JPS589794B2 - 半導体の液相多層薄膜成長法および成長装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は半導体の薄膜結晶に関するものであり、より詳
細に述べるならば、化合物半導体多層薄膜のスライド式
連続液相エピタキシヤル成長法およびその成長装置に関
するものである。

最近、半導体素子の高性能化、高周波化の要求が高まる
につれて、所定厚さの薄いエピタキシヤル成長層を再現
性良く得る成長技術が求められている。

たとえば、ＦＥＴでは〜０．３μｍ程度の、インパツド
ダイオードでは〜０．１μｍ程度の厚さのエピタキシャ
ル成長層を得るべき場合がある。

そして、レーザダイオードおよび発光ダイオードの製造
においても同様にエピタキシャル成長層の厚さを厳密に
制御する必要がある。

このような要求に対して、第１図に示した従来のスライ
ド式連続液相成長装置では不十分である。

このことを第１図の液相エピタキシャル成長処理工程図
および第２図の液相エピタキシャル成長処理の温度・時
間曲線を使って説明する。

なお、第１図中の工程ａ〜 ｄは第２図中のａ〜ｄと対
応している。

第１図ａに示したように従来のスライド式連続液相成長
装置は静止部１と可動部２からなり、静止部１に基板３
（例えば、ＩｎＰ基板）が備えられ、可動部２に設けた
穴の中に成長溶液４，５（例えば、Ｉｎの溶媒の中にＩ
ｎＰの溶質が溶解している溶液）が入れられている。

また、静止部１にはこの液相成長装置を加熱炉（図示せ
ず）に挿入するための操作棒（図示せず）が備えられ、
可動部２にはスライドさせるための操作棒６が備えられ
ている。

第１図ａに示した状態で加熱炉の中へ入れて第２図の温
度Ｔ１まで加熱し、溶液４を飽和状態にする。

そして、冷却して温度Ｔ２にして溶液４を過飽和状態に
する（過冷却度△Ｔ１＝Ｔ１−Ｔ２）。

操作棒６を動かして溶液４を基板３に接触させる〔第１
図ｂ〕。

このときに溶液４中の過飽和分の溶質（■ｎＰ）が基板
３上にエピタキシャル成長し、さらに温度Ｔ３まで冷却
することによってエピタキシャル成長が継続して第１層
目のエピタキシャル結晶層が厚くなる（成長時間ｔ１）
。

次に、操作棒６をさらに動かして溶液５を基板３上に持
ってくる〔第１図Ｃ〕。

このときに溶液５は温度Ｔ３で過飽和状態にある。

なお、過飽和分は溶液５を仕込んだときの溶質（ＩｎＰ
）の量によって定まり、温度Ｔ４で飽和状態となる溶質
が前もって設定秤量して溶媒中に溶解されている（過冷
却度△Ｔ２＝Ｔ４−Ｔ３）。

さらに温度Ｔ５まで冷却することによって第２層目のエ
ピタキシャル結晶層が第１層目のエピタキシャル結晶層
上に成長する（成長時間ｔ２）。

そして、所定時間経過後に、操作棒６を動かして溶液５
を基板３上から離す〔第１図ｄ〕。

上述したような多層成長法において、第１層目および第
２層目のエピタキシャル結晶層の厚さ（成長量）を制御
するためには、溶液４，５中の各溶質の仕込量を厳密に
測定して各溶液に投入し、設定温度Ｔ１，Ｔ４にて飽和
状態になるようにする。

そして、各層のエピタキシャル成長開始時における温度
Ｔ２，Ｔ３のときに各溶液を過冷却度が所定の△Ｔ１，
△Ｔ２である過飽和状態とする必要がある。

しかしながら、溶質の厳密な秤量測定および投入は測定
誤差、作業の繁雑さを招き、成長層の厚さが正確に得ら
れるかどうかに不安がある。

また、溶液と基板との接触時間、この接触時間における
温度降下によっても成長層の厚さが制御されるので、第
１層目のエピタキシャル結晶層の成長終了温度と第２層
目のエピタキシャル結晶層の成長開始温度との調整を適
切にする必要がある。

このことが過冷却度△Ｔ２に影響し多層エピタキシャル
成長での準備がめんどうになる。

さらに、従来のスライド式連続液相成長装置では溶液の
高さが５ないし１０ｍｍであって薄いエピタキシャル成
長層の厚さの制御が不正確になりやすい問題がある。

そこで、第３図のようなスライド式液相成長装置が提案
され、従来の成長装置よりも容易に薄いエピタキシャル
成長層を得られるようになった（土居功年、平尾元尚：
電子材料、（１９７６年３月号）、ｐｐ．６６−７０、
参照）第３図のスライド式成長装置においては次のよう
にして液相エピタキシャル成長を行なっているまず、装
置全体を所定温度（溶液１１の飽和温度ないしそれ以上
）に加熱し、スライド１２を操作棒１３によって移動し
てエピタキシャル成長に使用する溶液の高さを中間スラ
イダ１４の厚さ（０．５ないし３ｍｍ）とする。

次に、冷却して溶液を過飽和状態にし、成長開始温度に
てスライダ１２および中間スライダ１４を同時に移動し
て基板１５と溶液１１とを接触させる。

エピタキシャル結晶層が成長しさらに成長させるために
基板と溶液とを接触させたままで冷却を継続し、所定時
間経過後にスライダ１２および中間スライダ１４を同時
に移動して基板１５から溶液１１を除く。

このようにして薄いエピタキシャル成長層が得られ、第
３図は１層成長用の装置であるが溶液の数を増すことに
より連続成長ができ薄い多層エピタキシャル成長層が得
られる。

しかしながら、この改良されたスライド式成長装置にお
いては先に説明した従来のスライド式連続液相成長装置
の欠点、すなわち、溶質の厳密な測定および投入、温度
調整などに伴う不利益、が改善されないままである。

従って、本発明の目的は、多層に形成する薄いエピタキ
シャル成長層の各層の厚さが所定厚さであるようにする
半導体の液相多層薄膜成長法をおよびその長層装置を提
供することである。

本発明の別の目的は、溶液の過飽和度および過冷却度を
容易に、正確にかつ溶質の厳密な測定なしで制御するこ
とを可能にすることである。

また、本発明の別の目的は、溶質の秤量作業を省略して
エピタキシャル成長の準備作業を簡単にすることである
。

本発明のその他の目的は、各溶液などのような温度でも
飽和状態に維持して、エピタキシャル成長のために引き
出した溶液の所定の過飽和状態を容易にかつ正確に創出
する条件を与えることである。

これら目的が次のような半導体の液相多層薄膜成長法に
よって達成される。

すなわち、この成長法とは、スライド式連続液相多層薄
膜成長を行なうために、ソース結晶が載せられている複
数の溶液を用意しかつ飽和状態とし、これら複数の飽和
溶液のひとつから所定量だけひき出し、この所定量溶液
を冷却して過飽和状態にし基板に接触させ、この基板上
にエピタキシャル成長薄膜を形成し、所定時間経過後に
所定量溶液を基板から除く、次に、複数の飽和溶液の次
の溶液から所定量だけひき出し、この所定量溶液を冷却
して過飽和状態にし形成したエピタキシャル成長薄膜に
接触させ、このエピタキシャル成長薄膜上に次のエピタ
キシャル成長薄膜を形成する半導体の液相多層薄膜成長
法である。

本発明に係る成長法によって成長させる半導体は、Ｇａ
Ａｓ，ＩｎＰ、Ｇａ１−ｘＡｌｘＡｓ、Ｉｎ１−ｘＧａ
ｘＡｓ１−ｙＰｙを含む■−■族化合物半導体である。

本発明に係る成長法によって成長させるエピタキシャル
薄膜の層数は、後述する実施態様例では２層であるが溶
液の数を増すことによって３層、４層以上となる。

本発明に係る成長法での溶液とは、例えばＩｎＰエピタ
キシャル成長層を得るためならば、溶媒にＩｎを用意し
この溶媒上にＩｎＰのソース結晶（単結晶又は多結晶の
溶質）を乗せて加熱溶融したものである。

この溶液は加熱および一定温度での保持によりソース結
晶が溶媒中に溶け込みその温度での飽和状態となってい
る。

温度を上げればソース結晶からの溶け込み量が多くなっ
て飽和状態となり、一方、温度を下げたならば、溶け込
んでいたものがソース結晶へ析出してその温度での飽和
状態となっている。

また、必要に応じてドーパント（Ｓｎ、Ｚｎ等の不純物
）が溶液に導入される上述のように溶液が飽和状態に保
持されているので、エピタキシャル成長開始温度が定ま
れば所定の過冷却度を成長開始温度に加えたその温度で
の飽和状態溶液を得ることができ、本発明の方法に従っ
てこの状態の溶液の一部をエピタキシャル成長用に分け
ることができる。

この分けられた溶液を成長開始温度に冷却すれば所定の
過冷却度、すなわち、所定過飽和度の溶液が容易に得ら
れるこのように過冷却度を各溶液ごとに適切に設定する
ことができ、かつ、エピタキシャル成長層の厚さを再現
性よく所定厚さにすることができる。

そして、本発明に係る半導体の液相多層薄膜成長法を実
施しかつ本発明の目的を達成する装置とは、基板が載置
される静止部、複数の溶液収容透孔を有するスライダお
よび静止部とスライダとに挾まれかつ溶液収容用透孔と
同数の透孔を有する中間スライダを含んでなるスライド
式連続液相多層薄膜成長用装置において、溶液収容用透
孔のひとつと中間スライダの透孔のひとつとが連通する
ときに、中間スライダが残りの溶液収容用透孔の底とな
るように中間スライダの透孔の間隙が定められているこ
とを特徴とする半導体の液相多層薄膜成長装置である。

スライダの溶液収容用透孔および中間スライダの透孔の
数はエピタキシャル成長させるべき所定の層数と同じで
ある。

以下、添付図面に関連した本発明の実施態様例によって
本発明をより詳細に説明する。

第４図は本発明に係る液相多層薄膜成長法の工程図であ
り、本発明に係る成長装置の概略断面図で成長法の各工
程を示す。

そして、第５図は本発明に係る液相多層薄膜成長法に適
用した温度・時間曲線の一例を表わすグラフであり、第
４図での工程イ〜リに第５図中のイ〜リが対応している
。

まず、第４図イに示したように静止部２１、スライダ２
２および中間スライダ２３からなる成長装置を用意する
。

静止部２１、スライダ２２および中間スライダ２３のそ
れぞれに移動させるための操作棒が備えられているが図
面では省略した。

静止部２１には基板２４が備えられ、スライダ２２に複
数の溶液収容用透孔が設げられて溶液２５，２６が収容
されている。

溶液２５，２６のそれぞれにソース結晶２７，２Ｂが乗
せてある。

また、中間スライダ２３はその厚さが０．５ないし３ｍ
ｍであり、複数の透孔２９，３０が設けられている。

この第４図イの状態で加熱炉（図示せず）の中へ挿入し
所定温度Ｔ１（第５図）まで加熱する。

温度Ｔ１に維持して溶液２５，２６を飽和状態にし、ス
ライダ２２を移動させて溶液２５を中間スライダ２３の
透孔２９内へ入れる〔第４図ロ〕。

次に、加熱炉を一定の冷却速度にて冷却すると同時にス
ライダ２２を移動させて透孔２９内に入っている溶液を
、ソース結晶が乗っている溶液から分ける〔第４図ハ〕
。

温度がエピタキシャル成長開始温度Ｔ２になったならば
、スライダ２２および中間スライダ２３を同時に移動さ
せて、透孔２９内の溶液を基板２４に接触させる〔第４
図二〕。

このときに、この溶液は、△Ｔ１＝Ｔ１−Ｔ２の過冷却
度の過飽和状態にあるので、基板２４上にエピタキシャ
ル結晶が成長する。

さらに、温度が低下するにつれて溶液中に溶解していた
結晶成分がエピタキシャル結晶として析出し結晶層が成
長する。

基板２４上にエピタキシャル結晶が成長している最中に
、スライダ２２を移動させて飽和状態の溶液２６を中間
スライダ２３の透孔３０内へ入れる〔第４図ホ〕。

さらに、スライダ２２を移動させて、透孔３０内の溶液
をソース結晶２８が乗っている溶液から分ける〔第４図
へ〕（温度Ｔ３）。

エピタキシャル成長終了温度Ｔ４になったときに、スラ
イダ２２および中間スライダ２３を同時に移動させて、
基板２４上から溶液を除く〔第４図へ〕。

次に、第２層目のエピタキシャル結晶を形成するために
、第２層目のエピタキシャル成長開始温度Ｔ５にてスラ
イダ２２および中間スライダ２３を同時に移動させて、
透孔３０内の溶液を基板２４上へ持って来る〔第４図チ
〕。

このときに、この溶液は△Ｔ２＝Ｔ３−Ｔ５の過冷却度
の飽和状態にあるので、第２層目のエピタキシャル結晶
が先に形成した第１層目のエピタキシャル結晶層上に成
長する。

さらに、温度が低下するにつれて溶液中に溶解していた
結晶成長成分がエピタキシャル結晶として析出し結晶層
が成長する。

そして、エピタキシャル成長終了温度Ｔ６になったとき
に、スライダ２２および中間スライダ２３を同時に堅動
させて、溶液をエピタキシャル結晶上から除き、さらに
冷却する〔第４図リ〕。

このようにして、エピタキシャル成長期間ｔ１およびｔ
２に２層のエピタキシャル成長層を基板上に形成するこ
とができる。

第４図、第５図および上述の説明から、エピタキシャル
成長に先立って過飽和状態の溶液を得ること、すなわち
適切な過冷却度△Ｔ１，△Ｔ２を制御することが容易に
かつ精度良くできるのがわかるであろう。

したがって、所定厚さの多層エピタキシャル成長層が本
発明の成長法によって再現性良く得られるのがわかるで
あろう。

さらに、本発明に係る成長法を第６図の温度・時間曲線
に従って実施することも可能である。

第６図中の温度およびエピタキシャル成長の各工程を表
わす記号は第５図の場合と同じである。

第６゜図の場合の特徴は、エピタキシャル成長期間ｔ，
およびｔ２の間温度を一定に保ちかつその温度をエピタ
キシャル成長開始温度としたことである。

本発明の成長法によって各エピタキシャル成長層のため
の過冷却度△Ｔ１ および△Ｔ２が容易にかつ正確に得
られ、所定厚さのエピタキシャル成長層が得られる。

さらに、このような成長法でエピタキシャル成長を行な
えば、エピタキシャル結晶層の表面をテラス発生なく平
滑な状態にするのに効果がある。

実施例 ＩｎＰ（Ｎ型）単結晶基板上に第１層目の■ｎＰ（Ｓｎ
ドープのＮ型）エピタキシャル成長層と第２層目のＩｎ
Ｐ（ＺｎドープのＰ型）エピタキシャル成長層を本発明
に係る成長法でもって形成した。

成長装置は第４図に示したような装置をグラファイトで
作り、特に中間スライダ２３の厚さを３ｍｍとした。

溶媒Ｉｎにソース結晶（ＩｎＰ単結晶）を乗せて加熱し
飽和状態としたエピタキシャル成長溶液を用意した。

第１層目用の溶液にはＳｎドーパントを含有させ、また
、第２層目用の溶液にはＺｎドーパントを含有させた。

装置全体を６５０℃の温度Ｔ１まで加熱保持し、以後一
定の冷却速度にて冷却した。

第１層用溶液を６４４℃から６３５℃までの間基板に接
触させて、第１層目のエピタキシャル成長層Ｉｎｐ（Ｎ
型）を１０μｍ厚さに成長させた。

過冷却度△Ｔ１は６℃であった。

次に、第２層目のエピタキシャル成長に先立って過冷却
度６℃となるように６４１℃のときに、第２層用溶液の
一部を分け、この分けた溶液を６３５℃から６３４℃ま
での間基板上に持って来て、第２層目のエピタキシャル
成長層ＩｎＰ（Ｐ型）を０．９μｍ厚さに成長させた。

したがって、基板上に目的とした２層のエピタキシャル
成長層を所定厚さで得ることができた。

本発明を説明するための実施態様および実施例は一例で
あって、特許請求の範囲から逸脱しない種々の実施態様
があるであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来のスライド式連続液相成長装置によるエ
ピタキシャル成長処理工程図であり、第２図は、第１図
の工程図に対応した温度・時間曲線のグラフであり、第
３図は改善された従来のスライド式液相成長装置の概略
断面図であり、第４図は、本発明に係る半導体の液相多
層薄膜成長法の工程図であり、第５図は、第４図の工程
図に対した温度・時間曲線のグラフであり、および、第
６図は、本発明に係る成長法を行なうときの別の温度・
時間曲線のグラフである。 ２・・・・・・可動部、３・・・・・・基板、４，５，
１１・・・・・・溶液、１２・・・・・・スライダ、１
４・・・・・・中間スライダ、１５・・・・・・基板、
２１・・・・・・静止部、２２・・・・・・スライダ、
２３・・・・−・中間スライダ、２４・・・・・・基板
、２５，２６・・・・・・溶液、２７，２Ｂ・・・・・
・ソース結晶、２９，３０・・・・・・中間スライダの
孔。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ スライド式連続液相多層薄膜成長を行なうために、
   ソース結晶が載せられている複数の溶液を用意しかつ飽
   和状態とし、前記複数の飽和溶液のひとつから所定量だ
   けひき出し、この所定量溶液を冷却して過飽和状態にし
   基板に接触させ、この基板上にエピタキシャル成長薄膜
   を形成し、所定時間経過後に前記所定量溶液を前記基板
   から除く次に、前記複数の飽和溶液の次の溶液から所定
   量だけひき出し、この所定量溶液を冷却して過飽和状態
   にし前記エビタキシャル成長薄膜に接触させこのエビタ
   キシャル成長薄膜上に次のエビタキシャル成長薄膜を形
   成する半導体の液相多層薄膜成長法。 ２ 基板が載置される静止部、複数の溶液収容用透孔を
   有するスライダおよび前記静止部と前記スライダとに挾
   まれかつ前記溶液収容用透孔と同数の透孔を有する中間
   スライダを含んでなるスライド式連続液相多層薄膜成長
   用装置において、前記溶液収容用透孔のひとつと前記中
   間スライダの透孔のひとつとが連通するときに、前記中
   間スライダが残りの前記溶液収容用透孔の底となるよう
   に記中間スライダの透孔の間隙が定められていることを
   特徴とする半導体の液相多層薄膜成長装置。