JPS6258615A - 砒素化ガリウム系化合物半導体装置 - Google Patents
砒素化ガリウム系化合物半導体装置Info
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- JPS6258615A JPS6258615A JP19562985A JP19562985A JPS6258615A JP S6258615 A JPS6258615 A JP S6258615A JP 19562985 A JP19562985 A JP 19562985A JP 19562985 A JP19562985 A JP 19562985A JP S6258615 A JPS6258615 A JP S6258615A
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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。
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Description
本発明は、シリコン単結晶を基板として、エピタキシャ
ル成長したＧａＡｓエピタキシャル層を用いた砒素化ガ
リウム系化合物半導体装置に関する。
ル成長したＧａＡｓエピタキシャル層を用いた砒素化ガ
リウム系化合物半導体装置に関する。
砒素化ガリウム系の■−■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成した
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。
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成した
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。
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。そのため、シリコンを基板と
する砒素化ガリウム系の半導体装置の実現は、未だ不十
分の状態である。 本発明は、ｉ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成して、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Ｉ
Ｃ等の新しい素子構成の実現化を図るものである。
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。そのため、シリコンを基板と
する砒素化ガリウム系の半導体装置の実現は、未だ不十
分の状態である。 本発明は、ｉ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成して、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Ｉ
Ｃ等の新しい素子構成の実現化を図るものである。
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ための主
面の面方位について各種検討を重ねて来た。 その結果、所定の中間層を用いることにより結晶性の良
いＧａＡｓエピタキシャル層が形成されること、単結晶
シリコン基板の主面の面方位が（１００）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いことが判明した。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成された
ものである。 即ち、第１発明は、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
する超格子層を有する中間層と、 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
リウム層を基底層として形成された半導体装置と、 から成る砒素化ガリウム系化合物半導体装置でる。又本
第２発明は、主面の面方位が（１００）面に対し０．５
〜５度の範囲で傾斜している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
せた燐化ガリウム（Ｇａｐ）から成る中間層と、 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
リウム層を基底層として形成された半導体装置と、 から成る砒素化ガリウム系化合物半導体装置である。 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２０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（△
ＩＰ）から成る層と燐化ガリウムアルミニウム（ＡｌＧ
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。 半導体装置は、前記砒素化ガリウムエピタキシャル層を
活性層として形成したり、更にこの砒素化ガリウムエピ
タキシャル層を基底層として、さらにＧａＡｓ系の半導
体をエピタキシャル成長させた層を活性層として形成す
る事が出来る。この半導体装置は、例えば、バイポーラ
トランジスタ、電界効果トランジスタ、発光ダイオード
、レーザダイオード、受光素子、太陽電池等の個別素子
又はそれらの複合体から成るＩＣである。
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ための主
面の面方位について各種検討を重ねて来た。 その結果、所定の中間層を用いることにより結晶性の良
いＧａＡｓエピタキシャル層が形成されること、単結晶
シリコン基板の主面の面方位が（１００）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いことが判明した。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成された
ものである。 即ち、第１発明は、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
する超格子層を有する中間層と、 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
リウム層を基底層として形成された半導体装置と、 から成る砒素化ガリウム系化合物半導体装置でる。又本
第２発明は、主面の面方位が（１００）面に対し０．５
〜５度の範囲で傾斜している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
せた燐化ガリウム（Ｇａｐ）から成る中間層と、 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
リウム層を基底層として形成された半導体装置と、 から成る砒素化ガリウム系化合物半導体装置である。 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２０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（△
ＩＰ）から成る層と燐化ガリウムアルミニウム（ＡｌＧ
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。 半導体装置は、前記砒素化ガリウムエピタキシャル層を
活性層として形成したり、更にこの砒素化ガリウムエピ
タキシャル層を基底層として、さらにＧａＡｓ系の半導
体をエピタキシャル成長させた層を活性層として形成す
る事が出来る。この半導体装置は、例えば、バイポーラ
トランジスタ、電界効果トランジスタ、発光ダイオード
、レーザダイオード、受光素子、太陽電池等の個別素子
又はそれらの複合体から成るＩＣである。
本発明では中間層を超格子としているため、結晶性の高
い砒素化ガリウムエピタキシャル層が得られたので、シ
リコンを基板とする砒素化ガリウム系の半導体装置の実
現が可能となった。又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た場合
には、更に結晶性の良い砒素化ガリウムのエピタキシャ
ル成長層が得られる為、高性能の半導体装置が実現出来
た。 本発明装置はシリコンの単結晶基板を用いているため、
大きなウェハが使用出来るので、安価な多量生産が可能
となる。
い砒素化ガリウムエピタキシャル層が得られたので、シ
リコンを基板とする砒素化ガリウム系の半導体装置の実
現が可能となった。又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た場合
には、更に結晶性の良い砒素化ガリウムのエピタキシャ
ル成長層が得られる為、高性能の半導体装置が実現出来
た。 本発明装置はシリコンの単結晶基板を用いているため、
大きなウェハが使用出来るので、安価な多量生産が可能
となる。
実施例１
本実施例はレーザダイオードに関するものである。
第１図は、レーザダイオードの構成を示した断面図であ
る。図に於いて、１０は主面が〔１００〕方位に対して
オフ角２度で傾斜しているｎ型のシリコン単結晶基板で
ある。３０は中間層、５０はｎ型砒素化ガリウムエピタ
キシャル層、５２はｎ−Ｇａｏ、７Ａ １０．３ Ａｓ
から成るクラッド層、５４は１−ＧａＡｓから成る活性
層、５６はｐ−Ｇ ａ Ｏ，？ Ａ １ ｏ、ａ Ａ
ｓから成るクラッド層、５８はｐ−ＧａＡｓから成るキ
ャブ層、６０はＳｉＯ□から成る絶縁膜、６２はＡｕ−
Ｚｎから成る十電極、６４はＡｕ−３ｎから成る一１！
極である。層の厚さは、シリコン単結晶基板１０が３０
０μ第１中間層３０が０．２５μｍ、、ＧａＡｓエピタ
キシャル層５０が２μ第１クラツド層５２が１．５μ第
１活性層５４が０．１μ第１クラツド層５６が１゜５μ
第１キヤツプ層５８が０．５μｍである。 中間層３０は、燐化ガリウム（ＧａＰ）の単層から成る
第１中間層３１と、燐化ガリウム（ＧａＰ）と混晶比０
．５の砒素化燐化ガリウム（ＧａＡ Ｓｏ、ｓ Ｐｏ、
ｓ ）の超格子から成る第２中間層３２と、混晶比０．
５の砒素化燐化ガリウム（ＧａＡｓｏ、ｓ Ｐｏ、ｓ
）と砒素化ガリウムの超格子から成る第３中間層３３と
で構成されている。第１中間層３１は５００人の厚さの
単層、第２中間層３２、第３中間層３３はそれぞれ２０
０人の層を５層積層した超格子で構成されている。 この半導体装置は、有機金屑熱分解気相成長法（ＭＯＣ
ＶＤ）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（Ｃ
１ｌ−）３）、トリメチルアルミニウム（Ｔ Ｍ Ａ
１ 、ＡＩ（Ｃ１１、）、）、水素希釈のアルシン（Δ
５Ｈｓ）、ホスフィン（Ｐ Ｈ、）を用いている。又ｎ
型、ｎ型のドーパントには、それぞれジエチル亜鉛（Ｄ
ＥＺｎ）、水素希釈のＩＩ ２Ｓ ｅを用いた。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−ｃｒａｃｋ ｉｎｇ）
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ＩＪ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第１中間層３１を形成し、次
に成長温度を７００℃に保持して超格子の第２中間Ｆ！
３２及び第３中間層３３をエピタキシャル成長させた。 次に成長温度を７００℃に保持して、ｎ型のＧａＡｓエ
ピタキシャル層５０とクラッド層５２と活性層５４とク
ラッド層５６とキャップ層５８とをそれぞれ連続成長さ
せた。次に、ホトレジストの塗布、マスキング、露光の
工程を経て、ＧａＡｓエピタキシャル層５０迄図示の如
くエツチングした。その後５ｉＯｚをコーティングして
絶縁膜６０を形成しフォトリソグラフにより窓を空け、
十電極６２を蒸着する七共にＧａＡｓエピタキシャル層
５０の上に一電極６４を蒸着し拡散処理を施して電極を
形成した。その後端面を襞間して共振器を形成しレーザ
ダイオードを得た。 このようにして作成したレーザダイオードは室温でパル
ス発振した。その入出力特性を第２図に示す、しきい値
は電流４６０ｍＡであった。又発振したレーザ光のスペ
クトルを第３図に示す。 実施例２ 本実施例はフォトダイオードに関するものである。第４
図に於いて、１３は主面が〔１，００）方位に対してオ
フ角２度で傾斜しているｎ型のシリコン単結晶基板であ
る。３４はｎ” −ＧａＰから成る中間層、７０はｎ＋
型のＧａＡｓエピタキシャル層、７１はｎ−−ＧａＡｓ
エピタキシャル層、７２はｐ−ＧａＡｓ−＋−ビタキシ
ャル層、７３はＡｕ、 −Ｚ ｎの電極、７４はＡｕ−
３ｎのＭ、極である。 層７０．７１．７２でＰＩＮ型のフォトダイオードを構
成している。上記層の厚さは、基板１３が３００μｍで
エピタキシャル成長させた後は回層により５０μｍとな
っている。中間層３４は１μｍ、層７０．７１．７２は
それぞれ０．５μｍ、２．５μｍ、０．５μｍである。 各層は第１実施例と同様にＭＯＣＶＤの連続成長により
形成された。成長温度は、中間層３４が９００℃、層７
１．７２．７３が６５０℃である。エピタキシャル成長
の完成後、電極７３．７４を蒸着し、端面を鍔間して発
光面を得た。このようにして形成されたフォトダイオー
ドの量子効率の波長特性を第５図に示す。 実施例３ 本実施例は、太陽電池に関するものである。第６図に於
いて、１２は主面が［１００）方位に対してオフ角２度
で傾斜しているｎ型のシリコン単結晶基板、３５はＧａ
Ｐから成る第１中間層、３６は、燐化ガリウム（ＧａＰ
）と混晶比０．５の砒素化燐化ガリウム（Ｇ ａ Ａ
ｓ ｏ、ｓ Ｐ ｏ、ｓ）の超格子から成る第２中間
層、３７は、混晶比０．５の砒素化燐化ガリウム（Ｇａ
Ａｓｏ、ｓ Ｐ ｏ、ｓ）と砒素化ガリウムの超格子
から成る第３中間層である。 ８０はｎ−ＧａＡｓエピタキシャル層、８１はｐ−Ｇａ
Ａｓエピタキシャル層、８２はｐＧａｏ。 ２Ａ１０．８ΔＳ工ピタキシヤル層、８４はＳｉＯ２か
ら成る無反射コーテイング膜、８５はＡｕ−Ｚｎの電極
、８６はＡｌ７４極である。上記層の厚さは、基板１２
が３００μｍでエピタキシャル成長させた後は研房によ
り５０μｍとなっている。 中間層３５は５００人、層８０．８１．８２．８４はそ
れぞれ０．５μｍ、０．５μｍ、０．１μｍ、８０ｎｍ
である。各半導体層は第１実施例と同様にＭＯＣＶＤの
連続成長により形成された。成長温度は、中間層３５が
９００℃、層８１，８２．８３が６５０℃である。成長
完成後、層８２の上にＳｉｎ、をスパッタリングして無
反射コーティングを施し、フォトリソグラフ、エツチン
グによって電極８５を形成する部分に窓を開けＡｕ−Ｚ
ｎをその部分に蒸着して電極を形成し、基板１２を５０
μｍ迄研暦し回層面にＡＩを蒸着して電極８６を形成し
た。このようにして形成された太陽電池の分光感度特性
を第７図に示す。比較としてあげたＧａＡｓ基板に作成
した太陽電池の特性と比べて遜色無いことが分る。 実験例１ 次に基板の主面のオフ角とその基板上に成長したＧａＡ
ｓエピタキシャル層の結晶性との関係について実験した
。第８図は、実験例にかか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３００μ第１中間層３０が０．５μ
ｍ、ＧａＡｓのエピタキシャル層５０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１
０上に連続的にエピタキシャル成長させて形成した。成
長温度はＧａＰが９００℃、ＧａＡｓエピタキシャル層
５０が６５０℃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、表面粗さ計により、ＧａＡｓ
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９図に示す。横軸は基板１０の主面の面方位のｌ
：１００）方位に対するずれ角（オフ角）を、縦軸は表
面の粗さくｐｅａｋ ｔｏ 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Ｏ°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５０八以下であり、オフ角Ｏ°の場
合の表面精度１５０人に比べて３倍以上に向上している
のが分る。 実験例２ 第１０図は、他の実験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のエピタキシャル層である。第１
実験例とは、中間層３０の構成が異なる。即ち中間層３
０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（ＡｌＰ）から
成る第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 Ｉａ、ｓ 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、ｓＰａ、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（ＧａＡｓ０．ｓＰａ、ｓ）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３
０が０．４２μ第１ＧａＡｓエピタキシャル層５０が２
μｍ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人の単層、第３中間層３
３、第４中間層３４がそれぞれ２００人の層を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実験例と同様にＭＯＣＶＤによ
り形成された。成長温度は、第１〜第４中間層３１〜３
４が８３０℃、ＧａＡｓｚピタキシャル層５０が７３０
℃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１１図に示す。 第１１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０°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Ｇ
ａＡｓ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。 実験例３ 第１０図の構成に於いて、第１及び第２中間層３１．３
２を設けないウェハについて、実験例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。 実験例４ 第１０図の第１及び第２中間層３１．３２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
ハについて実験例２と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。 これらの実験からシリコン基板の主面の〔１００〕方位
に対するオフ角が（１，５〜５度のときＧａＡｓエピタ
キシャル層の結晶性が良いことが判明した。従ってその
方位のシリコン基板を用いることにより、上記の実施例
で述べた装置に限らず高性能の砒素化ガリウム系半導体
装置かえられる。
る。図に於いて、１０は主面が〔１００〕方位に対して
オフ角２度で傾斜しているｎ型のシリコン単結晶基板で
ある。３０は中間層、５０はｎ型砒素化ガリウムエピタ
キシャル層、５２はｎ−Ｇａｏ、７Ａ １０．３ Ａｓ
から成るクラッド層、５４は１−ＧａＡｓから成る活性
層、５６はｐ−Ｇ ａ Ｏ，？ Ａ １ ｏ、ａ Ａ
ｓから成るクラッド層、５８はｐ−ＧａＡｓから成るキ
ャブ層、６０はＳｉＯ□から成る絶縁膜、６２はＡｕ−
Ｚｎから成る十電極、６４はＡｕ−３ｎから成る一１！
極である。層の厚さは、シリコン単結晶基板１０が３０
０μ第１中間層３０が０．２５μｍ、、ＧａＡｓエピタ
キシャル層５０が２μ第１クラツド層５２が１．５μ第
１活性層５４が０．１μ第１クラツド層５６が１゜５μ
第１キヤツプ層５８が０．５μｍである。 中間層３０は、燐化ガリウム（ＧａＰ）の単層から成る
第１中間層３１と、燐化ガリウム（ＧａＰ）と混晶比０
．５の砒素化燐化ガリウム（ＧａＡ Ｓｏ、ｓ Ｐｏ、
ｓ ）の超格子から成る第２中間層３２と、混晶比０．
５の砒素化燐化ガリウム（ＧａＡｓｏ、ｓ Ｐｏ、ｓ
）と砒素化ガリウムの超格子から成る第３中間層３３と
で構成されている。第１中間層３１は５００人の厚さの
単層、第２中間層３２、第３中間層３３はそれぞれ２０
０人の層を５層積層した超格子で構成されている。 この半導体装置は、有機金屑熱分解気相成長法（ＭＯＣ
ＶＤ）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（Ｃ
１ｌ−）３）、トリメチルアルミニウム（Ｔ Ｍ Ａ
１ 、ＡＩ（Ｃ１１、）、）、水素希釈のアルシン（Δ
５Ｈｓ）、ホスフィン（Ｐ Ｈ、）を用いている。又ｎ
型、ｎ型のドーパントには、それぞれジエチル亜鉛（Ｄ
ＥＺｎ）、水素希釈のＩＩ ２Ｓ ｅを用いた。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−ｃｒａｃｋ ｉｎｇ）
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ＩＪ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第１中間層３１を形成し、次
に成長温度を７００℃に保持して超格子の第２中間Ｆ！
３２及び第３中間層３３をエピタキシャル成長させた。 次に成長温度を７００℃に保持して、ｎ型のＧａＡｓエ
ピタキシャル層５０とクラッド層５２と活性層５４とク
ラッド層５６とキャップ層５８とをそれぞれ連続成長さ
せた。次に、ホトレジストの塗布、マスキング、露光の
工程を経て、ＧａＡｓエピタキシャル層５０迄図示の如
くエツチングした。その後５ｉＯｚをコーティングして
絶縁膜６０を形成しフォトリソグラフにより窓を空け、
十電極６２を蒸着する七共にＧａＡｓエピタキシャル層
５０の上に一電極６４を蒸着し拡散処理を施して電極を
形成した。その後端面を襞間して共振器を形成しレーザ
ダイオードを得た。 このようにして作成したレーザダイオードは室温でパル
ス発振した。その入出力特性を第２図に示す、しきい値
は電流４６０ｍＡであった。又発振したレーザ光のスペ
クトルを第３図に示す。 実施例２ 本実施例はフォトダイオードに関するものである。第４
図に於いて、１３は主面が〔１，００）方位に対してオ
フ角２度で傾斜しているｎ型のシリコン単結晶基板であ
る。３４はｎ” −ＧａＰから成る中間層、７０はｎ＋
型のＧａＡｓエピタキシャル層、７１はｎ−−ＧａＡｓ
エピタキシャル層、７２はｐ−ＧａＡｓ−＋−ビタキシ
ャル層、７３はＡｕ、 −Ｚ ｎの電極、７４はＡｕ−
３ｎのＭ、極である。 層７０．７１．７２でＰＩＮ型のフォトダイオードを構
成している。上記層の厚さは、基板１３が３００μｍで
エピタキシャル成長させた後は回層により５０μｍとな
っている。中間層３４は１μｍ、層７０．７１．７２は
それぞれ０．５μｍ、２．５μｍ、０．５μｍである。 各層は第１実施例と同様にＭＯＣＶＤの連続成長により
形成された。成長温度は、中間層３４が９００℃、層７
１．７２．７３が６５０℃である。エピタキシャル成長
の完成後、電極７３．７４を蒸着し、端面を鍔間して発
光面を得た。このようにして形成されたフォトダイオー
ドの量子効率の波長特性を第５図に示す。 実施例３ 本実施例は、太陽電池に関するものである。第６図に於
いて、１２は主面が［１００）方位に対してオフ角２度
で傾斜しているｎ型のシリコン単結晶基板、３５はＧａ
Ｐから成る第１中間層、３６は、燐化ガリウム（ＧａＰ
）と混晶比０．５の砒素化燐化ガリウム（Ｇ ａ Ａ
ｓ ｏ、ｓ Ｐ ｏ、ｓ）の超格子から成る第２中間
層、３７は、混晶比０．５の砒素化燐化ガリウム（Ｇａ
Ａｓｏ、ｓ Ｐ ｏ、ｓ）と砒素化ガリウムの超格子
から成る第３中間層である。 ８０はｎ−ＧａＡｓエピタキシャル層、８１はｐ−Ｇａ
Ａｓエピタキシャル層、８２はｐＧａｏ。 ２Ａ１０．８ΔＳ工ピタキシヤル層、８４はＳｉＯ２か
ら成る無反射コーテイング膜、８５はＡｕ−Ｚｎの電極
、８６はＡｌ７４極である。上記層の厚さは、基板１２
が３００μｍでエピタキシャル成長させた後は研房によ
り５０μｍとなっている。 中間層３５は５００人、層８０．８１．８２．８４はそ
れぞれ０．５μｍ、０．５μｍ、０．１μｍ、８０ｎｍ
である。各半導体層は第１実施例と同様にＭＯＣＶＤの
連続成長により形成された。成長温度は、中間層３５が
９００℃、層８１，８２．８３が６５０℃である。成長
完成後、層８２の上にＳｉｎ、をスパッタリングして無
反射コーティングを施し、フォトリソグラフ、エツチン
グによって電極８５を形成する部分に窓を開けＡｕ−Ｚ
ｎをその部分に蒸着して電極を形成し、基板１２を５０
μｍ迄研暦し回層面にＡＩを蒸着して電極８６を形成し
た。このようにして形成された太陽電池の分光感度特性
を第７図に示す。比較としてあげたＧａＡｓ基板に作成
した太陽電池の特性と比べて遜色無いことが分る。 実験例１ 次に基板の主面のオフ角とその基板上に成長したＧａＡ
ｓエピタキシャル層の結晶性との関係について実験した
。第８図は、実験例にかか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３００μ第１中間層３０が０．５μ
ｍ、ＧａＡｓのエピタキシャル層５０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１
０上に連続的にエピタキシャル成長させて形成した。成
長温度はＧａＰが９００℃、ＧａＡｓエピタキシャル層
５０が６５０℃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、表面粗さ計により、ＧａＡｓ
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９図に示す。横軸は基板１０の主面の面方位のｌ
：１００）方位に対するずれ角（オフ角）を、縦軸は表
面の粗さくｐｅａｋ ｔｏ 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Ｏ°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５０八以下であり、オフ角Ｏ°の場
合の表面精度１５０人に比べて３倍以上に向上している
のが分る。 実験例２ 第１０図は、他の実験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のエピタキシャル層である。第１
実験例とは、中間層３０の構成が異なる。即ち中間層３
０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（ＡｌＰ）から
成る第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 Ｉａ、ｓ 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、ｓＰａ、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（ＧａＡｓ０．ｓＰａ、ｓ）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３
０が０．４２μ第１ＧａＡｓエピタキシャル層５０が２
μｍ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人の単層、第３中間層３
３、第４中間層３４がそれぞれ２００人の層を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実験例と同様にＭＯＣＶＤによ
り形成された。成長温度は、第１〜第４中間層３１〜３
４が８３０℃、ＧａＡｓｚピタキシャル層５０が７３０
℃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１１図に示す。 第１１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０°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Ｇ
ａＡｓ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。 実験例３ 第１０図の構成に於いて、第１及び第２中間層３１．３
２を設けないウェハについて、実験例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。 実験例４ 第１０図の第１及び第２中間層３１．３２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
ハについて実験例２と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。 これらの実験からシリコン基板の主面の〔１００〕方位
に対するオフ角が（１，５〜５度のときＧａＡｓエピタ
キシャル層の結晶性が良いことが判明した。従ってその
方位のシリコン基板を用いることにより、上記の実施例
で述べた装置に限らず高性能の砒素化ガリウム系半導体
装置かえられる。
第１図は、本発明の具体的な一実施例のレーザダイオー
ドの構成を示した断面図、第２図、第３図は、それぞれ
、そのレーザダイオードの入出力特性を測定した測定図
、発振したレーザ光のスペクトラムを測定した測定図で
ある。第４図は他の実施例に係るフォトダイオードの構
成を示した断面図、第５図はその発光の量子効率の波長
依存性を測定した測定図である。第６図は他の実施例に
係る太陽電池の構成を示した断面図、第７図はその太陽
電池の分光感度特性を測定した測定図である。第８図は
実験例ウェハの構成を示したウェハの断面図である。第
９図はそのウェハに於けるＧａＡｓ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１０図は他の実験例に係るウェハの構成を
示した断面図である。第１１図はそＱウェハに於けるＧ
ａＡｓ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−−Ｇ ａ Ａ ｓエピタキシャル層６２．６４．
７３，７４，８５．８６ °゛Ｍ、極特許出願人
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３図 波長（ｎｍ） 第４図 （／−Ｉｎ） 第８図 ■−ωωωＯ：） Ｃｏ ０）（Ｄ ■Ｎ）（Ｊ’ｌ ｃｙ’＋ りＱ −ｈ ｒｑか’−ｙ
−） （，１ 第１０図 メ（度） 手続補正書く自発） 昭和６１年７月１０日
ドの構成を示した断面図、第２図、第３図は、それぞれ
、そのレーザダイオードの入出力特性を測定した測定図
、発振したレーザ光のスペクトラムを測定した測定図で
ある。第４図は他の実施例に係るフォトダイオードの構
成を示した断面図、第５図はその発光の量子効率の波長
依存性を測定した測定図である。第６図は他の実施例に
係る太陽電池の構成を示した断面図、第７図はその太陽
電池の分光感度特性を測定した測定図である。第８図は
実験例ウェハの構成を示したウェハの断面図である。第
９図はそのウェハに於けるＧａＡｓ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１０図は他の実験例に係るウェハの構成を
示した断面図である。第１１図はそＱウェハに於けるＧ
ａＡｓ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−−Ｇ ａ Ａ ｓエピタキシャル層６２．６４．
７３，７４，８５．８６ °゛Ｍ、極特許出願人
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３図 波長（ｎｍ） 第４図 （／−Ｉｎ） 第８図 ■−ωωωＯ：） Ｃｏ ０）（Ｄ ■Ｎ）（Ｊ’ｌ ｃｙ’＋ りＱ −ｈ ｒｑか’−ｙ
−） （，１ 第１０図 メ（度） 手続補正書く自発） 昭和６１年７月１０日
Claims (8)
- （１）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
整合を緩和する超格子層を有する中間層と、 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
リウム層を基底層として形成された半導体装置と、 から成る砒素化ガリウム系化合物半導体装置。 - （２）前記シリコン単結晶基板の主面の面方位は（１０
０）面に対し０．５〜５度の範囲で傾斜していることを
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
系化合物半導体装置。 - （３）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項又は第
２項記載の砒素化ガリウム系化合物半導体装置。 - （４）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項又は第２項記載の砒素化ガ
リウム系化合物半導体装置。 - （５）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項又は第２項記載の砒素化ガリウ
ム系化合物半導体装置。 - （６）前記半導体装置は、バイポーラトランジスタ、電
界効果トランジスタ等の増幅又はスイッチング素子、発
光ダイオード、レーザダイオード等の発光素子、フォト
トランジスタ等の受光素子、太陽電池等の光起電力素子
等のうち少なくとも１種以上からなることを特徴とする
特許請求の範囲第１項乃至第５項記載の砒素化ガリウム
系化合物半導体装置。 - （７）主面の面方位が（１００）面に対し０．５〜５度
の範囲で傾斜している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
せた燐化ガリウム（ＧａＰ）から成る中間層と、 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
リウム層を基底層として形成された半導体装置と、 から成る砒素化ガリウム系化合物半導体装置。 - （８）前記半導体装置は、バイポーラトランジスタ、電
界効果トランジスタ等の増幅又はスイッチング素子、発
光ダイオード、レーザダイオード等の発光素子、フォト
トランジスタ等の受光素子、太陽電池等の光起電力素子
等うち少なくとも１種以上からなることを特徴とする特
許請求の範囲第７項記載の砒素化ガリウム系化合物半導
体装置。
Priority Applications (7)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP19562985A JPS6258615A (ja) | 1985-09-03 | 1985-09-03 | 砒素化ガリウム系化合物半導体装置 |
| DE8686112178T DE3676019D1 (de) | 1985-09-03 | 1986-09-03 | Epitaktische gallium-arsenid-halbleiterscheibe und verfahren zu ihrer herstellung. |
| EP19860112178 EP0214610B1 (en) | 1985-09-03 | 1986-09-03 | Epitaxial gallium arsenide semiconductor wafer and method of producing the same |
| CA000517386A CA1292550C (en) | 1985-09-03 | 1986-09-03 | Epitaxial gallium arsenide semiconductor wafer and method of producing the same |
| US07/325,115 US4928154A (en) | 1985-09-03 | 1989-03-20 | Epitaxial gallium arsenide semiconductor on silicon substrate with gallium phosphide and superlattice intermediate layers |
| US07/483,364 US4963508A (en) | 1985-09-03 | 1990-02-22 | Method of making an epitaxial gallium arsenide semiconductor wafer using a strained layer superlattice |
| CA000616160A CA1322040C (en) | 1985-09-03 | 1991-09-11 | Epitaxial gallium arsenide semiconductor wafer and method of producing the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP19562985A JPS6258615A (ja) | 1985-09-03 | 1985-09-03 | 砒素化ガリウム系化合物半導体装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6258615A true JPS6258615A (ja) | 1987-03-14 |
Family
ID=16344342
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP19562985A Pending JPS6258615A (ja) | 1985-09-03 | 1985-09-03 | 砒素化ガリウム系化合物半導体装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6258615A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6372870B1 (en) | 1997-06-23 | 2002-04-16 | Daikin Industries Ltd. | Tetrafluoroethylene copolymer and use thereof |
| US6440511B1 (en) | 1995-03-17 | 2002-08-27 | Daikin Industries, Ltd. | Thermoplastic resin laminate |
-
1985
- 1985-09-03 JP JP19562985A patent/JPS6258615A/ja active Pending
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| ELECTRON.LETT.=1984 * |
| JAPAN.J.APPL.PHYS=1985 * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6440511B1 (en) | 1995-03-17 | 2002-08-27 | Daikin Industries, Ltd. | Thermoplastic resin laminate |
| US6372870B1 (en) | 1997-06-23 | 2002-04-16 | Daikin Industries Ltd. | Tetrafluoroethylene copolymer and use thereof |
| US6538084B2 (en) | 1997-06-23 | 2003-03-25 | Daikin Industries, Ltd. | Tetrafluoroethylene copolymer and use thereof |
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