JPS6319814A - 気相成長装置 - 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】 産業上の利用分野 本発明は組成の異なる結晶層を急峻な界面で、安定かつ
簡便に積層することのできる気相成長装置に関するもの
である。

従来の技術 半導体装置を製作する場合、必要となる半導体結晶のエ
ピタキシャル成長技術の中に、ガスを原料として用い、
その熱分解反応を利用して、結晶成長する気相成長法が
ある。この成長法の特徴として、大面積の成長や多数枚
のウェハーに一度に成長させるといった量産性がある。

第３図に、このような気相成長法の一例を示す。これは
原料に有機金属化合物を用いた有機金属気相成長法（Ｍ
ｅｔａｌ　Ｏｒｇａｎｉｃ　ＶａｐｏｒＰｈａｓｅ　Ｅ
ｐｉｔａｘｙ　；略してＭＯＶＰＥ法）によ月ｎＰ基板
上にＩｎ、−エＧａｘＡｓｙＰ１−ｙを成長する場合の
ＭＯＶＰＥ装置のガス系統の概略である。半導体レーザ
などのデバイスや超格子構造を形成する場合、組成の異
なる結晶層を積層する。気相成長法では、各原料ガスの
供給量を調整。

制御することによって、組成をいろいろ変化させること
ができる。例えば組成Ｘは、Ｉｎの原料であるトリエチ
ルインジウム（（Ｃ２Ｈ５）３Ｉｎ、ＴＥＩ）とＧａの
原料であるトリエチルガリウム（（Ｃ２Ｈ５）３Ｇａ　
ＴＥＧ）の供給量をそれぞれの流量制御装置４１および
４２で調節することによって、変化させることができる
。一方組成ｙの方も同様に、Ｐの庫料ガスであるホスフ
ィン（ＰＨ３）とＡｓの原料ガスであるアルシン（Ａ　
ｓ　Ｈｓ　）の供給量をそれぞれの流量制御装置４３お
よび４４で調節することばよって変化させることができ
る。したがって１組成の異なる結晶を積層する場合、下
の層を成長した後に、それぞれの流量制御装置を調節し
、上の層を成長するための原料ガス供給量にしてから、
積層を始めることになる。

発明が解決しようとする問題点 ところが組成の異なる結晶を連続して積層する場合、成
長する結晶の組成に応じて原料ガスの供給量を調節、制
御しなければならない。したがって、下の結晶層を成長
した後、その上の結晶層を成長する前に原料ガスの流量
制御装置を調節する時間が必要となる。この間に結晶成
長を連続して行なうと組成が変化し、結晶性の悪い遷移
層ができてしまい、積層した界面の急峻性は非常に悪く
なってしまう。これを防ぐためには、原料ガスの成長炉
への供給を止めて流量調節を行うが、これでは積層する
層が多くなるにつれて、成長時間が長くなる結果となる
。特に数十層も積層する超格子構造を形成する場合は、
非常に長時間になってしまう。更に流量調節装置でもっ
てその都度流量調節するため、超格子構造のように何回
も同じ組成の結晶の積層がある場合、流量調節のくり返
し精度によって、それぞれの結晶の組成にばらつきが生
じる。

本発明はかかる点を鑑みてなされたもので、組成の異な
る結晶を積層する場合、急峻な界面で安定かつ簡便に積
層することのできる、気相成長装置を提供することを目
的としている。

問題点を解決するための手段 前述の問題点を解決するだめの本発明の技術的手段は、
気相成長装置において第１のガス流量制御装置を備え、
成長炉にガスを供給するガス供給管と、第２のガス流量
制御装置と前記ガスと同種のガスの流れを制御する弁と
を備え、前記第１のガス流量制御装置以降のガス供給管
部分で、互いのガスが合流して前記成長炉へ供給される
ように接続された少なくとも１本以上のガス補充管を備
えていることである。

作　　用 この技術的手段による作用は次のようになる。

第１のガス流量制御装置によって一定流量に制御され、
成長炉に供給されるガスに、第２のガス流量制御装置に
よっである流量に制御されたガスを弁を開は合流させる
ことによって、成長炉に供給される原料ガスの供給量を
第１のガス源量制御装置による流量から、その流量に第
２のガス流量制述とは逆のガス流量の変化も可能である
。このため、原料ガスの供給量を弁の開閉のみで変化さ
せることが可能となり、したがって組成の異なる結晶を
、急峻な界面で、安定かつ簡便に積層することができる
。

実施例 以下、本発明の一実施例としてＭＯＶＰＥ法により１．
１μｍ　　ＩｎＧａＡｓＰと１．３ｐｍ　Ｉ　ｎＧａＡ
ｓ　Ｐとからなる超格子構造を形成する場合について図
面とともに説明する。なおこの超格子構造は、多重量子
井戸型レーザ（ＭＱＷＬＤ）の活性層として用いられ、
通常のＩｎＰと１．３ｐｍ帯ＩｎＧａＡｓＰとからなる
ＭＱＷ−ＬＤよりも電流の流入効率が向上しすぐれた発
光効率を示す。さて、Ｉ　ｎ　、　Ｇａ　、　Ａｓ。

Ｐの結晶成長用の原料ガスとしては、それぞれトリエチ
ルインジウム（ＴＥＩ　）、トリエチルガリウム（ＴＥ
Ｇ）、アルシン（Ａ　ｓ　Ｈ３）、ホスフィン（ＰＨ３
）が用いられる。有機金属であるＴＥＩ　。

ＴＥＧは蒸気圧の比較的高い液体であるため、キャリア
ガス（水素ガス）を通すことによって、蒸気ガスの形で
供給することになる。成長に用いた本発明の一実施例で
あるＭ○ＶＰＥ装置のガス系統の概略を第１図に示す。

次に超格子構造の障壁層である１、１μｍ　ＩｎＧａＡ
ｓＰと井戸層の１．３μｍ　ＩｎＧａＡｇＰの結晶成長
時の原料ガスの供給量を次表に示す。なお、ＴＥＩ、Ｔ
ＥＧについては、それぞれのバブラー容器に送る水素ガ
スの流量で示しである。

そこでまず、ＴＩＩの第１のガス流量制御装置（，１の
流量を３０αｃ／ｓｉｘに調節し、第２のガス流量制御
装置２の流量を８０ＣＣ／ｙＨとしておく。ＴＥＧの第
１のガス流量制御装置３の流量を７５ＣＣ／ｚｇＨ。

第２のガス流量制御装置４の流量をＢ　ｅｓ　ｃｃ　／
ｙ、ｉｎとしておく。ＰＨ３の第１のガス流量制御装置
６の流量を１０ｃｃＡｉｎとし、第２のガス流量制御装
置６の流量を９．５ＣＣ／ｓｉｎとしておき、Ａ　ｓ　
Ｈ３の第１のガス流量制御装置７の流量を０．６　ＣＣ
／ｍｌとし、第２のガス流量制御装置８の流量０．９Ｃ
Ｃ／ｍｉｘとしておく、超格子構造の障壁層である１、
１μｍ　ＩｎＧａＡｓＰを成長するときは、ＴＥＩのガ
ス補充管９の弁１０を開け、ＴＥＧのガス補充管１１の
弁１２を閉じ、ＰＨ３のガス補充管１３の弁１４を開け
、Ａ　ｓ　Ｈ３のガス補充管１６の弁１６を閉じる。各
々のガス補充管９，１１．１３．１５は各々のガス供給
管１７゜１８．１９，２０の第１のガス流量制御装置１
゜３．５．７以降の部分に接続されている。これによっ
てＴＥＩの供給量は第１および第２のガス流量制御装置
１，２の調節された流量の和３８０竺／ｗｉｎ（３００
＋８０）となる。またＴＥＧの供給量は１２．゛第１の
ガス流量制御装置の調節された流量のみ（７６ＣＣ／ｘ
ｉ　）　ｆある。同様にしてＰＨ３，ＡｓＨ３の供給量
も求めると表に示した１、１μｍ　Ｉ　ｎＧａＡｓ　Ｐ
の結晶成長の原料供給量となる。次に井戸層１．３μｍ
ＩｎＧａＡｓＰの成長に移るとき、弁１０と弁１４を閉
じ、弁１２と弁１６を開ける。すると、１．１μｍＩｎ
ＧａＡｓＰの場合と同様にして、各原料ガスの供給量を
調べると、１．３μｍ　ＩｎＧａＡｓＰの結晶成長の原
料供給量となる。

このように弁１０，１２，１４．１６の開閉をくり返す
ことによって、１．１μｍＩｎＧａＡｓＰと１．３μｍ
ＩｎＧａＡｓＰとからなる超格子構造が形成される。

形成された超格子構造の各層間の急峻性は１６Å以下で
ある従来の％以下となった。なお、それぞれの原料ガス
はガス供給管１７．１８，１９．２０を通じ成長炉２１
に供給される。基板２２は高周波コイル２３による誘導
加熱によって成長温度に加熱されたサセプター２４に載
置されている。また成長炉２１内は減圧ポンプ２５によ
り１００Ｔｏｒｒにれ圧される。またガス流量制御装置
として今回はマスフローコントローラを用いたが、これ
に限′らず、任意にガス流量を設定、制御できるもので
あれば良い。

以上述べてきたように本発明によれば、従来のようにガ
ス流量制御装置の流量をいちいち調節することなく、弁
の開閉操作のみで、組成の異なる結晶の積層が可能とな
る。したがって流量調節に要する時間も不必要となって
、省くことができた。

更に、結晶層間の界面の急峻性が向上した。まだ流量調
節のくり返しによる流量の設定精度の低下がなくなり、
同じ組成の結晶間での組成のバラツキを約２６チ低減す
ることができた。しかも、流量調節時に生じていた調節
ミスが全くなくなった。

次に本発明の第２の実施例であるＭＯＶＰＥ装置のガス
系統の概略図を第２図に示す。大部分は第１図で示した
ＭＯＶＰＥ装置と同じであるので、異なる点についての
み説明する。ＴＥＩおよびＴＥＧのガス補充管９および
１１は、それぞれのガス供給管１７．１８の第１のガス
流量制御装置１．３と結晶成長用原料供給源であるＴＥ
ＩおよびＴＥＧのバブラー容器３７．３８との間と、成
長炉２１に接続されている他のキャリアガス用のガス管
３１．３２との２ケ所に接続されており、２個１組でお
互いに連動して開閉し、どちらが一方へガスが流れるよ
うに作動する制御弁３３　、３４が備えである。したが
って、ガス補充管９，１１のガスは制御弁３３．３４に
操作にょ乳て、ガス供給管１７．１８のガスと合流して
、ＴＥＩ、ＴＥＧのバブラー容器３７．３８へ流れ、原
料ガスの供給量を増やしたり、逆に他のガス管３１．３
２の方へ流れ、水素ガスのままで成長炉へ供給される。

このようにすることでＴＥＩやＴＥＧ側から成長炉２１
に供給されるガスの総量は、原料ガスの供給量が変化し
ても、変化しない。

更にＰＨ３およびＡ　ｓ　Ｈ３のガス補充管１３．１５
も図のように２個１組で、互いに開閉し、どちらか一方
からガスがガス補充管１３．１５へ流入するように作動
する弁３６，３６を備え、一方が、ＰＨ３，ＡｓＨ；の
ポンベと、他方はキャリアガス供給源（水素供給源）と
接続されている。こうすることにより、Ｐ　Ｈｓ　、Ａ
　ｓ　Ｈ３側のガスの総流量は、原料ガスであるＰＨ３
，ＡｓＨ３の流量を変化させても、変化しない。以上の
ことから成長炉内のガスの流量は常に一定となシ、流れ
方は、常に安定であるため、良好な界面をもつ積層が可
能となる。

なおこのとき、弁１０，１２，１４．１６は常に開いて
おく必要がある。

以上のように、このＭＯＶＰＥ装置においても２個１組
の制御弁３３．３４および弁３５．３６の操作によって
原料ガスの供給量を変化させることができ、ガス流量制
御装置の流量を調節することなく、組成の異なる結晶の
積層が、安定かつ簡便に行なうことができる。なお制御
弁３３．３４は２個１組の弁ではなく、どちらか一方へ
流せる機構をもつ弁であれば、例えば三方弁を備えても
よい。またこの第２図でガス補充管９，１１の一方を他
のガス管３１．３２に接続したが、ガス供給管１７，１
８のＴＥＩ　、ＴＥＧのバブラー容器３７゜３８以降、
成長炉２１までの間に接続してもよく、また、成長炉２
１へ直接、接続してもかまわず効−果は同じである。

く以上の説明において、ＩｎＧａＡｓＰを成長するＭ○
ＶＰＥ装置を用いたが、原料にガスを用いて結晶成長す
る気相成長装置であれば、一般のＶＰＥ（Ｖａｐｏｒ　
Ｐｈａｓｅ　Ｅｐｉｔａｘｙ）装置の場合でも本発明を
適用される。

更に、ガス補充管は説明では１本であったが、異なる組
成の結晶層の数と同数本のガス補充管があり、それぞれ
のガス流量制御装置の流量をあらかじめ設定しておけば
、２つ以上の異なる組成の結晶層の積層の場合でも本発
明と同様の効果が得られ、本発明を適用できる。

発明の効果 以上のように本発明によれば、ガス流量制御装置による
ガス流量調節を各結晶層の成長毎に行うことなく、ただ
弁の開閉操作のみで、組成の異なる結晶の積層が可能と
なる。しだがって成長途中での流量調節に要する時間、
調節の際の設定のバラツキから生じる組成のバラツキ、
結晶性や膜質の低下を除くことができ、結晶成長工程の
点から、品質、生産性が向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のＭＯＶＰＥ装置のガス系統
の概略図、第２図は本発明の他の第２の実施例のＭＯＶ
ＰＥ装置のガス系統の概略図、第３図は従来のＭ○ＶＰ
Ｅ装置のガス系統の概略図である。 １．３，６．７・・・・・・第１のガス流量制御装置、
２　、４　、６　、８−−−−・・第２のガス流量制御
装置、９゜１１．１３，１５・・・・・・ガス補充管、
１０，１２゜１４．１６・・・・・・弁、１７．１Ｂ、
１９．２０・・・・・・ガス供給管、２１・・・・・・
成長炉、３１．３２・・川・他のガス管、３３．３４・
・・・・・制御弁、３７．３８・・・・・・結晶成長用
原料供給源。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１のガス流量制御装置を備え、成長炉にガスを
   供給するガス供給管と、第２のガス流量制御装置と、前
   記ガスと同種のガスの流れを制御する弁とを備え、前記
   第１のガス流量制御装置以降のガス供給管部分で、互い
   のガスが合流して前記成長炉へ供給されるように接続さ
   れた少なくとも１本以上のガス補充管を備えていること
   を特徴とする気相成長装置。
2. （２）ガスが結晶成長用原料ガスあるいはキャリアガス
   あるいはその混合ガスである特許請求の範囲第１項記載
   の気相成長装置。
3. （３）ガス補充管が、ガス供給管の第１のガス流量制御
   装置から結晶成長用原料供給源との間、および前記結晶
   成長用原料供給源より下流側もしくは成長炉もしくは成
   長炉に接続されている他のガス管の２ケ所に接続されて
   おり、かついずれか一方へ流れるような制御弁を備えて
   いる特許請求の範囲第１項記載の気相成長装置。
4. （４）結晶成長用原料源が、有機金属のバブラー容器で
   ある特許請求の範囲第３項記載の気相成長装置。