JP2013219242A - Semiconductor thin film and manufacturing method of the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、Ｉｎ，Ｇａ，Ａｓ，およびＳｂを含み、炭素がドーピングされてｐ型とされた化合物半導体からなる半導体薄膜およびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor thin film made of a compound semiconductor containing In, Ga, As, and Sb and doped with carbon to be p-type, and a method for manufacturing the same.
通信の高速化、大容量化に対する要求が高まっており、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（Hetero-junction Bipolar Transistor；ＨＢＴ）などの高周波半導体トランジスタの性能向上が求められている。特に近年では、従来の高速化のトレンドの他に、集積回路レベルおよびデバイスレベルでの消費電力の低減が求められている。 There is an increasing demand for high-speed communication and large capacity, and there is a demand for improved performance of high-frequency semiconductor transistors such as heterojunction bipolar transistors (HBTs). Particularly in recent years, in addition to the conventional trend of higher speed, reduction of power consumption at the integrated circuit level and the device level is required.
これらのトランジスタは、抵抗率を１０7Ω・ｃｍ以上にまで高抵抗化したＦｅ添加ＩｎＰ基板を用い、この基板の上に格子整合するＩｎＧａＡｓ，ＩｎＡｌＡｓ，ＡｌＩｎＧａＡｓＳｂ，ＩｎＡｌＧａＰ，ＩｎＡｌＧａＡｓＰなどの材料を用い、有機金属化学気相成長法（ＭＯＶＰＥ）や分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）などの手法により作製された半導体層より構成されるのが一般である。 These transistors use an Fe-doped InP substrate whose resistivity is increased to 10 7 Ω · cm or more, and materials such as InGaAs, InAlAs, AlInGaAsSb, InAlGaP, and InAlGaAsP that are lattice-matched on this substrate, In general, the semiconductor layer is composed of a semiconductor layer manufactured by a technique such as metal organic chemical vapor deposition (MOVPE) or molecular beam epitaxy (MBE).
集積回路の低消費電力化には、ＨＢＴのベース層にバンドギャップの狭い（狭バンドギャップ）の材料を用いることが有効である。ＩｎＰ基板と比較的格子定数の近い、狭バンドギャップ材料として、ＩｎＧａＡｓＳｂおよびＩｎＡｌＧａＡｓＳｂがある。これらの材料は、従来よりＨＢＴのベース層として既に広く用いられているＩｎＧａＡｓと比較してもバンドギャップが小さい。このような狭バンドギャップ材料をＨＢＴのベース層に適用することで、ベース-エミッタ間の内臓電位が小さくなるため、トランジスタの動作電圧を下げることができる。従って、このようなＨＢＴを用いた機能性電気回路を作製した際、回路全体の消費電力低下が期待できる。 In order to reduce the power consumption of an integrated circuit, it is effective to use a material having a narrow band gap (narrow band gap) for the base layer of the HBT. InGaAsSb and InAlGaAsSb are narrow band gap materials having a lattice constant relatively close to that of the InP substrate. These materials have a smaller band gap than InGaAs, which has been widely used as a base layer for HBT. By applying such a narrow band gap material to the base layer of the HBT, the built-in potential between the base and the emitter is reduced, so that the operating voltage of the transistor can be lowered. Therefore, when a functional electric circuit using such an HBT is manufactured, a reduction in power consumption of the entire circuit can be expected.
ところで、上述したトランジスタにおいては、高周波特性を高めるために、高濃度にｎ型やｐ型にドーピングされた層が一般に用いられる。例えば、ＩｎＰ基板上に形成したｎｐｎ型のＨＢＴなどにおいては、ベース層には１０19ｃｍ-3以上の高濃度にｐ型ドープしたＩｎＧａＡｓやＧａＡｓＳｂなどの材料を用いるのが一般である。ＨＢＴに限らず、例えばＭＯＳＦＥＴなどの電界効果型トランジスタにおいても、ソース・ドレインとなる半導体層には、ソース抵抗・ドレイン抵抗低減のため、高濃度にドーピングが行われる場合がある。 By the way, in the above-described transistor, a layer doped with a high concentration of n-type or p-type is generally used in order to improve high-frequency characteristics. For example, in an npn type HBT formed on an InP substrate, it is common to use a material such as InGaAs or GaAsSb doped at a high concentration of 10 19 cm −3 or higher for the base layer. In addition to the HBT, for example, in a field effect transistor such as a MOSFET, a semiconductor layer serving as a source / drain may be doped at a high concentration in order to reduce the source resistance / drain resistance.
従って、狭バンドギャップ材料であるＩｎＧａＡｓＳｂやＩｎＡｌＧａＡｓＳｂを上述したようにトランジスタに適用するためには、高濃度ｐ型ドーピングが必要である。しかし、これらの四元以上の混晶材料系においては、高濃度ｐ型ドーピングを行い、高い正孔濃度を得ることがきわめて難しい。この理由について、以下に説明する。 Therefore, in order to apply InGaAsSb or InAlGaAsSb, which is a narrow band gap material, to a transistor as described above, high-concentration p-type doping is necessary. However, in these quaternary or higher mixed crystal material systems, it is extremely difficult to obtain a high hole concentration by performing high-concentration p-type doping. The reason for this will be described below.
ＧａＡｓＳｂやＩｎＧａＡｓでは、広く一般的に用いられるｐ型ドーパントとしては炭素（Ｃ）が挙げられる。ＣはＩｎＧａＡｓＳｂやＩｎＡｌＧａＡｓＳｂにおいても同様にｐ型伝導を示すことが知られている。Ｃドーピングを行う原料としては、多くの場合、四塩化炭素（ＣＣｌ4）や四臭化炭素（ＣＢｒ4）などのハロメタン系原料が用いられる。 In GaAsSb and InGaAs, a widely used p-type dopant is carbon (C). C is also known to exhibit p-type conduction in InGaAsSb and InAlGaAsSb as well. In many cases, a halomethane-based material such as carbon tetrachloride (CCl 4 ) or carbon tetrabromide (CBr 4 ) is used as a material for performing C doping.
しかしハロメタン系原料は、原料中に塩素（Ｃｌ）や臭素（Ｂｒ）などのハロゲン元素が含まれるため、結晶成長の際に同時にエッチング反応が起こることが知られている。このエッチング効果により、結晶成長の際に半導体薄膜として取り込まれる固相の組成は、ドーピングを行っていない場合と比べて変動する。このようなエッチング効果による固相組成の変動は、半導体薄膜の固相組成の制御性や再現性を低下させる要因となりうる。 However, it is known that the halomethane-based raw material contains an etching reaction simultaneously with crystal growth because the raw material contains a halogen element such as chlorine (Cl) or bromine (Br). Due to this etching effect, the composition of the solid phase taken in as a semiconductor thin film during crystal growth varies as compared with the case where no doping is performed. Such a change in the solid phase composition due to the etching effect can be a factor that reduces the controllability and reproducibility of the solid phase composition of the semiconductor thin film.
エッチング効果は、固相を構成する元素によって度合いが異なるが、ＩｎとＧａとで比較した場合は、Ｉｎの方がＧａよりもエッチング効果の影響を受けやすい（非特許文献１参照）。従って、ＩｎＧａＡｓＳｂにハロメタン系原料によってＣドーピングを行うと、固相Ｉｎ組成が減少してしまう。このため、Ｉｎ組成を所望の値とした状態で、高濃度にＣドーピングをおない、高い成功濃度を得ることが容易ではない。 Although the degree of the etching effect varies depending on the elements constituting the solid phase, when In and Ga are compared, In is more susceptible to the etching effect than Ga (see Non-Patent Document 1). Accordingly, when C doping is performed on InGaAsSb with a halomethane-based material, the solid phase In composition is reduced. For this reason, it is not easy to obtain a high success concentration without C doping at a high concentration in a state where the In composition is set to a desired value.
また、多くのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体において、材料の混晶化により、ドーピングの効率が低下することが知られている。ＩｎＧａＡｓＳｂにおいても同様に、固相Ｉｎ組成がＩｎＧａＡｓとＧａＡｓＳｂの中間程度の領域、すなわち固相Ｉｎ組成ｘが０．２＜ｘ＜０．３程度の範囲に近づくにつれて、正孔濃度は著しく減少する。 Further, in many III-V group compound semiconductors, it is known that doping efficiency decreases due to mixed crystallization of materials. Similarly, in InGaAsSb, as the solid-phase In composition is in the middle of InGaAs and GaAsSb, that is, as the solid-phase In composition x approaches 0.2 <x <0.3, the hole concentration decreases significantly. .
Ｃ以外の元素を用いたドーピングの試みもなされている。例えば、ＭＢＥ法によりベリリウム（Ｂｅ）ドーピングを行うことで、１０19ｃｍ-3程度の高い正孔濃度のＩｎＧａＡｓＳｂ薄膜が形成されたことが報告されている。また、ドーパントとして亜鉛（Ｚｎ）を用いる方法も考えられる。 Attempts to dope using elements other than C have also been made. For example, it has been reported that an InGaAsSb thin film having a high hole concentration of about 10 19 cm −3 is formed by performing beryllium (Be) doping by the MBE method. A method using zinc (Zn) as a dopant is also conceivable.
しかし、これらの材料はいずれもＩＩ族の元素であり、ドーピングによってＩＩＩ族であるＩｎおよびＧａのサイトに入る。このため、Ｖ族サイトに入るＣを用いる場合と比べて、ドーピングした元素が半導体層中を拡散しやすく、特に半導体層のヘテロ接合界面の急峻性などを低下させ、所望のトランジスタ特性が得られない場合がある。また、これらのドーピング元素の拡散の影響により、トランジスタの長期的な信頼性が劣化してしまう場合もある。さらに、Ｚｎに関しては、半導体薄膜を形成する結晶成長装置の内部（成膜室）に残存し、例えば、亜鉛をドープしない半導体薄膜の形成に影響を及ぼす場合がある。 However, these materials are all Group II elements, and enter Group III and In sites by doping. For this reason, compared with the case of using C entering the group V site, the doped element is easily diffused in the semiconductor layer, and in particular, the steepness of the heterojunction interface of the semiconductor layer is reduced, and desired transistor characteristics can be obtained. There may not be. In addition, the long-term reliability of the transistor may deteriorate due to the influence of diffusion of these doping elements. Further, Zn remains in the inside of the crystal growth apparatus (film formation chamber) for forming a semiconductor thin film, and may affect the formation of a semiconductor thin film not doped with zinc, for example.
以上に説明したように、まず、ＨＢＴやＦＥＴなどのトランジスタにおいて、必要な層のドーピング濃度が不十分であると、接触抵抗が高くなり、デバイスの高周波特性が低下してしまう場合がある。特にＨＢＴにおいては、ベース層が十分高い正孔濃度を有していないと、ベース層のシート抵抗が増大し、高い最大発振周波数が得られない。 As described above, first, in a transistor such as an HBT or FET, if the required layer doping concentration is insufficient, the contact resistance increases, and the high-frequency characteristics of the device may deteriorate. Particularly in HBT, if the base layer does not have a sufficiently high hole concentration, the sheet resistance of the base layer increases and a high maximum oscillation frequency cannot be obtained.
しかしながら、ＩｎＧａＡｓＳｂなどのような混晶材料においては、ドーピング効率が著しく低下してしまうため、高濃度ドーピングが難しいという問題がある。上述したように、ドーピング原料にハロメタン系原料を用いＣをドーピングする場合、エッチング効果によりＩｎＧａＡｓＳｂの固相組成制御が難しい。特にＧａとＩｎとでは、Ｉｎの方がエッチング効果が大きいことから、Ｉｎ組成が低下してしまい、高Ｉｎ組成ＣドープＩｎＧａＡｓＳｂを得るのが難しい。 However, a mixed crystal material such as InGaAsSb has a problem that it is difficult to perform high-concentration doping because the doping efficiency is significantly reduced. As described above, when C is doped using a halomethane-based material as a doping material, it is difficult to control the solid phase composition of InGaAsSb due to the etching effect. In particular, in Ga and In, since In has a larger etching effect, the In composition is lowered, and it is difficult to obtain a high In composition C-doped InGaAsSb.
また前述したように、Ｃ以外のドーパントを用いる手法も考えられるが、ＩＩI族サイトに入るドーパントは固相中の元素の拡散が起こりやすく、界面急峻性の劣化およびデバイスの長期的な信頼性の低下が引き起こされる。またＺｎをドーパントとして用いる場合は、成膜室内などにおけるＺｎの残存により、成膜における環境が変動してしまうという別の問題も発生する場合がある。 Further, as described above, a method using a dopant other than C is also conceivable, but the dopant entering the III site is likely to cause diffusion of elements in the solid phase, resulting in deterioration of interface steepness and long-term reliability of the device. A decline is caused. In the case where Zn is used as a dopant, another problem that the environment for film formation fluctuates due to the remaining Zn in the film formation chamber or the like may occur.
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、所望のＩｎ組成が得られる状態で、高濃度にＣがドープできるようにすることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to allow C to be doped at a high concentration in a state where a desired In composition can be obtained.
本発明に係る半導体薄膜の形成方法は、Ｉｎ原料，Ｇａ原料，Ａｓ原料，およびＳｂ原料を供給することを含む第１条件で化合物半導体を基板の上に堆積する第１工程と、第１工程に引き続いて、Ｉｎ原料，Ｇａ原料，Ａｓ原料，およびＳｂ原料を供給することを含む第２条件で化合物半導体を基板の上に堆積する第２工程とを少なくとも備え、第１条件および第２条件の一方は、他方に比較してハロメタン系の炭素ドーピング原料の供給量を少なくし、基板の上に、Ｉｎ，Ｇａ，Ａｓ，およびＳｂを含み、炭素がドーピングされてｐ型とされた化合物半導体の薄膜を形成する。 A method for forming a semiconductor thin film according to the present invention includes a first step of depositing a compound semiconductor on a substrate under a first condition including supplying an In source, a Ga source, an As source, and an Sb source, and a first step. And a second step of depositing a compound semiconductor on the substrate under a second condition including supplying an In raw material, a Ga raw material, an As raw material, and an Sb raw material. The first condition and the second condition One of these is a compound semiconductor in which the supply amount of the halomethane-based carbon doping raw material is reduced as compared with the other, and the substrate contains In, Ga, As, and Sb and is doped with carbon to be p-type. The thin film is formed.
上記半導体薄膜の形成方法において、第１条件および第２条件は、Ｉｎ原料，Ｇａ原料，Ａｓ原料，およびＳｂ原料の供給量を同一とすればよい。また、炭素ドーピング原料は、四塩化炭素または四臭化炭素であればよい。 In the method for forming a semiconductor thin film, the first condition and the second condition may be the same supply amounts of the In material, Ga material, As material, and Sb material. The carbon doping raw material may be carbon tetrachloride or carbon tetrabromide.
また、本発明に係る半導体薄膜は、基板の上に互いに接して積層された第１半導体層および第２半導体層から構成された半導体薄膜であって、第１半導体層は、第２半導体層より低いＩｎ組成とされた状態でＩｎ，Ｇａ，Ａｓ，およびＳｂを含んで構成され、炭素のドーピングによる正孔濃度が第２半導体層より高い値とされ、 第２半導体層は、Ｉｎ，Ｇａ，Ａｓ，およびＳｂを含んで構成され、炭素のドーピングによる正孔濃度が第１半導体層より低い値とされている。なお、第１半導体層は、ＧａＡｓＳｂ，ＩｎＧａＡｓＳｂ，ＡｌＧａＡｓＳｂ，およびＩｎＡｌＧａＡｓＳｂのいずれかであり、第２半導体層は、ＩｎＧａＡｓＳｂおよびＩｎＡｌＧａＡｓＳｂのいずれかであればよい。 The semiconductor thin film according to the present invention is a semiconductor thin film composed of a first semiconductor layer and a second semiconductor layer stacked on and in contact with each other on a substrate, and the first semiconductor layer is formed from the second semiconductor layer. It is configured to contain In, Ga, As, and Sb in a low In composition, and the hole concentration due to carbon doping is higher than that of the second semiconductor layer. The second semiconductor layer includes In, Ga, It is configured to include As and Sb, and the hole concentration due to carbon doping is lower than that of the first semiconductor layer. The first semiconductor layer may be any of GaAsSb, InGaAsSb, AlGaAsSb, and InAlGaAsSb, and the second semiconductor layer may be any of InGaAsSb and InAlGaAsSb.
以上説明したことにより、本発明によれば、所望のＩｎ組成が得られる状態で、高濃度にＣがドープできるようになるという優れた効果が得られる。 As described above, according to the present invention, it is possible to obtain an excellent effect that C can be doped at a high concentration in a state where a desired In composition can be obtained.
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における半導体薄膜の製造方法を説明するためのフローチャートである。この製造方法は、まず、ステップＳ１０１で、基板の上に、Ｉｎ原料，Ｇａ原料，Ａｓ原料，およびＳｂ原料を供給してＩｎ，Ｇａ，Ａｓ，およびＳｂを含む化合物半導体を結晶成長する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a flowchart for explaining a method of manufacturing a semiconductor thin film according to an embodiment of the present invention. In this manufacturing method, first, in step S101, an In raw material, a Ga raw material, an As raw material, and an Sb raw material are supplied onto a substrate to grow a compound semiconductor containing In, Ga, As, and Sb.
上述したステップＳ１０１に引き続き、ステップＳ１０２で、Ｉｎ原料，Ｇａ原料，Ａｓ原料，およびＳｂ原料の供給とともに、新たにハロメタン系の炭素（Ｃ）ドーピング原料の供給を開始し、化合物半導体の結晶成長を継続する。 Subsequent to Step S101 described above, in Step S102, the supply of In raw material, Ga raw material, As raw material, and Sb raw material is started, and supply of a halomethane-based carbon (C) doping raw material is newly started, and crystal growth of a compound semiconductor is started. continue.
これにより、基板の上に、Ｉｎ，Ｇａ，Ａｓ，およびＳｂを含み、炭素がドーピングされてｐ型とされた化合物半導体の薄膜が形成できる。このように、化合物半導体の堆積を行うことで、Ｉｎ，Ｇａ，Ａｓ，およびＳｂを含むｐ型の化合物半導体薄膜を、所望のＩｎ組成が得られ、かつ、高濃度にＣがドープされた状態にすることができる。 Thereby, a thin film of a compound semiconductor containing In, Ga, As, and Sb and doped with carbon to be p-type can be formed on the substrate. Thus, by depositing a compound semiconductor, a p-type compound semiconductor thin film containing In, Ga, As, and Sb can be obtained with a desired In composition and with a high concentration of C doped. Can be.
ここで、上述では、ステップＳ１０１では、Ｃドーピング材料の供給をせず、ステップＳ１０２で、Ｃドーピング材料の供給を行うようにしたが、これに限るものではない。本発明は、第１工程で、Ｉｎ原料，Ｇａ原料，Ａｓ原料，およびＳｂ原料を供給することを含む第１条件で化合物半導体を基板の上に堆積し、第２工程で、第１工程に引き続いて、Ｉｎ原料，Ｇａ原料，Ａｓ原料，およびＳｂ原料を供給することを含む第２条件で化合物半導体を基板の上に堆積する中で、第１条件および第２条件の一方は、他方に比較してハロメタン系の炭素ドーピング原料の供給量を少なくすることが重要である。 Here, in the above description, the C doping material is not supplied in Step S101 and the C doping material is supplied in Step S102. However, the present invention is not limited to this. The present invention deposits a compound semiconductor on a substrate under a first condition including supplying an In raw material, a Ga raw material, an As raw material, and an Sb raw material in the first step, and the second step in the first step. Subsequently, in depositing the compound semiconductor on the substrate under the second condition including supplying the In raw material, the Ga raw material, the As raw material, and the Sb raw material, one of the first condition and the second condition is changed to the other. In comparison, it is important to reduce the supply amount of the halomethane-based carbon doping raw material.
従って、まず、第１工程で、基板の上に、Ｉｎ原料，Ｇａ原料，Ａｓ原料，およびＳｂ原料に加え、ハロメタン系のＣドーピング原料を供給し、Ｉｎ，Ｇａ，Ａｓ，およびＳｂを含む、炭素がドーピングされたｐ型の化合物半導体を結晶成長する。これに引き続き、第２工程で、Ｃドーピング原料の供給を停止し、Ｉｎ原料，Ｇａ原料，Ａｓ原料，およびＳｂ原料の供給は継続して化合物半導体の結晶成長を継続してもよい。なお、Ｃドーピング原料を供給している状態では、この供給量の条件によっては、堆積される化合物半導体中に、Ｉｎがほとんど取り込まれない状態が発生する。しかしながら、Ｃドーピング原料を供給せずに堆積している段階では、所望とする組成にＩｎが含まれた状態とすることができる。この点については、後述する。 Therefore, first, in the first step, in addition to the In raw material, the Ga raw material, the As raw material, and the Sb raw material, a halomethane-based C doping raw material is supplied on the substrate, and includes In, Ga, As, and Sb. A p-type compound semiconductor doped with carbon is crystal-grown. Subsequently, in the second step, the supply of the C doping material may be stopped, and the supply of the In material, Ga material, As material, and Sb material may be continued to continue crystal growth of the compound semiconductor. In a state where the C doping raw material is supplied, depending on the supply amount condition, a state where In is hardly taken into the deposited compound semiconductor occurs. However, in a stage where deposition is performed without supplying the C doping raw material, a desired composition can contain In. This point will be described later.
また、上述した２つの工程を交互に繰り返すことで、目的とするｐ型の化合物半導体薄膜を形成してもよい。例えば、図２のフローチャートに示すように、まず、ステップＳ２０１で、Ｉｎ原料，Ｇａ原料，Ａｓ原料，およびＳｂ原料に加え、ハロメタン系のＣドーピング原料を供給し、Ｉｎ，Ｇａ，Ａｓ，およびＳｂを含む、炭素がドーピングされた第１半導体層を形成する。 Alternatively, the target p-type compound semiconductor thin film may be formed by alternately repeating the two steps described above. For example, as shown in the flowchart of FIG. 2, first, in step S201, in addition to the In raw material, the Ga raw material, the As raw material, and the Sb raw material, a halomethane-based C doping raw material is supplied, and In, Ga, As, and Sb are supplied. A first semiconductor layer doped with carbon is formed.
引き続き、ステップＳ２０２で、Ｃドーピング原料の供給を停止し、Ｉｎ原料，Ｇａ原料，Ａｓ原料，およびＳｂ原料の供給は継続し、第１半導体層の上に第２半導体層を形成する。次に、ステップＳ２０３で、規定の回数を繰り返したことを判断し、規定の回数を繰り返すまで、ステップＳ２０１およびステップＳ２０２を繰り返す。これにより、第１半導体層と第２半導体層が交互に複数層積層された状態で、所望のＩｎ組成が得られ、かつ、高濃度にＣがドープされたＩｎ，Ｇａ，Ａｓ，およびＳｂを含むｐ型の化合物半導体薄膜が形成される。 Subsequently, in step S202, the supply of the C doping material is stopped, the supply of the In material, the Ga material, the As material, and the Sb material is continued, and the second semiconductor layer is formed on the first semiconductor layer. Next, in step S203, it is determined that the specified number of times has been repeated, and steps S201 and S202 are repeated until the specified number of times is repeated. Thereby, in a state where a plurality of first semiconductor layers and second semiconductor layers are alternately stacked, a desired In composition is obtained, and In, Ga, As, and Sb doped with C at a high concentration are obtained. A p-type compound semiconductor thin film is formed.
以下、ＩｎＧａＡｓＳｂを例にとり、ハロメタン系材料による炭素ドープによる固相中のＩｎ組成の変化について説明する。まず、ＩｎＧａＡｓＳｂに対してハロメタン系原料によって単純にＣドープを行った実験の結果について、図３を用いて説明する。図３は、ＩＩＩ族原料の供給比に対するＩｎＧａＡｓＳｂの固相Ｉｎ組成の変化を示す特性図である。この実験では、結晶成長を減圧ＭＯＣＶＤ法により行い、原料にはトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、アルシン（ＡｓＨ3）、トリメチルアンチモン（ＴＭＳｂ）を用いた。また、ドーピング原料にはＣＢｒ4を用いた。また、原料の供給モル比は、全Ｖ族元素の供給モル流量が、全ＩＩＩ族元素の供給モル流量よりも大きくなるような条件で行った。 Hereinafter, taking InGaAsSb as an example, a change in the In composition in the solid phase due to carbon doping with a halomethane-based material will be described. First, the result of an experiment in which InGaAsSb is simply C-doped with a halomethane-based material will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a characteristic diagram showing a change in the solid phase In composition of InGaAsSb with respect to the supply ratio of the group III raw material. In this experiment, crystal growth was performed by a low pressure MOCVD method, and triethylgallium (TEGa), trimethylindium (TMIn), arsine (AsH 3 ), and trimethylantimony (TMSb) were used as raw materials. CBr 4 was used as a doping material. The feed molar ratio of the raw materials was set under the condition that the supply molar flow rate of all group V elements was larger than the supply molar flow rate of all group III elements.
図３に示されているように、ドーピング原料を供給しない場合（白三角）、固相Ｉｎ組成は、ＩＩＩ族原料供給比の増大に対して比例的に増大する傾向にあった。このような傾向は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体結晶の結晶成長においては一般的に得られる。これに対し、ドーピング原料を供給した場合（黒丸）、ＩＩＩ族原料供給比に対して固相Ｉｎ組成は比例関係ではなく、Ｉｎがほとんど固相に取り込まれない領域が存在した。特に、ＩＩＩ族原料供給比が小さい領域では、固相Ｉｎ組成が０．１より小さくなり、Ｉｎが含まれない状態で薄膜が形成される場合があることが判明した。 As shown in FIG. 3, when no doping material was supplied (white triangle), the solid phase In composition tended to increase in proportion to the increase in the group III material supply ratio. Such a tendency is generally obtained in the crystal growth of a group III-V semiconductor crystal. On the other hand, when the doping raw material was supplied (black circle), the solid phase In composition was not proportional to the group III raw material supply ratio, and there was a region where In was hardly taken into the solid phase. In particular, in the region where the Group III raw material supply ratio is small, the solid phase In composition is smaller than 0.1, and it has been found that a thin film may be formed without containing In.
これは、ドーピング原料であるＣＢｒ4の分解過程で生じるＢｒが、ＩｎＧａＡｓＳｂに対してエッチング効果を持っており、エッチングの度合いが、Ｉｎの方がＧａよりも大きいためである。ＣＢｒ4などのハロメタン系の炭素ドーピング原料を導入すると、エッチング効果が発現され、このエッチング過程においてＩｎの脱離量がＧａよりも多くなる。この結果として、固相のＩｎ組成がドーピングを行っていない場合よりも小さくなる。 This is because Br generated in the decomposition process of CBr 4 as a doping material has an etching effect on InGaAsSb, and the degree of etching is larger for In than for Ga. When a halomethane-based carbon doping material such as CBr 4 is introduced, an etching effect is exhibited, and the amount of In desorbed is larger than Ga during this etching process. As a result, the In composition of the solid phase becomes smaller than that when no doping is performed.
このような現象は、Ｃドーピングに用いる原料が、形成する半導体層に対してエッチング効果を持っていれば本質的に起こりうる現象である。例えば多くのハロメタン系原料は、Ｃドーピングの原料として用いることができ、かつ同様のエッチング効果が起こりうる。 Such a phenomenon is essentially a phenomenon that can occur if the material used for C doping has an etching effect on the semiconductor layer to be formed. For example, many halomethane-based materials can be used as a C-doping material, and the same etching effect can occur.
次に、ハロメタン系の炭素ドーピング原料の供給量変化に対するＩｎＧａＡｓＳｂの固相Ｉｎ組成の変化について調査した結果について説明する。図４は、ＣＢｒ4の供給量を変化させた２つの条件における、ＩＩＩ族原料の供給比に対するＩｎＧａＡｓＳｂの固相Ｉｎ組成の変化を示す特性図である。図４では、ドーピング原料の供給量を１．５倍に増大させた実験結果を示した。図４において、黒丸に対し、黒四角が、ドーピング原料の供給量を１．５倍にした状態を示している。ドーピング原料供給量を増大させると、Ｉｎがほとんど固相中に取り込まれない条件が、広いＩＩＩ族供給原料比の領域に対して発生している。 Next, the result of investigating the change in the solid phase In composition of InGaAsSb with respect to the change in the supply amount of the halomethane-based carbon doping material will be described. FIG. 4 is a characteristic diagram showing the change in the solid phase In composition of InGaAsSb with respect to the supply ratio of the group III raw material under two conditions where the supply amount of CBr 4 was changed. FIG. 4 shows an experimental result in which the supply amount of the doping material is increased 1.5 times. In FIG. 4, the black square indicates a state where the supply amount of the doping raw material is 1.5 times that of the black circle. When the supply amount of the doping material is increased, a condition in which In is hardly taken into the solid phase is generated for a wide group III feed material ratio region.
次に、単純にＣＢｒ4を供給してＩｎＧａＡｓＳｂを結晶成長した場合の、正孔濃度と固相Ｉｎ組成との関係について調査した結果について図５を用いて説明する。図５は、単純にＣＢｒ4を供給してＩｎＧａＡｓＳｂを結晶成長したときの、固相Ｉｎ組成の変化に対するＩｎＧａＡｓＳｂの正孔濃度の変化を示す特性図である。 Next, the results of investigating the relationship between the hole concentration and the solid phase In composition when CBr 4 is simply supplied and InGaAsSb is grown will be described with reference to FIG. Figure 5 is a characteristic diagram showing simply supplies a CBr 4 when the InGaAsSb and crystal growth, the change in the hole concentration in the InGaAsSb to changes in the solid phase In composition.
薄膜の形成時の結晶成長条件は、図３，図４の結果を得た実験の場合と同様である。図５の白四角に示すように、ドーピング原料供給量が一定の場合、固相Ｉｎ組成の増大に伴い正孔濃度は著しく低下していた。また、図５の黒四角に示すように、半導体薄膜形成時のドーピング原料供給量を１．５倍に増大させたとしても、正孔濃度を大幅に増大させることはできなかった。一方、固相Ｉｎ組成が小さい領域では、正孔濃度は、同様の条件で成長したＩｎを含まないＧａＡｓＳｂの場合（図５中の矢視線で示す値）と同程度の比較的高い値を維持できた。 The crystal growth conditions at the time of forming the thin film are the same as those in the experiment in which the results shown in FIGS. As shown by the white squares in FIG. 5, when the doping raw material supply amount is constant, the hole concentration is significantly reduced as the solid phase In composition increases. Further, as shown by the black squares in FIG. 5, the hole concentration could not be significantly increased even when the doping material supply amount at the time of forming the semiconductor thin film was increased 1.5 times. On the other hand, in the region where the solid phase In composition is small, the hole concentration maintains a relatively high value similar to that in the case of GaAsSb not containing In grown under the same conditions (value indicated by the arrow in FIG. 5). did it.
以上に説明したように、Ｉｎ原料，Ｇａ原料，Ａｓ原料，およびＳｂ原料に加え、ハロメタン系のＣドーピング原料を供給し、ＩｎＧａＡｓＳｂを結晶成長させようとする場合、Ｃドーピング原料の供給量を増加させると、成長している膜中のＩｎ組成を所望とする状態にすることができない場合が存在することが分かる。言い換えると、単純にＣドーピング原料を供給する結晶成長では、高い正孔濃度と所望とするＩｎ組成とを同時に得ることができないことが分かる。 As described above, in addition to the In raw material, Ga raw material, As raw material, and Sb raw material, when supplying a halomethane-based C doping raw material to grow InGaAsSb crystals, the supply amount of the C doping raw material is increased. It can be seen that there are cases where the In composition in the growing film cannot be brought into a desired state. In other words, it can be seen that a high hole concentration and a desired In composition cannot be obtained at the same time by crystal growth in which a C doping material is simply supplied.
次に、ＩｎＧａＡｓＳｂを例にとり、高い正孔濃度と所望とするＩｎ組成とを同時に得ることができる原料供給について説明する。まず、各原料の供給について、図６のシーケンス図を用いて説明する。供給する原料は、Ｇａ原料，Ｉｎ原料，Ａｓ原料，Ｓｂ原料，およびドーピング原料である。 Next, taking InGaAsSb as an example, the raw material supply capable of simultaneously obtaining a high hole concentration and a desired In composition will be described. First, supply of each raw material is demonstrated using the sequence diagram of FIG. The raw materials to be supplied are Ga raw material, In raw material, As raw material, Sb raw material, and doping raw material.
まず、時刻Ｔ１において、Ｇａ原料，Ｉｎ原料，Ａｓ原料，Ｓｂ原料，およびドーピング原料の供給を開始し、半導体基板の上に対する成膜を開始する。ここで、ＩＩＩ族元素の原料であるＧａ原料およびＩｎ原料の供給比は、図３および図４に示した、ドーピング原料を供給した状態ではＩｎがほとんど取り込まれない範囲内を選ぶ。次いで、時刻Ｔ２において、ドーピング原料の供給を停止し、この状態を時刻Ｔ３まで継続する。この時刻Ｔ１からＴ３までの周期Ｐ１の間、ドーピング原料以外のＧａ原料，Ｉｎ原料，Ａｓ原料，およびＳｂ原料の供給量は変化させない。 First, at time T1, supply of Ga source, In source, As source, Sb source, and doping source is started, and film formation on the semiconductor substrate is started. Here, the supply ratio of the Ga raw material and In raw material, which are Group III element raw materials, is selected within the range where In is hardly taken in with the doping raw material supplied as shown in FIGS. Next, at time T2, the supply of the doping material is stopped, and this state is continued until time T3. During the period P1 from time T1 to time T3, the supply amount of the Ga material, In material, As material, and Sb material other than the doping material is not changed.
周期Ｐ１の中で、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２の間は、ドーピング原料を供給しているので、成長している層中（固相）にほとんどＩｎは取り込まれないが、一方で高濃度にＣがドープされて高い正孔濃度が得られる。次に、時刻Ｔ２から時刻Ｔ３の間は、ドーピング原料が供給されていないので、原料ＩＩＩ族供給比とほぼ比例した状態のＩｎ組成で、ＩｎＧａＡｓＳｂ層が得られ、一方で炭素はほぼアンドープの状態となる。このようにすることで、高濃度にＣがドープされて低Ｉｎ組成の第１半導体層が時刻Ｔ１から時刻Ｔ２の間に形成され、ノンドープで所望のＩｎ組成の第２半導体層が時刻Ｔ２から時刻Ｔ３の間に形成される。このような時刻Ｔ１から時刻Ｔ３までの間隔Ｐ１を１周期とし、同様にしてドーピング原料供給の停止および開始を繰り返す。 In period P1, since doping material is supplied from time T1 to time T2, almost no In is taken into the growing layer (solid phase), while C is highly concentrated. Doping provides a high hole concentration. Next, since the doping raw material is not supplied from time T2 to time T3, an InGaAsSb layer is obtained with an In composition that is substantially proportional to the raw material group III supply ratio, while carbon is substantially undoped. It becomes. By doing so, a first semiconductor layer having a low In composition is formed between time T1 and time T2 by doping C at a high concentration, and a non-doped second semiconductor layer having a desired In composition is formed from time T2. It is formed during time T3. The interval P1 from the time T1 to the time T3 is set as one cycle, and similarly, the stop and start of the doping material supply are repeated.
以上のシーケンスに従って成膜することで、図７の断面図に示すように、Ｃがドープされて高い正孔濃度が得られたｐ型のＩｎＧａＡｓＳｂ薄膜７０４が、半導体基板７０１の上に形成される。半導体基板７０１の上には、高濃度にＣがドープされて低Ｉｎ組成の第１半導体層７０２と、ノンドープで所望のＩｎ組成の第２半導体層７０３とが、交互に積層されてＩｎＧａＡｓＳｂ薄膜７０４が構成されている。
By forming the film according to the above sequence, a p-type InGaAsSb
上述した本実施の形態における半導体薄膜の固相Ｉｎ組成ｘと正孔濃度ｐについて、以下に説明する。第１半導体層の固相Ｉｎ組成をｘ1とし、第２半導体層の固相Ｉｎ組成をｘ2とする。いま、上述したＩｎＧａＡｓＳｂ薄膜７０４を構成する第１半導体層７０２の合計の厚さをｄ1とし、第２半導体層７０３の合計の厚さをｄ2とすれば、ＩｎＧａＡｓＳｂ薄膜７０４における固相Ｉｎ組成ｘは、次の式（１）で表される。
The solid phase In composition x and the hole concentration p of the semiconductor thin film in the present embodiment described above will be described below. Solid phase In composition of the first semiconductor layer and x 1, the solid phase In composition of the second semiconductor layer and x 2. Now, assuming that the total thickness of the
ｘ＝ｄ1ｘ1／（ｄ1＋ｄ2）＋ｄ2ｘ2／（ｄ1＋ｄ2）・・・（１） x = d 1 x 1 / (d 1 + d 2 ) + d 2 x 2 / (d 1 + d 2 ) (1)
第１半導体層７０２は、ほとんどＩｎが取り込まれない領域で結晶成長を行っているため、固相Ｉｎ組成ｘ1はほぼ０（ｘ1≒０）である。一方、第２半導体層７０３は、ＩＩＩ族原料供給比に対して固相Ｉｎ組成が比例関係にある領域で結晶成長を行っているため、固相Ｉｎ組成ｘ2は、ほぼＩＩＩ族原料供給モル比（ＲIII）である（ｘ2≒ＲIII）。従って近似的には、次の式（２）が得られる。
Since the
ｘ≒ｄ2ｘ2／（ｄ1＋ｄ2）
≒ｄ2ＲIII／（ｄ1＋ｄ2）・・・（２）
x≈d 2 x 2 / (d 1 + d 2 )
≒ d 2 R III / (d 1 + d 2 ) (2)
次に正孔濃度について考える。第１半導体層７０２の正孔濃度をｐ1、第２半導体層７０３の正孔濃度をｐ2とすると、同様の類推により、ＩｎＧａＡｓＳｂ薄膜７０４の正孔濃度は次の式（３）で与えられる。
Next, the hole concentration is considered. When the hole concentration of the
ｐ＝ｄ1ｐ1／（ｄ1＋ｄ2）＋ｄ2ｐ2／（ｄ1＋ｄ2）・・・（３） p = d 1 p 1 / (d 1 + d 2 ) + d 2 p 2 / (d 1 + d 2 ) (3)
第２半導体層７０３は、結晶成長の最中にドーピング原料を供給していないので、ほぼｐ2≒０である。従って、半導体薄膜の正孔濃度ｐは近似的には次の式（４）で表される。
Since the
ｐ≒ｄ1ｐ1／（ｄ1＋ｄ2）・・・（４） p≈d 1 p 1 / (d 1 + d 2 ) (4)
従って、Ｇａ原料およびＩｎ原料を、ＩＩＩ族原料供給比ＲIIIが十分高くなるよう設定し、またドーピング原料を第１半導体層７０２の正孔濃度ｐ1が十分高くなるよう設定し、図６に示したような原料供給シーケンスにより半導体薄膜を形成すれば、式１および式２で規定される固相Ｉｎ組成および正孔濃度が実現できる。さらに簡単に、第１半導体層７０２と第２半導体層７０３の層厚ｄ1およびｄ2を等しい層厚に設定すれば、固相Ｉｎ組成および正孔濃度は、次の式（５）および式（６）で表される。
Therefore, the Ga material and the In material are set so that the Group III material supply ratio R III is sufficiently high, and the doping material is set so that the hole concentration p 1 of the
ｘ≒ＲIII／２・・・（５）
ｐ≒ｐ1／２・・・（６）
x≈R III / 2 (5)
p ≒ p 1/2 ··· ( 6)
一例ではあるが、ＲIII＝０．３とし、また第１半導体層７０２の正孔濃度をｐ1＝１×１０20ｃｍ-3となるような条件のもと、図６に示すような原料供給シーケンスにて結晶成長を行い、第１半導体層７０２および第２半導体層７０３の層厚を等しい値に設定すれば、固相Ｉｎ組成ｘ＝０．１５、ドーピング濃度ｐ＝５×１０19ｃｍ-3のＩｎＧａＡｓＳｂ薄膜７０４が得られる。
As an example, under the conditions that R III = 0.3 and the hole concentration of the
ところで、図６を用いた説明では、ドーピング原料の供給を、成膜開始と同時に開始し、途中でドーピング原料の供給を停止したが、これに限るものではなく、成膜開始時にはドーピング原料の供給はせず、１つの周期の中の途中からドーピング原料の供給を開始してもよい。例えば、時刻Ｔ１では、ドーピング原料の供給を開始せず、時刻Ｔ２でドーピング原料の供給を開始し、時刻Ｔ３でドーピング原料の供給を停止してもよい。このようにしても上述同様に、所望とするＩｎ組成で、高い正孔濃度のＩｎＧａＡｓＳｂ半導体薄膜が得られる。 By the way, in the description using FIG. 6, the supply of the doping material is started simultaneously with the start of the film formation, and the supply of the doping material is stopped in the middle. However, the present invention is not limited to this. Instead, the supply of the doping material may be started in the middle of one cycle. For example, the supply of the doping material may not be started at time T1, the supply of the doping material may be started at time T2, and the supply of the doping material may be stopped at time T3. Even in this way, as described above, an InGaAsSb semiconductor thin film having a desired In composition and a high hole concentration can be obtained.
また、上述では、ドーピング原料の供給を停止し、また、各周期を等しい時間としたが、これに限るものではない。例えば、図８のシーケンス図に示すように、原料供給を行ってもよい。なお、前述同様に、供給する原料は、Ｇａ原料，Ｉｎ原料，Ａｓ原料，Ｓｂ原料，およびドーピング原料である。 In the above description, the supply of the doping material is stopped and each period is set to the same time. However, the present invention is not limited to this. For example, as shown in the sequence diagram of FIG. As described above, the raw materials to be supplied are Ga raw material, In raw material, As raw material, Sb raw material, and doping raw material.
まず、時刻Ｔ’１において、Ｇａ原料，Ｉｎ原料，Ａｓ原料，Ｓｂ原料，およびドーピング原料の供給を開始し、半導体基板の上に対する成膜を開始する。ドーピング原料の供給量は任意とすればよい。次いで、時刻Ｔ’２において、ドーピング原料の供給を減少させ、この状態を時刻Ｔ’３まで継続する。時刻Ｔ’１からＴ’３までの周期Ｐ２の間、ドーピング原料以外のＧａ原料，Ｉｎ原料，Ａｓ原料，およびＳｂ原料の供給量は変化させない。ここでは、Ｔ’１−Ｔ’２におけるドーピング原料の供給に対し、Ｔ’２−Ｔ’３におけるドーピング原料の供給を減らす（変化させる）ことが重要である。 First, at time T′1, the supply of the Ga material, In material, As material, Sb material, and doping material is started, and film formation on the semiconductor substrate is started. The supply amount of the doping material may be arbitrary. Next, at time T′2, the supply of the doping material is decreased, and this state is continued until time T′3. During the period P2 from time T′1 to T′3, the supply amounts of Ga raw material, In raw material, As raw material, and Sb raw material other than the doping raw material are not changed. Here, it is important to reduce (change) the supply of the doping material at T′2-T′3 with respect to the supply of the doping material at T′1-T′2.
周期Ｐ２の中で、時刻Ｔ’１から時刻Ｔ’２の間は、ドーピング原料を高濃度に供給しているので、成長している層中（固相）にほとんどＩｎは取り込まれないが、一方で高濃度にＣがドープされて高い正孔濃度が得られる。次に、時刻Ｔ’２から時刻Ｔ’３の間は、ドーピング原料の供給量が減少しているので、Ｉｎが取り込まれたＩｎＧａＡｓＳｂ層が得られ、一方で炭素はほぼ低濃度のドープ状態となる。このように、１つの周期の中で、ドーピング原料の供給量を変化させることで、高濃度にＣがドープされて低Ｉｎ組成の第１半導体層が時刻Ｔ’１から時刻Ｔ’２の間に形成され、ノンドープで所望のＩｎ組成の第２半導体層が時刻Ｔ’２から時刻Ｔ’３の間に形成される。 In the period P2, between time T′1 and time T′2, the doping material is supplied at a high concentration, so that almost no In is taken into the growing layer (solid phase). On the other hand, a high hole concentration is obtained by doping C at a high concentration. Next, between time T′2 and time T′3, since the supply amount of the doping material is decreased, an InGaAsSb layer into which In is incorporated is obtained, while carbon is in a substantially low concentration doped state. Become. In this way, by changing the supply amount of the doping material in one period, the first semiconductor layer having a low In composition is doped between C at a high concentration between time T′1 and time T′2. A second semiconductor layer of a desired In composition that is non-doped is formed between time T′2 and time T′3.
このような時刻Ｔ’１から時刻Ｔ’３までの間隔Ｐ２を第１周期とし、次の第２周期のＰ３では、時間を変化させる。例えば、時刻Ｔ’３から時刻Ｔ’４までを時刻Ｔ’１から時刻Ｔ’２までより長くし、また、時刻Ｔ’４から時刻Ｔ’５までを時刻Ｔ’２から時刻Ｔ’３までより長くしてもよい。このように、各周期の間隔を変化させてもよい。 The interval P2 from time T'1 to time T'3 is set as the first period, and time is changed in the next second period P3. For example, time T′3 to time T′4 is longer than time T′1 to time T′2, and time T′4 to time T′5 is from time T′2 to time T′3. It may be longer. In this way, the interval of each cycle may be changed.
上述したシーケンスにより形成したＩｎＧａＡｓＳｂ半導体薄膜の固相Ｉｎ組成ｘと正孔濃度ｐについて説明する。固相組成については、式（１）と同様に決定される。第１半導体層を形成する際のドーピング原料の供給量を、必ずしもＩｎが取り込まれない領域を用いる必要はないため、ｘ１≒０のような近似はできず、式（１）のようなより一般化された式を用いる方がよい。また、正孔濃度についても同様である。第２半導体層においてもドーピングを行っているため、第２半導体層の正孔濃度ｐ2はｐ2≒０の近似はできない。従って半導体薄膜の正孔濃度は、より一般化された式（３）を用いる方がよい。 The solid phase In composition x and the hole concentration p of the InGaAsSb semiconductor thin film formed by the above-described sequence will be described. About a solid-phase composition, it determines similarly to Formula (1). Since it is not necessary to use a region in which In is not taken in for the supply amount of the doping raw material when forming the first semiconductor layer, approximation such as x1≈0 cannot be performed, and more general expression (1) can be obtained. It is better to use the generalized formula. The same applies to the hole concentration. Since doping is also performed in the second semiconductor layer, the hole concentration p 2 of the second semiconductor layer cannot be approximated to p 2 ≈0. Therefore, it is better to use the more general formula (3) for the hole concentration of the semiconductor thin film.
上述した実施の形態における製造方法によれば、基板の上に互いに接して積層された第１半導体層および第２半導体層から構成された半導体薄膜であって、第２半導体層より低いＩｎ組成とされた状態でＩｎ，Ｇａ，Ａｓ，およびＳｂを含んで構成され、炭素のドーピングによる正孔濃度が第２半導体層より高い値とされた第１半導体層と、Ｉｎ，Ｇａ，Ａｓ，およびＳｂを含んで構成され、炭素のドーピングによる正孔濃度が第１半導体層より低い値とされている第２半導体層とが、基板の上に互いに接して積層された半導体薄膜が得られる。例えば、第１半導体層は、正孔濃度が、１×１０19ｃｍ-3より高く、第２半導体層は、正孔濃度が、１×１０19ｃｍ-3より低くなっていればよい。また、第１半導体層は、例えば、固相Ｉｎ組成が０．１より小さくなっていればよい。 According to the manufacturing method in the above-described embodiment, the semiconductor thin film is composed of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer stacked on and in contact with each other on the substrate, and has an In composition lower than that of the second semiconductor layer. A first semiconductor layer that is configured to contain In, Ga, As, and Sb, and has a higher hole concentration due to carbon doping than the second semiconductor layer, and In, Ga, As, and Sb. And a semiconductor thin film in which a hole concentration due to carbon doping is lower than that of the first semiconductor layer is stacked on the substrate in contact with each other. For example, the first semiconductor layer may have a hole concentration higher than 1 × 10 19 cm −3 , and the second semiconductor layer may have a hole concentration lower than 1 × 10 19 cm −3 . The first semiconductor layer only needs to have a solid phase In composition smaller than 0.1, for example.
ここで、第１半導体層は、ＧａＡｓＳｂ，ＩｎＧａＡｓＳｂ，ＡｌＧａＡｓＳｂ，およびＩｎＡｌＧａＡｓＳｂのいずれかであればよい。正孔濃度がより高濃度の第１半導体層では、前述したように、Ｉｎが取り込まれない状態で形成される場合もある。また、第２半導体層は、ＩｎＧａＡｓＳｂおよびＩｎＡｌＧａＡｓＳｂのいずれかであればよい。 Here, the first semiconductor layer may be any one of GaAsSb, InGaAsSb, AlGaAsSb, and InAlGaAsSb. As described above, the first semiconductor layer having a higher hole concentration may be formed in a state where In is not taken in. The second semiconductor layer may be either InGaAsSb or InAlGaAsSb.
以上に説明したように、本発明では、Ｉｎ，Ｇａ，Ａｓ，およびＳｂを含む化合物半導体薄膜を形成するための、Ｉｎ原料，Ｇａ原料，Ａｓ原料，およびＳｂ原料の供給過程で、ｐ型を発現させるためのハロメタン系のＣドーピング原料の供給量を、時系列的に増減させるようにした。この結果、本発明によれば、所望のＩｎ組成が得られる状態で、高濃度にＣがドープできるようになる。 As described above, in the present invention, the p-type is formed in the supply process of the In raw material, the Ga raw material, the As raw material, and the Sb raw material for forming the compound semiconductor thin film containing In, Ga, As, and Sb. The supply amount of the halomethane-based C doping raw material for the expression was increased or decreased in time series. As a result, according to the present invention, C can be doped at a high concentration in a state where a desired In composition can be obtained.
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、上述では、主に、ドーピング原料としてＣＢｒ4を用いた場合について説明したが、これに限るものではない。Ｉｎ、Ｇａ、Ａｓ，Ｓｂを含む混晶系材料に対するエッチング効果は、ハロゲン系元素に起因するものであり、例えばＣＣｌ4などの他のハロメタン原料を用いても同様である。 The present invention is not limited to the embodiment described above, and many modifications and combinations can be implemented by those having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention. It is obvious. For example, in the above description, the case where CBr 4 is mainly used as a doping material has been described. However, the present invention is not limited to this. The etching effect on the mixed crystal material containing In, Ga, As, and Sb is attributed to the halogen-based element, and the same is true when other halomethane raw materials such as CCl 4 are used.
また、上述した実施の形態では、ＩｎＧａＡｓＳｂを例に説明したが、これに限るものではなく、例えば、上述したように、ＩｎＡｌＧａＡｓＳｂに対しても同様の効果が得られる。 In the above-described embodiment, InGaAsSb has been described as an example. However, the present invention is not limited to this. For example, as described above, the same effect can be obtained for InAlGaAsSb.
また、本発明における製造方法で得られる半導体薄膜は、デバイスを構成する半導体層として用いればよい。例えば、一例ではあるが、ＨＢＴのベース層として、本発明による半導体薄膜を用いることが可能である。例えば、高抵抗なＩｎＰからなる半導体基板上に、サブコレクタ層、コレクタ層を形成した後、本発明による半導体薄膜をベース層として形成し、この後、ベース層の上にエミッタ層を形成することで、高性能なＨＢＴを得ることができる。 Further, the semiconductor thin film obtained by the manufacturing method in the present invention may be used as a semiconductor layer constituting the device. For example, as an example, the semiconductor thin film according to the present invention can be used as the base layer of the HBT. For example, after forming a subcollector layer and a collector layer on a semiconductor substrate made of high resistance InP, a semiconductor thin film according to the present invention is formed as a base layer, and then an emitter layer is formed on the base layer. Thus, a high-performance HBT can be obtained.
また、第１工程と第２工程との周期および周期の繰り返し数は、前述した実施の形態に限るものではない。例えば、ＨＢＴのベース層への応用を考えた場合、半導体薄膜の少数キャリアの輸送特性が最大限引き出せる周期および周期の繰り返し数を適宜に設定して用いればよい。また、本発明は、既に公知の技術として広く用いられている、超格子構造を用いた変調ドーピング技術の効果もあるが、この場合面内移動度が最大限になるように周期および周期の繰り返し数が最適化される。このように、適用するデバイスの構造に対し、周期および周期の繰り返し数は、適宜に設定して最適化させればよい。いずれにしても、第１工程と第２工程とを行えば、本発明の効果は得られる。 Further, the cycle of the first step and the second step and the number of repetitions of the cycle are not limited to the above-described embodiment. For example, when application to the base layer of HBT is considered, the period and the number of repetitions of the period may be appropriately set and used so that the minority carrier transport characteristics of the semiconductor thin film can be maximized. The present invention also has the effect of the modulation doping technique using a superlattice structure, which is widely used as a known technique. In this case, the period and the period are repeated so that the in-plane mobility is maximized. The number is optimized. In this manner, the period and the number of repetitions of the period may be appropriately set and optimized for the structure of the device to be applied. In any case, the effects of the present invention can be obtained by performing the first step and the second step.
また、上述した実施の形態では、第１工程から第２工程への移行において、急峻にドーピング原料の供給量を変更したが、これに限るものではない。例えば、第１工程から第２工程への移行において、徐々にドーピング原料の供給量を減少させるようにしてもよく、徐々にドーピング原料の供給量を増加させるようにしてもよい。また、周期を繰り返す場合、全体として、ドーピング原料の供給量が、時間の変化に対して正弦波のように変化する状態としてもよい。 In the above-described embodiment, the supply amount of the doping material is changed steeply in the transition from the first process to the second process, but the present invention is not limited to this. For example, in the transition from the first step to the second step, the supply amount of the doping material may be gradually decreased, or the supply amount of the doping material may be gradually increased. Further, when the cycle is repeated, as a whole, the supply amount of the doping material may be changed like a sine wave with respect to time.
７０１…半導体基板、７０２…第１半導体層、７０３…第２半導体層、７０４…ＩｎＧａＡｓＳｂ薄膜。 701 ... Semiconductor substrate, 702 ... First semiconductor layer, 703 ... Second semiconductor layer, 704 ... InGaAsSb thin film.
Claims (5)
前記第１工程に引き続いて、Ｉｎ原料，Ｇａ原料，Ａｓ原料，およびＳｂ原料を供給することを含む第２条件で化合物半導体を前記基板の上に堆積する第２工程と
を少なくとも備え、
前記第１条件および前記第２条件の一方は、他方に比較してハロメタン系の炭素ドーピング原料の供給量を少なくし、
前記基板の上に、Ｉｎ，Ｇａ，Ａｓ，およびＳｂを含み、炭素がドーピングされてｐ型とされた化合物半導体の薄膜を形成することを特徴とする半導体薄膜の形成方法。 A first step of depositing a compound semiconductor on a substrate under a first condition including supplying an In source, a Ga source, an As source, and an Sb source;
Subsequent to the first step, at least a second step of depositing a compound semiconductor on the substrate under a second condition including supplying an In raw material, a Ga raw material, an As raw material, and an Sb raw material,
One of the first condition and the second condition reduces the supply amount of the halomethane-based carbon doping raw material compared to the other,
A method of forming a semiconductor thin film, comprising: forming a p-type compound semiconductor thin film containing In, Ga, As, and Sb and doped with carbon on the substrate.
前記第１条件および前記第２条件は、Ｉｎ原料，Ｇａ原料，Ａｓ原料，およびＳｂ原料の供給量を同一とすることを特徴とする半導体薄膜の形成方法。 In the formation method of the semiconductor thin film of Claim 1,
The method for forming a semiconductor thin film characterized in that the first condition and the second condition are the same in amounts of supply of an In material, a Ga material, an As material, and an Sb material.
前記炭素ドーピング原料は、四塩化炭素または四臭化炭素であることを特徴とする半導体薄膜の形成方法。 In the formation method of the semiconductor thin film of Claim 1 or 2,
The method for forming a semiconductor thin film, wherein the carbon doping raw material is carbon tetrachloride or carbon tetrabromide.
前記第１半導体層は、前記第２半導体層より低いＩｎ組成とされた状態でＩｎ，Ｇａ，Ａｓ，およびＳｂを含んで構成され、炭素のドーピングによる正孔濃度が前記第２半導体層より高い値とされ、
前記第２半導体層は、Ｉｎ，Ｇａ，Ａｓ，およびＳｂを含んで構成され、炭素のドーピングによる正孔濃度が前記第１半導体層より低い値とされている
ことを特徴とする半導体薄膜。 A semiconductor thin film composed of a first semiconductor layer and a second semiconductor layer laminated in contact with each other on a substrate,
The first semiconductor layer includes In, Ga, As, and Sb in a lower In composition than the second semiconductor layer, and has a higher hole concentration due to carbon doping than the second semiconductor layer. Value,
The second semiconductor layer includes In, Ga, As, and Sb, and has a hole concentration due to carbon doping lower than that of the first semiconductor layer.
前記第１半導体層は、ＧａＡｓＳｂ，ＩｎＧａＡｓＳｂ，ＡｌＧａＡｓＳｂ，およびＩｎＡｌＧａＡｓＳｂのいずれかであり、
前記第２半導体層は、ＩｎＧａＡｓＳｂおよびＩｎＡｌＧａＡｓＳｂのいずれかである
ことを特徴とする半導体薄膜。 The semiconductor thin film according to claim 4,
The first semiconductor layer is one of GaAsSb, InGaAsSb, AlGaAsSb, and InAlGaAsSb,
The semiconductor thin film, wherein the second semiconductor layer is either InGaAsSb or InAlGaAsSb.
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