半導体基板、電子デバイス、および半導体基板の製造方法

【課題】電子デバイスのスイッチング速度等の性能を向上させる。半導体基板の結晶性を向上させる。
【解決手段】ベース基板と、絶縁層と、Ｓｉ結晶層とをこの順に有する半導体基板であって、Ｓｉ結晶層上に化合物半導体の結晶成長を阻害する阻害層が設けられ、阻害層はＳｉ結晶層にまで貫通する開口を有し、開口の内部にシード結晶を備え、化合物半導体はシード結晶に格子整合または擬格子整合している半導体基板を提供する。サブストレートと、サブストレート上に設けられた絶縁層と、絶縁層上に設けられたＳｉ結晶層と、Ｓｉ結晶層上に設けられ化合物半導体の結晶成長を阻害する阻害層であって、Ｓｉ結晶層にまで貫通する開口を有する阻害層と、開口の内部に設けられたシード結晶と、シード結晶に格子整合または擬格子整合する化合物半導体と、化合物半導体を用いて形成された半導体デバイスとを備える電子デバイスを提供する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板、電子デバイス、および半導体基板の製造方法に関する。本発明は、特に、安価なＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いて、絶縁膜上に結晶性の優れた化合物半導体結晶薄膜を形成した半導体基板、電子デバイス、および半導体基板の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＡｓ系等の化合物半導体結晶を用いた電子デバイスとして、ヘテロ接合を利用する各種の高機能電子デバイスが開発されている。化合物半導体結晶の結晶性が電子デバイスの性能を左右するので、良質な結晶薄膜が求められている。ＧａＡｓ系の化合物半導体結晶を用いた電子デバイスを製造する場合、ヘテロ界面での格子整合等の要請から、ＧａＡｓあるいはＧａＡｓと格子定数が極めて近いＧｅ等のベース基板の上に薄膜が結晶成長される。
【０００３】
特許文献１には、格子不整合を有する基板または転位欠陥密度の大きな基板の上に成長されたエピタキシャル領域の限定区域を有する半導体デバイスが記載されている。非特許文献１には、ラテラルエピタキシャルオーバーグロース法によるＧｅで被覆されたＳｉ基板上の低転位密度ＧａＡｓエピタキシャル層が記載されている。非特許文献２には、Ｓｉ基板上に高品質のＧｅエピタキシャル成長層（以下、Ｇｅエピ層という場合がある。）を形成する技術が記載されている。当該技術では、Ｇｅエピ層をＳｉ基板上に領域を限定して形成した後、Ｇｅエピ層にサイクル熱アニールを施すことで、Ｇｅエピ層の平均転位密度が２．３×１０^６ｃｍ^−２になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平４−２３３７２０号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｂ．Ｙ．Ｔｓａｕｒｅｔ．ａｌ．「Ｌｏｗ−ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ−ｄｅｎｓｉｔｙＧａＡｓｅｐｉｌａｙｅｒｓｇｒｏｗｎｏｎＧｅ−ｃｏａｔｅｄＳｉｓｕｂｓｔｒａｔｅｓｂｙｍｅａｎｓｏｆｌａｔｅｒａｌｅｐｉｔａｘｉａｌｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ」、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．４１（４）３４７−３４９、１５Ａｕｇｕｓｔ１９８２．
【非特許文献２】Ｈｓｉｎ−ＣｈｉａｏＬｕａｎｅｔ．ａｌ．「Ｈｉｇｈ−ｑｕａｌｉｔｙＧｅｅｐｉｌａｙｅｒｓｏｎＳｉｗｉｔｈｌｏｗｔｈｒｅａｄｉｎｇ−ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎｄｅｎｓｉｔｉｅｓ」、ＡＰＰＬＩＥＤＰＨＹＳＩＣＳＬＥＴＴＥＲＳ、ＶＯＬＵＭＥ７５，ＮＵＭＢＥＲ１９、８ＮＯＶＥＭＢＥＲ１９９９．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＧａＡｓ系の電子デバイスは、ＧａＡｓ基板、あるいは、Ｇｅ基板等のＧａＡｓに格子整合させることが可能な基板上に形成されることが好ましい。しかし、ＧａＡｓ基板あるいはＧｅ基板等のＧａＡｓに格子整合できる基板は高価である。さらに、これらの基板の放熱特性は十分でなく、余裕のある熱設計をするためにはデバイスの形成密度を抑制する必要がある。そこで、安価なＳｉ基板を用いて形成されるＧａＡｓ系等の化合物半導体の結晶薄膜を有する良質な半導体基板が求められている。さらに、ＧａＡｓ系の電子デバイスによる高速なスイッチングを実現できる半導体基板が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の第１の形態においては、ベース基板と、絶縁層と、Ｓｉ結晶層とをこの順に有する半導体基板であって、Ｓｉ結晶層上に化合物半導体の結晶成長を阻害する阻害層が設けられ、阻害層はＳｉ結晶層にまで貫通する開口を有し、開口の内部にシード結晶を備え、化合物半導体はシード結晶に格子整合または擬格子整合している半導体基板が提供される。また、化合物半導体の開口に含まれる部分は（√３）／３以上のアスペクト比を有する。
【０００８】
また、シード結晶の化合物半導体との界面は気体のＰ化合物により表面処理されている。シード結晶は、例えば、結晶成長したＳｉ_ｘＧｅ_１−ｘ（０≦ｘ＜１）結晶または５００℃以下の温度で結晶成長したＧａＡｓを含む。化合物半導体は３−５族化合物半導体または２−６族化合物半導体である。化合物半導体は、３−５族化合物半導体であり、３族元素としてＡｌ、Ｇａ、Ｉｎのうち少なくとも１つを含み、５族元素としてＮ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂのうち少なくとも１つを含んでもよい。
【０００９】
開口の底面積は１ｍｍ²以下である。開口の底面積は１６００μｍ²以下であってもよい。開口の底面積は９００μｍ²以下であってもよい。開口の底面の最大幅は８０μｍ以下である。開口の底面の最大幅は４０μｍ以下であってもよく、５μｍ以下であってもよい。阻害層の外形の最大幅は４２５０μｍ以下である。阻害層の外形の最大幅が４００μｍ以下であってもよい。
【００１０】
ベース基板は（１００）面または（１００）面と結晶学的に等価な面から傾いたオフ角を有する主面を有し、開口の底面が長方形であり、長方形の一辺が、ベース基板の＜０１０＞方向、＜０−１０＞方向、＜００１＞方向、および＜００−１＞方向のいずれか一つと実質的に平行である。ベース基板が（１１１）面または（１１１）面と結晶学的に等価な面から傾いたオフ角を有する主面を有し、開口の底面が六角形であり、六角形の一辺が、ベース基板の＜１−１０＞方向、＜−１１０＞方向、＜０−１１＞方向、＜０１−１＞方向、＜１０−１＞方向、および＜−１０１＞方向のいずれか一つと実質的に平行であってもよい。
【００１１】
半導体基板は、化合物半導体が、シード結晶上で、阻害層の表面よりも凸に結晶成長したシード化合物半導体結晶と、シード化合物半導体結晶を核として阻害層に沿ってラテラル成長したラテラル成長化合物半導体結晶とを有する半導体基板が提供されてもよい。ラテラル成長化合物半導体結晶は、シード化合物半導体結晶を核として阻害層に沿ってラテラル成長した第１化合物半導体結晶と、第１化合物半導体結晶を核として阻害層に沿って第１化合物半導体結晶と異なる方向にラテラル成長した第２化合物半導体結晶とを有する。例えば、ラテラル成長化合物半導体結晶は３−５族化合物半導体または２−６族化合物半導体である。
【００１２】
また、阻害層が複数の開口を有し、複数の開口のそれぞれの内部に設けられたシード結晶に格子整合または擬格子整合している化合物半導体は、隣接する開口の内部に設けられたシード結晶に格子整合または擬格子整合している化合物半導体と接しないでもよい。例えば、複数の開口は等間隔に設けられている。
【００１３】
半導体基板は、化合物半導体がＰを含む３−５族化合物半導体からなるバッファ層を含み、バッファ層がシード結晶に格子整合または擬格子整合していてもよい。また、半導体基板は、Ｓｉ結晶層におけるシード結晶に覆われていない部分に設けられたＳｉ半導体デバイスを備えてもよい。さらに、半導体基板は、ベース基板が単結晶のＳｉであり、ベース基板におけるシード結晶が設けられていない部分に設けられたＳｉ半導体デバイスを備えてもよい。
【００１４】
Ｓｉ結晶層のシード結晶が形成される面は、（１００）面、（１１０）面、（１１１）面、（１００）面と結晶学的に等価な面、（１１０）面と結晶学的に等価な面、および（１１１）面と結晶学的に等価な面、から選択されたいずれか一つの結晶面から傾いたオフ角を有する。オフ角が２°以上６°以下であってよい。
【００１５】
本発明の第２の形態においては、サブストレートと、サブストレート上に設けられた絶縁層と、絶縁層上に設けられたＳｉ結晶層と、Ｓｉ結晶層上に設けられ化合物半導体の結晶成長を阻害する阻害層であって、Ｓｉ結晶層にまで貫通する開口を有する阻害層と、開口の内部に設けられたシード結晶と、シード結晶に格子整合または擬格子整合する化合物半導体と、化合物半導体を用いて形成された半導体デバイスとを備える電子デバイスが提供される。化合物半導体が、シード結晶上で、阻害層の表面よりも凸に結晶成長したシード化合物半導体結晶と、シード化合物半導体結晶を核として阻害層に沿ってラテラル成長したラテラル成長化合物半導体結晶とを有してもよい。
【００１６】
本発明の第３の形態においては、ベース基板と、絶縁層と、Ｓｉ結晶層とをこの順に有するＳＯＩ基板を準備する段階と、Ｓｉ結晶層上に、化合物半導体の結晶成長を阻害する阻害層を設ける段階と、Ｓｉ結晶層にまで貫通する開口を阻害層に形成する段階と、開口の内部でシード結晶を成長させる段階と、シード結晶に格子整合または擬格子整合する化合物半導体を結晶成長させる段階とを備える半導体基板の製造方法が提供される。開口を形成する段階は、複数の開口を等間隔に形成する段階を含んでよい。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】半導体基板１０の断面の一例を概略的に示す。
【図２】半導体基板２０の断面の一例を概略的に示す。
【図３】一実施形態に係る電子デバイス１００の平面例を示す。
【図４】図３におけるＡ−Ａ線断面を示す。
【図５】図３におけるＢ−Ｂ線断面を示す。
【図６】電子デバイス１００の製造過程における断面例を示す。
【図７】電子デバイス１００の製造過程における断面例を示す。
【図８】電子デバイス１００の製造過程における断面例を示す。
【図９】電子デバイス１００の製造過程における断面例を示す。
【図１０】電子デバイス１００の製造過程における断面例を示す。
【図１１】電子デバイス１００の他の製造過程における断面例を示す。
【図１２】電子デバイス１００の他の製造過程における断面例を示す。
【図１３】電子デバイス２００の平面例を示す。
【図１４】電子デバイス３００の平面例を示す。
【図１５】電子デバイス４００の断面例を示す。
【図１６】電子デバイス５００の断面例を示す。
【図１７】電子デバイス６００の断面例を示す。
【図１８】電子デバイス７００の断面例を示す。
【図１９】本実施形態の半導体基板８０１の平面例を示す。
【図２０】領域８０３を拡大して示す。
【図２１】半導体基板８０１の断面例を、阻害層８０４で被覆される被覆領域の開口８０６に形成されるＨＢＴと共に示す。
【図２２】作成した半導体基板の断面の模式図を示す。
【図２３】アニールをしていないＧｅ結晶層２１０６の断面形状を示す。
【図２４】７００℃でアニールをしたＧｅ結晶層２１０６の断面形状を示す。
【図２５】８００℃でアニールをしたＧｅ結晶層２１０６の断面形状を示す。
【図２６】８５０℃でアニールをしたＧｅ結晶層２１０６の断面形状を示す。
【図２７】９００℃でアニールをしたＧｅ結晶層２１０６の断面形状を示す。
【図２８】実施例６における化合物半導体２１０８の膜厚の平均値を示す。
【図２９】実施例６における化合物半導体２１０８の膜厚の変動係数を示す。
【図３０】実施例７における化合物半導体２１０８の膜厚の平均値を示す。
【図３１】実施例７における化合物半導体２１０８の電子顕微鏡写真を示す。
【図３２】実施例７における化合物半導体２１０８の電子顕微鏡写真を示す。
【図３３】実施例７における化合物半導体２１０８の電子顕微鏡写真を示す。
【図３４】実施例７における化合物半導体２１０８の電子顕微鏡写真を示す。
【図３５】実施例７における化合物半導体２１０８の電子顕微鏡写真を示す。
【図３６】実施例８における化合物半導体２１０８の電子顕微鏡写真を示す。
【図３７】実施例８における化合物半導体２１０８の電子顕微鏡写真を示す。
【図３８】実施例８における化合物半導体２１０８の電子顕微鏡写真を示す。
【図３９】実施例８における化合物半導体２１０８の電子顕微鏡写真を示す。
【図４０】実施例８における化合物半導体２１０８の電子顕微鏡写真を示す。
【図４１】実施例９における化合物半導体２１０８の電子顕微鏡写真を示す。
【図４２】実施例９における化合物半導体２１０８の電子顕微鏡写真を示す。
【図４３】実施例９における化合物半導体２１０８の電子顕微鏡写真を示す。
【図４４】実施例１０における半導体基板の電子顕微鏡写真を示す。
【図４５】実施例１１におけるＨＢＴ素子のレーザー顕微鏡像を示す。
【図４６】実施例１２における電子素子のレーザー顕微鏡像を示す。
【図４７】ＨＢＴ素子の電気特性と、開口領域の面積との関係を示す。
【図４８】結晶の断面における走査型電子顕微鏡写真を示す。
【図４９】図４８の写真を見やすくする目的で示した模写図を示す。
【図５０】結晶の断面における走査型電子顕微鏡写真を示す。
【図５１】図５０の写真を見やすくする目的で示した模写図を示す。
【図５２】試料ＡについてのＳｉ元素のプロファイルを示す。
【図５３】試料ＡについてのＧｅ元素のプロファイルを示す。
【図５４】試料ＢについてのＳｉ元素のプロファイルを示す。
【図５５】試料ＢについてのＧｅ元素のプロファイルを示す。
【図５６】図５２から図５５を見やすくする目的で示した模式図を示す。
【図５７】試料Ａについての測定領域を示すＳＥＭ写真を示す。
【図５８】図５７に示す測定領域についてのＳｉおよびＧｅの元素強度積分値を示す。
【図５９】試料Ｂについての測定領域を示すＳＥＭ写真を示す。
【図６０】図５９に示す測定領域についてのＳｉおよびＧｅの元素強度積分値を示す。
【図６１】実施例２で作成した半導体デバイス用基板３０００の平面パターンを示す。
【図６２】デバイス用薄膜３００４の成長速度と阻害層３００２の幅との関係を示したグラフである。
【図６３】デバイス用薄膜３００４の成長速度と面積比との関係を示したグラフである。
【図６４】デバイス用薄膜３００４の成長速度と阻害層３００２の幅との関係を示したグラフである。
【図６５】デバイス用薄膜３００４の成長速度と面積比との関係を示したグラフである。
【図６６】デバイス用薄膜３００４の成長速度と阻害層３００２の幅との関係を示したグラフである。
【図６７】デバイス用薄膜３００４の成長速度と面積比との関係を示したグラフである。
【図６８】ベース基板のオフ角を２°にした場合の半導体デバイス用基板３０００の表面を観察した電子顕微鏡写真である。
【図６９】ベース基板のオフ角を２°にした場合の半導体デバイス用基板３０００の表面を観察した電子顕微鏡写真である。
【図７０】ベース基板のオフ角を６°にした場合の半導体デバイス用基板３０００の表面を観察した電子顕微鏡写真である。
【図７１】ベース基板のオフ角を６°にした場合の半導体デバイス用基板３０００の表面を観察した電子顕微鏡写真である。
【図７２】ヘテロバイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）３１００の平面図を示す。
【図７３】図２０において破線で囲んだ部分を示す顕微鏡写真である。
【図７４】図２１において破線で囲んだ３個のＨＢＴ素子３１５０の部分を拡大して示す平面図である。
【図７５】ＨＢＴ素子３１５０の領域を観察したレーザー顕微鏡写真である。
【図７６】ＨＢＴ３１００の製造工程の順に示した平面図である。
【図７７】ＨＢＴ３１００の製造工程の順に示した平面図である。
【図７８】ＨＢＴ３１００の製造工程の順に示した平面図である。
【図７９】ＨＢＴ３１００の製造工程の順に示した平面図である。
【図８０】ＨＢＴ３１００の製造工程の順に示した平面図である。
【図８１】製造したＨＢＴ３１００の各種特性を測定したデータを示すグラフである。
【図８２】製造したＨＢＴ３１００の各種特性を測定したデータを示すグラフである。
【図８３】製造したＨＢＴ３１００の各種特性を測定したデータを示すグラフである。
【図８４】製造したＨＢＴ３１００の各種特性を測定したデータを示すグラフである。
【図８５】製造したＨＢＴ３１００の各種特性を測定したデータを示すグラフである。
【図８６】２次イオン質量分析法による深さプロファイルを測定したデータである。
【図８７】ＨＢＴ３１００と同時に形成したＨＢＴの断面を示すＴＥＭ写真である。
【図８８】阻害層がないベタ基板にデバイス用薄膜を形成したＨＢＴを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明する。
【００１９】
図１は、一実施形態に係る半導体基板１０の断面の一例を概略的に示す。図１に示すとおり、半導体基板１０は、少なくとも一部において、ベース基板１２と、絶縁層１３と、Ｓｉ結晶層１４とをこの順に備える。これにより、絶縁層１３が、Ｓｉ結晶層１４とベース基板１２とを絶縁して、ベース基板１２へリーク電流が流れることを抑制できる。ここで、本明細書において、「略垂直な方向」とは、厳密に垂直な方向だけでなく、基板および各部材の製造誤差を考慮して、垂直からわずかに傾いた方向をも含む。
【００２０】
阻害層１５は結晶成長を阻害する。阻害層１５はＳｉ結晶層１４上に設けられる。阻害層１５には、ベース基板１２の主面１１に略垂直な方向に阻害層１５を貫通してＳｉ結晶層１４を露出する開口１７が形成される。つまり、開口１７はＳｉ結晶層１４にまで貫通する。これにより、阻害層１５の表面には結晶が成長することなく、開口１７の内部において選択的に結晶が成長する。また、半導体基板１０はシード結晶１６を備える。シード結晶１６は開口１７の内部に設けられる。これにより、結晶性に優れたシード結晶１６が得られる。なお、絶縁層１３の面積はベース基板１２の面積より小さくてもよい。Ｓｉ結晶層１４の面積は絶縁層１３の面積より小さくてもよい。阻害層１５の面積はＳｉ結晶層１４の面積より小さくてよい。
【００２１】
ベース基板１２は、一例としてシリコン基板である。絶縁層１３は、一例としてベース基板１２の主面１１を酸化することで形成された酸化シリコン層である。Ｓｉ結晶層１４は、一例として絶縁層１３上に形成された単結晶シリコンの層である。ベース基板１２、絶縁層１３、およびＳｉ結晶層１４は、市販のＳＯＩ基板であってもよい。
【００２２】
シード結晶１６は、ＣＶＤ法（化学気相成長法）、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）または有機金属を原料として用いるＭＢＥ法（分子線エピタキシー法）を用いたエピタキシャル成長法により、Ｓｉ結晶層１４上に形成される。シード結晶１６は、例えば、Ｓｉ_ｘＧｅ_１−ｘ結晶（０≦ｘ＜１）、または、５００℃以下の温度で形成されたＧａＡｓ結晶を含む。
【００２３】
阻害層１５は、ＳｉＯ_２であってよく、例えばＣＶＤ法を用いて形成できる。開口１７は、例えば、フォトリソグラフィ法により形成できる。
【００２４】
本実施形態において、ベース基板１２と絶縁層１３とが接する場合について説明したが、ベース基板１２と絶縁層１３との位置関係は、両者が接する場合に限定されない。例えば、ベース基板１２と絶縁層１３との間に、他の層が形成されてもよい。本実施形態において、Ｓｉ結晶層１４とシード結晶１６とが接する場合について説明したが、Ｓｉ結晶層１４とシード結晶１６との位置関係は、両者が接する場合に限定されない。例えば、Ｓｉ結晶層１４とシード結晶１６との間に、他の層が形成されてもよい。また、シード結晶１６は、複数の結晶層により形成されてよい。
【００２５】
図２は、半導体基板２０の断面の一例を概略的に示す。半導体基板２０は、化合物半導体２８をさらに備える以外は、半導体基板１０と同様の構成を有する。阻害層１５は化合物半導体２８の結晶成長を阻害する。化合物半導体２８は、シード結晶１６に格子整合または擬格子整合する。これにより、結晶性に優れたシード結晶１６を用いて、結晶性に優れた化合物半導体２８が得られる。
【００２６】
化合物半導体２８は、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）または有機金属を原料として用いるＭＢＥ法を用いたエピタキシャル成長法により形成できる。化合物半導体２８は、例えば、３−５族化合物半導体または２−６族化合物半導体である。化合物半導体２８が３−５族化合物半導体である場合、化合物半導体２８は、３族元素としてＡｌ、Ｇａ、Ｉｎのうち少なくとも１つを含み、５族元素としてＮ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂのうち少なくとも１つを含んでもよい。化合物半導体２８は複数の結晶層により形成されてよい。化合物半導体２８は、少なくとも一部の領域が阻害層１５の表面よりも突出するように形成される。
【００２７】
図３は、本実施形態の電子デバイス１００の平面例を示す。図４は、図３におけるＡ−Ａ線断面を示す。図５は、図３におけるＢ−Ｂ線断面を示す。本実施形態の電子デバイス１００は、ＳＯＩ基板１０２および阻害層１０４を備える。電子デバイス１００は、Ｇｅ結晶層１０６と、シード化合物半導体結晶１０８と、第１化合物半導体結晶１１０と、第２化合物半導体結晶１１２とを備える。また、電子デバイス１００は、ゲート絶縁膜１１４と、ゲート電極１１６と、ソース・ドレイン電極１１８とを備える。
【００２８】
阻害層１０４と阻害層１５とは同等である。Ｇｅ結晶層１０６とシード結晶１６とは同等である。シード化合物半導体結晶１０８、第１化合物半導体結晶１１０および第２化合物半導体結晶１１２と化合物半導体２８とは同等である。そこで、同等の部材については、重複する説明を省略する場合がある。
【００２９】
本例では、開口１０５に設けられたＧｅ結晶層１０６を核として、開口１０５から突出するまでシード化合物半導体結晶１０８を成長させる。そして、シード化合物半導体結晶１０８を核として、第１化合物半導体結晶１１０を、阻害層１０４の表面における第１の方向に成長させる。そして、第１化合物半導体結晶１１０を核として、第２化合物半導体結晶１１２を、阻害層１０４の表面における第２の方向に成長させる。第１の方向および第２の方向は、例えば互いに直交する方向である。
【００３０】
電子デバイス１００は、複数のＭＩＳＦＥＴ（ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｆｉｅｌｄ−ｅｆｆｅｃｔｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）またはＨＥＭＴ（ｈｉｇｈ−ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｍｏｂｉｌｉｔｙｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を含んでよい。なお、本明細書において、図面の表示に従って、各要素を順次積層する積層方向を上方向と記載する場合がある。しかし、上記記載は、電子デバイス１００等の積層方向を、電子デバイス１００等の使用時に上になる方向に限定するものではない。本明細書において「上に形成される」とは、積層方向に形成されることを意味する。また、「上に形成される」とは、対象に接して形成される場合だけでなく、別の層を介して形成される場合をも含む。
【００３１】
ＳＯＩ基板１０２は、少なくとも一部において、Ｓｉ基板１６２と、絶縁層１６４と、Ｓｉ結晶層１６６とを、この順に有する。主面ＳＯＩ基板１０２は、Ｓｉ基板１６２の主面１７２の側に、絶縁層１６４とＳｉ結晶層１６６とを有する。Ｓｉ基板１６２は単結晶Ｓｉ基板であってもよい。Ｓｉ基板１６２は、電子デバイス１００のサブストレートとして機能する。
【００３２】
絶縁層１６４は、Ｓｉ基板１６２とＳｉ結晶層１６６とを電気的に絶縁する。絶縁層１６４はＳｉ基板１６２の主面１７２に接して形成される。Ｓｉ結晶層１６６はＳｉの単結晶を含んでよい。Ｓｉ結晶層１６６は絶縁層１６４に接して形成される。Ｓｉ基板１６２、絶縁層１６４およびＳｉ結晶層１６６と、ベース基板１２、絶縁層１３およびＳｉ結晶層１４とは同等である。そこで、同等の部材については、重複する説明を省略する場合がある。
【００３３】
ＳＯＩ基板１０２上に、能動素子であるＭＩＳＦＥＴまたはＨＥＭＴ等が形成される。ＳＯＩ基板１０２に電子デバイス１００を形成することで、電子デバイス１００の浮遊容量が低減するので、電子デバイス１００の動作速度が向上する。また、絶縁層１６４が高い絶縁抵抗を有することにより、電子デバイス１００からＳｉ基板１６２へリーク電流が流れることを抑制することができる。
【００３４】
阻害層１０４は、ＳＯＩ基板１０２の主面１７２の側に、Ｓｉ結晶層１６６に接して形成される。阻害層１０４と阻害層１５とは同等である。また、阻害層１０４には、Ｓｉ基板１６２の主面１７２に略垂直な方向に、阻害層１０４を貫通する開口１０５が形成される。また、阻害層１０４は、シード化合物半導体結晶１０８、第１化合物半導体結晶１１０、および第２化合物半導体結晶１１２の結晶のエピタキシャル成長を阻害する。
【００３５】
開口１０５は、シード化合物半導体結晶１０８が形成される前の状態において、Ｓｉ結晶層１６６を露出する。つまり、阻害層１０４には、阻害層１０４の表面からＳｉ結晶層１６６に達する開口１０５が形成される。従って、Ｓｉ結晶層１６６が露出した開口１０５にはエピタキシャル膜が選択成長する。例えば、開口１０５の内部には、Ｇｅ結晶層１０６が選択的に結晶成長する。また、開口１０５の内部には、Ｇｅ結晶層１０６を核として、シード化合物半導体結晶１０８が選択的に結晶成長する。一方、阻害層１０４の表面における結晶成長は阻害されるので、阻害層１０４の表面にはエピタキシャル膜が成長しない。阻害層１０４は、酸化シリコンまたは窒化シリコンを含んでよい。
【００３６】
ここで、本明細書において、「開口のアスペクト比」とは、「開口の深さ」を「開口の幅」で除した値をいう。例えば、電子情報通信学会編「電子情報通信ハンドブック第１分冊」７５１ページ（１９８８年、オーム社発行）によると、アスペクト比として（エッチング深さ／パターン幅）と記載されている。本明細書においても、同様の意義でアスペクト比の用語を用いる。なお、「開口の深さ」は基板上に薄膜を積層した場合の、積層方向における開口の深さである。「開口の幅」は積層方向に垂直な方向における、開口の幅である。開口の幅が一定でない場合には、「開口の幅」は、開口の最小の幅を指す。たとえば、積層方向から見た開口の形状が長方形である場合、「開口の幅」は、長方形の短辺の長さを指す。
【００３７】
開口１０５の内部にＧｅ結晶層１０６が結晶成長している場合には、「開口１０５の深さ」は、Ｇｅ結晶層１０６の表面と阻害層１０４の表面との距離に等しい。また、Ｇｅ結晶層１０６を核として、シード化合物半導体結晶１０８が選択的に結晶成長する場合には、「開口１０５の深さ」は、シード化合物半導体結晶１０８が開口１０５に含まれている部分に等しい。ここで、シード化合物半導体結晶１０８が開口１０５に含まれている部分とは、Ｇｅ結晶層１０６の表面の高さから阻害層１０４の表面の高さまでのシード化合物半導体結晶１０８の垂直方向の幅である。従って、本明細書における「開口１０５のアスペクト比」は、「シード化合物半導体結晶１０８が開口１０５に含まれる部分の高さ」を「開口の幅」で除した値である。
【００３８】
開口１０５に形成されたＧｅ結晶層１０６を６００〜９００℃程度にまで加熱しない場合には、例えば、開口１０５は（√３）／３以上のアスペクト比を有することが好ましい。より具体的には、開口１０５の底面におけるＳｉ結晶層１６６の面方位が（１００）の場合には、開口１０５は１以上のアスペクト比を有してもよい。開口１０５の底面におけるＳｉ結晶層１６６の面方位が（１１１）の場合には、開口１０５は√２（＝約１．４１４）以上のアスペクト比を有してもよい。開口１０５の底面におけるＳｉ結晶層１６６の面方位が（１１０）の場合は、開口１０５は（√３）／３（＝約０．５７７）以上のアスペクト比を有してもよい。
【００３９】
アスペクト比が（√３）／３以上の開口１０５の内部にＧｅ結晶層１０６が形成されると、Ｇｅ結晶層１０６に含まれる欠陥が開口１０５の壁面でターミネートされる。その結果、開口１０５の壁面で覆われずに露出するＧｅ結晶層１０６の表面における欠陥が低減する。即ち、開口１０５が（√３）／３以上のアスペクト比を有する場合には、開口１０５に形成されたＧｅ結晶層１０６にアニールが施されない状態であっても、開口１０５において露出するＧｅ結晶層１０６の表面の欠陥密度を所定の許容範囲まで小さくすることができる。開口１０５において露出するＧｅ結晶層１０６の表面をシード化合物半導体結晶１０８の結晶核として用いることで、シード化合物半導体結晶１０８の結晶性を高めることができる。
【００４０】
なお、開口１０５に形成されたＧｅ結晶層１０６を６００〜９００℃程度にまで加熱してアニールを施こすことができる場合には、開口１０５のアスペクト比は√２未満であってもよい。開口１０５のアスペクト比が√２未満の場合であっても、アニールを施すことでＧｅ結晶層１０６の欠陥を低減できるからである。より具体的には、開口１０５の底面におけるＳｉ結晶層１６６の面方位が（１００）の場合には、開口１０５は１未満のアスペクト比を有してもよい。開口１０５の底面におけるＳｉ結晶層１６６の面方位が（１１１）の場合には、開口１０５は√２（＝約１．４１４）未満のアスペクト比を有してもよい。開口１０５の底面におけるＳｉ結晶層１６６の面方位が（１１０）の場合は、開口１０５は（√３）／３（＝約０．５７７）未満のアスペクト比を有してもよい。Ｇｅ結晶層１０６は、Ｇｅ結晶層１０６上で化合物半導体を結晶成長させる前にアニールされてもよい。
【００４１】
また、開口１０５の底面積は１ｍｍ^２以下であってよく、好ましくは０．２５ｍｍ^２未満である。この場合、シード化合物半導体結晶１０８の底面積も、１ｍｍ^２以下または０．２５ｍｍ^２となる。シード化合物半導体結晶１０８のサイズを所定値以下とすることで、所定条件のアニールにより、シード化合物半導体結晶１０８の任意の点の欠陥を、シード化合物半導体結晶１０８の端部まで移動させることができる。このため、シード化合物半導体結晶１０８の欠陥密度を容易に低減できる。
【００４２】
また、開口１０５の底面積は、０．０１ｍｍ^２以下であってよく、好ましくは１６００μｍ^２以下であってよく、より好ましくは９００μｍ^２以下であってよい。これらの場合、開口１０５の内部に形成されるシード化合物半導体結晶１０８の底面積も、０．０１ｍｍ^２以下、１６００μｍ^２以下、または、９００μｍ^２以下となる。
【００４３】
シード化合物半導体結晶１０８および化合物半導体層等の機能層と、ＳＯＩ基板１０２との熱膨張係数の差が大きい場合には、熱アニールによって機能層に局部的な反りが生じやすい。これに対し、上記面積が０．０１ｍｍ^２以下である場合には、上記面積が０．０１ｍｍ^２より大きい場合と比較して、開口１０５の内部に形成されるＧｅ結晶層１０６のアニールに要する時間を短縮できる。このため、開口１０５の底面積を０．０１ｍｍ^２以下にすることで、当該反りにより機能層に結晶欠陥が生じることを抑制できる。
【００４４】
開口１０５の底面積が１６００μｍ^２より大きい場合には、結晶欠陥を十分に抑制できないので、デバイスの製造に必要な所定の特性を有する半導体基板を得ることが困難である。これに対して、開口１０５の底面積が１６００μｍ^２以下である場合には、結晶欠陥の数が所定値以下に低減されることがある。その結果、開口の内部に形成された機能層を用いて、高性能のデバイスを製造することができる。さらに、上記面積が９００μｍ^２以下である場合には、結晶欠陥の数が所定値以下になる確率が高まるので、上記デバイスを歩留まりよく製造できる。
【００４５】
開口１０５の底面積が１６００μｍ^２以下である場合には、開口の内部に形成された機能層を用いて、高性能のデバイスを製造できる。上記面積が９００μｍ^２以下である場合には、上記デバイスを歩留まりよく製造できる。
【００４６】
一方、開口１０５の底面積は、２５μｍ^２以上であってよい。上記面積が２５μｍ^２より小さくなると、開口１０５の内部に結晶をエピタキシャル成長させる場合に、当該結晶の成長速度が不安定になり、結晶の形状に乱れを生じやすい。さらに上記面積が２５μｍ^２より小さくなると、形成される化合物半導体を加工してデバイスを形成することが難しく、歩留まりを低下させる場合がある。
【００４７】
また、被覆領域の面積に対する開口１０５の底面積の割合は、０．０１％以上であることが好ましい。被覆領域は、阻害層１０４により覆われるＳｉ結晶層１６６の領域である。上記割合が０．０１％より小さくなると、開口１０５の内部における結晶の成長速度が不安定になる。なお、１つの被覆領域に複数の開口１０５が形成されている場合には、開口１０５の底面積とは、当該被覆領域に含まれる複数の開口１０５の底面積の総和を意味する。
【００４８】
開口１０５の底面形状は、最大幅が１００μｍ以下であってよく、好ましくは８０μｍ以下であってもよい。開口１０５の底面形状の最大幅は、開口１０５の底面形状に含まれる任意の２点を結ぶそれぞれの直線の長さのうち、最大の長さを指す。開口１０５が正方形または長方形である場合には、当該底面形状の一辺の長さは１００μｍ以下であってよく、好ましくは８０μｍ以下である。上記底面形状の最大幅が１００μｍ以下である場合には、上記底面形状の最大幅が１００μｍより大きい場合と比較して、開口１０５の内部に形成されるＧｅ結晶層１０６を、短時間でアニールできる。
【００４９】
また、Ｇｅ結晶層１０６は、Ｇｅ結晶層１０６とＳｉ結晶層１６６との、アニールの温度条件における熱膨張係数の相違によるストレスが加えられた場合であっても、Ｇｅ結晶層１０６に欠陥が発生しない大きさに形成されてもよい。例えば、主面１７２と略平行な方向のＧｅ結晶層１０６の最大幅は４０μｍ以下であってよく、好ましくは２０μｍ以下である。Ｇｅ結晶層１０６の最大幅は、開口１０５の底面形状における最大幅で定まるので、開口１０５の底面形状は、所定値以下の最大幅を有することが好ましい。例えば開口１０５の底面形状の最大幅は、４０μｍ以下であってよく、さらに好ましくは３０μｍ以下である。
【００５０】
１つの阻害層１０４には、１つの開口１０５が形成されてよい。これにより、開口１０５の内部において、安定した成長速度で結晶をエピタキシャル成長させることができる。また、１つの阻害層１０４には、複数の開口１０５が形成されてもよい。この場合、それぞれの開口１０５が等間隔に配置されることが好ましい。これにより、開口１０５の内部において、安定した成長速度で結晶をエピタキシャル成長させることができる。
【００５１】
開口１０５の底面形状が多角形である場合には、当該多角形の少なくとも１辺の方向は、ＳＯＩ基板１０２の主面の結晶学的面方位の１つと実質的に平行であることが好ましい。開口１０５の底面形状と、ＳＯＩ基板１０２の主面の結晶学的面方位との関係は、開口１０５の内部に成長する結晶の側面が安定な面となる関係であることが好ましい。ここで、「実質的に平行」とは、上記多角形の一辺の方向と、基板の結晶学的面方位の１つとが平行からわずかに傾いている場合を含む。上記傾きの大きさは、一例として５°以下である。これにより、結晶成長の乱れを抑制でき、上記結晶が安定して形成される。その結果、結晶が成長しやすい、形状の整ったシード結晶を得られる。
【００５２】
ＳＯＩ基板１０２の主面は、（１００）面、（１１０）面もしくは（１１１）面、または、これらと結晶学的に等価な面であってもよい。また、ＳＯＩ基板１０２の主面は、上記の結晶学的面方位からわずかに傾いていることが好ましい。即ち、ＳＯＩ基板１０２はオフ角を有することが好ましい。上記傾きの大きさは、１０゜以下であってもよい。また、上記傾きの大きさは、０．０５°以上６°以下であってよく、０．３°以上６°以下であってよく、２°以上６°以下であってもよい。開口の内部に方形結晶を成長させる場合には、基板の主面は、（１００）面もしくは（１１０）面またはこれらと結晶学的に等価な面であってもよい。これにより、上記結晶に４回対称の側面が現れやすくなる。
【００５３】
一例として、阻害層１０４が、ＳＯＩ基板１０２の表面の（１００）面に形成され、開口１０５が正方形または長方形の底面形状を有し、シード化合物半導体結晶１０８がＧａＡｓ結晶である場合について説明する。この場合、開口１０５の底面形状の少なくとも１辺の方向は、ＳＯＩ基板１０２の＜０１０＞方向、＜０−１０＞方向、＜００１＞方向および＜００−１＞方向のうちの何れか１つの方向と実質的に平行であってもよい。これにより、ＧａＡｓ結晶の側面が、安定した面になる。
【００５４】
別の例として、阻害層１０４が、ＳＯＩ基板１０２の表面の（１１１）面に形成され、開口１０５が六角形の底面形状を有し、シード化合物半導体結晶１０８がＧａＡｓ結晶である場合について説明する。この場合、開口１０５の底面形状の少なくとも１辺は、ＳＯＩ基板１０２の＜１−１０＞方向、＜−１１０＞方向、＜０−１１＞方向、＜０１−１＞方向、＜１０−１＞方向および＜−１０１＞方向のうちの何れか１つの方向と実質的に平行であってもよい。これにより、ＧａＡｓ結晶の側面が、安定した面となる。なお、開口１０５の底面形状は、正六角形であってもよい。
【００５５】
ＳＯＩ基板１０２には、複数の阻害層１０４が形成されてよい。これにより、ＳＯＩ基板１０２には、複数の被覆領域が形成される。例えば、ＳＯＩ基板１０２には、図３に示した阻害層１０４が、図１９に示すそれぞれの領域８０３に形成されてもよい。
【００５６】
開口１０５の内部のシード化合物半導体結晶１０８は、化学気相成長法（ＣＶＤ法）または気相エピタキシャル成長法（ＶＰＥ法）で形成される。これらの成長法では、形成しようとする薄膜結晶の構成元素を含む原料ガスを基板上に供給して、原料ガスの気相または基板表面での化学反応により薄膜を形成する。反応装置内に供給された原料ガスは、気相反応により反応中間体（以下、前駆体という場合がある。）を生成する。生成された反応中間体は、気相中を拡散して、基板表面に吸着する。基板表面に吸着した反応中間体は、基板表面を表面拡散して、固体膜として析出する。
【００５７】
そこで、ＳＯＩ基板１０２には、隣接する２つの阻害層１０４の間に、犠牲成長部が設けられてもよい。当該犠牲成長部は、当該２つの阻害層１０４の何れの上面よりも高い吸着速度でＧｅ結晶層１０６またはシード化合物半導体結晶１０８の原料を吸着し、薄膜を形成する。当該犠牲成長部に製膜される薄膜はＧｅ結晶層１０６またはシード化合物半導体結晶１０８と同等の結晶品質を有する結晶薄膜である必要はなく、多結晶体あるいは非晶質体であってもよい。また、犠牲成長部に製膜される薄膜はデバイス製造用に用いられなくてもよい。
【００５８】
犠牲成長部は、それぞれの阻害層１０４を、別個に囲んでよい。これにより、開口１０５の内部において、安定した成長速度で結晶をエピタキシャル成長させることができる。
【００５９】
また、各々の阻害層１０４は複数の開口１０５を有してよい。電子デバイス１００は、隣接する２つの開口１０５の間に、犠牲成長部を含んでよい。犠牲成長部の各々は、等間隔に配置されてよい。
【００６０】
ＳＯＩ基板１０２の表面近傍の領域が、犠牲成長部として機能してよい。また、犠牲成長部は、阻害層１０４に形成された、ＳＯＩ基板１０２に達する溝であってもよい。上記溝の幅は、２０μｍ以上５００μｍ以下であってもよい。なお、犠牲成長部においても、結晶成長が生じてよい。
【００６１】
上述したように、犠牲成長部が、隣接する２つの阻害層１０４の間に配置される。または、犠牲成長部が、それぞれの阻害層１０４を囲むように設けられる。これにより、犠牲成長部が、被覆領域の表面を拡散している上記前駆体を、捕捉、吸着または固着する。従って、開口１０５の内部において、安定した成長速度で結晶を成長させることができる。上記前駆体は、シード化合物半導体結晶１０８の原料の一例であってもよい。
【００６２】
一例として、ＳＯＩ基板１０２の表面に所定の大きさの被覆領域が配される被覆領域以外の領域では、ＳＯＩ基板１０２の表面が表出している。ＭＯＣＶＤ法により、開口１０５の内部に結晶を成長させる場合、ＳＯＩ基板１０２の表面まで到達した前駆体の一部がＳＯＩ基板１０２の表面で結晶成長する。このように、上記前駆体の一部がＳＯＩ基板１０２の表面で消費されることで、開口１０５の内部に形成される結晶の成長速度が安定化する。
【００６３】
犠牲成長部の別の例としては、Ｓｉ、ＧａＡｓ等で形成された半導体領域が挙げられる。例えば、阻害層１０４の表面に、イオンプレーティング法、スパッタリング法等の方法で、アモルファス半導体、または半導体多結晶を堆積することで、犠牲成長部が形成される。犠牲成長部は、隣接する２つの阻害層１０４の間に配されてもよく、阻害層１０４に含まれてもよい。また、隣接する２つの被覆領域の間に、前駆体の拡散が阻害される領域が配置されてよい。また、被覆領域が、前駆体の拡散が阻害される領域に囲まれてもよい。
【００６４】
隣接する２つの阻害層１０４がわずかでも離れていれば、開口１０５の内部における結晶の成長速度は安定化する。隣接する２つの阻害層１０４は、２０μｍ以上離れて設けられてよい。隣接する２つの阻害層１０４は、犠牲成長部を挟んで２０μｍ以上隔てて設けられてよい。これにより、開口１０５の内部において、より安定した成長速度で結晶が成長する。ここで、隣接する２つの阻害層１０４の間の距離は、隣接する２つの阻害層１０４の外周上の点どうしの最短距離を示す。それぞれの阻害層１０４は、等間隔に配されてよい。特に、隣接する２つの阻害層１０４の間の距離が１０μｍ未満である場合には、複数の阻害層１０４を等間隔に配置することで、開口１０５の内部において、安定した成長速度で結晶を成長させることができる。
【００６５】
なお、ＳＯＩ基板１０２は、不純物を含まない高抵抗ウェハであってよく、ｐ型またはｎ型の不純物を含む低抵抗のウェハであってもよい。Ｇｅ結晶層１０６は、不純物を含まないＧｅで形成されてよく、ｐ型またはｎ型の不純物を含むＧｅで形成されてもよい。
【００６６】
開口１０５の積層方向から見た形状は、正方形、長方形、円形、楕円形、および長円形等の任意の形状である。開口１０５の積層方向から見た形状が円形あるいは楕円形の場合、開口１０５の幅は、各々直径および短径である。さらに開口１０５の積層方向と平行な面における断面形状も、矩形、台形放物線形状、および双曲線形状等の任意の形状であってよい。開口１０５の積層方向と平行な面における断面形状が台形である場合、開口１０５の幅は、開口１０５の底面あるいは入り口における、最短の幅である。
【００６７】
開口１０５の積層方向から見た形状が長方形または正方形であり、積層方向と平行な面における開口１０５の断面形状が矩形の場合、開口１０５内部の立体形状は直方体となる。ただし、開口１０５内部の立体形状は任意の形状である。任意な立体形状のアスペクト比として、開口１０５内部の立体形状を近似した直方体のアスペクト比を用いてもよい。
【００６８】
Ｇｅ結晶層１０６は、Ｇｅ結晶層１０６の内部を移動する欠陥を捕捉する欠陥捕捉部を有してもよい。当該欠陥は、Ｇｅ結晶層１０６の形成時に存在していた欠陥を含んでよい。欠陥捕捉部は、Ｇｅ結晶層１０６における、結晶界面（ｂｏｕｎｄａｒｙ）または結晶表面であってよく、Ｇｅ結晶層１０６に形成される物理的な傷であってもよい。例えば、欠陥捕捉部は、結晶界面または結晶表面であって、Ｓｉ基板１６２と略平行でない方向の面である。一例として、Ｇｅ結晶層１０６をライン状または孤立した島状にエッチングして、Ｇｅ結晶層１０６に結晶界面を形成することで、欠陥捕捉部が形成される。また、機械的な引っ掻き、摩擦、またはイオン注入等によりＧｅ結晶層１０６に物理的な傷を形成することによっても、欠陥捕捉部が形成される。欠陥捕捉部は、Ｇｅ結晶層１０６において、開口１０５により露出されない領域に形成される。また、欠陥捕捉部は、Ｇｅ結晶層と阻害層１０４との界面であってもよい。
【００６９】
欠陥捕捉部は、Ｇｅ結晶層１０６に含まれる任意の点からの距離が、アニールの温度および時間条件において欠陥が移動可能な距離以下となるように配置されてもよい。上記欠陥が移動可能な距離Ｌ［μｍ］は、アニール温度が７００〜９５０℃の場合、３μｍ〜２０μｍであってもよい。欠陥捕捉部は、Ｇｅ結晶層１０６に含まれる全ての欠陥に対して上記距離内に配置されてもよい。その結果、Ｇｅ結晶層１０６の内部の貫通欠陥密度（または、貫通転位密度とも称する）が上記アニールにより低減される。例えば、シード結晶層の一例であるＧｅ結晶層１０６の貫通転位密度は、１×１０^６／ｃｍ^２以下に低減される。
【００７０】
なお、Ｇｅ結晶層１０６は、Ｇｅ結晶層１０６の形成時に存在していた欠陥がＧｅ結晶層１０６の上記欠陥捕捉部にまで移動できる温度および時間の条件でアニールされてもよい。例えば、Ｇｅ結晶層１０６の外縁が欠陥捕捉部として機能する場合には、Ｇｅ結晶層１０６に含まれる任意の位置の欠陥がＧｅ結晶層１０６の外縁に移動できる温度および時間でアニールされてよい。Ｇｅ結晶層１０６は、Ｇｅ結晶層１０６の形成時に存在していた欠陥がアニールにより移動することによって、Ｇｅ結晶層１０６の内部の欠陥密度が低減される大きさに形成されてもよい。Ｇｅ結晶層１０６は、所定の条件のアニールにおいて欠陥が移動する距離の２倍を越えない最大幅で形成されてもよい。
【００７１】
以上の構成を採用することにより、Ｇｅ結晶層１０６の欠陥捕捉部以外の領域における欠陥密度が低減される。例えば、Ｇｅ結晶層１０６が、エピタキシャル成長する場合、格子欠陥等が発生する場合がある。上記欠陥はＧｅ結晶層１０６の内部を移動でき、Ｇｅ結晶層１０６の温度が高いほど移動速度も増加する。また、上記欠陥は、Ｇｅ結晶層１０６の表面および界面等において捕捉される。
【００７２】
上記欠陥は、Ｇｅ結晶層１０６に上記の温度および時間でアニールを施すことにより、Ｇｅ結晶層１０６の内部を移動して、例えば、Ｇｅ結晶層１０６と阻害層１０４との界面に捕捉される。このように、Ｇｅ結晶層１０６の内部に存在した欠陥が、アニールにより上記界面に集中するので、Ｇｅ結晶層１０６の内部の欠陥密度が低減される。その結果、アニール前に比べ、開口１０５に露出したＧｅ結晶層１０６の表面の結晶性が向上する。
【００７３】
これにより、エピタキシャル薄膜における欠陥が低減され、電子デバイス１００の性能が向上する。例えば、開口１０５に露出したＧｅ結晶層１０６の表面を結晶核として、シード化合物半導体結晶１０８を成長させた場合には、シード化合物半導体結晶１０８の結晶性が高まる。また、結晶性に優れるＧｅ結晶層１０６を基板材料とすることで、格子不整合によりＳｉ結晶層１６６には直接結晶成長できない種類の薄膜を、良質に形成することができる。
【００７４】
Ｇｅ結晶層１０６は、第２化合物半導体結晶１１２と、Ｓｉ結晶層１６６との間の一部に局所的に形成され、第２化合物半導体結晶１１２に格子整合または擬格子整合してよい。これにより、欠陥密度の小さいＧｅ結晶層１０６が得られる。
【００７５】
なお、本明細書において、欠陥密度が小さいとは、所定の大きさの結晶層の内部に含まれる貫通転位の個数の平均値が０．１個以下である場合をいう。貫通転位とは、Ｇｅ結晶層１０６を貫通するように形成された欠陥をいう。また、貫通転位の平均値が０．１個であるとは、活性層部分の面積が１０μｍ×１０μｍ程度のデバイスを１０個検査して、貫通転位を有するデバイスが１個発見された場合に相当する。貫通転位の平均値が０．１個であるとは、転位密度に換算すれば、エッチピット法または透過型電子顕微鏡（以下、ＴＥＭという場合がある。）による平面断面観察により測定した平均転位密度が、おおよそ、１．０×１０^５ｃｍ^−２以下の場合である。
【００７６】
Ｇｅ結晶層１０６のシード化合物半導体結晶１０８に対向する面は、Ｐを含むガスにより表面処理されてもよい。これにより、Ｇｅ結晶層１０６に形成する膜の結晶性を高めることができる。Ｐを含むガスは、ＰＨ_３（フォスフィン）を含むガスであってよい。
【００７７】
Ｇｅ結晶層１０６は、例えば、ＣＶＤ法またはＭＢＥ法（分子線エピタキシ法）により形成できる。原料ガスは、ＧｅＨ_４であってもよい。Ｇｅ結晶層１０６は、０．１Ｐａ以上１００Ｐａ以下の圧力下でＣＶＤ法により形成されてもよい。これにより、Ｇｅ結晶層１０６の成長速度が開口１０５の面積の影響を受けにくくなる。その結果、例えば、Ｇｅ結晶層１０６の膜厚の均一性が向上する。また、この場合、阻害層１０４の表面におけるＧｅ結晶の堆積を抑制できる。
【００７８】
Ｇｅ結晶層１０６は、ハロゲン元素を含むガスを、原料ガスの少なくとも一部として含む雰囲気中でＣＶＤ法により形成されてもよい。ハロゲン元素を含むガスは、塩化水素ガスまたは塩素ガスであってもよい。これにより、１００Ｐａ以上の圧力下でＣＶＤ法によりＧｅ結晶層１０６を形成する場合であっても、阻害層１０４の表面へのＧｅ結晶の堆積を抑制できる。
【００７９】
なお、本実施形態において、Ｇｅ結晶層１０６がＳＯＩ基板１０２の表面に接して形成される場合について説明したが、Ｇｅ結晶層１０６およびＳＯＩ基板１０２の配置は、これに限定されない。例えば、Ｇｅ結晶層１０６と、ＳＯＩ基板１０２との間に、他の層が配されてもよい。上記他の層は、単一の層であってもよく、複数の層を含んでもよい。
【００８０】
Ｇｅ結晶層１０６は、一例として以下の手順で形成される。まず、低温でシード結晶を形成する。シード結晶は、Ｓｉ_ｘＧｅ_１−ｘ（式中、０≦ｘ＜１）であってもよい。シード結晶の成長温度は、３３０℃以上４５０℃以下であってもよい。その後、シード結晶が形成されたＳＯＩ基板１０２の温度を所定の温度まで昇温した後、Ｇｅ結晶層１０６を形成してもよい。
【００８１】
シード化合物半導体結晶１０８は、その上部が阻害層１０４の表面より突出するように、Ｇｅ結晶層１０６を核として結晶成長してもよい。例えば、シード化合物半導体結晶１０８は、阻害層１０４の表面よりも突出するまで、開口１０５の内部で結晶成長する。
【００８２】
シード化合物半導体結晶１０８は、一例としてＧｅ結晶層１０６に格子整合または擬格子整合する４族、３−５族または２−６族の化合物半導体である。より具体的には、シード化合物半導体結晶１０８は、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、Ｓｉ_ｘＧｅ_１−ｘ（０≦ｘ＜１）であってもよい。また、シード化合物半導体結晶１０８とＧｅ結晶層１０６との間に、バッファ層が形成されてもよい。バッファ層は、Ｇｅ結晶層１０６に格子整合または擬格子整合する。一例としてバッファ層は、Ｐを含む３−５族化合物半導体層を有する。
【００８３】
シード化合物半導体結晶１０８は、機能層の一例である。シード化合物半導体結晶１０８は、Ｇｅ結晶層１０６に接して形成される。すなわち、シード化合物半導体結晶１０８は、Ｇｅ結晶層１０６上に結晶成長される。一例として、シード化合物半導体結晶１０８は、エピタキシャル成長で結晶成長される。
【００８４】
シード化合物半導体結晶１０８は、算術平均粗さ（以下、Ｒａ値と称する場合がある。）が一例として０．０２μｍ以下であり、好ましくは０．０１μｍ以下である。これにより、シード化合物半導体結晶１０８を用いて、高性能のデバイスを形成できる。ここで、Ｒａ値は表面粗さを表す指標であり、ＪＩＳＢ０６０１−２００１に基づいて算出できる。Ｒａ値は、一定長さの粗さ曲線を中心線から折り返して、当該粗さ曲線と当該中心線とにより得られた面積を、測定した長さで除して算出できる。
【００８５】
シード化合物半導体結晶１０８の成長速度は、３００ｎｍ／ｍｉｎ以下であってよく、好ましくは２００ｎｍ／ｍｉｎ以下であってよく、より好ましくは６０ｎｍ／ｍｉｎ以下である。これにより、シード化合物半導体結晶１０８のＲａ値を０．０２μｍ以下にできる。一方、シード化合物半導体結晶１０８の成長速度は、１ｎｍ／ｍｉｎ以上であってよく、好ましくは、５ｎｍ／ｍｉｎ以上である。これにより、生産性を犠牲にすることなく、良質なシード化合物半導体結晶１０８が得られる。例えば、シード化合物半導体結晶１０８を１ｎｍ／ｍｉｎ以上、３００ｎｍ／ｍｉｎ以下の成長速度で結晶成長させてもよい。
【００８６】
なお、本実施形態において、Ｇｅ結晶層１０６の表面にシード化合物半導体結晶１０８が形成される場合について説明したが、これに限定されない。例えば、Ｇｅ結晶層１０６と、シード化合物半導体結晶１０８との間に、中間層が配されてもよい。中間層は、単一の層であってよく、複数の層を含んでもよい。中間層は、６００℃以下、好ましくは５５０℃以下で形成されてもよい。これにより、シード化合物半導体結晶１０８の結晶性が向上する。一方、中間層は、４００℃以上で形成されてもよい。中間層は、４００℃以上６００℃以下で形成されてもよい。これにより、シード化合物半導体結晶１０８の結晶性が向上する。中間層は、一例として６００℃以下、好ましくは５５０℃以下の温度で形成されたＧａＡｓ層である。
【００８７】
シード化合物半導体結晶１０８は、以下の手順で形成されてもよい。まず、Ｇｅ結晶層１０６の表面に、中間層を形成する。中間層の成長温度は、一例として６００℃以下である。その後、中間層が形成されたＳＯＩ基板１０２の温度を所定の温度まで昇温した後、シード化合物半導体結晶１０８を形成してもよい。
【００８８】
第１化合物半導体結晶１１０は、阻害層１０４の表面より突出したシード化合物半導体結晶１０８の所定の面を結晶核のシード面として、阻害層１０４に沿ってラテラル成長して形成されてもよい。ＳＯＩ基板１０２の面方位が（１００）であり、＜００１＞方向に開口１０５を形成する場合、シード化合物半導体結晶１０８のシード面は、（１１０）面およびこれと等価な面である。＜０１１＞方向に開口１０５を形成する場合、シード化合物半導体結晶１０８のシード面は、（１１１）Ａ面およびこれと等価な面である。アニール等により、シード化合物半導体結晶１０８の結晶性が向上しているので、結晶性の良好な第１化合物半導体結晶１１０を形成できる。
【００８９】
第１化合物半導体結晶１１０は、シード化合物半導体結晶１０８に格子整合または擬格子整合する４族、３−５族または２−６族の化合物半導体であってもよい。例えば、第１化合物半導体結晶１１０は、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、Ｓｉ_ｘＧｅ_１−ｘ（０≦ｘ＜１）である。
【００９０】
第２化合物半導体結晶１１２は、第１化合物半導体結晶１１０の所定の面をシード面として、阻害層１０４に沿ってラテラル成長して形成される。上述したように、第２化合物半導体結晶１１２は、第１化合物半導体結晶１１０と異なる方向にラテラル成長してもよい。
【００９１】
第２化合物半導体結晶１１２は、Ｇｅ結晶層１０６に格子整合または擬格子整合してもよい。第２化合物半導体結晶１１２は、結晶性の優れた第１化合物半導体結晶１１０の特定面をシード面として結晶成長するので、結晶性の優れた第２化合物半導体結晶１１２が形成される。これにより、第２化合物半導体結晶１１２は欠陥を含まない無欠陥領域を有する。
【００９２】
第２化合物半導体結晶１１２は、Ｇｅ結晶層１０６に格子整合または擬格子整合する２−６族化合物半導体または３−５族化合物半導体を含んでよい。第２化合物半導体結晶１１２は、例えば、ＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓ層を含む。
【００９３】
ＳＯＩ基板１０２とＧｅ結晶層１０６とが接している部分では、ＳＯＩ基板１０２とＧｅ結晶層１０６との界面に接して、ＳＯＩ基板１０２内に、Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層（０＜ｘ＜１）を含んでよい。すなわち、Ｇｅ結晶層１０６内のＧｅ原子がＳＯＩ基板１０２に拡散し、ＳｉＧｅ層が形成されてもよい。この場合、Ｇｅ結晶層１０６層の上に形成するエピタキシャル層の結晶性を向上できる。なお、Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層におけるＧｅの平均組成ｘは、ＳＯＩ基板１０２とＧｅ結晶層１０６との界面からの距離が５ｎｍ以上１０ｎｍ以下の領域において６０％以上とすることができる。このような場合、Ｇｅ結晶層１０６上に形成するエピタキシャル層の結晶性を特に向上できる。
【００９４】
なお、本実施形態において、第２化合物半導体結晶１１２は、第１化合物半導体結晶１１０の特定面をシード面として、阻害層１０４に沿ってラテラル成長した化合物半導体であったが、シード化合物半導体結晶１０８および第１化合物半導体結晶１１０は、一体として形成された化合物半導体結晶であってもよい。第２化合物半導体結晶１１２は、上記一体として形成された化合物半導体結晶の特定面をシード面として、阻害層１０４の上にラテラル成長した化合物半導体であってもよい。上記一体として形成されたシード化合物半導体結晶は、Ｇｅ結晶層１０６を核として成長された化合物半導体結晶であって、阻害層１０４の表面よりも凸に形成されたシード化合物半導体結晶であってもよい。これにより、阻害層１０４は、少なくとも一部が、第２化合物半導体結晶１１２とＳＯＩ基板１０２の絶縁層１６４との間に形成される。
【００９５】
第２化合物半導体結晶１１２の無欠陥領域の上に、活性領域を有する能動素子が形成されてもよい。能動素子は、例えば、ゲート絶縁膜１１４、ゲート電極１１６、ソース・ドレイン電極１１８を備えるＭＩＳＦＥＴである。ＭＩＳＦＥＴは、ＭＯＳＦＥＴ（ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｆｉｅｌｄ−ｅｆｆｅｃｔｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）であってもよい。能動素子はＨＥＭＴであってもよい。
【００９６】
ゲート絶縁膜１１４は、ゲート電極１１６を第２化合物半導体結晶１１２から電気的に絶縁する。ゲート絶縁膜１１４として、ＡｌＧａＡｓ膜、ＡｌＩｎＧａＰ膜、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化ガリウム膜、酸化ガドリニウム膜、酸化ハフニウム膜、酸化ジルコニウム膜、酸化ランタン膜、及び、これらの絶縁膜の混合物または積層膜を例示できる。
【００９７】
ゲート電極１１６は、制御電極の一例であってよい。ゲート電極１１６は、ソースおよびドレインで例示される入出力間の電流または電圧を制御する。ゲート電極１１６として、アルミニウム、銅、金、銀、白金、タングステンその他の金属、または、高濃度にドープされたシリコン等の半導体、窒化タンタル、または金属シリサイド等が例示できる。
【００９８】
ソース・ドレイン電極１１８は、入出力電極の一例であってよい。ソース・ドレイン電極１１８は、各々ソース領域およびドレイン領域にコンタクトする。ソース・ドレイン電極１１８として、アルミニウム、銅、金、銀、白金、タングステンその他の金属、または、高濃度にドープされたシリコン等の半導体、窒化タンタル、または金属シリサイド等が例示できる。
【００９９】
なお、ソース・ドレイン電極１１８の下部にはソースおよびドレインの各領域が形成されるが図では省略している。また、ゲート電極１１６の下部であってソースおよびドレイン領域の間のチャネル領域が形成される活性層は、第２化合物半導体結晶１１２自体であってもよく、第２化合物半導体結晶１１２の上に形成された層であってもよい。第２化合物半導体結晶１１２と活性層との間には、バッファ層が形成されてもよい。活性層あるいはバッファ層として、ＧａＡｓ層、ＩｎＧａＡｓ層、ＡｌＧａＡｓ層、ＩｎＧａＰ層、ＺｎＳｅ層等が例示できる。
【０１００】
図３に示す通り、電子デバイス１００は６つのＭＩＳＦＥＴを有する。６つのＭＩＳＦＥＴのうち、３つずつのＭＩＳＦＥＴが、ゲート電極１１６およびソース・ドレイン電極１１８の配線によって相互に接続されている。また、ＳＯＩ基板１０２の上に複数形成されたＧｅ結晶層１０６の各々を核として結晶成長された第２化合物半導体結晶１１２は、阻害層１０４の上で互いに接することなく形成されている。
【０１０１】
複数の第２化合物半導体結晶１１２が互いに接することなく形成されているので、隣接する第２化合物半導体結晶１１２との間に界面が形成されることがない。従って、当該界面に起因する欠陥が生じない。第２化合物半導体結晶１１２の上に形成される能動素子は、その活性層において優れた結晶性が実現されていればよく、第２化合物半導体結晶１１２が接することなく形成されることによる不具合は生じない。
【０１０２】
各能動素子における駆動電流を増加したい場合には、各能動素子をたとえば並列に接続する。なお、図３から図５に例示される電子デバイスにおいては、開口１０５を挟んで２個のＭＩＳＦＥＴが形成されている。２個のＭＩＳＦＥＴは、化合物半導体層のエッチング等による除去またはイオン注入等による不活性化により、互いに分離されて形成されてもよい。
【０１０３】
本実施形態において、シード結晶層が、結晶成長により形成されたＧｅ結晶を含む場合について説明したが、シード結晶層は、Ｓｉ_ｘＧｅ_１−ｘ（０≦ｘ＜１）を含んでよい。シード結晶層は、Ｓｉの含有率が低いＳｉ_ｘＧｅ_１−ｘを含んでよい。シード結晶層は、５００℃以下の温度で形成されたＧａＡｓを含んでよい。また、シード結晶層は、複数の層を含んでよい。
【０１０４】
本実施形態において、Ｓｉ基板１６２と、絶縁層１６４と、Ｓｉ結晶層１６６と、Ｇｅ結晶層１０６と、アニールされたＧｅ結晶層１０６に格子整合または擬格子整合する化合物半導体とが、Ｓｉ基板１６２の主面１７２に略垂直な方向に、この順に配置される場合について説明したが、各部の位置関係はこの場合に限定されない。例えば、化合物半導体は、Ｇｅ結晶層１０６における、Ｓｉ基板１６２の主面１７２に略垂直な面の少なくとも１つに接して、Ｇｅ結晶層１０６に格子整合または擬格子整合してもよい。このとき、Ｇｅ結晶層１０６と化合物半導体とが、Ｓｉ基板１６２の主面１７２に略平行な方向に並んで配置される。
【０１０５】
本実施形態において、阻害層１０４は、Ｓｉ結晶層１６６の上に形成され、Ｇｅ結晶層１０６は、阻害層１０４に形成された開口１０５の内部に形成される場合について説明したが、この場合に限定されない。阻害層１０４は、Ｇｅ結晶層１０６が形成された後に、Ｇｅ結晶層１０６が形成された領域以外の領域に形成されてもよい。例えば、Ｓｉ基板１６２と、絶縁層１６４と、Ｓｉ結晶層１６６と、アニールされたＧｅ結晶層１０６とを、この順に備え、アニールされたＧｅ結晶層１０６をマスクとして、Ｓｉ結晶層１６６の熱酸化により得られる阻害層１０４を備え、アニールされたＧｅ結晶層１０６に格子整合または擬格子整合する化合物半導体とを備えてもよい。
【０１０６】
このとき、阻害層１０４は、Ｇｅ結晶層１０６の側面に沿って、且つ、Ｇｅ結晶層１０６よりも厚く形成される。その結果、Ｇｅ結晶層１０６を中心とした凹部が形成される。上記凹部は、開口１０５の一例であってよい。この場合、開口１０５のアスペクト比は、Ｇｅ結晶層１０６の幅を「開口の幅」として、Ｇｅ結晶層１０６の上面から、阻害層１０４の上面までの距離を「開口の深さ」とすることで、算出できる。
【０１０７】
図６から図１０は、電子デバイス１００の製造過程における断面例を示す。図６は、図３のＡ−Ａ線断面の製造過程の一部における断面例を示す。図６に示すように、Ｓｉ基板１６２と、絶縁層１６４と、Ｓｉ結晶層１６６とを、この順に備えるＳＯＩ基板１０２を準備する。ＳＯＩ基板１０２は、市販のＳＯＩ基板を用いてよい。次に、結晶成長を阻害する阻害層１０４がＳＯＩ基板１０２のＳｉ結晶層１６６上に形成される。阻害層１０４は、例えば、ＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、スパッタ法により形成できる。阻害層１０４に、ＳＯＩ基板１０２に達する開口１０５が形成される。開口１０５は、例えば、フォトリソグラフィ法により形成できる。なお、阻害層１０４は、Ｓｉ結晶層１６６の一部に熱酸化を施すことによっても形成できる。
【０１０８】
図７は、図３のＡ−Ａ線断面の製造過程における断面例を示す。図７に示すように、開口１０５に、Ｇｅ結晶層１０６が形成される。これにより、少なくとも一部において、Ｓｉ基板１６２と、絶縁層１６４と、Ｓｉ結晶層１６６と、Ｇｅ結晶層１０６とを、この順に備えるＳＯＩ基板１０２が準備される。Ｇｅ結晶層１０６はアニールされてもよい。
【０１０９】
図８は、図３のＡ−Ａ線断面図の製造過程の続きにおける断面例を示す。図８に示すように、Ｇｅ結晶層１０６を核として、シード化合物半導体結晶１０８が、阻害層１０４の表面よりも凸に形成される。即ち、シード化合物半導体結晶１０８は、阻害層１０４の表面から突出するように形成される。
【０１１０】
シード化合物半導体結晶１０８の所定の面をシード面にして、第１化合物半導体結晶１１０が形成される。この段階における断面は、図５と同様になる。シード化合物半導体結晶１０８および第１化合物半導体結晶１１０の一例として、ＧａＡｓを形成する場合には、ＭＯＣＶＤ法または有機金属を原料とするＭＢＥ法を用いたエピタキシャル成長法が利用できる。この場合、原料ガスには、ＴＭ−Ｇａ（トリメチルガリウム）、ＡｓＨ_３（アルシン）その他のガスを利用できる。成長温度としては、６００℃以上７００℃以下が例示できる。
【０１１１】
図９は、図３のＡ−Ａ線断面図の製造過程の続きにおける断面例を示す。図９に示すように、第１化合物半導体結晶１１０の所定の面をシード面として、阻害層１０４の上に、第２化合物半導体結晶１１２がラテラル成長する。第２化合物半導体結晶１１２の一例として、ＧａＡｓを形成する場合には、ＭＯＣＶＤ法または有機金属を原料とするＭＢＥ法を用いたエピタキシャル成長法が利用できる。この場合、原料ガスには、ＴＭ−Ｇａ（トリメチルガリウム）、ＡｓＨ_３（アルシン）その他のガスを利用できる。
【０１１２】
例えば、（００１）面上におけるラテラル成長を促進するには、低温成長の条件でラテラル成長させることが好ましい。具体的には７００℃以下の温度条件、さらに好ましくは、６５０℃以下の温度条件で成長させてもよい。例えば、＜１１０＞方向にラテラル成長させる場合には、ＡｓＨ_３の分圧が高い条件で成長させることが好ましい。より具体的には、ＡｓＨ_３の分圧が、１×１０^−３ａｔｍ以上の条件で成長させることが好ましい。これにより、＜１１０＞方向の成長レートを、＜−１１０＞方向の成長レートより大きくできる。
【０１１３】
図１０は、図３のＡ−Ａ線断面図の製造過程の続きにおける断面例を示す。図１０に示すように、第２化合物半導体結晶１１２の上に、ゲート絶縁膜１１４になる絶縁膜、および、ゲート電極１１６になる導電膜が、順次形成される。当該形成された導電膜および絶縁膜は、例えば、フォトリソグラフィ法によりパターニングされる。これにより、ゲート絶縁膜１１４およびゲート電極１１６が形成される。その後、ソース・ドレイン電極１１８になる導電膜が形成される。当該形成した導電膜は、例えば、フォトリソグラフィ法によりパターニングされ、図４に示す電子デバイス１００が得られる。
【０１１４】
図１１および図１２は、電子デバイス１００の他の製造過程における断面例を示す。図１３に示すように、少なくとも一部の領域において、Ｓｉ基板１６２と、絶縁層１６４と、Ｓｉ結晶層１６６と、Ｇｅ結晶層１０６とをこの順に備えるＳＯＩ基板１０２を準備する。Ｇｅ結晶層１０６はエッチングなどによりパターニングされて、単一にまたは互いに離れて形成される。
【０１１５】
例えば、ＳＯＩ基板１０２に結晶性のＧｅ膜が形成された後、一部が残存するように当該Ｇｅ膜をエッチングすることで、ＳＯＩ基板１０２のＳｉ結晶層１６６の上に、Ｇｅ結晶層１０６が形成される。上記エッチングには、例えば、フォトリソグラフィ法が利用できる。なお、Ｇｅ結晶層１０６の最大幅寸法は、５μｍ以下、好ましくは２μｍ以下であってもよい。本明細書において、「幅」は、ＳＯＩ基板１０２の一方の主面に略平行な方向の長さを表す。
【０１１６】
図１２に示すように、ＳＯＩ基板１０２において、Ｇｅ結晶層１０６が形成された領域以外の領域に、阻害層１０４が形成される。阻害層１０４は、例えば、Ｇｅ結晶層１０６を酸化防止マスクとして利用したローカル酸化法を用いて形成される。その後の工程は、図８以降の工程と同様である。
【０１１７】
図１３は、電子デバイス２００の平面例を示す。なお、図１３において、ゲート電極およびソース・ドレイン電極は省略されている。電子デバイス２００における第２化合物半導体結晶１１２は、欠陥を捕捉する欠陥捕捉部１２０を有してもよい。欠陥捕捉部１２０は、Ｇｅ結晶層１０６およびシード化合物半導体結晶１０８が形成される開口１０５を起点として、第２化合物半導体結晶１１２の端部まで形成されてもよい。
【０１１８】
欠陥捕捉部１２０の配置は、例えば、開口１０５を所定の配置で形成することで制御される。ここで、上記所定の配置は、電子デバイス２００の目的に応じて適宜設計される。開口１０５は複数形成されてもよい。また、上記複数の開口１０５は等間隔に形成されてもよい。複数の開口１０５は規則性を以って形成されてよく、例えば周期的に形成されてよい。複数の開口１０５のそれぞれの内部にはシード化合物半導体結晶１０８が形成される。
【０１１９】
図１４は、電子デバイス３００の平面例を示す。なお、図１４において、ゲート電極およびソース・ドレイン電極は省略されている。電子デバイス３００における第２化合物半導体結晶１１２は、電子デバイス２００における欠陥捕捉部１２０に加えて欠陥捕捉部１３０を有する。欠陥捕捉部１３０は、第１化合物半導体結晶１１０のシード面または阻害層１０４において所定の間隔で形成された欠陥中心を起点として、第２化合物半導体結晶１１２の端部まで形成される。
【０１２０】
欠陥中心は、物理的な傷等をシード面または阻害層１０４に形成することにより生成されてもよい。物理的な傷は、例えば、機械的な引っ掻き、摩擦、イオン注入等により形成される。ここで、上記所定の間隔は、電子デバイス３００の目的に応じて適宜設計される。上記欠陥中心は複数形成されてもよい。上記複数の欠陥中心は等間隔に形成されてもよい。また、上記複数の欠陥中心は規則性を以って形成されてよく、例えば周期的に形成されてもよい。
【０１２１】
欠陥捕捉部１２０および欠陥捕捉部１３０は、第２化合物半導体結晶１１２の結晶成長段階で形成されてもよい。欠陥捕捉部１２０および欠陥捕捉部１３０が形成されることで、第２化合物半導体結晶１１２の内部に存在する欠陥を、欠陥捕捉部１２０あるいは欠陥捕捉部１３０に集中させることができる。その結果、第２化合物半導体結晶１１２における、欠陥捕捉部１２０および欠陥捕捉部１３０でない領域のストレス等を低減して、結晶性を高めることができる。このため、第２化合物半導体結晶１１２において、電子デバイスを形成する領域の欠陥を低減できる。
【０１２２】
ＳＯＩ基板１０２の（１００）面の上に、化合物半導体をラテラル成長させる場合には、ＳＯＩ基板１０２の＜０−１１＞方向よりもシリコン基板の＜０１１＞方向のほうが、化合物半導体を成長させやすい。ＳＯＩ基板１０２の＜０−１１＞方向に化合物半導体を成長させる場合は、ラテラル成長した化合物半導体の端面には化合物半導体の（１１１）Ｂ面が現れる。この（１１１）Ｂ面は安定であるので、平坦な面を形成しやすい。よって化合物半導体の（１１１）Ｂ面上に、ゲート絶縁膜、ソース電極、ゲート電極およびドレイン電極を形成して、電子デバイスを形成することができる。
【０１２３】
一方、ＳＯＩ基板１０２の＜０１１＞方向に化合物半導体をラテラル成長させる場合には、ラテラル成長した化合物半導体の端面には、化合物半導体の（１１１）Ｂ面が逆の向きに現れる。この場合は、上側の（１００）面が広く取れるので、（１００）面上に電子デバイスを形成することができる。また、ＳＯＩ基板１０２の＜０１０＞方向および＜００１＞方向にも、高いアルシン分圧条件で、化合物半導体をラテラル成長させることができる。これらの方向に成長させる場合、ラテラル成長させた化合物半導体の端面には、化合物半導体の（１１０）面あるいは（１０１）面が現れやすい。化合物半導体のこれら（１１０）面あるいは（１０１）面の上にも、ゲート絶縁膜、ソース電極、ゲート電極およびドレイン電極を形成し、電子デバイスを形成することができる。
【０１２４】
図１５は、電子デバイス４００の断面例を示す。図１５の断面例と図３におけるＡ−Ａ線断面とは同等である。電子デバイス４００は、バッファ層４０２を有する他は、電子デバイス１００と同様の構成を有してもよい。
【０１２５】
バッファ層４０２は、Ｇｅ結晶層１０６に格子整合または擬格子整合する。バッファ層４０２は、Ｇｅ結晶層１０６とシード化合物半導体結晶１０８との間に形成される。バッファ層４０２は、Ｐを含む３−５族化合物半導体層であってもよい。バッファ層４０２は、例えば、ＩｎＧａＰ層であってもよい。ＩｎＧａＰ層は、例えば、エピタキシャル成長法により形成できる。
【０１２６】
ＩｎＧａＰ層は、例えば、ＭＯＣＶＤ法または有機金属を原料として用いるＭＢＥ法で形成される。これらの成長法における原料ガスには、例えば、ＴＭ−Ｇａ（トリメチルガリウム）、ＴＭ−Ｉｎ（トリメチルインジウム）、ＰＨ_３（フォスフィン）が用いられる。ＩｎＧａＰ層をエピタキシャル成長させる場合、例えば、６５０℃の温度で結晶薄膜が形成される。バッファ層４０２を形成することで、シード化合物半導体結晶１０８の結晶性がさらに向上する。
【０１２７】
ＰＨ_３処理の好ましい処理温度として、５００℃以上９００℃以下が例示できる。５００℃より低いと処理の効果が現れず、９００℃より高いとＧｅ結晶層１０６が変質するから好ましくない。さらに好ましい処理温度として、６００℃以上８００℃以下が例示できる。曝露処理は、プラズマ等によってＰＨ_３を活性化してもよい。
【０１２８】
バッファ層４０２は、単一の層であってもよく、複数の層を含んでもよい。バッファ層４０２は、６００℃以下、好ましくは５５０℃以下で形成されてもよい。これにより、シード化合物半導体結晶１０８の結晶性が向上する。バッファ層４０２は、６００℃以下、好ましくは５５０℃以下の温度で形成されたＧａＡｓ層であってもよい。バッファ層４０２は、４００℃以上で形成されてもよい。この場合、Ｇｅ結晶層１０６のバッファ層４０２に対向する面が、気体のＰ化合物により表面処理されてもよい。
【０１２９】
図１６は、電子デバイス５００の断面例を示す。図１６の断面例と図３におけるＡ−Ａ線断面とは同等である。電子デバイス５００の構成は、ソース・ドレイン電極５０２の配置が相違する他は、電子デバイス１００の構成と同様であってもよい。電子デバイス５００において、ＭＩＳＦＥＴは、ソース・ドレイン電極１１８およびソース・ドレイン電極５０２を有する。
【０１３０】
ソース・ドレイン電極５０２は第１入出力電極の一例である。ソース・ドレイン電極１１８は第２入出力電極の一例である。図１６に示すとおり、第２化合物半導体結晶１１２の成長面は、ソース・ドレイン電極５０２に覆われている。即ち、ソース・ドレイン電極５０２は第２化合物半導体結晶１１２の側面にも形成されている。
【０１３１】
ソース・ドレイン電極５０２が第２化合物半導体結晶１１２の側面にも形成されることにより、第２化合物半導体結晶１１２あるいはその上に形成される活性層（キャリア移動層と称される場合もある。）でのキャリアの移動方向の延長線と交差する位置に入出力電極を配置できる。これによりキャリア移動が容易になり、電子デバイス５００の性能が向上する。
【０１３２】
図１７は、電子デバイス６００の断面例を示す。図１７の断面例と図３におけるＡ−Ａ線断面とは同等である。電子デバイス６００の構成は、ソース・ドレイン電極６０２の配置が相違する他は、電子デバイス５００の構成と同様であってよい。電子デバイス６００において、ＭＩＳＦＥＴは、ソース・ドレイン電極６０２およびソース・ドレイン電極５０２を有する。
【０１３３】
第２化合物半導体結晶１１２の、開口１０５の上の領域は、例えば、エッチングにより除去されている。図１７に示すとおり、上記エッチングにより露出した第２化合物半導体結晶１１２の側面は、ソース・ドレイン電極６０２により覆われている。これにより、電子デバイス６００におけるキャリア移動がさらに容易になり、電子デバイス６００の性能は、さらに向上する。なお、Ｇｅ膜をエッチングしてＧｅ結晶層１０６を形成した後に、阻害層１０４をＧｅ結晶層１０６の形成領域以外の領域に形成する場合には、開口１０５は、Ｇｅ結晶層１０６の形成領域として把握できる。
【０１３４】
また、ソース・ドレイン電極６０２は、エッチングにより露出した開口１０５のシード化合物半導体結晶１０８またはＧｅ結晶層１０６を介して、Ｓｉ結晶層１６６に接続されている。これにより、例えば、ＭＩＳＦＥＴの一方の入出力端子を基板電位に維持して、ノイズを低減することができる。
【０１３５】
図１８は、電子デバイス７００の断面例を示す。図１８の断面例と図３におけるＡ−Ａ線断面とは同等である。電子デバイス７００の構成は、下部ゲート絶縁膜７０２および下部ゲート電極７０４を備える他は、電子デバイス１００の場合と同様である。
【０１３６】
下部ゲート電極７０４は、第２化合物半導体結晶１１２を挟んで、ゲート電極１１６と対向して配置される。下部ゲート電極７０４は、阻害層１０４の表面に形成された溝部に形成されてもよい。下部ゲート電極７０４および第２化合物半導体結晶１１２の間には、下部ゲート絶縁膜７０２が形成される。
【０１３７】
電子デバイス７００においてゲート電極１１６および下部ゲート電極７０４を上記のように配置することにより、簡便にダブルゲート構造を実現できる。これにより、ゲートの制御性を高め、ひいては電子デバイス７００のスイッチング性能等を向上させることができる。
【０１３８】
図１９は、半導体基板８０１の平面例を示す。半導体基板８０１は、ＳＯＩ基板８０２の上に、素子が形成される領域８０３を備える。領域８０３は、図示するとおり、ＳＯＩ基板８０２の表面に複数配置される。また、領域８０３は、等間隔に配置される。
【０１３９】
ＳＯＩ基板８０２とＳＯＩ基板１０２とは同等である。つまり、複数のＧｅ結晶層１０６がＳｉ結晶層１６６の上に等間隔に設けられる。
【０１４０】
図２０は、領域８０３の一例を示す。領域８０３には阻害層８０４が形成される。阻害層８０４と電子デバイス１００の阻害層１０４とは同等である。阻害層８０４は絶縁性である。阻害層８０４は、例えば、酸化シリコン層、窒化シリコン層、酸窒化シリコン層もしくは酸化アルミニウム層またはこれらを積層した層である。開口８０６と電子デバイス１００の開口１０５とは同等である。即ち、開口８０６は、開口１０５と同様のアスペクト比および面積を有する。阻害層８０４は、ＳＯＩ基板８０２の上に複数形成される。複数の阻害層８０４は、それぞれ、間隔をおいて配置される。例えば、阻害層８０４は、１辺が５０μｍ以上４００μｍ以下の正方形に形成される。また、それぞれの阻害層８０４は、５０μｍ以上５００μｍ以下の間隔をおいて、等間隔に形成されてもよい。
【０１４１】
本実施形態の半導体基板８０１においては、図２２に示す開口８０６に、電子素子としてヘテロジャンクション・バイポーラ・トランジスタ（以下、ＨＢＴと称する場合がある。）が形成される。開口８０６を囲むように形成された阻害層８０４の上には、ＨＢＴのコレクタに接続されるコレクタ電極８０８、エミッタに接続されるエミッタ電極８１０、およびベースに接続されるベース電極８１２が各々形成される。なお、電極は、配線または配線のボンディングパッドに代えることもできる。また、電子素子の一例であるＨＢＴは、開口８０６ごとに一つ形成されてもよい。電子素子は相互に接続されてよく、また、並列に接続されてもよい。
【０１４２】
図２１は、半導体基板８０１の断面図の一例を、阻害層８０４で被覆される領域である被覆領域の開口８０６に形成されるＨＢＴと共に示す。半導体基板８０１は、ＳＯＩ基板８０２、阻害層８０４、Ｇｅ結晶層８２０、バッファ層８２２、化合物半導体機能層８２４を備える。
【０１４３】
ＳＯＩ基板８０２は、少なくとも一部の領域において、Ｓｉ基板８６２と、絶縁層８６４と、Ｓｉ結晶層８６６とをこの順に有する。Ｓｉ基板８６２、絶縁層８６４、Ｓｉ結晶層８６６と、電子デバイス１００のＳｉ基板１６２、絶縁層１６４、Ｓｉ結晶層１６６とは同等である。Ｓｉ基板８６２は主面８７２を含む。主面８７２とＳｉ基板１６２の主面１７２とは同等である。
【０１４４】
阻害層８０４はＳｉ結晶層８６６の上に形成され、化合物半導体機能層８２４の結晶成長を阻害する。阻害層８０４は、化合物半導体機能層８２４のエピタキシャル成長を阻害する。阻害層８０４と阻害層１０４とは同等である。
【０１４５】
阻害層８０４は、Ｓｉ結晶層８６６の一部を覆うように設けられる。また、阻害層８０４には、Ｓｉ結晶層８６６まで貫通する開口８０６が形成される。阻害層８０４の表面の形状は正方形であってよく、阻害層８０４は、表面の中心に開口８０６を有してもよい。阻害層８０４はＳｉ結晶層８６６に接して形成されてもよい。
【０１４６】
Ｇｅ結晶層８２０は、Ｇｅ結晶層１０６と同様の構成を有する。例えば、Ｇｅ結晶層８２０は、阻害層８０４の開口８０６の内部において結晶成長して形成される。Ｇｅ結晶層８２０は、開口８０６の内部に選択的に結晶成長する。
【０１４７】
阻害層８０４は、阻害層８０４の表面におけるエピタキシャル成長を阻害する。その結果、阻害層８０４の表面にはＧｅ結晶層８２０が形成されない。一方、開口８０６に露出したＳｉ結晶層８６６は阻害層８０４に覆われていないので、開口８０６において、Ｓｉ結晶層８６６の上にＧｅ結晶層８２０が形成される。Ｇｅ結晶層８２０はＳｉ結晶層８６６に接して形成されてもよく、中間層を介して形成されてもよい。
【０１４８】
バッファ層８２２は、Ｇｅ結晶層８２０に格子整合または擬格子整合する。バッファ層８２２はバッファ層４０２と同様の構成を有する。バッファ層８２２はＧｅ結晶層８２０と化合物半導体機能層８２４との間に形成される。バッファ層８２２はＰを含む３−５族化合物半導体層であってもよい。バッファ層８２２は、例えば、ＩｎＧａＰ層である。ＩｎＧａＰ層は、例えば、エピタキシャル成長法により形成される。
【０１４９】
ＩｎＧａＰ層がＳｉ結晶層８６６に接してエピタキシャル成長する場合、ＩｎＧａＰ層は、阻害層８０４の表面には形成されず、Ｇｅ結晶層８２０の表面に選択成長される。バッファ層８２２の他の例としては、Ｓｉ結晶層８６６の上に、５００℃以下の温度で結晶成長して形成されたＧａＡｓ層であってもよい。なお、半導体基板８０１はバッファ層８２２を含まなくてもよい。このとき、Ｇｅ結晶層８２０の化合物半導体機能層８２４に対向する面は、Ｐを含むガスで表面処理されてもよい。
【０１５０】
化合物半導体機能層８２４は、Ｇｅ結晶層８２０に格子整合または擬格子整合する。化合物半導体機能層８２４には、例えば、ＨＢＴが形成される。ＨＢＴは電子素子の一例である。化合物半導体機能層８２４はＧｅ結晶層８２０に接して形成されてもよい。即ち、化合物半導体機能層８２４は、Ｇｅ結晶層８２０に接して、または、バッファ層８２２を介して形成されてもよい。化合物半導体機能層８２４は結晶成長により形成されてもよい。例えば、化合物半導体機能層８２４はエピタキシャル成長により形成される。
【０１５１】
化合物半導体機能層８２４は、Ｇｅ結晶層８２０に格子整合または擬格子整合する、３−５族化合物層または２−６族化合物層であってもよい。化合物半導体機能層８２４は、Ｇｅ結晶層８２０に格子整合または擬格子整合する３−５族化合物層であり、３族元素としてＡｌ、Ｇａ、Ｉｎのうち少なくとも１つを含み、５族元素としてＮ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂのうち少なくとも１つを含んでよい。たとえば化合物半導体機能層８２４は、ＧａＡｓ層、またはＩｎＧａＡｓ層である。
【０１５２】
化合物半導体機能層８２４には、電子素子としてＨＢＴが形成される。なお、化合物半導体機能層８２４に形成される電子素子として、本実施形態ではＨＢＴを例示するが、電子素子はＨＢＴに限定されず、例えば、発光ダイオード、高電子移動度トランジスタ（以下、ＨＥＭＴと称する場合がある。）、太陽電池、薄膜センサであってもよい。
【０１５３】
化合物半導体機能層８２４の表面には、ＨＢＴのコレクタメサ、エミッタメサおよびベースメサが、各々形成される。コレクタメサ、エミッタメサおよびベースメサの表面には、コンタクトホールを介して、コレクタ電極８０８、エミッタ電極８１０およびベース電極８１２が形成される。化合物半導体機能層８２４は、ＨＢＴのコレクタ層、エミッタ層およびベース層を含む。即ち、コレクタ層はバッファ層８２２の上に形成され、エミッタ層はバッファ層８２２とコレクタ層との間に形成され、ベース層は、バッファ層８２２とエミッタ層との間に形成される。
【０１５４】
コレクタ層は、キャリア濃度が３．０×１０^１８ｃｍ^−３、膜厚５００ｎｍのｎ^＋ＧａＡｓ層と、キャリア濃度が１．０×１０^１６ｃｍ^−３、膜厚５００ｎｍのｎ⁻ＧａＡｓ層とが、この順に積層した積層膜であってもよい。エミッタ層は、キャリア濃度が３．０×１０^１７ｃｍ^−３、膜厚３０ｎｍのｎ−ＩｎＧａＰ層と、キャリア濃度が３．０×１０^１８ｃｍ^−３、膜厚１００ｎｍのｎ^＋ＧａＡｓ層と、キャリア濃度が１．０×１０^１９ｃｍ^−３、膜厚１００ｎｍのｎ^＋ＩｎＧａＡｓ層とが、この順に積層した積層膜であってもよい。ベース層は、キャリア濃度が５．０×１０^１９ｃｍ^−３、膜厚５０ｎｍのｐ⁻ＧａＡｓ層であってもよい。ここで、キャリア濃度、膜厚の値は、設計値を示す。
【０１５５】
化合物半導体機能層８２４以外のＳｉ層の少なくとも一部には、ＭＩＳＦＥＴ８８０が形成されてもよい。ＭＩＳＦＥＴ８８０は、同図に示すように、ウエル８８２と、ゲート電極８８８とを有してもよい。図面には示されていないが、ウエル８８２にはソース領域およびドレイン領域が形成されてもよい。また、ウエル８８２とゲート電極８８８との間には、ゲート絶縁膜が形成されてもよい。
【０１５６】
化合物半導体機能層８２４以外のＳｉ層は、Ｓｉ基板８６２またはＳｉ結晶層８６６であってもよい。ＭＩＳＦＥＴ８８０は、Ｓｉ結晶層８６６において、Ｇｅ結晶層８２０に覆われていない領域に形成されてもよい。
【０１５７】
また、Ｓｉ基板８６２は、単結晶Ｓｉ基板であってもよい。このとき、ＭＩＳＦＥＴ８８０は、単結晶Ｓｉ基板において、Ｇｅ結晶層８２０および絶縁層８６４に覆われていない領域に形成されてもよい。また、Ｓｉ基板８６２またはＳｉ結晶層８６６には、Ｓｉを加工して形成される能動素子、機能素子のような電子素子だけでなく、Ｓｉ層の上に形成される配線、Ｓｉを含む配線、および、それらを組み合わせて形成される電子回路、および、ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）の少なくとも１つが形成されてもよい。
【０１５８】
なお、本実施形態では、シード結晶層が結晶成長により形成されたＧｅ結晶を含む場合について説明したが、この場合に限定されない。例えば、シード結晶層は、電子デバイス１００の場合と同様に、Ｓｉ_ｘＧｅ_１−ｘ（０≦ｘ＜１）であってもよい。シード結晶層は、Ｓｉの含有率が低いＳｉ_ｘＧｅ_１−ｘであってもよい。また、シード結晶層は５００℃以下の温度で形成されたＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓ層を含んでよい。
【実施例】
【０１５９】
（実施例１）
図６から図７に示された手順に従って、ＳＯＩ基板１０２の上に、開口１０５が形成された阻害層１０４と、開口１０５の内部に結晶成長したＧｅ結晶層１０６とを備える半導体基板を作製した。ＳＯＩ基板１０２の上には、２５０００個のＧｅ結晶層１０６を作製した。また、図６から図１０に示された手順に従って、上記Ｇｅ結晶層１０６ごとに、電子デバイス１００を作製した。電子デバイスは、２５０００個製造した。
【０１６０】
ＳＯＩ基板１０２のＳｉ基板１６２には、単結晶Ｓｉ基板を用いた。阻害層１０４として、ＳｉＯ_２をＣＶＤ法により形成した後、フォトリソグラフィ法により、阻害層１０４に開口１０５を形成した。開口１０５のアスペクト比は、１とした。Ｇｅ結晶層１０６は、原料ガスとしてＧｅＨ_４を用いて、ＣＶＤ法により形成した。Ｇｅ結晶層１０６のＳＯＩ基板１０２の表面と略平行な方向における最大幅は、２μｍとした。Ｇｅ結晶層１０６を形成した後、８００℃で、１０分間の高温アニールと、６８０℃で、１０分間の低温アニールとを繰り返す２段階アニールを実施した。上記２段階アニールを、１０回実施した。これにより、上記半導体基板が得られた。
【０１６１】
上記半導体基板のＧｅ結晶層１０６の上に、シード化合物半導体結晶１０８、第１化合物半導体結晶１１０および第２化合物半導体結晶１１２として、ＧａＡｓ結晶を形成した。ＧａＡｓ結晶は、原料ガスとしてＴＭ−ＧａおよびＡｓＨ_３を用いて、成長温度を６５０℃として、ＭＯＣＶＤ法により形成した。第２化合物半導体結晶１１２は、ＡｓＨ_３の分圧を、１×１０^−３ａｔｍにして成長させた。第２化合物半導体結晶１１２の上に、高抵抗ＡｌＧａＡｓのゲート絶縁膜１１４、Ｐｔのゲート電極１１６、および、Ｗのソース・ドレイン電極１１８を形成して、電子デバイス１００が得られた。
【０１６２】
Ｇｅ結晶層１０６が形成された半導体基板について、Ｇｅ結晶層１０６の表面に形成された欠陥の有無を検査した。検査は、エッチピット法により実施した。その結果、Ｇｅ結晶層１０６の表面には、欠陥は発見されなかった。また、１０個の電子デバイス１００について、貫通欠陥の有無を検査した。検査は、ＴＥＭによる面内断面観察により実施した。その結果、貫通欠陥が発見された電子デバイス１００は、０個であった。
【０１６３】
本実施形態によれば、アスペクト比が（√３）／３以上の開口１０５にＧｅ結晶層１０６を形成したので、Ｇｅ結晶層１０６が形成された時点で、結晶性に優れた表面を有するＧｅ結晶層１０６を形成できた。また、本実施形態によれば、Ｇｅ結晶層１０６にアニールを施したことにより、Ｇｅ結晶層１０６の結晶性をさらに高めることができた。Ｇｅ結晶層１０６の結晶性が向上したので、Ｇｅ結晶層１０６を核とするシード化合物半導体結晶１０８、および、シード化合物半導体結晶１０８の特定面をシード面とする第１化合物半導体結晶１１０、および、第１化合物半導体結晶１１０の特定面をシード面とする第２化合物半導体結晶１１２の結晶性が向上した。
【０１６４】
以上の構成により、第２化合物半導体結晶１１２の上に形成する電子デバイス１００の活性層の結晶性を高め、安価な基板であるＳＯＩ基板１０２の上に形成した電子デバイス１００の性能を高めることができた。また、本実施形態の電子デバイス１００によれば、ＳＯＩ基板１０２の上に形成された第２化合物半導体結晶１１２に電子素子が形成されたので、電子デバイス１００の浮遊容量が低減され、電子デバイス１００の動作速度が向上した。また、Ｓｉ基板１６２へのリーク電流を低減できた。
【０１６５】
（実施例２）
２５００個の領域８０３を備えた半導体基板８０１を、以下の通り作製した。ＳＯＩ基板８０２のＳｉ基板８６２には、単結晶Ｓｉ基板を用いた。酸化シリコンの阻害層８０４を、ＣＶＤ法により形成した後、フォトリソグラフィ法により開口８０６を形成した。開口８０６のアスペクト比は、１とした。開口８０６の形状は、１辺が１００μｍの正方形として、隣接する開口８０６同士は、５００μｍの間隔をおいて配置した。開口８０６の内部に、Ｇｅ結晶層８２０を形成した。Ｇｅ結晶層８２０は、原料ガスとしてＧｅＨ_４を用いて、ＭＯＣＶＤ法により形成した。Ｇｅ結晶層８２０のＳＯＩ基板８０２の表面と略平行な方向における最大幅は、２μｍとした。Ｇｅ結晶層８２０を形成した後、８００℃で、２分間の高温アニールと、６８０℃で、２分間の低温アニールとを繰り返す２段階アニールを実施した。上記２段階アニールを、１０回実施した。
【０１６６】
Ｇｅ結晶層８２０が形成された半導体基板８０１について、Ｇｅ結晶層８２０の表面に形成された欠陥の有無を検査した。検査は、エッチピット法により実施した。その結果、Ｇｅ結晶層の表面には、欠陥は発見されなかった。以上によれば、阻害層８０４によって区画された開口８０６の内部にＧｅ結晶層８２０を選択成長させ、Ｇｅ結晶層８２０に２段階のアニールを複数回施すことにより、Ｇｅ結晶層８２０の結晶性が向上した。さらに、バッファ層８２２としてＩｎＧａＰ層を形成することにより、結晶性の優れた化合物半導体機能層８２４としてのＧａＡｓ層を有する半導体基板８０１を得ることができた。
【０１６７】
次に、同様にして形成した半導体基板８０１を用いて、電子デバイスを作製した。電子デバイスは、以下の通り作製した。領域８０３のそれぞれのＧｅ結晶層８２０の上に、ＩｎＧａＰのバッファ層８２２を形成した。バッファ層８２２は、原料ガスとしてＴＭ−Ｇａ、ＴＭ−ＩｎおよびＰＨ_３を用いて、成長温度を６５０℃として、ＭＯＣＶＤ法により形成した。
【０１６８】
バッファ層８２２の上に、ＨＢＴのコレクタ層として、キャリア濃度が３．０×１０^１８ｃｍ^−３、膜厚５００ｎｍのｎ^＋ＧａＡｓ層と、その上にキャリア濃度が２．０×１０^１６ｃｍ^−３、膜厚５００ｎｍのｎ⁻ＧａＡｓ層とを、この順に形成した。コレクタ層の上に、ＨＢＴのベース層として、キャリア濃度が５．０×１０^１９ｃｍ^−３、膜厚５０ｎｍのｐ^＋ＧａＡｓ層を形成した。ベース層の上に、ＨＢＴのエミッタ層として、キャリア濃度が３．０×１０^１７ｃｍ^−３、膜厚３０ｎｍのｎ−ＩｎＧａＰ層と、キャリア濃度が３．０×１０^１８ｃｍ^−３、膜厚１００ｎｍのｎ^＋ＧａＡｓ層と、キャリア濃度が１．０×１０^１９ｃｍ^−３、膜厚１００ｎｍのｎ^＋ＩｎＧａＡｓ層とを、この順に形成した。ここで、キャリア濃度、膜厚の値は、設計値を示す。
【０１６９】
これにより、ベース層、エミッタ層、コレクタ層を含む化合物半導体機能層８２４が形成できた。ベース層、エミッタ層、コレクタ層のＧａＡｓ層は、原料ガスとしてＴＭ−ＧａおよびＡｓＨ_３を用いて、成長温度を６５０℃として、ＭＯＣＶＤ法により形成した。その後、それぞれ、所定のエッチングにより、ベース層、エミッタ層、コレクタ層電極接続部を形成した。化合物半導体機能層８２４の表面に、コレクタ電極８０８、エミッタ電極８１０およびベース電極８１２を形成して、ＨＢＴを作製した。エミッタ層及びコレクタ層についてはＡｕＧｅＮｉ層を真空蒸着法により形成した。ベース層についてはＡｕＺｎ層を真空蒸着法により形成した。その後、水素雰囲気中において４２０℃で１０分間熱処理を施すことにより、各電極を形成した。各電極と上記駆動回路とを電気的に接続して、電子デバイスを作製した。
【０１７０】
これにより、小型で消費電力の少ない電子デバイスを作製できた。また、化合物半導体機能層８２４の表面を二次電子顕微鏡（以下、ＳＥＭと称する場合がある。）で観察したところ、表面にμｍオーダーの凹凸は観察されなかった。
【０１７１】
（実施例３）
Ｓｉ結晶層８６６とＧｅ結晶層８２０との間に、５００℃以下の温度で形成されたＧａＡｓ層のバッファ層を備えた半導体基板８０１を作製した。上記半導体基板８０１は、Ｓｉ結晶層８６６とＧｅ結晶層８２０との間にバッファ層を形成した以外は、実施例２と同様に作製した。バッファ層としてのＧａＡｓ層は、原料ガスとしてＴＭ−ＧａおよびＡｓＨ_３を用いて、成長温度を４５０℃として、ＭＯＣＶＤ法により形成した。これにより、化合物半導体機能層８２４の結晶性を、ある程度向上できた。
【０１７２】
（実施例４）
Ｇｅ結晶層８２０の表面がＰＨ_３ガスで処理された半導体基板８０１を作製した。上記半導体基板８０１は、ＩｎＧａＰのバッファ層８２２を用いない点と、Ｇｅ結晶層８２０の化合物半導体機能層８２４に対向する面をＰＨ_３ガスで処理した後、化合物半導体機能層８２４を形成した点以外は、実施例２と同様に作製した。これにより、化合物半導体機能層８２４の結晶性を、ある程度向上できた。
【０１７３】
（実施例５）
図２２は、実施例５から実施例１３で使用した半導体基板の断面の模式図である。当該半導体基板は、Ｓｉ基板２１０２と、阻害層２１０４と、Ｇｅ結晶層２１０６と、化合物半導体２１０８とを備える。化合物半導体２１０８は、例えば、シード化合物半導体結晶１０８を含む。
図２３から図２７は、アニール温度とＧｅ結晶層２１０６の平坦性との関係示す。図２３は、アニールしていないＧｅ結晶層２１０６の断面形状を示す。図２４、図２５、図２６および図２７は、それぞれ、７００℃、８００℃、８５０℃、９００℃でアニールを実施した場合の、Ｇｅ結晶層２１０６の断面形状を示す。Ｇｅ結晶層２１０６の断面形状は、レーザー顕微鏡により観察した。各図の縦軸は、Ｓｉ基板２１０２の主面に垂直な方向における距離を示し、Ｇｅ結晶層２１０６の膜厚を示す。各図の横軸は、Ｓｉ基板２１０２の主面に平行な方向における距離を示す。
【０１７４】
各図において、Ｇｅ結晶層２１０６は以下の手順で形成した。まず、熱酸化法により、Ｓｉ基板２１０２の表面にＳｉＯ_２層の阻害層２１０４を形成して、阻害層２１０４に被覆領域および開口を形成した。阻害層２１０４の外形は、被覆領域の外形に等しい。Ｓｉ基板２１０２は市販の単結晶Ｓｉ基板を用いた。被覆領域の平面形状は、一辺の長さが４００μｍの正方形であった。次に、ＣＶＤ法により、開口の内部にＧｅ結晶層２１０６を選択的に成長させた。
【０１７５】
図２３から図２７より、アニール温度が低いほどＧｅ結晶層２１０６の表面の平坦性が良好であることがわかる。特に、アニール温度が９００℃未満の場合、Ｇｅ結晶層２１０６の表面が優れた平坦性を示すことがわかる。
【０１７６】
（実施例６）
Ｓｉ基板２１０２と、阻害層２１０４と、Ｇｅ結晶層２１０６と、素子形成層として機能する化合物半導体２１０８とを備えた半導体基板を作製して、阻害層２１０４に形成した開口１０５の内部に成長する結晶の成長速度と、被覆領域の大きさおよび開口１０５の大きさとの関係を調べた。実験は、阻害層２１０４に形成される被覆領域の平面形状および開口１０５の底面形状を変えて、一定時間の間に成長する化合物半導体２１０８の膜厚を測定することで実施した。
【０１７７】
まず、以下の手順で、Ｓｉ基板２１０２の表面に、被覆領域および開口１０５を形成した。Ｓｉ基板２１０２の一例として、市販の単結晶Ｓｉ基板を用いた。熱酸化法により、Ｓｉ基板２１０２の表面に、阻害層２１０４の一例としてＳｉＯ_２層を形成した。
【０１７８】
上記ＳｉＯ_２層をエッチングして、所定の大きさのＳｉＯ_２層を形成した。所定の大きさのＳｉＯ_２層は、３個以上形成した。このとき、所定の大きさのＳｉＯ_２層の平面形状が同一の大きさの正方形となるよう設計した。また、エッチングにより、上記正方形のＳｉＯ_２層の中心に、所定の大きさの開口１０５を形成した。このとき、上記正方形のＳｉＯ_２層の中心と、上記開口１０５の中心とが一致するよう設計した。上記正方形のＳｉＯ_２層の１つにつき、１つの開口１０５を形成した。なお、本明細書において、上記正方形のＳｉＯ_２層の一辺の長さを、被覆領域の一辺の長さと称する場合がある。
【０１７９】
次に、ＭＯＣＶＤ法により、上記開口１０５に、Ｇｅ結晶層２１０６を選択的に成長させた。原料ガスには、ＧｅＨ_４を用いた。原料ガスの流量および成膜時間は、それぞれ、所定の値に設定した。次に、ＭＯＣＶＤ法により、化合物半導体２１０８の一例として、ＧａＡｓ結晶を形成した。ＧａＡｓ結晶は、６２０℃、８ＭＰａの条件で、開口１０５の内部のＧｅ結晶層２１０６の表面にエピタキシャル成長させた。原料ガスには、トリメチルガリウムおよびアルシンを用いた。原料ガスの流量および成膜時間は、それぞれ、所定の値に設定した。
【０１８０】
化合物半導体２１０８を形成した後、化合物半導体２１０８の膜厚を測定した。化合物半導体２１０８の膜厚は、針式段差計（ＫＬＡＴｅｎｃｏｒ社製、ＳｕｒｆａｃｅＰｒｏｆｉｌｅｒＰ−１０）により、化合物半導体２１０８の３箇所の測定点における膜厚を測定して、当該３箇所の膜厚を平均することで算出した。このとき、当該３箇所の測定点における膜厚の標準偏差も算出した。なお、上記膜厚は、透過型電子顕微鏡または走査型電子顕微鏡による断面観察法により、化合物半導体２１０８の３箇所の測定点における膜厚を直接測定して、当該３箇所の膜厚を平均することで算出してもよい。
【０１８１】
以上の手順により、被覆領域の一辺の長さを、５０μｍ、１００μｍ、２００μｍ、３００μｍ、４００μｍまたは５００μｍに設定した場合のそれぞれについて、開口１０５の底面形状を変えて、化合物半導体２１０８の膜厚を測定した。開口１０５の底面形状は、一辺が１０μｍの正方形の場合、一辺が２０μｍの正方形の場合、短辺が３０μｍで長辺が４０μｍの長方形である場合の３通りについて実験した。
【０１８２】
なお、被覆領域の一辺の長さが５００μｍの場合、複数の上記正方形のＳｉＯ_２層は、一体的に形成されている。この場合、一辺の長さが５００μｍの被覆領域が５００μｍ間隔で配置されているわけではないが、便宜上、被覆領域の一辺の長さが５００μｍの場合として表す。また、便宜上、隣接する２つの被覆領域の間の距離を０μｍとして表す。
【０１８３】
実施例６の実験結果を、図２８および図２９に示す。図２８は、実施例６のそれぞれの場合における化合物半導体２１０８の膜厚の平均値を示す。図２９は、実施例６のそれぞれの場合における化合物半導体２１０８の膜厚の変動係数を示す。
【０１８４】
図２８は、化合物半導体２１０８の成長速度と、被覆領域の大きさおよび開口１０５の大きさとの関係を示す。図２８において、縦軸は一定時間の間に成長した化合物半導体２１０８の膜厚[Å]を示し、横軸は被覆領域の一辺の長さ[μｍ]を示す。本実施例において、化合物半導体２１０８の膜厚は一定時間の間に成長した膜厚なので、当該膜厚を当該時間で除することで、化合物半導体２１０８の成長速度の近似値が得られる。
【０１８５】
図２８において、菱形のプロットは、開口１０５の底面形状が一辺が１０μｍの正方形である場合の実験データを示し、四角形のプロットは、開口１０５の底面形状が一辺が２０μｍの正方形である場合の実験データを示す。同図において、三角形のプロットは、開口１０５の底面形状が、長辺が４０μｍ、短辺が３０μｍの長方形である場合の実験データを示す。
【０１８６】
図２８より、上記成長速度は、被覆領域の大きさが大きくなるに従い、単調増加することがわかる。また、上記成長速度は、被覆領域の一辺の長さが４００μｍ以下の場合には、ほぼ線形に増加しており、開口１０５の底面形状によるばらつきは少ないことがわかる。一方、被覆領域の一辺の長さが５００μｍの場合には、被覆領域の一辺の長さが４００μｍ以下の場合と比較して成長速度が急激に増加しており、開口１０５の底面形状によるばらつきも大きくなることがわかる。このため、阻害層のＳｉ結晶層と平行な面における最大幅は、４００μｍ以下であることが好ましい。
【０１８７】
図２９は、化合物半導体２１０８の成長速度の変動係数と、隣接する２つの被覆領域の間の距離との関係を示す。ここで、変動係数とは、平均値に対する標準偏差の比であり、上記３箇所の測定点における膜厚の標準偏差を、当該膜厚の平均値で除して算出できる。図２９において、縦軸は一定時間の間に成長した化合物半導体２１０８の膜厚[Å]の変動係数を示し、横軸は隣接する被覆領域の間の距離[μｍ]を示す。図２９は、隣接する２つの被覆領域の間の距離が、０μｍ、２０μｍ、５０μｍ、１００μｍ、２００μｍ、３００μｍ、４００μｍおよび４５０μｍの場合の実験データを示す。図２９において、菱形のプロットは、開口１０５の底面形状が一辺が１０μｍの正方形の場合の実験データを示す。
【０１８８】
図２９において、隣接する２つの被覆領域の間の距離が、０μｍ、１００μｍ、２００μｍ、３００μｍ、４００μｍおよび４５０μｍの実験データは、それぞれ、図２８における被覆領域の一辺の長さが５００μｍ、４００μｍ、３００μｍ、２００μｍ、１００μｍおよび５０μｍの場合の実験データに対応する。隣接する２つの被覆領域の間の距離が２０μｍおよび５０μｍのデータについては、他の実験データと同様の手順により、それぞれ、被覆領域の一辺の長さが４８０μｍおよび４５０μｍの場合について化合物半導体２１０８の膜厚を測定して得られた。
【０１８９】
図２９より、隣接する２つの被覆領域の間の距離が０μｍの場合と比較して、上記距離が２０μｍの場合には、化合物半導体２１０８の成長速度が非常に安定していることがわかる。上記結果より、隣接する２つの被覆領域がわずかでも離れている場合には、開口１０５の内部に成長する結晶の成長速度が安定化することがわかる。または、隣接する２つの被覆領域の間に結晶成長が生じる領域が配置されていれば、上記結晶の成長速度が安定化することがわかる。また、隣接する２つの被覆領域の間の距離が０μｍの場合であっても、複数の開口１０５を等間隔で配置することで、上記結晶の成長速度のばらつきを抑制できていることがわかる。
【０１９０】
（実施例７）
被覆領域の一辺の長さを２００μｍ、５００μｍ、７００μｍ、１０００μｍ、１５００μｍ、２０００μｍ、３０００μｍまたは４２５０μｍに設定して、それぞれの場合について、実施例６の場合と同様の手順で半導体基板を作製して、開口１０５の内部に形成された化合物半導体２１０８の膜厚を測定した。本実施例では、Ｓｉ基板２１０２の上に同一の大きさのＳｉＯ_２層が複数配置されるように、当該ＳｉＯ_２層を形成した。また、上記複数のＳｉＯ_２層が互いに離間するよう、当該ＳｉＯ_２層を形成した。開口１０５の底面形状は、実施例６と同様に、一辺が１０μｍの正方形の場合、一辺が２０μｍの正方形の場合、短辺が３０μｍで長辺が４０μｍの長方形である場合の３通りについて実験した。Ｇｅ結晶層２１０６および化合物半導体２１０８の成長条件は実施例６と同一の条件に設定した。
【０１９１】
（実施例８）
トリメチルガリウムの供給量を半分にして、化合物半導体２１０８の成長速度を約半分にした以外は実施例７の場合と同様にして、開口１０５の内部に形成された化合物半導体２１０８の膜厚を測定した。なお、実施例８では、被覆領域の一辺の長さを２００μｍ、５００μｍ、１０００μｍ、２０００μｍ、３０００μｍまたは４２５０μｍに設定して、開口１０５の底面形状が一辺が１０μｍの正方形の場合について、実験を実施した。
【０１９２】
実施例７および実施例８の実験結果を、図３０、図３１〜図３５、図３６〜図４０、および、表１に示す。図３０に、実施例７のそれぞれの場合における化合物半導体２１０８の膜厚の平均値を示す。図３１〜図３５に、実施例７のそれぞれの場合における化合物半導体２１０８の電子顕微鏡写真を示す。図３６〜図４０に、実施例８のそれぞれの場合における化合物半導体２１０８の電子顕微鏡写真を示す。表１に、実施例７および実施例８のそれぞれの場合における、化合物半導体２１０８の成長速度と、Ｒａ値とを示す。
【０１９３】
図３０は、化合物半導体２１０８の成長速度と、被覆領域の大きさおよび開口１０５の大きさとの関係を示す。図３０において、縦軸は一定時間の間に成長した化合物半導体２１０８の膜厚を示し、横軸は被覆領域の一辺の長さ[μｍ]を示す。本実施例において、化合物半導体２１０８の膜厚は一定時間の間に成長した膜厚なので、当該膜厚を当該時間で除することで、化合物半導体２１０８の成長速度の近似値が得られる。
【０１９４】
図３０において、菱形のプロットは、開口１０５の底面形状が一辺が１０μｍの正方形である場合の実験データを示し、四角形のプロットは、開口１０５の底面形状が一辺が２０μｍの正方形である場合の実験データを示す。同図において、三角形のプロットは、開口１０５の底面形状が、長辺が４０μｍ、短辺が３０μｍの長方形である場合の実験データを示す。
【０１９５】
図３０より、被覆領域の一辺の長さが４２５０μｍにいたるまで、上記成長速度は、被覆領域の大きさが大きくなるに従い、安定して増加することがわかる。このため、阻害層のＳｉ結晶層と平行な面における最大幅は、４２５０μｍ以下であることが好ましい。図２８に示した結果および図３０に示した結果より、隣接する２つの被覆領域がわずかでも離れている場合には、開口１０５の内部に成長する結晶の成長速度が安定化することがわかる。または、隣接する２つの被覆領域の間に結晶成長が生じる領域が配置されていれば、上記結晶の成長速度が安定化することがわかる。
【０１９６】
図３１から図３５に、実施例７のそれぞれの場合について、化合物半導体２１０８の表面を電子顕微鏡で観察した結果を示す。図３１、図３２、図３３、図３４、図３５は、それぞれ、被覆領域の一辺の長さが４２５０μｍ、２０００μｍ、１０００μｍ、５００μｍ、２００μｍの場合の結果を示す。図３１から図３５より、被覆領域の大きさが大きくなるにつれて、化合物半導体２１０８の表面状態が悪化していることがわかる。
【０１９７】
図３６から図４０に、実施例８のそれぞれの場合について、化合物半導体２１０８の表面を電子顕微鏡で観察した結果を示す。図３６、図３７、図３８、図３９、図４０は、それぞれ、被覆領域の一辺の長さが４２５０μｍ、２０００μｍ、１０００μｍ、５００μｍ、２００μｍの場合の結果を示す。図３６から図４０より、被覆領域の大きさが大きくなるにつれて、化合物半導体２１０８の表面状態が悪化していることがわかる。また、実施例７の結果と比較すると、化合物半導体２１０８の表面状態が改善されていることがわかる。
【０１９８】
表１に、実施例７および実施例８のそれぞれの場合における、化合物半導体２１０８の成長速度[Å／ｍｉｎ]と、Ｒａ値[μｍ]とを示す。なお、化合物半導体２１０８の膜厚は、針式段差計により測定した。また、Ｒａ値は、レーザー顕微鏡装置による観察結果に基づいて算出した。表１より、化合物半導体２１０８の成長速度が小さいほど、表面粗さが改善することがわかる。また、化合物半導体２１０８の成長速度が３００ｎｍ／ｍｉｎ以下の場合には、Ｒａ値が０．０２μｍ以下であることがわかる。
【表１】

【０１９９】
（実施例９）
実施例６と同様にして、Ｓｉ基板２１０２と、阻害層２１０４と、Ｇｅ結晶層２１０６と、化合物半導体２１０８の一例としてのＧａＡｓ結晶とを備えた半導体基板を作製した。本実施例では、Ｓｉ基板２１０２の表面の（１００）面に阻害層２１０４を形成した。図４１から図４３に、上記半導体基板に形成されたＧａＡｓ結晶の表面の電子顕微鏡写真を示す。
【０２００】
図４１は、開口１０５の底面形状の一辺の方向と、Ｓｉ基板２１０２の＜０１０＞方向とが実質的に平行となるように配置された開口１０５の内部にＧａＡｓ結晶を成長させた場合の結果を示す。本実施例において、被覆領域の平面形状は、一辺の長さが３００μｍの正方形であった。開口１０５の底面形状は、一辺が１０μｍの正方形であった。図４１において、図中の矢印は＜０１０＞方向を示す。図４１に示すとおり、形状の整った結晶が得られた。
【０２０１】
図４１より、ＧａＡｓ結晶の４つの側面には、それぞれ、（１０−１）面、（１−１０）面、（１０１）面および（１１０）面が現れているのがわかる。また、図中、ＧａＡｓ結晶の左上の角には、（１１−１）面が現れており、図中、ＧａＡｓ結晶の右下の角には、（１−１１）面が現れていることがわかる。（１１−１）面および（１−１１）面は、（−１−１−１）面と等価な面であり、安定な面である。
【０２０２】
一方、図中、ＧａＡｓ結晶の左下の角および右上の角には、このような面が現れていないのがわかる。例えば、図中、左下の角には（１１１）面が現れてよいにもかかわらず、（１１１）面が現れていない。これは、図中、左下の角は、（１１１）面より安定な（１１０）面および（１０１）面に挟まれているからと考えられる。
【０２０３】
図４２は、開口１０５の底面形状の一辺の方向と、Ｓｉ基板２１０２の＜０１０＞方向とが実質的に平行となるように配置された開口１０５の内部にＧａＡｓ結晶を成長させた場合の結果を示す。図４２は、上方斜め４５°から観察した場合の結果を示す。本実施例において、被覆領域の平面形状は、一辺の長さが５０μｍの正方形であった。開口１０５の底面形状は、一辺の長さが１０μｍの正方形であった。図４２において、図中の矢印は＜０１０＞方向を示す。図４２に示すとおり、形状の整った結晶が得られた。
【０２０４】
図４３は、開口１０５の底面形状の一辺の方向と、Ｓｉ基板２１０２の＜０１１＞方向とが実質的に平行となるように配置された開口１０５の内部にＧａＡｓ結晶を成長させた場合の結果を示す。本実施例において、被覆領域の平面形状は、一辺の長さが４００μｍの正方形であった。開口１０５の底面形状は、一辺の長さが１０μｍの正方形であった。図４３において、図中の矢印は＜０１１＞方向を示す。図４３に示すとおり、図４１および図４２と比較して、形状の乱れた結晶が得られた。ＧａＡｓ結晶の側面に、比較的不安定な（１１１）面が現れた結果、結晶の形状に乱れが生じたと考えられる。
【０２０５】
（実施例１０）
実施例６と同様にして、Ｓｉ基板２１０２と、阻害層２１０４と、Ｇｅ結晶層２１０６と、化合物半導体２１０８の一例としてのＧａＡｓ層とを備えた半導体基板を作製した。本実施例においては、Ｇｅ結晶層２１０６と、化合物半導体２１０８との間に中間層を形成した。本実施例において、被覆領域の平面形状は、一辺の長さが２００μｍの正方形であった。開口１０５の底面形状は、一辺が１０μｍの正方形であった。ＣＶＤ法により、開口１０５の内部に、膜厚が８５０ｎｍのＧｅ結晶層２１０６を形成した後、８００℃でアニールを実施した。
【０２０６】
Ｇｅ結晶層２１０６をアニールした後、Ｇｅ結晶層２１０６が形成されたＳｉ基板２１０２の温度が５５０℃になるように設定して、ＭＯＣＶＤ法により、中間層を形成した。中間層は、トリメチルガリウムおよびアルシンを原料ガスとして成長させた。中間層の膜厚は、３０ｎｍであった。その後、中間層が形成されたＳｉ基板２１０２の温度を６４０℃まで昇温した後、ＭＯＣＶＤ法により化合物半導体２１０８の一例としてのＧａＡｓ層を形成した。ＧａＡｓ層の膜厚は、５００ｎｍであった。それ以外の条件については、実施例６と同一の条件で半導体基板を作製した。
【０２０７】
図４４に、製造した半導体基板の断面を透過型電子顕微鏡で観察した結果を示す。図４４に示すとおり、Ｇｅ結晶層２１０６およびＧａＡｓ層には転位は観察されなかった。これにより、上記の構成を採用することで、Ｓｉ基板上に、良質なＧｅ層、および、当該Ｇｅ層に格子整合または擬格子整合する化合物半導体層を形成できることがわかる。
【０２０８】
（実施例１１）
実施例１０と同様にして、Ｓｉ基板２１０２と、阻害層２１０４と、Ｇｅ結晶層２１０６と、中間層と、化合物半導体２１０８の一例としてのＧａＡｓ層とを備えた半導体基板を作製した後、得られた半導体基板を用いてＨＢＴ素子構造を作製した。ＨＢＴ素子構造は、以下の手順で作製した。まず、実施例１０の場合と同様にして、半導体基板を作製した。なお、本実施例では、被覆領域の平面形状は、一辺の長さが５０μｍの正方形であった。開口１０５の底面形状は、一辺が２０μｍの正方形であった。それ以外の条件については、実施例１０の場合と同一の条件で半導体基板をした。
【０２０９】
次に、ＭＯＣＶＤ法により、上記半導体基板のＧａＡｓ層の表面に、半導体層を積層した。これにより、Ｓｉ基板２１０２と、膜厚が８５０ｎｍのＧｅ結晶層２１０６と、膜厚が３０ｎｍの中間層と、膜厚が５００ｎｍのアンドープＧａＡｓ層と、膜厚が３００ｎｍのｎ型ＧａＡｓ層と、膜厚が２０ｎｍのｎ型ＩｎＧａＰ層と、膜厚が３ｎｍのｎ型ＧａＡｓ層と、膜厚が３００ｎｍのＧａＡｓ層と、膜厚が５０ｎｍのｐ型ＧａＡｓ層と、膜厚が２０ｎｍのｎ型ＩｎＧａＰ層と、膜厚が１２０ｎｍのｎ型ＧａＡｓ層と、膜厚が６０ｎｍのｎ型ＩｎＧａＡｓ層とが、この順に配置されたＨＢＴ素子構造が得られた。得られたＨＢＴ素子構造に電極を配して、電子素子または電子デバイスの一例であるＨＢＴ素子を作成した。上記半導体層において、ｎ型不純物としてＳｉを用いた。上記半導体層において、ｐ型不純物としてＣを用いた。
【０２１０】
図４５は、得られたＨＢＴ素子のレーザー顕微鏡像を示す。図中、薄い灰色の部分は、電極を示す。図４５より、正方形の被覆領域の中央付近に配置された開口１０５領域に、３つの電極が並んでいるのがわかる。上記３つの電極は、それぞれ、図中左からＨＢＴ素子のベース電極、エミッタ電極およびコレクタ電極を示す。上記ＨＢＴ素子の電気特性を測定したところ、トランジスタ動作が確認できた。また、上記ＨＢＴ素子について、透過型電子顕微鏡により断面を観察したところ、転位は観察されなかった。
【０２１１】
（実施例１２）
実施例１１と同様にして、実施例１１と同様の構造を有するＨＢＴ素子を３つ作製した。作製した３つのＨＢＴ素子を並列接続した。本実施例では、被覆領域の平面形状は、長辺が１００μｍ、短辺が５０μｍの長方形であった。また、上記被覆領域の内部に、３つの開口１０５を設けた。開口１０５の底面形状は、すべて、一辺が１５μｍの正方形であった。それ以外の条件については、実施例１１の場合と同一の条件でＨＢＴ素子を作製した。
【０２１２】
図４６は、得られたＨＢＴ素子のレーザー顕微鏡像を示す。図中、薄い灰色の部分は、電極を示す。図４６より、３つのＨＢＴ素子が並列に接続されていることがわかる。上記電子素子の電気特性を測定したところ、トランジスタ動作が確認できた。
【０２１３】
（実施例１３）
開口１０５の底面積を変えてＨＢＴ素子を作製して、開口１０５の底面積と、得られたＨＢＴ素子の電気特性との関係を調べた。実施例１１と同様にして、ＨＢＴ素子を作製した。ＨＢＴ素子の電気特性として、ベースシート抵抗値Ｒ_ｂ［Ω／□］および電流増幅率βを測定した。電流増幅率βは、コレクタ電流の値をベース電流の値で除して求めた。本実施例では、開口１０５の底面形状が、一辺が２０μｍの正方形、短辺が２０μｍで長辺が４０μｍの長方形、一辺が３０μｍの正方形、短辺が３０μｍで長辺が４０μｍの長方形、または、短辺が２０μｍで長辺が８０μｍの長方形の場合のそれぞれについて、ＨＢＴ素子を作製した。
【０２１４】
開口１０５の底面形状が正方形である場合には、開口１０５の底面形状の直交する２つの辺の一方がＳｉ基板２１０２の＜０１０＞方向と平行となり、他方がＳｉ基板２１０２の＜００１＞方向と平行となるように、開口１０５を形成した。開口１０５の底面形状が長方形である場合には、開口１０５の底面形状の長辺がＳｉ基板２１０２の＜０１０＞方向と平行となり、短辺がＳｉ基板２１０２の＜００１＞方向と平行となるように、開口１０５を形成した。被覆領域の平面形状は、主に、１辺が３００μｍの正方形である場合について実験した。
【０２１５】
図４７は、上記ＨＢＴ素子のベースシート抵抗値Ｒ_ｂに対する電流増幅率βの比と、開口１０５の底面積［μｍ^２］との関係を示す。図４７において、縦軸は電流増幅率βをベースシート抵抗値Ｒ_ｂで除した値を示し、横軸は開口１０５の底面積を示す。なお、図４７には電流増幅率βの値を示していないが、電流増幅率は７０〜１００程度の高い値が得られた。一方、Ｓｉ基板２１０２の全面に同様のＨＢＴ素子構造を形成して、ＨＢＴ素子を形成した場合の電流増幅率βは、１０以下であった。
【０２１６】
これより、Ｓｉ基板２１０２の表面に局所的に上記ＨＢＴ素子構造を形成することで、電気特性に優れたデバイスを作製できることがわかる。特に、開口１０５の底面形状の一辺の長さが８０μｍ以下、または、開口１０５の底面積が１６００μｍ^２以下の場合には、電気特性に優れたデバイスを作製できることがわかる。この場合、開口１０５の内部に設けられるシード結晶の底面についても、最大幅が８０μｍ以下、または、面積が１６００μｍ^２以下となる。ここで、シード結晶の底面の最大幅は、シード結晶の底面の任意の２点を結ぶそれぞれの直線の長さのうち、最大の長さを指す。
【０２１７】
図４７より、開口１０５の底面積が９００μｍ^２以下の場合には、開口１０５の底面積が１６００μｍ^２の場合と比較して、ベースシート抵抗値Ｒ_ｂに対する電流増幅率βの比のばらつきが小さいことがわかる。これより、開口１０５の底面形状の一辺の長さが４０μｍ以下、または、開口１０５の底面積が９００μｍ^２の以下の場合には、上記デバイスを歩留まりよく製造できることがわかる。この場合、開口１０５の内部に設けられるシード結晶の底面についても、最大幅が４０μｍ以下、または、面積が９００μｍ^２以下となる。
【０２１８】
上記のとおり、Ｓｉの基板の主面に結晶成長を阻害する阻害層を形成する段階と、阻害層をパターニングして、基板の主面に対し略垂直な方向に貫通して基板を露出させてなる開口１０５を阻害層に形成する段階と、開口１０５の内部の基板に接してＧｅ層を結晶成長させる段階と、Ｇｅ層上に機能層を結晶成長させる段階とを含む半導体基板の製造方法により半導体基板を作製できた。Ｓｉの基板の上に、開口１０５を有し、結晶成長を阻害する阻害層を形成する段階と、開口１０５内に、Ｇｅ層を形成する段階と、Ｇｅ層を形成した後に、機能層を形成する段階とを含む半導体基板の製造方法により、半導体基板を作製できた。
【０２１９】
上記のとおり、Ｓｉの基板の主面に結晶成長を阻害する阻害層を形成し、基板の主面に対し略垂直な方向に貫通して基板を露出させてなる開口１０５を阻害層に形成し、開口１０５の内部の基板に接してＧｅ層を結晶成長させ、Ｇｅ層上に機能層を結晶成長させて得られる半導体基板を作製できた。Ｓｉの基板と、基板の上に設けられ、開口１０５を有し、結晶成長を阻害する阻害層と、開口１０５内に形成されたＧｅ層と、Ｇｅ層が形成された後に形成された機能層とを含む半導体基板を作製できた。
【０２２０】
上記のとおり、Ｓｉの基板の主面に結晶成長を阻害する阻害層を形成し、基板の主面に対し略垂直な方向に貫通して基板を露出させてなる開口１０５を阻害層に形成し、開口１０５の内部の基板に接してＧｅ層を結晶成長させ、Ｇｅ層上に機能層を結晶成長させ、機能層に電子素子を形成して得られる電子デバイスを製造できた。Ｓｉの基板と、基板の上に設けられ、開口１０５を有し、結晶成長を阻害する阻害層と、開口１０５内に形成されたＧｅ層と、Ｇｅ層が形成された後に形成された機能層と、機能層に形成された電子素子とを含む電子デバイスを作製できた。
【０２２１】
（実施例１４）
図４８は、作製した半導体基板における結晶の断面における走査型電子顕微鏡写真を示す。図４９は、図４８の写真を見やすくする目的で示した模写図である。当該半導体基板は、以下の方法により作製された。（１００）面を主面とするＳｉ基板２２０２を用意し、Ｓｉ基板２２０２の上に、絶縁膜としてＳｉＯ_２膜２２０４を形成した。ＳｉＯ_２膜２２０４に、Ｓｉ基板２２０２の主面に達する開口１０５を形成し、当該開口１０５の内部に露出しているＳｉ基板２２０２の主面に、モノゲルマンを原料として用いたＣＶＤ法により、Ｇｅ結晶２２０６を形成した。Ｓｉ基板２２０２、ＳｉＯ_２膜２２０４、およびＧｅ結晶２２０６は、それぞれ、Ｓｉ結晶層１６６、阻害層１０４、Ｇｅ結晶層１０６と同等である。
【０２２２】
さらに、トリメチルガリウムとアルシンを原料として用いたＭＯＣＶＤ法により、Ｇｅ結晶２２０６の上にシード化合物半導体となるＧａＡｓ結晶２２０８を成長させた。ＧａＡｓ結晶２２０８はシード化合物半導体結晶１０８と同等である。ＧａＡｓ結晶２２０８の成長では、まず５５０℃で低温成長を行い、その後６４０℃の温度で成長させた。６４０℃の温度での成長時におけるアルシン分圧は、０．０５ｋＰａであった。Ｇｅ結晶２２０６の上にＧａＡｓ結晶２２０８が成長していることが確認できる。ＧａＡｓ結晶２２０８のシード面として、（１１０）面が現れていることが確認できる。
【０２２３】
続けて、さらにラテラル成長化合物半導体層であるＧａＡｓ結晶２２０８を成長させた。ラテラル成長時の成長温度は６４０℃であり、アルシン分圧は０．４３ｋＰａであった。
【０２２４】
図５０は、得られた結晶の断面における走査型電子顕微鏡写真を示す。図５１は、図５０の写真を見やすくする目的で示した模写図である。ＧａＡｓ結晶２２０８がＳｉＯ_２膜２２０４の上にラテラル成長面を有し、ＧａＡｓ結晶２２０８がＳｉＯ_２膜２２０４の上にもラテラル成長していることが確認できる。ラテラル成長した部分は、無欠陥領域となっているので、当該ラテラル成長した部分に電子デバイスを形成することで、性能の優れた電子デバイスを形成することができる。
【０２２５】
（実施例１５）
実施例１４と同様に、Ｓｉ基板２２０２の上にＧｅ結晶２２０６を選択成長させ、半導体基板を形成した。当該半導体基板に、８００℃と６８０℃の温度を１０回繰り返すサイクルアニールを施した。得られた半導体基板（以下試料Ａと呼ぶ）のＧｅ結晶２２０６とＳｉ基板２２０２の界面でのＳｉおよびＧｅの元素濃度を、エネルギー分散型蛍光Ｘ線分析装置（以下ＥＤＸと記すことがある）により評価した。また同様に、Ｓｉ基板２２０２上にＧｅ結晶を選択成長した半導体基板について、サイクルアニールを施さない半導体基板（以下試料Ｂと呼ぶ）を形成し、同様にＥＤＸにより評価した。
【０２２６】
図５２は、試料ＡについてのＳｉ元素のプロファイルを示す。図５３は、試料ＡについてのＧｅ元素のプロファイルを示す。図５４は、試料ＢについてのＳｉ元素のプロファイルを示す。図５５は、試料ＢについてのＧｅ元素のプロファイルを示す。図５６は、図５２から図５５を見やすくする目的で示した模式図である。試料Ｂでは、Ｓｉ基板２２０２とＧｅ結晶との間の界面が急峻であるのに対し、試料Ａでは、界面がぼやけた状態であり、ＧｅがＳｉ基板２２０２の中へ拡散している様子が確認できる。Ｓｉ基板２２０２、ＳｉＯ_２膜２２０４、およびＧｅ結晶２２０６は、それぞれ、Ｓｉ基板２１０２、阻害層２１０４、およびＧｅ結晶層２１０６と同等である。
【０２２７】
試料Ａおよび試料Ｂについて、Ｓｉ基板２２０２とＧｅ結晶２２０６との界面における測定領域に限定して、ＳｉおよびＧｅの元素強度積分値を測定した。図５７は試料Ａについての測定領域を示すＳＥＭ写真である。前記元素強度積分値の測定領域は、図５７（ＳＥＭ写真）において、Ｓｉ基板２２０２上にＧｅ結晶２２０６が存在する位置で、そのＳｉ基板２２０２とＧｅ結晶２２０６との界面（前記ＳＥＭ写真において観察される界面）からＳｉ基板２２０２側へ１０〜１５ｎｍ入った位置とした。
【０２２８】
図５８は、図５７に示す測定領域についてのＳｉおよびＧｅの元素強度積分値を示す。図５９は試料Ｂについての測定領域を示すＳＥＭ写真である。図６０は、図５９に示す測定領域についてのＳｉおよびＧｅの元素強度積分値を示す。試料Ｂでは、Ｇｅの信号がほとんど検出されず、Ｓｉの信号が支配的であるのに対し、試料Ａでは、Ｇｅの信号が比較的大きく検出されている。これより、試料ＡではＧｅがＳｉ基板２２０２中に拡散していることがわかる。
【０２２９】
Ｓｉ基板２２０２とＳｉＯ_２膜２２０４が接している領域で、Ｓｉの元素の深さ方向プロファイルをプロットしたとき、Ｓｉ基板２２０２におけるＳｉの強度とＳｉＯ_２膜２２０４におけるＳｉの強度との合計が５０％になる位置をＳｉ基板２２０２とＧｅ結晶の界面と定め、その界面からＳｉ基板２２０２側へ５ｎｍから１０ｎｍまでの範囲のＧｅおよびＳｉのそれぞれの元素強度比を測定した。各元素強度比から、それぞれの元素についての深さ方向の積分値を算出し、それぞれの積分値の比（Ｇｅ／Ｓｉ）を算出した。
【０２３０】
その結果、試料Ａでは３．３３、試料Ｂでは１．１０となった。これにより、Ｓｉ基板２２０２とＧｅ結晶２２０６との界面から、Ｓｉ基板２２０２側へ５ｎｍから１０ｎｍまでの範囲におけるＧｅの平均濃度は、試料Ａで７７％、試料Ｂで５２％と算出された。試料Ａおよび試料Ｂについて、透過型電子顕微鏡による転位の観察を行ったところ、試料ＡではＧｅ結晶２２０６表面に到達している転位は存在していなかった。一方、試料Ｂでは１×１０^９ｃｍ^−２程度の密度で結晶表面に到達する転位の存在が確認された。以上の結果から、サイクルアニールの実施は、Ｇｅ結晶２２０６の転位を低減させる効果があることを確認した。
【０２３１】
（実施例１６）
実施例１５の試料Ａと同様にサイクルアニールを施したＧｅ結晶２２０６上に、ＭＯＣＶＤ法によりＧａＡｓ結晶２２０８を成長させ、当該ＧａＡｓ結晶２２０８上にさらにＧａＡｓ層およびＩｎＧａＰ層からなる多層構造膜を積層して試料Ｃを作成した。また、Ｇｅ結晶２２０６にポストアニールを施していないことを除いては、上記と同様にＧａＡｓ結晶２２０８および多層構造膜を形成して試料Ｄを作成した。
【０２３２】
試料Ｃおよび試料Ｄについて、実施例１５と同様のＥＤＸ測定を実施し、Ｓｉ基板２２０２とＧｅ結晶との界面からＳｉ基板２２０２側へ５ｎｍから１０ｎｍまでの範囲のＧｅおよびＳｉのそれぞれの元素強度比を測定した。さらに深さ方向の積分値を算出し、ＧｅおよびＳｉのそれぞれの積分値の比（Ｇｅ／Ｓｉ）を算出した。試料Ｃは２．２８であり、試料Ｄは０．６０であった。これよりＳｉ基板２２０２とＧｅ結晶の界面からＳｉ基板２２０２側へ５ｎｍから１０ｎｍまでの範囲におけるＧｅの平均濃度は、試料Ｃは７０％と算出され、試料Ｄは３８％と算出された。
【０２３３】
試料Ｃおよび試料Ｄについて、透過型電子顕微鏡による転位の観察を行ったところ、試料ＣではＧａＡｓ層およびＩｎＧａＰ層からなる多層構造膜にまで到達する転位は存在しなかったのに対し、試料ＤではＧａＡｓ層およびＩｎＧａＰ層からなる多層構造膜まで到達する転位が観測された。以上より、Ｓｉ基板２２０２とＧｅ結晶との界面からＳｉ基板２２０２側へ５ｎｍから１０ｎｍまでの範囲におけるＧｅの平均濃度が６０％以上の場合に、より高品質な化合物半導体層がＧｅ結晶上に形成できることがわかる。さらに好ましいＧｅの平均濃度は、７０％以上である。
【０２３４】
（実施例１７）
実施例１７では、阻害層の幅を変えることでデバイス用薄膜の成長速度が変化することを、本発明者らの実験データに基づき説明する。デバイス用薄膜とは、デバイス用薄膜が加工されて半導体デバイスの一部になる薄膜をいう。たとえばシリコン結晶上に複数の化合物半導体薄膜を順次積層し、積層された化合物半導体薄膜を加工して半導体デバイスを形成する場合、積層された化合物半導体薄膜はデバイス用薄膜に含まれる。また、積層された化合物半導体薄膜とシリコン結晶との間に形成されるバッファ層もデバイス用薄膜に含まれ、バッファ層あるいは化合物半導体薄膜の結晶成長の核となるシード層もデバイス用薄膜に含まれる。
【０２３５】
デバイス用薄膜の成長速度は、平坦性、結晶性等デバイス用薄膜の特性に影響する。そしてデバイス用薄膜の特性は、当該デバイス用薄膜に形成される半導体デバイスの性能に強く影響する。よって、半導体デバイスの要求仕様から導かれるデバイス用薄膜の要求特性を満足するように、デバイス用薄膜の成長速度を適切に制御する必要がある。以下に説明する実験データは、阻害層の幅等によってデバイス用薄膜の成長速度が変化することを示す。当該実験データを用いることにより、デバイス用薄膜の成長速度がデバイス用薄膜の要求仕様から導かれる適正な成長速度になるよう、阻害層の形状を設計することが可能になる。
【０２３６】
図６１は、実施例１７で作成した半導体デバイス用基板３０００の平面パターンを示す。半導体デバイス用基板３０００は、ベース基板上に、阻害層３００２、デバイス用薄膜３００４および犠牲成長部３００６を有する。阻害層３００２がデバイス用薄膜３００４を囲み、犠牲成長部３００６が阻害層３００２を囲むように、阻害層３００２、デバイス用薄膜３００４および犠牲成長部３００６を形成した。
【０２３７】
阻害層３００２は、ほぼ正方形の外形を有するように形成し、正方形の中心部分にほぼ正方形の開口部を形成した。開口部の一辺ａは３０μｍまたは５０μｍとした。阻害層３００２の外周辺から内周辺までの距離である阻害層３００２の幅ｂは５μｍから２０μｍの範囲で変化させた。阻害層３００２として、二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）を用いた。二酸化シリコンは、選択ＭＯＣＶＤとなるエピタキシャル成長条件においては、その表面に結晶がエピタキシャル成長しない。阻害層３００２は、ベース基板上にドライ熱酸化法を用いて二酸化シリコン膜を形成し、当該二酸化シリコン膜をフォトリソグラフィ法によりパターニングすることにより形成した。
【０２３８】
阻害層３００２以外のベース基板上に、ＭＯＣＶＤ法により化合物半導体結晶を選択エピタキシャル成長させた。阻害層３００２で囲まれた開口部にエピタキシャル成長させた化合物半導体結晶がデバイス用薄膜３００４であり、阻害層３００２の外側の阻害層３００２を囲む化合物半導体結晶が犠牲成長部３００６である。化合物半導体結晶として、ＧａＡｓ結晶、ＩｎＧａＰ結晶またはＰ型ドープしたＧａＡｓ結晶（ｐ−ＧａＡｓ結晶）を成長させた。Ｇａ原料としてトリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ_３）_３）を用い、Ａｓ原料としてアルシン（ＡｓＨ_３）を用いた。Ｉｎ原料としてトリメチルインジウム（Ｉｎ（ＣＨ_３）_３）を用い、Ｐ原料としてホスフィン（ＰＨ_３）を用いた。Ｐ型不純物である炭素（Ｃ）のドープは、ドーパントとして臭化トリクロロメタン（ＣＢｒＣｌ_３）の添加量を調整することで制御した。エピタキシャル成長時の反応温度は、６１０℃とした。
【０２３９】
図６２は、デバイス用薄膜３００４および犠牲成長部３００６としてＧａＡｓをエピタキシャル成長させた場合における、デバイス用薄膜３００４の成長速度と阻害層３００２の幅との関係を示したグラフである。図６３はデバイス用薄膜３００４および犠牲成長部３００６としてＧａＡｓをエピタキシャル成長させた場合における、デバイス用薄膜３００４の成長速度と面積比との関係を示したグラフである。図６４は、デバイス用薄膜３００４および犠牲成長部３００６としてＩｎＧａＰをエピタキシャル成長させた場合における、デバイス用薄膜３００４の成長速度と阻害層３００２の幅との関係を示したグラフである。
【０２４０】
図６５はデバイス用薄膜３００４および犠牲成長部３００６としてＩｎＧａＰをエピタキシャル成長させた場合における、デバイス用薄膜３００４の成長速度と面積比との関係を示したグラフである。図６６は、デバイス用薄膜３００４および犠牲成長部３００６としてｐ−ＧａＡｓをエピタキシャル成長させた場合における、デバイス用薄膜３００４の成長速度と阻害層３００２の幅との関係を示したグラフである。図６７はデバイス用薄膜３００４および犠牲成長部３００６としてｐ−ＧａＡｓをエピタキシャル成長させた場合における、デバイス用薄膜３００４の成長速度と面積比との関係を示したグラフである。
【０２４１】
図６２から図６７の各図において、縦軸は化合物半導体結晶の成長速度比を示す。成長速度比は、阻害層３００２がないベタ平面における成長速度を１とした場合の、当該ベタ平面における成長速度と比較した成長速度の比である。面積比は、デバイス用薄膜３００４が形成される領域の面積と阻害層３００２の形成されている領域の面積とを加えた総面積に対するデバイス用薄膜３００４が形成される領域の面積の比である。
【０２４２】
各図において、黒四角または黒菱形で示したプロットは実際の測定点を示す。実線は実験線を示す。実験線は１変数の２次関数であり、各多項式の係数を最小二乗法により求めた。比較のため、犠牲成長部３００６がない場合におけるデバイス用薄膜３００４の成長速度比を破線で示す。Ｌ１は阻害層３００２の開口部面積が５０μｍ□の場合であり、Ｌ２は阻害層３００２の開口部面積が３０μｍ□の場合である。犠牲成長部３００６がない場合とは、犠牲成長部３００６に相当する領域が阻害層３００２で覆われている場合のことである。
【０２４３】
図６２から図６７の各図に示す通り、阻害層３００２の幅が大きくなるほど成長速度は大きくなり、面積比が小さくなるほど成長速度は大きくなった。また、実験線と測定点とは良く一致した。よって、実験線の２次関数を用いて所望の成長速度を実現するよう阻害層３００２を設計できることがわかる。
【０２４４】
なお、このような実験結果は、以下のような結晶の成長メカニズムを考えることで説明できる。すなわち成膜中の結晶原料であるＧａやＡｓの原子は、空間から飛来する分子または表面泳動する分子によって供給されると考えられる。本発明者らは、選択エピタキシャル成長するようなＭＯＣＶＤの反応環境においては、表面泳動している分子による結晶原料の供給が支配的であると考えている。この場合、阻害層３００２に飛来してきた原料分子（前駆体）は、表面から離脱するもの以外は阻害層３００２の表面を泳動し、デバイス用薄膜３００４または犠牲成長部３００６に供給される。ここで、阻害層３００２の幅が大きければ、表面泳動により供給される原料分子の絶対数が大きくなりデバイス用薄膜３００４の成長速度は大きくなる。また、総面積に対するデバイス用薄膜３００４の面積比が小さければ、阻害層３００２からデバイス用薄膜３００４に供給される原料分子が相対的に多くなる。このためデバイス用薄膜３００４の成長速度は大きくなる。
【０２４５】
上記のような成長メカニズムを基礎にすれば、犠牲成長部３００６の機能を以下のように把握できる。すなわち、仮に犠牲成長部３００６がないとすればデバイス用薄膜３００４に過剰な原料分子が供給され、デバイス用薄膜３００４の表面乱れや結晶性の低下を招く。つまり犠牲成長部３００６が存在することで、阻害層３００２に飛来してきた原料分子を適度に犠牲成長部３００６に取り込ませ、デバイス用薄膜３００４への原料分子の供給が適正量に制御される。犠牲成長部３００６は、原料分子を犠牲成長させて消費することにより、デバイス用薄膜３００４への過剰な原料分子の供給を抑制する機能があるといえる。
【０２４６】
図６８および図６９は、ベース基板のオフ角を２°にした場合の半導体デバイス用基板３０００の表面を観察した電子顕微鏡写真である。図６８はエピタキシャル成長後の状態を観察したものであり、図６９はアニール後の状態を観察したものである。図７０および図７１は、ベース基板のオフ角を６°にした場合の半導体デバイス用基板３０００の表面を観察した電子顕微鏡写真である。図７０はエピタキシャル成長後の状態を観察したものであり、図７１はアニール後の状態を観察したものである。ここでオフ角とは、ベース基板であるシリコンの表面が結晶学的面方位である（１００）面から傾いた角度をいう。
【０２４７】
図６８および図７０に示す通り、オフ角が２°の場合の結晶表面は、オフ角が６°の場合の結晶表面に比べて表面の乱れが小さかった。よってオフ角６°よりオフ角２°が好ましい。図６９および図７１に示すようにアニール後の結晶表面は何れのオフ角においても良好であった。よってオフ角が２°から６°の範囲であれば良好な結晶が成長できることが分かった。
【０２４８】
（実施例１８）
図７２は、本発明者らが製造したヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）３１００の平面図を示す。ＨＢＴ３１００は２０個のＨＢＴ素子３１５０を並列に接続した構造を有する。なお、図７２においてベース基板の一部を示し、１つのＨＢＴ３１００の部分だけを示す。同一のベース基板にテストパターンその他の半導体素子も形成したが、ここでは説明を省略する。
【０２４９】
２０個のＨＢＴ素子３１５０のそれぞれのコレクタはコレクタ配線３１２４で並列に接続し、それぞれのエミッタはエミッタ配線３１２６で並列に接続し、それぞれのベースはベース配線３１２８で並列に接続した。なお、２０個のベースは４つのグループに分け、各グループの５個のベースをそれぞれ並列に接続した。コレクタ配線３１２４はコレクタパッド３１３０に接続し、エミッタ配線３１２６はエミッタパッド３１３２に接続し、ベース配線３１２８はベースパッド３１３４に接続した。コレクタ配線３１２４、コレクタパッド３１３０、エミッタ配線３１２６およびエミッタパッド３１３２は同一の第１配線層に形成し、ベース配線３１２８およびベースパッド３１３４は第１配線層より上層の第２配線層に形成した。
【０２５０】
図７３は図７２において破線で囲んだ部分を示す顕微鏡写真である。図７４は図７３において破線で囲んだ３個のＨＢＴ素子３１５０の部分を拡大して示す平面図である。コレクタ配線３１２４はコレクタ電極３１１６に接続され、エミッタ配線３１２６はエミッタ引き出し配線３１２２を介してエミッタ電極３１１２に接続され、ベース配線３１２８はベース引き出し配線３１２０を介してベース電極３１１４に接続された。コレクタ配線３１２４、エミッタ引き出し配線３１２２およびベース引き出し配線３１２０の下層にはフィールド絶縁膜３１１８を形成しており、ＨＢＴ素子３１５０および犠牲成長部とコレクタ配線３１２４、エミッタ引き出し配線３１２２およびベース引き出し配線３１２０との間をフィールド絶縁膜３１１８で絶縁した。フィールド絶縁膜３１１８の下層には阻害層３１０２を形成した。阻害層３１０２で囲んだ領域にＨＢＴ素子３１５０を形成した。図７５は、ＨＢＴ素子３１５０の領域を観察したレーザー顕微鏡写真である。
【０２５１】
図７６から図８０は、ＨＢＴ３１００の製造工程の順に示した平面図である。ベース基板としてシリコンウェハを用意し、当該ベース基板の上に二酸化シリコン膜をドライ熱酸化法により形成した。その後、図７６に示すように、フォトリソグラフィ法を用いて二酸化シリコン膜をパターニングし、阻害層３１０２を形成した。
【０２５２】
図７７に示すように、選択エピタキシャル法を用いて、阻害層３１０２で囲んだ領域にデバイス用薄膜３１０８を形成し、阻害層３１０２を囲む周囲の領域に犠牲成長部３１１０を形成した。デバイス用薄膜３１０８は、ベース基板であるシリコンウェハ上に、Ｇｅシード層、バッファ層、サブコレクタ層、コレクタ層、ベース層、エミッタ層、サブエミッタ層を順次積層して形成した。デバイス用薄膜３１０８の積層中、エミッタ層成長後、サブエミッタ層成長前に、いったんアルシン流量をゼロとし、水素ガス雰囲気下で、６７０℃、３分間の条件でアニールを行った。
【０２５３】
図７８に示すように、デバイス用薄膜３１０８にエミッタ電極３１１２を形成し、エミッタ電極３１１２をマスクにしてデバイス用薄膜３１０８にエミッタメサを形成した。エミッタメサを形成する段階ではベース層が露出する深さまでデバイス用薄膜３１０８をエッチングした。次にコレクタ電極３１１６が形成される領域にコレクタメサを形成した。コレクタメサを形成する段階ではサブコレクタ層が露出する深さまでデバイス用薄膜３１０８をエッチングした。さらにデバイス用薄膜３１０８の周辺部をエッチングしてアイソレーションメサを形成した。
【０２５４】
図７９に示すように、全面に二酸化シリコン膜を成膜してフィールド絶縁膜３１１８を形成し、フィールド絶縁膜３１１８にベース層に接続する接続孔を開口してベース電極３１１４を形成した。さらにフィールド絶縁膜３１１８にサブコレクタ層に接続する接続孔を開口してコレクタ電極３１１６を形成した。なお、エミッタ電極３１１２、ベース電極３１１４およびコレクタ電極３１１６はニッケル（Ｎｉ）および金（Ａｕ）の積層膜とした。エミッタ電極３１１２、ベース電極３１１４およびコレクタ電極３１１６はリフトオフ法により形成した。このようにしてＨＢＴ素子３１５０を形成した。
【０２５５】
図８０に示すように、エミッタ電極３１１２に接続するエミッタ引き出し配線３１２２、エミッタ引き出し配線３１２２に接続するエミッタ配線３１２６、ベース電極３１１４に接続するベース引き出し配線３１２０、コレクタ電極３１１６に接続するコレクタ配線３１２４を形成した。エミッタ引き出し配線３１２２、エミッタ配線３１２６、ベース引き出し配線３１２０およびコレクタ配線３１２４はアルミニウムとした。さらにエミッタ引き出し配線３１２２、エミッタ配線３１２６、ベース引き出し配線３１２０およびコレクタ配線３１２４を覆うポリイミド膜を層間絶縁層として全面に形成した。層間絶縁層の上に、接続孔を介してベース引き出し配線３１２０に接続するベース配線３１２８を形成し、図７４に示すＨＢＴ３１００を形成した。
【０２５６】
図８１から図８５は、製造したＨＢＴ３１００の各種特性を測定したデータを示すグラフである。図８１はベース−エミッタ間の電圧を変化させたときのコレクタ電流およびベース電流を示す。四角のプロットがコレクタ電流であり、三角のプロットがベース電流である。図８２はベース−エミッタ間の電圧を変化させたときの電流増幅率を示す。ベース−エミッタ間電圧が約１．１５Ｖ付近から電流増幅率が増加し、ベース−エミッタ間電圧が１．４７Ｖに達したとき最大電流増幅率が１０６に達した。図８３はコレクタ電圧に対するコレクタ電流を示す。同図は、ベース電圧を変化させたときのデータを４系列示している。同図によって、広いコレクタ電圧の範囲でコレクタ電流が安定して流れることが示された。図８４は、電流増幅率が１となるカットオフ周波数を求めるための実験データを示す。ベース−エミッタ間電圧が１．５Ｖである場合においてカットオフ周波数１５ＧＨｚの値が得られた。図８５は、電流増幅率が１となる最大発振周波数を求めるための実験データを示す。ベース−エミッタ間電圧が１．４５Ｖである場合において最大発振周波数９ＧＨｚの値が得られた。
【０２５７】
図８６は、デバイス用薄膜３１０８を形成した段階における、２次イオン質量分析法による深さプロファイルを測定したデータである。Ａｓの原子濃度、Ｃの原子濃度、ＩｎＧａＡｓ中のＳｉの原子濃度、およびＧａＡｓ中のＳｉの原子濃度値が、それぞれの深さに対応して示されている。範囲３２０２は、サブエミッタ層およびエミッタ層であるＧａＡｓおよびＩｎＧａＰである。範囲３２０４は、ベース層であるｐ−ＧａＡｓである。範囲３２０６は、コレクタ層であるｎ−ＧａＡｓである。範囲３２０８は、サブコレクタ層であるｎ＋ＧａＡｓおよびエッチストップ層であるＩｎＧａＰである。範囲３２１０は、バッファ層であるＧａＡｓおよびＡｌＧａＡｓである。範囲３２１２は、シード層であるＧｅである。
【０２５８】
図８７は、ＨＢＴ３１００と同時に形成したＨＢＴの断面を示すＴＥＭ写真である。シリコン３２２０の上にＧｅ層３２２２、バッファ層３２２４、サブコレクタ層３２２６、コレクタ層３２２８、ベース層３２３０、サブエミッタ層およびエミッタ層３２３２が順次形成されている。サブコレクタ層３２２６に接触してコレクタ電極３２３４が形成され、ベース層３２３０に接触してベース電極３２３６が形成され、エミッタ層３２３２に接してエミッタ電極３２３８が形成されていることが示された。
【０２５９】
図８８は、比較のために示すＴＥＭ写真であり、阻害層がないベタ基板にデバイス用薄膜を形成したＨＢＴを示す。３２４０で示す領域に多くの結晶欠陥が観察され、欠陥はＨＢＴの活性領域であるエミッタ−ベース−コレクタ領域に達している。一方、図８７に示すＨＢＴでは、結晶欠陥は極めて少ない。図８７に示すＨＢＴでは最大電流増幅率として１２３が得られたが、図８８のＨＢＴでは最大電流増幅率は３０に過ぎなかった。
【０２６０】
以上の説明において電子デバイスの一例として、ＭＩＳＦＥＴ（ｍｅｔａｌ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｆｉｅｌｄ−ｅｆｆｅｃｔｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を例示した。しかし電子デバイスはＭＩＳＦＥＴに限られず、ＭＩＳＦＥＴの他、ＭＯＳＦＥＴ、ＨＥＭＴ（ＨｉｇｈＥｌｅｃｔｒｏｎＭｏｂｉｌｉｔｙＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＨＥＭＴ（ＨｉｇｈＥｌｅｃｔｒｏｎＭｏｂｉｌｉｔｙＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、シュードモルフィックＨＥＭＴ（ｐｓｅｕｄｏｍｏｒｐｈｉｃ−ＨＥＭＴ）が例示できる。さらに電子デバイス１００として、ＭＥＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−ＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＦｉｅｌｄＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等が例示できる。
【０２６１】
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【０２６２】
なお、本明細書において、各要素を順次積層する積層方向を上方向と記載する場合がある。しかし、上記記載は、電子デバイス１００等の積層方向を、電子デバイス１００等の使用時に上になる方向に限定するものではない。本明細書において「上に形成される」とは、積層方向に形成されることを意味する。また、「上に形成される」とは、対象に接して形成される場合だけでなく、別の層を介して形成される場合をも含む。
【符号の説明】
【０２６３】
１０半導体基板、１１主面、１２ベース基板、１３絶縁層、１４Ｓｉ結晶層、１５阻害層、１６シード結晶、１７開口、２０半導体基板、２８化合物半導体、１００電子デバイス、１０２ＳＯＩ基板、１０４阻害層、１０５開口、１０６Ｇｅ結晶層、１０８シード化合物半導体結晶、１１０第１化合物半導体結晶、１１２第２化合物半導体結晶、１１４ゲート絶縁膜、１１６ゲート電極、１１８ソース・ドレイン電極、１２０欠陥捕捉部、１３０欠陥捕捉部、１６２Ｓｉ基板、１６４絶縁層、１６６Ｓｉ結晶層、１７２主面、２００電子デバイス、３００電子デバイス、４００電子デバイス、４０２バッファ層、５００電子デバイス、５０２ソース・ドレイン電極、６００電子デバイス、６０２ソース・ドレイン電極、７００電子デバイス、７０２下部ゲート絶縁膜、７０４下部ゲート電極、８０１半導体基板、８０２ＳＯＩ基板、８０３領域、８０４阻害層、８０６開口、８０８コレクタ電極、８１０エミッタ電極、８１２ベース電極、８２０Ｇｅ結晶層、８２２バッファ層、８２４化合物半導体機能層、８６２Ｓｉ基板、８６４絶縁層、８６６Ｓｉ結晶層、８７２主面、８８０ＭＩＳＦＥＴ、８８２ウエル、８８８ゲート電極、２１０２Ｓｉ基板、２１０４阻害層、２１０６Ｇｅ結晶層、２１０８化合物半導体、２２０２Ｓｉ基板、２２０４ＳｉＯ_２膜、２２０６Ｇｅ結晶、２２０８ＧａＡｓ結晶、３０００半導体デバイス用基板、３００２阻害層、３００４デバイス用薄膜、３００６犠牲成長部、３１００ＨＢＴ、３１０２阻害層、３１０８デバイス用薄膜、３１１０犠牲成長部、３１１２エミッタ電極、３１１４ベース電極、３１１６コレクタ電極３１１８フィールド絶縁膜、３１２０配線、３１２２配線、３１２４コレクタ配線、３１２６エミッタ配線、３１２８ベース配線、３１３０コレクタパッド、３１３２エミッタパッド、３１３４ベースパッド、３１５０ＨＢＴ素子、３２０２範囲、３２０４範囲、３２０６範囲、３２０８範囲、３２１０範囲、３２１２範囲、３２２０シリコン、３２２４バッファ層、３２２６サブコレクタ層、３２３０ベース層、３２３２エミッタ層、３２３４コレクタ電極、３２３６ベース電極、３２３８エミッタ電極

【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベース基板と、絶縁層と、Ｓｉ結晶層とをこの順に備える半導体基板において、
前記Ｓｉ結晶層上に設けられ、化合物半導体の結晶成長を阻害する阻害層であって、前記Ｓｉ結晶層にまで貫通する開口を有する阻害層と、
前記開口の内部に設けられたシード結晶と、
前記シード結晶に格子整合または擬格子整合している化合物半導体と
を更に備える半導体基板。
【請求項２】
前記化合物半導体の前記開口に含まれる部分が（√３）／３以上のアスペクト比を有する
請求項１に記載の半導体基板。
【請求項３】
前記化合物半導体が、
前記シード結晶上で、前記阻害層の表面よりも凸に結晶成長したシード化合物半導体結晶と、
前記シード化合物半導体結晶を核として前記阻害層に沿ってラテラル成長したラテラル成長化合物半導体結晶と
を有する請求項１または請求項２に記載の半導体基板。
【請求項４】
前記ラテラル成長化合物半導体結晶が、
前記シード化合物半導体結晶を核として前記阻害層に沿ってラテラル成長した第１化合物半導体結晶と、
前記第１化合物半導体結晶を核として前記阻害層に沿って前記第１化合物半導体結晶と異なる方向にラテラル成長した第２化合物半導体結晶と
を有する請求項３に記載の半導体基板。
【請求項５】
前記ラテラル成長化合物半導体結晶が３−５族化合物半導体または２−６族化合物半導体である
請求項３または請求項４に記載の半導体基板。
【請求項６】
前記阻害層が複数の前記開口を有し、
前記複数の開口のそれぞれの内部に設けられたシード結晶に格子整合または擬格子整合している前記化合物半導体は、隣接する前記開口の内部に設けられたシード結晶に格子整合または擬格子整合している前記化合物半導体と接していない請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の半導体基板。
【請求項７】
前記シード結晶が、結晶成長したＳｉ_ｘＧｅ_１−ｘ（０≦ｘ＜１）結晶または５００℃以下の温度で結晶成長したＧａＡｓを含む請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の半導体基板。
【請求項８】
前記シード結晶の前記化合物半導体との界面が気体のＰ化合物により表面処理されている請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の半導体基板。
【請求項９】
前記化合物半導体が３−５族化合物半導体または２−６族化合物半導体である請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の半導体基板。
【請求項１０】
前記化合物半導体が３−５族化合物半導体であり、３族元素としてＡｌ、Ｇａ、Ｉｎのうち少なくとも１つを含み、５族元素としてＮ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂのうち少なくとも１つを含む請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の半導体基板。
【請求項１１】
前記化合物半導体はＰを含む３−５族化合物半導体からなるバッファ層を含み、
前記バッファ層が前記シード結晶に格子整合または擬格子整合している
請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の半導体基板。
【請求項１２】
前記Ｓｉ結晶層における前記シード結晶に覆われていない部分に設けられたＳｉ半導体デバイスを更に備える請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載の半導体基板。
【請求項１３】
前記ベース基板が単結晶のＳｉであり、
前記ベース基板における前記シード結晶が設けられていない部分に設けられたＳｉ半導体デバイスを更に備える
請求項１から請求項１２のいずれか一項に記載の半導体基板。
【請求項１４】
前記Ｓｉ結晶層の前記シード結晶が形成される面は、（１００）面、（１１０）面、（１１１）面、（１００）面と結晶学的に等価な面、（１１０）面と結晶学的に等価な面、および（１１１）面と結晶学的に等価な面、から選択されたいずれか一つの結晶面から傾いたオフ角を有する請求項１から請求項１３のいずれか一項に記載の半導体基板。
【請求項１５】
前記開口の底面の最大幅が４０μｍ以下である請求項１から請求項１４のいずれか一項に記載の半導体基板。
【請求項１６】
前記ベース基板が、（１００）面または（１００）面と結晶学的に等価な面から傾いたオフ角を有する主面を有し、
前記開口の底面が長方形であり、
前記長方形の一辺が、前記ベース基板の＜０１０＞方向、＜０−１０＞方向、＜００１＞方向、および＜００−１＞方向のいずれか一つと実質的に平行である
請求項１から請求項１５のいずれか一項に記載の半導体基板。
【請求項１７】
前記ベース基板が、（１１１）面または（１１１）面と結晶学的に等価な面から傾いたオフ角を有する主面を有し、
前記開口の底面が六角形であり、
前記六角形の一辺が、前記ベース基板の＜１−１０＞方向、＜−１１０＞方向、＜０−１１＞方向、＜０１−１＞方向、＜１０−１＞方向、および＜−１０１＞方向のいずれか一つと実質的に平行である
請求項１から請求項１５のいずれか一項に記載の半導体基板。
【請求項１８】
サブストレートと、
前記サブストレート上に設けられた絶縁層と、
前記絶縁層上に設けられたＳｉ結晶層と、
前記Ｓｉ結晶層上に設けられ化合物半導体の結晶成長を阻害する阻害層であって、前記Ｓｉ結晶層にまで貫通する開口を有する阻害層と、
前記開口の内部に設けられたシード結晶と、
前記シード結晶に格子整合または擬格子整合する化合物半導体と、
前記化合物半導体を用いて形成された半導体デバイスと
を備える電子デバイス。
【請求項１９】
前記化合物半導体は、
前記シード結晶上で、前記阻害層の表面よりも凸に結晶成長したシード化合物半導体結晶と、
前記シード化合物半導体結晶を核として前記阻害層に沿ってラテラル成長したラテラル成長化合物半導体結晶とを有する請求項１８に記載の電子デバイス。
【請求項２０】
ベース基板と、絶縁層と、Ｓｉ結晶層とをこの順に有するＳＯＩ基板を準備する段階と、
前記Ｓｉ結晶層上に、化合物半導体の結晶成長を阻害する阻害層を設ける段階と、
前記Ｓｉ結晶層にまで貫通する開口を前記阻害層に形成する段階と、
前記開口の内部でシード結晶を成長させる段階と、
前記シード結晶に格子整合または擬格子整合する前記化合物半導体を結晶成長させる段階と
を備える半導体基板の製造方法。

【図１】