JP2719868B2 - 半導体基体及びその製造方法 - Google Patents

半導体基体及びその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、電子デバイスや光デバ
イス等の半導体デバイス、及びその複合または集積デバ
イスの作製に使用される半導体基体及びその製造方法に
関する。
【0002】
【従来の技術】光電子集積回路は、同一基板上に光デバ
イス及び電子デバイスが作製されたものである。したが
って、光電子集積回路を実現するためには、適当な基板
上に任意の半導体層を成長させる技術が必要となる。
【0003】現在までに、Si、GaAs、GaP等の
半導体について、様々な積層構造のエピタキシャル成長
に関する研究が盛んに行われている。例えば、Si基板
上にGaAs層を成長させると、SiとGaAsとの間
の格子不整合や熱膨張係数の違いによって、GaAs膜
厚約3μmで表面に〜108 cm-2程度の転位が誘起され
る。しかし、光デバイス及び電子デバイスとして利用す
るためには、高品質の半導体材料が望まれるため、この
転位を低減させなければならない。そこで、この転位を
低減する様々な試みが行われている。
【0004】従来、この様な格子不整合や熱膨張係数の
違いによって生じる転位を低減する方法として、以下の
ような方法が知られている。
【0005】(1)基板上に化合物半導体薄膜を結晶成
長した後、成長温度よりも高い温度で熱処理をし、成長
膜中の転位を熱運動させることによりバーガース・ベク
トルが保存されるような転位ループを形成させて、膜表
面での転位密度の減少をはかる方法(ポストアニール
法)。
【0006】(2)化合物半導体薄膜の結晶成長を途中
で中断し、Inx Ga1-x As/GaAs等の歪超格子
を形成し、その後、再び、化合物半導体薄膜の結晶成長
を行うことで、化合物半導体薄膜中に応力場を導入し、
転位線の方向を界面方向に変化させることにより、転位
を基板側部へと導き、転位の先端が膜表面に出現しない
ようにする方法(歪超格子挿入法)。
【0007】(3)化合物半導体薄膜の結晶成長を行っ
ている最中に、成長温度を数回上下させ、成長膜中に発
生した転位の運動を制御し転位ループを形成させたり、
基板側部へ転位を導いて、成長膜表面での転位密度を低
減させる方法(熱サイクル法)。
【0008】従来、上記の方法を、MBE法、MOCV
D法等を用いた2段階成長法(成長初期段階で低温バッ
ファ層を形成する方法)と適宜組み合わせて転位密度の
低減をはかっている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ポスト
アニール法や熱サイクル法などのように、熱履歴により
成長膜中の転位を運動させ、転位ループを形成したり、
転位を基板側部へ逃がす方法では、転位の密度がある程
度以下になると転位同志の出会う確率が減少するため
に、それ以上の転位の低減は期待できない。現在のとこ
ろ、その下限はSi基板上のGaAs膜の場合で、〜1
6 cm-2程度であるといわれている。
【0010】また、歪超格子挿入法では、界面における
歪場のために、転位はその方向を界面方向に変えるが、
例えば、InGaAsとGaAsとの歪超格子を考える
と、双方の膜中での転位の振る舞い(転位の伝播速度、
転位の発生臨界応力等)が非常によく似ており、転位は
歪場の揺動によって、容易に伝播方向を変え、膜表面に
向かってしまう。したがって、この方法でもある程度以
上の転位密度の低減は望めない。
【0011】本発明は、基板上に転位密度の小さい化合
物半導体を成長させる方法を提供することを目的とす
る。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、基板表
面上に酸化膜を形成する第1の工程と、前記酸化膜を局
部的に除去し前記基板表面を露出させる第2の工程と、
所定の原料を供給することにより、前記酸化膜上では層
状結晶となり前記局部的に露出した基板表面上では前記
層状結晶とは異なる結晶形の結晶層となる結晶層を形成
する第3の工程と、前記層状結晶とは異なる結晶形の結
晶層上に化合物半導体を成長させたあと横方向エピタキ
シー技術を用いて前記結晶層上全面に第1の化合物半導
体層を形成する第4の工程と、前記第1の化合物半導体
層上に前記第1の化合物半導体層と同じ組成の第2の化
合物半導体層を形成する第5の工程とを含むことを特徴
とする半導体基体の製造方法が得られる。
【0013】また、本発明によれば、基板上に形成され
た第1の化合物半導体層の表面に酸化膜を形成する第1
の工程と、前記酸化膜及び前記第1の化合物半導体層を
局部的に除去して前記基板表面を露出させる第2の工程
と、所定の原料を供給することにより、前記酸化膜上で
は層状結晶となり前記局部的に露出した基板表面上では
前記層状結晶とは異なる結晶形の結晶層となる結晶層を
形成する第3の工程と、前記層状結晶とは異なる結晶形
の結晶層上に化合物半導体を成長させたあと横方向エピ
タキシー技術を用いて前記結晶層上全面に第2の化合物
半導体層を形成する第4の工程と、前記第2の化合物半
導体層上に当該第2の化合物半導体層と同じ組成の第3
の化合物半導体層を形成する第5の工程とを含むことを
特徴とする半導体基体の製造方法が得られる。
【0014】
【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。図1に本発明の第1の実施例の工程図を示す。こ
こでは、Si基板上にGaAs層を形成する場合につい
て説明する。
【0015】まず、Si(100)基板11の表面を熱
処理等により清浄化する。続いて、酸素雰囲気中におい
て、水銀ランプ等の光を照射して数時間放置することに
より、図1(a)に示すように、Si(100)基板1
1表面に均一で薄い酸化膜12を形成する。この酸化膜
12の厚みはおよそ数十オングストローム程度である。
【0016】次に、Cl2 ガス雰囲気中で、酸化膜12
が形成された基板11に収束させた電子ビームを照射す
る。すると、図1(b)に示すように、電子ビームが照
射された範囲の酸化膜12は、基板11から脱離する。
こうして、酸化膜12の任意の位置に窓13を形成する
ことができる。窓13の内部では、基板11の表面14
が露出し、その表面はCl2 ガスと電子ビームとの相互
作用によりエッチングされ、清浄化される。
【0017】次に、窓13が形成された酸化膜12を有
する基板11の表面に、GaとSeとを照射する。この
とき、適当な成長条件を選択すると、図1(c)に示す
ように、酸化膜12上では層状結晶のGaSe層15が
成長し、基板表面14上では閃亜鉛鉱型結晶のGa2
3 層16が成長する。
【0018】その次に、MOMBE法等の方法を用いて
GaAsの成長を行う。このとき層状結晶のGaSe層
15の表面は、不活性化されており、GaAsは結晶成
長しない。一方、閃亜鉛鉱型結晶のGa2 Se3 層16
上には、同じ閃亜鉛鉱型結晶であるGaAsが結晶成長
する。そこで、Ga2 Se3 層16上にGaAs層17
を成長させた後、横方向エピタキシー技術を用いて、G
aSe層15上にもGaAs層18を形成する。
【0019】最後に、図1(d)に示すようにGaAs
層17及び18上に、通常のエピタキシー技術を用いて
GaAs層19を成長させる。
【0020】上述のようにして得られたGaAs層19
は、層状結晶のGaSe層15によって実質的に基板1
1と遮断される。したがって、GaAs層19は、基板
11との格子定数差による影響や、熱膨張係数差による
影響をほとんど受けず、極めて転位の少ない高品質の結
晶となる。
【0021】次に図2を参照して第2の実施例を説明す
る。ここでも、第1の実施例と同様に、Si基板上にG
aAsを形成する場合について説明する。
【0022】まず、図2(a)に示すように、Si基板
21上に2段階成長法を用いてGaAs層22を形成す
る。そして、第1の実施例と同様の手法を用いて、酸化
膜23を形成する。
【0023】次に、Clガスと収束電子ビームを用い
て、図2(b)に示すように、酸化膜23に窓を設ける
と共に、窓内のGaAs層22をエッチングしてSi基
板の表面24を露出させる。
【0024】以降、第1の実施例と同様にして、図2
(c)に示すように、酸化膜23上に層状結晶のGaS
e層25を、基板表面24上では閃亜鉛鉱型結晶のGa
2 Se3 層26を形成する。そして、図2(d)に示す
ように、Ga2 Se3 層26上に、GaAs層27を成
長させて、横方向エピタキシー技術を用いて、GaSe
層25上にもGaAs層28を形成し、GaAs層27
及び28上に、GaAs層29を成長させる。
【0025】本実施例におけるGaAs層22には、基
板との格子定数差及び熱膨張計数差等による影響を受け
て多数の貫通転位が発生する。しかしながら、これらの
転位は、ファンデルワース力のみでつながっている層状
結晶のGaSe層25によって、伝播が遮られ、GaA
s層28及び29には伝播しない。また、GaSe層2
5は、熱膨張差による歪も吸収するため、貫通転位の極
めて少ない高品質のGaAs層29を得ることができ
る。
【0026】なお、上記実施例では、Si基板上にGa
As層を形成する方法について説明したが、これに限ら
れるものではなく、任意の結晶質及び非晶質基板や任意
の結晶層上に、格子不整合の薄膜を形成するのに適用で
きる。
【0027】
【発明の効果】本発明によれば、基板上あるいは基板上
に形成された結晶層上に酸化膜を設け、酸化膜に窓を設
けて基板を露出させ、酸化膜上に層状結晶層を、基板上
に層状結晶とは異なる結晶系の結晶層形成し、その上
に、半導体結晶層を形成するようにしたことで、層状結
晶層が格子定数差及び熱膨張係数等による影響を遮断ま
たは吸収するので、転位の少ない高品質の半導体結晶層
を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例を説明するための工程図
である。
【図2】本発明の第2の実施例を説明するための工程図
である。
【符号の説明】
11 Si(100)基板 12 酸化膜 13 窓 14 基板表面 15 GaSe層 16 Ga2 Se3 層 17 GaAs層 18 GaAs層 19 GaAs層 21 Si基板 22 GaAs層 23 酸化膜 24 基板表面 25 GaSe層 26 Ga2 Se3 層 27 GaAs層 28 GaAs層 29 GaAs層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田村 誠男 埼玉県所沢市中新井5−17−6 (56)参考文献 特開 昭63−111610(JP,A) 特開 平5−251339(JP,A)

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板と、該基板表面上に所定部分を除い
    て形成された酸化膜と、該酸化膜上では層状を呈する第
    1の組成比の層となり、前記所定部分では前記層状とは
    異なる結晶形を呈する第2の組成比の層となる、所定の
    元素で構成された結晶層と、該結晶層上に形成された第
    1の半導体成長層と、該第1の半導体成長層上に形成さ
    れた第2の半導体結晶成長層を有することを特徴とする
    半導体基体。
  2. 【請求項2】 基板と、該基板上に所定部分を除いて
    成された第1の半導体結晶層と、該第1の半導体結晶層
    上に形成された酸化膜と、該酸化膜上では層状を呈する
    第1の組成比の層となり、前記所定部分では前記層状と
    異なる結晶形を呈する第2の組成比の層となる、所定
    の元素で構成された結晶層と、該結晶層上に形成された
    第2の半導体成長層と、該第2の半導体成長層上に形成
    された第3の半導体結晶層を有することを特徴とする半
    導体基体。
  3. 【請求項3】 基板表面上に酸化膜を形成する第1の工
    程と、前記酸化膜を局部的に除去し前記基板表面を露出
    させる第2の工程と、所定の原料を供給することによ
    り、前記酸化膜上では層状結晶となり前記局部的に露出
    した基板表面上では前記層状結晶とは異なる結晶形の結
    晶層となる結晶層を形成する第3の工程と、前記層状結
    晶とは異なる結晶形の結晶層上に化合物半導体を成長さ
    せたあと横方向エピタキシー技術を用いて前記結晶層上
    全面に第1の化合物半導体層を形成する第4の工程と、
    前記第1の化合物半導体層上に前記第1の化合物半導体
    層と同じ組成の第2の化合物半導体層を形成する第5の
    工程とを含むことを特徴とする半導体基体の製造方法。
  4. 【請求項4】 基板上に形成された第1の化合物半導体
    層の表面に酸化膜を形成する第1の工程と、前記酸化膜
    及び前記第1の化合物半導体層を局部的に除去して前記
    基板表面を露出させる第2の工程と、所定の原料を供給
    することにより、前記酸化膜上では層状結晶となり前記
    局部的に露出した基板表面上では前記層状結晶とは異な
    る結晶形の結晶層となる結晶層を形成する第3の工程
    と、前記層状結晶とは異なる結晶形の結晶層上に化合物
    半導体を成長させたあと横方向エピタキシー技術を用い
    て前記結晶層上全面に第2の化合物半導体層を形成する
    第4の工程と、前記第2の化合物半導体層上に当該第2
    化合物半導体層と同じ組成の第3の化合物半導体層を
    形成する第5の工程とを含むことを特徴とする半導体基
    体の製造方法。
  5. 【請求項5】 前記第2の工程が、電子ビームと反応性
    ガスとを照射することにより行われることを特徴とする
    請求項3または請求項4の半導体基体の製造方法。
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