JPS61260622A - GaAs単結晶薄膜の成長法 - Google Patents

GaAs単結晶薄膜の成長法

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JPS61260622A
JPS61260622A JP60101379A JP10137985A JPS61260622A JP S61260622 A JPS61260622 A JP S61260622A JP 60101379 A JP60101379 A JP 60101379A JP 10137985 A JP10137985 A JP 10137985A JP S61260622 A JPS61260622 A JP S61260622A
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潤一 西澤
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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】 [発明の技術分野] 本発明はGaAsの単結晶成長層を単分子層オーダーで
形成するのに好適なGaAs単結晶薄膜の成長法に関す
る。
[先行技術の説明] 従来から半導体の薄膜結晶を得るための気相エピタキシ
ー技術として、有機金属気相成長法(以下、MO−CV
D法と呼ぶ)や分子線エピタキシー法(以下、MBE法
と呼ぶ)が知られている。しかし、No −CVD法は
ソースとして■族、V族元素を水素ガス等をキャリアと
して、同時に反応室へ導入し、熱分解によって成長させ
るため、成長層の品質が悪い。また、単分子層オーダー
の制御が困難である等の欠点がある。
一方、超高真空を利用した結晶成長法としてよく知られ
るM3C法は、物理吸着を第一段階とするために、結晶
の品質は化学反応を利用した気相成長法に劣る。GaA
sのような■族−■族間の化合物半導体を成長する時に
は、■族、V族元素をソースとして用い、ソース源自体
を成長室の中に設置している。このため、ソース源を加
熱して得られる放出ガスと蒸発量の制御、および、ソー
スの補給が困難であり、成長速度を長時間一定に保つこ
とが困難である。また、蒸発物の排出など真空装置が複
雑になる。更には、化合物半導体の化学量論的組成(ス
トイキオメトリ−)を精密に制御することが困難で、結
局、高品質の結晶を得ることができない欠点がある。
このような点に鑑み、本願発明者等は上記従来技術の欠
点を除いて、単分子層オーダーの成長膜層の制御性を有
する半導体結晶成長方法を先に提案した(特願昭59−
153978号明細再参照)。これを第5図を参照して
説明する。
第5図において、1は成長槽で材質はステンレス等の金
属、2はゲートバルブ、;)は成長槽1を超高真空に排
気するための排気装置、4,5は例えばnl族−V族化
合物半導体のIII族、■族の成分元素のガス状の化合
物を導入するノズル、6,7はノズル4゜5を開閉する
バルブ、8ば■族の成分元素を含むガス状の化合物、9
は■族の成分元素を含むガス状の化合物、10は基板加
熱用のヒーターで石英ガラスに封入したタングステン(
W)線であり、電線等は図示省略しである。11は測温
用の熱電対、12は化合物半導体の基板、13は成長槽
内の真空度を測るための圧力計である。
GaAsの分子層を一層ずつ基板12上にエピタキシャ
ル成長させる方法は、以下の通りである。即ち、ゲート
バルブ2を開けて超高真空排気装置3により。
成長槽1内を1O−7−10−1lPascal(以下
、Paと略す)程度に排気する。次に、GaAs基板1
2を例えば300〜800°C程度ヒーター10により
加熱し、Gaを含むガスとしてTMG(1〜リメチルガ
リウム)8を成長槽l内の圧力が10’−’ 〜1O−
7Paになる範囲で、0.5〜10秒間バルブ6を開け
て導入する。その後、バルブ6を閉じて成長槽l内のガ
スを排気後、今度はAsを含むガスとしてA、sll 
3 (アルシン)9を圧力が10”” 〜10−7Pa
になる範囲で、2〜200秒間バルブ7を開けて導入す
る。これにより、基板12上にGaAsが少なくとも1
分子層成長できる。以上の操作を繰り返し、単分子層を
次々と成長させることにより、所望の厚さのGaAsの
エピタキシャル成長層を単分子層の精度で成長させるこ
とができる。
ところで、結晶成長のプロセスでは、結晶成長の温度を
高くしていくと空位や格子間原子などが存在するように
なる。また、オートドーピングなどにより不純物が取り
込まれるようになり完全性の高い結晶を成長する上から
好ましくない。そのため、温度を高くせず結晶成長する
必要があるが、先に提案した結晶成長法においては、結
晶成長温度が300〜800℃とかなり高温になってい
たため、4一 完全性の高いGaAsの単結晶が得られない問題があっ
た。
[発明の目的] 本発明は上記の問題を解消して、更に高品質なGaAs
半導体単結晶薄膜を単分子層のオーダーで成長させる方
法を提供することを目的とする。
[発明の概要] このため本発明では、TEGとAsH2をソースガスと
して用い、成長槽内に所定圧力下で所定時間交互に導入
することにより、300°C以下の低温で高純度なGa
Asの単結晶薄膜が得られるようにしたものである。
[発明の実施例] 以下、本発明の詳細な説明する。
第1図は本発明の一実施例に係る分子層エピタキシャル
成長装置の構成図を示したものである。
図中、第5図と同一符号は同一または相当部分を示し、
第5図の構成と異なる点は、加熱源として赤外線ランプ
30を用い、これを成長槽1外のランプハウス31内に
設け、そのランプハウス31から放出する赤外線を石英
ガラス32を介して基板12に照射することにより、サ
セプター33に保持させた基板12を加熱するようにし
た点である。
この装置を用い、Gaを含むガスとしてTEG (1−
リエチルガリウム)8を10−5〜10−”Paの圧力
で1〜20秒間導入し1〜20秒間排気する。そして、
Asを含むガスとしてAs1l 3(アルシン)9を1
0−4〜IPaの圧力で1〜200秒間導入し1〜20
秒間排気する。これにより、基板12上にGaAsの単
分子層が成長できる。以−ヒの操作を繰り返し単分子層
を次々と成長させることにより、所望の厚さのGaAs
の単結晶成長膜を単分子層の精度で成長させることがで
きる。
第2図は、導入ガスとしてTEGとAsH3を用い基板
温度をパラメーターとして260°Cから350℃の間
で1サイクル当りのGaAs膜の<111>B面方向に
おける成長膜厚を示したものである。基板温度が290
℃の時に1サイクル当りのGaAs膜が1分子層に相当
する3、2人となった。上記260°Cという成長温度
は、本発明者等が先に提案したTMGとAsH3の組み
合わせによる結晶成長法における結晶成長温度最低35
0°Cに比べて約90°C程、更に低い温度である。
第3図は基板温度が290°Cでガス導入圧力が10 
 ’ −10’ Pa、導入時間が2−60秒、排気時
間が2〜20秒の間で1サイクル当りのTHGの導入量
をパラメーターとして1サイクル当りのGaAs膜の成
長膜厚を示したものである。この図から判るように、1
サイクル当りのTEGの導入量が増えると成長膜厚が飽
和する。従って、この飽和値共−hのガスの導入量で成
長してやれば、たとえ、ガス導入量が多少変動しても確
実に1サイクル1分子層成長するため原子単位の精度で
膜厚が制御できる。このようにして得られたGaAsの
エピタキシャル成長層を電子線回折およびX線回折で調
べたところ。
非常に完全性の高い薄膜単結晶となっていることが判明
した。
第4図はTEGとAS113をソースガスにして分子層
エピタキシャル成長した膜の不純物密度と移動度の関係
を従来のTMGとAsH3による分子層エビタキシャル
成長膜と比較して示したものである。図中、Aで示す曲
線は理論計算値、Bで示す点はTEG 。
AsH3をソースとする成長膜、Cで示す点は従来の分
子層エピタキシャル成長槽を示している。この図から判
るように、従来のものは不純物密度が1018〜102
0 cm −3と高く、移動度も100Civ−1s−
”以下のものしか得られていなかったが、本発明によれ
ば、不純物密度は1015〜1017cm  ” と2
〜3桁も改善されており、移動度も360cmTV−”
S−’ とほぼ理論値に近い値が得られた。
ここで、得られた成長膜はTEGの圧力が10−3〜1
0’Pa、八sH3の圧力が10−’ −10−2Pa
で導入時間が2〜60秒の間にあり排気時間が2〜20
秒であるような実験条件下で作られたものである。第4
図から本発明による成長膜は従来の分子層エピタキシャ
ル成長によって得られたものに比べて格段に優れた高純
度単結晶であることが判る。
このようにして、得られた結晶の不純物密度は1011
01s’以下であり、移動度は360CiV −1s−
1以−1ユのものが得られている。
〜8− [発明の効果コ 以上のように本発明によれば、一層ずつ成長できること
、化学量論的組成を満たすことが容易で、基板温度が低
温にできるため、格子欠陥の非常に少ない良質な単結晶
を基板上に形成させることができる。
また、不純物の添加を一層ずつ行なうことができるので
、非常に急峻な不純物密度分布を得ることができる等、
非常に高速なトランジスタ、集積回路、ダイオード発光
素子等の製作に対して優れた作用効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例に係る結晶成長装置の構成図
、第2図は第1図の結晶成長装置を用いて製作した結晶
の成長膜厚と基板温度の関係を示すグラフ図、第3図は
基板温度290℃の時における成長膜厚とTEG導入量
の関係を示すグラフ図、第4図はTEGとAst13を
ソースガスとする成長膜の不純物密度と移動度の関係を
従来分子層エピタキシャル膜と比較して示したグラフ図
、第5図は本願発明者等が先に提案した結晶成長装置の
構成図である。 1・・成長槽、2・・ゲートバルブ、3・・・排気装置
、4,5・・・ ノズル、6.7・・・バルブ、8,9
・・・ガス状化合物、10・・・ヒーター、11・・・
熱電対、12・・・基板、13・・・圧力計、30・・
・赤外線ランプ、31  ・・ランプハウス、32・・
・石英ガラス、33・・・サセプター。 7−′・\ 一11= 第1図

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)真空に排気する成長槽内に外部より結晶成分元素
    を含むガスを導入し、基板上にGaAs単結晶薄膜を成
    長させる方法において、前記成長槽内を所定の圧力に排
    気する一方、TEG(トリエチルガリウム)を前記成長
    槽に所定の圧力で所定の時間導入し、排出後AsH_3
    (アルシン)を、前記成長槽に所定の圧力で所定の時間
    導入することによって少なくともほぼ1分子層を成長さ
    せるサイクルを繰り返すことにより所望の厚さのGaA
    s単結晶薄膜を単分子層の精度で成長させることを特徴
    とするGaAs単結晶薄膜の成長法。
  2. (2)特許請求の範囲第1項記載において、加熱源とし
    て成長槽外に設けた赤外線ランプを用いることを特徴と
    するGaAs単結晶薄膜の成長法。
  3. (3)特許請求の範囲第1項記載において、ガス導入の
    1サイクルで平均分子層数が2以下になっていることを
    特徴とするGaAs単結晶薄膜の成長法。
  4. (4)特許請求の範囲第1項あるいは第2項記載におい
    て、TEG、AsH_3の導入圧力が1〜10^−^5
    Paで導入時間が1〜200秒、前記ガス導入後の排気
    時間が1〜20秒であることを特徴とするGaAs単結
    晶薄膜の成長法。
  5. (5)特許請求の範囲第1項〜第3項記載において、基
    板温度が300℃以下であることを特徴とするGaAs
    単結晶薄膜の成長法。
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