JPH0496320A - 薄膜半導体結晶成長法 - 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、Ｓ　ｉ、ＧａＡｙｓ等の単結晶基板上へ高品
質なＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体薄膜層を成投させる方法
に関するものである。

［従来の技術　コ １１１−Ｖ族化合物半導体は、半導体レーザ、発光ダイ
オードなどのオブト工１／クトロニクスデバイスの材料
として、また、超高速で動作が可能なトランジスタの材
料ど；２で、半導体産業の中で近年益々その重要性を増
１．つつある。

これらのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体林料の中で、最も重
要な材料であるＧａＡｓおよびＡｌ２Ｇ　ａ　Ａ　ｓに
着目すると、上記各種デバイスは、Ｇ　ａ　Ａ　Ｓ基板
結晶上にエピタキシャル成長法により形成された１０μ
ｍ以下の厚さの高品質なＧａＡｓ、Ａｔ！ＧａＡｓ薄層
の中に形成される。

これらのデバイスはＳｉを用いたものに比べて特性的に
圧倒的に優れているにも拘らず、半導体産業のうち電子
デバイス部門に限って言えば、これらの材料のシェアは
主流を占めるＳｉに比べて極くわずかに過ぎない。その
理由は、以下の３点に集約される。

（ｉ）基板材料（Ｇ、ａＡｓ）が高価である。

（ｉｆ）基板材料（ＧａＡｓ）の機械的強度が低い。

（ｉｉｉ）基板材料（ＧａＡｓ）の結晶品質がＳｉに比
べて不十分である。

係る事情は、他のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料である
Ｉ　ｎＰｓ　Ｉ　ｎＧａＡｓ等においても同じである。

前記問題点に対して、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体に比べ
て圧倒的に安価であり、結晶学的な完全性がより高く、
かつ機械的強度が優れているＳｉを基板として用い、　
その上に薄いＧａＡｓ　（またはＩｎＰ等のＩＩＩ−Ｖ
族化合物半導体層）を成長させ、それを新たなＩＩＩ−
Ｖ族化合物半導体として用いる方法が提案され、これま
でに多くの研究が行われてきた。

しかし、例えば、Ｓｉ基板上のＧａＡｓの成長にのみに
限って述べれば、両者の間で、格子定数と、熱膨張係数
および結晶構造（主として、共有結合結晶かイオン結合
結晶かという極性の違い）に、大きな相違がある。この
ため、エピタキシャル成長したＩＩＩ−Ｖ族化合物半導
体には格子不整合に基づくミスフィツト転位、および成
長温度からの冷却に伴う歪やその他の原因によって生じ
る貫通転位が多−く、その結晶学的な品質は極めて低い
。

このため、Ｓｉ基板上に成長させたＧａＡｓを用いて各
種デバイスをつくっても、その特性は低く、また、現時
点ではＧａＡｓ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板につ
いて述べれば、Ｓｉ基板と比較して基板そのものの転位
密度が未だに高く、これが薄膜層中の貫通転位となり、
エピタキシャル層の結晶性を劣化させているという現状
は見逃せない。

転位密度の低減は、これまで様々な方法が検討されてき
たが、最も効果的であったのは、熱処理による転位の会
合、消滅や、超格子層の導入による転位の上方伝播阻止
などの方法である。ここで、超格子層とは、多層エピタ
キシャル成長層の各層の厚みが１００Ａ程度の小さい場
合を示すものである。なお、前記各層の厚みが数百へと
いう比較的厚い場合は、交互層と称される。

ところで、これまでに前記の方法によって到達できた最
良の結果は、Ｓｉ基板上に４μｍ程度のＧａＡｓを成長
させたもので、その転位密度は１〜２Ｘ１０’／ｃｍ”
である。　この値は通常のＧａＡｓ基板゛の値の約１０
００倍であり、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の本来の特性
を生かしたデバイス制作の実用に用いることは殆ど不可
能である。

も゛し、転位め−ないＧａＡｓ薄膜がＳｉ上に成長でき
れば、半導体市場におけるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の
シェアは飛躍的な増大が期待でき、Ａｓなど寡少な資源
の省資源化等、その効果は□著しいものとなるが、−上
記の理由により、この技術は実現していないのが現状で
ある。

［発明が解決しようとする課題　］ Ｓｉ単結晶基板上のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の成長に
おいて、前記のような超格子層の導入が転位密度低減の
有力な手法として知られている。

第４図は、その−例としてＳｉ基板１上に成長させたＧ
ａＡｓ薄膜層２中にＩｎＧａＡｓ薄膜３ａとＧａＡｓ薄
膜３ｂとからなる超格子層３を形成した場合の転位４の
伝播の様子を断面図として模式的の示したものである。

転位４は、超格子層３の歪や、超格子層３界面に形成さ
れるミスフィツト転位６との相互作用によって、その多
くが基板１面と平行な方向に曲折し、上方への伝播が阻
止される。転位４の曲折５は、このように超格子層３の
歪または超格子層３界面のミスフィツト転位６との相互
作用で起こると考えられているが、超格子層３による転
位の曲折５による薄膜層２の低転位密度化には限度があ
り、十分に転位密度を下げることができない。

その理由は、通常ＧａＡｓ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導
体の結晶成長では、少なくとも６００℃程度の基板温度
を必要と！−１こうした温度で１．を歪超格子層を構成
する分子層の厚さが臨界膜厚を越えると、容易にミスフ
ィツト転位を発生１−１格子歪を緩和するために、超格
子層３のＪ一部界面に発生するミスフィツト転位が相互
作用等により新たに表面方向へ貫通する転位４を生じる
からである。超格子層３の名薄膜の厚さや、超格−子層
３を構成ｊる利料を適宜選択すれば、このようなミスフ
ィツト転位の発生を抑えることは可能であるが、一方で
超格子層３の歪が小さくなり、転位の曲折５が起こりに
くく、超格子層３を貫通ｌ、５、さらに薄膜層２表面へ
伝播する転位４の割合が増λることむ−なる。

本発明の目的は、Ｓｉ、ＧａＡｓ等の単結晶基板上にＩ
ＩＮ−Ｖ族化合物半導体を成膜させる場合に、ＩＩＩ−
Ｖ族化合物半導体薄膜層中に発生ずる高密度の転位の伝
播な成長途中で停止させ、表面が低転位密度のＩＩＩ−
Ｖ族化合物半導体薄膜の制作を可能にする技術を提供す
ることにある。

［課題を解決するための手段おノニび作用　］前記課題
を解決するために、本発明は、以下のような構成を有す
る。

すなわち、本発明に係る薄膜半導体結晶成長法は、半導
体単結晶基板」−に、ＩＩＮ−Ｖ族化合物半導体おＪ−
びそれらの混晶体を成長、成膜させるにおいて、この半
導体薄膜層の中間部分に、２種類の異なるＩＩＩ−Ｖ族
化合物半導体薄膜を交互に積層してなる交互層または超
格子層と呼称される格子歪を内包した構造を、４００℃
以下の低い基板温度下で形成することを特徴とする。

以下に、本発明方法を図面を参照１〜で詳しく説明する
。

本発明は、先に出Ｈされた特開昭（’）２−２２２６２
８を応用することによって容易に達成することができる
１、この特開昭（’）２−２２２６２８に記載の技術は
、基板に２種の原料を交互に供給することにノ、って化
合物半導体を結晶成長させて基板上に薄膜を得る方法で
あり、この交互供給成長方法では、通常の結晶成長法と
比較１．て大幅な基板温度の低減が可能となるという特
徴が得られる。

この交互供給成長方法を本発明に適用プる場合、第１図
に示すように、単結晶基板１上にＩＩＩ族原判２ＡとＶ
族原判２Ｂとを交互に供給することによりＩＩＩ−Ｖ族
化合物半導体を結晶成ｆｉ＝　８ぜてＩＩＩ−Ｖ族化合
物半導体薄膜層２を得ることになる。

このような成長法を半導体薄膜層中に形成する超格子層
の成長に用いることで、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体薄膜
層の中間部分に超格子Ｊ！１！（または交互層）の形成
を低温（４００℃以下）で行うという本発明の主張点が
可能となる。このような低温条件で超格子層（Ｊ−たけ
交互層）を半導体薄膜層の中間部分に形成することによ
り、臨界膜厚に達１．でもミスフィツト転位を発生させ
ずに、歪を内在した超格子層くまたは交互層）を得るこ
とができ、その結果、表面に歪のない半導体薄膜層を彫
結晶基板上に得ることができる。

第２図は、本発明に従って低温で超格子層３を化合物半
導体薄膜層２中に導入１−だ場合の半導体薄膜層２中に
おける転位伝播の様子を断面図として模式的に示したも
のである。４００℃以下”で超格子層３を形成すること
にＪ、って、超格子層３の上部界面でのミスフィツト転
位の発生を抑えつつ、超格子層３に下部の化合物半導体
薄膜層２中の転位を曲げ得るに十分な歪みを内包さセる
ことができるため、はとＡ７ど完全に下部の半導体薄膜
層２中の転位の伝播を超格子層３で阻止でき、転位密度
の低い表面層（上部の半導体薄膜層２）を得る。−とが
できる。

［実施例　］ 第１図に示！−だ交互供給（特開昭６２−２２２６２８
）による結晶成長法によりＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を
ＩＩＩ族原料と■族原料から５１基板上にＧ　ａＡｓ薄
膜層を成長させ、その中にＩｎＧａＡｓ薄膜どＧａＡｓ
薄膜とからなる超格子層を導入１〜だ場合をもって実施
例の説明を行う。

通常、ＧａＡｓ等の１１１−Ｖ族化ａ物半導体の結晶成
長では、前記したように少なくとも６００℃程度の基板
温度を必要とするのに対し、この成長方法では通常の結
晶成長法でほとんど不可能であった３００℃程度の低温
での結晶成長が可能となる。

第３図は、前記成長法により、基板温度３００℃で、Ｓ
ｉ基板ｌ上にＧａ、Ａｓ分子線の交互供給で成長させた
ＧａＡｓ薄膜層２中に、Ｇａ。

ＩｎおよびＡｓ分子線の交互供給により成長させたＩ　
ｎ０１Ｇａ０．Ａｓ薄膜３ａと、　ＧａおよびＡｓ分子
線の交互供給で成長させたＧａＡｓ薄膜３ｂとで構成さ
れる超格子層３を導入した様子を模式的に示したもので
ある。なお、この第３図は実質的に前記第２図と同一内
容を示すものであるが、第２図が特に材料を限定せずに
転位伝播の抑制作用を強調して示したものであるのに対
し、この第３図は実施例そのもののを直接示すものであ
る。　また、Ｉｎ、、Ｇａ、、Ａｓ薄膜３ａおよびＧａ
Ａｓ薄膜３ｂの各々の厚さは、１００Ａであり、周期は
１０周期であった。

得られた半導体薄膜層の透過型電子顕微鏡による断面観
察の結果では、はとんどの転位が超格子層３の下部界面
で曲げられ、かつ、高温成長に見られるような超格子層
３の上部界面でのミスフィツト転位は、観察されなかっ
た。

こうした効果は、ＧａＡｓに限らず、他のＩＩＩ−Ｖ族
化合物半導体材料でも認められ、　　またＧａＡｓなど
Ｓｉ以外の単結晶基板を用いた場合にも認められた。

前記のように低温成長した超格子層３はＩＩＩ−Ｖ族化
合物半導体薄膜層２の転位の伝播を阻止し、低転位密度
のエピタキシャル層（半導体薄膜層２）表面を得る上で
極めて有効なことが確認された。

こうした低温成長を実現するためには原料交互供給法を
用いて、成長時の基板温度を低減することが重要なポイ
ントとなる。

以上説明した実施例は、本発明の一実施態様であり、本
発明にはその他に様々な変形態様があることは明かであ
り、前記実施例はなんら本発明を限定するものではない
。

［発明の効果　］ 以上説明したように、Ｓｉ、ＧａＡｓ等の単結晶基板上
にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を成長させる薄膜半導体結
晶成長技術において、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体薄膜層
内に発生する転位の伝播が、この半導体薄膜層の中間部
分に低温成長させた超格子層により阻止することができ
るため、表面における転位密度が低いＩＩＩ−Ｖ族化合
物半導体薄膜層を容易に作製することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を基板上にＩＩＩ族
原料および■族原料の交互供給で結晶成長させる様子を
示した模式図、 第２図は本発明方法に従って単結晶基板上に成長させた
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体薄膜層の中間部分に超格子層
を形成した場合の転位伝播の様子を示した模式図、 第３図は本発明の実施例を示すもので、Ｓｉ単結晶基板
上に成長させたＧａＡｓ薄膜層中にＩ　ｎ、、Ｇａ、、
Ａｓ薄膜とＧａＡｓ薄膜とで構成される超格子層を導入
した様子を模式的に示した模式図、 第４図はＳｉ基板上に成長させたＧａＡｓ１膜層の中間
部分に従来技術によりＩ　ｎＧａＡｓ薄膜とＧａＡｓ薄
膜とからなる超格子層を形成した場合の転位伝播の様子
を示した模式図である。 ｌ・・・Ｓｉ単結晶基板、 ２・・・ＧａＡｓ薄膜層、 ３　・・−Ｉ　ｎ、、Ｇ　ａ、、Ａｓ薄膜とＧ　ａＡｓ
薄膜とで構成される超格子層、 ３　ａ　・・・Ｉ　ｎ、、Ｇａ、、Ａｓ薄膜、３ｂ・・
・ＧａＡｓ薄膜。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 半導体単結晶基板上に、III−Ｖ族化合物半導体および
   それらの混晶体を成長させてIII−Ｖ族化合物半導体薄
   膜層を得る薄膜半導体結晶成長法において、 前記III−Ｖ族化合物半導体薄膜層の中間部分に、２種
   類の異なるIII−Ｖ族化合物半導体薄膜を交互に積層し
   た超格子層もしくは交互層と呼称される格子歪を内包し
   た構造を４００℃以下の低い基板温度で形成することを
   特徴とする薄膜半導体結晶成長法。