JPH09246185A - 成長結晶基板並びにそれを用いた半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、多大な時間と労力を要せずに形成
可能で、且つ高い品質の実現を図る。 【解決手段】 半導体層を有する成長結晶基板におい
て、半導体層（１２）の内部に、半導体層の構成元素と
は異なる元素からなる数原子層厚の異材料領域（１３）
を備えた成長結晶基板並びにそれを用いた半導体装置及
びその製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体層をもつ成
長結晶基板並びにそれを用いた半導体装置及びその製造
方法に係わり、特に結晶内部の数原子層が他の元素と置
換された成長結晶基板並びにそれを用いた半導体装置及
びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、結晶中に他の材料を微細に埋込む
技術の進展に伴い、量子効果を用いる量子化デバイスな
どの新しいデバイスが多く提案されている。この種のデ
バイスは、量子効果をもつ薄膜層が形成される必要があ
る。このため、半導体結晶の成長が途中で停止され、こ
の成長界面から異なる材料の結晶が選択的に成長され、
しかる後、異なる材料の結晶成長が停止されて元の半導
体結晶の成長が継続された結晶成長基板が用いられてい
る。

【０００３】ここで、異なる結晶材料としては、形成後
の半導体層と同一結晶構造を有し、且つ格子定数が一致
していることが望ましい。しかしながら、互いに格子配
列の一致する半導体結晶と結晶材料との組合せはまずな
く、ほとんどの場合、結晶構造や原子間距離の異なる組
合せが用いられている。よって、完成した成長結晶基板
には格子欠陥が多く存在する問題があり、加えて、成長
自体が困難である問題がある。

【０００４】例えば、ＧａＮ系青色レーザダイオードの
ＩｎＧａＮ活性層を形成する場合、通常の成長では、Ｉ
ｎがＧａＮの格子に入らずに格子間位置に存在し、Ｉｎ
ＧａＮの特性が現れずに点欠陥の多い結晶となる。そこ
で、極めて限られた条件下で良好なＩｎＧａＮ活性層を
成長させるが、再現性が低く、制御の困難な条件となっ
ている。なお、この種の成長結晶基板としては、半導体
結晶中に他の材料が埋込まれたとしても、より欠陥が低
減され、良質の結晶構造が得られることが望ましい。

【０００５】一方、電極とのコンタクト層のように、半
導体層上に他の材料を形成した後に半導体層の再成長が
ない場合であっても、異なる材料との接合の品質が問題
となっている。

【０００６】例えば、ＨＥＭＴ構造のようにＩｎＡｌＡ
ｓショットキーコンタクト層を有するデバイスにゲート
電極を設けたい場合、まず、ＩｎＡｌＡｓ層上に薄膜の
Ｐｔ層が蒸着され、Ｐｔ層上にゲート電極が蒸着され、
しかる後、アニールにより合金化されてＩｎＡｌＡｓ層
／ゲート電極との界面にＰｔＡｓ₂ 合金層が形成され
る。ＰｔＡｓ₂ 合金層は、１ｎｍ程度の厚さが適切であ
るが、層厚が薄い場合にＰｔ層を蒸着で形成すると、図
１３に示すように、ＩｎＡｌＡｓ層１上のＰｔ層２が不
均一な形状となり、合金化しても凹凸の大きい界面が形
成されてしまう。このＰｔＡｓ₂ 合金層上に位置するゲ
ート電極は、抵抗率が１×１０-6（Ω・ｃｍ）と高抵抗
を示したものの、面内分布にて低抵抗を示す箇所が存在
し、不均一なものであった。また、長時間の信頼性試験
の結果、徐々に劣化していった。この劣化は、粒界に沿
って金属元素のＰｔと、半導体構成元素のＩｎ，Ａｓ，
Ａｌとの相互拡散が促進され、低抵抗化や欠陥発生を引
起こす特性劣化を生じたためである。

【０００７】ところで、近年、種々の結晶成長法の進歩
により、一原子層毎に成長膜の制御された結晶成長基板
が形成可能となっている。これは、例えば結晶構造が同
一で格子定数の異なるＩｎＧａＡｓとＧａＡｓとを用い
るＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸構造に適用可能であ
り、他の適用対象としてはＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡ
ｓ量子井戸構造などがある。また、分子線エピタキシィ
（ＭＢＥ）法により、Ｓｉの分子線を単原子層で半導体
層上に照射することにより、単原子層のプレーナドーピ
ング層が形成可能である。

【０００８】さらに、ＳＴＭ（Scanning Tunneling Mic
roscope ）の開発に伴い、１個ずつの原子を吸着させて
移動可能となり、改善された結晶構造を得ることが可能
となっている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、以上の
ような結晶成長基板では、一原子層毎に成長膜が制御さ
れたとしても埋込み領域の周辺構造には依然として欠陥
が存在する問題がある。例えば前述のＩｎＧａＡｓ／Ｇ
ａＡｓ量子井戸構造では、薄層成長が可能であるものの
歪んだ状態であり、その後の再成長では局所的に多くの
点欠陥が存在したため、温度により不安定な量子井戸特
性をもつ低品質のものとなっていた。

【００１０】また、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓ量子
井戸構造は、ＭＯＣＶＤにより成長された場合、ＩｎＧ
ａＡｓＰ層からＩｎＧａＡｓ層に切り替える場合、界面
のＰの残留により急峻性を低下させ、品質の低下を招く
問題がある。

【００１１】また、ＭＢＥ法により、Ｓｉの分子線を照
射してプレーナドーピング層を形成した場合、格子間位
置にもある確率でＳｉが存在してしまう問題がある。こ
の場合、デバイス特性や信頼性の低下の要因となる拡散
や欠陥などが生成される低品質のものとなっている。

【００１２】さらに、ＳＴＭ関連の吸着・移動技術に頼
るとしても、１個ずつの原子を吸着させて移動させるた
め、多大な時間と労力が必要であると共に、量子効果デ
バイスに用いるには膜質が良くないという問題がある。

【００１３】本発明は上記実情を考慮してなされたもの
で、多大な時間と労力を要せずに形成可能で、且つ高い
品質を実現可能な成長結晶基板並びにそれを用いた半導
体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】請求項１に対応する発明
は、半導体層を有する成長結晶基板において、前記半導
体層の内部に、前記半導体層の構成元素とは異なる元素
からなる数原子層厚の異材料領域を備えた成長結晶基板
である。

【００１５】また、請求項２に対応する発明は、請求項
１に対応する成長結晶基板において、前記異材料領域の
構成元素は、前記半導体層の構成元素の格子位置に固定
されている成長結晶基板である。

【００１６】また、請求項３に対応する発明は、請求項
１又は請求項２に対応する成長結晶基板を用いた半導体
装置において、前記半導体層と前記異材料領域とが交互
に積層された量子井戸層を備えた半導体装置である。

【００１７】さらに、請求項４に対応する発明は、半導
体層を形成するための有機化合物からなる原料ガスの供
給と、前記半導体層の内部に前記半導体層とは異なる材
料の異材料領域を形成するためのイオンビームの照射と
を用いる半導体装置の製造方法であって、基板表面の半
導体層の低軸方向と前記イオンビームの照射方向とを合
わせる工程と、前記照射方向が合わされた後に、前記半
導体層の表面元素と同一元素種のイオンビームを高加速
エネルギーにて加速して前記半導体層の表面に照射する
工程と、この照射の後に、前記半導体層を前記異材料領
域の構成元素の雰囲気中に曝しながら熱処理する工程
と、この熱処理の後に、前記半導体層及び前記異材料領
域の上部に、前記半導体層と同一構造の半導体層を形成
する工程とを含んでいる半導体装置の製造方法である。

【００１８】また、請求項５に対応する発明は、請求項
４に対応する半導体装置の製造方法において、前記有機
化合物からなる原料ガスに代えて、蒸発された原料から
なる分子線を用いた半導体装置の製造方法である。

【００１９】なお、請求項１又は請求項２に対応する成
長結晶基板を用いた半導体装置において、前記異材料領
域の構成元素は金属元素としてもよい。また、請求項１
又は請求項２に対応する成長結晶基板を用いた半導体装
置において、前記異材料領域に接するショットキー電極
を備えてもよい。

【００２０】また、請求項１又は請求項２に対応する成
長結晶基板を用いた半導体装置において、前記異材料領
域を不純物元素からなるプレーナドーピング層として用
いてもよい。 （技術内容）次に、本発明に適用される技術内容につい
て上述の語句と共に補足的に説明する。

【００２１】半導体層の低軸方向とは、対向面から見る
と表面の元素しか見えずに下層の元素が表面元素に隠れ
る方向であり、例えば＜１００＞、＜１１０＞方向が適
用可能となっている。すなわち、イオンビームを照射し
た場合、表面から１〜２層の元素にはイオンビームが当
たるが、表面元素のシャドウイングにより、下層の元素
にはイオンビームが当たらない方向である。チャネリン
グ軸方向と称してもよい。なお、この低軸方向と半導体
層表面の面方位とは互いに異なるミラー指数とすること
が、表面元素を反跳させて自由空間に除去する観点から
好ましい。換言すると、イオンビームは半導体層表面に
対して斜め方向から照射される方が好ましい。

【００２２】同一元素種とは、半導体層の表面元素の同
位体元素であり、例えば表面元素がＧａの場合、同一元
素種が⁶⁹Ｇａ，⁷¹Ｇａとなっている。なお、同一元素種
の照射により表面元素を反跳させて放出可能であるが、
照射される同一元素種よりも重い元素（質量数の高い元
素）が表面に存在する場合、照射された同一元素種のイ
オンビームが半導体層外部に散乱される。すなわち、同
一元素種を適宜選択することにより、例えば多元系の混
晶における複数の元素種のうち、特定の元素種を選択的
に反跳させて放出可能となっている。なお、元素の組合
せによっては、従来の成長法で形成困難とされた内容の
超格子構造を形成可能である。

【００２３】高加速エネルギーは、従来のｋｅＶ台より
も大きい値であり、イオン照射により表面元素を反跳さ
せて放出させ且つ照射した元素種を内部に深く侵入させ
て格子間元素を生じさせない観点から、１ＭｅＶ程度以
上の値が好ましい。なお、高加速エネルギーの値に比例
し、表面元素の放出される，表面からの原子層深さを制
御可能である。また、放出された表面元素の格子位置に
は空孔が生じる。一方、表面元素に当たらずに格子間に
照射されたイオンビームは、高速で低軸方向に照射され
るためにチャネリングを起こして内部に深く侵入し半導
体層にダメージを与えない。

【００２４】なお、高加速エネルギーの他、イオンビー
ム照射時の成長結晶基板の保持温度によっても表面元素
の除去される原子層深さを制御可能である。また、イオ
ンビームの照射時間や照射領域により、元素の置換領域
がビーム径（約１μｍ）単位で選択可能となっている。
また、所望により、半導体層中の異材料領域を３次元的
にも形成可能である。

【００２５】熱処理は、表面元素の格子振動を活発に
し、異材料領域の構成元素の雰囲気中にて当該構成元素
を空孔に取込み、取込まれた構成元素と半導体層とで新
たに結合を生じさせるのに充分な熱処理温度を半導体層
に与える工程である。熱処理温度としては、例えば３０
０℃程度が適用可能となっている。

【００２６】なお、半導体層の格子位置の空孔に異材料
の構成元素が取込まれるため、半導体層と異材料領域と
では格子配列（結晶構造）及び格子定数が同一となって
いる。このため、異材料領域の形成後に半導体層の再成
長が容易であり、欠陥の生成が阻止されている。また、
異材料領域では、格子配列及び格子定数が半導体層のも
のとなるが、自己の元素（異材料）の特性が保持されて
いる。 （作用）従って、請求項１に対応する発明は以上のよう
な手段を講じたことにより、半導体層の内部に、半導体
層の構成元素とは異なる元素からなる数原子層厚の異材
料領域を備えたので、高品質な量子効果デバイスの実現
を図ることができる。

【００２７】また、請求項２に対応する発明は、異材料
領域の構成元素が半導体層の構成元素の格子位置に固定
されているので、請求項１に対応する作用と同様の作用
に加え、欠陥を低減させることができる。

【００２８】また、請求項３に対応する発明は、半導体
層と異材料領域とが交互に積層された量子井戸層を備え
ているので、請求項１又は請求項２のいずれかに対応す
る作用と同様の作用に加え、急峻な量子井戸界面を有
し、且つ欠陥の少ない高品質な量子効果デバイスを実現
させることができる。

【００２９】さらに、請求項４に対応する発明は、基板
表面の半導体層の低軸方向とイオンビームの照射方向と
を合わせて、表面の元素以外の下層の元素をイオンビー
ムから保護し、照射方向が合わされた後に、半導体層の
表面元素と同一元素種のイオンビームを高加速エネルギ
ーにて加速して半導体層の表面に照射してこの表面元素
を反跳させて放出させることにより半導体層の表面に空
孔を生じさせ、この照射の後に、半導体層を異材料領域
の構成元素の雰囲気中に曝しながら熱処理して空孔を異
材料領域の構成元素にて埋込み、この熱処理の後に、半
導体層及び異材料領域の上部に半導体層と同一構造の半
導体層を形成するので、多大な時間と労力を要せずに形
成でき、且つ欠陥を低減でき、もって、高品質を実現さ
せることができる。

【００３０】また、請求項５に対応する発明は、請求項
４に対応する有機化合物からなる原料ガスに代えて、蒸
発された原料からなる分子線を用いたので、請求項４に
対応する作用と同様の作用に加え、ＭＢＥ法により半導
体層の制御性を向上できることから、異材料領域との組
合せにより、極めて精密な構造の半導体装置を製造する
ことができる。

【００３１】なお、請求項１又は請求項２に対応する成
長結晶基板を用いた半導体装置において、異材料領域の
構成元素を金属元素とした場合、請求項１又は請求項２
に対応する作用と同様の作用に加え、異材料領域を電極
層として用いた半導体装置の実現を図ることができる。

【００３２】また、請求項１又は請求項２に対応する成
長結晶基板を用いた半導体装置において、前記異材料領
域に接するショットキー電極を備えた場合、請求項１又
は請求項２のいずれかに対応する作用と同様の作用に加
え、ショットキー接触界面の均一性及び安定性を向上さ
せることができる。

【００３３】また、請求項１又は請求項２に対応する成
長結晶基板を用いた半導体装置において、前記異材料領
域を不純物元素からなるプレーナドーピング層として用
いた場合、請求項１又は請求項２に対応する作用と同様
の作用に加え、拡散や欠陥の生成を抑え、信頼性を向上
させることができる。

【００３４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照しながら説明する。 （第１の実施の形態）図１は本発明の第１の実施の形態
に係る成長結晶基板の構成を模式的に示す断面図であ
る。この成長結晶基板は、（１００）面をもつＧａＡｓ
基板１１上にＧａＡｓ層１２が形成されている。ＧａＡ
ｓ層１２は、その内部に１〜２原子層厚でＩｎＧａＡｓ
領域１３が選択的に形成されている。

【００３５】次に、この成長結晶基板の製造方法につい
て説明する。（１００）面をもつＧａＡｓ基板１１上
に、同じ格子配列をもつ同種のＧａＡｓ層１２が形成さ
れる。

【００３６】途中、Ｇａ面が表面にあるとき、図２に示
すように、ＧａＡｓ層１２の形成を中断して１μｍ径の
２ＭｅＶエネルギーのＧａイオンビーム１４がＧａＡｓ
層１２の＜１１１＞方向に沿って照射される。

【００３７】このとき、照射されたＧａイオンは、２Ｍ
ｅＶエネルギーをもって表面の１〜２原子層と衝突し、
ＧａＡｓ層１２のＧａ元素１５を外部に反跳させると同
時に、ＧａＡｓ層１２内部に＜１００＞方向に沿って散
乱される。これにより、Ｇａイオンビーム１４の照射さ
れた１μｍ径の範囲だけ表面から１〜２原子層のＧａ元
素１５が除去され、図３に示すように、Ｇａ元素の格子
位置に空孔１６が生じる。

【００３８】なお、照射されたＧａイオンの衝突前のエ
ネルギーをＥ０、Ｇａイオンの衝突後のエネルギーをＥ
１、外部に反跳されたＧａ元素１５のエネルギーをＥ２
としたとき、各エネルギーＥ０〜Ｅ２には次のような関
係がある。

【００３９】

【数１】

【００４０】ここで、（１）式にＥ０＝２ＭｅＶを代入
すると、Ｇａイオンの衝突後のエネルギーＥ１が約１Ｍ
ｅＶとなる。従って、衝突後のＧａイオンはＧａＡｓ層
１２の内部に深く侵入し、格子間元素とならない。加え
て、衝突後のＧａイオンは＜１００＞方向に沿って散乱
されてチャネリングを起こすため、ＧａＡｓ層中にダメ
ージを生じさせない。

【００４１】次に、図３に示すように表面に空孔１６を
生じた成長結晶基板は、例えばＩｎ雰囲気中で熱処理さ
れる。これにより、図４に示すように、Ｉｎ元素１７が
空孔１６に入って（ＧａＡｓのせん亜鉛鉱格子における
Ｇａ原子の）格子位置に固定され、表面にＩｎ元素１７
の領域が形成される。なお、Ｉｎ元素１７は、ＧａＡｓ
層１２の格子配列をそのまま引継いでいるため、ＧａＡ
ｓ層１２の形成を再開しても欠陥を生じさせない。

【００４２】熱処理終了後、ＧａＡｓ層１２の形成が継
続される。また、所望により、途中で同様にＧａイオン
ビーム１４の照射が行なわれることにより、２原子層程
度のＩｎ元素１７の領域が選択的に形成される。この選
択を適切に行なうことにより、図５に示すように、Ｉｎ
ＧａＡｓ領域１３を井戸としたＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ
量子井戸構造を作成することができる。すなわち、高品
質のＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸構造を有する成長
結晶基板を製造することができる。

【００４３】上述したように本実施の形態によれば、Ｇ
ａＡｓ層１２の内部に、ＧａＡｓ層１２の構成元素とは
異なるＩｎ元素１７からなる数原子層厚のＩｎＧａＡｓ
領域１３を備えたので、高品質な量子効果デバイスの実
現を図ることができる。

【００４４】また、ＩｎＧａＡｓ領域１３の構成元素で
あるＩｎ元素がＧａＡｓ層１２の構成元素であるＧａ元
素の格子位置に固定されているので、欠陥を低減できる
ため、再成長部や異材料領域周辺の結晶性を良好に維持
することができる。

【００４５】さらに、基板表面のＧａＡｓ層１２の低軸
方向とＧａイオンビーム１４の照射方向とを合わせて、
表面のＧａ元素１５のシャドウイングにより、表面のＧ
ａ元素１５以外の下層の元素をＧａイオンビーム１４か
ら保護し、照射方向が合わされた後に、ＧａＡｓ層１２
の表面のＧａ元素１５と同一元素種のＧａイオンビーム
１４を高加速エネルギーにて加速してＧａＡｓ層１２の
表面に照射してこの表面元素のＧａ元素１５を反跳させ
て放出させることによりＧａＡｓ層１２の表面に空孔１
６を生じさせ、この照射の後に、ＧａＡｓ層１２をＩｎ
ＧａＡｓ領域１３の構成元素であるＩｎ元素１７の雰囲
気中に曝しながら熱処理して空孔１６をＩｎ元素１７に
て埋込み、この熱処理の後に、ＧａＡｓ層１２及びＩｎ
ＧａＡｓ領域１３の上部にＧａＡｓ層１２と同一構造の
半導体層を形成するので、従来のＳＴＭ関連技術とは異
なり、１〜２原子層レベルでの制御の割には多大な時間
と労力を要せずに容易に形成でき、且つ欠陥を低減で
き、もって、高品質を実現させることができる。

【００４６】また、衝突後のイオンは高速であり、Ｇａ
Ａｓ層１２の内部に深く侵入するため、格子間元素とな
らず、また、チャネリングを起こすためにＧａＡｓ層１
２中にダメージを生じさせず、前述同様に、高品質な成
長結晶基板を実現させることができる。

【００４７】なお、これらの効果は、第１の実施の形態
に限定されず、以下の各実施の形態においても共通のも
のとなっている。 （第２の実施の形態）次に、本発明の第２の実施の形態
に係る成長結晶基板について説明する。

【００４８】図６はこの成長結晶基板の構成を模式的に
示す断面図であり、図１と同一部分には同一符号を付し
てその詳しい説明は省略し、ここでは異なる部分につい
てのみ述べる。

【００４９】すなわち、本実施の形態に係る成長結晶基
板は、第１の実施の形態の変形形態であり、ＩｎＧａＡ
ｓ領域１３に代えて、図６に示すように、ＧａＡｓ層１
２中に１〜２原子層厚で金属領域１８が選択的に形成さ
れている。

【００５０】ここで、製造方法としては、第１の実施の
形態におけるＩｎ元素１７の雰囲気に代えて、置換した
い金属元素の雰囲気中で熱処理が行なわれている。この
ようにしても、金属と半導体の界面のショットキー障壁
を利用して量子効果を生じさせる構造を実現させること
ができる。なお、従来では、金属の格子配列がＧａＡｓ
などの半導体の格子配列と全く異なることから、金属領
域の形成後に半導体層を再成長できなかった。

【００５１】しかしながら本実施の形態によれば、空孔
１６となったＧａ原子１５の格子位置に金属原子が取込
まれるため、半導体の格子配列と同様に金属領域を形成
できる。このため、従来とは異なり、金属領域形成後に
半導体層を再成長でき、図６に示した高品質の成長結晶
基板を実現させることができる。 （第３の実施の形態）次に、本発明の第３の実施の形態
に係る半導体装置について説明する。

【００５２】本実施の形態は、ＨＥＭＴ構造への適用形
態であって、１〜２原子層厚にて不純物元素を選択的に
置換してプレーナドーピング層が形成され、且つショッ
トキーコンタクト層上に２ｎｍのＰｔＡｓ₂ 合金層が形
成されている。

【００５３】図７はこのＨＥＭＴの構成を模式的に示す
断面図である。このＨＥＭＴは、（１００）面のＦｅド
ープ半絶縁性ＩｎＰ基板２１上に、３００ｎｍ厚のＩｎ
Ｐバッファ層２２、２０ｎｍ厚のＩｎＧａＡｓチャネル
層２３、３ｎｍ厚のＩｎＡｌＡｓスペーサ層２４、１５
ｎｍ厚のＳｉドープｎ+ 型ＩｎＡｌＡｓ電子供給層２
５、２０ｎｍ厚のＩｎＡｌＡｓショットキーコンタクト
層２６が順次積層されている。なお、ＩｎＡｌＡｓスペ
ーサ層２４とＳｉドープｎ+ 型ＩｎＡｌＡｓ電子供給層
２５との界面には、選択的にＳｉのプレーナドーピング
層が設けられている（図示せず）。

【００５４】ＩｎＡｌＡｓショットキーコンタクト層２
６上には、複数のＳｉドープｎ+ 型ＩｎＧａＡｓオーミ
ックコンタクト層２７が選択的に形成され、各Ｓｉドー
プｎ+ 型ＩｎＧａＡｓオーミックコンタクト層２７上に
は個別にドレイン電極２８又はソース電極２９が形成さ
れている。

【００５５】また、ＩｎＡｌＡｓショットキーコンタク
ト層２６は、各Ｓｉドープｎ+ 型ＩｎＧａＡｓオーミッ
クコンタクト層２７に挟まれた領域上にゲート電極３０
が形成されている。また、ゲート電極３０とＩｎＡｌＡ
ｓショットキーコンタクト層２６との間には、約２ｎｍ
厚のＰｔＡｓ₂ 合金層３１が形成されている。

【００５６】次に、以上のようなＩｎＰ系ＨＥＭＴの製
造方法と作用について説明する。始めに、半絶縁性Ｉｎ
Ｐ基板２１上に、ＭＯＣＶＤ法あるいはＭＢＥ法により
結晶成長を行なう。なお、ＭＢＥ法を用いる場合、ＭＢ
Ｅ装置にイオンビームの発生に必要な電源及び磁場を設
けた製造装置を使用し、同一チャンバー内で結晶を成長
させてもよい。

【００５７】まず、半絶縁性ＩｎＰ基板２１上にＩｎＰ
バッファ層２２、ＩｎＧａＡｓチャネル層２３、ＩｎＡ
ｌＡｓスペーサ層２４が順次形成される。次に、ＩｎＡ
ｌＡｓスペーサ層２４に対して例えば＜１１０＞のよう
な低軸方向に２ＭｅＶの加速エネルギーでＡｌイオンビ
ームが１５分間照射される。これにより、ＩｎＡｌＡｓ
スペーサ層２４の表面では、Ａｌ元素のみが除去され、
Ｉｎ元素とＡｓ元素とはＡｌイオンよりも重いために影
響されない。

【００５８】Ａｌイオンビーム照射後、この成長結晶基
板はＳｉ雰囲気中で熱処理される。これにより、基板表
面のＡｌ元素の空孔にはＳｉが取込まれる。なお、Ａｌ
は III族であるため、Ａｌの格子位置に取込まれたIV族
のＳｉはｎ型のドーパントとなる。すなわち、ＩｎＡｌ
Ａｓスペーサ層２４表面に選択的にＳｉのプレーナドー
ピング層が形成される。

【００５９】しかる後、ＩｎＡｌＡｓスペーサ層２４上
及びプレーナドーピング層上に、Ｓｉドープｎ+ 型Ｉｎ
ＡｌＡｓ電子供給層２５、ＩｎＡｌＡｓショットキーコ
ンタクト層２６が順次積層されて形成される。

【００６０】次に、ＩｎＡｌＡｓショットキーコンタク
ト層２６上に、ｎ+ 型ＩｎＧａＡｓオーミックコンタク
ト層２７が形成される。このようにして得られた積層構
造をもつ成長結晶基板に対し、ＨＥＭＴの形成されない
部分がＩｎＰ基板２１までエッチングされてＨＥＭＴが
素子分離される。また、ｎ+ 型ＩｎＧａＡｓオーミック
コンタクト層２７上には、ドレイン電極２８及びソース
電極２９が形成される。

【００６１】次に、電子ビーム直描法によりゲート領域
がパターニングされ、ゲート領域のオーミックコンタク
ト層２７がリセスエッチングにより除去されることによ
り、ゲート領域のＩｎＡｌＡｓショットキーコンタクト
層２６が露出される。

【００６２】この成長結晶基板は、前述同様に図８に示
すように、ＩｎＡｌＡｓショットキーコンタクト層に対
して＜１１０＞方向に１ＭｅＶのＡｌイオンビーム３２
が照射され、ＩｎＡｌＡｓショットキーコンタクト層２
６表面のＡｌ元素のみが除去される。

【００６３】しかる後、この成長結晶基板は３００℃の
Ｐｔ雰囲気中で熱処理され、図９に示すように、基板表
面のＡｌ元素の空孔にＰｔ元素３３が取込まれる。すな
わち、ＩｎＡｌＡｓショットキーコンタクト層２６の露
出部分の表面にＰｔ薄層が形成される。

【００６４】そして、このＰｔ薄層上にゲート長０．１
μｍのＴ型ゲート電極３０が形成され、３００℃で熱処
理されると、ＩｎＡｌＡｓショットキーコンタクト層２
６／ゲート電極３０の界面に平坦で均一な約２ｎｍ厚の
ＰｔＡｓ₂ 合金層３１が形成される。これによりＨＥＭ
Ｔ構造が完成される。

【００６５】このように製造されたＨＥＭＴにおいて
は、従来とは異なり、ＭＢＥ法であっても周囲にＳｉや
Ａｌの格子間元素を残さずにプレーナドーピング層を形
成することができる。これにより、従来とは異なり、デ
バイス特性や信頼性の低下の要因となる拡散や欠陥など
が生成されず、もって、品質を向上させることができ
る。

【００６６】また、ＩｎＡｌＡｓショットキーコンタク
ト層２６とゲート電極３０との界面には、平坦で均一に
ＰｔＡｓ₂ 合金層３１を形成できたので、熱的に安定性
の良い界面をもつゲート電極３０を形成することができ
る。また、ＰｔＡｓ₂ 合金層３１を均一に形成できるこ
とから、歩留まりを向上させることができる。 （第４の実施の形態）次に、本発明の第４の実施の形態
に係る半導体装置について説明する。

【００６７】本実施の形態は、ＧａＮ系青色レーザダイ
オードへの適用形態であって、ＧａＮ層に対して１〜２
原子層厚にてＩｎ元素を選択的に置換してＩｎＧａＮ活
性層が形成されている。

【００６８】図１０はこのＧａＮ系青色レーザダイオー
ドの構成を模式的に示す断面図である。このレーザダイ
オードは、（０００１）面のサファイア基板４１上に、
３μｍ厚のｎ型ＧａＮ層４２、４００ｎｍ厚のｎ型Ａｌ
_0.15Ｇａ_0.85Ｎ層４３、１００ｎｍ厚のｎ型ＧａＮ層４
４、ＩｎＧａＮ活性層４５、２０ｎｍ厚のｐ型Ａｌ_0.1
Ｇａ_0.9 Ｎ層４６、１００ｎｍ厚のｐ型ＧａＮ層４７、
４００ｎｍ厚のｐ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ層４８、５００
ｎｍ厚のｐ型ＧａＮ層４９が順次積層されている。

【００６９】ここで、ＩｎＧａＮ活性層４５は、ＧａＮ
層とＩｎＧａＮ層とが交互に複数回積層されて多重量子
井戸構造とされている。次に、このようなＧａＮ系青色
レーザダイオードの製造方法及び作用について説明す
る。

【００７０】（０００１）面のサファイア基板４１上に
は、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ型ＧａＮ層４２、ｎ型Ａｌ
_0.15Ｇａ_0.85Ｎ層４３、ｎ型ＧａＮ層４４が順次積層さ
れる。

【００７１】次に、このｎ型ＧａＮ層４４がＣ軸［００
０１］方向に沿ってＧａ面とＮ面とが交互に成長する過
程にて、 III族元素のＧａ面が表面のときに一旦成長が
停止される。

【００７２】ここで、前述同様に、ＧａＮ層の低軸方向
に沿って数ＭｅＶのＧａイオンビームが照射される。こ
のような低軸方向の照射においては、結晶のＧａ元素の
みがＧａイオンビームとの衝突により除去され、Ｎ元素
はＧａ元素にシャドウイングされてＧａイオンビームに
衝突しない。また、数ＭｅＶの高加速エネルギーのた
め、Ｇａ元素に衝突したＧａイオンは、チャネリングに
より膜奥に侵入する。時間などで置き替わる確率を考慮
して、Ｇａ空孔の生成の後にＩｎ雰囲気にて２００℃の
熱処理が行なわれ、Ｇａ空孔のあるＧａ格子位置がＩｎ
元素にて置き換えられる。また、置換量は、Ｇａイオン
ビーム照射時間にて制御できる。

【００７３】この製造方法では、表面から数原子層のＧ
ａ元素の置換が可能であり、必要な層厚に応じて、成長
停止、照射を伴う置換を繰り返すことにより、多重量子
井戸構造を有するＩｎＧａＮ活性層４５を形成すること
ができる。

【００７４】以下、ＭＯＣＶＤ法により、順次、ｐ型Ａ
ｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎ層４６、１００ｎｍ厚のｐ型ＧａＮ層
４７、ｐ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ層４８、ｐ型ＧａＮ層４
９の積層により、ＧａＮ系青色レーザダイオードを製造
することができる。

【００７５】このように製造されたＧａＮ系青色レーザ
ダイオードにおいては、ＩｎＧａＮ活性層４５にてＩｎ
が格子間位置にないため、従来とは異なり、欠陥の少な
い良質の結晶構造を実現させることができる。また、こ
のような良質の結晶構造を有する半導体装置を、照射方
向合わせと、イオンビーム照射と、熱処理という工程に
て製造できるので、再現性と制御の容易性とを向上させ
ることができる。 （第５の実施の形態）次に、本発明の第５の実施の形態
に係る半導体装置について説明する。

【００７６】本実施の形態は、ＩｎＧａＡｓＰ系の変調
器への適用形態であって、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡ
ｓ量子井戸構造において、界面にてＩｎＧａＡｓＰ層の
表面からＰ元素のみを除去した後にＩｎＧａＡｓ層が形
成されている。

【００７７】図１１はこのＩｎＧａＡｓＰ系の変調器の
構成を模式的に示す断面図である。この変調器は、Ｉｎ
Ｐ基板５１上にｎ型ＩｎＰ層５２、ＩｎＧａＡｓＰ／Ｉ
ｎＧａＡｓ量子井戸層５３、ｐ型ＩｎＰ層５４が順次積
層されている。

【００７８】次に、この変調器の製造方法及びその作用
について説明する。ＭＯＣＶＤ法により、ＩｎＰ基板５
１上に、ｎ型ＩｎＰ層５２、ＩｎＧａＡｓＰ層が順次形
成される。

【００７９】ここで、ＩｎＧａＡｓＰ層の形成が完了
し、ＩｎＧａＡｓＰ層上にＩｎＧａＡｓ層を形成すると
する。このとき、ＩｎＧａＡｓ層における最初のＡｓ面
で成長を停止させる。

【００８０】次に、ＩｎＧａＡｓ層の低軸方向に沿って
１ＭｅＶのＰイオンビームが照射される。これにより、
Ｐが格子位置や格子間位置に残っていた場合であって
も、Ｐがいずれの元素よりも軽いためにＰ元素のみが除
去されることになり、Ｐ元素が一掃される。

【００８１】続いて、この成長結晶基板がＡｓ雰囲気中
で熱処理されると、Ｐの除去により生成された空孔にＡ
ｓ元素が収まる。これにより、従来とは異なり、ＩｎＧ
ａＡｓＰ層とＩｎＧａＡｓ層との界面が原子層単位で制
御されたＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓ量子井戸層５３
を形成することができる。

【００８２】以下、ＭＯＣＶＤ法により、ＩｎＧａＡｓ
層が完成され、その上にｐ型ＩｎＰ層が形成され、もっ
て、変調器構造が完成される。このように変調器構造に
適用させると、図１２に示すように、吸収スペクトルで
の吸収端をシャープにでき、特性を向上させることがで
きる。すなわち、急峻な量子井戸構造を有する高品質な
変調器を製造することができる。 （他の実施の形態）上記第１乃至第５の実施の形態で
は、異材料領域を２次元的に選択的に形成した場合を説
明したが、これに限らず、収束イオンビームを用いて異
材料領域を２次元的に選択的に形成しても、本発明を同
様に実施して同様の効果を得ることができる。

【００８３】第３の実施の形態では、本発明によるプレ
ーナドーピング層と金属薄層とを１つのデバイスに設け
た場合を説明したが、これに限らず、本発明によるプレ
ーナドーピング層又は金属薄層のいずれか一方を１つの
デバイスに設けた構成としても、設けられた層では本発
明を同様に実施して同様の効果を得ることができる。そ
の他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形し
て実施できる。

【００８４】

【発明の効果】以上説明したように請求項１の発明によ
れば、半導体層の内部に、半導体層の構成元素とは異な
る元素からなる数原子層厚の異材料領域を備えたので、
高品質な量子効果デバイスの実現を図り得る成長結晶基
板を提供できる。

【００８５】また、請求項２の発明によれば、異材料領
域の構成元素が半導体層の構成元素の格子位置に固定さ
れているので、請求項１の効果に加え、欠陥を低減でき
る成長結晶基板を提供できる。

【００８６】また、請求項３の発明によれば、半導体層
と異材料領域とが交互に積層された量子井戸層を備えて
いるので、請求項１又は請求項２のいずれかの効果に加
え、急峻な量子井戸界面を有し、且つ欠陥の少ない高品
質な量子効果デバイスとなる半導体装置を提供できる。

【００８７】さらに、請求項４の発明によれば、基板表
面の半導体層の低軸方向とイオンビームの照射方向とを
合わせて、表面の元素以外の下層の元素をイオンビーム
から保護し、照射方向が合わされた後に、半導体層の表
面元素と同一元素種のイオンビームを高加速エネルギー
にて加速して半導体層の表面に照射してこの表面元素を
反跳させて放出させることにより半導体層の表面に空孔
を生じさせ、この照射の後に、半導体層を異材料領域の
構成元素の雰囲気中に曝しながら熱処理して空孔を異材
料領域の構成元素にて埋込み、この熱処理の後に、半導
体層及び異材料領域の上部に半導体層と同一構造の半導
体層を形成するので、多大な時間と労力を要せずに形成
でき、且つ欠陥を低減でき、もって、高品質を実現でき
る半導体装置の製造方法を提供できる。

【００８８】また、請求項５の発明によれば、請求項４
の有機化合物からなる原料ガスに代えて、蒸発された原
料からなる分子線を用いたので、請求項４の効果に加
え、ＭＢＥ法により半導体層の制御性を向上できること
から、異材料領域との組合せにより、極めて精密な構造
を実現できる半導体装置の製造方法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る成長結晶基板
の構成を模式的に示す断面図。

【図２】同実施の形態における製造方法を説明するため
の模式図。

【図３】同実施の形態における製造方法を説明するため
の模式図。

【図４】同実施の形態における製造方法を説明するため
の模式図。

【図５】同実施の形態における製造方法を説明するため
の模式図。

【図６】本発明の第２の実施の形態に係る成長結晶基板
の構成を模式的に示す断面図。

【図７】本発明の第３の実施の形態に係るＨＥＭＴの構
成を模式的に示す断面図。

【図８】同実施の形態における製造方法を説明するため
の模式図。

【図９】同実施の形態における製造方法を説明するため
の模式図。

【図１０】本発明の第４の実施の形態に係るＧａＮ系青
色レーザダイオードの構成を模式的に示す断面図。

【図１１】本発明の第５の実施の形態に係るＩｎＧａＡ
ｓＰ系の変調器の構成を模式的に示す断面図。

【図１２】同実施の形態における変調器の吸収スペクト
ルを示す特性図。

【図１３】従来の電極薄層の形成を模式的に説明するた
めの断面図。

【符号の説明】

１１…ＧａＡｓ基板。 １２…ＧａＡｓ層。 １３…ＩｎＧａＡｓ領域。 １４…Ｇａイオンビーム。 １５…Ｇａ元素。 １６…空孔。 １７…Ｉｎ元素。 １８…金属領域。 ２１…Ｆｅドープ半絶縁性ＩｎＰ基板。 ２２…ＩｎＰバッファ層。 ２３…ＩｎＧａＡｓチャネル層。 ２４…ＩｎＡｌＡｓスペーサ層。 ２５…Ｓｉドープｎ+ 型ＩｎＡｌＡｓ電子供給層。 ２６…ＩｎＡｌＡｓショットキーコンタクト層。 ２８…ドレイン電極。 ２９…ソース電極。 ３０…ゲート電極。 ３１…ＰｔＡｓ₂ 合金層。 ３２…Ａｌイオンビーム。 ３３…Ｐｔ元素。 ４１…サファイア基板。 ４２…ｎ型ＧａＮ層。 ４３…ｎ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ層。 ４４…ｎ型ＧａＮ層。 ４５…ＩｎＧａＮ活性層。 ４６…ｐ型Ａｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎ層。 ４７…ｐ型ＧａＮ層。 ４８…ｐ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ層。 ４９…ｐ型ＧａＮ層。 ５１…ＩｎＰ基板。 ５２…ｎ型ＩｎＰ層。 ５３…ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓ量子井戸層。 ５４…ｐ型ＩｎＰ層。

───────────────────────────────────────────────────── 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 Ｈ０１Ｓ 3/18

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体層を有する成長結晶基板におい
   て、 前記半導体層の内部に、前記半導体層の構成元素とは異
   なる元素からなる数原子層厚の異材料領域を備えたこと
   を特徴とする成長結晶基板。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の成長結晶基板におい
   て、 前記異材料領域の構成元素は、前記半導体層の構成元素
   の格子位置に固定されていることを特徴とする成長結晶
   基板。
3. 【請求項３】 請求項１又は請求項２に記載の成長結晶
   基板を用いた半導体装置において、 前記半導体層と前記異材料領域とが交互に積層された量
   子井戸層を備えたことを特徴とする半導体装置。
4. 【請求項４】 半導体層を形成するための有機化合物か
   らなる原料ガスの供給と、前記半導体層の内部に前記半
   導体層とは異なる材料の異材料領域を形成するためのイ
   オンビームの照射とを用いる半導体装置の製造方法であ
   って、 基板表面の半導体層の低軸方向と前記イオンビームの照
   射方向とを合わせる工程と、 前記照射方向が合わされた後に、前記半導体層の表面元
   素と同一元素種のイオンビームを高加速エネルギーにて
   加速して前記半導体層の表面に照射する工程と、 この照射の後に、前記半導体層を前記異材料領域の構成
   元素の雰囲気中に曝しながら熱処理する工程と、 この熱処理の後に、前記半導体層及び前記異材料領域の
   上部に、前記半導体層と同一構造の半導体層を形成する
   工程とを含んでいることを特徴とする半導体装置の製造
   方法。
5. 【請求項５】 請求項４に記載の半導体装置の製造方法
   において、 前記有機化合物からなる原料ガスに代えて、蒸発された
   原料からなる分子線を用いたことを特徴とする半導体装
   置の製造方法。