JP2645418B2 - GaAs化合物半導体単結晶 - Google Patents

GaAs化合物半導体単結晶

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【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明はP型GaAs化合物半導体単結晶に関するもの
で、特に不純物としてZn等を添加したP型GaAs化合物半
導体単結晶に関する。
[従来の技術] 化合物半導体単結晶を製造する方法としては、当該結
晶の融液に種結晶を浸漬してこれを徐々に引き上げて単
結晶を育成する方法や、当該結晶の融液を徐々に冷却固
化させ単結晶を育成する方法がある。特に、GaAs単結晶
は前者に属する液体封止チョクラルスキー法(LEC法)
や、後者に属する徐冷法(GF法)、水平ブリッジマン法
(HB法)、垂直ブリッジマン法(VB法)で育成されてい
る。
通常、GaAsFETやGaAsICには半絶縁性のGaAs単結晶の
基板が用いられる。この半絶縁性GaAs基板としては、ア
ンドープGaAsやCrドープGaAsが工業的に製造されてお
り、HB法がCrドープGaAsの製造に、LEC法がアンドープG
aAs、CrドープGaAsの製造に使用されている。
LEC法では通常、pBN製ルツボを用いて単結晶を育成す
るため、シャロードナーであるSiなどの不純物の濃度は
低く1×1015cm-3以下とすることが可能である。また、
LEC法では、断熱材等にグラファイト製の部品を用いる
ため、通常の方法では炭素の濃度NSAがやや高く、2×1
015から1×1016cm-3となる。さらに、通常のLEC法で
は、EL2の濃度NDDは2×1016cm-3程度となる。
ところで、GaAs化合物半導体は、電子移動度がSiの6
倍と高く、高速電子デバイスの基板として期待されてい
るとともに、GaAs化合物半導体は発光ダイオードや半導
体レーザ、受光素子、太陽電池あるいはFETやIC、光IC
などシリコンに比べて広い用途を有しており、将来的に
非常に有望である。しかしGaAsICは、そのデバイス製造
歩留りが低いという欠点がある。
GaAsICの歩留りが小さい理由としては、(1)GaAs単
結晶における転位などの結晶欠陥が多い、(2)デバイ
スプロセス技術が未熟である、(3)基本となるデバイ
ス構造そのものの特性のばらつきが大きい、ことが考え
られている。
GaAsICの基本となるデバイスはショットキー電極を用
いたMESFETやJFETであり、通常は、半絶縁性のGaAs基板
にドナーとなる不純物をイオン注入してn型活性層を形
成しこの上にMESFETを作製している。
[発明が解決しようとする課題] しかながら、半絶縁性基板上にFETの基本となるn型
活性層を形成した従来構造のMESFETやJFETでは、活性層
と半絶縁性基板の間に形成される空乏層が狭いため、Vt
hのばらつきが大きくgm値が低い等特性の優れたMESFET
やJFETを作製することは困難であるという問題点があっ
た。
このような問題を解決するために、前もってZm,Mgな
どのアクセプター不純物をイオン注入した上でドナー不
純物をイオン注入してpn接合を形成し、活性層と絶縁層
の間の電気的分離性を良好とさせる方法も考案されてい
る。しかし、この方法では、注入したアクセプター不純
物が活性化熱処理の際に拡散してしまい、pn接合を安定
して形成させることが困難であり、本格的に採用される
には至っていない。
この発明の目的は、GaAs半導体基板上に形成されるME
SFETやJFET等の電子デバイスの特性を向上させ、かつ特
性のばらつきも低減可能なP型GaAs単結晶を再現性良く
製造できるようにすることにある。
[課題を解決するための手段] 上記目的を達成するため、本発明は、LEC法でGaAs単
結晶を育成する際、原料に所定量の炭素以外の浅いアク
セプターとなる不純物であるZn等をドープして結晶を育
成し、p型の単結晶基板を得るものである。GaAs原料中
にはZn等をおよそ5.0×1016から5.0×1017cm-3添加して
おいて単結晶の引上げを開始し、単結晶中のZn等の濃度
がシリコンのようなシャロードナー濃度よりも高く、し
かもGaAs単結晶の固有欠陥であるEL2濃度よりも高くな
るようにするものである。原料中へのZn等の添加の仕方
としては、原料のGaとAsをpBN製ルツボに入れる際にZn
等を直接添加するか、あるいは前もって原料のGa中に所
定量のZn等をドープしておく。既に合成した原料(多結
晶GaAs)を用いる場合は、その原料をpBN製ルツボに入
れる際に所定量のZn等を同時に入れるか、あるいは前も
ってZn等を添加した合成原料を使用する。
なお、以下の説明では、炭素以外の浅いアクセプター
となる不純物(Zn,Be,Mg,Cd,Mn,Ag等)としてZnを例に
とって説明する。
[作用] 以上の方法でZnドープGaAs単結晶を育成すると、結晶
はP型となるとともに、Znの偏析係数は0.8程度である
ため、結晶中の径方向で、温度変動などによるストリエ
ーションによるZnの組成変動がほとんどない。
このように、比較的均一な組成のGaAs単結晶が育成さ
れるので、これからウェーハを切り出して研磨し、この
ウェーハにSiなどのドナー不純物をイオン注入したり、
あるいは、このP型基板の上にSiなどのドナー不純物を
添加したエピタキシャル層を成長させて活性層を作りFE
Tなどの電子デバイスを製造すると、活性層とP型基板
の間に極めて安定なpn接合が形成されるため、gm値など
電子デバイス特性に優れかつ特性のばらつきの少ない電
子デバイスが得られる。
(実施例1) LEC法による結晶育成を開始する前に、Znを1018cm-3
程度高濃度に含有するGaAs多結晶を予め作製した。そし
て、高圧引上げ炉にセットされたpBN製ルツボ内に純度7
NのGaおよびAsを約4kg仕込み、Zn含有GaAs多結晶を約50
g加えた。これに封止剤であるB2O3を600g加え、炉内で
直接合成を行ない、融液に種結晶を浸漬してこれを徐々
に引き上げて単結晶を育成した。
育成した単結晶は、直径3インチ、全長170mm、重量
約3.6kgであった。まず、育成結晶の上部および下部5
ヵ所から円型ウェーハを切り出し、電気特性およびZn濃
度を調べた。電気特性は、7mm角の大きさで、厚さ約1mm
の試料を切り出した後、ファンデルパウ法(Van der Pa
uw法)により測定した。その結果、測定試料はすべてP
型を示し、抵抗率は10-1〜101Ωcm程度であった。Zn濃
度はフレームレス原子吸光法により測定した。
第1図に、各試料の固化率に対するZn濃度を示す。固
化率0.1〜0.7に対して、Zn濃度は(5.0〜6.3)×1016cm
-3であり、実効偏析係数は約0.8であった。
次に上記のようにして得られたZnドープP型導電性結
晶から採取したウェーハに鏡面加工を施した後、n型活
性層を形成し、FETを作製してデバイス特性を評価し
た。活性層はSiを100keV、ドーズ量2×1012cm-2で選択
的にイオン注入した後、Si3N4膜を用いたキャップアニ
ールを830℃で10分間行ない、形成した。ソース・ドレ
イン電極にはAu−Ge−Niを、ゲート電極にはAu−Pt−Ti
を用いた。ゲート長は2μm、ゲート幅は5μm、ソー
ス・ドレイン間は6μmとした。
その結果、しきい値電圧Vthとそのばらつきσvthの結
晶の軸方向の変化は第2図(A),(B)に符号a,a′
で示すようになり、符号b,b′で示す従来の半絶縁性GaA
sから採取したウェーハを使用したFETに比べVthの変動
幅は小さくなった。また、ウェーハ内に形成された500
個のFETのVthのばらつきσvthも従来に比べかなり改善
された。しかも、基板はP型の導電性基板であるが、FE
Tの活性層はn+型であるので、基板と活性層の間にはpn
接合が形成されるため、各FET間の素子間分離性は全く
問題がなかった。
なお、n型活性層の形成は、イオン注入に限定されず
熱拡散によって行なってもよい。
(実施例2) 実施例1と同様の方法で育成されたZnドープGaAsを<
110>方向に2゜傾斜させて切断したウェーハを鏡面研
磨した後、クロライドCVD法により不純物濃度の低いバ
ッファ層を4μmの厚みに形成し、そしてその上にシリ
コンをドープした活性層を0.4μmの厚みにそれぞれエ
ピタキシャル成長させた。活性層のドーピングにはモノ
シランを用いた(シリコンの代わりに、S,Se,Te,Snなど
のドナーをドープしてもよい)。このようなエピタキシ
ャル層を形成した後、Hgプローブを用いたC−V測定に
よりキャリア濃度の深さ方向の変化を調べた。その結
果、第3図のようにZnドープP型GaAs基板を用いた場合
(符号イで示す)は、通常の半絶縁性基板を用いた場合
(符号ロで示す)に比べキャリアプロファイルが格段に
優れたものとなっている。
さらにこのエピタキシャル層上にFETを作製し、デバ
イス特性の評価を行なった。ソース・ドレイン電極には
Au−Ge−Niを、ゲート電極にはAu−Pt−Tiを用いた。ゲ
ート長は0.5μm、ゲート幅は280μm、素子のサイズは
300×400μmとした。その結果、しきい値電圧Vthの結
晶の軸方向の変化は第4図(A)に符号cで示す通り
で、従来法によるアンドープ半絶縁性GaAsを使用した場
合(符号dで示す)とほぼ同様であり、特に差異はなか
ったが、Vthのウェーハ内のばらつきσvthは第4図
(B)に符号c′で示すようになり、アンドープ半絶縁
性GaAsを使用した場合(符号d′で示す)に比べて著し
く向上することが分かった。
また、FETの重要な特性であるソース・ドレイン電流I
DSとゲート電圧−VGの関係を第5図に示す。同図におい
て(ロ)′は従来の半絶縁性基板を用いたFETを、
(イ)′は本発明によるZnドープP型GaAs基板を用いた
FETの測定結果を示す。第5図に示したように、P型導
電性基板を用いた場合、ソース・ドレイン電流IDSの変
化特性に著しい向上がみられた。これは第3図のキャリ
アプロファイルの急峻性に対応するものと考えられる。
すなわち、バッファ層と基板との間にpn接合が形成さ
れ、これによってゲート電圧VGの増加に対してIDSが急
激に減少するためと思われる。
なお、p型化に寄与するシャローアクセプタはZnに限
定されるものでなく、BeやMg,Cd,Mn,Ag等も使用するこ
とが可能である。ただし、Zn以外の上記シャローアクセ
プタは、Znに比べ偏析係数が1からより離れているので
結晶軸方向に沿った組成変動が大きくなる。
また、LEC法では断熱材等にグラファイト製部品を用
いるため、単結晶中の炭素濃度を一定にするのが困難で
あり、特性のばらつきが大きくなるのでP型化のシャロ
ーアクセプタとして適していない。結晶育成開始前にグ
ラファイト部品をベーキングしたり、高圧引上げ炉内の
ガスをTiやZnなどの活性な金属を加熱して純化したり、
磁場を印加する等の炭素低減処理を施すようにするとよ
い。
[発明の効果] 以上説明したようにこの発明は、GaAs単結晶中にシリ
コンや炭素のようなシャロードナー濃度よりも高く、か
つ結晶の固有欠陥であるEL2濃度よりも高くなるようにZ
nを含有させて、P型GaAs単結晶を得るようにしたの
で、結晶の成長方向に沿って略均一な組成の結晶体が得
られ、GaAs半導体基板上に形成されるMESFETやJFET等の
電子デバイスの特性を向上させ、かつ特性のばらつきも
小さくできるという効果がある。
また、GaAs単結晶中のZn濃度の上限を、5.0×1017cm
-3としたので、GaAsの移動度をそれほど低下させるおそ
れもない。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明に係るGaAs単結晶の各固化率に対する
Zn濃度の測定値を示す図、 第2図(A),(B)は本発明に係るGaAs単結晶から切
り出したウェーハ上にイオン注入で活性層を形成し作製
したFETのデバイス特性を示すもので、 同図(A)は各固化率に対するFETのしきい値電圧の大
きさを示す図、 同図(B)は同じく固化率に対するしきい値電圧の標準
偏差を示す図、 第3図は本発明に係るGaAs単結晶から切り出したウェー
ハ上にクロライドCVD法により成長させたエピタキシャ
ル層のキャリア密度の深さ方向の分布を示す図、 第4図(A),(B)は本発明に係るGaAs単結晶から切
り出したウェーハ上にエピタキシャル成長された活性層
に作製したFETのデバイス特性を示すもので、 同図(A)は各固化率に対するFETのしきい値電圧の大
きさを示す図、 同図(B)は同じく固化率に対するしきい値電圧の標準
偏差を示す図、 第5図は従来の半絶縁性基板と本発明に係るP型GaAs基
板上に形成したFETの電圧−電流特性の違いを示す図で
ある。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】炭素以外の浅いアクセプターとなる不純物
    をおよそ5.0×1016cm-3〜5.0×1017cm-3の濃度で含有し
    てなる原料融液から液体封止チョクラルスキー法により
    育成されてなるGaAs化合物半導体単結晶であって、該結
    晶中の固有欠陥たるEL2濃度よりも高くかつ浅いドナー
    となる不純物濃度よりも高くなるように前記不純物を含
    有してなることを特徴とするGaAs化合物半導体単結晶。
  2. 【請求項2】前記アクセプターとなる不純物はZnである
    ことを特徴とする特許請求の範囲第1項記載のGaAs化合
    物半導体単結晶。
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