JPS6353160B2

JPS6353160B2 -

Info

Publication number: JPS6353160B2
Application number: JP55077390A
Authority: JP
Inventors: Kenya Nakai
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1980-06-09
Filing date: 1980-06-09
Publication date: 1988-10-21
Also published as: JPS573797A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は第族―第族化合物半導体物質の気
相成長装置及びその気相成長方法に係り、特に第
族―第族化合物半導体物質のエピタキシヤル
成長法のうち熱分解法を用いた気相成長装置及び
その気相成長方法の改良に関する。

第族―第族化合物半導体物質（以下化合物
と記す）として、例えばひ化ガリウム（以下
GaAs等と化学記号で記す）、りんひ化ガリウム
（GaAsP）、りん化ガリウム（GaP）等をエピタ
キシヤル成長法により気相成長させる場合、その
製法として第族元素を含むガスと第族元素を
含むガスとを高温雰囲気中で反応させ基板上に化
合物を析出成長させるもので、主なものに不均等
化反応と熱分解反応を利用したものが知られてい
る。

不均等化反応による気相成長法はGaAsを析出
成長させる場合、例えば反応管内へ三塩化ひ素
（AsCl₃）ガス、水素（H₂）ガス、ドープ材を含
むガスを供給し、加熱されたガリウム（Ga）と
反応させ塩化ガリウム（GaCl）を生成し、次に
低温度にてAsCl₃の分解によつて生じたひ素
（As）とGaClを反応させて化合物を得るように
する。この方法によつて得られた化合物はエピタ
キシヤル層の純度が高く、欠陥密度が低く、品質
が優れている。しかし、エピタキシヤル基板面内
の均一性の点で問題が生じる。特にこれらの不均
一性を改善するためには反応管内の温度を高温と
低温に精密制御しなければならず、気相成長装置
が大型化し、かつ高精度化させる必要がある。一
方、熱分解反応を用いたものは上記不均等化反応
を用いる場合に比べて化学反応過程も単純で比較
的均一なエピタキシヤル基板を気相成長させるこ
とができる。しかし、結晶の純度、欠陥密度の点
で上記不均等化反応を用いてエピタキシヤル気相
成長させた化合物より劣るため、例えば高周波素
子用GaAs等を得る場合には熱分解反応を用いた
気相成長装置及びその成長方法は用いられていな
かつた。

本発明は熱分解反応を用いた気相成長装置及び
その方法を用いて上記不均等化反応を用いた気相
成長装置及びその方法を用いて得られると同様又
はそれ以上の高純度かつ低欠陥密度の化合物を得
ようとするものである。

従来、熱分解反応を用いた気相成長装置として
は第１図に示されたものが公知である。この気相
成長装置の概略的な構成は反応管１の外周に高周
波加熱用コイル２を巻回し、該反応管の一方のガ
ス流入口３よりガスを流入させ、他方の排気口４
よりガスを排出させ、この反応管１内に基板載置
台５を軸６の端部に配設し軸６を図示しない電動
機等によつて回動させ、かつ基板載置台５上に載
置したGaAs等の基板７にGaAsの気相成長を行
うようにする。

第１図の構成において、反応管１の内径を80mm
φ、長さ800mmとなし、基板載置台５の直径を５
cmφとし、ガス流入口３よりアルシン（AsH₃）
0.5％、トリメチルガリウム（TMG）0.01％、残
部H₂の混合ガスを流入させ、基板温度を700℃と
し、ガス流速を４／分としたGaAs基板７のエ
ピタキシヤル成長過程においては、その成長速度
が50mmφのGaAs基板７の中央部で0.13μm／分、
周辺部で0.28μm／分であつた。キヤリア濃度は
ｎ＝５×10¹⁶±２×10¹⁶cm^-3のｎ型エピタキシヤ
ル層となり、77〓での易動度は中央部で5600cm²／
V.Sであつた。ガス流速を高めるとGaAs基板７
の中央部での成長速度は上昇した。キヤリア濃度
は原料ガスの濃度および各成分の相対量に依存
し、ｎ＝１×10¹⁶〜１×10¹⁸cm^-3の間ではｐ型ま
たはｎ型の結晶となり、不純物全量が比較的多い
ことがわかる。

このような熱分解法による気相成長装置の反応
管内のガス流についてあまり注意が払われていな
かつたが、これらのガス流について第１図を参照
して観察すると、ガス流入口３より流入したガス
流は基板７近傍に生ずる上昇気流８によつて循環
的に加熱され、基板載置台５と基板７部分の誘導
加熱と相まつて基板７近傍の気体は高温となり膨
張し、比重が小さくなつて上昇し、他の部分の温
度は基板７近傍の温度に比べて低いため第１図に
示すようなガスの流れを生ずる。故にガス流入口
３よりの反応ガスは上昇する高温のガスと反応管
の８ａ部分で出会い基板７よりかなり上方で加熱
されて、熱分解反応を起すことが考えられる。更
に結晶成長とは関係の無い或いはエピタキシヤル
成長を阻害するような化学反応を生ずることも考
えられる。従つて基板７の表面に達する原料ガス
の濃度は所定の供給原料ガス濃度に比較して低下
し、気相成長を阻害するような化学反応を生ずれ
ば必然的に清浄な気相成長を害する原因となる。

このような欠点を取り除くためにガス流の線速
度を高めたり、反応ガス濃度を高める等の対策も
考えられるが上昇気流等の発生を防止することは
できない。

上述の如き上昇気流の発生を防止する気相成長
装置の一従来例を第２図について詳記する。第２
図の構成において第１図と同一部分には同一符号
を付して説明を省略するが、ガス流入口３ａ，３
ｂを設け、同じく排気口４ａ，４ｂも複数個配設
し、基板載置台５上には複数の基板７ａ，７ｂを
載置する。更にこの基板載置台と対向して反応ガ
ス供給パイプ９を配設する。該反応ガス供給パイ
プ９の下端には上記基板載置台５を覆う程度の大
きさを有する例えば円柱状の膨出部９ａを有し、
この基板載置台と対向する面に複数のガス吹出し
用のノズル９ｂを穿設する。また基板７ａ，７ｂ
と反応ガス供給パイプ膨出部９ａより流出するガ
ス流の相対位置を可変させるために反応ガス供給
パイプ９または基板載置台５を図示しない電動機
等を介して回転させるように構成する。

このように例えば反応ガス供給パイプ９を回転
させれば複数の基板７ａ，７ｂに反応ガスが間歇
的に吹き付けられ、平均時間が均一化され、同時
に複数の基板間に吹き付けられるガス吹付時間を
平均化し得る。

上述の構成の気相成長装置として反応管１の内
径を120mmφとし、反応ガス供給パイプ９として
外径10mmφ、内径１mmφのパイプを用い、この反
応ガス供給パイプ９のガス流入口９ｃより反応ガ
スを流入させ、かつ10r.p.mで時計方向に回転さ
せる。また、基板載置台５は同じく10r.p.mで反
時計方向に回転させ、反応ガス供給パイプにはキ
ヤリアガスのH₂にAsH₃＝0.5％，TMG＝0.01％
を加えたガスを吹き込む。この時、反応ガス供給
パイプ膨出部９ａのノズル９ｂより排出されるガ
ス流量は２／分である。一方、反応管のガス流
入口３ａ，３ｂより４／分のH₂が流され、基
板７として３×３cm²の４枚のGaAsの気相成長を
行なつた。この場合の平均成長速度は0.25μm／
分であり、キヤリア濃度はｎ＝２×10¹⁶cm^- ₃のｎ
型結晶であり、77〓での易動度は4300cm²／V.S.で
あつた。反応ガスの量を変えるとキヤリア濃度は
１×10¹⁶〜１×10¹⁸cm^-3の間でｐ型或いはｎ型の
結晶を呈することは第１図の装置の場合と同じで
あつた。

一般に熱分解反応を利用した気相成長に於い
て、化合物を得る場合特に第族元素と第族元
素のわずかな組成のずれにより結晶の電気的性質
が大きく変化する。このような変化を起させない
で気相成長させるためには次の如き因子が重要な
役割を果す。

(イ)…原料ガスの供給量、ガス流速、拡散速度等に
依存する原料物質の輸送速度。

(ロ)…単数式は複数の基板の反応、特に成長表面で
の触媒反応、即ち化学反応の反応速度。

(ハ)…気相中の族および族元素の原料ガスの相
対濃度。

等である。しかし、上述した第１図に示す従来装
置においては供給されるガス中の気相成分の濃度
と実際に気相成長に寄与する表面近傍の気相中の
成分及びその濃度が大きく異なり不安定な気相成
長法であり、第２図に示すものは得られた複数の
GaAs化合物ではエピタキシヤル層の厚さが面内
若しくは基板間で３％以下という高均一化合物が
得られたが、反応ガスを断続的に基板に供給する
ためガスの組成及び濃度が結晶表面で時間的に変
動し、成長速度のみならず、成長速度の変動に伴
う空間電荷の生成が考えられ、実際には結晶のキ
ヤリアの易動度は低くなる。更にガスの組成とそ
の濃度が最適な状態における成長のみでなく、上
流ガスと下流ガスの交代時の最適な状態からずれ
た状態での気相成長層を含有する。このようなガ
ス変動を小さくした装置または方法を得る点で第
２図の従来例では問題が残る。

本発明は叙上の如き欠点を除いた熱分解反応を
利用した気相成長装置及びその方法を提供するこ
とを目的とする。

本発明はガスの熱対流によつて引き起されるガ
ス組成変動を充分に考慮して良質なかつ高均一な
エピタキシヤル成長層を有する化合物を得ようと
するものである。

本発明の特徴とするところは、反応管のガス流
入口より原料ガス及びキヤリアガス（N₂又はAr
を主体）を第１のガスとして流入させると共に、
この第１のガスの流れを整える第２のガス（H₂
又はH₂とHeの混合ガス）を流入させ、反応管内
の基板載置台上に載置した基板およびその近傍に
第１のガスを集中的に流し、上記基板載置台およ
び基板から離れた位置に第２のガスを流し、特に
第２のガスは第１のガスよりも比重を小さくする
ことにより、基板上方への上昇気流によるガスの
対流を抑制するようにしたものである。

以下、本発明の一実施例を第３図及び第４図に
ついて詳記する。尚第１図及び第２図と同一部分
には同一符号を付して説明を省略する。第３図に
示すものは基板７の載置された基板載置台５と対
向してガス供給パイプ１０を反応管１と同心的に
配設する。このガス供給パイプ１０の一端は先細
とされガス流入口１０ａとし、他端は未広り状部
１０ｂとされ、この末広り状部の外径はほぼ基板
７の直径Ｄと同一径となるように、また内径は基
板載置台５の直径より小さく選択することができ
る。

上述の構成に於て、ガス供給パイプ１０のガス
流入口１０ａより原料ガス及びキヤリアガスたる
第１のガス１１を流入させる。基板７がGaAsで
ある場合にはTMGまたはトリエチルガリウム
（TEG）とAsH₃の混合ガスにN₂と微少のH₂とか
ら成るキヤリアガスを混合したガスを第１のガス
１１となし、一方反応管１のガス流入口３ａ，３
ｂよりは第２のガス１２たる雰囲気用ガスH₂を
供給する。第２のガスは第１のガスに比べて比重
の小さなガスを選択する。具体的には第１のガス
のキヤリアガスとしてはN₂又はArを主体とする
ガス、第２のガスにはH₂又はH₂とHeの混合ガス
を使える。このような第１及び第２のガスは基板
７直上で合流される。今反応管１を流れる（外側
のガス）第２のガス１２の線速度をガス供給パイ
プ１０に流れる第１のガスに比べてやや大きく選
択する。この状態で高周波誘導加熱により基板７
を加熱すると第１図に示すガス流とは異なる第３
図示の如きガス流分布を生じる。即ちこのガス流
分布によれば基板７上方への上昇気流によるガス
の対流が抑制される。第１のガス１１が基板７か
らの加熱によりエピタキシヤル成長温度の700℃
になるとガスの密度は室温の約1/4となるが、第
２のガス１２の比重を第１のガスの比重に比べ小
さく選択しているので上昇気流を生ずることはな
い。また、反応成分を含む第１のガスは基板７近
傍を集中的に流れる。また、反応ガスを含む第１
のガス流速を高く選べば対流によるガスの変化や
不均一性、エピタキシヤル層の特性の低下の度合
を小さくすることができる。

以下、本発明の上記構成による一実施例を説明
する。反応管１の内径80mmφ、ガス供給パイプ１
０の内径を50mmφ、基板載置台５の外径を55mm
φ、基板７の外径を50mmφとし、基板７として
GaAsを該基板載置台上に載置し、第１のガス１
１として２／分のN₂ガスをキヤリアとし、１
％のH₂、0.5％のAsH₃、0.001％のTMGをガス流
入口１１より流入させ、反応管１の流入口３ａ，
３ｂより６／分のH₂を流入させた。基板７を
700℃に加熱しGaAs上に結晶した化合物はｎ型
でキヤリア濃度は２×10¹⁶cm^-3であつた。このキ
ヤリア濃度は第２図の従来例と同程度であるが77
〓での易動度は20000cm²／V.S.と不均等化反応で
得られるものとほぼ同じ程度であり、基板７の中
央部での成長速度は0.23μm／分周辺部では
0.21μm／分であつた。

第４図は本発明の更に他の実施例を示すもの
で、反応管１を横型となし、反応管の流入口３
ａ，３ｂ間にガス仕切板１３を設け、基板７上層
流部で２種類のガスを混合させるように構成した
もので、流入口３ａにはH₂等の比重の小さい第
２ガス１２を流入させ、流入口３ｂには原料ガス
を含む比重の大きいガスをキヤリアとする第１の
ガス１１を流入する。かくすれば基板７及び基板
載置台５の高温度の直前で第１及び第２のガスが
合流し、局部的な加熱に対しても熱対流が最小限
に制御され、第１のガスを基板付近に集中的に流
すことができる。

本発明は叙上の如く構成し、動作するので、第
３図及び第４図に示す気相成長装置及び方法によ
れば、最も良い化合物結晶が得られる。原料ガス
濃度や流速を種々変化させて成長させたところキ
ヤリア濃度は第３図の場合１×10¹⁵〜１×10¹⁹cm
^-3の間でｐ型或いはｎ型の結晶となり、第１図、
第２図の装置に比べて不純物全量が少ないことも
判明した。また、基板付近の気相中の反応成分濃
度を極めて簡単に適当な値とすることができ、基
板より離れた位置での有害な化学反応がないため
濃度の変動も少く、均一なエピタキシヤル成長層
を得ることができる。さらに、原料ガスの利用効
率が高く反応管内壁のAsの付着も低減される等
多くの特徴を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の熱分解反応を利用した気相成長
装置の概略的な側断面図、第２図は第１図の気相
成長装置を改良した概略的な側断面図、第３図は
本発明の熱分解反応を利用した気相成長装置の概
略的な側断面図、第４図は本発明の他の実施例を
示す第３図と同様の側断面図である。１…反応管、２…高周波加熱コイル、３，３
ａ，３ｂ，９ｃ，１０ａ…ガス流入口、４…排気
口、５…基板載置台、７…基板、１０…ガス供給
パイプ、１１…第１のガス、１２…第２のガス。

Claims

【特許請求の範囲】１反応管内に原料ガスとN₂又はArを主体とす
るキヤリアガスを含む第１のガス及び該第１のガ
スの流れを整えるH₂又はH₂とHeの混合ガスより
なる第２のガスを流入させ、上記第１のガスより
第２のガスの比重を小さく選択し、第１のガスを
基板及び基板載置台近傍に集中的に流入させると
共に第２のガスを基板及び基板載置台より離れた
位置に流入させ、基板上方への上昇気流によるガ
スの対流を抑制して、熱分解反応により化合物半
導体を成長させて成る化合物半導体の気相成長方
法。２上記第２のガスの線速度を上記第１のガスの
線速度より大きく選択す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の気相成長
方法。３上記反応管を縦型となし、上記基板載置台と
対向して、ガス流入口が先細でガス流出口が末広
り状で該末広り状部の外径が基板の直径とほぼ等
しい、上記第１のガスを供給するガス供給パイプ
を該反応管と同心的に配設して成ることを特徴と
する特許請求の範囲第１項記載の化合物半導体の
気相成長方法。４上記反応管を横型となし、基板に対し横方向
から第１のガスを下方より第２のガスを上方より
流入させる、第１のガス及び第２のガスを上下に
仕切るガス仕切板を、上記反応管の第１のガスの
流入口と第２のガスの流入口の間に配設して成る
ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の化
合物半導体の気相成長方法。５上記基板にGaAsを用い、第１のガスの原料
ガスとしてTMG，TEG，GaCl，AsH₃等を用い
て成る特許請求の範囲第１項記載の化合物半導体
の気相成長方法。６原料ガスとキヤリアガスを含む第１のガス
と、該第１のガスの流れを整える第２のガスとを
別々に流入させるための複数のガス流入口を有す
る反応管と、該反応管内に基板を載置する基板載
置台と、該基板を加熱する加熱手段とを有する気
相成長装置であつて、該キヤリアガスとしてN₂又はArを主体とする
キヤリアガスを供給する手段と、該第２のガスと
してH₂又はH₂とHeの混合ガスを供給する手段
と、上記第１のガスを基板及び基板載置台近傍に
集中的に流入させると共に上記第２のガスを基板
及び基板載置台より離れた位置に流入させるガス
流入手段とを有する化合物半導体の気相成長装
置。７上記反応管を縦型となし、上記ガス流入手段
は、基板載置台と対向して、ガス流入口が先細で
ガス流出口が末広り状で該末広り状部の外径が基
板の直径とほぼ等しい、上記第１のガスを供給す
るガス供給パイプを、該反応管と同心的に配設
し、該第２のガスの流入口を該ガス供給パイプの
ガス流入口の外側に配設して成ることを特徴とす
る特許請求の範囲第６項記載の化合物半導体の気
相成長装置。８上記反応管を横型となし、上記ガス流入手段
は、基板に対し横方向から第１のガスを下方より
第２のガスを上方より流入させる、第１のガス及
び第２のガスを上下に仕切るガス仕切板を、該反
応管の第１のガスの流入口と第２のガスの流入口
の間に配設して成ることを特徴とする特許請求の
範囲第６項記載の化合物半導体の気相成長装置。