JP2015053386A - 化合物半導体基板の製造方法及び化合物半導体基板 - Google Patents

Abstract

【課題】結晶性が良く、且つ、表面の平坦性に優れたＧａＡｓ層を含む化合物半導体層をＳｉ基板上に容易に形成可能な化合物半導体基板の製造方法及び化合物半導体基板を提供する。【解決手段】Ｓｉ基板上に、第１の化合物半導体層と、第２の化合物半導体層と、第３の化合物半導体層とを順次積層した化合物半導体基板の製造方法であって、前記第２の化合物半導体層を形成する工程は、第１の化合物半導体層上にＧａ原料とＡｓ原料とＳｂ原料とを同時に照射する工程であり、前記第２の化合物半導体層の形成速度が１時間当たり１μｍとなるために必要なＧａ原料の分子線強度に対するＳｂ原料の分子線強度の比が、１以上である。【選択図】図１

Description

本発明は、化合物半導体基板の製造方法及び化合物半導体基板に関する。より詳細には、ＧａＡｓ層を含む化合物半導体層をＳｉ基板上に備えた化合物半導体基板の製造方法及び化合物半導体基板に関する。

ＧａＡｓに代表される化合物半導体は、Ｓｉでは得ることのできない特性を発現することができるため、ＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＨＢＴ（Ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの高速電子デバイスや、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｅｄ Ｄｉｏｄｅ）、ＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）などの光デバイス、高効率の太陽電池、磁気センサなど多岐に渡るデバイスへの応用が進められている。

これらのデバイスにおいて、良好な特性、信頼性を得るためには、その上にデバイス層を形成するための基板上に、結晶欠陥が少なく、表面が平坦な化合物半導体層を形成する技術が重要である。基板材料としてＧａＡｓやＩｎＰなどの単結晶からなる化合物半導体を用いると、Ｓｉを用いた場合よりも比較的容易に結晶欠陥が少なく、表面が平坦な化合物半導体を形成することができる。このため、基板材料としては、化合物半導体がよく用いられている。

しかしながら、化合物半導体を用いた場合、一般的に大型の単結晶を得るのが難しく、基板の大口径化がＳｉよりも難しい。またＧａＡｓやＩｎＰは、Ｓｉと比較すると、脆くて割れやすい上、価格の上でも高価である。
そこで、安価で割れにくく、大口径化が容易なＳｉ基板の上に化合物半導体層を形成した化合物半導体基板が注目されている。高品質の化合物半導体層をＳｉ基板上に形成することができれば、優れた特徴をもつ化合物半導体のデバイスと、Ｓｉ上の大規模な信号処理回路とを融合させたＯＥＩＣ（Ｏｐｔｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）などについても利用が可能となる。

しかしながら、Ｓｉ基板上に化合物半導体層を形成する場合、格子定数や熱膨張係数が大きく異なるため、これに起因したミスフイットが生じてしまい、結晶欠陥が多く発生してしまう。例えば、ＳｉとＧａＡｓとの間では、格子定数は約４％の差が存在し、線膨張係数は３倍もの差がある。従って、Ｓｉ基板上に、結晶欠陥が少なく、表面が平坦なＧａＡｓを形成することは容易ではない。

Ｓｉ基板上に、結晶欠陥が少なく、表面が平坦な化合物半導体薄膜を形成するためには、Ｓｉ基板表面の自然酸化膜除去と、表面処理の工程とが重要となる。
例えば、特許文献１によると、Ｓｉ基板上にＡｓを含む化合物半導体を設けた化合物半導体基板において、Ｓｉ基板と、化合物半導体層との界面に、化合物半導体層よりもＡｓの濃度が高い物質を島状に存在させる方法が提案されている。

国際公開第２００９／０３５０７９号

特許文献１に開示された技術によれば、Ｓｉ基板上に結晶性が良く、且つ、表面が平坦なＧａＡｓを形成することができる。
しかしながら、Ｓｉ基板上に結晶性が良く、且つ、表面が平坦なＧａＡｓを形成することは容易ではない。すなわち、Ａｓは蒸気圧が高く再蒸発しやすいため、Ｓｉ基板上にＧａＡｓを形成する場合、ＧａＡｓ表面の被覆性が十分でなくＧａＡｓは３次元成長してしまう。そのため、表面の平坦性を得にくい。

十分な平坦性を得るためには、極端に過剰なＡｓ原料の供給が必要となる。極端に過剰なＡｓ原料の供給は、成長装置のチャンバの真空度悪化及びそれに伴う真空ポンプへの負荷、或いは成長装置のチャンバの汚染、さらにはＡｓ原料の消費を著しく早めてしまう等の問題があり、改善が要求される。
十分な平坦性を得るためには、Ａｓよりも蒸気圧の低いＶ族原料、例えばＳｂをＧａＡｓ形成中に照射することで、ＧａＡｓ表面の被覆性を改善する方法が挙げられる。ＳｂはＡｓに比べ、蒸気圧も低く再蒸発しにくく、付着係数も高いため、ＧａＡｓ表面の被覆性の改善のほか、Ａｓ原料ほど極端な供給量を必要としないという利点がある。

ＳｂをＧａＡｓ形成中に照射した場合、Ｓｂは結晶中に取り込まれ、ＧａＡｓではなく、ＧａＡｓ_１−ｙＳｂ_ｙが形成されることになる。しかし従来知られている方法では、Ｓｉ基板上に結晶性が良く、且つ、表面が平坦なＧａＡｓ_１−ｙＳｂ_ｙを形成するのは容易ではない。すなわち、Ｓｂ組成ｙを増加させるにつれて結晶性が悪化してしまい、Ｓｂ組成がわずかに０．０５程度でも結晶性は相当悪化してしまう。すなわち、Ｓｂの照射量が多すぎると、結晶性の悪化を招くことになる。また、Ｓｂ組成ｙを小さく抑えるため、ＧａＡｓ_１−ｙＳｂ_ｙを形成中にＧａ、Ａｓに加えて微量のＳｂ原料を供給するが、Ｓｂの照射量が少ないとＧａＡｓ表面の被覆性が十分ではないため、Ｓｉ基板上にＧａＡｓを形成する場合と同様に、ＧａＡｓ_１−ｙＳｂ_ｙは３次元成長してしまい、表面の平坦性を十分に得ることができない。

そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、結晶性が良く、且つ、表面の平坦性に優れたＧａＡｓ層を含む化合物半導体層をＳｉ基板上に容易に形成可能な化合物半導体基板の製造方法及び化合物半導体基板を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る化合物半導体基板の製造方法は、Ｓｉ基板上に第１の化合物半導体層を形成する工程と、前記第１の化合物半導体層上に、前記第１の化合物半導体層を形成するときよりも高温で、第２の化合物半導体層を形成する工程と、前記第２の化合物半導体層上に第３の化合物半導体層を形成する工程と、を備え、前記第１の化合物半導体層は、ＧａＡｓ_１−ｘＳｂ_ｘ（０≦ｘ≦０．１）層であり、前記第２の化合物半導体層は、ＧａＡｓ_１−ｙＳｂ_ｙ（０＜ｙ≦０．１）層であり、前記第３の化合物半導体層は、ＧａＡｓ層であり、前記第２の化合物半導体層を形成する工程は、前記第１の化合物半導体層上にＧａ原料とＡｓ原料とＳｂ原料とを同時に照射する工程であり、前記第２の化合物半導体層を形成する工程において、前記第２の化合物半導体層の形成速度が１時間当たり１μｍとなるために必要な前記Ｇａ原料の分子線強度に対する前記Ｓｂ原料の分子線強度の比が１以上であることを特徴とする。

また、上記の化合物半導体基板の製造方法において、前記第１の化合物半導体層は、ＧａＡｓ層であることを特徴としてもよい。
また、上記の化合物半導体基板の製造方法において、前記第２の化合物半導体層の形成速度は、１時間当たり０．０１μｍ以上０．２μｍ以下であることを特徴としてもよい。
また、上記の化合物半導体基板の製造方法において、前記Ａｓ原料は、Ａｓ_２分子であることを特徴としてもよい。

また、上記の化合物半導体基板の製造方法において、前記Ａｓ原料は、Ａｓ_４分子をクラッキングすることにより生成されることを特徴としてもよい。
本発明の一態様に係る化合物半導体基板は、Ｓｉ基板と、前記Ｓｉ基板上に形成された、第１の化合物半導体層と、前記第１の化合物半導体層上に形成された、第２の化合物半導体層と、前記第２の化合物半導体層上に形成された、第３の化合物半導体層と、を備え、前記第１の化合物半導体層は、ＧａＡｓ_１−ｘＳｂ_ｘ（０≦ｘ≦０．１）層であり、前記第２の化合物半導体層は、ＧａＡｓ_１−ｙＳｂ_ｙ（０＜ｙ≦０．１）層であり、前記第３の化合物半導体層は、ＧａＡｓ層であり、前記第３の化合物半導体層の、前記Ｓｉ基板の面方位と同じ面に対応するＸ線回折ピークのロッキングカーブの半値幅であるＦＷＨＭ値は、２００秒以下であることを特徴とする。

また、上記の化合物半導体基板において、前記第１の化合物半導体層は、ＧａＡｓ層であることを特徴としてもよい。
また、上記の化合物半導体基板において、前記第３の化合物半導体層のうち、最表面から膜厚０．５μｍの領域の欠陥密度は１×１０^８ｃｍ^−２以下であることを特徴としてもよい。

また、上記の化合物半導体基板において、前記第２の化合物半導体層の最表面の欠陥密度は１×１０^９ｃｍ^−２以上であり、前記第３の化合物半導体層のうち、前記第２の化合物半導体層との界面から膜厚０．５μｍの領域の欠陥密度は、１×１０^８ｃｍ^−２以下であることを特徴としてもよい。

本発明の一態様によれば、結晶性が良く、且つ、表面の平坦性に優れたＧａＡｓ層を含む化合物半導体層をＳｉ基板上に容易に形成することができる。

本発明の実施形態に係る化合物半導体基板１０の構成例を示す断面図である。 Ｓｂ分子線強度と、第２の化合物半導体層１０２の表面粗さの二乗平均値Ｒｒｍｓ値との関係を示すグラフである。 実施例１で得られた化合物半導体基板の欠陥密度評価用の断面ＴＥＭ像である。 参考例１で得られた化合物半導体基板の欠陥密度評価用の断面ＴＥＭ像である。

図１は、本発明の実施形態に係る化合物半導体基板１０の構成例を示す断面図である。図１に示すように、この化合物半導体基板１０は、Ｓｉ基板１００と、Ｓｉ基板１００上に形成された第１の化合物半導体層１０１と、第１の化合物半導体層１０１上に形成された第２の化合物半導体層１０２と、第２の化合物半導体層１０２上に形成された第３の化合物半導体層１０３と、を備える。

この化合物半導体基板１０は、各種の成膜方法を用いて第１の化合物半導体層１０１、第２の化合物半導体層１０２及び第３の化合物半導体層１０３を順次積層することにより形成される。例えば、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法や有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）法などは好ましい方法である。これらの方法を用いて、化合物半導体基板１０を形成する。

本発明の実施形態において、化合物半導体基板１０は、その形成途中で成膜装置から一旦、大気中に取り出してもよい。大気中に取り出した基板は、そのままエッチング、電極形成するなどして半導体デバイスを作製してもよいし、基板を形成した成膜装置と同一の成膜装置、或いは別の成膜装置に再度導入し、基板上に新たにデバイス層としての化合物半導体の積層体を形成してもよい。

また、化合物半導体基板１０を形成した後、基板を形成した成膜装置と同一の成膜装置において引き続き、或いは真空を保持したまま別の成膜装置に搬送した後、基板上に新たに化合物半導体の積層体を形成してもよい。化合物半導体基板１０上に、新たに形成する化合物半導体の積層体に用いる材料は、特に制限されない。例えば、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＩｎＧａＰなどが挙げられる。

以下に図１に示す基板と、その上の各層の説明をする。
［Ｓｉ基板］
Ｓｉ基板１００は、一般に単結晶を成長できるものであれば特に制限されず、Ｓｉの単結晶基板が好ましく用いられる。Ｓｉ基板１００は、半絶縁性基板であってもよいし、ドナー不純物やアクセプタ不純物によって、ｎ型やｐ型にドーピングされた導電性基板であってもよい。

Ｓｉ基板１００の面方位は特に制限はないが、（１００）、（１１１）、（１１０）等が好ましい。優れた結晶性の観点からＳｉ基板の面方位は（１１１）であることが好ましい。また、これらの面方位に対して１°から５°傾けた面方位を用いることもある。
基板表面は、真空中で加熱して酸化膜を除去してもよいし、有機物、金属等の汚染物質を除去した後、濃度１．０ｗｔ％のフッ化水素水溶液を用いて表面の酸化膜を除去して、水素終端処理を行ってもよい。

［第１の化合物半導体層］
本実施形態において、第１の化合物半導体層１０１はＧａＡｓ_１−ｘＳｂ_ｘ（０≦ｘ≦１）層である。第１の化合物半導体層１０１は、結晶性が良く、且つ、表面の平坦性に優れた第２の化合物半導体層１０２を形成するための、バッファ層としての役割を果たす。当然のことながら、バッファ層としての第１の化合物半導体層１０１自体も、結晶性が良く、且つ、表面の平坦性も優れていることが好ましい。

第１の化合物半導体層１０１は、高温で形成すると、表面の凹凸が激しくなり、十分な平坦性を確保することができなくなるため、比較的低温で形成することが多い。形成時の温度は、結晶性の観点から１５０度以上であることが好ましい。また、形成時の温度は、平坦性確保の観点から３５０度以下であることが好ましい。
第１の化合物半導体層１０１は、低温で形成した場合、表面の平坦性は十分であるが、結晶性は必ずしも良くなくなってしまう。但し、第１の化合物半導体層１０１を形成後に、第１の化合物半導体層１０１の温度を上昇させ保持すると、アニール効果によって結晶性、表面の平坦性いずれも改善することができる。例えば、低温で第１の化合物半導体層１０１を形成した後、温度をアニール効果が発現する程度に上昇させて保持した後または同時に、高温で第１の化合物半導体層１０１上に第２の化合物半導体層１０２を形成することが多い。

第１の化合物半導体層１０１の膜厚は、結晶性の確保及び被覆性の観点から５ｎｍ以上であることが好ましい。また、第１の化合物半導体層１０１の膜厚は、結晶性やアニール効果による改善効果の観点から５０ｎｍ以下であることが好ましい。第１の化合物半導体層１０１のＳｂ組成ｘは、結晶性の観点から、０以上０．１以下が好ましい。特に、ｘ＝０、すなわち、第１の化合物半導体層がＧａＡｓのとき、結晶性が非常に良く好ましい。

第１の化合物半導体層１０１は、ノンドープでもよいし、ドナー不純物やアクセプタ不純物によって、ｎ型やｐ型にドーピングしてもよい。また、有機物、金属等の汚染物質を除去した後、濃度１．０ｗｔ％のフッ化水素水溶液を用いて表面の酸化膜を除去して、水素終端処理を行ったＳｉ基板と、第１の化合物半導体層１０１との間に、Ａｓを先行照射させることで、第１の化合物半導体層１０１よりもＡｓ濃度の高い物質を島状に存在させると、結晶性が良く、優れた表面の平坦性が得られるので好ましい。

［第２の化合物半導体層］
本実施形態において、第２の化合物半導体層１０２は、ＧａＡｓ_１−ｙＳｂ_ｙ（０＜ｙ≦１）層である。第２の化合物半導体層１０２は、第１の化合物半導体層１０１上にＧａ、Ａｓ、Ｓｂ原料を同時照射することで形成される。
図２は、基板温度を５８０℃とし、ＧａとＡｓ原料の分子線強度をそれぞれ一定にした条件下において、Ｓｂ分子線強度を変化させながら第２の化合物半導体層１０２を形成したときの、Ｓｂ分子線強度と、第２の化合物半導体層１０２の表面粗さの二乗平均値Ｒｒｍｓとの関係を示したグラフである。

Ｓｂの分子線強度が７×１０^−７Ｔｏｒｒ以上で、Ｒｒｍｓが急激に減少し、優れた表面の平坦性が得られることが理解される。Ｓｂの分子線強度が７×１０^−７Ｔｏｒｒ以上であるということは、Ｓｂ原料の分子線強度と、第２の化合物半導体層の形成速度が１時間当たり１μｍとなるために必要なＧａ原料の分子線強度との比とで言い換えると、その比が１以上であることに相当している。

すなわち、優れた表面の平坦性を得るためには、第２の化合物半導体層の形成速度が１時間当たり１μｍとなるために必要なＧａ原料の分子線強度に対するＳｂ原料の分子線強度の比（以下、換算Ｓｂ／Ｇａ分子線強度比と称することがある）が１以上であることが好ましい。
換算Ｓｂ／Ｇａ分子線強度比が１以上であるような、Ｓｂ原料の分子線強度は、例えば、ＧａＡｓ基板上にＩｎＳｂ、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＡｌＧａＳｂなどの、Ｖ族元素がＳｂのみからなる半導体薄膜を形成する場合、結晶性が良く、優れた平坦性を容易に得るのに、十分なＳｂ原料の分子線強度である。

第２の化合物半導体層１０２のＳｂ組成ｙは、結晶性確保の観点から０．１以下が好ましい。換算Ｓｂ／Ｇａ分子線強度比が１以上であり、且つ、Ａｓ原料がＡｓ_４分子の場合、Ａｓ_４分子は反応性や付着係数がＳｂに比べて低いため、Ｓｂ組成ｙは大きくなってしまう場合がある。そのため、Ａｓ原料は反応性や付着係数が高いＡｓ_２分子であることが好ましい。Ａｓ_２分子は反応性や付着係数が高いため、Ｓｂ組成ｙはそれほど大きくならず、Ｓｂ組成０．１以下の第２の化合物半導体１０２を容易に形成することができる。反応性や付着係数の高いＡｓ_２分子は、例えばＡｓ_４分子を加熱等によりクラッキングすることにより生成することが可能である。

第２の化合物半導体層１０２の形成時の温度は、結晶性及び表面平坦性の観点から、５５０度以上が好ましい。また、第２の化合物半導体層１０２の形成時の温度は、Ｖ族元素であるＡｓ，Ｓｂの再蒸発を防止して、結晶性及び表面平坦性を確保する観点から７００度以下であることが好ましい。
第２の化合物半導体層１０２は、ノンドープでもよいし、ドナー不純物やアクセプタ不純物によって、ｎ型やｐ型にドーピングしてもよい。第２の化合物半導体層の膜厚１０２は、十分な結晶性確保の観点から０．０５μｍ以上が好ましい。また、第２の化合物半導体層１０２の膜厚は、形成時間の観点から０．３μｍ以下が好ましい。

第２の化合物半導体層１０２の形成速度は、結晶性確保の観点から０．２μｍ／ｈ以下が好ましく、０．１μｍ／ｈ以下がより好ましい。また、第２の化合物半導体層１０２の形成速度は、形成時間の観点から、０．０１μｍ／ｈ以上が好ましい。第２の化合物半導体層１０２の形成速度は、所望の結晶性、形成時間に応じて、適宜決めることができる。

［第３の化合物半導体層］
本実施形態において、第３の化合物半導体層１０３は、ＧａＡｓ層である。
第３の化合物半導体層１０３の形成時の温度は、結晶性及び表面平坦性の観点から、５５０度以上が好ましい。また、第３の化合物半導体層１０３の形成時の温度は、Ｖ族元素であるＡｓの再蒸発を防止して、結晶性及び表面平坦性を確保する観点から７００度以下であることが好ましい。
第３の化合物半導体層１０３は、ノンドープでもよいし、ドナー不純物やアクセプタ不純物によって、ｎ型やｐ型にドーピングしてもよい。第３の化合物半導体層１０３の膜厚は、十分な結晶性確保の観点から０．３μｍ以上が好ましい。また、第３の化合物半導体層１０３の膜厚は、形成時間の観点から１０μｍ以下が好ましい。

第３の化合物半導体層１０３の形成速度は、結晶性確保の観点から５μｍ／ｈ以下が好ましく、３μｍ／ｈ以下がより好ましい。また、第３の化合物半導体層１０３の形成速度は、形成時間の観点から、０．１μｍ／ｈ以上が好好ましい。第３の化合物半導体層１０３の形成速度は、所望の結晶性、形成時間に応じて、適宜決めることができる。

［実施形態の効果］
本発明の実施形態によれば、Ｓｉ基板１００上に化合物半導体層を形成する際に、極端に過剰なＡｓ原料の供給を必要としない。また、第３の化合物半導体層１０３はＧａＡｓ層であり、Ｓｂを含まない。第３の化合物半導体層１０３であるＧａＡｓ層を第２の化合物半導体層であるＧａＡｓＳｂ層上に形成することにより、結晶性が良く、且つ、表面の平坦性に優れたＧａＡｓ層を含む化合物半導体層を、Ｓｉ基板１００上に容易に形成することができる。

また、このような化合物半導体層を備える化合物半導体基板を用いれば、ＧａＡｓに代表される化合物半導体の特長を生かした、ＨＥＭＴやＨＢＴなどの高速電子デバイスや、ＬＥＤ、ＬＤなどの光デバイス、高効率の太陽電池、磁気センサなど多岐に渡るデバイスへの応用が可能となる。

以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明するが、本発明は、下記実施例に限定されるものではなく、その発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変更可能であることは言うまでもない。
［実施例１］
実施例１では、第１の化合物半導体層及び第２の化合物半導体層を分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）で形成し、第３の化合物半導体層を有機金属気相成長法で形成した。詳細は、以下の通りである。

まず、Ｓｉ（１１１）基板の表面の有機物、金属等の汚染物質を除去した後、濃度１．０ｗｔ％のフッ化水素水溶液を用いて表面の酸化膜を除去して、水素終端処理を行った。これを直ちにＭＢＥ装置内に導入し、１×１０^−６Ｔｏｒｒ（１．３３３×１０^−４Ｐａ）以下の真空中で、基板温度が３００℃になるまで加熱し、温度が一定になったところでＳｉ基板にＡｓを照射した。

引き続き、分子線強度が７×１０^−８ＴｏｒｒのＧａと、分子線強度が３×１０^−５ＴｏｒｒのＡｓ_４分子をクラッキングすなわち加熱して生成したＡｓ_２分子とをＳｉ基板上に同時に照射した。これにより、Ｓｉ基板上に、膜厚２０ｎｍの第１の化合物半導体層（ＧａＡｓ層）を１時間当たり０．１μｍの形成速度で形成した。これにより、Ｓｉ基板上に第１の化合物半導体層を形成した。

次に、第１の化合物半導体層を形成した基板を、基板温度が６８０℃になるまで加熱し、温度が一定になったところで、分子線強度が１．４×１０^−７ＴｏｒｒのＧａと、分子線強度が３×１０^−５ＴｏｒｒのＡｓ_４分子をクラッキングすなわち加熱して生成したＡｓ_２分子と、分子線強度が１．７６×１０^−６ＴｏｒｒのＳｂとを第１の化合物半導体層上に同時に照射した。これにより、第１の化合物半導体層（ＧａＡｓ層）上に膜厚２４０ｎｍの第２の化合物半導体層（ＧａＡｓ_１−ｙＳｂ_ｙ層）を、１時間当たり０．０５μｍの形成速度で形成した。このとき、第２の化合物半導体層の形成速度が１時間当たり１μｍとなるために必要なＧａ原料の分子線強度に対するＳｂ原料の分子線強度の比（換算Ｓｂ／Ｇａ分子線強度比）は２．５１である。

ここでいう形成速度とは、形成した膜厚を形成に要した時間で割り算した値である。通常、Ｇａは付着係数が高いため、供給されたＧａ原料は全て膜中に取り込まれる。すなわち形成速度はＧａフラックスに比例する。しかしながら、本実施例においては、優れた結晶性と平坦性を得るため、基板温度は６８０℃と非常に高くしている。その結果、供給されたＧａの一部は、再蒸発してしまい、膜中に取り込まれない。すなわち、必ずしもＧａフラックスと形成速度が比例していない。

第２の化合物半導体層を形成した基板を、一旦、ＭＢＥ装置から大気中に取り出し、第２の化合物半導体層の（１１１）面に対応するＸ線回折ピークを、Ｘ線回折装置（ＰＨＩＬＩＰＳ社製、ＰＷ１８３０）を用いて解析したところ、Ｓｂ組成ｙは０．００７であった。また、第２の化合物半導体層の、（１１１）面に対応するＸ線回折ピークのロッキングカーブのＦＷＨＭ値は１８５秒であった。この数値は、膜厚が２４０ｎｍと非常に薄いにもかかわらず小さい値であり、良好な結晶性を示している。さらに、第２の化合物半導体層の１０μｍ四方の領域（即ち、平面視で一辺が１０μｍの正方形の領域）における表面粗さの二乗平均値Ｒｒｍｓを原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で評価したところ、１．９ｎｍであった。すなわち、結晶性が良く、且つ、表面の平坦性に優れた第２の化合物半導体層を形成することができた。

第２の化合物半導体層を形成した基板を、ＭＯＣＶＤ装置に導入し、ＭＯＣＶＤ法を用いて第２の化合物半導体層上に、膜厚２４００ｎｍの第３の化合物半導体層（ＧａＡｓ層）を形成した。形成時の基板温度は６８０℃であり、１時間当たり１μｍの形成速度で形成した。
第３の化合物半導体層の（１１１）面に対応するＸ線回折ピークを、Ｘ線回折装置（ＰＨＩＬＩＰＳ社製、ＰＷ１８３０）を用いて解析したところ、ロッキングカーブのＦＷＨＭ値は１５２秒であった。この数値は非常に小さい値であり、良好な結晶性を示している。さらに、第２の化合物半導体層の２０μｍ四方の領域（即ち、平面視で一辺が２０μｍの正方形の領域）における表面粗さの二乗平均値Ｒｒｍｓを原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で評価したところ、２０．８ｎｍであった。

実施例１で作成した化合物半導体基板の欠陥密度を、断面ＴＥＭ像観察により評価した。この手法を用いれば、基板から第１の化合物半導体層、第２の化合物半導体層、第３の化合物半導体層の最表面に至るまでの積層構造において、欠陥密度の膜厚方向の分布も評価することができる。断面ＴＥＭ像は横方向の長さ８μｍ、奥行き方向の厚み０．１５μｍの大きさの薄片サンプルを倍率２５０００倍で観察したものである。すなわち、ある膜厚領域において欠陥の数がゼロであれば、該領域を面で評価したときの欠陥密度（以下、単に欠陥密度という）は８．３×１０^７ｃｍ^−２未満、欠陥の数が１個以上であれば欠陥密度は８．３×１０^７ｃｍ^−２以上、欠陥の数が１０個以上であれば欠陥密度は８．３×１０^８ｃｍ^−２以上、欠陥の数が１００個以上であれば欠陥密度は８．３×１０^９ｃｍ^−２以上であることがわかる。

図３は、実施例１で得られた化合物半導体基板の欠陥密度評価用の断面ＴＥＭ像である。第３の化合物半導体層のうち、最表面から膜厚０．５μｍの領域（即ち、最表面から０．５μｍ離れた領域）では、断面ＴＥＭ像観察結果から欠陥は一つも確認されなかったことから、欠陥密度は８．３×１０^７ｃｍ^−２未満であることがわかった。通常、欠陥密度は膜厚の増加につれて減少していく傾向を示すため、膜厚が厚い領域でないと欠陥密度を低減するのは困難である。実施例１では、第２の化合物半導体層の最表面付近は欠陥が少なくとも１００個以上確認されたことから、欠陥密度は８．３×１０^９ｃｍ^−２以上と非常に多い。それにもかかわらず、第３の化合物半導体層は、第２の化合物半導体層との界面からの膜厚が僅か０．５μｍである非常に薄い領域（即ち、界面から僅か０．５μｍ離れた領域）においても、欠陥は一つも確認されなかったことから、欠陥密度は８．３×１０^７ｃｍ^−２未満であり、非常に良好な結晶性を示している。

すなわち、結晶性が良く、且つ、表面の平坦性に優れた第２の化合物半導体層上に第３の化合物半導体層を形成する実施例１の構造を用いることで、Ｓｉ基板上に、結晶性が良く、且つ、表面の平坦性に優れたＧａＡｓ層を含む化合物半導体層を備えた化合物半導体基板を容易に実現することができる。

［実施例２］
実施例２では、第３の化合物半導体層を分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）で形成した。詳細は、以下の通りである。なお、実施例２において、第２の化合物半導体層を形成する工程までは実施例１と同じである。
第２の化合物半導体層を形成する工程の次に、第２の化合物半導体層を形成した基板を、一旦、ＭＢＥ装置から大気中に取り出し、第２の化合物半導体層の（１１１）面に対応するＸ線回折ピークを、Ｘ線回折装置（ＰＨＩＬＩＰＳ社製、ＰＷ１８３０）を用いて解析したところ、Ｓｂ組成ｙは０．００７であった。また、第２の化合物半導体層の、（１１１）面に対応するＸ線回折ピークのロッキングカーブのＦＷＨＭ値は１８５秒であった。この数値は、膜厚が２４０ｎｍと非常に薄いにもかかわらず小さい値であり、良好な結晶性を示している。さらに、第２の化合物半導体層の１０μｍ四方の領域における表面粗さの二乗平均値Ｒｒｍｓを原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で評価したところ、１．９ｎｍであった。すなわち、結晶性が良く、且つ、表面の平坦性に優れた第２の化合物半導体層を形成することができた。

次に、第２の化合物半導体層を形成した基板を、ＭＢＥ装置に導入し、ＭＢＥ法を用いて、分子線強度が７×１０^−７ＴｏｒｒのＧａと、分子線強度が３×１０^−５ＴｏｒｒのＡｓ_４分子をクラッキングすなわち加熱して生成したＡｓ_２分子とを同時に照射することにより、第２の化合物半導体層上に、膜厚２４００ｎｍの第３の化合物半導体層（ＧａＡｓ層）を形成した。形成時の基板温度は６８０℃であり、１時間当たり１μｍの形成速度で形成した。

第３の化合物半導体層の（１１１）面に対応するＸ線回折ピークを、Ｘ線回折装置（ＰＨＩＬＩＰＳ社製、ＰＷ１８３０）を用いて解析したところ、ロッキングカーブのＦＷＨＭ値は１６７秒であった。この数値は非常に小さい値であり、良好な結晶性を示している。さらに、第２の化合物半導体層の２０μｍ四方の領域における表面粗さの二乗平均値Ｒｒｍｓを原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で評価したところ、２３．０ｎｍであった。

第３の化合物半導体層のうち、最表面から膜厚０．５μｍの領域は、断面ＴＥＭ像観察結果から欠陥は一つも確認されなかったことから、欠陥密度は８．３×１０^７ｃｍ^−２未満であることがわかった。通常、欠陥密度は膜厚の増加につれて減少していく傾向を示すため、膜厚が厚い領域でないと欠陥密度を低減するのは困難である。実施例２では、第２の化合物半導体層の最表面付近は欠陥が少なくとも１００個以上確認され、欠陥密度は８．３×１０^９ｃｍ^−２以上と非常に多い。それにもかかわらず、第３の化合物半導体層は、第２の化合物半導体層との界面からの膜厚が僅か０．５μｍである非常に薄い領域においても、欠陥は一つも確認されなかったことから、欠陥密度は８．３×１０^７ｃｍ^−２未満であり、非常に良好な結晶性を示している。

すなわち、結晶性が良く、且つ、表面の平坦性に優れた第２の化合物半導体層上に第３の化合物半導体層を形成する実施例２の構造を用いることで、Ｓｉ基板上に、結晶性が良く、且つ、表面の平坦性に優れたＧａＡｓ層を含む化合物半導体層を備えた化合物半導体基板を容易に実現することができる。

［比較例１］
比較例１では、第２の化合物半導体層として、ＧａＡｓを形成した。詳細は、以下の通りである。なお、比較例１において、第１の化合物半導体層を形成する工程までは実施例１と同じである。
第１の化合物半導体層を形成する工程の次に、第１の化合物半導体層を形成した基板を、基板温度が６８０℃になるまで加熱し、温度が一定になったところで、分子線強度が１．４×１０^−７ＴｏｒｒのＧａと、分子線強度が３×１０^−５ＴｏｒｒのＡｓ_４分子をクラッキングすなわち加熱して生成したＡｓ_２分子とを第１の化合物半導体層上に同時に照射した。これにより、第１の化合物半導体層（ＧａＡｓ層）上に膜厚２４０ｎｍの第２の化合物半導体層（ＧａＡｓ層）を、１時間当たり０．０５μｍの形成速度で形成した。このとき、Ｓｂ原料の分子線強度と、第２の化合物半導体層の形成速度が１時間当たり１μｍとなるために必要なＧａ原料の分子線強度との比（換算Ｓｂ／Ｇａ分子線強度比）はＳｂを照射していないので当然のことながら０である。

第２の化合物半導体層を形成した基板を、一旦、ＭＢＥ装置から大気中に取り出し、第２の化合物半導体層の（１１１）面に対応するＸ線回折ピークを、Ｘ線回折装置（ＰＨＩＬＩＰＳ社製、ＰＷ１８３０）を用いて解析したところ、Ｓｂ組成ｙは当然のことながら０であった。また、第２の化合物半導体層の、（１１１）面に対応するＸ線回折ピークのロッキングカーブのＦＷＨＭ値は１５３秒であった。この数値は、膜厚が２４０ｎｍと非常に薄いのにかかわらず小さい値であり、良好な結晶性を示している。しかし、第２の化合物半導体層の１０μｍ四方の領域における表面粗さの二乗平均値Ｒｒｍｓを原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で評価したところ、２０．５ｎｍであった。比較例１は、実施例１、２と比較した場合、良好な結晶性を示しているものの、平坦性は悪化していることがわかった。

第２の化合物半導体層を形成した基板を、ＭＢＥ装置に導入し、ＭＢＥ法を用いて、分子線強度が７×１０^−７ＴｏｒｒのＧａと、分子線強度が３×１０^−５ＴｏｒｒのＡｓ_４分子をクラッキングすなわち加熱して生成したＡｓ_２分子とを同時に照射することにより、第２の化合物半導体層上に、膜厚２４００ｎｍの第３の化合物半導体層（ＧａＡｓ層）を形成した。形成時の基板温度は６８０℃であり、１時間当たり１μｍの形成速度で形成した。

第３の化合物半導体層の（１１１）面に対応するＸ線回折ピークを、Ｘ線回折装置（ＰＨＩＬＩＰＳ社製、ＰＷ１８３０）を用いて解析したところ、ロッキングカーブのＦＷＨＭ値は１５０秒であった。この数値は非常に小さい値であり、良好な結晶性を示している。しかし、第２の化合物半導体層の２０μｍ四方の領域における表面粗さの二乗平均値Ｒｒｍｓを原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で評価したところ、８３．０ｎｍであった。比較例１は、実施例１、２と比較した場合、良好な結晶性を示しているものの、平坦性は悪化していることがわかった。

第３の化合物半導体層のうち、最表面から膜厚０．５μｍの領域は、断面ＴＥＭ像観察結果から欠陥は一つも確認されなかったことから、欠陥密度は８．３×１０^７ｃｍ^−２未満であることがわかった。通常、欠陥密度は膜厚の増加につれて減少していく傾向を示すため、膜厚が厚い領域でないと欠陥密度を低減するのは困難である。比較例１では、第２の化合物半導体層の最表面付近までは欠陥が少なくとも１００個以上確認され、欠陥密度が８．３×１０^９ｃｍ^−２以上と、非常に多い。それにもかかわらず、第３の化合物半導体層は、第２の化合物半導体層との界面からの膜厚が僅か０．５μｍである非常に薄い領域においても、欠陥は一つも確認されなかったことから、欠陥密度は８．３×１０^７ｃｍ^−２未満であり、非常に良好な結晶性を示している。

しかしながら、比較例１は、実施例１、２と比較した場合、良好な結晶性を示しているものの、第２の化合物半導体層の平坦性が悪いのを反映して、表面の平坦性は悪化していることがわかった。

［参考例１］
参考例１では、第３の化合物半導体層として、ＧａＡｓＳｂを形成した。詳細は、以下の通りである。なお、参考例１において、第２の化合物半導体層を形成する工程までは実施例１と同じである。
第２の化合物半導体層を形成する工程の次に、第２の化合物半導体層を形成した基板を、一旦、ＭＢＥ装置から大気中に取り出し、第２の化合物半導体層の（１１１）面に対応するＸ線回折ピークを、Ｘ線回折装置（ＰＨＩＬＩＰＳ社製、ＰＷ１８３０）を用いて解析したところ、Ｓｂ組成ｙは０．００７であった。また、第２の化合物半導体層の、（１１１）面に対応するＸ線回折ピークのロッキングカーブのＦＷＨＭ値は１８５秒であった。この数値は、膜厚が２４０ｎｍと非常に薄いのにかかわらず小さい値であり、良好な結晶性を示している。さらに、第２の化合物半導体層の１０μｍ四方の領域における表面粗さの二乗平均値Ｒｒｍｓを原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で評価したところ、１．９ｎｍであった。すなわち、結晶性が良く、且つ、表面の平坦性に優れた第２の化合物半導体層を形成することができた。

第２の化合物半導体層を形成した基板を、ＭＢＥ装置に導入し、ＭＢＥ法を用いて、分子線強度が７×１０^−７ＴｏｒｒのＧａと、分子線強度が３×１０^−５ＴｏｒｒのＡｓ_４分子をクラッキングすなわち加熱して生成したＡｓ_２分子と、分子線強度が１．７６×１０^−６ＴｏｒｒのＳｂとを同時に照射することにより、第２の化合物半導体層上に、膜厚２４００ｎｍの第３の化合物半導体層（ＧａＡｓ_１−ｙＳｂ_ｙ層）を形成した。形成時の基板温度は６８０℃であり、１時間当たり１μｍの形成速度で形成した。

第３の化合物半導体層の（１１１）面に対応するＸ線回折ピークを、Ｘ線回折装置（ＰＨＩＬＩＰＳ社製、ＰＷ１８３０）を用いて解析したところ、ロッキングカーブのＦＷＨＭ値は２３６秒であった。さらに、第２の化合物半導体層の２０μｍ四方の領域における表面粗さの二乗平均値Ｒｒｍｓを原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で評価したところ、２．２ｎｍであった。参考例１は、実施例１、２と比較した場合、平坦性は改善しているものの、結晶性が悪化し、ＦＷＨＭ値２００秒以下を実現できないことがわかった。

図４は、参考例１で得られた化合物半導体基板の欠陥密度評価用の断面ＴＥＭ像である。第３の化合物半導体層のうち、最表面から膜厚０．５μｍの領域の欠陥密度は、断面ＴＥＭ像観察結果から６個の欠陥が確認されたことから欠陥密度は約５×１０^８ｃｍ^−２程度であり、欠陥密度８．３×１０^７ｃｍ^−２以下は実現できなかった。通常、欠陥密度は膜厚の増加につれて減少していく傾向を示すため、膜厚が厚い領域でないと欠陥密度を低減するのは困難であり、薄い領域では更に欠陥密度は多くなる。

参考例１では、第３の化合物半導体層は、第２の化合物半導体層との界面からの膜厚が０．５μｍである非常に薄い領域に少なくとも１００個の欠陥が確認されたことから、欠陥密度は８．３×１０^９ｃｍ^−２以上と非常に多い。また、第３の化合物半導体層のうち、最表面から膜厚０．５μｍの領域においても、欠陥が６個程度確認されたことから、欠陥密度は約５×１０^８ｃｍ^−２程度であり、実施例１、２と比較して、欠陥密度が非常に多いことがわかった。すなわち、参考例１は、実施例１、２と比較した場合、平坦性は改善しているものの、結晶性が悪化していることがわかった。

［参考例２］
参考例２では、第３の化合物半導体層として、ＧａＡｓＳｂを形成した。また、参考例２では、実施例１、２や参考例１と比べて、第２の化合物半導体層を形成速度を早く形成した。詳細は、以下の通りである。なお、参考例２において、第１の化合物半導体層を形成する工程までは実施例１と同じである。

第１の化合物半導体層を形成する工程の次に、第１の化合物半導体層（ＧａＡｓ層）を形成した後、基板温度が６８０℃になるまで加熱し、温度が一定になったところで、分子線強度が７．０×１０^−７ＴｏｒｒのＧａと、分子線強度が３×１０^−５ＴｏｒｒのＡｓ_４分子をクラッキングすなわち加熱して生成したＡｓ_２分子と、分子線強度が１．７６×１０^−６ＴｏｒｒのＳｂとを同時に照射することにより、膜厚２４０ｎｍの第２の化合物半導体層（ＧａＡｓ_１−ｙＳｂ_ｙ層）を、１時間当たり１μｍの形成速度で形成した。このとき、Ｓｂ原料の分子線強度と、第２の化合物半導体層の形成速度が１時間当たり１μｍとなるために必要なＧａ原料の分子線強度との比（換算Ｓｂ／Ｇａ分子線強度比）は２．５１である。なお、形成速度とは、実施例１でも説明したように、形成した膜厚を形成に要した時間で割り算した値である。

第２の化合物半導体層を形成した基板を、一旦、ＭＢＥ装置から大気中に取り出し、第２の化合物半導体層の（１１１）面に対応するＸ線回折ピークを、Ｘ線回折装置（ＰＨＩＬＩＰＳ社製、ＰＷ１８３０）を用いて解析したところ、Ｓｂ組成ｙは０．０２６であった。また、第２の化合物半導体層の、（１１１）面に対応するＸ線回折ピークのロッキングカーブのＦＷＨＭ値は４０５秒であった。この数値を実施例１、２、或いは比較例２などと比較すると、倍以上になっており、結晶性が劣化している。このことは、第２の化合物半導体層の形成速度を下げることが、良好な結晶性を得るのに重要であることを示している。第２の化合物半導体層の１０μｍ四方の領域における表面粗さの二乗平均値Ｒｒｍｓを原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で評価したところ、２．３ｎｍであった。すなわち、参考例２は、実施例１、２と比較すると表面の平坦性は優れているものの、結晶性は悪化していることがわかった。

第２の化合物半導体層を形成した基板を、ＭＢＥ装置に導入し、ＭＢＥ法を用いて、分子線強度が７×１０^−７ＴｏｒｒのＧａと、分子線強度が３×１０^−５ＴｏｒｒのＡｓ_４分子をクラッキングすなわち加熱して生成したＡｓ_２分子と、分子線強度が１．７６×１０^−６ＴｏｒｒのＳｂとを同時に照射することにより、第２の化合物半導体層上に、膜厚２４００ｎｍの第３の化合物半導体層（ＧａＡｓ_１−ｙＳｂ_ｙ層）を形成した。形成時の基板温度は６８０℃であり、１時間当たり１μｍの形成速度で形成した。

第３の化合物半導体層の（１１１）面に対応するＸ線回折ピークを、Ｘ線回折装置（ＰＨＩＬＩＰＳ社製、ＰＷ１８３０）を用いて解析したところ、ロッキングカーブのＦＷＨＭ値は３７６秒であった。この数値は実施例１、２或いは比較例２と比較すると、倍以上の値であり、結晶性が悪化していることがわかる。第２の化合物半導体層の２０μｍ四方の領域における表面粗さの二乗平均値Ｒｒｍｓを原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で評価したところ、３．８ｎｍであった。参考例２は、実施例１、２、或いは比較例２などと比較した場合、平坦性は改善しているものの、結晶性が悪化し、ＦＷＨＭ値２００秒以下を実現できないことがわかった。

第３の化合物半導体層のうち、最表面から膜厚０．５μｍの領域は、断面ＴＥＭ像観察結果から１０個以上の欠陥が確認されたことから、欠陥密度は８．３×１０^８ｃｍ^−２以上であり、欠陥密度１×１０^８ｃｍ^−２以下は実現できなかった。通常、欠陥密度は膜厚の増加につれて減少していく傾向を示すため、膜厚が厚い領域でないと欠陥密度を低減するのは困難であり、薄い領域では更に欠陥密度は多くなる。

すなわち、実施例１、２と比較した場合、平坦性は改善しているものの、結晶性が悪化していることがわかった。
上記実施例１、２、比較例１、参考例１、２に関するデータを表１にまとめて示す。

１０ 化合物半導体基板
１００ Ｓｉ基板
１０１ 第１の化合物半導体層
１０２ 第２の化合物半導体層
１０３ 第３の化合物半導体層

Claims (9)

1. Ｓｉ基板上に第１の化合物半導体層を形成する工程と、
   前記第１の化合物半導体層上に、前記第１の化合物半導体層を形成するときよりも高温で、第２の化合物半導体層を形成する工程と、
   前記第２の化合物半導体層上に第３の化合物半導体層を形成する工程と、を備え、
   前記第１の化合物半導体層は、ＧａＡｓ_１−ｘＳｂ_ｘ（０≦ｘ≦０．１）層であり、
   前記第２の化合物半導体層は、ＧａＡｓ_１−ｙＳｂ_ｙ（０＜ｙ≦０．１）層であり、
   前記第３の化合物半導体層は、ＧａＡｓ層であり、
   前記第２の化合物半導体層を形成する工程は、前記第１の化合物半導体層上にＧａ原料とＡｓ原料とＳｂ原料とを同時に照射する工程であり、
   前記第２の化合物半導体層を形成する工程において、前記第２の化合物半導体層の形成速度が１時間当たり１μｍとなるために必要な前記Ｇａ原料の分子線強度に対する前記Ｓｂ原料の分子線強度の比が１以上であることを特徴とする化合物半導体基板の製造方法。
2. 前記第１の化合物半導体層は、ＧａＡｓ層であることを特徴とする請求項１に記載の化合物半導体基板の製造方法。
3. 前記第２の化合物半導体層の形成速度は、１時間当たり０．０１μｍ以上０．２μｍ以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の化合物半導体基板の製造方法。
4. 前記Ａｓ原料は、Ａｓ_２分子であることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか１項に記載の化合物半導体基板の製造方法。
5. 前記Ａｓ原料は、Ａｓ_４分子をクラッキングすることにより生成されることを特徴とする請求項１から請求項４の何れか１項に記載の化合物半導体基板の製造方法。
6. Ｓｉ基板と、
   前記Ｓｉ基板上に形成された、第１の化合物半導体層と、
   前記第１の化合物半導体層上に形成された、第２の化合物半導体層と、
   前記第２の化合物半導体層上に形成された、第３の化合物半導体層と、
   を備え、
   前記第１の化合物半導体層は、ＧａＡｓ_１−ｘＳｂ_ｘ（０≦ｘ≦０．１）層であり、
   前記第２の化合物半導体層は、ＧａＡｓ_１−ｙＳｂ_ｙ（０＜ｙ≦０．１）層であり、
   前記第３の化合物半導体層は、ＧａＡｓ層であり、
   前記第３の化合物半導体層の、前記Ｓｉ基板の面方位と同じ面に対応するＸ線回折ピークのロッキングカーブの半値幅であるＦＷＨＭ値は、２００秒以下であることを特徴とする化合物半導体基板。
7. 前記第１の化合物半導体層は、ＧａＡｓ層であることを特徴とする請求項６に記載の化合物半導体基板。
8. 前記第３の化合物半導体層のうち、最表面から膜厚０．５μｍの領域の欠陥密度は１×１０^８ｃｍ^−２以下であることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の化合物半導体基板。
9. 前記第２の化合物半導体層の最表面の欠陥密度は１×１０^９ｃｍ^−２以上であり、
   前記第３の化合物半導体層のうち、前記第２の化合物半導体層との界面から膜厚０．５μｍの領域の欠陥密度は、１×１０^８ｃｍ^−２以下であることを特徴とする請求項６から請求項８の何れか１項に記載の化合物半導体基板。