JPH10326749A - Manufacture of compound semiconductor - Google Patents

Manufacture of compound semiconductor

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JPH10326749A
JPH10326749A JP7220598A JP7220598A JPH10326749A JP H10326749 A JPH10326749 A JP H10326749A JP 7220598 A JP7220598 A JP 7220598A JP 7220598 A JP7220598 A JP 7220598A JP H10326749 A JPH10326749 A JP H10326749A
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JP
Japan
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nitrogen
substrate
crystal
group
source
Prior art date
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JP7220598A
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Japanese (ja)
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Yoshitaka Tomomura
好隆 友村
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Sharp Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing a compound semiconductor by which a mixed crystal layer of highly nitrogenated composition can be obtained without degrading crystallinity, when forming the mixed crystal layer of a III-V group compound semiconductor including at least one more V group element together with nitrogen by a molecular beam epitaxial growth process. SOLUTION: In a method for manufacturing a compound semiconductor, a crystal of a III-V group compound semiconductor including at least one mope V group element together with nitrogen is grown by radiating a molecular beam of raw materials to a substrate in a crystal growth chamber exhausted to a vacuum, so that the mean free path of molecules of the ray materials can be longer than the distance between the substrate and a molecular beam source. In that case, a nitrogen compound is used as a raw material of nitrogen, and molecules of the nitrogen compound is decomposed after reaching the substrate surface to incorporate only nitrogen atoms into a semiconductor crystal.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、分子線エピタキシ
ャル成長(MBE)法、ガスソースMBE(GSMB
E)法、化学線エピタキシャル成長(CBE)法、有機
金属分子線エピタキシャル成長(MOMBE)法などに
おけるように、原料分子の平均自由工程が基板と分子線
源との間の距離より大きくなるように真空排気された結
晶成長室内で原料分子線を基板に照射することによっ
て、窒素とともに少なくとももう1つのV族元素を含む
III−V族化合物半導体を製造する方法に関する。
The present invention relates to a molecular beam epitaxial growth (MBE) method, a gas source MBE (GSMB)
E) evacuation such that the mean free path of the source molecules is larger than the distance between the substrate and the molecular beam source as in the method E, the actinic beam epitaxial growth (CBE) method, the metalorganic molecular beam epitaxial growth (MOMBE) method, and the like. The present invention relates to a method for producing a group III-V compound semiconductor containing at least another group V element together with nitrogen by irradiating a substrate with a source molecular beam in a crystal growth chamber.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、オプトエレクトロニクス用材料と
して、窒素とともに少なくとももう1つのV族元素を含
むIII−V族化合物半導体が注目されている。なぜな
らば、III−V族化合物半導体は、その混晶の組成を
変化させることによって、その結晶格子定数やエネルギ
バンドギャップを広い範囲で制御できるからである。中
でも、GaInNAs系半導体は、GaAsと格子整合
が可能になる組成において1.3μmまたは1.55μ
mの波長を含む帯域の光を伝送する光ファイバ通信用レ
ーザの活性層のために望まれるバンドギャップを有し、
かつ、AlGaAs系またはInGaP系の半導体との
組合せによって伝導帯の大きなバンドオフセットが得ら
れることから、温度が上昇しても必要な電流があまり増
大しないという改善された温度特性を有する通信用半導
体レーザを実現し得る材料として期待されている(たと
えば、応用物理、第65巻(1996)第148頁参
照)。
2. Description of the Related Art In recent years, a group III-V compound semiconductor containing at least one other group V element together with nitrogen has attracted attention as a material for optoelectronics. This is because the crystal lattice constant and the energy band gap of the group III-V compound semiconductor can be controlled in a wide range by changing the composition of the mixed crystal. Above all, a GaInNAs-based semiconductor is 1.3 μm or 1.55 μm in a composition that enables lattice matching with GaAs.
having a band gap desired for an active layer of an optical fiber communication laser for transmitting light in a band including a wavelength of m,
In addition, since a large band offset of a conduction band can be obtained by combination with an AlGaAs-based or InGaP-based semiconductor, a communication semiconductor laser having an improved temperature characteristic that a required current does not increase much even when the temperature rises. (For example, see Applied Physics, Vol. 65 (1996), p. 148).

【0003】従来、GaInNAs系半導体などのよう
に窒素とともに他のV族元素を含むIII−V族化合物
半導体の形成に用いられる分子線エピタキシャル成長
(MBE)法、ガスソースMBE(GSMBE)法、化
学線エピタキシャル成長(CBE)法、有機金属分子線
エピタキシャル成長(MOMBE)法など(以下、これ
らの方法をMBE法と総称する)による結晶成長におい
ては、結晶中への窒素の取込み効率への観点から、窒素
分子(N2 )またはアンモニア(NH3 )のプラズマか
ら得られる活性窒素(窒素ラジカル)が用いられている
(特開平6−334168号公報参照)。
Conventionally, a molecular beam epitaxial growth (MBE) method, a gas source MBE (GSMBE) method, and an actinic ray have been used for forming a III-V compound semiconductor containing another group V element together with nitrogen, such as a GaInNAs-based semiconductor. In crystal growth by an epitaxial growth (CBE) method, a metalorganic molecular beam epitaxial growth (MOMBE) method or the like (hereinafter, these methods are collectively referred to as an MBE method), from the viewpoint of the efficiency of incorporating nitrogen into the crystal, Active nitrogen (nitrogen radical) obtained from (N 2 ) or ammonia (NH 3 ) plasma is used (see JP-A-6-334168).

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかし、窒素原料とし
て窒素ラジカルを用いるMBE法によれば、窒素ととも
に他のV族元素を含むIII−V族化合物半導体の結晶
成長においては、窒素濃度の増大とともにその半導体の
結晶性が低下するという問題がある。たとえば、Ga
0.75In0.250.005 As0.995 の混晶を単一量子井戸
(SQW)の活性層に用いた半導体レーザにおいて、7
7Kで波長1.113μmの光のレーザ発振が報告され
ているが(Electronics Letters, Vol.32, 1996, p.158
5 参照)、光ファイバ通信に利用される1.3μmまた
は1.55μmの波長を含む帯域における光のレーザ発
振が実現されていない。
However, according to the MBE method using a nitrogen radical as a nitrogen source, in the crystal growth of a group III-V compound semiconductor containing another group V element together with nitrogen, the growth of the nitrogen concentration increases. There is a problem that the crystallinity of the semiconductor is reduced. For example, Ga
In a semiconductor laser in which a mixed crystal of 0.75 In 0.25 N 0.005 As 0.995 is used as an active layer of a single quantum well (SQW), a semiconductor laser having a thickness of 7
Laser oscillation of light having a wavelength of 1.113 μm at 7K has been reported (Electronics Letters, Vol. 32, 1996, p. 158).
5), and laser oscillation of light in a band including a wavelength of 1.3 μm or 1.55 μm used for optical fiber communication has not been realized.

【0005】すなわち、GaAsに格子整合し得るGa
InNAs系混晶において、1.3μm以上の発振波長
に相当するエネルギバンドギャップを得るためには、V
族元素中の窒素の含有量を上記のような従来例における
0.5原子%より大きな約2.5原子%以上にする必要
があるが、従来の窒素ラジカルを用いたMBE法で成長
させられた半導体においては、窒素含有量の増大に伴っ
て結晶性が低下することがわかってきた。
That is, Ga which can be lattice-matched to GaAs
In order to obtain an energy band gap corresponding to an oscillation wavelength of 1.3 μm or more in an InNAs-based mixed crystal, V
The nitrogen content in the group III element must be about 2.5 atomic% or more, which is larger than 0.5 atomic% in the conventional example described above. It has been found that in a semiconductor, the crystallinity decreases as the nitrogen content increases.

【0006】この原因は、窒素源として窒素ラジカルを
用いた場合に、窒素ラジカルの反応性の高さまたはその
高いエネルギに起因して結晶欠陥が誘発されるからであ
ると考えられる。すなわち、窒素ラジカルの反応性の高
さに基づいて、窒素はIII族元素との結合を容易に形
成して結晶内へ高い効率で取込まれるが、同時に窒素以
外のV族元素と結合した窒素化合物分子も形成されてし
まい、この窒素化合物分子も結晶中に取込まれることに
よってアンチサイトのV族元素(III族元素が占める
べき格子位置を占めたV族元素)や格子間原子のような
結晶欠陥を誘発すると考えられる。このとき、N−Nの
結合が生成してもN2 分子は高い蒸気圧を有していて結
晶中へのその取込み率は小さく、窒素以外のV族元素と
窒素との結合が形成された場合に結晶性の低下の問題が
生じる。
It is considered that this is because, when a nitrogen radical is used as a nitrogen source, a crystal defect is induced due to a high reactivity or a high energy of the nitrogen radical. That is, based on the reactivity of nitrogen radicals, nitrogen easily forms bonds with group III elements and is taken into the crystal with high efficiency. At the same time, nitrogen bonded with group V elements other than nitrogen Compound molecules are also formed, and these nitrogen compound molecules are also incorporated into the crystal to form antisite group V elements (group V elements that occupy lattice positions to be occupied by group III elements) and interstitial atoms such as It is thought to induce crystal defects. At this time, even if N—N bonds were formed, the N 2 molecules had a high vapor pressure, the incorporation rate into the crystal was small, and bonds between nitrogen and Group V elements other than nitrogen were formed. In such a case, a problem of deterioration in crystallinity occurs.

【0007】また、窒素ラジカルから放出されたエネル
ギによって、既に形成された結晶成長表面近傍のIII
族元素と窒素以外のV族元素との結合(たとえば、Ga
−As結合)が解離させられて、比較的蒸気圧の高いV
族元素が脱離して空孔が発生することが考えられる。こ
のとき、III族元素と窒素との結合は強くて安定であ
るので、特にIII族元素との結合強度が窒素に比べて
小さい他のV族元素を含むIII−V族化合物半導体に
おいて結晶性の低下の問題が生じる。
Further, the energy released from the nitrogen radical causes the III near the crystal growth surface already formed to be formed.
Bonding between group V elements and group V elements other than nitrogen (for example, Ga
-As bond) is dissociated, and V having a relatively high vapor pressure
It is conceivable that a group element is desorbed to generate vacancies. At this time, since the bond between the group III element and nitrogen is strong and stable, the crystallinity is particularly high in a group III-V compound semiconductor containing another group V element whose bond strength with the group III element is smaller than that of nitrogen. The problem of degradation occurs.

【0008】したがって、窒素ラジカルを用いるMBE
法によって窒素とともに他のV族元素を含むIII−V
族化合物半導体の結晶を成長させる場合、結晶中の窒素
濃度を増大させようとして窒素ラジカルの供給量を増大
させれば、高品質の結晶を得ることが難しくなるという
問題がある。
Therefore, MBE using nitrogen radical
III-V containing other group V elements together with nitrogen by the method
When growing a crystal of a group III compound semiconductor, there is a problem that it is difficult to obtain a high-quality crystal if the supply amount of nitrogen radicals is increased to increase the nitrogen concentration in the crystal.

【0009】以上のような従来技術における課題に鑑
み、本発明は、窒素とともに少なくとももう1つのV族
元素を含むIII−V族化合物半導体においても優れた
結晶性を実現し得る化合物半導体の製造方法を提供する
ことを目的としている。
In view of the above problems in the prior art, the present invention provides a method of manufacturing a compound semiconductor which can realize excellent crystallinity even in a III-V compound semiconductor containing at least another group V element together with nitrogen. It is intended to provide.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】本発明の1つの態様によ
る化合物半導体の製造方法は、原料分子の平均自由工程
が基板と分子線源との間の距離より大きくなるように真
空排気された結晶成長室内で原料分子線を基板に照射す
ることによって窒素とともに少なくとももう1つのV族
元素をも含むIII−V族化合物半導体結晶が成長させ
られるときに、窒素の原料として窒素化合物が用いら
れ、その窒素化合物の分子は基板の表面に到達した後に
分解して窒素原子のみが半導体結晶中に取込まれること
を特徴としている。
According to one aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a compound semiconductor, comprising: evacuation of a crystal so that a mean free path of a source molecule is larger than a distance between a substrate and a molecular beam source. When a group III-V compound semiconductor crystal containing at least one other group V element together with nitrogen is grown by irradiating a substrate with a source molecular beam in a growth chamber, a nitrogen compound is used as a source of nitrogen. It is characterized in that the molecules of the nitrogen compound decompose after reaching the surface of the substrate and only nitrogen atoms are taken into the semiconductor crystal.

【0011】すなわち、結晶成長表面における窒素化合
物の解離と吸着によって窒素原子が結晶中に取込まれ
る。したがって、窒素ラジカルではなくて安定な窒素化
合物を窒素原料として用いることによって、窒素化合物
の分解の際に窒素以外のV族元素と窒素との反応を抑制
することが可能である。また、結晶成長表面において窒
素化合物の分解によって窒素が結晶中に取込まれる際の
反応によって放出されるエネルギは窒素ラジカルが放出
するエネルギより小さくされ得るので、結晶成長表面近
傍におけるIII族元素と窒素以外のV族元素との結合
の解離を抑制することが可能となり、安定した結晶成長
を実現することができる。
That is, nitrogen atoms are incorporated into the crystal by dissociation and adsorption of the nitrogen compound on the crystal growth surface. Therefore, by using a stable nitrogen compound instead of a nitrogen radical as a nitrogen source, it is possible to suppress a reaction between a group V element other than nitrogen and nitrogen at the time of decomposition of the nitrogen compound. Also, the energy released by the reaction when nitrogen is taken into the crystal by the decomposition of the nitrogen compound on the crystal growth surface can be made smaller than the energy released by the nitrogen radicals. It is possible to suppress the dissociation of the bond with any other group V element, and to realize stable crystal growth.

【0012】窒素化合物としては、窒素の水素化物が好
ましく用いられ得る。窒素の水素化物の結合解離エネル
ギはN2 分子に比べて小さいので、結晶成長表面におけ
る水素化物の解離と窒素の吸着が比較的低温で行なわれ
得る。したがって、成長させられる化合物半導体におけ
る窒素とその他のV族元素との組成比の制御が容易にな
る。また、窒素の水素化物の解離によって生じるH2
子は結晶成長表面から容易に脱離するので、結晶中への
不要な不純物の取込みが生じることもない。さらに、結
晶成長表面に炭素(C)などの不純物が存在する場合に
は、その不純物が水素化物を形成して結晶成長表面から
脱離することによる清浄化の効果も期待され得る。
As the nitrogen compound, a hydride of nitrogen can be preferably used. Since the bond dissociation energy of nitrogen hydride is smaller than that of N 2 molecules, dissociation of hydride and adsorption of nitrogen on the crystal growth surface can be performed at a relatively low temperature. Therefore, it is easy to control the composition ratio of nitrogen and other group V elements in the compound semiconductor to be grown. In addition, since H 2 molecules generated by dissociation of hydrides of nitrogen are easily desorbed from the crystal growth surface, unnecessary impurities are not taken into the crystal. Further, when impurities such as carbon (C) are present on the crystal growth surface, an effect of cleaning can be expected by the impurities forming hydrides and being eliminated from the crystal growth surface.

【0013】窒素の水素化物としては、NH3 が好まし
く用いられ得る。NH3 は窒素の水素化物の中で最も安
定であり、解離と吸着によって窒素原子が結晶中に取込
まれるときに、窒素とそれ以外のV族元素との相互反応
による結晶欠陥の発生を最小限に抑制することができ
る。
As the nitrogen hydride, NH 3 can be preferably used. NH 3 is the most stable of the hydrides of nitrogen, and minimizes the generation of crystal defects due to the interaction between nitrogen and other Group V elements when nitrogen atoms are incorporated into the crystal by dissociation and adsorption. Can be minimized.

【0014】窒素化合物として窒素の水素化物が用いら
れる場合には、結晶成長の間に基板は500〜750℃
の範囲内の温度に保持されることが好ましい。また、窒
素化合物としてNH3 を用いる場合には、そのNH3
350〜500℃の範囲内の温度に加熱した後に基板に
照射することが好ましい。
When a hydride of nitrogen is used as the nitrogen compound, the substrate is kept at 500 to 750 ° C. during the crystal growth.
Is preferably maintained at a temperature within the range described above. When NH 3 is used as the nitrogen compound, it is preferable to irradiate the substrate after heating the NH 3 to a temperature in the range of 350 to 500 ° C.

【0015】なお、窒素の水素化物として、ヒドラジン
(N2 4 )もNH3 と同様に好ましく用いられ得る。
As a nitrogen hydride, hydrazine (N 2 H 4 ) can be preferably used similarly to NH 3 .

【0016】また、窒素化合物として、窒素のアルキル
化合物も好ましく用いられ得る。窒素のアルキル化合物
は一般に窒素の水素化物より小さな結合解離エネルギを
有している。その結果、結晶成長表面における窒素化合
物の解離が容易となり、結晶中への窒素の取込み効率が
高められ得る。また、窒素のアルキル化合物の分解によ
って生じるアルキル基は高い蒸気圧を有する炭化水素で
あるので、結晶成長表面から容易に脱離して結晶中に取
込まれることがないので、高純度の結晶を得ることがで
きる。
Further, as the nitrogen compound, a nitrogen alkyl compound can be preferably used. Alkyl compounds of nitrogen generally have lower bond dissociation energies than hydrides of nitrogen. As a result, the dissociation of the nitrogen compound on the crystal growth surface becomes easy, and the efficiency of taking nitrogen into the crystal can be increased. In addition, since the alkyl group generated by the decomposition of the alkyl compound of nitrogen is a hydrocarbon having a high vapor pressure, a high-purity crystal is obtained because it is not easily desorbed from the crystal growth surface and taken into the crystal. be able to.

【0017】なお、窒素のアルキル化合物として、ヒド
ラジンのアルキル化物も同様に好ましく用いられ得る。
Incidentally, as the nitrogen alkyl compound, an alkylated product of hydrazine can also be preferably used.

【0018】さらに、窒素のアルキル化合物としてアル
キルアミン系化合物も好ましく用いられ得る。安定なア
ルキルアミン系化合物を用いる場合、結晶成長表面にお
ける解離と吸着によって窒素原子が結晶中へ取込まれる
際に、窒素とそれ以外のV族元素との相互反応による結
晶欠陥の発生を最小限に抑制することができる。窒素の
化合物としてアルキルアミン系化合物を用いる場合に
は、結晶成長の間に基板は400〜750℃の範囲内の
温度に保持されることが好ましい。
Further, an alkylamine compound may be preferably used as the nitrogen alkyl compound. When a stable alkylamine compound is used, when nitrogen atoms are incorporated into the crystal by dissociation and adsorption on the crystal growth surface, the generation of crystal defects due to the interaction between nitrogen and other Group V elements is minimized. Can be suppressed. When an alkylamine compound is used as the nitrogen compound, the substrate is preferably maintained at a temperature in the range of 400 to 750 ° C. during crystal growth.

【0019】基板は閃亜鉛鉱型の結晶構造を有する化合
物半導体であることが好ましく、その表面は{100}
面から{111}A面方向に向かう所定オフ角度を有す
ることが好ましい。このような化合物半導体基板の表面
では窒素化合物の分解が促進され、窒素ラジカルに比べ
て反応性の低い窒素化合物を用いても結晶中への窒素の
高い取込み効率を実現することができる。特に、化合物
半導体基板の表面のオフ角度は5〜15°の範囲内にあ
ることが好ましい。
The substrate is preferably a compound semiconductor having a zinc blende type crystal structure, and its surface is {100}
It is preferable to have a predetermined off angle from the surface toward the {111} A surface direction. Decomposition of the nitrogen compound is promoted on the surface of such a compound semiconductor substrate, and even if a nitrogen compound having lower reactivity than nitrogen radicals is used, a high efficiency of taking in nitrogen into the crystal can be realized. In particular, the off angle of the surface of the compound semiconductor substrate is preferably in the range of 5 to 15 °.

【0020】V族元素を基板上に供給するとき、窒素化
合物分子を基板に照射する工程と他のV族元素を基板に
照射する工程とが重複することなく交互に行なわれるこ
とが好ましい。窒素原料とそれ以外のV族元素の原料の
基板への供給を個別に独立して行なうことによって、窒
素と他のV族元素との相互作用を低減させることができ
る。したがって、結晶中への窒素の取込み効率が改善さ
れるとともに、窒素ラジカルではない窒素原料を用いる
ことでは十分には抑制できない窒素と他のV族元素との
反応の十分な抑制も可能になる。
When the group V element is supplied onto the substrate, the step of irradiating the substrate with nitrogen compound molecules and the step of irradiating the substrate with another group V element are preferably performed alternately without overlapping. By separately and independently supplying the nitrogen source and the other group V element source to the substrate, the interaction between nitrogen and the other group V element can be reduced. Accordingly, the efficiency of taking nitrogen into the crystal is improved, and the reaction between nitrogen and other group V elements, which cannot be sufficiently suppressed by using a nitrogen source that is not a nitrogen radical, can be sufficiently suppressed.

【0021】窒素原料としては、100kJ/molよ
り小さな生成ギブスエネルギを有する窒素化合物がより
好ましく用いられ得る。100kJ/molより小さな
生成ギブスエネルギを有する窒素化合物を用いることに
よって、窒素化合物の分解の際に、窒素以外のV族元素
と窒素との反応をより効果的に抑制することができる。
また、結晶成長表面において、窒素化合物の分解によっ
て窒素が結晶中に取込まれる際の反応に起因するIII
族元素と窒素元素以外のV族元素との結合の解離がより
効果的に抑制され、高品質の結晶を得ることが可能にな
る。
As the nitrogen source, a nitrogen compound having a Gibbs energy of formation smaller than 100 kJ / mol can be more preferably used. By using a nitrogen compound having a Gibbs energy of formation smaller than 100 kJ / mol, a reaction between a group V element other than nitrogen and nitrogen can be more effectively suppressed during decomposition of the nitrogen compound.
Further, on the crystal growth surface, III is caused by a reaction when nitrogen is taken into the crystal by decomposition of the nitrogen compound.
Dissociation of the bond between the group V element and the group V element other than the nitrogen element is more effectively suppressed, and a high-quality crystal can be obtained.

【0022】[0022]

【発明の実施の形態】以下において、本発明の実施の形
態が、種々の実施例を通して詳細に説明される。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS In the following, embodiments of the present invention will be described in detail through various examples.

【0023】(実施例1)本発明の第1の実施例では、
窒素原料としてNH3 を用いかつ他の元素の原料として
固体原料を用いたMBE法によって、GaAs基板に格
子整合する組成を有するGaInNAsとAlGaAs
との組合せによる単一量子井戸(SQW)構造が作製さ
れた。
(Embodiment 1) In the first embodiment of the present invention,
GaInNAs and AlGaAs having a composition lattice-matched to a GaAs substrate by MBE using NH 3 as a nitrogen source and a solid source as a source of other elements.
To form a single quantum well (SQW) structure.

【0024】図1において、このようなGaInNAs
/AlGaAs−SQWからなる量子井戸構造が模式的
な断面図で示されている。この量子井戸構造において
は、ジャスト{100}結晶表面を有するGaAs基板
1上に、Al0.3 Ga0.7 Asからなる厚さ1μmの下
部クラッド層2、GaInNAs混晶からなる厚さ6n
mの量子井戸層3、Al0.3 Ga0.7 Asからなる厚さ
0.2μmの上部クラッド層4、およびGaAsからな
る厚さ0.1μmのキャップ層5がMBE法によって順
次成長させられた。
In FIG. 1, such GaInNAs
The quantum well structure composed of / AlGaAs-SQW is shown in a schematic sectional view. In this quantum well structure, on a GaAs substrate 1 having a just {100} crystal surface, a lower cladding layer 2 of Al 0.3 Ga 0.7 As and a thickness of 1 μm and a thickness of 6 n of a GaInNAs mixed crystal are formed.
An m quantum well layer 3, a 0.2 μm thick upper cladding layer 4 made of Al 0.3 Ga 0.7 As, and a 0.1 μm thick cap layer 5 made of GaAs were sequentially grown by MBE.

【0025】MBE原料のAl、Ga、およびInの各
々に関しては、固体金属原料をクヌーセンセルを用いて
加熱することによって分子線が基板表面上に照射され
た。Asに関しては、固体のAs原料をクラッキングセ
ルを用いて加熱することによって、As2 ビームが基板
表面上に照射された。窒素原料としては、100%のN
3 ガスが用いられた。NH3 はそれが分解されない3
50℃にガスソースセルによって加熱され、そのガスソ
ースセルからNH3 ビームが基板表面に照射された。N
3 を100℃以上に加熱することによって、結晶成長
面上においてNH 3 分子の拡散が促進され、結晶成長面
の平坦性が向上する。しかし、NH3 をガスソースセル
によって500℃以上に加熱すれば、NH3 が結晶成長
表面に到達する前に熱分解によってN2 が生成し、結晶
中への窒素の取込み効率が低下する。したがって、NH
3 は100〜500℃の範囲内の温度に加熱されること
が好ましい。
Each of Al, Ga and In as MBE raw materials
For each, the solid metal raw materials are converted using Knudsen cells.
By heating, the molecular beam is irradiated on the substrate surface
Was. As for As, the solid As raw material is cracked
By heating withTwoBeam is a substrate
Irradiated on the surface. As a nitrogen raw material, 100% N
HThreeGas was used. NHThreeIs not broken down 3
Heated to 50 ° C by a gas source cell, the gas source
From cell to NHThreeThe beam was irradiated on the substrate surface. N
HThreeThe crystal growth by heating
NH on the surface ThreeThe diffusion of molecules is promoted and the crystal growth surface
Is improved. However, NHThreeThe gas source cell
Heating to 500 ° C. or more byThreeGrows crystal
Pyrolysis before reaching the surfaceTwoProduces and crystal
The efficiency of nitrogen uptake is reduced. Therefore, NH
ThreeIs heated to a temperature within the range of 100 to 500 ° C
Is preferred.

【0026】AlGaAs層2,4とGaAs層5の成
長の際には、基板が580℃の温度に保持され、分子線
強度としてAl=2×10-7Torr(GaAs層の形
成の場合は不要)、Ga=5×10-7Torr、そして
As=5×10-6Torrが用いられた。この場合の結
晶成長速度は、厚さ方向において約0.5μm/hであ
った。
During the growth of the AlGaAs layers 2, 4 and the GaAs layer 5, the substrate is kept at a temperature of 580 ° C., and the molecular beam intensity is Al = 2 × 10 −7 Torr (this is unnecessary in the case of forming a GaAs layer). ), Ga = 5 × 10 −7 Torr, and As = 5 × 10 −6 Torr. The crystal growth rate in this case was about 0.5 μm / h in the thickness direction.

【0027】GaInNAs混晶層3の形成において
は、基板が580℃の温度に保持され、表1に例示され
ているように目的とする組成にほぼ比例する分子線強度
を用いて結晶成長が行なわれた。
In forming the GaInNAs mixed crystal layer 3, the substrate is maintained at a temperature of 580 ° C., and crystal growth is performed using a molecular beam intensity almost proportional to a target composition as exemplified in Table 1. Was.

【0028】[0028]

【表1】 [Table 1]

【0029】図2において、第1実施例によって作製さ
れたGaInNAs/AlGaAs−SQWからなる量
子井戸構造におけるPL(フォトルミネセンス)発光強
度の窒素組成依存性が、MBE法においてNH3 の代わ
りに窒素ラジカルを用いて作製された量子井戸構造との
比較において示されている。図2のグラフにおいて、横
軸はGaInNAs活性層3に含まれるV族元素中の窒
素含有量(原子%)を表わし、縦軸はPL発光強度(任
意単位)で表わしている。黒丸印を含む曲線2Aは第1
実施例による量子井戸構造におけるPL発光強度を表わ
し、白角印を含む曲線2Bは窒素ラジカルを利用して形
成された従来の量子井戸構造におけるPL発光強度を表
わしている。
[0029] In FIG. 2, the nitrogen composition dependency of PL (photoluminescence) emission intensity in the quantum well structure composed of the first examples fabricated GaInNAs / AlGaAs-SQW is nitrogen instead of NH 3 in the MBE method This is shown in comparison with a quantum well structure fabricated using radicals. In the graph of FIG. 2, the horizontal axis represents the nitrogen content (atomic%) in the group V element contained in the GaInNAs active layer 3, and the vertical axis represents the PL emission intensity (arbitrary unit). Curve 2A including the black circle is the first curve.
The PL light emission intensity in the quantum well structure according to the embodiment is shown, and a curve 2B including a white square mark represents the PL light emission intensity in the conventional quantum well structure formed using nitrogen radicals.

【0030】図2から明らかなように、NH3 を利用し
て作製された量子井戸構造においては、3.5原子%程
度の高い窒素含有量を有していても十分な強度のPL発
光を生じ得ることが確認された。他方、窒素ラジカルを
利用して作製された量子井戸構造においては、窒素含有
量が約2原子%を超えれば急激にPL発光強度が低下し
た。また、約2原子%以下の低い窒素濃度の範囲におい
ても、NH3 を利用して作製された量子井戸構造は、窒
素ラジカルを利用して作製されたものに比べてPL発光
強度が改善されることが明らかになった。
As is apparent from FIG. 2, in the quantum well structure manufactured by using NH 3 , PL light emission of sufficient intensity is obtained even with a high nitrogen content of about 3.5 atomic%. It was confirmed that it could occur. On the other hand, in the quantum well structure manufactured using the nitrogen radical, the PL emission intensity sharply decreased when the nitrogen content exceeded about 2 atomic%. Further, even in a low nitrogen concentration range of about 2 atomic% or less, the PL emission intensity of the quantum well structure manufactured using NH 3 is improved as compared with that manufactured using nitrogen radicals. It became clear.

【0031】第1実施例における以上の結果から明らか
なように、本発明によれば、比較的高い窒素濃度範囲ま
で高品質のGaInNAs混晶を得ることができる。ま
た、このような高濃度の窒素を含みかつ高品質のGaI
nNAs層を活性層として用いた半導体レーザを作製す
ることにより、1.3μmまたは1.55μmの波長を
含む帯域の光を低電流で射出することができ、かつ長寿
命で高性能の光通信用半導体レーザを提供することがで
きる。
As is clear from the above results in the first embodiment, according to the present invention, a GaInNAs mixed crystal of high quality can be obtained up to a relatively high nitrogen concentration range. In addition, high quality GaI containing such a high concentration of nitrogen
By manufacturing a semiconductor laser using an nNAs layer as an active layer, light in a band including a wavelength of 1.3 μm or 1.55 μm can be emitted with a low current, and a long-life and high-performance optical communication A semiconductor laser can be provided.

【0032】ところで、図2においては窒素原料として
窒素の水素化物のうちのNH3 が利用されたが、窒素の
他の水素化物としてヒドラジン(N2 4 )やアジ化水
素(N3 H)を用いることも可能である。表2に示され
ているように、ヒドラジンやアジ化水素はNH3 に比べ
て小さな結合解離エネルギを有していて結晶成長表面上
で分解しやすいので、結晶内への窒素の取込み効率が高
められ得る。
In FIG. 2, NH 3 of nitrogen hydride is used as a nitrogen source, but hydrazine (N 2 H 4 ) and hydrogen azide (N 3 H) are used as other hydrides of nitrogen. Can also be used. As shown in Table 2, hydrazine and hydrogen azide have a smaller bond dissociation energy than NH 3 and are easily decomposed on the crystal growth surface, so that the efficiency of nitrogen uptake into the crystal is improved. Can be

【0033】[0033]

【表2】 [Table 2]

【0034】しかし、表3に示されているように、NH
3 は、窒素の水素化物の中で最も小さな生成ギブスエネ
ルギを有していて安定である。したがって、高品質結晶
を得るという観点からは、NH3 は、解離と吸着によっ
て窒素原子が結晶中へ取込まれる際に、窒素とそれ以外
のV族元素との相互反応による結晶欠陥の発生を最小限
に抑制し得るという点で好ましい。
However, as shown in Table 3, NH 3
3 has the lowest Gibbs energy of formation among nitrogen hydrides and is stable. Therefore, from the viewpoint of obtaining high-quality crystals, NH 3 suppresses generation of crystal defects due to the interaction between nitrogen and other Group V elements when nitrogen atoms are taken into the crystal by dissociation and adsorption. This is preferable in that it can be minimized.

【0035】[0035]

【表3】 [Table 3]

【0036】なお、図2においては基板温度が580℃
に保持されたが、NH3 を窒素原料として用いる場合に
は、500〜750℃の範囲内の基板温度を用いること
ができる。基板温度が500℃より低くなれば結晶成長
表面上でのNH3 の分解効率が急激に低下し、窒素を含
む混晶を成長させることが困難になる。他方、基板温度
が750℃を超えれば、一般にAsやPなどの窒素以外
のV族元素の脱離が増大し、結晶欠陥が増大するととも
に結晶表面の荒れを生じて、高品質の結晶を得ることが
困難になる。
In FIG. 2, the substrate temperature is 580 ° C.
However, when NH 3 is used as a nitrogen source, a substrate temperature in the range of 500 to 750 ° C. can be used. If the substrate temperature is lower than 500 ° C., the decomposition efficiency of NH 3 on the crystal growth surface sharply decreases, and it becomes difficult to grow a mixed crystal containing nitrogen. On the other hand, if the substrate temperature exceeds 750 ° C., the desorption of group V elements other than nitrogen, such as As and P, generally increases, crystal defects increase and the crystal surface becomes rough, and high-quality crystals are obtained. It becomes difficult.

【0037】また、図2においてはSQW構造のクラッ
ド層としてAl0.3 Ga0.7 As層が用いられたが、G
aAs基板に格子整合するInGaPのクラッド層を用
いてもよい。また、基板としてジャスト{100}面を
有するGaAs基板が用いられたが、{100}面に対
して所定のオフ角を有する基板表面が用いられてもよ
い。
In FIG. 2, an Al 0.3 Ga 0.7 As layer was used as the cladding layer of the SQW structure.
An InGaP cladding layer lattice-matched to the aAs substrate may be used. Further, although a GaAs substrate having a just {100} plane is used as the substrate, a substrate surface having a predetermined off angle with respect to the {100} plane may be used.

【0038】(実施例2)本発明の第2の実施例におい
ては、量子井戸層3の形成条件が変更されたことを除け
ば実施例1の場合と同様に図1に示されているような量
子井戸構造が作製された。
(Embodiment 2) In the second embodiment of the present invention, as shown in FIG. 1, as in Embodiment 1, except that the formation conditions of the quantum well layer 3 are changed. Quantum well structure was fabricated.

【0039】すなわち、第2実施例においては、窒素原
料として、NH3 に代えてジメチルアミンが用いられ
た。ジメチルアミンの蒸気は、NH3 の場合と同様に、
ガスソースセルを用いて基板表面上に照射された。ガス
ソースセルは、そのセル上へのジメチルアミン蒸気の再
凝縮を防止するために、50〜150℃の範囲内の温度
に加熱された。この範囲内の温度に加熱されたガスソー
スセルから放射されたジメチルアミンの蒸気は、基板表
面上に至るまでに分解させられることはない。
That is, in the second embodiment, dimethylamine was used instead of NH 3 as the nitrogen source. The dimethylamine vapor, as in the case of NH 3 ,
Irradiation was performed on the substrate surface using a gas source cell. The gas source cell was heated to a temperature in the range of 50-150C to prevent re-condensation of dimethylamine vapor on the cell. The dimethylamine vapor emitted from the gas source cell heated to a temperature within this range is not decomposed before reaching the substrate surface.

【0040】量子井戸層3が形成される間、基板は50
0℃の温度に保持され、分子線強度はGa=5×10-7
Torr、In=3.8×10-7Torr、As=2.
5×10-6Torr、およびジメチルアミン=2.1×
10-7Torrに設定された。このようにして形成され
た量子井戸層3におけるIII族元素中のIn含有量は
7.1原子%であり、V族元素中の窒素含有量は2.5
原子%であった。
During the formation of the quantum well layer 3, the substrate is 50
The temperature was maintained at 0 ° C., and the molecular beam intensity was Ga = 5 × 10 −7.
Torr, In = 3.8 × 10 −7 Torr, As = 2.
5 × 10 −6 Torr and dimethylamine = 2.1 ×
It was set to 10 -7 Torr. In the quantum well layer 3 thus formed, the In content in the group III element is 7.1 atomic%, and the nitrogen content in the group V element is 2.5 atomic%.
Atomic%.

【0041】図3においては、第2実施例による量子井
戸構造におけるPL発光スペクトル強度が、窒素ラジカ
ルを利用して作製された量子井戸構造との比較において
示されている。すなわち、図3の横軸は量子井戸構造か
ら射出される光の波長(nm)を表わし、縦軸はPL発
光強度(任意単位)を表わしている。曲線3Aはジメチ
ルアミンを利用して作製された量子井戸構造に対応し、
曲線3Bは窒素ラジカルを利用して作製された量子井戸
構造に対応している。
FIG. 3 shows the PL emission spectrum intensity of the quantum well structure according to the second embodiment in comparison with a quantum well structure manufactured using nitrogen radicals. That is, the horizontal axis of FIG. 3 represents the wavelength (nm) of light emitted from the quantum well structure, and the vertical axis represents PL emission intensity (arbitrary unit). Curve 3A corresponds to a quantum well structure made using dimethylamine,
Curve 3B corresponds to a quantum well structure manufactured using nitrogen radicals.

【0042】図3から明らかなように、窒素ラジカルで
はなくてジメチルアミンを用いるMBE法によって形成
された量子井戸層3を含む量子井戸構造は1.3μmの
波長近傍において高いピーク強度と小さな半値幅を有す
るPL光を射出することができ、高品質のGaInNA
s/AlGaAs−SQW構造を得ることができる。す
なわち、第2実施例におけるように窒素原料としてジメ
チルアミンを用いるMBE法によっても、高品質のGa
InNAs混晶を得ることができる。
As is clear from FIG. 3, the quantum well structure including the quantum well layer 3 formed by MBE using dimethylamine instead of nitrogen radical has a high peak intensity and a small half-width near a wavelength of 1.3 μm. , Which can emit PL light having high quality
An s / AlGaAs-SQW structure can be obtained. That is, high quality Ga can also be obtained by the MBE method using dimethylamine as the nitrogen source as in the second embodiment.
An InNAs mixed crystal can be obtained.

【0043】なお、第2実施例の以上の説明では窒素を
含むアルキル化物としてジメチルアミンが用いられた
が、この他に実施例1において述べられたNH3 、ヒド
ラジン、アジ化水素などのような窒素の水素化物におけ
る水素原子をアルキル基で置換したメチルアミン、メチ
ルヒドラジン、アジ化メチルなどのようなアルキル化物
も同様に用いられ得る。窒素の水素化物における水素原
子をアルキル基で置換することにより、表4に例示され
ているように、窒素の水素化物に比べて生成ギブスエネ
ルギをほとんど変化させることなく、窒素化合物の結合
解離エネルギを小さくすることが可能になる。その結
果、結晶成長表面上における窒素と他のV族元素との反
応を増大させることなく窒素化合物の解離の効率を向上
させることができ、窒素の結晶中への取込み効率が改善
されるとともに、結晶成長温度を低くすることが可能に
なる。
Incidentally, although in the above description of the second embodiment dimethylamine was used as alkylation containing nitrogen, NH 3 mentioned in Example 1 In addition, hydrazine, such as hydrogen azide Alkylated compounds such as methylamine, methylhydrazine, methyl azide, and the like, in which a hydrogen atom in a nitrogen hydride is substituted with an alkyl group, can also be used. By substituting a hydrogen atom in a nitrogen hydride with an alkyl group, as illustrated in Table 4, the bond dissociation energy of the nitrogen compound can be reduced with almost no change in Gibbs energy generated as compared with the nitrogen hydride. It becomes possible to make it smaller. As a result, the efficiency of dissociation of the nitrogen compound can be improved without increasing the reaction between nitrogen and other group V elements on the crystal growth surface, and the efficiency of incorporation of nitrogen into the crystal is improved, It becomes possible to lower the crystal growth temperature.

【0044】[0044]

【表4】 [Table 4]

【0045】窒素を含むアルキル化物の中でも、アルキ
ルアミン系化合物はNH3 と同様に安定な化合物であ
り、解離と吸着によって窒素原子が結晶中へ取込まれる
際に、窒素と他のV族元素との相互反応による結晶欠陥
の発生を最小限に抑制することができる。
Among the nitrogen-containing alkylated compounds, alkylamine compounds are stable compounds like NH 3, and when nitrogen atoms are taken into the crystal by dissociation and adsorption, nitrogen and other group V elements Can be minimized.

【0046】なお、図3においてはジメチルアミンを用
いて量子井戸3を形成する間に基板が500℃に保持さ
れたが、窒素原料としてアルキルアミン系化合物を用い
る場合には、基板を400〜750℃の範囲内の温度に
保持することによって高品質の量子井戸層3を成長させ
ることが可能である。すなわち、アルキルアミン系化合
物を用いる場合には、それがNH3 に比べて分解しやす
いことに起因して、比較的低い温度の基板表面上に量子
井戸層3を成長させることが可能になり、同じ温度の基
板表面上においては窒素の結晶中へのより高い取込み効
率を得ることができる。
In FIG. 3, the substrate was kept at 500 ° C. during the formation of the quantum well 3 using dimethylamine. However, when an alkylamine-based compound was used as a nitrogen raw material, the substrate was heated to 400 to 750. By maintaining the temperature in the range of ° C., it is possible to grow the quantum well layer 3 of high quality. That is, when an alkylamine-based compound is used, the quantum well layer 3 can be grown on the substrate surface at a relatively low temperature because it is easily decomposed as compared with NH 3 , On the substrate surface at the same temperature, higher incorporation efficiency of nitrogen into the crystal can be obtained.

【0047】また、図3においてはSQW構造における
クラッド層2,4としてAl0.3 Ga0.7 As層が用い
られたが、GaAs基板に格子整合するInGaPが用
いられてもよい。さらに、基板表面としてジャスト{1
00}結晶面が用いられたが、{100}面に対して所
定のオフ角度を有する基板表面が用いられてもよい。
In FIG. 3, although the Al 0.3 Ga 0.7 As layers are used as the cladding layers 2 and 4 in the SQW structure, InGaP lattice-matched to the GaAs substrate may be used. Furthermore, just # 1 is used as the substrate surface.
Although a 00 crystal plane was used, a substrate surface having a predetermined off angle with respect to the {100} plane may be used.

【0048】(実施例3)本発明の第3の実施例におい
ては、GaP基板のジャスト{100}面上にGaIn
NP混晶層が成長させられた。その基板は550℃の温
度に保持され、PH3 をガスソースセルにて800℃で
クラッキングして、P2 ビームが基板表面上に照射され
た。他の元素のGa、InおよびNに関しては、実施例
1の場合と同じ原料とセルが用いられた。
(Embodiment 3) In a third embodiment of the present invention, GaIn is placed on the just {100} plane of a GaP substrate.
An NP mixed crystal layer was grown. The substrate was maintained at a temperature of 550 ° C., PH 3 was cracked at 800 ° C. in a gas source cell, and a P 2 beam was irradiated on the substrate surface. For Ga, In, and N of other elements, the same raw materials and cells as in Example 1 were used.

【0049】このGaInNP混晶層は、GaP基板と
格子整合し得る組成(III族元素中のIn=5原子
%、V族元素中のN=3原子%)で、1μmの厚さまで
成長させられた。このときの分子線の条件は、Ga=
5.0×10-7Torr、In=2.6×10-8Tor
r、P2 (PH3 )=5.0×10-6Torr、そして
NH3 =3.9×10-7Torrであった。
This GaInNP mixed crystal layer is grown to a thickness of 1 μm with a composition (In = 5 at% in group III element, N = 3 at% in group V element) that can lattice match with the GaP substrate. Was. The condition of the molecular beam at this time is Ga =
5.0 × 10 −7 Torr, In = 2.6 × 10 −8 Torr
r, P 2 (PH 3 ) = 5.0 × 10 −6 Torr, and NH 3 = 3.9 × 10 −7 Torr.

【0050】得られたGaInNP層をX線回折によっ
て評価した結果、{400}回折スペクトルの半値幅
は、極めて小さくて良好な値である15秒であった。こ
のように、本発明によれば、高品質のGaInNP混晶
層を得ることもできる。
The obtained GaInNP layer was evaluated by X-ray diffraction. As a result, the half width of the {400} diffraction spectrum was 15 seconds, which is an extremely small and good value. Thus, according to the present invention, a high-quality GaInNP mixed crystal layer can be obtained.

【0051】なお、第3実施例における以上の説明では
窒素源としてNH3 が用いられたが、実施例1および実
施例2に例示された他の窒素原料を用いることも可能で
あることは言うまでもない。
In the above description of the third embodiment, NH 3 is used as a nitrogen source. However, it goes without saying that other nitrogen raw materials exemplified in the first and second embodiments can be used. No.

【0052】(実施例4)本発明の第4の実施例におい
て、閃亜鉛鉱型結晶構造を有するGaAs基板のジャス
ト{100}面から{111}面方向に向かう種々のオ
フ角度を有する種々の表面上に厚さ1μmのGaInN
As混晶層が、表1中の条件2のもとに成長させられ
た。得られたGaInNAs混晶層において、基板表面
のオフ角度とV族元素中の窒素含有量との関係が、PL
発光のピークエネルギとX線回折ピーク位置とを利用し
て調べられ、その結果が図4において示されている。
(Embodiment 4) In the fourth embodiment of the present invention, the GaAs substrate having a zinc blende type crystal structure has various off angles from the just {100} plane toward the {111} plane. 1 μm thick GaInN on the surface
An As mixed crystal layer was grown under condition 2 in Table 1. In the obtained GaInNAs mixed crystal layer, the relationship between the off-angle of the substrate surface and the nitrogen content in the group V element is PL
Investigation was performed using the peak energy of the light emission and the X-ray diffraction peak position, and the results are shown in FIG.

【0053】図4のグラフにおいて、横軸はGaAs基
板のジャスト{100}面から{111}面を経て〈0
11〉方向へ向かうオフ角度(度数)を表わし、縦軸は
GaInNAs混晶層におけるV族元素中の窒素組成
(原子%)を表わしている。図4からわかるように、得
られたGaInNAs混晶層における窒素含有量は、基
板表面が{111}A面方向へ向かうオフ角を有する場
合に増大するが、{111}B面方向に向かうオフ角を
有する場合には増大しない。この理由は、おそらく、
{111}A面方向に向かうオフ角の場合に基板表面に
形成されるIII族原子からなるステップにおける窒素
化合物の分解効率が、{111}B面方向に向かうオフ
角の場合に基板表面に形成されるV族原子からなるステ
ップにおけるそれに比べて高いからであると考えられ
る。
In the graph of FIG. 4, the horizontal axis represents <0> from the just {100} plane of the GaAs substrate through the {111} plane.
11> represents the off-angle (degree) toward the direction, and the ordinate represents the nitrogen composition (atomic%) in the group V element in the GaInNAs mixed crystal layer. As can be seen from FIG. 4, the nitrogen content in the obtained GaInNAs mixed crystal layer increases when the substrate surface has an off-angle toward the {111} A plane, but the off-axis toward the {111} B plane. It does not increase when it has a corner. The reason for this is probably
The decomposition efficiency of the nitrogen compound in the step consisting of group III atoms formed on the substrate surface when the off angle is directed to the {111} A plane direction is higher than that formed on the substrate surface when the off angle is directed to the {111} B plane direction. This is considered to be higher than that in the step consisting of the group V atom.

【0054】なお、{111}A面とは陽イオン原子で
終端された{111}面を意味し、{111}B面とは
陰イオン原子で終端された{111}面を意味する。こ
こで、III−V族化合物半導体の場合には、陽イオン
原子とはIII族元素を意味し、陰イオン原子とはV族
元素を意味する。
The {111} A plane means a {111} plane terminated by a cation atom, and the {111} B plane means a {111} plane terminated by an anion atom. Here, in the case of a group III-V compound semiconductor, a cation atom means a group III element, and an anion atom means a group V element.

【0055】図4の結果から、{100}面から{11
1}A面に向かう3〜20°のオフ角度を有する基板表
面を用いることによって、成長させられる混晶層内への
窒素の取込み効率の向上が期待され得る。特に、5〜1
5°のオフ角度の場合に、窒素のより高い取込み効率が
期待され得る。
From the results shown in FIG.
By using a substrate surface having an off angle of 3 to 20 ° toward the 1} A plane, an improvement in the efficiency of nitrogen incorporation into the grown mixed crystal layer can be expected. In particular, 5-1
With a 5 ° off angle, higher nitrogen uptake efficiency can be expected.

【0056】次に、GaAs基板表面のオフ角度が種々
に変化させられたことを除けば、実施例1の場合と同様
に図1に示されているような量子井戸構造が表1中の条
件2のもとに作製された。こうして得られた量子井戸構
造のPL発光強度とオフ角度との関係が図5において示
されている。
Next, except that the off angle of the GaAs substrate surface was variously changed, the quantum well structure as shown in FIG. 2 was made. FIG. 5 shows the relationship between the PL emission intensity and the off angle of the quantum well structure thus obtained.

【0057】図5において、横軸は図4の場合と同様に
基板表面のオフ角度を表わしているが、縦軸はPL発光
強度(任意単位)を表わしている。図5に示されている
ように、基板表面のオフ角度が5〜15°の範囲内にあ
る場合に、PL発光強度の増大が得られる。この理由と
して、基板表面のオフ角度の影響によって混晶層成長中
の窒素の取込み効率が改善されるとともに混晶層の結晶
性が向上したからであると考えられる。他方、基板表面
のオフ角度が20°以上になれば、量子井戸構造のPL
発光強度は逆に低下する傾向にある。この理由として
は、基板表面のオフ角が20°以上になれば、その基板
表面が荒れた状態になるからであると考えられる。以上
のことから、基板表面のオフ角度を{100}面から
{111}A面に向かう5〜15°の範囲内に設定する
ことによって、量子井戸構造のPL発光強度を向上させ
ることができる。
In FIG. 5, the horizontal axis represents the off-angle of the substrate surface as in FIG. 4, while the vertical axis represents the PL emission intensity (arbitrary unit). As shown in FIG. 5, when the off angle of the substrate surface is in the range of 5 to 15 °, an increase in PL emission intensity is obtained. It is considered that the reason for this is that the effect of the off-angle of the substrate surface improves the nitrogen uptake efficiency during the growth of the mixed crystal layer and the crystallinity of the mixed crystal layer. On the other hand, when the off-angle of the substrate surface becomes 20 ° or more, the PL of the quantum well structure becomes
Conversely, the emission intensity tends to decrease. It is considered that the reason for this is that when the off angle of the substrate surface becomes 20 ° or more, the substrate surface becomes rough. From the above, it is possible to improve the PL emission intensity of the quantum well structure by setting the off angle of the substrate surface in the range of 5 to 15 ° from the {100} plane to the {111} A plane.

【0058】なお、第4実施例において、窒素を原料と
して、NH3 以外に実施例1および実施例2に例示され
ている他の窒素化合物も同様に用い得ることは言うまで
もない。
In the fourth embodiment, it goes without saying that, other than NH 3, other nitrogen compounds exemplified in the first and second embodiments can be used in the same manner as in the fourth embodiment.

【0059】(実施例5)本発明の第5の実施例におい
ては、量子井戸層3の成長の間に窒素原料(NH 3 )と
ヒ素原料(As2 )が500℃の基板表面上に同時に供
給されることなく交互に供給されたことを除けば、実施
例1の場合と同様に図1に示されているような量子井戸
構造が作製された。図6は、GaAs基板の{100}
面上の原料供給のシーケンスを表わすタイミングチャー
トである。図6からわかるように、GaInNAs量子
井戸層3の成長の間、III族元素であるGaとInに
関しては常時に基板表面上に分子線が照射された。しか
し、V族元素に関しては、基板表面上にヒ素原料(As
2 )が11.5秒間供給された後に1秒間のインターバ
ルを経てから窒素原料(NH3 )が3.3秒間供給さ
れ、このシーケンスが1秒間のインターバルを挟んで複
数回繰返された。
(Embodiment 5) In the fifth embodiment of the present invention,
During the growth of the quantum well layer 3, a nitrogen source (NH Three)When
Arsenic raw material (AsTwo) Is simultaneously provided on the substrate surface at 500 ° C.
Implemented except that it was supplied alternately without being paid
Quantum well as shown in FIG. 1 as in Example 1.
The structure was created. FIG. 6 shows a GaAs substrate {100}.
Timing chart showing the sequence of material supply on the surface
It is. As can be seen from FIG. 6, the GaInNAs quantum
During the growth of the well layer 3, the group III elements Ga and In
In this case, the molecular beam was constantly irradiated on the substrate surface. Only
However, as for the group V element, the arsenic raw material (As
Two) Is supplied for 11.5 seconds and then 1 second interval
Nitrogen material (NHThree) Supplied for 3.3 seconds
This sequence is repeated at intervals of 1 second.
Repeated several times.

【0060】このとき、原料分子線の強度はGa=2.
5×10-7Torr、In=2.5×10-8Torr、
As2 =2.5×10-6Torr、およびNH3 =5×
10 -6Torrに設定された。このような分子線強度に
よって、窒素原料とヒ素原料の供給シーケンスの1周期
の間に、ほぼ3分子層のGaInNAs層が成長させら
れる。
At this time, the intensity of the raw material molecular beam is Ga = 2.
5 × 10-7Torr, In = 2.5 × 10-8Torr,
AsTwo= 2.5 × 10-6Torr, and NHThree= 5 ×
10 -6Set to Torr. With such molecular beam intensity
Therefore, one cycle of the supply sequence of the nitrogen raw material and the arsenic raw material
During the process, almost three molecular layers of GaInNAs layer were grown.
It is.

【0061】図6に示されているような原料供給におい
て、窒素原料の供給の間にはGaとInと窒素が結晶中
に取込まれ、ヒ素原料の供給の間にはGaとInとAs
が結晶中に取込まれる。そのとき、1周期の原料供給シ
ーケンスにおいて成長する混晶層の厚さを0.5〜5分
子層程度の範囲内に設定すれば、ほぼ均一組成の混晶を
得ることが可能である。また、窒素原料とヒ素原料の分
子線強度や供給時間を適切に調節することによって混晶
組成を制御することが可能である。
In the raw material supply as shown in FIG. 6, Ga, In and nitrogen are taken into the crystal during the supply of the nitrogen raw material, and Ga, In and As are supplied between the supply of the arsenic raw material.
Is incorporated into the crystal. At this time, if the thickness of the mixed crystal layer grown in one cycle of the raw material supply sequence is set within a range of about 0.5 to 5 molecular layers, a mixed crystal having a substantially uniform composition can be obtained. In addition, it is possible to control the mixed crystal composition by appropriately adjusting the molecular beam intensity and the supply time of the nitrogen source and the arsenic source.

【0062】第5実施例におけるような原料供給法によ
れば、窒素原料と窒素以外のV族元素の原料とが独立に
供給されるので、結晶中への窒素の取込みに関して他の
V族元素との競合を避けることができ、結晶中への窒素
の取込み効率を向上させることが可能になる。その結
果、実施例5による量子井戸構造においては、窒素とそ
の他のV族元素とが同時に基板表面上に供給されること
によって作製された量子井戸層を含むものに比べてPL
発光強度が増大し、すなわち高品質のGaInNAs/
AlGaAs−SQW構造を得ることができた。
According to the raw material supply method as in the fifth embodiment, since the nitrogen raw material and the raw material of the group V element other than nitrogen are supplied independently, the other group V element is incorporated with respect to the incorporation of nitrogen into the crystal. Competition with nitrogen can be avoided, and the efficiency of nitrogen incorporation into the crystal can be improved. As a result, in the quantum well structure according to the fifth embodiment, PL is higher than that including a quantum well layer manufactured by simultaneously supplying nitrogen and other group V elements onto the substrate surface.
The emission intensity is increased, ie, high quality GaInNAs /
An AlGaAs-SQW structure was obtained.

【0063】なお、第5実施例においても、窒素を原料
としてNH3 以外に実施例1および実施例2に例示され
た他の窒素化合物をも用い得ることは言うまでもない。
また、第5実施例においても、基板のジャスト{10
0}表面以外にオフ角度を有する基板表面を用い得るこ
とも言うまでもない。
In the fifth embodiment, it goes without saying that other nitrogen compounds exemplified in the first and second embodiments can be used besides NH 3 using nitrogen as a raw material.
Also, in the fifth embodiment, the substrate just
It goes without saying that a substrate surface having an off angle other than the 0 ° surface can be used.

【0064】(実施例6)本発明の第6の実施例におい
ては、ガスセルにおけるNH3 の加熱温度が種々に変え
られたことを除けば、実施例1の場合と同様に、図1に
示されているような量子井戸構造が作製された。ガス供
給ラインからガスセルに供給されたNH3は、ガスセル
内部の加熱部分を通過して所望の温度に加熱された後
に、結晶成長表面上に供給された。GaInNAs層3
の成長中における各分子線の強度は、NH3 ガスの加熱
温度が350℃の条件のもとにおいて、III族元素中
のInの含有量が7.1原子%でV族元素中の窒素含有
量が2.5原子%になるように固定された。このように
して作製された量子井戸構造において、NH3 ガスの加
熱温度とPL発光特性との関係が図7において示されて
いる。
(Embodiment 6) In the sixth embodiment of the present invention, as shown in FIG. 1, as in the case of Embodiment 1, except that the heating temperature of NH 3 in the gas cell was changed variously. A quantum well structure was fabricated as described. NH 3 supplied from the gas supply line to the gas cell was supplied to the crystal growth surface after being heated to a desired temperature through a heating portion inside the gas cell. GaInNAs layer 3
The intensity of each molecular beam during growth, NH 3 in the original conditions of the heating temperature of the gas is 350 ° C., a nitrogen-containing group V element in our 7.1 atomic% content of In in the III group elements The amount was fixed at 2.5 atomic%. FIG. 7 shows the relationship between the heating temperature of the NH 3 gas and the PL emission characteristics in the quantum well structure manufactured as described above.

【0065】図7のグラフにおいて、横軸はNH3 ガス
の加熱温度(℃)を表わし、左側の縦軸はPL発光強度
(任意単位)を表わし、そして右側の縦軸はPL発光強
度ピークにおける波長(nm)を表わしている。また、
破線の曲線7AはPL発光波長を表わし、実線の曲線7
BはPL発光強度を表わしている。
In the graph of FIG. 7, the horizontal axis represents the heating temperature (° C.) of the NH 3 gas, the left vertical axis represents the PL emission intensity (arbitrary unit), and the right vertical axis represents the PL emission peak. It represents the wavelength (nm). Also,
The broken line curve 7A represents the PL emission wavelength, and the solid line curve 7A.
B represents the PL emission intensity.

【0066】曲線7Aからわかるように、NH3 ガスの
加熱温度が500℃以上になれば、発光強度ピークにお
ける波長が短くなる。この理由としては、500℃以上
の加熱温度のもとではNH3 が分解して安定なN2 分子
が形成されるので、結晶成長表面において窒素原子の取
込み量が減少し、GaInNAs層中の窒素含有量が低
下するからであると考えられる。
As can be seen from the curve 7A, when the heating temperature of the NH 3 gas is 500 ° C. or higher, the wavelength at the emission intensity peak becomes shorter. This is because, at a heating temperature of 500 ° C. or more, NH 3 is decomposed to form stable N 2 molecules, so that the amount of nitrogen atoms taken up on the crystal growth surface is reduced, and the nitrogen in the GaInNAs layer is reduced. It is considered that the content is reduced.

【0067】他方、曲線7Bからわかるように、NH3
ガスを100℃以上に加熱することによってPL発光強
度が増大し、特に、350〜500℃の加熱温度範囲内
において発光強度の著しい増大が得られる。しかし、N
3 ガスを500℃以上の温度に加熱すれば、その温度
の上昇に伴ってPL発光強度は急激に低下する。
On the other hand, as can be seen from the curve 7B, NH 3
By heating the gas to 100 ° C. or higher, the PL emission intensity increases, and in particular, a remarkable increase in the emission intensity is obtained within a heating temperature range of 350 to 500 ° C. But N
If the H 3 gas is heated to a temperature of 500 ° C. or higher, the PL emission intensity sharply decreases as the temperature increases.

【0068】NH3 ガスの加熱に起因して発光強度が増
大する理由としては、おそらく、NH3 分子が有する熱
エネルギが増大して、結晶成長表面におけるNH3 分子
のマイグレーションが促進されるからであると考えられ
る。特に、NH3 ガスの加熱温度が350〜500℃の
範囲内にあるときに、NH3 分子のマイグレーションに
よる効果が顕著になるものと考えられる。他方、NH3
ガスの加熱温度が500℃以上の場合に発光強度が低下
する理由としては、結晶中への窒素の取込み率の減少に
伴って、GaAs基板との格子整合条件からのずれに起
因する結晶欠陥が発生するからであると考えられる。
The reason that the emission intensity is increased due to the heating of the NH 3 gas is probably because the thermal energy of the NH 3 molecule is increased and the migration of the NH 3 molecule on the crystal growth surface is promoted. It is believed that there is. In particular, it is considered that when the heating temperature of the NH 3 gas is in the range of 350 to 500 ° C., the effect due to the migration of NH 3 molecules becomes significant. On the other hand, NH 3
The reason that the emission intensity decreases when the gas heating temperature is 500 ° C. or higher is that crystal defects caused by deviation from lattice matching conditions with the GaAs substrate are accompanied by a decrease in the rate of incorporation of nitrogen into the crystal. It is considered that this occurs.

【0069】以上を要約すれば、PL発光波長とGaI
nNAs層の結晶性の観点から、NH3 ガスの加熱温度
は500℃以下であることが好ましい。また、GaIn
NAs層の結晶性の観点から、NH3 ガスの加熱温度は
100℃以上であることが好ましく、350℃以上であ
ることがさらに好ましい。
To summarize the above, the PL emission wavelength and the GaI
From the viewpoint of the crystallinity of the nNAs layer, the heating temperature of the NH 3 gas is preferably 500 ° C. or less. GaIn
From the viewpoint of the crystallinity of the NAs layer, the heating temperature of the NH 3 gas is preferably 100 ° C. or higher, more preferably 350 ° C. or higher.

【0070】なお、第6実施例における以上の説明で
は、窒素以外の原料として固体原料が用いられたが、A
s原料としてターシャリブチルアルシン(TBAs)や
トリスジメチルアミノアルシン(TDMAAs)などを
用いることもでき、III族元素原料としてGaやIn
の有機金属化合物などを用いることもできる。
In the above description of the sixth embodiment, a solid material was used as a material other than nitrogen.
Tertiary butylarsine (TBAs), trisdimethylaminoarsine (TDMAAs), or the like can be used as a raw material, and Ga or In can be used as a group III element raw material.
And the like can also be used.

【0071】(実施例7)本発明の第7の実施例におい
ては、窒素とともに他のV族元素を含むIII−V族化
合物半導体の混晶層が、窒素原料としてモノメチルヒド
ラジン(MMHy)を用いて成長させられた。
(Embodiment 7) In the seventh embodiment of the present invention, a mixed crystal layer of a III-V compound semiconductor containing another group V element together with nitrogen uses monomethylhydrazine (MMHy) as a nitrogen source. Grew up.

【0072】まず、GaAs基板の{100}面上に、
種々の基板温度のもとでMMHyを用いてGaAsN混
晶層を成長させることによって、その混晶層における窒
素含有量の基板温度依存性が調べられた。このとき、G
a原料は実施例1の場合と同様に供給されたが、As原
料はターシャリブチルアルシン(TBAs)を600℃
に加熱することによってAs2 分子線として供給され
た。他の結晶成長条件は、GaAsN層中への窒素の取
込み効率が最も高くなってV族元素中の窒素含有量がほ
ぼ飽和する10原子%になるように設定された。また、
MMHyの代わりにNH3 を用いたこと以外は同じ条件
のもとにおいてもGaAsN層が成長させられた。こう
して得られたGaAsN層中の窒素含有量と基板温度と
の関係が図8に示されている。
First, on the {100} plane of the GaAs substrate,
By growing a GaAsN mixed crystal layer using MMHy under various substrate temperatures, the substrate temperature dependence of the nitrogen content in the mixed crystal layer was investigated. At this time, G
Raw material a was supplied in the same manner as in Example 1, but As raw material was tertiary butyl arsine (TBAs) at 600 ° C.
Was supplied as an As 2 molecular beam by heating. The other crystal growth conditions were set so that the efficiency of nitrogen incorporation into the GaAsN layer was the highest, and the nitrogen content in the group V element became 10 atomic%, which was almost saturated. Also,
Except for the use of NH 3 instead of MMHy was GaAsN layer was is grown even under the same conditions. FIG. 8 shows the relationship between the nitrogen content in the GaAsN layer thus obtained and the substrate temperature.

【0073】図8のグラフにおいて、横軸は基板温度
(℃)を表わし、縦軸はGaAsN層におけるV族元素
中の窒素組成(原子%)を表わしている。そして、実線
の曲線8Aと破線の曲線8Bは、それぞれMMHyを用
いた場合とNH3 を用いた場合におけるGaAsN層中
の窒素組成を表わしている。
In the graph of FIG. 8, the horizontal axis represents the substrate temperature (° C.), and the vertical axis represents the nitrogen composition (atomic%) in the group V element in the GaAsN layer. The solid curve 8A and dashed curve 8B represents a nitrogen composition of GaAsN layer in the case of using the case and NH 3 with MMHy respectively.

【0074】曲線8Aからわかるように、MMHyを用
いた場合には基板温度が約350℃以上でGaAsN層
が成長し、基板温度の上昇に伴って窒素含有量が増大し
て、約600℃以上で飽和する傾向がある。他方、曲線
8Bからわかるように、NH 3 を用いた場合には、約4
50℃以上でGaAsN層が成長し、基板温度の上昇に
伴って窒素含有量が増大して、約700℃で飽和する傾
向がある。すなわち、図8の結果から、窒素とともに他
のV族元素を含むIII−V族化合物半導体の混晶層の
成長において、窒素原料としてMMHyを用いることに
よって、NH3を用いた場合に比べて低い温度でその混
晶層を成長させ得ることがわかる。
As can be seen from the curve 8A, the MMHy
If the substrate temperature is about 350 ° C or higher and the GaAsN layer
Grow and the nitrogen content increases with increasing substrate temperature.
At about 600 ° C. or more. On the other hand, the curve
As can be seen from FIG. 8B, NH ThreeWhen using, about 4
The GaAsN layer grows at 50 ° C or higher, and the substrate temperature rises.
Accordingly, the nitrogen content increases and tends to saturate at about 700 ° C.
There is a direction. That is, from the results of FIG.
Of a mixed crystal layer of a group III-V compound semiconductor containing a group V element
In growth, using MMHy as a nitrogen source
Therefore, NHThreeAt a lower temperature than when using
It can be seen that a crystal layer can be grown.

【0075】なお、図8では種々のヒ素原料を用い得る
ことをも例示するためにTBAsを用いた場合が示され
たが、ヒ素原料として実施例1の場合と同様に固体原料
を用いた場合でも、図8に示されているような傾向はほ
とんど変わらない。
FIG. 8 shows the case where TBAs is used to exemplify that various arsenic raw materials can be used. However, the case where a solid raw material is used as in the case of Example 1 as the arsenic raw material is shown. However, the tendency as shown in FIG. 8 hardly changes.

【0076】次に、窒素原料としてNH3 またはMMH
yを用いかつ量子井戸層3の成長の間に基板が500℃
に保持されたことを除けば、実施例1の場合と同様に図
1に示されているような量子井戸構造が作製された。こ
のときGaInNAs層3の組成としては、1.3μm
の発光波長を得るために、III族元素中のIn含有量
が7.1原子%であってV族元素中のN含有量が2.5
原子%になるように、各原料分子線の条件が最適化され
た。こうして得られた量子井戸構造におけるPL発光強
度が図9に示されている。図9のグラフにおいて、横軸
は量子井戸構造のPL発光波長(nm)を表わし、縦軸
はPL発光強度(任意単位)を表わしている。そして、
実線の曲線9Aと破線の曲線9Bとは、それぞれMMH
yを用いた場合とNH3 を用いた場合におけるPL発光
強度を示している。図9の結果から明らかなように、5
00℃の基板温度のもとでは、NH3 でなくてMMHy
を用いて作製された量子井戸構造において高いピークと
狭い半値幅を有するPL発光が得られ、高品質のGaI
nNAs量子井戸3が形成されていることがわかる。し
かし、基板温度が約600℃以上の条件のもとでは、M
MHyではなくてNH3 を用いて作製された半導体レー
ザの方が、良好なPL発光特性を示した。
Next, NH 3 or MMH was used as a nitrogen raw material.
500 ° C. during the growth of quantum well layer 3 using y
A quantum well structure as shown in FIG. 1 was produced in the same manner as in Example 1 except that the quantum well structure was retained. At this time, the composition of the GaInNAs layer 3 is 1.3 μm
In order to obtain the emission wavelength of the above, the In content in the group III element is 7.1 atomic% and the N content in the group V element is 2.5 atomic%.
The conditions of each raw material molecular beam were optimized so as to become atomic%. FIG. 9 shows the PL emission intensity of the quantum well structure thus obtained. In the graph of FIG. 9, the horizontal axis represents the PL emission wavelength (nm) of the quantum well structure, and the vertical axis represents the PL emission intensity (arbitrary unit). And
The solid curve 9A and the dashed curve 9B are respectively MMH
The PL emission intensity when y is used and when NH 3 is used are shown. As is apparent from the results of FIG.
At a substrate temperature of 00 ° C., MMHy is used instead of NH 3.
PL emission having a high peak and a narrow half width is obtained in a quantum well structure manufactured using
It can be seen that the nNAs quantum well 3 is formed. However, under the condition that the substrate temperature is about 600 ° C. or more, M
A semiconductor laser fabricated using NH 3 instead of MHy exhibited better PL emission characteristics.

【0077】このように、NH3 とMMHyとによる効
果が異なる理由としては、基板温度が低い場合には結晶
成長表面上におけるNH3 の分解効率が減少するので、
未分解のNH3 分子が結晶成長を阻害して結晶性の低下
を生じるからであると考えられる。他方、基板温度が高
くてNH3 とMMHyとのいずれもが容易に分解可能な
条件のもとでは、比較的反応性が低くて結晶成長表面に
おいて欠陥を誘発しにくいNH3 を用いた場合に、良好
な結晶性が得られるからであると考えられる。
As described above, the reason why the effects of NH 3 and MMHy are different is that when the substrate temperature is low, the decomposition efficiency of NH 3 on the crystal growth surface decreases.
It is considered that undecomposed NH 3 molecules inhibit crystal growth and cause a decrease in crystallinity. On the other hand, under the condition that the substrate temperature is high and both NH 3 and MMHy can be easily decomposed, when NH 3 having relatively low reactivity and hardly causing defects on the crystal growth surface is used, This is because good crystallinity can be obtained.

【0078】なお、第7実施例の以上の説明において
は、ヒドラジン系の化合物としてMMHyが用いられた
が、ヒドラジン(N2 4 )やジメチルヒドラジン(D
MHy)なども、同様の基板温度範囲において好ましい
窒素源として用いることができる。ただし、DMHyを
用いる場合には結晶中に炭素が不純物として取込まれる
ことがあるので、DMHyに比べて少ないアルキル基を
含むMMHyやアルキル基を含まないN2 4 は、結晶
中への不純物炭素の取込みを抑制することができるとい
う点でより好ましい。
In the above description of the seventh embodiment, MMHy is used as a hydrazine-based compound. However, hydrazine (N 2 H 4 ) or dimethylhydrazine (D
MHy) can be used as a preferable nitrogen source in the same substrate temperature range. However, when DMHy is used, carbon may be taken into the crystal as an impurity. Therefore, MMHy containing an alkyl group less than DMHy and N 2 H 4 containing no alkyl group are used as impurities in the crystal. It is more preferable in that the uptake of carbon can be suppressed.

【0079】(実施例8)本発明の第8の実施例におい
ては、量子井戸層3の形成条件が変更されたことを除け
ば、実施例1の場合と同様に図1に示されているような
量子井戸構造が作製された。すなわち、第8実施例にお
いては、窒素原料として表5に示されているような異な
る生成エネルギを有する種々の原料が用いられ、量子井
戸層3が形成される間に基板はそれぞれの窒素原料を用
いた場合において最適な温度に保持された。量子井戸層
3におけるIII族元素中のIn含有量が7.1原子%
であってV族元素中の窒素含有量が2.5原子%になる
ように、Ga、In、As、および窒素原料の分子線強
度が設定された。
(Eighth Embodiment) An eighth embodiment of the present invention is shown in FIG. 1 similarly to the first embodiment, except that the formation conditions of the quantum well layer 3 are changed. Such a quantum well structure was manufactured. That is, in the eighth embodiment, various raw materials having different generation energies as shown in Table 5 are used as the nitrogen raw material, and the substrate uses the respective nitrogen raw materials while the quantum well layer 3 is formed. Optimum temperature was maintained when used. In content in the group III element in the quantum well layer 3 is 7.1 atomic%.
The molecular beam intensity of Ga, In, As, and the nitrogen source was set such that the nitrogen content in the group V element was 2.5 atomic%.

【0080】[0080]

【表5】 [Table 5]

【0081】図10においては、第8実施例による量子
井戸構造におけるPL発光スペクトル強度と窒素原料の
生成ギブスエネルギとの関係が示されている。すなわ
ち、図10の横軸は量子井戸層3の形成に用いられた窒
素原料の298Kにおける生成ギブスエネルギ(kJ/
mol)を表わし、縦軸はPL発光強度(任意単位)を
表している。図10から明らかなように、窒素ラジカル
に比べて小さな生成ギブスエネルギを有する窒素原料を
用いることにより、PL発光強度が増大する傾向にあ
る。特に、約100kJ/molより小さな生成ギブス
エネルギを有する窒素原料を用いることによって、高い
PL発光強度を有する高品質のGaInNAs/AlG
aAs−SQW構造を得ることができる。
FIG. 10 shows the relationship between the PL emission spectrum intensity and the Gibbs energy of the nitrogen source in the quantum well structure according to the eighth embodiment. That is, the horizontal axis in FIG. 10 indicates the Gibbs energy (kJ / kJ /) of the nitrogen source used for forming the quantum well layer 3 at 298 K.
mol), and the vertical axis represents PL emission intensity (arbitrary unit). As is clear from FIG. 10, the PL emission intensity tends to increase by using a nitrogen source having a smaller Gibbs energy of formation than nitrogen radicals. In particular, by using a nitrogen source having a Gibbs energy of formation smaller than about 100 kJ / mol, a high quality GaInNAs / AlG having a high PL emission intensity can be obtained.
An aAs-SQW structure can be obtained.

【0082】なお、第8実施例の以上の説明において
は、基板表面としてジャスト{100}結晶面が用いら
れたが、オフ角度を有する基板表面が用いられた場合で
も、図10に示されている傾向はほとんど変わらない。
さらに、クラッド層2,4としてAl0.3 Ga0.7 As
層が用いられたが、GaAs基板に格子整合し得るGa
InPが用いられた場合にも図10に示されている傾向
はほとんど変わらない。
In the above description of the eighth embodiment, the just {100} crystal plane is used as the substrate surface. However, even when a substrate surface having an off-angle is used, as shown in FIG. The tendency to stay is almost the same.
Further, as the cladding layers 2 and 4, Al 0.3 Ga 0.7 As
Although a layer was used, Ga could be lattice matched to the GaAs substrate.
Even when InP is used, the tendency shown in FIG. 10 hardly changes.

【0083】(実施例9)本発明の第9の実施例におい
ては、実施例1の場合と同様に窒素原料としてNH3
用いかつ他の元素の原料として固体原料を用いたMBE
法によって形成されたGaInNAs−SQWの活性層
を含む半導体レーザが作製された。
(Embodiment 9) In the ninth embodiment of the present invention, as in Embodiment 1, MBE using NH 3 as a nitrogen source and a solid source as a source of other elements is used.
A semiconductor laser including an active layer of GaInNAs-SQW formed by the method was manufactured.

【0084】図11において、このようなGaInNA
s−SQW構造を含む半導体レーザが模式的な断面図で
示されている。この半導体レーザにおいては、ジャスト
{100}結晶表面を有するn型GaAs基板1上に、
n型GaAsからなる厚さ0.5μmのバッファ層6、
n型Al0.3 Ga0.7 Asからなる厚さ1μmのn型ク
ラッド層7、n型GaAsからなる厚さ0.15μmの
n型ガイド層8、ノンドープGa0.929 In0.071
0.025 As0.975 からなるSQW層9、p型GaAsか
らなる厚さ0.15μmのp型ガイド層10、p型Al
0.3 Ga0.7 Asからなる厚さ0.5μmのp型クラッ
ド層11、およびp型GaAsからなる厚さ0.1μm
のコンタクト層12がMBE法によって順次成長させら
れた。なお、これらの層の成長の際に、基板温度、NH
3 ガス加熱温度等については、実施例1の場合と同様の
条件が用いられた。また、Ga0.929 In0.071
0.025 As0.975 −SQW層9の成長においては、表1
中の条件2に示される成長条件が採用された。
In FIG. 11, such a GaInNA
A semiconductor laser including an s-SQW structure is shown in a schematic sectional view. In this semiconductor laser, on an n-type GaAs substrate 1 having a just {100} crystal surface,
a 0.5 μm thick buffer layer 6 made of n-type GaAs,
n-type cladding layer 7 of n-type Al 0.3 Ga 0.7 As having a thickness of 1 μm, n-type guide layer 8 of n-type GaAs having a thickness of 0.15 μm, undoped Ga 0.929 In 0.071 N
SQW layer 9 of 0.025 As 0.975 , p-type guide layer 10 of p-type GaAs having a thickness of 0.15 μm, p-type Al
0.5 μm thick p-type cladding layer 11 made of 0.3 Ga 0.7 As and 0.1 μm thick made of p-type GaAs
Were sequentially grown by MBE. In growing these layers, the substrate temperature, NH
3. The same conditions as in Example 1 were used for the gas heating temperature and the like. Ga 0.929 In 0.071 N
In the growth of 0.025 As 0.975 -SQW layer 9, Table 1
The growth condition shown in Condition 2 in the middle was adopted.

【0085】このようにして、各半導体層が成長させら
れて積層された後に、p型Al0.3Ga0.7 Asクラッ
ド層11とp型GaAsコンタクト層12の一部がウェ
ットエッチングによってメサストライプ状にエッチング
除去され、ポリアミドからなる絶縁層13がそのエッチ
ング除去された部分を覆うように形成された。さらに、
上部電極14と下部電極15が形成され、図11に示さ
れているようなリッジストライプ型の半導体レーザが作
製された。
After the respective semiconductor layers are grown and laminated in this way, a part of the p-type Al 0.3 Ga 0.7 As clad layer 11 and a part of the p-type GaAs contact layer 12 are etched into a mesa stripe by wet etching. The insulating layer 13 made of polyamide was removed so as to cover the etched portion. further,
The upper electrode 14 and the lower electrode 15 were formed, and a ridge stripe type semiconductor laser as shown in FIG. 11 was manufactured.

【0086】この半導体レーザでは、共振器端面にλ/
2コーティングが施された状態で室温において1.3μ
mの波長の光の連続発振が確認され、その発振しきい値
は15mAで、効率は0.35W/Aであった。また、
従来の半導体レーザの特性温度は約50Kであるが、こ
の実施例の半導体レーザにおいては室温から85℃の範
囲において特性温度が170Kに向上していた(すなわ
ち、温度の上昇に伴うレーザ発振に必要な電流の増大が
少なくなった)。さらに、この実施例の半導体レーザを
60℃において10mWの出力で駆動することによって
信頼性試験を行なった結果、5000時間以上の寿命
(駆動電流が初期電流から20%増大するまでの時間)
が確認された。
In this semiconductor laser, λ /
1.3 μm at room temperature with coating applied
Continuous oscillation of light having a wavelength of m was confirmed. The oscillation threshold was 15 mA, and the efficiency was 0.35 W / A. Also,
The characteristic temperature of the conventional semiconductor laser is about 50K, but in the semiconductor laser of this embodiment, the characteristic temperature has been improved to 170K in the range from room temperature to 85 ° C (that is, the characteristic temperature required for the laser oscillation accompanying the temperature rise). Current increase is reduced). Furthermore, a reliability test was performed by driving the semiconductor laser of this example at 60 ° C. with an output of 10 mW. As a result, a life of 5000 hours or more (time until the drive current increases by 20% from the initial current)
Was confirmed.

【0087】このように、本発明による化合物半導体の
製造方法を利用することにより、特性温度が高くて発振
しきい値が低くかつ高信頼性で高性能の光通信用半導体
レーザを得ることができる。なお、第9実施例において
は窒素原料としてNH3 が用いられたが、他の実施例に
示されたジメチルアミンやMMHyなどのように100
kJ/molより小さな生成ギブスエネルギを有する窒
素化合物を用いても同様の性能を有する半導体レーザを
得ることができる。また、GaInNAs活性層の組成
を変えることによって、1.55μmの波長帯において
も同様に優れた性能を有する半導体レーザを得ることが
できる。
As described above, by using the method of manufacturing a compound semiconductor according to the present invention, a semiconductor laser for optical communication having a high characteristic temperature, a low oscillation threshold, and high reliability and high performance can be obtained. . In the ninth embodiment, NH 3 was used as a nitrogen source. However, as in the other embodiments, dimethylamine, MMHy, etc.
Even when a nitrogen compound having a Gibbs energy of formation smaller than kJ / mol is used, a semiconductor laser having similar performance can be obtained. Further, by changing the composition of the GaInNAs active layer, a semiconductor laser having similarly excellent performance even in a wavelength band of 1.55 μm can be obtained.

【0088】なお、以上の実施例において説明されたM
BE法は、前述のようにGSMBE法、CBE法、MO
MBE法などを含む広い概念として用いられており、V
族元素原料としてはAsH3 などのガスを用いることも
でき、III族元素原料としてはトリメチルガリウム
(TMGa)、トリメチルアルミニウム(TMAl)、
またはトリメチルインジウム(TMIn)などの有機金
属を用いることもできる。要するに、原料分子の平均自
由工程が基板と分子線源との間の距離以上になるように
真空排気された結晶成長室内で原料分子線を基板上に照
射することによって化合物半導体結晶を成長させる広義
のMBE法を用いれば、各原料分子は結晶成長表面上の
みで反応を起こすので、種々の原料が本発明に適用可能
である。
It should be noted that M described in the above embodiment has been described.
The BE method includes the GSMBE method, the CBE method, and the MO method as described above.
It is used as a broad concept including the MBE method, etc.
A gas such as AsH 3 can also be used as a group III element material, and trimethyl gallium (TMGa), trimethyl aluminum (TMAl),
Alternatively, an organic metal such as trimethylindium (TMIn) can be used. In short, a compound semiconductor crystal is grown by irradiating a substrate with a source molecular beam in a crystal growth chamber evacuated so that the mean free path of the source molecule is equal to or longer than the distance between the substrate and the molecular beam source. If the MBE method described above is used, each raw material molecule causes a reaction only on the crystal growth surface, so that various raw materials can be applied to the present invention.

【0089】また、以上の種々の実施例において、窒素
と他のV族元素を含むIII−V族化合物半導体とし
て、V族元素中のN濃度≦3.5原子%であってGaA
s基板に格子整合し得るGaInNAs混晶やN濃度=
3原子%であってGaP基板に格子整合し得るGaIn
NP混晶が用いられたが、本発明は、他の種々の窒素濃
度を有するGaInNAsやGaInNPの混晶はもち
ろんのこと、窒素とともにそれ以外のV族元素であるA
s、P、Sb、およびBiの少なくとも1つを含み、I
II族元素としてB、Al、Ga、In、およびTlの
少なくとも1つを含むIII−V族化合物半導体の混晶
層の成長に適用することができる。
In each of the various embodiments described above, as the III-V compound semiconductor containing nitrogen and other group V elements, the N concentration in the group V element is equal to or less than 3.5 atomic% and the GaAs
GaInNAs mixed crystal and N concentration that can be lattice-matched to the s substrate =
GaIn which is 3 atomic% and can be lattice-matched to a GaP substrate
Although NP mixed crystals were used, the present invention is not limited to GaInNAs and GaInNP mixed crystals having various other nitrogen concentrations, as well as nitrogen and other group V elements A
s, at least one of P, Sb, and Bi;
The present invention can be applied to the growth of a mixed crystal layer of a III-V compound semiconductor containing at least one of B, Al, Ga, In, and Tl as a group II element.

【0090】[0090]

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、窒素と
ともに少なくとも1以上の他のV族元素を含むIII−
V族化合物半導体の混晶層のMBE成長において、結晶
欠陥を発生させることなく高品質の混晶層を得ることが
可能となる。したがって、このような高品質の混晶層を
利用することによって高性能のオプトエレクトロニクス
デバイスを提供することが可能になる。
As described above, according to the present invention, III-III containing at least one or more other group V elements together with nitrogen.
In MBE growth of a mixed crystal layer of a group V compound semiconductor, a high-quality mixed crystal layer can be obtained without generating crystal defects. Therefore, it is possible to provide a high-performance optoelectronic device by utilizing such a high-quality mixed crystal layer.

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

【図1】本発明の実施例1において作製された量子井戸
構造を説明するための概略的な断面図である。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view for explaining a quantum well structure manufactured in Example 1 of the present invention.

【図2】本発明の実施例1において作製された量子井戸
構造における量子井戸層中の窒素濃度とPL発光強度と
の関係を示すグラフである。
FIG. 2 is a graph showing a relationship between a nitrogen concentration in a quantum well layer and a PL emission intensity in the quantum well structure manufactured in Example 1 of the present invention.

【図3】本発明の実施例2において作製された量子井戸
構造のPL発光スペクトルを示すグラフである。
FIG. 3 is a graph showing a PL emission spectrum of a quantum well structure manufactured in Example 2 of the present invention.

【図4】本発明の実施例4において作製されたGaIn
NAs膜の窒素組成と基板表面の{100}面からのオ
フ角度との関係を示すグラフである。
FIG. 4 shows GaIn fabricated in Example 4 of the present invention.
4 is a graph showing a relationship between a nitrogen composition of an NAs film and an off angle from a {100} plane of a substrate surface.

【図5】本発明の実施例4において作製された量子井戸
構造におけるPL発光強度と基板表面のオフ角度との関
係を示すグラフである。
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the PL emission intensity and the off-angle of the substrate surface in the quantum well structure manufactured in Example 4 of the present invention.

【図6】本発明の実施例5によるGaInNAs混晶層
の成長の際における原料供給シーケンスを説明するため
のタイミングチャートである。
FIG. 6 is a timing chart for explaining a raw material supply sequence in growing a GaInNAs mixed crystal layer according to a fifth embodiment of the present invention.

【図7】本発明の実施例6による量子井戸構造におい
て、NH3 原料ガスの加熱温度とPL発光の波長および
強度との関係を示すグラフである。
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the heating temperature of NH 3 source gas and the wavelength and intensity of PL emission in the quantum well structure according to Example 6 of the present invention.

【図8】本発明の実施例7において形成されたGaAs
N層に含まれる窒素組成と基板温度との関係を示すグラ
フである。
FIG. 8 shows GaAs formed in Example 7 of the present invention.
4 is a graph showing a relationship between a nitrogen composition contained in an N layer and a substrate temperature.

【図9】実施例7によって作製された量子井戸構造にお
けるPL発光の波長と強度との関係を示すグラフであ
る。
FIG. 9 is a graph showing the relationship between wavelength and intensity of PL light emission in a quantum well structure manufactured according to Example 7.

【図10】本発明の実施例8において作製された量子井
戸構造のPL発光強度と窒素原料の生成ギブスエネルギ
との関係を示すグラフである。
FIG. 10 is a graph showing a relationship between PL emission intensity of a quantum well structure manufactured in Example 8 of the present invention and Gibbs energy of generation of a nitrogen source.

【図11】本発明の実施例9において作製された半導体
レーザを示す模式的な断面図である。
FIG. 11 is a schematic sectional view showing a semiconductor laser manufactured in Example 9 of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 GaAs基板 2 AlGaAs下部クラッド層 3 GaInNAs−SQW層 4 AlGaAs上部クラッド層 5 GaAsキャップ層 6 n型GaAsバッファ層 7 n型AlGaAsクラッド層 8 n型GaAsガイド層 9 GaInNAs量子井戸層 10 p型GaAsガイド層 11 p型AlGaAsクラッド層 12 p型GaAsコンタクト層 13 ポリアミド絶縁層 14 上部電極 15 下部電極 Reference Signs List 1 GaAs substrate 2 AlGaAs lower cladding layer 3 GaInNAs-SQW layer 4 AlGaAs upper cladding layer 5 GaAs cap layer 6 n-type GaAs buffer layer 7 n-type AlGaAs cladding layer 8 n-type GaAs guide layer 9 GaInNAs quantum well layer 10 p-type GaAs guide Layer 11 p-type AlGaAs cladding layer 12 p-type GaAs contact layer 13 polyamide insulating layer 14 upper electrode 15 lower electrode

Claims (14)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 原料分子の平均自由工程が基板と分子線
源との間の距離より大きくなるように真空排気された結
晶成長室内で原料分子線を基板に照射することによって
窒素とともに少なくとももう1つのV族元素を含むII
I−V族化合物半導体結晶が成長させられるときに、窒
素の原料として窒素化合物が用いられ、前記窒素化合物
の分子は前記基板の表面に到達した後に分解して窒素原
子のみが前記半導体結晶中に取込まれることを特徴とす
る化合物半導体の製造方法。
At least one additional source of nitrogen along with nitrogen is applied to the substrate by irradiating the source molecular beam to the substrate in a crystal growth chamber evacuated so that the mean free path of the source molecule is larger than the distance between the substrate and the molecular beam source. II containing two Group V elements
When a group IV compound semiconductor crystal is grown, a nitrogen compound is used as a source of nitrogen, and the molecules of the nitrogen compound decompose after reaching the surface of the substrate so that only nitrogen atoms are present in the semiconductor crystal. A method for producing a compound semiconductor, which is incorporated.
【請求項2】 前記窒素原料として、窒素の水素化物が
用いられることを特徴とする請求項1に記載の化合物半
導体の製造方法。
2. The method according to claim 1, wherein a hydride of nitrogen is used as the nitrogen source.
【請求項3】 前記窒素の水素化物として、アンモニア
が用いられることを特徴とする請求項2に記載の化合物
半導体の製造方法。
3. The method according to claim 2, wherein ammonia is used as the hydride of nitrogen.
【請求項4】 前記半導体結晶の成長の間に前記基板が
500〜700℃の範囲内の温度に保持されることを特
徴とする請求項3に記載の化合物半導体の製造方法。
4. The method according to claim 3, wherein the substrate is kept at a temperature in the range of 500 to 700 ° C. during the growth of the semiconductor crystal.
【請求項5】 前記アンモニアは350〜500℃の範
囲内の温度に加熱された後に前記基板に照射されること
を特徴とする請求項3または4に記載の化合物半導体の
製造方法。
5. The method according to claim 3, wherein the substrate is irradiated with the ammonia after being heated to a temperature in the range of 350 to 500 ° C.
【請求項6】 前記窒素の水素化物として、ヒドラジン
が用いられることを特徴とする請求項2に記載の化合物
半導体の製造方法。
6. The method according to claim 2, wherein hydrazine is used as the hydride of nitrogen.
【請求項7】 前記窒素原料として、窒素のアルキル化
物が用いられることを特徴とする請求項1に記載の化合
物半導体の製造方法。
7. The method according to claim 1, wherein an alkylated nitrogen is used as the nitrogen source.
【請求項8】 前記窒素のアルキル化物として、アルキ
ルアミン系化合物が用いられることを特徴とする請求項
7に記載の化合物半導体の製造方法。
8. The method according to claim 7, wherein an alkylamine compound is used as the alkylated nitrogen.
【請求項9】 前記半導体結晶の成長の間に前記基板が
400〜750℃の範囲内の温度に保持されることを特
徴とする請求項8に記載の化合物半導体の製造方法。
9. The method according to claim 8, wherein the substrate is kept at a temperature in a range of 400 to 750 ° C. during the growth of the semiconductor crystal.
【請求項10】 前記窒素原料として、ヒドラジンのア
ルキル化物が用いられることを特徴とする請求項2に記
載の化合物半導体の製造方法。
10. The method according to claim 2, wherein an alkylated hydrazine is used as the nitrogen source.
【請求項11】 前記基板は閃亜鉛鉱型の結晶構造を有
する化合物半導体からなり、前記基板は{100}面か
ら{111}A面方向に向かう所定のオフ角度を有する
ことを特徴とする請求項1から10のいずれかの項に記
載の化合物半導体の製造方法。
11. The substrate according to claim 1, wherein the substrate is made of a compound semiconductor having a zinc blende type crystal structure, and the substrate has a predetermined off angle from a {100} plane toward a {111} A plane. Item 10. The method for producing a compound semiconductor according to any one of Items 1 to 10.
【請求項12】 前記オフ角度は5〜15°の範囲内に
あることを特徴とする請求項11に記載の化合物半導体
の製造方法。
12. The method according to claim 11, wherein the off-angle is in a range of 5 ° to 15 °.
【請求項13】 V族元素を前記基板上に供給すると
き、窒素原料を基板に照射する工程と窒素以外のV族元
素を基板に照射する工程とが重複することなく交互に行
なわれることを特徴とする請求項1から12のいずれか
の項に記載の化合物半導体の製造方法。
13. When supplying a group V element onto the substrate, the step of irradiating the substrate with a nitrogen source and the step of irradiating the substrate with a group V element other than nitrogen are alternately performed without overlapping. The method for producing a compound semiconductor according to claim 1, wherein:
【請求項14】 前記窒素原料として、100kJ/m
olより小さな生成ギブスエネルギを有する窒素化合物
が用いられることを特徴とする請求項1から13のいず
れかの項に記載の化合物半導体の製造方法。
14. The method according to claim 1, wherein the nitrogen material is 100 kJ / m
14. The method of manufacturing a compound semiconductor according to claim 1, wherein a nitrogen compound having a Gibbs energy of formation smaller than ol is used.
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