつてもよい。

(カ) 実施例 GaAs基板の上にAl_0.2Ga_0.8層、GaAs層をエピ
タキシヤル成長させた。

半球体２２はステンレス製とし、温度調節機構
１７によつて30℃に保持された水を循環させた。
原料ガスはトリメチルアルミニウム、トリメチル
ガリウム、アルシンである。成長条件は以下のよ
うであつた。

基板……半絶縁性GaAs AsH₃……水素ベース５％アルシンガス2000c.c.／
min トリメチルガリウム……０℃の恒温水槽でトリメ
チルガリウムをバブリングした水素10c.c.／min トリメチルアルミニウム……20℃の恒温水槽でト
リメチルアルミニウムをバブリングした水素を20c.c.／min 純水素ガス……ドーパントガスラインを用いて純
水素を導入した。1000c.c.／min 成長室内圧力……18Torr 基板温度……650℃ サセプタ回転数……20rpm このような条件により、Al_0.2Ga_0.8As層をエピ
タキシヤル成長させた。トリメチルアルミニウム
Al（CH₃）₃の送給を行なわず、別のGaAs基板上
に、その他の条件を同一にして、GaAs層もエピ
タキシヤル成長させた。

エピタキシヤル成長後の薄膜を調べた。いずれ
も成長層の表面は鏡面であつた。ｎ型半導体で、
残留不純物によるキヤリヤ濃度は３〜４×10¹⁴cm
^-3であつた。極めて低い不純物濃度である。高純
度のエピタキシヤル成長層であつた。

液体窒素温度（77K）でのGaAsエピタキシヤ
ル成長層の電子移動度は125000cm²／Vsであつた。
高い移動度である。

本発明の効果を調べるため、半球体２２をとり
外して調べた。半球体２２の表面に分解生成物が
付着していなかつた。つまり、エピタキシヤル表
面欠陥の原因となる異物の生成を抑制する効果の
ある事が確認できた。

(ク) 効果１枚又は複数枚の基板結晶を同時にエピタキシ
ヤル成長させるバレル型サセプタを持つ気相成長
装置に於て、サセプタ上方にある半球体２２に冷
却水を流すようにしたので、次の効果がある。

半球体２２の上に反応生成物が堆積し、これが
剥離して基板結晶に付着し、エピタキシヤル成長
層の上に表面欠陥を生じさせる、という事がな
い。

高品質のエピタキシヤル成長を行なう事ができ
る。

また半球体２２で反応が起こらないので、エピ
タキシヤル層の組成の変動、膜厚の変動などとい
う事が起こらない。設計値どおりのエピタキシヤ
ル層を再現性よく製造することができる。

さらに、半球体２２に加熱された液体を通すよ
うにすれば、熱分解しにくいガスを予熱し、基板
結晶に於る熱分解を容易にする事ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の化合物半導体気相成長装置の
概略構成図。第２図は従来例に係る化合物半動体
気相成長装置の概略構成図。第３図は成長室部分
のみの本発明の装置の拡大断面図。１……水素ガスライン、２……窒素ガスライ
ン、３……水素化物ガスボンベ、４……ドーパン
トガスボンベ、７……恒温水槽、８，９……有機
金属バブラ、１０……成長室、１１……サセプ
タ、１２……基板結晶、１３……原料ガス導入
口、１４……排ガス、１５……真空排気口、１７
……温度調節機構、１８……接続管、１９……ヒ
ータ用電流導入端子、２０……冷却水出口、２１
……冷却水入口、２２……半球体、２３……ヒー
タ、２４……サセプタ軸、２５……半球体、２６
……電極棒、２７……冷却水ジヤケツト、４６〜
４９……バルブ、５１〜６６……バルブ、７０〜
７３……マスフローコントローラ、Ａ……第１有
機金属供給系、Ｂ……第２有機金属供給系、Ｃ…
…水素化物供給系、Ｄ……ドーパント供給系。

Claims

【特許請求の範囲】

１上方が略半球型で円筒形の縦型成長室１０
と、適数枚の基板結晶１２を側面にとりつける事
ができるバレル型サセプタ１１と、該サセプタ１
１を加熱するヒータ２３と、サセプタ１１を支持
しこれを回転するサセプタ軸２４と、成長室１０
の上頂部に設けられ原料ガス及びキヤリヤガスを
導入する原料ガス導入口１３と、成長室１０の下
部に設けられ排ガス１４を排出すべき真空排気口
１５とよりなり、原料ガスを含有するガスを導入
し、加熱された基板結晶の上に単結晶薄膜をエピ
タキシヤル成長させる化合物半導体気相成長装置
に於て、成長室１０内部でサセプタ１１の上方の
空間に、サセプタ１１と分離された半球体２２を
成長室１０の上頂部から固定して設け、半球体２
２の内部空間には冷却又は予熱のための液体を流
す事ができるようにした事を特徴とする化合物半
導体気相成長装置。