JPS61104611A - 3−5化合物単結晶薄膜をそなえたSi基板およびその製造方法 - Google Patents
3−5化合物単結晶薄膜をそなえたSi基板およびその製造方法Info
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- JPS61104611A JPS61104611A JP22511884A JP22511884A JPS61104611A JP S61104611 A JPS61104611 A JP S61104611A JP 22511884 A JP22511884 A JP 22511884A JP 22511884 A JP22511884 A JP 22511884A JP S61104611 A JPS61104611 A JP S61104611A
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
(産業上の利用分野)
本発明は、■−■化合物単結晶薄膜をそなえた81基板
およびその製造方法に関するものである。
およびその製造方法に関するものである。
(従来例の構成とその問題点)
単結晶Ge 、 Siの上に、それぞれ単結晶GaAs
、GaPをエピタキシャル成長させる試みは、それらの
24一 つの材料の格子不整合が、それぞれ、0.1%、0.3
7%と小さく、G a A s + G a Pのバン
ドギャップが、それぞれGe、Sjより大きいため、そ
れらをエミッタとするペテロバイポーラI・ランジスタ
として有望であることの他に、形成されるGaAs、G
aPを用いる多くの産業上の有用な用途があることから
、古くから数多くなされてきた。しかし、この系では■
−■化合物同士のエピタキシーと違って、格子整合だけ
では解決できない難しい問題があり、反位相構造、双晶
、転位などの欠陥が極めて多く生じ、結晶成長はうまく
いかなかった。近年、その原因がかなり明らかになって
きた。まず、1978年に、極性のGaP、GaAsな
どのIII−v化合物をSi 、 Geのような非極性
のダイヤモンド構造をもつ材料の上にエピタキシャル成
長させる場合には、結晶方位によって界面にチャージが
生じ(たとえば[too〕、 ml、])、このチャー
ジは、バンド構造や結晶成長に十分な影響を与えるだけ
大きいこと、そして(110)ではこのチャージが生じ
ないため、デバイスや結晶成長に適することが指摘され
た。IJ、A、t(arrjson etal、Phy
s、Rev、818,4402(1978))。
、GaPをエピタキシャル成長させる試みは、それらの
24一 つの材料の格子不整合が、それぞれ、0.1%、0.3
7%と小さく、G a A s + G a Pのバン
ドギャップが、それぞれGe、Sjより大きいため、そ
れらをエミッタとするペテロバイポーラI・ランジスタ
として有望であることの他に、形成されるGaAs、G
aPを用いる多くの産業上の有用な用途があることから
、古くから数多くなされてきた。しかし、この系では■
−■化合物同士のエピタキシーと違って、格子整合だけ
では解決できない難しい問題があり、反位相構造、双晶
、転位などの欠陥が極めて多く生じ、結晶成長はうまく
いかなかった。近年、その原因がかなり明らかになって
きた。まず、1978年に、極性のGaP、GaAsな
どのIII−v化合物をSi 、 Geのような非極性
のダイヤモンド構造をもつ材料の上にエピタキシャル成
長させる場合には、結晶方位によって界面にチャージが
生じ(たとえば[too〕、 ml、])、このチャー
ジは、バンド構造や結晶成長に十分な影響を与えるだけ
大きいこと、そして(110)ではこのチャージが生じ
ないため、デバイスや結晶成長に適することが指摘され
た。IJ、A、t(arrjson etal、Phy
s、Rev、818,4402(1978))。
ついで、1982年に、それらのエピタキシーにおいて
は、界面チャージが生じないことだけでなく、■−■化
合物の■族および■広原子が下地のダイヤモンド構造か
らなる結晶のサイ1−のどこに結合するかということ(
サイト・アロケーション)が重要となり、■族とV広原
子のサイト・アロケージ ゛ヨンが確定されるこ
とが、深刻な問題となっている反位相構造の発生を避け
るために極めて重要となることが指摘された。そして、
界面チャージが生じないことと、サイト・アロケーショ
ンが確定されることの2つの条件が満足される結晶面と
しで、Si 、 Geなどのダイヤモンド構造をとる結
晶の結合サイトを構成する4個の結合手の1個が基板に
平行に存在しく第1図の符号1)かつ、それらのサイト
が基板から上方に向いた1個の結合手にのるサイト(第
1図の符号2)と、基板から上方に向いた2本の結合手
にのるサイト(第1図の符号3)の2種類のサイトから
なる結晶面が有望であり、その最も簡単な結晶面が第1
図に示す(211)=6= 結晶面であることが指摘された[S、Wrj4ht e
t、a] 、J。
は、界面チャージが生じないことだけでなく、■−■化
合物の■族および■広原子が下地のダイヤモンド構造か
らなる結晶のサイ1−のどこに結合するかということ(
サイト・アロケーション)が重要となり、■族とV広原
子のサイト・アロケージ ゛ヨンが確定されるこ
とが、深刻な問題となっている反位相構造の発生を避け
るために極めて重要となることが指摘された。そして、
界面チャージが生じないことと、サイト・アロケーショ
ンが確定されることの2つの条件が満足される結晶面と
しで、Si 、 Geなどのダイヤモンド構造をとる結
晶の結合サイトを構成する4個の結合手の1個が基板に
平行に存在しく第1図の符号1)かつ、それらのサイト
が基板から上方に向いた1個の結合手にのるサイト(第
1図の符号2)と、基板から上方に向いた2本の結合手
にのるサイト(第1図の符号3)の2種類のサイトから
なる結晶面が有望であり、その最も簡単な結晶面が第1
図に示す(211)=6= 結晶面であることが指摘された[S、Wrj4ht e
t、a] 、J。
Vac、Scj、Technol、、21,534(1
982))。
982))。
第1図はSj、、Geあるいはそれぞれの固溶体などの
ダイヤモンド構j告を(110)方向から見た図である
。」はSiの結合サイトを構成する4個の結合手の中で
基板に平行となっている結合手、2は基板の下方から−
に方に向かう2木の結合手にのるSi結合サイト、3は
基板の下方から上方に向かう2本の結合手にのるSj結
合サすトを示す。
ダイヤモンド構j告を(110)方向から見た図である
。」はSiの結合サイトを構成する4個の結合手の中で
基板に平行となっている結合手、2は基板の下方から−
に方に向かう2木の結合手にのるSi結合サイト、3は
基板の下方から上方に向かう2本の結合手にのるSj結
合サすトを示す。
この結晶面では、2種類の質的に異なるサイ1〜からな
るため、■族と■族原子が選択的にそれぞれのサイトに
結合することが期待されるわけである。そして、実際に
、Si(211)基板を用いて、分子線エピタキシー法
によりGaPのエピタキシャル成長を行ない、提唱した
理論が正しいことが実証された。これににって、はじめ
て、Si基板」−に、反位相構造のない、鏡面をもつG
aPの単結晶薄膜層が形成された。このペテロ構造を用
いてβ=9の過去最高のβ値をもつヘテロバイポーラ1
〜ランジスタが作られたが、この特性は、I−ランジス
タとしてはまだ十分なものではなかった。これは反位相
構造以外の結晶欠陥がまだ多く含まれていることしこよ
る。事実、表面には、内部欠陥の存在を示す多くの平行
に走った線状の微細構造が存在していた。しかし、この
方式により、界面チャージをなくすること、および最も
深刻な問題であった反位相構造の発生をなくすることの
2つの基本的な、重要な課題が解決されているので、反
位相構造以外の、おもに格子不整合によって生じる結晶
欠陥を除去することができれば、高品質のGaP単結晶
薄膜をそなえたSi基板の作製が期待できるわけである
。Geの上にGaAsを形成する場合には、格子不整合
はSiとGaPの場合よりもはるかに小さいので。
るため、■族と■族原子が選択的にそれぞれのサイトに
結合することが期待されるわけである。そして、実際に
、Si(211)基板を用いて、分子線エピタキシー法
によりGaPのエピタキシャル成長を行ない、提唱した
理論が正しいことが実証された。これににって、はじめ
て、Si基板」−に、反位相構造のない、鏡面をもつG
aPの単結晶薄膜層が形成された。このペテロ構造を用
いてβ=9の過去最高のβ値をもつヘテロバイポーラ1
〜ランジスタが作られたが、この特性は、I−ランジス
タとしてはまだ十分なものではなかった。これは反位相
構造以外の結晶欠陥がまだ多く含まれていることしこよ
る。事実、表面には、内部欠陥の存在を示す多くの平行
に走った線状の微細構造が存在していた。しかし、この
方式により、界面チャージをなくすること、および最も
深刻な問題であった反位相構造の発生をなくすることの
2つの基本的な、重要な課題が解決されているので、反
位相構造以外の、おもに格子不整合によって生じる結晶
欠陥を除去することができれば、高品質のGaP単結晶
薄膜をそなえたSi基板の作製が期待できるわけである
。Geの上にGaAsを形成する場合には、格子不整合
はSiとGaPの場合よりもはるかに小さいので。
」二連の結晶方位をもつ基板を用いてSj、−1=への
GaPの形成を行なう場合よりも良い結晶成長が期待で
きるわけであるが、Gaの単結晶基板は表面の清浄化が
難しいことが大きな問題点であった。
GaPの形成を行なう場合よりも良い結晶成長が期待で
きるわけであるが、Gaの単結晶基板は表面の清浄化が
難しいことが大きな問題点であった。
この場合、界面チャージ、サイト・アロケーション、お
よび格子整合の課題が解決されても、表面の清浄化が難
しいために各種の欠陥が発生する。
よび格子整合の課題が解決されても、表面の清浄化が難
しいために各種の欠陥が発生する。
一般によく用いられる(100)、(111,)や(1
10)などのSj、Geなどのダイヤモン1く構造を有
する材料の基板では、つぎのような問題点がある。(1
00)および(11,1,)基板の場合には、その上に
■−■化合物を形成すると界面にチャージが生じること
の他に、・表面が同一種のサイ1−からなるため、■族
、V族原子のサイ1〜・アロケーションが確定されない
ので結晶成長が難かしい。これらの結晶面でサイト・ア
ロケーションの問題を解決する方法がみつかり、良い結
晶成長が行なわれれば、形成された■−■化合物を用い
るデバイスへの適用は可能となるが、下地の非極性の材
料との界面にチャージが生じるため、この界面を用いる
デバイスには適しているとはいえない。(110)基板
の場合には、界面チャージは生じないが、■族、■族原
子のサイト・アロケーションが確定されないので、欠陥
の少ない単結晶膜の結晶成長が難かしい。(110)基
板において、サイト・アロケーションを解決するなんら
かの方法が見つかれば、界面チャージが生じないことか
ら、■−v化合物材料とダイヤモンド構造をもつ材料と
のへテロ構造を用いるデバイスや形成されたm−v化合
物材料を基板として用いるデバイスなどの種々の応用が
ある。これらの結晶面を用いて、ある程度の品質のGa
Asが形成されたという報告もあるが、上述のように原
理的に結晶成長が難しいことから十分なものではない。
10)などのSj、Geなどのダイヤモン1く構造を有
する材料の基板では、つぎのような問題点がある。(1
00)および(11,1,)基板の場合には、その上に
■−■化合物を形成すると界面にチャージが生じること
の他に、・表面が同一種のサイ1−からなるため、■族
、V族原子のサイ1〜・アロケーションが確定されない
ので結晶成長が難かしい。これらの結晶面でサイト・ア
ロケーションの問題を解決する方法がみつかり、良い結
晶成長が行なわれれば、形成された■−■化合物を用い
るデバイスへの適用は可能となるが、下地の非極性の材
料との界面にチャージが生じるため、この界面を用いる
デバイスには適しているとはいえない。(110)基板
の場合には、界面チャージは生じないが、■族、■族原
子のサイト・アロケーションが確定されないので、欠陥
の少ない単結晶膜の結晶成長が難かしい。(110)基
板において、サイト・アロケーションを解決するなんら
かの方法が見つかれば、界面チャージが生じないことか
ら、■−v化合物材料とダイヤモンド構造をもつ材料と
のへテロ構造を用いるデバイスや形成されたm−v化合
物材料を基板として用いるデバイスなどの種々の応用が
ある。これらの結晶面を用いて、ある程度の品質のGa
Asが形成されたという報告もあるが、上述のように原
理的に結晶成長が難しいことから十分なものではない。
また、GaAs単結晶基板は高温であることから、安価
なSj単結晶基板の」二にGaAsをエピタキシャル成
長しようという試みもなされてきたが、この場合には、
界面チャージ、サイト・アロケーションの問題に加えて
、GaAsとSjの4.1%の大きな格子不整合の問題
が加わるので成長は一層難かしかった。
なSj単結晶基板の」二にGaAsをエピタキシャル成
長しようという試みもなされてきたが、この場合には、
界面チャージ、サイト・アロケーションの問題に加えて
、GaAsとSjの4.1%の大きな格子不整合の問題
が加わるので成長は一層難かしかった。
(発明の目的)
本発明の目的は、単結晶Si基板上へのGaAsおよび
GaAsと格子整合する■−■化合物単結晶薄膜を形成
することである。形成される■−■化合物と下地のダイ
ヤモンド構造材料との界面チャージとサイト・アロケー
ションの問題を解決するとともに、GaAsとSiとの
間にある4、1%の大きな格子不整合を解決し、かつG
e基板を用いなくてよいことか=10− ら、大きな課題であったGe基板の表面の清浄化の問題
点を解決することにより、GaAsおよびGaAsと格
子整合するm−v化合物単結晶薄膜の形成を可能にし、
たとえばGaAsとGeのへテロ構造を用いたデバイス
、GaAsを基板として用いるデバイス、さらに、それ
らのデバイスとSiデバイスとを一体化したデバイスな
どに適用可能な、m−v化合物単結晶薄膜をそなえたS
i基板および、その製造方法を提供することである。
GaAsと格子整合する■−■化合物単結晶薄膜を形成
することである。形成される■−■化合物と下地のダイ
ヤモンド構造材料との界面チャージとサイト・アロケー
ションの問題を解決するとともに、GaAsとSiとの
間にある4、1%の大きな格子不整合を解決し、かつG
e基板を用いなくてよいことか=10− ら、大きな課題であったGe基板の表面の清浄化の問題
点を解決することにより、GaAsおよびGaAsと格
子整合するm−v化合物単結晶薄膜の形成を可能にし、
たとえばGaAsとGeのへテロ構造を用いたデバイス
、GaAsを基板として用いるデバイス、さらに、それ
らのデバイスとSiデバイスとを一体化したデバイスな
どに適用可能な、m−v化合物単結晶薄膜をそなえたS
i基板および、その製造方法を提供することである。
(発明の構成)
本発明のrrr−v化合物単結晶薄膜をそなえたSi基
板およびその製造方法は、Sjの結合サイトを構成する
4個の結合手の1個が基板に平行に存在した結晶方位を
有する単結晶Si基板上に、Ge、Siを含めて、Ge
−5j系の2つの組成の固溶体の単結晶薄膜からなる超
格子構造薄膜層の多層構造を、超格子構造を構成する2
つの固溶体の格子定数の平均値が、上側に位置する超格
子構造を構成する2つの固溶体の小さい方の格子定数に
近くなるようにし、かつ、」二部方面に段階的に大きく
なり最上層でGeに十分に格子整合するようにし、かつ
、前記超格子構造を構成する2つの固溶体の格子不整合
が上方向に段階的に小さくなるように、形成し、その上
にGeまたはGeと格子整合するGe−Si系固溶体の
単結晶薄膜を形成し、その上に格子整合するm−v化合
物の単結晶薄膜層を形成した構造を有するものであり、
またその製造方法を提供するものである。
板およびその製造方法は、Sjの結合サイトを構成する
4個の結合手の1個が基板に平行に存在した結晶方位を
有する単結晶Si基板上に、Ge、Siを含めて、Ge
−5j系の2つの組成の固溶体の単結晶薄膜からなる超
格子構造薄膜層の多層構造を、超格子構造を構成する2
つの固溶体の格子定数の平均値が、上側に位置する超格
子構造を構成する2つの固溶体の小さい方の格子定数に
近くなるようにし、かつ、」二部方面に段階的に大きく
なり最上層でGeに十分に格子整合するようにし、かつ
、前記超格子構造を構成する2つの固溶体の格子不整合
が上方向に段階的に小さくなるように、形成し、その上
にGeまたはGeと格子整合するGe−Si系固溶体の
単結晶薄膜を形成し、その上に格子整合するm−v化合
物の単結晶薄膜層を形成した構造を有するものであり、
またその製造方法を提供するものである。
また、Si(211)基板を用いたもの、あるいはm−
■化合物としてGaAsを用いたもの、または同じくm
−v化合物としてAlAs−GaAs系固溶体を用いた
ものである。
■化合物としてGaAsを用いたもの、または同じくm
−v化合物としてAlAs−GaAs系固溶体を用いた
ものである。
(実施例の説明)
本発明の実施例を第2図ないし第8図に基づいて説明す
る。
る。
第2図は、GeXSi1−X固溶体の組成と格子定数の
関係および実施例1ないし3に用いる超格子構造薄膜層
の構成成分の組成と格子定数との関係を示す。横軸はX
、縦軸は格子定数を示す。1ないし7は基板側からこの
順序に形成する格子構造薄膜11一 層を構成する2つの固溶体の組成と格子不整合を示す。
関係および実施例1ないし3に用いる超格子構造薄膜層
の構成成分の組成と格子定数との関係を示す。横軸はX
、縦軸は格子定数を示す。1ないし7は基板側からこの
順序に形成する格子構造薄膜11一 層を構成する2つの固溶体の組成と格子不整合を示す。
第3図ないし第5図は本発明によって形成される材料の
断面の概念図である。同図において、1は基板、2はS
jバッファ層、3はGeo、5Sln 、;の単結晶A
V膜層、4はSjの単結晶薄膜層、符号5,6゜7、8
.9.10,1.]は第2図の符号1,2,3゜4、.
5,6.7にそれぞれ対応する超格子構造薄膜層を示す
。12はGeの単結晶薄膜層、13はGaAsの単結晶
薄膜層、14はAρ。、3Ga、、7Asの単結晶薄膜
層であり、15はGe、 、!l!131110.2の
単結晶薄膜層を示す。
断面の概念図である。同図において、1は基板、2はS
jバッファ層、3はGeo、5Sln 、;の単結晶A
V膜層、4はSjの単結晶薄膜層、符号5,6゜7、8
.9.10,1.]は第2図の符号1,2,3゜4、.
5,6.7にそれぞれ対応する超格子構造薄膜層を示す
。12はGeの単結晶薄膜層、13はGaAsの単結晶
薄膜層、14はAρ。、3Ga、、7Asの単結晶薄膜
層であり、15はGe、 、!l!131110.2の
単結晶薄膜層を示す。
第6図はGeX5j1−X固溶体の組成と格子定数の関
係および実施例4,5に用いた超格子構造薄膜層の構成
成分の組成と格子定数との関係を示す。横軸はX、縦軸
は格子定数を示す。1ないし6は基板からこの順序に形
成する超格子構造薄膜層を構成する2つの固溶体の組成
と格子不整合を示す。
係および実施例4,5に用いた超格子構造薄膜層の構成
成分の組成と格子定数との関係を示す。横軸はX、縦軸
は格子定数を示す。1ないし6は基板からこの順序に形
成する超格子構造薄膜層を構成する2つの固溶体の組成
と格子不整合を示す。
第7図、第8図において1ないし4は第3図、第4図、
第5図と同じものを示し、符号5,6,7゜8.9.1
0は第6図の符号1,2,3,4,5゜=12− 6にそれぞれ対応する超格子構造薄膜層を示す。
第5図と同じものを示し、符号5,6,7゜8.9.1
0は第6図の符号1,2,3,4,5゜=12− 6にそれぞれ対応する超格子構造薄膜層を示す。
11はGeの単結晶薄膜層であり、12はGaAsの単
結晶薄膜層、13はAgo、3Gao、7ASの単結晶
薄膜層を示す。
結晶薄膜層、13はAgo、3Gao、7ASの単結晶
薄膜層を示す。
実施例1
一般のSiデバイスの作製に用いられるのと同様の鏡面
仕上げを行なったSi(211)基板(第3図の符号1
)の表面の清浄化を、まずつぎのようなウェットプロセ
スで行なう。基板をトリクロールエチレン、アセトンと
純水とを用いて脱脂洗浄したのち、約150℃に加熱し
たH20□/11□5o4(1/4)液に浸し表面の汚
れを取り除く。つづいて純水で十分に洗浄したのち、H
F/H2O(1/10)液に浸して表面の酸化膜を除去
する。このあと、大気にさらさない状態で純水を用いて
十分に洗浄し、加熱したNH4OH/11□0□/H2
0(1/1/10)液に浸し表面に極めてうすいシリコ
ンの酸化膜を形成して清浄化した表面を保護する。この
基板を分子線エピタキシー装置に充填し、800℃に加
熱する。これにより表面に形成された酸化シリコン膜が
完全に除かれ、Si基板の表面の清浄化が行なわれる。
仕上げを行なったSi(211)基板(第3図の符号1
)の表面の清浄化を、まずつぎのようなウェットプロセ
スで行なう。基板をトリクロールエチレン、アセトンと
純水とを用いて脱脂洗浄したのち、約150℃に加熱し
たH20□/11□5o4(1/4)液に浸し表面の汚
れを取り除く。つづいて純水で十分に洗浄したのち、H
F/H2O(1/10)液に浸して表面の酸化膜を除去
する。このあと、大気にさらさない状態で純水を用いて
十分に洗浄し、加熱したNH4OH/11□0□/H2
0(1/1/10)液に浸し表面に極めてうすいシリコ
ンの酸化膜を形成して清浄化した表面を保護する。この
基板を分子線エピタキシー装置に充填し、800℃に加
熱する。これにより表面に形成された酸化シリコン膜が
完全に除かれ、Si基板の表面の清浄化が行なわれる。
つぎにこの基板(第3図の符号])の上に電子ビーム法
により作製したS」分子ビームを用いてSjのバッファ
層(第3図の符号2)をエピタキシャル形成し、その上
にSi分子ビームと抵抗加熱により作製したGe分子ビ
ームを用いて、第2図の符号]、に対応する格子定数a
=5.545人のGeo、5Sj、n 、s組成の固溶
体の約50人の膜厚の単結晶薄膜(第3図の符号3)と
約50人の膜厚のSjの単結晶薄膜(第3図の符号4)
の繰り返し多層構造すなわち超格子構造の薄膜層(第3
図の符号5)をエピタキシャル形成する。この超格子構
造を構成する2つの成分の格子不整合は2.1%である
。つぎにその」二に第2図の符号2に対応する2つの組
成の固溶体の超格子構造の薄膜層(第3図の符号6)を
エピタキシャル形成する。
により作製したS」分子ビームを用いてSjのバッファ
層(第3図の符号2)をエピタキシャル形成し、その上
にSi分子ビームと抵抗加熱により作製したGe分子ビ
ームを用いて、第2図の符号]、に対応する格子定数a
=5.545人のGeo、5Sj、n 、s組成の固溶
体の約50人の膜厚の単結晶薄膜(第3図の符号3)と
約50人の膜厚のSjの単結晶薄膜(第3図の符号4)
の繰り返し多層構造すなわち超格子構造の薄膜層(第3
図の符号5)をエピタキシャル形成する。この超格子構
造を構成する2つの成分の格子不整合は2.1%である
。つぎにその」二に第2図の符号2に対応する2つの組
成の固溶体の超格子構造の薄膜層(第3図の符号6)を
エピタキシャル形成する。
この場合、2つの成分間の格子不整合は約1.7%であ
り、格子定数の小さい方の値は、下側の超格子構造を構
成する2つの成分の格子定数の平均値に等しくなるよう
にとっである。このようにして、第2図の符号1,2,
3,4,5,6.7に対応する超格子構造薄膜の多層構
造(第3図の符号5゜6、7.8.9.10,1.1)
をエピタキシャル形成する。この場合、おのおの超格子
構造を形成する2つの成分の格子不整合は、第2図に示
すように、上の層はど小さくなっており、それらの2つ
の成分の格子定数の平均値は、つぎにくる超格子構造を
構成する2つの成分の小さい方の格子定数にほぼ等しく
なり、かつ」二部に位置するほど大きくなっている。こ
の超格子構造薄膜層の上に、Geの単結晶薄膜層(第3
図の符号12)をエピタキシャル形成し、その」二にG
aAsの単結晶薄膜層(第3図の符号13)をGaとA
sの分子ビームを用いてエピタキシャル形成する。これ
により、鏡面を示し、欠陥の少ないGaAs単結晶薄膜
が形成される。
り、格子定数の小さい方の値は、下側の超格子構造を構
成する2つの成分の格子定数の平均値に等しくなるよう
にとっである。このようにして、第2図の符号1,2,
3,4,5,6.7に対応する超格子構造薄膜の多層構
造(第3図の符号5゜6、7.8.9.10,1.1)
をエピタキシャル形成する。この場合、おのおの超格子
構造を形成する2つの成分の格子不整合は、第2図に示
すように、上の層はど小さくなっており、それらの2つ
の成分の格子定数の平均値は、つぎにくる超格子構造を
構成する2つの成分の小さい方の格子定数にほぼ等しく
なり、かつ」二部に位置するほど大きくなっている。こ
の超格子構造薄膜層の上に、Geの単結晶薄膜層(第3
図の符号12)をエピタキシャル形成し、その」二にG
aAsの単結晶薄膜層(第3図の符号13)をGaとA
sの分子ビームを用いてエピタキシャル形成する。これ
により、鏡面を示し、欠陥の少ないGaAs単結晶薄膜
が形成される。
実施例2
実施例1において、Geの単結晶簿膜層(第3図の符号
12)の」二に、A(Io、3Ga、 、7As組成の
単結晶簿膜(第4図の符号14)をAI、GaとAsの
分子ビームを用いて、エピタキシャル形成し、その」二
にGaAsの単結晶薄膜(第4図の符号13)をエピタ
キシャル形 。
12)の」二に、A(Io、3Ga、 、7As組成の
単結晶簿膜(第4図の符号14)をAI、GaとAsの
分子ビームを用いて、エピタキシャル形成し、その」二
にGaAsの単結晶薄膜(第4図の符号13)をエピタ
キシャル形 。
成する。これにより同様に、鏡面を示し、欠陥の少ない
GaAs単結晶薄膜が形成される。
GaAs単結晶薄膜が形成される。
実施例3
実施例1において、超格子構造薄膜層の最上層(第3図
、第5図の符号11)を形成したのち、Geo、、9S
i、 、。2組成の固溶体の単結晶薄膜層(第5図の符
号15)をエピタキシャル形成する。この固溶体の格子
定数はa =5.658人でGaAsのそれに完全に一
致する。この層の」二に、GaAsの単結晶薄膜層(第
5図の符号13)をエピタキシャル形成する。
、第5図の符号11)を形成したのち、Geo、、9S
i、 、。2組成の固溶体の単結晶薄膜層(第5図の符
号15)をエピタキシャル形成する。この固溶体の格子
定数はa =5.658人でGaAsのそれに完全に一
致する。この層の」二に、GaAsの単結晶薄膜層(第
5図の符号13)をエピタキシャル形成する。
これにより、鏡面を示し、欠陥の少ないGaAsの単結
晶薄膜が形成される。
晶薄膜が形成される。
実施例4
実施例1と同じように、Si(21])基板(第7図の
符号1)の表面の清浄化を行なったのち、Sjのバッフ
ァ層(第7図の符号2)をエピタキシャル形成する。そ
の上に、実施例1と同様にSiとGe、、、、S−1,
0,!;固溶体からなる超格子構造薄膜層(第7図の符
号5)をエピタキシャル形成する。その」二に、第6図
の符号2,3,4..5.6に対応する組成を有する2
つの組成の固溶体の単結晶薄膜からなる超格子構造薄膜
層をこの順序に、第7図の符号6.7,8,9,1.0
のようにエピタキシャル形成する。この場合、1つの超
格子構造を構成する2つの固溶体の格子定数の平均値が
、そのつぎに位置する超格子構造薄膜層を構成する2つ
の固溶体の小さい方の格子定数に約0.2″1の格子整
合をするようにし、かつ上部に位置するほど大きくなり
、最上層ではGeに十分に格子整合するようになってい
る。この上に、Geの単結晶薄膜層(第7図の符号11
)をエピタキシャル形成し、さらにGaAsの単結晶薄
膜層(第7図の符号12)をエピタキシャル形成する。
符号1)の表面の清浄化を行なったのち、Sjのバッフ
ァ層(第7図の符号2)をエピタキシャル形成する。そ
の上に、実施例1と同様にSiとGe、、、、S−1,
0,!;固溶体からなる超格子構造薄膜層(第7図の符
号5)をエピタキシャル形成する。その」二に、第6図
の符号2,3,4..5.6に対応する組成を有する2
つの組成の固溶体の単結晶薄膜からなる超格子構造薄膜
層をこの順序に、第7図の符号6.7,8,9,1.0
のようにエピタキシャル形成する。この場合、1つの超
格子構造を構成する2つの固溶体の格子定数の平均値が
、そのつぎに位置する超格子構造薄膜層を構成する2つ
の固溶体の小さい方の格子定数に約0.2″1の格子整
合をするようにし、かつ上部に位置するほど大きくなり
、最上層ではGeに十分に格子整合するようになってい
る。この上に、Geの単結晶薄膜層(第7図の符号11
)をエピタキシャル形成し、さらにGaAsの単結晶薄
膜層(第7図の符号12)をエピタキシャル形成する。
これにより、鏡面を示し、欠陥の少ないGaAsの単結
晶薄膜が形成される。
晶薄膜が形成される。
実施例5
実施例4において、Geの単結晶薄膜層(第7図の符号
11)の上に、Aρ。、3Ga0.7AS組成の単結晶
薄膜(第8図の符号13)をAρ、Ga、Asの分子ビ
ームを用いて、エピタキシャル形成し、その」−にGa
Asの単結晶薄膜(第8図の符号12)をエピタキシャ
ル形成する。これにより、鏡面をもち、欠陥の少ない=
18− GaAsの単結晶薄膜が形成される。
11)の上に、Aρ。、3Ga0.7AS組成の単結晶
薄膜(第8図の符号13)をAρ、Ga、Asの分子ビ
ームを用いて、エピタキシャル形成し、その」−にGa
Asの単結晶薄膜(第8図の符号12)をエピタキシャ
ル形成する。これにより、鏡面をもち、欠陥の少ない=
18− GaAsの単結晶薄膜が形成される。
これらの実施例に用いているSj (2]1)基板は、
第1図の符号1に示すように結合手の1個が基板に平行
に存在していることから、その」−に他のダイヤモンド
構造の単結晶簿膜層を形成し、その」−にGaAsを形
成しても界面にチャージが生じないこと、および原子が
結合するサイトが、基板から上方にのびた1個の結合手
にのるサイ1〜(第1図の符号2)と基板から−1一方
にのびた2個の結合手にのるサイ1−(第1回の符号3
)の質的に異なる2種類のサイ1〜からなることから、
その」二にのる■族と■族原子のサイ1〜・アロケーシ
ョンが確定されるという特徴を有するので、本発明の目
的にかなう基板である。しかし、これらの目的をみたす
基板は、これ以外にも種々あり、第1図の状態から(I
TT)軸のまわりに回転して作製した、(211)方向
が基板に対して傾斜した結晶方位をもつ、た □と
えば(54])、 (43])、 (32]、)などの
基板を用いることができることは、原理からみて明らか
である。
第1図の符号1に示すように結合手の1個が基板に平行
に存在していることから、その」−に他のダイヤモンド
構造の単結晶簿膜層を形成し、その」−にGaAsを形
成しても界面にチャージが生じないこと、および原子が
結合するサイトが、基板から上方にのびた1個の結合手
にのるサイ1〜(第1図の符号2)と基板から−1一方
にのびた2個の結合手にのるサイ1−(第1回の符号3
)の質的に異なる2種類のサイ1〜からなることから、
その」二にのる■族と■族原子のサイ1〜・アロケーシ
ョンが確定されるという特徴を有するので、本発明の目
的にかなう基板である。しかし、これらの目的をみたす
基板は、これ以外にも種々あり、第1図の状態から(I
TT)軸のまわりに回転して作製した、(211)方向
が基板に対して傾斜した結晶方位をもつ、た □と
えば(54])、 (43])、 (32]、)などの
基板を用いることができることは、原理からみて明らか
である。
実施例]ないし3、および実施例4と5に示すように、
超格子構造の多層構造の形成において、1つの超格子構
造を形成する2つの固溶体(Sj−、Geを含む)の格
子定数の平均値はそれに隣接する超格子構造を構成する
2つの成分の一つの格子定数に近くなるようにしている
。これらの差は小さいほうがよいが、実施例4と5に示
すように、エピタキシャル成長において一般に要請され
る約0.2%以内の格子不整合なら特に問題はない。
超格子構造の多層構造の形成において、1つの超格子構
造を形成する2つの固溶体(Sj−、Geを含む)の格
子定数の平均値はそれに隣接する超格子構造を構成する
2つの成分の一つの格子定数に近くなるようにしている
。これらの差は小さいほうがよいが、実施例4と5に示
すように、エピタキシャル成長において一般に要請され
る約0.2%以内の格子不整合なら特に問題はない。
実施例において、超格子構造薄膜層の多層構造の」二に
Ge、またはそれと格子整合するGe−5j系固溶体の
単結晶薄膜層を形成しているが、これはこの」二に形成
する■−■化合物との格子整合をよくするとともに、G
aAs/Ge、GaAs/Ge−5j固溶体のへテロ構
造を用いるデバイスへの適用をはかるためにもうける。
Ge、またはそれと格子整合するGe−5j系固溶体の
単結晶薄膜層を形成しているが、これはこの」二に形成
する■−■化合物との格子整合をよくするとともに、G
aAs/Ge、GaAs/Ge−5j固溶体のへテロ構
造を用いるデバイスへの適用をはかるためにもうける。
ただし、形成されるm−v化合物単結晶薄膜の利用だけ
を考える場合には、それらの層の形成を省いても良く、
それでもかなりの効果がある。
を考える場合には、それらの層の形成を省いても良く、
それでもかなりの効果がある。
実施例において、■−■化合物としてGaAs 、およ
びAQo、3Gao、7Asだけを用いているが、これ
以外でGaAsと格子整合する■−■化合物、たとえば
Ai!xGa、−XAs、 InXGa、−XP、In
xAρy G a 1.− x −y Prなども用い
ることができる。
びAQo、3Gao、7Asだけを用いているが、これ
以外でGaAsと格子整合する■−■化合物、たとえば
Ai!xGa、−XAs、 InXGa、−XP、In
xAρy G a 1.− x −y Prなども用い
ることができる。
実施例においては、Si基板の上にSjのバッファ層を
形成しているが、これは基板表面の影響をできるだけ避
けるためにもうけたものであり、必ずしも必要でなく、
本発明必須の条件ではない。
形成しているが、これは基板表面の影響をできるだけ避
けるためにもうけたものであり、必ずしも必要でなく、
本発明必須の条件ではない。
なお、実施例においては、エピタキシャル方として分子
線エピタキシー法を用いているが、これ以外の方法、た
とえばMOCVDなどの方法も用いることができる。
線エピタキシー法を用いているが、これ以外の方法、た
とえばMOCVDなどの方法も用いることができる。
(発明の効果)
本発明によれば、界面チャージが生じないようにするこ
と、サイト・アロケーションの確定により反位相構造が
生じないようにすること、Ge基板を用いずにSi基板
を用いて、その上にGaの薄膜層を形成することにより
、Ge基板の清浄化が難しいことが原因となって、その
上に形成するエピタキシ一層および界面に生じていた欠
陥を除去すること、そしてその際、SjとGeとの間に
ある4、2%の格千年整合をSiとGeの固溶体の超格
子構造薄膜層の多層構造を81層とGe層との間に導入
することで解決すること、などの課題解決により、つぎ
のような効果がある。
と、サイト・アロケーションの確定により反位相構造が
生じないようにすること、Ge基板を用いずにSi基板
を用いて、その上にGaの薄膜層を形成することにより
、Ge基板の清浄化が難しいことが原因となって、その
上に形成するエピタキシ一層および界面に生じていた欠
陥を除去すること、そしてその際、SjとGeとの間に
ある4、2%の格千年整合をSiとGeの固溶体の超格
子構造薄膜層の多層構造を81層とGe層との間に導入
することで解決すること、などの課題解決により、つぎ
のような効果がある。
(1)界面チャージと欠陥の少ないrGaAsあるいは
それと格子整合する■−v化合物/Ge Jの単結晶へ
テロ構造が形成できることにより、このヘテロ構造を用
いてヘテロバイポーラトランジスタなどのデバイス作製
が可能となる。
それと格子整合する■−v化合物/Ge Jの単結晶へ
テロ構造が形成できることにより、このヘテロ構造を用
いてヘテロバイポーラトランジスタなどのデバイス作製
が可能となる。
(2) Siの上に高品質のGaAsあるいはこれと
格子整合する■−■化合物を用いたデバイスを安価に作
製できる。
格子整合する■−■化合物を用いたデバイスを安価に作
製できる。
(3) さらに、Si基板を用いていることの効果と
して、上記のデバイスとSiデバイスとを一体化したユ
ニークなデバイスが作製できる。
して、上記のデバイスとSiデバイスとを一体化したユ
ニークなデバイスが作製できる。
第1図はSj、Geなどの固溶体のダイヤモンド構造図
、第2図はGeXSi□−8固溶体の組成と格子定数の
関係図、第3図、第4図、第5図、第7図、第8図は本
発明によって形成される材料の断面の概念図、第6図は
GeX5j、−x固溶体の組成と格子定数の関係および
実施例4,5に用いた超格子構造薄膜層の構成成分の組
成と格子定数との関係図である。 特許出願人 松下電器産業株式会社 第2図 第3図 第4図
、第2図はGeXSi□−8固溶体の組成と格子定数の
関係図、第3図、第4図、第5図、第7図、第8図は本
発明によって形成される材料の断面の概念図、第6図は
GeX5j、−x固溶体の組成と格子定数の関係および
実施例4,5に用いた超格子構造薄膜層の構成成分の組
成と格子定数との関係図である。 特許出願人 松下電器産業株式会社 第2図 第3図 第4図
Claims (12)
- (1)Siの結合サイトを構成する4個の結合手の1個
が基板に平行に存在した結晶方位を有する単結晶Si基
板の上に、Ge、Siを含めて、Ge−Si系の2つの
組成の固溶体の単結晶薄膜からなる超格子構造薄膜層の
多層構造を、超格子構造を構成する2つの固溶体の格子
定数の平均値が、上側に位置する超格子構造を構成する
2つの固溶体の小さい方の格子定数に近くなるようにし
、かつ上部方向に段階的に大きくなり最上層でGeに十
分に格子整合するようにし、かつ、前記超格子構造を構
成する2つの固溶体の格子不整合が上方向に段階的に小
さくなるように形成し、その上にGeまたはGeと格子
整合するGe−Si系固溶体の単結晶薄膜を形成し、該
単結晶薄膜上に格子整合するIII−V化合物の単結晶薄
膜層を形成した構造を有することを特徴とするIII−V
化合物単結晶薄膜をそなえたSi基板。 - (2)Si(211)基板を用いることを特徴とする特
許請求の範囲第(1)項記載のIII−V化合物単結晶薄
膜をそなえたSi基板。 - (3)III−V化合物としてGeAsを用いることを特
徴とする特許請求の範囲第(1)項記載のIII−V化合
物単結晶薄膜をそなえたSi基板。 - (4)Si(211)基板を用いることを特徴とする特
許請求の範囲第(3)項記載のIII−V化合物単結晶薄
膜をそなえたSi基板。 - (5)III−V化合物として、AlAs−GaAs系固
溶体の単結晶薄膜およびその上に形成したGeAs単結
晶薄膜を用いることを特徴とする特許請求の範囲第(1
)項記載のIII−V化合物単結晶薄膜をそなえたSi基
板。 - (6)Si(211)基板を用いることを特徴とする特
許請求の範囲第(5)項記載のIII−V化合物単結晶薄
膜をそなえたSi基板。 - (7)Siの結合サイトを構成する4個の結合手の1個
が基板に平行に存在した結晶方位を有する単結晶Si基
板の上に、Ge、Siを含めて、Ge−Si系の2つの
組成の固溶体の単結晶薄膜からなる超格子構造薄膜層の
多層構造を、超格子構造を構成する2つの固溶体の格子
定数の平均値が、上側に位置する超格子構造を構成する
2つの固溶体の小さい方の格子定数に近くなるようにし
、かつ上部方向に段階的に大きくなる最上層でGeに十
分に格子整合するようにし、かつ前記超格子構造を構成
する2つの固溶体の格子不整合が上方向に段階的に小さ
くなるようにエピタキシャル形成し、その上にGeまた
はGeと格子整合するGe−Si系固溶体の単結晶薄膜
をエピタキシャル形成し、その上に格子整合するIII−
V化合物単結晶薄膜をエピタキシャル形成することを特
徴とする、III−V化合物単結晶薄膜をそなえたSi基
板の製造方法。 - (8)Si(211)基板を用いることを特徴とする特
許請求の範囲第(7)項記載のIII−V化合物単結晶薄
膜をそなえたSi基板の製造方法。 - (9)III−V化合物としてGaAsを用いることを特
徴とする特許請求の範囲第(7)項記載のIII−V化合
物単結晶薄膜をそなえたSi基板の製造方法。 - (10)Si(211)基板を用いることを特徴とする
特許請求の範囲第(9)項記載のIII−V化合物単結晶
薄膜をそなえたSi基板の製造方法。 - (11)III−V化合物として、AlAs−GaAs系
固溶体の単結晶薄膜およびその上に形成したGaAs単
結晶薄膜を用いることを特徴とする特許請求の範囲第(
7)項記載のIII−V化合物単結晶薄膜をそなえたSi
基板の製造方法。 - (12)Si(211)基板を用いることを特徴とする
特許請求の範囲第(11)項記載のIII−V化合物単結
晶薄膜をそなえたSi基板の製造方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP22511884A JPS61104611A (ja) | 1984-10-27 | 1984-10-27 | 3−5化合物単結晶薄膜をそなえたSi基板およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP22511884A JPS61104611A (ja) | 1984-10-27 | 1984-10-27 | 3−5化合物単結晶薄膜をそなえたSi基板およびその製造方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS61104611A true JPS61104611A (ja) | 1986-05-22 |
Family
ID=16824246
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP22511884A Pending JPS61104611A (ja) | 1984-10-27 | 1984-10-27 | 3−5化合物単結晶薄膜をそなえたSi基板およびその製造方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS61104611A (ja) |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS62115819A (ja) * | 1985-11-15 | 1987-05-27 | Mitsubishi Electric Corp | 半導体装置 |
JPH01184815A (ja) * | 1988-01-13 | 1989-07-24 | Fujitsu Ltd | 半導体ウエハ及びその製造方法 |
JPH01281719A (ja) * | 1988-05-07 | 1989-11-13 | Mitsubishi Electric Corp | 転位低減層 |
JPH05129201A (ja) * | 1991-05-31 | 1993-05-25 | Internatl Business Mach Corp <Ibm> | 多層材料及びその製造方法 |
JP2001111039A (ja) * | 1994-07-25 | 2001-04-20 | Hitachi Ltd | 格子不整合系積層結晶構造およびそれを用いた半導体装置 |
JP2019009248A (ja) * | 2017-06-23 | 2019-01-17 | 日本電信電話株式会社 | 半導体積層構造 |
-
1984
- 1984-10-27 JP JP22511884A patent/JPS61104611A/ja active Pending
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS62115819A (ja) * | 1985-11-15 | 1987-05-27 | Mitsubishi Electric Corp | 半導体装置 |
JPH01184815A (ja) * | 1988-01-13 | 1989-07-24 | Fujitsu Ltd | 半導体ウエハ及びその製造方法 |
JPH01281719A (ja) * | 1988-05-07 | 1989-11-13 | Mitsubishi Electric Corp | 転位低減層 |
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JP2001111039A (ja) * | 1994-07-25 | 2001-04-20 | Hitachi Ltd | 格子不整合系積層結晶構造およびそれを用いた半導体装置 |
JP2019009248A (ja) * | 2017-06-23 | 2019-01-17 | 日本電信電話株式会社 | 半導体積層構造 |
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