JPH0533810B2 - - Google Patents
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- JPH0533810B2 JPH0533810B2 JP61226994A JP22699486A JPH0533810B2 JP H0533810 B2 JPH0533810 B2 JP H0533810B2 JP 61226994 A JP61226994 A JP 61226994A JP 22699486 A JP22699486 A JP 22699486A JP H0533810 B2 JPH0533810 B2 JP H0533810B2
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Description
<産業上の利用分野>
本発明は化合物半導体層の形成方法に関するも
のであり、特にシリコン基板を用いてこの基板上
に高品質のGaAs化合物半導体層を形成する方法
に関するものである。
<従来の技術>
GaAs,InP等の化合物半導体はその優れた特
徴を活して高性能、高機能デバイスに利用されつ
つある。しかし化合物半導体結晶は一般に高価で
あり、大面積の高品質基板結晶を得にくい等の問
題点は解決されていない。このような問題点を克
服するための試みとして、安価で良質、軽量なシ
リコンを基板としてこのシリコン基板上に化合物
半導体層を積層し、さらに積層された化合物半導
体層に前述のデバイスを構成して半導体装置を製
造することが試みられている。
このようなシリコン基板を用いて化合物半導体
装置を製造する方法は従来からいくつか提案され
ているが、未だ結晶品位等の点でバルク結晶に劣
るのが現状である。
例えばシリコン(Si)基板上に単結晶GaAs層
を形成する試みとして、現在次のような方法が試
みられている。
即ち、シリコン(Si)基板上にGaAs層を形成
する際に、あらかじめ予備堆積層を形成してお
き、次に通常の成長条件下でGaAsをエピタキシ
ヤル成長するいわゆる二段階成長法である。予備
堆積層としては、通常の成長条件よりも低温で形
成したGaAs層、Ge層、あるいはGaAsPとGaP
及びGaAsを交互に積層した緩衝層などが用いら
れている。
その一例としてGaAs層を予備堆積層とした二
段階成長法の成長プロセスを以下に述べる。
まずシリコン(Si)基板上にMOCVD法あるい
はMBE法を用いて450℃以下の温度で約100Åの
GaAs層を形成しその後、通常のGaAsのエピタ
キシヤル成長温度(600℃〜750℃)まで基板を昇
温した後、GaAs層を成長する。
第3図は二段階成長法で得られたシリコン
(Si)基板1上のGaAs層2の構造を示す模式図
であり、3は予備堆積層である。
予備堆積層3として上記したいずれのものを用
いた場合も、SiとGaAsの界面領域では、Siと
GaAsの格子定数の差(〜4%)により高密度の
不整合転位が発生し、その一部は成長中に成長方
向に伝搬し、成長層を貫通する。特に成長終了後
成長温度から室温への降温中シリコン(Si)基板
1とGaAs層2間の膨張係数の大きな相違による
応力は成長方向への転位の伝搬を大きく促進する
ため、転位は表面近傍の活性層形成領域まで到達
しGaAs層2にデバイスを作製する場合に最もデ
バイス性能を左右する。
SiとGaAsの界面領域で発生した不整合転位の
密度は約1010cm-2であり、GaAsを3μm積層した
後のGaAs表面まで到達した転位の密度は約108cm
-2であることが透過電子顕微鏡(TEM)による
観察と溶融KOHを用いたエツチピツチ密度
(EPD)の測定結果から判明している。転位は少
数キヤリアの再結合中心として作用するため、高
密度転位を有する結晶中では、少数キヤリア寿命
の大幅な減少を引き起こす。従つて、少数キヤリ
アを用いる化合物半導体装置では、その性能を著
しく低下させることになる。
この高密度転位を低減させる方法として、ツア
ウル(Tsaur)らは成長中断及び熱サイクルの併
用法(熱サイクル成長法)を提案している
(16th、IEEE PVSC,1982)。
第4図はこの熱サイクル成長法に基づく温度プ
ログラムの一例を示す図である。また第5図A〜
Cはこの熱サイクル成長法の1サイクルの工程を
説明するための図であり、シリコン(Si)基板1
上に予備堆積層3としてGeを用いたものを示し
ており、第5図Aでは予備堆積層3に存在する転
位の一部がGaAs層21に到達していることを示
しており、以後の同図Bに示す成長中断時に基板
温度700℃から室温まで降下させ、転位間の相互
作用により転位ループを形成し、以後の第2成長
層22(第5図C)では転位が低減すると彼らは
している。さらに彼らは上記第5図A〜Cに示し
たプロセスの10回以上の繰り返しではじめて転位
低減効果を確認している。
<発明が解決しようとする問題点>
しかし実際に上記した従来より提案されるプロ
セスを製造に適用する場合、熱サイクルを繰返す
ことによつて形成される成長層(以下熱サイクル
層と称す)をシリコン(Si)基板上の化合物半導
体成長層のどの位置で形成すれば、効率良く高品
質活性層を得ることが可能となるかについて、現
在まで明らかにされておらず、従来はシリコン
(Si)基板と化合物半導体層の界面から、ただち
に熱サイクル層が形成されており、この場合には
期待された転位密度の低減が計られなかつたり、
また充分な転位密度の低減を行なうためには熱サ
イクル回数を20回以上に設定したりしていたが、
この場合、熱サイクル成長に必要な時間が大幅に
増加するという製造上の問題点があつた。即ち、
例えば昇温・降温時間が比較的短いとされる高周
波加熱、水冷反応管方式の有機金属気相成長
(MOCVD)法を用いた場合において、熱サイク
ル無しの通常の方法で厚さ約3μmのGaAs成長層
を形成するのに必要な時間は約1時間であるのに
比べて、20回の熱サイクルの実施の所要時間は12
時間以上にも及び、時間に対する能率面で大きな
製造上の問題がある。
本発明は上記の点に鑑みて創案されたもので、
シリコン基板上へ化合物半導体層を成長させる際
の成長層の高品質化を図るための熱サイクル成長
法の問題点を解決した改善された新規な化合物半
導体層の形成方法を提供することを目的としてい
る。
<問題点を解決するための手段及び作用>
上記の目的を達成するため、本発明の化合物半
導体層の形成方法は、シリコン基板上にGaAs化
合物半導体層を成長させるに際し、降温サイクル
を伴わないで化合物半導体層を連続成長させ、第
1の連続成長による化合物半導体層を形成する第
1の工程と、該第1の工程に続いて、降温サイク
ルを伴ない、化合物半導体層の成長、該成長の中
断及び中断中の降温を繰り返すことにより、前記
第1の連続成長による化合物半導体層上に、各サ
イクル毎に化合物半導体層導体層を順次積層成長
させ、第2の熱サイクルによる化合物半導体層を
形成する第2の工程と、を含み、前記第2の熱サ
イクルによる化合物半導体層は、前記第1の連続
成長による化合物半導体層を介し、かつ第2の熱
サイクルによる化合物半導体層の上端が少なくと
もシリコン基板の界面から1.9μmを越えた位置に
形成することを特徴とする。
即ち、本発明はシリコン(Si)基板上に化合物
半導体層を形成する方法において、基板と化合物
半導体層間に存在する不整合転位と熱応力による
転位の伝搬を、熱サイクルによる化合物半導体層
の上端の位置と、この熱サイクルによる化合物半
導体層の形成前に行う、熱サイクルを伴わない連
続成長による化合物半導体層の形成とにより、従
来の方法に比べて短時間で効率よく界面近傍に閉
じ込め、上層の化合物半導体装置活性層形成領域
中の転位の低減化をはかることにより、高品質、
低価格かつ軽量化を可能とする化合物半導体装置
を提供し得るようにしたものであり、本発明にお
いて用いられる成長途中で熱応力を加えることに
よつて成長層の結晶性改善をはかるための方法
は、次のように理解することができる。
即ち、転位の発生、伝搬は局所的な応力集中に
より促進されるので成長中断後の降温中に、シリ
コン(Si)基板とGaAs層中の熱膨張係数の差に
基づく熱応力が成長層に加わると予備堆積層近傍
の転位が結晶層表面まで伝搬されるとともに結晶
中の熱応力の一部を解放する。再度昇温後、第
2GaAs層を成長させて降温した場合、第1成長
層内の転位は相互にループを形成するか、あるい
は成長層中に存在する不純物等による点欠陥が転
位上に固着することにより、転位の伝搬は妨げら
れる(これを転位が不動化するという)。このよ
うにして第2成長層まで伝搬する転位密度は第1
層中のそれに比べて低減させることが可能であ
る。従つて降温時の成長層への熱応力の印加によ
る強制的な転位ループ形成と、昇温時の熱応力の
軽減による転位の不動化を繰り返すことにより成
長表面近傍の活性層領域に到達する転位の低減を
はかることが可能となる。
本発明は上記の理解に基づき、強制的な転位の
導入による転位ループ形成及び転位の不動化に最
も有効な熱サイクル層の形成位置を選ぶこと、及
びシリコン基板の界面近傍においては転位低減に
熱サイクル層が必ずしも必要でないことに鑑み
て、比較的短い成長時間で効率良く、シリコン基
板上の化合物半導体成長層の高品質化を図り、高
性能化合物半導体デバイスの作製が可能な基板と
しての採用を可能とするものであり、熱サイクル
層を、シリコン基板上に連続成長による化合物半
導体層を介して形成するようにするとともに、か
つ熱サイクル層の上端は少なくともシリコン基板
の界面から1.9μmを越えた位置にくるように形成
することを特徴とする。
即ち本発明は、シリコン基板と化合物半導体層
の界面から約1.9μmまでの熱サイクル成長は結晶
品質の向上にほとんど寄与していないことを見出
し、界面近傍には熱サイクル層を形成せず、界面
から少なくとも1.9μmを越えた離れた位置に熱サ
イクル層の上端が来るように成すことにより、短
時間で効率良く、シリコン基板上の化合物半導体
層の高品質化が図られることになる。
<実施例>
以下、実施例に基づき本発明を詳述する。な
お、以下の実施例はGaAs半導体層の形成につい
て説明しているが、本発明はこの実施例に限ら
ず、例えば成長手段、成長温度についても
MOCVD法、温度700℃に適用範囲が限定される
ものではなく、MBE法、ハロゲン輸送法等の化
合物半導体の成長が可能な手段、温度であれば同
様に適用することが出来るものであることは言う
までもない。
実施例 1
高周波加熱・水冷反応管を用いてMOCVD法
による二段階成長を行ない、Si(100)基板上に、
まず、予備堆積層として450℃以下の温度で約100
ÅのGaAs層を形成し、その後通常のGaAsのエ
ピタキシヤル成長温度(600℃〜750℃)まで基板
の温度を昇温した後、途中に熱サイクル層を含ん
だGaAs層を成長させ、成長層表面近傍の転位密
度を平面TEMまたは溶融KOHによるEPD測定
法を用いて評価した。
本発明の熱サイクル条件適用例として、第1図
に示すようにシリコン(Si)基板31上にまず二
段階成長により、予備堆積層の約100ÅのGaAs
層(薄層のため図では省略)の形成後図示の
GaAs層32を降温サイクルを伴わないで2.6μm
の膜厚に成長させる。この2.6μmのGaAs層32
が連続成長により形成された半導体層である。次
に成長停止時間の短縮のため、熱サイクルの降温
下限温度を300℃、初期降温速度を約2℃/秒、
昇温上限温度を700℃とし、成長層0.1μm毎の10
サイクルの降温・昇温熱サイクルを実施して1.0μ
mの厚さの熱サイクル層33をシリコン基板31
とGaAs層32の界面から成長方向に少なくとも
1.9μmを越えた離れた位置に形成し、更に1.0μm
のGaAs層34を700℃の成長温度で積層し、成
長層表面近傍の転位密度を測定した。
また、比較のため、従来の熱サイクル条件によ
り、第6図に示すようシリコン(Si)基板41上
にまず二段階成長によりGaAs層42(予備堆積
層は同様に図示を省略、以下同じ)を0.1μmの膜
厚に成長させ、次に熱サイクルの降温下限温度を
90℃、昇温上限温度を700℃とし、成長層厚0.1μ
m毎の10サイクルの降温・昇温熱サイクルを実施
して1.0μmの厚さの熱サイクル層43を形成し
て、シリコン基板41とGaAs層42の界面から
熱サイクル層43の上端までの距離が1.3μm以下
となるようにし、更に1.0μmのGaAs層44を700
℃の成長温度で積層し、成長層表面近傍の転位密
度を測定した。第1表は上記第1図及び第6図に
示した構造の基板のGaAs成長層表面近傍の転位
密度を測定して比較したものである。
<Industrial Application Field> The present invention relates to a method for forming a compound semiconductor layer, and particularly to a method for forming a high quality GaAs compound semiconductor layer on a silicon substrate using a silicon substrate. <Conventional technology> Compound semiconductors such as GaAs and InP are being used for high performance and high functionality devices by taking advantage of their excellent characteristics. However, compound semiconductor crystals are generally expensive, and problems such as difficulty in obtaining large-area, high-quality substrate crystals remain unsolved. In an attempt to overcome these problems, we used cheap, high-quality, and lightweight silicon as a substrate, stacked compound semiconductor layers on this silicon substrate, and then constructed the aforementioned devices on the stacked compound semiconductor layers. Attempts have been made to manufacture semiconductor devices. Although several methods for manufacturing compound semiconductor devices using such silicon substrates have been proposed, they are still inferior to bulk crystals in terms of crystal quality and the like. For example, the following methods are currently being attempted to form a single crystal GaAs layer on a silicon (Si) substrate. That is, when forming a GaAs layer on a silicon (Si) substrate, it is a so-called two-step growth method in which a preliminary deposition layer is formed in advance, and then GaAs is epitaxially grown under normal growth conditions. The preliminary deposition layer can be a GaAs layer, a Ge layer, or a GaAsP and GaP layer formed at a lower temperature than normal growth conditions.
A buffer layer in which GaAs and GaAs are alternately laminated is used. As an example, the growth process using a two-step growth method using a GaAs layer as a preliminary deposition layer will be described below. First, a film of about 100 Å was deposited on a silicon (Si) substrate using MOCVD or MBE at a temperature below 450°C.
After forming a GaAs layer, the substrate is heated to a normal GaAs epitaxial growth temperature (600°C to 750°C), and then a GaAs layer is grown. FIG. 3 is a schematic diagram showing the structure of a GaAs layer 2 on a silicon (Si) substrate 1 obtained by a two-step growth method, and 3 is a preliminary deposited layer. No matter which of the above-mentioned materials is used as the predeposition layer 3, in the interface region between Si and GaAs, the Si and GaAs
The difference in the lattice constants of GaAs (~4%) generates a high density of mismatched dislocations, some of which propagate in the growth direction during growth and penetrate the grown layer. In particular, the stress caused by the large difference in expansion coefficient between the silicon (Si) substrate 1 and the GaAs layer 2 during cooling from the growth temperature to room temperature after the completion of growth greatly promotes the propagation of dislocations in the growth direction. When reaching the active layer formation region and manufacturing a device on the GaAs layer 2, it has the greatest effect on device performance. The density of mismatched dislocations generated in the interface region between Si and GaAs is approximately 10 10 cm -2 , and the density of dislocations that have reached the GaAs surface after stacking 3 μm of GaAs is approximately 10 8 cm
-2 , based on observation using a transmission electron microscope (TEM) and measurements of etching pitch density (EPD) using molten KOH. Dislocations act as recombination centers for minority carriers, causing a significant decrease in minority carrier lifetime in crystals with high density dislocations. Therefore, the performance of a compound semiconductor device using minority carriers is significantly degraded. As a method for reducing this high-density dislocation, Tsaur et al. proposed a combination of growth interruption and thermal cycling (thermal cycling growth method) (16th, IEEE PVSC, 1982). FIG. 4 is a diagram showing an example of a temperature program based on this thermal cycle growth method. Also, Figure 5 A~
C is a diagram for explaining one cycle of this thermal cycle growth method, in which a silicon (Si) substrate 1
The upper part shows a case where Ge is used as the preliminary deposit layer 3, and FIG. When the growth is interrupted as shown in Figure B, the substrate temperature is lowered from 700°C to room temperature, and dislocation loops are formed by interaction between dislocations, and in the subsequent second growth layer 22 (Figure 5C), dislocations are reduced. are doing. Furthermore, they confirmed the dislocation reduction effect only after repeating the process shown in FIGS. 5A to 5C more than 10 times. <Problems to be Solved by the Invention> However, when the above conventionally proposed process is actually applied to manufacturing, the growth layer formed by repeating thermal cycles (hereinafter referred to as a thermal cycle layer) is Until now, it has not been clarified where to form a compound semiconductor growth layer on a silicon (Si) substrate to efficiently obtain a high-quality active layer. A thermal cycle layer is formed immediately from the interface between the substrate and the compound semiconductor layer, and in this case, the expected reduction in dislocation density may not be achieved.
In addition, in order to sufficiently reduce dislocation density, the number of thermal cycles was set to 20 or more.
In this case, there was a manufacturing problem in that the time required for thermal cycle growth was significantly increased. That is,
For example, when using high-frequency heating and water-cooled reaction tube type organic metal vapor deposition (MOCVD) methods, which are said to have relatively short heating and cooling times, GaAs The time required to form a growth layer is about 1 hour, compared to the time required to perform 20 thermal cycles.
It takes more than a few hours, and there is a big manufacturing problem in terms of efficiency with respect to time. The present invention was created in view of the above points,
The purpose of the present invention is to provide a new and improved method for forming a compound semiconductor layer that solves the problems of the thermal cycle growth method in order to improve the quality of the grown layer when growing the compound semiconductor layer on a silicon substrate. There is. <Means and effects for solving the problems> In order to achieve the above-mentioned object, the method for forming a compound semiconductor layer of the present invention does not involve a temperature cooling cycle when growing a GaAs compound semiconductor layer on a silicon substrate. A first step of continuously growing a compound semiconductor layer to form a compound semiconductor layer by the first continuous growth; By repeating the interruption and temperature reduction during the interruption, a compound semiconductor layer conductor layer is successively grown in each cycle on the compound semiconductor layer formed by the first continuous growth, and a compound semiconductor layer is formed by the second thermal cycle. a second step of forming the compound semiconductor layer formed by the second thermal cycle through the compound semiconductor layer formed by the first continuous growth, and at least an upper end of the compound semiconductor layer formed by the second thermal cycle forming It is characterized by being formed at a position exceeding 1.9 μm from the interface of the substrate. That is, in a method for forming a compound semiconductor layer on a silicon (Si) substrate, the present invention suppresses the propagation of mismatched dislocations existing between the substrate and the compound semiconductor layer and dislocations caused by thermal stress by controlling the propagation of dislocations at the upper end of the compound semiconductor layer due to thermal cycles. By forming the compound semiconductor layer by continuous growth without thermal cycling, which is performed before the formation of the compound semiconductor layer by thermal cycling, the compound semiconductor layer can be confined near the interface in a shorter time and more efficiently than conventional methods, and the upper layer can be By reducing dislocations in the active layer formation region of compound semiconductor devices, high quality and
This is a method for improving the crystallinity of a grown layer by applying thermal stress during growth, which is used in the present invention, to provide a compound semiconductor device that can be made low-cost and lightweight. can be understood as follows. That is, since the generation and propagation of dislocations are promoted by local stress concentration, thermal stress based on the difference in thermal expansion coefficient between the silicon (Si) substrate and the GaAs layer is applied to the grown layer during cooling after the growth is interrupted. The dislocations near the pre-deposited layer are propagated to the surface of the crystal layer and release part of the thermal stress in the crystal. After raising the temperature again,
When a 2GaAs layer is grown and the temperature is lowered, the dislocations in the first growth layer may form loops with each other, or point defects caused by impurities present in the growth layer may stick on the dislocations, causing dislocation propagation. is prevented (this is called dislocation immobilization). In this way, the dislocation density propagating to the second growth layer is
It is possible to reduce it compared to that in the layer. Therefore, dislocations reach the active layer region near the growth surface by repeatedly forcibly forming dislocation loops by applying thermal stress to the growing layer when the temperature is lowered, and immobilizing the dislocations by reducing the thermal stress when the temperature is rising. This makes it possible to reduce the Based on the above understanding, the present invention aims to select the formation position of the thermal cycle layer that is most effective for forming dislocation loops and immobilizing dislocations by forcibly introducing dislocations, and for reducing dislocations near the interface of the silicon substrate. Considering that a cycle layer is not necessarily required, we aim to improve the quality of a compound semiconductor growth layer on a silicon substrate efficiently in a relatively short growth time, and use it as a substrate that can produce high-performance compound semiconductor devices. The thermal cycle layer is formed on the silicon substrate via a compound semiconductor layer that is continuously grown, and the upper end of the thermal cycle layer is at least 1.9 μm away from the interface of the silicon substrate. It is characterized by being formed in such a way that it lies in the correct position. That is, the present invention has found that thermal cycle growth up to approximately 1.9 μm from the interface between the silicon substrate and the compound semiconductor layer hardly contributes to improvement of crystal quality, and therefore, the thermal cycle growth is not formed near the interface, and By arranging the upper end of the thermal cycle layer at a distance of at least 1.9 .mu.m from the surface, the quality of the compound semiconductor layer on the silicon substrate can be improved in a short time and efficiently. <Examples> The present invention will be described in detail below based on Examples. Note that although the following example describes the formation of a GaAs semiconductor layer, the present invention is not limited to this example.
The scope of application is not limited to the MOCVD method at a temperature of 700°C, but any method and temperature that can grow compound semiconductors such as the MBE method or halogen transport method can be similarly applied. Needless to say. Example 1 Two-step growth was performed by MOCVD using a high-frequency heating/water-cooled reaction tube, and on a Si(100) substrate,
First, as a pre-deposition layer, about 100
After forming a GaAs layer with a thickness of 1.5 Å, the temperature of the substrate is raised to the normal GaAs epitaxial growth temperature (600°C to 750°C), and a GaAs layer including a thermal cycle layer is grown in the middle. The dislocation density near the surface was evaluated using planar TEM or EPD measurement method using molten KOH. As an example of applying the thermal cycle conditions of the present invention, as shown in FIG.
After forming the layer (not shown in the figure because it is a thin layer), the
The thickness of the GaAs layer 32 is 2.6 μm without a cooling cycle.
The film is grown to a thickness of . This 2.6μm GaAs layer 32
is a semiconductor layer formed by continuous growth. Next, in order to shorten the growth stop time, the lower limit temperature of the thermal cycle was set to 300°C, and the initial cooling rate was set to about 2°C/sec.
The upper limit temperature for heating is 700℃, and 10
1.0μ by performing a temperature-lowering/heating-up heat cycle.
A thermal cycle layer 33 with a thickness of m is placed on a silicon substrate 31.
At least in the growth direction from the interface between
Formed at a distance exceeding 1.9μm, and further 1.0μm
A GaAs layer 34 of 200 nm was laminated at a growth temperature of 700° C., and the dislocation density near the surface of the grown layer was measured. For comparison, under conventional thermal cycle conditions, a GaAs layer 42 (the preliminary deposited layer is similarly omitted; the same applies hereinafter) is grown on a silicon (Si) substrate 41 in two steps as shown in FIG. The film was grown to a thickness of 0.1 μm, and then the lower limit temperature of the thermal cycle was set.
90℃, upper temperature increase temperature 700℃, growth layer thickness 0.1μ
A thermal cycle layer 43 with a thickness of 1.0 μm is formed by carrying out a thermal cycle of 10 temperature-lowering/temperature-increasing cycles every m, and the distance from the interface between the silicon substrate 41 and the GaAs layer 42 to the upper end of the thermal cycle layer 43 is 1.3 μm or less, and then a 1.0 μm GaAs layer 44 with a thickness of 700 μm.
The layers were stacked at a growth temperature of °C, and the dislocation density near the surface of the grown layer was measured. Table 1 compares the measured dislocation densities near the surface of the GaAs growth layer of the substrates having the structures shown in FIGS. 1 and 6 above.
【表】
この第1表より明らかなように、最適位置を選
ばずに熱サイクルを実施した試料(a)については転
位密度が7.9×107cm-2であるのに比べ、本発明の
方法に従がつて熱サイクル成長方法をシリコン基
板1のGaAs層2の界面より成長方向に距離少な
くとも1.9μmを越えた位置で実施して、熱サイク
ル層3の上端までの距離を3.6μmとした試料(b)に
ついては転位密度が8.2×106cm-2となり、従来の
方法に比して約1桁の転位密度の低減を計ること
が出来た。
実施例 2
上記した実施例1では、熱サイクル層の上端ま
での距離を変えることにより、本発明の方法によ
る転位密度低減効果を示したが、実際のデバイス
作製への応用例として、全成長層厚を3μmと固
定し、第2図に示すように、まずn−シリコン
(Si)基板51上に二段階成長によりn−GaAs
層52を0.9μmの膜厚に降温サイクルを伴わない
で成長させ、次に実施例1と同一の熱サイクル条
件にて成長層厚0.1μm毎、10サイクル計1.0μmの
膜厚の熱サイクル層(n−GaAs層)53を成長
させ、更に0.8μmの膜厚のn−GaAs層54及び
0.3μmの層厚にp−GaAs層55をこの順に形成
し、両端にN側電極56及びP側電極57を形成
した。このように熱サイクル層53の表面側に活
性層として形成した深さ0.3μmのp/n接合(キ
ヤリア濃度p〜2×1018cm-3、n〜1×1017cm-3)
ダイオードの暗状態の電流−電圧特性を測定し
た。
また、比較のため、第7図に示すようにシリコ
ン(n−Si)基板61上に二段階成長により0.3μ
mの層厚のn−GaAs層62を成長させ、次に
1.0μmの層厚のn−GaAs層(熱サイクル層)6
3を成長させ、更に1.4μmの層厚にn−GaAs層
64及び0.3μmの層厚にp−GaAs層65をこの
順に形成し、両端にN側電極66及びP側電極6
7を形成した構造の試料(b)、第8図に示すように
シリコン(n−Si)基板71上に二段階成長によ
り2.7μmの層厚にn−GaAs層74を形成し、そ
の上に0.3μmの層厚にp−GaAs層を形成し、両
端にN側電極76及びP側電極77を形成した構
造の試料(c)及び、熱サイクル層を基板との界面か
ら19回の熱サイクルを実施し他の構造は第2図に
示したものと同様に形成した試料(d)のそれぞれに
ついて作製して深さ0.3μmのp/n接合(キヤリ
ア濃度p〜2×1018cm-2、n〜1×1017cm-3)ダ
イオードの暗状態の電流−電圧特性を測定した。
第2表は上記した各試料の飽和電流の測定値を
比較したものである。[Table] As is clear from Table 1, the dislocation density was 7.9×10 7 cm -2 for sample (a) in which the thermal cycle was performed without selecting the optimal position, whereas the dislocation density of the method of the present invention was 7.9×10 7 cm -2 . Accordingly, the thermal cycle growth method was carried out at a position at least 1.9 μm in the growth direction from the interface of the GaAs layer 2 of the silicon substrate 1, so that the distance to the top of the thermal cycle layer 3 was 3.6 μm. For (b), the dislocation density was 8.2×10 6 cm -2 , which was about an order of magnitude lower than the conventional method. Example 2 In Example 1 described above, the effect of reducing the dislocation density by the method of the present invention was demonstrated by changing the distance to the top of the thermal cycle layer. However, as an example of application to actual device fabrication, With the thickness fixed at 3 μm, n-GaAs is first grown on an n-silicon (Si) substrate 51 in two steps as shown in FIG.
The layer 52 was grown to a thickness of 0.9 μm without a temperature-lowering cycle, and then a thermal cycle layer with a total thickness of 1.0 μm was grown for 10 cycles, each layer having a thickness of 0.1 μm, under the same thermal cycle conditions as in Example 1. (n-GaAs layer) 53 is grown, and an n-GaAs layer 54 with a thickness of 0.8 μm is further grown.
A p-GaAs layer 55 with a thickness of 0.3 μm was formed in this order, and an N-side electrode 56 and a P-side electrode 57 were formed at both ends. In this way, a p/n junction with a depth of 0.3 μm was formed as an active layer on the surface side of the thermal cycle layer 53 (carrier concentration p ~ 2×10 18 cm -3 , n ~ 1×10 17 cm -3 )
The current-voltage characteristics of the diode in the dark state were measured. For comparison, as shown in FIG. 7, a 0.3μ
An n-GaAs layer 62 with a thickness of m is grown, and then
1.0 μm thick n-GaAs layer (thermal cycle layer) 6
3 was grown, and further an n-GaAs layer 64 with a layer thickness of 1.4 μm and a p-GaAs layer 65 with a layer thickness of 0.3 μm were formed in this order, and an N-side electrode 66 and a P-side electrode 6 were formed on both ends.
As shown in FIG. 8, an n-GaAs layer 74 with a layer thickness of 2.7 μm is formed on a silicon (n-Si) substrate 71 by two-step growth, and a Sample (c) has a structure in which a p-GaAs layer is formed with a layer thickness of 0.3 μm, and an N-side electrode 76 and a P-side electrode 77 are formed on both ends, and the thermal cycle layer is thermally cycled 19 times from the interface with the substrate. The other structures were fabricated in the same manner as shown in Figure 2 for each sample (d), and a p/n junction (carrier concentration p~2×10 18 cm -2 , n~1×10 17 cm −3 ) The dark state current-voltage characteristics of the diode were measured. Table 2 compares the measured values of saturation current for each of the samples described above.
【表】
この第2表から明らかなように、各試料の飽和
電流値を比較すると、試料(b)のSi−GaAs界面か
ら熱サイクル層上端までの距離が1.3μmのダイオ
ードでは飽和電流(I0)=1×10-8A・cm-2とな
り、熱サイクルを行なわないダイオード(試料
c)とほぼ同等であるが、熱サイクル層上端まで
の距離が1.9μmの本発明にしたがつて作成した試
料(a)のダイオードではI0=1×10-9A・cm-2と約
1桁減少しており、この結果より本発明にしたが
つて成長させた成長層を用いた場合、その上に形
成される活性層の結晶性が向上していることは明
らかである。また試料(d)のように、熱サイクル層
上端までの距離を試料(a)と同じく1.9μmとし、界
面から19回の熱サイクル成長を実施したダイオー
ドについても、ダイオードaと等しいI0の値が得
られた。これらの結果から、界面から約1.3μmま
での熱サイクルは結晶品質の向上にほとんど寄与
していないことは明らかであり、熱サイクル成長
を基板界面から成長方向に距離1.3μmを越えた位
置で少なくとも行なうように成せば良いことが明
らかとなつた。
熱サイクル層(またはこれに該当するGaAs
層)の形成に要した所要時間を示すと次のとおり
であり、第2表の試料(a)〜(d)において、それぞれ
約170分、170分、70分、260分であつた。すなわ
ち、試料(a)と(b)は共に10回の熱サイクルを行い同
じ成長時間を要するが、試料(b)は熱サイクル層の
上端が1.9μmを越える位置に達していないので、
前記のように転位の低減効果は期待できないこと
を示している。また、試料(a)と(d)を比較して明ら
かなように、試料(a)と(d)は、熱サイクル層の上端
が1.9μmを越える位置に形成されており同様の低
減効果にかかわらず、所要時間が著しく異なる。
つまり本発明方法は、熱サイクル層がシリコン基
板の界面から1.9μmを越えて形成されるまでは、
熱サイクルの形成が転位の低減効果に寄与しない
ことを見出したものであり、熱サイクル層の形成
前に降温サイクルを伴わないで連続成長される半
導体層を形成するようにして、半導体層形成の成
長に要する所要時間の短縮を図つている。
このように、Si−GaAs界面近傍に熱サイクル
層を形成せず、界面から少なくとも1.3μmを越え
て離れた位置に熱サイクル層の上端が来るように
熱サイクル層の位置を選ぶことにより、短時間で
効率良く、シリコン基板上のGaAs層の高品質化
を図ることが可能となつた。
シリコン(Si)基板上に形成された化合物半導
体の本発明の方法による転位密度低減による高品
質化により各種電子デバイス、光デバイスの半導
体基板として利用することができ、特に上記化合
物半導体にPN接合を形成して太陽電池を構成す
ることによりすぐれた効果を示す。
<発明の効果>
以上のように本発明によれば、シリコン(Si)
基板上に従来の方法に比べて、高品質の化合物半
導体単結晶層を比較的短時間に能率良く形成する
ことが出来るようになり、その結果化合物半導体
装置の低価格化、軽量化に大きく貢献することが
出来る。[Table] As is clear from Table 2, when comparing the saturation current values of each sample, the saturation current (I 0 ) = 1 × 10 -8 A cm -2 , which is almost the same as a diode that does not undergo thermal cycling (sample c), but was created according to the present invention with a distance to the top of the thermal cycling layer of 1.9 μm. In the diode of sample (a), I 0 = 1 × 10 -9 A cm -2 , which is about an order of magnitude lower. From this result, when using the growth layer grown according to the present invention, the It is clear that the crystallinity of the active layer formed thereon is improved. In addition, for a diode like sample (d), where the distance to the top of the thermal cycle layer was set to 1.9 μm as in sample (a) and thermal cycle growth was performed 19 times from the interface, the value of I 0 equal to that of diode a was obtained. was gotten. From these results, it is clear that thermal cycling up to approximately 1.3 μm from the interface hardly contributes to improving crystal quality, and thermal cycling growth at a distance of more than 1.3 μm from the substrate interface in the growth direction is significant. It became clear to me that I just had to do what I was supposed to do. Thermal cycle layer (or equivalent GaAs)
The time required to form the layer) is as follows, and was approximately 170 minutes, 170 minutes, 70 minutes, and 260 minutes for samples (a) to (d) in Table 2, respectively. In other words, both samples (a) and (b) undergo 10 thermal cycles and require the same growth time, but in sample (b), the top of the thermal cycle layer has not reached a position exceeding 1.9 μm.
As mentioned above, this shows that no effect of reducing dislocations can be expected. Furthermore, as is clear from comparing samples (a) and (d), samples (a) and (d) have the same reduction effect because the upper end of the thermal cycle layer is formed at a position exceeding 1.9 μm. However, the time required varies significantly.
In other words, in the method of the present invention, until the thermal cycle layer is formed beyond 1.9 μm from the interface of the silicon substrate,
It was discovered that the formation of a thermal cycle does not contribute to the effect of reducing dislocations, and by forming a semiconductor layer that is continuously grown without a cooling cycle before forming a thermal cycle layer, the formation of a semiconductor layer can be improved. We are trying to shorten the time required for growth. In this way, by not forming a thermal cycling layer near the Si-GaAs interface and by selecting the position of the thermal cycling layer so that the top of the thermal cycling layer is at least 1.3 μm away from the interface, it is possible to shorten the thermal cycling layer. It has become possible to improve the quality of GaAs layers on silicon substrates in a time-efficient manner. Compound semiconductors formed on silicon (Si) substrates can be used as semiconductor substrates for various electronic devices and optical devices by improving their quality by reducing dislocation density using the method of the present invention. It shows excellent effects when formed to constitute a solar cell. <Effects of the Invention> As described above, according to the present invention, silicon (Si)
Compared to conventional methods, it is now possible to efficiently form a high-quality compound semiconductor single crystal layer on a substrate in a relatively short period of time, which greatly contributes to lowering the cost and weight of compound semiconductor devices. You can.
第1図は本発明の一実施例を説明するための基
板構造模式図、第2図は本発明の他の実施例を説
明するための基板構造模式図、第3図はシリコン
基板上への化合物半導体層形成法を説明するため
の基板構造模式図、第4図は熱サイクル成長法に
基づく温度プログラムの一例を示す図、第5図A
乃至Cは成長中断と熱サイクルによる転位密度低
減を説明するための模式図、第6図乃至第8図は
それぞれ本発明の方法と比較するための試料構造
を示す模式図である。
31…シリコン(Si)基板、32…GaAs層、
33…GaAs熱サイクル層、34…GaAs層。
FIG. 1 is a schematic diagram of a substrate structure for explaining one embodiment of the present invention, FIG. 2 is a schematic diagram of a substrate structure for explaining another embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a schematic diagram of a substrate structure for explaining another embodiment of the present invention. A schematic diagram of the substrate structure for explaining the compound semiconductor layer forming method, FIG. 4 is a diagram showing an example of a temperature program based on the thermal cycle growth method, and FIG. 5A
6 to 8 are schematic diagrams for explaining the reduction in dislocation density due to growth interruption and thermal cycling, and FIGS. 6 to 8 are schematic diagrams showing sample structures for comparison with the method of the present invention, respectively. 31...Silicon (Si) substrate, 32...GaAs layer,
33...GaAs thermal cycle layer, 34...GaAs layer.
Claims (1)
長させるに際し、 降温サイクルを伴わないで化合物半導体層を連
続成長させ、第1の連続成長による化合物半導体
層を形成する第1の工程と、 該第1の工程に続いて、降温サイクルを伴な
い、化合物半導体層の成長、該成長の中断及び中
断中の降温を繰り返すことにより、前記第1の連
続成長による化合物半導体層上に、各サイクル毎
に化合物半導体層導体層を順次積層成長させ、第
2の熱サイクルによる化合物半導体層を形成する
第2の工程と、 を含み、 前記第2の熱サイクルによる化合物半導体層
は、前記第1の連続成長による化合物半導体層を
介し、かつ第2の熱サイクルによる化合物半導体
層の上端が少なくともシリコン基板の界面から
1.9μmを越えた位置に形成することを特徴とする
化合物半導体層の形成方法。[Claims] 1. When growing a GaAs compound semiconductor layer on a silicon substrate, a first step of continuously growing the compound semiconductor layer without a temperature cooling cycle to form a compound semiconductor layer by the first continuous growth. Then, following the first step, by repeating the growth of the compound semiconductor layer, the interruption of the growth, and the temperature reduction during the interruption, accompanied by a temperature cooling cycle, on the compound semiconductor layer formed by the first continuous growth, a second step of sequentially growing a compound semiconductor layer conductor layer in each cycle to form a compound semiconductor layer by a second thermal cycle; The upper end of the compound semiconductor layer formed by continuous growth of step 1 and the compound semiconductor layer formed by the second thermal cycle is at least from the interface of the silicon substrate.
A method for forming a compound semiconductor layer, characterized in that it is formed at a position exceeding 1.9 μm.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61226994A JPS6380527A (en) | 1986-09-24 | 1986-09-24 | Formation of compound semiconductor layer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61226994A JPS6380527A (en) | 1986-09-24 | 1986-09-24 | Formation of compound semiconductor layer |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6380527A JPS6380527A (en) | 1988-04-11 |
| JPH0533810B2 true JPH0533810B2 (en) | 1993-05-20 |
Family
ID=16853846
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61226994A Granted JPS6380527A (en) | 1986-09-24 | 1986-09-24 | Formation of compound semiconductor layer |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6380527A (en) |
-
1986
- 1986-09-24 JP JP61226994A patent/JPS6380527A/en active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6380527A (en) | 1988-04-11 |
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