JPH11238685A - 化合物半導体の結晶成長方法 - Google Patents
化合物半導体の結晶成長方法Info
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Abstract
導体結晶を、安全に成長することができるとともに、量
産することができる方法を提供する。 【解決手段】 III族原料とV族原料とを用いて、気
相成長法により、Ga1- X InX NY As1-Y (0<X
<1,0<Y<1)で表わされる化合物半導体の結晶を
成長する方法であって、V族原料として窒素含有V族原
料とヒ素含有V族原料とを併用して結晶成長を行ない、
ヒ素含有V族原料は有機V族化合物ガスである。
Description
晶成長方法に関するものであり、特に、気相成長法によ
るGaInNAs系化合物半導体の結晶成長方法に関す
るものである。
導体の結晶を成長する際には、III族元素を供給する
III族原料と、V族元素を供給するV族原料とが用い
られる。
たとえば、3元系のGaAsN系化合物半導体の結晶を
成長する際には、V族原料として、N元素を供給する窒
素含有V族原料と、As元素を供給するヒ素含有V族原
料とが併用されている。従来、窒素含有V族原料として
は、窒素(N2 )ガスや、文献1(Journal of Crystal
Growth 145 (1994)p.99-103)に開示されているよう
に、アンモニア(NH 3 )をRFプラズマにより活性化
した窒素源が用いられていた。また、ヒ素含有V族原料
としては、アルシン(AsH3 )が一般的に用いられて
いた。
1),26 May 1997,p.2861-2863 )には、窒素含有V族
原料として、アンモニアの代わりに、ジメチルヒドラジ
ン(DMHy)を用いることが提案されている。ジメチ
ルヒドラジンは、アンモニアよりも分解効率が高いた
め、窒化物混晶半導体を作製する際に窒素原子を効率的
に結晶内に取込むことができる。さらに、文献2には、
ヒ素含有V族原料として、アルシンの代わりにt−ブチ
ルアルシン(TBAs)を用いることが提案されてい
る。t−ブチルアルシンは、アルシンよりも分解効率が
高いため、ヒ素含有V族原料の消費量を削減することが
できるという効果がある。
公報)には、III−V族化合物半導体の他の例とし
て、4元系のGaInNAs系化合物半導体の結晶を成
長する方法が開示されている。この文献3においては、
窒素含有V族原料として、ジメチルヒドラジン等の有機
系窒素化合物が用いられ、ヒ素含有V族原料としては、
アルシンが用いられている。
てアルシンを用いた場合、アルシンは600℃で50%
しか分解しない。そのため、良質の化合物半導体結晶を
得るためには、文献4(Journal of Crystal Growth 11
5 (1991)p.1-11)に開示されるように、高温で結晶成
長を行なうか、もしくはアルシンの供給量を増加する必
要がある。
nNAs系等の化合物半導体結晶の成長の際、成長温度
が高くなると、N元素の結晶内への取込が抑制されてし
まう。そのため、N元素の結晶成長表面からの離脱を抑
制するため、窒素含有V族原料の供給量を増加する必要
がある。
は、ジメチルヒドラジン等の窒素含有V族原料との気相
中での反応による結晶性への影響が危惧される。
ルシンの供給量を増加した場合のいずれにおいても、原
料ガスの供給量が増加するため、排ガス処理の負担や、
環境汚染を考慮する必要が生じる。
中でも、特に4元系のGaInNAs系化合物半導体に
注目している。このGaInNAs系化合物半導体結晶
は、GaAs基板と格子整合するため、Ga元素、In
元素、N元素、As元素の組成をそれぞれ制御すること
により、長波長発光素子の作製が可能となるからであ
る。
化合物半導体結晶の成長に際しては、以下のように、3
元系のGaAsN系化合物半導体では見られない特有の
問題がある。
化合物半導体結晶の成長につき実験を繰返した結果、結
晶中のIn元素の組成比が高くなるにつれて、N元素が
結晶中に入りにくくなるという事実を見出した。なお、
従来より青色レーザ素子の材料として利用が期待されて
いる3元系のGaInN系化合物半導体結晶において
も、同様の問題があったが、この場合には、結晶を構成
しているV族元素がN元素のみであるためにIn元素が
結晶中に入りにくくなるという結果が観察されており、
4元系のGaInNAs系化合物半導体結晶における問
題とは全く異なるものである。
晶の成長において、In元素の組成比が高くなった場合
にもN元素を結晶中に効果的に取込ませるためには、ヒ
素含有V族原料に対する窒素含有V族原料の供給比を増
加するか、もしくは結晶の成長温度を下げてN元素の結
晶成長表面からの離脱を抑制する必要がある。
には、窒素含有V族原料の供給量を増加するか、もしく
はヒ素含有V族原料の供給量を減少することが考えられ
るが、コスト面や環境面を考慮すると、ヒ素含有V族原
料の供給量を減少することが好ましい。しかしながら、
前述のように、ヒ素含有V族原料としてのアルシンは分
解効率が悪いため、アルシンの供給量を減少すると、結
晶特性の劣化を引き起こすおそれがある。
同様にアルシンの分解が妨げられ、結晶特性の劣化が問
題となる。
し、結晶特性の優れたGaInNAs系化合物半導体結
晶を、安全に成長することができるとともに、量産する
ことができる方法を、提供することにある。
導体の結晶成長方法は、III族原料とV族原料とを用
いて、気相成長法により、Ga1-X InX NY As1-Y
(0<X<1,0<Y<1)で表わされる化合物半導体
の結晶を成長する方法であって、V族原料として窒素含
有V族原料とヒ素含有V族原料とを併用して結晶成長を
行ない、ヒ素含有V族原料は有機V族化合物ガスであ
る。
ス」とは、As元素を含むV族化合物のうち、特にメチ
ル基またはエチル基等の有機基を有する化合物をいう。
物半導体の結晶成長の際、ヒ素含有V族原料として、分
解効率に優れた有機V族化合物ガスが用いられる。その
ため、従来多用されていたアルシン使用の場合と比較し
て、少ない原料供給量で良好な特性を有する結晶を成長
することができる。
t−ブチルアルシン(TBAs)またはトリメチルヒ素
(TMAs)等が挙げられる。これらt−ブチルアルシ
ンおよびトリメチルヒ素は、いずれも室温で液体の物質
であり、通常はステンレス(SUS)製容器内に貯蔵さ
れるが、水素(H2 )ガス等のいわゆるキャリアガスで
バブリングすることにより、半導体結晶の成長の原料ガ
スとして搬送が可能となる。
料としては、たとえば、モノメチルヒドラジン(MMH
y)またはジメチルヒドラジン(DMHy)等が挙げら
れる。これらは分解効率に優れているため、少ない原料
供給量で良好な特性を有する結晶を成長することができ
る。
素含有V族原料とIII族原料とのモル供給比は、1<
[ヒ素含有V族原料]/[III族原料]であるとよ
い。
で表わされる原料モル供給比が1以下になると、結晶の
特性が悪化してしまうからである。
には、いずれも良好な特性の結晶を成長することができ
る。従来、アルシンを用いた場合には原料モル供給比を
約16程度まで上げる必要があったが、本願発明によれ
ば、有機V族化合物ガスを用いることにより、ヒ素含有
V族原料の供給量を減少させることが可能となる。ただ
し、原料モル供給比が10より大きくなると窒素含有V
族原料を多量に供給する必要があることから、結晶の特
性が悪化する可能性もある。したがって、本願発明にお
いて、ヒ素含有V族原料とIII族原料とのモル供給比
は、1より大きく、かつ、10以下であることがより好
ましい。
結晶の気相成長の際には、成長温度を500℃〜600
℃とすることが好ましい。
導体の結晶成長方法を実施するための気相成長装置の一
例の構成を示す断面図である。
が、本願発明は縦型反応炉を用いても実施できる。
相成長を行なうステンレス(SUS)製チャンバ1と、
原料ガスを供給する石英製フローチャネル2と、排気管
3とを備えている。ステンレス製チャンバ1内には、基
板4を加熱するためのSiCコートされたカーボンサセ
プタ5が設置されている。カーボンサセプタ5の下部に
は、気相成長の際に基板4を回転させるための回転装置
51が取付けられている。回転装置51の中心には、基
板4の温度を測定するための熱電対6が取付けられてい
る。
て、本願発明に従い、以下のようにGaInNAs系化
合物半導体の結晶成長を行なう。
れたカーボンサセプタ5上に、基板4を載置する。基板
4としては、エピタキシャル成長を促進するためにはG
aAs基板が好ましいが、この他Ge基板、Si基板等
も用いることができる。
ることにより、基板4を所定の温度まで加熱する。
ャリアガスと原料ガスとをステンレス製チャンバ1内に
導入する。
り高純度化された水素(H2 )ガスの他、純化装置によ
り高純度化された窒素(N2 )ガス、ヘリウム(He)
ガス等が用いられる。キャリアガスとして窒素(N2 )
ガスを用いた場合、結晶中のN元素の取込効率が向上す
る。
よびV族原料の他、必要に応じてp型またはn型ドーパ
ント原料ガスが用いられる。V族原料としては、t−ブ
チルアルシン(TBAs)、トリメチルヒ素(TMA
s)等の有機V族化合物ガスからなるヒ素含有V族原料
と、モノメチルヒドラジン(MMHy)、ジメチルヒド
ラジン(DMHy)等の窒素含有V族原料とが用いられ
る。III族原料としては、トリエチルガリウム(TE
G)、トリメチルインジウム(TMI)等が用いられ
る。
の圧力は、減圧でもよいし、常圧でもよい。また、反応
後の排気ガスは、排気管3によりステンレス製チャンバ
1外部へ排気される。
て、以下のように、Ga1-X InX NY As1- Y (0<
X<1,0<Y<1)で表わされる化合物半導体の結晶
の成長を行なった。
製チャンバ1内の圧力を10分の1気圧の減圧下とし
た。ここで、結晶内のインジウム(In)元素の濃度が
X=0.1となるように、トリエチルガリウム(TE
G)およびトリメチルインジウム(TMI)を一定量供
給した。キャリアガスとしては、水素(H2 )を用い
た。
I])で表わされるヒ素含有V族原料とIII族原料と
のモル供給比を1としたところ、結晶性の劣化を示す半
値幅が250arcsecというブロードなX線回折ピ
ークが観測された。しかし、[TBAs]/([TE
G]+[TMI])で表わされるヒ素含有V族原料とI
II族原料とのモル供給比を1より大きくしたところ、
半値幅が急激に改善されることが判明した。
s]/([TEG]+[TMI])で表わされるヒ素含
有V族原料とIII族原料とのモル供給比を1.8と
し、[DMHy]/([DMHy]+[TBAs])で
表わされるV族原料全体に対する窒素含有V族原料のモ
ル供給比を0.98として、GaInNAs系化合物半
導体結晶を0.5μm成長した。
NAs系化合物半導体結晶のX線回折測定によるロッキ
ングカーブを示す図である。図2において、横軸はΔ2
θ(deg.)を示し、縦軸はX線回折強度(a.
u.)を示している。
化合物半導体結晶のピーク半値幅は30arcsecと
なり、良好な結晶性が得られていることが判明した。
MI])で表わされるヒ素含有V族原料とIII族原料
とのモル供給比を変化させて結晶の光学特性を観察した
ところ、ヒ素含有V族原料とIII族原料とのモル供給
比が1より大きくなるに従い、フォトルミネッセンス
(PL)スペクトルの半値幅が小さくなることがわかっ
た。しかしながら、[TBAs]/([TEG]+[T
MI])で表わされるヒ素含有V族原料とIII族原料
とのモル供給比を10より大きくした場合、光学特性に
変化が見られなくなった。
[TMAs])で表わされるV族原料全体に対する窒素
含有V族原料のモル供給比を変化させて、得られた結晶
内の窒素(N2 )濃度の変化を観察した。
おいて、横軸はV族原料全体に対する窒素含有V族原料
のモル供給比を示し、縦軸は窒素濃度(%)を示してい
る。なお、窒素濃度(%)は、SIMS(Secondary Io
n Mass Spectroscopy :2次イオン質量分析)によって
見積もった。
素含有V族原料のモル供給比を変化させることにより、
窒素濃度を自由に制御しながらGaInNAs系化合物
半導体結晶の成長が可能であることがわかる。
い、ステンレス製チャンバ1内の圧力を10分の1気圧
の減圧下として、Ga1-X InX NY As1-Y (0<X
<1,0<Y<1)で表わされる化合物半導体結晶を成
長した。
の濃度がX=0.15となるように、トリエチルガリウ
ム(TEG)およびトリメチルインジウム(TMI)を
一定量供給した。キャリアガスとしては、水素(H2 )
を用いた。成長温度を530℃とし、[TBAs]/
([TEG]+[TMI])で表わされるヒ素含有V族
原料とIII族原料とのモル供給比を2とし、[DMH
y]/([DMHy]+[TBAs])で表わされるV
族原料全体に対する窒素含有V族原料のモル供給比を
0.965として、GaAs基板にほぼ格子整合したG
a0.85In0.15N0. 05As0.95で表わされる化合物半導
体結晶を成長した。
ミネッセンス(PL)測定の結果を示す図である。図4
において、横軸は波長(nm)を示し、縦軸はPL発光
強度(a.u.)を示している。
の発光が確認できた。次に、キャリアガスとして窒素
(N2 )を用いた場合に結晶内へのN元素の取込効率が
向上することを利用して、成長温度を600℃に上げ、
キャリアガスとして窒素(N2 )を用いて成長を行なっ
た。その結果、[TBAs]/([TEG]+[TM
I])で表わされるヒ素含有V族原料とIII族原料と
のモル供給比を2とした場合に、GaAs基板に格子整
合したGa0.85In0.15N0.05As 0.95化合物半導体結
晶を成長することができた。この場合の[DMHy]/
([DMHy]+[TBAs])で表わされるV族原料
全体に対する窒素含有V族原料のモル供給比は、0.9
8であった。
てトリメチルヒ素(TMAs)を用いて、Ga1- X In
X NY As1-Y (0<X<1,0<Y<1)で表わされ
る化合物半導体結晶を成長した。
濃度がX=0.1となるように、トリエチルガリウム
(TEG)およびトリメチルインジウム(TMI)を一
定量供給した。また、[TMAs]/([TEG]+
[TMI])で表わされるヒ素含有V族原料とIII族
原料とのモル供給比を2とし、[DMHy]/([DM
Hy]+[TMAs])で表わされるV族原料全体に対
する窒素含有V族原料のモル供給比を0.98とし、成
長温度を550℃とした。ステンレス製チャンバ1内の
圧力は、10分の1気圧の減圧下とした。
Ga0.9 In0.1 N0.03As0.97となり、1.2μmで
の発光が確認された。
合物半導体結晶においては、結晶内のN元素の濃度が低
い方が、光学特性の優れた結晶が得やすい。そこで、N
元素の濃度を低くする代わりにIn元素の濃度を高くし
て、GaInNAs系化合物半導体結晶を成長すること
により、長波長発光素子を作製した。
濃度がX=0.3となるように、トリエチルガリウム
(TEG)およびトリメチルインジウム(TMI)を一
定量供給した。キャリアガスとしては、水素(H2 )を
用いた。結晶中のインジウム(In)混晶比が大きい場
合、N元素が取込まれにくいことから、N元素の結晶成
長表面での吸着率を上げるために、成長温度を500℃
とし、[DMHy]/([DMHy]+[TBAs])
で表わされるV族原料全体に対する窒素含有V族原料の
モル供給比を、0.985とした。また、[TBAs]
/([TEG]+[TMI])で表わされるヒ素含有V
族原料とIII族原料とのモル供給比を2とし、ステン
レス製チャンバ1内の圧力を10分の1気圧とした。
戸構造を形成した。まず、n型GaAs基板上に、成長
温度600℃で膜厚0.3μmのn型GaAsバッファ
層を成長した後、膜厚1.5μmのn型Al0.4 Ga
0.6 As障壁層を成長した。このとき、n型ドーパント
原料として、テトラエチルシラン(TeESi)を使用
した。引続き、膜厚0.15μmのアンドープGaAs
スペーサ層の成長中に成長温度を500℃に下げ、井戸
層として膜厚60ÅのGa0.7 In0.3 N0.01As0.99
で表わされる化合物半導体結晶を成長した。さらに、再
び膜厚0.15μmのアンドープGaAsスペーサ層成
長中に成長温度を600℃に上げ、膜厚1.5μmのp
型Al0.4 Ga0.6 As障壁層と膜厚0.2μmのp型
GaAsコンタクト層とを成長した。p型ドーパント原
料としては、ジエチル亜鉛(DEZn)を使用した。
する半導体多層膜において、p型GaAsコンタクト層
上にp型電極を、n型GaAs基板裏面上にn型電極を
形成し、長波長発光素子を作製した。この長波長発光素
子においては、井戸層を構成するGaInNAs系化合
物半導体結晶が基板に格子整合せずに歪みを持ってい
る。しかしながら、井戸層の厚さは臨界膜厚以下である
ため、転位の少ない結晶を成長することができ、長波長
発光素子を作製することができた。
で例示であって制限的なものではないと考えられるべき
である。本発明の範囲は上記した説明ではなく、特許請
求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味
および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図さ
れる。
ば、GaInNAs系化合物半導体を成長する際にヒ素
含有V族原料として有機V族化合物ガスを用いることに
より、従来のアルシン(AsH3 )使用時に比べ、低い
ヒ素含有V族原料供給比で良好な結晶成長をすることが
可能となる。したがって、有毒なヒ素(As)含有廃棄
物の低減が期待でき、環境汚染の防止の点でも効果があ
る。
実施するための気相成長装置の一例の構成を示す断面図
である。
合物半導体結晶のX線回折測定によるロッキングカーブ
を示す図である。
供給比を変化させたときのGaInNAs系化合物半導
体結晶内の窒素濃度の変化を示す図である。
合物半導体結晶の室温でのPL測定の結果を示す図であ
る。
断面図である。
Claims (4)
- 【請求項1】 III族原料とV族原料とを用いて、気
相成長法により、Ga1-X InX NY As1-Y (0<X
<1,0<Y<1)で表わされる化合物半導体の結晶を
成長する方法であって、 前記V族原料として、窒素含有V族原料とヒ素含有V族
原料とを併用して結晶成長を行ない、 前記ヒ素含有V族原料は、有機V族化合物ガスである、
化合物半導体の結晶成長方法。 - 【請求項2】 前記ヒ素含有V族原料は、t−ブチルア
ルシンおよびトリメチルヒ素からなる群から選ばれる少
なくとも1つの原料を含む、請求項1記載の化合物半導
体の結晶成長方法。 - 【請求項3】 前記窒素含有V族原料は、モノメチルヒ
ドラジンおよびジメチルヒドラジンからなる群から選ば
れる少なくとも1つの原料を含む、請求項1または請求
項2に記載の化合物半導体の結晶成長方法。 - 【請求項4】 前記ヒ素含有V族原料と前記III族原
料とのモル供給比は、1<[ヒ素含有V族原料]/[I
II族原料]である、請求項1〜請求項3のいずれかに
記載の化合物半導体の結晶成長方法。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03725698A JP3900653B2 (ja) | 1998-02-19 | 1998-02-19 | 化合物半導体の結晶成長方法 |
| US09/252,124 US6150677A (en) | 1998-02-19 | 1999-02-18 | Method of crystal growth of compound semiconductor, compound semiconductor device and method of manufacturing the device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03725698A JP3900653B2 (ja) | 1998-02-19 | 1998-02-19 | 化合物半導体の結晶成長方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11238685A true JPH11238685A (ja) | 1999-08-31 |
| JP3900653B2 JP3900653B2 (ja) | 2007-04-04 |
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|---|---|---|---|
| JP03725698A Expired - Fee Related JP3900653B2 (ja) | 1998-02-19 | 1998-02-19 | 化合物半導体の結晶成長方法 |
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| Country | Link |
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| JP (1) | JP3900653B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007294705A (ja) * | 2006-04-26 | 2007-11-08 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 化合物半導体の製造方法および気相成長装置 |
-
1998
- 1998-02-19 JP JP03725698A patent/JP3900653B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007294705A (ja) * | 2006-04-26 | 2007-11-08 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 化合物半導体の製造方法および気相成長装置 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3900653B2 (ja) | 2007-04-04 |
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