JPH0727861B2 - ▲ｉｉｉ▼−▲ｖ▼族化合物半導体結晶の成長方法 - Google Patents

▲ｉｉｉ▼−▲ｖ▼族化合物半導体結晶の成長方法

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Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 本発明は、III−Ｖ族化合物半導体結晶の成長方法に於
いて、そのIII−Ｖ族化合物半導体結晶の１分子層中に
おけるＶ族元素に対するAl元素量（以下、面密度とす
る）の２倍或いは３倍に相当する量のAlからなる層を原
子層エピタキシにて成長させてから他の物質からなる層
を同じく原子層エピタキシにて成長させることに依り、
表面モルフォロジーなどが良好な結晶を得られるように
した。
〔産業上の利用分野〕 本発明は、原子層エピタキシ（atomiclayer epitaxy:AL
E）を利用してIII−Ｖ族化合物半導体結晶を成長させる
方法の改良に関する。
（従来の技術） 現在、半導体結晶を成長させる場合、ALEを適用するこ
とが次第に普及しつつある。
ALEは、例えばIII−Ｖ族化合物半導体結晶を成長させる
場合、基板上にＶ族原子を含む化合物とIII族原子を含
む化合物とを交互に供給することで、原子層を単位とし
てエピタキシャル成長を行う方法である。
この技術は、次に列挙するような特徴を持っている。
（１）成長条件の影響を受けることが少ない。即ち、成
長条件を変更しても、成長結果が殆ど変化しない。
（２）層厚を原子層単位で制御することができる。
（３）良好な表面モルフォロジーが得られる。
（４）均一な結晶層を成長させることができる。
これ等の特徴が得られる理由は、ALEなる技術が、単一
の原子（或いは分子）を交互に供給するものであること
から結晶成長が完全に二次元で行われること、そして、
供給した原子（或いは分子）が基板の表面でセルフ・リ
ミッティング（self−lmitting）効果、即ち、一原子層
分が被着されたら、それ以上は被着されない旨の効果が
あることに起因するとされている。
第10図（Ａ）乃至（Ｅ）はALEを実施して面指数（100）
の基板にGaAsを成長させる場合を解説する為の要部説明
図であり、以下、これ等の図を参照しつつ説明する。
尚、図に於いて、○内に＋を付した信号はGa、×の信号
As、SUBは基板をそれぞれ示している。
第10図（Ａ）参照 （１）図には、GaAs単結晶基板SUBの表面近傍が示され
ている。尚、このGaAs単結晶基板SUBは、最後にAsを流
した状態で終了している。
第10図（Ｂ）参照 （２）有機金属化学気相堆積（metalorganic chemical
vapor deposition:MOCVD）法を適用することに依り、Ga
As単結晶基板SUBの上にGaAs単結晶層を成長させるので
あるが、先ず、GaAs単結晶中の一層分の量のGaを供給す
る。尚、以下の記述では、成長技術として、前記と同様
にMOCVD法を適用するものとする。
第10図（Ｃ）参照 （３）Gaの供給が終了し、一層のGa層が形成された。
第10図（Ｄ）参照 （４）Asを供給し、Ga層の上にAs層を形成する。Asはセ
ルフ・リミッティング効果がある為、Ga層上に余分なAs
は吸着されない。従って、その供給は精密な制御を必要
とせず、充分に行うことができる。
第10図（Ｅ）参照 （５）Asの供給が終了し、一層のAs層が形成された。
図に於ける信号L3はGa単結晶基板SUBの上に形成された
一分子層分のGaAs層を指示している。
この後、更にGaAs層の成長が必要であれば、前記の段階
（２）に戻り、再び、同じ工程を繰り返すことになる。
ところで、ALEに依った場合、成長された結晶について
前記したような特徴が得られることから、セルフ・リミ
ッテイング効果がない物質からなる結晶であっても、原
料を供給する時間を制御し、原料供給の一周期当たりに
於ける成長率を制御することによって一原子層ずつの成
長を行えば、前記（１）に記述したALEの特徴は失われ
るものの、成長された結晶そのものに関しては実質的に
ALEに依った場合の効果が得られることになる。
〔発明が解決しようとする問題点〕
前記したように、ALEは特に化合物半導体結晶を成長さ
せる場合の重要な技術となる気配であり、本発明者等も
トリメチルアルミニウム（TMA:(CH3)3Al)／アルシン（A
sH3）を用いてALEに依るIII−Ｖ族化合物半導体結晶成
長について種々の実験を行ってきたが、該結晶を構成す
る重要な物質であるAlはセルフ・リミッテイング効果を
持たないことが明らかとなり、従って、前記説明したよ
うな通常のALEは適用できないことが判った。
Alは化合物半導体装置を構成する材料として不可欠なも
のであり、例えば、AlAs層とGaAs層とを積層して構成さ
れた超格子が多用されている。その場合、AlAs層とGaAs
層との界面は急峻に変化することが望ましく、例えば、
三原子層分のAlAs層に三原子層分のGaAs層を積層した超
格子が実現されている。この他、微細な組成プロファイ
ル制御が必要である化合物半導体装置、例えば、高電子
移動度トランジスタ（hifh elctron mobility transist
or:HEMT）、共鳴トンネリング・ホット・エレクトロン
・トランジスタ（resonant−tunneling hot electron t
ransistor:RHET）、多重量子井戸（multiquantum well:
MQW）半導体レーザなどは全てAlを必要としている。
このようなことから、III族元素をAlとするIII−Ｖ族化
合物半導体結晶を成長させるには、ALEを適用すること
が好ましいが、前記説明したように、Alにセルフ・リミ
ッティング効果がないから、前記した〔従来の技術〕の
項で説明したようう、原料を供給する時間を制御して原
料供給の一周期当たりの成長率を制御することで例えば
一原子層ずつの成長を行う、所謂、実質的なALEを実施
しなければならない。
ところが、TMA/AsH3系を用い、原料供給の一周期の間に
一分子層の成長が行われるようにTMAの流量条件を設定
して実験したところ、前記説明したALEに依って成長さ
れた結晶の特徴は得られず、特に、良好な表面モルフォ
ロジーが得られなかった。
本発明は、AlをIII族元素とするIII−Ｖ族化合物半導体
結晶を実質的なALEに依って成長させ且つ良質なものが
得られるようにする。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明者等は、Alを含むIII−Ｖ族化合物半導体結晶と
してAlAsを採り、そのALEに依る成長について数多くの
実験を行った。
第１図はAsH3供給量に対するAlAs成長率に関する線図で
ある。
図では、横軸にAsH3を流す時間を、縦軸に原料供給一周
期毎の成長膜厚をそれぞれ採ってある。
この成長を行った際の諸条件を列挙すると次の通りであ
る。
基板:GaAs 基板の面指数：（100） 基板の加熱温度:500〔℃〕 AsH3の流量:50〔cc/分〕 パラメータ:TMAの流量 図から判るように、AsH3を流す時間（供給量）が次第に
増加してゆく場合、TMAの流量が、30〔cc/分〕である
か、或いは、100〔cc/分〕であるかに拘わらず、成長膜
厚は二分子層／周期までは急激に立ち上がり、それを越
えてからは緩徐に上昇している。
第２図は第１図と同様なAsH3供給量に対するAlAs成長率
に関する線図であり、第１図に於いて用いた信号と同記
号は同部分を示すか或いは同じ意味を持つものとする。
この成長を行った際の諸条件を列挙すると次の通りであ
る。
基板:GaAs 基板の面指数：（111） 基板の加熱温度:500〔℃〕 AsH3の流量:50〔cc/分〕 TMAの流量:50〔cc/分〕 図から判るように、この実験例でも、基板の面指数が
（100）の場合と同様、成長膜厚が二分子層／周期まで
は急激に立ち上がり、それを越えてからは緩徐に上昇す
るようになっている。第３図は第１図及び第２図と同様
なAsH3供給量に対するAlAs成長率に関する線図であり、
第１図及び第２図に於いて用いた信号と同記号は同部分
を示すか或いは同じ意味を持つものとする。
この成長を行った際の諸条件を列挙すると次の通りであ
る。
基板:GaAs 基板の面指数：（110） 基板の加熱温度:500〔℃〕 AsH3の流量:50〔cc/分〕 パラメータ:TMAの流量 図から判るように、AsH3を流す時間（供給量）が次第に
増加してゆく場合、TMAの流量が、35〔cc/分〕である
か、或いは、100〔cc/分〕であるかに拘わらず、成長膜
厚は三分子層／周期までは急激に立ち上がり、それを越
えてからは緩徐に上昇している。
第１図乃至第３図に関して説明した各実験は、複数回に
亙り反復しても、常に同じ結果が得られることを確認し
た。これからすると、基板の面指数が（100）或いは（1
11）の場合には２分子層／周期が、また、同じく（11
0）の場合には３分子層／周期が共に特別な成長率であ
ることが理解される。
そこで前記条件に沿ってIII族元素がAlであるIII−Ｖ族
化合物半導体結晶を成長させる実験を繰り返したとこ
ろ、第10図に関して説明した通常のALEに倣って基板上
にAl原子を一原子層分だけ吸着させる成長条件では全く
得られない良好な結晶を再現性良く成長させることがで
きた。
従って、 （１）（100）或いは（111）面上に於いては、AlはIII
−Ｖ族化合物半導体結晶中の面密度の２倍の量を吸着さ
せた状態が安定である。
（２）（110）面上に於いては、AlはIII−Ｖ族化合物半
導体結晶中の面密度の３倍の量を吸着させた状態が安定
である。
ことが結論付けられる。
前記したようなことから、本発明に依るIII−Ｖ族化合
物半導体結晶の成長方法に於いては、 （１）面指数が（100）或いは（111）である基板上にII
I族元素がAlであるIII−Ｖ族化合物半導体結晶を成長さ
せる場合に於いて、III−Ｖ族化合物半導体結晶の２分
子層を構成する量のAlを堆積する第一の工程及び前記II
I−Ｖ族化合物半導体結晶を構成するＶ族元素を供給す
る第二の工程を実施して２分子層分のIII−Ｖ族化合物
半導体結晶を成長させることを特徴とするか、或いは、 （２）面指数が（110）である基板上にIII族元素がAlで
あるIII−Ｖ族化合物半導体結晶を成長させる場合に於
いて、前記III−Ｖ族化合物半導体結晶の３分子層を構
成する量のAlを堆積する第一の工程及び前記III−Ｖ族
化合物半導体結晶を構成するＶ族元素を供給する第二の
工程を実施して３分子層分のIII−Ｖ族化合物半導体結
晶を成長させることを特徴とする。
〔作用〕
前記手段を採ることに依り、Alを含むIII−Ｖ族化合物
半導体結晶を成長させた場合であっても、その表面モル
フォロジー及び均一性を良好なものにすることができ
る。
〔実施例〕
第４図は面指数が（100）である基板の表面にAlAsをALE
成長させた場合の諸条件を説明する為の線図である。
尚、ここで採用されている結晶成長の基本技術はMOCVD
法である。
図では、横軸にTMAの流量を、縦軸に成長一周期毎の膜
厚をそれぞれ採ってある。
図に於いて、♯２は本発明一実施例に依る場合、♯１は
従来例に依る場合、♯３は参考例に依る場合のデータを
それぞれ示している。
このデータを得た他の条件としては、TMAを流す時間は1
0〔秒〕、このとき流されるTMAの単位は〔cc/分〕、AsH
3を流す時間は10〔秒〕で、また、その量は200〔cc/
分〕であり、更にまた、一層の膜厚は2.83〔Å〕であ
る。
図から判るように、従来技術では、TMAの流量が13〔cc/
分〕であったところ、本発明に於いては、26〔cc/分〕
に設定してあり、これに依って、原料供給の一周期当た
り二分子層の成長率が得られ、そして最終的に得られた
AlAs層は極めて良質である。
ここで、面指数が（100）であるGaAs基板上にAlAsを成
長させるプロセスの具体例を説明する。
まず、GaAs基板が配設されている反応室内にAsH3を供給
し、そのGaAs基板の表面にAsを流した状態とし（第10図
（Ａ）と同様な状態）、次いで、反応室にH2を供給して
Asを排気してからTMAを前記説明したように面密度の２
倍に相当する量だけ供給して基板表面にAlを吸着させ、
次いで、反応室にH2を供給して僅かに残留しているTMA
を排気してからAsH3の適当な量を供給する。Asの場合に
は、セルフ・リミッティング効果に依り、必要な量を越
えては吸着されず、再度、表面にAsを流した状態で安定
する。この後は、前記説明した面密度の２倍に相当する
量のTMA並びに適当な量のAsH3それぞれの供給を必要な
回数だけ繰り返せば良い。
第５図は、面指数が（111）である基板の表面にAlAsをA
LE成長させた場合の諸条件を説明する為の線図であり、
第４図に於いて用いた記号と同記号は同部分を示すか或
いは同じ意味を持つものとする。
図に於いて、♯６が本発明一実施例に依る場合、♯５は
従来例に依る場合、♯７は参考例に依る場合の各データ
をそれぞれ示している。
本実施例ではTMAの流量を20〔cc/分〕としてあり、従来
技術が10〔cc/分〕であるから、二倍になっていて、こ
れに依って、原料供給の一周期当たり二分子層の成長率
が得られ、そして、第４図について説明した実施例と同
様にAlAs層は良質であった。尚、具体的なプロセスは前
記説明した面指数（100）の場合と殆ど同じでをる。
第６図は、面指数が（110）である基板の表面にAlAsをA
LE成長させた場合の諸条件を説明する為の線図であり、
第４図及び第５図に於いて用いた記号と同記号は同部分
を示すか或いは同じ意味を持つものとする。
図に於いて、♯13が本発明一実施例に依る場合、♯11は
従来例に依る場合、♯12,♯14,♯15は参考例に依る場合
の各データをそれぞれ示している。
本実施例ではTMAの流量を30〔cc/分〕としてあり、従来
技術が10〔cc/分〕であるから、三倍になっていて、こ
れに依って、原料供給の一周期当たり三分子層の成長率
が得られ、そして、第４図及び第５図について説明した
実施例と同様にAlAs層は良質であった。尚、具体的なプ
ロセスとしては、前記説明した面指数が（100）の場合
と比較すると、TMAの供給量のみを前記説明した面密度
の３倍分に相当する量とするだけが相違し、その他は殆
ど同じである。
第７図は面指数が（100）である基板を用いて本発明を
実施し、AlAs層を成長させた場合のウエハ表面に於ける
顕微鏡写真であり、この際のTMA流量は25〔cc/分〕であ
って、これに依り、原料供給一周期当たり二分子層分の
成長を行ったものであり、第４図に見られる♯２に相当
する。
第８図及び第９図は同じく面指数が（100）である基板
を用い、AlAs層を成長させた場合のウエハ表面における
顕微鏡写真であり、この際のTMA流量は10〔cc/分〕と50
〔cc/分〕であり、それぞれ一原子層／一周期と3.5原子
層／一周期の成長となっていて、第４図に見られる♯１
と♯３に相当している。
第７図乃至第９図に見られるウエハ表面を比較すると第
７図のものが格段に良質であることが理解されよう。
前記各実施例に於いては、TMAを用いたが、これはトリ
エチルアルミニウム（TEA:(C2H5)3Al)に代えても良く、
また、本発明はAlAs以外のAlを含むIII−Ｖ族化合物半
導体結晶の成長に広く適用することが可能であり、更に
また、結晶成長技術としては、MOCVD法のみならず、分
子線エピタキシャル成長（molecular beam epitaxy:MB
E）などを利用することもできる。
〔発明の効果〕
本発明に依るIII−Ｖ族化合物半導体結晶の成長方法で
は、III−Ｖ族化合物半導体結晶中のAlからなる層に於
ける面密度の２倍或いは３倍に相当する量のAlからなる
層を原子層エピタキシにて成長させてから他の物質から
なる層を同じく原子層エピタキシにて成長させることに
依り、二分子層分或いは三分子層分のAlを成長させてか
ら他の物質層を成長させるようにしている。
この構成に依り、Alを含むIII−Ｖ族化合物半導体結晶
を成長させた場合であっても、その表面モルフォロジー
及び均一性を良好なものにすることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図乃至第３図はAsH3の供給量に対するAlAsの成長率
に関する線図、第４図乃至第６図はTMAの流量と成長さ
れる膜厚との関係を示す線図、第７図乃至第９図はウエ
ハに於ける結晶の構造を示す顕微鏡写真、第10図（Ａ）
乃至（Ｅ）は従来のALE成長に於ける物質の積層状態を
解説する為の要部説明図をそれぞれ表している。 図に於いて、SUBは基板、L3は成長されたAlAs或いはGaA
sなど半導体結晶の層をそれぞれ示している。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】面指数が（100）或いは（111）である基板
    上にIII族元素がAlであるIII−Ｖ族化合物半導体結晶を
    成長させる場合に於いて、 前記III−Ｖ族化合物半導体結晶の２分子層を構成する
    量のAlを堆積する第一の工程及び前記III−Ｖ族化合物
    半導体結晶を構成するＶ族元素を供給する第二の工程を
    実施して２分子層分のIII−Ｖ族化合物半導体結晶を成
    長させること を特徴とするIII−Ｖ族化合物半導体結晶の成長方法。
  2. 【請求項２】面指数が（110）である基板上にIII族元素
    がAlであるIII−Ｖ族化合物半導体結晶を成長させる場
    合に於いて、 前記III−Ｖ族化合物半導体結晶の３分子層を構成する
    量のAlを堆積する第一の工程及び前記III−Ｖ族化合物
    半導体結晶を構成するＶ族元素を供給する第二の工程を
    実施して３分子層分のIII−Ｖ族化合物半導体結晶を成
    長させること を特徴とするIII−Ｖ族化合物半導体結晶の成長方法。
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