(57)【要約】【課題】ＧａＡｓ基板からの能動層への転位の伝播を抑止する半導体結晶基板の構造を提供すること。【解決手段】ＧａＡｓ基板１と能動層４０との間に、平面内にＩｎＡｓ核をドット状（島状）に形成し、その上にＩｎＡｓ核が埋まる程度にIII−Ｖ族化合物半導体のバッファ層２０を成長した構造を設ける。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧａＡｓ基板上にIII−Ｖ族化合物半導体層を形成した半導体ウェハにおいて、
III−Ｖ族化合物半導体層の能動層とＧａＡｓ基板との間に、平面内にＩｎＡｓ核をドット状に形成し、その上にＩｎＡｓ核が埋まる程度にIII−Ｖ族化合物半導体層のバッファ層を成長した構造を有することを特徴とする半導体ウェハ。 
【請求項２】
ＧａＡｓ基板上にIII−Ｖ族化合物半導体層を形成した半導体ウェハにおいて、
III−Ｖ族化合物半導体層の能動層とＧａＡｓ基板との間に、平面内にＩｎＧａＡｓ核をドット状に形成し、その上にＩｎＧａＡｓ核が埋まる程度にIII−Ｖ族化合物半導体層のバッファ層を成長した構造を有することを特徴とする半導体ウェハ。 
【請求項３】
請求項１又は２に記載の半導体ウェハにおいて、
前記バッファ層が、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ若しくはＩｎＧａＰのいずれかから成ることを特徴とする半導体ウェハ。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体ウェハにおいて、
前記能動層として、ｎ型ＧａＡｓから成るサブコレクタ層と、ｎ型ＧａＡｓから成るコレクタ層と、ｐ型ＧａＡｓ、ｐ型ＩｎＧａＡｓ又はｐ型ＡｌＧａＡｓのいずれかから成るベース層と、ｎ型ＡｌＧａＡｓ又はｎ型ＩｎＧａＰから成るエミッタ層と、ｎ型ＩｎＧａＡｓから成るエミッタコンタクト層とを含むヘテロ接合バイポーラトランジスタ構造を有することを特徴とする半導体ウェハ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＧａＡｓ基板上に、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、アルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）などのIII−Ｖ族化合物半導体層を形成した半導体ウェハに係り、詳しくは、能動層として例えばヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）構造を具備している場合、そのＨＢＴ素子の信頼性の改善を図る基板構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体膜を得ようとする場合、最も容易な方法としては、成長しようとしている化合物半導体と同一材料から成る化合物半導体基板を準備し、その上に気相成長する方法が考えられ、実際に色々な材料系で成功している。
【０００３】
例えば、ＧａＡｓなどの化合物半導体の優れた物性を利用して、種々の物性の異なる半導体膜を積層することによって、ＨＢＴ、ＨＥＭＴ、ＭＥＳＦＥＴ、ＬＥＤ、レーザダイオードなどの高性能・高機能半導体素子を製造することが試みられている。
【０００４】
このような半導体膜は、通常、ＧａＡｓの単結晶インゴッドから切り出されたＧａＡｓ結晶を基板とし、そのＧａＡｓ基板上に有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）などで形成される。
【０００５】
このＧａＡｓ基板の種類には、製造過程から大別して、垂直温度勾配凝固法（ＶＧＦ法）により作成された単結晶インゴッドをスライスして得た「ＶＧＦ基板」や、垂直ブリッジマン法（ＶＢ法）により作成された単結晶インゴッドをスライスして得た「ＶＢ基板」や、液体封止引上法（ＬＥＣ法）により作成された単結晶インゴッドをスライスして得た「ＬＥＣ基板」などがある。
【０００６】
従来、ＨＢＴ用エピタキシャルウェハ（半導体ウェハ）のエピタキシャル層を成長する場合、そのＧａＡｓ基板としては、欠陥の集合体である転位が少ないという理由から半絶縁性のＶＧＦ基板やＶＢ基板が用いられてきた。すなわち、ＬＥＣ基板は転位が多いためにＩｎＧａＰ系のＨＢＴへ適用することが難しいとされ、ＶＧＦ基板やＶＢ基板が採用されてきた。
【０００７】
一方、ＧａＡｓなどから成る化合物半導体基板は、機械的に脆く、取扱いが難しく、また、良質で大面積の結晶基板が得られにくいなどの理由から、Ｓｉ基板に目を向け、このＳｉ基板上にＧａＡｓなどの化合物半導体を結晶成長させる方法もある。この方法では、Ｓｉ基板と化合物半導体層の能動層との間に、酸素を添加した高抵抗化合物半導体層を少なくとも１層有する構造としたエピタキシャル成長半導体結晶基板が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平６−２０８９６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、ＧａＡｓなどのIII−Ｖ族化合物半導体は、ＧａＡｓ基板の上にエピタキシャル成長させるのが有利である。
【０００９】
ところが、このＧａＡｓ基板として、ＶＧＦ基板やＶＢ基板を選択した場合、次のような課題がある。すなわち、ＶＧＦ基板やＶＢ基板はＬＥＣ基板と比較して転位が大幅に少ないものの、転位自体は存在するため、この転位がエミッタ領域に掛かると、ＨＢＴの電気特性の劣化（信頼性低下）が起こってしまう問題があった。このような電気特性の劣化という問題は、ＨＢＴ以外の素子においても生ずる問題である。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ＧａＡｓ基板からの能動層への転位の伝播を抑止する半導体結晶基板の構造を提供することにある。
【００１１】
本発明は、ＧａＡｓ基板の構造を工夫することにより、ＨＢＴ構造のような能動層への転位伝播を抑止する効果が得られ、今までＩｎＧａＰ系のＨＢＴへの適用が難しかった転位の多いＬＥＣ基板でも使用できるようになる基板構造を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。
【００１３】
請求項１の発明は、ＧａＡｓ基板上にIII−Ｖ族化合物半導体層を形成した半導体ウェハにおいて、III−Ｖ族化合物半導体層の能動層とＧａＡｓ基板との間に、平面内にＩｎＡｓ核をドット状に形成し、その上にＩｎＡｓ核が埋まる程度にIII−Ｖ族化合物半導体層のバッファ層を成長した構造を有することを特徴とする。
【００１４】
請求項２の発明は、ＧａＡｓ基板上にIII−Ｖ族化合物半導体層を形成した半導体ウェハにおいて、III−Ｖ族化合物半導体層の能動層とＧａＡｓ基板との間に、平面内にＩｎＧａＡｓ核をドット状に形成し、その上にＩｎＧａＡｓ核が埋まる程度にIII−Ｖ族化合物半導体層のバッファ層を成長した構造を有することを特徴とする。
【００１５】
請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の半導体ウェハにおいて、前記バッファ層が、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ若しくはＩｎＧａＰのいずれかから成ることを特徴とする。
【００１６】
請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体ウェハにおいて、前記能動層として、ｎ型ＧａＡｓから成るサブコレクタ層と、ｎ型ＧａＡｓから成るコレクタ層と、ｐ型ＧａＡｓ、ｐ型ＩｎＧａＡｓ又はｐ型ＡｌＧａＡｓのいずれかから成るベース層と、ｎ型ＡｌＧａＡｓ又はｎ型ＩｎＧａＰから成るエミッタ層と、ｎ型ＩｎＧａＡｓから成るエミッタコンタクト層とを含むヘテロ接合バイポーラトランジスタ構造を有することを特徴とする。
【００１７】
＜本発明の要点＞
本発明の要点は、ＩｎＡｓ核を基板にドット状に形成し、そのＩｎＡｓ核のファセット面による横方向成長をバッファ層成長時に行うことにより転位が上層へ延びるのを抑止する点にある。
【００１８】
すなわち、図２（ａ）に示すＧａＡｓ基板１上に、気相成長法により、通常の２次的な成長モードではなく３次元的な島状成長モードにて、図２（ｂ）に示すように平面内にＩｎＡｓ核２１をドット状（島状）に形成する。そして、その上にＩｎＡｓ核２１が十分に埋まる程度にＧａＡｓなどの単結晶の化合物半導体バッファ層３０を成長し、表面を平坦化する（図２（ｃ）（ｄ））。このようにドット状のＩｎＡｓ核（ＩｎＡｓドット）２１を化合物半導体バッファ層３０の成長で埋め込み表面を平坦化する際には、通常基板表面に対して垂直方向に伝播する転位２２の伝播方向が、埋め込み成長の過程で図２（ｃ）の如く横方向に変化するため、最表面に出現する転位３２の密度が図２（ｄ）の如く大幅に減少する。
【００１９】
このため、ＧａＡｓ基板上にIII−Ｖ族化合物半導体層を形成するに際し、使用するＧａＡｓ基板として、「ＶＧＦ基板」「ＶＢ基板」「ＬＥＣ基板」の別を問わないで、いずれも採用することができ、良好な素子特性を確保することができる。
【００２０】
ＩｎＡｓドット２１の形成は、成長温度４００〜５５０℃（効果的なのは４５０〜５００℃）の範囲であれば、ＩｎＡｓは薄膜ではなくドットの形でＧａＡｓ表面上に形成される。もともとＧａＡｓとＩｎＡｓとでは格子定数差が大きいので、ＩｎＡｓはＧａＡｓ上にまっとうな薄膜成長はしない。上記成長温度の下限を４００℃としたのは、４００℃より成長温度が低いと、多結晶又はアモルファス状に成長してドットとならないためである。また成長温度の上限を５５０℃としたのは、５５０℃より成長温度が高いとＩｎの再蒸発が起こり、きれいなドットを形成できなくなるためである。
【００２１】
ＩｎＡｓドットの高さは最低でも５nm以上無いと、ファセット面による横方向成長の効果が出ない。また、ＩｎＡｓドットの上限は、ドットとしての形状が保たれる２０nm以下が好ましい。２０nmを超えるとＩｎＡｓ自体が横成長してきれいなドットを形成できなくなるためである。
【００２２】
なお、ＩｎＡｓ核の代わりにＩｎＧａＡｓ核を用いることもできるが、このとき、ＩｎＧａＡｓ核におけるＩｎ組成比は高ければ高いほど良い。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の半導体結晶基板によれば、ＧａＡｓ基板上にＩｎＡｓ核をドット状に形成し、そのＩｎＡｓ核のファセット面による横方向成長をバッファ層成長時に行うことにより、転位が上層へ延びるのを抑止する構造としたので、ＨＢＴ構造のような能動層への転位伝播を抑止する効果が得られる。従って、本発明によれば、従来より信頼性の高いＨＢＴなどの素子及びそのウェハを提供できるようになる。
【００２４】
また、本発明によれば、今までＩｎＧａＰ系のＨＢＴへの適用が難しかった転位の多いＬＥＣ基板でも、その転位の影響を無くして使用することができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。
【００２６】
図１に一実施形態例を示す。この実施形態例では、ＧａＡｓ基板１上にIII−Ｖ族化合物半導体層を形成した半導体ウェハにおいて、III−Ｖ族化合物半導体層の能動層４０とＧａＡｓ基板１との間に、平面内にＩｎＡｓ核をドット状（島状）に形成したＩｎＡｓドット層２０を設け、その上に単結晶のＧａＡｓバッファ層３０を成長してＩｎＡｓ核を埋め込み、表面を平坦化させた構造を有する。図２で説明したように、このバッファ層３０の成長時にＩｎＡｓ核２１のファセット面による横方向成長を行うことにより、転位２２が上層へ延びるのを抑止する。なお、バッファ層としては、ＧａＡｓの他、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ若しくはＩｎＧａＰから成るものを用いることもできる。
【００２７】
上記能動層４０の部分の構造を選ぶことにより、ＨＢＴ、ＨＥＭＴ、ＭＥＳＦＥＴ、ＬＥＤ、レーザダイオードなど、各種のヘテロ接合化合物半導体素子が作製可能である。
【００２８】
上記能動層４０の積層構造の代表的なものとしては、ｎ型ＧａＡｓから成るサブコレクタ層と、ｎ型ＧａＡｓから成るコレクタ層と、ｐ型ＧａＡｓ、ｐ型ＩｎＧａＡｓ又はｐ型ＡｌＧａＡｓのいずれかから成るベース層と、ｎ型ＡｌＧａＡｓ又はｎ型ＩｎＧａＰから成るエミッタ層と、ｎ型ＩｎＧａＡｓから成るエミッタコンタクト層とを含むＨＢＴ構造がある。
【００２９】
すなわち、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板上に、金属電極とのオーミックコンタクトを形成するｎ型の伝導を示すＧａＡｓ結晶から成るサブコレクタ層と、ベース層から電子を引き抜くｎ型の伝導を示すＧａＡｓ結晶から成るコレクタ層と、電子の流れを制御するｐ型の伝導を示すＧａＡｓ結晶又はインジウムガリウム砒素（ＩｎＧａＡｓ）結晶又はアルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）結晶から成るベース層と、前述ベース層に対してヘテロ接合を形成し、電子をベース層へ注入し、ベース層からの正孔の注入を抑止するｎ型の伝導を示すＡｌＧａＡｓ結晶又はインジウムガリウムリン（ＩｎＧａＰ）結晶から成るエミッタ層と、金属電極とオーミックコンタクトを形成するｎ型の伝導を示すＩｎＧａＡｓ結晶から成るエミッタコンタクト層を含んで構成されるヘテロバイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）において、前述サブコレクタ層を成長させる前に、基板表面にＩｎＡｓ核をドット状に形成させたことを特徴とする半導体結晶基板である。
【００３０】
この半導体結晶基板において、サブコレクタを成長する前に、ＩｎＡｓ核が十分に埋まる程度にＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ若しくはＩｎＧａＰバッファを成長させる。また、ＨＢＴ構造の各層は、ＭＯＶＰＥ法又はＭＢＥ法で成長する。
【実施例】
【００３１】
図３及び表１に本発明の一実施例に係るＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系ＨＢＴ用エピタキシャルウェハ（半導体ウェハ）の構造を示す。
【００３２】
【表１】
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【００３３】
図３において、半絶縁性のＧａＡｓ基板１としてＶＢ又はＶＧＦ基板を用いた。この基板上に、まず平面内に高さ約１０nmのドット状に形成したＩｎＡｓ核（ＩｎＡｓドット）を有するＩｎＡｓドット層２０を形成し、その上に、ＩｎＡｓ核を埋め込み表面を平坦化させるようにＧａＡｓバッファ層３０を１００nm成長した。さらにその上に従来と同様な成長方法で、ＨＢＴ構造のエピタキシャル層を成長して、本実施例のＨＢＴ用エピタキシャルウェハ（半導体ウェハ）を得た。
【００３４】
上記ＧａＡｓバッファ層３０の上には、厚さ５００nm、キャリア濃度５×１０18cm-3のｎ+型ＧａＡｓから成るサブコレクタ層２と、ＩｎzＧａ1-zＰ（ｚ＝０．５５）層２ａと、厚さ５００nm、キャリア濃度２×１０16cm-3のｎ-型ＧａＡｓから成るコレクタ層３が順次積層され、その上に、Ｃドープによるキャリア濃度が４×１０19cm-3、厚さ７０nmのｐ+型ＧａＡｓから成るベース層４が積層される。
【００３５】
このベース層４の上には、エミッタ層５として、Ｓｉドープによるキャリア濃度５×１０17cm-3、厚さ１００nmのｎ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層５ａと、この層５ａの上にＡｌＡｓ混晶比ｘを０．３から０まで徐々に減少させて成長した、厚さ約５０nm、Ｓｉドープによるキャリア濃度５×１０17cm-3から５×１０18cm-3のｎ+型ＡｌxＧａ1-xＡｓグレーデッド層５ｂとが積層される。
【００３６】
更に、このエミッタ層５の上には、エミッタコンタクト層６として、厚さ１００nm、Ｓｉドープによるキャリア濃度５×１０1８cm-3のｎ+型ＧａＡｓ層６ａと、この層６ａの上に形成された厚さ５０nm、Ｓｅドープによるキャリア濃度が１×１０19cm-3から４×１０19cm-3のｎ+型ＩｎyＧａ1-yＡｓ（ｙ＝０→０．５）グレーデッド層６ｂと、このグレーデッド層６ｂの上に形成された厚さ５０nm、Ｓｅドープによるキャリア濃度４×１０19cm-3のｎ+型Ｉｎ0.5Ｇａ0.5Ａｓ層６ｃ（ノンアロイ層）とが、順に積層されている。上記ｎ+型ＩｎyＧａ1-yＡｓグレーデット層６ｂは、ＩｎＡｓ混晶比ｙを下面から上面にかけて０から０．５まで徐々に増加させた構造となっている。
【００３７】
これらのＩｎＡｓドット層２０、ＧａＡｓバッファ層３０、サブコレクタ層２、コレクタ層３、ベース層４、エミッタ層５及びエミッタコンタクト層６は、ＭＯＶＰＥ法で成長した。
【００３８】
比較例として、本実施例のＨＢＴ用エピタキシャルウェハ（半導体ウェハ）の積層構造とＩｎＡｓドット層２０の形成以外は全く同じにして、従来構造のＨＢＴ用エピタキシャルウェハを成長した。
【００３９】
そして、これらのＨＢＴ用エピタキシャルウェハ（半導体ウェハ）をプロセスに掛けて、エミッタサイズ２×２０μｍのＨＢＴ素子を作製した。
【００４０】
これらの素子を信頼性試験に掛けた。試験条件は、Ｖce＝３Ｖ、Ｉc＝１０ｍＡ（電流密度２．５×１０4Ａ／cm2）、ＨＢＴ素子を暖めるオーブンの温度１６０℃として、５００時間通電した時の電流増幅率βの変化（落ち込み）が１０％以内を合格とした。
【００４１】
信頼性試験の結果を表２に示す。
【００４２】
【表２】
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【００４３】
従来構造のＨＢＴでは５００個試験した試作例の内、５個程度が不合格になっているのに対して、本実施例（本発明）の構造のＨＢＴでは不合格品が出なかった。また、従来構造のＨＢＴでは、信頼性試験に合格しているものでも、だらだらと電流増幅率βが落ちている傾向が見られた。
【００４４】
＜その他の実施例、変形例＞
上記実施例では、バッファ層の材料にＧａＡｓを用いたが、バッファ層の材料にはＧａＡｓの他、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＰのいずれをも選択して使用することができ、これらの材料から成るバッファ層であっても、同様な低転位化の効果を確保し、高信頼性の素子を得ることができる。但し、ＩｎＧａＡｓ及びＩｎＧａＰについては、格子不整合による歪緩和が起こらない厚さ及び組成に限定される。
【００４５】
また、上記実施例では、半絶縁性ＧａＡｓ基板１にＶＢ又はＶＧＦ基板を用いたが、本発明では、転位の多いＬＥＣ基板を用いても、同様に転位伝播を抑止する効果を得ることができる。すなわち、ＬＥＣ基板を用いた場合、従来の半導体結晶基板の構造であると、ユーザのプロセスによる相違もあるが、約３％（５００個中１５個）ほどが信頼性において不適当となるとされている。これに対し、本発明の半導体結晶基板の構造によれば、不適当となる割合をほとんど０％とすることができる。従って、今までＩｎＧａＰ系のＨＢＴへの適用が難しかったＬＥＣ基板でも使用できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の半導体結晶基板の構造を示す図である。
【図２】本発明の半導体結晶基板の作用の説明に供する図である。
【図３】本発明の実施例に係るＨＢＴ用半導体結晶基板の構造を示す図である。
【符号の説明】
【００４７】
１  ＧａＡｓ基板
２  サブコレクタ層
３  コレクタ層
４  ベース層
５  エミッタ層
６  エミッタコンタクト層
２０  ＩｎＡｓドット層
２１  ＩｎＡｓ核
２２、３２  転位
３０  化合物半導体バッファ層（ＧａＡｓバッファ層）
４０  能動層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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