JPH07135304A - Compound semiconductor device, its fabrication and defect measuring method for compound semiconductor layer - Google Patents

Compound semiconductor device, its fabrication and defect measuring method for compound semiconductor layer

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JPH07135304A
JPH07135304A JP30217593A JP30217593A JPH07135304A JP H07135304 A JPH07135304 A JP H07135304A JP 30217593 A JP30217593 A JP 30217593A JP 30217593 A JP30217593 A JP 30217593A JP H07135304 A JPH07135304 A JP H07135304A
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JP
Japan
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layer
compound semiconductor
gaas
semiconductor device
substrate
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JP30217593A
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Japanese (ja)
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Shunei Yoshikawa
俊英 吉川
Hiroaki Ochimizu
洋聡 落水
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Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To provide a compound semiconductor device, it fabrication, and defect measuring method for compound semiconductor layer in which a high quality Gaps layer can be formed on an InGaP/InGaAs based crystal laminate and the roughness of underlying InGaP layer and InGaAs layer can be measured by observing the GaAs layer. CONSTITUTION:An i-GaAs layer 2, an i-InGaAs layer 3, an n-InGaP layer, etc., having different lattice constants are grown on a GaAs substrate 1. A first n-GaAs layer 51 thinner than a target thickness is grown on the layer 4, and then it is annealed in arsenic atmosphere. Subsequently, a second n-GaAs layer 52 is grown up to a target thickness thus restraining the uppermost second n-GaAs layer 52 from being bored. The boring is restrained by employing an off-substrate having orientation inclining in (100) just direction or (111) A direction as the GaAs substrate 1.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、高速電子移動度トラン
ジスタ等の化合物半導体装置とその製造方法および化合
物半導体層の欠陥測定方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a compound semiconductor device such as a high speed electron mobility transistor, a method for manufacturing the same, and a method for measuring a defect in a compound semiconductor layer.

【0002】近年、化合物半導体結晶を用いて形成され
た半導体装置(ここでは化合物半導体装置と称すること
にする)が種々開発されている。そして、これらの化合
物半導体装置の電気的特性を向上するために、エネルギ
ーギャップに着目して化合物半導体層を積層すると、格
子不整合があるために積層する化合物半導体層に歪みを
生じることがある。
In recent years, various semiconductor devices formed by using compound semiconductor crystals (herein referred to as compound semiconductor devices) have been developed. When the compound semiconductor layers are stacked while paying attention to the energy gap in order to improve the electrical characteristics of these compound semiconductor devices, strain may occur in the stacked compound semiconductor layers due to the lattice mismatch.

【0003】また、GaAs基板と格子不整合のInG
aAs層中の電子の飽和速度が大きいことに着目して、
格子定数が異なるInGaAs層とInGaP層を積層
する場合があり、この場合、GaAs層とInGaP層
に圧縮歪みと引っ張り歪みが生じることになる。この現
象は広く、化合物半導体を用いた半導体レーザ装置、半
導体発光装置、半導体受光装置等の光電変換装置、ある
いは、高速電子移動度トランジスタ(HEMT)等の化
合物半導体装置にも生じている。
Also, InG having a lattice mismatch with the GaAs substrate
Paying attention to the fact that the saturation rate of electrons in the aAs layer is high,
An InGaAs layer and an InGaP layer having different lattice constants may be stacked, and in this case, compressive strain and tensile strain occur in the GaAs layer and the InGaP layer. This phenomenon is widespread and occurs in photoelectric conversion devices such as semiconductor laser devices, semiconductor light emitting devices, and semiconductor light receiving devices that use compound semiconductors, or in compound semiconductor devices such as high-speed electron mobility transistors (HEMTs).

【0004】このような歪み半導体層を評価する方法と
して、フォトルミネッセンス(PL)法やホール効果
(Hall Effect)法が用いられているが、そ
の評価は、歪み半導体層の上に数百nm以上の膜厚の化
合物半導体層を成長した上で行われていた。これらの評
価方法においては、歪み半導体層にキャリアを閉じ込め
てPL発光させたり、歪み半導体層にキャリアを走行さ
せたりして評価している。
As a method for evaluating such a strained semiconductor layer, a photoluminescence (PL) method and a Hall effect (Hall Effect) method are used, but the evaluation is performed by several hundred nm or more on the strained semiconductor layer. It was performed after growing the compound semiconductor layer having the film thickness of. In these evaluation methods, the evaluation is performed by confining the carriers in the strained semiconductor layer to cause PL light emission, or by causing the carriers to travel in the strained semiconductor layer.

【0005】[0005]

【従来の技術】図8は、従来のInGaP/InGaA
s系結晶積層体の構造図である。この図において、21
はGaAs基板、22はi−GaAs層、23はi−I
nGaAs層、24はn−InGaP層、25はn−G
aAs層である。
2. Description of the Related Art FIG. 8 shows a conventional InGaP / InGaA.
It is a structural diagram of an s-based crystal laminate. In this figure, 21
Is a GaAs substrate, 22 is an i-GaAs layer, and 23 is an i-I.
nGaAs layer, 24 is n-InGaP layer, 25 is n-G
It is an aAs layer.

【0006】このInGaP/InGaAs系結晶積層
体においては、GaAs基板21の上に、i−GaAs
層22、i−InGaAs層23、n−InGaP層2
4、n−GaAs層25が順次成長している。
In this InGaP / InGaAs type crystal laminated body, i-GaAs is formed on the GaAs substrate 21.
Layer 22, i-InGaAs layer 23, n-InGaP layer 2
4. The n-GaAs layer 25 is sequentially grown.

【0007】この積層体を用いてInGaP/InGa
As系HEMTを形成する場合には、i−GaAs層2
2をバッファ層にし、i−InGaAs層23を電子走
行層にし、n−InGaP層24を30nmより薄くし
て電子供給層にし、n−GaAs層25を4nmより薄
いキャップ層にする。
InGaP / InGa using this laminated body
When forming an As-based HEMT, the i-GaAs layer 2
2 is a buffer layer, the i-InGaAs layer 23 is an electron transit layer, the n-InGaP layer 24 is thinner than 30 nm to be an electron supply layer, and the n-GaAs layer 25 is a cap layer thinner than 4 nm.

【0008】キャップ層になるn−GaAs層25を4
nmより薄くする理由は、n−GaAs層25の一部を
エッチングして除去し、n−GaAs層25の上にDモ
ードHEMTのゲート電極を形成し、n−InGaP層
24の上にEモードHEMTのゲート電極を形成して、
閾値を最適設計するためである。
The n-GaAs layer 25 serving as a cap layer is formed by 4
The reason for making the thickness thinner than nm is to remove a part of the n-GaAs layer 25 by etching, form a gate electrode of the D-mode HEMT on the n-GaAs layer 25, and form the E-mode on the n-InGaP layer 24. Form the gate electrode of HEMT,
This is for optimally designing the threshold value.

【0009】この場合、歪み層は電子走行層になるi−
InGaAs層23であり、その上には、電子供給層に
なるn−InGaP層24と、キャップ層になるn−G
aAs層25が形成されているが、従来、前記のように
極めて薄いn−InGaP層24とn−GaAs層25
が、歪みを有するi−InGaAs23の影響をどのよ
うに受けるのかは確認されていなかった。
In this case, the strained layer becomes an electron transit layer i-
The InGaAs layer 23 is formed on the n-InGaP layer 24 serving as an electron supply layer and the n-G serving as a cap layer.
Although the aAs layer 25 is formed, conventionally, as described above, the extremely thin n-InGaP layer 24 and n-GaAs layer 25 are formed.
However, it was not confirmed how it is affected by the strained i-InGaAs 23.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、従来の
方法によってInGaP/InGaAs系結晶積層体の
上にGaAs層を成長し、成長したGaAs層の表面の
状態を原子間力顕微鏡(AFM)によって観察したとこ
ろ、n−GaAs層25に多数の穴が生じていることを
発見した。
The inventors of the present invention have grown a GaAs layer on an InGaP / InGaAs type crystal stack by a conventional method, and have examined the surface state of the grown GaAs layer by an atomic force microscope (AFM). ), It was discovered that many holes were formed in the n-GaAs layer 25.

【0011】ここでは、InGaP/InGaAs系結
晶積層体の上にGaAs層をMOVPE法によって成長
し、成長炉としては減圧バレル型炉を用い、III 族原料
をトリメチルガリシム(TMG)、トリエチルガリウム
(TEG)、トリメチルインジウム(TMI)とし、V
族原料をアルシン(AsH3 )とした。また、化合物半
導体層の成長時の減圧バレル型炉内の圧力を50tor
r、成長温度を660℃とし、成長用基板を3インチの
GaAs(100)2.5°オフ基板とした。
Here, a GaAs layer is grown on the InGaP / InGaAs type crystal laminated body by the MOVPE method, a depressurizing barrel type furnace is used as a growth furnace, and a group III raw material is trimethylgallicim (TMG) or triethylgallium ( TEG), trimethylindium (TMI), V
The group material was arsine (AsH 3 ). In addition, the pressure in the depressurized barrel type furnace during the growth of the compound semiconductor layer was set to 50 torr.
r, the growth temperature was 660 ° C., and the growth substrate was a 3-inch GaAs (100) 2.5 ° off substrate.

【0012】図9は、従来のInGaP/InGaAs
系結晶積層体の上のGaAs層の組織を示す原子間力顕
微鏡写真である。この原子間力顕微鏡写真によると、n
−GaAs層25の表面に、3.4×108 /cm2
度の多数の穴が開いていることが観察される。
FIG. 9 shows a conventional InGaP / InGaAs
3 is an atomic force micrograph showing the structure of a GaAs layer on a system crystal laminated body. According to this atomic force micrograph, n
It is observed that a large number of holes of about 3.4 × 10 8 / cm 2 are formed on the surface of the GaAs layer 25.

【0013】試みに、i−InGaAs層23を介在さ
せないでn−InGaP層24とn−GaAs層25を
成長したところ、n−GaAs層25の表面に穴は観察
されなかった。また、n−InGaP層24とn−Ga
As層25の界面の成長条件を変化させても、この穴が
なくなることはなかった。
When the n-InGaP layer 24 and the n-GaAs layer 25 were grown without the intervention of the i-InGaAs layer 23, no holes were observed on the surface of the n-GaAs layer 25. In addition, the n-InGaP layer 24 and the n-Ga
Even if the growth condition of the interface of the As layer 25 was changed, this hole was not eliminated.

【0014】これは、GaAsおよびInGaPの格子
定数とInGaAsの格子定数が大きく異なるため、i
−InGaAs層23に歪みが生じ、歪みが生じている
部分からV族のPが脱離し、n−InGaP層24から
n−GaAs層25への組成の切り換えが悪い微小領域
が成長条件によらず発生するためと考えられる。
This is because the lattice constants of GaAs and InGaP differ greatly from the lattice constants of InGaAs.
-Strain is generated in the InGaAs layer 23, P in the V group is desorbed from the strained portion, and a small region in which composition switching from the n-InGaP layer 24 to the n-GaAs layer 25 is poor does not depend on the growth conditions. It is thought to occur.

【0015】n−InGaP層24の厚みを100nm
程度に厚くすると、n−GaAs層25の表面に穴があ
くことはない。これは、n−InGaP層24からn−
GaAs層25への切り換え界面が、歪みを有するi−
InGaAs層23から離れるためである。
The thickness of the n-InGaP layer 24 is 100 nm.
If the thickness is about the same, no holes are formed on the surface of the n-GaAs layer 25. This is from the n-InGaP layer 24 to the n-
The switching interface to the GaAs layer 25 has a strained i-
This is because it is separated from the InGaAs layer 23.

【0016】このInGaP/InGaAs系HEMT
を形成するためのInGaP/InGaAs系結晶積層
体においては、前記のようにn−InGaP層24の膜
厚を薄くする必要があるため、n−GaAs層25の表
面の穴の発生を避けることができず、このような穴が形
成されたn−GaAs層25の上にエッチングレートの
差が大きいInGaPからなるエッチングストッパー層
を形成すると、この穴の中にInGaPが入り込み、こ
のエッチングストッパー層をエッチング除去する際に、
InGaPのエッチングレートが極めて大きいため、穴
の下のInGaPからなる電子供給層もエッチングされ
てしまう。
This InGaP / InGaAs HEMT
In the InGaP / InGaAs-based crystal laminated body for forming the n-InGaP layer 25, it is necessary to reduce the film thickness of the n-InGaP layer 24 as described above, and therefore it is necessary to avoid the formation of holes on the surface of the n-GaAs layer 25. However, if an etching stopper layer made of InGaP having a large etching rate difference is formed on the n-GaAs layer 25 in which such a hole is formed, InGaP enters into the hole and the etching stopper layer is etched. When removing
Since the etching rate of InGaP is extremely high, the electron supply layer made of InGaP under the hole is also etched.

【0017】この穴を生じているn−GaAs層25の
表面の上にDモードのゲート電極を形成すると、ゲート
電極が電子供給層であるn−InGaP層24に接触す
ることがあり、この穴がn−GaAs層25を貫通して
いない場合でも、Dモード特性とEモード特性が混在す
ることになって閾値電圧がずれる現象が発生する。
When a D-mode gate electrode is formed on the surface of the n-GaAs layer 25 having the hole, the gate electrode may come into contact with the n-InGaP layer 24 which is the electron supply layer. Even when the n-type GaAs layer does not penetrate the n-GaAs layer 25, the phenomenon that the threshold voltage shifts occurs due to the mixture of the D-mode characteristic and the E-mode characteristic.

【0018】また、n−GaAs層25の表面に生じる
穴は、このn−GaAs層25を20nm以上に厚く成
長すれば埋められてしまうことが観察される。n−Ga
As層25の穴の下には、電子供給層であるn−InG
aP層24がありその表面が歪みInGaAsP化しG
aAsが成長しにくくなっていると考えられる。
It is also observed that the holes formed on the surface of the n-GaAs layer 25 will be filled if the n-GaAs layer 25 is grown thicker than 20 nm. n-Ga
Under the hole of the As layer 25, n-InG, which is an electron supply layer, is formed.
There is an aP layer 24 and its surface is strained into InGaAsP and G
It is considered that aAs is hard to grow.

【0019】穴の中でGaAsは穴の側壁から成長して
いくと考えられるが、穴の側壁は(311)面等でGa
Asの成長速度は極端に遅い。そのため、穴が埋まるま
でには長時間が必要であり、その結果、キャップ層であ
るn−GaAs層25を厚くした場合には穴は埋められ
る。しかし、前記の理由によって、この場合はキャップ
層であるn−GaAs層25の厚さは5nm程度に抑え
る必要があるため、穴の発生を避けることはできないと
いうことになる。
Although it is considered that GaAs grows from the side wall of the hole in the hole, the side wall of the hole has a (311) plane, etc.
The growth rate of As is extremely slow. Therefore, it takes a long time to fill the hole, and as a result, the hole is filled when the n-GaAs layer 25 as the cap layer is thickened. However, for the above reason, in this case, the thickness of the n-GaAs layer 25, which is the cap layer, needs to be suppressed to about 5 nm, so that the generation of holes cannot be avoided.

【0020】本発明は、化合物半導体装置とその製造方
法、特に、InGaP/InGaAs系結晶積層体の上
に高品質のGaAs層を成長する手段を提供すること、
および、化合物半導体層の欠陥測定方法を提供すること
を目的とする。
The present invention provides a compound semiconductor device and a method of manufacturing the same, and in particular, provides a means for growing a high quality GaAs layer on an InGaP / InGaAs crystal stack.
Another object of the present invention is to provide a method for measuring a defect in a compound semiconductor layer.

【0021】[0021]

【課題を解決するための手段】本発明にかかる化合物半
導体装置においては、GaAs基板と、該GaAs基板
の上に形成された格子定数が整合しないことに起因する
歪みを含むが転位を有しない薄い化合物半導体層と、該
歪みを含む薄い化合物半導体層の上に形成されたGaA
s層を含み、該GaAs層が、目的とする膜厚まで成長
する前に成長を中断し、砒素雰囲気中でアニールした後
目的とする膜厚まで成長された層である構成を採用し
た。
In the compound semiconductor device according to the present invention, the GaAs substrate and the lattice constant formed on the GaAs substrate include a strain due to the mismatch of lattice constants, but have no dislocation and are thin. Compound semiconductor layer and GaA formed on the thin compound semiconductor layer containing the strain
A structure including the s layer, in which the GaAs layer is a layer that has been grown to a target film thickness after being interrupted in growth before growing to a target film thickness and annealed in an arsenic atmosphere, was adopted.

【0022】この場合、成長を中断し、砒素雰囲気中で
アニールするときのGaAs層の膜厚を30原子層以内
の膜厚にすることができる。
In this case, the film thickness of the GaAs layer when the growth is interrupted and annealed in the arsenic atmosphere can be set to a film thickness of 30 atomic layers or less.

【0023】また、この場合、歪みを含む化合物半導体
層を、臨界膜厚以下のInGaAsP,InGaAs,
GaAsP,GaP,InAs,GaAsSb,InG
aAsSb,GaSb,InSbにすることができ、歪
みを含む化合物半導体層とGaAs層の間に膜厚50n
m以下のPを含む化合物半導体層を存在させることがで
きる。
In this case, the compound semiconductor layer containing strain is formed of InGaAsP, InGaAs,
GaAsP, GaP, InAs, GaAsSb, InG
aAsSb, GaSb, InSb, and a film thickness of 50n between the compound semiconductor layer containing strain and the GaAs layer.
A compound semiconductor layer containing P of m or less can be present.

【0024】また、この場合、InGaP/InGaA
s系もしくはAlGaInP/InGaAs系HEMT
のInGaPもしくはAlGaInP電子供給層の上に
GaAsキャップ層が形成され、該GaAsキャップ層
が、目的とする膜厚まで成長する前に成長を中断し、砒
素雰囲気中でアニールした後目的とする膜厚まで成長さ
れた層である構成とすることができる。
In this case, InGaP / InGaA
s type or AlGaInP / InGaAs type HEMT
GaAs cap layer is formed on the InGaP or AlGaInP electron supply layer, and the growth is interrupted before the GaAs cap layer grows to a target thickness, and the target thickness is obtained after annealing in an arsenic atmosphere. Can be a layer that has been grown up to.

【0025】また、本発明にかかる化合物半導体装置の
製造方法においては、GaAs基板の上に格子定数が整
合しない薄い化合物半導体層を成長する工程と、該薄い
化合物半導体層の上にGaAs層を成長する工程を含
み、該GaAs層の膜厚が目的とする膜厚まで成長する
前に成長を中断し、砒素雰囲気中でアニールした後目的
とする膜厚まで成長する工程を採用することができる。
この場合、電子供給層をAlGaInPとすることもで
きる。
Further, in the method of manufacturing a compound semiconductor device according to the present invention, a step of growing a thin compound semiconductor layer having a non-matching lattice constant on a GaAs substrate and a GaAs layer growing on the thin compound semiconductor layer. It is possible to adopt a step of suspending the growth before the thickness of the GaAs layer grows to a target thickness, annealing it in an arsenic atmosphere and growing it to a target thickness.
In this case, the electron supply layer may be AlGaInP.

【0026】この場合、GaAs層の膜厚が30原子層
以内の膜厚に成長したときにその成長を中断し、砒素雰
囲気中でアニールした後再び成長することができる。
In this case, when the GaAs layer is grown to have a thickness of 30 atomic layers or less, the growth can be interrupted, the annealing can be performed in the arsenic atmosphere, and the growth can be performed again.

【0027】また、この場合、アニール温度を成長温度
と同じかそれ以上にし、あるいは、アニールする際の砒
素圧がGaAs層を成長する際と同じかそれ以上にし、
また、GaAs層を有機金属気相成長法により成長する
ことができる。
Further, in this case, the annealing temperature is made equal to or higher than the growth temperature, or the arsenic pressure during annealing is made equal to or higher than that at the time of growing the GaAs layer,
Further, the GaAs layer can be grown by the metal organic chemical vapor deposition method.

【0028】また、本発明にかかる他の化合物半導体装
置においては、化合物半導体からなり、面方位が(10
0)just方向または(111)A方向に傾斜したオ
フ基板の上に成長した化合物半導体層をキャリア走行層
とした構成を採用した。
Another compound semiconductor device according to the present invention is made of a compound semiconductor and has a plane orientation of (10
0) A structure in which a compound semiconductor layer grown on an off substrate inclined in the just direction or the (111) A direction was used as a carrier transit layer was adopted.

【0029】この場合、オフ基板の傾斜角を4°以内に
することができ、化合物半導体装置を高電子移動度トラ
ンジスタ(HEMT)にすることができ、化合物半導体
層をIII −V族化合物半導体にし、Asを含む層とPを
含む層のヘテロ接合を含む構成にすることができる。
In this case, the off-substrate tilt angle can be set within 4 °, the compound semiconductor device can be a high electron mobility transistor (HEMT), and the compound semiconductor layer can be a III-V group compound semiconductor. , A layer containing As and a layer containing P can be configured to include a heterojunction.

【0030】また、この場合、化合物半導体からなる基
板をGaAsとし、電子走行層をInGaAsにし、電
子供給層をInGaPもしくはAlGaInPにするこ
とができる。
In this case, the substrate made of compound semiconductor may be GaAs, the electron transit layer may be InGaAs, and the electron supply layer may be InGaP or AlGaInP.

【0031】また、本発明にかかる化合物半導体装置の
製造方法においては、化合物半導体からなり、面方位が
(100)just方向、または、(111)A方向に
傾斜したオフ基板の上に、キャリア走行層として用いる
化合物半導体層を成長する工程を採用した。
Further, in the method of manufacturing a compound semiconductor device according to the present invention, carrier travel is performed on an off substrate made of a compound semiconductor and having a plane orientation inclined in the (100) just direction or the (111) A direction. A step of growing a compound semiconductor layer used as a layer was adopted.

【0032】この場合、オフ基板の傾斜角を4°以内に
し、化合物半導体層を有機金属気相成長法によって成長
することができる。
In this case, the compound semiconductor layer can be grown by the metalorganic vapor phase epitaxy with the off-substrate tilt angle within 4 °.

【0033】また、本発明にかかる他の化合物半導体装
置においては、面方位が(100)just方向、また
は、(111)A方向に傾斜したGaAs基板と、該G
aAs基板の上に形成された格子定数が整合しないこと
に起因する歪みを含むが転位を有しない薄い化合物半導
体層と、該歪みを含む薄い化合物半導体層の上に形成さ
れたGaAs層を含み、該GaAs層が、目的とする膜
厚まで成長する前に成長を中断し、砒素雰囲気中でアニ
ールした後目的とする膜厚まで成長された層である構成
を採用した。
Further, in another compound semiconductor device according to the present invention, a GaAs substrate having a plane orientation inclined in the (100) just direction or the (111) A direction, and the G
a thin compound semiconductor layer formed on the aAs substrate, which includes strain but does not have dislocations due to mismatching of lattice constants, and a GaAs layer formed on the thin compound semiconductor layer including strain, A structure was adopted in which the GaAs layer was a layer that was grown to a target film thickness after being interrupted in growth before being grown to a target film thickness and annealed in an arsenic atmosphere.

【0034】また、本発明にかかる他の化合物半導体装
置の製造方法においては、面方位が(100)just
方向、または、(111)A方向に傾斜したGaAs基
板の上に格子定数が整合しない薄い化合物半導体層を成
長する工程と、該薄い化合物半導体層の上にGaAs層
を成長する工程を含み、該GaAs層が、目的とする膜
厚まで成長する前に成長を中断し、砒素雰囲気中でアニ
ールした後目的とする膜厚まで成長する工程を採用し
た。
In another method of manufacturing a compound semiconductor device according to the present invention, the plane orientation is (100) just.
The step of growing a thin compound semiconductor layer having a non-matching lattice constant on a GaAs substrate inclined in the (111) A direction or the step of growing a GaAs layer on the thin compound semiconductor layer. A process was adopted in which the growth was interrupted before the GaAs layer was grown to a desired film thickness, annealed in an arsenic atmosphere, and then grown to a desired film thickness.

【0035】また、本発明にかかる化合物半導体層の欠
陥測定方法においては、基板の上に、複数の化合物半導
体層を積層して形成した後に、選択エッチングにより上
層の化合物半導体層を除去し、中間層の表面ラフネスを
観察し、また最上層の化合物半導体層の表面のラフネス
を観察し、比較することによって、該中間層または最上
層の化合物半導体層の表面のラフネスの原因となった、
下層の化合物半導体層の微小欠陥や組成ゆらぎの状態を
間接的に測定する手法を採用した。
In the method of measuring a defect of a compound semiconductor layer according to the present invention, after a plurality of compound semiconductor layers are laminated and formed on a substrate, the upper compound semiconductor layer is removed by selective etching to form an intermediate layer. By observing the surface roughness of the layer, and also observing the roughness of the surface of the compound semiconductor layer of the uppermost layer, by comparison, caused the roughness of the surface of the compound semiconductor layer of the intermediate layer or the uppermost layer,
The method of indirectly measuring the state of minute defects and composition fluctuations in the lower compound semiconductor layer was adopted.

【0036】[0036]

【作用】本発明の化合物半導体装置のように、GaAs
基板の上に格子定数が整合しない薄い化合物半導体層を
成長し、この薄い化合物半導体層の上にキャップ層とな
るGaAs層を成長する工程において、このGaAs層
の膜厚が目的とする膜厚に成長する前、例えば、30原
子層以内の膜厚に成長した段階で成長を一旦中断し、砒
素雰囲気中でアニールした後に再び成長する工程を採用
することによって、このGaAs層に穴が発生するのを
抑制することができる。この場合、このアニール時の温
度とAs圧を、GaAs層を成長する時と同じかそれ以
上にすることにより有効に穴の発生を抑制することがで
きる。
OPERATION As in the compound semiconductor device of the present invention, GaAs
In the process of growing a thin compound semiconductor layer with a non-matching lattice constant on the substrate and growing a GaAs layer that will be a cap layer on this thin compound semiconductor layer, the thickness of this GaAs layer becomes the target thickness. A hole is generated in this GaAs layer by adopting a step of interrupting the growth before the growth, for example, at a stage where the film has grown to a film thickness of 30 atomic layers or less, annealing again in an arsenic atmosphere, and then growing again. Can be suppressed. In this case, it is possible to effectively suppress the generation of holes by setting the temperature and As pressure during this annealing to be the same as or higher than those for growing the GaAs layer.

【0037】これはアニール、特に、温度とAs圧を、
GaAs層を成長する時と同じかそれ以上にするアニー
ルによって、その表面のGa原子にエネルギーを与え、
Asとのボンドを切らせ、表面をマイグレーションする
作用を発現させ、また、As圧を高くすることによっ
て、Gaが表面から気相中に拡散していくのを防いでい
る。そして、Ga原子は表面自由エネルギーを最小にす
るように表面をマイグレーションし、その結果、表面自
由エネルギーを大きくしている穴を塞ぐものと考えられ
る。
This is annealing, especially temperature and As pressure,
The Ga atoms on the surface of the GaAs layer are energized by annealing that is the same as or higher than when the GaAs layer is grown,
By breaking the bond with As, expressing the effect of migrating the surface, and increasing the As pressure, Ga is prevented from diffusing from the surface into the gas phase. It is considered that Ga atoms migrate to the surface so that the surface free energy is minimized, and as a result, the holes that increase the surface free energy are closed.

【0038】[0038]

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。 (第1実施例)この実施例の化合物半導体装置の製造方
法においては、InGaP/InGaAs系HEMTを
製造するためのInGaP/InGaAs系結晶積層体
をMOVPE法によって成長した。そして、従来技術と
同様に、成長炉としては減圧バレル型炉を用い、III 族
原料をトリメチルガリシム(TMG)、トリエチルガリ
ウム(TEG)、トリメチルインジウム(TMI)と
し、V族原料をアルシン(AsH3 )とした。また、結
晶成長時の圧力を50torr、成長温度を660℃と
し、成長用基板を、GaAsからなる3インチ(10
0)2.5°オフ基板とし、成長したキャップ層となる
最上層のn−GaAsの表面を原子間力顕微鏡(AF
M)によって評価した。
EXAMPLES Examples of the present invention will be described below. (First Embodiment) In the method of manufacturing a compound semiconductor device of this embodiment, an InGaP / InGaAs crystal laminated body for manufacturing an InGaP / InGaAs HEMT is grown by the MOVPE method. Then, as in the prior art, a depressurized barrel type furnace was used as the growth furnace, the group III raw material was trimethylgallicim (TMG), triethylgallium (TEG), trimethylindium (TMI), and the group V raw material was arsine (AsH). 3 ) and. The pressure during crystal growth was 50 torr, the growth temperature was 660 ° C., and the growth substrate was 3 inches (10 inches) made of GaAs.
0) A 2.5 ° off substrate was used, and the surface of the grown uppermost n-GaAs, which is a cap layer, was observed by an atomic force microscope (AF).
It was evaluated by M).

【0039】図1は、第1実施例によるInGaP/I
nGaAs系結晶積層体の構造図である。この図におい
て、1はGaAs基板、2はi−GaAs層、3はi−
InGaAs層、4はn−InGaP層、51 は第1の
n−GaAs層、52 は第2のn−GaAs層である。
FIG. 1 shows InGaP / I according to the first embodiment.
FIG. 3 is a structural diagram of an nGaAs-based crystal laminated body. In this figure, 1 is a GaAs substrate, 2 is an i-GaAs layer, and 3 is an i-GaAs layer.
InGaAs layer, 4 is n-InGaP layer, 5 1 a first n-GaAs layer, 5 2 is a second n-GaAs layer.

【0040】この実施例によるInGaP/InGaA
s系結晶積層体においては、GaAs基板1の上に、バ
ッファ層となるi−GaAs層2、チャネル層となるi
−InGaAs層3、電子供給層となる厚さが30nm
より薄いn−InGaP層4、キャップ層となる第1の
n−GaAs層51 と第2のn−GaAs層52 が先に
説明した成長条件で順次成長している。
InGaP / InGaA according to this embodiment
In the s-based crystal laminate, the i-GaAs layer 2 serving as a buffer layer and the i layer serving as a channel layer are formed on the GaAs substrate 1.
-The thickness of the InGaAs layer 3 and the electron supply layer is 30 nm
Thinner n-InGaP layer 4, a first n-GaAs layer 5 1 and the second n-GaAs layer 5 2 are sequentially grown at a growth condition described above for the cap layer.

【0041】そして、最上層のキャップ層を成長する際
に、前記の成長条件で30原子層以内の膜厚に第1のn
−GaAs層51 を成長した後に、一旦成長を中断し、
成長温度より50℃高い温度で、AsH3 流量を成長時
の2倍にし、As圧を高くして10分間アニールし、再
び前記の成長条件で第2のn−GaAs層52 を、第1
のn−GaAs層51 と第2のn−GaAs層52 の膜
厚が5nmになるまで成長した。
Then, when growing the uppermost cap layer, the first n-thickness is set to a film thickness within 30 atomic layers under the above growth conditions.
After the growth of the -GaAs layer 5 1, once the growth was suspended,
At a growth temperature of from 50 ° C. higher temperatures, AsH 3 flow rate was doubled during the growth, and increased to annealing for 10 minutes As pressure, the second n-GaAs layer 5 2 again the growth conditions, the first
The n-GaAs layer 5 1 and the second n-GaAs layer 5 2 were grown to a thickness of 5 nm.

【0042】この実施例によると、第2のn−GaAs
層52 の表面に従来の技術において生じていた穴は低減
された。
According to this embodiment, the second n-GaAs
Hole that occurs in the prior art to the layer 5 second surface was reduced.

【0043】図2は、第1実施例のInGaP/InG
aAs系結晶積層体の上のGaAs層の組織を示す原子
間力顕微鏡写真である。この原子間力顕微鏡写真による
と、InGaP/InGaAs系結晶積層体の上に形成
された第2のn−GaAs層52 の表面には穴が存在し
ていないことがわかる。
FIG. 2 shows InGaP / InG of the first embodiment.
3 is an atomic force micrograph showing the structure of a GaAs layer on an aAs-based crystal laminated body. From this atomic force micrograph, it can be seen that there are no holes on the surface of the second n-GaAs layer 52 formed on the InGaP / InGaAs-based crystal laminated body.

【0044】なお、アニール時の温度とAs圧は、成長
時の条件より高い場合に効果が顕著であり、成長時の温
度より低い場合や、AsH3 流量を成長時より減少した
場合は、アニール工程を加えても第2のn−GaAs層
2 の表面の穴は塞がらなかった。この実施例によって
形成した第2のn−GaAs層52 の表面にInGaP
からなるエッチングストッパー層を成長した場合は、D
モードHEMTとEモードHEMTを作り分けても特性
上何の問題も生じなかった。
The effect of annealing temperature and As pressure is remarkable when the temperature is higher than the growth condition. When the temperature and As pressure are lower than the growth temperature or the AsH 3 flow rate is lower than that of the growth, annealing is performed. The holes on the surface of the second n-GaAs layer 52 were not blocked even if the steps were added. InGaP is formed on the surface of the second n-GaAs layer 52 formed by this embodiment.
When an etching stopper layer consisting of
Even if the mode HEMT and the E mode HEMT were made separately, no problem occurred in terms of characteristics.

【0045】この実施例において、前記の歪みを含む化
合物半導体層を、臨界膜厚以下のInGaAsP,In
GaAs,GaAsP,GaP,InAs,GaAsS
b,InGaAsSb,GaSb,InSbとすること
ができる。
In this embodiment, the compound semiconductor layer containing strain is formed of InGaAsP, In having a critical film thickness or less.
GaAs, GaAsP, GaP, InAs, GaAsS
b, InGaAsSb, GaSb, InSb.

【0046】また、歪みを含む化合物半導体層とキャッ
プ層となるGaAs層の間に膜厚50nm以下のInG
aP等のPを含む化合物半導体層が存在する場合、歪み
によって脱離しやすいPの飛散を抑制することができ
る。
Further, an InG film having a thickness of 50 nm or less is formed between the compound semiconductor layer containing strain and the GaAs layer serving as the cap layer.
When a compound semiconductor layer containing P such as aP exists, it is possible to suppress the scattering of P that is easily released due to strain.

【0047】先にも説明したように、この実施例におけ
る前記図2の原子間力顕微鏡写真は、InGaP/In
GaAs系結晶積層体の上に形成した第2のn−GaA
s層52 の表面を観察することによって、間接的にその
下層のn−InGaP層4やi−InGaAs層3の表
面のラフネスを測定しようとしたものである。本発明者
らは、さらに、InGaP/InGaAs系結晶積層体
の上に第1のn−GaAs層51 と第2のn−GaAs
層52 を形成した後、この第2のn−GaAs層52
第1のn−GaAs層51 、または、n−InGaP層
4をエッチング除去して直接n−InGaP層4の表面
や、i−InGaAs層3の表面を原子間力顕微鏡によ
ってラフネスを観察した。
As described above, the atomic force micrograph of FIG. 2 in this embodiment shows InGaP / In.
Second n-GaA formed on GaAs-based crystal stack
By observing the surface of the s layer 5 2, in which the roughness of indirect n-InGaP layer 4 and i-InGaAs layer 3 on the surface of the underlying tried to measure. The present inventors have further made the first n-GaAs layer 5 1 and the second n-GaAs on the InGaP / InGaAs-based crystal laminated body.
After forming the layer 5 2, the second n-GaAs layer 5 2 and the first n-GaAs layer 5 1, or the surface of the n-InGaP layer 4 directly removed by etching n-InGaP layer 4 Ya The roughness of the surface of the i-InGaAs layer 3 was observed by an atomic force microscope.

【0048】具体的には、第1のn−GaAs層51
第2のn−GaAs層52 を(フッ酸+H2 2 +H2
O)によってエッチング除去し、n−InGaP層4を
HClによってエッチング除去して、n−InGaP層
4の表面と、i−InGaAs層3の表面を原子間力顕
微鏡で観察した。
[0048] More specifically, the first n-GaAs layer 5 1 and the second n-GaAs layer 5 2 (hydrofluoric acid + H 2 O 2 + H 2
The surface of the n-InGaP layer 4 and the surface of the i-InGaAs layer 3 were observed with an atomic force microscope.

【0049】ところが、上記の観察によって、下層のn
−InGaP層4の表面またはi−InGaAs層3の
表面のラフネスと最上層の第2のn−GaAs層52
ラフネスとが極端に異なることが見出された。すなわ
ち、最上層の第2のn−GaAs層52 の表面には多数
の穴が発生していても、下層のn−InGaP層4の表
面またはi−InGaAs層3の表面を直接観察する
と、穴が全く観察されない場合があった。
However, from the above observation, the n of the lower layer is
A second n-GaAs layer 5 2 roughness of roughness and the top layer of the surface or i-InGaAs layer 3 of the surface of the -InGaP layer 4 was found to be different to the extreme. That is, even if the second n-GaAs layer 5 and second surface of the uppermost large number of holes occurs and observing the underlying n-InGaP layer 4 on the surface or i-InGaAs layer 3 on the surface directly, In some cases no holes were observed.

【0050】この理由として、i−InGaAs層3の
中で、InAsの微小部分とGaAsの微小部分が分離
した組成ゆらぎや微小な欠陥が生じていても原子間力顕
微鏡によっては観察することはできず、i−InGaA
s層3の表面に何らの異常も認められない。
The reason for this is that even in the i-InGaAs layer 3, composition fluctuations and minute defects in which the minute portions of InAs and the minute portions of GaAs are separated can be observed by an atomic force microscope. No, i-InGaA
No abnormality is observed on the surface of the s layer 3.

【0051】ところが、このような組成ゆらぎは、その
上に形成する半導体層の成長モードに影響を与えるた
め、n−InGaP層4の表面、または、第1のn−G
aAs層51 、第2のn−GaAs層52 の表面に、i
−InGaAs層3の組成ゆらぎを顕在化する形で現出
されるものと考えられる。
However, such a composition fluctuation influences the growth mode of the semiconductor layer formed thereon, and therefore the surface of the n-InGaP layer 4 or the first n-G layer.
On the surfaces of the aAs layer 5 1 and the second n-GaAs layer 5 2 , i
-It is considered that this appears in the form that the composition fluctuation of the InGaAs layer 3 is revealed.

【0052】このi−InGaAs層3は電子走行層で
あるため、この層に組成ゆらぎがあると特性に悪影響を
与えるため、本来ならば、i−InGaAs層3を成長
した段階で組成ゆらぎを観察することが望ましいが、従
来これを観察する手法が確立されていなかった。
Since the i-InGaAs layer 3 is an electron transit layer, composition fluctuations in this layer adversely affect the characteristics. Therefore, composition fluctuations should normally be observed when the i-InGaAs layer 3 is grown. However, the method for observing this has not been established.

【0053】この知見を利用すると、上層の半導体層の
表面を観察することによって、下層の組成ゆらぎ等の微
小な欠陥を推定して、その基板を製造工程から排除した
り、組成ゆらぎ等が発生した原因を探究する試料にする
ことができる。なお、i−InGaAs層3の表面のラ
フネスを直接観察しようとして、i−InGaAs層3
を成長した後に温度を下げ、その表面を観察すると、そ
の上にn−InGaP層4等を連続して成長した場合の
i−InGaAs層3の表面のラフネスとは全く異なる
ものになり、実際のHEMTの特性に与える影響を観察
することにはなり得ないことがわかった。
Using this knowledge, by observing the surface of the upper semiconductor layer, minute defects such as composition fluctuation of the lower layer are estimated, and the substrate is excluded from the manufacturing process or composition fluctuation occurs. It can be used as a sample to investigate the cause. In addition, in order to directly observe the roughness of the surface of the i-InGaAs layer 3,
When the temperature is lowered after the growth of n and the surface is observed, the roughness becomes completely different from the surface roughness of the i-InGaAs layer 3 when the n-InGaP layer 4 and the like are continuously grown on the surface. It was found that the effect on HEMT properties cannot be observed.

【0054】(第2実施例)化合物半導体装置を製造す
るための化合物半導体層の有機金属気相成長(MOVP
E)法によって成長する場合は、従来、その基板として
(100)方向から僅かに外れた(2〜4°)面方位を
もつ化合物半導体からなるオフ基板を使用していた。そ
して、そのオフ方向は(100)方向であった。
(Second Embodiment) Metal Organic Chemical Vapor Deposition (MOVP) of Compound Semiconductor Layer for Manufacturing Compound Semiconductor Device
In the case of growing by the method E), conventionally, an off-substrate made of a compound semiconductor having a (2-4 °) plane orientation slightly deviated from the (100) direction has been used as the substrate. The off direction was the (100) direction.

【0055】上記の方向にオフした化合物半導体基板を
用いると、キンクサイトが数多く形成され、クロライド
成長の結果からそれがエピタキシャル成長に必須である
と考えられていたためである。しかも、オフ基板を用い
なければ、AlGaAs系HEMTの高電流利得を得る
ことができないことから、ヘテロ界面の組成の急峻性向
上や酸素不純物等の混入を防ぐためには基板をオフさせ
ることは必要であると信じられていた。
This is because when the compound semiconductor substrate turned off in the above-mentioned direction is used, a large number of kinksites are formed, and it has been considered from the result of chloride growth that it is essential for epitaxial growth. Moreover, since the high current gain of the AlGaAs HEMT cannot be obtained without using the off-substrate, it is necessary to turn off the substrate in order to improve the steepness of the composition of the hetero interface and prevent the inclusion of oxygen impurities. Was believed to exist.

【0056】ところが、最近になり、電子供給層にIn
GaPを使用するHEMTが、低雑音特性に優れ、In
GaPの物性からその層を薄くすることができるため高
電流利得が得られ、Alを含まないため酸化に強い等の
点で注目を集め、AlGaAs系HEMTと置き替わろ
うとしている。
However, recently, In was added to the electron supply layer.
The HEMT using GaP has excellent low noise characteristics and
Due to the physical properties of GaP, the layer can be made thin so that a high current gain can be obtained, and since it does not contain Al, it is attracting attention because it is strong against oxidation, and it is being replaced with an AlGaAs HEMT.

【0057】このInGaP系HEMTでは電子走行層
にInGaAsを用いると、2次元電子ガス特性を決め
る重要なヘテロ界面で双方の組成のAsとPの切り換え
が行われるが、V族は蒸気圧が大きく表面から離脱しや
すいため、V族の切り換えの急峻性を向上することはII
I 族のそれに比べて困難である。したがって、AlGa
As系HEMTの成長に関して蓄積されたノウハウだけ
で良好な特性を得るのは難しく、成長シーケンス自体の
工夫が必要である。
When InGaAs is used for the electron transit layer in this InGaP HEMT, As and P of both compositions are switched at an important hetero interface which determines the two-dimensional electron gas characteristics, but the V group has a large vapor pressure. Since it is easy to detach from the surface, it is necessary to improve the steepness of the switching of group V. II
It is more difficult than that of the I group. Therefore, AlGa
It is difficult to obtain good characteristics only by the know-how accumulated regarding the growth of As-based HEMT, and it is necessary to devise the growth sequence itself.

【0058】電子供給層にInGaPを使用するHEM
Tの各結晶層の成長条件の1つである成長基板の面方位
についても、従来のAlGaAs系HEMTの場合と同
様でよいのか否か確認されていなかった。InGaAs
電子走行層はGaAsと格子不整合であるため歪みを内
包しており、ヘテロ界面のラフネスを増加させてしまう
という問題もある。
HEM using InGaP for electron supply layer
It has not been confirmed whether the plane orientation of the growth substrate, which is one of the growth conditions for each crystal layer of T, may be the same as in the case of the conventional AlGaAs HEMT. InGaAs
Since the electron transit layer has a lattice mismatch with GaAs, the electron transit layer contains strain, which causes a problem of increasing the roughness of the hetero interface.

【0059】ヘテロ界面のラフネスを大きくする最大の
要因はステップバンチングと呼ばれる不規則な2次元方
向の成長である。この不規則な2次元方向の成長は、オ
フ基板のステップが表面にあると起こりやすいと考えら
れ、オフ基板のステップ形状と関係がありそうである
が、確認されるに至っていなかった。
The largest factor for increasing the roughness of the hetero interface is irregular two-dimensional growth called step bunching. It is considered that this irregular two-dimensional growth is likely to occur when the step of the off-substrate is on the surface, and it seems to be related to the step shape of the off-substrate, but it has not been confirmed.

【0060】本発明者らは、このInGaAs電子走行
層とGaAs電子供給層の格子不整合に起因するヘテロ
界面のラフネスと成長基板の面方位との関係を検討した
結果、成長基板の面方位を(100)just方向か、
(111)A面方向にオフすること、特に、このオフ角
を4°以内にすることによって、ヘテロ界面のラフネス
を最小にし、かつ、組成急峻性向上できることを発見し
た。
The present inventors have examined the relation between the roughness of the hetero interface and the plane orientation of the growth substrate due to the lattice mismatch between the InGaAs electron transit layer and the GaAs electron supply layer. (100) Just direction,
It was discovered that the roughness at the hetero interface can be minimized and the composition steepness can be improved by turning off in the (111) A plane direction, particularly by setting the off angle to within 4 °.

【0061】このように、成長基板の面方位を(10
0)justか、方向から(111)A面方向にオフす
ることにより、ステップをなくすか、Aステップのみを
表面に露出させることができ、V族切り換え時における
V族元素のエピタキシャル層への進入を最小限に抑える
ことができる。その結果、AsとPの切り換えの急峻性
を向上させることができ、面方向を4°以内にすること
によって、ステップバンチングの過度の発生を防ぐこと
ができる。
Thus, the plane orientation of the growth substrate is set to (10
0) just or by turning off in the (111) A plane direction from the direction, the step can be eliminated or only the A step can be exposed on the surface, and the group V element enters the epitaxial layer at the time of switching the group V. Can be minimized. As a result, it is possible to improve the steepness of switching between As and P, and by keeping the surface direction within 4 °, it is possible to prevent excessive occurrence of step bunching.

【0062】図3は、第2実施例によるInGaP/I
nGaAs系結晶積層体の構造図である。この図におい
て、11はGaAs基板、12はi−GaAs層、13
はi−InGaAs層、14はi−InGaP層、15
はn−InGaP層、16はn−GaAs層である。
FIG. 3 shows InGaP / I according to the second embodiment.
FIG. 3 is a structural diagram of an nGaAs-based crystal laminated body. In this figure, 11 is a GaAs substrate, 12 is an i-GaAs layer, and 13
Is an i-InGaAs layer, 14 is an i-InGaP layer, 15
Is an n-InGaP layer, and 16 is an n-GaAs layer.

【0063】この実施例によるInGaP/InGaA
s系結晶積層体においては、GaAs基板11の上に、
バッファ層になるi−GaAs層12、電子走行層にな
るi−InGaAs層13、不純物散乱抑制層になるi
−InGaP層14、電子供給層になるn−InGaP
層15、キャップ層になるn−GaAs層16が順次形
成されている。
InGaP / InGaA according to this embodiment
In the s-based crystal laminate, on the GaAs substrate 11,
I-GaAs layer 12 which becomes a buffer layer, i-InGaAs layer 13 which becomes an electron transit layer, i which becomes an impurity scattering suppressing layer
-InGaP layer 14 and n-InGaP serving as an electron supply layer
A layer 15 and an n-GaAs layer 16 to be a cap layer are sequentially formed.

【0064】この図に示されたInGaP/InGaA
s系HEMTを製造するための結晶積層体は、成長炉は
減圧バレル型炉を用いたMOVPE法によって成長さ
れ、III 族原料としてはTMG,TEG,TMI、V族
原料としてはAsH3 ,PH3、成長圧力を50tor
rとし、成長温度を660℃とし、成長基板としては種
々のオフ角を有する直径3インチのGaAs基板11を
用いた。そして、オフ角を変えた場合のヘテロ界面のラ
フネスを原子間力顕微鏡(AFM)によって評価した。
InGaP / InGaA shown in this figure
The crystal laminated body for producing the s-based HEMT is grown by MOVPE method using a decompression barrel type furnace as a growth furnace, TMG, TEG, TMI as a group III raw material, and AsH 3 , PH 3 as a group V raw material. , Growth pressure 50 torr
r, the growth temperature was 660 ° C., and a GaAs substrate 11 with a diameter of 3 inches having various off angles was used as the growth substrate. Then, the roughness of the hetero interface when the off angle was changed was evaluated by an atomic force microscope (AFM).

【0065】図4は、成長基板のオフ方向を変えた場合
の電子移動度とラフネスの関係図である。この図には、
成長基板のオフ方向を変えた場合の電子走行層になるi
−InGaAs層13中の電子の移動度と、キャップ層
になるn−GaAs層16の表面のラフネスの関係を示
しているが、オフ角はすべて2°である。
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between electron mobility and roughness when the off direction of the growth substrate is changed. In this figure,
It becomes an electron transit layer when the off direction of the growth substrate is changed i
The relationship between the electron mobility in the -InGaAs layer 13 and the surface roughness of the n-GaAs layer 16 serving as the cap layer is shown, but the off angles are all 2 °.

【0066】なお、キャップ層になるn−GaAs層1
6の表面のラフネスは、i−InGaAs層13とi−
InGaP層14の間のヘテロ接合のラフネスを反映し
ているため、キャップ層になるn−GaAs層16の表
面のラフネスを評価することによって、間接的にこのヘ
テロ接合のラフネスを評価することができる。
The n-GaAs layer 1 which will be the cap layer
The surface roughness of No. 6 is the same as that of the i-InGaAs layer 13 and i-
Since the roughness of the heterojunction between the InGaP layers 14 is reflected, the roughness of the heterojunction can be indirectly evaluated by evaluating the roughness of the surface of the n-GaAs layer 16 serving as the cap layer. .

【0067】この図から、成長基板のオフ方向が(10
0)justのときラフネスは最も小さく、移動度も高
いことがわかる。成長基板が(100)justからオ
フしている場合は、数nmのラフネスが存在することが
分かるが、これはステップバンチングのためである。ま
た、(111)A,(110),(111)B方向のオ
フ基板のラフネスはほぼ同じであるが、電子の移動度に
大きな差があることがわかる。
From this figure, the off direction of the growth substrate is (10
It can be seen that when 0) just, the roughness is the smallest and the mobility is also high. It can be seen that when the growth substrate is off from (100) just, there is a few nm of roughness, due to step bunching. Also, it can be seen that the roughness of the off-substrate in the (111) A, (110), and (111) B directions is almost the same, but there is a large difference in the mobility of electrons.

【0068】電子の移動度については、(111)A面
方向にオフした場合が最も高く、従来の(110)方向
がその次であり、(111)B方向にオフした場合が最
も悪い。ヘテロ接合のラフネスの他に移動度を決めるの
は界面の組成急峻性で、特に、V族の切り換え急峻性は
特性に大きな影響を及ぼすことが発見された。そこで、
オフにより組成急峻性に差がでないかどうかをPL法で
検討した。
The electron mobility is highest when turned off in the (111) A plane, followed by the conventional (110) direction, and worst when turned off in the (111) B direction. It has been discovered that the composition steepness of the interface determines the mobility in addition to the roughness of the heterojunction, and that the switching steepness of the V group has a great influence on the characteristics. Therefore,
It was examined by the PL method whether or not there is a difference in composition steepness due to OFF.

【0069】図5は、InGaP層の表面にAsH3
流した場合のPL発光波長の変化説明図である。この図
の横軸は発光波長(nm)を示し、縦軸はPL強度(任
意単位)を示している。この図の曲線aは通常の成長法
によって成長し、その上にGaAsを形成しない場合
の、InGaP表面からのPL発光強度を示しており、
曲線bはInGaPを成長した後AsH3 中でアニール
した場合の表面からのPL発光強度を示している。
FIG. 5 is a diagram for explaining changes in the PL emission wavelength when AsH 3 is flown on the surface of the InGaP layer. The horizontal axis of this figure shows the emission wavelength (nm), and the vertical axis shows the PL intensity (arbitrary unit). The curve a in this figure shows the PL emission intensity from the InGaP surface when grown by a normal growth method and GaAs is not formed on it.
Curve b shows the PL emission intensity from the surface when InGaP was grown and then annealed in AsH 3 .

【0070】InGaP層の表面にAsH3 を流してア
ニールすると、AsがInGaP内に取り込まれるた
め、77Kで測定した結果は、発光波長の中心がほぼ6
55nmからほぼ690nmへと、長波長側にシフトし
ている。このシフト量がAsの取り込み量に比例してい
るため、切り換え急峻性の評価に用いることにした。
When AsH 3 is flown on the surface of the InGaP layer and annealed, As is incorporated into InGaP, the result of measurement at 77 K shows that the center of the emission wavelength is approximately 6.
The wavelength shifts from 55 nm to almost 690 nm toward the long wavelength side. Since this shift amount is proportional to the As incorporation amount, it was decided to use it for the evaluation of switching steepness.

【0071】図6、図7は、基板のオフ方向を変えた場
合のPL発光スペクトル図であり、(A)〜(D)はオ
フ方向を変えた場合のPL発光スペクトルを示してい
る。これらの図に描かれた3つの曲線は、InGaP層
の表面の3か所のPL発光スペクトルを測定しているこ
とを示している。これらの図から、(111)B方向に
オフした場合に、発光波長の中心が最も大きくシフトし
ており、(100)justと、(111)A方向にオ
フした場合に、この発光波長の中心のシフトが小さいこ
とがわかる。したがって、(100)justと、(1
11)A面方向にオフした場合に、組成急峻性も最もよ
くなるといえる。
6 and 7 are PL emission spectrum diagrams when the off direction of the substrate is changed, and (A) to (D) show PL emission spectra when the off direction is changed. The three curves drawn in these figures show that the PL emission spectra at three points on the surface of the InGaP layer are measured. From these figures, the center of the emission wavelength shifts most when turned off in the (111) B direction, and the center of this emission wavelength when turned off in the (100) just and (111) A directions. It can be seen that the shift of is small. Therefore, (100) just and (1
11) It can be said that the composition steepness becomes the best when it is turned off in the A-plane direction.

【0072】以上のことから従来の(110)方向にオ
フすることよりも、(100)justか、(111)
A面方向にオフさせたほうが組成急峻性がよく、HEM
Tの特性をより向上させることができることになる。ま
た、オフ角を4°以上にした場合は、InGaAsの表
面自由エネルギーの安定性から(311)面の形成が顕
著になってヘテロ界面のラフネスを悪化させることか
ら、オフ角は4°以下にすることが望ましいことが分か
った。
From the above, rather than turning off in the conventional (110) direction, (100) just or (111)
The composition steepness is better when turned off in the A plane direction, and the HEM
The characteristics of T can be further improved. Further, when the off angle is set to 4 ° or more, the stability of the surface free energy of InGaAs makes the formation of the (311) plane remarkable and deteriorates the roughness of the hetero interface. Therefore, the off angle is set to 4 ° or less. I found it desirable to do.

【0073】なお、上記の第1実施例は、GaAs基板
の上に格子定数が整合しない薄い化合物半導体層を成長
し、その上にGaAs層を成長する場合、このGaAs
層の膜厚が30原子層以内の膜厚に成長した段階で成長
を中断し、砒素雰囲気中でアニールした後再び成長する
化合物半導体装置の製造方法であり、第2実施例は、化
合物半導体からなり、面方位が(100)方向、また
は、(111)A方向に4°以内傾斜したオフ基板の上
に、キャリア走行層として用いる化合物半導体層を成長
する化合物半導体装置の製造方法に関するものであった
が、この両実施例の特徴を併せもたせることによってよ
り特性の良好な化合物半導体装置を実現することができ
る。
In the first embodiment described above, when a thin compound semiconductor layer whose lattice constant does not match is grown on a GaAs substrate and a GaAs layer is grown thereon, this GaAs is used.
The second embodiment is a method of manufacturing a compound semiconductor device, in which the growth is interrupted when the layer has grown to have a thickness of 30 atomic layers or less, annealed in an arsenic atmosphere, and then grown again. The present invention relates to a method for manufacturing a compound semiconductor device in which a compound semiconductor layer used as a carrier traveling layer is grown on an off-substrate whose plane orientation is inclined within 4 ° in the (100) direction or the (111) A direction. However, a compound semiconductor device having better characteristics can be realized by combining the features of both the embodiments.

【0074】上記の各実施例においては、HEMTを製
造する場合を予定して説明したが、本発明を、HEMT
以外の電界効果型半導体装置に対しても適用することが
できる。
In each of the above-mentioned embodiments, the case where the HEMT is manufactured has been described, but the present invention will be described.
It can also be applied to other field effect semiconductor devices.

【0075】[0075]

【発明の効果】本発明によると、MOVPE成長による
InGaP/InGaAs系HEMTの製造工程の歩留
りを向上させることができ、係る低雑音HEMTやHE
MTLSIの製造コストの低減に寄与するところが大き
い。
According to the present invention, the yield of the InGaP / InGaAs HEMT manufacturing process by MOVPE growth can be improved, and such low noise HEMT and HE can be manufactured.
It greatly contributes to the reduction of the manufacturing cost of MTLSI.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】第1実施例によるInGaP/InGaAs系
結晶積層体の構造図である。
FIG. 1 is a structural diagram of an InGaP / InGaAs-based crystal laminated body according to a first embodiment.

【図2】第1実施例のInGaP/InGaAs系結晶
積層体の上のGaAs層の組織を示す原子間力顕微鏡写
真である。
FIG. 2 is an atomic force microscope photograph showing the structure of a GaAs layer on the InGaP / InGaAs-based crystal laminated body of the first embodiment.

【図3】第2実施例によるInGaP/InGaAs系
結晶積層体の構造図である。
FIG. 3 is a structural diagram of an InGaP / InGaAs-based crystal laminated body according to a second embodiment.

【図4】成長基板のオフ方向を変えた場合の電子移動度
とラフネスの関係図である。
FIG. 4 is a graph showing the relationship between electron mobility and roughness when the off direction of the growth substrate is changed.

【図5】InGaP層の表面にAsH3 を流した場合の
PL発光波長の変化説明図である。
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a change in PL emission wavelength when AsH 3 is flown on the surface of the InGaP layer.

【図6】基板のオフ方向を変えた場合のPL発光スペク
トル図(1)であり、(A),(B)はオフ方向を変え
た場合のPL発光スペクトルを示している。
FIG. 6 is a PL emission spectrum diagram (1) when the off direction of the substrate is changed, and (A) and (B) show PL emission spectra when the off direction is changed.

【図7】基板のオフ方向を変えた場合のPL発光スペク
トル図(2)であり、(C),(D)はオフ方向を変え
た場合のPL発光スペクトルを示している。
FIG. 7 is a PL emission spectrum diagram (2) when the off direction of the substrate is changed, and (C) and (D) show PL emission spectra when the off direction is changed.

【図8】従来のInGaP/InGaAs系結晶積層体
の構造図である。
FIG. 8 is a structural diagram of a conventional InGaP / InGaAs-based crystal laminated body.

【図9】従来のInGaP/InGaAs系結晶積層体
の上のGaAs層の組織を示す原子間力顕微鏡写真であ
る。
FIG. 9 is an atomic force microscope photograph showing the structure of a GaAs layer on a conventional InGaP / InGaAs-based crystal laminated body.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 GaAs基板 2 i−GaAs層 3 i−InGaAs層 4 n−InGaP層 51 第1のn−GaAs層 52 第2のn−GaAs層 11 GaAs基板 12 i−GaAs層 13 i−InGaAs層 14 i−InGaP層 15 n−InGaP層 16 n−GaAs層 21 GaAs基板 22 i−GaAs層 23 i−InGaAs層 24 n−InGaP層 25 n−GaAs層1 GaAs substrate 2 i-GaAs layer 3 i-InGaAs layer 4 n-InGaP layer 5 1 1st n-GaAs layer 5 2 2nd n-GaAs layer 11 GaAs substrate 12 i-GaAs layer 13 i-InGaAs layer 14 i-InGaP layer 15 n-InGaP layer 16 n-GaAs layer 21 GaAs substrate 22 i-GaAs layer 23 i-InGaAs layer 24 n-InGaP layer 25 n-GaAs layer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 21/205 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code Office reference number FI technical display location H01L 21/205

Claims (21)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 GaAs基板と、該GaAs基板の上に
形成された格子定数が整合しないことに起因する歪みを
含むが転位を有しない薄い化合物半導体層と、該歪みを
含む薄い化合物半導体層の上に形成されたGaAs層を
含み、該GaAs層が、目的とする膜厚まで成長する前
に成長を中断し、砒素雰囲気中でアニールした後目的と
する膜厚まで成長された層であることを特徴とする化合
物半導体装置。
1. A GaAs substrate, a thin compound semiconductor layer having strains and no dislocations due to mismatch of lattice constants formed on the GaAs substrate, and a thin compound semiconductor layer having the strains. A layer including a GaAs layer formed above, the growth being interrupted before growing to a target thickness, and being grown to a target thickness after annealing in an arsenic atmosphere And a compound semiconductor device.
【請求項2】 成長を中断し、砒素雰囲気中でアニール
するときのGaAs層の膜厚が30原子層以内の膜厚で
あることを特徴とする請求項1に記載された化合物半導
体装置。
2. The compound semiconductor device according to claim 1, wherein the film thickness of the GaAs layer when the growth is interrupted and annealed in an arsenic atmosphere is within 30 atomic layers.
【請求項3】 歪みを含む化合物半導体層が、臨界膜厚
以下のInGaAsP,InGaAs,GaAsP,G
aP,InAs,GaAsSb,InGaAsSb,G
aSb,InSbであることを特徴とする請求項1に記
載された化合物半導体装置。
3. The compound semiconductor layer containing strain is made of InGaAsP, InGaAs, GaAsP, G having a critical thickness or less.
aP, InAs, GaAsSb, InGaAsSb, G
The compound semiconductor device according to claim 1, wherein the compound semiconductor device is aSb or InSb.
【請求項4】 歪みを含む化合物半導体層とGaAs層
の間に膜厚50nm以下のPを含む化合物半導体層が存
在することを特徴とする請求項1に記載された化合物半
導体装置。
4. The compound semiconductor device according to claim 1, wherein a compound semiconductor layer containing P having a film thickness of 50 nm or less is present between the compound semiconductor layer containing strain and the GaAs layer.
【請求項5】 InGaP/InGaAs系もしくはA
lGaInP/InGaAs系HEMTのInGaPも
しくはAlGaInP電子供給層の上にGaAsキャッ
プ層が形成され、該GaAsキャップ層が、目的とする
膜厚まで成長する前に成長を中断し、砒素雰囲気中でア
ニールした後目的とする膜厚まで成長された層であるこ
とを特徴とする請求項1に記載された化合物半導体装
置。
5. InGaP / InGaAs system or A
After the GaAs cap layer is formed on the InGaP or AlGaInP electron supply layer of the lGaInP / InGaAs HEMT, the growth is interrupted before the GaAs cap layer grows to a target thickness, and after annealing in an arsenic atmosphere. The compound semiconductor device according to claim 1, wherein the compound semiconductor device is a layer grown to a target film thickness.
【請求項6】 GaAs基板の上に格子定数が整合しな
い薄い化合物半導体層を成長する工程と、該薄い化合物
半導体層の上にGaAs層を成長する工程を含み、該G
aAs層の膜厚が目的とする膜厚まで成長する前に成長
を中断し、砒素雰囲気中でアニールした後目的とする膜
厚まで成長することを特徴とする化合物半導体装置の製
造方法。
6. A method comprising: growing a thin compound semiconductor layer having a non-matching lattice constant on a GaAs substrate; and growing a GaAs layer on the thin compound semiconductor layer.
A method of manufacturing a compound semiconductor device, characterized in that the growth is interrupted before the aAs layer is grown to a desired film thickness, and the film is grown to a desired film thickness after annealing in an arsenic atmosphere.
【請求項7】 GaAs層の膜厚が30原子層以内の膜
厚に成長したときにその成長を中断し、砒素雰囲気中で
アニールした後再び成長することを特徴とする請求項6
に記載された化合物半導体装置の製造方法。
7. The method according to claim 6, wherein when the GaAs layer is grown to a thickness of 30 atomic layers or less, the growth is interrupted, the GaAs layer is annealed in an arsenic atmosphere, and then grown again.
A method for manufacturing the compound semiconductor device according to 1.
【請求項8】 アニール温度が成長温度と同じかそれ以
上であることを特徴とする請求項6に記載された化合物
半導体装置の製造方法。
8. The method of manufacturing a compound semiconductor device according to claim 6, wherein the annealing temperature is equal to or higher than the growth temperature.
【請求項9】 アニールする際の砒素圧がGaAs層を
成長する際と同じかそれ以上であることを特徴とする請
求項6に記載された化合物半導体装置の製造方法。
9. The method of manufacturing a compound semiconductor device according to claim 6, wherein the arsenic pressure at the time of annealing is the same as or higher than that at the time of growing the GaAs layer.
【請求項10】 GaAs層を有機金属気相成長法によ
り成長することを特徴とする請求項6に記載された化合
物半導体装置の製造方法。
10. The method of manufacturing a compound semiconductor device according to claim 6, wherein the GaAs layer is grown by a metal organic chemical vapor deposition method.
【請求項11】 化合物半導体からなり、面方位が(1
00)just方向、または、(111)A方向に傾斜
したオフ基板の上に成長した化合物半導体層をキャリア
走行層として用いたことを特徴とする化合物半導体装
置。
11. A compound semiconductor, having a plane orientation of (1
00) A compound semiconductor device characterized by using a compound semiconductor layer grown on an off-substrate tilted in the just direction or the (111) A direction as a carrier transit layer.
【請求項12】 オフ基板の傾斜角が4°以内であるこ
とを特徴とする請求項11に記載された化合物半導体装
置。
12. The compound semiconductor device according to claim 11, wherein the off-substrate has an inclination angle of 4 ° or less.
【請求項13】 高電子移動度トランジスタであること
を特徴とする請求項11に記載された化合物半導体装
置。
13. The compound semiconductor device according to claim 11, wherein the compound semiconductor device is a high electron mobility transistor.
【請求項14】 化合物半導体層がIII −V族化合物半
導体からなり、Asを含む層とPを含む層のヘテロ接合
を含むことを特徴とする請求項11に記載された化合物
半導体装置。
14. The compound semiconductor device according to claim 11, wherein the compound semiconductor layer is made of a III-V group compound semiconductor and includes a heterojunction of a layer containing As and a layer containing P.
【請求項15】 化合物半導体からなる基板がGaAs
であり、電子走行層がInGaAsであり、電子供給層
がInGaPもしくはAlGaInPであることを特徴
とする請求項11に記載された化合物半導体装置。
15. A substrate made of a compound semiconductor is GaAs.
12. The compound semiconductor device according to claim 11, wherein the electron transit layer is InGaAs and the electron supply layer is InGaP or AlGaInP.
【請求項16】 化合物半導体からなり、面方位が(1
00)just方向または(111)A方向に傾斜した
オフ基板の上に、キャリア走行層として用いる化合物半
導体層を成長することを特徴とする化合物半導体装置の
製造方法。
16. A compound semiconductor, having a plane orientation of (1
00) A method of manufacturing a compound semiconductor device, which comprises growing a compound semiconductor layer used as a carrier transit layer on an off-substrate tilted in the just direction or the (111) A direction.
【請求項17】 オフ基板の傾斜角が4°以内であるこ
とを特徴とする請求項16に記載された化合物半導体装
置の製造方法。
17. The method of manufacturing a compound semiconductor device according to claim 16, wherein the off-substrate has an inclination angle of 4 ° or less.
【請求項18】 化合物半導体層を有機金属気相成長法
によって成長することを特徴とする請求項16に記載さ
れた化合物半導体装置の製造方法。
18. The method of manufacturing a compound semiconductor device according to claim 16, wherein the compound semiconductor layer is grown by a metal organic chemical vapor deposition method.
【請求項19】 面方位が(100)just方向また
は(111)A方向に傾斜したGaAsオフ基板と、該
GaAsオフ基板の上に形成された格子定数が整合しな
いことに起因する歪みを含むが転位を有しない薄い化合
物半導体層と、該歪みを含む薄い化合物半導体層の上に
形成されたGaAs層を含み、該GaAs層が、目的と
する膜厚まで成長する前に成長を中断し、砒素雰囲気中
でアニールした後目的とする膜厚まで成長された層であ
ることを特徴とする化合物半導体装置。
19. A GaAs off-substrate having a plane orientation inclined in the (100) just direction or the (111) A direction and a strain due to a mismatch of lattice constants formed on the GaAs off-substrate. A thin compound semiconductor layer having no dislocations and a GaAs layer formed on the thin compound semiconductor layer containing the strain, the growth is interrupted before the GaAs layer grows to a target film thickness, and arsenic A compound semiconductor device, which is a layer grown to a target film thickness after being annealed in an atmosphere.
【請求項20】 面方位が(100)just方向、ま
たは、(111)A方向に傾斜したGaAs基板の上に
格子定数が整合しない薄い化合物半導体層を成長する工
程と、該薄い化合物半導体層の上にGaAs層を成長す
る工程を含み、該GaAs層が、目的とする膜厚まで成
長する前に成長を中断し、砒素雰囲気中でアニールした
後目的とする膜厚まで成長することを特徴とする化合物
半導体装置の製造方法。
20. A step of growing a thin compound semiconductor layer having a non-matching lattice constant on a GaAs substrate having a plane orientation inclined in the (100) just direction or the (111) A direction, and the thin compound semiconductor layer A step of growing a GaAs layer on the GaAs layer, the growth of the GaAs layer is interrupted before it grows to a target film thickness, and the film is grown to a target film thickness after annealing in an arsenic atmosphere. Method of manufacturing compound semiconductor device.
【請求項21】 基板の上に、複数の化合物半導体層を
積層して形成した後に、選択エッチングにより上層の化
合物半導体層を除去して中間層の表面ラフネスを観察
し、また最上層の化合物半導体層の表面のラフネスを観
察し、比較することによって、該中間層または最上層の
化合物半導体層の表面のラフネスの原因となった、下層
の化合物半導体層の微小欠陥や組成ゆらぎの状態を間接
的に測定することを特徴とする化合物半導体層の欠陥測
定方法。
21. After stacking a plurality of compound semiconductor layers on a substrate, the upper layer compound semiconductor layer is removed by selective etching to observe the surface roughness of the intermediate layer, and the uppermost compound semiconductor layer. By observing and comparing the roughness of the surface of the layer, the state of minute defects and composition fluctuations of the lower compound semiconductor layer, which causes the roughness of the surface of the intermediate layer or the uppermost compound semiconductor layer, can be indirectly determined. A method for measuring a defect in a compound semiconductor layer, comprising:
JP30217593A 1993-11-09 1993-11-09 Compound semiconductor device, its fabrication and defect measuring method for compound semiconductor layer Withdrawn JPH07135304A (en)

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JP30217593A JPH07135304A (en) 1993-11-09 1993-11-09 Compound semiconductor device, its fabrication and defect measuring method for compound semiconductor layer
US08/337,829 US5762706A (en) 1993-11-09 1994-11-08 Method of forming compound semiconductor device
US09/025,645 US5945690A (en) 1993-11-09 1998-02-18 Compound semiconductor device

Applications Claiming Priority (1)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5945690A (en) * 1993-11-09 1999-08-31 Fujitsu Limited Compound semiconductor device

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US5945690A (en) * 1993-11-09 1999-08-31 Fujitsu Limited Compound semiconductor device

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