JPH10289877A - 化合物半導体の形成方法及び半導体装置 - Google Patents

化合物半導体の形成方法及び半導体装置

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JPH10289877A
JPH10289877A JP9691697A JP9691697A JPH10289877A JP H10289877 A JPH10289877 A JP H10289877A JP 9691697 A JP9691697 A JP 9691697A JP 9691697 A JP9691697 A JP 9691697A JP H10289877 A JPH10289877 A JP H10289877A
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gan
layer
inn
mixed crystal
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JP9691697A
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Masahiko Kawada
雅彦 河田
Jun Goto
順 後藤
Shoichi Akamatsu
正一 赤松
Shigekazu Minagawa
重量 皆川
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】InGaNの成長において、混晶内で部分的な
Inの析出を防止し、成長膜の平坦性を保ち、上記混晶
部を半導体レーザの活性層に使用したときの発振波長の
多重化を防止する。 【解決手段】InNとGaNを単膜として数原子層ずつ
交互に積層することにより見かけ上、InGaNのバン
ドギャップに相当する擬似3元混晶を形成する。InG
aNのIn組成は、InNの膜厚を一定とし、GaNの
膜厚を調整することにより決定する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は化合物半導体の3元
混晶に係り、特にその形成方法およびその3元混晶を発
光素子の活性層として用いた半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】GaN系に代表される青色半導体発光素
子(発光ダイオード,半導体レーザ等)の中でも半導体レ
ーザはデジタルビデオディスク等の光源として注目され
ている。GaN系半導体レーザは、AlGaNをクラッ
ド層,GaNをガイド層として用い、活性層はInGa
N(In20%)を井戸層に、InGaN(In5%)を
障壁層とした多重量子井戸構造(MQW)を用いてい
る。各層は主にMOCVD(有機金属気相成長法)によ
り形成されている。しかし、InGaNはGaNとIn
Nの共有結合半径差が大きく結晶成長が困難である。こ
のため、InGaN混晶内にIn組成のバラツキが存在
し、また、Inが混晶内で部分的に析出するため平坦な
成長面を得ることが困難であった(第57回秋季応用物
理学会予稿集8p−ZF−14)。これらの問題点は、
半導体レーザの発光波長の多重化,半値幅の増加の原因
になり好ましくない。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】MOCVD(有機金属
気相成長法)により3元混晶であるInGaNを成長す
る場合、GaNとInNの共有結合半径差が8.8% と
大きいため、InGaN混晶内で部分的なInの析出が
生じる。そのため、In析出場所のIn組成が大きくな
り、InGaN混晶の膜内組成にバラツキが生じる。ま
た、Inの析出はその部分が島状成長するため、InG
aN膜の平坦性が損なわれ、成長面に凹凸が現れる。し
たがって、InGaNを半導体レーザの活性層として使
用した場合、発光波長の多重化,半値幅の増加等の問題
がある。また、InGaNにドーピングする場合にもI
n組成のバラツキに対応してドーピング量も安定しな
い。これらの問題を解決するためにはInの析出を防止
し、組成バラツキの無い均一で平坦なInGaN膜を成
長する必要がある。
【0004】
【課題を解決するための手段】InGaNはInNとG
aNが成長膜内である割合だけ混ざった混晶であり、成
長する際、In,Ga,N原料を同時に基板上に供給す
るため、Inの析出が起こる。本発明は、InNとGa
Nを単膜として数原子層ずつ交互に積層することによ
り、見かけ上InGaNのバンドギャップに相当する擬
似3元混晶を形成するものである。
【0005】InGaNのIn組成は、InNの膜厚を
一定とし、GaNの膜厚を調整することにより決定す
る。例えば、In組成を小さくする場合はGaN膜厚を
厚く、In組成を大きくする場合は薄くすれば良い。こ
の方法を用いることにより、InN,GaN共に単膜と
して成長できるので、Inの析出を防止でき、In組成
が均一で表面が平坦な成長が可能になる。
【0006】
【発明の実施の形態】
<実施例1>本発明の実施例の一つを図1に示す。まず
サファイア基板1上にバッファ層としてGaN層2を3
μm成長する。次にInN層3を0.2nm ,GaN層
4を1nm、交互に成長し、InN(0.2nm)/Ga
N(1nm)の組合せからなる層5を200回、繰り返
し成長する。結晶成長には、MOCVD(有機金属気相
成長法)を用い、Ga原料にTMG(トリメチルガリウ
ム),In原料にTMI(トリメチルインジウム),N
原料にアンモニアを使用した。GaNバッファ層2の成
長温度は1050℃、InN/GaN層5は800℃で
成長した。以上の様に成長した試料をフォトルミネッセ
ンス測定したところ、発光半値幅が従来10nm程度あ
ったものが、本発明の方法で成長したInN/GaN膜
では6nmと改善された。
【0007】また、同様の成長を分子線エピタキシ法を
用い、Ga,Inは固体ソース、N原料は窒素ガスをE
CRプラズマにより活性化したものを使用して成膜し
た。この時の成長温度は750℃である。この試料をフ
ォトルミネッセンス測定したところ、MOCVDで成長
したものとほぼ同等の半値幅が得られた。
【0008】<実施例2>本発明のInN/GaN膜を
半導体レーザの活性層に用いた実施例を図2に示す。成
長はMOCVDを用いGa原料にTMG,In原料にT
MI,Al原料にTMA(トリメチルアルミニウム),
N原料にアンモニア,n型ドーパントにモノシラン,p
型ドーパントにジスペンタジエニルマグネシウムを用い
た。
【0009】まず、サファイア基板21上に基板温度5
50℃で低温成長GaNバッファ層22を30nm成長
し、その上にn−GaNコンタクト層23を3μm,n
−AlGaN(Al組成0.12)クラッド層24を40
0nm,n−GaNガイド層25を70nm,成長温度
1050℃で積層する。
【0010】次に、成長温度を800℃に降温し、In
N(0.1nm)/GaN(2nm)超格子バリア層を3
サイクル(6.3nm)成長する。この時の見かけ上のバ
ンドギャップはInGaN(In組成0.05)と同じで
ある。次に、InN(0.2nm)/GaN(1nm)超
格子井戸層を2サイクル(2.4nm)成長する。この時
の見かけ上のバンドギャップはInGaN(In組成0.
2)と同じである。この超格子バリア層と超格子井戸層
を20サイクル繰り返し成長する。これにより、見かけ
上InGaN(In組成0.05)/InGaN(In組
成0.2)のMQW(多重量子井戸)26が形成され
る。
【0011】次に、成長温度を1050℃に戻し、p−
GaNガイド層27を70nm,p−AlGaN(Al
組成0.12)クラッド層28を400nm,p−Ga
Nコンタクト層29を400nm、順次成長し、半導体
レーザ構造を形成する。次に、塩素系ドライエッチング
によりn電極部分をn型コンタクト層まで取り除き、そ
こにTi/Au211をn型電極として蒸着し、p型電
極にはNi/Au210を蒸着する。
【0012】以上のように成長した半導体レーザを発振
させた時、発振スペクトルの半値幅は従来のInGaN
(In組成0.05)/InGaN(In組成0.2)MQ
Wを用いたものが2nmに対し、本発明の構造を用いた
場合、1.4nm と改善された。
【0013】<実施例3>次にMBE(分子線エピタキ
シ法)を用いて成長した実施例を図3を用いて説明す
る。MBE成長ではGa,In,Al原料に固体ソー
ス,N原料にECRプラズマにより活性化した窒素ガ
ス,n型ドーパントにSi固体ソース,p型ドーパント
にMg固体ソースを用いた。
【0014】まず、サファイア基板31上に基板温度7
50℃でn−GaNコンタクト層32を3μm,n−A
lGaN(Al組成0.12)クラッド層33を400n
m,n−GaNガイド層34を70nm成長する。次い
でInN(0.1nm)/GaN(2nm)超格子バリア
層を3サイクル(6.3nm)を成長する。この時の見か
け上のバンドギャップはInGaN(In組成0.05)
と同じである。次に、InN(0.2nm)/GaN(1
nm)超格子井戸層を2サイクル(2.4nm)成長す
る。この時の見かけ上のバンドギャップはInGaN
(In組成0.2)と同じである。この超格子バリア層と
超格子井戸層を20サイクル繰り返し成長する。これに
より、見かけ上InGaN(In組成0.05)/InG
aN(In組成0.2)のMQW(多重量子井戸)35が形
成される。
【0015】次に、p−GaNガイド層36を70n
m,p−AlGaN(Al組成0.12)クラッド層37を
400nm,p−GaNコンタクト層38を400n
m、順次成長し、半導体レーザ構造を形成する。次に、
塩素系ドライエッチングによりn電極部分をn型コンタ
クト層まで取り除き、そこにTi/Au310をn型電
極として蒸着し、p型電極にはNi/Au39を蒸着す
る。この時のレーザの発振スペクトルの半値幅は1nm
程度であった。
【0016】
【発明の効果】InGaN3元混晶を直接成長せず、I
nN/GaNの超格子構造にすることにより、従来問題
であったInの析出を防止でき、In組成のバラツキ,
InNの島状成長による成長表面の凹凸がなく、組成が
均一で平坦な成長膜を得ることができる。また、InN
/GaNの超格子構造を半導体レーザの活性層に使用す
ることにより、発振波長の多重化を防止でき、半値幅も
従来に比べ約1/2にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のInN/GaN超格子構造を示す断面
図。
【図2】本発明のInN/GaN超格子構造を半導体レ
ーザの活性層に応用した実施例の半導体レーザの断面
図。
【図3】本発明のInN/GaN超格子構造を半導体レ
ーザの活性層に応用した実施例の半導体レーザの断面
図。
【符号の説明】
1…サファイア基板、2…GaNバッファ層、3…In
N膜、4…GaN膜、5…InN/GaN超格子、21
…サファイア基板、22…低温GaNバッファ層、23
…n−GaNコンタクト層、24…n−AlGaNクラ
ッド層、25…n−GaNガイド層、26…InN/G
aNMQW活性層、27…p−GaNガイド層、28…
p−AlGaNクラッド層、29…p−GaNコンタク
ト層、210…Ni/Au電極、211…Ti/Au電
極、31…サファイア基板、32…n−GaNコンタク
ト層、33…n−AlGaNクラッド層、34…n−G
aNガイド層、35…InN/GaNMQW活性層、3
6…p−GaNガイド層、37…p−AlGaNクラッ
ド層、38…p−GaNコンタクト層、39…Ni/A
u電極、310…Ti/Au電極。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 皆川 重量 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】化合物半導体の3元混晶の形成方法におい
    て、3元混晶を構成する一方の第1の化合物半導体と残
    りの第2の化合物半導体を数原子層ずつ、交互に積層
    し、3元混晶の組成は第1および第2の化合物半導体の
    層厚の割合を適正に変化させることにより所望の組成の
    擬似3元混晶を形成することを特徴とする化合物半導体
    の形成方法。
  2. 【請求項2】請求項1において、3元混晶がInGaN
    またはAlGaNであり、第1の化合物半導体がInN
    またはAlNで、第2の化合物半導体がGaNであるこ
    とを特徴とする化合物半導体の形成方法。
  3. 【請求項3】請求項1,2において形成した3元混晶を
    発光素子の活性層として使用することを特徴とする化合
    物半導体装置。
  4. 【請求項4】請求項1,2,3において、3元混晶を構
    成する化合物半導体の少なくとも一方に不純物をドーピ
    ングすることにより、3元混晶をp型もしくはn型に導
    電化することを特徴とする化合物半導体の形成方法。
  5. 【請求項5】請求項1,2,3,4において、3元混晶
    の形成方法として、分子線エピタキシ装置もしくは有機
    金属気相成長装置を用いることを特徴とする化合物半導
    体の形成方法。
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