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JP3504851B2 - Method for manufacturing compound semiconductor film - Google Patents

Method for manufacturing compound semiconductor film

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Publication number
JP3504851B2
JP3504851B2 JP03882198A JP3882198A JP3504851B2 JP 3504851 B2 JP3504851 B2 JP 3504851B2 JP 03882198 A JP03882198 A JP 03882198A JP 3882198 A JP3882198 A JP 3882198A JP 3504851 B2 JP3504851 B2 JP 3504851B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
film
substrate
compound semiconductor
growth
grown
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
JP03882198A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPH11238683A (en
Inventor
嘉貴 森安
誠 石田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Asahi Kasei Corp
Original Assignee
Asahi Kasei Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Asahi Kasei Corp filed Critical Asahi Kasei Corp
Priority to JP03882198A priority Critical patent/JP3504851B2/en
Publication of JPH11238683A publication Critical patent/JPH11238683A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP3504851B2 publication Critical patent/JP3504851B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
  • Physical Deposition Of Substances That Are Components Of Semiconductor Devices (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【発明の属する技術分野】本発明は、Si基板上に化合
物半導体の膜を形成する技術において、結晶性および表
面平坦性のよい膜を形成する化合物半導体膜の製造方法
に関する。 【0002】 【従来の技術】現在、青色発光LEDの材料として使用
されているGaNを代表とする窒化物半導体には、基板
として主としてサファイアが使われている(Jpn.
J.Appl.Phys.30(1991)L1998
など)。サファイア以外の基板としてSi、SiC、M
gO、GaAs、MgAl24 、ZnOなどを用いる
ものも報告されてはいるが、これらの基板はいずれもG
aNとの格子ミスマッチが大きく、そのためサファイア
基板と比較して良好なGaN膜は作製されていない。 【0003】一方、絶縁性基板材料の上にSiを成長す
るSOI構造のエピタキシャル成長のうち、Si単結晶
基板上にγ−Al23 の膜を成長させ、その後、Si
を成長させる方法が報告されている(Appl.Phy
s.Lett.67(1995)2200)。 【0004】 【発明が解決しようとする課題】そして、近年になっ
て、Si単結晶基板上にγ−Al23 を成長させ、そ
の後、化合物半導体の膜としてGaN膜を成長させる方
法が報告されている(Appl.Phys.Lett.
72(1998)109)。 【0005】しかしながら、Si単結晶基板のγ−Al
23 上に化合物半導体のGaN膜を形成する場合、そ
のGaN膜を形成する前に、予備成長用の低温バッファ
層としてGaN膜を予め形成することを必要としてい
る。このため、製造工程が複雑化し、製造コストが高く
なるという問題がある。 【0006】しかも、そのようなγ−Al23 上に予
め低温バッファ層としてのGaN膜を形成後、最終的に
GaN膜を形成した場合、そのGaN膜の品質は、例え
ば、1.3μmの膜厚でX線ロッキングカーブを測定す
ると、FWHM(Full Widthof Half Maximum)が32
40(arcsec)と悪く、また、PL(Photo Lumi
nescence)測定においても、550(nm)近傍の深い
準位からの発光が強く見られるなど、実用的に十分適用
可能な品質の膜を作成することはできない。 【0007】そこで、本発明の目的は、結晶性が高く表
面平坦性の良好な化合物半導体膜を、安価な製造コスト
で作成することが可能な化合物半導体膜の製造方法を提
供することにある。 【0008】 【課題を解決するための手段】本発明は、Si基板上に
化合物半導体膜を形成する方法であって、前記Si基板
を所定の膜成長温度に設定した状態で、該Si基板上に
γ−Alを成長させ、γ−Al膜を形成す
る工程と、Al、Ga、In、又は成長形成させる化合
物半導体膜を構成する元素の中からいずれか1つが選択
された金属元素を用いて、前記γ−Al膜が成長
形成された前記Si基板に、該γ−Al膜上に前
記選択された金属元素を成長させ、30オングストロー
ムよりも薄い予備成長層を形成する工程と、前記予備成
長層が成長形成された前記Si基板の温度を化合物半導
体膜の成長温度にまで昇温させた後、AlN、GaN、
InN、および、これらの混晶化合物を成長させ、化合
物半導体膜を形成する工程とを具えることによって、化
合物半導体膜の製造方法を提供する。 【0009】 【0010】 【0011】 【0012】 【0013】 【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
実施の形態を詳細に説明する。 【0014】まず、本発明に係る化合物半導体膜の製造
方法の概略を、図1の工程に基づいて説明する。 【0015】本発明において使用する基板として、図1
(a)に示すようなSi基板1を用意する。 【0016】そして、図1(b)の工程において、Si
基板1上に、バッファ層2としてのγ−Al23 を形
成する。Si基板1上にγ−Al23 を成長する方法
については、特に限定されるものではない。なお、バッ
ファ層2としては、このγ−Al23 に限定されるも
のではなく、他の酸化物の層でもよい。 【0017】その成長方法としては、例えば、減圧化学
気相成長法(LPCVD法)、超高真空化学気相成長法
(UHV−CVD法)、分子線エピタキシー法(MBE
法)、スパッタリング法、レーザMBE法等の通常の成
長法が用いられる。この際、γ−Al23 の層の厚さ
については、特に限定されるものではなく、例えば、
0.003μmから1μmの範囲が実用的である。 【0018】次に、図1(c)の工程において、γ−A
23 からなるバッファ層2上に、金属からなる予備
成長層3を形成する。この予備成長層3の金属として
は、Al、Ga、In、および、成長する化合物半導体
を構成する金属元素のうち少なくとも一種類を用いて予
備成長することによって行う。 【0019】 予備成長層3の形成方法としては、有機
金属化学気相成長法(MOCVD法)、分子線エピタキ
シー法(MBE法)、電子ビーム(EB)蒸着法、スパ
ッタリング法等を用いることができる。また、予備成長
を行う金属の膜厚としては、30オングストローム以下
であることが好ましい。 【0020】このような予備成長層3の予備成長を行う
ことにより、従来の方法では原子レべルで不規則であっ
たγ−Al23 の表面を、予備成長用の金属元素によ
って安定化、均一化させることができる。 【0021】次に、図1(d)の工程において、その予
備成長層3を含むSi基板1を所望とする化合物半導体
の成長温度まで昇温させた後、化合物半導体を所望の膜
厚にて堆積し、これにより化合物半導体膜4を形成す
る。 【0022】ここでいう化合物半導体としては、例え
ば、AlN、GaN、InN、さらには、これらの混晶
化合物等を用いることができる。 【0023】このようにして化合物半導体膜4を形成す
る前の基板表面は、予備成長層3の金属で一様に覆われ
た状態になっているため、化合物半導体が成長初期にお
いて2次元核成長を起こしやすい。このため、堆積した
化合物半導体は、従来の金属の予備成長がない場合に比
べて、結晶性、および、平坦性が飛躍的に向上する。 【0024】化合物半導体膜4の形成方法としては、特
に限定されるものではなく、有機金属化学気相成長法
(MOCVD法)、分子線エピタキシー法(MBE
法)、有機金属分子線エピタキシー法(MOMBE
法)、スパッタリング法、レーザMBE法等の通常の方
法を用いることができる。以上の工程によって、化合物
半導体薄膜を作成することができる。 【0025】ここで、金属の予備成長層3を形成するこ
とにより、結晶性、および、平坦性が飛躍的に向上する
理由について考える。 【0026】通常、γ−Al23 やサファイアを基板
として用いる場合、そのままの状態では、最表面にAl
(アルミニウム)原子かO(酸素)原子かのどちらが現
れているかわからない。このような表面形態を有する基
板上に化合物半導体を成長させた場合、最表面に存在す
る原子の違いによって、膜の初期成長形態が異なること
が予想される。これにより、例えば、酸素原子が最表面
に現れている場合には3次元島状の成長が起こり、Al
原子が現れている場合には前述したような2次元核成長
が起こる。 【0027】結晶成長過程において、3次元成長が起こ
ると、結晶核同士の合体が生じるときにboundaryが欠陥
になる等、表面の結晶性や平坦性を悪化させる原因とな
る。 【0028】そこで、本発明のように、金属を用いて予
備成長を行うことによって、最表面の原子を金属元素で
統一することができ、これにより2次元成長がenhance
されるという効果を得る。このように金属の予備成長を
行い、バッファ層2の最表面の原子の配列形態を変える
ことができるので、表面の結晶性や平坦性を向上させる
ことが可能となる。 【0029】次に、具体的な例を挙げて説明する。 【0030】(実施例1)第1の実施例について説明す
る。 【0031】 まず、Si基板1上に、バッファ層2と
してのγ−Alを成長させる。基板としては、S
i(111)基板を使用し、金属AlとNOを原料と
して用いるガスソースMBE装置内において、基板温度
820℃、金属Alのクヌーセンセル温度=1100℃
(K−セル温度;Knudsen cell temp
erature)、NOの圧力=3×10−2Pa
で、単結晶γ−Alを成長した。60分の成長に
より、膜厚が約50オングストロームの(111)配向
した単結晶γAl膜が形成される。 【0032】次に、γ−Al23 が成長形成されたS
i基板1を室温にまで下げ、Alクヌーセンセル温度=
1050℃において、予備成長層3としてAl薄膜を1
オングストローム/秒の成長速度で20オングストロー
ム成長させる。 【0033】次に、基板温度を800℃まで昇温し、金
属GaおよびECRプラズマによって励起したN2 ガス
を原料として用いるガスソースMBE装置内において、
化合物半導体膜4として約1000オングストロームの
GaN膜を成長させる。 【0034】そして、その成長後、GaN膜の表面にお
ける反射高速電子線回折(RHEED)パターンを観察
したところ、明瞭なストリーク状のGaNのパターンが
観察できた。これは、GaNの結晶性並びに表面平坦性
が非常に良好であることを示している。 【0035】また、作製したGaN膜の表面をAFM
(Atomic Force Microscope )で観察したところ、粗さ
の二乗平均値(Rrms)は、35オングストロームで
あった。 【0036】さらに、作製したGaN膜のX線ロッキン
グカーブを(0002)面において測定したところ、1
240arcsecであった。 【0037】図2は、成長後のGaN膜のPLスペクト
ルを室温でHe−Cdレーザの励起によって調べた結果
である。364.4nmをピークとするバンド間遷移に
よる発光だけが明瞭に観察されており、このGaN膜が
良好な結晶性を持っていることを裏付けている。 【0038】(比較例)ここで、第1の実施例の比較例
について説明する。 【0039】第1の実施例と同様に、Si(111)基
板1上に、バッファ層2として(111)配向した単結
晶γ−Al23 膜を約50オングストローム成長させ
る。 【0040】その後、予備成長層3としてのAlの予備
成長無しに、基板温度を800℃にてGaN膜を約10
00オングストローム成長させる。 【0041】そして、その成長後、GaN膜の表面にお
ける反射高速電子線回折(RHEED)パターンを観察
したところ、スポットおよびリング状のGaNのパター
ンが観察された。このことは、GaNの結晶性および表
面平坦性が、第1の実施例に比較して悪化していること
を示している。 【0042】また、作製したGaN膜の表面をAFMで
観察したところ、粗さの二乗平均値(Rrms)は90
オングストロームであった。 【0043】さらに、作製したGaN膜のX線ロッキン
グカーブを(0002)面において測定したところ、2
010arcsecであった。 【0044】図3は、成長後のGaN膜のPLスペクト
ルを、室温においてHe−Cdレーザ励起により調べた
結果である。第1の実施例の場合にも観察されたバンド
間遷移による発光だけでなく、470nm近傍に波長幅
の広い発光も観察されている。これは、GaNのエネル
ギー準位の深い領域に、窒素欠損などに由来する欠陥準
位が広く分布していることを示している。 【0045】これら図2および図3の結果から、第1の
実施例で形成された化合物半導体の膜の結晶性およひ平
坦性が、この比較例と比べて飛躍的に向上していること
が確認できた。 【0046】(実施例2)次に、第2の実施例について
説明する。 【0047】本例では、予備成長層3として、前記Al
薄膜の代わりに、Gaクヌーセンセル温度850℃にお
いて、Ga薄膜を20オングストローム成長させる。 【0048】そのGa薄膜が形成されたSi基板1上
に、第1の実施例と同様に、化合物半導体膜4としてG
aN膜を成長させる。 【0049】その成長後、GaN膜の表面における反射
高速電子線回折(RHEED)パターンを観察したとこ
ろ、明瞭なストリーク状のGaNのパターンが観察され
た。 【0050】また、作製したGaN膜の表面をAFMで
観察したところ、粗さの二乗平均値(Rrms)は40
オングストロームであった。 【0051】さらに、作製したGaN膜のX線ロッキン
グカーブを(0002)面において測定したところ、1
300arcsecであった。 【0052】(実施例3)次に、第3の実施例について
説明する。 【0053】本例では、まず、第1の実施例と同様にし
て、Si(111)基板上に、バッファ層2として、5
0オングストロームの単結晶γ−Al23 膜を形成す
る。続いて、予備成長層3として、20オングストロー
ムのAl薄膜を成長させる。 【0054】 その後、化合物半導体膜4として、金属
Gaおよび固体Asを原料として用い、ガスソースMB
E装置内において、基板温度630℃にて1000オン
グストロームのGaAs膜を成長させる。 【0055】その成長後、GaAs膜の表面における反
射高速電子線回折(RHEED)パターンを観察したと
ころ、明瞭なストリーク状のGaAsのパターンが観察
された。このことは、GaAsの結晶性および表面平坦
性が非常に良好であることを示している。 【0056】また、作製したGaAs膜の表面をAFM
で観察したところ、粗さの二乗平均値(Rrms)は1
8オングストロームであった。 【0057】さらに、作製したGaAs膜のX線ロッキ
ングカーブを(111)面において測定したところ、8
20arcsecであった。 【0058】(実施例4)次に、第4の実施例について
説明する。 【0059】本例では、まず、第1の実施例と同様にし
て、Si(111)基板上に、バッファ層2として、
(111)配向した50オングストロームの単結晶γ−
Al23 膜を形成する。 【0060】続いて、基板を室温まで下げ、Alクヌー
センセル温度1050℃において、予備成長層3とし
て、30オングストロームのAl薄膜を成長させたもの
(基板A)と、40オングストロームのAl薄膜を成長
させたもの(基板B)との2つの基板を作製した。 【0061】その後、それぞれの基板を使用して、化合
物半導体膜4として、金属GaおよびECRプラズマに
よって励起したN2 ガスを原料として用いるガスソース
MBE装置内において、基板温度800℃にて、約10
00オングストロームのGaN膜を成長させる。 【0062】その成長後、作製したGaN膜の表面をA
FMで観察したところ、粗さの二乗平均値(Rrms)
は、基板Aにおいては38オングストローム、基板Bに
おいては95オングストロームであった。 【0063】また、作製したGaN膜のX線ロッキング
カーブを(0002)面において測定したところ、基板
Aにおいては1200arcsecであり、基板Bにお
いては2100arcsecであった。 【0064】以上の結果から、基板Aにおいては良好な
GaN膜が得られたが、基板Bにおいては結晶性改善の
効果が認められなかった。 【0065】これにより、予備成長を行う金属薄膜の膜
厚として、30オングストロームを越えないことが望ま
しいことがわかった。 【0066】(応用例)次に、応用例について説明す
る。 【0067】本発明の化合物半導体膜の製造方法を用い
て、Si基板上に厚膜の単結晶化合物半導体を成長させ
ることも可能である。この場合、前述した工程を用い、
膜の形成時間を単に長くすることにより、膜厚の厚い化
合物半導体層を容易に形成することが可能である。 【0068】そして、このようにして厚膜の化合物半導
体層が成長形成されたSi基板を、フッ酸と硝酸の混合
液で溶かすことによって、従来は作製が極めて困難とさ
れていたGaNなどの窒化物系化合物半導体の単結晶基
板を得ることが可能となる。これを用いて窒化物系化合
物半導体の膜を成長させた場合、ホモ成長であるので欠
陥密度の少ない極めて良質な膜を得ることができ、その
結果、LEDやLDなどの素子の信頼性や寿命を飛躍的
に伸ばすことができる。 【0069】 【発明の効果】以上のように、本発明によれば、Si基
板上に化合物半導体膜を形成する場合、まず、Si基板
上にγ−Al23 等のバッファ層を形成し、このバッ
ファ層上に金属の予備成長層として、Al、Ga、In
および成長する化合物半導体を構成する金属元素のうち
少なくとも一種類を用いて予備成長を行い、この予備成
長層上に所望とする化合物半導体膜を形成するようにし
たので、安価で大量に生産されるSi基板上に、高い結
晶性を持ったGaNなどの化合物半導体を平坦性良く成
長させることができ、サファイア基板を用いる場合に比
べて製造コストを大幅に下げることが可能になる。ま
た、これに伴い、Si基板のへき開性を利用して、半導
体レーザを作るために必要な光共振器構造を作ることも
容易になる。 【0070】また、本発明によれば、化合物半導体とS
iのそれぞれの特徴を生かしたデバイスを、一つのSi
基板上にモノリシックに形成することが可能になり、回
路全体を高集積化、高速化することも可能になる。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a technique for forming a compound semiconductor film on a Si substrate, and a compound semiconductor film for forming a film having good crystallinity and surface flatness. And a method for producing the same. 2. Description of the Related Art At present, sapphire is mainly used as a substrate in a nitride semiconductor represented by GaN, which is currently used as a material for a blue light emitting LED (Jpn.
J. Appl. Phys. 30 (1991) L1998
Such). Si, SiC, M as substrates other than sapphire
Although the use of gO, GaAs, MgAl 2 O 4 , ZnO or the like has been reported, these substrates all use G
The lattice mismatch with aN is large, so that a better GaN film has not been produced as compared with the sapphire substrate. On the other hand, in the epitaxial growth of an SOI structure in which Si is grown on an insulating substrate material, a film of γ-Al 2 O 3 is grown on a Si single crystal substrate, and then the Si is grown.
Has been reported (Appl. Phy).
s. Lett. 67 (1995) 2200). Recently, there has been reported a method of growing γ-Al 2 O 3 on a Si single crystal substrate and then growing a GaN film as a compound semiconductor film. (Appl. Phys. Lett.
72 (1998) 109). However, the γ-Al
When a compound semiconductor GaN film is formed on 2 O 3 , it is necessary to form a GaN film as a low-temperature buffer layer for preliminary growth before forming the GaN film. Therefore, there is a problem that the manufacturing process is complicated and the manufacturing cost is increased. Further, when a GaN film as a low-temperature buffer layer is previously formed on such γ-Al 2 O 3 and then a GaN film is finally formed, the quality of the GaN film is, for example, 1.3 μm. When the X-ray rocking curve was measured at a film thickness of FWHM, the FWHM (Full Width of Half Maximum) was 32.
40 (arcsec) is bad, and PL (Photo Lumi
Also in the measurement of nescence, light emission from a deep level near 550 (nm) is strongly observed, and it is not possible to produce a film of a sufficiently practical quality. SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a compound semiconductor film capable of forming a compound semiconductor film having high crystallinity and good surface flatness at a low manufacturing cost. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is a method for forming a compound semiconductor film on a Si substrate, the method comprising the steps of: grown γ-Al 2 O 3 in the steps of forming a γ-Al 2 O 3 film, Al, Ga, in, or is one or a compound semiconductor film grown formed among the elements constituting the selected The selected metal element is grown on the γ-Al 2 O 3 film on the Si substrate on which the γ-Al 2 O 3 film is grown and formed using the selected metal element, and is thinner than 30 Å. Forming a pre-growth layer, raising the temperature of the Si substrate on which the pre-growth layer has been grown to the growth temperature of the compound semiconductor film, and then forming AlN, GaN,
A method of growing a compound semiconductor film by growing InN and a mixed crystal compound thereof to provide a method of manufacturing a compound semiconductor film. Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. First, an outline of a method for manufacturing a compound semiconductor film according to the present invention will be described based on the steps of FIG. As a substrate used in the present invention, FIG.
A Si substrate 1 as shown in FIG. Then, in the step of FIG.
Γ-Al 2 O 3 as a buffer layer 2 is formed on a substrate 1. The method for growing γ-Al 2 O 3 on the Si substrate 1 is not particularly limited. The buffer layer 2 is not limited to γ-Al 2 O 3 but may be another oxide layer. As the growth method, for example, low pressure chemical vapor deposition (LPCVD), ultrahigh vacuum chemical vapor deposition (UHV-CVD), molecular beam epitaxy (MBE)
), A sputtering method, a laser MBE method or the like. At this time, the thickness of the γ-Al 2 O 3 layer is not particularly limited.
A range from 0.003 μm to 1 μm is practical. Next, in the step of FIG.
A pre-grown layer 3 made of metal is formed on the buffer layer 2 made of l 2 O 3 . Preliminary growth is performed by using at least one of Al, Ga, In, and a metal element constituting the compound semiconductor to be grown as a metal of the preliminary growth layer 3. As a method for forming the preliminary growth layer 3, a metal organic chemical vapor deposition method (MOCVD method), a molecular beam epitaxy method (MBE method), an electron beam (EB) vapor deposition method, a sputtering method, or the like can be used. . The thickness of the metal to be pre-grown is 30 Å or less.
It is preferable that By performing such preliminary growth of the preliminary growth layer 3, the surface of γ-Al 2 O 3 which was irregular at the atomic level in the conventional method is stabilized by the metal element for preliminary growth. And uniformity. Next, in the step of FIG. 1D, after the Si substrate 1 including the pre-growth layer 3 is heated to a desired compound semiconductor growth temperature, the compound semiconductor is formed to a desired film thickness. Then, a compound semiconductor film 4 is formed. As the compound semiconductor mentioned here, for example, AlN, GaN, InN, or a mixed crystal compound thereof can be used. Since the surface of the substrate before the formation of the compound semiconductor film 4 is uniformly covered with the metal of the preliminary growth layer 3 in this manner, the two-dimensional nucleus growth of the compound semiconductor in the initial stage of growth. Easy to cause. For this reason, the crystallinity and flatness of the deposited compound semiconductor are significantly improved as compared with the conventional case where there is no preliminary growth of metal. The method of forming the compound semiconductor film 4 is not particularly limited, but may be a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method, a molecular beam epitaxy method (MBE).
Method), organometallic molecular beam epitaxy method (MOMBE)
Method, a sputtering method, a laser MBE method and the like. Through the above steps, a compound semiconductor thin film can be formed. Here, the reason why crystallinity and flatness are drastically improved by forming the metal pre-growth layer 3 will be considered. Normally, when γ-Al 2 O 3 or sapphire is used as a substrate, Al
It is not known whether an (aluminum) atom or an O (oxygen) atom appears. When a compound semiconductor is grown on a substrate having such a surface morphology, it is expected that the initial growth morphology of the film will differ depending on the difference in atoms existing on the outermost surface. Thereby, for example, when oxygen atoms appear on the outermost surface, three-dimensional island-like growth occurs,
When atoms appear, two-dimensional nuclear growth occurs as described above. If three-dimensional growth occurs during the crystal growth process, the crystallinity and flatness of the surface will be degraded, for example, the boundary will become defective when the crystal nuclei are united. Therefore, by performing pre-growth using a metal as in the present invention, the atoms on the outermost surface can be unified with the metal element, whereby the two-dimensional growth can be enhanced.
The effect is obtained. Since the pre-growth of the metal can change the arrangement of atoms on the outermost surface of the buffer layer 2 as described above, the crystallinity and flatness of the surface can be improved. Next, a specific example will be described. (Embodiment 1) A first embodiment will be described. First, γ-Al 2 O 3 as the buffer layer 2 is grown on the Si substrate 1. The substrate is S
In a gas source MBE apparatus using an i (111) substrate and using metal Al and N 2 O as raw materials, a substrate temperature of 820 ° C., a Knudsen cell temperature of metal Al = 1100 ° C.
(K-cell temperature; Knudsen cell temp
erasure), N 2 O pressure = 3 × 10 −2 Pa
Thus, a single crystal γ-Al 2 O 3 was grown. By growing for 60 minutes, a (111) -oriented single crystal γAl 2 O 3 film having a film thickness of about 50 Å is formed. Next, S grown on γ-Al 2 O 3
The temperature of the i-substrate 1 is lowered to room temperature, and the Al Knudsen cell temperature =
At 1050 ° C., an Al thin film
Grow 20 Å at a growth rate of Å / sec. Next, the substrate temperature was raised to 800 ° C., and in a gas source MBE apparatus using as a raw material N 2 gas excited by metal Ga and ECR plasma,
A GaN film of about 1000 Å is grown as the compound semiconductor film 4. After the growth, the reflection high-energy electron diffraction (RHEED) pattern on the surface of the GaN film was observed, and a clear streak-like GaN pattern was observed. This indicates that the crystallinity and surface flatness of GaN are very good. Further, the surface of the GaN film thus prepared was subjected to AFM.
(Atomic Force Microscope), the root-mean-square value (Rrms) of the roughness was 35 Å. Further, the X-ray rocking curve of the produced GaN film was measured on the (0002) plane.
240 arcsec. FIG. 2 shows the result of examining the PL spectrum of the grown GaN film at room temperature by excitation with a He-Cd laser. Only light emission due to an interband transition having a peak at 364.4 nm is clearly observed, confirming that the GaN film has good crystallinity. (Comparative Example) Here, a comparative example of the first embodiment will be described. As in the first embodiment, a (111) -oriented single crystal γ-Al 2 O 3 film is grown as a buffer layer 2 on a Si (111) substrate 1 by about 50 angstroms. After that, the GaN film was deposited at a substrate temperature of 800 ° C. for about 10 minutes without the preliminary growth of Al as the preliminary growth layer 3.
Grow 00 Å. After the growth, the reflection high-energy electron diffraction (RHEED) pattern on the surface of the GaN film was observed. As a result, spot and ring-shaped GaN patterns were observed. This indicates that the crystallinity and surface flatness of GaN are worse than in the first embodiment. When the surface of the prepared GaN film was observed by AFM, the root-mean-square value (Rrms) of the roughness was 90%.
Angstrom. Further, the X-ray rocking curve of the manufactured GaN film was measured on the (0002) plane.
010 arcsec. FIG. 3 shows a result of examining the PL spectrum of the grown GaN film at room temperature by He-Cd laser excitation. In the case of the first embodiment, not only light emission due to the observed band-to-band transition but also light emission having a wide wavelength band near 470 nm is observed. This indicates that defect levels derived from nitrogen deficiency and the like are widely distributed in a region where the energy level of GaN is deep. From the results shown in FIGS. 2 and 3, it can be seen that the crystallinity and flatness of the compound semiconductor film formed in the first embodiment are remarkably improved as compared with the comparative example. Was confirmed. (Embodiment 2) Next, a second embodiment will be described. In this example, the pre-grown layer 3
Instead of the thin film, a Ga thin film is grown at 20 Å at a Ga Knudsen cell temperature of 850 ° C. On the Si substrate 1 on which the Ga thin film has been formed, as the compound semiconductor film 4,
An aN film is grown. After the growth, when the reflection high-energy electron diffraction (RHEED) pattern on the surface of the GaN film was observed, a clear streak-like GaN pattern was observed. When the surface of the prepared GaN film was observed by AFM, the root-mean-square value (Rrms) of the roughness was 40%.
Angstrom. Further, the X-ray rocking curve of the manufactured GaN film was measured on the (0002) plane.
300 arcsec. (Embodiment 3) Next, a third embodiment will be described. In this embodiment, first, as in the first embodiment, a buffer layer 2 is formed on a Si (111) substrate.
A 0 Å single crystal γ-Al 2 O 3 film is formed. Subsequently, a 20 Å Al thin film is grown as the pre-growth layer 3. Thereafter, as the compound semiconductor film 4, metal Ga and solid As are used as raw materials, and a gas source MB is used.
In the E device, a GaAs film of 1000 Å is grown at a substrate temperature of 630 ° C. After the growth, when a reflection high-energy electron diffraction (RHEED) pattern on the surface of the GaAs film was observed, a clear streak-like GaAs pattern was observed. This indicates that GaAs has very good crystallinity and surface flatness. Further, the surface of the GaAs film thus produced was subjected to AFM.
As a result, the root mean square (Rrms) of roughness was 1
It was 8 angstroms. Further, the X-ray rocking curve of the GaAs film thus prepared was measured on the (111) plane.
20 arcsec. (Embodiment 4) Next, a fourth embodiment will be described. In this embodiment, first, as in the first embodiment, a buffer layer 2 is formed on a Si (111) substrate.
(111) oriented 50 Å single crystal γ-
An Al 2 O 3 film is formed. Subsequently, the substrate is cooled to room temperature, and a 30 Å Al thin film (substrate A) and a 40 Å Al thin film are grown as preliminary growth layers 3 at an Al Knudsen cell temperature of 1050 ° C. (Substrate B). Thereafter, each substrate is used as a compound semiconductor film 4 in a gas source MBE apparatus using metal Ga and N 2 gas excited by ECR plasma as raw materials at a substrate temperature of 800 ° C. and a temperature of about 10 ° C.
A 00 angstrom GaN film is grown. After the growth, the surface of the produced GaN film was changed to A
Observed by FM, the root mean square value of roughness (Rrms)
Was 38 Å for substrate A and 95 Å for substrate B. When the X-ray rocking curve of the GaN film thus produced was measured on the (0002) plane, it was 1200 arcsec for the substrate A and 2100 arcsec for the substrate B. From the above results, a good GaN film was obtained on the substrate A, but no effect of improving the crystallinity was recognized on the substrate B. As a result, it was found that it is desirable that the thickness of the metal thin film to be subjected to the preliminary growth does not exceed 30 angstroms. (Application Example) Next, an application example will be described. By using the compound semiconductor film manufacturing method of the present invention, a thick single crystal compound semiconductor can be grown on a Si substrate. In this case, using the steps described above,
By simply increasing the film formation time, a compound semiconductor layer having a large thickness can be easily formed. By dissolving the Si substrate on which the thick compound semiconductor layer has been grown as described above with a mixed solution of hydrofluoric acid and nitric acid, nitride of GaN or the like, which has conventionally been extremely difficult to manufacture, is formed. It is possible to obtain a single crystal substrate of a compound semiconductor. When a nitride-based compound semiconductor film is grown using this, an extremely high-quality film with a low defect density can be obtained because of homo-growth, and as a result, reliability and lifetime of devices such as LEDs and LDs can be obtained. Can be dramatically increased. As described above, according to the present invention, when forming a compound semiconductor film on a Si substrate, first, a buffer layer such as γ-Al 2 O 3 is formed on the Si substrate. Al, Ga, In as a metal pre-growth layer on the buffer layer
Preliminary growth is performed by using at least one of the metal elements constituting the compound semiconductor to be grown, and a desired compound semiconductor film is formed on the pre-grown layer, so that it is inexpensive and mass-produced. A compound semiconductor such as GaN having high crystallinity can be grown with good flatness on a Si substrate, and the manufacturing cost can be significantly reduced as compared with the case where a sapphire substrate is used. Accordingly, it becomes easy to make an optical resonator structure necessary for making a semiconductor laser by utilizing the cleavage of the Si substrate. According to the present invention, a compound semiconductor and S
a device that takes advantage of the features of
It can be formed monolithically on a substrate, and the entire circuit can be highly integrated and operated at high speed.

【図面の簡単な説明】 【図1】本発明に係る化合物半導体膜の製造方法を示す
工程図である。 【図2】本発明によって形成されたGaN薄膜の室温で
のPLスペクトルを示す特性図である。 【図3】Alの予備成長を行わなかった場合のGaN薄
膜の室温でのPLスペクトルを示す特性図である。 【符号の説明】 1 Si基板 2 バッファ層 3 予備成長層 4 化合物半導体膜
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a process chart showing a method for manufacturing a compound semiconductor film according to the present invention. FIG. 2 is a characteristic diagram showing a PL spectrum at room temperature of a GaN thin film formed according to the present invention. FIG. 3 is a characteristic diagram showing a PL spectrum at room temperature of a GaN thin film when Al preliminary growth is not performed. [Description of Signs] 1 Si substrate 2 Buffer layer 3 Pre-growth layer 4 Compound semiconductor film

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平9−134878(JP,A) 特開 平9−36428(JP,A) L. Wang,Wurtzite GaN epitaxial grow th on a Si(001) sub strate using γ−Al2 O3 as an intermedi ate layer,Appl. Ph ys. Lett.,米国,1998年 1 月 5日,72(1),p.109−111 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/203 H01L 21/205 H01L 33/00 Continuation of front page (56) References JP-A-9-134878 (JP, A) JP-A-9-36428 (JP, A) Wang, Wurtzite GaN epitaxy growth on a Si (001) substrate using γ-Al2O3 as an intermediary layer, Appl. Phys. Lett. U.S.A., January 5, 1998, 72 (1), p. 109-111 (58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H01L 21/203 H01L 21/205 H01L 33/00

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】 【請求項1】 Si基板上に化合物半導体膜を形成する
方法であって、前記Si基板を所定の膜成長温度に設定した状態で、該
Si基板上にγ−Al を成長させ、γ−Al
膜を形成する工程と、 Al、Ga、In、又は成長形成させる化合物半導体膜
を構成する元素の中からいずれか1つが選択された金属
元素を用いて、前記γ−Al 膜が成長形成された
前記Si基板に、該γ−Al 膜上に前記選択され
た金属元素を成長させ、30オングストロームよりも薄
い予備成長層を形成する工程と、 前記予備成長層が成長形成された前記Si基板の温度を
化合物半導体膜の成長温度にまで昇温させた後、Al
N、GaN、InN、および、これらの混晶化合物を成
長させ、化合物半導体膜を形成する工程と を具えたこと
を特徴とする化合物半導体膜の製造方法。
(57) A method for forming a compound semiconductor film on a Si substrate, the method comprising: setting the Si substrate at a predetermined film growth temperature;
Γ-Al 2 O 3 is grown on a Si substrate and γ-Al 2 O
Step of forming three films, Al, Ga, In, or a compound semiconductor film to be grown and formed
Selected from any one of the elements constituting
The γ-Al 2 O 3 film was grown and formed using an element .
On the Si substrate, on the γ-Al 2 O 3 film,
Grown metal element, thinner than 30 Å
Forming a pre-growth layer, and controlling the temperature of the Si substrate on which the pre-growth layer has been formed.
After raising the temperature to the growth temperature of the compound semiconductor film, Al
N, GaN, InN, and their mixed crystal compounds
And forming a compound semiconductor film. 2. A method for manufacturing a compound semiconductor film, comprising:
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