JP6130774B2 - 半導体素子とその作製方法 - Google Patents

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本発明は、半導体素子とその作製方法に関し、特にＧａＳｂと基板定数が異なる基板上にＧａＳｂ半導体結晶を平坦に作製する半導体素子とその作製方法に関する。
ＧａＳｂは電子移動度、正空孔移動度がともに高く、近年ＣＭＯＳ等の電子デバイス応用が期待されている材料である。格子定数が６．０９５９３ÅであるＧａＳｂ半導体結晶を成長する基板としては、ＧａＳｂ基板の他に、格子定数がＧａＳｂに比較的近いＩｎＡｓ基板（格子定数：６．０５８３Å）がある。
但し、これらの基板は半絶縁性基板では無いため、ＧａＳｂからなる電子デバイスをＧａＳｂ基板やＩｎＡｓ基板上に形成しても基板を介して電流が流れるため、デバイスを動作させることができない。
半絶縁性基板の中でＧａＳｂを成長させられる基板としは、ＧａＳｂとは大きく格子定数が異なるＧａＡｓ基板やＩｎＰ基板がある。
Berinder Brar et al., "Spiral growth of GaSb on (001) GaAs using molecular beam epitaxy," Appl. Phys. Lett. 66, 463 (1995)
しかしながら、格子定数が大きく異なる基板上に化合物半導体結晶を高品質に作製することは一般的に難しく、実用上十分な品質を保って作製可能な膜厚は、基板との格子定数の差によって決定される臨界膜厚以下になる。つまり、基板とその上に直接作製された化合物半導体結晶との格子定数が大きく異なり、かつ、その化合物半導体結晶の膜厚が臨界膜厚以上である場合には、基板と化合物半導体結晶との界面にミスフィット転位が発生するため、化合物半導体結晶の成長表面の平坦性が劣化するという課題がある。
従来技術の一例として、分子線エピタキシー法を用いて、ＧａＡｓ基板上にＧａＳｂ／ＡｌＳｂの積層構造を形成した報告がある（非特許文献１）。この報告では、原子間力顕微鏡をもちいて表面を観察し、格子定数違いによって発生したらせん転位が表面平坦性を劣化させていることを報告している。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、半絶縁性の基板上に、平坦な表面を持つ高品質なＧａＳｂ半導体結晶を作製する半導体素子とその作製方法を提供することにある。
上記の課題を解決するために、本発明は、半導体素子の作製方法であって、半絶縁ＩｎＰ基板を所定の温度まで加熱するステップと、トリエチルガリウム又はトリメチルガリウム、トリメチルアンチモン又はトリエチルアンチモン、アルシン又はターシャリブチルアルシンを前記半絶縁ＩｎＰ基板上に供給することにより、前記半絶縁ＩｎＰ基板上に前記半絶縁ＩｎＰ基板に格子整合するＧａＡｓＳｂからＧａＳｂまで組成が単調に変化した緩和層を形成するステップであって、前記トリエチルガリウム又はトリメチルガリウムを第１の流量で供給し、前記トリメチルアンチモン又はトリエチルアンチモンを第２の流量から第３の流量に増加させながら供給し、前記アルシン又はターシャリブチルアルシンを第４の流量から流量をゼロに減少させながら供給する、ステップと、前記トリエチルガリウム又はトリメチルガリウム、前記トリメチルアンチモン又はトリエチルアンチモンを前記半絶縁ＩｎＰ基板上に供給することにより、前記緩和層上にＧａＳｂ半導体結晶層を形成するステップであって、前記トリエチルガリウム又はトリメチルガリウムを前記第１の流量で供給し、前記トリメチルアンチモン又はトリエチルアンチモンを前記第３の流量で供給する、ステップと、を有したことを特徴とする。
本発明は、ＧａＳｂと基板定数が異なる半絶縁性基板上にＧａＳｂ半導体結晶を平坦に作製可能にすることにより、ＧａＳｂを用いた電子デバイスの作製を可能にするという大きな効果を奏する。
有機金属気相成長を用いてＩｎＰ基板上に直接成長させた膜厚３００ｎｍのＧａＳｂ半導体結晶の表面の顕微鏡画像である。 本発明の一実施形態に係るＧａＳｂ半導体結晶の作製方法における、半絶縁ＩｎＰ基板上へのＧａＳｂを作製した時の基板温度変化とガスの切り換えシーケンスを示す図である。 本発明の一実施形態に係るＧａＳｂ半導体結晶の作製方法で作製される層構成を示す図である。 本発明の一実施形態に係るＧａＳｂ半導体結晶の作製方法で作製されたＧａＳｂ半導体結晶の表面の顕微鏡画像である。
半導体単結晶基板上に格子定数の異なる化合物半導体層を直接成長した場合には、臨界膜厚以上の膜厚で必ず界面にミスフィット転移が発生し、これが表面欠陥の原因となる。ＩｎＰと比較してＧａＡｓではＧａＳｂからの格子定数差が大きいので、発生するミスフィット転位の密度も大きくなると考えられる。つまり、半絶縁性の基板としてはＧａＡｓよりＩｎＰを用いた方がＧａＳｂ半導体結晶の平坦化の可能性がある。
図１に、有機金属気相成長を用いてＩｎＰ基板上に直接成長させた膜厚３００ｎｍのＧａＳｂ半導体結晶の表面の顕微鏡画像を示す。図１に示すように、ＧａＳｂ半導体結晶の表面には多数の欠陥が観測された。以上の結果から、ＩｎＰ基板上に単にＧａＳｂを形成しただけでは、表面が平坦なＧａＳｂ半導体結晶を得ることは困難であることが分かる。
ＩｎＰ基板に格子整合する材料について考えると、ＩｎＰの他、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、ＧａＡｓＳｂ、ＡｌＡｓＳｂが考えられる。これらの材料を用いてＩｎＰに格子整合する条件からＧａＳｂに徐々に格子定数が変化する緩和層を形成できたとしたら、その後に成長するＧａＳｂ半導体結晶のミスフィット転位の密度を低減でき、結果として表面平坦性が改善する可能性がある。
しかしながら、緩和層の成長開始材料として、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、ＡｌＡｓＳｂを用いた場合には、ＧａＳｂまで組成を変化させる時にIII族原料とＶ族原料の両方を変化させ、切り換える必要があり、供給シーケンスが非常に複雑になる。一方で、ＧａＡｓＳｂを緩和層に用いた場合には、ＧａＳｂに変化させるのにＶ族原料の供給比のみ変化させれば良いので、供給シーケンスは簡単になる。
さらに、成長装置に有機金属気相成長法を用いた場合には、Ｖ族原料ガスの供給量を流量で調整することができるので、制御性や再現性が良くなることが期待される。
以下、本発明の実施形態について、詳細に説明する。
成長装置には前述した有機金属気相成長法を用いる。III族元素のＧａ原料にはトリエチルガリウム（ＴＥＧａ：液体）を用い、トリエチルガリウムが入った容器を２０℃で保持し、水素でバブリングすることで原料を供給する。Ｖ族元素のＡｓ原料には１００％アルシン（ＡｓＨ３：気体）を用いる。また、Ｓｂ原料にはトリメチルアンチモン（ＴＭＳｂ：液体）を用い、トリメチルアンチモンが入った容器を０℃で保持し、水素でバブリングすることで原料を供給する。この時、水素やアルシンの流量調整にはマスフローコントローラ−を用いる。
次に、半絶縁ＩｎＰ基板上へのＧａＳｂ作製手順について説明する。図２に、本発明の一実施形態に係るＧａＳｂ半導体結晶の作製方法における、半絶縁ＩｎＰ基板上へのＧａＳｂを作製した時の基板温度変化とガスの切り換えシーケンスを示す。
まず、Ｆｅドープの半絶縁ＩｎＰ基板（１００）を有機金属気相成長法装置に導入する。水素雰囲気中、０．１気圧の減圧で基板温度を５５０℃まで上昇させる。この時、ＩｎＰ基板からのＰの脱離によって表面が荒れないようにホスフィン（ＰＨ３：気体）を１００ｓｃｃｍの流量で供給する。
基板温度が５５０℃まで上昇したらホスフィン供給を停止し、それと同時にトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、アルシン（ＡｓＨ３）、トリメチルアンチモン（ＴＭＳｂ）を供給する。この時、トリエチルガリウムの水素バブリング流量は１７０ｓｃｃｍで一定とする。一方、アルシン流量とトリメチルアンチモンの水素バブリング流量は、３０分かけて、２．３から０ｓｃｃｍ、８６．７から１７３．４ｓｃｃｍにそれぞれ単調に変化させる。その後、トリエチルガリウムの水素バブリング流量とトリメチルアンチモンの水素バブリング流量一定の状態で３０分間ＧａＳｂの成長を行い、トリエチルガリウムとトリメチルアンチモンの供給を停止する。
次に、トリエチルガリウムとトリメチルアンチモンの供給を停止した後、基板温度を室温まで下げて試料の取り出しを行う。
図３に、本発明の一実施形態に係るＧａＳｂ半導体結晶の作製方法で作製される層構成を示し、図４に、本発明の一実施形態に係るＧａＳｂ半導体結晶の作製方法で作製されたＧａＳｂ半導体結晶の表面の顕微鏡画像を示す。上述の作製方法を実施することにより、半絶縁ＩｎＰ基板１０１上にＧａＳｓＳｂからなる緩和層１０２、ＧａＳｂ層が順に積層された層構成を伴いＧａＳｂ半導体結晶が得られる。そしてＧａＳｂ層１０３は、図４が示すように、表面欠陥の無い平坦なＧａＳｂ半導体結晶となっている。
本実施形態では有機金属気相成長法により、Ｇａ原料にトリエチルガリウム、Ａｓ原料にアルシン、Ｓｂ原料にトリメチルアンチモンを用いた場合をしめしたが、Ｇａ原料にはトリメチルガリウム、Ａｓ原料にはターシャリブチルアルシン、Ｓｂ原料にはトリエチルアンチモン等の原料ガスで代替できることはいうまでもない。
１０１ 半絶縁ＩｎＰ基板
１０２ ＧａＳｓＳｂからなる緩和層
１０３ ＧａＳｂ層

Claims (1)

  1. 半絶縁ＩｎＰ基板を所定の温度まで加熱するステップと、
    トリエチルガリウム又はトリメチルガリウム、トリメチルアンチモン又はトリエチルアンチモン、アルシン又はターシャリブチルアルシンを前記半絶縁ＩｎＰ基板上に供給することにより、前記半絶縁ＩｎＰ基板上に前記半絶縁ＩｎＰ基板に格子整合するＧａＡｓＳｂからＧａＳｂまで組成が単調に変化した緩和層を形成するステップであって、前記トリエチルガリウム又はトリメチルガリウムを第１の流量で供給し、前記トリメチルアンチモン又はトリエチルアンチモンを第２の流量から第３の流量に増加させながら供給し、前記アルシン又はターシャリブチルアルシンを第４の流量から流量をゼロに減少させながら供給する、ステップと、
    前記トリエチルガリウム又はトリメチルガリウム、前記トリメチルアンチモン又はトリエチルアンチモンを前記半絶縁ＩｎＰ基板上に供給することにより、前記緩和層上にＧａＳｂ半導体結晶層を形成するステップであって、前記トリエチルガリウム又はトリメチルガリウムを前記第１の流量で供給し、前記トリメチルアンチモン又はトリエチルアンチモンを前記第３の流量で供給する、ステップと、
    を有したことを特徴とする半導体素子の作製方法。
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