DE3617927C2

DE3617927C2 -

Info

Publication number: DE3617927C2
Application number: DE19863617927
Authority: DE
Inventors: Mari Kato; Kotaro Mitsui; Naonobu Fujimoto; Yutaka Mihashi; Yoshinori Itami Hyogo Jp Yukimoto
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1985-05-29
Filing date: 1986-05-28
Publication date: 1991-01-24
Also published as: JPS61274313A; DE3617927A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement nach dem Ober begriff des Patentanspruches 1.

Ein derartiges Halbleiterbauelement ist aus der GB-PS 12 21 590 bekannt. Dort wird ein Halbleiterbauelement mit einem Einkristallsubstrat aus Silizium und einer epitaktisch auf eine Hauptoberfläche des Substrats aufgewachsenen GaAs- Einkristallschicht beschrieben.

Aus dem IBM Technical Disclosure Bulletin, Bd. 7, 1964, Nr. 1, Seiten 107 bis 108 ist ein Halbleiterbauelement mit einem Einkristallsubstrat aus Germanium und einer epitaktisch auf eine Hauptoberfläche des Substrats aufgewachsenen GaAs-Ein kristallschicht bekannt.

Aufgrund der unterschiedlichen Gitterkonstanten im Silizium- bzw. Germaniumsubstrat und in der Galliumarsenidschicht besteht eine Fehlanpassung zwischen den beiden aufeinander liegenden Schichten. Das führt zu gegenphasigen Rändern in der Galliumarsenidschicht. Die Galliumarsenidschicht kann deshalb nicht einkristallin aufge bracht werden.

Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines bekannten Halbleiterbau elementes, welches in einer Veröffentlichung von T. Soga et al. unter dem Titel "MOCVD Growth of GaAs on Si Substrates with AlGaP and Strained Super Lattice Layers" in Electronics Letters, 1984, Band 20, Nr. 22, Seiten 916-918 beschrieben ist. Auf einem Si-Substrat 1 sind gebildet und der Reihe nach geschichtet: eine AlP-Schicht 2, eine Al_0,5Ga_0,5P-Schicht 3, eine GaP/GaAs_0,5P_0,5- Übergitter-Schicht 4, eine GaAs_0,5P_0,5/GaAs-Übergitter- Schicht 5 und eine GaAs-Schicht 6. Die oberste GaAs- Schicht 6 unterscheidet sich hinsichtlich der Gitter konstanten um 4% von dem Si-Substrat 1. Diese Fehlan passung in der Gitterkonstante wird durch die zwischen das Si-Substrat 1 und die GaAs-Schicht 6 eingefügten Schichten 2-5 angeglichen. Mit anderen Worten ändert sich die Gitterkonstante allmählich von dem Si-Substrat 1 über die Schichten 2-5 bis zur GaAs-Schicht.

Während der Si-Kristall Diamantstruktur aufweist, hat der GaAs-Kristall Zinkblendenstruktur. Wenn eine GaAs- Schicht direkt auf einer {100}-Schicht eines Si-Substra tes epitaktisch aufwächst, so weist die GaAs-Schicht im allgemeinen gegenphasige Ränder auf, von denen einer in den Fig. 2A und 2B dargestellt ist. Wie in Fig. 2B gezeigt, kann die GaAs-Schicht wachsen, indem sie bei irgendeiner der abwechselnden Atomschichten von Ga und As beginnt. Während das Aufwachsen der Atom schichten in der GaAs-Schicht bei einer Ga-Schicht in einem Bereich A beginnt, beginnt es bei einer As-Schicht in einem Nachbarbereich B. Eine Folge da von ist, daß gegenphasige Ränder zwischen die Berei che A und B, wie sie durch eine gestrichelte Linie in jeder der Fig. 2A und 2B angezeigt sind, ein geführt werden.

Wenn jedoch die GaP/GaAs_0,5P_0,5- und die GaAs_0,5P_0,5/ GaAs-Supergitter-Schichten 4 und 5 zwischen das Si- Substrat 1 und die GaAs-Schicht 6 eingefügt werden, so erlauben die in den Übergitter-Schichten erzeugten Verschiebungen den Atomschichten in der GaAs-Schicht 6, sich ein wenig zu verschieben und potentiell stabile Lagen in den gegenphasigen Randgebieten zu besetzen, so daß die gegenphasigen Ränder verschwinden können. Folglich kann eine epitaktisch aufgewachsene Einkristall schicht von GaAs, die keine gegenphasigen Ränder ent hält, beim bekannten Halbleiterelement der Fig. 1 er halten werden.

Das Halbleiterbauelement der Fig. 1 erfordert jedoch komplizierte Fertigungsprozesse und ist technisch schwierig herzustellen, da eine Anzahl von dünnen Schichten auf dem Si-Substrat epitaktisch aufwachsen und geschichtet werden müssen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Halbleiterbauele ment zu schaffen, bei dem eine Einkristallschicht von GaAs direkt auf einem Einkristallsubstrat mit Diamantstruktur epitaktisch aufge wachsen ist und das keine gegenphasigen Ränder aufweist.

Aufgabe der Erfindung ist es weiterhin, ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Halbleiterbauelements zu schaffen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Halbleiterbauelement, das gekennzeichnet ist durch die Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen 2 bis 5 zu entnehmen.

Es folgt die Beschreibung eines Ausführungsbeispieles an hand der Figuren. Von den Figuren zeigt

Fig. 1 eine Schnittansicht eines bekannten Halb leiterbauelementes;

Fig. 2A und 2B einen gegenphasigen Rand in einer auf einem Si-Substrat epitaktisch aufgewachsenen GaAs- Schicht;

Fig. 3 eine Schnittansicht eines Substratkristalles gemäß der Erfindung, wobei die Orientierung der Hauptoberfläche des Substrates darge stellt ist;

Fig. 4 eine Schnittansicht eines Halbleiterbauele mentes in einer bevorzugten Ausführungsform;

Fig. 5A eine optische Mikrophotographie einer Aufsicht einer GaAs-Schicht, welche auf einem abgeschrägten Substrat epitaktisch aufgewachsen ist; und

Fig. 5B eine entsprechende Schnittansicht der GaAs-Schicht der Fig. 5A.

In Fig. 3 ist eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen Si-Substrat-Kristalls gezeigt. Die Hauptoberflächennor male des Si-Substrates 7 ist aus einer <100<-Orientierung um 0,1-10,0° nach einer <111<-Orientierung abgelenkt.

In Fig. 4 ist eine Schnittansicht eines Halbleiterbauele mentes in einer bevorzugten Ausführungsform gezeigt. Eine Hauptoberfläche eines Si-Substrates 7 hat die gleiche Orientierung wie in Fig. 3 gezeigt. Auf der Hauptoberfläche des Si-Substrates 7 ist epitaktisch eine Ge-Schicht 8 aufgewachsen, die annähernd die glei che Gitterkonstante hat wie GaAs. Obwohl sich die Gitterkonstante des Ge-Kristalls um ungefähr 4% von der Gitterkonstante des Si-Kristalls unterscheidet, ist es verhältnismäßig leicht, eine einzelne Ge-Kristall schicht auf einem Si-Substrat aufwachsen zu lassen, da der Ge-Kristall die gleiche Struktur hat wie die Dia mantstruktur des Si-Kristalls. Die Fehlanpassung in der Gitterkontanten zwischen dem Si-Substrat 7 und der Ge-Schicht 8 wird durch im dazwischenliegenden Grenzflächenbereich durchgeführte Verschiebungen an geglichen.

Auf der auf dem Si-Substrat 7 gebildeten Ge-Schicht 8 läßt man eine GaAs-Schicht 6 epitaktisch aufwachsen. Obwohl es möglich ist, daß sich bei Beginn des epitaktischen Wachstums gegenphasige Ränder in der GaAs-Schicht 6 ergeben, verschwinden diese gegenphasigen Ränder bis zum letzten Stadium des epitaktischen Wachstums aus den folgenden Gründen:

Ein Substrat, das, wie oben beschrieben, eine speziell orientierte Oberfläche hat, neigt dazu, gleich Ver schiebungen in dem Grenzflächenbereich zwischen dem Substrat und einer epitaktisch aufgewachsenen Schicht auf dem Substrat zu erzeugen. Solche erzeugten Ver schiebungen erlauben den Atomschichten in der GaAs- Schicht 6, sich ein wenig zu verschieben und potentiell stabile Lagen in den gegenphasigen Randgebieten zu besetzen, so daß gegenphasige Ränder verschwinden können. Daher kann eine GaAs-Schicht 6, die keine gegenphasigen Ränder enthält, erhalten werden.

In den Fig. 5A und 5B wird der Vorteil des Halbleiterbauelements offen kundig. Fig. 5A ist eine optische Mikrophotographie einer Aufsicht einer GaAs-Schicht, die auf einem abgeschrägten Substrat epitaktisch aufgewachsen ist, und Fig. 5B zeigt eine entsprechende Schnittansicht der GaAs-Schicht der Fig. 5A. Wie aus Fig. 5B er sichtlich, hat das Si-Substrat 7 eine abgeschrägte Oberfläche. Während die Oberflächennormale eines Teils 7a des Substrates 7 in einer <100<-Orientie rung orientiert ist, ist die Oberflächennormale eines Teils 7b aus der <100<-Orientierung um 2° zu einer <111<-Orientierung abgelenkt. Auf der abgeschrägten Oberfläche des Si-Substrates 7 ist eine Ge-Schicht 8 epitaktisch gebildet, auf der Ge-Schicht 8 ist dann eine GaAs-Schicht 6 epitaktisch aufgewachsen. In der Fig. 5A können in dem Bereich der GeAs-Schicht direkt über dem Substratteil 7a gegenphasige Ränder beobachtet werden, diese können aber nicht beobachtet werden in dem anderen Bereich direkt über dem Substratteil 7b. Obwohl in dem speziellen Beispiel die Ober flächennormale des Substratteiles 7b aus einer <100<-Orientierung um 2° zu einer <111<-Orientierung in dem obigen Experiment abgelenkt wurde, ist generell eine Ab lenkung im Bereich zwischen 0,1-10,0° wirksam hin sichtlich des Ausschließens von gegenphasigen Rändern in der GaAs-Schicht.

Claims

1. Halbleiterbauelement mit

- einem Einkristallsubstrat (7 oder 8) mit Diamantstruktur, und
- einer epitaktisch auf einer Hauptoberfläche des Substrates aufgewachsenen GaAs-Einkristallschicht (6),

dadurch gekennzeichnet, daß diese Hauptoberfläche des Sub strates eine Normale aufweist, die aus einer <100<-Orien tierung um 0,1-10,0° nach einer <111<-Orientierung abge lenkt ist.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Normale um 2,0-6,0° abge lenkt ist.

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat ein Si-Kristall ist.

4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat ein Ge-Kristall ist.

5. Halbleiterbauelement nach Anpruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ge-Kristall epitaktisch auf dem Si-Kristall aufgewachsen ist.

6. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes mit einer Einkristallschicht (6) aus GaAs auf einem Einkristall substrat (7 oder 8) mit Diamantstruktur gemäß einem der An sprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch die Schritte

- Herrichten einer Hauptoberfläche des Substrates, wobei die Normale der Oberfläche aus einer <100<-Orientierung um 0,1-10,0° nach einer <111<-Orientierung abgelenkt ist, und
- epitaktisches Aufwachsen der GaAs-Schicht auf der Ober fläche.