JPH11163399A - 化合物半導体基板 - Google Patents
化合物半導体基板Info
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- JPH11163399A JPH11163399A JP32496897A JP32496897A JPH11163399A JP H11163399 A JPH11163399 A JP H11163399A JP 32496897 A JP32496897 A JP 32496897A JP 32496897 A JP32496897 A JP 32496897A JP H11163399 A JPH11163399 A JP H11163399A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 シリコン基板上に化合物半導体層を形成した
場合、この化合物半導体層の結晶性が損なわれ、またこ
の化合物半導体層の高抵抗化を図ることができないとい
う問題があった。 【解決手段】 周期表第IV族の単一元素から成る基板上
に、周期表第III-Ｖ族の元素から成る化合物半導体層を
前記基板に連続してエピタキシャル成長させた化合物半
導体基板において、前記化合物半導体層が周期表第II、
IV、またはVI族の元素の少なくとも一種を、その原子濃
度が前記基板との界面側で１×１０17ａｔｏｍｓ・ｃｍ
-3以上となり、且つ表面側で１×１０17ａｔｏｍｓ・ｃ
ｍ-3以下となるような勾配を有して含有する。
場合、この化合物半導体層の結晶性が損なわれ、またこ
の化合物半導体層の高抵抗化を図ることができないとい
う問題があった。 【解決手段】 周期表第IV族の単一元素から成る基板上
に、周期表第III-Ｖ族の元素から成る化合物半導体層を
前記基板に連続してエピタキシャル成長させた化合物半
導体基板において、前記化合物半導体層が周期表第II、
IV、またはVI族の元素の少なくとも一種を、その原子濃
度が前記基板との界面側で１×１０17ａｔｏｍｓ・ｃｍ
-3以上となり、且つ表面側で１×１０17ａｔｏｍｓ・ｃ
ｍ-3以下となるような勾配を有して含有する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は周期表第IV族の単一
元素から成る基板上に、周期表第III-Ｖ族の化合物半導
体層を形成した化合物半導体基板に関し、特に、光素
子、電子素子、光電子素子、およびこれらの集積回路に
用いられる化合物半導体基板に関する。
元素から成る基板上に、周期表第III-Ｖ族の化合物半導
体層を形成した化合物半導体基板に関し、特に、光素
子、電子素子、光電子素子、およびこれらの集積回路に
用いられる化合物半導体基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】ガリウム砒素のような周期表第III-Ｖ族
の化合物半導体を用いた電子デバイスは、シリコン半導
体を用いたデバイスより高速・高周波域で動作すること
が可能であるため、マイクロ波デバイスやミリ波デバイ
スなどの電子素子、或いはＬＥＤ（発光ダイオード）や
ＬＤ（レーザーダイオード）などの光デバイスへの利用
が拡大している。
の化合物半導体を用いた電子デバイスは、シリコン半導
体を用いたデバイスより高速・高周波域で動作すること
が可能であるため、マイクロ波デバイスやミリ波デバイ
スなどの電子素子、或いはＬＥＤ（発光ダイオード）や
ＬＤ（レーザーダイオード）などの光デバイスへの利用
が拡大している。
【０００３】ところが、化合物半導体のみから成るバル
ク状の化合物半導体基板は、口径が末だ３〜４インチ、
大きくても５〜６インチ程度と小さく、しかも高価格で
あり、６〜８インチさらには１２インチといった大口径
化が達成されて低価格であるシリコン基板と比較して、
その上に形成される半導体装置の量産化と今後の成長を
困難としている。
ク状の化合物半導体基板は、口径が末だ３〜４インチ、
大きくても５〜６インチ程度と小さく、しかも高価格で
あり、６〜８インチさらには１２インチといった大口径
化が達成されて低価格であるシリコン基板と比較して、
その上に形成される半導体装置の量産化と今後の成長を
困難としている。
【０００４】そこで、注目されているのがシリコン基板
上に化合物半導体層をエピタキシャル成長させたヘテロ
エピタキシャル成長の化合物半導体基板である。シリコ
ン基板に化合物半導体をエピタキシャル成長すること
で、化合物半導体層を有する基板の大口径化と低コスト
化が可能となる。また、シリコン基板上に化合物半導体
層を形成した基板は、機械的強度に優れ、且つ熱伝導性
が高いため、半導体装置を形成した際の放熱性に優れる
などの特徴を有する。また、ガリウム砒素などの化合物
半導体材料は、光学特性と電気特性を併せ持つため、シ
リコン基板上に優れた結晶性の化合物半導体を成長でき
れば、ＭＥＳＦＥＴ（金属半導体電界効果トランジス
タ）やＨＥＭＴ（高電子移動度トランジスタ）などの電
子素子と共に、ＬＥＤやＬＤなどの光素子を同一基板上
に作製した光・電子混成デバイスを実現することも可能
になる。
上に化合物半導体層をエピタキシャル成長させたヘテロ
エピタキシャル成長の化合物半導体基板である。シリコ
ン基板に化合物半導体をエピタキシャル成長すること
で、化合物半導体層を有する基板の大口径化と低コスト
化が可能となる。また、シリコン基板上に化合物半導体
層を形成した基板は、機械的強度に優れ、且つ熱伝導性
が高いため、半導体装置を形成した際の放熱性に優れる
などの特徴を有する。また、ガリウム砒素などの化合物
半導体材料は、光学特性と電気特性を併せ持つため、シ
リコン基板上に優れた結晶性の化合物半導体を成長でき
れば、ＭＥＳＦＥＴ（金属半導体電界効果トランジス
タ）やＨＥＭＴ（高電子移動度トランジスタ）などの電
子素子と共に、ＬＥＤやＬＤなどの光素子を同一基板上
に作製した光・電子混成デバイスを実現することも可能
になる。
【０００５】シリコン基板上に化合物半導体を形成した
半導体基板は、このような多くのメリットを持つ反面、
シリコンなどの第IV族の元素から成る基板上にガリウム
砒素などのIII-Ｖ族の元素から成る化合物半導体層をヘ
テロエピタキシャル成長させると、化合物半導体層の成
長初期における成長時の基板温度が高いため、化合物半
導体層に基板材料のシリコン原子が拡散侵入し、これが
化合物半導体に対してドーパントとなって化合物半導体
層が低抵抗となり、それを用いたデバイス特性が劣化す
るという問題があった。
半導体基板は、このような多くのメリットを持つ反面、
シリコンなどの第IV族の元素から成る基板上にガリウム
砒素などのIII-Ｖ族の元素から成る化合物半導体層をヘ
テロエピタキシャル成長させると、化合物半導体層の成
長初期における成長時の基板温度が高いため、化合物半
導体層に基板材料のシリコン原子が拡散侵入し、これが
化合物半導体に対してドーパントとなって化合物半導体
層が低抵抗となり、それを用いたデバイス特性が劣化す
るという問題があった。
【０００６】シリコン基板上に形成した化合物半導体層
上に、さらに第２の化合物半導体層を形成し、この第２
の化合物半導体層をデバイスの動作層とする場合、シリ
コン基板の直上に形成した化合物半導体がデバイスの動
作層となる第２の化合物半導体層よりも一般に低抵抗と
なるため、動作層に形成されたデバイスの特性を劣化さ
せたり、デバイス間の素子分離が不十分となって素子の
複合形成や集積化（ＩＣ化）を困難にしていた。例え
ば、ＦＥＴでは、ピンチオフ特性の低下、しきい値のシ
フト、ドレインコンダクタンスの増加を起こし、素子の
性能を低下させる。また、素子を高集積化した場合、素
子間のリーク電流の発生などによって素子の分離特性が
低下し、集積回路の動作不良、消費電力の増加、遅延時
間の増加などの性能低下をもたらす。
上に、さらに第２の化合物半導体層を形成し、この第２
の化合物半導体層をデバイスの動作層とする場合、シリ
コン基板の直上に形成した化合物半導体がデバイスの動
作層となる第２の化合物半導体層よりも一般に低抵抗と
なるため、動作層に形成されたデバイスの特性を劣化さ
せたり、デバイス間の素子分離が不十分となって素子の
複合形成や集積化（ＩＣ化）を困難にしていた。例え
ば、ＦＥＴでは、ピンチオフ特性の低下、しきい値のシ
フト、ドレインコンダクタンスの増加を起こし、素子の
性能を低下させる。また、素子を高集積化した場合、素
子間のリーク電流の発生などによって素子の分離特性が
低下し、集積回路の動作不良、消費電力の増加、遅延時
間の増加などの性能低下をもたらす。
【０００７】そこで、このシリコン基板と化合物半導体
層との界面での低抵抗層によるデバイスへの影響を軽減
もしくは無くすために、幾つかの公報が開示されてい
る。
層との界面での低抵抗層によるデバイスへの影響を軽減
もしくは無くすために、幾つかの公報が開示されてい
る。
【０００８】特開平７−２７３０２４号公報では、シ
リコン基板上に１×１０18ａｔｏｍｓ・ｃｍ-3以上のＰ
型の不純物を導入した化合物半導体によるバッファ層を
形成することにより、シリコン基板との界面の低抵抗化
を防止した化合物半導体基板が開示されている。
リコン基板上に１×１０18ａｔｏｍｓ・ｃｍ-3以上のＰ
型の不純物を導入した化合物半導体によるバッファ層を
形成することにより、シリコン基板との界面の低抵抗化
を防止した化合物半導体基板が開示されている。
【０００９】特開平８−３２１４４４号公報では、シ
リコン基板表面に凹凸を形成し、その上に化合物半導体
を成長し、その後高温アニール手段を経て、界面にＰＮ
接合を形成し、これを空乏層とすることによって、シリ
コン基板との界面近傍に形成される低抵抗層の実質的な
厚みを小さくして抵抗値を高くし、デバイスへの影響を
小さくした化合物半導体基板が開示されている。
リコン基板表面に凹凸を形成し、その上に化合物半導体
を成長し、その後高温アニール手段を経て、界面にＰＮ
接合を形成し、これを空乏層とすることによって、シリ
コン基板との界面近傍に形成される低抵抗層の実質的な
厚みを小さくして抵抗値を高くし、デバイスへの影響を
小さくした化合物半導体基板が開示されている。
【００１０】特開平５−１４４７６４号公報では、シ
リコン基板上にガリウム砒素層を成長させた後、ガリウ
ム砒素層の上から酸素イオンを界面に到達するように高
エネルギーで注入して、このシリコン基板との界面近傍
を高抵抗化した化合物半導体基板が開示されている。
リコン基板上にガリウム砒素層を成長させた後、ガリウ
ム砒素層の上から酸素イオンを界面に到達するように高
エネルギーで注入して、このシリコン基板との界面近傍
を高抵抗化した化合物半導体基板が開示されている。
【００１１】特開平６−２０８９６３号公報では、シ
リコン基板と化合物半導体層との間に、酸素を１×１０
16〜１×１０21ａｔｏｍｓ・ｃｍ-3添加した高抵抗な化
合物半導体層を少なくとも１層形成することにより、シ
リコン基板との界面近傍に導電層が形成されることを防
止した化合物半導体基板が開示されている。
リコン基板と化合物半導体層との間に、酸素を１×１０
16〜１×１０21ａｔｏｍｓ・ｃｍ-3添加した高抵抗な化
合物半導体層を少なくとも１層形成することにより、シ
リコン基板との界面近傍に導電層が形成されることを防
止した化合物半導体基板が開示されている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記
のごとくシリコン基板上に１×ｌ０18ａｔｏｍｓ・ｃｍ
-3以上のＰ型の不純物を導入した化合物半導体から成る
バッファ層を形成した場合、シリコン基板に近いバッフ
ァ層の下層部では１×１０18ａｔｏｍｓ・ｃｍ-3以上の
Ｐ型不純物の導入で、より高抵抗化することも可能であ
るが、シリコンの拡散濃度が小さいバッファ層の中層部
から上層部では、逆効果として、導入したＰ型不純物に
よって低抵抗化するという問題がある。
のごとくシリコン基板上に１×ｌ０18ａｔｏｍｓ・ｃｍ
-3以上のＰ型の不純物を導入した化合物半導体から成る
バッファ層を形成した場合、シリコン基板に近いバッフ
ァ層の下層部では１×１０18ａｔｏｍｓ・ｃｍ-3以上の
Ｐ型不純物の導入で、より高抵抗化することも可能であ
るが、シリコンの拡散濃度が小さいバッファ層の中層部
から上層部では、逆効果として、導入したＰ型不純物に
よって低抵抗化するという問題がある。
【００１３】また、上記のごとくシリコン基板上に凹
凸を形成して、その上にエピタキシャル成長させた極薄
の動作層は、基板の凹凸の影響を受けて結晶中に欠陥が
生じており、この動作層にデバイスが形成されると、化
合物半導体デバイスの大きな特徴である高い電子移動度
が低下し、化合物半導体デバイスの本来の特性である高
速動作性などの特性が発揮できないといった問題を生じ
てしまう。実際、シリコン基板上にエピタキシャル成長
させた化合物半導体層を鏡面研磨し、その上に再度エピ
タキシャル成長し、この再エピタキシャル成長層にデバ
イスを形成することにより、特性の向上が図れたという
公報もこれまで開示されている。したがって、化合物半
導体層が形成されるシリコン基板の表面が凹凸であるこ
とは極めて不利である。
凸を形成して、その上にエピタキシャル成長させた極薄
の動作層は、基板の凹凸の影響を受けて結晶中に欠陥が
生じており、この動作層にデバイスが形成されると、化
合物半導体デバイスの大きな特徴である高い電子移動度
が低下し、化合物半導体デバイスの本来の特性である高
速動作性などの特性が発揮できないといった問題を生じ
てしまう。実際、シリコン基板上にエピタキシャル成長
させた化合物半導体層を鏡面研磨し、その上に再度エピ
タキシャル成長し、この再エピタキシャル成長層にデバ
イスを形成することにより、特性の向上が図れたという
公報もこれまで開示されている。したがって、化合物半
導体層が形成されるシリコン基板の表面が凹凸であるこ
とは極めて不利である。
【００１４】また、上記のごとくシリコン基板上にガ
リウム砒素層を成長させた後に、ガリウム砒素層の上か
ら酸素イオンをシリコン基板との界面に到達するように
高エネルギーで注入して界面近傍を高低抗化する場合、
デバイスを形成するガリウム砒素層に与えるダメージが
強く、イオン注入後のアニールによってダメージを軽減
したとしても、完全に回復させることは難しく、また酸
素濃度の層分布の制御が困難で、ガリウム砒素デバイス
の大きな特徴である高い電子移動度が劣化し、ガリウム
砒素デバイス本来の特性である高速動作性などの特性が
発揮できないといった問題がある。
リウム砒素層を成長させた後に、ガリウム砒素層の上か
ら酸素イオンをシリコン基板との界面に到達するように
高エネルギーで注入して界面近傍を高低抗化する場合、
デバイスを形成するガリウム砒素層に与えるダメージが
強く、イオン注入後のアニールによってダメージを軽減
したとしても、完全に回復させることは難しく、また酸
素濃度の層分布の制御が困難で、ガリウム砒素デバイス
の大きな特徴である高い電子移動度が劣化し、ガリウム
砒素デバイス本来の特性である高速動作性などの特性が
発揮できないといった問題がある。
【００１５】また、上記のごとくシリコン基板と化合
物半導体層との間に、１×１０16ａｔｏｍｓ・ｃｍ-3〜
１×１０21ａｔｏｍｓ・ｃｍ-3で、酸素を添加した膜厚
２００ｎｍ以上の高抵抗な化合物半導体層を形成するこ
とにより、界面近傍の導電層の絶縁不良の防止を図る場
合、高濃度の酸素添加では成長表面が荒れ、例え酸素添
加濃度を抑制したとしても、膜厚が厚くなった場合、成
長表面が荒れる傾向がある。
物半導体層との間に、１×１０16ａｔｏｍｓ・ｃｍ-3〜
１×１０21ａｔｏｍｓ・ｃｍ-3で、酸素を添加した膜厚
２００ｎｍ以上の高抵抗な化合物半導体層を形成するこ
とにより、界面近傍の導電層の絶縁不良の防止を図る場
合、高濃度の酸素添加では成長表面が荒れ、例え酸素添
加濃度を抑制したとしても、膜厚が厚くなった場合、成
長表面が荒れる傾向がある。
【００１６】本発明は、このような従来技術の問題点に
鑑みてなされたものであり、シリコン基板上にエピタキ
シャル成長させる化合物半導体層が低抵抗化したり、結
晶性が損なわれることを解消した化合物半導体基板を提
供することを目的とする。
鑑みてなされたものであり、シリコン基板上にエピタキ
シャル成長させる化合物半導体層が低抵抗化したり、結
晶性が損なわれることを解消した化合物半導体基板を提
供することを目的とする。
【００１７】本発明により、ＭＥＳＦＥＴやＨＥＭＴな
どの電子デバイスや、ＬＥＤやＬＤなどの光デバイスな
どの特性の劣化を防止し、これらデバイス間の素子分離
を確実にすることで素子の複数形成や複合形成や高集積
化を可能とする化合物半導体基板を提供しようとするも
のである。
どの電子デバイスや、ＬＥＤやＬＤなどの光デバイスな
どの特性の劣化を防止し、これらデバイス間の素子分離
を確実にすることで素子の複数形成や複合形成や高集積
化を可能とする化合物半導体基板を提供しようとするも
のである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】本発明の化合物半導体基
板は、周期表第IV族の単一元素から成る基板上に、周期
表第III-Ｖ族の元素から成る化合物半導体層を前記基板
に連続してエピタキシャル成長させた化合物半導体基板
において、前記化合物半導体層が周期表第II、IV、また
はVI族の元素の少なくとも一種を、その原子濃度が前記
基板との界面側で１×１０17ａｔｏｍｓ・ｃｍ-3以上と
なり、且つ上層側で１×１０17ａｔｏｍｓ・ｃｍ-3以下
となるような勾配を有して含有する。
板は、周期表第IV族の単一元素から成る基板上に、周期
表第III-Ｖ族の元素から成る化合物半導体層を前記基板
に連続してエピタキシャル成長させた化合物半導体基板
において、前記化合物半導体層が周期表第II、IV、また
はVI族の元素の少なくとも一種を、その原子濃度が前記
基板との界面側で１×１０17ａｔｏｍｓ・ｃｍ-3以上と
なり、且つ上層側で１×１０17ａｔｏｍｓ・ｃｍ-3以下
となるような勾配を有して含有する。
【００１９】
【作用】シリコンなどの周期表第IV族の単一元素から成
る基板上に、ガリウム砒素などの周期表第III-Ｖ族の元
素から成る化合物半導体層をエピタキシャル成長させる
場合、良好なエピタキシャル成長層を得るために、基板
温度を高温に設定し、成長雰囲気を適正に設定する。こ
れらの設定された成長条件により、特にエピタキシャル
成長初期において、基板の構成元素であるシリコンなど
の周期表第IV族の元素が成長層の構成元素であるガリウ
ム砒素などの周期表第III-Ｖ族の元素中に拡散侵入し、
成長層の電気抵抗が本来の電気抵抗より低下する。
る基板上に、ガリウム砒素などの周期表第III-Ｖ族の元
素から成る化合物半導体層をエピタキシャル成長させる
場合、良好なエピタキシャル成長層を得るために、基板
温度を高温に設定し、成長雰囲気を適正に設定する。こ
れらの設定された成長条件により、特にエピタキシャル
成長初期において、基板の構成元素であるシリコンなど
の周期表第IV族の元素が成長層の構成元素であるガリウ
ム砒素などの周期表第III-Ｖ族の元素中に拡散侵入し、
成長層の電気抵抗が本来の電気抵抗より低下する。
【００２０】この成長層の電気抵抗の低下は、本来、半
絶縁性（比抵抗が１０7 〜１０8 Ω・ｃｍ前後の高抵
抗）である化合物半導体がＰ型半導体もしくはＮ型半導
体に変化することによる。周知のように、エピタキシャ
ル成長させたガリウム砒素結晶中に基板材料のシリコン
原子が侵入した場合、ガリウム原子と置換するとＮ型半
導体として低抵抗化し、砒素原子と置換するとＰ型半導
体として低抵抗化する。この置換のいずれが起こるか、
またそのドーピング濃度は、成長装置や成長条件によ
る。例えばＭＯＣＶＤ装置の場合、原料ガスの供給量が
一定でも、温度、原料ガスのガス分圧（Ｖ／III 比）、
成長圧力などの成長条件により変化するもので、一概に
いずれかに定めることはできない。
絶縁性（比抵抗が１０7 〜１０8 Ω・ｃｍ前後の高抵
抗）である化合物半導体がＰ型半導体もしくはＮ型半導
体に変化することによる。周知のように、エピタキシャ
ル成長させたガリウム砒素結晶中に基板材料のシリコン
原子が侵入した場合、ガリウム原子と置換するとＮ型半
導体として低抵抗化し、砒素原子と置換するとＰ型半導
体として低抵抗化する。この置換のいずれが起こるか、
またそのドーピング濃度は、成長装置や成長条件によ
る。例えばＭＯＣＶＤ装置の場合、原料ガスの供給量が
一定でも、温度、原料ガスのガス分圧（Ｖ／III 比）、
成長圧力などの成長条件により変化するもので、一概に
いずれかに定めることはできない。
【００２１】このような置換を補償する手段として、シ
リコン原子がガリウム原子と置換した場合、他のガリウ
ム原子と置換する亜鉛原子のような周期表第II族の原子
の補償、もしくは砒素原子と置換する炭素原子のような
周期表第IV族の原子の補償が、高抵抗化に具合がよい。
或いはシリコン原子が砒素原子と置換した場合、他の砒
素原子と置換するセレン原子のような周期表第VI族の原
子の補償、もしくはガリウム原子と置換するゲルマニウ
ム原子のような周期表第IV族の原子の補償が高抵抗化に
具合がよい。
リコン原子がガリウム原子と置換した場合、他のガリウ
ム原子と置換する亜鉛原子のような周期表第II族の原子
の補償、もしくは砒素原子と置換する炭素原子のような
周期表第IV族の原子の補償が、高抵抗化に具合がよい。
或いはシリコン原子が砒素原子と置換した場合、他の砒
素原子と置換するセレン原子のような周期表第VI族の原
子の補償、もしくはガリウム原子と置換するゲルマニウ
ム原子のような周期表第IV族の原子の補償が高抵抗化に
具合がよい。
【００２２】さらに、この成長層の電気抵抗の低下は、
成長層の成長初期と成長後期で異なる。成長初期の成長
層の下層部に拡散侵入したシリコン原子の濃度は高く、
成長後期の成長層の上層部に拡散侵入したシリコン原子
の濃度は低い。従って、拡散侵入したシリコン原子の濃
度に応じて、補償する原子の濃度が成長層の成長初期と
成長後期で異なるのが、成長層の下層部から上層部まで
の各層部において高抵抗化に具合がよい。
成長層の成長初期と成長後期で異なる。成長初期の成長
層の下層部に拡散侵入したシリコン原子の濃度は高く、
成長後期の成長層の上層部に拡散侵入したシリコン原子
の濃度は低い。従って、拡散侵入したシリコン原子の濃
度に応じて、補償する原子の濃度が成長層の成長初期と
成長後期で異なるのが、成長層の下層部から上層部まで
の各層部において高抵抗化に具合がよい。
【００２３】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を添付図
面に基づき詳細に説明する。図１は本発明に係る化合物
半導体装置の一実施形態を示す断面図であり、１は周期
表第IV族の元素から成る基板、２は基板上に形成される
化合物半導体層である。
面に基づき詳細に説明する。図１は本発明に係る化合物
半導体装置の一実施形態を示す断面図であり、１は周期
表第IV族の元素から成る基板、２は基板上に形成される
化合物半導体層である。
【００２４】化合物半導体層２を形成するための基板１
としては、シリコンやゲルマニウムなどの周期表第IV族
の元素から成る基板が用いられる。この周期表第IV族の
元素から成る基板１としては、（１００）面が＜０１１
＞方向に２〜７°傾斜した基板などが好適に用いられ
る。この周期表第IV族の元素から成る基板１は、1 ×１
０3 〜１０5 Ω・ｃｍ程度の高抵抗半導体基板が望まし
い。
としては、シリコンやゲルマニウムなどの周期表第IV族
の元素から成る基板が用いられる。この周期表第IV族の
元素から成る基板１としては、（１００）面が＜０１１
＞方向に２〜７°傾斜した基板などが好適に用いられ
る。この周期表第IV族の元素から成る基板１は、1 ×１
０3 〜１０5 Ω・ｃｍ程度の高抵抗半導体基板が望まし
い。
【００２５】周期表第IV族の元素から成る基板１上に
は、周期表第III-Ｖ族の元素から成る化合物半導体層２
が形成される。このような化合物半導体層２には、Ｇａ
Ａｓ、ＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡ
ｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰなどがある。この
ような化合物半導体層は、周期表第IV族の元素から成る
基板上に一層、もしくは複数層形成される。形成される
化合物半導体層２の厚みは使用目的に応じて種々設定さ
れるが、通常は０．１〜４μｍ程度である。
は、周期表第III-Ｖ族の元素から成る化合物半導体層２
が形成される。このような化合物半導体層２には、Ｇａ
Ａｓ、ＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡ
ｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰなどがある。この
ような化合物半導体層は、周期表第IV族の元素から成る
基板上に一層、もしくは複数層形成される。形成される
化合物半導体層２の厚みは使用目的に応じて種々設定さ
れるが、通常は０．１〜４μｍ程度である。
【００２６】このような化合物半導体層２は、有機金属
材料を加熱して分解して、他の有機金属材料の構成元素
と反応させる有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法な
どで形成される。ＭＯＣＶＤ法では、基板１をカーボン
サセプタ上に設置して、原料ガスを分解・反応させるこ
とにより、基板１上に化合物半導体層２を形成する。
材料を加熱して分解して、他の有機金属材料の構成元素
と反応させる有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法な
どで形成される。ＭＯＣＶＤ法では、基板１をカーボン
サセプタ上に設置して、原料ガスを分解・反応させるこ
とにより、基板１上に化合物半導体層２を形成する。
【００２７】まず、周期表第IV族の元素から成る基板１
を洗浄し、これをＭＯＣＶＤ装置内のカーボンサセプタ
上に設置し、水素とアルシン（ＡｓＨ3 ）の混合ガスの
雰囲気下で基板を９００℃で約１０分間加熱して基板１
表面の自然酸化膜を蒸発・除去する。
を洗浄し、これをＭＯＣＶＤ装置内のカーボンサセプタ
上に設置し、水素とアルシン（ＡｓＨ3 ）の混合ガスの
雰囲気下で基板を９００℃で約１０分間加熱して基板１
表面の自然酸化膜を蒸発・除去する。
【００２８】次に、基板温度を５５０℃まで下げて、そ
のままの状態で成長ガスに切り換える。この場合、原料
ガスとしては、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリエ
チルガリウム（ＴＥＧ）、トリメチルアルミニウム（Ｔ
ＭＡ）、トリエチルアルミニウム（ＴＥＡ）、トリメチ
ルインジウム（ＴＭＩ）、トリエチルインジウム（ＴＥ
Ｉ）、フォスフィン（ＰＨ3 ）、アルシン（ＡｓＨ3 ）
などが用いられる。また、キャリアガスとして水素ガス
などが用いられる。
のままの状態で成長ガスに切り換える。この場合、原料
ガスとしては、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリエ
チルガリウム（ＴＥＧ）、トリメチルアルミニウム（Ｔ
ＭＡ）、トリエチルアルミニウム（ＴＥＡ）、トリメチ
ルインジウム（ＴＭＩ）、トリエチルインジウム（ＴＥ
Ｉ）、フォスフィン（ＰＨ3 ）、アルシン（ＡｓＨ3 ）
などが用いられる。また、キャリアガスとして水素ガス
などが用いられる。
【００２９】上記原料ガスに加えて、周期表第II、IV
族、またはVI族の元素を含有するドーピングガスを流
す。このようなドーピングガスとしては、トリメチルジ
ンク（ＴＭＺ）、トリエチルジンク（ＴＥＺ）、シラン
（ＳｉＨ4 ）、セレン化水素（Ｈ2 Ｓｅ）などがある。
このドーピングガスの供給流量をマスフローコントロー
ラ（ＭＦＣ）で成長時間とともに次第に減らして形成す
る。この場合、図３に示すように、基板１側から表面側
に向かって漸次減少するような傾斜濃度でドーピングさ
れるように形成する。なお、この傾斜濃度は、図４に示
すように化合物半導体層の膜厚と比例的に、また図５に
示すように多段的に、さらに図６に示すようにな二段階
的に減少するように形成してもよい。
族、またはVI族の元素を含有するドーピングガスを流
す。このようなドーピングガスとしては、トリメチルジ
ンク（ＴＭＺ）、トリエチルジンク（ＴＥＺ）、シラン
（ＳｉＨ4 ）、セレン化水素（Ｈ2 Ｓｅ）などがある。
このドーピングガスの供給流量をマスフローコントロー
ラ（ＭＦＣ）で成長時間とともに次第に減らして形成す
る。この場合、図３に示すように、基板１側から表面側
に向かって漸次減少するような傾斜濃度でドーピングさ
れるように形成する。なお、この傾斜濃度は、図４に示
すように化合物半導体層の膜厚と比例的に、また図５に
示すように多段的に、さらに図６に示すようにな二段階
的に減少するように形成してもよい。
【００３０】このエピタキシャル成長層２のドーピング
原子濃度は、基板１との界面側から表面側に向かって、
ｌ×ｌ０17ａｔｏｍｓ・ｃｍ-3以上から１×１０17ａｔ
ｏｍｓ・ｃｍ-3以下になるような勾配を有しなければな
らない。すなわち、エピタキシャル成長層２の基板１側
の界面に拡散侵入したシリコン原子濃度は成長条件にも
よるが、少なくとも１×１０17ａｔｏｍｓ・ｃｍ-3以上
であり、また基板１と反対側の上層部に拡散侵入したシ
リコン原子濃度は成長条件にもよるが、多くとも１×１
０17ａｔｏｍｓ・ｃｍ-3以下であるからである。
原子濃度は、基板１との界面側から表面側に向かって、
ｌ×ｌ０17ａｔｏｍｓ・ｃｍ-3以上から１×１０17ａｔ
ｏｍｓ・ｃｍ-3以下になるような勾配を有しなければな
らない。すなわち、エピタキシャル成長層２の基板１側
の界面に拡散侵入したシリコン原子濃度は成長条件にも
よるが、少なくとも１×１０17ａｔｏｍｓ・ｃｍ-3以上
であり、また基板１と反対側の上層部に拡散侵入したシ
リコン原子濃度は成長条件にもよるが、多くとも１×１
０17ａｔｏｍｓ・ｃｍ-3以下であるからである。
【００３１】図２は、本発明に係る化合物半導体基板の
他の実施形態を示す図である。この実施形態では、周期
表第IV族の元素から成る基板１上に化合物半導体層２を
形成し、この化合物半導体層２上に、さらに周期表第II
I-Ｖ族の元素から成る第２の化合物半導体３をエピタキ
シャル成長させたものである。この場合、化合物半導体
層２をバッファ層として機能させ、第２の化合物半導体
層３をＦＥＴなどの動作層として機能させることができ
る。
他の実施形態を示す図である。この実施形態では、周期
表第IV族の元素から成る基板１上に化合物半導体層２を
形成し、この化合物半導体層２上に、さらに周期表第II
I-Ｖ族の元素から成る第２の化合物半導体３をエピタキ
シャル成長させたものである。この場合、化合物半導体
層２をバッファ層として機能させ、第２の化合物半導体
層３をＦＥＴなどの動作層として機能させることができ
る。
【００３２】本発明ではシリコン基板上にガリウム砒素
成長層を形成することが一般的であり、さらに周期表第
II、IV、またはVI族の元素をドーピングガスとして用い
るが、このようなシリコン、ガリウム、或いは砒素など
と周期表の同一族に属する元素であれば全く同じ作用と
なり、ドーピングガスなども選択して用いることができ
る。
成長層を形成することが一般的であり、さらに周期表第
II、IV、またはVI族の元素をドーピングガスとして用い
るが、このようなシリコン、ガリウム、或いは砒素など
と周期表の同一族に属する元素であれば全く同じ作用と
なり、ドーピングガスなども選択して用いることができ
る。
【００３３】＜実施例１＞減圧ＭＯＣＶＤ装置を用い
て、図１に示すように、シリコン単結晶基板１上にガリ
ウム砒素層２を２μｍの膜厚となるようにエピタキシャ
ル成長した。（１００）面から２°傾いたオフアングル
のシリコン基板１を洗浄し、これを減圧ＭＯＣＶＤ装置
内のカーボンサセプタ上に設置し、まず水素とアルシン
の混合ガスの雰囲気下で基板を９００℃で約１０分間加
熱してシリコン基板１表面のＳｉＯ2自然酸化膜を蒸発
・除去した。
て、図１に示すように、シリコン単結晶基板１上にガリ
ウム砒素層２を２μｍの膜厚となるようにエピタキシャ
ル成長した。（１００）面から２°傾いたオフアングル
のシリコン基板１を洗浄し、これを減圧ＭＯＣＶＤ装置
内のカーボンサセプタ上に設置し、まず水素とアルシン
の混合ガスの雰囲気下で基板を９００℃で約１０分間加
熱してシリコン基板１表面のＳｉＯ2自然酸化膜を蒸発
・除去した。
【００３４】次に、基板温度を５５０℃まで下げて、そ
のままの状態でガスをガリウム砒素成長ガスに切り換え
た。このガリウム砒素成長ガスとして、水素ガスをキャ
リアガスとしてトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）とアル
シン（ＡｓＨ3 ）ガスを流量比でＡｓＨ3 ／ＴＭＧａ＝
５０で用いた。本実施例では、成長時のガス圧を２０Ｔ
ｏｒｒに設定した。ガス圧を２０Ｔｏｒｒに設定したの
で、拡散侵入したシリコン原子はガリウム砒素成長層の
Ｇａ原子と置換して、ｎ型不純物として作用する。その
ため、本実施例ではドーピングガスとして四塩化炭素
（ＣＣｌ4 ）を用い、このドーピングガスの供給流量を
成長時間と共に次第に減らした。この流量制御には、マ
スフローコントローラ（ＭＦＣ）を用い、外部より印加
電圧を自動制御した。この間、ガリウム砒素成長層に基
板から拡散侵入したシリコン原子濃度を打ち消すよう
に、成長ガスに添加した四塩化炭素からのＣ原子のドー
ピングを行なった。本実施例では、図３に示すようなド
ーピング傾斜原子濃度となるように、ドーピング用の添
加ガスの供給量をＭＦＣで制御した。
のままの状態でガスをガリウム砒素成長ガスに切り換え
た。このガリウム砒素成長ガスとして、水素ガスをキャ
リアガスとしてトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）とアル
シン（ＡｓＨ3 ）ガスを流量比でＡｓＨ3 ／ＴＭＧａ＝
５０で用いた。本実施例では、成長時のガス圧を２０Ｔ
ｏｒｒに設定した。ガス圧を２０Ｔｏｒｒに設定したの
で、拡散侵入したシリコン原子はガリウム砒素成長層の
Ｇａ原子と置換して、ｎ型不純物として作用する。その
ため、本実施例ではドーピングガスとして四塩化炭素
（ＣＣｌ4 ）を用い、このドーピングガスの供給流量を
成長時間と共に次第に減らした。この流量制御には、マ
スフローコントローラ（ＭＦＣ）を用い、外部より印加
電圧を自動制御した。この間、ガリウム砒素成長層に基
板から拡散侵入したシリコン原子濃度を打ち消すよう
に、成長ガスに添加した四塩化炭素からのＣ原子のドー
ピングを行なった。本実施例では、図３に示すようなド
ーピング傾斜原子濃度となるように、ドーピング用の添
加ガスの供給量をＭＦＣで制御した。
【００３５】得られた基板のエピタキシャル成長層の抵
抗率が大きくなるようにドーピングガスの供給量をスタ
ート時で変化させた結果、ドーピングガスの供給無しの
場合の抵抗率が１×１０2 Ω・ｃｍであるのに対し、ド
ーピングガスを最適に供給した場合の抵抗率は１×１０
6 Ω・ｃｍとなった。なお、シリコン基板の抵抗率が影
響することが考えられるため、このシリコン基板をエッ
チングで除去した後に、エピタキシャル層の抵抗率を測
定した。
抗率が大きくなるようにドーピングガスの供給量をスタ
ート時で変化させた結果、ドーピングガスの供給無しの
場合の抵抗率が１×１０2 Ω・ｃｍであるのに対し、ド
ーピングガスを最適に供給した場合の抵抗率は１×１０
6 Ω・ｃｍとなった。なお、シリコン基板の抵抗率が影
響することが考えられるため、このシリコン基板をエッ
チングで除去した後に、エピタキシャル層の抵抗率を測
定した。
【００３６】＜実施例２＞減圧ＭＯＣＶＤ装置を用い
て、図１に示すように、シリコン単結晶基板１上にガリ
ウム砒素層２を２μｍの膜厚となるようにエピタキシャ
ル成長した。基板の準備は実施例１と同じとした。基板
温度を５５０℃まで下げて、そのままの状態でガスをガ
リウム砒素成長ガスに切り換えた。本実施例では、この
ガリウム砒素成長ガスとしては、水素ガスをキャリアガ
スとして、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）とアルシン
（ＡｓＨ3 ）ガスを流量比でＡｓＨ3 ／ＴＭＧａ＝８０
で用いた。また、本実施例では、成長時のガス圧を１０
０Ｔｏｒｒに設定したので、拡散侵入したシリコン原子
はガリウム砒素成長層のＡｓ原子と置換してＰ型不純物
として作用することから、成長ガスと共に、ドーピング
ガスとしてＨ2 Ｓｅガスを用い、このドーピングガスの
供給流量を成長時間と共に次第に減らした。この間、基
板からガリウム砒素成長層に拡散侵入したシリコン原子
濃度を打ち消すように、成長ガスに添加したＨ2 Ｓｅガ
スからのＳｅ原子のドーピングを行なった。本実施例で
は、ドーピング用の添加ガスの供給量が図３に示すよう
なドーピング傾斜原子濃度となるように、ＭＦＣで制御
した。
て、図１に示すように、シリコン単結晶基板１上にガリ
ウム砒素層２を２μｍの膜厚となるようにエピタキシャ
ル成長した。基板の準備は実施例１と同じとした。基板
温度を５５０℃まで下げて、そのままの状態でガスをガ
リウム砒素成長ガスに切り換えた。本実施例では、この
ガリウム砒素成長ガスとしては、水素ガスをキャリアガ
スとして、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）とアルシン
（ＡｓＨ3 ）ガスを流量比でＡｓＨ3 ／ＴＭＧａ＝８０
で用いた。また、本実施例では、成長時のガス圧を１０
０Ｔｏｒｒに設定したので、拡散侵入したシリコン原子
はガリウム砒素成長層のＡｓ原子と置換してＰ型不純物
として作用することから、成長ガスと共に、ドーピング
ガスとしてＨ2 Ｓｅガスを用い、このドーピングガスの
供給流量を成長時間と共に次第に減らした。この間、基
板からガリウム砒素成長層に拡散侵入したシリコン原子
濃度を打ち消すように、成長ガスに添加したＨ2 Ｓｅガ
スからのＳｅ原子のドーピングを行なった。本実施例で
は、ドーピング用の添加ガスの供給量が図３に示すよう
なドーピング傾斜原子濃度となるように、ＭＦＣで制御
した。
【００３７】得られた基板のエピタキシャル成長層の抵
抗率が大きくなるようにドーピングガスの供給量を調整
した結果、ドーピングガスの供給無しの場合の抵抗率が
５×１０1 Ω・ｃｍであるのに対し、ドーピングガスを
供給した場合の抵抗率は３×１０6 Ω・ｃｍとなった。
なお、エピタキシャル層２の抵抗率はシリコン基板をエ
ッチングで除去した後に測定した。
抗率が大きくなるようにドーピングガスの供給量を調整
した結果、ドーピングガスの供給無しの場合の抵抗率が
５×１０1 Ω・ｃｍであるのに対し、ドーピングガスを
供給した場合の抵抗率は３×１０6 Ω・ｃｍとなった。
なお、エピタキシャル層２の抵抗率はシリコン基板をエ
ッチングで除去した後に測定した。
【００３８】
【発明の効果】以上のように、本発明では、周期表第IV
族の単一元素から成る基板上に周期表第III-Ｖ族の化合
物半導体層をエピタキシャル成長させる際に、拡散侵入
する基板の構成原子の価電子制御作用を打ち消すように
補償原子を基板に接した化合物半導体層中に濃度傾斜ド
ーピングすることから、基板上の化合物半導体層の高抵
抗化が図られ、この化合物半導体層もしくはこの化合物
半導体層上に形成される第２の化合物半導体層にＭＥＳ
ＦＥＴなどのデバイスを形成したときに、素子の特性向
上や素子の分離特性が優れた化合物半導体基板が得られ
る。
族の単一元素から成る基板上に周期表第III-Ｖ族の化合
物半導体層をエピタキシャル成長させる際に、拡散侵入
する基板の構成原子の価電子制御作用を打ち消すように
補償原子を基板に接した化合物半導体層中に濃度傾斜ド
ーピングすることから、基板上の化合物半導体層の高抵
抗化が図られ、この化合物半導体層もしくはこの化合物
半導体層上に形成される第２の化合物半導体層にＭＥＳ
ＦＥＴなどのデバイスを形成したときに、素子の特性向
上や素子の分離特性が優れた化合物半導体基板が得られ
る。
【図１】本発明に係る化合物半導体装置の一実施形態を
示す断面図である。
示す断面図である。
【図２】本発明に係る化合物半導体装置の他の実施形態
を示す断面図である。
を示す断面図である。
【図３】本発明に係る化合物半導体装置のドーピング勾
配の一例を示す図である。
配の一例を示す図である。
【図４】本発明に係る化合物半導体装置のドーピング勾
配の二番目の例を示す図である。
配の二番目の例を示す図である。
【図５】本発明に係る化合物半導体装置のドーピング勾
配の三番目の例を示す図である。
配の三番目の例を示す図である。
【図６】本発明に係る化合物半導体装置のドーピング勾
配の四番目の例を示す図である。
配の四番目の例を示す図である。
１‥‥‥基板、２‥‥‥化合物半導体層
Claims (1)
- 【請求項１】 周期表第IV族の単一元素から成る基板上
に、周期表第III-Ｖ族の元素から成る化合物半導体層を
前記基板に連続してエピタキシャル成長させた化合物半
導体基板において、前記化合物半導体層が周期表第II、
IV、またはVI族の元素の少なくとも一種を、その原子濃
度が前記基板との界面側で１×１０17ａｔｏｍｓ・ｃｍ
-3以上となり、且つ上層側で１×１０17ａｔｏｍｓ・ｃ
ｍ-3以下となるような勾配を有して含有することを特徴
とする化合物半導体基板。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32496897A JP3631600B2 (ja) | 1997-11-26 | 1997-11-26 | 化合物半導体基板 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32496897A JP3631600B2 (ja) | 1997-11-26 | 1997-11-26 | 化合物半導体基板 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11163399A true JPH11163399A (ja) | 1999-06-18 |
| JP3631600B2 JP3631600B2 (ja) | 2005-03-23 |
Family
ID=18171646
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP32496897A Expired - Fee Related JP3631600B2 (ja) | 1997-11-26 | 1997-11-26 | 化合物半導体基板 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3631600B2 (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009182296A (ja) * | 2008-02-01 | 2009-08-13 | Fujitsu Ltd | 発光素子及び集積素子 |
| JP2011501399A (ja) * | 2007-10-12 | 2011-01-06 | ラティス パワー （チアンシ） コーポレイション | シランを前駆物質として用いるｎ型半導体材料を製作する方法 |
| US9330908B2 (en) | 2013-06-25 | 2016-05-03 | Globalfoundries Inc. | Semiconductor structure with aspect ratio trapping capabilities |
| US9349809B1 (en) | 2014-11-14 | 2016-05-24 | International Business Machines Corporation | Aspect ratio trapping and lattice engineering for III/V semiconductors |
| JP2021100116A (ja) * | 2019-12-20 | 2021-07-01 | アズール スペース ソーラー パワー ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツングＡＺＵＲ ＳＰＡＣＥ Ｓｏｌａｒ Ｐｏｗｅｒ ＧｍｂＨ | 気相エピタキシー法 |
-
1997
- 1997-11-26 JP JP32496897A patent/JP3631600B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011501399A (ja) * | 2007-10-12 | 2011-01-06 | ラティス パワー （チアンシ） コーポレイション | シランを前駆物質として用いるｎ型半導体材料を製作する方法 |
| JP2009182296A (ja) * | 2008-02-01 | 2009-08-13 | Fujitsu Ltd | 発光素子及び集積素子 |
| US9330908B2 (en) | 2013-06-25 | 2016-05-03 | Globalfoundries Inc. | Semiconductor structure with aspect ratio trapping capabilities |
| US9349809B1 (en) | 2014-11-14 | 2016-05-24 | International Business Machines Corporation | Aspect ratio trapping and lattice engineering for III/V semiconductors |
| US9627491B2 (en) | 2014-11-14 | 2017-04-18 | International Business Machines Corporation | Aspect ratio trapping and lattice engineering for III/V semiconductors |
| JP2021100116A (ja) * | 2019-12-20 | 2021-07-01 | アズール スペース ソーラー パワー ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツングＡＺＵＲ ＳＰＡＣＥ Ｓｏｌａｒ Ｐｏｗｅｒ ＧｍｂＨ | 気相エピタキシー法 |
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|---|---|
| JP3631600B2 (ja) | 2005-03-23 |
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