JPH0265124A

JPH0265124A - 化合物半導体の結晶成長方法

Info

Publication number: JPH0265124A
Application number: JP63216781A
Authority: JP
Inventors: Mitsuru Shimazu; 充嶋津; Hiroya Kimura; 浩也木村
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1988-08-30
Filing date: 1988-08-30
Publication date: 1990-03-05

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］この発明は、有機金属気相成長法により化合物半導体の
結晶を成長させる方法に関するものである。

［従来の技術］０機金属気相成長法（オーガニック・メタル・ベーパｍ
−フェイズ・エピタキシ；ＯＭＶＰＥ法）は、有機金属
化合物と金属水素化合物を、反応炉の中で熱分解するこ
とにより、基板上に薄膜の単結晶を成長させる方法であ
る。この方法は、超薄膜の多層構造の形成が容易であり
、量産性も高いので、化合物半導体を用いたヘテロ接合
デバイス用基板の作製に用いられている。ヘテロ接合デ
バイスの中でもヘテロ・バイポーラ・トランジスタ（Ｈ
Ｂ　Ｔ）は超高速で動作するものであるので、盛んに開
発されている。

第２図は、ＨＢＴの一例の構造を示す断面図である。第
２図を参照して、このＨＢＴを説明すると、半絶縁性Ｇ
　ａ　Ａ　ｓ　Ｊ＆ｆｆ１ｌＥ６０の上にはｎ”　−Ｇ
ａＡｓ層６１が形成され、この上にはｎ−ＧａＡｓ層６
２が形成されている。このｎ−ＧａＡｓ層６２の上には
、ｐ”　−ＧａＡｓ層６３が形成されている。このｐ”
−ＧａＡｓ層６３の上には、ｎＡＩＬＧａＡｓ層６４が
形成され、その上にはｎ−ＧａＡｓ層６５か形成されて
いる。コレクタ電極６６は、ｎ−ＧａＡｓ層６２上に形
成され、ベース電極６７は、ｐ＋−ＧａＡｓ層６３の上
に形成され、エミッタ電極６８はｎ−ＧａＡｓ層６５上
に形成されている。ＨＢＴの特性は、ベース層６３とエ
ミツタ層６４の間のｐｎ接合の急峻性に大きく左右され
、ｐｎ接合の界面が急峻なほど優れた特性が得られる。

従来、ＯＭＶＰＥ法ではｐ型ドーパントとしてＺｎが用
いられてきたが、Ｚｎは拡散係数が大さいため、成長中
にベース領域からエミッタ領域に拡散してしまい、急峻
なｐｎ接合をｊ′７ることかできないという問題があっ
た。一方、分子線エビタキンヤル法（モレキュラ・ビー
ム・エピタキシ；ＭＢＥ法）では、拡散係数の小さなり
ｅか一般的に用いられているが、ＯＭＶＰＥ法では、安
全性の問題から、Ｂｅを用いることは困難である。その
ため、Ｚｎに比べて拡散係数が５桁程度小さいＭｇ元素
がドーパントとして検討されている。

このようなＭｇドーパントの原Ｅ１としては、ビスシク
ロペンタジェニルマグネシウム（ＣｐｏＭｇ）または、
ビスメチルシクロペンタジエニルマグネンウム（Ｍ２　
Ｃｐ２　Ｍｇ）が用いられる。これらの原料は、液体ま
たは固体の白゛機金属であり、キャリアガスである水素
によって、化合物半導体の原料である有機金属および金
属水素化物とともに反応管内へ導入され、基板上で熱分
解し、結晶中に取込まれる。

第３図は、このようなＯＭＶＰＥ法による製造装置を示
す概略構成図である。反応管１内にはサセプタ２が設け
られ、サセプタ２上には基板３が置かれている。反応管
１のまわりにはＲＦコイル４が設けられている。キャリ
アガスである水素ガスは、配管５１を通り導入される。

配管５１には、反応管１と接続された配管５２および排
気管５つと接続された配管５３が接続されている。配管
５２には流量計２２が、配管５３には流量計２１が取付
けられている。化合物半導体のＶ族元素の原料であるＡ
ｓＨ，は、ＡｓＨ，容器１１内に入れられており、圧力
調整器３１および流ｒ：Ｌｉ＋　２３を介して配管５６
に接続されている。配管５６は、バルブ３つを介して配
管５３に、バルブ３８を介して配管５２に接続されてい
る。

化合物半導体の■族元素の原料であるトリメチルガリウ
ム（ＴＭＧ）は、ＴＭＧ容器１２内に入れられている。

ＴＭＧ容器１２内には、キャリアガスである水素ガスが
配管５１に接続された配管５４からｍＷ計２４およびバ
ルブ３２を介し導入されている。ＴＭＧ容器１２からの
ガスは、バルブ３３を介して配管５７に導かれている。

バルブ３２とバ′ルブ３３の間にはバルブ３４が設けら
れている。配管５７は、バルブ４１を介して配管５３に
、バルブ４０を介して配管５２に接続されている。

ドーパントのＭｇ元素の原料であるＣｐ２Ｍｇは、Ｃｐ
２Ｍｇ容器１３内に入れられており、このＣ９２Ｍｇ容
器１３には、キャリアガスである水素が、配管５１に接
続された配管５５から、流ｍ　＋ｉ　Ｉ’　２５および
バルブ３５を介して導入されている。Ｃ９２Ｍｇ容器１
３からの化合物ガスは、バルブ３６を介して配管５８に
導かれている。バルブ３５とバルブ３６の間には、バル
ブ３７が設けられている。配管５８は、バルブ４３を介
して配管５３に、バルブ４２を介して配管５２に接続さ
れている。配管５２は、反応管１に接続され、反応管１
からの排気は配管６０によりなされている。

このように、化合物半導体の■族元素であるＧａ元元素
、水素ガスによって反応管１に導入され、化合物半導体
のＶ族元素であるＡｓ元素は水素化物の形で反応管１に
導入される。これらの原料が、反応管１内の加熱された
基板３上で熱分解し、基板３上に化合物半導体結晶を成
長させる。この化合物半導体結晶中に、ｐ型の層を形成
するには、Ｃｐ２Ｍｇガスを反応管１内に導入する。Ｍ
ｇ元素をドーピングする前の状態では、バルブ４３が開
放され、バルブ４２か閉められた状態となっている。こ
のため、Ｃｐ２Ｍｇガスは、バルブ３６、配管５８およ
びバルブ４３を通り配管５３から排気管５つに排出され
る状態となっている。Ｍ　ｇ元素をドーピングさせる場
合には、バルブ４３を閉じ、バルブ４２を開けることに
よって、Ｃｐ２Ｍｇ容器１３からの化合物ガスを、配管
５２に導き、反応管１内に尋人する。所定の厚みでｐ型
の化合物半導体層を成長させた後、バルブ４２を閉じ、
バルブ４３を開いて、再び化合物ガスを、配管５３から
排気管５９に排出させる。

［発明が解決しようとする課題］しかしながら、Ｍｇ元素の原料として用いる有機金属は
、配管や反応管の内壁に吸着するという性質をＨしてい
る。このため、Ｍｇ元素の原料ガスを反応管に導入して
も、配管の内壁や反応管の内壁にこのＭｇ元素の化合物
ガスが吸着し、この吸着が飽和するまでの間、化合物半
導体へのドーピング量が一定にならなかった。また、Ｍ
ｇ元素の原料ガスを反応管への供給から排気管への排気
に切換えた後も、配管の内壁や反応管の内壁にはＭｇ元
素の原料ガスが吸着しており、この吸着ガスか徐々に脱
離し、反応管に供給されるため、切換え後においてもＭ
ｇ元素のドーピングが引き続き起こった。これらの結果
、Ｍｇ元素のドーピングによりＰ層を形成しようとする
場合、急峻なドーピング・プロファイルが得られないと
いう問題点があった。

このような問題点を解決するため、Ｊ、Ｃｒｙｓｔ、Ｇ
ｒｏｗｔｈ、Ｖｏｌ、７７　　Ｐ、３７−４１　（１９
８６）、Ｍ、Ｉ、Ｔｉｍｍｏｎｓ　　ｅｔａｌ、では、
原料ガスの切換バルブを反応管へ近づけている。しかし
ながら、このような方法では、ドーピング・プロファイ
ルの立上がりを若干改善することはできるが、立下がり
は改善されていない。このような立下がりの改善は、Ｈ
ＢＴのようにｐ層の上にｎ層を積層する場合には、大き
な問題となる。

この発明の目的は、Ｍｇ元素のドーピングにおいて、急
峻なドーピング・プロファイルを得ることができる化合
物半導体の結晶成長方法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段］この発明の化合物半導体の結晶成長方法では、化合物半
導体の原料ガスおよびＭｇ元素を含む化合物ガスを用い
、有機金属気相成長法による結晶成長によって、Ｍｇ元
素をドーピングした化合物半導体層とＭｇ元素をドーピ
ングしない化合物半導体層とを積層させており、Ｍｇ元
素を含む化合物ガスを一定の流量で供給しながら、その
ような化合物ガスの流量ではＭｇ元素はドーピングされ
ない結晶成長速度まで成長速度を高めることによって、
Ｍｇ元素をドーピングしない化合物半導体層を形成する
ことを特徴としている。

この発明において、Ｍｇ元素をドーピングした化合物半
導体層の形成とＭｇ元素をドーピングしない化合物半導
体層の形成とを切換える方法としては、たとえば以下の
２通りの方法を挙げることかできる。

ＡＩＬＧａＡｓを例にとって説明すると、１つの方法は
、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）およびＴＭＡ（１−ル
メチルアルミニウム）のラインをそれぞれ２本ずつ用意
し、１組はＭｇがドーピングされない成長速度を与える
流量に設定し、他の１組は所望のドーピング量になる成
長速度を与える流量に設定し、この２組のラインを切換
えることによりドーピングを制御する方法である。もう
１つの方法は、ドーピングの前後において、−旦ＴＭＧ
とＴＭＡのそれぞれのガスを反応管の外に出して成長を
一時中断し、流量を調整した後、成長を開始する方法で
ある。この発明においては、いずれの方法であっても、
ドーピング層の界面の急峻性は、数１０Å以下にするこ
とができる。

なお、この発明により結晶成長される化合物半導体は特
に限定されるものではないが、たとえばＧａＡｓ、Ａｌ
ＧａＡｓ、　　ＩｎＰ、Ｇａ　　Ｉ　　ｎＡｓなどの化
合物干導体を挙げることかできる。

［作用］本発明者等は、Ｍｇ元素のドーピングか成長速度に依存
することに管目し、たとえば０９２ＭｇのようなＭｇの
化合物ガスを一定量で流した状態で、ＧａＡｓの成長速
度を変化させると、成る成長速度以上になるとＭｇ元素
が全くドーピングされなくなる現象を見い出した。この
発明は、このような知見に基づくものである。

Ｍｇ元素を含む化合物ガスの流量によって、Ｍｇ元素か
ドーピングされなくなる成長速度の下限は変化し、Ｍｇ
元素を含む化合物ガスの流量が多いほど下限の成長速度
は大きくなる。下限の成長速度より小さな成長速度では
、Ｍｇのドーピング量は、成長速度に反比例して増加す
る。

従来のように、Ｍｇ元素を含む化合物ガスを反応管へ出
し入れすることによって、Ｍｇの元素のドーピングを制
御する場合には、上述のように、配管等の内壁へのＭｇ
元素の化合物の吸着のために、ドーピング・プロファイ
ルは急峻にならない。

しかしながら、この発明のように、成長速度を変化させ
る場合には、Ｍｇ元素の化合物ガスを一定量にしておき
、化合物半導体の原料ガスのｔＭＱのみを変化させれば
よい。たとえば、ＧａＡｓの結晶成長では、Ｇａの原料
であるＴＭＧの流量を変化させればよい。ＴＭＧは、Ｍ
ｇ元素の化合物ガスのように配管等の内壁への吸着を起
こさないため、急峻なドーピング・プロファイルを形成
することが可能である。ＡＱＧａＡｓのＡＱ原料となる
ＴＭＡの場合にも、ＴＭＧと同様に配管等の内壁への吸
着を起こさないため、このようなＭ　ｇ元素のドーピン
グの制御は、ＡＱＧａＡｓの化合物半導体においても可
能である。さらに、Ｉｎの原料であるＴＭＩ　　（トリ
メチルインジウム）の場合にも同様に配管等の内壁への
吸若か起こらないため、ＩｎＰ、Ｇａ　ＩｎＡｓなどの
化合物半導体結晶においても、この発明を適用し急峻な
ドーピング・プロファイルを形成することが可能である
。

［実施例］以下、この発明の実施例として、ＧａＡｓにＭｇ元素を
ドーピングする場合について説明する。

第１Ａ図は、この発明の一実施例における基板温度の経
時変化を示す図である。第１Ｂ図は、同じくこの発明の
一実施例におけるＡｓＨ，流量の経時変化を示す図であ
る。第１Ｃ図は、同じくこの発明の一実施例におけるＴ
ＭＧ流量の経時変化を示す図である。第１Ｄ図は、同じ
くこの発明の一実施例におけるＣ１２Ｍｇ流量の経時変
化を示す図である。第１Ａ図〜第１Ｄ図に示すように、
まず、反応管内にＡｓ元素の原料であるＡｓＨ。

（アルシン）ガスを１０ｒｒｌｊ／ｍｉｎの流量で流し
ながら、ＧａＡｓ基板を６５０℃の温度まで加熱する。

次に、ＡｓＨ３の流量を３００ｍｆｌ／ｍｉｎとした後
、Ｇａ元元素原料であるＴＭＧを反応管内に導入し、Ｇ
ａＡｓの結晶成長を始めた。

この際、ＧａＡｓの成長速度が２μｍ／ｈｒとなるよう
に、ＴＭＧの流量を７ｍ１Ｌ／ｍｉｎとした。

３０分後に、予め排気管へ流しておいた０９２Ｍｇを反
応管内へ導入した。０９２Ｍｇの流量は、２．５ｍα／
　ｍ　ｉ　ｎに設定した。その３０分後、ＴＭＧを反応
管から排気管に切換えて、成長を中断し、成長速度が１
μｍ／ｈ　ｒとなるようにＴＭＧの流量を３．５ｒ＋ｌ
！に変えた後再びＴＭＧを反応管へ導入しＰ層の成長を
始めた。このようにして１０分間Ｐ層を成長した後、Ｔ
ＭＧを排気管に切換え、成長を中断し、ＴＭＧの流量を
再び７ｍｆｌ　／　ｍ　ｉ　ｎに変え再び反応管へ導入
した。この状態で３０分間成長させた後、ＴＭＧを排気
管に切換え、基板温度を室温に戻し成長を終了した。成
長した結晶層の厚み方向のキャリア密度について、Ｃ−
■測定し、その結果を第１Ｅ図に示した。

比較として、従来の方法で成長させた化合物１６導体層
の厚み方向のキャリア密度のＣ−■測定結果を第４Ｅ図
に示す。なお、第４Ａ図〜第４Ｄ図は、この比較例にお
ける、基板温度、ＡｓＨ，流量、ＴＭＧ流量およびＣ１
２Ｍｇ流量のそれぞれの経時変化を示している。第４Ｃ
図に示すように、この比較例では、ＴＭＧ流量を３゜５
ｍ１ｌ／ｍｉｎの一定流量に保ち、ｐ層に相当する部分
の結晶成長時にのみ、第４Ｄ図に示すように、Ｃ９２Ｍ
ｇを反応管に導入している。

第４Ｅ図に示されるように、従来の方法で成長させた化
合物半導体層においては、Ｐ層のプロファイルか急峻で
はなく、特にドーピング後Ｐ型のままでキャリア密度が
高くなっている。それに比べて、第１Ｅ図に示されるよ
うに、この発明に従う方法により成長させた化合物半導
体層においては、Ｐ層のプロファイルが急峻であり、ド
ーピング後もキャリア密度がドーピング前のレベルまで
戻っている。また、成長速度が大きいときには、Ｍｇ元
素の原料を反応管内に導入しても、キャリア密度が全く
変化しないことがわかる。

なお、このように成長速度を大きくすることによりＭｇ
元素をドーピングしないようにしたＧａＡｓ層について
の液体窒素温度での電子の移動度は、Ｍｇの原料を流さ
ぬことによりＭｇをドーピングしないようにしたＧａＡ
ｓ層と同じであった。

したがって、このような方）去によりＭｇをドーピング
していない結晶層も従来の方法で成長させた結晶層と同
様に高純度であることが確かめられた。

［発明の効果コ以上説明したように、この発明は、Ｍｇ元素を含んだ化
合物ガスを流した状態であっても、成る成長速度以上で
はＭｇが全くドーピングされなくなる現象を利用し、成
長速度を変化させるこ占によって、Ｍｇ元素のドーピン
グを制御している。

このため、従来の方法では問題となった、配管や反応管
等の内壁へのＭｇの化合物ガスの吸容の影響がなくなり
、急峻なＰ層のドーピング・プロファイルを形成するこ
とがＦｉＪ能になる。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図は、この発明の一実施例における基板温度の経
時変化を示す図である。第１Ｂ図は、同じくこの発明の
一実施例におけるＡｓＨ３ａｍの経時変化を示す図であ
る。第１Ｃ図は、同じくこの発明の一実施例におけるＴ
ＭＧ流ユの経時変化を示す図である。第１Ｄ図は、同じ
くこの発明の一実施例におけるＣｐ２ＭｇａＨの経時変
化を示す図である。第１Ｅ図は、この発明の一実施例に
より成長した化合物半導体層の厚み方向のキャリア密度
分量を示す図である。第２図は、ＨＢＴの構造を示す断
面図である。第３図は、何機金属気相成長法による一般
的な製造装置を示す概略構成図である。第４Ａ図は、従
来の方法の一例における基板温度の経時変化を示す図で
ある。第４Ｂ図は、同じ〈従来の方法の一例におけるＡ
ｓＨ，流量の経時変化を示す図である。第４Ｃ図は、同
じ〈従来の方法の一例におけるＴＭＧ流量の経時変化を
示す図である。第４Ｄ図は、同じ〈従来の方法の一例に
おけるＣ２２Ｍｇ流量の経時変化を示す図である。第４
Ｅ図は、従来の方法の一例により成長させた化合物半導
体層の厚み方向のキャリア密度の分布を示す図でる。図において、１は反応管、２はサセプタ、３は基板、４
はＲＦコイル、１］はＡｓＨ，容器、１２はＴＭＧ容器
、１３はＣｐ２Ｍｇ容器、２１〜２５は流量計、３１は
圧力調整器、３２〜４３はバルブ、５１〜５８は配管、
５９は排気管、６０は反応管からの排気管を示す。基板からの厚み（μｌ）基板からの厚み（μｍ）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）化合物半導体の原料ガスおよびＭｇ元素を含む化
合物ガスを用い、有機金属気相成長法による結晶成長に
よって、Ｍｇ元素をドーピングした化合物半導体層とＭ
ｇ元素をドーピングしない化合物半導体層とを積層させ
る化合物半導体の結晶成長方法において、前記Ｍｇ元素を含む化合物ガスを一定の流量で供給しな
がら、前記化合物ガスの前記流量ではＭｇ元素はドーピ
ングされない結晶成長速度まで成長速度を高めることに
よって、前記Ｍｇ元素をドーピングしない化合物半導体
層を形成することを特徴とする、化合物半導体の結晶成
長方法。
（２）前記Ｍｇ元素をドーピングした化合物半導体層の
形成と前記Ｍｇ元素をドーピングしない化合物半導体層
の形成との間で結晶成長を中断させることを特徴とする
、請求項１記載の化合物半導体の結晶成長方法。
（３）前記化合物半導体が、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、
ＩｎＰおよびＧａＩｎＡｓからなる群より選ばれる１種
以上の化合物半導体である、請求項１記載の化合物半導
体の結晶成長方法。