JPH03265122A - 半導体装置 - 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】 〔概　要〕 ＧａＡｓ　ｏｎ　Ｓｉに関し、 ＳｉとＧａＡｓとの極性の有無と格子定数の相違にもと
づく欠陥の発生を防止することを目的として、バー７７
７層としてＡＩＡｓＸＰ　Ｉ　ｗ　（０＜　ｘ　＜　１
　）をＳｌ上に成長させるように構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は半導体装置及びその製造方法に係る。

より詳しく述べると、本発明は基板と格子定数が異なる
化合物半導体エピタキシャル結晶の構造とその製造方法
に関する。

近年の超高速コンピュータや光通信技術の発達に伴い、
ＧａＡＳをはじめとする■−■族化合物半導体の集積度
や量産性の向上が要求されている。このため、大口径・
強度・価格などの面で優れた特長を持つＳｌを基板とし
、その上に超伝導高速動作や光機能などの利点を持つＧ
ａＡｓを成長する、いわゆるＧａＡｓ　ｏｎ　Ｓｉの開
発が盛んに行われている。しかし基板と成長層の格子定
数が異なる（ＧａＡｓはＳｌより格子定数が４％大きい
）ことと、Ｓｉのような極性のない（ｎｏｎｐｏｌａｒ
）結晶にＧａＡｓのような極性のある（ｐｏｌａｒ）結
晶を一体化させることの困難さのために、成長層に高密
度の転位や欠陥が発生するという問題がある。ＧａＡｓ
　ｏｎ　Ｓｉをデバイスとして用いるには、既存のＧａ
Ａｓバルク総晶並みに転移が少なく、かつ表面が平坦で
あることが要求される。

〔従来の技術〕

Ｓｉ基板上にＧａＡｓ単結晶を直接成長するのは容易で
ないために、その仲立ちとなるバッファ層がさまざまに
考案されている。従来のバッファ層の考え方は大きく分
けて第３図に示すような２通りがある。一つは、（ａ）
　Ｓｉ基板１の上に直接格子定数の異なる成長層を形成
しようとするもので、８１基板１上に低温でｌＱｎｍ程
度の薄いＧａＡｓアモルファス層２を成長し、温度を上
げて単結晶化した後ＧａＡｓ動作層３を成長するという
「２段階成長」と呼ばれるものである。いま一つは（ｂ
）Ｓｉ基板ｌの上に格子定数がほぼ等しいバッファ層４
例えばＧａＰを成長してからその上に格子定数の異なる
ＧａＡｓ動作層３を成長するものである。その間にＧａ
ＰとＧａＡｓの仲立ちとなるＧａＡｓＰ中間層５を成長
することもある。

最近、上記の２つの考え方とは別にＡ１を組成として含
む化合物半導体をバッファ層として成長するという考え
方が提案されている。本発明者らは、（ｃ）　ＡｌＡｓ
バッファ層６を原子層エピタキシを用いて成長し、その
上にＧａＡｓ動作層３をＭＯＣＶＤ成長すると結晶性や
モホロジが改善されることを見出した。また（ｄ）Ｇａ
Ｐ４のかわりに格子定数の等しい＾ｌＧａＰ　７を用い
るという方法が他の研究者により別に提案されて、同様
な効果が得られている。ＡＩ系の結晶を用いるとこのよ
うな効果が得られるのは、ＳｌとＡＩの結合の強さ、あ
るいはＡＩを組成に含む結晶が柔軟性を持つために歪み
を上手く吸収することによると考えられる。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記第１の２段階成長方法（ａ）では、基本的に極性の
有無、格子定数の相違のいずれも解決されていないため
、下地ＧａＡｓ層から欠陥を除去することは極めて困難
で、上層ＧａＡｓにもその欠陥が引き継がれる。第２の
ＧａＰをバッファとする方法（ｂ）は、先にｐｏｌＨ−
ｎｏｎｐｏｌａｒの不整合を解決してから、格子不整合
を解決しようとする点で比較的無理のない方法といえる
。しかし、この方法はＧａＰ４の成長がＭＢＥでは困難
であり、ＭＯＣＶＤでも９００℃という高温でないと成
長しないため界面が大きく乱れるという問題がある。

また、Ａ１を使う第３の方法（Ｃ）はＳｉ基板１とＡｌ
Ａｓ　６の間に、第４の方法（ＣＩ）は＾１ＧａＰ　７
とその上のＧａＡｓ層３の間にそれぞれ４％の格子定数
の違いがあり、格子定数の違いによるストレスは依然と
して問題として残されている。

そこで、本発明では、ＡＩを組成として含み、かつ基板
と動作層の間の格子定数の違いによるストレスが一つの
界面にのみ集中しないようなバッファ層を提供して上記
問題を解決することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、上記の欠点を解消する手段として、ＳｉとＧ
ａＡｓの中間の格子定数を持ち、且つＡＩを組成に含む
化合物半導体であるＡＩＡＳＸＰ　＋−（０＜　ｘ　＜
　１　）をバッファ層として用いるものである。本発明
の原理説明図を第１図に示す。図中、第３図で示したも
のと同一のものは同一の記号で表し、第１図（１）中の
８がＡＩＡＳＸＰ＋−９である。

すなわち、本発明は、Ｓｉ基板上にＡＩＡｓｘＰ＋−ｘ
　（０＜Ｘ＜ｌ）層、その上にＧａＡｓ又はＧａＡｓと
ほぼ等しい格子定数を有する化合物半導体の層を有する
ことを特徴とする半導体装置を提供する。Ｓｉ基板上の
バッファ層となるＡｌＡｓ、Ｐ＋　Ｘ（０＜　ｘ　＜　
１）層はＳｉ基板側でＸ値が小さく、化合物半導体側で
Ｘ値が大きくなるように変化することができる。

ＡＩＦの格子定数はＧａＰやＳｉ基板とほぼ等しく、Ａ
ｌＡｓの格子定数はＧａＡｓ動作層とほぼ等しい。本発
明はＡＩＡｓＰの格子定数がそれらの中間で、ＡｓとＰ
の組成比Ｘにより変化することを利用するものである。

本発明はＡｌＡｓｘＰ１−の用い方として２通りを提案
する。一つは、第１図（２）のように単一の組成比、例
えばｘ　＝　０．５とし、５１基板１との界面とＧａＡ
ｓ層３との界面で格子定数の差を２％ずつに分散させる
ものである。いま一つは、同図（３）のように組成をＡ
ＩＦからＡｌＡｓへ徐々に変化させていくものである。

これにより格子定数もＳｌの大きさからＧａＡｓの大き
さへと徐々に変化させることができる。

〔作　用〕

本発明では、第１図のごと＜Ｓｉ基板１とＧａＡｓ動作
層３の中間の格子定数を持つ結晶ＡＩＡｓＰをノくツフ
ァ層とするので、４％の格子定数の差により生じた歪み
を２回に分けて緩和することができる。

またＡｌを組成として含むので結晶に弾力があり、また
ＳｌとＡＩの結合の強さを活かすことができる。

〔実施例〕

第２図は本発明の一実施例に従った成長の工程を示した
ものである。

Ｓｉ基板は［：０１１：］方向に３度オフした（１００
）面を持つ。反応装置中で水素を流しながら１０００℃
で２０分間加熱し、表面をクリーニングする。

ＡＩＡｓＰバッファ層８の形成は膜の均一性に優れかつ
一原子層単位で成長を制御できる原子層エピタキン（Ａ
ＬＥ）を用いる。原料ガスには、トリメチルアルミニュ
ウム（ＴＭＡ）、アルシン（Ａｓ）Ｉ３）、フォスフイ
ン（ＰＨ３）を用いる。キャリヤガスは水素である。反
応装置の圧力は２０ＴＯｒｒ、ガスの流量は２ＳＬＭと
一定に保持する。

３１基板のクリーニング後、基板温度を５００℃に下げ
、ＴＭＡ　　ＡＳＨ３ＴＭＡ−ＰＨ３を１サイクルとし
て、繰り返し成長を行う。５０℃サイクル成長後、温度
を６５０℃に上げ、ＧａＡｓをＭＯＣＶＤで成長する。

ＭＯＣＶＤはＡＬＥと同じ反応装置と原料ガスを用い、
条件は例えば、圧力２０ＴＯｒｒ１総流量２ＳＬＭ、基
板温度６５０℃、ｖ−ｍ比４０である。ＧａＡｓ層の厚
みがデバイスの必要な値、例えば３μに達したら成長を
停止する。

第３図（ｂ）のように、ＭＯＣＶＤでＧａ））バー／　
７７層を成長した時には基板／成長層界面が大きく乱れ
るのに対して、上記実例に従えば一原子レベルで平坦な
界面が形成できる。その結果としてＧａＡｓ層の表面も
平坦性が向上する。欠陥密度は従来法によれば１０８ｃ
ｍ−２台ないし１０層ｃｍ−２台であったのに対し、上
記実施例によれば１０６ｃｍ−２台に減少する。

なお、ＡＩＡｓＰ層の成長ハＡＬＥテなくてもＭＯＣＶ
Ｄを用いてもよい。しかし成長温度を５００℃より上げ
る必要があり、Ｓｌとの界面が乱れやす（なる。

上記実施例はＡｌＡｓｘＰ１−の組成比Ｘが０．５とな
るようにしたものであるが、０より大きく１より小さい
値の範囲でＸを選定することが可能である。

ＡｌＡｓｘＰ１−のＸは一定ではなく、成長途上で変化
させると、格子定数の違いによる歪みを徐々に緩和する
ことができる。例えばＡＩＡｓＸＰ＋　＞１の成長開始
時にＸをＯ付近とし、徐々に大きくしていきｘ＝ｌで終
了するように変える。

ＭＯＣＶＤはＡＬＥより成長速度が大きいために厚膜を
形成するのに有利である。

ＡＩＡｓＰ上の成長層はＧａＡｓだけでなく　ＧａＡｓ
と格子定数の等しいＧａＡｌＡｓでもよい。またこれら
の結晶の組み合わせでもよい。このような組み合わせに
より、ＨＥＭ丁や半導体レーザが形成できる。本発明に
おいてＧａＡｓとほぼ等しい格子定数とは５．６〜５．
７人を指称する。

また、第一原子層はＡ１だけでな（、Ａｓ、Ｐでもよい
。ＡｓやＰの場合はＡｓＨ３やＰＨ，を供給する温度を
適切に選べば、Ａ１よりも二次元に近い成長が可能な場
合がある。

ＡｌＡｓＰの代わりに、ＡＩＰとＡｌＡｓの超格子を形
成すると効果的なことがある。例えばＡＩＡＳＩＯ層、
ＡＩＰ　１０層を交互に成長し、ｘ　＝　０．５のＡｌ
Ａｓ　（ｘ）　Ｐ　（１−×）と同等の結晶を形成する
。この構造は個々の界面で転移の伝播が阻止される効果
がある。

〔発明の効果〕

本発明によれば、第３図に示した従来のＧａＡｓｏｎ　
Ｓｉの構造と異なり、Ｓｉ基板１とＧａＡｓ動作層３の
中間の格子定数を持つ結晶＾］ＡｓＰ　８をバッファ層
とするので、４％の格子定数の差により生じた歪みを２
回に分けて緩和することができる。またＡ１を組成とし
て含むので結晶に弾力があり、またＳｌとＡ１の結合の
強さを活かすことができる。その結果品質の良いＧａＡ
ｓ層を３１基板の上に成長することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（１）〜（３）は本発明の原理説明図、第２図は
実施例の成長工程の温度プロファイル図、第３図（ａ）
　〜（ｄ）は従来のＧａＡｓ　ｏｎ　Ｓｉの構造図であ
る。 １・・・Ｓｉ基板、 ２・・・ＧａＡｓアモルファス結晶化層、３−ＧａＡｓ
動作層、　　　　４　・ＧａＰ層、５　・−ＧａＡｓＰ
層、　　　　　６・・・ＡｌＡｓ層、７・・・ＡＩＧｏ
Ｐ層、　　　　　８・・・ＡＩＡｓＰ層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、Ｓｉ基板上にバッファ層としてＡｌＡｓ＿ｘＰ＿１
   ＿−＿ｘ（０＜ｘ＜１）層を有し、その上にＧａＡｓ又
   はＧａＡｓとほぼ等しい格子定数を有する化合物半導体
   の層を有することを特徴とする半導体装置。 ２、前記バッファ層となるＡｌＡｓ＿ｘＰ＿１＿−＿ｘ
   （０＜ｘ＜１）層が、Ｓｉ基板側でｘ値が小さく、化合
   物半導体層側でｘ値が大きくなる様に変化する請求項１
   記載の半導体装置。