JPH02188912A

JPH02188912A - ３‐５族化合物半導体の選択成長方法

Info

Publication number: JPH02188912A
Application number: JP933089A
Authority: JP
Inventors: Haruo Sunakawa; 晴夫砂川
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1989-01-17
Filing date: 1989-01-17
Publication date: 1990-07-25

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、選択成長により基板結晶に垂直な（０１１）
面を側壁とする突起状の成長層を形成することのできる
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のエピタキシャル成長方法に
関するものである。

（従来の技術）光通信や、多層間の光配線には光を基板結晶と垂直方向
に取り出す技術が要望されている。これは、光の取出し
のためのファイバーとの接続が容易であり、また、面発
光のアレイを作ることにより、光演算や光コンピュータ
の実現に大きく貢献をすることが期待されるからである
。そこで、従来より種々の面発光レーザや発光ダイオー
ドが提案されて来た。

その−例を第３図に示す。従来、このような構造は、第
４図のような方法で作製されていた。先ず、基板結晶１
３上に５ｉ０２のマスク１１を施す。次に、フォトリン
グラフィを行なうために、５ｉ０２マスク上にレジスト
を塗布して、所望の幅、および長さのパターンを基板上
の所定の位置に露光・現像して、第２図（ｂ）のように
エツチング液により不要部分を取り除く。このエツチン
グの後、例えば反応性イオンエツチング（ＲＩＥ）によ
りマスクの取り除かれた部分をエツチングして、基板結
晶上に、所定の高さを有する立体構造を作製する。この
エツチングされた側壁１５を利用して、ダブルへテロ構
造２１などのデバイス構造を作製しようとするものであ
る。

（発明が解決しようとする問題点）しかしながら上記のようにして作製される側壁はいくつ
か５の問題点を含んでいる。先ず、ＲＩＥエツチング加
工においては、平坦な特定の結晶面からなる側壁面を得
ることが困難であり、このような側壁に形成されたデバ
イスはその面の揺らぎの影響を受けることになる。例え
ば、この側壁にダブルへテロ、あるいはシングルへテロ
のレーザ構造を作製したとき、活性層の揺らぎにより発
光効率の低下が懸念される。また、イオンエツチング後
の面はイオンダメージを受けて結晶性の低下が見られ、
この回復のためには高温アニールが必要となるが、形状
が小さくなるに従って熱処理によるエツチング形状の変
化が見られたり、また、この他にデバイス構造をすでに
作製しである集積回路のような場合にはこれらのデバイ
ス特性の劣化が問題となる。さらに、エツチング面には
酸化膜が形成されやすく、これが再成長構造との間の高
抵抗層となってデバイス特性を悪化させる原因となる。

一方、エツチング加工ではなく、成長によって基板結晶
と垂直な側壁を形成する方法が考えられるが、従来の報
告では基板結晶と叫直な側壁を有する成長形状の報告は
見当たらない。例えば、有機金属熱分解法（ＭＯＣＶＤ
）において、次のような結果が報告されている（Ｔａｋ
ａｈａｓｈｉ　ｅｔ　ａｌ、ジャーナルオブクリスタル
グーロスＪｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｇｒ
ｏｗｔｈ６８　（１９８８）　２０６）。すなわ駄Ｇａ
Ａｓ（１００）面基板結晶上の＜０１１＞方向、または
、く０工１〉方向に開口部が形成されている基板結晶上
にＭＯＣＶＤにより成長を行なった場合、成長側壁は鏡
面となるが、いずれも（１１１）面が側壁として発達す
るために、基板結晶面と垂直とはならず、この方法では
、最初に述べたような垂直に光を取り出すデバイス構造
の作製には不適当である。

本発明は、従来の基板結晶と垂直な側壁形成におけるこ
のような欠点を取り除き、デバイス構造の成長に適した
平坦で、結晶性に優れた基板結晶と垂直な側壁形成する
方法を提供しようとするものである。

（問題点を解決するための手段）すなわち、本発明によれば（１００）面を有するＩＩＩ
−Ｖ族化合物半導体基板結晶に形成したマスク材上に、
＜０１１＞方向に沿った開口部を設け、ＩＩＩ族元素の
塩化物を原料とする気相成長方法を用いて、かつ成長領
域に塩化水素を導入することにより、＜０１１＞方向に
（０１１）面側壁を有する突起状成長層を形成すること
を特徴とするＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の選択成長方法
が得られる。

（作用）ここではＩＩＩ族元素の塩化物を用いる気相成長方法の
一つであるＶ族元素原料として水素化物を用いるハイド
ライド気相成長（ＶＰＥ）法により本発明の詳細な説明
する。この装置の概略を第７図に示す。

基板結晶として第一図に示すようにマスク材として５ｉ
０２マスク１１を施した基板結晶１３にリソグラフィ技
術を用いて開口部を設けたものを用いた。

第・７図の装置にこの基板結晶をセットし、下記のよう
な条件で結晶成長を行なった場合、（１１１）面を側壁
とする逆メサ状の成長層が得られる。

く成長条件〉Ｇａ上へ供給する　ＨＣＩ流ｆｌ　：　　５ｃｃ／ｍ１
ｎＡｓＨ３流量：　　６ｃｃ／ｍｉｎ全Ｈ２流量：　　４７００ｃｃ／ｍｉｎ成長温度ニア０
０℃ これに対して、成長領域にバイパスバイブより塩化水素
を３ｃｃ／ｍｉｎの流量で供給した。この結果、第２図
のように基板結晶面と垂直な（０１１）面が形成される
ことを見いだした。

次に本発明を実施例に基づき説明する。

（実施例１）第５図に、本発明により形成された（０１１）面の側壁
成長、および、この上に成長したＩｎＧａＰ／ＧａＰ量
子井戸構造の断面の概略を示す。

第６図（ａ）〜（Ｃ）に第３図の構造の作製課程を示す
。

（ａ）マスク３８材料として５ｉ０２を用い、（１００
）面を有する基板結晶の（ｏ’ｎ１方向に長さ１１００
ｐ、幅５ｐｍの開口部３２を形成する。

（ｂ）第７図に示したハイドライド成長法の装置の反応
管７１の下段成長室７３に基板結晶３１を移動して、こ
こで選択成長を行ない、ＧａＡｓ層３４に垂直な（０１
１）面の側壁面３３を形成する。成長条件は、Ｇａソー
ス温度７６０°Ｃ１成長温度は７００°Ｃで行なった。

その他の条件は次の通りである。

成長室７３のＧａソース上のＨＣＩ流量　５ｃｃ／ｍ１
ｎＡｓＨ３流’Ｍｋ　　　　　　　　６ｃｃ／ｍ１ｎＧ
ａにバイパスバイブ７６のＨＣＩ流量　３ｃｃ／ｍ１ｎ
Ｈ２流量　　　　　　　　　　　　　　４７００ｃｃ／
ｍｉｎ成長手順としては、まず、基板結晶３１を反応管
内７１の待機室７２にセットする。下段成長室７３のガ
リウム（Ｇａ）ソース７４上に、導入ロア５よりＨＣＩ
を供給しＧａＣ１を発生させ、ＧａＣ１を成長領域に供
給する。

Ｖ族原料は、Ｇａソース７４にバイパスするバイブ７６
よりＡｓＨ３ガスとして供給し、塩化水素を同時に同じ
バイブから成長領域に供給する。成長雰囲気が安定した
ところで、基板結晶３１を下段成長室７３に移動し、５
分間ＧａＡｓを成長する。この結果基板結晶３１（１０
０）面に垂直な（０１１）面を有する成長層３４が得ら
れる。

（ｃ）ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ量子井戸構造は、ＩＩＩ族
原料に塩化物を用いた原子層エピタキシャル成長法（Ａ
ＬＥ）により第７図の成長装置を用いて形成した。Ｉｎ
ＧａＰ層は、下段成長室７３、上段成長室７７、および
、待機室７２を用いてＩｎＰとＧａＰを交互に成長した
。ＧａＡｓ層は、成長室７５、待機室７２を用いて成長
した。基板結晶の温度を４σ０８Ｃ，Ｇａ、　Ｉｎソー
ス温度を７００°Ｃとした。

その他の条件を下記に示す。

成長室７５のＧａソース上のＨＣＩ流量　ｌｅｅ／ｍｉ
ｎ成長室７７のＩｎソース上のＨＣＩ流量　８ｃｃ／ｍ
ｉｎ成長室７２のＡｓＨ３流量　　　　　　６ｃｃ／ｍ
１ｎＰＨ３流量　　　　　　　２５ｃｃ／ｍ１ｎＨ２（
各成長室）流ｆｔ　　　　４７００ｃｃ／ｍｉｎ成長手
順は、次の通りである。上記、（ｂ）を形成後、基板結
晶３１を待機室７２に移動して基板結晶温度を４００°
Ｃに下げる。成長温度が安定したところで、下段成長室
７３のガリウム（Ｇａ）ソース７４上、および、上段成
長室７７のＩｎソース７８上に、導入ロア５、および、
導入ロア９よりＨＣＩを供給しＧａＣ１、ＩｎＣｌを発
生させ成長領域に供給する。雰囲気が安定したところで
、基板結晶３１を下段成長室７３に移動してＧａＣ１雰
囲気にさらしＧａＣ１を吸着させる。次に、基板結晶３
１を待機室７２に移動して、ＰＨ３を供給して、ＧａＰ
を形成する。引き続いて、基板結晶３１を上段成長室７
７に移動して、ＩｎＣｌ雰囲気にさらしＩｎＣｌを吸着
させる。この後、基板結晶３１を待機室７２に移動して
、ＰＨ３を供給して、ＩｎＰを形成する。以上の操作を
２００回繰り返し第一のＩｎＧａＰのバリア層３５を形
成した。今度は基板結晶３１を下段成長室７３に移動し
てＧａＣ１雰囲気にさらしＧａＣ１を吸着させる。

さらに、基板結晶３１を待機室７２に移動して、ＡｓＨ
３を供給して、ＧａＡｓを形成する。この操作を７回繰
り返し、ＧａＡｓの井戸層３６を７層形成した。この後
、再び上記のＩｎＧａＰの成長手順を１５０回繰り返し
、第２のＩｎＧａＰのバリア層３７を形成した。以上の
成長をおこなうことで第３図の構造を形成した。

（０１１）面側壁に成長した量子井戸構造のホトルミネ
ッセンス（ＰＬ）評価から、７５０ｎｍの発光波長、発
光強度の強い量子井戸構造が形成されていることが判っ
た。

（実施例２）第８図に、本発明により形成された（０１１）面側壁成
長、および、この上に成長したＩｎＧａＰ／ＧａＡｓダ
ブルへテロレーザ構造の断面の概略図を示す。

第９図（ａ）〜（ｅ）に第５図の発光素子のＩｎＧａＰ
／ＧａＡｓ構造の作製課程を例に示す。成長装置は、第
７図に示したハイドライド法成長装置を用いて形成した
。

（ａ）まず、マスク６０材料として５ｉ０２を用い、（
１００）面のＧａＡｓ　ｎ＋基板結晶５１の＜０１１＞
方向に長さ１１００ｐ、輻５ｐｍの開口部５２を形成す
る。

（ｂ）実施例１（ｂ）の作製に用いた気相エピタキシャ
ル成長装置を用いて、実施例１（ｂ）の成長条件に、ｎ
型の不純物としてＨ２Ｓｅ（Ｓｅ）を待機室７２に導入
して、（０１１）面の側壁を有する突起状ｎ型のＧａＡ
ｓ成長層５３を開口部に成長する。

（ｅ）上記、実施例１（ｃ）に用いたＡＬＥ法を用い、
さらにＨ２ＳｅをＰＨ３導入時に同時に待機室７２に導
入し、ｎ型の第１のＩｎＧａＰ層５４（クラッド層）を
０．５１１ｍ成長する。次にＩｎＧａＰ５３層と、Ｇａ
Ａｓ１７層を交互に４回繰り返した層５５（活性層）を
成長する。さらにＺｎをドーパントとしてｐ型のＩｎＧ
ａＰ層５６（クラッド層）を１１１ｍ成長する。ｎ＋型
ＧａＡｓ基板結晶５１にはＡｕ／Ｇｅオーミック電極５
７、第２のＩｎＧａＰ層（クラッド層）５６には、Ａｕ
／Ｚｎオーミック電極５８を形成する。以上の成長をお
こなうことで第６図の光素子構造を形成した。このよう
な構造に電圧を印加した結果、基板結晶に垂直なレーザ
発振が得られ、基板結晶面に垂直に光を取り出すことが
できた。

実施例では、成長領域にＩＩＩ族原材原料イパスするバ
イブより塩化水素を供給したが、ＩＩＩ族原材原料度を
低温化し、接触時間を短くすることによって、ＩＩＩ族
原材原料化水素との反応を抑制し、未反応塩化水素を発
生させ成長領域に供給することでも同じ効果がある。

以上の実施例においてはハイドライド気相成長方法を用
いた例を示したが、ＩＩＩ族原材原料てＩＩＩ族塩化物
を用いる成長方法であれば、本発明は適用可能である。

例えばジエチルガリウムクロライドやアルシンなどを原
料とする有機金属気相成長方法、ガリウムや三塩化砒素
などを原料とするクロライド気相成長方法などに有効で
あることは言うまでもない。

またマスク材は５ｉ０２以外の材料、例えばＳｉＮｘな
どであっても良い。

（発明の効果）以上述べたように、本発明による選択成長方法を用いれ
ば、（０１１）面側壁を有する突起状成長層を再現性良
く形成することができ、このようにして形成した側壁に
、例えば原子層エピタキシャル成長方法を用いて量子井
戸構造、ダブルへテロレーザ構造等を作製することがで
きる。この側壁に形成された発光素子構造からは光を基
板結晶面と垂直に取り出すことが可能であり、光ファイ
バーとの結合や、面発光素子への応用を計ることが出来
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、＜０１１＞方向に開口部を有する５ｉ０２マ
スク付き（１００）基板結晶の斜視図、第２図は本発明
による成長方法を用いて形成したＧａＡｓ層の断面の概
略図、第３図は、従来報告された面発光デバイス構造の
概念図、第４図は第３図の構造の製作過程を示す図、第
５図は本発明による突起状の成長層上に原子層エピタキ
シャル成長方法により形成したＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ１
子井戸構造を示す図、第６図はその作製過程を示す図、
第７図は本発明を実施するために用いたハイドライド気
相成長装置の反応管概略図、第８図は本発明による突起
状の成長層上に原子層エピタキシャル成長方法により形
成したＩｎＧａＰ／ＧａＡｓダブルへテロレーザ構造を
示す図、第９図はその作製過程を示す図である。１１、３８．６０・・・５ｉ０２マスク、１２、３２．
５２・・・５ｉ０２マスクの開口部、１３、３１．５１
・・・基板結晶、１４．３４−−−ＧａＡｓ選択成長層、１５、３３　・
、　−（０１１）側壁、３５．３７−−−　ＩｎＧａＰ
層、３６・・・ＧａＡｓ井戸層、５３・・・ｎ型ＧａＡ
ｓ選択成長層、５４・・・ｎ型ＩｎＧａＰクラッド層、
５５−−−　ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ超格子層、５６・・
・ｐ型ＩｎＧａＰクラッド層・５７・・・Ａｕ／Ｇｅオ
ーミック電極、５８・・・Ａｕ／Ｚｎオーミック電極、
７１・・・反応管、７２・・・待機室、７３・・・下段
成長室、７４　・−・Ｇａソース、７５．７９−、、Ｈ
Ｃ１導入管、７６・・・バイパスパイプ、７７・・・上
段成長室、７８・・・Ｉｎソース

Claims

【特許請求の範囲】

（１００）面を表面に有するIII−Ｖ族化合物半導体結
晶上にIII族塩化物をIII族原料とする気相成長方法によ
りIII−Ｖ族化合物半導体を成長させる方法において、
前記結晶表面に結晶の＜１１０＞方向に沿った開口部を
有するマスク材を形成させる工程と、III族及びＶ族原
料ガスを結晶上に供給すると同時に成長領域に塩化水素
を導入することにより、前記開口部に＜０１１＞方向に
｛０１１｝面側壁を有するIII−Ｖ族化合物半導体の突
起状成長層を成長させる工程とを備えてなることを特徴
とするIII−Ｖ族化合物半導体の選択成長方法。