JP2701560B2 - GaAs single crystal - Google Patents
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Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は半絶縁性のGaAs単結
晶、特に半絶縁性GaAsウェハのリーク電流を低減し
たものに関する。The present invention relates to a semi-insulating GaAs single crystal, and more particularly to a semi-insulating GaAs wafer having a reduced leakage current.
【0002】[0002]
【従来の技術】一般に、GaAs高速デバイスはGaA
sウェハ上に形成される。素子の能動層は、ウェハに直
接イオンを打込んで作る方法、あるいはエピタキシャル
法によって作る方法がある。2. Description of the Related Art Generally, a GaAs high-speed device is GaAs.
formed on the s wafer. The active layer of the device may be formed by directly implanting ions into the wafer or by an epitaxial method.
【0003】イオン打込み法の場合、過度の打込みは結
晶性の悪化をもたらすことから能動層のキャリア濃度に
限界があり、あまり高濃度にできない。また、キャリア
濃度は能動層と基板の界面で急峻に変化することが高周
波特性上望ましいが、イオン打込み法では、原理上、界
面の急峻性に限界がある。この点でエピタキシャル法は
有利であり、デバイスの高性能化には、MOVPE法
(有機金属気相エピタキシャル法)やMBE(分子線エ
ピタキシャル法)といったエピタキシャル成長法が用い
られる。In the case of the ion implantation method, since excessive implantation causes deterioration of crystallinity, the carrier concentration of the active layer is limited and cannot be made too high. It is desirable for the high frequency characteristics that the carrier concentration changes sharply at the interface between the active layer and the substrate. However, in the ion implantation method, there is a limit to the sharpness of the interface in principle. In this regard, the epitaxial method is advantageous, and an epitaxial growth method such as MOVPE (organic metal vapor phase epitaxy) or MBE (molecular beam epitaxy) is used to improve the performance of the device.
【0004】さて、エピタキシャル成長用基板として
は、デバイスを構成する素子間の分離を容易にするため
に、通常、半絶縁性のGaAsウェハが使用される。こ
のウェハを得るための半絶縁性結晶の製造方法には、主
として次の2つの方法がある。As a substrate for epitaxial growth, a semi-insulating GaAs wafer is usually used in order to facilitate separation between elements constituting a device. There are mainly the following two methods for producing a semi-insulating crystal for obtaining this wafer.
【0005】1つは結晶に深いアクセプタ準位を作るC
rと、深いドナー準位を作るO2 を添加することによ
り、これらの深い準位で浅いドナー準位及び浅いアクセ
プタ準位をそれぞれ補償して半絶縁性化する方法であ
る。水平ブリッジマン法に代表される。[0005] One is C, which forms a deep acceptor level in the crystal.
By adding r and O 2 for forming a deep donor level, these deep levels compensate for the shallow donor level and the shallow acceptor level, respectively, to make them semi-insulating. It is represented by the horizontal Bridgman method.
【0006】他の1つは、結晶組成をAs過剰とし、微
量の浅いアクセプタを添加する方法である。結晶組成を
As過剰とすれば、EL2とよばれる深いドナーが作ら
れる。EL2は、過剰Asが関与した格子欠陥であると
言われ、その濃度は通常2×1016cm~3程度である。
結晶中の浅いドナーを浅いアクセプタが補償し、更に浅
いアクセプタを深いドナーとなるEL2が補償すること
によって結晶は半絶縁性化する。この結晶は、通常、液
体封止チョクラルスキー法(LEC法)によって製造さ
れる。LEC法ではヒータにカーボンを使用しているこ
とから、結晶中に微量なCが混入する。Cは浅いアクセ
プタとなるので、LEC法では、特に意図して浅いアク
セプタ不純物を添加しなくても、即ち、水平ブリッジマ
ン法のように不純物を添加しなくても、半絶縁性結晶が
得られる。このことから、LEC法は半絶縁性結晶製造
法として広く用いられており、本発明でもこのLEC法
を対象とする。Another method is to make the crystal composition excessive in As and to add a small amount of a shallow acceptor. If the crystal composition is made excess As, a deep donor called EL2 is produced. EL2 an excess As is said that a lattice defect involved, its concentration is usually 2 × 10 16 cm ~ about 3.
The shallow acceptor in the crystal is compensated by the shallow acceptor, and the shallow acceptor is compensated by the deep donor EL2, so that the crystal becomes semi-insulating. This crystal is usually manufactured by a liquid-sealed Czochralski method (LEC method). In the LEC method, since carbon is used for the heater, a small amount of C is mixed in the crystal. Since C becomes a shallow acceptor, a semi-insulating crystal can be obtained by the LEC method without particularly intentionally adding a shallow acceptor impurity, that is, without adding an impurity as in the horizontal Bridgman method. . For this reason, the LEC method is widely used as a method for producing a semi-insulating crystal, and the present invention is also directed to the LEC method.
【0007】[0007]
【発明が解決しようとする課題】Crを添加しない従来
の半絶縁性基板ウェハを用いた場合、デバイス特性を悪
化させる最大の要因はウェハに起因する基板リーク電流
である。基板中の電子濃度は107 cm~3以下と、確か
に非常に低い。しかしながら、デバイス動作時には、基
板と能動層に強い電界がかけられるので、微量の電子が
能動層から基板にしみ出してしまう。これらの電子は、
デバイス素子がFETであればドレイン電極、あるいは
隣接する素子へ流れ込み、これがノイズとなりデバイス
特性が悪化する。基板はもともとキャリア濃度が低く、
不純物も少ないことから、電子の移動度が非常に高い
(7000cm2 /V・s)。このことから、リークし
た電子は容易に移動する。When a conventional semi-insulating substrate wafer to which Cr is not added is used, the biggest factor that deteriorates the device characteristics is the substrate leakage current caused by the wafer. The electron concentration in the substrate is certainly very low at 10 7 cm 3 or less. However, during operation of the device, a strong electric field is applied to the substrate and the active layer, so that a small amount of electrons leaks from the active layer to the substrate. These electrons are
If the device element is an FET, it flows into the drain electrode or an adjacent element, which becomes noise and degrades the device characteristics. The substrate originally has a low carrier concentration,
Since there are few impurities, the mobility of electrons is very high (7000 cm 2 / V · s). From this, the leaked electrons move easily.
【0008】なお、水平ブリッジマン法で作製するCr
添加基板の場合、上記したリーク電量に加えて、Crの
拡散係数が大きいことからエピタキシャル層中に拡散
し、デバイス性能を悪化させることがある。In addition, Cr produced by the horizontal Bridgman method
In the case of an added substrate, in addition to the above-described leakage charge, Cr has a large diffusion coefficient, so that it may diffuse into the epitaxial layer and deteriorate device performance.
【0009】本発明の目的は、前記した従来技術の欠点
を解消し、半絶縁性で、かつ電子の移動度の小さい新規
なGaAsウェハを提供することにある。An object of the present invention is to solve the above-mentioned drawbacks of the prior art and to provide a novel GaAs wafer which is semi-insulating and has a small electron mobility.
【0010】[0010]
【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、電子移
動度を低くするために、浅い準位を作るドナー不純物及
び浅い準位を作るアクセプタ不純物を、それぞれの濃度
が1017cm~3以上となるように添加する。即ち、敢え
て浅い不純物濃度の総和を2×1017以上とする。ま
た、その上で、半絶縁性とするために、浅いアクセプタ
不純物が浅いドナー不純物より多く、それらの差がEL
2濃度より低い濃度となるように添加することにある。
これによってリーク電流を大幅に減少させている。SUMMARY OF THE INVENTION The gist of the present invention is that a donor impurity forming a shallow level and an acceptor impurity forming a shallow level have a concentration of 10 17 cm- 3 to reduce electron mobility. Add so that it becomes above. That is, the sum of the shallow impurity concentrations is intentionally set to 2 × 10 17 or more. In addition, in order to obtain semi-insulating properties, the shallow acceptor impurities are more than the shallow donor impurities, and the difference between them is EL.
It is to be added so as to have a concentration lower than 2 concentrations.
This greatly reduces the leakage current.
【0011】より詳しくは、一種類以上の浅いドナー準
位となる不純物と、一種類以上の浅いアクセプタ準位と
なる不純物とを含み、電子移動度を1000cm2 /V
・s以下とするために、これらの浅い不純物準位を形成
する不純物濃度の総和を NSD+NSA≧2×1017cm~3 とし、かつ、半絶縁性とするために、これらの不純物濃
度の差を NSD−NSA<NDD としたことを特徴とするGaAs単結晶。More specifically, it contains one or more kinds of impurities that form a shallow donor level and one or more kinds of impurities that form a shallow acceptor level, and has an electron mobility of 1000 cm 2 / V.
· S to less the sum of the impurity concentration for forming these shallow impurity level of the NSD + NSA ≧ 2 × 10 17 cm ~ 3, and, in order to semi-insulating, the difference between the impurity concentration A GaAs single crystal, wherein NSD-NSA <NDD.
【0012】但し、NSDは一種類以上の浅いドナー不純
物濃度の和、NSAは一種類以上の浅いアクセプタ不純物
濃度の和、NDDは深いドナー濃度である。However, NSD is the sum of one or more shallow donor impurity concentrations, NSA is the sum of one or more shallow acceptor impurity concentrations, and NDD is the deep donor concentration.
【0013】ここで、上述した一種類以上の浅いドナー
となる不純物はSi、S、Sn、SeまたはTeのいず
れでもよく、また、一種類以上の浅いアクセプタとなる
不純物はC、Mn、Be、Mg、Li、ZnまたはCu
のいずれでもよい。Here, the one or more kinds of impurities serving as shallow donors may be any of Si, S, Sn, Se and Te, and the one or more kinds of impurities serving as shallow acceptors may be C, Mn, Be, Mg, Li, Zn or Cu
Either may be used.
【0014】[0014]
【作用】半絶縁性結晶の場合、電子の移動度に最も影響
するのは、イオン化した不純物による散乱である。浅い
準位は全てイオン化しており、その総量の増加に従い移
動度は低下する。このように移動度を決定するのはイオ
ン化した不純物の濃度であり、イオン化している浅いド
ナーもアクセプタも移動度に寄与している。In the case of a semi-insulating crystal, scattering by ionized impurities has the greatest influence on electron mobility. All shallow levels are ionized, and the mobility decreases as the total amount increases. It is the concentration of the ionized impurities that determines the mobility in this way, and both the ionized shallow donor and the acceptor contribute to the mobility.
【0015】一方、高周波特性は、移動度が1000c
m2 /V・s以下になると飛躍的に向上すると予想され
る。On the other hand, the high frequency characteristic is that the mobility is 1000 c
It is expected that if it is less than m 2 / V · s, it will be dramatically improved.
【0016】ところで、GaAsにおけるイオン性不純
物散乱を考慮した、不純物濃度と移動度の関係は理論的
に検討されており、W.Walukiewicz らの報告がある(J.A
ppl.Phys.53(1982)P769)。これによると、移動度が10
00cm2 /V・s以下となるためにはイオン性不純物
濃度は2.2×1017cm~3以上必要である。これはア
クセプタ不純物及びドナー不純物の総量である。両者の
差は、GaAs単結晶を半絶縁性とするためにはEL2
濃度以下でなければならない。EL2濃度は通常2×1
016以下である。これらのことから浅い不純物の濃度は
ドナー、アクセプタとも1×1017cm~3以上必要であ
る。Incidentally, the relationship between the impurity concentration and the mobility in consideration of ionic impurity scattering in GaAs has been theoretically studied, and there is a report by W. Walukiewicz et al. (JA
ppl.Phys. 53 (1982) P769). According to this, the mobility is 10
The ionic impurity concentration needs to be 2.2 × 10 17 cm to 3 or more in order to be 00 cm 2 / V · s or less. This is the total amount of acceptor impurities and donor impurities. The difference between the two is that in order to make the GaAs single crystal semi-insulating, EL2
It must be below the concentration. EL2 concentration is usually 2 × 1
0 16 or less. For these reasons, the concentration of the shallow impurity is required to be 1 × 10 17 cm to 3 or more for both the donor and the acceptor.
【0017】なお、GaAs単結晶を半絶縁性にするた
めには、本発明のように NDD>NSA−NSD とする以外に、 NDA>NSD−NSA NDA:深いアクセプタ不純物濃度 となるようにアクセプタ支配型とすることも可能である
が、そうすると、深いアクセプタ不純物を多く添加しな
ければならず、析出等の問題が発生して好ましくない。In order to make the GaAs single crystal semi-insulating, in addition to NDD> NSA-NSD as in the present invention, NDA> NSD-NSA NDA: the acceptor is controlled so as to have a deep acceptor impurity concentration. Although it is possible to use a mold, it is necessary to add a large amount of deep acceptor impurities, which is not preferable because problems such as precipitation occur.
【0018】本発明のようにドナー支配型とすれば、E
L2の濃度のみで(NDD≧EL2)、NDD>NSA−NSD
とすることができる。If a donor-dominated type is used as in the present invention, E
With only L2 concentration (NDD ≥ EL2), ND> NSA-NSD
It can be.
【0019】[0019]
【実施例】以下、本発明の実施例を図1〜図2を用いて
説明する。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.
【0020】浅い準位をつくるドナーとしてSi、浅い
準位をつくるアクセプタとしてCを添加し、本実施例の
GaAs単結晶をLEC法により製作した。その結果、
移動度1000cm2 /V・s以下の半絶縁性結晶を得
ることができた。これを詳述する。A GaAs single crystal of this embodiment was manufactured by the LEC method by adding Si as a donor for forming a shallow level and C as an acceptor for forming a shallow level. as a result,
A semi-insulating crystal having a mobility of 1000 cm 2 / V · s or less was obtained. This will be described in detail.
【0021】GaAs融液6.1kg中に、浅いドナー
不純物としてSiを0.4g、浅いアクセプタ不純物と
してC(炭素)を0.5g混入させた。LEC法により
直径約60mmで5kgのGaAs単結晶を得た。この
結晶から評価用ウェハを切り出し、C濃度、Si濃度、
EL2濃度、比抵抗、キャリア濃度、移動度を測定し
た。C濃度は、Cの局在振動による580cm~1付近の
吸収率をフーリェ分光光度計(FTIR)を用いて測定
し、濃度に換算することによって求めた。換算係数は8
×1015cm~1を用いた。Si濃度はグロー放電型質量
分析法(GDMS)を用いて測定した。EL2濃度は
1.0μm光吸収法により測定した。比抵抗はVan der
Pau法、キャリア濃度、移動度はHall測定により求
めた。In 6.1 kg of the GaAs melt, 0.4 g of Si as a shallow donor impurity and 0.5 g of C (carbon) as a shallow acceptor impurity were mixed. A 5 kg GaAs single crystal having a diameter of about 60 mm was obtained by the LEC method. A wafer for evaluation is cut out from this crystal, and the C concentration, the Si concentration,
EL2 concentration, specific resistance, carrier concentration, and mobility were measured. The C concentration was determined by measuring the absorptance near 580 cm- 1 due to the localized vibration of C by using a Fourier spectrophotometer (FTIR) and converting it to a concentration. Conversion factor is 8
× 10 15 cm ~ 1 was used. The Si concentration was measured using glow discharge mass spectrometry (GDMS). The EL2 concentration was measured by a 1.0 μm light absorption method. The specific resistance is Van der
The Pau method, carrier concentration, and mobility were determined by Hall measurement.
【0022】C濃度、Si濃度及び比抵抗の固化率依存
性を図1、図2に示す。結晶のシード側(固化率0側)
ではp形の半導電性、テイル側(固化率1.0側)では
n型の半導電性を示す(図1)。またシード側とテイル
側の比抵抗は低いが、固化率0.5付近では結晶は10
8 Ω- cm以上の値をもつ半絶縁性を示している(図
2)。FIGS. 1 and 2 show the solidification rate dependence of the C concentration, the Si concentration, and the specific resistance. Seed side of crystal (solidification rate 0 side)
Shows p-type semiconductivity and n-type semiconductivity on the tail side (solidification rate 1.0 side) (FIG. 1). Although the specific resistance between the seed side and the tail side is low, the crystal becomes
It shows semi-insulating properties with a value of 8 Ω-cm or more (Fig. 2).
【0023】また、図1に示すように固化率0.5の部
分の炭素濃度は1.8×1017cm~3、Si濃度は1.
7×1017cm~3である。EL2濃度は通常値の2×1
016cm~3であった。Hall測定によりキャリア濃度
は1.5×1017cm~3で、移動度は非常に低く840
cm2/V・sであった。この結晶はn型を示してお
り、従ってHall移動度はほぼ電子の移動度と考えて
よく、低移動度の半絶縁性結晶を得ることができた。Further, as shown in FIG. 1, the carbon concentration in the portion having a solidification rate of 0.5 is 1.8 × 10 17 cm 3 , and the Si concentration is 1.0.
7 is a × 10 17 cm ~ 3. EL2 concentration is 2 × 1 of normal value
It was 0 16 cm ~ 3. In Hall carrier concentration by measuring the 1.5 × 10 17 cm ~ 3, the mobility is very low 840
cm 2 / V · s. This crystal shows n-type, and therefore, the Hall mobility can be considered to be almost the electron mobility, and a low-mobility semi-insulating crystal could be obtained.
【0024】以上述べたように本実施例によれば、電子
の移動度が非常に低く、リークした電子が容易に移動で
きないようにしてあるので、デバイス動作時に能動層に
強い電界がかけられて微量の電子が能動層から基板にし
み出しても、これらの電子は、デバイスがFETとした
場合に、ドレイン電極へ流れ込むことも、隣接する素子
へ流れ込むこともなく、ノイズの発生やデバイス特性の
悪化を有効に防止することができる。また、GaAsウ
ェハの絶縁抵抗を上げ、深いレベルで安定性を図るよう
にしたので、エピタキシャル成長による高速デバイス用
ウェハに適用すれば効果は大である。As described above, according to the present embodiment, since the mobility of electrons is very low and the leaked electrons cannot be easily moved, a strong electric field is applied to the active layer during device operation. Even if a small amount of electrons leaks from the active layer to the substrate, these electrons do not flow to the drain electrode or to an adjacent element when the device is an FET, generating noise and degrading device characteristics. Deterioration can be effectively prevented. Further, since the insulation resistance of the GaAs wafer is increased to achieve stability at a deep level, the effect is great if applied to a high-speed device wafer by epitaxial growth.
【0025】また、本実施例のようにLEC法を採用
し、微量の浅い不純物をドープするだけでよく、水平ブ
リッジマン法のように、拡散係数の大きな、深いアクセ
プタ不純物を多く添加する必要がないため、デバイス性
能を悪化させるというようなことがなくなる。Further, the LEC method is employed as in this embodiment, and only a small amount of shallow impurities need to be doped. As in the case of the horizontal Bridgman method, it is necessary to add many deep acceptor impurities having a large diffusion coefficient. As a result, device performance is not degraded.
【0026】[0026]
【発明の効果】本発明によれば、浅い不純物濃度の総和
を2×1017cm~3としたGaAs単結晶を形成するこ
とによって、電子移動度を低下させたGaAs単結晶が
得られる。従って、このGaAs単結晶から切り出した
ウェハを用いることによって、エピタキシャル法によっ
て作成する高周波デバイスの基板リーク電流を大幅に減
少させることができる。これにより、特にデバイス製造
方法を改良しなくても、基板を通じて電極間に予定外の
余分なリーク電流が流れることによって起こる短チャネ
ル現象、サイドゲート効果が大幅に改善され、ノイズが
減少すると共に、利得等のデバイス特性を大幅に向上さ
せることができる。According to the present invention, a GaAs single crystal having reduced electron mobility can be obtained by forming a GaAs single crystal having a total shallow impurity concentration of 2 × 10 17 cm 3 . Therefore, by using a wafer cut from the GaAs single crystal, the substrate leakage current of a high-frequency device formed by an epitaxial method can be significantly reduced. As a result, a short channel phenomenon caused by an unexpected extra leakage current flowing between the electrodes through the substrate, a side gate effect is greatly improved without particularly improving the device manufacturing method, and noise is reduced. Device characteristics such as gain can be greatly improved.
【図1】本発明結晶の実施例における炭素濃度、Si濃
度の固化率依存性を示す特性図。FIG. 1 is a characteristic diagram showing the solidification rate dependence of carbon concentration and Si concentration in an example of the crystal of the present invention.
【図2】本発明結晶の実施例におけるCとSiとの各比
抵抗の固化率依存性を示す特性図。FIG. 2 is a characteristic diagram showing the solidification rate dependence of each specific resistance of C and Si in an example of the crystal of the present invention.
Claims (4)
と、一種類以上の浅いアクセプタ準位となる不純物とを
含み、電子移動度を1000cm2 /V・s以下とする
ために、これらの浅い不純物準位を形成する不純物濃度
の総和を NSD+NSA≧2×1017cm~3 とし、かつ、半絶縁性とするために、これらの不純物濃
度の差を NSD−NSA<NDD としたことを特徴とするGaAs単結晶。但し、NSDは
一種類以上の浅いドナー不純物濃度の和、NSAは一種類
以上の浅いアクセプタ不純物濃度の和、NDDは深いドナ
ー濃度である。Claims 1. One or more kinds of impurities that form a shallow donor level and one or more kinds of impurities that form a shallow acceptor level, so that the electron mobility is 1000 cm 2 / V · s or less. The sum of the impurity concentrations forming shallow impurity levels is NSD + NSA ≧ 2 × 10 17 cm 3 , and the difference between these impurity concentrations is NSD−NSA <NDD in order to achieve semi-insulating properties. Characteristic GaAs single crystal. Here, NSD is the sum of one or more shallow donor impurity concentrations, NSA is the sum of one or more shallow acceptor impurity concentrations, and NDD is the deep donor concentration.
て、一種類以上の浅いドナーとなる不純物はSi、S、
Sn、SeまたはTeであることを特徴とするGaAs
単結晶。2. The GaAs single crystal according to claim 1, wherein the one or more kinds of impurities serving as shallow donors are Si, S,
GaAs characterized by being Sn, Se or Te
Single crystal.
において、一種類以上の浅いアクセプタとなる不純物は
C、Mn、Be、Mg、Li、ZnまたはCuであるこ
とを特徴とするGaAs単結晶。3. The GaAs single crystal according to claim 1, wherein the impurity serving as one or more kinds of shallow acceptors is C, Mn, Be, Mg, Li, Zn, or Cu. crystal.
As単結晶において、深いドナーはEL2であることを
特徴とするGaAs単結晶。4. The Ga according to claim 1, wherein
A GaAs single crystal, wherein the deep donor is EL2 in the As single crystal.
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP4110591A JP2701560B2 (en) | 1991-02-13 | 1991-02-13 | GaAs single crystal |
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JP4110591A JP2701560B2 (en) | 1991-02-13 | 1991-02-13 | GaAs single crystal |
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JPH04260698A JPH04260698A (en) | 1992-09-16 |
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Country Status (1)
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JP2007210882A (en) * | 2007-02-05 | 2007-08-23 | Dowa Holdings Co Ltd | Si-DOPED GaAs SINGLE CRYSTAL AND ITS PRODUCING METHOD |
JP5050184B2 (en) * | 2008-03-31 | 2012-10-17 | Dowaエレクトロニクス株式会社 | Si-doped GaAs single crystal |
-
1991
- 1991-02-13 JP JP4110591A patent/JP2701560B2/en not_active Expired - Lifetime
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Publication number | Publication date |
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JPH04260698A (en) | 1992-09-16 |
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