JPS63186416A - 化合物半導体基板 - 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層を備えた化合物半導体基板の構
造に関するものであり、特にシリコン基板を用いてこの
基板上に高品質の化合物半導体層・を形成した化合物半
導体基板に関するものである。

〈従来の技術〉 ＧａＡｓ、ＩｎＰ等の化合物半導体はその優れた特徴を
活して高性能、高機能デバイスに利用されつつある。し
かし化合物半導体結晶は一般に高価であり、大面積の高
品質基板結晶を得にくい等の問題点は解決されていない
。このような問題点を克服するための試みとして、安価
で良質、軽量なシリコンを基板としてこのシリコン基板
上に化合物半導体層を積層し、さらに積層された化合物
半導体層に前述のデバイスを構成して半導体装置を製造
することが試みられている。

このようなシリコン基板を用いて化合物半導体装置を製
造する方法は従来からいくつか提案されているが、未だ
結晶品位等の点でバルク結晶に劣るのが現状である。

例えばシリコン（Ｓ！〕基板上に単結晶ＧａＡｓ層を形
成する試みとして、現在次のような方法が試みられてい
る。

即ち、シリコン（Ｓｉ）基板上にＧａＡｓ層を形成する
際に、あらかじめ予備堆積層を形成しておき、次に通常
の成長条件下でＧａＡｓをエピタキシャル成長するいわ
ゆる二段階成長法である。予備堆積層としては、通常の
成長条件よりも低温で形成したＧａＡｓ層＋Ｇｅ層、あ
るいはＧａＡｓＰとＧａＰ及びＧａＡｓを交互に積層し
た緩衝層などが用いられている。

その−例としてＧａＡｓ層を予備堆積層とした二段階成
長法の成長プロセスを以下に述べる。

まずシリコン（Ｓｔ）基板上にＭＯＣＶＤ法あるいはＭ
ＢＥ法を用いて４５０℃以下の温度で約１０ＯＡのＧａ
Ａｓ層を形成しその後、通常のＧａＡｓのエピタキシャ
ル成長温度（６００℃〜７５０℃）まで基板を昇温した
後、ＧａＡｓ層を成長する。第２図は二段階成長法で得
られたシリコン（Ｓｉ）基板１１上のＧａＡｓ層１２の
構造を示す模式図であり、１３は予備堆積層である。

予備堆積層１３として上記したいずれのものを用いた場
合も、ＳｉとＧａＡｓの界面領域では、ＳｉとＧａＡｓ
の格子定数の差（〜４％）によυ高密度の不整合転位が
発生し、その一部は成長中に成長方向に伝播し、成長層
を貫通する。特に成長終了後成長温度から室温への降温
中シリコン（Ｓｉ）基板１１とＧａＡｓ層１２間の膨張
係数の大きな相違による応力は成長方向への転位の伝播
を大きく促進するため、転位は表面近傍の活性層形成領
域まで到達しＧａＡｓ層１２にデバイスを炸裂する場合
に最もデバイス性能を左右する。

ＳｉとＧａＡｓの界面領域で発生した不整合転位の密度
は約１０１２ｍ−２であり、ＧａＡｓを３μｍ積層した
後のＧａＡｓ表面まで到達した転位の密度は約１０８ｃ
ｒｎ　　程度の高−転位密度であることが透過電子顕微
鏡（ＴＥＭ）による観察と溶融ＫＯＨを用いたエッチピ
ット密度（ＥＰＤ）の測定結果から判明している。転位
は少数キャリアの再結合中心として作用するため、高密
度転位を有する結晶中では、少数キャリア寿命の大幅な
減少を引き起こす。従って、少数キャリアを用いる化合
物半導体装置では、その性能を著しく低下させることに
なる。

Ｓｉ基板上に形成したＧａＡｓ層の結晶性を高める試み
の一つとして次のような方法が試みられている。

即ち、表面近傍にまで到達する転位の密度を低減させる
ため、ＧａＡｓ／Ｓｉ界面と表面近傍層の間にＩｎＧａ
Ａｓ／ＧａＡｓ歪超格子を介挿する方法である。歪超格
子とは第３図に示すように格子定数が異なる２種類の半
導体薄膜２１及び２２を交互に積層した構造であり、一
層毎の層厚が薄いので第３図に示すように格子は歪みな
がらも連続的に接続される性質を持つ。この不整合によ
り生じる格子の歪み応力が転位線の伝播を阻止するよう
に作用すると考えられている。即ち、半導体の上に格子
定数の異なる半導体を極く薄ぐ成長させた場合、上層の
半導体の格子は歪み応力を受けながらも、下層の半導体
の格子に連続的に接続する。この場合、下層の半導体も
歪み応力を受けており、下層の半導体を伝播する転位は
、この歪み応力により横方向に曲げられて上層の半導体
に伝播する。そして上層の半導体の層厚が増すに伴って
歪み応力も大きくなシ、転位の曲がシ゛も大きくなシ、
特に上層の半導体の層厚を後述するマシューズ（Ｍａｔ
ｔｈｅｗｓ）らの理論によって規定される格子不整合転
位を発生する臨界層厚以下に制御することによって、相
対する転位が繋がる機会が多くなシ、転位が低減する。

第４図は、フィッシャー（Ｆｉｓｃｈｅｒ）らによって
報告（ＡＰＬ、Ｖｏｌ、　４８．　Ｐ、１２２３．１９
８６　）されているＩ　ｎ　。、１ｓ　Ｇ　ａ　ｌ１８
５　Ａ　８　／Ｇ　ａ　Ａ　Ｓ歪超格子を介挿した構造
を示す図であり、その成長プロセスを以下に述べる。

まずＳｉ基板３１に低温成長ＧａＡｓ層３２を成長する
。ついで昇温し、ＧａＡｓ層３３を成長させる。ＧａＡ
ｓ層３３を成長する途中に厚さ１００ＡのＩ　ｎ　ｏ、
□ｓ　Ｇ　ａ（Ｌ８５　Ａ　３層と厚さ１００ＡのＧａ
Ａｓ層を交互に５周期積層したＩ　ｎ　ａ　ｔｓ　Ｇ　
ａ　ａ　ｓ　ｓ　Ａ　ｓ／Ｇ　ａ　Ａ　Ｓ歪超格子３４
を介挿する。Ｉ　ｎ　ｏ、　□ｓＧａ　ｏ、　ｓ　ｓ　
ＡＳ　／ＧａＡ　Ｓ歪超格子３４でＧａＡｓ／Ｓｉ界面
より発生した不整合転位線が止まったり反射したりする
ために、Ｉ　ｎ　ａ　□ｓ　Ｇ　ａ　ａ　８５　Ａ　Ｓ
　／Ｇ　ａ　Ａ　８歪超格子３４の上側のＧａＡｓ層の
転位密度は■ｎｃＬ１５Ｇａｏ８５Ａｓ／Ｇａ′Ａｓ歪
超格子下側のＧａＡｓ層の転位密度より低くなることが
確認されている。

また、歪超格子を構成するためには、交互に積層する２
種類の半導体薄膜２１．２２の一層毎の層厚を格子不整
合転位が発生しない層厚に制御することが重要であり、
マシューズ（Ｍａ　ｔ　ｔ　ｈ　ｅ　ｗｓ）らの理論に
よって規定される格子不整合転位を発生する臨界層厚（
ｈ　　）以下にする必要があるとされている（　Ｊ、Ｃ
ｒｙｓｔ、　Ｇｒｏｗｔｈ　Ｖｏｌ、　２７．　Ｐ、　
１１８　。

１９７４）。

交互に積層する層がＩ　ｎ　ｏ、　１ｓ　Ｇａ　ｏ、　
ｓｓＡ　８層とＧａＡｓ層の場合、マシューズ（Ｍａ　
ｔ　ｔ　ｈ　ｅｗｓ　）らの理論によって規定されてい
る臨界層厚は約２０ＯＡであり、先に示した厚さ１００
ＡのＩ　ｎ　ｎ　□ｓＧａ　ｏ、　５ｓＡＳ層と厚さ１
００ＡのＧａＡｓ層を交互に積層した構造はこの条件を
満たしている。

〈発明が解決しようとする問題点〉 上記した従来の方法によれば、格子不整合転位の発生を
抑制して、転位密度をある程度、低減す厚 ることか出来るものの層〜を格子不整合転位発生臨界層
厚に制御して成膜する必要があり、再現性も低いという
問題点があった。

本発明は、上記の点に鑑みて創案されたものであシ、シ
リコン基板上に成長させた化合物半導体層の品質をより
向上させた構造の化合物半導体基板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基板は、シリコン
（Ｓｉ）基板と、このシリコン（Ｓｉ）基板、上に形成
した第１の化合物半導体層と、この第１の化合物半導体
層上に、第２の化合物半導体層としてのインジウム・ガ
リウム・ヒ素（Ｉ　ｎＧａＡｓ　）化合物半導体層と、
第３の化合物半導体層とを交互に、この第２の化合物半
導体層と第３の化合物半導体層の格子不整合転位発生臨
界層厚を越えた層厚に積層形成した交互層と、この交互
層上に形成した第４の化合物半導体層とを備えるように
構成している。

即ち、本発明の化合物半導体基板は、Ｓｉ基板と、化合
物半導体表面近傍層との間に２種類の半導体層を交互に
、一層毎の層厚を臨界層厚以上に積層した交互層を介挿
することを特徴としておシ、このような構成によシ、本
発明は、基板と化合物半導体層間に存在する不整合転位
と熱応力による転位の伝播を、交互層界面で阻止し上層
の化合物半導体装置活性層形成領域中の転位の低減化が
はかられ、この結果高品質、低価格かつ軽量化を可能と
する化合物半導体装置が得られる。

また、従来、格子不整合転位を発生させないためには一
層毎の層厚をマシューズ（Ｍａ　ｔ　ｔｈｅｗｓ　）ら
の理論によって規定される格子不整合転位を発生する臨
界層厚以下にする必要があると考えられていたが、本発
明においては用いる交互層の一層毎の層厚を臨界層厚以
上とすることによって、成長層の結晶性の改善がはから
れることが判明したが、この作用は簡単には次のように
理解することができる○ 即ち、第１（３）または第２の化合物半導体層の上に格
子定数の異なる第２または第３の化合物半導体層を成長
させた場合、各半導体層は歪み応力を受け、この歪み応
力により第１（３）または第２の半導体層から第２また
は第３の半導体層へ伝播する転位も曲げられる。この曲
がりは第２または第３の半導体層の層厚を増すに伴って
大きくなり、マシューズ（Ｍａ　ｔ　ｔｈｅｗｓ　）ら
の理論によって規定される格子不整合転位を発生する臨
界層厚を越えると横方向に伝播するようになる。この場
合、転位は第１（３）または第２の半導体層と第２また
は第３の半導体層の界面を伝播し、あるものは結晶端を
抜け、また相対する転位は界面で繋がる。また界面で阻
止される転位数は層厚の増加とともに増加し、第２また
は第３の半導体層へ伝播する転位数は低減する。したが
って下層の半導体から上層の半導体に伝播する転位を有
効に阻止するためには、下層の半導体と上層の半導体の
界面を、界面に平行に転位が伝播しやすい条件とする必
要があり、本発明においては、上層の半導体の層厚をマ
シューズ（Ｍａｔｔｈｅｗｓ　）らの理論によって規定
される臨界層厚を越えて厚くすると共に、交互層の積層
構造により、下層の半導体と上層の半導体の多数の界面
を形成することにより、下層の半導体から上層の半導体
に伝播する転位数が低減して、成長層の結晶性が改善さ
れることになる。

〈実施例〉 以下、図面を参照して本発明の一実施例を詳細に説明す
る。

第１図は、本発明の一実施例の基板構造を模式的に示す
図であシ、１はシリコン基板、２はこのシリコン基板１
上に形成した第１の化合物半導体層としてのＧａＡｓ層
、３，３．・・・は第２の化合物半導体層としてのＩ　
ｎ　ｎ　ｔ　Ｇ　ａｏ、　ｃ、　Ａ　Ｓ層、４，４．−
・・は第３の化合物半導体層としてのＧａＡｓ層、５は
Ｉ　ｎ　ｏ、Ｉ　Ｇ　ａ　ｏ、Ｑ　Ａ　ｓ層３，３．＝
−とＧａＡｓ層４，４゜・・・を交互に５周期積層して
形成した交互層、６は交互層５上に形成した第４の化合
物半導体層としてのＧａＡｓ層である。

上記ＧａＡｓ層２はＳｉ基板１上に例えば高周波加熱水
冷反応管を用いたＭＯＣＶＤ　２段階成長法により、例
えば１〜１．５μｍ厚に形成し、このＧａＡｓ層２上に
Ｉ　ｎ　ｏ、　ｓ　Ｇ　ａ　Ｏ，９Ａ　３層３，３．・
・とＧａＡｓ層４．４．・・・を交互に５周期積層した
交互層５を形成し、更にこの交互層５の上に活性層形成
領域を含むＧａＡｓ層６を例えば１μｍ厚に積層する。

なお、Ｉ　ｎ　ｏ、　ｔ　Ｇ　ａ　０．９　Ａ　３層３
とＧａＡｓ層４を交互に積層した場合の臨界層厚は約３
００人であるので、本発明の実施例においては交互層５
の一層毎の層厚を格子不整合転位発生臨界層厚を越えた
上記のように構成した本発明の一実施例としての化合物
半導体基板において、ＧａＡｓ層６の表面近傍の転位密
度を溶融ＫＯＨによるＥＰＤ測定法により評価した○そ
の結果を次表に示す。また交互層５を形成しないＳｉ基
板上のＧａＡｓ層のＥＰＤ測定値及び、一層毎の層厚を
従来実施されている歪超格子を構成する条件である２０
０Ａとした試料のＥＰＤ測定値も次表に示す。

表 この表より明らかなように、従来例のＥＰＤ測定値と本
発明の実施例！、ＩＩのＥＰＤ測定値とを比較すると、
本発明の実施例１．ＩＩのＥＰＤ値の方が低くなってお
シ、不整合転位発生臨界層厚を越えた層厚のＩ　ｎ　ｏ
、　ｓ　Ｇ　ａ　ａ　９　Ａ　３層３とＧａＡｓ層４を
交互に積層した交互層を用いる本発明の有効性が確認で
きた。

Ｓｉ基板上に高品質ＧａＡｓ層を成長できる特徴に加え
て本発明のもう１つの特徴は、交互に積層する一層毎の
層厚が歪超格子となる臨界層厚より厚いため層厚の制御
が容易であり再現性を高くできることである。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、
交互層の１層毎の層厚は臨界層厚以上の任意の値に設定
され、交互層周期数も任意に設定しても良いことは言う
までもない。また交互層を構成する材料としては、Ｉｎ
５ＧａＸＡＳ％Ｐの各元素より２種類、３種類、あるい
は４種類を選んで構成する、化合物半導体を使用するこ
とができるが、少なくとも１層には、ＩｎＧａＡｓ化合
物半導体を用いるのが適している。即ち、ＩｎＧａＡｓ
化合物半導体は、交互層界面を貫通した転位をＩ　ｎＧ
ａＡ　ｓ化合物半導体層内で孤立化させることにより欠
陥を低減する効果を有している点からして、ＩｎＧａＡ
ｓ化合物半導体層を用いるのが有利である。また活性層
領域の化合物半導体はＧａＡｓに限定されるものではな
く、例えばＧａＰ、　ＩｎＰＸＧａＡｓＰ、　ＩｎＧａ
ＡｓあるいはＩｎＧａＡｓＰ等のＩｎＧａＡｓＰ系化合
物半導体層の形成に際しても同様に適用することができ
る。また成長手段についてもＭＯＣＶＤ法に限定される
ものではなく、ＭＢＥ法、ハロゲン輸送法等の化合物半
導体の成長が可能な手段であれば適用することができる
。

上記した本発明のシリコン（Ｓｉ）基板上に化合物半導
体層を転位密度を低減高品質に形成した構造の化合物半
導体基板は各種電子デバイス１．光デバイスの半導体基
板として利用することができ、特に上記化合物半導体に
ＰＮ接合を形成して太陽電池を構成することによりすぐ
れた効果を示す。

即ち受光面側は光電変換効率の高い、ＧａＡｓ層または
ＩｎＰ層を用いて形成し、この化合物半導体層を支持す
る基板を比較的軽く、強度に優れた°Ｓｉ基板を用いて
構成することができ、効率１重量の点で非常に有利な太
陽電池を得ることができる。

〈発明の効果〉 以上のように本発明の基板構造によれば、シリコン（Ｓ
ｉ　）基板上に従来に比べて、高品質の化合物半導体単
結晶層を形成した化合物半導体基板を得ることが出来る
ようになり１．その結果化合物半導体装置の高品質化、
高性能化、低価格化、軽量化に大きく貢献することが出
来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を説明するための基板構造模
式図、第２図はシリコン基板上への化合物半導体層形成
法を説明するための基板構造模式図、第３図は歪超格子
を説明するための模式図、第４図はＳｉ基板上に形成し
たＧａＡｓ層中にＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ歪超格子を介
挿した基板を説明するための構造模式図である。 １・・・シリコン（Ｓｉ）基板、２・・・ＧａＡｓ層（
第１の化合物半導体層）、３・・・Ｉｎ　　Ｇａ　　Ａ
ｓｓ層、１　　　　０９ （第２の化合物半導体層）、４・・・ＧａＡ　ｓ層（第
３の化合物半導体層）、５−ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ交
互層、６・・・ＧａＡｓ層（第４の化合物半導体層）。 代理人　弁理士　杉　山　毅　至（他１名）第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、シリコン基板と、 該シリコン基板上に形成した第１の化合物半導体層と、 該第１の化合物半導体層上に、第２の化合物半導体層と
   してのインジウム・ガリウム・ヒ素化合物半導体層と第
   ３の化合物半導体層とを交互に、該第２の化合物半導体
   層と第３の化合物半導体層の格子不整合転位発生臨界層
   厚を越えた層厚に積層形成した交互層と、 該交互層上に形成した第４の化合物半導体層と を備えてなることを特徴とする化合物半導体基板。 ２、前記第１の化合物半導体層及び第４の化合物半導体
   層がインジウム・ガリウム・ヒ素・リン（ＩｎＧａＡｓ
   Ｐ）系化合物半導体層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基板。 ３、前記第１、第４の化合物半導体層及び第３の化合物
   半導体層が同一組成化合物半導体であることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項もしくは第２項記載の化合物半
   導体基板。４、前記第１、第４化合物半導体層及び第３
   の化合物半導体層がガリウム・ヒ素（ＧａＡｓ）化合物
   半導体であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載の化合物半導体基板。