JP2003229367A - 半導体薄膜製造方法 - Google Patents

半導体薄膜製造方法

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JP2003229367A
JP2003229367A JP2002027830A JP2002027830A JP2003229367A JP 2003229367 A JP2003229367 A JP 2003229367A JP 2002027830 A JP2002027830 A JP 2002027830A JP 2002027830 A JP2002027830 A JP 2002027830A JP 2003229367 A JP2003229367 A JP 2003229367A
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semiconductor layer
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compound semiconductor
thin film
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JP2002027830A
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English (en)
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Chiyoujitsuriyo Suzuki
朝実良 鈴木
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Panasonic Holdings Corp
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 面方位が(001)で<011>方向への4
°オフしたSi基板上に使用状況に応じた膜厚制限内で
GaP層またはGaPを機軸とする2種類のIII−V族
化合物半導体を積層し、誘電体中間層とSi基板との間
にある格子不整合を緩和するとともに、同じく誘電体中
間層とSi基板との間にある熱膨張係数差をも緩和す
る。 【解決手段】 使用するSi基板を面方位が(001)
で<011>方向へのオフ角が4°のものとした上で、
Si上に積層する材料として90nm以下のGaP層ま
たはGaPを機軸とする2種類のIII−V族化合物半導
体を積層しておき、その上にペロブスカイト系の酸化膜
を積層する。GaPを機軸とする2種類のIII−V族化
合物半導体層を挿入する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体薄膜の製造方
法に関し、特に、すべてのヘテロエピタキシャル成長膜
の成長に対して適用可能な半導体薄膜の製造方法に関す
る。この方法で製造された半導体薄膜は、あらゆる分野
の電子デバイス、光デバイス、電子−光の混合デバイス
を作成するのに適用される。
【0002】
【従来の技術】Siは電子デバイスの分野で大きく発展
し、SiGeを含めた形で現在最も広く使われるように
なった半導体材料である。一方、GaAsやInPなど
に代表される化合物半導体は発光素子などの光デバイス
分野で発展を遂げる一方、近年では超高速電子デバイス
用の基板として用いられるようになってきている。
【0003】化合物半導体は化合物半導体同士、Siは
SiGeを含めたSi系材料同士という関係が今日では
一般的な考え方となっており、両者はなかなか融合する
には至らなかった。これらが融合することによって半導
体レーザーや発光ダイオードなどの光デバイスと電子デ
バイスを1チップ化することが可能となり、光通信機器
や光インターコネクションなどの分野において新機能を
付加することができるようになる。
【0004】また、化合物半導体のように高い基板を用
いなくとも、安価で大型のSi基板を用いることで超高
速デバイスのコストを大幅に削減することができる。こ
のような化合物半導体材料とSiとの融合はSi基板上
に化合物半導体材料の結晶性を劣化させることなく結晶
成長させることができれば実現される。
【0005】このSi基板上に化合物半導体を結晶成長
させるための技術は、これまでにも様々な手法が試みら
れ、最近になって急速に結晶性向上技術が発展してきて
いる。それらは短周期超格子構造を導入・化合物半導体
材料による中間層を導入・ペロブスカイト系の酸化膜に
よる中間層を導入・SiO2マスクによるラテラル成長
を用いた欠陥の低減等の手法であり、中でもペロブスカ
イト系の酸化膜による中間層を導入した場合では、Ga
As/Siの電子デバイス構造において、GaAs基板
上での特性と遜色のない結果が得られるまでに達してい
る。
【0006】ここでは、現在最も結晶性の優れた化合物
半導体結晶成長膜を形成できるとされるペロブスカイト
系の酸化膜による中間層を導入した場合について図3を
用いて説明する。
【0007】301は面方位が(001)でオフ角が
0.5°より小さいSi基板、302は膜厚が2nm以
下のアモルファス状Si酸化膜、303はチタン酸スト
ロンチウム(SrTiO3、以下STO)に代表される
ペロブスカイト系酸化膜による中間層、304はSTO
膜303上に化合物半導体を成長する場合に施す前処理
によって形成されるテンプレート層、305はGaAs
などに代表される化合物半導体層である。
【0008】以上のような構成にして結晶を積層してい
けば、格子定数の大きく異なるSi基板上にGaAs層
を、転位を極端に減らした状態でエピタキシャル成長す
ることができる。GaAsとの格子定数差が約2%であ
るSTOをSi基板上に堆積するうえで、膜厚が2nm
以下のアモルファス状Si酸化膜302がSiとSTO
との格子定数差を緩和し、転位のないSTO膜をSi基
板上に形成できる。これによって、4%近く離れている
GaAsとSiとの格子定数差を縮めることができ、従
来よりも大幅に転位が少ないGaAs層305がSi基
板301上に作成できるようになる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
結晶成長技術は課題を有している。熱膨張係数差がGa
As層をSi基板上に直接積層した場合よりも大きくな
っている点である。熱膨張係数差がより広がるのは非常
に深刻な課題であって、せっかく格子定数差を縮めてい
ても熱膨張係数差が大きいと、成長中と取り出し後とで
格子定数が変わってしまい、再び成長層に転位や歪みが
生じることとなる。このため、熱膨張係数差を極力小さ
くする必要がある。
【0010】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明では、Si上に積層する材料として90nm以
下のGaP層またはGaPを機軸とする2種類のIII−
V族化合物半導体を積層しておき、その上にペロブスカ
イト系の酸化膜を積層する。GaPを機軸とする2種類
のIII−V族化合物半導体層を挿入することで熱膨張係
数差に対する緩衝層の役割を果たすと共に格子定数の緩
和層としての役割も同時に果たそうとするものである。
【0011】
【発明の実施の形態】(実施例1)以下、本発明の第1
の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【0012】図1は本発明の実施例における半導体薄膜
の断面図である。図1において、101は面方位が(0
01)で<011>方向へのオフ角が4°のSi基板、
102は膜厚が90nm以下のAlxGa1-xP層であっ
て、「0≦x<0.8」なる条件を満たしている。10
3はチタン酸ストロンチウム(SrTiO3、以下ST
O)に代表されるペロブスカイト系酸化膜による中間
層、104はSTO膜103上に化合物半導体を成長す
る場合に施す前処理によって形成されるテンプレート
層、105はGaAsなどに代表される化合物半導体層
である。
【0013】Si基板に対し、AlGaPはGaAsよ
りも熱膨張係数差が小さいだけでなく、その格子定数差
も0.4%程度であり、III−V族化合物半導体の中で
はSiに格子定数が近い材料である。これを緩衝層とす
ることによってSiとSTOとの間の熱膨張係数差を緩
和すると共に格子不整合をも緩和することができる。
【0014】GaAsとの格子定数差が約2%であるS
TOをSi基板上に堆積するうえで、前記のような構成
にして結晶を積層していけば、格子定数の大きく異なる
Si基板上にGaAs層を、転位を極端に減らした状態
でエピタキシャル成長することができる。従来手法のよ
うにSi基板上へ直接STO層を形成する場合は膜厚に
して2nm以下のアモルファス状Si酸化膜302がS
iとSTOとの格子定数差を緩和していたが、本発明で
はアモルファス状Si酸化膜のような非晶質材料ではな
く、すべて単結晶構造のもので構成していることに特徴
がある。
【0015】(実施例2)以下、本発明の第2の実施例
について、図面を参照しながら説明する。
【0016】図2は本発明の実施例における半導体薄膜
の断面図である。図2において、201は面方位が(0
01)で<011>方向へのオフ角が4°のSi基板、
202はAlxGa1-xP層であって、「0≦x<0.
8」なる条件を満たしており、膜厚は90nm以下であ
る。203はGaP1-yyであって、「0≦y<0.
1」なる条件を満たしていて、この条件下であれば膜厚
に制限はない。
【0017】204はチタン酸ストロンチウム(SrT
iO3、以下STO)に代表されるペロブスカイト系酸
化膜による中間層、205はSTO膜204上に化合物
半導体を成長する場合に施す前処理によって形成される
テンプレート層、206はGaAsなどに代表される化
合物半導体層である。
【0018】実施例1でも述べたようにSi基板に対
し、AlGaPはGaAsよりも熱膨張係数差が小さい
だけでなく、その格子定数差も0.4%程度であり、II
I−V族化合物半導体の中ではSiに格子定数が近い材
料である。これを緩衝層とすることによってSiとST
Oとの間の熱膨張係数差を緩和すると共に格子不整合を
も緩和することができる。AlxGa1-xP層202の効
果は実施例1で述べたが、本実施例ではGaP1-yy
203を設けることによって、中間層204を積む前の
半導体層の積層において、Si基板に近い格子定数へ戻
すことによってAlxGa1-xP層202にかかっている
歪みを補償するという効果を持つ。この時点でSi基板
の用に極性を持たない基板がGaP1-yy層203のよ
うな有極性の化合物半導体基板へと変換されたことにな
り、それ単体でもSi基板を化合物半導体材料の基板へ
応用できる状態になっている。なお、Si基板上に直接
GaP1-yy層203を積層するにはN雰囲気での成長
となるため、Si基板が先に窒化されてしまい、事実上
不可能である。
【0019】一方、現時点で表面に出ているGaP1-y
y層203は窒化物系の誘電体膜との相性が良く、誘
電体中間層204をペロブスカイト系酸化膜に絞る必要
が無くなり、選択の幅が大きく広がるという利点も兼ね
合わせている。
【0020】また、203はGaAsz1-z層であっ
て、「0≦z<0.6」なる条件を満たしていて、Al
xGa1-xP層202とGaAsz1-z層203との合計
の膜厚を90nm以下とすることもできる。
【0021】この場合には、GaAsz1-z層203を
設けることによって中間層204を積む前の半導体層の
積層において、歪み臨界膜厚を超えることなく格子定数
をSTOと同じ設定することができ、従来例には存在し
ていた膜厚にして2nm以下のアモルファス状Si酸化
膜が不要となる。このアモルファス状Si酸化膜はSi
とSTOとの格子定数差を緩和していたが、本発明では
アモルファス状Si酸化膜のような非晶質材料ではな
く、すべて単結晶構造のもので構成していることに特徴
がある。
【0022】
【発明の効果】以上説明したように、本発明による材料
選択及び、結晶成長方法によって従来困難とされてきた
シリコン基板上への化合物半導体の結晶成長が低転位欠
陥密度で容易に実現する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例にかかる製造方法による
半導体薄膜製の側面図
【図2】本発明の第2の実施例にかかる製造方法による
半導体薄膜製の側面図
【図3】従来技術による製造方法による半導体薄膜製の
側面図
【符号の説明】
101 面方位が(001)で<011>方向へのオフ
角が4°のSi基板 102 膜厚が90nm以下のAlxGa1-xP層 103 誘電体中間層 104 テンプレート層 105 化合物半導体層 201 面方位が(001)で<011>方向へのオフ
角が4°のSi基板 202 AlxGa1-xP層 203 GaP1-yyまたはGaAsz1-z層 204 誘電体中間層 205 テンプレート層 206 化合物半導体層 301 面方位が(001)でオフ角が0.5°より小
さいSi基板 302 膜厚が2nm以下のアモルファス状Si酸化膜 303 チタン酸ストロンチウム(SrTiO3、以下
STO)に代表されるペロブスカイト系酸化膜による中
間層 304 STO膜203上に化合物半導体を成長する場
合に施す前処理によって形成されるテンプレート層 305 GaAsなどに代表される化合物半導体層

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 面方位が(001)で<011>方向へ
    のオフ角が4°のSi基板によって構成される第一の半
    導体層上に、膜厚が90nm以下の化合物半導体層で構
    成される第二の半導体層を積層し、前記第二の半導体層
    上に積層される誘電体層を中間層としたうえで、化合物
    半導体で構成される第三の半導体層を成長する半導体薄
    膜製造方法。
  2. 【請求項2】 第二の半導体層が、AlxGa1-xPで構
    成されており、「0≦x<0.8」なる条件を満たして
    いることを特徴とする請求項1に記載の半導体薄膜製造
    方法。
  3. 【請求項3】 第二の半導体層が、 (イ)膜厚が90nm以下のAlxGa1-xPであって、
    「0≦x<0.8」なる条件を満たしている第一の化合
    物半導体層と、 (ロ)前記第一の化合物半導体層上に任意の膜厚で積ま
    れ、Si基板に格子整合する組成のGaP1-yyであっ
    て、「0≦y<0.1」なる条件を満たしている第二の
    化合物半導体層と、で構成されていることを特徴とする
    請求項1に記載の半導体薄膜製造方法。
  4. 【請求項4】 第二の半導体層が (イ)AlxGa1-xPであって、「0≦x<0.8」な
    る条件を満たしている第一の化合物半導体層と、 (ロ)GaAsz1-zであって、「0≦z<0.6」な
    る条件を満たしている第二の化合物半導体層と、で構成
    されており、前記第一の化合物半導体層の膜厚と前記第
    二の化合物半導体層の膜厚との合計が90nm以下とな
    っていることを特徴とする請求項1に記載の半導体薄膜
    製造方法。
  5. 【請求項5】 誘電体層が、チタン酸ストロンチウム
    (SrTiO3、以下STO)に代表されるペロブスカ
    イト系酸化膜で構成されることを特徴とする請求項1か
    ら4の何れかに記載の半導体薄膜製造方法。
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