(57)【要約】【課題】  Ｐを含有する半導体層とＡｓを含有する半導体層とのヘテロ接合を有する化合物半導体エピタキシャル基板であって、特性のばらつきの少ない化合物半導体素子を与える化合物半導体エピタキシャル基板およびその製造方法を提供する。【解決手段】    Ｖ族原子としてＰを含む半導体層および、該半導体層の直上に接合され、かつＶ族原子としてＡｓを含む半導体層を有する化合物半導体エピタキシャル基板において、７７Ｋフォトルミネッセンス測定におけるスペクトルのうち、設計上のいずれの層のバンドギャップにも対応せず、かつピーク位置が波長８３０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であるピークの強度が、基板に由来するピークの強度の２倍以下であることを特徴とする化合物半導体エピタキシャル基板。【選択図】          図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｖ族原子としてＰを含む半導体層および、該半導体層の直上に接合され、かつＶ族原子としてＡｓを含む半導体層を有する化合物半導体エピタキシャル基板において、７７Ｋフォトルミネッセンス測定におけるスペクトルのうち、設計上のいずれの層のバンドギャップにも対応せず、かつピーク位置が波長８３０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であるピークの強度が、成長基板に由来するピークの強度の２倍以下であることを特徴とする化合物半導体エピタキシャル基板。
【請求項２】
Ｐを含む半導体層がＩｎＧａＰからなる半導体層である請求項１に記載の化合物半導体エピタキシャル基板。
【請求項３】
Ａｓを含む半導体層がＧａＡｓからなる半導体層である請求項１または２に記載の化合物半導体エピタキシャル基板。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の化合物半導体エピタキシャル基板を用いてなることを特徴とする半導体素子。
【請求項５】
Ｐを含有する半導体層とＡｓを含有する半導体層とのヘテロ接合を有する化合物半導体エピタキシャル基板をＭＯＣＶＤ法により製造する方法において、Ｐを含有する半導体層の上に接してＡｓを含有する半導体層を積層して製造する工程を、３族元素の原料ガスの供給を停止し、同時またはその後にＰの原料ガスを停止し、先にＡｓを含有する半導体層を構成する３族元素の原料ガスを供給してからＡｓの原料ガスを供給して行うことを特徴とする化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３−５族化合物半導体を有してなる化合物半導体エピタキシャル基板およびこれを用いた半導体素子に関する。特に、Ｐを含む半導体層およびＡｓを含む半導体層とのヘテロ界面を有する化合物半導体エピタキシャル基板に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
Ｐを含有する半導体層とＡｓを含有する半導体層とのヘテロ接合を有する化合物半導体エピタキシャル基板は、様々な半導体素子の製造に用いられている。半導体素子の代表的なものとしては電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、ヘテロバイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）などの電子デバイス、レーザーダイオード（ＬＤ）、ホトダイオード（ＰＤ）、太陽電池（ＳＣ）などの光デバイスがある。
【０００３】
これらＰを含む半導体層とＡｓを含む半導体層とのヘテロ接合を有する半導体素子においては、例えばｐｎダイオードにおける電圧−電流特性のばらつきや、ＩｎＧａＰ−ＦＥＴにおけるしきい値電圧（Ｖｔｈ）のばらつきや、レーザーダイオードにおける発光強度のばらつきなど、素子の電気的特性のばらつきを低減することが求められている。
【０００４】
【特許文献１】特開平５−１９０９８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、Ｐを含有する半導体層とＡｓを含有する半導体層とのヘテロ接合を有する化合物半導体エピタキシャル基板であって、特性のばらつきの少ない化合物半導体素子を与える化合物半導体エピタキシャル基板およびその製造方法を提供することにある。
【０００６】
Ｐを含有する半導体層とＡｓを含有する半導体層とのヘテロ接合を有する化合物半導体エピタキシャル基板をＭＯＣＶＤ法により製造する場合、Ｐを含有する半導体層とＡｓを含有する半導体層とを積層して製造する工程は、従来は、３族元素の原料ガスの供給を停止し、５族元素の原料ガスを次の層を構成する別の５族元素の原料ガスに切り替えるまでの時間ｔ1と、前記別の５族元素の原料ガスへの切り替えから次の層を構成する３族元素の原料ガスを供給するまでの時間ｔ2（ただし、０≦ｔ1、０≦ｔ2、０＜ｔ1＋ｔ2である。）を適宜調整して行われていた（例えば、特許文献１参照。）。
【０００７】
そして、このようにして製造され、Ｐを含有する半導体層とＡｓを含有する半導体層とのヘテロ接合を有する従来の化合物半導体エピタキシャル基板は、７７Ｋフォトルミネッセンス測定におけるスペクトルのうち、設計上のいずれの層のバンドギャップにも対応せず、かつピーク位置が波長８３０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であるピークが存在し、その強度が、成長基板に由来するピークの強度の２倍を超えることを本発明者らは見出したのである。
【０００８】
本発明者らは、Ｐを含有する半導体層とＡｓを含有する半導体層とのヘテロ接合を有する化合物半導体エピタキシャル基板であって、特性のばらつきの少ない化合物半導体素子を与える化合物半導体エピタキシャル基板およびその製造方法について鋭意検討した結果、７７Ｋフォトルミネッセンス測定において、設計上のいずれの層のバンドギャップにも対応せず、かつ波長８３０ｎｍから１０００ｎｍの間に存在するピークの強度が一定値以下であると、特性のばらつきの少ない化合物半導体素子を与える化合物半導体エピタキシャル基板となることを見出した。また、発明者らは、Ｐを含有する半導体層とＡｓを含有する半導体層とのヘテロ接合を有する化合物半導体エピタキシャル基板をＭＯＣＶＤ法により製造する方法において、Ｐを含有する半導体層の上に接してＡｓを含有する半導体層を積層して製造する工程を、３族元素の原料ガスとＰの原料ガスを停止した後、Ａｓを含有する半導体層を構成する３族元素の原料ガスを先に供給開始してからＡｓの原料ガスを供給して行うことにより、前記の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到った。
【０００９】
すなわち本発明は、Ｖ族原子としてＰを含む半導体層および、該半導体層の直上に接合され、かつＶ族原子としてＡｓを含む半導体層を有する化合物半導体エピタキシャル基板において、７７Ｋフォトルミネッセンス測定におけるスペクトルのうち，設計上のいずれの層のバンドギャップにも対応せず、かつピーク位置が波長８３０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であるピークの強度が、基板に由来するピークの強度の２倍以下であることを特徴とする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、Ｐを含有する半導体層とＡｓを含有する半導体層とのヘテロ接合を有する化合物半導体エピタキシャル基板をＭＯＣＶＤ法により製造する方法において、Ｐを含有する半導体層の上に接してＡｓを含有する半導体層を積層して製造する工程を、３族元素の原料ガスの供給を停止し、同時またはその後にＰの原料ガスを停止し、先にＡｓを含有する半導体層を構成する３族元素の原料ガスを供給してからＡｓの原料ガスを供給して行う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。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の化合物半導体エピタキシャル基板は、例えば、ｐｎダイオードにおける電圧−電流特性の変動や、ＩｎＧａＰ−ＦＥＴにおけるしきい値電圧の変動などの特性の変動の少ない化合物半導体素子を与え、また本発明の製造方法によれば、そのような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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の化合物半導体エピタキシャル基板は、Ｖ族原子としてＰを含む半導体層および、該半導体層の直上に接合され、かつＶ族原子としてＡｓを含む半導体層を有する化合物半導体エピタキシャル基板において、７７Ｋフォトルミネッセンス測定におけるスペクトルのうち，設計上のいずれの層のバンドギャップにも対応せず、７７Ｋフォトルミネッセンス測定において８３０ｎｍから１０００ｎｍの間の波長範囲にピークを有するスペクトルの強度が、成長基板に由来するピークの強度の２倍以下である。
【００１２】
この、７７Ｋフォトルミネッセンス測定において波長が８３０ｎｍから１０００ｎｍの範囲にピークを有するスペクトルの強度が、成長基板に由来するピークの強度の２倍以下の場合に、この化合物半導体エピタキシャル基板は、特性のばらつきの小さい化合物半導体素子を与え、前記強度比は１．６倍以下が好ましい。
【００１３】
本発明の化合物半導体エピタキシャル基板が特性のばらつきの小さい化合物半導体素子を与える理由については、必ずしも明らかではないが、次のように考えることができる。化合物半導体の特性の変動の原因のひとつとして、Ｐを含有する半導体層とＡｓを含有する半導体層との接合の界面に生じる遷移層の存在が挙げられる。以下、ＩｎＧａＰ層の直上にＧａＡｓ層を気相成長法にて成長する場合を例に挙げて説明する。
【００１４】
ＩｎＧａＰ層成長後にＧａＡｓ層成長へ移る際、Ｐ原料からＡｓ原料への切り替えが行われるが、この時Ｐ原子の蒸気圧が高いためにＩｎＧａＰ表面からＰが脱離し、Ａｓ原子に置換されるものと思われる。結果として、ＩｎＧａＰ層とＧａＡｓ層の間にＩｎＧａＡｓＰ等の意図しない（設計上の層ではない）遷移層が生じるものと推定される。
【００１５】
そして、７７Ｋフォトルミネッセンス測定において８３０ｎｍから１０００ｎｍの間にピーク波長を有するスペクトルは、この意図しない遷移層と関係があるものと思われ、このスペクトルが小さいほど、意図しない遷移層が少なくなるものと推定される。
【００１６】
次に、本発明の化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法について説明する。
本発明の化合物半導体エピタキシャル基板は、Ｐを含有する半導体層とＡｓを含有する半導体層とのヘテロ接合を有する化合物半導体エピタキシャル基板をＭＯＣＶＤ法により製造する方法において、Ｐを含有する半導体層の上に接してＡｓを含有する半導体層を積層して製造する工程を、３族元素の原料ガスの供給を停止し、同時またはその後にＰの原料ガスを停止し、先にＡｓを含有する半導体層を構成する３族元素の原料ガスを供給してからＡｓの原料ガスを供給して行うことにより製造することができる。
【００１７】
すなわち、本発明の化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法は、Ｐを含有する半導体層とＡｓを含有する半導体層とのヘテロ接合を有する化合物半導体エピタキシャル基板をＭＯＣＶＤ法により製造する方法において、Ｐを含有する半導体層の上に接してＡｓを含有する半導体層を積層して製造する工程を、３族元素の原料ガスの供給を停止し、Ｐの原料ガスを停止するまでの時間Ｔ1と、Ｐの原料ガスを停止してからＡｓを含有する半導体層を構成する３族元素の原料ガスを供給するまでの時間Ｔ2と、Ａｓを含有する半導体層を構成する３族元素の原料ガスを供給してからＡｓの原料ガスを供給するまでの時間Ｔ3（ただし、０≦Ｔ1、０≦Ｔ2、０＜Ｔ3である。）を適宜調整して行う製造方法である。ここで、０＜Ｔ1である場合が好ましく、Ｔ2＝０である場合がさらに好ましい。
【００１８】
Ｐを含有する半導体層としては、式ＩｎaＧａ1-aＰ（０≦ａ≦１）で示される半導体からなる層が挙げられる。Ａｓを含有する半導体層としては、式ＩｎaＧａ1-aＡｓ（０≦ａ≦１）で示される半導体からなる層が挙げられ、ＧａＡｓからなる層が本発明の製造方法の効果が大きく現れるので、好ましい。
【００１９】
Ａｓの原料ガスとしては、一般に三水素化砒素（アルシン）を用いることが多いが、炭素数が１から４のアルキル基でアルシンの水素を置換したアルキルアルシンを用いることもできる。Ｐの原料ガスとしては、通常はホスフィン（ＰＨ3）が用いられる。ガリウム、インジウムなどの３族元素の原料ガスとしては、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三水素化物が、通常用いられ、トリメチルガリウム、トリエチルガリウム、トリメチルインジウムが好ましく用いられる。
【００２０】
これらの原料ガスを用いて、ＭＯＣＶＤ法により化合物半導体エピタキシャル基板を製造するには、成長基板を用い、その上に化合物半導体からなる半導体層を成長させて製造する（例えば、特開平７−２４９７９５号公報、特開平９−１１６１３０号公報参照。）。
【００２１】
ここで用いる成長基板としては、従来知られた基板を用いることができ、例えば、窒化物半導体成長用の成長基板としては、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＰの単結晶からなる成長基板が挙げられ、ＧａＡｓ単結晶からなる成長基板が好ましい。
【００２２】
例えばこのようにして製造された本発明の化合物半導体エピタキシャル基板に電極を真空蒸着などで形成することにより、半導体素子を製造することができる。化合物半導体エピタキシャル基板は、必要であれば素子毎に適宜切断してもよい。
【００２３】
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。
【００２４】
図１は、本発明の実施形態の一例を示し、Ｐを含有する半導体層とＡｓを含有する半導体層とのヘテロ接合のｐｎ接合を有する化合物半導体エピタキシャル基板の構造図である。図１において、１は半絶縁性ＧａＡｓ基板、２はｎ型ＧａＡｓ層、３はｎ型ＩｎＧａＰ層、４はｐ型ＧａＡｓ層である。
【００２５】
製造方法としては、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いる。膜厚は各々、層２が３０００Å、層３が２０００Å、層４が２０００Åである。層３の目標Ｉｎ組成は０．４８であり、ＧａＡｓと格子整合する。成長温度は例えば６２０℃、成長圧力は例えば１０ｋＰａである。出発原料としては、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、アルシン（ＡｓＨ3）、ホスフィン（ＰＨ3）を用いる。キャリア濃度は、例えば、層２、３、４ともに３×１０18ｃｍ-3であり、ドーパント原料として層２、３にはジシラン（Ｓｉ2Ｈ6）を、層４にはＣＢｒＣｌ3を用いることができる。
【００２６】
そして、層３から層４の成長に切り替えるときの原料ガスの切り替えは、例えば、図３に示したように、まずＩｎＧａＰからなる層３を構成する３族元素であるＩｎとＧａの原料ガスのトリメチルインジウム（ＴＭＩ）とトリメチルガリウム（ＴＭＧ）の供給を停止し、そのＴ1秒後にＰの原料ガスであるアルシンの供給を停止し、アルシンの供給を停止すると同時に、ＧａＡｓからなる層４を構成する３族元素であるＧａの原料ガスのＴＭＧの供給を開始し、そのＴ3秒後にＡｓの原料ガスであるアルシンの供給を開始して行うことができる。ここで、Ｔ1秒とＴ3秒は各々通常は０．５〜５０秒程度である。
【００２７】
図２は、図１に示した本発明の化合物半導体エピタキシャル基板を用いて作製された半導体素子の構造図である。ｐ型ＧａＡｓ層の上にｐ電極５が、ｎ型ＧａＡｓ層の上にｎ電極６が形成されている。作製の手順としては、図１のエピタキシャル基板の一部をリン酸を用いてｐ型ＧａＡｓ層４をエッチングし、続けて塩酸を用いてＩｎＧａＰ層３をエッチングする。続けてエッチング後のｎ型ＧａＡｓ層２の表面にｎ電極６を形成し、最後にｐ型ＧａＡｓ層の上にｐ電極５を形成する。各電極は真空蒸着により積層される。
【実施例】
【００２８】
以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらにより限定されるものではない。本実施例ではｐｎ接合素子を与える化合物半導体エピタキシャル基板を例に挙げたが、本発明の化合物半導体エピタキシャル基板は、ｐｎ接合を有する他の素子、例えば、接合型電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）、ＨＢＴ等を与える化合物半導体エピタキシャル基板であってもよい。また、本実施例では成長法として有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いたが、本発明の化合物半導体エピタキシャル基板は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）等を用いて製造されたものであってもよい。
【００２９】
７７Ｋフォトルミネッセンス測定は次のようにして行った。励起光は発振波長５１４ｎｍ、発振出力５００ｍＷのアルゴンレーザを用いた。エピタキシャル基板は液体窒素中に直接浸して冷却した。エピタキシャル基板からのフォトルミネッセンス光は回折格子分光器で分光し、光電子増倍管にて検出を行った。
【００３０】
実施例１
図２に示す半導体素子（ｐｎダイオード）を以下のように作製した。まず図１に示した構造を有する化合物半導体エピタキシャル基板を、ＩｎＧａＰ層３とＧａＡｓ層４の間の出発原料ガスの切り替えシーケンスを図３のように操作して成長させた。すなわち、ｎ−ＩｎＧａＰ層の成長が終了した後、ＴＭＩとＴＭＧを停止し、２秒間ホスフィンの供給を続けた。次いでホスフィンの供給を停止し、直ちにＴＭＧを供給し、ＴＭＧの供給開始後１秒後にアルシンの供給を開始し、ｐ−ＧａＡｓ層の成長を開始した。
得られた化合物半導体基板に真空蒸着により電極を設置して図２に示した構造を有する半導体素子を作製した。
【００３１】
比較例１
図２に示す半導体素子を、ＩｎＧａＰ層３とＧａＡｓ層４の間の出発原料のガスの切り替えシーケンスを図４のようにした他は実施例１と全く同様にして作製した。切り替えシーケンスは、ｎ−ＩｎＧａＰ層の成長が終了した後、ＴＭＩとＴＭＧを停止し、１０秒間ホスフィンの供給を続け、次いでホスフィンの供給を停止し、直ちにアルシンとＴＭＧの供給を同時に開始し、ｐ−ＧａＡｓ層の成長を開始した。
【００３２】
実施例１および比較例１における、図１の段階での７７Ｋフォトルミネッセンス測定の結果を図５に示す。また、各々の測定において８３０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の間に現れたピーク強度の、ＧａＡｓ成長基板１に対応するピーク位置が８２５ｎｍにおけるピーク強度に対する相対値を表１に示した。比較例１と比較して実施例１の遷移層のピーク強度は小さく、相対値１．６に抑えられていることがわかる。
【００３３】
【表１】
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【００３４】
実施例１および比較例１における図２の半導体素子のＩ−Ｖ（電流−電圧）測定結果を、各々図６および図７に示す。実施例１については素子内で１７点、比較例については１３点の測定結果を同時に示している。比較例１は測定点ごとのばらつきが大きいのに対し、実施例１ではほぼ同一のプロファイルが保たれていることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施形態の一例を示す半導体の層構造図。
【図２】本発明の化合物半導体エピタキシャル基板を用いて作製された半導体素子の構造図。
【図３】実施例１におけるＩｎＧａＰ層３の成長からＧａＡｓ層４の成長に移る間の原料ガスの切り替えシーケンス。
【図４】比較例１におけるＩｎＧａＰ層３の成長からＧａＡｓ層４の成長に移る間の原料ガスの切り替えシーケンス。
【図５】実施例１および比較例１の７７Ｋにおけるフォトルミネッセンス（ＰＬ）測定の結果。
【図６】実施例１において作製された化合物半導体素子のＩ−Ｖ測定の結果。
【図７】比較例１において作製された化合物半導体素子のＩ−Ｖ測定の結果。
【符号の説明】
【００３６】
１  ＧａＡｓ基板
２  ｎ型ＧａＡｓ層
３  ｎ型ＩｎＧａＰ層
４  ｐ型ＧａＡｓ層
５  ｐ電極
６  ｎ電極
【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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【図７】
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