JPS61184819A - 気相成長方法 - 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次気相成長方法に関する
。

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った。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、炉内で対流ヲ生
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った。

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に、従来では内径６ｃｍ程度の炉を
使用することが一般的であった。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、したがって
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
不可能であった。

したがって、この発明の目的は原料ガスの供給Ｆ’ｉｋ
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気成成長方法を提供すること
である。

以下に、この発明の一実施例して縦型気相成長装置を使
用した砒化ガリウムの気相成長法を、添付図面を参照し
て説明する。

第１図並びに第２図において、符号１０は気相成長炉全
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、これら全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ｐ！Ｒ成されている。上
方炉部１１は内径Ｄ１が約１０ｍ、従って横断面積が１
０２Ｘ−ｃｎの上室１１ａを有しており、下方炉部１２
は内径Ｄ２が約１５ｍ％従って横断面積が１５２Ｘ−ｄ
の下室１２ａ全有する。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はモーター６により回転されるシャフト
１５上に固定されておシ、炉内で回転可能となっている
。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“可能となっている。この支持
台１４はグラファイトからなる本体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】
９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け横断面が前
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
渡って下’Ｑ　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の土壁
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の土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は円板彫金なし、その外周側が上室ｔＪａ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、夫々流量制御パルプを介して
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、ドービ／グガスとなる硫化水素（Ｈ
２Ｓ）ガスの供給源２３と、水素で希釈されたアルシン
（Ａ　ｓ　Ｈ３）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、前記水素ガスはキャリヤーガ
スとして働らく、尚第１図中柱号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、上面全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１　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プ１
４ｂ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ｆｊｒ：杉成する場合につき以下に説明す
る。鏡面研磨した１０−の面積を有する面方位が（１０
０）の砒化ガリウム高抵抗基板全有慢溶剤で洗滌した後
に硫酸系エツチング溶液で化学エツチングする。なお、
この基板としてンよ（１００）±５度の範囲の面方位の
砒化ガリウム基板と使用することが好ましい５次に上記
−１ｌｉ、版を支持袷１４上に復孜枚載置し、こ１をＲ
Ｅ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、ａ度が４，６２チのトリ
メチルガリウムに４０ｍＬ１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
ｍｔＺ分の流量で、そして供給源２５から水素ガスをキ
ャリヤーガスとして炉内に、これらガスの全流量が１５
１７分となるようにして、１導入口２０より流入させ炉
中全上方から下方に向ってこの混合ガスを流すことによ
り気相成長層おこなう。なお、この時の成長時間は６０
分に設定し、厚さ約１０μｍの砒化ガリウム気相成長層
を得る：うにしている。

以上のようにして形成した成長層の、中心からしである
。一方、小径の上室と大径の王室とに室が分離していな
いで１５ｃｒｎの一棟な内径の筒状の室を有する従来技
術に係る気相成長炉全使用してより、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
の距離に係シなく１０μｍ±０．５μｍの範囲内の厚さ
となり、±５優の厚さのバラツキしかなかった。これに
対して。

比較例の成長炉によ多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？、％
ｉ７μｍであり、しかも炉中心から離れるのに従がって
薄くなる傾向があった。このために所望の１０μｍの厚
さの成長層を得る次めにはより成長時間ヲ畏くシなけれ
ばならず、しかもこのように較により、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ｋ８Ｘ１０
１４／ｄを中心として±１１チの変動しか生じなかった
のに対して比較例の場合では電子ｉ７１度のバラツキが
非常に大〜＜、シかも炉中心付近では成長層がＰ型とな
っていた。

上記のような小内径の上室と大内径の王室とよりなる成
長炉の効果は、上室の横断面積が２００ｃｒＩ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２００７−
Ｉ＋＃以上になると、この上室でのガスの対流が顕著に
生じるようになって、成長層の厚さの不均一性並びに電
子端度分布が第４表翠 晶びに第４０に示すような傾向を示すようになって来る
。このような傾向は王室の横断面積が上室の４倍以上に
なっても同様に生じる。

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って良好な結
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って得た積分値で
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１−、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）上室のガス導入口の近くにその導入口より導入され
る混合ガスを分散する拡散板を設ける。

このように拡散板を設けることによって混合ガスが基板
迄直線的に到達することがない為、異状成長等が生じた
りすることがなくなる。

３）上室の高さを、これの直径の１．５倍〜２．５倍に
する。

このように上室１１ａの高さをその径の１．５〜２．５
倍に設定する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１１
ａ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１１ａでのガス流が
層流となってしまい、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。

４）砒化ガリウムを成長させるのに際しては炉中ＶＣ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、ａ度がｏ、　ｏ　ｏ　ｓ　％以下になると
成長層の電子濃度のバラツキが大きくなってしまい、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℃。

Ａ　ｓ　Ｈ３／ＴＭＧ　％　ｋ比が１５．　Ｈ２８／Ｔ
ＭＧモル比が０．００１．で水素ガスをキャリヤーガス
として使用し、これらの混合ガスの流速’ｆｒ：　１　
ｃｍ　／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。

５）混合ガスの流速ｋ　０．５　ｃｍ　／秒〜４側／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の温
度力０．０２　％、　ＡｓＨ３／ＴＭＧモル比カ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成成長させた時
の成長層の移動度を第７図に示す。

６）成長炉中の混合ガスの圧力’ｃ　１００　ｍＨｇ以
下に保つ。

以上のようにして溝数された成長炉においては２００ｄ
以下の横断面積の上室と、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
から導入された流速０．５の／秒〜４　ｃｍ　／秒の混
合ガスにより、上室近くの王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、シたがって少ないガス供給量
で高純度つ成長ｊＭ　ｋ均一な厚さで成長させることが
できる。

また、王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址生産全可能としている
。

なお、この発明の実施例において、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内はこの発明の一実施例に用いた気相成長使用され
ている支持台の変形例を示す側面図、第３光悄１土ｆ１
寸÷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１８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４−１゛　　　
　図は、比較のために、従来の成長炉を使用して成長さ
れた砒運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％１１１１１図−
４−ｅ−’Ｅ第３１図と同様の線図、第５図は本発明の
実施例に用いた気相成長装荷と、実施例の範囲外の気相
成長装置とにより夫々成長されたホール素子のホールの
抵抗の相違を示す線図、第６図は混合ガス中のナリメチ
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８ｉ￥７図は本発明で規定する混
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、ｌｌａ・
・・上室。 １２・・・下方炉部、１２ａ・・・下室％　１３・・・
櫻続部％　１４・・・支持台、２１・・・ガス導入ダク
ト。 代理人　弁理士　則　近　憲　佑 同　　竹　花　喜久男 第２図 第２図 第　　３　　囚　（Ｂン 第　４図（８２ 第５図 手　続　補　正　書（方式） 昭和６汗３．亡４　日

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ２００ｃｍ＾２以下の横断面積の上室を規定する上方炉
   部、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、前記上室に上方
   より混合ガスを導入する導入口と、上室中の導入口近く
   に設けられ、導入された原料ガスを分散する拡散板とを
   具備した縦型気相成装置を用い、前記混合ガスの流速が
   ０．５ｃｍ／秒〜４ｃｍ／秒にすることを特徴とする気
   相成長方法。