(57)【要約】【課題】良質でなおかつ既存のものに比べて高性能な半導体デバイスを、安価に製造することができる、中赤外光領域で作動する半導体デバイスの製造方法を提供する。【解決手段】  結晶基板１上にバッファ層２を積層して形成した基本積層体３上に、特定のエッチング液により選択的に除去可能な薄厚の犠牲層４を積層する犠牲層積層ステップと、その犠牲層上にデバイス層５を形成した後、犠牲層４のみをエッチング除去して前記デバイス層５を前記基本積層体３から分離するデバイス層分離ステップと、前記デバイス層分離ステップにおいてデバイス層５とともに分離された前記基本積層体３に対し、前記犠牲層積層ステップ及びデバイス生成ステップを再度施す再利用ステップと、を有するようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
結晶基板を利用してデバイス層を形成し、そのデバイス層から中赤外光領域で作動する半導体デバイスを製造する半導体デバイス製造方法であって、
結晶基板上にバッファ層を積層して形成した基本積層体上に、特定のエッチング液により選択的に除去可能な薄厚の犠牲層を積層する犠牲層積層ステップと、
その犠牲層上にデバイス層を形成するデバイス層形成ステップと、
前記デバイス層形成ステップ後、犠牲層のみをエッチング除去して前記デバイス層を前記基本積層体から分離するデバイス層分離ステップと、
前記デバイス層分離ステップにおいてデバイス層とともに分離された前記基本積層体に対し、前記犠牲層積層ステップ、デバイス形成ステップ及びデバイス層分離ステップを再度施す再利用ステップと、を有する半導体デバイス製造方法。
【請求項２】
前記デバイス層の組成を、Ｉｎ１−ｘ１−ｙ１Ａｌｘ１Ｇａｙ１Ｓｂ（ただし、０≦ｘ１≦１かつ０≦ｙ１≦１かつｘ１＋ｙ１≦１）とし、
前記バッファ層の組成を、Ｉｎ１−ｘ２−ｙ２Ａｌｘ２Ｇａｙ２Ｓｂ（ただし、０≦ｘ２≦１かつ０≦ｙ２≦１かつｘ２＋ｙ２≦１）とし、
前記犠牲層の組成を、Ｉｎ１−ａ−ｂＡｌａＧａｂＳｂ（ただし、０≦ａ≦１かつ０≦ｂ≦１かつａ＋ｂ≦１）とし、
さらに
ａ＋ｂ＞ｘ１＋ｙ１  かつ  ａ＋ｂ＞ｘ２＋ｙ２  
が成り立つように、ａ、ｂ、ｘ１、ｙ１、ｘ２、ｙ２の値をそれぞれ定めている請求項１記載の半導体デバイス製造方法。
【請求項３】
ｘ１＝ｙ１＝ｘ２＝ｙ２＝０、ａ＝１、ｂ＝０としている請求項２記載の半導体デバイス製造方法。
【請求項４】
犠牲層の厚みを１０ｎｍ未満にしている請求項２又は３記載の半導体デバイス製造方法。
【請求項５】
バッファ層の厚みを約１μｍ以上にしている請求項２、３又は４記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項６】
請求項１乃至５いずれか記載の半導体デバイスの製造方法に用いられる基本積層体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主として波長が３〜７μｍの中赤外光領域で作動する発光素子や受光素子として好適に用いられる半導体デバイスの製造方法等に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
工場や自動車などから排出されるガスの多くは、波長が３〜７μｍの中赤外光に吸収帯域を有している。例えばＣＨ４は３．３μｍ、ＨＣｌは３．５４μｍ、ＣＯ２は４．２μｍ、ＣＯは４．６μｍ、ＮＯは５．３μｍ、ＮＨ３は６．１μｍである。
【０００３】
これらのガスを測定・分析するために、例えばこの中赤外光領域で作動する半導体デバイス（受発光素子）を利用する場合、現在のところ、ＩｎＳｂを主材料としたものを用いるのが一般的である（非特許文献１参照）。そして、このＩｎＳｂ系の半導体デバイスを製造するために、従来、代表的には以下の２つの方法が提案されている。
【０００４】
１つは、ＩｎＳｂ結晶を基板に用いて、その基板上にデバイス層を成長させる方法である。もう1つは、ＧａＡｓ基板を用い、その上にＩｎＳｂ系の半導体デバイス層を形成する方法である。
【非特許文献１】T.Asley et al. APL 64 2433 (1944)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前者の方法では、基板とデバイス層との間で格子整合がとれるため、良好な品質の半導体デバイスを得ることができるという利点がある。しかしながら、大面積のＩｎＳｂ基板は入手が困難で、しかも大変高価であるという問題点がある。
【０００６】
一方、後者の方法では、ＧａＡｓ基板を用いることで低価格化を図ることができる。ところが、ＧａＡｓ基板とデバイス層を構成するＩｎＳｂとの間の大きな格子不整合（１４％程度）を緩和して良質のデバイス層を得るために、基板との間に数μｍという厚いバッファ層を挟みこむ必要がある。そのため、そのバッファ層の成長に、無視できない時間と費用がかかってしまうという不具合がある。
【０００７】
さらに、いずれの方法にしても、基板を半導体デバイスの一部として利用するため、その基板による吸収等の損失が生じ、光出力、感度といった光デバイスとしての性能向上に限界がある。
【０００８】
本発明はかかる不具合に鑑みて行われたものであって、良質でなおかつ既存のものに比べて高性能な半導体デバイスを、安価に製造することができる、半導体デバイスの製造方法等を提供することを主たる所期課題としたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
すなわち、本発明にかかる半導体デバイス製造方法は、結晶基板とその上に積層したバッファ層とからなる基本積層体上に、犠牲層を介してデバイス層を形成し、そのデバイス層から中赤外光領域で作動する半導体デバイスを製造するものであり、詳細には以下の各ステップを有している。
【００１０】
（１）犠牲層積層ステップ
【００１１】
この犠牲層積層ステップでは、前記基本積層体のバッファ層上に、特定のエッチング液により選択的に除去可能な薄厚の犠牲層を積層する。
【００１２】
（２）デバイス層形成ステップ
【００１３】
このデバイス層形成ステップでは、前記犠牲層上にデバイス層を形成する。
【００１４】
（３）デバイス層分離ステップ
【００１５】
このデバイス層分離ステップでは、前記デバイス層形成ステップによって犠牲層上にデバイス層が形成された状態から、その犠牲層のみをエッチング除去して前記デバイス層を前記基本積層体から分離する。
【００１６】
（４）再利用ステップ
【００１７】
この再利用ステップでは、前記デバイス層分離ステップにおいてデバイス層とともに分離された前記基本積層体に対し、前記犠牲層積層ステップ、デバイス形成ステップ及びデバイス層分離ステップを再度施す。
【００１８】
以上のような構成によれば、バッファ層を十分厚くすることにより、その上に生成されるデバイス層の品質を良好なものにすることができる。もちろん、そのバッファ層の成長のためのかなりの時間やコストが発生するが、それは初回だけであり、あとはそのバッファ層を含む基本積層体を再利用しながら繰り返し半導体デバイスを製造するので、全体としてみれば、前述の時間やコストアップをほとんど無視できるレベルにまで低減することができる。
【００１９】
また、犠牲層に関して言えば、非常に薄い厚さ（例えば、犠牲層材料の格子定数の数倍〜数十倍）にすることで、デバイス層との若干の格子不整合が存在してもデバイス層での結晶品質を維持できる。もちろん前記バッファ層及びデバイス層と格子定数が近いものほど好ましい。
【００２０】
さらに言えば、分離したデバイス層のみから半導体デバイスを形成できるので、基板やバッファ層を含んで形成される従来の半導体デバイスに比べ、その基板等での光損失を軽減でき、光デバイス（受発光素子）として光出力の増加や受光感度の増大などのデバイス特性を向上させることができる。
【００２１】
より具体的な各層の組成としては、前記デバイス層の組成を、Ｉｎ１−ｘ１−ｙ１Ａｌｘ１Ｇａｙ１Ｓｂ（ただし、０≦ｘ１≦１かつ０≦ｙ１≦１かつｘ１＋ｙ１≦１）とし、前記バッファ層の組成を、Ｉｎ１−ｘ２−ｙ２Ａｌｘ２Ｇａｙ２Ｓｂ（ただし、０≦ｘ２≦１かつ０≦ｙ２≦１かつｘ２＋ｙ２≦１）とし、前記犠牲層の組成を、Ｉｎ１−ａ−ｂＡｌａＧａｂＳｂ（ただし、０≦ａ≦１かつ０≦ｂ≦１かつａ＋ｂ≦１）としたものが望ましい。さらにＨＦ系のエッチング液を用いて、犠牲層のみのエッチングを可能にするには、犠牲層のＡｌ含有量が他の層に比べて大きくなければならず、そのためには、
【００２２】
ａ＋ｂ＞ｘ１＋ｙ１  かつ  ａ＋ｂ＞ｘ２＋ｙ２  
【００２３】
が少なくとも成り立つ必要がある。  
【００２４】
デバイス層及びバッファ層の組成は、双方ＩｎＳｂであることが好ましく、その場合の犠牲層の組成はＡｌＳｂであることが望ましい。すなわち、
【００２５】
ｘ１＝ｙ１＝ｘ２＝ｙ２＝０、ａ＝１、ｂ＝０
【００２６】
であることが好適である。
【００２７】
本願発明者が鋭意検討と実験の結果求めた、デバイス層の結晶品質を担保できる犠牲層の厚みとしては、１０ｎｍ未満が望ましい。また、バッファ層の厚みを約１μｍ以上にしておけば、バッファ層の上部での結晶欠陥密度を、デバイス層の形成を考慮した場合、実用上問題にならない程度にまで減少させることができる。
【発明の効果】
【００２８】
以上のように構成した本発明によれば、十分にバッファ層を厚く形成した基本積層体を繰り返し再利用できる構成としたため、良質でなおかつ既存のものに比べて高性能な半導体デバイスを、安価に製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
【００３０】
本実施形態に係る半導体製造方法は、中赤外波長（約３μｍ〜７μｍ）で作動するＩｎＳｂ系の半導体デバイスを製造するためのものである。
【００３１】
その詳細を説明すると、この実施形態では、図１に示すように、初期ステップとしてまず、ＧａＡｓ結晶基板１上にＩｎＳｂのバッファ層２を結晶成長（ここではエピタキシャル成長）させ、基本積層体３を形成する。ここでは、例えば常圧ＭＯＣＶＤ法により結晶成長させているが、他の方法を用いても構わない。
【００３２】
ところで、結晶成長の理論及び実験から明らかであるが、バッファ層２を厚くするほど、転位の対消滅により結晶欠陥密度が少なくなるため、上部ほど高品質となる。本実施形態では、基板１を形成するＧａＡｓ結晶とバッファ層２を形成するＩｎＳｂ結晶との間に、図２からもわかるように、最大約１４％の格子不整合があるため、ＩｎＳｂバッファ層２の厚みを１μｍ以上にして、ＧａＡｓとの格子不整合による欠陥の密度がバッファ層２の上部で低減するようにしている。
【００３３】
次に、基本積層体３のバッファ層２上に犠牲層４を結晶成長（エピタキシャル成長）させて、その厚みが数ｎｍ以下となるように積層する（犠牲層積層ステップ）。この犠牲層４の組成としては、デバイス層５からみたときの格子不整合の度合いが、基板１の不整合の度合いよりも小さく、かつ、この犠牲層４のみを選択的にエッチングできるような組成に設定しており、ここではＡｌＳｂを採用している（図２参照）。
【００３４】
そして、その犠牲層４の上にデバイス層５を結晶成長（エピタキシャル成長）させて積層する（デバイス層形成ステップ）。ここでのデバイス層５の組成は、バッファ層２と同じＩｎＳｂである（ただし、Ｎ層とＰ層とを積層している）。その後、ＨＦ系のエッチング液により犠牲層４のみをエッチング除去し、デバイス層５と基本積層体３とを分離する（デバイス層分離ステップ）。
【００３５】
分離したデバイス層５は、その後の工程などを経て、目的とする半導体デバイスに成形する。この半導体デバイスは、前述したように、中赤外波長（約３μｍ〜６μｍ）に感応する光検出器に用いられる。
【００３６】
一方、残った基本積層体３は、再度、前記犠牲層積層ステップ、前記デバイス層形成ステップ及び前記デバイス層分離ステップに供される（再利用ステップ）。
【００３７】
しかして、このような半導体デバイス製造方法によれば、バッファ層２を十分厚くして、その上部における結晶欠陥密度を実用上無視できるレベルにまで減少させることができるので、その上に生成されるデバイス層５の品質を良好なものにすることができる。
【００３８】
もちろん、ＩｎＳｂバッファ層２を１μｍ以上というかなりの厚みにしていることから、その成長のためのかなりの時間やコストは発生するが、それは初期ステップのみで、本実施形態では、あとはそのバッファ層２を含む基本積層体３を繰り返し再利用しながら半導体デバイスを製造するので、全体としてみれば、コストアップを最小限に抑制できるし、製造時間の短縮も図れる。
【００３９】
また、ＡｌＳｂ犠牲層４に関して言えば、図２からも明らかなように、確かにＩｎＳｂデバイス層５と約７％程度の格子不整合があるが、犠牲層４の厚みを数ｎｍ（犠牲層材料の格子定数の数倍〜数十倍）にすることで、デバイス層５での結晶品質を維持できることを、本発明者は鋭意努力と実験の結果確認しており、このＡｌＳｂ犠牲層４の存在でデバイス層５の結晶品質が阻害されることはほとんどない。
【００４０】
さらに言えば、分離したデバイス層５のみから半導体デバイスを形成しているので、基板１やバッファ層２を含んで形成される従来の半導体デバイスに比べ、その基板１等での光損失を軽減でき、これを光デバイス（受発光素子）として用いた場合、光出力の増加や受光感度の増大など、デバイス特性を向上させることができる。
【００４１】
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
【００４２】
前記バッファ層、犠牲層及びデバイス層は、中赤外波長領域（約３μｍ〜７μｍ）で作動する範囲で、Ｉｎ、Ａｌ、Ｇａ、Ｓｂが主な組成構成元素として含まれるものであればよい。
【００４３】
より具体的に言えば、バッファ層及びデバイス層は、ＩｎＳｂを主体としてその他にＡｌ、Ｇａを含むものが望ましく、犠牲層は、ＡｌＳｂを主体としてその他にＩｎ、Ｇａを含むものが望ましい。このとき、Ａｌの含有割合で耐エッチング性がおおよそ定まり、Ａｌが多いほどエッチングされやすくなることから、犠牲層におけるＡｌの比率が、バッファ層及びデバイス層におけるＡｌの比率に比べ、高ければ高いほど、犠牲層のみをより選択的にエッチングすることができる。
【００４４】
これを定式的に表現すると以下のようになる。
【００４５】
前記デバイス層の組成を、Ｉｎ１−ｘ１−ｙ１Ａｌｘ１Ｇａｙ１Ｓｂ（ただし、０≦ｘ１≦１かつ０≦ｙ１≦１かつｘ１＋ｙ１≦１）と表し、前記バッファ層の組成を、Ｉｎ１−ｘ２−ｙ２Ａｌｘ２Ｇａｙ２Ｓｂ（ただし、０≦ｘ２≦１かつ０≦ｙ２≦１かつｘ２＋ｙ２≦１）と表し、前記犠牲層の組成を、Ｉｎ１−ａ−ｂＡｌａＧａｂＳｂ（ただし、０≦ａ≦１かつ０≦ｂ≦１かつａ＋ｂ≦１）と表した場合、
【００４６】
ａ＋ｂ＞ｘ１＋ｙ１  かつ  ａ＋ｂ＞ｘ２＋ｙ２・・・（式１）
【００４７】
この式１を少なくとも満足していることが、各層の組成の条件となる。
【００４８】
その他、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で、種々変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の一実施形態における半導体デバイスの製造方法を示す工程説明図。
【図２】中赤外領域での半導体光源マップ。
【符号の説明】
【００５０】
１・・・基板
２・・・バッファ層
３・・・基本積層体
４・・・犠牲層
５・・・デバイス層
【図１】
2008254966.tif 000003
【図２】
2008254966.tif 000004