JP3536699B2

JP3536699B2 - 化合物半導体気相エピタキシャル成長方法

Info

Publication number: JP3536699B2
Application number: JP00375999A
Authority: JP
Inventors: 忠厳土屋; 和人高野; 春典坂口
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 1999-01-11
Filing date: 1999-01-11
Publication date: 2004-06-14
Anticipated expiration: 2019-01-11
Also published as: JP2000208423A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、２層以上の異種の
半導体層からなる化合物半導体結晶の気相エピタキシャ
ル成長方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】化合物半導体を用いた種々のデバイス用
エピタキシャルウェハは、種類の異なるエピタキシャル
層を多層に積層してその特性を発揮する。異種の半導体
を連続して製膜する際に、異種の半導体の界面付近で元
素が混合し、いわゆる組成遷移層が形成される。これ
は、どのような半導体デバイスにおいても特性劣化の原
因となりうる。

【０００３】このような組成遷移層が形成される要因の
一つに、気相エピタキシャル成長方法においてはガス置
換の不完全さが挙げられる。異種の半導体を同じ装置内
で製膜する関係上、エピタキシャル成長装置は多くの配
管やバルブ、制御用圧力計、流量計を持ち、このため、
装置内には極力抑えたとしてもなおかつ若干のガス滞留
部分が残る。この部分に直前の成長層の原料が残ってい
ると、次の層の成長開始時に、この滞留部分から徐々に
ガスが流れ出し、２層の界面に組成遷移層を形成してし
まう。

【０００４】このため、通常ガスを切り替える際に、原
料となるガスの一部もしくは全てを流さずにキャリアガ
スを流す、いわゆる成長中断を設けている。成長中断中
は製膜は停止し、ガスの置換が進む。この技術によっ
て、組成遷移層を１分子層以下に抑えることが可能とな
っている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術の成長中
断は、ガスの置換の点で優れた効果を発揮するが、他
方、成長後の表面が成長中断中はキャリアガスに曝され
た。キャリアガスに曝された表面は変化するため、通常
は成長中断の時間や温度を検討して最適化を図ってい
る。

【０００６】しかし、特に水素をキャリアガスとして使
用した場合は、成長中断により、表面に欠陥、さらには
表面の凹凸をもたらし、成長後には界面での組成ゆらぎ
として観測される。特に、中断前の成長膜がインジウム
を含む系の場合ではそれが著しいことが分かった。

【０００７】そこで、本発明の目的は、上記課題を解決
し、ガス置換に十分な成長中断時間をもってしても、異
種の半導体接合界面に結晶欠陥起因の組成ゆらぎ（組成
遷移層）を発生させない成長中断方法とした化合物半導
体気相エピタキシャル成長方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の化合物半導体気相エピタキシャル成長方法
は、２層以上の異種の半導体層からなる化合物半導体結
晶を気相成長法によりエピタキシャル成長する方法であ
って、キャリアガスとして水素を使用し、かつ層間に成
長を中断してガス切り替えを行う方法において、インジ
ウム・ガリウム・ヒ素からなる第１の半導体層の成長
後、ガリウム・インジウム・リンからなる第２の半導体
層を成長する前の成長中断中に流すキャリアガスとし
て、水素を従とし不活性ガスを主とするガスを使用する
ものである（請求項１）。

【０００９】前記不活性ガスとしては、窒素や希ガス、
又は窒素と希ガスの混合ガスを用いることができる（請
求項２、３、４）。不活性ガスに混合する水素の濃度は
２５％以下とするのが好ましい（請求項５）。前記気相
成長法としては有機金属気相成長法を用いることができ
る（請求項６）。

【００１０】本発明の要点は、成長中断時に流すキャリ
アガスを不活性ガスを中心とした組成に改めた点にあ
る。

【００１１】従来、キャリアガスとしては水素が用いら
れてきた。不活性ガスをキャリアガスとして成長する
と、特にアルミニウムを含む場合に酸素の混入が問題と
なる。しかし、アルミニウムを含まない系においても、
キャリアガスとして水素を用いるのが純度を増すために
半ば常識となっていた。

【００１２】しかし、成長中断中に水素をキャリアガス
として使用すると、結晶中の水素と化合し易い元素が水
素化物として脱離したり、あるいは反応炉内の上流部で
発生した水素化物が不純物として混入する可能性があ
る。また、これにより、成長中断中に成長表面に結晶欠
陥を作る可能性も高い。

【００１３】これに対して、本発明によりキャリアガス
を、水素を従とし不活性ガスを主とするガスにした場合
には、半導体の構成元素との化合物を形成し難くなり、
水素の場合よりも、表面との相互作用を抑えることがで
きる。その際、不活性ガスに混合する水素の濃度を２５
％以下とすると、エピタキシャルウェハの電子移動度の
顕著な改善効果が得られる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を実施例
を中心に説明する。

【００１５】図１に、本発明に従って成長しようとする
ＧａＩｎＰ系エピタキシャルウェハの積層構造を示す。
これは、半絶縁性のガリウム・砒素（ＧａＡｓ）基板１
上に膜厚０．５μｍのｕｎ（アンドープ）型ＧａＡｓバ
ッファ層２を設け、その上にスードモフィック（Pseudo
morphic ）状態で膜厚１４nmのｕｎ型インジウム・ガリ
ウム・砒素（ｕｎ型ＩｎＧａＡｓ）から成るチャネル層
３を設け、さらにその上に膜厚２nmのｕｎ型ＧａＩｎＰ
のスペーサ層４を介して、膜厚３８nmのｎ型ＧａＩｎＰ
から成るキャリア供給層５を設けたもので、高電子移動
度トランジス（ＨＥＭＴ）用のエピタキシャルウェハと
して使用できるものである。

【００１６】チャネル層３のｕｎ型ＩｎＧａＡｓのＩｎ
Ａｓ組成比は１５％、キャリア供給層５のスペーサ層４
のｕｎ型ＧａＩｎＰのＧａＰ組成比は５２％、キャリア
供給層５のｎ型ＧａＩｎＰのＧａＰ組成比は５２％であ
る。

【００１７】上記ガリウム・インジウム・リン（ＧａＩ
ｎＰ）とインジウム・ガリウム・ヒ素（ＩｎＧａＡｓ）
からなる選択ドープ構造（断面構造を図１に示す。）
を、有機金属気相エピタキシャル成長法（ＭＯＶＰＥ
法）で作製した。成長条件は表１に示す通りである。

【００１８】

【表１】

【００１９】キャリアガスは水素ガスとし、原料は、有
機金属原料にトリメチルガリウム、トリメチルアルミニ
ウム、トリメチルインジウム、トリエチルガリウムを使
用し、水素化物原料にアルシン、フォスフィン、ジシラ
ン使用した。成長圧力は約５０Ｔｏｒｒ、成長温度は６
００℃とした。基板に用いた半絶縁性ＧａＡｓの面方位
は（１００）とした。

【００２０】半絶縁性のＧａＡｓ基板１上にｕｎ型Ｇａ
Ａｓバッファ層２、ｕｎ型ＩｎＧａＡｓチャネル層３、
ｕｎ型ＧａＩｎＰスペーサ層４、及びｎ型ＧａＩｎＰか
ら成るキャリア供給層５を順次堆積させた。その際、Ｇ
ａＩｎＰスペーサ層（第２の半導体層）４とＩｎＧａＡ
ｓチャネル層３（第１の半導体層）との界面では、３０
〜６００秒間成長を中断し、この間はキャリアガスとフ
ォスフィンを流した。フォスフィンは表面の保護のため
に毎分ｌ．４リットル（ｌ．４ＳＬＭ）、キャリアガス
は水素を従とし不活性ガスを主とするガスを３８．６Ｓ
ＬＭ流した。

【００２１】ここで本発明の効果を明らかにするため、
上記のキャリアガスを、（１）水素のみ（従来例）、
（２）窒素２０ＳＬＭと水素ｌ８．６ＳＬＭの混合（実
施例１）、（３）窒素３０ＳＬＭと水素８．６ＳＬＭの
混合（実施例２）、の３条件で比較した。

【００２２】この選択ドープ構造では、ＧａＩｎＰ／Ｉ
ｎＧａＡｓ界面の平担性や組成急峻性が、界面付近に蓄
積する２次元電子ガスの電気特性の差となって現れる。
表２に成長中断時間をｌ５０秒としたときの作製したエ
ピタキシャルウェハ（ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ選択ドープ
構造）のＨａｌｌ効果測定の結果を示す。ここでシート
キャリア濃度の表記方法として、１×１０¹²をＥ＋１２
で示した。

【００２３】

【表２】

【００２４】表２から分かるように、キャリアガスを
（１）の水素のみ（従来例）とした場合は、電子移動度
は６８００cm²／Ｖｓであるが、（２）の窒素２０ＳＬ
Ｍと水素ｌ８．６ＳＬＭの混合（実施例１）とした場合
には電子移動度が７６００cm²／Ｖｓと増大し、更に
（３）の窒素３０ＳＬＭと水素８．６ＳＬＭの混合（実
施例２）とした場合には電子移動度が１００００cm²／
Ｖｓと増大している。しかも、この電子移動度の増大
は、シートキャリア濃度のほとんど増大なしに得られて
いる。

【００２５】このことから、キャリアガスに窒素を主と
するガスを使用することによって、シートキャリア濃度
を変えずに、著しく電子移動度を改善できることが分か
る。即ち、この技術をＧａＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ系スー
ドモフィックＨＥＭＴエピタキシャルウェハに適用する
ことにより、優れた特性のＨＥＭＴが実現できる。

【００２６】なお、中断時間による差を調べたが、上記
に比べて無視できる差でしかなかった。

【００２７】不活性ガスに混合する水素濃度について調
べたところ、上記実施例１及び実施例２の場合で約５０
％の水素濃度とした時には特性が十分でなく、２３％の
時には顕著な効果を得た。電子移動度を十分に改善する
ためには水素濃度を２５％以下とすることがよい。

【００２８】上記実施例１、２では窒素のみ取り扱って
いるが、アルゴン、へリウムなどの希ガスも上記の化合
物半導体と反応しないことはよく知られており、窒素の
代替えガスとして使えることは明白である。

【００２９】＜他の実施例，変形例＞本発明の成長方法
は、上記ＧａＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ系ウェハのＧａＩｎ
Ｐのスペーサ層４及びキャリア供給層５の代わりに、Ａ
ｌＧａＡｓ（ＡｌＡｓ混晶比０．２８）のスペーサ層４
及びキャリア供給層５を用いた選択ドープ構造を作成す
る場合においても、同様に適用することができる。この
ＡｌＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ選択ドープ構造を持つエピ
タキシャルウェハの場合について、上記と同様にして得
られたもののホール効果測定の結果を表３に示す。

【００３０】

【表３】

【００３１】表３から分かるように、キャリアガスを
（１）の水素のみ（従来例）とした場合は、電子移動度
は２００００cm²／Ｖｓであり、（２）の窒素２０ＳＬ
Ｍと水素ｌ８．６ＳＬＭの混合（比較例）とした場合も
電子移動度が１６００cm²／Ｖｓであるが、（３）の窒
素３０ＳＬＭと水素８．６ＳＬＭの混合（実施例３）と
した場合には電子移動度が２４０００cm²／Ｖｓと増大
している。従って、本発明の成長方法は、このＡｌＧａ
Ａｓ／ＩｎＧａＡｓ系ウェハの場合についても有効であ
る。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
成長中断時に流すキャリアガスを不活性ガスを中心とし
た組成、即ち水素を従とし不活性ガスを主とするガスに
改めているため、ガス置換に十分な成長中断時間をもっ
てしても、キャリアガスが半導体の構成元素と化合物を
形成してしまうことが行われ難くなり、水素の場合より
も表面との相互作用を抑え、異種の半導体接合界面に結
晶欠陥起因の組成ゆらぎが発生するのをなくすことがで
きる。

【００３３】従って、この技術を例えばＧａＩｎＰ／Ｉ
ｎＧａＡｓ系スードモフィックＨＥＭＴエピタキシャル
ウェハに適用することにより、成長中断中に成長表面に
結晶欠陥が作られるのを阻止し、従来より移動度を増大
させた優れた特性のＨＥＭＴを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の成長方法を適用して成長しようとする
エピタキシャルウェハの断面構造を示した図である。

【符号の説明】

１半絶縁性ＧａＡｓ基板２ｕｎ型ＧａＡｓバッファ層３ｕｎ型ＩｎＧａＡｓチャネル層４ｕｎ型ＧａＩｎＰスペーサ層５ｎ型ＧａＩｎＰキャリア供給層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/205 C30B 29/40 502

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】２層以上の異種の半導体層からなる化合物
半導体結晶を気相成長法によりエピタキシャル成長する
方法であって、キャリアガスとして水素を使用し、かつ
層間に成長を中断してガス切り替えを行う方法におい
て、インジウム・ガリウム・ヒ素からなる第１の半導体
層の成長後、ガリウム・インジウム・リンからなる第２
の半導体層を成長する前の成長中断中に流すキャリアガ
スとして、水素を従とし不活性ガスを主とするガスを使
用することを特徴とする化合物半導体気相エピタキシャ
ル成長方法。
【請求項２】前記不活性ガスとして、窒素を用いたこと
を特徴とする請求項１記載の化合物半導体気相エピタキ
シャル成長方法。
【請求項３】前記不活性ガスとして、希ガスを用いたこ
とを特徴とする請求項１記載の化合物半導体気相エピタ
キシャル成長方法。
【請求項４】前記不活性ガスとして、窒素と希ガスの混
合ガスを用いたことを特徴とする請求項１記載の化合物
半導体気相エピタキシャル成長方法。
【請求項５】前記不活性ガスに混合する水素の濃度を２
５％以下とすることを特徴とする請求項１、２、３又は
４記載の化合物半導体気相エピタキシャル成長方法。
【請求項６】前記気相成長法として有機金属気相成長法
を用いることを特徴とする請求項１、２、３、４又は５
記載の化合物半導体気相エピタキシャル成長方法。