半導体装置、半導体装置の製造方法
【課題】 ｐ型不純物が隣接する半導体結晶層中へ拡散することを抑え、ひいては良好で安定した特性を持つ半導体装置を提供する。
【解決手段】 Ｐ−ＩｎＰ基板４０１と、Ｐ−ＩｎＰ基板４０１に格子整合し、かつ、ｐ型の不純物が注入されたｐ−ＺｎドープＩｎＰバッファ層４０２と、ｐ−ＺｎドープＩｎＰバッファ層４０２よりも上層にあって、Ｐ−ＩｎＰ基板４０１に格子整合し、かつ、ｐ型不純物、ｎ型不純物のいずれか一方を含むｎ−ＳｉドープＩｎＰクラッド層４０４、ｎ−ＳｉドープＩｎＧａＡｓキャップ層４０５と、を備え、ｎ−ＳｉドープＩｎＰクラッド層４０４、ｎ−ＳｉドープＩｎＧａＡｓキャップ層４０５に、Ｓｂを含ませる。
【解決手段】 Ｐ−ＩｎＰ基板４０１と、Ｐ−ＩｎＰ基板４０１に格子整合し、かつ、ｐ型の不純物が注入されたｐ−ＺｎドープＩｎＰバッファ層４０２と、ｐ−ＺｎドープＩｎＰバッファ層４０２よりも上層にあって、Ｐ−ＩｎＰ基板４０１に格子整合し、かつ、ｐ型不純物、ｎ型不純物のいずれか一方を含むｎ−ＳｉドープＩｎＰクラッド層４０４、ｎ−ＳｉドープＩｎＧａＡｓキャップ層４０５と、を備え、ｎ−ＳｉドープＩｎＰクラッド層４０４、ｎ−ＳｉドープＩｎＧａＡｓキャップ層４０５に、Ｓｂを含ませる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ、アバランシェフォトダイオード、ヘテロバイポーラトランジスタ等の化合物半導を利用した半導体装置、この半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、半導体レーザ、アバランシェフォトダイオード、ヘテロバイポーラトランジスタといった様々な化合物半導体素子が実用化されている。このような化合物半導体素子には、化合物半導体にｎ型、あるいはｐ型の不純物が注入された層を積層した層構成が使用されている。
【０００３】
図７は、上記した層構成の従来例を説明するための図であって、ｐ型のＩｎＰ基板上に作成された半導体レーザの層構成を示している。図７に示した層構成は、ｐ型のＩｎＰ基板１０１上にｐ型のＩｎＰバッファ層１０２、不純物が注入されていない状態のＩｎＧａＡｓＰ活性層１０３、ｎ型のＩｎＰクラッド層１０４、ｎ型の不純物がより高濃度に注入されたＩｎＧaＡｓキャップ層１０５が形成されている。このような層構成は、例えば、非特許文献１に記載されている。
【０００４】
なお、上記した各層において、ｐ型半導体にはｐ型不純物が注入されていて、ｎ型半導体にはｎ型不純物が注入されている。以降、ｐ型半導体には「ｐ−」を付して表記し、ｎ型半導体には「ｎ−」を付して表記する。さらに、不純物が注入されていない半導体には、「ｉ−」を付して表記するものとする。
【０００５】
また、図８は、他の従来技術の例として、ｎ−ＩｎＰ基板上に作成されたアバランシェフォトダイオードの層構成を示した図である。図８に示すように、アバランシェフォトダイオードの層構成では、ｎ−ＩｎＰ基板２０１上に、ｎ−ＩｎＰバッファ層２０２、ｎ−ＩｎＡｌＡｓバッファ層２０３、ｉ−ＩｎＡｌＡｓアバランシェ層２０４、ｐ−ＩｎＡｌＡｓ電荷制御層２０５、ｉ−ＩｎＡlＧａＡｓ遷移層２０６、ｉ−ＩｎＧａＡｓ吸収層２０７、ｉ−ＩｎＡlＧａＡｓ遷移層２０８、ｐ−ＩｎＡｌＡｓキャップ層２０９、ｐ−ＩｎＧａＡｓキャップ層２１０が順に形成されている。
【０００６】
上記した層構成は、例えば、非特許文献２に記載されている。なお、上記した層構成のうち、ｉ−ＩｎＡlＧａＡｓ遷移層２０６、ｉ−ＩｎＡlＧａＡｓ遷移層２０８には不純物が注入されていな化合物半導体層であるが、この半導体層に低濃度（1Ｅ16cm-3以下の濃度）のｐ型不純物を注入することも可能である。
【０００７】
さらに、図９は、他の従来技術として、不純物が注入されていない基板上に作成されたヘテロバイポーラトランジスタの層構成を示した図である。図９に示すように、ヘテロバイポーラトランジスタの層構成では、ｉ−ＩｎＰ基板３０１上に、ｎ−ＩｎＰサブコレクタ層３０２、ＩｎＰコレクタ層３０３、ｐ−ＩｎＧａＡｓベース層３０４、ｉ−ＩｎＧａＡｓスペーサ層３０５、ｎ−ＩｎＰエミッタ層３０６、ｎ−ＩｎＰキャップ層３０７、ｎ−ＩｎＧａＡｓキャップ層３０８が順に形成されている。このような従来技術は、例えば、非特許文献３に記載されている。
【０００８】
以上の従来技術は、いずれもｐ型不純物が注入された半導体層より上層にｎ型またはｐ型不純物が注入された半導体層を形成した場合、半導体層に含まれるｐ型不純物が隣接する半導体層の結晶層中に拡散し、素子特性を劣化させるという不具合がある。
【０００９】
具体的には、例えば図７に示した半導体レーザの層構成では、ｐ−ＩｎＰバッファ層１０２からｉ−ＩｎＧａＡｓＰ活性層１０３へのｐ型不純物の拡散が起こり、この拡散によって半導体レーザの発振しきい値電流及び動作電流が変動する。なお、この拡散は、ｎ−ＩｎＰクラッド層１０４、ｎ−ＩｎＧaＡｓキャップ層１０５が形成されている間に発生する。
【００１０】
また、図８に示したアバランシェフォトダイオードの層構成では、ｐ−ＩｎＡｌＡｓ電荷制御層２０５からｉ−ＩｎＡlＧａＡｓ遷移層２０６、ｉ−ＩｎＧａＡｓ吸収層２０７、ｉ−ＩｎＡｌＡｓアバランシェ層２０４へのｐ型不純物の拡散が起こる。この拡散により、アバランシェフォトダイオードのオン電圧及びブレークダウン電圧が変動する。なお、ｐ型不純物の拡散は、ｐ−ＩｎＡｌＡｓキャップ層２０９、ｐ−ＩｎＧａＡｓキャップ層２１０が形成されている間に発生する。
【００１１】
さらに、図９に示したヘテロバイポーラトランジスタの層構成では、ｐ−ＩｎＧａＡｓベース層３０４から、ｉ−ＩｎＧａＡｓスペーサ層３０５、ｎ−ＩｎＰエミッタ層３０６、ｎ−ＩｎＰコレクタ層３０３へのｐ型不純物拡散が発生する。ｐ型の不純物拡散により、ヘテロバイポーラトランジスタの電流利得が低減する。なお、このｐ型不純物の拡散は、ｎ−ＩｎＰエミッタ層３０６、ｎ−ＩｎＰキャップ層３０７、ｎ−ＩｎＧａＡｓキャップ層３０８が形成される間に発生する。
【００１２】
上記したｐ型不純物拡散を防ぐため、例えば、不純物を拡散させる化合物に、ｐ型不純物としてＣ（炭素）を用いる従来技術がある。炭素は、Ｖ族化合物半導体のサイトに入ってｐ型キャリアを発生するが、化合物半導体を構成する原子との結合力が強く、拡散が起きにくいドーパントとして知られている。この点は、例えば、非特許文献４に記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】Y. Ohkura, T. Kimura, T. Nishimura, K. Mizuguchi and T. Murotani,“Low Threshold FS-BH Laser on p-InP substrate Grown by All-MOCVD”, Electronics Letters, Vol. 28, No. 19, p1844, September 1992.
【００１４】
【非特許文献２】G. Karve, X. Zheng, X. Zhang, X. Li, N. Li, S. Wang, F. Ma, A. Holmes J., J. C. Campbell, G. S. Kinsey, J. C. Boisvert, T. D. Isshiki, R. Sudharsanan, D. S. Bethune and W. P. Risk, “Geier Mode Operation of an InGaAs-InAlAs Avalanche Photodiode”, Quntum Electronics, Vol. 39, No. 10, p1281, October 2003.
【００１５】
【非特許文献３】T. Kobayashi, K. Kurishima and U. Gosele,“Growth temperature dependence of Zn Diffusion in InP/InGaAs Heterojunction Bipolar Transistors Grown by Metal organic Chemical Vapor Deposition”, Journal of Crystal Growth, 146, p533, January 1995.
【非特許文献４】T. F. Kuech, M. A. Tishler, P.-J. Wang, G. Scilla, R. Potemski and F. Cardone,“Controlled Carbon Doping of GaAs by Metalorganic Vapor Phase Epitaxy”, Applied Physics Letters,53(14), p.1317, October 1988.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、炭素は、水素によって不活性化しやすく、プロセス中に活性化率が変動するという不具合がある。活性化率が変動しない他のｐ型不純物のうち、一般的に用いられる不純物には、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｍｇ等のＩＩ属元素がある。ただし、このような不純物には拡散の問題が生じることは前述したとおりである。
【００１７】
また、ｎ型不純物としては、Ｓｉが多く用いられている。Ｓｉは結晶の成長中にＩＩＩ族半導体化合物のサイトに入り、ｐ型、ｎ型のキャリアを発生させる。キャリアの発生が起こると、サイトに入ることが出来ないＩＩＩ族原子が発生し、発生した原子がＩＩＩ族インタースティシャルと呼ばれる欠陥となる。
【００１８】
上記したｐ型不純物の拡散は、ＩＩＩ族インタースティシャルが関連したｋｉｃｋ−ｏｕｔ機構やＩ−Ｓ(interstitial-substitutial)モデルによって説明される。なお、ｋｉｃｋ−ｏｕｔ機構やＩ−Ｓについては、例えば、「C. Y. Tai, J. Seiler and M. Geva,“Modeling of Zn Diffusion in InP/InGaAs Materials During MOVPE Growth”, 11th International Conference on Indium Phosphide and Related Materials, p.245, May 1999.」、「N. Fujii, T. Kimura, M. Tsugami, T. Sonoda, S. Takamiya and S. Mitsui,“Zn Diffusion Mechanism in n-GaAs/Zn-AlGaAs-Se-AlGaAs Structures”, Journal of Crystal Growth, 145, P.808, December 1994.」に記載されているように、周知であるからこれ以上の説明を省く。
【００１９】
これらのモデルによれば、ｐ型不純物の異常拡散は、ｎ型またはｐ型不純物が注入された層を成長する際に、発生したＩＩＩ族インタースティシャルが置換されながら結晶中に拡散し、ｐ型不純物が注入された層の不純物原子をサイトから格子間へ蹴り出すために発生すると考えられる。
【００２０】
つまり、ｐ型不純物が注入された半導体層より上層にｎ型またはｐ型不純物が注入された半導体層を形成する際に、ＩＩＩ族インタースティシャルの発生を抑制できれば、ｐ型不純物が隣接する化合物半導体結晶層中へ拡散することを抑制でき、素子特性も変化しないものと考えられる。ＩＩＩ族インタースティシャルの発生は、化合物半導体層の成長表面がＩＩＩ族リッチになっていることが原因であると考えられている。
【００２１】
ところで、Ｓｂ（アンチモン）は、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＩｎＳｂ等のＳｂ系化合物半導体のＶ族元素として用いられる材料である。また、この他、Ｓｂは、例えば、特開平１１−１２６９４５号公報に記載されているように、基板に格子整合されない歪み系結晶の成長を行う際に良好な結晶得るためのサーフアクタントとして利用されている。
【００２２】
また、最近では、Ｓｂ原料としてＴＭＳｂ（（ＣＨ3）3Ｓｂ）、Ａｓ原料としてアルシン（ＡｓＨ3）を用いたＩｎＡｌＡｓＳｂの結晶成長で、結晶中に混入するＳｂが非常に微量であるにも関わらず、その成長表面に過剰のＳｂが存在し、Ｖ族リッチの状態になっていることが知られている。この内容は、例えば、「H. Yokoyama, H. Sugiyama, Y. Oda. M. Sato, N. Watanabe and T. Kobayashi,“Metalorganic Vapor Phase Epitaxy Growth of InAlAsSb on InP”, Japanese Journal of Applied Physics, Vol.43, No.8A, p.5110, August 2004.」に記載されている。
【００２３】
本発明は、上記した点に鑑みてなされたものであって、化合物半導体の成長表面の状態をＩＩＩ族リッチの状態からＶ族リッチの状態に変化させてＩＩＩ族インタースティシャルの発生を抑制し、ｐ型不純物が隣接する半導体結晶層中へ拡散することを抑え、ひいては良好で安定した特性を持つ半導体装置、この半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
以上述べた課題を解決するため、請求項１に記載の半導体装置は、化合物半導体基板（例えば図１に示したＰ−ＩｎＰ基板４０１）と、前記化合物半導体基板に格子整合し、かつ、ｐ型の不純物が注入された第１化合物半導体結晶層（例えば図１に示したｐ−ＺｎドープＩｎＰバッファ層４０２）と、前記第１化合物半導体結晶層よりも上層にあって、前記化合物半導体基板に格子整合し、かつ、ｐ型不純物、ｎ型不純物のいずれか一方を含む第２化合物半導体結晶層（例えば図１に示したｎ−ＳｉドープＩｎＰクラッド層４０４、ｎ−ＳｉドープＩｎＧａＡｓキャップ層４０５）と、を備え、前記第２化合物半導体結晶層は、さらに、Ｓｂを含むことを特徴とする。
【００２５】
このような発明によれば、第２化合物半導体結晶におけるインタースティシャルの発生を抑制することができる。インタースティシャルの発生が抑制されると、第１化合物半導体中においてサイトから格子間へ蹴り出されるｐ型不純物の数が低減するので、第１化合物半導体に隣接する化合物半導体層へ拡散するｐ型不純物の数を低減することができる。したがって、請求項１発明によれば、ｐ型不純物が隣接する半導体結晶層中へ拡散することを抑え、ひいては良好で安定した特性を持つ半導体装置を提供することができる。
【００２６】
請求項２に記載の半導体装置は、請求項１に記載の発明において、前記第１化合物半導体結晶層の上層、及び下層の少なくとも一方に、前記化合物半導体基板に格子整合し、かつ、不純物が注入されていない第３化合物半導体結晶層（例えば図１に示したｉ−ＩｎＧａＡｓＰ活性層４０３）を備えることを特徴とする。このような発明によれば、第３化合物半導体結晶層を設けても、この中へのｐ型不純物の拡散を防ぐことができる。
【００２７】
請求項３に記載の半導体装置は、請求項１または２において、前記化合物半導体基板が、ＩｎＰ、ＧａＡｓのいずれか一方であることを特徴とする。このような発明によれば、化合物半導体基板に適した材料を選択することができる。
【００２８】
請求項４に記載の半導体装置は、請求項１から３のいずれか１項において、前記第１化合物半導体結晶層、前記第２化合物半導体結晶層が、ＧａＡs、ＩｎＡｓ、ＡｌＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰ、ＡｌＰの少なくとも一つを含む化合物半導体であることを特徴とする。このような発明によれば、前記第１化合物半導体結晶層、前記第２化合物半導体結晶層に適した材料を選択することができる。
【００２９】
請求項５に記載の半導体装置の製造方法は、化合物半導体基板に格子整合し、かつ、ｐ型の不純物が注入された第１化合物半導体結晶層を形成する第１化合物半導体結晶層形成工程と、前記第１化合物半導体結晶層よりも上層に、前記半導体基板に格子整合され、かつｐ型不純物、ｎ型不純物のいずれか一方を含む第２化合物半導体結晶層を、原料としてＳｂを供給しながら形成する第２化合物半導体結晶層形成工程と、を含むことを特徴とする。
【００３０】
このような発明によれば、第２化合物半導体結晶におけるインタースティシャルの発生を抑制することができる。インタースティシャルの発生が抑制されると、第１化合物半導体中においてサイトから格子間へ蹴り出されるｐ型不純物の数が低減するので、第１化合物半導体に隣接する化合物半導体層へ拡散するｐ型不純物の数を低減することができる。したがって、請求項１発明によれば、ｐ型不純物が隣接する半導体結晶層中へ拡散することを抑え、ひいては良好で安定した特性を持つ半導体装置の製造方法を提供することができる。
【００３１】
請求項６に記載の半導体装置の製造方法は、請求項５において、前記第１化合物半導体結晶層形成工程の上層、下層の少なくとも一方に、不純物が注入されない第３化合物半導体結晶層を形成する第３化合物半導体結晶層形成工程をさらに含み、前記第２化合物半導体結晶層形成工程において、前記第３化合物半導体結晶層より上層に前記第２化合物半導体結晶層が形成されることを特徴とする。このような発明によれば、第３化合物半導体結晶層を設けても、この中へのｐ型不純物の拡散を防ぐことができる。
【発明の効果】
【００３２】
以上述べたように、本発明によれば、ｐ型不純物が注入された化合物半導体結晶層よりも上層に形成された化合物半導体層におけるインタースティシャルの発生を抑制することができる。インタースティシャルの発生が抑制されると、ｐ型不純物が注入された化合物半導体結晶層中においてサイトから格子間へ蹴り出されるｐ型不純物の数が低減するので、ｐ型不純物が注入された化合物半導体結晶層に隣接する化合物半導体層へ拡散するｐ型不純物の数を低減することができる。したがって、本発明によれば、ｐ型不純物が隣接する半導体結晶層中へ拡散することを抑え、ひいては良好で安定した特性を持つ半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施形態１の半導体装置の層構成を説明するための図である。
【図２】図１に示した層構成における不純物拡散の状態を、ＳＩＭＳによって測定した結果を示した図である。
【図３】本発明の実施形態２の半導体装置の層構成を説明するための図である。
【図４】図３に示した層構成における不純物拡散の状態を、ＳＩＭＳによって測定した結果を示した図である。
【図５】本発明の実施形態３の半導体装置の層構成を説明するための図である。
【図６】図５に示した層構成における不純物拡散の状態を、ＳＩＭＳによって測定した結果を示した図である。
【図７】化合物半導体の層構成の従来例を説明するための図である。
【図８】化合物半導体の層構成の他の従来例を説明するための図である。
【図９】化合物半導体の層構成の他の従来例を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、本発明の実施形態１、２、３について説明する。実施形態１、実施形態２、実施形態３は、いずれも化合物半導体の層構成を説明している。この説明においても、ｐ型不純物が注入された半導体には「ｐ−」を付して表記し、ｎ型不純物が注入された半導体には「ｎ−」を付して表記する。さらに、不純物が注入されていない半導体には、「ｉ−」を付して表記するものとする。
【００３５】
（実施形態１）
・層構成
図１は、本発明の実施形態１の半導体装置の層構成を説明するための図であって、半導体レーザの層構成を示す断面図である。実施形態１の半導体装置は、ｐ−ＩｎＰ基板４０１、ｐ−ＩｎＰ基板４０１上に形成されたｐ−ＺｎドープＩｎＰバッファ層４０２、ｐ−ＺｎドープＩｎＰバッファ層４０２上に形成されたｉ−ＩｎＧａＡｓＰ活性層４０３、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ活性層４０３上に形成されたｎ−ＳｉドープＩｎＰクラッド層４０４、ｎ−ＳｉドープＩｎＰクラッド層４０４上に形成されたｎ−ＳｉドープＩｎＧａＡｓキャップ層４０５を備えている。以上のｐ−ＺｎドープＩｎＰバッファ層４０２、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ活性層４０３、ｎ−ＳｉドープＩｎＰクラッド層４０４は、いずれもｐ−ＩｎＰ基板４０１に格子整合された半導体結晶層である。
【００３６】
ｐ−ＺｎドープＩｎＰバッファ層４０２は、ｐ型不純物としてＺｎが注入されたＩｎＰでなるバッファ層である。ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ活性層４０３のＩｎＧａＡｓＰの発振波長λは１．３μｍである。ｎ−ＳｉドープＩｎＰクラッド層４０４はｎ型不純物としてＳｉが注入されたＩｎＰからなるクラッド層である。ｎ−ＳｉドープＩｎＧａＡｓキャップ層４０５には、ｎ型不純物としてＳｉがｎ−ＳｉドープＩｎＰクラッド層４０４よりも高濃度に注入されている。
【００３７】
ｎ−ＳｉドープＩｎＰクラッド層４０４、ｎ−ＳｉドープＩｎＧａＡｓキャップ層４０５は、Ｓｂを含んでいる。実施形態１では、ｎ−ＳｉドープＩｎＰクラッド層４０４、ｎ−ＳｉドープＩｎＧａＡｓキャップ層４０５の形成時、原料ガスにＴＭＳｂを供給することにより、ｎ−ＳｉドープＩｎＰクラッド層４０４、ｎ−ＳｉドープＩｎＧａＡｓキャップ層４０５にＳｂが注入される。
【００３８】
・製造方法
実施形態１では、図１に示したＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の各層を、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法を用いて作成するものとした。この作成にあたり、ＩＩＩ族原料にはＴＭＡ、ＴＭＩｎ、ＴＥＧが用いられ、Ｖ族原料にはアルシンとホスフィン（ＰＨ３）が用いられている。Ｓｉの注入ガスとしてジシラン（Ｓｉ2Ｈ6）が、Ｚｎの注入ガスとしてはＤＭＺｎが用いられている。
【００３９】
実施形態１では、ｐ−ＩｎＰ基板４０１をＭＯＣＶＤ装置のチャンバ内に挿入し、材料ガスを変更しながら、ｐ−ＺｎドープＩｎＰバッファ層４０２、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ活性層４０３、ｎ−ＳｉドープＩｎＰクラッド層４０４、ｎ−ＳｉドープＩｎＧａＡｓキャップ層４０５が順次形成される。
【００４０】
この祭、ｐ−ＺｎドープＩｎＰバッファ層４０２の形成時には材料ガスにＤＭＺｎが供給される。また、ｎ−ＳｉドープＩｎＰクラッド層４０４、ｎ−ＳｉドープＩｎＧａＡｓキャップ層４０５の形成時には、材料ガスにＳｉ2Ｈ6とＴＭＳｂとが供給される。
【００４１】
・効果の確認
図２は、図１に示した層構成における不純物拡散の状態を、二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ：Secondary Ion-microprobe Mass Spectrometer）によって測定した結果を示した図であって、図１中に矢線Ａで示した方向（以降、深さ方向と記す）のＺｎのドーピングプロファイルを示している。図２の横軸は図１中に示した矢線Ａの方向であって、縦軸はその方向にあるＺｎの密度を示している。
【００４２】
図２中に示した実線は、ｎ−ＳｉドープＩｎＰクラッド層４０４、ｎ−ＳｉドープＩｎＧａＡｓキャップ層４０５の形成時にＴＭＳｂを供給した場合のドーピングプロファイルを示している。また、図２中に示した破線は、実施形態１の結果と比較するため、ＴＭＳｂを供給しないで作成された層構成のＺｎのドーピングプロファイルを示している。
【００４３】
図２によれば、ｎ−ＳｉドープＩｎＰクラッド層４０４、ｎ−ＳｉドープＩｎＧａＡｓキャップ層４０５の形成時にＴＭＳbを供給しない場合には、ｐ−ＺｎドープＩｎＰバッファ層４０２からｉ−ＩｎＧａＡｓＰ活性層４０３へのＺｎの混入が認められる。しかし、ｎ−ＳｉドープＩｎＰクラッド層４０４、ｎ−ＳｉドープＩｎＧａＡｓキャップ層４０５の形成時にＴＭＳbを供給した場合には、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ活性層４０３へのＺｎの混入は認められず、急峻なドーピングプロファイルが得られることが分かる。
【００４４】
このような結果は、ＴＭＳbの供給によってｎ−ＳｉドープＩｎＰクラッド層４０４、ｎ−ＳｉドープＩｎＧａＡｓキャップ層４０５の成長表面の状態をＩＩＩ族リッチの状態からＶ族リッチの状態に変化させたことによって得られる。
【００４５】
つまり、実施形態１によれば、ＴＭＳbの供給によってｎ−ＳｉドープＩｎＰクラッド層４０４、ｎ−ＳｉドープＩｎＧａＡｓキャップ層４０５におけるＩＩＩ族インタースティシャルの発生を抑制することができる。ＩＩＩ族インタースティシャルの発生が抑制されると、ｐ−ＺｎドープＩｎＰバッファ層４０２においてサイトから格子間へ蹴り出されるｐ型不純物の数が低減する。このため、隣接するｉ−ＩｎＧａＡｓＰ層へ拡散するｐ型不純物の数（密度）を低減することができる。
【００４６】
なお、結晶の成長表面をＶ族リッチの状態にする他の手法としては、ＡｓやＰといった不純物の供給量を増大させることも考えられる。しかし、ＡｓやＰの成長表面での脱離速度は速く、結果として十分にＶ族リッチな状態を実現することは困難であった。したがって、以上述べた実施形態１は、不純物濃度を高めるよりも効率的に結晶の成長表面をＶ族リッチの状態にし、Ｐ型不純物の拡散を抑制することができる。
【００４７】
（実施形態２）
・層構成
図３は、本発明の実施形態２の半導体装置の層構成を説明するための図であって、アバランシェフォトダイオードの層構成を示す断面図である。実施形態２の半導体装置は、ｎ−ＩｎＰ基板６０１上に形成されたｎ−ＳｉドープＩｎＰバッファ層６０２、ｎ−ＳｉドープＩｎＰバッファ層６０２上に形成されたｎ−ＳｉドープＩｎＡｌＡｓバッファ層６０３、ｎ−ＳｉドープＩｎＡｌＡｓバッファ層６０３上に形成されたｉ−ＩｎＡｌＡｓアバランシェ層６０４、ｉ−ＩｎＡｌＡｓアバランシェ層６０４上に形成されたｐ−ＺｎドープＩｎＡｌＡｓ電界制御層６０５、ｐ−ＺｎドープＩｎＡｌＡｓ電界制御層６０５上に形成されたｉ−ＩｎＡｌＧａＡｓ遷移層６０６、ｉ−ＩｎＡｌＧａＡｓ遷移層６０６上に形成されたｉ−ＩｎＧａＡｓ吸収層６０７、ｉ−ＩｎＧａＡｓ吸収層６０７上に形成されたｉ−ＩｎＡｌＧａＡｓ遷移層６０８、ｉ−ＩｎＡｌＧａＡｓ遷移層６０８上に形成されたｐ−ＺｎドープＩｎＡｌＡｓキャップ層６０９、ｐ−ＺｎドープＩｎＡｌＡｓキャップ層６０９上に形成されたｐ−ＺｎドープＩｎＧａＡｓキャップ層６１０を備えている。
【００４８】
以上のｎ−ＳｉドープＩｎＰバッファ層６０２、ｎ−ＳｉドープＩｎＡｌＡｓバッファ層６０３、ｉ−ＩｎＡｌＡｓアバランシェ層６０４、ｐ−ＺｎドープＩｎＡｌＡｓ電界制御層６０５、ｉ−ＩｎＡｌＧａＡｓ遷移層６０６、ｉ−ＩｎＧａＡｓ吸収層６０７、ｉ−ＩｎＡｌＧａＡｓ遷移層６０８、ｐ−ＺｎドープＩｎＡｌＡｓキャップ層６０９、ｐ−ＺｎドープＩｎＧａＡｓキャップ層６１０は、いずれもｎ−ＩｎＰ基板６０１に格子整合された半導体結晶層である。
【００４９】
また、ｐ−ＺｎドープＩｎＡｌＡｓキャップ層６０９、ｐ−ＺｎドープＩｎＧａＡｓキャップ層６１０は、Ｓｂを含んでいる。実施形態２では、ｐ−ＺｎドープＩｎＡｌＡｓキャップ層６０９、ｐ−ＺｎドープＩｎＧａＡｓキャップ層６１０の形成時、原料ガスとしてＴＭＳｂを供給することにより、ｐ−ＺｎドープＩｎＡｌＡｓキャップ層６０９、ｐ−ＺｎドープＩｎＧａＡｓキャップ層６１０にＳｂを注入している。
【００５０】
・製造方法
実施形態２では、図３に示したＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の各層を、ＭＯＣＶＤ法を用いて作成するものとした。この作成にあたり、ＩＩＩ族原料にはＴＭＡ、ＴＭＩｎ、ＴＥＧが用いられ、Ｖ族原料にはアルシンとホスフィン（ＰＨ３）が用いられている。Ｓｉのドーピングガスとしてジシラン（Ｓｉ2Ｈ6）が、ＺｎのドーピングガスとしてはＤＭＺｎが用いられている。
【００５１】
すなわち、実施形態２では、ｎ−ＩｎＰ基板６０１をＭＯＣＶＤ装置のチャンバ内に挿入し、材料ガスを変更しながら、ｎ−ＳｉドープＩｎＰバッファ層６０２、ｎ−ＳｉドープＩｎＡｌＡｓバッファ層６０３、ｉ−ＩｎＡｌＡｓアバランシェ層６０４、ｐ−ＺｎドープＩｎＡｌＡｓ電界制御層６０５、ｉ−ＩｎＡｌＧａＡｓ遷移層６０６、ｉ−ＩｎＧａＡｓ吸収層６０７、ｉ−ＩｎＡｌＧａＡｓ遷移層６０８、ｐ−ＺｎドープＩｎＡｌＡｓキャップ層６０９、ｐ−ＺｎドープＩｎＧａＡｓキャップ層６１０が順次形成される。
【００５２】
この祭、ｐ−ＺｎドープＩｎＡｌＡｓ電界制御層６０５、ｐ−ＺｎドープＩｎＡｌＡｓキャップ層６０９、ｐ−ＺｎドープＩｎＧａＡｓキャップ層６１０の形成時には材料ガスにＤＭＺｎが供給される。また、ｎ−ＳｉドープＩｎＰバッファ層６０２、ｎ−ＳｉドープＩｎＡｌＡｓバッファ層６０３の形成時には、材料ガスにＳｉ2Ｈ6が供給される。
【００５３】
さらに、ｐ−ＺｎドープＩｎＡｌＡｓキャップ層６０９、ｐ−ＺｎドープＩｎＧａＡｓキャップ層６１０の形成時には材料ガスにＴＭＳｂが供給される。
【００５４】
・効果の確認
図４は、図３に示した層構成における不純物拡散の状態を、ＳＩＭＳによって測定した結果を示した図であって、図３中に矢線Ａで示した深さ方向のＺｎのドーピングプロファイルを示している。図４の横軸は図３中に示した矢線Ａの方向であって、縦軸はその方向にあるＺｎの密度を示している。
【００５５】
図４中に示した実線は、ｐ−ＺｎドープＩｎＡｌＡｓキャップ層６０９、ｐ−ＺｎドープＩｎＧａＡｓキャップ層６１０の形成時にＴＭＳｂを供給した場合のドーピングプロファイルを示している。また、図４中に示した破線は、実施形態２の結果と比較するため、ＴＭＳｂを供給しないで作成された層構成のＺｎのドーピングプロファイルを示している。
【００５６】
図４によれば、ｐ−ＺｎドープＩｎＡｌＡｓキャップ層６０９、ｐ−ＺｎドープＩｎＧａＡｓキャップ層６１０の形成時にＴＭＳbを供給しない場合には、ｐ−ＺｎドープＩｎＡｌＡｓ電界制御層６０５からｉ−ＩｎＡｌＧａＡｓ遷移層６０６、ｉ−ＩｎＧａＡｓ吸収層６０７、ｉ−ＩｎＡｌＧａＡｓ遷移層６０８及びｉ−ＩｎＡｌＡｓアバランシェ層６０４へのＺｎの混入が認められる。
【００５７】
また、ｐ−ＺｎドープＩｎＡｌＡｓキャップ層６０９から、ｉ−ＩｎＡｌＧａＡｓ遷移層６０８やｉ−ＩｎＡｌＡｓアバランシェ層６０４へのＺｎの混入が認められる。
【００５８】
一方、ｐ−ＺｎドープＩｎＡｌＡｓキャップ層６０９、ｐ−ＺｎドープＩｎＧａＡｓキャップ層６１０の形成時にＴＭＳbを供給した場合、ｉ−ＩｎＡｌＧａＡｓ遷移層６０６、ｉ−ＩｎＧａＡｓ吸収層６０７、ｉ−ＩｎＡｌＧａＡｓ遷移層６０８及びｉ−ＩｎＡｌＡｓアバランシェ層６０４へのＺｎの混入は認められず、急峻なドーピングプロファイルを得ることができる。
【００５９】
このような結果は、ｐ−ＺｎドープＩｎＡｌＡｓキャップ層６０９、ｐ−ＺｎドープＩｎＧａＡｓキャップ層６１０の成長表面の状態をＩＩＩ族リッチの状態からＶ族リッチの状態に変化させたことによって得られる。
【００６０】
つまり、実施形態２によれば、ＴＭＳbの供給によってｐ−ＺｎドープＩｎＡｌＡｓキャップ層６０９、ｐ−ＺｎドープＩｎＧａＡｓキャップ層６１０におけるＩＩＩ族インタースティシャルの発生を抑制することができる。ＩＩＩ族インタースティシャルの発生が抑制されると、ｐ−ＺｎドープＩｎＡｌＡｓ電界制御層６０５においてサイトから格子間へ蹴り出されるｐ型不純物の数が低減する。このため、ｐ−ＺｎドープＩｎＡｌＡｓ電界制御層６０５に隣接するｉ−ＩｎＧａＡｓ吸収層６０７、ｉ−ＩｎＡｌＡｓアバランシェ層６０４へ拡散するｐ型不純物の数（密度）を低減することができる。
【００６１】
（実施形態３）
・層構成
図５は、本発明の実施形態３の半導体装置の層構成を説明するための図であって、ヘテロバイポーラトランジスタの層構成を示す断面図である。実施形態３の半導体装置は、ｉ−ＩｎＰ基板８０１上に形成されたｎ−ＳｉドープＩｎＰサブコレクタ層８０２、ｎ−ＳｉドープＩｎＰサブコレクタ層８０２上に形成されたｎ−ＳｉドープＩｎＰ８０３、ｎ−ＳｉドープＩｎＰコレクタ層８０３上に形成されたｐ−ＺｎドープＩｎＧａＡｓベース層８０４、ｐ−ＺｎドープＩｎＧａＡｓベース層８０４上に形成されたｉ−ＩｎＧａＡｓスペーサ層８０５、ｉ−ＩｎＧａＡｓスペーサ層８０５上に形成されたｎ−ＳｉドープＩｎＰエミッタ層８０６、ｎ−ＳｉドープＩｎＰエミッタ層８０６上に形成されたｎ−ＳｉドープＩｎＰキャップ層８０７、ｎ−ＳｉドープＩｎＰキャップ層８０７上に形成されたｎ−ＳｉドープＩｎＧａＡｓキャップ層８０８を備えている。
【００６２】
以上のｎ−ＳｉドープＩｎＰサブコレクタ層８０２、ｎ−ＳｉドープＩｎＰコレクタ層８０３、ｐ−ＺｎドープＩｎＧａＡｓベース層８０４、ｉ−ＩｎＧａＡｓスペーサ層８０５ｎ−ＳｉドープＩｎＰエミッタ層８０６、ｎ−ＳｉドープＩｎＰキャップ層８０７、ｎ−ＳｉドープＩｎＧａＡｓキャップ層８０８は、いずれもｉ−ＩｎＰ基板８０１に格子整合された化合物半導体結晶層である。
【００６３】
ｎ−ＳｉドープＩｎＰキャップ層８０７、ｎ−ＳｉドープＩｎＧａＡｓキャップ層８０８は、Ｓｂを含んでいる。実施形態３では、ｎ−ＳｉドープＩｎＰキャップ層８０７、ｎ−ＳｉドープＩｎＧａＡｓキャップ層８０８の形成時、原料ガスにＴＭＳｂを供給することにより、ｎ−ＳｉドープＩｎＰキャップ層８０７、ｎ−ＳｉドープＩｎＧａＡｓキャップ層８０８にＳｂを注入している。
【００６４】
・製造方法
実施形態３では、図５に示したＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の各層を、ＭＯＣＶＤ法を用いて作成するものとした。この作成にあたり、ＩＩＩ族原料にはＴＭＡ、ＴＭＩｎ、ＴＥＧが用いられ、Ｖ族原料にはアルシンとホスフィン（ＰＨ３）が用いられている。Ｓｉのドーピングガスとしてジシラン（Ｓｉ2Ｈ6）が、ＺｎのドーピングガスとしてはＤＭＺｎが用いられている。
【００６５】
すなわち、実施形態３では、ｉ−ＩｎＰ基板８０１をＭＯＣＶＤ装置のチャンバ内に挿入し、材料ガスを変更しながら、ｎ−ＳｉドープＩｎＰサブコレクタ層８０２、ｎ−ＳｉドープＩｎＰコレクタ層８０３、ｐ−ＺｎドープＩｎＧａＡｓベース層８０４、ｉ−ＩｎＧａＡｓスペーサ層８０５、ｎ−ＳｉドープＩｎＰエミッタ層８０６、ｎ−ＳｉドープＩｎＰキャップ層８０７、ｎ−ＳｉドープＩｎＧａＡｓキャップ層８０８が順次形成される。
【００６６】
この祭、ｐ−ＺｎドープＩｎＧａＡｓベース層８０４の形成時には材料ガスにＤＭＺｎが供給される。また、ｎ−ＳｉドープＩｎＰサブコレクタ層８０２、ｎ−ＳｉドープＩｎＰコレクタ層８０３、ｎ−ＳｉドープＩｎＰエミッタ層８０６、ｎ−ＳｉドープＩｎＰキャップ層８０７、ｎ−ＳｉドープＩｎＧａＡｓキャップ層８０８の形成時には、材料ガスにＳｉ2Ｈ6が供給される。
【００６７】
さらに、ｎ−ＳｉドープＩｎＰエミッタ層８０６、ｎ−ＳｉドープＩｎＰキャップ層８０７、ｎ−ＳｉドープＩｎＧａＡｓキャップ層８０８の形成時には材料ガスにＴＭＳｂが供給される。
【００６８】
・効果の確認
図６は、図５に示した層構成における不純物拡散の状態を、ＳＩＭＳによって測定した結果を示した図であって、図５中に矢線Ａで示した深さ方向のＺｎのドーピングプロファイルを示している。図６の横軸は図５中に示した矢線Ａの方向であって、縦軸はその方向にあるＺｎの密度を示している。
【００６９】
図６中に示した実線は、ｎ−ＳｉドープＩｎＰキャップ層８０７、ｎ−ＳｉドープＩｎＧａＡｓキャップ層８０８の形成時にＴＭＳｂを供給した場合のドーピングプロファイルを示している。また、図６中に示した破線は、実施形態３の結果と比較するため、ＴＭＳｂを供給しないで作成された層構成のＺｎのドーピングプロファイルを示している。
【００７０】
図６によれば、ｎ−ＳｉドープＩｎＰキャップ層８０７、ｎ−ＳｉドープＩｎＧａＡｓキャップ層８０８の形成時にＴＭＳbを供給しない場合には、ｐ−ＺｎドープＩｎＧａＡｓベース層８０４からｉ−ＩｎＧａＡｓスペーサ層８０５、ｎ−ＩｎＰエミッタ層８０６へのＺｎの混入が認められる。
【００７１】
また、ｐ−ＺｎドープＩｎＧａＡｓベース層８０４からｎ−ＳｉドープＩｎＰコレクタ層８０３へのＺｎの混入が認められる。
【００７２】
一方、ｎ−ＳｉドープＩｎＰキャップ層８０７、ｎ−ＳｉドープＩｎＧａＡｓキャップ層８０８の形成時にＴＭＳbを供給した場合、ｉ−ＩｎＧａＡｓスペーサ層８０５、ｎ−ＩｎＰエミッタ層８０６、ｎ−ＳｉドープＩｎＰコレクタ層８０３へのＺｎの混入は認められず、急峻なドーピングプロファイルを得ることができる。
【００７３】
このような結果は、ｎ−ＳｉドープＩｎＰキャップ層８０７、ｎ−ＳｉドープＩｎＧａＡｓキャップ層８０８の成長表面の状態をＩＩＩ族リッチの状態からＶ族リッチの状態に変化させたことによって得られる。
【００７４】
つまり、実施形態３によれば、ＴＭＳbの供給によってｎ−ＳｉドープＩｎＰキャップ層８０７、ｎ−ＳｉドープＩｎＧａＡｓキャップ層８０８におけるＩＩＩ族インタースティシャルの発生を抑制することができる。ＩＩＩ族インタースティシャルの発生が抑制されると、ｐ−ＺｎドープＩｎＧａＡｓベース層８０４においてサイトから格子間へ蹴り出されるｐ型不純物の数が低減する。このため、ｐ−ＺｎドープＩｎＧａＡｓベース層８０４に隣接するｉ−ＩｎＧａＡｓスペーサ層８０５、ｎ−ＩｎＰエミッタ層８０６、ｎ−ＳｉドープＩｎＰコレクタ層８０３へ拡散するｐ型不純物の数（密度）を低減することができる。
【００７５】
さらに、ＴＭＳｂが供給されたｎ−ＳｉドープＩｎＰキャップ層８０７、ｎ−ＳｉドープＩｎＧａＡｓキャップ層８０８中のＳｂ濃度を１×１０20ｃｍ-3以下に制御すれば、格子不整合等、結晶品質を劣化させる問題は格別発生しなかった。
【００７６】
以上述べたように、本発明の実施形態１、実施形態２、実施形態３によれば、いずれも
ｐ型不純物が隣接する半導体結晶層中へ拡散することがない、良好で安定した特性を持つ光素子や電子素子を作成することができる。
【００７７】
なお、実施形態１、実施形態２、実施形態３は、いずれもｐ型ドーパントとしてＺｎを用いているが、本発明の実施形態はこのような例に限定されるものではない。当然のことながら、ＭｇやＢｅといった他の不純物を用いた場合でも同様の効果がある。さらに、実施形態１、実施形態２、実施形態３は、いずれも各化合物半導体層の成長にＭＯＣＶＤを用いている。しかし、本発明の実施形態は、このような構成に限定されるものでなく、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）やＭＯＭＢＥ（metalorganic molecular beam epitaxy）といった他の成長方法でも同様の効果が期待できることは言うまでもない。
【００７８】
また、Ｓｂを供給する原料には、ＴＭＳｂの他、ＴＥＳｂ（（Ｃ2Ｈ5）3Ｓｂ）、ＴＤＭＡＳｂ（Ｓｂ[Ｎ（ＣＨ3）2]3）、（ｉ−Ｃ3Ｈ7）3Ｓｂ、（ＣＨ3）2（ｔ−Ｃ4Ｈ9）Ｓｂ等の有機金属ガスを用いることができる。また、ＭＢＥやＭＯＭＢＥの場合には金属Ｓｂを原料として用いることができる。
【符号の説明】
【００７９】
４０１ ｐ−ＩｎＰ基板
４０２ ｐ−ＺｎドープＩｎＰバッファ層
４０３ ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ活性層
４０４ ｎ−ＳｉドープＩｎＰクラッド層
４０５ ｎ−ＳｉドープＩｎＧａＡｓキャップ層
６０１ ｎ−ＩｎＰ基板
６０２ ｎ−ＳｉドープＩｎＰバッファ層
６０３ ｎ−ＳｉドープＩｎＡｌＡｓバッファ層
６０４ ｉ−ＩｎＡｌＡｓアバランシェ層
６０５ ｐ−ＺｎドープＩｎＡｌＡｓ電界制御層
６０６ ｉ−ＩｎＡｌＧａＡｓ遷移層
６０７ ｉ−ＩｎＧａＡｓ吸収層
６０８ ｉ−ＩｎＡｌＧａＡｓ遷移層
６０９ ｐ−ＺｎドープＩｎＡｌＡｓキャップ層
６１０ ｐ−ＺｎドープＩｎＧａＡｓキャップ層
８０１ ｉ−ＩｎＰ基板
８０２ ｎ−ＳｉドープＩｎＰサブコレクタ層
８０３ ｎ−ＳｉドープＩｎＰコレクタ層
８０４ ｐ−ＺｎドープＩｎＧａＡｓベース層
８０５ ｉ−ＩｎＧａＡｓスペーサ層
８０６ ｎ−ＳｉドープＩｎＰエミッタ層
８０７ ｎ−ＳｉドープＩｎＰキャップ層
８０８ ｎ−ＳｉドープＩｎＧａＡｓキャップ層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ、アバランシェフォトダイオード、ヘテロバイポーラトランジスタ等の化合物半導を利用した半導体装置、この半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、半導体レーザ、アバランシェフォトダイオード、ヘテロバイポーラトランジスタといった様々な化合物半導体素子が実用化されている。このような化合物半導体素子には、化合物半導体にｎ型、あるいはｐ型の不純物が注入された層を積層した層構成が使用されている。
【０００３】
図７は、上記した層構成の従来例を説明するための図であって、ｐ型のＩｎＰ基板上に作成された半導体レーザの層構成を示している。図７に示した層構成は、ｐ型のＩｎＰ基板１０１上にｐ型のＩｎＰバッファ層１０２、不純物が注入されていない状態のＩｎＧａＡｓＰ活性層１０３、ｎ型のＩｎＰクラッド層１０４、ｎ型の不純物がより高濃度に注入されたＩｎＧaＡｓキャップ層１０５が形成されている。このような層構成は、例えば、非特許文献１に記載されている。
【０００４】
なお、上記した各層において、ｐ型半導体にはｐ型不純物が注入されていて、ｎ型半導体にはｎ型不純物が注入されている。以降、ｐ型半導体には「ｐ−」を付して表記し、ｎ型半導体には「ｎ−」を付して表記する。さらに、不純物が注入されていない半導体には、「ｉ−」を付して表記するものとする。
【０００５】
また、図８は、他の従来技術の例として、ｎ−ＩｎＰ基板上に作成されたアバランシェフォトダイオードの層構成を示した図である。図８に示すように、アバランシェフォトダイオードの層構成では、ｎ−ＩｎＰ基板２０１上に、ｎ−ＩｎＰバッファ層２０２、ｎ−ＩｎＡｌＡｓバッファ層２０３、ｉ−ＩｎＡｌＡｓアバランシェ層２０４、ｐ−ＩｎＡｌＡｓ電荷制御層２０５、ｉ−ＩｎＡlＧａＡｓ遷移層２０６、ｉ−ＩｎＧａＡｓ吸収層２０７、ｉ−ＩｎＡlＧａＡｓ遷移層２０８、ｐ−ＩｎＡｌＡｓキャップ層２０９、ｐ−ＩｎＧａＡｓキャップ層２１０が順に形成されている。
【０００６】
上記した層構成は、例えば、非特許文献２に記載されている。なお、上記した層構成のうち、ｉ−ＩｎＡlＧａＡｓ遷移層２０６、ｉ−ＩｎＡlＧａＡｓ遷移層２０８には不純物が注入されていな化合物半導体層であるが、この半導体層に低濃度（1Ｅ16cm-3以下の濃度）のｐ型不純物を注入することも可能である。
【０００７】
さらに、図９は、他の従来技術として、不純物が注入されていない基板上に作成されたヘテロバイポーラトランジスタの層構成を示した図である。図９に示すように、ヘテロバイポーラトランジスタの層構成では、ｉ−ＩｎＰ基板３０１上に、ｎ−ＩｎＰサブコレクタ層３０２、ＩｎＰコレクタ層３０３、ｐ−ＩｎＧａＡｓベース層３０４、ｉ−ＩｎＧａＡｓスペーサ層３０５、ｎ−ＩｎＰエミッタ層３０６、ｎ−ＩｎＰキャップ層３０７、ｎ−ＩｎＧａＡｓキャップ層３０８が順に形成されている。このような従来技術は、例えば、非特許文献３に記載されている。
【０００８】
以上の従来技術は、いずれもｐ型不純物が注入された半導体層より上層にｎ型またはｐ型不純物が注入された半導体層を形成した場合、半導体層に含まれるｐ型不純物が隣接する半導体層の結晶層中に拡散し、素子特性を劣化させるという不具合がある。
【０００９】
具体的には、例えば図７に示した半導体レーザの層構成では、ｐ−ＩｎＰバッファ層１０２からｉ−ＩｎＧａＡｓＰ活性層１０３へのｐ型不純物の拡散が起こり、この拡散によって半導体レーザの発振しきい値電流及び動作電流が変動する。なお、この拡散は、ｎ−ＩｎＰクラッド層１０４、ｎ−ＩｎＧaＡｓキャップ層１０５が形成されている間に発生する。
【００１０】
また、図８に示したアバランシェフォトダイオードの層構成では、ｐ−ＩｎＡｌＡｓ電荷制御層２０５からｉ−ＩｎＡlＧａＡｓ遷移層２０６、ｉ−ＩｎＧａＡｓ吸収層２０７、ｉ−ＩｎＡｌＡｓアバランシェ層２０４へのｐ型不純物の拡散が起こる。この拡散により、アバランシェフォトダイオードのオン電圧及びブレークダウン電圧が変動する。なお、ｐ型不純物の拡散は、ｐ−ＩｎＡｌＡｓキャップ層２０９、ｐ−ＩｎＧａＡｓキャップ層２１０が形成されている間に発生する。
【００１１】
さらに、図９に示したヘテロバイポーラトランジスタの層構成では、ｐ−ＩｎＧａＡｓベース層３０４から、ｉ−ＩｎＧａＡｓスペーサ層３０５、ｎ−ＩｎＰエミッタ層３０６、ｎ−ＩｎＰコレクタ層３０３へのｐ型不純物拡散が発生する。ｐ型の不純物拡散により、ヘテロバイポーラトランジスタの電流利得が低減する。なお、このｐ型不純物の拡散は、ｎ−ＩｎＰエミッタ層３０６、ｎ−ＩｎＰキャップ層３０７、ｎ−ＩｎＧａＡｓキャップ層３０８が形成される間に発生する。
【００１２】
上記したｐ型不純物拡散を防ぐため、例えば、不純物を拡散させる化合物に、ｐ型不純物としてＣ（炭素）を用いる従来技術がある。炭素は、Ｖ族化合物半導体のサイトに入ってｐ型キャリアを発生するが、化合物半導体を構成する原子との結合力が強く、拡散が起きにくいドーパントとして知られている。この点は、例えば、非特許文献４に記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】Y. Ohkura, T. Kimura, T. Nishimura, K. Mizuguchi and T. Murotani,“Low Threshold FS-BH Laser on p-InP substrate Grown by All-MOCVD”, Electronics Letters, Vol. 28, No. 19, p1844, September 1992.
【００１４】
【非特許文献２】G. Karve, X. Zheng, X. Zhang, X. Li, N. Li, S. Wang, F. Ma, A. Holmes J., J. C. Campbell, G. S. Kinsey, J. C. Boisvert, T. D. Isshiki, R. Sudharsanan, D. S. Bethune and W. P. Risk, “Geier Mode Operation of an InGaAs-InAlAs Avalanche Photodiode”, Quntum Electronics, Vol. 39, No. 10, p1281, October 2003.
【００１５】
【非特許文献３】T. Kobayashi, K. Kurishima and U. Gosele,“Growth temperature dependence of Zn Diffusion in InP/InGaAs Heterojunction Bipolar Transistors Grown by Metal organic Chemical Vapor Deposition”, Journal of Crystal Growth, 146, p533, January 1995.
【非特許文献４】T. F. Kuech, M. A. Tishler, P.-J. Wang, G. Scilla, R. Potemski and F. Cardone,“Controlled Carbon Doping of GaAs by Metalorganic Vapor Phase Epitaxy”, Applied Physics Letters,53(14), p.1317, October 1988.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、炭素は、水素によって不活性化しやすく、プロセス中に活性化率が変動するという不具合がある。活性化率が変動しない他のｐ型不純物のうち、一般的に用いられる不純物には、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｍｇ等のＩＩ属元素がある。ただし、このような不純物には拡散の問題が生じることは前述したとおりである。
【００１７】
また、ｎ型不純物としては、Ｓｉが多く用いられている。Ｓｉは結晶の成長中にＩＩＩ族半導体化合物のサイトに入り、ｐ型、ｎ型のキャリアを発生させる。キャリアの発生が起こると、サイトに入ることが出来ないＩＩＩ族原子が発生し、発生した原子がＩＩＩ族インタースティシャルと呼ばれる欠陥となる。
【００１８】
上記したｐ型不純物の拡散は、ＩＩＩ族インタースティシャルが関連したｋｉｃｋ−ｏｕｔ機構やＩ−Ｓ(interstitial-substitutial)モデルによって説明される。なお、ｋｉｃｋ−ｏｕｔ機構やＩ−Ｓについては、例えば、「C. Y. Tai, J. Seiler and M. Geva,“Modeling of Zn Diffusion in InP/InGaAs Materials During MOVPE Growth”, 11th International Conference on Indium Phosphide and Related Materials, p.245, May 1999.」、「N. Fujii, T. Kimura, M. Tsugami, T. Sonoda, S. Takamiya and S. Mitsui,“Zn Diffusion Mechanism in n-GaAs/Zn-AlGaAs-Se-AlGaAs Structures”, Journal of Crystal Growth, 145, P.808, December 1994.」に記載されているように、周知であるからこれ以上の説明を省く。
【００１９】
これらのモデルによれば、ｐ型不純物の異常拡散は、ｎ型またはｐ型不純物が注入された層を成長する際に、発生したＩＩＩ族インタースティシャルが置換されながら結晶中に拡散し、ｐ型不純物が注入された層の不純物原子をサイトから格子間へ蹴り出すために発生すると考えられる。
【００２０】
つまり、ｐ型不純物が注入された半導体層より上層にｎ型またはｐ型不純物が注入された半導体層を形成する際に、ＩＩＩ族インタースティシャルの発生を抑制できれば、ｐ型不純物が隣接する化合物半導体結晶層中へ拡散することを抑制でき、素子特性も変化しないものと考えられる。ＩＩＩ族インタースティシャルの発生は、化合物半導体層の成長表面がＩＩＩ族リッチになっていることが原因であると考えられている。
【００２１】
ところで、Ｓｂ（アンチモン）は、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＩｎＳｂ等のＳｂ系化合物半導体のＶ族元素として用いられる材料である。また、この他、Ｓｂは、例えば、特開平１１−１２６９４５号公報に記載されているように、基板に格子整合されない歪み系結晶の成長を行う際に良好な結晶得るためのサーフアクタントとして利用されている。
【００２２】
また、最近では、Ｓｂ原料としてＴＭＳｂ（（ＣＨ3）3Ｓｂ）、Ａｓ原料としてアルシン（ＡｓＨ3）を用いたＩｎＡｌＡｓＳｂの結晶成長で、結晶中に混入するＳｂが非常に微量であるにも関わらず、その成長表面に過剰のＳｂが存在し、Ｖ族リッチの状態になっていることが知られている。この内容は、例えば、「H. Yokoyama, H. Sugiyama, Y. Oda. M. Sato, N. Watanabe and T. Kobayashi,“Metalorganic Vapor Phase Epitaxy Growth of InAlAsSb on InP”, Japanese Journal of Applied Physics, Vol.43, No.8A, p.5110, August 2004.」に記載されている。
【００２３】
本発明は、上記した点に鑑みてなされたものであって、化合物半導体の成長表面の状態をＩＩＩ族リッチの状態からＶ族リッチの状態に変化させてＩＩＩ族インタースティシャルの発生を抑制し、ｐ型不純物が隣接する半導体結晶層中へ拡散することを抑え、ひいては良好で安定した特性を持つ半導体装置、この半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
以上述べた課題を解決するため、請求項１に記載の半導体装置は、化合物半導体基板（例えば図１に示したＰ−ＩｎＰ基板４０１）と、前記化合物半導体基板に格子整合し、かつ、ｐ型の不純物が注入された第１化合物半導体結晶層（例えば図１に示したｐ−ＺｎドープＩｎＰバッファ層４０２）と、前記第１化合物半導体結晶層よりも上層にあって、前記化合物半導体基板に格子整合し、かつ、ｐ型不純物、ｎ型不純物のいずれか一方を含む第２化合物半導体結晶層（例えば図１に示したｎ−ＳｉドープＩｎＰクラッド層４０４、ｎ−ＳｉドープＩｎＧａＡｓキャップ層４０５）と、を備え、前記第２化合物半導体結晶層は、さらに、Ｓｂを含むことを特徴とする。
【００２５】
このような発明によれば、第２化合物半導体結晶におけるインタースティシャルの発生を抑制することができる。インタースティシャルの発生が抑制されると、第１化合物半導体中においてサイトから格子間へ蹴り出されるｐ型不純物の数が低減するので、第１化合物半導体に隣接する化合物半導体層へ拡散するｐ型不純物の数を低減することができる。したがって、請求項１発明によれば、ｐ型不純物が隣接する半導体結晶層中へ拡散することを抑え、ひいては良好で安定した特性を持つ半導体装置を提供することができる。
【００２６】
請求項２に記載の半導体装置は、請求項１に記載の発明において、前記第１化合物半導体結晶層の上層、及び下層の少なくとも一方に、前記化合物半導体基板に格子整合し、かつ、不純物が注入されていない第３化合物半導体結晶層（例えば図１に示したｉ−ＩｎＧａＡｓＰ活性層４０３）を備えることを特徴とする。このような発明によれば、第３化合物半導体結晶層を設けても、この中へのｐ型不純物の拡散を防ぐことができる。
【００２７】
請求項３に記載の半導体装置は、請求項１または２において、前記化合物半導体基板が、ＩｎＰ、ＧａＡｓのいずれか一方であることを特徴とする。このような発明によれば、化合物半導体基板に適した材料を選択することができる。
【００２８】
請求項４に記載の半導体装置は、請求項１から３のいずれか１項において、前記第１化合物半導体結晶層、前記第２化合物半導体結晶層が、ＧａＡs、ＩｎＡｓ、ＡｌＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰ、ＡｌＰの少なくとも一つを含む化合物半導体であることを特徴とする。このような発明によれば、前記第１化合物半導体結晶層、前記第２化合物半導体結晶層に適した材料を選択することができる。
【００２９】
請求項５に記載の半導体装置の製造方法は、化合物半導体基板に格子整合し、かつ、ｐ型の不純物が注入された第１化合物半導体結晶層を形成する第１化合物半導体結晶層形成工程と、前記第１化合物半導体結晶層よりも上層に、前記半導体基板に格子整合され、かつｐ型不純物、ｎ型不純物のいずれか一方を含む第２化合物半導体結晶層を、原料としてＳｂを供給しながら形成する第２化合物半導体結晶層形成工程と、を含むことを特徴とする。
【００３０】
このような発明によれば、第２化合物半導体結晶におけるインタースティシャルの発生を抑制することができる。インタースティシャルの発生が抑制されると、第１化合物半導体中においてサイトから格子間へ蹴り出されるｐ型不純物の数が低減するので、第１化合物半導体に隣接する化合物半導体層へ拡散するｐ型不純物の数を低減することができる。したがって、請求項１発明によれば、ｐ型不純物が隣接する半導体結晶層中へ拡散することを抑え、ひいては良好で安定した特性を持つ半導体装置の製造方法を提供することができる。
【００３１】
請求項６に記載の半導体装置の製造方法は、請求項５において、前記第１化合物半導体結晶層形成工程の上層、下層の少なくとも一方に、不純物が注入されない第３化合物半導体結晶層を形成する第３化合物半導体結晶層形成工程をさらに含み、前記第２化合物半導体結晶層形成工程において、前記第３化合物半導体結晶層より上層に前記第２化合物半導体結晶層が形成されることを特徴とする。このような発明によれば、第３化合物半導体結晶層を設けても、この中へのｐ型不純物の拡散を防ぐことができる。
【発明の効果】
【００３２】
以上述べたように、本発明によれば、ｐ型不純物が注入された化合物半導体結晶層よりも上層に形成された化合物半導体層におけるインタースティシャルの発生を抑制することができる。インタースティシャルの発生が抑制されると、ｐ型不純物が注入された化合物半導体結晶層中においてサイトから格子間へ蹴り出されるｐ型不純物の数が低減するので、ｐ型不純物が注入された化合物半導体結晶層に隣接する化合物半導体層へ拡散するｐ型不純物の数を低減することができる。したがって、本発明によれば、ｐ型不純物が隣接する半導体結晶層中へ拡散することを抑え、ひいては良好で安定した特性を持つ半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施形態１の半導体装置の層構成を説明するための図である。
【図２】図１に示した層構成における不純物拡散の状態を、ＳＩＭＳによって測定した結果を示した図である。
【図３】本発明の実施形態２の半導体装置の層構成を説明するための図である。
【図４】図３に示した層構成における不純物拡散の状態を、ＳＩＭＳによって測定した結果を示した図である。
【図５】本発明の実施形態３の半導体装置の層構成を説明するための図である。
【図６】図５に示した層構成における不純物拡散の状態を、ＳＩＭＳによって測定した結果を示した図である。
【図７】化合物半導体の層構成の従来例を説明するための図である。
【図８】化合物半導体の層構成の他の従来例を説明するための図である。
【図９】化合物半導体の層構成の他の従来例を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、本発明の実施形態１、２、３について説明する。実施形態１、実施形態２、実施形態３は、いずれも化合物半導体の層構成を説明している。この説明においても、ｐ型不純物が注入された半導体には「ｐ−」を付して表記し、ｎ型不純物が注入された半導体には「ｎ−」を付して表記する。さらに、不純物が注入されていない半導体には、「ｉ−」を付して表記するものとする。
【００３５】
（実施形態１）
・層構成
図１は、本発明の実施形態１の半導体装置の層構成を説明するための図であって、半導体レーザの層構成を示す断面図である。実施形態１の半導体装置は、ｐ−ＩｎＰ基板４０１、ｐ−ＩｎＰ基板４０１上に形成されたｐ−ＺｎドープＩｎＰバッファ層４０２、ｐ−ＺｎドープＩｎＰバッファ層４０２上に形成されたｉ−ＩｎＧａＡｓＰ活性層４０３、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ活性層４０３上に形成されたｎ−ＳｉドープＩｎＰクラッド層４０４、ｎ−ＳｉドープＩｎＰクラッド層４０４上に形成されたｎ−ＳｉドープＩｎＧａＡｓキャップ層４０５を備えている。以上のｐ−ＺｎドープＩｎＰバッファ層４０２、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ活性層４０３、ｎ−ＳｉドープＩｎＰクラッド層４０４は、いずれもｐ−ＩｎＰ基板４０１に格子整合された半導体結晶層である。
【００３６】
ｐ−ＺｎドープＩｎＰバッファ層４０２は、ｐ型不純物としてＺｎが注入されたＩｎＰでなるバッファ層である。ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ活性層４０３のＩｎＧａＡｓＰの発振波長λは１．３μｍである。ｎ−ＳｉドープＩｎＰクラッド層４０４はｎ型不純物としてＳｉが注入されたＩｎＰからなるクラッド層である。ｎ−ＳｉドープＩｎＧａＡｓキャップ層４０５には、ｎ型不純物としてＳｉがｎ−ＳｉドープＩｎＰクラッド層４０４よりも高濃度に注入されている。
【００３７】
ｎ−ＳｉドープＩｎＰクラッド層４０４、ｎ−ＳｉドープＩｎＧａＡｓキャップ層４０５は、Ｓｂを含んでいる。実施形態１では、ｎ−ＳｉドープＩｎＰクラッド層４０４、ｎ−ＳｉドープＩｎＧａＡｓキャップ層４０５の形成時、原料ガスにＴＭＳｂを供給することにより、ｎ−ＳｉドープＩｎＰクラッド層４０４、ｎ−ＳｉドープＩｎＧａＡｓキャップ層４０５にＳｂが注入される。
【００３８】
・製造方法
実施形態１では、図１に示したＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の各層を、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法を用いて作成するものとした。この作成にあたり、ＩＩＩ族原料にはＴＭＡ、ＴＭＩｎ、ＴＥＧが用いられ、Ｖ族原料にはアルシンとホスフィン（ＰＨ３）が用いられている。Ｓｉの注入ガスとしてジシラン（Ｓｉ2Ｈ6）が、Ｚｎの注入ガスとしてはＤＭＺｎが用いられている。
【００３９】
実施形態１では、ｐ−ＩｎＰ基板４０１をＭＯＣＶＤ装置のチャンバ内に挿入し、材料ガスを変更しながら、ｐ−ＺｎドープＩｎＰバッファ層４０２、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ活性層４０３、ｎ−ＳｉドープＩｎＰクラッド層４０４、ｎ−ＳｉドープＩｎＧａＡｓキャップ層４０５が順次形成される。
【００４０】
この祭、ｐ−ＺｎドープＩｎＰバッファ層４０２の形成時には材料ガスにＤＭＺｎが供給される。また、ｎ−ＳｉドープＩｎＰクラッド層４０４、ｎ−ＳｉドープＩｎＧａＡｓキャップ層４０５の形成時には、材料ガスにＳｉ2Ｈ6とＴＭＳｂとが供給される。
【００４１】
・効果の確認
図２は、図１に示した層構成における不純物拡散の状態を、二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ：Secondary Ion-microprobe Mass Spectrometer）によって測定した結果を示した図であって、図１中に矢線Ａで示した方向（以降、深さ方向と記す）のＺｎのドーピングプロファイルを示している。図２の横軸は図１中に示した矢線Ａの方向であって、縦軸はその方向にあるＺｎの密度を示している。
【００４２】
図２中に示した実線は、ｎ−ＳｉドープＩｎＰクラッド層４０４、ｎ−ＳｉドープＩｎＧａＡｓキャップ層４０５の形成時にＴＭＳｂを供給した場合のドーピングプロファイルを示している。また、図２中に示した破線は、実施形態１の結果と比較するため、ＴＭＳｂを供給しないで作成された層構成のＺｎのドーピングプロファイルを示している。
【００４３】
図２によれば、ｎ−ＳｉドープＩｎＰクラッド層４０４、ｎ−ＳｉドープＩｎＧａＡｓキャップ層４０５の形成時にＴＭＳbを供給しない場合には、ｐ−ＺｎドープＩｎＰバッファ層４０２からｉ−ＩｎＧａＡｓＰ活性層４０３へのＺｎの混入が認められる。しかし、ｎ−ＳｉドープＩｎＰクラッド層４０４、ｎ−ＳｉドープＩｎＧａＡｓキャップ層４０５の形成時にＴＭＳbを供給した場合には、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ活性層４０３へのＺｎの混入は認められず、急峻なドーピングプロファイルが得られることが分かる。
【００４４】
このような結果は、ＴＭＳbの供給によってｎ−ＳｉドープＩｎＰクラッド層４０４、ｎ−ＳｉドープＩｎＧａＡｓキャップ層４０５の成長表面の状態をＩＩＩ族リッチの状態からＶ族リッチの状態に変化させたことによって得られる。
【００４５】
つまり、実施形態１によれば、ＴＭＳbの供給によってｎ−ＳｉドープＩｎＰクラッド層４０４、ｎ−ＳｉドープＩｎＧａＡｓキャップ層４０５におけるＩＩＩ族インタースティシャルの発生を抑制することができる。ＩＩＩ族インタースティシャルの発生が抑制されると、ｐ−ＺｎドープＩｎＰバッファ層４０２においてサイトから格子間へ蹴り出されるｐ型不純物の数が低減する。このため、隣接するｉ−ＩｎＧａＡｓＰ層へ拡散するｐ型不純物の数（密度）を低減することができる。
【００４６】
なお、結晶の成長表面をＶ族リッチの状態にする他の手法としては、ＡｓやＰといった不純物の供給量を増大させることも考えられる。しかし、ＡｓやＰの成長表面での脱離速度は速く、結果として十分にＶ族リッチな状態を実現することは困難であった。したがって、以上述べた実施形態１は、不純物濃度を高めるよりも効率的に結晶の成長表面をＶ族リッチの状態にし、Ｐ型不純物の拡散を抑制することができる。
【００４７】
（実施形態２）
・層構成
図３は、本発明の実施形態２の半導体装置の層構成を説明するための図であって、アバランシェフォトダイオードの層構成を示す断面図である。実施形態２の半導体装置は、ｎ−ＩｎＰ基板６０１上に形成されたｎ−ＳｉドープＩｎＰバッファ層６０２、ｎ−ＳｉドープＩｎＰバッファ層６０２上に形成されたｎ−ＳｉドープＩｎＡｌＡｓバッファ層６０３、ｎ−ＳｉドープＩｎＡｌＡｓバッファ層６０３上に形成されたｉ−ＩｎＡｌＡｓアバランシェ層６０４、ｉ−ＩｎＡｌＡｓアバランシェ層６０４上に形成されたｐ−ＺｎドープＩｎＡｌＡｓ電界制御層６０５、ｐ−ＺｎドープＩｎＡｌＡｓ電界制御層６０５上に形成されたｉ−ＩｎＡｌＧａＡｓ遷移層６０６、ｉ−ＩｎＡｌＧａＡｓ遷移層６０６上に形成されたｉ−ＩｎＧａＡｓ吸収層６０７、ｉ−ＩｎＧａＡｓ吸収層６０７上に形成されたｉ−ＩｎＡｌＧａＡｓ遷移層６０８、ｉ−ＩｎＡｌＧａＡｓ遷移層６０８上に形成されたｐ−ＺｎドープＩｎＡｌＡｓキャップ層６０９、ｐ−ＺｎドープＩｎＡｌＡｓキャップ層６０９上に形成されたｐ−ＺｎドープＩｎＧａＡｓキャップ層６１０を備えている。
【００４８】
以上のｎ−ＳｉドープＩｎＰバッファ層６０２、ｎ−ＳｉドープＩｎＡｌＡｓバッファ層６０３、ｉ−ＩｎＡｌＡｓアバランシェ層６０４、ｐ−ＺｎドープＩｎＡｌＡｓ電界制御層６０５、ｉ−ＩｎＡｌＧａＡｓ遷移層６０６、ｉ−ＩｎＧａＡｓ吸収層６０７、ｉ−ＩｎＡｌＧａＡｓ遷移層６０８、ｐ−ＺｎドープＩｎＡｌＡｓキャップ層６０９、ｐ−ＺｎドープＩｎＧａＡｓキャップ層６１０は、いずれもｎ−ＩｎＰ基板６０１に格子整合された半導体結晶層である。
【００４９】
また、ｐ−ＺｎドープＩｎＡｌＡｓキャップ層６０９、ｐ−ＺｎドープＩｎＧａＡｓキャップ層６１０は、Ｓｂを含んでいる。実施形態２では、ｐ−ＺｎドープＩｎＡｌＡｓキャップ層６０９、ｐ−ＺｎドープＩｎＧａＡｓキャップ層６１０の形成時、原料ガスとしてＴＭＳｂを供給することにより、ｐ−ＺｎドープＩｎＡｌＡｓキャップ層６０９、ｐ−ＺｎドープＩｎＧａＡｓキャップ層６１０にＳｂを注入している。
【００５０】
・製造方法
実施形態２では、図３に示したＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の各層を、ＭＯＣＶＤ法を用いて作成するものとした。この作成にあたり、ＩＩＩ族原料にはＴＭＡ、ＴＭＩｎ、ＴＥＧが用いられ、Ｖ族原料にはアルシンとホスフィン（ＰＨ３）が用いられている。Ｓｉのドーピングガスとしてジシラン（Ｓｉ2Ｈ6）が、ＺｎのドーピングガスとしてはＤＭＺｎが用いられている。
【００５１】
すなわち、実施形態２では、ｎ−ＩｎＰ基板６０１をＭＯＣＶＤ装置のチャンバ内に挿入し、材料ガスを変更しながら、ｎ−ＳｉドープＩｎＰバッファ層６０２、ｎ−ＳｉドープＩｎＡｌＡｓバッファ層６０３、ｉ−ＩｎＡｌＡｓアバランシェ層６０４、ｐ−ＺｎドープＩｎＡｌＡｓ電界制御層６０５、ｉ−ＩｎＡｌＧａＡｓ遷移層６０６、ｉ−ＩｎＧａＡｓ吸収層６０７、ｉ−ＩｎＡｌＧａＡｓ遷移層６０８、ｐ−ＺｎドープＩｎＡｌＡｓキャップ層６０９、ｐ−ＺｎドープＩｎＧａＡｓキャップ層６１０が順次形成される。
【００５２】
この祭、ｐ−ＺｎドープＩｎＡｌＡｓ電界制御層６０５、ｐ−ＺｎドープＩｎＡｌＡｓキャップ層６０９、ｐ−ＺｎドープＩｎＧａＡｓキャップ層６１０の形成時には材料ガスにＤＭＺｎが供給される。また、ｎ−ＳｉドープＩｎＰバッファ層６０２、ｎ−ＳｉドープＩｎＡｌＡｓバッファ層６０３の形成時には、材料ガスにＳｉ2Ｈ6が供給される。
【００５３】
さらに、ｐ−ＺｎドープＩｎＡｌＡｓキャップ層６０９、ｐ−ＺｎドープＩｎＧａＡｓキャップ層６１０の形成時には材料ガスにＴＭＳｂが供給される。
【００５４】
・効果の確認
図４は、図３に示した層構成における不純物拡散の状態を、ＳＩＭＳによって測定した結果を示した図であって、図３中に矢線Ａで示した深さ方向のＺｎのドーピングプロファイルを示している。図４の横軸は図３中に示した矢線Ａの方向であって、縦軸はその方向にあるＺｎの密度を示している。
【００５５】
図４中に示した実線は、ｐ−ＺｎドープＩｎＡｌＡｓキャップ層６０９、ｐ−ＺｎドープＩｎＧａＡｓキャップ層６１０の形成時にＴＭＳｂを供給した場合のドーピングプロファイルを示している。また、図４中に示した破線は、実施形態２の結果と比較するため、ＴＭＳｂを供給しないで作成された層構成のＺｎのドーピングプロファイルを示している。
【００５６】
図４によれば、ｐ−ＺｎドープＩｎＡｌＡｓキャップ層６０９、ｐ−ＺｎドープＩｎＧａＡｓキャップ層６１０の形成時にＴＭＳbを供給しない場合には、ｐ−ＺｎドープＩｎＡｌＡｓ電界制御層６０５からｉ−ＩｎＡｌＧａＡｓ遷移層６０６、ｉ−ＩｎＧａＡｓ吸収層６０７、ｉ−ＩｎＡｌＧａＡｓ遷移層６０８及びｉ−ＩｎＡｌＡｓアバランシェ層６０４へのＺｎの混入が認められる。
【００５７】
また、ｐ−ＺｎドープＩｎＡｌＡｓキャップ層６０９から、ｉ−ＩｎＡｌＧａＡｓ遷移層６０８やｉ−ＩｎＡｌＡｓアバランシェ層６０４へのＺｎの混入が認められる。
【００５８】
一方、ｐ−ＺｎドープＩｎＡｌＡｓキャップ層６０９、ｐ−ＺｎドープＩｎＧａＡｓキャップ層６１０の形成時にＴＭＳbを供給した場合、ｉ−ＩｎＡｌＧａＡｓ遷移層６０６、ｉ−ＩｎＧａＡｓ吸収層６０７、ｉ−ＩｎＡｌＧａＡｓ遷移層６０８及びｉ−ＩｎＡｌＡｓアバランシェ層６０４へのＺｎの混入は認められず、急峻なドーピングプロファイルを得ることができる。
【００５９】
このような結果は、ｐ−ＺｎドープＩｎＡｌＡｓキャップ層６０９、ｐ−ＺｎドープＩｎＧａＡｓキャップ層６１０の成長表面の状態をＩＩＩ族リッチの状態からＶ族リッチの状態に変化させたことによって得られる。
【００６０】
つまり、実施形態２によれば、ＴＭＳbの供給によってｐ−ＺｎドープＩｎＡｌＡｓキャップ層６０９、ｐ−ＺｎドープＩｎＧａＡｓキャップ層６１０におけるＩＩＩ族インタースティシャルの発生を抑制することができる。ＩＩＩ族インタースティシャルの発生が抑制されると、ｐ−ＺｎドープＩｎＡｌＡｓ電界制御層６０５においてサイトから格子間へ蹴り出されるｐ型不純物の数が低減する。このため、ｐ−ＺｎドープＩｎＡｌＡｓ電界制御層６０５に隣接するｉ−ＩｎＧａＡｓ吸収層６０７、ｉ−ＩｎＡｌＡｓアバランシェ層６０４へ拡散するｐ型不純物の数（密度）を低減することができる。
【００６１】
（実施形態３）
・層構成
図５は、本発明の実施形態３の半導体装置の層構成を説明するための図であって、ヘテロバイポーラトランジスタの層構成を示す断面図である。実施形態３の半導体装置は、ｉ−ＩｎＰ基板８０１上に形成されたｎ−ＳｉドープＩｎＰサブコレクタ層８０２、ｎ−ＳｉドープＩｎＰサブコレクタ層８０２上に形成されたｎ−ＳｉドープＩｎＰ８０３、ｎ−ＳｉドープＩｎＰコレクタ層８０３上に形成されたｐ−ＺｎドープＩｎＧａＡｓベース層８０４、ｐ−ＺｎドープＩｎＧａＡｓベース層８０４上に形成されたｉ−ＩｎＧａＡｓスペーサ層８０５、ｉ−ＩｎＧａＡｓスペーサ層８０５上に形成されたｎ−ＳｉドープＩｎＰエミッタ層８０６、ｎ−ＳｉドープＩｎＰエミッタ層８０６上に形成されたｎ−ＳｉドープＩｎＰキャップ層８０７、ｎ−ＳｉドープＩｎＰキャップ層８０７上に形成されたｎ−ＳｉドープＩｎＧａＡｓキャップ層８０８を備えている。
【００６２】
以上のｎ−ＳｉドープＩｎＰサブコレクタ層８０２、ｎ−ＳｉドープＩｎＰコレクタ層８０３、ｐ−ＺｎドープＩｎＧａＡｓベース層８０４、ｉ−ＩｎＧａＡｓスペーサ層８０５ｎ−ＳｉドープＩｎＰエミッタ層８０６、ｎ−ＳｉドープＩｎＰキャップ層８０７、ｎ−ＳｉドープＩｎＧａＡｓキャップ層８０８は、いずれもｉ−ＩｎＰ基板８０１に格子整合された化合物半導体結晶層である。
【００６３】
ｎ−ＳｉドープＩｎＰキャップ層８０７、ｎ−ＳｉドープＩｎＧａＡｓキャップ層８０８は、Ｓｂを含んでいる。実施形態３では、ｎ−ＳｉドープＩｎＰキャップ層８０７、ｎ−ＳｉドープＩｎＧａＡｓキャップ層８０８の形成時、原料ガスにＴＭＳｂを供給することにより、ｎ−ＳｉドープＩｎＰキャップ層８０７、ｎ−ＳｉドープＩｎＧａＡｓキャップ層８０８にＳｂを注入している。
【００６４】
・製造方法
実施形態３では、図５に示したＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の各層を、ＭＯＣＶＤ法を用いて作成するものとした。この作成にあたり、ＩＩＩ族原料にはＴＭＡ、ＴＭＩｎ、ＴＥＧが用いられ、Ｖ族原料にはアルシンとホスフィン（ＰＨ３）が用いられている。Ｓｉのドーピングガスとしてジシラン（Ｓｉ2Ｈ6）が、ＺｎのドーピングガスとしてはＤＭＺｎが用いられている。
【００６５】
すなわち、実施形態３では、ｉ−ＩｎＰ基板８０１をＭＯＣＶＤ装置のチャンバ内に挿入し、材料ガスを変更しながら、ｎ−ＳｉドープＩｎＰサブコレクタ層８０２、ｎ−ＳｉドープＩｎＰコレクタ層８０３、ｐ−ＺｎドープＩｎＧａＡｓベース層８０４、ｉ−ＩｎＧａＡｓスペーサ層８０５、ｎ−ＳｉドープＩｎＰエミッタ層８０６、ｎ−ＳｉドープＩｎＰキャップ層８０７、ｎ−ＳｉドープＩｎＧａＡｓキャップ層８０８が順次形成される。
【００６６】
この祭、ｐ−ＺｎドープＩｎＧａＡｓベース層８０４の形成時には材料ガスにＤＭＺｎが供給される。また、ｎ−ＳｉドープＩｎＰサブコレクタ層８０２、ｎ−ＳｉドープＩｎＰコレクタ層８０３、ｎ−ＳｉドープＩｎＰエミッタ層８０６、ｎ−ＳｉドープＩｎＰキャップ層８０７、ｎ−ＳｉドープＩｎＧａＡｓキャップ層８０８の形成時には、材料ガスにＳｉ2Ｈ6が供給される。
【００６７】
さらに、ｎ−ＳｉドープＩｎＰエミッタ層８０６、ｎ−ＳｉドープＩｎＰキャップ層８０７、ｎ−ＳｉドープＩｎＧａＡｓキャップ層８０８の形成時には材料ガスにＴＭＳｂが供給される。
【００６８】
・効果の確認
図６は、図５に示した層構成における不純物拡散の状態を、ＳＩＭＳによって測定した結果を示した図であって、図５中に矢線Ａで示した深さ方向のＺｎのドーピングプロファイルを示している。図６の横軸は図５中に示した矢線Ａの方向であって、縦軸はその方向にあるＺｎの密度を示している。
【００６９】
図６中に示した実線は、ｎ−ＳｉドープＩｎＰキャップ層８０７、ｎ−ＳｉドープＩｎＧａＡｓキャップ層８０８の形成時にＴＭＳｂを供給した場合のドーピングプロファイルを示している。また、図６中に示した破線は、実施形態３の結果と比較するため、ＴＭＳｂを供給しないで作成された層構成のＺｎのドーピングプロファイルを示している。
【００７０】
図６によれば、ｎ−ＳｉドープＩｎＰキャップ層８０７、ｎ−ＳｉドープＩｎＧａＡｓキャップ層８０８の形成時にＴＭＳbを供給しない場合には、ｐ−ＺｎドープＩｎＧａＡｓベース層８０４からｉ−ＩｎＧａＡｓスペーサ層８０５、ｎ−ＩｎＰエミッタ層８０６へのＺｎの混入が認められる。
【００７１】
また、ｐ−ＺｎドープＩｎＧａＡｓベース層８０４からｎ−ＳｉドープＩｎＰコレクタ層８０３へのＺｎの混入が認められる。
【００７２】
一方、ｎ−ＳｉドープＩｎＰキャップ層８０７、ｎ−ＳｉドープＩｎＧａＡｓキャップ層８０８の形成時にＴＭＳbを供給した場合、ｉ−ＩｎＧａＡｓスペーサ層８０５、ｎ−ＩｎＰエミッタ層８０６、ｎ−ＳｉドープＩｎＰコレクタ層８０３へのＺｎの混入は認められず、急峻なドーピングプロファイルを得ることができる。
【００７３】
このような結果は、ｎ−ＳｉドープＩｎＰキャップ層８０７、ｎ−ＳｉドープＩｎＧａＡｓキャップ層８０８の成長表面の状態をＩＩＩ族リッチの状態からＶ族リッチの状態に変化させたことによって得られる。
【００７４】
つまり、実施形態３によれば、ＴＭＳbの供給によってｎ−ＳｉドープＩｎＰキャップ層８０７、ｎ−ＳｉドープＩｎＧａＡｓキャップ層８０８におけるＩＩＩ族インタースティシャルの発生を抑制することができる。ＩＩＩ族インタースティシャルの発生が抑制されると、ｐ−ＺｎドープＩｎＧａＡｓベース層８０４においてサイトから格子間へ蹴り出されるｐ型不純物の数が低減する。このため、ｐ−ＺｎドープＩｎＧａＡｓベース層８０４に隣接するｉ−ＩｎＧａＡｓスペーサ層８０５、ｎ−ＩｎＰエミッタ層８０６、ｎ−ＳｉドープＩｎＰコレクタ層８０３へ拡散するｐ型不純物の数（密度）を低減することができる。
【００７５】
さらに、ＴＭＳｂが供給されたｎ−ＳｉドープＩｎＰキャップ層８０７、ｎ−ＳｉドープＩｎＧａＡｓキャップ層８０８中のＳｂ濃度を１×１０20ｃｍ-3以下に制御すれば、格子不整合等、結晶品質を劣化させる問題は格別発生しなかった。
【００７６】
以上述べたように、本発明の実施形態１、実施形態２、実施形態３によれば、いずれも
ｐ型不純物が隣接する半導体結晶層中へ拡散することがない、良好で安定した特性を持つ光素子や電子素子を作成することができる。
【００７７】
なお、実施形態１、実施形態２、実施形態３は、いずれもｐ型ドーパントとしてＺｎを用いているが、本発明の実施形態はこのような例に限定されるものではない。当然のことながら、ＭｇやＢｅといった他の不純物を用いた場合でも同様の効果がある。さらに、実施形態１、実施形態２、実施形態３は、いずれも各化合物半導体層の成長にＭＯＣＶＤを用いている。しかし、本発明の実施形態は、このような構成に限定されるものでなく、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）やＭＯＭＢＥ（metalorganic molecular beam epitaxy）といった他の成長方法でも同様の効果が期待できることは言うまでもない。
【００７８】
また、Ｓｂを供給する原料には、ＴＭＳｂの他、ＴＥＳｂ（（Ｃ2Ｈ5）3Ｓｂ）、ＴＤＭＡＳｂ（Ｓｂ[Ｎ（ＣＨ3）2]3）、（ｉ−Ｃ3Ｈ7）3Ｓｂ、（ＣＨ3）2（ｔ−Ｃ4Ｈ9）Ｓｂ等の有機金属ガスを用いることができる。また、ＭＢＥやＭＯＭＢＥの場合には金属Ｓｂを原料として用いることができる。
【符号の説明】
【００７９】
４０１ ｐ−ＩｎＰ基板
４０２ ｐ−ＺｎドープＩｎＰバッファ層
４０３ ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ活性層
４０４ ｎ−ＳｉドープＩｎＰクラッド層
４０５ ｎ−ＳｉドープＩｎＧａＡｓキャップ層
６０１ ｎ−ＩｎＰ基板
６０２ ｎ−ＳｉドープＩｎＰバッファ層
６０３ ｎ−ＳｉドープＩｎＡｌＡｓバッファ層
６０４ ｉ−ＩｎＡｌＡｓアバランシェ層
６０５ ｐ−ＺｎドープＩｎＡｌＡｓ電界制御層
６０６ ｉ−ＩｎＡｌＧａＡｓ遷移層
６０７ ｉ−ＩｎＧａＡｓ吸収層
６０８ ｉ−ＩｎＡｌＧａＡｓ遷移層
６０９ ｐ−ＺｎドープＩｎＡｌＡｓキャップ層
６１０ ｐ−ＺｎドープＩｎＧａＡｓキャップ層
８０１ ｉ−ＩｎＰ基板
８０２ ｎ−ＳｉドープＩｎＰサブコレクタ層
８０３ ｎ−ＳｉドープＩｎＰコレクタ層
８０４ ｐ−ＺｎドープＩｎＧａＡｓベース層
８０５ ｉ−ＩｎＧａＡｓスペーサ層
８０６ ｎ−ＳｉドープＩｎＰエミッタ層
８０７ ｎ−ＳｉドープＩｎＰキャップ層
８０８ ｎ−ＳｉドープＩｎＧａＡｓキャップ層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
化合物半導体基板と、
前記化合物半導体基板に格子整合し、かつ、ｐ型の不純物が注入された第１化合物半導体結晶層と、
前記第１化合物半導体結晶層よりも上層にあって、前記化合物半導体基板に格子整合し、かつ、ｐ型不純物、ｎ型不純物のいずれか一方を含む第２化合物半導体結晶層と、を備え、
前記第２化合物半導体結晶層は、さらに、Ｓｂを含むことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記第１化合物半導体結晶層の上層、及び下層の少なくとも一方に、前記化合物半導体基板に格子整合し、かつ、不純物が注入されていない第３化合物半導体結晶層を備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記化合物半導体基板が、ＩｎＰ、ＧａＡｓのいずれか一方であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第１化合物半導体結晶層、前記第２化合物半導体結晶層が、ＧａＡs、ＩｎＡｓ、ＡｌＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰ、ＡｌＰの少なくとも一つを含む化合物半導体であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
化合物半導体基板に格子整合し、かつ、ｐ型の不純物が注入された第１化合物半導体結晶層を形成する第１化合物半導体結晶層形成工程と、
前記第１化合物半導体結晶層よりも上層に、前記半導体基板に格子整合され、かつｐ型不純物、ｎ型不純物のいずれか一方を含む第２化合物半導体結晶層を、原料としてＳｂを供給しながら形成する第２化合物半導体結晶層形成工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記第１化合物半導体結晶層形成工程の上層、下層の少なくとも一方に、不純物が注入されない第３化合物半導体結晶層を形成する第３化合物半導体結晶層形成工程をさらに含み、前記第２化合物半導体結晶層形成工程において、前記第３化合物半導体結晶層より上層に前記第２化合物半導体結晶層が形成されることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１】
化合物半導体基板と、
前記化合物半導体基板に格子整合し、かつ、ｐ型の不純物が注入された第１化合物半導体結晶層と、
前記第１化合物半導体結晶層よりも上層にあって、前記化合物半導体基板に格子整合し、かつ、ｐ型不純物、ｎ型不純物のいずれか一方を含む第２化合物半導体結晶層と、を備え、
前記第２化合物半導体結晶層は、さらに、Ｓｂを含むことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記第１化合物半導体結晶層の上層、及び下層の少なくとも一方に、前記化合物半導体基板に格子整合し、かつ、不純物が注入されていない第３化合物半導体結晶層を備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記化合物半導体基板が、ＩｎＰ、ＧａＡｓのいずれか一方であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第１化合物半導体結晶層、前記第２化合物半導体結晶層が、ＧａＡs、ＩｎＡｓ、ＡｌＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰ、ＡｌＰの少なくとも一つを含む化合物半導体であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
化合物半導体基板に格子整合し、かつ、ｐ型の不純物が注入された第１化合物半導体結晶層を形成する第１化合物半導体結晶層形成工程と、
前記第１化合物半導体結晶層よりも上層に、前記半導体基板に格子整合され、かつｐ型不純物、ｎ型不純物のいずれか一方を含む第２化合物半導体結晶層を、原料としてＳｂを供給しながら形成する第２化合物半導体結晶層形成工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記第１化合物半導体結晶層形成工程の上層、下層の少なくとも一方に、不純物が注入されない第３化合物半導体結晶層を形成する第３化合物半導体結晶層形成工程をさらに含み、前記第２化合物半導体結晶層形成工程において、前記第３化合物半導体結晶層より上層に前記第２化合物半導体結晶層が形成されることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−５４７８７（Ｐ２０１１−５４７８７Ａ）
【公開日】平成２３年３月１７日（２０１１．３．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２０２８０２（Ｐ２００９−２０２８０２）
【出願日】平成２１年９月２日（２００９．９．２）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月１７日（２０１１．３．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月２日（２００９．９．２）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
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