博 士 （ 工 学 ） 齋 寛 展
学位論文題名
Gas Source Molecular Beam Epitaxial Growth of 工ndium Gallium Phosphide Using Tertiarybutylphosphine
（夕ーシャリブチルホスフインを用いたインジウムガリウムリンの ガスソース分子線エピタキシャル成長）
学 位 論文 内 容 の 要旨
半導体デバイスは 現代エレクトロニクスの中核 であり、将来の産業を支え る大きな柱のー つである。ことにIII‑V族化合物半導体はその優 れた光学的・電気的特性、および、高度な結 晶成長技術によりヘ テロ界面を形成できることか ら、光デバイス、高速電子 デバイス、光集 積回路などの次世代 マルチメデイア高度情報化社 会におけるキーデバイス材 料として非常に 有望 であ る 。こ れら のデ バイスの作製には、従 来AIGaAs/GaAs系材料が最も よく用いられて いるが、障壁材料で あるAIGaAsには、化学的に活 性なAlを含み、また、結晶 中に深い準位が 存在し、これらがデ バイスの動作の長期安定性および、雑音特性に対する問題となっている。
一方 、InGaP材料 はAlを 含まず、また、深い準位 も少ないため、AIGaAsに替 わる最も有望な 材料として、近年活 発に研究が行われておる。こ れまでに、ホスフイン(PHヨ）を燐ソースと し た ガ ス ソ ー ス 分 子 線 工 ピ タ キ シ 一 法 （GSMBE） お よ び 有 機 金 属 気 相 エ ピ タ キ シ ー 法
（MOVPE） を 用 い て 、 デ バ イ ス 応 用 可 能 な 高 品 質InGaP結 晶 が得 られ てい る 。中 でも 、 GSMBE法 は、 成長 の その 場観察が可能であり、各 種の真空ベースの評価装置 との接続が容易 なため、高品質ウェ ハ成長のための有望な手法で ある。しかしながら、ホス フインは非常に 毒性が強いため、InGaP/GaAsウェハを工業的に大 量生産するためには、より 毒性の低い安全 な燐 ソー ス の使 用が 強く 望 まれ てい る。 これ に 対し て、 近年 、毒 性 がPH3の1/1000と低い ターシャリブチルホ スフイン(TBP)が、安全性の 高い燐ソースとして注目されている。以上の 様にTBPを用 いたGSMBE法 は高品質InGaPウェハの 大量生産に有望な手法では あるが、従来報 告 で のTBPを 用 い たGSMBE法 よ り 成 長 したInGaPの 光学 ・電 気 特性 はPH3を 用い たGSMBE法 お よ びMOVPE法 に よ る も の と 比 べ 、 明 ら か に 劣 っ て い る の が 現 状 で あ る 。 本 論 文 は 、TBPを 用 い たGSMBE法 に より 高品 質 なInGaP層 お よびInGaP/GaAsヘテ ロ構 造 を成 長す る 目的 で、 成長 のその場観察および各 種の結晶性評価に基づき、GSMBE成長におけ る結晶性劣化の原因 の解明、および、これに基づ く成長の最適化を試みるも のである。具体 的に は、 初 期GaAs表 面を 過 剰Asのな い（2x4）再 構成 表 面と し、 十分 な量 の燐を供給しか つ、 狭い 最 適成 長温 度範 囲 に基 板温 度を 設定 す ることにより、TBPを用いたGSMBE法による InGaPの 成 長 とし ては 初め て、 良 好な2次 元成 長に 起因 する 反 射高 工ネ ルギ ー 電子 線回 折 (RHEED)信 号 の 持 続 的 な 振 動 を 観 測 し 、 か つ 、PHユ を 用 い たGSMBE法 、MOVPE法 に よ る InGaPと 同等 以上 の 光学 ・電 気特 性を 持 つInGaPの成長に初めて成功した。 さらに、InGaP/
GaAsヘ テ ロ界 面特 性 につ いて も検 討を 加 え、 本方 法に よル デ バイ スヘ 適用 可 能な 良好 な InGaP/GaAs界面 が得 られ ることも示している。 本論文は7章より構成されて る。以下に各章 の要旨を示す。
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第 1章 で は 、 本 研 究 の 背 景 と 目 的 を 述 ぺ る と と も に 、 各 章 の 概 要 を 記 し た 。 第2章 では 、従 来 行わ れて きたInGaPの 薄膜 成 長方 法と、成 長膜の評価法について概説し た。
第3章 では 、ま ず 、本 研究 で用 い たGSMBE装 置 に関 する 説明 を 行っ てい る、 特に、TBPの 熱分解によりP，ソ ースを得るクラッキングセルについては、従来構造と本研究で新たに提案し た2種類の異なるセ ル構造について検討し、それ らの熱分解効率を比較して いる。新しいセル 構造 に より 、TBPの 分解 効率 は2倍 程度改善することが示された 。また、本章では、TBPを用 いたGSMBE法によるInGaP成長におけ る、組成、成長速度の成長 温度依存性ついても述べてい る。低成長温度領域 では、InGaPの組成・成長速 度とも一定であるが、成長 温度がある程度高 くなると、温度とと もにGa組成が増加し、成長 速度が減少することが明らかとなった。低温領 域では、III族の供 給律速で成長が生じていたのが、高温になると燐の表面からの脱離が律速過 程となり、このよう な温度依存性を示す事を明 らかにしている。さらに、これらの2つの温度 領域 そ れぞ れに おい て、GaAsに 格子 整合 するInGaP結 晶 を成 長す る方 法も 提 案している。
第4章 では 、RHEEDを用 い たInGaP成長 のそ の場 観察 結 果と 、そ れに 基づ く 成長条件の最 適化について述べ、 さらにInGaPの最適成長条件 を決定するメカニズムにつ いて考察を行って いる。TBPを用いたInGaP成長において、2次元成 長を実現するためには以下 に示す様な精密な 成長条件の制御が必 要であることを示している 。まず、初期GaAs表面を過剰Asのない（2x4） 再構 成 表面とし、過剰Asによる成長 初期段階における歪みをな くすこと、次に、新しい高効 率セルを用いて十分 な量の燐を供給しかつ、490℃近傍の狭い最適成長温度 範囲に基板温度を 設定することにより 、十分高い成長温度でのIII族供給律速の成長を実現す ることが必要であ る。 こ の条 件に より 、TBPを 用い たGSMBE法に よ るInGaPの成長 としては初めて、良好な2次 元成 長 に起 因す る反 射高 エ ネル ギー 電子 線回 折(RHEED)信号 の持 続的 な振 動 を観測した。
第5章 では 、3章で 提案 し た方法 で成長したGaAsに格子整合す るInGaP成長膜の電気・光学 特性 を 比較している。その結果、4章で得られたRHEED観察に基 づき最適化された条件で成長 した ア ンドープInGaP層は、n型であ り、室温および77Kで高い移 動度（3，300、21，OOOcmz/
Vs)および低いキャ リア密度（l.2 ‑ 5x101scrri・3）を示し、さらに、室温および77Kのフォト ルミ ネ ッセ ンス 測定 にお い て、 強く 半値 幅の 狭 い（ 室温 ：32meV、77K：15．5meV)バンド 端発 光 を示 した 。こ れら の 特性は 、PHヨを用いたGSMBE法、MOVPE法によるInGaPと同等以上 である。また、Siのドーピングにより、nニ=2xl019crTi．3とぃう非常に高いキャリア濃度が実現可 能であることも示している。
第6章 で は 、TBPを 用 い たGSMBE法 に よ り 形成 したInGaP/GaAsヘテ ロ界 面の 評 価を 行っ た結 果 について述べている。InGaP/GaAs量子井戸構造を作製し フォトルミネッセンスによる 評価 を 行った。その結果、量子井戸 に起因する幅の細いフォト ルミネッセンス発光が観測さ れ、 本 方法によルデバイスヘ適用可 能な良好なInGaP/GaAs界面 が得られることが示された。
また 、 発光 エネ ルギ 一位 置 の量 子井 戸幅 依存 性 から 、TBPを用 いたGSMBE法により形成され たInGaP/GaAs界面では、従来法によ り形成される界面以上に、 大きな伝導帯不連続が生じて いる可能性が示された。
第7章では、本論文の結論を述べている。
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学 位 論 文 審 査の 要 旨 主査
副査 副査 副査
教 授 教 授 教 授 助 教 授
長 谷 川 福 井 酒 井 藤 倉
英機 孝志 洋輔 序章
学位論文題名
Gas Source Molecular Beam Epitaxial Growth of Indium Gallium Phosphide Using Tertiarybutylphosphine
（夕ーシャリブチルホスフインを用いたインジウムガリウムリンの ガスソース分子線エピタキシャル成長）
21世紀 に本格化すると予想される 高度情報化社会においては、 光通信およびマイクロ波・
ミリ波通 信技術に新しい展開の道が 開かれると考えられる。すな わち、FTTH (fiber to the home)構想 を含 む光 ネ ットワーク形成の核 となる光技術の展開とともに 、携帯電話・車載電 話などの 移動通信、自動車の衝突回 避用ミリ波レーダーシステム 、衛星を介するグローバル なネット ワーク構成等の実用化に大 きな期待が寄せられている。 現在これらのシステムの中 核 を に な っ て い る の は 、 主 と し て ガ リ ウ ム ヒ 素 ／ ア ル ミ ニ ウ ム ガ リ ウ ム ヒ 素 （GaAs/
AIGaAs)系 材料 を用 い たm‑v族 化合 物半 導体 高速 光デバイス・電子デバ イスである。しかし ながら、 デバイスの更なる高性能化 ・高信頼化の要請に伴い、イ ンジウムガリウムリン／ガ リ ウム ヒ素(InGaP/GaAs)系 等 の新 たな 材料 系の 成長およびデバイス応 用に関する研究が、
近年、活 発に行われている。
本論文は、こ のような背景のもとで、毒 性が低く、工業的なウェハの 大量生産に適したり ン ソー スで ある ター シ ャリ ブチ ルホ ス フイ ン(TBP)を用 いて、高品質なInGaPおよびInGaP/
GaAsヘ テロ 構造 ウェ ハ を、 ガス ソー ス 分子 線エピタキ シヤル成長法(GSMBE法）によ り成長 する目的で行っ た一連の研究結果をまとめ たものである。本論文は7章より構成されている。
以下に各章の概 要を示す。
第1章では、本研究 の背景と目的を述べるとと もに、各章の概要を述ぺてい る。
第2章 では 、従 来行 わ れて きたInGaPの 薄膜成長方法と、成長膜の 評価法について概説し てい る。
第3章 では 、本 研究 で 用い たGSMBE装置 とそ れを用いた成長法につい て述べている。こと に、TBPの熟分解によりP。ソースを得るクラッキングセルについて、本研究で新たに提案した ニ
セル構造と従来構造と を比較検討し、新しいセル構 造により、TBPの分解効率が2倍程度増大
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でき ること を示し ている 。次に、TBPを用 いたGSMBE法 による 従来のInGaP成長における問題 点と して、 組成、 成長速 度の成長 温度依 存性について考察している。すなわち、低成長温度 領域 では、InGaPの組成と成長速度はともに一定であるが、成長温度をある程度高くすると、
温度 ととも にGa組成 が増加 し、成 長速度 が減少することを明らかにしている。このような温 度依 存性が 現れる 機構として、低温領域では、III族の供給律速で成長が生じていたのが、高 温に なると 燐の表 面から の脱離が 律速過 程となるとぃう説明を与えている。最後に、この考 察に もとづ き、こ れらの2つの温 度領域そ れぞれにおいて、GaAsに格子整合するInGaP結晶を 成長 する方 法を提 案して いる。
第4章で は 、 反 射高 エ ネ ル ギー 電 子 線 回折(RHEED)を 用 い たInGaP成 長の その 場観察 結 果と 、それ に基づ く成長条件の最適化について述べ、さらにInGaPの最適成長条件を決定する 要因 につい て考察 を行っ ている。TBPを用 いたInGaP成 長にお いて、2次元成長を実現するた めに は、ま ず、初 期GaAs表面 を過剰Asのない （2x4）再 構成表 面とし、過剰Asによる成長初 期段階における歪みをなくすこと、次に、新しい高効率セルを用いて十分な量の燐を供給し、
かつ 、490℃近 傍の狭い最適成長温度範囲に基板温度を設定することにより、十分高い成長温 度でのIII族供給律速の成長を実現することが必要であることを示している。この条件によげ、
TBPを用 いたGSMBE法によ るInGaPの成 長とし ては初 めて、 良好な2次元成 長に起 因する持 続 的なRHEED輝度振動を観測することに成功している。
第5章 で は、3章 で 提 案 した方 法で成 長したGaAsに格子 整合す るInGaP成長 膜の電 気・光 学 特性を 比較し ている。 その結 果、4章 で得られたRHEED観察に基づき最適化された条件で成 長 し た ア ン ド ー プInGaP層 は 、n型 で あ り 、 室 温 お よ び77Kで 高 い 移 動 度 （3,300、 21，OOOcm2/Vs)および低いキャリア密度（1．2‑ 5xlOlsCITl．3）を示し、さらに、室温および77 Kの フ ォ ト ル ミ ネ ッ セ ン ス 測 定 に お い て 、 強 く 半 値 幅 の 狭 い （ 室 温 ：32meV、77K： 15.5meV)バンド 端発光 を示した 。これ らの特 性は従 来広く 用いら れてき た、PHヨ を用い た GSMBE法 、MOVPE法 に よ るInGaPと 同 等 以 上 で あ る 。 ま た 、Siの ド ー ピ ン グ に よ り 、 n=2xl019crTi．3と ぃう 非 常 に 高い キ ャ リ ア濃 度 が 実 現可 能 で あ るこ と も 示して いる。
第6章で は 、TBPを 用い たGSMBE法 に よ り 形成 し たInGaP/GaAsヘテ 口 界 面の 評価を 行っ た結 果につ いて述 べてい る。InGaP/GaAs量子井戸構造を作製しフォトルミネッセンスによる 評価 を行っ た。そ の結果 、量子 井戸に起 因する幅の狭いフォトルミネッセンス発光が観測さ れ、 本方法 によル デバイ スヘ適 用可能な 良好なInGaP/GaAs界面が得られることが示された。
また 、発光 エネル ギ一位 置の量 子井戸幅 依存性 から、TBPを用い たGSMBE法 により 形成さ れ たInGaP/GaAs界面で は、従 来法に より形 成される界面より、大きな伝導帯不連続が実現され てい る可能 性が示 されて いる。
第7章では 、本論文の結論を述べている。
これ を要する に、著 者は、 詳細な 成長のその場観察および成長機構に関する考察と成長の 最適化 を試み 、TBPを用 いたGSMBE法によ り高品 質InGaPを成 長するための方法・条件を明ら か に し て お り 、 半 導 体 工 学 の 進 歩 に 寄 与 す る す る と こ ろ 大 な る も の が あ る 。 よ っ て 著 者は 、 北 海 道大 学 博 士 （工 学 ） の学 位を授 与され る資格 あるもの と認め る。
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