JP2599576B2 - Ｉｉｉ−ｖ族の化合物半導体の二次元薄膜の成長方法 - Google Patents
Ｉｉｉ−ｖ族の化合物半導体の二次元薄膜の成長方法Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はGaAs基板上におけるＩＩ
Ｉ−Ｖ族（group）の化合物半導体（compound semicond
uctor）の薄膜成長方法に関するもので、より具体的に
は、MOCVD方法によって、GaAs基板上に格子の不整合が
大変大きいInGaAsやInAlAs薄膜を二次元的に成長させる
方法に関するものである。
Ｉ−Ｖ族（group）の化合物半導体（compound semicond
uctor）の薄膜成長方法に関するもので、より具体的に
は、MOCVD方法によって、GaAs基板上に格子の不整合が
大変大きいInGaAsやInAlAs薄膜を二次元的に成長させる
方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】現在、高速の情報通信網による基本的な
信号処理のため、１．５５μｍの波長を持つ光信号が使
用されている。
信号処理のため、１．５５μｍの波長を持つ光信号が使
用されている。
【０００３】このための核心的な部品の光素子の薄膜構
造としては、InP基板上にInGaAsP/InGaAsをもつ格子が
整合（lattece matching）された多層の薄膜が代表的で
あり、最近にInAlGaAs/InGaAsからなる多層の薄膜も優
秀な光学的な特性を持っているものとして発表されて、
これらに対する多大な関心が集中されている。
造としては、InP基板上にInGaAsP/InGaAsをもつ格子が
整合（lattece matching）された多層の薄膜が代表的で
あり、最近にInAlGaAs/InGaAsからなる多層の薄膜も優
秀な光学的な特性を持っているものとして発表されて、
これらに対する多大な関心が集中されている。
【０００４】いまのような情報時代においては超高速
の、そして大容量の信号処理が可能な新たな素子の開発
が不断に要求される。
の、そして大容量の信号処理が可能な新たな素子の開発
が不断に要求される。
【０００５】このため、光素子と電子素子の集積化（OE
IC）と新たな薄膜素材および光繊維の案出に関する需要
が必然的に発生する。
IC）と新たな薄膜素材および光繊維の案出に関する需要
が必然的に発生する。
【０００６】特に、その特性の用途範囲が増大すること
によって素子の活性層が多様なエネルギーバンドギャッ
プをもつ多層の薄膜構造が要求される。
によって素子の活性層が多様なエネルギーバンドギャッ
プをもつ多層の薄膜構造が要求される。
【０００７】GaAs基板上に、格子の不整合が大きなInAl
As/InGaAsの多層の薄膜を成長させる技術はIn組成の変
化により自由にエネルギーバンドギャップを調節するこ
とができる。しかし、この技術は格子の不整合に因る高
密度の転位の発生と薄膜成長の工程の初期におけるスト
レーンによる三次元的な薄膜の成長等のような欠陥を持
っている。
As/InGaAsの多層の薄膜を成長させる技術はIn組成の変
化により自由にエネルギーバンドギャップを調節するこ
とができる。しかし、この技術は格子の不整合に因る高
密度の転位の発生と薄膜成長の工程の初期におけるスト
レーンによる三次元的な薄膜の成長等のような欠陥を持
っている。
【０００８】このような欠陥を克服するために、最近に
は数年の間にわたってIn組成のグレージング（gradin
g）技術が開発されてきた （『Strain relaxation of c
ompo-sitionally graded InxGal-xAS buffer layers fo
r modulation-doped In0.3Ga0.7As/In0.29A10.71As het
erostructures, J.C.P. Chang, Jia-nhui Chen, J.M.Fe
rnandes,H.H. Wieder,and K.L.Kavanagh,Appl.Phys.Let
t.,60,1129(1992).』,『Surfactant-mediated molecula
r-beam epitaxy of highly-strained ＩＩＩ-Ｖ semico
nductor heterostructures, E. Tournie, K. H, Ploog,
N. Grandjean, and J. Massies, Proc. of 6th Int.Co
nf. on indium Phosphide and RelatedMaterials Mar 1
994, p49. 』）。
は数年の間にわたってIn組成のグレージング（gradin
g）技術が開発されてきた （『Strain relaxation of c
ompo-sitionally graded InxGal-xAS buffer layers fo
r modulation-doped In0.3Ga0.7As/In0.29A10.71As het
erostructures, J.C.P. Chang, Jia-nhui Chen, J.M.Fe
rnandes,H.H. Wieder,and K.L.Kavanagh,Appl.Phys.Let
t.,60,1129(1992).』,『Surfactant-mediated molecula
r-beam epitaxy of highly-strained ＩＩＩ-Ｖ semico
nductor heterostructures, E. Tournie, K. H, Ploog,
N. Grandjean, and J. Massies, Proc. of 6th Int.Co
nf. on indium Phosphide and RelatedMaterials Mar 1
994, p49. 』）。
【０００９】これらの技術によると、薄膜の成長中にIn
組成を漸次的に増やすことによってストレーンの急激な
変化を最小化することができ、そして転位の密度を減ら
すことによって優秀な表面をもつ薄膜を成長させること
ができる。
組成を漸次的に増やすことによってストレーンの急激な
変化を最小化することができ、そして転位の密度を減ら
すことによって優秀な表面をもつ薄膜を成長させること
ができる。
【００１０】しかし、この技術によると、薄膜内に応力
が残存しており、グレージングバッファー層（grading
buffer layer）が厚くなる欠陥が発生されるので、実際
にこれらの技術は素子の製作に応用されることが困難で
ある。
が残存しており、グレージングバッファー層（grading
buffer layer）が厚くなる欠陥が発生されるので、実際
にこれらの技術は素子の製作に応用されることが困難で
ある。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、GaAs
基板上に格子の不整合が大きなＩＩＩ−Ｖ族の化合物半
導体の異種薄膜（InGaAs/GaAs，InAlAs/GaAs）を成長さ
せることにおいて、櫛形状の欠陥をもつ三次元的な薄膜
の成長を回避し、二次元的な薄膜の成長を誘導して光素
子の製作に必要な良質の表面をもつ薄膜を成長させるこ
とである。
基板上に格子の不整合が大きなＩＩＩ−Ｖ族の化合物半
導体の異種薄膜（InGaAs/GaAs，InAlAs/GaAs）を成長さ
せることにおいて、櫛形状の欠陥をもつ三次元的な薄膜
の成長を回避し、二次元的な薄膜の成長を誘導して光素
子の製作に必要な良質の表面をもつ薄膜を成長させるこ
とである。
【００１２】本発明の他の目的はエピタキシャル層の初
期の成長中に格子が完全に弛緩されるようにして格子の
不整合に因る転位（misfitdislocation）の発生を最小
化させるものである。
期の成長中に格子が完全に弛緩されるようにして格子の
不整合に因る転位（misfitdislocation）の発生を最小
化させるものである。
【００１３】このような目的を達成するための本発明の
特徴によると、相互に大きく異なる格子常数を持つつ二
つの異種薄膜の間に金属性の二元界の薄層（thin metal
licrich binary layer）が挿入される。
特徴によると、相互に大きく異なる格子常数を持つつ二
つの異種薄膜の間に金属性の二元界の薄層（thin metal
licrich binary layer）が挿入される。
【００１４】これをもって、ＩＩＩ−Ｖ族の化合物半導
体のエピタキシャル層の初期の成長中に格子が完全に弛
緩され、その結果二つの異種薄膜の界面で転位密度が低
密度になり、薄膜の厚さの増加により転位が大変効率的
に消滅する。多層の薄膜構造の間に薄い金属層を挿入す
ることによって多層の構造自体の特性は勿論のこと、電
気的な特性や光学的な特性の大きな変質は生じない。
体のエピタキシャル層の初期の成長中に格子が完全に弛
緩され、その結果二つの異種薄膜の界面で転位密度が低
密度になり、薄膜の厚さの増加により転位が大変効率的
に消滅する。多層の薄膜構造の間に薄い金属層を挿入す
ることによって多層の構造自体の特性は勿論のこと、電
気的な特性や光学的な特性の大きな変質は生じない。
【００１５】これをもって、バンドギャップを自由に調
節することができるようになって多様な特性の素子を製
作することが可能になる。
節することができるようになって多様な特性の素子を製
作することが可能になる。
【００１６】
【実施例】以下、添付の図面を参照して本発明の実施例
に対して詳細に説明する。
に対して詳細に説明する。
【００１７】（第１実施例）図１は、本発明の第１実施
例により、GaAs基板上にMOCVD方法によって、格子の不
整合が大きいInXGal-XAs(x>0.5)の薄膜を成長させるた
めの原料ガスを注入するタイミングを図示しているもの
であり、図２は図１の方法により成長された薄膜の構造
を図示しているものである。
例により、GaAs基板上にMOCVD方法によって、格子の不
整合が大きいInXGal-XAs(x>0.5)の薄膜を成長させるた
めの原料ガスを注入するタイミングを図示しているもの
であり、図２は図１の方法により成長された薄膜の構造
を図示しているものである。
【００１８】次には図１および図２を参照して本実施例
に対して説明する。
に対して説明する。
【００１９】まずMOCVD装置にGaガスとAsガスを所定の
時間（T1）の間供給してGaAs基板（１）上に同種のGaAs
バッファー層（２）を約１００ｎｍ程度の厚さに成長さ
せ、前記バッファー層（２）は欠陥のない単原子層の高
さの粗雑性をもつ平坦な表面をもつように成長させる。
バッファー層（２）の成長が完了すると、約４秒の間原
料ガスの供給を中断した後に、約４２０℃の温度で約１
２秒の間ＩＩＩ族の元素（InまたはGa）を含有する原料
ガスを蒸着装置に注入する。
時間（T1）の間供給してGaAs基板（１）上に同種のGaAs
バッファー層（２）を約１００ｎｍ程度の厚さに成長さ
せ、前記バッファー層（２）は欠陥のない単原子層の高
さの粗雑性をもつ平坦な表面をもつように成長させる。
バッファー層（２）の成長が完了すると、約４秒の間原
料ガスの供給を中断した後に、約４２０℃の温度で約１
２秒の間ＩＩＩ族の元素（InまたはGa）を含有する原料
ガスを蒸着装置に注入する。
【００２０】ＩＩＩ族の元素ガスの注入が完了された後
には、Ｖ族の元素（As）を含有する原料ガス（望ましく
は、アルシン（arsine;AsH3）ガスを注入してＩＩＩ族
の元素（In,Ga）を含有する高濃度の金属成分をもつ二
元界の薄層（以下、‘金属性の薄層’という）（３）を
成長させ、約５〜７個の原子が積層されている高さ程度
の厚さ（２ｎｍ以下の厚さ）をもつように成長させる。
には、Ｖ族の元素（As）を含有する原料ガス（望ましく
は、アルシン（arsine;AsH3）ガスを注入してＩＩＩ族
の元素（In,Ga）を含有する高濃度の金属成分をもつ二
元界の薄層（以下、‘金属性の薄層’という）（３）を
成長させ、約５〜７個の原子が積層されている高さ程度
の厚さ（２ｎｍ以下の厚さ）をもつように成長させる。
【００２１】このような厚さをもつようにするにはアル
シン（AsH3）ガスの注入から約１０秒乃至１２秒程度の
時間が必要である。
シン（AsH3）ガスの注入から約１０秒乃至１２秒程度の
時間が必要である。
【００２２】このようにして成長された金属性の薄層
（３）はＩＩＩ族の元素とＶ族の元素の比率が１より大
きなInAs薄層やGaAs薄層として、高い金属性（特に、界
面における金属性がもっと高い）を持ち、櫛形状のない
鏡のような表面を持つつ（即ち、この層（３）の表面は
二次元的な平面を成すことになる）。
（３）はＩＩＩ族の元素とＶ族の元素の比率が１より大
きなInAs薄層やGaAs薄層として、高い金属性（特に、界
面における金属性がもっと高い）を持ち、櫛形状のない
鏡のような表面を持つつ（即ち、この層（３）の表面は
二次元的な平面を成すことになる）。
【００２３】次に、AsH3ガスの注入から約１０秒乃至１
２秒程度の時間が経過した頃に、持続したAsH3雰囲気
で、所定の比率に混合されたInとGaを蒸着装置に注入し
てInGaAs薄層（４）を成長させる。InGaAs薄層（４）が
金属性の薄層（３）に比べ相対的に厚く成長されて、そ
れらのストレーンが増加するときには、そのInGaAs薄層
（４）の下の金属性の薄層（３）のストレーンの大きさ
と同一な程度まで増加する。これはInGaAs薄層（４）の
厚さが厚くなっても格子の配列が不完全であって統合エ
ネルギーが弱い金属性の薄層（３）からもっと容易に転
位が発生されるためである。即ち、金属性の薄層（３）
内の多くの格子の欠陥によってバッファー層（２）と金
属性の薄層（３）との間の格子の結合エネルギーが他の
部位の格子のそれより大変小さいので、格子の不整合に
よる応力が界面と平行な方向に沿って弛緩されながらバ
ッファー層（２）と金属性の薄層（３）の界面のみに転
位密度が集中される。
２秒程度の時間が経過した頃に、持続したAsH3雰囲気
で、所定の比率に混合されたInとGaを蒸着装置に注入し
てInGaAs薄層（４）を成長させる。InGaAs薄層（４）が
金属性の薄層（３）に比べ相対的に厚く成長されて、そ
れらのストレーンが増加するときには、そのInGaAs薄層
（４）の下の金属性の薄層（３）のストレーンの大きさ
と同一な程度まで増加する。これはInGaAs薄層（４）の
厚さが厚くなっても格子の配列が不完全であって統合エ
ネルギーが弱い金属性の薄層（３）からもっと容易に転
位が発生されるためである。即ち、金属性の薄層（３）
内の多くの格子の欠陥によってバッファー層（２）と金
属性の薄層（３）との間の格子の結合エネルギーが他の
部位の格子のそれより大変小さいので、格子の不整合に
よる応力が界面と平行な方向に沿って弛緩されながらバ
ッファー層（２）と金属性の薄層（３）の界面のみに転
位密度が集中される。
【００２４】このような応力の消滅はバッファー層
（２）のInGaAs層（４）の厚さが薄層である場合に、も
っと効果的に行なわれる。結局、InGaAs薄層（４）が形
成されるときには、金属性の薄層（３）の下部の界面に
沿って転位が主に発生される。
（２）のInGaAs層（４）の厚さが薄層である場合に、も
っと効果的に行なわれる。結局、InGaAs薄層（４）が形
成されるときには、金属性の薄層（３）の下部の界面に
沿って転位が主に発生される。
【００２５】本発明者等が電子顕微鏡によって試料を観
察した結果、バッファー層（２）上の金属性の薄層
（３）の下部の大変薄い層である境界面のみに均一に微
弱なストレーンが残存していることを確認することがで
きた。
察した結果、バッファー層（２）上の金属性の薄層
（３）の下部の大変薄い層である境界面のみに均一に微
弱なストレーンが残存していることを確認することがで
きた。
【００２６】（第２実施例）この実施例はGaAs基板上に
格子の不整合が大きなInAlAs薄層を成長させる方法に関
するもので、この成長方法も上述の例と殆ど同一であ
る。
格子の不整合が大きなInAlAs薄層を成長させる方法に関
するもので、この成長方法も上述の例と殆ど同一であ
る。
【００２７】GaAs基板上にGaAsバッファー層を成長させ
た後に約４秒の間凡ての原料ガスの供給を中断する。
た後に約４秒の間凡ての原料ガスの供給を中断する。
【００２８】続いて、５００℃程度の温度で、約１２秒
の間InやAlのＩＩＩ族の原料ガスを注入する。ＩＩＩ族
のガス注入が完了された即時、AsH3ガスの注入を開始し
数秒の後にInAlAs薄膜の成長のためのInガスとAlガスの
注入を開示する。成長されたInAlAs薄膜の表面は大変優
秀であって、同一な方法によって成長されたInGaAsの表
面と類似して櫛形状の全くない鏡のようである。
の間InやAlのＩＩＩ族の原料ガスを注入する。ＩＩＩ族
のガス注入が完了された即時、AsH3ガスの注入を開始し
数秒の後にInAlAs薄膜の成長のためのInガスとAlガスの
注入を開示する。成長されたInAlAs薄膜の表面は大変優
秀であって、同一な方法によって成長されたInGaAsの表
面と類似して櫛形状の全くない鏡のようである。
【００２９】
【発明の効果】以上、望ましい実施例を通じて説明した
本発明によると、InP基板に比べその価格が低廉であっ
て使用が簡便であり、そしてそれより大きなサイズのGa
As基板上に多様な長波長領域のバンドギャップをもつIn
GaAsとInAlAs薄膜をMOCVD方法によって成長させること
ができるばかりでなく、格子の不整合に因る転位を極小
化させて櫛形状のない表面をもつ薄膜を得ることができ
る。格子の不整合に因る転位を最小化するために現在ま
で発表されている方法とは異なり、薄膜の金属性の薄膜
のみを挿入しているので全体的な薄膜構造の変化を最小
化し、そのような構造の変化に因る素子の電気的な、ま
たは光学的な特性の変化は発生されない。一回の成長過
程から残留応力を効率的に除去することによって安定し
た転位のみが薄膜内に存在する。多様なバンドギャップ
をもつ薄膜に対する要求により基板上の接合構造（また
は、多層の構造）の間に容易に挿入することが可能とな
って新たな概念の素子を創出する基盤となるとともに素
子の特性的な範囲を大幅的に拡大することができる。
本発明によると、InP基板に比べその価格が低廉であっ
て使用が簡便であり、そしてそれより大きなサイズのGa
As基板上に多様な長波長領域のバンドギャップをもつIn
GaAsとInAlAs薄膜をMOCVD方法によって成長させること
ができるばかりでなく、格子の不整合に因る転位を極小
化させて櫛形状のない表面をもつ薄膜を得ることができ
る。格子の不整合に因る転位を最小化するために現在ま
で発表されている方法とは異なり、薄膜の金属性の薄膜
のみを挿入しているので全体的な薄膜構造の変化を最小
化し、そのような構造の変化に因る素子の電気的な、ま
たは光学的な特性の変化は発生されない。一回の成長過
程から残留応力を効率的に除去することによって安定し
た転位のみが薄膜内に存在する。多様なバンドギャップ
をもつ薄膜に対する要求により基板上の接合構造（また
は、多層の構造）の間に容易に挿入することが可能とな
って新たな概念の素子を創出する基盤となるとともに素
子の特性的な範囲を大幅的に拡大することができる。
【００３０】また、本発明はシリコン基板を利用したGa
As薄膜の成長技術にも大幅的に応用されることができ
る。
As薄膜の成長技術にも大幅的に応用されることができ
る。
【図１】MOCVD方法によって格子の不整合が大きいInGaA
s/GaAs異種の薄層を成長させるときの時間によるＩＩＩ
族とＶ族の原料ガスが供給される順序を示した図であ
る。
s/GaAs異種の薄層を成長させるときの時間によるＩＩＩ
族とＶ族の原料ガスが供給される順序を示した図であ
る。
【図２】図１により成長された薄膜の構造を示した図で
ある。
ある。
１ GaAs基板 ２ GaAsバッファー層 ３ 金属性の薄層 ４ InGaAs薄層
Claims (6)
- 【請求項１】 GaAs基板上に、それと異種のＩＩＩ−Ｖ
族の化合物半導体の薄膜をMOCVDによって成長させる方
法において、 MOCVD装置に第１原料ガスを注入することによって前記G
aAs基板上にそれと同種のバッファー層を所定の厚さに
成長させる段階と、 前記バッファー層の成長完了と同時に、前記第１原料ガ
スの前記装置への供給を所定の第１の時間の間中断させ
た後に、所定の温度で所定の第２の時間の間ＩＩＩ族の
元素を含有する第２原料ガスのみを前記装置に注入する
段階と、 前記第２原料ガスの注入が完了された後には、Ｖ族の元
素を含有する第３原料ガスを前記装置に注入することに
よって、前記バッファー層上に、前記ＩＩＩ族の元素を
高濃度に含有する二元界の金属性の薄層を少なくとも２
ｎｍ以下の厚さに成長させる段階と、 前記第３原料ガスの注入から所定の第３の時間が経過さ
れた後に、持続される前記第３原料ガスの雰囲気で、In
とGaの流量を所定の比率に混合して前記装置に注入する
ことによって、前記金属性の薄層上にInGaAs薄層を成長
させる段階を含むことを特徴とするＩＩＩ−Ｖ族の化合
物半導体の二次元薄膜の成長方法。 - 【請求項２】 前記第１乃至第３の時間はそれぞれ４，
１２，１２秒であり、 前記所定の温度は約４２０℃程度であることを特徴とす
る請求項１記載のＩＩＩ−Ｖ族の化合物半導体の二次元
薄膜の成長方法。 - 【請求項３】 前記第２原料ガスはInまたはGaを含有し
ており、 前記第３原料ガスはAsH3であることを特徴とする請求項
２記載のＩＩＩ−Ｖ族の化合物半導体の二次元薄膜の成
長方法。 - 【請求項４】 GaAs基板上に、それと異種のＩＩＩ−Ｖ
族の化合物半導体の薄膜をMOCVDによって成長させる方
法において、 MOCVD装置に第１原料ガスを注入することによって前記G
aAs基板上にそれと同種のバッファー層を所定の厚さに
成長させる段階と、 前記バッファー層の成長完了と同時に、前記第１原料ガ
スの前記装置への供給を所定の第１の時間の間中断させ
た後に、所定の温度で所定の第２の時間の間ＩＩＩ族の
元素を含有する第２原料ガスのみを前記装置に注入する
段階と、 前記第２原料ガスの注入が完了された後には、Ｖ族の元
素を含有する第３原料ガスを前記装置に注入することに
よって、前記バッファー層上に、前記ＩＩＩ族の元素を
高濃度に含有する二元界の金属性の薄層を少なくとも２
ｎｍ以下の厚さに成長させる段階と、 前記第３原料ガスの注入から所定の第３の時間が経過さ
れた後に、持続される前記第３原料ガスの雰囲気で、In
とAlの流量を所定の比率に混合して前記装置に注入する
ことによって、前記金属性の薄層上にInAlAs薄層を成長
させる段階を含むことを特徴とするＩＩＩ−Ｖ族の化合
物半導体の二次元薄膜の成長方法。 - 【請求項５】 前記第１乃至第３の時間はそれぞれ４，
１２，１２秒であり、 前記所定の温度は約５００℃程度であることを特徴とす
る請求項４記載のＩＩＩ−Ｖ族の化合物半導体の二次元
薄膜の成長方法。 - 【請求項６】 前記第２原料ガスはInまたはGaを含有し
ており、 前記第３原料ガスはAsH3であることを特徴とする請求項
５記載のＩＩＩ−Ｖ族の化合物半導体の二次元薄膜の成
長方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29719694A JP2599576B2 (ja) | 1994-11-30 | 1994-11-30 | Ｉｉｉ−ｖ族の化合物半導体の二次元薄膜の成長方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29719694A JP2599576B2 (ja) | 1994-11-30 | 1994-11-30 | Ｉｉｉ−ｖ族の化合物半導体の二次元薄膜の成長方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08162411A JPH08162411A (ja) | 1996-06-21 |
| JP2599576B2 true JP2599576B2 (ja) | 1997-04-09 |
Family
ID=17843428
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP29719694A Expired - Fee Related JP2599576B2 (ja) | 1994-11-30 | 1994-11-30 | Ｉｉｉ−ｖ族の化合物半導体の二次元薄膜の成長方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2599576B2 (ja) |
-
1994
- 1994-11-30 JP JP29719694A patent/JP2599576B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH08162411A (ja) | 1996-06-21 |
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