JPH0878348A - 化合物半導体エピタキシャル成長方法とそのためのInP基板 - Google Patents
化合物半導体エピタキシャル成長方法とそのためのInP基板Info
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Abstract
に化合物半導体薄膜を成長させると、薄膜の上にヒロッ
クが発生する。ヒロックを抑えるために基板面を(10
0)からずらすということが行なわれる。しかし(10
0)面からの傾斜角Θのみがヒロック発生の様子を決め
るのではない。隠れた変数が存在する。隠れた変数を探
し出し、最小の傾斜角によってインゴットを切断するこ
とができるようにすることが目的である。 【構成】 薄膜上にヒロックを引き起こすものは基板自
身の欠陥である。欠陥のないところにヒロックは生じな
い。結晶面からの傾斜角は基板の欠陥を薄膜に伝達しな
いようにする作用がある。ヒロックを抑制するために、
欠陥密度が小さい場合は傾斜角も小さくてよい。欠陥密
度が大きい場合は傾斜角をかなり大きくする必要があ
る。ヒロックを抑制するためには、(100)面からの
傾斜角Θは、Θ≧1×10-3D1/2 あるいはΘ≧1.2
6×10-3D1/2 であれば良い。Dは基板の欠陥密度で
ある。
Description
の上に化合物半導体の薄膜を気相エピタキシャル成長さ
せる際に発生するヒロックを低減することを目的とす
る。化合物半導体基板としては、GaAs、InPなど
の基板が用いられる。この上に同じ成分の薄膜や、異な
る成分の薄膜をエピタキシャル成長させる際に、気相エ
ピタキシャル法がよく用いられる。気相エピタキシャル
法には、MOCVD(有機金属気相エピタキシ−)、M
BE(分子線エピタキシ−)、クロライドCVD、ハラ
イドCVD、などがある。本発明はいずれにも適用する
ことができる。
MVPE成長においては、成長後のエピタキシャル成長
層表面にヒロックと呼ばれる凸状の欠陥が生じるという
問題があった。ヒロックを低減するために従来から、基
板面方位、成長速度、成長温度などと欠陥の関係が調べ
られ考察されてきた。
エピタキシャル成長において発生するグロ−スピラミッ
ドやファセッテッドディフェクトと呼ばれる表面欠陥を
問題にする。この欠陥の発生を抑えるために従来はオフ
アングル法が用いられると述べている。オフアングル法
は(100)面から1°〜7°傾けた面を持つウエハの
上に薄膜をエピタキシャル成長するという方法である。
しかし半導体レ−ザのように表面にグレ−ティングを作
る必要のある素子を作るにはオフアングルのウエハを使
うことができない。(100)ジャストのウエハが必要
である。
とできないものがあると説明し、傾きが0.1°以下の
ものは欠陥が顕著に発生することを発見している。そこ
で、特開平2−239188号は、(100)面から
0.1°〜0.5°傾いた面を持つウエハを用いて、基
板温度を600℃〜700℃にして気相エピタキシャル
成長させることを提案している。
体の気相エピタキシャル成長の際に表面に発生する涙状
の欠陥を減らすことを問題にする。ウエハの(100)
からの傾き角θと、成長速度V、基板温度Tの間に次の
ような不等式を与える。 0.011V1.5 +6.21×1020T-7.5≦θ≦0.
20 この範囲で成長させると涙状の欠陥が減少すると述べて
いる。成長速度が速いと、基板温度を上げる必要があ
り、反対に成長速度が遅いと基板温度を下げる必要があ
る。この不等式の意味するのはそのようなことである。
速度の1.5乗とか、温度の−7.5乗というべき数が
なぜ現れるのか分からない。
sのアバランシェホトダイオ−ドを作製する時にハライ
ド成長法を用いるが、(100)から±0.1°以内の
傾きであるInPウエハを基板とすると、ヒロックが多
量に発生し、ウエハの面内で、アバランシェ層の膜厚が
ばらつくという問題があると述べている。そこで(10
0)面から0.2°〜0.5°傾いたInPウエハを用
いて、この上に光吸収層、アバランシェ層をエピタキシ
ャル成長させることを提案している。これによりヒロッ
クが発生しなくなったと言う。
Nホトダイオ−ドをハライド気相成長法によって製作す
る時にウインド層や、バッファ層の膜厚分布ができて、
pn接合の位置がばらつくということを述べている。そ
こで(100)から0.2°〜0.5°傾いたInP基
板を用いて、この上にバッファ層、光吸収層をハライド
気相成長させている。これにより膜厚分布が減少し、製
品歩留まりが向上したとある。
の上にInGaAsPの薄膜などをハライド法によりエ
ピタキシャル成長し、受光素子とする場合に、(10
0)±0.1°のInPウエハを用いると、ヒロックを
発生するので膜厚制御が難しくなると問題を指摘してい
る。そこで、(100)から0.1°〜0.5°傾いた
InPウエハを採用し、この上にハライド法によりIn
GaAsPの多層構造を成長させる。膜厚の均一性が改
善されたとある。
InP基板の上にMBE法でダブルヘテロ構造を形成し
た場合、PL(フォトルミネッセンス)発光強度が弱
く、この方法で作った半導体レ−ザは閾値電流が高いと
いう問題を指摘する。そこで、(111)B面から0.
5°〜2°の傾きを持つInP基板を用いてダブルヘテ
ロ構造をMBE法で作製することを提案している。これ
は(100)方向のウエハを採用せずに(111)ウエ
ハを用いる。この方法で作られた半導体レ−ザは閾値電
流が低減されたと述べている。
ザや二次元電子ガスを用いた高速FETを作製する時
に、(111)B面から0.1°〜1°傾いたGaAs
基板を用いて、MBE法により薄膜をエピタキシャル成
長させることを提案している。GaAs基板の(11
1)からの傾きがこの範囲であると、エピタキシャル層
は鏡面になりPL(フォトルミネッセンス)強度も大き
いという。(001)ウエハよりも優れていると判断し
ている。
(111)B面より0.1°〜1°の範囲で傾いたGa
As基板を用いてMBEによるエピタキシャル成長を行
っている。(001)面ウエハを使った場合よりもPL
強度が大きいということを述べている。特開平3−16
993号は、(100)GaAs基板上に気相成長させ
たエピタキシャル層にクロスハッチと呼ばれる縞模様が
あるので表面があれるということを問題にする。これを
解決するために、(100)面から0.5°〜10°傾
いたウエハを用いるという。
aAs基板にAlGaAsをMBEで成長させるHEM
Tを作製する時に微小な米粒状の欠陥が発生することを
問題にしている。これは(100)面からのずれによっ
て発生する欠陥であり、基板の(100)面からのずれ
が0.15°以内、望ましくは0.05°以内にしなけ
ればならないというものである。これまで挙げてきたも
のと反対のことを述べている。
MO−MBEによりGaAs基板の上にアルミニウムを
含む薄膜を成長させる際に結晶の表面が粗面化するの
で、基板の面方位を主平面から0.5°〜10°の範囲
で傾けたものを使用している。
が粗面化するのを防ぐためにInP基板の面を(10
0)面から僅かにずらせるということがなされる。角度
の範囲としては様々のものがある。これらは何れも薄膜
に現われる面の荒れを無くすために、基板面を基準面
(100)から傾けている。
慮しており、基板と薄膜の間の記憶については考察がな
されていない。基板はエピタキシャル成長させる時に薄
膜を結晶軸から傾けるためのものと考えられている。オ
フアングルの基板を使うのは、薄膜の方位をオフアング
ルするためである。またこれらの提案は基板の性質とヒ
ロック発生との関係について述べるところがない。本発
明者は、同じ傾き角で切り出した基板であっても、その
面に表れるヒロックの発生密度が著しく異なるというこ
とに気付いた。
であるが、あるものはヒロックの密度が高く、あるもの
はヒロックの密度が低い。これまで述べた従来技術は、
(100)面から傾斜角Θを規定し、これによりエピタ
キシャル膜の粗面化を一様に防ぐことができるように説
明している。
傾斜角Θが同じ基板を使っても、ヒロックの発生の様子
は随分と違う。基板の基準面からの傾斜角Θのみがヒロ
ック発生を左右するパラメ−タではない。そうではなく
てヒロックは傾斜角以外の要素により発生したりしなか
ったりするのである。ある基板については傾斜角が小さ
いに拘らずヒロック発生密度が低い。またある基板につ
いては傾斜角が大きいのにヒロック発生密度が高い。こ
れはどうした訳であろうか?隠れたパラメ−タがある筈
である。ヒロックを引き起こす原因を明らかにし、基板
の傾斜角Θを適切に決定できるようにした化合物半導体
エピタキシャル成長法を提供することが本発明の目的で
ある。
密度に注目する。本発明者は基板の欠陥密度(EPD)
がその上に成長する薄膜のヒロックの発生密度を左右す
るということを見いだした。隠れたパラメ−タは基板自
身の欠陥密度だったのである。基板の傾斜角と、欠陥密
度がヒロックの密度を決定する二大要素である。これを
本発明者が初めて見い出した。
は基板の欠陥密度により基板の傾斜角Θを変えるように
する。基板の欠陥密度が小さい時は傾き角が小さくても
差し支えない。しかし欠陥密度が大きい時は傾き角をよ
り大きくする必要がある。つまり、ヒロックの発生を避
けるための最小傾斜角を基板欠陥密度の関数として与え
ることができる。
タキシャル成長するとき次のような性質のあることを見
いだした。基板の平均EPDが25000cm-2の場
合、(100)からの傾き角Θが0.2°以上であれば
ヒロックは殆ど発生しない。基板の平均EPDが300
0cm-2の場合はΘが0.07°以上であればヒロック
が発生しない。EPDが1000cm-2の場合は、0.
04°以上であればヒロックが生じない。このようにヒ
ロックが発生しない最大の基板傾き角Θは、基板の欠陥
密度に依存して変化する。
角Θを、Θ≧1.26×10-3D1/2 とする。ここで、
DはEPD(cm-2)であり、Θは角度(°)で表現し
ている。ただし基板欠陥密度は平均値である。欠陥(転
位)は基板面上でばらついており、高い有効数字で表現
しても意味の無いこともある。有効数字が少ない場合
は、比例定数の上一桁を取る。傾き角ΘをΘ≧1×10
-3D1/2 によって与える。この方が的確である。
発生について相関のあることに気付いた。基板の欠陥が
多いと、ヒロックの発生頻度が高い。基板の欠陥が少な
いとヒロックの発生頻度が低い。基板をインゴットから
切り出す時に、(100)からの傾斜Θを適当に決めて
切り出すが、ヒロックが発生しない最低の傾き角Θmi
nが実は基板の欠陥密度に依存するのである。依存の関
係は先述のようにΘ≧1.26×10-3D1/2 (或いは
Θ≧1×10-3D1/2 )によって表現することができ
る。
基板の欠陥密度が低いと傾斜角Θが小さくても良い。基
板の欠陥密度が高いと、傾斜角Θが大きい必要がある。
このように傾斜角Θが実は基板の欠陥密度の多少による
のである。インゴットから切り出してウエハ−にし、エ
ッチング、研磨してミラ−ウエハ−にするのであるか
ら、切り出した後で、欠陥密度が分かる。だから、欠陥
密度によって最適の切り出し角度を決定するという順序
にはならない。しかし、インゴットの一部を切り出した
だけでも欠陥密度の大体の値は分かる。この値により傾
き角Θを規定してもよい。
ウエハ−の上に、OMVPE法により、InP/InG
aAs/InP層よりなる薄膜を成長させた。基板の傾
き角Θは0°〜0.2°である。基板の温度は873
K、成長速度は1.0μm/hrである。そして最上層
のInP薄膜に現われたヒロックの数を数えて、基板の
欠陥との相関を調べた。平均欠陥密度が25000cm
-2、3000cm-2、1000cm-2の場合について
(100)からの基板の傾き角Θと、ヒロックの密度H
の関係をグラフに表した。これが図1である。
の傾斜角がΘ=0ではヒロック密度が1000cm-2で
ある。傾斜角Θを増やすとヒロック密度も減る。Θ=
0.03°でヒロックは100cm-2程度になる。バラ
ツキがあるが、Θ=0.04°でヒロック密度は0に低
下する。平均EPDが3000cm-2の場合は、Θ=0
°で3000cm-2の程度である。Θ=0.04°では
1000cm-2程度に減る。Θ=0.06°では300
0cm-2程度に減る。Θ=0.07°ではヒロック密度
が0になる。
Θ=0度でヒロック密度が25000cm-2の程度であ
る。Θ=0.04°でもヒロック密度が25000cm
-2の程度である。0.07°で約1000cm-2であ
る。Θ=0.20°の時に初めてヒロック密度が0に低
下する。この実験の条件は、速度が1.0μm/hrで
温度がT=873K(600℃)である。しかし温度は
450℃〜800℃の範囲、成長速度は0.05μm/
hr〜20μm/hrの範囲でこのような関係がある。
が、これについては驚くべきことが分かった。図2は、
Feド−プ(100)ジャストInP基板にInP/I
nGaAsP/InP層をOMVPE法により成長させ
たものの最上層のInP層のノマルスキ−顕微鏡写真図
である。倍率は約100倍である。楕円形状の欠陥が見
える。これがヒロックである。
長層InP/InGaAs/InPを除去し、露呈した
InP基板をHuberエッチングした面のノマルスキ
−顕微鏡写真である。倍率は100倍である。この結晶
の縦方向の層構造を示す断面図を、図2と図3の上に示
す。図2、図3の矢印はそれぞれノマルスキー顕微鏡観
察を行った位置を示している。
の欠陥の位置が1:1に対応しているということが分か
る。してみれば、傾きのない基板(Θ=0)では、基板
の欠陥(転位)の上にヒロックが成長するのである。基
板の転位がヒロックを発生する引き金になっている。Θ
=0の場合は、全ての欠陥の上にヒロックが発生してい
る。基板の欠陥が薄膜に転写されると表現することがで
きよう。欠陥を転写したものが薄膜のヒロックなのであ
る。
の極限で、いずれの場合も、ヒロックの密度Hが、基板
欠陥密度EPDにほぼ等しくなっている。これは、薄膜
の上下の欠陥(転位)とヒロックの1:1対応によるも
のである。欠陥が転写されてヒロックとなるのである。
ところが基板の面方位が(100)からずれると、基板
の欠陥密度が全て薄膜に転写されなくなる。基板の(1
00)面からのずれ、つまり傾斜角が基板面の欠陥密度
の記憶を失わせるようである。もともと基板の欠陥密度
が小さいと、小さい傾斜角でも欠陥密度の記憶を失って
しまう。基板の欠陥密度が大きいと傾斜角を余程大きく
しないと欠陥密度の記憶を断ち切ることができない。
のヒロックを作り出すのである。欠陥のないところに
は、薄膜にヒロックがほとんど発生しない。基板の(1
00)からの傾斜角は、基板欠陥密度の幾つかを覆い隠
す作用がある。欠陥の転写を妨げるものが傾斜角Θであ
る。それではどうしてこのように、ヒロックと、基板の
(100)からの傾斜角Θと、欠陥密度が関係している
のであるか?この理由が分からなければ発明として完結
しないのである。
によって基板の上に薄膜を成長させるのであるから、基
板の上に着地した原子は、そのまま結晶構造に取り込ま
れるか、或はそこから移動してポテンシャルの低い場所
に移り、ここで結晶構造に組み込まれるかである。図4
にこのようなポテンシャル図を示す。トラップのエネル
ギ−をEとすると、これが熱運動のエネルギ−kTより
大きければ、原子が再び外部に放出される確率は低い。
原子はここで固化して結晶を構成するようになる。
で、基板の表面は平行の段々形状になる。これをテラス
という。図5に示す。テラスは構造の特異点であるから
ここでエネルギ−が低く、原子を捕獲(トラップ)する
ことができる。また、転位も構造の欠陥でありエネルギ
−が低いので原子を捕獲できる。格子定数をaとする。
テラスの面が(100)面になるから、テラスの1段の
幅LはL=a/Θによって与えられる。段は直線になり
相互に平行である。段と段の間隔がLである。段の高さ
は格子定数aである。
で、原子を捕獲して固化する作用がある。平坦な部分は
エネルギ−が下がらないので原子を捕獲しにくい。結
局、転位とテラス段部において原子が捕らえられる。転
位に捕まった原子はここで局在し、ここで格子に取り込
まれる。これがヒロックになると、本発明者は考える。
図2と図3によって説明したように基板自身の転位を転
写したものがヒロックであることが分かった。だから転
位の上に異常成長したものがヒロックである筈である。
に付いてエピタキシャル膜を形成する。テラスの段に1
列の原子が付くと、テラスが1原子分だけ前進する。つ
まりテラスの段における成長は正常成長である。(10
0)面からの傾きが小さい時はテラスの段の数が少な
い。従って原子はテラス段によって捕まえられる機会が
少ない。原子の多くは転位に捕捉されて転位からヒロッ
クを成長させるものと考えられる。だからΘが小さい時
はヒロック密度が高いのである。
テラスの段の数が増える。このときテラス段部によって
捕まえられる原子の比率が増大する。反対に転位に集ま
る原子数が減る。このため、一様なテラス段からの正常
成長が主となり、転位上の異常成長すなわちヒロックの
発生を抑えることができるのである。
位の密度Dの平方根の逆数D-1/2によって評価すること
ができる。また原子が最近接のテラス段に行き着くまで
の距離はa/Θによって評価することができる。気相か
ら基板または薄膜の上に供給された原子はより近い方の
特異点(段、転位)に捕獲されるので、Θが小さい時は
専ら転位に集まる。そしてヒロックを大量に生成する。
Θが大きいとテラス段に集まり原子は正常成長に寄与す
る。転位には集まらないのでヒロックが発生しない。
a/ΘとD-1/2の大小関係のみによる。これらはいずれ
も比例定数を含んで考えなければならない。すると臨界
角として、Θc=KD1/2 が存在するはずである。Θが
これより大きいとテラス段による正常成長のみとなり、
ヒロックが生じない。Θがこれより小さい時には基板の
転位の位置に対応してヒロックが発生し得る。
1000cm-2の時に、Θ=0.04°以上、3000
cm-2の時にΘ=0.07°以上、25000cm-2の
時にΘ=0.2以上であると、ヒロックが発生しないこ
とが分かっている。これらの値から、K=1.26×1
0-3(deg・cm)と計算される。転位密度について
はばらつきと測定誤差があるので、多くの有効数字を得
られない場合が多い。この場合はK=10-3(deg・
cm)とする。
供給原子がいずれに引き寄せられるかということであ
る。テラス段にある原子の個数をRとし、転位にある原
子の個数をNとする。基板または薄膜の上に単位時間に
供給される原子個数をFとする。基板薄膜の上にあって
単位時間にテラス段に移動する確率をαとする。テラス
段にあって単位時間に固定化して行く確率をβとする。
基板薄膜の上にあって単位時間に転位に移動する確率を
γとし、転位にあって単位時間に固定化して行く確率を
δとする。すると、これらの間に次の関係が成立する。
あるとみなすことができる。テラス段に原子が捕獲され
る確率αは、テラスの存在する確率に比例するので、 α=hΘ (3)
ている原子が、固定化する確率はテラス段のポテンシャ
ルの差と、温度による。しかしこれはテラス段の数に殆
どよらない筈である。転位に捕獲される確率γは、薄膜
基板の上に落ちた原子の最近接の転位までの距離に比例
すると考える。すると、これはD1/2 に比例する筈であ
る。
位の数にはよらない。これは転位のトラップのエネルギ
−と温度による。Fが一定という条件と、t=0におい
て、これらの値が0であるという初期条件によって前記
の方程式を解く。
化するので、成長開始後時間tでのテラス段に固化する
原子数は、Rにβを掛けたβRを時間tで積分したもの
である。同様に転位に固化する原子数は、Nにδを掛け
たδNを時間tによって積分したものによって与えられ
る。指数による変化は短い間のものであるから、テラス
に積み重なる原子数は、ほぼαtFになる。転位に固化
する原子数は、ほぼγtFになる。
るという本発明者の発見に従うと、ヒロックを形成する
原子数はγtFである。テラスの段で固化する原子は正
常な結晶成長に対応する。これはαtFである。ヒロッ
クの無い薄膜を形成するには、αtFが、γtFよりも
ずっと大きければ良い。つまりαがγより格段に大きけ
れば良いである。
(k/h)D1/2 であることが要求される。それで、ヒ
ロックの発生しない条件は、転位密度Dの平方根に比例
する値以上にΘを設定するということになる。前述の実
験結果から、Θ≧1×10-3D1/2 と書くことができ
る。あるいはΘ≧(D/106 )1/2 となる。
され固化してヒロックになるという図2、図3の発見に
対応するもので、基板の転位密度が、ヒロックの発生し
ないための傾き角Θcを決めるということを定性的に説
明することができる。しかしながら、これら確率論的な
考察は、Θの1乗に比例する依存性しか得られない。図
1のようなヒロック密度のΘへの急峻な依存性を説明で
きない。さらにまた、テラスと転位の引き合いという説
は尤もらしいが、実は定量的におかしい点があるように
思える。
する。(100)面からの傾き角Θが、例えば0.1°
と仮定する。テラスの幅は約300nmである。一方転
位密度を25000cm-2とすると、平均の転位間隔
は、約60μmである。このように大量の転位がある場
合でも、転位の間隔はテラス段の間隔の約200倍であ
る。転位の中間に落ちた原子は平均100段のテラスを
登り降りしてやっと最近接の転位に到達できる。つまり
テラスの数が多いのに比べて転位が少なすぎるのであ
る。
09°の当たりの急激なヒロック密度の降下はどうして
起こるのか?D=3000cm-2の場合のΘ=0.06
°での下降はどうしてか?前記の説明では、このような
非線形を説明できない。D=1000cm-2の場合のΘ
=0.03°の当たりの急激な降下は何故起こるか?実
際に、図2、図3を観察すると、一つの転位は直径50
μm程度の範囲にわたって影響を及ぼす。テラスが0.
3μmの間隔でできたとしても、転位の影響はテラスの
100段以上に及ぶ大きさを持つ。一つの転位がテラス
の段を広範囲に渡ってそのエネルギーポテンシャルに対
し影響を及ぼすのである。
原子というのではなくて、テラスの高さを意味するもの
とする。テラス段に取り込まれる原子の数と高さは比例
するので、このような仮定は問題ない。同様にδNは転
位の上に形成されるヒロックの高さを意味するものとす
る。先程はδNを転位に取り込まれる原子数としている
から転位の面積で割って、面密度を掛けると高さにな
る。線形の方程式であるから、定数を掛けても同様に成
立するのである。
であるから、転位に落ちた原子がテラス段に戻ることも
あろう。この確率をεとする。反対にテラス段に落ちた
原子が転位に移動することもある。この確率をηとす
る。すると、単位時間にテラス段に捕獲される原子数R
と、単位時間に転位に捕獲された原子数Nに対して、
すぐに一定値に達する平衡値である。これは
ε、テラス段から転位への移動ηは、そこでそのまま固
化する原子数よりも小さいのでΔは正である。
Rを時間で積分したものであるがすぐに平衡値に達する
のでβRtである。) H1=β(αδ+γε)t/Δ (13)
いとすると、ヒロックがいくらでも成長してゆくという
ことである。反対に転位の高さがテラスよりも低いとす
ると、ヒロックは短い時間の間に覆い尽くされ埋まって
しまうということである。つまりH1とH2の大小関係
により、ヒロックの成長、消滅が決まるということにな
る。H1とH2の差をQとすると
ができる。Qが正であれば、テラスの高さの方が速く伸
びるので、転位は消えてしまう。これは括弧の中の正負
による。括弧の中が正であると、転位が消えるというこ
とである。εやηは小さいので、主になるのは(α−
γ)である。これが正になるのは、α=hΘ、γ=kD
1/2 であるから、Θ>(k/h)D1/2 の時である。た
だし定数k、hの値は前述のものと異なる。
テラスの成長よりも速いので、転位と同じ形状分布の構
造物が薄膜の上に永久に残って行く。つまりヒロックが
残るのである。これはΘ<(k/h)D1/2 の時であ
る。
い遷移領域をうまく説明することができる。Dが何れで
あってもΘ=0ではヒロックの密度Hは殆どH=Dであ
る。しかしある傾斜角から先で突然にH=0に落ちてし
まう。この急激な遷移は、前記のQの正負の切り替わり
によって突然に起こるのである。
=0.06°で10000個の程度であるが、Θ=0.
07°で1000個に減り、Θ=0.10°で40個に
減ってしまう。このような急激な転換は前記のQの正負
の変化によって引き起こされる。Θが0.07°からテ
ラス成長速度の方が、転位成長速度より僅かに速くな
る。速度の差は僅かでも、テラス成長が転位成長を覆い
尽くすことができるからヒロックが隠れてしまうのであ
る。ヒロックの発生消滅の急激な変遷はQの正負の変化
により巧妙に説明できる。
Θは(k/h)D1/2 よりも大きくなければならない。
D=25000cm-2に対する0.20°、D=300
0cm-2に対する0.07°、D=1000に対する
0.04°は(k/h)D1/2よりも大きい値である。
結晶面を表面に持つ化合物半導体基板を用いて化合物半
導体薄膜をエピタキシャル成長させると、面の荒れが少
なくなるということは知られており、(100)面より
少し傾いた面のウエハ−を使って半導体レ−ザを製造す
るということが行なわれている。しかし基板自体の欠陥
がその上に成長させた薄膜にどのような影響を及ぼすの
か、従来全く気付かれていなかった。
強い相関のあることを、初めて明らかにしている。欠陥
が少ない基板の場合は、ヒロックを抑制するために傾き
角Θをさほど大きくする必要がない。逆に欠陥の多い基
板の場合は傾斜角Θを大きくする必要がある。
ットから切り出す場合の傾斜角Θの正確な設計が可能に
なる。何らかの手段でインゴットの段階で欠陥密度を測
定し、欠陥密度を知って、最小限必要な傾斜角Θを求め
る。これ以上の傾斜角でインゴットを切断する。デバイ
スを作製する場合は、(100)面に近い方が良いので
あるから、欠陥密度が許す限りの小さい傾斜角Θで切断
するようにすることができる。
nP膜を成長させた時の、基板の欠陥密度をパラメ−タ
として、基板傾き角Θと、ヒロック発生密度の関係を示
すグラフ。
の最上層であるInP層の表面のノマルスキ、顕微鏡写
真。
し、基板を露呈しこれをHuberエッチングした面の
ノマルスキ、顕微鏡写真。
バンド図。
か転位に向かうかを説明するテラスの斜視図。
タキシャル成長するとき次のような性質のあることを見
いだした。基板の平均EPDが25000cm−2の場
合、(100)からの傾き角Θが0.2°以上であれば
ヒロックは殆ど発生しない。基板の平均EPDが300
0cm−2の場合はΘが0.07°以上であればヒロッ
クが発生しない。EPDが1000cm−2の場合は、
0.04°以上であればヒロックが生じない。このよう
にヒロックが発生しない最小の基板傾き角Θは、基板の
欠陥密度に依存して変化する。
板の傾斜角がΘ=0ではヒロック密度が1000cm
−2である。傾斜角Θを増やすとヒロック密度も減る。
Θ=0.03°でヒロックは100cm−2程度にな
る。バラツキがある、Θ=0.04°でヒロック密度は
0に低下する。平均EPDが3000cm−2の場合
は、Θ=0°で3000cm−2の程度である。Θ=
0.04°では1000cm−2程度に減る。Θ=0.
06°では300cm−2程度に減る。Θ=0.07°
ではヒロック密度が0になる。
が、これについては驚くべきことが分かった。図2は、
Feドープ(100)ジャストInP基板にInP/I
nGaAs/InP層をOMVPE法により成長させた
ものの最上層のInP層のノマルスキー顕微鏡写真図で
ある。倍率は約100倍である。楕円形状の欠陥が見え
る。これがヒロックである。
1000cm−2の時に、Θ=0.04°以上、300
0cm−2の時にΘ=0.07°以上、25000cm
−2の時にΘ=0.2°以上であると、ヒロックが発生
しないことが分かっている。これらの値から、K=1.
26×10−3(deg・cm)と計算される。転位密
度についてはばらつきと測定誤差があるので、多くの有
効数字を得られない場合が多い。この場合はK=10
−3(deg・cm)とする。
ている原子が、固定化する確率はテラス段のポテンシャ
ルの差と、温度による。しかしこれはテラス段の数に殆
どよらない筈である。転位に捕獲される確率γは、薄膜
基板の上に落ちた原子の最近接の転位までの距離に反比
例すると考える。すると、これはD1/2に比例する筈
である。
Rを時間で積分したものであるがすぐに平衡値に達する
のでβRtである。) H1=β(αδ+γε)Ft/Δ (13)
Claims (4)
- 【請求項1】 InP基板の上に、化合物半導体の薄膜
を気相エピタキシャル成長させる際に、InP基板の欠
陥密度をDとして、(100)からの傾き角Θが、Θ≧
1×10-3D1/2 を満足する基板を使用することを特徴
とする化合物半導体エピタキシャル成長方法。 - 【請求項2】 InP基板の上に、化合物半導体の薄膜
を気相エピタキシャル成長させる際に、InP基板の欠
陥密度をDとして、(100)からの傾き角Θが、Θ≧
1.26×10-3D1/2 を満足する基板を使用すること
を特徴とする化合物半導体エピタキシャル成長方法。 - 【請求項3】 面上の欠陥密度をDとして、(100)
からの傾き角Θが、Θ≧1×10-3D1/2 であって、そ
の上に化合物半導体薄膜を気相エピタキシャル成長させ
るためのInP基板。 - 【請求項4】 面上の欠陥密度をDとして、(100)
からの傾き角Θが、Θ≧1.26×10-3D1/2 であっ
て、その上に化合物半導体薄膜を気相エピタキシャル成
長させるためのInP基板。
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