JPH1112098A - 半導体結晶成長方法及びフォトリフラクティブ素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 生産性、安全性に優れたＭＯＣＶＤ法または
ＭＯＶＰＥ法によって電気的に高抵抗のＩＩＩ−Ｖ族化
合物半導体結晶を成長させることのできる半導体結晶成
長方法を提供し、更に、フォトリフラクティブ素子の高
性能化を図る。 【解決手段】 ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶１の結晶
成長時において、結晶成長用ソース２に塩化エチル等の
塩化アルキルガス３を添加する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＩＩＩ−Ｖ族化合
物半導体結晶の半導体結晶成長方法に関し、詳しくは、
半導体結晶の高抵抗化に関し、更に、非線形光学現象の
一つであるフォトリフラクティブ効果を発揮するフォト
リフラクティブ素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、コンピュータ画像処理技術、及
び、半導体技術の飛躍的な進歩により、電気的な画像処
理技術が主流であったが、並列／直列変換による律速や
ＬＳＩ（大規模集積回路）の配線遅延等による帯域制限
のため、電気的な画像処理技術だけによる高速化に限界
が見え始め、光本来の超並列性を生かし、新しい非線形
光学現象等を積極的に取り入れた新しい光情報処理に関
する研究が活発である。中でも、フォトリフラクティブ
効果に起因する光波の干渉現象である２光波混合、４光
波混合による位相共役波の発生の光情報処理への応用に
ついての有意義な示唆がなされている。

【０００３】フォトリフラクティブ効果を有する材料と
しては、ＢＳＯ（Ｂｉ₁₂ＳｉＯ₂₀）等の常誘電体、Ｌｉ
ＮｂＯ₃ やＢａＴｉＯ₃ 等の強誘電体、ＧａＡｓ等の化
合物半導体が知られているが、光情報処理への応用の中
でも実時間処理や高速処理が要求される応用では、フォ
トリフラクティブ効果における最小応答時間の短いもの
が要求される。この最小応答時間は、例えば、常誘電体
のＢＳＯ（Ｂｉ₁₂ＳｉＯ₂₀）でミリ秒オーダーであるの
に対して、バルクのＧａＡｓ化合物半導体で１０マイク
ロ秒オーダーと短く、更に、量子井戸構造を用いること
でマイクロ秒オーダー以下まで高速化できる可能性があ
る。

【０００４】従来、例えば、量子井戸構造のＡｌＧａＡ
ｓ／ＧａＡｓ系化合物半導体結晶をＭＯＣＶＤ（ｍｅｔ
ａｌｏｒｇａｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ
ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法またはＭＯＶＰＥ（ｍｅｔａ
ｌｏｒｇａｎｉｃ ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔ
ａｘｙ）法によって成長させる場合に、特別に不純物の
ドーピングを行わずとも、有機金属であるトリエチルガ
リウム（ＴＥＧａ）とトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ
ｌ）が熱分解することによってエチルラジカルとメチル
ラジカルが生成し、また、エチルラジカル同士の反応に
よりメチルラジカルが生成し、このメチルラジカルの生
成が主要因となって、炭素原子がＡｓ原子と置換するよ
うに結晶中に取り込まれ、その炭素原子がアクセプタと
して作用し、結果として、半導体結晶はＰ型半導体とな
り、真性状態に比べ電気的に低抵抗なものとなってしま
っていた。

【０００５】一方、フォトリフラクティブ素子としての
化合物半導体は、フォトリフラクティブ効果が効率的に
発現する条件として、半導体結晶内に自由電子が殆ど存
在しない高抵抗状態であることが要求されるが、その半
導体結晶がＭＯＣＶＤ法またはＭＯＶＰＥ法によって作
製されると、Ｐ型化して電気的に低抵抗なものとなるこ
とが避けがたいため、従来は、ＭＯＣＶＤ法またはＭＯ
ＶＰＥ法によらずＭＢＥ（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｅａ
ｍ ｅｐｉｔａｘｙ）法を用いて高抵抗の半導体結晶が
作製されていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述の如く、ＩＩＩ−
Ｖ族化合物半導体結晶をフォトリフラクティブ素子とし
て応用するために、その半導体結晶が高抵抗であること
が要求され、従来はＭＢＥ法によって作製されていた。
ところで、一般に、ＭＢＥ法とＭＯＣＶＤ法またはＭＯ
ＶＰＥ法とを比較した場合、ＭＯＣＶＤ法等の方が、生
産性、組成制御性の点で優れており、ＭＢＥ法の方が膜
厚制御性、低温成長の点で優れている。ＭＢＥ法の方が
膜厚制御性に優れているのは、結晶の成長速度が１桁ほ
ど遅いためであり、逆に生産性を低下させる一因となっ
ている。また、ＭＯＣＶＤ法等は、ガス流量の調整によ
って結晶成長用のソース供給量の制御が簡単に行えるた
め、組成制御を必要とする場合に有利であり、生産性の
点でもＭＢＥ法に対して有利となるのである。一方、フ
ォトリフラクティブ素子として高速なものを得るため
に、多層構造による多重量子井戸（ＭＱＷ）構造の採用
が提案されているが、例えば６０層のＭＱＷを形成する
場合、前記ソース供給量を６０回設定変更する必要があ
り、この点において組成制御性に優れたＭＯＣＶＤ法等
の方がＭＢＥ法より、操作性、生産性の点でＭＱＷ構造
に適しているのである。また、ＭＢＥ法は超高真空状態
が必要なため、装置の信頼性の点でも、ＭＯＣＶＤ法等
の方が装置の取り扱い、安全性の点で有利である。本発
明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、その目的
は、生産性、安全性に優れたＭＯＣＶＤ法またはＭＯＶ
ＰＥ法によって電気的に高抵抗のＩＩＩ−Ｖ族化合物半
導体結晶を成長させることのできる半導体結晶成長方法
を提供し、更に、高性能なフォトリフラクティブ素子を
提供する点にある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
の本発明の第一の特徴構成は、半導体結晶成長方法に関
し、特許請求の範囲の欄の請求項１に記載した通り、Ｍ
ＯＣＶＤ法またはＭＯＶＰＥ法によるＩＩＩ−Ｖ族化合
物半導体結晶成長時において、結晶成長用ソースに塩化
エチル等の塩化アルキルガスを添加する点にある。

【０００８】同第二の特徴構成は、半導体結晶成長方法
に関し、特許請求の範囲の欄の請求項２に記載した通
り、上述の第一の特徴構成に加えて、前記ＩＩＩ−Ｖ族
化合物半導体結晶がＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系化合物半
導体結晶であって、前記結晶成長用ソースがトリエチル
ガリウム、トリメチルアルミニウム、アルシンである点
にある。

【０００９】同第三の特徴構成は、フォトリフラクティ
ブ素子に関し、特許請求の範囲の欄の請求項３に記載し
た通り、上述の第一または第二の特徴構成の半導体結晶
成長方法で作製された前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結
晶を備えてなる点にある。

【００１０】以下に作用及び効果を説明する。第一また
は第二の特徴構成によれば、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体
結晶またはその一例であるＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系化
合物半導体の結晶成長時の炭素原子の結晶中への取り込
みが抑制され、ＭＢＥ法によらずに、半導体結晶の高抵
抗化が図れるのである。結果として、半導体製造工程に
おける生産性及び安全性の向上が期待できるのである。

【００１１】特に第二の特徴構成によれば、更にＡｌＧ
ａＡｓ／ＧａＡｓ結晶膜を多層構造にして多重量子井戸
構造を形成することができ、半導体結晶自体の高抵抗化
と併せて、より効率的なフォトリフラクティブ効果の発
現が可能となる。組成制御性に優れたＭＯＣＶＤ法また
はＭＯＶＰＥ法を使用することで、前記多層構造におけ
る各結晶膜の成長条件の制御がＭＢＥ法に比べ容易であ
り、前記多層構造がより効率的なフォトリフラクティブ
効果の発現のために、例えば、６０層程度の多層に及ぶ
場合において、特に、生産性の向上が顕著となる。

【００１２】第三の特徴構成によれば、先ず、フォトリ
フラクティブ効果を発揮する材料がＩＩＩ−Ｖ族化合物
半導体結晶であるため、従来の技術の欄で示した誘電体
材料のものと比べて高速応答が可能であり、その上、上
述の第一または第二の特徴構成における作用効果を享受
するため、高品質で高性能なフォトリフラクティブ素子
を提供できるのである。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下に、本発明に係る半導体結晶
成長方法の一実施形態（以下、本発明方法という）を、
ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系化合物半導体について、図面
に基づいて説明する。

【００１４】図１に示すように、ＭＯＣＶＤ装置４に、
結晶成長用ソース２と塩化アルキルガス３を供給して、
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶であるＡｌＧａＡｓ／Ｇ
ａＡｓ系化合物半導体結晶１の多層膜１ａをＧａＡｓ基
板５上に成長させる。ここで、前記結晶成長用ソース２
は有機金属原料であるトリエチルガリウム（ＴＥＧ
ａ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）と、アルシ
ン（ＡｓＨ₃ ）ガスであり、前記有機金属原料は水素キ
ャリアガスでガス化され前記ＭＯＣＶＤ装置４に供給さ
れる。前記塩化アルキルガス３はＮ₂ 希釈で２．４％の
塩化エチル（Ｃ₂ Ｈ₅ Ｃｌ）を使用する。成長条件を表
１に示す。尚、表１において、ＴＥＧａ及びＴＭＡｌの
流量は成長速度の設定に応じて変化する。

【００１５】表１に示す成長条件において、塩化エチル
添加の効果を確認するために、成長させたＡｌＧａＡｓ
のフォトルミネッセンス発光強度を塩化エチル添加の有
無で比較した。

【００１６】図２に示すように、塩化エチルを添加しな
い場合（図中実線で示す）は、フォトルミネッセンス発
光強度のピーク値（図中Ａ）が６．５４ｍＶ（６７３．
６ｎｍ）であったのに対して、塩化エチルを表１に示す
条件で添加した場合（図中破線で示す）は、同ピーク値
（図中Ａ’）が０．８９ｍＶ（６６３．７ｎｍ）に減少
していることが確認できた。一方、ＡｌＧａＡｓのピー
ク値は塩化エチルの添加の有無にかかわらず０．１５ｍ
Ｖであった（図中Ｂと図中Ｂ’）。尚、発光波長が塩化
エチルの添加の有無で異なっているのは、塩化エチルの
添加によりＡｌの組成比が０．２８１から０．２９８に
移動したための副作用であり、実際の条件設定では塩化
エチルの添加によって有機金属原料の流量比を適切に調
整する必要を示唆している。

【００１７】いずれにせよ、塩化エチルの添加によって
フォトルミネッセンス発光強度が減少したということ
は、アクセプタとして作用する結晶中に取り込まれた炭
素原子が減少したことを意味しており、成長したＡｌＧ
ａＡｓ結晶の電気抵抗が塩化エチルの添加により高抵抗
化できることを証明している。

【００１８】

【表１】

【００１９】次に、本発明に係るフォトリフラクティブ
素子の一実施の形態（以下、本発明素子という）につ
き、図面に基づいて説明する。

【００２０】本発明方法で作製されたＡｌＧａＡｓ／Ｇ
ａＡｓ系化合物半導体１の多層膜１ａをフォトリフラク
ティブ素子として機能させるためには、結晶中に均一な
外部電界（約１０ｋＶ／ｃｍ）を発生させるための電極
を形成する必要があり、以下に、その電極形成の一例を
図３に示す工程図に基づいて説明する。

【００２１】図３に示すように、工程１では、ＧａＡｓ
基板５上に本発明方法であるＭＯＣＶＤ法によってＡｌ
ＧａＡｓ／ＧａＡｓ系化合物半導体１の多層膜１ａを成
長させる。前記多層膜１ａは６０層で、多重量子井戸構
造を形成する。また、前記多層膜１ａの厚みは約２μｍ
である。

【００２２】工程２では、熱ＣＶＤまたはスパッタリン
グで、ＳｉＯ₂ の絶縁保護膜６を前記多層膜１ａ上に形
成する。

【００２３】工程３では、レジストを用いた通常のフォ
トリソグラフィ処理により、前記絶縁保護膜６のパター
ニングを行う。

【００２４】工程４では、工程３でパターニングされた
前記絶縁保護膜６をマスクとしてプラズマエッチングま
たは気相エッチングで前記多層膜１ａを前記ＧａＡｓ基
板５までエッチングする。尚、本工程のエッチングによ
って形成された前記多層膜１ａの左右の端面１ｂは、前
記ＧａＡｓ基板５に対して略垂直に形成される。前記左
右一対の端面１ｂ間の距離は２ｍｍである。

【００２５】工程５では、前記ＧａＡｓ基板５及び工程
４で形成された前記多層膜１ａと前記絶縁保護膜６全面
にレジスト７を塗布した後、前記絶縁保護膜６上の一部
及びその他の電極を形成しない部分を残して当該レジス
ト７を除去するレジストのパターニングを行う。

【００２６】工程６では、全面に電極用金属８である金
を蒸着する。

【００２７】工程７では、工程５でパターニングした前
記レジスト７をリフトオフ処理で除去すると、前記レジ
スト７に接触していた前記電極用金属８が同時に除去さ
れ、前記電極用金属８がパターニングされ、一対の電極
９が形成される。

【００２８】工程８では、工程７で完成されたフォトリ
フラクティブ素子を、裏面研磨して、前記ガラス基板１
０上に接着して、外部電界を印加することでフォトリフ
ラクティブ効果を発揮することのできるフォトリフラク
ティブ素子が作製される。

【００２９】図３に示す電極形成方法によれば、前記一
対の端面１ｂが前記ＧａＡｓ基板５に対して略垂直に形
成されるため、前記一対の電極９は前記多層膜１ａを挟
んで互いに平行に対向し、且つ、その電極面が結晶成長
方向とも平行であるため、前記多層膜１ａに対して平行
で均一な外部電界を発生させることができ、外部電界が
一様でないことに起因するフォトリフラクティブ効果の
性能劣化を未然に防止できることに注意を要する。

【００３０】尚、本発明素子の場合、前記一対の端面１
ｂ間の距離（２ｍｍ）が前記一対の電極９間の距離とな
り、その電極間に印加すべき電圧は、所定の電界（１０
ｋＶ／ｃｍ）を得るために２ｋＶが印加される。尚、こ
の印加電圧は、前記電極間間隔が変われば、それに応じ
た調整を要するが、その電極間間隔は、フォトリフラク
ティブ素子に入射するビーム径に応じて決定される。

【００３１】また、本発明素子に使用する入射光のレー
ザ光源の発振波長は、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓの感度域
に合わせて決定され、約８００ｎｍから１５００ｎｍで
あり、前記絶縁保護膜６及び前記ガラス基板１０は当該
波長域の入射光を透過するものを使用する。

【００３２】以下に、別実施形態を説明する。 〈１〉本実施形態では、本発明方法をＡｌＧａＡｓ／Ｇ
ａＡｓ多層膜の化合物半導体の結晶成長に適用したが、
他のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶の成長に適用しても
構わない。また、前記結晶成長用ソース２としての有機
金属材料及び材料ガス、更に、成長条件は本実施形態に
限定されるものではない。 〈２〉本実施形態では、本発明素子は、ＩＩＩ−Ｖ族化
合物半導体結晶として多重量子井戸構造を有するＡｌＧ
ａＡｓ／ＧａＡｓ系化合物半導体結晶１の多層膜１ａを
備えているが、他のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶であ
っても構わない。また、必ずしも多重量子井戸構造を有
していなくてもよく、単一の量子井戸構造であっても構
わない。また、電極構造も、本実施形態の構造あるいは
形成方法に限定されるものではない。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系化合物半導体結晶等のＩＩＩ
−Ｖ族化合物半導体結晶内に炭素原子がアクセプタとし
て作用するように取り込まれるのを抑制し、半導体結晶
の電気抵抗の高抵抗化が図れるのである。更に、本発明
方法を電気的に高抵抗の半導体結晶が要求されるフォト
リフラクティブ素子に適用することでフォトリフラクテ
ィブ効果の高性能化を図ることができる。

【００３４】尚、特許請求の範囲の項に、図面との対照
を便利にするために符号を記すが、該記入により本発明
は添付図面の構成に限定されるものではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る半導体結晶成長方法を説明するＭ
ＯＣＶＤ装置の簡略図

【図２】ＡｌＧａＡｓのフォトルミネッセンス発光強度
を示す図

【図３】本発明に係るフォトリフラクティブ素子の製造
工程図

【符号の説明】

１ ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶 １ａ 多層膜 １ｂ 端面 ２ 結晶成長用ソース ３ 塩化アルキルガス ４ ＭＯＣＶＤ装置 ５ ＧａＡｓ基板 ６ 絶縁保護膜 ７ レジスト ８ 電極用金属 ９ 電極 １０ ガラス基板

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶（１）を
   ＭＯＣＶＤ法またはＭＯＶＰＥ法によって成長させる半
   導体結晶成長方法であって、結晶成長時において、結晶
   成長用ソース（２）に塩化エチル等の塩化アルキルガス
   （３）を添加することを特徴とする半導体結晶成長方
   法。
2. 【請求項２】 前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶
   （１）がＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系化合物半導体結晶で
   あって、前記結晶成長用ソース（２）がトリエチルガリ
   ウム、トリメチルアルミニウム、アルシンである請求項
   １記載の半導体結晶成長方法。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載の半導体結晶成長
   方法で作製された前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶
   （１）を備えてなるフォトリフラクティブ素子。