JP3843791B2 - COMPOUND SEMICONDUCTOR DEVICE, ITS MANUFACTURING METHOD, LIGHT EMITTING DEVICE, LAMP AND TRANSISTOR - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特定の面方位を有する珪素(Si)単結晶(シリコン)を基板とし、該基板の表面上に形成した、硼素(B)とリン(P)とを構成元素として含むリン化硼素(BP)系半導体層を具備する化合物半導体素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
III−V族化合物半導体の一種として、硼素(B)とリン(P)とを構成元素として含むリン化硼素(BP)系III−V族化合物半導体(リン化硼素系半導体)が知られている(寺本 巌著、「半導体デバイス概論」(1995年3月30日、(株)培風館発行初版、26〜28頁参照)。リン化硼素(BP)は、フィリップス(Philips)のイオン結合度が0.006と小さく(フィリップス著、「半導体結合論」(1985年7月25日、(株)吉岡書店発行第3刷、51頁参照)、殆ど共有結合からなる物質である。また、閃亜鉛鉱(zinc−blend)型の立方晶であるため、縮退した価電子帯のバンド構造を有する(生駒 俊明、生駒 英明共著、「化合物半導体の基礎物性入門」(1991年9月10日、(株)培風館発行初版)、14〜17頁参照)。このため、リン化硼素にあっては、p形の導電層を容易に獲得できる利点が備わっている。
【0003】
従来においては、珪素(Si)単結晶を基板とし、その上にリン化硼素(BP)系半導体層を設けた、様々なリン化硼素系化合物半導体素子が構成されている。例えば、p形リン化硼素層を利用したヘテロバイポーラトランジスタ(HBT)が知られている(J.Electrochem.Soc.,125(4)(1978)、633〜637頁参照)。また、リン化硼素層をウィンドウ(window)層として利用した太陽電池がある(上記のJ.Electrochem.Soc.,参照)。また、リン化硼素並びにその混晶を利用して、青色帯或いは緑色帯の発光ダイオード(LED)或いはレーザダイオード(LD)を構成する技術が開示されている(日本国特許▲1▼第2809690号、▲2▼第2809691号、▲3▼第2809692号各公報、及び▲4▼米国特許6,069,021号参照)。
【0004】
単量体のリン化硼素(BP;boron monophosphide)の格子定数は約4.538Åである(上記の「半導体デバイス概論」、28頁参照)。一方、基板として利用されている珪素(Si)単結晶は、同じくの立方晶閃亜鉛鉱(zinc−blend)型結晶であり、その格子定数は約5.431Åである(上記の「半導体デバイス概論」、28頁参照)。従って、格子のミスマッチ(ミスマッチ)度を、珪素単結晶の格子定数(=5.431Å)に対する双方の結晶の格子定数の差異(=0.893Å)の比率で表すと約16.6%の大きに達する。この大きな格子ミスマッチ度に因るリン化硼素層のSi基板表面からの剥離を防止するために、比較的低温で成長させた非晶質を含む多結晶のリン化硼素からなる低温緩衝層をSi基板表面に設ける技術手段が開示されている(米国特許6,069,021号参照)。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
従来の技術にあって、リン化硼素系半導体層は、表面を{1.0.0.}または{1.1.1.}結晶面とする珪素単結晶を基板として形成されている(上記の米国特許6,069,021号参照)。また、リン化硼素系半導体層は、基板表面に略平行に配列した{1.1.0.}結晶面から主に構成される傾向にある。例えば、リン化硼素(BP)の{1.1.0.}結晶面の結晶面間隔は約3.209Åである。一方、従来からの基板材料である珪素単結晶の{1.0.0.}、{1.1.0.}或いは{1.1.1.}結晶面の結晶面間隔は各々、約4.541Å、3.840Å、及び約3.136Åである。珪素単結晶の他の結晶面を勘案しても、リン化硼素(BP)の{1.1.0.}結晶面に一致する間隔を有する結晶面は無いものの、珪素単結晶の{111}結晶面の間隔がリン化硼素の{1.1.0.}結晶面の面間隔に最も近い。
【0006】
珪素単結晶基板の表面をなす結晶面、或いは表面に交差する結晶面の間隔と、リン化硼素の{1.1.0.}結晶面との間隔が一致しないために、従来の{1.0.0.}、{1.1.0.}或いは{1.1.1.}結晶面を表面とする珪素単結晶基板上に形成されるリン化硼素層は、転位或いは積層欠陥等の結晶欠陥を多量に含む粗悪な結晶層となる点が問題となっている。本発明は、基板とする珪素単結晶の表面での{1.1.1.}結晶面の間隔が、{1.1.0.}結晶面からなるリン化硼素半導体層の結晶性に顕著な影響を与えるとの考察を基になされたものである。特に、リン化硼素系半導体層の{1.1.0.}結晶面間隔と、珪素{1.1.0.}結晶面に交差する{1.1.1.}結晶面との間隔が近似していることに鑑みてなされた、更に結晶性に優れるリン化硼素系半導体層を得るのに好適に用いることができる、{1.1.0.}結晶面を表面とする珪素単結晶基板の構成に関する発明である。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記した従来技術の問題点を珪素単結晶基板の表面の結晶面方位を特定することに依って解決を図ることを趣旨とする発明である。
すなわち本発明は、
(1)珪素(Si)単結晶(シリコン)からなる基板の表面上に設けられた、硼素(B)とリン(P)とを構成元素として含むリン化硼素(BP)系半導体層を備えてなる化合物半導体素子において、[1.0.0.]結晶方位に、9度(°)以上で15度(°)以下の角度で傾斜した{1.1.0.}結晶面を表面とする珪素単結晶を基板としたことを特徴とする化合物半導体素子。
(2)[1.0.0.]結晶方位に、11度(°)以上で13度(°)以下の角度で傾斜した{1.1.0.}結晶面を表面とする珪素単結晶を基板としたことを特徴とする上記(1)に記載の化合物半導体素子。
(3)[1.0.0.]結晶方位に、12.2±0.5度(°)の角度の範囲で傾斜した{1.1.0.}結晶面を表面とする珪素単結晶を基板としたことを特徴とする上記(1)に記載の化合物半導体素子。
である。
【0008】
また本発明は、
(4)[1.0.0.]結晶方位に、9度(°)以上で15度(°)以下の角度で傾斜した{1.1.0.}結晶面を表面とする珪素単結晶を基板とし、該基板の表面上に、硼素(B)とリン(P)とを構成元素として含むリン化硼素(BP)系半導体層を設けることを特徴とする化合物半導体素子の製造方法。
(5)[1.0.0.]結晶方位に、11度(°)以上で13度(°)以下の角度で傾斜した{1.1.0.}結晶面を表面とする珪素単結晶を基板とすることを特徴とする上記(4)に記載の化合物半導体素子の製造方法。
(6)[1.0.0.]結晶方位に、12.2±0.5度(°)の角度の範囲で傾斜した{1.1.0.}結晶面を表面とする珪素単結晶を基板とすることを特徴とする上記(4)に記載の化合物半導体素子の製造方法。
である。
【0009】
また本発明は、
(7)上記(1)乃至(3)のいずれか1項に記載の化合物半導体素子からなる発光素子。
(8)上記(7)に記載の発光素子を用いたランプ
(9)上記(1)乃至(3)のいずれか1項に記載の化合物半導体素子からなるトランジスタ。
である。
【0010】
【発明の実施の形態】
本発明の内容を説明するため、表面2を、何れの結晶方位にも傾斜していない正確な{1.1.0.}結晶面({1.1.0}−Si)3aとする珪素単結晶1の断面模式図を図1に例示する。立方晶閃亜鉛鉱型にあって、{1.1.0.}結晶面には直交する{1.1.1.}結晶面が存在する。従って、珪素単結晶1にあって、表面2をなす{1.1.0.}結晶面3aには、直交する{1.1.1.}結晶面3bが存在する。また、結晶面を、ミラー指数{h.k.l.}(h,k,lは何れも正の整数)で表現した場合、珪素単結晶において、{h.k.l.}結晶面間の間隔(=d0:単位Å)は次記の式(1)で求められる。
d0(Å)=5.431/(h2+k2+l2)1/2 (式(1))
従って、Si単結晶の{1.1.1.}結晶面の間隔は約3.136Åとなり、例えば、リン化硼素(BP)の{1.1.0.}結晶面との間隔(=3.209Å)の差異は約0.073Åとなる。即ち、Si単結晶の{1.1.1.}結晶面に対する、この結晶面間隔の差異(=0.073Å)の比率(=0.073Å/3.136Å)は、約2.3%に達する。
【0011】
一方、[1.0.0.]結晶方向に、θ度(°)の角度で傾斜させた{1.1.0.}結晶面からなる表面2において{1.1.1.}結晶面3bの間隔(=d:単位Å)と、{1.1.1.}結晶面の結晶面間隔(=d0:Å)との関係を図2に模式的に示す。[1.0.0.]結晶方向に傾斜した{1.1.0.}結晶面表面では、Siの{1.1.1.}結晶面間の間隔(=d)はd0(≒3.136Å)より延長される。[1.0.0.]結晶方向に、θ°(0°<θ<90°)させた{1.1.0.}結晶表面2に交差する{1.1.1.}結晶面3bの間隔(=d)は、次式(2)で与えられる。
d(Å)=d0/cosθ=3.136/cosθ (式(2))
θを大とするに従い、dは拡張される。
【0012】
上記の式(2)に則れば、θ=9°(cos(9°)=0.9877)とすれば、d=3.175Åとなり、例えば、窒化リン化硼素混晶(BN0.05P0.95)の{1.1.0.}結晶面の結晶面間隔に合致することとなる。θ=15°(cos(15°)=0.9659)とすれば、d=3.247Åとなり、例えば、B0.96In0.04Pの{1.1.0.}結晶面の間隔と合致する距離で、{1.1.0.}結晶表面3aに交差する{1.1.1.}結晶面3bをもった{1.1.0.}結晶面3aを得ることができる。従って、本発明の第1の実施形態として、<0.1.0.>結晶方位に15°傾斜した(1.1.0.)結晶面を表面とする硼素(B)ドープp形Si単結晶基板上に、亜鉛(Zn)ドープのリン化硼素・インジウム混晶(B0.95In0.04P)からなる低温緩衝層を介して、{1.1.0.}結晶面からなるマグネシウム(Mg)ドープp形B0.96In0.04P層を備えた積層構造体から構成した化合物半導体素子が挙げられる。
【0013】
また、θ=11°(cos(11°)=0.9816)とすると、上記の式(2)より、d=3.195Åとなり、例えば、窒化砒化硼素混晶(BN0.22As0.78)の{1.1.0.}結晶面の結晶面間隔に合致することとなる。θ=13°(cos(13°)=0.9743)とすれば、d=3.218Åとなり、例えば、BPの{1.1.0.}結晶面の間隔(=3.209Å)と略合致する距離をもって、Si−{1.1.0.}結晶表面3aに交差するSi−{1.1.1.}結晶面3bをもったSi−{1.1.0.}結晶面3aを得ることができる。従って、本発明の第2の実施形態として、<−1.0.0>結晶方位に11°傾斜した(−1.1.0)結晶面を表面とするアンチモン(Sb)ドープn形Si単結晶基板上に、珪素(Si)ドープのリン化硼素(BP)からなる低温緩衝層を介して、{1.1.0.}結晶面からなる珪素(Si)ドープn形BN0.22As0.78層を備えた積層構造体から化合物半導体素子を構成する例が挙げられる。
【0014】
また、θが12.2°(cos(12.2°)=0.9774)であれば、上記の式(2)より、d=3.209Åとなり、単量体のリン化硼素(BP)の{1.1.0.}結晶面の結晶面間隔に合致することとなる。θを12.2°±0.5°の範囲内に収納すれば、dは、3.203Å〜3.215Åの範囲に収まり、従って、BPの{1.1.0.}結晶面の間隔(=3,209Å)とdとの差異の、BPの{1.1.0.}結晶面間隔に対する比率(所謂、格子ミスマッチ(mismatch))を約0.18%の低きとすることができる。この格子ミスマッチ度の小ささは、砒化ガリウム(GaAs)と砒化アルミニウム(AlAs)との間の格子ミスマッチ度の小ささ(≒0.13%)に匹敵するものとなる。従って、θを12.2°±0.5°とする{1.1.0.}結晶面を表面とするSi単結晶基板上には、富に結晶性に優れる{1.1.0.}結晶面からなるリン化硼素層を形成することができる。
【0015】
本発明の第3の実施形態として、<1.0.0.>結晶方位に12°傾斜した(1.−1.0)結晶面を表面とするアンドープp形Si単結晶基板上に、アンドープのリン化硼素(BP)からなる低温緩衝層を介して、{110}結晶面からなる酸素(O)ドープ高抵抗のBP層を備えた積層構造体から化合物半導体素子を構成する例が挙げられる。
【0016】
【作用】
[1.0.0.]結晶方位に傾斜させた{1.1.0.}結晶面を表面とする珪素(Si)単結晶基板は、傾斜させる角度に依り、Siの{1.1.0.}結晶面と交差する{1.1.1.}結晶面の間隔を変化させられるため、リン化硼素系半導体層の{1.1.0.}結晶面に合致する間隔で{1.1.1.}結晶格子を交差させた{1.1.0.}結晶面を表面とするSi単結晶基板を提供できる。
【0017】
【実施例】
(第1実施例)
<−1.0.0>結晶方向に角度にして15.0°傾斜させた(−1.1.0)結晶面を表面とする珪素(Si)単結晶を基板として発光素子を構成する場合を例にして、本発明を具体的に説明する。本第1実施例に係わる発光ダイオード(LED)1Aの断面模式図を図3に示す。
【0018】
LED1Aを構成するための積層構造体1Bは、硼素ドープでp形の(−1.1.0.)面を有する珪素単結晶(シリコン)基板101上に次項の(1)〜(4)に記す機能層を順次、堆積して構成した。基板101の表面は<−1.0.0.>方向に15.0°傾斜した(−1.1.0.)結晶面としたため、表面で交差する{1.1.1.}結晶面(d0=3.136Å)の間隔(=d)は3.246Åとなった。
【0019】
(1)トリエチル硼素((C2H5)3B)/ホスフィン(PH3)/水素(H2)系常圧MOCVD法により350℃で成長させた、非晶質を主体とした多結晶の亜鉛(Zn)ドープリン化硼素(BP)からなる低温緩衝層102
(2)(C2H5)3B/トリメチルインジウム((CH3)3In)/PH3/H2系常圧MOCVD手段を利用し、850℃で成長させたベリリウム(Be)ドープp形リン化硼素・インジウム混晶(B0.96In0.04P)層からなる下部障壁層103。ベリリウムのドーピング源には、ジエチルベリリウム((C2H5)2Be)を利用した。
(3)トリメチルガリウム((CH3)3Ga)/アンモニア(NH3)/H2系常圧MOCVD手段を利用し、850℃で成長させた立方晶の珪素(Si)ドープn形Ga0.83In0.17N層(格子定数=4.590Å)から主になる発光層104(キャリア濃度≒4×1017cm-3、層厚≒150nm)。
(4)(C2H5)3B/PH3/H2系常圧MOCVD手段により、400℃で成長させた室温での禁止帯幅を約3.1eVとする珪素ドープn形リン化硼素(BP)からなる非晶質を主体としてなる上部障壁層105。
【0020】
下部障壁層103を構成するリン化硼素・インジウム混晶(B0.96In0.04P)層は、{1.1.0.}結晶面から構成される結晶層となった。また、その{1.1.0.}結晶面の間隔(d=3.246Å)に一致する距離で交差するSiの{1.1.1.}格子面を有する(−1.1.0.)Si結晶面上に形成することとしたため、下部障壁層103を構成するリン化硼素・インジウム混晶(B0.96In0.04P)層は、断面TEM技法に依る結晶構造の観察でも、転位或いは積層欠陥の密度の増加は特に認められなかった。
【0021】
上部障壁層105の中央には、金・錫(Au・Sn)円形電極(直径=120μm)からなるオーミック性の表面電極106を設けた。また、p形Si基板101の裏面の略全面には、アルミニウム(Al)からなるオーミック性の裏面電極107を設けてLED1Aを構成した。
【0022】
構成された青色LED1Aは、次の(a)〜(d)項に記載の特性を示した。
効果が輝度向上となって顕現された。
(a)発光中心波長:450nm
(b)輝度:6ミリカンデラ(mcd)
(c)順方向電圧:3.0ボルト(V)(順方向電流=20mA)
(d)逆方向電圧:6V(逆方向電流=10μA)
本第1実施例では、[1.0.0.]結晶方位に15.0°傾斜した{1.1.0.}結晶面を表面とする{1.1.0.}Si単結晶を基板101として利用したため、特に、結晶性に優れる{1.1.0.}−B0.96In0.04P下部障壁層103、及びそれに格子整合するGa0.83In0.17N発光層104をもたらすことができ、その結果、単色性に優れる発光が帰結された。発光の中心波長での半値幅(所謂、FWHM)は18nmであった。
【0023】
さらに、上記の第1実施例に記載の青色LED1Aを利用してランプを構成した。図4にランプ10の断面模式図を示す。
【0024】
まず、LED1Aを、台座15上の銀(Ag)を鍍金した金属性碗体16の中央部に、導電性の接合材で固定した。これより、LED1Aを構成するために利用した、[1.0.0.]結晶方向に15.0°傾斜した導電性の{1.1.0.}−Si基板11の裏面に設けたp形裏面電極14を台座15に付属する一端子17に電気的に接続させた。次に、LED1Aの上部障壁層12をなす非晶質のリン化硼素(BP)層上に設置したn形表面電極13を台座15に付属する他の一方の端子18に結線した。次に、LED1Aを半導体素子封止用のエポキシ樹脂19で囲繞してランプ10とした。
【0025】
第1実施例に記載のnサイドアップ(side up)型のLED1Aを利用して構成した上記のランプ10は、次の(a)〜(e)項に記載の特性を示した。これより、本発明に係わる傾斜した表面を有する{1.1.0.}−Siを基板11とするLED1Aから高輝度のランプ10を構成できることが示された。
(a)発光中心波長:450nm
(b)発光半値幅:18nm
(c)輝度:0.7カンデラ(cd)
(d)順方向電圧:3.0ボルト(V)(順方向電流=20mA)
(e)逆方向電圧:6V(逆方向電流=10μA)
【0026】
(第2実施例)
<0.1.0.>結晶方向に角度にして12.2°傾斜させた(1.1.0)結晶面を表面とする珪素(Si)単結晶を基板としてショットキー(Schottky)接合型電界効果型トランジスタ(MESFET)を構成する場合を例にして、本発明を具体的に説明する。
【0027】
本第2実施例に記すMESFET2Aの断面模式図を図5に示す。MESFET2Aを構成するための積層構造体2Bは、アンドープで高抵抗の(1.1.0.)面を有する珪素単結晶(シリコン)基板101上に、次項の(1)〜(4)に記す機能層を順次、堆積して構成した。基板101の表面は<0.1.0.>方向に12.2°傾斜した(1.1.0.)結晶面としたため、表面で交差する{1.1.1.}結晶面(d0=3.136Å)の間隔(=d)は3.209Åとなった。
【0028】
(1)(C2H5)3B/PH3/H2系常圧MOCVD法により350℃で成長させた、非晶質を主体とした多結晶のアンドープで高抵抗のリン化硼素(BP)からなる低温緩衝層102
(2)同じく(C2H5)3B/PH3/H2系常圧MOCVD手段を利用し、850℃で成長させた酸素(O)ドープの高抵抗(室温での抵抗率≒104Ω・cm)BP層(格子定数=4.538Å)からなる緩衝層108。酸素のドーピング源にはトリエトキシ硼素((C2H50)3B)を利用した。
(3)(CH3)3Ga/NH3/H2系常圧MOCVD手段を利用し、850℃で成長させた立方晶のアンドープn形Ga0.94In0.06N層(格子定数=4.538Å)から主になる動作層109(キャリア濃度≒2×1017cm-3、層厚≒40nm)。
(4)(C2H5)3B/PH3/H2系常圧MOCVD手段により、400℃で成長させた室温での禁止帯幅を約3.1eVとするアンドープn形BP層からなる非晶質のオーミック電極を構成するためコンタクト層110。
【0029】
高抵抗の緩衝層108を構成するリン化硼素(BP)層は、{1.1.0.}結晶面から構成される結晶層となった。また、表面でのSiの{111}格子面の間隔をBPの{1.1.0.}結晶面の間隔(d=3.209Å)に一致させる様にした{1.1.0.}−Si単結晶を基板101としたため、断面TEM技法に依る結晶構造の観察では、高抵抗緩衝層108の内部の転位密度は、1×105cm-2未満と計測された。
【0030】
公知のフォトリソグラフィー(写真食刻)技術を利用して、図5に示す如く、ゲート電極111を形成する予定の領域に限定してコンタクト層110を除去させた。次に、同領域に露出させた動作層109の表面に、一般的な電子ビーム蒸着手段に依り、チタン(Ti)、白金(Pt)及び金(Au)を順次、真空蒸着させた。これより、動作層109に接触する側をチタン(Ti)とし、表層を金(Au)とした3層構造のショットキ接触型ゲート電極111を構成した。ゲート電極111の電極長は、約2.5μmとした。ゲート電極111を挟んで対向する両側に残置させたn形BPコンタクト層110の表面には、オーミック(Ohmic)性のソース(source)電極112及びドレイン(drain)電極113を設けた。ソース112及びドレイン113両オーミック電極は、動作層109とは接触させずに、何れも金・ゲルマニム合金(Au95質量%+Ge5質量%)と金(Au)との重層構造から構成した。
【0031】
ソース電極112及びドレイン電極113間に、+20Vのソース・ドレイン電圧(=VDS)を印加した際にMESFET2Aは以下の直流特性を示した。
(a)ソース・ドレイン電流(IDS):2.4mA
(b)相互コンダクタンス(gm):20ミリシーメンス(mS)/mm
(c)ピンチオフ電圧:−10.5V。
特に、[1.0.0.]結晶方位に12.2°傾斜した{1.1.0.}結晶面を表面とする{1.1.0.}Si単結晶を基板101として利用して形成した結晶性に優れ、且つ、高抵抗の{1.1.0.}−BP層から緩衝層108を構成したので、緩衝層108内部へのIDSの漏洩(leak)を防止するに効果を挙げられ、ピンチオフ(pinch−off)特性に優れるMESFETがもたらされた。
【0032】
【発明の効果】
本発明に依れば、{110}−リン化硼素系半導体層の{110}結晶面の間隔で、Siの{111}結晶面が交差する様に傾斜させた{110}結晶面を表面とするSi単結晶を基板として、その上に{110}結晶面からなる{110}−リン化硼素系半導体層を形成したので、結晶性に優れるリン化硼素系半導体層を得ることができる。その結果、結晶性に優れるリン化硼素系半導体層を利用して、例えば発光の単色性に優れる化合物半導体発光素子を提供できる。
【0033】
また本発明に依れば、リン化硼素(BP)の{110}結晶面の間隔と同一の間隔でSiの{111}結晶面が交差する{110}−Si単結晶を基板として、その上に{110}結晶面からなる{110}−リン化硼素系半導体層を形成したので、結晶性に優れ、尚且つ高抵抗のリン化硼素層を利用して電界効果型トランジスタを構成することができ、ピンチオフ特性に優れるMESFETを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】{1.1.0.}結晶面を表面とする{1.1.0.}−Si単結晶の断面模式図である。
【図2】 [1.0.0.]結晶方向に、θ度の角度で傾斜した{1.1.0.}結晶面を表面とする{1.1.0.}−Si単結晶の断面模式図である。
【図3】 第1実施例に記載のLEDの断面模式図である。
【図4】第1実施例に記載のランプの断面模式図である。
【図5】第2実施例に記載のMESFETの断面模式図である。
【符号の説明】
1A LED
2A MESFET
1B、2B 積層構造体
1 {110}−Si単結晶
2 表面
3a {110}−Si結晶面
3b {111}−Si結晶面
10 ランプ
11 基板
12 上部障壁層
13 表面電極
14 裏面電極
15 台座
16 碗体
17、18 端子
19 封止樹脂
101 単結晶基板
102 低温緩衝層
103 下部障壁層
104 発光層
105 上部障壁層
106 表面電極
107 裏面電極
108 緩衝層
109 動作層
110 コンタクト層
111 ゲート電極
112 ソース電極
113 ドレイン電極[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a boron phosphide containing silicon (Si) single crystal (silicon) having a specific plane orientation as a substrate and boron (B) and phosphorus (P) as constituent elements formed on the surface of the substrate. The present invention relates to a compound semiconductor device including a (BP) -based semiconductor layer.
[0002]
[Prior art]
As one type of III-V compound semiconductor, a boron phosphide (BP) III-V compound semiconductor (boron phosphide-based semiconductor) containing boron (B) and phosphorus (P) as constituent elements is known. (Satoshi Teramoto, “Introduction to Semiconductor Devices” (March 30, 1995, published by Baifukan Co., Ltd., first edition, pages 26-28) Boron phosphide (BP) has a Philips ionic bond degree of zero. .006 (Philips, "Semiconductor Bonding Theory" (July 25, 1985, published by Yoshioka Shoten Co., Ltd., 3rd edition, p. 51), a substance consisting almost of covalent bonds. Since it is a (zinc-blend) type cubic crystal, it has a degenerate valence band structure (Toshiaki Ikoma and Hideaki Ikoma, “Introduction to Basic Physical Properties of Compound Semiconductors” (September 10, 1991, Inc.) Culture Original publication), see 14 to 17 pages). Therefore, in the boron phosphide is provided the advantage of easily acquire the conductive layer of the p-type.
[0003]
2. Description of the Related Art Conventionally, various boron phosphide-based compound semiconductor elements in which a silicon (Si) single crystal is used as a substrate and a boron phosphide (BP) -based semiconductor layer is provided thereon are configured. For example, a heterobipolar transistor (HBT) using a p-type boron phosphide layer is known (see J. Electrochem. Soc., 125 (4) (1978), pages 633-637). In addition, there is a solar cell using a boron phosphide layer as a window layer (see J. Electrochem. Soc. Above). Also disclosed is a technology for constructing a blue band or green band light emitting diode (LED) or laser diode (LD) by utilizing boron phosphide and mixed crystals thereof (Japanese Patent No. 1 ▼ 2809690). (2) No. 2,809,691, (3) No. 2,809,692 and (4) US Pat. No. 6,069,021).
[0004]
Monomeric boron phosphide (BP) has a lattice constant of about 4.538 ((see “Introduction to Semiconductor Devices” above, page 28). On the other hand, a silicon (Si) single crystal used as a substrate is the same cubic zinc-blend type crystal and has a lattice constant of about 5.431Å (see “Semiconductor Device Overview” above). ", Page 28). Therefore, when the degree of mismatch (mismatch) of the lattice is expressed by the ratio of the difference of the lattice constant of both crystals (= 0.893Å) to the lattice constant of the silicon single crystal (= 5.431Å), the magnitude is about 16.6%. To reach. In order to prevent peeling of the boron phosphide layer from the Si substrate surface due to this large degree of lattice mismatch, a low-temperature buffer layer made of polycrystalline boron phosphide containing amorphous material grown at a relatively low temperature is formed on Si. Technical means provided on the substrate surface is disclosed (see US Pat. No. 6,069,021).
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In the prior art, the boron phosphide-based semiconductor layer has a surface of {1.0.0. } Or {1.1.1. } A silicon single crystal having a crystal plane is formed as a substrate (see US Pat. No. 6,069,021 above). Further, the boron phosphide-based semiconductor layer was arranged substantially parallel to the substrate surface {1.1.0. } It tends to be mainly composed of crystal planes. For example, boron phosphide (BP) {1.1.0. } The crystal plane spacing of the crystal planes is about 3.209 mm. On the other hand, a conventional single-crystal silicon single crystal {1.0.0. }, {1.1.0. } Or {1.1.1. } The crystal plane spacing of the crystal planes is about 4.541Å, 3.840Å, and about 3.136Å, respectively. Even when other crystal planes of the silicon single crystal are taken into consideration, boron phosphide (BP) {1.1.0. } Although there is no crystal plane having an interval that matches the crystal plane, the {111} crystal plane interval of the silicon single crystal is {1.1.0. } Closest to the crystal plane spacing.
[0006]
The crystal plane forming the surface of the silicon single crystal substrate or the interval between the crystal planes intersecting the surface and the boron phosphide {1.1.0. } Since the distance with the crystal plane does not match, the conventional {1.0.0. }, {1.1.0. } Or {1.1.1. The problem is that the boron phosphide layer formed on the silicon single crystal substrate having the crystal plane as a surface becomes a poor crystal layer containing a large amount of crystal defects such as dislocations or stacking faults. The present invention provides {1.1.1. On the surface of a silicon single crystal as a substrate. } The crystal plane spacing is {1.1.0. } This is based on the consideration that the crystallinity of the boron phosphide semiconductor layer composed of crystal faces has a significant effect. In particular, the boron phosphide-based semiconductor layer {1.1.0. } Crystalline spacing and silicon {1.1.0. } Intersects the crystal plane {1.1.1. } It can be suitably used to obtain a boron phosphide-based semiconductor layer having further excellent crystallinity, which has been made in view of the fact that the distance from the crystal plane is approximate, {1.1.0. } It is an invention relating to a structure of a silicon single crystal substrate having a crystal plane as a surface.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is intended to solve the above-described problems of the prior art by specifying the crystal plane orientation of the surface of the silicon single crystal substrate.
That is, the present invention
(1) A boron phosphide (BP) -based semiconductor layer containing boron (B) and phosphorus (P) as constituent elements provided on the surface of a substrate made of silicon (Si) single crystal (silicon) is provided. In the compound semiconductor device, [1.0.0. ] Tilted at an angle of 9 degrees (°) or more and 15 degrees (°) or less in the crystal orientation {1.1.0. } A compound semiconductor device characterized in that a silicon single crystal having a crystal plane as a surface is used as a substrate.
(2) [1.0.0. ] Tilted at an angle of 11 degrees (°) or more and 13 degrees (°) or less in the crystal orientation {1.1.0. The compound semiconductor device according to (1), wherein a silicon single crystal having a crystal plane as a surface is used as a substrate.
(3) [1.0.0. ] Tilted in the crystal orientation in the range of 12.2 ± 0.5 degrees (°) {1.1.0. The compound semiconductor device according to (1), wherein a silicon single crystal having a crystal plane as a surface is used as a substrate.
It is.
[0008]
The present invention also provides
(4) [1.0.0. ] Tilted at an angle of 9 degrees (°) or more and 15 degrees (°) or less in the crystal orientation {1.1.0. } A silicon single crystal having a crystal plane as a surface is used as a substrate, and a boron phosphide (BP) based semiconductor layer containing boron (B) and phosphorus (P) as constituent elements is provided on the surface of the substrate. A method for producing a compound semiconductor device.
(5) [1.0.0. ] Tilted at an angle of 11 degrees (°) or more and 13 degrees (°) or less in the crystal orientation {1.1.0. The method for producing a compound semiconductor element according to (4) above, wherein a silicon single crystal having a crystal plane as a surface is used as a substrate.
(6) [1.0.0. ] Tilted in the crystal orientation in the range of 12.2 ± 0.5 degrees (°) {1.1.0. The method for producing a compound semiconductor element according to (4) above, wherein a silicon single crystal having a crystal plane as a surface is used as a substrate.
It is.
[0009]
The present invention also provides
(7) A light emitting device comprising the compound semiconductor device according to any one of (1) to (3) above.
(8) A lamp using the light-emitting element according to (7) above (9) A transistor comprising the compound semiconductor element according to any one of (1) to (3) above.
It is.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In order to explain the content of the present invention, the
d 0 (Å) = 5.431 / (h 2 + k 2 + l 2 ) 1/2 (formula (1))
Therefore, {1.1.1. } The spacing between crystal planes is about 3.136 mm, for example, {1.1.0. Of boron phosphide (BP). } The difference in distance from the crystal plane (= 3.209 mm) is about 0.073 mm. That is, {1.1.1. } The ratio (= 0.073 間隔 /3.136Å) of the difference in the crystal plane spacing (= 0.073Å) to the crystal face reaches about 2.3%.
[0011]
On the other hand, [1.0.0. ] Inclined in the crystal direction at an angle of θ degrees (°) {1.1.0. } In the
d (Å) = d 0 / cos θ = 3.136 / cos θ (Formula (2))
As θ is increased, d is expanded.
[0012]
According to the above equation (2), if θ = 9 ° (cos (9 °) = 0.9877), d = 3.175%, for example, boron nitride phosphide mixed crystal (BN 0.05 P 0.95 ) {1.1.0. } It matches the crystal plane spacing of crystal planes. If θ = 15 ° (cos (15 °) = 0.9659), d = 3.247 Å, for example, B 0.96 In 0.04 P {1.1.0. } At a distance that matches the crystal plane spacing, {1.1.0. } Intersects the
[0013]
Further, if θ = 11 ° (cos (11 °) = 0.9816), d = 3.195Å from the above equation (2), and, for example, a boron nitride arsenide mixed crystal (BN 0.22 As 0.78 ) { 1.1.0. } It matches the crystal plane spacing of crystal planes. If θ = 13 ° (cos (13 °) = 0.743), d = 3.218 、, for example, {1.1.0. } Si- {1.1.0. With a distance substantially coincident with the crystal plane spacing (= 3.209 mm). } Si- {1.1.1. Intersecting the crystal surface 3a. } Si- {1.1.0. With crystal face 3b. } The
[0014]
If θ is 12.2 ° (cos (12.2 °) = 0.9774), d = 3.20920 from the above formula (2), and the monomer boron phosphide (BP) {1.1.0. } It matches the crystal plane spacing of crystal planes. If θ is stored within the range of 12.2 ° ± 0.5 °, d falls within the range of 3.203 to 3.215 °, and accordingly, {1.1.0. } The difference between the distance between crystal planes (= 3,209 と) and d of BP {1.1.0. } The ratio to the crystal plane spacing (so-called lattice mismatch) can be as low as about 0.18%. This small degree of lattice mismatch is comparable to the small degree of lattice mismatch (≈0.13%) between gallium arsenide (GaAs) and aluminum arsenide (AlAs). Therefore, θ is set to 12.2 ± 0.5 ° {1.1.0. } On the Si single crystal substrate having the crystal plane as the surface, it is rich in crystallinity {1.1.0. } A boron phosphide layer having a crystal plane can be formed.
[0015]
As a third embodiment of the present invention, <1.0.0. > On an undoped p-type Si single crystal substrate whose surface is a (1.-1.0) crystal plane inclined by 12 ° in the crystal orientation, via a low-temperature buffer layer made of undoped boron phosphide (BP), { An example of forming a compound semiconductor element from a laminated structure including an oxygen (O) -doped high-resistance BP layer having a 110} crystal plane is given.
[0016]
[Action]
[1.0.0. ] Tilted in the crystal orientation {1.1.0. } A silicon (Si) single crystal substrate having a crystal plane as a surface depends on the angle of inclination, and {1.1.0. } Intersects the crystal plane {1.1.1. } Since the spacing between crystal planes can be changed, {1.1.0. } At intervals matching the crystal plane, {1.1.1. } Crossed the crystal lattice {1.1.0. } A Si single crystal substrate having a crystal plane as a surface can be provided.
[0017]
【Example】
(First embodiment)
<-1.0.0> In the case where a light-emitting element is formed using a silicon (Si) single crystal having a (-1.1.0) crystal plane inclined at 15.0 ° as an angle in the crystal direction as a substrate The present invention will be specifically described with reference to FIG. FIG. 3 shows a schematic sectional view of a light emitting diode (LED) 1A according to the first embodiment.
[0018]
A laminated structure 1B for constituting the LED 1A is formed on a silicon single crystal (silicon)
[0019]
(1) Polycrystalline mainly composed of amorphous material grown at 350 ° C. by atmospheric pressure MOCVD method using triethylboron ((C 2 H 5 ) 3 B) / phosphine (PH 3 ) / hydrogen (H 2 ) system Low
(2) Beryllium (Be) doped p-type grown at 850 ° C. using (C 2 H 5 ) 3 B / trimethylindium ((CH 3 ) 3 In) / PH 3 / H 2 system atmospheric pressure MOCVD means A
(3) Cubic silicon (Si) -doped n-type Ga 0.83 In grown at 850 ° C. using trimethylgallium ((CH 3 ) 3 Ga) / ammonia (NH 3 ) / H 2 atmospheric pressure MOCVD means A light emitting layer 104 (carrier concentration≈4 × 10 17 cm −3 , layer thickness≈150 nm) mainly composed of 0.17 N layer (lattice constant = 4.590 Å).
(4) Silicon-doped n-type boron phosphide having a forbidden band width of about 3.1 eV grown at 400 ° C. by a (C 2 H 5 ) 3 B / PH 3 / H 2 system atmospheric pressure MOCVD means An upper barrier layer 105 mainly composed of an amorphous material made of (BP).
[0020]
The boron phosphide / indium mixed crystal (B 0.96 In 0.04 P) layer constituting the
[0021]
In the center of the upper barrier layer 105, an
[0022]
The configured blue LED 1A exhibited the characteristics described in the following items (a) to (d).
The effect was manifested as improved brightness.
(A) Emission center wavelength: 450 nm
(B) Luminance: 6 millicandela (mcd)
(C) Forward voltage: 3.0 volts (V) (forward current = 20 mA)
(D) Reverse voltage: 6 V (reverse current = 10 μA)
In the first embodiment, [1.0.0. ] 15.0 ° tilted in the crystal orientation {1.1.0. } The crystal plane is the surface {1.1.0. } Since a Si single crystal is used as the
[0023]
Furthermore, a lamp was constructed using the blue LED 1A described in the first embodiment. FIG. 4 shows a schematic sectional view of the
[0024]
First, the
[0025]
The
(A) Emission center wavelength: 450 nm
(B) Light emission half width: 18 nm
(C) Luminance: 0.7 candela (cd)
(D) Forward voltage: 3.0 volts (V) (forward current = 20 mA)
(E) Reverse voltage: 6 V (reverse current = 10 μA)
[0026]
(Second embodiment)
<0.1.0. > Schottky junction field effect transistor (MESFET) with a silicon (Si) single crystal whose surface is a (1.1.0) crystal plane inclined at an angle of 12.2 ° with respect to the crystal direction as a substrate The present invention will be described in detail by taking the case of configuring the above as an example.
[0027]
FIG. 5 shows a schematic cross-sectional view of the MESFET 2A described in the second embodiment. The laminated structure 2B for constituting the MESFET 2A is described in (1) to (4) in the next section on a silicon single crystal (silicon)
[0028]
(1) (C 2 H 5 ) 3 B / PH 3 / H 2 system atmospheric pressure MOCVD method grown at 350 ° C., polycrystalline undoped, high resistance boron phosphide (BP ) Low
(2) High resistance of oxygen (O) dope grown at 850 ° C. using the (C 2 H 5 ) 3 B / PH 3 / H 2 atmospheric pressure MOCVD means (resistivity at room temperature≈10 4 A buffer layer 108 made of a BP layer (lattice constant = 4.538 cm). The oxygen doping source using
(3) Cubic undoped n-type Ga 0.94 In 0.06 N layer (lattice constant = 4.538Å) grown at 850 ° C. using (CH 3 ) 3 Ga / NH 3 / H 2 system atmospheric pressure MOCVD means To the main operation layer 109 (carrier concentration≈2 × 10 17 cm −3 , layer thickness≈40 nm).
(4) An undoped n-type BP layer having a forbidden band width of about 3.1 eV grown at 400 ° C. by a (C 2 H 5 ) 3 B / PH 3 / H 2 system atmospheric pressure MOCVD means. A
[0029]
The boron phosphide (BP) layer constituting the high resistance buffer layer 108 is {1.1.0. } A crystal layer composed of crystal planes was obtained. Further, the spacing of {111} lattice planes of Si on the surface is set to {1.1.0. } The distance between the crystal planes (d = 3.209 mm) was made to coincide {1.1.0. } -Si single crystal was used as the
[0030]
Using a known photolithography (photoetching) technique, as shown in FIG. 5, the
[0031]
When a source / drain voltage (= V DS ) of +20 V was applied between the source electrode 112 and the drain electrode 113, the MESFET 2A exhibited the following DC characteristics.
(A) Source-drain current (I DS ): 2.4 mA
(B) Mutual conductance (g m ): 20 milliSiemens (mS) / mm
(C) Pinch-off voltage: -10.5V.
In particular, [1.0.0. ] Tilted 12.2 ° to the crystal orientation {1.1.0. } The crystal plane is the surface {1.1.0. } Si single crystal is used as the
[0032]
【The invention's effect】
According to the present invention, the {110} crystal plane inclined by the {110} -boron phosphide-based semiconductor layer {110} crystal plane at an interval so that the {111} crystal plane of Si intersects the surface. Since the {110} -boron phosphide-based semiconductor layer having a {110} crystal plane is formed on the Si single crystal to be used as the substrate, a boron phosphide-based semiconductor layer having excellent crystallinity can be obtained. As a result, a compound semiconductor light emitting device having excellent monochromaticity of light emission can be provided by using a boron phosphide-based semiconductor layer having excellent crystallinity.
[0033]
Further, according to the present invention, a {110} -Si single crystal in which Si {111} crystal planes intersect at the same interval as the {110} crystal plane interval of boron phosphide (BP) is used as a substrate. Since a {110} -boron phosphide-based semiconductor layer having a {110} crystal plane is formed, a field effect transistor can be formed using a boron phosphide layer having excellent crystallinity and high resistance. And a MESFET excellent in pinch-off characteristics can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 {1.1.0. } The crystal plane is the surface {1.1.0. } It is a cross-sectional schematic diagram of a -Si single crystal.
FIG. 2 [1.0.0. ] Tilted in the crystal direction at an angle of θ degrees {1.1.0. } The crystal plane is the surface {1.1.0. } It is a cross-sectional schematic diagram of a -Si single crystal.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of an LED described in the first embodiment.
FIG. 4 is a schematic sectional view of a lamp described in the first embodiment.
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a MESFET described in a second embodiment.
[Explanation of symbols]
1A LED
2A MESFET
1B, 2B Laminated structure 1 {110} -Si
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