JP3254823B2 - 半導体エピタキシャル基板およびその製造方法 - Google Patents

半導体エピタキシャル基板およびその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、単結晶砒化ガリウム
(以下、GaAsと呼称することがある。)基板上にエ
ピタキシャル成長方法により形成される半導体エピタキ
シャル基板およびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】半導体を用いた各種電子素子は近年、飛
躍的な発達を遂げ、今後も着実な進展が予想される産業
分野である。その基盤材料である半導体は、近年シリコ
ンが主に用いられているが、現在は発光特性あるいは高
速性に優れるGaAsを中心とする化合物半導体が着実
な進展をみせつつある。
【0003】通常、単結晶基板に、イオン注入法、拡散
法、さらにはエピタキシャル成長法などの各種手法によ
り必要な特性を有する結晶層を付与することにより所望
の性能を有する各種電子素子を得ることができる。中で
もエピタキシャル成長法は不純物量の制御のみならず、
結晶の組成や膜厚などをきわめて広い範囲で、かつ精密
に制御可能であるため、広く用いられるようになってい
る。
【0004】該エピタキシャル成長方法としては液相
法、気相法および真空蒸着法の一種である分子線エピタ
キシャル成長法(以下、MBE法と呼称することがあ
る。)などが知られている。特に気相法は大量の基板を
制御性よく処理可能なため工業的に広く用いられてい
る。中でも有機金属熱分解法(Metalorgani
cChemical Vapor Depositio
n法、以下MOCVD法と呼称することがある。)は近
年広く用いられるようになっている。
【0005】例えば、最近、マイクロ波通信において低
雑音の増幅器の構成部品として重要な高電子移動度トラ
ンジスタ−〔HEMT(High Electron
Mobility Transistor)、またはM
ODFET(Modulation Doped Fi
eld Effect Transistor)、また
はHJFET(Hetero−Junction Fi
eld EffectTransistor)などとも
呼ばれる。以下、HEMTと呼称することがある。〕
は、電界効果トランジスタ−の一種である。それに用い
られる結晶は上記のような気相成長法により、必要な電
子的特性を有するGaAs、AlGaAs結晶を必要な
構造でGaAs基板上に積層成長させることにより作製
することができる。
【0006】また、これらの素子作製に用いる材料とし
ては、GaAs、AlGaAs系が、任意の組成で格子
定数を一致させることができ、良好な結晶性を保ちつつ
各種ヘテロ接合が可能なため広く用いられている。
【0007】さて、Iny Ga(1-y) As(0<y≦
1)は電子輸送特性に優れ、また組成に応じ、エネルギ
−ギャップを大幅に変えることが可能である。従ってヘ
テロ接合材料として非常に優れた素質を有している。G
aAsに対しては格子整合が不可能なためこれまではも
っぱらy=0.49付近で格子整合可能なInP基板が
用いられてきた。
【0008】しかし近年、技術の進展により格子不整合
の系であっても弾性変形の限界内であれば転位の発生な
ど不都合な結晶性の低下を招くことなく、信頼性あるヘ
テロ接合が可能であることが明らかになってきた。
【0009】このような特定の組成、膜厚の範囲内の歪
層の利用により、GaAs基板を用いるエピタキシャル
基板においてもInGaAs層をその一部に有する基板
の製造が可能になっている。例えば通常の結晶成長条件
下ではy=0.15、膜厚15nm程度のIny Ga
(1-y) As層が結晶性の低下をきたすことなく作製可能
である。このようなIny Ga(1-y) As層をGaAs
バッファ−層とn型AlGaAs電子供給層との間に挿
入した構造のエピタキシャル基板を利用することによ
り、従来に比べ、雑音特性の優れたHEMTが作製され
ている。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】さて、以上述べてきた
ようにGaAsを基板とし、InGaAsの歪層をその
一部に含むエピタキシャル基板はMBE法またはMOC
VD法により作製されてきたが、それを用いた素子の物
性および生産性については問題があった。
【0011】すなわちMBE法は薄膜制御性に優れるエ
ピタキシャル成長法であるが、MBE法による結晶は表
面欠陥が多く、素子歩留まりの上で問題があり、また結
晶成長速度が遅いことや超高真空を有することから生産
性の点でも問題があった。一方、MOCVD法は生産性
に優れており、MOCVD法により得られたエピタキシ
ャル基板は表面欠陥が少ないが、該エピタキシャル基板
を用いた素子は、その特性が必ずしも良好ではないとい
う問題があった。
【0012】すなわち、通常のMOCVD法による成長
条件下で作製された該エピタキシャル基板を用いた場
合、例えばIn0.15Ga0.85As層の場合、厚さ15n
m(設計値)に対して、実際の膜厚が変動しておよそ2
00〜400nmの周期で2〜5nm程度の凹凸を有し
やすい。その凹凸の影響を受け、InGaAs層中を走
行する2次元電子ガスの移動度が低下するという問題を
本発明者らは見出した。
【0013】このようなInGaAs層の平坦性を向上
させる手法の一つとして、例えば本発明者らは特願平5
−3948号において、基板の結晶学的面方位が1つの
{100}面の結晶学的面方位から傾いており、その傾
きの大きさが1゜以下である単結晶砒化ガリウム基板上
にエピタキシャル成長させることを提案した。これによ
りInGaAs層の凹凸がほぼ1nmに抑えられ、さら
に、その結晶を用いたHEMTでは2次元電子ガス移動
度が向上した。
【0014】しかし、エピタキシャル成長を行なう場合
には、好ましくはその基板の結晶学的面方位の自由度が
許されることが望ましい。従って、結晶学的面方位から
の傾きの大きさが1゜を超える単結晶砒化ガリウム基板
上であってもInGaAs層の凹凸が1nm以下に抑え
られ、かつその結果2次元電子ガス移動度が大きい半導
体エピタキシャル基板がさらに望ましい。
【0015】本発明の目的は、電子走行層であるIny
Ga(1-y) As(0<y≦1)層の成長界面の凹凸を小
さくして、平坦化して、2次元電子ガス移動度を向上さ
せた半導体エピタキシャル基板およびその製造方法を提
供するものである。
【0016】
【課題を解決するための手段】本発明者らは上記問題を
解決するためさらに鋭意検討を行ってきた結果、本発明
に至ったものである。すなわち、本発明は以下に示す発
明からなる。 (1)GaAs単結晶基板上に作製され、電子走行層が
Iny Ga(1-y) As(0<y≦1)結晶であり、該I
y Ga(1-y) As層の組成および厚さが、該層および
該層の周辺を構成する結晶の弾性変形限界内の範囲であ
るエピタキシャル基板であり、電子走行層と該電子走行
層に電子を供給する電子供給層との間に、GaAsの禁
制帯幅の値以上で、かつ該電子供給層の禁制帯幅の値以
下である禁制帯幅の値を有する0.5nm以上5nm以
下の厚さの半導体層を有することを特徴とする半導体エ
ピタキシャル基板。 (2)半導体層がGaAsであることを特徴とする
(1)記載の半導体エピタキシャル基板。 (3)電子供給層がAlx Ga(1-x) As(0<x≦
1)であることを特徴とする(1)または(2)記載の
半導体エピタキシャル基板。 (4)エピタキシャル成長に際して、電子走行層および
半導体層は625℃以下の温度で成長され、電子供給層
は650℃以上の温度で成長されることを特徴とする
(1)、(2)または(3)記載の半導体エピタキシャ
ル基板の製造方法。 (5)原料として有機金属および/または金属水素化物
を用いる気相熱分解法を用いることを特徴とする(4)
記載の半導体エピタキシャル基板の製造方法。
【0017】以下さらに詳細に本発明について説明す
る。本発明の半導体エピタキシャル基板は、GaAs単
結晶基板上に作製され、電子走行層としてIny Ga
(1-y) As(0<y≦1)結晶を有するものである。そ
して、該Iny Ga(1-y) As層の組成および厚さは、
該層および該層の周辺を構成する結晶の弾性変形限界内
の範囲である。弾性変形限界内の範囲は、組成、膜厚の
関係式から求めることができる。GaAsに対するIn
GaAsのそれはMathewsら(J.Crysta
l Growth、27(1974)p.118及び3
2(1974)p.265)により与えられた下記の式
から算出される値を用いる。
【数1】 (式中、LC : 限界膜厚、a:GaAsの格子定数、
σ:ポアソン比)
【0018】本発明の半導体エピタキシャル基板は、電
子走行層と該電子走行層に電子を供給する電子供給層と
の間に、GaAsの禁制帯幅の値以上で、かつ該電子供
給層の禁制帯幅の値以下である禁制帯幅の値を有する
0.5nm以上5nm以下の厚さの半導体層を有する。
該半導体層がGaAsの禁制帯幅の値未満の禁制帯幅の
値を有する場合は、該半導体中を走行する2次元電子ガ
スの割合が増加し、電子輸送性の優れたInGaAs層
を走行する2次元電子ガスの割合が減少するので好まし
くない。また、該半導体層が電子供給層を構成する半導
体の禁制帯幅の値を超えた禁制帯幅の値を有する場合
は、電子供給層と電子走行層との間に該半導体層が障壁
となって2次元電子ガスの供給を抑制するため、充分な
2次元電子ガスを得ることが困難になるため好ましくな
い。
【0019】該半導体層は、0.5nm以上5nm以下
の厚さ、好ましくは1nm以上3nm以下の厚さを有す
る。0.5nm未満では、InGaAs層の凹凸を小さ
くすること、すなわち平坦化が不充分となるため好まし
くない。また、5nmを超えると、電子供給層と電子走
行層との距離が離れるため、該半導体中を走行する2次
元電子ガスの割合が増加し、電子輸送性の優れたInG
aAs層を走行する2次元電子ガスの割合が減少するの
で好ましくない。
【0020】本発明の半導体エピタキシャル基板におけ
る電子供給層としては、先に挙げたAlx Ga(1-x)
s(0<x≦1)の他に、Alx Ga(1-x) Asy
(1-y)、ZnSx Se(1-x) 等の半導体結晶が挙げられ
る(いずれも0≦x≦1、0≦y≦1)。これらの中で
Alx Ga(1-x) As(0<x≦1)が、GaAsと格
子定数を一致させることができ、ヘテロ接合の作製が可
能なため好ましい。特にその中でもAlx Ga(1-x)
s(0.1≦x≦0.3)がさらに好ましい。
【0021】次に、本発明の半導体エピタキシャル基板
の製造方法を説明する。エピタキシャル成長方法として
は、気相法または真空蒸着法の一種である分子線エピタ
キシャル成長法(以下、MBE法と呼称することがあ
る。)を用いることができる。特に気相法は大量の基板
を制御性よく処理可能なため好ましい。中でもエピタキ
シャル層を構成する原子種の有機金属化合物および/ま
たは水素化物を原料として用い、基板上で熱分解させ結
晶成長を行う有機金属熱分解法(MOCVD法)は適用
可能な物質の範囲が広く、また結晶の組成、膜厚の精密
な制御に適しているため好ましい。
【0022】本発明の半導体エピタキシャル基板におけ
る電子走行層であるIny Ga(1-y ) As層、および電
子走行層と電子供給層の間の特定の禁制帯幅を有する半
導体層は、625℃以下、さらに好ましくは600℃以
下の温度でエピタキシャル成長させる。625℃を超え
ると、エピタキシャル成長界面の凹凸が大きくなるので
好ましくない。本発明の半導体エピタキシャル基板にお
ける電子供給層は、650℃以上、さらに好ましくは6
75度以上の温度でエピタキシャル成長させる。650
℃未満では、結晶成長に際して電子供給層中に取り込ま
れるアクセプタ不純物量が増加し、電気的に活性で実効
的なドナー不純物量が減少し、また、このアクセプタ不
純物は電子散乱の中心となり、電気的特性を劣化させる
ので好ましくない。
【0023】前記の電子走行層であるInX Ga(1-X)
As層、半導体層、電子供給層の他の層については、通
常600℃以上800℃以下、さらに好ましくは650
℃以上800℃以下の範囲でエピタキシャル成長させ
る。
【0024】本発明の半導体エピタキシャル基板は、G
aAs単結晶基板上に、各種のエピタキシャル結晶を積
層することにより得られる。例えば、GaAs、AlX
Ga (1-X) As(0<x≦1)およびIny Ga(1-y)
As(0<y<1)結晶の組み合わせを例にとると、こ
れらの層をGaAs単結晶基板上に以下のように積層成
長させることにより作製することができる。
【0025】まず、高抵抗の半絶縁性GaAs単結晶基
板の表面を脱脂洗浄、エッチング、水洗、乾燥した後、
結晶成長炉の加熱台上に載置する。炉内を十分高純度水
素で置換した後、加熱を開始し、通常600℃以上80
0℃以下、さらに好ましくは650℃以上800℃以下
の範囲で炉内に砒素原料を導入し、続いてガリウム原料
を導入する。所要の時間をかけてノンドープGaAsを
0.1〜2μm成長する。該ノンドープGaAsの代わ
りにノンドープAl x Ga(1-x) As(0<x≦1)
層、またはノンドープAlx Ga(1-x) As(0<x≦
1)層とノンドープGaAs層とを交互に積層した構造
としてもよい。
【0026】温度を625℃以下、より好ましくは60
0℃以下とした後、インジウム原料を加え、ノンド−プ
Iny Ga(1-y) As(0<y≦1、好ましくは0.1
≦y≦0.3)を5〜25nm成長し、引き続いて成長
中断無しにノンドープAlxGa(1-x) As(0≦x≦
0.3、ただしxは引き続いて成長するn型AlGaA
s層のAl組成を示す値よりも小さい。)を0.5〜5
nm成長する。この場合、より好ましくはx=0、すな
わちGaAsであることが好ましい。ここで、ノンド−
プIny Ga(1-y) AsとノンドープAlx Ga(1-x)
Asとは、成長の実質的な中断なしに連続して成長を行
なうことが好ましい。例えば具体的には、インジウム原
料の供給を停止すると同時にアルミニウム原料の供給を
始める方法が挙げられる。
【0027】さらにインジウム原料を停止し、温度を6
50℃以上、さらに好ましくは675℃以上とした後、
アルミニウム原料を加えノンド−プの高純度Alx Ga
(1-x ) As(0.1≦x≦0.3)を1〜2nm成長す
る。この層は省略されることもある。続いてn型ド−パ
ントを添加してキャリア濃度が(1〜3)×1018/c
3 のn型Alx Ga(1-x) As(0.1≦x≦0.
3)を30〜50nm成長させ、次にアルミニウム原料
の供給を停止し、キャリア濃度が(2〜10)×1018
/cm3 のn型GaAsを30〜200nm成長させ
る。最後にガリウム原料、続いて砒素原料の供給を停止
して結晶成長を停止し、冷却後以上のようにして積層し
たエピタキシャル基板を炉内から取り出して結晶成長を
完了する。
【0028】砒素原料としては3水素化砒素(アルシ
ン)が好ましいが、一個の水素を炭素数が1〜4のアル
キル基で置換したモノアルキルアルシンも使用すること
ができる。
【0029】ガリウム、インジウムおよびアルミニウム
の原料としては各金属原子に炭素数が1〜3のアルキル
基または水素がついたトリアルキル化物または3水素化
物またはそれらにさらに炭素数が1〜4のアルキル基と
窒素、または燐または砒素から選ばれた元素からなるト
リアルキル化合物を配位させた化合物が好ましい。
【0030】n型ド−パントとしてはシリコン、ゲルマ
ニウム、スズ、硫黄、セレンなどの水素化物または炭素
数が1〜3のアルキル基を有するアルキル化物が好まし
い。上記の結晶の各層の組成および膜厚はおおよその範
囲であって、実際には要求される素子特性に応じて色々
な範囲で選択される。
【0031】ここで、以下、例えば、
【数2】 をそれぞれ、<0−10>方向、<0−1−1>方向と
示すことにする。
【0032】成長に用いるGaAs基板は、主たる面方
位が{100}面であればその方位から傾ける角度、お
よびその方位についてはいずれの場合でも可能である。
例えば、<0−11>方向もしくはこれと結晶学的に等
価な方位、これと直行する<0−1−1>方向、または
これと結晶学的に等価な方位、従来用いられてきた<1
10>またはこれに結晶学的に等価な方位などが挙げら
れる。これらの中で、InGaAs層のより高い平坦
性、あるいは2次元電子ガス移動度を得るためには基板
の面方位は<0−11>方向もしくはこれと結晶学的に
等価な方位が好ましい。
【0033】以上のようにして製造された半導体エピタ
キシャル基板は従来のものに比べ電子走行InGaAs
層と電子供給層との界面の平坦性に優れるとともに、従
来の結晶に比べ高い電子移動度を有しており、高いデバ
イス特性が期待できるものである。
【0034】
【実施例】以下、本発明に関する実施例を示すが、本発
明はこれに限定されるものではない。 実施例1 GaAs基板としては(100)面から<0−11>方
向に0.5゜傾けたものを用いた。有機金属熱分解法の
原料としては、トリメチルガリウム〔(6〜23)×1
-5mol/min〕、トリメチルアルミニウム〔1.
3×10-5mol/min〕、トリメチルインジウム
〔5.6×10-5mol/min〕、アルシン〔4.5
×10-3mol/min〕およびn型ド−パントである
ジシラン〔2.2〜2.5×10-8mol/min〕を
用いた。
【0035】表1に示す条件で層1〜層5の順でGaA
s基板上に積層することにより、HEMT用半導体基板
を作製した。45リットル/minのパラジウム膜透過
精製した水素をキャリアガスとして、圧力は76Tor
rで、原料の熱分解を行なった。表1において、トリメ
チルガリウム、トリメチルアルミニウム、トリメチルイ
ンジウムをそれぞれTMG、TMA、TMIと略記す
る。
【0036】層2である12nmのIn0.20Ga0.80
s層は 数1 から与えられる弾性変形限界内の組成お
よび膜厚である。層2および層3の成長に際しては、層
2の成長後、トリメチルインジウムの供給を停止し、ト
リメチルガリウムの供給は継続したまま実質的な成長中
断を行なうことなしに2nmのGaAs層(層3)を積
層した。
【0037】
【表1】
【0038】このとき、得られた結晶の77Kにおける
2次元電子ガス移動度をHall測定により評価したと
ころ、25000cm2 /Vsであった。またフォトル
ミネッセンス発光ピーク(以下、PLピークと呼称する
ことがある。)のうち77Kにて測定可能な920〜9
50nmに観察されるPLピークの半値幅(PL発光強
度が1/2となる範囲のエネルギー幅。InGaAs層
の平坦度を反映し、この値が大きいほど平坦度は悪化す
る。)が19.7meVであった。
【0039】比較例1 結晶成長の際に、基板温度700℃にてIn0.20Ga
0.80As層(層2)の成長を行い、引き続いて電子供給
層であるAlGaAs層(層4)の成長を行なった他
は、実施例1と同様の成長条件で成長した結晶の77K
における2次元電子ガス移動度をHall測定により評
価したところ9700cm2 /Vsであった。PLピー
クの半値幅は31.8meVであった。さらに、この結
晶を高分解能を有する透過型電子顕微鏡(TEM)によ
り結晶断面を観察した結果、InGaAs結晶表面に一
方向に配列した波状の凹凸が認められた。その周期は2
00〜400nm、またその凹凸の高さは2nm以上あ
った。
【0040】比較例2 結晶成長の際に、基板温度600℃にてIn0.20Ga
0.80As層(層2)の成長を行い、基板温度を700℃
に変更した後、GaAs層(層3)の成長を行なった他
は、実施例1と同様の成長条件で成長した結晶の77K
における2次元電子ガス移動度をHall測定により評
価したところ、17500cm2 /Vsであった。PL
ピークの半値幅は31.3meVであった。さらに、こ
の結晶をTEMにより断面観察した結果、InGaAs
結晶表面に一方向に配列した波状の凹凸が認められた。
その周期は200〜400nm、またその凹凸の高さは
2nm以上あった。
【0041】
【発明の効果】本発明によればGaAs基板に形成さ
れ、InGaAs層を用いることを特徴とする各種電子
素子において、本発明に係わるエピタキシャル基板を用
いることにより、良好な特性を有する素子が安価に大量
に製造可能であり、その工業的な意義はきわめて大き
い。すなわち、本発明の半導体エピタキシャル基板は従
来のものに比べ電子走行InGaAs層と電子供給層と
の界面の平坦性に優れるとともに、従来の結晶に比べ高
い電子移動度を有しており、高いデバイス特性が期待で
きるものである。Iny Ga(1-y) As(0<y≦1)
が電子走行層である電界効果トランジスタ用に本発明の
半導体エピタキシャル基板を用いた場合、電子走行層の
成長界面の凹凸による2次元電子ガス移動度劣化のない
優れた性能を有するHEMTが作製可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1による半導体エピタキシャル基板の断
面図。
【図2】比較例1による半導体エピタキシャル基板の断
面図。
【図3】比較例2による半導体エピタキシャル基板の断
面図。
【図4】フォトルミネッセンス発光ピークスペクトルを
示す図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 乾 勝美 茨城県つくば市北原6 住友化学工業株 式会社内 (56)参考文献 特開 平2−246344(JP,A) 特開 平6−20966(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/205 H01L 21/203

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】GaAs単結晶基板上に作製され、電子走
    行層がInyGa(1-y)As(0<y≦1)結晶であり、
    該InyGa(1-y)As層の組成および厚さが、該層およ
    び該層の周辺を構成する結晶の弾性変形限界内の範囲で
    あるエピタキシャル基板であり、電子走行層と該電子走
    行層に電子を供給する電子供給層との間に、GaAsの
    禁制帯幅の値以上で、かつ該電子供給層の禁制帯幅の値
    以下である禁制帯幅の値を有する0.5nm以上5nm
    以下の厚さの半導体層を有する半導体エピタキシャル基
    を製造するに当たり、原料として有機金属および/又
    は金属水素化物を用いる気相熱分解法を用い、電子走行
    層および半導体層を625℃以下の温度で成長し、電子
    供給層を650℃以上の温度で成長することを特徴とす
    る半導体エピタキシャル基板の製造方法
  2. 【請求項2】半導体層がGaAsであることを特徴とす
    る請求項1記載の半導体エピタキシャル基板の製造方
  3. 【請求項3】電子供給層がAlXGa(1-X)As(0<x
    ≦1)であることを特徴とする請求項1または2記載の
    半導体エピタキシャル基板の製造方法
  4. 【請求項4】電子走行層および半導体層を500℃を越
    える625℃以下の温度で成長することを特徴とする請
    求項1〜3いずれかに記載の半導体エピタキシャル基板
    の製造方法
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