JPH04280898A - Process for growing compound semiconductor crystal on si substrate - Google Patents

Process for growing compound semiconductor crystal on si substrate

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JPH04280898A
JPH04280898A JP6902391A JP6902391A JPH04280898A JP H04280898 A JPH04280898 A JP H04280898A JP 6902391 A JP6902391 A JP 6902391A JP 6902391 A JP6902391 A JP 6902391A JP H04280898 A JPH04280898 A JP H04280898A
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JP
Japan
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substrate
compound semiconductor
gaas
layer
epitaxial
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JP6902391A
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Japanese (ja)
Inventor
Yasunori Yasugata
安形 保則
Masayoshi Umeno
正義 梅野
Takashi Jinbo
神保 孝志
Tetsuo Soga
哲夫 曽我
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Daido Steel Co Ltd
Original Assignee
Daido Steel Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To decrease the crystal defect of a compound semiconductor grown on an Si substrate by epitaxial growth. CONSTITUTION:An Si epitaxial layer 14 is formed on an Si substrate 12 by the epitaxial growth of Si and the objective compound semiconductor layer is formed on the Si epitaxial layer 14 by epitaxial growth.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

【0001】0001

【産業上の利用分野】本発明は、Si基板上にGaAs
,InPなどの化合物半導体をエピタキシャル成長させ
る方法に関するものである。
[Industrial Application Field] The present invention provides a method for forming GaAs on a Si substrate.
, and relates to a method for epitaxially growing compound semiconductors such as InP.

【0002】0002

【従来の技術】発光素子や高感度受光素子,高速電子素
子などの半導体素子は、GaAs等の化合物半導体を材
料として作製されているが、かかる化合物半導体の基板
は一般に高価で脆く、比重が大きいとともに、大面積化
が困難であるなどの問題がある。そこで、大面積化が可
能で軽量、高強度で且つ安価なSi基板上に、上記化合
物半導体をエピタキシャル成長させることが考えられて
いる。
[Prior Art] Semiconductor devices such as light-emitting devices, high-sensitivity light-receiving devices, and high-speed electronic devices are manufactured using compound semiconductors such as GaAs, but the substrates of such compound semiconductors are generally expensive, brittle, and have a high specific gravity. In addition, there are other problems such as difficulty in increasing the area. Therefore, it has been considered to epitaxially grow the above-mentioned compound semiconductor on a lightweight, high-strength, and inexpensive Si substrate that can be made into a large area.

【0003】0003

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、Siと
化合物半導体とではその格子定数や熱膨張係数が異なる
ため、Si基板上にそのまま化合物半導体をエピタキシ
ャル成長させると、化合物半導体の結晶中に高密度の結
晶欠陥が発生し、これが前記発光素子などとして用いる
場合のデバイス特性を悪化させていた。
[Problems to be Solved by the Invention] However, since Si and compound semiconductors have different lattice constants and coefficients of thermal expansion, if a compound semiconductor is grown epitaxially on a Si substrate, a high density of crystals will be formed in the crystal of the compound semiconductor. Defects occur, which deteriorate the device characteristics when used as the light emitting element or the like.

【0004】本発明は以上の事情を背景として為された
もので、その目的とするところは、Si基板上に結晶欠
陥が少ない化合物半導体をエピタキシャル成長させるこ
とにある。
The present invention was made against the background of the above circumstances, and its object is to epitaxially grow a compound semiconductor with few crystal defects on a Si substrate.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
めに、本発明は、Si基板上に化合物半導体をエピタキ
シャル成長させる方法であって、(a)前記Si基板上
にSiをエピタキシャル成長させてSiエピタキシャル
層を形成する工程と、(b)そのSiエピタキシャル層
の上に前記化合物半導体をエピタキシャル成長させる工
程とを含むことを特徴とする。
Means for Solving the Problems In order to achieve the above object, the present invention provides a method for epitaxially growing a compound semiconductor on a Si substrate, comprising: (a) epitaxially growing Si on the Si substrate; and (b) epitaxially growing the compound semiconductor on the Si epitaxial layer.

【0006】[0006]

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳
細に説明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

【0007】図1は、本発明方法に従って製造されたエ
ピタキシャルウェハの一例を説明する図で、かかるエピ
タキシャルウェハ10は、Si基板12上にSiエピタ
キシャル層14、バッファ層16、GaAs層18、歪
超格子層20、およびGaAs層22が順次積層された
もので、バッファ層14から上の部分が目的とする化合
物半導体である。
FIG. 1 is a diagram illustrating an example of an epitaxial wafer manufactured according to the method of the present invention. Such an epitaxial wafer 10 includes a Si epitaxial layer 14, a buffer layer 16, a GaAs layer 18, and a super-strained layer on a Si substrate 12. A lattice layer 20 and a GaAs layer 22 are sequentially laminated, and the portion above the buffer layer 14 is the target compound semiconductor.

【0008】上記Si基板12は、通常の引上げ法によ
って作製されたp−Siで、その表面の結晶面方位は(
100)から〔011〕方向に3.6°傾けてあり、不
純物濃度は1018(atom/cm3 )程度である
。Siエピタキシャル層14は、CVD(化学気相成長
)法により約1000℃〜1100℃でSiH4 を熱
分解してSiをエピタキシャル成長させたもので、この
Siエピタキシャル層14もp−Siから成り、その厚
さは約11μmで、不純物濃度は1018(atom/
cm3 )程度である。
The Si substrate 12 is made of p-Si produced by a normal pulling method, and the crystal plane orientation of its surface is (
The impurity concentration is approximately 1018 (atoms/cm3). The Si epitaxial layer 14 is made by epitaxially growing Si by thermally decomposing SiH4 at approximately 1000°C to 1100°C using the CVD (chemical vapor deposition) method. This Si epitaxial layer 14 is also made of p-Si, and its thickness is The diameter is approximately 11 μm, and the impurity concentration is 1018 (atoms/
cm3).

【0009】Siエピタキシャル層14が設けられたS
i基板12は、室温まで冷却した後CVDの反応炉から
取り出されて数日間大気中に放置され、その後、化合物
半導体としてのGaAsをSiエピタキシャル層14上
にエピタキシャル成長させた。かかるGaAsのエピタ
キシャル成長に際しては、予め有機溶剤による超音波清
浄を行うとともにフッ酸によるエッチング処理を施し、
Siエピタキシャル層14の表面を清浄化した後、MO
CVD(有機金属化学気相成長)装置の反応炉内にセッ
トして、図3に示されている加熱温度で成長処理を行っ
た。なお、この加熱温度はSi基板12がセットされる
サセプタにおける温度である。
[0009] The S layer provided with the Si epitaxial layer 14
After the i-substrate 12 was cooled to room temperature, it was taken out from the CVD reactor and left in the atmosphere for several days, and then GaAs as a compound semiconductor was epitaxially grown on the Si epitaxial layer 14. When epitaxially growing GaAs, ultrasonic cleaning with an organic solvent is performed in advance, and etching treatment with hydrofluoric acid is performed.
After cleaning the surface of the Si epitaxial layer 14, the MO
The film was set in a reactor of a CVD (organic metal chemical vapor deposition) apparatus, and a growth process was performed at the heating temperature shown in FIG. Note that this heating temperature is the temperature in the susceptor in which the Si substrate 12 is set.

【0010】上記図3を参照しつつ、GaAsのエピタ
キシャル成長について具体的に説明すると、先ず、10
00℃程度まで加熱してSiエピタキシャル層14の表
面に付着している酸化物等を除去し、その後400℃程
度まで降温してGaAsを結晶成長させた。この400
℃程度でGaAsを結晶成長させたものが前記バッファ
層16であり、その厚さは約12.5nmである。この
バッファ層16は結晶成長温度が低いため、この段階で
は単結晶となっていないが、続いて750℃程度まで昇
温することにより単結晶となり、その750℃程度に維
持した状態でバッファ層16の上に更にGaAsをエピ
タキシャル成長させた。この750℃程度でGaAsを
エピタキシャル成長させたものが前記GaAs層18で
あり、その厚さは約1μmである。上記バッファ層16
は、SiとGaAsとの格子不整合を緩和するために形
成されるものである。
Referring to FIG. 3 above, the epitaxial growth of GaAs will be explained in detail.
The silicon epitaxial layer 14 was heated to about 00° C. to remove oxides and the like adhering to the surface of the Si epitaxial layer 14, and then the temperature was lowered to about 400° C. to grow GaAs crystals. This 400
The buffer layer 16 is formed by crystal-growing GaAs at a temperature of approximately 12.5 nm in thickness. This buffer layer 16 is not a single crystal at this stage because the crystal growth temperature is low, but it becomes a single crystal by subsequently increasing the temperature to about 750°C, and while maintaining the temperature at about 750°C, the buffer layer 16 Further, GaAs was epitaxially grown on top of this. The GaAs layer 18 is formed by epitaxially growing GaAs at about 750° C., and has a thickness of about 1 μm. The buffer layer 16
is formed to alleviate the lattice mismatch between Si and GaAs.

【0011】その後、一旦200℃程度まで降温した後
900℃程度まで昇温し、その900℃程度に約10分
間保持した後再び200℃程度まで降温するという熱サ
イクルを行う。この熱サイクルは、上記GaAs層18
をアニールして転位等の結晶欠陥を逃がすためのもので
ある。200℃程度まで降温したら直ちに750℃程度
まで昇温し、GaAsPとGaAsとを交互にエピタキ
シャル成長させる。これが前記歪超格子層20であり、
その厚さは約0.2μmである。
Thereafter, a thermal cycle is performed in which the temperature is lowered to about 200°C, then raised to about 900°C, held at about 900°C for about 10 minutes, and then lowered to about 200°C again. This thermal cycle
This is to anneal and release crystal defects such as dislocations. Immediately after the temperature is lowered to about 200° C., the temperature is raised to about 750° C., and GaAsP and GaAs are epitaxially grown alternately. This is the strained superlattice layer 20,
Its thickness is approximately 0.2 μm.

【0012】上記歪超格子層20を形成した後、再び2
00℃への降温、900℃への昇温、900℃に10分
間保持、200℃への降温から成る熱サイクルを行って
アニールし、最後に、750℃程度で再びGaAsをエ
ピタキシャル成長させた。この750℃程度でGaAs
をエピタキシャル成長させたものが前記GaAs層22
であり、その厚さは約1.8μmである。したがって、
Siエピタキシャル層14上には、歪超格子層20も含
めて約3μmのGaAs単結晶がエピタキシャル成長さ
せられたことになる。
After forming the strained superlattice layer 20, 2
Annealing was performed by performing a thermal cycle consisting of lowering the temperature to 00°C, raising the temperature to 900°C, holding the temperature at 900°C for 10 minutes, and lowering the temperature to 200°C.Finally, GaAs was epitaxially grown again at about 750°C. At this temperature of about 750°C, GaAs
The GaAs layer 22 is epitaxially grown.
and its thickness is approximately 1.8 μm. therefore,
This means that on the Si epitaxial layer 14, including the strained superlattice layer 20, a GaAs single crystal of about 3 μm is epitaxially grown.

【0013】このようにして作製されたエピタキシャル
ウェハ10のGaAs層22の表面を溶融KOHでエッ
チングし、結晶欠陥によって発生するエッチピットの密
度を測定したところ、1×105 個/cm2 であっ
た。 これに対し、図2に示されているように、上記Siエピ
タキシャル層14を形成することなく、Si基板24上
に直接バッファ層16、GaAs層18、歪超格子層2
0、およびGaAs層22をエピタキシャルウェハ10
の場合と全く同じ方法、具体的には図3に示されている
加熱温度でエピタキシャル成長させてエピタキシャルウ
ェハ26を作製し、そのGaAs層22の表面を溶融K
OHでエッチングしてエッチピット密度を測定したとこ
ろ、3×106 個/cm2 であった。すなわち、S
i基板12上にSiエピタキシャル層14を形成して、
その上にGaAsをエピタキシャル成長させると、Si
基板24上に直接GaAsをエピタシャル成長させた場
合に比較して、結晶欠陥が約1/30になったのである
。なお、上記Si基板24は引上げ法によって作製され
たn−Siであり、その不純物濃度は1018(ato
m/cm3 )程度である。
The surface of the GaAs layer 22 of the epitaxial wafer 10 thus fabricated was etched with molten KOH, and the density of etch pits generated by crystal defects was measured to be 1×10 5 pits/cm 2 . On the other hand, as shown in FIG. 2, the buffer layer 16, the GaAs layer 18, and the strained superlattice layer 2 are directly formed on the Si substrate 24 without forming the Si epitaxial layer 14.
0, and the GaAs layer 22 on the epitaxial wafer 10
The epitaxial wafer 26 is fabricated by epitaxial growth using exactly the same method as in the case of FIG. 3, specifically, at the heating temperature shown in FIG.
When the etch pit density was measured by etching with OH, it was found to be 3×10 6 pits/cm 2 . That is, S
Forming a Si epitaxial layer 14 on the i-substrate 12,
When GaAs is epitaxially grown on top of it, Si
Compared to the case where GaAs was epitaxially grown directly on the substrate 24, the number of crystal defects was reduced to about 1/30. The Si substrate 24 is made of n-Si manufactured by a pulling method, and its impurity concentration is 1018 (ato
m/cm3).

【0014】以上、本発明方法に従って作製されたエピ
タキシャルウェハの一例、並びに結晶欠陥低減に関する
試験結果について説明したが、本発明は他の態様で実施
することもできる。
Although an example of an epitaxial wafer manufactured according to the method of the present invention and test results regarding reduction of crystal defects have been described above, the present invention can also be practiced in other embodiments.

【0015】例えば、前記実施例では化合物半導体とし
てGaAsをエピタキシャル成長させる場合について説
明したが、InPなどの他の化合物半導体をSi基板上
に形成する場合にも本発明は同様に適用され得る。
For example, in the above embodiment, the case where GaAs is epitaxially grown as a compound semiconductor has been described, but the present invention can be similarly applied to the case where other compound semiconductors such as InP are formed on a Si substrate.

【0016】また、前記実施例ではMOCVD法を用い
て化合物半導体をエピタキシャル成長させる場合につい
て説明したが、分子線エピタキシー法などの他のエピタ
キシャル成長法を採用することもできる。
Further, in the above embodiment, the case where a compound semiconductor is epitaxially grown using MOCVD method has been described, but other epitaxial growth methods such as molecular beam epitaxy method can also be adopted.

【0017】また、前記GaAsのエピタキシャル成長
工程はあくまでも一例で、例えばバッファ層16の代わ
りにGaP層、GaP/GaAsP歪超格子層、GaA
sP/GaAs歪超格子層を順次エピタキシャル成長さ
せて、SiとGaAsとの格子不整合を緩和することも
できるなど、必要に応じて適宜変更され得る。要するに
、Si基板上にSiをエピタキシャル成長させて、その
上に化合物半導体をエピタキシャル成長させるようにな
っておれば良く、その化合物半導体のエピタキシャル成
長に際しては種々の手法が採用され得るのである。
Further, the GaAs epitaxial growth process is just one example; for example, instead of the buffer layer 16, a GaP layer, a GaP/GaAsP strained superlattice layer, a GaAs
The method may be modified as necessary, such as by sequentially growing sP/GaAs strained superlattice layers epitaxially to alleviate the lattice mismatch between Si and GaAs. In short, it is sufficient to epitaxially grow Si on a Si substrate and then epitaxially grow a compound semiconductor thereon, and various methods can be adopted for epitaxially growing the compound semiconductor.

【0018】また、前記実施例ではSi基板12上にS
iエピタキシャル層14を形成した後、一旦反応炉から
取り出して室温に放置する場合について説明したが、G
aAsをエピタキシャル成長させるMOCVD装置にS
iH4 のガスタンクを設けて、Siのエピタキシャル
成長とGaAsのエピタキシャル成長とを連続的に行う
ようにすることも可能である。
Further, in the above embodiment, S is formed on the Si substrate 12.
Although the case where the i-epitaxial layer 14 is formed, it is taken out of the reactor and left at room temperature has been explained,
S is installed in MOCVD equipment for epitaxial growth of aAs.
It is also possible to provide an iH4 gas tank so that Si epitaxial growth and GaAs epitaxial growth can be performed continuously.

【0019】また、前記実施例ではSiH4 を熱分解
してSiをエピタキシャル成長させる場合について説明
したが、SiH2 Cl2を熱分解してSiを気相成長
させたり、SiCl4 を水素還元してSiを気相成長
させたりするなど、他のエピタキシャル成長手段を採用
することもできる。
Further, in the above embodiment, the case where Si is epitaxially grown by thermally decomposing SiH4 is explained, but it is also possible to thermally decompose SiH2Cl2 to grow Si in a vapor phase, or reduce SiCl4 with hydrogen to grow Si in a vapor phase. Other epitaxial growth methods can also be employed, such as by growing.

【0020】その他一々例示はしないが、本発明は当業
者の知識に基づいて種々の変更,改良を加えた態様で実
施することができる。
Although no other examples are given, the present invention can be implemented with various modifications and improvements based on the knowledge of those skilled in the art.

【0021】[0021]

【発明の効果】以上詳述したように、Si基板上にSi
をエピタキシャル成長させてSiエピタキシャル層を形
成し、そのSiエピタキシャル層の上に化合物半導体を
エピタキシャル成長させる本発明方法によれば、前述の
試験結果から明らかなように、Si基板上に直接化合物
半導体をエピタキシャル成長させる場合に比較して化合
物半導体内の結晶欠陥が低減されるのである。
Effects of the Invention As detailed above, Si
According to the method of the present invention, in which a Si epitaxial layer is formed by epitaxial growth, and a compound semiconductor is epitaxially grown on the Si epitaxial layer, the compound semiconductor is epitaxially grown directly on the Si substrate, as is clear from the above test results. The number of crystal defects in the compound semiconductor is reduced compared to the case where the crystal defects are present in the compound semiconductor.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

【図1】本発明方法に従って作製されたエピタキシャル
ウェハの一例を説明する図である。
FIG. 1 is a diagram illustrating an example of an epitaxial wafer manufactured according to the method of the present invention.

【図2】Si基板上に直接GaAsをエピタキシャル成
長させたエピタキシャルウェハの一例を説明する図であ
る。
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of an epitaxial wafer in which GaAs is epitaxially grown directly on a Si substrate.

【図3】図1および図2のエピタキシャルウェハにおけ
るGaAsのエピタキシャル成長工程を説明する加熱温
度のタイムチャートである。
3 is a time chart of heating temperatures illustrating the GaAs epitaxial growth process on the epitaxial wafers of FIGS. 1 and 2; FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

12:Si基板 14:Siエピタキシャル層 12:Si substrate 14: Si epitaxial layer

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】  Si基板上に化合物半導体をエピタキ
シャル成長させる方法であって、前記Si基板上にSi
をエピタキシャル成長させてSiエピタキシャル層を形
成する工程と、該Siエピタキシャル層の上に前記化合
物半導体をエピタキシャル成長させる工程とを含むこと
を特徴とするSi基板上への化合物半導体の結晶成長法
1. A method for epitaxially growing a compound semiconductor on a Si substrate, the method comprising: growing a compound semiconductor on a Si substrate;
A method for growing crystals of a compound semiconductor on a Si substrate, the method comprising the steps of epitaxially growing a Si epitaxial layer to form an Si epitaxial layer, and epitaxially growing the compound semiconductor on the Si epitaxial layer.
JP6902391A 1991-03-08 1991-03-08 Process for growing compound semiconductor crystal on si substrate Pending JPH04280898A (en)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014511815A (en) * 2011-04-07 2014-05-19 エヌアーエスペー スリー/ヴィー ゲーエムベーハー III / VSi Template Manufacturing Method
US9595438B2 (en) 2011-09-12 2017-03-14 Nasp Iii/V Gmbh Method for producing a III/V Si template

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