TWI529965B - Semiconductor epitaxial substrate - Google Patents
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Description
本發明是關於一種於成長用基板上經由傾斜緩衝層磊晶成長具有與成長用基板不相同的晶格常數的半導體層所成的半導體磊晶基板。
近年來，在至1.7μm附近為止具有靈敏度的近紅外線感測器，使用於作為成長用基板的InP基板上成長具有與InP基板相等的晶格常數(5.8688Å)的InGaAs結晶所構成的光吸收層的半導體磊晶基板。此種半導體磊晶基板是例如利用有機金屬氣相成長法(MOCVD：Metal Organic Chemical Vapor Deposition)或氫化物氣相成長法(HVPE：Hydride Vapor Phase Epitaxy)等磊晶成長法所製造。
一方面，在比上述還要長波長的1.9~2.6μm附近具有靈敏度的近紅外線感測器中，必須要有具有比InP基板還要大的晶格常數(例如5.87~6.00Å)的InGaAs所構成的光吸收層。如此地，將具有與成長用基板不相同的晶格常數的半導體層作為光吸收層予以成長時，則有錯位差排等晶格缺陷發生於成長用基板與半導體層之界面，而在半導體層中也傳播晶格缺陷。又，若有高密度的晶格缺陷存在於光吸收層，則近紅外線感測器的性能顯著地降低。
所以，將具有比InP基板還要大的晶格常數的
InGaAs作為光吸收層時，於InP基板與InGaAs光吸收層之間，介裝從InP基板的晶格常數至InGaAs光吸收層的晶格常數使得晶格常數階段式地變大的傾斜緩衝層[例如InAsxP1-x(0≦x≦1)]，以防止晶格缺陷傳播至InGaAs光吸收層(例如專利文獻1、2)。
又，一般進行使用主面呈傾斜的成長用基板(例如2°偏離基板)，於此成長用基板上磊晶成長半導體層(例如非專利文獻1)。
專利文獻1：日本專利第3285981號公報
專利文獻2：日本特開2004-319765號公報
非專利文獻1：M. A. di Forte-Poisoon et al., J. Cryst. Growth 124 (1992) 782
然而，利用MOCVD法進行磊晶成長半導體層(例如InGaAs光吸收層)時，一般係使用(100)面的成長用基板。然而，清楚得知若於此種成長用基板上，成長具有比成長用基板還要大的晶格常數的傾斜緩衝層時，會在成長結晶中發生多數個結晶軸與成長用基板稍微不相同的微小
領域，而形成由此種微小領域的集合所成的嵌鑲構造。發生此嵌鑲構造是成為導致結晶中的晶格缺陷增加，化合物半導體結晶的品質降低的主要原因。
本發明之目的在提供於成長用基板上經由傾斜緩衝層磊晶成長具有與成長用基板不相同的晶格常數的半導體層所成的半導體磊晶基板，且為半導體層的嵌鑲性低、且適用於半導體元件的製作的半導體磊晶基板。
申請專利範圍第1項所述的發明，是為了達成上述目的而創作者，一種半導體磊晶基板，在具有第1晶格常數的半導體基板上，磊晶成長：以在上述第1晶格常數及比上述第1晶格常數還要大的第2晶格常數的範圍使晶格常數階段式地增加的方式使組成傾斜的傾斜緩衝層；及由具有上述第2晶格常數的半導體結晶所構成的半導體層所成的半導體磊晶基板，其特徵為：上述半導體層的(mnn)面(m、n是整數，但是，m=n=0除外)、及上述半導體基板的(mnn)面所成的角度，當從[100]方向朝[011]方向順時鐘方向進行旋轉的方向設為正時，成為+0.05°以上。
申請專利範圍第2項所述的發明是在申請專利範圍第
第1項所述的半導體磊晶基板中，上述半導體基板為以InP所構成，上述傾斜緩衝層為以InAsP所構成，上述半導體層為以InGaAs所構成。
依照本發明的半導體磊晶基板，半導體層的嵌鑲性低且結晶性極高之故，因而可顯著地提高紅外線感測器等半導體元件的性能。
以下，依據圖式來說明本發明的實施形態。
第1圖是表示將本發明的半導體磊晶基板適用於光電二極體時的積層構造的圖式。
如第1圖所示地，實施形態的半導體磊晶基板1是具有於InP基板11上，依次形成有InAsP傾斜緩衝層12、InAsP緩衝層13、InGaAs光吸收層14、InAsP窗層15的積層構造。
又，InGaAs光吸收層14的(5-1-1)面、與InP基板11的(5-1-1)面所成的角度，當從[100]方向朝[011]方向順時鐘方向進行旋轉的方向設為正時，成為+0.05°以上。在以下，針對於InGaAs光吸收層14的(5-1-1)面與InP基板11的(5-1-1)面所成的角度，同樣地記載從[100]方向朝[011]方向順時鐘方向進行旋轉的方向設為正者。
在此，InGaAs光吸收層14的(5-1-1)面、與InP基板11的(5-1-1)面所成的角度，是以圖示於第2圖的逆晶格空間的角度α所表示。亦即，由InP基板1的(5-1-1)面的逆晶格點的座標、與InGaAs光吸收層14的(5-1-1)面的逆晶格點的座標被算出。
在實施例中，製作第1圖所示的半導體磊晶基板1之際，使用具有使(100)面朝[110]方向以偏離角1°、2°、3°、5°傾斜的主面的InP基板11(晶格常數：5.8688Å)，於此InP基板11上藉由MOCVD法依次地磊晶成長晶格應變系的半導體層12~15。此時，在半導體層12~15的原料，使用AsH3、PH3、TMIn、TMGa，將成長壓力設為50Torr，將成長溫度設為600~670℃。
首先，於InP基板11上，成長以晶格常數逐漸增大的方式調整As的組成x的複數InAsxP1-x層所成的傾斜緩衝層12。具體而言，將As的組成x設為0.05~0.60，藉此使得傾斜緩衝層12的晶格常數在從InP基板11的晶格常數(第1晶格常數)的5.8688Å至InGaAs光吸收層14的晶格常數(第2晶格常數)的5.9852Å為止的範圍階段性地增加。
又，於此傾斜緩衝層12上，依次地成長As的組成x為0.6程度的InAsxP1-x緩衝層13(晶格常數：5.9880Å)、In的組成y為0.82程度的InyGa1-yAs光吸收層14(晶
格常數：5.9852Å)、As的組成x為0.6程度的InAsxP1-x窗層15，來製作半導體磊晶基板1。
又，InAsP傾斜緩衝層12的厚度是作成0.3~1μm程度，InAsP緩衝層13的膜厚是作成0.5~5μm，InGaAs光吸收層14的膜厚是作成1~5μm，InAsP窗層15的膜厚是作成0.5~3μm。
在比較例中，製作第1圖所示的半導體磊晶基板1之際，使用具有使(100)面朝[110]方向以偏離角0°、0.5°傾斜的主面的InP基板11(晶格常數：5.8688Å)，於此InP基板11上藉由MOCVD法依次地磊晶成長晶格應變系的半導體層12~15。具體的成長條件是作成與實施例同樣。
第3圖是表示在實施例所製作的半導體磊晶基板1的(5-1-1)面的逆晶格映射的一例子的圖式，第4圖是表示以比較例所製作的半導體磊晶基板1的(5-1-1)面的逆晶格映射的一例子的圖式。
在第3圖中表示針對於偏離角2°的InP基板11上磊晶成長半導體層12~15的半導體磊晶基板1的逆晶格映射，而在第4圖中表示針對於偏離角0° InP基板11上磊晶成長半導體層12~15的半導體磊晶基板1的逆晶格映射。又，在第3、4圖中，將(011)面的逆晶格向量作為X軸方向，並將(100)面的逆晶格向量作為Y軸方向，
刻度軸是作成相同，俾以可比較逆晶格點的擴展。
若依逆晶格映射法，由逆晶格點的座標(逆晶格向量的大小)可知結晶面的面間隔與結晶方位，又由不相同的結晶面的逆晶格點的座標可知此些結晶面所成的角度。又，在試料的結晶性不好時，逆晶格點的擴展會變大，因而也可知結晶性之良否。
例如，針對於半導體磊晶基板，測定作為非對稱面的(5-1-1)面的逆晶格映射時，由逆晶格點的座標可知結晶的成長方向(基板的法線方向)的(500)面的面間隔、及平行於基板的方向的(0-1-1)面的面間隔、以及(500)面與(0-1-1)面所成的角度。又，由此些的面間隔等的資訊，可推定所成長的結晶的晶格緩和的程度等。
又，若為無缺陷的理想性的結晶，則無逆晶格點的擴展而成為圓形的光點狀的逆晶格映射，另一方面，若有微妙地朝著各式各樣的方向的微小結晶的集合亦即嵌鑲構造，則逆晶格向量也微妙地朝著各式各樣的方向，因而成為逆晶格點的擴展大的橢圓狀的逆晶格映射。
如第3、4圖所示地，在以實施例所製作的半導體磊晶基板1中，與以比較例所製作的半導體磊晶基板1相比較，顯然地可知逆晶格點的長軸方向(橫方向)的擴展小，且結晶性提昇(嵌鑲性變低)。
雖省略圖示，惟即使使用實施例的偏離角1°、3°、5°的InP基板11的半導體磊晶基板1也成為與第3圖同樣的結果，被確認有良好嵌鑲性。對此，在使用比較例的偏
離角0.5°的InP基板11的半導體磊晶基板1也成為與第4圖同樣的結果，嵌鑲性劣化。
此為，於成長用基板(InP基板11)上，成長晶格常數比此成長用基板還要大的半導體層(InGaAs光吸收層14)時，若使用偏離角小(例如0°、0.5°)的成長用基板，則成長於成長用基板上的晶格常數較大的結晶層，是在其微小領域，結晶方位朝著各式各樣的方向成為嵌鑲構造，惟若使用具某種程度的偏離角(例如1°以上)的成長用基板，則表示成長結晶的方位對於成長用基板配向於某一定的方向。
亦即，若在成長用基板上，成長比其成長用基板還要大的晶格常數的半導體層時，則半導體層的膜厚到達至臨界膜厚為止係一面進行晶格變形一面強迫地成長，惟若超過臨界膜厚，則發生結晶缺陷等，而應變能量被緩和。
此時，如比較例般在成長於偏離角0°的成長用基板上的半導體層中，微小領域的結晶是朝著任何方向均在能量上為等價，因而其面方向會朝著分散的方向，如第4圖所示地逆晶格點的擴展變大。
一方面，如實施例般使用偏離角2°的成長用基板時，如第3圖地逆晶格點之擴展變小。亦即，使用偏離角0°的成長用基板時使得成長結晶朝著分散的方向成長而形成嵌鑲構造，而在使用偏離角2°的成長用基板時，可謂為朝某一定方向一齊成長。
在此，須特別加以說明，在比較例的半導體磊晶基板
1中，半導體層12~15的(5-1-1)面的各逆晶格點位於連結InP基板11的(5-1-1)面的逆晶格點與逆晶格空間的原點的直線L上(參照第4圖)，相對於此，在實施例的半導體磊晶基板1中，半導體層12~15的(5-1-1)面的各逆晶格點位於由直線L偏離的位置(參照第3圖)。
解析之結果，在比較例的半導體磊晶基板1中，InGaAs光吸收層14的(5-1-1)面與InP基板11的(5-1-1)面所成的角度為-0.07~+003°，相對於此，在實施例的半導體磊晶基板1中，為+0.05~+0.72°。
第5圖是表示針對於以實施例及比較例所製作的半導體磊晶基板1，InGaAs光吸收層14的(5-1-1)面與InP基板11的(5-1-1)面所成之角度α、及InGaAs光吸收層14的逆晶格點的半值寬之關係的圖式。
如第5圖所示地，隨著角度α的增加，半值寬會減少，尤其是，若角度α為0.05°以上，則半值寬比1.5×10-3a.u.還要小，而成為極為良好的結晶性。
第6圖是表示針對於以實施例及比較例所製作的半導體磊晶基板1，InGaAs光吸收層14的(5-1-1)面與InP基板11的(5-1-1)面所成之角度α、及表示光學性品質的PL強度之關係的圖式。
如第6圖所示地，在角度α為0.05°以上，與0.05°以下比較，PL強度增加2~3成，由光學性品質的觀點來看亦可知形成有結晶性提昇且高品質的半導體層。
亦即，在InGaAs光吸收層14的(5-1-1)面與InP
基板11的(5-1-1)面所成的角度，當從[100]方向朝[011]方向順時鐘方向旋轉的方向設為正時，則為+0.05°以上的半導體磊晶基板中，朝一定方向配向成長InGaAs光吸收層14，成為嵌鑲性低且以高品質的結晶所構成。因此，使用此半導體磊晶基板1，就可提昇紅外線感測器等半導體元件的性能。
又，InGaAs光吸收層14的(5-1-1)面與InP基板11的(5-1-1)面所成的角度，是對InP基板11的偏離角最受影響，惟並不僅依存於此。作為成長用基板使用偏離基板，為InGaAs光吸收層14的(5-1-1)面與InP基板11的(5-1-1)面所成的角度成為0.05°以上的一手法，例如以使用偏離角1°以上的InP基板11較佳。
以上，依據實施形態具體地說明藉由本發明人所創作的發明，惟本發明是並不被限定於上述實施形態者，在未超越其要旨的範圍可予以變更。
在實施形態中，針對於InP基板11上經由InAsP傾斜緩衝層12及InAsP緩衝層13成長InGaAs光吸收層14的情形進行說明，惟本發明是可適用於在具有第1晶格常數的半導體基板上，磊晶成長：以在第1晶格常數及比上述第1晶格常數還要大的第2晶格常數的範圍使晶格常數階段式地增加的方式使組成傾斜的傾斜緩衝層；及由具有第2晶格常數的半導體結晶所成的半導體層所構成的半導體磊晶基板。
例如，也可適用於在Si基板上成長晶格常數比Si還
要大的SixGe1-x傾斜緩衝層及SixGe1-x層的半導體磊晶基板，或是在GaAs基板上成長晶格常數比Ga還要大的InxAl1-xAs組成傾斜緩衝層及InxAl1-xAs層的半導體磊晶基板等。
又，在實施形態中，針對於InGaAs光吸收層14的(5-1-1)面與InP基板11的(5-1-1)面所成的角度成為0.05以上的情形進行說明，惟由結晶學上的考察，針對於作為如(311)面或(511)面、或是(711)面的非對稱面的(mnn)面(m、n是0≦m、n≦7的整數，但是m=n=0除外)，也可謂為同樣的情形。
亦即，本發明的半導體磊晶基板，其特徵為：半導體層的(mnn)面(m、n是整數，但是，m=n=0除外)、及半導體基板的(mnn)面所成的角度，當從[100]方向朝[011]方向順時鐘方向進行旋轉的方向設為正時，成為+0.05°以上。
這次所揭示的實施形態所有內容均為例示，應理解並非為具限制性者。本發明的範圍並非為上述的說明，而是藉由申請專利範圍所表示，意圖包括與申請專利範圍均等的涵意及範圍內的所有變更。
1‧‧‧半導體磊晶基板
11‧‧‧InP基板(具有第1晶格常數的半導體基板)
12‧‧‧InAsP傾斜緩衝層
13‧‧‧InAsP緩衝層
14‧‧‧InGaAs光吸收層(具有第2晶格常數的半導體層)
15‧‧‧InAsP窗層
第1圖是表示實施形態的半導體磊晶基板的積層構造的圖式。
第2圖是在逆晶格空間表示InGaAs光吸收層的(5-
1-1)面對於InP基板11的(5-1-1)面的傾斜角α的圖式。
第3圖是表示於偏離角2°的InP基板11上磊晶成長半導體層12~15的半導體磊晶基板1的逆晶格映射的圖式。
第4圖是表示於偏離角0°的InP基板11上磊晶成長半導體層12~15的半導體磊晶基板1的逆晶格映射的圖式。
第5圖是表示InGaAs光吸收層的(5-1-1)面與InP基板的(5-1-1)面所成的角α、及InGaAs光吸收層的逆晶格點的半值寬的關係的圖式。
第6圖是表示InGaAs光吸收層的(5-1-1)面與InP基板的(5-1-1)面所成的角度α、及表示光學性品質的PL(Photoluminescence)強度的關係的圖式。
Claims (2)
- 一種半導體磊晶基板，其係具備有：具有第1晶格常數且主面在相對(100)面朝[110]方向以1°以上、5°以下的範圍呈傾斜的半導體基板：積層複數在前述主面，各層的組成以隨著遠離前述主面，晶格常數由上述第1晶格常數階段式地增加至比上述第1晶格常數還要大的第2晶格常數的方式呈傾斜的傾斜緩衝層；及以具有上述第2晶格常數的半導體結晶形成在上述傾斜緩衝層的表面的光吸收層，該半導體磊晶基板之特徵為：上述半導體層的(mnn)面(m、n是整數，但是，m=n=0除外)、及上述半導體基板的(mnn)面所成的角度，當從[100]方向朝[011]方向順時針方向進行旋轉的方向設為正時，成為+0.05°以上，相對於具備有：具有第1晶格常數且主面相對(100)面為未傾斜的半導體基板、前述傾斜緩衝層、及前述吸收層的半導體磊晶基板所具有的相對PL強度，相對PL強度成為1.2以上、1.3以下。
- 如申請專利範圍第1項所述的半導體磊晶基板，其中，上述半導體基板為以InP所構成，上述傾斜緩衝層為以InAsP所構成，上述半導體層為以InGaAs所構成。
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