(57)【要約】【課題】  電気的特性の低下が従来より少ない半導体素子を与える化合物半導体基板を提供する。【解決手段】  ｐｎ接合と、該ｐｎ接合の間に、ＩｎＧａＰからなる層を少なくとも一つ有する化合物半導体基板であって、該ＩｎＧａＰが秩序化しておらず、該ＩｎＧａＰのキャリア濃度が１×１０17ｃｍ-3未満である化合物半導体基板。元基板の上に、ｐ層とｎ層と、該ｐ層と該ｎ層の間に秩序化していないＩｎＧａＰ層とを成長させる前記記載の化合物半導体基板の製造方法。該秩序化していないＩｎＧａＰ層を、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、ホスフィンの各ガスを、式ＩｎxＧａ1-xＰにおいて０．４５≦ｘ≦０．５５となるような量を用いて、成長温度を４５０℃以上６００℃以下の範囲として成長させる前記記載の製造方法。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐｎ接合と、該ｐｎ接合の間に、ＩｎＧａＰからなる層を少なくとも一つ有する化合物半導体基板であって、該ＩｎＧａＰが秩序化しておらず、該ＩｎＧａＰのキャリア濃度が１×１０17ｃｍ-3未満であることを特徴とする化合物半導体基板。
【請求項２】
ＩｎＧａＰからなる層のエネルギーギャップの値Ａ（ｅＶ）の範囲が、式
ＩｎxＧａ1-xＰ
におけるｘを用いて、
２．２８−０．８ｘ≦Ａ≦２．３３−０．８ｘ
（ただし、０．４５≦ｘ≦０．５５）
で表されるの範囲である請求項１記載の化合物半導体基板。
【請求項３】
元基板の上に、ｐ層とｎ層と、該ｐ層と該ｎ層の間に秩序化していないＩｎＧａＰ層とを成長させることを特徴とする請求項１記載の化合物半導体基板の製造方法。
【請求項４】
該秩序化していないＩｎＧａＰ層を、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、ホスフィンの各ガスを、式ＩｎxＧａ1-xＰにおいて０．４５≦ｘ≦０．５５となるような量を用いて、成長温度を４５０℃以上６００℃以下の範囲として成長させることを特徴とする請求項３記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ｐｎ接合を有する化合物半導体基板およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ｐｎ接合を有する化合物半導体基板は、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、レーザーダイオード（ＬＤ）、ホトダイオード（ＰＤ）、整流器用ダイオードなどの半導体素子の製造に用いられている。
【０００３】
ｐｎ接合を有する半導体基板を用いて製造される半導体素子の、整流特性、増幅率等の電気的特性は、電流を流して使用するに従って経時的に、低下することが一般的に知られており、電気的特性の低下の少ない半導体素子を与える化合物半導体基板が求められている。
【０００４】
電気的特性の低下が従来より少ない半導体素子を与える化合物半導体基板として、ｐｎ接合間にバンドギャップが大きく、ホールのバリア（障壁）となる層である秩序化ＩｎＧａＰ層を挟んでなる化合物半導体基板が提案されている（例えば、特許文献１参照。）が、電気的特性の低下の防止は十分ではなかった。なお、ｐｎ接合を形成しているｐ層とｎ層の間に、前記秩序化ＩｎＧａＰ層のように他の中間層が存在する場合であっても、ｐ層とｎ層の間のいずれかの位置において電子とホールの結合というｐｎ接合の機能が発現していれば、中間層を介したｐ層とｎ層の接合をｐｎ接合と称する。
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−２５０９３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、電気的特性の低下が従来より少ない半導体素子を与える化合物半導体基板を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
そこで本発明者らは、上記課題を解決するために、ｐｎ接合を有する化合物半導体基板のｐｎ接合について鋭意検討した結果、ｐｎ接合間に、ＩｎＧａＰからなる層を設け、しかもこのＩｎＧａＰが秩序化しておらず、かつキャリア濃度が１×１０17ｃｍ-3未満である場合に、この化合物半導体基板が、電気的特性の低下が従来より少ない半導体素子を与える化合物半導体基板となることを見出し、本発明を完成させるに到った。
【０００８】
すなわち本発明は、ｐｎ接合と、該ｐｎ接合の間に、ＩｎＧａＰからなる層を少なくとも一つ有する化合物半導体基板であって、該ＩｎＧａＰが秩序化しておらず、該ＩｎＧａＰのキャリア濃度が１×１０17ｃｍ-3未満であることを特徴とする化合物半導体基板を提供する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の化合物半導体基板を用いれば、使用に伴う電気的特性の低下が従来より少ない半導体素子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】
【００１０】
本発明の化合物半導体基板は、ｐｎ接合と、該ｐｎ接合間に挟まれ、ＩｎＧａＰからなる層を少なくとも一つ有し、かつ該ＩｎＧａＰが秩序化しておらず、該ＩｎＧａＰのキャリア濃度が１×１０17ｃｍ-3未満であることを特徴とする。
【００１１】
ここでいうｐｎ接合は、ダイオードのｐｎ接合、トランジスタにのｐｎｐ接合の二つのｐｎ接合、トランジスタのｎｐｎ接合の二つのｐｎ接合のいずれをも意味するが、本発明においては、ｐｎ接合がダイオードにおけるｐｎ接合、トランジスタのｎｐｎ接合におけるベースとコレクタ間のｐｎ接合である場合に、本発明の化合物半導体基板は特に電気的特性の低下が従来より少ない半導体素子を与える傾向がある。
【００１２】
このｐｎ接合間に設けられ、ＩｎＧａＰからなり、秩序化していない層は、式（１）
ＩｎxＧａ1-xＰ（０＜ｘ＜１）      （１）
で示される化合物からなり、Ｉｎ原子とＧａ原子が結晶格子上にランダムに配置されている層である。そして、ｘが０．４５未満または０．５５を超える場合はＩｎＧａＰ層は秩序化していないことが知られている。ｘが０.４５以上０.５５以下の場合においては、エネルギーギャップの値Ａ（ｅＶ）の範囲はｘに依存し、式（２）
２．２８−０．８ｘ≦Ａ≦２．３３−０．８ｘ      （２）
で表されるの範囲であるときに秩序化していないので好ましく、式（３）
２．２９−０．８ｘ≦Ａ≦２．３１−０．８ｘ      （３）
で表されるの範囲であることが、さらに好ましい。なお、エネルギーギャップの測定は、フォトルミネッセンスにより行うことができ、エネルギーギャップの値はフォトルミネッセンスのピークエネルギーとして測定される。
【００１３】
また、本発明のＩｎＧａＰ層は、キャリア濃度が１×１０17ｃｍ-3未満である。キャリア濃度がこの範囲であるときに、ｐｎ接合と、該ｐｎ接合間に挟まれ、ＩｎＧａＰからなる層を少なくとも一つ有する化合物半導体基板は、電気的特性の低下が従来より少ない半導体素子を与える。ＩｎＧａＰ層のキャリアは、キャリアの極性に関わらず（キャリアが電子であるがホールであるかに関わらず）１×１０17ｃｍ-3未満であり、ＩｎＧａＰ層のキャリア濃度は低い方がよく、好ましくは１×１０16ｃｍ-3以下である。
【００１４】
なお、ｐｎ接合間には、ＩｎＧａＰからなり、秩序化しておらず、キャリア濃度が１×１０17ｃｍ-3未満である本発明のＩｎＧａＰ層以外に、本発明の目的を阻害しない範囲で、他の層を配置することができるが、ｐｎ接合間には本発明のＩｎＧａＰ層のみが配置されていることが好ましい。
【００１５】
本発明の化合物半導体基板は、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）等を用いて公知の方法により製造することができる。化合物半導体基板は、ｐｎ接合を有したものであれば、ＬＤ、ＰＤ、整流器用ダイオード、ＦＥＴ、接合型電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）等のいずれでもよい。
【００１６】
本発明の化合物半導体基板を製造する場合は、元基板の上に、ｐ層とｎ層と、該ｐ層と該ｎ層の間にＩｎＧａＰ層を成長させて製造することができる。そして、秩序化していないＩｎＧａＰ層は、ＭＯＣＶＤ法で製造する場合は、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、ホスフィンの各ガスを出発原料として、式（１）において０．４５≦ｘ≦０．５５となるような量を用い、さらに必要であれば前記各ガスに、キャリア濃度を増加させ得るドーパントとなるＳｉ源のジシラン等のガスをキャリア濃度が１×１０17ｃｍ-3未満になるように調整した量を加え、成長温度を４５０℃以上６００℃以下の温度範囲として成長させることにより製造することができる。成長温度が６００℃を超えると、生成するＩｎＧａＰ層は秩序化する傾向があり、４５０℃未満であると成長速度が遅くなって工業的な製造が困難となる。
【００１７】
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。本図面は本発明の一例に過ぎず、本発明はこの図面の示す素子構造に何ら限定されるものではない。
【００１８】
図１は、本発明による半導体材料の実施形態の一例を示すｐｎ接合となる層を有する化合物半導体基板１０の構造図である。
図１において、１は半絶縁性ＧａＡｓ元基板、２はバッファ層、３はｎ+−ＡｌＧａＡｓ層である。ｎ+−ＡｌＧａＡｓ層上部には、ｉ−ＩｎＧａＰ層５があり、その上にｐ+−ＧａＡｓ層４が積層されている。化合物半導体基板１０をＭＯＣＶＤ法を用いて製造するものとして以下に説明する。
【００１９】
化合物半導体基板１０において、ｎ+−ＡｌＧａＡｓ層３の目標とするＡｌ量、キャリア濃度、膜厚は其々、０．２５、３×１０18ｃｍ-3、１５０Åである。成長温度は６５０℃、トリメチルアルミニウム、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アルシン（ＡｓＨ3）を用い、キャリアドーパント原料としてジシランを用いる。ｐ+−ＧａＡｓ層４の目標とするキャリア濃度、膜厚は其々、４×１０19ｃｍ-3、８００Åとする。成長温度は５１０℃、原料としてＴＭＧ、ＡｓＨ3を用い、ドーパント出発原料としてＣＢｒＣｌ3を用いる。層３および４の間に挿入する秩序化していないｉ−ＩｎＧａＰ層５のＩｎ組成は式（１）においてｘ＝０．４８とし、膜厚は、４００Åとする。層７の成長はＩｎとＧａが秩序化しない約５５０℃にて、トリメチルインジウム、ＴＭＧ、ＡｓＨ3を出発原料として用い、キャリアドーパントの原料となるガスを流さずに成長を行うことができる。また、バッファ層２は不純物を取り込む目的にてＡｌＧａＡｓを含む多層からなるものを用いる。
【実施例】
【００２０】
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。
【００２１】
実施例１
図１示すエピタキシャル基板を以下のような手順にて作製した。アルカリ溶液にて洗浄したＧａＡｓ基板１を、エピタキシャル膜製造装置に装着し、約７００℃のＡｓＨ3ガス雰囲気中にて、基板表面の清浄化を行った。次に、該ＧａＡｓ基板１上にＡｌＧａＡｓ層を含む層をバッファ層として６５０℃にて、約２０００Å成長させた。次に、ｎ+−ＡｌＧａＡｓ層３を６５０℃にて成長し、温度を５５０℃にしてｉ−ＩｎＧａＰ（ただし、式（１）においてｘ＝０．４８。）層５を成長させた。この成長条件ではＩｎＧａＰのバンドギャップをフォトルミネッセンスにより測定した結果、１．９２ｅＶとなり（式（２）の範囲は１．９０≦Ａ≦１．９５）、ＩｎとＧａの配列に規則性のない、いわゆる無秩序状態になった。その上にｐ+−ＧａＡｓ層４を５１０℃にて成長させた。
【００２２】
比較例１
図１示すエピタキシャル基板を、６２０℃にてｉ−ＩｎＧａＰ（ただし、式（１）においてｘ＝０．４８。）層５を成長する事を除き実施例１と同じ条件で作製した。このとき、ＩｎＧａＰのバンドギャップをフォトルミネッセンスにより測定した結果１．８６ｅＶとなり（式（２）の範囲は１．９０≦Ａ≦１．９５）、ＩｎとＧａが秩序的に配列し、いわゆる秩序化状態となった。
【００２３】
図２に示す層構造のｐｎ接合素子１１を、実施例１および比較例１において作製した化合物半導体基板を用いて作製した。まず直径約１３０μｍの部分を残しｐ+−ＧａＡｓ層４をリン酸にてエッチングした。エッチングは選択性によりｉ−ＩｎＧａＰ層５の上で止まる。次に、残されたｐ+−ＧａＡｓ層４の外周より約１０μｍ外側を内周とするような形状のｎ電極６を、ＡｕＧｅ、Ｎｉ、Ａｕをこの順番に蒸着し、約４００℃にてアニールを行いアロイ化することによってｉ−ＩｎＧａＰ層５の下部のｎ+−ＡｌＧａＡｓ層３とのオーミックコンタクトを形成した。次に、残されたｐ+−ＧａＡｓ層４の外周より約１０μｍ内側を外周とする円形のｐ電極７を、ＡｕＺｎ、Ａｕをこの順番に蒸着して作製した。この電極はアニールを行わなくともオーミック電極となった。
【００２４】
実施例１、比較例１の化合物半導体基板を用いて作製した図２に示すｐｎ接合素子の順方向特性の、電流ストレス印加の前後における変化を、それぞれ図３および図４に示した。実施例１の化合物半導体基板を用いた素子においては、９．５Ｖで２．８ｋＡ／ｃｍ2の電流を、比較例１の化合物半導体基板を用いた素子においては、９．５Ｖで２．４ｋＡ／ｃｍ2の電流を、どちらも６０分間順方向に流し、電流ストレスの印加を行った。電流ストレス印加前後を比べると、比較例１の基板を用いた素子においては電流ストレス印加前後の電流−電圧曲線は低電圧における電流量が増加し、逆バイアス方向に電圧をかけた場合にリーク電流が見られるようになっている。つまり、ｐｎ接合に依るダイオードのバリアに漏れが生じるようになっており、整流特性が劣化していることがわかる。一方、実施例１の基板を用いた素子では、電流ストレス印加前後の電流−電圧曲線に変化が見られず、逆方向のリーク電流も生じていないことから、整流特性に劣化が生じていないことがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施形態の一例を示すエピタキシャル基板の層構造図。
【図２】本発明のエピタキシャル基板を用いて作成したｐｎ接合素子の断面構造図。
【図３】実施例１の化合物半導体基板を用いたｐｎ接合素子の順方向電流−電圧特性図であって、電流ストレス印加前後加の電流−電圧特性の変化を示す図。
【図４】比較例１の化合物半導体基板を用いたｐｎ接合素子の順方向電流−電圧特性図であって、電流ストレス印加前後加の電流−電圧特性の変化を示す図。
【符号の説明】
【００２６】
１  ＧａＡｓ基板
２  バッファ層
３  ｎ+−ＡｌＧａＡｓ層
４  ｐ+−ＧａＡｓ層
５  ｉ−ＩｎＧａＰ層
６  ｎ電極
７  ｐ電極
８  エッチングにより円形に残されたｐ+−ＧａＡｓ層
９  ｎ電極のアロイ化部分
１０  化合物半導体基板
１１  ダイオード
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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