JPH0654764B2 - 半絶縁性ガリウムヒ素形成方法 - Google Patents

半絶縁性ガリウムヒ素形成方法

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JPH0654764B2
JPH0654764B2 JP2309018A JP30901890A JPH0654764B2 JP H0654764 B2 JPH0654764 B2 JP H0654764B2 JP 2309018 A JP2309018 A JP 2309018A JP 30901890 A JP30901890 A JP 30901890A JP H0654764 B2 JPH0654764 B2 JP H0654764B2
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Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、半絶縁性のガリウムヒ素層の付着方法、具体
的には、基板に酸素をドーピングしたガリウムヒ素を付
着するための有機金属気相エピタキシ・プロセスに関す
るものである。
［従来の技術］ 半絶縁性ガリウムヒ素のエピタキシヤル層の形成は、Ｍ
ＥＳＦＥＴＳ等の多くのデバイスの応用に強く望まれて
いる。バルクのガリウムヒ素における半絶縁性は、負の
欠陥、ＥＬ２又はクロム等の深い準位の不純物のいずれ
かの導入によつて得られる。しかしながら、高品質の半
絶縁性ガリウムヒ素のバルク基板は高価である。さら
に、半導体デバイス物質の形成に用いられるのと同じ基
本的な薄膜技術又はエピタキシヤル技術を用いることに
よつて半絶縁性の層を形成することも望まれる。
ガリウムヒ素のエピタキシヤル層の成長に遷移元素を導
入する場合にのみ半絶縁性が得られる。秋山らは「結晶
成長(J.Crystal Growth,68(1984))において、有機金属
気相エピタキシ装置でクロム及びバナジウムを混合させ
て半絶縁性ガリウムヒ素を形成することを開示してい
る。しかしながら、遷移元素は素早くガリウムヒ素の中
に拡散しやすいので、好ましくない不純物再分布となつ
てしまう。秋山らが用いたバナジウムの源はトリエトキ
シバナジル（ＴＥＶ：VO(OC2H5)3）であり、化合物中の
酸素も深い準位の形成に寄与すると推測された。
酸素がガリウムヒ素中で深い準位を生むことはこの技術
分野では周知である。ＬａｇｏｗｓｋｉらはAppl.Phys.
Left.44(3)1984、の中で、ブリツジマン型（Bridgeman-T
ype）の装置にGa2O3を導入することによつて酸素をドー
ピングしたガリウムヒ素を形成し、ＥＬ２準位に近い酸
素の深い準位を形成することを開示している。しかしな
がら、エピタキシヤルのガリウムヒ素に酸素の深い準位
を形成する試みは失敗してきた。例えば、Ｒｕｂｙらの
J.Appl.Phys.58(2)1985、はAsCl3気相エピタキシ装置に
純酸素を導入したが酸素の深い準位は得られなかつたと
報告している。また、WallisのInst.Phys.Conf.Ser.No.
56：Chapt.1(1981)は金属−有機物の気相エピタキシ装
置へ水蒸気による酸素を導入したが、酸素はガリウムヒ
素の成長に全く関与しなかつたと報告している。これら
の試みは、酸素の混入を示唆していない。なぜなら、ガ
リウム又はヒ素の酸化物のいずれかを高温の典型的な有
機金属気相エピタキシでかつ水素キヤリアガス中で形成
するので熱力学的に不都合なのである（Ｋｕｅｃｈらの
J.Appl.Phys.62(1987)を参照）。しかしながら米国特許
第４，２５３，８８７号は、水蒸気の導入によるAsH3/G
aCl3の気相エピタキシ装置における酸素をドーピングし
たガリウムヒ素の形成を開示しているが、前述のＲｕｂ
ｙらの教示から考えても明らかにAsH3/GaCl3に限定され
る。
酸素をドーピングした半絶縁性アルミニウムガリウムヒ
素の形成の成功もある。寺尾らの結晶成長誌６８（１９
８４）は、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウ
ム及びヒ素によつてガリウムヒ素を成長させる有機金属
気相エピタキシ反応槽の中にH2O又はO2を導入するとガ
リウムヒ素の成長に酸素が関与するであろうと開示して
いる。しかしながら、なお有機金属気相エピタキシ装置
での酸素をドーピングしたガリウムヒ素の形成方法に対
する要求はある。
［発明が解決しようとする課題］ 本発明の目的は、有機金属気相エピタキシ技術を用いた
エピタキシヤル成長中のガリウムヒ素への制御可能な酸
素導入方法を提供することである。
［課題を解決するための手段］ 本発明の方法に従うと、分子の部分として酸素を含むア
ルミニウム有機金属化合物を、周知のガリウム及びヒ素
の反応ガスと共に有機金属気相エピタキシ反応チヤンバ
に導入する。反応の結果として、成長したガリウムヒ素
層の中に深い準位の酸素不純物が形成される。さらに、
少量のアルミニウムもガリウムヒ素に混入される。しか
しながら、アルミニウムは低い準位であるのでガリウム
ヒ素層の特性に影響を与えることはない。アルミニウム
及び酸素を含む有機金属化合物の反応ガスは、次式のア
ルミニウムアルコキシドである。
式： R2AlOR′ ここで、Ｒは有機物の配位子であり、Ｒ′はＲと同一又
は異なる有機物の配位子である。Ｒ及びＲ′は、CH3、C
2H5、又はC3H7のような一般的な一価炭化水素配位子で
ある。ガリウムヒ素の成長中に前述のアルコキシドを導
入すると、その成長している層への酸素の導入が制御さ
れ、結果として酸素をドーピングした半絶縁性ガリウム
ヒ素のエピタキシヤル層が得られる。
［実施例］ 本発明の半絶縁性ガリウムヒ素付着方法は、Ｋｕｅｃｈ
が材料科学報告（Materials Science Reports)、2、(1)19
87において記述した化合物半導体の有機金属気相エピタ
キシの技術を用いる。この技術の代表的な具体例では、
Ga(CH3)3及びGa(C2H5)3のような金属アルキルの反応性
有機金属化合物をAsH3のような非金属種の水素化合物と
反応させる。III族の有機金属化合物は、代表的には高
い蒸気圧の液体又は固体であり、Ｖ族の水素化合物は非
常に有毒なガスである。反応器内の成長の雰囲気は、H2
又はN2等のキヤリアガス中で有機金属前駆体及び水素化
学物を注意深く制御した混合物からなる。代表的なガリ
ウム源は、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）及びトリエチ
ルガリウム（ＴＥＧ）等である。代表的なヒ素源は、ア
ルシン（AsH3）及びアルシンの置換化合物、例えば第三
ブチルアルシン、イソブチルアルシン及びフエノールア
ルシン等である。反応チヤンバ内のガスがガリウム及び
ヒ素に分解する温度まで反応ガス混合物を加熱すると、
ガリウムヒ素として化合し、基板に付着する。
本発明に従つて半絶縁性ガリウムヒ素を付着させるため
に、アルミニウム及び酸素を含む有機金属の反応ガスも
有機金属気相エピタキシ反応チヤンバ内に導入する。ア
ルミニウムアルコキシドを追加することによつて、深い
準位の不純物を生むガリウムヒ素の成長に酸素を組み込
むことができる。こうして、付着されるガリウムヒ素層
に酸素がドーピングされて半絶縁性となる。
図を参照すると、第１図は反応チヤンバ１０を示す図で
ある。この中で支持体１２は基板１４を支えており、基
板１４の上に半絶縁性ガリウムヒ素が付着される。注入
ライン１６、１８及び２０は反応ガスを導入するために
与えられ、排出ライン３４は未反応ガスを排出するため
に与えられる。ライン１６は例えばＴＭＧ又はＴＥＧ等
のガリウムを含む反応ガスを導入するために使用され、
ライン１８はAsH3等のヒ素を含む反応ガスを導入するた
めに使用される。ライン２０はアルミニウムアルコキシ
ド反応ガスを導入するために使用する。バルブ２２、２
４及び２６は、各ガス源２８、３０及び３２からの反応
ガスの流量を制御する。
基板１４に半絶縁性ガリウムヒ素の層を付着するために
第１図に示される有機気相エピタキシ装置を用いる際、
ガス状ＴＭＧ又はＴＥＧをライン１６で導入し、ガス状
AsH3をライン１８で導入し、ガス状アルミニウムアルコ
キシドをライン２０で導入する。アルミニウムアルコキ
シドは次式で表わされる。
式： R2AlOR′ ここでＲは有機物の配位子であり、Ｒ′はＲと同一又は
異なる有機物の配位子である。本発明の方法に用いるに
適する有機物の配位子は、例えばCH3、C2H5及びC3H7の
ような一般的な炭化水素配位子である。ガリウムの反応
ガスのモル分率は約１０-5ないし１０-4の範囲であり、
ヒ素のモル分率は約１０-4ないし１０-3の範囲である。
アルミニウムアルコキシドのモル分率は、約１０-9ない
し１０-4の範囲である。反応チヤンバ内の温度は、約５
００℃ないし８００℃の範囲であり、圧力は約１Ｔｏｒ
ｒないし７６０Ｔｏｒｒの範囲である。
反応ガスの混合物を反応チヤンバ内で加熱して分解し、
ガリウムヒ素層のエピタキシヤル成長を与え、層に深い
準位の酸素を混入させる。低い準位のアルミニウムも成
長するガリウムヒ素の結晶に混入される。しなしながら
結晶中の少量のアルミニウムは、ガリウムヒ素層の性能
又は特性に影響を与えない。なぜならアルミニウムは、
ガリウムヒ素と共に完全な固溶液を形成する同数の電子
を持つた不純物なのである。ガリウムヒ素層にドーピン
グする酸素の濃度は、約１０14ｃｍ-3ないし１０18ｃｍ
-3の範囲にある。ガリウムヒ素層のアルミニウムの濃度
は酸素の含有量に比例し、一般的には約１０16ｃｍ-3な
いし１０20ｃｍ-3の範囲である。深い準位の酸素不純物
が半絶縁性のガリウムヒ素層を与える。
有機金属気相エピタキシ装置において、ガリウムヒ素基
板に半絶縁性のガリウムヒ素層をエピタキシヤル付着し
た。ガリウムを含む反応ガスは、モル分率が２×１０-4
のＴＭＧであつた。ヒ素を含む反応ガスは、モル分率が
８×１０-3のAsH3であつた。アルミニウムアルコキシド
は、モル分率が５×１０-8の(CH3)2AlOCH3であつた。Ｔ
ＭＧの流量は１．５ｓｃｃｍであり、AsH3の流量は６０
ｓｃｃｍであり、(CH3)2AlCH3の流量は３．７×１０-4
ｓｃｃｍであつた。反応器の圧力は７８Ｔｏｒｒであつ
た。温度は６００℃から８００℃まで段階的に変化させ
た。反応ガスの混合物は分解し、深い準位の酸素及び少
量のアルミニウムを含んだガリウムヒ素を形成した。４
０分間付着させて、１．８μｍの厚さの酸素をドーピン
グした半絶縁性ガリウムヒ素層が得られた。第２図は、
様々な温度ステツプにおけるガリウムヒ素層の厚さの関
数として、酸素及びアルミニウムの濃度を示している。
緩衝層は１．２μｍの厚さのガリウムヒ素であつた（酸
素は含まれていない）。酸素及びアルミニウムの濃度
は、２次イオン質量分析によつて測定された。酸素の深
い準位の存在は、例えばＤＴＬＳ（Deep Level Transie
nt Spectroscopy）のような電気的試験によつて確認さ
れた。
［発明の効果］ 本発明の方法は、半絶縁性である酸素をドーピングした
ガリウムヒ素のエピタキシヤル層を与えることができ
る。
【図面の簡単な説明】 第１図は、本発明の方法を実施するに適する有機金属気
相エピタキシ反応チヤンバを示す図である。 第２図は、ガリウムヒ素層及び基板内の距離の関数とし
てプロツトした酸素及びアルミニウムの濃度を示す図で
ある。 １０……反応チヤンバ、１２……支持体、１４……基
板、１６、１８、２０……注入ライン、２２、２４、２
６……バルブ、２８、３０、３２……ガス源、３４……
排出ライン。

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ガリウムを含む反応ガス、ヒ素を含む反応
    ガス及びアルミニウムアルコキシドの反応ガスを有機金
    属気相エピタキシ反応チヤンバに導入する工程と、 基板に酸素をドーピングしたガリウムヒ素のエピタキシ
    ヤル層を付着するために前記ガスを反応させる工程とを
    含む基板への半絶縁性ガリウムヒ素形成方法。
  2. 【請求項２】前記アルミニウムアルコキシドが 式： R2AlOR′ （ここでＲは有機物の配位子、Ｒ′はＲと同一又は異な
    る有機物の配位子）である請求項１記載の半絶縁性ガリ
    ウムヒ素形成方法。
  3. 【請求項３】前記Ｒ及びＲ′がCH3、C2H5及びC3H7から
    なる群から選択される請求項２記載の半絶縁性ガリウム
    ヒ素形成方法。
  4. 【請求項４】前記ガリウムを含む反応ガス及びヒ素を含
    む反応ガスがトリメチルガリウム及びアルシンである請
    求項１記載の半絶縁性ガリウムヒ素形成方法。
  5. 【請求項５】前記ガリウムを含む反応ガス及びヒ素を含
    む反応ガスがトリエチルガリウム及びアルシンである請
    求項１記載の半絶縁性ガリウムヒ素形成方法。
  6. 【請求項６】前記ドーピングする酸素の濃度が約１０14
    ｃｍ-3ないし１０18ｃｍ-3の範囲である請求項４記載の
    半絶縁性ガリウムヒ素形成方法。
  7. 【請求項７】前記アルミニウムアルコキシド反応ガスの
    モル分率が約１０-9ないし１０-4の範囲である請求項６
    記載の半絶縁性ガリウムヒ素形成方法。
  8. 【請求項８】前記反応チヤンバの温度が約５００℃ない
    し８００℃の範囲である請求項７記載の半絶縁性ガリウ
    ムヒ素形成方法。
  9. 【請求項９】前記反応チヤンバの圧力が約１Ｔｏｒｒな
    いし７６０Ｔｏｒｒの範囲である請求項８記載の半絶縁
    性ガリウムヒ素形成方法。
  10. 【請求項１０】ガリウムを含む反応ガス、ヒ素を含む反
    応ガス並びにアルミニウム及び酸素を含む有機金属の反
    応ガスを有機金属気相エピタキシ反応チヤンバに導入す
    る工程と、 基板に半絶縁性のガリウムヒ素層を与えるために前記ガ
    スを反応させて深い準位の酸素不純物を有するガリウム
    ヒ素のエピタキシヤル層を付着する工程とを含む基板へ
    の半絶縁性ガリウムヒ素形成方法。
  11. 【請求項１１】前記有機金属の反応ガスが 式： R2AlOR′ （ここでＲは有機物の配位子、Ｒ′はＲと同一又は異な
    る有機物の配位子）のアルミニウムアルコキシドである
    請求項１０記載の半絶縁性ガリウムヒ素形成方法。
  12. 【請求項１２】前記Ｒ及びＲ′がCH3、C2H5及びC3H7か
    らなる群から選択される請求項１１記載の半絶縁性ガリ
    ウムヒ素形成方法。
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