JP2629625B2 - Method for growing semiconductor layer on heterogeneous substrate - Google Patents

Method for growing semiconductor layer on heterogeneous substrate

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JP2629625B2 JP32117794A JP32117794A JP2629625B2 JP 2629625 B2 JP2629625 B2 JP 2629625B2 JP 32117794 A JP32117794 A JP 32117794A JP 32117794 A JP32117794 A JP 32117794A JP 2629625 B2 JP2629625 B2 JP 2629625B2
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【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、異種半導体単結晶基板
上に高品質な半導体単結晶層を成長する方法に関し、特
に格子定数の異なる異種半導体基板上に半導体単結晶層
を成長させる方法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for growing a high quality semiconductor single crystal layer on a heterogeneous semiconductor single crystal substrate, and more particularly to a method for growing a semiconductor single crystal layer on a heterogeneous semiconductor substrate having a different lattice constant. Things.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、Ge/Si、GaAs/Si、I
nP/GaAsなど格子定数の異なる結晶基板上ヘ半導
体単結晶層をヘテロエピタキシャル成長させる試みが活
発に行なわれている。これは、このような構造が形成で
きると例えばGaAs系超高速素子と格子定数の異なる
InP系の長波長帯光素子からなる光電子集積回路が実
現でき、また基板結晶の格子定数による制約から開放さ
れるため高性能化等に有利な任意組成(格子定数)の混
晶半導体層をデバイス層として用いることができるため
である。
2. Description of the Related Art In recent years, Ge / Si, GaAs / Si, I
Attempts have been actively made to heteroepitaxially grow a semiconductor single crystal layer on a crystal substrate having a different lattice constant such as nP / GaAs. This is because, if such a structure can be formed, an optoelectronic integrated circuit composed of, for example, an InP-based long-wavelength optical element having a different lattice constant from a GaAs-based ultra-high-speed element can be realized, and is free from the restrictions imposed by the lattice constant of the substrate crystal. Therefore, a mixed crystal semiconductor layer having an arbitrary composition (lattice constant) that is advantageous for high performance or the like can be used as a device layer.

【0003】さらに、Siに代表される無極性のIV族半
導体単結晶基板上にGaAsやInPに代表されるIII
−V族化合物半導体を成長できれば、III −V族高機能
素子を安価なSi基板上に作製でき、またSiの高い熱
伝導率によって光素子等の性能向上を図ることができ
る。また、Si超高集積回路とIII −V族化合物半導体
超高速素子や光素子を同一基板上に形成できれば、新し
い高機能素子の開発への道が拓かれることが予測され
る。
Further, a non-polar group IV semiconductor single crystal substrate typified by Si is formed on a non-polar group IV semiconductor single crystal substrate typified by GaAs or InP.
If a -V compound semiconductor can be grown, a III-V high-performance device can be manufactured on an inexpensive Si substrate, and the performance of an optical device and the like can be improved by the high thermal conductivity of Si. Also, if a Si ultra-high-integrated circuit and a III-V compound semiconductor ultra-high-speed device or optical device can be formed on the same substrate, it is expected that a path to the development of a new high-performance device will be opened.

【0004】しかしながら格子不整合系のヘテロエピタ
キシャル成長では格子不整界面において多数のミスフィ
ット転位が発生し、一般にはその多くが上部デバイス層
まで貫通するため結晶性は著しく低下する。
However, in heteroepitaxial growth of a lattice-mismatched system, a large number of misfit dislocations are generated at a lattice-misaligned interface, and in general, most of the misfit dislocations penetrate to an upper device layer, so that crystallinity is significantly reduced.

【0005】さらに、無極性の例えばSi基板上にIII
族とV族の2種類の元素から成る有極性結晶であるGa
Asを成長させる場合、通常用いられるSi(100)
基板上ではIII 族とV族の配列の位相がずれ極性が反転
した領域、いわゆるアンチ・フェイズ・ドメイン(AP
D)ができやすい。
[0005] Further, on a nonpolar Si substrate, for example, III
Ga, a polar crystal composed of two kinds of elements of group V and group V
When growing As, Si (100) which is usually used is used.
On the substrate, a region where the arrangement of the group III and group V is out of phase and the polarity is inverted, a so-called anti-phase domain (AP)
D) is easy to do.

【0006】この問題は、例えば雑誌「ジャパニーズ・
ジャーナル・オブ・アプライド・フィジクス(Jpn.
J.Appl.Phys.)」第24巻第6号(198
5年)の第L391−393頁に説明されている「二段
階成長法」と呼ばれる方法、すなわち(100)から<
011>方向にoffしたSi基板を用い、450℃以
下の低温でまず20nm程度の微細な多結晶、もしくは
非晶質状のGaAsバッファ層を堆積した後、通常の成
長温度、上記文献の場合は600℃でGaAs単結晶薄
膜を成長させる方法で一応回避でき、シングル・ドメイ
ン単結晶薄膜を得ることができる。しかし、この方法は
成長とともに一方のドメインのみが優勢となるメカニズ
ムを利用するものであり、Si/GaAs界面付近では
APDが発生しているため、APD発生段階で高密度の
結晶欠陥が生じそしてこれがミスフィット転位とともに
上部まで貫通することとなり、転移発生を抑制する効果
は期待できない。
[0006] This problem is caused, for example, by the magazine "Japanese
Journal of Applied Physics (Jpn.
J. Appl. Phys. ) "Vol. 24, No. 6 (198
5 years) on page L391-393, a method called "two-stage growth method", that is, from (100) to <
A fine polycrystalline or amorphous GaAs buffer layer of about 20 nm is first deposited at a low temperature of 450 ° C. or less using a Si substrate turned off in the <011> direction, and then a normal growth temperature. A method of growing a GaAs single crystal thin film at 600 ° C. can be avoided for the time being, and a single domain single crystal thin film can be obtained. However, this method utilizes a mechanism in which only one of the domains becomes dominant as the crystal grows. Since APD is generated near the Si / GaAs interface, high-density crystal defects are generated at the stage of APD generation. It penetrates to the upper part together with the misfit dislocation, and the effect of suppressing the occurrence of dislocation cannot be expected.

【0007】二段階成長法は、一般の格子不整合系のヘ
テロエピタキシャル成長でも従来の直接成長に比べれば
より平坦な表面が得られかつ良好な結晶性が得られる方
法として有効である。しかし無極性基板上を含めいずれ
の場合も転位密度は数μm厚の成長表面で約108 cm
-2にも達する。
The two-step growth method is effective as a method for obtaining a flatter surface and good crystallinity as compared with conventional direct growth even in general lattice-mismatched heteroepitaxial growth. However, the dislocation density is about 10 8 cm on the growth surface having a thickness of several μm in any case including on a nonpolar substrate.
-2 .

【0008】そこで、その後にSi基板上にGaAsを
成長させる場合には歪超格子中間層や熱サイクルアニー
ル法が導入されるようになり(両者を併用する場合もあ
る)、これらによって約106 cm-2まで転位密度は急
速に改善された(雑誌「アプライド・フィジクス・レタ
ーズ(Appl.Phys.Lett.)」第54巻第
1号(1989年)、第24−26頁)。しかしながら
約106 cm-2を下回る結果は容易には得られず、その
原因としてSi基板とIII −V族化合物半導体との熱膨
張係数差の問題が指摘された(雑誌「アプライド・フィ
ジクス・レターズ」第56巻第22号(1990年)、
第2225−2227頁)。即ち、熱サイクルアニール
の導入などによって成長温度(650℃)においては1
5 cm-2以下まで転位密度は減少しているが、成長後
の冷却中に熱膨張係数差によるストレスによって106
cm-2台の転位が導入されるというものである。これ
は、Si基板との界面付近に多数残留する転位が熱歪に
よって上昇してくるためと考えられている。なお、45
0℃程度以下の成長温度(GaAsの場合)では、転位
の運動速度が低下するため転位の導入が減り、その分が
大きな残留熱歪として残る。
Therefore, when GaAs is subsequently grown on the Si substrate, a strained superlattice intermediate layer and a thermal cycle annealing method are introduced (they may be used in combination), and these are used in about 10 6. The dislocation density improved rapidly to cm −2 (Applied Physics Letters, Magazine 54, No. 1 (1989), pp. 24-26). However, a result of less than about 10 6 cm -2 is not easily obtained, and the cause was pointed out by a problem of a difference in thermal expansion coefficient between the Si substrate and the III-V compound semiconductor ("Applied Physics Letters magazine"). Vol. 56, No. 22 (1990),
Pp. 2225-2227). That is, at the growth temperature (650 ° C.) due to the introduction of thermal cycle annealing, etc., 1
Although the dislocation density has decreased to 0 5 cm -2 or less, during cooling after growth, the dislocation density is reduced by 10 6 due to stress due to a difference in thermal expansion coefficient.
cm- 2 dislocations are introduced. It is considered that this is because a large number of dislocations remaining near the interface with the Si substrate rise due to thermal strain. Note that 45
At a growth temperature of about 0 ° C. or lower (in the case of GaAs), the movement speed of the dislocation decreases, so that the introduction of the dislocation decreases, and the dislocation remains as a large residual thermal strain.

【0009】さて、熱膨張係数差の問題を根本的に回避
するには低温で成長させればよい。たとえば雑誌「ジャ
パニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジク
ス」第30巻第4B号(1991年)の第L668−6
71頁に説明されている高真空中でGa原子とAs原子
を交互に供給するマイグレーション・エンハンスト・エ
ピタキシャル成長法(MEE法)を用いて歪超格子中間
層を形成する例では、途中580℃でのアニールを除き
すべて300℃の低温でGaAsの成長を行なってい
る。低温で転位の運動速度が低下しており、歪超格子中
間層の導入で貫通転位を効果的に界面方向に曲げること
ができる。その結果、転位密度は106 cm-2の壁を突
破して7×104 cm-2にまで低減化している。
Now, in order to fundamentally avoid the problem of the difference in the coefficient of thermal expansion, it is sufficient to grow at a low temperature. For example, the magazine "Japanese Journal of Applied Physics", Vol. 30, No. 4B (1991), L668-6
In the example described on page 71 in which a strained superlattice intermediate layer is formed by using a migration enhanced epitaxial growth method (MEE method) in which Ga atoms and As atoms are alternately supplied in a high vacuum, a temperature of 580 ° C. GaAs is grown at a low temperature of 300 ° C. except for annealing. At a low temperature, the dislocation movement speed is reduced, and the introduction of the strained superlattice intermediate layer allows the threading dislocation to be effectively bent toward the interface. As a result, the dislocation density has been reduced to 7 × 10 4 cm -2 by breaking through the 10 6 cm -2 wall.

【0010】また、雑誌「ジャパニーズ・ジャーナル・
オブ・アプライド・フィジクス」第31巻第5B号(1
992年)の第L628−631頁に説明されている、
Si上にまず二段階成長(200℃/580℃)法によ
りGaAsを成長させ、その上に330℃の低温で原子
状水素(水素ラジカル)を照射しながらGaAsを成長
させる方法では、結晶中に取り込まれた水素の何等かの
作用によって貫通転位が曲げられ、またはピン止めさ
れ、やはり7×104 cm-2の低い転位密度を得てい
る。しかし、Si基板上へGeを400℃以下の低温で
原子状水素を照射しながらMBE法により成長させる例
では、二次元的な成長を得ることに成功しているもの
の、転位密度の低減には至ってない(雑誌「アプライド
・フィジクス・レターズ」第64巻第1号(1994
年)の第52−54頁)。
[0010] The magazine "Japanese Journal.
Of Applied Physics, Vol. 31, No. 5B (1
992), pages L628-631.
In the method of growing GaAs on Si by a two-step growth (200 ° C./580° C.) method and then irradiating it with atomic hydrogen (hydrogen radicals) at a low temperature of 330 ° C., the GaAs is grown in the crystal. Threading dislocations are bent or pinned by any action of the incorporated hydrogen, again resulting in a low dislocation density of 7 × 10 4 cm −2 . However, in the example in which Ge is grown on a Si substrate by MBE while irradiating it with atomic hydrogen at a low temperature of 400 ° C. or less, two-dimensional growth has been successfully obtained, but reduction of dislocation density has been required. Not reached (Magazine "Applied Physics Letters" Vol. 64 No. 1 (1994
Pp. 52-54).

【0011】一方、Si基板上にInPを成長させる
(GaAsバッファ層を挿入するのが普通)場合には、
Si上にGaAsを成長させる場合に一定の成果のあっ
た歪超格子中間層や熱サイクルアニール法を導入して
も、転位密度は約107 cm-2程度とかなり高くなる
(雑誌「ジャーナル・オブ・クリスタル・グロース
(J.Crystal Growth)」第99巻(1
990年)、第365−370頁)。これは、熱膨張係
数差がより小さく、APD発生の問題もないGaAs基
板上のInP成長でも同様である(雑誌「ジャパニーズ
・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジクス」第32
巻第1B号(1993年)の第614−617頁)。従
って、SiまたはGaAs基板上へInPを成長させる
場合には、熱膨張係数差による熱歪問題以前に、歪超格
子中間層や熱サイクルアニールの導入による転位低減効
果が十分に得られていないと考えられる。
On the other hand, when InP is grown on a Si substrate (typically, a GaAs buffer layer is inserted),
Even when a strained superlattice intermediate layer or a thermal cycle annealing method, which has achieved certain results when GaAs is grown on Si, is introduced, the dislocation density is considerably high at about 10 7 cm -2 (Journal "Journal. Of Crystal Growth, Vol. 99 (1
990), 365-370). The same applies to the growth of InP on a GaAs substrate having a smaller difference in thermal expansion coefficient and no problem of APD generation (Japanese magazine “Japanese Journal of Applied Physics” No. 32).
Vol. 1B (1993), pp. 614-617). Therefore, when InP is grown on a Si or GaAs substrate, a dislocation reduction effect cannot be sufficiently obtained by introducing a strained superlattice intermediate layer or thermal cycle annealing before a thermal strain problem due to a difference in thermal expansion coefficient. Conceivable.

【0012】ところで、異種基板上へのヘテロエピタキ
シャル成長では格子不整合の大きな層をいきなり成長さ
せるのではなく、連続的あるいは階段状に組成(格子定
数)を緩やかに変化させる傾斜組成バッファ層を挟む方
法が古くから知られている。例えば、比較的最近ではI
nAlAs格子不整合緩衝層を用いる特開昭61−26
8069号公報に記載された方法、またInx Ga1-x
As傾斜組成層を用いる特開平3−46241号公報に
記載された方法などがある。さらに最近、GaAs基板
上に低温でInx Ga1-x As傾斜組成層を挟んでIn
0.5 Ga0.5 Asを成長させた例では、104 cm-2
下の非常に低い転位密度が報告されている(雑誌「ジャ
ーナル・オブ・アプライド・フィジクス」第72巻第5
号(1992年)の第1752−1757頁)。
By the way, in heteroepitaxial growth on a heterogeneous substrate, a layer having a large lattice mismatch is not suddenly grown but a gradient composition buffer layer for gradually changing the composition (lattice constant) continuously or stepwise is sandwiched. Has been known for a long time. For example, relatively recently
JP-A-61-26 using an nAlAs lattice mismatch buffer layer
The method described in 8069 JP, The In x Ga 1-x
There is a method described in JP-A-3-46241 using an As gradient composition layer. More recently, an In x Ga 1 -x As graded composition layer has been interposed at a low temperature on a GaAs substrate.
In the case of growing 0.5 Ga 0.5 As, a very low dislocation density of 10 4 cm −2 or less has been reported (Journal of Journal of Applied Physics, Vol. 72, No. 5).
(1992), pp. 1752-1757).

【0013】[0013]

【発明が解決しようとする課題】無極性または格子定数
の異なる結晶基板上に良質の半導体膜を得るために採用
された上記従来技術にはなお以下のような問題点があ
る。
The above prior art employed for obtaining a good quality semiconductor film on a non-polar or crystal substrate having a different lattice constant still has the following problems.

【0014】上記した低温MEE技術により歪超格子中
間層を導入して低転位密度の結晶を得る方法では、十分
に二次元的な成長を得るため高真空中でGa原子とAs
原子を交互に供給する必要があり、通常の同時供給法と
比較して実質的な成長速度が著しく遅く、またシャッタ
ー機構を酷使するため故障しやすいなど問題点があっ
た。また、低温での成長時には転位の運動速度が低下し
ており、そのため転位の運動が活発な600℃程度の通
常の成長温度まで昇温すると熱歪によって転位密度が再
び106 cm-2程度にまで増殖する。
In the above-mentioned method of obtaining a crystal having a low dislocation density by introducing a strained superlattice intermediate layer by the low-temperature MEE technique, Ga atoms and As atoms are grown in a high vacuum in order to obtain a sufficiently two-dimensional growth.
It is necessary to supply the atoms alternately, and there is a problem that the substantial growth rate is remarkably slow as compared with the ordinary simultaneous supply method, and the shutter mechanism is heavily used, which tends to cause a breakdown. In addition, during growth at low temperature, the dislocation movement speed is reduced. Therefore, when the dislocation movement is increased to a normal growth temperature of about 600 ° C. where the movement of the dislocation is active, the dislocation density is again reduced to about 10 6 cm −2 due to thermal strain. Proliferate to

【0015】また、原子状水素(水素ラジカル)を照射
する方法も転位の運動速度が低下する低温での現象であ
り、さらに水素の作用によって転位の運動が抑制される
ため、格子不整合歪の緩和が進まず残留熱歪が大きく増
加する。さらに400℃程度以上に加熱すると結晶中に
取り込まれた水素が急速に脱離、あるいは形態変化する
ため、残留熱歪によって転位密度が108 cm-2程度に
まで大きく増殖するという問題点があった。
The method of irradiating atomic hydrogen (hydrogen radicals) is also a phenomenon at a low temperature in which the dislocation movement speed is reduced. Further, since the dislocation movement is suppressed by the action of hydrogen, the lattice mismatch strain is reduced. The relaxation does not proceed, and the residual thermal strain increases greatly. Further, when heated to about 400 ° C. or more, the hydrogen taken into the crystal rapidly desorbs or changes its form, so that there is a problem in that the dislocation density increases greatly to about 10 8 cm −2 due to residual thermal strain. Was.

【0016】また、Si基板上へGeを低温で原子状水
素を照射しながらMBE法により成長させても、転位密
度の低減にはあまり効果がないとの上記の報告(雑誌
「アプライド・フィジクス・レターズ」第64巻第1号
(1994年)の第52−54頁)からみて、単に低温
での原子状水素の照射のみでは転移密度を有効に低減さ
せることはできないものと考えられる。
Further, the above-mentioned report that the growth of MB by the MBE method while irradiating Ge with atomic hydrogen at a low temperature on a Si substrate has little effect on the reduction of dislocation density (see Applied Physics. Letters, Vol. 64, No. 1, (1994), pp. 52-54), it is thought that the transition density cannot be effectively reduced simply by irradiation with atomic hydrogen at a low temperature.

【0017】一方、GaAs上に低温でInx Ga1-x
As傾斜組成層を挟む方法ではIn0.5 Ga0.5 Asか
らInPと格子整合するIn0.53Ga0.47AsまでIn
組成を増やすと急激に転位密度が増加するという問題点
がある。しかもこのIn0.5Ga0.5 As/GaAsの
報告を除くと、特開昭61−268069号公報および
特開平3−46241号公報に記載の方法なども含め傾
斜組成層を挟む方法で106 cm-2を下回る転位密度を
得たという報告はない。また従来この方法では成長表面
にクロスハッチが見られ、十分な表面平坦性が得られて
いない。
On the other hand, In x Ga 1 -x is formed on GaAs at a low temperature.
In the method of sandwiching the As graded composition layer, In is changed from In 0.5 Ga 0.5 As to In 0.53 Ga 0.47 As lattice-matched to InP.
When the composition is increased, there is a problem that the dislocation density rapidly increases. Moreover, excluding the report of In 0.5 Ga 0.5 As / GaAs, the method described in JP-A-61-268069 and JP-A-3-46241 includes the method of sandwiching the gradient composition layer at 10 6 cm −2. There is no report that a dislocation density lower than. Further, conventionally, in this method, a cross hatch is observed on the growth surface, and sufficient surface flatness is not obtained.

【0018】本発明はこのような状況に鑑みてなされた
ものであって、その目的は、格子定数の異なる異種半導
体単結晶基板上に高品質な半導体単結晶層を成長させる
方法を提供することである。
The present invention has been made in view of such a situation, and an object of the present invention is to provide a method for growing a high-quality semiconductor single crystal layer on heterogeneous semiconductor single crystal substrates having different lattice constants. It is.

【0019】[0019]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本願の第1の発明によれば、(1)半導体基板上に
直接あるいは基板側バッファ層を介して格子不整合バッ
ファ層を成長させる工程と、(2)前記格子不整合バッ
ファ層上に直接あるいはデバイス層側バッファ層を形成
した後その上に半導体デバイス層を成長させる工程と、
を含むものであって、前記格子不整合バッファ層および
/または前記デバイス層側バッファ層の成長時には、1
乃至複数回原子状水素を照射して、前記半導体基板また
は前記基板側バッファ層と前記半導体デバイス層との間
に原子状水素を照射しつつ形成した層と照射することな
く形成した層とが混在するようにこれらの層を成長させ
ることを特徴とする異種基板上への半導体層の成長方
法、が提供される。
To achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, (1) growing a lattice mismatch buffer layer on a semiconductor substrate directly or via a substrate-side buffer layer. And (2) growing a semiconductor device layer directly or on the device layer side buffer layer after forming it on the lattice mismatch buffer layer,
Wherein when growing the lattice mismatch buffer layer and / or the device layer side buffer layer, 1
A layer formed by irradiating atomic hydrogen between the semiconductor substrate or the substrate side buffer layer and the semiconductor device layer by irradiating atomic hydrogen a plurality of times and a layer formed without irradiating atomic hydrogen are mixed. A method of growing a semiconductor layer on a heterogeneous substrate, characterized by growing these layers as described above.

【0020】そして、好ましくは、前記格子不整合バッ
ファ層の成長を400℃以下の低温で行い、また、前記
半導体基板の結晶面方位は誤差1度以内で(100)近
傍に設定される。また、前記格子不整合バッファ層は、 格子定数が連続的に変化する連続傾斜組成部、 格子定数が階段状に変化する不連続傾斜組成部、 歪超格子層、 の中のいずれかあるいはそれらの組み合わせを含んで構
成される。
Preferably, the growth of the lattice mismatch buffer layer is performed at a low temperature of 400 ° C. or less, and the crystal plane orientation of the semiconductor substrate is set to around (100) within one degree of error. In addition, the lattice mismatch buffer layer may be any one of a continuous gradient composition part in which a lattice constant changes continuously, a discontinuous gradient composition part in which a lattice constant changes stepwise, and a strained superlattice layer. It is configured to include the combination.

【0021】また、本願の第2の発明によれば、GaA
s(GaP)基板上またはGaAs(GaP)バッファ
層上に、InxAly Ga1-x-y As(Inx Aly
1-x-y P)からInz Al1-z As(Inz Al1-z
P)に至る傾斜組成バッファ層を成長させ、その上に半
導体デバイス層を成長させる方法であって、 前記GaAs(GaP)基板または前記GaAs
(GaP)バッファ層の面方位を誤差1度以内で(10
0)近傍に設定し、 Inの組成比xを0からzまで連続的にあるいは階
段状に変化させ、 Alの組成比yは0から1−zまで連続的にあるい
は階段状に変化させ、かつ、 前記傾斜組成バッファ層を400℃以下の低温で成
長させる、 ことを特徴とする異種基板上への半導体層の成長方法
が、提供される。
According to the second aspect of the present invention, GaAs
s in (GaP) substrate or GaAs (GaP) buffer layer, In x Al y Ga 1- xy As (In x Al y G
a 1-xy P) to In z Al 1-z As (In z Al 1-z
Growing a gradient composition buffer layer up to P) and growing a semiconductor device layer thereon, wherein the GaAs (GaP) substrate or the GaAs
The plane orientation of the (GaP) buffer layer is adjusted within (10 degrees)
0) is set near, the composition ratio x of In is changed continuously or stepwise from 0 to z, the composition ratio y of Al is changed continuously or stepwise from 0 to 1-z, and Growing the gradient composition buffer layer at a low temperature of 400 ° C. or lower, a method for growing a semiconductor layer on a heterogeneous substrate is provided.

【0022】[0022]

【作用】例えば、GaAs上にInx Ga1-x As傾斜
組成層をMBE法により成長させる場合には、基板温度
を450℃程度以下の低めに設定し、また組成(格子定
数)の変化率も小さめに設定すれば、2次元的な成長が
得られ、表面のRHEEDパターンはほぼストリークを
維持できる。しかし厳密には僅かなうねりが発生し、こ
れが成長表面のクロスハッチとして観察される。そして
本発明者の成長実験および評価結果ではこのクロスハッ
チ部分、即ちうねり部分で貫通転位の多くが発生してい
た。即ち貫通転位を減らすには成長の二次元性をより向
上させる必要がある。
For example, when an In x Ga 1 -x As graded composition layer is grown on GaAs by MBE, the substrate temperature is set to a low value of about 450 ° C. or less, and the composition (lattice constant) change rate is reduced. If it is set smaller, two-dimensional growth can be obtained, and the RHEED pattern on the surface can maintain almost streak. Strictly, however, a slight undulation occurs, which is observed as a cross hatch on the growth surface. According to the growth experiments and evaluation results of the present inventor, most of threading dislocations occurred in the cross hatch portion, that is, the waviness portion. That is, in order to reduce threading dislocations, it is necessary to further improve the two-dimensional growth.

【0023】ところで、原子状水素の照射効果には、貫
通転移の曲げおよびピン止め効果の他に、そのメカニズ
ムは未だ十分に明らかではないが、二次元性をより向上
させる働きもあり、このことは前述のSi基板上へGe
をMBE成長させた例や特開昭63−117989号公
報にも記されている。
The irradiation effect of atomic hydrogen, besides the effect of bending and pinning of threading dislocations, has not yet been fully elucidated, but has a function of further improving two-dimensionality. Is Ge on the aforementioned Si substrate.
Is also described in an example of MBE growth and JP-A-63-117989.

【0024】そこで、本発明においては、傾斜組成層を
例えばMBE法により成長させる際に同時に原子状水素
を照射して成長の二次元性をより向上させる。このよう
にして形成された傾斜組成層ではクロスハッチとして観
察されるうねりを大幅に減らすことができ、従って貫通
転位を大きく減少させることができる。また、この原子
状水素の照射技術は歪超格子中間層を導入して貫通転位
を界面方向に曲げる場合にも適用できる。
Therefore, in the present invention, when the gradient composition layer is grown by, for example, the MBE method, the two-dimensionality of the growth is further improved by simultaneously irradiating atomic hydrogen. In the gradient composition layer formed in this manner, the undulation observed as a cross hatch can be significantly reduced, and thus threading dislocations can be greatly reduced. The irradiation technique of atomic hydrogen can also be applied to the case where a threaded dislocation is bent toward an interface by introducing a strained superlattice intermediate layer.

【0025】すなわち、成長条件の最適化と原子状水素
の照射とを組み合わせることにより、MEE法による成
長法に採用することなく同等の2次元性の成長を行わせ
ることができるようになる。ここで、成長温度を400
℃以下に抑えることにより、成長の2次元性をより完全
なものにすることができる。また、基板結晶の面方位に
ついても(100)面近傍を使用する場合、出来るだけ
正確な(100)面を用いた方が歪を伴う成長ではより
二次元的となるため、少なくとも誤差1度以内の(10
0)面を用いることが望ましい。
That is, by combining the optimization of the growth conditions and the irradiation of atomic hydrogen, the same two-dimensional growth can be performed without employing the growth method by the MEE method. Here, the growth temperature is 400
By controlling the temperature to not more than ℃, the two-dimensional growth can be made more complete. In addition, when the plane orientation of the substrate crystal is in the vicinity of the (100) plane, the use of the (100) plane that is as accurate as possible becomes more two-dimensional in growth with strain. (10
It is desirable to use the 0) plane.

【0026】而して、低温で原子状水素を照射しながら
成長させると、結晶中に取り込まれた水素によるおそら
くはピン止め作用によって転位の動きが大きく抑制され
る。この作用も貫通転位低減に寄与するのではあるが、
一方で本来格子不整合歪の緩和に必要な格子不整合界面
内方向への転位の発生をも抑制してしまう。そこで、本
発明においては、格子不整合界面を含む上下層にまたが
ってすべて原子状水素を照射しながら成長させるのでは
なく、その一部においてのみ照射を行う。このことによ
り、格子不整合歪の緩和に必要な転位を結晶内に導入す
ることができ、残留熱歪を少なくして、成長後のアニー
ルで貫通転位の再発生を抑制することができる。この原
子状水素の照射は、格子不整合界面を挟んだ上層側のみ
に行うことが効果的である。従って、例えば、階段状の
傾斜組成構造とする場合は各層の成長初期にのみ原子状
水素の照射を行うようにする。
Thus, when the crystal is grown at a low temperature while irradiating with atomic hydrogen, the movement of the dislocation is largely suppressed, possibly due to the pinning action by the hydrogen taken into the crystal. Although this action also contributes to the reduction of threading dislocations,
On the other hand, it also suppresses generation of dislocations in the inward direction of the lattice mismatch interface, which is originally required for relaxing lattice mismatch strain. Therefore, in the present invention, the irradiation is performed only on a part of the upper and lower layers including the lattice mismatch interface, instead of irradiating the entire surface with irradiation with atomic hydrogen. As a result, dislocations necessary for alleviating lattice mismatch strain can be introduced into the crystal, residual thermal strain can be reduced, and re-generation of threading dislocations can be suppressed by annealing after growth. It is effective that the irradiation of atomic hydrogen is performed only on the upper layer side across the lattice mismatch interface. Therefore, for example, in the case of a step-like gradient composition structure, irradiation of atomic hydrogen is performed only at the beginning of growth of each layer.

【0027】以上のように格子不整合バッファ層と原子
状水素の部分的な照射を組合わせることにより、成長の
二次元性を向上させまた貫通転移のピン止め効果を活用
することができるとともに、格子不整合歪の緩和に必要
な転移を結晶内に導入して残留応力を低減化することが
できる。
As described above, by combining the lattice mismatch buffer layer and the partial irradiation of atomic hydrogen, the two-dimensional growth can be improved and the pinning effect of threading dislocation can be utilized. The transition necessary for relaxing the lattice mismatch strain can be introduced into the crystal to reduce the residual stress.

【0028】また、GaAs(GaP)基板上またはG
aAs(GaP)バッファ層上に、異種半導体のデバイ
ス層を成長させる場合には、その間に、Inx Aly
1-x-y As(Inx Aly Ga1-x-y P)からInz
Al1-z As(Inz Al1-z P)に至る傾斜組成バッ
ファ層を介在させ、その傾斜組成バッファ層の成長条件
を最適化することにより、転位の少ない良質の結晶を得
ることができる。
Further, on a GaAs (GaP) substrate or G
When a heterogeneous semiconductor device layer is grown on the aAs (GaP) buffer layer, In x Al y G
a 1-xy As (In x Al y Ga 1-xy P) from In z
By interposing a gradient composition buffer layer reaching Al 1 -z As (In z Al 1 -z P) and optimizing the growth conditions of the gradient composition buffer layer, a good quality crystal with few dislocations can be obtained. .

【0029】[0029]

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て詳細に説明する。 [第1の実施例]図1(a)は、本発明の第1の実施例
により形成されたエピタキシャル成長基板の断面図であ
り、図1(b)はその要部拡大図である。本実施例で
は、原子状水素の照射が可能で、アルシン(AsH3
およびホスフィン(PH3 )をクラッキング(熱分解)
して供給可能なガスソースMBE装置を用い、GaAs
基板上へInx Aly Ga1-x-y As傾斜組成バッファ
層を挟んでInPを成長させた。
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. [First Embodiment] FIG. 1A is a cross-sectional view of an epitaxial growth substrate formed according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 1B is an enlarged view of a main part thereof. In this embodiment, irradiation of atomic hydrogen is possible, and arsine (AsH 3 )
And phosphine (PH 3 ) cracking (pyrolysis)
GaAs using a gas source MBE device
InP was grown on the substrate with the In x Al y Ga 1-xy As gradient composition buffer layer interposed therebetween.

【0030】図1(a)に示すように、GaAs(10
0)just基板1上に8段階(それぞれ膜厚0.2μ
m)にIn組成を変化させたInx Aly Ga1-x-y
s傾斜組成バッファ層2と、さらに厚さ1μmのInP
デバイス層3を成長させた。Inx Aly Ga1-x-y
s傾斜組成バッファ層2の格子定数をGaAs近傍から
InPにほぼ整合するまで階段状に変化させ、またAl
を4段階目から添加して最終8段階目はInPにほぼ整
合するInx Al1-x Asとした。
As shown in FIG. 1A, GaAs (10
0) Eight stages (0.2 μm each) on just substrate 1
m) In x Al y Ga 1-xy A with changed In composition
s gradient composition buffer layer 2 and 1 μm thick InP
The device layer 3 was grown. In x Al y Ga 1-xy A
The lattice constant of the s-graded composition buffer layer 2 is changed stepwise from near GaAs until it almost matches InP.
Was added from the 4th stage, and the final 8th stage was In x Al 1-x As which almost matched InP.

【0031】具体的には、(x、y)=(0.15、
0)、(0.2、0)、(0.3、0)、(0.35、
0.1)、(0.4、0.2)、(0.45、0.
3)、(0.5、0.4)、(0.52、0.48)と
8段階に変化させた。図1(b)には、4段階目のIn
0.35Al0.1 Ga0.55As層4と、5段階目のIn0.4
Al0.2 Ga0.4 As層5と、6段階目のIn0.45Al
0.3 Ga0.25As層6とが示されている。
Specifically, (x, y) = (0.15,
0), (0.2, 0), (0.3, 0), (0.35,
0.1), (0.4, 0.2), (0.45, 0.
3), (0.5, 0.4) and (0.52, 0.48) were changed in eight steps. FIG. 1B shows the fourth stage In.
0.35 Al 0.1 Ga 0.55 As layer 4 and fifth stage In 0.4
The Al 0.2 Ga 0.4 As layer 5 and the sixth stage of In 0.45 Al
0.3 Ga 0.25 As layer 6 is shown.

【0032】原子状水素の照射は、図1(b)に示すよ
うに、Inx Aly Ga1-x-y As傾斜組成バッファ層
2の各段階の前半0.1μmのみ行った。1段階目の成
長温度は380℃とし、各段階で10℃ずつ下げ、最終
8段階目は300℃で成長させた。InPデバイス層3
の成長は480℃で行った。
As shown in FIG. 1B, the irradiation of atomic hydrogen was performed only in the first half of each step of the In x Al y Ga 1-xy As gradient composition buffer layer 2 at 0.1 μm. The growth temperature at the first stage was 380 ° C., the temperature was lowered by 10 ° C. in each stage, and the final eighth stage was grown at 300 ° C. InP device layer 3
Was grown at 480 ° C.

【0033】得られたInPデバイス層3の結晶品質を
調べるために行なったホトルミネッセンス(PL)測定
からはInP基板上の成長層と遜色のない発光強度が得
られた。また、エッチピット密度(EPD)の測定およ
び透過電子顕微鏡(TEM)観察の結果、転位密度も1
5 cm-2以下で良好な結晶品質が得られていることが
分かった。
Photoluminescence (PL) measurement performed to examine the crystal quality of the obtained InP device layer 3 showed emission intensity comparable to that of the growth layer on the InP substrate. As a result of the measurement of the etch pit density (EPD) and the observation by the transmission electron microscope (TEM), the dislocation density was 1
It was found that good crystal quality was obtained at 0 5 cm -2 or less.

【0034】また、原子状水素の照射を行わずに同様の
構造を成長させたが、この場合の転位密度も約106
-2程度で従来例に比較して良好な結果が得られた。す
なわち、従来のGaAs基板上に直接InPを2段階成
長させた場合の転位密度は107 cm-2程度が限界であ
ったが、適切な組成の傾斜組成バッファ層を選択しその
成長条件を最適化することのみによっても大幅に結晶品
質を改善することができた。
A similar structure was grown without irradiation with atomic hydrogen. In this case, the dislocation density was about 10 6 c.
At about m- 2 , good results were obtained as compared with the conventional example. In other words, the dislocation density in the case of directly growing InP in two stages directly on a conventional GaAs substrate is limited to about 10 7 cm −2 , but the graded composition buffer layer having an appropriate composition is selected and the growth conditions are optimized. The crystal quality could be significantly improved only by changing the crystallinity.

【0035】本実施例では、GaAs基板上へInx
y Ga1-x-y As傾斜組成バッファ層を挟んでInP
を成長させる場合を例に説明したが、GaPまたはGa
As基板上でInx Aly Ga1-x-y P傾斜組成バッフ
ァ層を挟んでそれぞれGaAsまたはInPを成長させ
る場合や、またこれらを組合わせてGaP基板上にIn
Pを成長させる場合、さらにSi基板上に成長させる場
合、またInPやGaAsなどとは格子整合しないIn
Ga(Al)As、InGa(Al)P、GaAsPな
どの中間組成の結晶層をデバイス層として用いる場合な
どでも同様に適用できる。
In this embodiment, In x A is deposited on a GaAs substrate.
l y Ga 1-xy As
Has been described as an example in which GaP or Ga is grown.
When GaAs or InP is grown on an As substrate with an In x Al y Ga 1-xy P gradient composition buffer layer interposed therebetween, or when these are combined, the In
When P is grown, when further grown on a Si substrate, or when In is not lattice-matched with InP or GaAs, etc.
The same applies to a case where a crystal layer having an intermediate composition such as Ga (Al) As, InGa (Al) P, or GaAsP is used as a device layer.

【0036】[第2の実施例]図2(a)は、本発明の
第2の実施例により形成されたエピタキシャル成長基板
の断面図であり、図2(b)はその要部拡大図である。
本実施例では、ガスソースMBE装置を用い、Si基板
上へGaAsバッファ層およびInGaAs/GaAs
歪超格子層を挟んでGaAsデバイス層を成長させた。
[Second Embodiment] FIG. 2A is a sectional view of an epitaxial growth substrate formed according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 2B is an enlarged view of a main part thereof. .
In this embodiment, a GaAs buffer layer and InGaAs / GaAs are formed on a Si substrate using a gas source MBE device.
A GaAs device layer was grown with the strained superlattice layer interposed.

【0037】図2(a)に示すように、Si(100)
2°off基板21上に厚さ1μmのGaAsバッファ
層22を2段階成長(300℃/480℃)法により成
長させ、次に、基板温度を300℃に下げInGaAs
/GaAs歪超格子層23、同じく300℃で厚さ0.
5μmの上部GaAsバッファ層24を成長させ、最後
に基板温度を550℃に上げて厚さ1μmのGaAsデ
バイス層25を成長させた。
As shown in FIG. 2A, Si (100)
A GaAs buffer layer 22 having a thickness of 1 μm is grown on a 2 ° off substrate 21 by a two-step growth method (300 ° C./480° C.), and then the substrate temperature is lowered to 300 ° C. and InGaAs is formed.
/ GaAs strained superlattice layer 23, also at 300 ° C.
A 5 μm upper GaAs buffer layer 24 was grown, and finally, the substrate temperature was raised to 550 ° C. to grow a 1 μm thick GaAs device layer 25.

【0038】InGaAs/GaAs歪超格子層23
は、図2(b)に示されるように、膜厚10nmのIn
0.2 Ga0.8 As層26と、膜厚20nmのGaAs層
27との10周期によって構成されている。原子状水素
の照射は、図2(b)に示すように、InGaAs/G
aAs歪超格子層23の最初の6周期および上部GaA
sバッファ層24の成長時に行った。
InGaAs / GaAs strained superlattice layer 23
Is, as shown in FIG. 2B, a 10 nm-thick In film.
It is composed of 10 periods of a 0.2 Ga 0.8 As layer 26 and a GaAs layer 27 having a thickness of 20 nm. Irradiation of atomic hydrogen is performed by using InGaAs / G as shown in FIG.
The first six periods of the aAs strained superlattice layer 23 and the upper GaAs
This was performed when the s buffer layer 24 was grown.

【0039】形成した試料をEPD測定およびTEM観
察で評価した結果、GaAsデバイス層25中の転位密
度は105 cm-2以下で良好な結晶品質が得られている
ことが分かった。
The formed sample was evaluated by EPD measurement and TEM observation. As a result, it was found that the dislocation density in the GaAs device layer 25 was 10 5 cm −2 or less and good crystal quality was obtained.

【0040】本実施例では、GaAsバッファ層上にお
いてInGaAs/GaAs歪超格子層を挟んでGaA
s層を成長させる場合を例に説明したが、InGaP/
GaAs、GaAsP/GaAs、またInGaAs/
AlAs歪超格子層などを用いてもよい。またGaAs
格子整合系に限らず、InP系やさらに中間組成の混晶
系を基礎にしてもよく、適当な歪超格子層を用いること
ができる。また、歪超格子層の代わりに、InGaAs
などの単一の薄い一定組成歪層や連続傾斜組成歪層ある
いは階段状傾斜組成歪層を用いてもよい。
In this embodiment, the GaAs buffer layer is formed with GaAs with an InGaAs / GaAs strained superlattice layer interposed.
The case where the s layer is grown has been described as an example, but InGaP /
GaAs, GaAsP / GaAs, and InGaAs /
An AlAs strained superlattice layer or the like may be used. GaAs
Not only the lattice matching system but also an InP system or a mixed crystal system having an intermediate composition may be used as a basis, and an appropriate strained superlattice layer can be used. Also, instead of the strained superlattice layer, InGaAs
For example, a single thin constant composition strain layer, a continuous gradient composition strain layer, or a step gradient gradient composition strain layer may be used.

【0041】[第3の実施例]図3は、本発明の第3の
実施例により形成されたエピタキシャル成長基板の断面
図である。本実施例では、ガスソースMBE装置を用
い、Si基板上へGaPバッファ層およびInx Ga
1-x P連続傾斜組成バッファ層を挟んでGaAs層を成
長させた。
[Third Embodiment] FIG. 3 is a sectional view of an epitaxial growth substrate formed according to a third embodiment of the present invention. In the present embodiment, a GaP buffer layer and In x Ga
A GaAs layer was grown with a 1-x P continuous gradient composition buffer layer interposed therebetween.

【0042】図3に示すように、Si(100)2°o
ff基板21上に厚さ0.5μmのGaPバッファ層3
1を2段階成長(300℃/400℃)法により成長さ
せ、次に、基板温度を300℃に下げ厚さ1μmのIn
x Ga1-x P連続傾斜組成バッファ層32、同じく30
0℃で厚さ0.5μmの上部GaAsバッファ層24を
成長させ、最後に、基板温度を550℃に上げ厚さ1μ
mのGaAsデバイス層25を成長させた。連続傾斜組
成バッファ層32のInの組成xを0からGaAsにほ
ぼ格子整合する値まで連続的に一定の割合で変化させ
た。原子状水素の照射は、上部GaAsバッファ層24
の成長時にのみ行った。
As shown in FIG. 3, Si (100) 2 ° o
0.5 μm thick GaP buffer layer 3 on ff substrate 21
1 is grown by a two-step growth (300 ° C./400° C.) method, and then the substrate temperature is lowered to 300 ° C. and a 1 μm thick In
x Ga 1-x P continuous gradient composition buffer layer 32, also 30
A 0.5 μm thick upper GaAs buffer layer 24 is grown at 0 ° C., and finally, the substrate temperature is increased to 550 ° C. and the thickness is reduced to 1 μm.
A m GaAs device layer 25 was grown. The composition x of In in the continuously gradient composition buffer layer 32 was continuously changed at a constant rate from 0 to a value almost lattice-matched to GaAs. Irradiation of atomic hydrogen is applied to the upper GaAs buffer layer 24.
Made only when growing.

【0043】形成した試料をEPD測定およびTEM観
察で評価した結果、GaAsデバイス層25中の転位密
度は105 cm-2以下で良好な結晶品質が得られている
ことが分かった。
The formed sample was evaluated by EPD measurement and TEM observation. As a result, it was found that the dislocation density in the GaAs device layer 25 was 10 5 cm −2 or less and good crystal quality was obtained.

【0044】本実施例も上記組合わせ以外の任意の結晶
系に適用することができる。また、原子状水素の照射を
Inx Ga1-x P連続傾斜組成バッファ層32側におい
ても1乃至複数回行うようにすることができる。上部G
aAsバッファ層24において、原子状水素の照射を行
うことなく、Inx Ga1-x P連続傾斜組成バッファ層
32においてのみ行うようにしてもよい。
This embodiment can also be applied to any crystal system other than the above combination. Irradiation of atomic hydrogen can be performed once or more times on the side of the In x Ga 1 -x P continuous gradient composition buffer layer 32. Upper G
In the aAs buffer layer 24, the irradiation may be performed only in the In x Ga 1-x P continuous gradient composition buffer layer 32 without irradiating atomic hydrogen.

【0045】[第4の実施例]図4(a)は、本発明の
第4の実施例により形成されたエピタキシャル成長基板
の断面図であり、図4(b)はその要部拡大図である。
本実施例では、ガスソースMBE装置を用い、GaAs
基板上へ(InAs)m (GaAs)n 短周期歪超格子
層を挟んでInPを成長させた。
[Fourth Embodiment] FIG. 4A is a sectional view of an epitaxial growth substrate formed according to a fourth embodiment of the present invention, and FIG. 4B is an enlarged view of a main part thereof. .
In this embodiment, GaAs is used by using a gas source MBE device.
InP was grown on the substrate with the (InAs) m (GaAs) n short-period strained superlattice layer interposed therebetween.

【0046】図4(a)に示すように、GaAs(10
0)just基板1上に、それぞれ厚さ0.2μmの
(InAs)1 (GaAs)5 短周期歪超格子層41、
(InAs)1 (GaAs)2 短周期歪超格子層42、
(InAs)1 (GaAs)1短周期歪超格子層43を
成長温度300℃で順次成長させ、さらに300℃で厚
さ0.3μmのInGaAs/InAlAs超格子層4
4(In0.53Ga0.47As:30nm、In0.52Al
0.48As:30nm、×5周期)を成長させた。
As shown in FIG. 4A, GaAs (10
0) (InAs) 1 (GaAs) 5 short-period strain superlattice layer 41 each having a thickness of 0.2 μm on just substrate 1
(InAs) 1 (GaAs) 2 short-period strained superlattice layer 42,
A (InAs) 1 (GaAs) 1 short-period strained superlattice layer 43 is sequentially grown at a growth temperature of 300 ° C., and further an InGaAs / InAlAs superlattice layer 4 having a thickness of 0.3 μm at 300 ° C.
4 (In 0.53 Ga 0.47 As: 30 nm, In 0.52 Al
0.48 As: 30 nm, x5 cycles).

【0047】原子状水素の照射は、図4(b)に示すよ
うに、3つの短周期歪超格子層41、42、43のそれ
ぞれ成長初期の0.15μm、および超格子層44に対
して行った。最後に、成長温度480℃で厚さ1μmの
InPデバイス層3を成長させた。
As shown in FIG. 4B, the irradiation of atomic hydrogen is performed on the 0.15 μm of the three short-period strain superlattice layers 41, 42, 43 in the initial stage of growth, and the superlattice layer 44. went. Finally, an InP device layer 3 having a thickness of 1 μm was grown at a growth temperature of 480 ° C.

【0048】形成した試料をEPD測定およびTEM観
察で評価した結果、InPデバイス層3中の転位密度は
105 cm-2以下で良好な結晶品質が得られていること
が分かった。
The formed sample was evaluated by EPD measurement and TEM observation. As a result, it was found that the dislocation density in the InP device layer 3 was 10 5 cm −2 or less and good crystal quality was obtained.

【0049】本実施例も上記組合わせ以外の任意の結晶
系に適用することができ、例えばGaP基板上へ(In
P)m (GaP)n 短周期歪超格子層を挟んでGaAs
またはInPを成長させてもよい。また、InGaAs
/InAlAs超格子層44に対する原子状水素の照射
を部分的に行うようにしてもよく、あるいはこの超格子
層に対しては行わないようにしてもよい。
This embodiment can also be applied to any crystal system other than the above combination.
P) m (GaP) n GaAs sandwiching the short-period strained superlattice layer
Alternatively, InP may be grown. Also, InGaAs
Irradiation of atomic hydrogen on the / InAlAs superlattice layer 44 may be partially performed, or may not be performed on this superlattice layer.

【0050】[実施例の変更]以上好ましい実施例につ
いて説明したが、本発明はこれら実施例に限定されるも
のではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内におい
て適宜の変更が可能なものである。例えば、実施例で
は、格子不整合バッファ層として、連続傾斜組成バッフ
ァ層、階段状傾斜組成バッファ層、歪超格子層、短周期
歪超格子層などを用いていたが、例えば、傾斜組成バッ
ファ層中の一部を歪超格子層にするなど、これらのバッ
ファ層を組み合わせて使用するようにしてもよい。
[Modifications of Embodiments] Although the preferred embodiments have been described above, the present invention is not limited to these embodiments, but can be appropriately modified within the scope described in the claims. It is. For example, in the embodiment, as the lattice mismatch buffer layer, a continuous gradient composition buffer layer, a stepwise gradient composition buffer layer, a strain superlattice layer, a short-period strain superlattice layer, and the like are used. These buffer layers may be used in combination, such as forming a strained superlattice layer in a part of them.

【0051】また、実施例ではSi基板上またはIII −
V族化合物半導体基板上への格子不整合系のIII −V族
化合物半導体成長について説明したが、基板がGeやII
−VI族化合物半導体であってもよく、また、デバイス層
としてSiGeなどのIV族混晶半導体やZnS、ZnS
eなどのII−VI族化合物半導体を用いる場合にも本発明
を適用することができる。
In the embodiment, on the Si substrate or III-
Although the growth of a lattice-mismatched group III-V compound semiconductor on a group V compound semiconductor substrate has been described, the substrate may be Ge or II.
Group VI compound semiconductor, and a group IV mixed crystal semiconductor such as SiGe or ZnS, ZnS
The present invention can be applied to a case where a II-VI group compound semiconductor such as e is used.

【0052】また、結晶の面方位としては通常用いられ
る(100)面を用いる例について説明したが、他の例
えば(111)面、また(211)、(311)などの
高次の面、さらにこれらから適当な角度だけoffした
面を用いても程度の差はあってもほぼ同様の効果が期待
できる。
Also, an example in which the (100) plane which is generally used is used as the plane orientation of the crystal has been described. However, other planes such as (111) plane, higher-order planes such as (211) and (311), and furthermore, From these, almost the same effect can be expected even if the surface is turned off by an appropriate angle, although the degree is different.

【0053】また、成長装置としてはガスソースMBE
装置を用いた例について説明したが、低温での成長が可
能であればこれに限られるものではない。例えば、通常
の全メタルソースのMBE装置を使用するすることがで
きる。但し、この場合蒸気圧が高いPのソースには特別
の工夫が必要となる。また、III 族有機金属原料を用い
るMOMBE装置やMOCVD装置を用いてもよい。こ
の場合、格子不整合バッファ層の成長を400℃以下で
行なえるように、熱分解の容易な有機金属原料を選択す
ることが望ましい。
The growth apparatus is a gas source MBE.
Although an example using the apparatus has been described, the present invention is not limited to this, as long as growth at a low temperature is possible. For example, a normal all-metal source MBE device can be used. However, in this case, a special device is required for the P source having a high vapor pressure. Further, a MOMBE apparatus or a MOCVD apparatus using a group III organic metal material may be used. In this case, it is desirable to select an organometallic material that is easily thermally decomposed so that the lattice mismatch buffer layer can be grown at 400 ° C. or lower.

【0054】[0054]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の異種基板
上への半導体層の成長方法は、格子不整合バッファ層な
どのバッファ層を部分的に原子状水素を照射しつつ成長
させるものであるので、2次元性に優れた成長を実現し
て貫通転移の少ない半導体層を得ることができるととも
に、格子不整合歪の緩和に必要な転移を結晶内に導入し
て結晶内の残留熱歪を低減化することができる。従っ
て、本発明によれば、異種半導体単結晶基板上に高品質
な半導体単結晶層を成長させることができる。
As described above, the method of growing a semiconductor layer on a heterogeneous substrate according to the present invention grows a buffer layer such as a lattice mismatch buffer layer while partially irradiating it with atomic hydrogen. As a result, a semiconductor layer with less threading dislocation can be obtained by realizing growth excellent in two-dimensionality, and a dislocation necessary for relaxation of lattice mismatching strain is introduced into the crystal to achieve residual thermal strain in the crystal. Can be reduced. Therefore, according to the present invention, a high-quality semiconductor single crystal layer can be grown on a heterogeneous semiconductor single crystal substrate.

【0055】また、GaAs(GaP)基板上またはG
aAs(GaP)バッファ層上に、異種半導体のデバイ
ス層を成長させる場合に、その間に、Inx Aly Ga
1-x-y As(Inx Aly Ga1-x-y P)からInz
1-z As(Inz Al1-zP)に至る傾斜組成バッフ
ァ層を介在させ、その傾斜組成バッファ層の成長条件を
最適化することにより、転位の少ない高品質の結晶を得
ることができる。
Further, on a GaAs (GaP) substrate or G
When a device layer of a heterogeneous semiconductor is grown on the aAs (GaP) buffer layer, In x Al y Ga
1-xy As (In x Al y Ga 1-xy P) from an In z A
By interposing a gradient composition buffer layer reaching l 1 -z As (In z Al 1 -z P) and optimizing the growth conditions of the gradient composition buffer layer, a high-quality crystal with few dislocations can be obtained. it can.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1の実施例により形成されたエピタ
キシャル成長基板の断面図。
FIG. 1 is a sectional view of an epitaxial growth substrate formed according to a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の第2の実施例により形成されたエピタ
キシャル成長基板の断面図。
FIG. 2 is a sectional view of an epitaxial growth substrate formed according to a second embodiment of the present invention.

【図3】本発明の第3の実施例により形成されたエピタ
キシャル成長基板の断面図。
FIG. 3 is a sectional view of an epitaxial growth substrate formed according to a third embodiment of the present invention.

【図4】本発明の第4の実施例により形成されたエピタ
キシャル成長基板の断面図。
FIG. 4 is a sectional view of an epitaxial growth substrate formed according to a fourth embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 GaAs(100)just基板 2 Inx Aly Ga1-x-y As傾斜組成バッファ層 3 InPデバイス層 4 In0.35Al0.1 Ga0.55As層(4段階目) 5 In0.4 Al0.2 Ga0.4 As層(5段階目) 6 In0.45Al0.3 Ga0.25As層(6段階目) 21 Si(100)2°off基板 22 GaAsバッファ層 23 InGaAs/GaAs歪超格子層 24 上部GaAsバッファ層 25 GaAsデバイス層 26 In0.2 Ga0.8 As層 27 GaAs層 31 GaPバッファ層 32 Inx Ga1-x P連続傾斜組成バッファ層 41 (InAs)1 (GaAs)5 短周期歪超格子
層 42 (InAs)1 (GaAs)2 短周期歪超格子
層 43 (InAs)1 (GaAs)1 短周期歪超格子
層 44 InGaAs/InAlAs超格子層
1 GaAs (100) just substrate 2 In x Al y Ga 1- xy As graded composition buffer layer 3 InP device layer 4 In 0.35 Al 0.1 Ga 0.55 As layer (4 stage) 5 In 0.4 Al 0.2 Ga 0.4 As layer (5 Stage 6 In 0.45 Al 0.3 Ga 0.25 As layer (Sixth stage) 21 Si (100) 2 ° off substrate 22 GaAs buffer layer 23 InGaAs / GaAs strained superlattice layer 24 Upper GaAs buffer layer 25 GaAs device layer 26 In 0.2 Ga 0.8 As layer 27 GaAs layer 31 GaP buffer layer 32 In x Ga 1 -x P continuous gradient composition buffer layer 41 (InAs) 1 (GaAs) 5 short-period strained superlattice layer 42 (InAs) 1 (GaAs) 2 short-period Strained superlattice layer 43 (InAs) 1 (GaAs) 1 Short-period strained superlattice layer 44 InGaAs / InAlAs superlattice layer

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 (1)半導体基板上に直接あるいは基板
側バッファ層を介して格子不整合バッファ層を成長させ
る工程と、 (2)前記格子不整合バッファ層上に直接あるいはデバ
イス層側バッファ層を形成した後その上に半導体デバイ
ス層を成長させる工程と、を含む異種基板上への半導体
層の成長方法において、 前記格子不整合バッファ層および/または前記デバイス
層側バッファ層の成長時には、1乃至複数回原子状水素
を照射して、前記半導体基板または前記基板側バッファ
層と前記半導体デバイス層との間に原子状水素を照射し
つつ形成した層と照射することなく形成した層とが混在
するようにこれらの層を成長させることを特徴とする異
種基板上への半導体層の成長方法。
(1) a step of growing a lattice mismatch buffer layer directly on a semiconductor substrate or via a substrate-side buffer layer; and (2) a step of growing a lattice mismatch buffer layer directly or on a device layer-side buffer layer. Forming a semiconductor device layer on the heterogeneous substrate after forming the semiconductor device layer on the heterogeneous substrate. A layer formed by irradiating atomic hydrogen between the semiconductor substrate or the substrate side buffer layer and the semiconductor device layer by irradiating atomic hydrogen a plurality of times and a layer formed without irradiating atomic hydrogen are mixed. A method for growing a semiconductor layer on a heterogeneous substrate, characterized by growing these layers.
【請求項2】 前記格子不整合バッファ層の成長を40
0℃以下の低温で行うことを特徴とする請求項1記載の
異種基板上への半導体層の成長方法。
2. The growth of the lattice mismatch buffer layer is performed by 40
2. The method for growing a semiconductor layer on a heterogeneous substrate according to claim 1, wherein the method is performed at a low temperature of 0 ° C. or less.
【請求項3】 前記半導体基板あるいは前記基板側バッ
ファ層の結晶面方位が誤差1度以内で(100)近傍に
設定されていることを特徴とする請求項1記載の異種基
板上への半導体層の成長方法。
3. The semiconductor layer on a heterogeneous substrate according to claim 1, wherein the crystal plane orientation of the semiconductor substrate or the substrate-side buffer layer is set near (100) within one degree of error. Growth method.
【請求項4】 前記半導体基板または前記基板側バッフ
ァ層の格子定数が、前記半導体デバイス層のそれと一致
していることを特徴とする請求項1記載の異種基板上へ
の半導体層の成長方法。
4. The method for growing a semiconductor layer on a heterogeneous substrate according to claim 1, wherein a lattice constant of said semiconductor substrate or said substrate-side buffer layer matches that of said semiconductor device layer.
【請求項5】 前記格子不整合バッファ層が、 格子定数が連続的に変化する連続傾斜組成部、 格子定数が階段状に変化する不連続傾斜組成部、 歪超格子層、 の中のいずれかあるいはそれらの組み合わせを含んで構
成され、その最下層の格子定数が前記半導体基板または
前記基板側バッファ層のそれと一致し、その最上層の格
子定数が前記半導体デバイス層のそれと一致することを
特徴とする請求項1記載の異種基板上への半導体層の成
長方法。
5. The strain-matched buffer layer, wherein the lattice-matched buffer layer is a continuously-graded composition part in which the lattice constant changes continuously, a discontinuously-graded composition part in which the lattice constant changes stepwise, or a strained superlattice layer. Or a combination thereof, wherein the lattice constant of the lowermost layer coincides with that of the semiconductor substrate or the buffer layer on the substrate side, and the lattice constant of the uppermost layer coincides with that of the semiconductor device layer. The method for growing a semiconductor layer on a heterogeneous substrate according to claim 1.
【請求項6】 GaX(但し、XはAsまたはP)基板
上またはGaXバッファ層上に、Inx Aly Ga
1-x-y XからInz Al1-z Xに至る傾斜組成バッファ
層を成長させ、その上に半導体デバイス層を成長させる
異種基板上への半導体層の成長方法であって、 前記GaX基板または前記GaXバッファ層の面方
位を誤差1度以内で(100)近傍に設定し、 Inの組成比xを0からzまで連続的にあるいは階
段状に変化させ、 Alの組成比yは0から1−zまで連続的にあるい
は階段状に変化させ、かつ、 前記傾斜組成バッファ層を400℃以下の低温で成
長させる、 ことを特徴とする異種基板上への半導体層の成長方法。
6. GaX (where, X is As or P) on the substrate or GaX buffer layer, In x Al y Ga
A method for growing a semiconductor layer on a heterogeneous substrate, comprising growing a gradient composition buffer layer from 1-xy X to In z Al 1-z X and growing a semiconductor device layer thereon, wherein the GaX substrate or the The plane orientation of the GaX buffer layer is set to be close to (100) within 1 degree of error, the composition ratio x of In is changed continuously or stepwise from 0 to z, and the composition ratio y of Al is 0 to 1−1. A method for growing a semiconductor layer on a heterogeneous substrate, wherein the gradient composition buffer layer is grown at a low temperature of 400 ° C. or lower while continuously or stepwise changing to z.
【請求項7】 前記傾斜組成バッファ層の少なくとも一
部の成長時に原子状水素を照射することを特徴とする請
求項6記載の異種基板上への半導体層の成長方法。
7. The method of growing a semiconductor layer on a heterogeneous substrate according to claim 6, wherein atomic hydrogen is irradiated during growth of at least a part of the gradient composition buffer layer.
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