JP3403844B2 - Method for manufacturing compound semiconductor substrate - Google Patents

Method for manufacturing compound semiconductor substrate

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JP3403844B2
JP3403844B2 JP01801695A JP1801695A JP3403844B2 JP 3403844 B2 JP3403844 B2 JP 3403844B2 JP 01801695 A JP01801695 A JP 01801695A JP 1801695 A JP1801695 A JP 1801695A JP 3403844 B2 JP3403844 B2 JP 3403844B2
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は単結晶基板上に異種の単
結晶を成長させた複合の化合物半導体基板に係り、特
に、光デバイスおよび高速電子デバイスとして広く利用
されているInP、GaAs化合物半導体と、電子デバ
イスとして広く用いられているSi単体半導体とを複合
させたヘテロエピタキシャル基板の作製方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a composite compound semiconductor substrate in which different kinds of single crystals are grown on a single crystal substrate, and particularly to InP and GaAs compound semiconductors widely used as optical devices and high-speed electronic devices. And a method for producing a heteroepitaxial substrate in which a simple substance semiconductor that is widely used as an electronic device is compounded.

【0002】[0002]

【従来の技術】InP系化合物半導体は、長波長帯光デ
バイス等に広く用いられている。そして、InP/Si
は、InP系光デバイスとSi電子デバイスの複合素子
の作製に有望である。InP/Siヘテロエピタキシャ
ル成長は、InPの直接成長、GaAs、GaP、Zn
Se等のバッファ層上に成長する方法、歪み超格子を挿
入する方法など、これまでに多くのアプローチによって
作製されている。例えば、図6に示すように、LD(レ
ーザダイオード)の製作が可能な結晶品質を有するIn
P/Siは、ジャパニーズ ジャーナル オブ アプライ
ド フィジックス(Japanese Journal of Applied Physi
cs)1991年30巻12B号3876頁〜3878頁
に開示されているように、MOCVD(有機金属気相成
長)法とVME(気相混合成長)法のハイブリッドで得
られている。ここで、MOCVD法は、InP−GaA
s格子不整合を緩和するためのInP−InGaAs歪
み超格子(SLS)層をヘテロ界面に挿入して、InP層
の表面モホロジイを改善するのに必要である。 また、
VME法は、ハイドライドVPE法(例えば、III族原
料として塩化金属、V族原料として水素化物を用いた気
相成長法)の特徴である速い成長速度を活かして厚膜化
による高品質化に寄与している。しかしながら、基板構
造の簡略化のためにはSLS層無しでの成長が、また、
成長工程の簡略化のためには一つの成長方法による化合
物半導体の成長が望まれている。
2. Description of the Related Art InP-based compound semiconductors are widely used for long wavelength band optical devices and the like. And InP / Si
Is promising for producing a composite element of InP-based optical device and Si electronic device. InP / Si heteroepitaxial growth includes direct growth of InP, GaAs, GaP, Zn.
It has been manufactured by many approaches so far, such as a method of growing on a buffer layer such as Se and a method of inserting a strained superlattice. For example, as shown in FIG. 6, In having a crystal quality capable of manufacturing an LD (laser diode) is used.
P / Si is the Japanese Journal of Applied Physi
cs) As disclosed in Vol. 30, 1991, No. 12B, pages 3876 to 3878, it is obtained by a hybrid of MOCVD (metal organic chemical vapor deposition) method and VME (vapor phase mixed growth) method. Here, the MOCVD method is InP-GaA.
An InP-InGaAs strained superlattice (SLS) layer for mitigating s-lattice mismatch is needed at the heterointerface to improve the surface morphology of the InP layer. Also,
The VME method contributes to high quality by thickening the film by utilizing the high growth rate, which is a feature of the hydride VPE method (for example, vapor phase growth method using metal chloride as a group III source and hydride as a group V source). is doing. However, the growth without the SLS layer is also required to simplify the substrate structure.
In order to simplify the growth process, it is desired to grow a compound semiconductor by one growth method.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】従来技術において、半
導体薄膜の成長工程の簡略化の観点からは、すべてMO
CVDで成長する方法と、すべてハイドライドVPEで
成長する方法が考えられる。しかしながら、前者(MO
CVD法)により作製した場合(すなわち、図6に示す
InP厚膜層14をMOCVDで成長した場合)は、I
nP厚膜層14の結晶性が悪く、後述するごとく、PL
(フォトルミネッセンス)強度は1/5程度であり、そ
の上、作製したLD(レーザダイオード)も室温で連続
発振することができない程度に性能が低下する〔例え
ば、イクステンデッド アブストラクツ オブ インター
ナショナル コンファレンス オン ソリッドステートデ
バイスアンド マテリアルズ(Extended Abstracts of t
he 1992 International Conference on Solid State De
vices and Materials,Tsukuba,1992,pp656-658)〕。ま
た、後者(ハイドライドVPE法)で作製した場合(す
なわち、図6に示すInP−InGaAs歪み超格子
(SLS)層13の挿入を無くし、すべてをハイドライ
ドVPEで成長した場合)は、後述するごとく、 上層
のInP厚膜層14が連続膜とならず、目的とする層構
造が得られないという問題があった。
In the prior art, from the viewpoint of simplifying the semiconductor thin film growth process, all MO
A method of growing by CVD and a method of growing all by hydride VPE can be considered. However, the former (MO
When it is formed by the CVD method (that is, when the InP thick film layer 14 shown in FIG. 6 is grown by MOCVD), I
Since the crystallinity of the nP thick film layer 14 is poor, as will be described later, PL
The intensity of (photoluminescence) is about 1/5, and the performance of the manufactured LD (laser diode) is deteriorated to the extent that it cannot continuously oscillate at room temperature [eg, Extended Abstracts of International Conference on Solid]. State Devices and Materials (Extended Abstracts of t
he 1992 International Conference on Solid State De
vices and Materials, Tsukuba, 1992, pp656-658)]. Further, in the case of being manufactured by the latter (hydride VPE method) (that is, when the InP-InGaAs strained superlattice (SLS) layer 13 shown in FIG. 6 is eliminated and all are grown by hydride VPE), as described later, There is a problem that the upper InP thick film layer 14 does not become a continuous film and the intended layer structure cannot be obtained.

【0004】本発明の目的は、上記従来技術における問
題点を解消するものであって、LDデバイスの作製が可
能な高品質のInP/GaAs/Siヘテロ基板を、一
つの成長方法での作製を可能とし、またSLS(歪み超
格子)層を挿入しなくても高品質のInP/GaAs/
Siが得られる層構造となし、これら成長方法と層構造
の簡略化によって、製品の歩留まりおよび再現性の向上
をはかると共に、高性能のInP/GaAs/Siヘテ
ロ基板を、安価に、かつ安定して供給するすることがで
きる化合物半導体基板の作製方法を提供することにあ
る。
An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems in the prior art, and to manufacture a high quality InP / GaAs / Si hetero substrate capable of manufacturing an LD device by one growth method. High quality InP / GaAs / without SLS (strained superlattice) layer
This is a layer structure in which Si can be obtained, and by improving the yield and reproducibility of the product by simplifying the growth method and layer structure, a high-performance InP / GaAs / Si hetero substrate can be manufactured inexpensively and stably. Another object is to provide a method for manufacturing a compound semiconductor substrate that can be supplied as a substrate.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】上記本発明の目的を達成
するために、本発明は特許請求の範囲に記載のような構
成とするものである。すなわち、本発明は請求項1に記
載のように、GaAs層、InP層を含み、かつ、その
順にSi基板上にヘテロエピタキシャル成長した化合物
半導体基板を、金属塩化物と水素化物を用いて気相成長
するハイドライドVPE法により作製する方法におい
て、少なくとも、第1のInP層をGaAs層上に直接
成長する工程と、第2のInP層を第1のInP層より
後に形成する工程からなり、上記第1のInP層の成長
温度が650℃より低く、上記第2のInP層の成長温
度が650℃より高くするものである。また、本発明は
請求項2に記載のように、請求項1において、第1のI
nP層の成長温度が590℃、第2のInP層の成長温
度が685℃〜690℃とするものである。
In order to achieve the above-mentioned object of the present invention, the present invention has a constitution as set forth in the claims. That is, according to the present invention, as described in claim 1, a compound semiconductor substrate including a GaAs layer and an InP layer and heteroepitaxially grown on a Si substrate in that order is vapor-phase grown using a metal chloride and a hydride. In the method for manufacturing by the hydride VPE method described above, at least a step of directly growing the first InP layer on the GaAs layer and a step of forming the second InP layer after the first InP layer are included. The growth temperature of the InP layer is lower than 650 ° C, and the growth temperature of the second InP layer is higher than 650 ° C. Further, according to the present invention, as described in claim 2, in claim 1, the first I
The growth temperature of the nP layer is 590 ° C., and the growth temperature of the second InP layer is 685 ° C. to 690 ° C.

【0006】[0006]

【作用】本発明の化合物半導体基板、すなわち複合半導
体基板の作製方法は、請求項1に記載のように、Si基
板上にエピタキシャル成長したGaAs層上に、InP
層を成長する場合に、すべての成長をハイドライドVP
E法(例えば、III族元素の塩化物とV族元素の水素化
物を用いて気相成長により成膜する方法)により行うこ
とにより、一つの成長方法で複合の化合物半導体基板を
作製することが可能となり、成長工程を著しく簡略化す
ることができる。また、請求項1に記載のように、化合
物半導体基板の層構造として、例えば、図1に示すよう
に、InP層、GaAs層を含み、かつ、その順にSi
基板上にヘテロエピタキシャル成長した化合物半導体基
板を、ハイドライドVPE法により成長する場合に、上
記InP層を成長温度の異なる、少なくとも2つのIn
P層から構成することにより、第1のInP層をSLS
(歪み超格子)層やグレーデッド層等を介さずに直接G
aAs層上に成長し、かつ第2のInP層(以後、高温
InP層とも言う)が、第1のInP層より後に形成さ
れるようにし、第1のInP層の成長温度(650℃
り低い)を、高温InP層の成長温度(650℃より高
い)よりも低くすることにより実現される。すなわち、
図1に示すようにSi基板上に、GaAs層を介してI
nP層を成長するに際して、成長条件の異なる少なくと
も2つのInP層を成長する工程を含み、少なくともG
aAs層に接する第1のInP層の成長温度をそれ以降
成長するInP層よりも低い温度で成長することによ
り、SLS(歪み超格子)層やグレーデッド層を必要と
することなく、欠陥密度の少ない良質の連続膜であるI
nP層を得ることができる。さらに、請求項2に記載の
ように、第1のInP層成長温度を590℃、第2のI
nP層成長温度を685℃〜690℃とするすることに
より、連続膜の単結晶InP層が得られ、かつ、欠陥密
度の低減をはかることができ、また、第2のInP層で
ある高温InP層の成長温度を650℃よりも高くする
ことにより、発光効率の良いInP層が得られる。上記
のようにして作製した本発明の化合物半導体基板は、L
D(レーザダイオード)等の素子を作製できる高品質の
複合化合物半導体基板を、一つの成長方法により、かつ
簡略化した層構造で、歩留まりよく作製することができ
る。なお、ハイドライドVPE法は、III族原料として
塩化金属(GaCl、InCl等)を用い、V族原料と
してハイドライド(AsH、PH等)を用いて、気
相成長法により化合物半導体薄膜を形成する方法であ
る。
According to the method of producing a compound semiconductor substrate of the present invention, that is, a composite semiconductor substrate, as described in claim 1, InP is formed on a GaAs layer epitaxially grown on a Si substrate.
When growing layers, all growth is done in hydride VP
By performing the method E (for example, a method of forming a film by vapor phase growth using a chloride of a group III element and a hydride of a group V element), a compound semiconductor substrate can be manufactured by one growth method. This makes it possible to significantly simplify the growth process. Moreover, as described in claim 1, the layer structure of the compound semiconductor substrate includes, for example, as shown in FIG. 1, an InP layer and a GaAs layer, and includes Si in that order.
When a compound semiconductor substrate heteroepitaxially grown on the substrate is grown by the hydride VPE method, at least two InP layers having different growth temperatures are formed on the InP layer.
By forming the first InP layer from the P layer,
Directly without G (strained superlattice) layer or graded layer
was grown on the aAs layer, and a second InP layer (hereinafter, also referred to as high-temperature InP layer), so as to be formed after the first InP layer, a growth temperature (650 ° C. of the first InP layer
Lower than the growth temperature of the high temperature InP layer (higher than 650 ° C).
Is achieved by lowering than have). That is,
As shown in FIG. 1, I is formed on the Si substrate through the GaAs layer.
The step of growing the nP layer includes a step of growing at least two InP layers having different growth conditions, and at least G
By growing the first InP layer in contact with the aAs layer at a temperature lower than that of the InP layer grown thereafter, the defect density of the defect density can be increased without the need for an SLS (strained superlattice) layer or a graded layer. Low quality continuous film I
An nP layer can be obtained. Further, as described in claim 2, the first InP layer growth temperature is 590 ° C.
By setting the nP layer growth temperature to 685 ° C. to 690 ° C., a continuous film single crystal InP layer can be obtained, and the defect density can be reduced, and the high temperature InP that is the second InP layer can be obtained. By making the layer growth temperature higher than 650 ° C., an InP layer with good light emission efficiency can be obtained. The compound semiconductor substrate of the present invention produced as described above is
A high-quality composite compound semiconductor substrate capable of producing an element such as D (laser diode) can be produced with a high yield by one growth method and with a simplified layer structure. In the hydride VPE method, a compound semiconductor thin film is formed by a vapor phase growth method using a metal chloride (GaCl, InCl, etc.) as a group III raw material and hydride (AsH 3 , PH 3 etc.) as a group V raw material. Is the way.

【0007】[0007]

【実施例】以下に本発明の実施例を挙げ、図面を用いて
さらに詳細に説明する。本実施例では、VME法により
GaAs/Si基板上にSLS層無しでInP層を直接
成長した場合を示す。図2は、第1のInP層の成長温
度によるInP層の結晶性(エッチピット密度/c
2)を示す。さらに、結晶性がデバイス品質であるこ
とを示すために、上記基板上にLDを作製した。LD
は、室温連続発振を示し、従来のSLS層付きと同様の
デバイス品質を有する結晶性を持つことを示した。成長
は、ハイドライドVPEを基本として低温成長を可能と
したVMEが行える装置を用いた。この成長装置は、成
長条件(温度、ガス流量、基板位置等)を変えることに
より、通常のVPEとVMEの両方が行える構造の成長
装置を用いた。VMEは、例えば、特公平6−9102
0号公報(特願昭61−28974号)に記載されてい
るように、 原料ガスであるIII族の塩化金属(GaC
l、InCl等)とV族のハイドライド(AsH3、P
3等)を別の経路を通して、混合しない状態で反応室
に導入し、成長する基板直上で混合することにより、こ
れまで通常のVPE法では不可能であった低温成長を可
能とするものである。Si基板は、成長装置内で高温の
表面処理を必要としないエピタキシャル基板を用いてい
る。面方位は(100)から<011>方向に2度ずれ
ている。
Embodiments of the present invention will be described below in more detail with reference to the drawings. In this embodiment, an InP layer is directly grown on a GaAs / Si substrate without the SLS layer by the VME method. FIG. 2 shows the crystallinity (etch pit density / c of the InP layer depending on the growth temperature of the first InP layer).
m 2 ) is shown. Further, in order to show that the crystallinity is device quality, an LD was formed on the above substrate. LD
Shows room temperature continuous wave oscillation, and has crystallinity having a device quality similar to that with a conventional SLS layer. For the growth, an apparatus capable of performing VME that enables low temperature growth based on hydride VPE was used. As this growth apparatus, a growth apparatus having a structure capable of performing both normal VPE and VME by changing growth conditions (temperature, gas flow rate, substrate position, etc.) was used. VME is, for example, Japanese Patent Publication No. 6-9102.
As described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-28974, a source gas, Group III metal chloride (GaC).
l, InCl, etc.) and Group V hydrides (AsH 3 , P
(H 3 etc.) is introduced into the reaction chamber in a non-mixed state through another route and mixed directly on the growing substrate, which enables low temperature growth which has been impossible by the conventional VPE method. is there. As the Si substrate, an epitaxial substrate that does not require high temperature surface treatment in the growth apparatus is used. The plane orientation is deviated from the (100) direction by 2 degrees in the <011> direction.

【0008】通常のGaAs/Siの成長においては、
機械、化学的に研磨されたSi基板が用いられるが、そ
の場合、成長直前に成長装置内で、高温のSi表面処理
を行う必要がある。エピタキシャルSi基板は、通常の
機械、化学的研磨したSi基板上に CVD法によりS
iをエピタキシャル成長したもので、このエピタキシャ
ルSi基板を使用することにより、上記成長装置内での
高温のSi表面処理は不要となる〔例えば、アプライド
フィジックスレター、Appl.Phys.Lett.63.(14)1963(199
3)〕。GaAs層は、400℃と650℃の2段階の
成長で膜厚2μmとした。途中の1μm厚さと、2μm
厚さの成長終了後に、熱サイクルを加えて高品質化をは
かった。その後、膜厚が約0.5μmの第1のInP層
を成長温度を変化させて成長した。次に、通常の成長温
度である685℃での成長と熱サイクルの繰り返しによ
り、InP層の膜厚を約10μmとした。評価は、HB
r系エッチャントによるエッチピット密度(EPD)と
平面TEM(透過型電子顕微鏡)に基づいた。また、こ
のInP/Siを基板として、LD構造を上記基板上に
形成し、LD特性から基板品質を評価した。第1のIn
P層の成長温度を、これ以降の層の成長温度と同じ68
5℃とした場合には鏡面のInP膜が得られなかった。
これは、GaAs基板からのヒ素(As)抜けが原因で
あると考えられる。そこで、第1のInP層の成長温度
を下げたところ、650℃以下において鏡面のInP膜
が得られた。結晶性評価のために、バルク(bulk)
InP基板の転位密度の評価に用いられているHBr:
3PO4=1:1溶液によるエッチピット評価を行っ
た。エッチングは、室温で5秒とした。その結果、形状
の異なる2種類のエッチピットが存在することが分かっ
た。楕円状の小さなエッチピットと棒状の大きなエッチ
ピットを、それぞれピットAとピットBと言う。これら
のピットは、それぞれ貫通転位と積層欠陥に対応してい
る。なお、エッチング時間を長くすると、ピットA、ピ
ットB共に、その形状は大きくなるが密度には変化が見
られなかった。上記試料によるEPDは、それぞれ、
6.1×106個/cm2(ピットA)、7.6×105
/cm2(ピットB)であった。これらのピットを、転
位密度の低減の指標として、成長温度依存性を調べた結
果を図2に示す。積層欠陥に相当するピットBは、第1
のInP層の成長温度の低下と共に指数関数的に減少し
ている。それに対して、貫通転位に対応するピットAの
密度は、成長温度依存性はほとんどなく、6乗の高い値
を示している。ピットBを形成させる積層欠陥は、Ga
As層からInP層への格子不整合系成長である第1の
InP層の成長初期に形成される。バルク(bulk)
InPにおける積層欠陥形成エネルギーは、他の化合物
半導体に比較すると小さく比較的容易に積層欠陥が生成
される。したがって、第1のInP層の成長温度を下げ
ることにより、第1のInP層における積層欠陥の生成
が抑制され、図2に示すように、積層欠陥密度を4乗台
の低い値に減少することができたものと考えられる。ま
た、2結晶X線ロッキングカーブ半値幅も、第1のIn
P層の成長温度が650℃のものは約100秒程度であ
ったが、590℃成長において約60秒と改善が見られ
た。このように、本発明の化合物半導体基板の作製方法
において、第1のInP層の成長温度は650℃以下
で、低い温度(例えば590℃)程、表面のInP層の
結晶性は向上し、積層欠陥密度および2結晶X線ロッキ
ングカーブ半値幅(XRC)が低減することが明らかと
なった。次に、表面のInP層の結晶性を評価するため
にPL(フォトルミネッセンス:Photo luminescence)
の測定を行い、その結果を図3に示す。PL測定法は、
上記積層欠陥や貫通転位などの他に、ミクロな欠陥(不
純物の混入や原子空孔、アンチサイト等の点欠陥等)を
検出できる測定法である。また、光デバイスへの応用の
立場から、PL強度は、そのまま発光効率とみなすこと
ができ、光デバイス用基板の評価として広く使用されて
いる測定法である。図3は、第1のInP層以降のIn
P層(第2のInP層から表面のInP層まで)の成長
温度Tg(℃)に対するPL強度依存性を示す。図にお
いて、成長温度が590℃から690℃の範囲におい
て、成長温度が高い程、PL強度の増加が見られる。最
大のPL強度が得られる685℃〜690℃を1と規格
化すると、成長温度650℃において、PL強度はほぼ
1/10に減少しており、650℃以下の成長温度で成
長したInP層は、発光デバイス用の基板としては使用
できないことを示している。なお、ここで、第1のIn
P層の成長温度はすべて590℃とした。次に、上記の
直接成長により得られたInP/Si基板の特性を確認
するために、レーザダイオード(LD)を作製した。L
Dはブロードタイプで、作製方法は従来とほぼ同じであ
る。図4に、室温連続発振におけるI(電流)−L(光
出力)特性を示す。比較のために、従来のInP/SL
S/GaAs/Si基板上のLD特性を破線で示す。発
振しきい値電流、内部量子効率等のデバイス特性も従来
とほぼ同程度であった。このことから、本発明の実施例
であるInP/Si基板はLDデバイス グレードの高
品質の結晶性を有していることが明らかであった。図5
に、従来のSLS層を有する基板(InP/SLS/G
aAs/Si)と本実施例で作製した直接成長の基板
(InP/GaAs/Si)の透過率を示す。ここで、
透過率としては、成長を行っていないSi基板の透過率
を1とし規格化した値を用いた。本実施例の直接成長の
InP/GaAs/Si基板では、波長が1〜2μmの
範囲においてほぼSi基板と同じ値を示した。屈折率の
異なる膜の多層構造による吸収(または反射)が生じる
はずであるが、本実施例の測定範囲では検出されない程
度の小さいものであると思われる。他方、従来のSLS
層を有する基板は、約1.5μmより短い波長で吸収が
見られた。これは、SLS層に波長1.5μm帯超格子
を用いたことに対応しているものと考えられる。
In normal GaAs / Si growth,
A mechanically or chemically polished Si substrate is used, but in that case, it is necessary to perform high-temperature Si surface treatment in a growth apparatus immediately before growth. Epitaxial Si substrate is a mechanically and chemically polished Si substrate on which S
i is epitaxially grown, and by using this epitaxial Si substrate, high-temperature Si surface treatment in the above-mentioned growth apparatus is unnecessary [for example, Applied Physics Letter, Appl. Phys. Lett. 63. (14). 1963 (199
3)]. The GaAs layer has a film thickness of 2 μm by two-stage growth at 400 ° C. and 650 ° C. 1 μm thickness and 2 μm on the way
After the growth of the thickness was completed, a thermal cycle was added to improve the quality. After that, a first InP layer having a film thickness of about 0.5 μm was grown by changing the growth temperature. Next, by repeating the growth at 685 ° C. which is a normal growth temperature and repeating the heat cycle, the thickness of the InP layer was set to about 10 μm. Evaluation is HB
It was based on the etch pit density (EPD) with an r-based etchant and a planar TEM (transmission electron microscope). Further, using this InP / Si as a substrate, an LD structure was formed on the substrate, and the substrate quality was evaluated from the LD characteristics. First In
The growth temperature of the P layer is the same as the growth temperature of the subsequent layers.
When the temperature was 5 ° C., a mirror-finished InP film could not be obtained.
It is considered that this is due to the release of arsenic (As) from the GaAs substrate. Then, when the growth temperature of the first InP layer was lowered, a mirror-finished InP film was obtained at 650 ° C. or lower. Bulk for crystallinity evaluation
HBr used for evaluation of dislocation density of InP substrate:
The etch pits were evaluated using a H 3 PO 4 = 1: 1 solution. The etching was performed at room temperature for 5 seconds. As a result, it was found that there are two types of etch pits having different shapes. The small elliptical etch pit and the large rod-shaped etch pit are referred to as pit A and pit B, respectively. These pits correspond to threading dislocations and stacking faults, respectively. When the etching time was lengthened, the shapes of both pit A and pit B were increased, but the density was not changed. The EPDs by the above samples are
It was 6.1 × 10 6 pieces / cm 2 (pit A) and 7.6 × 10 5 pieces / cm 2 (pit B). FIG. 2 shows the results of examining the growth temperature dependency of these pits as an index for reducing the dislocation density. The pit B corresponding to the stacking fault has the first
Of the InP layer decreases exponentially with the decrease of the growth temperature. On the other hand, the density of the pit A corresponding to the threading dislocation has almost no dependency on the growth temperature and shows a high value of the sixth power. The stacking fault that forms the pit B is Ga
It is formed in the initial stage of growth of the first InP layer, which is a lattice mismatch system growth from the As layer to the InP layer. Bulk
The stacking fault formation energy of InP is smaller than that of other compound semiconductors, and stacking faults are relatively easily generated. Therefore, by lowering the growth temperature of the first InP layer, generation of stacking faults in the first InP layer is suppressed, and as shown in FIG. 2, the stacking fault density is reduced to a low value in the fourth power. It is thought that this was done. Further, the full width at half maximum of the 2-crystal X-ray rocking curve is
When the growth temperature of the P layer was 650 ° C., it was about 100 seconds, but in the growth at 590 ° C., it was improved to about 60 seconds. As described above, in the method for manufacturing a compound semiconductor substrate of the present invention, the growth temperature of the first InP layer is 650 ° C. or lower, and the lower the temperature (for example, 590 ° C.), the higher the crystallinity of the InP layer on the surface and It was revealed that the defect density and the half-width of the two-crystal X-ray rocking curve (XRC) were reduced. Next, in order to evaluate the crystallinity of the InP layer on the surface, PL (Photoluminescence) was used.
Was measured and the results are shown in FIG. The PL measurement method is
In addition to the stacking faults and threading dislocations described above, this is a measurement method that can detect microscopic defects (such as impurity contamination, atomic vacancies, and point defects such as antisite). Further, from the standpoint of application to optical devices, PL intensity can be regarded as the luminous efficiency as it is, and is a widely used measurement method for evaluation of optical device substrates. FIG. 3 shows In after the first InP layer.
The PL intensity dependence on the growth temperature Tg (° C.) of the P layer (from the second InP layer to the surface InP layer) is shown. In the figure, when the growth temperature is in the range of 590 ° C. to 690 ° C., the PL intensity increases as the growth temperature increases. When 685 ° C. to 690 ° C. at which the maximum PL intensity is obtained is standardized as 1, the PL intensity is reduced to about 1/10 at the growth temperature of 650 ° C., and the InP layer grown at the growth temperature of 650 ° C. or lower , It cannot be used as a substrate for a light emitting device. Here, the first In
The growth temperature of all P layers was 590 ° C. Next, a laser diode (LD) was manufactured in order to confirm the characteristics of the InP / Si substrate obtained by the above direct growth. L
D is a broad type, and the manufacturing method is almost the same as the conventional method. FIG. 4 shows I (current) -L (light output) characteristics in room temperature continuous oscillation. For comparison, conventional InP / SL
The LD characteristic on the S / GaAs / Si substrate is shown by the broken line. Device characteristics such as oscillation threshold current and internal quantum efficiency were almost the same as before. From this, it was clear that the InP / Si substrate which is an example of the present invention has high quality crystallinity of LD device grade. Figure 5
A substrate having a conventional SLS layer (InP / SLS / G
The transmittance of aAs / Si) and the direct growth substrate (InP / GaAs / Si) produced in this example are shown. here,
As the transmittance, a value obtained by standardizing the transmittance of the Si substrate not grown as 1 was used. The InP / GaAs / Si substrate of the direct growth of this example showed almost the same value as the Si substrate in the wavelength range of 1 to 2 μm. Absorption (or reflection) should occur due to the multilayer structure of films having different refractive indexes, but it is considered to be so small as not to be detected in the measurement range of this example. On the other hand, conventional SLS
The substrate with layers showed absorption at wavelengths shorter than about 1.5 μm. This is considered to correspond to the use of the 1.5 μm band superlattice for the SLS layer.

【0009】[0009]

【発明の効果】以上詳細に説明したごとく、本発明の化
合物半導体基板の作製方法によれば、従来、LDデバイ
スに用いられる高品質のInP/GaAs/Siヘテロ
基板を得るためには、二つの成長方法を用いる必要があ
ったが、本発明では一つの成長方法で実現することが可
能となり、また、従来必要であったSLS層を挿入しな
くても高品質のInP/GaAs/Si基板を得ること
ができ、これら成長方法の簡略化および層構造の簡略化
により、製作の歩留まりおよび再現性を向上させること
ができる。また、成長装置が1台で済むことから、設備
投資、ランニングコストとも約半分となる。これらのこ
とから、高品質のInP/GaAs/Si基板を安価
に、かつ安定して供給することが可能となり、その効果
は極めて大きい。さらに、本発明の化合物半導体基板の
作製方法において、SLS層が無いことから、InP、
GaAs、Siのバンドギャップで決まる吸収のみ存在
する基板が得られる。他方、従来法によるとSLS層の
吸収が見られ、光通信等で広く用いられている波長1.
3μm帯においてはSLS層の吸収が存在することにな
る。したがって、SLS層の領域を光が透過する構造の
デバイスでは、光損失となり、SLS層を含む従来構造
の基板においては作製可能な素子に制限が生じ、透過型
デバイスやSLS層近傍の導波路等は作製することがで
きないことになる。これに対し、本発明の方法で作製し
た化合物半導体基板は、光の吸収は広く用いられている
バルク(bulk)InP基板とほぼ同じ程度であるの
で、それらの範囲のデバイスはすべて作製が可能とな
り、従来技術では製作が不可能であった透過型デバイス
やSLS層近傍の導波路(OEIC)等を本発明の方法
において初めて実現可能となる。
As described in detail above, according to the method for manufacturing a compound semiconductor substrate of the present invention, two methods are required to obtain a high quality InP / GaAs / Si hetero substrate conventionally used for LD devices. Although it was necessary to use the growth method, the present invention can be realized by one growth method, and a high quality InP / GaAs / Si substrate can be obtained without inserting the SLS layer, which has been conventionally required. The production yield and reproducibility can be improved by simplifying the growth method and the layer structure. In addition, since only one growth device is required, both capital investment and running cost will be halved. For these reasons, it becomes possible to supply a high-quality InP / GaAs / Si substrate inexpensively and stably, and the effect is extremely large. Furthermore, in the compound semiconductor substrate manufacturing method of the present invention, since there is no SLS layer, InP,
A substrate having only absorption determined by the band gaps of GaAs and Si can be obtained. On the other hand, according to the conventional method, the absorption of the SLS layer is observed, and the wavelength of 1.
In the 3 μm band, SLS layer absorption is present. Therefore, in a device having a structure in which light is transmitted through the region of the SLS layer, light loss occurs, which limits the elements that can be manufactured in a substrate having a conventional structure including the SLS layer, such as a transmission type device or a waveguide near the SLS layer. Cannot be made. On the other hand, the compound semiconductor substrate manufactured by the method of the present invention absorbs light to about the same level as a widely used bulk InP substrate, and thus devices in those ranges can be manufactured. For the first time, the method of the present invention can realize a transmission type device, a waveguide (OEIC) near the SLS layer, and the like, which cannot be manufactured by the conventional technique.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の実施例で作製した化合物半導体基板の
構成の一例を示す模式図。
FIG. 1 is a schematic view showing an example of the configuration of a compound semiconductor substrate manufactured in an example of the present invention.

【図2】本発明の実施例で作製した化合物半導体基板の
エッチングピット密度の第1のInP層の成長温度依存
性を示すグラフ。
FIG. 2 is a graph showing the dependency of the etching pit density of the compound semiconductor substrate manufactured in the example of the present invention on the growth temperature of the first InP layer.

【図3】本発明の実施例で作製した化合物半導体基板の
フォトルミネッセンス強度の第1のInP層以降のIn
P層の成長温度依存性を示すグラフ。
FIG. 3 shows In of the photoluminescence intensity of the first InP layer and the In of the compound semiconductor substrate manufactured in the example of the present invention.
The graph which shows the growth temperature dependence of P layer.

【図4】本発明の実施例で作製したLD(レーザダイオ
ード)/Siの室温連続発振における電流−光出力特性
を、従来例と比較して示したグラフ。
FIG. 4 is a graph showing current-light output characteristics of LD (laser diode) / Si manufactured in an example of the present invention in room temperature continuous oscillation in comparison with a conventional example.

【図5】本発明の実施例で作製した化合物半導体基板の
透過率の波長依存性を、従来例と比較して示したグラ
フ。
FIG. 5 is a graph showing the wavelength dependence of the transmittance of the compound semiconductor substrate manufactured in the example of the present invention in comparison with the conventional example.

【図6】従来の化合物半導体基板の構成と成長方法を示
す説明図。
FIG. 6 is an explanatory diagram showing a configuration of a conventional compound semiconductor substrate and a growth method.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…Si基板 2…GaAs層 3…第1のInP層 4…第2のInP層 5…第iのInP層 6…第n−1のInP層 7…第nのInP層 11…Si基板 12…GaAs層 13…InP−InGaAs歪み超格子(SLS)層 14…InP厚膜層 1 ... Si substrate 2 ... GaAs layer 3 ... First InP layer 4 ... Second InP layer 5 ... i-th InP layer 6 ... n-1th InP layer 7 ... nth InP layer 11 ... Si substrate 12 ... GaAs layer 13 ... InP-InGaAs strained superlattice (SLS) layer 14 ... InP thick film layer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐々木 徹 東京都千代田区内幸町一丁目1番6号 日本電信電話株式会社内 (56)参考文献 特開 平2−89306(JP,A) J.Crystal Growth, 140,291−298 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01S 5/00 - 5/50 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Toru Sasaki 1-1-6 Uchisaiwaicho, Chiyoda-ku, Tokyo Inside Nippon Telegraph and Telephone Corporation (56) Reference JP-A-2-89306 (JP, A) J. Crystal Growth, 140, 291-298 (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) H01S 5/00-5/50

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】GaAs層、InP層を含み、かつ、その
順にSi基板上にヘテロエピタキシャル成長した化合物
半導体基板を、金属塩化物と水素化物を用いて気相成長
するハイドライドVPE法により作製する方法におい
て、少なくとも、 第1のInP層をGaAs層上に直接成長する工程と、 第2のInP層を第1のInP層より後に形成する工程
からなり、 上記第1のInP層の成長温度が650℃より低く、上
記第2のInP層の成長温度が650℃より高いことを
特徴とする化合物半導体基板の作製方法。
1. A method for producing a compound semiconductor substrate comprising a GaAs layer and an InP layer and heteroepitaxially grown on a Si substrate in that order by a hydride VPE method of vapor phase growth using a metal chloride and a hydride. And at least a step of directly growing the first InP layer on the GaAs layer and a step of forming the second InP layer after the first InP layer, wherein the growth temperature of the first InP layer is 650 ° C. A method for manufacturing a compound semiconductor substrate, which is lower and has a growth temperature of the second InP layer higher than 650 ° C.
【請求項2】請求項1において、第1のInP層の成長
温度が590℃、第2のInP層の成長温度が685℃
〜690℃であることを特徴とする化合物半導体基板の
作製方法。
2. The growth temperature of the first InP layer is 590 ° C. and the growth temperature of the second InP layer is 685 ° C.
A method for manufacturing a compound semiconductor substrate, wherein the temperature is ˜690 ° C.
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