JPH04283919A

JPH04283919A - Ｉｉｉ−ｖ族半導体装置

Info

Publication number: JPH04283919A
Application number: JP4633491A
Authority: JP
Inventors: Kunihiko Kodama; 邦彦児玉; Masashi Ozeki; 尾関　雅志; Yoshiki Sakuma; 芳樹佐久間; Nobuyuki Otsuka; 信幸大塚
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1991-03-12
Filing date: 1991-03-12
Publication date: 1992-10-08

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置に関し、特
に新規な物性を有するＩＩＩ−Ｖ族半導体領域を有する
半導体装置に関する。

【０００２】半導体装置、特に光半導体装置は、用いる
半導体材料によって装置の基本的性質が定まる。たとえ
ば、発光半導体装置を構成するには、発光波長に適合し
たエネルギギャップを有する直接遷移型半導体を用いる
ことが望まれる。

【０００３】

【従来の技術】現在、入手可能な半導体基板の種類は、
シリコン、ＧａＡｓ、ＩｎＰ等、限られた種類である。これらの半導体基板の上に、エピタキシャル結晶を成長
しようとすると、通常基板とエピタキシャル層の間の格
子整合が要求される。したがって、基板の種類が定まる
と、用いることのできる半導体材料の種類も制限される
。

【０００４】所望の格子定数と所望のバンドギャップを
有する半導体材料を得るために、異なる半導体材料を混
合した混晶を用いること等が行なわれる。一般に、同一
の結晶構造を有するＩＩＩ−Ｖ族半導体材料は、ベガー
ド則に従う混晶結晶を形成しやすい性質を有する。

【０００５】たとえば、ＧａＡｓは直接遷移型半導体結
晶であり、ＧａＰは間接遷移型半導体結晶であるが、Ｇ
ａＡｓとＧａＰとの混晶を形成すると、その組成に従っ
た中間的性質を有する半導体結晶が得られる。（ＧａＡ
ｓ）０．５　（ＧａＰ）０．５　は、室温でバンドギャ
ップ波長約６３０ｎｍの間接遷移型半導体である。

【０００６】ＩＩＩ−Ｖ族半導体の混晶を形成すること
により、種々の性質を有する半導体を得ることができる
。

【０００７】また近年、半導体エピタキシャル成長技術
の進歩に伴い、極めて薄い膜厚を有する薄膜の多層構造
の形成が可能となった。このような極薄膜を用いて多重
量子井戸構造、ないしは超格子構造と呼ばれる積層構造
を作成することができる。このような極薄膜多層構造、
ないしは多重量子井戸構造においては、その物性は量子
井戸層、障壁層を構成する材料のバルク状態の物性定数
を用いてかなりよい近似で記述することができる。

【０００８】成長する結晶の厚さを極限まで薄くした技
術に、分子層成長ないし原子層成長がある。これらの技
術を利用すると、各極薄膜中の分子層の数を制御した多
層構造を得ることができる。

【０００９】２種類のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を交互
に積重ねた（ＡＢ）ｎ（ＣＤ）ｍ　極薄膜多層構造（Ａ
、ＣはＩＩＩ族元素、Ｂ、ＤはＶ族元素）は、新たな物
性定数を有する材料を実現する可能性がある。上述の材
料ＡＢおよびＣＤをそれぞれバンドギャップの広い半導
体およびバンドギャップの狭い半導体とすると、（ＡＢ
）ｎ　（ＣＤ）ｍ　極薄膜多層構造は、ｎ　、ｍ　が１
０程度より大きい場合には一般に多重量子井戸構造とな
り、その物性はほぼバンドギャップの狭い半導体ＣＤの
物性とその井戸幅で決る。膜厚を薄くしていき、ｎ、ｍ
を１０以下にしていくと、いわゆる超格子が構成され、
新しい物性が表われる可能性がある。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、エピタ
キシャル成長技術の制限等により、任意の半導体材料の
分子層を任意に成長することは極めて困難である。この
ため、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた超格子構造の
全てが解明されている訳ではない。

【００１１】本発明の目的は、新規な物性を有する超格
子を用いたＩＩＩ−Ｖ族半導体装置を提供することであ
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、（ＧａＡ
ｓ）ｎ　（ＧａＰ）ｍ　を基本単位とする超格子構造に
おいてｎ＝ｍ＝１の場合に、予測されない新たな物性が
生じることを発見した。

【００１３】本発明のＩＩＩ−Ｖ族半導体装置は、Ｇａ
Ａｓ単分子層とＧａＰ単分子層を交互に積層した単分子
層超格子領域を含む活性層を有する。

【００１４】

【作用】（ＧａＡｓ）０．５　（ＧａＰ）０．５　混晶
は、室温でバンドギャップ波長約６３０ｎｍの間接遷移
型半導体であるが、｛（ＧａＡｓ）１（ＧａＰ）１　｝
ｐ　超格子は、対応する組成の混晶半導体よりもバンド
ギャップの狭い（バンドギャップ波長の長い）直接遷移
型半導体であることが発見された。この現象は、ＧａＡ
ｓとＧａＰを交互に単分子層ずつ積層した場合にのみ生
じることが見出された。

【００１５】

【実施例】まず、本発明の基礎となった実験を説明する
。

【００１６】｛（ＧａＡｓ）ｎ　（ＧａＰ）ｍ　｝ｐ　
超格子構造を種々の（ｎ、ｍ（ｎ＝１〜５））について
原子層エピタキシャル法により成長した。基板結晶とし
ては、（１００）ＧａＡｓ半絶縁性基板を用いた。

【００１７】原子層エピタキシャル法は、Ｇａのソース
ガスとしてトリメチルガリウム、Ａｓのソースガスとし
てアルシン、Ｐのソースガスとしてホスフィンを用いた
。また、成長温度は５００℃とした。なお、（ＧａＡｓ
）ｎ　（ＧａＰ）ｍ　のｎ、ｍ＝１の超格子は、本発明
者らによって初めて結晶成長できたものである。

【００１８】結晶成長した各超格子構造について、液体
ヘリウム温度に冷却した状態でホトルミネッセンスを測
定した。その他、Ｘ線回折、ラマン散乱によって、所望
の超格子構造が作成されていることを確認した。

【００１９】ホトルミネッセンス測定は、アルゴンレー
ザの４８８ｎｍの光を励起光とし、超格子構造にほぼ４
５度の角度に入射し、ホトルミネッセンス光を超格子構
造上部で集光し、分光することによって行なった。

【００２０】測定の結果、ｎ、ｍ＝２〜５およびｎまた
はｍのいずれかのみが１である場合は、超格子構造は間
接遷移型半導体であることを示したが、ｎ＝ｍ＝１の単
分子層超格子構造は、直接遷移型半導体であることが明
らかになった。

【００２１】図１を参照して、この直接遷移型半導体を
より詳細に説明する。図１（Ａ）は、超格子構造の構成
を示す概略図である。超格子構造は、ＧａＡｓの単分子
層１と、ＧａＰの単分子層２を交互に積層したものであ
る。

【００２２】この超格子構造の結晶成長は、たとえばＧ
ａの単原子層１ｂを成長し、その上にＡｓの単原子層１
ａを成長し、その上にＧａの単原子層２ｂを成長し、そ
の上にＰの単原子層２ａを成長し、この工程を繰返し行
なうことによって形成した。

【００２３】図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示す超格子構
造を、ＧａＡｓ基板上に形成したサンプルの４．２Ｋに
おけるホトルミネッセンス強度のスペクトルを示す。な
お、サンプルは（ＧａＡｓ）１　（ＧａＰ）１　を５０
０対ＧａＡｓ基板上に成長したものである。ＧａＡｓと
｛（ＧａＡｓ）１　（ＧａＰ）１　｝とは格子定数が異
なるため、｛（ＧａＡｓ）１　（ＧａＰ）１　）｝ｐ　
超格子は歪超格子となっている。

【００２４】図１（Ｂ）に示すスペクトルは、波長約７
００ｎｍに鋭い単一のピークを示している。この７００
ｎｍ付近の鋭く強い発光は、（ＧａＡｓ）１　（ＧａＰ
）１　交互単分子層超格子構造のΓ点におけるバンド間
発光である。

【００２５】なお、基板であるＧａＡｓのホトルミネッ
センスは、生じるとすれば４．２Ｋでは約８２０ｎｍ付
近に生じるはずであり、図のスペクトルではほとんど観
測されない。

【００２６】（ＧａＡｓ）１　（ＧａＰ）１　超格子構
造は、直接遷移型半導体であることが判った。このため
、種々の光半導体装置の構成材料として用いることがで
きる。たとえば、バンド間遷移による光吸収、発光を利
用することにより、受光装置、発光装置を構成すること
ができる。また、新規なバンドギャップおよび屈折率を
有する光学材料として利用することもできる。

【００２７】図２は、本発明の実施例によるＩＩＩ−Ｖ
族半導体装置の構成を示す概略断面図である。ｎ＋　型
ＧａＡｓ基板１１の上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層１２
をエピタキシャル成長し、この上にｎ型ＧａＡｌＩｎＰ
クラッド層１３、｛（ＧａＡｓ）１　（ＧａＰ）１　｝
ｐ　歪超格子層（活性層）１４、ｐ型ＧａＡｌＩｎＰク
ラッド層１５をエピタキシャルに成長してｐｉｎダイオ
ード型光導波構造を作成する。この上に、さらにｐ＋　
型ＧａＡｓコンタクト層１６を成長する。さらに、ｎ＋
　型ＧａＡｓ基板１１上にｎ側電極１７、ｐ＋　型Ｇａ
Ａｓコンタクト層１６上に、ｐ側電極１８を形成する。

【００２８】このようにして、｛（ＧａＡｓ）１　（Ｇ
ａＰ）１　｝ｐ　歪超格子層を活性層とする発光半導体
装置を形成する。ｐｉｎダイオード構造に順電流を流し
、歪超格子層１４で再結合を行なわせることにより発光
する。左右両端面を鏡面として、キャビティを構成すると、半
導体レーザを構成することができる。また、基板１１、
またはバッファ層１２表面に回折格子を形成して、分布
帰還型（ＤＦＢ）レーザとすることもできる。このレー
ザは、室温で約７５０〜７６０ｎｍの波長を持つレーザ
光を発光すると考えられる。低温に冷却すれば、発光波
長はブルーシフトする。

【００２９】図３は、本発明の他の実施例によるＩＩＩ
−Ｖ族半導体装置を示す。図３（Ａ）は全体の構成を示
す断面図、図３（Ｂ）は図３（Ａ）の構成中、活性層の
部分を拡大して示す断面図である。

【００３０】図３（Ａ）の構成は、活性層２０を除き、
図２の実施例と同様の構成を有する。活性層２０の構成
を図３（Ｂ）に拡大して示す。活性層２０は、複数の｛
（ＧａＡｓ）１　（ＧａＰ）１　｝ｐ　量子井戸層２２
を含み、ＧａＡｌＩｎＰ障壁層２１で、各｛（ＧａＡｓ
）１　（ＧａＰ）１　｝ｐ　量子井戸層２２を挾んで構
成したものである。単分子層対の数ｐは、適当な正の整
数値をとることができる。

【００３１】図３（Ｂ）に示す活性層の構成は、（Ｇａ
Ａｓ）１　（ＧａＰ）１　を新規な１つの物質として、
その物質によって量子井戸層を構成し、ＧａＡｌＩｎＰ
で障壁層を構成した超格子構造である。この超格子構造
の構成を極薄膜化して多重量子井戸構造とすることによ
り、発光波長の短波長化および、発振の低閾値化ができ
る。

【００３２】なお、（ＧａＡｓ）１　（ＧａＰ）１　は
、ＧａＡｓと異なる格子定数を有するため、ＧａＡｓ基
板上に形成した場合、超格子は歪超格子となる。異なる
材料の基板上に、（ＧａＡｓ）１　（ＧａＰ）１　超格
子を形成した時には、歪量の異なる歪超格子が形成でき
る。

【００３３】なお、（ＧａＡｓ）１　（ＧａＰ）１　を
新規なバンドギャップおよび新規な屈折率を有する材料
として利用し、種々の光デバイスを構成することもでき
る。たとえば、図２、図３同様の構成を用い、導波路を形成
することもできる。また、ホトリフラクティブな性質を
用いたデバイス、ドープ源としての利用等も可能である
。さらに、光学的性質以外の性質を積極的に利用したデ
バイスを構成することもできる。基板材料もＧａＡｓに
限らず、ＧａＰ等の材料を用いてもよい。

【００３４】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。たとえば、
種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者
に自明であろう。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ＧａＡｓ単分子層とＧａＰ単分子層を積層した単分子層
超格子によって、全く新規な物質とみなせる物性を得る
ことができ、新規なＩＩＩ−Ｖ族半導体装置を提供する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の基本実施例を示す。図１（Ａ）は構成
を示す断面図、図１（Ｂ）は特性例を示すグラフである
。

【図２】本発明の実施例によるＩＩＩ−Ｖ族半導体装置
を示す断面図である。

【図３】本発明の他の実施例によるＩＩＩ−Ｖ族半導体
装置を示す断面図である。図３（Ａ）は全体の構成を示
す断面図、図３（Ｂ）は活性層を拡大して示す断面図で
ある。

【符号の説明】

１　　ＧａＡｓ単分子層２　　ＧａＰ単分子層１４、２０　　活性層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　ＧａＡｓ単分子層（１）とＧａＰ単分
子層（２）を交互に積層した単分子層超格子領域（Ｇａ
Ａｓ）１　（ＧａＰ）１　を含む活性層（１４、２０）
を有するＩＩＩ−Ｖ族半導体装置。
【請求項２】　　請求項１記載のＩＩＩ−Ｖ族半導体装
置であって、さらにＧａＡｓ基板を有し、前記単分子層
超格子領域は前記ＧａＡｓ基板の上に歪超格子として形
成されているＩＩＩ−Ｖ族半導体装置。
【請求項３】　　請求項１ないし２記載のＩＩＩ−Ｖ族
半導体装置であって、さらに前記活性層にキャリアを注
入する手段を有するＩＩＩ−Ｖ族半導体装置。
【請求項４】　　請求項１〜３のいずれかに記載のＩＩ
Ｉ−Ｖ族半導体装置であって、さらに前記活性層に隣接
したＧａＡｌＩｎＰの領域を有するＩＩＩ−Ｖ族半導体
装置。
【請求項５】　　請求項１〜４のいずれかに記載のＩＩ
Ｉ−Ｖ族半導体装置であって、前記活性層は前記単分子
層超格子領域の層とＧａＡｌＩｎＰの層との交互積層を
含むＩＩＩ−Ｖ族半導体装置。