JP2789861B2 - 有機金属分子線エピタキシャル成長方法 - Google Patents
有機金属分子線エピタキシャル成長方法Info
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、III−V族化合物半
導体の有機金属分子線エピタキシャル成長方法に関す
る。
導体の有機金属分子線エピタキシャル成長方法に関す
る。
【0002】
【従来の技術】化合物半導体の成長方法において、通常
の分子線エピタキシャル成長装置と同じ超高真空対応の
成長室を使用し、その原料として有機金属ガスを用いる
有機金属分子線エピタキシャル成長法(以下MOMBE
法と略す。)が知られている。
の分子線エピタキシャル成長装置と同じ超高真空対応の
成長室を使用し、その原料として有機金属ガスを用いる
有機金属分子線エピタキシャル成長法(以下MOMBE
法と略す。)が知られている。
【0003】MOMBE法は、分子線エピタキシャル法
と比較して、表面欠陥が少なく選択成長性が良いなどの
利点を有している。さらには、有機金属気相成長法に対
しては、膜厚および組成の制御性が高く、均一性も良い
などの利点があり、化合物半導体の成長方法として非常
に有用である。
と比較して、表面欠陥が少なく選択成長性が良いなどの
利点を有している。さらには、有機金属気相成長法に対
しては、膜厚および組成の制御性が高く、均一性も良い
などの利点があり、化合物半導体の成長方法として非常
に有用である。
【0004】MOMBE法は、多くの半導体デバイスの
結晶成長に用いられている。例えば砒化ガリウム(Ga
As)を成長する場合、ガリウム(Ga)原料としてト
リメチルガリウム(TMGa)やトリエチルガリウム
(TEGa)、砒素(As)原料として金属砒素(As
4)あるいはアルシン(AsH3)などが用いられる。ま
た、砒化アルミニウム(AlAs)を成長する場合に
は、アルミニウム(Al)原料としてトリメチルアルミ
ニウム(TMAl)やトリエチルアルミニウム(TEA
l)などが用いられる。
結晶成長に用いられている。例えば砒化ガリウム(Ga
As)を成長する場合、ガリウム(Ga)原料としてト
リメチルガリウム(TMGa)やトリエチルガリウム
(TEGa)、砒素(As)原料として金属砒素(As
4)あるいはアルシン(AsH3)などが用いられる。ま
た、砒化アルミニウム(AlAs)を成長する場合に
は、アルミニウム(Al)原料としてトリメチルアルミ
ニウム(TMAl)やトリエチルアルミニウム(TEA
l)などが用いられる。
【0005】実際に、例えばヘテロ接合バイポーラトラ
ンジスタ(HBT)の結晶成長においては、III族原
料としてTEGa、TMGa、TEAlなど、V族原料
としてAsH3などが用いられる。
ンジスタ(HBT)の結晶成長においては、III族原
料としてTEGa、TMGa、TEAlなど、V族原料
としてAsH3などが用いられる。
【0006】III族原料としてTMGaのようなメチ
ル系原料を用いた場合、成長中にメチル基中の炭素が成
長層中に取り込まれて、p型となりやすい。従って、ド
ーパント濃度の低い高純度のIII−V族化合物半導体
を成長する場合には、メチル基に比べてIII族原子か
ら脱離しやすいエチル基のようなアルキル基を持つII
I族原料を用いる。
ル系原料を用いた場合、成長中にメチル基中の炭素が成
長層中に取り込まれて、p型となりやすい。従って、ド
ーパント濃度の低い高純度のIII−V族化合物半導体
を成長する場合には、メチル基に比べてIII族原子か
ら脱離しやすいエチル基のようなアルキル基を持つII
I族原料を用いる。
【0007】この方法については、例えばエヌ.フルハ
タ(N.Furuhata)らによって、ジャーナル・
オブ・クリスタル・グロウス(Journal of
Crystal Growth)第102巻814頁
(1990年)に示されているように、TEGaとAs
4を用いた場合、基板温度500℃、TEGa流量0.
8cc/min、As4圧1.5×10-4Torrの条
件において、キャリア濃度1.5×1014cm-3のp
型、室温でのキャリア移動度400cm2/Vsの高純
度のGaAsが成長できる。
タ(N.Furuhata)らによって、ジャーナル・
オブ・クリスタル・グロウス(Journal of
Crystal Growth)第102巻814頁
(1990年)に示されているように、TEGaとAs
4を用いた場合、基板温度500℃、TEGa流量0.
8cc/min、As4圧1.5×10-4Torrの条
件において、キャリア濃度1.5×1014cm-3のp
型、室温でのキャリア移動度400cm2/Vsの高純
度のGaAsが成長できる。
【0008】さらには成長中にシリコン(Si)などの
n型不純物をドーピングすることにより、補償度の低い
良好なn型のIII−V族化合物半導体層を成長でき
る。
n型不純物をドーピングすることにより、補償度の低い
良好なn型のIII−V族化合物半導体層を成長でき
る。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】上記従来の成長方法で
は、特にTEGaのようなエチル系原料を用いて高純度
あるいはn型のIII−V族化合物半導体を成長する場
合、図3に示すように基板1上の二酸化シリコン(Si
O2)膜などのマスク2の開口部分の基板1上のみにI
II−V族化合物半導体を成長させる性質、つまり選択
成長性が悪いという問題点があった。
は、特にTEGaのようなエチル系原料を用いて高純度
あるいはn型のIII−V族化合物半導体を成長する場
合、図3に示すように基板1上の二酸化シリコン(Si
O2)膜などのマスク2の開口部分の基板1上のみにI
II−V族化合物半導体を成長させる性質、つまり選択
成長性が悪いという問題点があった。
【0010】例えば、TEGaを用いたGaAsの成長
の場合、高純度のGaAsを成長するには、500℃程
度の低い基板温度が適当である。それより高い基板温度
では高不純物濃度p型GaAsが成長し、高純度GaA
sは得られない。従ってn型不純物を高濃度にドーピン
グしても、非常に補償比の高いn型GaAs層しか得ら
れない。
の場合、高純度のGaAsを成長するには、500℃程
度の低い基板温度が適当である。それより高い基板温度
では高不純物濃度p型GaAsが成長し、高純度GaA
sは得られない。従ってn型不純物を高濃度にドーピン
グしても、非常に補償比の高いn型GaAs層しか得ら
れない。
【0011】しかし、600℃以上の高い成長温度でな
ければ選択成長性が得られず、600℃以下の成長温度
ではSiO2マスク2上に多結晶のGaAsが堆積して
しまうため、半導体デバイスに適用することができなか
った。
ければ選択成長性が得られず、600℃以下の成長温度
ではSiO2マスク2上に多結晶のGaAsが堆積して
しまうため、半導体デバイスに適用することができなか
った。
【0012】図3は、従来のTEGaのみによる成長方
法で、基板温度500℃で成長した成長層の断面図であ
る。GaAs上には高不純物濃度n型GaAs選択成長
層3′が成長するが、同時にSiO2上に厚い多結晶G
aAs堆積物4が存在しており、これは半導体デバイス
に適用できない。
法で、基板温度500℃で成長した成長層の断面図であ
る。GaAs上には高不純物濃度n型GaAs選択成長
層3′が成長するが、同時にSiO2上に厚い多結晶G
aAs堆積物4が存在しており、これは半導体デバイス
に適用できない。
【0013】以上のような問題点により、例えば高不純
物濃度n型GaAs層を、オーミック電極形成部分のみ
に選択的に成長した構造を持つ、ソース抵抗の低い高性
能デバイスの作成は困難であった。
物濃度n型GaAs層を、オーミック電極形成部分のみ
に選択的に成長した構造を持つ、ソース抵抗の低い高性
能デバイスの作成は困難であった。
【0014】本発明の目的は、MOMBE法でIII−
V族化合物半導体を成長する方法において、特に高純度
あるいはn型のIII−V族化合物半導体を成長する方
法において、従来よりも低い基板温度で、選択成長する
方法を提供することにある。
V族化合物半導体を成長する方法において、特に高純度
あるいはn型のIII−V族化合物半導体を成長する方
法において、従来よりも低い基板温度で、選択成長する
方法を提供することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明に係る有機金属分子線エピタキシャル成長方
法は、III−V族化合物半導体の有機金属分子線エピ
タキシャル成長方法において、III−V族化合物半導
体を成長するIII族原料として、ハロゲン基がIII
族原子と結合する構造を持つ原料と、ハロゲン基を持た
ない有機金属原料とを併用し、成長に関与しない分解物
の脱離を促進して化合物半導体を低温選択成長させるも
のである。
め、本発明に係る有機金属分子線エピタキシャル成長方
法は、III−V族化合物半導体の有機金属分子線エピ
タキシャル成長方法において、III−V族化合物半導
体を成長するIII族原料として、ハロゲン基がIII
族原子と結合する構造を持つ原料と、ハロゲン基を持た
ない有機金属原料とを併用し、成長に関与しない分解物
の脱離を促進して化合物半導体を低温選択成長させるも
のである。
【0016】
【作用】ここでは、ハロゲン基がIII族原子と結合し
た構造を持つ原料としてジエチルガリウムクロライド
(DEGaCl)を用い、また、ハロゲン基を持たない
有機金属原料としてTEGaを用いた場合のGaAs選
択成長について述べる。V族原料としてはAs4あるい
はAsH3を用いる。
た構造を持つ原料としてジエチルガリウムクロライド
(DEGaCl)を用い、また、ハロゲン基を持たない
有機金属原料としてTEGaを用いた場合のGaAs選
択成長について述べる。V族原料としてはAs4あるい
はAsH3を用いる。
【0017】本発明の方法においては、塩素基を持つD
EGaClは基板上あるいはSiO2上で分解し、ガリ
ウムクロライド(GaCl)を生成する。TEGaは、
基板上あるいはSiO2上でモノエチルガリウム(ME
Ga)あるいはジエチルガリウム(DEGa)に分解す
る。
EGaClは基板上あるいはSiO2上で分解し、ガリ
ウムクロライド(GaCl)を生成する。TEGaは、
基板上あるいはSiO2上でモノエチルガリウム(ME
Ga)あるいはジエチルガリウム(DEGa)に分解す
る。
【0018】これらの分解は500℃以下の低い成長温
度でも容易に起こる。GaAs上においては、MEGa
あるいはDEGaはAsと結合し、GaAsが成長す
る。GaClはほとんど基板から脱離し、成長には関与
しない。
度でも容易に起こる。GaAs上においては、MEGa
あるいはDEGaはAsと結合し、GaAsが成長す
る。GaClはほとんど基板から脱離し、成長には関与
しない。
【0019】ここで従来のTEGaのみを用いた成長方
法では、SiO2上でMEGaおよびDEGaはAsと
結合し、多結晶のGaAsが堆積し、選択成長性は得ら
れなかった。
法では、SiO2上でMEGaおよびDEGaはAsと
結合し、多結晶のGaAsが堆積し、選択成長性は得ら
れなかった。
【0020】しかし本発明の方法においては、SiO2
上において、GaClの存在によりSiO2表面が不活
性化し、MEGaおよびDEGaが脱離しやすくなる。
MEGaおよびDEGaがAsと結合する前に脱離する
ため、SiO2マスク上にはGaAsは堆積しない。
上において、GaClの存在によりSiO2表面が不活
性化し、MEGaおよびDEGaが脱離しやすくなる。
MEGaおよびDEGaがAsと結合する前に脱離する
ため、SiO2マスク上にはGaAsは堆積しない。
【0021】従って、本発明の方法により、従来より低
い成長温度である400℃においても、選択成長が可能
である。
い成長温度である400℃においても、選択成長が可能
である。
【0022】またGaClはGaAs基板上での成長に
は関与しないので、TEGaのみを用いた従来の成長方
法と同様に高純度GaAsが成長でき、n型不純物をド
ーピングした場合には、補償度の低い良好なn型GaA
sが得られる。
は関与しないので、TEGaのみを用いた従来の成長方
法と同様に高純度GaAsが成長でき、n型不純物をド
ーピングした場合には、補償度の低い良好なn型GaA
sが得られる。
【0023】ここでは、GaAsの結晶成長について説
明したが、他のIII−V族化合物半導体あるいはその
混晶においても同様な効果が得られる。
明したが、他のIII−V族化合物半導体あるいはその
混晶においても同様な効果が得られる。
【0024】
【実施例】次に、本発明の一実施例を図1および図2を
参照して説明する。
参照して説明する。
【0025】図2は、本発明の方法の実施例に用いる有
機金属分子線エピタキシャル成長装置の模式的断面図で
ある。この装置は、有機金属原料を供給するライン5,
6と、それぞれのガス流量をコントロールするマスフロ
ーコントローラ7,8と、有機金属原料を成長室に導入
するガスセル9,10と、成長室11と、排気装置12
と、基板加熱機構13とから構成されている。
機金属分子線エピタキシャル成長装置の模式的断面図で
ある。この装置は、有機金属原料を供給するライン5,
6と、それぞれのガス流量をコントロールするマスフロ
ーコントローラ7,8と、有機金属原料を成長室に導入
するガスセル9,10と、成長室11と、排気装置12
と、基板加熱機構13とから構成されている。
【0026】なお14は、V族原料用セル、15は、n
型ドーパント用セル、16は、真空度を測定するヌード
イオンゲージである。
型ドーパント用セル、16は、真空度を測定するヌード
イオンゲージである。
【0027】次に、本発明の一の実施例として、III
族原料としてDEGaClおよびTEGaを用い、V族
原料としてAs4を用い、n型ドーパントとしてSiを
使用して、高不純物濃度n型GaAs選択成長層をn型
GaAs基板上に成長する場合について述べる。
族原料としてDEGaClおよびTEGaを用い、V族
原料としてAs4を用い、n型ドーパントとしてSiを
使用して、高不純物濃度n型GaAs選択成長層をn型
GaAs基板上に成長する場合について述べる。
【0028】図1は、本発明の成長方法による成長層の
模式的断面図である。n型GaAs基板1上に形成した
SiO2マスク2は、SiO2を化学的気相成長法(CV
D法)で成長し、レジストを用いたフォトリソグラフィ
法および弗酸溶液によるエッチング法によって形成でき
る。
模式的断面図である。n型GaAs基板1上に形成した
SiO2マスク2は、SiO2を化学的気相成長法(CV
D法)で成長し、レジストを用いたフォトリソグラフィ
法および弗酸溶液によるエッチング法によって形成でき
る。
【0029】高不純物濃度n型GaAs選択成長層3
は、次のような成長条件で成長する。TEGa流量は、
1cc/min、DEGaCl流量は、1cc/mi
n、As4圧力は、1×10-4Torr、基板温度は、
500℃とする。TEGaの供給ラインは、約70℃、
DEGaClの供給ラインは、約100℃に加熱するこ
とにより、上述の流量が安定して得られる。Siセルの
温度は、1050℃とする。
は、次のような成長条件で成長する。TEGa流量は、
1cc/min、DEGaCl流量は、1cc/mi
n、As4圧力は、1×10-4Torr、基板温度は、
500℃とする。TEGaの供給ラインは、約70℃、
DEGaClの供給ラインは、約100℃に加熱するこ
とにより、上述の流量が安定して得られる。Siセルの
温度は、1050℃とする。
【0030】この条件において、高不純物濃度n型Ga
As選択成長層3の成長速度は、約1μm/hrであ
り、n型不純物濃度は3×1018cm-3である。
As選択成長層3の成長速度は、約1μm/hrであ
り、n型不純物濃度は3×1018cm-3である。
【0031】この実施例の成長方法においては、DEG
aClの存在により、基板温度500℃においても、S
iO2マスク上のTEGaの分解物が脱離し、多結晶G
aAsは堆積しない。DEGaClはGaAs基板上の
成長には関与しないので、GaAs成長速度が低下する
ことなく、高不純物濃度n型GaAs選択成長層3が得
られる。
aClの存在により、基板温度500℃においても、S
iO2マスク上のTEGaの分解物が脱離し、多結晶G
aAsは堆積しない。DEGaClはGaAs基板上の
成長には関与しないので、GaAs成長速度が低下する
ことなく、高不純物濃度n型GaAs選択成長層3が得
られる。
【0032】このような高不純物濃度n型GaAs選択
成長層3は、この上に例えば金(Au)/ゲルマニウム
(Ge)/ニッケル(Ni)の合金層などで電極を形成
することにより、例えばヘテロ接合電界効果トランジス
タのオーミック電極として用いることができ、ソース抵
抗の低い、高性能な半導体デバイスが得られる。
成長層3は、この上に例えば金(Au)/ゲルマニウム
(Ge)/ニッケル(Ni)の合金層などで電極を形成
することにより、例えばヘテロ接合電界効果トランジス
タのオーミック電極として用いることができ、ソース抵
抗の低い、高性能な半導体デバイスが得られる。
【0033】本実施例は、TEGaとDEGaClを用
いた成長について説明したが、TEGaとエチルガリウ
ムジクロライド(EGaDCl)あるいはトリクロガリ
ウム(GaCl3)などの他の原料を用いてもかまわな
い。
いた成長について説明したが、TEGaとエチルガリウ
ムジクロライド(EGaDCl)あるいはトリクロガリ
ウム(GaCl3)などの他の原料を用いてもかまわな
い。
【0034】また、本発明の成長方法を他のIII−V
族化合物半導体あるいはその混晶に適用しても同様な効
果が得られる。例えばトリエチルインジウム(TEI
n)とジエチルインジウムクロライド(DEInCl)
を用いた砒化インジウムの成長に適用してもよい。
族化合物半導体あるいはその混晶に適用しても同様な効
果が得られる。例えばトリエチルインジウム(TEI
n)とジエチルインジウムクロライド(DEInCl)
を用いた砒化インジウムの成長に適用してもよい。
【0035】さらには、ハロゲン基がIII族原子に結
合した構造を持つIII族材料として、臭素基を持つジ
エチルガリウムブロマイド(DEGaBr)などを用い
てもかまわない。
合した構造を持つIII族材料として、臭素基を持つジ
エチルガリウムブロマイド(DEGaBr)などを用い
てもかまわない。
【0036】さらには、本発明の成長方法を、TMGa
などを用いたp型GaAsの選択成長に適用しても、従
来よりもさらに良好な低温選択成長性が得られる。
などを用いたp型GaAsの選択成長に適用しても、従
来よりもさらに良好な低温選択成長性が得られる。
【0037】また、ここではSiO2マスクを用いた場
合について述べたが、窒化シリコンなどの他の材料によ
るマスクを用いた場合でも同様の効果が期待できる。
合について述べたが、窒化シリコンなどの他の材料によ
るマスクを用いた場合でも同様の効果が期待できる。
【0038】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
DEGaClの存在により、従来よりも低い基板温度に
おいて、良好な選択成長性が得られる。DEGaCl
は、GaAs基板上の成長には関与しないので、成長速
度が低下することなく、高純度GaAsが得られる。
DEGaClの存在により、従来よりも低い基板温度に
おいて、良好な選択成長性が得られる。DEGaCl
は、GaAs基板上の成長には関与しないので、成長速
度が低下することなく、高純度GaAsが得られる。
【0039】n型不純物をドーピングした場合には、補
償度の低い良好なn型GaAsが得られる。したがっ
て、例えば、高不純物濃度n型GaAs層を、オーミッ
ク電極形成部分のみに選択的に成長することが可能とな
り、ヘテロ接合電界効果トランジスタなどに用いた場合
には、ソース抵抗の低い高性能デバイスが実現される。
償度の低い良好なn型GaAsが得られる。したがっ
て、例えば、高不純物濃度n型GaAs層を、オーミッ
ク電極形成部分のみに選択的に成長することが可能とな
り、ヘテロ接合電界効果トランジスタなどに用いた場合
には、ソース抵抗の低い高性能デバイスが実現される。
【図1】本発明の一実施例の成長方法に用いられる成長
装置の模式的断面図である。
装置の模式的断面図である。
【図2】本発明の一実施例の成長方法による成長層の模
式的断面図である。
式的断面図である。
【図3】従来の成長方法による成長層の模式的断面図で
ある。
ある。
1 n型GaAs基板 2 SiO2マスク 3,3′ 高不純物濃度n型GaAs選択成長層 4 多結晶GaAs堆積物 5,6 有機金属原料供給ライン 7,8 マスフローコントローラ 9,10 ガスセル 11 成長室 12 排気装置 13 基板加熱機構 14 V族原料用セル 15 n型ドーパント用セル 16 ヌードイオンゲージ
Claims (1)
- 【請求項1】 III−V族化合物半導体の有機金属分
子線エピタキシャル成長方法において、III−V族化
合物半導体を成長するIII族原料として、ハロゲン基
がIII族原子と結合する構造を持つ原料と、ハロゲン
基を持たない有機金属原料とを併用し、成長に関与しな
い分解物の脱離を促進して化合物半導体を低温選択成長
させることを特徴とする有機金属分子線エピタキシャル
成長方法。
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