JPS6048900B2 - Gallium arsenide crystal growth method - Google Patents

Gallium arsenide crystal growth method

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JPS6048900B2
JPS6048900B2 JP52019328A JP1932877A JPS6048900B2 JP S6048900 B2 JPS6048900 B2 JP S6048900B2 JP 52019328 A JP52019328 A JP 52019328A JP 1932877 A JP1932877 A JP 1932877A JP S6048900 B2 JPS6048900 B2 JP S6048900B2
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Japan
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gallium
growth
temperature
gallium arsenide
layer
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康 川上
正博 秋山
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Oki Electric Industry Co Ltd
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Oki Electric Industry Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明はΞ塩化砒素−ガリウムー水素系の不均等化反応
を用いた開管法による砒化ガリウム気相成長方法におい
て、高い比抵抗を有する結晶の層と、低い比抵抗を有す
る結晶の層を、連続的に成長する方法に関するものであ
る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention provides a method for vapor phase growth of gallium arsenide by an open tube method using a disproportionation reaction of arsenic chloride-gallium-hydrogen system, which produces a crystal layer having a high specific resistance and a crystal layer having a low specific resistance. The present invention relates to a method for continuously growing layers of crystals having .

マイクロ波直接発振素子やその他のマイクロ波素子とし
て用いられる砒化ガリウム結晶は、通常気相エピタキシ
ャル法又は液相エピタキシャル法によつて成長されてい
る。
Gallium arsenide crystals used as microwave direct oscillation devices and other microwave devices are usually grown by a vapor phase epitaxial method or a liquid phase epitaxial method.

気相エピタキシャル法はエピタキシャル層の厚みの制御
が比較的簡単であるので、特に電解効果トランジスタの
製造に用いる結晶を成長するのに適している。砒化ガリ
ウムの電解効果の製造に用いる結晶は、通常比抵抗が1
びΩ−以上の半絶縁性基板上にエピタキシャル法によつ
て比抵抗が20Ωa以上のバッファ層を形成し、更にそ
の上に同じくエピタキシャル法によつて比抵抗が0.0
5Ωa以下のn型の動作層を1μm以下の厚さに成長さ
せたものである。
Since the vapor phase epitaxial method allows relatively easy control of the thickness of the epitaxial layer, it is particularly suitable for growing crystals used in the manufacture of field effect transistors. The crystal used to produce the electrolytic effect of gallium arsenide usually has a resistivity of 1.
A buffer layer with a specific resistance of 20Ωa or more is formed by an epitaxial method on a semi-insulating substrate with a resistivity of 20Ω or more, and a buffer layer with a specific resistance of 0.0a or more is further formed on the semi-insulating substrate by an epitaxial method.
An n-type active layer with a resistance of 5 Ωa or less is grown to a thickness of 1 μm or less.

Ξ塩化砒素一ガリウムー水素系の不均等化反応を用いた
気相成長法によつて、この結晶の層を成長する従来の方
法の一例を、第1図を用いて説明する。表面を砒化ガリ
ウムで完全におおわれたガリウム11を、全体が均熱に
なる温度分布で850℃に保つ。
An example of a conventional method of growing this crystal layer by a vapor phase growth method using a disproportionation reaction of Ξarsenic chloride-gallium-hydrogen will be explained with reference to FIG. Gallium 11, the surface of which is completely covered with gallium arsenide, is maintained at 850° C. with a temperature distribution that uniformly heats the entire surface.

そして反応管内の温度は、ガリウム11の位置より下流
にある砒化ガリウム基板12の方向へ単調に下がり、基
板12の位置で750℃の温度と0.5℃/C!Tlの
温度勾配を設定する。温度が上記の設定値になるまでは
、ガス導入口13と14からそれぞれ150cc/mi
n)100cc/minの水素ガスを反応管内に流して
おき、上記の設定値になつたとき、ガス導入口13を通
じて、25℃に保温した3三塩化砒素中を通した水素を
通し、10〜2紛間バッファ層を成長する。このときバ
ッファ層の成長速度は0.3〜0.4μm/minで、
バッファ層のキャリア濃度は5×10″00−0以下で
比抵抗を20Ωα以上とすることができる。i 上記の
状態でバッファ層を成長した後、ガス導入口13を通じ
て5℃に保温した三塩化砒素中を通した水素を通し、同
時にガス導入口14から1×10−゜のモル分率の硫化
水素を含んだ水素を流し、動作層を成長する。
Then, the temperature inside the reaction tube decreases monotonically from the position of gallium 11 toward the gallium arsenide substrate 12 located downstream, and the temperature at the position of the substrate 12 reaches 750°C and 0.5°C/C! Set the temperature gradient of Tl. Until the temperature reaches the above set value, 150cc/mi is applied from each gas inlet 13 and 14.
n) 100 cc/min of hydrogen gas was allowed to flow into the reaction tube, and when the above set value was reached, hydrogen passed through 3 arsenic chloride kept at 25°C was passed through the gas inlet 13, and 10~ 2. Grow a buffer layer. At this time, the growth rate of the buffer layer was 0.3 to 0.4 μm/min,
The buffer layer can have a carrier concentration of 5×10″00−0 or less and a specific resistance of 20Ωα or more.i After growing the buffer layer in the above conditions, trichloride was heated at 5°C through the gas inlet 13. A working layer is grown by passing hydrogen passed through arsenic and at the same time flowing hydrogen containing hydrogen sulfide at a mole fraction of 1×10 −° from the gas inlet 14 .

このとき動作層の成長速度は0.2μm/Min以下と
することができ、動作層のn型となり、その比抵抗は0
.01Ωαである。なお、第1図において、15は基板
支持台、16は反応管、17はガス排出口、18は石英
ボードである。しかしながらこのエピタキシャル成長方
法においては、動作層を成長する最初の時期と最後の時
期て成長速度が大きく変化するため、動作層の厚みの制
御がむずカルく、更に動作層内の比抵抗が表面付近とバ
ッファ層との界面付近で大きく変化する。
At this time, the growth rate of the active layer can be set to 0.2 μm/Min or less, and the active layer becomes n-type, and its specific resistance is 0.
.. 01Ωα. In FIG. 1, 15 is a substrate support stand, 16 is a reaction tube, 17 is a gas outlet, and 18 is a quartz board. However, in this epitaxial growth method, the growth rate changes greatly between the initial and final stages of growing the active layer, making it difficult to control the thickness of the active layer, and furthermore, the resistivity within the active layer is low near the surface. It changes greatly near the interface with the buffer layer.

そのほかに鉄を任意の温度に熱し、塩酸と反応させて反
応管内に送り込み、エピタキシャル法によつて成長する
結晶の層内にドーピングして、バッファ層を得る方法も
ある。
Another method is to heat iron to a desired temperature, react it with hydrochloric acid, feed it into a reaction tube, and dope it into a crystal layer grown by an epitaxial method to obtain a buffer layer.

しカルながら、上記の成長方法においては鉄をあたため
るための炉を通常の気相成長装置に付加しなければなら
ず、更に動作層中に鉄が混入する可能性もある。本発明
はこれらの欠点を解決するために、通常の動作層を成長
する成長条件のうちから、基板を置く位置を変化すると
ドーバンドガスを反応管内に流すことを停止することの
みによつて、高い比抵抗を有する層を成長するようにし
たもので、以下詳細に説明する。第2図は本発明の実施
例であり、(a)は反応管内の断面図であり(b)は反
応管内の温度分布を示す図である。
However, in the above growth method, a furnace for heating the iron must be added to a normal vapor phase growth apparatus, and there is also a possibility that iron may be mixed into the active layer. The present invention solves these drawbacks by simply stopping the flow of the dopant gas into the reaction tube when the position of the substrate is changed from among the growth conditions for growing a normal operating layer. This is a method in which a layer having a high specific resistance is grown, and will be explained in detail below. FIG. 2 shows an example of the present invention, in which (a) is a cross-sectional view inside the reaction tube, and (b) is a diagram showing the temperature distribution inside the reaction tube.

21は成長用反応管であり、22は表面を砒化ガリウム
で完全におおわれたガリウム23−に三塩化砒素中を通
した水素の反応管内に供給するための管であり、24は
ドーパントとなる気体をガリウム23に混入しないよう
に反応管に供給するための管であり、更に25は反応管
からの気体の排出口である。
21 is a reaction tube for growth, 22 is a tube for supplying hydrogen, which is made by passing arsenic trichloride through gallium 23- whose surface is completely covered with gallium arsenide, into the reaction tube, and 24 is a gas to be a dopant. This is a tube for supplying gas to the reaction tube so as not to mix it into the gallium 23, and 25 is an outlet for discharging gas from the reaction tube.

また26はエピタキシャル成二長用の基板である。なお
第2図において、27は基板支持台、28は石英ボード
である。
Further, 26 is a substrate for epitaxial growth. In FIG. 2, 27 is a substrate support stand, and 28 is a quartz board.

砒化ガリウムで表面を完全におおわれたガリウム23は
850℃の一様な温度の位置31にあり、l基板26を
置く位置として32と33の2つの位置を設ける。
The gallium 23 whose surface is completely covered with gallium arsenide is located at a position 31 having a uniform temperature of 850° C., and two positions 32 and 33 are provided as positions for placing the l-substrate 26.

位置32,33において、温度を各々750℃に設定し
、上流から下流へ温度が下がるようにして温度こう配を
各々0.1℃/An〜5℃/Cmの範囲に設定する。更
に位置32と位置33の間に位置33よりも温度が2℃
〜10℃低い部分を設ける。基板26を位置33におき
、ガス導入口22から、10℃に保温したΞ塩化砒素中
を通した水素を150cc/Minの流量で流し、また
ガス導入口24から100cc/Minの流量で水素を
流す。
At positions 32 and 33, the temperature is set at 750°C, and the temperature gradient is set in the range of 0.1°C/An to 5°C/Cm, with the temperature decreasing from upstream to downstream. Furthermore, the temperature between position 32 and position 33 is 2°C higher than that at position 33.
Provide a section that is ~10°C lower. The substrate 26 was placed at a position 33, and hydrogen passed through Ξ arsenic chloride kept at 10° C. was flowed through the gas inlet 22 at a flow rate of 150 cc/min, and hydrogen was flowed through the gas inlet 24 at a flow rate of 100 cc/min. Flow.

この場合、ガリウムを置く位置31と基板を置く位置3
3の間に基板26を置く位置33より、温度の低フい部
分が存在するために、基板26上に成長する結晶の層中
のアクセプタ原子をドナー原子の差を10″゜コー゜以
下にすることができ、この結晶の層の比抵抗は50Ωα
以上とすることが可能である。次に基板26の支持棒2
7を前方に移動させる・ことにより、基板26を位置3
2に移動させる。このとき同時に、ガス導入口24から
1.5×10−゜のモル分率の硫化水素を流して成長を
行なうと、0.2μm/Minの成長速度で、比抵抗0
.01Ωαのn型の動作層を得ることができる。この現
象は次のように定性的に説明することが可能と考えられ
る。
In this case, position 31 where gallium is placed and position 3 where the substrate is placed.
Since there is a lower temperature area between the positions 33 and 3 where the substrate 26 is placed, the difference between the acceptor atoms in the crystal layer growing on the substrate 26 and the donor atoms is kept below 10"°. The specific resistance of this crystal layer is 50Ωα
It is possible to do more than that. Next, the support rod 2 of the board 26
7 forward, the board 26 is moved to position 3.
Move to 2. At the same time, when hydrogen sulfide is grown at a mole fraction of 1.5 x 10-° from the gas inlet 24, the specific resistance becomes 0 at a growth rate of 0.2 μm/min.
.. An n-type operating layer of 01Ωα can be obtained. This phenomenon can be qualitatively explained as follows.

ガリウムを置く位置31と基板を置く位置33の間に基
板26を置く位置33より温度の低い位置が存在しない
場合には、基板を置く位置33の雰囲気中において、硅
素の蒸気圧PASとガリウムの蒸気圧PGaの比PAs
/PCaは1よりも小さいがある一定以上の値を保つて
いる。そのため、ドーピングをしないで結晶の層を成長
させた場合、ドナー原子濃度からアクセプタ濃度をひい
たもの、すなわちキャリア濃度が10″゜α−゜以上の
n型の結晶の層を得る。しかしながらガリウムを置く位
置31と基板を置く位置33の間に基板を置く位置33
より温度の低い部分が存在すると、この温度の低い部分
でほぼ等しい数のガリウム原子と硅素原子が砒化ガリウ
ムとして反応管内に析出する。
If there is no position between the gallium placement position 31 and the substrate placement position 33 where the temperature is lower than the substrate placement position 33, the vapor pressure PAS of silicon and the gallium vapor pressure PAS in the atmosphere at the substrate placement position 33 do not exist. Ratio PAs of vapor pressure PGa
/PCa maintains a value smaller than 1 but above a certain level. Therefore, if we grow a crystalline layer without doping, we will obtain an n-type crystalline layer with a donor atomic concentration minus an acceptor concentration, that is, a carrier concentration of 10"° α-° or more. However, if gallium is Position 33 where the board is placed between position 31 where the board is placed and position 33 where the board is placed
If a lower temperature region exists, approximately equal numbers of gallium atoms and silicon atoms will be deposited in the reaction tube as gallium arsenide in this lower temperature region.

そのために、基板26を置く位置33の雰囲気中におい
て、PAs/Pcaは上記のある一定の値より小さくな
る。したがつて成長する結晶の層においては、ドナー原
子濃度が減りアクセプタ原子濃度が増え、キャリア濃度
10″゜cm−3以下のn型の結晶の層、もしくはP型
の結晶の層を得る。ここで位置32と位置33の間に位
置33よりも温度が2℃〜10゜C低い部分を適当に設
定するとすると、キャリア濃度が10″゜α−゜以下の
結晶を得ることができる。以上説明したように、第1の
実施例では水素の流量や水素中に含ませるΞ塩化砒素の
温度の変化させることをしないで、確実にかつ容易に、
キャリア濃度が101゜』−゜以下で比抵抗が50Ωa
以上のバッファ層を形成することができ、かつその上に
この高い比抵抗のバッファ層のを形成するのと同一の熱
サイクルでn型の動作層を形成することができる。本発
明は気相エピタキシャル結晶成長において、成長時の基
板の位置を変化させるだけで、50Ωα以上の高い比抵
抗を有する層と1Ωa以下の低い比抵抗を有するn型の
層を連続的に成長できる利点があるので、砒化ガリウム
の電解効果型トランジスタやプレーナ型ガンダイオード
の製作に用いるエピタキシャル結晶を成長させるときに
利用することができる。
Therefore, in the atmosphere at the position 33 where the substrate 26 is placed, PAs/Pca becomes smaller than the above-described certain value. Therefore, in the growing crystal layer, the donor atom concentration decreases and the acceptor atom concentration increases, resulting in an n-type crystal layer or a P-type crystal layer with a carrier concentration of 10" cm -3 or less. If a portion between position 32 and position 33 where the temperature is 2°C to 10°C lower than position 33 is appropriately set, a crystal having a carrier concentration of 10″°α-° or less can be obtained. As explained above, in the first embodiment, without changing the flow rate of hydrogen or the temperature of Ξ arsenic chloride contained in hydrogen,
When the carrier concentration is 101゜'-゜ or less, the specific resistance is 50Ωa.
The above buffer layer can be formed, and an n-type active layer can be formed thereon using the same thermal cycle as that used to form the high resistivity buffer layer. In vapor phase epitaxial crystal growth, the present invention makes it possible to continuously grow a layer with a high resistivity of 50Ωα or more and an n-type layer with a low resistivity of 1Ωa or less by simply changing the position of the substrate during growth. Its advantages allow it to be used in growing epitaxial crystals used in the fabrication of gallium arsenide field-effect transistors and planar Gunn diodes.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は従来のΞ塩化砒素−ガリウムー水素系の砒化ガ
リウムの気相エピタキシャル用の反応管内の断面図、第
2図aは本発明の一実施例のΞ塩化砒素−ガリウムー水
素系の砒化ガリウムの気相エピタキシャル用の反応管の
断面図、第2図bは第2図aの反応管内の温度分布図で
ある。 21・・・・・・反応管、22,24・・・・・・ガス
導入口、25・・・・・・ガス排出口、28・・・・・
・石英ボード、23・・・・・・ガリウム、26・・・
・・・基板、27・・・・・・基板の支持棒、31・・
・・・・ガリウムを置く位置、32,33・・・・・・
基板を置く位置。
FIG. 1 is a cross-sectional view of the inside of a reaction tube for vapor phase epitaxial growth of gallium arsenide in a conventional Ξ arsenic chloride-gallium-hydrogen system, and FIG. FIG. 2b is a cross-sectional view of a reaction tube for gas phase epitaxial use, and FIG. 2b is a temperature distribution diagram inside the reaction tube of FIG. 2a. 21...Reaction tube, 22, 24...Gas inlet, 25...Gas outlet, 28...
・Quartz board, 23...Gallium, 26...
...Substrate, 27...Support rod for the board, 31...
...Position to place gallium, 32, 33...
Where to place the board.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 三塩化砒素−ガリウム−水素系の不均等化反応を用
いた開管法による砒化ガリウム気相成長方法において、
ガリウム側から下流に向つて温度が減少する成長領域を
2ケ所設定し、ガリウムを置く位置の温度を均熱にし、
ガリウムを置く位置の下流からガリウムに近い方の成長
領域までの温度分布を単調に減少させ、2つの成長領域
の中間に2つの成長領域より温度の低い領域を設け、エ
ピタキシャル成長の間に基板の位置をいずれか一方の位
置から他方の位置へ移動し、比抵抗の異なる結晶の層を
連続的に成長することを特徴とする砒化ガリウムの結晶
成長方法。
1. In a gallium arsenide vapor phase growth method using an open tube method using an arsenic trichloride-gallium-hydrogen system disproportionation reaction,
Two growth regions where the temperature decreases downstream from the gallium side are set, and the temperature at the position where the gallium is placed is equalized.
The temperature distribution from downstream of the location where gallium is placed to the growth region closer to the gallium is monotonically decreased, and a region with a lower temperature than the two growth regions is provided between the two growth regions, thereby changing the position of the substrate during epitaxial growth. A method for growing gallium arsenide crystals, characterized in that crystal layers having different resistivities are successively grown by moving the gallium arsenide from one position to the other.
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