JP2967719B2 - 半導体結晶成長方法および半導体素子 - Google Patents
半導体結晶成長方法および半導体素子Info
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- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
- C30B25/02—Epitaxial-layer growth
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- C30B25/02—Epitaxial-layer growth
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はIII −Ｖ族半導体混
晶のエピタキシャル成長方法および、これを用いて作製
する半導体素子の製造方法に関するものであり、特に、
平坦性の良い量子井戸構造の成長方法およびこれによる
半導体素子特性の改善、向上に関する。
晶のエピタキシャル成長方法および、これを用いて作製
する半導体素子の製造方法に関するものであり、特に、
平坦性の良い量子井戸構造の成長方法およびこれによる
半導体素子特性の改善、向上に関する。
【０００２】
【従来の技術】ＧａＡｓ基板に格子整合したＡｌＧａＩ
ｎＰ系可視域の混晶、ＩｎＰ基板に格子整合したＡｌＧ
ａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ系長波長域の混晶、ＧａＡ
ｓ基板に対して圧縮歪系であるＧａＩｎＡｓ混晶などが
光素子、あるいは電子素子として用いられている。
ｎＰ系可視域の混晶、ＩｎＰ基板に格子整合したＡｌＧ
ａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ系長波長域の混晶、ＧａＡ
ｓ基板に対して圧縮歪系であるＧａＩｎＡｓ混晶などが
光素子、あるいは電子素子として用いられている。
【０００３】これらの材料系を用いた半導体素子特性の
向上には量子井戸構造が不可欠となってきているが、こ
の量子井戸構造の製作には薄膜成長技術が要求され、有
機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）あるいは分子線エピ
タキシャル法（ＭＢＥ法）が用いられている。
向上には量子井戸構造が不可欠となってきているが、こ
の量子井戸構造の製作には薄膜成長技術が要求され、有
機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）あるいは分子線エピ
タキシャル法（ＭＢＥ法）が用いられている。
【０００４】また、量子井戸構造を歪系材料の組み合せ
により作製することにより半導体素子の特性向上が一層
図られることから、圧縮歪あるいは引張り歪などの歪系
量子井戸構造の作製が試みられている。
により作製することにより半導体素子の特性向上が一層
図られることから、圧縮歪あるいは引張り歪などの歪系
量子井戸構造の作製が試みられている。
【０００５】また一方、ＡｌＧａＩｎＰ系材料をはじめ
として、３元以上のIII −Ｖ族混晶においては成長条件
により自然超格子が形成されバンドギャップが減少する
ことが報告されている（例えば、アプライドフィジック
スレターズ誌（Ａ．Ｇｏｍｙｏ ｅｔａｌ，Ａｐｐｌ．
Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．５０（１９８７）６７３
頁））。
として、３元以上のIII −Ｖ族混晶においては成長条件
により自然超格子が形成されバンドギャップが減少する
ことが報告されている（例えば、アプライドフィジック
スレターズ誌（Ａ．Ｇｏｍｙｏ ｅｔａｌ，Ａｐｐｌ．
Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．５０（１９８７）６７３
頁））。
【０００６】半導体レーザなどの発光素子においては発
光あるいは発振波長の短波化を行なうためには自然超格
子と無秩序化し、バンドギャップを拡大する必要があ
り、その一手法として半導体基板面方法が（００１）面
から＜１１０＞方向に傾いた傾斜基板を用いる方法が採
られてきた（例えば、ジャパニーズジャーナルオブアブ
ライドフィジックス誌（Ｋ．Ｋｏｂａｙａｓｈｉ ｅｔ
ａｌ，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．２９
（１９９０）Ｌ６６９頁））。
光あるいは発振波長の短波化を行なうためには自然超格
子と無秩序化し、バンドギャップを拡大する必要があ
り、その一手法として半導体基板面方法が（００１）面
から＜１１０＞方向に傾いた傾斜基板を用いる方法が採
られてきた（例えば、ジャパニーズジャーナルオブアブ
ライドフィジックス誌（Ｋ．Ｋｏｂａｙａｓｈｉ ｅｔ
ａｌ，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．２９
（１９９０）Ｌ６６９頁））。
【０００７】また、ＭＯＶＰＥ法によるIII −Ｖ族混晶
の成長では通常Ｖ族原料供給量／III 族原料供給量比
（Ｖ／III 比）は１５０〜１５００程度で行なわれてき
た。
の成長では通常Ｖ族原料供給量／III 族原料供給量比
（Ｖ／III 比）は１５０〜１５００程度で行なわれてき
た。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】半導体量子井戸層を、
半導体成長基板面方位（００１）面あるいは（００１）
面から＜１１０＞方向に１０°以内傾いた基板を用いた
場合、ステップバンチングが起こり、半導体の発光素子
の活性層などに量子井戸構造を導入すると層厚揺らぎが
生じ、量子効果が低減し、発光素子特性の悪化が起こる
等半導体素子の特性を悪化させる。
半導体成長基板面方位（００１）面あるいは（００１）
面から＜１１０＞方向に１０°以内傾いた基板を用いた
場合、ステップバンチングが起こり、半導体の発光素子
の活性層などに量子井戸構造を導入すると層厚揺らぎが
生じ、量子効果が低減し、発光素子特性の悪化が起こる
等半導体素子の特性を悪化させる。
【０００９】また、ステップバンチングは成長基板面方
位が（００１）面からの傾斜角が大きい場合に特に顕著
になる傾向があった。
位が（００１）面からの傾斜角が大きい場合に特に顕著
になる傾向があった。
【００１０】その為、この様なステップバンチングを低
減するために、結晶成長時のＶ／III 比を大きくする必
要があり、成長基板面方位が（００１）面から傾斜する
角度が大きい程、より大きなＶ／III 比を必要とし、例
えば（００１）面から〔１１０〕方向に６°傾斜したＧ
ａＡｓ基板上にＡｌＧａＩｎＰを結晶成長する場合、平
坦な量子井戸界面を得るためにはＶ／III 比１５００と
非常に大きなＶ／III比で成長を強いられていた。
減するために、結晶成長時のＶ／III 比を大きくする必
要があり、成長基板面方位が（００１）面から傾斜する
角度が大きい程、より大きなＶ／III 比を必要とし、例
えば（００１）面から〔１１０〕方向に６°傾斜したＧ
ａＡｓ基板上にＡｌＧａＩｎＰを結晶成長する場合、平
坦な量子井戸界面を得るためにはＶ／III 比１５００と
非常に大きなＶ／III比で成長を強いられていた。
【００１１】本発明の目的は、半導体基板上に、ステッ
プバンチングを低減した層を形成でき、これにより平坦
化された半導体バリア層および量子井戸層を形成できる
半導体結晶成長方法およびこの半導体結晶成長方法を用
いることにより、低Ｖ／III比あるいは低Ｖ族圧での成
長条件下で特性を改善、向上した半導体素子を提供する
ことにある。
プバンチングを低減した層を形成でき、これにより平坦
化された半導体バリア層および量子井戸層を形成できる
半導体結晶成長方法およびこの半導体結晶成長方法を用
いることにより、低Ｖ／III比あるいは低Ｖ族圧での成
長条件下で特性を改善、向上した半導体素子を提供する
ことにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体結晶成長
方法は、成長面方位が（１１ｎ）Ｂ面（ｎは３〜７の整
数）の半導体基板上に、有機金属気相成長法によりIII
−Ｖ族半導体層からなる少なくとも１つの量子井戸構造
を形成し、前記III −Ｖ族半導体成長時のＶ族原料供給
量／III 族原料供給量比（Ｖ／III 比）が５５以下であ
ることを特徴とする。
方法は、成長面方位が（１１ｎ）Ｂ面（ｎは３〜７の整
数）の半導体基板上に、有機金属気相成長法によりIII
−Ｖ族半導体層からなる少なくとも１つの量子井戸構造
を形成し、前記III −Ｖ族半導体成長時のＶ族原料供給
量／III 族原料供給量比（Ｖ／III 比）が５５以下であ
ることを特徴とする。
【００１３】また本発明の半導体結晶成長方法は、成長
面方位が（１１ｎ）Ｂ面（ｎは３〜７の整数）の半導体
基板上に、分子線エピタキシャル成長法によりIII −Ｖ
族半導体層からなる少なくとも１つの量子井戸構造を形
成し、前記III −Ｖ族半導体成長時の成長装置内のＶ族
圧が２×１０-5Ｔｏｒｒ以下であることを特徴とする。
面方位が（１１ｎ）Ｂ面（ｎは３〜７の整数）の半導体
基板上に、分子線エピタキシャル成長法によりIII −Ｖ
族半導体層からなる少なくとも１つの量子井戸構造を形
成し、前記III −Ｖ族半導体成長時の成長装置内のＶ族
圧が２×１０-5Ｔｏｒｒ以下であることを特徴とする。
【００１４】本発明の半導体素子は、成長面方位が（１
１ｎ）Ｂ面（ｎは３〜７の整数）の半導体基板上に、有
機金属気相成長法によりIII −Ｖ族半導体層からなる少
なくとも１つの量子井戸構造を形成し、前記III −Ｖ族
半導体成長時のＶ族原料供給量／III 族原料供給量比
（Ｖ／III 比）が５５以下であることを特徴とする。
１ｎ）Ｂ面（ｎは３〜７の整数）の半導体基板上に、有
機金属気相成長法によりIII −Ｖ族半導体層からなる少
なくとも１つの量子井戸構造を形成し、前記III −Ｖ族
半導体成長時のＶ族原料供給量／III 族原料供給量比
（Ｖ／III 比）が５５以下であることを特徴とする。
【００１５】また本発明の半導体素子は、成長面方位が
（１１ｎ）Ｂ面（ｎは３〜７の整数）の半導体基板上
に、分子線エピタキシャル成長法によりIII −Ｖ族半導
体層からなる少なくとも１つの量子井戸構造を形成し、
前記III −Ｖ族半導体成長時の成長装置内のＶ族圧が２
×１０-5Ｔｏｒｒ以下であることを特徴とする。
（１１ｎ）Ｂ面（ｎは３〜７の整数）の半導体基板上
に、分子線エピタキシャル成長法によりIII −Ｖ族半導
体層からなる少なくとも１つの量子井戸構造を形成し、
前記III −Ｖ族半導体成長時の成長装置内のＶ族圧が２
×１０-5Ｔｏｒｒ以下であることを特徴とする。
【００１６】成長面方位が（１１５）Ｂ面の半導体基板
を用いることを特徴とする。
を用いることを特徴とする。
【００１７】また量子井戸構造を発光層あるいは電子走
行層として用いることを特徴とする。
行層として用いることを特徴とする。
【００１８】半導体基板にＧａＡｓを用い、バリア層に
（Ａｌx Ｇａ1-x ）y Ｉｎ1-y Ｐを量子井戸層に（Ａｌ
x'Ｇａ1-x'）y'Ｉｎ1-y'Ｐを用いること、半導体基板に
ＩｎＰを用い、バリア層に（Ａｌx Ｇａ1-x ）y Ｉｎ
1-y Ａｓを量子井戸層に（Ａｌx'Ｇａ1-x'）y'Ｉｎ1-y'
Ａｓを用いること、半導体基板にＩｎＰを用い、バリア
層にＧａx Ｉｎ1-xＡｓy Ｐ1-y を量子井戸層にＧａx'
Ｉｎ1-x'Ａｓy'Ｐ1-y'を用いることを特徴とする（０≦
ｘ＜１，０＜ｘ’≦１，０＜ｙ，ｙ’＜１）。
（Ａｌx Ｇａ1-x ）y Ｉｎ1-y Ｐを量子井戸層に（Ａｌ
x'Ｇａ1-x'）y'Ｉｎ1-y'Ｐを用いること、半導体基板に
ＩｎＰを用い、バリア層に（Ａｌx Ｇａ1-x ）y Ｉｎ
1-y Ａｓを量子井戸層に（Ａｌx'Ｇａ1-x'）y'Ｉｎ1-y'
Ａｓを用いること、半導体基板にＩｎＰを用い、バリア
層にＧａx Ｉｎ1-xＡｓy Ｐ1-y を量子井戸層にＧａx'
Ｉｎ1-x'Ａｓy'Ｐ1-y'を用いることを特徴とする（０≦
ｘ＜１，０＜ｘ’≦１，０＜ｙ，ｙ’＜１）。
【００１９】
【発明の実施の形態】図１に半導体成長基板面方位が
（００１）面より〔１１０〕方向に傾いた傾斜基板上に
成長したIII −Ｖ族混のステップバンチングの高さのＭ
ＯＶＰＥ成長中のＶ／III 比依存性を示す。
（００１）面より〔１１０〕方向に傾いた傾斜基板上に
成長したIII −Ｖ族混のステップバンチングの高さのＭ
ＯＶＰＥ成長中のＶ／III 比依存性を示す。
【００２０】半導体成長基板方位が（００１）面より
〔１１０〕方向に傾斜した基板では基板表面の原子ステ
ップ間隔が密になる。ステップ端に原子が吸着しこれが
連続的に引き続いて起こる事によって成長の進む、ステ
ップフロー成長条件下では、Ｖ／III 比が一定である
と、傾斜基板では基板表面のステップ端を被ふくするＶ
族の比率が小さくなり、ステップ端に吸着されるＶ族原
子の確立が低下する。
〔１１０〕方向に傾斜した基板では基板表面の原子ステ
ップ間隔が密になる。ステップ端に原子が吸着しこれが
連続的に引き続いて起こる事によって成長の進む、ステ
ップフロー成長条件下では、Ｖ／III 比が一定である
と、傾斜基板では基板表面のステップ端を被ふくするＶ
族の比率が小さくなり、ステップ端に吸着されるＶ族原
子の確立が低下する。
【００２１】Ｖ族原子が吸着したステップ端はステップ
フロー成長により伸びてゆくが、Ｖ族原子が吸着しない
ステップ端は伸びてゆかないため、基板表面にステップ
間隔の不均一が起こる。このステップ間隔の不均一によ
りステップのマルチレーヤ化、すなわちバンチングが起
こり、この同一成長条件下では成長が進むにつれ一般に
ステップバンチングは増大する。
フロー成長により伸びてゆくが、Ｖ族原子が吸着しない
ステップ端は伸びてゆかないため、基板表面にステップ
間隔の不均一が起こる。このステップ間隔の不均一によ
りステップのマルチレーヤ化、すなわちバンチングが起
こり、この同一成長条件下では成長が進むにつれ一般に
ステップバンチングは増大する。
【００２２】ここで、ステップ端へのＶ族の吸着確立を
増大すれば、ステップ間隔の不均一が起こらず、ステッ
プバンチングの発生および増大を防ぐことができる。
増大すれば、ステップ間隔の不均一が起こらず、ステッ
プバンチングの発生および増大を防ぐことができる。
【００２３】このステップ端へのＶ族の吸着確立の増大
が実際に意味をもつ成長条件は、Ｖ／III 比で１０００
以上である。このステップバンチングの高さを成長中の
Ｖ／III 比の関係は（００１）面および（００１）面か
らの傾斜角が１０°以内の面では定性的に同様の傾向を
示す。そのため、例えばステップバンチングを低減した
量子井戸構造を作製し所望の半導体素子の特性を得るよ
うな場合は、成長中のＶ／III 比を２００〜１０００以
上と大きくする必要がある成長基板面方位に（１１ｎ）
Ｂ面（ｎは３〜７の整数）を用いると、この表記の面
は、（００１）面から〔−１１０〕あるいは〔１−１
０〕方向に傾斜した面であり、しかも傾斜角が１４〜２
６°と大きいため、基板表面におけるステップ密度は非
常に高くなる。このため、これらの面上では通常用いら
れるＶ／III 比２００〜１５００の範囲であっても、尚
Ｖ族原子のステップ端への被ふく率が小さくなり、さら
にバンチングを発生、増大させる。
が実際に意味をもつ成長条件は、Ｖ／III 比で１０００
以上である。このステップバンチングの高さを成長中の
Ｖ／III 比の関係は（００１）面および（００１）面か
らの傾斜角が１０°以内の面では定性的に同様の傾向を
示す。そのため、例えばステップバンチングを低減した
量子井戸構造を作製し所望の半導体素子の特性を得るよ
うな場合は、成長中のＶ／III 比を２００〜１０００以
上と大きくする必要がある成長基板面方位に（１１ｎ）
Ｂ面（ｎは３〜７の整数）を用いると、この表記の面
は、（００１）面から〔−１１０〕あるいは〔１−１
０〕方向に傾斜した面であり、しかも傾斜角が１４〜２
６°と大きいため、基板表面におけるステップ密度は非
常に高くなる。このため、これらの面上では通常用いら
れるＶ／III 比２００〜１５００の範囲であっても、尚
Ｖ族原子のステップ端への被ふく率が小さくなり、さら
にバンチングを発生、増大させる。
【００２４】ここで、Ｖ／III 比を５５以下と小さくす
ると、Ｖ族原子のステップ端への被ふく率が非常に小さ
くなるため、ステップがマルチレーヤ化しない、すなわ
ちバンチングの起こらない成長領域となる。そのため、
Ｖ／III 比５５以下で（１１ｎ）Ｂ基板面を用いて、半
導体層、バリア層および量子井戸層を成長することによ
り、平坦性の良い量子井戸構造を成長することができ
る。
ると、Ｖ族原子のステップ端への被ふく率が非常に小さ
くなるため、ステップがマルチレーヤ化しない、すなわ
ちバンチングの起こらない成長領域となる。そのため、
Ｖ／III 比５５以下で（１１ｎ）Ｂ基板面を用いて、半
導体層、バリア層および量子井戸層を成長することによ
り、平坦性の良い量子井戸構造を成長することができ
る。
【００２５】例えば、基板にＧａＡｓを用い、その上に
ＡｌＧｎＩｎＰ系結晶を成長する場合、あるいはＩｎＰ
基板を用い、その上にＡｌＧａＩｎＡｓ系結晶を成長す
る場合、ＩｎＰ基板を用い、その上にＧａＩｎＡｓＰ系
結晶成長する場合など基板と格子整合する材料系で以上
の原理が成り立つ。
ＡｌＧｎＩｎＰ系結晶を成長する場合、あるいはＩｎＰ
基板を用い、その上にＡｌＧａＩｎＡｓ系結晶を成長す
る場合、ＩｎＰ基板を用い、その上にＧａＩｎＡｓＰ系
結晶成長する場合など基板と格子整合する材料系で以上
の原理が成り立つ。
【００２６】さらに、基板と格子不整合を有する材料
等、すなわちＧａＡｓ基板上のＡｌＧｎＩｎＰ系、Ｇａ
Ａｓ基板上のＧａＩｎＡｓ系、ＩｎＰ上のＡｌＧａＩｎ
Ａｓ系、ＩｎＰ上のＧａＩｎＡｓＰ系、さらに、ＧａＡ
ｓあるいはＩｎＰ基板上のＩｎＡｓＳｂ、ＧａＡｓＳｂ
系では、歪層成長によりステップバンチングがさらに増
大されて成長されるが，これらの歪系材料についても上
記を同様の原理が成り立ち、バンチングの低減および、
それに伴った量子井戸構造の均一膜厚成長が可能とな
る。
等、すなわちＧａＡｓ基板上のＡｌＧｎＩｎＰ系、Ｇａ
Ａｓ基板上のＧａＩｎＡｓ系、ＩｎＰ上のＡｌＧａＩｎ
Ａｓ系、ＩｎＰ上のＧａＩｎＡｓＰ系、さらに、ＧａＡ
ｓあるいはＩｎＰ基板上のＩｎＡｓＳｂ、ＧａＡｓＳｂ
系では、歪層成長によりステップバンチングがさらに増
大されて成長されるが，これらの歪系材料についても上
記を同様の原理が成り立ち、バンチングの低減および、
それに伴った量子井戸構造の均一膜厚成長が可能とな
る。
【００２７】また、成長方法がＭＢＥ法の場合において
は、Ｖ族成長圧が２×１０-5Ｔｏｒｒ以下において、
（１１ｎ）Ｂ基板上でのステップバンチングの低減が可
能である。また、基板面が（１１ｎ）Ｂ面である場合の
主なステップ端形状と（１１ｎ）Ａ面である場合の主な
ステップ端形状の違いから、（１１ｎ）Ｂ面はＶ族原子
のステップ端への吸着が起こりやすいため、（１１ｎ）
Ｂ面において（１１ｎ）Ａ面と比較してＶ／III 比がよ
り小さい値においても有効となる。
は、Ｖ族成長圧が２×１０-5Ｔｏｒｒ以下において、
（１１ｎ）Ｂ基板上でのステップバンチングの低減が可
能である。また、基板面が（１１ｎ）Ｂ面である場合の
主なステップ端形状と（１１ｎ）Ａ面である場合の主な
ステップ端形状の違いから、（１１ｎ）Ｂ面はＶ族原子
のステップ端への吸着が起こりやすいため、（１１ｎ）
Ｂ面において（１１ｎ）Ａ面と比較してＶ／III 比がよ
り小さい値においても有効となる。
【００２８】
【実施例】本発明の結晶成長方法の実施例を図２を参照
して説明する。
して説明する。
【００２９】まず半導体基板１の面方位が（１１ｎ）Ｂ
面ＧａＡｓ基板（ｎ＝３，４，５，６，７）を同時にＭ
ＯＶＰＥ反応炉内に入れ、ＧａＡｓに格子整合する（Ａ
ｌxＧａ1-x ）y Ｉｎ1-y Ｐ（ｘ＝０．６，ｙ＝０．
５）クラッド層２を０．５μｍ成長し、その後（Ａｌ
0.5 Ｇａ0.5 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐバリア層（４ｎｍ×４
層）、Ｇａ0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ量子井戸層（５ｎｍ×５層）
の多重量子井戸層３、キャップ層４として、第２のクラ
ッド層（Ａｌx Ｇａ1-x ）y Ｉｎ1-y Ｐ４を０．５μｍ
成長した。この時の成長温度を６６０℃、Ｖ／III 比を
５５とした。
面ＧａＡｓ基板（ｎ＝３，４，５，６，７）を同時にＭ
ＯＶＰＥ反応炉内に入れ、ＧａＡｓに格子整合する（Ａ
ｌxＧａ1-x ）y Ｉｎ1-y Ｐ（ｘ＝０．６，ｙ＝０．
５）クラッド層２を０．５μｍ成長し、その後（Ａｌ
0.5 Ｇａ0.5 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐバリア層（４ｎｍ×４
層）、Ｇａ0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ量子井戸層（５ｎｍ×５層）
の多重量子井戸層３、キャップ層４として、第２のクラ
ッド層（Ａｌx Ｇａ1-x ）y Ｉｎ1-y Ｐ４を０．５μｍ
成長した。この時の成長温度を６６０℃、Ｖ／III 比を
５５とした。
【００３０】これらの成長層の量子井戸層におけるステ
ップバンチングの高さは成長層断面の透過電子顕微鏡観
察から、従来の成長層を比較し２分の１に低減されてい
た。これにより、量子井戸構造の平坦性が向上し、量子
井戸層からの発光効率が３０％向上した。
ップバンチングの高さは成長層断面の透過電子顕微鏡観
察から、従来の成長層を比較し２分の１に低減されてい
た。これにより、量子井戸構造の平坦性が向上し、量子
井戸層からの発光効率が３０％向上した。
【００３１】また、同様の量子井戸構造の平坦性の向上
は、クラッド層２をＡｌ0.5 Ｉｎ0.5 Ｐにし、バリア層
を（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ（６ｎｍ×２
層）および（Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ量子井
戸層（８ｎｍ×３層）３、キャップ層４としてＡｌ0.5
Ｉｎ0.5 Ｐ層を成長温度６６０℃、Ｖ／III 比４０で成
長した場合にも行なえ、量子井戸層のステップバンチン
グの高さは２分の１から４０％程度に改善されていた。
は、クラッド層２をＡｌ0.5 Ｉｎ0.5 Ｐにし、バリア層
を（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ（６ｎｍ×２
層）および（Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ量子井
戸層（８ｎｍ×３層）３、キャップ層４としてＡｌ0.5
Ｉｎ0.5 Ｐ層を成長温度６６０℃、Ｖ／III 比４０で成
長した場合にも行なえ、量子井戸層のステップバンチン
グの高さは２分の１から４０％程度に改善されていた。
【００３２】さらに、基板に（１１ｎ）Ｂ（ｎ＝３，
４，５，６，７）面のＩｎＰ基板をＭＯＶＰＥ成長炉に
並べて５枚同時にクラッド層２として（Ａｌ0.5 Ｇａ
0.5 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ａｓを０．６μｍ成長し、その上に
（Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ａｓバリア層（５ｎ
ｍ×３層）、および量子井戸層Ｇａ0.5 Ｉｎ0.5 Ａｓ層
（４ｎｍ×４層）の多重量子井戸構造３を、さらにキャ
ップ層４として（Ａｌ0.5Ｉｎ0.5 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ａｓ
層を０．４μｍ成長した場合の実施例を以下に説明す
る。
４，５，６，７）面のＩｎＰ基板をＭＯＶＰＥ成長炉に
並べて５枚同時にクラッド層２として（Ａｌ0.5 Ｇａ
0.5 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ａｓを０．６μｍ成長し、その上に
（Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ａｓバリア層（５ｎ
ｍ×３層）、および量子井戸層Ｇａ0.5 Ｉｎ0.5 Ａｓ層
（４ｎｍ×４層）の多重量子井戸構造３を、さらにキャ
ップ層４として（Ａｌ0.5Ｉｎ0.5 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ａｓ
層を０．４μｍ成長した場合の実施例を以下に説明す
る。
【００３３】成長法にＭＯＶＰＥ法を用い、成長温度６
００℃、Ｖ／III 比５０で成長した量子井戸層のステッ
プバンチングの高さは従来と比較し、４０〜５０％低減
されており、発光効率は２０％改善されていた。
００℃、Ｖ／III 比５０で成長した量子井戸層のステッ
プバンチングの高さは従来と比較し、４０〜５０％低減
されており、発光効率は２０％改善されていた。
【００３４】また、クラッド層２にＩｎＰに格子整合す
るＧａX2" Ｉｎ1-x2" Ａｓy2" Ｐ1-y2" 層（波長１．１
μｍ組成のｘ2"，ｙ2"）を０．６μｍ成長し、バリア層
にＧａX"Ｉｎ1-x"Ａｓy"Ｐ1-y"（波長１．３μｍ組成の
ｘ”，ｙ”）（４５μｍ×４層）、量子井戸層ＧａX"Ｉ
ｎ1-x"Ａｓy"Ａｓy"Ｐ1-y"（波長１．５μｍ組成の
ｘ”，ｙ”）（３０ｎｍ×５層）へ多重量子井戸構造３
を、キャップ層４としてＧａx2" Ｉｎ1-x2" Ａｓy2" Ｐ
1-y2" 層を０．４μｍ成長したところ、量子井戸層にお
けるステップバンチング５０％〜６０％低減されてい
た。
るＧａX2" Ｉｎ1-x2" Ａｓy2" Ｐ1-y2" 層（波長１．１
μｍ組成のｘ2"，ｙ2"）を０．６μｍ成長し、バリア層
にＧａX"Ｉｎ1-x"Ａｓy"Ｐ1-y"（波長１．３μｍ組成の
ｘ”，ｙ”）（４５μｍ×４層）、量子井戸層ＧａX"Ｉ
ｎ1-x"Ａｓy"Ａｓy"Ｐ1-y"（波長１．５μｍ組成の
ｘ”，ｙ”）（３０ｎｍ×５層）へ多重量子井戸構造３
を、キャップ層４としてＧａx2" Ｉｎ1-x2" Ａｓy2" Ｐ
1-y2" 層を０．４μｍ成長したところ、量子井戸層にお
けるステップバンチング５０％〜６０％低減されてい
た。
【００３５】また量子井戸層からの発光効率は４０％程
度向上していた。この層構造の成長時の温度、Ｖ／III
比とは６２０℃、３０であった。
度向上していた。この層構造の成長時の温度、Ｖ／III
比とは６２０℃、３０であった。
【００３６】本発明の半導体素子の作製方法一実施例と
して半導体レーザ素子を作製した場合の例を以下に示
す。半導体成長基板に（１１５）Ｂ面のｎ型ＧａＡｓを
用い、ＳｉドーブＧａＡｓバッファ層０．３μｍ、Ｓｉ
ドープ（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0. 5 Ｉｎ0.5 Ｐ、ｎ型クラ
ット層１μｍ、アンドープ（Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 ）0.5 Ｉ
ｎ0.5 Ｐバリア層（４ｎｍ×４層）とアンドープ（Ｇａ
0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ）量子井戸層（６ｎｍ×５層）から成る
多重量子井戸層、Ｚｎドープ（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3）0.5
Ｉｎ0.5 Ｐ、ｐ型クラッド層１．０μｍ、ｐ型Ｇａ0.5
Ｉｎ0.5 Ｐヘテロバッファ層を順次成長した。結晶成長
にＭＯＶＰＥ法を用い、ＡｌＧａＩｎＰ系の層の成長時
のＶ／III 比５５、成長温度６６０℃、圧力７０Ｔｏｒ
ｒで行なった。
して半導体レーザ素子を作製した場合の例を以下に示
す。半導体成長基板に（１１５）Ｂ面のｎ型ＧａＡｓを
用い、ＳｉドーブＧａＡｓバッファ層０．３μｍ、Ｓｉ
ドープ（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0. 5 Ｉｎ0.5 Ｐ、ｎ型クラ
ット層１μｍ、アンドープ（Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 ）0.5 Ｉ
ｎ0.5 Ｐバリア層（４ｎｍ×４層）とアンドープ（Ｇａ
0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ）量子井戸層（６ｎｍ×５層）から成る
多重量子井戸層、Ｚｎドープ（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3）0.5
Ｉｎ0.5 Ｐ、ｐ型クラッド層１．０μｍ、ｐ型Ｇａ0.5
Ｉｎ0.5 Ｐヘテロバッファ層を順次成長した。結晶成長
にＭＯＶＰＥ法を用い、ＡｌＧａＩｎＰ系の層の成長時
のＶ／III 比５５、成長温度６６０℃、圧力７０Ｔｏｒ
ｒで行なった。
【００３７】このウェハ上にリソグラフ法により幅５μ
ｍのＳｉＯ2 マスクをストライプ状に形成し、ｐ型（Ａ
ｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐクラッド層を０．２μ
ｍ残るようにウェットエッチッングし、ＳｉＯ2 をマス
フとしてＭＯＶＰＥ法によりＳｉドープｎ型ＧａＡｓブ
ロック層を選択成長し、その後ＳｉＯ2 マスクを除去し
てＺｎドープｐ型ＧａＡｓキャップ層を成長した。最後
にｐ電極、ｎ電極を形成した。
ｍのＳｉＯ2 マスクをストライプ状に形成し、ｐ型（Ａ
ｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐクラッド層を０．２μ
ｍ残るようにウェットエッチッングし、ＳｉＯ2 をマス
フとしてＭＯＶＰＥ法によりＳｉドープｎ型ＧａＡｓブ
ロック層を選択成長し、その後ＳｉＯ2 マスクを除去し
てＺｎドープｐ型ＧａＡｓキャップ層を成長した。最後
にｐ電極、ｎ電極を形成した。
【００３８】この方法により得られた半導体レーザの量
子井戸層では平坦な層が得られ、量子効果の向上によ
り、閾値電流が約１５％低減された。
子井戸層では平坦な層が得られ、量子効果の向上によ
り、閾値電流が約１５％低減された。
【００３９】以上の実施例ではＧａＡｓ上の格子整合し
たＡｌＧａＩｎＰ系の成長について述べたが、ＩｎＰ上
のＡｌＧａＩｎＡｓ系、ＩｎＰ上のＧａＩｎＡｓＰ系の
長波長帯発光素子、さらに、歪系材料であるＧａＡｓ上
ＧａＩｎＡｓをはじめ、上述のＧａＡｓ上歪ＡｌＧａＩ
ｎＰ系、ＩｎＰ上の歪ＡｌＧａＩｎＡｓ系、ＩｎＰ上の
歪ＧａＩｎＡｓＰ系にいても量子井戸層の平坦性の向上
による閾値電流の低減、２次元電子移動度の増大等、素
子特性の向上を行なえた。
たＡｌＧａＩｎＰ系の成長について述べたが、ＩｎＰ上
のＡｌＧａＩｎＡｓ系、ＩｎＰ上のＧａＩｎＡｓＰ系の
長波長帯発光素子、さらに、歪系材料であるＧａＡｓ上
ＧａＩｎＡｓをはじめ、上述のＧａＡｓ上歪ＡｌＧａＩ
ｎＰ系、ＩｎＰ上の歪ＡｌＧａＩｎＡｓ系、ＩｎＰ上の
歪ＧａＩｎＡｓＰ系にいても量子井戸層の平坦性の向上
による閾値電流の低減、２次元電子移動度の増大等、素
子特性の向上を行なえた。
【００４０】これらの結晶成長は主にＭＯＶＰＥ法につ
いて述べ、この時使用した原料はトリメチルアルミニウ
ム、トリエチルガリウム、トリメチルインジウム、ホス
フィン、アルシン、ジシラン、ジメチルジンク等であっ
た。また、Ｖ族原料としてアルシンおよびホスフィン
を、III 族原料として金属のＡｌ，Ｇａ，Ｉｎを用いて
上述の材料系の量子井戸構造をＶ族圧０．５〜２×１０
-5Ｔｏｒｒ、成長温度４５０〜５００℃で成長した所、
量子井戸層の平坦性は１０〜２０％向上した。
いて述べ、この時使用した原料はトリメチルアルミニウ
ム、トリエチルガリウム、トリメチルインジウム、ホス
フィン、アルシン、ジシラン、ジメチルジンク等であっ
た。また、Ｖ族原料としてアルシンおよびホスフィン
を、III 族原料として金属のＡｌ，Ｇａ，Ｉｎを用いて
上述の材料系の量子井戸構造をＶ族圧０．５〜２×１０
-5Ｔｏｒｒ、成長温度４５０〜５００℃で成長した所、
量子井戸層の平坦性は１０〜２０％向上した。
【００４１】また本実施例ではIII −Ｖ族半導体基板を
用いたがこれに限られるわけではなく成長面方位が（１
１ｎ）Ｂ面（ｎは３〜７の整数）であるIII −Ｖ半導体
層で積層してあれば他の半導体基板でもよい。
用いたがこれに限られるわけではなく成長面方位が（１
１ｎ）Ｂ面（ｎは３〜７の整数）であるIII −Ｖ半導体
層で積層してあれば他の半導体基板でもよい。
【００４２】
【発明の効果】本発明の結晶成長方法により半導体基板
上のIII −Ｖ族混晶系における量子井戸層のステップバ
ンチングを低減し、平坦化が可能となり、量子井戸構造
を用い特性面を向上した半導体素子が得られる。
上のIII −Ｖ族混晶系における量子井戸層のステップバ
ンチングを低減し、平坦化が可能となり、量子井戸構造
を用い特性面を向上した半導体素子が得られる。
【図１】（００１）面から〔１１０〕方向へ６°傾いた
傾斜基板上のIII −Ｖ族半導体層の量子井戸層における
ステップバンチングの高さのＶ／III 比依存性を示す
図。
傾斜基板上のIII −Ｖ族半導体層の量子井戸層における
ステップバンチングの高さのＶ／III 比依存性を示す
図。
【図２】（１１５）Ｂ面基板上のIII −Ｖ族半導体層の
量子井戸層におけるステップバンチングの高さのＶ／II
I 比依存性を示す図。
量子井戸層におけるステップバンチングの高さのＶ／II
I 比依存性を示す図。
【図３】（１１ｎ）Ｂ面（ｎは３〜７の整数）基板上に
クラッド層と多重量子井戸構造を積層した層構造を示す
模式的な断面図。
クラッド層と多重量子井戸構造を積層した層構造を示す
模式的な断面図。
１ 基板 ２ クラッド層 ３ 多重量子井戸層およびバリア層 ４ キャップ層
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−146723（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−252506（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−288365（ＪＰ，Ａ) Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．50 ［17］（1987）ｐ．1149−1151 1993年（平成５年）秋季第54回応物学 会予稿集 30ａ−ＺＴ−３ ｐ．325 1995年（平成７年）秋季第56回応物学 会予稿集 28ａ−ＺＦ−10 ｐ．294 (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01S 3/18
Claims (17)
- 【請求項１】 成長面方位が（１１ｎ）Ｂ面（ｎは３〜
７の整数）の半導体基板上に、有機金属気相成長法によ
りIII −Ｖ族半導体層からなる少なくとも１つの量子井
戸構造を形成し、前記III −Ｖ族半導体成長時のＶ族原
料供給量／III 族原料供給量比（Ｖ／III 比）が５５以
下であることを特徴とする半導体結晶成長方法。 - 【請求項２】 成長面方位が（１１ｎ）Ｂ面（ｎは３〜
７の整数）の半導体基板上に、分子線エピタキシャル成
長法によりIII −Ｖ族半導体層からなる少なくとも１つ
の量子井戸構造を形成し、前記III −Ｖ族半導体成長時
の成長装置内のＶ族圧が２×１０-5Ｔｏｒｒ以下である
ことを特徴とする半導体結晶成長方法。 - 【請求項３】 成長面方位が（１１５）Ｂ面の半導体基
板上に、有機金属気相成長法によりIII −Ｖ族半導体層
を形成し、前記III −Ｖ族半導体成長時のＶ族原料供給
量／III 族原料供給量比（Ｖ／III 比）が５５以下であ
ることを特徴とする半導体結晶成長方法。 - 【請求項４】 成長面方位が（１１５）Ｂ面の半導体基
板上に、分子線エピタキシャル成長法によりIII −Ｖ族
半導体層を形成し、前記III −Ｖ族半導体成長時の成長
装置内のＶ族圧が２×１０-5Ｔｏｒｒ以下であることを
特徴とする半導体結晶成長方法。 - 【請求項５】 前記III −Ｖ族半導体層は少なくとも１
つの量子井戸構造を含むことを特徴とする請求項３又は
４記載の半導体素子。 - 【請求項６】 前記半導体基板にＧａＡｓを用い、バリ
ア層に（Ａｌx Ｇａ1-x）y Ｉｎ1-y Ｐを量子井戸層に
（Ａｌx'Ｇａ1-x'）y'Ｉｎ1-y'Ｐ（０≦ｘ＜１，０＜
ｘ’≦１，０＜ｙ，ｙ’＜１）を用いることを特徴とす
る請求項１乃至５にいずれか記載の半導体結晶成長方
法。 - 【請求項７】 前記半導体基板にＩｎＰを用い、バリア
層に（Ａｌx Ｇａ1-x ）y Ｉｎ1-y Ａｓを量子井戸層に
（Ａｌx'Ｇａ1-x'）y'Ｉｎ1-y'Ａｓ（０≦ｘ＜１，０＜
ｘ’≦１，０＜ｙ，ｙ’＜１）を用いることを特徴とす
る請求項１乃至５にいずれか記載の半導体結晶成長方
法。 - 【請求項８】 前記半導体基板にＩｎＰを用い、バリア
層にＧａx Ｉｎ1-xＡｓyＰ1-y を量子井戸層にＧａx'Ｉ
ｎ1-x'Ａｓy'Ｐ1-y' （０≦ｘ＜１，０＜ｘ’≦１，０＜
ｙ，ｙ’＜１）を用いることを特徴とする請求項１乃至
５にいずれか記載の半導体結晶成長方法。 - 【請求項９】 成長面方位が（１１ｎ）Ｂ面（ｎは３〜
７の整数）の半導体基板上に、有機金属気相成長法によ
りIII −Ｖ族半導体層からなる少なくとも１つの量子井
戸構造を形成し、前記III−Ｖ族半導体成長時のＶ族原
料供給量／III 族原料供給量比（Ｖ／III 比）が５５以
下であることを特徴とする半導体素子。 - 【請求項１０】 成長面方位が（１１ｎ）Ｂ面（ｎは３
〜７の整数）の半導体基板上に、分子線エピタキシャル
成長法によりIII −Ｖ族半導体層からなる少なくとも１
つの量子井戸構造を形成し、前記III −Ｖ族半導体成長
時の成長装置内のＶ族圧が２×１０-5Ｔｏｒｒ以下であ
ることを特徴とする半導体素子。 - 【請求項１１】 成長面方位が（１１５）Ｂ面の半導体
基板上に、有機金属気相成長法によりIII −Ｖ族半導体
層が形成され、前記III−Ｖ族半導体成長時のＶ族原料
供給量／III 族原料供給量比（Ｖ／III 比）が５５以下
であることを特徴とする半導体素子。 - 【請求項１２】 成長面方位が（１１５）Ｂ面の半導体
基板上に、分子線エピタキシャル成長法によりIII −Ｖ
族半導体層が形成され、前記III −Ｖ族半導体成長時の
成長装置内のＶ族圧が２×１０-5Ｔｏｒｒ以下であるこ
とを特徴とする半導体素子。 - 【請求項１３】 前記III −Ｖ族半導体層はバリア層及
び量子井戸層からなる少なくとも１つの量子井戸構造を
含むことを特徴とする請求項１１又は１２記載の半導体
素子。 - 【請求項１４】 前記量子井戸構造を発光層あるいは電
子走行層として用いることを特徴とする請求項９、１０
又は１３記載の半導体素子。 - 【請求項１５】 前記半導体基板にＧａＡｓを用い、バ
リア層に（Ａｌx Ｇａ1-x ）y Ｉｎ1-y Ｐを量子井戸層
に（Ａｌx'Ｇａ1-x'）y'Ｉｎ1-y'Ｐ（０≦ｘ＜１，０＜
ｘ’≦１，０＜ｙ，ｙ’＜１）を用いることを特徴とす
る請求項９乃至１４にいずれか記載の半導体素子。 - 【請求項１６】 前記半導体基板にＩｎＰを用い、バリ
ア層に（Ａｌx Ｇａ1-x）y Ｉｎ1-y Ａｓを量子井戸層
に（Ａｌx'Ｇａ1-x'）y'Ｉｎ1-y'Ａｓ（０≦ｘ＜１，０
＜ｘ’≦１，０＜ｙ，ｙ’＜１）を用いることを特徴と
する請求項９乃至１４にいずれか記載の半導体素子。 - 【請求項１７】 前記半導体基板にＩｎＰを用い、バリ
ア層にＧａx Ｉｎ1-xＡｓy Ｐ1-y を量子井戸層にＧａ
x'Ｉｎ1-x'Ａｓy'Ｐ1-y' （０≦ｘ＜１，０＜ｘ’≦１，
０＜ｙ，ｙ’＜１）を用いることを特徴とする請求項９
乃至１４にいずれか記載の半導体素子。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6416396A JP2967719B2 (ja) | 1996-03-21 | 1996-03-21 | 半導体結晶成長方法および半導体素子 |
| EP97104890A EP0796932A1 (en) | 1996-03-21 | 1997-03-21 | Method of compound semiconductor crystal growth amd semicoductor device fabricated thereby |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6416396A JP2967719B2 (ja) | 1996-03-21 | 1996-03-21 | 半導体結晶成長方法および半導体素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09260785A JPH09260785A (ja) | 1997-10-03 |
| JP2967719B2 true JP2967719B2 (ja) | 1999-10-25 |
Family
ID=13250132
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6416396A Expired - Fee Related JP2967719B2 (ja) | 1996-03-21 | 1996-03-21 | 半導体結晶成長方法および半導体素子 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP0796932A1 (ja) |
| JP (1) | JP2967719B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109166950B (zh) * | 2018-09-14 | 2024-04-19 | 厦门乾照光电股份有限公司 | 发光二极管的半导体芯片及其量子阱层和制造方法 |
-
1996
- 1996-03-21 JP JP6416396A patent/JP2967719B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
1997
- 1997-03-21 EP EP97104890A patent/EP0796932A1/en not_active Withdrawn
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| １９９３年（平成５年）秋季第５４回応物学会予稿集 ３０ａ−ＺＴ−３ ｐ．３２５ |
| １９９５年（平成７年）秋季第５６回応物学会予稿集 ２８ａ−ＺＦ−１０ ｐ．２９４ |
| Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．５０［１７］（１９８７）ｐ．１１４９−１１５１ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP0796932A1 (en) | 1997-09-24 |
| JPH09260785A (ja) | 1997-10-03 |
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