JP4940562B2

JP4940562B2 - 化合物半導体エピタキシャル基板およびその製造方法

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Publication number: JP4940562B2
Application number: JP2005057367A
Authority: JP
Inventors: 強中野
Original assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Priority date: 2005-03-02
Filing date: 2005-03-02
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2025-03-02
Also published as: JP2006245200A

Description

本発明は、ｐ−ＨＥＭＴ（pseudomorphic−ＨＥＭＴ、歪チャネル高電子移動度電界効果型トランジスタ）用の化合物半導体エピタキシャル基板に関する。

ｐ−ＨＥＭＴは高周波通信機器等の高周波を用いる電子機器用の素子として用いられている。

ｐ−ＨＥＭＴ用化合物半導体エピタキシャル基板は、半絶縁性ＧａＡｓからなる成長基板上に成長させたスペーサー層となるＩｎＧａＰ層と、別のスペーサー層となるＧａＡｓ層と、チャンネル層となるＩｎＧａＡｓ層を有してなる（例えば、特許文献１参照。）。このような化合物半導体エピタキシャル基板の各層の結晶性を評価する方法として、従来から化合物半導体エピタキシャル基板のＰＬ（フォトルミネッセンス）を測定することが行われており、その７７ＫでのＰＬスペクトルにおいて、ＧａＡｓ層とＩｎＧａＰ層を有するｐ−ＨＥＭＴ用化合物半導体エピタキシャル基板では、波長８３０〜１０００ｎｍにおいてはピークが存在しないか、または帰属が不明の弱いピークが現われることがあることが知られていた（例えば、非特許文献１参照）。

そして、ｐ−ＨＥＭＴ用化合物半導体エピタキシャル基板は、ＭＯＣＶＤ法により、加熱した半絶縁性ＧａＡｓ成長基板上に、Ｇａ源となるガスと、Ａｓ源となるガスと、Ｉｎ源となるガスと、Ｐ源となるガスを適宜切り替えながら流して製造されており、その製造工程において、ＩｎＧａＰ層の成長とＧａＡｓ層あるいはＩｎＧａＡｓ層の成長との間のガスの切り替えは、Ａｓ源となるガスだけ流す工程を行うかまたはＰ源となるガスだけを流す工程を行うことが行われていた（例えば、非特許文献１および特許文献１参照。）。

このようにして製造される上記のような従来のｐ−ＨＥＭＴ用化合物半導体エピタキシャル基板が与えるｐ−ＨＥＭＴとしては、動作の速いものが求められており、そのようなｐ−ＨＥＭＴを与えるｐ−ＨＥＭＴ用化合物半導体エピタキシャル基板として、高い電子移動度を示すものが求められていた。従来は例えば、７１００ｃｍ²／Ｖｓ程度の電子移動度を示すｐ−ＨＥＭＴおよびそれを与える化合物半導体基板が知られていたが（例えば、特許文献１参照。）、十分ではなかった。

ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス（ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ），Ｖｏｌ．７８，Ｎｏ．９，１９９５年１１月１日，ｐ．５３８７〜５３９０特開２００４−２２８３４号公報

本発明の目的は、ＧａＡｓからなる成長基板上に積層して成長させたＩｎＧａＡｓ層からなるチャネル層と、ＩｎＧａＰ層からなるスペーサー層と、ＧａＡｓからなる別のスペーサー層を有するｐ−ＨＥＭＴ用化合物半導体エピタキシャル基板であって、高い電子移動度を示すｐ−ＨＥＭＴ用化合物半導体エピタキシャル基板を提供することにある。

本発明者らは、ＧａＡｓからなる成長基板上に積層して成長させたＩｎＧａＡｓ層からなるチャネル層と、ＩｎＧａＰ層からなるスペーサー層と、ＧａＡｓからなる別のスペーサー層を有するｐ−ＨＥＭＴ用化合物半導体エピタキシャル基板について鋭意検討した結果、７７Ｋにおいてフォトルミネッセンスを測定したときのスペクトルのうち、波長が８３０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の範囲に、いずれの設計上の層のバンドギャップにも対応しないピークを有し、そのピークの強度を、ＧａＡｓからなる成長基板に由来するピークの強度で除した値であるＲが特定の範囲であるＧａＡｓ／ＩｎＧａＰ接合を用いたｐ−ＨＥＭＴ用化合物半導体エピタキシャル基板が高い電子移動度を示すことを見出した。また本発明者らは、ＭＯＣＶＤ法によるｐ−ＨＥＭＴ用化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法について鋭意検討した結果、ＩｎＧａＰ層の成長とＧａＡｓ層とＩｎＧａＡｓ層のいずれかの層の成長とをこの順に行うにあたり、そのＩｎＧａＰ層の成長を停止して次の層の成長を開始するまでの間に、特定のガスを流す工程を行うことにより前記ｐ−ＨＥＭＴ用化合物半導体エピタキシャル基板を製造することができることを見出し、本発明を完成させるに至った。

すなわち本発明は、ＧａＡｓからなる成長基板、ｎ−ＩｎＧａＰ層からなる電子供給層、ｉ−ＩｎＧａＰ層からなるスペーサー層（１）、ｉ−ＧａＡｓ層からなるスペーサー層（２）、ｉ−ＩｎＧａＡｓ層からなるチャネル層、ｉ−ＧａＡｓ層からなるスペーサー層（３）、ｉ−ＡｌＧａＡｓ層からなるスペーサー層（４）、ｎ−ＡｌＧａＡｓ層からなる電子供給層を、この順で有してなり、ｉ−ＩｎＧａＰ層からなるスペーサー層（１）とｉ−ＧａＡｓ層からなるスペーサー層（２）とが接し、７７Ｋにおいてフォトルミネッセンスを測定したときのスペクトルのうち、波長が８３０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の範囲に、いずれの設計上の層のバンドギャップにも対応せず、前記ｉ−ＩｎＧａＰ層からなるスペーサー層（１）と前記ｉ−ＧａＡｓ層からなるスペーサー層（２）との接合界面からのピークを有し、そのピークの強度を、ＧａＡｓからなる成長基板に由来するピークの強度で除した値であるＲが７以上３３以下であるｉ−ＧａＡｓ層からなるスペーサー層（２）／ｉ−ＩｎＧａＰ層からなるスペーサー層（１）接合構造を用いたことを特徴とするｐ−ＨＥＭＴ用化合物半導体エピタキシャル基板を提供する。
また本発明は、ＧａＡｓからなる成長基板上にＭＯＣＶＤ法により、ｎ−ＩｎＧａＰ層からなる電子供給層、ｉ−ＩｎＧａＰ層からなるスペーサー層（１）、ｉ−ＧａＡｓ層からなるスペーサー層（２）、ｉ−ＩｎＧａＡｓ層からなるチャネル層、ｉ−ＧａＡｓ層からなるスペーサー層（３）、ｉ−ＡｌＧａＡｓ層からなるスペーサー層（４）、ｎ−ＡｌＧａＡｓ層からなる電子供給層を、この順に成長させるｐ−ＨＥＭＴ用化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法であって、ｉ−ＩｎＧａＰ層からなるスペーサー層（１）上に直接ｉ−ＧａＡｓ層からなるスペーサー層（２）を成長させるにあたり、そのｉ−ＩｎＧａＰ層からなるスペーサー層（１）の成長を停止してｉ−ＧａＡｓ層からなるスペーサー層（２）の成長を開始するまでの間に、Ｐ含有ガスとＧａ含有ガスを両方同時に流す工程を行うことを特徴とする前記のｐ−ＨＥＭＴ用化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法を提供する。

本発明のｐ−ＨＥＭＴ用化合物半導体エピタキシャル基板は、高い電子移動度を示すため、動作の速いｐ−ＨＥＭＴを与える。また、本発明の製造方法によれば、高い電子移動度を示す該ｐ−ＨＥＭＴ用化合物半導体エピタキシャル基板を製造することができるので、本発明は工業的に極めて有用である。

本発明のｐ−ＨＥＭＴ用化合物半導体エピタキシャル基板は、ＧａＡｓからなる成長基板上に積層して成長させたＩｎＧａＡｓ層からなるチャネル層と、ＩｎＧａＰ層からなるスペーサー層と、ＧａＡｓからなる別のスペーサー層を有してなり、７７Ｋにおいてフォトルミネッセンスを測定したときのスペクトルのうち、波長が８３０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の範囲に、いずれの設計上の層のバンドギャップにも対応しないピークを有し、そのピークの強度を、ＧａＡｓからなる成長基板に由来するピークの強度で除した値であるＲが７以上３３以下であることを特徴とする。

本発明において、フォトルミネッセンスの測定は、添付図２に示したＧａＡｓ／ＩｎＧａＰ積層構造を用い、温度７７Ｋにおいて測定する。これは、電子移動度を測定するための図１に示したｐ−ＨＥＭＴ用化合物半導体エピタキシャル基板においては、ＧａＡｓ／ＩｎＧａＰ接合界面でのフォトルミネッセンスピーク強度を測定できないためであり、図２の構造の測定で得られたＧａＡｓ／ＩｎＧａＰ接合界面成長条件を、図１の構造にそのまま適用することにより、本発明を実施する。

本発明のｐ−ＨＥＭＴ用化合物半導体エピタキシャル基板は、フォトルミネッセンススペクトルのうち、波長が８３０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の範囲に、いずれの設計上の層のバンドギャップにも対応しないピークを有する。このピークは層構造の図面に明記される設計上の層ではなく、層と層の界面に設計していない層が存在するために見られるピークと考えられ、例えばＩｎＧａＡｓ層、ＩｎＧａＰ層、ＧａＡｓ層のいずれにも起因しないピークである。

そして、波長が８３０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の範囲で、いずれの設計上の層のバンドギャップにも対応しないピークの強度を、ＧａＡｓからなる成長基板に由来するピークの強度で除した値であるＲが７以上３３以下である場合に、その理由は必ずしも明らかではないが、ｐ−ＨＥＭＴ用化合物半導体エピタキシャル基板は高い電子移動度を示すのである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態の一例につき詳細に説明する。なお、実施形態は本発明の一例に過ぎず、この素子構造に何ら規定されるものではない。

図１は、本発明の実施形態の一例を示す。図１において、１は半絶縁性ＧａＡｓ基板、２はｉ−ＧａＡｓ層とｉ−ＡｌＧａＡｓ層からなるバッファー層、３はｎ−ＩｎＧａＰ層からなる電子供給層、４はｉ−ＩｎＧａＰ層からなるスペーサー層（１）、５はｉ−ＧａＡｓ層からなるスペーサー層（２）、６はｉ−ＩｎＧａＡｓ層からなるチャネル層、７はｉ−ＧａＡｓ層からなるスペーサー層（３）、８はｉ−ＡｌＧａＡｓ層からなるスペーサー層（４）、９はｎ−ＡｌＧａＡｓ層からなる電子供給層、１０はｉ−ＡｌＧａＡｓ層からなるゲート層である。

膜厚は各々、層２が６０００Å、層３が４０Å、層４が５０Å、層５が４０Å、層６が５０Å、層７が４０Å、層８が５０Å、層９が６０Å、層１０が４４０Åである。層３、４のＩｎ組成は０．４８であり、ＧａＡｓと格子整合する。層６のＩｎ組成は０．３３、層８、９、１０のＡｌ組成は０．２０である。

本発明のｐ−ＨＥＭＴ用化合物半導体エピタキシャル基板は、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により製造することができる。半絶縁性ＧａＡｓ成長基板の上に、上記各層を図１のとおりに順次成長させて製造することができる。

以下、さらに詳細に成長方法について説明する。初めに、高抵抗の半絶縁性ＧａＡｓ単結晶基板の表面を、脱脂洗浄、エッチング、水洗、乾燥した後、結晶成長炉の加熱台上に載置する。炉内を十分、高純度水素で置換した後、加熱を開始し、適度な温度に安定したところで炉内に砒素含有ガスを導入し、続いてガリウム含有ガスを導入し、ＧａＡｓ層を成長する。また、ＡｌＧａＡｓ層を成長する際には、アルミニウム含有ガス、ＩｎＧａＡｓ層を成長する際には、インジウム含有ガスも導入する。また、ＩｎＧａＰ層を成長する際には、砒素含有ガスを燐原料に切り替えて、成長を行なう。所定の時間と、各原料の供給を制御することにより、所望の積層構造を成長していく。最後に、各原料ガスの供給を停止して結晶成長を停止し、冷却後、以上のように積層したエピタキシャル基板を炉内から取り出して結晶成長を完了する。結晶成長時の基板温度は、通常、およそ５００℃から８００℃である。

本発明おける高抵抗の半絶縁性GaAs単結晶基板は、ＬＥＣ（Liquid Encapsulated Czochralski）法、ＶＢ（Vertical Bridgeman）法、ＶＧＦ（Vertical Gradient Freezing）法等で製造されたＧａＡｓ基板を用いることができ、１つの結晶学的面方位から０．０５°から１０°程度の傾きをもった基板を用いることができる。

さらに、エピタキシャル成長時の原料ガス（所定の元素を含有したガス）として、有機金属および／または水素化物を用いることが好ましい。砒素含有ガスとしては、一般に三水素化砒素（アルシン）が用いられるが、アルシンの水素を炭素数が１から４のアルキル基で置換したアルキルアルシンも使用することができる。燐含有ガスとしては、一般に三水素化燐（ホスフィン）が用いられるが、ホスフィンの水素を炭素数が１から４のアルキル基で置換したアルキルホスフィンも使用することができる。ガリウム、アルミニウム、およびインジウムの含有ガスとしては、各金属原子に炭素数が１から３のアルキル基もしくは水素が結合したトリアルキル化物もしくはもしくは三水素化物が、一般に用いられる。

ｎ型ドーパントとしては、シリコン、ゲルマニウム、スズ、硫黄、セレン等の水素化物または炭素数が１から３のアルキル基を有するアルキル化物を用いることができる。
このようにして、加熱した成長基板の上に原料ガスを適宜切り替えながら流し、ｐ−ＨＥＭＴを構成する化合物半導体の層を順次エピタキシャル成長させて製造することができる。

ただし、例えば、ＩｎＧａＰ層の上にＧａＡｓ層を成長させる場合のように、Ｖ族元素の原料ガスをＰ含有ガスからＡｓ含有ガスに切り替えるときは、Ａｓ含有ガスを停止した上でＰ含有ガスとＧａ含有ガスを同時に、ＧａＰ層膜厚に換算して２．２Å以上９．７Å以下の時間範囲で流す。理由は必ずしも明らかではないが、Ｐ含有ガスとＧａ含有ガスを同時に流す時間を前記の範囲とすることにより、得られるｐ−ＨＥＭＴ用化合物半導体エピタキシャル基板の電子移動度が高くなり、本発明のｐ−ＨＥＭＴ用化合物半導体エピタキシャル基板を製造することができるのである。

また、Ｖ族元素含有ガスをＰ含有ガスからＡｓ含有ガスに切り替えるときに、Ｐ含有ガスとＧａ含有ガスを同時に流す前に、Ａｓ含有ガスを停止した上でＰ含有ガスのみを５ｓｅｃ以上２０ｓｅｃ以下の時間の範囲で流すことが好ましい。

次に、本発明を実施例によりさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
ここで、実施例、比較例として示されている化合物半導体エピタキシャル基板の層構造は、化合物半導体エピタキシャル基板の特性を測定する都合上、実際のｐ−ＨＥＭＴ用化合物半導体エピタキシャル基板の層構造のｎ−ＧａＡｓ層、ｎ−ＡｌＧａＡｓ層を成長させていないが、実際のｐ−ＨＥＭＴ用化合物半導体エピタキシャル基板も同じ特性を有する。

実施例１〜３、比較例１
まず、８３０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の間に現れるピーク（以下「ピーク８５０」と呼称する。）の強度を測定するために、図２に示すＩｎＧａＰ積層構造を作製した。
減圧バレル型ＭＯＣＶＤ炉を用い、III族含有ガスとしては、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、およびトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を用い、Ｖ族含有ガスとしては、アルシン（ＡｓＨ₃）およびホスフィン（ＰＨ₃）を用いた。ｎ型ドーパントとしては、ジシラン（Ｓｉ₂Ｈ₆）を用いた。原料のキャリアガスとしては、高純度水素を用い、反応炉内圧力０．１ａｔｍ、成長温度６５０℃、成長速度３〜１μｍ／ｈｒの成長条件でエピタキシャル成長を行なった。

半絶縁性ＧａＡｓ成長基板上に、ｎ−ＩｎＧａＰ層、ｎ−ＧａＡｓ層の順番にエピタキシャル成長させて積層した。このとき、ｎ−ＩｎＧａＰ層の上界面でのｎ−ＧａＡｓ層との間の原料ガス切り替えシーケンスにおいて、Ｖ族元素含有ガスであるホスフィン（ＰＨ₃）を後流しする時間を、図３のようにして変化させ、各成長条件での温度７７Ｋにおけるフォトルミネッセンス測定を行った。

図２のＩｎＧａＰ積層構造における、シーケンス時間と、温度７７Ｋにおけるフォトルミネッセンス測定の結果を図４に示す。また、各々の測定において、８３０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の間に現れる「ピーク８５０」のピーク強度の、ＧａＡｓ基板１に対応する８２５ｎｍにおけるピーク強度に対する相対値を表１に示した。実施例１の「ピーク８５０」のピーク強度はシーケンス時間によって変動していることがわかった。

上記のＧａＡｓ／ＩｎＧａＰ接合構造シーケンス条件を用いて、図１のｐ−ＨＥＭＴ構造エピタキシャル基板を成長し、室温でのVan der Pauw法によるＨａｌｌ測定を行なって、移動度特性を測定した。その結果、温度７７Ｋにおけるフォトルミネッセンス測定時の「ピーク８５０」のピーク強度と電子移動度に、図５のような関係が見出された。「ピーク８５０」のピーク強度の範囲は、７倍以上３３倍以下において、電子移動度は７１００ｃｍ²／Ｖ・ｓｅｃ以上となり、この範囲で高い電子移動度を示す化合物半導体エピタキシャル基板が得られることがわかった。

本発明の実施形態の一例の化合物半導体エピタキシャル基板の層構造を示す図。実施例１のフォトルミネッセンス測定用化合物半導体エピタキシャル基板の層構造を示す図。実施例１の化合物半導体エピタキシャル基板の製造において、ｎ−ＩｎＧａＰ層の上にｎ−ＧａＡｓ層を成長させるときにＶ族元素の原料ガスをＰ含有ガスからＡｓ含有ガスに切り替える原料ガス切り替えシーケンスを示す図。実施例１の化合物半導体エピタキシャル基板の温度７７Ｋにおけるフォトルミネッセンス測定結果。実施例１における電子移動度測定結果を示す図。

符号の説明

１、半絶縁性ＧａＡｓ基板
２、バッファー層
３、ｎ型ＩｎＧａＰ電子供給層
４、ｉ型ＩｎＧａＰスペーサー層（１）
５、ｉ型ＧａＡｓスペーサー層（２）
６、ｉ型ＩｎＧａＡｓチャネル層
７、ｉ型ＧａＡｓスペーサー層（３）
８、ｉ型ＡｌＧａＡｓスペーサー層（４）
９、ｎ型ＡｌＧａＡｓ電子供給層
１０、ｉ型ＡｌＧａＡｓゲート層
２１、半絶縁性ＧａＡｓ基板
２２、ｎ型ＧａＡｓ層
２３、ｎ型ＩｎＧａＰ層

Claims

ＧａＡｓからなる成長基板、ｎ−ＩｎＧａＰ層からなる電子供給層、ｉ−ＩｎＧａＰ層からなるスペーサー層（１）、ｉ−ＧａＡｓ層からなるスペーサー層（２）、ｉ−ＩｎＧａＡｓ層からなるチャネル層、ｉ−ＧａＡｓ層からなるスペーサー層（３）、ｉ−ＡｌＧａＡｓ層からなるスペーサー層（４）、ｎ−ＡｌＧａＡｓ層からなる電子供給層を、この順で有してなり、ｉ−ＩｎＧａＰ層からなるスペーサー層（１）とｉ−ＧａＡｓ層からなるスペーサー層（２）とが接し、
７７Ｋにおいてフォトルミネッセンスを測定したときのスペクトルのうち、波長が８３０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の範囲に、いずれの設計上の層のバンドギャップにも対応しないピークであって、前記ｉ−ＩｎＧａＰ層からなるスペーサー層（１）と前記ｉ−ＧａＡｓ層からなるスペーサー層（２）との接合界面からのピークを有し、そのピークの強度を、ＧａＡｓからなる成長基板に由来するピークの強度で除した値であるＲが７以上３３以下であるｉ−ＧａＡｓ層からなるスペーサー層（２）／ｉ−ＩｎＧａＰ層からなるスペーサー層（１）接合構造を用いたことを特徴とするｐ−ＨＥＭＴ用化合物半導体エピタキシャル基板。
Ｒが１２以上２３以下である請求項１記載のｐ−ＨＥＭＴ用化合物半導体エピタキシャル基板。
ＧａＡｓからなる成長基板上にＭＯＣＶＤ法によりｎ−ＩｎＧａＰ層からなる電子供給層、ｉ−ＩｎＧａＰ層からなるスペーサー層（１）、ｉ−ＧａＡｓ層からなるスペーサー層（２）、ｉ−ＩｎＧａＡｓ層からなるチャネル層、ｉ−ＧａＡｓ層からなるスペーサー層（３）、ｉ−ＡｌＧａＡｓ層からなるスペーサー層（４）、ｎ−ＡｌＧａＡｓ層からなる電子供給層を、この順に成長させるｐ−ＨＥＭＴ用化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法であって、
ｉ−ＩｎＧａＰ層からなるスペーサー層（１）上に直接ｉ−ＧａＡｓ層からなるスペーサー層（２）を成長させるにあたり、そのｉ−ＩｎＧａＰ層からなるスペーサー層（１）の成長を停止してｉ−ＧａＡｓ層からなるスペーサー層（２）の成長を開始するまでの間に、Ｐ含有ガスとＧａ含有ガスを両方同時に流す工程を行うことを特徴とする請求項１記載のｐ−ＨＥＭＴ用化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法。