JPH01280308A - 半導体層の気相成長方法およびその装置 - 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】 〔（既　　要〕 半導体層の気相成長に関し。

厚い半導体層を高速で生成可能とすることを口的とし。

第１の反応管内に設置された単結晶基板を第１の所定温
度に加熱する第１の工程と、所望の半導体単結晶層を構
成する元素を含有する原料ガスを前記第１の反応管内に
導入する第２の工程と、所望の半導体粒子等を構成する
元素を含有する原料ガスを前記第１の反応管に接続され
た第２の反応管内に４人するとともに前記第１の所定温
度より高温に加熱する第３の工程とを含み、前記第１お
よび第２の工程により前記単結晶基板上に前記半導体単
結晶層を生成する間に前記第３の工程を施行することに
より前記半導体粒子を生成させるとともに前記半導体単
結晶層中に分散させるように構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、基板上に半導体層を生成するための化学気相
成長（ＣＶＤ）法の一種およびこれを実施するための装
置の構造に関する。

〔従来の技術〕

ＧａＡｓ等の化合物事４体を用いた半ぷ体デバイスの応
用が２、速に進んでいるが、一般に、これらの半導体デ
バイスの製造においては、基板に化合物半導体層をエピ
タキシャル成長させることが不可欠である。化合物半導
体層のエピタキシャル成長方法として、化学気相成長（
ＣＶＤ）法が広く用いられている。ＧａＡｓ層のエピタ
キシャル成長を例にとると、構成元素であるＧａとＡｓ
を各々含有する気体状の原料物質１例えばトリメチルガ
リウム（ＴＭＧ；（ＣＨ３）　：＋Ｇａ）とアルシン（
Ａｓｆｈ）を成長装置の内部で反応させ、基板上にＧａ
Ａｓ単結晶層を生成させる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、一般に、ＣＶＤ法による半導体層の生成
速度は数μｍ／時程度と遅い。このため１例えば太陽電
池等のように、厚い半導体層を成長させる必要がある場
合に長時間を要する。したがって。

このような大きな層厚の半導体層を必要とする半導体デ
バイスのＮｆｉ性の向上および低コスト化に対して、半
４体層の成長速度の向上が重要な鍵を握っている。

本発明は１層厚の大きな半導体層を高速で成長可能な方
法およびその装置を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、第１の反応管内に設置された単結晶基板を
第１の所定温度に加熱する第１の工程と。

所望の半導体単結晶層を構成する元素を含有する原料ガ
スを前記第１の反応管内に導入する第２の工程と２所望
の半導体粒子等を構成する元素を含有する原料ガスを前
記第１の反応管に接続された第２の反応管内に尊大する
とともに前記第１の所定温度より高温に加熱する第３の
工程とを含み。

前記第１および第２の工程により前記単結晶基板上に前
記半導体単結晶層を生成する間に前記第３の工程を施行
することにより前記半導体粒子を生成させるとともに前
記半導体単結晶層中に分散させることを特徴とする本発
明に係る半導体層形成方法、および、所望の半導体単結
晶層を構成する元素を含有する原料ガスを導入する手段
を存し。

その内部に単結晶基板を設置可能な第１の反応管と、前
記第１の反応管内に設置された前記単結晶基板を第１の
所定温度に加熱する手段と、所望の半導体粒子等を構成
する元素を含有する原料ガスを導入する手段を有し、前
記第１の反応管内に設置された前記単結晶基板近傍に位
置するようにして前記第１の反応管に接続された第２の
反応管と。

前記第２の反応管内に導入された前記半導体粒子構成元
素を含有する原料ガスを加熱する手段とを備えたことを
特徴とする本発明に係る半導体層の気相成長装置によっ
て達成される。

〔作　用〕

通常の気相成長法により半導体層を基板上にエピタキシ
ャル成長させる間に、同一または異種の半導体粒子を生
成させ、これを温度差による熱泳動および拡散により基
板上に導き、成長過程にある前記半導体層中に分散させ
る。このようにして。

半と体重結晶層中に同一または異種の半導体粒子が分散
された構造の半導体層が形成される。この半導体層の成
長速度は、半４体粒子の４人分だけ増大する。

上記半導体粒子は直径１０００人オーダの大きな粒子か
ら、数層子が集合したマイクロクラスターまでの、微粒
子、超微粒子、クラスターが含まれ。

また、原料物質とともに所定の不純物元素を含有する気
体状物質を導入することによって、これらの粒子等に所
望の導電型を付与することができる。

例えば、半導体層中に分散されたｎ型の半導体結晶粒子
は、一種の巨大原子とみなすことができ。

スーパーアトムと称されている（日本物理学会誌４２巻
６５３真（１９８７））。

スーパーアトムは、従来とはまったく異なる半導体デバ
イスの開発の可能性を秘めているものとして期待されて
いる。本発明はこのようなスーパーアトム構造の半導体
層を提供可能とする。

〔実施例〕

以下本発明の実施例を図面を参照して説明する。

以下の実施例においては、　ＧａＡｓから成る化合物半
導体層中に同じ＜　ＧａＡｓから成る化合物半導体層中
が分散して成る半導体の気相成長を例に説明する。

第１図は本発明に係る気相成長装置の概要構成を示す断
面図であって３例えば石英から成る第１の反応管１の内
部に設けられた２例えばグラファイト製のサセプタ２上
には、　ＧａＡｓ単結晶基板３が載置されている。第１
の反応管１の外部には、高周波５’４加熱炉４が設けら
れている。また、第１の反応管１の両端には、エピタキ
シャル成長させる半４体層の原料ガスを導入するための
導入管５゜および、第１の反応管１内部を真空に排気す
るとともに半導体層成長時に所定圧力に保持するための
排気管６とがそれぞれ設けられている。

さらに、第１の反応管１の側方には、　ＧａＡｓ単結晶
基板３近傍に位置するようにして２例えば石英から成る
第２の反応管７が接続されている。反応管７の一端には
、半導体粒子を構成する元素の原料ガスを導入するため
の導入管８が設けられている。反応管７の外部には、電
気炉９が設けられている。電気炉９は１反応管７内部に
導入された原料ガスを所定温度に加熱し、これらの間に
反応を起こさせて半導体粒子を生成する。

排気管６により反応管１および反応管７内を真空に排気
し、高周波誘導加熱炉４によりＧａＡｓ単結晶基板３を
所定温度ＴＧに加熱・保持する。一方。

電気炉９により反応管７内部を所定温度Ｔ、に加熱・保
持する。上記温度はＴｐ　＞　Ｔｃとし１例えばＴｐ　
＝７００℃、　　Ｔ、　＝　６５０℃である。

上記の加熱および排気により１反応管１および７とＧａ
Ａｓ単結晶基板３表面を清浄化したのち、温度をそれぞ
れＴ、およびＴＧに保持したまま、導入管５を通して、
側えばＧａＡｓの原料ガスであるトリメデルガリウム（
ＴＭＧ）とアルシン（ＡｓＨ，）を導入する。排気管６
からの排気速度を制御し４反応管１内部の圧力を１例え
ば５ＱＴｏｒｒに保持する。その結果、　ＧａＡｓ単結
晶基板３表面には、毎時１０〜数１０μｍの速度で、　
ＧａＡｓ層中　（図示省略）がエピタキシャル成長する
。

上記の状態で、導入管８を通じて、　ＧａＡｓの原料ガ
スであるＴＭＧとＡｓｈ、を導入する。その結果、これ
らの原料ガスは反応管７内部で反応し、　ＧａＡｓから
成る粒子１０を生成する。粒子１０はＴ、　−Ｔ、　　
の温度差による熱泳動および拡散によりＧａＡｓ単結晶
基板３近傍に移動し、　ＧａＡｓ単結晶基板３表面に堆
積する。一方、　ＧａＡｓ単結晶基板３表面には前記の
ようにＧａＡｓＮがエピタキシャル成長しつつあり。

粒子１０はこのＧａＡｓ層中に埋没される。このように
して、　ＧａＡｓエピタキシャル層とその中に分散され
たＧａＡｓ粒子１０から成る半導体層が所定厚さに生成
されたとき、４入管５および導入管８のそれぞれからの
原料ガスの導入および高周波誘導加熱炉４と電気炉９に
よる加熱を停止する。

従来、気体状のアルミニウム化合物とアンモニアガスと
から窒化アルミニウム（ＡＩＮ）膜を気相成長させる際
の成長速度を増大する方法として、高温で上記原料ガス
を反応させ、これより低温に保持された基板上にＡＩＮ
の粒子と層を堆積する方法が報告されている（ｔｌ、　
Ｋｏｍｉｙａ　ｅｔ　ａｌ、、　　Ｊｐｎ、　　Ｊ。

Ａｐｐｌ、　ｒ’ｈｙｓ、　２４．　Ｎｏ、１０．１９
８５　ｐｐ、Ｌ７９５−Ｌ７Ｑ７）　。

しかし、上記の報告の方法は、原理的には第１図におけ
る第２の反応管７に相当する部分のみを用いて旧Ｎ膜を
生成しており１本発明におけるような通常のＣＶＤ成長
との併用を行っていない。

第２図は本発明の方法によって生成された半導体層の断
面構造を示す図であって１例えばＧａＡｓ単結晶基板２
０上には、上記４人管５から供給された原料ガスによっ
てエピタキシャル成長したＧａＡｓ１ｌｉ結晶層２１が
形成されており、　ＧａＡｓ単結晶層２１中に。

上記導入管８から供給された原料ガスによって生成した
ＧａＡｓ粒子２２が分散されている。したがって。

ＧａＡｓ　ｉＪ結晶層２１のみを成長させた場合より、
　ＧａＡｓ粒子２２の分だけ層厚が大きい。すなわち、
　ＧａＡｓ粒子２２０分だけ成長速度が増大する。

上記実施例において、基板としてシリコンウェハを、ま
た１反応管ｌおよび２のそれぞれに対する導入原料ガス
としてＳｉＨ４を用いれば、基板上にはＳｉ３粒子が分
散したＳｉエピタキシャル層が成長する。

ところで、上記実施例において、導入管８から。

例えばガリウム・アルミニウム砒素（ＧａＡＩＡｓ）の
原料ガスであるＴＭＧ、　）リメチルアルミニウム（Ｔ
Ｍ八：（ＣＨ３）　ｚＡＩ）　、　ＡＳＨ３およびｎ型
不純物であるシリコン（Ｓｉ）の原料ガスであるシラン
（ＳｉＨｎ）を導入すると、　ＧａＡｓ粒子１０の代わ
りにｎ型ＧａＡｌＡｓ粒子が生成される。すなわち、第
２図において、　ＧａＡｓ単結晶層２１中にｎ型ＧａＡ
ｌＡｓ粒子が分散された構造の半導体層が得られる。

このような半導体層においては、ｎ型ＧａＡ　ＩＡｓ粒
子には電子が閉じ込められており、その表面における電
子濃度が内部より高くなっている。したがって、　Ｇａ
ＡｌＡｓ粒子を一つの巨人原子とみなすことができる。

このような構造の半導体層の応用については、まだ具体
的に名案されていないが、従来とは異なった新規な半導
体装置が構成できる可能性がある。

上記のように１本発明はＧａＡｓ単結晶層中にＧａＡｓ
粒子、あるいはＧａＡｌＡｓ粒子が分散された構造の半
導体層の形成に限定されず、池の化合物半導体層および
粒子、これらの導電型を含む種々の組合せが可能である
ことは言うまでもない。

〔発明の効果〕

本発明によれば、半導体層の気相成長における成長速度
を増大可能とし１層厚の大きな半導体層を必要とする半
導体デバイスの量産性向上ならびにコスト低減に効果が
ある。また、スーパーアトムを利用した新規な半導体デ
バイスの開発を促進する効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る半導体層気相成長装置の概要構成
を示す模式図。 第２図は１本発明の方法および装置によって形成された
半導体層の断面構造を示す模式図である。 図において。 ｌと７は反応管。 ２はサセプタ。 ３と２０はＧａＡｓ単結晶基板。 ４は高周波誘導加熱炉。 ５と８は導入管。 ６は排気管。 ９は電気炉。 １０と２２はＧａＡｓ粒子。 ２１はＧａＡｓ単結晶層。 である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１の反応管内に設置された単結晶基板を第１の
   所定温度に加熱する第１の工程と、 所望の半導体単結晶層を構成する元素を含有する原料ガ
   スを前記第１の反応管内に導入する第２の工程と、 所望の半導体粒子等を構成する元素を含有する原料ガス
   を前記第１の反応管に接続された第２の反応管内に導入
   するとともに前記第１の所定温度より高温に加熱する第
   ３の工程 とを含み、前記第１および第２の工程により前記単結晶
   基板上に前記半導体単結晶層を生成する間に前記第３の
   工程を施行することにより前記半導体粒子を生成させる
   とともに前記半導体単結晶層中に分散させることを特徴
   とする半導体層の気相成長方法。
2. （２）所望の半導体単結晶層を構成する元素を含有する
   原料ガスを導入する手段を有し、その内部に単結晶基板
   を設置可能な第１の反応管と、 前記第１の反応管内に設置された前記単結晶基板を第１
   の所定温度に加熱する手段と、 所望の半導体粒子等を構成する元素を含有する原料ガス
   を導入する手段を有し、前記第１の反応管内に設置され
   た前記単結晶基板近傍に位置するようにして前記第１の
   反応管に接続された第２の反応管と、 前記第２の反応管内に導入された前記半導体粒子構成元
   素を含有する原料ガスを前記第１の所定温度より高い第
   ２の所定温度に加熱可能な手段とを備えたことを特徴と
   する半導体層の気相成長装置。