JPS59121917A - 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】 この発明は、反応性ガスを輸送するキャリヤガスを用い
る開管系の気相成長装置に係り、とくに所望の元素の析
出比率を高め、良質なエピタキシャル結晶成長が得られ
るようにした高性能な気相成長装置に関する。

気相成長技術は、比較的高純度の結晶面を量産するのに
適しているため、牛導体工業上不可欠な技術となってき
ている。一般にｌ−■族化合物の気相成長技術は、Ｉ族
元素ガスにＧａＣｌ、ＩｎＣｌなどのハロゲン化物を用
いる／蔦ロゲン輸送法と、Ｇａ　（ＣＨ３）　３、Ｉ　
ｎ　（０２Ｈ５ン、などのＩ族元素のアルキ化合物吻を
用いる有機金属法とがある。

Ｇａ／ＡｓＣｌ３／Ｈ２系によるハ０グン輸送法は（３
ａＡｓマイクロ波素子のはとんと大半を製造する手法に
なっている。一方有機金属法は、ハログ／輸送法が反応
管の全体を加熱しなければならないのに対し、この方法
は、反応管内に設置された基板以外には反応管を加熱し
ないですますことができるため、原料ガスやドーピング
ガスの０Ｎ１０ＦＦ　だけで極めて急峻な界面が形成で
きることなどの優れた特徴がある。有機金属法は、従来
ＭＢＥ（分子線エピタキシャル成長法）でなけれは困難
とされていた量子井戸レーザ用つエノ）の成長や超格子
ジノζイスの形成に有用であることが判明するや、各種
光デバイスや超高速半導体デバイスの製造に必須の技術
として、現在盛んに研究開発されるに至つ有機金属法の
場合、ｖＪ元素にも有機金属ガスを用いる全有機金属ガ
ス法も可能であるが、原料ガスの純度の問題や、プロセ
ス上の問題などのため、現在のところＶ族元素ガスには
、Ａ　ｓ　Ｈ３ＰＨ３などの水素化物を用いＩ族元素ガ
スならびにドーパントガスに有機金属を用いる方法が主
に採用されている。

そこで、ここでは有機金属法を用いたＩ−Ｖ族の化合物
の気相成長を例にとシ、従来の気相成長法についてまず
説明し、あわせて従来法の有する欠点について述べる。

■−■族化合物の有機金属気相成長法においては、■族
元素ガスならびに一部のドーパントガスに有機金属ガス
に用い、■族元素ガスにはＰＨ３、ＡｓＨ３などの水素
化物を用いる方法が主に採用されている。キャリヤガス
としては、不素ガスないしは窒素ガスやアルコ゛ンガス
などの不活性ガス、ないしはこれらの混合物が用いられ
る。常温で液状の原料物質については、これらキャリヤ
ガスを用いて該原料物質中を７（ブリングさせ、これら
を気化させて用いるようにしている。■−ｖ族化合物の
中では光デノくイスや超高速デバイス用としてＧ　ａ　
Ａ　ｓ系やＩｎＰ系などの化合物が有用であるが、従来
の報告例は大部分がＧ　ａ　Ａ　ｓ系のｕ狛に限られて
おシ、Ｉ　ｎ　Ｐ−？ＩｎＧａＡｓＰなど、ＩｎＰ系の
化合物の成長は実現がなかなか困難であった。その理由
は、一つにはＶ族原料化合物として用いられるＰＨ３（
ホスフィン）が非常に安定であるため、加熱てれた基板
上での熱分解比率が小さいこと、またさらには、■族原
料化合物として用いられるＩｎ（Ｃ２Ｈ５）３　（トリ
エチルインジウム）などが熱的に不安定なため、原料輸
送領域のガス温度の上昇によって、原料ガスが基板に達
する前に反応物が発生してしまい、基板上でのエピタキ
シャル成長が阻害されることなどである この原料輸送領域をできるだけ低温に保つためにも、ま
た、界面の急峻な高品質な結晶成長を行なうためにも、
結晶成長の温度は低い方が望ましい。このため結晶成長
温度（基板温度）は、非晶質や多結晶が生じない範囲内
でできるだけ低温側に設定される。例えば、ＩｎＡｓＰ
や工ｎ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　Ｐなどでは成長温度は５５０
〜６００°Ｃ程度に設定される。しかし、ＰＨ３は３７
５°Ｃから分解が始まるとされているものの、その分解
速度はそれ程速くないため、たとえ基板を７００°Ｃ以
上としてもまだかなシの量のＰＨ３が反応せずに排気さ
れてしまうという問題が生じる。このため、比較的に低
い成長温度でも結晶成長に必要なＰの分圧を実現するた
めには何らかの対策が必要である。

その対策の一つはＰＨ３の供給量を極めて大幅に増加さ
せることである。しかし、ＰＨ３は許容濃度０．３ｐｐ
ｍ　という強烈な毒性がある上、わずかな刺激でも空気
があると発火するなどの危険性もあるため、ＰＩ■３を
大量に供給することはその排ガス上に問題があシ、大量
生産を目的とした結晶成長にＰ４　　を生成しておき、
これを反応管に供給することである（Ｐ２やＰ４は基板
上で容易にＰに分解され析出する）。このような目的の
ＰＨ３分解炉を備えた気相成長装置が最近開発され、減
圧成長法と組合せてようや＜　ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ
ヘテロ接合レーザなどの試作がなされるようになった。

しかし、この従来の気相成長装置にはまだ次のような欠
点が残されていたため、これを天川化することができな
いでいた。即ち、従来の気相成長装置に用いられていた
ＰＨ３分解炉はＰＨ３の分解比率がまだ低いため、上述
したような問題点をごくわずか緩和したにすぎなかった
という点である。従来のＰＨ３分解炉は、分解炉の温度
を８００°Ｃ程度にまで高めて用いていたが、これでも
まだＰＨ３の熱分解は不充分でらった。また、ＰＨ３を
含んだキャリヤガスの流速が１〜５　ｍ／　ｓと高速な
ため、ガスと充分な熱交換を行なうにはかなシ長尺の加
熱炉が必要であ少年経済であった。

さらに分解炉の温度を高めるとか、分解炉内の表面積を
増すなどの方策を施せばＰＨ３の分解比率は高められる
が、これに伴ない、分解炉材に用いられる８　ｉ　０２
ないしはステンレス配管などの管材からの不純物の発生
が急増することや、より高温のガスがガス供給管２等に
導入される結果、原料ガスが基板に達する前に、■族原
料化合物との混合接触によって好ましくない反応物が発
生してしまうこと、などのため、基板上でのエピタキシ
ャル成長が阻讐され、良質でかつ均一な結晶成長を得る
ことができなくなってしまう。

この発明の目的は、上述した従来の欠点を除去し、高品
質なエピタキシャル成長を高効率に行うことのできる経
済的かつ高性能な気相成長装置を提供することにある。

この発明によれば、熱的に安定な元素（とくにＰ）の析
出比率が高められるのでＰＨ３などの有害なＶ族元素水
素化合物の供給量が大幅に低減でき、工業上不可欠な排
ガス処理対策が容易になる利点も得られる。

次にこの発明について、図面を用いて詳細に説明する。

図は、この発明の気相成長装置の一実施例の概略構成図
である。

第１の原料ガス発生装置１からＩｎ（０２Ｈ５）３、Ｇ
ａ（Ｃ２Ｈ５）３などのＩ族元素化合物気体ならびにＨ
２Ｓ、ｚｎ（Ｃ２Ｈｓ）ｚなどのドーパントガスと、水
素ガスを含む不活性ガス（キャリヤガス）とを発生させ
、ガス供給管２にガスを導入する、一方、第２の原料ガ
ス発生装置４からはＰ　Ｈ３、Ａ　ｓ　Ｈ３な１どの■
族元素化合物気体と、水素ガスを含む不活性ガス（キャ
リヤガス）を発生させ、分解Ｆ５を介してガス供給管２
に導入し、該ガス供給管内２で、前記第１の原料ガス発
生装置１から発生してきたガスとよく混合させて、この
混合ガスを反応管３に導入する。

反応管３の中には、基板保持Ａ（？セグタ）６上に基板
７が設置されてお〕、この基板７はシャフト８を回転式
せることによって反応管３の中で等速度の回転ができる
ようになっている。

９は反応管加熱コイルでめ夛、これによって基板を適当
な温度まで加熱するようにしている。

１０は分解炉加熱コイルである。１１は紫外励起光源で
アシ、該光源１１から出射した励起光１２、は、反射鏡
１３、レンズ１４、窓材１５、を介して分解炉５内に導
入され、該分解炉５内でガスを、ガスの流れの方向に沿
って同軸状に励起する。紫外励起光源としては分解せん
とする所望の■族元素化合物気体の吸収のピークに主要
な発光波長が一致していることが望ましいが、この実施
例のように、ガスの流れの方向に沿って同軸状に励起す
れば、励起に有効な長さを長くできるため、ガスの吸収
のピーク波長から多少ずれた発光波長を有する光源でも
支障なく使用できるようになる。

紫外励起光源工１としては、高圧水銀ランプなどのイン
コヒーレント光源や、１９３ｎｍ　Ａ　ｒ　Ｆ　−ｒ−
キシマーレーザや２４９ｎｍＫｒＦエキシマーレーザな
どの紫外域高出力レーザ光源が用いられる。高圧水銀ラ
ンプを用いる場合、光源の指向性は良くないので、出力
ＩＫＷ以上のかなシ高出力なランプを用いる必要がある
。　　　゛−１゛エキシマ−レーザを用いる場合、 平均出力は数＋Ｗ程度あれば十分であるが、レーザ発振
動作がパルス動作しか得られないため、ガスが分解炉中
に流れている間に光励起するには毎秒１００　　パルス
程肛以上の高速繰多返しが必要であるＱ 分解炉５中では、ガスは６００’Ｃ程度にまで加熱され
ているため、振動状態の基底状態からだけでなく、尚い
励起状態からも紫外光の吸収が生じ、これによシ効率よ
く光解離が生じるので、従来の分解炉による熱分解単独
では到底不可能であったような高い分解比率でもって、
■族元素化合物気体の分解を行うことができる。ただし
Ｖ族元素元素ガスのうちＡ　ｓ　Ｈ３はＰＨ３などに比
べ熱分解は比較的容易なため、これは分解炉５を通さず
に、第１の原料発生装置１から供給するようにしてもよ
い。

以上説明したように、この発明によれば、従来よシも低
い分解湿度で効率よく■族元素化合物気体の分解を行う
ことができるため、ＰＨ３などの有害なＶ族元素水素化
物の供＃量を少なくしても■族元素を高い析出比率で析
出させられる。また、従来よシも低い温度で分解できる
ため、分解炉や途中の配管中における不純物などの発生
を極力抑制することができ、良質なエピタキシャル成長
が得られるようになる。

上述した実施例においては、分解炉５から排出される原
料ガスをガス供給管２に導入するようにしたが、反応管
３の上流でも十分な混合効果が得られるならば該反応管
３に第２の開口を設けて、第１の原料ガス発生装置１か
ら供給される原料ガスとは独立にして直接原料ガスを反
応管３に導入してもよい。しかし、反応管内はかなシ高
温なため、ここで反応性のガスが長時間滞留することは
決して好゛ましいことではないので、反応管上流から基
板までの距離はできるだけ短くするようにした方がよい
。このため、反応管内でＩ族元素ガスとＶ族元素ガスと
を混合することはできれば避けた方がよい。ガス供給管
２内でＩ族元素ガスとＶ族元素ガスを混合させる場合、
不必要な反応が進行しないようにガス供給管２を冷却し
ておくことが好ましく、管内を流れるガスが液滴になら
ない程度にまで低く抑えておくとよい。

この発明によるＭ−Ｖ族化合物の気相成長製放によシ形
成したＩｎＰ　　結晶では、バッフ７層のキャリヤ濃度
は実用上問題なく十分に低下しておシ、７７°Ｋにおけ
る＃勤度は４０，０００　Ｇ１！／　Ｖ　−Ｓ以上が得
られた。

また、この発明はＩｎＰ　　だけでな（、ＩｎＧａＡｓ
Ｐなとの多元の１−■化合物の多層構造のエピタキシャ
ル成長に広く適用できる。

なお、この発明の実施例においては、励起光１２を分解
炉５内に、ガスの流れに沿って同軸状に入射させたが、
もし分解Ｐ５の壁面を鏡面とするならば、例えば斜め入
射するなどして、分解炉５内で励起光全ジグザグに進行
させ実効的な励起の長さを長くすることも可能である。

【図面の簡単な説明】

図は本発明の一実施例の構成を示す概略構成図である。 図において、ｌは第１の原料ガス発生装置、２はガス供
給管、３は反応管、４は第２の原料ガス発生装置、５は
分解炉、６は基板保持具、７は基板、８はシャフト、９
は反応管加熱コイル、１０は分解炉加熱コイル、１１は
紫外励起光源、１２は＃ｌ起光、１３は反射鏡、１４は
レンズ、１５は窓材である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 上流側から下流側へガスが流通される反応管と、該反応
   管内の上流側に開口するガス供給管と、該ガス供給管に
   接続される熱的に不安定な化合物気体を含む第１の原料
   ガス発生装置と、分解炉を介して前記ガス供給管に接続
   される熱的に安定な化合物気体を含む第２の原料ガス発
   生装置とを備え、前記反応管内に設置てれた基板上にガ
   スを導きエピタキシャル成長させる気相成長装置におい
   て、さらに紫外励起光源と、該光源から出射する励起光
   を前記分解炉内に導く導光手段とを備えたことを特徴と
   する気相成長装置。