JPH01227424A - 化合物半導体基板 - Google Patents

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〉 本発明は化合物半導体層を備えた化合物半導体基板の構
造に関するものであり、特にシリコン基板金用いてこの
基板上に高品質の化合物半導体層を形成した化合物半導
体基板に関するものである。

〈従来の技術〉 ＾Ｓ Ｇ　ａ４４．　Ｉ　ｎ　Ｐ等の化合物半導体はその優れ
た特徴を活して高性能、高機能デバイスに利用されつつ
ある。しかし化合物半導体結晶は一般に高価であり、大
面積の高品質基板結晶を得にくい等の問題点は解決され
ていない。このような問題点を克服するための試みとし
て、安価で良質、軽量なシリコンを基板としてこのシリ
コン基板上に化合物半導体層を積、、層し、さらに積層
された化合物半導体層に前述のデバイスを構成して半導
体装置を製造することが試みられている。

このようなシリコン基板を用いて化合物半導体装置を製
造する方法は従来からいくつか提案されているが、未だ
結晶品位等の点でバルク結晶に劣るのが現状である。

例えばシリコン（Ｓｉ）基板上に単結晶ＧａＡｓ層を形
成する試みとして、現在次のような方法が試みられてい
る。

即ち、シリコン（Ｓｉ）基板上にＧａＡｓ層を形成する
際に、あらかじめ予備堆積層を形成しておき、次に通常
の成長条件下でＧａＡｓをエピタキシャル成長するいわ
ゆる二段階成長法である。予備堆積層としては、通常の
成長条件よりも低温で形成したＧａＡｓ層、Ｇｅ層、あ
るいはＧａＡｓＰとＧａＰ及びＧａＡｓを交互に積層し
た緩衝層などが用いられている。

その−例としてＧａＡｓ層を予備堆積層とした二段階成
長法の成長プロセスを以下に述べる。

まずシリコン（Ｓｉ）基板上にＭＯＣＶＤ法あるいはＭ
　Ｂ　Ｅ法を用いて４５０℃以下の温度で約１００人の
ＧａＡｓ層を形成しその後、通常のＧａＡｓのエピタキ
ンヤル成長温度（６００℃〜７５０℃）まで基板を昇温
した後、ＧａＡｓ層を成長する。第２図は二段階成長法
で得られたシリコン（Ｓｉ）基板１３上のＧａＡｓ層４
の構造を示す模式図であり、５は予備堆積層である。

予備堆積層５として上記したいずれのものを用いた場合
も、ＳｉとＧａＡｓの界面頭載では、ＳｉとＧａＡｓの
格子定数の差（〜４％）により高密澄 度の不整Ａ転位が発生し、その一部は成長中に成長方向
に伝播し、成長層を貫通する。特に成長終了後成長温度
から室温への降温中シリコン（Ｓｉ）基板１３とＧａＡ
ｓ層４間の膨張係数の大きな相違による応力は成長方向
への転位の伝播を大きく促進するため、転位は表面近傍
の活性層形成鎖酸まで到達しＧａＡｓ層４にデバイスを
作製する場合に最もデバイス性能を左右する。

Ｓｉ基板上に形成し７たＧａＡｓ層の結晶性を高める試
みの一つとして次のような方法が試みられている。

即ち、表面近傍にまで到達する転位の密度を低減させる
ため、ＧａＡｓ／Ｓｉ界面と表面近傍層の間にＩｎＧａ
Ａｓ／ＧａＡｓ歪超格子を介挿する方法である。歪超格
子とは格子定数が異なる２種類の半導体薄膜を交互に積
層した構造であり、−層毎の層厚が薄いので格子は歪み
ながら連続的に接続される性質を持つ。この不整合によ
り生じる歪み応力が転位線を横方向に曲げることにより
、転位表面への伝播を阻止すると考えられている。フィ
ノンヤー（Ｆｉｓｃｈｅｒ）らは第３図のように、シリ
コン基板１３上にＧａＡｓからなる予備堆積層５及びバ
ッファ層２を形成し、該バッファ層２とＧａＡｓ層４と
の間にＩ　ｎｏ、１ｓ　Ｇ　ａｏ、ｓｓ　Ａｓ／ＧａＡ
ｓ交互層３を介挿して転位密度の低減化を報告している
（ＡＰＬ、Ｖｏｌ、４８．Ｐ、１２２１．１９８６）。

〈発明か解決しようとする課題〉 上記した従来の方法によれば、格子不整合転位の発生を
抑制し、転位密度をある程度低減することができるもの
の、単結晶化合物半導体基板に比較すると数桁大きい転
位密度を示している。このため特注の良い化合物半導体
素子をかかる化合物半導体基板上に形成することは困難
である。

〈課題を解決するための手段〉 本発明は上述する問題点を解決するためになされｔもの
で、 ほぼ（１１１）面を表面とする８１基板と、該Ｓｉ基板
上に形成され、ジンクブレンド型結晶構造を有する第１
の化合物半導体層と、該第１の化合物半導体層と前記Ｓ
ｉ基板との間に介挿され、互いに弾性定数の異なる第２
及び第３の化合物半導体層を交互に積層させた交互層と
、をＶｉ＆えてなる化合物半導体基板を提供するもので
ある。

この時、交互層は組成の異なる２種類の化合物半導体、
或いは同一の組成ではあるが、添加不純物の元素又は量
が異なる２種類の化合物半導体にて形成される。

〈作　用〉 Ｓｉ基板上に成長した化合物半導体では、その界面で発
生した不整合転位の一部が化合物半導体表面まで貫通し
、結晶の品質を著しく低下させる。

本発明では、この貫通転位を吸収する中間層として、交
互層を化合物半導体層中に介在させた構造にしている。

交互層を形成する２種類の化合物半導体は互いに弾性定
数が異なるので、交互層を貫通しようとする転位は交互
層中の各層間の界面でし力を受け、はとんどの駈位は水
平方向に曲げられ成長側面に向かうことになる。その結
果、交互層より上部の化合物半導体層が極めて低転位密
度の高品質層となることが可能である。

次に、この交互層を挾むことと、Ｓｉ　（１１１）面上
に成長することとを組み合わせることで、より高品質な
化合物半導体層が得、られることを説明する。ＧａＡｓ
、ＡＪＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ等、多くの化合物半導体
はジンクブレンド型の結晶構造をしており、（１１１）
面が滑り面である。又、ジンクブレンド型の結晶構造を
持った２種類の化合物半導体から成る混晶半導体におい
ても（１１１）互層について、以下で考える。Ｓｉ　（
１１１）面上に成長した化合物半導体は［１１１３軸を
界面に垂界面は滑り面である（１１１）面と平行となり
、転位９が界面に平行に走り易くなる。これに対し、例
えば第６図、第７図に示すように実験例の多いＳｉ　（
１００）面上に形成した交互層６ａ、？ａの場合、交互
層６ａ、７ａの界面は（１００）面であり、転位が存在
できるのは（１１１）面群と（１００）面とが交わる４
方向のみであって、転位１１のように動きにくい。これ
は他のＳｉ　（１１１）面以外の面上に形成した交互層
についても同様である。

さらに、成長終了後、成長温度から室温に降温する場合
、交互層６ａ、７ａとＳｉ基板との熱膨張係数が異なる
ため、交互層内に応力を生じ、この応力により転位が移
動する。Ｓｉ　（１１１）面上に形成した交互層６．７
の場合、転位９は界面に平行な（１１１）面上を移動す
る念め、交互層６．７を貫通することは少ない。しかし
く１１１）面以外のＳｉ面上に形成した交互層６ａ、７
ａの場合はすべての（１１１）面、が交互層６ａ、７ａ
を横切っているため、転位１１は応力によシ交互層６ａ
。

７ａを越えて移動し交互層６ａ、７ａを貫通する。

以上述べたように、Ｓ　ｉ　（１１１）面上に形成した
交互層６．７は、他の面のＳｉ上に成長した交互層６ａ
、７ａに比較してはるかに少ない転位しか貫通させず、
その上に形成される化合物半導体層は転位の少ない品質
の優れた結晶となる。

〈実施例〉 以下、本発明の２つの実施例を第１図を参照しながら説
明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

は）面方位が（１１１）面より０．５°ずれたＳｉ基板
１８を硝酸ボイルとバッフアートフッ酸とに交互に数回
浸漬して表面歪層を取り除く。Ｓｉ基板１８をパップア
ートフッ酸に最後に浸漬し、水洗した後、ＭＯＣＶＤ成
長装置内に入れる。この時、先ずＳｉ基板１３の温度を
９００℃以上に上げ、これを１０分間保持してＳｉ基板
１Ｂに形成された酸化膜（図示せず）を飛ばす１１次に
Ｓｉ基板１８４−温度４５０℃で１５０λのＧａＡｓ予
備堆積層５をＳｉ基板１８上に成長した後、７００℃に
昇温しで５分間保持する。このＳｉ基板１８を７００℃
に保持したまま１．５μｍのＧａＡｓバッファ層２を前
記ＧａＡｓ予備堆積層６上に形成した後、同じく７００
℃でＩ　ｎｏ、Ｏ５ｃａ（＋、９６　Ａｓ　１００λと
ＧａＡｓ１００λとを交互に６周期成長させて交互層８
とする。さらに７００℃で該交互層８上に１．５μｍの
単結晶ＧａＡｓ層４を形成してＧａＡｓ基板を得る。

上記実施例＋Ｕにおいて、Ｉ　ｎｏ、０５　Ｇａｏ、；
＋ｓ　ＡｓとＧａＡｓによる交互層について述べたが、
本発明はこれに限定されるものではなく、他のジンクブ
レンド構造の化合物半導体あるいはその混晶半導体によ
り形成される他の交互層についても同様に適用できるも
のであることは言うまでもない。又、単結晶層としてＧ
ａＡｓについて述べたが、これについてもＩｎＰ等他の
ジンクブレンド構造の化合物半導体を同様に適用できる
。

（２１面方位が（１１１）面より０．５°ずれたＳｉ基
板１１を硝酸ボイルとバッフアートフッ酸とに交互に数
回浸漬して表面歪層を取り除く。Ｓｉ基板１３をバッフ
アートフッ酸に最後に浸漬し水洗した後、ＭＯＣＶＤ成
長装置内に入れる。

この時、先ずＳｉ基板１８の温度を９ＱＯ”Ｃ以上に上
げ、これを１０分間保持してＳｉ基板１３に形成された
酸化膜（図示せず）を飛ばす。

次にＳｉ基板１８温度４５０℃で１５０人のＧａＡｓ予
備堆積層５をＳｉ基板１８上に成長した後、７９０℃に
昇温して５分間保持する。

このＳｉ基板１８を７００℃に保持したまま１μｍの無
添加ＧａＡｓパ・ノファ層２を前記ＧａＡｓ予備堆積層
５上に形成した後、同じく７００℃でＳｉをＩ　Ｘ　Ｉ
　Ｑ１９ｅｘ−”の濃度で添加した単結晶ＧａＡｓ層０
．１μｍと無添加の単結晶ＧａＡｓ層０．１μ購とを交
互に５対積層させて交互層３とする。さらに７００℃で
該交互層ａ上に１μｍの単結晶ＧａＡｓ層４を形成して
、ＧａＡｓ基板を得る。

上記実施例（２）において、無添加とＳｉ添加による交
互層について述べたが、本発明はこれに限定されるもの
ではなく、他の元素を用いる場合、２種の元素を交互に
添加する場合さらに添加量を変える場合についても同様
に適用できることは言うまでもない。又、先述の実施例
同様、単結晶層としてＧａＡｓ以外の他のジンクブレン
ド構造の化合物半導体も適用できる。

上記実施例ｆｉ＋、　（２＋において、面方位（１１１
）面より０．５°ずれたＳｉ基板を用いたが、本発明は
これに限定されるものではなく、表面上に所望化合物半
導体が成長でき、上述の作用が得られるずｈであｈば何
度ずれてもよい。発明者はＯ乃至４゜の範囲において（
１１１）面より面方位のずれたＳｉ基板であれば適用で
きることを確認した。

このように、ほぼ（１１１）面を表面とする８１基板を
用い、素子を形成したい化合物半導体層の表面近傍と前
記基板との間に交互層を介挿することにより、前記化合
物半導体層の表面近傍の転位密度が低減され、良質の化
合物半導体単結晶が成長された化合物半導体基板を製造
できる。

〈発明の効果〉 本発明により、表面近傍の転位の少ない化合物半導体層
をＳｉ基板上に形成した化合物半導体基板が得られる。

したがってこの基板を化合物半導体素子形成用基板とし
て用いることにより、高品質でかつ軽量な化合物半導体
装置の製造が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の交互層を挾んだ５ｉ（１１１）基板上
の化合物半導体基板の構造図、第２図及び第３図は従来
の化合物半導体基板の構造図、第４図は（１１１）面を
界面とする交互層中の転位の振舞を示す断面図、第５図
は第４図の平面図、第６図は（１００）面を界面とする
交互層中の転位の振舞を示す断面図、第７図は第６図の
平面図である。 １・・・Ｓｉ　（１１１）基板、２・・・化合物半導体
バ・ノファ層、３・・・交互層、４・・・化合物半導体
層、５・・・予備堆積層、６，６ａ・・・交互層を構成
している１種類の化合物半導体層、７，７ａ・・・交互
層を構成している、化合物半導体層６或いは６ａと異な
るもう１種類の化合物半導体層、８・・・転位、９・・
・界面に平行な転位の部分、１０・・・（１１１）面上
にあるが、界面に平行でない方向に向いている転位の部
分、１１・・・（１１１）面上でかつ界面に平行な方向
に向いている転位の部分、１２・・・（１１１）面上に
あるが、界面に平行でない方向に向いている転位の部分
、１３・・・Ｓｉ基板

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ほぼ（１１１）面を表面とするシリコン基板と該シ
   リコン基板上に形成され、ジンクブレンド型結晶構造を
   有する第１の化合物半導体層と、該第１の化合物半導体
   層と、前記シリコン基板との間に介挿され、互いに弾性
   定数の異なる第２、及び第３の化合物半導体層を交互に
   積層させた交互層と、 を備えてなることを特徴とする化合物半導体基板。