JPH0637355A - Ｉｉｉ−ｖ族合金半導体およびその製造方法 - Google Patents
Ｉｉｉ−ｖ族合金半導体およびその製造方法Info
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- JPH0637355A JPH0637355A JP19198592A JP19198592A JPH0637355A JP H0637355 A JPH0637355 A JP H0637355A JP 19198592 A JP19198592 A JP 19198592A JP 19198592 A JP19198592 A JP 19198592A JP H0637355 A JPH0637355 A JP H0637355A
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- nitrogen
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 １種類の化合物合金半導体を用いて広範囲の
波長領域において発光する新規なIII−Ｖ族合金半導体
材料およびその製造方法を提供する。 【構成】 III族元素としてＧａを、Ｖ族元素としてＡ
ｓとＮを含有する新規なＧａＡｓＮ系合金半導体を構成
する。減圧気相反応容器内に基板を配設し、高周波プラ
ズマにより活性化したＮ2または窒素化合物ガスに、少
なくともアルシンガスと、有機ガリウム化合物ガスを基
板上に導入してＧａＡｓＮ系の合金半導体膜を形成する
工程を含むIII−Ｖ族合金半導体膜の製造方法。 【効果】 ＡｓとＮの組成を任意に調整することによ
り、任意のバンドギャップを持つＧａＡｓＮ系の合金半
導体が実現できる。また、ＧａＡｓＮにおいて従来のＧ
ａＡｓの発光波長よりも長波長の発光素子が得られる。
さらに、発光デバイスのみならず高速な電子デバイスも
実現でき、光電子集積回路の基幹材料となり得る。
波長領域において発光する新規なIII−Ｖ族合金半導体
材料およびその製造方法を提供する。 【構成】 III族元素としてＧａを、Ｖ族元素としてＡ
ｓとＮを含有する新規なＧａＡｓＮ系合金半導体を構成
する。減圧気相反応容器内に基板を配設し、高周波プラ
ズマにより活性化したＮ2または窒素化合物ガスに、少
なくともアルシンガスと、有機ガリウム化合物ガスを基
板上に導入してＧａＡｓＮ系の合金半導体膜を形成する
工程を含むIII−Ｖ族合金半導体膜の製造方法。 【効果】 ＡｓとＮの組成を任意に調整することによ
り、任意のバンドギャップを持つＧａＡｓＮ系の合金半
導体が実現できる。また、ＧａＡｓＮにおいて従来のＧ
ａＡｓの発光波長よりも長波長の発光素子が得られる。
さらに、発光デバイスのみならず高速な電子デバイスも
実現でき、光電子集積回路の基幹材料となり得る。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、発光ダイオード、半導
体レーザ等の発光デバイスや、トランジスタ、ＩＣ等の
電子デバイスに用いる半導体およびその製造方法に関す
る。
体レーザ等の発光デバイスや、トランジスタ、ＩＣ等の
電子デバイスに用いる半導体およびその製造方法に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】光通信や光記録等で知られているよう
に、赤外波長領域から可視波長領域を発行する半導体発
光素子には化合物半導体が用いられている。その代表例
として、赤外である約０．９μｍの発光波長において
は、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ：ガリウムヒ素とも言う）
があり、また黄色〜緑色の０．５〜０．６μｍの発光波
長ではリン化ガリウム（ＧａＰ：ガリウムリンとも言
う）が知られている。青色の約０．４５μｍの発光波長
では、窒化ガリウム（ＧａＮ：ガリウム窒素とも言う）
がある。これらの半導体発光素子の公知例として、N.Ko
ideらによる：J.CrystalGrowth 115（1991）,ｐ.639、
またはM.A.Khanらによる:Applied Physics Letters 56
（1990）,ｐ.1257において論じられている。
に、赤外波長領域から可視波長領域を発行する半導体発
光素子には化合物半導体が用いられている。その代表例
として、赤外である約０．９μｍの発光波長において
は、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ：ガリウムヒ素とも言う）
があり、また黄色〜緑色の０．５〜０．６μｍの発光波
長ではリン化ガリウム（ＧａＰ：ガリウムリンとも言
う）が知られている。青色の約０．４５μｍの発光波長
では、窒化ガリウム（ＧａＮ：ガリウム窒素とも言う）
がある。これらの半導体発光素子の公知例として、N.Ko
ideらによる：J.CrystalGrowth 115（1991）,ｐ.639、
またはM.A.Khanらによる:Applied Physics Letters 56
（1990）,ｐ.1257において論じられている。
【０００３】図４は、光通信、光記録、光情報処理、表
示等に用いられる波長範囲と、その波長領域で使用され
ている化合物半導体発光材料との関係について示したも
のである。図に示すごとく、使用する波長領域により化
合物半導体の材料は、 ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、Ｇ
ａＮ等の２元の化合物半導体にとどまらず、ＡｌＧａＡ
ｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ等の合金半導体が
用いられており、その種類は広範囲に及んでいる。この
ため、電子機能と光機能を集積した、いわゆる光電子集
積回路（ＯＥＩＣ）を実現する上で、その製造技術や光
素子、電子素子の設計には高度な技術が要求されてい
る。化合物半導体は、直接遷移型半導体と間接遷移型半
導体とに大別できる。このうち、間接遷移型半導体は電
子ホールのペアの運動量が一致せず、発光効率が低くな
る。低い発光効率を補うために不純物を添加し、不純物
原子に捉えられた電子とホールの再結合による発光を利
用することが行われている。不純物が関与した発光で
は、レーザ発振に不可欠な自己誘導放出が起こらず、間
接遷移型の半導体を用いた半導体レーザの作製は不可能
である。光記録において、記録密度を向上させるために
は発光波長の短いレーザの実現が必要であり、また表示
の分野においても、色彩の要素である緑および青で発振
するレーザの実現が望まれている。図４に示した半導体
のうち、緑色発光素子として用いられているＧａＰは、
間接遷移型の半導体であり、この材料を用いてレーザを
作製することはできない。また、ＧａＮは直接遷移型半
導体であるが、青色発光素子としては不純物を関与させ
た発光を利用している。短い波長で発振するレーザの実
現のためには、この波長域にバンドギャップを持つ直接
遷移型の半導体が必要であり、材料の探索がなされてい
る。
示等に用いられる波長範囲と、その波長領域で使用され
ている化合物半導体発光材料との関係について示したも
のである。図に示すごとく、使用する波長領域により化
合物半導体の材料は、 ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、Ｇ
ａＮ等の２元の化合物半導体にとどまらず、ＡｌＧａＡ
ｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ等の合金半導体が
用いられており、その種類は広範囲に及んでいる。この
ため、電子機能と光機能を集積した、いわゆる光電子集
積回路（ＯＥＩＣ）を実現する上で、その製造技術や光
素子、電子素子の設計には高度な技術が要求されてい
る。化合物半導体は、直接遷移型半導体と間接遷移型半
導体とに大別できる。このうち、間接遷移型半導体は電
子ホールのペアの運動量が一致せず、発光効率が低くな
る。低い発光効率を補うために不純物を添加し、不純物
原子に捉えられた電子とホールの再結合による発光を利
用することが行われている。不純物が関与した発光で
は、レーザ発振に不可欠な自己誘導放出が起こらず、間
接遷移型の半導体を用いた半導体レーザの作製は不可能
である。光記録において、記録密度を向上させるために
は発光波長の短いレーザの実現が必要であり、また表示
の分野においても、色彩の要素である緑および青で発振
するレーザの実現が望まれている。図４に示した半導体
のうち、緑色発光素子として用いられているＧａＰは、
間接遷移型の半導体であり、この材料を用いてレーザを
作製することはできない。また、ＧａＮは直接遷移型半
導体であるが、青色発光素子としては不純物を関与させ
た発光を利用している。短い波長で発振するレーザの実
現のためには、この波長域にバンドギャップを持つ直接
遷移型の半導体が必要であり、材料の探索がなされてい
る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上述
した従来技術における問題点を解決するために、一種類
の化合物合金半導体を用いて、広範囲の波長領域におい
て発光できる新規なIII−Ｖ族合金半導体材料を実現す
ると共に、その製造方法を提供することにある。
した従来技術における問題点を解決するために、一種類
の化合物合金半導体を用いて、広範囲の波長領域におい
て発光できる新規なIII−Ｖ族合金半導体材料を実現す
ると共に、その製造方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記本発明の目的を達成
するために、本発明の元素の周期表III族元素とＶ族元
素からなる化合物合金半導体を構成し、直接遷移型のバ
ンド構造を持つ ＧａＡｓＮ系合金半導体とするもので
ある。上記のＧａＡｓＮ系合金半導体材料を活性層とし
たダブルヘテロ構造の半導体レーザにおいては、発光波
長の制御は、ＧａＡｓＮ活性層のＡｓとＮの組成比を制
御することにより達成でき、発光波長は０．３５μｍか
ら１．２μｍまで連続的に発光する半導体レーザを実現
することができる。本発明のＧａＡｓＮ系合金半導体
は、ＧａＡｓＮの他、ＩｎＰ、ＧａＰ、ＧａＡｓ基板と
格子整合させることが可能な、例えばＩｎＧａＡｓＮ、
ＡｌＧａＡｓＮ等の合金半導体を含むものである。ま
た、本発明のＧａＡｓＮ系合金半導体の製造方法は、減
圧反応容器内にＧａＡｓ基板を装着し、所定の温度に加
熱設定した後、ＧａＡｓＮ合金半導体の構成原料となる
アンモニアまたは窒素ガスを高周波プラズマ中で活性な
窒素となし、この活性な窒素に合わせて、少なくともア
ルシンガスと有機ガリウム化合物ガスを上記ＧａＡｓ基
板上に供給することにより、ＧａＡｓＮ合金半導体成長
膜を作製するものである。
するために、本発明の元素の周期表III族元素とＶ族元
素からなる化合物合金半導体を構成し、直接遷移型のバ
ンド構造を持つ ＧａＡｓＮ系合金半導体とするもので
ある。上記のＧａＡｓＮ系合金半導体材料を活性層とし
たダブルヘテロ構造の半導体レーザにおいては、発光波
長の制御は、ＧａＡｓＮ活性層のＡｓとＮの組成比を制
御することにより達成でき、発光波長は０．３５μｍか
ら１．２μｍまで連続的に発光する半導体レーザを実現
することができる。本発明のＧａＡｓＮ系合金半導体
は、ＧａＡｓＮの他、ＩｎＰ、ＧａＰ、ＧａＡｓ基板と
格子整合させることが可能な、例えばＩｎＧａＡｓＮ、
ＡｌＧａＡｓＮ等の合金半導体を含むものである。ま
た、本発明のＧａＡｓＮ系合金半導体の製造方法は、減
圧反応容器内にＧａＡｓ基板を装着し、所定の温度に加
熱設定した後、ＧａＡｓＮ合金半導体の構成原料となる
アンモニアまたは窒素ガスを高周波プラズマ中で活性な
窒素となし、この活性な窒素に合わせて、少なくともア
ルシンガスと有機ガリウム化合物ガスを上記ＧａＡｓ基
板上に供給することにより、ＧａＡｓＮ合金半導体成長
膜を作製するものである。
【０００６】
【作用】従来、ＧａＡｓＮ膜の成長ができなかった主要
因は、窒素を含む原料ガスが熱的に安定であるため高
温でないと分解しないこと、ヒ素を含む化合物半導体
の作製において、低温で成長膜の表面からヒ素が蒸発す
ること、活性な窒素は容易に再結合し、不活性な窒素
ガスとなること、などが挙げられる。すなわち、従来技
術においては、窒素原料が熱により容易に分解し、かつ
成長膜表面からヒ素が蒸発しない温度領域が存在しない
ためＧａＡｓＮ系合金半導体を作製することができなか
った。本発明は、窒素をあらかじめ分解し活性窒素とし
た後、ＧａＡｓ基板上で、Ｇａ元素と窒素元素とヒ素元
素を反応させることにより、容易にＧａＡｓＮ系合金半
導体膜を成長させることができるものである。
因は、窒素を含む原料ガスが熱的に安定であるため高
温でないと分解しないこと、ヒ素を含む化合物半導体
の作製において、低温で成長膜の表面からヒ素が蒸発す
ること、活性な窒素は容易に再結合し、不活性な窒素
ガスとなること、などが挙げられる。すなわち、従来技
術においては、窒素原料が熱により容易に分解し、かつ
成長膜表面からヒ素が蒸発しない温度領域が存在しない
ためＧａＡｓＮ系合金半導体を作製することができなか
った。本発明は、窒素をあらかじめ分解し活性窒素とし
た後、ＧａＡｓ基板上で、Ｇａ元素と窒素元素とヒ素元
素を反応させることにより、容易にＧａＡｓＮ系合金半
導体膜を成長させることができるものである。
【０００７】
【実施例】以下に本発明の実施例を挙げ、図面を用いて
さらに詳細に説明する。 〈実施例１〉図１は、本発明のＧａＡｓＮ系合金半導体
におけるＧａＡｓとＧａＮの合金半導体の組成と、その
バンドギャップとの関係を示すものである。なお、光の
持つエネルギーを電子ボルトに換算して、併せて図１に
示した。このＧａＡｓＮ合金半導体は、直接遷移型のバ
ンド構造を有し、電流を注入したり、あるいは光照射を
行うことにより、ＧａＡｓＮ半導体中に電子とホールの
ペアが生成され、そのペアの再結合によりバンドギャッ
プに応じた発光が得られる。図１に示したように、本発
明のＧａＡｓＮ系合金半導体を用いると、紫外から可視
そして赤外に及ぶ幅広い範囲の発光が得られる。窒素の
組成割合が大きい場合には、ＧａＡｓを活性層とする素
子よりも短波長の発光が得られ、またＶ族元素中に窒素
の占める割合が小さい場合には、窒素原子がＧａＡｓ中
の電子を強く引き寄せる効果が現われて、発光波長はＧ
ａＡｓよりも長波長となる。
さらに詳細に説明する。 〈実施例１〉図１は、本発明のＧａＡｓＮ系合金半導体
におけるＧａＡｓとＧａＮの合金半導体の組成と、その
バンドギャップとの関係を示すものである。なお、光の
持つエネルギーを電子ボルトに換算して、併せて図１に
示した。このＧａＡｓＮ合金半導体は、直接遷移型のバ
ンド構造を有し、電流を注入したり、あるいは光照射を
行うことにより、ＧａＡｓＮ半導体中に電子とホールの
ペアが生成され、そのペアの再結合によりバンドギャッ
プに応じた発光が得られる。図１に示したように、本発
明のＧａＡｓＮ系合金半導体を用いると、紫外から可視
そして赤外に及ぶ幅広い範囲の発光が得られる。窒素の
組成割合が大きい場合には、ＧａＡｓを活性層とする素
子よりも短波長の発光が得られ、またＶ族元素中に窒素
の占める割合が小さい場合には、窒素原子がＧａＡｓ中
の電子を強く引き寄せる効果が現われて、発光波長はＧ
ａＡｓよりも長波長となる。
【０００８】〈実施例２〉次に、本発明のＧａＡｓＮ系
合金半導体の製造方法について説明する。図２は、本実
施例において用いたＧａＡｓＮ系合金半導体膜の気相成
長装置の構成の一例を示す模式図である。図において、
反応容器１は、基板２の加熱用のヒータ４を含む基板ホ
ルダ３、反応容器１を大気より減圧にするための真空排
気装置１３、Ａｓ原料（ＡｓＨ3…アルシンガス）の流
量制御部６、Ａｓ原料導入部９、Ｇａ原料（ＴＥＧａ…
トリエチルガリウム〔Ｇａ（Ｃ2Ｈ5)3〕またはＴＭＧａ
…トリメチルガリウム〔Ｇａ（ＣＨ3)3〕と、キャリヤ
ガスである水素〔Ｈ2〕との混合ガス）の流量制御部
７、Ｇａ原料導入部１０からなり、特に、本実施例にお
いて特徴とするところは、反応容器１の一部に、高周波
プラズマ発生装置５を結合して設け、プラズマにより生
成した活性元素を反応容器１内に設けられた基板２上に
導入することができる構造になっており、Ｎ原料（アン
モニア〔ＮＨ3〕または窒素〔Ｎ2〕ガス）の流量制御部
８を経てＮ原料導入部１１から導入されたＮ原料ガス
は、プラズマ領域１４を通過することにより活性化さ
れ、反応容器１の基板２上に導入される。上記の合金半
導体膜の気相成長装置を用い、ＧａＡｓＮ系合金半導体
膜の形成は、以下のプロセスにより行った。まず、基板
ホルダ３に、厚さ約４００μｍ、大きさ３０ｍｍ×３０
ｍｍのＧａＡｓからなる基板２を装着する。その後、１
０〜２００ｓｃｃｍ（ｃｍ3／分）の水素キャリアガス
を供給した状態で、真空排気装置１３により反応容器１
内を０．１〜０．５Ｔｏｒｒ（ｍｍＨｇ）に減圧すると
共に、基板２を４５０℃〜６００℃の範囲に加熱設定す
る。反応容器１に原料ガスのアルシンを０．１〜２０ｓ
ｃｃｍ供給し、トリエチルガリウム（またはトリメチル
ガリウム）を０．２〜１．５ｓｃｃｍ供給する。これと
同時に、高周波プラズマ装置５には、アンモニアまたは
窒素ガスを１００ｓｃｃｍ以下の範囲で供給し、周波数
２．４５ＧＨｚで、高周波電力１００〜３００Ｗを印加
すると、プラズマの発生により活性な窒素が生成され、
反応容器１内にこの活性窒素が導入される。このため、
ＧａＡｓ基板１上には、ＧａＡｓＮ合金半導体膜がエピ
タキシャル成長される。本実施例では、膜成長速度は１
μｍ／ｈであった。本実施例で作製したＧａＡｓＮ膜に
ついて、Ｃｕ−Ｋα線を用いたＸ線回折法により分析し
た結果を図３に示す。本実施例のＧａＡｓＮ膜中の窒素
のＶ族元素に対し占める割合は１％であるが、ＧａＡｓ
基板上に均一性のよいＧａＡｓＮ合金半導体膜が形成さ
れていることが分かる。セシウム（Ｃｓ）イオンをイオ
ン源とする２次イオン質量分析を行った結果、ＧａＡｓ
Ｎ合金半導体膜中にはＧａとＡｓとＮ以外の元素は検出
されず、Ｎの組成はＧａＡｓＮ半導体膜中で一定である
ことが分かった。ＧａＡｓＮ系合金半導体膜中の窒素の
組成は、窒素原料となるＮ2あるいはＮＨ3の流量と、ヒ
素原料であるアルシンの流量を制御することにより、主
として決定される。窒素原料の流量を多くし、アルシン
流量を減らし、活性なＮの再結合を防ぐために反応容器
１内の圧力を０．１Ｔｏｒｒと低く設定することによ
り、窒素組成の大きいＧａＡｓＮ系合金半導体膜を作製
することができた。また、ＧａＡｓＮ系合金半導体膜中
の窒素の組成濃度を変えて発光素子を作製した結果、図
１に示したバンドギャップに応じて、０．３５μｍとい
う短波長の紫外光から１．２μｍの赤外光の発光を確認
した。
合金半導体の製造方法について説明する。図２は、本実
施例において用いたＧａＡｓＮ系合金半導体膜の気相成
長装置の構成の一例を示す模式図である。図において、
反応容器１は、基板２の加熱用のヒータ４を含む基板ホ
ルダ３、反応容器１を大気より減圧にするための真空排
気装置１３、Ａｓ原料（ＡｓＨ3…アルシンガス）の流
量制御部６、Ａｓ原料導入部９、Ｇａ原料（ＴＥＧａ…
トリエチルガリウム〔Ｇａ（Ｃ2Ｈ5)3〕またはＴＭＧａ
…トリメチルガリウム〔Ｇａ（ＣＨ3)3〕と、キャリヤ
ガスである水素〔Ｈ2〕との混合ガス）の流量制御部
７、Ｇａ原料導入部１０からなり、特に、本実施例にお
いて特徴とするところは、反応容器１の一部に、高周波
プラズマ発生装置５を結合して設け、プラズマにより生
成した活性元素を反応容器１内に設けられた基板２上に
導入することができる構造になっており、Ｎ原料（アン
モニア〔ＮＨ3〕または窒素〔Ｎ2〕ガス）の流量制御部
８を経てＮ原料導入部１１から導入されたＮ原料ガス
は、プラズマ領域１４を通過することにより活性化さ
れ、反応容器１の基板２上に導入される。上記の合金半
導体膜の気相成長装置を用い、ＧａＡｓＮ系合金半導体
膜の形成は、以下のプロセスにより行った。まず、基板
ホルダ３に、厚さ約４００μｍ、大きさ３０ｍｍ×３０
ｍｍのＧａＡｓからなる基板２を装着する。その後、１
０〜２００ｓｃｃｍ（ｃｍ3／分）の水素キャリアガス
を供給した状態で、真空排気装置１３により反応容器１
内を０．１〜０．５Ｔｏｒｒ（ｍｍＨｇ）に減圧すると
共に、基板２を４５０℃〜６００℃の範囲に加熱設定す
る。反応容器１に原料ガスのアルシンを０．１〜２０ｓ
ｃｃｍ供給し、トリエチルガリウム（またはトリメチル
ガリウム）を０．２〜１．５ｓｃｃｍ供給する。これと
同時に、高周波プラズマ装置５には、アンモニアまたは
窒素ガスを１００ｓｃｃｍ以下の範囲で供給し、周波数
２．４５ＧＨｚで、高周波電力１００〜３００Ｗを印加
すると、プラズマの発生により活性な窒素が生成され、
反応容器１内にこの活性窒素が導入される。このため、
ＧａＡｓ基板１上には、ＧａＡｓＮ合金半導体膜がエピ
タキシャル成長される。本実施例では、膜成長速度は１
μｍ／ｈであった。本実施例で作製したＧａＡｓＮ膜に
ついて、Ｃｕ−Ｋα線を用いたＸ線回折法により分析し
た結果を図３に示す。本実施例のＧａＡｓＮ膜中の窒素
のＶ族元素に対し占める割合は１％であるが、ＧａＡｓ
基板上に均一性のよいＧａＡｓＮ合金半導体膜が形成さ
れていることが分かる。セシウム（Ｃｓ）イオンをイオ
ン源とする２次イオン質量分析を行った結果、ＧａＡｓ
Ｎ合金半導体膜中にはＧａとＡｓとＮ以外の元素は検出
されず、Ｎの組成はＧａＡｓＮ半導体膜中で一定である
ことが分かった。ＧａＡｓＮ系合金半導体膜中の窒素の
組成は、窒素原料となるＮ2あるいはＮＨ3の流量と、ヒ
素原料であるアルシンの流量を制御することにより、主
として決定される。窒素原料の流量を多くし、アルシン
流量を減らし、活性なＮの再結合を防ぐために反応容器
１内の圧力を０．１Ｔｏｒｒと低く設定することによ
り、窒素組成の大きいＧａＡｓＮ系合金半導体膜を作製
することができた。また、ＧａＡｓＮ系合金半導体膜中
の窒素の組成濃度を変えて発光素子を作製した結果、図
１に示したバンドギャップに応じて、０．３５μｍとい
う短波長の紫外光から１．２μｍの赤外光の発光を確認
した。
【０００９】
【表１】
【００１０】なお、表１に示すように、本発明のＧａＡ
ｓＮ系合金半導体膜の形成に用いる窒素（Ｎ）は、他の
元素に比べて半径が際だって小さい。このため、窒素を
含む合金半導体は格子定数が窒素量に応じて小さくなる
ことを意味している。格子定数の不一致は素子の寿命を
短くするため、基板とその上に成長した半導体膜層との
格子定数が一致していることが望ましい。よく知られて
いるように、ＧａＡｓの基板を用いた素子では、ＡｌＧ
ａＡｓとＧａＡｓのヘテロ接合が多く用いられている
が、ＡｌＡｓはＧａＡｓよりわずかに格子定数が大きい
ため、格子定数の不整合が生じる。ＡｌＧａＡｓの代わ
りに、本発明のＧａＡｓＮにＡｌを加えたＡｌＧａＡｓ
Ｎ合金半導体を作製し、窒素の組成割合を調整すること
により、格子定数の不整合を解消することもできる。ま
た、長波長の発光素子に用いられているＩｎＧａＡｓ
は、ＧａＡｓ基板との大きな格子不整合が問題となる
が、このＩｎＧａＡｓ層に代わりに、本発明のＧａＡｓ
ＮにＩｎを加えたＩｎＧａＡｓＮ合金半導体膜を用い、
上記と同様に窒素の組成割合を調整することにより、Ｉ
ｎの原子半径の大きさからくるＧａＡｓ基板との格子定
数の不整合を窒素で相殺することができる。ＩｎＧａＡ
ｓＮ合金半導体については、ＧａＡｓ中のＩｎ原子およ
びＮ原子がともに発光波長を長波長とする効果がある。
このため、少ないＩｎおよびＮの添加量で、ＧａＡｓよ
りも長波長で、所定の波長の発光素子を作製することが
可能となる。
ｓＮ系合金半導体膜の形成に用いる窒素（Ｎ）は、他の
元素に比べて半径が際だって小さい。このため、窒素を
含む合金半導体は格子定数が窒素量に応じて小さくなる
ことを意味している。格子定数の不一致は素子の寿命を
短くするため、基板とその上に成長した半導体膜層との
格子定数が一致していることが望ましい。よく知られて
いるように、ＧａＡｓの基板を用いた素子では、ＡｌＧ
ａＡｓとＧａＡｓのヘテロ接合が多く用いられている
が、ＡｌＡｓはＧａＡｓよりわずかに格子定数が大きい
ため、格子定数の不整合が生じる。ＡｌＧａＡｓの代わ
りに、本発明のＧａＡｓＮにＡｌを加えたＡｌＧａＡｓ
Ｎ合金半導体を作製し、窒素の組成割合を調整すること
により、格子定数の不整合を解消することもできる。ま
た、長波長の発光素子に用いられているＩｎＧａＡｓ
は、ＧａＡｓ基板との大きな格子不整合が問題となる
が、このＩｎＧａＡｓ層に代わりに、本発明のＧａＡｓ
ＮにＩｎを加えたＩｎＧａＡｓＮ合金半導体膜を用い、
上記と同様に窒素の組成割合を調整することにより、Ｉ
ｎの原子半径の大きさからくるＧａＡｓ基板との格子定
数の不整合を窒素で相殺することができる。ＩｎＧａＡ
ｓＮ合金半導体については、ＧａＡｓ中のＩｎ原子およ
びＮ原子がともに発光波長を長波長とする効果がある。
このため、少ないＩｎおよびＮの添加量で、ＧａＡｓよ
りも長波長で、所定の波長の発光素子を作製することが
可能となる。
【００１１】〈実施例３〉０．９８μｍで発振する発光
素子をＩｎＧａＡｓＮ合金半導体を用いて作製した。こ
の波長は光通信において光信号の増幅器に用いられてい
るものである。ＧａＡｓ基板を用い従来法のＩｎＧａＡ
ｓ合金半導体を活性層に用いると、III族に占めるＩｎ
の組成は１６％となり、合金半導体層と基板との間には
１．２％の格子不整合が存在する。本発明のＩｎＧａＡ
ｓＮ合金を活性層として用いた場合には、Ｉｎ組成３
％、窒素組成１％で従来と同じ発光波長が得られた。こ
の活性層にはＧａＡｓ基板との格子不整合はない。同様
に、光通信に多く用いられている１．５μｍで発光する
素子も、Ｉｎ組成１２％、窒素組成４％とすることによ
り作製することができた。この場合も、基板との格子不
整合はない。このように、本発明のＩｎＧａＡｓＮ合金
半導体膜は、良質なＧａＡｓ膜層を作製する場合と同様
の基板温度、反応容器の圧力、成長速度で作製すること
ができ、上述のＧａＡｓ基板との格子不整合が相殺され
ることを併せて、発光素子の作製が容易となる。
素子をＩｎＧａＡｓＮ合金半導体を用いて作製した。こ
の波長は光通信において光信号の増幅器に用いられてい
るものである。ＧａＡｓ基板を用い従来法のＩｎＧａＡ
ｓ合金半導体を活性層に用いると、III族に占めるＩｎ
の組成は１６％となり、合金半導体層と基板との間には
１．２％の格子不整合が存在する。本発明のＩｎＧａＡ
ｓＮ合金を活性層として用いた場合には、Ｉｎ組成３
％、窒素組成１％で従来と同じ発光波長が得られた。こ
の活性層にはＧａＡｓ基板との格子不整合はない。同様
に、光通信に多く用いられている１．５μｍで発光する
素子も、Ｉｎ組成１２％、窒素組成４％とすることによ
り作製することができた。この場合も、基板との格子不
整合はない。このように、本発明のＩｎＧａＡｓＮ合金
半導体膜は、良質なＧａＡｓ膜層を作製する場合と同様
の基板温度、反応容器の圧力、成長速度で作製すること
ができ、上述のＧａＡｓ基板との格子不整合が相殺され
ることを併せて、発光素子の作製が容易となる。
【００１２】
【発明の効果】以上詳細に説明したごとく、本発明のII
I−Ｖ族合金半導体は、ヒ化物と窒化物の組成を任意に
調整した合金半導体とすることにより任意のバンドギャ
ップを持つ半導体を作製することができる。このため、
紫外から赤外の広範囲の発光領域をカバーする半導体発
光素子が実現できる。特に、本発明のＧａＡｓＮ系合金
半導体においては、電気陰性度が大きい窒素の組成割合
が少ない場合には、ヒ化物の性質を保持したままで半導
体中の電子が窒素原子に強く束縛される効果が現われ、
従来のＧａＡｓの発光波長よりも長波長の発光素子が得
られる。また、本発明のIII−Ｖ族合金半導体は発光デ
バイスのみでなく、高速な電子デバイスも作製すること
ができるため、将来の光電子集積回路の基幹材料となり
得る。
I−Ｖ族合金半導体は、ヒ化物と窒化物の組成を任意に
調整した合金半導体とすることにより任意のバンドギャ
ップを持つ半導体を作製することができる。このため、
紫外から赤外の広範囲の発光領域をカバーする半導体発
光素子が実現できる。特に、本発明のＧａＡｓＮ系合金
半導体においては、電気陰性度が大きい窒素の組成割合
が少ない場合には、ヒ化物の性質を保持したままで半導
体中の電子が窒素原子に強く束縛される効果が現われ、
従来のＧａＡｓの発光波長よりも長波長の発光素子が得
られる。また、本発明のIII−Ｖ族合金半導体は発光デ
バイスのみでなく、高速な電子デバイスも作製すること
ができるため、将来の光電子集積回路の基幹材料となり
得る。
【図１】本発明の実施例１で例示したＧａＡｓＮ系合金
半導体のバンドギャップ特性を示すグラフ。
半導体のバンドギャップ特性を示すグラフ。
【図２】本発明の実施例２で例示したＧａＡｓＮ系合金
半導体膜の気相成長装置の構成を示す模式図。
半導体膜の気相成長装置の構成を示す模式図。
【図３】実施例２において作製したＧａＡｓＮ合金半導
体膜のＸ線回折強度を示すグラフ。
体膜のＸ線回折強度を示すグラフ。
【図４】従来の各種の化合物半導体発光材料の発光色と
波長範囲と光のエネルギーとの関係を示すグラフ。
波長範囲と光のエネルギーとの関係を示すグラフ。
１…反応容器 ２…基板 ３…基板ホルダ ４…ヒータ ５…高周波プラズマ発生装置 ６…Ａｓ原料（ＡｓＨ3）の流量制御部 ７…Ｇａ原料（ＴＥＧａまたはＴＭＧａとＨ2の混合ガ
ス）の流量制御部 ８…Ｎ原料（ＮＨ3またはＮ2）の流量制御部 ９…Ａｓ原料導入部 １０…Ｇａ原料導入部 １１…Ｎ原料導入部 １２…高周波発生装置 １３…真空排気装置 １４…プラズマ領域
ス）の流量制御部 ８…Ｎ原料（ＮＨ3またはＮ2）の流量制御部 ９…Ａｓ原料導入部 １０…Ｇａ原料導入部 １１…Ｎ原料導入部 １２…高周波発生装置 １３…真空排気装置 １４…プラズマ領域
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 21/331 29/73 Ｈ０１Ｓ 3/18
Claims (3)
- 【請求項１】元素の周期表III族元素とＶ族元素が結合
したIII−Ｖ族合金半導体であって、III族構成元素とし
てＧａを、Ｖ族構成元素として ＡｓとＮを同時に含む
ＧａＡｓＮ系のIII−Ｖ族合金半導体からなることを特
徴とするIII−Ｖ族合金半導体。 - 【請求項２】請求項１において、ＧａＡｓＮ系のIII−
Ｖ族合金半導体は、ＧａＡｓＮ、ＩｎＧａＡｓＮまたは
ＡｌＧａＡｓＮ合金半導体であることを特徴とするIII
−Ｖ族合金半導体。 - 【請求項３】所定の減圧に維持した気相反応容器内に所
定の基板を保持し、元素の周期表III族元素とＶ族元素
が結合したIII−Ｖ族合金半導体膜を、化学気相成長法
により上記基板上に形成する方法において、高周波プラ
ズマにより活性化した窒素ガスもしくは窒素化合物ガス
に、少なくともアルシンガスと有機ガリウム化合物ガス
とを合わせて上記基板上に導入して、ＧａＡｓＮ系のII
I−Ｖ族合金半導体膜を成長する工程を含むことを特徴
とするIII−Ｖ族合金半導体膜の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP19198592A JPH0637355A (ja) | 1992-07-20 | 1992-07-20 | Ｉｉｉ−ｖ族合金半導体およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP19198592A JPH0637355A (ja) | 1992-07-20 | 1992-07-20 | Ｉｉｉ−ｖ族合金半導体およびその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0637355A true JPH0637355A (ja) | 1994-02-10 |
Family
ID=16283715
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP19198592A Pending JPH0637355A (ja) | 1992-07-20 | 1992-07-20 | Ｉｉｉ−ｖ族合金半導体およびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0637355A (ja) |
Cited By (26)
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-
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- 1992-07-20 JP JP19198592A patent/JPH0637355A/ja active Pending
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