JP3129112B2 - 化合物半導体エピタキシャル成長方法とそのためのＩｎＰ基板 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、化合物半導体の基板
の上に化合物半導体の薄膜を気相エピタキシャル成長さ
せる際に発生するヒロックを低減することを目的とす
る。化合物半導体基板としては、ＧａＡｓ、ＩｎＰなど
の基板が用いられる。この上に同じ成分の薄膜や、異な
る成分の薄膜をエピタキシャル成長させる際に、気相エ
ピタキシャル法がよく用いられる。気相エピタキシャル
法には、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相エピタキシ−）、Ｍ
ＢＥ（分子線エピタキシ−）、クロライドＣＶＤ、ハラ
イドＣＶＤ、などがある。本発明はいずれにも適用する
ことができる。

【０００２】

【従来の技術】従来の気相エピタキシャル成長、特にＯ
ＭＶＰＥ成長においては、成長後のエピタキシャル成長
層表面にヒロックと呼ばれる凸状の欠陥が生じるという
問題があった。ヒロックを低減するために従来から、基
板面方位、成長速度、成長温度などと欠陥の関係が調べ
られ考察されてきた。

【０００３】例えば特開平２−２３９１８８号は、気相
エピタキシャル成長において発生するグロ−スピラミッ
ドやファセッテッドディフェクトと呼ばれる表面欠陥を
問題にする。この欠陥の発生を抑えるために従来はオフ
アングル法が用いられると述べている。オフアングル法
は（１００）面から１°〜７°傾けた面を持つウエハの
上に薄膜をエピタキシャル成長するという方法である。
しかし半導体レ−ザのように表面にグレ−ティングを作
る必要のある素子を作るにはオフアングルのウエハを使
うことができない。（１００）ジャストのウエハが必要
である。

【０００４】しかしこのウエハでも、欠陥ができるもの
とできないものがあると説明し、傾きが０．１°以下の
ものは欠陥が顕著に発生することを発見している。そこ
で、特開平２−２３９１８８号は、（１００）面から
０．１°〜０．５°傾いた面を持つウエハを用いて、基
板温度を６００℃〜７００℃にして気相エピタキシャル
成長させることを提案している。

【０００５】特開平５−３０１７９５号は、化合物半導
体の気相エピタキシャル成長の際に表面に発生する涙状
の欠陥を減らすことを問題にする。ウエハの（１００）
からの傾き角θと、成長速度Ｖ、基板温度Ｔの間に次の
ような不等式を与える。 ０．０１１Ｖ^1.5 ＋６．２１×１０²⁰Ｔ^-7.5≦θ≦０．
２０ この範囲で成長させると涙状の欠陥が減少すると述べて
いる。成長速度が速いと、基板温度を上げる必要があ
り、反対に成長速度が遅いと基板温度を下げる必要があ
る。この不等式の意味するのはそのようなことである。
速度の１．５乗とか、温度の−７．５乗というべき数が
なぜ現れるのか分からない。

【０００６】特開昭６４−３２６８６号は、ＩｎＧａＡ
ｓのアバランシェホトダイオ−ドを作製する時にハライ
ド成長法を用いるが、（１００）から±０．１°以内の
傾きであるＩｎＰウエハを基板とすると、ヒロックが多
量に発生し、ウエハの面内で、アバランシェ層の膜厚が
ばらつくという問題があると述べている。そこで（１０
０）面から０．２°〜０．５°傾いたＩｎＰウエハを用
いて、この上に光吸収層、アバランシェ層をエピタキシ
ャル成長させることを提案している。これによりヒロッ
クが発生しなくなったと言う。

【０００７】特開昭６４−２２０７２号はＩｎＰのＰＩ
Ｎホトダイオ−ドをハライド気相成長法によって製作す
る時にウインド層や、バッファ層の膜厚分布ができて、
ｐｎ接合の位置がばらつくということを述べている。そ
こで（１００）から０．２°〜０．５°傾いたＩｎＰ基
板を用いて、この上にバッファ層、光吸収層をハライド
気相成長させている。これにより膜厚分布が減少し、製
品歩留まりが向上したとある。

【０００８】特開昭６４−１５９１４号は、ＩｎＰ基板
の上にＩｎＧａＡｓＰの薄膜などをハライド法によりエ
ピタキシャル成長し、受光素子とする場合に、（１０
０）±０．１°のＩｎＰウエハを用いると、ヒロックを
発生するので膜厚制御が難しくなると問題を指摘してい
る。そこで、（１００）から０．１°〜０．５°傾いた
ＩｎＰウエハを採用し、この上にハライド法によりＩｎ
ＧａＡｓＰの多層構造を成長させる。膜厚の均一性が改
善されたとある。

【０００９】特開平１−２７０５９９号は、（１００）
ＩｎＰ基板の上にＭＢＥ法でダブルヘテロ構造を形成し
た場合、ＰＬ（フォトルミネッセンス）発光強度が弱
く、この方法で作った半導体レ−ザは閾値電流が高いと
いう問題を指摘する。そこで、（１１１）Ｂ面から０．
５°〜２°の傾きを持つＩｎＰ基板を用いてダブルヘテ
ロ構造をＭＢＥ法で作製することを提案している。これ
は（１００）方向のウエハを採用せずに（１１１）ウエ
ハを用いる。この方法で作られた半導体レ−ザは閾値電
流が低減されたと述べている。

【００１０】特公平４−７３６１０号は、量子井戸レ−
ザや二次元電子ガスを用いた高速ＦＥＴを作製する時
に、（１１１）Ｂ面から０．１°〜１°傾いたＧａＡｓ
基板を用いて、ＭＢＥ法により薄膜をエピタキシャル成
長させることを提案している。ＧａＡｓ基板の（１１
１）からの傾きがこの範囲であると、エピタキシャル層
は鏡面になりＰＬ（フォトルミネッセンス）強度も大き
いという。（００１）ウエハよりも優れていると判断し
ている。

【００１１】特開昭６２−８８３１８号は、やはり、
（１１１）Ｂ面より０．１°〜１°の範囲で傾いたＧａ
Ａｓ基板を用いてＭＢＥによるエピタキシャル成長を行
っている。（００１）面ウエハを使った場合よりもＰＬ
強度が大きいということを述べている。特開平３−１６
９９３号は、（１００）ＧａＡｓ基板上に気相成長させ
たエピタキシャル層にクロスハッチと呼ばれる縞模様が
あるので表面があれるということを問題にする。これを
解決するために、（１００）面から０．５°〜１０°傾
いたウエハを用いるという。

【００１２】特開平２−２８８２２３号は（１００）Ｇ
ａＡｓ基板にＡｌＧａＡｓをＭＢＥで成長させるＨＥＭ
Ｔを作製する時に微小な米粒状の欠陥が発生することを
問題にしている。これは（１００）面からのずれによっ
て発生する欠陥であり、基板の（１００）面からのずれ
が０．１５°以内、望ましくは０．０５°以内にしなけ
ればならないというものである。これまで挙げてきたも
のと反対のことを述べている。

【００１３】特開平１−１２８４２３号は、ＭＢＥ又は
ＭＯ−ＭＢＥによりＧａＡｓ基板の上にアルミニウムを
含む薄膜を成長させる際に結晶の表面が粗面化するの
で、基板の面方位を主平面から０．５°〜１０°の範囲
で傾けたものを使用している。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】このように、結晶表面
が粗面化するのを防ぐためにＩｎＰ基板の面を（１０
０）面から僅かにずらせるということがなされる。角度
の範囲としては様々のものがある。これらは何れも薄膜
に現われる面の荒れを無くすために、基板面を基準面
（１００）から傾けている。

【００１５】これらは薄膜の結晶面からの傾きだけを考
慮しており、基板と薄膜の間の記憶については考察がな
されていない。基板はエピタキシャル成長させる時に薄
膜を結晶軸から傾けるためのものと考えられている。オ
フアングルの基板を使うのは、薄膜の方位をオフアング
ルするためである。またこれらの提案は基板の性質とヒ
ロック発生との関係について述べるところがない。本発
明者は、同じ傾き角で切り出した基板であっても、その
面に表れるヒロックの発生密度が著しく異なるというこ
とに気付いた。

【００１６】（１００）に対する基板の傾斜角Θは同じ
であるが、あるものはヒロックの密度が高く、あるもの
はヒロックの密度が低い。これまで述べた従来技術は、
（１００）面から傾斜角Θを規定し、これによりエピタ
キシャル膜の粗面化を一様に防ぐことができるように説
明している。

【００１７】しかし本発明者の意見ではそうではない。
傾斜角Θが同じ基板を使っても、ヒロックの発生の様子
は随分と違う。基板の基準面からの傾斜角Θのみがヒロ
ック発生を左右するパラメ−タではない。そうではなく
てヒロックは傾斜角以外の要素により発生したりしなか
ったりするのである。ある基板については傾斜角が小さ
いに拘らずヒロック発生密度が低い。またある基板につ
いては傾斜角が大きいのにヒロック発生密度が高い。こ
れはどうした訳であろうか？隠れたパラメ−タがある筈
である。ヒロックを引き起こす原因を明らかにし、基板
の傾斜角Θを適切に決定できるようにした化合物半導体
エピタキシャル成長法を提供することが本発明の目的で
ある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明は基板自身の欠陥
密度に注目する。本発明者は基板の欠陥密度（ＥＰＤ）
がその上に成長する薄膜のヒロックの発生密度を左右す
るということを見いだした。隠れたパラメ−タは基板自
身の欠陥密度だったのである。基板の傾斜角と、欠陥密
度がヒロックの密度を決定する二大要素である。これを
本発明者が初めて見い出した。

【００１９】そこでヒロック発生を防ぐために、本発明
は基板の欠陥密度により基板の傾斜角Θを変えるように
する。基板の欠陥密度が小さい時は傾き角が小さくても
差し支えない。しかし欠陥密度が大きい時は傾き角をよ
り大きくする必要がある。つまり、ヒロックの発生を避
けるための最小傾斜角を基板欠陥密度の関数として与え
ることができる。

【００２０】本発明者はＩｎＰ基板にＩｎＰ薄膜をエピ
タキシャル成長するとき次のような性質のあることを見
いだした。基板の平均ＥＰＤが２５０００ｃｍ^−２の場
合、（１００）からの傾き角Θが０．２°以上であれば
ヒロックは殆ど発生しない。基板の平均ＥＰＤが３００
０ｃｍ^−２の場合はΘが０．０７°以上であればヒロッ
クが発生しない。ＥＰＤが１０００ｃｍ^−２の場合は、
０．０４°以上であればヒロックが生じない。このよう
にヒロックが発生しない最小の基板傾き角Θは、基板の
欠陥密度に依存して変化する。

【００２１】つまり基板の基準面（１００）からの傾き
角Θを、Θ≧１．２６×１０^-3Ｄ^1/2 とする。ここで、
ＤはＥＰＤ（ｃｍ^-2）であり、Θは角度（°）で表現し
ている。ただし基板欠陥密度は平均値である。欠陥（転
位）は基板面上でばらついており、高い有効数字で表現
しても意味の無いこともある。有効数字が少ない場合
は、比例定数の上一桁を取る。傾き角ΘをΘ≧１×１０
^-3Ｄ^1/2 によって与える。この方が的確である。

【００２２】

【作用】本発明者は、初めて基板の欠陥と、ヒロックの
発生について相関のあることに気付いた。基板の欠陥が
多いと、ヒロックの発生頻度が高い。基板の欠陥が少な
いとヒロックの発生頻度が低い。基板をインゴットから
切り出す時に、（１００）からの傾斜Θを適当に決めて
切り出すが、ヒロックが発生しない最低の傾き角Θｍｉ
ｎが実は基板の欠陥密度に依存するのである。依存の関
係は先述のようにΘ≧１．２６×１０^-3Ｄ^1/2 （或いは
Θ≧１×１０^-3Ｄ^1/2 ）によって表現することができ
る。

【００２３】ヒロックを発生させないようにするため、
基板の欠陥密度が低いと傾斜角Θが小さくても良い。基
板の欠陥密度が高いと、傾斜角Θが大きい必要がある。
このように傾斜角Θが実は基板の欠陥密度の多少による
のである。インゴットから切り出してウエハ−にし、エ
ッチング、研磨してミラ−ウエハ−にするのであるか
ら、切り出した後で、欠陥密度が分かる。だから、欠陥
密度によって最適の切り出し角度を決定するという順序
にはならない。しかし、インゴットの一部を切り出した
だけでも欠陥密度の大体の値は分かる。この値により傾
き角Θを規定してもよい。

【００２４】

【実施例】（１００）からある角度Θだけ傾いたＩｎＰ
ウエハ−の上に、ＯＭＶＰＥ法により、ＩｎＰ／ＩｎＧ
ａＡｓ／ＩｎＰ層よりなる薄膜を成長させた。基板の傾
き角Θは０°〜０．２°である。基板の温度は８７３
Ｋ、成長速度は１．０μｍ／ｈｒである。そして最上層
のＩｎＰ薄膜に現われたヒロックの数を数えて、基板の
欠陥との相関を調べた。平均欠陥密度が２５０００ｃｍ
^-2、３０００ｃｍ^-2、１０００ｃｍ^-2の場合について
（１００）からの基板の傾き角Θと、ヒロックの密度Ｈ
の関係をグラフに表した。これが図１である。

【００２５】平均ＥＰＤが１０００ｃｍ^−２の場合、基
板の傾斜角がΘ＝０ではヒロック密度が１０００ｃｍ
^−２である。傾斜角Θを増やすとヒロック密度も減る。
Θ＝０．０３°でヒロックは１００ｃｍ^−２程度にな
る。バラツキがある、Θ＝０．０４°でヒロック密度は
０に低下する。平均ＥＰＤが３０００ｃｍ^−２の場合
は、Θ＝０°で３０００ｃｍ^−２の程度である。Θ＝
０．０４°では１０００ｃｍ^−２程度に減る。Θ＝０．
０６°では３００ｃｍ^−２程度に減る。Θ＝０．０７°
ではヒロック密度が０になる。

【００２６】平均ＥＰＤが２５０００ｃｍ^-2の場合は、
Θ＝０度でヒロック密度が２５０００ｃｍ^-2の程度であ
る。Θ＝０．０４°でもヒロック密度が２５０００ｃｍ
^-2の程度である。０．０７°で約１０００ｃｍ^-2であ
る。Θ＝０．２０°の時に初めてヒロック密度が０に低
下する。この実験の条件は、速度が１．０μｍ／ｈｒで
温度がＴ＝８７３Ｋ（６００℃）である。しかし温度は
４５０℃〜８００℃の範囲、成長速度は０．０５μｍ／
ｈｒ〜２０μｍ／ｈｒの範囲でこのような関係がある。

【００２７】さて基板の欠陥と、ヒロックの関係である
が、これについては驚くべきことが分かった。図２は、
Ｆｅドープ（１００）ジャストＩｎＰ基板にＩｎＰ／Ｉ
ｎＧａＡｓ／ＩｎＰ層をＯＭＶＰＥ法により成長させた
ものの最上層のＩｎＰ層のノマルスキー顕微鏡写真図で
ある。倍率は約１００倍である。楕円形状の欠陥が見え
る。これがヒロックである。

【００２８】図３は同じ試料においてエピタキシャル成
長層ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰを除去し、露呈した
ＩｎＰ基板をＨｕｂｅｒエッチングした面のノマルスキ
−顕微鏡写真である。倍率は１００倍である。この結晶
の縦方向の層構造を示す断面図を、図２と図３の上に示
す。図２、図３の矢印はそれぞれノマルスキー顕微鏡観
察を行った位置を示している。

【００２９】図２のヒロックの発生位置と、図３の基板
の欠陥の位置が１：１に対応しているということが分か
る。してみれば、傾きのない基板（Θ＝０）では、基板
の欠陥（転位）の上にヒロックが成長するのである。基
板の転位がヒロックを発生する引き金になっている。Θ
＝０の場合は、全ての欠陥の上にヒロックが発生してい
る。基板の欠陥が薄膜に転写されると表現することがで
きよう。欠陥を転写したものが薄膜のヒロックなのであ
る。

【００３０】図１のグラフでもよく分かるようにΘ＝０
の極限で、いずれの場合も、ヒロックの密度Ｈが、基板
欠陥密度ＥＰＤにほぼ等しくなっている。これは、薄膜
の上下の欠陥（転位）とヒロックの１：１対応によるも
のである。欠陥が転写されてヒロックとなるのである。
ところが基板の面方位が（１００）からずれると、基板
の欠陥密度が全て薄膜に転写されなくなる。基板の（１
００）面からのずれ、つまり傾斜角が基板面の欠陥密度
の記憶を失わせるようである。もともと基板の欠陥密度
が小さいと、小さい傾斜角でも欠陥密度の記憶を失って
しまう。基板の欠陥密度が大きいと傾斜角を余程大きく
しないと欠陥密度の記憶を断ち切ることができない。

【００３１】しかしいずれにしても、基板の欠陥が薄膜
のヒロックを作り出すのである。欠陥のないところに
は、薄膜にヒロックがほとんど発生しない。基板の（１
００）からの傾斜角は、基板欠陥密度の幾つかを覆い隠
す作用がある。欠陥の転写を妨げるものが傾斜角Θであ
る。それではどうしてこのように、ヒロックと、基板の
（１００）からの傾斜角Θと、欠陥密度が関係している
のであるか？この理由が分からなければ発明として完結
しないのである。

【００３２】これは次のように考えられる。ＯＭＶＰＥ
によって基板の上に薄膜を成長させるのであるから、基
板の上に着地した原子は、そのまま結晶構造に取り込ま
れるか、或はそこから移動してポテンシャルの低い場所
に移り、ここで結晶構造に組み込まれるかである。図４
にこのようなポテンシャル図を示す。トラップのエネル
ギ−をＥとすると、これが熱運動のエネルギ−ｋＴより
大きければ、原子が再び外部に放出される確率は低い。
原子はここで固化して結晶を構成するようになる。

【００３３】基板の（１００）からの傾斜角Θがあるの
で、基板の表面は平行の段々形状になる。これをテラス
という。図５に示す。テラスは構造の特異点であるから
ここでエネルギ−が低く、原子を捕獲（トラップ）する
ことができる。また、転位も構造の欠陥でありエネルギ
−が低いので原子を捕獲できる。格子定数をａとする。
テラスの面が（１００）面になるから、テラスの１段の
幅ＬはＬ＝ａ／Θによって与えられる。段は直線になり
相互に平行である。段と段の間隔がＬである。段の高さ
は格子定数ａである。

【００３４】テラスの段の部分はエネルギ−が低いの
で、原子を捕獲して固化する作用がある。平坦な部分は
エネルギ−が下がらないので原子を捕獲しにくい。結
局、転位とテラス段部において原子が捕らえられる。転
位に捕まった原子はここで局在し、ここで格子に取り込
まれる。これがヒロックになると、本発明者は考える。
図２と図３によって説明したように基板自身の転位を転
写したものがヒロックであることが分かった。だから転
位の上に異常成長したものがヒロックである筈である。

【００３５】一方、テラスの段部に捕まった原子はここ
に付いてエピタキシャル膜を形成する。テラスの段に１
列の原子が付くと、テラスが１原子分だけ前進する。つ
まりテラスの段における成長は正常成長である。（１０
０）面からの傾きが小さい時はテラスの段の数が少な
い。従って原子はテラス段によって捕まえられる機会が
少ない。原子の多くは転位に捕捉されて転位からヒロッ
クを成長させるものと考えられる。だからΘが小さい時
はヒロック密度が高いのである。

【００３６】（１００）面からの傾きが大きくなると、
テラスの段の数が増える。このときテラス段部によって
捕まえられる原子の比率が増大する。反対に転位に集ま
る原子数が減る。このため、一様なテラス段からの正常
成長が主となり、転位上の異常成長すなわちヒロックの
発生を抑えることができるのである。

【００３７】原子が最近接の転位に行くまでの距離は転
位の密度Ｄの平方根の逆数Ｄ^-1/2によって評価すること
ができる。また原子が最近接のテラス段に行き着くまで
の距離はａ／Θによって評価することができる。気相か
ら基板または薄膜の上に供給された原子はより近い方の
特異点（段、転位）に捕獲されるので、Θが小さい時は
専ら転位に集まる。そしてヒロックを大量に生成する。
Θが大きいとテラス段に集まり原子は正常成長に寄与す
る。転位には集まらないのでヒロックが発生しない。

【００３８】いずれの場合が優越するか？ということは
ａ／ΘとＤ^-1/2の大小関係のみによる。これらはいずれ
も比例定数を含んで考えなければならない。すると臨界
角として、Θｃ＝ＫＤ^1/2 が存在するはずである。Θが
これより大きいとテラス段による正常成長のみとなり、
ヒロックが生じない。Θがこれより小さい時には基板の
転位の位置に対応してヒロックが発生し得る。

【００３９】そして本発明者の測定では、転位密度Ｄが
１０００ｃｍ^−２の時に、Θ＝０．０４°以上、３００
０ｃｍ^−２の時にΘ＝０．０７°以上、２５０００ｃｍ
^−２の時にΘ＝０．２°以上であると、ヒロックが発生
しないことが分かっている。これらの値から、Ｋ＝１．
２６×１０^−３（ｄｅｇ・ｃｍ）と計算される。転位密
度についてはばらつきと測定誤差があるので、多くの有
効数字を得られない場合が多い。この場合はＫ＝１０
^−３（ｄｅｇ・ｃｍ）とする。

【００４０】結局、転位とテラス段の引き合いにより、
供給原子がいずれに引き寄せられるかということであ
る。テラス段にある原子の個数をＲとし、転位にある原
子の個数をＮとする。基板または薄膜の上に単位時間に
供給される原子個数をＦとする。基板薄膜の上にあって
単位時間にテラス段に移動する確率をαとする。テラス
段にあって単位時間に固定化して行く確率をβとする。
基板薄膜の上にあって単位時間に転位に移動する確率を
γとし、転位にあって単位時間に固定化して行く確率を
δとする。すると、これらの間に次の関係が成立する。

【００４１】 ｄＲ／ｄｔ＝αＦ−βＲ （１） ｄＮ／ｄｔ＝γＦ−δＮ （２）

【００４２】Ｆはガスの供給速度であり、これは一定で
あるとみなすことができる。テラス段に原子が捕獲され
る確率αは、テラスの存在する確率に比例するので、 α＝ｈΘ （３）

【００４３】と書くことができる。テラス段に捕獲され
ている原子が、固定化する確率はテラス段のポテンシャ
ルの差と、温度による。しかしこれはテラス段の数に殆
どよらない筈である。転位に捕獲される確率γは、薄膜
基板の上に落ちた原子の最近接の転位までの距離に反比
例すると考える。すると、これはＤ^１／２に比例する筈
である。

【００４４】 γ＝ｋＤ^1/2 （４） δは転位において原子が固定化される確率であるから転
位の数にはよらない。これは転位のトラップのエネルギ
−と温度による。Ｆが一定という条件と、ｔ＝０におい
て、これらの値が０であるという初期条件によって前記
の方程式を解く。

【００４５】 Ｒ＝（αＦ／β）｛１−ｅｘｐ（−βｔ）｝ （５） Ｎ＝（γＦ／δ）｛１−ｅｘｐ（−δｔ）｝ （６）

【００４６】単位時間にテラス段の原子がβの確率で固
化するので、成長開始後時間ｔでのテラス段に固化する
原子数は、Ｒにβを掛けたβＲを時間ｔで積分したもの
である。同様に転位に固化する原子数は、Ｎにδを掛け
たδＮを時間ｔによって積分したものによって与えられ
る。指数による変化は短い間のものであるから、テラス
に積み重なる原子数は、ほぼαｔＦになる。転位に固化
する原子数は、ほぼγｔＦになる。

【００４７】転位上に成長する原子がヒロックを形成す
るという本発明者の発見に従うと、ヒロックを形成する
原子数はγｔＦである。テラスの段で固化する原子は正
常な結晶成長に対応する。これはαｔＦである。ヒロッ
クの無い薄膜を形成するには、αｔＦが、γｔＦよりも
ずっと大きければ良い。つまりαがγより格段に大きけ
れば良いである。

【００４８】 ｈΘ＞＞ｋＤ^1/2 （７）

【００４９】つまりヒロックができないために、Θ＞＞
（ｋ／ｈ）Ｄ^1/2 であることが要求される。それで、ヒ
ロックの発生しない条件は、転位密度Ｄの平方根に比例
する値以上にΘを設定するということになる。前述の実
験結果から、Θ≧１×１０^-3Ｄ^1/2 と書くことができ
る。あるいはΘ≧（Ｄ／１０⁶ ）^1/2 となる。

【００５０】これらの考察は、基板の転位に原子が捕獲
され固化してヒロックになるという図２、図３の発見に
対応するもので、基板の転位密度が、ヒロックの発生し
ないための傾き角Θｃを決めるということを定性的に説
明することができる。しかしながら、これら確率論的な
考察は、Θの１乗に比例する依存性しか得られない。図
１のようなヒロック密度のΘへの急峻な依存性を説明で
きない。さらにまた、テラスと転位の引き合いという説
は尤もらしいが、実は定量的におかしい点があるように
思える。

【００５１】例えば、格子定数ａをを０．５ｎｍと仮定
する。（１００）面からの傾き角Θが、例えば０．１°
と仮定する。テラスの幅は約３００ｎｍである。一方転
位密度を２５０００ｃｍ^-2とすると、平均の転位間隔
は、約６０μｍである。このように大量の転位がある場
合でも、転位の間隔はテラス段の間隔の約２００倍であ
る。転位の中間に落ちた原子は平均１００段のテラスを
登り降りしてやっと最近接の転位に到達できる。つまり
テラスの数が多いのに比べて転位が少なすぎるのであ
る。

【００５２】Ｄ＝２５０００ｃｍ^-2の場合の、Θ＝０．
０９°の当たりの急激なヒロック密度の降下はどうして
起こるのか？Ｄ＝３０００ｃｍ^-2の場合のΘ＝０．０６
°での下降はどうしてか？前記の説明では、このような
非線形を説明できない。Ｄ＝１０００ｃｍ^-2の場合のΘ
＝０．０３°の当たりの急激な降下は何故起こるか？実
際に、図２、図３を観察すると、一つの転位は直径５０
μｍ程度の範囲にわたって影響を及ぼす。テラスが０．
３μｍの間隔でできたとしても、転位の影響はテラスの
１００段以上に及ぶ大きさを持つ。一つの転位がテラス
の段を広範囲に渡ってそのエネルギーポテンシャルに対
し影響を及ぼすのである。

【００５３】そこで、βＲはテラスの段に取り込まれる
原子というのではなくて、テラスの高さを意味するもの
とする。テラス段に取り込まれる原子の数と高さは比例
するので、このような仮定は問題ない。同様にδＮは転
位の上に形成されるヒロックの高さを意味するものとす
る。先程はδＮを転位に取り込まれる原子数としている
から転位の面積で割って、面密度を掛けると高さにな
る。線形の方程式であるから、定数を掛けても同様に成
立するのである。

【００５４】また転位はテラスに比べると巨大な異型物
であるから、転位に落ちた原子がテラス段に戻ることも
あろう。この確率をεとする。反対にテラス段に落ちた
原子が転位に移動することもある。この確率をηとす
る。すると、単位時間にテラス段に捕獲される原子数Ｒ
と、単位時間に転位に捕獲された原子数Ｎに対して、

【００５５】 ｄＲ／ｄｔ＝αＦ−βＲ＋εＮ （８） ｄＮ／ｄｔ＝γＦ−δＮ＋ηＲ （９） が成り立つ。これは時間と共に変動する部分もあるが、
すぐに一定値に達する平衡値である。これは

【００５６】 Ｒ＝（αδ＋γε）Ｆ／Δ （１０） Ｎ＝（βγ＋ηα）Ｆ／Δ （１１）

【００５７】 Δ＝βδ−εη （１２） というふうに求められる。転位からテラス段への移動
ε、テラス段から転位への移動ηは、そこでそのまま固
化する原子数よりも小さいのでΔは正である。

【００５８】テラスの高さＨ１はβＲｔであるので（β
Ｒを時間で積分したものであるがすぐに平衡値に達する
のでβＲｔである。） Ｈ１＝β（αδ＋γε）Ｆｔ／Δ （１３）

【００５９】転位の高さＨ２はδＮｔであるから、 Ｈ２＝δ（βγ＋ηα）Ｆｔ／Δ （１４）

【００６０】となる。もしも転位の高さがテラスより高
いとすると、ヒロックがいくらでも成長してゆくという
ことである。反対に転位の高さがテラスよりも低いとす
ると、ヒロックは短い時間の間に覆い尽くされ埋まって
しまうということである。つまりＨ１とＨ２の大小関係
により、ヒロックの成長、消滅が決まるということにな
る。Ｈ１とＨ２の差をＱとすると

【００６１】 Ｑ＝Ｈ１−Ｈ２＝｛βδ（α−γ）＋βγε−ηαδ｝Ｆｔ／Δ （１５）

【００６２】これの正負により、決定的に異なる層構造
ができる。Ｑが正であれば、テラスの高さの方が速く伸
びるので、転位は消えてしまう。これは括弧の中の正負
による。括弧の中が正であると、転位が消えるというこ
とである。εやηは小さいので、主になるのは（α−
γ）である。これが正になるのは、α＝ｈΘ、γ＝ｋＤ
^1/2 であるから、Θ＞（ｋ／ｈ）Ｄ^1/2 の時である。た
だし定数ｋ、ｈの値は前述のものと異なる。

【００６３】反対にＱが負であれば、転位の成長の方が
テラスの成長よりも速いので、転位と同じ形状分布の構
造物が薄膜の上に永久に残って行く。つまりヒロックが
残るのである。これはΘ＜（ｋ／ｈ）Ｄ^1/2 の時であ
る。

【００６４】このような関係は、図１における非常に狭
い遷移領域をうまく説明することができる。Ｄが何れで
あってもΘ＝０ではヒロックの密度Ｈは殆どＨ＝Ｄであ
る。しかしある傾斜角から先で突然にＨ＝０に落ちてし
まう。この急激な遷移は、前記のＱの正負の切り替わり
によって突然に起こるのである。

【００６５】例えばＤ＝２５０００ｃｍ^-2の時には、Θ
＝０．０６°で１００００個の程度であるが、Θ＝０．
０７°で１０００個に減り、Θ＝０．１０°で４０個に
減ってしまう。このような急激な転換は前記のＱの正負
の変化によって引き起こされる。Θが０．０７°からテ
ラス成長速度の方が、転位成長速度より僅かに速くな
る。速度の差は僅かでも、テラス成長が転位成長を覆い
尽くすことができるからヒロックが隠れてしまうのであ
る。ヒロックの発生消滅の急激な変遷はＱの正負の変化
により巧妙に説明できる。

【００６６】しかし、ヒロックが完全に０になるには、
Θは（ｋ／ｈ）Ｄ^1/2 よりも大きくなければならない。
Ｄ＝２５０００ｃｍ^-2に対する０．２０°、Ｄ＝３００
０ｃｍ^-2に対する０．０７°、Ｄ＝１０００に対する
０．０４°は（ｋ／ｈ）Ｄ^1/2よりも大きい値である。

【００６７】

【発明の効果】従来から（１００）面より微小角傾けた
結晶面を表面に持つ化合物半導体基板を用いて化合物半
導体薄膜をエピタキシャル成長させると、面の荒れが少
なくなるということは知られており、（１００）面より
少し傾いた面のウエハ−を使って半導体レ−ザを製造す
るということが行なわれている。しかし基板自体の欠陥
がその上に成長させた薄膜にどのような影響を及ぼすの
か、従来全く気付かれていなかった。

【００６８】本発明は基板の欠陥とヒロックの生成には
強い相関のあることを、初めて明らかにしている。欠陥
が少ない基板の場合は、ヒロックを抑制するために傾き
角Θをさほど大きくする必要がない。逆に欠陥の多い基
板の場合は傾斜角Θを大きくする必要がある。

【００６９】本発明によって初めて、ウエハ−をインゴ
ットから切り出す場合の傾斜角Θの正確な設計が可能に
なる。何らかの手段でインゴットの段階で欠陥密度を測
定し、欠陥密度を知って、最小限必要な傾斜角Θを求め
る。これ以上の傾斜角でインゴットを切断する。デバイ
スを作製する場合は、（１００）面に近い方が良いので
あるから、欠陥密度が許す限りの小さい傾斜角Θで切断
するようにすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＩｎＰ基板の上に、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ／Ｉ
ｎＰ膜を成長させた時の、基板の欠陥密度をパラメ−タ
として、基板傾き角Θと、ヒロック発生密度の関係を示
すグラフ。

【図２】同じ実験において得られたエピタキシャル成長
の最上層であるＩｎＰ層の表面のノマルスキ、顕微鏡写
真。

【図３】図２の試料において、エピタキシャル層を除去
し、基板を露呈しこれをＨｕｂｅｒエッチングした面の
ノマルスキ、顕微鏡写真。

【図４】トラップにおける原子のエネルギー状態を示す
バンド図。

【図５】原子がテラスに落ちたとき、テラス段に向かう
か転位に向かうかを説明するテラスの斜視図。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−239188（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−260500（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−193007（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−244771（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−227898（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−53409（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−301795（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−96982（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−97072（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−84796（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−15914（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−116823（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/205 H01S 5/00 H01L 21/31 C30B 25/00 C23C 16/00

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＩｎＰ基板の上に、化合物半導体の薄膜
   を気相エピタキシャル成長させる際に、ＩｎＰ基板の欠
   陥密度をＤとして、（１００）からの傾き角Θが、Θ≧
   １×１０^-3Ｄ^1/2 を満足する基板を使用することを特徴
   とする化合物半導体エピタキシャル成長方法。
2. 【請求項２】 ＩｎＰ基板の上に、化合物半導体の薄膜
   を気相エピタキシャル成長させる際に、ＩｎＰ基板の欠
   陥密度をＤとして、（１００）からの傾き角Θが、Θ≧
   １．２６×１０^-3Ｄ^1/2 を満足する基板を使用すること
   を特徴とする化合物半導体エピタキシャル成長方法。
3. 【請求項３】 面上の欠陥密度をＤとして、（１００）
   からの傾き角Θが、Θ≧１×１０^-3Ｄ^1/2 であって、そ
   の上に化合物半導体薄膜を気相エピタキシャル成長させ
   るためのＩｎＰ基板。
4. 【請求項４】 面上の欠陥密度をＤとして、（１００）
   からの傾き角Θが、Θ≧１．２６×１０^-3Ｄ^1/2 であっ
   て、その上に化合物半導体薄膜を気相エピタキシャル成
   長させるためのＩｎＰ基板。