JPH0652720B2 - Vapor growth method of lanthanoid element-doped semiconductor - Google Patents

Vapor growth method of lanthanoid element-doped semiconductor

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JPH0652720B2
JPH0652720B2 JP22255687A JP22255687A JPH0652720B2 JP H0652720 B2 JPH0652720 B2 JP H0652720B2 JP 22255687 A JP22255687 A JP 22255687A JP 22255687 A JP22255687 A JP 22255687A JP H0652720 B2 JPH0652720 B2 JP H0652720B2
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container
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erbium
hydrogen
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明はランタノイド元素をドープしたIII−V族半導
体の結晶成長、特にエピタキシャル成長に関するもので
ある。ランタノイド元素ドープIII−V族半導体は、半
導体としての電気的特性を保ちながらランタノイドイオ
ン特有の内殻遷移に基づく鋭い発光スペクトルを示す材
料であり、レーザー,発光ダイオード等の発光デバイス
用材料および非線形光学材料として有用である。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to crystal growth, particularly epitaxial growth, of III-V group semiconductors doped with a lanthanoid element. A lanthanoid element-doped III-V group semiconductor is a material that exhibits a sharp emission spectrum based on a core transition peculiar to a lanthanoid ion while maintaining electrical characteristics as a semiconductor. It is a material for light emitting devices such as lasers and light emitting diodes, and nonlinear optics. It is useful as a material.

(従来技術及び発明が解決しようとする問題点) ネオジム(Nd),エルビウム(Er)等のランタノイド元素は
固体レーザー用材料として用いられている。特に、Ndを
ドープしたイットリウムアルミニウムガーネット(YAG)
は、測定用或は加工用レーザー材料として広く用いられ
ている。これらの固体レーザーは、たとえば第9図に示
すような構造を持っている。即ち、Ndを含む YAG結晶を
ロッド状にしたものを励起ランプで両側からはさみ、励
起ランプからの発光をこのロッドに集め、その中に含ま
れるNdイオンを光励起し、レーザー発振を起こさせる。
励起ランプの代わりに半導体レーザー又は発光ダイオー
ド等の光源を用いるものもあるが、この構造は、本質的
に離散部品で構成されているため、(1)レーザー自体の
寸法を小さくすることができない、(2)入力エネルギー
からレーザー出力への変換効率が0.1%程度と低い、
等の欠点があった。
(Problems to be Solved by Prior Art and Invention) Lanthanoid elements such as neodymium (Nd) and erbium (Er) are used as materials for solid-state lasers. In particular, Nd-doped yttrium aluminum garnet (YAG)
Is widely used as a laser material for measurement or processing. These solid-state lasers have a structure as shown in FIG. 9, for example. That is, a rod-shaped YAG crystal containing Nd is sandwiched from both sides by an excitation lamp, and light emitted from the excitation lamp is collected on this rod, and Nd ions contained therein are photoexcited to cause laser oscillation.
Some use a light source such as a semiconductor laser or a light emitting diode instead of the excitation lamp, but since this structure is essentially composed of discrete parts, (1) the size of the laser itself cannot be reduced, (2) The conversion efficiency from input energy to laser output is as low as 0.1%,
There were drawbacks such as.

上記の欠点を克服するために、半導体にランタノイドイ
オンをドープし、電流注入によって発光させる半導体レ
ーザー又は発光ダイオードが提案された(ヘルムート
エネン及びユルゲル シュナイダー:ドイツ連邦共和国
特許 DE 3344138A1 1984年6月14日公開)。その構造
を第10図に示す。この構造に用いて、電流注入によりレ
ーザー発振が実現できれば、通常の固体レーザーの発光
線なみの単色性,波長安定性を確保できるばかりでな
く、(1)光励起のための励起ランプが不用となりレーザ
ー本体の小型化が可能となる、(2)電気エネルギーから
レーザー出力への変換効率が数十%迄あげられる、等の
メリットがある。
In order to overcome the above-mentioned drawbacks, a semiconductor laser or a light emitting diode in which a semiconductor is doped with lanthanoid ions and light is emitted by current injection has been proposed (Helmut).
Enn and Juerger Schneider: German Patent DE 3344138A1 published June 14, 1984). Its structure is shown in FIG. If laser oscillation can be realized by current injection using this structure, not only can monochromaticity and wavelength stability similar to the emission line of ordinary solid-state lasers be secured, but (1) an excitation lamp for photoexcitation is not required and laser There are merits such as downsizing of the main body and (2) increase of conversion efficiency from electric energy to laser output up to several tens of percent.

このようにIII−V族半導体にランタノイド元素をドー
プする技術は、発光デバイスの高性能に大きく貢献する
が、従来半導体にランタノイド元素をドープする方法
は、以下の三つの方法に限られていた。即ち、(1)イオ
ン注入とその後のアニールを併用する方法、(2)液相成
長用融液にランタノイド元素を添加して、エピタキシャ
ル成長をする方法、(3)分子線エピタキシ(MBE) 法で、
ランタノイドイオンをドープしながら、エピタキシャル
成長をする方法、である。
As described above, the technique of doping a III-V semiconductor with a lanthanoid element greatly contributes to high performance of a light emitting device, but the conventional method of doping a semiconductor with a lanthanoid element has been limited to the following three methods. That is, (1) a method of using ion implantation and subsequent annealing together, (2) a method of adding a lanthanoid element to a melt for liquid phase growth and performing epitaxial growth, (3) a molecular beam epitaxy (MBE) method,
It is a method of performing epitaxial growth while doping lanthanoid ions.

これらの方法には、以下のような欠点があった。まず
(1)の方法では、第10図に示した構造の活性層のような
薄い領域(〜0.1μm)に選択的にドープすることが
困難であり、かつ結晶成長後の試料にイオン注入及びア
ニール等のプロセスを加えねばならず、工程が増加し、
不便である。(2)の方法では、原理的には第10図に示す
構造を作製することが可能であるが、ランタノイド元素
は、きわめて酸化しやすいため、成長融液にランタノイ
ド元素を添加してから成長を終了するまでの全工程を不
活性ガスで置換したグローブボックス中で行わねばなら
ず、通常の液相成長に比べ、大幅に作業能率が低下す
る。また、このように酸素や水分の混入を防ぐ十分な注
意を行って成長をしても、液相成長で作製したランタノ
イド元素ドープIII−V族半導体の場合ランタノイドイ
オンの発光効率は一般に低く、結晶欠陥に起因する深い
準位からの発光が強く見られるのが通常である。また、
液相から固相へのランタノイド元素の偏析係数が小さい
こともドープを困難にしている。(3)の方法でも第10図
に示す構造を作製することができるが、MBE 法で、酸化
性の強いランタノイド元素のドーピングを行うために
は、特に成長装置内を超高真空に保たねばならず、装置
が高価となるとともに保守に多大の労力を要する。また
一般にランタノイド元素のような高融点金属は、蒸発源
の温度を高温にする必要があり、そのため原料容器等に
特別の工夫が必要である。
These methods have the following drawbacks. First
According to the method (1), it is difficult to selectively dope a thin region (~ 0.1 μm) such as the active layer of the structure shown in FIG. We have to add processes such as annealing, which increases the number of processes,
It's inconvenient. With the method (2), it is possible in principle to fabricate the structure shown in FIG. 10.However, since the lanthanoid element is extremely easy to oxidize, the lanthanoid element is added to the growth melt before the growth. All the steps until the end must be performed in a glove box replaced with an inert gas, and the work efficiency is significantly reduced as compared with normal liquid phase growth. In addition, even if the growth is carried out with sufficient care to prevent the mixing of oxygen and moisture, the lanthanoid ion-doped semiconductor produced by liquid phase growth generally has a low luminous efficiency of the lanthanoid ion, and the crystallinity is low. Light emission from deep levels due to defects is usually strongly observed. Also,
The small segregation coefficient of the lanthanoid element from the liquid phase to the solid phase also makes doping difficult. The structure shown in Fig. 10 can also be produced by the method of (3) .However, in order to dope the lanthanoid element having a strong oxidizing property by the MBE method, it is necessary to maintain an ultrahigh vacuum especially in the growth apparatus. In addition, the device becomes expensive and a lot of labor is required for maintenance. Further, in general, a refractory metal such as a lanthanoid element needs to have a high evaporation source temperature, and therefore a special container or the like needs to be devised.

上記の欠点を解決するための方法として、ランタノイド
元素の有機化合物の蒸気を含むガスを気相成長系の反応
ガス中に添加し、ランタノイド元素ドープ半導体を気相
成長させる方法が提案されている。しかし、この方法に
おいても、水素ガスを用いて、ランタノイド元素の有機
化合物の蒸気を気相成長炉の中へ導入すると、添加しよ
うとするランタノイド元素以外に、鉄,マンガン,クロ
ム,ニッケルなどの遷移金属が、10-15〜10-16cm-3以上
の濃度、エピタキシャル成長層の中に取り込まれるとい
う問題があった。これらの不純物は、添加しようとする
ランタノイド元素の有機化合物とガス配管に用いる配管
材の構成元素(主として遷移金属)が水素雰囲気中で反
応し、ランタノイド元素と配管材の構成元素との置換反
応が起こり、配管材の構成元素の一部が有機化合物の形
になってガス中を輸送されるためと考えられる。
As a method for solving the above-mentioned drawbacks, a method has been proposed in which a gas containing a vapor of an organic compound of a lanthanoid element is added to a reaction gas of a vapor phase growth system to vapor-deposit a lanthanoid element-doped semiconductor. However, even in this method, when the vapor of the organic compound of the lanthanoid element is introduced into the vapor phase growth reactor by using hydrogen gas, in addition to the lanthanoid element to be added, transition of iron, manganese, chromium, nickel, etc. There is a problem that the metal is taken into the epitaxial growth layer at a concentration of 10 -15 to 10 -16 cm -3 or more. These impurities react with the organic compound of the lanthanoid element to be added and the constituent elements (mainly the transition metal) of the piping material used in the gas piping in a hydrogen atmosphere, and the substitution reaction between the lanthanoid element and the constituent element of the piping material occurs. It is considered that some of the constituent elements of the piping material occur in the form of organic compounds and are transported in the gas.

(発明の目的) 本発明の目的は、多元混晶やダブルヘテロ構造,超格子
構造などを容易に作製できデバイス作製に最適とされる
有機金属化学気相蒸着法(MOCVD) によって、ランタノイ
ド元素をドープしたIII−V族化合物を作製する方法を
提供することにある。
(Object of the Invention) The object of the present invention is to produce a lanthanoid element by metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD), which can easily produce multi-element mixed crystals, double heterostructures, superlattice structures, etc. It is to provide a method for producing a doped III-V compound.

さらに本発明は、鉄,マンガン,クロム,ニッケルなど
の遷移金属の濃度が非常に低く、ランタノイド元素の内
殻遷移に基づく発光の効率が高いランタノイド元素添加
III−V族化合物を作製する方法を提供することにあ
る。
Further, according to the present invention, the concentration of transition metals such as iron, manganese, chromium, and nickel is very low, and the efficiency of light emission based on the core transition of lanthanoid elements is high.
It is to provide a method for producing a III-V group compound.

(問題点を解決するための手段) 上記の目的を達成するため、本発明はIII−V族化合物
の気相成長において、ランタノイド元素の有機化合物の
蒸気を含むガスを気相成長系の反応ガス中に添加し、該
ガスを基板上に流通させて、該ランタノイド元素を含む
III−V族化合物を該基板上に形成することを特徴とす
るランタノイド元素ドープ半導体の気相成長方法を発明
の要旨とするものである。
(Means for Solving the Problems) In order to achieve the above-mentioned object, the present invention uses a gas containing a vapor of an organic compound of a lanthanoid element as a reaction gas of a vapor phase growth system in the vapor phase growth of a III-V group compound. And the gas is circulated on the substrate to contain the lanthanoid element.
The gist of the invention is a vapor phase growth method of a lanthanoid element-doped semiconductor, which comprises forming a III-V group compound on the substrate.

しかして本発明は、MOCVD によってIII−V族化合物の
成長中にイッテルビウム(Yb),エルビウム(Er),ネオジ
ム(Nd),プラセオジム(Pr)等のランタノイド元素を含む
有機化合物の蒸気を適当なキャリアガスを用いて、結晶
成長用反応管内に導入し、ランタノイド元素ドープIII
−V族化合物を作製することを最も主要な特徴とする。
この方法によれば、ダブルヘテロ,超格子などヘランタ
ノイド元素を均一に或は特定の層に選択的にドープした
構造を極めて容易に作製することができるので、各種の
応用、特にランタノイド元素を含む発光デバイスおよび
非線形光学デバイスの作製などを容易に行うことができ
るなど、その実用上における効果は極めて大である。
Therefore, the present invention provides a suitable carrier for the vapor of an organic compound containing a lanthanoid element such as ytterbium (Yb), erbium (Er), neodymium (Nd) and praseodymium (Pr) during the growth of III-V compounds by MOCVD. Gas was introduced into the reaction tube for crystal growth, and lanthanoid element doping III was performed.
The most main feature is to produce a group V compound.
According to this method, a structure in which a helantanoid element such as a double hetero or superlattice is uniformly or selectively doped in a specific layer can be extremely easily prepared, and therefore various applications, particularly a lanthanoid element is included. Its practical effects are extremely large, such as the fact that a light emitting device and a nonlinear optical device can be easily manufactured.

さらに本発明は、III−V族化合物の気相成長におい
て、イッテルビウム(Yb),エルビウム(Er),ネオジム(N
d),プラセオジム(Pr)等のランタノイド元素を含む有機
化合物の蒸気を、ヘリウム,アルゴン等の希ガス、又は
窒素等の不活性ガスの内少なくとも一種を成分の一部も
しくは全部として含むキャリアガスを用いて、結晶成長
用反応管内に導入し、鉄,マンガン,クロム,ニッケル
などの遷移金属不純物の濃度の低いランタノイド元素ド
ープIII−V族化合物を作製することを最も主要な特徴
とする。この方法によれば、従来技術の欄で述べたラン
タノイド元素の有機化合物とガスの配管材の構成元素と
の反応を防ぐことができ、従って、ガス配管材の構成元
素を含む有機化合物の生成を防ぐことができる。このた
め、純粋な水素のみを用いてランタノイド元素を含む有
機化合物の蒸気を反応管に導入する場合に比べ、遷移金
属不純物の濃度の極めて低い、従って、非発光再結合中
心の濃度が低く、発光効率の極めて高いランタノイド元
素ドープIII−V族化合物を作製することができる。
Furthermore, the present invention provides ytterbium (Yb), erbium (Er), neodymium (N) in vapor phase growth of III-V compounds.
d), a vapor of an organic compound containing a lanthanoid element such as praseodymium (Pr), a carrier gas containing at least one of rare gases such as helium and argon or an inert gas such as nitrogen as a part or all of the components. The main feature is to introduce a lanthanoid element-doped III-V compound having a low concentration of transition metal impurities such as iron, manganese, chromium, and nickel into the reaction tube for crystal growth. According to this method, it is possible to prevent the reaction between the organic compound of the lanthanoid element and the constituent element of the gas piping material described in the section of the prior art, and thus the formation of the organic compound containing the constituent element of the gas piping material is prevented. Can be prevented. For this reason, the concentration of transition metal impurities is extremely low compared to the case where the vapor of an organic compound containing a lanthanoid element is introduced into the reaction tube using pure hydrogen only. Therefore, the concentration of non-radiative recombination centers is low and A highly efficient lanthanoid element-doped III-V group compound can be produced.

次に本発明の実施例について説明する。なお、実施例は
一つの例示であって、本発明の精神を逸脱しない範囲
で、種々の変更あるいは改良を行いうることは言うまで
もない。
Next, examples of the present invention will be described. Needless to say, the embodiment is merely an example, and various modifications and improvements can be made without departing from the spirit of the present invention.

(実施例1) 第1図は本発明の実施に使用されたMOCVD 装置の概要を
示すものである。基板として InPを用い、その上にラン
タノイド元素ドープInP を成長させる場合を例にとり、
成長方法について図面を追って説明する。まずパイプ8
により精製された希釈用水素ガスを送る。そして、高周
波加熱(RFコイル12)によって石英反応管13内のサセプ
タ14を加熱して InP基板15を加熱する。InP基板が約300
℃になったら、基板からのPの蒸発を防ぐためにパイプ
9よりホスフィン(PH3)(20%水素希釈)を反応室に導入
する。 InP基板が所定の温度に達したら、トリエチルイ
ンジウム17を10のパイプで送られたキャリア水素ガスに
より反応管13に導入する。更にあらかじめ18のヒーター
で所定の温度に加熱されたトリスシクロペンタジエニル
イッテルビウム〔Yb(C5H5)〕19を11から送られた水素
によってヒーター20により加熱されたパイプを通って反
応管13に導入する。この時ヒーター20の温度はトリスシ
クロペンタジエニルイッテルビウムの容器の温度より10
℃から50℃程度高くし、配管中へのトリスシクロペンタ
ジエニルイッテルビウムの堆積を防ぐ。以上のようにし
て所定の時間トリエチルインジウムとトリスシクロペン
タジエニルイッテルビウムを導入すれば所望のイッテル
ビウムドープ InP結晶が成長する。例えば、 InP基板は
温度 650℃で保持し、希釈用水素をパイプ8を通して28
00/分流入させ、トリエチルインジウムを30℃に保ち、
これに 300cc/分の水素を流し、ホスフィンを 300cc/
分(20%水素希釈)流し、トリスシクロペンタジエニル
イッテルビウムを 223℃に保ち、この容器中に 200cc/
分の水素を流し、180 分間 InPの結晶成長を行った。二
次イオン質量分析と化学分析を併用して成長した結晶を
評価したところ、3.6×1018個/cmのイッテルビウ
ムがドープされた InP結晶が厚さ6μm成長していた。
(Embodiment 1) FIG. 1 shows an outline of a MOCVD apparatus used for carrying out the present invention. Taking InP as the substrate and growing the lanthanoid element-doped InP on it,
The growth method will be described with reference to the drawings. First pipe 8
The hydrogen gas for dilution purified by is sent. Then, the InP substrate 15 is heated by heating the susceptor 14 in the quartz reaction tube 13 by high frequency heating (RF coil 12). InP substrate is about 300
When the temperature reaches ℃, phosphine (PH 3 ) (diluted with 20% hydrogen) is introduced into the reaction chamber through the pipe 9 to prevent the evaporation of P from the substrate. When the InP substrate reaches a predetermined temperature, triethylindium 17 is introduced into the reaction tube 13 by the carrier hydrogen gas sent by the pipe 10. Further, triscyclopentadienyl ytterbium [Yb (C 5 H 5 ) 3 ] 19 which has been heated to a predetermined temperature by a heater of 18 in advance is passed through a pipe heated by a heater 20 by hydrogen sent from 11 to a reaction tube. Introduce to 13. At this time, the temperature of the heater 20 is 10 times higher than the temperature of the container of triscyclopentadienyl ytterbium.
The temperature is raised from 50 ℃ to 50 ℃ to prevent the deposition of triscyclopentadienyl ytterbium in the piping. As described above, if triethylindium and triscyclopentadienyl ytterbium are introduced for a predetermined time, a desired ytterbium-doped InP crystal grows. For example, the InP substrate is kept at a temperature of 650 ° C, and hydrogen for dilution is supplied through the pipe 8
Flow at 00 / min, keep triethylindium at 30 ℃,
300cc / min of hydrogen is flowed through this, and phosphine is added at 300cc / min.
(20% hydrogen dilution) was passed and triscyclopentadienyl ytterbium was kept at 223 ° C.
A minute amount of hydrogen was flowed, and InP crystal growth was performed for 180 minutes. When the grown crystal was evaluated by using both secondary ion mass spectrometry and chemical analysis, InP crystal doped with 3.6 × 10 18 / cm 3 of ytterbium was grown to a thickness of 6 μm.

この結晶を液体窒素中で77Kに保ち、ヘリウムネオンレ
ーザーからの波長 633nmの光で励起しフォトルミネセ
ンスを測定したところ、第2図に見られるスペクトルが
得られ、高品質の光学特性を有するイッテルビウムドー
プ InP結晶が成長していることが判った。
This crystal was kept at 77K in liquid nitrogen, and was excited by light with a wavelength of 633 nm from a helium neon laser, and the photoluminescence was measured. The spectrum shown in Fig. 2 was obtained, and ytterbium with high-quality optical characteristics was obtained. It was found that the doped InP crystal was growing.

(実施例2) トリスシクロペンタジエニルイッテルビウム容器の温度
を50℃から 250℃の間で変化させた点を除いて、実施例
1の工程を用いた。この条件で作製したイッテルビウム
ドープ InP中のイッテルビウム濃度を二次イオン質量分
析と化学分析を併用して調べたところ、第3図に実線で
示すようなイッテルビウムの容器温度と InP結晶中のイ
ッテルビウム濃度の関係が得られた。
Example 2 The process of Example 1 was used except that the temperature of the triscyclopentadienyl ytterbium container was varied between 50 ° C and 250 ° C. The ytterbium concentration in the ytterbium-doped InP prepared under these conditions was investigated by using both secondary ion mass spectrometry and chemical analysis. As a result, the ytterbium container temperature and the ytterbium concentration in the InP crystal as shown by the solid line in Fig. 3 were compared. A relationship was obtained.

(実施例3) トリスシクロペンタジエニルイッテルビウム容器に流す
水素の流量を 300cc/分に変えた点を除き実施例2の工
程を用いた。トリスシクロペンタジエニルイッテルビウ
ムの容器温度と InP結晶中のイッテルビウム濃度の関係
を調べると第3図に破線で示すような関係が得られた。
(Example 3) The process of Example 2 was used except that the flow rate of hydrogen flowing in the triscyclopentadienyl ytterbium container was changed to 300 cc / min. When the relationship between the container temperature of triscyclopentadienyl ytterbium and the ytterbium concentration in the InP crystal was examined, the relationship shown by the broken line in FIG. 3 was obtained.

以上の結果からわかるように、イッテルビウムを InP中
に発光中心として有効な濃度だけドープするためには、
トリスシクロペンタジエニルイッテルビウムの容器を50
℃以上に保つ必要がある。また、トリスシクロペンタジ
エニルイッテルビウムの容器を 250℃より高い温度に保
つと、容器中又は反応管へ輸送される配管の途中で分解
する可能性が高くなり、やはり有効なドーピングができ
ない。
As can be seen from the above results, in order to dope ytterbium into InP at a concentration effective as an emission center,
50 containers of triscyclopentadienyl ytterbium
Must be kept above ℃. Further, if the temperature of the triscyclopentadienyl ytterbium container is maintained at a temperature higher than 250 ° C., there is a high possibility that it will decompose in the container or in the middle of the pipe transported to the reaction tube, and effective doping cannot be performed.

(実施例4) トリスシクロペンタジエニルイッテルビウムをトリスシ
クロペンタジエニルエルビウムに代え、その容器温度を
50℃から 300℃の間で変化させ、実施例1の工程を行っ
た。トリスシクロペンタジエニルエルビウムの容器に流
す水素の流量が 100cc/分の場合と 300cc/分の場合に
ついて InP結晶にドープされるエルビウムの濃度を調べ
たところ第4図の関係を得た。実線はトリスシクロペン
タジエニルエルビウムの容器に流す水素流量が100 cc/
分の場合、破線はトリスシクロペンタジエニルエルビウ
ムの容器に流す水素流量が300 cc/分の場合である。こ
れらの条件で作製したエルビウムドープ InP結晶を液体
窒素中で77Kに保ち、ヘリウムネオンレーザーからの波
長 633nmの光で励起したところ、第5図のスペクトル
を得た。
(Example 4) Triscyclopentadienyl ytterbium was replaced with triscyclopentadienyl erbium, and the container temperature was changed.
The process of Example 1 was performed by changing the temperature between 50 ° C and 300 ° C. When the concentration of erbium doped in the InP crystal was examined when the flow rate of hydrogen flowing in the container of triscyclopentadienyl erbium was 100 cc / min and 300 cc / min, the relationship shown in FIG. 4 was obtained. The solid line indicates the flow rate of hydrogen flowing in the container of triscyclopentadienyl erbium is 100 cc /
In the case of minutes, the broken line is the case where the flow rate of hydrogen flowing into the container of triscyclopentadienyl erbium is 300 cc / min. The erbium-doped InP crystal produced under these conditions was kept at 77 K in liquid nitrogen and excited with light having a wavelength of 633 nm from a helium neon laser, and the spectrum shown in FIG. 5 was obtained.

(実施例5) トリスシクロペンタジエニルエルビウムをトリスシクロ
ペンタジエニルネオジムに代えた点を除き、実施例4と
同じ工程を用いた。トリスシクロペンタジエニルネオジ
ム容器温度を150℃から350℃の間で変化させ、トリスシ
クロペンタジエニルネオジム容器に流す水素の流量が10
0cc/分と300cc/分の場合について実験を行ったとこ
ろ、第6図の関係を得た。実線は、トリスシクロペンタ
ジエニルネオジム容器に流す水素流量が 100 cc/分の
場合、破線は、 300cc/分の場合である。
Example 5 The same process as in Example 4 was used, except that triscyclopentadienyl erbium was replaced with triscyclopentadienyl neodymium. By changing the temperature of the triscyclopentadienylneodymium container between 150 ° C and 350 ° C, the flow rate of hydrogen flowing in the triscyclopentadienylneodymium container is 10
When experiments were conducted for 0 cc / min and 300 cc / min, the relationship shown in FIG. 6 was obtained. The solid line is for a hydrogen flow rate of 100 cc / min flowing into the triscyclopentadienyl neodymium container, and the broken line is for 300 cc / min.

(実施例6) トリスシクロペンタジエニルエルビウムをトリスシクロ
ペンタジエニルプラセオジムに代えた点を除き、実施例
4と同じ工程を用いた。トリスシクロペンタジエニルプ
ラセオジム容器温度を 180℃から 350℃の間で変化さ
せ、トリスシクロペンタジエニルプラセオジム容器に流
す水素の流量が100 cc/分と300 cc/分の場合について
実験を行ったところ、第7図の関係を得た。実線は、ト
リスシクロペンタジエニルプラセオジム容器に流す水素
流量が 100cc/分の場合、破線は 300cc/分の場合であ
る。
Example 6 The same process as in Example 4 was used, except that triscyclopentadienyl erbium was replaced with triscyclopentadienyl praseodymium. Triscyclopentadienyl praseodymium container temperature was changed between 180 ℃ and 350 ℃, and experiments were conducted for hydrogen flow rates of 100 cc / min and 300 cc / min in the triscyclopentadienyl praseodymium container. , The relationship of FIG. 7 was obtained. The solid line is for a hydrogen flow rate of 100 cc / min flowing into the triscyclopentadienyl praseodymium container, and the broken line is for 300 cc / min.

(実施例7) 実施例4と同様の成長条件で、トリスシクロペンタジエ
ニルエルビウムの容器に流す水素ガスをヘリウム,アル
ゴン,窒素の各々に代えて、結晶を作製した。トリスシ
クロペンタジエニルエルビウムの容器に流すヘリウム、
又はアルゴン、又は窒素の流量は2cc/分から 200cc/
分の間で変化させた。二次イオン質量分析を用いて調べ
たところ、何れのガスを用いた場合もエルビウム濃度
は、水素を使用した場合に比べ、有意な変化を示さない
のに対し、鉄,マンガン,クロム,ニッケルなどの遷移
金属不純物の濃度は、十分の一以下となった。また、ト
リスシクロペンタジエニルエルビウムの容器に流すガス
を、ヘリウム、又はアルゴン、又は窒素として成長させ
たエルビウムドープ InPを77Kに保ち、ヘリウムネオン
レーザーからの波長 633nmの光で励起したところ、1.
54μmにエルビウムからの発光がみられたが、その発光
強度は、純粋な水素をトリスシクロペンタジエニルエル
ビウムの容器に流して作製したエルビウムドープ InPの
10倍以上であった。
(Example 7) Under the growth conditions similar to those in Example 4, the hydrogen gas supplied to the container of triscyclopentadienylerbium was replaced with helium, argon, and nitrogen to prepare crystals. Helium flowing in a container of triscyclopentadienyl erbium,
Or the flow rate of argon or nitrogen is from 2cc / min to 200cc / min.
Changed between minutes. When examined using secondary ion mass spectrometry, the erbium concentration does not show a significant change compared with the case where hydrogen is used in any gas, whereas iron, manganese, chromium, nickel, etc. The concentration of the transition metal impurities of was less than 1/10. Moreover, when the gas to be flown into the container of triscyclopentadienyl erbium was kept at 77K with erbium-doped InP grown as helium, argon, or nitrogen, and excited by light with a wavelength of 633 nm from a helium neon laser, 1.
Emission from erbium was observed at 54 μm. The emission intensity of erbium-doped InP prepared by flowing pure hydrogen into a container of triscyclopentadienylerbium.
It was more than 10 times.

(実施例8) トリスシクロペンタジエニルエルビウムをトリスメチル
シクロペンタジエニルエルビウム〔(CH3-C5H5)3 Er〕に
代え、且つ、トリスメチルシクロペンタジエニルエルビ
ウム容器に流すガスを、ヘリウム、又はアルゴン、又は
窒素とした点を除き、実施例4と同じ工程を用いた。ト
リスメチルシクロペンタジエニルエルビウム容器温度を
30℃〜100℃の間で変化させ、トリスメチルシクロペン
タジエニルエルビウム容器に流すガスの流量を200 cc/
分として実験を行ったところ、第8図の関係を得た。ト
リスメチルシクロペンタジエニルエルビウム容器に流す
ガスの種類が、ヘリウム,アルゴン,窒素のいずれの場
合もこの関係は変わらなかった。二次イオン質量分析を
用いて、成長した結晶中の不純物を調べたところ、実施
例7で述べた方法で作製した結晶と道程度の低い濃度の
鉄,マンガン,クロム,ニッケルなどの遷移金属不純物
が見られた。また、この結晶を77Kに保ち、ヘリウムネ
オンレーザーからの波長 633nmの光で励起したとこ
ろ、1.54μmにエルビウムからの発光がみられたが、そ
の発光強度は、実施例7で述べた方法で作製した結晶と
同程度であった。
(Example 8) Triscyclopentadienyl erbium was replaced with trismethylcyclopentadienyl erbium [(CH 3 -C 5 H 5 ) 3 Er], and a gas flowing into a trismethylcyclopentadienyl erbium container was used. The same process as in Example 4 was used, except that helium, argon, or nitrogen was used. Trismethylcyclopentadienyl erbium container temperature
The flow rate of gas flowing into the trismethylcyclopentadienyl erbium container is changed between 30 ° C and 100 ° C by 200 cc /
When the experiment was conducted as a minute, the relationship shown in FIG. 8 was obtained. This relationship did not change when the type of gas flowing into the trismethylcyclopentadienyl erbium container was helium, argon, or nitrogen. The impurities in the grown crystal were examined by using secondary ion mass spectrometry. As a result, the crystals produced by the method described in Example 7 and transition metal impurities such as iron, manganese, chromium, and nickel with a low concentration were obtained. It was observed. When this crystal was kept at 77 K and excited with light of a wavelength of 633 nm from a helium neon laser, luminescence from erbium was observed at 1.54 μm. Its luminescence intensity was produced by the method described in Example 7. It was about the same as the crystal.

以上の結果から明らかなように、本発明によれば、1015
cm-3台から1019cm-3台の間の所望の範囲にランタノイド
元素をエピタキシャル層に制御性良くドープでき、従来
行われているイオン注入や液相成長によるドープによっ
ては得られない高品質のランタノイドドープIII−V族
化合物結晶が得られることがわかった。
As is clear from the above results, according to the present invention, 10 15
cm lanthanide element in the desired range between -3 to 10 19 cm -3 units can be controlled with good doped epitaxial layer, high quality which can not be obtained by doping a prior done in that ion implantation or liquid phase growth It was found that the above lanthanoid-doped III-V group compound crystal was obtained.

以上の結果は、 InP基板上の InP成長について述べた
が、本発明は InP以外のIII−V族化合物例えばGaAs,G
aP, AlAs,AlP及びこれらの混晶全般に対し、実施でき
ることは言うまでもない。また、ドーピング用原料とし
て、ランタノイドのトリスシクロペンタジエニル化合物
(C5H5)3 Ln(Ln:ランタノイド元素),トリスメチルシク
ロペンタジエニル化合物(CH3-C5H5)3Ln 以外に(C5H5)2
LnCl,(CH3C5H4)2LnCl ,〔(C5H5)2LnCH3,(C5H5)2
LnCC6H,(C5H5)2LnC CR (R=C6H5, n-C4H9, n-C6H13,
c-C6H11),〔(C5H5)2Ln CC(CH3)3なども使用でき
る。
Although the above results describe InP growth on an InP substrate, the present invention is directed to III-V group compounds other than InP, such as GaAs and G.
It goes without saying that the invention can be applied to aP, AlAs, AlP and mixed crystals thereof in general. Also, as a doping raw material, a lanthanoid triscyclopentadienyl compound
(C 5 H 5 ) 3 Ln (Ln: lanthanoid element), trismethylcyclopentadienyl compound (CH 3 -C 5 H 5 ) 3 Ln other than (C 5 H 5 ) 2
LnCl, (CH 3 C 5 H 4) 2 LnCl, [(C 5 H 5) 2 LnCH 3 ] 2, (C 5 H 5) 2
LnCC 6 H 5 , (C 5 H 5 ) 2 LnC CR (R = C 6 H 5 , nC 4 H 9 , nC 6 H 13 ,
cC 6 H 11), [(C 5 H 5) 2 Ln CC (CH 3) 3 ] 2, etc. can be used.

(発明の効果) 以上説明したように本発明のランタノイド元素ドープII
I−V族化合物の気相成長法によれば、ドーパントとし
てランタノイド元素の有機化合物を用いてエピタキシャ
ル成長中にドーピングを行うようにしたので、ダブルヘ
テロや超格子などの複雑な構造に、精度良く所望の厚さ
に1015cm-3台から1019cm-3台の間の所望の濃度のランタ
ノイド元素のドーピングを行い、高品質のランタノイド
ドープIII−V族化合物結晶を得ることができる。この
方法を用いれば、ダブルヘテロ構造の活性層中に選択的
にランタノイド元素ドープを行うことができるのでラン
タノイド元素を発光源とする電流注入型半導体レーザー
の実現が可能となる。
(Effects of the Invention) As described above, the lanthanoid element-doped II of the present invention
According to the vapor phase growth method of the IV compound, since the organic compound of the lanthanoid element is used as the dopant to perform the doping during the epitaxial growth, it is possible to accurately obtain a complex structure such as a double hetero structure or a superlattice structure with high accuracy. Can be doped with a desired concentration of the lanthanoid element between 10 15 cm -3 and 10 19 cm -3 to obtain a high-quality lanthanoid-doped III-V compound crystal. By using this method, the lanthanoid element can be selectively doped into the active layer having the double hetero structure, so that a current injection type semiconductor laser using the lanthanoid element as a light emitting source can be realized.

また、本発明のランタノイド元素ドープIII−V族化合
物と気相成長法は、ドーパントとしてランタノイド元素
の有機化合物を用いてエピタキシャル成長を行う場合
に、ランタノイド元素の有機化合物の容器に、ヘリウ
ム,アルゴン等の希ガス、又は窒素等の不活性ガスの内
少なくとも一種を成分の一部もしくは全部として含むキ
ャリアガスを流すことにしたので、ランタノイド元素の
有機化合物の容器に純粋な水素のみを流す場合に比べ
て、鉄,マンガン,クロム,ニッケルなどの遷移金属不
純物の濃度が、十分の一以下となる。また、これに伴
い、ドープされたランタノイド元素からの発光強度は、
純粋な水素を用いる場合に比べ10倍以上になり、高効率
の発光ダイオードや、半導体レーザーの実現が可能とな
る効果を有する。
Further, the lanthanoid element-doped III-V group compound and the vapor phase growth method of the present invention are such that when an organic compound of a lanthanoid element is used as a dopant for epitaxial growth, a container of the organic compound of a lanthanoid element such as helium or argon is used. Since a carrier gas containing noble gas or at least one kind of inert gas such as nitrogen as a part or all of the components has been decided to flow, compared with the case where pure hydrogen alone is flowed into the container of the organic compound of the lanthanoid element. The concentration of transition metal impurities such as iron, manganese, chromium, and nickel is less than one tenth. Along with this, the emission intensity from the doped lanthanoid element is
Compared with the case of using pure hydrogen, it is 10 times or more, and it has the effect of realizing a highly efficient light emitting diode or semiconductor laser.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本発明の気相成長法を実現する装置の構成を示
す説明図、第2図は本発明の気相成長法で作製したイッ
テルビウムドープ InP層の発光スペクトル、第3図はト
リスシクロペンタジエニルイッテルビウム容器の温度と
InP中のイッテルビウム濃度の関係を示すもので、図中
実線はトリスシクロペンタジエニルイッテルビウム容器
に流す水素流量が 200cc/分の場合、破線はトリスシク
ロペンタジエニルイッテルビウム容器に流す水素流量が
300cc/分の場合を示す。第4図はトリスシクロペンタ
ジエニルエルビウムの容器温度とInP中のエルビウムの
濃度の関係を示すもので、図中実線はトリスシクロペン
タジエニルエルビウム容器に流す水素流量が 100cc/分
の場合、破線はトリスシクロペンタジエニルエルビウム
容器に流す水素流量が 300cc/分の場合を示す。第5図
は本発明の気相成長法で作製したエルビウムドープInP
層の発光スペクトル、第6図はトリスシクロペンタジエ
ニルネオジムの容器温度と InP層中のネオジムの濃度の
関係を示すもので、図中実線はトリスシクロペンタジエ
ニルネオジム容器に流す水素流量が 100cc/分の場合、
破線はトリスシクロペンタジエニルネオジム容器に流す
水素流量が 300cc/分の場合を示す。第7図はトリスシ
クロペンタジエニルプラセオジムの容器温度と InP層中
のプラセオジムの濃度の関係を示すもので、図中実線は
トリスシクロペンタジエニルプラセオジム容器に流す水
素流量が 100cc/分の場合、破線はトリスシクロペンタ
ジエニルプラセオジム容器に流す水素流量が 300cc/分
の場合を示す。第8図はトリスメチルシクロペンタジエ
ニルエルビウムの容器温度と InP層中のエルビウムの濃
度の関係、第9図は励起ランプを用いる従来の固体レー
ザー、第10図は電流注入によって発光させるランタノイ
ド元素ドープ半導体レーザーを示す。 1……パンピング空洞 2……レーザーロッド 3……励起ランプ 4……電極 5……p型層 6……ランタノイド元素がドープされた活性層 7……n型層 8……希釈用水素を送るガス導入口 9……ホスフィンと水素の混合ガスを送るガス導入口 10……トリエチルインジウムを輸送する水素系 11……ランタノイド元素の有機化合物を輸送する水素系 12……RFコイル 13……透明石英管 14……SiC でコートされたカーボンサセプタ 15……InP 基板 16……熱電対 17……トリエチルインジウム 18……ランタノイド元素の有機化合物を加熱するための
ヒーター 19……ランタノイド元素の有機化合物 20……パイプを加熱するヒーター
FIG. 1 is an explanatory diagram showing the constitution of an apparatus for realizing the vapor phase growth method of the present invention, FIG. 2 is an emission spectrum of an ytterbium-doped InP layer produced by the vapor phase growth method of the present invention, and FIG. The temperature of the pentadienyl ytterbium container and
It shows the relationship of ytterbium concentration in InP. The solid line in the figure shows the hydrogen flow rate to the triscyclopentadienyl ytterbium container at 200cc / min, and the broken line shows the hydrogen flow rate to the triscyclopentadienyl ytterbium container.
It shows the case of 300cc / min. Fig. 4 shows the relationship between the temperature of the triscyclopentadienyl erbium container and the concentration of erbium in InP. The solid line in the figure is the broken line when the hydrogen flow rate in the triscyclopentadienyl erbium container is 100cc / min. Indicates the case where the flow rate of hydrogen flowing into the triscyclopentadienyl erbium container is 300 cc / min. FIG. 5 shows erbium-doped InP prepared by the vapor phase epitaxy method of the present invention.
The emission spectrum of the layer, Fig. 6 shows the relationship between the temperature of the container of triscyclopentadienyl neodymium and the concentration of neodymium in the InP layer. The solid line in the figure shows the flow rate of hydrogen flowing in the container of triscyclopentadienyl neodymium at 100cc. / Minute,
The broken line shows the case where the flow rate of hydrogen flowing into the triscyclopentadienyl neodymium container is 300 cc / min. Fig. 7 shows the relationship between the temperature of the triscyclopentadienyl praseodymium container and the concentration of praseodymium in the InP layer. The solid line in the figure indicates that the hydrogen flow rate in the triscyclopentadienyl praseodymium container is 100cc / min. The broken line shows the case where the flow rate of hydrogen flowing into the triscyclopentadienyl praseodymium container is 300 cc / min. Fig. 8 shows the relationship between the container temperature of trismethylcyclopentadienyl erbium and the concentration of erbium in the InP layer, Fig. 9 is the conventional solid-state laser using an excitation lamp, and Fig. 10 is the lanthanoid element doping that causes light emission by current injection. A semiconductor laser is shown. 1 ... Pumping cavity 2 ... Laser rod 3 ... Excitation lamp 4 ... Electrode 5 ... P-type layer 6 ... Active layer doped with lanthanoid element 7 ... N-type layer 8 ... Sending hydrogen for dilution Gas inlet 9 …… Gas inlet for sending mixed gas of phosphine and hydrogen 10 …… Hydrogen system for transporting triethylindium 11 …… Hydrogen system for transporting organic compound of lanthanoid element 12 …… RF coil 13 …… Transparent quartz Tube 14 …… SiC coated carbon susceptor 15 …… InP substrate 16 …… Thermocouple 17 …… Triethylindium 18 …… Heater for heating organic compound of lanthanoid element 19 …… Organic compound of lanthanoid element 20 …… … A heater that heats the pipe

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】III−V族化合物の気相成長において、ラ
ンタノイド元素の有機化合物の蒸気を含むガスを気相成
長系の反応ガス中に添加し、該ガスを基板上に流通させ
て、該ランタノイド元素を含むIII−V族化合物を該基
板上に形成することを特徴とするランタノイド元素ドー
プ半導体の気相成長方法。
1. In vapor phase growth of a III-V group compound, a gas containing a vapor of an organic compound of a lanthanoid element is added to a reaction gas of a vapor phase growth system, and the gas is circulated on a substrate to A vapor-phase growth method for a lanthanoid element-doped semiconductor, comprising forming a III-V group compound containing a lanthanoid element on the substrate.
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