JPH07135304A

JPH07135304A - 化合物半導体装置とその製造方法および化合物半導体層の欠陥測定方法

Info

Publication number: JPH07135304A
Application number: JP5302175A
Authority: JP
Inventors: Shunei Yoshikawa; 俊英吉川; Hiroaki Ochimizu; 洋聡落水
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1993-11-09
Filing date: 1993-11-09
Publication date: 1995-05-23

Abstract

(57)【要約】【目的】化合物半導体装置とその製造方法および化合
物半導体層の欠陥測定方法に関し、ＩｎＧａＰ／ＩｎＧ
ａＡｓ系結晶積層体の上に高品質のＧａＡｓ層を形成す
る方法と、この場合にＧａＡｓ層を観察することによっ
て、下層のＩｎＧａＰ層、ＩｎＧａＡｓ層のラフネスを
測定する方法を提供する。【構成】ＧａＡｓ基板１の上に格子定数が整合しない
ｉ−ＧａＡｓ層２、ｉ−ＩｎＧａＡｓ層３、ｎ−ＩｎＧ
ａＰ層４等を成長し、その上に膜厚が目的とする膜厚よ
り薄い第１のｎ−ＧａＡｓ層５₁を成長し、成長を中断
して砒素雰囲気中でアニールした後、第２のｎ−ＧａＡ
ｓ層５₂を目的とする膜厚まで成長して最上層の第２の
ｎ−ＧａＡｓ層５₂に穴が生じるのを抑制する。この場
合、ＧａＡｓ基板１として面方位が（１００）ｊｕｓｔ
方向、または、（１１１）Ａ方向に傾斜したオフ基板を
用いて最上層の第２のｎ−ＧａＡｓ層５₂に穴が生じる
のを抑制する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高速電子移動度トラン
ジスタ等の化合物半導体装置とその製造方法および化合
物半導体層の欠陥測定方法に関する。

【０００２】近年、化合物半導体結晶を用いて形成され
た半導体装置（ここでは化合物半導体装置と称すること
にする）が種々開発されている。そして、これらの化合
物半導体装置の電気的特性を向上するために、エネルギ
ーギャップに着目して化合物半導体層を積層すると、格
子不整合があるために積層する化合物半導体層に歪みを
生じることがある。

【０００３】また、ＧａＡｓ基板と格子不整合のＩｎＧ
ａＡｓ層中の電子の飽和速度が大きいことに着目して、
格子定数が異なるＩｎＧａＡｓ層とＩｎＧａＰ層を積層
する場合があり、この場合、ＧａＡｓ層とＩｎＧａＰ層
に圧縮歪みと引っ張り歪みが生じることになる。この現
象は広く、化合物半導体を用いた半導体レーザ装置、半
導体発光装置、半導体受光装置等の光電変換装置、ある
いは、高速電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）等の化
合物半導体装置にも生じている。

【０００４】このような歪み半導体層を評価する方法と
して、フォトルミネッセンス（ＰＬ）法やホール効果
（ＨａｌｌＥｆｆｅｃｔ）法が用いられているが、そ
の評価は、歪み半導体層の上に数百ｎｍ以上の膜厚の化
合物半導体層を成長した上で行われていた。これらの評
価方法においては、歪み半導体層にキャリアを閉じ込め
てＰＬ発光させたり、歪み半導体層にキャリアを走行さ
せたりして評価している。

【０００５】

【従来の技術】図８は、従来のＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡ
ｓ系結晶積層体の構造図である。この図において、２１
はＧａＡｓ基板、２２はｉ−ＧａＡｓ層、２３はｉ−Ｉ
ｎＧａＡｓ層、２４はｎ−ＩｎＧａＰ層、２５はｎ−Ｇ
ａＡｓ層である。

【０００６】このＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ系結晶積層
体においては、ＧａＡｓ基板２１の上に、ｉ−ＧａＡｓ
層２２、ｉ−ＩｎＧａＡｓ層２３、ｎ−ＩｎＧａＰ層２
４、ｎ−ＧａＡｓ層２５が順次成長している。

【０００７】この積層体を用いてＩｎＧａＰ／ＩｎＧａ
Ａｓ系ＨＥＭＴを形成する場合には、ｉ−ＧａＡｓ層２
２をバッファ層にし、ｉ−ＩｎＧａＡｓ層２３を電子走
行層にし、ｎ−ＩｎＧａＰ層２４を３０ｎｍより薄くし
て電子供給層にし、ｎ−ＧａＡｓ層２５を４ｎｍより薄
いキャップ層にする。

【０００８】キャップ層になるｎ−ＧａＡｓ層２５を４
ｎｍより薄くする理由は、ｎ−ＧａＡｓ層２５の一部を
エッチングして除去し、ｎ−ＧａＡｓ層２５の上にＤモ
ードＨＥＭＴのゲート電極を形成し、ｎ−ＩｎＧａＰ層
２４の上にＥモードＨＥＭＴのゲート電極を形成して、
閾値を最適設計するためである。

【０００９】この場合、歪み層は電子走行層になるｉ−
ＩｎＧａＡｓ層２３であり、その上には、電子供給層に
なるｎ−ＩｎＧａＰ層２４と、キャップ層になるｎ−Ｇ
ａＡｓ層２５が形成されているが、従来、前記のように
極めて薄いｎ−ＩｎＧａＰ層２４とｎ−ＧａＡｓ層２５
が、歪みを有するｉ−ＩｎＧａＡｓ２３の影響をどのよ
うに受けるのかは確認されていなかった。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、従来の
方法によってＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ系結晶積層体の
上にＧａＡｓ層を成長し、成長したＧａＡｓ層の表面の
状態を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）によって観察したとこ
ろ、ｎ−ＧａＡｓ層２５に多数の穴が生じていることを
発見した。

【００１１】ここでは、ＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ系結
晶積層体の上にＧａＡｓ層をＭＯＶＰＥ法によって成長
し、成長炉としては減圧バレル型炉を用い、III 族原料
をトリメチルガリシム（ＴＭＧ）、トリエチルガリウム
（ＴＥＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）とし、Ｖ
族原料をアルシン（ＡｓＨ₃）とした。また、化合物半
導体層の成長時の減圧バレル型炉内の圧力を５０ｔｏｒ
ｒ、成長温度を６６０℃とし、成長用基板を３インチの
ＧａＡｓ（１００）２．５°オフ基板とした。

【００１２】図９は、従来のＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ
系結晶積層体の上のＧａＡｓ層の組織を示す原子間力顕
微鏡写真である。この原子間力顕微鏡写真によると、ｎ
−ＧａＡｓ層２５の表面に、３．４×１０⁸／ｃｍ²程
度の多数の穴が開いていることが観察される。

【００１３】試みに、ｉ−ＩｎＧａＡｓ層２３を介在さ
せないでｎ−ＩｎＧａＰ層２４とｎ−ＧａＡｓ層２５を
成長したところ、ｎ−ＧａＡｓ層２５の表面に穴は観察
されなかった。また、ｎ−ＩｎＧａＰ層２４とｎ−Ｇａ
Ａｓ層２５の界面の成長条件を変化させても、この穴が
なくなることはなかった。

【００１４】これは、ＧａＡｓおよびＩｎＧａＰの格子
定数とＩｎＧａＡｓの格子定数が大きく異なるため、ｉ
−ＩｎＧａＡｓ層２３に歪みが生じ、歪みが生じている
部分からＶ族のＰが脱離し、ｎ−ＩｎＧａＰ層２４から
ｎ−ＧａＡｓ層２５への組成の切り換えが悪い微小領域
が成長条件によらず発生するためと考えられる。

【００１５】ｎ−ＩｎＧａＰ層２４の厚みを１００ｎｍ
程度に厚くすると、ｎ−ＧａＡｓ層２５の表面に穴があ
くことはない。これは、ｎ−ＩｎＧａＰ層２４からｎ−
ＧａＡｓ層２５への切り換え界面が、歪みを有するｉ−
ＩｎＧａＡｓ層２３から離れるためである。

【００１６】このＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ系ＨＥＭＴ
を形成するためのＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ系結晶積層
体においては、前記のようにｎ−ＩｎＧａＰ層２４の膜
厚を薄くする必要があるため、ｎ−ＧａＡｓ層２５の表
面の穴の発生を避けることができず、このような穴が形
成されたｎ−ＧａＡｓ層２５の上にエッチングレートの
差が大きいＩｎＧａＰからなるエッチングストッパー層
を形成すると、この穴の中にＩｎＧａＰが入り込み、こ
のエッチングストッパー層をエッチング除去する際に、
ＩｎＧａＰのエッチングレートが極めて大きいため、穴
の下のＩｎＧａＰからなる電子供給層もエッチングされ
てしまう。

【００１７】この穴を生じているｎ−ＧａＡｓ層２５の
表面の上にＤモードのゲート電極を形成すると、ゲート
電極が電子供給層であるｎ−ＩｎＧａＰ層２４に接触す
ることがあり、この穴がｎ−ＧａＡｓ層２５を貫通して
いない場合でも、Ｄモード特性とＥモード特性が混在す
ることになって閾値電圧がずれる現象が発生する。

【００１８】また、ｎ−ＧａＡｓ層２５の表面に生じる
穴は、このｎ−ＧａＡｓ層２５を２０ｎｍ以上に厚く成
長すれば埋められてしまうことが観察される。ｎ−Ｇａ
Ａｓ層２５の穴の下には、電子供給層であるｎ−ＩｎＧ
ａＰ層２４がありその表面が歪みＩｎＧａＡｓＰ化しＧ
ａＡｓが成長しにくくなっていると考えられる。

【００１９】穴の中でＧａＡｓは穴の側壁から成長して
いくと考えられるが、穴の側壁は（３１１）面等でＧａ
Ａｓの成長速度は極端に遅い。そのため、穴が埋まるま
でには長時間が必要であり、その結果、キャップ層であ
るｎ−ＧａＡｓ層２５を厚くした場合には穴は埋められ
る。しかし、前記の理由によって、この場合はキャップ
層であるｎ−ＧａＡｓ層２５の厚さは５ｎｍ程度に抑え
る必要があるため、穴の発生を避けることはできないと
いうことになる。

【００２０】本発明は、化合物半導体装置とその製造方
法、特に、ＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ系結晶積層体の上
に高品質のＧａＡｓ層を成長する手段を提供すること、
および、化合物半導体層の欠陥測定方法を提供すること
を目的とする。

【００２１】

【課題を解決するための手段】本発明にかかる化合物半
導体装置においては、ＧａＡｓ基板と、該ＧａＡｓ基板
の上に形成された格子定数が整合しないことに起因する
歪みを含むが転位を有しない薄い化合物半導体層と、該
歪みを含む薄い化合物半導体層の上に形成されたＧａＡ
ｓ層を含み、該ＧａＡｓ層が、目的とする膜厚まで成長
する前に成長を中断し、砒素雰囲気中でアニールした後
目的とする膜厚まで成長された層である構成を採用し
た。

【００２２】この場合、成長を中断し、砒素雰囲気中で
アニールするときのＧａＡｓ層の膜厚を３０原子層以内
の膜厚にすることができる。

【００２３】また、この場合、歪みを含む化合物半導体
層を、臨界膜厚以下のＩｎＧａＡｓＰ，ＩｎＧａＡｓ，
ＧａＡｓＰ，ＧａＰ，ＩｎＡｓ，ＧａＡｓＳｂ，ＩｎＧ
ａＡｓＳｂ，ＧａＳｂ，ＩｎＳｂにすることができ、歪
みを含む化合物半導体層とＧａＡｓ層の間に膜厚５０ｎ
ｍ以下のＰを含む化合物半導体層を存在させることがで
きる。

【００２４】また、この場合、ＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡ
ｓ系もしくはＡｌＧａＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ系ＨＥＭＴ
のＩｎＧａＰもしくはＡｌＧａＩｎＰ電子供給層の上に
ＧａＡｓキャップ層が形成され、該ＧａＡｓキャップ層
が、目的とする膜厚まで成長する前に成長を中断し、砒
素雰囲気中でアニールした後目的とする膜厚まで成長さ
れた層である構成とすることができる。

【００２５】また、本発明にかかる化合物半導体装置の
製造方法においては、ＧａＡｓ基板の上に格子定数が整
合しない薄い化合物半導体層を成長する工程と、該薄い
化合物半導体層の上にＧａＡｓ層を成長する工程を含
み、該ＧａＡｓ層の膜厚が目的とする膜厚まで成長する
前に成長を中断し、砒素雰囲気中でアニールした後目的
とする膜厚まで成長する工程を採用することができる。
この場合、電子供給層をＡｌＧａＩｎＰとすることもで
きる。

【００２６】この場合、ＧａＡｓ層の膜厚が３０原子層
以内の膜厚に成長したときにその成長を中断し、砒素雰
囲気中でアニールした後再び成長することができる。

【００２７】また、この場合、アニール温度を成長温度
と同じかそれ以上にし、あるいは、アニールする際の砒
素圧がＧａＡｓ層を成長する際と同じかそれ以上にし、
また、ＧａＡｓ層を有機金属気相成長法により成長する
ことができる。

【００２８】また、本発明にかかる他の化合物半導体装
置においては、化合物半導体からなり、面方位が（１０
０）ｊｕｓｔ方向または（１１１）Ａ方向に傾斜したオ
フ基板の上に成長した化合物半導体層をキャリア走行層
とした構成を採用した。

【００２９】この場合、オフ基板の傾斜角を４°以内に
することができ、化合物半導体装置を高電子移動度トラ
ンジスタ（ＨＥＭＴ）にすることができ、化合物半導体
層をIII −Ｖ族化合物半導体にし、Ａｓを含む層とＰを
含む層のヘテロ接合を含む構成にすることができる。

【００３０】また、この場合、化合物半導体からなる基
板をＧａＡｓとし、電子走行層をＩｎＧａＡｓにし、電
子供給層をＩｎＧａＰもしくはＡｌＧａＩｎＰにするこ
とができる。

【００３１】また、本発明にかかる化合物半導体装置の
製造方法においては、化合物半導体からなり、面方位が
（１００）ｊｕｓｔ方向、または、（１１１）Ａ方向に
傾斜したオフ基板の上に、キャリア走行層として用いる
化合物半導体層を成長する工程を採用した。

【００３２】この場合、オフ基板の傾斜角を４°以内に
し、化合物半導体層を有機金属気相成長法によって成長
することができる。

【００３３】また、本発明にかかる他の化合物半導体装
置においては、面方位が（１００）ｊｕｓｔ方向、また
は、（１１１）Ａ方向に傾斜したＧａＡｓ基板と、該Ｇ
ａＡｓ基板の上に形成された格子定数が整合しないこと
に起因する歪みを含むが転位を有しない薄い化合物半導
体層と、該歪みを含む薄い化合物半導体層の上に形成さ
れたＧａＡｓ層を含み、該ＧａＡｓ層が、目的とする膜
厚まで成長する前に成長を中断し、砒素雰囲気中でアニ
ールした後目的とする膜厚まで成長された層である構成
を採用した。

【００３４】また、本発明にかかる他の化合物半導体装
置の製造方法においては、面方位が（１００）ｊｕｓｔ
方向、または、（１１１）Ａ方向に傾斜したＧａＡｓ基
板の上に格子定数が整合しない薄い化合物半導体層を成
長する工程と、該薄い化合物半導体層の上にＧａＡｓ層
を成長する工程を含み、該ＧａＡｓ層が、目的とする膜
厚まで成長する前に成長を中断し、砒素雰囲気中でアニ
ールした後目的とする膜厚まで成長する工程を採用し
た。

【００３５】また、本発明にかかる化合物半導体層の欠
陥測定方法においては、基板の上に、複数の化合物半導
体層を積層して形成した後に、選択エッチングにより上
層の化合物半導体層を除去し、中間層の表面ラフネスを
観察し、また最上層の化合物半導体層の表面のラフネス
を観察し、比較することによって、該中間層または最上
層の化合物半導体層の表面のラフネスの原因となった、
下層の化合物半導体層の微小欠陥や組成ゆらぎの状態を
間接的に測定する手法を採用した。

【００３６】

【作用】本発明の化合物半導体装置のように、ＧａＡｓ
基板の上に格子定数が整合しない薄い化合物半導体層を
成長し、この薄い化合物半導体層の上にキャップ層とな
るＧａＡｓ層を成長する工程において、このＧａＡｓ層
の膜厚が目的とする膜厚に成長する前、例えば、３０原
子層以内の膜厚に成長した段階で成長を一旦中断し、砒
素雰囲気中でアニールした後に再び成長する工程を採用
することによって、このＧａＡｓ層に穴が発生するのを
抑制することができる。この場合、このアニール時の温
度とＡｓ圧を、ＧａＡｓ層を成長する時と同じかそれ以
上にすることにより有効に穴の発生を抑制することがで
きる。

【００３７】これはアニール、特に、温度とＡｓ圧を、
ＧａＡｓ層を成長する時と同じかそれ以上にするアニー
ルによって、その表面のＧａ原子にエネルギーを与え、
Ａｓとのボンドを切らせ、表面をマイグレーションする
作用を発現させ、また、Ａｓ圧を高くすることによっ
て、Ｇａが表面から気相中に拡散していくのを防いでい
る。そして、Ｇａ原子は表面自由エネルギーを最小にす
るように表面をマイグレーションし、その結果、表面自
由エネルギーを大きくしている穴を塞ぐものと考えられ
る。

【００３８】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。（第１実施例）この実施例の化合物半導体装置の製造方
法においては、ＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ系ＨＥＭＴを
製造するためのＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ系結晶積層体
をＭＯＶＰＥ法によって成長した。そして、従来技術と
同様に、成長炉としては減圧バレル型炉を用い、III 族
原料をトリメチルガリシム（ＴＭＧ）、トリエチルガリ
ウム（ＴＥＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）と
し、Ｖ族原料をアルシン（ＡｓＨ₃）とした。また、結
晶成長時の圧力を５０ｔｏｒｒ、成長温度を６６０℃と
し、成長用基板を、ＧａＡｓからなる３インチ（１０
０）２．５°オフ基板とし、成長したキャップ層となる
最上層のｎ−ＧａＡｓの表面を原子間力顕微鏡（ＡＦ
Ｍ）によって評価した。

【００３９】図１は、第１実施例によるＩｎＧａＰ／Ｉ
ｎＧａＡｓ系結晶積層体の構造図である。この図におい
て、１はＧａＡｓ基板、２はｉ−ＧａＡｓ層、３はｉ−
ＩｎＧａＡｓ層、４はｎ−ＩｎＧａＰ層、５₁は第１の
ｎ−ＧａＡｓ層、５₂は第２のｎ−ＧａＡｓ層である。

【００４０】この実施例によるＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡ
ｓ系結晶積層体においては、ＧａＡｓ基板１の上に、バ
ッファ層となるｉ−ＧａＡｓ層２、チャネル層となるｉ
−ＩｎＧａＡｓ層３、電子供給層となる厚さが３０ｎｍ
より薄いｎ−ＩｎＧａＰ層４、キャップ層となる第１の
ｎ−ＧａＡｓ層５₁と第２のｎ−ＧａＡｓ層５₂が先に
説明した成長条件で順次成長している。

【００４１】そして、最上層のキャップ層を成長する際
に、前記の成長条件で３０原子層以内の膜厚に第１のｎ
−ＧａＡｓ層５₁を成長した後に、一旦成長を中断し、
成長温度より５０℃高い温度で、ＡｓＨ₃流量を成長時
の２倍にし、Ａｓ圧を高くして１０分間アニールし、再
び前記の成長条件で第２のｎ−ＧａＡｓ層５₂を、第１
のｎ−ＧａＡｓ層５₁と第２のｎ−ＧａＡｓ層５₂の膜
厚が５ｎｍになるまで成長した。

【００４２】この実施例によると、第２のｎ−ＧａＡｓ
層５₂の表面に従来の技術において生じていた穴は低減
された。

【００４３】図２は、第１実施例のＩｎＧａＰ／ＩｎＧ
ａＡｓ系結晶積層体の上のＧａＡｓ層の組織を示す原子
間力顕微鏡写真である。この原子間力顕微鏡写真による
と、ＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ系結晶積層体の上に形成
された第２のｎ−ＧａＡｓ層５₂の表面には穴が存在し
ていないことがわかる。

【００４４】なお、アニール時の温度とＡｓ圧は、成長
時の条件より高い場合に効果が顕著であり、成長時の温
度より低い場合や、ＡｓＨ₃流量を成長時より減少した
場合は、アニール工程を加えても第２のｎ−ＧａＡｓ層
５₂の表面の穴は塞がらなかった。この実施例によって
形成した第２のｎ−ＧａＡｓ層５₂の表面にＩｎＧａＰ
からなるエッチングストッパー層を成長した場合は、Ｄ
モードＨＥＭＴとＥモードＨＥＭＴを作り分けても特性
上何の問題も生じなかった。

【００４５】この実施例において、前記の歪みを含む化
合物半導体層を、臨界膜厚以下のＩｎＧａＡｓＰ，Ｉｎ
ＧａＡｓ，ＧａＡｓＰ，ＧａＰ，ＩｎＡｓ，ＧａＡｓＳ
ｂ，ＩｎＧａＡｓＳｂ，ＧａＳｂ，ＩｎＳｂとすること
ができる。

【００４６】また、歪みを含む化合物半導体層とキャッ
プ層となるＧａＡｓ層の間に膜厚５０ｎｍ以下のＩｎＧ
ａＰ等のＰを含む化合物半導体層が存在する場合、歪み
によって脱離しやすいＰの飛散を抑制することができ
る。

【００４７】先にも説明したように、この実施例におけ
る前記図２の原子間力顕微鏡写真は、ＩｎＧａＰ／Ｉｎ
ＧａＡｓ系結晶積層体の上に形成した第２のｎ−ＧａＡ
ｓ層５₂の表面を観察することによって、間接的にその
下層のｎ−ＩｎＧａＰ層４やｉ−ＩｎＧａＡｓ層３の表
面のラフネスを測定しようとしたものである。本発明者
らは、さらに、ＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ系結晶積層体
の上に第１のｎ−ＧａＡｓ層５₁と第２のｎ−ＧａＡｓ
層５₂を形成した後、この第２のｎ−ＧａＡｓ層５₂と
第１のｎ−ＧａＡｓ層５₁、または、ｎ−ＩｎＧａＰ層
４をエッチング除去して直接ｎ−ＩｎＧａＰ層４の表面
や、ｉ−ＩｎＧａＡｓ層３の表面を原子間力顕微鏡によ
ってラフネスを観察した。

【００４８】具体的には、第１のｎ−ＧａＡｓ層５₁と
第２のｎ−ＧａＡｓ層５₂を（フッ酸＋Ｈ₂Ｏ₂＋Ｈ₂
Ｏ）によってエッチング除去し、ｎ−ＩｎＧａＰ層４を
ＨＣｌによってエッチング除去して、ｎ−ＩｎＧａＰ層
４の表面と、ｉ−ＩｎＧａＡｓ層３の表面を原子間力顕
微鏡で観察した。

【００４９】ところが、上記の観察によって、下層のｎ
−ＩｎＧａＰ層４の表面またはｉ−ＩｎＧａＡｓ層３の
表面のラフネスと最上層の第２のｎ−ＧａＡｓ層５₂の
ラフネスとが極端に異なることが見出された。すなわ
ち、最上層の第２のｎ−ＧａＡｓ層５₂の表面には多数
の穴が発生していても、下層のｎ−ＩｎＧａＰ層４の表
面またはｉ−ＩｎＧａＡｓ層３の表面を直接観察する
と、穴が全く観察されない場合があった。

【００５０】この理由として、ｉ−ＩｎＧａＡｓ層３の
中で、ＩｎＡｓの微小部分とＧａＡｓの微小部分が分離
した組成ゆらぎや微小な欠陥が生じていても原子間力顕
微鏡によっては観察することはできず、ｉ−ＩｎＧａＡ
ｓ層３の表面に何らの異常も認められない。

【００５１】ところが、このような組成ゆらぎは、その
上に形成する半導体層の成長モードに影響を与えるた
め、ｎ−ＩｎＧａＰ層４の表面、または、第１のｎ−Ｇ
ａＡｓ層５₁、第２のｎ−ＧａＡｓ層５₂の表面に、ｉ
−ＩｎＧａＡｓ層３の組成ゆらぎを顕在化する形で現出
されるものと考えられる。

【００５２】このｉ−ＩｎＧａＡｓ層３は電子走行層で
あるため、この層に組成ゆらぎがあると特性に悪影響を
与えるため、本来ならば、ｉ−ＩｎＧａＡｓ層３を成長
した段階で組成ゆらぎを観察することが望ましいが、従
来これを観察する手法が確立されていなかった。

【００５３】この知見を利用すると、上層の半導体層の
表面を観察することによって、下層の組成ゆらぎ等の微
小な欠陥を推定して、その基板を製造工程から排除した
り、組成ゆらぎ等が発生した原因を探究する試料にする
ことができる。なお、ｉ−ＩｎＧａＡｓ層３の表面のラ
フネスを直接観察しようとして、ｉ−ＩｎＧａＡｓ層３
を成長した後に温度を下げ、その表面を観察すると、そ
の上にｎ−ＩｎＧａＰ層４等を連続して成長した場合の
ｉ−ＩｎＧａＡｓ層３の表面のラフネスとは全く異なる
ものになり、実際のＨＥＭＴの特性に与える影響を観察
することにはなり得ないことがわかった。

【００５４】（第２実施例）化合物半導体装置を製造す
るための化合物半導体層の有機金属気相成長（ＭＯＶＰ
Ｅ）法によって成長する場合は、従来、その基板として
（１００）方向から僅かに外れた（２〜４°）面方位を
もつ化合物半導体からなるオフ基板を使用していた。そ
して、そのオフ方向は（１００）方向であった。

【００５５】上記の方向にオフした化合物半導体基板を
用いると、キンクサイトが数多く形成され、クロライド
成長の結果からそれがエピタキシャル成長に必須である
と考えられていたためである。しかも、オフ基板を用い
なければ、ＡｌＧａＡｓ系ＨＥＭＴの高電流利得を得る
ことができないことから、ヘテロ界面の組成の急峻性向
上や酸素不純物等の混入を防ぐためには基板をオフさせ
ることは必要であると信じられていた。

【００５６】ところが、最近になり、電子供給層にＩｎ
ＧａＰを使用するＨＥＭＴが、低雑音特性に優れ、Ｉｎ
ＧａＰの物性からその層を薄くすることができるため高
電流利得が得られ、Ａｌを含まないため酸化に強い等の
点で注目を集め、ＡｌＧａＡｓ系ＨＥＭＴと置き替わろ
うとしている。

【００５７】このＩｎＧａＰ系ＨＥＭＴでは電子走行層
にＩｎＧａＡｓを用いると、２次元電子ガス特性を決め
る重要なヘテロ界面で双方の組成のＡｓとＰの切り換え
が行われるが、Ｖ族は蒸気圧が大きく表面から離脱しや
すいため、Ｖ族の切り換えの急峻性を向上することはII
I 族のそれに比べて困難である。したがって、ＡｌＧａ
Ａｓ系ＨＥＭＴの成長に関して蓄積されたノウハウだけ
で良好な特性を得るのは難しく、成長シーケンス自体の
工夫が必要である。

【００５８】電子供給層にＩｎＧａＰを使用するＨＥＭ
Ｔの各結晶層の成長条件の１つである成長基板の面方位
についても、従来のＡｌＧａＡｓ系ＨＥＭＴの場合と同
様でよいのか否か確認されていなかった。ＩｎＧａＡｓ
電子走行層はＧａＡｓと格子不整合であるため歪みを内
包しており、ヘテロ界面のラフネスを増加させてしまう
という問題もある。

【００５９】ヘテロ界面のラフネスを大きくする最大の
要因はステップバンチングと呼ばれる不規則な２次元方
向の成長である。この不規則な２次元方向の成長は、オ
フ基板のステップが表面にあると起こりやすいと考えら
れ、オフ基板のステップ形状と関係がありそうである
が、確認されるに至っていなかった。

【００６０】本発明者らは、このＩｎＧａＡｓ電子走行
層とＧａＡｓ電子供給層の格子不整合に起因するヘテロ
界面のラフネスと成長基板の面方位との関係を検討した
結果、成長基板の面方位を（１００）ｊｕｓｔ方向か、
（１１１）Ａ面方向にオフすること、特に、このオフ角
を４°以内にすることによって、ヘテロ界面のラフネス
を最小にし、かつ、組成急峻性向上できることを発見し
た。

【００６１】このように、成長基板の面方位を（１０
０）ｊｕｓｔか、方向から（１１１）Ａ面方向にオフす
ることにより、ステップをなくすか、Ａステップのみを
表面に露出させることができ、Ｖ族切り換え時における
Ｖ族元素のエピタキシャル層への進入を最小限に抑える
ことができる。その結果、ＡｓとＰの切り換えの急峻性
を向上させることができ、面方向を４°以内にすること
によって、ステップバンチングの過度の発生を防ぐこと
ができる。

【００６２】図３は、第２実施例によるＩｎＧａＰ／Ｉ
ｎＧａＡｓ系結晶積層体の構造図である。この図におい
て、１１はＧａＡｓ基板、１２はｉ−ＧａＡｓ層、１３
はｉ−ＩｎＧａＡｓ層、１４はｉ−ＩｎＧａＰ層、１５
はｎ−ＩｎＧａＰ層、１６はｎ−ＧａＡｓ層である。

【００６３】この実施例によるＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡ
ｓ系結晶積層体においては、ＧａＡｓ基板１１の上に、
バッファ層になるｉ−ＧａＡｓ層１２、電子走行層にな
るｉ−ＩｎＧａＡｓ層１３、不純物散乱抑制層になるｉ
−ＩｎＧａＰ層１４、電子供給層になるｎ−ＩｎＧａＰ
層１５、キャップ層になるｎ−ＧａＡｓ層１６が順次形
成されている。

【００６４】この図に示されたＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡ
ｓ系ＨＥＭＴを製造するための結晶積層体は、成長炉は
減圧バレル型炉を用いたＭＯＶＰＥ法によって成長さ
れ、III 族原料としてはＴＭＧ，ＴＥＧ，ＴＭＩ、Ｖ族
原料としてはＡｓＨ₃，ＰＨ₃、成長圧力を５０ｔｏｒ
ｒとし、成長温度を６６０℃とし、成長基板としては種
々のオフ角を有する直径３インチのＧａＡｓ基板１１を
用いた。そして、オフ角を変えた場合のヘテロ界面のラ
フネスを原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）によって評価した。

【００６５】図４は、成長基板のオフ方向を変えた場合
の電子移動度とラフネスの関係図である。この図には、
成長基板のオフ方向を変えた場合の電子走行層になるｉ
−ＩｎＧａＡｓ層１３中の電子の移動度と、キャップ層
になるｎ−ＧａＡｓ層１６の表面のラフネスの関係を示
しているが、オフ角はすべて２°である。

【００６６】なお、キャップ層になるｎ−ＧａＡｓ層１
６の表面のラフネスは、ｉ−ＩｎＧａＡｓ層１３とｉ−
ＩｎＧａＰ層１４の間のヘテロ接合のラフネスを反映し
ているため、キャップ層になるｎ−ＧａＡｓ層１６の表
面のラフネスを評価することによって、間接的にこのヘ
テロ接合のラフネスを評価することができる。

【００６７】この図から、成長基板のオフ方向が（１０
０）ｊｕｓｔのときラフネスは最も小さく、移動度も高
いことがわかる。成長基板が（１００）ｊｕｓｔからオ
フしている場合は、数ｎｍのラフネスが存在することが
分かるが、これはステップバンチングのためである。ま
た、（１１１）Ａ，（１１０），（１１１）Ｂ方向のオ
フ基板のラフネスはほぼ同じであるが、電子の移動度に
大きな差があることがわかる。

【００６８】電子の移動度については、（１１１）Ａ面
方向にオフした場合が最も高く、従来の（１１０）方向
がその次であり、（１１１）Ｂ方向にオフした場合が最
も悪い。ヘテロ接合のラフネスの他に移動度を決めるの
は界面の組成急峻性で、特に、Ｖ族の切り換え急峻性は
特性に大きな影響を及ぼすことが発見された。そこで、
オフにより組成急峻性に差がでないかどうかをＰＬ法で
検討した。

【００６９】図５は、ＩｎＧａＰ層の表面にＡｓＨ₃を
流した場合のＰＬ発光波長の変化説明図である。この図
の横軸は発光波長（ｎｍ）を示し、縦軸はＰＬ強度（任
意単位）を示している。この図の曲線ａは通常の成長法
によって成長し、その上にＧａＡｓを形成しない場合
の、ＩｎＧａＰ表面からのＰＬ発光強度を示しており、
曲線ｂはＩｎＧａＰを成長した後ＡｓＨ₃中でアニール
した場合の表面からのＰＬ発光強度を示している。

【００７０】ＩｎＧａＰ層の表面にＡｓＨ₃を流してア
ニールすると、ＡｓがＩｎＧａＰ内に取り込まれるた
め、７７Ｋで測定した結果は、発光波長の中心がほぼ６
５５ｎｍからほぼ６９０ｎｍへと、長波長側にシフトし
ている。このシフト量がＡｓの取り込み量に比例してい
るため、切り換え急峻性の評価に用いることにした。

【００７１】図６、図７は、基板のオフ方向を変えた場
合のＰＬ発光スペクトル図であり、（Ａ）〜（Ｄ）はオ
フ方向を変えた場合のＰＬ発光スペクトルを示してい
る。これらの図に描かれた３つの曲線は、ＩｎＧａＰ層
の表面の３か所のＰＬ発光スペクトルを測定しているこ
とを示している。これらの図から、（１１１）Ｂ方向に
オフした場合に、発光波長の中心が最も大きくシフトし
ており、（１００）ｊｕｓｔと、（１１１）Ａ方向にオ
フした場合に、この発光波長の中心のシフトが小さいこ
とがわかる。したがって、（１００）ｊｕｓｔと、（１
１１）Ａ面方向にオフした場合に、組成急峻性も最もよ
くなるといえる。

【００７２】以上のことから従来の（１１０）方向にオ
フすることよりも、（１００）ｊｕｓｔか、（１１１）
Ａ面方向にオフさせたほうが組成急峻性がよく、ＨＥＭ
Ｔの特性をより向上させることができることになる。ま
た、オフ角を４°以上にした場合は、ＩｎＧａＡｓの表
面自由エネルギーの安定性から（３１１）面の形成が顕
著になってヘテロ界面のラフネスを悪化させることか
ら、オフ角は４°以下にすることが望ましいことが分か
った。

【００７３】なお、上記の第１実施例は、ＧａＡｓ基板
の上に格子定数が整合しない薄い化合物半導体層を成長
し、その上にＧａＡｓ層を成長する場合、このＧａＡｓ
層の膜厚が３０原子層以内の膜厚に成長した段階で成長
を中断し、砒素雰囲気中でアニールした後再び成長する
化合物半導体装置の製造方法であり、第２実施例は、化
合物半導体からなり、面方位が（１００）方向、また
は、（１１１）Ａ方向に４°以内傾斜したオフ基板の上
に、キャリア走行層として用いる化合物半導体層を成長
する化合物半導体装置の製造方法に関するものであった
が、この両実施例の特徴を併せもたせることによってよ
り特性の良好な化合物半導体装置を実現することができ
る。

【００７４】上記の各実施例においては、ＨＥＭＴを製
造する場合を予定して説明したが、本発明を、ＨＥＭＴ
以外の電界効果型半導体装置に対しても適用することが
できる。

【００７５】

【発明の効果】本発明によると、ＭＯＶＰＥ成長による
ＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ系ＨＥＭＴの製造工程の歩留
りを向上させることができ、係る低雑音ＨＥＭＴやＨＥ
ＭＴＬＳＩの製造コストの低減に寄与するところが大き
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例によるＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ系
結晶積層体の構造図である。

【図２】第１実施例のＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ系結晶
積層体の上のＧａＡｓ層の組織を示す原子間力顕微鏡写
真である。

【図３】第２実施例によるＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ系
結晶積層体の構造図である。

【図４】成長基板のオフ方向を変えた場合の電子移動度
とラフネスの関係図である。

【図５】ＩｎＧａＰ層の表面にＡｓＨ₃を流した場合の
ＰＬ発光波長の変化説明図である。

【図６】基板のオフ方向を変えた場合のＰＬ発光スペク
トル図（１）であり、（Ａ），（Ｂ）はオフ方向を変え
た場合のＰＬ発光スペクトルを示している。

【図７】基板のオフ方向を変えた場合のＰＬ発光スペク
トル図（２）であり、（Ｃ），（Ｄ）はオフ方向を変え
た場合のＰＬ発光スペクトルを示している。

【図８】従来のＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ系結晶積層体
の構造図である。

【図９】従来のＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ系結晶積層体
の上のＧａＡｓ層の組織を示す原子間力顕微鏡写真であ
る。

【符号の説明】

１ＧａＡｓ基板２ｉ−ＧａＡｓ層３ｉ−ＩｎＧａＡｓ層４ｎ−ＩｎＧａＰ層５₁ 第１のｎ−ＧａＡｓ層５₂ 第２のｎ−ＧａＡｓ層１１ＧａＡｓ基板１２ｉ−ＧａＡｓ層１３ｉ−ＩｎＧａＡｓ層１４ｉ−ＩｎＧａＰ層１５ｎ−ＩｎＧａＰ層１６ｎ−ＧａＡｓ層２１ＧａＡｓ基板２２ｉ−ＧａＡｓ層２３ｉ−ＩｎＧａＡｓ層２４ｎ−ＩｎＧａＰ層２５ｎ−ＧａＡｓ層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 21/205

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＧａＡｓ基板と、該ＧａＡｓ基板の上に
形成された格子定数が整合しないことに起因する歪みを
含むが転位を有しない薄い化合物半導体層と、該歪みを
含む薄い化合物半導体層の上に形成されたＧａＡｓ層を
含み、該ＧａＡｓ層が、目的とする膜厚まで成長する前
に成長を中断し、砒素雰囲気中でアニールした後目的と
する膜厚まで成長された層であることを特徴とする化合
物半導体装置。
【請求項２】成長を中断し、砒素雰囲気中でアニール
するときのＧａＡｓ層の膜厚が３０原子層以内の膜厚で
あることを特徴とする請求項１に記載された化合物半導
体装置。
【請求項３】歪みを含む化合物半導体層が、臨界膜厚
以下のＩｎＧａＡｓＰ，ＩｎＧａＡｓ，ＧａＡｓＰ，Ｇ
ａＰ，ＩｎＡｓ，ＧａＡｓＳｂ，ＩｎＧａＡｓＳｂ，Ｇ
ａＳｂ，ＩｎＳｂであることを特徴とする請求項１に記
載された化合物半導体装置。
【請求項４】歪みを含む化合物半導体層とＧａＡｓ層
の間に膜厚５０ｎｍ以下のＰを含む化合物半導体層が存
在することを特徴とする請求項１に記載された化合物半
導体装置。
【請求項５】ＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ系もしくはＡ
ｌＧａＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ系ＨＥＭＴのＩｎＧａＰも
しくはＡｌＧａＩｎＰ電子供給層の上にＧａＡｓキャッ
プ層が形成され、該ＧａＡｓキャップ層が、目的とする
膜厚まで成長する前に成長を中断し、砒素雰囲気中でア
ニールした後目的とする膜厚まで成長された層であるこ
とを特徴とする請求項１に記載された化合物半導体装
置。
【請求項６】ＧａＡｓ基板の上に格子定数が整合しな
い薄い化合物半導体層を成長する工程と、該薄い化合物
半導体層の上にＧａＡｓ層を成長する工程を含み、該Ｇ
ａＡｓ層の膜厚が目的とする膜厚まで成長する前に成長
を中断し、砒素雰囲気中でアニールした後目的とする膜
厚まで成長することを特徴とする化合物半導体装置の製
造方法。
【請求項７】ＧａＡｓ層の膜厚が３０原子層以内の膜
厚に成長したときにその成長を中断し、砒素雰囲気中で
アニールした後再び成長することを特徴とする請求項６
に記載された化合物半導体装置の製造方法。
【請求項８】アニール温度が成長温度と同じかそれ以
上であることを特徴とする請求項６に記載された化合物
半導体装置の製造方法。
【請求項９】アニールする際の砒素圧がＧａＡｓ層を
成長する際と同じかそれ以上であることを特徴とする請
求項６に記載された化合物半導体装置の製造方法。
【請求項１０】ＧａＡｓ層を有機金属気相成長法によ
り成長することを特徴とする請求項６に記載された化合
物半導体装置の製造方法。
【請求項１１】化合物半導体からなり、面方位が（１
００）ｊｕｓｔ方向、または、（１１１）Ａ方向に傾斜
したオフ基板の上に成長した化合物半導体層をキャリア
走行層として用いたことを特徴とする化合物半導体装
置。
【請求項１２】オフ基板の傾斜角が４°以内であるこ
とを特徴とする請求項１１に記載された化合物半導体装
置。
【請求項１３】高電子移動度トランジスタであること
を特徴とする請求項１１に記載された化合物半導体装
置。
【請求項１４】化合物半導体層がIII −Ｖ族化合物半
導体からなり、Ａｓを含む層とＰを含む層のヘテロ接合
を含むことを特徴とする請求項１１に記載された化合物
半導体装置。
【請求項１５】化合物半導体からなる基板がＧａＡｓ
であり、電子走行層がＩｎＧａＡｓであり、電子供給層
がＩｎＧａＰもしくはＡｌＧａＩｎＰであることを特徴
とする請求項１１に記載された化合物半導体装置。
【請求項１６】化合物半導体からなり、面方位が（１
００）ｊｕｓｔ方向または（１１１）Ａ方向に傾斜した
オフ基板の上に、キャリア走行層として用いる化合物半
導体層を成長することを特徴とする化合物半導体装置の
製造方法。
【請求項１７】オフ基板の傾斜角が４°以内であるこ
とを特徴とする請求項１６に記載された化合物半導体装
置の製造方法。
【請求項１８】化合物半導体層を有機金属気相成長法
によって成長することを特徴とする請求項１６に記載さ
れた化合物半導体装置の製造方法。
【請求項１９】面方位が（１００）ｊｕｓｔ方向また
は（１１１）Ａ方向に傾斜したＧａＡｓオフ基板と、該
ＧａＡｓオフ基板の上に形成された格子定数が整合しな
いことに起因する歪みを含むが転位を有しない薄い化合
物半導体層と、該歪みを含む薄い化合物半導体層の上に
形成されたＧａＡｓ層を含み、該ＧａＡｓ層が、目的と
する膜厚まで成長する前に成長を中断し、砒素雰囲気中
でアニールした後目的とする膜厚まで成長された層であ
ることを特徴とする化合物半導体装置。
【請求項２０】面方位が（１００）ｊｕｓｔ方向、ま
たは、（１１１）Ａ方向に傾斜したＧａＡｓ基板の上に
格子定数が整合しない薄い化合物半導体層を成長する工
程と、該薄い化合物半導体層の上にＧａＡｓ層を成長す
る工程を含み、該ＧａＡｓ層が、目的とする膜厚まで成
長する前に成長を中断し、砒素雰囲気中でアニールした
後目的とする膜厚まで成長することを特徴とする化合物
半導体装置の製造方法。
【請求項２１】基板の上に、複数の化合物半導体層を
積層して形成した後に、選択エッチングにより上層の化
合物半導体層を除去して中間層の表面ラフネスを観察
し、また最上層の化合物半導体層の表面のラフネスを観
察し、比較することによって、該中間層または最上層の
化合物半導体層の表面のラフネスの原因となった、下層
の化合物半導体層の微小欠陥や組成ゆらぎの状態を間接
的に測定することを特徴とする化合物半導体層の欠陥測
定方法。