JP2649936B2 - 歪超格子バッファ - Google Patents

歪超格子バッファ

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Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 半導体基板とその上にエピタキシャル成長させる半導
体層との間に介在させるのに好適な歪超格子バッファに
関し、 歪超格子を介挿することで半導体基板上にそれと異な
る格子定数をもつ半導体層を形成し、しかも、その半導
体層が低欠陥であるようにすることを目的とし、 半導体基板に於ける格子定数から必要とされる格子定
数まで変化させる為の格子定数変化用歪超格子並びに該
格子定数変化用歪超格子で変化させた前記必要とされる
格子定数をもつバッファ層並びに平均格子定数が前記必
要とされる格子定数と同じ値である転位伝播阻止用歪超
格子が前記半導体基板に近い側から順に積層されてなる
よう構成する。
〔産業上の利用分野〕
本発明は、半導体基板とその上にエピタキシャル成長
させる半導体層との間に介在させるのに好適な歪超格子
バッファに関する。
〔従来の技術〕 一般に、化合物半導体層をエピタキシャル成長させる
為の基板としては、GaAs或いはInPなど、主として二元
合金が用いられている。
また、そのような化合物半導体基板上に良質の化合物
半導体層をエピタキシャル成長させる為には、その化合
物半導体基板と化合物半導体層との格子定数を一致させ
ることが必要とされていて、この条件はエピタキシャル
成長される化合物半導体層の組成範囲を著しく制限して
いる。
〔発明が解決しようとする課題〕
近年、短波長帯半導体レーザなどの材料として基板と
格子定数を異にする半導体層を形成することが必要にな
っている。
このような要求に対処する為、歪超格子(strained−
layer superlattice:SLS)をバッファとして基板と半導
体層との間に介挿することが行われている。
その理由は、歪超格子が、 (1) 超格子内の応力場に依って基板からの転位が半
導体層の成長方向に伝達されるのを防止することができ
ること、 (2) 基板とは格子定数を異にする半導体層をエピタ
キシャル成長させ得ること、 に依る。
然しながら、前記(1)及び(2)の効果を同時に得
られるこのは実現されていない。
第7図(A)乃至(C)は試作された歪超格子を有す
る半導体ウエハの要部切断側面図を表している。
図に於いて、1は格子定数がasであるGaAs基板、2は
x値が基板側から表面側に向かって小になるよう変化さ
せたInxGa1-xPグレーデッド層、3はIn0.24Ga0.76P膜
とIn0.76Ga0.24P膜とを要素とするSLS、4は格子定数
がaeであるエピタキシャル成長In0.3Ga0.7P層、5は格
子定数a1が基板1に近いSLS、6は格子定数a2がIn0.3Ga
0.7P層4に近いSLS、7は発生した転位をそれぞれ示し
ている。
第7図(A)に見られるウエハに於いては、基板1に
於ける格子定数asとIn0.3Ga0.7P層4に於ける格子定数
aeとは、as≠ae、ではあるが、基板1の転位密度が〜10
4〔cm-2〕程度であるのに対し、グレーテッド層2に於
ける転位密度は〜108〔cm-2〕程度となって、その内部
で新たに転位が発生してしまう。従って、その転位はSL
S3で低減されはするが、それでも〜106〔cm-2〕程度と
なり、これはエピタキシャル成長のIn0.3Ga0.7P層4に
も引き継がれ、その転位密度は同じく〜106〔cm-2〕程
度になってしまう。
第7図(B)に見られるウエハに於いては、各格子定
数は、ae>a2>a1>as、或いは、ae>a2>a1>asなる関
係にある。この例に於いても転位の発生は避けられず、
SLS6も転位の発生源であり、従って、In0.3Ga0.7P層4
に於ける転位密度は基板1のそれに比較して2桁程度高
くなってしまう。
第7図(C)に見られるウエハに於いては、略無転
位、即ち、無欠陥であるが、但し、格子定数は、ae=a1
=a2、であって、前記したSLSを用いることの目的の一
つは達成することができない。
前記したようなことから、半導体基板と半導体層との
間に単にSLSを介挿したり、単純に組み合わせたSLSを介
挿したからといって、前記二つの効果を同時に得ること
はできない。
本発明は、SLSを介挿することで半導体基板上にそれ
と異なる格子定数をもつ半導体層を形成し、しかも、そ
の半導体層が低欠陥であるようにする。
〔課題を解決するための手段〕
本発明では、格子定数を変化させるのに最適化された
SLS及び転位密度を低減させるのに最適化されたSLSを組
み合わせてバッファとして用いるようにしている。
第1図(A)は本発明の原理を説明する為の半導体ウ
エハを表す要部切断側面図であり、第7図に於いて用い
た記号と同記号は同部分を示すか或いは同じ意味を持つ
ものとする。
図に於いて、11は格子定数がasである半導体基板、12
は平均の格子定数がaA(Z)であって半導体基板11の格子
手数asと異なる格子定数aeを得る為の格子定数変化用SL
S、13は格子定数abが半導体基板11の格子定数asと等し
いエピタキシャル成長のバッファ層、14は格子定数aB
格子定数aeと等しい転位伝播阻止用SLS、15は格子定数
がaeである目的とするエピタキシャル成長の半導体層、
Z1,Zb・・・・は縦方向の位置を表す座標をそれぞれ示
している。尚、エピタキシャル成長のバッファ層13の厚
さは約3〜4〔μm〕である。
第1図(B)は第1図(A)に見られる半導体ウエハ
に於ける格子定数の変化を説明する為の線図であり、第
1図(A)に於いて用いた記号と同記号は同部分を示す
か或いは同じ意味を持つものとする。
図から明らかなように、格子定数は、基板11に於いて
asであり、格子定数変化用SLS12の部分でasからaeへと
変化し、それらは半導体層15に至るまでaeを維持してい
る。
前記説明から明らかなように、格子定数変化用SLS12
に於いては、その格子定数が基板11のそれから半導体層
15のそれへと徐々に変化するようになっていて、それに
伴う応力及び欠陥の表面方向への伝播を最小限に抑える
働きをしているものであり、その為の歪緩和は、或る程
度の転位の導入に依って実現させている。
この粒子定数変化用SLS12の働きは、第2図を参照す
ると、更に明らかとなる。
第2図は第1図に於ける格子定数変化用SLS12の近傍
を拡大して表した要部切断側面図であり、第1図に於い
て用いた記号と同記号は同部分を示すか或いは同じ意味
を持つものとする。
図に於いて、16は歪を緩和する転位、17は内部で発生
した転位の中で曲げられて表面側に伝播するのを阻止さ
れた貫通転位(スレッデイング転位:threading転位)を
それぞれ示している。
このSLS12に於いては、基板11との界面近傍に於いて
は格子定数aA(Z)が略asであり、そして、バッファ層13
との界面近傍に於いては略aeになっている。また、転位
16を或る程度導入することで歪緩和を行い、そして、貫
通転位17は表面側に向かわないように曲げられている。
第1図及び第2図に見られるバッファ層13はSLS12に
依って変化させた格子定数がaeを保つように安定化する
と共にSLS14に対しては格子定数がaeの基板としての役
割も果たさなければならないので、その層厚はSLS全体
の厚さと比較して充分な厚さ、即ち、〔μm〕オーダー
にすることが望ましい。
第1図に見られるSLS14は貫通転位が表面側に伝達さ
れるのを阻止する役割を果し、その面内格子定数がae
あるように設計される。
第3図(A),(B),(C)は第1図に於けるSLS1
4の近傍を拡大して表した要部切断側面図、格子定数を
表す線図、組成を表す線図であり、第1図に於いて用い
た記号と同記号は同部分を示すか或いは同じ意味を持つ
ものとする。
図に於いて、C0は平均組成を示している。
図から明らかなように、SLS14に於ける面内格子定数
は、その上下に在るバッファ層13及び半導体層15に於け
るそれと一致している。
一般に、SLSでは、その面内格子定数が基板(前記のS
LS14の場合はバッファ層13)のそれと一致する場合、SL
S中の各層の厚さが或る臨界厚さを越えない限り、新た
な転位の発生はなく、効率的に転位密度を低減させるこ
とが可能である。
前記したところから、本発明に依るSLSバッファに於
いては、半導体基板(例えば半導体基板11)に於ける格
子定数(例えば格子定数as)から必要とされる格子定数
(例えば格子定数ae)まで変化させる為の格子定数変化
用歪超格子(例えば格子定数変化用歪超格子12)及び該
格子定数変化用歪超格子で変化させた前記必要とされる
格子定数をもつバッファ層(例えばバッファ層13)及び
平均格子定数が前記必要とされる格子定数と同じ値であ
る転位阻止層(例えば転位阻止層14)が前記半導体基板
に近い側から順に積層されている。
〔作用〕
前記手段を採ることに依り、或る格子定数の半導体基
板にそれとは異なる格子定数をもつ半導体層を形成する
ことができると共に得られた半導体層には転位の伝播が
低減されているので結晶欠陥は極めて少ない。
〔実施例〕
第4図(A)及び(B)は本発明一実施例に関してSL
S12の近傍を拡大して表した格子定数を説明する為の線
図及び組成を説明する為の線図であり、第1図に於いて
用いた記号と同記号は同部分を示すか或いは同じ意味を
持つものとする。
本実施例では、格子定数aA(Z)をasからaeへと変化さ
せ、しかも、欠陥密度が大幅には増加しないよう抑制す
る為に組成をグレーデッドにしてあり、例えば、 InxGa1-xP/InyGa1-yP なるSLSで、x及びyを基板側から表面側に徐々に変化
させ、当初、格子定数がasであったものを目標とする格
子定数aeにしている。
第5図(A)及び(B)は本発明に於ける他の実施例
に関してSLS12の近傍を拡大して表した格子定数を説明
する為の線図及び組成を説明する為の線図であり、第1
図に於いて用いた記号と同記号は同部分を示すか或いは
同じ意味を持つものとする。
本実施例では、第4図(A)及び(B)について説明
した実施例と同様の目的をもって、多段のSLSを用いた
ものであり、例えば、 InxGa1-xP/InyGa1-yP なるSLSで、その面内格子定数がa1,a2,a3・・・・であ
るようなSLS、例えば、 を基板側から表面側に向かって順に積層し、格子定数を
ステップ状に目標値aeに近づけるものである。
これらSLS12を形成するには、有機金属化学気相成長
(metalorganic chemical vapor deposition:MOCVD)法
などを適用すれば容易である。
前記説明したようなSLS12の上には、目標とする格子
定数aeを有するバッファ層13をエピタキシャル成長さて
転位密度の低減と格子定数aeの安定化を図るものであ
り、その厚さとしては約0.1〔μm〕〜2〔μm〕程度
を選択して良い。
このバッファ層13の上には、面内格子定数がaeである
SLS14を成長させるのであるが、第4図及び第5図につ
いて説明したSLS12などと組み合わせた全体の構成を第
6図について説明しよう。
第6図(A)及び(B)は本発明一実施例の全体に関
する格子定数を説明する為の線図及び組成を説明する為
の線図であり、第1図乃至第5図に於いて用いた記号と
同記号は同部分を示すか或いは同じ意味を持つものとす
る。
ここで、GaAsからなる基板11に、In0.25Ga0.75Pから
なる半導体層15をエピタキシャル成長させる場合、SLS1
2としては、 InxGa1-xP/InyGa1-yP を用い、基板11側から表面側に向かって、x値が0.63→
0.38へ、また、y値が0.37→0.12へと変化するように、
従って、平均組成(x+y/2)が0.5→0.25へと変化する
ように設定することができ、そして、それぞれの層厚が
約200〔Å〕程度であるグレーデッドSLSにすれば良い。
次に、バッファ層13としては、厚さ約1〔μm〕程度の
GaAs0.50.5層か、或いは、厚さ約1〔μm〕程度のIn
0.25Ga0.75P層を積層する。次に、SLS14としては、 InxGa1-xP/InyGa1-yP を用い、x値を0.35、y値を0.14とし、各層厚を150
〔Å〕にして例えば10周期を積層する。この後、所要の
半導体層15をエピタキシャル成長させれば良い。
〔発明の効果〕
本発明は歪超格子バッファに於いては、格子定数変化
用歪超格子と格子定数安定化用バッファ層と転位伝播阻
止用歪超格子とからなっている。
前記手段を採ることに依り、或る格子定数の半導体基
板にそれとは異なる格子定数をもつ半導体層を形成する
ことができると共に得られた半導体層には転位の伝播が
低減されているので結晶欠陥は極めて少ない。また、格
子定数を変化させること及び転位伝播を阻止することは
別個に設計することができるので、それぞれについて最
適化することが容易である。
【図面の簡単な説明】
第1図(A)は本発明の原理を説明する為の半導体ウエ
ハを表す要部切断側面図、第1図(B)は第1図(A)
に見られる半導体ウエハに於ける格子定数の変化を説明
する為の線図、第2図は第1図の一部拡大要部切断側面
図、第3図(A)及び(B)及び(C)は第1図の一部
拡大要部切断側面図及び格子定数に関する線図及び組成
に関する線図、第4図(A)及び(B)は一実施例の格
子定数を説明する為の線図及び組成を説明する為の線
図、第5図(A)及び(B)は他の実施例の格子定数を
説明する為の線図及び組成を説明する為の線図、第6図
(A)及び(B)は一実施例の全体について格子定数を
説明する為の線図及び組成を説明する為の線図、第7図
(A)乃至(C)は試作された歪超格子を有する半導体
ウエハの要部切断側面図をそれぞれ表している。 図に於いて、11は格子定数がasである半導体基板、12は
平均の格子定数aA(Z)であって半導体基板11の格子手数a
sと異なる格子定数aeを得る為の格子定数変化用SLS、13
は格子定数abが半導体基板11の格子定数asと等しいエピ
タキシャル成長のバッファ層、14は格子定数aBが格子定
数aeと等しい転位伝播阻止用SLS、15は格子定数がae
ある目的とするエピタキシャル成長の半導体層をそれぞ
れ示している。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体基板に於ける格子定数から必要とさ
    れる格子定数まで変化させる為の格子定数変化用歪超格
    子 及び該格子定数変化用歪超格子で変化させた前記必要と
    される格子定数をもつバッファ層 及び平均格子定数が前記必要とされる格子定数と同じ値
    である転位伝播阻止用歪超格子 が前記半導体基板に近い側から順に積層されてなること を特徴とする歪超格子バッファ。
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