JPS6258614A - 砒素化ガリウムエピタキシヤルウエハ及びその製造方法 - Google Patents

砒素化ガリウムエピタキシヤルウエハ及びその製造方法

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JPS6258614A
JPS6258614A JP19562885A JP19562885A JPS6258614A JP S6258614 A JPS6258614 A JP S6258614A JP 19562885 A JP19562885 A JP 19562885A JP 19562885 A JP19562885 A JP 19562885A JP S6258614 A JPS6258614 A JP S6258614A
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JP
Japan
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gallium arsenide
layer
phosphide
gallium
intermediate layer
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JP19562885A
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English (en)
Inventor
Masayoshi Umeno
正義 梅野
Shiro Sakai
士郎 酒井
Shinichiro Yahagi
慎一郎 矢萩
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Daido Steel Co Ltd
Nagoya Institute of Technology NUC
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Daido Steel Co Ltd
Nagoya Institute of Technology NUC
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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】 【産業上の利用分野】
本発明は、各種の砒素化ガリウム系の化合物半導体装置
の製作に有用な砒素化ガリウムエピタキシャルウェハと
その製造方法に関する。
【従来技術】
砒素化ガリウム系の■−V化合物半導体は、高移動度、
直接遷移型のバンド構造、3元、4元系の化合物による
バンドギャブと格子定数の可変性等の性質のため、高速
トランジスタ、レーザダイオード、発光ダイオード、フ
ォトトランジスタ、フォトダイオード、太陽電池等の個
別素子は勿論、これらの半導体素子を組み込んだICへ
の応用が注目されている。これらの能動素子を形戊した
活性層は、選択拡散、選択イオン注入等により砒素化ガ
リウム単結晶基板内に形成されるか、砒素化ガリウム単
結晶基板に、砒素化ガリウム系半導体をエピタキシャル
成長させたエピタキシャル層に形成させる方法が採用さ
れている。
【発明が解決しようとする問題点】
ところが、上記の砒素化ガリウム単結晶基板は、シリコ
ン単結晶基板に比べて口径の大きなものが得難いこと、
製造コストが高いこと、機械的強度に欠けること、等の
欠点がある。そこで、半導体材料のうち半導体のインゴ
ットの製造技術及び処理技術の最も進んだ単結晶シリコ
ンを基板として、砒素化ガリウムをその上にエピタキシ
ャル成長させて活性層を形成することが考えられている
が、格子不整合の為、未だ結晶性の高いエピタキシャル
成長膜は、得られていない。 本発明は、単結晶シリコン基板上に結晶性の良い砒素化
ガリウムのエピタキシャル成長層を形戊することを主た
る目的とするものであり、そのことにより、砒素化ガリ
ウム系半導体装置の低コスト化、量産性の向上、光IC
等の新しい素子構成の実現化を図るものである。
【問題点を解決するだめの手段】
本発明者らは、単結晶シリコン基板上に砒素化ガリウム
をエピタキシャル成長させるのに、シリコンと砒素化ガ
リウムの格子定数を整合させるための中間層(バッファ
層)と、基板結晶のエピタキシャル成長させるだめの主
面の面方位について各種検討を重ねて来た。 その結果、単結晶シリコン基板の主面の面方位が(10
0)面に対する一定の範囲のオフ角を有する時に、エピ
タキシャル成長した砒素化ガリウムの結晶性が高くなる
ことが判明した。又その時の中間層の材料の選択及び超
格子等に形成する等の工夫により、更に砒素化ガリウム
の結晶性が向上することが判明した。本発明は上記の発
見に基づいて戊されたものである。 即ち、本第1発明は、主面の面方位が(100)面に対
し0.5〜5度の範囲で傾斜したシリコン単結晶基板と
、 該シリコン単結晶基板の主面上にエピタキシャル成長さ
せた、シリコンと砒素化ガリウム(GaAs)の格子不
整合を緩和する中間層と、該中間層の主面上にエピタキ
シャル成長させた砒素化ガリウム層と、 から戊る砒素化ガリウムエピタキシャルウェハであり、
本第2発明は、主面の面方位が(100)面に対し0.
5〜5度の範囲で傾斜したシリコン単結晶基板の主面上
に、シリコンと砒素化ガリウム(GaAs)の格子不整
合を緩和する中間層をエピタキシャル成長させ、該中間
層の主面上に砒素化ガリウム層をエピタキシャル成長さ
せる砒素化ガリウムのエピタキシャル成長方法である。 エピタキシャル成長した砒素化ガリウムの結晶性の評価
は、接触式表面粗さ計による表面精度、フォトルミネッ
センス半値幅、光学写真による表面像を測定することに
よって行った。上記0.5〜5°のオフ角は、従来、エ
ピタキシャル成長に使用される一般的な(100)面に
エピタキシャル成長させた場合の結晶と比べて、結晶表
面の粗さが小さく、フォトルミネッセンスの半値幅が狭
い範囲として決定した。オフ角は望ましくは1〜3°、
最も望ましくは約2°である。 上記の中間層は、望ましくは燐化ガリウム(GaP)で
あり、さらに望ましくは超格子層を有するものである。 超格子の場合には、中間層を前記シリコン基板の主面側
から、燐化ガリウム(GaP)と砒素化燐化ガリウム(
GaAsP)の超格子層と、砒素化燐化ガリウム(Ga
AsP)と砒素化ガリウム(GaAs)の超格子層とを
積層するのが良い。さらに、前記の超格子層とシリコン
基板との間にシリコン基板側から燐化アルミニウム(A
LP)から成る層と燐化ガリウムアルミニウム(A]G
aP)から成る層の複層、または燐化ガリウム(GaP
)の単層を介在させると更に砒素化ガリウムの結晶性の
向上がみられた。
【発明の効果】
本発明では、シリコン単結晶基板のエピタキシャル成長
面となる主面の面方位を(100)に対して0.5〜5
°の範囲で傾斜させ、その基板の主面上に中間層と砒素
化ガリウムを順次エピタキシャル成長させてウェハを構
成したため、結晶性の良い砒素化ガリウムのエピタキシ
ャル成長層かえられた。その結果、シリコンを基板とし
、活性層を砒素化ガリウム系半導体とする各種の高性能
半導体素子、IC1及び従来のシリコンICと砒素化ガ
リウム系■−■化合物半導体ICとのハイブリッドIC
例えば光IC等の半導体装置の安価な多量生産が可能と
なる。
【実施例】
実施例1 第1図は、本発明の具体的な一実施例に係るウェハの構
成を示した断面図である。図に於いて、10はn型のシ
リコン単結晶基板、30は燐化ガリウムから成る中間層
、50は砒素化ガリウムエピタキシャル層である。層の
厚さは、シリコン単結晶基板10が300Atm、中間
層30が0.5μm、GaAsのエピタキシ十ル115
0が2μmである。中間層30とエピタキシャル層50
は、有機金属熱分解気相成長法(MOCVD)により、
順次シリコン基板10上に連続的にエピタキシャル成長
させて形成した。反応炉は横型の誘導加熱常圧炉を用い
た。原料ガスには、トリメチルガリウム(T M G 
a 、Ga(C1ls)3) 、水素希釈のアルシン(
AsH3)、ホスフィン(P H3)を用いて、それら
のガスの流速は、一定の結晶成長速度が得られるように
流量制御装置によって正確に制御されている。又V族元
素のブレクラッキング(pre−cracking)は
行っていない。シリコン基板10は、まず酸化膜を除去
する為、水素雰囲気中で1000℃で10分加熱してア
ニーリングを行った。その後、成長温度を900℃に保
持してGaPをエピタキシャル成長させて中間層30を
形成し、成長温度を65(1℃に保持してGaAsエビ
タキシャルヅ50を形成した。 上記の製造方法により、シリコン単結晶基板の主面11
の面方位を[100:1方位に対して各種変化させた基
板にエピタキシャル成長させたウェハを多数製作した。 それらのウェハについて、接触式表面粗さ計により、G
aAsエピタキシャル層50の表面の粗さを測定した。 その結果を第2図に示す。損軸は基板10の主面の面方
位の〔100〕方位に対するずれ角(オフ角)を、縦軸
は表面の粗さくpeakto peak)を表す。同図
から明らかなように、オフ角が0゜5〜5°の範囲に有
る時、オフ角0°で成長させた場合に比べて表面精度が
向上しているのが分る。最も望ましいのは、オフ角1〜
2°の時である。その時の表面精度は50Å以下であり
、オフ角O°の場合の表面精度150八に比べて3倍以
上に向上しているのが分る。 実施例2 第3図は、他の実施例に係るウェハの構成を示したウェ
ハの断面図である。図に於いて、10はn型のシリコン
単結晶基板、30は格子不整合を緩和するための中間層
、50は、GaAsのエビタキシャル層である。第1実
施例とは、中間層30の構成が異なる。即ち中間層30
は、シリコンと強力に接合し、基板10上に容易に成長
させることが可能な燐化アルミニウム(ΔIF)から戊
るjllr!1中間層31と、混晶比0.5の燐化ガリ
ウムアルミニウム(A I+1.5 Gao、s P)
から成る第2中間層32と、燐化ガリウム(GaP)と
混晶比0.5の砒素化燐化ガリウム(GaAsa、sP
o、s)の超格子から成る第3中間層33と、混晶比0
.5の砒素化燐化ガリウム(GaΔSO,SP。、、)
と砒素化ガリウムの超格子から成る第4中間層34とで
構成されている。層の厚さは、基板10が300μm、
中間層30が0.42μm。 GaAsエピタキシャル層50が2μmである。 中間層について更に詳しく言えば、第1中間層31、第
2中間層32はそれぞれ100人のホロ、第3中間層3
3、第4中間層34がそれぞれ200への層を10層積
層した超格子で構成されている。 これらの層の形成は第1実施例と同様にMOCVDによ
り形成された。用いられた原料ガスは第1実施例のもの
に加えて、トリメチルアルミニウム(TMΔI 、 A
I (CIL) 3 )が用いられている。成長温度は
、第1〜第4中間層31〜34が830℃、GaAsエ
ピタキシャル層50が730℃である。その他の条件は
第1実施例と同様である。 上記の製造方法により、シリコン単結晶基板の主面11
の面方位を[:100)方位に対して各種変化させた基
板にエピタキシャル成長させたウェハを多数製作した。 それらのウェハについてフォトルミネッセンス半値幅を
測定した。その結果を第4図に示す。第4図から明らか
な様にオフ角0.5〜5°の範囲に於いて、オフ角O°
の基板を用いたウェハに比べてフォトルミネッセンス半
値幅は、小さくなっている。即ちGaAsエピタキシャ
ル層50の結晶性が高いことを示している。望ましい範
囲はオフ角1〜3°であり、最も望ましいのは、オフ角
が約2゛の場合である。 実施例3 第3図の構成に於いて、第1及び第2中間層31.32
を設けないウェハについて、実施例2と同様の実験を行
った結果、同様な実験結果かえられ、基板の主面のオフ
角が0.5〜5°の範囲にある時、GaAsエピタキシ
ャル層50の結晶性が良くなる事が判明した。 実りノm 例4 第3図の第1及び第2中間FfJ31.32の代わりに
層の厚さ0.5μmのGaPの中間層を設けた構成のウ
ェハについて実施例2ど同様の実験を行ったところ、同
様の結果が得られ、基板の主面のオフ角が0.5〜5°
の範囲にある時、GaAsエピタキシャル層50の結晶
性が良くなる事が判明した。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の具体的な一実施例に係るウェハの構成
を示したウェハの断面図である。第2図はそのウェハに
於けるGaΔSエピタキシャル層の表面の粗さと基板の
主面のオフ角との関係を示した測定図である。第3図は
他の実施例に係るウェハの構成を示した断面図である。 第4図はそのウェハに於けるGaΔSエピタキシャル層
のフォトルミネッセンス半値幅と基板の主面のオフ角と
の関係を示した測定図である。 10°゛・シリコン単結晶基板 30 中間層 50 ・−GaAsエピタキシャル層 特許出願人   大同特殊鋼株式会社 同    名古屋工業大学長 代 理 人  弁理士 藤谷 修 第1図 第3図

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)主面の面方位が(100)面に対し0.5〜5度
    の範囲で傾斜したシリコン単結晶基板と、該シリコン単
    結晶基板の主面上にエピタキシャル成長させた、シリコ
    ンと砒素化ガリウム(GaAs)の格子不整合を緩和す
    る中間層と、 該中間層の主面上にエピタキシャル成長させた砒素化ガ
    リウム層と、 から成る砒素化ガリウムエピタキシャルウェハ。
  2. (2)前記中間層は、燐化ガリウム(GaP)であるこ
    とを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の砒素化ガリ
    ウムエピタキシャルウェハ。
  3. (3)前記中間層は、超格子層を有することを特徴とす
    る特許請求の範囲第1項記載の砒素化ガリウムエピタキ
    シャルウェハ。
  4. (4)前記中間層は、前記シリコン基板の主面側から、
    燐化ガリウム(GaP)と砒素化燐化ガリウム(GaA
    sP)の超格子層と、砒素化燐化ガリウム(GaAsP
    )と砒素化ガリウム(GaAs)の超格子層とで形成さ
    れていることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の
    砒素化ガリウムエピタキシャルウェハ。
  5. (5)前記中間層は、前記シリコン基板の主面側から、
    燐化アルミニウム(AlP)から成る層、燐化ガリウム
    アルミニウム(AlGaP)から成る層、燐化ガリウム
    (GaP)と砒素化燐化ガリウム(GaAsP)の超格
    子層、及び砒素化燐化ガリウム(GaAsP)と砒素化
    ガリウム(GaAs)の超格子層とから成ることを特徴
    とする特許請求の範囲第1項記載の砒素化ガリウムエピ
    タキシャルウェハ。
  6. (6)前記中間層は、前記シリコン基板の主面側から、
    燐化ガリウム(GaP)から成る層、燐化ガリウム(G
    aP)と砒素化燐化ガリウム(GaAsP)の超格子層
    、及び砒素化燐化ガリウム(GaAsP)と砒素化ガリ
    ウム(GaAs)の超格子層とから成ることを特徴とす
    る特許請求の範囲第1項記載の砒素化ガリウムエピタキ
    シャルウェハ。
  7. (7)主面の面方位が(100)面に対し0.5〜5度
    の範囲で傾斜したシリコン単結晶基板の主面上に、シリ
    コンと砒素化ガリウム(GaAs)の格子不整合を緩和
    する中間層をエピタキシャル成長させ、該中間層の主面
    上に砒素化ガリウム層をエピタキシャル成長させる砒素
    化ガリウムのエピタキシャル成長方法。
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