JPH01211912A - 半導体基板 - Google Patents
半導体基板Info
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- JPH01211912A JPH01211912A JP3696888A JP3696888A JPH01211912A JP H01211912 A JPH01211912 A JP H01211912A JP 3696888 A JP3696888 A JP 3696888A JP 3696888 A JP3696888 A JP 3696888A JP H01211912 A JPH01211912 A JP H01211912A
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Landscapes
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
- Recrystallisation Techniques (AREA)
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。
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Description
【発明の詳細な説明】
(産業上の利用分野)
この発明は高速でかつ駆動能力の高い虫を基板としたデ
バイスを製作するに有効なIII −V化合物半導体エ
ピタキシャル層をSi基板上に配した半導体基板に関す
る。
バイスを製作するに有効なIII −V化合物半導体エ
ピタキシャル層をSi基板上に配した半導体基板に関す
る。
(従来の技術)
GaAsやGaPなどIILV化合物半導体エピタキシ
ャル層をSi基板上に形成する技術が資源保護や製造工
程での取り扱い易さ、あるいはSi高速デバイス製作の
目的から着目されている。
ャル層をSi基板上に形成する技術が資源保護や製造工
程での取り扱い易さ、あるいはSi高速デバイス製作の
目的から着目されている。
(発明が解決しようとする問題点)
しかしSi基板上のIII −V化合物半導体エピタキ
シャル膜の結晶性は著しく悪い。この原因は■エピタキ
シャル成長前のSi基板の前処理、■Siのようなノン
ポーラ−基板上にIII + V化合物半導体のような
ポーラ−なエピタキシャル層を形成するという場合につ
きもののアンチフェーズドメインの発生、および■Si
と1旧V化合物半導体の格子不整の3点にあるというこ
とは共通認識であろうが、一般の動きは■の問題は本質
的に存在するのだから、■および■を解決する技術を培
うことでSi基板上のIII + V化合物エピタキシ
ャル膜の結晶性改善を図ろうというものである。現在の
ところ■、■あるいは■の問題が錯綜、どれがIH−V
化合物半導体の結晶性を低下する主原因となっているか
を判断できない状況にある。本発明は■および■は技術
的には十分解決できる問題であるとの立場から、本質的
問題である■の格子不整の問題を解決することでエピタ
キシャル膜の結晶性を基本的に解決しようとするもので
ある。流行しているGaAsをSi基板に形成しようと
する技術ではGaAs/Si界面を使用することは当初
からあきらめエピタキシャル成長したGaAs表面付近
を用いてデバイスを作ろうとするものである。aをエピ
タキシャル層の格子定数、a土をエピタキシャル層の成
長厚さ方向の格子定数、a8:基板の格子定数とすると
格子不整はΔa上= a” −a、で表され、ポアソン
比をVで表せばΔa−’=((1+v)/(1−v))
(a−as)の関係にある。
シャル膜の結晶性は著しく悪い。この原因は■エピタキ
シャル成長前のSi基板の前処理、■Siのようなノン
ポーラ−基板上にIII + V化合物半導体のような
ポーラ−なエピタキシャル層を形成するという場合につ
きもののアンチフェーズドメインの発生、および■Si
と1旧V化合物半導体の格子不整の3点にあるというこ
とは共通認識であろうが、一般の動きは■の問題は本質
的に存在するのだから、■および■を解決する技術を培
うことでSi基板上のIII + V化合物エピタキシ
ャル膜の結晶性改善を図ろうというものである。現在の
ところ■、■あるいは■の問題が錯綜、どれがIH−V
化合物半導体の結晶性を低下する主原因となっているか
を判断できない状況にある。本発明は■および■は技術
的には十分解決できる問題であるとの立場から、本質的
問題である■の格子不整の問題を解決することでエピタ
キシャル膜の結晶性を基本的に解決しようとするもので
ある。流行しているGaAsをSi基板に形成しようと
する技術ではGaAs/Si界面を使用することは当初
からあきらめエピタキシャル成長したGaAs表面付近
を用いてデバイスを作ろうとするものである。aをエピ
タキシャル層の格子定数、a土をエピタキシャル層の成
長厚さ方向の格子定数、a8:基板の格子定数とすると
格子不整はΔa上= a” −a、で表され、ポアソン
比をVで表せばΔa−’=((1+v)/(1−v))
(a−as)の関係にある。
Δa=a−a、であるが、格子不整の比較的小さなGa
P/Si系においてもΔa/a、は〜3.4X10−3
であり、A1□−xGaxAslGaAs系の値を越え
る。実用化されているIn1−XGaxAsYPl−Y
/InP系デバイスでのΔa”/a、は10−4代に制
御されており、GaP/Si系でも格子不整は小さいと
は言えない。本発明によればIII + V化合物半導
体/Si界面の物性を利用したデバイスへの応用へ大き
く飛躍する。特に下の表は8iと主なlll−■化合物
半導体の室温での格子定数と線膨張係数の値を示すもの
であるが、III + V化合物半導体に較べてSiの
線膨張係数が小さいために室温より高い温度でなされる
エピタキシャル成長時点でのIILV化合物半導体とS
i基板との格子定数の差は上記室温ですなわち、IH+
V化合物半導体をSi基板にエピタキシャル成長する
技術は注目されているが界面の欠陥を除去することは容
易ではないと考えられる。GaPをSi基板上に形成す
ることでGaPをエミッタとしたいわゆるヘテロバイポ
ーラトランジスタ(HBT)が期待されているが、Ga
P/Si界面が直接動作に関与するため界面欠陥の除去
は重要である。
P/Si系においてもΔa/a、は〜3.4X10−3
であり、A1□−xGaxAslGaAs系の値を越え
る。実用化されているIn1−XGaxAsYPl−Y
/InP系デバイスでのΔa”/a、は10−4代に制
御されており、GaP/Si系でも格子不整は小さいと
は言えない。本発明によればIII + V化合物半導
体/Si界面の物性を利用したデバイスへの応用へ大き
く飛躍する。特に下の表は8iと主なlll−■化合物
半導体の室温での格子定数と線膨張係数の値を示すもの
であるが、III + V化合物半導体に較べてSiの
線膨張係数が小さいために室温より高い温度でなされる
エピタキシャル成長時点でのIILV化合物半導体とS
i基板との格子定数の差は上記室温ですなわち、IH+
V化合物半導体をSi基板にエピタキシャル成長する
技術は注目されているが界面の欠陥を除去することは容
易ではないと考えられる。GaPをSi基板上に形成す
ることでGaPをエミッタとしたいわゆるヘテロバイポ
ーラトランジスタ(HBT)が期待されているが、Ga
P/Si界面が直接動作に関与するため界面欠陥の除去
は重要である。
■の問題は技術的な問題に過ぎないし、■はこの材料系
を取り上げる以上は克服しなければならない問題である
一方、■の格子整合に関して材料を選択する余地があり
、この問題を取り除くことがまず重要である。
を取り上げる以上は克服しなければならない問題である
一方、■の格子整合に関して材料を選択する余地があり
、この問題を取り除くことがまず重要である。
本発明の目的はSi基板の上にIII −V化合物半導
体を格子整合させてエピタキシャル成長することにより
、上記III + V化合物半導体エピタキシャル層の
欠陥密度を大幅な低減を実現する半導体ウェーハの構造
を提供することにある。
体を格子整合させてエピタキシャル成長することにより
、上記III + V化合物半導体エピタキシャル層の
欠陥密度を大幅な低減を実現する半導体ウェーハの構造
を提供することにある。
(問題点を解決するための手段)
本発明の骨子は窒素原子を添加することでSiとの格子
整合した閃亜鉛鉱型の結晶構造を持つIIL■化合物半
導体エピタキシャル層をSi基板上に形成したことを特
徴とするもので、窒素添加によりSi基1仮に格子整合
させることでエピタキシャル層の欠陥を大幅に削減する
ものである。
整合した閃亜鉛鉱型の結晶構造を持つIIL■化合物半
導体エピタキシャル層をSi基板上に形成したことを特
徴とするもので、窒素添加によりSi基1仮に格子整合
させることでエピタキシャル層の欠陥を大幅に削減する
ものである。
(作用)
現在、Siより最近接原子間距離の短いIII −V化
合物は半導体材料としての認識されていない。しかし、
最近接原子間距離で考えたときにはウルツ鉱型結晶構造
を持つIIII −V化合物半導体ではSiの最近接原
子間距離より小さいものがある。GaNやAINなどV
族原子Nの化合物である。ところがこうした化合物がウ
ルツ鉱型結晶構造をとるためであろうか、閃亜鉛型II
I −V化合物との混晶を作り、Siと格子整合させる
という発想がなかった。これは結晶系の違いを乗り越え
てこうした混晶をつくることが困難と思われていたため
であろう。ここでの問題はNを添加して8iと格子定数
の整合をとることが出来るかということである。Nはア
ンモニアなどのガス原料やヒドラジン等の液体原料が存
在し在来のエピタキシャル成長技術により容易に添加可
能である。さてN原子の添加量全検討し、Siとの格子
整合した層はウルツ鉱型結晶構造を持っIll + V
化合物混晶では期待出来ず閃亜鉛鉱型の結晶構造を保っ
た状態での格子整合が要点で、こうすることでSiと格
子整合した欠陥密度の激減を達成したNを含んだIIL
V化合物半導体混晶エピタキシャル層を得ることを狙う
ものである。
合物は半導体材料としての認識されていない。しかし、
最近接原子間距離で考えたときにはウルツ鉱型結晶構造
を持つIIII −V化合物半導体ではSiの最近接原
子間距離より小さいものがある。GaNやAINなどV
族原子Nの化合物である。ところがこうした化合物がウ
ルツ鉱型結晶構造をとるためであろうか、閃亜鉛型II
I −V化合物との混晶を作り、Siと格子整合させる
という発想がなかった。これは結晶系の違いを乗り越え
てこうした混晶をつくることが困難と思われていたため
であろう。ここでの問題はNを添加して8iと格子定数
の整合をとることが出来るかということである。Nはア
ンモニアなどのガス原料やヒドラジン等の液体原料が存
在し在来のエピタキシャル成長技術により容易に添加可
能である。さてN原子の添加量全検討し、Siとの格子
整合した層はウルツ鉱型結晶構造を持っIll + V
化合物混晶では期待出来ず閃亜鉛鉱型の結晶構造を保っ
た状態での格子整合が要点で、こうすることでSiと格
子整合した欠陥密度の激減を達成したNを含んだIIL
V化合物半導体混晶エピタキシャル層を得ることを狙う
ものである。
(実施例)
以下、この発明を実施例に基づき詳細に説明する。
ここではSi基板上にNを含んだGaPを形成する場合
についての実施例について示す。エピタキシャル成長装
置は通常のMOMBEあるいはガス原料分子線エピタキ
シーと呼ばれるもので、Ga原料としてはトリメチルガ
リウム(TMGa)、P原料としてはPH3ガス、N原
料としてはN2H4を用いる。Si基板温度は550°
CとしてPH3およびN2H4は1300°Cおよび7
00°Cに加熱した領域を通すことでクロッキングして
エピタキシー室に供給する方法を取る。成長時のエピタ
キシー室の真空度は〜lXl0−5)−ルである。さて
、Si基板と格子整合したGaP1−xNxの混晶の組
成比Xは第1図より予想したものである。すなわち、第
1図は成長温度550°CでのGaP0−xNxlGa
Asl−XNxの最近接原子間距離の組成依存性を示す
。第1図はそれぞれGaPおよびGaAsの最近接原子
間距離とGaNのその値を直線で結んだものに過ぎ″な
いが、Siの最近接原子間距離と一致する条件はGaP
1−XNxで〜X=Q、03、GaAst−xNxでは
X=0.19となることが解る。こうした組成の混晶を
製作するためにGaP1−xNxの場合にはTMGaを
Q、2secm 。
についての実施例について示す。エピタキシャル成長装
置は通常のMOMBEあるいはガス原料分子線エピタキ
シーと呼ばれるもので、Ga原料としてはトリメチルガ
リウム(TMGa)、P原料としてはPH3ガス、N原
料としてはN2H4を用いる。Si基板温度は550°
CとしてPH3およびN2H4は1300°Cおよび7
00°Cに加熱した領域を通すことでクロッキングして
エピタキシー室に供給する方法を取る。成長時のエピタ
キシー室の真空度は〜lXl0−5)−ルである。さて
、Si基板と格子整合したGaP1−xNxの混晶の組
成比Xは第1図より予想したものである。すなわち、第
1図は成長温度550°CでのGaP0−xNxlGa
Asl−XNxの最近接原子間距離の組成依存性を示す
。第1図はそれぞれGaPおよびGaAsの最近接原子
間距離とGaNのその値を直線で結んだものに過ぎ″な
いが、Siの最近接原子間距離と一致する条件はGaP
1−XNxで〜X=Q、03、GaAst−xNxでは
X=0.19となることが解る。こうした組成の混晶を
製作するためにGaP1−xNxの場合にはTMGaを
Q、2secm 。
PH3は0.8secm 、 N2H4はH2で濃度1
0%に希釈して0.1secm供給することで作ること
ができる。
0%に希釈して0.1secm供給することで作ること
ができる。
GaAs、 XNXでは再現性のある結果は得られては
いないが、約1μmの厚さに成長した試料ではGaP1
−xNxおよびGaAs1−)(NX共に成長後の表面
が鏡面である試料についてX線二結晶法によるロッキン
グカーブ測定でSi基板の格子定数に対するエピタキシ
ャル成長方向での格子定数の比を測定したところ、±1
.006以内のものであれば鏡面成長する。
いないが、約1μmの厚さに成長した試料ではGaP1
−xNxおよびGaAs1−)(NX共に成長後の表面
が鏡面である試料についてX線二結晶法によるロッキン
グカーブ測定でSi基板の格子定数に対するエピタキシ
ャル成長方向での格子定数の比を測定したところ、±1
.006以内のものであれば鏡面成長する。
ポアソン比を0.3とするならばSi基板の格子定数に
対するエピタキシャル結晶の格子定数の比が±1.00
33以内にあればエピタキシャル結晶の表面が鏡面の試
料が得られる。再現性の点から判断すると±1.002
2以内であることが望ましい。また、僅かのN添加によ
り格子整合が得られたことはこのエピタキシャル層の結
晶系がウルツ鉱型であることはなく閃亜鉛鉱型構造であ
ることも確実である。なお、GaAs、−xNXの場合
にはTMGaを0.2secm、AsH3を0.8se
cm 、 N2H4はH2で濃度10%に希釈して=0
.2secm供給することで作ることができる。こうし
て鏡面に出来あがり、約111mの厚さを持つGaPニ
ーxNx層にSiO2膜を選択拡散マスクに用い、Zn
とPを拡散源として560°C,1時間の拡散を閉管法
で行なった。Zn拡散領域は500pm径を持ち、深さ
約0.5pmのp領域が形成されたことになる。このp
−n接合の容量−電圧特性を測定したところ、濃度2×
1016cm−3が得られた。拡散で作られたp領域の
濃度は1019cm−3を越えることは確かなのでこの
容量−電圧特性で測定された濃度2X1016cm−3
はエピタキシャルGaPニーxNx層のものである。さ
らに逆バイアス特性を測定したところNを含まないGa
P層の場合のソフトな特性とは明らかに異なるハードな
特性に変化し、降伏電圧も50〜70Vを越え、しかも
格子整合が良いものほど良好なp−n接合特性が得られ
る。p−n接合を流れる電流■の電圧V依存性はIoo
exp(eV/nkT)で書かれることは良く知られ
ているがnの値は1.3〜1.5となり、時に2を越え
るところのNを添加してい、ないGaP層の場合に較べ
て格段に良い値が得られた。n=1.3〜1.5はGa
Pのような広い禁制帯幅を持った半導体では良い値であ
り、エピタキシャル層の結晶性の向上が解る。さらに界
面の性質を見るために1×1016cm−3のp型Si
基板の上に1×1017cm−3のSiを添加したGa
P1−XNx層を形成してヘテロ構造を持ったp−n接
合を評価した。この場合にはGaP1−XNx層に直接
、オーム性の良い電極をとることは容易ではないために
GaPニーxNX層の上にPを添加したSi層をMBE
成長で形成し電極層とした。このヘテロ構造p−n接合
の逆バイアス降伏電圧は40〜55Vを示しへテロ界面
の良好であることも解る。
対するエピタキシャル結晶の格子定数の比が±1.00
33以内にあればエピタキシャル結晶の表面が鏡面の試
料が得られる。再現性の点から判断すると±1.002
2以内であることが望ましい。また、僅かのN添加によ
り格子整合が得られたことはこのエピタキシャル層の結
晶系がウルツ鉱型であることはなく閃亜鉛鉱型構造であ
ることも確実である。なお、GaAs、−xNXの場合
にはTMGaを0.2secm、AsH3を0.8se
cm 、 N2H4はH2で濃度10%に希釈して=0
.2secm供給することで作ることができる。こうし
て鏡面に出来あがり、約111mの厚さを持つGaPニ
ーxNx層にSiO2膜を選択拡散マスクに用い、Zn
とPを拡散源として560°C,1時間の拡散を閉管法
で行なった。Zn拡散領域は500pm径を持ち、深さ
約0.5pmのp領域が形成されたことになる。このp
−n接合の容量−電圧特性を測定したところ、濃度2×
1016cm−3が得られた。拡散で作られたp領域の
濃度は1019cm−3を越えることは確かなのでこの
容量−電圧特性で測定された濃度2X1016cm−3
はエピタキシャルGaPニーxNx層のものである。さ
らに逆バイアス特性を測定したところNを含まないGa
P層の場合のソフトな特性とは明らかに異なるハードな
特性に変化し、降伏電圧も50〜70Vを越え、しかも
格子整合が良いものほど良好なp−n接合特性が得られ
る。p−n接合を流れる電流■の電圧V依存性はIoo
exp(eV/nkT)で書かれることは良く知られ
ているがnの値は1.3〜1.5となり、時に2を越え
るところのNを添加してい、ないGaP層の場合に較べ
て格段に良い値が得られた。n=1.3〜1.5はGa
Pのような広い禁制帯幅を持った半導体では良い値であ
り、エピタキシャル層の結晶性の向上が解る。さらに界
面の性質を見るために1×1016cm−3のp型Si
基板の上に1×1017cm−3のSiを添加したGa
P1−XNx層を形成してヘテロ構造を持ったp−n接
合を評価した。この場合にはGaP1−XNx層に直接
、オーム性の良い電極をとることは容易ではないために
GaPニーxNX層の上にPを添加したSi層をMBE
成長で形成し電極層とした。このヘテロ構造p−n接合
の逆バイアス降伏電圧は40〜55Vを示しへテロ界面
の良好であることも解る。
以上の実施例ではエピタキシャル層の厚さはIpmであ
ったが、1000人、100人の膜厚の場合、基板とエ
ピタキシャル層の格子定数の比が各々±1.02以内、
±1.05以内にあれば鏡面の試料が得られた。
ったが、1000人、100人の膜厚の場合、基板とエ
ピタキシャル層の格子定数の比が各々±1.02以内、
±1.05以内にあれば鏡面の試料が得られた。
(発明の効果)
この発明の結晶構造である窒素原子を添加することでS
iとの格子整合した閃亜鉛鉱型の結晶構造を持つIII
+ V化合物半導体エピタキシャル層をSi基板上に
形成することにより、III + V化合物半導体エピ
タキシャル層における欠陥密度が格子整合度が上がるに
つれ減少することが透過電子顕微鏡による断面観察でみ
られる。一般に多数キャリア伝導のデバイス、例えばシ
ョットキーゲート電界効果トランジスタ(MESFET
)の初期特性ではエピタキシャル層の欠陥は特性に反映
されないが、光デバイスで良く知られているようにHB
Tデバイスなどの少数キャリアがデバイスの基本動作に
関わる場合には特性やデバイス寿命の低下に作用する。
iとの格子整合した閃亜鉛鉱型の結晶構造を持つIII
+ V化合物半導体エピタキシャル層をSi基板上に
形成することにより、III + V化合物半導体エピ
タキシャル層における欠陥密度が格子整合度が上がるに
つれ減少することが透過電子顕微鏡による断面観察でみ
られる。一般に多数キャリア伝導のデバイス、例えばシ
ョットキーゲート電界効果トランジスタ(MESFET
)の初期特性ではエピタキシャル層の欠陥は特性に反映
されないが、光デバイスで良く知られているようにHB
Tデバイスなどの少数キャリアがデバイスの基本動作に
関わる場合には特性やデバイス寿命の低下に作用する。
このため、エピタキシャル層の欠陥の低減は極めて重要
にデバイス特性や寿命の向上に繁がるものである。なお
、本発明の効果はN2H4に代わってNH3を用いて製
作しても代わるものではなく、原料によるものではない
。また、成長方法もガス原料分子線エピタキシーに限ら
れたものではなく、有機金属気相成長など他の成長方法
でも良い。さらに、11LV化合物半導体もGaPNに
限るものではなくGaASNやInPNなどの他のII
I −V化合物半導体に対しても本発明は適用できるこ
とは言うまでもない。
にデバイス特性や寿命の向上に繁がるものである。なお
、本発明の効果はN2H4に代わってNH3を用いて製
作しても代わるものではなく、原料によるものではない
。また、成長方法もガス原料分子線エピタキシーに限ら
れたものではなく、有機金属気相成長など他の成長方法
でも良い。さらに、11LV化合物半導体もGaPNに
限るものではなくGaASNやInPNなどの他のII
I −V化合物半導体に対しても本発明は適用できるこ
とは言うまでもない。
第1図はGaP1−XNx、GaAs1−XNxの最近
接原子距離の組成依存性を示す図である。
接原子距離の組成依存性を示す図である。
Claims (1)
- Si基板にSiと格子整合するように窒素原子を含ま
せた閃亜鉛鉱型の結晶構造を持つIII−V化合物半導体
エピタキシャル層を有することを特徴とする半導体基板
。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3696888A JPH01211912A (ja) | 1988-02-18 | 1988-02-18 | 半導体基板 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3696888A JPH01211912A (ja) | 1988-02-18 | 1988-02-18 | 半導体基板 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH01211912A true JPH01211912A (ja) | 1989-08-25 |
Family
ID=12484538
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP3696888A Pending JPH01211912A (ja) | 1988-02-18 | 1988-02-18 | 半導体基板 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH01211912A (ja) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5937274A (en) * | 1995-01-31 | 1999-08-10 | Hitachi, Ltd. | Fabrication method for AlGaIn NPAsSb based devices |
JP2007073820A (ja) * | 2005-09-08 | 2007-03-22 | Sumco Corp | エピタキシャルウェーハ及びその製造方法 |
JP2016213488A (ja) * | 2005-01-26 | 2016-12-15 | フィリップス ウニベルジテート マールブルグ | I/v半導体の製造方法 |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS63184321A (ja) * | 1987-01-27 | 1988-07-29 | Sharp Corp | 化合物半導体成長法 |
JPS63305511A (ja) * | 1987-06-05 | 1988-12-13 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 半導体装置およびその製造方法 |
-
1988
- 1988-02-18 JP JP3696888A patent/JPH01211912A/ja active Pending
Patent Citations (2)
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