JPH0524978A - Si基板上のGaAsエピタキシヤル層の有機金属化学蒸着法によるデルタードーピング層形成方法 - Google Patents

Si基板上のGaAsエピタキシヤル層の有機金属化学蒸着法によるデルタードーピング層形成方法

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JPH0524978A
JPH0524978A JP3192166A JP19216691A JPH0524978A JP H0524978 A JPH0524978 A JP H0524978A JP 3192166 A JP3192166 A JP 3192166A JP 19216691 A JP19216691 A JP 19216691A JP H0524978 A JPH0524978 A JP H0524978A
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碩基 閔
Yong Kim
湧 金
Mu-Song Kim
武性 金
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Abstract

(57)【要約】 【目的】MOCVD法を利用して良好なGaAsデルタ
ードーピング層をSi基板上に形成することを目的とす
る。 【構成】Si基板上にMOCVD法を利用しGaAsデ
ルタードーピングを形成するに際し、Si基板上に3μ
m以上の厚さの緩衝層を形成した後に、700〜750 ℃の
成長温度でGaAsデルタードーピング層を形成するよ
うにする。これにより、GaAs/Si界面で発生した
多くの転位によりドーパンドの熱拡散が加速するのを防
止することができ、GaAsデルタードーピング層の特
性を向上させる効果が生じる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、Si(シリコン)基板
上に成長したGaAsエピタキシャル層に有機金属化学
蒸着(MOCVD:metal organic chemical vapor dep
osition)法を用いて高温でデルタードーピング層を形成
する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】一般的に、Si基板は価格が低廉で大面
積の低欠陥基板を容易に製作することができることか
ら、このようなSi基板上にGaAsエピタキシャル層
を成長させた場合には、Si基板自体が持っている長所
とGaAsの優秀な電気, 光学的特性の結合を通じ多様
な半導体素子を低廉に開発することができるために、最
近、Si基板上にGaAsエピタキシャル層を成長させ
る技術に関する研究が活発に行われている。
【0003】特に、大面積のSi基板製作が可能である
点を利用しその上にGaAsソーラセル(solar cell)
構造をエピタキシャル層に成長させた場合、大面積タン
デムソーラセル(tandem solar cell) の製造が可能であ
り、FET(field effect transistor)構造を成長させ
た場合にはGaAsFETを1つの基板上に大量製造す
ることができ、又、シリコン基板に形成されたメモリ素
子とGaAs光電素子が結合した集積回路の製作が可能
である。
【0004】ところで、SiとGaAs間には格子不整
合及び熱膨張係数の差異のような物質特性の差異に起因
しSi基板の表面で生成した多くの転位がGaAsエピ
タキシャル層に伝播するから、Si基板上に高品質のG
aAsエピタキシャル層を成長させるには困難が伴って
いる。これに加えて非極性であるSiの上に極性を帯び
るGaAsが成長するに因って発生するアンチフェイズ
ドメイン(antiphase domain) も又大きな問題点として
作用している。
【0005】Si基板上にGaAsエピタキシャル層を
成長させる時発生する上記の問題点を解消するための方
法として、最近〈011〉方向に2〜3°傾いた(10
0)Si基板を使用する一方、2段階成長法を利用し比
較的高品質のGaAsエピタキシャル層を成長させるの
に成功したが、同様に106 〜108cm -2程度の密度を持つ
転位が表面に存在しGaAs−on−Si技術の実用素
子製造に大きな困難がある。
【0006】一方、従来の3次元的ドーピング概念に反
し2次元的ドーピング概念であるデルタードーピング
(delta-doping) に関する研究が最近知られている[E.
F.Schubert, J. Vac. Sci. Technol. A8, 2980 (1990)
]。デルタードーピングは、Si基板上にGaAsエ
ピタキシャル層を成長させるに於いて、GaAsの成長
途中に成長を中止したまま結晶成長装置内部にドーパン
ド(dopant) を流入させ原子層厚さのドーピング平面を
形成させた後、その上に更にGaAsエピタキシャル層
の成長を継続する方法であり、この時、ドーパンドによ
る強い電場によりポテンシャル井戸(potential well)が
形成されこのポテンシャル井戸に高濃度の電子層を濃縮
させることができる。
【0007】このようなデルタードーピング技術を利用
すれば従来の素子特性を非常に向上させることができ、
又、従来には存在しなかった新しい素子を製造できる。
その一例としてFETでドーピングした活性層をデルタ
ードーピングする場合デルターFETが得られ、このデ
ルターFETは、ソース−ドレイン飽和電流(Idss:s
ource-drain saturation current), 相互コンダクタン
ス(Gm :transcond-uctance)及び逆方向降伏電圧(re
verse breakdown voltage)の面で既存のFETに比べ高
く現れる等の優秀な特性を表すものと知られている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
デルタードーピングに関する研究は主に分子線エピタキ
シー(MBE:molecular beamepitaxy) 法で行われて
いたが、MBE法では成長温度は550 ℃より低くもので
あり、万一、成長温度が550 ℃以上になる場合には、成
長中に熱によるドーパンドの拡散によりデルタードーピ
ング層が拡散しその特性を顕著に悪化させる結果を招来
するので、成長温度が比較的高い( 即ち、550 ℃以上)
試料には不可能であるとの問題点がある。
【0009】従って、上述のMBE法の場合に照らして
見て、正常成長温度が650 〜750 ℃であるMOCVD法
の場合は、従来では良好なデルタードーピング層が形成
できないものと予想されていた。本発明は上記の事情に
鑑みなされたもので、MOCVD法によっても良好なデ
ルタードーピング層が形成できるデルタードーピング層
形成方法を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段及び作用】このため本発明
のSi基板上のGaAsエピタキシャル層のMOCVD
法によるデルタードーピング層形成方法では、Si基板
上にGaAsエピタキシャル層を緩衝層とし少なくとも
3μm以上の厚さに成長させた後、該緩衝層の上に有機
金属化学蒸着法により700 〜750 ℃の成長温度でデルタ
ードーピング層を形成するようにした。
【0011】かかる本発明のデルタードーピング形成方
法によれば、デルタードーピング層形成の前段階工程と
してSi基板上に形成される3μm以上の厚さの緩衝層
により、転位に起因するドーパンド拡散加速効果を抑制
できるので良好な特性を有するGaAsデルタードーピ
ング層が形成できるようになる。
【0012】
【実施例】以下に、本発明方法によりSi基板上に成長
したGaAsエピタキシャル層にデルタードーピング層
を形成する過程を、実施例に基づき具体的に説明する。
まず、〈011〉方向に3°傾いた(100)面のSi
基板をHFに漬けSi基板の表面に存在する酸化膜を除
去した後、Si基板を大気圧下のMOCVD装置の反応
管内に装入する。
【0013】次に反応管内部を水素とAsH3 の雰囲気
で維持した状態でSi基板上にある揮発性不純物及び酸
化層を除去するための工程として基板を900 〜950 ℃の
温度に上昇させ15〜20分間熱処理を遂行する。上記熱処
理工程が完了した後、公知の2段階成長法でGaAsエ
ピタキシャル層を成長させる。
【0014】即ち、Si基板の温度を450 ℃に低くした
状態でTMG(trimethyl gallium)を反応管内部に流入
させGaAsエピタキシャル層を200 Å程度成長させる
が、この時成長したエピタキシャル層は成長温度が低い
ため多結晶状態になる。このような多結晶状態を単結晶
状態に変化させるために、成長を中断したままSi基板
の温度を700 ℃程度に上昇させ15〜20分間アニーリング
(annealing)する再結晶化過程を遂行した後に、700 〜
750 ℃でGaAsエピタキシャル層の成長を継続する。
【0015】この時、AsH3 /TMG比率は30であ
り、総移送水素量は5slpmであり、TMGモル分率は4
×10-5に維持した。Si基板上に成長するGaAsエピ
タキシャル層は、以後の工程であるデルタードーピング
層形成のための緩衝層として作用するようになるが、こ
の緩衝層の厚さは3μm以上とするのが望ましい。
【0016】緩衝層が所定厚さに成長すれば反応管内の
TMGを外部に排出しGaAsエピタキシャル層の成長
を約12秒間中止した後、SiH4 を5×10-7のモル分率
で12秒間流入しGaAsエピタキシャル層表面にデルタ
ードーピング層を形成する。次に、約12秒間に亘り残余
SiH4 を反応管から除去した後にデルタードーピング
層上に再びGaAsエピタキシャル層を覆い層として10
0 Å程度成長させる。
【0017】この様なデルタードーピング層形成及びG
aAsエピタキシャル層成長の温度は700 〜750 ℃の間
で行う。このようにMOCVD法に依りエピタキシャル
層内に形成されたデルタードーピング層の特性を知るた
めに、C−Vプロファイル(capacitance−voltage pro-
file) 測定を行った結果を図1に示す。
【0018】図1は本発明の方法によりデルタードーピ
ングを遂行するにおいて、デルタードーピング層形成の
前段階工程としてSi基板とGaAsデルタードーピン
グ層の間に形成する緩衝層の厚さがデルタードーピング
層に及ぼす影響を知るために、緩衝層の厚さを各々1.1
μm,1.7 μm及び3.3 μmに変化させC−Vプロファ
イル測定を行った結果を示してある。この時の成長温度
Tsは700 ℃に維持した。
【0019】図1から明らかなように、緩衝層の厚さが
3.3 μmである時にC−Vプロファイル半値巾(full w
idth at half maximum) は59Åであるのに比べ、緩衝層
の厚さが1.1 μmである時は半値巾は350 Åで、緩衝層
の厚さが薄い程C−Vプロファイル半値巾は急激に増大
する。更に述べれば、緩衝層の厚さが薄い場合デルター
ドーピング層の特性が顕著に低下するのを知ることがで
きるが、これは緩衝層の厚さが薄い程GaAs/Si界
面に存在する多くの転位がGaAsエピタキシャル層に
伝播し、反対に緩衝層の厚さが増大する程Si基板の表
面からGaAsエピタキシャル層に伝播する転位の数が
相対的に減少するからである。
【0020】これにより、形成されるデルタードーピン
グ層が周囲の転位密度,濃度に大きな影響を受けるのを
知ることができるが、緩衝層の厚さが薄い時には周囲に
転位が多く存在しデルタードーピング層形成後、デルタ
ードーピング層にあるイオン化したドーパンドSiの熱
拡散がこれら転位により加速されデルタードーピング層
の特性が悪くなる。
【0021】このように、デルタードーピング層のドー
パンド拡散が周囲にある転位により加速される現象は、
転位がドーパンド拡散のチャンネルを提供するからであ
る。しかし、図1に示すように緩衝層の厚さが3μm以
上の厚さを維持する場合には、C−Vプロファイル半値
巾が59Åと殆ど理想的な状態に近接するようになるか
ら、3μm以上の厚い緩衝層をSi基板とデルタードー
ピング層の間に挿入形成する場合には、良好なデルター
ドーピング層を形成できるので、これを利用し実用性の
ある多様な形態の素子を製作することができる。
【0022】次に、図2は本実施例方法により製作され
た3.3 μmの厚さの緩衝層を持つ試料に対し、800 ,90
0 ,950 ,1000℃の温度で熱処理(RTA:rapid ther
malannealing)した時、デルタードーピング層内のSi
ドーパンド拡散挙動を現したC−Vプロファイルで、図
示されたように熱処理温度が上昇するに従い半値巾が59
ÅであるC−Vプロファイルが、熱拡散に依り急速に広
くなるのを知ることができる。
【0023】図2に示す熱処理温度に従う半値巾の変化
から拡散係数を求めこれを図示すれば図3の実線で示す
通りである。尚、図3で点線はE.F.Schuber
t等が従来のMBE法でGaAs基板上に成長したGa
Asデルタードーピング試料から得る結果を示したもの
である。Si基板上に成長したGaAsエピタキシャル
層のデルタードーピング特性は緩衝層の厚さが3μm未
満になる場合、その特性が低下するのを上記の各測定結
果から知ることができる。
【0024】従って、良好なデルタードーピング特性を
得るためには、転位に依る不純物拡散加速効果を排除し
なければならず、このためには3μm以上の緩衝層形成
が必要であることを知ることができる。
【0025】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、有
機金属化学蒸着法を通じSi基板上に先ず3μm以上の
緩衝層を形成した後、その上に700 〜750 ℃の高温成長
温度でGaAsデルタードーピング層を形成する方式を
取ることにより、GaAsデルタードーピング層内のド
ーパンドの熱拡散がGaAs/Si界面で発生した転位
に起因して加速するのを防止することができる効果があ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明方法によるデルタードーピング層の緩衝
層の厚さ変化に伴うC−Vプロファイルの変化を示した
【図2】3.3 μm厚さの緩衝層を持つ試料のデルタード
ーピング層の熱処理温度変化に伴うC−Vプロファイル
の変化を示した図
【図3】熱処理温度変化に伴う拡散係数の変化を示した

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 【請求項1】Si基板上にGaAsエピタキシャル層を
    緩衝層とし少なくとも3μm以上の厚さに成長させた
    後、該緩衝層の上に有機金属化学蒸着法により700 〜75
    0 ℃の成長温度でデルタードーピング層を形成すること
    を特徴とするSi基板上のGaAsエピタキシャル層の
    有機金属化学蒸着法によるデルタードーピング層形成方
    法。
JP3192166A 1991-07-08 1991-07-31 Si基板上のGaAsエピタキシャル層の有機金属化学蒸着法によるデルタードーピング層形成方法 Expired - Lifetime JPH0672080B2 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR11523/1991 1991-07-08
KR1019910011523A KR950002178B1 (ko) 1991-07-08 1991-07-08 실리콘기판상에 성장된 GaAs에피택셜층의 유기금속화학증착법에 의한 델타-도핑형성방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH0524978A true JPH0524978A (ja) 1993-02-02
JPH0672080B2 JPH0672080B2 (ja) 1994-09-14

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