JPH11274565A - InP基板上II−VI族化合物半導体薄膜 - Google Patents

InP基板上II−VI族化合物半導体薄膜

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JPH11274565A
JPH11274565A JP7775798A JP7775798A JPH11274565A JP H11274565 A JPH11274565 A JP H11274565A JP 7775798 A JP7775798 A JP 7775798A JP 7775798 A JP7775798 A JP 7775798A JP H11274565 A JPH11274565 A JP H11274565A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 InP基板上に、組成変動や相分離の無い均
一で高品質なII−VI族化合物半導体薄膜を、制御性良く
容易に作製することである。また、InP基板上に、長
寿命で高出力な光デバイスの作製が可能な均一で高品質
なII−VI族化合物半導体薄膜を、再現性良く作製するこ
とである。 【解決手段】 InP基板(1)上に、2種類のII−VI
族3元混晶層A(3)及びB(4)を交互に積層するこ
とにより、擬似的に4元以上の混晶と同等の性質を有す
るII−VI族化合物半導体薄膜を得る。これにより、組成
変動や相分離等が起こりにくくなるとともに、組成制御
性も著しく向上するため、高品質なII−VI族化合物半導
体薄膜を再現性良く得ることが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、InP基板上のII
−VI族化合物半導体薄膜に関するものである。
【0002】
【従来の技術】Al、Ga、In等のIII族元素と、A
s、P、Sb等のV族元素とからなるIII−V族化合物半
導体により、赤外から赤色領域までの波長の半導体レー
ザや、黄緑領域までの発光ダイオード等が実用化されて
いる。しかし、これ以上短い波長で発光させるには、よ
り広い禁制帯幅が必要であり、上記III−V族化合物半導
体では実現が困難である。
【0003】これに対し、Be、Mg、Mn、Zn、C
d、Hg等のII族元素と、S、Se、Te等のVI族元素
とからなるII−VI族化合物半導体は、比較的大きな禁制
帯幅を持ち、可視域のほぼ全ての波長での発光が可能で
ある。そのため、II−VI族化合物半導体は、特に緑色域
から紫外域での発光デバイス材料として期待され、現在
盛んに研究開発が行われている。
【0004】上記II-VI族化合物半導体薄膜の作製にお
いては、良質なII-VI族バルク基板結晶の入手が困難で
あるため、一般的には高品質で入手が容易なIII-V族バ
ルク基板結晶を基板として用いている。該III−V族基板
としてInPを用いた場合、ZnCdSe、ZnSeT
e、MgZnCdSe、MgZnSeTeといった混晶
を用いれば、格子整合条件下でダブルヘテロ構造が作製
でき、これらを用いた発光素子が報告されている(例え
ば、第58回応用物理学会学術講演会講演予稿集,N
o.1,277頁,2a−V−1,1997年)。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、分子線
エピタキシャル成長法(MBE法)によりInP基板上
に例えばMgZnSeTeを成長させる場合、TeとS
eとが均一に混ざり合いにくく、混晶中で組成変動や相
分離が生じ易い。このような組成変動や相分離は発光素
子への応用上望ましくなく、素子抵抗の増大や発光効率
の低下の原因となっていた。
【0006】MBE法でInP基板上に成長させた従来
のII−VI族化合物半導体薄膜の層構造を図4に示す。I
nP基板1上にMBE法でII−VI族化合物半導体薄膜を
成長させる場合、まず初めに、真空搬送機構を介してII
−VI族化合物半導体成長室と接続されたIII−V族化合物
半導体成長室内において、InP基板表面の自然酸化膜
をP又はAs分子線下で除去する。次いで、該基板表面
の平坦性を回復させるために、InP又はGaInAs
又はGaInAsP等からなるIII−V族バッファ層2を
成長させる。次に、III−V族バッファ層2を成長させた
該基板をII−VI族化合物半導体成長室に搬送し、基板温
度を280℃程度に安定させた後、MgZnSeTe層
10を成長させていた(例えば、青色レーザ及び発光ダ
イオード国際シンポジウム(千葉大)予稿集,86頁,
1996年)。
【0007】しかし、MgZnSeTeの場合、特にS
e組成が大きくなるにつれて混晶中で相分離が起きる傾
向が強まり、例えばフォトルミネッセンス(PL)で測
定されるバンドギャップエネルギーが光反射で測定され
るバンドギャップエネルギーよりも大幅に小さくなる等
の現象が観測され、発光素子へ応用した場合、素子抵抗
の増大や発光効率の低下の原因となっていた。さらに、
特にMgZnSeTeはII族元素、VI族元素ともに2つ
ずつで構成される混晶であるため、組成制御が難しく、
組成制御の再現性に問題があるなど、発光素子の製造上
の障害となっていた。
【0008】また、InP基板上にMgZnCdSe混
晶を成長させる場合も、InP基板と格子整合させるた
めにはMg組成と同時にZn及びCdの組成も制御する
必要があるため、発光素子作製に要する労力を増大させ
ていた。MgZnCdSe4元混晶の代わりに、MgS
eとZnCdSeとの超格子を用いて擬似的にMgZn
CdSe4元混晶と同等の性質を持たせようとした報告
例もある(第58回応用物理学会学術講演会講演予稿
集,No.1,337頁,3a−V−6,1997
年)。この方法であれば、ZnCdSeの3元混晶の組
成制御だけで、あとはMgSe及びZnCdSeの層厚
の比率を変化させることでバンドギャップを制御できる
ため、組成制御にかかる労力の大幅な低減が期待され
た。
【0009】しかしながら、本発明者の実験結果では、
MgSeはInP基板との間に約0.6%の格子不整合
があり、MgSe/ZnCdSe超格子では格子歪によ
る結晶欠陥を生じやすいことが分かった。さらに、Mg
Seは反応性が高く、成長中に不純物と反応して欠陥を
形成したり、空気中で酸化して閉まったりするため、M
gSe/ZnCdSe超格子は、MgZnCdSe4元
混晶に比べて結晶品質が劣っていた。
【0010】そこで、本発明の目的は、InP基板上
に、組成変動や相分離の無い均一で高品質なII−VI族化
合物半導体薄膜を、制御性良く容易に作製することであ
る。また、InP基板上に、長寿命で高出力な光デバイ
スの作製が可能な均一で高品質なII−VI族化合物半導体
薄膜を、再現性良く作製することである。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明者は、上記の目的
を達成するために種々の検討を重ねた結果、下記(1)
〜(7)の発明を完成した。 (1)InP基板上に2種類のII−VI族3元混晶層A及
びBを交互に積層してなることを特徴とするInP基板
上II−VI族化合物半導体薄膜。 (2)II−VI族3元混晶層A及びBの各層厚がそれぞれ
臨界膜厚以下である(1)のInP基板上II−VI族化合
物半導体薄膜。 (3)II−VI族3元混晶層A及びBの各層厚がそれぞれ
臨界膜厚以下であり、かつII−VI族3元混晶層A及びB
からなるII−VI族混晶薄膜全体の厚さが臨界膜厚以下で
ある(1)のInP基板上II−VI族化合物半導体薄膜。 (4)II−VI族3元混晶層A及びBがInP基板と格子
整合している(1)〜(3)のInP基板上II−VI族化
合物半導体薄膜。
【0012】(5)II−VI族3元混晶層A及びBが、Z
nCdSe、MgZnSe、ZnSeTe、ZnST
e、MgSSe、MgSTe、CdSSe、CdST
e、BeZnTe、BeCdTe、BeCdSe、Be
MgTe、BeMgSe、BeMnSe、BeMnT
e、BeHgSe、BeHgTe、ZnMnSe、Mn
SSe、MnSTe、ZnHgSe、HgSTe及びH
gSSeから選ばれる2つの3元混晶である(1)〜
(4)のInP基板上II−VI族化合物半導体薄膜。
【0013】(6)II−VI族3元混晶層AがMgZnS
e層であり、II−VI族3元混晶層BがZnSeTe層で
ある(1)〜(5)のInP基板上II−VI族化合物半導
体薄膜。 (7)II−VI族3元混晶層AがMgZnSe層であり、
II−VI族3元混晶層BがZnCdSe層である(1)〜
(5)のInP基板上II−VI族化合物半導体薄膜。
【0014】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を用いて詳細に説明する。 [実施形態1]図1に、本発明におけるInP基板上II
−VI族化合物半導体薄膜の基本的な層構造を示す。本実
施形態の半導体薄膜は、III−V族化合物半導体成長室に
おいてInP基板1上に、III−V族バッファ層2を堆積
させ、これを真空搬送機構を介してII−VI族化合物半導
体成長室に移送し、II−VI族3元混晶A層3及びB層4
を交互に積層することにより得られる。
【0015】上記II-VI族3元混晶A層3及びB層4に
3元混晶を用いているため、2元化合物に比べて格子定
数をInP基板1に近づけることができ、欠陥が入りに
くくなり、酸化などの変質が起こりにくくなる。また、
上記構成とすることにより、InP基板1上に上記II−
VI族3元混晶A及びBの成分を全て含む4元、5元又は
6元混晶を成長させる場合に比べ、組成の変動や相分離
等が起こりにくく、また組成制御性も著しく向上するた
め作業が容易となり、再現性良く高品質なII−VI族化合
物半導体薄膜が得られる。
【0016】[実施形態2]図2に、本発明のさらに具
体的なInP基板上II−VI族化合物半導体薄膜の層構造
を示す。まず、III−V族化合物半導体成長室においてP
分子線照射下でInP基板1表面の自然酸化膜を除去
し、続いてInPバッファ層5を成長させた。この基板
を真空搬送機構を介してII−VI族化合物半導体成長室に
移送し、厚さ約10nmのZnCdSeバッファ層6を
堆積させてから、ZnSeTe層7とMgZnSe層8
を交互に500周期積層した。
【0017】InP基板1上にTeを含む混晶を成長さ
せる場合、InとTeとが結合して3次元核を形成しや
すいため、平坦性の良い膜を得るためにはZnCdSe
バッファ層6が有効である。また、InP基板にMgを
含む混晶を成長させる場合も、Mgは表面の残留不純物
等と反応し易いため、ZnCdSeバッファ層6は平坦
性の良い膜を得る上で有効である。このZnCdSeバ
ッファ層6の層厚は、その上に積層するII−VI族化合物
半導体層の結晶品質を考えると、InP基板に対する格
子不整合量で決まる臨界膜厚以下にすることが望まし
い。また、ZnCdSeバッファ層6の組成は、InP
基板と格子整合する組成Zn0.48Cd0.52Se
とすることが最も望ましい。
【0018】MgZnSe層7及びZnSeTe層8の
膜厚は、InP基板1との間の格子不整合による結晶欠
陥が発生しないように臨界膜厚以下とした。具体的に
は、MgZnSe層7の組成はMg0.7Zn0.3S
eでInP基板との間には約−0.57%の格子不整合
があるため、MgZnSe層7の層厚はこの場合の臨界
膜厚である40nm以下の1nmとした。また、ZnS
eTe層8の組成はZnSe0.4Te0.6でInP
基板との間には約+1.0%の格子不整合があるため、
ZnSeTe層8の層厚はこの場合の臨界膜厚である2
0nm以下の1nmとした。なお、ZnCdSe、Mg
ZnSe及びZnSeTeの臨界膜厚は、InP基板と
の間の格子不整合の大きさにより変化し、例えばMatthe
wsとBlakesleeにより検討されたジャーナル・オブ・ク
リスタル・グロウス(J.Cryst.Growth,27巻,118
ページ,1974年)に掲載の力学的平衡理論により計
算できる。
【0019】このようにして作製した該擬似4元混晶Z
nSe0.4Te0.6/Mg0.7Zn0.3Se、
及び、該擬似4元混晶と等価的に同じ組成をもつ4元混
晶Mg0.35Zn0.65Se0.7Te0.3の光
反射測定を行ったところ、反射スペクトルのファブリペ
ロー干渉の振動が始まる両者の波長はほぼ一致し、両者
のバンドギャップエネルギーはほぼ等しいことが確かめ
られた。PL測定では、該ZnSeTe/MgZnSe
擬似4元混晶のピークエネルギーは、光反射測定で見積
もられたバンドギャップエネルギーにほぼ等しく、4元
混晶MgZnSeTeで見られたような相分離や組成変
動の無い均一なII−VI族化合物半導体薄膜が得られてい
ることが確かめられた。以上のことは、従来のInP基
板上II−VI族発光素子中に用いられていた4元混晶Mg
ZnSeTeの代わりに、該擬似4元混晶ZnSeTe
/MgZnSeを用いることができることを意味する。
【0020】[実施形態3]本実施形態では、前記擬似
4元混晶層ZnSeTe/MgZnSe全体の層厚が臨
界膜厚以下になるように、実施形態2におけるMgZn
Se層7を、InP基板に対して約−1.0%の格子不
整合のある組成Mg0.6Zn0.4Seに変更した。
これにより、擬似4元混晶全体でInP基板に対して格
子整合することとなり、格子不整合による結晶欠陥の発
生が抑制され、高品質なII−VI族化合物半導体薄膜が得
られた。
【0021】[実施形態4]本実施形態では、実施形態
2におけるZnSeTe層8の組成をInP基板と格子
整合する組成ZnSe0.54Te0.46に変更し、
実施形態2におけるMgZnSe層7の組成をInP基
板と格子整合する組成Mg0.84Zn0.16Seに
変更した。これにより、格子不整合による結晶欠陥の発
生が全く無くなり、高品質なII−VI族化合物半導体薄膜
が得られた。
【0022】[実施形態5]本実施形態では、MgZn
Se層とZnCdSe層とを交互に積層させた擬似4元
混晶について説明する。図3に、本発明の具体的なIn
P基板上II−VI族化合物半導体薄膜の層構造を示す。ま
ず、III−V族化合物半導体成長室においてP分子線照射
下でInP基板1表面の自然酸化膜を除去し、続いてI
nPバッファ層5を成長させた。この基板を真空搬送機
構を介してII−VI族化合物半導体成長室に移送し、厚さ
約10nmのZnCdSeバッファ層6を堆積させてか
ら、MgZnSe層7とZnCdSe層9とを交互に5
00周期積層した。
【0023】InP基板上にMgを含む混晶を成長させ
る場合、Mgは表面の残留不純物等と反応し易いため、
ZnCdSeバッファ層6は平坦性の良い膜を得る上で
有効である。このZnCdSeバッファ層6の層厚は、
その上に積層するII−VI族化合物半導体層の結晶品質を
考えると、InP基板に対する格子不整合量で決まる臨
界膜厚以下にすることが望ましい。また、ZnCdSe
バッファ層6の組成は、InP基板と格子整合する組成
Zn0.48Cd0.52Seとすることが最も望まし
い。
【0024】MgZnSe層7及びZnCdSe層9の
膜厚は、InP基板1との間の格子不整合による結晶欠
陥が発生しないように臨界膜厚以下とした。具体的に
は、MgZnSe層7の組成はMg0.7Zn0.3S
eでInP基板との間には約−0.57%の格子不整合
があるため、MgZnSe層7の層厚はこの場合の臨界
膜厚である40nm以下の1nmとした。また、ZnC
dSe層9の組成はZn0.63Cd0.37SeでI
nP基板との間には約+1.0%の格子不整合があるた
め、ZnCdSe層9の層厚はこの場合の臨界膜厚であ
る20nm以下の1nmとした。
【0025】このようにして作製した該擬似4元混晶Z
n0.63Cd0.37Se/Mg0.7Zn0.3S
e、及び、該擬似4元混晶と等価的に同じ組成をもつ4
元混晶Mg0.35Zn0.465Cd0.185Se
の光反射測定を行ったところ、反射スペクトルのファブ
リペロー干渉の振動が始まる両者の波長はほぼ一致し、
両者のバンドギャップエネルギーはほぼ等しいことが確
かめられた。また、PL測定でも、該ZnCdSe/M
gZnSe擬似4元混晶のピークエネルギーは、光反射
測定で見積もられたバンドギャップエネルギーにほぼ等
しく、相分離や組成変動の無い均一なII−VI族化合物半
導体薄膜が得られていることが確かめられた。以上の結
果は、従来のInP基板上II−VI族発光素子中に用いら
れていた4元混晶MgZnCdSeの代わりに、該擬似
4元混晶ZnCdSe/MgZnSeを用いることがで
きることを意味する。
【0026】[実施形態6]本実施形態では、実施形態
5における擬似4元混晶層ZnSeTe/MgZnSe
全体の層厚が臨界膜厚以下になるように、実施形態5に
おけるMgZnSe層7を、InP基板1に対して約−
1.0%の格子不整合のある組成Mg0.6Zn0.4
Seに変更した。これにより、擬似4元混晶全体でIn
P基板に対して格子整合することとなり、格子不整合に
よる結晶欠陥の発生が抑制され、高品質なII−VI族化合
物半導体薄膜が得られた。
【0027】[実施形態7]本実施形態では、実施形態
5におけるZnCdSe層9の組成をInP基板1と格
子整合する組成ZnSe0.54Te0.46に変更
し、実施形態5におけるMgZnSe層7の組成をIn
P基板と格子整合する組成Mg0.84Zn0.16S
eに変更した。これにより、格子不整合による結晶欠陥
の発生が全く無くなり、高品質なII−VI族化合物半導体
薄膜が得られた。
【0028】上記実施形態2〜7においては、擬似4元
混晶を構成する3元混晶層の各層厚をそれぞれ1nmず
つとしたが、各層厚の比率を変化させることにより、任
意の組成の擬似4元混晶を実現することが可能である。
その場合、擬似4元混晶を構成する3元混晶層の層厚
は、基板との格子不整合量で決まる臨界膜厚以下にする
ことが望ましく、基板と格子整合していることが最も望
ましい。また、同等の組成をもつ4元混晶に近いバンド
ギャップを有する擬似4元混晶を得るためには、擬似4
元混晶を構成する3元混晶層の各層厚は、およそ5nm
以下程度にすることが望ましい。
【0029】また、MgSeは反応性が強く結晶欠陥を
発生しやすいのに対し、上記実施形態中で用いたMgZ
nSe層は、MgSeにZnが混ざることによって結晶
の安定性が増し、結晶欠陥の少ない混晶層が容易に得ら
れる。
【0030】なお、以上の実施形態では、InP基板上
のZnSeTeとMgZnSeを用いた擬似4元混晶、
及び、ZnCdSeとMgZnSeを用いた擬似4元混
晶について説明したが、本発明は、ZnCdSe、Mg
ZnSe、ZnSeTe、ZnSTe、MgSSe、M
gSTe、CdSSe、CdSTe、BeZnTe、B
eCdTe、BeCdSe、BeMgTe、BeMgS
e、BeMnSe、BeMnTe、BeHgSe、Be
HgTe、ZnMnSe、MnSSe、MnSTe、Z
nHgSe、HgSTe、HgSSeの3元混晶のうち
の任意の二つの組み合わせで構成させる擬似4元、擬似
5元又は擬似6元混晶の作製に全て適用可能であり、こ
れらのII−VI族化合物半導体層の伝導型や添加不純物の
種類によらず効果がある。
【0031】また、上記実施例中で用いたInP基板上
のIII−V族化合物半導体バッファ層としては、InPの
他に、GaInAs、GaInAsP、AlInAs、
AlGaInP及びこれらを組み合わせたバッファ層な
どが考えられ、これらは自然酸化膜除去後のInP基板
表面の平坦性を回復させ、その上に積層させるII−VI族
化合物半導体薄膜の品質を向上させるのに有効である
が、これらのIII−V族バッファ層が無くても本発明は効
果がある。
【0032】InP以外のIII−V族バッファ層を用いる
場合、III−V族バッファ層の層厚は、その上に積層する
II−VI族化合物半導体層の結晶品質を考えると、InP
基板に対する格子不整合量で決まる臨界膜厚以下の厚さ
にすることが望ましく、またInP基板と格子整合する
ことが最も望ましい。ZnCdSeバッファ層も、同様
にその上に積層させるII−VI族化合物半導体薄膜の品質
を向上させるのに有効であるが、ZnCdSeバッファ
層が無くても本発明は効果がある。さらに、ZnCdS
eバッファ層の代わりに他のII−VI族化合物半導体をバ
ッファ層として用いた場合も、本発明は効果がある。そ
の場合、II−VI族化合物半導体バッファ層の層厚は、そ
の上に積層するII−VI族化合物半導体層の結晶品質を考
えると、InP基板に対する格子不整合量で決まる臨界
膜厚以下の厚さにすることが望ましく、またInP基板
と格子整合することが最も望ましい。なお、前記実施形
態例においては、MBE法によるII−VI族化合物半導体
薄膜の製造方法について説明したが、有機金属気相成長
法(MOVPE法、MOCVD法)や他の結晶成長法を
用いてもよい。
【0033】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
のように、InP基板上、又はInP基板上のIII−V族
化合物半導体バッファ層上に、2種類のII−VI族3元混
晶層を交互に積層して、4元以上のII−VI族擬似混晶を
作製することによって、相分離や組成変動の無い均一で
かつ高品質なII−VI族化合物半導体薄膜が得られる。ま
た、組み合わせる2種類の3元混晶の層厚を変化させる
だけで、任意の組成の4元以上の混晶が得られるため、
組成制御性が格段に改善される。そのため、この半導体
薄膜を用いることによって、長寿命で高出力な光デバイ
スを容易に作製することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るII−VI族化合物半導体薄膜の層構
造の一例を示す図である。
【図2】本発明に係るII−VI族化合物半導体薄膜の層構
造の一例を示す図である。
【図3】本発明に係るII−VI族化合物半導体薄膜の層構
造の一例を示す図である。
【図4】従来のII−VI族化合物半導体薄膜の層構造の一
例を示す図である。
【符号の説明】
1 InP基板 2 III−V族バッファ層 3 II−VI族3元混晶A層 4 II−VI族3元混晶B層 5 InPバッファ層 6 ZnCdSeバッファ層 7 MgZnSe層 8 ZnSeTe層 9 ZnCdSe層 10 MgZnSeTe層

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 InP基板上に2種類のII−VI族3元混
    晶層A及びBを交互に積層してなることを特徴とするI
    nP基板上II−VI族化合物半導体薄膜。
  2. 【請求項2】 II−VI族3元混晶層A及びBの各層厚が
    それぞれ臨界膜厚以下である請求項1に記載のInP基
    板上II−VI族化合物半導体薄膜。
  3. 【請求項3】 II−VI族3元混晶層A及びBの各層厚が
    それぞれ臨界膜厚以下であり、かつII−VI族3元混晶層
    A及びBからなるII−VI族混晶薄膜全体の厚さが臨界膜
    厚以下である請求項1に記載のInP基板上II−VI族化
    合物半導体薄膜。
  4. 【請求項4】 II−VI族3元混晶層A及びBがInP基
    板と格子整合している請求項1、2又は3に記載のIn
    P基板上II−VI族化合物半導体薄膜。
  5. 【請求項5】 II−VI族3元混晶層A及びBが、ZnC
    dSe、MgZnSe、ZnSeTe、ZnSTe、M
    gSSe、MgSTe、CdSSe、CdSTe、Be
    ZnTe、BeCdTe、BeCdSe、BeMgT
    e、BeMgSe、BeMnSe、BeMnTe、Be
    HgSe、BeHgTe、ZnMnSe、MnSSe、
    MnSTe、ZnHgSe、HgSTe及びHgSSe
    から選ばれる2つの3元混晶である請求項1〜4のいず
    れか1項に記載のInP基板上II−VI族化合物半導体薄
    膜。
  6. 【請求項6】 II−VI族3元混晶層AがMgZnSe層
    であり、II−VI族3元混晶層BがZnSeTe層である
    請求項1〜5のいずれか1項に記載のInP基板上II−
    VI族化合物半導体薄膜。
  7. 【請求項7】 II−VI族3元混晶層AがMgZnSe層
    であり、II−VI族3元混晶層BがZnCdSe層である
    請求項1〜5のいずれか1項に記載のInP基板上II−
    VI族化合物半導体薄膜。
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