JPS61275195A - Method and device for forming compound semiconductor thin film - Google Patents

Method and device for forming compound semiconductor thin film

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JPS61275195A
JPS61275195A JP11622885A JP11622885A JPS61275195A JP S61275195 A JPS61275195 A JP S61275195A JP 11622885 A JP11622885 A JP 11622885A JP 11622885 A JP11622885 A JP 11622885A JP S61275195 A JPS61275195 A JP S61275195A
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thin film
hydride
compound
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Naoki Kobayashi
直樹 小林
Yoshiharu Horikoshi
佳治 堀越
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Abstract

PURPOSE:To obtain the titled thin film with less lattice defects and impurities by introducing a hydride contg. an H2 carrier gas and a trace of a group V or VI element over a substrate and alternately introducing specified org. metallic compd. and hydride. CONSTITUTION:A substrate 1 is set on a substrate supporting stand 4 in a reaction vessel 3 and heated by a heating device 5. Then a hydride which is diluted to the first concn. wherein a group III-V compd. or a group III-II compd. is not formed by the reaction with an organometlalic compd. and which contains a group-V or a group-VI metal and an H2 carrier gas are always introduced into the reaction vessel 3 through a pipeline 6 by regulating valves V1 and V2. The hydride diluted with H2 to the second concn. which is higher than the first concn. and the organometallic compd. which is diluted with H2 and contains a group-III or a group-II element are laternately introduced by operating valves V3-8 at regular intervals of time set by a controller 7 and thermal decomposition is carried out to form a group III-V or a group II-VI compd. semiconductor crystal thin film on the substrate 1.

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は■−V族化合物半導体薄膜およびII−VI族
化合物半導体薄膜の形成に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial Application Field] The present invention relates to the formation of a ■-V group compound semiconductor thin film and a II-VI group compound semiconductor thin film.

E開示の概要1 本発明は■−v族およびII−VI族化合物半導体薄膜
の形成において、加熱された基板上にV族あるいは■族
元素を含む水素化物の微量を水素キャリアガスと共に常
時流しておきながら、水素によってや−高い濃度に希釈
された前記水素化物と、水素によって希釈された■族あ
るいは■族元素を含む有機金属化合物を交互に基板上に
流し。
E Summary of Disclosure 1 The present invention involves constantly flowing a trace amount of a hydride containing a group V or group II element together with a hydrogen carrier gas onto a heated substrate in the formation of a semiconductor thin film of a group ■-V or group II-VI compound. While heating, the hydride diluted to a slightly high concentration with hydrogen and the organometallic compound containing a group Ⅰ or group Ⅰ element diluted with hydrogen are alternately poured onto the substrate.

基板上にV族あるいは■族元素の単原子層と■族あるい
は■族元素の単原子層を交互に形成し。
Monoatomic layers of group V or group Ⅰ elements and monoatomic layers of group Ⅰ or group Ⅰ elements are alternately formed on a substrate.

もって■−v族化合物半導体あるいはII−Vl族化合
物半導体の薄膜を基板に形成することにより、成長用基
板全面にわたって単原子層の成長速度制御性を持ち、格
子欠陥、不純物の少ない高品質の化合物半導体薄膜、お
よび極限の急峻性を持つペテロ構造の成長を可能にする
技術を開示するものである。なお、この概要はあくまで
も本発明の技術′内容に迅速にアクセスするためにのみ
供されるものであって、本発明の技術的範囲および権利
解釈に対しては何の影響も及ぼさないものである。
By forming a thin film of ■-V group compound semiconductor or II-Vl group compound semiconductor on the substrate, it is possible to control the growth rate of a monoatomic layer over the entire surface of the growth substrate, and to create a high-quality compound with few lattice defects and impurities. This invention discloses a technique that enables the growth of semiconductor thin films and Peter structures with extreme steepness. This summary is provided solely for the purpose of quickly accessing the technical contents of the present invention, and does not have any influence on the technical scope of the present invention or the interpretation of rights. .

[従来の技術J 基板上に化合物半導体薄膜を形成する方法として、有機
金属熱分解成長(NOCVD)法1分子線エピタキシ(
MBE)法、原子層エピタキシ(ALE)法、分子層エ
ピタキシ(MLE)法が知られている。
[Prior art J As a method of forming a compound semiconductor thin film on a substrate, metal organic pyrolytic growth (NOCVD) method single molecule beam epitaxy (
MBE) method, atomic layer epitaxy (ALE) method, and molecular layer epitaxy (MLE) method are known.

有機金属熱分解気相成長法は例えばH,M、Manas
svit他の論文(J、EIectrochem、So
c、 12G(1973)。
Examples of metal-organic pyrolysis vapor phase growth methods include H, M, Manas
The paper by Svit et al. (J, EIectrochem, So
c, 12G (1973).

568)に示されている。この方法は、第2図に示すよ
うに、有機金属化合物と水素化物を水素キャリアガスと
ともに加熱された基板上に輸送し、熱分解によって基板
上に化合物半導体薄膜を形成する方法である。m−v族
化合物半導体であるGaAaを例にとって説明すると、
反応槽3内におかれた加熱された基板1上に導入された
Gaの有機金属化合物であるトリメチルガリウム(cn
3)3caおよびAsの水素化物であるアルシンA5H
3は、基板近傍に形成される速度境界層2中を分解しな
がら拡散し、完全に分解したGa原子およびAs原子が
基板表面に付着し、GaAsの結晶が成長する。境界層
より外側ではトリメチルガリウム(TMG)はほとんど
分解せず、基板表面ではほぼ100%分解しているので
568). In this method, as shown in FIG. 2, an organometallic compound and a hydride are transported onto a heated substrate together with a hydrogen carrier gas, and a compound semiconductor thin film is formed on the substrate by thermal decomposition. Taking GaAa, an m-v group compound semiconductor, as an example,
Trimethylgallium (cn
3) Arsine A5H, a hydride of 3ca and As
3 diffuses while being decomposed in the velocity boundary layer 2 formed near the substrate, and the completely decomposed Ga atoms and As atoms adhere to the substrate surface, and a GaAs crystal grows. Trimethyl gallium (TMG) hardly decomposes outside the boundary layer, and almost 100% decomposes on the substrate surface.

境界層中にはトリメチルガリウムの濃度勾配が存在する
ことになる。成長速度は、近似的にこの濃度勾配に比例
するので、境界層の薄い上流部では成長速度が大きくな
り、第3図に示すように成長厚は下流に行くに従い薄く
なる。この成長厚の基板面内不均一が従来の有機金属熱
分解気相成長法の最大の欠点であった。また近年量子井
戸構造、超格子構造などの極微細構造を持つ半導体デバ
イスの開発がさかんになり、その場合、単原子層の制御
性を持つエピタキシャル技術が要求されるようになった
。有機金属熱分解気相成長法は、成長速度が原料供給律
速であるので基板面内の広い領域にわたって単原子層の
制御性を要求することは不可1走に近い。
A concentration gradient of trimethylgallium will exist in the boundary layer. Since the growth rate is approximately proportional to this concentration gradient, the growth rate increases in the upstream region where the boundary layer is thin, and the growth thickness decreases downstream as shown in FIG. This non-uniformity of the growth thickness within the substrate plane has been the biggest drawback of the conventional metal-organic pyrolysis vapor phase growth method. In addition, in recent years, there has been an increase in the development of semiconductor devices with ultrafine structures such as quantum well structures and superlattice structures, and in this case, epitaxial technology that can control monoatomic layers has become required. In the organometallic pyrolysis vapor phase growth method, since the growth rate is rate-determining the rate of raw material supply, it is almost impossible to require controllability of a monoatomic layer over a wide area within the substrate surface.

分子線エピタキシ法は例えばり、L、Chang at
 atがJ、Vac、Sci、Technol、Vol
、10.No−5,pH(1973)に発表しているが
、高真空中で原料元素、GaAs結晶の場合にはGaと
Asを加熱して基板上にGaAsとして蒸着させるもの
であり、やはり基板面内の広い範囲にわたって単分子層
の制御を行なうのは困難であった。
Molecular beam epitaxy method is, for example, L, Chang at
at is J, Vac, Sci, Technol, Vol.
, 10. No. 5, pH (1973), the raw material elements, in the case of GaAs crystal, Ga and As, are heated in a high vacuum and deposited as GaAs on the substrate, which is also done within the plane of the substrate. It has been difficult to control the monolayer over a wide range of

原子層エピタキシ法(米国特許4,058,430:1
977年)は分子線エピタキシの改良としてT、5un
tolaらによって提案されたもので、半導体元素のそ
れぞれをパルス状に交互に供給し、単原子層を基板に交
互に付着させるもので、原子層の精度で膜厚を制御でき
るが、結晶性が良くない。T、5untolaらはこの
方法による化合物薄膜の形成について。
Atomic layer epitaxy method (U.S. Pat. No. 4,058,430:1
977) as an improvement of molecular beam epitaxy.
This method, proposed by Tola et al., alternately supplies each semiconductor element in a pulsed manner to deposit monoatomic layers on the substrate alternately.The film thickness can be controlled with atomic layer precision, but the crystallinity is not good. T., 5untola et al. on the formation of compound thin films by this method.

Th1n 5olid Filmg 85(1980)
、304;Proc、8thIntern、Vacuu
m  Congress(1138G)  Vol、1
.p401;Appl、Phys、Lett、3B(1
981) 、131その他多くの論文を発表しているが
、形成される化合物の多くは■−■族化合物および酸化
物であって、m−v族半導体についてはIJSP 4,
058,430にGaPの例が紹介されているのみで、
GaAs、  An Asなどについての報告はない。
Th1n 5olid Film 85 (1980)
, 304; Proc, 8thIntern, Vacuu
m Congress (1138G) Vol, 1
.. p401; Appl, Phys, Lett, 3B (1
981), 131 and many other papers, most of the compounds formed are ■-■ group compounds and oxides, and regarding m-v group semiconductors, IJSP 4,
An example of GaP is only introduced in 058,430,
There are no reports on GaAs, AnAs, etc.

分子層エピタキシ法は、原子層エピタキシ法を改良する
方法として西沢らによって提案された(電子通信学会技
術研究報告Vo1.84.No、127pp73〜78
)ものである、この方法は原料分子の単分子層吸着、化
学反応および反応生成物の脱離を経て成長を進行させる
。第4rEiK成長機構を説明する概略図を示す、高真
空中で加熱された基板1上にアルシンを導入し、排気す
ることによりアルシンの単分子層を形成する(a)、吸
着したアルシンは熱分解しAsの単原子層が形成される
(b)。
The molecular layer epitaxy method was proposed by Nishizawa et al. as a method to improve the atomic layer epitaxy method (IEICE Technical Research Report Vol. 1.84. No. 127 pp. 73-78
), this method proceeds through monomolecular layer adsorption of raw material molecules, chemical reaction, and desorption of reaction products. 4. Showing a schematic diagram explaining the rEiK growth mechanism, arsine is introduced onto a heated substrate 1 in a high vacuum and a monomolecular layer of arsine is formed by evacuation (a), the adsorbed arsine is thermally decomposed A monoatomic layer of As is then formed (b).

続いてトリメチルガリウムが導入され、トリメチルガリ
ウムは基板上で分解してGaAsの単分子層が形成され
る(c)、(d) 、再び系内が排気され余分のトリメ
チルガリウムは除去される。この過程を繰り返すことに
より単原子層ずつ成長が進行する。
Subsequently, trimethyl gallium is introduced, and the trimethyl gallium decomposes on the substrate to form a monomolecular layer of GaAs (c), (d). The system is evacuated again and excess trimethyl gallium is removed. By repeating this process, growth progresses one atomic layer at a time.

しかしこの方法は成長雰囲気が真空で雰囲気中にAsの
ない状態が存在し、成長層からのAs抜けが起こり、A
s空孔となって不純物の取り込み、As空孔の関与した
深い不純物準位の形成につながる欠点があった。さらに
この方法は、水素が存在しないので、トリメチルガリウ
ムが分解して形成されるメチルラジカルは水素によって
還元されず、メチルラジカルの炭素が成長層に取り込ま
れて炭素アクセプタになる欠点があった。実際報告例(
西沢ら、全損論文)では成長層はキャリア濃度1019
c■−3台のpタイプを示し、メチルラジカルによる成
長・層の炭素汚染を裏づけている。さらにこの方法は2
一旦トリメチルガリウムを吸着した後、系内を排気する
ため、トリメチルガリウムの脱着が生じて表面被覆率が
低下し、1サイクル毎の成長量は、単分子層成長量であ
る2、83A’よりも少なくなる欠点があった。
However, in this method, the growth atmosphere is vacuum and there is no As in the atmosphere, and As is removed from the growth layer.
This has the disadvantage that it becomes S vacancies, which leads to the incorporation of impurities and the formation of deep impurity levels involving As vacancies. Furthermore, this method has the disadvantage that since hydrogen is not present, the methyl radicals formed by the decomposition of trimethylgallium are not reduced by hydrogen, and the carbon of the methyl radicals is incorporated into the growth layer and becomes carbon acceptors. Actual report example (
Nishizawa et al., total loss paper), the growth layer has a carrier concentration of 1019
c■-3 units of p type are shown, supporting the growth and carbon contamination of the layer by methyl radicals. Furthermore, this method has 2
Once trimethyl gallium is adsorbed, the system is evacuated, so trimethyl gallium is desorbed and the surface coverage decreases. There was a drawback that it became less.

[発明が解決しようとする問題点1 このように従来の技術は、それぞれ、成長した化合物の
厚さの面内不均一、単原子層の制御性が悪い、結晶性が
良くない、成長させうる化合物の範囲が狭い、成長した
GaAsにAsの不足が生ずる、炭素アクセプタが混入
する、などの欠点をもっていた。
[Problem to be Solved by the Invention 1] As described above, the conventional techniques have problems such as in-plane non-uniformity in the thickness of the grown compound, poor controllability of the monoatomic layer, poor crystallinity, and difficulty in growing the compound. It has drawbacks such as a narrow range of compounds, a lack of As in the grown GaAs, and contamination with carbon acceptors.

本発明は、これらの欠点を解決し、適用範囲が広く、成
長用基板全面にわたって単原子層の成長速度制御性を持
ち、格子欠陥、不純物の少ない高品質の化合物半導体薄
膜、および極限の急峻性を持つヘテロ構造の成長法と装
置を提供することを目的とする。
The present invention solves these drawbacks and provides a high-quality compound semiconductor thin film that has a wide range of applications, has monoatomic layer growth rate controllability over the entire surface of the growth substrate, has few lattice defects and impurities, and has an extremely high steepness. The purpose of the present invention is to provide a method and apparatus for growing a heterostructure with the following characteristics.

c問題点を解決するための手段1 本発明においては、加熱された基板上にV族あるいは■
族元素を含む水素化物の微量を水素キャリアガスと共に
常時流しておきながら、水素によってや−高い濃度に希
釈された前記水素化物と、水素によって希釈された■族
あるいは■族元素を含む有機金属化合物を交互に基板上
に流すことによって、基板上にV族あるいは■族元素の
単原子層と■族あるいは■族元素の単原子層を交互る。
Means for Solving Problem 1 In the present invention, group V or
A trace amount of a hydride containing a group element is constantly flowed together with a hydrogen carrier gas, and the hydride is diluted to a slightly high concentration with hydrogen, and an organometallic compound containing a group Ⅰ or group Ⅰ element diluted with hydrogen. By alternately flowing a monoatomic layer of a group V or group Ⅰ element and a monoatomic layer of a group Ⅰ or group ① element on the substrate.

[作 用] ■−v族化合物半導体であるGaAsを例にして本発明
の作用を第1図によって説明する。加熱されたGaAs
基板上に水素キャリアガスによって第1の濃度に希釈さ
れた微量のアルシンを常時流しておく(第1図(a))
、アルシンの量はトリメチルガリウム(TNG)が到達
しても、それと反応してGaAsを形成しない程度に希
釈されている0次にや覧濃度をましだ第2の希釈濃度の
アルシンを水素キャリアガスと共に流すとアルシンは基
板表面のGa原子に吸着され、熱分解してAs原子とG
aji子は結合し、As単原子層が基板上に形成される
。(第1図(b))、吸着・分解は基板表面がAsの単
原子層で覆われるまで進行する。 As単原子層が形成
されると、 As原子とアルシンの吸着は弱いので、そ
の後輸送されるアルシンは吸着されずに系外へ去って行
く、こ\でや−高い濃度のアルシンの流れをとめ、余分
のアルシンをパージしく第1図(C))、水素で希釈さ
れたトリメチルガリウムを流す(第1図(d))、  
)リメチルガリウムは基板上のAs単原子層に強く吸着
され、熱分解しGa原子とAs原子は結合してAs単原
子層上にGa単原子層が形成される。
[Function] The function of the present invention will be explained with reference to FIG. 1 using GaAs, which is a group ①-V compound semiconductor, as an example. heated GaAs
A trace amount of arsine diluted to a first concentration with a hydrogen carrier gas is constantly flowed over the substrate (Figure 1 (a))
, the amount of arsine is diluted to such an extent that even if trimethylgallium (TNG) reaches it, it will not react with it to form GaAs. When flowing together, arsine is adsorbed to Ga atoms on the substrate surface and thermally decomposed to form As atoms and G.
The aji atoms combine and an As monoatomic layer is formed on the substrate. (FIG. 1(b)), adsorption and decomposition proceed until the substrate surface is covered with a monoatomic layer of As. When an As monoatomic layer is formed, the adsorption between As atoms and arsine is weak, so the arsine that is subsequently transported leaves the system without being adsorbed, thus stopping the flow of high-concentration arsine. , purge excess arsine (Fig. 1 (C)), and flow trimethylgallium diluted with hydrogen (Fig. 1 (d)).
) Limethylgallium is strongly adsorbed to the As monoatomic layer on the substrate and is thermally decomposed to bond Ga atoms and As atoms to form a Ga monoatomic layer on the As monoatomic layer.

すなわちGaAs単分子層が基板上に形成される。 G
a単原子層が形成された後に到達したトリメチルガリウ
ムはGa原子との吸着が弱いので系外に去って行(、G
a単原子層形成後トリメチルガリウムの流れをとめ、余
分のトリメチルガリウムをパージしく第1図(a))、
その後水素によってや覧高い濃度に希釈されたアルシン
の流れ、水素によって希釈されたトリメチルガリウムの
流れを繰り返すことによってGaAs基板上に基板の全
面にわたって均一に1サイクル毎にGaAsの単分子層
が成長する0本発明の方法においては、常時稀薄なアル
シンが流れているので、形成されたGaAs中からAs
が抜けることなく、また常時水素ガスを流しておくので
、トリメチルガリウムの分解によって生じたメチル基は
水素によって還元されてメタンとなるので化合物中に溶
けこむことなく、従って炭素アクセプタの混入もない、
なお、この説明では、アルシン→トリメチルガリウムの
繰り返し過程について説明したが、トリメチルガリウム
→アルシンの順にしても、最初にGaAs基板表面のA
s原子にトリメチルガリウムが強く吸着され、分解して
Ga単原子層を形成する点が異なるだけで、以後の過程
及び作用はアルシン→トリメチルガリ゛ウムの繰り返し
と全く同様である。
That is, a GaAs monolayer is formed on the substrate. G
Trimethylgallium, which arrived after the formation of the monoatomic layer a, leaves the system because its adsorption with Ga atoms is weak (,G
a After forming a monoatomic layer, stop the flow of trimethyl gallium and purge excess trimethyl gallium (Figure 1 (a)),
After that, by repeating the flow of arsine diluted to a relatively high concentration with hydrogen and the flow of trimethylgallium diluted with hydrogen, a monomolecular layer of GaAs is grown uniformly over the entire surface of the GaAs substrate every cycle. 0 In the method of the present invention, since dilute arsine is constantly flowing, As is removed from the formed GaAs.
does not escape, and since hydrogen gas is constantly flowing, the methyl groups generated by the decomposition of trimethyl gallium are reduced by hydrogen and become methane, so they do not dissolve into the compound, and therefore there is no contamination of carbon acceptors.
In addition, in this explanation, the repeating process of arsine → trimethyl gallium was explained, but even if the order of trimethyl gallium → arsine is repeated, the A on the surface of the GaAs substrate is first
The only difference is that trimethylgallium is strongly adsorbed to the s atom and decomposed to form a Ga monoatomic layer, but the subsequent process and action are exactly the same as repeating arsine→trimethylgallium.

[実施例1 以下本発明の実施例について詳細に説明する。[Example 1 Examples of the present invention will be described in detail below.

実施例1 GaAs基板上にGaAs薄膜を成長させた。基板は単
結晶で成長面は(100)である、V族元素の水素化物
としてアルシンAsH3を、■族元素を含む有機金属化
合物としてトリメチルガリウム(Cl 3)3 Gaを
用いた。
Example 1 A GaAs thin film was grown on a GaAs substrate. The substrate was a single crystal with a (100) growth plane.Arsine AsH3 was used as a hydride of a group V element, and trimethylgallium (Cl3)3Ga was used as an organometallic compound containing a group II element.

第5図に本発明装置の実施例の概要を示す0図中1は基
板、3は反応槽、4は基板支持台、5は高周波コイルな
どによる加熱装置、8は配管、vlないしv8はバルブ
ある。バルブV、、V、を調整し。
Fig. 5 shows an outline of an embodiment of the apparatus of the present invention.In Fig. 5, 1 is a substrate, 3 is a reaction tank, 4 is a substrate support, 5 is a heating device such as a high-frequency coil, 8 is piping, and vl to v8 are valves. be. Adjust valves V,,V,.

反応槽には常時、水素キャリアガスと水素によって希釈
された微量のアルシンAsH3を流しておく。
A hydrogen carrier gas and a trace amount of arsine AsH3 diluted with hydrogen are constantly allowed to flow through the reaction tank.

バルブV、、V、、Vo、vワを操作して、必要量のア
ルシンおよびトリメチルガリウム(TMG)を流す。
Operate valves V, , V, , Vo, and v to flow the required amount of arsine and trimethyl gallium (TMG).

Vs、 V、は後の実施例で説明するヘテロ構造の化合
物半導体、例えばA l oj; Ga、、、Ag−G
aAs−A lo、5 Ga(、、gAss膜を形成す
る際にトリメチルアルミニウム(TMA)を流すための
もので、GaAgのような単一構造の薄膜形成には必要
ない、バルブVa、 V4. V6゜V7(V、 、 
V、)は、制御装置7によって定められた時間間隔で原
料ガスを導入できるようになっている6反応槽は縦型の
ものを例示したが、横型反応槽を使用できることは当然
である。
Vs, V, is a heterostructure compound semiconductor explained in later examples, for example, Aloj; Ga, , Ag-G
aAs-A lo, 5 Ga(,, This is for flowing trimethylaluminum (TMA) when forming a gAss film, and is not necessary for forming a single-structure thin film such as GaAg. Valve Va, V4. V6゜V7(V, ,
In V,), the 6 reaction vessels in which the raw material gas can be introduced at time intervals determined by the control device 7 are shown as vertical ones, but it is of course possible to use horizontal reaction vessels.

まず、水素ガスと共に常時流しておくアルシンについて
説明する。これは形成されたGaAsからのAsぬけを
防止するためのもので、トリメチルガリウム(TNG)
−と反応してGaAsを形成しない濃度にしておく、静
的な状態で、基板表面(固相)と気相とは平衡関係にあ
り、ある温度での気相中のAg種の分圧は一義的に決ま
る。しかし実際の成長プロセスは動的な状態であるので
、その温度でのAg種の平衡解離圧を常に補ってやる必
要がある。 As種を補う原料としてのアルシンの熱分
解効率は温度に最も大きく依存する。熱分解効率は厳密
にはアルシンの基板上の滞留時間、すなわち水素流量に
も依存するが、この依存度は小さい、基数の温度を変え
、水素流量を1041 /分一定とし、アルシンを常時
流しながら、モル分率1×10−4−’のトリメチルガ
リウムを1秒間隔で断続して3600回流した時の、基
板上に成長したGaAsの量のアルシン濃度による変化
を調べた結果を第6図に示す、成長量は基板のへき開断
面を倍率5万倍の走査電子顕微鏡で観察して測定した0
図から判るように温度が400℃では、AsH3モル分
率0〜1×10−4−’の範囲でGaAsの成長を確認
できなかった。温度が上昇するにつれて、 GaAgが
成長しないアルシン濃度は低濃度側へ移行し、 500
℃では4X10−5モル分率、550℃では2X10−
5モル分率をこえるとGaAsが成長する。同じAsH
3モル分率で比較しても、温度が上昇するにつれ、成長
量は多くなる。基板温度が550℃をこえるとトリメチ
ルガリウムが分解して基板上にGaが凝縮する。
First, arsine, which is kept flowing together with hydrogen gas, will be explained. This is to prevent As from being removed from the formed GaAs, and trimethylgallium (TNG)
In a static state, the substrate surface (solid phase) and the gas phase are in an equilibrium relationship, and the partial pressure of Ag species in the gas phase at a certain temperature is Uniquely determined. However, since the actual growth process is a dynamic state, it is necessary to constantly compensate for the equilibrium dissociation pressure of Ag species at that temperature. The thermal decomposition efficiency of arsine as a raw material to supplement As species is most dependent on temperature. Strictly speaking, the thermal decomposition efficiency depends on the residence time of arsine on the substrate, that is, on the hydrogen flow rate, but this dependence is small. Figure 6 shows the results of investigating the change in the amount of GaAs grown on the substrate depending on the arsine concentration when trimethylgallium with a molar fraction of 1 x 10-4-' was flowed 3600 times intermittently at 1-second intervals. The growth amount was measured by observing the cleaved cross section of the substrate with a scanning electron microscope at a magnification of 50,000 times.
As can be seen from the figure, at a temperature of 400 DEG C., no growth of GaAs could be observed in the AsH3 molar fraction range of 0 to 1.times.10@-4-'. As the temperature rises, the arsine concentration at which GaAg does not grow shifts to the lower concentration side, and 500
4X10-5 mole fraction at °C, 2X10-5 at 550 °C
When the mole fraction exceeds 5, GaAs grows. Same AsH
Even when compared at a mole fraction of 3, the amount of growth increases as the temperature rises. When the substrate temperature exceeds 550° C., trimethylgallium decomposes and Ga condenses on the substrate.

以上の結果から、水素キャリアガスと共に常時流すアル
シンの濃度(第1の濃度)は4X10−’モル分率以下
、特に2X10−5モル分率以下が望ましいことが導か
れる。
From the above results, it is derived that the concentration of arsine (first concentration) that is constantly flowed together with the hydrogen carrier gas is desirably 4X10-' mole fraction or less, particularly 2X10-5 mole fraction or less.

次に基板上にAs単原子層を形成するための、第2の濃
度に希釈されたアルシンについて説明する。
Next, arsine diluted to a second concentration for forming an As monoatomic layer on a substrate will be explained.

基板温度450℃、水素流量10g、/分一定とし、常
時lX1G−Sモル分率のアルシンを水素キャリアガス
と共に流しておく、そして、アルシンと、モル分率1×
10−4−’のトリメチルガリウム(TIIIC)を第
7r!4に示すように、1秒間隔で交互に導入する。
The substrate temperature is 450°C, the hydrogen flow rate is constant at 10 g/min, and arsine with a mole fraction of 1X1G-S is constantly flowing together with the hydrogen carrier gas.
10-4-' trimethyl gallium (TIIIC) in the 7th r! 4, they are introduced alternately at 1 second intervals.

アルシンの濃度をかえ、それぞれ3800サイクル繰り
返した後、基板上に形成されたGaAs膜の厚さを測定
した。その結果を第8図に示す、成長量は始めアルシン
の濃度と共に増加するが、濃度が1×10−3モル分率
以上で1.02ILmの一定値になる。この値を1サイ
クルの値に換算すると2−83A  となり、これはG
aAaの一分子層の厚さに相当する。従って、アルシン
の第2の濃度は1X1G−3モル分率以上であることが
望まいしい。
After changing the concentration of arsine and repeating 3800 cycles each, the thickness of the GaAs film formed on the substrate was measured. The results are shown in FIG. 8. The amount of growth initially increases with the concentration of arsine, but becomes a constant value of 1.02 ILm when the concentration exceeds 1.times.10@-3 molar fraction. Converting this value to the value for one cycle gives 2-83A, which is G
It corresponds to the thickness of one monolayer of aAa. Therefore, it is desirable that the second concentration of arsine is 1×1 G−3 mole fraction or more.

なお、各サイクルにおけるアルシンの導入時間を2秒、
3秒、4秒、5秒と変化させても成長量に変化は見られ
なかった。
In addition, the introduction time of arsine in each cycle was 2 seconds,
Even when the time was changed to 3 seconds, 4 seconds, and 5 seconds, no change was observed in the amount of growth.

次にGa単原子層を形成するためのトリメチルガリウム
について説明する。
Next, trimethyl gallium for forming the Ga monoatomic layer will be explained.

基板温度、水素流量、常時流しておくアルシン濃度は、
前述したアルシンの場合と等しく、それぞれ450℃、
10fL/分、1×10−4−’モル分率である。第7
図のタイムチャートと同じ時間間隔でトリメチルガリウ
ムと 1×10−4”−’モル分率のアルシンを基板上
に交互に導入し、3B00サイクル繰り返した後の成長
膜厚を測定した。成長膜厚は導入するトリメチルガリウ
ムの濃度によって第3図のように変化し、 1×10−
4””モル分率以上の濃度で1.021Lmの一定値を
保つ、この値は1サイクルに換算するとGaA+の単分
子層2.83A”に相当する。なお、各サイクルにおけ
るトリメチルガリウムの導入時間を5秒まで伸してみた
が、成長量には変化がなかった。
The substrate temperature, hydrogen flow rate, and arsine concentration that is constantly flowing are as follows:
Same as the case of arsine mentioned above, 450°C,
10 fL/min, 1 x 10-4-' mole fraction. 7th
Trimethyl gallium and arsine at a molar fraction of 1×10-4''-' were alternately introduced onto the substrate at the same time intervals as in the time chart in the figure, and the grown film thickness was measured after 3B00 cycles were repeated.Grown film thickness varies as shown in Figure 3 depending on the concentration of trimethylgallium introduced, and is 1 x 10-
A constant value of 1.021 Lm is maintained at a concentration of 4" mole fraction or higher, and this value corresponds to a GaA+ monomolecular layer of 2.83 A" in one cycle.The introduction time of trimethylgallium in each cycle I tried extending it to 5 seconds, but there was no change in the amount of growth.

第5図の装置に示した加熱装置によって成長温度(基板
温度)を変化させ、その成長量への影響を調べた。水素
流量1017分、常時流すアルシンの濃度lX10−5
モル分率、間欠的に流すアルシンの濃度1×10−4−
’モル分率、トリメチルガリウムの濃度1×10−4−
’モル分率、それらの各サイクルにおける導入および停
止の時間は第7図のとおり各1秒とした。 3800サ
イクル繰り返した後の成長量を第10図に示す、を長温
度400℃では成長が確認できず、430℃をこえると
成長厚は1ル腸近くなり、 450℃付近から500℃
を僅かにこえるあたりまで、1サイクル当りの成長量が
GaAsの単分子層の厚さに相当する1、02ILmを
保ち、成長温度が520℃をこえると成長量は急激に増
加する。成長温度が550℃では単原子層単位の成長を
こえる成長量となり、成長表面は荒れたものになる。し
たがって望ましい成長温度は430〜520℃、特に4
50〜500℃である。
The growth temperature (substrate temperature) was varied using the heating device shown in the apparatus shown in FIG. 5, and its influence on the growth amount was investigated. Hydrogen flow rate 1017 minutes, concentration of arsine constantly flowing 1X10-5
Mole fraction, concentration of arsine intermittently flowing 1 x 10-4-
'Mole fraction, concentration of trimethylgallium 1 x 10-4-
The molar fraction, introduction and stop times in each cycle were each 1 second as shown in FIG. The amount of growth after 3800 cycles is shown in Figure 10. No growth was observed at long temperatures of 400°C, and when the temperature exceeded 430°C, the growth thickness became close to 1 lumen, and from around 450°C to 500°C.
The growth amount per cycle is maintained at 1.02 ILm, which corresponds to the thickness of a monomolecular layer of GaAs, until the growth temperature slightly exceeds 520° C., and the growth amount increases rapidly when the growth temperature exceeds 520° C. When the growth temperature is 550° C., the amount of growth exceeds that of a single atomic layer, and the growth surface becomes rough. Therefore, the desirable growth temperature is 430-520℃, especially 4
The temperature is 50-500°C.

これまでの実験においは、As単原子層を成長させるた
めのアルシンの導入と、Ga単原子層を成長させるため
のトリメチルガリウムの導入の間に例えば第7図に示す
ようにそれぞれ1秒ずつの停止時間を置き、その間は水
素キャリアガスと、ごく少量のアルシンを流すようにし
た。これは余分のアルシンまたは余分のトリメチルガリ
ウムを追い出して原料ガスの置換を完全にするためのも
のである。第5図に概要を示した本発明の装置では。
In previous experiments, the introduction of arsine to grow an As monoatomic layer and the introduction of trimethylgallium to grow a Ga monoatomic layer were performed for 1 second each, for example, as shown in Figure 7. There was a downtime during which hydrogen carrier gas and a very small amount of arsine were allowed to flow. This is to drive out excess arsine or excess trimethylgallium to completely replace the raw material gas. In the apparatus of the invention as outlined in FIG.

1秒以下で原料ガスの置換が可能である。基板温度45
0℃、水素流量10i/分、常時流すアルシンの濃度l
X10=モル分率、As単原子層を形成fるためのアル
シンの濃度lX10−3モル分率、トリメチルガリウム
の濃度1×10−4−’モル分率とし、第7図に示した
タイムチャートのt2、t4を変化させた* t、、 
j3はともに1秒に固定し1.、14を1秒ないし5秒
まで変化させたが、成長量に変化は見られなかった。
The source gas can be replaced in less than 1 second. Substrate temperature 45
0°C, hydrogen flow rate 10 i/min, concentration of arsine constantly flowing
Assuming that X10 = mole fraction, the concentration of arsine for forming an As monoatomic layer is lX10-3 mole fraction, and the concentration of trimethyl gallium is 1×10-4-' mole fraction, the time chart shown in FIG. t2 and t4 were changed * t,,
Both j3 are fixed to 1 second and 1. , 14 was varied from 1 second to 5 seconds, but no change was observed in the amount of growth.

第11図は成長面にGaAsの(ioo)面を用い成長
温度450℃、水素流量10i/分、常時流すアルシン
の濃度1×10−4−5モル分率とし、 1×10−4
−3モル分率のアルシンの1秒導入、1秒停止、 LX
IO”−’モル分率のトリメチルガリウムの1秒導入、
1秒停止を1サイクルとし、3600サイクル繰り返し
た時のGaAsの成長厚さを基板の長さ方向に沿って、
測った結果である。測定はへき開面の走査電顕観察によ
った。
In Figure 11, the (ioo) plane of GaAs is used as the growth surface, the growth temperature is 450°C, the hydrogen flow rate is 10 i/min, and the concentration of arsine that is constantly flowing is 1 x 10-4-5 molar fraction, 1 x 10-4.
- 1 second introduction of 3 mole fraction of arsine, 1 second stop, LX
1 s introduction of trimethylgallium at IO”−’ mole fraction,
The growth thickness of GaAs when 3600 cycles are repeated, with a 1 second stop being considered as 1 cycle, is shown along the length direction of the substrate.
This is the result of the measurement. The measurement was carried out by scanning electron microscopy observation of the cleavage plane.

成長厚は均一で従来の有機金属熱分解気相成長法で観測
された基板の上流端から下流へ向っての成長厚の減少は
観測されず、基板全面にわたって均一な成長層が得られ
ている。また1サイクルあたりの成長量は2.83X 
 となりGaAsの単分子層成長が実現していることを
示している。第12図は第11図に示した例と同一条件
での成長厚のサイクル数依存性を示した図であるが、成
長厚はサイクル数に比例し、この図からも1サイクルあ
たりの成長量が2.83A  と見積られ、単原子層の
形成による一単分子層成長であることを示している。な
お、これまでの例では第7図のタイムチャートのように
、AsH3導入→停止→TIIIG導入→停止のサイク
ルについて述べたが、丁MG導入から出発しても化合物
の成長は全く同じである。
The growth thickness was uniform, and the decrease in growth thickness from the upstream end of the substrate toward the downstream, which was observed with conventional metal-organic pyrolysis vapor phase growth, was not observed, and a uniform growth layer was obtained over the entire surface of the substrate. . Also, the amount of growth per cycle is 2.83X
This shows that monomolecular layer growth of GaAs has been achieved. Figure 12 is a diagram showing the dependence of the growth thickness on the number of cycles under the same conditions as the example shown in Figure 11. The growth thickness is proportional to the number of cycles, and this figure also shows that the amount of growth per cycle is is estimated to be 2.83 A, indicating single monolayer growth due to the formation of a monoatomic layer. In the examples so far, the cycle of AsH3 introduction → stop → TIIIG introduction → stop was described as shown in the time chart of FIG. 7, but the growth of the compound is exactly the same even if starting from the introduction of DMG.

成長層の電気特性から得られるキャリア濃度はp、タイ
プ10”c層−3で水素を用いない方法に比べ2ケタ近
い純度の向上が観測された。これはトリメチルガリウム
の熱分解により生成するメチルラジカルが(1)式のよ
うに本発明により導入した水素により還元されてメタン
になり結晶にとりこまれにくいことを示している。
The carrier concentration obtained from the electrical properties of the grown layer is p, and in the type 10"C layer-3, an improvement of nearly two orders of magnitude in purity was observed compared to a method that does not use hydrogen. This is due to the methyl This shows that the radical is reduced to methane by the hydrogen introduced according to the present invention as shown in formula (1), and is difficult to be incorporated into the crystal.

(CH3)3Ga+ −)1. +3GH4+Ga  
     (1)また、成長層のフォトルミネッセンス
強度は、液層エピタキシャル成長法で作製した同じキャ
リア濃度を持つ試料と比較しても遜色なく、結晶欠陥の
少ない良質の成長層であることが示ノ覧、これは成長層
からのAs抜けを防いだ結果によるものである。なおア
ルシンの第1の希釈濃度を lX10=モル分率として
もAs抜けを防ぐ効果がある。
(CH3)3Ga+ -)1. +3GH4+Ga
(1) In addition, the photoluminescence intensity of the grown layer is comparable to that of a sample with the same carrier concentration produced by liquid layer epitaxial growth, indicating that it is a high-quality grown layer with few crystal defects. This is due to the prevention of As from leaving the growth layer. Note that even if the first dilution concentration of arsine is set to lX10 = molar fraction, it is effective to prevent As from being removed.

さらに、トリメチルガリウムのかわりにトリエチルガリ
ウムを用いることにより、成長層の電気的特性はnタイ
プ10 cmとなり、さらに純度が向上する。トリエチ
ルガリウムの場合は の反応によってエチレンが副生じ、木質的に炭素が結晶
にとりこまれにくく、メチル系金属化合物を用いる場合
より、さらに高純度の成長層が得られる。
Furthermore, by using triethyl gallium instead of trimethyl gallium, the electrical characteristics of the grown layer become n-type 10 cm, further improving the purity. In the case of triethylgallium, ethylene is produced as a by-product through the reaction, and carbon is difficult to incorporate into the crystal due to its woody nature, so that a grown layer with higher purity can be obtained than when using a methyl-based metal compound.

実施例2 GaAs以外の■−v族化合物半導体薄膜を形成した。Example 2 A semiconductor thin film of a ■-v group compound other than GaAs was formed.

原料ガスとしてトリメチルアルミニウム((H3)3A
nおよびアルシンAsH3を用い、AlAs基板(io
o)面上にAJLAs薄膜を成長させた。原料ガスの導
入法は第7図の例におけるTMGをトリメチルアルミニ
ウム丁HA  (濃度lX10=モル分率)に換えただ
けで、それ以外は濃度、時間ともに同じである。成長温
度450℃で3600サイクル繰り返した後の成長量は
1.02g■で、各サイクル毎にAn Asの単分子層
が形成された。
Trimethylaluminum ((H3)3A
n and arsine AsH3, AlAs substrate (io
o) A thin film of AJLAs was grown on the surface. The method of introducing the raw material gas is that the TMG in the example shown in FIG. 7 is replaced with trimethylaluminum HA (concentration 1×10=mole fraction), and other than that, both the concentration and time are the same. The amount of growth after repeating 3600 cycles at a growth temperature of 450° C. was 1.02 g, and a monomolecular layer of AnAs was formed in each cycle.

GaPを形成させるには水素化物としてPH3,有機金
属化合物としてトリメチルガリウムを用いればよい、 
PH3の第1の濃度1×10−4−5モル分率、第2 
c11度tx to−3モアL、分率、 TMG (7
)11度IX 1G−’モル分率とし、第7図と同じ時
間間隔でGaP基板(10G)面上に3600サイクル
成長させた。成長温度450℃での成長量は0.98I
L層であり、やはり各サイクル毎にGaPの単分子層が
形成されている。
To form GaP, PH3 can be used as a hydride and trimethylgallium can be used as an organometallic compound.
The first concentration of PH3 is 1 x 10-4-5 mole fraction, the second
c11 degrees tx to-3 more L, fraction, TMG (7
) 11 degrees IX 1G-' mole fraction, and the growth was performed on the GaP substrate (10G) surface for 3600 cycles at the same time intervals as in FIG. Growth amount at growth temperature 450℃ is 0.98I
This is the L layer, and a monomolecular layer of GaP is also formed in each cycle.

トリメチルインジウム(CH3)3 In (濃度1×
10−4−’モル分率)とSbH3’ (濃度lX10
−’及び1×10−4−’モル分率)を用い、成長温度
450℃で、やはり第7図と同時間間隔でIn!9b基
板(10G)面上に3800サイクル成長させた。成長
量は1.17%厘で、各サイクル毎にInSb単分子層
が形成されている。
Trimethylindium (CH3)3In (concentration 1×
10-4-'molar fraction) and SbH3' (concentration lX10
-' and 1×10-4-' mole fraction), at a growth temperature of 450°C, and at the same time intervals as in FIG. Growth was performed on a 9b substrate (10G) surface for 3800 cycles. The growth amount was 1.17%, and an InSb monolayer was formed in each cycle.

その他同様にして(OH3)3AJLとPH3を用いて
AfLP薄膜を、 (CH3)JAMとSbH3を用い
てA見Sb薄膜を、(OH3)3Gaとsb■3を用い
てGa5bfif!Kを、(CH3)3 InとPH3
を用いてInP薄膜を、 ((H3,)31.nとAs
H3を用いてInAs薄膜を形成することができる。
In the same manner, (OH3) 3AJL and PH3 were used to make an AfLP thin film, (CH3) JAM and SbH3 were used to make an A-view Sb thin film, (OH3) 3Ga and sb■3 were used to make a Ga5bfif! K, (CH3)3 In and PH3
((H3,)31.n and As
An InAs thin film can be formed using H3.

3600サイクル後の成長厚はARPで0.98終層、
AJISbで1.1101L 、 GaSbで1.11
01L 、  InPで1.081L鵬、 InAsで
1.09IL層であった。いずれの場合に′も成長は基
板上均一に行われ、V族元素の空孔はなく、炭素アクセ
プタも導入されない。
Growth thickness after 3600 cycles is ARP 0.98 final layer,
1.1101L for AJISb, 1.11 for GaSb
01L, 1.081L layer for InP, and 1.09IL layer for InAs. In either case, the growth is uniform on the substrate, there are no vacancies of group V elements, and no carbon acceptors are introduced.

これらの場合、GaAsの場合と同様、有機金属化合物
としてトリエチルガリウム、トリエチルアルミニウム、
トリエチルインジウムを使用すればより高純度の結晶が
得られる。
In these cases, as in the case of GaAs, triethylgallium, triethylaluminum, triethylaluminum,
If triethylindium is used, higher purity crystals can be obtained.

成長温度の効果、原料ガスの濃度の効果は実施例1の場
合と同様である。
The effect of the growth temperature and the effect of the concentration of the source gas are the same as in Example 1.

実施例3 本発明はII−VI属化合物半導体にも適用できる。Example 3 The present invention can also be applied to II-VI group compound semiconductors.

有機金属化合物としてジメチル亜鉛(OH、)ユZn。Dimethylzinc (OH, ) Zn as an organometallic compound.

水素化物として硫化水素H2Sを用い、ZnS基板(1
0G)面上にZnJ 5g膜を形成した。成長温度45
0℃、水素キャリアガスの流量101/分、常時流すH
2Sの濃度1×10−4−”モル分率、S単原子層を形
成するためのH2Sの濃度1×10−4−3モル分率、
(OH3)2Znの濃度1×10−4−’モル分率とし
、第7図のタイムチャートに示すように1秒間熱で導入
、停止を繰り返した。 3800サイクル後の成長厚は
0.9フル曹で、1サイクル当りの成長厚はZnSの単
分子層に相当する。
Hydrogen sulfide H2S was used as the hydride, and a ZnS substrate (1
A 5g ZnJ film was formed on the 0G) surface. Growth temperature 45
0°C, hydrogen carrier gas flow rate 101/min, constant flow H
The concentration of 2S is 1 x 10-4-'' mole fraction, the concentration of H2S is 1 x 10-4-3 mole fraction to form an S monoatomic layer,
The concentration of (OH3)2Zn was set to 1 x 10-4-' molar fraction, and as shown in the time chart of Fig. 7, heat was introduced and stopped for 1 second repeatedly. The growth thickness after 3800 cycles was 0.9 full carbon dioxide, and the growth thickness per cycle corresponded to a monomolecular layer of ZnS.

ジメチル亜鉛(0M3)2ZnとHzSeを使用し、 
Zn5e基板(100)面上にZn5e薄膜を形成した
。成長温度450℃、水素流量10M /分、常時流す
Ho5eの濃度lX10=モル分率、Se単原子層を形
成するためのH2Seの濃度1×10−4−3モル分率
、(CH3)2Znの濃度を1×10−4−生モル分率
とし、1秒間熱で原料ガスの導入、停止を行なった。3
600サイクル後の成長量は1.021Laで、lサイ
クル毎にZn5eの単分子層が形成された。
Using dimethylzinc (0M3)2Zn and HzSe,
A Zn5e thin film was formed on the (100) surface of the Zn5e substrate. Growth temperature 450 °C, hydrogen flow rate 10 M/min, concentration of Ho5e constantly flowing 1 x 10 = mole fraction, concentration of H2Se to form a Se monoatomic layer 1 × 10-4-3 mole fraction, (CH3)2Zn The concentration was set to 1 x 10-4 raw mole fraction, and the raw material gas was introduced and stopped using heat for 1 second. 3
The amount of growth after 600 cycles was 1.021 La, and a monomolecular layer of Zn5e was formed every 1 cycle.

有機金属としてジメチル水銀(co3)2Hgを、水素
化物としテH2Seを使用し、HgSe基板(100)
面上に、Zn5eの場合と全く同様にHg’J4膜を形
成できる。 3800サイクル成長後の成長量は1.1
0JLmであり、1サイクル毎にHgSeの単分子層が
形成されたことになる。
Using dimethylmercury (CO3)2Hg as an organic metal and H2Se as a hydride, a HgSe substrate (100) was used.
A Hg'J4 film can be formed on the surface in exactly the same way as in the case of Zn5e. Growth amount after 3800 cycles is 1.1
0 JLm, which means that a monomolecular layer of HgSe was formed in each cycle.

いずれの場合も成長は基板の全面で均一に行なわれ、■
族原子の空孔発生、炭素アクセプタの侵入が少なく、高
純度の薄膜が得られる。
In either case, growth occurs uniformly over the entire surface of the substrate, and ■
The generation of vacancies of group atoms and the intrusion of carbon acceptors are small, and a highly pure thin film can be obtained.

(an、)2zn、((J3)、)Ig(7)かわりに
(C2J)2Zn、(02H5)2Hgを使用すれば炭
素アクセプタの侵入はより少なくなる。
If (C2J)2Zn and (02H5)2Hg are used instead of (an,)2zn, ((J3),)Ig(7), the intrusion of carbon acceptors will be further reduced.

成長筒i果、原料ガスの濃度の効果は実施例1の場合と
同様である。
The effects of the growth tube and the concentration of the raw material gas are the same as in Example 1.

なお、実施例工ないし実施例3においては、基板に単結
晶を使用した例について述べているが、形成する化合物
半導体の種類および用途によっては、多結晶基板を使用
することもできる。
Note that in Examples to Example 3, examples are described in which a single crystal is used for the substrate, but a polycrystalline substrate may also be used depending on the type and application of the compound semiconductor to be formed.

実施例4 第5図に示した装置を用い、原料ガスとしてアルシンA
sH3,)リメチルガリウム(T)IG) 、  )リ
メチルアルミニウム(TMA)を使用してAM6,5 
Ga6.!;As−GaAs −116,g Gao、
5A+(7)ヘテロ構造の化合物半導体薄膜をGaAs
基板の(10G)面上に゛形成した。
Example 4 Using the apparatus shown in FIG. 5, arsine A was used as the raw material gas.
AM6,5 using sH3,)limethylgallium (T)IG), )limethylaluminum (TMA)
Ga6. ! ;As-GaAs-116,g Gao,
5A+(7) heterostructure compound semiconductor thin film made of GaAs
It was formed on the (10G) plane of the substrate.

形成条件は水素流量1017分、常時流すアルシン濃度
lX10−5モル分率、単原子層を形成するためのアル
シン、丁MG 、 TMAの濃度はそれぞれlX10’
−3モル分率、IXIG−4モル分率、1×10−4−
’モル分率である。この原料ガスを、第13図(a)に
示すタイムチャートのように各1秒間隔のアルシン導入
、停止、TMG導入、停止、丁MA導入、停止のサイク
ルを100サイクル継続し、次いで同図(b)に示すア
ルシン導入、停止、TNG導入、停止のサイクルを10
サイクル行ない、さらに最初と同じサイクルを100サ
イクル繰り返した。
The formation conditions were a hydrogen flow rate of 1017 minutes, an arsine concentration of 1 x 10-5 molar fraction that was constantly flowing, and the concentrations of arsine, MG, and TMA to form a monoatomic layer were 1 x 10', respectively.
-3 mole fraction, IXIG-4 mole fraction, 1 x 10-4-
' is the mole fraction. As shown in the time chart shown in FIG. 13(a), this raw material gas is subjected to 100 cycles of arsine introduction, stop, TMG introduction, stop, MA introduction, and stop at intervals of 1 second each, and then, as shown in the time chart shown in FIG. The cycle of arsine introduction, stop, TNG introduction, and stop shown in b) was repeated 10 times.
The cycle was repeated, and the same cycle as the first was repeated 100 times.

以上の操作により、第14図に示すようなヘテロ構造が
作製され、薄いGaAg層が量子井戸になる。
By the above operations, a heterostructure as shown in FIG. 14 is produced, and the thin GaAg layer becomes a quantum well.

従来のIRE法、N0CVD法で作製されたこれと同様
の量子井戸構造ではGaAsの量子井戸発光は波長71
0nm 、半値幅は15〜30meVと論理値より広く
ヘテロ界面の凹凸を反映している。
In a quantum well structure similar to this one fabricated by the conventional IRE method or N0CVD method, the GaAs quantum well emission has a wavelength of 71.
0 nm, and the half-value width is 15 to 30 meV, which is wider than the theoretical value and reflects the unevenness of the hetero interface.

一方、本発明によれば波長710n層、半値幅8meV
とへテロ界面の1原子層の凹凸から予想される半値幅3
0層eVより極端に狭い半値幅を示した。このことから
、ヘテロ界面の凹凸はないと判断できる。
On the other hand, according to the present invention, the wavelength is 710n layer, the half width is 8meV
The half-width expected from the unevenness of one atomic layer at the heterointerface 3
It showed an extremely narrower half-width than the 0 layer eV. From this, it can be determined that there is no unevenness at the hetero interface.

またへテロ界面を電子が走行する2次元電子ガス構造に
おいても、従来の方法では界面の凹凸により電子が散乱
を受け、移動度は論理値よりも低く抑えられていた。し
かし本発明により作製したヘテロ界面においては界面の
凹凸による散乱は皆無であり、2次元電子ガス移動度の
大幅な向上が可能である。
Furthermore, even in a two-dimensional electron gas structure in which electrons travel across a hetero-interface, in the conventional method, electrons are scattered due to the unevenness of the interface, and the mobility is suppressed to be lower than a theoretical value. However, in the heterointerface produced according to the present invention, there is no scattering due to the unevenness of the interface, and the two-dimensional electron gas mobility can be significantly improved.

さらに、単原子層の制御性を生かして、例えば第15図
に示すように規則的に原子が配列したA l 64g 
Ga 6.ヮ5Asなどの混晶の作製が可能となる。
Furthermore, by taking advantage of the controllability of a monoatomic layer, for example, as shown in FIG.
Ga 6.ヮIt becomes possible to produce mixed crystals such as 5As.

このように作製した混晶の電気的−光学的特性は従来の
同族原子が統計的にランダムに配列した混晶の特性に比
べ一段と優れた特性を示す、たとえば従来の混晶では、
伝導電子がランダムに配列した原子により作り出される
ポテンシャル場により散乱され、移動度が低く抑えられ
ていたが、規則的に原子が配列した混晶では、ポテンシ
ャル場が周期的になり、移動度の大幅向上が可能になる
The electrical-optical properties of the mixed crystal prepared in this way are much superior to those of conventional mixed crystals in which homologous atoms are arranged in a statistically random manner.For example, in conventional mixed crystals,
Conduction electrons were scattered by the potential field created by randomly arranged atoms, and their mobility was suppressed to a low level. However, in mixed crystals in which atoms are arranged regularly, the potential field becomes periodic and the mobility significantly increases. Improvement becomes possible.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上説明したように、本発明においては、水素キャリア
ガスとともに微量のV族または■族元素を含む水素化物
を基板上に流しながら、水素で希釈された■族元素また
は■族元素を含む有機金属化合物と、水素で希釈された
V族または■、族元素を含む水素化物を交互に基板上に
導入して、基板上にm族または■族元素の単原子層とV
族または■族元素の単原子層を交互に形成し、■−v族
化合物または■−■族化合物半導体を分子層の積み重ね
として形成する。このように分子層の吸着・熱分解を常
に一定の圧力の下に行なうので、表面被覆率は変化せず
、化合物は基板の全面にわたって均一に成長し、その成
長厚は原料ガス導入の1サイクル毎に、形成される化合
物の単分子層の厚さである。また常にアルシンなどの微
量のV族または■族元素を含む水素化物を流しておくの
で、AsなどのV族また■族元素の空孔の発生が極めて
少ない、また常時水素ガスを流しているので、水素の還
元作用により、遊離したメチル基がメタンとなるので成
長層中に混入せず、炭素アクセプタが減少し、高純度の
成長層が得られる。この点については、有機金属化合物
としてエチル基を有するものを使用すると一層改善され
る。
As explained above, in the present invention, while flowing a hydride containing a trace amount of a group V or group II element together with a hydrogen carrier gas onto a substrate, an organic metal containing a group III element or a group III element diluted with hydrogen is used. A compound and a hydride containing a group V or group II element diluted with hydrogen are alternately introduced onto the substrate to form a monoatomic layer of a group m or group II element and a V group element on the substrate.
Monoatomic layers of group elements or group (ii) elements are formed alternately, and a (i)-v group compound or (ii)-(ii) group compound semiconductor is formed as a stack of molecular layers. In this way, the adsorption and thermal decomposition of the molecular layer is always carried out under a constant pressure, so the surface coverage does not change, the compound grows uniformly over the entire surface of the substrate, and the growth thickness changes in one cycle of introducing the raw material gas. is the thickness of the monolayer of the compound formed. In addition, since a hydride containing a small amount of Group V or Group II elements such as arsine is constantly flowing, the generation of vacancies of Group V or Group II elements such as As is extremely small.Also, since hydrogen gas is constantly flowing, Due to the reducing action of hydrogen, free methyl groups become methane, so they are not mixed into the growth layer, carbon acceptors are reduced, and a highly pure growth layer is obtained. This point can be further improved by using an organometallic compound having an ethyl group.

本発明の方法によって形成したヘテロ構造の化合物半導
体はへテロ界面に凹凸がなく、量子井戸発光は単一量子
準位からの発光なので半値幅が狭い利点がある。またへ
テロ界面を電子が走行する際に界面の凹凸による散乱が
ない。
The compound semiconductor having a heterostructure formed by the method of the present invention has the advantage that there is no unevenness at the hetero interface, and that the quantum well light emission has a narrow half-width because it is light emission from a single quantum level. Furthermore, when electrons travel across the heterointerface, there is no scattering due to the unevenness of the interface.

さらに本発明によれば規則混晶の作製を容易に行なうこ
とができる。
Furthermore, according to the present invention, ordered mixed crystals can be easily produced.

本発明によれば、基板の広い面積にわたって高純度の化
合物半導体を一様に形成でき、またヘテ。
According to the present invention, a high-purity compound semiconductor can be uniformly formed over a wide area of a substrate.

口界面が原子的に平均なヘテロ構造の化合物半導体、規
則混晶の化合物半導体が形成できるので。
It is possible to form compound semiconductors with heterostructures and ordered mixed crystals with an atomically average interface.

FETやレーザ素子などへ広く応用することができる。It can be widely applied to FETs, laser elements, etc.

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

第1図は本発明の詳細な説明する図、 第2図は従来の有機金属熱分解気相成長(MOCVD)
法の作用を説明する図、第3図はxocvn法による化
合物半導体の成長厚の分布を示す図、 第4図は従来の分子層エピタキシ(MLE)法の作用を
説明する図、 第5図は本発明の装置の実施例の概要を示す図、 第6図は常時流すアルシンの濃度の効果を示す図、 第7図は原料ガス導入の一例としてのタイムチャート図
、 第8図はAs単原子層を形成するアルシンの濃度の効果
を示す図、 第9図はトリメチルガリウムの濃度の効果を示す図、 第1O図は成長温度の成長量への影響を示す図、 第11図は本発明方法によって成長させたGaAsの成
長厚さの分布を示す図、 第12図はGaAs成長厚さの原料ガス導入サイクル依
存性を示す図、 第13図はへテロ構造化合物半導体を形成するための原
料ガス導入の一例としてのタイムチャート図。 第14図は形成されたヘテロ構造を説明する図、 第15図は形成された規則混晶を説明する図である。 1・・・基板、 2・・・速度境面層、 3・・・反応槽、 4・・・基板支持台、 5・・・加熱装置、 6・・・配管。 7・・・制御装置。 代 理 人  弁理士  谷   義  −第1図 、                        
    、3第2図 基板ヱの上5を鳩からの■艙 AsH3 第5図 AsH3モル分牢 (X 10−’) 第6図 +/ブイクルーー÷ 第7図 AsH3七ル分甲 第8図 TMσ 七ル分申 第9図 洗表渫L″C 第1O図 0      差4反ヱの上5ffLf4Tつ9の距^
稙C気第11図 ザイクル教 第12図 (b) 第13図 第14図 第15図
Fig. 1 is a diagram explaining the present invention in detail, Fig. 2 is a diagram showing conventional metal organic pyrolysis vapor deposition (MOCVD).
Figure 3 is a diagram showing the growth thickness distribution of compound semiconductors by the xocvn method. Figure 4 is a diagram explaining the operation of the conventional molecular layer epitaxy (MLE) method. Figure 6 is a diagram showing the effect of the concentration of constantly flowing arsine; Figure 7 is a time chart as an example of raw material gas introduction; Figure 8 is a monoatomic As Figure 9 shows the effect of the concentration of arsine forming the layer; Figure 9 shows the effect of the concentration of trimethyl gallium; Figure 1O shows the effect of growth temperature on the amount of growth; Figure 11 shows the method of the present invention. Figure 12 is a diagram showing the dependence of the GaAs growth thickness on the source gas introduction cycle, and Figure 13 is the distribution of the source gas for forming a heterostructure compound semiconductor. A time chart diagram as an example of introduction. FIG. 14 is a diagram illustrating the formed heterostructure, and FIG. 15 is a diagram illustrating the formed ordered mixed crystal. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Substrate, 2... Velocity interface layer, 3... Reaction tank, 4... Substrate support stand, 5... Heating device, 6... Piping. 7...Control device. Agent Yoshi Tani, patent attorney - Figure 1,
, 3 Figure 2 The top 5 of the board ヶ from the pigeon ■ AsH3 Figure 5 AsH3 mole division (X 10-') Figure 6 +/buoy crew ÷ Figure 7 AsH3 7 Ru division A Figure 8 TMσ 7 Figure 9 of the table of contents L″C Figure 1O Figure 0 Difference 4 antiポ Top 5ff Lf 4T x 9 distance ^
稹C Qi Figure 11 Seikurism Figure 12 (b) Figure 13 Figure 14 Figure 15

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1)III族またはII族元素を含む有機金属化合物および
V族またはVI族元素を含む水素化物を加熱された基板上
に輸送し、熱分解によってIII−V族またはII−VI族化
合物半導体を基板上に成長させる化合物半導体薄膜形成
法において、 水素キャリアガスと共に、有機金属化合物と反応してI
II−V族化合物またはII−VI族化合物を形成しない第1
の濃度に希釈されたV族またはVI族元素を含む水素化物
を常時流しながら、水素によって前記第1の濃度より高
い第2の濃度に希釈された前記水素化物を前記基板上に
導入する過程と、 前記第2の濃度に希釈された水素化物の導入を停止する
過程と、 水素で希釈されたIII族またはII族元素を含む有機金属
化合物を前記基板上に導入する過程 と、 前記有機金属化合物の導入を停止する過程 を繰り返すことを特徴とする化合物半導体薄膜形成法。 2)前記基板の温度が430℃以上520℃以下である
ことを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の化合物半
導体薄膜形成法。 3)前記水素化物の第1の濃度が4×10^−^5モル
分率以下であることを特徴とする特許請求の範囲第1項
記載の化合物半導体薄膜形成法。 4)前記水素化物の第2の濃度が1×10^−^3モル
分率以上であることを特徴とする特許請求の範囲第1項
記載の化合物半導体薄膜形成法。 5)前記有機金属化合物の希釈濃度が1×10^−^4
モル分率以上であることを特徴とする特許請求の範囲第
1項記載の化合物半導体薄膜形成法。 6)前記有機金属化合物として、金属元素の異なる2種
類の有機金属化合物を基板上に導入することを特徴とす
る特許請求の範囲第1項ないし第5項記載の化合物半導
体薄膜形成法。 7)前記有機金属化合物が、エチル基を有する有機金属
化合物であることを特徴とする特許請求の範囲第1項な
いし第6項記載の化合物半導体薄膜形成法。 8)III族またはII族元素を含む有機金属化合物および
V族またはVI族元素を含む水素化物を加熱された基板上
に輸送し、熱分解によってIII−V族またはII−VI族化
合物半導体を基板上に成長させる化合物半導体薄膜形成
装置において、前記有機金属化合物を輸送する系は一つ
以上であり、前記一つ以上の有機金属化合物輸送系およ
び前記水素化物を輸送する系の輸送時間と輸送量を制御
する制御系を有し、かつ水素キャリアガスによって希釈
された水素化物を輸送する系を有することを特徴とする
化合物半導体薄膜形成装置。
[Scope of Claims] 1) An organometallic compound containing a group III or II element and a hydride containing a group V or VI element are transported onto a heated substrate and pyrolyzed to form a group III-V or II- In a compound semiconductor thin film formation method in which Group VI compound semiconductors are grown on a substrate, I
A first compound that does not form a group II-V compound or a group II-VI compound.
introducing the hydride diluted with hydrogen to a second concentration higher than the first concentration onto the substrate while constantly flowing a hydride containing a Group V or VI element diluted to a concentration of , a step of stopping the introduction of the hydride diluted to the second concentration; a step of introducing an organometallic compound containing a group III or group II element diluted with hydrogen onto the substrate; and a step of introducing the organometallic compound containing a group III or group II element diluted with hydrogen. A compound semiconductor thin film forming method characterized by repeating the process of stopping the introduction of. 2) The compound semiconductor thin film forming method according to claim 1, wherein the temperature of the substrate is 430°C or more and 520°C or less. 3) The method for forming a compound semiconductor thin film according to claim 1, wherein the first concentration of the hydride is 4×10^-^5 mole fraction or less. 4) The method for forming a compound semiconductor thin film according to claim 1, wherein the second concentration of the hydride is 1×10^-^3 mole fraction or more. 5) The dilution concentration of the organometallic compound is 1×10^-^4
2. The method for forming a compound semiconductor thin film according to claim 1, wherein the molar fraction is greater than or equal to the mole fraction. 6) The method for forming a compound semiconductor thin film according to any one of claims 1 to 5, characterized in that two types of organometallic compounds containing different metal elements are introduced onto the substrate as the organometallic compound. 7) The method for forming a compound semiconductor thin film according to any one of claims 1 to 6, wherein the organometallic compound is an organometallic compound having an ethyl group. 8) Transport an organometallic compound containing a group III or group II element and a hydride containing a group V or VI element onto a heated substrate, and convert the group III-V or group II-VI compound semiconductor to the substrate by thermal decomposition. In the device for forming a compound semiconductor thin film that is grown on a compound semiconductor thin film, there is one or more systems that transport the organometallic compound, and the transport time and transport amount of the one or more organometallic compound transport systems and the system that transports the hydride. What is claimed is: 1. A compound semiconductor thin film forming apparatus comprising: a control system for controlling the hydride, and a system for transporting a hydride diluted by a hydrogen carrier gas.
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