JPH0712023B2 - 結晶の構造 - Google Patents
結晶の構造Info
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- JPH0712023B2 JPH0712023B2 JP26783186A JP26783186A JPH0712023B2 JP H0712023 B2 JPH0712023 B2 JP H0712023B2 JP 26783186 A JP26783186 A JP 26783186A JP 26783186 A JP26783186 A JP 26783186A JP H0712023 B2 JPH0712023 B2 JP H0712023B2
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Landscapes
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明はIII−Ｖ化合物半導体の結晶、特に超格子層
を含んだ結晶層の構造に関する。
を含んだ結晶層の構造に関する。
近年、分子線エピタキシャル成長法（MBE法:Molecular
Beam Epitaxy）や有機金属の熱分解による気相成長法
（MOCVD法:Metal Orgnic Chemical Vapour Depositio
n）が、薄膜エピタキシャル層の層厚制御に有効なとこ
ろから盛んに研究がなされている。これらの結晶成長法
の最大の特徴は、厚さ数10Å以下の薄膜エピタキシーを
可能にしたところにあろう。この点から、これらの結晶
成長法は超格子や量子井戸構造等の超薄膜構造のヘテロ
エピタキシーやいわゆる選択ドーピング結晶を製作する
上で最も特徴を発揮するものであり、こうした極薄膜多
層構造結晶が新規なデバイスを可能としつつある。しか
し、こうした極薄膜多層結晶では常に異物質が構成する
界面における相互拡散の問題が深刻である。
Beam Epitaxy）や有機金属の熱分解による気相成長法
（MOCVD法:Metal Orgnic Chemical Vapour Depositio
n）が、薄膜エピタキシャル層の層厚制御に有効なとこ
ろから盛んに研究がなされている。これらの結晶成長法
の最大の特徴は、厚さ数10Å以下の薄膜エピタキシーを
可能にしたところにあろう。この点から、これらの結晶
成長法は超格子や量子井戸構造等の超薄膜構造のヘテロ
エピタキシーやいわゆる選択ドーピング結晶を製作する
上で最も特徴を発揮するものであり、こうした極薄膜多
層構造結晶が新規なデバイスを可能としつつある。しか
し、こうした極薄膜多層結晶では常に異物質が構成する
界面における相互拡散の問題が深刻である。
極薄膜多層結晶技術では常に多層構造を形成する異物質
間の界面における相互拡散の問題があり、結晶成長中や
プロセス途中でこうした相互拡散が起こるがために、目
的とする性能を持ったデバイスの製造歩留りを著しく下
げる。そこでこの発明が対象とするような極薄膜多層構
造結晶では、層間界面での相互拡散の問題をぜひ解決す
る必要がある。
間の界面における相互拡散の問題があり、結晶成長中や
プロセス途中でこうした相互拡散が起こるがために、目
的とする性能を持ったデバイスの製造歩留りを著しく下
げる。そこでこの発明が対象とするような極薄膜多層構
造結晶では、層間界面での相互拡散の問題をぜひ解決す
る必要がある。
本発明の目的は、GaAsとAlxGa1-xAs（Al組成比ｘ≠０）
層を交互に積み重ねた多層構造のヘテロ界面における相
互拡散の問題を防止するに有効な超格子結晶構造を提供
することにある。
層を交互に積み重ねた多層構造のヘテロ界面における相
互拡散の問題を防止するに有効な超格子結晶構造を提供
することにある。
本発明の結晶の構造は、GaAs層とAlxGa1-xAs（Al組成比
ｘ≠０）層を交互に積み重ねた多層構造が超格子層を構
成し、しかも前記GaAs層とAlxGa1-xAs層の境界には少な
くとも１分子層以上の厚さを持ったAlyGa1-yN（Al組成
比０＜ｙ≦１）層とを有することを特徴としている。
ｘ≠０）層を交互に積み重ねた多層構造が超格子層を構
成し、しかも前記GaAs層とAlxGa1-xAs層の境界には少な
くとも１分子層以上の厚さを持ったAlyGa1-yN（Al組成
比０＜ｙ≦１）層とを有することを特徴としている。
以下、この発明を実施例に基づき詳細に説明する。
ここではSiをドーピングしたGaAs層とAlxGa1-xAs（ｘ＝
0.5）層とからなる超格子構造を、MBE法でエピタキシャ
ル成長する場合の実施例について示す。形成しようとす
る超格子の構造を含んだウェーハの断面図を第１図に示
す。第１図で11はGaAs基板、12はGaAs基板11からの不純
物汚染等を避けるためのバッファー層と呼ぶことにする
AlxGa1-xAs（ｘ＝0.3）混晶層、13は高純度GaAs層であ
り、14がGaAs極薄膜層とAlxGa1-xAs（ｘ＝0.5）極薄膜
からなる超格子層である。各層の厚みは、バッファー層
であるAlxGa1-xAs層12が0.5μｍ、高純度GaAs層13は１
μｍおよび超格子層14は0.5μｍであり、超格子層14を
構成するGaAs極薄膜層の厚みは25Å，AlxGa1-xAs極薄膜
層の厚さは20Åであり、超格子層全体の厚さは0.2μｍ
である。
0.5）層とからなる超格子構造を、MBE法でエピタキシャ
ル成長する場合の実施例について示す。形成しようとす
る超格子の構造を含んだウェーハの断面図を第１図に示
す。第１図で11はGaAs基板、12はGaAs基板11からの不純
物汚染等を避けるためのバッファー層と呼ぶことにする
AlxGa1-xAs（ｘ＝0.3）混晶層、13は高純度GaAs層であ
り、14がGaAs極薄膜層とAlxGa1-xAs（ｘ＝0.5）極薄膜
からなる超格子層である。各層の厚みは、バッファー層
であるAlxGa1-xAs層12が0.5μｍ、高純度GaAs層13は１
μｍおよび超格子層14は0.5μｍであり、超格子層14を
構成するGaAs極薄膜層の厚みは25Å，AlxGa1-xAs極薄膜
層の厚さは20Åであり、超格子層全体の厚さは0.2μｍ
である。
超格子層14の層構造のほぼ１周期分の断面構造を第２図
に示す。第２図に示されるように超格子層を構成するGa
As極薄膜層21の中央部24であり、約20Åの厚さを持つ領
域にはSiが３×1018cm-3ドーピングしてあり、これを挟
むように作られた約2.5Åの厚さを持ったアンドープGaA
s層25からなっている。また、この発明の骨子となる構
造はAlxGa1-xAs極薄膜層22とGaAs層25の間に少なくとも
１分子層すなわち約５Åの厚さを持った領域がAlxGa1-x
N層23となっていることである。AlxGa1-xN層23以外は通
常のMBE成長と変わるものではないが、AlxGa1-xN層23は
Asソースを遮断し、NH3を導入した化成MBEで成長する。
に示す。第２図に示されるように超格子層を構成するGa
As極薄膜層21の中央部24であり、約20Åの厚さを持つ領
域にはSiが３×1018cm-3ドーピングしてあり、これを挟
むように作られた約2.5Åの厚さを持ったアンドープGaA
s層25からなっている。また、この発明の骨子となる構
造はAlxGa1-xAs極薄膜層22とGaAs層25の間に少なくとも
１分子層すなわち約５Åの厚さを持った領域がAlxGa1-x
N層23となっていることである。AlxGa1-xN層23以外は通
常のMBE成長と変わるものではないが、AlxGa1-xN層23は
Asソースを遮断し、NH3を導入した化成MBEで成長する。
この第２図で示された超格子層14は従来、AlxGa1-xN層2
3を設けるというようなことはなかったが、ジャパニー
ズ ジャーナル オブ アプライド フィジィックス
パート2,レター（Japanese Journal of Applied Physic
s Part2 Letters），第22巻,L627ページ（1983年）およ
びジャパニーズ ジャーナル オブ アプライド フィ
ジィックス パート2,レター（Japanese Journal of Ap
plied Physics Part2 Letters），第24巻,L17ページ（1
985年）に示されるように、Si,Te,Se等のドナーがドー
ピングされたAlxGa1-xAs（Al組成比ｘ≧0.2）混晶で普
遍的に観測されるDXセンターと呼ばれる深い準位の濃度
は極めて低くなり、よく知られたPPC（Persistent Phot
ocondactivity）と呼ばれる深い準位に相関すると考え
られている光伝導現象も殆ど見られない。こうしたこと
から混晶AlxGa1-xAsではドナー不純物をドーピングして
も高いキャリア濃度を持った結晶層が得られないのに反
し、前記超格子構造ではキャリア濃度を容易に高めるこ
とができる。このため第１図に示した断面構造のウェー
ハでは、高純度GaAs層13中に高密度の二次元電子ガスを
誘起でき、高速動作の二次元電子ガス電界効果トランジ
スタ（通称HEMTと呼称される）が実現される。
3を設けるというようなことはなかったが、ジャパニー
ズ ジャーナル オブ アプライド フィジィックス
パート2,レター（Japanese Journal of Applied Physic
s Part2 Letters），第22巻,L627ページ（1983年）およ
びジャパニーズ ジャーナル オブ アプライド フィ
ジィックス パート2,レター（Japanese Journal of Ap
plied Physics Part2 Letters），第24巻,L17ページ（1
985年）に示されるように、Si,Te,Se等のドナーがドー
ピングされたAlxGa1-xAs（Al組成比ｘ≧0.2）混晶で普
遍的に観測されるDXセンターと呼ばれる深い準位の濃度
は極めて低くなり、よく知られたPPC（Persistent Phot
ocondactivity）と呼ばれる深い準位に相関すると考え
られている光伝導現象も殆ど見られない。こうしたこと
から混晶AlxGa1-xAsではドナー不純物をドーピングして
も高いキャリア濃度を持った結晶層が得られないのに反
し、前記超格子構造ではキャリア濃度を容易に高めるこ
とができる。このため第１図に示した断面構造のウェー
ハでは、高純度GaAs層13中に高密度の二次元電子ガスを
誘起でき、高速動作の二次元電子ガス電界効果トランジ
スタ（通称HEMTと呼称される）が実現される。
しかし、AlxGa1-xN層23を設けていない従来の超格子構
造では520℃以上の高温成長ではキャリア濃度の約1/2以
上に相当するDXセンターの発生あるいはPPCの発生が観
測にかかりはじめ、成長温度の上昇に伴い、いずれも増
加し、ドーピング量を増してもキャリア濃度が思ったよ
うに増加しない。現時点ではDXセンター、あるいはPPC
の起源については不明であるが、これら深い準位の発生
はAlxGa1-xAs層22とGaAs層21との界面におけるAlとGaの
相互拡散より生じるものであることが予想される。
造では520℃以上の高温成長ではキャリア濃度の約1/2以
上に相当するDXセンターの発生あるいはPPCの発生が観
測にかかりはじめ、成長温度の上昇に伴い、いずれも増
加し、ドーピング量を増してもキャリア濃度が思ったよ
うに増加しない。現時点ではDXセンター、あるいはPPC
の起源については不明であるが、これら深い準位の発生
はAlxGa1-xAs層22とGaAs層21との界面におけるAlとGaの
相互拡散より生じるものであることが予想される。
さらに、AlxGa1-xN層23を設けていない従来の超格子構
造を用いてデバイスを形成する等の場合にもプロセス温
度における制約が厳しかった。すなわち、第３図は520
℃以下の基板温度でMBE成長した従来構造の超格子層を
持ったエピタキシャルウェーハをH2中で30分間、各種温
度で熱処理した場合における超格子層のフォトルミネッ
センス（PL）スペクトルを示したものであるが、650℃
以上の熱処理を受けた場合にはPLピーク波長が変化して
おり、かつPL強度が著しく減少していることがわかる。
800℃での熱処理試料でのPL強度は同様なSiドーピング
を行って作られた多層構造をとらない混晶AlxGa1-xAsと
同等となっており、650℃以上の熱処理ではAlとGaの相
互拡散が進行することは明瞭である〔前記したジャパニ
ーズ ジャーナル オブ アプライド フィジィックス
パート2,レター（Japanese Journal of Applied Phys
ics Part2 Letters），第24巻,L17ページ（1985年）を
参照のこと〕。
造を用いてデバイスを形成する等の場合にもプロセス温
度における制約が厳しかった。すなわち、第３図は520
℃以下の基板温度でMBE成長した従来構造の超格子層を
持ったエピタキシャルウェーハをH2中で30分間、各種温
度で熱処理した場合における超格子層のフォトルミネッ
センス（PL）スペクトルを示したものであるが、650℃
以上の熱処理を受けた場合にはPLピーク波長が変化して
おり、かつPL強度が著しく減少していることがわかる。
800℃での熱処理試料でのPL強度は同様なSiドーピング
を行って作られた多層構造をとらない混晶AlxGa1-xAsと
同等となっており、650℃以上の熱処理ではAlとGaの相
互拡散が進行することは明瞭である〔前記したジャパニ
ーズ ジャーナル オブ アプライド フィジィックス
パート2,レター（Japanese Journal of Applied Phys
ics Part2 Letters），第24巻,L17ページ（1985年）を
参照のこと〕。
一方、本発明のAlxGa1-xN層23を設けた構造をとった超
格子層では成長する場合の基板温度を700℃で行ってもD
Xセンターの発生はGaAs層24に添加したSiの量の1/10か
ら1/100程度と少なく、また、本発明の超格子構造層を
持ったエピタキシャルウェーハをH2中で30分間,800℃の
熱処理を受けた場合にもPLピーク波長の変化は起こら
ず、かつPL強度が減少することもない。従って、AlxGa
1-xN層23を設けていなぽ超格子構造が650℃程度の熱処
理で超格子構造がくずれるのに、本発明のAlxGa1-xN層2
3を設けた構造をとることにより、800℃の熱処理にも耐
える超格子構造が得られる。
格子層では成長する場合の基板温度を700℃で行ってもD
Xセンターの発生はGaAs層24に添加したSiの量の1/10か
ら1/100程度と少なく、また、本発明の超格子構造層を
持ったエピタキシャルウェーハをH2中で30分間,800℃の
熱処理を受けた場合にもPLピーク波長の変化は起こら
ず、かつPL強度が減少することもない。従って、AlxGa
1-xN層23を設けていなぽ超格子構造が650℃程度の熱処
理で超格子構造がくずれるのに、本発明のAlxGa1-xN層2
3を設けた構造をとることにより、800℃の熱処理にも耐
える超格子構造が得られる。
なお、AlxGa1-xN層23の厚さは１ないし２分子層の場合
には前記した高密度の二次元電子ガス濃度をほとんど変
化させるものではないし、相互拡散を防止する意味でも
やはり１分子層以上のAlxGa1-xN層23がはいることで大
きく改善が図れる。また、GaAs基板11は閃亜鉛鉱型の結
晶構造を持つ。一方、AlxGa1-xN層23は、通常はウルツ
型結晶構造をとるが、10分子層まではエピタキシャル成
長が現状で可能である。このようにAlxGa1-xN層23が厚
い場合ほど耐熱処理性は向上する。
には前記した高密度の二次元電子ガス濃度をほとんど変
化させるものではないし、相互拡散を防止する意味でも
やはり１分子層以上のAlxGa1-xN層23がはいることで大
きく改善が図れる。また、GaAs基板11は閃亜鉛鉱型の結
晶構造を持つ。一方、AlxGa1-xN層23は、通常はウルツ
型結晶構造をとるが、10分子層まではエピタキシャル成
長が現状で可能である。このようにAlxGa1-xN層23が厚
い場合ほど耐熱処理性は向上する。
本発明のAlxGa1-xN層23を挿入することで耐熱処理効果
が増加する機構については明らかではないが、窒化物が
砒化物に較べて熱安定性が高いとする熱力学的予想とあ
いいれるものである。
が増加する機構については明らかではないが、窒化物が
砒化物に較べて熱安定性が高いとする熱力学的予想とあ
いいれるものである。
本実施例ではAl組成比ｘ＝0.5の場合について述べた
が、AlxGa1-xAs層22のAl組成比はこの値に限るものでは
なく零でなければよく、本発明を適用することは有効で
ある。
が、AlxGa1-xAs層22のAl組成比はこの値に限るものでは
なく零でなければよく、本発明を適用することは有効で
ある。
この発明の構造を適用することにより、周期100Å以下
で少なくとも１周期のGaAsとAlxGa1-xAs（Al組成比ｘ≠
０）層を交互に積み重ね多層構造を有する結晶層すなわ
ち超格子層を700℃程の高温で再現性良く製作すること
ができるし、また製作プロセスにおいても800℃程の高
温処理が可能となる。すなわち、この発明のAlxGa1-xN
層を設けた構造をとることにより、超格子層を製作する
場合に問題となっていたGaAsとAlxGa1-xAs（Al組成比ｘ
≠０）層の界面における相互拡散にもとづく構造の乱れ
が防止され、またこうした超格子ウェーハからデバイス
を製作する場合のプロセス温度を格段に上昇することが
できる。
で少なくとも１周期のGaAsとAlxGa1-xAs（Al組成比ｘ≠
０）層を交互に積み重ね多層構造を有する結晶層すなわ
ち超格子層を700℃程の高温で再現性良く製作すること
ができるし、また製作プロセスにおいても800℃程の高
温処理が可能となる。すなわち、この発明のAlxGa1-xN
層を設けた構造をとることにより、超格子層を製作する
場合に問題となっていたGaAsとAlxGa1-xAs（Al組成比ｘ
≠０）層の界面における相互拡散にもとづく構造の乱れ
が防止され、またこうした超格子ウェーハからデバイス
を製作する場合のプロセス温度を格段に上昇することが
できる。
本発明は100Å以下の周期を持った超格子に効果が顕著
であり、これ以上の周期を持った超格子を作る場合に本
発明のごとき構造を採用する必要が必ずしもない。しか
し、こうした100Å以上の長周期の超格子を作成した
り、たとえ周期は長くとも超格子層を構成する一方の材
料層か数10Åといった100Å以下の場合には本発明が有
効であることはいうまでもない。
であり、これ以上の周期を持った超格子を作る場合に本
発明のごとき構造を採用する必要が必ずしもない。しか
し、こうした100Å以上の長周期の超格子を作成した
り、たとえ周期は長くとも超格子層を構成する一方の材
料層か数10Åといった100Å以下の場合には本発明が有
効であることはいうまでもない。
なお、本発明はGaAsとAlxGa1-xAsからなる超格子層に関
するが、他の材料の組み合わせによる超格子層に対して
も本発明の構造と類似の窒化層超格子界面に挿入するこ
とにより、成長温度を上昇すること、さらにはデバイス
製作途中での熱処理温度を上昇することができる。
するが、他の材料の組み合わせによる超格子層に対して
も本発明の構造と類似の窒化層超格子界面に挿入するこ
とにより、成長温度を上昇すること、さらにはデバイス
製作途中での熱処理温度を上昇することができる。
第１図は本発明の効果を示した実験に用いた超格子層を
含むウェーハの断面構造を示す模式図、 第２図は第１図中の超格子層のほぼ１周期に相当する断
面構造を示す模式図、 第３図は従来構造の超格子層における熱処理前後でのフ
ォトルミネッセンススペクトルを示すグラフである。 11……GaAs基板 12……バッファーAlxGa1-xAs層 13……高純度GaAs層 14……超格子層 21……超格子層を形成するGaAs極薄膜層 22……超格子層を形成するAlxGa1-xAs（Al組成比ｘ＝0.
5）極薄膜層 23……AlxGa1-xN層 24……超格子層を形成するGaAsのうちSiが添加された領
域 25……超格子層を形成するGaAsのうち不純物が無添加の
領域
含むウェーハの断面構造を示す模式図、 第２図は第１図中の超格子層のほぼ１周期に相当する断
面構造を示す模式図、 第３図は従来構造の超格子層における熱処理前後でのフ
ォトルミネッセンススペクトルを示すグラフである。 11……GaAs基板 12……バッファーAlxGa1-xAs層 13……高純度GaAs層 14……超格子層 21……超格子層を形成するGaAs極薄膜層 22……超格子層を形成するAlxGa1-xAs（Al組成比ｘ＝0.
5）極薄膜層 23……AlxGa1-xN層 24……超格子層を形成するGaAsのうちSiが添加された領
域 25……超格子層を形成するGaAsのうち不純物が無添加の
領域
Claims (1)
- 【請求項１】GaAs層とAlxGa1-xAs（Al組成比ｘ≠０）層
を交互に積み重ねた多層構造が超格子層を構成し、しか
も前記GaAs層とAlxGa1-xAs層の境界には少なくとも１分
子層以上の厚さを持ったAlyGa1-yN（Al組成比０＜ｙ≦
１）層とを有することを特徴とする結晶の構造。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP26783186A JPH0712023B2 (ja) | 1986-11-12 | 1986-11-12 | 結晶の構造 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP26783186A JPH0712023B2 (ja) | 1986-11-12 | 1986-11-12 | 結晶の構造 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63122210A JPS63122210A (ja) | 1988-05-26 |
| JPH0712023B2 true JPH0712023B2 (ja) | 1995-02-08 |
Family
ID=17450222
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP26783186A Expired - Lifetime JPH0712023B2 (ja) | 1986-11-12 | 1986-11-12 | 結晶の構造 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0712023B2 (ja) |
-
1986
- 1986-11-12 JP JP26783186A patent/JPH0712023B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS63122210A (ja) | 1988-05-26 |
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