JPH0713966B2 - GaAs半導体ダイオードの製造方法 - Google Patents

GaAs半導体ダイオードの製造方法

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JPH0713966B2
JPH0713966B2 JP59153970A JP15397084A JPH0713966B2 JP H0713966 B2 JPH0713966 B2 JP H0713966B2 JP 59153970 A JP59153970 A JP 59153970A JP 15397084 A JP15397084 A JP 15397084A JP H0713966 B2 JPH0713966 B2 JP H0713966B2
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    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/86Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable only by variation of the electric current supplied, or only the electric potential applied, to one or more of the electrodes carrying the current to be rectified, amplified, oscillated or switched
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Description

【発明の詳細な説明】 [発明の技術分野] 本発明はGaAs半導体ダイオードの製造方法に関する。
[先行技術とその問題点] 従来から半導体の薄膜結晶を得るための気相エピタキシ
ー技術として、有機金属気相成長法(以下、MO-CVD法と
呼ぶ)、分子線エピタキシー法(以下、MBE法と呼
ぶ)、原子層エピタキシー法(以下、ALE法と呼ぶ)な
どが知られている。しかし、MO-CVD法はソースとしてII
I族、V族元素を水素ガス等をキャリアとして、同時に
反応室へ導入し、熱分解によって成長させるため、成長
層の品質が悪い。また、単分子層オーダーの制御が困難
である等の欠点がある。
一方、超高真空を利用した結晶成長法としてよく知られ
るMBE法は、物理吸着を第一段階とするために、結晶の
品質は化学反応を利用した気相成長法に劣る。GaAsのよ
うなIII-V族間の化合物半導体を成長する時には、III
族、V族元素をソースとして用い、ソース源自体を成長
室の中に設置している。このため、ソース源を加熱して
得られる放出ガスと蒸発量の制御、および、ソースの補
給が困難であり、成長速度を長時間一定に保つことが困
難である。また、蒸発物の排気など真空装置が複雑にな
る。更には、化合物半導体の化学量論的組成(ストイキ
オメトリー)を精密に制御することが困難で、結局、高
品質の結晶を得ることができない欠点がある。
更にALE法は、T.SuntolaらがU.S.P.No.4058430(1977)
で説明しているように、半導体元素をパルス状に供給
し、基板に付着させることにより結晶を原子層ずつ成長
させるものであるが、半導体の単結晶を成長させること
ができない。即ち、単結晶の薄膜を形成させるために、
同じグループのM.Pessaらが用いた方法は、ALE法でな
く、1984年の米真空協会の論文集(J.Vac.Sci.Techno
l、A2(1984)418)に発表しているように前記MBE法に
よるものである。
このように、MO-CVD法やMBE法では化学量論的組成を満
足する高品質の結晶を単分子層オーダーで形成すること
が困難な一方、ALE法では単結晶が得られない欠点があ
った。
[発明の目的] 本発明は上記従来技術の欠点を除き、化学量論的組成を
制御することにより結晶成長層の品質を改善し、単分子
層の精度で成長膜を形成することにより、高品質のGaAs
半導体ダイオードを製造する方法を提供することを目的
とする。
[発明の概要] このため本発明は、GaAs基板上に、真空に排気する成長
槽内に外部よりGaAsの結晶成分元素及び不純物を含むガ
スを導入し、前記基板上にn(p)層及びp(n)層の
半導体の結晶を順次エピタキシャル成長させてp−n接
合型のGaAs半導体ダイオードを製造する方法において、
前記成長槽内を10-7パスカル以下の圧力に排気すると共
に、前記基板を300〜約400℃に加熱すると同時に前記基
板に紫外線を照射しながら、Gaを含むガスとしてトリメ
チルガリウム(TMG)又はGaCl3を成長槽内の圧力が10-1
〜10-7Paとなる範囲で0.5〜10秒間導入し、次いで前記G
aを含むガスとしてトリメチルガリウム(TMG)又はGaCl
3を前記成長槽内より排気後、Asを含むガスとしてAsH3
を成長槽内の圧力が10-1〜10-7Paとなる範囲で2〜200
秒間導入することによりGaAsの結晶1分子層を形成さ
せ、これを所定回数繰り返すことにより、所定の厚さの
GaAs結晶をエピタキシャル成長させる工程と、前記GaAs
結晶をエピタキシャル成長させる際に、前記成長槽内へ
の前記Gaを含むガスとしてトリメチルガリウム(TMG)
又はGaCl3の導入と一緒にZnを含むガスを導入すること
により、p層を形成する工程と、前記GaAs結晶をエピタ
キシャル成長させる際に、前記成長層内への前記Asを含
むガスとしてAsH3の導入と一緒にSを含むガスを導入す
ることにより、n層を形成する工程と、前記工程を実行
することにより形成される前記基板上のn層及びp層に
対してそれぞれオーミック電極を形成する工程とを備え
たことを特徴としている。
[発明の実施例] 以下、本発明の実施例を説明する。
第1図は本発明の一実施例に係るGaAs半導体ダイオード
製造装置の構成図を示したもので、一は成長槽で材質は
ステンレス等の金属、2はゲートバルブ、3は成長槽1
を超高真空に排気するための排気装置、4はGaCl3また
はTMG(トリメチルガリウム)等のGaを含むガスを導入
するノズル、5はAsH3を導入するノズル、6はTMZ(ト
リメチル亜鉛)あるいはDMZ(ディメチル亜鉛)等のZn
を含むガスを導入するノズル、7はH2S等のSを含むガ
スを導入するノズル、8,9,10,11は前記ノズルを開閉す
るバルブでガス源12(TMG、GaCl3等),13(AsH3),14
(TMZ、DMZ等),15(H2S)との間に設けられたもの、16
は基板加熱用のヒーターで石英ガラスに封入したW(タ
ングステン)線で配線は省略して図示しているもの、17
は測温用の熱電対、18はGaAs基板、19は成長槽内の圧力
を測定するための圧力計であり、20は基板照射用の光
源、21は光源20用の窓である。ここで、光源20としては
水銀ランプ、レーザー等を用いることができる。
上記構成で、基板18上にGaAsの結晶を成長させるには、
先ずゲートバルブ2を開けて超高真空排気装置3により
成長槽10-7〜10-8パスカル(以下、Paと略す)程度に排
気する。次に、GaAs基板18を例えば300〜800℃程度にヒ
ーター16により加熱した後に、TMG12を成長槽内の圧力
が10-1〜10-7Paとなる範囲で0.5〜10秒間バルブ8を開
けて導入する。次に、そのTMGを成長槽1内より排気
後、AsH313を成長槽1内の圧力が10-1〜10-7Paとなる範
囲で2〜200秒間バルブ5を開けて導入する。これによ
り、GaAsの結晶1分子層が成長できる。
一方、不純物の添加は、GaAsの成長と同じようにして、
p型の場合はIII族のGaとII族のZnを含むガスを導入
し、n型の場合はV族のAsとVI族のSを含むガスを導入
することによって達成することができ、それぞれp、n
型の不純物添加された1分子層が成長できる。
このとき、基板18の加熱と同時に光源20から紫外線を照
射するようにすれば、成長温度を400℃以下に低下させ
ることができ、不純物のオートドーピング乃至は相互拡
散を抑制することができるようになる。
この分子層エピタキシャル成長乃至は光分子層エピタキ
シャル成長はIII-V族の成分元素を含むガスを交互に導
入し、化学反応によって成長が進むので化学量論的組成
を完全なものとすることができ、高品質の結晶を1分子
層ずつ成長させることができる。
第2図は第1図の装置を用いた上記エピタキシャル成長
法によってp−n型結合ダイオードを製造する場合の製
造過程を示したもので、 同図(a)に示す31はn+(ρ=1×10-3Ω・cm)のGaAs
基板である。この基板31上に、同図(b)に示すよう
に、上記エピタキシャル成長法により不純物密度が1×
1015cm-3で厚さ0.1μmのn層32を成長させる。更に、
同図(c)に示すように、そのn層32の上にp+(ρ=3
〜6×10-3Ω・cm)GaAs層36を形成する。然る後、n+
31へはAu-GeあるいはAu-Ge-Niをオーミックコンタクト
し、電極33を形成する(第2図(d))。一方、p+層36
へはAu-Zn、Ag-Zn、In-Zn等をオーミックコンタクトす
ることにより、電極37を形成する(第2図(e))。こ
れにより、p−n型接合ダイオードが製造できる。
第3図は本発明の別の実施例で、p+-n+-n--n+層構造を
有するトンネル注入型の走行時間負性抵抗ダイオード
(タンネットダイオード)の製造過程を示したものであ
る。第2図の場合と同様、第1図の装置を用いて、GaAs
基板31上にn+(ρ=1〜2×10-3Ω・cm)GaAs層40を0.
1〜0.2μm形成した後(第3図(a),(b))、その
上に走行領域となるn-(不純物密度1014〜5×1017cm-3
程度)GaAs層41を形成する(第3図(c))。走行領域
の厚さWdは、発振周波数をf、キャリアの飽和速度をVs
とした場合には で与えられる。
Vs=1×107cm/secとしたときに、f=100GHzで、Wdは
0.75μmとなり、300GHz、500GHz、1000GHzではそれぞ
れ0.25μm、0.15μm、750Åとなる。
次にトンネル注入となるn+(5×1017〜1020cm-3)GaAs
層42、p+(5×1018〜1020cm-3)GaAs層43を順次形成す
る(第3図(d)、(e))。ここで、n+層42の厚さと
不純物密度は、例えば5×1018cm-3、300〜500Åあるい
は1×1019cm-3、100〜300Åとすれば良い。p+層の不純
物密度は1×1019cm-3以上、厚さは0.5μm以下とする
ことが、放熱のために望ましい。然る後、p+層43へはAg
-Zn、Au-Zn、In-Zn等をオーミックコンタクトし、その
上にAuメッキ層を形成し電極44を形成する(第3図
(f))。直列抵抗を減少させるためにn+基板を薄くし
て、全体の厚さを10μm程度以下にする(第3図
(g))。次に、n+層31へはAu-GeあるいはAu-Ge-Niを
オーミックコンタクトし、その上にAuメッキ層を形成
し、電極45を形成する(第3図(h))。
これにより、p+-n+-n--n+層構造のタンネットダイオー
ドが形成できる。また、なだれ注入によるインパットダ
イオードも同様にして製造することができる。
このように、分子層ないしは光分子層エピタキシャル成
長法により、大体400℃以下で良好なエピタキシャル層
が形成できるので、不純物密度分布の非常に急岐なタン
ネットダイオードを形成することができる。
[発明の効果] 以上のように本発明によれば、GaAs半導体の結晶膜を分
子層単位の精度で結晶性良く成長させることができ、ま
た、不純物の添加も一層ごとに制御することができ、非
常に急岐な不純物密度分布も得ることができることか
ら、高品質なGaAs半導体ダイオードが製造できるように
なる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例に係るGaAs半導体ダイオード
の製造装置の構成図、第2図、第3図は第1図の装置に
より製造されるダイオードの製造過程説明図で、第2図
(a)〜(e)はp−n型接合ダイオードの製造過程説
明図、第3図(a)〜(h)はp+-n+-n--n+層構造のタ
ンネットダイオードの製造過程説明図である。 1……金属、2……ゲートバルブ、3……排気装置、4,
5,6,7……ノズル、8,9,10,11……バルブ、12,13,14,15
……ガス源、16……ヒーター、17……熱電対、18……Ga
As基板、19……圧力計、20……光源、21……窓。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 本谷 薫 宮城県仙台市米ヶ袋2丁目1番9号406 (56)参考文献 特開 昭58−98917(JP,A) 応用物理 53〔6〕 P.516−520 (1984−6−10)

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】GaAs基板上に、真空に排気する成長槽内に
    外部よりGaAsの結晶成分元素及び不純物を含むガスを導
    入し、前記基板上にn(p)層及びp(n)層の半導体
    の結晶を順次エピタキシャル成長させてp−n接合型の
    GaAs半導体ダイオードを製造する方法において、 前記成長槽内を10-7パスカル以下の圧力に排気すると共
    に、前記基板を300〜約400℃に加熱すると同時に前記基
    板に紫外線を照射しながら、Gaを含むガスとしてトリメ
    チルガリウム(TMG)又はGaCl3を成長槽内の圧力が10-1
    〜10-7Paとなる範囲で0.5〜10秒間導入し、次いで前記G
    aを含むガスとしてトリメチルガリウム又はGaCl3を前記
    成長槽内より排気後、Asを含むガスとしてAsH3を成長槽
    内の圧力が10-1〜10-7Paとなる範囲で2〜200秒間導入
    することによりGaAsの結晶1分子層を形成させ、これを
    所定回数繰り返すことにより、所定の厚さのGaAs結晶を
    エピタキシャル成長させる工程と、 前記GaAs結晶をエピタキシャル成長させる際に、前記成
    長槽内への前記Gaを含むガスとしてトリメチルガリウム
    又はGaCl3の導入と一緒にZnを含むガスを導入すること
    により、p層を形成する工程と、 前記GaAs結晶をエピタキシャル成長させる際に、前記成
    長槽内への前記Asを含むガスとしてAsH3の導入と一緒に
    Sを含むガスを導入することにより、n層を形成する工
    程と、 前記工程を実行することにより形成される前記基板上の
    n層及びp層に対してそれぞれオーミック電極を形成す
    る工程とを備えたことを特徴とするGaAs半導体ダイオー
    ドの製造方法。
  2. 【請求項2】特許請求の範囲第1項記載において、前記
    エピタキシャル成長層の少なくとも一部は不純物密度分
    布が均一であるGaAs半導体ダイオードの製造方法。
  3. 【請求項3】特許請求の範囲第1項記載において、前記
    エピタキシャル成長層の少なくとも一部は不純物密度分
    布が均一でないGaAs半導体ダイオードの製造方法。
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