JP2569058B2 - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、Si上又はSi−Ge合金上に形成されたSi−Ge
−Ｃ合金層を有する半導体装置に係り、特に基板と合金
層との格子不整合が小さく、かつバンドギヤツプを0.9
〜1.6eV間で所望の値にすることが可能な半導体装置に
関する。
〔従来の技術〕
従来、Si上にエピタキシヤル成長させることが可能な
IV族系の半導体材料としてSi−Ge合金が知られている。
このSi上に成長させたSi−Ge合金薄膜のバンドギヤツプ
（Eg）は、Ge濃度の増加に伴つて1.12〜0.66eVに単調に
減少することが知られている（たとえばデイー・ブイ・
ラング，アール・ピープル，ジユイ・シー・ビーン，エ
ー・エム・サージエント；アプライド フイジツクス
レター（D.V.Lang,R.Reople,J.C.Bean and A.M.Sergen
t;Appl.Phys.Lett.），47,1333（1986））。
このSi−Ge合金膜のEgがSiより小さいことを利用し
て、SiとSi−Geの多層膜を用いたホトダイオードや、変
調ドーピング電界効果トランジスタ等が試作されてい
る。
〔発明が解決しようとする問題点〕
しかし、従来のSi上に成長させたSi−Ge合金薄膜で
は、Ge濃度の増加と共にSiとの格子不整合が大きくなり
薄膜中の歪みが大きくなるため、Ge濃度の大きなSi−Ge
合金薄膜では歪みのためにミスフイツト転位が生じやす
くなる。従つてSi上にSi−Ge合金薄膜を成長させた場
合、ミスフイツト転移が生じずに成長させることができ
る臨界膜長が存在する。この臨界膜厚はGe濃度の増加に
伴つて減少し、たとえばSiのEgとSi−Geのそれとの差が
約0.3eVになるGe濃度40％の合金薄膜の臨界膜厚は200〜
300Åである（アール・ピープル，ジエイ・シー・ビー
ン；アプライト フイジツクス レター（R.Pevple and
J.C.Bean;Appl.Phys.Lett）47 322（1985））。このよ
うに従来技術では、Si上にSi−Ge合金薄膜をこの臨界膜
厚以上に成長させた場合には、薄膜中に多数のミスフイ
ツト転位が生じ、結晶性の良い薄膜が得られないという
問題点があつた。
本発明の目的は、基板との格子不整合が小さく、基板
上にミスフイツト転位のない厚膜成長が可能であり、し
かもEgを連続的に変化させることが可能な新しい半導体
装置を提供することにある。
〔問題点を解決するための手段〕
上記目的は、半導体装置において、Siを主体とする半
導体材料より成る格子定数の大きな第１の半導体層に対
してSi−Ge合金にＣを添加させた半導体材料より成る第
２の半導体層をヘテロ接合させることにより達成され
る。
〔作用〕
SiやGeと同族（IV族）のＣ結晶（ダイヤモンド構造）
の格子定数はSiのそれよりも小さく、Siに比べて大きな
格子定数を持つSi−Ge合金にＣを添加することにより、
Si−Ge−Ｃ合金の格子定数をSiのそれと一致させること
が可能である。
しかも組成を変えることによつて、格子定数を一定に
保ちながらEgを連続的に変化させることが可能である。
即ち、Si−Ge−Ｃ合金において、GeとＣの組成比を一定
に保ちながらSiとの組成比を変化させることにより、Si
と同じ格子定数を持ち、しかもEgを連続的に変えること
が可能となる。
〔実施例〕 以下、実施例を用いて本発明の詳細を説明する。
実施例１ まず、化学洗浄を行つたSi（100）基板を分子線エピ
タキシー（MBE）装置へ導入し、超高真空下で熱処理に
よりSi表面を清浄にする。Siの結晶面としては（111）
面やその他の面でもかまわない。なお、分子線エピタキ
シー装置とは、到達真空速度が10-9Torr以下であり、蒸
発源として独立した複数個の分子線ないし原子線の発生
源を有する蒸発装置の一種である。本実施例で用いた分
子線エピタキシー装置は、到達真空度が５×10-11Torr
で、蒸発源として、Si,C用にそれぞれ別の電子銃を有
し、Ge用にクヌーセンセルを有するものである。
次に表面を清浄化したSi基板の温度を600℃に設定
し、温度が一定になつた時点からSi−Ge−Ｃの成長を開
始する。この際、Si,Ge,Cの原子線のビーム強度がほぼ8
0:18:2になるように設定した後、Si−Ge−Ｃ膜の成長を
行う。Si−Ge−Ｃ膜厚がほぼ１μｍになつたところで膜
成長を停止する。
このようにして作製したSi−Ge−Ｃの格子定数は、Si
基板のそれとほとんど一致しており、この結果、転位密
度の非常に低く結晶性の良い膜が得られた。
実施例２ 本実施例ではSiと格子定数が一致したSi−Ge−Ｃ膜の
組成を変えた場合において、組成とバンド・ギヤツプ
（Eg）の関係について述べる。
前実施例と同様の方法により、Si基板上にSi,Ge及び
Ｃの原子線を照射し、Si−Ge−Ｃ合金膜を成長させた。
この時、Si,Ge及びＣの組成比がそれぞれ60:36:4（膜
１）,40:54:6（膜２）,20:72:8（膜３）,0:90:10（膜
４）となるようにビーム強度を設定する。いずれもGe,C
の組成比は9:1である。Si−Ge−Ｃ合金の膜厚がほぼ１
μｍになつたところで膜成長を停止する。
このようにして作製された膜1,膜2,膜３及び膜４の格
子定数はSi基板のそれと一致しており、この結果、Si−
Ge−Ｃ合金膜の格子定数をSiのそれと一致させるにはGe
とＣの組成比を9:1にすれば良いことがわかつた。ま
た、これら膜1,膜２、膜３及び膜４のEgを測定したとこ
ろ、それぞれ約1.2eV,1.3eV,1.4eV及び1.35eVであり、S
iのEg＝1.12eVに比べて大きなEgであつた（第１図）。
また第１図より、Si濃度が90at％即ちＣ濃度が1at％以
上あれば、Siと格子整合し、かつSiとEgの異なるSi−Ge
−Ｃ合金膜を得ることができる。
本実施例により、Si−Ge−Ｃ合金膜において、組成を
変えることによりSiと同じ格子定数を持ち、かつEgを1.
1〜1.6eVの範囲で変化させることが可能である。
実施例３ 実施例１と同様の方法により、Si基板上にSi,Ge,Cの
組成比が80:18:2のSi−Ge−Ｃ合金膜を１μｍ成長させ
た。さらに、si−Ge−Ｃ合金膜上にSiのビームのみを照
射し、膜厚１μｍのSi膜を成長させた。
このようにして作製したSi膜は、転位密度が非常に低
く結晶性の良い膜であつた。
本実施例により、Siと格子定数を一致させたSi−Ge−
Ｃ膜上にSi膜をエピタキシヤル成長できる。
実施例４ 本実施例では、Si−Ge−Ｃ合金膜にドーピングを行つ
た場合について述べる。
実施例１と同様な方法により、Si基板上にSi−Ge−Ｃ
膜の成長を行う。この時、Si,Ge及びＣのビーム強度比
が80:18:2となるように設定する。また、同時にSbを分
子線源より供給し、ｎ型のSi−Ge−Ｃ合金膜を成長させ
た。このｎ型不純物の濃度は1018cm-3程度である。Si−
Ge−Ｃ膜厚がほぼ１μｍになつたところで膜成長を停止
する。
このようにして作製したSi−Ge−Ｃ合金膜は良い結晶
性を示し、その結晶性は不純物のドーピングによつて影
響を受けない。
また、Siと格子整合したSi−Ge−Ｃ合金膜とSi膜をSi
基板上に交互に成長させた多層膜において、Si膜のみに
ドーピングを行うスーパードーピングは、ドーパントの
活性率を増加するのに有効であつた。
実施例５ 以上の実施例では、いずれの場合にもSiの格子定数と
Si−Ge−Ｃ合金膜のそれとが一致している場合について
述べたが、格子定数の不整合が小さい場合にも、Si基板
上にSi−Ge−Ｃ膜をミスフイツトによる転位の発生なし
に成長する例について、以下に述べる。
実施例１と同様の方法により、Si−Ge−Ｃ合金膜をSi
基板上に成長させる。この時、SiとGe,Cの組成比が70:2
9:1で膜厚１μｍの膜５、同じ組成比で膜厚0.1μｍの膜
６、及びSi:Ge:C＝70:28:2で膜厚１μｍの膜７を作製し
た。
この様にして作製した膜のうち、膜５の格子定数はSi
のそれと比べて約0.8％の格子不整合があり、歪みのた
めに膜と基板との間に多数のミスフイツト転位が発生し
た。一方、同じ組成の膜６では、膜が薄いために基板と
平行方向の膜の格子定数がSiのそれと一致したコンメン
シユレートな成長をした。また、膜７では、膜の格子定
数とSi基板のそれとの相異によつて、膜中に約0.4％の
歪みが生じたが、歪みが小さいためにコンメンシユレー
トな成長をし、高結晶性の膜が得られた。
また、膜６及び膜７のEgは、Siのそれより0.1〜0.2eV
低い値であった。
以上の結果より、Si−Ge−Ｃ合金の格子定数とSiのそ
れとの不整合が１％程度である場合でも、膜が薄ければ
結晶性の良い膜が得られるが、望ましくは、膜と基板と
の格子不整合が0.5％以内であれば良い。上記の条件を
満たす組成の範囲は、格子不整合が１％以内である場合
は、GeのＣに対する原子数の割合が6.7から12の範囲で
あり、格子不整合が0.5％の場合には、Ge/C（原子数の
比）が7.6から10の範囲である。
本実施例により、Si上にエピタキシヤル成長する膜の
組成は、Ge/C（原子数比）が6.7から12の範囲、望まし
くは7.6から10の範囲であればよい。
以上、実施例１から実施例５においてMBEによるSi−G
e−Ｃ合金膜の作製について述べたが、熱CVDや光CVD,プ
ラズマCVD,マイクロ波CVD,MOCVD等の製膜方法を用いて
も、上記実施例で述べたのと同様のSi−Ge−Ｃ合金膜の
作製が可能である。これらのCVDや光CVD,プラズマCVDで
は、Si用としてシランガス、Ge用としてゲルマンガス、
Ｃ用としてメタンを用いるが、その他のガスたとえばハ
ロゲン化物，有機シラン，ゲルマンなどであつてもかま
わない。また、MOCVD法では、有機シリコン，有機ゲル
マニウム，メタン等を用いて、Si基板上にSi−Ge−Ｃ合
金膜を作製する。これらの方法によつてSi上に作製した
Si−Ge−Ｃ合金膜は、MBE法によつて作製した膜と同様
の性質を示した。
以上述べた様な方法でSi基板上に作製したSi−Ge−Ｃ
合金膜は、バイポーラトランジスタのベースやエミッ
タ、変調ドーピングFETのチヤネル等に有効であつた。
また、Si−Ge−Ｃ合金膜をｉ層に用いた受光素子におい
ても、非常に有効であつた。
次に、Si−Ge−Ｃ合金膜をSi−Ge上へ成長させた例に
ついて以下に述べる。
実施例６ 実施例１と同様の装置及びSi基板上にSi−Ge膜を成長
させる。この時、SiとGeのビーム強度が90:10になるよ
うに設定した。Si−Ge合金膜が0.1μｍになつたところ
で膜成長を停止する。このようにして作製したSi−Ge合
金膜上に、さらにSi−Ge−Ｃ合金膜を成長させる。この
ときSi,Ge,Cのビーム強度比が90:9:1となるように設定
した。Si−Ge−Ｃ膜の膜厚が１μｍとなつたところで成
長を停止した。
このようにして作製したSi−Ge−Ｃ合金膜の格子定数
は、Siのそれと一致しているが、Si−Ge合金膜のバルク
の格子定数とは約0.4％の不整合がある。しかし、Si−G
e合金膜は臨界膜厚より薄いため、基板と平行な方向の
格子定数はSiと一致して成長していた。従つてSi−Ge−
Ｃ合金膜とSi−Ge合金膜との界面にはミスフイツト転位
は発生しなかつた。
本実施例により、Si−Ge−Ｃ合金膜はSi−Ge合金膜上
へのエピタキシヤル成長が可能である。
〔発明の効果〕
本発明によれば、IV族系半導体材料のSi−Ge−Ｃ合金
膜を用いて、その組成を変えることによりSiとの格子不
整合が小さく、Si上にエピタキシヤル成長できる製造容
易な半導体装置を得ることができる。また、Si−Ge−Ｃ
合金膜の組成を適当に選ぶことにより、格子定数を一定
に保つたままでバンドギヤツプを0.9〜1.6eVの範囲で制
御可能な半導体装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図はSiと格子整合した、Si−Ge−Ｃ合金膜の組成と
バンドギヤツプの関係を表わした図である。

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】Siを主体とする半導体材料より成る第１の
    半導体層と、この第１の半導体層上に形成されかつSiと
    GeおよびＣを含有する結晶性合金より成る第２の半導体
    層とを有することを特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項２】特許請求の範囲第１項記載の半導体装置に
    おいて、前記第２の半導体層はＣの含有量が1atm％以上
    12atm％以下であることを特徴とする半導体装置。
  3. 【請求項３】特許請求の範囲第１項若しくは第２項記載
    の半導体装置において、前記第１の半導体層と前記第２
    の半導体層との格子定数の不整合は１％以下であること
    を特徴とする半導体装置。
  4. 【請求項４】特許請求の範囲第１項記載の半導体装置に
    おいて、前記第２の半導体層はＣに対するGeの含有量が
    原子数比で6.7以上12以下であることを特徴とする半導
    体装置。
  5. 【請求項５】特許請求の範囲第４項記載の半導体装置に
    おいて、前記含有量は原子数比で、7.6以上10以下であ
    ることを特徴とする半導体装置。
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