JPS6112880B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は砒化ガリウムもしくはこれを主成分
とする化合物半導体層の気相成長に適した縦型気
相成長装置に関する。

一般に、化合物半導体、例えば砒化ガリウム
（GaAs）の気相成長法として、有機ガリウムの一
種であるトリメチルガリウム（TMG）と砒素の
水素化合物であるアルシン（AsH₃）との熱分解を
利用しておこなう方法が知られている。そして、
この成長法を実施するのに際しては、気相成長炉
として縦型のものが多量の原料ガスを必要としな
いので最近では横型のものに比して使用されてい
る。即ち、この縦型の炉においては、試料である
結晶基板の上面にほぼ垂直に原料ガスが供給され
るので、このガスの供給方向と気相成長方向とが
一致し、このため少ないガスの供給で気相成長さ
せることができる。しかし、このような縦型炉で
は結晶基板と、この基板上方に位置するガス導入
口との間隔をかなり大きくしなければならないの
で、基板近くで暖められたガスが上方に昇り、対
流が生じるので、以下のような問題があつた。
１）炉内の一様なガスの流れが妨げられるため
に、成長層に厚さむらが生じる。２）反応を終え
たガスが再び炉の上流部に逆流し、原料ガスの汚
染が生じる。３）炉上部まで暖められたガスが昇
るので、ここで原料ガスの分解が起り、所望の砒
化ガリウムとは別の生成物が生じ、この結果気相
成長層の成長速度が低下する。 このように、炉
内で対流を生じさせると、厚さの均一性が悪く、
かつ純度の劣る成長層を低成長速度でしか成長さ
せることができなかつた。このような対流による
影響は成長炉の内径が増加すればより顕著になる
ため、従来では内径６cm程度の炉を使用すること
が一般的であつた。このために、一度に多数の基
板に成長層を形成することができず、したがつて
この従来の縦型気相成長炉では、熱分解気相成長
法の原理的な特長である量産性の良さを充分に発
揮することが不可能であつた。

したがつて、この発明の目的は原料ガスの供給
量を少くできると云う縦型反応炉の効果を有しな
がら、量産性に優れ、かつ均一な厚さで、高純度
の成長層を作業性良く形成することの可能な縦型
気相成長装置を提供することである。

以下に、この発明の一実施例に係る縦型気相成
長装置を添付図面を参照して、これを使用した砒
化ガリウムの気相成長法の例と共に説明する。

第１図並びに第２図において、符号１０は気相
成長炉を示し、小径の円筒状の上方炉部１１と、
大径の円筒状の下方炉部１２と、これらを同心的
に融着してなる接続部１３とからなり、透明石英
により構成されている。上方炉部１１は内径D₁
が約10cm、従つて横断面積が10²×π／４cm³の上室１ １ａを有しており、かつその高さは直径の1.5〜
2.5倍に設定されている。下方炉部１２は内径D₂
が約15cm、従つて横断面積が15²×π／４cm³の下室１ ２ａを有する。この下室１２ａには上室１１ａ近
くに位置するようにして支持台１４が設けられて
いる。この支持台１４はモータ１６により回転さ
れるシヤフト１５上に固定されており、炉内で回
転可能となつている。この支持台１４上面には試
料、この例では砒化ガリウム基板１６が複数枚載
置可能となつている。この支持台１４はグラフア
イトからなる本体１７と、この本体の外表面を被
覆し、シリコン・カーバイトからなる保護層１８
と、この保護層１８の上面に取外し可能に設けら
れたシリコン板１９とにより構成され、このシリ
コン板１９上に直接前記砒化ガリウム基板１６が
載置されて、気相成長がおこなわれる。この支持
台１４は横断面が前記上室１１ａの内径よりも大
きくかつ下室１２ａの内径よりも小さい径の円柱
状に構成され、これの外側全体に渡つて下室１２
ａの内側と等間隔をなすように、炉と同心的に配
置されている。前記上方炉部１１の上壁中央には
ガス導入口２０を介してガス導入ダクト２１が接
続され、これを介して後述するガスが炉内に導入
される。また前記上方炉部１１の上壁内面にはこ
れと所定間隔を有して透明石英製の拡散板２２が
設けられている。この拡散板２２は円板形をな
し、その外周側が上室１１ａの内側と少しの間隔
を有するようにして、前記ガス導入口２０と同心
的に設けられており、この導入口２０からのガス
を分散する機能を有している。前記下方炉部１２
の下部にはガス導出ダクト２２が接続されてお
り、かくして、ガス導入ダクト２１から導入され
たガスは炉内を下方に流れ、ガス導出ダクト２２
から排出される。前記ガス導入ダクトには、夫々
流量制御バルブを介してガス源が接続されてい
る。この実施例ではガス源として、水素で希釈さ
れ、ドーピングガスとなる硫化水素（H₂S）ガス
の供給源２３と、水素で希釈されたアルシン
（AsH₃）ガスの供給源２４と、水素ガス（H₂）の
供給源２５と、この水素ガス供給源２５からの水
素ガスにより蒸気化されて供給されるトリメチル
ガリウム（TMG）の供給源２６とが接続されて
いる。前記硫化水素とトリメチルガリウムは炉内
で熱分解されて砒化ガリウムの気相成長を果し、
前記水素ガスはキヤリヤーガスとして働らく。尚
第１図中符号３３は前記支持台１４を介して試料
を成長温度に加熱するためのRFコイルを示す。
上記実施例では支持台１４としてその上面が平面
のものを使用したが、一度により多くの試料に気
相成長を果させるためには、上面を立体的にすれ
ば良く、その例を第２Ａ図に示す。この例では支
持台１４として四角錐形のものを使用し、４個の
傾斜上面１４ａ上に夫々試料を載置可能としてい
る。そして、この上面１４ａの下端には、試料が
滑り落ちるのを防止するためのリブ１４ｂが突設
され、また上端は、ここに至る混合ガスを各上面
１４ａに均一に分散できるように丸味を有してい
る。

上記のような構成の成長相炉を使用して実際に
砒化ガリウムの成長層を形成する場合につき以下
に説明する。鏡面研磨した10cm²の面積を有する面
方位が（100）の砒化ガリウム高抵抗基板を有機
溶剤で洗滌した後に硫酸系エツチング溶液で化学
エツチングする。なお、この基板としては
（100）±５度の範囲の面方位の砒化ガリウム基板
を使用することが好ましい。次に上記基板を支持
台１４上に複数枚載置し、これをREコイル３３
により約700℃に加熱する。そして、供給源２６
から水素で希釈され、濃度が4.62％のトリメチル
ガリウムを40ml／分の流量で、供給源２４から水
素で希釈され、濃度が５％のアルシンガスを600
ml／分の流量で、そして供給源２５から水素ガス
をキヤリヤーガスとして炉内に、これらガスの全
流量が15／分となるようにして、導入口２０よ
り流入させ炉中を上方から下方に向つてこの混合
ガスを流すことにより気相成長をおこなう。な
お、この時の成長時間は60分に設定し、厚さ約10
μｍの砒化ガリウム気相成長層を得るようにして
いる。

以上のようにして形成した成長層の、中心から
の距離に対する厚さの変動度並びに電子濃度の変
動度を測定し、夫々第３Ａ図並びに第３Ｂ図に示
してある。一方、小径の上室と大径の下室とに室
が分離していないので15cmの一様な内径の筒状の
室を有する従来技術に係る気相成長炉を使用して
上記実施例と全く同じ条件で成長させた同様の測
定結果を参考のために第４Ａ図並びに第４Ｂ図に
示してある。上記第３Ａ図と第４Ａ図との比較に
より、実施例の成長炉を使用する方法により形成
された成長層は、炉の中心からの距離に係りなく
10μｍ±0.5μｍの範囲内の厚さとなり、±５％の
厚さのバラツキしかなかつた。これに対して、比
較例の成長炉により形成された成長層は、60分の
成長時間では10μｍの厚さには形成されず、最高
７μｍであり、しかも炉中心から離れるのに従つ
て薄くなる傾向があつた。このために所望の10μ
ｍの厚さの成長層を得るためにはより成長時間を
長くしなければならず、しかもこのようにしても
使用できるのは炉中心付近で成長させたものだけ
である。また、第３Ｂ図と第４Ｂ図との比較によ
り、実施例の場合では、電子濃度も炉中心からの
距離に係りなく、８×10¹⁴／cm³を中心として±11
％の変動しか生じなかつたのに対して比較例の場
合では電子濃度のバラツキが非常に大きく、しか
も炉中心付近では成長層がＰ型となつていた。

上記のような小内径の上室と大内径の下室とよ
りなる成長炉の効果は、上室の横断面積が200cm²
以下で、かつ下室の横断面積がこれの４倍よりも
小さい場合にほぼ同様に得られる。もし、上室の
横断面積が200cm²以上になると、この上室でのガ
スの対流が顕著に生じるようになつて、成長層の
厚さの不均一性並びに電子濃度分布が第４Ａ図並
びに第４Ｂ図に示すような傾向を示すようになつ
て来る。このような傾向は下室の横断面積が上室
の４倍以上になつても同様に生じる。

また本発明の効果は上室１１ａの高さをその径
の1.5〜2.5倍に設定すことにより十分なものとな
る。すなわち高さが直径の1.5倍より小さいと、
上室１１ａでのガスが十分な乱流とならずに基板
１６に供給され、基板１６への成長層の厚さの不
均一、不純物濃度分布の不均一等の原因となる。
一方、高さが直径の2.5倍以上になると、上室１
１ａでのガス流が層流となつてしまい、局部的な
対流の影響が強く現われる結果、やはり成長層の
厚さや不純物濃度分布の不均一が生じるからであ
る。

なお、より良好な成長層を得るためには以下の
ような点を考慮すれば良いことが発明者達の実験
の結果認識できた。

１ 成長炉の内周側と支持台の外周側との間で規
定される間隙の最小断面積が上室の横断面積と
等しいかより小さくする。

これは、もしこの間隙の最小断面積をこれ以
上大きくすると下室と上室との間で対流が生じ
易くなつて良好な結果が得られなくなるためで
ある。なお、ここで間隙の最小断面積とは、炉
内周側と支持台の外周側との間隙で、最小距離
の所を支持台外周側全域に渡つて得た積分値で
ある。

なお、第５図は前記上室の横断面積が支持台
と炉との間の最小横断面積と等しい場合と、前
者が後者の半分の場合とにつき、前記と同様の
方法で気相成長層を形成してホール素子を製造
した場合のホール抵抗Rd（Ω）の、炉中心か
らの距離に対する変動測定結果を表わす。この
図にて、曲線Ａは上記断面積が等しい場合を、
そして曲線Ｂは半分の場合を夫々示す。この図
において、断面積が等しい方が、炉中心からの
距離に係りなくホール抵抗がほぼ一様であるこ
とが理解できよう。

２ 上室の上部に拡散板のように導入された混合
ガスを分散するための手段を設ける。

３ 砒化ガリウムを成長させるのに際しては炉中
に導入される混合ガス中の有機ガリウムの濃度
を水素ガスに対して0.005％〜0.05％にする。

これはもし、濃度が0.005％以下になると成
長層の電子濃度のバラツキが大きくなつてしま
い、また0.05％以上になると電子濃度にバラツ
キが生じ、かつ成長層表面の結晶状態が悪くな
るためである。なお、参考のために、成長温度
が720℃、AsH₃／TMGモル比が15、H₂S／
TMGモル比が0.001、で水素ガスをキヤリヤー
ガスとして使用し、これらの混合ガスの流速を
１cm／秒にした条件下で、混合ガス中のTMG
の濃度を変えて気相成長させた時の成長層の電
子濃度の分布を第６図に示す。

４ 混合ガスの流速を0.5cm／秒〜４cm／秒にす
る。

これはもし、流速がこの範囲外の場合には結
晶性が悪く、移動度が低くなる傾向があるため
である。なお、参考のために、成長温度が720
℃、TMGの濃度が0.02％、AsH₃／TMGモル比
が15、H₂S／TMGモル比が0.001の条件下で、
混合ガスの流速を変えて砒化ガリウムを気相成
長させた時の成長層の移動度を第７図に示す。

５ 成長炉中の混合ガスの圧力を100mmＨｇ以下
に保つ。

以上のようにして構成された成長炉においては
200cm³以下の横断面積を有し、かつ高さが直径の
1.5〜2.5倍に設定された上室と、これよりも大き
く、かつ４倍よりも小さい横断面積の下室とに炉
内が分離し、上室側から導入された混合ガスによ
り下室に設けられた支持台上の試料に気相成長を
おこなわせているので、上室中での混合ガスの対
流が生じ難く、したがつて少ないガス供給量で高
純度の成長層を均一な厚さで成長させることがで
きる。また、下室を横断面積を大きくしているの
で、多量の気相成長層を一度に形成することがで
きて、熱分解気相成長法の利点である量生産を可
能としている。

なお、この発明の気相成長装置を有機ガリウム
と砒素の水素化合物とによる砒化ガリウムの気相
成長法に適用したが、他の物質による砒化ガリウ
ムの気相成長法もしくは砒化ガリウム以外の化合
物半導体の気相成長法にも適用することが可能で
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例に係る気相成長装
置の全体を概略的に示す図、第２図は同気相成長
装置の要部を示す断面図、第２Ａ図は同装置に使
用されている支持台の変形例を示す側面図、第３
Ａ図並びに第３Ｂ図は同気相成長装置を使用して
成長された砒化ガリウム層の炉中の位置による厚
さの変動度並びに電子濃度の変動度を測定して
夫々示す線図、第４Ａ図並びに第４Ｂ図は、比較
のために、従来の成長炉を使用して成長された砒
化ガリウム層の炉中の位置による厚さの変動度並
びに電子濃度の変動度を測定して示す、第３Ａ図
並びに第３Ｂ図と同様の線図、第５図は実施例に
係る気相成長装置と、本願の範囲外の気相成長装
置とにより夫々成長されたホール素子のホール抵
抗の相違を示す線図、第６図は混合ガス中のトリ
メチルガリウムの濃度の変化に対する成長層の電
子濃度の変化を示す線図、そして第７図は混合ガ
スの流速の変化に対する成長層の室温における移
動度の変化を示す線図である。 １０……気相成長炉、１１……上方炉部、１１
ａ……上室、１２……下方炉部、１２ａ……下
室、１３……接続部、１４……支持台、２１……
ガス導入ダクト。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 横断面積が200cm²以下であり、高さが径の1.5
   〜2.5倍である上室を規定する上方炉部と、横断
   面積が上室より大きく、かつ４倍よりも小さい下
   室を規定する下方炉部、並びにこれら上方炉部と
   下方炉部とを接続する接続部とからなる気相成長
   炉と、上面に試料が乗せられ、前記気相成長炉と
   の間の間隙の最小断面積が前記上室の横断面積と
   略等しくなるように上室近くの下室中に設けられ
   た支持台と、前記上室中に原料ガスを導入する導
   入口とを具備してなることを特徴とする縦型気相
   成長装置。