説明

半導体基板

【課題】従来に比べ極めて薄いバッファ層を用いて、工業的に安定でかつ低コストで、基板と格子定数の異なる良質の薄膜を形成した半導体基板を提供すること。
【解決手段】基板1は、格子定数xを有するものである。第1の半導体層2は、基板1上に形成され、格子定数yを有し、少なくともSbを含んでいる。第2の半導体層3は、第1の半導体層2上に形成され、格子定数yからzまで格子定数を段階的又は連続的に変化させものである。第3の半導体層4は、第2の半導体層3上に形成され、格子定数zを有するものある。これらの格子定数の関係は、x<z<yの関係を有している。基板1上に格子定数の異なる薄膜を形成する際に、まずSbを含む半導体を形成し、その上層に格子定数を変化させるためのバッファ層を形成することで、従来に比べ薄いバッファ層で結晶欠陥のない薄膜形成が可能となる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体基板に関し、より詳細には、基板と格子定数の異なる半導体層が基板上に形成された半導体基板に関する。
【背景技術】
【0002】
GaAsをはじめとするIII−V族の化合物半導体は、高い電子移動度を有すること、また、発光デバイスに適した直接遷移型半導体であることなどから、光デバイスや高速トランジスタに広く用いられてきた。
【0003】
光デバイスの分野では、半導体のバンドギャップが発光、もしくは受光波長を決めるため、波長に応じて各種の材料が用いられるが、これらを形成する基板としては、大口径の基板が工業的に安定に得られることから、主としてGaAsが用いられてきた。また、GaAsよりは大口径化しにくく高価ではあるが、必要とする半導体層の材料に応じて、InP、あるいはGaP基板が用いられることもあった。
【0004】
一方、高速トランジスタの分野では、通信データ量の増大に起因する通信周波数の高周波化や広帯域化の要求に応えるために、Siに比べ、10倍以上の電子移動度を有するGaAsの電界効果型トランジスタ(MESFET)や、GaAsとAlGaAsのヘテロ構造を用いた高電子移動度トランジスタ(HEMT、もしくはHFET)などが実用化されてきた。さらには電子走行層であるGaAsをより高い電子移動度を有するInGaAsに置き換えたHEMTも提案されてきた。
【0005】
これらのトランジスタは、同じIII−V族であり、電気的にも絶縁性のある基板が得られるうえ、工業的に安定に、かつ低価格で大口径の基板が得られるという理由から、主としてGaAs基板を用いて製造されてきた。
【0006】
【特許文献1】特開平5−90301号公報(特許第3200142号)
【非特許文献1】R.E.Leoni、et al、”GaAs−based Metamorphic Technology“、GaAs MANTECH conference 2002
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかしながら、こうしたトランジスタにおける電子走行層(以下、チャネル層という)、もしくは光デバイスにおける活性層と、基板の格子定数の関係には制約があった。高速トランジスタを例にとると、電子移動度の高いチャネル層を基板上に形成する際、分子線エピタキシー法(以下、MBE法という)、もしくは有機金属気相成長法(以下、MOCVD法という)などを用いたエピタキシャル成長により形成するが、基板とチャネル層、もしくは活性層との間に格子不整合があると、薄膜成長中に応力により多結晶、もしくはアモルファス状態の薄膜となり膜質が極端に劣化する。
【0008】
こうした問題を避けるため、これまでに主に製品化されてきたのは、基板の格子定数に実質的に格子整合する格子整合系であった。具体的には、高速トランジスタの場合、GaAsと格子整合するAlGaAsとGaAsをGaAs基板上に形成する系、もしくは格子定数に若干差があっても単結晶の薄膜が成長できる膜厚、いわゆる臨界膜厚の範囲で薄膜を形成する擬似格子整合系トランジスタとして、AlGaAsとInGaAsを用いるものである。
【0009】
擬似格子整合系トランジスタでは、InGaAsのIn組成比を高くするほど電子移動度は高くなり、高周波動作には適するものの、基板との格子定数差は大きくなり、トランジスタの動作に最低限必要な膜厚をエピタキシャル成長させることができなるため、Inの組成は最大でも20%が限界であった。従って、高速トランジスタでは、より高速動作を実現するためにはゲート長の微細化を行うしかなく、光デバイスにおいては使用できる波長に限界があった。
【0010】
こうした問題を解決するために、基板から電子走行層、あるいは活性層に至る薄膜部分で2層間の格子不整合を緩和するための格子不整合緩和層(以下、バッファ層という)を本来基板上に形成したい薄膜と基板の間に設けることで、基板の格子定数に関係なく、任意の格子定数のチャネル層、もしくは活性層を形成するための各種の手法が検討されてきた。
【0011】
まず、非特許文献1に開示されているように、基板の格子定数から連続的、あるいは段階的に薄膜の組成を変化させることで、格子不整合を緩和するグレーデッドバッファ層と呼ばれる手法がある。この方法は、実際の膜構造としては各種の構造があるが、共通しているのは半導体の組成を連続的、あるいは段階的に変化させることで、格子定数を変化させ、本来能動層として使用したい層(この場合は、InAlAs/InGaAs層)の格子定数に揃ったところで、グレーデッド構造を停止し、均一な層(この場合は、InAlAs層)を形成していくというものである。
【0012】
そこで、以下にグレーデッドバッファ層の方式と特徴について説明する。
図1(a),(b)は、グレーデッドバッファ層の概念図で、図1(a)は、連続的なグレーデッドバッファ層の場合を示し、図1(b)は、段階的なグレーデッドバッファ層の場合を示している。
【0013】
つまり、図1(a)は、基板側から連続的に半導体組成を変化させることで、基板の格子定数から、トランジスタであれば電子走行層として使用したい半導体層の格子定数まで連続的に変化させるものである。実際にMBE法によりこの構造を成膜する場合、変化させたい材料のセル温度、及び基板温度を変化させながら成膜を行うため、製造時の制御がしにくい場合があった。そこで、図1(b)に示すように、段階的に格子定数を変化させる段階的にステップグレーデッドバッファの方法も提案されてきた。
【0014】
これらのグレーデッドバッファ構造の特徴は、格子定数差を緩和するために発生する転移、あるいは欠陥が、基板の面に対して平行に、あるいは層状に発生することである。
【0015】
図2は、グレーデッドバッファ層における結晶欠陥の発生を示す模式図で、図中符号21は基板、22はグレーデッドバッファ層、23はチャネル層(活性層)を示している。この構造では、グレーデッドバッファ層22の上部に形成されるトランジスタや光デバイスのチャネル層、もしくは活性層23など、格子欠陥aがデバイスの特性に直接影響する層まで欠陥が伸びにくいため、デバイスの特性の点では好ましい構造となる。一方で、基板21との格子定数差が大きくなると、それに応じてグレーデッドバッファ層22の厚さを厚くしなければならなかった。
【0016】
何故なら、格子定数を変化させるためには、薄膜の組成を変化させる必要があるが、組成を急激に変化させるとグレーデッドバッファ層本来の特徴である格子不整合の緩和機構がうまく働かない。しかも、組成を急激に変化させるには、MBE法であればフラックスの強度をセル温度の変化により制御するしかないため、セルの熱容量で決まる時定数以上には、変化させることはできない。このため、薄膜成長に必要な時間が長くなり、製造コストが高くなるという欠点があった。
【0017】
これとは対照的に、例えば、特許文献1に示すように、基板上に直に格子定数の異なる薄膜層を形成し、この薄膜層で格子緩和を行う方法もある。この特許文献1に記載のものは、衛星放送の送受信用増幅素子や高速データ転送用素子として、優れた高周波特性を有するFETを提供することを目的としたもので、InAsと異なる格子定数を有する半導体基板上に、バッファ層として機能する第1の化合物半導体層と、電子走行層として機能するInAs層とを順次積層した構成を有しているものである。
【0018】
この場合は、薄膜層中で組成の変化をさせたりしないため、構造は簡単であり、成膜条件の管理は容易になり好ましいが、格子定数差による欠陥の発生が基板に対して上方まで伸びやすく、バッファ層の厚さを厚くしても欠陥密度が下がりにくいという欠点があった。
【0019】
図3は、単層バッファにおける結晶欠陥の発生を示す模式図で、図中符号31は基板、32はバッファ層、33はチャネル層(活性層)を示している。特にトランジスタや光デバイスなど、格子欠陥aに対して敏感なデバイスでは、バッファ層32を厚くしても結晶欠陥に起因する特性の劣化があるため、問題となっていた。
【0020】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、従来に比べ極めて薄いバッファ層を用いて、工業的に安定に、かつ低コストで、基板と格子定数の異なる良質の薄膜を形成した半導体基板を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0021】
本発明者は、AlGaAsSbや、InAlSb等、Sbを含有する化合物半導体層が、極めて薄い層で格子定数を緩和する特長を利用し、その上層に格子定数の大きい側から小さい側にグレーデッドバッファ層を形成したとき、従来に比べ薄いバッファ層で格子欠陥の少ない良質の薄膜が形成できることを見出して本発明をなすに至った。
【0022】
本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項1に記載の発明は、格子定数xを有する基板と、該基板上に形成され、格子定数yを有し、少なくともSbを含む第1の半導体層と、該第1の半導体層上に形成され、格子定数yからzまで格子定数を段階的又は連続的に変化させた第2の半導体層と、該第2の半導体層上に形成され、格子定数zを有する第3の半導体層を有し、前記格子定数の関係が、x<z<yの関係にあることを特徴とする。
【0023】
また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記第1の半導体層が、AlGaAsSbであることを特徴とする。
【0024】
また、請求項3に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記第1の半導体層が、InAlGaAsSbであることを特徴とする。
【0025】
また、請求項4に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記基板が、GaAsであることを特徴とする。
【0026】
また、請求項5に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記基板が、InPであることを特徴とする。
【0027】
また、請求項6に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記第3の半導体層が、InAlAsであることを特徴とする。
【0028】
また、請求項7に記載の発明は、請求項6に記載の発明において、前記第3の半導体層が、InxAl1-xAsであって、0.2<x<0.8であることを特徴とする。
【0029】
また、請求項8に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記第3の半導体層が、InAlGaAsSbであることを特徴とする。
【発明の効果】
【0030】
本発明の薄膜構造を用いると、基板の格子定数に対して、格子定数の大きな半導体薄膜を従来の方法より大幅に薄いバッファ層で良質の薄膜を形成することができる。このため、薄膜成長に要する時間が短縮できるだけでなく、良質の薄膜が安定して製造できるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【0031】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図4は、本発明の半導体基板の基本構造を示す断面構成図で、図中符号1は基板、2は第1の半導体層、3は第2の半導体層、4は第3の半導体層を示している。
【0032】
本発明の半導体基板は、基板1と、第1の半導体層2と、第2の半導体層3と、第3の半導体層4とからなり、基板1は、格子定数xを有するものである。第1の半導体層2は、基板1上に形成され、格子定数yを有し、少なくともSbを含んでいる。第2の半導体層3は、第1の半導体層2上に形成され、格子定数yからzまで格子定数を段階的又は連続的に変化させものである。第3の半導体層4は、第2の半導体層3上に形成され、格子定数zを有するものある。そして、これらの格子定数の関係は、x<z<yの関係を有している。
【0033】
基板1は、GaAs又はInPであることが好ましいが、化合物半導体の成長に適したものであれば何でも良い。安価に大口径の基板が得られるという点で、GaAs基板が最も好ましい。この他、基板上に形成する半導体層に応じて、InP基板やGaP基板なども用いられる。トランジスタの場合、高周波信号の損失、寄生容量等を低減するために基板の絶縁性が高いことが要求されるため、107Ω・cm程度以上の半絶縁性基板が最もよく用いられる。一方、基板の導電性が必要な発光デバイスなどの場合には、n型、もしくはp型にドープされた基板を用いることもあり、必要に応じて適宜使い分けることができる。
【0034】
次に、第1の半導体層2は、AlGaAsSb又はInAlGaAsSbであることが好ましいが、格子不整合を緩和するバッファ層としての機能を有する層であり、少なくともSbを含有する化合物半導体層からなる。Sbを含む半導体層は、他の材料系と比べ格子緩和が早く、成長を開始してから数原子層で、エピタキシャル成長を開始し、50nm程度の薄膜で材料の組成に応じた格子定数の薄膜が形成されるようになる。従って、第1の半導体層の厚さは、最低1原子層以上必要であり、上限は特にないが、成膜に必要な時間がかかることや、ある厚さ以上形成してもバッファ層としての機能は変わらないことから、最大1umの厚さがあれば十分である。ここに用いられる材料は、必要とするデバイスの種類により、絶縁性が必要な場合と、導電性のほうが好ましい場合とあるが、絶縁性のバッファ層として用いられるものは、AlGaAsSb、もしくはInAlGaAsSbなどが好ましい。
【0035】
また、HBT(ヘテロ接合バイポーラトランジスタ)や、光デバイス系のように第1の半導体層が導電性のほうが好ましい場合は、InSbが極めて格子緩和性に優れており、しかも抵抗も低くできることから適している。これは、最終的に形成したい薄膜層が、一般的にはInGaAs系、もしくはInAsSb系であり、極力共通した元素を含有するものが好ましいためである。
【0036】
チャネル層、あるいは活性層としてInGaAs層を用いる場合は、成膜時の制御性、絶縁性の点でAlGaAsSbが最も好ましい。また同様に、InAsSb系を使う場合は、AlGaAsSb系よりも格子定数が大きく取れるInAlAsSb系が好ましい。
【0037】
特に、第1の半導体層2を薄くしたい場合は、Asの組成を減らし、Sbを増やしたほうがより薄い膜で格子不整合が緩和するため好ましい。このため、基板1の格子定数xと第1の半導体層2の格子定数yについて、(y−x)/x>0.01の関係が成り立つ程度に格子定数差が大きい時、本発明の効果は特に顕著となる。
【0038】
第2の半導体層3も第1の半導体層2と同様バッファ層として機能するが、格子定数yを有する第1の半導体層2と格子定数zを有する第3の半導体層4であるチャネル層、もしくは活性層に対して、格子定数y近傍からz近傍までを連続的、あるいは段階的に変化させたグレーデッドバッファ層である。
【0039】
図5(a),(b)は、本発明における基板の格子定数の変化の様子を示す図で、図5(a)は、連続的な第2のバッファ層の場合を示し、図5(b)は、段階的な第2のバッファ層の場合を示している。
【0040】
ここであえて“近傍”としているのは、第2の半導体層3の格子定数は、必ずしも第1の半導体層2の格子定数yから開始しなくても良いという意味であり、図5(a)の点線に示すように、要求される膜質や、構造に応じて決められるためである。同様に第2の半導体層3と第3の半導体層4の界面にも格子定数の差があってもよい。いずれにしても、本発明では、基板1の格子定数xと第3の半導体層4の格子定数zがx<zの関係にあることから、格子定数の変化の様子は、概ね図5(a),(b)に示すような形となる。
【0041】
従来のグレーデッドバッファ層では、基板側から次第に格子定数が大きくなるよう変化させるが、本発明では、第1の半導体層2から第3の半導体層4に向かって、格子定数が小さくなる側に変化させるところに違いがある。しかも、第1の半導体層2で第3の半導体層4の格子定数にほぼ近い格子定数になるように組成比を調整しておくことで、第2の半導体層3は、薄くすることも可能である。
【0042】
第2の半導体層3上に形成される第3の半導体層4は、InAlAsで、InxAl1-xAsが、0.2<x<0.8であること又はInAlGaAsSbであることが好ましいが、トランジスタのチャネル層、もしくは光デバイスの活性層と実質的に格子整合する層である。従って、本発明の第3の半導体層4より上層は、必要とするデバイスに応じて設計されるものであり、上述の構成をとるものはすべて本発明の技術的範囲である。
【0043】
次に、具体的な実施例1について以下に説明する。本発明の一例として、MBE法により作製したトランジスタ用の半導体基板について説明する。
【0044】
図6は、実施例1の半導体基板を示す断面構造図で、図中符号11はGaAs基板、12はAlGaSb層、13はグレーデッド層、14はInAlAs層、15はInGaAsチャネル層、16はInAlAs層、17はInGaAsコンタクト層、aは格子欠陥を示している。
【0045】
まず、半絶縁性のGaAs(100)基板11にAsを照射しながら630℃で加熱し、表面酸素を脱離させる。そのまま基板温度を580℃まで下げた後、膜厚100nmのGaAsバッファ層を成長する。次に、Asを照射しながら基板温度を460℃に下げた後、膜厚100nmのアンドープAl0.8Ga0.2Sb層12を成長する。更にその上に、基板温度を460℃に保持しながら膜厚600nmのグレーデッドAl0.8Ga0.2AsxSb1-x(x=0.1→0.4)層13を成長する。このグレーデッド層13は、Asの照射量を一定に保ちつつ、Sbの照射量を連続的に減少させながら成長することで、Al0.8Ga0.2AsxSb1-x層のAs組成xを0.1から0.4まで連続的に変化させたものである。最後に、基板温度を460℃に保持しながら膜厚250nmのIn0.7Al0.3As層14を成長し、トランジスタ用の基板を作製した。
【0046】
本実施例では、更にこの基板上にトランジスタ用の薄膜積層体をMBE法により成長した。この薄膜積層体は、膜厚95nmのアンドープIn0.7Al0.3As層、SiとAsのみを照射することにより形成するデルタドープ層、膜厚5nmのアンドープIn0.7Al0.3As層14、膜厚20nmのアンドープIn0.8Ga0.2Asチャネル層15、膜厚4nmのアンドープIn0.7Al0.3As層、SiとAsのみを照射することにより形成するデルタドープ層、膜厚12nmのアンドープIn0.7Al0.3As層16、最後に、SiをドープしたIn0.8Ga0.2Asキャップ層(コンタクト層)17を順次積層したものである。
【0047】
このトランジスタ用の薄膜積層体の電気的特性をファンデルポー法により評価した結果、電子移動度は、13500cm2/Vs、シート抵抗217Ω、シート電子濃度2.14×1012cm-2であった。従来の方法では、これと同等の特性を得るのに、1μmあるいは1.5μm以上ものバッファ層を必要としていたが、本実施例においては、グレーデッドグレーデッドAl0.8Ga0.2AsxSb1-x(x=0.1→0.4)層までのバッファ層の膜厚は700nmと非常に薄い。つまり、本発明を用いれば非常に薄いバッファ層で良好な膜特性を得ることができ、工業上非常に好ましい。
【産業上の利用可能性】
【0048】
本発明は、高速トランジスタや発光・受光デバイスなど化合物半導体を使ったヘテロ構造、もしくはメタモルフィック構造を用いるデバイス用の半導体基板として広く応用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【0049】
【図1】グレーデッドバッファ層の概念図で、(a)は、連続的なグレーデッドバッファ層の場合を示し、(b)は、段階的なグレーデッドバッファ層の場合を示している。
【図2】グレーデッドバッファ層における結晶欠陥の発生を示す模式図である。
【図3】単層バッファにおける結晶欠陥の発生を示す模式図である。
【図4】本発明の半導体基板の基本構造を示す断面構成図である。
【図5】本発明における基板の格子定数の変化の様子を示す図で、(a)は、連続的な第2のバッファ層の場合を示し、(b)は、段階的な第2のバッファ層の場合を示している。
【図6】実施例1の半導体基板を示す断面構造図である。
【符号の説明】
【0050】
1 基板
2 第1の半導体層
3 第2の半導体層
4 第3の半導体層
11 GaAs基板
12 AlGaSb層
13 グレーデッド層
14 InAlAs層
15 InGaAsチャネル層
16 InAlAs層
17 InGaAsコンタクト層
21,31 基板
22 グレーデッドバッファ層
23,33 チャネル層(活性層)
32 バッファ層

【特許請求の範囲】
【請求項1】
格子定数xを有する基板と、
該基板上に形成され、格子定数yを有し、少なくともSbを含む第1の半導体層と、
該第1の半導体層上に形成され、格子定数yからzまで格子定数を段階的又は連続的に変化させた第2の半導体層と、
該第2の半導体層上に形成され、格子定数zを有する第3の半導体層を有し、
前記格子定数の関係が、x<z<yの関係にあることを特徴とする半導体基板。
【請求項2】
前記第1の半導体層が、AlGaAsSbであることを特徴とする請求項1に記載の半導体基板。
【請求項3】
前記第1の半導体層が、InAlGaAsSbであることを特徴とする請求項1に記載の半導体基板。
【請求項4】
前記基板が、GaAsであることを特徴とする請求項1に記載の半導体基板。
【請求項5】
前記基板が、InPであることを特徴とする請求項1に記載の半導体基板。
【請求項6】
前記第3の半導体層が、InAlAsであることを特徴とする請求項1に記載の半導体基板。
【請求項7】
前記第3の半導体層が、InxAl1-xAsであって、0.2<x<0.8であることを特徴とする請求項6に記載の半導体基板。
【請求項8】
前記第3の半導体層が、InAlGaAsSbであることを特徴とする請求項1に記載の半導体基板。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【公開番号】特開2009−242124(P2009−242124A)
【公開日】平成21年10月22日(2009.10.22)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−87396(P2008−87396)
【出願日】平成20年3月28日(2008.3.28)
【出願人】(303046277)旭化成エレクトロニクス株式会社 (840)
【Fターム(参考)】