JP6050595B2 - 化合物半導体基板及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、化合物半導体基板及びその製造方法に関する。より詳細には、Ｓｉ基板上に形成されたＧａＡｓＳｂ層を備えた化合物半導体基板及びその製造方法に関する。

ＧａＡｓに代表される化合物半導体は、Ｓｉでは得ることのできない特性を発現することができるため、ＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＨＢＴ（Ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの高速電子デバイスや、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｅｄ Ｄｉｏｄｅ）、ＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）などの光デバイス、高効率の太陽電池、磁気センサなど多岐に渡るデバイスへの応用が進められている。

これらのデバイスにおいて、良好な特性、信頼性を得るためには、その上にデバイス層を形成するための基板上に、結晶欠陥が少なく、表面が平坦な化合物半導体層を形成する技術が重要である。基板材料としてＧａＡｓやＩｎＰなどの単結晶からなる化合物半導体を基板として用いると、Ｓｉを用いた場合よりも比較的容易に結晶欠陥が少なく、表面が平坦な化合物半導体を形成することができるため、基板材料としては、化合物半導体が良く用いられている。

しかしながら、化合物半導体を用いた場合、一般的に大型の単結晶を得るのが難しく、基板の大口径化がＳｉよりも難しい。またＧａＡｓやＩｎＰは、Ｓｉと比較すると、脆くて割れやすい上、価格の上でも高価である。

そこで、安価で割れにくく、大口径化が容易なＳｉ基板の上に化合物半導体層を形成した化合物半導体基板が注目されている。高品質の化合物半導体層をＳｉ基板上に形成することができれば、優れた特徴をもつ化合物半導体のデバイスと、Ｓｉ上の大規模な信号処理回路とを融合させたＯＥＩＣ（Ｏｐｔｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）などについても利用が可能となる。

しかしながら、Ｓｉ基板上に化合物半導体層を形成する場合、格子定数や熱膨張係数が大きく異なるため、これに起因したミスフイットが生じてしまい、結晶欠陥が多く発生してしまう。例えば、ＳｉとＧａＡｓとの間では、格子定数は約４％の差が存在し、線膨張係数は３倍もの差がある。従って、Ｓｉ基板上に、結晶欠陥が少なく、表面が平坦なＧａＡｓを形成するのは容易ではない。

Ｓｉ基板上に、結晶欠陥が少なく、表面が平坦な化合物半導体薄膜を形成するためには、Ｓｉ基板表面の自然酸化膜除去、表面処理の工程が重要となる。

例えば、特許文献１によると、Ｓｉ基板上にＡｓを含む化合物半導体を設けた化合物半導体基板において、Ｓｉ基板と、化合物半導体層との界面に、化合物半導体層よりもＡｓの濃度が高い物質を島状に存在させる方法が提案されている。

国際公開公報第２００９／０３５０７９号パンフレット

特許文献１に開示された技術によれば、Ｓｉ基板上に結晶性が良く、且つ、表面が平坦なＧａＡｓを形成することができる。

しかしながら、Ｓｉ基板上に結晶性が良く、且つ、表面が平坦なＧａＡｓを形成するのは容易ではない。すなわち、Ａｓは蒸気圧が高く再蒸発しやすいため、Ｓｉ基板上にＧａＡｓを形成する場合、ＧａＡｓ表面の被覆性が十分でなくＧａＡｓは３次元成長してしまう。そのため、表面の平坦性を得にくい。

十分な平坦性を得るためには、極端に過剰なＡｓ原料の供給が必要となる。極端に過剰なＡｓ原料の供給は、成長装置チャンバの真空度悪化及びそれに伴う真空ポンプへの負荷、或いは成長装置のチャンバの汚染、さらにはＡｓ原料の消費を著しく早めてしまう等の問題があり、改善が要求される。

さらにＳｉ基板上に化合物半導体層としてＧａＡｓ層を形成した化合物半導体基板を用いた場合、化合物半導体基板のＧａＡｓ層上に形成されるデバイス層としての積層体の設計自由度は限定される。例えば、ＧａＡｓは２成分の化合物半導体なので組成率を制御することができない。そのため、ＧａＡｓ層を光デバイスの発光層、受光層に用いる場合、ＧａＡｓのエネルギーバンドギャップと異なる発光、吸収波長帯が必要となる場合に対応することができない。また、ＧａＡｓ層上にＧａＡｓと格子定数が大きく異なる材料を形成する場合は、格子不整合による欠陥が発生してしまい対応が困難である。

すなわち、ＧａＡｓを用いる場合、当然のことながらエネルギーバンドギャップ、格子定数の制約を受け、設計自由度に乏しい。

一方、ＧａＡｓ_1-yＳｂ_y層はＳｂ組成ｙを変えることで、所望のエネルギーバンドギャップ、格子定数の値を得ることができるので、その上に形成されるデバイス層としての積層体の設計自由度が広がるという観点から、化合物半導体基板の化合物半導体層として好ましい。

しかし従来知られている方法では、Ｓｉ基板上に結晶性が良く、且つ、表面が平坦なＧａＡｓ_1-yＳｂ_yを形成するのは容易ではない。すなわち、Ｓｂ組成ｙを増加させるにつれて結晶性が悪化してしまい、Ｓｂ組成がわずかに０．０５程度でも結晶性は相当悪化してしまう。また、Ｓｂ組成ｙをわずかに増加させる際、ＧａＡｓ_1-yＳｂ_yを形成中にＧａ、Ａｓに加えて微量のＳｂ原料を供給するが、Ｓｉ基板上にＧａＡｓを形成する場合と同様に、ＧａＡｓ_1-yＳｂ_yは３次元成長してしまい、表面の平坦性を十分に得ることができない。

すなわち本発明は、Ｓｉ基板上に、結晶性が良く、且つ、表面の平坦性に優れたＧａＡｓＳｂを化合物半導体層として備えた化合物半導体基板を容易に実現可能な製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、Ｓｉ基板上に第１の化合物半導体層を形成する工程と、第１の化合物半導体層上に、第１の化合物半導体層を形成するときよりも高温で、第２の化合物半導体層を形成する工程とを備える化合物半導体基板の製造方法であって、第１の化合物半導体層は、ＧａＡｓ_1-xＳｂ_x（０≦ｘ≦０．１）層であり、第２の化合物半導体層は、ＧａＡｓ_1-yＳｂ_y（０＜ｙ≦０．１）層であり、第２の化合物半導体層を形成する工程は、Ｇａ原料とＡｓ原料とＳｂ原料とを同時に照射する工程であり、第２の化合物半導体層を形成する工程において、Ｓｂ原料の分子線強度と、第２の化合物半導体層の形成速度が１時間当たり１μｍとなるために必要なＧａ原料の分子線強度との比が１以上であることを特徴とする。

本発明の一実施形態において、第１の化合物半導体層は、ＧａＡｓ層であることを特徴とする。

本発明の一実施形態において、第２の化合物半導体層の形成速度は、１時間当たり０．０５μｍ以上０．３μｍ以下であることを特徴とする。

本発明の一実施形態において、Ａｓ原料は、Ａｓ₂分子であることを特徴とする。

本発明の一実施形態において、Ａｓ原料は、Ａｓ₄分子をクラッキングすることにより生成されることを特徴とする。

本発明は、Ｓｉ基板と、Ｓｉ基板上に形成された、第１の化合物半導体層と、第１の化合物半導体層上に形成された、第２の化合物半導体層とを備えた化合物半導体基板であって、第１の化合物半導体層は、ＧａＡｓ_1-xＳｂ_x（０≦ｘ≦０．１）層であり、第２の化合物半導体層は、ＧａＡｓ_1-yＳｂ_y（０＜ｙ≦０．１）層であり、第２の化合物半導体層の、Ｓｉ基板の面方位と同じ面に対応するＸ線回折ピークのロッキングカーブの、ＦＷＨＭ値は、７００秒以下であり、且つ第２の化合物半導体層の１０μｍ四方の領域における、表面粗さの二乗平均値Ｒｒｍｓ値は、３ｎｍ以下であることを特徴とする。

本発明の一実施形態において、第１の化合物半導体層は、ＧａＡｓ層であり、第２の化合物半導体層の、Ｓｉ基板の面方位と同じ面に対応するＸ線回折ピークのロッキングカーブの、ＦＷＨＭ値は、６００秒以下であり、且つ第２の化合物半導体層の１０μｍ四方の領域における、表面粗さの二乗平均値Ｒｒｍｓ値は、３ｎｍ以下であることを特徴とする。

本発明の一実施形態において、第１の化合物半導体層は、ＧａＡｓ層であり、第２の化合物半導体層の、Ｓｉ基板の面方位と同じ面に対応するＸ線回折ピークのロッキングカーブの、ＦＷＨＭ値は、５００秒以下であり、且つ第２の化合物半導体層の１０μｍ四方の領域における、表面粗さの二乗平均値Ｒｒｍｓ値は、２ｎｍ以下であることを特徴とする。

本発明の化合物半導体基板の製造方法によれば、Ｓｉ基板上に、結晶性が良く、且つ、表面の平坦性に優れたＧａＡｓＳｂ層を含む化合物半導体層を備えた化合物半導体基板を容易に実現することができる。

本発明による化合物半導体基板の断面図である。 Ｓｂ分子線強度とＧａＡｓＳｂ表面粗さの二乗平均値Ｒｒｍｓ値との関係を示すグラフである。

図１は、本発明による化合物半導体基板１０の断面図である。Ｓｉ基板１０１の上に、第１の化合物半導体層１０２、第２の化合物半導体層１０３が順次積層されている。

この化合物半導体基板は、各種の成膜方法を用いて形成される。例えば、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法や有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）法などは好ましい方法である。これらの方法を用いて、化合物半導体基板を形成する。

本発明により形成した化合物半導体基板は、基板を形成した成膜装置から一旦、大気中に取り出しても良い。大気中に取り出した基板は、そのままエッチング、電極形成するなどして半導体デバイスを作製しても良いし、基板を形成したのと同一の成膜装置、或いは別の成膜装置に再度導入し、基板上に新たにデバイス層としての化合物半導体の積層体を形成しても良い。

また、本発明により化合物半導体基板を形成した後、基板を形成したのと同一の成膜装置において引き続き、或いは真空を保持したまま別の成膜装置に搬送した後、基板上に新たに化合物半導体の積層体を形成しても良い。

本発明により形成した化合物半導体基板上に、新たに形成する化合物半導体の積層体に用いる材料は、特に制限されない。例えば、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＩｎＧａＰなどが挙げられる。

以下に図１に示す各層の説明をする。
［Ｓｉ基板］
Ｓｉ基板は、一般に単結晶を成長できるものであれば特に制限されず、Ｓｉの単結晶基板が好ましく用いられる。単結晶基板は、半絶縁性基板であっても良いし、ドナー不純物やアクセプタ不純物によって、ｎ型やｐ型にドーピングされた導電性基板であっても良い。

単結晶基板の面方位は特に制限はないが、（１００）、（１１１）、（１１０）等が好ましい。また、これらの面方位に対して１°から５°傾けた面方位を用いることもある。

基板表面は、真空中で加熱して酸化膜除去しても良いし、有機物、金属等の汚染物質を除去した後、濃度１．０ｗｔ％のフッ化水素水溶液を用いて表面の酸化膜を除去して、水素終端処理を行っても良い。

［第１の化合物半導体層］
本実施形態において、第１の化合物半導体層はＧａＡｓ_1-xＳｂ_x（０≦ｘ≦１）層である。

第１の化合物半導体層は、結晶性が良く、且つ、表面の平坦性に優れた第２の化合物半導体層を形成するための、バッファ層としての役割を果たす。当然のことながら、バッファ層としての第１の化合物半導体層自体も、結晶性が良く、且つ、表面の平坦性も優れていることが好ましい。

第１の化合物半導体層は、高温で形成すると、表面の凹凸が激しくなり、十分な平坦性を確保することができなくなるため、比較的低温で形成することが多い。形成時の温度は、結晶性の観点から１５０度以上であることが好ましい。また、形成時の温度は、平坦性確保の観点から３５０度以下であることが好ましい。

第１の化合物半導体層は、低温で形成した場合、表面の平坦性は十分であるが、結晶性は必ずしも良くなくなってしまう。但し、第１の化合物半導体層を形成後に、第１の化合物半導体層の温度を上昇させ保持すると、アニール効果によって結晶性、表面の平坦性いずれも改善することができる。例えば、低温で第１の化合物半導体層を形成した後、温度をアニール効果が発現する程度に上昇させて保持した後、高温で第１の化合物半導体層上に第２の化合物半導体層を形成することが多い。

第１の化合物半導体層の膜厚は、結晶性の確保及び被覆性の観点から５ｎｍ以上であることが好ましい。また、第１の化合物半導体層の膜厚は、結晶性やアニール効果による改善効果の観点から５０ｎｍ以下であることが好ましい。

第１の化合物半導体層のＳｂ組成ｘは、結晶性の観点から、０以上０．１以下が好ましい。特に、ｘ＝０、すなわち、第１の化合物半導体層がＧａＡｓのとき、結晶性が非常に良く好ましい。

第１の化合物半導体層は、ノンドープでも良いし、ドナー不純物やアクセプタ不純物によって、ｎ型やｐ型にドーピングしても良い。

また、有機物、金属等の汚染物質を除去した後、濃度１．０ｗｔ％のフッ化水素水溶液を用いて表面の酸化膜を除去して、水素終端処理を行ったＳｉ基板と、第１の化合物半導体層との間に、Ａｓを先行照射させることで、第１の化合物半導体層よりもＡｓ濃度の高い物質を島状に存在させると、結晶性が良く、優れた表面の平坦性が得られるので好ましい。

［第２の化合物半導体層］
本実施形態において、第２の化合物半導体層は、ＧａＡｓ_1-yＳｂ_y（０＜ｙ≦１）層である。

第２の化合物半導体層は、第１の化合物半導体層上にＧａ、Ａｓ、Ｓｂ原料を同時照射することで形成される。

図２は、基板温度を５８０℃とし、ＧａとＡｓ原料の分子線強度をそれぞれ一定にした条件下において、Ｓｂ分子線強度を変化させながら第２の化合物半導体層を形成したときの、Ｓｂ分子線強度と、第２の化合物半導体層の表面粗さの二乗平均値Ｒｒｍｓとの関係を示したグラフである。

Ｓｂの分子線強度が７×１０^-7Ｔｏｒｒ以上で、Ｒｒｍｓが急激に減少し、優れた表面の平坦性が得られることが理解される。Ｓｂの分子線強度が７×１０^-7Ｔｏｒｒ以上であるということは、Ｓｂ原料の分子線強度と、第２の化合物半導体層の形成速度が１時間当たり１μｍとなるために必要なＧａ原料の分子線強度との比とで言い換えると、その比が１以上であることに相当している。

すなわち、優れた表面の平坦性を得るためには、Ｓｂ原料の分子線強度と、第２の化合物半導体層の形成速度が１時間当たり１μｍとなるために必要なＧａ原料の分子線強度との比（以下、換算Ｓｂ／Ｇａ分子線強度比と称することがある）が１以上であることが好ましい。

換算Ｓｂ／Ｇａ分子線強度比が１以上であるような、Ｓｂ原料の分子線強度は、例えば、ＧａＡｓ基板上にＩｎＳｂ、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＡｌＧａＳｂなどの、Ｖ族元素がＳｂのみからなる半導体薄膜を形成する場合、結晶性が良く、優れた平坦性を容易に得るのに、十分なＳｂ原料の分子線強度である。

第２の化合物半導体層のＳｂ組成ｙは、結晶性確保の観点から０．１以下が好ましい。換算Ｓｂ／Ｇａ分子線強度比が１以上であり、且つ、Ａｓ原料がＡｓ₄分子の場合、Ａｓ₄分子は反応性や付着係数がＳｂに比べて低いため、Ｓｂ組成ｙは大きくなってしまう場合がある。そのため、Ａｓ原料は反応性や付着係数が高いＡｓ₂分子であることが好ましい。Ａｓ₂分子は反応性や付着係数が高いため、Ｓｂ組成ｙはそれほど大きくならず、Ｓｂ組成０．１以下の第２の化合物半導体を容易に形成することができる。反応性や付着係数の高いＡｓ₂分子は、例えばＡｓ₄分子を加熱等によりクラッキングすることにより生成することが可能である。

第２の化合物半導体層の形成時の温度は、結晶性及び表面平坦性の観点から、５５０度以上が好ましい。また、第２の化合物半導体層の形成時の温度は、Ｖ族元素であるＡｓ，Ｓｂの再蒸発を防止して、結晶性及び表面平坦性を確保する観点から７００度以下であることが好ましい。

第２の化合物半導体層は、ノンドープでも良いし、ドナー不純物やアクセプタ不純物によって、ｎ型やｐ型にドーピングしても良い。

第２の化合物半導体層の膜厚は、十分な結晶性確保の観点から０．３μｍ以下が好ましい。また、第２の化合物半導体層の膜厚は、形成時間の観点から５μｍ以下が好ましい。

第２の化合物半導体層の形成速度は、結晶性確保の観点から１．５μｍ／ｈ以下が好ましく、０．３μｍ／ｈ以下がより好ましい。また、第２の化合物半導体層の形成速度は、形成時間の観点から、０．０５μｍ／ｈ以上が好ましく、０．１μｍ／ｈ以上がより好ましい。第２の化合物半導体層の形成速度は、所望の結晶性、形成時間に応じて、適宜決めることができる。

以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明するが、本発明は、下記実施例に限定されるものではなく、その発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変更可能であることは言うまでもない。

［実施例１］
まず、Ｓｉ（１１１）基板の表面の有機物、金属等の汚染物質を除去した後、濃度１．０ｗｔ％のフッ化水素水溶液を用いて表面の酸化膜を除去して、水素終端処理を行った。

これを直ちにＭＢＥ装置内に導入し、１×１０^-6Ｔｏｒｒ（１．３３３×１０^-6Ｐａ）以下の真空中で、基板温度が３００℃になるまで加熱し、温度が一定になったところでＡｓを照射した。

引き続き、分子線強度が７×１０^-8ＴｏｒｒのＧａと、分子線強度が３×１０^-5ＴｏｒｒのＡｓ₄分子をクラッキングすなわち加熱して生成したＡｓ₂分子と、分子線強度が１．７６×１０^-6ＴｏｒｒのＳｂとを同時に照射することにより、膜厚２０ｎｍの第１の化合物半導体層（ＧａＡｓ_1-xＳｂ_x層）を、１時間当たり０．１μｍの形成速度で形成した。

その後、基板温度が６６０℃になるまで加熱し、温度が一定になったところで、分子線強度が７×１０^-7ＴｏｒｒのＧａと、分子線強度が３×１０^-5ＴｏｒｒのＡｓ₄分子をクラッキングすなわち加熱して生成したＡｓ₂分子と、分子線強度が１．７６×１０^-6ＴｏｒｒのＳｂとを同時に照射することにより、膜厚９８０ｎｍの第２の化合物半導体層（ＧａＡｓ_1-yＳｂ_y層）を、１時間当たり１μｍの形成速度で形成した。このとき、Ｓｂ原料の分子線強度と、第２の化合物半導体層の形成速度が１時間当たり１μｍとなるために必要なＧａ原料の分子線強度との比（換算Ｓｂ／Ｇａ分子線強度比）は２．５１である。

第２の化合物半導体層の（１１１）面に対応するＸ線回折ピークをＸ線回折装置（ＰＨＩＬＩＰＳ社製、ＰＷ１８３０）を用いて解析したところ、Ｓｂ組成ｙは０．０３２であった。また、第２の化合物半導体層の、（１１１）面に対応するＸ線回折ピークのロッキングカーブのＦＷＨＭ値は６１０秒であった。さらに、第２の化合物半導体層の１０μｍ四方の領域における表面粗さの二乗平均値Ｒｒｍｓを原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で評価したところ、１．８ｎｍであった。

すなわち、第２の化合物半導体層の、Ｓｉ基板の面方位と同じ面に対応するＸ線回折ピークのロッキングカーブのＦＷＨＭ値が７００秒以下であり、且つ、第２の化合物半導体層の１０μｍ四方の領域における表面粗さの二乗平均値Ｒｒｍｓが３ｎｍ以下である化合物半導体基板を実現した。

［実施例２］
まず、実施例１と同様に、Ｓｉ（１１１）基板の表面の有機物、金属等の汚染物質を除去した後、濃度１．０ｗｔ％のフッ化水素水溶液を用いて表面の酸化膜を除去して、水素終端処理を行った。

これを直ちにＭＢＥ装置内に導入し、１×１０^-6Ｔｏｒｒ（１．３３３×１０^-6Ｐａ）以下の真空中で、基板温度が３００℃になるまで加熱し、温度が一定になったところでＡｓを照射した。

引き続き、分子線強度が７×１０^-8ＴｏｒｒのＧａと、分子線強度が３×１０^-5ＴｏｒｒのＡｓ₄分子をクラッキングすなわち加熱して生成したＡｓ₂分子と、分子線強度が２．８×１０^-6ＴｏｒｒのＳｂとを同時に照射することにより、膜厚２０ｎｍの第１の化合物半導体層を、１時間当たり０．１μｍの形成速度で形成した。

その後、基板温度が６６０℃になるまで加熱し、温度が一定になったところで、分子線強度が７×１０^-7ＴｏｒｒのＧａと、分子線強度が３×１０^-5ＴｏｒｒのＡｓ₄分子をクラッキングすなわち加熱して生成したＡｓ₂分子と、分子線強度が２．８×１０^-6ＴｏｒｒのＳｂとを同時に照射することにより、膜厚９８０ｎｍの第２の化合物半導体層を、１時間当たり１μｍの形成速度で形成した。このとき、換算Ｓｂ／Ｇａ分子線強度比は４である。

第２の化合物半導体層の（１１１）面に対応するＸ線回折ピークを解析したところ、Ｓｂ組成ｙは０．０５２であった。また、第２の化合物半導体層の、（１１１）面に対応するＸ線回折ピークのロッキングカーブの、ＦＷＨＭ値は６６０秒であった。さらに、第２の化合物半導体層の１０μｍ四方の領域における、表面粗さの二乗平均値、Ｒｒｍｓ値を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で評価したところ、１．６ｎｍであった。

すなわち、第２の化合物半導体層の、Ｓｉ基板の面方位と同じ面に対応するＸ線回折ピークのロッキングカーブのＦＷＨＭ値が７００秒以下であり、且つ、第２の化合物半導体層の１０μｍ四方の領域における、表面粗さの二乗平均値Ｒｒｍｓが３ｎｍ以下である化合物半導体基板を実現した。

［実施例３］
まず、実施例１と同様に、Ｓｉ（１１１）基板の表面の有機物、金属等の汚染物質を除去した後、濃度１．０ｗｔ％のフッ化水素水溶液を用いて表面の酸化膜を除去して、水素終端処理を行った。

これを直ちにＭＢＥ装置内に導入し、１×１０^-6Ｔｏｒｒ（１．３３３×１０^-6Ｐａ）以下の真空中で、基板温度が３００℃になるまで加熱し、温度が一定になったところでＡｓを照射した。

引き続き、分子線強度が７×１０^-8ＴｏｒｒのＧａと、分子線強度が３×１０^-5ＴｏｒｒのＡｓ₄分子をクラッキングすなわち加熱して生成したＡｓ₂分子とを同時に照射することにより、膜厚２０ｎｍの第１の化合物半導体層であるＧａＡｓ層を、１時間当たり０．１μｍの形成速度で形成した。

その後、基板温度が６６０℃になるまで加熱し、温度が一定になったところで、分子線強度が７×１０^-7ＴｏｒｒのＧａと、分子線強度が３×１０^-5ＴｏｒｒのＡｓ₄分子をクラッキングすなわち加熱して生成したＡｓ₂分子と、分子線強度が１．６６×１０^-6ＴｏｒｒのＳｂとを同時に照射することにより、膜厚９８０ｎｍの第２の化合物半導体層を、１時間当たり１μｍの形成速度で形成した。このとき、換算Ｓｂ／Ｇａ分子線強度比は２．３７である。

第２の化合物半導体層の（１１１）面に対応するＸ線回折ピークを解析したところ、Ｓｂ組成ｙは０．０３３であった。また、第２の化合物半導体層の、（１１１）面に対応するＸ線回折ピークのロッキングカーブのＦＷＨＭ値は５５０秒であった。さらに、第２の化合物半導体層の１０μｍ四方の領域における、表面粗さの二乗平均値、Ｒｒｍｓ値を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で評価したところ、２．２ｎｍであった。

すなわち、第２の化合物半導体層の、Ｓｉ基板の面方位と同じ面に対応するＸ線回折ピークのロッキングカーブの、ＦＷＨＭ値が６００秒以下であり、且つ、第２の化合物半導体層の１０μｍ四方の領域における、表面粗さの二乗平均値、Ｒｒｍｓ値が３ｎｍ以下である化合物半導体基板を実現した。

［実施例４］
まず、実施例１と同様に、Ｓｉ（１１１）基板の表面の有機物、金属等の汚染物質を除去した後、濃度１．０ｗｔ％のフッ化水素水溶液を用いて表面の酸化膜を除去して、水素終端処理を行った。

これを直ちにＭＢＥ装置内に導入し、１×１０^-6Ｔｏｒｒ（１．３３３×１０^-6Ｐａ）以下の真空中で、基板温度が３００℃になるまで加熱し、温度が一定になったところでＡｓを照射した。

引き続き、分子線強度が７×１０^-8ＴｏｒｒのＧａと、分子線強度が３×１０^-5ＴｏｒｒのＡｓ₄分子をクラッキングすなわち加熱して生成したＡｓ₂分子とを同時に照射することにより、膜厚２０ｎｍの第１の化合物半導体層であるＧａＡｓ層を、１時間当たり０．１μｍの形成速度で形成した。

その後、基板温度が６６０℃になるまで加熱し、温度が一定になったところで、分子線強度が７×１０^-7ＴｏｒｒのＧａと、分子線強度が３×１０^-5ＴｏｒｒのＡｓ₄分子をクラッキングすなわち加熱して生成したＡｓ₂分子と、分子線強度が８×１０^-7ＴｏｒｒのＳｂとを同時に照射することにより、膜厚９８０ｎｍの第２の化合物半導体層を、１時間当たり１μｍの形成速度で形成した。このとき、換算Ｓｂ／Ｇａ分子線強度比は１．１４である。

第２の化合物半導体層の（１１１）面に対応するＸ線回折ピークを解析したところ、Ｓｂ組成ｙは０．０１５であった。また、第２の化合物半導体層の、（１１１）面に対応するＸ線回折ピークのロッキングカーブのＦＷＨＭ値は５９０秒であった。さらに、第２の化合物半導体層の１０μｍ四方の領域における、表面粗さの二乗平均値Ｒｒｍｓを原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で評価したところ、２．９ｎｍであった。

すなわち、第２の化合物半導体層の、Ｓｉ基板の面方位と同じ面に対応するＸ線回折ピークのロッキングカーブの、ＦＷＨＭ値が６００秒以下であり、且つ、第２の化合物半導体層の１０μｍ四方の領域における、表面粗さの二乗平均値Ｒｒｍｓが３ｎｍ以下である化合物半導体基板を実現した。

［比較例１］
実施例３、４に対する比較例１について述べる。

まず、実施例１と同様に、Ｓｉ（１１１）基板の表面の有機物、金属等の汚染物質を除去した後、濃度１．０ｗｔ％のフッ化水素水溶液を用いて表面の酸化膜を除去して、水素終端処理を行った。

これを直ちにＭＢＥ装置内に導入し、１×１０^-6Ｔｏｒｒ（１．３３３×１０^-6Ｐａ）以下の真空中で、基板温度が３００℃になるまで加熱し、温度が一定になったところでＡｓを照射した。

引き続き、分子線強度が７×１０^-8ＴｏｒｒのＧａと、分子線強度が３×１０^-5ＴｏｒｒのＡｓ₄分子をクラッキングすなわち加熱して生成したＡｓ₂分子とを同時に照射することにより、膜厚２０ｎｍの第１の化合物半導体層であるＧａＡｓ層を、１時間当たり０．１μｍの形成速度で形成した。

その後、基板温度が５８０℃になるまで加熱し、温度が一定になったところで、分子線強度が７×１０^-7ＴｏｒｒのＧａと、分子線強度が３×１０^-5ＴｏｒｒのＡｓ₄分子をクラッキングすなわち加熱して生成したＡｓ₂分子とを同時に照射することにより、膜厚９８０ｎｍの第２の化合物半導体層をであるＧａＡｓ層を、１時間当たり１μｍの形成速度で形成した。このとき、換算Ｓｂ／Ｇａ分子線強度比は、第２の化合物半導体層の形成時にＳｂを同時照射していないので、当然のことながら０である。

第２の化合物半導体層の（１１１）面に対応するＸ線回折ピークを解析したところ、Ｓｂ組成ｙは、第２の化合物半導体層の形成時にＳｂを同時照射していないので、当然のことながら０である。また、第２の化合物半導体層の、（１１１）面に対応するＸ線回折ピークのロッキングカーブのＦＷＨＭ値は５２０秒であった。さらに、第２の化合物半導体層の１０μｍ四方の領域における、表面粗さの二乗平均値Ｒｒｍｓを原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で評価したところ、２０．５ｎｍであった。

実施例３、４と比較した場合、Ｒｒｍｓ値が圧倒的に大きくなってしまうことがわかる。第２の化合物半導体層の形成時にＳｂを同時照射していない場合、第２の化合物半導体層は３次元成長してしまう。この状態で、Ｒｒｍｓ値を下げるためには、第２の化合物半導体層形成時の基板温度を下げなければならないが、そうすると結晶性は悪化し、ＦＷＨＭ値は増大してしまう。

すなわち、第２の化合物半導体層の形成時にＳｂを同時照射していない場合、第２の化合物半導体層の、Ｓｉ基板の面方位と同じ面に対応するＸ線回折ピークのロッキングカーブのＦＷＨＭ値が７００秒以下であり、且つ、第２の化合物半導体層の１０μｍ四方の領域における、表面粗さの二乗平均値Ｒｒｍｓが３ｎｍ以下である化合物半導体基板を実現することはできない。

［比較例２］
実施例３、４に対する比較例２について述べる。

比較例１では、実施例３、４と比較した場合、Ｒｒｍｓ値が圧倒的に大きくなってしまう。Ｒｒｍｓ値を小さくするためには、第二の化合物半導体層を、より低温で形成しなければならない。そこで、比較例１よりも低温で第二の化合物半導体層を形成した例を、比較例２として述べる。

まず、実施例１と同様に、Ｓｉ（１１１）基板の表面の有機物、金属等の汚染物質を除去した後、濃度１．０ｗｔ％のフッ化水素水溶液を用いて表面の酸化膜を除去して、水素終端処理を行った。

これを直ちにＭＢＥ装置内に導入し、１×１０^-6Ｔｏｒｒ（１．３３３×１０^-6Ｐａ）以下の真空中で、基板温度が３００℃になるまで加熱し、温度が一定になったところでＡｓを照射した。

引き続き、分子線強度が７×１０^-8ＴｏｒｒのＧａと、分子線強度が３×１０^-5ＴｏｒｒのＡｓ₄分子をクラッキングすなわち加熱して生成したＡｓ₂分子とを同時に照射することにより、膜厚２０ｎｍの第１の化合物半導体層であるＧａＡｓ層を、１時間当たり０．１μｍの形成速度で形成した。

その後、基板温度が４２０℃になるまで加熱し、温度が一定になったところで、分子線強度が７×１０^-7ＴｏｒｒのＧａと、分子線強度が３×１０^-5ＴｏｒｒのＡｓ₄分子をクラッキングすなわち加熱して生成したＡｓ₂分子とを同時に照射することにより、膜厚９８０ｎｍの第２の化合物半導体層をであるＧａＡｓ層を、１時間当たり１μｍの形成速度で形成した。このとき、換算Ｓｂ／Ｇａ分子線強度比は、第２の化合物半導体層の形成時にＳｂを同時照射していないので、当然のことながら０である。

第２の化合物半導体層の（１１１）面に対応するＸ線回折ピークを解析したところ、Ｓｂ組成ｙは、第２の化合物半導体層の形成時にＳｂを同時照射していないので、当然のことながら０である。また、第２の化合物半導体層の、（１１１）面に対応するＸ線回折ピークのロッキングカーブのＦＷＨＭ値は１０４０秒であった。さらに、第２の化合物半導体層の１０μｍ四方の領域における、表面粗さの二乗平均値Ｒｒｍｓを原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で評価したところ、２．０ｎｍであった。

比較例１と比較すると、Ｒｒｍｓ値は小さくなったものの、ＦＷＨＭ値が大きくなってしまった。実施例３、４と比較した場合においても、ＦＷＨＭ値が圧倒的に大きくなってしまうことがわかる。

すなわち、第２の化合物半導体層の形成時にＳｂを同時照射していない場合、第２の化合物半導体層の、Ｓｉ基板の面方位と同じ面に対応するＸ線回折ピークのロッキングカーブのＦＷＨＭ値が７００秒以下であり、且つ、第２の化合物半導体層の１０μｍ四方の領域における、表面粗さの二乗平均値Ｒｒｍｓが３ｎｍ以下である化合物半導体基板を実現することはできない。

［比較例３］
実施例３、４に対する比較例３について述べる。

まず、実施例１と同様に、Ｓｉ（１１１）基板の表面の有機物、金属等の汚染物質を除去した後、濃度１．０ｗｔ％のフッ化水素水溶液を用いて表面の酸化膜を除去して、水素終端処理を行った。

これを直ちにＭＢＥ装置内に導入し、１×１０^-6Ｔｏｒｒ（１．３３３×１０^-6Ｐａ）以下の真空中で、基板温度が３００℃になるまで加熱し、温度が一定になったところでＡｓを照射した。

引き続き、分子線強度が７×１０^-8ＴｏｒｒのＧａと、分子線強度が３×１０^-5ＴｏｒｒのＡｓ₄分子をクラッキングすなわち加熱して生成したＡｓ₂分子とを同時に照射することにより、膜厚２０ｎｍの第１の化合物半導体層であるＧａＡｓ層を、１時間当たり０．１μｍの形成速度で形成した。

その後、基板温度が５８０℃になるまで加熱し、温度が一定になったところで、分子線強度が７×１０^-7ＴｏｒｒのＧａと、分子線強度が３×１０^-5ＴｏｒｒのＡｓ₄分子をクラッキングすなわち加熱して生成したＡｓ₂分子と、分子線強度が３．５×１０^-7ＴｏｒｒのＳｂとを同時に照射することにより、膜厚９８０ｎｍの第２の化合物半導体層を、１時間当たり１μｍの形成速度で形成した。このとき、換算Ｓｂ／Ｇａ分子線強度比は０．５である。

第２の化合物半導体層の（１１１）面に対応するＸ線回折ピークを解析したところ、Ｓｂ組成ｙは０．０２６であった。また、第２の化合物半導体層の、（１１１）面に対応するＸ線回折ピークのロッキングカーブのＦＷＨＭ値は６７０秒であった。さらに、第２の化合物半導体層の１０μｍ四方の領域における、表面粗さの二乗平均値Ｒｒｍｓを原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で評価したところ、２０．３ｎｍであった。

実施例３、４と比較した場合、Ｒｒｍｓ値が圧倒的に大きくなってしまうことがわかる。第２の化合物半導体層の形成時にＳｂを同時照射していても、その量が少ない場合、すなわち、換算Ｓｂ／Ｇａ分子線強度比が１以下の場合、第２の化合物半導体層は比較例１の場合と同様に３次元成長してしまう。この状態で、Ｒｒｍｓ値を下げるためには、第２の化合物半導体層形成時の基板温度を下げなければならないが、そうすると結晶性は悪化し、ＦＷＨＭ値は増大してしまう。

すなわち、第２の化合物半導体層の形成時にＳｂを同時照射していても、その量が少ない場合、すなわち、換算Ｓｂ／Ｇａ分子線強度比が１以下の場合、第２の化合物半導体層の、Ｓｉ基板の面方位と同じ面に対応するＸ線回折ピークのロッキングカーブのＦＷＨＭ値が７００秒以下であり、且つ、第２の化合物半導体層の１０μｍ四方の領域における、表面粗さの二乗平均値Ｒｒｍｓが３ｎｍ以下である化合物半導体基板を実現することはできない。

［実施例５］
まず、Ｓｉ（１１１）基板の表面の有機物、金属等の汚染物質を除去した後、濃度１．０ｗｔ％のフッ化水素水溶液を用いて表面の酸化膜を除去して、水素終端処理を行った。

これを直ちにＭＢＥ装置内に導入し、１×１０^-6Ｔｏｒｒ（１．３３３×１０^-6Ｐａ）以下の真空中で、基板温度が３００℃になるまで加熱し、温度が一定になったところでＡｓを照射した。

引き続き、分子線強度が７×１０^-8ＴｏｒｒのＧａと、分子線強度が３×１０^-5ＴｏｒｒのＡｓ₄分子をクラッキングすなわち加熱して生成したＡｓ₂分子とを同時に照射することにより、膜厚２０ｎｍの第１の化合物半導体層であるＧａＡｓ層を、１時間当たり０．１μｍの形成速度で形成した。

その後、基板温度が６６０℃になるまで加熱し、温度が一定になったところで、分子線強度が１．４×１０^-7ＴｏｒｒのＧａと、分子線強度が３×１０^-5ＴｏｒｒのＡｓ₄分子をクラッキングすなわち加熱して生成したＡｓ₂分子と、分子線強度が１．６４×１０^-6ＴｏｒｒのＳｂとを同時に照射することにより、膜厚９８０ｎｍの第２の化合物半導体層を、１時間当たり０．２μｍの形成速度で形成した。このとき、換算Ｓｂ／Ｇａ分子線強度比は２．３４である。

第２の化合物半導体層の（１１１）面に対応するＸ線回折ピークを解析したところ、Ｓｂ組成ｙは０．０１３であった。また、第２の化合物半導体層の、（１１１）面に対応するＸ線回折ピークのロッキングカーブの、ＦＷＨＭ値は４３５秒であった。さらに、第２の化合物半導体層の１０μｍ四方の領域における、表面粗さの二乗平均値、Ｒｒｍｓ値を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で評価したところ、１．８ｎｍであった。

すなわち、第２の化合物半導体層の、Ｓｉ基板の面方位と同じ面に対応するＸ線回折ピークのロッキングカーブの、ＦＷＨＭ値が５００秒以下であり、且つ、第２の化合物半導体層の１０μｍ四方の領域における、表面粗さの二乗平均値Ｒｒｍｓが２ｎｍ以下である化合物半導体基板を実現した。

上述した実施例１〜５および比較例１，２を以下の表１にまとめた。

１０ 化合物半導体基板
１０１ Ｓｉ基板
１０２ 第１の化合物半導体層
１０３ 第２の化合物半導体層

Claims (8)

1. Ｓｉ基板上に第１の化合物半導体層を形成する工程と、
   前記第１の化合物半導体層上に、前記第１の化合物半導体層を形成するときよりも高温で、第２の化合物半導体層を形成する工程と
   を備える化合物半導体基板の製造方法であって、
   前記第１の化合物半導体層は、ＧａＡｓ_1-xＳｂ_x（０≦ｘ≦０．１）層であり、
   前記第２の化合物半導体層は、ＧａＡｓ_1-yＳｂ_y（０＜ｙ≦０．１）層であり、
   前記第２の化合物半導体層を形成する工程は、Ｇａ原料とＡｓ原料とＳｂ原料とを同時に照射する工程であり、
   前記第２の化合物半導体層を形成する工程において、前記Ｓｂ原料の分子線強度と、前記第２の化合物半導体層の形成速度が１時間当たり１μｍとなるために必要な前記Ｇａ原料の分子線強度との比が１以上であることを特徴とする化合物半導体基板の製造方法。
2. 前記第１の化合物半導体層は、ＧａＡｓ層であることを特徴とする請求項１に記載の化合物半導体基板の製造方法。
3. 前記第２の化合物半導体層の形成速度は、１時間当たり０．０５μｍ以上０．３μｍ以下
   であることを特徴とする請求項１または２に記載の化合物半導体基板の製造方法。
4. 前記Ａｓ原料は、Ａｓ₂分子であることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の化合物半導体基板の製造方法。
5. 前記Ａｓ原料は、Ａｓ₄分子をクラッキングすることにより生成されることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の化合物半導体基板の製造方法。
6. Ｓｉ基板と、
   前記Ｓｉ基板上に形成された、第１の化合物半導体層と、
   前記第１の化合物半導体層上に形成された、第２の化合物半導体層と
   を備えた化合物半導体基板であって、
   前記第１の化合物半導体層は、ＧａＡｓ_1-xＳｂ_x（０≦ｘ≦０．１）層であり、
   前記第２の化合物半導体層は、ＧａＡｓ_1-yＳｂ_y（０＜ｙ≦０．１）層であり、
   前記第２の化合物半導体層の、前記Ｓｉ基板の面方位と同じ面に対応するＸ線回折ピークのロッキングカーブの、ＦＷＨＭ値は、７００秒以下であり、且つ
   前記第２の化合物半導体層の１０μｍ四方の領域における、表面粗さの二乗平均値Ｒｒｍｓ値は、３ｎｍ以下であることを特徴とする化合物半導体基板。
7. 前記第１の化合物半導体層は、ＧａＡｓ層であり、
   前記第２の化合物半導体層の、前記Ｓｉ基板の面方位と同じ面に対応するＸ線回折ピークのロッキングカーブの、ＦＷＨＭ値は、６００秒以下であり、且つ
   前記第２の化合物半導体層の１０μｍ四方の領域における、表面粗さの二乗平均値Ｒｒｍｓ値は、３ｎｍ以下であることを特徴とする請求項６に記載の化合物半導体基板。
8. 前記第１の化合物半導体層は、ＧａＡｓ層であり、
   前記第２の化合物半導体層の、前記Ｓｉ基板の面方位と同じ面に対応するＸ線回折ピークのロッキングカーブの、ＦＷＨＭ値は、５００秒以下であり、且つ
   前記第２の化合物半導体層の１０μｍ四方の領域における、表面粗さの二乗平均値Ｒｒｍｓ値は、２ｎｍ以下であることを特徴とする請求項６に記載の化合物半導体基板。

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