JPS63184321A - 化合物半導体成長法 - Google Patents

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、化合物半導体成長法の改良に関するものであ
り、更に詳細には、Ｇａ□Ｓ系化合物半導体層またはＩ
ｎＰ系化合物半導体層の成長時に発生する転位の発生を
抑制する結晶成長法に関するものである。

〈従来の技術〉 最近、第７図に示すようにＳｉ基板上へのＧａＡｓ成長
技術が非常に注目されている。なお、第７図において、
２１はシリコン（Ｓｉ）基板、２２はＧ　ａ　Ａ　ｓ層
、２３は５ｉ−ＧａＡｓ界面、２４は転位を示している
。このような第７図に示す形態の材料が開発されれば、
低価格なＧ　ａ　Ａ　ｓデバイス（レーザー、ＬＥＤ等
）を作製できるたけでなく、ＧａＡｓ系デバイスとＳｉ
系デバイスを同一基板上に集積することが可能となる。

上記Ｇ　ａ　Ａ　ｓ層２２の成長法には、有機金属気相
成長法（ＭＯＣＶＤ）や分子ビームエピタキシャル成長
法（ＭＢＥ）等があり、ＧａＡｓ層２２の表面近傍の転
位密度（ＥＰＤ　）を低減する検討がなされている。従
来のＥＰＤ低減法には下記に示したような方法があり、
かなりの成果は得られている。

ＥＰＤ低減化の第１の方法は、第８図に示すように、Ｇ
ａＡｓ層２２の中間に、ＩｎｘＧａ１゜Ａｓ／ＧａＡｓ
　（ｘ＝０．１５　）超格子２５等を形成する方法であ
る。この超格子２５の一例を第９図に示しており１、Ｉ
ｎｘＧａ、、Ａｓｓ層５１とＧａＡｓ層２５２の超格子
の各層の厚みは〜１００Ａ程度とし、対の数は５対程度
又はそれ以上とする。

このような超格子２５の存在により、Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　
−Ｓｉ界面２３から発生した転位２４のＧａＡｓ表面方
向への伝播が抑制され、ＧａＡｓ１面近傍のＥＰＤが低
減する。ＧａＡｓ層２２の厚みが〜３μｍ程度の場合、
ＥＰＤは１０５ｃ、−２程度となるが、厚みな〜８μｍ
とし、且つ、超格子２５を２段に形成した場合、表面Ｅ
ＰＤは〜１０３ｃｎ「２となる。

ＥＰＤを低減する他の方法に、第１０図に示すように、
ＧａＡｓ層２２内に、熱サイクル成長層２６を形成する
方法がある。このような成長法の成長スケジュールは第
１１図に示した通りであり（ＭＯＣＶＤ成長の場合）、
このような方法では、Ｇ　ａ　Ａ　ｓ層２２の成長の途
中に成長を中断し、温度を４００℃以下に低下させるサ
イクルを複数回行う方法である。このような方法により
、Ｇ　ａ　Ａ　ｓ層２２の表面ＥＰＤは熱サイクルを行
なわない場合の１０〜１０９ｍ−２から〜１０　ｍ　に
低減する。

〈発明が解決しようとする問題点〉 以上のように、Ｉ　ｎ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　／Ｇ　ａ　Ａ
　ｓ超格子や熱サイクル成長法により、表面ＥＰＤはか
なり低減するが、現段階ではレーザー等のデバイス用と
しての結晶性（ＥＰＤ＜１０８　ｃＵ２）ｌｃは到ッテ
オラず、レーザー等の素子を形成するためにはよりＥＰ
Ｄの低減化が必要である。

本発明は上記の点に鑑みて創案されたものであり、Ｓｉ
基板上に成長したＧａＡｓ系もしくはＩｎＰ系化合物半
導体層の表面ＥＰＤを例えばｌ　Ｑ８ｃｒ２以下に低減
し得る化合物半導体成長法を提供することを目的として
いる。

く問題点を解決するための手段及び作用〉上記の目的を
達成するため、本発明の化合物半導体成長法は、Ｓｉ基
板上に直接または第３の物質を挾んで、Ｇａ１−ｘＡｌ
ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）を成長させるに際し、この成長層
にＢ、Ｎ、Ｐ、Ｓｂ。

Ｔｅ　、Ｓ　、Ｓｅ　、Ｔｌ、Ｂ’ｉのうち少なくとも
一種類の元素を添加した層を上記のＧａ＋□ｘＡｌｘＡ
ｓ層の表面に近い方に設けて添加層を形成し、且つ、こ
の添加層の下方に、これより濃度を少なく添加した層ま
たは不純物を添加しない層を設けるように構成している
。

また、本発明の化合物半導体成長法はＳｉ基板上に直接
または第３の物質を挾んで、ＩｎＰを成長させるに際し
、このＩｎＰ層に、Ｚｎ　Ｉ　Ｃｄ　＋Ｂ、Ａｌ、Ｇａ
、Ｎ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｔｌ、Ｂｉのうち少なくとも一
種類の元素を添加し、且つ、この不純物の高濃度層をＩ
ｎＰの表面側に設け、その下方に低濃度層（または無添
加層）を設けるように構成している。

また、本発明の実施態様にあっては上記第３の物質とし
てＧｅ１１ＳｉＸ（０≦ｘ〈１）を用いるのが好ましく
、また結晶成長法として有機金属気相成長法または分子
線エピタキシャル成長法のいずれかを用いるのが好まし
い。

本発明の具体的実施例を説明する前に本発明の作用の理
解のため、本発明者が検討したＥＰＤの低減機構を説明
する。

第１２図に示すように、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ超格子
２５を形成した構造のＧ　ａ　Ａ　ｓ層２２内の転位の
発生機能について説明する。

ＧａＡｓ層２２内の転位には２種類あり、それらの発生
機構は基本的に異なる。第１種の転位２４１はＳｉとＧ
ａＡｓの格子定数の違い（ＧａＡｓの格子定数が約４％
大きい）に基づくものであり、ＳｉＧ　ａ　Ａ　ｓ界面
２３から発生する。転位２４１の一部はＧ　ａ　Ａ　ｓ
の成長と同時にＧ　ａ　Ａ　ｓ表面に伝播し、一部は転
位２４１同志が結合し、ＧａＡｓ表面への伝播が抑制さ
れる。

ＧａＡｓ層２２内に、超格子２５が存在すると、転位２
４１の伝播は抑制される。転位２４１の発生及び伝播は
、ＧａＡｓの成長と同時におこる。転位２４１は、特に
〉５００℃の高温では動き易いので、転位２４１の分布
状態は成長条件（温度。

超格子２５の形状等）に微妙に依存する。

また第１３図に示す第２種の転位２４２は、ＳｉとＧａ
Ａｓの熱膨張係数の差に基づく。Ｓｉ基板２１上に〜７
００℃で成長したＧ　ａ　Ａ　ｓ層２２を温度Ｔ。

に低下すると、Ｇ　ａ　Ａ　ｓ層２２ＶｃはＴ＝７００
℃　　　　　　　　・・・・・・ｆｉ＋で与えられる内
部応力（σ）が作用する。ここで、Ｅ　（ＧａＡｓ　）
はＧａＡｓの弾性率であり、α（ＧａＡｓ。

Ｔ’　）及びα（Ｓｉ、Ｔ’）はそれぞれ温度Ｔ′での
ＧａＡｓ及びＳｉの熱膨張係数である。上記＋１１式に
示されるσが・ある程度の大きさく例えば〜１０　”　
ｄｙｎｅｓ／ｃＪ、）の大きさになると、Ｇ　ａ　Ａ　
ｓ内に転位が発生する。

温度Ｔｏが室温（〜２０℃）の場合、内部応力（σ￥１
０９ｄｙｎｅｓ／ＣＪのオーダーになり、Ｇ　ａ　Ａ　
ｓ層２２内に第２種の転位２４２が発生する。

第２種の転位２４２のＥＰＤは、例えはＧａＡｓ層２の
厚み等に依存するが、第１種の転位２４１の形態にも依
存する。例えば第１種の転位２４１が第１４図に示すよ
うにＧａＡｓ層２２の表面近くまで達している場合は、
第２種の転位２４２は発生し易い。一般に第２種の転位
２４２は第１種の転位２４１の相互作用が発生し、第１
種の転位２４１及び第２種の転位２４２の形状もいく公
使化する。

多くのＧａＡｓデバイスの特性は、ＧａＡｓ−５ｉ界面
２３近傍のＥＰＤｔＣはほとんど依存しないが、Ｇ　ａ
　Ａ　ｓ層２３の表面近傍のＥＰＤに依存する。従って
Ｇ　ａ　Ａ　ｓ層２２においては、表面近傍のＥＰＤを
一低減することが重要であり、特に第１種の転位２４１
をＧａＡｓ−５ｉ界面２３近傍にとじ込めること、及び
第２種の転位２４２を発生し難くすることが重要である
。

第１種の転位２４１は、内部応力により移動し、転位線
同志が結合すると、エネルギー的に比較的安定な状態と
なる。

第１種の転位２４１がＧａＡｓ−５ｉ界面２３１ｃ向っ
て移動し易くするためには、本発明のようにＧａＡｓ層
２２の下の方のＧａＡｓ層の不純物濃度が少ない方が望
ましい。高温（〜７００℃）ではＧ　ａ　Ａ　ｓ層中の
不純物は第１種の転位近傍に集結し、転位が動き難くな
る。

一方、第２種の転位２４２の発生はＧ　ａ　Ａ　ｓ中の
不純物の種類と濃度に依存する。

Ｇ　ａ　Ａ　ｓ中のＧａイオンとＡｓイオンの結合力は
、理論的に表１に示したように４７．’ｌ　Ｋ　ｃａｊ
？１モルである。Ｇ　ａ　Ａ　ｓ中の不純物とＧａイオ
ン又はＡｓイオンとの結合力の大きさを表１に記す。

表１ 本発明のように不純物とＧａイオン又はＡｓイオンとの
結合力がＧａ−Ａｓ間の結合エネルギー４７．７Ｋｃａ
ｊ？１モルより大きい不純物をＧ　ａ　Ａ　ｓ層２２に
添加することにより、第２種の転位２４２は発生し難く
なる。代表的な不純物としてはＺｎ。

Ｂ、Ｎ、Ｐ、Ｓｂ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅがあるが、この中で
Ｚｎは下記理由により、ＥＰＤ低減に効果がない。表１
に示した結合エネルギーは、不純物がＧａサイト又はＡ
ｓサイトに入っている場合に適用するが、ＺｎはＧ　ａ
　Ａ　ｓ中に極めて拡散し・易く、ＧａイオンとＡｓイ
オンの格子間に入り易い。このようなＺｎは、ＧａＡｓ
を軟らかくし、転位を発生させるように作用する。従っ
て、Ｚｎの添加は、ＥＰＤ低域にほとんど効果がない。

また添加する不純物としては、上記衣１に示されている
ＧａイオンまたはＡｓイオンとの結合力がＧ　ａ　−Ａ
　ｓ間の結合エネルギーよりも大きい不純物以外に、原
子のサイズが非常に大きい元素でと仁Ｚ あるＴ＃、Ｂｉを不純物Ｗｌｏ　しても同様に第２種の
転位２４２は発生し難くなる。

〈実施例〉 以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する
。

第１図はシリコン（Ｓｉ）基板１の上にＧａＡｓ層２を
成長させた状態を示す基板断面図であり、Ｇ　ａ　Ａ　
ｓ層２にＢ、Ｎ、Ｐ、Ｓｂ、Ｔｅ　、Ｓ、Ｓｅ。

Ｔ＃、Ｂｉの不純物７のうち、少なくとも一種類を本発
明にしたがって後述するようにＧ　ａ　Ａ　ｓ成長層２
の表面へ向かうに従って濃度が大きくなるように添加し
ている。またＧ　ａ　Ａ　ｓ層２中には、従来公知の方
法により前述したＩｎｘＧａ、、Ａｓ／ＧａＡｓ超格子
５または熱サイクル層６を設けている。

第２図は、第１図に示したＧ　ａ　Ａ　ｓ成長層２中の
ＧａＡｓ−５ｉ界面３からの不純物７の濃度分布の例（
イ）〜（ニ）を示す図であり、領域ｈｌｃおいて不純物
を添加せず、領域Ｈにおいて不純物を添加した濃度分布
例（イ）、ＧａＡｓ−５ｉ界面３の近傍の不純物濃度が
比較的少ない領域（ｈ−及びＧａＡｓ成長層２の表面の
近い方の不純物濃度が比較的多い領域Ｈ（添加層）とし
た濃度分布側位）、不純物の濃度な界面３から成長層の
表面へ向かって傾斜的に増加させた濃度分布例（／ｊ及
び不純物の濃度を界面３から成長層の表面へ向かって段
階的に増加させた濃度分布例に））のそれぞれを示して
おり、いずれもＧａＡｓ−５ｉ界面３の近傍の不純物濃
度が比較的少ない、または不純物を含まない領域り及び
ＧａＡｓ成長層２の表面の近い方の不純物濃度が比較的
多い領域Ｈ（添加層）を形成している。なお、この領域
Ｈの厚みは強度等の点から０．１μｍ以上となすことが
望ましく、１μｍ程度とするのが現実的である。

ＧａＡｓデバイスはＧ　ａ　Ａ　ｓ層２の上に形成した
所定の活性層８に形成する。ＧａＡｓ層２において、Ｇ
ａＡｓ−５ｉ界面３近くの不純物濃度はデバイスによっ
て異なる。ＧａＡｓＦＥＴやレーザーを活性層８に形成
する場合は、Ｇ　ａ　Ａ　ｓ層２の下方には不純物を添
加する必要はないが、太陽電池の場合はＧ　ａ　Ａ　ｓ
層２は全域において、Ｐ型又はｎ型にする必要がある。

次に、第２図に示した不純物濃度が比較的少ない領域り
について述べる。

Ｇ　ａ　Ａ　ｓとＳｉの格子の不整合により発生する転
位はＳｉ基板上の方位にも依存するが、概略的には第３
図に示したように、〜１００Ａ程度の間隙で発生する。

これらをＧａＡｓ−５ｉ界面３から数百Ａ以内の領域で
結合させることが重要である。

従って、第３図に示した領域りは、少なくとも１００〜
２００Ａ以上の厚さとすることが望ましい。Ｇ　ａ　Ａ
　ｓ層２内で拡散し易いＳ、Ｓｅ等の場合は、ｈを３０
０〜５００Ａ以上とすることが望ましい。次に不純物が
高濃度である領域Ｈ（第２図参照）での不純物濃度に関
しては１０１７〜１０１９備−３のオーダーにするとよ
い。但し、Ｓ、Ｓｅ等の不純物を例えば〜５×１０１１
０１８ｃＩ以上の高濃度に添加すると、偏析がおこり結
晶性に悪影響を及ぼすこともあるので、このような場合
は、複数の種類の不純物を各不純物の濃度を偏析の発生
しない程度に小さくして添加することが望ましい。

以上の説明では、Ｓｉ基板上へのＧａＡｓ成長を例とし
て説明したが本発明の基本原理はＧ　ａ　Ａ　ｓに限ら
ず、ＩｎＰ、及びその他ＩｎｘＧａ１−ｘＡＳやＡｌｘ
Ｇａ１１Ａｓ等又は三元系化合物等についても適用する
ことができる。さらに、化合物半導層とＳｉ基板の間に
薄いＧｅｘＳｉｌｌ（０〈ｘ≦１）が存在する場合にも
適用することができる。

第４図は、本発明の他の実施例を説明するたぷ２図であ
り、Ｓｉ基板１１の上にＩｎＰ層１２を成長させた状態
を示す基板断面図であり、このＩｎＰ層１２の上にＩｎ
Ｐ系デバイス活性層１８を形成してｌｎＰ系デバイスを
形成する。

ＩｎＰ層１２に不純物１７を添加した場合、この添加し
た不純物１７とＩｎまたはＰとの結合エネルギーの大き
さを表２に示している。

表２ ＩｎＰ眉１２をＳｔ基板１１上に成長させる場合、ＥＰ
Ｄ低減に有効な不純物は、Ｚｎ　、ｃｄ　ＩＢ、Ａｎ、
Ｇａ、Ｎ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ等である。

ＩｎＰ層１２を成長させる場合、これらの不純物の濃度
分布も本発明にしたがってＧ　ａ　Ａ　ｓの場合と同様
、第２図に示したように形成する。

第５図は、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓやＡ４ＸＧａ１−ｘＡ
ｓ等の混晶系化合物に適用した場合の実施例を示す図で
あり、同図において１は８１基板、２はＧ　ａ　Ａ　ｓ
成長層、９はＩ　ｎｘＧ　ａ　ｌッｋ　ｓあるいは”ｘ
ＧａＩ−ｚＡｓ等の混晶化合物半導体成長層、１０は混
合化合物半導体デバイス活性層である。

以上の説明では、不純物と母体原子（又はイオン）との
結合力の大きさに注目し、結合力の大きいものがＥＰＤ
低減に有効であることを述べたが、ＥＰＤ低減の他の有
力な方法として、原子半径の非常に大きい不純物を添加
する方法がある。不純物と母体原子（又はイオン）との
相互作用を原子間距離に対してプロットすると例えば第
６図に示すようになる。なお、第６図において実線■は
不純物の原子半径が比較的小さい場合を示し、破線■は
不純物の原子半径が比較的大きい場合を示している。こ
の破線■で示す原子半径が大きい原子の場合は、原子の
動きに柔軟性があり、外圧に対して弾力性に富んだ材料
となる。

ＧａＡｓ又はＩｎＰを成長する場合、有力な不純物とし
て、ＢｉやＴｌが挙げられる。これらの不純物の添加濃
度も、本発明にしたがって成長層人血近傍で濃くし、Ｓ
ｌとの界面近傍で小さくすることがＥＰＤ低減に有効で
ある。

〈発明の効果〉 以上のように本発明によれば、８１基板上に化合物半導
体を成長する際、ある特定の不純物を成長層の表面へ向
かうに従って大きくするように添加することにより、高
品位化合物半導体の成長が可能となった。特に、上記不
純物添加と熱サイクル又は超格子の併用により、成長層
表面のＥＰＤをｌ　Ｑ　８　ｃ「２以下に抑制すること
が可能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図は不発明の一実施例を説明するための基板断面を
示す図、第２図は本発明ｅこしたがって添加される不純
物濃度分布を示す図、第３図は第１種の転位の低減メカ
ニズムを説明するための図、第４図は本発明の他の実施
例を説明するための基板断面を示す図、第５図は本発明
の更に他の実施例を説明するための基板断面を示す図、
第６図は不純物と母体原子（またはイオン）との相互作
用を説明するための図、第７図はＳｉ基板上にＧａＡｓ
を成長させた状態を示す図、第８図はＧａＡｓ成長層の
中間にＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ超格子を挾んだ状態を示
す図、第９図は超格子構造の詳細例を示す図。 第１０図は熱サイクル成長層を備えた基板断面を示す図
、第１１図は熱サイクル成長法を説明するための成長ス
ケジュールを示す図、第１２図は第１種の転位の発生機
構を説明するための図、第１３図は第２種の転位の発生
機構を説明するための図、第１４図は第１種及び第２種
の転位の発生機構を説明するための図である。 １　、１１−５　ｉ基板、２・・・ＧａＡｓ層、３−　
ＧａＡｓ−Ｓｉ界面、４・・転位、５−　ＩｎｘＧａ１
−ＸＡｓ／ＧａＡｓ超格子、６・熱サイクル成長層、７
・・・不純物（Ｂ。 Ｎ、Ｐ、Ｓｂ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、ＴＡ、Ｂｉ等）、８・
・・ＧａＡｓデバイスの活性層、９・・・混晶化合物半
導体層、１０・・・混晶化合物半導体デバイス活性層、
１１＝ＩｎＰ層、１３−ＩｎＰ−Ｓｉ界面、１７・・・
不純物（Ｚｎ　、Ｃｄ　、Ｂ、Ａｄ　、Ｇａ　、Ｎ、Ｓ
。 Ｓ　ｅ　ｒ　Ｔ　ｅ　、Ｔ　（１＋　Ｂ　１等）、１８
−　Ｉ　ｎ　Ｐ系デバイス活性層。 代理人　弁理士　杉　山　毅　至（他１名）（、−Ｗり
）　ゑ’ｆＭ’４ｒｋ 〜　　　　　Ｃつ　　　　　　　＼ ０Ｊ　　　　　〜　　　　　へ１ （３６）Ｗ＝ζ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、Ｓｉ基板上に直接または第３の物質を挾んで、Ｇａ
   ＿１＿−＿ｘＡｌ＿ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）を成長させる
   に際し、 Ｇａ＿１＿−＿ｘＡｌ＿ｘＡｓ成長層にＢ、Ｎ、Ｐ、Ｓ
   ｂ、Ｔｅ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｌ、Ｂｉのうち少なくとも一種
   類の元素を添加した層を上記Ｇａ＿１＿−＿ｘＡｌ＿ｘ
   Ａｓ成長層の表面に近い方に設けて添加層を形成し、且
   つ、該添加層の下方に、当該添加層より濃度を少なく添
   加した層または不純物を添加しない層を設けてなること
   を特徴とする化合物半導体成長法。 ２、Ｓｉ基板上に直接または第３の物質を挾んで、Ｉｎ
   Ｐを成長させるに際し、 ＩｎＰ成長層にＺｎ、Ｃｄ、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｎ、Ｓ、
   Ｓｅ、Ｔｅ、Ｔｌ、Ｂｉのうち少なくとも一種類の元素
   を添加し、 且つ、当該不純物の高濃度層をＩｎＰ成長層の表面側に
   設け、 且つ、上記高濃度層の下方に不純物の低濃度層もしくは
   無添加層を設けるように成したことを特徴とする化合物
   半導体成長法。 ３、前記第３の物質がＧａ＿１＿−＿ｘＳｉ＿ｘ（０≦
   ｘ＜１）であることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の化合物半導体成長法。 ４、結晶成長法として、有機金属気相成長法もしくも分
   子線エピタキシャル成長法を用いてなることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項、第２項もしくは第３項記載の
   化合物半導体成長法。