JPH0766906B2 - ＧａＡｓエピタキシャル成長方法 - Google Patents
ＧａＡｓエピタキシャル成長方法Info
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- JPH0766906B2 JPH0766906B2 JP59153973A JP15397384A JPH0766906B2 JP H0766906 B2 JPH0766906 B2 JP H0766906B2 JP 59153973 A JP59153973 A JP 59153973A JP 15397384 A JP15397384 A JP 15397384A JP H0766906 B2 JPH0766906 B2 JP H0766906B2
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Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
- C30B25/02—Epitaxial-layer growth
- C30B25/10—Heating of the reaction chamber or the substrate
- C30B25/105—Heating of the reaction chamber or the substrate by irradiation or electric discharge
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Description
【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野］ 本発明はGaAsの単結晶成長層をガス導入一サイクルに付
き単分子層単位で形成する技術に関し、特に結晶性を向
上し、成長温度の低温化が可能なGaAsエピタキシャル成
長方法に関する。
き単分子層単位で形成する技術に関し、特に結晶性を向
上し、成長温度の低温化が可能なGaAsエピタキシャル成
長方法に関する。
［先行技術とその問題点］ 従来から半導体の薄膜結晶を得るための気相エピタキシ
技術として、有機金属気相成長法（以下、MO−CVD法と
呼ぶ）や分子線エピタキシー法（以下、MBE法と呼ぶ）
が知られている。しかし、MO−CVDはソースとしてTMG等
のIII族,AsH3等のＶ族元素を含むガスを水素ガス等をキ
ャリアとして、同時に反応室へ導入し、熱分解によって
成長させるため、成長層の品質が悪い。また、単分子層
オーダーの制御が困難でありTMGからのカーボンの混入
により結晶の純度が悪い等の欠点がある。
技術として、有機金属気相成長法（以下、MO−CVD法と
呼ぶ）や分子線エピタキシー法（以下、MBE法と呼ぶ）
が知られている。しかし、MO−CVDはソースとしてTMG等
のIII族,AsH3等のＶ族元素を含むガスを水素ガス等をキ
ャリアとして、同時に反応室へ導入し、熱分解によって
成長させるため、成長層の品質が悪い。また、単分子層
オーダーの制御が困難でありTMGからのカーボンの混入
により結晶の純度が悪い等の欠点がある。
一方、超高真空を利用した結晶成長法としてよく知られ
るMBE法は、物理吸着を第一段階とするために、結晶の
品質は化学反応を利用した気相成長法に劣る。GaAsのよ
うなIII−Ｖ族間の化合物半導体を成長する時には、III
族、Ｖ族元素をソースとして用い、ソース源自体を成長
室の中に設置している。このため、ソース源を加熱して
得られる放出ガスと蒸発量の制御、および、ソースの補
給が困難であり、成長速度を長時間一定に保つことが困
難である。また、蒸発物の排出など真空装置が複雑にな
る。更には、化合物半導体の化学量論的組成（ストイキ
オメトリー）を精密に制御することが困難で、結局、高
品質の結晶を得ることができない欠点がある。またサン
トラ等が特開昭55−130876号公報においてALE法を提案
しているがガラス基板上にII−VI族半導体の多結晶やア
モルファスを成長できるのみで単結晶半導体の成長技術
とはなっていない。しかも１サイクル当りの成長膜厚は
1/3分子層以下といった小さな値であるため１分子層で
自己停止する成長法ではなく膜厚制御性が悪い欠点があ
った。またALE法ではIII−Ｖ族化合物半導体やSiが成長
できない欠点があった。このような点に鑑み本願発明者
等は上記従来技術の欠点を除いて、単分子層単位の成長
膜厚の制御性を有し、III−Ｖ族化合物半導体やSiの単
結晶がエピタキシャル成長できる半導体結晶成長装置を
開発した。これを第４図に参照して説明する。
るMBE法は、物理吸着を第一段階とするために、結晶の
品質は化学反応を利用した気相成長法に劣る。GaAsのよ
うなIII−Ｖ族間の化合物半導体を成長する時には、III
族、Ｖ族元素をソースとして用い、ソース源自体を成長
室の中に設置している。このため、ソース源を加熱して
得られる放出ガスと蒸発量の制御、および、ソースの補
給が困難であり、成長速度を長時間一定に保つことが困
難である。また、蒸発物の排出など真空装置が複雑にな
る。更には、化合物半導体の化学量論的組成（ストイキ
オメトリー）を精密に制御することが困難で、結局、高
品質の結晶を得ることができない欠点がある。またサン
トラ等が特開昭55−130876号公報においてALE法を提案
しているがガラス基板上にII−VI族半導体の多結晶やア
モルファスを成長できるのみで単結晶半導体の成長技術
とはなっていない。しかも１サイクル当りの成長膜厚は
1/3分子層以下といった小さな値であるため１分子層で
自己停止する成長法ではなく膜厚制御性が悪い欠点があ
った。またALE法ではIII−Ｖ族化合物半導体やSiが成長
できない欠点があった。このような点に鑑み本願発明者
等は上記従来技術の欠点を除いて、単分子層単位の成長
膜厚の制御性を有し、III−Ｖ族化合物半導体やSiの単
結晶がエピタキシャル成長できる半導体結晶成長装置を
開発した。これを第４図に参照して説明する。
図において、１は成長槽で材質はステンレス等の金属、
２はゲートバルブ等のバルブ、３は１を超高真空に排気
するための排気装置、4,5は例えばIII−Ｖ族化合物半導
体のIII族、Ｖ族の成分元素を含む化合物からなる原料
ガスを導入するノズル、6,7はノズル4,5を開閉するガス
導入用バルブ、８はIII族の成分元素を含む化合物から
なる原料ガス、９はＶの成分元素を含む化合物からなる
原料ガス、10は基板加熱用のヒーターで石英ガラスの基
板支持台に封入したタングステン（Ｗ）線であり、電線
等は図示省略してある。11は測温用の熱電対、12は化合
物半導体の単結晶基板、13は成長槽内の真空度を測るた
めの圧力計である。
２はゲートバルブ等のバルブ、３は１を超高真空に排気
するための排気装置、4,5は例えばIII−Ｖ族化合物半導
体のIII族、Ｖ族の成分元素を含む化合物からなる原料
ガスを導入するノズル、6,7はノズル4,5を開閉するガス
導入用バルブ、８はIII族の成分元素を含む化合物から
なる原料ガス、９はＶの成分元素を含む化合物からなる
原料ガス、10は基板加熱用のヒーターで石英ガラスの基
板支持台に封入したタングステン（Ｗ）線であり、電線
等は図示省略してある。11は測温用の熱電対、12は化合
物半導体の単結晶基板、13は成長槽内の真空度を測るた
めの圧力計である。
GaAsの分子層を一分子層ずつ基板12上にエピタキシャル
成長させる方法は、以下の通りである。即ち、ゲートバ
ルブ等のバルブ２を開けて超高真空排気装置３により、
成長槽１内を10-7〜10-8Pascal（以下、Paと略す）程度
に排気する。次に、GaAs単結晶基板12を例えば300〜800
℃程度ヒーター10により加熱し、Gaを含む原料ガスとし
てTMG（トリメチルガリウム）８を成長槽１内の圧力
が、10-1〜10-7Paになる範囲で、0.5〜10秒間ガス導入
用バルブ６を開けて先端部をGaAs単結晶基板に向けたノ
ズルを介して導入する。その後、ガス導入用バルブ６を
閉じて成長槽１内のガスを排気後、今度はAsを含む原料
ガスとしてAsH3（アルシン）９を圧力が10-1〜10-7Paに
なる範囲で、２〜200秒間ガス導入用バルブ７を開けて
導入する。この１サイクルのガス導入により、単結晶基
板12上にGaAsが少なくとも１分子層成長できる。つまり
ガス導入１サイクルで２分子層成長もできる。以上の操
作を繰り返し、単分子層を次々と成長させることによ
り、ガス導入サイクル数に対応した分子層数を得ること
ができ所望の厚さのGaAsのエピタキシャル成長層を単分
子層の単位で成長させることができる。第４図に示した
ようにノズル4,5の先端部は単結晶基板表面12の方向を
向き、しかも単結晶基板12のすぐ近傍まで配置されてい
るので、原料ガスが基板表面以外の余分なところにまわ
り込まず、ALE法のように、不活性ガスによる拡散バリ
ヤを形成しなくとも原料ガスの交換表面反応の分離が可
能である。また蒸気圧の関係でALE法では使用できなか
ったIII族−Ｖ族の化合物半導体用の原料ガスも用いる
ことができる。
成長させる方法は、以下の通りである。即ち、ゲートバ
ルブ等のバルブ２を開けて超高真空排気装置３により、
成長槽１内を10-7〜10-8Pascal（以下、Paと略す）程度
に排気する。次に、GaAs単結晶基板12を例えば300〜800
℃程度ヒーター10により加熱し、Gaを含む原料ガスとし
てTMG（トリメチルガリウム）８を成長槽１内の圧力
が、10-1〜10-7Paになる範囲で、0.5〜10秒間ガス導入
用バルブ６を開けて先端部をGaAs単結晶基板に向けたノ
ズルを介して導入する。その後、ガス導入用バルブ６を
閉じて成長槽１内のガスを排気後、今度はAsを含む原料
ガスとしてAsH3（アルシン）９を圧力が10-1〜10-7Paに
なる範囲で、２〜200秒間ガス導入用バルブ７を開けて
導入する。この１サイクルのガス導入により、単結晶基
板12上にGaAsが少なくとも１分子層成長できる。つまり
ガス導入１サイクルで２分子層成長もできる。以上の操
作を繰り返し、単分子層を次々と成長させることによ
り、ガス導入サイクル数に対応した分子層数を得ること
ができ所望の厚さのGaAsのエピタキシャル成長層を単分
子層の単位で成長させることができる。第４図に示した
ようにノズル4,5の先端部は単結晶基板表面12の方向を
向き、しかも単結晶基板12のすぐ近傍まで配置されてい
るので、原料ガスが基板表面以外の余分なところにまわ
り込まず、ALE法のように、不活性ガスによる拡散バリ
ヤを形成しなくとも原料ガスの交換表面反応の分離が可
能である。また蒸気圧の関係でALE法では使用できなか
ったIII族−Ｖ族の化合物半導体用の原料ガスも用いる
ことができる。
しかしながら、上記半導体結晶成長装置においては、ガ
ス導入１サイクルに必要な時間が長くまた、成長温度も
高く保たねばならず、ホール移動度の高い良質な結晶を
得ることが困難であった。
ス導入１サイクルに必要な時間が長くまた、成長温度も
高く保たねばならず、ホール移動度の高い良質な結晶を
得ることが困難であった。
［発明の目的］ 本発明は、ガズ導入１サイクルに必要な時間が短く、結
果として成長速度を速くすることが可能な、単分子層単
位のGaAs単結晶をエピタキシャル成長させる方法を提供
することを目的としている。
果として成長速度を速くすることが可能な、単分子層単
位のGaAs単結晶をエピタキシャル成長させる方法を提供
することを目的としている。
［発明の概要］ このため、本発明はGaAs単結晶基板をその上部に保持す
る基板支持台と、該基板支持台をその内部に配置した成
長槽と、該GaAs単結晶基板のみを300〜800℃に加熱する
加熱源と、前記成長槽に接続されたバルブと、該バルブ
に接続された真空排気装置と、前記成長槽の外部から前
記成長槽の内部に導入され先端部が前記GaAs単結晶基板
の表面方向に向けて配設されたAsを含むガス及びGaを含
むガスを導入する少なく共２本のノズルと、該ノズルの
それぞれに配設されたガス導入用バルブと、波長範囲18
0〜600nmのうちの少なく共２種類の異なる波長の光を有
する多波長光源と、前記成長槽の一部に接続された光学
窓とを備えた成長装置によりGaAs単結晶をエピタキシャ
ル成長させる方法であって、 前記加熱源によりGaAs単結晶基板のみを300〜800℃に加
熱しながら、前記ガス導入用バルブの開閉と前記真空排
気装置による真空排気のみにより、前記少なく共２本の
ノズルの一方よりAsを含むガスを導入して排気後、他方
のノズルよりGaを含むガスを導入して排気することによ
り、GaAs単結晶基板表面上における原料ガスの交換表面
反応を行わせ、該交換表面反応の１サイクルに付きGaAs
1分子層を低温成長させるサイクルを所定回数繰り返す
ことにより、所望の分子層数のGaAs単結晶薄膜をエピタ
キシャル成長させると共に、該GaAs単結晶薄膜の結晶性
を向上するため、前記光学窓を介して前記多波長光源か
ら前記GaAs単結晶基板表面に少なく共２種類の表面反応
素過程を励起するに必要な波長の光を照射することを特
徴としている。
る基板支持台と、該基板支持台をその内部に配置した成
長槽と、該GaAs単結晶基板のみを300〜800℃に加熱する
加熱源と、前記成長槽に接続されたバルブと、該バルブ
に接続された真空排気装置と、前記成長槽の外部から前
記成長槽の内部に導入され先端部が前記GaAs単結晶基板
の表面方向に向けて配設されたAsを含むガス及びGaを含
むガスを導入する少なく共２本のノズルと、該ノズルの
それぞれに配設されたガス導入用バルブと、波長範囲18
0〜600nmのうちの少なく共２種類の異なる波長の光を有
する多波長光源と、前記成長槽の一部に接続された光学
窓とを備えた成長装置によりGaAs単結晶をエピタキシャ
ル成長させる方法であって、 前記加熱源によりGaAs単結晶基板のみを300〜800℃に加
熱しながら、前記ガス導入用バルブの開閉と前記真空排
気装置による真空排気のみにより、前記少なく共２本の
ノズルの一方よりAsを含むガスを導入して排気後、他方
のノズルよりGaを含むガスを導入して排気することによ
り、GaAs単結晶基板表面上における原料ガスの交換表面
反応を行わせ、該交換表面反応の１サイクルに付きGaAs
1分子層を低温成長させるサイクルを所定回数繰り返す
ことにより、所望の分子層数のGaAs単結晶薄膜をエピタ
キシャル成長させると共に、該GaAs単結晶薄膜の結晶性
を向上するため、前記光学窓を介して前記多波長光源か
ら前記GaAs単結晶基板表面に少なく共２種類の表面反応
素過程を励起するに必要な波長の光を照射することを特
徴としている。
［発明の実施例］ 以下、本発明の実施例を説明する。
第１図は本発明の一実施例に係る半導体結晶成長装置の
構成図を示したものである。図中、第４図と同一符号は
同一または相当部分を示し、更に、14は単結晶基板照射
用の波長180nm〜600nmの範囲の多波長光源、15は光源か
ら出てくる光を真空槽内に配置された半導体単結晶基板
12に導く光学窓の付いたポートである。
構成図を示したものである。図中、第４図と同一符号は
同一または相当部分を示し、更に、14は単結晶基板照射
用の波長180nm〜600nmの範囲の多波長光源、15は光源か
ら出てくる光を真空槽内に配置された半導体単結晶基板
12に導く光学窓の付いたポートである。
この構成で、今、多波長光源14には500Wの高圧水銀ラン
プ、III族化合物からなる原料ガスとしてはAsH3、Ｖ族
化合物からなる原料ガスとしてはTMG（トリメチルガリ
ウム）を用いる。ゲートバルブ等のバルブ２を開けて超
高真空排気装置３により成長槽１内を10-7〜10-8Pa程度
に排気した後に、GaAs単結晶基板12を例えば300〜800℃
程度に基板支持台を兼ねたヒーター10により加熱をし、
TMGを圧力10-1Pa、４秒間ガス導入用バルブ６を開けて
導入し排気後、ガス導入用バルブ７を開けてAsH3を20秒
間導入するサイクルを繰り返す。このガス導入期間中高
圧水銀ランプ光14はポートの付いた光学窓15を通して単
結晶基板12上に連続的に照射する。これにより、単結晶
基板12上には、前記１サイクル毎にGaAs結晶が少なく共
１分子層エピタキシャル成長する。
プ、III族化合物からなる原料ガスとしてはAsH3、Ｖ族
化合物からなる原料ガスとしてはTMG（トリメチルガリ
ウム）を用いる。ゲートバルブ等のバルブ２を開けて超
高真空排気装置３により成長槽１内を10-7〜10-8Pa程度
に排気した後に、GaAs単結晶基板12を例えば300〜800℃
程度に基板支持台を兼ねたヒーター10により加熱をし、
TMGを圧力10-1Pa、４秒間ガス導入用バルブ６を開けて
導入し排気後、ガス導入用バルブ７を開けてAsH3を20秒
間導入するサイクルを繰り返す。このガス導入期間中高
圧水銀ランプ光14はポートの付いた光学窓15を通して単
結晶基板12上に連続的に照射する。これにより、単結晶
基板12上には、前記１サイクル毎にGaAs結晶が少なく共
１分子層エピタキシャル成長する。
第２図はそのときの１サイクル当りの成長膜厚と成長基
板温度との関係をAsH3導入時間２秒の場合について示し
たもので、黒丸は光照射なし、白丸は光照射があった場
合である。光照射がない場合、成長温度400℃では成長
しない。ガスの導入条件を同一に保ち光照射をすると40
0℃でも成長することが確認された。この導入条件でAsH
3導入時間を40秒とすると、400℃では１サイクル当り１
分子層膜厚で2.8Å成長した。導入時間を80秒、120秒と
増しても2.8Åの膜厚で一定であった。
板温度との関係をAsH3導入時間２秒の場合について示し
たもので、黒丸は光照射なし、白丸は光照射があった場
合である。光照射がない場合、成長温度400℃では成長
しない。ガスの導入条件を同一に保ち光照射をすると40
0℃でも成長することが確認された。この導入条件でAsH
3導入時間を40秒とすると、400℃では１サイクル当り１
分子層膜厚で2.8Å成長した。導入時間を80秒、120秒と
増しても2.8Åの膜厚で一定であった。
成長温度が600℃で光照射した場合でも第２図に示した
ように成長膜厚が増加している。この条件でAsH3導入時
間を20秒とすると、600℃では一サイクル当り２分子層
の5.6Å成長した。
ように成長膜厚が増加している。この条件でAsH3導入時
間を20秒とすると、600℃では一サイクル当り２分子層
の5.6Å成長した。
AsH3導入時間40秒の時と120秒の時も5.6Åであった。つ
まり一サイクル当り２分子層膜厚で飽和して自己停止機
能による成長となっている。更に電気的特性を調べたと
ころ、400℃の場合も600℃の場合も不純物密度が低下
し、電子および正孔のホール移動度が改善されることが
判明した。表面モルフォロジーは400℃の方が良好で２
分子層吸着による600℃の場合は若干くもりの見える表
面であった。
まり一サイクル当り２分子層膜厚で飽和して自己停止機
能による成長となっている。更に電気的特性を調べたと
ころ、400℃の場合も600℃の場合も不純物密度が低下
し、電子および正孔のホール移動度が改善されることが
判明した。表面モルフォロジーは400℃の方が良好で２
分子層吸着による600℃の場合は若干くもりの見える表
面であった。
尚、結晶成長中に水銀ランプ光はガス導入パルスと同期
を取って断続的に照射してもよい、また、光源は高圧水
銀ランプに限らず、AsH3、TMGのGaAs単結晶基板表面で
の付着、結晶成長をそれぞれ促進させるような波長の紫
外光を含む重水素ランプ、Xe−ランプ等のランプ、エキ
シマーレーザー、Arレーザー光をてい倍したものなどを
少なく共２種類用いることができる。この場合、成長温
度500℃でArレーザ光をてい倍した波長257nmの紫外線
と、その一次光514nmを成長温度500℃で同時に照射した
ところ、電気的特性は不純物密度が4.6×1018cm-3から
2.4×1018cm-3へホール移動度が84cm2V-1s-1から110cm2
V-1s-1へと大きく改善された。更に、これらのうちの３
つ以上の異なる波長を組み合せて同時に用いることもで
きる。また、Arレーザもしくは水銀ランプのような連続
光と、ガス導入パルスと同期を取って、同じ位相でパル
ス発振するエキシマレーザ光との組み合わせでも良い。
組み合わせの方がそれぞれの波長の光の強度を調整でき
るので望ましい。また、Gaを含む化合物から成る原料ガ
スとしてはGaCl3などのハロゲン化合物ガスでも良い。
を取って断続的に照射してもよい、また、光源は高圧水
銀ランプに限らず、AsH3、TMGのGaAs単結晶基板表面で
の付着、結晶成長をそれぞれ促進させるような波長の紫
外光を含む重水素ランプ、Xe−ランプ等のランプ、エキ
シマーレーザー、Arレーザー光をてい倍したものなどを
少なく共２種類用いることができる。この場合、成長温
度500℃でArレーザ光をてい倍した波長257nmの紫外線
と、その一次光514nmを成長温度500℃で同時に照射した
ところ、電気的特性は不純物密度が4.6×1018cm-3から
2.4×1018cm-3へホール移動度が84cm2V-1s-1から110cm2
V-1s-1へと大きく改善された。更に、これらのうちの３
つ以上の異なる波長を組み合せて同時に用いることもで
きる。また、Arレーザもしくは水銀ランプのような連続
光と、ガス導入パルスと同期を取って、同じ位相でパル
ス発振するエキシマレーザ光との組み合わせでも良い。
組み合わせの方がそれぞれの波長の光の強度を調整でき
るので望ましい。また、Gaを含む化合物から成る原料ガ
スとしてはGaCl3などのハロゲン化合物ガスでも良い。
前述した作用・効果を生じるのは、エピタキシャル成長
が種々の表面反応素過程より成り立っており、波長180
〜600nmの少なく共２種類の光を照射することにより、
少なく共２種類の表面反応素過程が励起されるためで、
多の素過程は基板加熱による熱エネルギーで励起される
こととなる。
が種々の表面反応素過程より成り立っており、波長180
〜600nmの少なく共２種類の光を照射することにより、
少なく共２種類の表面反応素過程が励起されるためで、
多の素過程は基板加熱による熱エネルギーで励起される
こととなる。
TMGとAsH3との交互導入時においては、GaAs基板表面でT
MGのメチル基が２つ取れて中間生成物のGa（CH3）１と
なる表面分解過程、Ga（CH3）１がGaAs基板表面に吸着
し吸着種となる素過程、吸着種のGa（CH3）１が表面を
マイグレーション（泳動）する素過程、マイグレーショ
ンしたGa（CH3）１が安定な位置に固定される素過程、A
sH3がGaAs表面で分解する素過程、AsH3から分解した吸
着種がGa（CH3）１と表面で反応する素過程、……等々
の種々の素過程があり、それぞれの素過程に必要なエネ
ルギーがある。これらそれぞれのエネルギーを光エネル
ギーで励起すれば良いが、それぞれ固有なエネルギーが
異なるので、異った波長の多波長光励起が必要となる。
表面マイグレーションの素過程が光エネルギーによって
十分に促進される結果、成長膜の結晶性は向上する。光
エネルギーで励起できなかった分のみを熱エネルギーで
補えば良いので、成長温度の低温化が実現できる。TMG
が分解されずメチル基が３つ結合した状態でGaAs基板上
に吸着すると、３つのメチル基はGaAs結晶表面の格子間
隔に比して大き過ぎるため吸着時の立体障害となり、完
全に一分子層を形成するのに必要な個数が表面に吸着で
きない。この場合、ガス導入１サイクルで1/3分子層程
度しか成長せず、また成長膜に欠陥が多い。光でメチル
基を２つ取りはずしGa（CH3）１とし、吸着種の分子サ
イズを小さくすれば１分子層形成に必要な分子数の100
％被着が可能となり、１サイクル１分子層成長となり、
又、欠陥がなく結晶性が良くなる。ガス導入パルスと同
期を取って照射する場合はGa（CH3）１のマイグレーシ
ョンを促進するための波長の光はTMG導入時とその後の
排気時にのみ光照射しAsH3導入時には光照射しなくて良
い。
MGのメチル基が２つ取れて中間生成物のGa（CH3）１と
なる表面分解過程、Ga（CH3）１がGaAs基板表面に吸着
し吸着種となる素過程、吸着種のGa（CH3）１が表面を
マイグレーション（泳動）する素過程、マイグレーショ
ンしたGa（CH3）１が安定な位置に固定される素過程、A
sH3がGaAs表面で分解する素過程、AsH3から分解した吸
着種がGa（CH3）１と表面で反応する素過程、……等々
の種々の素過程があり、それぞれの素過程に必要なエネ
ルギーがある。これらそれぞれのエネルギーを光エネル
ギーで励起すれば良いが、それぞれ固有なエネルギーが
異なるので、異った波長の多波長光励起が必要となる。
表面マイグレーションの素過程が光エネルギーによって
十分に促進される結果、成長膜の結晶性は向上する。光
エネルギーで励起できなかった分のみを熱エネルギーで
補えば良いので、成長温度の低温化が実現できる。TMG
が分解されずメチル基が３つ結合した状態でGaAs基板上
に吸着すると、３つのメチル基はGaAs結晶表面の格子間
隔に比して大き過ぎるため吸着時の立体障害となり、完
全に一分子層を形成するのに必要な個数が表面に吸着で
きない。この場合、ガス導入１サイクルで1/3分子層程
度しか成長せず、また成長膜に欠陥が多い。光でメチル
基を２つ取りはずしGa（CH3）１とし、吸着種の分子サ
イズを小さくすれば１分子層形成に必要な分子数の100
％被着が可能となり、１サイクル１分子層成長となり、
又、欠陥がなく結晶性が良くなる。ガス導入パルスと同
期を取って照射する場合はGa（CH3）１のマイグレーシ
ョンを促進するための波長の光はTMG導入時とその後の
排気時にのみ光照射しAsH3導入時には光照射しなくて良
い。
第３図は本発明の別の実施例を示したものであり、不純
物添加をするためのものである。16,17は例えば不純物
添加に用いるガス状化合物を導入するノズル、18,19は
ノズル16,17を開閉するガス導入用バルブ、20はII族の
成分元素を含むガス状の化合物、21はVI族の成分元素を
含むガス状の化合物である。不純物を添加する以外の部
分は第１図の実施例と同一であるので説明は省略する。
物添加をするためのものである。16,17は例えば不純物
添加に用いるガス状化合物を導入するノズル、18,19は
ノズル16,17を開閉するガス導入用バルブ、20はII族の
成分元素を含むガス状の化合物、21はVI族の成分元素を
含むガス状の化合物である。不純物を添加する以外の部
分は第１図の実施例と同一であるので説明は省略する。
この構成で、ｐ型成長層を形成する場合は、導入原料ガ
スとしてTMG（トリメチルガリウム）８、AsH3（アルシ
ン）９と添加する不純物ガスとしてDMZn（ジメチル亜
鉛）20の３つのガスをそれぞれ別個の時間に循環式に導
入する。また、別の方法としてはTMG 8とDMZn20を同時
にAsH3 9とは交互に導入するか、AsH3 9とDMZn20を同時
にTMG 8とは交互に導入することによって不純物添加が
できる。
スとしてTMG（トリメチルガリウム）８、AsH3（アルシ
ン）９と添加する不純物ガスとしてDMZn（ジメチル亜
鉛）20の３つのガスをそれぞれ別個の時間に循環式に導
入する。また、別の方法としてはTMG 8とDMZn20を同時
にAsH3 9とは交互に導入するか、AsH3 9とDMZn20を同時
にTMG 8とは交互に導入することによって不純物添加が
できる。
尚、不純物ガスとしてはDMCd（ジメチルカドミウム）DM
Mg（ジメチルマグネシウム）、SiH4（モノシラン）、Ge
H4（ゲルマン）などでもよい。
Mg（ジメチルマグネシウム）、SiH4（モノシラン）、Ge
H4（ゲルマン）などでもよい。
次にｎ型成長層の形成は、添加する不純物ガスとしてDM
Se21（ジメチルセレン）TMG 8、AsH3 9と循環式に導入
する。別の方法としてはTMG 8とDMSe21を同時にTMG 8と
は交互に導入することによって不純物添加ができる。こ
れら不純物ガスのそれぞれに固有な波長の光を半導体単
結晶基板表面に照射することにより、高濃度で、結晶性
の良い不純物添加層が得られる。
Se21（ジメチルセレン）TMG 8、AsH3 9と循環式に導入
する。別の方法としてはTMG 8とDMSe21を同時にTMG 8と
は交互に導入することによって不純物添加ができる。こ
れら不純物ガスのそれぞれに固有な波長の光を半導体単
結晶基板表面に照射することにより、高濃度で、結晶性
の良い不純物添加層が得られる。
尚、このときの不純物ガスとしてはDMS（ジメチル硫
黄）、H2S（硫化水素）、H2Se（セレン化水素）などを
用いることができる。
黄）、H2S（硫化水素）、H2Se（セレン化水素）などを
用いることができる。
この場合、不純物ガスの導入流量をAsH39、TMG 8に比
べ、例えば10-3〜10-6程小さく取り、導入時間は0.5〜1
0秒程にすることにより、厚さ方向に所望の不純物密度
分布を有する分子層エピタキシャル成長層が形成でき
る。また、添加する不純物ガスの量と時間を調整するこ
とにより、pn接合、不均一不純物密度分布、npn、npi
n、pnp、pnip等のバイポーラトランジスタ構造、n+i
n+、n+n-n+等の電界効果トランジスタや静電誘導トラン
ジスタ、pnpnのサイリスタ構造等分子層単位で実現でき
ることは勿論である。
べ、例えば10-3〜10-6程小さく取り、導入時間は0.5〜1
0秒程にすることにより、厚さ方向に所望の不純物密度
分布を有する分子層エピタキシャル成長層が形成でき
る。また、添加する不純物ガスの量と時間を調整するこ
とにより、pn接合、不均一不純物密度分布、npn、npi
n、pnp、pnip等のバイポーラトランジスタ構造、n+i
n+、n+n-n+等の電界効果トランジスタや静電誘導トラン
ジスタ、pnpnのサイリスタ構造等分子層単位で実現でき
ることは勿論である。
また、以上の実施例においては加熱源を成長槽１内部に
設けたが、赤外線ランプ等を加熱源として成長槽１外部
に設け、光学窓を通して半導体単結晶基板12に熱線を照
射し、所定温度に加熱するようにしてもよい。
設けたが、赤外線ランプ等を加熱源として成長槽１外部
に設け、光学窓を通して半導体単結晶基板12に熱線を照
射し、所定温度に加熱するようにしてもよい。
［発明の効果］ 以上のように本発明によれば、吸着種の表面マイグレー
ション等の種々の表面反応素過程に固有なエネルギーを
それに対応した波長の光を照射することによって与える
ことが可能なので、成長膜の結晶性が改善される。本発
明によれば、少なく共２つの表面反応素過程が光エネル
ギーによって励起されるので、その分、基板温度を低下
することができ、低温成長が可能となる。しかもガス導
入１サイクルに要する時間すなわち交換表面反応１サイ
クルの時間も短縮できる。また本発明によれば、化学量
論的組成を満たすことが容易でホール移動度の大きい良
質な結晶を少なく共一分子層ずつ成長させることができ
る。また、不純物の添加を一分子層ずつ行なうことがで
きるので非常に急峻な不純物密度分布を結晶性を損なう
ことなく得ることができる。本発明によればTMGのメチ
ル基からのカーボンの混入が、光の波長を選ぶことによ
って防げる。つまりカーボンが成長膜に取り込まれるエ
ネルギーを与えないように光の波長を選べば良いので、
結晶の高純度化ができる。この結果、分子層単位の精度
の要求される非常に高速なトランジスタ、集積回路、ダ
イオード、発光受光素子等の製作に対して工業的価値の
高い半導体が得られるようになる。
ション等の種々の表面反応素過程に固有なエネルギーを
それに対応した波長の光を照射することによって与える
ことが可能なので、成長膜の結晶性が改善される。本発
明によれば、少なく共２つの表面反応素過程が光エネル
ギーによって励起されるので、その分、基板温度を低下
することができ、低温成長が可能となる。しかもガス導
入１サイクルに要する時間すなわち交換表面反応１サイ
クルの時間も短縮できる。また本発明によれば、化学量
論的組成を満たすことが容易でホール移動度の大きい良
質な結晶を少なく共一分子層ずつ成長させることができ
る。また、不純物の添加を一分子層ずつ行なうことがで
きるので非常に急峻な不純物密度分布を結晶性を損なう
ことなく得ることができる。本発明によればTMGのメチ
ル基からのカーボンの混入が、光の波長を選ぶことによ
って防げる。つまりカーボンが成長膜に取り込まれるエ
ネルギーを与えないように光の波長を選べば良いので、
結晶の高純度化ができる。この結果、分子層単位の精度
の要求される非常に高速なトランジスタ、集積回路、ダ
イオード、発光受光素子等の製作に対して工業的価値の
高い半導体が得られるようになる。
第１図は本発明の一実施例に係る半導体結晶成長装置の
構成図、第２図は１サイクル当りの成長膜厚と成長基板
温度の関係を示すグラフ図、第３図は本発明の他の実施
例に係る半導体結晶成長装置の構成図、第４図は本願発
明者が先に開発した半導体結晶成長装置の構成図であ
る。 １……成長槽、２……ゲートバルブ、３……排気装置、
4,5,16,17……ノズル、6,7,18,19……ガス導入用バル
ブ、8,9,20,21……ガス状化合物から成る原料ガス、10
……基板支持台兼ヒーター、11……熱電対、12……半導
体単結晶基板、13……圧力計、14……多波長光源、15…
…光学窓。
構成図、第２図は１サイクル当りの成長膜厚と成長基板
温度の関係を示すグラフ図、第３図は本発明の他の実施
例に係る半導体結晶成長装置の構成図、第４図は本願発
明者が先に開発した半導体結晶成長装置の構成図であ
る。 １……成長槽、２……ゲートバルブ、３……排気装置、
4,5,16,17……ノズル、6,7,18,19……ガス導入用バル
ブ、8,9,20,21……ガス状化合物から成る原料ガス、10
……基板支持台兼ヒーター、11……熱電対、12……半導
体単結晶基板、13……圧力計、14……多波長光源、15…
…光学窓。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 阿部 仁志 宮城県緑ヶ丘１−22―11 (56)参考文献 特開 昭58−98917（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−130896（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−164523（ＪＰ，Ａ)
Claims (3)
- 【請求項１】GaAs単結晶基板をその上部に保持する基板
支持台と、該基板支持台をその内部に配置した成長槽
と、該GaAs単結晶基板のみを300〜800℃に加熱する加熱
源と、前記成長槽に接続されたバルブと、該バルブに接
続された真空排気装置と、前記成長槽の外部から前記成
長槽の内部に導入され先端部が前記GaAs単結晶基板の表
面方向に向けて配設されたAsを含むガス及びGaを含むガ
スを導入する少なく共２本のノズルと、該ノズルのそれ
ぞれに配設されたガス導入用バルブと、波長範囲180〜6
00nmのうちの少なく共２種類の異なる波長の光を有する
多波長光源と、前記成長槽の一部に接続された光学窓と
を備えた成長装置によりGaAs単結晶をエピタキシャル成
長させる方法であって、 前記加熱源によりGaAs単結晶基板のみを300〜800℃に加
熱しながら、前記ガス導入用バルブの開閉と前記真空排
気装置による真空排気のみにより、前記少なく共２本の
ノズルの一方よりAsを含むガスを導入して排気後、他方
のノズルよりGaを含むガスを導入して排気することによ
り、GaAs単結晶基板表面上における原料ガスの交換表面
反応を行わせ、該交換表面反応の１サイクルに付きGaAs
1分子層を低温成長させるサイクルを所定回数繰り返す
ことにより、所望の分子層数のGaAs単結晶薄膜をエピタ
キシャル成長させると共に、該GaAs単結晶薄膜の結晶性
を向上するため、前記光学窓を介して前記多波長光源か
ら前記GaAs単結晶基板表面に少なく共２種類の表面反応
素過程を励起するに必要な波長の光を照射することを特
徴とするGaAsエピタキシャル成長方法。 - 【請求項２】特許請求の範囲第１項記載において、前記
異なる波長の光のうち少なく共１つを前記ガス導入用バ
ルブの開閉と同期させ、前記１サイクル中の所定の期間
のみ前記GaAs単結晶基板表面に照射することを特徴とす
るGaAsエピタキシャル成長方法。 - 【請求項３】特許請求の範囲第１項もしくは第２項記載
において、前記多波長光源がArレーザとエキシマレーザ
との組み合わせ、もしくは水銀ランプとエキシマレーザ
との組み合わせであることを特徴とするGaAsエピタキシ
ャル成長方法。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59153973A JPH0766906B2 (ja) | 1984-07-26 | 1984-07-26 | ＧａＡｓエピタキシャル成長方法 |
| GB08518798A GB2162369B (en) | 1984-07-26 | 1985-07-25 | Apparatus for forming semiconductor crystal |
| FR858511515A FR2568272B1 (fr) | 1984-07-26 | 1985-07-26 | Appareil pour former un cristal de semi-conducteur |
| DE3526889A DE3526889C2 (de) | 1984-07-26 | 1985-07-26 | Vorrichtung zum Züchten von III-V-Verbindungshalbleitern |
| US08/812,069 US6334901B1 (en) | 1984-07-26 | 1995-06-07 | Apparatus for forming semiconductor crystal |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59153973A JPH0766906B2 (ja) | 1984-07-26 | 1984-07-26 | ＧａＡｓエピタキシャル成長方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6134923A JPS6134923A (ja) | 1986-02-19 |
| JPH0766906B2 true JPH0766906B2 (ja) | 1995-07-19 |
Family
ID=15574122
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP59153973A Expired - Fee Related JPH0766906B2 (ja) | 1984-07-26 | 1984-07-26 | ＧａＡｓエピタキシャル成長方法 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6334901B1 (ja) |
| JP (1) | JPH0766906B2 (ja) |
| DE (1) | DE3526889C2 (ja) |
| FR (1) | FR2568272B1 (ja) |
| GB (1) | GB2162369B (ja) |
Families Citing this family (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2577550B2 (ja) * | 1986-11-20 | 1997-02-05 | 新技術事業団 | ▲ｉｉｉ▼−▲ｖ▼族化合物半導体単結晶薄膜の不純物添加法 |
| JPS61260622A (ja) * | 1985-05-15 | 1986-11-18 | Res Dev Corp Of Japan | ＧａＡｓ単結晶薄膜の成長法 |
| JPS62196821A (ja) * | 1986-02-24 | 1987-08-31 | Agency Of Ind Science & Technol | 薄膜製造法 |
| JP2652630B2 (ja) * | 1986-04-02 | 1997-09-10 | 理化学研究所 | 結晶成長方法 |
| FR2618455B1 (fr) * | 1987-07-21 | 1994-03-18 | Nissim Yves | Procede de croissance epitaxiale de couches en materiau iii-v ou ii-vi par modulation rapide de la temperature |
| GB2234529B (en) * | 1989-07-26 | 1993-06-02 | Stc Plc | Epitaxial growth process |
| GB2250751B (en) * | 1990-08-24 | 1995-04-12 | Kawasaki Heavy Ind Ltd | Process for the production of dielectric thin films |
| US5705224A (en) * | 1991-03-20 | 1998-01-06 | Kokusai Electric Co., Ltd. | Vapor depositing method |
| JP2680202B2 (ja) * | 1991-03-20 | 1997-11-19 | 国際電気株式会社 | 気相成長方法及び装置 |
| JP2987379B2 (ja) * | 1991-11-30 | 1999-12-06 | 科学技術振興事業団 | 半導体結晶のエピタキシャル成長方法 |
| JP4511006B2 (ja) * | 2000-09-01 | 2010-07-28 | 独立行政法人理化学研究所 | 半導体の不純物ドーピング方法 |
| US6730367B2 (en) * | 2002-03-05 | 2004-05-04 | Micron Technology, Inc. | Atomic layer deposition method with point of use generated reactive gas species |
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