JPH0336717A - 積層型半導体基板 - Google Patents

積層型半導体基板

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JPH0336717A
JPH0336717A JP17216889A JP17216889A JPH0336717A JP H0336717 A JPH0336717 A JP H0336717A JP 17216889 A JP17216889 A JP 17216889A JP 17216889 A JP17216889 A JP 17216889A JP H0336717 A JPH0336717 A JP H0336717A
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JP
Japan
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layer
gaas
dislocation
thickness
dislocations
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JP17216889A
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Inventor
Koji Okuda
浩司 奥田
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Fujitsu Ltd
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Fujitsu Ltd
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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〕 本発明はSi基機上にGaAsの如き化合物半導体単結
晶をエピタキシャル成長させた構造の積層型半導体基板
に関わり、 基板とエピタキシャル成長層の界面に発生するミスフィ
ツト転位の伝播を抑制する効果がより優れたものである
積層型バッファ構造を提供することを目的とし、 上記例の如くエピタキシャル成長層がGaAsである場
合、 単結晶Sl基板上に、格子不整合に起因する応力をミス
フィツト転位の発生によって解消させたI nGaAs
或いはGaAs P層を設け、その上にミスフィツト転
位の発生による応力解消のない厚さにGaAs層を設け
、 またその上にミスフィツト転位の発生による応力解消の
ない厚さに[nGaAs或いはCaAsP層を設け、 更にその上に目的層であるGaAs層を設けた構成とす
る。
〔産業上の利用分野] 本発明はSi基板上にGaAsの如き化合物半導体単結
晶をエピタキシャル成長させた構造の積層型半導体基板
に関わり、特に応力層を介在させてミスフィツト転位の
伝播を抑制した積層型半導体基板に関わる。
近年、電子的特性がSiより優れたGaAs基板に素子
を組み込んで集積回路を形成することが行われるように
なった。その場合、C+aAs基板は全体がGaAsで
あるものよりも、支持体部分はSiで素子形成層のみG
aAsであるものの方が、機械的強度が大であり、経済
性も勝っていることから、単結晶Si基板にGaAs層
をエピタキシャル成長させた集積回路用基板が有望であ
ると1工されている。
ところがStに比べGaAsは格子定数が約4%大であ
るため、このような構成の集積回路基板を通常の気相成
長法などで形成しようとすると、SlとGaAsの格子
不整合に起因する転位(ミスフィツト転位)が発生し、
転位線が成長層中に伝播することが起こる。成長層の転
位密度が大であると形成された素子の特性に悪影響が及
ぶので、このような転位の伝播は極力阻止しなければな
らない。
〔従来の技術と発明が解決しようとする課題〕へテロ・
エピタキシャル界面に生ずるミスフィツト転位を成長層
に伝播させないためには、間にバッファ層を介在させる
ことが行われている。バッファ層を設けることの直接の
目的は必ずしも転位伝播の抑制とは限らないが、結果的
に素子形成層の結晶欠陥を減少させる効果を示すことも
あり、どのようなバッファ層が有効かということで、従
来様々な構造や処理が提案されている。
例えば、第4図(a)の如く、低温で成長したGaAs
Nをバッファ層として介在させるものがある。
同図の21はSi基板、23は例えば450’Cで成長
させた低温GaAs層、22は600〜700°Cで成
長させたGaAs層である。
また、第4図へ)ではバッファ層として組成をGaPか
らGaAsに連続的に変化させた傾斜組成(グレーデッ
ド)層24を用いている。即ち、Si基板21に接する
部分はGaPの組成でエピタキシャル成長を開始し、次
第にAs成分を増して最終的にはGaAsとしたバッフ
ァ層を形成し、その上にGaAs層22を成長させてい
る。
これらの処理は最終成長層であるGaAs層の欠陥低減
にはかなりの効果を有するものの、転位の伝播を阻止す
るという点では十分とは言い難いものである。
第4図(C1はSi基板21と目的とするGaAs層2
2の間にGaAsPとGaPから成る超格子層25およ
びGaAs/GaAsPの超格子層26を介在させたも
のである。これ等の超格子は歪超格子と呼ばれ、素子形
成層中の転位密度を減少させるのに有効であるが、構造
が複雑であり、層形成のために精密な制御が要求される
本発明の目的は、簡単な構成で転位伝播阻止機能の優れ
たバッファ層構造を提供することであり、欠陥密度の低
い素子形成層を備えた半導体基板を提供することである
〔課題を解決するための手段] 上記目的を達成するため、本発明の積層型半導体基板は 単結晶Sl基板上に、 Siより格子定数が大である第1の化合物半導体の第1
の層が、ミスフィツト転位の発生する厚さより大なる厚
さに結晶軸を合わせて堆積形成され、 前記第1の層上に、第1の半導体に格子定数が近似する
第2の化合物半導体であってZnがドープされた半導体
層が、ミスフィツト転位の発生する厚さより小なる厚さ
に結晶軸を合わせて堆積形成され、 前記第2の化合物半導体層上に、前記第1の化合物半導
体の第2の層がごスフイツト転位の発生する厚さより小
なる厚さに結晶軸を合わせて堆積形成され、 前記第2の層上に前記第2の化合物半導体層が結晶軸を
合わせて堆積形成された構成となっている。
〔作 用〕
ミスフィツト転位は、格子定数の差が大であるほど多く
発生するのは当然であるが、同時に、成長層の厚みが大
となることによっても発生する。
これは、成長層の原子N数が小である間は歪応力を内包
した層が成長するが、層厚が増し、応力の累積値が大と
なると転位が発生して応力を解放するからである。
また、転位はそれを内包する結晶空間の熱エネルギや応
力によって移動し、転位どうしが結合して消滅したり、
ループを形成することが起こる。
そうなると転位はそれ以後の成長層には伝播しないから
、応力場の存在によっても転位の伝播が抑制されること
になる。
更に、応力場による転位の移動に於いて、その結晶にド
ープする不純物の種類によって転位の動き易さが変化す
ること、例えばGaAsにZnをドープすれば転位が動
き易くなることも知られている。
第1図は、後出の第1の実施例の構造における作用を説
明する図で、同図(a)は積層構造を示す断面模式図、
同図働)及び(C)は各層の格子定数と応力を示す線図
である。以下、これ等の図面を参照して本発明の詳細な
説明する。同図(a)の1はSi基板、2は第1のIn
GaAsN、3はZnがドープされたCaAs層、4は
第2のI nGaAs層、5は素子形成層のGaAsN
である。2つのInGaAs層は実施例では意図的に異
ならせているが、ここでは同じとする。
各層の格子定数は第1図(b)に示されるように分布し
ており、31基板lとI n G a A s @ 2
の間の格子定数の差が大きいことから、両者の界面には
同図(a)に書き込まれたようにミスフィツト転位6が
生じている。転位の発生によって応力は解放されている
ため、同図(C)に描かれる如く、基Fi、1と第1の
層2には、層2の上部を除いて応力は内在しない。
図中のミスフィツト転位6は刃状転位の如く描かれてい
るが、螺旋転位成分を持つ転位7は層成長方向に延在し
、ZnドープGaAs層3にまで圧挿している。
層2の上にエピタキシャル成長されたZnドープGaA
s層3は、厚みを制限されたものであるためInGaA
s層2との格子定数差による転位の発生は無く、応力を
内包して形成されている。
同図(b)に示されるようにInGaAs層2の格子定
数はGaAsのそれより若干大であるから、GaAs層
には引張り力が加えられ、それに対する応力が同図(C
)のように現れる。該図面では中央が応力Oであり、左
側が引張りに対する応力、右側が圧縮に対する応力であ
る。
G a A s N 3の上には、やはりミスフィツト
転位を生じない厚さに第2のI nGaAs層4が設け
られ、図(C)の如き応力分布を示している。GaAs
層3はその上下を格子定数の大きいI nGaAs層で
挟まれているため、強い引張り力を受けてそれに対する
応力を内包している。
このような状況では、GaAs1!3に延在する転位7
の運動速度は大となり、同種の他の転位と結合してルー
プを形成することが多くなる。従って第2のI n G
 a A s [4まで延在する転位は極めて僅かとな
り、更に該1nGaAsliでもループが形成されると
素子形成層であるGaAs中の転位密度は更に低減され
ることになる。GaAsN3にドープされたZnは、上
述の如く転位の移動を促進するものである。
〔実施例] 第2図は本発明の第1の実施例の構造を示す断面模式図
である。以下、該図面を参照しながら説明する。
31基板ll上にZnがドープされたInxGa+−*
A s (0,005≦X≦0.05)I’l12が堆
積形成されている。核層はTM[、TMG、TEG、ア
ルシン(AsH,)などを原料とする周知のMOCVD
法によってエピタキシャル成長されたものであり、他の
堆積形成層も同様にMOCVDによりエピタキシャル成
長される。Znをドープする場合はZn(CIりzが添
加され、Pを含む場合は原料としてフォスフイン(PH
3)が用いられる。
核層12の厚さは略20nmであり、ミスフィツト転位
が発生するのに十分な厚さであるから、転位の発生によ
って応力は解放された状態となっている。
その上にZnがドープされたGaAs層瞳が略40nm
の厚さに堆積形成されている。核層と下地のInGaA
s層とは第4図に示されるように格子定数の差は余り大
きくないので、この厚さでもミスフィツト転位は発生せ
ず、格子不整合に基づく応力がGaAs層12に存在す
る。格子定数はInGaAsの方が大であるから、Ga
As層には引張り力が加わっている。
更にその上にはZnがドープされたInGaAs層 s
 (0,01≦y≦0.15)層14が堆積形成されて
いる。
この第2のInC;aAsの格子定数も下地GaASの
格子定数より大であるから、GaAs層13には、その
上のInC;aAs層14によっても引張りに対する応
力が生じる。ここで第2のInGaAsji14の厚さ
は略80nmであるが、2つのInGaAsJiの組成
と厚さが異なっているのはGaAsNに生しる応力を大
とするためであり、第2のInGaAs層は格子定数差
が小で転位が生じ難いことから、その厚さを大とするこ
とでGaA3層の応力を増大させているのである。
このようにして、GaAs層13が内包する応力は十分
に大きいものとなっているので、下地であるInGaA
s層12から伝播した転位は該GaAs1l内で速やか
に移動し、結合してループを形成したり或いは消失する
ことになる。そのため、上部のInGaAs層14に伝
播する転位数は僅少となる。
GaAs1!13にZnがドープされているのは、既に
述べた如く、転位の移動を速やかならしめるためである
。ドープ量は101〜10”am−’程度が適当である
。また、層12及び層14にZnがドープされているの
も転位伝播抑止の効果を高めるためであるが、これ等の
層へのZnドープは本発明の不可欠の要素ではない。
以上の構成のバッファ層の上に目的層であるGaAs層
15がエピタキシャル形成されている。
核層はGaAs集積回路の素子形成層或いは素子分離用
の半絶縁層となるものであるから、夫々の使用目的に合
わせた厚さであり、不純物がドープされたものである。
第3図は本発明の第2の実施例の構造を示す断面模式図
である。以下、該図面を参照しながら説明する。
この実施例で層構造が上記実施例と異なるのは、SL基
(反/バッファG a A、 s [5問およびバッフ
ァG a A s @ /目的層間に介在するのがGa
As Pとなっている点である。GaAsPは格子定数
がGaAsより小であるから、これに挟まれたGaAs
層は上記実施例とは反対に圧縮力を受け、それに対する
応力を内包するものとなっている。
バッファ領域を形成する各層の組成は次の通りで、Sl
基板上に堆積された第1のG a A S 1−XP、
 (0,005≦X≦0.05)層16はZnドープさ
れたもの、GaAs層17は上記実施例のGaAs層1
3と同程度にZnをドープされたもの、第2のGaAS
 +−y P y (0,005≦y≦0.05)層1
8もZnドープである。
また、これら各層の厚さは上記実施例に類似したもので
よいが、層16はξスフイツト転位が発生する程度に十
分厚く、層17及びFJlBは果スフイシド転位が発生
しない範囲で十分な内部応力を生じる程度に厚く形成す
ることが、本発明を効果あるものとするために要求され
る事項である。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明に於けるバッファ層構造は
転位の伝播抑止に有効であり、目的層であるGaAs層
の欠陥密度は大幅に低減されたものとなるので、本発明
の半導体基板を使用することにより、特性のより優れた
GaAs集積回路が実現することになる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の詳細な説明する図、 第2図は第1の実施例の構造を示す模式図、第3図は第
2の実施例の構造を示す模式図、第4図は従来のバッフ
ァ層構造を示す模式図であって、 図に於いて lはSi基板、 2は第1のInGaAsN。 3はZnドープGaAs1i、 4は第2のInGaAs[。 5はGaAs層、 6.7は転位、 11はSi基板、 12は第1のInGaAsJi、 13は4啼−一一≠G a A s M s14は第2
のI nGaAs層、 15はGaAs層、 16は第1のGaAs P層、 17はGaAs層、 18は第2のC,aAsPli。 21はSi基板、 22はGaAs層、 23は低温成長GaAs層、 24は(頃斜mrl或のGaAsP層 25はGaAsP/GaP超椙子層、 26はGaAs/C,aAsPd格子層である。 (a) 本発明の詳細な説明する図 第 図 第1の実施例の構造を示す模式図 第 図 第2の実施例の構造を示す模式図 第 図 (a) 従来のバッファ層構造を示す模式間 第 図 GaA++/GaAsP 超格子層

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 単結晶Si基板上に、 Siより格子定数が大である第1の化合物半導体の第1
    の層が、ミスフィット転位の発生する厚さより大なる厚
    さに結晶軸を合わせて堆積形成され、 前記第1の層上に、第1の半導体に格子定数が近似する
    第2の化合物半導体であってZnがドープされた半導体
    層が、ミスフィット転位の発生する厚さより小なる厚さ
    に結晶軸を合わせて堆積形成され、 前記第2の化合物半導体層上に、前記第1の化合物半導
    体の第2の層がミスフィット転位の発生する厚さより小
    なる厚さに結晶軸を合わせて堆積形成され、 前記第2の層上に前記第2の化合物半導体層が結晶軸を
    合わせて堆積形成されていることを特徴とする積層型半
    導体基板。
JP17216889A 1989-07-03 1989-07-03 積層型半導体基板 Pending JPH0336717A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016039314A (ja) * 2014-08-08 2016-03-22 旭化成株式会社 化合物半導体基板

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016039314A (ja) * 2014-08-08 2016-03-22 旭化成株式会社 化合物半導体基板

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