博 士 （ 工 学 ） 杵 築 弘 隆
学位論文題名
励＆彪Processing of AIGaAs SurfaCeSWithin Met 甜 OrganiCVaporPhaSeEpit ： aXyReaCtor
（アルミニウムガリウムヒソ表面の有機金属気相 成長反応炉内におけるその場プロセスの研究）
学位論文内容の要旨
選択成長技術は、微細化・複雑化の一途をたどる化合物半導体デバイス開発に対応するための必須 要素技術として、半導体レーザの製造から量子効果デバイスの基礎検討にいたるまで幅広く応用され ている。しかし、選択成長は絶縁膜形成、ウェットェッチングなどのウェハプ口セスを施した半導体 層上への再成長プ口セスとなるため、通常のェピタキシャル成長とは異なる問題点を抱えている。特 にAIGaAs系デバイスではAlが非常に反応活性な材料であることから、ウエハプ口セス中にAIGaAs表 面は容易に酸化され、不純物に汚染される。一度酸化したAIGaAs表面の酸化物の除去は困難であり、
再成長界面には多量の不純物（酸素、炭素、珪素など）が蓄積し、AJGaAs上選択再成長層の結晶品質 は著しく低下する結果となる。
近年、工ッ チングとェピタキシャル成長とを同一チャンパー内、あるいは高真空中で搬送でき るシステムにより大気にさらすことなく一貫して行なう血situプ口セスの研究が活発化してきた。
面situプ口セ スの研究は、主に量子効果デバイスに適用可能な微細加工を高度に制御された環境 下で行なうこ とを目的として進められているが、加工表面における不純物汚染排除の有カな手段 であることか らAIGaAs系デバイスの製造プロセスとして大きな発展性を有している。しかし、
再成長界面の 清浄度、結晶品質の検証は緒についたばかりであり、特にAlGaAs上再成長に関す る系統的な報 告は少ないのが現状である。本論文では、有機金属気相成長反応炉(MOVPEリアク ター）を用いた而situ HC1ガスエッチングの研究を行い、AIGaAsの再成長界面、再成長結晶層の品 質、およびェッチング形状など、種々の視点から議論した。
第1章(INTRODUCTION)では，而situプ口セスの研究動向を概観し，本論文の目的と位置付けを 明確化した。
第2章(STUDIES ON RESIDUAL IMPURITIES AND DISLOCATION DENSITY)では，向sむUHC1ガス エッチングを施レたNGa船上の再成長界面の清浄度と再成長GaAs層の転位密度を評価した結果をも とにNGaAsの伽釦 プ口セスにおける課題を抽出し，解決策の提案（ニ段階HC1ガスエッチング法 の開発）を行った。得られた知見は以下の通りである。（1）NGa心に対するむむ プ口セスでは、
Ga心に対する場合と異なり、単にェッチングと再成長とを同一リアクター内で連続して行うだけでは 清浄な再成長界面は得られないことが明らかになった。NGa心表面に形成された酸化物は非常に安定 ―122―
であ り 、ガ スエ ッチングによって気 相中に脱離していくのでは なく、工ッチング後も表面に 残留する こと を 示し た。(2) /UGa船上にあら かじめGa触キャップ層を付 加しておき、GaAsキャップ層 からガス ェッ チ ング を開 始することにより刈Ga心上再成長界面への不純 物の残留は低レベルに抑制で きること を示した。また、 エッチング条件の最適化が 不純物低減に対して重要な要素であることを見いだした。
（3）GaAsキャッ プ層に対して、低温（350℃ ）でのHCl処理を施し、引き続いて高温（750℃）でのガス ェッ チ ング を施 す2段階HCJガス エッ チン グ 法を 新た に開 発し 、 再成長界面の残留不純物を さらに抑 制できることを示 した。創0．48Ga．52心再成 長サンプルにおいて、再成長界面への炭素不純物の残留は SIMSの 検出 限界 以下 に 、ま た、 酸素 不純 物 の残 留も3x1017cmう （ビーク値）以下に抑制で きた。ま た 、 再 成 長 層 の 転 位 密 度 は 通 常 の 連 続 成 長 と 同 程 度 （1000cm．2以 下 ） ま で 低 減 で き た 。 第3章 （oPTICALPROPERnESハ めINTE心 ― ACERECOMBINA110NVELOC汀Y） で は 、 時 間 分 解 フ ォトルミネッセン ス（Pりの手法を用いて再成 長界面のより厳密な評価を試みた。励sん プ口セスによ り作 製 した 再成 長DH構 造で は通 常の 再成 長DHと 比較 してPL発 光 強度の顕著な増大が認めら れた。ま た、 界 面再 結合 速度 は6．8x103cm／sで あった。この値はこれ までに各研究機関から報告さ れたGa心 お よ びhGa心 の 面mUプ 口 セ ス 界 面 に お け る 界 面 再 結 合 速 度 の ト ッ プデ ータ と同 レベ ル であ り、2 段階HClガス エ ッチング法が高川組 成の創Ga心に対レても優れた 面sむ プ口セス手法である ことを示 レた 。 再成 長サ ンプルの界面再結合 速度が連続成長サンプルの それと比較して未だ速い理由 は、界面 に残留レたわずか な酸素による影響と考えら れる。
第4章 （ETa皿NGBEHAv10Rm虹 ）MORPHOLOGり で は 面 むu工 ッ チ ン グ し たGa心 の エ ッ チ ン グ 形 状と表面モホロジ ーについて詳細に調べた。Ga心（100）面上に、［011］方向を長手方向とするストライ プ状SiNエマ ス クを施した場合、選 択工ッチング側面には極めて 平坦生の高い（n1）B面が現 れること がわ か った 。こ れは 、HC1ガ スエ ッ チン グにおいては、As面で エッチングが停止する機構が 働いてい るこ と を示 唆し ている。次に、微傾 斜（110）Ga心墓板に対しHC1ガスエッチングを施し、表 面モホロ ジー をAFM観 察 した 。工 ッチ ング 表 面に はマ ルチ ス テッ プが 形成 され る こと 、斜 面に はや はりAs面 が選 択 的に 発現 しやすいことを明ら かにした。この結果は、エ ッチングはステップェッジか ら選択的 に 生 じ 、 pヰ 面 を 選 択 面 と す る ヌ カ ニ ズ ム が 働 い て い る こ と を 示 し て い る 。 第5章 （DEMCEFAB心 G虹10NUSING玳 SITUHClGASETCmNGPROCESS） で は 、 面sfmプ 口 セス の 埋め 込み りッジ導波路型の0．78皿m帯高出力半導体レー ザーへの応用例をとりあげ、 本手法の 有 用 性 を 示 レ た 。 試 作 し た レ ー ザ ー の しき い 値電 流は 室温CW発 振 時で73mAであ り、100mW以 上 の 安定な高出力動作 を確認した。
第6章 （CHL0心DEASSISTEDMOVPE） で は 、 わ 飢Uプ 口 セ ス の 一 形 態 と し てHCl添 加MOVPE法 を取 り 上げ 、従 来は困難であった高 川組成の魁Ga心の選択成長 を実現した。選択成長領域の 形状を分 析し た 結果 、HC1ガ スの 添加 が表 面 上で の成長種のマイグレー ション長、および気相中での 横方向拡 散長 の 双方 に影 響を与え、選択性を 向上させていることが明ら かになった。また、本手法を 実屈折率 ガイ ド 型1GaA6高出 カレ ーザ ーの 製 造プ 口セスに初めて適用し 、従来の口スガイド型高出カ レーザー と比較してしきい 値電流の40ゲ。以上の低減 を実現した。
以 上 、 本 研 究 で はMOVPEリ ア クタ ーを 用い た 血釦uプ口 セ スに つい て様 々 な面 から 検討 レ、 高 性 能デ パ イス 開発 の基 本 要素 技術 とし て発 展させた。血飢 HClガスエッチング法は高触組成 の川Ga心 に対しても優れた 選択再成長手法であると結 諭できる。
―123ー 以 上
学 位 論 文 審 査 の 要旨
主 査 教 授 長 谷 川 英 機 副 査 教 授 武 笠 幸 一 副 査 教 授 酒 井 洋 輔 副 査 教 授 福 井 孝 志 副 査 助 教 授 橋 詰 保
学位論文題名
」tn Sitzt ProcesslngofAlGaASSurf ・aCeS ヽ航thin MetalorganiCVaporPhaSeEpitaXyReaCtor （アルミニウムガリウムヒソ表面の有機金属気相 成長反応炉内におけるその場プロセスの研究）
21世紀のマ ルチメ デイア高 度情報 化社会に おいて は、光ネ ットワー ク、移動通信および衛星 を介する グローバ ルなネ ットワー ク等の 核となる 光通信 およびマ イクロ波・ミリ波通信技術によ り一層の 高度化・ 高速化 が求めら れる。 このため 、これ らの技術 の中枢をになう化合物半導体光 デバイス および高 周波電 子デバイ スにお いては、 今後さ らにデバ イスの微細化・複雑化が進展し てい く も のと 考 え られ る 。 このデ バイス の微細化 ・複雑 化に対応 するため の必須 要素技術 とし て、近年 、選択成 長技術 が注目さ れてお り、実際 に半導 体レーザ の製造から量子効果デバイスの 基礎検討 にいたる まで幅 広く応用 されて いる。し かしな がらデバ イス応用上重要な、AIGaAs上へ のAIGaAsの選択 成長に 関しては 、ウエ ハプロセ ス中に 形成され るAIGaAsの自然酸化膜の除去が非 常に困難 であるこ とが、 再成長界 面およ び成長層 自身の 品質を著 しく低下する原因となるため、
実際のデ バイスプ ロセス ヘ導入可 能な段 階には至 ってい ない。
こ の 様な 背 景 のも と で、 本論文 は、高品 質なAIGaAs再 成長層界 面およ び再成長 結晶層 を得 る た め の 新 た な 手 法 と し て 、 有 機 金 属 気 相 成 長 反 応 炉 （MOVPEリ ア ク タ ー ） 内に お い て、
AlGaAsのHaガ スエ ッ チ ング とエ ピタキシ ャル再成 長とを 大気にさ らすこ となく一 貫して 行うin situプロ セスを 提案し、さらに、本プ口セスによる再成長界面の清浄度、結晶品質ならびにデバイ スへ の適用可 能性に 関する一 連の研 究成果をまとめたものである。本論文ば7章から構成されてい る。 以下に各 章の概 要を示す 。
第1章では、in situプロセスの研究動向を概観し、本論文の目的と位置付けを述べている。
第2章 で は、in situ HC1ガ スエッチ ングを 施したAIGaAs上 の再成 長界面の 清浄度 と再成長 GaAs層の転位 密度を 評価した 結果を もとに、AlGaAsのinsituプロ セスにおける課題を抽出し、そ の解決策 として2段階HClガス エッチ ング法が 提案さ れている 。AlGaAsに対するinsituプロセスで はGaAsに対す る場合 と異なり 、単に エッチン グと再 成長とを 同一リア クター内で連続して行うだ
けで は 清浄 な再 成長 界面は得られないことが明らかにな った。これはAIGaAs表面に形成された酸 化物 は 非常 に安 定で あり、ガスエッチングによって気相 中に脱離していくのではなく、工ッチン グ 後 も 表面 に 残留 する ため であ る。AIG aAs上 にあ らか じめGaAsキャ ップ 層を 付加 して おき 、 GaAsキ ャッ プ層 から ガスエッチングを開始することによ りAIGaAs上再成長界面への不純物の残留 は低 レ ベル に抑 制で きることを示した。また、エッチン グ条件の最適化が不純物低減に対して重 要な 要 素で ある こと を見いだした。特に、GaAsキャップ 層に対して、低温（350℃） でのHC1処理 を施 し 、引 き続 いて 高温(750℃） での ガス エッ チン グを 施す2段階HC1ガ スエッチング法により 再成長界面の残留不純物をさら に抑制できることを示した。Al0.48Ga0.52As再成長サンプルにおい て、 再 成長 界面 への 炭素 不純 物の 残留 はSIMSの 検出 限界 以下 に 、ま た、 酸素不純物の残留も3x 1017c rr13以下に抑制できた。 また、再成長層の転位密度は通常の連続成長と同程度（lOOOcm2以 下）まで低減できた。
第3章で は、 時間 分解 フォ トル ミネ ッセ ンス （PL)の手 法を 用い た再成長界面のより厳密な 評 価に つい て述 べら れて いる 。In situプロセスによ り作製した再成長ダブルヘテロ(DH)構造で は 通常 の再 成長DH構造と比較してPL発光強度の顕著な 増大が認められた。また、界面再結合速度 は6．8X l03CIll/Sであった。この値はこれまでに各研究機関から報告されたGaAsおよびInGaAsのin situプ ロセ ス界 面における界面再結合速度のトップデ ータと同レベルであり、2段 階HCIガスエツ チ ン グ 法 が 高Al組 成 のAIGaAsに 対 し て も 優 れ たin situプ ロセ ス手 法で ある こと を示 した 。 第4章で は、in situ工ッチングしたGaAsのエッチング 形状と表面モホ口ジーについて詳細に 調べ た結果について述べられている。GaAs(100)面上に、[011］方向を長手方向とするス トライプ 状SiNエマスク施した場合、選択 エッチング側面には極めて平坦生の高い（111)B面が現れることが 明ら かとなった。これは、HCIガ スエッチングにおいては、As面でエッチングが停止する 機構が働 いて いることを示唆している。次に、微傾斜（llO)GaAs基板 に対しHC1ガスエッチングを 施し、表 面 モホ ロ ジー をAFM観 察し た。 工ッ チ ング 表面 にはマルチ スッテップが形成されること、斜面に は やは りAs面 が選 択的 に発現しやすいことを明らかにした 。この結果は、エッチングはステップ エ ッ ジ か ら 選 択 的 に 生 じ 、As面 を 選 択 面と す るメ カニ ズム が働 いて いる こと を示 して いる 。 第5章では、in situプ口セスの埋め込みりッ ジ導波路型の0.78メm帯高出 力半導体レーザーへ の応 用に つい て述 べら れて いる 。試 作し た レー ザー のし きい 値電流は室温連続発振時73mAであ り、lOOmW以 上 の安 定な 高出 力動 作が得られ、本手法 が実際のデバイスプロセスとして有効であ ることが示された。
第6章で は、in situプ ロセ スの 一形 態としてHCI添 加MOVPE法について記述され ている。HCI 添 加MOVPE法 によ り、 従来 は困 難で あっ た 高Al組成 のAIGaAsの選 択成 長を 実現 した 。選 択成 長 領域の 形状を分析した結果、HCIガ スの添加が表面上での成長種のマイグレーション長、および気 相 中で の横 方 向拡散長の双方に影響を与え、選択性を向 上させていることが明らかになった。ま た、本 手法を実屈析率ガイド型AIG aAs高出カレーザーの製造プロセスに初めて適用し、従来のロ ス ガ イ ド 型 高 出 カ レ ー ザ ー と 比 較 し て し き い 値 電 流 を40％ 以 上 低 減 し た 。
第7章では、本研究の成果を総括している。
こ れを 要するに、著者は 、将来の化合物半導体デバイスの更なる微細化・複雑化 に対応する 新たなin situ HC1ガスエッチング・エピタキシャル成長プロセスを提案し、さらに本プロセスのデ バ イス への 適用可能性を実験 的に示したものであり、半導体工学の進歩に寄与すると ころ大であ 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。
