(57)【要約】【課題】  基体と、この基体上に形成される化合物半導体層との格子不整合性が２％以上ある化合物半導体において、化合物半導体層における結晶欠陥すなわち転位の発生を低減する。【解決手段】  基体２上に、バッファ層３と化合物半導体層４とが形成された化合物半導体１において、バッファ層３の基体２に対する格子不整合性とその変化率を選定することによって、結晶欠陥の低減が可能とされる。【選択図】        図２ 
2005268645.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体と、該基体に対し２％以上の格子不整合性を有する化合物半導体層とから成る化合物半導体であって、
上記基体上に、歪を緩和するバッファ層を介して上記化合物半導体層が形成され、
上記バッファ層の上記基体に対する格子不整合性の変化率が、２．６×１０−５／ｎｍ以上かつ１．８×１０−４／ｎｍ以下から始まり、該バッファ層の成長に従って上記変化率が連続的に減少する構成としたことを特徴とする化合物半導体。
【請求項２】
上記バッファ層及び上記化合物半導体層が、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなることを特徴とする請求項１に記載の化合物半導体。
【請求項３】
上記バッファ層の、上記基体から１／４の厚さ領域における、上記基体に対する格子不整合性が、０．７％以上２．０％以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の化合物半導体。
【請求項４】
上記バッファ層が、成長に従って上記変化率が連続的に減少する構成を有する領域と、上記化合物半導体層に比して上記基体に対する格子不整合性が大とされた構成を有する領域とから成ることを特徴とする請求項１または２に記載の化合物半導体。
【請求項５】
上記基体が、ＧａＡｓもしくはＳｉよりなることを特徴とする請求項１または２に記載の化合物半導体。
【請求項６】
基体と、該基体に対し２％以上の格子不整合性を有する化合物半導体層とから成る化合物半導体を有する半導体装置であって、
上記基体上に、歪を緩和するバッファ層を介して上記化合物半導体層が形成され、
上記バッファ層の上記基体に対する格子不整合性の変化率が、２．６×１０−５／ｎｍ以上かつ１．８×１０−４／ｎｍ以下から始まり、該バッファ層の成長に従って上記変化率が連続的に減少する構成としたことを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
上記バッファ層及び上記化合物半導体層が、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。
【請求項８】
上記バッファ層の、上記基体から１／４の厚さ領域における、上記基体に対する格子不整合性が、０．７％以上２．０％以下であることを特徴とする請求項６または７に記載の半導体装置。
【請求項９】
上記バッファ層が、成長に従って上記変化率が連続的に減少する構成を有する領域と、上記化合物半導体層に比して上記基体に対する格子不整合性が大とされた構成を有する領域とから成ることを特徴とする請求項６または７に記載の半導体装置。
【請求項１０】
上記基体が、ＧａＡｓもしくはＳｉよりなることを特徴とする請求項６または７に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化合物半導体及び半導体装置、特に基体に対して２％以上の格子不整合性を有する化合物半導体層を有する化合物半導体と、この化合物半導体を有する半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、対象波長帯を１．３μｍとする光学デバイスや、高電子移動度トランジスタ等の半導体装置を構成する半導体は、その基体として、ＩｎＧａＡｓ等の化合物半導体による化合物半導体層との格子整合がとれるＩｎＰ基板が用いられてきた。
【０００３】
しかし、ＩｎＰは高価であり、また、きわめて柔らかく取り扱いにくいことから、半導体の基体として用いることに問題がある。
このため、近年、ＧａＡｓ基板を基体として用いる試みがなされているが、ＧａＡｓ基板上に、これと格子定数の異なる半導体結晶を成長させることは格子の不整合を伴うことから、この格子不整合によって多数の結晶欠陥が発生し、結晶性の低下が進行する。
【０００４】
この、半導体における結晶欠陥の発生と、これによる結晶性の低下は、各種半導体或いは半導体装置を構成した場合に、特性劣化、不良品の発生率を高める。
例えば、半導体レーザによる発光素子、半導体発光装置を構成した場合には、非発光再結合による発光効率の低下のみならず、動作中に欠陥が増殖し、素子及び装置の短寿命化が問題となる。
また、例えば、フォトダイオードによる受光素子、半導体受光装置を構成した場合には、非発光再結合に基づくキャリアトラップによって、受光に対する応答速度の低下、出力低下を来す。
【０００５】
これに対し、基板と化合物半導体層との間に格子不整合がある化合物半導体において、化合物半導体層の形成に先立って、図１４に概略断面図を示すような、基板と化合物半導体層との格子不整合を緩和する傾斜組成型のバッファ層を基板上に形成し、この上に化合物半導体層を形成することによって、格子不整合による結晶欠陥の発生を低減する半導体素子の提案がなされている（例えば特許文献１）。
【特許文献１】特開２００２−３７３９９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、この手法は結晶欠陥の数すなわち転位の密度の減少を図るにとどまるものであり、いったん発生した結晶欠陥すなわち転位を押し止める抑制効果が小さく、転位の発生による化合物半導体層の結晶性の低下を充分に抑制することはできない。
【０００７】
また、半導体を構成する化合物半導体層のＩｎ組成が高くなって基板との格子不整合が大きくなり、特に２％以上になると、急激に転位密度が増加してしまうという問題があり、この問題に対する十分な検討はなされてこなかった。
【０００８】
本発明は、上述の化合物半導体ならびにこの化合物半導体を有する半導体装置における、上述の諸問題の解決を図るものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明による化合物半導体は、基体と、該基体に対し２％以上の格子不整合性を有する化合物半導体層とから成る化合物半導体であって、上述の基体上に、歪を緩和するバッファ層を介して化合物半導体層が形成され、バッファ層の基体に対する格子不整合性の変化率が、２．６×１０−５／ｎｍ以上かつ１．８×１０−４／ｎｍ以下から始まり、このバッファ層の成長に従って上述の変化率が連続的に減少する構成としたことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明は、上述の化合物半導体において、バッファ層及び化合物半導体層が、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、上述の化合物半導体において、バッファ層の、基体から１／４の厚さ領域における、基体に対する格子不整合性が、０．７％以上２．０％以下であることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明は、上述の化合物半導体において、上述のバッファ層が、成長に従って変化率が連続的に減少する構成を有する領域と、化合物半導体層に比して基体に対する格子不整合性が大とされた構成を有する領域とから成ることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明は、上述の化合物半導体において、上述の基体が、ＧａＡｓもしくはＳｉよりなることを特徴とする。
【００１４】
本発明による半導体装置は、基体と、この基体に対し２％以上の格子不整合性を有する化合物半導体層とから成る化合物半導体を有する半導体装置であって、上述の基体上に、歪を緩和するバッファ層を介して化合物半導体層が形成され、バッファ層の上記基体に対する格子不整合性の変化率が、２．６×１０−５／ｎｍ以上かつ１．８×１０−４／ｎｍ以下から始まり、このバッファ層の成長に従って上述の変化率が連続的に減少する構成としたことを特徴とする。
【００１５】
また、本発明は、上述の半導体装置において、上述のバッファ層及び化合物半導体層が、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明は、上述の半導体装置において、バッファ層の、基体から１／４の厚さ領域における、基体に対する格子不整合性が、０．７％以上２．０％以下であることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明は、上述の半導体装置において、上述のバッファ層が、成長に従って変化率が連続的に減少する構成を有する領域と、化合物半導体層に比して基体に対する格子不整合性が大とされた構成を有する領域とから成ることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明は、上述の半導体装置において、基体が、ＧａＡｓもしくはＳｉよりなることを特徴とする。
【００１９】
なお、以下の説明で用いる化合物半導体層またはバッファ層の、基体に対する格子不整合性とは、［数１］に示す式によって定義される。［数１］において、Ｓは格子不整合性、ａ１は基体の格子定数、ａ２は任意のＩｎ組成における化合物半導体層またはバッファ層の格子定数である。
【００２０】
【数１】
2005268645.tif 000003
【発明の効果】
【００２１】
本発明による化合物半導体及び半導体装置においては、歪を緩和するバッファ層の、基体に対する格子不整合性の変化率が、２．６×１０−５／ｎｍ以上かつ１．８×１０−４／ｎｍ以下から始まり、バッファ層の成長に従って、この変化率が連続的に減少する構成としたことから、後述する理由によって、化合物半導体層の結晶性の向上が図られた。
【００２２】
また、本発明による化合物半導体及び半導体装置においては、バッファ層の、基体から１／４の厚さ領域における、基体に対する格子不整合性が、０．７％以上２．０％以下とした場合に、化合物半導体層の結晶性を、特に良好なものとすることができた。
【００２３】
更に、基体との格子不整合によってバッファ層の実効格子定数に変化が生じた場合にも、バッファ層が、成長に従って上述の変化率が連続的に減少する構成を有する領域と、化合物半導体層に比して基体に対する格子不整合性が大とされた構成を有する領域とから成るものとすることによって、バッファ層上に形成される化合物半導体層歪み量を小さくすることができた。
したがって、バッファ層上の化合物半導体層における結晶欠陥が低減され、化合物半導体層の厚さをより大として化合物半導体を構成することも可能とされるものである。
【００２４】
更に、本発明による化合物半導体及び半導体装置においては、基体に対し２％以上の格子不整合性を有する化合物半導体層を有する構成において、基体がＧａＡｓもしくはＳｉよりなる構成とすることができることから、Ｓｉ基板上での受発光デバイスと電子デバイスとの集積による光電子集積回路（ＯＥＩＣ；Optical Electronic integrated circuit）を構成することができ、更に光通信用の１．３μｍ〜１．５μｍ波長帯の光学素子等の付加価値の高いデバイスの構成が可能とされるなど、本発明構成によれば、重要かつ多くの効果をもたらすことができるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態例を説明するが、本発明は、この実施の形態例に限られるものではない。
【００２６】
［化合物半導体の第１の実施例］
まず、本発明による化合物半導体の第１の実施例を、理解を容易にするために、化合物半導体の製造方法の一例と共に、図１〜図８を参照して説明する。
この実施例における化合物半導体の製造は、図１に概略構成図を示す製造装置により、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法によって行う。
そして、このＭＯＣＶＤ装置によって、図２Ａに概略断面図を示すような、基体２上にバッファ層３が形成され、この上に化合物半導体層４が形成された、本発明による化合物半導体１が得られるものである。
【００２７】
製造装置１１は、原料供給系１１ａと、この原料供給系１１ａからの原料が供給されて目的とする成膜、すなわちバッファ層３と化合物半導体４との成膜を行う成膜系１１ｂとを有して成る。
【００２８】
原料供給部１１ａは、少なくとも、ガス供給部１２とバブラー部１４とを有する。
ガス供給部１２は、例えばキャリアガスとしての水素ガス（Ｈ２）のガス供給源１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、及び１２ｅと、アルシン（ＡｓＨ３）の供給源１２ｄとを有し、これらガス供給源１２ａ〜１２ｅからのガスの流量をそれぞれ調整すなわち制御する流量制御装置１３ａ〜１３ｅを有する構成とすることができる。
バブラー部１４は、例えばＴＭＡ（トリメチルアルシン）、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＢＡ（ターシャリーブチルアルシン）の気体供給源を構成するバブラー１４ａ、１４ｂ、及び１４ｃを有する。
【００２９】
成膜系１１ｂは、目的とする成膜を行う成長室１６を有して成る。成長室１６内には、被成膜体の基体２が支持されるサセプタ１７を有する。また、成長室１６には、原料供給系１１ａからのガスの供給ライン１５が連結されるガス導入口と、排気口すなわち排気ポート１９とを有する。
また、この成長室１６には、例えば高周波加熱コイルによる加熱器１８が設けられている。
【００３０】
この製造装置１１によって、成長室１６内のサセプタ１７に配置された基体２上に成膜がなされる。基体２は、例えばＧａＡｓあるいはＳｉ基板より成る。
この成膜作業は、バブラー１４ａ〜１４ｃに、ガス供給源１２ａ〜１２ｃからの水素ガスを、それぞれ流量制御装置１３ａ〜１３ｃによって流量調整して供給し、各バブラー１４ａ〜１４ｃの各原料、この例ではＴＭＡ、ＴＭＩ、ＴＢＡをバブリングによって気化する。
【００３１】
一方、ガス供給源１２ｄ及び１２ｅからの原料ガスとキャリアガス（水素ガス）とは、それぞれ流量制御装置１３ｄ及び１３ｅによって流量調整がなされて、上述したバブラー１４ａ〜１４ｃからの原料ガスと共に、成膜系１１ｂへの供給ライン１５に送給される。
この場合、流量制御装置１３ａ〜１３ｅによってガス流量の制御がなされ、（各ガス供給源のガス濃度）×（ガス流量）が原料の実流量となる。また、各バブラー１４ａ〜１４ｃからの原料ガスの実流量は、（キャリアガス流量）×（バブラー内原料蒸気圧）／（バブラー内圧）によって定められる。
【００３２】
そして、上述した原料供給系１１ａの供給ライン１５からの混合ガスを成長室１６に導き、この混合ガスを雰囲気とした状態で加熱器１８によって加熱されたサセプタ１７上の基体２上に供給する。このようにして、原料の基体上における熱分解に基づいて結晶成長を行う。
また、排気ポート１９によって成長室１６内の圧力を管理ないし制御することにより、成膜系１１ｂにおける基体２上の各エピタキシャル成長工程の条件を選定することができる。
【００３３】
通常、製造装置１１において、成膜系１１ｂの成長室１６内の成長温度を直接測定することは困難であることから、例えばサセプタ１７内に設けられた熱電対によってサセプタ１７の温度を測定する。
この場合、予め例えばＡｌの融点温度６６０℃と例えばＳｉ及びＡｌの共晶温度５７７℃とを用いて熱電対の測定温度と成長室１６内の実温度との差を得ておき、この結果に基づいて較正を行うことにより、熱電対によるサセプタ１７の温度の測定によって、成長室１６内の実温度すなわち成長温度を測定することができるものである。
【００３４】
図２Ａに、この第１の実施例における、本発明による化合物半導体の概略断面図を示す。すなわち、この第１の実施例において、本発明による化合物半導体は、ＧａＡｓによる基体２上の、例えばＩｎ組成Ｘを０から０．４５まで連続的に変化させたＩｎＸＧａ（１−Ｘ）Ａｓによるバッファ層３（厚さ１μｍ）と、このバッファ層３の上に形成された、例えばＩｎ組成０．４５のＩｎ０．４５ＧａＡｓによる化合物半導体層４（厚さ１μｍ）とからなる構成を有する。
【００３５】
この実施例において、バッファ層３は、図２Ｂに示すように、膜厚の増加、すなわち基体２からの距離の増大につれてＩｎ組成が連続的に増加し、かつその変化率が厚さに従って減少するように行った。この構造を、この第１の実施例における第１構造とする。
なお、この第１構造によるバッファ層３は、格子不整合性の変化率が７×１０−５ｎｍ−１から始まり、基体から１／４厚さにおける格子不整合性は１．２％であった。
【００３６】
また、図３及び図４に、基体２上のバッファ層３及び化合物半導体層４の厚さが図２Ａに示したものと同一で、かつＩｎ組成の連続的な増加が図２Ｂに示したものとは異なる構成とした例を示す。これらの構造を、それぞれ、この第１の実施例における第２構造、第３構造とする。
なお、第２構造によるバッファ層３は、格子不整合性の変化率が３．２×１０−５ｎｍ−１から始まり、基体から１／４厚さにおける格子不整合性は０．８％であった。また、第３構造によるバッファ層３は、格子不整合性の変化率が１．８×１０−８ｎｍ−１から始まり、基体から１／４厚さにおける格子不整合性は０．５４％であった。
【００３７】
上述の第１構造においては、図２Ｂに示すように、膜厚に対するＩｎ組成の変化が上に凸となる曲線を描く。すなわち、膜厚の増加に対してＩｎ組成が連続的に増加し、格子不整合性の変化率は厚さに従って連続的に減少する組成となっている。
これに対して、上述の第２構造においては、図３Ｂに示すように、膜厚に対するＩｎの組成の変化が直線を描く。すなわち、膜厚の増加に対してＩｎ組成が連続的に増加し、かつ格子不整合性の変化率は全ての領域で０である。
また、上述の第３構造においては、図４Ｂに示すように、膜厚に対するＩｎの組成の変化が下に凸となる曲線を描く。すなわち、膜厚の増加に対してＩｎ組成が連続的に増加し、格子不整合性の変化率は厚さとともに増加する組成となっている。
【００３８】
これら第１構造、第２構造及び第３構造による各化合物半導体１に対して、Ｘ線回折法により行った、結晶性に関する評価となるＸ線半値幅の測定結果を［表１］に示す。
一般に、結晶に対してＸ線の回折の条件は、入射Ｘ線波長をλ、結晶の格子面間隔をｄ、回折角をθとすると、［数２］のように表すことができる。
Ｘ線回折法では、結晶からの回折曲線、すなわち回折Ｘ線強度の角度依存性が基本的な測定量となる。回折曲線の、回折角度、半値幅、回折強度等から、測定対象の結晶性に関する種々の情報を得ることができる。
【００３９】
特に半値幅は、結晶の格子面の配列の完全性を判断する基準とされ、また、通常は測定装置によらず、結晶固有の値が得られることから重要である。この半値幅が小さいほど、測定対象物の結晶欠陥が少なく、結晶性が良いとされている。
なお、この実施の形態におけるＸ線半値幅は、測定対象物すなわち上述の第１構造、第２構造及び第３構造による各化合物半導体１の、化合物半導体層４の（００４）方向におけるω方向の半値幅である。
【００４０】
【表１】
2005268645.tif 000004
【００４１】
【数２】
2005268645.tif 000005
【００４２】
［表１］から、上述の第１構造、第２構造及び第３構造による各化合物半導体のうち、第１構造による化合物半導体に対する測定において、最も小さいＸ線半値幅が得られたことがわかる。この結果からは、化合物半導体１の構成としては、上述の第１構造による構成が最も好適であると考えられる。
【００４３】
次に、これら第１構造、第２構造及び第３構造による各化合物半導体１に対して、フォトルミネッセンス（ＰＬ）測定により行った、結晶性の評価となるＰＬ発光強度の測定結果を［表２］に示す。
ＰＬ測定は、対象とする化合物半導体において、高効率なＰＬ発光が室温で得られる場合に、その発光強度、発光波長、発光スペクトルの半値全幅（ＦＷＨＭ；Full Width at Half Maximum）が化合物半導体の結晶性に強く影響されることから、結晶の品質を知る上で重要な測定とされており、通常、結晶性が良好であるほど発光強度は強く検出される。
【００４４】
【表２】
2005268645.tif 000006
【００４５】
［表２］から、上述の第１構造、第２構造及び第３構造による各化合物半導体のうち、第１構造による化合物半導体に対する測定において、最も大きな発光強度が得られたことがわかる。この結果からも、化合物半導体１の構成としては、上述の第１構造による構成が最も好適であると考えられる。
【００４６】
次に、上述の第１構造による化合物半導体１における、バッファ層の格子不整合性の変化率について行った検討の結果について、図５及び図６を参照して説明する。
この検討においては、バッファ層３の基体２側、すなわち図１の製造装置による基体２上へのバッファ層３の成膜開始直後の領域の、基体に対する格子不整合性の変化率をパラメータとして、作製した化合物半導体１に対してＸ線回折法及びＰＬ発光測定による分析を行った。
【００４７】
図５に示す結果から、バッファ層３の成膜開始直後の領域の、基体に対する格子不整合性の変化率が２．６×１０−５ｎｍ−５以上１．８×１０−４ｎｍ−４未満の範囲である場合に、Ｘ線半値幅が特に小とされ、例えば結晶性が良好とされる１２００ｓｅｃよりも小とされることから、上述の第１構造による化合物半導体１の化合物半導体層４の結晶性は良好なものとされると考えられる。
【００４８】
また、図６に示す結果からも、バッファ層３の成膜開始直後の領域の、基体に対する格子不整合性の変化率が２．６×１０−５ｎｍ−５以上１．８×１０−４ｎｍ−４未満の範囲である場合に、ＰＬ発光強度が特に大とされ、上述の第１構造による化合物半導体１の化合物半導体層４の結晶性は良好なものとされると考えられる。
【００４９】
次に、上述の第１構造による化合物半導体１における、バッファ層３の全厚さのうち、基体から１／４の領域の、基体２に対する格子不整合性について行った検討の結果について、図７及び図８を参照して説明する。
この検討においては、バッファ層３の基体２側、すなわち図１の製造装置による基体２上へのバッファ層３の全厚さのうち、基体から１／４（この例では厚さ０．２５μｍ）の領域の、基体に対する格子不整合性をパラメータとして、作製した化合物半導体１に対してＸ線回折法及びＰＬ発光測定による分析を行った。
【００５０】
図７に示す結果から、バッファ層３の全厚さのうち、基体から１／４の領域の、基体２に対する格子不整合性が０．７％以上２．０％以下の範囲である場合に、Ｘ線半値幅が特に小とされ、例えば結晶性が良好とされる１２００ｓｅｃよりも小とされることから、上述の第１構造による化合物半導体１の化合物半導体層４の結晶性が特に良好なものとされると考えられる。
【００５１】
また、図８に示す結果からも、バッファ層３の全厚さのうち、基体から１／４の領域の、基体２に対する格子不整合性が０．７％以上２．０％以下の範囲である場合に、ＰＬ発光強度が特に大とされ、上述の第１構造による化合物半導体１の化合物半導体層４の結晶性が特に良好なものとされると考えられる。
【００５２】
以上の検討結果より、基体２上へのバッファ層３の成膜開始直後の領域の、基体に対する格子不整合性の変化率については２．６×１０−５ｎｍ−５以上１．８×１０−４ｎｍ−４未満とし、バッファ層３の全厚さのうち、基体から１／４の領域の、基体２に対する格子不整合性については０．７％以上２．０％以下の範囲とすることが最適と考えられる。
【００５３】
［化合物半導体の第２の実施例］
本発明による化合物半導体の第２の実施例について、図９を参照して説明する。
【００５４】
この第２の実施例において本発明による化合物半導体は、図９Ａに概略断面図を示すように、ＧａＡｓによる基体２上の、例えばＩｎ組成Ｘを０から０．５０まで連続的に変化させたＩｎＸＧａ（１−Ｘ）Ａｓによるバッファ層３（厚さ１μｍ）と、このバッファ層３の上に形成された、例えばＩｎ組成０．４５のＩｎ０．４５ＧａＡｓによる化合物半導体層４（厚さ１μｍ）とからなる構成を有する。
【００５５】
この実施例において、バッファ層３は、図９Ｂに示すように、格子不整合性の変化率が７×１０−５ｎｍ−１から始まり、膜厚の増加、すなわち基体２からの距離の増大につれてＩｎ組成が連続的に増加し、かつその変化率が厚さに従って減少するように行った。また、バッファ層の厚さ１／４（この例では０．２５μｍ）の領域における格子不整合性は１．２％であった。
【００５６】
この第２の実施例においては、上述の第１の実施例における検討結果を踏まえ、バッファ層３の構成は、図９Ｂに示すように、膜厚に対するＩｎ組成の変化が上に凸となる曲線を描く構成とした。すなわち、膜厚の増加に対してＩｎ組成が連続的に増加し、格子不整合性の変化率は厚さに従って連続的に減少する組成となっている。
【００５７】
このように、バッファ層３の構成を、直上に形成される化合物半導体層４の格子不整合性よりも大きい格子不整合性を有する構成とすることにより、バッファ層３による緩和が促進され、化合物半導体層４での歪み量が小さくなることから、化合物半導体層４の厚さをより大として化合物半導体１を構成することが可能とされる。
【００５８】
すなわち、本発明による化合物半導体１においては、バッファ層３の格子定数が、バッファ層３と基体２との格子不整合によって、理論値に比して基体２の格子定数に近づいた場合にも、このように、バッファ層３の構成を、成長に従って上述の変化率が連続的に減少する領域に加えて、化合物半導体層４の基体２に対する格子不整合性に比して大きな格子不整合性をもつ領域を有する構成とすることによって、バッファ層上の化合物半導体層における結晶欠陥の低減を図ることができるものである。
【００５９】
［化合物半導体の第３の実施例］
本発明による化合物半導体の第３の実施例について、図１０及び図１１を参照して説明する。
【００６０】
この第３の実施例は、基体２がＳｉよりなる実施例である。
通常、Ｓｉによる基板上にＧａＡｓ層を直接成長させると多数の欠陥が発生してしまい、バッファ層を介して化合物半導体層を形成しても結晶性の悪化は避けられない。しかし、この実施例においては、化合物半導体１において、基体２とバッファ層３との間に、第１及び第２のバッファ下地層５及び６を介在させて化合物半導体１を構成したものであり、このようにすることによって、欠陥発生が抑制される。
【００６１】
この場合、バッファ層３の構成は、Ｉｎ組成Ｘを０から０．４５まで変化させたＩｎＸＧａ（１−Ｘ）Ａｓによる構成とし、図１０Ｂに示すように、膜厚と共にＩｎ組成が連続的に増加し、かつその変化率が厚さに従って減少する構成とした。なお、このバッファ層３の形成は、必ずしもこの構成によらなくとも、例えば上述したような膜厚に対して直線的にＩｎ組成が増加する構成によるなど、所望の構成とすることができる。
【００６２】
このような構成によって、本発明による化合物半導体においては、基体２がＳｉからなり、バッファ層３上に形成される化合物半導体層４と上述の基体２との間の格子不整合性が２％以上である場合にも、化合物半導体層４における転位すなわち結晶欠陥を低減することができるものである。
【００６３】
なお、上述の第１及び第２のバッファ下地層５及び６は、以下に説明するような２段階成長法によって形成することが望ましい。
すなわち、まず、成長温度を低温例えば３００℃として第１のバッファ下地層５（厚さ１００Å）を形成した後、例えば温度を８００℃まで上昇させてアニール処理を行い、第１のバッファ下地層５中の転位すなわち結晶欠陥の移動を促進して転位の低減化を図った後、温度を高温例えば６００℃として第２のバッファ下地層６（厚さ１μｍ）を形成する。
【００６４】
また、上述のアニール処理において、図１１に示すような、温度を例えば１００℃まで下げてから、８００℃まで昇温した状態で５分間アニールを行って１００℃まで降温する作業を例えば３回繰り返すサーマルサイクルアニール（ＴＣＡ；Thermal Cycle Anneal）を導入することによって、より効果的に転位の低減化を図ることができる。
【００６５】
［半導体装置の第１の実施例］
本発明による半導体装置の第１の実施例として、本発明による化合物半導体を有する発光素子の実施の形態例について、図１２の概略断面図を参照して説明する。
【００６６】
この実施例において、本発明による半導体装置すなわち発光素子２１は、基体２２上に、バッファ層２３が形成され、このバッファ層２３上に、後述するように、複数の化合物半導体層による発光部２４が形成され、基体２２の裏面に第１電極２５が、発光部２４の上面に第２電極２６が被着形成された構成を有する。
なお、バッファ層２３は、上述の化合物半導体の実施例で説明した、基体に対する格子不整合性とその変化率の選定がなされた構成とすることができることから、発光部２４の結晶性を良好なものとすることができる。
【００６７】
この実施例において、発光部２４は、複数の化合物半導体層、例えば例えば第１導電型（例えばｎ型）のＩｎＰよりなる第１導電型クラッド層２４ａと、例えばＩｎＧａＡｓＰによる活性層２４ｂと、例えば第２導電型（例えばｐ型）のＩｎＰよりなる第２導電型クラッド層２４ｃとを有する。すなわち、この実施例は、半導体レーザを例とする、本発明による半導体装置の一例としての発光素子の実施例である。
【００６８】
［半導体装置の第２の実施例］
次に、本発明による半導体装置の第２の実施例として、本発明による化合物半導体を有する受光素子の実施の形態例について、図１３の概略断面図を参照して説明する。
【００６９】
この実施例において、本発明による半導体装置すなわち受光素子３１は、基体３２上に、バッファ層３３が形成され、このバッファ層３３上に、後述するように、複数の化合物半導体層による受光部３４が形成され、基体３２の裏面に第１電極３５が、受光部３４の上面に第２電極３６が被着形成された構成を有する。
なお、バッファ層３３は、上述の化合物半導体の実施例で説明した、基体に対する格子不整合性とその変化率の選定がなされた構成とすることができることから、受光部３４の結晶性を良好なものとすることができる。
【００７０】
この実施例において、受光部３４は、複数の化合物半導体層、例えばＩｎ０．５３ＧａＡｓによる空乏層３４ａと、例えば第２導電型（例えばｐ型）のＩｎ０．５３ＧａＡｓによる第２導電層とを有する。すなわち、この実施例は、フォトダイオードを例とする、本発明による半導体装置の一例としての受光素子の実施例である。
【００７１】
以上の実施例で説明したように、本発明による化合物半導体及び半導体装置によれば、歪を緩和するバッファ層の、基体に対する格子不整合性の変化率を選定することによって化合物半導体層の結晶性の向上が図られ、バッファ層の基体から１／４の厚さ領域における基体に対する格子不整合性を選定することにより、化合物半導体層の結晶性を、特に良好なものとすることができる。
また、基体との格子不整合によってバッファ層の実効格子定数に変化が生じた場合にも、バッファ層が、成長に従って上述の格子不整合性の変化率が連続的に減少する構成を有する領域と、化合物半導体層に比して基体に対する格子不整合性が大とされた構成を有する領域とから成るものとすることによって、バッファ層上に形成される化合物半導体層歪み量を小さくすることができる。
更に、本発明による化合物半導体及び半導体装置においては、基体に対し２％以上の格子不整合性を有する化合物半導体層を有する構成において、基体がＧａＡｓもしくはＳｉよりなる構成とすることができるものである。
【００７２】
なお、本発明による化合物半導体及び半導体装置の実施の形態例について説明したが、本発明による化合物半導体及び半導体装置は、この実施の形態例に限られるものでないことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明による化合物半導体の説明に供する、化合物半導体の製造装置の構成例を示す概略構成図である。
【図２】図２Ａ及び図２Ｂは、それぞれ、本発明による化合物半導体の一例の一構成における概略断面図、及びこの化合物半導体を構成するバッファ層の厚さとＩｎ組成の分布の変化を示す模式図である。
【図３】図３Ａ及び図３Ｂは、それぞれ、本発明による化合物半導体の一例の別の構成における概略断面図、及びこの化合物半導体を構成するバッファ層の厚さとＩｎ組成の分布の変化を示す模式図である。
【図４】図４Ａ及び図４Ｂは、それぞれ、本発明による化合物半導体の一例の別の構成における概略断面図、及びこの化合物半導体を構成するバッファ層の厚さとＩｎ組成の分布の変化を示す模式図である。
【図５】本発明による化合物半導体の一例の構造における、バッファ層の基体側の領域における格子不整合性の変化率と、この格子不整合性の変化率による構成を有するバッファ層からなる化合物半導体に対するＸ線回折法による分析の、Ｘ線半値幅との関係を示す模式図である。
【図６】本発明による化合物半導体の一例の構造における、バッファ層の基体側の領域における格子不整合性の変化率と、この格子不整合性の変化率による構成を有するバッファ層からなる化合物半導体に対するＰＬ発光測定の、発光強度との関係を示す模式図である。
【図７】本発明による化合物半導体の一例の構造における、バッファ層の基体から１／４厚さの領域における格子不整合性と、この格子不整合性による構成を有するバッファ層からなる化合物半導体に対するＸ線回折法による分析の、Ｘ半値幅との関係を示す模式図である。
【図８】本発明による化合物半導体の一例の構造における、バッファ層の基体から１／４厚さの領域における格子不整合性と、この格子不整合性による構成を有するバッファ層からなる化合物半導体に対するＰＬ発光測定の、発光強度との関係を示す模式図である。
【図９】図９Ａ及び図９Ｂは、それぞれ、本発明による化合物半導体の別の例の一構成における概略断面図、及びこの化合物半導体を構成するバッファ層の厚さとＩｎ組成の分布の変化を示す模式図である。
【図１０】図１０Ａ及び図１０Ｂは、それぞれ、本発明による化合物半導体の別の例の一構成における概略断面図、及びこの化合物半導体を構成するバッファ層の厚さとＩｎ組成の分布の変化を示す模式図である。
【図１１】本発明による化合物半導体の一例の説明に供する、ＴＣＡの一例の模式図である。
【図１２】本発明による半導体装置の第１の実施例の、発光素子の一例の概略断面図である。
【図１３】本発明による半導体装置の第２の実施例の、受光素子の一例の概略断面図である。
【図１４】従来の化合物半導体の概略断面図である。
【符号の説明】
【００７４】
１・・・化合物半導体、２・・・基体（基板）、３・・・バッファ層、３ａ・・・第１のバッファ構成層、３ｂ・・・第２のバッファ構成層、３ｃ・・・第３のバッファ構成層、３ｄ・・・第４のバッファ構成層、４・・・化合物半導体層、５・・・第１のバッファ下地層、６・・・第２のバッファ下地層、１１・・・化合物半導体の製造装置（ＭＯＣＶＤ装置）、１１ａ・・・原料供給系、１１ｂ・・・成膜系、１２・・・ガス供給部、１２ａ〜１２ｅ・・・ガス供給源、１３ａ〜１３ｅ・・・流量制御装置、１４・・・バブラー部、１４ａ〜１４ｃ・・・バブラー、１５・・・供給ライン、１６・・・成長室、１７・・・サセプタ、１８・・・加熱器、１９・・・排気ポート、２１・・・半導体装置（発光素子）、２２・・・基体、２３・・・バッファ層、２４・・・発光部、２４ａ・・・第１導電型クラッド層、２４ｂ・・・活性層、２４ｃ・・・第２導電型クラッド層、２５・・・第１電極、２６・・・第２電極、３１・・・半導体装置（受光素子）、３２・・・基体、３３・・・バッファ層、３４・・・受光部、３４ａ・・・空乏層、３４ｂ・・・第２導電層、３５・・・第１電極、３６・・・第２電極、１０１・・・従来の化合物半導体、１０２・・・ＩｎＰ基板、１０３・・・バッファ層、１０４・・・光吸収層、１０５・・・窓層
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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