JPH06181365A - 半導体埋め込み層構造 - Google Patents
半導体埋め込み層構造Info
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- JPH06181365A JPH06181365A JP5190363A JP19036393A JPH06181365A JP H06181365 A JPH06181365 A JP H06181365A JP 5190363 A JP5190363 A JP 5190363A JP 19036393 A JP19036393 A JP 19036393A JP H06181365 A JPH06181365 A JP H06181365A
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【目的】 埋め込み層半導体構造におけるIII-Ｖ族合成
物の、例えばレーザに使用される半導体の製造の際、II
I 価及びＶ価の両成分に変化が起こる界面を横切って、
不純物誘導層無秩序置換が発生する時に生じる、欠陥及
び転位の問題の解決。 【構成】 該構造は基板上の厚い層によって完全に境界
付けられる、薄い埋め込み活性層によって特徴付けられ
る。薄層を臨界厚み以下に維持し、厚い層を基板に格子
整合することによって、欠陥の発生を避けることができ
る。別の特徴として、AlGaInP ベースのレーザ構造にお
ける比較的低い熱伝導性の問題は、レーザ構造に含まれ
るAlGaInP 材料の量を最小限に抑え、これらの材料を臨
界活性層のみに制限し、光学ガイディング及びキャリア
コンファイニング層の大部分にAlGaAsを使用することに
よって、避けることができる。
物の、例えばレーザに使用される半導体の製造の際、II
I 価及びＶ価の両成分に変化が起こる界面を横切って、
不純物誘導層無秩序置換が発生する時に生じる、欠陥及
び転位の問題の解決。 【構成】 該構造は基板上の厚い層によって完全に境界
付けられる、薄い埋め込み活性層によって特徴付けられ
る。薄層を臨界厚み以下に維持し、厚い層を基板に格子
整合することによって、欠陥の発生を避けることができ
る。別の特徴として、AlGaInP ベースのレーザ構造にお
ける比較的低い熱伝導性の問題は、レーザ構造に含まれ
るAlGaInP 材料の量を最小限に抑え、これらの材料を臨
界活性層のみに制限し、光学ガイディング及びキャリア
コンファイニング層の大部分にAlGaAsを使用することに
よって、避けることができる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は半導体構造に関する。よ
り詳細には、最終構造に望ましく且つ貴重な特性を付加
するため、その作用を不純物誘導層の無秩序置換の存在
に依存するIII-Ｖ族金属系における埋め込み層構造の製
造に関する。
り詳細には、最終構造に望ましく且つ貴重な特性を付加
するため、その作用を不純物誘導層の無秩序置換の存在
に依存するIII-Ｖ族金属系における埋め込み層構造の製
造に関する。
【０００２】
【従来の技術】不純物誘導層無秩序置換（ＩＩＬＤ）の
プロセスは、広範な種類のデバイス構造の組立に、主と
してAlGaAs合金系に適用されている。このプロセスが本
系において比較的楽に使用されるのは、２つの２元構成
成分であるAlAsとGaAs間の密接な格子マッチに負う所が
大きい。従って、格子マッチは相互拡散プロセスを通じ
て維持される。ＩＩＬＤについて、その利点と応用、そ
して種々雑多な公知の処理によって如何にして所望の構
造を作り出すか等に関して、より完全に記述するため
に、所有者が同じ２件の米国特許番号第４，８７１，６
９０号及び４，８３０，９８３号に開示された詳細な記
述を参照のためここに挿入する。前記特許第４，８７
１，６９０号の特許はＩＩＬＤの範囲で合成半導体材料
から２０のレーザ造の製造について記述している。前記
特許第４，８３０，９８３号は系統的再生のため拡散プ
ロフィルを制御する特定の処理技術について詳細に記し
ている。更に、参照のため、共通所有の米国特許第４，
９８０，８９３号をここに挿入するが、これはＩＩＬＤ
材から高速ラスタ出力スキャナ(ROS) 及び、レーザプリ
ンティングアプリケーションに有用な多重エミッタレー
ザアレイの組立について詳細に記述している。この特許
は更にｐ- サイドアップ搭載の重要性をも示しており、
この重要性は以下の記述から明らかとなるであろう。
プロセスは、広範な種類のデバイス構造の組立に、主と
してAlGaAs合金系に適用されている。このプロセスが本
系において比較的楽に使用されるのは、２つの２元構成
成分であるAlAsとGaAs間の密接な格子マッチに負う所が
大きい。従って、格子マッチは相互拡散プロセスを通じ
て維持される。ＩＩＬＤについて、その利点と応用、そ
して種々雑多な公知の処理によって如何にして所望の構
造を作り出すか等に関して、より完全に記述するため
に、所有者が同じ２件の米国特許番号第４，８７１，６
９０号及び４，８３０，９８３号に開示された詳細な記
述を参照のためここに挿入する。前記特許第４，８７
１，６９０号の特許はＩＩＬＤの範囲で合成半導体材料
から２０のレーザ造の製造について記述している。前記
特許第４，８３０，９８３号は系統的再生のため拡散プ
ロフィルを制御する特定の処理技術について詳細に記し
ている。更に、参照のため、共通所有の米国特許第４，
９８０，８９３号をここに挿入するが、これはＩＩＬＤ
材から高速ラスタ出力スキャナ(ROS) 及び、レーザプリ
ンティングアプリケーションに有用な多重エミッタレー
ザアレイの組立について詳細に記述している。この特許
は更にｐ- サイドアップ搭載の重要性をも示しており、
この重要性は以下の記述から明らかとなるであろう。
【０００３】更に、以前に発行された論文、「コミュニ
ケーション及びプロセッシングの為の集積光電子工学」
（Integrated Optoelectronics for Communica-tion an
d Processing、SPIE. Vol. 1582 、１９９１年９月発
行）の194-205 ページに記載された「集積光学及び電気
的要素の構成の為の平面的拡散を基礎としたプロセス」
（Planar Diffusion-Based Processes For The Fabrica
tion of Integrated Optical And Electrical Componen
ts) も参照する。ここで参照として取り上げるこの論文
は、ヘテロ構造レーザ、ＦＥＴｓ、ヘテロ接合バイポー
ラトランジスタ等の埋め込み層デバイスの組立におけ
る、ＩＩＬＤの利点について詳細に説明している。この
クラスのデバイスの特徴は、より薄い材料層によって両
側で境界づけられた非常に薄い活性領域である。レーザ
の場合、薄い領域とは全ての側面で、より広いバンドギ
ャップの材料によって囲まれたレーザの活性領域材料の
狭いフィラメントである。レーザの作用は、導入された
キャリアーによって活性領域に誘発された分布の反転の
結果生じるものである。この反転は励起された放射によ
り光増幅を可能にし、それはつまり光が非常に薄い領域
によって導波されることを意味する。導波は、低い屈折
率を持った周囲のより高いバンドギャップ材によって行
われ、こうして薄い活性領域のオーバラップ部分に光を
保持する光学的導波管として作用し、前記導波管の中に
光の増幅の準備をする。ＦＥＴアプリケーションにおい
て、埋め込まれた薄い活性領域はＦＥＴチャネルとして
作用する。バイポーラトランジスタにおいては、これは
デバイスの薄い埋め込み基礎領域であり、基礎が薄けれ
ば薄い程、操作周波数は高くなる。レーザアプリケーシ
ョンにおいては、活性薄層は一つかそれ以上の薄い量子
ウェル（ＱＷ）であると共に、起こりうる薄い空乏層で
ある。
ケーション及びプロセッシングの為の集積光電子工学」
（Integrated Optoelectronics for Communica-tion an
d Processing、SPIE. Vol. 1582 、１９９１年９月発
行）の194-205 ページに記載された「集積光学及び電気
的要素の構成の為の平面的拡散を基礎としたプロセス」
（Planar Diffusion-Based Processes For The Fabrica
tion of Integrated Optical And Electrical Componen
ts) も参照する。ここで参照として取り上げるこの論文
は、ヘテロ構造レーザ、ＦＥＴｓ、ヘテロ接合バイポー
ラトランジスタ等の埋め込み層デバイスの組立におけ
る、ＩＩＬＤの利点について詳細に説明している。この
クラスのデバイスの特徴は、より薄い材料層によって両
側で境界づけられた非常に薄い活性領域である。レーザ
の場合、薄い領域とは全ての側面で、より広いバンドギ
ャップの材料によって囲まれたレーザの活性領域材料の
狭いフィラメントである。レーザの作用は、導入された
キャリアーによって活性領域に誘発された分布の反転の
結果生じるものである。この反転は励起された放射によ
り光増幅を可能にし、それはつまり光が非常に薄い領域
によって導波されることを意味する。導波は、低い屈折
率を持った周囲のより高いバンドギャップ材によって行
われ、こうして薄い活性領域のオーバラップ部分に光を
保持する光学的導波管として作用し、前記導波管の中に
光の増幅の準備をする。ＦＥＴアプリケーションにおい
て、埋め込まれた薄い活性領域はＦＥＴチャネルとして
作用する。バイポーラトランジスタにおいては、これは
デバイスの薄い埋め込み基礎領域であり、基礎が薄けれ
ば薄い程、操作周波数は高くなる。レーザアプリケーシ
ョンにおいては、活性薄層は一つかそれ以上の薄い量子
ウェル（ＱＷ）であると共に、起こりうる薄い空乏層で
ある。
【０００４】このような埋め込み層III-Ｖデバイスの性
能は、半導体材料の品質によって大きく影響される。薄
い活性層又は境界層における転位を含む欠陥は、レーザ
光放射、トランジスタ利得及び一般的なデバイスの機能
性に実質的な影響を及ぼす。多くのこのようなデバイス
は有用なアプリケーションを持つために、実質的に欠陥
のないように製造しなければならない。埋め込み層III-
ＶデバイスとＩＩＬＤとの組合せは、見てきたように、
上記AlGaAs系以外の系をも含む多くの状況の下で望まし
くない欠陥を生み出す傾向がある。
能は、半導体材料の品質によって大きく影響される。薄
い活性層又は境界層における転位を含む欠陥は、レーザ
光放射、トランジスタ利得及び一般的なデバイスの機能
性に実質的な影響を及ぼす。多くのこのようなデバイス
は有用なアプリケーションを持つために、実質的に欠陥
のないように製造しなければならない。埋め込み層III-
ＶデバイスとＩＩＬＤとの組合せは、見てきたように、
上記AlGaAs系以外の系をも含む多くの状況の下で望まし
くない欠陥を生み出す傾向がある。
【０００５】格子パラメータが２元構成成分の割合に強
く依存する、複雑なIII-Ｖ合金系では、構成成分の相互
拡散率を高めるプロセスが結晶内に実質的なひずみを生
みだし、スレッディング転位及びミスフィット転位構造
に潜在的に導く。これは特に、GaInP/GaAs界面での場合
のように、格子パラメータマッチングがIII 族及びＶ族
の格子構成成分における勾配を通して達成された場合に
起こる。このような場合、III 族及びＶ族の両サイトで
の上昇相互拡散率が等しい場合には、界面を横切る相互
拡散の間に生じる格子のひずみは最小である。相対的な
相互拡散率は典型的に、ＶａIII あるいはＩIII のよう
な様々な点欠陥種の密度の関数であるので、これを制御
することは難しい。これらの点欠陥は典型的に、基本的
に異なる方法で、III-サイトやＶ- サイト上の拡散に影
響を及ぼす。しかしながら、AlInP 、InGaAsP のような
P を混入するこのような構造、又はInGaP 層は、特に可
視又は赤外線の、AlGaAsと共に利用できない波長範囲で
放射する光放射レーザを結果として生じるので、バンド
ギャップ特性の結果として非常に望ましい成分である。
可視範囲での放射は、ＲＯＳ等のアプリケーションにと
って特に重要である。例えば、１９８５年１１月１５日
発行のApp. Phys. Lett.、47(10)、1027-1028 ページに
掲載されたIkeda 他による論文を取り上げると、GaAs基
板上に成長したGaInP/AlGaInP における室温ＣＷ短波長
ＤＨレーザの組立について記載されており、その論文の
内容をここに参照のため挿入した。
く依存する、複雑なIII-Ｖ合金系では、構成成分の相互
拡散率を高めるプロセスが結晶内に実質的なひずみを生
みだし、スレッディング転位及びミスフィット転位構造
に潜在的に導く。これは特に、GaInP/GaAs界面での場合
のように、格子パラメータマッチングがIII 族及びＶ族
の格子構成成分における勾配を通して達成された場合に
起こる。このような場合、III 族及びＶ族の両サイトで
の上昇相互拡散率が等しい場合には、界面を横切る相互
拡散の間に生じる格子のひずみは最小である。相対的な
相互拡散率は典型的に、ＶａIII あるいはＩIII のよう
な様々な点欠陥種の密度の関数であるので、これを制御
することは難しい。これらの点欠陥は典型的に、基本的
に異なる方法で、III-サイトやＶ- サイト上の拡散に影
響を及ぼす。しかしながら、AlInP 、InGaAsP のような
P を混入するこのような構造、又はInGaP 層は、特に可
視又は赤外線の、AlGaAsと共に利用できない波長範囲で
放射する光放射レーザを結果として生じるので、バンド
ギャップ特性の結果として非常に望ましい成分である。
可視範囲での放射は、ＲＯＳ等のアプリケーションにと
って特に重要である。例えば、１９８５年１１月１５日
発行のApp. Phys. Lett.、47(10)、1027-1028 ページに
掲載されたIkeda 他による論文を取り上げると、GaAs基
板上に成長したGaInP/AlGaInP における室温ＣＷ短波長
ＤＨレーザの組立について記載されており、その論文の
内容をここに参照のため挿入した。
【０００６】１９８８年発行のAppl. Phys. Lett. 、Vo
l. 53 、No. 12の1051-1053 ページに掲載された「Zn又
はSi拡散により誘導したInGaAs/InP超格子のミキシング
（InGaAs/InP Superlattice Mixing Induced By Zn or
Si Diffusion）の論文において、InGaAs/InP系におい
て、個々の層の厚さが約6-7 nm以下に維持されたなら
ば、超格子構造の組立において、3.1%の格子ミスマッチ
が混合超格子に存在しても、検査される超格子層に観察
できる欠陥を生じないことがSchwarz 他によって観察さ
れたと記している。しかしながら、この教えは一番底の
層又は基板を除き、薄層によって境界づけられた薄層の
連続である、超格子構造に適用されることが理解されよ
う。超格子構造は通常半導体レーザ又はトランジスター
デバイスを製造するためには使用されず、適正で効果的
なデバイス操作のためには、一つかそれ以上の薄層が厚
い層によって両側で境界づけられる必要があり、更に、
デバイスが適正に操作するためには、境を接する厚い層
は欠陥があってはならない。Schwarz 他による論文はこ
うしたことを如何にして達成するかについては教示して
おらず、論文に記述された一つの系以外のIII-Ｖ系につ
いても教示していない。InGaAs/InP系は、その合成系が
遠くの赤外線領域において放射するような、可視光放射
レーザダイオードには向いていない。
l. 53 、No. 12の1051-1053 ページに掲載された「Zn又
はSi拡散により誘導したInGaAs/InP超格子のミキシング
（InGaAs/InP Superlattice Mixing Induced By Zn or
Si Diffusion）の論文において、InGaAs/InP系におい
て、個々の層の厚さが約6-7 nm以下に維持されたなら
ば、超格子構造の組立において、3.1%の格子ミスマッチ
が混合超格子に存在しても、検査される超格子層に観察
できる欠陥を生じないことがSchwarz 他によって観察さ
れたと記している。しかしながら、この教えは一番底の
層又は基板を除き、薄層によって境界づけられた薄層の
連続である、超格子構造に適用されることが理解されよ
う。超格子構造は通常半導体レーザ又はトランジスター
デバイスを製造するためには使用されず、適正で効果的
なデバイス操作のためには、一つかそれ以上の薄層が厚
い層によって両側で境界づけられる必要があり、更に、
デバイスが適正に操作するためには、境を接する厚い層
は欠陥があってはならない。Schwarz 他による論文はこ
うしたことを如何にして達成するかについては教示して
おらず、論文に記述された一つの系以外のIII-Ｖ系につ
いても教示していない。InGaAs/InP系は、その合成系が
遠くの赤外線領域において放射するような、可視光放射
レーザダイオードには向いていない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、III-
Ｖ合金材料のＩＩＬＤに依存し、実質的に有害な欠陥の
無い、埋め込み層半導体構造及びそれを製造する方法で
ある。
Ｖ合金材料のＩＩＬＤに依存し、実質的に有害な欠陥の
無い、埋め込み層半導体構造及びそれを製造する方法で
ある。
【０００８】本発明の他の目的は、III とＶ両構成成分
における変化を含み、界面を横切ってＩＩＬＤが発生す
るとき、III-Ｖ半導体合金材料の中のひずみと欠陥の発
生を最小限にすることである。
における変化を含み、界面を横切ってＩＩＬＤが発生す
るとき、III-Ｖ半導体合金材料の中のひずみと欠陥の発
生を最小限にすることである。
【０００９】更に本発明の目的は、薄い埋め込み活性層
の中の構成成分としてＰを使用する結果として、性能の
良いAlGaAsに基づく可視光放射レーザ構造である。
の中の構成成分としてＰを使用する結果として、性能の
良いAlGaAsに基づく可視光放射レーザ構造である。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明の一つの局面によ
れば、III 族及びＶ族の両構成成分に変化がある界面を
横切ってＩＩＬＤが発生するとき、典型的に生じる欠陥
及び転位発生問題は、全ての薄層がこのような界面を、
層が相互拡散されるときに生じるひずみのある層に対す
る臨界厚み以下に制限し続けることによって解決され
る。このアプローチは、埋め込み活性薄層が四要素から
成る合金AlGaInP である、可視光放射レーザ構造の製造
に対して、大きな利点を有することが立証された。しか
しながら、本発明はこのアプリケーションに制限されな
い。なぜなら、このようなIII-Ｖ合金成分は、欠陥又は
転位の存在によって性能が損なわれる他の埋め込み層ア
プリケーションに有用であるからであり、このような他
の材料及びアプリケーションを本発明の範囲に含むこと
が目的である。
れば、III 族及びＶ族の両構成成分に変化がある界面を
横切ってＩＩＬＤが発生するとき、典型的に生じる欠陥
及び転位発生問題は、全ての薄層がこのような界面を、
層が相互拡散されるときに生じるひずみのある層に対す
る臨界厚み以下に制限し続けることによって解決され
る。このアプローチは、埋め込み活性薄層が四要素から
成る合金AlGaInP である、可視光放射レーザ構造の製造
に対して、大きな利点を有することが立証された。しか
しながら、本発明はこのアプリケーションに制限されな
い。なぜなら、このようなIII-Ｖ合金成分は、欠陥又は
転位の存在によって性能が損なわれる他の埋め込み層ア
プリケーションに有用であるからであり、このような他
の材料及びアプリケーションを本発明の範囲に含むこと
が目的である。
【００１１】４要素から成るAlGaInP に基づくレーザ構
造を組み立てる際に、後者は比較的低い熱伝導率を持っ
ているらしく、それはレーザの活動を励起するために使
用される励振電流量を制限する。本発明の別の局面によ
れば、この問題はレーザ構造に含まれるAlGaInP 材料の
量を最小限にすることによって軽減されるか、解決さ
れ、これらの材料を臨界活性層のみに制限し、光学導波
及びキャリア境界層の大部分にAlGaAsを使用する。
造を組み立てる際に、後者は比較的低い熱伝導率を持っ
ているらしく、それはレーザの活動を励起するために使
用される励振電流量を制限する。本発明の別の局面によ
れば、この問題はレーザ構造に含まれるAlGaInP 材料の
量を最小限にすることによって軽減されるか、解決さ
れ、これらの材料を臨界活性層のみに制限し、光学導波
及びキャリア境界層の大部分にAlGaAsを使用する。
【００１２】AlInP はAlGaInP 合金系の最低屈折率を提
供するので、その導波管の性質にとって望ましい。しか
しながら、AlInP を使用する半導体構造を組み立てる際
に、導電率の望ましい性質を得るために、前記材料にお
いてｐ型ドーピングの高レベルを達成することが困難で
あるという問題が生じる。本発明の別の局面によれば、
この問題はAlInP 層を高アルミニウム合成品であって匹
敵する屈折率を有するAlGaAs層と置き換えることによっ
て解決できる。
供するので、その導波管の性質にとって望ましい。しか
しながら、AlInP を使用する半導体構造を組み立てる際
に、導電率の望ましい性質を得るために、前記材料にお
いてｐ型ドーピングの高レベルを達成することが困難で
あるという問題が生じる。本発明の別の局面によれば、
この問題はAlInP 層を高アルミニウム合成品であって匹
敵する屈折率を有するAlGaAs層と置き換えることによっ
て解決できる。
【００１３】本発明のこれら及び更に他の目的及び利点
は、添付図面に関連して行われる発明の数種の態様の詳
細な説明から理解できるであろう。
は、添付図面に関連して行われる発明の数種の態様の詳
細な説明から理解できるであろう。
【００１４】
【実施例】不純物誘導層無秩序置換（ＩＩＬＤ）がAlGa
As系において実施される場合、２つの２元構成成分であ
るGaAsとAlAsの格子定数間の近接した類似性の結果とし
て、ひずみによって運ばれる非整合材の欠陥含有層が発
生する可能性はない。他方、可視光放射AlGaInP 材料に
おいては、合金の格子パラメータは３つの２元構成成分
である、AlP 、GaP 、InP 間の構成割合に強く依存す
る。更に、この合金は通常GaAs基板にマッチした成長格
子であるので、多くの場合、光学デバイスの設計はAlGa
AsとAlGaInP 間の界面を利用する構造を含んでいる。こ
のような場合、このような界面を横切るＩＩＬＤに基づ
くデバイスは、界面におけるひずみの発生を避けるた
め、III 族とＶ族両の副格子上での均一で同とき発生的
な無秩序置換を必要とする。
As系において実施される場合、２つの２元構成成分であ
るGaAsとAlAsの格子定数間の近接した類似性の結果とし
て、ひずみによって運ばれる非整合材の欠陥含有層が発
生する可能性はない。他方、可視光放射AlGaInP 材料に
おいては、合金の格子パラメータは３つの２元構成成分
である、AlP 、GaP 、InP 間の構成割合に強く依存す
る。更に、この合金は通常GaAs基板にマッチした成長格
子であるので、多くの場合、光学デバイスの設計はAlGa
AsとAlGaInP 間の界面を利用する構造を含んでいる。こ
のような場合、このような界面を横切るＩＩＬＤに基づ
くデバイスは、界面におけるひずみの発生を避けるた
め、III 族とＶ族両の副格子上での均一で同とき発生的
な無秩序置換を必要とする。
【００１５】この言説はコンピュータによって立証され
る。図２において、III-Ｖ族合金の族III とＶ族の副格
子上に同じ率で相互拡散が発生する層構造において、こ
のような相互拡散を達成するためプロセスが開発された
と仮定して、ひずみに対する位置及びとき間が示されて
いる。このように、ＤIII ／ＤV ＝１である。Ｘ軸（水
平）は位置±20 nm にある、界面を横切る位置を表す。
Ｙ軸（垂直）はフラクションミスマッチを表し、Ｚ軸
（右に角をなす）は秒で測定した拡散とき間のベース１
０に対する対数を表す。計算では、40 nm の厚さの層で
は、最大ひずみはたったの200 ppm である。
る。図２において、III-Ｖ族合金の族III とＶ族の副格
子上に同じ率で相互拡散が発生する層構造において、こ
のような相互拡散を達成するためプロセスが開発された
と仮定して、ひずみに対する位置及びとき間が示されて
いる。このように、ＤIII ／ＤV ＝１である。Ｘ軸（水
平）は位置±20 nm にある、界面を横切る位置を表す。
Ｙ軸（垂直）はフラクションミスマッチを表し、Ｚ軸
（右に角をなす）は秒で測定した拡散とき間のベース１
０に対する対数を表す。計算では、40 nm の厚さの層で
は、最大ひずみはたったの200 ppm である。
【００１６】しかしながら、図２は残念ながら、実世界
の状況を表してはいない。実世界では、従来の材料とド
ーピングエージェントを用いて、III サイト用の相互拡
散率はＶ族サイトの相応する率より大きな２のオーダー
である。その結果、同じ40 nm の厚さの層において、相
互拡散率ＤIII ／ＤV ＝１１５で、図２に示した同じ条
件では、最大ひずみは図３のコンピュータシミュレーシ
ョンに示すように、10,000 ppmのオーダーまで跳ね上が
る。この場合、欠陥の発生が起こると思われる。公知の
ように、欠陥又は転位は、特に光放射特性を含む材料の
多くの性質を損ねることになる。
の状況を表してはいない。実世界では、従来の材料とド
ーピングエージェントを用いて、III サイト用の相互拡
散率はＶ族サイトの相応する率より大きな２のオーダー
である。その結果、同じ40 nm の厚さの層において、相
互拡散率ＤIII ／ＤV ＝１１５で、図２に示した同じ条
件では、最大ひずみは図３のコンピュータシミュレーシ
ョンに示すように、10,000 ppmのオーダーまで跳ね上が
る。この場合、欠陥の発生が起こると思われる。公知の
ように、欠陥又は転位は、特に光放射特性を含む材料の
多くの性質を損ねることになる。
【００１７】本発明の実施例によれば、厚い層によって
境界づけられた即ち挟着された活性層から成る埋め込み
層半導体構造において、薄層の厚さを臨界量以下に維持
することによって、結果として生じるストレスの量を、
有害な欠陥又は転位が発生するレベル以下に減少させる
ことができる。Ｐ含有III-Ｖ層にとって、層の厚みは約
8 nm又はそれ以下であることが好ましい。約8 nm又はそ
れ以下の厚さの格子整合層では、欠陥又は転位を発生さ
せることなく、ＩＩＬＤによって如何なる量の無秩序置
換も実施することができる。しかしながら、本発明は8
nmの厚さの層に制限されることはなく、層が成長したと
き、相互拡散の間に生じるひずみに対抗する層の中に、
ひずみができるので、欠陥が発生する前に、これらの層
の最大厚みを増加させる。
境界づけられた即ち挟着された活性層から成る埋め込み
層半導体構造において、薄層の厚さを臨界量以下に維持
することによって、結果として生じるストレスの量を、
有害な欠陥又は転位が発生するレベル以下に減少させる
ことができる。Ｐ含有III-Ｖ層にとって、層の厚みは約
8 nm又はそれ以下であることが好ましい。約8 nm又はそ
れ以下の厚さの格子整合層では、欠陥又は転位を発生さ
せることなく、ＩＩＬＤによって如何なる量の無秩序置
換も実施することができる。しかしながら、本発明は8
nmの厚さの層に制限されることはなく、層が成長したと
き、相互拡散の間に生じるひずみに対抗する層の中に、
ひずみができるので、欠陥が発生する前に、これらの層
の最大厚みを増加させる。
【００１８】このような界面での相互拡散プロセスの広
範なモデリングは、最初の格子整合サンプルにおいて相
互拡散が進むにつれて、ひずみ範囲のときを越えた成長
を明白に示している。相互拡散率の適当な組合せで、こ
のひずみの大きさは、最初殆ど完全な格子マッチにある
サンプルにおいて、容易に３％を越える。III 族及びＶ
族の相互拡散のために実際の増加相互拡散率を測定する
ために実施される実験において、例えば、850CでのSi増
加相互拡散の場合、III 族の相互拡散率は位Vの相互拡
散の約100 倍である。この不均衡は相互拡散プロセスの
間に、界面及び層にかなりのひずみを生じさせることが
示されている。更に、Si拡散によって隣接するGaAsの層
に異なる厚さのGalnP の層を相互拡散させることによ
り、我々のモデルの有効性を確立するための実験を実施
した。その結果、結果として生じるミスフィット転位及
びスレディング転位の密度は、層の厚さに強く依存する
こと、またGaInP 層の臨界厚みがあり、それ以下では相
互拡散プロセスの間に如何なる欠陥も生じないことが見
い出された。この結果は、ここで示されたひずみ及び相
互拡散モデルと組み合わせた従来の臨界厚み分析によっ
て説明できる。
範なモデリングは、最初の格子整合サンプルにおいて相
互拡散が進むにつれて、ひずみ範囲のときを越えた成長
を明白に示している。相互拡散率の適当な組合せで、こ
のひずみの大きさは、最初殆ど完全な格子マッチにある
サンプルにおいて、容易に３％を越える。III 族及びＶ
族の相互拡散のために実際の増加相互拡散率を測定する
ために実施される実験において、例えば、850CでのSi増
加相互拡散の場合、III 族の相互拡散率は位Vの相互拡
散の約100 倍である。この不均衡は相互拡散プロセスの
間に、界面及び層にかなりのひずみを生じさせることが
示されている。更に、Si拡散によって隣接するGaAsの層
に異なる厚さのGalnP の層を相互拡散させることによ
り、我々のモデルの有効性を確立するための実験を実施
した。その結果、結果として生じるミスフィット転位及
びスレディング転位の密度は、層の厚さに強く依存する
こと、またGaInP 層の臨界厚みがあり、それ以下では相
互拡散プロセスの間に如何なる欠陥も生じないことが見
い出された。この結果は、ここで示されたひずみ及び相
互拡散モデルと組み合わせた従来の臨界厚み分析によっ
て説明できる。
【００１９】本発明のこの局面に基づく埋め込み層半導
体構造は、異なるIII 族及びＶ族の成分の層によって、
ＩＩＬＤがIII 族及びＶ族サイト上で実質的に異なる相
互拡散率で進行するように、臨界オプトエレクトロニク
機能を果たす薄層によって特徴づけられる。このような
薄い境界層は欠陥形成の故に、臨界厚み以下の厚みでな
ければならない。可視光放射レーザアプリケーションに
おいて、この薄い埋め込み層は、典型的にＰ含有量子ウ
ェル活性層である。４要素から成る合金、AlGaInP はこ
のアプリケーション用には8 nm以下の層の厚みであるこ
とが好ましい。下記において更に説明するように、薄層
を欠陥のないように維持することは、それ自体効率的に
作動する埋め込み層デバイスを保証しはしない。更に、
デバイスの性能にとって重要な厚い境界層が欠陥を持た
ないことが重要である。
体構造は、異なるIII 族及びＶ族の成分の層によって、
ＩＩＬＤがIII 族及びＶ族サイト上で実質的に異なる相
互拡散率で進行するように、臨界オプトエレクトロニク
機能を果たす薄層によって特徴づけられる。このような
薄い境界層は欠陥形成の故に、臨界厚み以下の厚みでな
ければならない。可視光放射レーザアプリケーションに
おいて、この薄い埋め込み層は、典型的にＰ含有量子ウ
ェル活性層である。４要素から成る合金、AlGaInP はこ
のアプリケーション用には8 nm以下の層の厚みであるこ
とが好ましい。下記において更に説明するように、薄層
を欠陥のないように維持することは、それ自体効率的に
作動する埋め込み層デバイスを保証しはしない。更に、
デバイスの性能にとって重要な厚い境界層が欠陥を持た
ないことが重要である。
【００２０】ひずみ強化と根本的な欠陥形成のプロセス
の徹底的な分析のため、臨界厚みを計算する際に含まれ
るエネルギーの考察分析に沿って、１９９２年に既に発
行されている題名「GaAsのAl0.5In0.5P への相互拡散中
のひずみと欠陥の発生」の論文を見てみることにする。
の徹底的な分析のため、臨界厚みを計算する際に含まれ
るエネルギーの考察分析に沿って、１９９２年に既に発
行されている題名「GaAsのAl0.5In0.5P への相互拡散中
のひずみと欠陥の発生」の論文を見てみることにする。
【００２１】本発明が適用される埋め込み層デバイスク
ラスの種類に関する例が、図６と７に示されており、そ
れは１９９１年のSPIE論文の図３と６に相応する。図６
はＩＩＬＤにより組み立てられる公知の典型的な埋め込
み層ヘテロ構造レーザを示す。ハッチングは図中で説明
され、主要な層にラベルを付けている。この場合、活性
薄層５０は多重量子ウェル層で構成され、各々は典型的
に80Å（8 nm）の厚さである。薄い活性層５０は両サイ
ドで厚いAlGaAsクラッディング層５１、５２によって境
界付けられている。厚い５クラッディング層は常に45 n
m の厚さを越え、通常これより厚い。前述したように、
基板５４としてGaAsを用いることにより、AlGaAsクラッ
ディング層５１、５２は基板５４に密接に格子整合さ
れ、厚い境界層５１、５２に欠陥が発生する危険がな
い。
ラスの種類に関する例が、図６と７に示されており、そ
れは１９９１年のSPIE論文の図３と６に相応する。図６
はＩＩＬＤにより組み立てられる公知の典型的な埋め込
み層ヘテロ構造レーザを示す。ハッチングは図中で説明
され、主要な層にラベルを付けている。この場合、活性
薄層５０は多重量子ウェル層で構成され、各々は典型的
に80Å（8 nm）の厚さである。薄い活性層５０は両サイ
ドで厚いAlGaAsクラッディング層５１、５２によって境
界付けられている。厚い５クラッディング層は常に45 n
m の厚さを越え、通常これより厚い。前述したように、
基板５４としてGaAsを用いることにより、AlGaAsクラッ
ディング層５１、５２は基板５４に密接に格子整合さ
れ、厚い境界層５１、５２に欠陥が発生する危険がな
い。
【００２２】図７はハイブリッドレーザ／トランジスタ
ーデバイス埋め込み層構造を示す。レーザはいわゆる表
面スキミング層であり、トランジスタは横からのヘテロ
接合バイポーラトランジスタである。両者共、横からの
電流を介して、ラベルによって図中に示されるSi拡散ｎ
型領域を通して作用する。レーザ用の薄い活性領域６０
は量子ウェル層から成る。トランジスター用の薄い活性
領域６１は基礎領域である。薄い活性領域６０、６１
は、デバイスの優れた性能のため欠陥が無い厚い領域６
３、６４によって、両サイドで境界付けられる。
ーデバイス埋め込み層構造を示す。レーザはいわゆる表
面スキミング層であり、トランジスタは横からのヘテロ
接合バイポーラトランジスタである。両者共、横からの
電流を介して、ラベルによって図中に示されるSi拡散ｎ
型領域を通して作用する。レーザ用の薄い活性領域６０
は量子ウェル層から成る。トランジスター用の薄い活性
領域６１は基礎領域である。薄い活性領域６０、６１
は、デバイスの優れた性能のため欠陥が無い厚い領域６
３、６４によって、両サイドで境界付けられる。
【００２３】本発明の埋め込み層デバイスには数種類の
薄い埋め込み層がある。図６に示すように、それらがお
互いに密着した場合、その全体の厚さは臨界最大厚みを
越えてはならない。２種又はそれ以上の薄い層がお互い
に連絡がないように、分離されている場合、最大厚みの
要件は各々の層に別々に適用される。
薄い埋め込み層がある。図６に示すように、それらがお
互いに密着した場合、その全体の厚さは臨界最大厚みを
越えてはならない。２種又はそれ以上の薄い層がお互い
に連絡がないように、分離されている場合、最大厚みの
要件は各々の層に別々に適用される。
【００２４】多重埋め込み薄層が望ましい理由は、各々
の層が同じ機能又は別の機能を果たすことができるから
である。例えば、多重薄層は光放射特性を決定する多重
量子ウェル活性領域として作用することができる。例え
ば、GaInP の薄層によって、バンドギャップはかなり高
く、例えば1.91 eV となり、レーザダイオードは可視光
の範囲で放射する。
の層が同じ機能又は別の機能を果たすことができるから
である。例えば、多重薄層は光放射特性を決定する多重
量子ウェル活性領域として作用することができる。例え
ば、GaInP の薄層によって、バンドギャップはかなり高
く、例えば1.91 eV となり、レーザダイオードは可視光
の範囲で放射する。
【００２５】更に、薄層はキャリアコンファインメント
又は光導波の機能を果たすことができ、その場合、キャ
リアーが量子ウェル層から漏れるのを防止するため、量
子ウェル層のバンドギャップより高いバンドギャップを
提供する組成が必要となる。光学導波の観点から、バン
ドギャップの差が充分でない場合、導波モードは弱すぎ
て、光学視野が遠くまで広がりすぎ、活性レージング層
での光の供給が役に立たなくなる。
又は光導波の機能を果たすことができ、その場合、キャ
リアーが量子ウェル層から漏れるのを防止するため、量
子ウェル層のバンドギャップより高いバンドギャップを
提供する組成が必要となる。光学導波の観点から、バン
ドギャップの差が充分でない場合、導波モードは弱すぎ
て、光学視野が遠くまで広がりすぎ、活性レージング層
での光の供給が役に立たなくなる。
【００２６】これらの望ましい結果は、欠陥のない構造
を持った好ましい実施例において容易に得ることがで
き、その場合、各々の埋め込み薄層は厚さが45 nm 以上
の厚い層によって完全に境界付けられ、基板に対して実
質的に格子整合される。
を持った好ましい実施例において容易に得ることがで
き、その場合、各々の埋め込み薄層は厚さが45 nm 以上
の厚い層によって完全に境界付けられ、基板に対して実
質的に格子整合される。
【００２７】図１は発明の一つの局面による量子ウェル
レーザの１実施例を示す。基本的な結合構造は、その後
の処理中に欠陥が発生する原因となる過度のひずみを避
けるため、組成的に修正され、また層の厚さが修正され
た先行技術の縞のあるレーザ構造に基づいている。図示
されたレーザの例は、これに制限されることはないが、
従来の組立技術によって製造される、以下に述べる領域
と機能を持った半導体の本体部分２０から成る。本例に
おいて、例えばGaAsの単一結晶基板２１には、その上に
エピタキシャルに成長した、AlGaAs等のクラッディング
層２２；AlGaInP 等の第１のＰ含有埋め込み層２３；Al
GaAs等の第一の広いバンドギャップ導波境界層２４；Ga
InP 等の薄い量子ウェル層２５；AlGaAs等の第２の広い
バンドギャップ導波境界層２６；AlGaInP 等の第２のＰ
含有空乏層２７；AlGaAs等の別のクラッディング層２
８；及びGaAs等の２つのキャップ層２９、３０が順に設
けられている。本例において、薄いＱＷ層２５は両サイ
ドで厚い導波境界層２４、２６によって境界付けられて
いる。埋め込み薄層２３、２７はその内側で厚い導波境
界層２４、２６によって各々境界付けられ、その外側で
厚いクラッディング層２２、２８によって境界付けられ
ている。GaAs基板２１によって、前述のAlGaAsから成る
４つの厚い層２２、２４、２６、２８は、全て基板と格
子整合され、それ故ディフェクトフリーである。
レーザの１実施例を示す。基本的な結合構造は、その後
の処理中に欠陥が発生する原因となる過度のひずみを避
けるため、組成的に修正され、また層の厚さが修正され
た先行技術の縞のあるレーザ構造に基づいている。図示
されたレーザの例は、これに制限されることはないが、
従来の組立技術によって製造される、以下に述べる領域
と機能を持った半導体の本体部分２０から成る。本例に
おいて、例えばGaAsの単一結晶基板２１には、その上に
エピタキシャルに成長した、AlGaAs等のクラッディング
層２２；AlGaInP 等の第１のＰ含有埋め込み層２３；Al
GaAs等の第一の広いバンドギャップ導波境界層２４；Ga
InP 等の薄い量子ウェル層２５；AlGaAs等の第２の広い
バンドギャップ導波境界層２６；AlGaInP 等の第２のＰ
含有空乏層２７；AlGaAs等の別のクラッディング層２
８；及びGaAs等の２つのキャップ層２９、３０が順に設
けられている。本例において、薄いＱＷ層２５は両サイ
ドで厚い導波境界層２４、２６によって境界付けられて
いる。埋め込み薄層２３、２７はその内側で厚い導波境
界層２４、２６によって各々境界付けられ、その外側で
厚いクラッディング層２２、２８によって境界付けられ
ている。GaAs基板２１によって、前述のAlGaAsから成る
４つの厚い層２２、２４、２６、２８は、全て基板と格
子整合され、それ故ディフェクトフリーである。
【００２８】点線３２内の向かい合った領域は、これら
の領域内のＩＩＬＤのプロセス中に伝播する転位効果の
影響によって影響される領域を示す。しかしながら、番
号３３で示される中央領域は無秩序置換されず、最初に
置かれたのと同じ状態のままである。両サイドに形成さ
れる無秩序置換される領域は、望ましい高バンドギャッ
プp-n 接合と、中央領域の屈折率に比べて低い屈折率を
持つ領域を形成し、その結果、レーザ２０の部分３６の
間のチャネル３５によって限定される指標導波領域の望
ましい形成が行われる。上記米国特許第４，９８０，８
９３号はこれらの領域の機能を詳細に説明している。
の領域内のＩＩＬＤのプロセス中に伝播する転位効果の
影響によって影響される領域を示す。しかしながら、番
号３３で示される中央領域は無秩序置換されず、最初に
置かれたのと同じ状態のままである。両サイドに形成さ
れる無秩序置換される領域は、望ましい高バンドギャッ
プp-n 接合と、中央領域の屈折率に比べて低い屈折率を
持つ領域を形成し、その結果、レーザ２０の部分３６の
間のチャネル３５によって限定される指標導波領域の望
ましい形成が行われる。上記米国特許第４，９８０，８
９３号はこれらの領域の機能を詳細に説明している。
【００２９】図示した構造は、縞３８を形成するための
キャップを通しての、精選プロトン又はイオン注入によ
る通常の方法で完成される。レーザは上部及び下部に通
常の金属メッキ接触面３９と４０を置くことによって完
成される。
キャップを通しての、精選プロトン又はイオン注入によ
る通常の方法で完成される。レーザは上部及び下部に通
常の金属メッキ接触面３９と４０を置くことによって完
成される。
【００３０】図平面に平行した前部及び後部サイドは通
常の反射面を形成するため、追加される透明反射被膜で
強く結合される。接続４２を介して電流が印加される
と、構造はチャネル３５に沿って図平面に垂直な光出力
でレーズする。
常の反射面を形成するため、追加される透明反射被膜で
強く結合される。接続４２を介して電流が印加される
と、構造はチャネル３５に沿って図平面に垂直な光出力
でレーズする。
【００３１】この構造は発明を実施するために使用でき
る数多くの公知のレーザの結合構造の一つにすぎず、本
発明はこれに制限されないことが理解されるであろう。
例えば、単一又は多重量子ウェル構造が使用できる。そ
の他の例は上記において参照した特許に示されている。
る数多くの公知のレーザの結合構造の一つにすぎず、本
発明はこれに制限されないことが理解されるであろう。
例えば、単一又は多重量子ウェル構造が使用できる。そ
の他の例は上記において参照した特許に示されている。
【００３２】図４は発明によるデバイス結合構造を右側
で詳細に示し、比較のため、左側に参照したIkeda の論
文に記されたものに対応する従来の先行技術の構造を示
す。重要な場合、屈折率及び厚さが特別な組成のために
指示されるが、本発明はこれらの特記される値に制限さ
れない。右側に示すのと同じ参照番号を図１においても
使用し、提供する番号を左側の対応する部分にも使用す
る。
で詳細に示し、比較のため、左側に参照したIkeda の論
文に記されたものに対応する従来の先行技術の構造を示
す。重要な場合、屈折率及び厚さが特別な組成のために
指示されるが、本発明はこれらの特記される値に制限さ
れない。右側に示すのと同じ参照番号を図１においても
使用し、提供する番号を左側の対応する部分にも使用す
る。
【００３３】両方の構造は、非常に類似した導波特性を
有し、主として約650 nmで可視範囲で放射する単一量子
ウェルＤＨレーザ構造を結果として生じる。左側の従来
の構造は、GaInP の薄い80Åのウェル層２５と境を接す
る比較的厚い（0.2 mm）AlGaInP 導波管２４’、２６’
を使用する。
有し、主として約650 nmで可視範囲で放射する単一量子
ウェルＤＨレーザ構造を結果として生じる。左側の従来
の構造は、GaInP の薄い80Åのウェル層２５と境を接す
る比較的厚い（0.2 mm）AlGaInP 導波管２４’、２６’
を使用する。
【００３４】対照的に、右側の本発明の構造は、両サイ
ドの厚いＰ含有層２４’、２６’の代わりに、比較的薄
い80ÅのAlGaInP 埋め込み層２３、２７とより厚い700
ÅのＰ非含有AlGaAs層２４、２６の組合せを使用する。
ドの厚いＰ含有層２４’、２６’の代わりに、比較的薄
い80ÅのAlGaInP 埋め込み層２３、２７とより厚い700
ÅのＰ非含有AlGaAs層２４、２６の組合せを使用する。
【００３５】本発明のこの局面による、結果として生じ
るレーザ構造はＩＩＬＤ界面を形成する薄い（80Å）Al
GaInP 埋め込み層とGaInP 量子ウェルによる欠陥発生を
避けるばかりでなく、これらの層が必要とするキャリア
コンファインメント機能及び幅広い直接のバンドギャッ
プ光放射機能を犠牲にするのは最小限に抑えて、リン含
有合金層に最小限度の厚みを提供するという重要な利点
をも有している。AlGaAsが置換されるという事実の故
に、また間接的ではあるが、非常に初期の直接・間接の
推移と達成可能な幾分低めの最大バンドギャップを有す
るにもかかわらず、AlGaInP のバンドギャップに匹敵す
る大きさのバンドギャップがAlGaAsにおいて達成できる
ので、こうした結果が可能となる。ここから、厚いAlGa
InP 層によって事前に備えられる機能性のいくつかは、
同じようなひずみの発生問題を呈しない比較的厚いAlGa
As層２４、２６によって供給される。これにより、レー
ザの性能を犠牲にすることは最小限に抑えられる。
るレーザ構造はＩＩＬＤ界面を形成する薄い（80Å）Al
GaInP 埋め込み層とGaInP 量子ウェルによる欠陥発生を
避けるばかりでなく、これらの層が必要とするキャリア
コンファインメント機能及び幅広い直接のバンドギャッ
プ光放射機能を犠牲にするのは最小限に抑えて、リン含
有合金層に最小限度の厚みを提供するという重要な利点
をも有している。AlGaAsが置換されるという事実の故
に、また間接的ではあるが、非常に初期の直接・間接の
推移と達成可能な幾分低めの最大バンドギャップを有す
るにもかかわらず、AlGaInP のバンドギャップに匹敵す
る大きさのバンドギャップがAlGaAsにおいて達成できる
ので、こうした結果が可能となる。ここから、厚いAlGa
InP 層によって事前に備えられる機能性のいくつかは、
同じようなひずみの発生問題を呈しない比較的厚いAlGa
As層２４、２６によって供給される。これにより、レー
ザの性能を犠牲にすることは最小限に抑えられる。
【００３６】再び強調するが、特別の組成、屈折率、バ
ンドギャップ、及び層の厚さが図４の例に示されている
が、本発明はこれに制限されない。大部分の値は従来の
ものであり、本発明の精神及び範囲を逸脱することな
く、他の組成及び厚みで置き換えられることが当業者に
は理解できるであろう。維持しなければならない重要な
要素は、リン含有埋め込み層及び活性層を材料の臨界厚
み、つまり約8 nm又はそれ以下に保ち、厚い境界層もデ
ィフェクトフリーに維持するということである。厚い層
は45 nm を越える厚さである。今までに例示した例で
は、70 nm の厚さである。好ましい範囲は45-140 nm で
あるが、上限を越えても良い。
ンドギャップ、及び層の厚さが図４の例に示されている
が、本発明はこれに制限されない。大部分の値は従来の
ものであり、本発明の精神及び範囲を逸脱することな
く、他の組成及び厚みで置き換えられることが当業者に
は理解できるであろう。維持しなければならない重要な
要素は、リン含有埋め込み層及び活性層を材料の臨界厚
み、つまり約8 nm又はそれ以下に保ち、厚い境界層もデ
ィフェクトフリーに維持するということである。厚い層
は45 nm を越える厚さである。今までに例示した例で
は、70 nm の厚さである。好ましい範囲は45-140 nm で
あるが、上限を越えても良い。
【００３７】図４の構造において、従来（左側）の構造
及び減少した厚みの位V のリン構造（右側）は、非常に
類似した導波特性で650 nmで放射する。減少した位V-P
構造は、必要なキャリアコンファインメントを達成する
ため、広いギャップの空乏層を必要とする。これらの層
は更に厚くても良く、又は無秩序置換の下の臨界厚み次
第で、Al.5Ga.5As導波管を取り替えても良い。上記のシ
ナリオにおいて、前記構造の全部の四要素から成る内容
は700 Å層によって分離された３つの80Å層である。
及び減少した厚みの位V のリン構造（右側）は、非常に
類似した導波特性で650 nmで放射する。減少した位V-P
構造は、必要なキャリアコンファインメントを達成する
ため、広いギャップの空乏層を必要とする。これらの層
は更に厚くても良く、又は無秩序置換の下の臨界厚み次
第で、Al.5Ga.5As導波管を取り替えても良い。上記のシ
ナリオにおいて、前記構造の全部の四要素から成る内容
は700 Å層によって分離された３つの80Å層である。
【００３８】AlGaInP 層の臨界厚みの一般的な減少は、
レーザ構造のヒートシンキングの改良にも有用である。
独立してアドレスできるレーザにとって最も望ましいこ
とだが、デバイスがｐ側を上にしてヒートシンクに取り
付けられるとき、これは特に重要な考察である。図５は
上記米国特許第４，９８０，８９３号に開示された型の
簡略化された２エレメントレーザアレイを概略的に示
し、ＣＷ操作のために半導体構造がｐ側を上にして取り
付けられている。図１と４に示した前記構造の詳細は、
図５から明白なので省略する。前記構造は底部に通常の
接触面４１を有したｎ型基板４０から成り、エピタキシ
ャルに成長した層４２もｎ型であるが、ｐドーピングエ
ージェントが拡散した無秩序置換された領域４３、４４
はｐ型であり、２つの電流ポンピングチャネル４８を限
定すると述べるだけで十分である。活性レージング領域
は番号４７で円で示し、p-n 接合は４９で示す。通常の
ヒートシンク４６が前記構造を支持する。構造に関して
より詳細に述べるには、上記米国特許第４，９８０，８
９３号を参照しなければならず、前記特許はｐ側を上に
した取り付けの利点を説明している。
レーザ構造のヒートシンキングの改良にも有用である。
独立してアドレスできるレーザにとって最も望ましいこ
とだが、デバイスがｐ側を上にしてヒートシンクに取り
付けられるとき、これは特に重要な考察である。図５は
上記米国特許第４，９８０，８９３号に開示された型の
簡略化された２エレメントレーザアレイを概略的に示
し、ＣＷ操作のために半導体構造がｐ側を上にして取り
付けられている。図１と４に示した前記構造の詳細は、
図５から明白なので省略する。前記構造は底部に通常の
接触面４１を有したｎ型基板４０から成り、エピタキシ
ャルに成長した層４２もｎ型であるが、ｐドーピングエ
ージェントが拡散した無秩序置換された領域４３、４４
はｐ型であり、２つの電流ポンピングチャネル４８を限
定すると述べるだけで十分である。活性レージング領域
は番号４７で円で示し、p-n 接合は４９で示す。通常の
ヒートシンク４６が前記構造を支持する。構造に関して
より詳細に述べるには、上記米国特許第４，９８０，８
９３号を参照しなければならず、前記特許はｐ側を上に
した取り付けの利点を説明している。
【００３９】本発明の特徴は、比較的厚いAlGaAs領域
（図４の２４、２６）を、先行技術の厚いAlGaInP 層
（図４の２４’、２６’）の代わりに、薄いAlGaInP 層
（図４の２３、２７）で置換することにより、AlGaAsの
熱伝導率がAlGaInP の熱伝導率よりも実質的に高いとい
う利点が得られることである。その結果、AlGaAsから作
られるレーザクラッディング層は、AlGaInP クラッディ
ング層に比べて改良されたヒートシンク容量を提供し、
それによって、信頼できるｐ- サイドアップ操作を達成
するために必要なレーザ変換効率の束縛を緩める。
（図４の２４、２６）を、先行技術の厚いAlGaInP 層
（図４の２４’、２６’）の代わりに、薄いAlGaInP 層
（図４の２３、２７）で置換することにより、AlGaAsの
熱伝導率がAlGaInP の熱伝導率よりも実質的に高いとい
う利点が得られることである。その結果、AlGaAsから作
られるレーザクラッディング層は、AlGaInP クラッディ
ング層に比べて改良されたヒートシンク容量を提供し、
それによって、信頼できるｐ- サイドアップ操作を達成
するために必要なレーザ変換効率の束縛を緩める。
【００４０】発明の他の特徴によれば、レーザ構造にお
ける４要素から成る層の全体の厚みを最小化するという
提案の別の利点は、前記デバイスは、ひずみの発生に関
して前述の束縛を受けやすい赤外線のＩＩＬＤデバイス
に使用されるものと類似した処理に従わねばならないと
いうことである。特に、層の電気特性及びドーピング特
性は、赤外線放射レーザデバイスにおけるものと同一で
ある。特例として挙げると、AlInp はその広いバンドギ
ャップの結果として、可視光放射レーザ系において高度
に望ましい成分である。しかしながら、効果的にｐ型を
ドープすることは、可視レーザ構造における全ての成分
の中で最も困難である。他方AlGaAsは、バンドギャップ
は（85% のAlにとって）幾分狭いが、匹敵する屈折率、
より優れた熱伝導性及び優れたｐ型ドーピングを有して
いる。この材料の狭いバンドギャップを克服するために
適切に設計された４要素から成る空乏層を用いて、その
有益な材料特性を大いに利用することができる。
ける４要素から成る層の全体の厚みを最小化するという
提案の別の利点は、前記デバイスは、ひずみの発生に関
して前述の束縛を受けやすい赤外線のＩＩＬＤデバイス
に使用されるものと類似した処理に従わねばならないと
いうことである。特に、層の電気特性及びドーピング特
性は、赤外線放射レーザデバイスにおけるものと同一で
ある。特例として挙げると、AlInp はその広いバンドギ
ャップの結果として、可視光放射レーザ系において高度
に望ましい成分である。しかしながら、効果的にｐ型を
ドープすることは、可視レーザ構造における全ての成分
の中で最も困難である。他方AlGaAsは、バンドギャップ
は（85% のAlにとって）幾分狭いが、匹敵する屈折率、
より優れた熱伝導性及び優れたｐ型ドーピングを有して
いる。この材料の狭いバンドギャップを克服するために
適切に設計された４要素から成る空乏層を用いて、その
有益な材料特性を大いに利用することができる。
【００４１】特に、図４の右側に示したレーザ構造は、
AlGaInP で構成されるデバイス活性層の厚さが最小化さ
れ、AlGaAsにおいて前記構造の全体のバランスが取られ
ることを念頭に置いている。欠陥発生問題と切り離され
たこの利点は、ＩＩＬＤに基づくレーザ以外の構造に利
用できる。
AlGaInP で構成されるデバイス活性層の厚さが最小化さ
れ、AlGaAsにおいて前記構造の全体のバランスが取られ
ることを念頭に置いている。欠陥発生問題と切り離され
たこの利点は、ＩＩＬＤに基づくレーザ以外の構造に利
用できる。
【００４２】発明のこの態様を実施する際に、置き換え
られたAlInP の屈折率に匹敵する低い屈折率を得るため
に、AlGaAsには、好ましくは75% を越える、高いAl含有
量が与えられなければならない。従来のドーピングエー
ジェント技術により、1019/cm3のオーダーかそれ以上の
高レベルのｐ型ドーピングが、AlGaAsにおいて容易に達
成される。
られたAlInP の屈折率に匹敵する低い屈折率を得るため
に、AlGaAsには、好ましくは75% を越える、高いAl含有
量が与えられなければならない。従来のドーピングエー
ジェント技術により、1019/cm3のオーダーかそれ以上の
高レベルのｐ型ドーピングが、AlGaAsにおいて容易に達
成される。
【００４３】本発明による埋め込み層デバイスの組立
は、引用した参照例における詳細な記述から当業者には
自明であろう。参照した特許の１９９１年のSPIE論文の
図１０、及びディフェクトフリーの方法で本発明の埋め
込み層デバイスのため、エピタキシャリーに薄い層と厚
い層を成長させる特殊な方法に関する章を含む次の本が
特に注目される：John Wiley & Son発行、Pearsall編集
の「GalnAsP 合金半導体」("GalnAsP Alloy Semi-condu
ctors") の特に61-106ページ、及びAcademic Press発
行、Casey Jr. and Panishによる「ヘテロ構造のレー
ザ」("Heterostructure Lasers") 、第６章の特に6.6
と6.7 。
は、引用した参照例における詳細な記述から当業者には
自明であろう。参照した特許の１９９１年のSPIE論文の
図１０、及びディフェクトフリーの方法で本発明の埋め
込み層デバイスのため、エピタキシャリーに薄い層と厚
い層を成長させる特殊な方法に関する章を含む次の本が
特に注目される：John Wiley & Son発行、Pearsall編集
の「GalnAsP 合金半導体」("GalnAsP Alloy Semi-condu
ctors") の特に61-106ページ、及びAcademic Press発
行、Casey Jr. and Panishによる「ヘテロ構造のレー
ザ」("Heterostructure Lasers") 、第６章の特に6.6
と6.7 。
【００４４】
【発明の効果】要約すれば、本発明の埋め込み層デバイ
スは、特にレーザアプリケーションにおいて、薄い量子
ウェルと7-8 nmかそれ以下の厚さの埋め込み層を有す
る。それらは広い、通常45 nm の厚さを越えるバンドギ
ャップの厚いキャリアーコンファインメント層によって
境界付けられる。可視光放射のため、量子ウェル層はＰ
を含有する。薄い活性領域を臨界厚み以下に保つことに
より、ＩＩＬＤによる欠陥を避けることができる。厚い
層を基板に格子整合させることにより、厚い層の欠陥を
避けることができる。III-Ｖ系の好ましい組成を下記に
記すが、それは効果的に実施するディフェクトフリーの
構造を確実にする。 基板 薄層 厚い層 注意書 GaAs AlGaInP AlGaAs 可視光レーザ InP InGaAs InGaAlP 赤外線レーザ GaAs InGaAs GaAlP InAs InAsSb GaAlAsSb 通信用の長い波長
スは、特にレーザアプリケーションにおいて、薄い量子
ウェルと7-8 nmかそれ以下の厚さの埋め込み層を有す
る。それらは広い、通常45 nm の厚さを越えるバンドギ
ャップの厚いキャリアーコンファインメント層によって
境界付けられる。可視光放射のため、量子ウェル層はＰ
を含有する。薄い活性領域を臨界厚み以下に保つことに
より、ＩＩＬＤによる欠陥を避けることができる。厚い
層を基板に格子整合させることにより、厚い層の欠陥を
避けることができる。III-Ｖ系の好ましい組成を下記に
記すが、それは効果的に実施するディフェクトフリーの
構造を確実にする。 基板 薄層 厚い層 注意書 GaAs AlGaInP AlGaAs 可視光レーザ InP InGaAs InGaAlP 赤外線レーザ GaAs InGaAs GaAlP InAs InAsSb GaAlAsSb 通信用の長い波長
【００４５】発明は好ましい実施例との関連において記
述され、描写されてきたが、当業者には自明であろう多
くの変形と修正も、発明の精神を逸脱せずに実施するこ
とができ、特許請求の範囲に記載された発明は、このよ
うな変形及び修正を添付請求の範囲に含むことが意図さ
れているので、上記構成の正確な詳細に制限されること
はない。
述され、描写されてきたが、当業者には自明であろう多
くの変形と修正も、発明の精神を逸脱せずに実施するこ
とができ、特許請求の範囲に記載された発明は、このよ
うな変形及び修正を添付請求の範囲に含むことが意図さ
れているので、上記構成の正確な詳細に制限されること
はない。
【図１】本発明による半導体レーザ構造の１実施例を示
す概略側面図である。
す概略側面図である。
【図２】均一で同とき発生的なＩＩＬＤを与える理想的
な構造において誘導されるひずみのコンピュータシミュ
レーションを示す説明図である。
な構造において誘導されるひずみのコンピュータシミュ
レーションを示す説明図である。
【図３】先行技術による実世界構造用の、図２に示した
ものと類似したコンピュータシミュレーションを示す説
明図である。
ものと類似したコンピュータシミュレーションを示す説
明図である。
【図４】先行技術の特性及び厚さを、本発明の教示に基
づくものと並べて示した説明図である。
づくものと並べて示した説明図である。
【図５】本発明による２素子レーザアレイの側面図であ
る。
る。
【図６】典型的な公知の埋め込み層ヘテロ構造レーザの
横断面図である。
横断面図である。
【図７】典型的な公知の埋め込み層ハイブリッドレーザ
／トランジスタデバイスの横断面図である。
／トランジスタデバイスの横断面図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 フェルナンド エイ．ポンス アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94087 サニーヴェイル ブラックホーク ドライヴ 1514
Claims (1)
- 【請求項１】 III族からＶ族の元素の結晶又は混合結晶
合成物から作られる複数の領域を有する本体部分から成
る半導体埋め込み層構造であって、 基板と第２及び第３の厚い層との界面を持ち、 III族及
びＶ族の両成分における変化による、前記界面を横切る
不純物誘導層を含む第１の薄層で、不純物誘導層無秩序
置換による望ましい特性を示すが、不純物誘導層無秩序
置換によって生じるストレスの結果として前記特性を損
ねる欠陥を発生させる傾向がある前記第１の薄層と、 前記構造において特性を損ねる欠陥の発生を防止する手
段であって、前記領域が相互拡散されるときに結果とし
て生じるひずみのある層に対する臨界厚み以下に、前記
第１の薄層を維持し、前記第１の薄層を各々厚さで450
Åを越える前記第２及び第３の厚層によって、完全に結
合する手段を含む半導体埋め込み層構造。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US928906 | 1992-08-12 | ||
| US07/928,906 US5317586A (en) | 1992-08-12 | 1992-08-12 | Buried layer III-V semiconductor devices with impurity induced layer disordering |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06181365A true JPH06181365A (ja) | 1994-06-28 |
| JP3357424B2 JP3357424B2 (ja) | 2002-12-16 |
Family
ID=25456986
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP19036393A Expired - Lifetime JP3357424B2 (ja) | 1992-08-12 | 1993-07-30 | 半導体埋め込み層構造 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5317586A (ja) |
| JP (1) | JP3357424B2 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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