JP2519232B2 - 化合物半導体結晶層の製造方法 - Google Patents
化合物半導体結晶層の製造方法Info
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Description
【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、有機金属化学気相成長法（MOCVD法）によ
りInGaAlP層を成長形成する方法に係わり、特に半導体
レーザを作成するのに適した化合物半導体結晶層の製造
方法に関する。
りInGaAlP層を成長形成する方法に係わり、特に半導体
レーザを作成するのに適した化合物半導体結晶層の製造
方法に関する。
（従来の技術） 単結晶InGaAlPはIII−Ｖ族化合物半導体の中でも、短
波長半導体レーザを得るための重要な材料である。この
材料は、従来の液相エピタキシャル法（LPE法）や気相
エピタキシャル法（VPE法）等の準平衡下での成長方法
では、Alの固相への偏析係数が極端に大きいため、事実
上成長不可能である。そこで最近、平衡状態より大きく
ずれた状態下での成長と考えられる分子線エピタキシー
法（MBE法）やMOCVD法等により、上記化合物半導体結晶
層を成長する方法が検討されている。
波長半導体レーザを得るための重要な材料である。この
材料は、従来の液相エピタキシャル法（LPE法）や気相
エピタキシャル法（VPE法）等の準平衡下での成長方法
では、Alの固相への偏析係数が極端に大きいため、事実
上成長不可能である。そこで最近、平衡状態より大きく
ずれた状態下での成長と考えられる分子線エピタキシー
法（MBE法）やMOCVD法等により、上記化合物半導体結晶
層を成長する方法が検討されている。
近年、MBE法やMOCVD法による成長したダブルヘテロウ
ェハを使用した半導体レーザの室温動作がいくつか報告
されている。しかし、これらの素子の特性には次に述べ
るようないくつかの大きな問題がある。第１には素子寿
命が数百時間程度と短いことであり、第２にはいずれの
素子もGaAs基板に格子整合したInGaPを活性層として用
いるにも拘らず、その発振波長はLPE法により成長され
た理想に近いと思われるInGaPのフォトルミネッセンス
のピーク波長から予想される値よりも20〜40nm長いこと
である。
ェハを使用した半導体レーザの室温動作がいくつか報告
されている。しかし、これらの素子の特性には次に述べ
るようないくつかの大きな問題がある。第１には素子寿
命が数百時間程度と短いことであり、第２にはいずれの
素子もGaAs基板に格子整合したInGaPを活性層として用
いるにも拘らず、その発振波長はLPE法により成長され
た理想に近いと思われるInGaPのフォトルミネッセンス
のピーク波長から予想される値よりも20〜40nm長いこと
である。
第１の問題の原因としては、クラッド層に使用される
高Al組成のInGaAlPに高密度に存在するヒロック等に代
表される結晶欠陥が考えられる。第２の問題の原因とし
ては、活性層として使用されているInGaPを構成するIn
とGaが不完全に混合していることが可能性として考えら
れる。しかし、これまではこれらの問題を解決する適当
な手段が見出されておらず、このためInGaAlP系レーザ
の最短波長の室温連続動作は、GaAlAs系レーザにおける
680nmと大差のない値にとどまっている。これは、InGaA
lPをレーザ用材料として使用する本来の目的である、長
寿命の短波長半導体レーザの実現にとって大きな問題で
あった。
高Al組成のInGaAlPに高密度に存在するヒロック等に代
表される結晶欠陥が考えられる。第２の問題の原因とし
ては、活性層として使用されているInGaPを構成するIn
とGaが不完全に混合していることが可能性として考えら
れる。しかし、これまではこれらの問題を解決する適当
な手段が見出されておらず、このためInGaAlP系レーザ
の最短波長の室温連続動作は、GaAlAs系レーザにおける
680nmと大差のない値にとどまっている。これは、InGaA
lPをレーザ用材料として使用する本来の目的である、長
寿命の短波長半導体レーザの実現にとって大きな問題で
あった。
（発明が解決しようとする問題点） このように従来、高Al組成のInGaAlPに存在する結晶
欠陥やInGaPを構成するInとGaとの不完全混合等を解消
することができず、InGaAlPの本来のバンドギャップか
ら期待される650nmより短波長の発振波長を有する長寿
命の半導体レーザを作成することは困難であった。
欠陥やInGaPを構成するInとGaとの不完全混合等を解消
することができず、InGaAlPの本来のバンドギャップか
ら期待される650nmより短波長の発振波長を有する長寿
命の半導体レーザを作成することは困難であった。
本発明は上記事情を考慮してなされたもので、その目
的とするところは、理論的に期待されるバンドギャップ
と理想的な結晶性を有するInGaAlP結晶とGaAs基板上に
再現性良く成長することができ、短波長で長寿命の半導
体レーザの作成等に有効な化合物半導体結晶層の製造方
法を提供することにある。
的とするところは、理論的に期待されるバンドギャップ
と理想的な結晶性を有するInGaAlP結晶とGaAs基板上に
再現性良く成長することができ、短波長で長寿命の半導
体レーザの作成等に有効な化合物半導体結晶層の製造方
法を提供することにある。
［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本発明の骨子は、MOCVD法で結晶成長する際に、燐の
原料として用いるホスフィンの分解効率を反応室内圧力
を選択することにより上げ、これにより高い基板温度の
採用を可能としたことにある。また、これに加え、GaAs
基板上に成長を開始する際の原料気体の導入手順を工夫
することによりヘテロ界面での結晶欠陥の発生を抑制し
たこと、さらに成長速度を比較的大きな値に設定するこ
とにより成長時における構成元素の再蒸発の影響を軽減
したことにある。
原料として用いるホスフィンの分解効率を反応室内圧力
を選択することにより上げ、これにより高い基板温度の
採用を可能としたことにある。また、これに加え、GaAs
基板上に成長を開始する際の原料気体の導入手順を工夫
することによりヘテロ界面での結晶欠陥の発生を抑制し
たこと、さらに成長速度を比較的大きな値に設定するこ
とにより成長時における構成元素の再蒸発の影響を軽減
したことにある。
即ち本発明は、結晶成長に供される反応炉内にGaAs基
板を配置し、反応炉内にIII族原料及びＶ族原料のガス
を導入すると共に基板を加熱し、基板上に有機金属化学
気相成長法によりIn1-x-yGaxAlyP層（０≦ｘ≦1,0≦ｙ
≦１）を成長形成する化合物半導体結晶層の製造方法に
おいて、前記反応炉内に導入するＶ族原料ガスとしてホ
スフィンを用い、前記反応炉内の圧力を15〜35Torrに設
定し、且つ前記基板の表面温度を730℃以上、より望ま
しくは740℃以上に設定するようにした方法である。
板を配置し、反応炉内にIII族原料及びＶ族原料のガス
を導入すると共に基板を加熱し、基板上に有機金属化学
気相成長法によりIn1-x-yGaxAlyP層（０≦ｘ≦1,0≦ｙ
≦１）を成長形成する化合物半導体結晶層の製造方法に
おいて、前記反応炉内に導入するＶ族原料ガスとしてホ
スフィンを用い、前記反応炉内の圧力を15〜35Torrに設
定し、且つ前記基板の表面温度を730℃以上、より望ま
しくは740℃以上に設定するようにした方法である。
（作用） 本発明による結晶成長法であれば、Alの全組成域に亙
り、成長温度の上限を上げることができる。このため、
非常に欠陥の少ない高品質のInGaAlPを成長することが
できる。また、この成長方法では普通良好な混合が困難
であるIn,Ga,Alが理想的に混合するため、従来得られな
かった理論値に合致したバンドギャップを有するInGaAl
Pを成長できる。従って、従来不可能であった短波長且
つ長寿命の半導体レーザの作成が可能となる。
り、成長温度の上限を上げることができる。このため、
非常に欠陥の少ない高品質のInGaAlPを成長することが
できる。また、この成長方法では普通良好な混合が困難
であるIn,Ga,Alが理想的に混合するため、従来得られな
かった理論値に合致したバンドギャップを有するInGaAl
Pを成長できる。従って、従来不可能であった短波長且
つ長寿命の半導体レーザの作成が可能となる。
（実施例） まず、実施例を説明する前に、本発明の基本原理につ
いて説明する。
いて説明する。
本発明者等は、MOCVD法で成長する際の原料としてメ
チル系有機金属であるTMA（トリメチルアルミニウム）,
TMG（トリメチルガリウム）,TMI（トリメチルインジウ
ム）及び予備分解しないホスフィン（PH3）を用い、GaA
s基板上にInGaAlPを形成する種々の実験を繰返してき
た。その結果InGaAlPのバンドギャップの値は、混晶組
成が同一の場合においても、成長条件、特に成長温度に
よって大幅に変化することが判明した。第２図は、本発
明者等によって見出されたGaAsに格子整合するInGaAlP
の成長時の基板温度依存性を示している。この図から、
バンドギャップ値が最小となる成長温度が存在し、LPE
法にて成長した結晶に近い広いバンドギャップ（1.91e
V）の結晶を得るには、基板温度を高くする方法と、逆
に低くする方法があることが判る。
チル系有機金属であるTMA（トリメチルアルミニウム）,
TMG（トリメチルガリウム）,TMI（トリメチルインジウ
ム）及び予備分解しないホスフィン（PH3）を用い、GaA
s基板上にInGaAlPを形成する種々の実験を繰返してき
た。その結果InGaAlPのバンドギャップの値は、混晶組
成が同一の場合においても、成長条件、特に成長温度に
よって大幅に変化することが判明した。第２図は、本発
明者等によって見出されたGaAsに格子整合するInGaAlP
の成長時の基板温度依存性を示している。この図から、
バンドギャップ値が最小となる成長温度が存在し、LPE
法にて成長した結晶に近い広いバンドギャップ（1.91e
V）の結晶を得るには、基板温度を高くする方法と、逆
に低くする方法があることが判る。
また最近、他の研究機関により、MOCVD法によりGaAs
基板上に成長したInGaPのバンドギャップがＶ族原料で
あるPH3の供給量によっても変化し、PH3の供給量を少な
くすると、そのバンドギャップが広くなる傾向にあるこ
とが報告されている。
基板上に成長したInGaPのバンドギャップがＶ族原料で
あるPH3の供給量によっても変化し、PH3の供給量を少な
くすると、そのバンドギャップが広くなる傾向にあるこ
とが報告されている。
ところが、本発明者等の研究によれば、低温領域での
成長或いはホスフィン供給量を少なくして成長した場合
には、フォトルミネッセンスの効率が特にAlを含むInGa
AlPの場合極端に低下するため、この温度領域において
は、高効率の発光素子の実現は期待できない。また、高
温領域では、揮発性成分である燐の蒸発が激しくなり、
これを抑制するために必要とされる反応室内の混合原料
気体中に占める燐の原料であるホスフィンの濃度が極端
に大きくなり、これまでは良好な品質の結晶の成長は困
難であった。さらにレーザのクラッド層としては高Al組
成のInGaAlPが必要とされるが、従来の手法で成長した
場合、得られる結晶の表面にはヒロック等で代表される
多数の欠陥が観測され、素子の高信頼化に大きな問題と
なっていた。
成長或いはホスフィン供給量を少なくして成長した場合
には、フォトルミネッセンスの効率が特にAlを含むInGa
AlPの場合極端に低下するため、この温度領域において
は、高効率の発光素子の実現は期待できない。また、高
温領域では、揮発性成分である燐の蒸発が激しくなり、
これを抑制するために必要とされる反応室内の混合原料
気体中に占める燐の原料であるホスフィンの濃度が極端
に大きくなり、これまでは良好な品質の結晶の成長は困
難であった。さらにレーザのクラッド層としては高Al組
成のInGaAlPが必要とされるが、従来の手法で成長した
場合、得られる結晶の表面にはヒロック等で代表される
多数の欠陥が観測され、素子の高信頼化に大きな問題と
なっていた。
しかし、本発明者等の更なる鋭意研究及び実験によれ
ば、最適成長温度の範囲は絶対的なものではないことが
判明し、次の〜（特に〜）の成長条件のもとで
は、成長可能な基板温度の上限を従来より大幅に高くす
ることが可能であり、この条件によれば、良好な表面モ
ホロジーと結晶性と、理論的に期待される値に等しいバ
ンドギャップを有するInGaAlPをAlの全組成域に亙って
成長可能であることが見出された。
ば、最適成長温度の範囲は絶対的なものではないことが
判明し、次の〜（特に〜）の成長条件のもとで
は、成長可能な基板温度の上限を従来より大幅に高くす
ることが可能であり、この条件によれば、良好な表面モ
ホロジーと結晶性と、理論的に期待される値に等しいバ
ンドギャップを有するInGaAlPをAlの全組成域に亙って
成長可能であることが見出された。
III族原料として、ホスフィンを用いる。
成長時の反応室内圧力を、15〜35torrに設定する。
成長時のGaAs基板表面温度を、730℃以上、より望
ましくは740℃以上に設定する。
ましくは740℃以上に設定する。
成長速度を、２μm/hよりも速い値に設定する。
GaAs基板表面がＶ族原料気体である燐蒸気に暴露さ
れている時間を、１秒以下にとどめる。
れている時間を、１秒以下にとどめる。
ここで、理論値に近いPLの半値幅とplの波長を有し、
且つ表面欠陥密度が非常に小さい高品質のInGaAlP結晶
を成長することができるのは、成長温度を従来より大幅
に高くすることができるからであり、このような高い基
板温度を採用できるのは、反応室内圧力を通常よりも低
い15〜35torrに設定し、ホスフィンの分解効率を高くし
たからである（〜）。さらに、成長速度を比較的速
い値に設定することにより結晶の再蒸発の影響を軽減し
たことと、GaAs基板表面が成長層の構成元素である燐に
暴露される時間をある値以内に抑えることにより成長開
始以前の基板表面の劣化を抑制したことによる（，
）。
且つ表面欠陥密度が非常に小さい高品質のInGaAlP結晶
を成長することができるのは、成長温度を従来より大幅
に高くすることができるからであり、このような高い基
板温度を採用できるのは、反応室内圧力を通常よりも低
い15〜35torrに設定し、ホスフィンの分解効率を高くし
たからである（〜）。さらに、成長速度を比較的速
い値に設定することにより結晶の再蒸発の影響を軽減し
たことと、GaAs基板表面が成長層の構成元素である燐に
暴露される時間をある値以内に抑えることにより成長開
始以前の基板表面の劣化を抑制したことによる（，
）。
第２図は本発明に係わる成長方法によりGaAs基板上に
成長したInGaPの従来より広い成長温度範囲でのバンド
ギャップと基板温度との関係を示している。この図によ
り、基板温度740℃以上にて、LPE法によるInGaPと略同
一のバンドギャップを有する結晶が得られることが判
る。また、第３図はGaAs基板上に成長したInAlPの表面
上のヒロック密度と基板温度との関係を示している。こ
の図から、基板温度730℃以上にて、急激に欠陥密度が
低下することが判る。
成長したInGaPの従来より広い成長温度範囲でのバンド
ギャップと基板温度との関係を示している。この図によ
り、基板温度740℃以上にて、LPE法によるInGaPと略同
一のバンドギャップを有する結晶が得られることが判
る。また、第３図はGaAs基板上に成長したInAlPの表面
上のヒロック密度と基板温度との関係を示している。こ
の図から、基板温度730℃以上にて、急激に欠陥密度が
低下することが判る。
従って、前述の理由により従来は高品質の結晶が得ら
れなかった730℃以上の成長温度領域を用いれば、InAlP
までの高いAl組成を有するInGaAlPにて極めて欠陥の少
ない結晶を成長可能であり、さらに740℃以上の成長温
度領域を用いれば、従来MOCVD法では成長できなかったL
PE法に匹敵する広いバンドギャップを有するInGaPを成
長可能であることが判る。
れなかった730℃以上の成長温度領域を用いれば、InAlP
までの高いAl組成を有するInGaAlPにて極めて欠陥の少
ない結晶を成長可能であり、さらに740℃以上の成長温
度領域を用いれば、従来MOCVD法では成長できなかったL
PE法に匹敵する広いバンドギャップを有するInGaPを成
長可能であることが判る。
以下、本発明の一実施例について図面を参照して説明
する。
する。
第１図は本発明の一実施例方法に使用した成長装置を
示す概略構成図である。図中11は石英製の反応管（反応
炉）であり、この反応管11内にはガス導入口12から原料
混合ガスが導入される。そして、反応管11内のガスはガ
ス排気口13から排気されるものとなっている。反応管11
内には、カーボン製のサセプタ14が配置されており、Ga
As基板はこのサセプタ14の上に載置される。また、サセ
プタ14は、高周波コイル16により誘導加熱されるものと
なっている。
示す概略構成図である。図中11は石英製の反応管（反応
炉）であり、この反応管11内にはガス導入口12から原料
混合ガスが導入される。そして、反応管11内のガスはガ
ス排気口13から排気されるものとなっている。反応管11
内には、カーボン製のサセプタ14が配置されており、Ga
As基板はこのサセプタ14の上に載置される。また、サセ
プタ14は、高周波コイル16により誘導加熱されるものと
なっている。
次に、上記装置を用いた結晶成長方法について説明す
る。
る。
まず、化学エッチングによって表面清浄化したGaAs基
板15を前記サセプタ14上に載置する。ガス導入管12から
高純度水素を毎分１導入し、反応管11内の大気を置換
する。次いで、ガス排気口13をロータリーポンプに接続
し、反応管11内を減圧し、内部の圧力を15〜35torrの範
囲に設定する。その後、ガス導入口12から10％アルシン
ガスを導入し、高周波コイル16によりサセプタ14及び基
板15を加熱し、成長温度にて30分間保持して基板の清浄
化を行う。
板15を前記サセプタ14上に載置する。ガス導入管12から
高純度水素を毎分１導入し、反応管11内の大気を置換
する。次いで、ガス排気口13をロータリーポンプに接続
し、反応管11内を減圧し、内部の圧力を15〜35torrの範
囲に設定する。その後、ガス導入口12から10％アルシン
ガスを導入し、高周波コイル16によりサセプタ14及び基
板15を加熱し、成長温度にて30分間保持して基板の清浄
化を行う。
次いで、アルシンの導入を停止し、ホスフィンガスの
導入を開始した後、反応管11内のアルシンを十分置換す
るために約１秒の間をおき、予め所定の混合比に調整し
たTMA,TMG,TMIを導入して成長を行う。なお、このとき
ドーピング原料としてジメチル亜鉛（DMZ）或いはシク
ロペンタジエニルマグネシウム（Cp2Mg），セレン化水
素（H2Se），シランガス（SiH4）等を同時に導入する。
この際用いた基板表面温度は、シリコンとアルミニウム
の共晶化温度により校正した放射温度計により測定し
た。
導入を開始した後、反応管11内のアルシンを十分置換す
るために約１秒の間をおき、予め所定の混合比に調整し
たTMA,TMG,TMIを導入して成長を行う。なお、このとき
ドーピング原料としてジメチル亜鉛（DMZ）或いはシク
ロペンタジエニルマグネシウム（Cp2Mg），セレン化水
素（H2Se），シランガス（SiH4）等を同時に導入する。
この際用いた基板表面温度は、シリコンとアルミニウム
の共晶化温度により校正した放射温度計により測定し
た。
前記第３図は、このような手順にて成長したInAlPに
ついて表面欠陥密度と基板温度との関係を示したもので
ある。この図から、欠陥密度は、基板温度が高い程減少
することが判る。また、欠陥密度はAl組成が少なくなる
程減少するので、素子作成に必要な１平方センチメート
ル当り1000以下の欠陥密度の結晶をAlの全組成に亙って
成長するには、成長温度を730℃以上に設定する必要が
あることが判る。
ついて表面欠陥密度と基板温度との関係を示したもので
ある。この図から、欠陥密度は、基板温度が高い程減少
することが判る。また、欠陥密度はAl組成が少なくなる
程減少するので、素子作成に必要な１平方センチメート
ル当り1000以下の欠陥密度の結晶をAlの全組成に亙って
成長するには、成長温度を730℃以上に設定する必要が
あることが判る。
第４図は、GaAs基板に格子整合したInGaPについて、
成長温度とPL特性の関係を示したものである。この図及
び前記第２図から、理論値と略一致するバンドギャップ
と狭い半値幅のPLスペクトルと高い発光効率を有するIn
GaPを成長するには、基板温度を740℃以上に設定するこ
とが必要であることが判る。また、第５図は、GaAs基板
に格子整合したｐ型InAlPの易動度と基板温度との関係
を示している。この図から、InAlPの正孔易動度は基板
温度が低下する程減少することが判る。また、易動度は
Al組成が増大する程低下するので、Alの全組成域に亙り
高い易動度を有する結晶を成長するには、基板温度を70
0℃以上に設定する必要があることが判る。特に、広い
バンドギャップと高い発光効率，高Al組成域にて大きな
易動度と低い欠陥密度が要求されるレーザ用材料作成に
は、740℃以上の基板温度が必要であることが判る。
成長温度とPL特性の関係を示したものである。この図及
び前記第２図から、理論値と略一致するバンドギャップ
と狭い半値幅のPLスペクトルと高い発光効率を有するIn
GaPを成長するには、基板温度を740℃以上に設定するこ
とが必要であることが判る。また、第５図は、GaAs基板
に格子整合したｐ型InAlPの易動度と基板温度との関係
を示している。この図から、InAlPの正孔易動度は基板
温度が低下する程減少することが判る。また、易動度は
Al組成が増大する程低下するので、Alの全組成域に亙り
高い易動度を有する結晶を成長するには、基板温度を70
0℃以上に設定する必要があることが判る。特に、広い
バンドギャップと高い発光効率，高Al組成域にて大きな
易動度と低い欠陥密度が要求されるレーザ用材料作成に
は、740℃以上の基板温度が必要であることが判る。
一方、高い基板温度にてInGaAlPを成長するには、InG
aAlPの蒸気圧よりも高いＰの分圧を有する雰囲気中にて
結晶成長を行う必要があり、必然的に多量のＰ原料であ
るホスフィンが必要とされるが、実際に供給可能なPH3
流量は通常は、全流量の10％程度が限界である。また、
PH3の分解効率は反応室内の圧力に依存し、圧力が低い
程一般的に分解効率、即ち利用効率は高くなる。
aAlPの蒸気圧よりも高いＰの分圧を有する雰囲気中にて
結晶成長を行う必要があり、必然的に多量のＰ原料であ
るホスフィンが必要とされるが、実際に供給可能なPH3
流量は通常は、全流量の10％程度が限界である。また、
PH3の分解効率は反応室内の圧力に依存し、圧力が低い
程一般的に分解効率、即ち利用効率は高くなる。
第６図はInGaAlPのうちで最も良好なモホロジーを得
ることが困難であるInAlPについて、PH3流量が全流量の
10％のときの良好なモホロジーの結晶が成長可能な基板
温度の上限と反応室内圧力との概略的な関係を示したも
のである。この図から、740℃以上の基板温度にてInGaA
lPを成長するには、反応室内圧を15〜35torrに設定する
必要があることが判る。反応室内圧力が15torr以下にて
良好なモホロジーが得られないのは、反応室内に供給さ
れるPH3の分圧が低くなり過ぎるためであると思われ
る。
ることが困難であるInAlPについて、PH3流量が全流量の
10％のときの良好なモホロジーの結晶が成長可能な基板
温度の上限と反応室内圧力との概略的な関係を示したも
のである。この図から、740℃以上の基板温度にてInGaA
lPを成長するには、反応室内圧を15〜35torrに設定する
必要があることが判る。反応室内圧力が15torr以下にて
良好なモホロジーが得られないのは、反応室内に供給さ
れるPH3の分圧が低くなり過ぎるためであると思われ
る。
良好な結晶性を有するInGaAlPを成長するのに必要と
される740℃以上の基板温度では基板であるGaAsの表面
が急速に分解するために良好な結晶成長を行うには、昇
温時の基板表面の劣化を防止するために成長開始直前ま
で基板を砒素雰囲気中に保持しなければならない。一
方、成長開始時には成長層への砒素の混入を防ぐために
反応室内の砒素原料は燐原料であるホスフィンに完全に
置換えられている必要がある。この２つの矛盾した要求
を完全に満足させることは不可能であるが、本発明者等
の研究によれば、GaAs基板表面がPH3に暴露されている
時間にはある許容値が存在し、基板温度が740℃以上800
℃以下では、前述したように反応室内にホスフィンを導
入した後１秒以内に成長を開始すればよいことが、成長
層のＸ線回折により判明している。
される740℃以上の基板温度では基板であるGaAsの表面
が急速に分解するために良好な結晶成長を行うには、昇
温時の基板表面の劣化を防止するために成長開始直前ま
で基板を砒素雰囲気中に保持しなければならない。一
方、成長開始時には成長層への砒素の混入を防ぐために
反応室内の砒素原料は燐原料であるホスフィンに完全に
置換えられている必要がある。この２つの矛盾した要求
を完全に満足させることは不可能であるが、本発明者等
の研究によれば、GaAs基板表面がPH3に暴露されている
時間にはある許容値が存在し、基板温度が740℃以上800
℃以下では、前述したように反応室内にホスフィンを導
入した後１秒以内に成長を開始すればよいことが、成長
層のＸ線回折により判明している。
さらに、740℃以上の基板温度では、成長層からのIn
の再蒸発の速度が成長速度に比して無視できないので、
ウェハ面内での成長速度の分布によりエピタキシャル層
の組成に分布が生じる。この効果は、成長速度が低くな
る程顕著になる。通常、ウェハ内の成長速度の変動は±
10％程度存在し、この成長速度の分布に対応する組成の
分布の幅は基板温度が740℃のとき第７図のようにな
る。このとき、成長速度の変動による格子非整合をウェ
ハ全面にて素子作成に必要な±0.05上内に抑えるには成
長速度を毎次２μｍ以上に設定しなければならないこと
が判る。また、この比較的速い成長速度の採用は、成長
開始時に素早くGaAs基板表面をエピタキシャル層にて被
覆して、基板表面からのAsの蒸発を抑制すると言う観点
からも重要である。
の再蒸発の速度が成長速度に比して無視できないので、
ウェハ面内での成長速度の分布によりエピタキシャル層
の組成に分布が生じる。この効果は、成長速度が低くな
る程顕著になる。通常、ウェハ内の成長速度の変動は±
10％程度存在し、この成長速度の分布に対応する組成の
分布の幅は基板温度が740℃のとき第７図のようにな
る。このとき、成長速度の変動による格子非整合をウェ
ハ全面にて素子作成に必要な±0.05上内に抑えるには成
長速度を毎次２μｍ以上に設定しなければならないこと
が判る。また、この比較的速い成長速度の採用は、成長
開始時に素早くGaAs基板表面をエピタキシャル層にて被
覆して、基板表面からのAsの蒸発を抑制すると言う観点
からも重要である。
このように本実施例方法によれば、III族原料としてT
MA,TMG,TMIを用いると共に、Ｖ族原料としてホスフィン
とアルシンを用い、反応室内圧力を15〜35torr、基板温
度を740℃以上、成長速度を２μm/hより速く設定し、反
応室内の原料気体を素早く置換して成長を開始すること
により、理論値と合致した大きなバンドギャップと高い
易動度と良好な発光効率を合せ持つ極めて欠陥密度の少
ない良質のInGaAlPが成長可能であり、半導体レーザの
製造等に極めて有効である。
MA,TMG,TMIを用いると共に、Ｖ族原料としてホスフィン
とアルシンを用い、反応室内圧力を15〜35torr、基板温
度を740℃以上、成長速度を２μm/hより速く設定し、反
応室内の原料気体を素早く置換して成長を開始すること
により、理論値と合致した大きなバンドギャップと高い
易動度と良好な発光効率を合せ持つ極めて欠陥密度の少
ない良質のInGaAlPが成長可能であり、半導体レーザの
製造等に極めて有効である。
また本発明者等は、上記実施例方法により、以下のよ
うにして半導体レーザを作成したところ、極めて良好な
結果が得られた。即ち、キャリア濃度３×1018cm-3のSi
ドープGaAs基板の（100）面上に、基板温度750℃，反応
管内圧力25torr,成長速度３μm/h,反応管内流速70cm/se
cにて、前記手法により膜厚0.5μm,キャリア濃度１×10
18cm-3のSiドープGaAsバッファ層、膜厚１μm,キャリア
濃度１×1018cm-3のSiドープInAlPクラッド層、膜厚0.0
7μｍのアンドープInGaP活性層、膜厚１μm,キャリア濃
度１×1018-3のMgドープInGaPクラッド層、膜厚0.5μm,
キャリア濃度７×1018cm-3のMgドープGaAsコンタクト層
を作成した。なおこのとき、各層の成長後、次の層を成
長するまで30秒間成長を中断しているが、中断時間を45
秒以上にした場合には良好な成長は行えなかった。この
ようにして成長したダブルヘテロウェハを用いて、SiO2
による電流狭窄レーザを試作したところ、キャビティ長
250μm,ストライプ幅16μｍのとき、室温での波長，発
振閾値電流及び電流密度としてそれぞれ、655nm,80mA,2
KA/cm2が得られ、この素子は室温，光出力3mWにて、100
0時間以上に亙り安定に動作した。この結果は、これま
で報告されてた最も波長の短い半導体レーザが本発明に
よる方法にて作成可能であることを示しており、このこ
とからも本発明の有用性は証明された。
うにして半導体レーザを作成したところ、極めて良好な
結果が得られた。即ち、キャリア濃度３×1018cm-3のSi
ドープGaAs基板の（100）面上に、基板温度750℃，反応
管内圧力25torr,成長速度３μm/h,反応管内流速70cm/se
cにて、前記手法により膜厚0.5μm,キャリア濃度１×10
18cm-3のSiドープGaAsバッファ層、膜厚１μm,キャリア
濃度１×1018cm-3のSiドープInAlPクラッド層、膜厚0.0
7μｍのアンドープInGaP活性層、膜厚１μm,キャリア濃
度１×1018-3のMgドープInGaPクラッド層、膜厚0.5μm,
キャリア濃度７×1018cm-3のMgドープGaAsコンタクト層
を作成した。なおこのとき、各層の成長後、次の層を成
長するまで30秒間成長を中断しているが、中断時間を45
秒以上にした場合には良好な成長は行えなかった。この
ようにして成長したダブルヘテロウェハを用いて、SiO2
による電流狭窄レーザを試作したところ、キャビティ長
250μm,ストライプ幅16μｍのとき、室温での波長，発
振閾値電流及び電流密度としてそれぞれ、655nm,80mA,2
KA/cm2が得られ、この素子は室温，光出力3mWにて、100
0時間以上に亙り安定に動作した。この結果は、これま
で報告されてた最も波長の短い半導体レーザが本発明に
よる方法にて作成可能であることを示しており、このこ
とからも本発明の有用性は証明された。
なお、本発明は上述した実施例方法に限定されるもの
ではない。例えば、成長時の基板表面温度は740℃以上
であればよいが、より望ましい範囲は745〜755℃であ
る。また、前記基板の面方位は（100）に何等限定され
るものではなく、（100）面から傾いたものでもよい。
さらに、III族原料としてはメチル系以外の有機金属を
用いてもよい。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲
で、種々変形して実施することができる。
ではない。例えば、成長時の基板表面温度は740℃以上
であればよいが、より望ましい範囲は745〜755℃であ
る。また、前記基板の面方位は（100）に何等限定され
るものではなく、（100）面から傾いたものでもよい。
さらに、III族原料としてはメチル系以外の有機金属を
用いてもよい。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲
で、種々変形して実施することができる。
［発明の効果］ 以上詳述したように本発明によれば、燐の原料として
用いるホスフィンの分解効率を反応室内圧力を選択する
ことにより上げ（15〜35torr）、高い基板温度（740℃
以上）の採用を可能としているので、理論的に期待され
るバンドギャップと理想的な結晶性を有するInGaAlP結
晶をGaAs基板上に再現性良く成長することができ、短波
長で長寿命の半導体レーザの作成等に極めて有効であ
る。
用いるホスフィンの分解効率を反応室内圧力を選択する
ことにより上げ（15〜35torr）、高い基板温度（740℃
以上）の採用を可能としているので、理論的に期待され
るバンドギャップと理想的な結晶性を有するInGaAlP結
晶をGaAs基板上に再現性良く成長することができ、短波
長で長寿命の半導体レーザの作成等に極めて有効であ
る。
第１図は本発明の一実施例方法に使用した成長装置を示
す概略構成図、第２図はGaAsに格子整合するInAlPの基
板表面温度とバンドギャップとの関係を示す特性図、第
３図はGaAs基板に格子整合するInGaPの基板表面温度と
表面欠陥密度との関係を示す特性図、第４図はGaAs基板
に格子整合するInGaPの基板表面温度のフォトルミネッ
センスの発光半値幅との関係を示す特性図、第５図はGa
As基板に格子整合するInAlPの正孔易動度と基板表面温
度との関係を示す特性図、第６図はGaAs基板に格子係合
するInAlPについて成長可能な基板表面温度の上限と反
応室内の圧力との関係を示す特性図、第７図はウェハ面
内でのInGaPのGaAs基板からの格子不整合の分布幅と成
長速度との関係を示す特性図である。 11……反応管、12……ガス導入口、13……ガス排気口、
14……サセプタ、15……試料基板、16……高周波コイ
ル、17……熱電対。
す概略構成図、第２図はGaAsに格子整合するInAlPの基
板表面温度とバンドギャップとの関係を示す特性図、第
３図はGaAs基板に格子整合するInGaPの基板表面温度と
表面欠陥密度との関係を示す特性図、第４図はGaAs基板
に格子整合するInGaPの基板表面温度のフォトルミネッ
センスの発光半値幅との関係を示す特性図、第５図はGa
As基板に格子整合するInAlPの正孔易動度と基板表面温
度との関係を示す特性図、第６図はGaAs基板に格子係合
するInAlPについて成長可能な基板表面温度の上限と反
応室内の圧力との関係を示す特性図、第７図はウェハ面
内でのInGaPのGaAs基板からの格子不整合の分布幅と成
長速度との関係を示す特性図である。 11……反応管、12……ガス導入口、13……ガス排気口、
14……サセプタ、15……試料基板、16……高周波コイ
ル、17……熱電対。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山本 基幸 川崎市幸区小向東芝町１番地 株式会社 東芝総合研究所内 (56)参考文献 特開 昭61−35514（ＪＰ，Ａ)
Claims (6)
- 【請求項１】結晶成長に供される反応炉内にGaAs基板を
配置し、反応炉内にIII族原料及びＶ族原料のガスを導
入すると共に基板を加熱し、基板上に有機金属化学気相
成長法によりIn1-x-yGaxAlyP層（０≦ｘ≦1,0≦ｙ≦
１）を成長形成する化合物半導体結晶層の製造方法にお
いて、前記反応炉内に導入するＶ族原料ガスとしてホス
フィンを用い、前記反応炉内の圧力を15〜35Torrに設定
し、且つ前記基板の表面温度を730℃以上に設定したこ
とを特徴とする化合物半導体結晶層の製造方法。 - 【請求項２】前記基板の表面温度を740℃以上に設定し
たことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の化合物
半導体結晶層の製造方法。 - 【請求項３】前記基板の表面温度を745〜755℃とし、前
記化合物半導体結晶層の成長温度を２μm/hよりも速く
したことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の化合
物半導体結晶層の製造方法。 - 【請求項４】前記化合物半導体結晶層の成長形成の前
に、前記基板を収容した反応炉内に砒素の原料ガスを導
入し、砒素を含む雰囲気下にて基板を成長時の基板温度
まで加熱したのち、砒素の原料ガスの導入を停止し、次
いで上記原料ガスの導入の停止後１秒以内にIII族の原
料ガスを反応炉内に導入して成長を開始することを特徴
とする特許請求の範囲第１項，第２項又は第３項記載の
化合物半導体結晶層の製造方法。 - 【請求項５】前記化合物半導体結晶層を成長形成する際
に、Ｖ族原料ガスとして予備分解しないホスフィンとア
ルシンを用い、III族原料ガスとしてトリメチルアルミ
ニウム，トリメチルガリウム及びトリメチルインジウム
を用いたことを特徴とする特許請求の範囲第１項，第２
項，第３項又は第４項記載の化合物半導体結晶層の製造
方法。 - 【請求項６】前記反応炉として、縦型反応炉を用いたこ
とを特徴とする特許請求の範囲第５項記載の化合物半導
体結晶層の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62017192A JP2519232B2 (ja) | 1987-01-29 | 1987-01-29 | 化合物半導体結晶層の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62017192A JP2519232B2 (ja) | 1987-01-29 | 1987-01-29 | 化合物半導体結晶層の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63186418A JPS63186418A (ja) | 1988-08-02 |
| JP2519232B2 true JP2519232B2 (ja) | 1996-07-31 |
Family
ID=11937069
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62017192A Expired - Lifetime JP2519232B2 (ja) | 1987-01-29 | 1987-01-29 | 化合物半導体結晶層の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2519232B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPWO2007060917A1 (ja) * | 2005-11-22 | 2009-05-07 | 中部キレスト株式会社 | エチレンジアミン四酢酸一水素の金属塩、エチレンジアミン四酢酸の金属アンモニウム塩、およびそれらの水和物、並びにそれらの製法 |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011114214A (ja) * | 2009-11-27 | 2011-06-09 | Mitsubishi Electric Corp | 半導体レーザ装置 |
-
1987
- 1987-01-29 JP JP62017192A patent/JP2519232B2/ja not_active Expired - Lifetime
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPWO2007060917A1 (ja) * | 2005-11-22 | 2009-05-07 | 中部キレスト株式会社 | エチレンジアミン四酢酸一水素の金属塩、エチレンジアミン四酢酸の金属アンモニウム塩、およびそれらの水和物、並びにそれらの製法 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS63186418A (ja) | 1988-08-02 |
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