JPH0897140A - 化合物半導体基板及びその製造方法 - Google Patents

化合物半導体基板及びその製造方法

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JPH0897140A
JPH0897140A JP22783694A JP22783694A JPH0897140A JP H0897140 A JPH0897140 A JP H0897140A JP 22783694 A JP22783694 A JP 22783694A JP 22783694 A JP22783694 A JP 22783694A JP H0897140 A JPH0897140 A JP H0897140A
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compound semiconductor
group
layer
semiconductor substrate
gaas layer
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JP22783694A
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Hisashi Katahama
久 片浜
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Nippon Steel Corp
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Sumitomo Metal Industries Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【構成】 GaAs層12、14と同一の構成元素から
成り、Ga原子に比べてAs原子を0.2%以上1.5
%以下の範囲で過剰に含むGaAs層13を1層含んで
いる化合物半導体基板10。 【効果】 GaAs層13中にAs原子の一部を析出さ
せることができ、この析出したAs粒子により、Si基
板11とGaAs層12との界面に生じた転位をピンニ
ングさせることができるため、転位の伝播をブロックす
ることができ、GaAs層14表面近傍における転位密
度を低減することができる。またGaAs層13には構
成元素以外の原子を含んでいないため、GaAs層14
のバンド構造に及ぼす影響も少なく、キャリア濃度の変
化も少ない、電気的特性に優れた高品質の化合物半導体
基板10を得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は化合物半導体基板及びそ
の製造方法に関し、より詳細には、例えば光または高速
電子デバイス等に使用される化合物半導体基板及びその
製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、基板上にこれとは異種の化合物半
導体をエピタキシャル成長させ、前記基板及び化合物半
導体におけるそれぞれの長所を活用可能な化合物半導体
基板が研究されている。例えばシリコン(以下、Siと
記す)基板上にGaAsをエピタキシャル成長させるこ
とにより、Siが保有する機械的強度と、GaAsが保
有する高速応答性とを兼ね備えた化合物半導体基板が作
製されており、このような方法によって得られた化合物
半導体基板は電子デバイス、光デバイス等に応用されて
いる。しかしSiとGaAsとにおける格子定数及び熱
膨張係数には大きな差があり、この格子定数差に起因し
てSi基板とGaAs層との界面に転位が形成され易
く、また前記熱膨張係数差に基づいて発生した応力によ
り前記転位が前記GaAs層の表面に向かって伝播し易
い。この結果、前記GaAs層表面には前記転位が多く
存在し、前記GaAs層における表面近傍の結晶性が低
下し、デバイス等としての機能を良好に発揮させること
が難しいという問題があった。
【0003】GaAs層表面近傍における転位密度を低
減する方法として、前記GaAs層中に転位の伝播を抑
制するための転位低減層を挿入することが試みられてい
る。この転位低減層にはGaAs層とは異なる組成を有
する歪超格子層や、不純物が添加された層等が検討され
ている(応用物理:61巻2号、pp126-133、 1992 )。
【0004】前記歪超格子層には、例えばInGaAs
層やGaAsP層等のようなGaAs層とは格子定数が
異なる化合物が用いられており、この歪み超格子層が挿
入されると、これから生じた歪で前記転位の伝播方向が
曲げられ、該転位の伝播が抑えられることにより、前記
GaAs層表面近傍における転位密度の低減が図られ
る。またGaAs層中に例えばZn、In、Si原子等
の不純物が添加されると、結晶が硬くなる効果と前記転
位がピンニングされる効果とにより、前記GaAs層表
面近傍への転位の伝播が抑制され、転位密度の低減が図
られる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記した
歪超格子層が挿入された化合物半導体基板においては、
前記歪超格子層によりGaAs層のバンド構造が変化し
易く、このバンド構造の変化がGaAs層表面近傍の電
気的特性に悪影響を及ぼし易いという課題があった。
【0006】また前記不純物が添加された化合物半導体
基板においては、前記不純物が前記転位低減層からGa
As層表面近傍に拡散してしまうと、Zn、Inまたは
Si原子等の不純物がドーパントとして作用し、GaA
s層表面近傍におけるキャリア濃度に変化が生じて電気
的特性に悪影響を及ぼし易いという課題があった。
【0007】本発明はこのような課題に鑑みなされたも
のであり、Si基板上に III−V族化合物半導体層がエ
ピタキシャル成長させられた化合物半導体基板表面近傍
における転位密度が少なく、バンド構造やキャリア濃度
の変化も少ない、電気的特性に優れた高品質の化合物半
導体基板及びその製造方法を提供することを目的として
いる。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明に係る化合物半導体基板は、シリコン基板上に
III−V族化合物半導体層がエピタキシャル成長させら
れた化合物半導体基板において、前記 III−V族化合物
半導体層と同一の構成元素から成り、 III族原子に比べ
てV族原子を0.2%以上1.5%以下の範囲で過剰に
含む III−V族化合物半導体層を少なくとも1層以上含
んでいることを特徴としている(1)。
【0009】また本発明に係る化合物半導体基板の製造
方法は、シリコン基板上に III−V族化合物半導体層を
エピタキシャル成長させる化合物半導体基板の製造方法
において、 III族原子に比べてV族原子を0.2%以上
1.5%以下の範囲で過剰に取り込ませ、V族原子を過
剰に含む III−V族化合物半導体層を成長させる工程を
含むことを特徴としている(2)。
【0010】また本発明に係る化合物半導体基板の製造
方法は、上記(2)記載の化合物半導体基板の製造方法
により、 III族原子に比べてV族原子を過剰に含む III
−V族化合物半導体層をエピタキシャル成長させた後、
その後に成長させる III−V族化合物半導体層の成長温
度よりも高い温度での熱処理工程を施すことを特徴とし
ている(3)。
【0011】
【作用】例えばGaAs( III−V族化合物)層の場
合、分子線エピタキシ法を用いて比較的低温(200〜
300℃)の所定温度で成長させることにより、Ga
(V族原子)に比べて過剰な所定濃度のAs( III族原
子)を含むGaAs層をエピタキシャル成長させ得るこ
とが知られている(Thin Solid Films:231(1993)61-7
3)。この場合、主として成長温度を変えることにより、
前記GaAs層中におけるAsの過剰含有濃度を制御し
ている。
【0012】図6はSi基板上にGaAs層がエピタキ
シャル成長させられ、このGaAs層中にAsを過剰に
含むGaAs層を1層含んでいる化合物半導体基板にお
ける転位の伝播を説明するために示した模式的断面図で
あり、図中11はSi基板を示している。Si基板11
上にはエピタキシャル成長させられたGaAs層12が
形成され、GaAs層12上には過剰のAsを含有する
GaAs層13が形成されている。GaAs層13は上
記した分子線エピタキシ法を用いて比較的低温の所定温
度で成長させられており、成長の際、GaAs層13表
面からのAsの離脱が抑制されるため、GaAs層13
中には化学量論的に過剰のAsが取り込まれている。ま
たGaAs層13上にはGaAs層12と略同様にエピ
タキシャル成長させられたGaAs層14が形成されて
おり、GaAs層14のエピタキシャル成長工程中にお
いて、GaAs層13中に過剰に取り込まれたAsの一
部が凝集し、金属As13aとして析出することとな
る。
【0013】このように構成された化合物半導体基板で
は、Si基板11とGaAs層12との界面に発生した
転位15が金属As13aによりピンニングされること
となる。したがって一部の転位15aを除き、ほとんど
の転位15がGaAs層13によりブロックされてGa
As層14への伝播が阻止されることとなり、この結
果、GaAs層14表面近傍における転位15aの密度
が減少する。転位15aの密度を減少させるためのGa
As層13中における過剰なAsの含有量は0.2%以
上が必要となる一方、上限値は成長法により制約される
こととなり、分子線エピタキシャル成長法においては
1.5%が上限値となる。
【0014】上記構成の化合物半導体基板(1)によれ
ば、前記 III族原子に比べて前記V族原子を0.2%以
上1.5%以下の範囲で過剰に含む III−V族化合物半
導体層中に前記V族原子の一部を凝集・析出させ得るこ
ととなり、該凝集・析出したV族原子粒子により、Si
基板と該Si基板上にエピタキシャル成長させられた前
記 III−V族化合物半導体層との界面に生じた転位をピ
ンニングさせ得ることとなる。このため、前記V族原子
を過剰に含む III−V族化合物半導体層により、前記 I
II−V族化合物半導体層表面への転位の伝播をブロック
し得ることとなり、この結果、前記 III−V族化合物半
導体層表面近傍における転位密度を低減し得ることとな
る。また前記V族原子を過剰に含む III−V族化合物半
導体層には化合物半導体層の構成元素以外の原子を含ん
でいないため、前記 III−V族化合物半導体層のバンド
構造に及ぼす影響を少なくし得ると共に、キャリア濃度
の変化も少なくし得ることとなり、したがって電気的特
性に優れた高品質の化合物半導体基板が得られることと
なる。
【0015】また上記構成の化合物半導体基板の製造方
法(2)におけるV族原子を過剰に取り込ませる工程
は、分子線エピタキシ法を採用することにより容易に実
施され、またV族原子の過剰量は成長温度の設定により
容易に制御され得る。上記構成の化合物半導体基板の製
造方法(2)を実施することにより上記化合物半導体基
板(1)が容易に製造されることとなる。
【0016】また上記した化合物半導体基板の製造方法
(3)により、前記V族原子を過剰に含む III−V族化
合物半導体層中に前記V族原子のより一層大きい析出物
を形成し得ることとなり、この結果、転位の伝播がより
一層防止され、前記 III−V族化合物半導体層表面近傍
における転位密度がより一層低減された化合物半導体基
板を製造し得ることとなる。
【0017】
【実施例及び比較例】以下、本発明に係る化合物半導体
基板及びその製造方法の実施例を図面に基づいて説明す
る。図1は本発明に係る化合物半導体基板の実施例1を
模式的に示した断面図であり、図中11はSi基板を示
している。Si基板11上には厚さが約1μmのGaA
s層12が形成され、GaAs層12上にはAsを約
0.4%過剰に含む厚さが約0.2μmのGaAs層1
3が形成されている。GaAs層13上には厚さが約2
μmのGaAs層14が形成されており、これらSi基
板11、GaAs層12、14、Asを過剰に含むGa
As層13を含んで化合物半導体基板10が構成されて
いる。
【0018】このような構成の化合物半導体基板10を
製造する場合、蒸着源として固体As及び固体Gaを用
い、分子線エピタキシ法により成長させる。まず、面方
位が(001)面で、[110]方向に2°傾いたSi
基板を約1%のフッ酸(HF)で洗浄した後、分子線エ
ピタキシチャンバーに挿入し、約900℃に加熱してS
i基板11表面上の酸化膜を蒸発クリーニングする。次
に二段階成長法により、まずAsのGaに対する分子線
強度比を約20、成長温度を約400℃、成長速度を約
0.3μm/hにそれぞれ設定し、Si基板11上に厚
さが約100nmのGaAs層(初期層)12aを成長
させる。次にAsのGaに対する分子線強度比を約2
0、成長温度を約600℃、成長速度を約1μm/hに
それぞれ設定し、厚さが約900nmのGaAs層12
bを成長させ、合計約1μmのGaAs層12を形成す
る。次にAsのGaに対する分子線強度比を約20、成
長温度を約200℃、成長速度を約1μm/hにそれぞ
れ設定し、GaAs層12上にAsを過剰に含む厚さが
約0.2μmのGaAs層13をエピタキシャル成長さ
せる。次にAsのGaに対する分子線強度比を約20、
成長温度を約600℃、成長速度を約1μm/hにそれ
ぞれ設定し、GaAs層13上に厚さが約2μmのGa
As層14をエピタキシャル成長させる。
【0019】上記の方法により製造された化合物半導体
基板10のGaAs層13中における過剰のAs量を測
定した結果、約0.4%であった。なおこの過剰のAs
量は、すでに求められている過剰なAs量と格子定数の
伸びとの関係(Thin Solid Films:231(1993)61-73 図
3)をもとに、X線回折により測定したGaAs層13
の格子定数から換算して求めた。
【0020】以下に、実施例1に係る化合物半導体基板
の転位密度及びキャリア濃度を測定した結果について説
明する。転位密度は約350℃に保った溶融水酸化カリ
ウム(KOH)に試料を約30秒間浸し、GaAs層1
4表面に現れた単位面積当たりのピット数から求めた。
またキャリア濃度は容量−電圧測定により求めた。なお
比較例1として、化合物半導体基板10におけるGaA
s層13が形成されていないものを用いた。また比較例
2として、化合物半導体基板10におけるGaAs層1
3の代わりに、厚さが約0.3μmの超格子層が挿入さ
れているものを用いた。この超格子層は、約20nmの
In0.1 Ga0.9 As層と約10nmのGaAs層とを
分子線エピタキシャル法により交互に成長させ、これを
10層ほど積層したものであり、In0.1 Ga0.9 As
層はAsのGaに対する分子線強度比を約18、成長温
度を約550℃、成長速度を約1.1μm/hに設定す
ることにより成長させた。また比較例3として、化合物
半導体基板10におけるGaAs層13の代わりに、厚
さが約0.2μmのSiドープ層が挿入されているもの
を用いた。このSiドープ層は分子線エピタキシャル法
により、GaAs層中に約3×1020個/cm3 のSi
を含んで成長させた。
【0021】図2は実施例1及び比較例1〜3に係る化
合物半導体基板のGaAs層表面における転位密度の測
定結果を示したグラフである。実施例1に係る化合物半
導体基板10の転位密度は約5×106 cm-2であり、
Asを過剰に含むGaAs層13が形成されていない比
較例1に係るものの場合(約3×107 cm-2)に比べ
て減少している。また実施例1に係る化合物半導体基板
10の転位密度は超格子層が挿入された比較例2に係る
ものの場合(約4×106 cm-2)と略同程度であり、
また比較例3に係るものの場合よりは幾分大きかった。
【0022】また図3は電子濃度と化合物半導体基板表
面からの距離との関係を示した曲線図であり、(a)は
実施例1に係るものの場合、(b)は比較例3に係るも
のの場合を示している。図3から明らかなように、実施
例1に係るものの場合はn型を示し、Asを過剰に含む
GaAs層13の部分は1013cm-3以下の低い電子濃
度(高抵抗)になっており、したがってGaAs層14
に形成されたトランジスタ素子間の分離を容易に行え
る。一方比較例3に係るものの場合は前記Siドープ層
中のSiが表面層にまで拡散した結果n型を示し、素子
形成を行うGaAs層に悪影響を及ぼし易いことが分か
った。
【0023】これらの結果から明らかなように、実施例
1に係る化合物半導体基板10では、As原子数を約
0.4%過剰に含むGaAs層13中にAs原子の一部
を凝集・析出させることができ、この凝集・析出したA
s粒子により、Si基板11とエピタキシャル成長させ
たGaAs層12との界面に生じた転位をピンニングさ
せることができる。このため、As原子を過剰に含むG
aAs層13により、GaAs層14表面への転位の伝
播をブロックすることができ、この結果、GaAs層1
4表面近傍における転位密度を低減することができる。
またAs原子を過剰に含むGaAs層13には構成元素
以外の原子を含んでいないため、GaAs層14のバン
ド構造に及ぼす影響も少なく、キャリア濃度の変化も少
ない、電気的特性に優れた高品質の化合物半導体基板を
得ることができる。
【0024】また実施例1に係る化合物半導体基板10
の製造方法では、As原子を過剰に取り込ませる工程は
分子線エピタキシ法を採用することにより容易に実施す
ることができ、またAs原子の過剰量は成長温度の設定
により容易に制御することができる。したがってこの製
造方法を実施することにより化合物半導体基板10を容
易に製造することができる。
【0025】次に実施例2〜7に係る化合物半導体基板
は、図1に示した実施例1に係る化合物半導体基板10
と略同様の構成を有している。しかし、Asを過剰に含
むGaAs層13をエピタキシャル成長させる際、成長
温度を略180℃から略250℃まで変化させることに
より、過剰のAs量が約0.2%から約1.5%の範囲
にわたっている点が実施例1に係るものと相違してい
る。以下に、実施例2〜7に係る化合物半導体基板にお
けるGaAs層14表面の転位密度を測定した結果につ
いて説明する。なお比較例として、As原子を約0.1
%過剰に含んだものを併せて製造した。
【0026】図4は転位密度と過剰のAs量との関係を
示した曲線図であり、この図から明らかなように、過剰
なAs量が0.1%の比較例の場合は転位密度が約2×
106 cm-2と高かったが、As原子を約0.2%から
約1.5%の範囲で過剰に含む実施例2〜7の場合は転
位密度が低かった。
【0027】次に実施例8に係る化合物半導体基板は、
図1に示した実施例1に係る化合物半導体基板10と略
同様の構成を有している。しかし、GaAs層13をエ
ピタキシャル成長させ、その後引き続きGaAs層14
を成長させる前に、GaAs層14の成長温度よりも高
い約700℃で約10分間(温度上昇及び下降時間は含
まず)の熱処理工程を施しておいた。図5は実施例8に
係る化合物半導体基板のヒートパターンを示した図であ
る。この熱処理の際、GaAs層13表面からAsが蒸
発するのを防ぐため、Asのフラックスを照射した。
【0028】この熱処理を施した実施例8に係る化合物
半導体基板表面における転位密度を測定した結果、熱処
理を施さない実施例1のものの5×106 cm-2に比較
し、2×106 cm-2にまで減少した。
【0029】上記結果から明らかなように、実施例8に
係る化合物半導体基板では、実施例1の場合と同様の効
果が得られると共に、As原子を過剰に含むGaAs層
13中にAs原子の一部をより一層凝集させ、大きい析
出物を析出させることができ、この結果、転位の伝播防
止効果を一層高めることができ、したがってGaAs層
14表面近傍における転位密度を一層低減することがで
きる。またこの熱処理温度は文献(応用物理61巻2
号、pp126-133, 1992 )に示されている温度よりも低く
設定することができ、成長時間の短縮や、ヒーターパワ
ーの節約を図ることができた。
【0030】なお上記した実施例では、いずれもGaA
s層12、14間にAsを過剰に含むGaAs層13が
エピタキシャル成長させられた場合について説明した
が、別の実施例ではGaAs層12、14の代わりにG
aP層やInGaAs層等の別の III−V族化合物半導
体層がエピタキシャル成長させられるとともに、Asを
過剰に含むGaAs層13の代わりにPやAs等のV族
原子を過剰に含むGaP層やInGaAs層等の別の I
II−V族化合物半導体層がエピタキシャル成長させられ
たものであってもよい。
【0031】また上記した実施例のものでは、いずれも
1層のGaAs層13がエピタキシャル成長させられた
場合について説明したが、別の実施例ではこれが2層以
上であってもよい。
【0032】
【発明の効果】以上詳述したように本発明に係る化合物
半導体基板(1)にあっては、 III−V族化合物半導体
層と同一の構成元素から成り、 III族原子に比べてV族
原子を0.2%以上1.5%以下の範囲で過剰に含む I
II−V族化合物半導体層を少なくとも1層以上含んでい
るので、前記 III族原子に比べて前記V族原子を0.2
%以上1.5%以下の範囲で過剰に含む III−V族化合
物半導体層中に前記V族原子の一部を凝集・析出させる
ことができ、該凝集・析出したV族原子粒子により、S
i基板と該Si基板上にエピタキシャル成長させた前記
III−V族化合物半導体層との界面に生じた転位をピン
ニングさせることができる。このため、前記V族原子を
過剰に含む III−V族化合物半導体層により、前記 III
−V族化合物半導体層表面への転位の伝播をブロックす
ることができ、この結果、前記 III−V族化合物半導体
層表面近傍における転位密度を低減することができる。
また前記V族原子を過剰に含む III−V族化合物半導体
層には構成元素以外の原子を含んでいないため、前記 I
II−V族化合物半導体層のバンド構造に及ぼす影響を少
なくすることができると共に、キャリア濃度の変化も少
なくすることができ、したがって電気的特性に優れた高
品質の化合物半導体基板を得ることができる。
【0033】また化合物半導体基板の製造方法(2)に
あっては、 III族原子に比べてV族原子を0.2%以上
1.5%以下の範囲で過剰に取り込ませ、V族原子を過
剰に含む III−V族化合物半導体層を少なくとも1層以
上成長させるので、前記V族原子を過剰に取り込ませる
工程は、分子エピタキシ法を採用することにより容易に
実施することができ、また前記V族原子の過剰量は成長
温度の設定により容易に制御することができる。したが
ってこの製造方法を実施することにより、上記化合物半
導体基板(1)を容易に製造することができる。
【0034】また化合物半導体基板の製造方法(3)に
あっては、 III族原子に比べてV族原子を過剰に含む I
II−V族化合物半導体層をエピタキシャル成長させた
後、その後に成長させる III−V族化合物半導体層の成
長温度よりも高い温度での熱処理工程を施しておくの
で、前記V族原子を過剰に含む III−V族化合物半導体
層中に前記V族原子のより一層大きい析出物を形成する
ことができ、この結果、転位の伝播をより一層防止する
ことができ、前記 III−V族化合物半導体層表面近傍に
おける転位密度がより一層低減された化合物半導体基板
を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る化合物半導体基板の実施例1を模
式的に示した断面図である。
【図2】実施例1及び比較例1〜3に係る化合物半導体
基板のGaAs層表面における転位密度の測定結果を示
したグラフである。
【図3】キャリア濃度と化合物半導体基板表面からの距
離との関係を示した曲線図であり、(a)は実施例1の
ものの場合、(b)は比較例3のものの場合を示してい
る。
【図4】転位密度と実施例2〜7及び比較例に係る化合
物半導体基板の含有する過剰のAs量との関係を示した
曲線図である。
【図5】実施例8に係る化合物半導体基板のヒートパタ
ーンを示した図である。
【図6】Si基板上にGaAs層がエピタキシャル成長
させられ、このGaAs層中にAsを過剰に含むGaA
s層を1層含んでいる化合物半導体基板における転位の
伝播を説明するために示した模式的断面図である。
【符号の説明】 10 化合物半導体基板 11 シリコン基板 12 GaAs層 13 Asを過剰に含むGaAs層 14 GaAs層

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 シリコン基板上に III−V族化合物半導
    体層がエピタキシャル成長させられた化合物半導体基板
    において、前記 III−V族化合物半導体層と同一の構成
    元素から成り、 III族原子に比べてV族原子を0.2%
    以上1.5%以下の範囲で過剰に含む III−V族化合物
    半導体層を少なくとも1層以上含んでいることを特徴と
    する化合物半導体基板。
  2. 【請求項2】 シリコン基板上に III−V族化合物半導
    体層をエピタキシャル成長させる化合物半導体基板の製
    造方法において、 III族原子に比べてV族原子を0.2
    %以上1.5%以下の範囲で過剰に取り込ませ、V族原
    子を過剰に含む III−V族化合物半導体層を成長させる
    工程を含むことを特徴とする化合物半導体基板の製造方
    法。
  3. 【請求項3】 III族原子に比べてV族原子を過剰に含
    む III−V族化合物半導体層をエピタキシャル成長させ
    た後、その後に成長させる III−V族化合物半導体層の
    成長温度よりも高い温度での熱処理工程を施すことを特
    徴とする請求項2記載の化合物半導体基板の製造方法。
JP22783694A 1994-09-22 1994-09-22 化合物半導体基板及びその製造方法 Pending JPH0897140A (ja)

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