JP2790006B2 - ヘテロ界面形成方法 - Google Patents
ヘテロ界面形成方法Info
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ヘテロ界面の形成方法
に関し、特に5族元素の組成変化を有する3−5族化合
物半導体の高品質ヘテロ界面を形成する方法に関する。
に関し、特に5族元素の組成変化を有する3−5族化合
物半導体の高品質ヘテロ界面を形成する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】3−5族化合物半導体のヘテロ界面の品
質は、二次元電子ガストランジスタや量子井戸レーザの
ようなデバイス特性を大きく左右するため、平坦かつ急
峻で、不純物や欠陥の少ない高品質なヘテロ界面を形成
することが重要である。特にヘテロ界面において、5族
元素や種類や組成が変化するような場合は、ヘテロ界面
で5族原料を切り替える必要がり、良好なヘテロ界面を
得るのは困難である。従来この種のヘテロ界面は、膜厚
制御性に優れた結晶成長方法である分子線エピタキシー
法や有機金属気相法を用い、一般に図2に示すような切
り替えシーケンスにより形成されていた。例えばジャー
ナル オブ クリスタル グロウス(J.Crysta
l.Growth)105巻 244ページ 1990
年参照。図2はそのガス切り替え工程の説明図である。
その特徴は、3元素を3A、3B,5族元素を5A、5
Bで記述すると、3A5A層21、23と3B5B層2
2のヘテロ界面において、3族原料の供給を止めて、5
族原料を切り替える工程が入っていることにある。5族
切り替えに必要な時間間隔T1、T2、T3、T4等は
それぞれの成長装置の特性に合わせて最適化されてい
た。それぞれの時間間隔の役割は、T1、T3は主に界
面を平坦化するのに必要な時間であり、T2、T4は5
族原料の混合を抑制するのに必要な時間である。
質は、二次元電子ガストランジスタや量子井戸レーザの
ようなデバイス特性を大きく左右するため、平坦かつ急
峻で、不純物や欠陥の少ない高品質なヘテロ界面を形成
することが重要である。特にヘテロ界面において、5族
元素や種類や組成が変化するような場合は、ヘテロ界面
で5族原料を切り替える必要がり、良好なヘテロ界面を
得るのは困難である。従来この種のヘテロ界面は、膜厚
制御性に優れた結晶成長方法である分子線エピタキシー
法や有機金属気相法を用い、一般に図2に示すような切
り替えシーケンスにより形成されていた。例えばジャー
ナル オブ クリスタル グロウス(J.Crysta
l.Growth)105巻 244ページ 1990
年参照。図2はそのガス切り替え工程の説明図である。
その特徴は、3元素を3A、3B,5族元素を5A、5
Bで記述すると、3A5A層21、23と3B5B層2
2のヘテロ界面において、3族原料の供給を止めて、5
族原料を切り替える工程が入っていることにある。5族
切り替えに必要な時間間隔T1、T2、T3、T4等は
それぞれの成長装置の特性に合わせて最適化されてい
た。それぞれの時間間隔の役割は、T1、T3は主に界
面を平坦化するのに必要な時間であり、T2、T4は5
族原料の混合を抑制するのに必要な時間である。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】この従来のヘテロ界面
形成方法では、以下のような問題点が発生する。まず第
一に、時間T2やT4を長くすると、いずれかのヘテロ
界面で劣化が生じる。例えばInGaAsとInPの場
合、InP面にAs照射し続けても界面は劣化しない
が、InGaAs面に照射し続けると界面は劣化する。
例えばアプライドフィジクス レター(Appl.Ph
ys.Lett.)49巻1302ページ1986年参
照。これはInGaAs中のAsとPが置換しP組成の
大きなInGaAsPが界面に形成されるためである。
AsとPが置換するのは、PがAsに比べてGaとの化
学結合が強いためと考えられる。同様なことはGaAs
とInGaPの場合でも起こり、GaAs面をP照射す
る際には劣化する。例えばジャーナル オブ エレクト
ロニックス マテリアルズ(J.Electroni
c.Materials)21巻 129ページ 19
91年参照。
形成方法では、以下のような問題点が発生する。まず第
一に、時間T2やT4を長くすると、いずれかのヘテロ
界面で劣化が生じる。例えばInGaAsとInPの場
合、InP面にAs照射し続けても界面は劣化しない
が、InGaAs面に照射し続けると界面は劣化する。
例えばアプライドフィジクス レター(Appl.Ph
ys.Lett.)49巻1302ページ1986年参
照。これはInGaAs中のAsとPが置換しP組成の
大きなInGaAsPが界面に形成されるためである。
AsとPが置換するのは、PがAsに比べてGaとの化
学結合が強いためと考えられる。同様なことはGaAs
とInGaPの場合でも起こり、GaAs面をP照射す
る際には劣化する。例えばジャーナル オブ エレクト
ロニックス マテリアルズ(J.Electroni
c.Materials)21巻 129ページ 19
91年参照。
【0004】このように5族切り替えにおけるいずれか
一方の界面の劣化は、異なる5族元素の3族に対する化
学結合強度の違いに起因しているため本質的な問題であ
る。またこのヘテロ界面での5族置換を最小限にとどめ
るため、待機時間を出来るだけ短くすることにより界面
劣化を抑制した例もあるが、この場合は、供給される5
族原料自身の切り替えが十分でないため引き続き成長す
る半導体層が目的とは異なった5族組成になるという新
たな問題点がある。例えばジャーナル オブクリスタル
グロウス(J.Gryst.Growth)111巻
521ページ 1991年参照。このように従来の技
術では本質的に、高品質なヘテロ界面を形成することは
困難であった。
一方の界面の劣化は、異なる5族元素の3族に対する化
学結合強度の違いに起因しているため本質的な問題であ
る。またこのヘテロ界面での5族置換を最小限にとどめ
るため、待機時間を出来るだけ短くすることにより界面
劣化を抑制した例もあるが、この場合は、供給される5
族原料自身の切り替えが十分でないため引き続き成長す
る半導体層が目的とは異なった5族組成になるという新
たな問題点がある。例えばジャーナル オブクリスタル
グロウス(J.Gryst.Growth)111巻
521ページ 1991年参照。このように従来の技
術では本質的に、高品質なヘテロ界面を形成することは
困難であった。
【0005】本発明の目的は、このような問題点を解決
できる高品質ヘテロ界面形成方法を提供することにあ
る。
できる高品質ヘテロ界面形成方法を提供することにあ
る。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明によるヘテロ界面
形成方法は、3−5族化合物半導体のV族元素組成切り
替えを有するヘテロ界面において、切り替え表面が単一
原子となるような切り替え前後の各5族元素との化学結
合強度の差が0.7Kcal/mol以内となる3族原
子、或は切り替え前の5族元素との化学結合強度が切り
替え後の5族元素との化学結合強度よりも大きい3族原
子を、一原子層以上ヘテロ界面に積層することを特徴と
する。
形成方法は、3−5族化合物半導体のV族元素組成切り
替えを有するヘテロ界面において、切り替え表面が単一
原子となるような切り替え前後の各5族元素との化学結
合強度の差が0.7Kcal/mol以内となる3族原
子、或は切り替え前の5族元素との化学結合強度が切り
替え後の5族元素との化学結合強度よりも大きい3族原
子を、一原子層以上ヘテロ界面に積層することを特徴と
する。
【0007】
【作用】発明が解決しよとする課題の項でも説明したよ
うに、ヘテロ界面において十分な原料切り替え時間が取
れないのは、待機中に5族元素の置換が内部にまで生
じ、その結果、界面が破壊され劣化るからである。本発
明では、この5族原子の界面での置換を抑制するため
に、ある特定の3族原子層を界面に積層することに特徴
がある。その場合の3族原子は何でもよい訳ではなく、
特異の物性が要求される。それは、その3族原子のヘテ
ロ界面の前後で変わるそれぞれの5族に対する化学結合
強度がほぼ等しいか、或は、下地の5族との化学結合強
度が上に積層する半導体中の5族との化学結合強度より
弱いことが必要である。このような特異な3族原子を界
面に積層すると、長い待機時間後でも照射5族原子の下
地半導体層内部への侵入は制御され、高品質なヘテロ界
面形成を形成することができる。
うに、ヘテロ界面において十分な原料切り替え時間が取
れないのは、待機中に5族元素の置換が内部にまで生
じ、その結果、界面が破壊され劣化るからである。本発
明では、この5族原子の界面での置換を抑制するため
に、ある特定の3族原子層を界面に積層することに特徴
がある。その場合の3族原子は何でもよい訳ではなく、
特異の物性が要求される。それは、その3族原子のヘテ
ロ界面の前後で変わるそれぞれの5族に対する化学結合
強度がほぼ等しいか、或は、下地の5族との化学結合強
度が上に積層する半導体中の5族との化学結合強度より
弱いことが必要である。このような特異な3族原子を界
面に積層すると、長い待機時間後でも照射5族原子の下
地半導体層内部への侵入は制御され、高品質なヘテロ界
面形成を形成することができる。
【0008】
【実施例】次に本発明の実施例について図面を参照して
具体的に説明する。図1は本発明第一の実施例を説明す
る原料の切り替えシーケンスの工程説明図である。
具体的に説明する。図1は本発明第一の実施例を説明す
る原料の切り替えシーケンスの工程説明図である。
【0009】まず3族原料である3Aと5族原料である
5Aの原料が供給され下地の3A5A層11が積層され
ている。下界面14では3Aの供給を止め、その後時間
T1だけ5Aを照射する。このT1時間で3A5B層1
1界面は平坦化される。引き続き、3族原料である3C
原料をT2時間だけ照射することにより3Cメタル層1
2を積層する。更に切り替えにより5族原料5Bの照射
を始め、上側界面15においてT3時間待機する。この
T3時間の間に、もし3Cメタル層がなければ、5B原
子は3A5Ap型層11の中の5A原子と置換し界面を
劣化するが、本発明では3C原子層12の存在により5
B原子は3A5A層11中に入り混まない為界面の劣化
はなく、かつ十分な5族切り替え工程が可能である。
5Aの原料が供給され下地の3A5A層11が積層され
ている。下界面14では3Aの供給を止め、その後時間
T1だけ5Aを照射する。このT1時間で3A5B層1
1界面は平坦化される。引き続き、3族原料である3C
原料をT2時間だけ照射することにより3Cメタル層1
2を積層する。更に切り替えにより5族原料5Bの照射
を始め、上側界面15においてT3時間待機する。この
T3時間の間に、もし3Cメタル層がなければ、5B原
子は3A5Ap型層11の中の5A原子と置換し界面を
劣化するが、本発明では3C原子層12の存在により5
B原子は3A5A層11中に入り混まない為界面の劣化
はなく、かつ十分な5族切り替え工程が可能である。
【0010】そこで後で3族原料3B照射し3B5B層
13を形成する。ここで3C原子は以下のような特性を
持つ3族原料を選ぶ。即ち、化学結合3C−5と3C−
5Bの結合強度がほぼ等しいかもしくは、3C−5A>
3C−5を満たすことが必要である。このシーケンスに
より殆ど劣化のない高品質なヘテロ界面が形成される。
13を形成する。ここで3C原子は以下のような特性を
持つ3族原料を選ぶ。即ち、化学結合3C−5と3C−
5Bの結合強度がほぼ等しいかもしくは、3C−5A>
3C−5を満たすことが必要である。このシーケンスに
より殆ど劣化のない高品質なヘテロ界面が形成される。
【0011】次に具体的な元素を当てはめて実施例を説
明する。化合物半導体によく用いられる5族元素には、
燐(P)、ヒ素(As)、アンチモン(Sb)がある
が、3族元素との結合の強さは、一部の例外を除きSb
<As<Pの順で大きい。従ってヘテロ界面を形成する
際に問題となる切り替えは、弱い結合から強い結合への
切り替えであり、次の三種類で代表される。 (1)AsからPへの切り替え (2)SbからPへの切り替え (3)SbからAsへの切り替え まずAsからPへの切り替えの例では、InGaAs上
のInPやGaAs上のInGaP等がある。ここで
は、InGaAs上のInPに例ととり、本発明の第二
の実施例により請求項2の発明を説明する。
明する。化合物半導体によく用いられる5族元素には、
燐(P)、ヒ素(As)、アンチモン(Sb)がある
が、3族元素との結合の強さは、一部の例外を除きSb
<As<Pの順で大きい。従ってヘテロ界面を形成する
際に問題となる切り替えは、弱い結合から強い結合への
切り替えであり、次の三種類で代表される。 (1)AsからPへの切り替え (2)SbからPへの切り替え (3)SbからAsへの切り替え まずAsからPへの切り替えの例では、InGaAs上
のInPやGaAs上のInGaP等がある。ここで
は、InGaAs上のInPに例ととり、本発明の第二
の実施例により請求項2の発明を説明する。
【0012】図3は、この材料系における切り替えシー
ケンスの工程説明図である。成長は膜厚制御性及び原料
切り替え特性に優れたガスソース分子線エピタキシー法
を用いた。3族原料は固体金属を用い、5族原料のPと
Asに対してそれぞれPH3とAsH3 ガスを950℃
でクラッキングして基板に照射した。基板温度は520
℃、PH3 流量AsH3 流量はそれぞれ13SCCMと
6SCCMとした。
ケンスの工程説明図である。成長は膜厚制御性及び原料
切り替え特性に優れたガスソース分子線エピタキシー法
を用いた。3族原料は固体金属を用い、5族原料のPと
Asに対してそれぞれPH3とAsH3 ガスを950℃
でクラッキングして基板に照射した。基板温度は520
℃、PH3 流量AsH3 流量はそれぞれ13SCCMと
6SCCMとした。
【0013】発明が解決しようとする課題の項でも説明
したようにInGaAs層にPを照射すると、Pが内部
のAsと置換してヘテロ界面は劣化する。第二の実施例
では、InGaAs層31を成長後にInメタル層32
を一原子層分だけ制御性良く積層し、しかる後にPを照
射し、十分5族切り替えが終わってからInP層33の
成長を開始する。このシーケンスの際に、成長中の表面
再配列構造を反射型高速電子回析法(RHEED法)で
観測した。まずInGaAs層31では(2×4)のA
s安定化面を示し、続くInメタル層32では(4×
2)のIn安定化面を示し、続くP待機工程ですぐに表
面は明瞭な(2×4)P安定化面に変化し、かつそのパ
ターンはシャープに維持されたままでありヘテロ界面の
劣化は見られなかった。
したようにInGaAs層にPを照射すると、Pが内部
のAsと置換してヘテロ界面は劣化する。第二の実施例
では、InGaAs層31を成長後にInメタル層32
を一原子層分だけ制御性良く積層し、しかる後にPを照
射し、十分5族切り替えが終わってからInP層33の
成長を開始する。このシーケンスの際に、成長中の表面
再配列構造を反射型高速電子回析法(RHEED法)で
観測した。まずInGaAs層31では(2×4)のA
s安定化面を示し、続くInメタル層32では(4×
2)のIn安定化面を示し、続くP待機工程ですぐに表
面は明瞭な(2×4)P安定化面に変化し、かつそのパ
ターンはシャープに維持されたままでありヘテロ界面の
劣化は見られなかった。
【0014】In−PとIn−Asの室温における化学
結合強度はそれぞれ47.3Kcal/molと48K
cal/molで、化学結合強度の差が0.7Kcal
/molとほとんど等しい。このIn原子の特異な物性
のため、P原子を選択的に結晶内部に取り込む反応は起
こらず、表面に安定なP−As界面が形成できた。一方
従来のヘテロ界面形成方法では、3族Ga原子切り替え
界面に存在しており、Ga−PとGa−Asの化学結合
強度はそれぞれ54.9Kcal/molと50Kca
l/molのように大きく異なるため、pはこのGa原
子との結合の強さによりInGaAs層内部へのPの置
換が進行し、ヘテロ界面が劣化する。
結合強度はそれぞれ47.3Kcal/molと48K
cal/molで、化学結合強度の差が0.7Kcal
/molとほとんど等しい。このIn原子の特異な物性
のため、P原子を選択的に結晶内部に取り込む反応は起
こらず、表面に安定なP−As界面が形成できた。一方
従来のヘテロ界面形成方法では、3族Ga原子切り替え
界面に存在しており、Ga−PとGa−Asの化学結合
強度はそれぞれ54.9Kcal/molと50Kca
l/molのように大きく異なるため、pはこのGa原
子との結合の強さによりInGaAs層内部へのPの置
換が進行し、ヘテロ界面が劣化する。
【0015】本発明第二の実施例によるヘテロ界面の高
品質性を実証するため、InGaAs/InP超格子を
成長した。InP面方位(100)基板上にInGaA
s層厚2nm、InP層厚Inmの超格子を33周期交
互に積層した。図4は各界面ガス切り替え時に2秒づつ
待機する通常の切り替えシーケンスを用いて成長した試
料と、本発明第二の実施例による切り替えシーケンスを
用いて成長した試料の室温フォトルミネッセンス(P
L)スペクトルを比較したものである。本発明によるヘ
テロ界面を有する試料のPL発光強度は従来のものに比
べて2桁近く強く、良好なヘテロ界面が形成されている
ことがわかる。特に本実施例の様に、切り替え界面の多
い超格子では、ヘテロ界面の劣化の少ない本発明による
界面形成方法が極めて有効である。
品質性を実証するため、InGaAs/InP超格子を
成長した。InP面方位(100)基板上にInGaA
s層厚2nm、InP層厚Inmの超格子を33周期交
互に積層した。図4は各界面ガス切り替え時に2秒づつ
待機する通常の切り替えシーケンスを用いて成長した試
料と、本発明第二の実施例による切り替えシーケンスを
用いて成長した試料の室温フォトルミネッセンス(P
L)スペクトルを比較したものである。本発明によるヘ
テロ界面を有する試料のPL発光強度は従来のものに比
べて2桁近く強く、良好なヘテロ界面が形成されている
ことがわかる。特に本実施例の様に、切り替え界面の多
い超格子では、ヘテロ界面の劣化の少ない本発明による
界面形成方法が極めて有効である。
【0016】次に第三の実施例について説明する。第二
の実施例の切り替えシーケンスではAsH3 ガスはGa
原子と一緒に遮断したが、これは5族切り替えの時間を
短くするためである。即ち、AsH3 ガスが遮断され、
In分子線が再び照射されるまでの時間にAsH3 の残
留成分基板まわりから消失していると、より組成の急峻
なヘテロ界面を形成することができるからである。しか
し原理的には、切り替え界面にIn原子のみが存在すれ
ば、P原子の内部への置換はある程度抑制される。
の実施例の切り替えシーケンスではAsH3 ガスはGa
原子と一緒に遮断したが、これは5族切り替えの時間を
短くするためである。即ち、AsH3 ガスが遮断され、
In分子線が再び照射されるまでの時間にAsH3 の残
留成分基板まわりから消失していると、より組成の急峻
なヘテロ界面を形成することができるからである。しか
し原理的には、切り替え界面にIn原子のみが存在すれ
ば、P原子の内部への置換はある程度抑制される。
【0017】図5は、InGaAs層51とInP層5
3の間にInAS層52を一原子層積層する第三の実施
例の原料切り替えシーケンスの工程図である。本実施例
では、InAs層52の表面がAsで覆われており、引
き続くP照射工程に於て表面のAsがPと置換してゆ
く。この場合、表面でのAsとPとの置換及びAsH3
ガスの残留の点からもP照射工程を長くする必要があ
為、界面特性は、第二の実施例のシーケンスによるもの
に比べ若干劣るが、InGaAs層51内部のAsと照
射するPとの置換はIn層の存在によりある程度抑制さ
れるので、良好なヘテロ界面が形成される。
3の間にInAS層52を一原子層積層する第三の実施
例の原料切り替えシーケンスの工程図である。本実施例
では、InAs層52の表面がAsで覆われており、引
き続くP照射工程に於て表面のAsがPと置換してゆ
く。この場合、表面でのAsとPとの置換及びAsH3
ガスの残留の点からもP照射工程を長くする必要があ
為、界面特性は、第二の実施例のシーケンスによるもの
に比べ若干劣るが、InGaAs層51内部のAsと照
射するPとの置換はIn層の存在によりある程度抑制さ
れるので、良好なヘテロ界面が形成される。
【0018】これまで第二、第三の実施例ではInメタ
ル層32やInAs層52を一原子層としたが、これは
P置換抑制のための最小限の層厚であり、界面特性が劣
化しなければそれ以上積層しても構わない。
ル層32やInAs層52を一原子層としたが、これは
P置換抑制のための最小限の層厚であり、界面特性が劣
化しなければそれ以上積層しても構わない。
【0019】次に第四の実施例について説明する。図6
(a)は第二、第三の実施例におけるヘテロ界面近傍の
原子の配列図である。原子配列は積層順にIn,Ga層
61、As層62、In層63、P層64のような構成
になっている。このためInAsの一原子層の存在に起
因した圧縮性の応力がヘテロ界面に生じている。このI
nAs歪層の存在は、界面の数が少ない場合は問題にな
らないが、界面の数が多くなると全体として臨界膜厚を
越えるようになるため、結晶上問題となる。
(a)は第二、第三の実施例におけるヘテロ界面近傍の
原子の配列図である。原子配列は積層順にIn,Ga層
61、As層62、In層63、P層64のような構成
になっている。このためInAsの一原子層の存在に起
因した圧縮性の応力がヘテロ界面に生じている。このI
nAs歪層の存在は、界面の数が少ない場合は問題にな
らないが、界面の数が多くなると全体として臨界膜厚を
越えるようになるため、結晶上問題となる。
【0020】図6(b)は第四の実施例による原子列の
説明図である。ここではIn層67を積層する前に、G
aAs層66を一原子層分だけ積層しておくと、このG
aAs層66とInAs層67とが応力的に打ち消し合
い、界面での歪を全体とて緩和できる。InAsの格子
定数はInPに対して約3.2%大きく、GaAsの格
子定数はInPに対して約3.7%程小さいため、この
二層を近接させるとほぼ全体たおしてInPに整合で
き、応力構造的に安定である。
説明図である。ここではIn層67を積層する前に、G
aAs層66を一原子層分だけ積層しておくと、このG
aAs層66とInAs層67とが応力的に打ち消し合
い、界面での歪を全体とて緩和できる。InAsの格子
定数はInPに対して約3.2%大きく、GaAsの格
子定数はInPに対して約3.7%程小さいため、この
二層を近接させるとほぼ全体たおしてInPに整合で
き、応力構造的に安定である。
【0021】次に第五、第六、第七の実施例を用いて請
求項3と請求項4の発明をそれぞれ説明する。まずSb
からPやAsへの切り替えに対してはAlの原子層が有
効である。Al−Sb、Al−Pの化学結合強度はそれ
ぞれ51.7Kcal/molと51.8Kcal/m
olであり、ほぼ等しい。従ってAl原子層を界面に挿
入するとP照射時に内部のSbとの置換が抑制される。
またAl−SbとAl−Asの化学結合強度はそれぞれ
51.7Kcal/molと48.5Kcal/mol
であり、Al−Asの方が小さい。従ってこの場合はよ
り内部Sbと照射Asとの置換は起こり難い。
求項3と請求項4の発明をそれぞれ説明する。まずSb
からPやAsへの切り替えに対してはAlの原子層が有
効である。Al−Sb、Al−Pの化学結合強度はそれ
ぞれ51.7Kcal/molと51.8Kcal/m
olであり、ほぼ等しい。従ってAl原子層を界面に挿
入するとP照射時に内部のSbとの置換が抑制される。
またAl−SbとAl−Asの化学結合強度はそれぞれ
51.7Kcal/molと48.5Kcal/mol
であり、Al−Asの方が小さい。従ってこの場合はよ
り内部Sbと照射Asとの置換は起こり難い。
【0022】まず第五の実施例について説明する。図7
はGaSbからInPへのヘテロ界面における切り替え
のシーケンスの工程説明図である。図においてGaの供
給を止めることによりGaSb層71の成長を中断す
る。成長表面が平坦化した後、Sb照射を止めると同時
にAl一原子層72を積層し引続きP照射を開始する。
成長表面をPで終端し、十分に基板まわりがP雰囲気に
なったあとでIn照射を開始しInP層73を積層す
る。このガス切り替えシーケンスを用いることによりG
aSb層81中のSbとAs原子との置換反応が抑制さ
れ、平坦性の高い、急峻なヘテロ界面を形成できる。
はGaSbからInPへのヘテロ界面における切り替え
のシーケンスの工程説明図である。図においてGaの供
給を止めることによりGaSb層71の成長を中断す
る。成長表面が平坦化した後、Sb照射を止めると同時
にAl一原子層72を積層し引続きP照射を開始する。
成長表面をPで終端し、十分に基板まわりがP雰囲気に
なったあとでIn照射を開始しInP層73を積層す
る。このガス切り替えシーケンスを用いることによりG
aSb層81中のSbとAs原子との置換反応が抑制さ
れ、平坦性の高い、急峻なヘテロ界面を形成できる。
【0023】図6(b)は第四の実施例による原子配列
の説明図である。ここではIn層67を積層する前に、
GaAs層66を一原子層分だけ積層しておく、このG
aAs層66とInAs層67とが応力的に打ち消し合
い、界面での歪を全体として緩和できる。InAsの格
子定数はInPに対して約3.2%程大きく、GaAs
の格子定数はInPに対して約3.7%程小さいため、
この二層を近接させるとほぼ全体としてInPに整合で
き、応力構造的に安定である。
の説明図である。ここではIn層67を積層する前に、
GaAs層66を一原子層分だけ積層しておく、このG
aAs層66とInAs層67とが応力的に打ち消し合
い、界面での歪を全体として緩和できる。InAsの格
子定数はInPに対して約3.2%程大きく、GaAs
の格子定数はInPに対して約3.7%程小さいため、
この二層を近接させるとほぼ全体としてInPに整合で
き、応力構造的に安定である。
【0024】次に第七の実施例について説明する。図9
はInPに格子整合したGaAsSbからInPへの切
り替えシーケンスの工程説明図である。本実施例では、
界面を形成する下地半導体層の5族元素がAsとSbの
二種類あるため切り替えシーケンスはやや複雑である。
先ずGaAsSb層91を成長中に、まずAs照射を止
め、GaSb層92を一原子層積層し、更に、Ga照射
を止めることにより成長を止めて、表面層をSb照射状
態で平坦化する。
はInPに格子整合したGaAsSbからInPへの切
り替えシーケンスの工程説明図である。本実施例では、
界面を形成する下地半導体層の5族元素がAsとSbの
二種類あるため切り替えシーケンスはやや複雑である。
先ずGaAsSb層91を成長中に、まずAs照射を止
め、GaSb層92を一原子層積層し、更に、Ga照射
を止めることにより成長を止めて、表面層をSb照射状
態で平坦化する。
【0025】続いてSb照射を止めると同時に、Alメ
タル層93を一原子層積層し、引続いてP照射を開始す
る。十分に5族切り替えが行われた後でIn照射を開始
しInP層94を積層する。本切り替えシーケンスでは
As照射をまず止めることにより表面をGaSb層に
し、しかる後に第五の実施例と同じシーケンスでPへの
5族切り替えを実現している。
タル層93を一原子層積層し、引続いてP照射を開始す
る。十分に5族切り替えが行われた後でIn照射を開始
しInP層94を積層する。本切り替えシーケンスでは
As照射をまず止めることにより表面をGaSb層に
し、しかる後に第五の実施例と同じシーケンスでPへの
5族切り替えを実現している。
【0026】本シーケンスによる界面での歪は、まずG
a−Sb結合はInPに対して約−3.8%歪んでおり
続くAl−Sb結合でもほぼ−4.5%歪んでいる。し
かしその上のAl−P結合では、InPに対して約+
8.0歪んでいるため全体としてほぼ歪はキャンセルさ
れ応力的にも安定である。このガス切り替えシ−ケンス
を用いることによりGaAsSb層91中のSb、As
原子とPとの置換反応が抑制され、平坦性の高い、急峻
なヘテロ界面を形成できる。
a−Sb結合はInPに対して約−3.8%歪んでおり
続くAl−Sb結合でもほぼ−4.5%歪んでいる。し
かしその上のAl−P結合では、InPに対して約+
8.0歪んでいるため全体としてほぼ歪はキャンセルさ
れ応力的にも安定である。このガス切り替えシ−ケンス
を用いることによりGaAsSb層91中のSb、As
原子とPとの置換反応が抑制され、平坦性の高い、急峻
なヘテロ界面を形成できる。
【0027】次に、第八の実施例として有機金属気相成
長法を用いた例について説明する。図10は有機金属気
相成長法によるInGaAsからInPへのヘテロ界面
における切り替えシーケンスの工程説明図である。3族
原料のInとGaに対してはそれぞれトリメチルインジ
ウム(Trimethylindium:TMIn)、
トリエチルガリウム(Triethylgalliu
m:TEGa)を用い、V族原料のPとAsに対しては
それぞれPH3 、AsH3 ガスを用いた。基板温度は6
00度とした。有機金属気相成長法の場合、特にAsH
3 の残留成分が基板回りから完全に消失するまでの時間
が長い。このためAsH3 からPH3 への切り替えを十
分行う必要がある。
長法を用いた例について説明する。図10は有機金属気
相成長法によるInGaAsからInPへのヘテロ界面
における切り替えシーケンスの工程説明図である。3族
原料のInとGaに対してはそれぞれトリメチルインジ
ウム(Trimethylindium:TMIn)、
トリエチルガリウム(Triethylgalliu
m:TEGa)を用い、V族原料のPとAsに対しては
それぞれPH3 、AsH3 ガスを用いた。基板温度は6
00度とした。有機金属気相成長法の場合、特にAsH
3 の残留成分が基板回りから完全に消失するまでの時間
が長い。このためAsH3 からPH3 への切り替えを十
分行う必要がある。
【0028】図10において、TMInとTEGaの供
給を止めることによりInGaAs層101の成長を中
断する。成長層表面が平坦化した後、AsH3 を止める
と同時にTMInを供給しInメタル層102を1原子
層分だけ積層する。この1原子層分のInメタル層10
2の表面はAsH3 の残留成分の影響で、すぐにAsで
終端される。次にPH3 の供給を開始すると、表面のA
sはすべてPと置き替わるが、1原子層分のInのおか
げでPはそれより下層と置き替わらずヘテロ界面は劣化
しない。AsH3 の残留成分が完全に消失するまで十分
にPH3 で待機したあと、TMInを供給し始めInP
層103の成長を開始する。このガス切り替えシーケン
スを用いれば、InP層103中へのAsの混入は十分
なPH3待機により抑制され、またInGaAs層10
1中のAsとPの置換はInメタル層102の存在によ
り抑制されるので、平坦性の高い、急峻なヘテロ界面を
形成できる。
給を止めることによりInGaAs層101の成長を中
断する。成長層表面が平坦化した後、AsH3 を止める
と同時にTMInを供給しInメタル層102を1原子
層分だけ積層する。この1原子層分のInメタル層10
2の表面はAsH3 の残留成分の影響で、すぐにAsで
終端される。次にPH3 の供給を開始すると、表面のA
sはすべてPと置き替わるが、1原子層分のInのおか
げでPはそれより下層と置き替わらずヘテロ界面は劣化
しない。AsH3 の残留成分が完全に消失するまで十分
にPH3 で待機したあと、TMInを供給し始めInP
層103の成長を開始する。このガス切り替えシーケン
スを用いれば、InP層103中へのAsの混入は十分
なPH3待機により抑制され、またInGaAs層10
1中のAsとPの置換はInメタル層102の存在によ
り抑制されるので、平坦性の高い、急峻なヘテロ界面を
形成できる。
【0029】本発明では、成長方法としてガスソース分
子線エピタキシー法と有機金属気相成長法を例にとって
説明したが、これは他の気相成長法であってもよい。ま
た本実施例では、混晶系として基板に格子整合したもの
を例にとったがこれが格子不整合系であっても構わな
い。
子線エピタキシー法と有機金属気相成長法を例にとって
説明したが、これは他の気相成長法であってもよい。ま
た本実施例では、混晶系として基板に格子整合したもの
を例にとったがこれが格子不整合系であっても構わな
い。
【0030】
【発明の効果】以上説明したように本発明は、5族切り
替え界面において、その切り替え5族に合わせて界面劣
化を抑制する3族原子を挟んだので、平坦性、急峻に優
れたヘテロ界面を形成できる。
替え界面において、その切り替え5族に合わせて界面劣
化を抑制する3族原子を挟んだので、平坦性、急峻に優
れたヘテロ界面を形成できる。
【図1】本発明の第一の実施例による原料の切り替えシ
ーケンスの工程説明図。
ーケンスの工程説明図。
【図2】従来方法の原料切り替えシーケンスの工程説明
図。
図。
【図3】本発明の第二の実施例の切り替えシーケンスの
工程説明図。
工程説明図。
【図4】本発明の第二の実施例の切り替えシケーケンス
を用いて成長した試料の室温フォトルミネッセンス(P
L)スペクトル図。
を用いて成長した試料の室温フォトルミネッセンス(P
L)スペクトル図。
【図5】本発明第三の実施例の原料切り替えシ−ケンス
の工程説明図。
の工程説明図。
【図6】図6(a)は第二、第三の実施例によるヘテロ
界面近傍の原子の配列図であり、図6(b)は第四の実
施例によるヘテロ界面近傍の原子の配列図。
界面近傍の原子の配列図であり、図6(b)は第四の実
施例によるヘテロ界面近傍の原子の配列図。
【図7】本発明の第五の実施例の切り替えシーケンスの
工程説明図。
工程説明図。
【図8】本発明の第六の実施例の切り替えシーケンスの
工程説明図。
工程説明図。
【図9】本発明の第七の実施例の切り替えシーケンスの
工程説明図。
工程説明図。
【図10】本発明の第八実施例の切り替えシーケンスの
工程説明図。
工程説明図。
11 3A5A層 12 3Cメタル層 13 3B5B層 14 下側界面 15 上側界面 21 3A5A層 22 3B5B層 23 3A5A層 31 InGaAs層 32 Inメタル層 33 InP層 51 InGaAs層 52 InAs層 53 InP層 61 In,Ga層 62 As層 63 In層 64 P層 65 In,Ga層 66 GaAs層 67 InAs層 71 GaSb層 72 Al一原子層 73 InP層 81 GaSb層 82 Al一原子層 83 InAs層 91 GaAsSb層 92 GaSb層 93 Alメタル層 94 InP層 101 InGaAs層 102 Inメタル層 103 InP層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI H01L 33/00 H01L 33/00 A (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 21/205 H01L 21/203 H01L 33/00 C30B 23/08 C30B 25/02 C30B 29/40
Claims (4)
- 【請求項1】 3−5族化合物半導体のV族元素組成切
り替えを有するヘテロ界面において、切り替え表面が単
一原子となるような切り替え前後の各5族元素との化学
結合強度の差が0.7Kcal/mol以内となる3族
原子、或は切り替え前の5族元素との化学結合強度が切
り替え後の5族元素との化学結合強度よりも大きい3族
原子を、一原子層以上ヘテロ界面に積層することを特徴
とするヘテロ界面形成方法。 - 【請求項2】 請求項1の形成方法であって、前記切り
替え前の5族元素が砒素を含み、前記切り替え後の5族
元素が燐を含み、前記3族原子がインジウムである請求
項1記載のヘテロ界面形成方法。 - 【請求項3】 請求項1の形成方法であって、前記切り
替え前の5族元素がアンチモンを含み、前記切り替え後
の5族元素が燐を含み、前記3族原子がアルミニウムで
ある請求項1記載のヘテロ界面形成方法。 - 【請求項4】 請求項1の形成方法であって、前記切り
替え前の5族元素がアンチモンを含み、前記切り替え後
の5族元素が砒素を含み、前記3族原子がアルミニウム
である請求項1記載のヘテロ界面形成方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP18784893A JP2790006B2 (ja) | 1992-07-30 | 1993-07-29 | ヘテロ界面形成方法 |
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP20366692 | 1992-07-30 | ||
JP4-203666 | 1992-07-30 | ||
JP18784893A JP2790006B2 (ja) | 1992-07-30 | 1993-07-29 | ヘテロ界面形成方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0697097A JPH0697097A (ja) | 1994-04-08 |
JP2790006B2 true JP2790006B2 (ja) | 1998-08-27 |
Family
ID=26504602
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP18784893A Expired - Fee Related JP2790006B2 (ja) | 1992-07-30 | 1993-07-29 | ヘテロ界面形成方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2790006B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP4528413B2 (ja) * | 2000-04-25 | 2010-08-18 | 日鉱金属株式会社 | 気相成長方法 |
WO2005006421A1 (ja) * | 2003-07-15 | 2005-01-20 | Nikko Materials Co., Ltd. | エピタキシャル成長方法 |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0371620A (ja) * | 1989-08-10 | 1991-03-27 | Fujitsu Ltd | 化合物半導体装置の製造方法 |
-
1993
- 1993-07-29 JP JP18784893A patent/JP2790006B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH0697097A (ja) | 1994-04-08 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |