JP2845464B2

JP2845464B2 - 化合物半導体の成長方法

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Publication number: JP2845464B2
Application number: JP32506188A
Authority: JP
Inventors: 邦紀北原; 信幸大塚; 真人船蔵
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1988-12-20
Filing date: 1988-12-20
Publication date: 1999-01-13
Anticipated expiration: 2014-01-13
Also published as: JPH02167895A

Description

【発明の詳細な説明】［概要］格子定数の異なる物質の基板上に化合物半導体を成長
させる方法に関し、成長面が平坦で成長層の結晶性が優れた化合物半導体
のエピタキシャル層を格子定数の異なる基板上に成長す
ることができる化合物半導体の成長方法を提供すること
を目的とし、Si、Ge、いずれかからなる下地結晶の上に
Asを分子または水素化物の形で供給してAs層を約１原子
層形成する第１準備工程と、次にAlを分子または有機金
属ガスの形で供給してAl層を約１原子層形成する第２準
備工程と、その後、下地結晶と異なる格子定数でAlAsの
格子定数に対して±５％以内の格子不整を持つIII−Ｖ
族化合物半導体を成長する成長工程とを含むように構成
する。

［産業上の利用分野］本発明はエピタキシャル結晶成長に関し、特に格子定
数の異なる物質の基板上に化合物半導体を成長させる方
法に関する。

近年化合物半導体デバイスの進歩に伴い、結晶材料の
大口径化、価格の低下、新しい機能を実現する結晶構造
などが要求されている。このため、基板と成長層の格子
定数が異なるヘテロエピタキシャル結晶の成長技術が要
求されている。その代表といえるのがSi基板の上にGaAs
を成長する技術で、一般にGaAs on Siと呼ばれる。しか
し、このようなヘテロエピタキシャル結晶を作ろうとす
ると、格子定数の違いを克服するために、成長初期に特
殊な工夫をする必要がある。

［従来の技術］以下主としてSi基板上のGaAsのエピタキシャル成長を
例として説明する。

従来のSi基板上のGaAsのエピタキシャル成長技術とし
てMOCVDやMBEを改良した２段階成長と呼ばれるものがあ
る。例えば、ジャパニーズジャーナルオブアプライ
ドフィジックスにアキヤマ他が発表した方法（M.Akiy
ama et al.,Jpn.J.Appl.Phys.23（1984）L843）は以下
のようなものである。

第２図（Ａ）に示すように、まず基板温度を通常の単
結晶成長温度（600〜850℃）よりも低い温度、例えば40
0〜450℃に保って、薄いアモルファスまたは多結晶のGa
Asバッファ層23を成長する。厚さは例えばば約10nm程度
である。この段階ではバッファ層23はアモルファス相ま
たは多結晶相であってエピタキシャル成長層ではない。

次に、基板温度を昇温し、通常の単結晶成長温度、例
えば700℃前後にする。すると、第２図（Ｂ）に示すよ
うにアモルファス相または多結晶相であったバッファ層
23内で固相成長が進み、エピタキシャルな単結晶相に変
化する。

バッファ層23が単結晶化した後、第２図（Ｃ）に示す
ように、その上に必要な厚さのGaAsエピタキシャル層25
を成長する。

Si基板上に直接GaAs層を成長しようとすると、油が水
を弾くような島状の成長が起こり、平坦な面を持つ成長
が困難であることが知られている。上述の二段階成長
は、初めにアモルファス相または多結晶相のバッファ層
を成長することで平坦な成長面を実現するものである。

ところが、二段階成長を用いても、最初の成長層が単
結晶でないためか、良質の結晶を作ることが容易でな
く、高密度の転位が発生したり、成長層表面の平坦化が
悪化したりする。

［発明が解決しようとする課題］電子デバイス用結晶としては、表面が平坦で結晶性の
優れた結晶層が望ましい。表面が平坦でないと加工プロ
セスに問題を生じ易く、結晶性が悪いとキャリア寿命の
低下等を起こしてその材料本来の性能を十分引き出すこ
とが難しく、デバイスの寿命、信頼性も低下させ易い。

上述のように、従来のヘテロエピタキシャル結晶成長
技術で得られる成長層は、成長面の平坦性、成長層の結
晶性の点で必ずしも十分なものではなかった。

従って、この結晶を材料としたデバイスの特性を良く
することができず、特に発光デバイスは寿命が短いとい
った問題を生じていた。

本発明の目的は、成長面が平坦で成長層の結晶性が優
れた化合物半導体のエピタキシャル層を格子定数の異な
る基板上に成長することができる化合物半導体の成長方
法を提供することである。

新たな結晶成長システムを利用することにより、Si上
のGaAsを初めとする格子定数の異なる基板上の化合物半
導体エピタキシャル層の品質、例えば、転位密度をを向
上させることを意図する。

［課題を解決するための手段］本発明によれば、：（１）基板上に目的とする化合物半導体を直接成長する
のではなく、まずAlAsを成長する。

（２）このAlAsの成長において、第１層にAs、第２層に
Alをほぼ１原子層ずつ付ける用に成長原料を基板に供給
する。

第１図（Ａ）〜（Ｄ）に本発明の原理説明図を示す。

第１図（Ａ）において、Si、Geのいずれかからなる下
地結晶１の上にAs層３を約１原子層成長する。この工程
で下地結晶１の表面はほぼ隠れる。

次に第１図（Ｂ）に示すようにAs層３の上にAl層５を
約１原子層成長する。

次に第１図（Ｃ）に示すようにAl層５の上にAlAsまた
は成長させたい目的物のIII−Ｖ族化合物半導体のバッ
ファ層７を成長する。ここで目的物のIII−Ｖ族化合物
半導体とはAlAsの格子定数に対して±５％以内の格子不
整を持つIII−Ｖ族化合物半導体であり、混晶を含む。
目的物のIII−Ｖ族化合物半導体がAsを含まないもので
ある場合はバッファ層成長の冒頭にAsをを１原子層成長
するのが好ましい。

また、As原子層の成長とAl原子層の成長とのサイクル
を複数回繰り返すことが好ましい。

この後、第１図（Ｄ）に示すように目的とするIII−
Ｖ族化合物半導体の層９を必要な厚さ成長する。

なお、不純物をドープしたい場合は例えば成長と同時
に不純物元素を添加すればよい。

また目的とするIII−Ｖ族化合物半導体とはIII−Ｖ族
化合物半導体の混晶も含むものとする。

［作用］格子定数の異なる下地結晶上にまずAlAs分子層を成長
し、その後、AlAsに対して格子定数のずれが５％以内の
III−Ｖ族化合物半導体を成長することにより、格子不
整の影響が緩和される。

また、異種物質上にIII−Ｖ族化合物半導体の結晶を
成長する際は、一般に島状の成長が起こり易い。特に、
下地結晶がSi、Geのような単元素半導体の場合は、基板
内は無極性の共有結合のみであり、その上にイオン性を
持つIII−Ｖ族化合物半導体層を全面に均一に成長する
ことは難しい。下地結晶上にまずAsの１原子層を成長
し、次にAlの１原子層を成長する場合は非常に優れた面
の被覆度を得やすい。これにより島状成長が起こりにく
くなり、その上に平坦な面を持つエピタキシャル層が成
長しやすい。

下地結晶と成長層との格子不整の程度等に応じて適当
にバッファ層７を設けるのが好ましい。

従来の２段階成長と異なり、下地基板上に直接単結晶
相のIII−Ｖ族化合物半導体層を成長することができ
る。

［実施例］第３図（Ａ）〜（Ｈ）を参照して、Si基板上にGaAsエ
ピタキシャル層を成長する実施例を説明する。

まず、第３図（Ａ）に示すように、下地結晶として
（100）面または（100）面から10度以内傾いた面が表面
に出るSi基板11を用意する。

結晶成長は、原子層成長（ALE）と有機金属気相エピ
タキシャル成長（MOCVD）のできる装置を用い、全て気
相で行った。用いた原料ガスは、As原子がアルシン（As
H₃：水素で10％に希釈）、Ga原子がトリメチルガリウム
（TMG）、Al原子がトリメチルアルミニウム（TMA）であ
る。

単原子層の成長は、加熱した基板11上に例えば単一の
Ｖ族元素の原料ガスを選択的に流し、停止後反応管内を
水素で置換し、その後別のIII族元素の原料ガスを流
し、再び反応管内を水素で置換するサイクルを繰り返し
て行った。

結晶成長の手順を以下により詳細に説明する。

（１）第３図（Ａ）に示すようなSi基板11を原子層成長
（ALE）と有機金属気相堆積（MOCVD）とを選択的に実行
できる成長装置に収納し、水素気流中で約20分間、約10
00℃で加熱する。これによりSi基板11の表面の清浄化を
行う。清浄化後基板温度を500℃に降温する。

（２）第３図（Ｂ）に示すようにAs源としてのアルシン
を約10秒間供給し、その後アルシンの供給を停止し、水
素を約10秒間供給する。これにより約１原子層のAs層13
が成長し、反応管内のアルシンないしAsはパージされ
る。

（３）次に第３図（Ｃ）に示すように、Al源としてのTM
Aを約７秒間供給し、その後、TMAの供給を停止し、水素
を約10秒間供給する。これによりAl層15が成長し、反応
管内のTMAないしAlはパージされる。

ところで、As原子層13上のAl原子層15は第３図（Ｄ）
に模式的に示すように、下地As層と較べて約２倍の面内
密度を有する。このため優れた面被覆率が達成されると
考えられる。

（４）この２倍密度のAl原子層の上に、第３図（Ｂ）と
同様の工程で次のAs層を成長させる。すると、Al原子は
少なくとも１層の上下は自由に動き回ると考えられるの
で、AlAsが結合するに従い、下の２倍密度のAl層15から
上にAlが供給されると考えられる。すなわち元のAl層15
は本来の密度になり、上にAs層13−２、Al層15−２、As
層13−３が成長する。すなわち、第３図（Ｃ）と（Ｅ）
の２工程１サイクルで２分子層が成長することになる。

（５）さらに第３図（Ｃ）と同様の工程によって、第３
図（Ｆ）に示すようにTMAを供給してAl層を成長させる
と２倍の面密度のAl層15−３が成長する。

（６）このようにして、As原子層とAl原子層を交互に約
50サイクル成長して、第３図（Ｃ）に示すようなAlAsの
バッファ層17を成長する。

ここで反応管内圧力は20torr、流量はAsH₃が480scc
m、TMGが40sccm、全流量が2slmになるように水素の流量
を調製する。

このような原子層エピタキシについては、例えば、オ
ゼキ他の発表（M.Ozeki et al.,Extended Abstracts of
the 19th Conf.on Solid State Devices and Material
s,Tokyo,1987,p.475）を参照することができる。

（７）次に温度を650℃に上げて第３図（Ｈ）に示すよ
うにGaAsをMOCVDで成長してエピタキシャル成長層19を
得る。ここで反応管内圧力は20torr、流量はTMGが2scc
m、AsH₃が40sccmである。MOCVDによる成長層19の厚さが
デバイスの必要な値（例えば３μｍ）に達したら成長を
停止する。

このようにして得たエピタキシャル成長層は優れた結
晶性を示した。従来の２段階成長で10⁸個／cm²台あった
転位密度が本実施例のサンプルの場合、10⁶個／cm²台に
減少した。また表面の平坦性が大幅に向上した。

第４図に本発明の別の実施例を示す。上述の実施例で
は最初にAlAsを100分子層成長しているが、AlAsを２分
子層成長した後はGaAsの原子層エピタキシに移行しても
よい。第４図において、11は（100）面Si基板であり、
この上にAs原子層、Al原子層、As原子層を成長させると
上述のようにAlAs2分子層14とさらに１つのAs原子層が
成長する。その後はこのAs原子層上にGa原子層、As原子
層と交互に成長させることにより、原子層生長によるGa
Asバッファ層16が得られる。ある程度のバッファ層16を
原子層成長した後は、温度を上げMOCVDで必要な厚さのG
aAs層19を成長させる。GaAsやAlAsを原子層オーダで制
御しながら成長できる方法は上述のような原子層エピタ
キシに限らない。目的とする原子層の成長ができる方法
であれば良く、例えばMBEを変形したマイグレーション
増進エピタキシ（migration enhanced epitaxy）（Y.Ho
rikoshi et al.:Jpn.J.Appl.Phys.25（1986）L868）やM
OCVDを変形した流量変調エピタキシ（flow−rate modul
ated epitaxy）（N.Kobayashi et al.:Jpn.J.Appl.Phy
s.25（1986）L513）等でも、同様な成長ができる。ま
た、通常のMOCVDやMBEの装置でも原理的には実施でき
る。これらの成長方法の差は、１原子層成長に対する完
全性であり、この点に関して現在の技術レベルでは原子
層エピタキシが最も優れているので結晶成長上好まし
い。

原子層成長の際不純物を添加することもできる。例え
ばAl層中にSiを添加してｎ型にしたり、As層中にSiを添
加してｐ型にしたりしてもよい。

また成長層の成長もMOCVDに限らず、液相、気相の種
々の方法を利用できる。

ところでSi上のGaAsを例として述べてきたが、他の下
地結晶、成長結晶を用いることもできる。特に、下地結
晶がSi、Geのような単元素半導体の場合に、島状成長を
防止し、平坦な面を持つエピタキシャル層を成長する効
果が大きい。本発明の最も特徴的な点はAs原子層上に約
２倍の面密度を持つAl原子層を成長し、この上に成長を
続けることである。

GaAsを成長させる場合、AlAsはほぼGaAsと格子整合す
る物質であり、Siは約４％位GaAsより小さい格子定数を
持つ。一方InPは約４％位GaAsより大きい格子定数を持
つ。

Siの上にInPを成長する場合は、Si基板の上に２分子
層以上のAlAs分子層を付け、次にGaAsを例えば１μｍ成
長した後、InPを所定の厚みまで成長する。

単元素半導体の基板の場合よりも効果は低いが、下地
結晶として、GaP、GaAs、In_xGa_1-xAs（Ｘ≦0.02）等を
用いることもできる。また成長層は、AlAs分子層との
なじみがよい、AlAsとの格子不整が５％以下の閃亜鉛型
結晶構造を持つIII−Ｖ族化合物半導体（混晶を含む）
を成長することができる。

［発明の効果］以上説明したように、本発明によれば基板と成長層の
格子定数が異なるヘテロエピタキシャル結晶の成長に対
して最初から単結晶が成長できる。

このため、成長層の品質を向上させる効果があり、こ
れを材料としたデバイスの性能向上に寄与するところが
大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）〜（Ｄ）は本発明の原理説明図であり、そ
れぞれ結晶の断面図、第２図（Ａ）〜（Ｃ）は従来技術の２段階成長によるSi
上のGaAs成長を説明する断面図、第３図（Ａ）〜（Ｈ）は本発明の実施例によるSi上のGa
As成長を説明する断面図、第４図は本発明の他の実施例によるSi上のGaAs成長を説
明する断面図である。図において、１……下地結晶３……As層５……Al層７……AlAsまたは目的物のバッファ層９……目的物の層 11……Si基板 13……As層 15……Al層 13−ｉ……バッファ層内のAs層 15−ｉ……バッファ層内のAl層 17……バッファ層 19……エピタキシャル成長層 14……AlAs2分子層 16……GaAsバッファ層 21……Si基板 23……GaAsバッファ層 25……GaAs単結晶

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平１−296672（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 21/203 H01L 21/205 C30B 23/00 - 25/00 C30B 29/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】Si、Geのいずれかからなる下地結晶（１）
の上にAsを分子または水素化物の形で供給してAs層
（３）を約１原子層形成する第１準備工程と、次にAlを分子または有機金属ガスの形で供給してAl層
（５）を約１原子層形成する第２準備工程と、その後、下地結晶と異なる格子定数でAlAsの格子定数に
対して±５％以内の格子不整を持つIII−Ｖ族化合物半
導体（９）を成長する成長工程とを含む化合物半導体の
成長方法。
【請求項２】前記第２準備工程に続いて、さらにAsを分
子または水素化物の形で供給し、下地結晶上にストイキ
オメトリ以上に付着していたAlと２分子層のAlAs層を作
る工程を含む請求項１記載の化合物半導体の成長方法。
【請求項３】前記第１準備工程と第２準備工程との対を
１準備サイクルとし、複数回の準備サイクルを行った
後、前記成長工程に移る請求項１の化合物半導体の成長
方法。