JPH08143398A - 誘電体薄膜上の無欠陥化合物の半導体薄膜の製造方法 - Google Patents

誘電体薄膜上の無欠陥化合物の半導体薄膜の製造方法

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は誘電体薄膜上に無欠陥半導体の格子
構造をもつ化合物の半導体薄膜を製造する方法に関する
ものである。 【構成】 本発明は高濃度の炭素不純物が添加されたＡ
ｌＧａＡｓ系列の薄膜層上に異種化合物の半導体薄膜で
あるＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓまたはＩｎＡｓ層をもつ多
層構造に対して水蒸気の雰囲気で熱処理して酸化させる
ことを特徴として遂行され、本発明によって誘電体であ
るＡｌ2 Ｏ3 薄膜層上に異種化合物の半導体薄膜層を欠
陥なしに迅速に成長させることができる効果がある。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は誘電体薄膜上に無欠陥の
半導体の格子構造をもつ化合物の半導体薄膜を製造する
方法に関するものである。
【０００２】一般的に、酸化膜上に多様な半導体薄膜の
成長が可能であるとすると次のような長所がある。
【０００３】第一に、バンドギャップを自由に調節する
ことができ各種素子の特性を向上させてその範囲を拡大
させることができる。
【０００４】第二に、自然酸化膜上に成長された素子は
酸化膜によって工程が大変便利である。
【０００５】第三に、InGaAsとInAs等の薄膜をGaAs基板
上に欠陥なしに成長させることができ、誘電体薄膜をそ
の間に挟めることができるので、SOI(Semiconductor on
Insulator),MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field
Effect Transistor)等の新たな概念の化合物の半導体
素子を開発することができる。
【０００６】第四に、酸化膜のパターン蝕刻は再びの成
長を通じて３次元的な電子遮断層をもつ素子や酸化膜を
包含させた新たな形態の超格子のレフレクタ（reflecto
r ）の製作も可能である。
【０００７】
【従来の技術】従来には酸化膜上に半導体薄膜を成長さ
せるために高純度のＡｌＡｓ−ＡｌＧａＡｓ−ＧａＡｓ
の薄膜表面を水蒸気によって直接接触させた状態で３時
間の間熱処理して酸化膜を形成させた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかし、３時間の間の
高純度AlAsの酸化速度が大変緩慢して活用度が微弱し熱
処理によってガリウム砒素の薄膜も酸化されて変質され
てしまうという大きな問題点があった。
【０００９】
【課題を解決するための手段】したがって、本発明は誘
電体上に欠陥なしのガリウム砒素の薄膜成長を可能に
し、その他にも酸化膜上に多様な半導体薄膜の成長を可
能にする方法を提供することにその目的がある。
【００１０】前記目的を達成するために本発明は、高濃
度の炭素不純物が添加されたAlGaAs系列の薄膜層上に異
種化合物の半導体薄膜層を有する多層構造に対して水蒸
気の雰囲気で熱処理して酸化させることを特徴として遂
行される。
【００１１】
【実施例】以下、添付の図面に基づいて本発明の実施例
に対して詳細に説明する。
【００１２】まず、ガリウム砒素の基板上に高濃度の炭
素を１０20ｃｍ-3以上にドーピングさせたＡｌX Ｇａ
1-X Ａｓ薄膜を成長させた後に連続的に格子常数が同一
なＧａＡｓキャップ層を約２０ｎｍ厚さに成長させる。
【００１３】図１の、（Ａ）は前記ＡｌＧａＡｓ薄膜層
のアルミニウム造成ｘが１である場合（ＡｌＡｓの場
合）の多層の薄膜構造を例として見せてやっている図面
である。
【００１４】１はガリウム砒素（ＧａＡｓ）、２ａは高
濃度の炭素不純物が添加されているアルミニウム砒素
（ＡｌＡｓ）層、３は薄膜のガリウム砒素（ＧａＡｓ）
キャップ層を各々示す。キャップ層（３）はＧａＡｓの
代わりに格子常数が異なるＩｎＧａＡｓ薄膜に代置する
ことができ臨界厚さの以下に成長させる。次に成長され
た薄膜を電気炉に入れて約４００℃から水蒸気が交ぜら
れている窒素を流してやって５分程度自然酸化させる。
【００１５】このとき、酸化速度はアルミニウム造成X
が大きい程迅速である。
【００１６】AlAsは非晶質酸化アルミニウム（Ａｌ2 Ｏ
3 ）に変わり可視光に透明である。
【００１７】ガリウム砒素の酸化速度は大変緩慢してガ
リウム砒素の酸化膜の形成は無視することができる。但
只、空気中に露出されたガリウム砒素の表面部位のみが
若干の酸化を起こす。
【００１８】図１の、（Ｂ）は前記図１の、（Ａ）のサ
ンプルを酸化処理した後の変質された薄膜の構造を見せ
てやる図面であって、アルミニウム砒素（ＡｌＡｓ）層
（２ａ）のみが安定された非晶質の酸化アルミニウム
（Ａｌ2 Ｏ3 ）層（２ｂ）として変質され二つのガリウ
ム砒素層（１，３）は酸化のなしにそのままに存在す
る。その酸化過程は水の分子の酸素がガリウム砒素層
（３）を通過してＡｌＡｓ層内のＡｓ席にある炭素（Ｃ
As）と急激な反応を起こして一番先にそのすぐ側に連結
されているアルミニウムと置換して結合する。
【００１９】このようにＡｌ2 Ｏ3 の核心点を成した後
に、継続的に周囲のＡｓ原子と置換しながら酸化されて
いく。
【００２０】ですから、核心点は炭素の数量と同じであ
り均等に分布されている。この結果によって、その酸化
速度が大変迅速に生成された酸化膜は大変安定され物性
の特性が誘電体としてＡｌＡｓと大変異なる。炭素不純
物が添加されていないＡｌＡｓ層は酸化速度が大変緩慢
である。酸化速度が無視する程に緩慢なガリウム砒素薄
膜層の上の部分は水蒸気に露出されて小数の原子層は酸
化されるが、大部分のガリウム砒素薄膜は元来の格子状
態を維持している。ガリウム砒素の酸化された部分は試
薬によって除去し新たなガリウム砒素層を願う厚に成長
させる。
【００２１】酸化速度がもっと緩慢なＩｎＡｓ薄膜の成
長方法もガリウム砒素の場合と同一にＡｌＡｓ層のみが
非晶質Ａｌ2 Ｏ3 に変わる。
【００２２】ＡｌＡｓとＩｎＡｓは格子の不整合が大き
いのであるが、その酸化処理後の薄膜構造は非晶質のＡ
ｌ2 Ｏ3 層の上にＩｎＡｓ薄膜層であるので格子の不整
合によるストレーンがない。
【００２３】それで、この酸化されたＩｎＡｓ表面層の
みを試薬によって除去した後にエピタキシャル成長方法
によって新たなＩｎＡｓ層を厚く成長させても欠陥のな
い格子層を形成することができる。
【００２４】高濃度の炭素を添加したＡｌＡｓまたはＡ
ｌＧａＡｓ薄膜は水蒸気の雰囲気で熱処理するときに酸
化の反応速度が既存の方法であるドーピングしなかった
ＡｌＡｓの場合より２０倍の以上に迅速であるので炭素
が包含されたＡｌＡｓ、またはＡｌＧａＡｓ層上にＧａ
Ａｓ層を成長させてもＡｌＡｓや炭素を添加したＡｌＡ
ｓと水蒸気の酸化の反応は次のようである。
【００２５】第一に、ＡｌＡｓ内のＡｓ席にある炭素
（ＣAs）とＨ2 Ｏが先に反応する。
【００２６】 ＣＡｓ ＋ ２Ｈ2 Ｏ → ＣＯ2 ↑＋ ２Ｈ2 ↑ そして継続してそのすぐ側にあるＡｌと水蒸気が反応構
造であるとし帰還する。
【００２７】 ２Ａｌ ＋ ３Ｈ2 Ｏ → Ａｌ2 Ｏ3 ＋ ３Ｈ2 ↑ 一旦、Ａｌ2 Ｏ3 が作られると継続して周囲のＡｌＡｓ
と酸化反応を開始する。
【００２８】３Ｈ2 Ｏ ＋ ２ＡｌＡｓ → Ａｌ2 Ｏ
3 ＋ ２ＡｓＨ3 ↑ 炭素と水蒸気が容易に反応されることができるので、そ
の隣接のＡｌも容易に水蒸気と反応し酸化されることが
できるのである。
【００２９】結局、炭素と結合されているＡｌがnuclea
tion centerになって急速にその周囲が酸化されて行く
のである。ＡｌＧａＡｓ層のみの酸化が可能である。
【００３０】
【発明の効果】したがって、前記のような本発明による
と誘電体であるＡｌ2 Ｏ3 薄膜層上にＧａＡｓ薄膜層を
欠陥なしに成長させることができるばかりでなく、格子
の不整合が大きな異種薄膜であるＩｎＧａＡｓ層も欠陥
なしにさせることができる効果がある。
【００３１】また、本発明によって誘電体上に多様な化
合物の半導体薄膜を成長させる方法は現在の水準のバン
ドギャップ技術の限界を超越し新たな概念の素子の創出
に寄与するであろう。革新的なシリコン技術の発達が自
然酸化膜の生成技術の発見に基因したように、化合物半
導体の酸化膜の生成技術はそれと類似に新たな化合物の
半導体技術の発達に新たな契機を賦与することである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を説明するための図面であ
る。
【符号の説明】
１ ガリウム砒素基板 ２ａ 高濃度の炭素不純物が添加されたアルミニウム砒
素（ＡｌＡｓ） ２ｂ 非晶質の酸化アルミニウム（Ａｌ2 Ｏ3 ） ３ ガリウム砒素のキャップ層（２０ｎｍ未満）

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 半導体基板上に高濃度の炭素不純物が添
    加されたＡｌＧａＡｓ系列の薄膜層（２ａ）を成長させ
    た後に、連続的にその上に異種の化合物の半導体薄膜層
    （３）を成長させる工程と、および前記多層構造に対し
    て水蒸気の雰囲気から熱処理して酸化させる過程を包含
    することを特徴とする誘電体薄膜上の無欠陥化合物の半
    導体薄膜の製造方法。
  2. 【請求項２】 添加される前記炭素不純物の濃度は１０
    20ｃｍ-3以上であることを特徴とする請求項１記載の誘
    電体薄膜上の無欠陥化合物の半導体薄膜の製造方法。
  3. 【請求項３】 前記酸化熱処理は約４００℃から水蒸気
    が交ぜられた窒素を流しており、５分程度に自然酸化さ
    せることによって成されることを特徴とする請求項１記
    載の誘電体薄膜上の無欠陥化合物の半導体薄膜の製造方
    法。
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