JPH01173708A

JPH01173708A - 半導体素子

Info

Publication number: JPH01173708A
Application number: JP33355387A
Authority: JP
Inventors: Yoshifumi Bito; 尾藤　喜文; Akira Watanabe; 暁渡辺; Kokichi Ishiki; 石櫃　鴻吉
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1987-12-28
Filing date: 1987-12-28
Publication date: 1989-07-10
Anticipated expiration: 2013-01-26
Also published as: JP2704223B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）半導体層が大面積に形成され
且つその層にクランクが発生しなくなった半導体素子に
関するものである。

（従来技術及びその問題点〕近時、ＧａＡｓ１板上にＧａＡｓ半導体層がホモエピタ
キシャル成長して成る半導体素子が高速デバイスや発光
素子などに実用化される。

しかしながら、上記ＧａＡｓ基板は引き上げ法又はボー
ト成長法によって製作されているが、約２インチφの円
板状基板（ウェファ）が得られるにすぎない。このよう
に大面積化したウェファが得られない場合、−枚のウェ
ファから得られる素子の数が減少し、その結果、製造効
率が低下し、製造コストが大きくなる。

このような問題を解決するためにＧａＡｓ基板に代わっ
てシリコン（Ｓｉ）ｉ板の上にＧａＡｓ半導体層をヘテ
ロエピタキシャル成長させることが提案されている。

即ち、このＳｉ基板も引き上げ法により製作することが
できるが、約６インチφのウェファが可能であり、これ
により、−枚のウェファから得られる素子の数が多くな
り、その結果、製造効率が高くなって製造コストを低減
することができる。

しかしながら、上記のようにヘテロエピタキシャル成長
させた半導体素子においては、格子不整合によって転移
が発生したり、もしくはＳｉ基板とＧａＡｓ層の熱膨張
率の差に起因してＧａＡｓ　ＪｉＪに内部応力が生じ、
これにより、その層にクラックが発生したり或いはＳｉ
基板に歪みが生じ、その結果、半導体素子の寿命が著し
く短くなり、しがも、この素子を発光素子として用いた
場合には発光効率が顕著に低下する。

〔発明の目的〕

従って本発明は上記事情に鑑みて完成されたものであり
、その目的はＧａＡｓ半導体層にクラックが発生せず、
しかも、基板に歪みが生じないようにして高信頼性且つ
高品質な半導体素子を提供することにある。

本発明の他の目的は大面積な基板を製作して製造コスト
を低減せしめた半導体素子を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明によれば、アルミナ単結晶のＲ面基板上にＳｉ層
を介してＧａＡｓ半導体層を形成した半導体素子であっ
て、前記ＧａＡｓ半導体層のフォトルミネセンス発光ピ
ークの波長が、Ｓｉ基板上に前記ＧａＡｓ半導体層を形
成して成る半導体素子より検出されるフォトルミネセン
ス発光ピーク波長に比べて短波長側ヘシフトしているこ
とを特徴とする半導体素子が提供される。

以下、本発明の詳細な説明する。

Ｓｉ基板上にＧａＡｓ半導体層を形成した公知の半導体
素子によれば、ＧａＡｓ半導体層に顕著な内部応力が発
生するが、これに対して、本発明の半導体素子において
は上記Ｓｉ基板に代わってアルミナ単結晶基板上にＳｉ
層が形成された基板、即ち、ＳＯＳ基板（Ｓｉｌｉｃｏ
ｎ　ｏｎ　５ａｐｐｈｉｒｅ基ヰ反）を用いた場合にＧ
ａＡｓ半導体層の内部応力が著しく小さくなり、その結
果、この層にクランクが発生しなくなり、しかも、基板
に歪みが生じない高品質且つ高信頼性の半導体素子とな
ることが特徴である。

このようにＧａＡｓ半導体層に生じる内部応力が著しく
小さくなった点については、この層にアルゴンガスレー
ザーを投光し、これによって生じるフォトルミネセンス
のバンド間発光波長を測定することによって理解できる
。

即ち、ＧａＡｓ基板の上にＧａＡｓ層をホモ成長させた
場合のフォトルミネセンス発光ピーク波長に比べて本発
明の半導体素子により得られるフォトルミネセンス発光
ピーク波長は長波長側へ極めて僅かにシフトしているに
すぎない。

そして、本発明の半導体素子は（１）アルミナ単結晶の２面上にＣＶＤ法によってＳｉ
層を形成し、ＳＯＳ基板を得る（２）有機金属熱分解気相成長法によってＧａＡｓ半４
体層を形成するという順序によって製作することができる。

上記（１）によれば、ＣＶＤ法はシランガスなどを熱分
解する従来周知の気相成長法でよい。

このようにして気相成長された５ｉＷＪの厚みは次の（
２）により形成されるＧａＡｓＦＪの結晶性が改善され
るように最低値が決められる。本発明者等はその厚みが
０．０５μ請以上であると考える。

上記（２）によれば、有機金属熱分解気相成長法（Ｍｅ
ｔａｌ　Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏ
ｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、略して通常ＭＯＣＶＤ法と
呼ばれる）は順次下記（Ａ）工程及び（Ｂ）工程から成
る。

（Ａ）工程ＳＯＳ基板の温度を次の（Ｂ）工程で設定される基板温
度より低く設定し、そして、Ｇａ元素含有ガス及び＾Ｓ
元素含有ガスを反応室に導入して結晶成長に要する核を
形成する。

この（Ａ）工程によって生成するＧａＡｓ膜の厚みは１
００〜５００人の範囲内に設定するとよく、このように
設定された場合には十分に結晶化されていない膜が次の
（Ｂ）工程において結晶化が進行し易くなるという点で
よい。

（Ｂ）工程ＧａＡｓの結晶成長を行う工程であり、Ｇａ元素含有ガ
ス及びＡｓ元素含有ガスを反応室内部に導入し、このガ
スを熱分解できるくらいにまで基板温度を高め、これに
より、（Ａ）工程にて生成したＧａＡｓ　薄膜の上に更
にＧａＡｓがエピタキシャル成長する。

上記の工程にて用いられるＧａ元素含有ガスにはＧａ（
ＣＨ３）　８．Ｇａ（ＣｚＨｓ）　３などがあり、一方
のＡｓ元素含有ガスにはＡｓ１（３などがある。そして
、これらのガスのキャリアガスにはＨ２又は不活性ガス
（Ａｒ、Ｎｚ＋Ｈｅ、　Ｎｅ等）がある。

このようにして形成されるＧａＡｓ半魂体層の伝導型を
制御するためには次の不純物をドーピングすればよい。

ｎ形半導体にするためにはＳｉ、Ｓｅ、Ｓなどをドーピ
ングすればよく、そのために用いられるドーパントには
Ｓ　Ｉ　Ｈ４＋　Ｓ　１　ｚ　Ｈ６＋　Ｈｔ　Ｓ　ｅ　
＋　Ｈｚ　Ｓなどがある。

また、Ｐ形半導体にするためにはＺｎ、Ｍｇなどをドー
ピングすればよく、そのために用いられるドーパントに
はジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）　、　　ヒスシクロペンダ
ニニルマグネシウム（ＣρｚＭｇ）などがある。

そして、上記ＧａＡｓ半導体層のうちＧａ元素の一部を
ＡＩ、Ｐ、Ｉｎなどで置換してＧａＡ　ＩＡｓ　、　Ｇ
ａＰＡｓ　、　Ｇａ　ＩｎＡｓなどの三元混晶と成すこ
ともでき、これにより、ハンドギャップの大きさが変え
られる。そのために用いられるガスにはＡｌ（ＣＨｚ）
：＋、Ａｌ（ＣｚＨｓ）３．ＡＩ（ｉｓＯ−Ｃ４ＨＱ）
　３１１ｎ（ＣｚＨｓ）　３＋ＰＨ３などがある。

かくして上記（１）及び（２）によりＧａＡｓ半導体層
に生じる内部応力が著しく小さくなった半導体素子が得
られる。

更に本発明によれば、ＳＯＳ基板表面のオフ角度並びに
（Ａ）工程及び（Ｂ）工程における基板温度を下記の通
りの範囲内に設定することによってＧａＡｓ半導体層の
結晶性や表面平滑性の点で優れた特性が得られることも
確認された。

ＳＯＳ基板表面、即ち、５ｉＪｉの表面のオフ角度を（
１００）面から（０１１）面方向へ１〜８　°、好適に
は３〜６°の範囲内に設定し、しかも、（八）工程にお
ける基板温度を３７０〜４７０℃、好適には４００〜４
５０℃の範囲内に、更にＣＢ）工程における基板温度を
５５０〜７５０℃、好適には５７０〜７３０℃の範囲内
に設定するとよく、これにより、表面粗さが０．１Ｓ以
下、更に０．０５Ｓ以下、更にまた０、０３Ｓ以下にま
で小さくなった優れた表面平滑性が得られ、しかも、結
晶性に優れ且つその層表面に（１００）面の面方位が得
られる半導体素子が提供される。

上記結晶性について、本発明者等がＸ線回折法により繰
り返し実験を行ったところ、下記条件により二結晶Ｘ線
半値中が３００ｓｅｃ以下、更に２５０ｓｅｃ以下の良
好な結晶性が得られることを確認した。

実験条件・二結晶ゴニオメータ・Ｘ線源・・・ＣｕＫα１第１結晶・・ＩｎＰ（４００）出力・・・・３０にＶ、８０ｍＡ次に高周波誘導加熱方式〇ＭＯＣＶＤ装置を第１図によ
り説明する。

図中、■は反応室であり、この中にサセプタ２が設置さ
れており、サセプタ２の上にＧａＡｓ膜を成長させるた
めのＳＯ８基板３が設置される。反応室１の周囲には高
周波コイル４が巻き付けられており、これに高周波型ｇ
＜図示せず）が接続され、高周波コイル４に高周波電力
が印加されるに伴ってサセプタ２が誘導加熱される。そ
して、反応室１には超高真空排気装置５と排気ガス処理
装置６が接続されており、成膜部に超高真空排気装置５
により反応室１の内部を真空排気し、この内部の残留ガ
スを除去し、排気ガス処理装置６により排気ガス中のＡ
ｓ化合物を除去する。

第１タンク７にはＡＳＨ３ガスが、第２タンク８にはＺ
ｎ　（Ｃ１ｌ　３）　２ガス（これはＨ２ガスにより希
釈されており、その濃度は０．１モル％に設定されてい
る）が、第３タンク９には５ｉＪｂガスが密封されてお
り、それぞれのタンクから放出される流量はマスフロー
コントローラ１０，１１．１２により調整され、いずれ
のガスも第１主管１３へ供給される。

また、第４タンク１４にはＨ，ガスが密封されており、
このガスは純化器１５を介してキャリアガスとして高純
度化され、そして、第１主管１３へ供給され、そのガス
流量はマスフローコントローラ１６゜２４により調整さ
れる。

１７はＧａ（ＣＨ：＋）：＋の液体が入っている第１バ
ブラであり、１８はＡｌ（ＣＨ３）３の液体が入ってい
る第２バブラであり、１９．２０はそれぞれのバブラ１
７．１Ｂを所要の温度に設定するための恒温槽である。

そして、第４タンク１４より純化器１５を介して供給さ
れる高純度Ｈ２ガスは第１バブラ１７と第２バブラ１８
へ導入されるようになっており、これにより、バプラ内
の液体がガス化し、第２主管２１へ導入される。

第２主管２１へ導入されるガスはマスフローコントロー
ラ２２．２３により調整され、しかも、第４タンク１４
により純化器１５を介して供給される高純度＋１□ガス
はマスフローコントローラ２４によって調整されながら
第２主管２１へ導入されるようになっており、このＨ２
ガスはＧａ（ＣＨＪ３ガスやＡＩ　（ＣＨ３）　ｚガス
のキャリアガスともなる。

かくして、第１主管１３によりＡＳ）！３ガス、ｚｎ（
Ｃｎ３）２ガス、Ｓ　ｉ　、Ｈ，ガスが、他方の第２主
管１４によりＧａ（ＣＨ３）３ガス、＾１（ＣＨ３）３
ガスが運ばれて反応室１に導入される。尚、２５，２６
，２７．２８．２９，３０，３１，３２，３３゜３４．
３５．３６．３７．３８．３９．４０はバルブを示す。

以上の構成のＭＯＣＶＤ装置において、ＳＯ８基板３を
サセプタ２上に固定し、第１タンク７よりＡｓＨ。

ガスを、そして、第４タンク１４よりＬガスをそれぞれ
反応室ｌの内部に導入し、高周波コイル４により基板３
を約９５０℃の温度で誘導加熱し、基板表面上の付着物
を除去して清浄化処理を行う。

次に超高真空排気装置５により反応室１の内部を１０−
’Ｔｏｒｒ位にまで真空にし、高周波コイル４により基
板３を誘導加熱し、所定の温度に達したら、この温度を
維持する。そして、バルブ３４〜４０を全開にして第４
タンク１４より純化器１５を介して高純度１１□ガスを
反応室１の内部に導入する。

先ず（Ａ）工程においては、バルブ２５を全開にして第
１タンク７よりＡｓｔ１３ガスを放出し、その放出量を
マスフローコントローラ１０を調整しながら第１主管１
３へ導入する。また、バルブ３０を閉じてバルブ２８，
２９を全開にし、Ｈ２ガスをバブラ１７に導入してＧａ
　（Ｃ）１３）　ｘガスを得る。このガスの供給量は恒
温槽１９の温度とマスフローコントローラ２２により設
定され、第２主管２１へ導入される。

次の（Ｂ）工程においては、基板温度を所定範囲内に設
定し、上記と同様にＧａ　（ＣＨ３）　ｓガスとＡｓＨ
３ガスを反応室へ導入し、ＧａＡｓを結晶成長させる。

そのＧａＡｓ層には半導体特性があり、その伝導型はＳ
ｉ又はＺｎをドーピングすることによって決定される。

従って、この（Ｂ）工程において、バルブ２６又はバル
ブ２７を全開にして第２タンク８や第３タンク９からＺ
ｎ　（Ｃ）！３）　、ガスや５ｉＪｂガスを放出し、Ａ
ＳＨ：ｌガスとともに反応室１へ導入すればよい。

また、この（Ｂ）工程においてＧａＡｌＡｓ１ｇを結晶
成長させる場合には、バルブ３３を閉じてバルブ３１゜
３２を全開にし、■２ガスをバブラ１８に導入してＡｌ
（ＣＨ３）３ガスを得る。このガスの供給量も恒温槽２
０の温度とマスフローコントローラ２３により設定され
、Ｇａ（ＣＨ３）：ｌガスとともに第２主管２１に導入
されて反応室１へ供給される。

〔実施例〕

次に本発明の実施例を述べる。

（例１）アルミナ単結晶基板をＣＶＤ装置の反応室に設置し、そ
の基板の温度を９５０℃に設定し、そして、５ｉＨａガ
スの熱分解により基板２面上に０．６μｍの厚みのＳｉ
層を形成した。

このようにして形成された５ｉｉＪ表面のオフ角度は（
１００）面から（０１１）面方向へ５　°であった。

このＳＯＳ基板を第１図に示すＭＯＣＶＤ装置を用いて
（Ａ）工程及び（Ｂ）工程により２．０μｍの厚みのＧ
ａＡｓ半導体層を形成した。

かくして得られた半導体素子の２５℃におけるフォトル
ミネセンススペクトルを測定したところ、第２図に示す
通りの結果が得られた。

同図によれば、上記半導体素子のＳＯＳ基板に代えて、
ＧａＡｓ基板又はＳｉ基板を用いて、それぞれ上記と同
一の成膜条件によりＧａＡｓ半導体層を形成して成る半
導体素子について、その測定結果も記載されている。

尚、いずれの半導体素子もフォトルミネセンススペクト
ルを測定するに当たってＧａＡｓ半導体層に約２　ＸＩ
Ｏ”ｃｍ−”の濃度のＳｔ元素がドープされている。

また、この測定にはアルゴンガスレーザー（発光波長５
１４．５　ｎｍ）を励起光源として用いており、これを
半導体素子表面に照射し、そのフォトルミネセンススペ
クトルを求めた。

第２図によれば、横軸は波長であり、縦軸はフォトルミ
ネセンス強度であり、ａ、ｂ及びＣはそれぞれ本発明の
半導体素子、ＧａＡｓ基板が用いられた半導体素子並び
にＳｉ基板が用いられた半導体素子である。

同図に示す結果より明らかな通り、本発明半導体素子の
フォトルミネセンス発光ピーク波長は、Ｓｉ基板が用い
られた半導体素子が示すフォトルミネセンス発光ピーク
波長に比べて短波長側ヘシフトされている。従って、本
発明の半導体素子はＧａＡｓ半導体層の内部応力が顕著
に小さくなっていることが判る。

（例２）本例においては、（例１）のなかでＳＯ３基板表面のオ
フ角度を幾通りにも変え、これによって得られた各種半
導体素子について、Ｘ線回折法によりＧａＡｓ半導体層
の結晶性を調べたところ、第３図に示す通りの結果が得
られた。

同図中、横軸は上記オフ角度を表し、縦軸は二結晶Ｘ線
半値巾を表し、そして、・印は測定プロットであり、ｄ
はその特性曲線である。

この結果より明らかな通り、３〜５　°のオフ角度、特
に約４　°のオフ角度の場合に最小な半値中（２２０ｓ
ｅｃ）を示し、これによって良好な結晶性が得られてい
ることが判る。

（例３）本例においては、（例１）にて得られた本発明半導体素
子と、Ｓｉ基板が用いられた半導体素子について、Ｇａ
Ａｓ半導体層内部にドーピングされたＳｉ元素の量をＳ
ＩＭＳ分析により測定したところ、第４図に示す通りの
結果が得られた。

同図中＾及びＢはそれぞれ本発明及び比較例の半導体素
子の測定結果であり、横軸は厚み方向の大きさを表し、
縦軸はＳｉ濃度を表し、そして、矢印Ｔは５ｉＪｉＪ又
はＳｉ基板とＧａＡｓ半導体層との界面を示す。

この結果より明らかな通り、本発明の素子はＳｉ層の界
面よりＧａＡｓ層内部へ向かって１μｍの厚み領域にお
いて１桁のオーダーで小さくなっていることが判る。

〔発明の効果〕

以上の通り、本発明の半導体素子によれば、ＧａＡｓ半
導体層の内部応力が小さくなり、これにより、その層に
クラックが発生せず、しかも、基板に歪みが生じない高
信頼性且つ高品質な半導体素子が提供できた。

また、本発明の半導体素子によれば、ＳＯＳ　Ｍ板を用
いているために大面積基板となり、これにより、−枚の
ウェファから得られる素子の数が多くなり、その結果、
製造効率が高くなって製造コストを低減することができ
た。

更に本発明の半導体素子によれば、基板からのオートド
ーピングが小さく、これにより、基板界面近傍の導電性
領域が小さくなり、それが浮遊容量とならず、その結果
、信顛性の高い高速電子デバイスが提供できた。

【図面の簡単な説明】

第１図はＭＯＣＶＤ装置の概略図、第２図はフォトルミ
ネセンススペクトルの線図、第３図はＸ線回折法による
半値巾を示す線図、第４図（Ａ）及び（Ｂ）はシリコン
元素のオートドーピングを表す線図である。１　・・・反応室２　・・・サセプタ３　・・・ＳＯＳ基板１７・・・第１バプラ１８・・・第２バプラ特許出願人　（６６３）京セラ株式会社代表者安城欽寿オフ角度（°うト、＼（△）（ら）

Claims

【特許請求の範囲】

　アルミナ単結晶のＲ面基板上にシリコン層を介してガ
リウムヒ素半導体層を形成した半導体素子であって、前
記ガリウムヒ素半導体層のフォトルミネセンス発光ピー
クの波長が、シリコン基板上に前記ガリウムヒ素半導体
層を形成して成る半導体素子より検出されるフォトルミ
ネセンス発光ピーク波長に比べて短波長側へシフトされ
ていることを特徴とする半導体素子。