JP6517956B2 - Compound semiconductor substrate - Google Patents
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Description
本発明は化合物半導体基板に関する。 The present invention relates to a compound semiconductor substrate.
InSbを含む化合物半導体は、移動度が高く、またバンドギャップが小さい材料であり、この特徴を生かして磁気センサ、高速デバイス、IRセンサなどのデバイスとして使われる。InSbを含む化合物半導体を適用したデバイスを実現するうえで、電子バリア層としてAlInSbを用いることが望まれる。
従来、有機金属気相成長法を用いたAlInSb薄膜作製にはAl原料としてトリターシャリーブチルアルミニウム(TTBAl)、In原料としてトリメチルインジウム(TMIn)、Sb原料としてトリエチルアンチモン(TESb)が用いられてきた(特許文献1参照)。
A compound semiconductor containing InSb is a material having a high mobility and a small band gap, and it is used as a device such as a magnetic sensor, a high-speed device, an IR sensor, etc. by taking advantage of this feature. In order to realize a device to which a compound semiconductor containing InSb is applied, it is desirable to use AlInSb as the electron barrier layer.
Conventionally, tributyl aluminum (TTBAl) as an Al source, trimethylindium (TMIn) as an In source, and triethylantimony (TESb) as an Sb source have been used for AlInSb thin film formation using metalorganic vapor phase epitaxy. (See Patent Document 1).
しかし、特許文献1に代表される従来のTTBAl、TMIn、およびTESbを用いたAlInSb薄膜(以下、従来のAlInSb薄膜)では炭素不純物が多量に混入してしまい、電子バリア層としての機能低下だけでなく、表面平坦性の低下が免れなかった。また、従来のAlInSb薄膜は結晶性も十分ではなかった。それゆえ、従来のAlInSb薄膜は上述したデバイスへの応用には不適であった。
一方、炭素不純物濃度を抑制する手段として、Sb原料としてTESbに替えてトリスジメチルアミノアンチモン(TDMASb)を用いる方法が考えられる。しかし、TTBAlとTDMASbの組み合わせでは気相反応が生じ、基板到達前にTTBAlとTDMASbが反応してしまい、白濁したすなわち表面平坦性が悪いAlInSb層しか得られないことが報告されている(非特許文献1参照)。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、結晶性が良好で表面平坦に優れるAlInSb層を含む化合物半導体基板を提供することを目的とする。
However, in conventional AlInSb thin films (hereinafter referred to as conventional AlInSb thin films) using conventional TTBAl, TMIn, and TESb represented by Patent Document 1, a large amount of carbon impurities are mixed, and the function as an electron barrier layer is lowered alone. In addition, the decrease in surface flatness was inevitable. In addition, the conventional AlInSb thin film is not sufficiently crystalline. Therefore, the conventional AlInSb thin film is not suitable for the application to the above-mentioned device.
On the other hand, as a means for suppressing the carbon impurity concentration, it is conceivable to use trisdimethylaminoantimony (TDDMAb) instead of TESb as the Sb material. However, it has been reported that a combination of TTBAl and TDMASb causes a gas phase reaction, and TTBAl and TDMAb react before reaching the substrate, resulting in only an AlInSb layer which is clouded, that is, has poor surface flatness (non-patented) Reference 1).
The present invention has been made in view of such circumstances, and it is an object of the present invention to provide a compound semiconductor substrate including an AlInSb layer which is excellent in crystallinity and excellent in surface flatness.
また、本発明者らは上記課題を解決するために鋭意検討した結果、基板と、前記基板上に形成された、InとSbとを含み、Alを含まない第1の化合物半導体層と、前記第1の化合物半導体層上に形成された、AlとInとSbとを含む第2の化合物半導体層とを備え、前記第2の化合物半導体層に含まれる水素原子が1×1015cm-3以上5×1019cm-3以下であり、前記第2の化合物半導体層に含まれる炭素原子が1×1015cm-3以上5×1018cm-3以下であり、前記第2の化合物半導体層に含まれる窒素原子が1×1015cm-3以上5×1018cm-3以下であり、前記第2の化合物半導体層の表面の平均二乗粗さRrmsが、0.1nm以上10nm以下である化合物半導体基板により、上記課題を解決できることを見出した。
Moreover, as a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have found that there is a substrate, and a first compound semiconductor layer formed on the substrate and containing In and Sb but not containing Al. And a second compound semiconductor layer containing Al, In, and Sb formed on the first compound semiconductor layer, wherein a hydrogen atom contained in the second compound semiconductor layer is 1 × 10 15
本発明の一態様によれば、結晶性が良好で表面平坦に優れるAlInSb層を含む化合物半導体基板を実現することができる。 According to one aspect of the present invention, it is possible to realize a compound semiconductor substrate including an AlInSb layer which is excellent in crystallinity and excellent in surface flatness.
以下、本発明を実施するための形態(本実施形態)について説明する。
<化合物半導体基板の製造方法>
本実施形態の化合物半導体基板の製造方法は、有機金属気相成長法(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)を用いてIn原料とSb原料とを基板上に供給し、この基板上に第1の化合物半導体層を成長させる工程(第1の化合物半導体層成長工程)と、第1の化合物半導体層の基板温度を420℃以上525℃以下に保持した状態で、第1の化合物半導体層上に、In原料とSb原料に加えて、供給量を連続的および/または段階的に増やしながらAl原料を供給し、Al原料の供給量を増やした後でIn原料とSb原料およびAl原料の各供給量を一定にすることにより、第1の化合物半導体層上にAlXIn1-XSb層(0<x≦0.7)を形成する工程(第2の化合物半導体層成長工程)と、を備える。ここで、「連続的および/または段階的」、とは、「連続的および段階的の少なくとも一方」の意味であり、連続的、段階的、連続的および段階的、のいずれかの意味である。
Hereinafter, modes (this embodiment) for carrying out the present invention will be described.
<Method of manufacturing compound semiconductor substrate>
In the method of manufacturing a compound semiconductor substrate according to the present embodiment, the In raw material and the Sb raw material are supplied onto the substrate using metal organic chemical vapor deposition (MOCVD: Metal Organic Chemical Vapor Deposition), and the first material is deposited on the substrate. In the step of growing the compound semiconductor layer (first compound semiconductor layer growth step) and the substrate temperature of the first compound semiconductor layer is maintained at 420 ° C. or more and 525 ° C. or less, on the first compound semiconductor layer, In addition to the In raw material and the Sb raw material, the Al raw material is supplied while the supply amount is increased continuously and / or stepwise, and after the supplied amount of the Al raw material is increased, the respective supplied amounts of the In raw material, Sb raw material and Al raw material by constant, the first compound Al X in 1-X Sb layer on the semiconductor layer (0 <x ≦ 0.7) forming a (second compound semiconductor layer Comprises a long step), the. Here, "continuous and / or stepwise" means "at least one of continuous and stepwise", and means any of continuous, stepwise, continuous and stepwise. .
これら各工程(第1の化合物半導体層成長工程、第2の化合物半導体層成長工程)を備えることにより、得られるAlInSb層の白濁化を抑制し、かつ結晶性が良好で高移動度なAlInSb層を備える化合物半導体基板を得ることが可能になる。
In原料とSb原料とを供給し、第1の化合物半導体層を成長させる工程の後に、In原料とSb原料とAl原料とを所定の固定比率で供給する方法では、AlInSb層は白濁化し、また移動度も低くなってしまう。これに対し、本実施形態のようにIn原料とSb原料とに加えて、供給量を連続的および/または段階的に増やしながらAl原料を供給することで、得られるAlInSb層の白濁化を抑制し、かつ結晶性が良好なAlInSb層となる。
このメカニズムの詳細については定かではないものの、初期に大量のAlを供給することで気相中でのTDMASbとの反応が起こりやすくなり、基板上に粒子が堆積してしまう、その粒子を成長核にしてVolmer−Weberモードに移行することによるものと推察される。
By providing each of these steps (the first compound semiconductor layer growth step, the second compound semiconductor layer growth step), the clouding of the obtained AlInSb layer is suppressed, and the AlInSb layer has good crystallinity and high mobility. It is possible to obtain a compound semiconductor substrate comprising
In the method of supplying the In raw material and the Sb raw material and growing the first compound semiconductor layer, the AlInSb layer is clouded by the method of supplying the In raw material, the Sb raw material and the Al raw material at a predetermined fixed ratio. Mobility will also be low. On the other hand, the white turbidity of the obtained AlInSb layer is suppressed by supplying the Al source while continuously and / or stepwise increasing the supply amount in addition to the In source and the Sb source as in this embodiment. And an AlInSb layer having good crystallinity.
Although the details of this mechanism are not clear, by supplying a large amount of Al at the beginning, the reaction with TDMAb in the gas phase tends to occur, and the particles are deposited on the substrate. It is guessed that it is by shifting to Volmer-Weber mode.
In原料とSb原料とに加えて、供給量を連続的および/または段階的に増やしながらAl原料を供給する工程における、第1の化合物半導体層の基板温度は420℃以上525℃以下に制御する。この表面温度が525℃より高い場合や420℃未満の場合では平坦性の高い化合物半導体基板が得られない。また、形成されるAlXIn1-XSb層がx>0.7の場合(即ち、AlXIn1-XSb層のIII族元素の総量に対するAl組成比が70%を超える場合)、平坦性の高い化合物半導体基板を得ることができない。 The substrate temperature of the first compound semiconductor layer is controlled to 420 ° C. or more and 525 ° C. or less in the step of supplying the Al raw material while continuously and / or stepwise increasing the supply amount in addition to the In raw material and the Sb raw material . If the surface temperature is higher than 525 ° C. or lower than 420 ° C., a highly flat compound semiconductor substrate can not be obtained. Also, in the case where the formed Al x In 1-x Sb layer has x> 0.7 (that is, the case where the Al composition ratio to the total amount of group III elements in the Al x In 1-x Sb layer exceeds 70%), A compound semiconductor substrate with high flatness can not be obtained.
In原料とSb原料およびAl原料の各供給量を一定にする際のAl原料の供給量は、In原料とSb原料に加えて、供給量を連続的および/または段階的に増やしながらAl原料を供給する際のAl原料の供給量よりも多ければ特に制限されない。但し、Al原料の供給量を一定にした後のAl原料の供給量が、AlInSb層の各元素比率を決める所望の供給量であることが好ましい。供給量を連続的および/または段階的に増やしながらAl原料を供給する際のAl原料の具体的な供給量は特に制限されないが、III族原料に占めるAl原料の割合が好ましくは0.10以上0.75以下、より好ましくは0.10以上0.65以下の範囲内とすることができる。 The feed rates of the Al source when making the respective feed amounts of the In source, the Sb source and the Al source constant are the addition of the In source and the Sb source, and the Al source is continuously and / or gradually increased. It is not particularly limited as long as it is larger than the supply amount of the Al raw material at the time of supply. However, it is preferable that the supply amount of the Al source after the supply amount of the Al source is constant is a desired supply amount that determines the ratio of each element of the AlInSb layer. Although the specific supply amount of the Al raw material in supplying the Al raw material while continuously and / or stepwise increasing the supply amount is not particularly limited, the ratio of the Al raw material to the Group III raw material is preferably 0.10 or more It can be in the range of 0.75 or less, more preferably 0.10 or more and 0.65 or less.
(原料)
本実施形態の化合物半導体基板の製造方法において、In原料、Sb原料およびAl原料は、InSb層およびAlInSb層を形成可能なものであれば特に制限されない。In原料としては、トリメチルインジウム(TMIn)、トリエチルインジウム(TEIn)が挙げられる。Sb原料としては、トリメチルアンチモン(TMSb)、トリエチルアンチモン(TESb)、トリスジメチルアミノアンチモン(TDMASb)、トリイソプロピルアンチモン(TIPSb)が挙げられる。Al原料としては、トリメチルアミンアラン(TMAAl)、トリイソブチルアルミニウム(TIBAl)、ジメチルアルミニウムハイドライド(DMAH)、ジメチルエチルアミンアラン(DMEAAl)、トリターシャリーブチルアルミニウム(TTBAl)が挙げられる。
(material)
In the method of manufacturing a compound semiconductor substrate of the present embodiment, the In raw material, the Sb raw material, and the Al raw material are not particularly limited as long as they can form an InSb layer and an AlInSb layer. Examples of In materials include trimethylindium (TMIn) and triethylindium (TEIn). Examples of the Sb source include trimethylantimony (TMSb), triethylantimony (TESb), trisdimethylaminoantimony (TDMASb), and triisopropylantimony (TIPSb). Examples of the Al source include trimethylamine alane (TMAAl), triisobutylaluminum (TIBAl), dimethylaluminum hydride (DMAH), dimethylethylamine alane (DMEAAl), and tributylaluminum (TTBAl).
原料分解温度の観点から、In原料はトリメチルインジウム(TMIn)、トリエチルインジウム(TEIn)またはそれらの組み合わせであることが好ましい。原料の長期安定性の観点から、Al原料はトリターシャリーブチルアルミニウム(TTBAl)であることが好ましい。炭素不純物抑制の観点から、Sb原料はトリスジメチルアミノアンチモン(TDMASb)であることが好ましい。
非特許文献1で報告されているようにトリターシャリーブチルアルミニウム(TTBAl)とトリスジメチルアミノアンチモン(TDMASb)の組み合わせではAlInSb層の白濁化が生じるため良好なAlInSb層は得られなかった。しかし、本実施形態では、上述した第1の化合物半導体層成長工程と第2の化合物半導体層成長工程とを備えることで、トリターシャリーブチルアルミニウム(TTBAl)とトリスジメチルアミノアンチモン(TDMASb)の組み合わせでも、AlInSb層の白濁化が抑制され、さらにAlInSb層における炭素不純物も抑制されるため好ましい。
From the viewpoint of the raw material decomposition temperature, the In raw material is preferably trimethylindium (TMIn), triethylindium (TEIn), or a combination thereof. From the viewpoint of the long-term stability of the raw material, the Al raw material is preferably tributyl aluminum (TTBAl). From the viewpoint of suppressing carbon impurities, the Sb raw material is preferably trisdimethylaminoantimony (TDMASb).
As reported in Non-Patent Document 1, the combination of tributylaluminum (TTBAl) and trisdimethylaminoantimony (TDMASb) caused opacification of the AlInSb layer, so that a good AlInSb layer could not be obtained. However, in the present embodiment, the combination of tributylaluminum (TTBAl) and trisdimethylaminoantimony (TDMASb) by providing the first compound semiconductor layer growth step and the second compound semiconductor layer growth step described above. However, it is preferable because clouding of the AlInSb layer is suppressed and carbon impurities in the AlInSb layer are also suppressed.
本実施形態の化合物半導体基板の製造方法において、TTBAl原料は他原料との反応性が高い。そのため成長室への導入直前までAl原料と、In原料やSb原料を混合しないことが好ましく、In原料、Sb原料およびAl原料をそれぞれ独立した供給ラインにて供給することがより好ましい。基板が配置される成長室への導入直前までAl原料と、In原料やSb原料を混合しないことや、基板が配置される成長室へのIn原料、Sb原料およびAl原料の各供給を、それぞれ独立した供給ラインにて行うことで、基板への原料到達前に原料どうしが反応し、消失することを抑制するという効果を奏する。独立した供給ラインとは、成長室に接続される、ある原料の供給ラインが、他の原料の供給ラインとが直接接続されない配管を意味する。
また、導電型を制御するために、上述した原料に加えて、ジメチルジンク(DMZn)、ジエチルジンク(DEZn)、ジメチルテルル(DMTe)、ジエチルテルル(DETe)、テトラメチルスズ(TMSn)テトラエチルスズ(TESn)、等のドーパントを供給してもよい。
In the method of manufacturing a compound semiconductor substrate of the present embodiment, the TTBAl raw material has high reactivity with other raw materials. Therefore, it is preferable not to mix the Al raw material, the In raw material and the Sb raw material just before the introduction into the growth chamber, and it is more preferable to supply the In raw material, the Sb raw material and the Al raw material through independent supply lines. Do not mix the Al source, In source and Sb source until just before introduction into the growth chamber in which the substrate is placed, and supply each of In source, Sb source and Al source to the growth chamber in which the substrate is placed. By using independent supply lines, it is possible to suppress the reaction between the raw materials and the disappearance before the raw materials reach the substrate. The independent supply line means a pipe connected to the growth chamber, in which a supply line of one raw material is not directly connected to a supply line of another raw material.
Also, in order to control the conductivity type, dimethylzinc (DMZn), diethylzinc (DEZn), dimethyltellurium (DMTe), diethyltellurium (DETe), tetramethyltin (TMSe) tetraethyltin ( A dopant such as TESn) may be supplied.
(基板)
本実施形態の化合物半導体基板の製造方法において、基板は、有機金属気相成長法を用いてInSb層およびAlInSb層を成長可能なものであれば特に制限されない。InSbと同じ結晶対称性を持っていることが好ましく、さらに安価かつ大型の基板が入手しやすいことから例えばGaAsやInSbが好ましい材料として挙げられる。電子デバイス作製の観点から、基板は電気抵抗率が1×105Ωcm以上のGaAsであることがさらに好ましい。
(substrate)
In the method of manufacturing a compound semiconductor substrate according to the present embodiment, the substrate is not particularly limited as long as it can grow an InSb layer and an AlInSb layer by using the metal organic chemical vapor deposition method. It is preferable to have the same crystal symmetry as InSb, and further, for example, GaAs and InSb are preferable materials because inexpensive and large substrates are easily available. From the viewpoint of producing an electronic device, the substrate is more preferably GaAs having an electrical resistivity of 1 × 10 5 Ωcm or more.
(製造方法、製造装置の一例)
図1(a)〜(c)は、本実施形態に係る化合物半導体基板の製造方法を工程順に示す断面模式図である。図1(a)に示すように、まず、基板1を用意する。次に、図1(b)に示すように、有機金属気相成長法を用いて、In原料とSb原料とを基板1上に供給し、この基板1上に第1の化合物半導体層11を成長させる(第1の化合物半導体層成長工程)。
次に、第1の化合物半導体層11の基板温度を420℃以上525℃以下に保持した状態で、第1の化合物半導体層11上に、In原料とSb原料に加えて、供給量を連続的および/または段階的に増やしながらAl原料を供給する。そして、Al原料の供給量を連続的および/または段階的に増やした後で、第1の化合物半導体層11上へのIn原料とSb原料およびAl原料の各供給量を一定にする。これにより、図1(c)に示すように、第1の化合物半導体層11上に第2の化合物半導体層21として、AlXIn1-XSb層(0<x≦0.7)を形成する(第2の化合物半導体層成長工程)。
(Example of manufacturing method, manufacturing apparatus)
1 (a) to 1 (c) are cross-sectional schematic views showing a method of manufacturing a compound semiconductor substrate according to the present embodiment in the order of steps. First, as shown in FIG. 1A, a substrate 1 is prepared. Next, as shown in FIG. 1 (b), the In raw material and the Sb raw material are supplied onto the substrate 1 by using the metal organic chemical vapor deposition method, and the first compound semiconductor layer 11 is formed on the substrate 1. Grow (first compound semiconductor layer growth step).
Next, while the substrate temperature of the first compound semiconductor layer 11 is maintained at 420 ° C. or more and 525 ° C. or less, the In raw material and the Sb raw material are added to the first compound semiconductor layer 11 to continuously supply amounts. Supply Al source while increasing stepwise. Then, after increasing the supply amount of the Al source continuously and / or stepwise, the supply amounts of the In source, the Sb source, and the Al source on the first compound semiconductor layer 11 are made constant. Thus, as shown in FIG. 1C, an Al X In 1-X Sb layer (0 <x ≦ 0.7) is formed as the second
図2は、本実施形態で用いるMOCVD装置の構成例を示す模式図である。図2に示すように、MOCVD装置は、成長室51と、成長室51内に配置された加熱可能なステージ52と、成長室51内を排気する排気用配管53および排気ポンプ54と、成長室51内に原料ガスを供給する供給ライン60とを備える。供給ライン60は、In原料を供給するためのIn用配管61と、Sb原料を供給するためのSb用配管62と、Al原料を供給するためのAl用配管63とを有し、成長室51に到達するまで各原料を混合することなく供給することが可能となっている。
FIG. 2 is a schematic view showing a configuration example of the MOCVD apparatus used in the present embodiment. As shown in FIG. 2, the MOCVD apparatus includes a
図3(a)〜(c)は、Al原料の供給量の変化を模式的に示す図である。図3(a)〜(c)において、横軸は時間を示し、縦軸はAl原料の単位時間当たりの供給量を示す。
図3(a)はAl原料の供給量を連続的に増やす場合を示している。Al原料の供給量を連続的に増やす場合は、その増加の割合は一定でもよいし、一定でなくてもよい。
図3(b)はAl原料の供給量を段階的に増やす場合を示している。Al原料の供給量を段階的に増やす場合は、図3(b)に示すように1段階で増やしてもよいし、多段階で増やしてもよい。
図3(c)はAl原料の供給量を連続的および段階的に増やす場合を示している。
FIGS. 3A to 3C schematically show changes in the supply amount of the Al raw material. In FIG. 3 (a)-(c), a horizontal axis shows time and a vertical axis shows the supply amount per unit time of Al raw material.
FIG. 3A shows the case where the supply amount of the Al raw material is continuously increased. When the supply amount of the Al source is continuously increased, the rate of the increase may or may not be constant.
FIG. 3 (b) shows the case of gradually increasing the supply amount of the Al raw material. When the supply amount of the Al raw material is increased stepwise, it may be increased in one step as shown in FIG. 3 (b), or may be increased in multiple steps.
FIG. 3 (c) shows the case where the feed rate of the Al raw material is increased continuously and stepwise.
<化合物半導体基板>
本実施形態の化合物半導体基板は、基板と、基板上に形成された、InとSbを含みAlを含まない第1の化合物半導体層と、第1の化合物半導体層上に形成された、AlとInとSbを含む第2の化合物半導体層とを備える化合物半導体基板であって、第2の化合物半導体層に含まれる水素原子が1×1015cm-3以上5×1019cm-3以下であり、第2の化合物半導体層に含まれる炭素原子が1×1015cm-3以上5×1018cm-3以下であり、第2の化合物半導体層に含まれる窒素原子が1×1015cm-3以上5×1018cm-3以下である。
<Compound semiconductor substrate>
The compound semiconductor substrate of the present embodiment includes a substrate, a first compound semiconductor layer formed on the substrate and containing In and Sb and not containing Al, and Al formed on the first compound semiconductor layer. a compound semiconductor substrate and a second compound semiconductor layer containing in and Sb, hydrogen atoms contained in the second compound semiconductor layer is in least 1 × 10 15
従来は炭素原子の混入は不可避であり、それゆえに、AlとInとSbを含む第2の化合物半導体層中に含まれる原子の技術的意義は着目されていなかった。これに対し、本実施形態の化合物半導体基板は、第2の化合物半導体層に含まれる水素原子が1×1015cm-3以上5×1019cm-3以下であり、炭素原子が1×1015cm-3以上5×1018cm-3以下であり、窒素原子が1×1015cm-3以上5×1018cm-3以下とすることで、基板の白濁化を抑制しつつ、高移動度な化合物半導体基板を実現可能にする。 Conventionally, mixing of carbon atoms is inevitable, and therefore, the technical significance of the atoms contained in the second compound semiconductor layer containing Al, In and Sb has not been focused on. On the other hand, in the compound semiconductor substrate of the present embodiment, the number of hydrogen atoms contained in the second compound semiconductor layer is 1 × 10 15 cm −3 or more and 5 × 10 19 cm −3 or less, and the number of carbon atoms is 1 × 10 10 It is 15 cm -3 or more and 5 x 10 18 cm -3 or less, and the nitrogen atom is 1 x 10 15 cm -3 or more and 5 x 10 18 cm -3 or less, thereby suppressing the white turbidity of the substrate and increasing the height. A mobility compound semiconductor substrate can be realized.
本実施形態の化合物半導体基板は、光デバイスへの応用適合性の観点から、第2の化合物半導体層の表面の平均二乗粗さRrmsが0.1nm以上10nm以下であることが好ましい。
本実施形態の化合物半導体基板は、光デバイスへの応用適合性の観点から、第2の化合物半導体層のIII族元素の総量に対するAl組成比が0.1%以上70%以下であり、
第2の化合物半導体層のX線回折によるωスキャンロッキングカーブ測定から算出される半値幅FWHMが、下記の式(1)で算出される範囲であることが好ましい。
a×Al組成比[%]+{−90×ln(t)+730}[arcsec]
≦FWHM[arcsec]≦a×Al組成比[%]+{−90×ln(t)+830}[arcsec]
(a=23.5[arcsec/%]、t=第2の化合物半導体層膜厚(nm))
In the compound semiconductor substrate of the present embodiment, the average square roughness Rrms of the surface of the second compound semiconductor layer is preferably 0.1 nm or more and 10 nm or less from the viewpoint of application suitability to an optical device.
The compound semiconductor substrate of the present embodiment has an Al composition ratio of 0.1% to 70%, based on the total amount of group III elements of the second compound semiconductor layer, from the viewpoint of application suitability to an optical device.
The half width FWHM calculated from the ω scan rocking curve measurement of the second compound semiconductor layer by X-ray diffraction is preferably in the range calculated by the following formula (1).
a × Al composition ratio [%] + {− 90 × ln (t) +730} [arcsec]
≦ FWHM [arcsec] ≦ a × Al composition ratio [%] + {− 90 × ln (t) +830} [arcsec]
(A = 23.5 [arcsec /%], t = second compound semiconductor layer thickness (nm))
また、本実施形態の化合物半導体基板は、光デバイスへの応用適合性の観点から、第2の化合物半導体層のIII族元素の総量に対するAl組成比が20%以上70%以下であり、第2の化合物半導体層のX線回折によるωスキャンロッキングカーブ測定から算出される半値幅FWHMが、下記式(2)を満たすことも好ましい。
FWHM[arcsec]≦a×Al組成比[%]+{−90×ln(t)+830}[arcsec]
(a=23.5[arcsec/%]、t=第2の化合物半導体層膜厚(nm))
Further, the compound semiconductor substrate of the present embodiment has an Al composition ratio of 20% to 70% or less with respect to the total amount of group III elements of the second compound semiconductor layer from the viewpoint of application suitability to an optical device. It is also preferable that the full width half maximum FWHM calculated from the ω scan rocking curve measurement by X-ray diffraction of the compound semiconductor layer of the above satisfies the following formula (2).
FWHM [arcsec] ≦ a x Al composition ratio [%] + {-90 x ln (t) + 830} [arcsec]
(A = 23.5 [arcsec /%], t = second compound semiconductor layer thickness (nm))
本実施形態の化合物半導体基板において、第1の化合物半導体層は、基板上に形成され、InとSbを含みAlを含まない層である。具体的にはInSbおよびInSbとの混晶からなる層が挙げられる。また、n型導電層とするために、Te、Sn等の所望のドーパントを含んでいてもよく、p型導電層とするために、Zn、Si等の所望のドーパントを含んでいてもよい。
本実施形態の化合物半導体基板において、第2の化合物半導体層は、第1の化合物半導体層上に形成され、AlとInとSbを含む層である。具体的にはAlInSbおよび、AlInSbとGaおよびAsの混晶からなる層が挙げられる。また、n型導電層とするために、Te、Sn等の所望のドーパントを含んでいてもよく、p型導電層とするために、Zn、Si等の所望のドーパントを含んでいてもよい。
以下、本実施形態の化合物半導体基板およびその製造方法をより詳細に説明するために、具体的な実施例を参酌しながら説明する。
In the compound semiconductor substrate of the present embodiment, the first compound semiconductor layer is a layer formed on the substrate and containing In and Sb but not containing Al. Specifically, layers made of mixed crystals of InSb and InSb can be mentioned. In addition, desired dopants such as Te and Sn may be included to form an n-type conductive layer, and desired dopants such as Zn and Si may be included to form a p-type conductive layer.
In the compound semiconductor substrate of the present embodiment, the second compound semiconductor layer is a layer formed on the first compound semiconductor layer and containing Al, In, and Sb. Specifically, layers made of AlInSb and mixed crystals of AlInSb, Ga and As can be mentioned. In addition, desired dopants such as Te and Sn may be included to form an n-type conductive layer, and desired dopants such as Zn and Si may be included to form a p-type conductive layer.
Hereinafter, in order to explain the compound semiconductor substrate of the present embodiment and the method of manufacturing the same in more detail, the present invention will be described with reference to specific examples.
(実施例1)
閃亜鉛鉱型である半絶縁GaAs基板を用意した。この半絶縁GaAs基板の電気抵抗率は8×107Ωcmである。この半絶縁GaAs基板上に、基板温度340℃においてInSbの原料としてトリメチルインジウム(TMIn)、トリスジメチルアミノアンチモン(TDMASb)を供給し、V/III比=5.0の条件で第1の化合物半導体層としてInSb層を形成した。V/III比は、III族元素供給量に対するV族元素の供給量の比のことである。このInSb層の形成には、MOCVD装置を用いた。このInSb層の膜厚は700nmであった。
Example 1
A semi-insulated GaAs substrate of zinc blende type was prepared. The electrical resistivity of this semi-insulating GaAs substrate is 8 × 10 7 Ωcm. Trimethylindium (TMIn) and trisdimethylaminoantimony (TDMASb) are supplied on this semi-insulating GaAs substrate as a source of InSb at a substrate temperature of 340 ° C., and the first compound semiconductor is produced under the condition of V / III ratio = 5.0. An InSb layer was formed as a layer. The V / III ratio is the ratio of the supply amount of the group V element to the supply amount of the group III element. An MOCVD apparatus was used to form this InSb layer. The film thickness of this InSb layer was 700 nm.
このInSb層上に、基板温度500℃においてAlInSbの原料として、トリターシャリーブチルアルミニウム(TTBAl)、トリメチルインジウム(TMIn)、トリスジメチルアミノアンチモン(TDMASb)を供給し、第2の化合物半導体層としてAlInSb層を形成した。このAlInSb層の形成には、MOCVD装置を用いた。このAlInSb層を成長させる際に、AlとInの原料比がAl/(Al+In)=0.50となるように、Al原料をIn原料とSb原料と共に供給した。 On this InSb layer, tributyl aluminum (TTBAl), trimethylindium (TMIn), trisdimethylaminoantimony (TDMASb) are supplied as a raw material of AlInSb at a substrate temperature of 500 ° C., and AlInSb as a second compound semiconductor layer A layer was formed. The MOCVD apparatus was used for formation of this AlInSb layer. When growing this AlInSb layer, the Al source was supplied together with the In source and the Sb source so that the source ratio of Al to In was Al / (Al + In) = 0.50.
1分間の成長の後に、AlInSb層の各元素比率を決める所望の供給量であるAl/(Al+In)=0.70まで、Al原料の供給量を増加させる。このときV/III比=5.0の条件で成膜を行った。通常、原料はIII族、V族原料を族毎にそれぞれの配管で成長室まで供給するが、今回はTTBAlのみをブロックバルブを経由することなく、成長室直前まで単独で供給を行った。すなわち、Sb原料は成長室に単独で供給し、Al原料とIn原料は成長室直前までは単独で供給した。このAlInSb層の膜厚は700nmであった。 After the growth for 1 minute, the supply amount of the Al raw material is increased to Al / (Al + In) = 0.70, which is a desired supply amount for determining each element ratio of the AlInSb layer. At this time, film formation was performed under the condition of V / III ratio = 5.0. Usually, the raw materials are supplied to the growth chamber by group III and V materials by respective pipes to the growth chamber, but this time, only TTBAl alone was supplied to just before the growth chamber without passing through the block valve. That is, the Sb raw material was independently supplied to the growth chamber, and the Al raw material and the In raw material were supplied independently until immediately before the growth chamber. The film thickness of this AlInSb layer was 700 nm.
このようにして形成された試料(AlInSb層)について、XRD測定を用いてAl組成を調査したところ、Al組成は18%であり、ωスキャンロッキングカーブから算出される半値幅は620arcsecであった。この試料(AlInSb層)についてSIMS測定を行ったところ、水素原子が3×1018cm-3、炭素原子が9×1016cm-3、窒素原子が5×1017cm-3であった。この試料(AlInSb層)の表面についてAFM測定を行ったところ、平均二乗粗さは0.3nmであった。実施例1において得られた化合物半導体基板は、式(1)(2)を満たしていた。 The Al composition of the sample (AlInSb layer) thus formed was examined using XRD measurement to find that the Al composition was 18% and the half width calculated from the ω scan rocking curve was 620 arcsec. SIMS measurement was performed on this sample (AlInSb layer) to find that hydrogen atoms were 3 × 10 18 cm −3 , carbon atoms were 9 × 10 16 cm −3 , and nitrogen atoms were 5 × 10 17 cm −3 . When AFM measurement was performed on the surface of this sample (AlInSb layer), the mean square roughness was 0.3 nm. The compound semiconductor substrate obtained in Example 1 satisfied the formulas (1) and (2).
(実施例2)
AlInSb形成時のAlとInの原料比をAl/(Al+In)=0.63とした以外は、実施例1と同様の方法で化合物半導体基板を製造した。このAlInSb層の膜厚は700nmであった。このようにして形成された試料(AlInSb層)について、XRD測定を用いてAl組成を調査したところ、Al組成は1%であり、ωスキャンロッキングカーブから算出される半値幅は205arcsecであった。この試料(AlInSb層)についてSIMS測定を行ったところ、水素原子が3×1016cm-3、炭素原子が1×1015cm-3、窒素原子が1×1017cm-3であった。この試料(AlInSb層)の表面についてAFM測定を行ったところ、平均二乗粗さは0.1nmであった。実施例2において得られた化合物半導体基板は、式(1)を満たしていた。
(Example 2)
A compound semiconductor substrate was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the raw material ratio of Al to In at the time of AlInSb formation was set to Al / (Al + In) = 0.63. The film thickness of this AlInSb layer was 700 nm. The Al composition of the thus-formed sample (AlInSb layer) was examined using XRD measurement to find that the Al composition was 1% and the half width calculated from the ω scan rocking curve was 205 arcsec. SIMS measurement was performed on this sample (AlInSb layer) to find that hydrogen atoms were 3 × 10 16 cm −3 , carbon atoms 1 × 10 15 cm −3 , and nitrogen atoms 1 × 10 17 cm −3 . When AFM measurement was performed on the surface of this sample (AlInSb layer), the mean square roughness was 0.1 nm. The compound semiconductor substrate obtained in Example 2 satisfied the formula (1).
(実施例3)
AlInSb形成時のAlとInの原料比をAl/(Al+In)=0.75とした以外は、実施例1と同様の方法で化合物半導体基板を製造した。このAlInSb層の膜厚は700nmであった。このようにして形成された試料(AlInSb層)について、XRD測定を用いてAl組成を調査したところ、Al組成は40%であり、ωスキャンロッキングカーブから算出される半値幅は1120arcsecであった。この試料(AlInSb層)についてSIMS測定を行ったところ、水素原子が2×1018cm-3、炭素原子が4×1017cm-3、窒素原子が3×1017cm-3であった。この試料(AlInSb層)の表面についてAFM測定を行ったところ、平均二乗粗さは1.5nmであった。実施例3において得られた化合物半導体基板は、式(1)(2)を満たしていた。
(Example 3)
A compound semiconductor substrate was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the raw material ratio of Al to In at the time of AlInSb formation was set to Al / (Al + In) = 0.75. The film thickness of this AlInSb layer was 700 nm. The Al composition of the sample (AlInSb layer) thus formed was examined using XRD measurement to find that the Al composition was 40% and the half width calculated from the ω scan rocking curve was 1120 arcsec. SIMS measurement was performed on this sample (AlInSb layer) to find that hydrogen atoms were 2 × 10 18 cm −3 , carbon atoms 4 × 10 17 cm −3 , and nitrogen atoms 3 × 10 17 cm −3 . When AFM measurement was performed on the surface of this sample (AlInSb layer), the mean square roughness was 1.5 nm. The compound semiconductor substrate obtained in Example 3 satisfied the formulas (1) and (2).
(実施例4)
AlInSb形成時のAlとInの原料比をAl/(Al+In)=0.90とした以外は、実施例1と同様の方法で化合物半導体基板を製造した。このAlInSb層の膜厚は700nmであった。このようにして形成された試料(AlInSb層)について、XRD測定を用いてAl組成を調査したところ、Al組成は70%であり、ωスキャンロッキングカーブから算出される半値幅は1800arcsecであった。この試料(AlInSb層)についてSIMS測定を行ったところ、水素原子が2×1019cm-3、炭素原子が5×1018cm-3、窒素原子が3×1018cm-3であった。この試料(AlInSb層)の表面についてAFM測定を行ったところ、平均二乗粗さは3.0nmであった。実施例4において得られた化合物半導体基板は、式(1)(2)を満たしていた。
(Example 4)
A compound semiconductor substrate was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the raw material ratio of Al to In was Al / (Al + In) = 0.90 when AlInSb was formed. The film thickness of this AlInSb layer was 700 nm. The Al composition of the sample (AlInSb layer) thus formed was examined using XRD measurement to find that the Al composition was 70% and the half width calculated from the ω scan rocking curve was 1800 arcsec. SIMS measurement of this sample (AlInSb layer) showed that hydrogen atoms were 2 × 10 19 cm −3 , carbon atoms were 5 × 10 18 cm −3 , and nitrogen atoms were 3 × 10 18 cm −3 . When AFM measurement was performed on the surface of this sample (AlInSb layer), the mean square roughness was 3.0 nm. The compound semiconductor substrate obtained in Example 4 satisfied the formulas (1) and (2).
(実施例5)
AlInSb形成時の基板温度を420℃とした以外は、実施例1と同様の方法で化合物半導体基板を製造した。このAlInSb層の膜厚は700nmであった。このようにして形成された試料(AlInSb層)について、XRD測定を用いてAl組成を調査したところ、Al組成は3%であり、ωスキャンロッキングカーブから算出される半値幅は230arcsecであった。この試料(AlInSb層)についてSIMS測定を行ったところ、水素原子が2×1017cm-3、炭素原子が5×1016cm-3、窒素原子が2×1017cm-3であった。この試料(AlInSb層)の表面についてAFM測定を行ったところ、平均二乗粗さは0.2nmであった。実施例5において得られた化合物半導体基板は、式(1)を満たしていた。
(Example 5)
A compound semiconductor substrate was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the substrate temperature at the formation of AlInSb was 420 ° C. The film thickness of this AlInSb layer was 700 nm. The Al composition of the sample thus formed (AlInSb layer) was examined using XRD measurement, and the Al composition was 3%, and the half width calculated from the ω scan rocking curve was 230 arcsec. SIMS measurement was performed on this sample (AlInSb layer) to find that hydrogen atoms were 2 × 10 17 cm −3 ,
(実施例6)
AlInSb形成時の基板温度を525℃とした以外は、実施例1と同様の方法で化合物半導体基板を製造した。このAlInSb層の膜厚は700nmであった。このようにして形成された試料(AlInSb層)について、XRD測定を用いてAl組成を調査したところ、Al組成は25%であり、ωスキャンロッキングカーブから算出される半値幅は720arcsecであった。この試料(AlInSb層)についてSIMS測定を行ったところ、水素原子が3×1018cm-3、炭素原子が9×1016cm-3、窒素原子が8×1017cm-3であった。この試料(AlInSb層)の表面についてAFM測定を行ったところ、平均二乗粗さは0.4nmであった。実施例6において得られた化合物半導体基板は、式(1)(2)を満たしていた。
(Example 6)
A compound semiconductor substrate was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the substrate temperature was 525 ° C. when AlInSb was formed. The film thickness of this AlInSb layer was 700 nm. The Al composition of the sample (AlInSb layer) thus formed was examined using XRD measurement, and the Al composition was 25%, and the half width calculated from the ω scan rocking curve was 720 arcsec. SIMS measurement was performed on this sample (AlInSb layer) to find that hydrogen atoms were 3 × 10 18 cm −3 , carbon atoms were 9 × 10 16 cm −3 , and nitrogen atoms were 8 × 10 17 cm −3 . When AFM measurement was performed on the surface of this sample (AlInSb layer), the mean square roughness was 0.4 nm. The compound semiconductor substrate obtained in Example 6 satisfied the formulas (1) and (2).
(実施例7)
閃亜鉛鉱型である半絶縁GaAs基板を用意した。この半絶縁GaAs基板の電気抵抗率は8×107Ωcmである。この半絶縁GaAs基板上に、基板温度340℃においてInSbの原料としてトリメチルインジウム(TMIn)、トリスジメチルアミノアンチモン(TDMASb)を供給して、第1の化合物半導体層としてInSb層を形成した。このInSb層の形成には、MOCVD装置を用いた。
このInSb層上に、基板温度500℃においてAlInSbの原料として、トリターシャリーブチルアルミニウム(TTBAl)、トリメチルインジウム(TMIn)、トリメチルアンチモン(TMSb)を供給して、第2の化合物半導体層としてAlInSb層を形成した。このAlInSb層の形成には、MOCVD装置を用いた。このAlInSb層を成長させる際に、AlとInの原料比がAl/(Al+In)=0.50となるようなAl原料をIn原料とSb原料と共に供給した。1分間の成長の後に、AlInSb層の各元素比率を決める所望の供給量であるAl/(Al+In)=0.70まで供給量を増加させた。
(Example 7)
A semi-insulated GaAs substrate of zinc blende type was prepared. The electrical resistivity of this semi-insulating GaAs substrate is 8 × 10 7 Ωcm. On this semi-insulating GaAs substrate, trimethylindium (TMIn) and trisdimethylaminoantimony (TDMACb) were supplied as a source of InSb at a substrate temperature of 340 ° C. to form an InSb layer as a first compound semiconductor layer. An MOCVD apparatus was used to form this InSb layer.
On this InSb layer, tributyl aluminum (TTBAl), trimethylindium (TMIn), trimethylantimony (TMSb) are supplied as a raw material of AlInSb at a substrate temperature of 500 ° C. to form an AlInSb layer as a second compound semiconductor layer. Formed. The MOCVD apparatus was used for formation of this AlInSb layer. When the AlInSb layer was grown, an Al source was supplied together with the In source and the Sb source such that the source ratio of Al to In was Al / (Al + In) = 0.50. After the growth for 1 minute, the supply amount was increased to Al / (Al + In) = 0.70, which is a desired supply amount for determining each element ratio of the AlInSb layer.
通常、原料はIII族、V族原料を族毎にそれぞれの配管で成長室まで供給するが、今回はTTBAlのみをブロックバルブを経由することなく、成長室直前まで単独で供給を行った。このAlInSb層の膜厚は700nmであった。
このようにして形成された試料(AlInSb層)について、XRD測定を用いてAl組成を調査したところ、Al組成は10%であり、ωスキャンロッキングカーブから算出される半値幅は400arcsecであった。この試料(AlInSb層)についてSIMS測定を行ったところ、水素原子が1×1019cm-3、炭素原子が3×1018cm-3、窒素原子が1×1015cm-3であった。この試料(AlInSb層)の表面についてAFM測定を行ったところ、平均二乗粗さは0.3nmであった。実施例7において得られた化合物半導体基板は、式(1)を満たしていた。
Usually, the raw materials are supplied to the growth chamber by group III and V materials by respective pipes to the growth chamber, but this time, only TTBAl alone was supplied to just before the growth chamber without passing through the block valve. The film thickness of this AlInSb layer was 700 nm.
The Al composition of the thus-formed sample (AlInSb layer) was examined using XRD measurement to find that the Al composition was 10% and the half width calculated from the ω scan rocking curve was 400 arcsec. SIMS measurement of this sample (AlInSb layer) showed that hydrogen atoms were 1 × 10 19 cm −3 , carbon atoms were 3 × 10 18 cm −3 , and nitrogen atoms were 1 × 10 15 cm −3 . When AFM measurement was performed on the surface of this sample (AlInSb layer), the mean square roughness was 0.3 nm. The compound semiconductor substrate obtained in Example 7 satisfied the formula (1).
(比較例1)
閃亜鉛鉱型である半絶縁GaAs基板を用意した。この半絶縁GaAs基板の電気抵抗率は8×107Ωcmである。この半絶縁GaAs基板上に、基板温度340℃においてInSbの原料としてトリメチルインジウム(TMIn)、トリスジメチルアミノアンチモン(TDMASb)を供給して、InSb層を形成した。このInSb層の形成には、MOCVD装置を用いた。
このInSb層上に、基板温度500℃においてAlInSbの原料として、トリターシャリーブチルアルミニウム(TTBAl)、トリメチルインジウム(TMIn)、トリスジメチルアミノアンチモン(TDMASb)を供給してAlInSb層を形成した。このAlInSb層の形成には、MOCVD装置を用いた。Al/(Al+In)=0.70となるようなAlとInの原料比で、AlInSb層を形成した。
(Comparative example 1)
A semi-insulated GaAs substrate of zinc blende type was prepared. The electrical resistivity of this semi-insulating GaAs substrate is 8 × 10 7 Ωcm. On this semi-insulating GaAs substrate, trimethylindium (TMIn) and trisdimethylaminoantimony (TDMASb) were supplied as a source of InSb at a substrate temperature of 340 ° C. to form an InSb layer. An MOCVD apparatus was used to form this InSb layer.
On this InSb layer, tributyl aluminum (TTBAl), trimethylindium (TMIn), trisdimethylaminoantimony (TDMASb) were supplied as a source of AlInSb at a substrate temperature of 500 ° C. to form an AlInSb layer. The MOCVD apparatus was used for formation of this AlInSb layer. An AlInSb layer was formed at a raw material ratio of Al and In such that Al / (Al + In) = 0.70.
通常、原料はIII族、V族原料を族毎にそれぞれの配管で成長室まで供給するが、今回はTTBAlのみをブロックバルブを経由することなく、成長室直前まで単独で供給を行った。このようにして形成された試料(AlInSb層)について、外観は白濁しており、XRD測定からAlInSbのピークを分離すること、ωスキャンロッキングカーブから半値幅を算出することは困難であった。また、この試料(AlInSb層)の表面は凹凸が大きいことから、正確な膜厚およびSIMS測定を行うことが困難であった。この試料(AlInSb層)の表面についてAFM測定を行ったところ、平均二乗粗さは15.0nmであった。 Usually, the raw materials are supplied to the growth chamber by group III and V materials by respective pipes to the growth chamber, but this time, only TTBAl alone was supplied to just before the growth chamber without passing through the block valve. The appearance of the sample (AlInSb layer) formed in this manner was cloudy, and it was difficult to separate the AlInSb peak from the XRD measurement and to calculate the half width from the ω scan rocking curve. In addition, since the surface of this sample (AlInSb layer) has large irregularities, it has been difficult to perform accurate film thickness and SIMS measurement. When AFM measurement was performed on the surface of this sample (AlInSb layer), the mean square roughness was 15.0 nm.
(比較例2)
閃亜鉛鉱型である半絶縁GaAs基板を用意した。この半絶縁GaAs基板の電気抵抗率は8×107Ωcmである。この半絶縁GaAs基板上に、基板温度340℃においてInSbの原料としてトリメチルインジウム(TMIn)、トリスジメチルアミノアンチモン(TDMASb)を用いて、InSb層を形成した。このInSb層の形成には、MOCVD装置を用いた。
このInSb層上に、基板温度535℃においてAlInSbの原料として、トリターシャリーブチルアルミニウム(TTBAl)、トリメチルインジウム(TMIn)、トリスジメチルアミノアンチモン(TDMASb)を供給してAlInSb層を形成した。このAlInSb層の形成には、MOCVD装置を用いた。このAlInSb層を成長させる際に、Al/(Al+In)=0.50となるようなAl原料をIn原料とSb原料と共に供給した。1分間の成長の後に、所望の原料比であるAl/(Al+In)=0.70まで、Alの供給量を増加させた。このときV/III比=5.0の条件で成膜を行った。
(Comparative example 2)
A semi-insulated GaAs substrate of zinc blende type was prepared. The electrical resistivity of this semi-insulating GaAs substrate is 8 × 10 7 Ωcm. An InSb layer was formed on this semi-insulating GaAs substrate at a substrate temperature of 340 ° C. using trimethylindium (TMIn) and trisdimethylaminoantimony (TDMASb) as a source of InSb. An MOCVD apparatus was used to form this InSb layer.
On this InSb layer, tributyl aluminum (TTBAl), trimethylindium (TMIn), trisdimethylaminoantimony (TDMASb) were supplied as a raw material of AlInSb at a substrate temperature of 535 ° C. to form an AlInSb layer. The MOCVD apparatus was used for formation of this AlInSb layer. When the AlInSb layer was grown, an Al source was supplied together with the In source and the Sb source such that Al / (Al + In) = 0.50. After 1 minute growth, the Al feed was increased to the desired feed ratio Al / (Al + In) = 0.70. At this time, film formation was performed under the condition of V / III ratio = 5.0.
通常、原料はIII族、V族原料を族毎にそれぞれの配管で成長室まで供給するが、今回はTTBAlのみをブロックバルブを経由することなく、成長室直前まで単独で供給を行った。
このようにして形成された試料(AlInSb層)について、外観は白濁しており、XRD測定からAlInSbのピークを分離すること、ωスキャンロッキングカーブから半値幅を算出することは困難であった。また、この試料(AlInSb層)の表面は凹凸が大きいことから、正確な膜厚およびSIMS測定を行うことが困難であった。この試料(AlInSb層)の表面についてAFM測定を行ったところ、平均二乗粗さは13.5nmであった。
Usually, the raw materials are supplied to the growth chamber by group III and V materials by respective pipes to the growth chamber, but this time, only TTBAl alone was supplied to just before the growth chamber without passing through the block valve.
The appearance of the sample (AlInSb layer) formed in this manner was cloudy, and it was difficult to separate the AlInSb peak from the XRD measurement and to calculate the half width from the ω scan rocking curve. In addition, since the surface of this sample (AlInSb layer) has large irregularities, it has been difficult to perform accurate film thickness and SIMS measurement. When AFM measurement was performed on the surface of this sample (AlInSb layer), the mean square roughness was 13.5 nm.
(比較例3)
閃亜鉛鉱型である半絶縁GaAs基板を用意した。この半絶縁GaAs基板の電気抵抗率は8×107Ωcmである。この半絶縁GaAs基板上に、基板温度340℃においてInSbの原料としてトリメチルインジウム(TMIn)、トリスジメチルアミノアンチモン(TDMASb)を用いて、InSb層を形成した。このInSb層の形成には、MOCVD装置を用いた。
このInSb層上に、基板温度400℃においてAlInSbの原料として、トリターシャリーブチルアルミニウム(TTBAl)、トリメチルインジウム(TMIn)、トリスジメチルアミノアンチモン(TDMASb)を供給してAlInSb層を形成した。このAlInSb層の形成には、MOCVD装置を用いた。このAlInSb層を成長させる際に、Al/(Al+In)=0.50となるようなAl原料をIn原料とSb原料と共に供給した。1分間の成長の後に、所望の原料比であるAl/(Al+In)=0.70まで供給量を増加させる。このときV/III比=5.0の条件で成膜を行った。
(Comparative example 3)
A semi-insulated GaAs substrate of zinc blende type was prepared. The electrical resistivity of this semi-insulating GaAs substrate is 8 × 10 7 Ωcm. An InSb layer was formed on this semi-insulating GaAs substrate at a substrate temperature of 340 ° C. using trimethylindium (TMIn) and trisdimethylaminoantimony (TDMASb) as a source of InSb. An MOCVD apparatus was used to form this InSb layer.
On this InSb layer, tributyl aluminum (TTBAl), trimethylindium (TMIn), trisdimethylaminoantimony (TDMASb) were supplied as a raw material of AlInSb at a substrate temperature of 400 ° C. to form an AlInSb layer. The MOCVD apparatus was used for formation of this AlInSb layer. When the AlInSb layer was grown, an Al source was supplied together with the In source and the Sb source such that Al / (Al + In) = 0.50. After 1 minute growth, the feed rate is increased to the desired feed ratio, Al / (Al + In) = 0.70. At this time, film formation was performed under the condition of V / III ratio = 5.0.
通常、原料はIII族、V族原料を族毎にそれぞれの配管で成長室まで供給するが、今回はTTBAlのみをブロックバルブを経由することなく、成長室直前まで単独で供給を行った。
このようにして形成された試料(AlInSb層)について、外観は白濁しており、XRD測定からAlInSbのピークを分離すること、ωスキャンロッキングカーブから半値幅を算出することは困難であった。また、この試料(AlInSb層)の表面は凹凸が大きいことから、正確な膜厚およびSIMS測定を行うことが困難であった。この試料(AlInSb層)の表面についてAFM測定を行ったところ、平均二乗粗さは10.5nmであった。
Usually, the raw materials are supplied to the growth chamber by group III and V materials by respective pipes to the growth chamber, but this time, only TTBAl alone was supplied to just before the growth chamber without passing through the block valve.
The appearance of the sample (AlInSb layer) formed in this manner was cloudy, and it was difficult to separate the AlInSb peak from the XRD measurement and to calculate the half width from the ω scan rocking curve. In addition, since the surface of this sample (AlInSb layer) has large irregularities, it has been difficult to perform accurate film thickness and SIMS measurement. When AFM measurement was performed on the surface of this sample (AlInSb layer), the mean square roughness was 10.5 nm.
(比較例4)
閃亜鉛鉱型である半絶縁GaAs基板を用意した。この半絶縁GaAs基板の電気抵抗率は8×107Ωcmである。この半絶縁GaAs基板上に、基板温度340℃においてInSbの原料としてトリメチルインジウム(TMIn)、トリスジメチルアミノアンチモン(TDMASb)を用いて、InSb層を形成した。このInSb層の形成には、MOCVD装置を用いた。
このInSb層上に、基板温度500℃においてAlInSbの原料として、トリターシャリーブチルアルミニウム(TTBAl)、トリメチルインジウム(TMIn)、トリスジメチルアミノアンチモン(TDMASb)を供給してAlInSb層を形成した。
このAlInSb層の形成には、MOCVD装置を用いた。このAlInSb層を成長させる際に、Al/(Al+In)=0.50となるようなAl原料をIn原料とSb原料と共に供給した。1分間の成長の後に、所望の原料比であるAl/(Al+In)=0.92までAl原料の供給量を増加させる。このときV/III比=5.0の条件で成膜を行った。
(Comparative example 4)
A semi-insulated GaAs substrate of zinc blende type was prepared. The electrical resistivity of this semi-insulating GaAs substrate is 8 × 10 7 Ωcm. An InSb layer was formed on this semi-insulating GaAs substrate at a substrate temperature of 340 ° C. using trimethylindium (TMIn) and trisdimethylaminoantimony (TDMASb) as a source of InSb. An MOCVD apparatus was used to form this InSb layer.
On this InSb layer, tributyl aluminum (TTBAl), trimethylindium (TMIn), trisdimethylaminoantimony (TDMASb) were supplied as a source of AlInSb at a substrate temperature of 500 ° C. to form an AlInSb layer.
The MOCVD apparatus was used for formation of this AlInSb layer. When the AlInSb layer was grown, an Al source was supplied together with the In source and the Sb source such that Al / (Al + In) = 0.50. After 1 minute growth, the feed of Al source is increased to the desired source ratio Al / (Al + In) = 0.92. At this time, film formation was performed under the condition of V / III ratio = 5.0.
通常、原料はIII族、V族原料を族毎にそれぞれの配管で成長室まで供給するが、今回はTTBAlのみをブロックバルブを経由することなく、成長室直前まで単独で供給を行った。
このようにして形成された試料(AlInSb層)について、外観は白濁しており、XRD測定からAlInSbのピークを分離すること、ωスキャンロッキングカーブから半値幅を算出することは困難であったためXRFによるAl組成測定を行ったところ、Al組成が75%であることを算出した。また、この試料(AlInSb層)の表面は凹凸が大きいことから、正確な膜厚およびSIMS測定を行うことが困難であった。この試料(AlInSb層)の表面についてAFM測定を行ったところ、平均二乗粗さは12.5nmであった。
Usually, the raw materials are supplied to the growth chamber by group III and V materials by respective pipes to the growth chamber, but this time, only TTBAl alone was supplied to just before the growth chamber without passing through the block valve.
The appearance of the sample (AlInSb layer) formed in this way is cloudy, and it was difficult to separate the peak of AlInSb from the XRD measurement and to calculate the half width from the ω scan rocking curve, which is based on XRF When the Al composition was measured, it was calculated that the Al composition was 75%. In addition, since the surface of this sample (AlInSb layer) has large irregularities, it has been difficult to perform accurate film thickness and SIMS measurement. When AFM measurement was performed on the surface of this sample (AlInSb layer), the mean square roughness was 12.5 nm.
(比較例5)
閃亜鉛鉱型である半絶縁GaAs基板を用意した。この半絶縁GaAs基板の電気抵抗率は8×107Ωcmである。この半絶縁GaAs基板上に、基板温度350℃においてV/III比=4.0の条件で第1の化合物半導体層としてInSb層を形成した。このInSb層の形成には、MBE装置を用いた。このInSb層の膜厚は700nmであった。このInSb層上に、基板温度350℃においてAlInSb層を形成した。
このAlInSb層の形成には、MBE装置を用いた。このAlInSb層を成長させる際に、Al/(Al+In)=0.08となるようなAl原料をIn原料とSb原料と共に供給した。このときV/III比=4.0の条件で成膜を行った。このAlInSb層の膜厚は700nmであった。
(Comparative example 5)
A semi-insulated GaAs substrate of zinc blende type was prepared. The electrical resistivity of this semi-insulating GaAs substrate is 8 × 10 7 Ωcm. On this semi-insulating GaAs substrate, an InSb layer was formed as a first compound semiconductor layer under the condition of V / III ratio = 4.0 at a substrate temperature of 350.degree. An MBE apparatus was used to form this InSb layer. The film thickness of this InSb layer was 700 nm. An AlInSb layer was formed on the InSb layer at a substrate temperature of 350.degree.
An MBE apparatus was used to form this AlInSb layer. When the AlInSb layer was grown, an Al source was supplied together with the In source and the Sb source such that Al / (Al + In) = 0.08. At this time, film formation was performed under the condition of V / III ratio = 4.0. The film thickness of this AlInSb layer was 700 nm.
このようにして形成された試料(AlInSb層)について、XRD測定を用いてAl組成を調査したところ、Al組成は8%であり、ωスキャンロッキングカーブから算出される半値幅は475arcsecであった。この試料(AlInSb層)についてSIMS測定を行ったところ、水素原子、炭素原子、窒素原子がそれぞれ1×1015未満であることを確認した。この試料(AlInSb層)の表面についてAFM測定を行ったところ、平均二乗粗さは0.1nmであった。比較例5において得られた化合物半導体基板は、式(1)を満たしていなかった。 The Al composition of the sample (AlInSb layer) thus formed was examined using XRD measurement to find that the Al composition was 8% and the half width calculated from the ω scan rocking curve was 475 arcsec. When SIMS measurement was performed on this sample (AlInSb layer), it was confirmed that hydrogen atoms, carbon atoms, and nitrogen atoms were each less than 1 × 10 15 . When AFM measurement was performed on the surface of this sample (AlInSb layer), the mean square roughness was 0.1 nm. The compound semiconductor substrate obtained in Comparative Example 5 did not satisfy Formula (1).
(比較例6)
AlInSb層を成長させる際に、Al/(Al+In)=0.25となるようなAl原料量に変更した以外は比較例5と同様の方法で化合物半導体基板を製造した。このようにして形成された試料(AlInSb層)について、XRD測定を用いてAl組成を調査したところ、Al組成は25%であり、ωスキャンロッキングカーブから算出される半値幅は1400arcsecであった。この試料(AlInSb層)についてSIMS測定を行ったところ、水素原子、炭素原子、窒素原子がそれぞれ1×1015未満であることを確認した。この試料(AlInSb層)の表面についてAFM測定を行ったところ、平均二乗粗さは1.0nmであった。比較例6において得られた化合物半導体基板は、式(1)(2)を満たしていなかった。
(Comparative example 6)
When growing the AlInSb layer, a compound semiconductor substrate was manufactured in the same manner as in Comparative Example 5 except that the amount of Al raw material was changed to Al / (Al + In) = 0.25. The Al composition of the sample (AlInSb layer) thus formed was examined using XRD measurement to find that the Al composition was 25% and the half width calculated from the ω scan rocking curve was 1400 arcsec. When SIMS measurement was performed on this sample (AlInSb layer), it was confirmed that hydrogen atoms, carbon atoms, and nitrogen atoms were each less than 1 × 10 15 . When AFM measurement was performed on the surface of this sample (AlInSb layer), the mean square roughness was 1.0 nm. The compound semiconductor substrate obtained in Comparative Example 6 did not satisfy the formulas (1) and (2).
(結果)
上記実施例1〜7および比較例1〜6の製造方法の条件および得られた化合物半導体基板の測定結果を表1に示す。
(result)
The conditions of the manufacturing methods of Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 6 and the measurement results of the obtained compound semiconductor substrates are shown in Table 1.
上述した実施例・比較例および表1より、例えば以下のことが理解される。
(1)実施例1〜7は、表面温度420℃以上525℃以下において、In原料とSb原料に加えて、供給量を連続的および/または段階的に増やしながらAl原料を供給し、Al原料の供給量を増やした後でIn原料とSb原料とAl原料の各供給量を一定にすることによりAlInSb層を形成した。実施例1〜7によれば、Al原料を常に一定に供給した比較例1や、表面温度535℃とした比較例2、表面温度を400℃とした比較例3と比較して、良好な結晶性を示し、かつ表面平坦性に優れたAlInSb層を含む化合物半導体基板が得られた。
(2)MOCVDを用いた実施例1〜7(特に実施例3,4,6)によれば、従来方法のMBEでは良好な結晶性を保つのが困難であったAl組成比が20%以上のAlInSb層(比較例6)と比較して、良好な結晶性のAlInSb層を含む化合物半導体基板が得られた。
From the example and comparative example described above and Table 1, the following can be understood, for example.
(1) In Examples 1 to 7, in addition to the In raw material and the Sb raw material at a surface temperature of 420 ° C. or more and 525 ° C. or less, the Al raw material is supplied while continuously and / or stepwise increasing the supply amount. After increasing the supply amount of Al, the AlInSb layer was formed by making the supply amounts of the In raw material, the Sb raw material and the Al raw material constant. According to Examples 1 to 7, good crystals are obtained as compared with Comparative Example 1 in which the Al raw material is always supplied constantly, Comparative Example 2 in which the surface temperature is 535 ° C., and Comparative Example 3 in which the surface temperature is 400 ° C. Thus, a compound semiconductor substrate including an AlInSb layer exhibiting excellent properties and excellent surface flatness was obtained.
(2) According to Examples 1 to 7 (especially Examples 3, 4 and 6) using MOCVD, the Al composition ratio which is difficult to maintain good crystallinity by MBE of the conventional method is 20% or more. In comparison with the AlInSb layer of Comparative Example 6 (Comparative Example 6), a compound semiconductor substrate including an AlInSb layer of good crystallinity was obtained.
本発明は、磁気センサ、高速デバイス、IRセンサなどのデバイス等に応用される化合物半導体基板の製造方法および化合物半導体基板として好適である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is suitable as a compound semiconductor substrate manufacturing method and compound semiconductor substrate applied to devices such as magnetic sensors, high-speed devices, IR sensors, and the like.
1 基板
11 第1化合物半導体層
21 第2化合物半導体層
51 成長室
52 ステージ
53 排気用配管
54 排気ポンプ
60 供給ライン
61 In用配管
62 Sb用配管
63 Al用配管
Reference Signs List 1 substrate 11 first
Claims (3)
前記基板上に形成された、InとSbとを含み、Alを含まない第1の化合物半導体層と、
前記第1の化合物半導体層上に形成された、AlとInとSbとを含む第2の化合物半導体層とを備え、
前記第2の化合物半導体層に含まれる水素原子が1×1015cm-3以上5×1019cm-3以下であり、
前記第2の化合物半導体層に含まれる炭素原子が1×1015cm-3以上5×1018cm-3以下であり、
前記第2の化合物半導体層に含まれる窒素原子が1×1015cm-3以上5×1018cm-3以下であり、
前記第2の化合物半導体層の表面の平均二乗粗さRrmsが、0.1nm以上10nm以下である化合物半導体基板。 A substrate,
A first compound semiconductor layer formed on the substrate and containing In and Sb and not containing Al;
And a second compound semiconductor layer formed on the first compound semiconductor layer, the second compound semiconductor layer containing Al, In, and Sb,
The hydrogen atom contained in the second compound semiconductor layer is 1 × 10 15 cm −3 or more and 5 × 10 19 cm −3 or less,
The carbon atom contained in the second compound semiconductor layer is 1 × 10 15 cm −3 or more and 5 × 10 18 cm −3 or less,
The nitrogen atom contained in the second compound semiconductor layer is 1 × 10 15 cm −3 or more and 5 × 10 18 cm −3 or less,
The compound semiconductor substrate whose mean square roughness Rrms of the surface of a said 2nd compound semiconductor layer is 0.1 nm or more and 10 nm or less.
前記第2の化合物半導体層のX線回折によるωスキャンロッキングカーブ測定から算出される半値幅FWHMが、下記式(1)で算出される範囲である請求項1に記載の化合物半導体基板。
a×Al組成比[%]+{−90×ln(t)+730}[arcsec]
≦FWHM[arcsec]≦a×Al組成比[%]+{−90×ln(t)+830}[arcsec]・・・(1)
(a=23.5[arcsec/%]、t=第2の化合物半導体層膜厚(nm)) The Al composition ratio is 0.1% or more and 70% or less with respect to the total amount of group III elements of the second compound semiconductor layer,
The compound semiconductor substrate according to claim 1, wherein the half width FWHM calculated from the ω scan rocking curve measurement of the second compound semiconductor layer by X-ray diffraction is a range calculated by the following formula (1).
a × Al composition ratio [%] + {− 90 × ln (t) +730} [arcsec]
≦ FWHM [arcsec] ≦ a × Al composition ratio [%] + {− 90 × ln (t) +830} [arcsec] (1)
(A = 23.5 [arcsec /%], t = second compound semiconductor layer thickness (nm))
前記第2の化合物半導体層のX線回折によるωスキャンロッキングカーブ測定から算出される半値幅FWHMが、下記式(2)を満たす請求項1に記載の化合物半導体基板。
FWHM[arcsec]≦a×Al組成比[%]+{−90×ln(t)+830}[arcsec]・・・(2)
(a=23.5[arcsec/%]、t=第2の化合物半導体層膜厚(nm)) The Al composition ratio is 20% or more and 70% or less with respect to the total amount of group III elements in the second compound semiconductor layer.
The compound semiconductor substrate according to claim 1, wherein a half width FWHM calculated from measurement of ω scan rocking curve by X-ray diffraction of the second compound semiconductor layer satisfies the following formula (2).
FWHM [arcsec] ≦ a × Al composition ratio [%] + {− 90 × ln (t) +830} [arcsec] (2)
(A = 23.5 [arcsec /%], t = second compound semiconductor layer thickness (nm))
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