JP2900946B2 - 半導体装置 - Google Patents
半導体装置Info
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- JP2900946B2 JP2900946B2 JP6270390A JP6270390A JP2900946B2 JP 2900946 B2 JP2900946 B2 JP 2900946B2 JP 6270390 A JP6270390 A JP 6270390A JP 6270390 A JP6270390 A JP 6270390A JP 2900946 B2 JP2900946 B2 JP 2900946B2
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Description
【発明の詳細な説明】 〔概要〕 GaAs on Siに関し、 SiとGaAsとの極性の有無と格子定数の相違にもとづく
欠陥の発生を防止することを目的として、 バッファ層としてAlAsxP1-x（０＜ｘ＜１）をSi上に
成長させるように構成する。
欠陥の発生を防止することを目的として、 バッファ層としてAlAsxP1-x（０＜ｘ＜１）をSi上に
成長させるように構成する。
本発明は半導体装置及びその製造方法に係る。より詳
しく述べると、本発明は基板と格子定数が異なる化合物
半導体エピタキシャル結晶の構造とその製造方法に関す
る。
しく述べると、本発明は基板と格子定数が異なる化合物
半導体エピタキシャル結晶の構造とその製造方法に関す
る。
近年の超高速コンピュータや光通信技術の発達に伴
い、GaAsをはじめとするIII−Ｖ族化合物半導体の集積
度や量産性の向上が要求されている。このため、大口径
・強度・価格などの面で優れた特長を持つSiを基板と
し、その上に超伝導高速動作や光機能などの利点を持つ
GaAsを成長する、いわゆるGaAs on Siの開発が盛んに行
われている。しかし基板と成長層の格子定数が異なる
（GaAsはSiより格子定数が４％大きい）ことと、Siのよ
うな極性のない（nonpolar）結晶にGaAsのような極性の
ある（polar）結晶を一体化させることの困難さのため
に、成長層に高密度の転位や欠陥が発生するという問題
がある。GaAs on Siをデバイスとして用いるには、既存
のGaAsバルク結晶並みに転移が少なく、かつ表面が平坦
であることが要求される。
い、GaAsをはじめとするIII−Ｖ族化合物半導体の集積
度や量産性の向上が要求されている。このため、大口径
・強度・価格などの面で優れた特長を持つSiを基板と
し、その上に超伝導高速動作や光機能などの利点を持つ
GaAsを成長する、いわゆるGaAs on Siの開発が盛んに行
われている。しかし基板と成長層の格子定数が異なる
（GaAsはSiより格子定数が４％大きい）ことと、Siのよ
うな極性のない（nonpolar）結晶にGaAsのような極性の
ある（polar）結晶を一体化させることの困難さのため
に、成長層に高密度の転位や欠陥が発生するという問題
がある。GaAs on Siをデバイスとして用いるには、既存
のGaAsバルク結晶並みに転移が少なく、かつ表面が平坦
であることが要求される。
Si基板上にGaAs単結晶を直接成長するのは容易でない
ために、その仲立ちとなるバッファ層がさまざまに考案
されている。従来のバッファ層の考え方は大きく分けて
第３図に示すような２通りがある。一つは、（ａ）Si基
板１の上に直接格子定数の異なる成長層を形成しようと
するもので、Si基板１上に低温で10nm程度の薄いGaAsア
モルファス層２を成長し、温度を上げて単結晶化した後
GaAs動作層３を成長するという「２段階成長」と呼ばれ
るものである。いま一つは（ｂ）Si基板１の上に格子定
数がほぼ等しいバッファ層４例えばGaPを成長してから
その上に格子定数の異なるGaAs動作層３を成長するもの
である。その間にGaPとGaAsの仲立ちとなるGaAsP中間層
５を成長することもある。
ために、その仲立ちとなるバッファ層がさまざまに考案
されている。従来のバッファ層の考え方は大きく分けて
第３図に示すような２通りがある。一つは、（ａ）Si基
板１の上に直接格子定数の異なる成長層を形成しようと
するもので、Si基板１上に低温で10nm程度の薄いGaAsア
モルファス層２を成長し、温度を上げて単結晶化した後
GaAs動作層３を成長するという「２段階成長」と呼ばれ
るものである。いま一つは（ｂ）Si基板１の上に格子定
数がほぼ等しいバッファ層４例えばGaPを成長してから
その上に格子定数の異なるGaAs動作層３を成長するもの
である。その間にGaPとGaAsの仲立ちとなるGaAsP中間層
５を成長することもある。
最近、上記の２つの考え方とは別にAlを組成として含
む化合物半導体をバッファ層として成長するという考え
方が提案されている。本発明者らは、（ｃ）AlAsバッフ
ァ層６を原子層エピタキシを用いて成長し、その上にGa
As動作層３をMOCVD成長すると結晶性やモホロジが改善
されることを見出した。また（ｄ）GaP4のかわりに格子
定数の等しいAlGaP7を用いるという方法が他の研究者に
より別に提案されて、同様な効果が得られている。Al系
の結晶を用いるとこのような効果が得られるのは、Siと
Alの結合の強さ、あるいはAlを組成に含む結晶が柔軟性
を持つために歪みを上手く吸収することによると考えら
れる。
む化合物半導体をバッファ層として成長するという考え
方が提案されている。本発明者らは、（ｃ）AlAsバッフ
ァ層６を原子層エピタキシを用いて成長し、その上にGa
As動作層３をMOCVD成長すると結晶性やモホロジが改善
されることを見出した。また（ｄ）GaP4のかわりに格子
定数の等しいAlGaP7を用いるという方法が他の研究者に
より別に提案されて、同様な効果が得られている。Al系
の結晶を用いるとこのような効果が得られるのは、Siと
Alの結合の強さ、あるいはAlを組成に含む結晶が柔軟性
を持つために歪みを上手く吸収することによると考えら
れる。
上記第１の２段階成長方法（ａ）では、基本的に極性
の有無、格子定数の相違のいずれも解決されていないた
め、下地GaAs層から欠陥を除去することは極めて困難
で、上層GaAsにもその欠陥が引き継がれる。第２のGaP
をバッファとする方法（ｂ）は、先にpolar−nonpolar
の不整合を解決してから、格子不整合を解決しようとす
る点で比較的無理のない方法といえる。しかし、この方
法はGaP4の成長がMBEでは困難であり、MOCVDでも900℃
という高温でないと成長しないため界面が大きく乱れる
という問題がある。
の有無、格子定数の相違のいずれも解決されていないた
め、下地GaAs層から欠陥を除去することは極めて困難
で、上層GaAsにもその欠陥が引き継がれる。第２のGaP
をバッファとする方法（ｂ）は、先にpolar−nonpolar
の不整合を解決してから、格子不整合を解決しようとす
る点で比較的無理のない方法といえる。しかし、この方
法はGaP4の成長がMBEでは困難であり、MOCVDでも900℃
という高温でないと成長しないため界面が大きく乱れる
という問題がある。
また、Alを使う第３の方法（ｃ）はSi基板１とAlAs6
の間に、第４の方法（ｄ）はAlGaP7とその上のGaAs層３
の間にそれぞれ４％の格子定数の違いがあり、格子定数
の違いによるストレスは依然として問題として残されて
いる。
の間に、第４の方法（ｄ）はAlGaP7とその上のGaAs層３
の間にそれぞれ４％の格子定数の違いがあり、格子定数
の違いによるストレスは依然として問題として残されて
いる。
そこで、本発明では、Alを組成として含み、かつ基板
と動作層の間の格子定数の違いによるストレスが一つの
界面にのみ集中しないようなバッファ層を提供して上記
問題を解決することを目的とする。
と動作層の間の格子定数の違いによるストレスが一つの
界面にのみ集中しないようなバッファ層を提供して上記
問題を解決することを目的とする。
本発明は、上記の欠点を解消する手段として、SiとGa
Asの中間の格子定数を持ち、且つAlを組成に含む化合物
半導体であるAlAsxP1-x（０＜ｘ＜１）をバッファ層と
して用いるものである。本発明の原理説明図を第１図に
示す。図中、第３図で示したものと同一のものは同一の
記号で表し、第１図（１）中の８がAlAsxP1-xである。
Asの中間の格子定数を持ち、且つAlを組成に含む化合物
半導体であるAlAsxP1-x（０＜ｘ＜１）をバッファ層と
して用いるものである。本発明の原理説明図を第１図に
示す。図中、第３図で示したものと同一のものは同一の
記号で表し、第１図（１）中の８がAlAsxP1-xである。
すなわち、本発明は、Si基板上にAlAsxP1-x（０＜ｘ
＜１）層、その上にGaAs又はGaAsとほぼ等しい格子定数
を有する化合物半導体の層を有することを特徴とする半
導体装置を提供する。Si基板上のバッファ層となるAlAs
xP1-x（０＜ｘ＜１）層はSi基板側でｘ値が小さく、化
合物半導体側でｘ値が大きくなるように変化することが
できる。
＜１）層、その上にGaAs又はGaAsとほぼ等しい格子定数
を有する化合物半導体の層を有することを特徴とする半
導体装置を提供する。Si基板上のバッファ層となるAlAs
xP1-x（０＜ｘ＜１）層はSi基板側でｘ値が小さく、化
合物半導体側でｘ値が大きくなるように変化することが
できる。
AlPの格子定数がGaPやSi基板とほぼ等しく、AlAsの格
子定数はGaAs動作層とほぼ等しい。本発明はAlAsPの格
子定数がそれらの中間で、AsとＰの組成比ｘにより変化
することを利用するものである。
子定数はGaAs動作層とほぼ等しい。本発明はAlAsPの格
子定数がそれらの中間で、AsとＰの組成比ｘにより変化
することを利用するものである。
本発明はAlAsxP1-xの用い方として２通りを提案す
る。一つは、第１図（２）のように単一の組成比、例え
ばｘ＝0.5とし、Si基板１との界面とGaAs層３との界面
で格子定数の差を２％ずつに分散させるものである。い
ま一つは、同図（３）のように組成をAlPからAlAsへ徐
々に変化させていくものである。これにより格子定数も
Siの大きさからGaAsの大きさへと徐々に変化させること
ができる。
る。一つは、第１図（２）のように単一の組成比、例え
ばｘ＝0.5とし、Si基板１との界面とGaAs層３との界面
で格子定数の差を２％ずつに分散させるものである。い
ま一つは、同図（３）のように組成をAlPからAlAsへ徐
々に変化させていくものである。これにより格子定数も
Siの大きさからGaAsの大きさへと徐々に変化させること
ができる。
本発明では、第１図のごとくSi基板１とGaAs動作層３
の中間の格子定数を持つ結晶AlAsPをバッファ層とする
ので、４％の格子定数の差により生じた歪みを２回に分
けて緩和することができる。またAlを組成として含むの
で結晶に弾力があり、またSiとAlの結合の強さを活かす
ことができる。
の中間の格子定数を持つ結晶AlAsPをバッファ層とする
ので、４％の格子定数の差により生じた歪みを２回に分
けて緩和することができる。またAlを組成として含むの
で結晶に弾力があり、またSiとAlの結合の強さを活かす
ことができる。
第２図は本発明の一実施例に従った成長の工程を示し
たものである。
たものである。
Si基板は〔011〕方向に３度オフした（100）面を持
つ。反応装置中で水素を流しながら1000℃で20分間加熱
し、表面をクリーニングする。
つ。反応装置中で水素を流しながら1000℃で20分間加熱
し、表面をクリーニングする。
AlAsPバッファ層８の形成は膜の均一性に優れかつ一
原子層単位で成長を制御できる原子層エピタキシ（AL
E）を用いる。原料ガスには、トリメチルアルミニュウ
ム（TMA）、アルシン（AsH3）、フォスフィン（PH3）を
用いる。キャリヤガスは水素である。反応装置の圧力は
20Torr、ガスの流量は2SLMと一定に保持する。
原子層単位で成長を制御できる原子層エピタキシ（AL
E）を用いる。原料ガスには、トリメチルアルミニュウ
ム（TMA）、アルシン（AsH3）、フォスフィン（PH3）を
用いる。キャリヤガスは水素である。反応装置の圧力は
20Torr、ガスの流量は2SLMと一定に保持する。
Si基板のクリーニング後、基板温度を500℃に下げ、T
MA−AsH3−TMA−PH3を１サイクルとして、繰り返し成長
を行う。50℃サイクル成長後、温度を650℃に上げ、GaA
sをMOCVDで成長する。MOCVDはALEと同じ反応装置と原料
ガスを用い、条件は例えば、圧力20Torr、総流量2SLM、
基板温度650℃、Ｖ−III比40である。GaAs層の厚みがデ
バイスの必要な値、例えば３μｍに達したら成長を停止
する。
MA−AsH3−TMA−PH3を１サイクルとして、繰り返し成長
を行う。50℃サイクル成長後、温度を650℃に上げ、GaA
sをMOCVDで成長する。MOCVDはALEと同じ反応装置と原料
ガスを用い、条件は例えば、圧力20Torr、総流量2SLM、
基板温度650℃、Ｖ−III比40である。GaAs層の厚みがデ
バイスの必要な値、例えば３μｍに達したら成長を停止
する。
第３図（ｂ）のように、MOCVDでGaPバッファ層を成長
した時には基板/.成長層界面が大きく乱れるのに対し
て、上記実例に従えば一原子レベルで平坦な界面が形成
できる。その結果としてGaAs層の表面も平坦性が向上す
る。欠陥密度は従来法によれば108cm-2台ないし107cm-2
台であったのに対し、上記実施例によれば106cm-2台に
減少する。
した時には基板/.成長層界面が大きく乱れるのに対し
て、上記実例に従えば一原子レベルで平坦な界面が形成
できる。その結果としてGaAs層の表面も平坦性が向上す
る。欠陥密度は従来法によれば108cm-2台ないし107cm-2
台であったのに対し、上記実施例によれば106cm-2台に
減少する。
なお、AlAsP層の成長はALEでなくてもMOCVDを用いて
もよい。しかし成長温度を500℃より上げる必要があ
り、Siとの界面が乱れやすくなる。
もよい。しかし成長温度を500℃より上げる必要があ
り、Siとの界面が乱れやすくなる。
上記実施例はAlAsxP1-xの組成比ｘが0.5となるように
したものであるが、０より大きく１より小さい値の範囲
でｘを選定することが可能である。
したものであるが、０より大きく１より小さい値の範囲
でｘを選定することが可能である。
AlAsxP1-xのｘは一定ではなく、成長途上で変化させ
ると、格子定数の違いによる歪みを徐々に緩和すること
ができる。例えばAlAsxP1-xの成長開始時にｘを０付近
とし、徐々に大きくしていきｘ＝１で終了するように変
える。
ると、格子定数の違いによる歪みを徐々に緩和すること
ができる。例えばAlAsxP1-xの成長開始時にｘを０付近
とし、徐々に大きくしていきｘ＝１で終了するように変
える。
MOCVDはALEより成長速度が大きいために厚膜を形成す
るのに有利である。
るのに有利である。
AlAsP上の成長層はGaAsだけでなくGaAsと格子定数の
等しいGaAlAsでもよい。またこれらの結晶の組み合わせ
でもよい。このような組み合わせにより、HEMTや半導体
レーザが形成できる。本発明においてGaAsとほぼ等しい
格子定数とは5.6〜5.7Åを指称する。
等しいGaAlAsでもよい。またこれらの結晶の組み合わせ
でもよい。このような組み合わせにより、HEMTや半導体
レーザが形成できる。本発明においてGaAsとほぼ等しい
格子定数とは5.6〜5.7Åを指称する。
また、第一原子層はAlだけでなく、As,Pでもよい。As
やＰの場合はAsH3やPH3を供給する温度を適切に選べ
ば、Alよりも二次元に近い成長が可能な場合がある。
やＰの場合はAsH3やPH3を供給する温度を適切に選べ
ば、Alよりも二次元に近い成長が可能な場合がある。
AlAsPの代わりに、AlPとAlAsの超格子を形成すると効
果的なことがある。例えばAlAs10層、AlP10層を交互に
成長し、ｘ＝0.5のAlAs（ｘ）Ｐ（１−ｘ）と同等の結
晶を形成する。この構造は個々の界面で転移の伝播が阻
止される効果がある。
果的なことがある。例えばAlAs10層、AlP10層を交互に
成長し、ｘ＝0.5のAlAs（ｘ）Ｐ（１−ｘ）と同等の結
晶を形成する。この構造は個々の界面で転移の伝播が阻
止される効果がある。
本発明によれば、第３図に示した従来のGaAs on Siの
構造と異なり、Si基板１とGaAs動作層３の中間の格子定
数を持つ結晶AlAsP8をバッファ層とするので、４％の格
子定数の差により生じた歪みを２回に分けて緩和するこ
とができる。またAlを組成として含むので結晶に弾力が
あり、またSiとAlの結合の強さを活かすことができる。
その結果品質の良いGaAs層をSi基板の上に成長すること
ができる。
構造と異なり、Si基板１とGaAs動作層３の中間の格子定
数を持つ結晶AlAsP8をバッファ層とするので、４％の格
子定数の差により生じた歪みを２回に分けて緩和するこ
とができる。またAlを組成として含むので結晶に弾力が
あり、またSiとAlの結合の強さを活かすことができる。
その結果品質の良いGaAs層をSi基板の上に成長すること
ができる。
第１図（１）〜（３）は本発明の原理説明図、第２図は
実施例の成長工程の温度プロファイル図、第３図（ａ）
〜（ｄ）は従来のGaAs on Siの構造図である。 １……Si基板、２……GaAsアモルファス結晶化層、３…
…GaAs動作層、４……GaP層、５……GaAsP層、６……Al
As層、７……AlGoP層、８……AlAsP層。
実施例の成長工程の温度プロファイル図、第３図（ａ）
〜（ｄ）は従来のGaAs on Siの構造図である。 １……Si基板、２……GaAsアモルファス結晶化層、３…
…GaAs動作層、４……GaP層、５……GaAsP層、６……Al
As層、７……AlGoP層、８……AlAsP層。
Claims (2)
- 【請求項１】Si基板上にバッファ層としてAlAsxP
1-x（０＜ｘ＜１）層を有し、その上にGaAs又はGaAsと
ほぼ等しい格子定数を有する化合物半導体の層を有する
ことを特徴とする半導体装置。 - 【請求項２】前記バッファ層となるAlAsxP1-x（０＜ｘ
＜１）層が、Si基板側でｘ値が小さく、化合物半導体層
側でｘ値が大きくなる様に変化する請求項１記載の半導
体装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6270390A JP2900946B2 (ja) | 1990-03-15 | 1990-03-15 | 半導体装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6270390A JP2900946B2 (ja) | 1990-03-15 | 1990-03-15 | 半導体装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03265122A JPH03265122A (ja) | 1991-11-26 |
| JP2900946B2 true JP2900946B2 (ja) | 1999-06-02 |
Family
ID=13207938
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6270390A Expired - Lifetime JP2900946B2 (ja) | 1990-03-15 | 1990-03-15 | 半導体装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2900946B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3876649B2 (ja) | 2001-06-05 | 2007-02-07 | ソニー株式会社 | 窒化物半導体レーザ及びその製造方法 |
| JP5375983B2 (ja) * | 2012-01-23 | 2013-12-25 | 三菱電機株式会社 | 半導体装置の製造方法 |
-
1990
- 1990-03-15 JP JP6270390A patent/JP2900946B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH03265122A (ja) | 1991-11-26 |
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Legal Events
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