JPS6265407A - 化合物半導体のエピタキシヤルウエハ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 １１ユ９困」盟！ 本発明は■−■族化合物半導体のエピタキシャルウェハ
に関し、更に詳しくは各種半導体デバイスの特性向上を
可能とする、■−■族化合物半導体の低転位密度エピタ
キシャルウェハに関するものである。

従来の技術 従来汎用されてきたＳｉ半導体デバイスでは、Ｓｉの各
種物性上の制限があり、最近の半導体装置の高速動作化
、高周波動作化などの動向に追随できず、最近のニーズ
の要求には対応できない領域が出現してきた。そこで、
Ｓｉ等の■族単元素半導体に代わるものとしてＧａＡｓ
、　ＩｎＡｓ、　ＩｎＰ等の■−■族を代表とする化合
物半導体が注目されている。

この化合物半導体はその結晶構造がダイヤモンド型共有
結晶類似の閃亜鉛鉱型であり、この結晶構造を維持した
まま人工的に作製できるので、Ｓｉではみられなかった
各種機能デバイスの作製が可能となる。また１つの元素
（例えば、Ａｓ）を共通とする２種の二元化合物半導体
（例えば、ＧａＡｓとＩｎＡｓ　）を組合せることによ
って、その組成に応じて格子定数が連続的に単調に変化
する三元系混晶（例えば、Ｇａ１ｎＡｓ　）を得ること
ができる。その結果異なる半導体結晶間で格子整合を維
持することのできるヘテロ接合を得ることができ、これ
は四元以上の多元系混晶についてもいえる。

かくして、このようなヘテロ接合半導体を用いて、超高
速電子デバイス、例えば高電子移動度トランジスタ（Ｈ
ＥＭＴ）の他、ＬＤを中心とする各種光電子デバイスな
どが開発されつつある。

各種の化合物半導体デバイス、例えばレーザあるい・は
発光ダイオードと、トランジスタ、抵抗等を一つの基板
上に形成した光学電子集積回路（ＯＥＩＣ）、電界効果
型トランジスタ（ＦＥＴ）、ＨＥＭＴ等の各種デバイス
を作製する際には液相エピタキシャル成長法（ＬＰＥ法
）、気相エピタキシャル成長法（ＶＰＥ法）、有機金属
気相エピタキシャル成長法（ＯＭＶＰＥ法）、分子線エ
ピタキシャル成長法（ＭＢＥ法）などによって、半絶縁
性■−■族化合物半導体基板上に、エピタキシャル膜を
成長させたエピタキシャルウェハが使用されている。ま
たイオン注入法による集積回路（ＩＣ）においてもこの
ようなエピタキシャルウェハが用いられている。

しかしながら、これらデバイス、集積回路等の特性は使
用したエピタキシャルウェハの品質によって大きく左右
される。例えば、レーザや発光ダイオードにおいてはエ
ピタキシャルウェハ中の転位がダークライン欠陥（ＤＬ
Ｄ）を形成し、これがデバイスの寿命を著しく短縮する
ことが、例えばＷ、フランク（Ｆｒａｎｋ　）等の文献
〔アプライドフィジックス（Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓ
ｉｃｓ　）　、　１９８０．２３゜３０３〕に記載され
ている。また、ＦＥＴにおいてもそのしきい値電圧が転
位と密接な相関々係を有していることが、例えばイシイ
（ｌ　ｓｈ　ｉ　ｉ）等の文献ＣＩＥＥＥ　　）ランス
アクション　オブ　エレクトロン　デバイスズ（Ｉ　Ｅ
　Ｅ　Ｅ　　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ　ｏｆＢｌｅｃｔ
ｒｏｎ　Ｄｅｖｉｃｅｓ　）　、　１９８４．８０−３
１．１０５１）に開示されている。

このようなエピタキシャル層中の転位はエピタキシャル
成長中に発生するものと、基板から伝播するものとがあ
り、従って、この転位を減少させるためには、少なくと
も使用する基板の転位密度をできるだけ低いものとする
必要がある。しかしながら、従来使用されてきた半絶縁
性基板は転位密度が１０．０００個／ｃｄ以上と著しく
高いものであり、上記の要求を満足させるには程遠いも
のであった。

尚、基板とエピタキシャル成長層間の格子不整合に基く
ミスフィツト転位に対しては、これらの間に適当な化合
物半導体の混晶からなるバッファ一層を介在させること
により基板とエピタキシャル層との間の格子定数間の差
を緩和できることが知られている。

発註が解決しようとする問題点 Ｓｉ半導体に代る、高性能半導体デバイス用の材料とし
て注目される化合物半導体においても、依然として改善
されなければならない各種の問題が残されている。この
化合物半導体デバイスの作製に使用されるエピタキシャ
ルウェハにおいては基板から伝播される、あるいはエピ
タキシャル成長中に形成される転位に基く結晶欠陥が、
作製後のデバイスの性能に大きく影響する。

従って、上記エピタキシャルウェハにおける欠陥をでき
る限り減少させた高品位の製品を作製する必要がある。

しかしながら、現在のところこのような高品位、即ち低
転位密度のエピタキシャルウェハは実現されていない。

そこで、本発明の目的は低転位密度の■−■族化合物半
導体のエピタキシャルウェハを提供することにある。

問題点を解決するための手段 本発明者等は化合物半導体のエピタキシャルウェハの上
記如き現状に鑑み、目的とする高品位のエピタキシャル
ウェハを開発すべく種々検討、研究した結果、この種の
ウェハの転位密度がエピタキシャル層の厚さならびに基
板中の添加物の濃度と密接な関係を有しており、これを
低下するためには基板中に同族元素を所定の量で添加し
、エピタキシャル層の厚さを所定の範囲内とすることが
有効であることを見出し、このような新規知見に基き本
発明を完成した。

即ち、本発明の化合物半導体のエピタキシャルウェハは
、同族元素を多量に含有する■−ｖ族化合物半導体から
なる基板と、その上に格子整合性を維持して形成された
少なくとも１層の■−Ｖ族化合物半導体のエピタキシャ
ル層とで構成され、上記エピタキシャル層の厚さｄ〔μ
ｍ〕が次式（１）：但し、Ｎ：同族元素の添加量［１０
”／ｃ＋＋ｆ）で示される厚さよりも薄いことを特徴と
する。

本発明の化合物半導体エピタキシャルウェハにおいて、
好ましい基板および添加元素並びにエピタキシャル層の
組合せとしては、特に、ＧａＡｓ　−Ｉｎ−ＪａＡｓ、
　ＩｎＰ−＾１またはＧａ　−Ｉｎ　ｐを挙げることが
できるが、これらに制限されず、その他の各種組合せに
対しても同様な結果を期待できる。また、二元系にかぎ
らず三元系以上の混晶をも含むことはいうまでもなく、
またエピタキシャル層が同一または異なる二層以上で形
成される場合にも適用できる。

まず、本発明において、基板は従来公知の各種の方法、
例えば液体封止チョクラルスキー法、ブリッジマン法あ
るいはこれらの改良法（例えば３温度水平ブリッジマン
法：３Ｔ−ＨＢ法など）などによってインゴットを作製
し、これからスライスすることにより得ることができる
。

これらの方法によれば、同族元素の添加は容易であり、
その濃度の制御も比較的容易であり、目的とする添加同
族元素含有基板を有利に得ることができる。

更に、エピタキシャル層は、既に述べたようなＬＰＥ法
、ＶＰＥ法、ＯＭＶＰＥ法アル１．ＮｉｔＭＢＥ法など
がいずれも使用でき、基板中の添加同族元素の量に応じ
た厚さとなるように水晶振動子の使用あるいは光干渉法
などを利用して成長エピタキシャル膜の膜厚をモニタし
つつ成膜する。

また、基板およびエピタキシャル層は目的に応じたドー
パントを含んでもよいことは勿論であり、例えば基板を
半絶縁性とするためのＣｒなど、あるいはエピタキシャ
ル層をｐ型、ｎ型にするための各ドーパントが使用でき
る。

本発明の化合物半導体エピタキシャルウェハの構成を添
付第１図に示した。ここで、基板１は例えば多量の同族
元素（Ｉｎ）を添加したにａＡｓであり、エピタキシャ
ル層２は例えばアンドープＧａＡｓである。また、Ｉｎ
などの添加元素の量ＮＸｌ０”／ｃａｔとエピタキシャ
ル層の厚さ４μｍとの関係を添付第２図に示した。

芸月 化合物半導体のエピタキシャルウェハから作られる各種
半導体デバイスの性能は、該エピタキシャルウェハ自身
の品質によって大きな影響を受け、寿命が短縮されたり
、しきい値電圧に対する影響等がみられる。これは特に
エピタキシャル層中の転位密度が高いことによるもので
あり、この転位には基板から伝播されるもの、およびエ
ピタキシャル層自体に起因するものがあり、これをでき
るだけ減少させるためには、基板中の転位密度を小さく
することが必要である。このような転位密度の低い基板
は上記のような各種方法に従って、基板の構成４分と同
族の元素を所定量添加することにより得ることができる
。また、後に形成すべきエピタキシャル層の格子定数に
近い格子定数をもつようにすることも重要である。

一般に、化合物半導体の基板に同族元素からなる添加物
がない場合、その製法上の限界から表面転位等の格子欠
陥が存在する。その結果、このような基板表面にそのま
まエピタキシャル層を成長させた場合には、基板表面の
転位がエピタキシャル層にも伝播しこれに基づく結晶欠
陥が発生することになる。そこで、一般には基板中に同
族元素の添加物を加えて基板の転位密度を改善し、転位
の伝播を抑制することが行われている。しかしながら、
これでもまだ不十分であり、既に述べたように半導体デ
バイスの各種特性に影響を与えていた。

ところで、本発明者は基板上にエピタキシーにより形成
した単結晶薄膜中の転位密度が、基板中に添加した同族
元素の量および基板上に形成したエピタキシャル層の厚
さと密接な関係を有していることを知った。従って、こ
の同族元素の量及びエピタキシャル膜の膜厚を適当に調
節することにより、得られるエピタキシャルウェハの転
位密度を低い値に制御できることを見出した。

かくして、本発明者等は生成エピタキシャルウェハの転
位密度と同族元素量並びにエピタキシャル層の厚さとの
間の関係につき、広範囲に亘り調べ、基板に添加すべき
同族元素の量Ｎ（ＸＩＯ１ｇ／ｃａｌ）とエピタキシャ
ル層の膜厚ｄ（μｍ）とが上記（１）で示される関係式
により２分されるｄ−Ｎ座標の式（１）の下側（もしく
は左側）の領域内にあるように選ぶことにより、基板に
ミスフィツト（基板の格子定数とエピタキシャル層との
間の格子定数との差）がみられても、これが原因でエピ
タキシャル層に転位が発生しないことがわかった。

これは、例えばＨ，ナガイ（Ｎａｇａｉ）の論文〔ジャ
ーナルオブアプライドフィジイックス（Ｊ、Ａｐｐｌ。

Ｐｈｙｓ、）、　１９７４．４５−９．３７８９１に示
されているように、基板と格子定数の異なるエピタキシ
ャル層を成長させた場合、エピタキシャル層は基板の格
子と一致するように弾性変形し、そのためにエピタキシ
ャル層の結晶構造は、例えば立方晶から正方晶に変形す
るが、エピタキシャル層が薄い場合にはエピタキシャル
層は単に弾性変形のみを生ずることに基づくものと思わ
れる。しかしながら、逆に、エピタキシャル層が厚い場
合には、エピタキシャル層の組成によって定められた本
来の格子に戻ろうとする応力が徐々に強くなり、その応
力が臨界値を超えたときにエピタキシャル層にミスフィ
ツト転位が導入され、応力は緩和されるが結晶欠陥を構
成することになる。

かくして、本発明の化合物半導体のエピタキシャルウェ
ハによれば、従来製品にみられた１０．０００個／ｃｄ
以上という極めて高い転位密度を、１００個／ｃｎｆ程
度にまで減じることが可能となる。従って、このような
低転位密度のウェハを使用することにより、高性能の０
ＥＩＣ，ＦＥＴＳＨＥＭＴなどの各種半導体デバイスを
歩留りよく作製することが可能となる。

１ｆ 以下、作製例に従って本発明のエピタキシャルウェハを
より具体的に記載すると共に、その呈する効果を証明す
る。ただし、本発明の範囲は以下の例により回答制限さ
れない。

参考例：ｌｎ含有ＧａＡｓ基板の作製 幅５５ＩＩＩＩ１１１長さ５５０１１１０１の高純度石
英ボートをサンドブラスト処理してメルトとの濡れ性を
調整した。

次いで４．５ｋｇの多結晶Ｇａ八ｓ（少量の八８２０３
．０．０３〜０．１ｗｔ％のＣｒおよび所定量のＩｎを
含有）を装填し、３Ｔ−ＨＢ法により種結晶を用いて＜
１１１＞方向に成長させた。３つの領域の温度Ｔ１．　
ＴＬ　Ｔｓは夫々１２４０℃、１２００℃、および６０
０℃に保った。

固−液界面近傍に右ける温度勾配が１℃／ｃｍとなるよ
うに調節し、また石英ボートの移動速度を５ｍｍ／時と
してＩｎを含有するＣｒドープＧａＡｓ結晶の成長を行
い、Ｔ２領域で十分にアニールし、次いで所定の温度プ
ログラムに従って冷却し、インゴットを得た。

Ｉｎ濃度の異なるＧａＡｓインゴットも同様にして作製
した。

実施例１ 基板としてＩｎ濃度３．７Ｘ１０１Ｓ／ｃｕｔ、転位密
度２００個／ｃＩ１１の上記のようにして作製したイン
ゴットより常法に従ってスライスした半絶縁性ＧａＡｓ
ウェハ（これには不純物として［ｒが添加されている）
を用い、成長温度７５０℃の気相エピタキシャル法にて
厚さ３μｍのアンドープＧａＡｓエピタキシャル層を成
長させた。このときの転位密度は約１００個／Ｃｌｌ１
であり、エピタキシャル層にはミスフィツト転位等の欠
陥は見られなかった。

また、同じ条件下で３μｍ厚のＳドープＧａＡｓエピタ
キシャル層を成長させて得たウェハについても転位密度
を調べたところ、約１００個／ｃａｔであり、ミスフィ
ツト転位も観察されず、ドーパント添加による差異は認
められなかった。

一方、基板としてＩｎ濃度６．２Ｘ１０１９／ｃＩＩ！
、転位密度１５０個／Ｃｆｆ１の同様にして作製したイ
ンゴットよりスライスした半絶縁性ＧａＡｓウェハを用
い、上記条件下で成長させた厚さ３μｍのアンドープお
よびＳドープのＧａＡｓエピタキシャルウェハをも作製
したが、これらにおいては＜１１０　＞方向に直交する
多数のミスフィツト転位が発生した。

尚、本例において転位密度の測定は、作製した各エピタ
キシャルウェハの表面をエツチング液（溶融ＫＯＨ）で
処理した後、光学顕微鏡で観察するエッチビット法によ
った。この結果はＸ−線トポグラフによる結果と良く一
致していた。

上記実施例の結果から明らかな如く、本発明の条件を満
足する場合にはエピタキシャル層にミスフィツト転位に
基く結晶欠陥は全くみられないが、同じ構成であっても
添加同族元素濃度が高すぎる場合には、目的とする低転
位密度のエピタキシャルウェハが得られない。

発明の効果 以上詳しく説明したように、本発明によれば、基板に所
定量の同族元素を添加して低転位密度とした基板を用い
、また該元素の添加量に応じてエピタキシャル成長層の
厚さを所定の範囲内の値に制限したことにより、基板と
十分な格子整合性を有し、ミスフィツト転位のない高品
位の化合物半導体エピタキシャルウェハが提供できる。

従って、本発明のエピタキシャルウェハを使用すれば、
各種半導体デバ°イスの特性向上を図ることができる。

特に、転位の存在によって著しく寿命が短縮されるレー
ザ、発光ダイオード、あるいはこれらを構成要素とする
０ＥＩＣにおいて、性能の大巾な向上、歩留りの向上が
期待できる。また、ＦＥＴ等の他のデバイスにおいても
しきい値電圧均一性の向上等を図ることが可能となる。

従って、本発明は８１半導体デバイスに代る、高速動作
並びに高周波動作可能な半導体材料として期待される化
合物半導体の実用化を促進する上で極めて有効である。

【図面の簡単な説明】

添付第１図は本発明の化合物半導体エピタキシャルウェ
ハの構成を模式的に示す断面図であり、第２図は基板中
の同族元素量Ｎとエピタキシャル層の厚さｄとの関係を
プロットしたグラフである。 （主な参照番号） １＝ｉｎ添加ＧａＡｓ基板、

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）同族元素を多量に含有するIII−Ｖ族化合物半導
   体からなる基板と、その上に格子整合性を保って形成さ
   れた少なくとも１層のIII−Ｖ族化合物半導体のエピタ
   キシャル層から構成されるIII−Ｖ族化合物半導体のエ
   ピタキシャルウェハであって、上記エピタキシャル層の
   厚さｄ〔μｍ〕が次式（１）ｄ＝０．６０ｅｘｐ（−＞
   ６．４／Ｎ）・・・（１）但し、Ｎ：同属元素の添加量
   〔１０＾１＾９／ｃｍ＾２〕で示される厚さよりも薄い
   ことを特徴とする上記III−Ｖ族化合物半導体のエピタ
   キシャルウェハ。
2. （２）上記基板がＧａＡｓ基板であり、添加同族元素が
   Ｉｎであり、かつ上記エピタキシャル層がＧａＡｓエピ
   タキシャル層であることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載のIII−Ｖ族化合物半導体のエピタキシャルウ
   ェハ。
3. （３）上記基板がＩｎＰ基板であり、添加同族元素がＡ
   ｌまたはＧａであり、かつ上記エピタキシャル層がＩｎ
   Ｐエピタキシャル層であることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項に記載のIII−Ｖ族化合物半導体のエピタキ
   シャルウェハ。