JP3485016B2 - Iii−v族化合物半導体薄膜結晶の成長方法及びエピタキシャルウェハ - Google Patents

Iii−v族化合物半導体薄膜結晶の成長方法及びエピタキシャルウェハ

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、 III−V族化合物
半導体薄膜結晶の成長方法及びエピタキシャルウェハに
関する。
【0002】
【従来の技術】一般に、 III−V族化合物半導体の薄膜
結晶を結晶基板表面上にエピタキシャル成長させるに
は、リアクター内で加熱状態にある結晶基板に、複数の
III −V族またはV族の原料ガスを含んだキャリアーガ
スを供給し、原料ガスを結晶基板上で熱分解させること
によって行われる。
【0003】上記成長法により異種の結晶を積層したヘ
テロ接合を利用したデバイスの一つにHEMTと呼ばれ
る高電子移動度トランジスタがある。HEMTとは、基
本的には高純度層と、この高純度層よりも電子親和力が
小さく、かつドーピングされて電子を供給する機能を有
する層の2層からなる選択ドープ構造の上に、電極を設
け電界効果トランジスタとしたものである。これらの層
の界面の高純度層側に二次元状に電子が蓄積する。この
蓄積した電子は二次元電子ガスと呼ばれ、高純度層に形
成されるため移動度が非常に高く、ゲート電極に印加し
たバイアス電圧による電界効果によって制御される。こ
の制御時にヘテロ界面で組成が十分に急峻に切り替わっ
てないと電子が界面の凹凸や電気的に活性な結晶欠陥か
ら散乱を受け、移動度が低下してしまう。
【0004】本発明は、砒素系化合物半導体結晶のIn
GaAs、ドーピング層に燐系のGaInPを用いた場
合を対象としている。界面において砒素原子と燐原子と
は混合しやすく、急峻なヘテロ界面の形状が困難であ
る。この混合が発生する原因は、現在よくわかっていな
いが、反応炉内のガス置換が不十分であったり、InG
aAs表面での原子レベルの動力学的効果、すなわち表
面マイグレーションの影響により、GaInPの成長初
期において、AsとPとが置換する等が原因と考えられ
る。一般的には、ガス置換のための成長中断の温度や、
ガス供給のシーケンスの工夫により界面急峻性を改善し
ている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ところで、界面の急峻
性を向上させるには、砒素をリンに素早く置換すること
が必要であるが、これを阻害する大きな原因として、I
nGaAsの成長後の原料切り替え時に、結晶表面に砒
素原子が残留し、その上に成長するGaInPの原料と
反応してしまうことが考えられる。InGaAsの原料
の供給を停止してもすぐには表面から砒素原子は脱離し
ないため、GaInPのリン原料であるフォスフィンを
供給しても砒素(As)とリン(P)の混合層が生じて
しまうという問題があった。
【0006】そこで、本発明の目的は、上記課題を解決
し、電気的特性を向上させた III−V族化合物半導体薄
膜結晶の成長方法及びエピタキシャルウェハを提供する
ことにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明のIII−V族化合物半導体薄膜結晶の成長方法
は、サセプタ上で加熱した基板にIII族元素原料ガス及
びV族元素原料ガスを供給し、基板表面上で上記各原料
ガスを熱分解反応させて化合物半導体の薄膜結晶を成長
させる成長方法において、砒素系の第一の半導体結晶の
成長から、実質的に砒素を含まない燐系の第二の半導体
結晶の成長に移る際の成長中断中に、原料ガスとしてア
ルミニウムを含む原料ガスを供給し、AlAs結合また
はAlP結合を形成するものである。
【0008】また、上記目的を達成するために本発明の
III−V族化合物半導体薄膜結晶の成長方法は、サセプ
タ上で加熱した基板にIII族元素原料ガス及びV族元素
原料ガスを供給し、上記基板表面上で上記各原料ガスを
熱分解反応させて化合物半導体の薄膜結晶を成長させる
成長方法において、砒素系の第一の半導体結晶の成長か
ら、実質的に砒素を含まない燐系の第二の半導体結晶の
成長に移る際に、原料ガスとしてアルミニウムを含む原
料ガスのみを供給するものである。
【0009】上記構成に加え本発明の III−V族化合物
半導体薄膜結晶の成長方法は、燐系結晶の成長が始まっ
てその成長量が1分子層に満たない間、アルミニウムを
含む原料ガスを供給してもよい。
【0010】上記構成に加え本発明の III−V族化合物
半導体薄膜結晶の成長方法は、第一の半導体がガリウム
砒素であり、第二の半導体がガリウム・インジウム・リ
ンであってもよい。
【0011】上記構成に加え本発明の III−V族化合物
半導体薄膜結晶の成長方法は、第一の半導体がインジウ
ム・ガリウム砒素であり、第二の半導体がガリウム・イ
ンジウム・リンであってもよい。
【0012】上記構成に加え本発明の III−V族化合物
半導体薄膜結晶の成長方法は、アルミニウムを含む原料
ガスにトリメチルアルミニウムを用いてもよい。
【0013】上記構成に加え本発明の III−V族化合物
半導体薄膜結晶の成長方法は、砒素系の第一の半導体結
晶と燐系の第二の半導体結晶との界面に1分子を超えな
い厚さのAlAs結合またはAlP結合を含む層が形成
されていてもよい。
【0014】本発明のエピタキシャルウェハは、砒素系
の第一の半導体結晶と燐系の第二の半導体結晶との界面
に1分子を超えない厚さのAlAs結合またはAlP結
合を含む層が形成されているものである。
【0015】本発明の特徴は、InGaAs結晶の表面
に残留している砒素原子を覆って、III族原子で終端さ
せるために、InGaAsからGaInPに原料の供給
を切り替える前に成長中断を行い、原料ガスとしてアル
ミニウムを含む原料ガス、好ましくはトリメチルアルミ
ニウム(以下「TMA」という)だけを供給したり、あ
るいは、GaInPの原料を供給して1分子層程度の成
長に相当する時間、TMAを供給することによって、A
lAs結合またはAlP結合を形成することにある。I
nGaAs表面にAlAs結合もしくはAlP結合を形
成させるのは、このAlAsやAlPは、結合エネルギ
ーがGaInPやInGaPよりも大きく、電子親和力
がGaInPやInGaAsのいずれよりも小さいた
め、両者の界面はより安定となり、電子の閉じ込めはよ
り堅固なものとなり、HEMTの電気的特性が向上す
る。なお、AlPが形成されるかAlAsが形成される
かについては不明であるが、いずれの場合でも界面のA
s/P置換を抑えて、優れた界面急峻性を実現すること
ができる。
【0016】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面に基づいて詳述する。
【0017】図1は本発明の III−V族化合物半導体薄
膜結晶の成長方法の一実施の形態を示すガスシーケンス
である。図2は図1に示した方法によって得られたエピ
タキシャルウェハの断面構造を示す図である。
【0018】図2に示すエピタキシャルウェハは、Ga
As sub(GaAs基板)1の上に厚さ500nm
のun−GaAs2、厚さ14nmのun−In0.15
0.85As3、厚さ30nmで濃度2e18cm-3のn
−Ga0.52In0.48P4を順次積層したものである。
【0019】このエピタキシャルウェハの製造方法を以
下に示す。
【0020】サセプタ上に、例えば直径約4インチのG
aAs基板1を置き、サセプタ温度を薄膜の成長温度で
ある約600℃まで加熱する。サセプタは約11rpm
で回転させる。
【0021】この状態で図示しないガス導入口から図1
に示すガスシーケンスに従ってGaAsの原料ガスであ
る水素希釈したトリメチルガリウム(TMG)とアルシ
ン(AsH3 )とを供給してGaAsを成長させ、続い
てトリメチルインジウム(TMI)を追加供給してIn
GaAsを成長させた後、GaInPの成長に移る際に
結晶成長を中断し、原料ガスとしてTMAのみを約3.
0sec供給する。続いてTMAの供給を止めると共に
GaInPの原料ガスであるトリメチルインジウムTM
I、トリエチルガリウムTEG、フォスフィンPH3
びジシラン(Si2 6 図示せず)の混合ガスを供給し
てGaInPを成長させ、図2に示すエピタキシャルウ
ェハが得られた。なお、上記実施の形態では、成長中断
中にTMAを約3.0sec供給したが、これをInG
aP成長開始と同時に約3.0sec供給してもよい。
【0022】次に図2に示すGaAs基板1上に選択ド
ープ構造のGa0.52In0.48P/In0.15Ga0.85As
薄膜3、4を成長させたエピタキシャルウェハを、ホー
ル効果測定により、その電子移動度を測定した。
【0023】以下、本実施の形態の効果を調べるため以
下の4通りの方法で比較した。
【0024】(1) 成長中断を行わない成長方法 (2) 成長中断はあるがTMAを供給しない成長方法 (3) 成長中断中にTMAを供給する成長方法 (4) InGaP成長開始と同時にTMAを供給する成長
方法 上記(1) 〜(4) 電子移動度を比較した結果、条件(1) で
4500cm2 -1sec-1であったのが、条件(3),
(4) では6000cm2 -1sec-1まで増加した。ま
た、C−V測定によりキャリア濃度プロファイルをとっ
たところ、図3に示すように移動度が高いものは界面に
電子が閉じ込められ、2次元電子ガスのピークが高くな
ることが分かった。
【0025】尚、図3は成長法による2次元電子ガス濃
度の変化を示す図である。同図において横軸が深さを示
し、縦軸が2次元電子ガス濃度を示している。実線は成
長法(1) を示し、破線は成長法(2) を示し、破線に×印
は成長法(3) を示し、破線に○印は成長法(4) をそれぞ
れ示している。
【0026】以上の結果より、本実施の形態による成長
方法によって、界面のダレを抑えることができ、電子の
移動度を高める効果があることが分かった。
【0027】(最適条件についての根拠)成長中断中に
供給するTMAの量は、AlAsもしくはAlP換算で
1分子層以下が好ましい。これは1分子層を超えてAl
原料を供給すれば、Al同士が固まって欠陥を形成する
からである。また、1分子層より極端に少なければ、表
面の覆われ方にムラが発生し、マクロ的にみて十分な特
性が発揮できないと考えられる。
【0028】もし同時にV族ガスを供給すれば、 III族
原子による表面終端の効果ではなく、単にAlAsある
いはAlPを界面に挟んだ多層構造となり、本実施の形
態とは全く異なる。
【0029】尚、本実施の形態では、電子デバイス用薄
膜成長の場合で説明したが、ヘテロ接合を用いるデバイ
スならレーザ用薄膜成長にも適用が可能である。
【0030】以上において本成長方法によれば、急峻な
ヘテロ界面を形成することができる。また、本成長方法
によって得られた結晶を用いることにより、高電子移動
度が得られ、利得や雑音特性に優れたトランジスタを実
現することができる。
【0031】
【発明の効果】以上要するに本発明によれば、次のよう
な優れた効果を発揮する。
【0032】電気的特性を向上させた III−V族化合物
半導体薄膜結晶の成長方法及びエピタキシャルウェハの
提供を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の III−V族化合物半導体薄膜結晶の成
長方法の一実施の形態を示すガスシーケンスである。
【図2】図1に示した方法によって得られたエピタキシ
ャルウェハの断面構造を示す図である。
【図3】成長法による2次元電子ガス濃度の変化を示す
図である。
【符号の説明】
TMG トリメチルガリウム TEG トリエチルガリウム TMI トリメチルインジウム TMA トリメチルアルミニウム AsH3 アルシン PH3 フォスフィン
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI H01L 29/812 // H01S 5/323 (56)参考文献 特開 平9−45625(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/205 C30B 25/02 C30B 29/40 502 H01L 21/338 H01L 29/778 H01L 29/812 H01S 5/323

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 サセプタ上で加熱した基板にIII族元素
    原料ガス及びV族元素原料ガスを供給し、上記基板表面
    上で上記各原料ガスを熱分解反応させて化合物半導体の
    薄膜結晶を成長させる成長方法において、砒素系の第一
    の半導体結晶の成長から、実質的に砒素を含まない燐系
    の第二の半導体結晶の成長に移る際の成長中断中に、
    料ガスとしてアルミニウムを含む原料ガスを供給し、A
    lAs結合またはAlP結合を形成することを特徴とす
    るIII−V族化合物半導体薄膜結晶の成長方法。
  2. 【請求項2】 サセプタ上で加熱した基板にIII族元素
    原料ガス及びV族元素原料ガスを供給し、上記基板表面
    上で上記各原料ガスを熱分解反応させて化合物半導体の
    薄膜結晶を成長させる成長方法において、砒素系の第一
    の半導体結晶の成長から、実質的に砒素を含まない燐系
    の第二の半導体結晶の成長に移る際に、原料ガスとして
    アルミニウムを含む原料ガスのみを供給することを特徴
    とするIII−V族化合物半導体薄膜結晶の成長方法。
  3. 【請求項3】 上記燐系結晶の成長が始まってその成長
    量が1分子層に満たない間、上記アルミニウムを含む原
    料ガスを供給する請求項1に記載のIII−V族化合物半
    導体薄膜結晶の成長方法。
  4. 【請求項4】 上記第一の半導体がガリウム砒素であ
    り、上記第二の半導体がガリウム・インジウム・リンで
    ある請求項1から3のいずれかに記載のIII−V族化合
    物半導体薄膜結晶の成長方法。
  5. 【請求項5】 上記第一の半導体がインジウム・ガリウ
    ム砒素であり、上記第二の半導体がガリウム・インジウ
    ム・リンである請求項1から3のいずれかに記載のIII
    −V族化合物半導体薄膜結晶の成長方法。
  6. 【請求項6】 上記アルミニウムを含む原料ガスにトリ
    メチルアルミニウムを用いた請求項1から5のいずれか
    に記載のIII−V族化合物半導体薄膜結晶の成長方法。
  7. 【請求項7】 砒素系の第一の半導体結晶と燐系の第二
    の半導体結晶との界面に1分子を越えない厚さのAlA
    s結合またはAlP結合を含む層が形成されていること
    を特徴とするエピタキシャルウェハ。
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