JPH03119761A - 高度に格子不整合な量子井戸構造体を作製する方法 - Google Patents
高度に格子不整合な量子井戸構造体を作製する方法Info
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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。
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、半導体ヘテロ構造体に関するものであり、特
には量子井戸（ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ）構造におけ
る歪みを空間的分離することにより量子井戸能動領域と
基板との間に制御可能な程度の格子定数不整合を有する
量子井戸構造を成長せしめる方法に関する。 〔従来技術］ 半導体超格子（５ｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ）及び量子井
戸ヘテロ構造体（ＱＷＨ’ｓ）は、これら成層構造体の
性質が多くの用途でバルク材料の性質より優れているた
めに、電子／光電子材料の重要な新しい種類を形成して
いる。大半の超格子及びＱＷＨ’Ｓは、格子整合状態の
材料を使用して成長せしめられるが、格子不整合ヘテロ
層から或る構造体もまたかなりの関心を集めている。そ
の理由は、格子不整合ヘテロ層の方が、構成材料を選択
するに当たっての融通性を増大し、同時に構造体中に存
在する応力により幾つかの関心のある性質を発現しうる
からである。 例えば、２軸引張応力下に置かれる量子井戸から或るヘ
テロ構造は、軽いホール７重いホール分割エネルギーを
制御するのに使用され、従って電荷キャリヤの有効質量
を修正しそしてこれら応力下の構造体から作製された光
電子デバイスの偏光性を修正する。更に、これら格子不
整合材料系の組成及び歪層を変化しうることは、設計者
が系のバンドギャップを選択的に調整することをも可能
ならしめるｅ ＧａＡｓ基板上にＩｎＧａＡｓ量子井戸
の成長により形成される、そうした材料系の一つは、格
子整合構造では容易には実現出来ない波長範囲である０
、 ９〜１．１μｍの波長範囲で動作する半導体レーザ
の作製を特徴とする 特にヘテロ構造における格子不整合の影響を考察すると
、この格子不整合から生ずる応力は、個々のヘテロ層の
厚さが臨界値以下である限り、ヘテロ層におけろコヒー
レントな歪みによって専ら吸収され得る。この臨界厚さ
は、合金組成及び歪に依存し、そしてミスフィツト（ｍ
１ｓｆｉｔ）な転位が発生するにエネルギー的に好まし
くなる厚さであり、これは明らかに材料品質が維持され
るべきであるなら所望されざる結果を招（。 特定の従来構造に関しては、米国特許第４．８３５、５
８３号は基板と能動領域との間の格子不整合の影響をそ
れらの間に歪みを有する超格子構造を成長せしめること
により減じた半導体デバイスを開示した。 また別の従来構造としては、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓ
ｉｃｓＬｅｔ、ｔｅｒｓ ４７（５）、 ２９８５．
ｐｐ ４８２−４８４に提唱されているものであり、歪
み超格子構造（ＳＬＳ）エピタキシャル層（ｅｐｉｌａ
ｙｅｒ）中の転位をＳＬＳと基板との間に厚い緩衝店を
介在させることにより排除することを試みている。その
結果、上方に伝旙する欠陥はＳＬＳの最初の数層に限定
され、上方層はほとんど転位を含まない。 ［発明が解決しようとする課題〕 現在、光通信用途において格子不整合量子井戸構造を使
用することの実施可能性を立証するための研究が始まっ
ており、ここでは大きなエネルギーバンドギャップシフ
トが格子不整合による弾性歪みを変化することにより可
能である。しかし、上に述べたように、量子井戸構造は
、臨界厚さの制約を満足しなければならず、これは結局
許容可能なバンドギャップシフトの範囲を制限する。 この制約は、例示目的で例えばＩｎ＋ｃＧａ＋−ｘＡｓ
単一量子井戸層でありうる量子井戸領域の合金組成Ｘを
増大することにより光通信に対して適した範囲（１゜１
〜ｌ、３μｍ）に量子井戸バンドギャップを減すること
を求める研究者に特別な問題を呈示する１組成を増大す
ることの結果は量子井戸層の臨界厚さを相応的に減少す
ることであり、それにより設計上ごく狭い井戸の成長に
制約されることになる。残念ながら、狭い井戸は実現可
能なバンドギャップシフトの範囲を制限する。 本発明の課題は、従来技術の上述した欠点を排除するこ
とである。 本発明の課題は、実現可能なバンドギャップが広い範囲
で存在しうるように量子井戸能動領域と基板との間に制
御可能な程度の格子定数不整合を有する量子井戸ヘテロ
構造を成長せしめる新規な作製方法を開発することであ
る。 本発明のまた別の課題は、介在するエピタキシャル構造
中に歪みを空間的に分布させ、それにより個々の量子井
戸層の成長が厳しい臨界的厚さ要件により制限されない
ような高度に格子不整合な量子井戸ヘテロ構造を作製す
ることである。 本発明のまた別の課題は、高い材料品質と融通性のある
バンドギャップ範囲により特徴づけられる単一体構造中
に光学素子及び電子素子を一体化することを可能とする
作製方法を開発することである。 ［課題を解決するための手段］ 本発明の一様相において、半導体ヘテロ構造体を作製す
る方法は、基板材料に対して高度に格子不整合である量
子井戸能動領域を成長させることを含んでいる。本方法
は、基板上に厚い緩衝層を成長せしめる段階を含み、こ
こでは緩衝層は基板に対して格子不整合でありそして応
力がそこでのミスフィツトな転位の形成により解放され
るように臨界厚さを超える厚さを有するものとされる。 追加作製段階は、緩衝層上に歪んだ超格子構造を成長せ
しめて緩衝層を通しての転位の伝旙を終止させそしてこ
の超格子構造の上に歪みのない障壁層を成長せしめるこ
とである。単一量子井戸層或いは多重量子井戸形態のよ
うな量子井戸構造が歪みのない障壁層上に成長せしめら
れる。 このヘテロ構造の注目すべき特徴は、量子井戸構造と障
壁層との間の格子定数不整合が量子井戸構造と基板との
間の格子定数不整合よりも小さいことであり、こうした
結果は従来構造では不可能であったものである。これは
、量子井戸構造と基板との間の大きな格子定数不整合に
よる応力のごく一部のみが量子井戸構造におけるコヒー
レントな歪みにより吸収されるだけで済みそして応力の
残部は緩衝層と超格子構造において解放される点で意義
あるものである。対照的に、従来からの格子不整合系に
おける能動領域は、応力をすべて吸収する必要があった
。 本発明作製方法の別の利点は、ミスフィツトな転位の量
子井戸構造からの空間的分離であり、これにより能動領
域の品質を保護することと関係する。 〔作用〕 本発明は、量子井戸能動領域と基板材料との間の大きな
格子定数不整合により特徴づけられそして更に量子井戸
領域と基板との間に形成されるエピタキシャル構造全体
を通しての応力の分布により特徴づけられるヘテロ構造
を作製する方法を開示する。この方法の意義は、量子井
戸領域と基板との間の大きな格子定数不整合による応力
がエピタキシャル構造中のミスフィツトな転位により部
分的に吸収されるので、発生する応力のごく一部のみが
量子井戸における歪みとして吸収されればよいことであ
る。これは結果的に、量子井戸層に厳密な臨界的厚さ要
求を課すことなく、大きな格子定数不整合を有する量子
井戸デバイスを作製することを可能ならしめる。更に、
量子井戸領域からの転位の空間的離間は材料の高品質性
を保持する。 〔実施例の説明〕 本発明の新規な方法により作製された特定のヘテロ構造
を参照すると、第１図は、本発明に従って成長せしめら
れた量子井戸構造体５の輪郭図である。 図示されるように、量子井戸構造体は５は、適当な従来
からの基板１０を上被しそして本発明により成長せしめ
られた順次しての多重半導性層から構成される。最初に
、半導体材料の厚い緩衝層２０が基板ｌＯ上に成長せし
められ、ここでは意図的な格子定数不整合が層２０と基
板ｌＯとの間に存在する。層２０の厚さは、基板１０と
の格子定数不整合によりこの層に発生する応力がそこで
のミスフィツトな転位の形成を通して解放されるように
臨界厚さ値を超えるものとして設計されている０層２０
の厚さは、層２０の最上部が自立している状態での当該
層の格子定数を有するように臨界厚さ値を超えて充分大
きい。その後、歪んだ超格子構造３０が層２０上に成長
せしめられて、層２０の上面にまで伝旙する可能性のあ
る僅かの転位の伝旙を終止せしめ、それにより緩衝層２
゜に転位を閉じ込める。この時点で、量子井戸構造５の
作製において、修正された格子定数を有する高品質の有
効基板１０−２０−３０が結果的に創り出されたことに
なる。 歪み超格子構造３０の成長に続いて、量子井戸能Ｉ領域
４０−５０−６０が形成される。図示のように、量子井
戸構造は、超格子構造３ｏ上に成長せしめられた井戸障
壁層４０．障壁層４０上に成長せしめられた単一の量子
井戸能動層５０及び量子井戸層５０上に成長せしめられ
た第２井戸障壁層６０から或る。障壁層４０は、超格子
構造３０により転位が封じ込められたことにより完全に
無歪み状態にある。量子井戸領域は単一の量子井戸５０
として例示しているが、当業者ならば、多重量子井戸の
ような他の量子井戸領域が本発明に従って成長せしめら
れうることを周知しているはずである。 量子井戸構造４０−５０−６０の有意義な特徴は、量子
井戸層５０と障壁層４０との間の格子定数不整合が格子
井戸層５０と基板ｌＯとの格子定数不整合よりも小さく
、それにより様々の高品質量子井戸構造が、基板に対し
ては大きな格子定数不整合が存在するにもかかわらず、
成長せしめられうることである。既に述べたように、こ
の大きな格子不整合から生じる応力は、緩衝層２０にお
いて能動領域から空間的に分離されたミスフィツトな転
位により部分的−に吸収され、同時に該応力のごく一部
のみが量子井戸Ｎ５０において歪みとして吸収されるだ
けである。この態様で、井戸材料は、設計の目標及び他
のデバイス考慮事項に依存して、任意的に低減された量
だけ応力下にあるように設計されつる。基板上に直接成
長せしめられた量子井戸構造を有する従来からの格子不
整合構造における応力がすべてもっばら量子井戸領域に
おける歪みとして吸収される事実を考慮するとき、本発
明に従うこの応力分布は特に有益な特徴である。 量子井戸構造４０−５０−６０の形成に続いて多数の異
なった成長段階がデバイス５の作製を完成するのに使用
されつるけれども、第１図は、単に例示目的のみで、第
２の超格子構造７０が障壁層６０上に成長せしめられそ
してキャップ層８０がその後超格子構造７０上に成長せ
しめられることを示している。 ここで開示された方法は、様々の適当な材料系に応用さ
れつるから、本発明により成長せしめられることの可能
な多くの例の一つとして、次の実施例を示す： 基板ｌＯは、ＧａＡｓから成長せしめられそして上被緩
衝層２０は１μ厚さのＩｎ０．５Ｇａｏ、 ＷＡＳ層で
ある。超格子構造３０及び７０は各々、２０周期のＧａ
Ａｓ／ Ｉｎｏ、 ｘＧａｏ、 ＷＡＳから成長せしめ
られ、この場合、交互する層の各々は２０人厚さである
。更には、障壁層４０及び６０の各々は、０．３μ厚の
Ｉｎｏ、 ５Ｇａｏ、 ｙＡｓ層であり、他方単一の量
子井戸層５０はＩｎｏ、 ｇＧａａ、 ｓＡｓから成長
せしめられそして６０人の厚さを有する。キャップ層８
０はＧａＡｓから成長せしめられる。緩衝層２０、障壁
層４０及び超格子構造３０におけるＩｎＧａＡｓヘテロ
層は同じ組成を有するので、これら隣接店開に格子定数
不整合は存在しない。 第１図の構造に対する変更例は、障壁層４０上に、量子
井戸５０の成長前に、超格子緩衝構造を成長せしめるこ
とから或る。この超格子緩衝構造における個々の肩の組
成のグレーディング即ち勾配づけは、界面において成長
不連続のない高品質量子井戸の成長を許容する。 本発明の第１及び第２の好ましい具体例（以下サンプル
Ａ及びサンプルＢとそれぞれ呼ぶ）を、上に述べた変更
例に従って作製した。即ち、組成勾配を有する超格子構
造を障壁層と量子井戸層との間に形成した。サンプルＡ
及びＢの成長パラメータを以下の例に呈示する。これら
は本発明の限定を意味するものではない。 第２ａ図は、サンプルＡの各順次する層におけるインジ
ウム組成の深さに対するプロフィルを示す。この構造は
、（００１）半絶縁性ＧａＡｓ基板上に５３０℃の基板
温度及び約０．５μｍ ／ ｈ ｒのＧａＡｓ成長速度
で分子線エピタキシーにより成長せしめられた。図示さ
れるように、ＩｎＧａＡｓ （厚さり、）の厚い緩衝層
が臨界厚さを充分超えてインジウム組成ｘ１でもって成
長せしめられた。その後、１０周期の２０人１ｎＧａＡ
ｓ （組成ｘ、）を２０人のＧａＡｓで交互に離間して
或る歪んだ超格子層（厚さＬ２）が緩衝層上に成長せし
められた。緩衝層として、歪みのない層（厚さり、）が
同じインジウム組成ｘｌでもって成長せしめられた。厚
さＬ４を有する続いて成長される超格子構造は、３５周
期の２０人ＩｎＧａＡｓ （組成Ｘ＋からｘ２へと勾配
付け）を２０人のＧａＡｓで交互に離間して構成した。 この構造は、インジウム組成ｘえでもって成長せしめら
れる６０人の単一量子井戸（ＳＱＷとして表示）に対す
る障壁層として機能した。第２ａ図に示されるように、
別の順次しての層が単一量子井戸ＳＱＷ上に成長せしめ
られ、ここではこれら層の組成と厚さは量子井戸に関し
て対称である。サンプルＡにおいては、組成ｘ１及びＸ
よはそれぞれ３０％及び５０％であり、他方サンプルＢ
においては、組成Ｘ１及びＸ２はそれぞれ２３％及び４
５％である。二次イオン質量分光測定（ＳＩＭＳ）によ
り測定したインジウム組成対深さプロフィルがサンプル
Ａに対して第２ｂ図に示されそして設計された層順序の
良好な再生を示している。ＳＩＭＳの厚さ分解能が２０
人／２０人超格子の個々の層を示すには不十分なためこ
のグラフでは平均インジウム濃度のみが表われている。 この構造の主たる特徴は量子井戸における歪みがＳＱＷ
におけるＩｎＧａＡｓ層と厚さＬ４の超格子構造の格子
定数における差によるものであり、そしてこの量はＸｌ
−Ｘ＋のインジウム濃度差に比例し、井戸とバルクＧａ
Ａｓの格子定数間の大きな差（この場合インジウム濃度
差はｘ２−〇である）に比例するものではないことであ
る。これは、もし能動領域がＧａＡｓ基板上に直接成長
せしめられるなら可能であるよりもはるかに大きな厚さ
の弾性的に歪んだ量子井戸層の成長を可能ならしめる。 サンプルＡ（曲線３１）及びサンプルＢ（曲線３２）の
低温（１５Ｋ）ホトルミネセンススペクトルが第３図に
示される。励起のために８ｍＷのＨｅＮｅレーザを使用
した。室温に外挿してのピーク波長は、サンプルＡに対
しては１．３２μｍそしてサンプルＢに対しては１．３
９μｍであった。スペクトルＢにおける追加ピークは、
量子井戸を取り囲む超格子による発光によるものである
。ホトルミネセンス（ＰＬ）ピークの巾は、同じ条件の
下で成長せしめられた仮品状態の低組成Ｑ Ｗ ｓに対
して観察された巾より一桁大きい。この幅広化はおそら
く、この構造におけるバンドエツジのスペクトルを発生
する歪みにおける空間的非一様性によるものでありそし
て井戸における僅かの転位の存在を示す。これはまず間
違いな（、超格子によるミスフィツトな転位の閉じ込め
の不完全さによるものであろう。歪み対称化ＳＬＳはは
るかに良好な緩衝を与えるはずであり、これは−層良好
な量子井戸をもたらすはずである。ＩｎＧａＡｓの屈折
率はＧａＡｓのそれよりも高く、従ってこの構造は平面
状導波路を構成することを銘記すべきである。これは、
構造体へのエンドファイア−・カップリング光による導
波形態での測定を可能とする。ＴＥ（ＱＷ面に並行な電
界）及びＴＭ （ＱＷ面に垂直な電界）偏光両方に対す
る量子井戸内を伝旙する光に対しての、サンプルＡの室
温透過スペクトルが、第４図に曲線４１及び４２として
それぞれ示されている。比較的ソフトな吸収エツジが幅
広のＰＬ発光ピークと一致する。ＴＥ吸収と７Ｍ吸収と
の間で示される差は、井戸内での軽いホール及び重いホ
ールの遷移選択能における差によるものでありそして量
子井戸内で吸収が起こっていることが確認される。 〔発明の効果〕 ここに開示された作製方法の従来成長方法を上回る利点
の一例として、先ず、ＧａＡｓ基板上に直接Ｉ ｎＧａ
Ａｓ層を成長させる従来構造を考えてみる。この構造の
格子定数不整合は、０％から７％の間で変化しそしてイ
ンジウム濃度にほぼ直線的に依存する。他方、ＩｎＧａ
Ａｓ単一量子井戸のバンドギャップはインジウム濃度と
井戸厚さ両方に依存する。 もしバンドギャップをそれが光フアイバ通信システムに
対して関心のある範囲（１，３〜１．５μｍ）内に入る
ように減少することに関心があるなら、インジウム濃度
は５０％を超えなければならない。しかし、この特定イ
ンジウム濃度は臨界厚さを１２人に設定し、そしてそれ
により転位を発生することなく成長せしめられるべき量
子井戸層の厚さに上限を課す。不都合なことに、この臨
界厚さ要件に準じて成長される量子井戸層は、関心のあ
る範囲を超えるバンドギャップを有する。ここに開示し
た作製方法を使用すれば、同じインジウム濃度を使用し
て上に挙げた所望のバンドギャップエネルギー変化を実
現することが出来る。これは、量子井戸により吸収され
る歪みの低いことが一層高い臨界厚さをもたらし、従っ
て所望のバンドギャップ値を有する一層厚い井戸層の成
長を許容するからである。 この方法の有用性の第２の例は、歪んだ量子井戸レーザ
の設計にある。これに関連して、価電子帯の有効質量を
低下するには大きな歪みが必要とされることがわかって
いる。このパラメータの減少は、レーザ発振閾値の低下
をもたらし、動作速度の増大をもたらし、出力−人力差
としての量子効率の改善をもたらす、しかし、これら構
造における大きな歪みの必要性は、本発明のように歪み
を空間的に分布しつるのでなければ、実現可能なバンド
ギャップに制限を課す。 まとめとして、室温で１．３〜１．４μｍ範囲の吸収エ
ツジを有する歪んだＩｎＧａＡｓ量子井戸が、歪みを空
間的に分離するためのここに開示した新規な作製方法を
使用してＧａＡｓ基板上に成長せしめられた。本方法の
適用は、ＧａＡｓ基板上に長波長デバイスを作製するこ
とを可能ならしめ、従って単体構造に光学素子及び電子
素子を一体に組み込むのに有用であり更には歪み層構造
を使用して実現しつる波長範囲を拡大するのに有用であ
る。 以上、好ましい具体例を説明したが、本発明の範囲内で
多くの改変をなしうることを銘記されたい。
には量子井戸（ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ）構造におけ
る歪みを空間的分離することにより量子井戸能動領域と
基板との間に制御可能な程度の格子定数不整合を有する
量子井戸構造を成長せしめる方法に関する。 〔従来技術］ 半導体超格子（５ｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ）及び量子井
戸ヘテロ構造体（ＱＷＨ’ｓ）は、これら成層構造体の
性質が多くの用途でバルク材料の性質より優れているた
めに、電子／光電子材料の重要な新しい種類を形成して
いる。大半の超格子及びＱＷＨ’Ｓは、格子整合状態の
材料を使用して成長せしめられるが、格子不整合ヘテロ
層から或る構造体もまたかなりの関心を集めている。そ
の理由は、格子不整合ヘテロ層の方が、構成材料を選択
するに当たっての融通性を増大し、同時に構造体中に存
在する応力により幾つかの関心のある性質を発現しうる
からである。 例えば、２軸引張応力下に置かれる量子井戸から或るヘ
テロ構造は、軽いホール７重いホール分割エネルギーを
制御するのに使用され、従って電荷キャリヤの有効質量
を修正しそしてこれら応力下の構造体から作製された光
電子デバイスの偏光性を修正する。更に、これら格子不
整合材料系の組成及び歪層を変化しうることは、設計者
が系のバンドギャップを選択的に調整することをも可能
ならしめるｅ ＧａＡｓ基板上にＩｎＧａＡｓ量子井戸
の成長により形成される、そうした材料系の一つは、格
子整合構造では容易には実現出来ない波長範囲である０
、 ９〜１．１μｍの波長範囲で動作する半導体レーザ
の作製を特徴とする 特にヘテロ構造における格子不整合の影響を考察すると
、この格子不整合から生ずる応力は、個々のヘテロ層の
厚さが臨界値以下である限り、ヘテロ層におけろコヒー
レントな歪みによって専ら吸収され得る。この臨界厚さ
は、合金組成及び歪に依存し、そしてミスフィツト（ｍ
１ｓｆｉｔ）な転位が発生するにエネルギー的に好まし
くなる厚さであり、これは明らかに材料品質が維持され
るべきであるなら所望されざる結果を招（。 特定の従来構造に関しては、米国特許第４．８３５、５
８３号は基板と能動領域との間の格子不整合の影響をそ
れらの間に歪みを有する超格子構造を成長せしめること
により減じた半導体デバイスを開示した。 また別の従来構造としては、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓ
ｉｃｓＬｅｔ、ｔｅｒｓ ４７（５）、 ２９８５．
ｐｐ ４８２−４８４に提唱されているものであり、歪
み超格子構造（ＳＬＳ）エピタキシャル層（ｅｐｉｌａ
ｙｅｒ）中の転位をＳＬＳと基板との間に厚い緩衝店を
介在させることにより排除することを試みている。その
結果、上方に伝旙する欠陥はＳＬＳの最初の数層に限定
され、上方層はほとんど転位を含まない。 ［発明が解決しようとする課題〕 現在、光通信用途において格子不整合量子井戸構造を使
用することの実施可能性を立証するための研究が始まっ
ており、ここでは大きなエネルギーバンドギャップシフ
トが格子不整合による弾性歪みを変化することにより可
能である。しかし、上に述べたように、量子井戸構造は
、臨界厚さの制約を満足しなければならず、これは結局
許容可能なバンドギャップシフトの範囲を制限する。 この制約は、例示目的で例えばＩｎ＋ｃＧａ＋−ｘＡｓ
単一量子井戸層でありうる量子井戸領域の合金組成Ｘを
増大することにより光通信に対して適した範囲（１゜１
〜ｌ、３μｍ）に量子井戸バンドギャップを減すること
を求める研究者に特別な問題を呈示する１組成を増大す
ることの結果は量子井戸層の臨界厚さを相応的に減少す
ることであり、それにより設計上ごく狭い井戸の成長に
制約されることになる。残念ながら、狭い井戸は実現可
能なバンドギャップシフトの範囲を制限する。 本発明の課題は、従来技術の上述した欠点を排除するこ
とである。 本発明の課題は、実現可能なバンドギャップが広い範囲
で存在しうるように量子井戸能動領域と基板との間に制
御可能な程度の格子定数不整合を有する量子井戸ヘテロ
構造を成長せしめる新規な作製方法を開発することであ
る。 本発明のまた別の課題は、介在するエピタキシャル構造
中に歪みを空間的に分布させ、それにより個々の量子井
戸層の成長が厳しい臨界的厚さ要件により制限されない
ような高度に格子不整合な量子井戸ヘテロ構造を作製す
ることである。 本発明のまた別の課題は、高い材料品質と融通性のある
バンドギャップ範囲により特徴づけられる単一体構造中
に光学素子及び電子素子を一体化することを可能とする
作製方法を開発することである。 ［課題を解決するための手段］ 本発明の一様相において、半導体ヘテロ構造体を作製す
る方法は、基板材料に対して高度に格子不整合である量
子井戸能動領域を成長させることを含んでいる。本方法
は、基板上に厚い緩衝層を成長せしめる段階を含み、こ
こでは緩衝層は基板に対して格子不整合でありそして応
力がそこでのミスフィツトな転位の形成により解放され
るように臨界厚さを超える厚さを有するものとされる。 追加作製段階は、緩衝層上に歪んだ超格子構造を成長せ
しめて緩衝層を通しての転位の伝旙を終止させそしてこ
の超格子構造の上に歪みのない障壁層を成長せしめるこ
とである。単一量子井戸層或いは多重量子井戸形態のよ
うな量子井戸構造が歪みのない障壁層上に成長せしめら
れる。 このヘテロ構造の注目すべき特徴は、量子井戸構造と障
壁層との間の格子定数不整合が量子井戸構造と基板との
間の格子定数不整合よりも小さいことであり、こうした
結果は従来構造では不可能であったものである。これは
、量子井戸構造と基板との間の大きな格子定数不整合に
よる応力のごく一部のみが量子井戸構造におけるコヒー
レントな歪みにより吸収されるだけで済みそして応力の
残部は緩衝層と超格子構造において解放される点で意義
あるものである。対照的に、従来からの格子不整合系に
おける能動領域は、応力をすべて吸収する必要があった
。 本発明作製方法の別の利点は、ミスフィツトな転位の量
子井戸構造からの空間的分離であり、これにより能動領
域の品質を保護することと関係する。 〔作用〕 本発明は、量子井戸能動領域と基板材料との間の大きな
格子定数不整合により特徴づけられそして更に量子井戸
領域と基板との間に形成されるエピタキシャル構造全体
を通しての応力の分布により特徴づけられるヘテロ構造
を作製する方法を開示する。この方法の意義は、量子井
戸領域と基板との間の大きな格子定数不整合による応力
がエピタキシャル構造中のミスフィツトな転位により部
分的に吸収されるので、発生する応力のごく一部のみが
量子井戸における歪みとして吸収されればよいことであ
る。これは結果的に、量子井戸層に厳密な臨界的厚さ要
求を課すことなく、大きな格子定数不整合を有する量子
井戸デバイスを作製することを可能ならしめる。更に、
量子井戸領域からの転位の空間的離間は材料の高品質性
を保持する。 〔実施例の説明〕 本発明の新規な方法により作製された特定のヘテロ構造
を参照すると、第１図は、本発明に従って成長せしめら
れた量子井戸構造体５の輪郭図である。 図示されるように、量子井戸構造体は５は、適当な従来
からの基板１０を上被しそして本発明により成長せしめ
られた順次しての多重半導性層から構成される。最初に
、半導体材料の厚い緩衝層２０が基板ｌＯ上に成長せし
められ、ここでは意図的な格子定数不整合が層２０と基
板ｌＯとの間に存在する。層２０の厚さは、基板１０と
の格子定数不整合によりこの層に発生する応力がそこで
のミスフィツトな転位の形成を通して解放されるように
臨界厚さ値を超えるものとして設計されている０層２０
の厚さは、層２０の最上部が自立している状態での当該
層の格子定数を有するように臨界厚さ値を超えて充分大
きい。その後、歪んだ超格子構造３０が層２０上に成長
せしめられて、層２０の上面にまで伝旙する可能性のあ
る僅かの転位の伝旙を終止せしめ、それにより緩衝層２
゜に転位を閉じ込める。この時点で、量子井戸構造５の
作製において、修正された格子定数を有する高品質の有
効基板１０−２０−３０が結果的に創り出されたことに
なる。 歪み超格子構造３０の成長に続いて、量子井戸能Ｉ領域
４０−５０−６０が形成される。図示のように、量子井
戸構造は、超格子構造３ｏ上に成長せしめられた井戸障
壁層４０．障壁層４０上に成長せしめられた単一の量子
井戸能動層５０及び量子井戸層５０上に成長せしめられ
た第２井戸障壁層６０から或る。障壁層４０は、超格子
構造３０により転位が封じ込められたことにより完全に
無歪み状態にある。量子井戸領域は単一の量子井戸５０
として例示しているが、当業者ならば、多重量子井戸の
ような他の量子井戸領域が本発明に従って成長せしめら
れうることを周知しているはずである。 量子井戸構造４０−５０−６０の有意義な特徴は、量子
井戸層５０と障壁層４０との間の格子定数不整合が格子
井戸層５０と基板ｌＯとの格子定数不整合よりも小さく
、それにより様々の高品質量子井戸構造が、基板に対し
ては大きな格子定数不整合が存在するにもかかわらず、
成長せしめられうることである。既に述べたように、こ
の大きな格子不整合から生じる応力は、緩衝層２０にお
いて能動領域から空間的に分離されたミスフィツトな転
位により部分的−に吸収され、同時に該応力のごく一部
のみが量子井戸Ｎ５０において歪みとして吸収されるだ
けである。この態様で、井戸材料は、設計の目標及び他
のデバイス考慮事項に依存して、任意的に低減された量
だけ応力下にあるように設計されつる。基板上に直接成
長せしめられた量子井戸構造を有する従来からの格子不
整合構造における応力がすべてもっばら量子井戸領域に
おける歪みとして吸収される事実を考慮するとき、本発
明に従うこの応力分布は特に有益な特徴である。 量子井戸構造４０−５０−６０の形成に続いて多数の異
なった成長段階がデバイス５の作製を完成するのに使用
されつるけれども、第１図は、単に例示目的のみで、第
２の超格子構造７０が障壁層６０上に成長せしめられそ
してキャップ層８０がその後超格子構造７０上に成長せ
しめられることを示している。 ここで開示された方法は、様々の適当な材料系に応用さ
れつるから、本発明により成長せしめられることの可能
な多くの例の一つとして、次の実施例を示す： 基板ｌＯは、ＧａＡｓから成長せしめられそして上被緩
衝層２０は１μ厚さのＩｎ０．５Ｇａｏ、 ＷＡＳ層で
ある。超格子構造３０及び７０は各々、２０周期のＧａ
Ａｓ／ Ｉｎｏ、 ｘＧａｏ、 ＷＡＳから成長せしめ
られ、この場合、交互する層の各々は２０人厚さである
。更には、障壁層４０及び６０の各々は、０．３μ厚の
Ｉｎｏ、 ５Ｇａｏ、 ｙＡｓ層であり、他方単一の量
子井戸層５０はＩｎｏ、 ｇＧａａ、 ｓＡｓから成長
せしめられそして６０人の厚さを有する。キャップ層８
０はＧａＡｓから成長せしめられる。緩衝層２０、障壁
層４０及び超格子構造３０におけるＩｎＧａＡｓヘテロ
層は同じ組成を有するので、これら隣接店開に格子定数
不整合は存在しない。 第１図の構造に対する変更例は、障壁層４０上に、量子
井戸５０の成長前に、超格子緩衝構造を成長せしめるこ
とから或る。この超格子緩衝構造における個々の肩の組
成のグレーディング即ち勾配づけは、界面において成長
不連続のない高品質量子井戸の成長を許容する。 本発明の第１及び第２の好ましい具体例（以下サンプル
Ａ及びサンプルＢとそれぞれ呼ぶ）を、上に述べた変更
例に従って作製した。即ち、組成勾配を有する超格子構
造を障壁層と量子井戸層との間に形成した。サンプルＡ
及びＢの成長パラメータを以下の例に呈示する。これら
は本発明の限定を意味するものではない。 第２ａ図は、サンプルＡの各順次する層におけるインジ
ウム組成の深さに対するプロフィルを示す。この構造は
、（００１）半絶縁性ＧａＡｓ基板上に５３０℃の基板
温度及び約０．５μｍ ／ ｈ ｒのＧａＡｓ成長速度
で分子線エピタキシーにより成長せしめられた。図示さ
れるように、ＩｎＧａＡｓ （厚さり、）の厚い緩衝層
が臨界厚さを充分超えてインジウム組成ｘ１でもって成
長せしめられた。その後、１０周期の２０人１ｎＧａＡ
ｓ （組成ｘ、）を２０人のＧａＡｓで交互に離間して
或る歪んだ超格子層（厚さＬ２）が緩衝層上に成長せし
められた。緩衝層として、歪みのない層（厚さり、）が
同じインジウム組成ｘｌでもって成長せしめられた。厚
さＬ４を有する続いて成長される超格子構造は、３５周
期の２０人ＩｎＧａＡｓ （組成Ｘ＋からｘ２へと勾配
付け）を２０人のＧａＡｓで交互に離間して構成した。 この構造は、インジウム組成ｘえでもって成長せしめら
れる６０人の単一量子井戸（ＳＱＷとして表示）に対す
る障壁層として機能した。第２ａ図に示されるように、
別の順次しての層が単一量子井戸ＳＱＷ上に成長せしめ
られ、ここではこれら層の組成と厚さは量子井戸に関し
て対称である。サンプルＡにおいては、組成ｘ１及びＸ
よはそれぞれ３０％及び５０％であり、他方サンプルＢ
においては、組成Ｘ１及びＸ２はそれぞれ２３％及び４
５％である。二次イオン質量分光測定（ＳＩＭＳ）によ
り測定したインジウム組成対深さプロフィルがサンプル
Ａに対して第２ｂ図に示されそして設計された層順序の
良好な再生を示している。ＳＩＭＳの厚さ分解能が２０
人／２０人超格子の個々の層を示すには不十分なためこ
のグラフでは平均インジウム濃度のみが表われている。 この構造の主たる特徴は量子井戸における歪みがＳＱＷ
におけるＩｎＧａＡｓ層と厚さＬ４の超格子構造の格子
定数における差によるものであり、そしてこの量はＸｌ
−Ｘ＋のインジウム濃度差に比例し、井戸とバルクＧａ
Ａｓの格子定数間の大きな差（この場合インジウム濃度
差はｘ２−〇である）に比例するものではないことであ
る。これは、もし能動領域がＧａＡｓ基板上に直接成長
せしめられるなら可能であるよりもはるかに大きな厚さ
の弾性的に歪んだ量子井戸層の成長を可能ならしめる。 サンプルＡ（曲線３１）及びサンプルＢ（曲線３２）の
低温（１５Ｋ）ホトルミネセンススペクトルが第３図に
示される。励起のために８ｍＷのＨｅＮｅレーザを使用
した。室温に外挿してのピーク波長は、サンプルＡに対
しては１．３２μｍそしてサンプルＢに対しては１．３
９μｍであった。スペクトルＢにおける追加ピークは、
量子井戸を取り囲む超格子による発光によるものである
。ホトルミネセンス（ＰＬ）ピークの巾は、同じ条件の
下で成長せしめられた仮品状態の低組成Ｑ Ｗ ｓに対
して観察された巾より一桁大きい。この幅広化はおそら
く、この構造におけるバンドエツジのスペクトルを発生
する歪みにおける空間的非一様性によるものでありそし
て井戸における僅かの転位の存在を示す。これはまず間
違いな（、超格子によるミスフィツトな転位の閉じ込め
の不完全さによるものであろう。歪み対称化ＳＬＳはは
るかに良好な緩衝を与えるはずであり、これは−層良好
な量子井戸をもたらすはずである。ＩｎＧａＡｓの屈折
率はＧａＡｓのそれよりも高く、従ってこの構造は平面
状導波路を構成することを銘記すべきである。これは、
構造体へのエンドファイア−・カップリング光による導
波形態での測定を可能とする。ＴＥ（ＱＷ面に並行な電
界）及びＴＭ （ＱＷ面に垂直な電界）偏光両方に対す
る量子井戸内を伝旙する光に対しての、サンプルＡの室
温透過スペクトルが、第４図に曲線４１及び４２として
それぞれ示されている。比較的ソフトな吸収エツジが幅
広のＰＬ発光ピークと一致する。ＴＥ吸収と７Ｍ吸収と
の間で示される差は、井戸内での軽いホール及び重いホ
ールの遷移選択能における差によるものでありそして量
子井戸内で吸収が起こっていることが確認される。 〔発明の効果〕 ここに開示された作製方法の従来成長方法を上回る利点
の一例として、先ず、ＧａＡｓ基板上に直接Ｉ ｎＧａ
Ａｓ層を成長させる従来構造を考えてみる。この構造の
格子定数不整合は、０％から７％の間で変化しそしてイ
ンジウム濃度にほぼ直線的に依存する。他方、ＩｎＧａ
Ａｓ単一量子井戸のバンドギャップはインジウム濃度と
井戸厚さ両方に依存する。 もしバンドギャップをそれが光フアイバ通信システムに
対して関心のある範囲（１，３〜１．５μｍ）内に入る
ように減少することに関心があるなら、インジウム濃度
は５０％を超えなければならない。しかし、この特定イ
ンジウム濃度は臨界厚さを１２人に設定し、そしてそれ
により転位を発生することなく成長せしめられるべき量
子井戸層の厚さに上限を課す。不都合なことに、この臨
界厚さ要件に準じて成長される量子井戸層は、関心のあ
る範囲を超えるバンドギャップを有する。ここに開示し
た作製方法を使用すれば、同じインジウム濃度を使用し
て上に挙げた所望のバンドギャップエネルギー変化を実
現することが出来る。これは、量子井戸により吸収され
る歪みの低いことが一層高い臨界厚さをもたらし、従っ
て所望のバンドギャップ値を有する一層厚い井戸層の成
長を許容するからである。 この方法の有用性の第２の例は、歪んだ量子井戸レーザ
の設計にある。これに関連して、価電子帯の有効質量を
低下するには大きな歪みが必要とされることがわかって
いる。このパラメータの減少は、レーザ発振閾値の低下
をもたらし、動作速度の増大をもたらし、出力−人力差
としての量子効率の改善をもたらす、しかし、これら構
造における大きな歪みの必要性は、本発明のように歪み
を空間的に分布しつるのでなければ、実現可能なバンド
ギャップに制限を課す。 まとめとして、室温で１．３〜１．４μｍ範囲の吸収エ
ツジを有する歪んだＩｎＧａＡｓ量子井戸が、歪みを空
間的に分離するためのここに開示した新規な作製方法を
使用してＧａＡｓ基板上に成長せしめられた。本方法の
適用は、ＧａＡｓ基板上に長波長デバイスを作製するこ
とを可能ならしめ、従って単体構造に光学素子及び電子
素子を一体に組み込むのに有用であり更には歪み層構造
を使用して実現しつる波長範囲を拡大するのに有用であ
る。 以上、好ましい具体例を説明したが、本発明の範囲内で
多くの改変をなしうることを銘記されたい。
第１図は、本発明に従う半導体ヘテロ構造の断面図であ
る。 第２ａ図は、本発明の第１の好ましい具体例に従って成
長せしめられたサンプルに対する深さに対する平均イン
ジウム濃度プロフィルを示すグラフである。 第２ｂ図は、第２ａ図に示したインジウム濃度プロフィ
ルを有するサンプルのＳＩＭＳプロフィルである。 第３図は、第２ａ図に対応するサンプルの低温スペクト
ルを本発明の第２具体例に従って成長せしめた別のサン
プルのそれと比較するグラフである。 第４図は、第１の好ましい具体例に従って成長せしめら
れサンプルの透過スペクトルである。 ５：量子井戸構造体 １０：基板 ２０：緩衝層 ３０．７０：超格子構造 ４０．６０：障壁層 ５０：量子井戸層 ８０：キャップ店 Ｆ″Ｌｑ４゜ Ｆ”１ｃ１４ 坂も ｆｎｒｎｌ Ｆ”１ｇ２ａ。 浦、で Ｆ”ｉｃｌ ２ｂ。 Ｓ享ルへ′’ −ｆｍｅＶＩ Ｆ”ｉケＺ。
る。 第２ａ図は、本発明の第１の好ましい具体例に従って成
長せしめられたサンプルに対する深さに対する平均イン
ジウム濃度プロフィルを示すグラフである。 第２ｂ図は、第２ａ図に示したインジウム濃度プロフィ
ルを有するサンプルのＳＩＭＳプロフィルである。 第３図は、第２ａ図に対応するサンプルの低温スペクト
ルを本発明の第２具体例に従って成長せしめた別のサン
プルのそれと比較するグラフである。 第４図は、第１の好ましい具体例に従って成長せしめら
れサンプルの透過スペクトルである。 ５：量子井戸構造体 １０：基板 ２０：緩衝層 ３０．７０：超格子構造 ４０．６０：障壁層 ５０：量子井戸層 ８０：キャップ店 Ｆ″Ｌｑ４゜ Ｆ”１ｃ１４ 坂も ｆｎｒｎｌ Ｆ”１ｇ２ａ。 浦、で Ｆ”ｉｃｌ ２ｂ。 Ｓ享ルへ′’ −ｆｍｅＶＩ Ｆ”ｉケＺ。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １）能動領域として量子井戸構造を有する半導体ヘテロ
構造体を作製する方法であって、 基板を用意する段階と、 該基板上に、該基板に対して格子不整合でありそして臨
界厚さを超える厚さを有する半導体材料緩衝層を成長せ
しめる段階と、 前記緩衝層上に歪んだ超格子構造を成長せしめ、前記用
意された基板、緩衝層及び超格子構造三者により有効基
板を形成する段階と、 前記超格子構造上に歪みのない障壁層を成長せしめる段
階と、 前記歪みのない障壁層上に量子井戸構造を形成し、その
場合該量子井戸構造と前記障壁層との間の格子定数不整
合が該量子井戸構造と前記用意された基板との間の格子
定数不整合より小さいものとする段階と を包含し、それにより前記量子井戸構造と前記用意され
た基板との間の大きな格子不整合による応力のごく一部
が該量子井戸構造におけるコヒーレントな歪みとして吸
収されるだけであり、そして歪みの残部は該量子井戸構
造から空間的に分離しての転位の形成を通して前記有効
基板において解放されることを特徴とする量子井戸構造
を有する半導体ヘテロ構造体を作製する方法。 ２）歪みのない障壁層を成長せしめる段階が一様な組成
の層を成長せしめる段階と、 該一様な組成の層上に勾配の付いた組成を有する超格子
構造を成長せしめる段階と を含む特許請求の範囲第１項記載の半導体ヘテロ構造体
を作製する方法。 ３）量子井戸構造上に上方障壁層を成長せしめる段階と
、 該上方障壁層上に上方超格子構造を成長せしめる段階と を追加的に含む特許請求の範囲第１項記載の半導体ヘテ
ロ構造体を作製する方法。 ４）上方超格子構造上にキャップ層を成長せしめる段階
を更に含む特許請求の範囲第３項記載の半導体ヘテロ構
造体を作製する方法。 ５）超格子構造が歪み対称型である特許請求の範囲第１
項記載の半導体ヘテロ構造体を作製する方法。 ６）能動領域として量子井戸構造を有する、バンドギャ
ップ調整可能な半導体ヘテロ構造体を作製する方法であ
って、 基板を用意する段階と、 該基板上に、該基板に対して格子不整合でありそして臨
界厚さを超える厚さを有する半導体材料緩衝層を成長せ
しめる段階と、 前記緩衝層上に歪んだ超格子構造を成長せしめ、前記用
意された基板、緩衝層及び超格子構造三者により有効基
板を形成する段階と、 前記超格子構造上に歪みのない障壁層を成長せしめる段
階と、 前記歪みのない障壁層上に或る合金組成を有する量子井
戸構造を形成し、その場合該量子井戸構造と前記障壁層
との間の格子定数不整合が該量子井戸構造と前記用意さ
れた基板との間の格子定数不整合より小さいものとし、
以って前記量子井戸構造と前記用意された基板との間の
大きな格子不整合による応力のごく一部を該量子井戸構
造におけるコヒーレントな歪みとして吸収せしめ、歪み
の残部を該量子井戸構造から空間的に分離しての転位の
形成を通して前記有効基板において解放せしめる段階と
、 前記量子井戸構造を形成する段階前に、所望のバンドギ
ャップ値に相当する該量子井戸構造に対して適当な合金
組成を選定する段階と を包含する量子井戸構造を有する半導体ヘテロ構造体を
作製する方法。 ７）基板と、 該基板上に成長せしめられる、該基板に対して格子不整
合でありそして臨界厚さを超える厚さを有する半導体材
料緩衝層と、 前記緩衝層上に成長せしめられる歪んだ超格子構造であ
って、前記基板及び緩衝層と協同して有効基板を形成す
る超格子構造と、 前記超格子構造上に成長せしめられる歪みのない障壁層
と、 前記歪みのない障壁層上に成長せしめられそして能動領
域として働く量子井戸構造であって、その場合該量子井
戸構造と前記障壁層との間の格子定数不整合が該量子井
戸構造と前記基板との間の格子定数不整合より小さい量
子井戸構造とを備え、それにより前記量子井戸構造と前
記基板との間の大きな格子不整合による応力のごく一部
を該量子井戸構造におけるコヒーレントな歪みとして吸
収し、そして歪みの残部を該量子井戸構造から空間的に
分離しての転位の形成を通して前記有効基板において解
放することを特徴とする半導体ヘテロ構造体。 ８）量子井戸構造上に成長せしめられる上方障壁層と、 該上方障壁層上に成長せしめられる超格子構造と を更に含む特許請求の範囲第７項記載の半導体ヘテロ構
造体。 ９）歪みのない障壁層が 一様な組成の半導体層と、 該一様な組成の層上に成長せしめられそして勾配の付い
た組成を有する超格子構造と を含む特許請求の範囲第７項記載の半導体ヘテロ構造体
。 １０）超格子構造が歪み対称型である特許請求の範囲第
７項記載の半導体ヘテロ構造体。
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