專利名稱:半導(dǎo)體外延基板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及在生長(zhǎng)用基板上隔著傾斜緩沖層使具有與生長(zhǎng)用基板不同的晶格常數(shù)的半導(dǎo)體層進(jìn)行外延生長(zhǎng)而制成的半導(dǎo)體外延基板。
背景技術(shù):
以往,在到I. 7 y m附近為止具有靈敏度的近紅外線傳感器中,使用了在作為生長(zhǎng)用基板的InP基板上生長(zhǎng)了由具有與InP基板相等的晶格常數(shù)(5. 8688A)的InGaAs晶體制成的光吸收層的半導(dǎo)體外延基板。這樣的半導(dǎo)體外延基板利用例如金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法(MOCVD Metal Organic Chemical Vapor Deposition)或氫化物氣相外延法(HVPE :Hydride Vapor Phase Epitaxy)等的外延生長(zhǎng)法制造。
另一方面,對(duì)于在比上述更長(zhǎng)波長(zhǎng)的I. 9 2. 6 y m附近具有靈敏度的近紅外線傳感器,需要由具有比InP基板更大的晶格常數(shù)(例如,5. 87 6. 00A)的InGaAs制成的光吸收層。由此,在將具有與生長(zhǎng)用基板不同的晶格常數(shù)的半導(dǎo)體層作為光吸收層進(jìn)行生長(zhǎng)的情況下,會(huì)在生長(zhǎng)用基板和半導(dǎo)體層的界面產(chǎn)生失配位錯(cuò)等的晶格缺陷,晶格缺陷還會(huì)傳播到半導(dǎo)體層中。而且,當(dāng)在光吸收層中存在高密度的晶格缺陷時(shí),近紅外線傳感器的性能會(huì)顯著降低。因此,在將具有比InP基板還大的晶格常數(shù)的InGaAs作為光吸收層的情況下,通過(guò)使晶格常數(shù)從InP基板的晶格常數(shù)向InGaAs光吸收層的晶格常數(shù)階段性地增大的傾斜緩沖層(例如,InAsxPh(C)彡X彡I))介于InP基板和InGaAs光吸收層之間,從而防止晶格缺陷向InGaAs光吸收層傳播(例如,專利文獻(xiàn)1、2)。此外,一般使用主面傾斜的生長(zhǎng)用基板(例如,2°傾角(off angle)基板),在該生長(zhǎng)用基板上使半導(dǎo)體層進(jìn)行外延生長(zhǎng)(例如,非專利文獻(xiàn)I)?,F(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn) 專利文獻(xiàn)
專利文獻(xiàn)I :日本專利第3285981號(hào)公報(bào) 專利文獻(xiàn)2 :日本特開(kāi)2004-319765號(hào)公報(bào)。非專利文獻(xiàn)
非專利文獻(xiàn) I :M. A. di Forte-Poisoon et. al. , J. Cryst. Growth 124(1992) 782。
發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的課題
可是,在利用MOCVD法使半導(dǎo)體層(例如,InGaAs光吸收層)進(jìn)行外延生長(zhǎng)的情況下,一般使用(100)面的生長(zhǎng)用基板。但是,已經(jīng)判明,當(dāng)在這樣的生長(zhǎng)用基板上生長(zhǎng)具有比生長(zhǎng)用基板還大的晶格常數(shù)的傾斜緩沖層時(shí),會(huì)在生長(zhǎng)晶體中產(chǎn)生許多晶軸稍微不同于生長(zhǎng)用基板的微小區(qū)域,并形成包含這樣的微小區(qū)域的集合的鑲嵌(mosaic)構(gòu)造。這種鑲嵌構(gòu)造的產(chǎn)生,成為導(dǎo)致晶體中的晶格缺陷增加且使化合物半導(dǎo)體晶體的質(zhì)量降低的主要因素。
本發(fā)明目的在于,提供一種半導(dǎo)體外延基板,該半導(dǎo)體外延基板在生長(zhǎng)用基板上隔著傾斜緩沖層使具有與生長(zhǎng)用基板不同的晶格常數(shù)的半導(dǎo)體層進(jìn)行外延生長(zhǎng)而制成,半導(dǎo)體層的鑲嵌性低且適合半導(dǎo)體器件的制作。用于解決課題的方案
方案一所述的發(fā)明是為達(dá)到上述目的而做成的發(fā)明,是一種半導(dǎo)體外延基板,在具有第一晶格常數(shù)的半導(dǎo)體基板上使傾斜緩沖層和半導(dǎo)體層進(jìn)行外延生長(zhǎng)而制成,所述傾斜緩沖層以使晶格常數(shù)在所述第一晶格常數(shù)和大于所述第一晶格常數(shù)的第二晶格常數(shù)的范圍內(nèi)呈階段性增加的方式使組分傾斜,所述半導(dǎo)體層由具有所述第二晶格常數(shù)的半導(dǎo)體晶體構(gòu)成,所述半導(dǎo)體外延基板的特征在于,在設(shè)從[100]方向向
方向按順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的方向?yàn)檎龝r(shí),所述半導(dǎo)體層的(mnn)面(m、n是整數(shù),但排除m = n = 0)和所述半導(dǎo)體基板的(mnn)面所成的角度為+0. 05°以上。方案二所述的發(fā)明是,根據(jù)方案一所述的半導(dǎo)體外延基板,其特征在于,所述半導(dǎo)體基板由InP構(gòu)成,所述傾斜緩沖層由InAsP構(gòu)成,所述半導(dǎo)體層由InGaAs構(gòu)成。發(fā)明效果
根據(jù)本發(fā)明涉及的半導(dǎo)體外延基板,半導(dǎo)體層的鑲嵌性低且結(jié)晶性極高,因此,能顯著提高紅外線傳感器等半導(dǎo)體器件的性能。
圖I是示出實(shí)施方式涉及的半導(dǎo)體外延基板的層疊構(gòu)造的圖。圖2是在倒晶格空間示出InGaAs光吸收層的(5-1-1)面相對(duì)于InP基板11的(5-1-1)面的傾角a的圖。圖3是示出在傾角2°的InP基板11上使半導(dǎo)體層12 15進(jìn)行了外延生長(zhǎng)的半導(dǎo)體外延基板I的倒晶格映射(mapping)的圖。圖4是示出在傾角0°的InP基板11上使半導(dǎo)體層12 15進(jìn)行了外延生長(zhǎng)的半導(dǎo)體外延基板I的倒晶格映射的圖。圖5是示出InGaAs光吸收層的(5-1-1)面和InP基板的(5-1-1)面所成的角a與InGaAs光吸收層的倒晶格點(diǎn)的半光譜幅值的關(guān)系的圖。圖6是示出InGaAs光吸收層的(5-1-1)面和InP基板的(5-1-1)面所成的角a與表示光學(xué)質(zhì)量的PL (Photoluminescence,光致發(fā)光)強(qiáng)度的關(guān)系的圖。
具體實(shí)施例方式以下,基于附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說(shuō)明。圖I是示出將本發(fā)明涉及的半導(dǎo)體外延基板適用于光電二極管時(shí)的層疊構(gòu)造的圖。如圖I所示,實(shí)施方式的半導(dǎo)體外延基板I具有在InP基板11上依次形成了 InAsP傾斜緩沖層12、InAsP緩沖層13、InGaAs光吸收層14、InAsP窗口層15的層疊構(gòu)造。而且,在設(shè)從[100]方向向
方向按順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的方向?yàn)檎龝r(shí),InGaAs光吸收層14的(5-1-1)面和InP基板11的(5-1-1)面所成的角為+0.05°以上。在以下說(shuō)明中,對(duì)于InGaAs光吸收層14的(5_1_1)面和InP基板11的(5_1_1)面所成的角同樣地設(shè)從[100]方向向
方向按順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的方向?yàn)檎剡M(jìn)行敘述。在這里,InGaAs光吸收層14的(5-1-1)面和InP基板11的(5-1-1)面所成的角用在圖2示出的倒晶格空間中的角度a表示。g卩,根據(jù)InP基板I的(5-1-1)面的倒晶格點(diǎn)的坐標(biāo)和InGaAs光吸收層14的(5_1_1)面的倒晶格點(diǎn)的坐標(biāo)算出。[實(shí)施例]
在實(shí)施例中,在制作圖I中示出的半導(dǎo)體外延基板I時(shí),使用具有使(100)面向[110]方向以傾角1°、2°、3°、5°傾斜的主面的InP基板11(晶格常數(shù)5. 8688A),在該InP基板11上利用MOCVD法依次使晶格畸變的半導(dǎo)體層12 15進(jìn)行了外延生長(zhǎng)。此時(shí),在半導(dǎo)體層12 15的原料中使用了 AsH3、PH3、TMIn、TMGa,使生長(zhǎng)壓力為50Torr,使生長(zhǎng)溫度為600 670°Co首先,在InP基板11上使包含以使晶格常數(shù)逐漸增大的方式對(duì)As的組分x進(jìn)行調(diào)整的多個(gè)InAsxPh層的傾斜緩沖層12生長(zhǎng)。具體地說(shuō),通過(guò)使As的組分X為0. 05 0. 60,從而使傾斜緩沖層12的晶格常數(shù)在從作為InP基板11的晶格常數(shù)(第一晶格常數(shù))的5. 8688k到作為InGaAs光吸收層14的晶格常數(shù)(第二晶格常數(shù))的5. 9852A的范圍內(nèi)呈階段性增加。然后,在該傾斜緩沖層12上依次生長(zhǎng)As的組分X為0. 6左右的InAsxPh緩沖層13 (晶格常數(shù)5. 9880A)、In的組分y為0. 82左右的InyGai_yAS光吸收層14 (晶格常數(shù)5. 9852A)、As的組分X為0. 6左右的InAsxP^窗口層15,制作成半導(dǎo)體外延基板I。另外,使InAsP傾斜緩沖層12的厚度為0. 3 I y m左右,InAsP緩沖層13的膜厚為0. 5 5 ii m, InGaAs光吸收層14的膜厚為I 5 y m, InAsP窗口層15的膜厚為0. 5 3 u m0[比較例]
在比較例中,在制作圖I中示出的半導(dǎo)體外延基板I時(shí),使用具有使(100)面向[110]方向以傾角0°、0. 5°傾斜的主面的InP基板11 (晶格常數(shù)5. 8688A),在該InP基板11上利用MOCVD法依次使晶格畸變的半導(dǎo)體層12 15進(jìn)行了外延生長(zhǎng)。具體的生長(zhǎng)條件與實(shí)施例相同。圖3是示出在實(shí)施例中制作的半導(dǎo)體外延基板I的(5-1-1)面的倒晶格映射的一個(gè)例子的圖,圖4是示出在比較例中制作的半導(dǎo)體外延基板I的(5-1-1)面的倒晶格映射的一個(gè)例子的圖。在圖3中對(duì)在傾角2°的InP基板11上使半導(dǎo)體層12 15進(jìn)行了外延生長(zhǎng)的半導(dǎo)體外延基板I的倒晶格映射進(jìn)行了表不,在圖4中對(duì)在傾角0°的InP基板11上使半導(dǎo)體層12 15進(jìn)行了外延生長(zhǎng)的半導(dǎo)體外延基板I的倒晶格映射進(jìn)行了表示。此外,在圖3、4中,以(011)面的倒晶格向量作為X軸方向,以(100)面的倒晶格向量作為Y軸方向,而且使刻度軸相同,以便能對(duì)倒晶格點(diǎn)的擴(kuò)展進(jìn)行比較。根據(jù)倒晶格映射法,能從倒晶格點(diǎn)的坐標(biāo)(倒晶格向量的大小)知道晶面的面間隔和晶體方位,能從不同晶面的倒晶格點(diǎn)的坐標(biāo)知道這些晶面所成的角度。此外,在樣品的結(jié) 晶性不好的情況下,倒晶格點(diǎn)的擴(kuò)展會(huì)變大,因此還能知道結(jié)晶性的好壞。例如,對(duì)于半導(dǎo)體外延基板,當(dāng)測(cè)定作為非對(duì)稱面的(5-1-1)面的倒晶格映射時(shí),從倒晶格點(diǎn)的坐標(biāo)可知作為晶體的生長(zhǎng)方向(基板的法線方向)的(500)面的面間隔、作為與基板平行的方向的(o-l-l)面的面間隔、以及(500)面和(0-1-1)面所成的角度。而且,從這些面間隔等的信息能推定生長(zhǎng)的晶體的晶格馳豫的程度等。此外,如果是沒(méi)有缺陷的理想的晶體,就不會(huì)有倒晶格點(diǎn)的擴(kuò)展地成為圓形的點(diǎn)狀的倒晶格映射,另一方面,當(dāng)存在作為微妙地朝向種種方向的微小晶體的集合的鑲嵌構(gòu)造時(shí),倒晶格向量也會(huì)微妙地朝向各種方向,因此,成為倒晶格點(diǎn)的擴(kuò)展大的橢圓狀的倒晶格映射。如圖3、4所示,可知在實(shí)施例中制作的半導(dǎo)體外延基板I中,相比在比較例中制作的半導(dǎo)體外延基板1,倒晶格點(diǎn)的長(zhǎng)軸方向(橫方向)的擴(kuò) 展明顯地小,提高了結(jié)晶性(鑲嵌性變低)。雖然省略圖示,但在使用了實(shí)施例涉及的傾角1°、3°、5°的InP基板11的半導(dǎo)體外延基板I中也成為與圖3相同的結(jié)果,能夠確認(rèn)良好的鑲嵌性。與此相對(duì),在使用了比較例涉及的傾角0. 5°的InP基板11的半導(dǎo)體外延基板I中,成為與圖4相同的結(jié)果,鑲嵌性變壞。這表明,在生長(zhǎng)用基板(InP基板11)上生長(zhǎng)晶格常數(shù)比該生長(zhǎng)基板還大的半導(dǎo)體層(InGaAs光吸收層4)的情況下,當(dāng)使用傾角小(例如,0°、0. 5° )的生長(zhǎng)用基板時(shí),在生長(zhǎng)用基板上生長(zhǎng)的晶格常數(shù)大的晶體層在其微小區(qū)域中晶體方位朝向種種方向而成為鑲嵌構(gòu)造,但是,當(dāng)使用具有某種程度的傾角(例如1°以上)的生長(zhǎng)用基板時(shí),生長(zhǎng)晶體的方位會(huì)相對(duì)生長(zhǎng)用基板在某個(gè)一定的方向定向。S卩,在生長(zhǎng)用基板上生長(zhǎng)晶格常數(shù)比該生長(zhǎng)用基板還大的半導(dǎo)體層的情況下,直到半導(dǎo)體層的膜厚達(dá)到臨界膜厚為止,會(huì)一邊晶格變形一邊強(qiáng)迫生長(zhǎng),但是,當(dāng)超過(guò)臨界膜厚時(shí),就會(huì)產(chǎn)生晶體缺陷等,使應(yīng)變能發(fā)生馳豫。此時(shí),在像比較例那樣在傾角0°的生長(zhǎng)用基板上生長(zhǎng)的半導(dǎo)體層中,微小區(qū)域的晶體無(wú)論朝向哪個(gè)方向在能量上都是等價(jià)的,因此,其面方向會(huì)朝向分散的方向,如圖4所示地使倒晶格點(diǎn)的擴(kuò)展變大。另一方面,在像實(shí)施例那樣使用了傾角2°的生長(zhǎng)基板的情況下,會(huì)像圖3所示那樣,倒晶格點(diǎn)的擴(kuò)展變小。即,可以說(shuō),在使用了傾角0°的生長(zhǎng)用基板的情況下,生長(zhǎng)晶體會(huì)朝向分散的方向生長(zhǎng)而形成鑲嵌構(gòu)造,但在使用了傾角2°的生長(zhǎng)用基板的情況下則在某個(gè)一定方向?qū)R生長(zhǎng)。在這里,需要特別指出的是,與在比較例涉及的半導(dǎo)體外延基板I中半導(dǎo)體層12 15的(5-1-1)面的各倒晶格點(diǎn)位于連結(jié)InP基板11的(5-1-1)面的倒晶格點(diǎn)和倒晶格空間的原點(diǎn)的直線L上(參照?qǐng)D4)相比,在實(shí)施例涉及的半導(dǎo)體外延基板I中,半導(dǎo)體層12 15的(5-1-1)面的各倒晶格點(diǎn)位于從直線L偏移了的位置(參照?qǐng)D3)。分析的結(jié)果是,與在比較例涉及的半導(dǎo)體外延基板I中InGaAs光吸收層14的(5-1-1)面和InP基板11的(5-1-1)面所成的角為-0. 07 +0. 03°的情況相比,在實(shí)施例涉及的半導(dǎo)體外延基板I中為+0. 05 +0. 72°。圖5是對(duì)于在實(shí)施例以及比較例中制作的半導(dǎo)體外延基板I示出InGaAs光吸收層14的(5-1-1)面和InP基板11的(5-1-1)面所成的角a與InGaAs光吸收層14的倒晶格點(diǎn)的半光譜幅值的關(guān)系的圖。如圖5所示,隨著角度a增加,半光譜幅值減小,特別是,如果角度a為0.05°以上,則半光譜幅值將比I. 5X 10_3a. u.小,成為極其良好的結(jié)晶性。圖6是對(duì)于在實(shí)施例以及比較例中制作的半導(dǎo)體外延基板I示出InGaAs光吸收層14的(5-1-1)面和InP基板11的(5-1-1)面所成的角a與表示光學(xué)質(zhì)量的PL強(qiáng)度的關(guān)系的圖。如圖6所示,在角度a為0.05°以上時(shí),與0.05°以下相比,PL強(qiáng)度增加了 2 3成,可知在光學(xué)質(zhì)量的觀點(diǎn)上也形成了結(jié)晶性提高且高質(zhì)量的半導(dǎo)體層。S卩,在當(dāng)設(shè)從[100]方向向
方向按順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的方向?yàn)檎龝r(shí)InGaAs光吸收層14的(5-1-1)面和InP基板11的(5-1-1)面所成的角為+0.05°以上的半導(dǎo)體外延基板中,InGaAs光吸收層14在一定的方向定向生長(zhǎng),并由鑲嵌性低且高質(zhì)量的晶體構(gòu)成。因此,通過(guò)使用該半導(dǎo)體外延基板1,從而能提高紅外線傳感器等的半導(dǎo)體器件的性能。 另外,InGaAs光吸收層14的(5-1-1)面和InP基板11的(5_1_1)面所成的角雖然受InP基板11的傾角的影響最大,但并不是只依賴于此。作為生長(zhǎng)用基板使用傾斜(off)基板,是使InGaAs光吸收層14的(5_1_1)面和InP基板11的(5_1_1)面所成的角為0. 05°以上的一種手法,認(rèn)為優(yōu)選使用例如傾角1°以上的InP基板11。以上,基于實(shí)施方式對(duì)由本發(fā)明人做出的發(fā)明具體地進(jìn)行了說(shuō)明,但本發(fā)明并不限定于上述實(shí)施方式,能在不脫離其要旨的范圍內(nèi)進(jìn)行變更。雖然在實(shí)施方式中對(duì)在InP基板11上隔著InAsP傾斜緩沖層12以及InAsP緩沖層13生長(zhǎng)InGaAs層14的情況進(jìn)行了說(shuō)明,但本發(fā)明能適用于在具有第一晶格常數(shù)的半導(dǎo)體基板上使傾斜緩沖層和半導(dǎo)體層進(jìn)行外延生長(zhǎng)而制成的半導(dǎo)體外延基板中,其中,所述傾斜緩沖層以使晶格常數(shù)在第一晶格常數(shù)和比所述第一晶格常數(shù)大的第二晶格常數(shù)的范圍內(nèi)呈階段性增加的方式使組分傾斜,所述半導(dǎo)體層由具有第二晶格常數(shù)的半導(dǎo)體晶體構(gòu)成。例如,能適用于在Si基板上生長(zhǎng)了晶格常數(shù)比Si還大的SixGei_x傾斜緩沖層以及SixGei_x層的半導(dǎo)體外延基板,或者在GaAs基板上生長(zhǎng)了晶格常數(shù)比Ga還大的InxAlhAs組分傾斜緩沖層以及InxAlhAs層的半導(dǎo)體外延基板等。此外,雖然在實(shí)施方式中,對(duì)InGaAs光吸收層14的(5_1_1)面和InP基板11的(5-1-1)面所成的角為0. 05以上的情況進(jìn)行了說(shuō)明,但根據(jù)晶體學(xué)的考察可以說(shuō),對(duì)作為像(311)面、(511)面、或者(711)面這樣的非對(duì)稱面的(mnn)面(m、n為0彡m、n彡7的整數(shù),但排除m = n = 0)也是同樣的。S卩,本發(fā)明涉及的半導(dǎo)體外延基板的特征在于,在設(shè)從[100]方向向
方向按順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的方向?yàn)檎龝r(shí),半導(dǎo)體層的(mnn)面(m、n為整數(shù),但排除m = n = 0)和半導(dǎo)體基板的(mnn)面所成的角為+0.05°以上。應(yīng)該認(rèn)為,此次公開(kāi)的實(shí)施方式在所有的點(diǎn)都是例示性的,并非限制性的。本發(fā)明的范圍不是由上述的說(shuō)明而是由權(quán)利要求書(shū)示出,意在包含與權(quán)利要求書(shū)均等的意思以及范圍內(nèi)的所有變更。附圖標(biāo)記說(shuō)明
I:半導(dǎo)體外延基板,11 =InP基板(具有第一晶格常數(shù)的半導(dǎo)體基板),12 =InAsP傾斜緩沖層,13 :InAsP緩沖層,14 =InGaAs光吸收層(具有第二晶格常數(shù)的半導(dǎo)體層),15 :InAsP窗口層。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體外延基板,在具有第一晶格常數(shù)的半導(dǎo)體基板上使傾斜緩沖層和半導(dǎo)體層(光吸收層)進(jìn)行外延生長(zhǎng)而制成,所述傾斜緩沖層以使晶格常數(shù)在所述第一晶格常數(shù)和大于所述第一晶格常數(shù)的第二晶格常數(shù)的范圍內(nèi)呈階段性增加的方式使組分傾斜,所述半導(dǎo)體層由具有所述第二晶格常數(shù)的半導(dǎo)體晶體構(gòu)成,所述半導(dǎo)體外延基板的特征在于, 在設(shè)從[100]方向向
方向按順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的方向?yàn)檎龝r(shí),所述半導(dǎo)體層的(mnn)面(m、n是整數(shù),但排除m = n = 0)和所述半導(dǎo)體基板的(mnn)面所成的角為+0. 05°以上。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體外延基板,其特征在于, 所述半導(dǎo)體基板由InP構(gòu)成, 所述傾斜緩沖層由InAsP構(gòu)成, 所述半導(dǎo)體層由InGaAs構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體層的鑲嵌性低且適合半導(dǎo)體器件的制作的半導(dǎo)體外延基板。該半導(dǎo)體外延基板在具有第一晶格常數(shù)的半導(dǎo)體基板上使傾斜緩沖層和半導(dǎo)體層進(jìn)行外延生長(zhǎng)而制成,其中,所述傾斜緩沖層以使晶格常數(shù)在第一晶格常數(shù)和大于第一晶格常數(shù)的第二晶格常數(shù)的范圍內(nèi)呈階段性增加的方式使組分傾斜,所述半導(dǎo)體層由具有第二晶格常數(shù)的半導(dǎo)體晶體構(gòu)成,在所述半導(dǎo)體外延基板中,在設(shè)從[100]方向向
方向按順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的方向?yàn)檎龝r(shí),半導(dǎo)體層的(mnn)面(m、n是整數(shù),但排除m=n=0)和半導(dǎo)體基板的(mnn)面所成的角為+0.05o以上。
文檔編號(hào)C23C16/30GK102782195SQ201180011758
公開(kāi)日2012年11月14日 申請(qǐng)日期2011年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月2日
發(fā)明者角田浩二, 野崎龍也, 金井進(jìn) 申請(qǐng)人:吉坤日礦日石金屬株式會(huì)社