JP2005340717A - 化合物半導体エピタキシャル基板 - Google Patents

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Abstract

【課題】
反りが少ない化合物半導体エピタキシャル基板を提供する。
【解決手段】
単結晶基板上にエピタキシャル成長させることにより形成され、該単結晶基板と格子定数が異なり、格子緩和が生じていない格子不整合化合物半導体層を有してなり、さらに、該格子不整合化合物半導体層とは単結晶基板に対する格子定数の大小関係が逆の別化合物半導体からなり、格子緩和を生じていない応力補償層を該単結晶基板の同一面側に有してなる化合物半導体エピタキシャル基板。単結晶基板上に化合物半導体の層をエピタキシャル成長させる化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法において、該単結晶基板と格子定数が異なる前記化合物半導体層と前記応力補償層とをエピタキシャル成長させる製造方法。
【選択図】 図7

Description

本発明は、化合物半導体エピタキシャル基板に関する。
携帯電話のスイッチ等に用いられている高電子移動度電界効果型トランジスタ(HEMT)、pHEMT(pseudomorphic HEMT)、歪量子井戸レーザー素子、ヘテロバイポーラトランジスタ(HBT)等の素子の製造用に用いられる化合物半導体エピタキシャル基板は、単結晶基板上に単結晶基板とは少し異なる格子定数を有する化合物半導体をエピタキシャル成長させて製造される。
この単結晶基板と化合物半導体の格子定数が大きく異なると、膜が全く成長しないか、たとえ成長したとしても、格子緩和が起きて多量の転位が発生して素子製造用に用いることができないが、格子定数が少し異なる物質を成長させた場合、その膜厚が十分薄ければ、格子が歪むことにより転位の発生が抑えられ、該物質を該単結晶基板上にエピタキシャル成長させることができる。こうして得られる化合物半導体エピタキシャル基板においては、化合物半導体の結晶格子に格子歪が発生するため、格子歪に起因する応力により、化合物半導体エピタキシャル基板が反るという問題が発生する。
そこで、例えば、単結晶基板であるサファイア基板上にサファイア基板とは格子定数が異なる格子不整合化合物半導体層であるGaN層をMOCVD法によりエピタキシャル成長させて製造される化合物半導体エピタキシャル基板において、サファイアとGaNの格子定数差により発生する引っ張り応力を相殺すべく、引っ張り応力を熱膨張差により発生させるために、サファイア基板の一方の面にAlN層を成長させた後、AlN層を成長させたサファイア基板を反応炉から取り出して上下を反転させてから再び反応炉内に設置し、サファイア基板もう一方の面すなわちAlN層と反対側の面にGaN等からなる化合物半導体層をエピタキシャル成長させた化合物半導体エピタキシャル基板が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
特開2003−113000号公報
本発明の目的は、反りが少ない化合物半導体エピタキシャル基板を提供することにある。
本発明者らは、化合物半導体エピタキシャル基板において、単結晶基板と、その一方の面の上に形成され、単結晶基板を構成する物質とは格子定数の異なる物質からなる格子不整合化合物半導体層が及ぼす応力の関係について鋭意検討した。その結果、単結晶基板上にエピタキシャル成長させることにより形成され、該単結晶基板と格子定数が異なり、格子緩和を生じていない格子不整合化合物半導体層を有してなる化合物半導体エピタキシャル基板が、該格子不整合化合物半導体層とは単結晶基板に対する格子定数の大小関係が逆の物質からなり、格子緩和を生じていない応力補償層を該単結晶基板の該格子不整合化合物半導体層と同一面側に有してなるという、公知の層構造とは全く異なる化合物半導体エピタキシャル基板は反りが少ないことを見出し、本発明を完成させるに到った。しかも、該化合物半導体エピタキシャル基板は、単結晶基板の一方の面の上に化合物半導体の層をエピタキシャル成長させる化合物半導体エピタキシャル基板の製造において、前記格子不整合化合物半導体層をエピタキシャル成長させ、前記応力補償層をエピタキシャル成長させることにより製造することができるのであり、単結晶基板あるいは製造途中の化合物半導体エピタキシャル基板を反応炉から取り出して反転させる必要がないので、簡便に製造することができるのである。
すなわち本発明は、単結晶基板上にエピタキシャル成長させることにより形成され、該単結晶基板と格子定数が異なり、格子緩和が生じていない格子不整合化合物半導体層を有してなる化合物半導体エピタキシャル基板であって、該格子不整合化合物半導体層とは単結晶基板に対する格子定数の大小関係が逆の別化合物半導体からなり、格子緩和を生じていない応力補償層を該単結晶基板の該格子不整合化合物半導体層と同一面側に有してなることを特徴とする化合物半導体エピタキシャル基板を提供する。また本発明は、単結晶基板の一方の面上に化合物半導体の層をエピタキシャル成長させる化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法において、該単結晶基板と格子定数が異なり、格子緩和が生じていない格子不整合化合物半導体層と、該格子不整合化合物半導体層とは単結晶基板に対する格子定数の大小関係が逆の別化合物半導体からなり、格子緩和を生じていない応力補償層とを、エピタキシャル成長させることを特徴とする化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法を提供する。
本発明の化合物半導体エピタキシャル基板は、反りが小さく、HEMTやHBT等の素子の製造用に好適に用いることができ、しかも本発明の化合物半導体エピタキシャル基板は簡便に製造することができるので、本発明は工業的に極めて有用である。
本発明の化合物半導体エピタキシャル基板は、単結晶基板上にエピタキシャル成長させることにより形成され、該単結晶基板と格子定数が異なり、格子緩和が生じていない格子不整合化合物半導体層を有してなる化合物半導体エピタキシャル基板であって、該格子不整合化合物半導体層とは単結晶基板に対する格子定数の大小関係が逆の別化合物半導体からなり、格子緩和を生じていない応力補償層を該単結晶基板の該格子不整合化合物半導体層と同一面側に有してなることを特徴とする。
本発明における応力補償層は、単結晶基板上にエピタキシャル成長させることにより形成され、該単結晶基板と格子定数が異なり、格子緩和が生じていない格子不整合化合物半導体層とは単結晶基板に対する格子定数の大小関係が逆の別化合物半導体からなり、格子緩和を生じていない層であり、該格子不整合化合物半導体層に生じる格子歪に起因する応力と逆方向の応力を単結晶基板に与える。
具体的には、例えば、図1のInGaAs層以外は単結晶基板であるGaAs基板と格子整合するが、InGaAsはGaAsより格子定数が大きいので格子不整合化合物半導体層であり、InGaAs層はGaAs基板および他の層から圧縮応力を受け、GaAs基板および他の層には引っ張り応力を及ぼす。その結果、エピタキシャル基板に反りが生じる。図4は反りの様子を示した模式図である。InGaAs層がGaAs基板および他の層に及ぼす引っ張り応力により、化合物半導体エピタキシャル基板全体は、上に凸となるように反る。
こうして発生する反りを低減するために、本発明の化合物半導体エピタキシャル基板は、InGaAsとは逆に、GaAs基板より格子定数が小さく、他の層とGaAs基板に対して圧縮応力を及ぼす応力補償層を前記単結晶基板の前記格子不整合化合物半導体層と同一面側に有してなる。この層の格子定数と膜厚を調整すれば反りが小さくなるように制御することができる。応力補償層に好適な化合物半導体層は、比較的GaAsとの格子定数差が小さく、しかも膜厚が制御しやすいものであり、InGaP、GaAsP、InAlP、SiGe、AlAsP、AlGaAsPが挙げられる。
本発明の化合物半導体エピタキシャル基板に用いる単結晶基板としては、通常用いられているものを用いることができ、例えば、具体的には、GaAs、GaP、InP、Si、Ge、SiC、GaN、AlN、サファイアのいずれかからなる単結晶基板が挙げられる。
本発明の化合物半導体エピタキシャル基板に用い、単結晶基板と格子定数が異なり、格子緩和が生じていない格子不整合化合物半導体層としては、通常用いられているものを用いることができ、具体的には、InGaAs、InGaAsP、InGaP、InAs、GaAsSb、InGaNのいずれか一つ以上からなる化合物半導体層が挙げられる。
そして、本発明の化合物半導体エピタキシャル基板に用いる応力補償層としては、上記格子不整合化合物半導体層により適宜選ばれ、具体的には、InGaP、GaAsP、InAlP、SiGe、AlAsP、AlGaAsP、InGaAs、InAlP、AlGaNからなる別化合物半導体の層が挙げられる。
これら単結晶基板の格子定数と、格子不整合化合物半導体層の格子定数と、別化合物半導体の格子定数の大小関係が、前記格子不整合化合物半導体層の格子定数が単結晶基板のそれより大きく、別化合物半導体の格子定数が単結晶基板のそれより小さい場合に本発明の効果が現れるので好ましい。具体的な物質の組合せとしては、単結晶基板−格子不整合化合物半導体−別化合物半導体の順に、GaAs−InGaAs−AlGaAsP、GaAs−GaAsSb−GaAsP、InP−InGaAs−InGaP、GaN−InGaN−AlGaN、SiC−InGaN−AlGaNが挙げられ、GaAs−InGaAs−AlGaAsP、GaAs−GaAsSb−GaAsP、InP−InGaAs−InGaPがより好ましい。
上記のような本発明の化合物半導体基板に、電極等を設置すれば、HEMTやHBT等の化合物半導体素子となる。
このような本発明の化合物半導体エピタキシャル基板は、単結晶基板の一方の面上に化合物半導体の層をエピタキシャル成長させる化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法において、該単結晶基板と格子定数が異なり、格子緩和が生じていない格子不整合化合物半導体層と、該格子不整合化合物半導体層とは単結晶基板に対する格子定数の大小関係が逆の別化合物半導体からなり、格子緩和を生じていない応力補償層とを、エピタキシャル成長させることにより製造することができる。
本発明の製造方法において用いる単結晶基板、格子不整合化合物半導体層および応力補償層としては、前記のものを用いることができる。
以下、図面を参照して、本発明の化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法の一例につき、詳細に説明する。なお、説明は単結晶基板としてGaAs単結晶基板を用いてなり、その上に、該単結晶基板と格子定数が異なり、格子緩和が生じていない格子不整合化合物半導体層としてInGaAsチャネル層を有するHEMT用の化合物半導体エピタキシャル基板を例として挙げるが、本発明はこの例に限定されるものではない。
各化合物半導体の層を成長させる工程は従来の技術を用いることができる。まず、図1に示した従来の層構造の化合物半導体エピタキシャル基板を作製する方法について説明する。図1において、1はGaAs単結晶基板、2はGaAs単結晶基板上に形成されたGaAsバッファ層、3はAlGaAsバッファ層である。4はn型不純物をドープしたn-AlGaAs層からなるバック側電子供給層であり、バック側電子供給層4の上には、AlGaAs層からなるバック側スペーサ層5が形成されている。6は2次元電子ガスが形成されるチャネル層で、そのIn組成に応じて膜厚40Åから180ÅのInGaAsからなる。このInGaAsの格子定数が、GaAs単結晶基板の格子定数より大きく、InGaAs層は格子不整合化合物半導体層である。他の層は、GaAs単結晶基板とほぼ格子整合している。チャネル層6の上には、AlGaAs層からなるフロント側スペーサ層7、n型不純物をドープしたn−AlGaAs層からなるフロント側電子供給層8、ノンドープAlGaAs層9、ノンドープGaAs層10、n−GaAsコンタクト層11が、この順序で形成されている。
化合物半導体エピタキシャル基板をMOCVD法により製造するのに使用される気相成長半導体製造装置の一例の概略を図2に示す。気相成長半導体製造装置は、図示していない原料供給装置から原料ガスが原料供給ライン1を通じて供給される反応炉2を備えている。反応炉2内にはGaAs基板3を加熱するためのサセプタ4が設けられている。サセプタ4は多角柱体であり、その表面には単結晶基板であるGaAs基板3が複数枚取り付けられている。サセプタ4は回転装置5によって回転できる構造となっている。サセプタ4の内部には、サセプタ4を加熱するための赤外線ランプ6が備えられている。赤外線ランプ6に加熱用電源7から加熱用の電流を流すことにより、GaAs基板3を所望の成長温度に加熱することができる。この加熱により、原料供給ライン1を通じて反応炉2に供給される原料ガスがGaAs基板2上で熱分解し、GaAs基板3上に所望の化合物半導体層を気相成長させることができるようになっている。反応炉2に供給された原料ガスのうち未反応の原料ガスは、排気ポート8より反応器の外部に排出され、排ガス処理装置へ送られる。
GaAs単結晶基板としては、高抵抗の半絶縁性GaAs単結晶基板であり、通常はLEC(Liquid Encapsulated Czochralski)法により製造された単結晶基板が用いられ、VB(Vertical Bridgeman)法、VGF(Vertical Gradient Freezing)法などの製造方法により製造された単結晶基板を用いることもできる。
GaAs単結晶基板1の表面を、洗浄、エッチング、洗浄、乾燥した後、気相成長半導体製造装置の反応炉内のサセプタ4に設置する。反応炉内を高純度水素で置換した後に、GaAs単結晶基板の加熱を開始する。基板温度が、所望の成長温度に到達し安定したところで、反応炉内に砒素原料ガスを導入する。GaAs層を成長させる場合には、砒素原料ガスの導入に続いてガリウム原料ガスを導入する。
ここで、従来のAlGaAsバッファ層を成長させる場合には、砒素原料ガスの導入に続いてガリウム原料ガスおよびアルミニウム原料ガスを導入する。一方、例えば図7に示した層構造(ただし、HEMT用とするには、最上層にn−GaAsコンタクト層が必要となる。しかし、コンタクト層があるとHall測定ができないので、図7はHall測定が可能なコンタクト層の無い層構造を示している。)を有する本発明の化合物半導体基板においては、AlGaAsバッファ層に代えてAlGaAs1-xx層を応力補償層として成長させる。この層の成長には、砒素原料ガスとリン原料ガスの導入に続いて、ガリウム原料ガスおよびアルミニウム原料ガスを導入する。
また、InGaAs層を成長させる場合には、砒素原料ガスの導入に続いてガリウム原料ガスおよびインジウム原料ガスを導入する。
所望の組成、膜厚、キャリア濃度の化合物半導体層からなる層構造を作製するには、各原料の供給量と供給時間とを制御する。所望の積層構造の成長終了後、各原料の供給を停止して結晶成長を停止し、反応炉を冷却する。反応炉の冷却後、成長終了後の化合物半導体エピタキシャル基板を反応炉内から取り出して、化合物半導体層の成長工程を完了する。
砒素原料ガスとしては、一般に三水素化砒素(アルシン)を用いることが多いが、炭素数が1から4のアルキル基でアルシンの水素を置換したアルキルアルシンを用いることもできる。リン原料ガスとしては、通常はホスフィン(PH3)が用いられる。ガリウム、アルミニウム、インジウムの原料としては、各金属原子に炭素数が1から3のアルキル基もしくは水素が結合した、トリアルキル化物もしくは三水素化物が、通常用いられる。
化合物半導体層を電子供給層とするために用いるn型不純物ドーパントとしては、シリコン、ゲルマニウム、スズ、硫黄、セレンなどの水素化物、または炭素数が1から3のアルキル基を有するアルキル化物を用いることができる。
こうして製造され、図7に層構造を示した化合物半導体エピタキシャル基板において、InGaAsチャネル層のIn組成が0.20、膜厚が150Åの時、AlGaAsPの膜厚とPの量が基板の反りにどのような影響を及ぼすかを、計算した結果を示すグラフを図5に示した。グラフの縦軸は基板の曲率半径を、横軸はAlGaAsPのPの量(AlGaAs1-xxのx)を示す。Pの量がゼロであるAlGaAsバッファ層の場合、基板の曲率半径は約200mとなる。Pの量が多くなるにつれ、曲率半径が大きくなり、徐々に反りが低減されていく。図5のグラフに示したように、Pの量を図5のグラフの少ない側から増加させてある特定の値に近づくと、曲率半径は急激に上昇して無限大になる。この点が反りゼロを示す。さらにPの量が多くなると曲率の符合が+から−に変わり、これは反りが逆方向になっていることをあらわしている。以上のように、AlGaAsバッファ層にPを加えて特定の量とすることにより、エピタキシャル基板の反りを精密に制御することができる。
以下に本発明の実施例を示す。本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
比較例1
図3に示した構造のエピタキシャル基板をMOCVD法により結晶成長した。単結晶基板としては3インチ径の半絶縁性GaAs基板を用いた。チャネル層のIn組成は0.20、膜厚は150Åとした。成長終了後のエピタキシャル基板を反応炉から取り出し、2次元電子ガスの電子ガス濃度、およびHall移動度をVan der Pauw法により測定した。室温での2次元電子ガス濃度は1.72×1012/cm2、Hall移動度は6230cm2/Vsであった。市販の反り測定装置により化合物半導体エピタキシャル基板の反りを測定した。図6はその鳥瞰図および断面図である。格子不整合化合物半導体層であるInGaAs層の引っ張り歪により基板がお椀型に反っていることがわかる。この反りを数値化した値で一般的に用いられている値であるSORI(ウエハ表面上で、焦平面上部の最も高い段差を持つ場所と、焦平面下部の最も低い段差を持つ場所との総合差の絶対値)は5.62μmであった。
実施例1
図7に示した構造において、応力補償層であるAlGaAsP層3のPの量を示すxが0.0225となるようにした以外は比較例1と同様にして化合物半導体エピタキシャル基板をMOCVD法により製造した。Hall移動度等の電気特性は比較例1のものと誤差の範囲内で変わらず、応力補償層を設けたことによる電気的特性の低下はなかった。SORI値は3.86μmとPの量がゼロの比較例1のものと比較して小さくなっていた。
実施例2
図7に示した構造でAlGaAsP層3のPの量を示すxが0.035となるようにした以外は比較例1と同様にして化合物半導体エピタキシャル基板をMOCVD法により製造した。Hall移動度等の電気特性は比較例1のものと誤差の範囲内で変わらず、応力補償層を設けたことによる電気的特性の低下はなかった。SORI値は1.85μmと比較例1のものと比較して大幅に改善した。
従来のHEMT用化合物半導体エピタキシャル基板の構造を示す図。 気相成長半導体製造装置の一例の概略を示す図。 特性評価に用いた従来のHEMT用化合物半導体エピタキシャル基板の構造を示す図。 従来の化合物半導体エピタキシャル基板の反りの状況を示す模式図。 本発明の化合物半導体エピタキシャル基板における曲率半径とAlGaAs1-xxバッファ層に含まれるPの量xとの関係を示す図。 AlGaAsバッファ層にPを含まない従来のHEMTの反りの評価結果を示す図。 AlGaAs1-xxバッファ層を有し、特性評価に用いた本発明のHEMT用化合物半導体エピタキシャル基板の構造を示す図。

Claims (10)

  1. 単結晶基板上にエピタキシャル成長させることにより形成され、該単結晶基板と格子定数が異なり、格子緩和が生じていない格子不整合化合物半導体層を有してなる化合物半導体エピタキシャル基板であって、該格子不整合化合物半導体層とは単結晶基板に対する格子定数の大小関係が逆の別化合物半導体からなり、格子緩和を生じていない応力補償層を該単結晶基板の該格子不整合化合物半導体層と同一面側に有してなることを特徴とする化合物半導体エピタキシャル基板。
  2. 単結晶基板が、GaAs、GaP、InP、Si、Ge、SiC、GaN、AlN、サファイアのいずれかである請求項1に記載の化合物半導体エピタキシャル基板。
  3. 格子不整合化合物半導体層が、InGaAs、InGaAsP、InGaP、InAs、GaAsSb、InGaNのいずれか一つ以上である請求項1または2に記載の化合物半導体エピタキシャル基板。
  4. 応力補償層がInGaP、GaAsP、InAlP、SiGe、AlAsP、AlGaAsP、InGaAs、InAlP、AlGaNのいずれか一つ以上からなる請求項1〜3のいずれかに記載の化合物半導体エピタキシャル基板。
  5. 請求項1〜4のいずれかに記載の化合物半導体エピタキシャル基板を用いてなることを特徴とする化合物半導体素子。
  6. 単結晶基板の一方の面上に化合物半導体の層をエピタキシャル成長させる化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法において、該単結晶基板と格子定数が異なり、格子緩和が生じていない格子不整合化合物半導体層と、該格子不整合化合物半導体層とは単結晶基板に対する格子定数の大小関係が逆の別化合物半導体からなり、格子緩和を生じていない応力補償層とを、エピタキシャル成長させることを特徴とする化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法。
  7. 単結晶基板がGaAs、GaP、InP、Si、Ge、SiC、GaN、AlN、サファイアのいずれかである請求項6に記載の製造方法。
  8. 格子不整合化合物半導体層が、InGaAs、InGaAsP、InGaP、InAs、GaAsSb、InGaNのいずれか一つ以上である請求項6または7に記載の製造方法。
  9. 応力補償層がInGaP、GaAsP、InAlP、SiGe、AlAsP、AlGaAsP、InGaAs、InAlP、AlGaNのいずれか一つ以上からなる請求項6〜8のいずれかに記載の製造方法。
  10. 単結晶基板の一方の面上に化合物半導体の層をエピタキシャル成長させてなり、該単結晶基板と格子定数が異なり、格子緩和が生じていない格子不整合化合物半導体層を有する化合物半導体エピタキシャル基板に、該格子不整合化合物半導体層とは単結晶基板に対する格子定数の大小関係が逆の別化合物半導体からなり、格子緩和を生じていない応力補償層を設けることによる化合物半導体エピタキシャル基板の反り防止方法。
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