JPH0620949A - 周期的ヘテロエピタキシャル半導体構造を含む製品の作製方法 - Google Patents

周期的ヘテロエピタキシャル半導体構造を含む製品の作製方法

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JPH0620949A
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チェン ヤング−カイ
Minghwei Hong
ホン ミンウェイ
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Ming-Chiang Wu
ウー ミン−チァン
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 周期的ヘテロエピタキシャル半導体構造を含
む製品の新しい作製方法を提供する。 【構成】 方法はＭＢＥ、ＣＶＤ又は同様の成長技術に
よる周期的構造に係り、基板温度を変えることを含む。
たとえば、周期的多層ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓは６００
℃ないし７００℃の間で基板温度を変え、ＭＢＥにより
成長させる。新しい方法は一様に高品質の材料の多層構
造を生成させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【本発明の分野】本発明は周期的なヘテロエピタキシャ
ル構造を含む半導体デバイス、特にＩＩＩ−Ｖ半導体デ
バイの作製方法に係る。
【０００２】
【本発明の背景】ヘテロエピタキシャル半導体構造は、
バイポーラトランジスタのような電子デバイス及びＬＥ
Ｄ及びレーザダイオードのような光−電子デバイスを含
む多くの半導体デバイス中に見出される。そのようなデ
バイスは一般にＩＩＩ−Ｖ半導体材料で実現されるが、
これは必要なことではなく、Ｓｉ／ＳｉXＧｅ1-Xヘテロ
エピタキシャル構造が知られている。更に、ＩＩ−ＶＩ
ヘテロエピタキシャル半導体デバイスが、将来市販され
る可能性がある。多くのデバイス（たとえば各種の型の
レーザ）は、周期的ヘテロエピタキシャル構造を含む。
【０００３】“周期的”ヘテロエピタキシャル構造とい
うことでは、あらかじめ決められた厚さの２ないしそれ
以上の対の半導体層を含む構造を意味する。典型的な場
合、周期的ヘテロエピタキシャル構造中の層は比較的薄
く、経験的には２５０ｎｍ以下、１５０ｎｍより薄いこ
とすらある。
【０００４】定義として、周期的ヘテロエピタキシャル
構造中の与えられた対の層は、第１の組成の第１の単結
晶半導体領域を含み、それには第１の組成とは異なる第
２の組成の第２の単結晶半導体領域が接して上にあり、
構造の結晶構造は第１及び第２の領域間の境界を越え
て、連続している。一般に、第１の組成の材料の格子定
数は、第２の組成の材料のそれとは、最大数パーセント
（典型的には２パーセント以下 ）しか異ならない。
【０００５】周期的ヘテロエピタキシャル構造を成長さ
せる従来の技術は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）で、
それは適当な半導体基体を、１ないし複数の噴出セルか
らの粒子（原子、原子の小さなクラスタ、又は分子）の
フラックスに露出することを含む。習慣的に、基板はＭ
ＢＥ成長中、一定の高温に保たれ、入射フラックスの組
成はすべての温度を一定に保ったまま、１つまたは複数
のシャッタによって変えられる。最近、シャッタのない
ＭＢＥ成長、すなわちフラックス組成がセル温度で変え
られるＭＢＥ成長が明らかにされた。エム・ホン（M．H
ong）ら、ジャーナル・オブ・クリスタル・グロウス（J
ournal of Crystal Growth）,第１１１巻，１０７１頁
（１９９１）及びエム・ホン（M. Hong）ら、ジャーナ
ル・オブ・エレクトロニック・マテリアルズ（Journal
of Electronic Materials），第２１巻，１８１頁（１
９９２）を参照のこと。
【０００６】周期的構造を含むヘテロエピタキシャル構
造を成長させる他の技術も知られている。これらには、
化学気相堆積（ＣＶＤ）及びそれらの変形（たとえばＭ
ＯＣＶＤ）が含まれる。これらの成長技術のすべてにお
いて、基板が一定のあらかじめ決められた高温に保た
れ、組成の変化はたとえば基板と接触したプリカーサガ
スといった成長媒体の組成の変化によることが共通であ
る。“成長媒体”というのは、ここでは成長している半
導体材料の成分を供給する媒体を意味する。この用語は
従って、ＣＶＤのプリカーサガスとともに、ＭＢＥの粒
子フラックスを含む。しかし、それは融液は含まない。
【０００７】当業者には容易に認識されるように、デバ
イスへの応用において、組成の異なる２つの領域間の界
面の質を含む周期的ヘテロエピタキシャル構造の半導体
材料の品質は、主な関心事である。更に、層厚及び組成
の高い精度は、たとえばレーザダイオード中の分布ブラ
ッグ反射ミラーのような周期的ヘテロエピタキシャル構
造を含む多くのデバイスで、必要とされる。しかし、周
期的多層構造の層厚及び組成の必要な数パーセントとい
う精度を達成し、同時に第１及び第２の組成の材料の両
方の必要な高品質を得ることは、従来の成長技術では、
精いっぱい努力しても、しばしば困難である。
【０００８】従って、特に高品質の半導体材料から成る
高精度の周期的ヘテロ構造を作ることのできる新しい成
長技術が、非常に望ましい。そのような技術によれば、
改善された特性のデバイスが生ずるであろう。本明細書
は、そのような技術を明らかにする。
【０００９】
【本発明】本発明は特許請求の範囲により、規定され
る。それは周期的半導体（ＩＩＩ−Ｖが好ましいが、Ｓ
ｉ／ＳｉXＧｅ1-X及びＩＩ−ＶＩも除外されない）ヘテ
ロエピタキシャル構造を成長させる新しい方法を含む。
そのような構造は、基板上の第１の半導体領域（典型的
な場合層）及び第１の領域上の第２の半導体領域（典型
的な場合やはり層）を含み、第１の領域の組成は第２の
それとは異なる。ここで、“基板”というのを、その上
にエピタキシャルに成長させた半導体材料を有するか又
は有しない半導体基体を含むよう、広く定義することが
認識されるであろう。
【００１０】本発明の方法は第１及び第２の層の成長
中、第１層の成長の少なくとも主要な部分は第１の温度
にあり、第２層の成長の少なくとも主要な部分は、第１
の温度とは異なる第２の温度にあるように、基板温度を
変えることを含む。温度変化は本質的に階段状か、連続
的でもよく、直線的あるいは非直線的でよい。これらの
可能性の間の選択は、当業者には認識されるであろう
が、所望の周期的ヘテロエピタキシャル構造の詳細に依
存する。
【００１１】より具体的には、本発明は周期的ヘテロエ
ピタキシャル構造を含む製品の作製方法である。構造は
２ないしそれ以上の層の対を含み、与えられた対は第１
の組成とは異なる第２の組成の第２の単結晶半導体層と
接触した第１の組成の第１の単結晶半導体層を含む。方
法は基板を準備すること、基板の主表面上に第１の半導
体層が形成されるように、基板を（上で定義したよう
な）成長媒体に露出すること、第１の半導体領域上に第
２の半導体層が形成されるように、第１の半導体層を上
に有する基板を、第２の組成の成長媒体に露出すること
を含む。このプロセスは、少なくとも１回くり返され
る。重要なことは、前記第１の露出工程の少なくとも一
部の間、基板を第１の温度に保ち、第２の露出工程の少
なくとも一部の間、基板は第１の温度とは異なる第２の
温度に保つことである。
【００１２】第１の組成の半導体材料について最適成長
温度は、第２の組成の材料のそれとは、多くの場合異な
ることを、認識した。たとえば、６００℃の成長温度に
おいて、高品質のＧａＡｓが得られ、約７００℃におい
て優れた結晶品質のＡｌＧａＡｓ（たとえばＡｌ0.4Ｇ
ａ0.6Ａｓ）が得られる。従って、本発明の好ましい実
施例において、第１及び第２の温度は、それぞれ第１の
組成及び第２の組成の半導体材料の最適成長温度に、そ
れぞれ本質的に対応するように、選択される。もし、既
知でなければ、具体的な半導体材料についての最適成長
温度（又は温度範囲）は、容易に決められる。たとえ
ば、各種温度において材料の試料を成長させたり、たと
えばフォトルミネセンス、Ｘ線回折又はＲＨＥＥＤ（反
射高エネルギー電子回折）によって試料の質を評価する
ことによる。
【００１３】本発明は広く適用できるが、これからは現
在好ましい半導体材料系、すなわちＩＩＩ−Ｖ半導体
を、現在好ましい技術、すなわちＭＢＥにより成長させ
る場合を、基本的に扱う。より具体的には、特定の周期
的ヘテロエピタキシャル構造、すなわちＧａＡｓ／Ａｌ
ＧａＡｓ構造を基本的に扱う。
【００１４】デバイスの例として、ＰＩＮＳＣＨ（周期
的屈折率分離とじ込めヘテロ構造）ＧａＡｓを基本とす
る層を、本発明に従い成長させ、その特性を６００℃の
従来の（一定）基板温度（Ｔｓ）で成長させた、それ以
外は同一のレーザのそれと比較した。
【００１５】図１はエピタキシャル成長中の基板の温度
／時間プロフィル１０を概略的に示す。得られた層構造
の組成（曲線１１）も示されている。当業者には認識さ
れるであろうが、組成／距離ダイヤグラムは、直ちに禁
制帯／距離ダイヤグラムに変換される。
【００１６】レーザの一例は、アンドープ活性領域（３
つの７ｎｍ厚Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ａｓ量子井戸及び４つの２
０ｎｍ厚ＧａＡｓ障壁層）と、活性領域の両側にある８
対のドープされたＰＩＮ（周期的屈折率）閉じ込め層を
含む。Ｓｉドープ及びＢｅドープＰＩＮ層の両方は、
（ドーピングの差は別にして）組成と厚さは同一で、Ｇ
ａＡｓとＡｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓは名目上１２５ｎｍの厚さ
をもつ。隣接したＧａＡｓ及びＡｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ領域
間の組成的に勾配をもった領域は、６０ｎｍの厚さで、
本質的に直線的に傾斜している。ドーピングレベルはｐ
及びｎ形の両方で、１×１０18ｃｍ-3であった。
【００１７】図１のヘテロ構造は、固体ソースＭＢＥに
より、従来のＧａＡｓウエハ上に成長させた。ＰＩＮ層
の成長中、成長速度は１μｍ／ｈｒであった。Ａｓビー
ムフラックスは、成長の最小レベルに保たれた。ＰＩＮ
層は上で引用したジャーナル・エレクトロニクス・マテ
リアルズ（J. Electronics Materials）の論文中で述べ
られているように、シャッタの操作をすることなく、セ
ル温度を変化させて成長させた。Ｓｉ及びＢｅセルの温
度は、所望のドーパントプロフィルを生成するように、
変化させた。 具体的には、アルミニウムセル温度は９
３０℃（２×１０-8Ｔｏｒｒ，ＧａＡｓを生じる）ない
し１０９０℃（１．４×１０-7Ｔｏｒｒ，Ａｌ0.4Ｇａ
0.6Ａｓを生じる）の間で変化させ、ガリウムセル温度
は、９４５℃（４．５×１０-7Ｔｏｒｒ）で一定であっ
た。系の基本圧は２×１０-11Ｔｏｒｒであった。
【００１８】ＰＩＮ層成長の間、ＴｓはＧａＡｓ層の成
長に対しては６００℃、Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ層の成長に
対しては、７００℃であった。より具体的には、Ｔｓは
傾斜領域の組成がＡｌ0.1Ｇａ0.9Ａｓに達した後、本質
的に直線的に上昇し、傾斜領域の組成がＡｌ0.35Ｇａ
0.65Ａｓに達した時７００℃に達するように上り、組成
がＡｌ0.35Ｇａ0.65ＡｓよりＡｌ過剰である限り、残り
は７００℃であるように、計算機で制御された。周期の
温度降下部分については、プロセスを逆にしたが、温度
変化の割合が小さい（６０℃／分に対して４０℃／分）
ことが異なる。Ｔｓは活性層の成長のため、５６０℃ま
で下げた。このようにして生成したヘテロエピタキシャ
ル構造の例は、リッジ導波路ＰＩＮＳＣＨレーザに、従
来のプロセスで加工された。ＰＩＮ層が６００℃という
一定のＴｓ温度で成長させたことを除き、上で述べたよ
うにして、比較用の構造を作製した。比較のための構造
は、リッジ導波路ＰＩＮＳＣＨレーザに、同一プロセス
で加工した。
【００１９】半導体材料の品質は、ＲＨＥＥＤにより、
ＰＩＮ層の成長中、その場観察した。比較用構造の成長
中、ＲＨＥＥＤパターンは約３０ｎｍのＡｌ0.4Ｇａ0.6
Ａｓの成長後、結晶品質の著しい低下を示し、品質の低
下は約２０ｎｍのＧａＡｓが成長するまで続いた。一
方、本発明に従う成長中、鋭く、細長くかつ強いＲＨＥ
ＥＤストリークが、全体を通して保たれ、材料が一様に
高品質であることを示した。多層構造の周期は、図２に
示された高分解Ｘ線回折のデータで明らかなように、２
つの構造で本質的に同じである。図は上で述べたように
成長させた上述のような２つの８周期Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａ
ｓ／ＧａＡｓＰＩＮ構造からの４００反射近傍のＸ線強
度を示す。数字２０は本発明に従って成長させた構造を
さし、２１は従来のように成長させた構造をさす。
【００２０】上で述べたヘテロ構造の例から、従来技術
により、広面積（５０μｍ幅ストライプ）で空胴長２０
０ないし１０００μｍのレーザを作製し、レーザについ
て従来の測定を行った。図３及び図４はいくつかの測定
結果を示す。
【００２１】図３は量子効率の逆数と閾値電流密度の空
胴長依存性を示す。実線３０、３２は本発明に従って成
長させたレーザについて、破線３１、３３は従来のよう
に成長させたレーザについて示す。図からわかるよう
に、前者は後者より本質的に低い閾値電流密度をもち、
量子効率はわずかに高い。前者は１０００μｍ空胴を有
するレーザの場合、より低い内部導波路損（たとえば
３．１ｃｍ-1に対し２．２ｃｍ-1）を有した。図４は７
５０μｍ長空胴を有するレーザの、閾値電流密度の温度
依存性のデータ例を示す。やはり、実線４０は本発明に
従って成長させたレーザについてのもので、破線４１は
従来のように成長させたレーザについてのものである。
図からわかるように、前者は後者（Ｔo ＝１３０Ｋ）よ
り（望ましい）高い特性温度（Ｔo ＝１８７Ｋ）を有す
る。
【００２２】上の比較データの例は、本発明の成長技術
によれば、従来のように成長させたデバイスに比べ、改
善された特性をもつデバイスが得られることを示してい
る。本発明の技術はまた、例として、垂直空胴面発光レ
ーザ中の分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）の成長に適用さ
れた。ＤＢＲはそれぞれ７００℃及び６００℃でＭＢＥ
により成長させたＡｌＡｓ／ＧａＡｓ層の四分の一波長
列を含んだ。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従う半導体デバイスの作製に用いられ
る温度／時間プロフィルと、対応する組成プロフィルを
概略的に示す図。
【図２】本発明に従う構造の例と、類似の従来技術の構
造についてのＸ線回折データを示す図。
【図３】本発明に従うレーザの例と類似の従来技術のレ
ーザについて、データ（空胴長対量子効率；空胴長対閾
値電流密度；温度対閾値電流密度）を示す図の１。
【図４】本発明に従うレーザの例と類似の従来技術のレ
ーザについて、データ（空胴長対量子効率；空胴長対閾
値電流密度；温度対閾値電流密度）を示す図の２。
【符号の説明】
１０ 温度／時間プロフィル １１ 組成 ２０ 本発明に従って成長させた構造 ２１ 従来のように成長させた構造 ３０，３２，４０ 本発明に従って成長させた構造 ３１，３３，４１ 従来のように成長させた構造
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヤング−カイ チェン アメリカ合衆国 07922 ニュージャーシ ィ，バークレイ ハイツ，ヒルクレスト アヴェニュー 54 (72)発明者 ミンウェイ ホン アメリカ合衆国 07922 ニュージャーシ ィ，バークレイ ハイツ，ティップ トッ プ ウェイ 15 (72)発明者 ジョセフ ペトラス マンナーツ アメリカ合衆国 07901 ニュージャーシ ィ，サミット，ブリアント パークウェイ 29 (72)発明者 ミン−チァン ウー アメリカ合衆国 08807 ニュージャーシ ィ，ブリッジウォーター，アムステルダム ロード 804

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 少なくとも２対の半導体層を含み、与え
    られた対は第１の組成とは異なる第２の組成の第２の単
    結晶半導体層に接触した第１の組成の第１の単結晶半導
    体層を含み、 ａ）基板を準備する工程； ｂ）基板の主表面上に第１の半導体層が形成されるよう
    に、第１の組成の成長媒体に基板を露出させる工程； ｃ）第１の半導体領域上に第２の半導体領域が形成され
    るように、上に第１の半導体層を有する基板を、第２の
    組成の成長媒体に露出させる工程；及び ｄ）工程ｂ）及びｃ）を少なくとも一度くり返す工程を
    含む製品の作製方法において、 ｅ）工程ｂ）の少なくとも一部分の間、基板は第１の温
    度に保たれ、工程ｃ）の少なくとも一部分の間、基板は
    第１の温度とは異なる第２の温度に保たれることを特徴
    とする方法。
  2. 【請求項２】 第１及び第２の組成の半導体に付随し
    て、それぞれ第１及び第２の最適成長温度範囲があり、
    前記第１及び第２の温度は、それぞれ第１及び第２の最
    適成長温度範囲内にある請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 周期的ヘテロエピタキシャル構造はＩＩ
    Ｉ−Ｖヘテロエピタキシャル構造である請求項１記載の
    方法。
  4. 【請求項４】 前記第１及び第２の成長媒体は、第１及
    び第２の粒子フラックスで、方法は分子線エピタキシー
    を含む請求項１記載の方法。
  5. 【請求項５】 前記製品は前記周期的ヘテロエピタキシ
    ャル構造を含む光−電子デバイスを含む請求項１記載の
    方法。
  6. 【請求項６】 光−電子デバイスはレーザである請求項
    ５記載の方法。
  7. 【請求項７】 第１の組成はＧａＡｓで、第２の組成は
    Ａｌ及びＡｓを含み、第１及び第２の温度はそれぞれ、
    約６００℃及び約７００℃である請求項６記載の方法。
JP5088984A 1992-04-16 1993-04-16 周期的ヘテロエピタキシャル半導体構造を含む製品の作製方法 Withdrawn JPH0620949A (ja)

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