JP3221981B2 - 気相成長方法 - Google Patents

気相成長方法

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【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体基板上に複数の
半導体結晶層の成長を行う気相成長方法に関し、特にＩ
ｎxＧａ1-xＡｓ層を含む多層結晶膜の成長時の界面の改
善に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】半導体基板上に超薄膜を形成する結晶成
長方法として、分子線エピタキシャル成長方法が最近注
目され研究されている。分子線エピタキシャル成長は、
超高真空下で原料となる物質を蒸発させ、加熱した基板
上に目的の結晶を成長する方法であり、分子線エピタキ
シャル成長方法を用いたデバイスとして、高電子移動度
トランジスタ（ＨＥＭＴ）等が実用化されている。ＨＥ
ＭＴではチャンネル層と電子供給層とのヘテロ界面近傍
に形成される二次元電子ガスを用いるもので、界面の平
坦性や急峻性が特性に大きな影響を及ぼすことが知られ
ている。通常のＨＥＭＴ構造ではチャンネル層としてＧ
ａＡｓ、電子供給層としてはＡｌＧａＡｓを用いてい
る。最近では通常の格子整合系のＨＥＭＴの高性能化の
ために、チャンネル層に格子不整合のＩｎＧａＡｓを用
いたシュードモルフィックＨＥＭＴ（以後、ＰＭーＨＥ
ＭＴと略す）が開発されて実用化されている。ＧａＡｓ
／ＡｌＧａＡｓの界面の平坦性の向上には、成長の一時
停止が有効とされている。（M. Tanaka, Jpn. J. Appl.
Phys., 25 (1986) L155-L158）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、ＰＭーＨＥＭ
Ｔ構造等の成長の場合には成長の一時停止を行っても、
成長したＰＭーＨＥＭＴ構造の電子移動度が低く、分子
線エピタキシャル成長の再現性が通常の格子整合系のＨ
ＥＭＴ構造よりも悪いという問題があった。
【０００４】
【課題を解決するための手段及び作用】本発明は上記の
問題点を解決したもので、本発明の目的は、再現性良
く、電子移動度の高い界面を得ることのできる気相成長
方法を提供することにある。すなわち、本発明は、半導
体基板上に複数の半導体結晶層の成長を行う気相成長方
法において、ＩｎとＡｓとを含む化合物半導体結晶層を
成長した後、成長を一時停止して、基板温度をＩｎの再
蒸発開始温度以上に昇温して保持してから、該ＩｎとＡ
ｓとを含む化合物半導体と異なる半導体結晶層を成長す
ることを特徴とする気相成長方法を提供するものであ
る。
【０００５】さらに、上記気相成長方法が分子線エピタ
キシャル成長方法であり、また、上記ＩｎとＡｓとを含
む化合物半導体結晶がＩｎxＧａ1-xＡｓまたはＩｎxＡ
ｌ1-xＡｓであることを特徴とするものである。本発明
者らは上記の問題点を解決するために鋭意検討した結
果、ＩｎxＧａ1-xＡｓ層を成長する際に成長表面に偏析
するＩｎが原因でないかと考えた。ちなみに、ＩｎxＧ
ａ1-xＡｓ層について、成長中に成長最表面にＩｎが１
〜２原子層の偏析を起こしていることが知られている。
（第４０回応用物理学会関係連合講演会講演予稿集 No.
1、 P253）。
【０００６】そこで、本発明者らは成長中の偏析により
表面に浮き出てきたＩｎ原子を除去できれば、高品質の
ヘテロ界面を形成することができると考えた。分子線エ
ピタキシャル成長方法（ＭＢＥ法）を用いたＩｎＡｓ層
の成長では、５８０〜６００℃の基板温度でＩｎの再蒸
発が起こることが知られているが、Ｉｎを含む混晶の成
長は正確な組成制御の必要性からこのＩｎ再蒸発温度以
下で行われている。
【０００７】一方、ＧａＡｓでのＧａが再蒸発する基板
温度は６５０℃以上である。従って、ＩｎxＧａ1-xＡｓ
層の成長を５８０℃〜６５０℃の間で行うとＩｎの再蒸
発により表面に浮いてきたＩｎをある程度除去できるこ
とが期待できるが、成長したＩｎxＧａ1-xＡｓ層の正確
な組成制御が難しくなる。そこで、本発明者はＩｎxＧ
ａ1-xＡｓ層の成長中は基板温度をＩｎの再蒸発開始温
度以下に設定し正確な組成制御を行い、ＩｎxＧａ1-xＡ
ｓ層の成長終了後にIII族原料の供給を停止し（成長の
一時停止）、基板温度をＩｎの再蒸発開始温度以上（５
８０℃以上）まで上昇させ、表面に偏析により浮き出た
過剰のＩｎを蒸発させ、過剰なＩｎが表面に無くなった
時点で、次の層のIII族原子の供給を開始することによ
り界面でＩｎとそれに続いて成長する半導体結晶層とで
混晶が形成することを防止した。
【０００８】
【実施例】ここでは実施例として、ＧａＡｓ基板上にＰ
ＭーＨＥＭＴ構造を成長した例を示す。面方位（１０
０）ジャストのＧａＡｓ基板上に図１に示す層構造を成
長した。なお、図１において、１はＳｉドープＧａＡｓ
キャップ層（膜厚１０ｎｍ、キャリア濃度２×１０18ｃ
ｍ-3）、２はＳｉドープＡｌＧａＡｓ電子供給層（膜厚
１０ｎｍ、キャリア濃度２×１０18ｃｍ-3、Ａｌ組成
０．２４）、３はアンドープＡｌＧａＡｓスペーサー層
（膜厚２ｎｍ、Ａｌ組成０．２４）、４はアンドープＩ
ｎＧａＡｓチャンネル層（膜厚１０ｎｍ、Ｉｎ組成０．
１５）、５はアンドープＧａＡｓバッファ層（膜厚５０
０ｎｍ）、６はアンドープＧａＡｓ基板（（１００）ジ
ャスト）を示す。気相成長装置は通常の固体ソースのＭ
ＢＥ装置を用いた。先ず、成長開始前にＧａＡｓ基板の
清浄化処理として６４０℃、１５分間のクリーニングを
行った。
【０００９】次に、ＧａＡｓ基板上にバッファ層として
アンドープＧａＡｓを基板温度６００℃で０．５μｍ成
長した後、基板温度を５３０℃に下げてＩｎ０．１５Ｇ
ａ０．８５Ａｓ層を１８０ｎｍ成長した。Ｉｎ０．１５
Ｇａ０．８５Ａｓ層の成長後、ＩｎとＧａの供給を停止
し（成長の一時停止）、同時に基板温度を６００℃まで
昇温し１分間保持した後、次のＡｌ０．２４Ｇａ
０．７６Ａｓ層を成長した。Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５
Ａｓ層の成長後、次のＡｌ０．２４Ｇａ０．７６Ａｓ層
成長までの原料供給切り替えのタイミングと基板温度の
変化を図２に示す。
【００１０】成長したエピタキシャル層は室温及び７７
Ｋにおけるホール測定により二次元電子ガスの濃度と移
動度を評価した。また、ＡｌＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ／
ＧａＡｓの単一量子井戸の界面の評価として７７Ｋにお
けるフォトルミネッセンス（ＰＬ）測定を行いその半値
幅を求めた。それらの結果を表１に示す。なお、比較の
ために比較例１として成長の一時停止を１分間だけ行い
基板温度を変更しなかった場合と、比較例２として成長
の一時停止も行わず、ＩｎＧａＡｓ層の成長に続いてＡ
ｌＧａＡｓ層の成長を行った場合について、同様の評価
を行った結果を表１に併せて示す。
【００１１】
【表１】 比較例１、２間では二次元電子ガス濃度や移動度には差
は見られていないが、７７ＫでのＰＬ測定では比較例１
の成長の一時停止の効果により半値幅が小さくなってい
る。本発明の実施例では室温、７７Ｋの移動度は比較例
よりも大きくかつ７７ＫのＰＬ半値幅も２５．９ｍｅＶ
と最も小さくなっており、成長の一時停止と基板温度を
Ｉｎの再蒸発開始温度以上まで昇温・保持した効果によ
り、高品質なＡｌＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ界面が形成で
きていることわかる。なお、実施例ではＩｎＧａＡｓ層
に続いて成長する層がＡｌＧａＡｓであるので基板温度
は成長の一時停止後基板温度を変えていないが、成長す
る結晶により基板温度を再び変更してもよい。
【００１２】また、実施例では基板温度をＩｎの再蒸発
開始温度以上に保持する時間を１分間としたが、これに
限定されるものでなく適宜選択でき、通常１〜３分間程
度とされる。さらに、実施例ではＩｎＧａＡｓ層の例を
示したが、ＩｎＡｌＡｓ層にも適用できることは勿論で
ある。
【００１３】
【発明の効果】以上説明したように、本発明では成長の
一時停止を行い、かつ成長の一時停止中に基板温度をＩ
ｎの再蒸発開始温度以上まで昇温して過剰なＩｎを再蒸
発させることにより急峻性に優れた良好な界面を形成す
ることが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例のエピタキシャル層の層構造を示す図
である。
【図２】 本発明の原料供給のタイミングと基板温度の
変化を示す図である。
【符号の説明】
１．ＳｉドープＧａＡｓキャップ層 ２．ＳｉドープＡｌＧａＡｓ電子供給層 ３．アンドープＡｌＧａＡｓスペーサー層 ４．アンドープＩｎＧａＡｓチャンネル層 ５．アンドープＧａＡｓバッファ層 ６．アンドープＧａＡｓ基板
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−283554（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−217897（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−243149（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−25420（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C30B 1/00 - 35/00

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 半導体基板上に複数の半導体結晶層の成
    長を行う気相成長方法において、ＩｎとＡｓとを含む化
    合物半導体結晶層を成長した後、成長を一時停止して、
    基板温度をＩｎの再蒸発開始温度以上に昇温して保持し
    てから、該ＩｎとＡｓとを含む化合物半導体と異なる半
    導体結晶層を成長することを特徴とする気相成長方法。
  2. 【請求項２】 上記気相成長方法が分子線エピタキシャ
    ル成長方法であることを特徴とする請求項１に記載の気
    相成長方法。
  3. 【請求項３】 上記ＩｎとＡｓとを含む化合物半導体結
    晶がＩｎxＧａ1-xＡｓまたはＩｎxＡｌ1-xＡｓであるこ
    とを特徴とする請求項１または請求項２に記載の気相成
    長方法。
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