JPH11145563A - エピタキシャル成長用基板及び半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 基板に対して格子不整合の大きいバルクのエ
ピタキシャル層を無欠陥かつ平坦に成長させる。 【解決手段】エピタキシャル成長させる最表面の半導体
層１０４を３種類以上の構成元素から構成する。基板１
０１とＧａＡｓ層１０２は同一の結晶構造を有し、これ
らが相互に接合する接合面１０２の面方位は等しい。ま
た、基板１０１とＧａＡｓ層１０３は接合面１０２に垂
直な方向を軸として相対的に一定の角度だけ回転した状
態で接合されている。さらに、基板１０１とＧａＡｓ層
１０３は接合面１０２内の結晶方位の方向が異なる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、エピタキシャル成長用
基板とその製造法、及び、エピタキシャル成長用基板上
にエピタキシャル成長して形成した半導体発光素子に関
する。

【０００２】

【従来の技術】高度情報処理社会において、映像情報な
どの大容量の情報を高速伝送し、記録媒体に記録する技
術は必須のものである。近年の光通信ネットワ−クや光
ディスク等の光情報処理技術の発展は目覚ましく、２１
世紀のマルチメディア社会に向けてさらなる発展が期待
されている。半導体発光ダイオ−ド（ＬＥＤ）や半導体
レ−ザダイオ−ド（ＬＤ）などの半導体発光素子は、こ
れらの光技術における光源として優れた特徴を有するた
め、これまでに様々のタイプのものが研究開発されてき
た。

【０００３】半導体発光素子は、主に、レ−ザ光を生じ
る活性層と、キャリアを発光層に注入し、かつ、キャリ
アとレ−ザ光を発光層に閉じこめる働きをするクラッド
層から成る。クラッド層には活性層より禁制帯幅が大き
い半導体材料が用いられる。活性層とクラッド層の組
成、厚さ及びド−ピング濃度を最適な値に設定すること
により、高効率の発光特性を有する半導体発光素子が得
られる。

【０００４】これらの半導体発光素子は、ＧａＡｓやＩ
ｎＰなどの２元の化合物半導体基板の上に、ＡｌＧａＡ
ｓやＩｎＧａＡｓＰなどの３元や４元の半導体混晶層を
エピタキシャル成長させて形成される。高品質の半導体
結晶を得るには、欠陥や転位など非発光再結合中心が少
ない結晶が望ましい。半導体発光素子では、欠陥や転位
などを防止するために、基本的に素子を構成するクラッ
ド層の格子定数を２元の化合物半導体基板の格子定数と
一致させている。このような格子整合条件を満たすた
め、クラッド層に用いられる半導体混晶の種類と構成元
素の組成は限られたものになる。

【０００５】通信用ＬＤの普及のためには、低価格であ
ること、及び、高い環境温度でも使用できることが望ま
しい。高い環境温度では活性層に注入された電子キャリ
アが活性層からクラッド層に溢れ出やすくなり、発光効
率が著しく低下する。このようなキャリアのオ−バ−フ
ロ−を抑制するためには、クラッド層として禁制帯幅の
大きい半導体混晶を用いることが効果的である。しかし
ながら、クラッド層に用いられる半導体混晶の種類と組
成は、クラッド層と基板の格子整合条件を満たす範囲に
制限されるため、高い環境温度でも使用できるＬＤを得
ることは容易ではない。

【０００６】光通信用ＬＤは、通常、ＩｎＰ基板上にＩ
ｎＰクラッド層を用いて形成される。ＧａＡｓ基板上に
はＡｌＧａＡｓやＡｌＧａＩｎＰといったＩｎＰより禁
制帯幅の大きい材料を格子整合させることができるの
で、この様な材料をＬＤのクラッド層に用いれば、温度
特性の優れた光通信用ＬＤが得られる可能性がある。し
かしながら、禁制帯幅の小さいＩｎＧａＡｓを活性層に
用いて、光通信に必要な１．３μｍ帯で発光するＬＤを
ＧａＡｓ基板上に形成する場合には、ＩｎＧａＡｓ活性
層に強い歪が発生し、結晶品質が劣化して、高性能のＬ
Ｄを形成できないという問題がある。

【０００７】１９９７年のジャ−ナル・オブ・クリスタ
ル・グロウス誌の１７３巻の４２ペ−ジから５０ペ−ジ
に、「Ｉｎ_0.25Ｇａ_0.75Ａｓ結晶を種とした組成が徐々
に変化したＩｎ_x Ｇａ_1-x Ａｓ（Ｘ＝０．０５−０．３
０）単結晶のブリッヂマン成長」と題する液相結晶成長
により作製したＩｎＧa Ａｓ３元基板に関する論文があ
る。これは、ＧａＡｓとＩｎＰの中間の格子定数を有す
るＩｎＧa Ａｓ基板を新たに作製し、ＩｎＧa Ａｓ基板
上に高性能のＬＤを形成することを目的としている。Ｉ
ｎＧa Ａｓ基板上にはＩｎＰより禁制帯幅の大きいＩｎ
ＡｌＡｓを格子整合して形成でき、欠陥、転位のないＩ
ｎＧａＡｓ活性層が形成できるので、１．３μｍ帯で発
光する高性能のＬＤを得ることができる。

【０００８】しかしながら、多くの化合物半導体基板が
２元であることから分かるように、ＩｎＧa Ａｓのよう
な３元の基板を作ることは熱力学的に難しい。なぜなら
ば、熱平衡に近い液相成長法ではＩｎＧa ＡｓがＩｎＡ
ｓとＧa Ａｓに相分離しやすいからである。１．３μｍ
帯で発光するＬＤを得るためには、少なくともＩｎ組成
が０．２５以上のＩｎ_0.25Ｇａ_0.75Ａｓ基板が必要であ
るが、Ｉｎ組成を０．１以上に増やすと３元バルクの結
晶品質が著しく劣化するという問題がある。

【０００９】一方、３元基板の開発には大きなコストが
かかるので、ＬＤを低価格で供給できなくなり、結局Ｌ
Ｄが普及しなくなるという問題もある。近年、映像情報
やデ−タの記録及び記憶媒体として、光ディスクが脚光
をあびている。光ディスクからの情報の読み出しや光デ
ィスクへの情報の書き込みには半導体レ−ザが用いられ
る。光ディスクの記憶容量はレ−ザ光の波長の２乗に反
比例して増加するため、光ディスクの記憶容量を向上さ
せる上で半導体レ−ザの短波長化の意義は極めて大き
い。この観点から、従来の赤色域よりは緑色域さらには
青色域のレ−ザが強く求められている。また赤、緑、青
の三原色の半導体レ−ザが揃えば、表示装置やフルカラ
−プリンタ−などの多彩な光装置の発展と性能向上がも
たらされる。そのような背景の下でナイトライド系III
−Ｖ族化合物半導体を用いた次世代の青緑色の発光素子
の研究開発が活発に行われている。

【００１０】これらの青緑色の発光素子はサファイア基
板上にＧａＮバッファ層を成長させ、さらに、ＡｌＧａ
Ｎクラッド層とＩｎＧａＮ発光層をエピタキシャル成長
させて作製される。青緑色のＬＤ素子では、ＡｌＧａＮ
はクラッド層として最適であるが、ＧａＮバッファ層と
格子不整合があるので、結晶品質を保ち、かつ、光を閉
じこめるために十分な厚さを有するように成長させなけ
ればならないが、それは困難である。また、サファイア
基板は屈折率が高いため、活性層への光閉じこめをさら
に弱くさせる傾向がある。

【００１１】従ってＡｌＧａＮの３元混晶基板があれ
ば、青緑色のＬＤ素子の高性能化が期待できる。しか
し、ＡｌＧａＮの３元混晶基板はＧａＮ基板と同様に、
液相成長によって、バルク結晶を得ることは非常に困難
である。加えて、ＡｌＧａＮはＧａＮとは異なり、バッ
ファ層には適しない。その理由は、ＡｌＧａＮは歪みに
よる組成の変動を引き起こしやすく、均一で平坦な厚膜
の成長が困難であるからである。この様にディスプレイ
や情報処理用の発光素子においても、３元基板の実現が
期待されている。

【００１２】近年、基板との格子整合の制約を超えたエ
ピタキシャル成長が報告されている。１９９７年のアプ
ライド・フィジックス・レタ−誌の７１巻の７７６ペ−
ジに「ＧａＡｓコンプライント・ユニバ−サル基板上の
欠陥フリ−ＩｎＳｂ成長」と題した論文がある。ＧａＡ
ｓコンプライント・ユニバ−サル基板（以下「ＣＵ基
板」と呼ぶ）とは、ＧａＡｓ基板にＧａＡｓ薄膜を面内
の結晶方位を回転させて接合転写したＧａＡｓ基板であ
る。この報告は、ＧａＡｓのＣＵ基板上に１４％もの格
子不整合があるＩｎＳｂバルク（層厚６５０ｎｍ）を無
欠陥かつ無転位でエピタキシャル成長させたというもの
である。

【００１３】従来知られている基板接合は異種の材料間
の接合である。たとえ同種材料の接合であっても面内の
結晶方位を一致させて接合するものであり、エッチング
してさらにその上に結晶方位の異なるバルクを成長させ
ることは考えられていなかった。この論文では、欠陥フ
リ−成長のメカニズムについての詳しい記載はないが、
接合転写されたＧａＡｓ薄膜は、ＧａＡｓ基板と、格子
定数の異なるＩｎＳｂエピタキシャル層との間で緩衝層
の役目を果たしており、基板に垂直な方向に転位が形成
されることを防ぐ役割を果たしていると思われる。

【００１４】接合転写されたＧａＡｓ薄膜は面方位が異
なっているので、ＧａＡｓ基板との結合が弱められてい
る。接合転写されたＧａＡｓ薄膜は、面方位を同じくす
るＩｎＳｂエピタキシャル層と強く結合し、面内の格子
定数を大きくさせられても、基板との結合が弱められて
いるので、それが直接ＧａＡｓ基板に伝えられず、基板
に垂直な方向に転位を形成することがないものと推測さ
れる。

【００１５】図２３は、従来のＧａＡｓのＣＵ基板の作
成方法の概念図である。まず、層厚３５０μｍのｎ−Ｇ
ａＡｓ（１００）基板２３０１上に、層厚1 μｍのＡｌ
Ａｓエッチング停止層２３０２と層厚３ｎｍのＧａＡｓ
薄膜層２３０３を順次成長させ、室温に冷却して外に取
り出す。次に水素雰囲気のアロイ炉中に、ｎ−ＧａＡｓ
（１００）基板２３０１の成長表面であるＧａＡｓ薄膜
層２３０３とｎ−ＧａＡｓ（１００）基板２３０４の表
面とを、ｎ−ＧａＡｓ（１００）基板２３０１の＜０１
１＞方向２３０６と、ｎ−ＧａＡｓ（１００）基板２３
０４の＜０１１＞方向２３０５とが約４０゜の角度２３
０７をなすように、接触させる。この状態で、２つの基
板２３０１，２３０４を１０ＭＰａの圧力で押さえなが
ら、５５０°Ｃに加熱して、２つの基板２３０１，２３
０４を捻り接合面２３０８において、捻り接合させる。

【００１６】次いで、層厚３５０μｍのＧａＡｓ（１０
０）基板２３０１と層厚1 μｍのＡｌＡｓエッチング停
止層２３０２をエッチング除去して層厚３ｎｍのＧａＡ
ｓ薄膜層２３０３面を露出させ、ＧａＡｓのＣＵ基板を
得る。図２４は従来例のＣＵ基板の断面図である。従来
例のＣＵ基板２２０４は、ＧａＡｓ（１００）基板２２
０１と、捻り接合界面２２０２を介して、ＧａＡｓ（１
００) 基板２２０１上に積層されたＧａＡｓ層２２０３
から成る。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】ＣＵ基板の最表面層で
ある転写されたＧａＡｓ薄膜層の層厚は小さいほど、基
板に対して格子不整合の大きいエピタキシャル層を無欠
陥で成長させることができる傾向がある。このため、転
写すべきＧａＡｓ薄膜層の層厚を原子層オ−ダで制御す
ることが重要である。

【００１８】例えば従来のＣＵ基板の作成方法では、Ｃ
Ｕ基板は、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ／ＧａＡｓの構造をなし
ている。ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ／ＧａＡｓの構造におい
て、ＧａＡｓをエッチングした際に、ＡｌＡｓでそのエ
ッチングを止めるにはアンモニア系エッチャントなどを
用いればよい。しかしながら、ＧａＡｓをエッチングし
てＡｌＡｓでエッチングを止める選択エッチャントとし
ては塩酸（ＨＣｌ）とフッ酸（ＨＦ）しか知られていな
い。強酸であるＨＣｌやＨＦで選択エッチングを行う
と、ＧａＡｓ薄膜層の表面の鏡面性が失われ、転写すべ
きＧａＡｓ薄膜層の層厚を原子層オ−ダで制御すること
は困難になる。無理にＨＣｌやＨＦで選択エッチングを
行うと、転写すべきＧａＡｓ薄膜層がエッチングで除去
されてしまったり、その層厚が面内で不均一になったり
する。

【００１９】また、成長前にＣＵ基板を加熱して、ＣＵ
基板のＧａＡｓ薄膜層の表面酸化膜を蒸発させる過程
で、ＧａＡｓ薄膜層の層厚が変化してしまう。このよう
に、従来のＣＵ基板の作成方法及び従来のＣＵ基板で
は、転写されたＧａＡｓ薄膜層を十分な精度で制御でき
ないため、再現性よく一定のＣＵ基板の効果が得られな
いといった問題点があった。

【００２０】前述のように、転写されたＧａＡｓ薄膜層
がエッチングで除去される恐れがあるので、ＧａＡｓ薄
膜層の層厚を数原子層程度にまで小さくすることはリス
クが大きい。しかしながら、逆に、転写されたＧａＡｓ
薄膜層の層厚を５ｎｍ以上に大きくすると、基板に対し
て格子不整合の大きいバルクのエピタキシャル層が無欠
陥で成長できなくなるといった問題点があった。

【００２１】一般に、従来のＣＵ基板上であっても、基
板と格子定数の異なる３元混晶を成長させることは難し
い。なぜならば、基板との格子不整合がある場合、３元
混晶は、２元結晶と異なり、歪みによる組成の変動を引
き起こしやすく、均一で平坦な成長が困難であるからで
ある。ＣＵ基板上の成長で０．５％の格子定数不整合を
有する３元混晶の臨界膜厚が増大する事例が報告されて
いるが、以上の理由で１％以上の格子定数不整合を有
し、層厚が１μｍ以上の３元混晶を無欠陥かつ平坦に形
成したという報告はない。

【００２２】また、特開平８−１６２７１５号公報は張
り合わせた基板を用いた半導体発光素子を開示してい
る。具体的には、張り付けにより面方位が異なる領域を
有する成長基板を用いて、結晶成長領域の面方位依存性
を利用して、この異面方位領域にセルフアラインで所望
の膜厚分布を実現させ、光閉じ込めを少なくさせるとい
うものである。しかしながら、根本的には、この半導体
発光素子においても、上述の問題は依然として解決され
ていない。

【００２３】本発明は、以上のような従来例の問題点に
鑑みてなされたものであり、転写されたＧａＡｓ薄膜層
の層厚を十分な精度をもって制御することができるとと
もに、基板に対して格子不整合の大きいバルクのエピタ
キシャル層を無欠陥かつ平坦に成長させることができる
エピタキシャル成長用基板及びその作製方法を提供する
ことを目的とする。

【００２４】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するた
め、本発明のうち、請求項１は、母体結晶基板に１つ以
上の半導体層が積層された構造を有するエピタキシャル
成長用基板において、エピタキシャル成長させる最表面
の半導体層が３種類以上の構成元素からなり、少なくと
も１組の隣接する２つの半導体層又は前記母体結晶基板
と１つの半導体層が同一の結晶構造を有し、前記２つの
半導体層又は前記母体結晶基板と１つの半導体層が相互
に接合する接合面の面方位が等しく、前記２つの半導体
層又は前記母体結晶基板と１つの半導体層が前記接合面
に垂直な方向を軸として相対的に一定の角度だけ回転し
た状態で接合され、前記２つの半導体層又は前記母体結
晶基板と１つの半導体層の前記接合面内の結晶方位の方
向が異なることを特徴とするエピタキシャル成長用基板
を提供する。

【００２５】前記母体結晶基板を構成する結晶は、請求
項２に記載されているように、２種類以下の構成元素か
らなる半導体結晶であることが好ましい。基板全体は、
請求項３に記載されているように、単一の導電型である
ことが好ましい。請求項４は、請求項１、２又は３に記
載のエピタキシャル成長用基板において、前記最表面の
半導体層の格子定数ａ１（ｎｍ）と、前記母体結晶基板
又は前記母体結晶基板に隣接する半導体層の格子定数ａ
２（ｎｍ）とから求めた格子不整合度Ｘ（％）が次式を
満足することを特徴とするエピタキシャル成長用基板を
提供する。

【００２６】０．２≦｜Ｘ｜≦３０ Ｘ＝（ａ１−ａ２）×１００／ａ２ 請求項５は、請求項１、２、３又は４記載のエピタキシ
ャル成長用基板において、前記接合面内の結晶方位の方
向が異なる隣接２つの半導体層又は前記母体結晶基板と
一つの半導体層の内で最表面の３元半導体層又は当該３
元半導体層に近い方の半導体層の層厚が５ｎｍ以下であ
ることを特徴とするエピタキシャル成長用基板を提供す
る。

【００２７】また、請求項６は、請求項１、２、３、４
又は５記載のエピタキシャル成長用基板において、前記
２つの半導体層又は前記母体結晶基板と１つの半導体層
が同一の構成元素及び同一の組成からなることを特徴と
するエピタキシャル成長用基板を提供する。前記最表面
の半導体層の層厚Ｈ（ｎｍ）は、請求項７に記載されて
いるように、次式を満足することが好ましい。

【００２８】１≦Ｈ≦（１５／｜Ｘ｜） 請求項８は、請求項１、２、３、４、５、６又は７記載
のエピタキシャル成長用基板において、前記２つの半導
体層又は前記母体結晶基板と１つの半導体層の内の１つ
が最表面の半導体層であることを特徴とするエピタキシ
ャル成長用基板を提供する。

【００２９】請求項９に記載されているように、前記接
合面を挟む両側の半導体層は同一種類の半導体層である
ことが好ましい。また、請求項１０に記載されているよ
うに、前記同一種類の半導体層は３元半導体層であるこ
とが好ましい。請求項１１は、請求項１、２、３、４、
５、６、７、８、９又は１０記載のエピタキシャル成長
用基板において、前記接合面は（１００）面方位であ
り、前記２つの半導体層又は前記母体結晶基板と１つの
半導体層の＜０１１＞結晶方位のなす角度θが次の条件
を満足するθ１又はθ２の何れかであることを特徴とす
るエピタキシャル成長用基板を提供する。

【００３０】θ１−０．５°≦θ≦θ１＋０．５° θ２−０．５°≦θ≦θ２＋０．５° θ１、θ２は、前記格子不整合度Ｘ（％）に対して、 ｜（１＋Ｘ／１００）２−（ｋ２＋ｍ２）／ｎ２｜ が最小となる１≦ｋ≦ｍ≦ｎ≦１００なる自然数の組
（ｋ，ｍ，ｎ）に対し、 ｔａｎ（θ１）＝ｋ／ｍ ｔａｎ（θ２）＝ｍ／ｋ を満たす。

【００３１】前記最表面の半導体層は、請求項１２に記
載されているように、Ｉｎ_X1Ｇａ_{1- X1}Ａｓ層（０＜Ｘ１
＜１）又はＩｎ_X2Ｇａ_1-X1Ｐ層（０＜Ｘ２＜１）である
ことが好ましい。また、請求項１３に記載されているよ
うに、前記最表面の半導体層であるＩｎ _X1Ｇａ_1-X1Ａｓ
層のＩｎ組成Ｘ１が０．２８≦Ｘ１≦０．３６であり、
又は、Ｉｎ_X2Ｇａ_1-X2Ｐ層のＩｎ組成Ｘ２が０．７６≦
Ｘ２≦０．８４であることが好ましい。

【００３２】請求項１４に記載されているように、前記
最表面の半導体層はＡｌ_Y Ｇａ_1-YＮ層（０＜Ｙ＜１）
又はＩｎ_Z Ｇａ_1-Z Ｎ層（０＜Ｚ＜１）であることが好
ましい。請求項１５は、請求項１乃至１４の何れか一項
に記載のエピタキシャル成長用基板と、前記エピタキシ
ャル成長用基板の最表面の半導体層と格子整合した半導
体からなるクラッド層と、を備える半導体発光素子を提
供する。この半導体発光素子においては、請求項１６に
記載されているように、前記クラッド層がＩｎ_WＡｌ
_1-W Ａｓからなり、In組成W が０．２８≦Ｗ≦０．３６
であることが好ましい。

【００３３】請求項１７に記載されているように、この
半導体発光素子は波長２．７μｍで発振することを特徴
とする。請求項１８は、請求項１乃至１４の何れかに記
載のエピタキシャル成長用基板の作製方法であって、最
表面の３元半導体層を成長させたエピタキシャル基板と
母体基板とを真空内で接合する過程と、前記母体基板と
前記エピタキシャル基板とを、それらの面内結晶方位が
なす角度を回転制御して、相互に接触させる過程と、室
温で２つの基板表面を接触させた後、室温から２００°
Ｃ以上の温度まで増大させて、これら２つの基板を接合
する過程と、を有することを特徴とするエピタキシャル
成長用基板の作製方法を提供する。

【００３４】この方法の実施に際しては、請求項１９に
記載されているように、分子線エピタキシャル成長装置
を用いることが好ましい。請求項２０は、請求項１乃至
１４の何れかに記載のエピタキシャル成長用基板の作製
方法であって、ＧａＡｓ基板上に最表面の３元半導体層
とＡｌ_0.5 Ｇａ_{0. 5} Ａｓ層を隣接させて成長させたエピ
タキシャル基板と、ＧａＡｓ母体基板とを接合させる過
程と、ＮＨ₄ ＯＨとＨ₂ Ｏ₂ を一定の体積比で混合して
作製したエッチング溶液で選択的に前記ＧａＡｓ基板を
除去する過程と、ＨＣｌとＨ₃ ＰＯ ₄ を一定の体積比で
混合して作製したエッチング溶液で選択的に前記Ａｌ
_0.5 Ｇａ_0.5 Ａｓ層を除去する過程と、を備えることを
特徴とするエピタキシャル成長用基板の作製方法を提供
する。

【００３５】請求項２１は、請求項１乃至１２の何れか
に記載のエピタキシャル成長用基板の作製方法であっ
て、ＧａＡｓ基板上に最表面の３元半導体層とＩｎ_0.5
Ｇａ_{0. 5} Ｐ層を隣接させて成長させたエピタキシャル基
板と、ＧａＡｓ母体基板とを接合させる過程と、Ｈ₃ Ｐ
Ｏ₄ とＨ₂ Ｏ₂ とＨ₂ Ｏを一定の体積比で混合して作製
したエッチング溶液で選択的に前記ＧａＡｓ基板を除去
する過程と、ＨＣｌ溶液で選択的に前記Ｉｎ_0.5 Ｇａ
_0.5 Ｐ層を除去する過程と、を備えることを特徴とする
エピタキシャル成長用基板の作製方法を提供する。

【００３６】

【作用】例えば、ＧａＡｓ系の本発明のエピタキシャル
成長用基板では、ＧａＡｓ系ＣＵ基板のＧａＡｓ薄膜層
の上にＩｎＧａＡｓなどの３元半導体層が形成されてい
る。これらのエピタキシャル層はＭＢＥ法などの結晶成
長法で成長し形成されるので、エピタキシャル層の層厚
は原子層オ−ダで制御することができる。

【００３７】本発明に係るエピタキシャル成長用基板を
作製する場合は、母体基板とエピタキシャル基板の結晶
方位が一致した状態から一定の角度をなす状態にエピタ
キシャル基板を母体基板に対して面内で回転させてから
接合させた後、エピタキシャル層を残し、エピタキシャ
ル基板を化学エッチングで除去する。その化学エッチン
グは３元半導体層の表面まで行われ、ＧａＡｓ薄膜層に
及ばないので、本発明に係るエピタキシャル成長用基板
のＧａＡｓ薄膜層の層厚は均一に保たれる。

【００３８】また、本発明に係るエピタキシャル成長用
基板では、転写されたＧａＡｓ薄膜層がエッチングで除
去される恐れがないので、ＧａＡｓ薄膜層の層厚を非常
に小さくすることができる。また、成長前に本発明に係
るエピタキシャル成長用基板を加熱して、基板表面の３
元半導体層の表面酸化膜を蒸発させても、ＧａＡｓ薄膜
層の層厚は影響を受けない。従って、本発明に係るエピ
タキシャル成長用基板とその作製方法によれば、３元半
導体層がＧａＡｓ薄膜層を保護する作用により、原子層
オ−ダでＧａＡｓ薄膜の層厚が制御することができる。
このため、再現性よく母体基板と格子不整合の大きいバ
ルクのエピタキシャル層を均一に無欠陥で成長できる。

【００３９】さらに、本発明に係るエピタキシャル成長
用基板では３元半導体層が表面に形成されているので、
それと格子整合する３元半導体バルク層を均一に無欠陥
で成長させやすい。具体的に、第１の従来例である表面
層を３元混晶にした基板及び第２の従来例であるＣＵ基
板と本発明に係るエピタキシャル用成長基板について、
それらの基板上の成長様式の違いを比較して、本発明の
作用を説明する。

【００４０】図２５は、第１の従来例の基板とその上の
成長状態を示す断面図である。この基板１９０８は、ｎ
−ＧａＡｓ（１００) 基板１９０１上に、層厚１００ｎ
ｍのｎ−ＧａＡｓバッファ層１９０２と、層厚８ｎｍの
ｎ−Ｉｎ_0.32Ｇａ_0.68Ａｓ層１９０３をエピタキシャル
成長して作製した基板である。この基板上にｎ−Ｉｎ
_0.32Ｇａ_0.68Ａｓ層１９０４をＭＢＥ成長させた場合、
成長の初期にはｎ−Ｉｎ _0.32Ｇａ_0.68Ａｓ層１９０４は
成長方向１９０６に平坦に成長する。しかし、ｎ−Ｉｎ
_0.32Ｇａ_0.68Ａｓ層１９０４とｎ−ＧａＡｓ（１００)
基板１９０１との間に１．５％もの格子不整合があるた
め、ｎ−Ｉｎ_0.32Ｇａ_0.68Ａｓ層層１９０４はやがて臨
界膜厚（１０ｎｍ）を超えると、結晶が緩和して非平坦
な成長面１９０５に変化し、基板からエピタキシャル層
に貫通転位１９０７が生じてしまう。

【００４１】図２６は、第２の従来例の基板とその上の
成長状態を示す断面図である。このＧａＡｓのＣＵ基板
２００９は、ｎ−ＧａＡｓ（１００）基板２００１と、
捻り接合界面２００２を介してｎ−ＧａＡｓ（１００)
基板２００１と接合している層厚数ｎｍのｎ−ＧａＡｓ
層２００３とから成る。ＧａＡｓのＣＵ基板２００９上
にｎ−Ｉｎ_0.32Ｇａ_0.68Ａｓ成長層２００４をＭＢＥ成
長させた場合、ＣＵ基板の作用により基板からエピタキ
シャル層に貫通転位は生じない。すなわち、当初は無転
位のエピタキシャル層２００６が成長するが、成長初期
において、格子不整合歪みによる組成の変動を引き起こ
し、３次元成長２００７が生じやすく、平坦な成長が阻
害される。

【００４２】図１は、本発明に係るエピタキシャル成長
基板とその上の成長状態を示す断面図である。本発明の
基板２１０８は、ｎ−ＧａＡｓ（１００) 基板２１０
１、捻り接合界面２１０２を介してｎ−ＧａＡｓ（１０
０) 基板２１０１と接合している層厚２ｎｍのｎ−Ｇａ
Ａｓ層２１０３、層厚８ｎｍのｎ−Ｉｎ_0.32Ｇａ_0.68Ａ
ｓ層２１０４からなる。基板２１０８上にｎ−Ｉｎ_0.32
Ｇａ_0.68Ａｓ成長層２１０５をＭＢＥ成長させた場合、
ＣＵ基板の作用により、基板からエピタキシャル層に貫
通転位は生じない。この基板２１０８においては、ｎ−
Ｉｎ_0.32Ｇａ_0.68Ａｓ層２１０４とｎ−Ｉｎ_0.32Ｇａ
_0.68Ａｓ成長層２１０５が格子整合しているため、成長
初期において組成の変動が引き起されず、平坦な成長面
２１０７を有する無転位のエピタキシャル層２１０６が
成長方向２１０９に成長する。

【００４３】本発明に係るエピタキシャル成長基板の作
用を詳しく述べると、接合転写されたｎ−ＧａＡｓ層２
１０３はｎ−ＧａＡｓ（１００）基板２１０１と格子定
数の異なるｎ−Ｉｎ_0.32Ｇａ_0.68Ａｓ成長層２１０５と
の間で緩衝層の役目を果たしており、基板に垂直な方向
に転位が形成されるのを防ぐ役割を果たしている。接合
転写されたｎ−ＧａＡｓ層２１０３は、接合面内の結晶
方位がｎ−ＧａＡｓ（１００）基板２１０１とは異なっ
ているので、ｎ−ＧａＡｓ（１００）基板２１０１との
結合が弱められている。接合転写されたｎ−Ｉｎ_0.32Ｇ
ａ_0.68Ａｓ層２１０４／ｎ−ＧａＡｓ層２１０３からな
るヘテロ薄膜は、結晶方位を同じくするｎ−Ｉｎ_0.32Ｇ
ａ_0.68Ａｓ成長層２１０５と強く結合し、それによっ
て、面内の格子定数が大きくなっても、ｎ−ＧａＡｓ
（１００）基板２１０１との結合が弱められているの
で、それが直接ｎ−ＧａＡｓ（１００）基板２１０１に
伝えられず、ｎ−ＧａＡｓ（１００） 基板２１０１に
垂直な方向に転位を形成することがない。

【００４４】

【発明の実施の形態】図２は本発明の第１の実施形態に
係るエピタキシャル成長用基板の断面図である。第１の
実施形態に係るエピタキシャル成長用基板は、層厚３５
０μｍのｎ−ＧａＡｓ（１００) 基板１０１、捻り接合
界面１０２を介してｎ−ＧａＡｓ（１００) 基板１０１
と接合している層厚２ｎｍのｎ−ＧａＡｓ層１０３、層
厚８ｎｍのｎ−Ｉｎ_0.32Ｇａ_0.68Ａｓ層１０４からな
る。ｎ−ＧａＡｓ（１００) 基板１０１のｎ型の不純物
にはS 、ｎ−ＧａＡｓ層１０３、ｎ−Ｉｎ_0.32Ｇａ_0.68
Ａｓ層１０４のｎ型の不純物にはSiが用いられている。
ド−ピング濃度は１×１０ ¹⁸ｃｍ^-3である。ｎ−ＧａＡ
ｓ層１０３とｎ−Ｉｎ_0.32Ｇａ_0.68Ａｓ層１０４は、ｎ
−ＧａＡｓ（１００) 基板１０１と同じ（１００) 面方
位を有する。ｎ−ＧａＡｓ層１０３とｎ−Ｉｎ_0.32Ｇａ
_0.68Ａｓ層１０４の面内の＜０１１＞結晶方位の方向は
一致しており、この＜０１１＞方向とｎ−ＧａＡｓ（１
００) 基板１０１の面内の＜０１１＞結晶方向のなす角
度は３９．３゜である。ｎ−ＧａＡｓ層１０３とｎ−Ｉ
ｎ_0.32Ｇａ_0.68Ａｓ層１０４は、ｎ−ＧａＡｓ（１０
０) 基板１０１に対して、捻り接合界面１０２におい
て、基板面に垂直な＜１００＞方向を軸に３９．３゜の
角度だけ回転して接合して形成されている。

【００４５】本実施形態に係るエピタキシャル成長用基
板の最表面の半導体層であるｎ−Ｉｎ_0.32Ｇａ_0.68Ａｓ
層１０４は、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｓの３種類の構成元素から
なる。ｎ−ＧａＡｓ（１００) 基板１０１とそれに隣接
するｎ−ＧａＡｓ層１０３は接合面が同じ（１００) 面
方位を有し、かつ、面内の結晶方向、例えば、基板のオ
リフラに垂直な方向である＜０１１＞方向が異なってい
る。

【００４６】また、本実施形態のエピタキシャル成長用
基板の母体結晶基板であるｎ−ＧａＡｓ（１００) 基板
１０１は、ＧａとＡｓの２種類の構成元素からなるとと
もに、全体が単一のｎ型の導電型である。本実施形態の
エピタキシャル成長用基板においては、最表面の半導体
層であるｎ−Ｉｎ_0.32Ｇａ_0.68Ａｓ層１０４の格子定数
ａ１（ｎｍ）と母体基板ｎ−ＧａＡｓ（１００) 基板１
０１の格子定数ａ２（ｎｍ）から求めた格子不整合度Ｘ
は、 Ｘ＝（ａ１−ａ２）×１００／ａ２＝１．５ であり、０．２≦｜Ｘ｜≦３０の条件は満足されてい
る。

【００４７】また、本実施形態に係るエピタキシャル成
長用基板においては、接合面内の結晶方位が異なり、か
つ、隣接する２つの半導体層であるｎ−ＧａＡｓ（１０
０）基板１０１とｎ−ＧａＡｓ層１０３とのうちで最表
面の３元半導体層１０４に近い方の半導体層であるｎ−
ＧａＡｓ層１０３の層厚が５ｎｍ以下に設定されてい
る。

【００４８】さらに、本実施例に係るエピタキシャル成
長用基板においては、接合面内の結晶方位が異なり、か
つ、隣接する２つの半導体層であるｎ−ＧａＡｓ（１０
０）基板１０１とｎ−ＧａＡｓ層１０３が同一の構成元
素及び同一の組成からなっている。本実施形態に係るエ
ピタキシャル成長用基板は、最表面の半導体層ｎ−Ｉｎ
_{0. 32}Ｇａ_0.68Ａｓ層１０４の層厚Ｈ（ｎｍ）が１≦Ｈ≦
１０＝（１５／１．５）なる条件を満たしている。

【００４９】本実施形態に係るエピタキシャル成長用基
板は、ｎ−ＧａＡｓ層１０３とｎ−Ｉｎ_0.32Ｇａ_0.68Ａ
ｓ層１０４の＜１１０＞方向と、ｎ−ＧａＡｓ（１０
０）基板１０１の＜１１０＞方向のなす角度θが３９．
３゜である。接合時のθ＝３９．３°の捻り角は、ｎ−
Ｉｎ_0.32Ｇａ_0.68Ａｓ層１０４とｎ−ＧａＡｓ（１０
０）基板１０１の格子不整合度Ｘ＝１．５％に対して、 ｜（１＋１．５／１００）２−（ｋ２＋ｍ２）／ｎ２｜ が最小となる１≦ｋ≦ｍ≦ｎ≦１００なる自然数の組
（ｋ，ｍ，ｎ）＝（９，１１，１４）に対し、ｔａｎ
（θ１）＝９／１１、ｔａｎ（θ２）＝１１／９を満た
す２つの角度θ１＝３９．３、θ２＝５０．７の内の１
つである。このとき、ｎ−ＧａＡｓ（１００）基板１０
１とｎ−ＧａＡｓ層１０３及びｎ−Ｉｎ_0.32Ｇａ_0.68Ａ
ｓ層１０４とは比較的安定に捻り接合される。

【００５０】以下に、第１の実施形態に係るエピタキシ
ャル成長用基板の作製方法を説明する。作製時の結晶成
長法としては、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法、ガスソ
−ス分子線エピタキシ（ＧＳＭＢＥ）法もしくは有機金
属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法などを用いる。

【００５１】ＧａＡｓの成長温度は６００°Ｃ〜６５０
°Ｃ、Ａｓのガス圧は各成長法で異なる。ＧＳＭＢＥ法
では、流量３ｓｃｃｍのＡｓＨ３（アルシン）を１００
０°Ｃで熱分解させ、Ａｓ₂ 分子線で基板に供給する。
成長室の圧力は１×１０^-5Ｔｏｒｒ程度である。III族
原料にはＩｎ、Ｇａ、Ａｌのメタル原料を用い、るつぼ
に入れて８００°Ｃ〜９００°Ｃに加熱して分子線で基
板に供給する。成長層の層厚はIII族の分子線強度と成
長時間とから決まる。ＧＳＭＢＥ法では、反射高エネル
ギ電子線回折（ＲＨＥＥＤ）装置で成長中のエピタキシ
ャル層の原子レベルの膜厚変化を観測できるので、１分
子層のエピタキシャル層の層厚を制御できる。

【００５２】図３は第１の実施形態に係るエピタキシャ
ル成長用基板の作製方法を示す概念図である。まず、層
厚３５０μｍのｎ−ＧａＡｓ（１００）基板２４００上
に、層厚１００ｎｍのｎ−Ａｌ_0.5 Ｇａ_0.5 Ａｓエッチ
ング停止層２４０１と層厚８ｎｍのｎ−Ｉｎ_0.32Ｇａ
_0.68Ａｓ層２４０２と層厚２ｎｍのｎ−ＧａＡｓ薄膜層
２４０３を順次成長させ、室温で冷却し、エピタキシャ
ル基板２５０６を得る。

【００５３】図４は基板接合装置の概念図である。以
下、図４を用いて、基板の接合方法を説明する。真空ポ
ンプ２５０１とゲ−トバルブ２５０２を介して接続され
ている真空装置２５０３中で、図３に示したエピタキシ
ャル基板２５０６が貼り付けてある基板ホルダ２５０５
を加熱ステ−ジ２５０４に取り付けている。ｎ−ＧａＡ
ｓ（１００）基板２４０４（図３参照）すなわち母体基
板２５０８が貼り付けてある基板ホルダ２５０７をトラ
ンスファ−ロッド２５０９で掴み、トランスファ−ロッ
ド２５０９の周囲に取り付けられている磁石２５１０を
方向２５１１に回転させ、捻り角２４０７（図３参照）
を決定する。

【００５４】すなわち、ｎ−ＧａＡｓ（１００）基板２
４０４の表面とｎ−ＧａＡｓ薄膜層２４０３の表面を、
ｎ−ＧａＡｓ（１００）基板２４０４の＜１１０＞方向
２４０５と、ｎ−ＧａＡｓ（１００）基板２４００の＜
１１０＞方向２４０６のなす角度が３９．３゜の捻り角
２４０７になるようにトランスファ−ロッド２５０９の
周囲に取り付けられている磁石２５１０を回転させる。

【００５５】さらに、磁石２５１０を方向２５１２に並
進させ、２つの基板２４０４、２５０６の表面が向かい
合わせになるようにして室温で接触させ、磁石２５１０
を押さえて圧力をかけた状態を保持する。徐々に基板を
加熱しｎ−ＧａＡｓ（１００）基板２４０４の酸化膜が
蒸発する温度６５０°Ｃまで昇温し、６５０°Ｃに１０
分間保った後に加熱を中止し、室温まで冷却する。この
操作により、２つの基板２４０４、２５０６は捻り接合
される。

【００５６】このようにして接合された二つの基板２４
０４、２５０６を大気中に取り出し、ガラス板の上にワ
ックスでｎ−ＧａＡｓ（１００）基板２４０４を下にし
て埋め込み、ＮＨ₄ ＯＨ：Ｈ₂ Ｏ₂ ＝１：２０（体積
比）の選択エッチング溶液（２５°Ｃでのエッチング速
度は１４４μｍ／時間）に２．５時間浸して、ｎ−Ｇａ
Ａｓ（１００）基板２４００を除去し、水洗する。加熱
したヒ−タにガラス板を乗せて、ワックスを溶かした
後、基板２４０４、２５０６をガラス板から外し、さら
に、剥離液でワックスを除去し、基板２４０４、２５０
６を有機洗浄及び水洗して、窒素を吹き付けて水滴を除
去する。

【００５７】エピタキシャル成長の直前に、ＨＣｌ：Ｈ
₃ ＰＯ₄ ＝１：１（体積比）の選択エッチング溶液（５
０°Ｃでのエッチング速度は３００ｎｍ／分）で２５秒
〜３０秒間エッチングし、層厚１００ｎｍのｎ−Ａｌ
_0.5 Ｇａ_0.5 Ａｓエッチング停止層２４０１を除去す
る。エッチングの際、表面の干渉光の色が変化し、安定
化することを確認する。基板を２分間水洗し、窒素を吹
き付けて水滴を除去し、速やかに真空成長装置に入れ
る。こうして第１の実施形態に係るエピタキシャル成長
基板を得る。

【００５８】ＨＣｌ：Ｈ₃ ＰＯ₄ ＝１：１（体積比）の
選択エッチング溶液を用いてエッチングを行うと、エッ
チング面が常に鏡面になるという特徴がある。以上述べ
たように、本実施形態に係るエピタキシャル成長基用板
の作製方法は、分子線エピタキシャル成長装置を用いる
こと、最表面に３元半導体層を成長させたエピタキシャ
ル基板と母体基板とを真空装置内部で接合すること、母
体基板とエピタキシャル基板の面内結晶方位とがなす角
度を精密に回転制御して接触させること、室温で２つの
基板表面を接触させた状態で室温から２００°Ｃ以上の
温度まで増大させて接合することを特徴とするものであ
る。

【００５９】さらには、本実施形態に係るエピタキシャ
ル成長用基板の作製方法は、基板およびエッチング停止
層を除去するために、ＧａＡｓ基板上の最表面に３元半
導体層とＡｌ_0.5 Ｇａ_0.5 Ａｓ層を隣接させて成長させ
たエピタキシャル基板と、ＧａＡｓ母体基板とを接合し
た後、ＮＨ₄ ＯＨとＨ₂ Ｏ₂ を一定の体積比で混合して
作製したエッチング溶液で選択的にＧａＡｓ基板を除去
すること、及び、ＨＣｌとＨ₃ ＰＯ₄ を一定の体積比で
混合して作製したエッチング溶液で選択的にＡｌ_0.5 Ｇ
ａ_0.5 Ａｓ層を除去することを特徴とする。

【００６０】エッチング停止層２４０１には層厚１００
ｎｍのｎ−Ｉｎ_0.5 Ｇａ_0.5 Ｐ を用いることもでき
る。その場合は、ＧａＡｓ基板２４００を除去する選択
エッチャントとして、Ｈ₃ ＰＯ₄ ：Ｈ₂ Ｏ₂ ：Ｈ₂ Ｏ＝
１：１：１０（体積比）（２５°Ｃでのエッチング速度
は６００ｎｍ／分）を用いる。また、ｎ−Ｉｎ_0.5 Ｇａ
_0.5 Ｐ エッチング停止層２４０１のエッチングには濃
塩酸等を用いる。

【００６１】以下、基板を比較的安定に接合させる捻り
角の大きさについて説明する。二つの基板２５０６、２
４０４接合時の３９．３°の捻り角２４０７は、ｎ−Ｉ
ｎ_{0. 32}Ｇａ_0.68Ａｓ層２４０２とｎ−ＧａＡｓ（１０
０）基板２４０４の格子不整合度Ｘ＝１．５％に対し
て、 ｜（１＋１．５／１００）２−（ｋ２＋ｍ２）／ｎ２｜ が最小となる１≦ｋ≦ｍ≦ｎ≦１００なる自然数の組
（ｋ，ｍ，ｎ）＝（９，１１，１４）に対し、ｔａｎ
（θ１）＝９／１１、ｔａｎ（θ２）＝１１／９を満た
す２つの角度θ１＝３９．３、θ２＝５０．７の内の１
つである。このとき、２つの基板２５０６、２４０４は
比較的安定に捻り接合される。

【００６２】図５は捻り接合角の説明図である。図５は
母体基板上に三元半導体層を含む層が接合転写されたエ
ピタキシャル基板表面を上から見た時の原子配列の一部
の関係概念図である。母体基板は三元半導体層に対し３
９．３°の捻り角で接合されている。３元半導体層の格
子定数は母体基板の格子定数より１．５％大きいので原
子間隔も１．５％大きくなっている。そのため、母体基
板の表面原子１１個２６００、母体基板の表面原子９個
２６０１、３元半導体原子１４個２６０３は、頂角が３
９．３°の捻り角２６０４である直角三角形を形成す
る。母体基板の表面原子２６００と接するＧａＡｓ薄膜
層の原子は、３元半導体と同じ格子定数になるまで引張
られており、１４個に１個の割合で最もエネルギの小さ
い位置に収まる。３元半導体層の格子定数が母体基板の
格子定数より１．５％大きい場合は、３９．３°の捻り
角は２つの基板を比較的安定に接合させる角度である。

【００６３】図６は本発明の第２の実施形態としての光
通信用の半導体レ−ザの断面層構造図である。第２の実
施形態は、第１の実施形態に係るエピタキシャル成長用
基板２１５上に形成された半導体レーザーダイオード
（ＬＤ）に関する。本実施形態に係る半導体レーザーダ
イオードは、ｎ型基板２０１、層厚３５０μｍのｎ−Ｇ
ａＡｓ（１００）基板２０２、捻り接合界面２０３、層
厚２ｎｍのｎ−ＧａＡｓ層２０４、層厚8 ｎｍ のｎ−
Ｉｎ_0.32Ｇａ_0.68Ａｓ層２０５、層厚１００ｎｍのｎ−
Ｉｎ_0.32Ｇａ_0.34Ａｌ_0.34Ａｓ層２０６、層厚１μｍの
ｎ−Ｉｎ_0.32Ｇａ _0.68Ａｓクラッド層２０７、層厚２０
０ｎｍのｎ−Ｉｎ_0.43Ｇａ_0.23Ａｌ_0.34Ａｓ光閉じ込め
層２０８、多重量子井戸活性層２０９、層厚２００ｎｍ
のｐ−Ｉｎ _0.43Ｇａ_0.23Ａｌ_0.34Ａｓ光閉じ込め層２１
０、層厚１μｍのｐ−Ｉｎ_0.32Ｇａ _0.68Ａｓクラッド層
２１１、層厚１００ｎｍのｐ−Ｉｎ_0.32Ｇａ_0.34Ａｌ
_0.34Ａｓ層２１２、ｐ−Ｉｎ_0.32Ｇａ_0.68Ａｓ層２１
３、ｐ型電極２１４からなる。

【００６４】図７に多重量子井戸活性層２０９の断面構
造図を示す。多重量子井戸活性層２０９は、層厚１０ｎ
ｍのＩｎ_0.43Ｇａ_0.23Ａｌ_0.34Ａｓバリア層３０１と層
厚７ｎｍのＩｎ_0.54Ｇａ_0.46Ａｓウエル層３０２を交互
に２組組み合わせた層３０３、３０４とＩｎ_0.43Ｇａ
_0.23Ａｌ_0.34Ａｓバリア層３０５から成る。図６に示し
た半導体ダイオードにおいて、ｎ−ＧａＡｓ（１００）
基板２０２のｎ型の不純物にはS 、他のｎ型エピタキシ
ャル層の不純物にはＳｉが用いられている。ド−ピング
濃度は１×１０¹⁸ｃｍ^-3である。ｐ型エピタキシャル層
の不純物にはＢｅが用いられている。ド−ピング濃度は
５×１０¹⁷ｃｍ^-3である。ｎ−ＧａＡｓ層２０４より上
のエピタキシャル層は全て同一の結晶方位を有してお
り、ｎ−ＧａＡｓ（１００）基板２０２に対して、基板
面に垂直な＜１００＞方向を軸に３９．３゜の角度だけ
回転した結晶方位を有している。半導体ＬＤの共振器は
劈開およびドライエッチング等で形成する。

【００６５】本実施形態に係る光通信用の半導体レ−ザ
は、請求項１３に記載の半導体発光素子に対応する。す
なわち、ｐ−Ｉｎ_0.32Ｇａ_0.68Ａｓクラッド層２１１
が、エピタキシャル成長用基板の最表面の半導体層であ
るｎ−Ｉｎ_0.32Ｇａ_0.68Ａｓ層２０５と格子整合した半
導体であることを特徴としている。さらに、請求項１４
に対応して、ｐ−Ｉｎ_0.32Ｇａ_0.68Ａｓクラッド層２１
１が、0.28≦Ｗ≦0.36なるＩｎ組成ｗを有するＩｎ_w Ａ
ｌ_1-W Ａｓであることを特徴とする。

【００６６】層厚１μｍのｐ−Ｉｎ_0.32Ｇａ_0.68Ａｓク
ラッド層２１１は、III−Ｖ族化合物半導体中で、ガン
マ点の伝導帯下端のエネルギ準位が最も大きい材料であ
り、Ｉｎ_0.54Ｇａ_0.46Ａｓウエル層３０２との伝導帯下
端のエネルギ準位差ΔＥｃは室温で１．０５ｅＶという
大きな値を示す。環境温度が１００°Ｃに高くなって
も、有効質量の小さい電子が活性層からオ−バ−フロ−
し難いので、本半導体レーザーダイオードの閾電流値の
変化は小さい。一方、両者の価電子帯下端のエネルギ準
位差ΔＥｖは０．１２ｅＶと小さいため、有効質量の大
きいホ−ルが多重量子井戸に均一に分布し、本半導体レ
ーザーダイオードの閾値を低く抑えることができる。結
局、本実施形態に係る半導体レーザーダイオードは優れ
た温度特性を有し得る。

【００６７】層厚１００ｎｍのｎ−Ｉｎ_0.32Ｇａ_0.34Ａ
ｌ_0.34Ａｓ層２０６は、ｎ−Ｉｎ_{0. 32}Ｇａ_0.68Ａｓ層２
０５とｎ−Ｉｎ_0.32Ａｌ_0.68Ａｓクラッド層２０７の中
間の禁制帯幅を持ち、バンド障壁を緩和して電子のクラ
ッド層への注入を容易にし動作電圧を低く保つ効果を有
する。第１の実施形態に係るエピタキシャル成長用基板
２１５の表面層であるｎ−Ｉｎ_0.32Ｇａ_0.68Ａｓ層２０
５にはＡｌが含まれていない。このため、成長開始時に
表面の酸化膜が蒸発しやすく、高品質のエピタキシャル
層を成長させることができるという利点がある。

【００６８】図８は本発明の第３の実施形態に係るエピ
タキシャル成長用基板の断面図である。本実施形態に係
るエピタキシャル成長用基板は、層厚３５０μｍのｎ−
ＩｎＰ（１００）基板４０１、捻り接合界面４０２を介
してｎ−ＩｎＰ（１００）基板４０１と接合している層
厚２ｎｍのｎ−ＩｎＰ層４０３、層厚８ｎｍで引張歪を
有するｎ−Ｉｎ_0.32Ｇａ_0.68Ａｓ層４０４からなる。

【００６９】ｎ−ＩｎＰ（１００）基板４０１のｎ型の
不純物にはＳ、ｎ−ＩｎＰ層４０３、ｎ−Ｉｎ_0.32Ｇａ
_0.68Ａｓ層４０４のｎ型の不純物にはＳｉが用いられて
いる。ド−ピング濃度は１×１０¹⁸ｃｍ^-3である。ｎ−
ＩｎＰ層４０３とｎ−Ｉｎ_{0. 32}Ｇａ_0.68Ａｓ層４０４
は、ｎ−ＩｎＰ（１００）基板４０１と同じ（１００）
面方位を有する。ｎ−ＩｎＰ層４０３とｎ−Ｉｎ_0.32Ｇ
ａ_0.68Ａｓ層４０４の面内の＜１１０＞結晶方位の方向
は一致しており、この＜１１０＞方向とｎ−ＩｎＰ（１
００）基板４０１の面内の＜１１０＞結晶方向とは３
９．３゜の角度をなしている。ｎ−ＩｎＰ層４０３とｎ
−Ｉｎ_0.32Ｇａ_0.68Ａｓ層４０４は、ｎ−ＩｎＰ（１０
０）基板４０１に対して捻り接合界面４０２で、基板面
に垂直な＜１００＞方向を軸に３９．３゜の角度だけ回
転して接合して形成されている。

【００７０】ｎ−Ｉｎ_0.32Ｇａ_0.68Ａｓ層４０４とｎ−
ＩｎＰ（１００）基板４０１の格子不整合は−１．５％
程度であり、層厚８ｎｍのｎ−Ｉｎ_0.32Ｇａ_0.68Ａｓ層
４０４は臨界膜厚以下の層厚を有する。第３の実施形態
に係るエピタキシャル成長用基板はＩｎＰ基板同士を接
合させたものであり、酸化膜の蒸発温度がＧａＡｓ基板
の場合より低いため、ＧａＡｓ基板より接合が容易であ
るという特徴を有する。また、第３の実施形態に係るエ
ピタキシャル成長用基板上に第２の実施形態に係る光通
信用の半導体レ−ザのエピタキシャル層部分を成長させ
ることによって、ＩｎＰ基板上の高温度特性のレーザー
ダイオードが得られる。

【００７１】図９は本発明の第４の実施形態に係るエピ
タキシャル成長用基板の断面図である。第４の実施形態
に係るエピタキシャル成長用基板は、層厚３５０μｍの
ｎ−ＩｎＰ（１００）基板５０１、捻り接合界面５０２
を介してｎ−ＩｎＰ（１００）基板５０１と接合してい
る層厚２ｎｍのｎ−ＩｎＰ層５０３、層厚８ｎｍの圧縮
歪を有するｎ−Ｉｎ_0.75Ｇａ_0.25Ａｓ層５０４からな
る。不純物と不純物濃度は上記第３の実施形態と同じで
ある。捻り接合界面５０２は捻り接合界面４０２と同様
にして形成することができる。ｎ−Ｉｎ_0.75Ｇａ_0.25Ａ
ｓ層５０４とｎ−ＩｎＰ（１００）基板５０１の格子不
整合は＋１．５％程度であり、層厚８ｎｍのｎ−Ｉｎ
_0.75Ｇａ_0.25Ａｓ層５０４は臨界膜厚以下の層厚を有す
る。

【００７２】図１０は本発明の第５の実施形態としての
医療用の半導体レ−ザの断面層構造図である。第５の実
施形態としての医療用半導体レ−ザは図９に記載した第
４の実施形態に係るエピタキシャル成長用基板上に形成
されたレーザーダイオードである。本実施形態に係る医
療用半導体レ−ザは、図９記載のエピタキシャル成長用
基板と同じ構造である基板６１３、層厚２００ｎｍのｎ
−Ｉｎ_0.75Ｇａ_0.25Ａｓバッファ層６０５、層厚１μｍ
のｎ−Ｉｎ_0.75Ａｌ_0.25Ａｓクラッド層６０６、層厚２
００ｎｍのｎ−Ｉｎ_0.75Ｇａ_0.25Ａｓ光閉じこめ層６０
７、多重量子井戸活性層６０８、層厚２００ｎｍのｐ−
Ｉｎ_0.75Ｇａ_0.25Ａｓ光閉じこめ層６０９、層厚１μｍ
のｐ−Ｉｎ_0.75Ａｌ_0.25Ａｓクラッド層６１０、層厚２
００ｎｍのｐ−Ｉｎ_0.75Ｇａ_0.25Ａｓ層６１１、ｐ型電
極６１２からなる。

【００７３】図１１に多重量子井戸活性層６０８の断面
構造図を示す。多重量子井戸活性層６０８は、層厚１０
ｎｍのＩｎ_0.75Ｇａ_0.25Ａｓバリア層７０１と層厚７ｎ
ｍのＩｎＡｓウエル層７０２を交互に２層組み合わせた
層７０３、７０４と層厚１０ｎｍのＩｎ_0.75Ｇａ_0.25Ａ
ｓバリア層７０５から成る。Ｉｎ_0.75Ｇａ_0.25Ａｓバリ
ア層７０１とＩｎＡｓウエル層７０２の格子不整合は
１．５％程度であり、層厚７ｎｍのＩｎＡｓウエル層７
０２は臨界膜厚以下の層厚を有する。

【００７４】図１０に示した第５の実施形態に係る半導
体レ−ザは波長２．７μｍで発振する特性を有する。波
長２．７μｍ帯は最大の水の吸収波長帯があり、生体は
水を多量に含むため、波長２．７μｍ帯のレ−ザはレ−
ザメス等の医療器具への応用が可能である。通常、Ｉｎ
Ｐ基板上にレーザーダイオードを形成する場合は、ウエ
ル層の臨界膜厚による制限のため、波長２．１μｍが限
界であるが、本発明に係るエピタキシャル成長用基板上
にレーザーダイオードを形成することによって、従来と
同じ材料で波長２．７μｍ帯の半導体レ−ザをＩｎＰ基
板上に実現できる。ＩｎＰ基板上のレーザーダイオード
は光閉じこめが大きく、キャリア濃度の制御も容易であ
るという特徴を有する。

【００７５】本発明の第６の実施形態は、上記記載の第
５の実施形態に係る医療用の半導体レ−ザの活性層部分
のみを変えた医療用の半導体レ−ザに関する。図１２
は、第６の実施形態に係る半導体レ−ザの多重量子井戸
活性層部分の断面図である。第６の実施形態における多
重量子井戸活性層８１０は、層厚１０ｎｍのＩｎ_{0. 75}Ｇ
ａ_0.25Ａｓバリア層８０１と層厚５ｎｍのＩｎＡｓ_0.99
Ｎ_0.01ウエル層８０２とを交互に４組組み合わせた層８
０３、８０４、８０５、８０６、８０７、８０８と、層
厚１０ｎｍのＩｎ_0.75Ｇａ_0.25Ａｓバリア層８０９から
成る。Ｉｎ_{0. 75}Ｇａ_0.25Ａｓバリア層８０１とＩｎＡｓ
_0.99Ｎ_0.01ウエル層８０２の格子不整合は１．４％程度
であり、多重量子井戸活性層８１０の歪量と層厚は臨界
膜厚以下である。ＩｎＡｓウエル層の替わりに、より禁
制帯幅の小さいＩｎＡｓ_0.99Ｎ _0.01ウエル層８０２を用
いることで、発振波長を２．７μｍに固定したまま量子
井戸のウエル層厚を５ｎｍに減らし、ウエル層数を４層
に増やすことができる。ウエル層数を増やすことによ
り、レーザーダイオードの特性温度は向上する。

【００７６】ウエル層数を２層にして、ウエル層厚とＮ
組成を増やして、３μｍ以上の波長で発振するレーザー
ダイオードを作ることも可能である。図１３は本発明の
第７の実施形態に係るエピタキシャル成長用基板の断面
図である。第７の実施形態に係るエピタキシャル成長用
基板は、層厚３５０μｍのｎ−ＧａＡｓ（１００）基板
９０１、捻り接合界面９０２を介してｎ−ＧａＡｓ（１
００）基板９０１と接合している層厚２ｎｍのｎ−Ｇａ
Ａｓ層９０３、層厚１ｎｍのｎ−ＧａＮ層９０４、層厚
２ｎｍのｎ−Ａｌ_0.30Ｇａ_0.70Ｎ層９０５からなる。不
純物と不純物濃度は上記第３の実施形態と同じく、１×
１０¹⁸ｃｍ^-3である。捻り接合界面９０２は、捻り接合
界面５０２と同様に、接合界面で結晶方位を回転させて
形成される。

【００７７】以下、第７の実施形態に係るエピタキシャ
ル成長用基板の作製方法について説明する。ＧＳＭＢＥ
成長法を用いて、サファイアＣ面上にｎ型ＧａＮ低温バ
ッファ層を４００°Ｃの低温で１００ｎｍ成長させた
後、成長温度を７００°Ｃにしてｎ型ＧａＮバッファ層
を３μｍ成長させる。このＧａＮ低温バッファ層の効果
により、表面は鏡面になる。Ｎ源には窒素を高周波プラ
ズマで分解したラジカル窒素を用いる。ＧＳＭＢＥ成長
では低温でＧａＮが成長でき、その結晶構造はＧａＡｓ
と同様の閃亜鉛鉱型になる。

【００７８】さらに、層厚２ｎｍのｎ−Ａｌ_0.30Ｇａ
_0.70Ｎ層９０５、層厚１ｎｍのｎ−ＧａＮ層９０４を成
長させ、基板温度を６５０°Ｃに下げ層厚１ｎｍのｎ−
ＧａＡｓ層９０３を成長させる。ｎド−パントにはＳ
ｉ、ｐド−パントにはＢｅを用いる。このエピタキシャ
ル基板を真空中でｎ−ＧａＡｓ（１００）基板９０１と
捻り接合する。サファイア基板とｎ型ＧａＮバッファ層
とをエッチングで除去することにより、ｎ−Ａｌ_0.30Ｇ
ａ_0.70Ｎ層９０５を表面層とする本実施形態に係るエピ
タキシャル成長用基板を得ることができる。

【００７９】第７の実施形態に係るエピタキシャル成長
用基板は請求項１２記載のエピタキシャル成長用基板に
対応しており、最表面の半導体層がＡｌ_Y Ｇａ_1-Y Ｎ
（０＜Ｙ＜１）であることを特徴としている。図１４は
本発明の第８の実施形態としての光情報処理用の青色半
導体レ−ザの断面層構造図である。光情報処理用の青色
半導体レ−ザは光ディスクの読み出し用又は書き込み用
の光源として用いられる。本実施形態に係る光情報処理
用青色半導体レ−ザは図１３記載の第７の実施形態に係
るエピタキシャル成長用基板上に形成されたレーザーダ
イオードである。

【００８０】本実施形態に係る光情報処理用青色半導体
レ−ザは、図１３に記載のエピタキシャル成長用基板と
同じ構造である基板１０１４、層厚１μｍのｎ−Ａｌ
_0.30Ｇａ_0.70Ｎクラッド層１００６、層厚１００ｎｍの
ｎ−ＧａＮ光閉じこめ層１００７、多重量子井戸活性層
１００８、層厚１００ｎｍのｐ−ＧａＮ光閉じこめ層１
００９、層厚０．８μｍのｐ−Ａｌ_0.30Ｇａ_0.70Ｎクラ
ッド層１０１０、層厚２００ｎｍのｐ−Ａｌ_0.10Ｇａ
_0.90Ｎ層１０１１、層厚４００ｎｍのｐ−ＧａＮ層１０
１２、ｐ型電極１０１３からなる。

【００８１】図１５は、第８の実施形態に係る半導体レ
−ザの多重量子井戸活性層１００８の断面図である。多
重量子井戸活性層１００８は、層厚５ｎｍのＩｎ_0.05Ｇ
ａ_{0. 95}Ｎバリア層１１０１と層厚２．５ｎｍのＩｎ_0.20
Ｇａ_0.80Ｎウエル層１１０２を交互に４組組み合わせた
層１１０３、１１０４、１１０５、１１０６、１１０
７、１１０８と層厚５ｎｍのＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎバリア
１１０９からなる。

【００８２】本実施形態に係る青色半導体レ−ザは、本
発明に係る３元基板１０１４の上に形成されているた
め、高品質のＬＤ結晶を成長させることができる。その
レーザーダイオードの結晶構造はＧａＡｓと同様の閃亜
鉛鉱型になり、活性層のホ−ルの質量が小さくなる傾向
があるため、レーザーダイオードの閾電流値の低減に効
果的である。

【００８３】本実施形態において用いられる基板１０１
４はｎ型の伝導型を有するので、図１４に示すように、
基板１０１４の裏面にｎ型電極１０００を形成できる。
本実施形態に係る青色半導体レ−ザのｐ型電極１０１３
側をダイヤモンド・ヒ−トシンクに融着することによ
り、放熱性に優れた青色レーザーダイオードを提供する
ことができる。また、基板として安価なＧａＡｓを用い
ることができるという利点がある。

【００８４】図１６は本発明の第９の実施形態に係るエ
ピタキシャル成長用基板の断面図である。本実施形態に
係るエピタキシャル成長用基板は、層厚３５０μｍのサ
ファイア基板１２０１、ＧａＮバッファ層１２０２、捻
り接合界面１２０３を介してＧａＮバッファ層１２０２
と接合している層厚１ｎｍのｎ−ＧａＮ層１２０４、層
厚２ｎｍのｎ−Ａｌ_0.30Ｇａ_0.70Ｎ層１２０５からな
る。

【００８５】不純物と不純物濃度は上記第３の実施例と
同様である。捻り接合界面１２０３は、捻り接合界面１
００２と同様に、接合界面で結晶方位を回転させて形成
される。本実施形態に係るエピタキシャル成長用基板は
通常のサファイア基板上の青色ＬＥＤを提供するための
基板である。図１７は本発明の第１０の実施形態に係る
エピタキシャル成長用基板の断面図である。第１０の実
施形態に係るエピタキシャル成長用基板は、層厚３５０
μｍのサファイア基板１３０１、ＧａＮバッファ層１３
０２、捻り接合界面１３０３を介してＧａＮバッファ層
１３０２と接合している層厚１ｎｍのｎ−ＧａＮ層１３
０４、層厚２ｎｍのｎ−Ｉｎ_0.70Ｇａ_0.30Ｎ層１３０５
からなる。

【００８６】不純物と不純物濃度は上記第３の実施形態
と同様である。捻り接合界面１２０３は捻り接合界面１
００２と同様に接合界面で結晶方位を回転させて形成さ
れる。本実施形態に係るエピタキシャル成長用基板はサ
ファイア基板上の赤色ＬＥＤを提供するための基板であ
る。本実施形態に係るエピタキシャル成長用基板上にｎ
−Ｉｎ_0.70Ｇａ_0.30Ｎ層１３０５と格子整合するｎ型又
はｐ型のＩｎ_0.70Ａｌ_0.30Ｎクラッド層とｎ−ＩｎＮ層
を発光層として用いれば、高輝度赤色発光ダイオード
（ＬＥＤ）を形成することができる。波長については発
光層にＳｉをド−ピングすることにより、不純物準位で
発光するため、赤色発光が得られる。これにより赤、
青、緑の三原色がＧａＮ系ＬＥＤで形成できる。赤、
青、緑の三原色が揃うことで、カラ−プリンタやディス
プレイに大きな需要をもつ応用が開ける。

【００８７】図１８は、本発明の第１１の実施形態に係
るエピタキシャル成長用基板の断面図である。本実施形
態に係るエピタキシャル成長用基板は、層厚３５０μｍ
のｎ−Ｓｉ基板１４０１、捻り接合界面１４０２を介し
てｎ−Ｓｉ基板１４０１と接合している層厚１ｎｍのｎ
−Ｓｉ層１４０３、層厚２ｎｍのｎ−ＧａＮ層１４０
４、層厚２ｎｍのｎ−Ａｌ_0.30Ｇａ_0.70Ｎ層１４０５か
らなる。

【００８８】本実施形態に係るエピタキシャル成長用基
板は、ｎ−Ｓｉ基板上のレーザーダイオードを提供する
ためのエピタキシャル成長用基板である。ｎ−Ｓｉ基板
は安価であり、ＳｉのＬＳＩ技術と光素子との融合デバ
イスが実現できる。例えば、ＬＳＩボ−ド間の光インタ
コネクション等に応用することができる。図１９は、本
発明の第１２の実施形態に係るエピタキシャル成長用基
板の断面図である。本実施形態に係るエピタキシャル成
長用基板は、層厚３５０μｍのｎ−ＧａＡｓ（１００）
基板１５０１、捻り接合界面１５０２を介してｎ−Ｇａ
Ａｓ（１００）基板１５０１と接合している層厚２ｎｍ
のｎ−Ｉｎ_0.32Ｇａ_0.68Ａｓ層１５０３からなる。

【００８９】本実施形態に係るエピタキシャル成長用基
板は、請求項８に対応するものであり、接合面内の結晶
方位の方向が異なる隣接する２つの半導体層又は基板と
一つの半導体層の内の１つが最表面の３元半導体層ｎ−
Ｉｎ_0.32Ｇａ_0.68Ａｓ層１５０３であることを特徴とす
るものである。図２０は、本発明の第１３の実施形態に
係るエピタキシャル成長用基板の断面図である。本実施
形態に係るエピタキシャル成長用基板は、層厚３５０μ
ｍのｎ−ＧａＡｓ（１００）基板１６０１、捻り接合界
面１６０２を介してｎ−ＧａＡｓ（１００）基板１６０
１と接合している層厚２ｎｍのｎ−Ｉｎ_0.80Ｇａ_0.20Ｐ
層１６０３からなる。本実施形態は請求項８および請求
項１１に対応するものである。

【００９０】すなわち、接合面内の結晶方位の方向が異
なる隣接する２つの半導体層１６０１、１６０３の内の
１つが最表面の３元半導体層ｎ−Ｉｎ_0.80Ｇａ_0.20Ｐ層
１６０３であるとともに、最表面の半導体層であるＩｎ
_X2Ｇａ_1-X2Ｐ層１６０３のＩｎ組成Ｘ２が０．７６≦Ｘ
２≦０．８４であることを特徴とするものである。本実
施形態における層厚２ｎｍのｎ−Ｉｎ_0.80Ｇａ_0.20Ｐ層
１６０３はｎ−Ｉｎ_{0. 32}Ｇａ_0.68Ａｓ層やｎ−Ｉｎ_0.32
Ａｌ_0.68Ａｓ層と格子整合するので、第２の実施形態に
おけるｎ−Ｉｎ_0.32Ｇａ_0.68Ａｓ層２１１をクラッド層
とする、温度特性に優れたレーザーダイオードを成長で
きる。

【００９１】図２１は、本発明の第１４の実施形態に係
るエピタキシャル成長用基板の断面図である。本実施形
態に係るエピタキシャル成長用基板は、層厚３５０μｍ
のｎ−ＩｎＰ（１００）基板１７０１、ｎ−Ｉｎ_0.32Ｇ
ａ_0.68Ａｓ層１７０２、捻り接合界面１７０３を介して
ｎ−Ｉｎ_0.32Ｇａ_0.68Ａｓ層１７０２と接合している層
厚２ｎｍのｎ−Ｉｎ_0.32Ｇａ_0.68Ａｓ層１７０４からな
る。本実施形態は請求項８に対応する。本実施形態に係
るエピタキシャル成長用基板においては、捻り接合界面
１７０３を挟む両側の半導体層が同じ３元半導体層であ
ることを特徴とする。このため、捻り接合界面の両側の
半導体層の接合が容易になるという特徴を有する。

【００９２】図２２は、本発明の第１５の実施形態に係
るエピタキシャル成長用基板の断面図である。本実施形
態に係るエピタキシャル成長用基板は、層厚３５０μｍ
のｎ−Ｓｉ基板１８０１、捻り接合界面１８０２を介し
てｎ−Ｓｉ基板１８０１と接合している層厚１ｎｍのｎ
−Ｓｉ層１８０３、層厚２ｎｍのｎ−ＳｉＧｅ層１８０
４、層厚２ｎｍのｎ−ＣＳｉＧｅ層１８０５からなる。
本実施形態に係るエピタキシャル成長用基板は、ｎ−Ｓ
ｉ基板上に形成されるＳｉＧｅ系半導体発光素子を提供
するためのエピタキシャル成長用基板である。本実施形
態に係るエピタキシャル成長用基板は、最表面が３元半
導体ｎ−ＣＳｉＧｅ層１８０５であるとともに、捻り接
合界面１８０２を挟む両側の半導体ｎ−Ｓｉ基板１８０
１、ｎ−Ｓｉ層１８０３が同じ種類の半導体層であるこ
とを特徴とする。このため、捻り接合界面の両側の半導
体層の接合が容易であるという利点を有する。ｎ−Ｓｉ
基板は安価であり、ＳｉのＬＳＩ技術と光素子との融合
デバイスが実現できる。

【００９３】

【発明の効果】本発明に係るエピタキシャル成長用基板
上に形成された光通信用半導体レ−ザは、ＧａＮ系窒化
物を除くIII−Ｖ族化合物半導体の中では最も伝導電子
帯下端のエネルギ準位が大きい高品質のＩｎ_0.32Ａｌ
_0.68Ａｓ層をクラッド層として有しており、Ｉｎ_0.54Ｇ
ａ_0.46Ａｓ層を量子井戸活性層のウエル層として有して
いる。両者の伝導電子帯下端のエネルギ準位の差ΔＥｃ
は１．０５ｅＶと大きく、価電子帯上端のエネルギ準位
の差ΔＥｖは０．１２ｅＶと小さい。

【００９４】本発明に係るエピタキシャル成長用基板に
格子整合したＩｎ_0.32Ａｌ_0.68Ａｓ／Ｉｎ_0.32Ｇａ_0.68
Ａｓヘテロ界面のΔＥｃは０．７７ｅＶである。一方、
従来のレーザーダイオードが形成されるＩｎＰ基板に格
子整合したＩｎ_0.52Ａｌ_0.48Ａｓ／ＩｎＰヘテロ界面の
ΔＥｃは０．２７ｅＶである。本発明のΔＥｃの方が約
３倍大きい。

【００９５】本発明に係る光通信用半導体発光素子は、
ΔＥｃが光通信用半導体発光素子の中では最も大きいた
め、電子の閉じこめ効率が高く、キャリアのオ−バ−フ
ロ−がほとんど生じない。そのため、環境温度に対する
発光素子の閾電流値の変化が小さく、室温において１５
０Ｋを越える特性温度が期待できる。ΔＥｖが小さいた
め、一部のウエル層へのホ−ルの局在が生じないので、
安定した波長と低閾電流値を有し、かつ、変調特性に優
れた半導体発光素子を得ることができる。

【００９６】本発明に係る半導体発光素子においては、
成長層を構成するＶ族元素としてはＡｓしか用いないの
で、界面はIII族元素の切り替えだけで成長させること
ができる。このため、急峻な界面のレーザーダイオード
構造を容易に作製することができる。本発明のエピタキ
シャル成長用基板により、波長２．７μｍで発振する医
療応用半導体レ−ザをＩｎＰ基板上に実現させることが
できる。ＩｎＰ基板上のレーザーダイオードは光閉じこ
めが大きく、キャリア濃度の制御も容易であるという利
点を有する。

【００９７】本発明に係る半導体発光素子を用いて形成
した青色半導体レ−ザは、本発明に係る３元基板上に形
成されているため、高品質のレーザーダイオード結晶を
成長させることができる。そのレーザーダイオードの結
晶構造はＧａＡｓと同様の閃亜鉛鉱型になり、活性層の
ホ−ルの質量が小さくなる傾向があるため、レーザーダ
イオードの閾電流値の低減に効果的である。

【００９８】また、本発明に係るエピタキシャル成長用
基板はｎ型の伝導型を有するので基板裏面にｎ型電極を
形成でき、ダイヤモンド・ヒ−トシンクにｐ型電極側を
融着することにより、放熱性に優れた青色レーザーダイ
オードを作製することができる。また、基板として安価
なＧａＡｓやＳｉを用いることができるという点があ
る。

【００９９】本発明に係るエピタキシャル成長用基板を
３元基板として形成した場合には、基板上に、ＧａＮ系
の高輝度赤色発光ダイオードを形成することができる。
これにより、赤、青、緑の三原色をＧａＮ系発光ダイオ
ードで形成でき、カラ−プリンタやディスプレイに大き
な需要をもつ応用が開ける。本発明は、比較的容易にあ
らゆる組成の３元基板を提供できるので、材料の選択の
自由度が広がり、従来では不可能な波長帯で発光する高
性能のレーザーダイオードや発光ダイオードを実現する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る基板とその上の成長を示す断面図
である。

【図２】第１の実施形態に係るエピタキシャル成長用基
板の断面図である。

【図３】本発明の第１の実施形態に係るエピタキシャル
成長用基板の作製方法を示す概念図である。

【図４】第１の実施形態に係るエピタキシャル成長用基
板の作製に用いる基板接合装置の概念図である。

【図５】捻り接合角度の説明図である。

【図６】第２の実施形態としての光通信用の半導体レ−
ザの断面層構造図である。

【図７】第２の実施形態における多重量子井戸活性層の
断面構造図である。

【図８】第３の実施形態に係るエピタキシャル成長用基
板の断面図である。

【図９】第４の実施形態に係るエピタキシャル成長用基
板の断面図である。

【図１０】第５の実施形態としての医療用の半導体レ−
ザの断面層構造図である。

【図１１】第５の実施形態における多重量子井戸活性層
の断面構造図である。

【図１２】第６の実施形態に係る半導体レ−ザの多重量
子井戸活性層の断面図である。

【図１３】第７の実施形態に係るエピタキシャル成長用
基板の断面図である。

【図１４】第８の実施形態としての光情報処理用の青色
半導体レ−ザの断面層構造図である。

【図１５】第８の実施形態における多重量子井戸活性層
の断面図である。

【図１６】第９の実施形態に係るエピタキシャル成長用
基板の断面図である。

【図１７】第１０の実施形態に係るエピタキシャル成長
用基板の断面図である。

【図１８】第１１の実施形態に係るエピタキシャル成長
用基板の断面図である。

【図１９】第１２の実施形態に係るエピタキシャル成長
用基板の断面図である。

【図２０】第１３の実施形態に係るエピタキシャル成長
用基板の断面図である。

【図２１】第１４の実施形態に係るエピタキシャル成長
用基板の断面図である。

【図２２】第１５の実施形態に係るエピタキシャル成長
用基板の断面図である。

【図２３】従来例のＣＵ基板の作製方法を示す概念図で
ある。

【図２４】従来例のＣＵ基板の断面図である。

【図２５】他の従来例の基板の断面とその上の成長を示
す断面図である。

【図２６】他の従来例の基板の断面とその上の成長を示
す断面図である。

【符号の説明】

１０１ ｎ−ＧａＡｓ（１００）基板 １０２ 捻り接合界面 １０３ ｎ−ＧａＡｓ層 １０４ ｎ−Ｉｎ_0.32Ｇａ_0.68Ａｓ層 ２０１ ｎ型基板 ２０２ ｎ−ＧａＡｓ（１００）基板 ２０３ 捻り接合界面 ２０４ ｎ−ＧａＡｓ層 ２０５ ｎ−Ｉｎ_0.32Ｇａ_0.68Ａｓ層 ２０６ ｎ−Ｉｎ_0.32Ｇａ_0.34Ａｌ_0.34Ａｓ層 ２０７ ｎ−Ｉｎ_0.32Ｇａ_0.68Ａｓクラッド層 ２０８ ｎ−Ｉｎ_0.43Ｇａ_0.23Ａｌ_0.34Ａｓ光閉じ込め
層 ２０９ 多重量子井戸活性層 ２１０ ｐ−Ｉｎ_0.43Ｇａ_0.23Ａｌ_0.34Ａｓ光閉じこめ
層 ２１１ ｐ−Ｉｎ_0.32Ｇａ_0.68Ａｓクラッド層 ２１２ ｐ−Ｉｎ_0.32Ｇａ_0.34Ａｌ_0.34Ａｓ層 ２１３ ｐ−Ｉｎ_0.32Ｇａ_0.68Ａｓ層 ２１４ ｐ型電極 ３０１、３０３、３０５ Ｉｎ_0.43Ｇａ_0.23Ａｌ_0.34Ａ
ｓバリア層 ３０２、３０４ Ｉｎ_0.54Ｇａ_0.46Ａｓウエル層 ４０１ ｎ−ＩｎＰ（１００）基板 ４０２ 捻り接合界面 ４０３ ｎ−ＩｎＰ層 ４０４、５０４ ｎ−Ｉｎ_0.32Ｇａ_0.68Ａｓ層 ５０１ ｎ−ＩｎＰ（１００）基板 ５０２ 捻り接合界面 ５０３ ｎ−ＩｎＰ層 ６００ ｎ電極 ６０１ ｎ−ＩｎＰ（１００）基板 ６０２ 捻り接合界面 ６０３ ｎ−ＩｎＰ層 ６０４ ｎ−Ｉｎ_0.75Ｇａ_0.25Ａｓ層 ６０５ ｎ−Ｉｎ_0.75Ｇａ_0.25Ａｓバッファ層 ６０６ ｎ−Ｉｎ_0.75Ｇａ_0.25Ａｓクラッド層 ６０７ ｎ−Ｉｎ_0.75Ｇａ_0.25Ａｓ光閉じこめ層 ６０８ 多重量子井戸活性層 ６０９ ｐ−Ｉｎ_0.75Ｇａ_0.25Ａｓ光閉じこめ層 ６１０ ｐ−Ｉｎ_0.75Ｇａ_0.25Ａｓクラッド層 ６１１ ｐ−Ｉｎ_0.75Ｇａ_0.25Ａｓ層 ６１２ ｐ型電極 ７０１、７０３、７０５ Ｉｎ_0.75Ｇａ_0.25Ａｓバリア
層 ７０２、７０４ ＩｎＡｓウエル層 ８０１、８０３、８０５、８０７、８０９ Ｉｎ_0.75Ｇ
ａ_0.25Ａｓバリア層 ８０２、８０４、８０６、８０８ Ｉｎ_0.99Ｎ_0.01ウエ
ル層 ８１０ 多重量子井戸活性層 １２０１ サファイア基板 １２０２ ＧａＮバッファ層 １２０３ 捻り接合界面 １２０４ ｎ−ＧａＮ層 １２０５ ｎ−Ａｌ_0.30Ｇａ_0.70Ｎ層 １３０１ サファイア基板 １３０２ ＧａＮバッファ層 １３０３ 捻り接合界面 １３０４ ｎ−ＧａＮ層 １３０５ ｎ−Ｉｎ_0.70Ｇａ_0.30Ｎ層 １９０１ ｎ−ＧａＡｓ（１００）基板 １９０２ ｎ−ＧａＡｓバッファ層 １９０３、１９０４ ｎ−Ｉｎ_0.32Ｇａ_0.68Ａｓ層 １９０５ 非平坦な成長面 １９０７ エピタキシャル層の転位 ２００１ ｎ−ＧａＡｓ（１００）基板 ２００２ 捻り接合界面 ２００３ ｎ−ＧａＡｓ層 ２００４ ｎ−Ｉｎ_0.32Ｇａ_0.68Ａｓ成長層 ２００６ 無転位のエピタキシャル層 ２００７ 歪みによる３次元成長 ２３０１ ＧａＡｓ（１００）基板 ２３０２ ＡｌＡｓエッチング停止層 ２３０３ ＧａＡｓ薄膜層 ２３０４ ＧａＡｓ（１００）基板 ２３０５ ＜０１１＞方向 ２３０６ ＜０１１＞方向 ２３０７ θ＝４０°の捻り角 ２５０１ 真空ポンプ ２５０２ ゲ−トバルブ ２５０３ 真空装置 ２５０４ 加熱ステ−ジ ２５０５ 基板ホルダ ２５０６ エピタキシャル基板 ２５０７ 基板ホルダ ２５０８ 母体基板 ２５０９ トランスファ−ロッド ２５１０ 磁石 ２６０１ 母体基板の表面原子１１個 ２６０２ 母体基板の表面原子９個 ２６０３ ３元半導体原子１４個 ２６０４ ３９．３°の捻り角

Claims (21)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 母体結晶基板に１つ以上の半導体層が積
   層された構造を有するエピタキシャル成長用基板におい
   て、 エピタキシャル成長させる最表面の半導体層が３種類以
   上の構成元素からなり、 少なくとも１組の隣接する２つの半導体層又は前記母体
   結晶基板と１つの半導体層が同一の結晶構造を有し、 前記２つの半導体層又は前記母体結晶基板と１つの半導
   体層が相互に接合する接合面の面方位が等しく、 前記２つの半導体層又は前記母体結晶基板と１つの半導
   体層が前記接合面に垂直な方向を軸として相対的に一定
   の角度だけ回転した状態で接合され、 前記２つの半導体層又は前記母体結晶基板と１つの半導
   体層の前記接合面内の結晶方位の方向が異なることを特
   徴とするエピタキシャル成長用基板。
2. 【請求項２】 前記母体結晶基板を構成する結晶が２種
   類以下の構成元素からなる半導体結晶であることを特徴
   とする請求項１記載のエピタキシャル成長用基板。
3. 【請求項３】 基板全体が単一の導電型であることを特
   徴とする請求項１又は２記載のエピタキシャル成長用基
   板。
4. 【請求項４】 前記最表面の半導体層の格子定数ａ１
   （ｎｍ）と、前記母体結晶基板又は前記母体結晶基板に
   隣接する半導体層の格子定数ａ２（ｎｍ）とから求めた
   格子不整合度Ｘ（％）が次式を満足することを特徴とす
   る請求項１、２又は３に記載のエピタキシャル成長用基
   板。 ０．２≦｜Ｘ｜≦３０ Ｘ＝（ａ１−ａ２）×１００／ａ２
5. 【請求項５】 前記接合面内の結晶方位の方向が異なる
   隣接２つの半導体層又は前記母体結晶基板と一つの半導
   体層の内で最表面の３元半導体層又は当該３元半導体層
   に近い方の半導体層の層厚が５ｎｍ以下であることを特
   徴とする請求項１、２、３又は４記載のエピタキシャル
   成長用基板。
6. 【請求項６】 前記２つの半導体層又は前記母体結晶基
   板と１つの半導体層が同一の構成元素及び同一の組成か
   らなることを特徴とする請求項１、２、３、４又は５記
   載のエピタキシャル成長用基板。
7. 【請求項７】 前記最表面の半導体層の層厚Ｈ（ｎｍ）
   が次式を満足することを特徴とする請求項１、２、３、
   ４、５又は６記載のエピタキシャル成長用基板。 １≦Ｈ≦（１５／｜Ｘ｜）
8. 【請求項８】 前記２つの半導体層又は前記母体結晶基
   板と１つの半導体層の内の１つが最表面の半導体層であ
   ることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６又は
   ７記載のエピタキシャル成長用基板。
9. 【請求項９】 前記接合面を挟む両側の半導体層が同一
   種類の半導体層であることを特徴とする請求項１、２、
   ３、４、５、６、７又は８記載のエピタキシャル成長用
   基板。
10. 【請求項１０】 前記同一種類の半導体層は３元半導体
    層であることを特徴とする請求項９に記載のエピタキシ
    ャル成長用基板。
11. 【請求項１１】 前記接合面は（１００）面方位であ
    り、 前記２つの半導体層又は前記母体結晶基板と１つの半導
    体層の＜０１１＞結晶方位のなす角度θが次の条件を満
    足するθ１又はθ２の何れかであることを特徴とする請
    求項１、２、３、４、５、６、７、８、９又は１０記載
    のエピタキシャル成長用基板。 θ１−０．５°≦θ≦θ１＋０．５° θ２−０．５°≦θ≦θ２＋０．５° θ１、θ２は、前記格子不整合度Ｘ（％）に対して、 ｜（１＋Ｘ／１００）２−（ｋ２＋ｍ２）／ｎ２｜ が最小となる１≦ｋ≦ｍ≦ｎ≦１００なる自然数の組
    （ｋ，ｍ，ｎ）に対し、 ｔａｎ（θ１）＝ｋ／ｍ ｔａｎ（θ２）＝ｍ／ｋ を満たす。
12. 【請求項１２】 前記最表面の半導体層がＩｎ_X1Ｇａ
    _1-X1Ａｓ層（０＜Ｘ１＜１）又はＩｎ_X2Ｇａ_1-X2Ｐ層
    （０＜Ｘ２＜１）であることを特徴とする請求項１、
    ２、３、４、５、６、７、８、９、１０又は１１記載の
    エピタキシャル成長用基板。
13. 【請求項１３】 前記最表面の半導体層であるＩｎ_X1Ｇ
    ａ_1-X1Ａｓ層のＩｎ組成Ｘ１が０．２８≦Ｘ１≦０．３
    ６であり、又は、Ｉｎ_X2Ｇａ_1-X2Ｐ層のＩｎ組成Ｘ２が
    ０．７６≦Ｘ２≦０．８４であることを特徴とする請求
    項１２記載のエピタキシャル成長用基板。
14. 【請求項１４】 前記最表面の半導体層がＡｌ_Y Ｇａ
    _1-Y Ｎ層（０＜Ｙ＜１）又はＩｎ_Z Ｇａ_1-Z Ｎ層（０＜
    Ｚ＜１）であることを特徴とする請求項１、２、３、
    ４、５、６、７、８、９、１０又は１１記載のエピタキ
    シャル成長用基板。
15. 【請求項１５】 請求項１乃至１４の何れかに記載のエ
    ピタキシャル成長用基板と、 前記エピタキシャル成長用基板の最表面の半導体層と格
    子整合した半導体からなるクラッド層と、 を備える半導体発光素子。
16. 【請求項１６】 前記クラッド層がＩｎ_W Ａｌ_1-W Ａｓ
    からなり、Ｉｎ組成Ｗが０．２８≦Ｗ≦０．３６である
    ことを特徴とする請求項１４記載の半導体発光素子。
17. 【請求項１７】 波長２．７μｍで発振することを特徴
    とする請求項１５又は１６記載の半導体発光素子。
18. 【請求項１８】 請求項１乃至１４の何れかに記載のエ
    ピタキシャル成長用基板の作製方法であって、 最表面の３元半導体層を成長させたエピタキシャル基板
    と母体基板とを真空内で接合し、 前記母体基板と前記エピタキシャル基板とを、それらの
    面内結晶方位がなす角度を回転制御して、相互に接触さ
    せ、 室温で２つの基板表面を接触させた後、室温から２００
    °Ｃ以上の温度まで増大させて、これら２つの基板を接
    合する、 ことを特徴とするエピタキシャル成長用基板の作製方
    法。
19. 【請求項１９】 分子線エピタキシャル成長装置を用い
    ることを特徴とする請求項１８に記載のエピタキシャル
    成長用基板の作製方法。
20. 【請求項２０】 請求項１乃至１４の何れかに記載のエ
    ピタキシャル成長用基板の作製方法であって、 ＧａＡｓ基板上に最表面の３元半導体層とＡｌ_0.5 Ｇａ
    _0.5 Ａｓ層を隣接させて成長させたエピタキシャル基板
    と、ＧａＡｓ母体基板とを接合させ、 ＮＨ₄ ＯＨとＨ₂ Ｏ₂ を一定の体積比で混合して作製し
    たエッチング溶液で選択的に前記ＧａＡｓ基板を除去
    し、 ＨＣｌとＨ₃ ＰＯ₄ を一定の体積比で混合して作製した
    エッチング溶液で選択的に前記Ａｌ_0.5 Ｇａ_0.5 Ａｓ層
    を除去する、 ことを特徴とするエピタキシャル成長用基板の作製方
    法。
21. 【請求項２１】 請求項１乃至１４の何れかに記載のエ
    ピタキシャル成長用基板の作製方法であって、 ＧａＡｓ基板上に最表面の３元半導体層とＩｎ_0.5 Ｇａ
    _0.5 Ｐ層を隣接させて成長させたエピタキシャル基板
    と、ＧａＡｓ母体基板とを接合させ、 Ｈ₃ ＰＯ₄ とＨ₂ Ｏ₂ とＨ₂ Ｏを一定の体積比で混合し
    て作製したエッチング溶液で選択的に前記ＧａＡｓ基板
    を除去し、 ＨＣｌ溶液で選択的に前記Ｉｎ_0.5 Ｇａ_0.5 Ｐ層を除去
    する、 ことを特徴とするエピタキシャル成長用基板の作製方
    法。