JP2018104278A - Compound semiconductor substrate - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a compound semiconductor substrate including an AlInSb layer excellent in crystallinity and surface flatness.SOLUTION: A compound semiconductor substrate comprises a substrate 1, a first compound semiconductor layer 11 formed on the substrate and including In and Sb without including Al, and a second compound semiconductor layer 21 formed on the first compound semiconductor layer and including Al, In and Sb. Hydrogen atoms included in the second compound semiconductor layer is 1×10cmor more and 5×10cmor less; carbon atoms included in the second compound semiconductor layer is 1×10cmor more and 5×10cmor less; nitrogen atoms included in the second compound semiconductor layer is 1x10cmor more and 5x10cmor less; and the mean square roughness Rrms of the surface of the second compound semiconductor layer is 0.1 nm or more and 10 nm or less.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は化合物半導体基板に関する。   The present invention relates to a compound semiconductor substrate.

InSbを含む化合物半導体は、移動度が高く、またバンドギャップが小さい材料であり、この特徴を生かして磁気センサ、高速デバイス、IRセンサなどのデバイスとして使われる。InSbを含む化合物半導体を適用したデバイスを実現するうえで、電子バリア層としてAlInSbを用いることが望まれる。
従来、有機金属気相成長法を用いたAlInSb薄膜作製にはAl原料としてトリターシャリーブチルアルミニウム(TTBAl)、In原料としてトリメチルインジウム(TMIn)、Sb原料としてトリエチルアンチモン(TESb)が用いられてきた(特許文献1参照)。
A compound semiconductor containing InSb is a material having high mobility and a small band gap, and is used as a device such as a magnetic sensor, a high-speed device, and an IR sensor by taking advantage of this feature. In realizing a device using a compound semiconductor containing InSb, it is desired to use AlInSb as an electron barrier layer.
Conventionally, for producing an AlInSb thin film using metal organic vapor phase epitaxy, tritertiary butylaluminum (TTBAl) is used as an Al material, trimethylindium (TMIn) is used as an In material, and triethylantimony (TESb) is used as an Sb material. (See Patent Document 1).

米国特許第6071109号明細書US Pat. No. 6,071,109

Journal of Crystal Growh, Vol. 209 (2000)“Growth of InSb on GaAs usin g InAlSb buffer layer” R.M.Biefeld et.al.Journal of Crystal Growth, Vol. 209 (2000) “Growth of InSb on GaAs using InAlSb buffer layer” M.M. Biefeld et. al.

しかし、特許文献1に代表される従来のTTBAl、TMIn、およびTESbを用いたAlInSb薄膜(以下、従来のAlInSb薄膜)では炭素不純物が多量に混入してしまい、電子バリア層としての機能低下だけでなく、表面平坦性の低下が免れなかった。また、従来のAlInSb薄膜は結晶性も十分ではなかった。それゆえ、従来のAlInSb薄膜は上述したデバイスへの応用には不適であった。
一方、炭素不純物濃度を抑制する手段として、Sb原料としてTESbに替えてトリスジメチルアミノアンチモン(TDMASb)を用いる方法が考えられる。しかし、TTBAlとTDMASbの組み合わせでは気相反応が生じ、基板到達前にTTBAlとTDMASbが反応してしまい、白濁したすなわち表面平坦性が悪いAlInSb層しか得られないことが報告されている(非特許文献1参照)。
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、結晶性が良好で表面平坦に優れるAlInSb層を含む化合物半導体基板を提供することを目的とする。
However, in conventional AlInSb thin films using conventional TTBAl, TMIn, and TESb represented by Patent Document 1 (hereinafter referred to as conventional AlInSb thin films), a large amount of carbon impurities are mixed, and the function as an electronic barrier layer is reduced. In other words, the decrease in surface flatness was inevitable. Further, the conventional AlInSb thin film has not been sufficiently crystalline. Therefore, the conventional AlInSb thin film is not suitable for application to the above-described device.
On the other hand, as a means for suppressing the carbon impurity concentration, a method using trisdimethylaminoantimony (TDMASb) instead of TESb as the Sb raw material is conceivable. However, it has been reported that in the combination of TTBAl and TDMASb, a gas phase reaction occurs, and TTBAl and TDMASb react before reaching the substrate, so that only an AlInSb layer that is cloudy, that is, has poor surface flatness can be obtained (non-patent document). Reference 1).
This invention is made | formed in view of such a situation, Comprising: It aims at providing the compound semiconductor substrate containing the AlInSb layer which has favorable crystallinity and is excellent in surface flatness.

また、本発明者らは上記課題を解決するために鋭意検討した結果、基板と、前記基板上に形成された、InとSbとを含み、Alを含まない第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、AlとInとSbとを含む第2の化合物半導体層とを備え、前記第2の化合物半導体層に含まれる水素原子が1×1015cm-3以上5×1019cm-3以下であり、前記第2の化合物半導体層に含まれる炭素原子が1×1015cm-3以上5×1018cm-3以下であり、前記第2の化合物半導体層に含まれる窒素原子が1×1015cm-3以上5×1018cm-3以下であり、前記第2の化合物半導体層の表面の平均二乗粗さRrmsが、0.1nm以上10nm以下である化合物半導体基板により、上記課題を解決できることを見出した。 Further, as a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have found that the substrate, the first compound semiconductor layer containing In and Sb formed on the substrate, and not containing Al, and A second compound semiconductor layer containing Al, In, and Sb formed on the first compound semiconductor layer, wherein hydrogen atoms contained in the second compound semiconductor layer are 1 × 10 15 cm −3. 5 × 10 19 cm −3 or less, and carbon atoms contained in the second compound semiconductor layer are 1 × 10 15 cm −3 or more and 5 × 10 18 cm −3 or less, and the second compound semiconductor The nitrogen atoms contained in the layer are 1 × 10 15 cm −3 or more and 5 × 10 18 cm −3 or less, and the mean square roughness Rrms of the surface of the second compound semiconductor layer is 0.1 nm or more and 10 nm or less. It has been found that the above problem can be solved by a certain compound semiconductor substrate.

本発明の一態様によれば、結晶性が良好で表面平坦に優れるAlInSb層を含む化合物半導体基板を実現することができる。   According to one embodiment of the present invention, a compound semiconductor substrate including an AlInSb layer having favorable crystallinity and excellent surface flatness can be realized.

本実施形態に係る化合物半導体基板の製造方法を工程順に示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the manufacturing method of the compound semiconductor substrate which concerns on this embodiment in process order. 本実施形態で用いるMOCVD装置の構成例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structural example of the MOCVD apparatus used by this embodiment. 本実施形態におけるAl原料の供給量の変化を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the change of the supply amount of the Al raw material in this embodiment.

以下、本発明を実施するための形態(本実施形態)について説明する。
<化合物半導体基板の製造方法>
本実施形態の化合物半導体基板の製造方法は、有機金属気相成長法(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)を用いてIn原料とSb原料とを基板上に供給し、この基板上に第1の化合物半導体層を成長させる工程(第1の化合物半導体層成長工程)と、第1の化合物半導体層の基板温度を420℃以上525℃以下に保持した状態で、第1の化合物半導体層上に、In原料とSb原料に加えて、供給量を連続的および/または段階的に増やしながらAl原料を供給し、Al原料の供給量を増やした後でIn原料とSb原料およびAl原料の各供給量を一定にすることにより、第1の化合物半導体層上にAlXIn1-XSb層(0<x≦0.7)を形成する工程(第2の化合物半導体層成長工程)と、を備える。ここで、「連続的および/または段階的」、とは、「連続的および段階的の少なくとも一方」の意味であり、連続的、段階的、連続的および段階的、のいずれかの意味である。
Hereinafter, a mode for carrying out the present invention (this embodiment) will be described.
<Method for producing compound semiconductor substrate>
The manufacturing method of the compound semiconductor substrate of this embodiment supplies an In raw material and an Sb raw material on a substrate using metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), and a first material is formed on the substrate. In the state where the compound semiconductor layer is grown (first compound semiconductor layer growth step) and the substrate temperature of the first compound semiconductor layer is maintained at 420 ° C. or more and 525 ° C. or less, on the first compound semiconductor layer, In addition to the In raw material and the Sb raw material, the Al raw material is supplied while increasing the supply amount continuously and / or stepwise, and the supply amount of the In raw material, the Sb raw material, and the Al raw material is increased after the supply amount of the Al raw material is increased. by constant, the first compound Al X in 1-X Sb layer on the semiconductor layer (0 <x ≦ 0.7) forming a (second compound semiconductor layer Comprises a long step), the. Here, “continuous and / or stepwise” means “at least one of continuous and stepwise” and means any one of continuous, stepwise, continuous and stepwise. .

これら各工程(第1の化合物半導体層成長工程、第2の化合物半導体層成長工程)を備えることにより、得られるAlInSb層の白濁化を抑制し、かつ結晶性が良好で高移動度なAlInSb層を備える化合物半導体基板を得ることが可能になる。
In原料とSb原料とを供給し、第1の化合物半導体層を成長させる工程の後に、In原料とSb原料とAl原料とを所定の固定比率で供給する方法では、AlInSb層は白濁化し、また移動度も低くなってしまう。これに対し、本実施形態のようにIn原料とSb原料とに加えて、供給量を連続的および/または段階的に増やしながらAl原料を供給することで、得られるAlInSb層の白濁化を抑制し、かつ結晶性が良好なAlInSb層となる。
このメカニズムの詳細については定かではないものの、初期に大量のAlを供給することで気相中でのTDMASbとの反応が起こりやすくなり、基板上に粒子が堆積してしまう、その粒子を成長核にしてVolmer−Weberモードに移行することによるものと推察される。
By providing each of these steps (first compound semiconductor layer growth step, second compound semiconductor layer growth step), the AlInSb layer obtained is suppressed in white turbidity and has good crystallinity and high mobility. It becomes possible to obtain a compound semiconductor substrate comprising:
In the method of supplying the In material, the Sb material, and the Al material at a predetermined fixed ratio after the step of supplying the In material and the Sb material and growing the first compound semiconductor layer, the AlInSb layer becomes clouded. Mobility will also be low. On the other hand, in addition to the In raw material and the Sb raw material as in this embodiment, the whitening of the resulting AlInSb layer is suppressed by supplying the Al raw material while increasing the supply amount continuously and / or stepwise. And an AlInSb layer with good crystallinity.
The details of this mechanism are not clear, but by supplying a large amount of Al in the initial stage, the reaction with TDMASb in the gas phase is likely to occur, and particles are deposited on the substrate. It is assumed that this is due to the transition to the Volmer-Weber mode.

In原料とSb原料とに加えて、供給量を連続的および/または段階的に増やしながらAl原料を供給する工程における、第1の化合物半導体層の基板温度は420℃以上525℃以下に制御する。この表面温度が525℃より高い場合や420℃未満の場合では平坦性の高い化合物半導体基板が得られない。また、形成されるAlXIn1-XSb層がx>0.7の場合(即ち、AlXIn1-XSb層のIII族元素の総量に対するAl組成比が70%を超える場合)、平坦性の高い化合物半導体基板を得ることができない。 The substrate temperature of the first compound semiconductor layer is controlled to be 420 ° C. or higher and 525 ° C. or lower in the step of supplying the Al raw material while increasing the supply amount continuously and / or stepwise in addition to the In raw material and the Sb raw material. . When the surface temperature is higher than 525 ° C. or lower than 420 ° C., a compound semiconductor substrate with high flatness cannot be obtained. Further, when the formed Al x In 1-X Sb layer is x> 0.7 (that is, when the Al composition ratio with respect to the total amount of group III elements in the Al x In 1-X Sb layer exceeds 70%), A compound semiconductor substrate with high flatness cannot be obtained.

In原料とSb原料およびAl原料の各供給量を一定にする際のAl原料の供給量は、In原料とSb原料に加えて、供給量を連続的および/または段階的に増やしながらAl原料を供給する際のAl原料の供給量よりも多ければ特に制限されない。但し、Al原料の供給量を一定にした後のAl原料の供給量が、AlInSb層の各元素比率を決める所望の供給量であることが好ましい。供給量を連続的および/または段階的に増やしながらAl原料を供給する際のAl原料の具体的な供給量は特に制限されないが、III族原料に占めるAl原料の割合が好ましくは0.10以上0.75以下、より好ましくは0.10以上0.65以下の範囲内とすることができる。   The supply amount of the Al raw material when the supply amounts of the In raw material, the Sb raw material, and the Al raw material are made constant is the same as that of the In raw material and the Sb raw material, while the supply amount is increased continuously and / or stepwise. If it is more than the supply amount of the Al raw material at the time of supply, it will not restrict | limit. However, the supply amount of the Al raw material after making the supply amount of the Al raw material constant is preferably a desired supply amount that determines the ratio of each element of the AlInSb layer. Although the specific supply amount of the Al raw material when supplying the Al raw material while increasing the supply amount continuously and / or stepwise is not particularly limited, the proportion of the Al raw material in the group III raw material is preferably 0.10 or more It can be in the range of 0.75 or less, more preferably 0.10 or more and 0.65 or less.

(原料)
本実施形態の化合物半導体基板の製造方法において、In原料、Sb原料およびAl原料は、InSb層およびAlInSb層を形成可能なものであれば特に制限されない。In原料としては、トリメチルインジウム(TMIn)、トリエチルインジウム(TEIn)が挙げられる。Sb原料としては、トリメチルアンチモン(TMSb)、トリエチルアンチモン(TESb)、トリスジメチルアミノアンチモン(TDMASb)、トリイソプロピルアンチモン(TIPSb)が挙げられる。Al原料としては、トリメチルアミンアラン(TMAAl)、トリイソブチルアルミニウム(TIBAl)、ジメチルアルミニウムハイドライド(DMAH)、ジメチルエチルアミンアラン(DMEAAl)、トリターシャリーブチルアルミニウム(TTBAl)が挙げられる。
(material)
In the compound semiconductor substrate manufacturing method of the present embodiment, the In raw material, the Sb raw material, and the Al raw material are not particularly limited as long as they can form an InSb layer and an AlInSb layer. Examples of the In raw material include trimethylindium (TMIn) and triethylindium (TEIn). Examples of the Sb raw material include trimethylantimony (TMSb), triethylantimony (TESb), trisdimethylaminoantimony (TDMASb), and triisopropylantimony (TIPSb). Examples of the Al raw material include trimethylamine allane (TMAAl), triisobutylaluminum (TIBAl), dimethylaluminum hydride (DMAH), dimethylethylaminealane (DMEAAl), and tritertiary butylaluminum (TTBAl).

原料分解温度の観点から、In原料はトリメチルインジウム(TMIn)、トリエチルインジウム(TEIn)またはそれらの組み合わせであることが好ましい。原料の長期安定性の観点から、Al原料はトリターシャリーブチルアルミニウム(TTBAl)であることが好ましい。炭素不純物抑制の観点から、Sb原料はトリスジメチルアミノアンチモン(TDMASb)であることが好ましい。
非特許文献1で報告されているようにトリターシャリーブチルアルミニウム(TTBAl)とトリスジメチルアミノアンチモン(TDMASb)の組み合わせではAlInSb層の白濁化が生じるため良好なAlInSb層は得られなかった。しかし、本実施形態では、上述した第1の化合物半導体層成長工程と第2の化合物半導体層成長工程とを備えることで、トリターシャリーブチルアルミニウム(TTBAl)とトリスジメチルアミノアンチモン(TDMASb)の組み合わせでも、AlInSb層の白濁化が抑制され、さらにAlInSb層における炭素不純物も抑制されるため好ましい。
From the viewpoint of the raw material decomposition temperature, the In raw material is preferably trimethylindium (TMIn), triethylindium (TEIn), or a combination thereof. From the viewpoint of the long-term stability of the raw material, the Al raw material is preferably tritertiary butyl aluminum (TTBAl). From the viewpoint of suppressing carbon impurities, the Sb raw material is preferably trisdimethylaminoantimony (TDMASb).
As reported in Non-Patent Document 1, the combination of tritertiary butylaluminum (TTBAl) and trisdimethylaminoantimony (TDMASb) causes white turbidity of the AlInSb layer, and thus a good AlInSb layer cannot be obtained. However, in the present embodiment, a combination of tritertiary butyl aluminum (TTBAl) and trisdimethylaminoantimony (TDMASb) is provided by including the first compound semiconductor layer growth step and the second compound semiconductor layer growth step described above. However, it is preferable because white turbidity of the AlInSb layer is suppressed and carbon impurities in the AlInSb layer are also suppressed.

本実施形態の化合物半導体基板の製造方法において、TTBAl原料は他原料との反応性が高い。そのため成長室への導入直前までAl原料と、In原料やSb原料を混合しないことが好ましく、In原料、Sb原料およびAl原料をそれぞれ独立した供給ラインにて供給することがより好ましい。基板が配置される成長室への導入直前までAl原料と、In原料やSb原料を混合しないことや、基板が配置される成長室へのIn原料、Sb原料およびAl原料の各供給を、それぞれ独立した供給ラインにて行うことで、基板への原料到達前に原料どうしが反応し、消失することを抑制するという効果を奏する。独立した供給ラインとは、成長室に接続される、ある原料の供給ラインが、他の原料の供給ラインとが直接接続されない配管を意味する。
また、導電型を制御するために、上述した原料に加えて、ジメチルジンク(DMZn)、ジエチルジンク(DEZn)、ジメチルテルル(DMTe)、ジエチルテルル(DETe)、テトラメチルスズ(TMSn)テトラエチルスズ(TESn)、等のドーパントを供給してもよい。
In the manufacturing method of the compound semiconductor substrate of this embodiment, the TTBAl raw material has high reactivity with other raw materials. Therefore, it is preferable not to mix the Al raw material, the In raw material, and the Sb raw material until just before introduction into the growth chamber, and it is more preferable to supply the In raw material, the Sb raw material, and the Al raw material through independent supply lines. Until the introduction to the growth chamber where the substrate is arranged, Al raw material, In raw material and Sb raw material are not mixed, and each supply of In raw material, Sb raw material and Al raw material to the growth chamber where the substrate is arranged, By using an independent supply line, there is an effect of suppressing the reaction and disappearance of raw materials before reaching the substrate. An independent supply line means a pipe connected to a growth chamber, in which a supply line of one raw material is not directly connected to a supply line of another raw material.
In order to control the conductivity type, in addition to the above-mentioned raw materials, dimethyl zinc (DMZn), diethyl zinc (DEZn), dimethyl tellurium (DMTe), diethyl tellurium (DETe), tetramethyltin (TMSn) tetraethyltin ( A dopant such as TESn) may be supplied.

(基板)
本実施形態の化合物半導体基板の製造方法において、基板は、有機金属気相成長法を用いてInSb層およびAlInSb層を成長可能なものであれば特に制限されない。InSbと同じ結晶対称性を持っていることが好ましく、さらに安価かつ大型の基板が入手しやすいことから例えばGaAsやInSbが好ましい材料として挙げられる。電子デバイス作製の観点から、基板は電気抵抗率が1×105Ωcm以上のGaAsであることがさらに好ましい。
(substrate)
In the compound semiconductor substrate manufacturing method of the present embodiment, the substrate is not particularly limited as long as it can grow an InSb layer and an AlInSb layer using metal organic vapor phase epitaxy. It is preferable to have the same crystal symmetry as InSb, and further, for example, GaAs and InSb are preferable materials because a cheap and large-sized substrate is easily available. From the viewpoint of manufacturing an electronic device, the substrate is more preferably GaAs having an electrical resistivity of 1 × 10 5 Ωcm or more.

(製造方法、製造装置の一例)
図1(a)〜(c)は、本実施形態に係る化合物半導体基板の製造方法を工程順に示す断面模式図である。図1(a)に示すように、まず、基板1を用意する。次に、図1(b)に示すように、有機金属気相成長法を用いて、In原料とSb原料とを基板1上に供給し、この基板1上に第1の化合物半導体層11を成長させる(第1の化合物半導体層成長工程)。
次に、第1の化合物半導体層11の基板温度を420℃以上525℃以下に保持した状態で、第1の化合物半導体層11上に、In原料とSb原料に加えて、供給量を連続的および/または段階的に増やしながらAl原料を供給する。そして、Al原料の供給量を連続的および/または段階的に増やした後で、第1の化合物半導体層11上へのIn原料とSb原料およびAl原料の各供給量を一定にする。これにより、図1(c)に示すように、第1の化合物半導体層11上に第2の化合物半導体層21として、AlXIn1-XSb層(0<x≦0.7)を形成する(第2の化合物半導体層成長工程)。
(Example of manufacturing method and manufacturing equipment)
FIG. 1A to FIG. 1C are schematic cross-sectional views showing a method of manufacturing a compound semiconductor substrate according to this embodiment in the order of steps. As shown in FIG. 1A, first, a substrate 1 is prepared. Next, as shown in FIG. 1B, an In raw material and an Sb raw material are supplied onto the substrate 1 by metal organic vapor phase epitaxy, and the first compound semiconductor layer 11 is formed on the substrate 1. Growing (first compound semiconductor layer growth step).
Next, in the state where the substrate temperature of the first compound semiconductor layer 11 is maintained at 420 ° C. or more and 525 ° C. or less, the supply amount is continuously added on the first compound semiconductor layer 11 in addition to the In material and the Sb material. And / or supply Al raw material while increasing in steps. Then, after the supply amount of the Al raw material is increased continuously and / or stepwise, the supply amounts of the In raw material, the Sb raw material, and the Al raw material on the first compound semiconductor layer 11 are made constant. As a result, as shown in FIG. 1C, an Al x In 1-x Sb layer (0 <x ≦ 0.7) is formed as the second compound semiconductor layer 21 on the first compound semiconductor layer 11. (Second compound semiconductor layer growth step).

図2は、本実施形態で用いるMOCVD装置の構成例を示す模式図である。図2に示すように、MOCVD装置は、成長室51と、成長室51内に配置された加熱可能なステージ52と、成長室51内を排気する排気用配管53および排気ポンプ54と、成長室51内に原料ガスを供給する供給ライン60とを備える。供給ライン60は、In原料を供給するためのIn用配管61と、Sb原料を供給するためのSb用配管62と、Al原料を供給するためのAl用配管63とを有し、成長室51に到達するまで各原料を混合することなく供給することが可能となっている。   FIG. 2 is a schematic diagram showing a configuration example of the MOCVD apparatus used in the present embodiment. As shown in FIG. 2, the MOCVD apparatus includes a growth chamber 51, a heatable stage 52 disposed in the growth chamber 51, an exhaust pipe 53 and an exhaust pump 54 for exhausting the growth chamber 51, and a growth chamber. 51 is provided with a supply line 60 for supplying a raw material gas. The supply line 60 includes an In pipe 61 for supplying an In raw material, an Sb pipe 62 for supplying an Sb raw material, and an Al pipe 63 for supplying an Al raw material. It is possible to supply each raw material without mixing until it reaches.

図3(a)〜(c)は、Al原料の供給量の変化を模式的に示す図である。図3(a)〜(c)において、横軸は時間を示し、縦軸はAl原料の単位時間当たりの供給量を示す。
図3(a)はAl原料の供給量を連続的に増やす場合を示している。Al原料の供給量を連続的に増やす場合は、その増加の割合は一定でもよいし、一定でなくてもよい。
図3(b)はAl原料の供給量を段階的に増やす場合を示している。Al原料の供給量を段階的に増やす場合は、図3(b)に示すように1段階で増やしてもよいし、多段階で増やしてもよい。
図3(c)はAl原料の供給量を連続的および段階的に増やす場合を示している。
3A to 3C are diagrams schematically showing changes in the supply amount of the Al raw material. 3A to 3C, the horizontal axis indicates time, and the vertical axis indicates the supply amount of Al raw material per unit time.
FIG. 3A shows a case where the supply amount of the Al raw material is continuously increased. When the supply amount of the Al raw material is continuously increased, the increase rate may be constant or not constant.
FIG.3 (b) has shown the case where the supply amount of Al raw material is increased in steps. When increasing the supply amount of the Al raw material stepwise, it may be increased in one step as shown in FIG. 3B, or may be increased in multiple steps.
FIG. 3 (c) shows a case where the supply amount of the Al raw material is increased continuously and stepwise.

<化合物半導体基板>
本実施形態の化合物半導体基板は、基板と、基板上に形成された、InとSbを含みAlを含まない第1の化合物半導体層と、第1の化合物半導体層上に形成された、AlとInとSbを含む第2の化合物半導体層とを備える化合物半導体基板であって、第2の化合物半導体層に含まれる水素原子が1×1015cm-3以上5×1019cm-3以下であり、第2の化合物半導体層に含まれる炭素原子が1×1015cm-3以上5×1018cm-3以下であり、第2の化合物半導体層に含まれる窒素原子が1×1015cm-3以上5×1018cm-3以下である。
<Compound semiconductor substrate>
The compound semiconductor substrate of this embodiment includes a substrate, a first compound semiconductor layer that includes In and Sb and does not include Al, and Al that is formed on the first compound semiconductor layer. A compound semiconductor substrate comprising a second compound semiconductor layer containing In and Sb, wherein hydrogen atoms contained in the second compound semiconductor layer are 1 × 10 15 cm −3 or more and 5 × 10 19 cm −3 or less. The carbon atom contained in the second compound semiconductor layer is 1 × 10 15 cm −3 or more and 5 × 10 18 cm −3 or less, and the nitrogen atom contained in the second compound semiconductor layer is 1 × 10 15 cm. −3 to 5 × 10 18 cm −3 .

従来は炭素原子の混入は不可避であり、それゆえに、AlとInとSbを含む第2の化合物半導体層中に含まれる原子の技術的意義は着目されていなかった。これに対し、本実施形態の化合物半導体基板は、第2の化合物半導体層に含まれる水素原子が1×1015cm-3以上5×1019cm-3以下であり、炭素原子が1×1015cm-3以上5×1018cm-3以下であり、窒素原子が1×1015cm-3以上5×1018cm-3以下とすることで、基板の白濁化を抑制しつつ、高移動度な化合物半導体基板を実現可能にする。 Conventionally, mixing of carbon atoms is inevitable, and therefore, the technical significance of atoms contained in the second compound semiconductor layer containing Al, In, and Sb has not been noticed. On the other hand, in the compound semiconductor substrate of this embodiment, the hydrogen atoms contained in the second compound semiconductor layer are 1 × 10 15 cm −3 or more and 5 × 10 19 cm −3 or less, and the carbon atoms are 1 × 10 10. It is 15 cm −3 or more and 5 × 10 18 cm −3 or less, and the nitrogen atom is 1 × 10 15 cm −3 or more and 5 × 10 18 cm −3 or less. A mobile compound semiconductor substrate can be realized.

本実施形態の化合物半導体基板は、光デバイスへの応用適合性の観点から、第2の化合物半導体層の表面の平均二乗粗さRrmsが0.1nm以上10nm以下であることが好ましい。
本実施形態の化合物半導体基板は、光デバイスへの応用適合性の観点から、第2の化合物半導体層のIII族元素の総量に対するAl組成比が0.1%以上70%以下であり、
第2の化合物半導体層のX線回折によるωスキャンロッキングカーブ測定から算出される半値幅FWHMが、下記の式(1)で算出される範囲であることが好ましい。
a×Al組成比[%]+{−90×ln(t)+730}[arcsec]
≦FWHM[arcsec]≦a×Al組成比[%]+{−90×ln(t)+830}[arcsec]
(a=23.5[arcsec/%]、t=第2の化合物半導体層膜厚(nm))
In the compound semiconductor substrate of the present embodiment, the mean square roughness Rrms of the surface of the second compound semiconductor layer is preferably 0.1 nm or more and 10 nm or less from the viewpoint of application suitability to an optical device.
In the compound semiconductor substrate of the present embodiment, the Al composition ratio with respect to the total amount of group III elements in the second compound semiconductor layer is 0.1% or more and 70% or less from the viewpoint of application suitability to an optical device.
The full width at half maximum FWHM calculated from the ω-scan rocking curve measurement by X-ray diffraction of the second compound semiconductor layer is preferably within a range calculated by the following formula (1).
a × Al composition ratio [%] + {− 90 × ln (t) +730} [arcsec]
≦ FWHM [arcsec] ≦ a × Al composition ratio [%] + {− 90 × ln (t) +830} [arcsec]
(A = 23.5 [arcsec /%], t = second compound semiconductor layer thickness (nm))

また、本実施形態の化合物半導体基板は、光デバイスへの応用適合性の観点から、第2の化合物半導体層のIII族元素の総量に対するAl組成比が20%以上70%以下であり、第2の化合物半導体層のX線回折によるωスキャンロッキングカーブ測定から算出される半値幅FWHMが、下記式(2)を満たすことも好ましい。
FWHM[arcsec]≦a×Al組成比[%]+{−90×ln(t)+830}[arcsec]
(a=23.5[arcsec/%]、t=第2の化合物半導体層膜厚(nm))
In the compound semiconductor substrate of this embodiment, the Al composition ratio with respect to the total amount of Group III elements in the second compound semiconductor layer is 20% or more and 70% or less from the viewpoint of application suitability to an optical device. It is also preferable that the half width FWHM calculated from the ω-scan rocking curve measurement by X-ray diffraction of the compound semiconductor layer satisfies the following formula (2).
FWHM [arcsec] ≦ a × Al composition ratio [%] + {− 90 × ln (t) +830} [arcsec]
(A = 23.5 [arcsec /%], t = second compound semiconductor layer thickness (nm))

本実施形態の化合物半導体基板において、第1の化合物半導体層は、基板上に形成され、InとSbを含みAlを含まない層である。具体的にはInSbおよびInSbとの混晶からなる層が挙げられる。また、n型導電層とするために、Te、Sn等の所望のドーパントを含んでいてもよく、p型導電層とするために、Zn、Si等の所望のドーパントを含んでいてもよい。
本実施形態の化合物半導体基板において、第2の化合物半導体層は、第1の化合物半導体層上に形成され、AlとInとSbを含む層である。具体的にはAlInSbおよび、AlInSbとGaおよびAsの混晶からなる層が挙げられる。また、n型導電層とするために、Te、Sn等の所望のドーパントを含んでいてもよく、p型導電層とするために、Zn、Si等の所望のドーパントを含んでいてもよい。
以下、本実施形態の化合物半導体基板およびその製造方法をより詳細に説明するために、具体的な実施例を参酌しながら説明する。
In the compound semiconductor substrate of this embodiment, the first compound semiconductor layer is a layer formed on the substrate and containing In and Sb and not containing Al. Specifically, a layer made of a mixed crystal of InSb and InSb can be given. Moreover, in order to make it an n-type conductive layer, a desired dopant such as Te or Sn may be included, and in order to make a p-type conductive layer, a desired dopant such as Zn or Si may be included.
In the compound semiconductor substrate of this embodiment, the second compound semiconductor layer is a layer formed on the first compound semiconductor layer and containing Al, In, and Sb. Specifically, a layer made of AlInSb and a mixed crystal of AlInSb and Ga and As can be given. Moreover, in order to make it an n-type conductive layer, a desired dopant such as Te or Sn may be included, and in order to make a p-type conductive layer, a desired dopant such as Zn or Si may be included.
Hereinafter, the compound semiconductor substrate and the manufacturing method thereof according to the present embodiment will be described in detail with reference to specific examples.

(実施例1)
閃亜鉛鉱型である半絶縁GaAs基板を用意した。この半絶縁GaAs基板の電気抵抗率は8×107Ωcmである。この半絶縁GaAs基板上に、基板温度340℃においてInSbの原料としてトリメチルインジウム(TMIn)、トリスジメチルアミノアンチモン(TDMASb)を供給し、V/III比=5.0の条件で第1の化合物半導体層としてInSb層を形成した。V/III比は、III族元素供給量に対するV族元素の供給量の比のことである。このInSb層の形成には、MOCVD装置を用いた。このInSb層の膜厚は700nmであった。
Example 1
A zinc-blende semi-insulating GaAs substrate was prepared. The semi-insulating GaAs substrate has an electric resistivity of 8 × 10 7 Ωcm. On this semi-insulating GaAs substrate, trimethylindium (TMIn) and trisdimethylaminoantimony (TDMASb) are supplied as InSb raw materials at a substrate temperature of 340 ° C., and the first compound semiconductor is used under the condition of V / III ratio = 5.0. An InSb layer was formed as a layer. The V / III ratio is a ratio of the supply amount of the group V element to the supply amount of the group III element. An MOCVD apparatus was used to form this InSb layer. The thickness of this InSb layer was 700 nm.

このInSb層上に、基板温度500℃においてAlInSbの原料として、トリターシャリーブチルアルミニウム(TTBAl)、トリメチルインジウム(TMIn)、トリスジメチルアミノアンチモン(TDMASb)を供給し、第2の化合物半導体層としてAlInSb層を形成した。このAlInSb層の形成には、MOCVD装置を用いた。このAlInSb層を成長させる際に、AlとInの原料比がAl/(Al+In)=0.50となるように、Al原料をIn原料とSb原料と共に供給した。   On this InSb layer, tritertiary butylaluminum (TTBAl), trimethylindium (TMIn), and trisdimethylaminoantimony (TDMASb) are supplied as AlInSb raw materials at a substrate temperature of 500 ° C., and AlInSb is used as the second compound semiconductor layer. A layer was formed. An MOCVD apparatus was used to form this AlInSb layer. When the AlInSb layer was grown, the Al material was supplied together with the In material and the Sb material so that the Al / In material ratio was Al / (Al + In) = 0.50.

1分間の成長の後に、AlInSb層の各元素比率を決める所望の供給量であるAl/(Al+In)=0.70まで、Al原料の供給量を増加させる。このときV/III比=5.0の条件で成膜を行った。通常、原料はIII族、V族原料を族毎にそれぞれの配管で成長室まで供給するが、今回はTTBAlのみをブロックバルブを経由することなく、成長室直前まで単独で供給を行った。すなわち、Sb原料は成長室に単独で供給し、Al原料とIn原料は成長室直前までは単独で供給した。このAlInSb層の膜厚は700nmであった。   After the growth for 1 minute, the supply amount of the Al raw material is increased to Al / (Al + In) = 0.70, which is a desired supply amount that determines the ratio of each element of the AlInSb layer. At this time, the film was formed under the condition of V / III ratio = 5.0. Normally, the raw materials of Group III and Group V are supplied to the growth chamber by the respective pipes for each group, but this time, only TTBAl was supplied alone until immediately before the growth chamber without passing through the block valve. That is, the Sb raw material was supplied alone to the growth chamber, and the Al raw material and the In raw material were supplied separately until just before the growth chamber. The thickness of this AlInSb layer was 700 nm.

このようにして形成された試料(AlInSb層)について、XRD測定を用いてAl組成を調査したところ、Al組成は18%であり、ωスキャンロッキングカーブから算出される半値幅は620arcsecであった。この試料(AlInSb層)についてSIMS測定を行ったところ、水素原子が3×1018cm-3、炭素原子が9×1016cm-3、窒素原子が5×1017cm-3であった。この試料(AlInSb層)の表面についてAFM測定を行ったところ、平均二乗粗さは0.3nmであった。実施例1において得られた化合物半導体基板は、式(1)(2)を満たしていた。 For the sample thus formed (AlInSb layer), the Al composition was examined using XRD measurement. As a result, the Al composition was 18%, and the half width calculated from the ω-scan rocking curve was 620 arcsec. When SIMS measurement was performed on this sample (AlInSb layer), hydrogen atoms were 3 × 10 18 cm −3 , carbon atoms were 9 × 10 16 cm −3 , and nitrogen atoms were 5 × 10 17 cm −3 . When AFM measurement was performed on the surface of this sample (AlInSb layer), the mean square roughness was 0.3 nm. The compound semiconductor substrate obtained in Example 1 satisfied the formulas (1) and (2).

(実施例2)
AlInSb形成時のAlとInの原料比をAl/(Al+In)=0.63とした以外は、実施例1と同様の方法で化合物半導体基板を製造した。このAlInSb層の膜厚は700nmであった。このようにして形成された試料(AlInSb層)について、XRD測定を用いてAl組成を調査したところ、Al組成は1%であり、ωスキャンロッキングカーブから算出される半値幅は205arcsecであった。この試料(AlInSb層)についてSIMS測定を行ったところ、水素原子が3×1016cm-3、炭素原子が1×1015cm-3、窒素原子が1×1017cm-3であった。この試料(AlInSb層)の表面についてAFM測定を行ったところ、平均二乗粗さは0.1nmであった。実施例2において得られた化合物半導体基板は、式(1)を満たしていた。
(Example 2)
A compound semiconductor substrate was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the raw material ratio of Al and In at the time of AlInSb formation was Al / (Al + In) = 0.63. The thickness of this AlInSb layer was 700 nm. For the sample thus formed (AlInSb layer), the Al composition was examined using XRD measurement. As a result, the Al composition was 1%, and the half width calculated from the ω-scan rocking curve was 205 arcsec. When SIMS measurement was performed on this sample (AlInSb layer), hydrogen atoms were 3 × 10 16 cm −3 , carbon atoms were 1 × 10 15 cm −3 , and nitrogen atoms were 1 × 10 17 cm −3 . When AFM measurement was performed on the surface of this sample (AlInSb layer), the mean square roughness was 0.1 nm. The compound semiconductor substrate obtained in Example 2 satisfied the formula (1).

(実施例3)
AlInSb形成時のAlとInの原料比をAl/(Al+In)=0.75とした以外は、実施例1と同様の方法で化合物半導体基板を製造した。このAlInSb層の膜厚は700nmであった。このようにして形成された試料(AlInSb層)について、XRD測定を用いてAl組成を調査したところ、Al組成は40%であり、ωスキャンロッキングカーブから算出される半値幅は1120arcsecであった。この試料(AlInSb層)についてSIMS測定を行ったところ、水素原子が2×1018cm-3、炭素原子が4×1017cm-3、窒素原子が3×1017cm-3であった。この試料(AlInSb層)の表面についてAFM測定を行ったところ、平均二乗粗さは1.5nmであった。実施例3において得られた化合物半導体基板は、式(1)(2)を満たしていた。
(Example 3)
A compound semiconductor substrate was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the raw material ratio of Al and In at the time of AlInSb formation was Al / (Al + In) = 0.75. The thickness of this AlInSb layer was 700 nm. For the sample thus formed (AlInSb layer), the Al composition was examined using XRD measurement. As a result, the Al composition was 40% and the half width calculated from the ω-scan rocking curve was 1120 arcsec. When SIMS measurement was performed on this sample (AlInSb layer), hydrogen atoms were 2 × 10 18 cm −3 , carbon atoms were 4 × 10 17 cm −3 , and nitrogen atoms were 3 × 10 17 cm −3 . When AFM measurement was performed on the surface of this sample (AlInSb layer), the mean square roughness was 1.5 nm. The compound semiconductor substrate obtained in Example 3 satisfied the formulas (1) and (2).

(実施例4)
AlInSb形成時のAlとInの原料比をAl/(Al+In)=0.90とした以外は、実施例1と同様の方法で化合物半導体基板を製造した。このAlInSb層の膜厚は700nmであった。このようにして形成された試料(AlInSb層)について、XRD測定を用いてAl組成を調査したところ、Al組成は70%であり、ωスキャンロッキングカーブから算出される半値幅は1800arcsecであった。この試料(AlInSb層)についてSIMS測定を行ったところ、水素原子が2×1019cm-3、炭素原子が5×1018cm-3、窒素原子が3×1018cm-3であった。この試料(AlInSb層)の表面についてAFM測定を行ったところ、平均二乗粗さは3.0nmであった。実施例4において得られた化合物半導体基板は、式(1)(2)を満たしていた。
Example 4
A compound semiconductor substrate was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the raw material ratio of Al and In at the time of AlInSb formation was Al / (Al + In) = 0.90. The thickness of this AlInSb layer was 700 nm. For the sample thus formed (AlInSb layer), the Al composition was examined using XRD measurement. As a result, the Al composition was 70%, and the half width calculated from the ω-scan rocking curve was 1800 arcsec. When SIMS measurement was performed on this sample (AlInSb layer), hydrogen atoms were 2 × 10 19 cm −3 , carbon atoms were 5 × 10 18 cm −3 , and nitrogen atoms were 3 × 10 18 cm −3 . When AFM measurement was performed on the surface of this sample (AlInSb layer), the mean square roughness was 3.0 nm. The compound semiconductor substrate obtained in Example 4 satisfied the formulas (1) and (2).

(実施例5)
AlInSb形成時の基板温度を420℃とした以外は、実施例1と同様の方法で化合物半導体基板を製造した。このAlInSb層の膜厚は700nmであった。このようにして形成された試料(AlInSb層)について、XRD測定を用いてAl組成を調査したところ、Al組成は3%であり、ωスキャンロッキングカーブから算出される半値幅は230arcsecであった。この試料(AlInSb層)についてSIMS測定を行ったところ、水素原子が2×1017cm-3、炭素原子が5×1016cm-3、窒素原子が2×1017cm-3であった。この試料(AlInSb層)の表面についてAFM測定を行ったところ、平均二乗粗さは0.2nmであった。実施例5において得られた化合物半導体基板は、式(1)を満たしていた。
(Example 5)
A compound semiconductor substrate was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the substrate temperature during the formation of AlInSb was 420 ° C. The thickness of this AlInSb layer was 700 nm. For the sample thus formed (AlInSb layer), the Al composition was examined using XRD measurement. As a result, the Al composition was 3%, and the half width calculated from the ω-scan rocking curve was 230 arcsec. When SIMS measurement was performed on this sample (AlInSb layer), hydrogen atoms were 2 × 10 17 cm −3 , carbon atoms were 5 × 10 16 cm −3 , and nitrogen atoms were 2 × 10 17 cm −3 . When AFM measurement was performed on the surface of this sample (AlInSb layer), the mean square roughness was 0.2 nm. The compound semiconductor substrate obtained in Example 5 satisfied the formula (1).

(実施例6)
AlInSb形成時の基板温度を525℃とした以外は、実施例1と同様の方法で化合物半導体基板を製造した。このAlInSb層の膜厚は700nmであった。このようにして形成された試料(AlInSb層)について、XRD測定を用いてAl組成を調査したところ、Al組成は25%であり、ωスキャンロッキングカーブから算出される半値幅は720arcsecであった。この試料(AlInSb層)についてSIMS測定を行ったところ、水素原子が3×1018cm-3、炭素原子が9×1016cm-3、窒素原子が8×1017cm-3であった。この試料(AlInSb層)の表面についてAFM測定を行ったところ、平均二乗粗さは0.4nmであった。実施例6において得られた化合物半導体基板は、式(1)(2)を満たしていた。
(Example 6)
A compound semiconductor substrate was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the substrate temperature during the formation of AlInSb was 525 ° C. The thickness of this AlInSb layer was 700 nm. For the sample thus formed (AlInSb layer), the Al composition was examined using XRD measurement. As a result, the Al composition was 25%, and the half width calculated from the ω-scan rocking curve was 720 arcsec. When SIMS measurement was performed on this sample (AlInSb layer), hydrogen atoms were 3 × 10 18 cm −3 , carbon atoms were 9 × 10 16 cm −3 , and nitrogen atoms were 8 × 10 17 cm −3 . When AFM measurement was performed on the surface of this sample (AlInSb layer), the mean square roughness was 0.4 nm. The compound semiconductor substrate obtained in Example 6 satisfied the formulas (1) and (2).

(実施例7)
閃亜鉛鉱型である半絶縁GaAs基板を用意した。この半絶縁GaAs基板の電気抵抗率は8×107Ωcmである。この半絶縁GaAs基板上に、基板温度340℃においてInSbの原料としてトリメチルインジウム(TMIn)、トリスジメチルアミノアンチモン(TDMASb)を供給して、第1の化合物半導体層としてInSb層を形成した。このInSb層の形成には、MOCVD装置を用いた。
このInSb層上に、基板温度500℃においてAlInSbの原料として、トリターシャリーブチルアルミニウム(TTBAl)、トリメチルインジウム(TMIn)、トリメチルアンチモン(TMSb)を供給して、第2の化合物半導体層としてAlInSb層を形成した。このAlInSb層の形成には、MOCVD装置を用いた。このAlInSb層を成長させる際に、AlとInの原料比がAl/(Al+In)=0.50となるようなAl原料をIn原料とSb原料と共に供給した。1分間の成長の後に、AlInSb層の各元素比率を決める所望の供給量であるAl/(Al+In)=0.70まで供給量を増加させた。
(Example 7)
A zinc-blende semi-insulating GaAs substrate was prepared. The semi-insulating GaAs substrate has an electric resistivity of 8 × 10 7 Ωcm. On this semi-insulating GaAs substrate, trimethylindium (TMIn) and trisdimethylaminoantimony (TDMASb) were supplied as InSb raw materials at a substrate temperature of 340 ° C. to form an InSb layer as a first compound semiconductor layer. An MOCVD apparatus was used to form this InSb layer.
On this InSb layer, tritertiary butylaluminum (TTBAl), trimethylindium (TMIn), and trimethylantimony (TMSb) are supplied as AlInSb raw materials at a substrate temperature of 500 ° C., and the AlInSb layer is used as the second compound semiconductor layer. Formed. An MOCVD apparatus was used to form this AlInSb layer. When the AlInSb layer was grown, an Al raw material with an Al / In raw material ratio of Al / (Al + In) = 0.50 was supplied together with the In raw material and the Sb raw material. After the growth for 1 minute, the supply amount was increased to Al / (Al + In) = 0.70, which is a desired supply amount that determines the ratio of each element in the AlInSb layer.

通常、原料はIII族、V族原料を族毎にそれぞれの配管で成長室まで供給するが、今回はTTBAlのみをブロックバルブを経由することなく、成長室直前まで単独で供給を行った。このAlInSb層の膜厚は700nmであった。
このようにして形成された試料(AlInSb層)について、XRD測定を用いてAl組成を調査したところ、Al組成は10%であり、ωスキャンロッキングカーブから算出される半値幅は400arcsecであった。この試料(AlInSb層)についてSIMS測定を行ったところ、水素原子が1×1019cm-3、炭素原子が3×1018cm-3、窒素原子が1×1015cm-3であった。この試料(AlInSb層)の表面についてAFM測定を行ったところ、平均二乗粗さは0.3nmであった。実施例7において得られた化合物半導体基板は、式(1)を満たしていた。
Normally, the raw materials of Group III and Group V are supplied to the growth chamber by the respective pipes for each group, but this time, only TTBAl was supplied alone until immediately before the growth chamber without passing through the block valve. The thickness of this AlInSb layer was 700 nm.
For the sample thus formed (AlInSb layer), the Al composition was examined using XRD measurement. As a result, the Al composition was 10%, and the half width calculated from the ω-scan rocking curve was 400 arcsec. When SIMS measurement was performed on this sample (AlInSb layer), hydrogen atoms were 1 × 10 19 cm −3 , carbon atoms were 3 × 10 18 cm −3 , and nitrogen atoms were 1 × 10 15 cm −3 . When AFM measurement was performed on the surface of this sample (AlInSb layer), the mean square roughness was 0.3 nm. The compound semiconductor substrate obtained in Example 7 satisfied the formula (1).

(比較例1)
閃亜鉛鉱型である半絶縁GaAs基板を用意した。この半絶縁GaAs基板の電気抵抗率は8×107Ωcmである。この半絶縁GaAs基板上に、基板温度340℃においてInSbの原料としてトリメチルインジウム(TMIn)、トリスジメチルアミノアンチモン(TDMASb)を供給して、InSb層を形成した。このInSb層の形成には、MOCVD装置を用いた。
このInSb層上に、基板温度500℃においてAlInSbの原料として、トリターシャリーブチルアルミニウム(TTBAl)、トリメチルインジウム(TMIn)、トリスジメチルアミノアンチモン(TDMASb)を供給してAlInSb層を形成した。このAlInSb層の形成には、MOCVD装置を用いた。Al/(Al+In)=0.70となるようなAlとInの原料比で、AlInSb層を形成した。
(Comparative Example 1)
A zinc-blende semi-insulating GaAs substrate was prepared. The semi-insulating GaAs substrate has an electric resistivity of 8 × 10 7 Ωcm. On this semi-insulating GaAs substrate, trimethylindium (TMIn) and trisdimethylaminoantimony (TDMASb) were supplied as InSb raw materials at a substrate temperature of 340 ° C. to form an InSb layer. An MOCVD apparatus was used to form this InSb layer.
On this InSb layer, tritertiary butylaluminum (TTBAl), trimethylindium (TMIn), and trisdimethylaminoantimony (TDMASb) were supplied as AlInSb raw materials at a substrate temperature of 500 ° C. to form an AlInSb layer. An MOCVD apparatus was used to form this AlInSb layer. An AlInSb layer was formed at a raw material ratio of Al and In such that Al / (Al + In) = 0.70.

通常、原料はIII族、V族原料を族毎にそれぞれの配管で成長室まで供給するが、今回はTTBAlのみをブロックバルブを経由することなく、成長室直前まで単独で供給を行った。このようにして形成された試料(AlInSb層)について、外観は白濁しており、XRD測定からAlInSbのピークを分離すること、ωスキャンロッキングカーブから半値幅を算出することは困難であった。また、この試料(AlInSb層)の表面は凹凸が大きいことから、正確な膜厚およびSIMS測定を行うことが困難であった。この試料(AlInSb層)の表面についてAFM測定を行ったところ、平均二乗粗さは15.0nmであった。   Normally, the raw materials of Group III and Group V are supplied to the growth chamber by the respective pipes for each group, but this time, only TTBAl was supplied alone until immediately before the growth chamber without passing through the block valve. The sample thus formed (AlInSb layer) was cloudy in appearance, and it was difficult to separate the AlInSb peak from the XRD measurement and to calculate the half width from the ω scan rocking curve. Further, since the surface of this sample (AlInSb layer) has large irregularities, it is difficult to perform accurate film thickness and SIMS measurement. When AFM measurement was performed on the surface of this sample (AlInSb layer), the mean square roughness was 15.0 nm.

(比較例2)
閃亜鉛鉱型である半絶縁GaAs基板を用意した。この半絶縁GaAs基板の電気抵抗率は8×107Ωcmである。この半絶縁GaAs基板上に、基板温度340℃においてInSbの原料としてトリメチルインジウム(TMIn)、トリスジメチルアミノアンチモン(TDMASb)を用いて、InSb層を形成した。このInSb層の形成には、MOCVD装置を用いた。
このInSb層上に、基板温度535℃においてAlInSbの原料として、トリターシャリーブチルアルミニウム(TTBAl)、トリメチルインジウム(TMIn)、トリスジメチルアミノアンチモン(TDMASb)を供給してAlInSb層を形成した。このAlInSb層の形成には、MOCVD装置を用いた。このAlInSb層を成長させる際に、Al/(Al+In)=0.50となるようなAl原料をIn原料とSb原料と共に供給した。1分間の成長の後に、所望の原料比であるAl/(Al+In)=0.70まで、Alの供給量を増加させた。このときV/III比=5.0の条件で成膜を行った。
(Comparative Example 2)
A zinc-blende semi-insulating GaAs substrate was prepared. The semi-insulating GaAs substrate has an electric resistivity of 8 × 10 7 Ωcm. On this semi-insulating GaAs substrate, an InSb layer was formed at a substrate temperature of 340 ° C. using trimethylindium (TMIn) and trisdimethylaminoantimony (TDMASb) as InSb raw materials. An MOCVD apparatus was used to form this InSb layer.
On this InSb layer, tritertiary butylaluminum (TTBAl), trimethylindium (TMIn), and trisdimethylaminoantimony (TDMASb) were supplied as AlInSb raw materials at a substrate temperature of 535 ° C. to form an AlInSb layer. An MOCVD apparatus was used to form this AlInSb layer. When the AlInSb layer was grown, an Al raw material such that Al / (Al + In) = 0.50 was supplied together with the In raw material and the Sb raw material. After the growth for 1 minute, the supply amount of Al was increased to Al / (Al + In) = 0.70 which is a desired raw material ratio. At this time, the film was formed under the condition of V / III ratio = 5.0.

通常、原料はIII族、V族原料を族毎にそれぞれの配管で成長室まで供給するが、今回はTTBAlのみをブロックバルブを経由することなく、成長室直前まで単独で供給を行った。
このようにして形成された試料(AlInSb層)について、外観は白濁しており、XRD測定からAlInSbのピークを分離すること、ωスキャンロッキングカーブから半値幅を算出することは困難であった。また、この試料(AlInSb層)の表面は凹凸が大きいことから、正確な膜厚およびSIMS測定を行うことが困難であった。この試料(AlInSb層)の表面についてAFM測定を行ったところ、平均二乗粗さは13.5nmであった。
Normally, the raw materials of Group III and Group V are supplied to the growth chamber by the respective pipes for each group, but this time, only TTBAl was supplied alone until immediately before the growth chamber without passing through the block valve.
The sample thus formed (AlInSb layer) was cloudy in appearance, and it was difficult to separate the AlInSb peak from the XRD measurement and to calculate the half width from the ω scan rocking curve. Further, since the surface of this sample (AlInSb layer) has large irregularities, it is difficult to perform accurate film thickness and SIMS measurement. When AFM measurement was performed on the surface of this sample (AlInSb layer), the mean square roughness was 13.5 nm.

(比較例3)
閃亜鉛鉱型である半絶縁GaAs基板を用意した。この半絶縁GaAs基板の電気抵抗率は8×107Ωcmである。この半絶縁GaAs基板上に、基板温度340℃においてInSbの原料としてトリメチルインジウム(TMIn)、トリスジメチルアミノアンチモン(TDMASb)を用いて、InSb層を形成した。このInSb層の形成には、MOCVD装置を用いた。
このInSb層上に、基板温度400℃においてAlInSbの原料として、トリターシャリーブチルアルミニウム(TTBAl)、トリメチルインジウム(TMIn)、トリスジメチルアミノアンチモン(TDMASb)を供給してAlInSb層を形成した。このAlInSb層の形成には、MOCVD装置を用いた。このAlInSb層を成長させる際に、Al/(Al+In)=0.50となるようなAl原料をIn原料とSb原料と共に供給した。1分間の成長の後に、所望の原料比であるAl/(Al+In)=0.70まで供給量を増加させる。このときV/III比=5.0の条件で成膜を行った。
(Comparative Example 3)
A zinc-blende semi-insulating GaAs substrate was prepared. The semi-insulating GaAs substrate has an electric resistivity of 8 × 10 7 Ωcm. On this semi-insulating GaAs substrate, an InSb layer was formed at a substrate temperature of 340 ° C. using trimethylindium (TMIn) and trisdimethylaminoantimony (TDMASb) as InSb raw materials. An MOCVD apparatus was used to form this InSb layer.
On this InSb layer, tritertiary butylaluminum (TTBAl), trimethylindium (TMIn), and trisdimethylaminoantimony (TDMASb) were supplied as AlInSb raw materials at a substrate temperature of 400 ° C. to form an AlInSb layer. An MOCVD apparatus was used to form this AlInSb layer. When the AlInSb layer was grown, an Al raw material such that Al / (Al + In) = 0.50 was supplied together with the In raw material and the Sb raw material. After the growth for 1 minute, the supply amount is increased to Al / (Al + In) = 0.70 which is a desired raw material ratio. At this time, the film was formed under the condition of V / III ratio = 5.0.

通常、原料はIII族、V族原料を族毎にそれぞれの配管で成長室まで供給するが、今回はTTBAlのみをブロックバルブを経由することなく、成長室直前まで単独で供給を行った。
このようにして形成された試料(AlInSb層)について、外観は白濁しており、XRD測定からAlInSbのピークを分離すること、ωスキャンロッキングカーブから半値幅を算出することは困難であった。また、この試料(AlInSb層)の表面は凹凸が大きいことから、正確な膜厚およびSIMS測定を行うことが困難であった。この試料(AlInSb層)の表面についてAFM測定を行ったところ、平均二乗粗さは10.5nmであった。
Normally, the raw materials of Group III and Group V are supplied to the growth chamber by the respective pipes for each group, but this time, only TTBAl was supplied alone until immediately before the growth chamber without passing through the block valve.
The sample thus formed (AlInSb layer) was cloudy in appearance, and it was difficult to separate the AlInSb peak from the XRD measurement and to calculate the half width from the ω scan rocking curve. Further, since the surface of this sample (AlInSb layer) has large irregularities, it is difficult to perform accurate film thickness and SIMS measurement. When AFM measurement was performed on the surface of this sample (AlInSb layer), the mean square roughness was 10.5 nm.

(比較例4)
閃亜鉛鉱型である半絶縁GaAs基板を用意した。この半絶縁GaAs基板の電気抵抗率は8×107Ωcmである。この半絶縁GaAs基板上に、基板温度340℃においてInSbの原料としてトリメチルインジウム(TMIn)、トリスジメチルアミノアンチモン(TDMASb)を用いて、InSb層を形成した。このInSb層の形成には、MOCVD装置を用いた。
このInSb層上に、基板温度500℃においてAlInSbの原料として、トリターシャリーブチルアルミニウム(TTBAl)、トリメチルインジウム(TMIn)、トリスジメチルアミノアンチモン(TDMASb)を供給してAlInSb層を形成した。
このAlInSb層の形成には、MOCVD装置を用いた。このAlInSb層を成長させる際に、Al/(Al+In)=0.50となるようなAl原料をIn原料とSb原料と共に供給した。1分間の成長の後に、所望の原料比であるAl/(Al+In)=0.92までAl原料の供給量を増加させる。このときV/III比=5.0の条件で成膜を行った。
(Comparative Example 4)
A zinc-blende semi-insulating GaAs substrate was prepared. The semi-insulating GaAs substrate has an electric resistivity of 8 × 10 7 Ωcm. On this semi-insulating GaAs substrate, an InSb layer was formed at a substrate temperature of 340 ° C. using trimethylindium (TMIn) and trisdimethylaminoantimony (TDMASb) as InSb raw materials. An MOCVD apparatus was used to form this InSb layer.
On this InSb layer, tritertiary butylaluminum (TTBAl), trimethylindium (TMIn), and trisdimethylaminoantimony (TDMASb) were supplied as AlInSb raw materials at a substrate temperature of 500 ° C. to form an AlInSb layer.
An MOCVD apparatus was used to form this AlInSb layer. When the AlInSb layer was grown, an Al raw material such that Al / (Al + In) = 0.50 was supplied together with the In raw material and the Sb raw material. After the growth for 1 minute, the supply amount of the Al raw material is increased to Al / (Al + In) = 0.92 which is a desired raw material ratio. At this time, the film was formed under the condition of V / III ratio = 5.0.

通常、原料はIII族、V族原料を族毎にそれぞれの配管で成長室まで供給するが、今回はTTBAlのみをブロックバルブを経由することなく、成長室直前まで単独で供給を行った。
このようにして形成された試料(AlInSb層)について、外観は白濁しており、XRD測定からAlInSbのピークを分離すること、ωスキャンロッキングカーブから半値幅を算出することは困難であったためXRFによるAl組成測定を行ったところ、Al組成が75%であることを算出した。また、この試料(AlInSb層)の表面は凹凸が大きいことから、正確な膜厚およびSIMS測定を行うことが困難であった。この試料(AlInSb層)の表面についてAFM測定を行ったところ、平均二乗粗さは12.5nmであった。
Normally, the raw materials of Group III and Group V are supplied to the growth chamber by the respective pipes for each group, but this time, only TTBAl was supplied alone until immediately before the growth chamber without passing through the block valve.
The sample thus formed (AlInSb layer) was cloudy in appearance, and it was difficult to separate the AlInSb peak from the XRD measurement and to calculate the full width at half maximum from the ω scan rocking curve. When the Al composition was measured, it was calculated that the Al composition was 75%. Further, since the surface of this sample (AlInSb layer) has large irregularities, it is difficult to perform accurate film thickness and SIMS measurement. When AFM measurement was performed on the surface of this sample (AlInSb layer), the mean square roughness was 12.5 nm.

(比較例5)
閃亜鉛鉱型である半絶縁GaAs基板を用意した。この半絶縁GaAs基板の電気抵抗率は8×107Ωcmである。この半絶縁GaAs基板上に、基板温度350℃においてV/III比=4.0の条件で第1の化合物半導体層としてInSb層を形成した。このInSb層の形成には、MBE装置を用いた。このInSb層の膜厚は700nmであった。このInSb層上に、基板温度350℃においてAlInSb層を形成した。
このAlInSb層の形成には、MBE装置を用いた。このAlInSb層を成長させる際に、Al/(Al+In)=0.08となるようなAl原料をIn原料とSb原料と共に供給した。このときV/III比=4.0の条件で成膜を行った。このAlInSb層の膜厚は700nmであった。
(Comparative Example 5)
A zinc-blende semi-insulating GaAs substrate was prepared. The semi-insulating GaAs substrate has an electric resistivity of 8 × 10 7 Ωcm. On this semi-insulating GaAs substrate, an InSb layer was formed as a first compound semiconductor layer at a substrate temperature of 350 ° C. under the condition of V / III ratio = 4.0. An MBE apparatus was used to form this InSb layer. The thickness of this InSb layer was 700 nm. An AlInSb layer was formed on the InSb layer at a substrate temperature of 350 ° C.
An MBE apparatus was used to form this AlInSb layer. When the AlInSb layer was grown, an Al material such that Al / (Al + In) = 0.08 was supplied together with the In material and the Sb material. At this time, the film was formed under the condition of V / III ratio = 4.0. The thickness of this AlInSb layer was 700 nm.

このようにして形成された試料(AlInSb層)について、XRD測定を用いてAl組成を調査したところ、Al組成は8%であり、ωスキャンロッキングカーブから算出される半値幅は475arcsecであった。この試料(AlInSb層)についてSIMS測定を行ったところ、水素原子、炭素原子、窒素原子がそれぞれ1×1015未満であることを確認した。この試料(AlInSb層)の表面についてAFM測定を行ったところ、平均二乗粗さは0.1nmであった。比較例5において得られた化合物半導体基板は、式(1)を満たしていなかった。 For the sample thus formed (AlInSb layer), the Al composition was examined using XRD measurement. As a result, the Al composition was 8%, and the half width calculated from the ω-scan rocking curve was 475 arcsec. When SIMS measurement was performed on this sample (AlInSb layer), it was confirmed that each of hydrogen atoms, carbon atoms, and nitrogen atoms was less than 1 × 10 15 . When AFM measurement was performed on the surface of this sample (AlInSb layer), the mean square roughness was 0.1 nm. The compound semiconductor substrate obtained in Comparative Example 5 did not satisfy the formula (1).

(比較例6)
AlInSb層を成長させる際に、Al/(Al+In)=0.25となるようなAl原料量に変更した以外は比較例5と同様の方法で化合物半導体基板を製造した。このようにして形成された試料(AlInSb層)について、XRD測定を用いてAl組成を調査したところ、Al組成は25%であり、ωスキャンロッキングカーブから算出される半値幅は1400arcsecであった。この試料(AlInSb層)についてSIMS測定を行ったところ、水素原子、炭素原子、窒素原子がそれぞれ1×1015未満であることを確認した。この試料(AlInSb層)の表面についてAFM測定を行ったところ、平均二乗粗さは1.0nmであった。比較例6において得られた化合物半導体基板は、式(1)(2)を満たしていなかった。
(Comparative Example 6)
A compound semiconductor substrate was manufactured in the same manner as in Comparative Example 5 except that the Al raw material amount was changed to Al / (Al + In) = 0.25 when the AlInSb layer was grown. For the sample thus formed (AlInSb layer), the Al composition was examined using XRD measurement. As a result, the Al composition was 25%, and the half width calculated from the ω-scan rocking curve was 1400 arcsec. When SIMS measurement was performed on this sample (AlInSb layer), it was confirmed that each of hydrogen atoms, carbon atoms, and nitrogen atoms was less than 1 × 10 15 . When AFM measurement was performed on the surface of this sample (AlInSb layer), the mean square roughness was 1.0 nm. The compound semiconductor substrate obtained in Comparative Example 6 did not satisfy the formulas (1) and (2).

(結果)
上記実施例1〜7および比較例1〜6の製造方法の条件および得られた化合物半導体基板の測定結果を表1に示す。
(result)
Table 1 shows the conditions of the production methods of Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 6 and the measurement results of the obtained compound semiconductor substrates.

Figure 2018104278
Figure 2018104278

上述した実施例・比較例および表1より、例えば以下のことが理解される。
(1)実施例1〜7は、表面温度420℃以上525℃以下において、In原料とSb原料に加えて、供給量を連続的および/または段階的に増やしながらAl原料を供給し、Al原料の供給量を増やした後でIn原料とSb原料とAl原料の各供給量を一定にすることによりAlInSb層を形成した。実施例1〜7によれば、Al原料を常に一定に供給した比較例1や、表面温度535℃とした比較例2、表面温度を400℃とした比較例3と比較して、良好な結晶性を示し、かつ表面平坦性に優れたAlInSb層を含む化合物半導体基板が得られた。
(2)MOCVDを用いた実施例1〜7(特に実施例3,4,6)によれば、従来方法のMBEでは良好な結晶性を保つのが困難であったAl組成比が20%以上のAlInSb層(比較例6)と比較して、良好な結晶性のAlInSb層を含む化合物半導体基板が得られた。
From the above-mentioned Examples and Comparative Examples and Table 1, for example, the following can be understood.
(1) In Examples 1 to 7, in the surface temperature of 420 ° C. or more and 525 ° C. or less, in addition to the In raw material and the Sb raw material, the Al raw material is supplied while increasing the supply amount continuously and / or stepwise. After increasing the supply amount of Al, the AlInSb layer was formed by keeping the supply amounts of the In raw material, the Sb raw material, and the Al raw material constant. According to Examples 1-7, compared with Comparative Example 1 in which the Al raw material was constantly supplied constantly, Comparative Example 2 with a surface temperature of 535 ° C., and Comparative Example 3 with a surface temperature of 400 ° C., a good crystal Thus, a compound semiconductor substrate including an AlInSb layer exhibiting excellent properties and excellent surface flatness was obtained.
(2) According to Examples 1 to 7 (particularly Examples 3, 4 and 6) using MOCVD, the Al composition ratio, which was difficult to maintain good crystallinity with the conventional MBE, was 20% or more. Compared with the AlInSb layer (Comparative Example 6), a compound semiconductor substrate including an AlInSb layer having good crystallinity was obtained.

本発明は、磁気センサ、高速デバイス、IRセンサなどのデバイス等に応用される化合物半導体基板の製造方法および化合物半導体基板として好適である。   The present invention is suitable as a compound semiconductor substrate manufacturing method and a compound semiconductor substrate applied to devices such as a magnetic sensor, a high-speed device, and an IR sensor.

1 基板
11 第1化合物半導体層
21 第2化合物半導体層
51 成長室
52 ステージ
53 排気用配管
54 排気ポンプ
60 供給ライン
61 In用配管
62 Sb用配管
63 Al用配管
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 11 1st compound semiconductor layer 21 2nd compound semiconductor layer 51 Growth chamber 52 Stage 53 Exhaust piping 54 Exhaust pump 60 Supply line 61 In piping 62 Sb piping 63 Al piping

Claims (3)

基板と、
前記基板上に形成された、InとSbとを含み、Alを含まない第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、AlとInとSbとを含む第2の化合物半導体層とを備え、
前記第2の化合物半導体層に含まれる水素原子が1×1015cm-3以上5×1019cm-3以下であり、
前記第2の化合物半導体層に含まれる炭素原子が1×1015cm-3以上5×1018cm-3以下であり、
前記第2の化合物半導体層に含まれる窒素原子が1×1015cm-3以上5×1018cm-3以下であり、
前記第2の化合物半導体層の表面の平均二乗粗さRrmsが、0.1nm以上10nm以下である化合物半導体基板。
A substrate,
A first compound semiconductor layer containing In and Sb and not containing Al, formed on the substrate;
A second compound semiconductor layer containing Al, In, and Sb formed on the first compound semiconductor layer;
Hydrogen atoms contained in the second compound semiconductor layer are 1 × 10 15 cm −3 or more and 5 × 10 19 cm −3 or less,
The carbon atoms contained in the second compound semiconductor layer are 1 × 10 15 cm −3 or more and 5 × 10 18 cm −3 or less,
The nitrogen atom contained in the second compound semiconductor layer is 1 × 10 15 cm −3 or more and 5 × 10 18 cm −3 or less,
A compound semiconductor substrate in which a mean square roughness Rrms of a surface of the second compound semiconductor layer is 0.1 nm or more and 10 nm or less.
前記第2の化合物半導体層のIII族元素の総量に対するAl組成比が0.1%以上70%以下であり、
前記第2の化合物半導体層のX線回折によるωスキャンロッキングカーブ測定から算出される半値幅FWHMが、下記式(1)で算出される範囲である請求項1に記載の化合物半導体基板。
a×Al組成比[%]+{−90×ln(t)+730}[arcsec]
≦FWHM[arcsec]≦a×Al組成比[%]+{−90×ln(t)+830}[arcsec]・・・(1)
(a=23.5[arcsec/%]、t=第2の化合物半導体層膜厚(nm))
The Al composition ratio with respect to the total amount of Group III elements in the second compound semiconductor layer is 0.1% or more and 70% or less;
2. The compound semiconductor substrate according to claim 1, wherein a half-value width FWHM calculated from ω scan rocking curve measurement by X-ray diffraction of the second compound semiconductor layer is a range calculated by the following formula (1).
a × Al composition ratio [%] + {− 90 × ln (t) +730} [arcsec]
≦ FWHM [arcsec] ≦ a × Al composition ratio [%] + {− 90 × ln (t) +830} [arcsec] (1)
(A = 23.5 [arcsec /%], t = second compound semiconductor layer thickness (nm))
前記第2の化合物半導体層のIII族元素の総量に対するAl組成比が20%以上70%以下であり、
前記第2の化合物半導体層のX線回折によるωスキャンロッキングカーブ測定から算出される半値幅FWHMが、下記式(2)を満たす請求項1に記載の化合物半導体基板。
FWHM[arcsec]≦a×Al組成比[%]+{−90×ln(t)+830}[arcsec]・・・(2)
(a=23.5[arcsec/%]、t=第2の化合物半導体層膜厚(nm))
Al composition ratio with respect to the total amount of Group III elements of the second compound semiconductor layer is 20% or more and 70% or less,
2. The compound semiconductor substrate according to claim 1, wherein a full width at half maximum FWHM calculated from ω scan rocking curve measurement by X-ray diffraction of the second compound semiconductor layer satisfies the following formula (2).
FWHM [arcsec] ≦ a × Al composition ratio [%] + {− 90 × ln (t) +830} [arcsec] (2)
(A = 23.5 [arcsec /%], t = second compound semiconductor layer thickness (nm))
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