JP2007103807A - Iii−v族化合物半導体結晶構造及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】配管パージなどの残留Seを取り除く作業を行うことなく、残留Seのエピタキシャル層への混入を防止できるIII−V族化合物半導体結晶構造及びその製造方法を提供する。
【解決手段】GaAs基板1とエピタキシャル層2〜8との間に、AlAs層9を成長し、このAlAs層9に気相成長装置内の残留Seを閉じ込めることにより、成長の合間に行っていた残留Seの取り除き作業が不要となり、連続的な成長が行える。
【選択図】 図1
【解決手段】GaAs基板1とエピタキシャル層2〜8との間に、AlAs層9を成長し、このAlAs層9に気相成長装置内の残留Seを閉じ込めることにより、成長の合間に行っていた残留Seの取り除き作業が不要となり、連続的な成長が行える。
【選択図】 図1
Description
本発明は、III−V族化合物半導体結晶構造及びその製造方法に係り、特にn型ドーパントであるSe(セレン)のメモリー効果を低減できるIII−V族化合物半導体結晶構造及びその製造方法に関する。
トランジスタの性能を向上させるためには、より多くの多数キャリアをより高速に伝達できる材質を用いることが重要である。GaAsやInGaAsはSiに比べて、電子移動度が高いという特長がある。この特長を活かして、GaAsやInGaAsは高速デバイスに多く用いられている。代表例として、高電子移動度トランジスタ(HEMT:High Electron Mobility Transistor)が挙げられる。
HEMTやFET(Field Effect Transistor、電界効果トランジスタ)といった電子デバイスは、現在、GaAsの半絶縁性基板上に、バッファ層を成長し、その上にチャネル層(活性層)をエピタキシャル成長させたウエハから作製するのが一般的である。
図4に、従来のHEMT用エピタキシャルウェハの概略断面構造を示す。HEMT用エピタキシャルウェハは、半絶縁性の基板21上に結晶成長されたバッファ層22、チャネル層23、スペーサ層24、キャリア供給層25、及びコンタクト層26を有する。基板21は単結晶成長するための下地であり、バッファ層22は基板21表面の残留不純物によるデバイス特性劣化を防ぐ働きと、チャネル層23のリーク電流を抑えるための層である。また、チャネル層23は自由電子が流れる層であり、高純度である必要がある。スペーサ層24は電子の散乱を防止する層であり、キャリア供給層25は自由電子を発生しチャネル層23へ供給するための層である。コンタクト層26は電極を形成するための層である。
コンタクト層26は、電極を形成するために低抵抗であることが重要であってn型ドーパントが添加されている。コンタクト層26の抵抗を下げるためには、キャリア濃度を高くしなければならないが、従来よく用いられているGaAsでは5×1018cm-3以上のキャリア濃度を得るのは難しい。一方、InGaAsを用いれば、4×1019cm-3という高キャリア濃度を実現できる。このn型のInGaAs層を結晶成長する場合には、高濃度にドーピングするために、n型ドーパントのSeの原料として、H2Se(セレン化水素)が用いられている。
ところが、H2Seは、いわゆる「メモリー効果」が非常に大きく、気相成長装置の反応炉にH2Seガスを送る配管系や反応炉内に付着して残留し易い。このため、従来の気相成長方法により連続して結晶成長を行う場合、残留Seをバッファ層22内に閉じ込めてしまうことはできず、エピタキシャル層中やエピタキシャル層の界面・表面に取り込まれ、電気的特性が影響を受ける。例えば、Seがキャリア供給層25に取り込まれてn型が強くなると、HEMTの重要な特性であるシートキャリア濃度が高くなってしまう。
従って、従来、H2Seを流す工程を含むエピタキシャル成長を連続で行うことができず、成長の合間に残留Seを取り除く作業が必要となる。残留Seを取り除く作業としては、通常、気相成長前に、水素や窒素などの不活性ガスを配管系に供給して流す配管パージが実施されている。また、配管パージだけでは除去は不十分として、気相成長前や気相成長中断中に、V族元素を含む原料化合物をn型ドーパント供給ラインに流すことによって、n型ドーパント供給ラインの清浄化を行うことが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
特開平10−97996号公報
しかしながら、気相成長前などに、水素などの不活性ガスを配管系に流す配管パージや、V族原料化合物をn型ドーパント供給ラインに流すという、上記従来の残留Seを取り除く作業は、作業に時間がかかり、生産性を上げることができなかった。
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、配管パージなどの残留Seを取り除く作業を行うことなく、電気的特性などに影響を与える残留Seのエピタキシャル層への混入を防止できるIII−V族化合物半導体結晶構造及びその製造方法を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項1の発明は、基板上に、Seドープのエピタキシャル層を含むIII−V族化合物半導体エピタキシャル層が積層されたIII−V族化合物半導体結晶構造において、前記基板と前記積層されたIII−V族化合物半導体エピタキシャル層との間に、AlAs層が形成されていることを特徴とする。
基板とIII−V族化合物半導体エピタキシャル層の間に形成されたAlAs層は、残留Seを閉じ込める層として機能し、Seのエピタキシャル層への混入・拡散を防止でき、優れた特性の結晶構造が得られる。
上記III族元素としては、Ga(ガリウム)、Al(アルミニウム)、In(インジウム)があり、V族元素としては、As(砒素)、P(リン)がある。これらの組み合わせにより、上記III−V族化合物半導体結晶には、GaAs、AlGaAs、InGaAs、AlInAs、AlGaInAs、GaP、AlP、InP、AlGaP、GaInP、AlGaIn等の、2元系結晶から4元系結晶が含まれる。
請求項2の発明は、GaAs系基板上に、バッファ層を有し且つSeドープのエピタキシャル層を含むGaAs系エピタキシャル層が積層されたIII−V族化合物半導体結晶構造において、前記GaAs系基板と前記バッファ層との間に、AlAs層が形成されていることを特徴とする。
請求項3の発明は、請求項1又は2に記載のIII−V族化合物半導体結晶構造において、前記AlAs層の膜厚が2〜200nmであることを特徴とする。
請求項4の発明は、請求項1乃至3のいずれかに記載のIII−V族化合物半導体結晶構造において、前記III−V族化合物半導体エピタキシャル層又は前記GaAs系エピタキシャル層の積層構造が、HEMT、FET、HBTのいずれかの構造を有することを特徴とする。
請求項5の発明は、気相成長装置内に設置した基板を加熱し、前記基板にIII族原料、V族原料を供給することにより、前記基板上にSeドープのエピタキシャル層を含むIII−V族化合物半導体エピタキシャル層を成長させるIII−V族化合物半導体結晶構造の製造方法において、前記基板上にAlAs層を成長させた後、前記III−V族化合物半導体エピタキシャル層を成長させるようにしたことを特徴とする。
請求項6の発明は、請求項5に記載のIII−V族化合物半導体結晶構造の製造方法において、前記AlAs層の膜厚が2〜200nmであることを特徴とする。
請求項7の発明は、請求項5又は6に記載のIII−V族化合物半導体結晶構造の製造方法において、前記V族原料として、AsH3(アルシン)、As(CH3)3(トリメチル砒素)、TBA(ターシャリーブチルアルシン)、PH3(ホスフィン)又はTBP(ターシャリーブチルホスフィン)のいずれか、又はこれらを組み合わせて用い、前記III族原料として、Al(CH3)3(トリメチルアルミニウム)、Al(CH3CH2)3(トリエチルアルミニウム)、Ga(CH3)3(トリメチルガリウム)、Ga(CH3CH2)3(トリエチルガリウム)、In(CH3)3(トリメチルインジウム)又はIn(CH3CH2)3(トリエチルインジウム)のいずれか、又はこれらを組み合わせて用い、希釈用ガスとして、H2(水素)、N2(窒素)又はAr(アルゴン)を用いることを特徴とする。
本発明によれば、残留Seを取り除く作業を必要とせずに、連続的に生産性よく、高品質のIII−V族化合物半導体結晶構造が得られる。また、GaAs系基板とバッファ層との間にAlAs層を設けると、バッファ層を高抵抗化でき、FETやHEMTなどの電子デバイスを高耐圧化することができ、電子デバイスの高性能化を実現することができる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図3に、有機金属気相成長(MOVPE)装置の反応炉の構成を示す。この反応炉10は、基板の結晶成長面が下向きになるフェースダウンタイプのもので、回転軸12を中心として回転する円板状のサセプタ11に、GaAsから成る複数の半絶縁性の基板1が、サセプタ11の中心から少し離れた位置にその周方向に沿って等間隔に配設され且つ基板1表面の成長面がガス流路14側に下向きに支持されている。基板1の裏面側のサセプタ11の上方には、基板加熱用ヒータ15が配置され、このヒータ15によりサセプタ11を介して基板1が加熱される(ヒータ温度は400〜1200℃である)。原料ガス16は、サセプタ11中心部の下方側からガス流路14に流入した後、ガス流路14を放射状に水平方向外側に流れ、加熱された基板1上に半導体結晶をエピタキシャル成長させる構造となっている。
本発明の実施形態に係るHEMT用エピタキシャルウェハの構造を図1に示した。このHEMT用エピタキシャルウェハの各エピタキシャル層の成長には、有機金属気相成長法(MOVPE法)を用いた。すなわち、III族有機金属原料ガスとV族原料ガスは、高純度水素キャリアガスとの混合ガスとして、図3の反応炉10内に送り込まれ、加熱された半絶縁性のGaAs基板1付近で原料ガスは熱分解され、基板1上にエピタキシャル層が成長する。
まず、GaAs基板1上にバッファ層2の最下層ともいえる無添加(i型)のi型AlAs層9(厚さ50nm、キャリア濃度3×1017cm-3 以下)をエピタキシャル成長させ、次いで、バッファ層2、チャネル層3、スペーサ層4、キャリア供給層5、ショットキー層6、コンタクト層7、オーミックコンタクト層8を順次成長させた。これらの成長時の基板温度は650℃、成長炉内圧力は約10130Pa(76Torr)、希釈用ガスは水素であり、サセプタ11の回転数は10回転/分とした。
上記バッファ層2は、i型GaAs層(厚さ500nmと200nm、キャリア濃度1×1015cm-3以下)とi型Al0.25Ga0.75As層(厚さ100nm、キャリア濃度1×1016cm-3以下)を交互に2回積層し、更にその上にi型Al0.25Ga0.75As層(厚さ100nm、キャリア濃度1×1016cm-3以下)を積層したものである。チャネル層3は、i型In0.20Ga0.80As層(厚さ20nm、キャリア濃度1×1016cm-3以下)、スペーサ層4は、i型Al0.25Ga0.75As層(厚さ3nm、キャリア濃度1×1016cm-3以下)、キャリア供給層5は、Siドープのn型Al0.25Ga0.75As層(厚さ250nm、キャリア濃度3×1018cm-3)、ショットキー層6は、i型Al0.25Ga0.75As層(厚さ50nm、キャリア濃度1×1016cm-3以下)、コンタクト層7は、Siドープのn型GaAs層(厚さ100nm、キャリア濃度3×1018cm-3)である。オーミックコンタクト層8は、Seドープのn型In0→0.50Ga1.0→0.5As層(厚さ50nm、キャリア濃度0.5→4×1019cm-3)から成るグレーデッドノンアロイ層8a及びSeドープのn型In0.50Ga0.50As層(厚さ50nm、キャリア濃度4×1019cm-3)から成る均一組成ノンアロイ層8bである。
上記において、i型AlAs層9の成長には、Al(CH3)3及びAsH3を用い、それらの流量はそれぞれ5.6cm3/分及び300cm3/分とした。
バッファ層2のi型GaAs層の成長には、Ga(CH3)3とAsH3を用いた。Ga(CH3)3の流量は10.5cm3/分とし、AsH3の流量は315cm3/分とした。
バッファ層2やスペーサ層4やショットキー層6のi型Al0.25Ga0.75As層の成長には、Ga(CH3)3、Al(CH3)3及びAsH3を用い、それらの流量は、それぞれ5.3cm3/分、1.43cm3/分及び630cm3/分とした。
チャネル層3のi型In0.20Ga0.80As層の成長にはGa(CH3)3、In(CH3)3及びAsH3を用い、それらの流量は、それぞれ5.3cm3/分、2.09cm3/分及び500cm3/分とした。
キャリア供給層5のn型Al0.25Ga0.75As層の成長には、i型Al0.25Ga0.75As層の成長に使用したGa(CH3)3、Al(CH3)3、AsH3に加えて、Si2H6を使用した。Si2H6の流量は、7.78×10-3cm3/分とした。Si2H6以外の流量は、i型Al0.25Ga0.75As層の場合と同じである。
コンタクト層7のn型GaAs層の成長には、i型GaAsの成長に使用したGa(CH3)3、AsH3に加えて、Si2H6を用いた。Si2H6の流量は1.47×10-4cm3/分とした。Si2H6以外の流量は、i型GaAs層の場合と同じである。
オーミックコンタクト層8の、n型In0→0.50Ga1.0→0.5Asから成るグレーデッドノンアロイ層8aの成長には、In(CH3)3、Ga(CH3)3、AsH3、H2Seを用いた。それらIn(CH3)3、Ga(CH3)3、AsH3、H2Seの成長開始時の流量は、それぞれ0cm3/分、5.3cm3/分、500cm3/分、1.2×10-1cm3/分とし、また成長終了時の流量は、それぞれ8.3cm3/分、5.3cm3/分、500cm3/分、1.6cm3/分とした。
オーミックコンタクト層8の、n型In0.50Ga0.50Asから成る均一組成ノンアロイ層8bの成長には、In(CH3)3、Ga(CH3)3、AsH3、H2Seを用いた。それらIn(CH3)3、Ga(CH3)3、AsH3、H2Seの流量は、それぞれ8.3cm3/分、5.3cm3/分、500cm3/分、1.6cm3/分である。
本発明の実施形態の効果を確認するために、AlAs層9の膜厚を0〜200nmと変化させて作製したHEMT用エピタキシャルウェハa〜iについて、そのシートキャリア濃度を測定した。ここに、シートキャリア濃度とは1cm2あたりの電子数であり、シートキャリア濃度の測定にはvan der Pauw法を用いた。測定結果を表1および図2に示す。測定を行うために、作製したHEMT用エピタキシャルウェハのコンタクト層7及びオーミックコンタクト層8の一部を除去し測定した。なお、HEMT用エピタキシャルウェハaが従来構造のものであり、HEMT用エピタキシャルウェハfが上記実施形態(図1)である。
表1、図2に示す通り、従来のAlAs層を設けない(膜厚0nm)エピタキシャルウェハaに対し、AlAs層を設けた本発明の実施形態のエピタキシャルウェハb〜iでは、AlAs層に残留Seが取り込まれ、連続成長を行っても、シートキャリア濃度の増加が抑えられている。この効果は、AlAs層の膜厚が厚くなるほど、大きくなっている。AlAs層の膜厚が2nm、5nmのエピタキシャルウェハb、cにおいては、エピタキシャル結晶成長を連続で成長させると、1回目の成長ではシートキャリア濃度が2.48×1012cm-2であったものが、残留Seを取り除く作業を実施せずに、連続して行った2回目の成長ではシートキャリア濃度が2.57×1012cm-2、2.52×1012cm-2と高くなっている。これと比較して、AlAs層の膜厚が10nm以上のエピタキシャルウェハd〜iにおいては、エピタキシャル結晶成長を連続で成長させても2回目のシートキャリア濃度は2.49×1012cm-2〜2.48×1012cm-2で、高くならない。
よって、AlAs層の膜厚を10nm以上成長させれば、エピタキシャル結晶成長を連続で成長させても2回目のシートキャリア濃度は高くならない。但し、AlAs層の成長速度は極端に遅いために、膜厚を厚く成長させると生産性が低下する。よって、AlAs層の膜厚は10〜200nmが適当である。なお、AlAs層の膜厚が薄く、残留Seの取込が十分ではないために、残留Seを取り除く作業が必要になる場合にも、AlAs層を形成することにより、残留Seを取り除く作業の時間短縮や作業内容の簡素化が図れる。
上記実施形態では、HEMTについて述べたが、HBT(ヘテロ接合バイポーラトランジスタ)においても、例えば、基板とバッファ層との間に、バッファ層の最下層としてAlAs層を成長することで、AlAs層に残留Seを取り込むことができる。
また、本発明は、FETやHEMTなどの電子デバイスだけでなく、それらを中心とした半導体集積回路に応用でき、更にまた光発光・受光素子、レーザーの埋め込みの抵抗層にも利用できる。
1 GaAs基板
2 バッファ層
3 チャネル層
4 スペーサ層
5 キャリア供給層
6 ショットキー層
7 コンタクト層
8 オーミックコンタクト層
9 AlAs層
10 反応炉
11 サセプタ
12 回転軸
14 ガス流路
15 ヒータ
16 原料ガス
2 バッファ層
3 チャネル層
4 スペーサ層
5 キャリア供給層
6 ショットキー層
7 コンタクト層
8 オーミックコンタクト層
9 AlAs層
10 反応炉
11 サセプタ
12 回転軸
14 ガス流路
15 ヒータ
16 原料ガス
Claims (7)
- 基板上に、Seドープのエピタキシャル層を含むIII−V族化合物半導体エピタキシャル層が積層されたIII−V族化合物半導体結晶構造において、
前記基板と前記積層されたIII−V族化合物半導体エピタキシャル層との間に、AlAs層が形成されていることを特徴とするIII−V族化合物半導体結晶構造。 - GaAs系基板上に、バッファ層を有し且つSeドープのエピタキシャル層を含むGaAs系エピタキシャル層が積層されたIII−V族化合物半導体結晶構造において、
前記GaAs系基板と前記バッファ層との間に、AlAs層が形成されていることを特徴とするIII−V族化合物半導体結晶構造。 - 請求項1又は2に記載のIII−V族化合物半導体結晶構造において、
前記AlAs層の膜厚が2〜200nmであることを特徴とするIII−V族化合物半導体結晶構造。 - 請求項1乃至3のいずれかに記載のIII−V族化合物半導体結晶構造において、
前記III−V族化合物半導体エピタキシャル層又は前記GaAs系エピタキシャル層の積層構造が、HEMT、FET、HBTのいずれかの構造を有することを特徴とするIII−V族化合物半導体結晶構造。 - 気相成長装置内に設置した基板を加熱し、前記基板にIII族原料、V族原料を供給することにより、前記基板上にSeドープのエピタキシャル層を含むIII−V族化合物半導体エピタキシャル層を成長させるIII−V族化合物半導体結晶構造の製造方法において、
前記基板上にAlAs層を成長させた後、前記III−V族化合物半導体エピタキシャル層を成長させるようにしたことを特徴とするIII−V族化合物半導体結晶構造の製造方法。 - 請求項5記載のIII−V族化合物半導体結晶構造の製造方法において、
前記AlAs層の膜厚が2〜200nmであることを特徴とするIII−V族化合物半導体結晶構造の製造方法。 - 請求項5又は6に記載のIII−V族化合物半導体結晶構造の製造方法において、
前記V族原料として、AsH3(アルシン)、As(CH3)3(トリメチル砒素)、TBA(ターシャリーブチルアルシン)、PH3(ホスフィン)又はTBP(ターシャリーブチルホスフィン)のいずれか、又はこれらを組み合わせて用い、
前記III族原料として、Al(CH3)3(トリメチルアルミニウム)、Al(CH3CH2)3(トリエチルアルミニウム)、Ga(CH3)3(トリメチルガリウム)、Ga(CH3CH2)3(トリエチルガリウム)、In(CH3)3(トリメチルインジウム)又はIn(CH3CH2)3(トリエチルインジウム)のいずれか、又はこれらを組み合わせて用い、
希釈用ガスとして、H2(水素)、N2(窒素)又はAr(アルゴン)を用いることを特徴とするIII−V族化合物半導体結晶構造の製造方法。
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