JPS63316426A - 化合物半導体の気相成長装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は基板上に化合物半導体等の薄膜を形成するため
の気相成長装置に関する。

〔従来の技術〕

ＩＩＩ　−Ｖ族化合物半導体はシリコンなどに比べて移
動度が大きく高温まで使用できるなどの特徴を有するた
め、近年半導体レーザをはじめ各種デバイスへの適用に
対して研究開発が活発である。これらデバイスに用いら
れる化合物半導体のエピタキシアル膜を炸裂する方法と
して、気相成長法。

液相成長法９分子線エピタキシー法などがあるが。

例えばＡ４Ｇ　ａ　Ａ　ｓなどのエピタキシアル膜を形
成するためには、有機金属例えばトリメチルガリウム（
（ｉａ（ＣＨ）ａ　、以下Ｔ　Ｍ　Ｇとする〕、トリメ
チルアルミニウム（Ａ６（ＣＨ３）　ａ　、以下ＴＭＡ
とする〕およびアルシン（ＡｓＨ３）を原料として用い
、熱分解法（ＭｅｔａＩ３０ｒｇａｎｉｃ　Ｃｈｅｍｉ
ｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　、　　以
下ＭＯＣＶＤとする）で行なうのが大面積のエピタキシ
アル膜を形成する際のｔａ性や嗅厚制御などの点で有利
であることが知られている。

有機金４を用いたＭＯＣＶＤ法の装置の概要を述べるた
めに、その配置と配管系統を模式的に第３図に示す。第
３図において、有機金属のＴＭＧと１’　、ＬＩ　Ａは
それぞれ容器１と容器２４こ収容されているが、これら
は通常液状であるため、水素ポンベ３かものキャリアガ
ス水素によってバブルされ、流縫調整器４．５を経て反
応管６に送られ、また別のボンベ７から送られるアルシ
ンと水素が異なる経路を通ってそれぞれ流量１！ｌ整器
８，９を経て反応管６に導入される。これらガス流路と
反応管６との接続管途中で反応管６の直上に主パルプ１
０を備えている。一方反応管６は）ｔＦ高周波電源１１
に接続された加熱コイル１２の内周に近接して挿入され
ており、同時に反応管６には排気系１３が接続され、排
気糸１３とカス流路との配管途中にバルブ１４を設けで
ある。

この装置を用いて１反応管６の内部に設けたカーボンな
どのサセプタ１５の上にＧａＡｓ結晶基板１６を呈温で
載置し１反応管６内のガス交換および反応管６の昇温を
終え、成長条件が整ってはじめて気相成長が開始される
。キャリアガスの水素によりバブルされ輸送されるＴＭ
Ｇおよび１’　Ｍ　Ａと、別のラインから引き込まれる
アルシンとがキャリアガス水素とともに適当な量比に反
応管６中で合流混合し、これがＲＦ高周波加熱により高
温に保たれた反応管６中で熱分解し、　Ａ−ｅ（ｉａＡ
ｓのエピタキシアル薄膜を結晶基板１６の上に形成する
ことができる。

なおＧａＡｓの薄膜を形成するときは１以上のプロセス
で有機金属はＴＭＧのみを使用すればよい。

また、半導体エピタキシアル薄膜を実用的なデバイスと
して作動させるために１通常はこのエピタキシアル薄膜
にＮ形もしくはＰ形の導電性を付与する必要があり、さ
らにＮ形やＰ形のドーパントガスラインを設けるのが一
般的であるがこれらは第３図には省略した。

以上ＭＯＣＶＤ法の概要を述べたが、得られる化合物半
導体のエピタキシアル薄膜の品質の優劣は電子移動度も
しくはホトルミネ、センス強度（以下ＩＦＬとする）に
より評価されることが多い。エピタキシアル成長膜の品
質を低下させる原因は不純物の混入であり、その可能性
が最も高い不純物元素は配管の微量なリークまたは原料
ガスなどから持ち込まれる酸素である。エピタキシアル
成長膜に取り込まれた酸素はエネルギー的には結晶中で
關い準位を形成し、結晶を高抵抗とし＊　　’ＰＬを大
巾に低下させる。例えばエピタキシアル多層膜からなる
半導体レーザ素子においては、微量の酸素が混入したλ
ｅＧ　ａＡ　ｓ膜が活性層として形成された場合、レー
ザ光の発振開始電流が増大し、著しく素子の信頼性を損
なうことになる。そのため。

Ｍ（ＪＣＶＤ法により、エピタキシアル成膜を成長させ
るとき、装置の配青接合部のリークや原料ガス。

輸送ガスの純度などに対して不純物が入るのを防ぐため
に細心の注慧のもとにチェックを行なっている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、配管や原料などをいかに厳重に点検して
も、実際にはこの装置を用いる限り、僅かな大気がこの
装置系に浸入してくるのを防ぎ切れず、混入する酸素成
分を常に低い一定のレベルに保っておくことはほとんど
不可能であり１例えば製造条件を同じに設定して成長さ
せたんｅＧａＡｓ混晶の間でＩＰＬの値は１桁以上も異
なるものがあるという問題を生じている。これは装置系
外から浸入する不純物酸素がＡｎ（ｉａＡｓ　膜中に取
り込まれることに由来するものである。

本発明は上述の点に鑑みてなされたものであり。

その目的はＭＯＣＶＤ法により成長させる薄膜へ不純物
酸素が混入するのを確実に防止して１例えば半導体レー
ザ素子のような多層膜構造を再現性よく良好な特性を付
与することができる気相成長装置を提供することにある
。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の気相装置の特徴はハニカム状カーボン担体を備
えた酸素除去器を反応管の近傍で反応管より供給ガス上
流側の配管に設置したことにあり。

はじめにこの酸素除去器にのみキャリア水素ガスととも
にｉ’　Ｍ　Ａを流して加熱しカーボン担体上でｉ’　
Ｍ　Ａを熱分解してＡｌをカーボン担体に担持させてお
き１次いでバルブを切り換えて通常のように所定わ１成
の原料ガスを反応管に流すことにより、装置系内外から
入ってくる微量の酸素分をカーボン担体に相持されたＡ
Ａと選択的に反応させ、エピタキシアル成長膜には直接
影響を及ぼさないようにしたものである。

〔作用〕

本発明はＭＯＣＶＤ法によりエピタキシアル膜を成長さ
せるとき、酸素を除去する手段として装置の配管中を流
れるＴＭＡを利用した所に特像があり。

この’ｌ”　Ｍ　Ａを熱分解してカーボン担体にＡｇを
担持させたＩＷ素除去器を配管途中の反応管直前に設置
したものであり、配管中に設けであるから、バルブの切
り換え操作だけではじめＴＭＡを熱分解してカーボンに
ＡＡを枦持させ１次に原料ガスと輸送ガスを通常のよう
に反応管まで流すことができる。したがってエピタキシ
アル膜の成長期間中は原料ガスと輸送ガスは全てこの酸
素除去器を通ることになり、配管中に入り込んで（る微
量の不純物ガス中の酸素はここで選択的にＡＡと反応す
る。Ｍは元来極めて大きな酸化力をもつものであり、微
Ｆｊ酸素分はこのＡｅを優先的に酸化させるため（こ消
ｌ！督されて１反応管まで運ばれることなく１反応％内
で得られるエピタキシアル成長膜には特性を低下させる
可能性の最も高い酸素が取り込まれることがないのであ
る。

〔実施例〕

以下本発明を実施例に基づき説明する。

本発明はＭＯＣＶＤ法にエピタキシアル成長膜を形成す
る第３図の装置と基本的には同じであるが。

異なる所は配管系統の途中に酸素除去器を設けたもので
あり、その設置個所は主バルブ１０と反応骨６の間で反
応管６の近傍とする。

第１図はこの状態を説明するために、酸素除去器１７と
反応′＃６の一部を示した模式的な断面図であり、第３
図と共通する部分には同一符号を用いた。第１図におい
て酸素除去器１７の反応容器１８はフランジで儲をして
密閉状とし、内部に例えば外径５０！ｌφ、高さ５０１
ｍで比表面積が約３００　ｍンｇの／じカム状の高純度
活性炭を担体１９として同じく高純度活性炭の今加の上
に置き１反応容器１８の外周部は内部を流れる原料ガス
を加熱するための抵抗加熱ヒータ２１を巻き、主バルブ
１０かも延びる配管は反応容器１８のフランジにとりつ
け１反応容器１８の底部と１反応管６の７ランジに固定
する配管の途中に三方バルブｎを設けである。

カーボン担体１９にｉＪを担持するのは次のようにして
行なう。主バルブ１０は開とし、三方バルブｎはガス流
が反応管６に導入されることなく配管に点線の矢印で示
した方向の装量糸外に放出されるようにしておく。水素
ガスを反応容器１８に流し。

これが外部へ放出される状態で、ヒータ２１をＴＭＡが
分解する温度の５００℃以上Ｍの溶融温度以下の温度範
囲内に加熱した後、輸送ガスの水素とともに、気相成長
の原料ガスＴＭＡを反応容器１８に送り込むと、加熱さ
れたノ・ニカム状活性炭の担体１９の表面でｌ″ＭＡが
熱分解し、その時生じたＡＡが担体１９の細孔中に吸着
し担持される。例えばｌＸ１０１’１）Ｏｅ／２のＴ　
Ｍ　Ａを含む水素ガスを毎分１ｐの割合で反応容器１８
中を流し％　５５０℃の温度で１０分間カーボン担体１
９にＡｋを担持させたとき、担持されたＡｐの比表面積
は３０ｍンｇとなる。次に王バルブ１０を閉とし、ヒー
タ２１による加熱を停止し１反応容器】８内を室温に戻
す。

かくして得られた反応容器１８とＡｇの相持されたカー
ボン担体１９からなる酸素除去器１７を用いて引続きエ
ピタキシアル成長を開始することができる。

ずなわち主バルブ１０を開き、三方バルブｎはガス流が
実線の矢印方向の反応管６に導入されるようにした後１
通常の手順により、輸送ガス、水素と所望の組成をもつ
原料ガスを反応管６に送り、基板１６上をこエピタキシ
アル成長させるのである。

次にこの酸素除去器１７を用いた場合と用いない場合と
についての特性比較を述べる。作製した結晶はＰ形でキ
ャリア濃度１　ｘ　１０”／ｃｄ　　を有するＡＡ。１
Ｇａｏ、ｇＡｓ薄膜であり、成長条件は成長温度７５０
℃。

■／ｌＩｌ比１００．全流−１ｉ５で、ｐ形のドーパン
ト原料はジエチルジンクを用いた常圧成長である。これ
らの条件は全試料につ′いて共通とし、異なる所は酸素
除去器１７の使用の有無のみであり、それぞれ５回づつ
エピタキシアル成長させた。特性比較はＩＰＬにより行
ない、得られた結果を第２図に示す。

第２図の縦軸は酸素除去器を用いないときに得ら。

れる最も低いＩＰＬを１として規格化した値を示し。

横用は酸素除去器を使用しないもの囚、使用したちのＩ
ＢＩを表わす棒グラフである。第２図から本発明による
酸素除去器を備えた装置により形成されたＡｌ　（１１
Ｇａ　Ｏ，ｇ　Ａ　８薄膜（ＨのＩＰＬが従来の装置ノ
モノ（Ｎに比べて１桁以上高い値を示し、しかもばらつ
きが少なく狭い範凹に集中していることがわかる。

このことは反応管６に流入する直前の原料ガス。

輸送ガス中に含まれる微ｆｌ！！！！２素が酸素除去器
１７のカーボン担体１９に担持された高純度のＭ微粒子
と２Ａｎ＋３０→ＡＪ　ｚＯ３による反応を起こし、微
量酸素分が選択的にトラップされ、エピタキシアル成長
膜に混入する酸素が非常に少なくなり、しかも極めて低
い一定のレベルｌこ保たれることに基づくものである。

このようにＡＡＧａＡｓ化合物はとくに敏感な酸素の影
響さえな（すことができれば特性を著しく向上させるこ
とができる。

以上のごとく１本発明は高純度で活性なｈｅが大きな酸
化力を有することから、そのＭを原料ガスのＴ　Ｍ　Ａ
を利用してつくり出し、配管中に酸素を除去するために
設け、簡単なバルブ操作でエピタキシアル膜中に酸素が
取り込まれないようにしたものである。

〔発明の効果〕

有機金属を用いた化合物半導体のエピタキシアル成長膜
は、従来原料ガス、輸送ガスおよび装置の配管接続部な
どから浸入する微量の酸素分が。

とくにＡｐＧａＡｓ膜に対しては敏感に作用して特性を
低下させていたのに対し１本発明では実施例で述べたよ
うに、原料ガスであるＴＭＡをうまく利用して、これを
熱分解して得られるＡｇ微粒子の担持された担体を容器
内に備えた酸素除去器を配管に取りつげ、その設置個所
をガス流が反応管に流入する直前の位置としたため、配
管中を流れる不純物酸素を含んだガスは、はとんどかこ
の酸素除去器を通過した後１反応管に入るようになり、
微量酸素分は酸素除去器中の極めて酸化速度の大きいＡ
ｇ微粒子に捕えられて反応し、Ａ−ｅ酸化物となってし
まうので、反応管まで到達することがない。すなわち反
応管内に存在する酸素は極めて低い一定レベルを保つこ
とができ、その結果反応管内で形成されるエピタキシア
ル成長膜の特性が飛躍的に向上するようになった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による酸素除去器と反応管との取りつけ
状態を示した模式的な部分断面図、第２図はＡｌ３　ｏ
、＋　Ｇ　ａ　Ｏ，９Ａ　８膜のＩＰＬを本発明の装置
により作製したものと従来のものとの比較を示した棒グ
ラフ、第３図はＭＯＣＶＤ法の装置を説明するための系
統図である。 ６・・・反応管、ｌＯ・・・主パルプ、　１６・・・基
板、１７・・・酸素除去器、１８・・・反応容器、１９
・・・担体、２１・・・ヒータ。 ｎ・・・三方パルプ。 第７図 ｗ４２図 第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）１種類はＡｌを含む２種類以上の有機金属ガスを用
   いて、これらを輸送ガスにより反応管に導き、反応管内
   の高温に加熱した基板上で有機金属を熱分解させること
   により化合物半導体を気相成長する装置であって、反応
   管にガスが流入する配管の主パルプと反応管の間に、Ａ
   ｌを含む有機金属を熱分解して生ずるＡｌ微粒子を担持
   した担体を反応容器中に載置してなる酸素除去器と三方
   パルプとをこの順に反応管に接近して備えたことを特徴
   とする化合物半導体の気相成長装置。 ２）特許請求の範囲第１項記載の装置において、Ａｌを
   含む有機金属はトリメチルアルミニウムであることを特
   徴とする化合物半導体の気相成長装置。 ３）特許請求の範囲第１項または第２項に記載の装置に
   おいて化合物半導体はIII−Ｖ族化合物結晶であること
   を特徴とする化合物半導体の気相成長装置。