JP3834748B2

JP3834748B2 - Structure analysis method of semiconductor single crystal

Info

Publication number: JP3834748B2
Application number: JP2001317897A
Authority: JP
Inventors: 修仁牧野; 学川辺
Original assignee: Nippon Mining and Metals Co Ltd
Current assignee: Nippon Mining Holdings Inc
Priority date: 2001-10-16
Filing date: 2001-10-16
Publication date: 2006-10-18
Anticipated expiration: 2021-10-16
Also published as: JP2003121391A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多重量子井戸層（MQW:Multi-Quantum Well）を有する半導体単結晶の構造解析方法に関し、特に、多重量子井戸層を構成する２つの半導体層の成長速度および格子定数を、Ｘ線回折による測定結果を利用して求める方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光通信用の発光デバイスまたは受光デバイスとして、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体単結晶を用いた光半導体素子が開発されている。この光半導体素子は、一般に基板上にバッファ層や活性層、コンタクト層等が積層して構成され、所望の発光特性や電気的特性が得られるように各層の層厚や格子定数等が設計されている。
【０００３】
ところで、従来は、作製された光半導体素子について、Ｘ線回折装置（ＸＲＤ：X-ray diffractometry）や透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Transmission Electron Microscopy）を用いて構造解析をすることにより、設計通りに各層が形成されているかを検査していた。
【０００４】
ここで、Ｘ線回折およびＴＥＭについて簡単に説明する。
【０００５】
Ｘ線回折は、結晶などの原子配列に関する情報を得る基本的な分析法であり、有機、無機、金属材料の合成、物性、結晶構造などの分野で利用されている。
【０００６】
例えば、原子が規則的に配置されている結晶に単色（波長λ）の細いＸ線束をあてると、結晶中の電子によって入射Ｘ線が散乱され、散乱したＸ線が干渉することにより特定方向の強度が強くなり、Ｘ線回折像が得られる。このＸ線回折像は結晶中の原子配置の規則性を反映しているので、これをもとに結晶構造を知ることができる。
【０００７】
また、結晶中の原子配置によって決まる結晶格子面の間隔をｄ、Ｘ線の波長をλ、格子面への入射角度をθとすると、「λ＝２ｄ・ｓｉｎθ」という関係が成り立つ場合に、格子面でＸ線がブラッグ反射してＸ線回折がおきることが知られている。
【０００８】
これより、波長λと回折角２θを測定すると、上述した関係から格子面の間隔ｄがわかる。さらに、結晶中の多くの格子面とそれらからの回折強度、およびそれらの間の角度を測定すると、結晶内の各原子の配置を決めることができるのでその物質を同定することができる。また、現在利用されている一般的なＸ線測定装置では、上述した演算がソフトウェア処理により容易に得ることができるようになっている。
【０００９】
このように、Ｘ線回折法は、積層構造をした半導体層のそれぞれの層について格子定数と層厚の両方の情報を得ることができるうえに、非破壊でかつ比較的短い時間で結晶構造を解析できるという長所があるので、この方法により日常的に光半導体素子の検査が行われていた。
一方、ＴＥＭは、試料に大きな電圧を印加することにより電子を注入して、試料の内部を素通りしてきた電子の投影像をみて、試料内部の構造を調べる装置であり、1ｎｍの大きさまでが見える高分解能を一般に有している。したがって、試料内部の原子１つ１つの並び方を観察することが可能であり、結晶中の原子構造を直接視覚的に観察できるという長所を有する。
【００１０】
従来は、これらの方法により光半導体素子の構造解析を行って、各層が設計通りに形成されているかを検査するようにしていた。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、最近では固体中における電子の波長と同じ程度の厚さ（１０〜１００ｎｍ）の中に二次元的に電子を閉じこめた単一量子井戸構造（ＳＱＷ：Single-Quantum Well）が開発され、さらに、この単一量子井戸構造を多数重ね合わせて層中の電子や正孔および光の閉じこめ効率を向上させた多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Multi-Quantum Well）を利用した光半導体素子が開発されている。
【００１２】
具体的には、光半導体素子の活性層を多重量子井戸構造として、活性層中の電子等の振る舞いを制御することにより半導体の持つ光学的な性質や電子的な性質を向上させている。例えば、多重量子井戸層の中では電子や正孔の厚さ方向の運動が制限され、各々のエネルギーがそろいやすくなるという性質を利用して、少ない電流値で半導体レーザの発振を実現している。
しかし、多重量子井戸層は、構成する各半導体層の厚さや格子定数によって層中での電子や正孔の厚さ方向の運動が変化しやすいという欠点を有する。このため、多重量子井戸層からなる活性層を有する光半導体素子は、多重量子井戸層を構成する各半導体層の厚さや格子定数が変わると一定の発光特性を得ることはできない。
【００１３】
そこで、所望の発光特性を有する光半導体素子を安定して製造するために、多重量子井戸層の各層の厚さや格子定数の設計を行い、製造された光半導体素子の多重量子井戸構造が設計通りに形成されているかの検査が重要となる。
【００１４】
しかしながら、上述したＸ線回折およびＴＥＭを用いた構造解析方法では、多重量子井戸層を各層ごとに詳細に解析することは困難であった。
【００１５】
すなわち、Ｘ線回折法で格子定数の異なる薄層が周期的に積層された構造をした多重量子井戸層を測定すると、１周期の厚さ（周期層厚）が擬似的に１単位格子と見なされてしまうために、多重量子井戸層を構成するそれぞれの半導体層に分離して層厚や格子定数を得ることは困難であった。
【００１６】
例えば、多重量子井戸層の第１層および第２層の厚さをｔ_１、ｔ_２、成長時間をＴ_１、Ｔ_２、成長速度をｖ_１、ｖ_２とすると、Ｘ線回折結果からは、
【数１】

で表される周期層厚ｔしか算出できなかった。
【００１７】
また、第１層の基板との格子定数差をΔａ_１、第２層の基板との格子定数差をΔａ_２とすると、Ｘ線回折結果からは、
【数２】

で表される平均格子定数差Δａ／ａしか算出できなかった。
【００１８】
一方、ＴＥＭによる構造解析は、破壊検査であるうえに測定に長時間を要するため、製品としての光半導体素子を日常的に検査することは困難であるという問題があった。また、ＴＥＭによる格子定数差の測定は困難であった。
【００１９】
本発明は、第１の半導体層および第２の半導体層が交互に積層されてなる多重量子井戸層を有する半導体単結晶について、各半導体層の層厚に関する情報およびそれぞれの格子定数に関する情報を容易に求めることができる半導体単結晶の構造解析方法を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、基板の組成と異なる組成を有する第１の半導体層と、基板の組成および前記第１の半導体層の組成と異なる組成を有する第２の半導体層とが、交互に積層されてなる多重量子井戸層を有する半導体単結晶において、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層の少なくとも一方の成長時間を変更して２以上の半導体単結晶を作製し、作製した２以上の半導体単結晶についてＸ線回折による測定を行い、前記Ｘ線回折の測定結果に基づいて、前記第１の半導体層および第２の半導体層の層厚に関する情報および格子定数に関する情報を算出するようにした半導体単結晶の構造解析方法である。
【００２１】
具体的には、前記２以上の半導体単結晶について行ったＸ線回折測定により得られる前記多重量子井戸層の周期層厚ｔと、前記第１および第２の半導体層の成長時間に基づいて、前記第１および第２の半導体層の成長速度を算出し、前記Ｘ線回折測定により得られる前記多重量子井戸層の基板との格子定数差と、前記成長時間と前記成長速度により求まる前記第１および第２の半導体層の層厚に基づいて、前記第１および第２の半導体層の基板との格子定数差を算出するようにした。
【００２２】
より具体的には、前記第１および第２の半導体層の成長速度ｖ_１、ｖ_２は、異なる２つの半導体単結晶についてＸ線回折測定により得られる前記多重量子井戸層の周期層厚ｔと、前記第１および第２の半導体層の成長時間Ｔ_１、Ｔ_２を、式▲１▼に代入して連立方程式を解くことにより算出できる。
【００２３】
また、前記第１および第２の半導体層の基板との格子定数差Δａ_１／ａ、Δａ_２／ａは、異なる２つの半導体単結晶についてＸ線回折測定により得られる前記多重量子井戸層の基板との平均格子定数差Δａ／ａと、前記成長時間Ｔ_１、Ｔ_２と前記成長速度ｖ_１、ｖ_２により求まる前記第１および第２の半導体層の層厚ｔ_１（＝ｖ_１Ｔ_１）、ｔ_２（＝ｖ_２Ｔ_２）を、式▲２▼に代入して連立方程式を解くことにより算出できる。
【００２４】
なお、市販のＸ線測定装置が備えた演算処理機能により、Ｘ線回折結果から前記多重量子井戸層の周期層厚および基板との格子定数差は容易に求めることができる。
【００２５】
これより、多重量子井戸層を構成する各半導体層の層厚および基板との格子定数差が設計通りになっているか調査できる。また、設計通りの層厚で各半導体層を形成するための成長時間に関する最適条件を容易に求めることができる。また、算出された基板との格子定数差が設計値と乖離していた場合には、原料元素の供給量を調整することにより組成を変更し、格子定数を調整すればよい。したがって、所望の構造（設計）をした多重量子井戸層を比較的容易に形成することができる。
【００２６】
なお、本発明の構造解析方法は、多重量子井戸層を形成するにあたり成長条件（例えば成長時間）を決定する際に利用することもできるし、半導体単結晶の生産工程における日常的な検査に利用することもできる。
【００２７】
また、多重量子井戸層を構成する半導体の種類は特に制限されず、一般的な半導体層が交互に積層されて構成された多重量子井戸層の構造解析に適用することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態として、多重量子井戸構造をした活性層有する半導体単結晶について、前記活性層の各半導体層の成長速度および格子定数を算出する方法について説明する。
【００２９】
図１は、本実施形態の構造解析に使用した半導体レーザ用の半導体単結晶の構造を示す概略図である。半導体単結晶１００は、ＩｎＰ基板１０上に、ＩｎＰバッファ層２０、ＩｎＧａＡｓＰクラッド層３０、多重量子井戸（ＭＱＷ）層４０、ＩｎＧａＡｓＰクラッド層５０、ＩｎＰコンタクト層６０が順次積層された構成となっている。この半導体単結晶１００は、例えば分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）等により作製することができる。
【００３０】
また、多重量子井戸層４０は、組成の異なる第１のＩｎＧａＡｓＰ層４１と、第２のＩｎＧａＡｓＰ層４２が交互に計１１層積み重なって構成されている。なお、第１のＩｎＧａＡｓＰ層４１およびＩｎＧａＡｓＰ層４２と、ＩｎＧａＡｓＰクラッド層２０、５０との組成も異なる。
【００３１】
ここで、図１に示した半導体単結晶１００の多重量子井戸層４０の設計値を表１に示す。表１より、第１のＩｎＧａＡｓＰ層４１は、層厚が１０ｎｍで、基板との格子定数差（Δａ_１／ａ）が−０．３％、第２のＩｎＧａＡｓＰ層４２は、層厚が６ｎｍで、基板との格子定数差Δａ_２／ａが＋１．０％と設計されている。ここで、格子定数に関しては、各層の格子定数を直接用いて表すこともできる。
【００３２】
【表１】

【００３３】
従来のＸ線回折による解析方法では、各層毎に層厚および基板との格子定数差を算出することはできないので、作製された半導体単結晶１００の多重量子井戸層４０が設計通りに形成されているか検査することはできなかった。これに対して、本発明では、異なる成長時間で第１のＩｎＧａＡｓＰ層４１および第２のＩｎＧａＡｓＰ層４２を成長させた２つの半導体単結晶についてＸ線回折による構造解析を行うことにより、各半導体層毎に層厚および基板との格子定数差を算出可能としている。
【００３４】
以下に、表２に示す成長時間で多重量子井戸層４０の各半導体層４１、４２を成長させて２つの試料１、２を作製し、この試料１、２についてＸ線回折を行うことにより各半導体層４１、４２の層厚および基板との格子定数差を求める方法について説明する。
【００３５】
まず、設計による各半導体層の層厚（表１）とＩｎＧａＡｓＰの概ね成長速度（１０００ｎｍ／ｈｒ（０．２７８ｎｍ／ｓｅｃ））から試料１の各半導体層４１、４２の成長時間を決定した。そして、試料２の各半導体層４１、４２の成長時間は試料１のそれよりも６秒長くした。このように各半導体層４１、４２の成長時間のみを変えて、他の条件はすべて同一として図１に示す構造をした半導体単結晶の試料１、２を作製した。
【００３６】
【表２】

【００３７】
次に、作製した試料１、２について、Ｘ線回折法により多重量子井戸層４０の周期層厚ｔおよび基板との平均格子定数差Δａ／ａを測定した。ここで、周期層厚ｔおよび基板との平均格子定数差Δａ／ａは、一般的なＸ線測定装置を用いてＸ線回折結果をソフトウェア処理することにより容易に算出することができる。
【００３８】
Ｘ線測定装置による演算結果を表３に示す。試料１については、周期層厚ｔが１５．１ｎｍ、基板との格子定数差Δａ／ａが０．０９２％であり、試料２については、周期層厚ｔが１８．１ｎｍ、基板との格子定数差Δａ／ａが０．１１７％であった。
【００３９】
【表３】

【００４０】
第１のＩｎＧａＡｓＰ層４１の成長速度をｖ_１、第２のＩｎＧａＡｓＰ層４２の成長速度をｖ_２として、表３に示した周期層厚ｔの測定結果および成長時間を式▲１▼に代入すると、
【数３】

が成り立つ。そして、▲３▼、▲４▼式よりｖ_１は０．２９３ｎｍ／ｓｅｃ（＝１．０５４ｎｍ／ｈｒ）、ｖ_２は０．２０７ｎｍ／ｓｅｃ（＝７４６ｎｍ／ｈｒ）となり、各半導体層４１、４２の実際の成長速度が求まる。これより、試料１、２の多重量子井戸層４０の各層４１、４２の層厚を求めると表４のようになる。表４から、試料１の第１のＩｎＧａＡｓＰ層４１は設計値よりも０．５４８ｎｍ厚く、第２のＩｎＧａＡｓＰ層４２は設計値よりも０．４４６ｎｍ薄く形成されていることが分かる。また、試料２の第１のＩｎＧａＡｓＰ層４１は設計値よりも２．３０６ｎｍ厚く、第２のＩｎＧａＡｓＰ層４２は設計値よりも０．２０４ｎｍ薄く形成されていることが分かる。
【００４１】
このように、試料１および試料２は、設計値の層厚よりも若干ずれているが、表５のように各半導体層の設計層厚と算出された成長速度から成長時間の最適値を算出することにより、理想の多重量子井戸層４０を形成することができる。すなわち、本実施形態の多重量子井戸層４０の場合、第１のＩｎＧａＡｓＰ層４１の成長時間を３４．１秒とし、第２のＩｎＧａＡｓＰ層４２の成長時間を２９．０秒とすることにより設計通りの層厚で各半導体層を形成することができる。
【００４２】
【表４】

【００４３】
【表５】

【００４４】
また、表３に示した基板との平均格子定数差Δａ／ａの測定結果、および各半導体層４１、４２の層厚を上記▲２▼式に代入すると
【数４】

が成り立つ。そして、▲５▼、▲６▼式よりΔａ_１／ａは−０．３１３％、Δａ_２／ａは＋１．０２９％となり、各半導体層４１、４２の基板との格子定数差が求まる。
【００４５】
これより、本実施形態の多重量子井戸層４０の場合、第１のＩｎＧａＡｓＰ層４１および第２のＩｎＧａＡｓＰ層４２の格子定数は、ほぼ設計通りであると判断することができる。なお、算出された基板との格子定数差が設計値と乖離していた場合には、原料元素の供給量を調整することにより組成を変更し、各半導体層の格子定数を調整すればよい。
【００４６】
本実施形態で説明したようにして多重量子井戸層の構造解析を行えば、多重量子井戸層４０の各半導体層４１、４２が設計通りに形成されているか調査できるとともに、設計通りに形成するための成長時間に関する最適条件を求めることができるので、所望の構造をした多重量子井戸層を比較的容易に形成することができる。
【００４７】
以上本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではない。
【００４８】
例えば、上記実施形態ではわかりやすくするために、試料１と試料２において、第１のＩｎＧａＡｓＰ層４１の成長時間と第２のＩｎＧａＡｓＰ層４２の成長時間の両方とも異なるようにしたが、少なくともどちらか一方の成長時間が異なるようにすれば成長速度および基板との格子定数差を算出することができる。
【００４９】
また、多重量子井戸層を構成する半導体の種類はＩｎＧａＡｓＰに制限されず、一般的な半導体層が交互に積層されて構成された多重量子井戸層の構造解析に適用することができる。
【００５０】
また、本発明の構造解析方法は、多重量子井戸層を形成するにあたり成長条件を決定する際に利用することもできるし、半導体単結晶の生産工程における日常的な検査に利用することもできる。
【００５１】
【発明の効果】
本発明によれば、基板の組成と異なる組成を有する第１の半導体層と、基板の組成および前記第１の半導体層の組成と異なる組成を有する第２の半導体層とが、交互に積層されてなる多重量子井戸層を有する半導体単結晶において、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層の少なくとも一方の成長時間を変更して２以上の半導体単結晶を作製し、作製した２以上の半導体単結晶についてＸ線回折による測定を行い、前記Ｘ線回折の測定結果に基づいて、前記第１の半導体層および第２の半導体層の層厚に関する情報および格子定数に関する情報を算出するようにしたので、多重量子井戸層を構成する各半導体層の各層厚および各層の基板との格子定数差が設計通りになっているか調査できるとともに、設計通りの層厚で各半導体層を形成するための成長時間に関する最適条件を求めることができる。したがって、所望の構造（設計）をした多重量子井戸層を比較的容易に形成することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の構造解析に使用した半導体レーザ用の半導体単結晶の構造を示す概略図である。
【符号の説明】
１００半導体単結晶
１０ＩｎＰ基板
２０ＩｎＰバッファ層
３０ＩｎＧａＡｓＰクラッド層
４０多重量子井戸（ＭＱＷ）層
４１第１のＩｎＧａＡｓＰ層
４２第２のＩｎＧａＡｓＰ層
５０ＩｎＧａＡｓＰクラッド層
６０ＩｎＰコンタクト層６０[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for analyzing the structure of a semiconductor single crystal having a multi-quantum well layer (MQW), and in particular, the growth rate and lattice constant of two semiconductor layers constituting the multi-quantum well layer are expressed by X-rays. The present invention relates to a method of obtaining using measurement results by diffraction.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, an optical semiconductor element using a III-V compound semiconductor single crystal has been developed as a light emitting device or a light receiving device for optical communication. This opto-semiconductor element is generally constructed by laminating a buffer layer, active layer, contact layer, etc. on a substrate, and the layer thickness, lattice constant, etc. of each layer are designed so as to obtain desired light emission characteristics and electrical characteristics. ing.
[0003]
By the way, conventionally, the manufactured optical semiconductor element is subjected to structural analysis using an X-ray diffractometer (XRD) or a transmission electron microscope (TEM) as designed. It was inspected whether each layer was formed.
[0004]
Here, X-ray diffraction and TEM will be briefly described.
[0005]
X-ray diffraction is a basic analysis method for obtaining information on atomic arrangement of crystals and the like, and is used in the fields of synthesis, physical properties, crystal structures of organic, inorganic, and metal materials.
[0006]
For example, when a monochromatic (wavelength λ) thin X-ray bundle is applied to a crystal in which atoms are regularly arranged, incident X-rays are scattered by electrons in the crystal, and the scattered X-rays interfere with each other to cause a specific direction. The intensity increases and an X-ray diffraction image is obtained. Since this X-ray diffraction image reflects the regularity of atomic arrangement in the crystal, the crystal structure can be known based on this.
[0007]
When the relationship of “λ = 2d · sin θ” holds, where d is the interval between crystal lattice planes determined by the atomic arrangement in the crystal, λ is the wavelength of X-rays, and θ is the incident angle to the lattice plane, It is known that X-ray diffraction occurs due to Bragg reflection of X-rays on the surface.
[0008]
Thus, when the wavelength λ and the diffraction angle 2θ are measured, the distance d between the lattice planes can be determined from the above-described relationship. Furthermore, by measuring the number of lattice planes in the crystal, the diffraction intensity from them, and the angle between them, the arrangement of each atom in the crystal can be determined, so that the substance can be identified. Moreover, in the general X-ray measuring apparatus currently utilized, the above-described calculation can be easily obtained by software processing.
[0009]
As described above, the X-ray diffraction method can obtain information on both the lattice constant and the layer thickness for each layer of the semiconductor layer having a laminated structure, and can also obtain a crystal structure in a non-destructive manner in a relatively short time. Since there is an advantage that it can be analyzed, the optical semiconductor element is regularly inspected by this method.
On the other hand, a TEM is a device that injects electrons by applying a large voltage to a sample and looks at the projected image of the electrons passing through the sample to examine the structure inside the sample. Generally has high resolution. Therefore, it is possible to observe the arrangement of individual atoms in the sample, and it has the advantage that the atomic structure in the crystal can be directly visually observed.
[0010]
Conventionally, structural analysis of an optical semiconductor element is performed by these methods to inspect whether each layer is formed as designed.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, recently, a single-quantum well (SQW) structure in which electrons are two-dimensionally confined within the same thickness (10 to 100 nm) as the wavelength of electrons in a solid has been developed. An optical semiconductor device using a multi-quantum well (MQW) structure has been developed in which a large number of single quantum well structures are stacked to improve the confinement efficiency of electrons, holes and light in the layer. Yes.
[0012]
Specifically, the active layer of the optical semiconductor element has a multiple quantum well structure, and the behavior of electrons and the like in the active layer is controlled to improve the optical and electronic properties of the semiconductor. For example, in the multi-quantum well layer, the movement of electrons and holes in the thickness direction is limited, making it easy to align the energy of each, realizing semiconductor laser oscillation with a small current value. .
However, the multiple quantum well layer has a drawback that the movement of electrons and holes in the layer in the thickness direction is likely to change depending on the thickness and lattice constant of each semiconductor layer. For this reason, an optical semiconductor element having an active layer composed of a multiple quantum well layer cannot obtain constant light emission characteristics when the thickness or lattice constant of each semiconductor layer constituting the multiple quantum well layer changes.
[0013]
Therefore, in order to stably manufacture an optical semiconductor device having desired emission characteristics, the thickness and lattice constant of each of the multiple quantum well layers are designed, and the multiple quantum well structure of the manufactured optical semiconductor device is as designed. It is important to check whether or not it is formed.
[0014]
However, with the above-described structural analysis method using X-ray diffraction and TEM, it is difficult to analyze the multiple quantum well layer in detail for each layer.
[0015]
That is, when a multiple quantum well layer having a structure in which thin layers having different lattice constants are periodically stacked is measured by an X-ray diffraction method, the thickness of one cycle (periodic layer thickness) is regarded as one unit lattice in a pseudo manner. Therefore, it is difficult to obtain the layer thickness and lattice constant by separating the semiconductor layers constituting the multiple quantum well layer.
[0016]
For example, if the thicknesses of the first and second layers of the multi-quantum well layer are t ₁ and t ₂ , the growth times are T ₁ and T ₂ , and the growth rates are v ₁ and v ₂ , ,
[Expression 1]

Only the periodic layer thickness t expressed by
[0017]
If the difference in lattice constant with the first layer substrate is Δa ₁ and the difference in lattice constant with the second layer substrate is Δa ₂ ,
[Expression 2]

Only the average lattice constant difference Δa / a represented by
[0018]
On the other hand, the structural analysis by TEM is a destructive inspection and requires a long time for measurement. Therefore, there is a problem that it is difficult to inspect an optical semiconductor element as a product on a daily basis. Moreover, it was difficult to measure the lattice constant difference by TEM.
[0019]
The present invention facilitates information on the thickness of each semiconductor layer and information on the lattice constant of a semiconductor single crystal having a multiple quantum well layer in which first semiconductor layers and second semiconductor layers are alternately stacked. It is an object of the present invention to provide a structure analysis method of a semiconductor single crystal that can be obtained in the following manner.
[0020]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention, the first semiconductor layer having a composition different from the composition of the substrate and the second semiconductor layer having a composition different from the composition of the substrate and the composition of the first semiconductor layer are alternately stacked. In a semiconductor single crystal having a multiple quantum well layer, two or more semiconductor single crystals are manufactured by changing the growth time of at least one of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer, and manufacturing the two or more semiconductors Measurement by X-ray diffraction was performed on the single crystal, and information on the layer thickness of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer and information on the lattice constant were calculated based on the measurement result of the X-ray diffraction. This is a method for analyzing the structure of a semiconductor single crystal.
[0021]
Specifically, based on the periodic layer thickness t of the multiple quantum well layer obtained by X-ray diffraction measurement performed on the two or more semiconductor single crystals, and the growth times of the first and second semiconductor layers, The growth rates of the first and second semiconductor layers are calculated, and the first constant obtained from the lattice constant difference with the substrate of the multiple quantum well layer obtained by the X-ray diffraction measurement, the growth time, and the growth rate. The lattice constant difference between the first and second semiconductor layers and the substrate is calculated based on the thickness of the second semiconductor layer.
[0022]
More specifically, the growth rates v ₁ and v ₂ of the first and second semiconductor layers are different from the periodic layer thickness t of the multiple quantum well layer obtained by X-ray diffraction measurement for two different semiconductor single crystals. The growth times T ₁ and T ₂ of the first and second semiconductor layers can be calculated by substituting the equations (1) into the simultaneous equations.
[0023]
Also, the lattice constant differences Δa ₁ / a and Δa ₂ / a from the substrates of the first and second semiconductor layers are the substrates of the multiple quantum well layer obtained by X-ray diffraction measurement for two different semiconductor single crystals. Layer thickness t ₁ (= v ₁ T _{1) of} the first and second semiconductor layers determined by the average lattice constant difference Δa / a between the first and second semiconductor layers, and the growth times T ₁ and T ₂ and the growth rates v ₁ and v _2. ), T ₂ (= v ₂ T ₂ ) is substituted into the equation ( ₂ ) to solve the simultaneous equations.
[0024]
In addition, the periodic processing layer thickness of the said multiple quantum well layer and a lattice constant difference with a board | substrate can be easily calculated | required from the X-ray-diffraction result by the arithmetic processing function with which the commercially available X-ray measuring apparatus was equipped.
[0025]
From this, it is possible to investigate whether the thickness of each semiconductor layer constituting the multiple quantum well layer and the lattice constant difference with the substrate are as designed. In addition, it is possible to easily obtain the optimum condition regarding the growth time for forming each semiconductor layer with the layer thickness as designed. If the calculated lattice constant difference from the substrate deviates from the design value, the composition may be changed by adjusting the supply amount of the raw material element to adjust the lattice constant. Therefore, a multiple quantum well layer having a desired structure (design) can be formed relatively easily.
[0026]
The structural analysis method of the present invention can be used for determining growth conditions (for example, growth time) in forming a multi-quantum well layer, and can also be used for daily inspection in the production process of a semiconductor single crystal. You can also
[0027]
Further, the type of semiconductor constituting the multiple quantum well layer is not particularly limited, and can be applied to the structural analysis of the multiple quantum well layer formed by alternately laminating general semiconductor layers.
[0028]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, as a preferred embodiment of the present invention, a method for calculating the growth rate and lattice constant of each semiconductor layer of the active layer will be described for a semiconductor single crystal having an active layer having a multiple quantum well structure.
[0029]
FIG. 1 is a schematic view showing the structure of a semiconductor single crystal for a semiconductor laser used in the structural analysis of this embodiment. The semiconductor single crystal 100 has a configuration in which an InP buffer layer 20, an InGaAsP cladding layer 30, a multiple quantum well (MQW) layer 40, an InGaAsP cladding layer 50, and an InP contact layer 60 are sequentially stacked on an InP substrate 10. . The semiconductor single crystal 100 can be produced by, for example, molecular beam epitaxial growth (MBE).
[0030]
The multi-quantum well layer 40 is formed by alternately stacking a total of 11 layers of first InGaAsP layers 41 and second InGaAsP layers 42 having different compositions. The compositions of the first InGaAsP layer 41 and the InGaAsP layer 42 and the InGaAsP cladding layers 20 and 50 are also different.
[0031]
Here, Table 1 shows design values of the multiple quantum well layer 40 of the semiconductor single crystal 100 shown in FIG. From Table 1, the first InGaAsP layer 41 has a layer thickness of 10 nm, the lattice constant difference (Δa ₁ / a) with the substrate is −0.3%, and the second InGaAsP layer 42 has a layer thickness of 6 nm. The lattice constant difference Δa ₂ / a from the substrate is designed to be + 1.0%. Here, the lattice constant can be expressed by directly using the lattice constant of each layer.
[0032]
[Table 1]

[0033]
Since the conventional X-ray diffraction analysis method cannot calculate the layer thickness and the lattice constant difference from the substrate for each layer, the multiple quantum well layer 40 of the manufactured semiconductor single crystal 100 is formed as designed. I couldn't check it. On the other hand, in the present invention, each semiconductor layer is analyzed by performing structural analysis by X-ray diffraction on two semiconductor single crystals on which the first InGaAsP layer 41 and the second InGaAsP layer 42 are grown at different growth times. The layer thickness and the lattice constant difference with the substrate can be calculated for each time.
[0034]
In the following, two

samples

1 and 2 are prepared by growing the semiconductor layers 41 and 42 of the multiple quantum well layer 40 with the growth time shown in Table 2, and each of the

samples

1 and 2 is subjected to X-ray diffraction. A method for determining the layer thickness of the semiconductor layers 41 and 42 and the difference in lattice constant from the substrate will be described.
[0035]
First, the growth time of each of the semiconductor layers 41 and 42 of the sample 1 was determined from the layer thickness (Table 1) of each semiconductor layer by design and the approximate growth rate (1000 nm / hr (0.278 nm / sec)) of InGaAsP. The growth time of each of the semiconductor layers 41 and 42 of the sample 2 was 6 seconds longer than that of the sample 1. In this way,

samples

1 and 2 of a semiconductor single crystal having the structure shown in FIG. 1 were prepared by changing only the growth time of each of the semiconductor layers 41 and 42 and all other conditions being the same.
[0036]
[Table 2]

[0037]
Next, with respect to the fabricated

samples

1 and 2, the periodic layer thickness t of the multiple quantum well layer 40 and the average lattice constant difference Δa / a from the substrate were measured by the X-ray diffraction method. Here, the average lattice constant difference Δa / a between the periodic layer thickness t and the substrate can be easily calculated by processing the X-ray diffraction result with software using a general X-ray measurement apparatus.
[0038]
Table 3 shows the calculation results obtained by the X-ray measurement apparatus. For sample 1, the periodic layer thickness t is 15.1 nm and the lattice constant difference Δa / a with the substrate is 0.092%. For sample 2, the periodic layer thickness t is 18.1 nm and the lattice constant with the substrate. The difference Δa / a was 0.117%.
[0039]
[Table 3]

[0040]
When the growth rate of the first InGaAsP layer 41 is v ₁ and the growth rate of the second InGaAsP layer 42 is v ₂ , the measurement result of the periodic layer thickness t and the growth time shown in Table 3 are substituted into the equation (1). ,
[Equation 3]

Holds. From the formulas (3) and (4), v ₁ is 0.293 nm / sec (= 1.504 nm / hr) and v ₂ is 0.207 nm / sec (= 746 nm / hr). The actual growth rate is determined. From this, the thicknesses of the

layers

41 and 42 of the multiple quantum well layers 40 of

Samples

1 and 2 are obtained as shown in Table 4. From Table 4, it can be seen that the first InGaAsP layer 41 of the sample 1 is 0.548 nm thicker than the design value, and the second InGaAsP layer 42 is 0.446 nm thinner than the design value. It can also be seen that the first InGaAsP layer 41 of sample 2 is 2.306 nm thicker than the design value, and the second InGaAsP layer 42 is 0.204 nm thinner than the design value.
[0041]
Thus, Sample 1 and Sample 2 are slightly deviated from the design layer thickness, but the optimum growth time value is calculated from the design layer thickness of each semiconductor layer and the calculated growth rate as shown in Table 5. By doing so, an ideal multiple quantum well layer 40 can be formed. That is, in the case of the multiple quantum well layer 40 of the present embodiment, the growth time of the first InGaAsP layer 41 is 34.1 seconds and the growth time of the second InGaAsP layer 42 is 29.0 seconds as designed. Each semiconductor layer can be formed with the layer thickness.
[0042]
[Table 4]

[0043]
[Table 5]

[0044]
Further, when the measurement result of the average lattice constant difference Δa / a with the substrate shown in Table 3 and the layer thicknesses of the semiconductor layers 41 and 42 are substituted into the above equation (2),

Holds. From the formulas (5) and (6), Δa ₁ / a is −0.313%, Δa ₂ / a is + 1.029%, and the lattice constant difference between the semiconductor layers 41 and 42 and the substrate can be obtained.
[0045]
Accordingly, in the multiple quantum well layer 40 of the present embodiment, it can be determined that the lattice constants of the first InGaAsP layer 41 and the second InGaAsP layer 42 are substantially as designed. Note that in the case where the calculated lattice constant difference from the substrate deviates from the design value, the composition may be changed by adjusting the supply amount of the raw material element, and the lattice constant of each semiconductor layer may be adjusted.
[0046]
If structural analysis of the multiple quantum well layer is performed as described in the present embodiment, it is possible to investigate whether or not the semiconductor layers 41 and 42 of the multiple quantum well layer 40 are formed as designed and to form as designed. Therefore, the multiple quantum well layer having a desired structure can be formed relatively easily.
[0047]
Although the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments.
[0048]
For example, for the sake of clarity in the above embodiment, the growth time of the first InGaAsP layer 41 and the growth time of the second InGaAsP layer 42 are different in the sample 1 and the sample 2, but at least either If one growth time is made different, the growth rate and the difference in lattice constant from the substrate can be calculated.
[0049]
Further, the type of semiconductor constituting the multiple quantum well layer is not limited to InGaAsP, and can be applied to the structural analysis of a multiple quantum well layer formed by alternately stacking general semiconductor layers.
[0050]
Moreover, the structural analysis method of the present invention can be used when determining the growth conditions in forming the multiple quantum well layer, and can also be used for daily inspection in the production process of a semiconductor single crystal.
[0051]
【The invention's effect】
According to the present invention, the first semiconductor layer having a composition different from the composition of the substrate and the second semiconductor layer having a composition different from the composition of the substrate and the composition of the first semiconductor layer are alternately stacked. In the semiconductor single crystal having a multiple quantum well layer, two or more semiconductor single crystals are manufactured by changing the growth time of at least one of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer. The semiconductor single crystal is measured by X-ray diffraction, and information on the thicknesses of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer and information on the lattice constant are calculated based on the measurement result of the X-ray diffraction. Therefore, it is possible to investigate whether each layer thickness of each semiconductor layer constituting the multiple quantum well layer and the lattice constant difference between each layer and the substrate are as designed, and to form each semiconductor layer with the designed layer thickness. It is possible to obtain an optimum condition relating to the growth time for. Therefore, there is an effect that a multiple quantum well layer having a desired structure (design) can be formed relatively easily.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing the structure of a semiconductor single crystal for a semiconductor laser used in the structural analysis of this embodiment.
[Explanation of symbols]
100 Semiconductor single crystal 10 InP substrate 20 InP buffer layer 30 InGaAsP cladding layer 40 Multiple quantum well (MQW) layer 41 First InGaAsP layer 42 Second InGaAsP layer 50 InGaAsP cladding layer 60 InP contact layer 60

Claims

A first semiconductor layer having a composition different from the composition of the substrate;
A structure analysis method for a semiconductor single crystal having a multiple quantum well layer in which a composition of a substrate and a second semiconductor layer having a composition different from the composition of the first semiconductor layer are alternately stacked ,
Change the formed long in the second semiconductor layer and the first semiconductor layer to produce at least two semiconductor single crystal,
The two or more produced semiconductor single crystals are measured by X-ray diffraction,
The periodic layer thickness t of the multiple quantum well layer obtained by X-ray diffraction measurement performed on the two or more semiconductor single crystals, and the growth times T1 and T2 of the first and second semiconductor layers,
t = t1 + t2
= V1 · T1 + v2 · T2 (1)
By substituting into and solving the simultaneous equations, the growth rates v1 and v2 of the first and second semiconductor layers are calculated,
Lattice between the layer thicknesses t1 and t2 of the first and second semiconductor layers determined by the growth times T1 and T2 and the growth rates v1 and v2, and the substrate of the multiple quantum well layer obtained by the X-ray diffraction measurement The constant difference Δa / a is
Δa / a = {(t1 × Δa1 / a) + (t2 × Δa2 / a)} / t (2)
A structural analysis method for a semiconductor single crystal, wherein lattice constant differences Δa1 / a and Δa2 / a with respect to the substrates of the first and second semiconductor layers are calculated by substituting into and solving simultaneous equations .