JP5857153B2 - 化合物半導体積層体及び半導体装置 - Google Patents
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Description
また、一般に、基板とのミスマッチによる薄膜の結晶欠陥は、基板との界面近傍で著しい。薄膜の成長に伴い結晶欠陥の密度は減少していくが、結晶欠陥濃度が高く電子移動度の低い下部のInSb層も電気特性に寄与するため、結晶欠陥が存在することにより、全体としての電子移動度が低下してしまう。数ミクロンオーダーの、比較的厚めの薄膜を形成すれば界面付近の欠陥による影響は微小になるが、デバイス作製においては現実的でないばかりでなく、膜厚増加による抵抗減少、消費電力増加等の問題も生じる。
しかし、AlInSbバッファ層を用いるとバッファ層上に製膜されたInSbの結晶性が悪化してしまう、これを避けるためにはAlInSbバッファ層を厚く形成する必要があるが、全体の膜厚が増加するという悪影響が出てしまう。
以上より、高移動度かつ高い結晶性を保ったまま、全体の膜厚が薄いInSbを製膜する技術は知られていなかったのが実情である。
そこで、本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、基板との界面付近での余剰電子の発生を抑制し、かつ、結晶性が良好で薄い、高移動度な化合物半導体多層膜を備える化合物半導体積層体及び半導体装置を提供することを目的とする。
また、上記の化合物半導体積層体において、前記第一の化合物半導体層が前記基板と前記第二の化合物半導体層の格子不整合を緩和するバッファ層であり、前記第二の化合物半導体層が素子の少なくとも一部として機能する活性層であることを特徴としてもよい。
本発明の別の態様に係る半導体装置は、上記の化合物半導体積層体を用いて得られることを特徴とする。
[化合物半導体積層体]
図1に示した本実施形態の化合物半導体積層体10は、電気抵抗率が1×105Ωcm以上の基板101と、この基板上に形成され、膜厚が0.005μm以上0.2μm以下であり、炭素濃度が1×1015cm−3以上、5×1018cm−3以下であり、InとSbを含む第一の化合物半導体層102と、第一の化合物半導体層102上に形成され、第一の化合物半導体層102よりも炭素の濃度(即ち、ドーピング量)が小さく、且つInとSbを含む第二の化合物半導体層103と、を備える。これら第一の化合物半導体層101と第二の化合物半導体層102とにより、化合物半導体多層膜110を構成している。
基板101と第二の化合物半導体層103との間に、膜厚が0.005μm以上0.2μm以下であり、炭素濃度が1×1015cm−3以上、5×1018cm−3以下であり、InとSbを含む第一の化合物半導体層102を備えることにより、基板101と化合物半導体多層膜110との界面付近での余剰電子の発生を抑制する。また、第一の化合物半導体層102は、基板101と第二の化合物半導体層103との間の格子不整合を緩和する。
本実施形態の化合物半導体積層体における基板101としては、電気抵抗率が1×105Ωcm以上の基板であれば特に制限されない。InSbと同じ結晶対称性を持っていることが好ましく、さらに安価かつ大型の基板が入手しやすいことから、基板101はSi、GaAsのいずれか一つであることが好ましい。
本実施形態の化合物半導体積層体における第一の化合物半導体層102としては、膜厚が0.005μm以上、0.2μm以下であり、炭素濃度が1×1015cm−3以上、5×1018cm−3以下であり、InとSbを含む化合物半導体からなるものである。具体的には、第一の化合物半導体層102として、炭素がドーピングされたInSbInAlSb,InGaSb,InAsSb、InPSb、InAsPSb、InAlGaSb,InAlAsSb,InGaAsSb、InGaPSb、InAlPSb、InAlGaAsSb、InAlGaPSbなどが挙げられるが、これに制限されない。
本実施形態の化合物半導体積層体における第二の化合物半導体層103としては、第一の化合物半導体層よりも炭素の濃度が小さく、InとSbを含むものであれば特に制限されない。具体的には、第二の化合物半導体層103として、InSb、InAlSb,InGaSb,InAsSb、InPSb、InAsPSb、InAlGaSb,InAlAsSb,InGaAsSb、InGaPSb、InAlPSb、InAlGaAsSb、InAlGaPSbなどが挙げられるが、これに制限されない。
格子不整合を緩和する観点から、第二の化合物半導体層103は、ドーパントである炭素を除いて第一の化合物半導体層102と同じ材料であることが好ましい。高移動度な化合物半導体層を得る観点から、第二の化合物半導体層103は、InSbであることが好ましい。第二の化合物半導体層103の膜厚に特に制限はないが、工業製造の観点から0.5μm以上3μm以下が好ましい。
なお、第二の化合物半導体層102の炭素の濃度は、例えばSIMSによる検出下限以下である。
[応用]
第二の化合物半導体層103上にさらに複数の化合物半導体、保護膜または電極を形成することも可能である。この場合、化合物半導体として物質は特に制限されない。またドーピングに関しても特に制限はされない。
次に、本実施形態の化合物半導体積層体の製造方法について説明する。
図1に示した基板101上に例えば有機金属気相成長(MOCVD)装置を用いて第一の化合物半導体層102を形成する。第一の化合物半導体層102の成長温度に特に制限はないが、原料の分解率およびInSbの融点から220℃以上530℃以下が好ましく、220℃以上400℃未満がより好ましい。第一の化合物半導体層の成長温度が220℃以上であれば、原料の分解効率が良好で成長速度が遅くならず、目的の膜厚を成長するために著しく時間を要することがないため好ましい。また第一の化合物半導体層の成長温度が530℃以下の場合は、成長した膜の一部または全部が溶融することがなく、著しく結晶性を悪化させてしまうことがないため好ましい。第一の化合物半導体層102の成膜に用いる装置として特に制限はなく、分子線蒸着、電子線蒸着、抵抗加熱蒸着、化学蒸着などを行う各種装置を用いることが可能である。第一の化合物半導体層102の成膜に用いる原料は特に制限されないが、InSbの原料として、トリメチルインジウム(TMIn)、トリスジメチルアミノアンチモン(TDMASb)、ドーピング原料として四臭化炭素(CBr4)などを用いることが可能である。原料キャリアガスに特に制限はないが、不純物を含まない観点から純度が保証された水素または窒素を用いることが好ましい。
第二の化合物半導体層103の成膜に用いる装置として特に制限はなく、分子線蒸着、電子線蒸着、抵抗加熱蒸着、化学蒸着などを行う各種装置を用いることが可能である。第二の化合物半導体層103の成膜に用いる原料は特に制限されないが、InSbの原料として、トリメチルインジウム(TMIn)、トリスジメチルアミノアンチモン(TDMASb)などを用いることが可能である。原料キャリアガスに特に制限はないが、不純物を含まない観点から純度が保証された水素または窒素を用いることが好ましい。
また、本実施形態の化合物半導体積層体を用いて半導体装置を作製してもよい。具体的には、化合物半導体積層体の第二の化合物半導体層を活性層とすればよい。InおよびSbを含む第二の化合物半導体層を活性層として用いる半導体装置の具体例としては、磁気センサやホール素子や赤外線センサ素子等が挙げられる。いずれも公知の方法を用いて作製することが可能である。基板との界面付近での余剰電子の発生を抑制し、かつ、結晶性が良好で薄い、高移動度な化合物半導体積層体を用いているため、高特性の半導体装置を得ることが可能である。
本発明の実施形態によれば、基板101と第二の化合物半導体層103との間に、膜厚が0.005μm以上0.2μm以下であり、炭素濃度が1×1015cm−3以上、5×1018cm−3以下であり、InとSbを含む第一の化合物半導体層102を備える。これにより、基板101との界面付近での余剰電子の発生を抑制し、結果として、高移動度の化合物半導体多層膜110となる。即ち、第一の化合物半導体層102は、その炭素が欠陥起因の余剰電子を相殺することにより高抵抗な層として存在する。また、第一の化合物半導体層102は、基板101と第二の化合物半導体層103との間の格子不整合を緩和し、かつ第二の化合物半導体層103との間の格子不整合をなくすことができるため、第二の化合物半導体層103の結晶性を高める。
このように、第一の化合物半導体層102が余剰電子を相殺して高抵抗な層として存在することと、基板101と第二の化合物半導体層103との間の格子不整合を緩和することの両方により、結晶性が良好で薄い、高移動度の化合物半導体多層膜110を実現することができる。
4インチの半絶縁GaAs基板(基板101)を用意した。この半絶縁GaAs基板の電気抵抗率は8×107Ωcmである。この半絶縁GaAs基板上に、360℃でInSbの原料としてトリメチルインジウム(TMIn)、トリスジメチルアミノアンチモン(TDMASb)と、炭素ドーピングの原料として四臭化炭素(CBr4)を用いて、炭素がドーピングされた第一のInSb層(第一の化合物半導体層102)を形成した。この炭素がドーピングされた第一のInSb層の形成には、MOCVD装置を用いた。
この第一のInSb層上に、InSbの原料として、トリメチルインジウム(TMIn)、トリスジメチルアミノアンチモン(TDMASb)を用いて460℃で第二のInSb層(第二の化合物半導体層103)を形成した。この第二のInSb層の形成には、MOCVD装置を用いた。ファンダメンタルパラメータ法を用いた蛍光X線分光(XRF)測定から、第一のInSb層と第二のInSb層を併せたInSb層全体の膜厚は0.95μmであった。
このようにして形成された試料に対してvan der Pauw法によるホール測定を行った結果、47300cm2/Vsの電子移動度、1.6×1016cm−3のn型キャリア濃度が得られた。
4インチの半絶縁GaAs基板(基板101)を用意した、この半絶縁性GaAs基板の電気抵抗率は8×107Ωcmである。この半絶縁性GaAs基板上に、360℃でInSbの原料としてトリメチルインジウム(TMIn)、トリスジメチルアミノアンチモン(TDMASb)を用いて、炭素がドーピングされた第一のInSb層(第一の化合物半導体層102)を形成した。この炭素がドーピングされた第一のInSb層の形成には、MOCVD装置を用いた。
この第一のInSb層上に、InSbの原料としてトリメチルインジウム(TMIn)、トリスジメチルアミノアンチモン(TDMASb)を用いて、460℃で第二のInSb層(第二の化合物半導体層103)を形成した。この第二のInSb層の形成にはMOCVD装置を用いた。XRF測定から、第一のInSb層と第二のInSb層を併せたInSb層全体の膜厚は0.95μmであった。また第一のInSb層の厚さとして、SIMSによる炭素濃度測定におけるピークが半値に減少する範囲を求めたところ、0.035μmであった。
このようにして形成された試料に対してvan der Pauw法によるホール測定を行った結果、48000cm2/Vsの電子移動度、1.7×1016cm−3のn型キャリア濃度が得られた。
4インチの半絶縁GaAs基板(基板101)を用意した。この半絶縁GaAs基板の電気抵抗率は8×107Ωcmである。この半絶縁GaAs基板上に、360℃でInSbの原料としてトリメチルインジウム(TMIn)、トリスジメチルアミノアンチモン(TDMASb)を、炭素ドーピングの原料として四臭化炭素(CBr4)を用いて、炭素がドーピングされた第一のInSb層(第一の化合物半導体層102)を形成した。この炭素がドーピングされた第一のInSb層の形成には、MOCVD装置を用いた。この第一のInSb層は、SIMS測定から炭素のドーピング量が1×1018cm−3であった。
このようにして形成された試料に対してvan der Pauw法によるホール測定を行った結果、40800cm2/Vsの電子移動度、2.1×1016cm−3のn型キャリア濃度が得られた。
4インチの半絶縁GaAs基板(基板101)を用意した。この半絶縁GaAs基板の電気抵抗率は8×107Ωcmである。この半絶縁GaAs基板上に、360℃でInSbの原料としてトリメチルインジウム(TMIn)、トリスジメチルアミノアンチモン(TDMASb)を、炭素ドーピングの原料として四臭化炭素(CBr4)を用いて、炭素がドーピングされた第一のInSb層(第一の化合物半導体層102)を形成した。この炭素がドーピングされた第一のInSb層の形成には、MOCVD装置を用いた。この第一のInSb層は、SIMS測定から炭素のドーピング量が1×1018cm−3であった。
このようにして形成された試料に対してvan der Pauw法によるホール測定を行った結果、35600cm2/Vsの電子移動度、1.7×1016cm−3のn型キャリア濃度が得られた。
4インチの半絶縁GaAs基板(基板101)を用意した。この半絶縁GaAs基板の電気抵抗率は8×107Ωcmである。この半絶縁GaAs基板上に、360℃でInSbの原料としてトリメチルインジウム(TMIn)、トリスジメチルアミノアンチモン(TDMASb)と、炭素ドーピングの原料として四臭化炭素(CBr4)を用いて、炭素がドーピングされた第一のInSb層(第一の化合物半導体層102)を形成した。この炭素がドーピングされた第一のInSb層の形成には、MOCVD装置を用いた。この第一のInSb層は、SIMS測定から炭素のドーピング量が4×1016cm−3であった。
このようにして形成された試料に対してvan der Pauw法によるホール測定を行った結果、30500cm2/Vsの電子移動度、2.6×1016cm−3のn型キャリア濃度が得られた。
4インチの半絶縁GaAs基板(基板101)を用意した、この半絶縁性GaAs基板の電気抵抗率は8×107Ωcmである。この半絶縁性GaAs基板上に、240℃でInSbの原料としてトリメチルインジウム(TMIn)、トリスジメチルアミノアンチモン(TDMASb)を用いて、炭素がドーピングされた第一のInSb層(第一の化合物半導体層102)を形成した。この炭素がドーピングされた第一のInSb層の形成には、MOCVD装置を用いた。
実施例2の場合と同様に、InSb層を低温成長させることにより、未分解の原料側鎖から炭素が膜中に取り込まれるが、実施例2に比べて成長温度が低いためにより多くの炭素がドーピングされ、SIMS測定から第一のInSb層中の炭素のドーピング量が2×1018cm−3であることを確認した。
このようにして形成された試料に対してvan der Pauw法によるホール測定を行った結果、55600cm2/Vsの電子移動度、1.6×1016cm−3のn型キャリア濃度が得られた。
4インチの半絶縁GaAs基板(電気抵抗率:8×107Ωcm)上に、460℃でInSbの原料としてトリメチルインジウム(TMIn)、トリスジメチルアミノアンチモン(TDMASb)を用いて、炭素のドーパントを用いないこと以外は実施例1と同じ条件で第一のInSb層を形成した。この炭素がドーピングされていない第一のInSb層の形成には、MOCVD装置を用いた。
この第一のInSb層上にInSbの原料としてトリメチルインジウム(TMIn)、トリスジメチルアミノアンチモン(TDMASb)を用いて460℃で第二のInSb層を形成した。XRF測定から、第一のInSb層と第二のInSb層を併せたInSb層全体の膜厚は0.95μmであった。またSIMSによる炭素濃度測定を行ったところ、第一のInSb層の存在する部分にSIMS測定における検出感度の下限値以上の炭素がある領域は観察されなかった。
このようにして形成された試料に対してvan der Pauw法によるホール測定を行った結果、23000cm2/Vsの電子移動度、3.4×1016cm−3のn型キャリア濃度が得られた。
4インチの半絶縁GaAs基板(基板101)を用意した。この半絶縁GaAs基板の電気抵抗率は8×107Ωcmである。この半絶縁GaAs基板上に、460℃でInSbの原料としてトリメチルインジウム(TMIn)、トリスジメチルアミノアンチモン(TDMASb)と、炭素ドーピングの原料として四臭化炭素(CBr4)を用いて、炭素を6×1014cm−3の濃度になるように調整して第一のInSb層(第一の化合物半導体層102)を形成した。この炭素がドーピングされた第一のInSb層の形成には、MOCVD装置を用いた。
このようにして形成された試料に対してvan der Pauw法によるホール測定を行った結果、23500cm2/Vsの電子移動度、2.8×1016cm−3のn型キャリア濃度が得られた。
4インチの半絶縁GaAs基板(基板101)を用意した。この半絶縁GaAs基板の電気抵抗率は8×107Ωcmである。この半絶縁GaAs基板上に、460℃でInSbの原料としてトリメチルインジウム(TMIn)、トリスジメチルアミノアンチモン(TDMASb)と、炭素ドーピングの原料として四臭化炭素(CBr4)を用いて、炭素を5×1018cm−3よりも多くなるように流量を調整して第一のInSb層(第一の化合物半導体層102)を形成した。この炭素がドーピングされた第一のInSb層の形成には、MOCVD装置を用いた。この第一のInSb層は、SIMS測定から炭素のドーピング量が5×1020cm−3であった。
このようにして形成された試料に対してvan der Pauw法によるホール測定を行った結果、9800cm2/Vsの電子移動度、4.0×1017cm−3のn型キャリア濃度が得られた。
4インチの半絶縁GaAs基板(基板101)を用意した。この半絶縁GaAs基板の電気抵抗率は8×107Ωcmである。この半絶縁GaAs基板上に、460℃でInSbの原料としてトリメチルインジウム(TMIn)、トリスジメチルアミノアンチモン(TDMASb)を、炭素ドーピングの原料として四臭化炭素(CBr4)を用いて、第一のInSb層(第一の化合物半導体層102)を形成した。この炭素がドーピングされた第一のInSb層の形成には、MOCVD装置を用いた。この第一のInSb層は、SIMS測定から炭素のドーピング量が3×1016cm−3であった。
この第一のInSb層上に、InSbの原料としてトリメチルインジウム(TMIn)、トリスジメチルアミノアンチモン(TDMASb)を用いて460℃で第二のInSb層(第二の化合物半導体層103)を形成した。この第二のInSb層の形成にはMOCVD装置を用いた。XRF測定から、第一のInSb層と第二のInSb層を併せたInSb層全体の膜厚は0.93μmであった。また第一のInSb層の厚さとして、SIMSによる炭素濃度測定におけるピークが半値に減少する範囲を求めたところ、0.004μmであった。
このようにして形成された試料に対してvan der Pauw法によるホール測定を行った結果、25500cm2/Vsの電子移動度、2.3×1016cm−3のn型キャリア濃度が得られた。
4インチの半絶縁GaAs基板(基板101)を用意した。この半絶縁GaAs基板の電気抵抗率は8×107Ωcmである。この半絶縁性GaAs基板上に、400℃でInSbの原料としてトリメチルインジウム(TMIn)、トリスジメチルアミノアンチモン(TDMASb)を用いて、炭素がドーピングされた第一のInSb層(第一の化合物半導体層102)を形成した。この炭素がドーピングされた第一のInSb層の形成には、MOCVD装置を用いた。実施例2の場合と同様に、InSb層を低温成長させることにより、未分解の原料側鎖から炭素が膜中に取り込まれるが、その割合は実施例2と比べて少なく、SIMS測定から、第一のInSb層中の炭素のドーピング量は8×1014cm−3であることを確認した。
このようにして形成された試料に対してvan der Pauw法によるホール測定を行った結果、27000cm2/Vsの電子移動度、2.2×1016cm−3のn型キャリア濃度が得られた。
以上の結果より、膜厚が0.005μm以上、0.2μm以下であり、炭素の濃度が1×1015cm−3以上、5×1018cm−3以下であり、InとSbを含む第一の化合物半導体層と、この第一の化合物半導体層よりも炭素の濃度が小さく、且つInとSbを含む第二の化合物半導体層とを備えることにより、界面近傍の欠陥より生成した余剰電子を相殺することで、化合物半導体多層膜全体のキャリア濃度が減少し、電子移動度が向上していることを確認できた。
物半導体多層膜として好適である。
101 基板
102 第一の化合物半導体層
103 第二の化合物半導体層
110 化合物半導体多層膜
Claims (4)
- 電気抵抗率が1×105Ωcm以上の基板と、
前記基板上に形成され、炭素がドーピングされたInとSbを含む第一の化合物半導体層と、
前記第一の化合物半導体層上に形成され、前記第一の化合物半導体層よりも炭素の濃度が小さく、且つInとSbを含む第二の化合物半導体層と、を備え、
前記第一の化合物半導体層の膜厚が0.005μm以上、0.2μm以下であり、前記第一の化合物半導体層の炭素の濃度が1×1015cm−3以上、5×1018cm−3以下である化合物半導体積層体。 - 前記基板がSiまたはGaAsである請求項1に記載の化合物半導体積層体。
- 前記第一の化合物半導体層が前記基板と前記第二の化合物半導体層の格子不整合を緩和するバッファ層であり、
前記第二の化合物半導体層が素子の少なくとも一部として機能する活性層である請求項1または請求項2に記載の化合物半導体積層体。 - 請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の化合物半導体積層体を用いて得られる半導体装置。
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