JPS59121918A - 化合物の気相成長装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、反応性ガスを輸送するキャリヤガスを用い
る開管系の気相成長装置に係り、とくに所望の元素の析
出比率を迅速に増減できるようにした高性能な化合物の
気相成長装置に関する。

気相成長技術は、比較曲直純度の結晶面を量産するのに
適しているため、半導体工桑上不可欠な技術となってき
ている。気相成長法による化合物の成長のうちでは−■
−ｖ族化合物の成長が、その応用範囲が広汎なるがゆえ
に、その利用がとくに活発化してきている。■−ｖ族の
化合物の気相成長法には■族元素ガスにＧａＣｌ　、　
ＩｎＣｌなどのノ・ログン化物を用いるハロゲン輸送法
と、Ｇ　ａ　（ＣＨｓ　）ｓ　。

Ｉｎ（Ｃ２Ｈ，）、などの■族元素のアルキル化合物を
用いる有機金属法とが知られている。このうち有機金属
法は、反応管の全体を加熱しなければならないハロゲン
輸送法と異なり、反応管内に設置された基板以外には反
応管をさほど加熱しないですますことができ、原料ガス
やドーピングガスのＯＮ　／　ＯＦＦ　だけで急峻な界
面が形成できると期待されており、現在、盛んに研究開
発されるに至った。既に、有機金属法を用いて、従来Ｍ
ＢＥ（分子線エピタキシャル成長法）でなければ内錐と
されていた量子井戸レーザ用のウニＩ〜成長や、超格子
デバイスの形成が試みられており、初期結果としてはか
なり良いデータが得られている。

そこで、ここでは有機金属法を用いた■−■族の化合物
の気相成長を例にとり、従来の気相成長法についてまず
説明し、あわせて従来法の有する欠点について述べる。

■＝ｖ族化合物の有機金属気相成長法においては、■族
元素ガスならびに一部のドーパントガスにを機金属ガス
を用い、Ｖ族元素ガスにはＰＨ３、ＡｓＨ３などの水素
化物を用いる方法が主Ｖこ採用されている。キャリヤガ
スとしては、水氷ガスないしは窒素ガスやアルゴンガス
などの不活性ガス、ないしはこれらの混合物が用いられ
る。笥温で液状の原料物質については、これらキャリヤ
ガスを用いて該原料物質中をバクリングさせ、これらを
気化させて用いるようにしている。

■−■族化合物の中では、Ｇ　ａ　Ａ　ｓ系やＩｎＰ系
などの化合物が光デバイスや超高速デバイスとして有用
である。しかし、従来の報告例は大部分がＧａＡｓ系の
拐科に限られており、ＩｎＰやＩｎＧａＡｓＰなどのＩ
ｎＰ系化合物の気相成長は実現がなかなか困難であった
。その理由の一つは、■族元素ガスとして一般に用いら
れるＰＨ，（ホスフィン）が非常に安定であるため加熱
された基板上での熱分解比率が小さいこと、また一つに
は、■族元素ガスとして用いられるＩｎ　（ＣｚＨｓ　
）　ｓ　　（）　！ｊエチルインジウムなどが熱的に不
安定なため、原料輸送領域のガス温度の上昇によって、
原料ガスが基板に達する前に反応物が発生してしまい、
基板上でのエピタキシャル成長が阻害されることなどで
ある。

この原料輸送領域をできるだけ低廊に保つためにも、ま
た界面の急峻な結晶成長を行うためにも、結晶成長温度
は低い万が望ましいので、一般に結晶成長温度は、非晶
質や多結晶が生じない範囲内でできるだけ低温側に設定
される。例えは、ＩｎＡｓＰやＩ　ｎ　Ｇ　ａＡ　ｓ　
Ｐなどでは成長温度は５５０〜６００℃程度に設定され
る。

しかし、Ｖ族元素ガスとしてＰＨ，を用いる場合、ＰＨ
，は３７５℃から分解が始まるとされているものの、そ
の分解速朋がそれ程速くないために、たとえ基板を７０
０℃以上としてもまだかなりの量のＰＨ３が反応せずに
排気されてしまい一低温成長の目的とはそぐわなくなる
という問題が生じる。このため、比較的に低い成長温度
でも結晶成長に必要なＰの分圧を実現するには何らかの
対策が必要である。

その対策の一つは、ＰＨ，のような熱分解しにくい原料
ガスについては、その供給ｉ１に血めて大きくし、大流
量にして用いることである。しかし、Ｖ族元素ガスは一
般に俤めて危険であり、例えはＰＨ，の場合、許容虚度
が０．３ｐｐｍという強烈な毒性がある上、わずかな刺
激によっても空気の存在のもとで発火するなどの危険性
があるので、熱分解しにくいからといって原料ガスを大
量に供給することは、排ガス処理上問題であり、かつま
た未反応のまま排気することは不経済であるため、大量
生産を目的とした結晶成長には適さない。

対策の二つ目は、ＰＨｓのような熱分解しにくいガスに
ついては、これらのガスを反応管に導入する前に、分解
炉を介在させて、基板上で容易に分解しうるような分子
気体になるよう分解しておくことである（たとえばＰＨ
，を分解してＰ２やＰ４にしておけば、これらは基板上
で容易に分解されＰが析出する）。このような目的のＰ
Ｈ，分解炉を備えた気相成長装置が最近開発され、減圧
成長法と組合せてＩｎＰ　／　ＩｎＧａＡｓＰヘテロ接
合レーザなどの試作がようやくなされるようになった。

しかし、この従来の気相成長装置においては、まだ次の
ような欠点が残されていただめ、これを実用化すること
が困難であった、即ち、従来の気相成長装置に用いられ
ていたＰＨ，分解炉はＰＨ，の分解比率がまだ低かった
ために、上述したような問題点をごくわずか緩和したに
すぎなかったという点である。また、ＰＨ，を含んだキ
ャリヤガスの流速は１〜５　Ｉｎ　／　Ｓとなるため、
ガスと充分な熱交換を行なうにはかなり長尺の加熱炉が
必要となってしまうだめ不経済でもあった。従来のＰＨ
，分解炉は温度を８００℃程度にして用いていたが、さ
らに分解炉の温度を高めるとか、分解炉内の表面積を増
すなどの方策を施せば、なるほどＰＨ，の分解比率を高
めることは可能になる。しかし、これに伴ない分解炉材
に用いられる８４０．ないしけステンレス配管などの管
材からの不純’ＩＦＪＡ王ＸＩ”　ＨＡｕｎすることや
、高温のガスが分解炉から排出される結果、原料ガスが
基板に達する前に、■族原料化合物との混合接触によっ
て好ましくない反応生成物が生じてしまうことなどのた
め、基板上でのエピタキシャル成長が阻害され、良質で
、かつ均一な結晶成長を得ることができなくなってしま
う。

また、従来の気相成長装置においては、多層構造の成長
や不純物濃度分布に関しては、供給する原料ガスの流量
制御によって制御していたが、反応管に供給する前に熱
分解炉を介在させることが必要な原料ガスについては、
熱分解の応答速度が遅いために、熱分解のＯＮ　／　Ｏ
ＦＦ　による急峻な濃度分布の制御ができないでいた。

この発明の目的は、上述した従来の欠点を除去し、所望
の元素の基板上における析出比率を迅速に増減変化でき
、高品質なエピタキシャル成長を高効率に行うことので
きる高性能な化合物の気相成員装置を提供することにあ
る。

この発明によれば、Ｖ族元素（とくにＰ）などの析出比
率が高められるので、ＰＨ，などの有害なＶ族元素ガス
の供給量を大幅に低減でき、工業上不可欠な排芳ス処理
対策が容易になるという利点も得られる。・ また、この発明によれば、従来の熱分解炉では迅速な分
解が困難であったＨ、ＳやＺＨ（ＣＨｓ　）　ｓなどの
ドーパントガスの高速分解が可能となるため、側めて薄
い成長層への高瓢度不純物の変調ドーピングが可能にな
るなどの利点も得られる。

次に、この発明について、図面を用いて詳細に説明する
。図は、この発明による化合物の気相成長装置の一実施
例の概略構成図である。第１の原料ガス発生装置１から
Ｉｌ　（Ｃ２Ｈ５）３　、　Ｇａ（Ｃ１ＨＨ）　３など
の■族元累化合物気１体ならびにＺｎ　（Ｃ２Ｈ５）ｔ
などのドーパントガスと、水素ガスを含む不活性ガス（
キャリヤガス）とを発生させ、ガス供給管２にガスを導
入する。一方、第２の原料ガス発生装置３からは、ＰＨ
８，ＡＳＨ，などのＶ族元素化合物気体と、水素ガスを
含む不活性ガス（キャリヤガス）とを発生し、オゾナイ
ザ放電励起部４を介してガス供給管２にガスを導入し、
該ガス供給管内２で、前記第１の原料ガス発生装置１カ
）ら発生してきたガスと混合させ、該混合力スを反応管
５に導入する。

反応管５の中には、基板保持具（サセプタ）６上に基板
７が設置されており、シャフト８を回転させることによ
って、均一な結晶成長面力；得られるように、反応管５
の中で基板が等角速度の回転をするようになっている。

９は反応管加熱コイルであり、これによって高純度カー
ボンからなるサセプタを趙導力口熱し、これにともない
サセプタ上の基板を所望の温度にまで加熱するようにし
ている。

ｌＯはオゾナイザ放電励起部４を励振するための高圧電
源部である。オゾナイザ放電励起部には石英ガラス二重
管からなるオゾナイザ放電管４１が具備されている。オ
ゾナイザ放電管４１は、外径が６３關φ、内径がｓ＋ｍ
ｘａ、力゛ラス管の内厚が１．５鰭、放電の間隙が１．
５酩、放電部の長さ７５；４５硼程度のものが用いられ
てし）る。

オゾナイザ放電は、放電路に誘電体層を介在させ、その
ギ、ブに印加電圧の波形力玉変イヒする電圧、すなわち
交流や衝撃波を印カルで起こさせる放電であり、放電気
体には金属電橡を接触させなＧ）で放電が得られるため
、不純物の発生などの間＠力；生じないクリーンな放電
が得られる。

使用電圧はｌＯ〜１８ｋＶ、周波数は５０〜２００Ｈｘ
　＋　ａｔ準放′亀密度は０．５〜２．０　ｋＷＨ／　
ｍ’程度の範囲内で最通条件を選んで用Ｇするようにし
ている。

オゾナイザ放電は大気中の酸素からオゾンを大量に生成
するのに工業的によく用Ｉ／）らｉｔてＧ）る力；、Ｎ
２を大量に含む気体よりも、水素力スなし）シはアルゴ
ン力゛スを大量に含む気体の方力（、より安定で、かつ
高い実効電流の放電が得られると０５特徴がある。この
だめ、水素ガスなｌ／）シは７ルコ゛ンガスなどをキャ
リヤガスとした原料力゛ス中には効率のよい放電電流が
流れるため、この放電の存在のもとにＰＩ４．　、　Ａ
ｓ１ｈ　　などの原料ガスを効率よく分解することがで
きる。

まだ、この分解は、放電のＯＮ　／　ＯＦＦ　　によっ
て高速に制御できるため、従来のような熱分解炉でもっ
ては到底実現不可能であったような高速な分解が行なえ
るようになるため、トートバントガスの高速分解を利用
した不純物の変調ドーピングなどが秘めて容易に行なえ
るようになる。

オゾナイザ放電は低圧（数Ｔｏｒｒ）から常圧程度まで
の圧力の範囲内で用いることができるため、気相成長法
で良く用いられる減圧成長法との整合性が良いという特
徴がある。また、放電させるガスは低温のままでよく、
あえて加熱する必要はないという利点がある。もちろん
、分解反応をわずかでも促進させるという観点からオゾ
ナイザ放電励起部を適当な温度に加熱して用いても差し
つかえない。この実施例においては、Ｖ族元素ガスであ
るＰＨ８やＡ、Ｈ，はともにオゾナイザ放電励起部４を
介在させてからガス供給管２に供給するようにしていた
が、Ａ　ｓ　ＨｓはＰＨ，などに比べて分解は比較的容
・易なため、これはオゾナイザ放電励起部４を通さずに
、第１の原料ガス発生装置ｌから直接ガス供給管２に供
給するようにしても良い。

複数の異なる原料ガスを分解させたいときは、原料ガス
によってそれぞれ分解のだめの最適条件が異なるので、
それぞれの原料ガスに対応した複数オゾナイザ放電励起
部を設けることが望ましい。

以上説明したように、この発明によれば、熱分解炉を用
いた従来の気相成長装置とは異なり、ＰＨ３等の従来分
解困難であったル（料ガスを低温度でも効率よく分解す
ることができるので、ＰＨ３等の有害な原料ガスの供給
量を抑制しても必被な元素の析出比率を高めることがで
きる。また、従来のような高温動作の分解炉を必要とし
ないので、分解炉等における不純物発生を使方抑制する
ことができ、良質なエピタキシャル成長が得られるよう
になる。この発明による化合物の気相成長装置により１
．Ｐ結晶を成長させたところ、）（ツファ層のキャリヤ
濃度は実用上問題なく十分に低下できており、７７°Ｋ
における移動度は４０，０００　ｃｒｌＦ／Ｖ−８以上
が得られた。また、この発明はＩｎＰ結晶だけでなく、
１．Ｇ、Ａ、Ｐ　　など多元のｍ−ｖ化合物納品をはじ
め、その他多くの化合物の気相成長に用い得ることはも
ちろん言うまでもない。

【図面の簡単な説明】

図は、本発明の一実施例の構成を示す概略構成図である
。図において、 １は第１の原料ガス発生装置、２はガス供給管、３は第
２の原料ガス発生装置、４はオゾナイザ放電励起部、４
１はオゾナイザ放電管、５は反応管、６は基板保持具、
７は基板、８はシャフト、９は反応管加熱コイル、１０
は高圧電源部である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 上流から下流側へガスが流通される反応管と、該反応管
   にガスを供給する相異なる複数台の原料ガス発生装置と
   を具備した化合物の気相成長装置において、少なくとも
   １つのオゾナイザ放電励起部を設け、前記原料ガス発生
   装置の少なくとも１つは、対応するオゾナイザ放電励起
   部を介して前記反応管にガスを供給するようにしたこと
   を特徴とする化合物の気相成長技術。