JPS62281415A

JPS62281415A - 基板上に異種材料結晶膜を成長させる方法

Info

Publication number: JPS62281415A
Application number: JP12493486A
Authority: JP
Inventors: Takashi Nishioka; 孝西岡; Yoshio Ito; 義夫伊藤
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1986-05-30
Filing date: 1986-05-30
Publication date: 1987-12-07

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】３、発明の詳細な説明産業上の利用分野本発明は、結晶基板上に異種材料結晶膜を成長させる方
法に関するものである。更に詳述するならば、■族半導
体基板上に■−■族化合物半導体薄膜結晶を、成長させ
る場合、半導体結晶基板上に絶縁体薄膜結晶を成長させ
る場合、あるいは絶縁体結晶基板上に半導体薄膜結晶を
成長させる場合等のように、結晶基板上に該結晶基板と
異なる材料からなる結晶膜をエピタキシャル成長させる
異種材料結晶膜成長方法に関するものである。

従来の技術Ｓｉ基板上にＧａＡｓ薄膜結晶を成長させる場合のよう
に、基板と被成長膜とが異なる種類の材料からなる組み
合わせにおけるエピタキシャル成長では、一般に両材料
間に■格子定数差、■熱膨張係数差が存在するため、成
長時もしくは成長終了後成長温度から室温へ降温する時
に成長膜中あるいは基板中に歪やクラックが発生しやす
く、成長膜品質の低下、素子加工工程上の不都合を生じ
ていた。

従来、Ｓｉ基板上ＧａＡｓ膜中の歪およびクラックを抑
制するために実施されていた手段として、例えば次のよ
うな方法が使用されていた。

（１）成長最初期に４００〜４５０℃の比較的低温でＧ
ａＡｓを１５〜２０００人程度成長させた後、成長温度
もしくは成長温度以上に昇温する工程により基板−膜界
面近傍に高密度の転位を発生させ、格子定数差による歪
を緩和することともに、転位が膜厚方向へ伝搬する割合
を小さくする。

（２）格子定数を徐々に変化させた層もしくは歪を持っ
た超格子層を基板と膜との間に形成し、格子定数差によ
る歪の緩和を図る。

（３）　　ＧａＡｓｔ長膜自体の膜厚をクラックが入り
始める厚さく一般的には３〜３．５μｍ）より薄くする
。

更には、これらの手段の組合せにより歪みの緩和、クラ
ック発生の防止が行なわれてきた。

ところが、３１基板上ＧａＡｓ薄膜において問題となる
残留歪、クラックは、上記した（１）、（２）の手段で
緩和される格子定数差に起因するものよりもむしろ、熱
膨張係数差に基づくものが主となっている。

これは、ＧａＡｓが３１より格子定数が大きいにもかか
わらず、成長後室温付近において引張り応力を受けてい
ることから明らかである。

このような熱膨張係数差に起因する残留歪、クラックに
は、基板−膜間のバッファ層材料を選択するという程度
の対応策しかなく、上記（３）の手段のみ、もしくは上
記（１）、（２）、（３）の組合せによる方法のみが従
来行なわれており、最高８μｍ程度の膜厚においてクラ
ックのないものが得られている。

発明が解決しようとする問題点しかしながら、Ｓｉ基板上のＧａＡｓ薄膜成長方法にお
いては以下の問題点を有していた。

すなわち、８１基板上に近い膜中では格子定数差に起因
する高密度の転位が存在するが、界面から離れるに従っ
て膜厚方向に貫通する転位は次第に減少する。従って、
成長膜厚が厚くなる程転位等の欠陥の少ない良質の結晶
が得られる。

一方、従来、Ｓｉ基板上のＧａＡｓ膜の膜厚を厚くする
と、ＧａＡｓ膜面内においてほぼ一様な残留歪が発生し
た。更には、成長膜厚が厚い場合には約２００μｍ周期
でクラックが発生した。

そのため、結晶性があり膜厚の厚いＧａＡｓ結晶膜を（
尋ることが出きず、バルク結晶と比較して劣っていると
いう問題点を有していた。また残留歪やクラックの発生
するため、膜品質上及び素子形成上大きな問題となって
いた。

そこで、本発明の目的は、基板上に異種材料結晶膜を成
長させる場合において、膜中に転位等の欠陥が少なく、
かつ残留歪が小さくクラックの発生を伴わない薄膜を得
る成長方法を提供せんとするものである。

問題点を解決するための手段本発明者等は、上記の目的を達成するために種々検討し
た結果、基板面もしくは成長膜面の一部の領域で基板も
しくは成長膜の状態を改変などして、それら領域におい
て本来のエピタキシャル成長を阻害し、基板面内の他の
領域とは異なった成長状態をつくることが有利であるこ
とを見い出して、本発明を完成した。

すなわち、本発明は、結晶基板上に、該結晶基板と異な
る材料からなる結晶膜をエピタキシャル成長させる異種
材料結晶膜成長方法において、前記結晶基板上の一部の
領域においてエピタキシャル成長を阻害して前記異なる
材料を前記結晶基板上にエピタキシャル成長させること
を特徴とする。

本発明の１）の実施例においては、前記エピタキシャル
成長の阻害は、前記結晶基板の一部表面に、該結晶基板
上でのエピタキシャル関係を満足しない結晶方位を持つ
面を予め形成することによって実現する。そして、その
エピタキシャル関係を満足しない結晶方位を持つ面は、
例えばエツチングにより、前記結晶基板表面に段差又は
溝を設けることにより形成することができる。

本発明のもつ１）の実施例においては、前記エピタキシ
ャル成長の阻害は、前記結晶基板の一部表面に、該結晶
基板とも前記異なる材料とも異なる第３の材料の非晶質
薄膜を予め形成することによって実現する。

本発明の更にもつ１）の実施例においては、前記エピタ
キシャル成長の阻害は、前記結晶基板の一部表面領域の
結晶状態を予め改変することによって実現する。そして
、この結晶状態の改変は、前記結晶基板の一部表面領域
に、イオン線、原子線もしくは光を照射することにより
、または、前記一部表面領域を陽極化成することにより
達成できる。

本発明の更に別の実施例においては、前記エピタキシャ
ル成長の阻害は、前記異なる材料を前記結晶基板上にエ
ピタキシャル成長させる工程の途中において、成長膜の
一部領域の結晶状態を改変することによって実現する。

そして、この成長膜の一部領域の結晶状態の改変は、成
長膜の一部領域に、イオン線、原子線あるいは光を照射
することにより達成できる。

作用上記した本発明の方法では、基板面もしくは成長膜面の
一部の領域で基板もしくは成長膜の状態を改変すること
により、この領域では本来のエピタキシャル成長が阻害
され基板面内の他の領域とは結晶構造が異なった成長状
態を呈する。

薄膜結晶の成長条件は、本来のエピタキシャル成長を行
なう上で最適となるように設定されているため、エピタ
キシャル成長が阻害された領域以外の領域では、良好な
結晶性は維持される一方、エピタキシャル成長が阻害さ
れた領域では一般に良好な結晶性は維持されていない。

その結果、エピタキシャル成長に伴う残留歪みは、その
結晶状態の異なる領域に集中し、本来のエピタキシャル
成長がなされている領域では、歪みが小さく、良好な膜
品質が達成される。換言するならば、成長に伴って従来
一様に分布していた歪又はクラックは、このような部分
的に結晶性の不良な領域に集中し、この領域で新たな欠
陥を生じつつ緩和される。

従って、例えば、Ｓｉ基板上にＧａＡｓ結晶膜エピタキ
シャル成長する場合、エピタキシャル成長が阻害された
領域以外の領域は、残留歪が著しく小さく、またクラッ
クが発生せず、結晶性が高く転位は少ない。

実施例以下、添付図面に基づいて本発明を実施例に従って説明
する。なお、これらの実施例は本発明の技術的範囲を何
等制限するものではない。

実施例１本実施例を第１図を用いて説明する。

Ｓｉ　（１００）基板１の特定の部分に溝状の段差３を
ＫＯＨ水溶液によるエツチングにて作製した。溝の方向
を＜０１１＞にとると、エツチング速度の面方位依存性
により溝側面は（１１１）の面方位を持つに到る。本実
施例では、溝の巾は５μｍ１深さは約３μｍ、溝間の間
隔は、従来のクラックが発生していた間隔を考慮して２
００μｍとした。

このような加工を施した８１基板１上に有機金属気相成
長（Ｍ　ＯＣＶ　Ｄ　）法によりＧａＡｓ薄膜結晶２を
厚さ１５μｍ成長させた。ＭＯＣＶＤの成長条件は、５
ｉ（１００）基板１にＧａＡｓ　（１００）薄膜結晶２
が良好に成長するように設定されているため、（１１１
）面を持つ溝状の段差３の上では良好なＧａＡｓ薄膜単
結晶が成長せず、欠陥が高密度に集中した多結晶２２と
なった。一方、段差加工を施さない８１基板上の他の領
域で良好な結晶性を持つＧａＡｓ　（１００）薄膜単結
晶２１が成長した。成長に伴なう歪は、多結晶２２の部
分で集中して緩和されたため、ＧａＡｓ薄膜が１５μｍ
と厚いにもかかわらず、クラックの発生は見られなかっ
た。

ＧａＡｓ単結晶領域２１の結晶性の膜厚方向依存性に関
しては、ＳｉとＧａＡｓ界面６から膜表面に向かうに従
って良くなっていることがフォトルミネセンス、Ｘ線回
折等により確認された。これは、界面６から離れるに従
ってＧａＡｓがＳｉ格子の影響を脱し、界面近傍の転位
等も極端に減少していくことに対応する。

従来法では、ＧａＡｓのみのＳｉ上成長の場合は約３．
５μｍ、　ＧａＡｓとＧａＰを含む超格子を中間層とす
る場合でも約８μｍ以上の膜厚でクラックが発生するた
め、膜厚増大による結晶性向上もクラックが発生しない
範囲に押さえられるという欠点があった。

しかし、本実施例では１５μｍの厚さにおいてもクラッ
クの発生はなく、膜厚増大による十分な結晶性向上が得
られた。本実施例の成長層を用いてＧａＡｓ薄膜形薄膜
型太陽電池したところ、従来法では変換効率が１０％で
あったのに対し、１８％の変換効率が実現できた。よっ
て、ＧａＡｓ膜品質が良好になり、ＧａＡｓ素子特性も
改良された。

実施例２本実施例を第２図を参照しつつ説明する。Ｓｉ基板１上
の一部に窒化シリコンでなるストライプ４を形成した後
、ＧａＡｓ　２成長を行なった。なお、溝の巾は５μｍ
１溝間の間隔は、２００μｍとした。

窒化シリコン４上では、本来のエピタキシャル成長が起
こらず、空隙の多い多結晶２２となった。

従って、窒化シリコン４上では、エピタキシャル成長が
阻害され、他の領域と異なった結晶状態となり、窒化シ
リコン４付近に残留歪が集中し、一方、本来のエピタキ
シャル成長領域では膜厚が厚くてもクラックは発生せず
、良好な結晶性ＧａＡｓ薄膜単結晶が成長した。

実施例３本実施例を、添付第３図を用いて説明する。Ｓｉ基板１
に適当なマスクを施し、＾ｒイオンビームを７０ｋＶで
Ｉ　Ｘ１０１５ｃｍ−２注入した。注入された領域５は
巾５μｍ、ピッチ２００μｍの溝状である。イオン注入
によってＳ【の結晶格子は損傷を受は非晶質化した。注
入による損傷は、薄膜成長時の加熱によっても十分回復
することはなく、注入領域上では、粒径的５００ｎｍの
多結晶２２が成長した。

また、イオン注入に代えて、Ａｒスパッタリングもしく
はＳｉ基板の陽極化成による多孔質Ｓ１の部分的形成に
よっても同様の効果があった。

すなわち、Ａｒイオン注入された領域、Ａｒスパッタリ
ングされた領域又はＳｉ基板の陽極化成された領域にお
いては、Ｓｉ基板の結晶状態が異なり、上記の領域での
み歪又はクラックが発生するが、膜厚が厚くても本来の
エピタキシャル成長領域ではクラックが発生せず、良好
な結晶性を有するＧａＡｓ薄膜単結晶が成長した。

実施例４本実施例を第４図に基づいて説明する。本実施例では、
基板には、上記した実施例１〜３のような処理を施さず
に通常のＧａＡｓ成長を開始し、成長途中で集光したＡ
ｒレーザビーム７を走査照射したその走査間隔は、約２
００μｍである。照射された領域２３では、温度上昇の
ために主としてヒ素が蒸発し、ＧａＡｓの結晶性がヒ素
の不足から乱れを生じた。

従って、Ａｒレーザビーム７が照射された領域は照射さ
れない領域と結晶構造が異なり、エピタキシャル成長が
行なわれず、成長に伴なう歪は照射された部分に集中し
緩和される。その結果、Ａｒ照射されていない領域では
膜厚が厚くてもクラックが発生せず良好な結晶性を有す
るＧａＡｓ薄膜単結晶が成長した。

以上、本発明の実施例を、Ｓｉ基板上のＧａＡｓ膜を成
長させる場合について説明したが、本発明は、Ｓｉ基板
上のＧａＡｓ膜等のように半導体基板上の異種半導体薄
膜成長に限定されるものではなく、８１基板上のフッ化
カルシウム薄膜結晶、サファイア基板上のＧａＡｓ薄膜
結晶のような半導体と絶縁体の組合せにも有効である。

さらに、一般的に、基板結晶とは異なる種類の材料でな
る薄膜結晶成長で、格子定数、熱膨張係数の差が大きい
組合せに対して有効である。

発明の効果以上説明したように、本発明では基板面もしくは成長膜
面の一部の領域で結晶の状態を改変することにより、こ
の領域で成長に伴なう歪が集中して緩和されるため、他
の領域では歪が著しく小さく良質な薄膜結晶が実現され
る。この良質な薄膜領域に素子の活性部分もしくは主要
部分を配置することにより、バルク結晶やホモエピタキ
シャル結晶に匹敵する特性が得られる。また、歪の緩和
に分布があり、結晶性の比較的良くない領域で主として
緩和が起こるため、厚い膜においてもクラックは発生し
ないという利点がある。

以上のような効果により、膜品質が良好な部分に素子を
配置することにより、もしくは、素子特性上影響の少な
い構造の素子配置にすることにより、優れた特性の素子
を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第４図は、本発明の実施例における薄膜成
長の状況を説明する概略図である。（主な参照番号）１・・Ｓｉ基板２・・ＧａＡｓ成長層３・・Ｓｉ基板の段差部４・・窒化シリコン５・・イオン注入領域５　・−３ｉ　−ＧａＡｓ界面７・・Ａｒレーザビーム２０・・成長途中のＧａＡｓ層２１・・本来のエピタキシャル成長をするＧａＡｓ領に
２２・・多結晶ＧａＡｓ領域

Claims

【特許請求の範囲】

（１）結晶基板上に、該結晶基板と異なる材料からなる
結晶膜をエピタキシャル成長させる異種材料結晶膜成長
方法において、前記結晶基板上の一部の領域においてエ
ピタキシャル成長を阻害して前記異なる材料を前記結晶
基板上にエピタキシャル成長させることを特徴とする異
種材料結晶膜成長方法。
（２）前記エピタキシャル成長の阻害は、前記結晶基板
の一部表面に、該結晶基板上でのエピタキシャル関係を
満足しない結晶方位を持つ面を予め形成することである
ことを特徴とする特許請求の範囲第（１）項に記載の異
種材料結晶膜成長方法。
（３）前記エピタキシャル関係を満足しない結晶方位を
持つ面は、前記結晶基板表面に段差又は溝を設けること
により形成することを特徴とする特許請求の範囲第（２
）項に記載の異種材料結晶膜成長方法。
（４）前記エピタキシャル成長の阻害は、前記結晶基板
の一部表面に、該結晶基板とも前記異なる材料とも異な
る第３の材料の非晶質薄膜を予め形成することであるこ
とを特徴とする特許請求の範囲第（１）項に記載の異種
材料結晶膜成長方法。
（５）前記エピタキシャル成長の阻害は、前記結晶基板
の一部表面領域の結晶状態を予め改変することであるこ
とを特徴とする特許請求の範囲第（１）項に記載の異種
材料結晶膜成長方法。
（６）前記結晶状態の改変は、前記結晶基板の一部表面
領域に、イオン線、原子線もしくは光を照射することに
より、または、前記一部表面領域を陽極化成することを
特徴とする特許請求の範囲第（５）項に記載の異種材料
結晶膜成長方法。
（７）前記エピタキシャル成長の阻害は、前記異なる材
料を前記結晶基板上にエピタキシャル成長させる工程の
途中において、成長膜の一部領域の結晶状態を改変する
ことであることを特徴とする特許請求の範囲第（１）項
に記載の異種材料結晶膜成長方法。
（８）前記成長膜の一部領域の結晶状態の改変は、成長
膜の一部領域に、イオン線、原子線あるいは光を照射す
ることであることを特徴とする特許請求の範囲第（７）
項に記載の異種材料結晶膜成長方法。