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Info
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Description
(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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
ny 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。
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。
σ:ポアソン比)
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。
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。
る電子供給層としては、先に挙げたAlx Ga(1-x) A
s(0<x≦1)の他に、Alx Ga(1-x) Asy P
(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) A
s(0.1≦x≦0.3)がさらに好ましい。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
m3 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。
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。
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。
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。
示すことにする。
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。
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。
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
0 -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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
面図。
面図。
面図。
示す図。
Claims (4)
- 【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
板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。 - 【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
法。 - 【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。 - 【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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