博士（工学）楊 炳雄 学位論文題名
Growth and Properties of Indium Phosphide by Molecular Beam Epitaxy Using Phosphorus Compounds
（ 燐 化 合 物 を 用 い た 分 子 線 エ ピ タ キ シ 法 に よ る 燐 化 イ ン ジ ウ ム の成 長と 物 性）
学位論文内容の要旨
皿―V族化合物半導体fま，伝統のSi半導体材料に比べて，高移動度と優れた光学特性を有し，
高速電子デバ イス，高効率光デバイスの作製に欠かせない材料である。その中でも特にGaAs とInPtま，実用に適当な禁制幅をもち，しかも半絶縁性が得られるため，光電子集積回路の実 現に最も期待されている。さらに，デバイスの大規模化，超微小化に伴い，材料の高電界ドリフ ト特性と熱伝 導性が重要となるが，この ニっの点においては，InPはGaAsを上回っている。
これにかかわ らず，InPに関する基礎研究 及び応用研究はGaAsと比較して，現状では大きく 遅れている。この主たる原因は，燐元素の高蒸気圧と発火性に起因するInP結晶成長の困難さ にある。この ことはことに高真空を利用する分子線工ピタキシャル成長(MBE）において最も 重大である。このため，現在，InP成長装置では，大容量の真空ポンプ及び燐発火に対する特 別な対処が必要である。MBE法は，半導体の成長のみではナょく，その表面界面物性の研究に有 カな手段であ るため，MBE法によるInPの成長の困難さが，基礎および応用において重要ナょ InPの表面界面特性の研究にも遅れをもたらしている。
MBE法 に よるInPの成長では ，燐ソースとして，赤燐のよ うな元素ソースとInP，PHヨ の ような化合物ソースが用いられる。赤燐ソースの場合，得られる燐分子は付着率の低いP。であ り，しかも蒸気圧が高いため，燐分子線の制御及び残留燐の排気が困難となる。これに対して，
化合物ソースは熱分解による燐分子線を作るため，付着率の高いPよ分子が得られる。さらに，
このP：分子 線強度は，固体状のInPの場合，熱分解温度が高くかつ蒸気圧が低いため，セル 温 度に より ，ま た ，ガ ス状 のPHヨの 場 合， 供給 流量 か ら， とも に精 密に 制 御で きる 。 本論 文は ，このような背景 のもとで，燐化合物である多 結晶InPおよびPHヨを用いて ， MBE法によりInPを成長する場合の成長法 および成長膜の物性を研究し たものである。具体
的に 倣 ， こ れ ら の化 合 物 燐 ソ ―ス に よ るInP成 長 膜の 諸物性 を明ら かにす ると 共に， 諸物性 の 成長 条 件 に 対 す る依 存 性 を 解 明し て ， 最 適 化条 件 を明 らかに してい る。特 に， 多結晶InPソ ー ス は 通 常 のGaAs用 の 標 準 型MBE装 置 で も 使 用 で き る とい う 実 用 上 優れ た 特 長 を 持っ の で ， その使 用条件 と成 長過程 ，結晶 の完全性，電気的，光学的特性などをはじめて詳しく調べている。
論文は9章 からな る。各 章の 要旨を 以下に 示す。
第1章 は ，序 論 で あ る 。化 合 物 半 導 体に お け るInPの 重 要 性 ，そ の 応 用の 可能性 を簡潔 に述 べ て い る 。 ま た ，InPのMBE成 長 の 現 状を ま と め ， 問 題点 を 指 摘 し たと 共 に ， 本 研究 の 位 置 づけを 明らか にし ている 。
第2章 で は ， 本 研 究 に 用 い たMBE成 長装 置 の 構 造 と 特徴 が 説 明 さ れて い る 。 ま た， 多 結 晶 InPソ ースの 熱分解 特性 ，基板 の準備 及び成 長の 手順も 述べて いる。
第3章では ，本研 究に 用いた 成長膜 の各評 価法の 原理 ，装置 の構成 と性能 ，評 価の目 的と方 法 を 述 べ て い る 。 こ の 中 に ， 光 電 子 分 光 法(XPS)， オ ー ジ ェ 電 子 分 光 法(AES)，X線 回 折 法
（XRD)， ホ ー ル 測 定 お よ び フ ォ ト ル ミ ネ セ ン ス(PL)な ど が 含 ま れ て い る 。 第4章 は ， 多 結 晶InPを 燐 ソ ー ス と し て 用 い たMBE法 に よ るInPの 成 長 法 を ま と め たも の であ る 。 ま ず ，InP基 板 の熱 情 浄 化 を 行う 際 ， 燐 分子 線のほ か，砒 素分子 線も 用い， このニ つ の清浄 化の優 劣を 比較し た。そ の結果 ，燐分 子線 より， 砒素分 子線を 用い た方が再現性よくかっ より 良 い基板 表面が 得ら れるこ とが明 らかに され た。ま た，多 結晶InPの燐 分子 線の良 好な制 御 性 に 基 づ き ，Migration―Enhanced Epitaxy (MEE） 法 によ りInPの 成 長 も 行 い， こ の ソ ― ス の 有 効 性 を 証 明 し た 。 さ ら に ，MBE法 とMEE法 に お ける 成 長 条 件 及び 成 長 過 程 を反 射 高 速 電 子 回 折 法(RHEED)に よ り そ の 場 観 察 評 価 し た 。 特 に ，MEE成 長 中 のRHEEDパ タ ― ン の ュ ニ ッ ク な 振 舞 い を 考 察 し た 結 果， （001）InPのIn安 定 化 面に は ，(2X4） 再 構 成 が存 在 しうる ことを 指摘 し，そ の構造 モデル を提案 して いる。
第5章 で は， 多 結 晶InPソ ー ス に よるInP膜の 結 晶の 質に っいて 評価し た結果 を述 べてい る。
適 当 な 成 長 温 度 に よ り 良 好 な 表 面 モ ホ ロ ジ お よ び 結 晶 性 を 有 す るInP膜 がMBE法 とMEE法 と も に よ り 得 ら れ る こ と ，MEEはMBEよ り 低 い 成 長 温 度 で も ， 良 質 なInP膜 の 成 長 が で き る こ と が 明 ら か に さ れ た 。XPS，AESお よ び 二 結 晶XRDに よ り 成長 膜 を 評 価 し た結 果 ， 砒 素 O
分子 線 を 用 い る 基板 熱 清 浄 化 によ り ， 基 板 と成 長 層の 間に約10AのInAs界面 層が形 成した もの の，InP成 長層 に は ， 砒 素の 混 入 は 殆 どな く ， し かも 成長条 件と膜 の結晶 の質 に対す る明確 な 影響は ないこ とを 明らか にされ た。
第6章 で は ， 多 結晶InPソー ス に よ るInP膜 の 電 気的 特 性 を 評 価し た 結 果 を ま とめ て い る 。
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ま ず ， 第4章に 述 べ た ニ っの 基 板 の 熱 清浄化 方法はInP膜 の電 気的特 性に対 する影 響が ナょい こ と ，MBEとMEE法 に よ るInP膜 の 電 気 的 特 性 に は 大 差 が な い こ と が 明 ら か に さ れ た 。 ア ン ド ー ブ のInP膜 はn形で あ り ， 室 温 にお け る 移 動 度は1000―3000cnf7Vs， 残 留 キ ャリ ア密 度は 8x l0' 5〜3 x10￣8 CII1ー。と幅広く変動し，成長温度に強く依存することが分かった。この依存性は，
燐 ソ ー ス に 因ら ず ，MBE成 長 のInP膜 の 共 有 の特 徴 で あ る こ とが 判 明 し た 。温 度 依 存の ホール 効 果 測 定 に より 詳 し く 調 べた 結 果 ， 主 な 残留 ド ナ の 活 性化 工 ネル ギは約24meVと かな り大き い 値 である こと を明ら かにし た。こ のよ うな強 い成長 温度依 存性と 大き い活性 化エネ ルギと の結果 に 基づき ，残 留ドナ は不純 物では なく ，燐の アンチ サイト(P，″ ）に関 連する 欠陥に 因るものと 結 論 し た 。 また ， こ れ ら のInP膜 に はド ナ に よ る 伝導 現 象 が 発見 され， 実験結 果と不 純物伝 導 理 論を結 ぷ方 法を導 出して から比 較し た結果 ，両者 がよく 一致す るこ とが明 らかに された 。さら に ；活性 化エ ネルギ のドナ 濃度の 依存 性が非 伝導一 伝導の 相転移 理論 より， 定性的 のみな らず，
定量的にもよく理解できることを示した。
第7章 で は ， 多 結 晶InPに よ るInP膜 の 光 学 的 特 性 をPLに よ る評 価 し た 結 果を ま と め て い る 。PLピ ーク の 位 置 ， 強度 お よ び 半 値幅 などの パラメ 一夕を 成長 温度の 依存性 の観点 から評 価 し た 結 果 ， 同 じ 成 長 温 度 の 場 合 ，MEE成 長 のInP膜 はMBE膜 よ り ， 発 光 強 度 が 大 幅 に 増 加 す る と 共 に ，半 値 幅 も や や小 さ い こ と が 明ら か に さ れ た。 こ れはMEE膜 の非発 光の深 い準位 が MBE膜 より 大 幅 に 減 少 した と 結 論 さ れた 。 一 方 ，PLピ ー ク 位 置はキ ャリア 密度に 依存 するが ， MBE膜 とMEE膜 は ほ ぼ 同 じ 依 存 性 が 示 さ れた た め ， 発 光 に寄 与 す る 準 位か 同 じ で あ るこ と が 結 論 さ れ た 。 ま た ， 他 の 燐 ソ ー ス に よ るInP膜 に 比 べ た 結 果 ，多 結 晶InPソ ー ス に よるMBE とMEE膜と も は 半 値 幅 が劣 ら な い こ とが 分 か っ た 。さ ら に ， 二っ の基板 熱清浄 化の方 法によ り PL特性に対する影響がないが明らかにされた。
第8章 で は ，PHヨ を 用 い た ガ ス ソ ー スMBEに よ るInPの 成 長 を ま と め て い る 。 成 長 中 の RHEEDパ タ ー ン 及 び そ の 輝 度 振 動 を 調 べ た 結 果 ，InP (001） 面 のRHEEDパ タ ー ン は 低 い 燐 圧 の 場 合 （2x4） ， 高 い 燐 圧 の 場 合 （2x1） で あ る こ とを 示 し た 。 また ， 成 長 速 度は ，In 分 子 線 強 度 の み に 決 定 さ れ る と い う 従来 の 考 え 方 と違 っ て ，PHヨ 流 量 に も 依存 し ， 上 記 の RHEEDパ タ ー ン と 深 く 関 わ る こ と が 明 ら か に な っ た 。 （2xl） パ タ ー ン の 場 合 ，PHヨ 流 量 の 増 加 と 共 に， 成 長 速 度 が遅 く な り ，こ れは 隣の過 剰付着 によりIn原子 の格子 点への 移動が 阻 害 された ため と結論 した。 成長膜 の電 気的特 性のPHヨ 依存 性もこ の結論 を支持 してい る。一方，
（2x4） パ 夕 ― ンの 場 合 ， 適 正成 長 領 域 と 燐 不足 領 域 と い うニっ の領域 が認め られ た。In分 子 線 強 度 を 一定 と し た 場 合， 成 長 速 度は ，前 者ではPHユ流量 に依 存せず ，In分子 線強 度によ り
决められ，後者では逆に燐圧により制限され，余ったIn原子が表面に蓄積することが明らかに された。このような表面におけるInの蓄積量が10原子層以上でも，2次元の成長が依然可能で あることが示された。
第9章は，本論文の結論である。
学位論文審査の要旨
インジウム（InP）は，高い電子移動度および飽和速度，実用に適した禁制帯幅，半絶縁性 などの特質により，高速電子デバイスとその集積回路，光デバイスおよび光電子集積回路材料 として有望視されている。このInPの分子線工ピタキシャル（MBE）成長の燐ソースとしては，
通常，元素燐が用いられる。しかし，これには蒸気圧が高い，および発火性があるという難点が あり，InPに関する 基礎研究及び応用研究がGaAsと比較して，遅れている原因のーっとなっ ている。
本研究は燐化合 物である多結晶InPおよびホ スフアン(PHヨ）を燐ソースとして用いるInP のMBE成長条件と成 長膜の物性を検討したものである。論文は9章からなり，各章の要旨を以 下に示す。
第1章は，本研究の背景，目的と意義および構成を述べている。
第2章は，本研究 に用いたMBE成長装置の構成と成長法を述べている。また，ソースとして 用いる多結晶InPの熱分解特性にっいても述べている。
第3章tま，本研究で成長膜の評価に用いたX線回折法，ホール測定，フォトルミネセンス(PL)， 光電 子 分光 法お よび オー ジ ェ電子分光法の原理 ，測定装置の構成と性能を 述べている。
第4章 は， 多 結晶InPを 燐 ソースとして用いたMBE法によるInPの成長法に っいて述べて いる。InP基板の熱清浄化を燐分子線と砒素分子線で行う場合を比較し，砒素分子線の方が再 現性よく，より良い基板表面を与えることを示した。さらに，多結晶InPソースは，燐分子線
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志 機
昭 幸
孝 英
博 孝
井 川
頭 田
谷
福 長
田 澤
授 授
授 授
教 教
教 教
査 査
査 査
主 副
副 副
の制御性が良好であり，マイグレーションエンハンストエピタキシ（MEE）モードの成長が可 能であることを初めて示し た。また，このとき成長中の(001）InPのIn安定化面の表面再構 成が，(2x4)となることを示し，その構造モデルを提案している。
第5章 は ， 多 結 晶InPソ ー ス に よ るInP膜 の結 晶 の質 を評 価し てい る 。MBEモ ード と MEEモードのいずれの場合も，適当な成長条件により良好な表面モホ口ジおよび結晶性を有す るInP膜が得られることを示し，その条件を明らかにしている。また，砒素分子線による基板 O
熱清浄化では，10AのInAs界面層が形成されるものの，InP成長層内には，砒素の混入は殆ど ないことを明らかにしている。
第6章は，多結晶InPソー スによるInP膜の電気的特性を評価した結果をまとめている。ア ンドープのInP膜はn形であり，室温における移動度は1000―3000cnf/Vsを示す。残留キャリ ア密度は8 xl0'5〜3 xl0'8cm‑。と，成長温度に強く依存して幅広く変化することを示し，しか もこの依存性が，燐のソー スに因らず，MBE成長InP膜 の共通の特徴であることを示した。
さらに，ホール効果の温度依存性の測定を行い，その結果が，非伝導ー伝導の相転移を合む不純 物伝導の理論でよく説明できることを示し，そして，約24meVと大きく活性化工ネルギをもつ 残留ドナは，不純物の混入に因るものではなく，成長機構に伴って生ずるストイキオメトりに関 連する欠陥に因るものと推論している。
第7章 は， 多結 晶InPソ ース によ るInP膜 の 光学 的特 性をPL法で評価してい る。PLピー クの位置，強度および半値幅の成長温度の依存性を調べた結果，同じ成長温度の場合，MEE成 長のInP膜はMBE膜より発光強度が大幅に増加すると共に，半値幅も小さいことが示された。
これより，MEE膜の非発光 の深い準位がMBE膜より大幅 に滅少することが結論されている。
第8章は，ホスフアンを 用いたガスソースMBE法によるInPの成長の結果をまとめている。
成長 中のRHEEDパ 夕一 ン及 び その 輝度 振動 を 調べ た結 果，InP（001） 面のRHEEDパター ンは低い燐圧の場合(2 x4），高い燐圧の場合（2x1） であることを見出した。また，成長 速度は，それがIn分子線強度のみにより決定されるという従来の考え方と異なり，ホスフィン 流量にも依存し，しかもそ れがRHEEDパターンと深く関係していることを明らかにした。そ して，これらの振舞いを，条件によって生じる燐の過剰付着やIn原子の表面蓄積の機構によっ て，総合的に説明している。
第9章は，本論文の結論である。
これを要するに，本論文は，燐化合物を燐ソースとして用いたインジウム燐のMBE成長につ いて，成長モード，成長条件と成長膜の物性を検討し，いくっかの有益な新知見を得たものであ
り ，半導 体工 学の進 歩に寄 与する ところ が大 きい。
よ って 著者は ，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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