JPS6355193A - 化合物半導体結晶成長装置 - Google Patents

化合物半導体結晶成長装置

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JPS6355193A
JPS6355193A JP19924586A JP19924586A JPS6355193A JP S6355193 A JPS6355193 A JP S6355193A JP 19924586 A JP19924586 A JP 19924586A JP 19924586 A JP19924586 A JP 19924586A JP S6355193 A JPS6355193 A JP S6355193A
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JP
Japan
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gas
pressure
raw material
valve
reaction tube
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JP19924586A
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Inventor
Taku Matsumoto
卓 松本
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NEC Corp
Original Assignee
NEC Corp
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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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は化合物半導体の気相成長装置に関するものであ
る。
〔従来の技術〕
従来から行われてきた化合物半導体のエピタキシャル成
長方法としては液相エピタキシャル方法(LPE法)、
ガスを用いる気相エピタキシャル方法(VPE法)、■
属元索の輸送方法として塩化物を用いるハロゲン輸送法
(ハロゲン輸送法)、有機金属化合物を用いる有機金属
気相成長法(No−CVD法)等がある。さらには、高
真空中で各元素のビームを飛ばして成長を行う分子線エ
ピタキシー(MBE法)などが知られており、これらの
研究開発が活発に行われている。
ところで、最近数原子層以下、さらには単原子層の超薄
膜およびその積層構造を有する量子効果素子が提案され
超薄膜内二次元電子ガスの特異な電気的および光学的性
質は新たなデバイス機能の可能性を示゛しており、量子
井戸レーザなどへの応用に加えて高速新機能の電子/光
デバイスへの展開が期待されている。
〔発明が解決しようとする問題点〕
しかしながら、従来の化合物半導体のエビタキシャル成
長方法では実現が難しいという問題を有していた2例え
ばMO−CVD法、MBE法においては原料供給量によ
って成長速度が決まるため、原料供給量を少なくして成
長速度を遅くすることによって数原子層レベルの成長制
御が可能であるが、その供給量の精密なモニターと制御
が必要となり。
単原子層レベルで高い制御精度を得るのは困難である。
そこで、最近、スントラ(Suntola)等によって
報告された原子層エピタキシャル法(ALE法)が注目
を集めている〔第16同面体素子、材料コンファレンス
予稿集(T、 5untola、 Extended 
Abstract ofthe 16th Confe
rence on 5olid 5tate Devi
ce and Materiales、 Kobe、 
1984. pp、647−650))、この方法は、
化合物半導体の構成元素、あるいはその元素を含むガス
種を交互に導入することにより一原子層づつ積層して所
望の化合物半導体結晶を成長させようとする方法である
。この方法によると、膜厚の制御のためには従来の原料
ガスや供給時間で成長速度を制御する方法とは異なり、
ガスの切り替え回数を制御すればよいことになり、その
精度は格段に向上することが期待される。またすでに碓
井等、西沢等によって原子層エピタキシャル法(ALE
法)は一定の領域において原料供給量によらず、一原子
層成長が達成されていることが報告されている〔ジャパ
ニーズジャーナルオブアプライド フィジックス(Ja
panese Journal of App−1ie
d Physics) 25,1986.pp、L21
2−214.ジャーナルオブザエレクトロケミカルソサ
イエティ (Jo−urnal of The El、
ectrochemical 5ocj、ety)13
2,1985tPP、 、1197−1200.)。
しかしながら、現在までに報告されている原子層エピタ
キシャル法結晶成長装置はバルブとマスフローコントロ
ーラにより流量を制御していたために、原料ガスの急速
な供給と短時間での切り換えができず、成長サイクルの
時間はほぼガス系の切り換え時間で決まっていた。その
ためとくに厚膜成長には多大の時間を要するという欠点
を有していた。これを克服しようとして余分のガスの排
気も試みられているが、大掛かりな真空装置を必要とす
るなどの欠点を有していた。
本発明の目的は化合物半導体結晶の開管法による原子層
エビタキャル成長法において、従来のかかる欠点を除去
し、短時間で単原子層エピタキシャル成長層を得ること
のできる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〕
本発明は一方の構成元素を含むガス種と、他方の構成元
素を含むガス種との供給を交互に繰り返しながら気相成
長を行う結晶成長装置において、あらかじめ結晶成長に
必要な原料ガスの所定量を反応管圧力より高く設定され
た容器内にとじ込めておき、必要に応じてこの原料ガス
を反応管内に供給する第1のガス供給系と、パージに必
要なパージガスの所定量を原料ガス圧力より高く設定さ
れた容器内にとじ込めておき、原料ガスに連続してこの
パージガスを反応管内に供給する第2のガス供給系とを
有することを特徴とする化合物半導体結晶成長装置であ
る。
C作用〕 本発明による化合物半導体結晶成長装置における原料ガ
ス流量のコントロール部の概略図を第1図に示す。原料
ガスは原料ボンベあるいは原料バブラーから、反応管圧
力以上の一定な供給圧力でステンレス等の配管によりバ
ルブ3.およびバルブ4を経て反応管に送られる。また
パージガスは原料ガス供給圧力以上の圧力でバルブ1.
バルブ2、バルブ4を経て9反応管に送られる。ここで
、まずバルブ3を開くと、原料ガスはバルブ2.バルブ
3.バルブ4間に一定な原料ガス供給圧力で供給される
。ここで、バルブ3を閉めると、バルブ2.バルブ3.
バルブ4間で原料ガスは封止される6またバルブ1を開
くと、パージガスはバルブ1.バルブ2間に一定なパー
ジガス供給圧力で供給される。ここでバルブ1を閉める
と、バルブ1、バルブ2間でパージガスは封止される。
次にバルブ2およびバルブ4を同時に開くと、封止され
ていた原料ガスおよびパージガスは反応管へ噴出し、反
応管圧力と等しくなった°時点で供給は停止される。バ
ルブ1.バルブ2問およびバルブ2゜バルブ3.バルブ
4間へのガスのチャージおよび反応管へのガスの噴出は
極めてすみやかに行われる。またパージガスの供給量は
バルブ1.バルブ2間の体積およびパージガス供給圧力
、反応管圧力を設定することによって、原料ガスの供給
量はバルブ2.バルブ3.バルブ4間の体積および原料
ガス供給圧力、反応管圧力を設定することによって決定
される。ここで、パージガスの供給量を原料ガスの供給
量に対して十分に過剰とし、かつパージガスの供給圧力
を原料ガスの供給圧力に対して十分に高く設定すると、
バルブ4が閉じるときにはパージガス流を遮断すること
になるので、バルブに原料ガスが吸着してメモリー効果
を起こすことはない。つまり、本発明によれば、原料ガ
スの供給とパージを連続して短時間に行うことができる
〔実施例〕
以下、本発明の実施例を図により説明する。
(実施例1) 本実施例はハロゲン輸送法に基づ< ALE法エピタキ
シャル成長装置に本発明を適用し、 GaAs基板結晶
にGaAs層を成長させた例について述べる。成長装置
の概略を第2図に示す。なお多成長室を有するALE成
長装置については碓井等によってジャパニーズジャーナ
ルオブアプライド フィジックス(Japanese 
Journal of Applied Physic
s)25゜1986、ρp、L212−214、に報告
されている。第2図に示す成長装置では、下段の成長室
11の上流にGaソースポート12を置き、その上流か
ら11□キヤリアガスと共に1lc4ガスを供給する。
この結果、GaCnが生成され下流に輸送される。一方
上段の成長室13にはバルブ3を開いてAsの水素化物
であるAstl、を)1□キヤリアガスと共に供給した
。A s H3ガスは反応管中で分解して基板領域では
AS、どなっている。
基板結晶14としてはGaAs(100)面を用いた。
反応管の温度は抵抗加熱炉によりGaソース部は730
℃、基板結晶部は500℃に設定した。ガス流量条件は
次のとおりである。
ガス種   流量 HCQ28ccI11 H,55Qrn AsH3ガスについてはその供給圧力を2気圧、反応管
圧力を1気圧とし、パージガスの圧力を4気圧に設定し
た。バルブ1.バルブ2間の体積を30ccとし、バル
ブ2.バルブ3.バルブ4間の体積を20ccに設定し
た。また、As)I3ガスはH2ベース10%を用いた
。バルブ開閉時間については、まず0.5秒間バルブ1
およびバルブ3を開き、バルブ1およびバルブ3を閉じ
た後、0.1秒後にバルブ2およびバルブ4を1秒間間
いた。従ってAstl、ガスは2cc供給されたものと
考えられる。
成長に際しては下段の成長室11にて5秒間GaCQを
吸着させ、基板結晶14を上段の成長室13へ移動し、
移動完了後にAsH,ガスおよびH2パージガスを連続
して1秒間供給したのち、再び基板結晶を下段の成長室
11へ移動し、これを500回繰り返した。
この結果、鏡面性に優れたエピタキシャル層が得られ、
成長膜厚より単分子層成長(2,83A/サイクル)が
実現されていることを確認した。
(実施例2) 本実施例はMO−CVD法に基づ< ALE法エピタキ
シャル成長装置に本発明を適用し、GaAs基板結晶に
GaAs層を成長させた例について述べる。成長装置の
概略を第3図に示す。■属原料については、Asの水素
化物であるAsH,をH2キャリアガスと共に、バルブ
6を開けて反応管内に導入した。一方、■属原料である
トリメチルガリウム(TMG)については11□キヤリ
アガスにてバブリングし、バルブ3を開いて供給した。
基板結晶14としてはGaAs (100)面を用いた
。基板結晶はカーボンサセプタ16上に設置し、高周波
加熱により基板温度を500℃に設定した。ガス流量条
件は次のとおりである。
ガス種   流量 As1132 secm H2,5sQm TMGについてはその供給圧力を1.1気圧、反応管圧
力を0.1気圧とし、バルブ2.バルブ3.バルブ4間
の体積を20ccとした。パージガスについてはその供
給圧力を2.1気圧とし、バルブ1.バルブ2間の体積
を50ccとした。バルブ開閉時間については、まず0
.5秒間バルブ1およびバルブ3を開き、バルブ1およ
びバルブ3が閉じた後、0.1秒後にバルブ2およびバ
ルブ4を1秒間開けた。従ってTMGガスおよびパージ
ガスは1秒間に連続して供給されたものと考えられる。
バブラーの圧力を一定とするために、バルブ3を閉じた
時にはバルブ5を開けてTMGガスを排気(EXH)に
流している。
成長に際してはTMGガスおよびパージガスを連続して
、バルブ4より供給し、バルブ4を閉じ、As1l、ガ
スをバルブ6より5秒間供給して、11□ガスでパージ
した。これらのバルブ操作を500回繰り返した結果、
鏡面性に優れたエピタキシャル層が得られ、成長膜厚よ
り単分子層成長(2,83A/サイクル)が実現されて
いることを確認した。
〔発明の効果〕
以上述べたように、本発明による化合物半導体結晶成長
装置を用いると、化合物半導体結晶の原子層エピタキシ
ャル法(ALE法)による気相成長において、所定空間
内に容積と圧力を制御することにより原料ガスの流量お
よびパージガスの流量をコントロールすることができ、
バルブ操作によるために原料ガスの高速な供給および急
速なパージが可能であり、また連続して行うことができ
る。
このため、短時間で良質の単原子層エピタキシャル成長
層を得ることができる。また本発明による原料ガスの流
量制御方法はマスフローコントローラ、フロートメータ
等を用いないために、非常に安価な化合物半導体結晶成
長装置を提供できる効果を有するものである。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明による化合物半導体結晶成長装置におけ
る原料ガス流量のコントロール部を示す概略図、第2図
は本発明の実施例1を説明するためのGaAsのハロゲ
ン輸送法に基づ< ALE法による気相エピタキシャル
成長装置を示す概略図、第3図は本発明の実施例2を説
明するためのGaAsのN。 −CVD法に基づ<ALE法による気相エピタキシャル
成長装置を示す概略図である。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)化合物半導体の一方の構成元素を含むガス種と他
    方の構成元素を含むガス種との供給を交互に繰り返しな
    がら気相成長を行う結晶成長装置において、あらかじめ
    結晶成長に必要な原料ガスの所定量を反応管圧力より高
    く設定された容器内にとじ込めておき、必要に応じてこ
    の原料ガスを反応管内に供給する第1のガス供給系と、
    パージに必要なパージガスの所定量を原料ガス圧力より
    高く設定された容器内にとじ込めておき、原料ガスに連
    続してこのパージガスを反応管内に供給する第2のガス
    供給系とを有することを特徴とする化合物半導体結晶成
    長装置。
JP19924586A 1986-08-25 1986-08-25 化合物半導体結晶成長装置 Pending JPS6355193A (ja)

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