JP2747823B2 - ガリウムヒ素層の製造方法及びガリウムヒ素・アルミニウムガリウムヒ素積層体の製造方法 - Google Patents

ガリウムヒ素層の製造方法及びガリウムヒ素・アルミニウムガリウムヒ素積層体の製造方法

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【発明の詳細な説明】 〔概要〕 シリコン基板上にガリウムヒ素層を製造する方法と、
シリコン基板上にガリウムヒ素・アルミニウムガリウム
ヒ素積層体を製造する方法との改良に関し、 シリコン基板上に、良質のガリウムヒ素層を製造する
方法を提供すること(第1の目的)と、シリコン基板上
に、良質のガリウムヒ素・アルミニウムガリウムヒ素積
層体を製造する方法を提供すること(第2の目的)とを
目的とし、 第1の目的を達成するには、低温度において、分子線
エピタキシャル成長法を使用して、シリコン基板上にガ
リウムヒ素層(熱膨張係数の差にもとづく「反り」等の
応力にもとづく結晶欠陥は発生しない)を形成し、アル
ミニウムヒ素の単原子層をキャップ層として、高温にお
いて、ヒ素分子線照射を継続しながら熱処理をなして、
ガリウムヒ素層の膜質を向上することとし、 第2の目的を達成するには、シリコン基板上に形成さ
れたガリウムヒ素層に、低温において、アルミニウムヒ
素の単原子層を形成し、高温において、前記のアルミニ
ウムヒ素の単原子層に、ヒ素分子線とアルミニウム分子
線とを短時間照射して、アルミニウムヒ素の二原子層を
形成し、この三原子層に、高温において、分子線エピタ
キシャル成長法を使用して、アルミニウムガリウムヒ素
層を形成することを要旨とする。
〔産業上の利用分野〕
本発明は、シリコン基板上にガリウムヒ素層を製造す
る方法と、シリコン基板上にガリウムヒ素・アルミニウ
ムガリウムヒ素積層体を製造する方法との改良に関す
る。
〔従来の技術〕
ガリウムヒ素はキャリアモビリティが高いので、半導
体装置等の材料として極めて有用であり、ガリウムヒ素
・アルミニウムガリウムヒ素積層体はHEMT等の材料とし
て極めて有用である。
従来技術においては、これらは、いづれも、ガリウム
ヒ素基板上に形成されていた。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかし、大口径のガリウムヒ素基板を製造することは
困難であり、スループット低下の原因となっていたの
で、大口径の基板の製造が容易であるシリコン基板上
に、ガリウムヒ素層やアルミニウムガリウムヒ素積層体
を製造する技術の開発が望まれていた。
しかし、シリコンとガリウムヒ素とは結晶性が異なる
ため、シリコン基板を余程薄くしないと、その上に単結
晶ガリウムヒ素を堆積することは困難であり、シリコン
基板の厚さを1μm程度として結晶性の相違にもとづく
困難性を克服しても、この場合は、工程中、シリコン基
板が破損しやすいため、事実上実用に耐えない。
そのため、シリコン基板上に、良質の単結晶ガリウム
ヒ素層を製造する方法の開発が望まれていた。
また、HEMT等を製造するためには、中間体としてガリ
ウムヒ素・アルミニウムガリウムヒ素積層体が必要であ
るが、n型のアルミニウムガリウムヒ素層に含まれるn
型不純物がガリウムヒ素層中に拡散することを防止する
ため、n型のアルミニウムガリウムヒ素層とガリウムヒ
素層との間に不純物を含まないアルミニウムガリウムヒ
素層(中間層)を、580〜680℃程度の低い温度範囲で形
成していた。このように低い成長温度を使用せざるを得
なかった理由は、下地のガリウムヒ素が損傷を受けない
ようにするためである。このように低い成長温度を使用
するため、中間層としての不純物を含まないアルミニウ
ムガリウムヒ素層とn型のアルミニウムガリウムヒ素層
との膜質は必ずしも良好ではないという欠点を免れなか
った。
そのため、シリコン基板上に、良質なガリウムヒ素・
アルミニウムガリウムヒ素積層体を製造する方法の開発
が望まれていた。
なお、単結晶をエピタキシャル成長する場合、反応温
度が高い方が膜質は良好になり、一方、熱膨張係数の異
なる材料上に単結晶をエピタキシャル成長する場合は、
反応温度が低い方が膜質は良好になることは周知であ
る。
本発明の目的は、これらの要望に応えることにあり、
第1の目的は、シリコン基板上に、ガリウムヒ素層を製
造する方を提供することにあり、第2の目的は、シリコ
ン基板上に、ガリウムヒ素・アルミニウムガリウムヒ素
積層体を製造する方法を提供することにある。
〔課題を解決するための手段〕
本発明の第1の目的は、350℃〜580℃の温度範囲にお
いて、分子線エピタキシャル成長法を使用して、シリコ
ン基板(1)上にガリウムヒ素層(2)を形成し、350
℃〜580℃の温度範囲において、ヒ素分子線とアルミニ
ウム分子線とを短時間照射して、アルミニウムヒ素の単
原子層(3)を形成し、該アルミニウムヒ素の単原子層
(3)をキャップ層として、750℃〜850℃の温度範囲に
おいて、ヒ素分子線照射を継続しながら熱処理をなし
て、前記ガリウムヒ素層(2)の膜質を向上する工程を
有するガリウムヒ素層の製造方法をもって構成される。
本発明の第2の目的は、シリコン基板(1)上に形成
されたガリウムヒ素層(2)に、350℃〜580℃の温度範
囲において、ヒ素分子線とアルミニウム分子線とを短時
間照射して、アルミニウムヒ素の単原子層(3)を形成
し、750℃〜850℃の温度範囲において、前記アルミニウ
ムヒ素の単原子層(3)に、ヒ素分子線とアルミニウム
分子線とを短時間照射して、アルミニウムヒ素の二原子
層(4)を形成し、該二原子層(4)に、750℃〜850℃
の温度範囲において、分子線エピタキシャル成長法を使
用して、アルミニウムガリウムヒ素層(5・6・7)を
形成する工程を有するガリウムヒ素・アルミニウムガリ
ウムヒ素積層体の製造方法をもって達成される。
〔作用〕
第1の手段にあっては、(イ)従来技術における場合
より、はるかに低い温度(350℃〜580℃)においてガリ
ウムヒ素層2を形成して、シリコンとガリウムヒ素との
熱膨張の相違にもとづく不利益は抑制し、(ロ)絶縁物
ではあるが極めて厚さの薄い単原子層であり実質的に電
気抵抗を大きくすることのないアルミニウムヒ素の単原
子層3をキャップ層として使用して、従来技術における
場合よりはるかに高い温度(750℃〜850℃)をもって熱
処理することゝされているので、(ハ)十分大きな熱処
理効果が実現して、十分良質のガリウムヒ素層21が、シ
リコン基板1上に形成される。
第2の手段にあっては、(イ)上記第1の手段の作用
に加えて、(ロ)中間層としてはアルミニウムヒ素の三
原子層が使用されているので、750℃〜850℃の高温でn
型のアルミニウムガリウムヒ素層を形成することがで
き、(ハ)ガリウムヒ素・アルミニウムガリウムヒ素積
層体の膜質は極めて良好になる。
〔実施例〕
以下、図面を参照して、本発明の実施例に係るシリコ
ン基板上にガリウムヒ素層を製造する方法と、シリコン
基板上にガリウムヒ素・アルミニウムガリウムヒ素積層
体を製造する方法とについて説明する。
第1例(シリコン基板上にガリウムヒ素層を製造する方
法の例) 第1a図参照 350℃〜580℃の温度範囲において、分子線エピタキシ
ャル成長法を使用して、厚さ約500μmのシリコン基板
1上に、厚さ2μmのガリウムヒ素層2を形成する。こ
の成長温度は低いので、シリコンとガリウムヒ素との熱
膨張係数の差にもとづく「反り」等の応力にもとづく結
晶欠陥は発生しない。しかし、一方、成長温度が低いた
め、ガリウムヒ素層2の膜質が劣ることは止むを得な
い。
次に、350℃〜580℃の温度範囲において、やはり分子
線エピタキシャル成長法を使用し、ヒ素分子線とアルミ
ニウム分子線とを極めて短時間(6.4×1014cm-2程度)
照射し、厚さ約2.8Åにアルミニウムヒ素の単原子層3
を形成する。
第1b図参照 さらに、このアルミニウムヒ素の単原子層3をキャッ
プ層として、750℃〜850℃の高温において、ヒ素分子線
を照射しながら熱処理をなす。この熱処理温度は十分高
いので、所期の熱処理効果が得られ、ガリウムヒ素層2
の膜質は向上し、十分良質のガリウムヒ素層21が得られ
る。
第2例(シリコン基板上にガリウムヒ素・アルミニウム
ガリウムヒ素積層体を製造する方法の例) 第1a図、第1b図再参照 第1例に記載した工程をもって、第1a図、第1b図に示
したように、シリコン基板1上に、良質のガリウムヒ素
層21とアルミニウムヒ素の単原子層3とを形成する。
第1c図参照 次に、750℃〜850℃の温度範囲において、やはり分子
線エピタキシャル成長法を使用し、ヒ素分子線とアルミ
ニウム分子線とを極めて短時間(1.3×1015cm-2)照射
し、厚さ約5.6Åにアルミニウムヒ素の二原子層4を形
成する。
次に、アンドープのアルミニウムガリウムヒ素層5
(アルミニウム混晶比は0.15〜0.3)を、約680℃の反応
温度で、約52Å厚に成長し、さらに、n型のアルミニウ
ムガリウムヒ素層6(アルミニウム混晶比は0.15〜0.3
であり、不純物濃度は1×1018cm-3)を約900Å厚に成
長し、さらに、n型のアルミニウムガリウムヒ素層6
(アルミニウム混晶比は0.15〜0.3であり、不純物濃度
は1.5×1018cm-3)を約100Å厚に成長する。
以上の工程をもって形成したアルミニウムガリウムヒ
素/ガリウムヒ素/シリコン積層体においては、中間層
4・3が十分にその機能を発揮するとともに、アルミニ
ウムガリウムヒ素5・6・7の膜質は十分良好になる。
〔発明の効果〕
以上説明せるとおり、本発明に係るシリコン基板上に
ガリウムヒ素層を製造する方法においては、低温度にお
いて、分子線エピタキシャル成長法を使用して、シリコ
ン基板上にガリウムヒ素層(熱膨張係数の差にもとづく
「反り」等の応力にもとづく結晶欠陥は発生しない)を
形成し、アルミニウムヒ素の単原子層をギャップ層とし
て、高温において、ヒ素分子線照射を継続しながら熱処
理をなして、ガリウムヒ素層の膜質を向上することとさ
れているので、ガリウムヒ素層の膜質が極めて良好であ
る。
また、本発明に係るシリコン基板上にガリウムヒ素・
アルミニウムガリウムヒ素積層体を製造する方法におい
ては、シリコン基板上に形成されたガリウムヒ素層に、
低温において、アルミニウムヒ素の単原子層を形成し、
高温において、前記のアルミニウムヒ素の単原子層に、
ヒ素分子線とアルミニウム分子線とを短時間照射して、
アルミニウムヒ素の二原子層を形成し、この三原子層
に、高温において、分子線エピタキシャル成長法を使用
して、アルミニウムガリウムヒ素層を形成することとさ
れているので、アルミニウムガリウムヒ素層、ガリウム
ヒ素層とも膜質は良好であり、しかも、アルミニウムガ
リウムヒ素層とガリウムヒ素層との境界においても、組
成比は、正確に所望の値とされる。
【図面の簡単な説明】
第1a図、第1b図は、本発明に係るシリコン基板上に、ガ
リウムヒ素層を製造する方法の説明図である。 第1c図は、本発明に係るシリコン基板上に、ガリウムヒ
素・アルミニウムガリウムヒ素積層体を製造する方法の
説明図である。 1……シリコン基板、 2……ガリウムヒ素層、 21……良質のガリウムヒ素層、 3……アルミニウムヒ素単原子層(キャップ層)、 4……アルミニウムヒ素二原子層(中間層)、 5……アンドープのアルミニウムガリウムヒ素層(中間
層)、 6・7……n型アルミニウムガリウムヒ素層。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】350℃〜580℃の温度範囲において、分子線
    エピタキシャル成長法を使用して、シリコン基板(1)
    上にガリウムヒ素層(2)を形成し、 350℃〜580℃の温度範囲において、ヒ素分子線とアルミ
    ニウム分子線とを短時間照射して、アルミニウムヒ素の
    単原子層(3)を形成し、 該アルミニウムヒ素の単原子層(3)をキャップ層とし
    て、750℃〜850℃の温度範囲において、ヒ素分子線照射
    を継続しながら熱処理をなして、前記ガリウムヒ素層
    (2)の膜質を向上する 工程を有することを特徴とするガリウムヒ素層の製造方
    法。
  2. 【請求項2】シリコン基板(1)上に形成されたガリウ
    ムヒ素層(2)に、350℃〜580℃の温度範囲において、
    ヒ素分子線とアルミニウム分子線とを短時間照射して、
    アルミニウムヒ素の単原子層(3)を形成し、 750℃〜850℃の温度範囲において、前記アルミニウムヒ
    素の単原子層(3)に、ヒ素分子線とアルミニウム分子
    線とを短時間照射して、アルミニウムヒ素の二原子層
    (4)を形成し、 該二原子層(4)に、750℃〜850℃の温度範囲におい
    て、分子線エピタキシャル成長法を使用して、アルミニ
    ウムガリウムヒ素層(5・6・7)を形成する 工程を有することを特徴とするガリウムヒ素・アルミニ
    ウムガリウムヒ素積層体の製造方法。
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