JPS63186418A - Manufacture of compound semiconductor crystal layer - Google Patents

Manufacture of compound semiconductor crystal layer

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JPS63186418A
JPS63186418A JP1719287A JP1719287A JPS63186418A JP S63186418 A JPS63186418 A JP S63186418A JP 1719287 A JP1719287 A JP 1719287A JP 1719287 A JP1719287 A JP 1719287A JP S63186418 A JPS63186418 A JP S63186418A
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semiconductor crystal
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正行 石川
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秀人 菅原
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Abstract

PURPOSE:To enable the high substrate temperature to be made applicable by a method wherein, during MOCVD process for crystal growing, the cracking efficiency of phosphine applied for the material of phosphorus is improved by means of selecting the pressure in the reaction chamber. CONSTITUTION:A GaAs substrate 15 is arranged in a reaction furnace 11 to lead in group III material and group V material gas while heating the substrate 15 to growth-form an In1-x-yGaxAlyP layer (0<=x<=1, 0<=y<=1) on the substrate 15 by organic metal chemical vapor growing process. Phosphine is used as the group V material gas to be led in the reaction furnace 11 while specifying the pressure in reaction furnace to be 15-35 torr and the surface temperature of the substrate 15 to exceed 740 deg.C. By such a crystal growth, the upper limit growing temperature can be increased extending over all composition region of Al. Through these procedures, the InGaAlP in the high quality and the least defect can be grown.

Description

【発明の詳細な説明】 [発明の目的〕 (産業上の利用分野) 本発明は、有機金属化学気相成長法 (MOCVD法)によりInGaA、i7P層を成長形
成する方法に係わり、特に半導体レーザを作成するのに
適した化合物半導体結晶層の製造方法に関する。
Detailed Description of the Invention [Object of the Invention] (Industrial Field of Application) The present invention relates to a method for growing and forming an InGaA or i7P layer by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), and particularly relates to a method for growing and forming an InGaA or i7P layer by a metal organic chemical vapor deposition method (MOCVD method). The present invention relates to a method for manufacturing a compound semiconductor crystal layer suitable for creating a compound semiconductor crystal layer.

(従来の技術) 単結晶1nGaAノPは■−V族化合物半導体の中でも
、短波長半導体レーザを得るための重要な材料である。
(Prior Art) Single crystal 1nGaAnoP is an important material for obtaining short wavelength semiconductor lasers among the ■-V group compound semiconductors.

この材料は、従来の液相エピタキシャル法(LPE法)
や気相エピタキシャル法(VPE法)等の準平面下での
成長方法では、Aノの固相への偏析係数が極端に大きい
ため、事実上成長不可能である。そこで最近、平衡状態
より大きくずれた状態下での成長と考えられる分子線エ
ピタキシー法(MBE法)やMOCVD法等により、上
記化合物半導体結晶層を成長する方法が検討されている
This material is produced using conventional liquid phase epitaxial method (LPE method).
In a quasi-plane growth method such as or vapor phase epitaxial method (VPE method), growth is virtually impossible because the segregation coefficient of A into the solid phase is extremely large. Therefore, recently, methods of growing the compound semiconductor crystal layer using methods such as molecular beam epitaxy (MBE) and MOCVD, which are considered to grow under conditions that are significantly deviated from the equilibrium state, have been studied.

近年、MBE法やMOCVD法により成長したダブルへ
テロウェハを使用した半導体レーザの室温動作がいくつ
か報告されている。しかし、これらの素子の特性には次
に述べるようないくつかの大きな問題がある。第1には
素子寿命が数百時間程度と短いことであり、第2にはい
ずれの素子もGaAs基板に格子整合したInGaPを
活性層として用いるにも拘らず、その発振波長はLPE
法により成長された理想に近いと思われるInGaPの
フォトルミネッセンスのピーク波長から予想される値よ
りも20〜40 nm長いことである。
In recent years, several room-temperature operations of semiconductor lasers using double hetero wafers grown by MBE or MOCVD have been reported. However, there are some major problems with the characteristics of these elements, as described below. The first is that the device life is short, on the order of several hundred hours, and the second is that although all devices use InGaP, which is lattice-matched to the GaAs substrate, as the active layer, the oscillation wavelength is LPE.
This is 20 to 40 nm longer than the value expected from the peak wavelength of photoluminescence of InGaP grown by the method, which is considered to be close to the ideal.

第1の問題の原因としては、クラッド層に使用される高
Aノ組成のInGaAl!Pに高密度に存在するヒロッ
ク等に代表される結晶欠陥が考えられる。第2の問題の
原因としては、活性層として使用されているInGaP
を構成するInとGaが不完全に混合していることが可
能性として考えられる。しかし、これまではこれらの問
題を解決する適当な手段が見出されておらず、このため
InGaAJP系レーザの最短波長の室温連続動作は、
GaAlAs系レーザにおける880nmと大差のない
値にとどまっている。これは、InGaAiPをレーザ
用材料として使用する本来の目的である、長寿命の短波
長半導体レーザの実現にとって大きな問題であった。
The first problem is caused by the high A composition InGaAl! used for the cladding layer! Crystal defects represented by hillocks, etc., which exist in high density in P, are considered. The second problem is due to the InGaP used as the active layer.
It is possible that the In and Ga components are incompletely mixed. However, no suitable means to solve these problems has been found so far, and therefore continuous operation at room temperature at the shortest wavelength of InGaAJP lasers is difficult.
It remains at a value that is not much different from 880 nm in a GaAlAs-based laser. This has been a major problem for realizing a long-life, short-wavelength semiconductor laser, which is the original purpose of using InGaAiP as a laser material.

(発明が解決しようとする問題点) このように従来、高Aノ組成のInGaAiPに存在す
る結晶欠陥やInGaPを構成するInとGaとの不完
全混合等を解消することができず、InGaArPの本
来のバンドギャップから期待される650r+a+より
短波長の発振波長を有する長寿命の半導体レーザを作成
することは困難であった。
(Problems to be Solved by the Invention) Conventionally, it has not been possible to eliminate the crystal defects existing in InGaAiP with a high A content and the incomplete mixing of In and Ga that constitute InGaP. It has been difficult to create a long-life semiconductor laser having an oscillation wavelength shorter than 650r+a+, which is expected from the original band gap.

本発明は上記事情を考慮してなされたもので、その目的
とするところは、理論的に期待されるバンドギャップと
理想的な結晶性を有するInGaAノP結晶をGaAs
基板上に再現性良く成長することができ、短波長で長寿
命の半導体レーザの作成等に有効な化合物半導体結晶層
の製造方法を提供することにある。
The present invention has been made in consideration of the above-mentioned circumstances, and its purpose is to create an InGaA-P crystal with a theoretically expected band gap and ideal crystallinity.
It is an object of the present invention to provide a method for producing a compound semiconductor crystal layer that can be grown on a substrate with good reproducibility and is effective for producing a semiconductor laser with a short wavelength and long life.

[発明の構成] (問題点を解決するための手段) 本発明の骨子は、MOCVD法で結晶成長する際に、燐
の原料として用いるホスフィンの分解効率を反応室内圧
力を選択することにより上げ、これにより高い基板温度
の採用を可能としたことにある。また、これに加え、G
aAs基板上に成長を開始する際の原料気体の導入手順
を工夫することによりヘテロ界面での結晶欠陥の発生を
抑制したこと、さらに成長速度を比較的大きな値に設定
することにより成長時における構成元素の再蒸発の影響
を軽減したことにある。
[Structure of the Invention] (Means for Solving Problems) The gist of the present invention is to increase the decomposition efficiency of phosphine used as a raw material for phosphorus during crystal growth by MOCVD method by selecting the reaction chamber pressure, This makes it possible to use high substrate temperatures. In addition to this, G
The generation of crystal defects at the heterointerface was suppressed by devising the introduction procedure of the raw material gas when starting growth on the aAs substrate, and by setting the growth rate to a relatively large value, the structure during growth was improved. The reason is that the effect of re-evaporation of elements is reduced.

即ち本発明は、結晶成長に供される反応炉内にGaAs
基板を配置し、反応炉内に■族原料及びV族原料のガス
を導入すると共に基板を加熱し、基板上に有機金属化学
気相成長法によりI n r ツーy G a  A 
I  P層(O≦X≦1.0≦x      y y≦1)を成長形成する化合物半導体結晶層の製造方法
において、前記反応炉内に導入する■族原料ガスとして
ホスフィンを用い、前記反応炉内の圧力を15〜35 
torrに設定し、且つ前記基板の表面温度を740℃
以上に設定するようにした方法である。
That is, the present invention provides GaAs in a reactor used for crystal growth.
A substrate is placed, gases of the group I raw material and the group V raw material are introduced into the reactor, the substrate is heated, and I n r two y Ga A is deposited on the substrate by organometallic chemical vapor deposition.
In a method for manufacturing a compound semiconductor crystal layer in which an IP layer (O≦X≦1.0≦x y y≦1) is grown and formed, phosphine is used as a group II raw material gas introduced into the reactor; Pressure inside 15-35
torr, and the surface temperature of the substrate is 740°C.
This is the method of setting as described above.

(作用) 本発明による結晶成長法であれば、A、ffの全組成域
に亙り、成長温度の上限を上げることができる。このた
め、非常に欠陥の少ない高品質のInGaAノPを成長
することができる。また、この成長方法では普通良好な
混合が困難であるIn、Ga、A、i?が理想的に混合
するため、従来得られなかった理論値に合致したバンド
ギャップを存するInGaAノPを成長できる。従って
、従来不可能であった短波長且つ長寿命の半導体レーザ
の作成が可能となる。
(Function) With the crystal growth method according to the present invention, the upper limit of the growth temperature can be raised over the entire composition range of A and ff. Therefore, it is possible to grow high quality InGaA nanoP with very few defects. Also, with this growth method, it is usually difficult to mix well In, Ga, A, i? Since these are ideally mixed, it is possible to grow InGaA-P having a band gap that matches the theoretical value, which has not been previously possible. Therefore, it becomes possible to create a semiconductor laser with a short wavelength and long life, which was previously impossible.

(実施例) まず、実施例を説明する前に、本発明の基本原理につい
て説明する。
(Example) First, before describing an example, the basic principle of the present invention will be explained.

本発明者等は、MOCVD法で成長する際の原料として
メチル系を機金属であるTMA(トリメチルアルミニウ
ム)、TMG()リメチルガリウム)、TMI(トリメ
チルインジウム)及び予備分解しないホスフィン(PH
3)を用い、GaAs基板上にInC1aA、i2Pを
形成する種々の実験を繰返してきた。その結果I nG
aAノPのバンドギャップの値は、混晶組成が同一の場
合においても、成長条件、特に成長温度によって大幅に
変化することが判明した。第2図は、本発明者等によっ
て見出されたGaAsに格子整合するInGaAノPの
成長時の基板温度依存性を示している。この図から、バ
ンドギャップ値が最小となる成長温度が存在し、LPE
法にて成長した結晶に近い広いバンドギャップ(1,9
1oV)の結晶を得るには、基板温度を高くする方法と
、逆に低(する方法があることが判る。
The present inventors used methyl as a raw material for growth using the MOCVD method.
3), various experiments have been repeated to form InC1aA and i2P on a GaAs substrate. As a result, I nG
It has been found that the bandgap value of aAnoP varies significantly depending on the growth conditions, especially the growth temperature, even when the mixed crystal composition is the same. FIG. 2 shows the substrate temperature dependence during the growth of InGaA-P which is lattice matched to GaAs and has been discovered by the present inventors. From this figure, it can be seen that there is a growth temperature at which the bandgap value is minimum, and LPE
Wide bandgap (1,9
It can be seen that there are two ways to obtain a crystal with a voltage of 1oV, one is to raise the substrate temperature, and the other is to lower it.

また最近、他の研究機関により、MOC:VD法により
GaAs1板上に成長したInGaPのバンドギャップ
がV族原料であるPH3の供給量によっても変化し、P
H3の供給量を少なくすると、そのバンドギャップが広
くなる傾向にあることが報告されている。
In addition, other research institutes have recently found that the bandgap of InGaP grown on a single GaAs plate by the MOC:VD method changes depending on the supply amount of PH3, which is a group V raw material.
It has been reported that when the amount of H3 supplied is reduced, the bandgap tends to become wider.

ところが、本発明者等の研究によれば、低温領域での成
長或いはホスフィン供給量を少なくして成長した場合に
は、フォトルミネッセンスの効率が特にA)を含むIn
GaA、i’Pの場合極端に低下するため、この温度領
域においては、高効率の発光素子の実現は期待できない
。また、高温領域では、揮発性成分である燐の蒸発が激
しくなり、これを抑制するために必要とされる反応室内
の混合原料気体中に占める燐の原料であるホスフィンの
濃度が極端に大きくなり、これまでは良好な品質の結晶
の成長は困難であった。さらにレーザのクラッド層とし
ては高Aノ組成のInGaAl!Pが必要とされるが、
従来の手法で成長した場合、得られる結晶の表面にはヒ
ロック等で代表される多数の欠陥が観測され、素子の高
信頼化に大きな問題となっていた。
However, according to research by the present inventors, when growth is performed in a low temperature region or with a reduced amount of phosphine supplied, the photoluminescence efficiency is particularly low for In containing A).
Since the temperature decreases extremely in the case of GaA and i'P, it is difficult to expect a highly efficient light emitting device to be realized in this temperature range. In addition, in high-temperature regions, the evaporation of phosphorus, a volatile component, becomes intense, and the concentration of phosphine, a raw material for phosphorus, in the mixed raw material gas in the reaction chamber, which is required to suppress this, becomes extremely large. Until now, it has been difficult to grow crystals of good quality. Furthermore, the cladding layer of the laser is InGaAl! with a high A composition! Although P is required,
When grown using conventional methods, many defects, such as hillocks, are observed on the surface of the resulting crystal, which poses a major problem in improving the reliability of devices.

しかし、本発明者等の更なる鋭意研究及び実験によれば
、最適成長温度の範囲は絶対的なものではないことが判
明し、次の■〜■(特に■〜■)の成長条件のもとでは
、成長可能な基板温度の上限を従来より大幅に高くする
ことが可能であり、この条件によれば、良好な表面モホ
ロジーと結晶性と、理論的に期待される値に等しいバン
ドギャップををするInGaAJ!PをAノの全組成域
に亙って成長可能であることが見出された。
However, according to further intensive research and experiments by the present inventors, it has been found that the optimal growth temperature range is not absolute, and that the following growth conditions Under these conditions, it is possible to raise the upper limit of the substrate temperature that can be grown significantly higher than before, and under these conditions, it is possible to achieve good surface morphology and crystallinity, and a band gap equal to the theoretically expected value. InGaAJ! It has been found that P can be grown over the entire composition range of A.

■ ■族原料として、ホスフィンを用いる。■ Phosphine is used as the group material.

■ 成長時の反応室内圧力を、15〜35 torrに
設定する。
(2) Set the reaction chamber pressure during growth to 15 to 35 torr.

■ 成長時のGaAs基板表面温度を、740℃以上に
設定する。
(2) Set the surface temperature of the GaAs substrate during growth to 740°C or higher.

■ 成長速度を、2μm/hよりも通い値に設定する。■ Set the growth rate to a regular value rather than 2 μm/h.

■ GaAs基板表面が■族原料気体である隣蒸気に暴
露されている時間を、1秒以下にとどめる。
(2) The time during which the surface of the GaAs substrate is exposed to the adjacent vapor, which is a group (2) source gas, is kept to 1 second or less.

ここで、理論値に近いPLの半値幅とPLの波長を有し
、且つ表面欠陥密度が非常に小さい高品質のInGaA
JP結晶を成長することができるのは、成長温度を従来
より大幅に高くすることができるからであり、このよう
な高い基板温度を採用できるのは、反応室内圧力を通常
よりも低い15〜35 torrに設定し、ホスフィン
の分解効率を高くしたからである(■〜■)。さらに、
成長速度を比較的速い値に設定することにより結晶の再
蒸発の影響を軽減したことと、GaAs基板表面が最長
層の構成元素である燐に暴露される時間をある値以内に
抑えることにより成長開始以前の基板表面の劣化を抑制
したことによる(■、■)。
Here, high-quality InGaA has a PL half-width and a PL wavelength close to the theoretical value, and has a very low surface defect density.
The reason why JP crystals can be grown is that the growth temperature can be made much higher than conventional ones, and the reason why such a high substrate temperature can be adopted is because the reaction chamber pressure is lower than usual at 15 to 35 This is because the phosphine decomposition efficiency was increased by setting the torr (■ to ■). moreover,
By setting the growth rate to a relatively fast value, the effect of crystal re-evaporation is reduced, and by limiting the exposure time of the GaAs substrate surface to phosphorus, which is the constituent element of the longest layer, within a certain value. This is due to suppressing the deterioration of the substrate surface before the start (■, ■).

第2図は本発明に係わる成長方法によりGaAs基板上
に成長したInGaPの従来より広い成長温度範囲での
バンドギャップと基板温度との関係を示している。この
図により、基板温度740℃以上にて、LPE法による
InGaPと略同−のバンドギャップを有する結晶が得
られることが判る。また、第3図はGaAs基板上に成
長したInAiPの表面上のヒロック密度と基板温度と
の関係を示している。この図から、基板温度730℃以
上にて、急灘に欠陥密度が低下することが判る。
FIG. 2 shows the relationship between the band gap and substrate temperature of InGaP grown on a GaAs substrate by the growth method according to the present invention over a wider growth temperature range than conventional ones. From this figure, it can be seen that a crystal having approximately the same band gap as InGaP obtained by the LPE method can be obtained at a substrate temperature of 740° C. or higher. Furthermore, FIG. 3 shows the relationship between the hillock density on the surface of InAiP grown on a GaAs substrate and the substrate temperature. From this figure, it can be seen that the defect density suddenly decreases when the substrate temperature is 730° C. or higher.

従って、前述の理由により従来は高品質の結晶が19ら
れなかった740℃以上の成長温度領域を用いれば、従
来MOCVD法では成長できなかったLPE法に匹敵す
る広いバンドギャップを有するInGaPを成長可能で
あり、且つInAiPまでの高いA1組成を有するIn
GaAiPにて極めて欠陥の少ない結晶を成長可能であ
ることが判る。
Therefore, by using a growth temperature range of 740°C or higher, where high-quality crystals could not be grown in the past due to the reasons mentioned above, it is possible to grow InGaP with a wide bandgap comparable to that of the LPE method, which could not be grown with the conventional MOCVD method. and has a high A1 composition up to InAiP.
It can be seen that it is possible to grow crystals with extremely few defects using GaAiP.

以下、本発明の一実施例について図面を参照して説明す
る。
An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

第1図は本発明の一実施例方法に使用した成長装置を示
す概略構成図である。図中11は石英製の反応管く反応
炉)であり、この反応管11内にはガス導入口12から
原料混合ガスが導入される。
FIG. 1 is a schematic diagram showing a growth apparatus used in an embodiment of the present invention. In the figure, reference numeral 11 denotes a quartz reaction tube (reaction furnace), into which a raw material mixed gas is introduced from a gas inlet 12.

そして、反応管11内のガスはガス排気口13から排気
されるものとなっている。反応管11内には、カーボン
製のサセプタ14が配置されており、GaAs基板はこ
のサセプタ14の上に載置される。また、サセプタ14
は、高周波コイル16により誘導加熱されるものとなっ
ている。
The gas within the reaction tube 11 is then exhausted from the gas exhaust port 13. A carbon susceptor 14 is arranged inside the reaction tube 11, and the GaAs substrate is placed on this susceptor 14. In addition, the susceptor 14
is heated by induction by a high frequency coil 16.

次に、上記装置を用いた結晶成長方法について説明する
Next, a crystal growth method using the above apparatus will be explained.

まず、化学エツチングによって表面清浄化したGaAs
基板15を前記サセプタ14上に載置する。ガス導入管
12から高純度水素を毎分11導入し、反応管11内の
大気を置換する。次いで、〃ス排気ロ13をロータリー
ポンプに接続し、反応管11内を減圧し、内部の圧力を
15〜35 torrの範囲に設定する。その後、ガス
導入口12から10%アルシンガスを導入し、高周波コ
イル16によりサセプタ14及び基板15を加熱し、成
長温度にて30分間保持して基板の清浄化を行う。
First, the surface of GaAs was cleaned by chemical etching.
A substrate 15 is placed on the susceptor 14. High-purity hydrogen is introduced from the gas introduction tube 12 at 11 times per minute to replace the atmosphere inside the reaction tube 11. Next, the gas exhaust tube 13 is connected to a rotary pump, the pressure inside the reaction tube 11 is reduced, and the internal pressure is set in the range of 15 to 35 torr. Thereafter, 10% arsine gas is introduced from the gas inlet 12, and the susceptor 14 and substrate 15 are heated by the high frequency coil 16 and held at the growth temperature for 30 minutes to clean the substrate.

次いで、アルシンの導入を停止し、ホスフィンガスの導
入を開始した後、反応管11内のアルシンを十分置換す
るために約1秒の間をおき、予め所定の混合比に調整し
たTMA、TMG、TMIを導入して成長を行う。なお
、このときドーピング原料としてジメチル亜鉛(D M
 Z )或いはシクロペンタジェニルマグネシウム(C
p2Mg)。
Next, after stopping the introduction of arsine and starting the introduction of phosphine gas, there was a pause of about 1 second in order to sufficiently replace the arsine in the reaction tube 11, and then TMA, TMG, which had been adjusted to a predetermined mixing ratio in advance, Grow by introducing TMI. At this time, dimethylzinc (DM
Z ) or cyclopentagenylmagnesium (C
p2Mg).

セレン化水素(H2S e ) r   シランガス(
SiH4)等を同時に導入する。この除用いた基板表面
温度は、シリコにとアルミニウムの共晶化温度により校
正した放射温度計により測定した。
Hydrogen selenide (H2S e ) r Silane gas (
SiH4) etc. are introduced at the same time. The surface temperature of the removed substrate was measured using a radiation thermometer calibrated based on the eutectic temperature of silicon and aluminum.

前記第3図は、このような手順にて成長したInAiP
について表面欠陥密度と基板温度との関係を示したもの
である。この図から、欠陥密度は、基板温度が高い程減
少することが判る。また、欠陥密度はA1組成が少なく
なる程減少するので、素子作成に必要な1平方センチメ
ートル当り1000以下の欠陥密度の結晶をAノの全組
成に亙って成長するには、成長温度を740℃以上に設
定する必要があることが判る。
FIG. 3 shows InAiP grown by such a procedure.
This figure shows the relationship between surface defect density and substrate temperature. From this figure, it can be seen that the defect density decreases as the substrate temperature increases. In addition, the defect density decreases as the A1 composition decreases, so in order to grow crystals with a defect density of less than 1000 per square centimeter required for device fabrication over all A1 compositions, the growth temperature must be 740°C. It turns out that the above settings need to be made.

第4図は、GaAs基板に格子整合したInGaPにつ
いて、成長温度とPL、特性の関係を示したものである
。この図及び前記第2図から、理論値と略一致するバン
ドギャップと狭い半値幅のPLスペクトルと高い発光効
率を有するInGaPを成長するには、基板温度を74
0℃以上に設定することが必要であることか判る。また
、第5図は、GaAs基板に格子整合したp型1nAノ
Pの易動度と基板温度との関係を示している。この図か
ら、InAiPの正孔易動度は基板温度が低下する程減
少することが判る。また、易動度はA、&組成が増大す
る程低下するので、Aノの全組成域に亙り高い易動度を
有する結晶を成長するには、基板温度を700°C以上
に設定する必要があることが判る。特に、広いバンドギ
ャップと高い発光効率、高A、f?組成域にて大きな易
動度と低い欠陥密度が要求されるレーザ用材料作成には
、740°C以上の基板温度が必要であることが判る。
FIG. 4 shows the relationship between growth temperature, PL, and characteristics of InGaP lattice-matched to a GaAs substrate. From this figure and the above-mentioned figure 2, in order to grow InGaP having a band gap that almost matches the theoretical value, a narrow half-width PL spectrum, and high luminous efficiency, the substrate temperature must be increased to 74°C.
It can be seen that it is necessary to set the temperature above 0°C. Furthermore, FIG. 5 shows the relationship between the mobility of a p-type 1nA node lattice-matched to a GaAs substrate and the substrate temperature. This figure shows that the hole mobility of InAiP decreases as the substrate temperature decreases. Furthermore, the mobility decreases as the A, & composition increases, so in order to grow crystals with high mobility over the entire composition range of A, it is necessary to set the substrate temperature to 700°C or higher. It turns out that there is. In particular, wide bandgap, high luminous efficiency, high A, f? It can be seen that a substrate temperature of 740° C. or higher is required to create a laser material that requires high mobility and low defect density in the composition range.

一方、高い基板温度にてInGaAfPを成長するには
、InGaAfPの蒸気圧よりも高いPの分圧ををする
雰囲気中にて結晶成長を行う必要があり、必然的に多量
のPR料であるホスフィンが必要とされるが、実際に供
給可能なPH3流量は通常は、全流量の10%程度が限
界である。また、PH3の分解効率は反応室内の圧力に
依存し、圧力が低い程一般的に分解効率、即ち利用効率
は高くなる。
On the other hand, in order to grow InGaAfP at a high substrate temperature, it is necessary to grow the crystal in an atmosphere with a P partial pressure higher than the vapor pressure of InGaAfP, which inevitably requires a large amount of phosphine, which is a PR material. However, the actual PH3 flow rate that can be supplied is usually limited to about 10% of the total flow rate. Furthermore, the decomposition efficiency of PH3 depends on the pressure within the reaction chamber, and generally the lower the pressure, the higher the decomposition efficiency, that is, the utilization efficiency.

第6図はInGaAfPのうちで最も良好なモホロジー
を得ることが困難であるInAノPにっいて、PH’3
流量が全流量の10%のときの良好なモホロジーの結晶
が成長可能な基板温度の上限と反応室内圧力との概略的
な関係を示したものである。この図から、740℃以上
の基板温度にてI nGaAノPを成長するには、反応
室内圧を15〜35 torrに設定する必要があるこ
とが判る。反応室内圧力が15torr以下にて良好な
モホロジーが得られないのは、反応室内に供給されるP
H3の分圧が低くなり過ぎるためであると思われる。
Figure 6 shows the PH'3 of InGaAfP, which is difficult to obtain the best morphology.
This figure shows a schematic relationship between the upper limit of the substrate temperature at which a crystal with good morphology can be grown and the reaction chamber pressure when the flow rate is 10% of the total flow rate. From this figure, it can be seen that in order to grow InGaA nanoP at a substrate temperature of 740° C. or higher, it is necessary to set the reaction chamber pressure to 15 to 35 torr. Good morphology cannot be obtained when the reaction chamber pressure is below 15 torr because of the P supplied into the reaction chamber.
This seems to be because the partial pressure of H3 becomes too low.

良好な結晶性を存するInGaAfPを成長するのに必
要とされる740℃以上の基板温度では基板であるGa
Asの表面が急速に分解するために良好な結晶成長を行
うには、昇温時の基板表面の劣化を防止するために成長
開始直前まで基板を砒素雰囲気中に保持しなければなら
ない。一方、成長開始時には成長層への砒素の混入を防
ぐために反応室内の砒素原料は燐原料であるホスフィン
に完全に置換えられている必要がある。この2つの矛盾
した要求を完全に満足させることは不可能であるが、本
発明者等の研究によれば、GaAsM板表面がPH3に
暴露されている時間にはある許容値が存在し、基板温度
が740℃以上800℃以下では、前述したように反応
室内にホスフィンを導入した後1秒以内に成長を開始す
ればよいことが、成長層のX線回折により判明している
At a substrate temperature of 740°C or higher, which is required to grow InGaAfP with good crystallinity, the Ga substrate
Since the surface of As rapidly decomposes, in order to achieve good crystal growth, the substrate must be kept in an arsenic atmosphere until immediately before the start of growth in order to prevent deterioration of the substrate surface when the temperature rises. On the other hand, at the start of growth, the arsenic raw material in the reaction chamber must be completely replaced with phosphine, which is a phosphorus raw material, in order to prevent arsenic from being mixed into the growth layer. Although it is impossible to completely satisfy these two contradictory requirements, according to research by the present inventors, there is a certain tolerance value for the time that the GaAsM plate surface is exposed to PH3, and the substrate It has been found by X-ray diffraction of the grown layer that when the temperature is 740° C. or more and 800° C. or less, growth can be started within 1 second after introducing phosphine into the reaction chamber as described above.

さらに、740℃以上の基板温度では、成長層からのI
nの再蒸発の速度が成長速度に比して無視できないので
、ウェハ面内での成長速度の分布によりエピタキシャル
層の組成に分布が生じる。この効果は、成長速度が低く
なる程顕著になる。通常、ウェハ内の成長速度の変動は
±10%程度存在し、この成長速度の分布に対応する組
成の分布の幅は基板温度が740℃のとき第7図のよう
になる。
Furthermore, at a substrate temperature of 740°C or higher, I
Since the re-evaporation rate of n cannot be ignored compared to the growth rate, the distribution of the growth rate within the wafer plane causes a distribution in the composition of the epitaxial layer. This effect becomes more pronounced as the growth rate decreases. Normally, the growth rate within a wafer varies by about ±10%, and the width of the composition distribution corresponding to the growth rate distribution is as shown in FIG. 7 when the substrate temperature is 740°C.

このとき、成長速度の変動による格子非整合をウェハ全
面にて素子作成に必要な±0.05以内に抑えるには成
長速度を毎次2μm以上に設定しなければならないこと
が判る。また、この比較的速い成長速度の採用は、成長
開始時に素早<GaAs基板表面をエピタキシャル層に
て被覆して、U板表面からのAsの蒸発を抑制すると言
う観点からも重要である。
At this time, it can be seen that the growth rate must be set to 2 μm or more each time in order to suppress lattice mismatching due to fluctuations in the growth rate to within ±0.05, which is required for device fabrication over the entire wafer surface. Further, the adoption of this relatively fast growth rate is also important from the viewpoint of quickly covering the surface of the GaAs substrate with an epitaxial layer at the start of growth to suppress evaporation of As from the surface of the U plate.

このように本実施例方法によれば、■族原料としてTM
A、TMG、TMIを用いると共に、V族原料としてホ
スフィンとアルシンを用い、反応室内圧力を15〜35
torrs基板温度を740℃以上、成長速度を2μm
/hより速く設定し、反応室内の原料気体を素早く置換
して成長を開始することにより、理論値と合致した大き
なバンドギャップと高い易動度と良好な発光効率を合せ
持つ極めて欠陥密度の少ない良質のInGaAl!Pが
成長可能であり、半導体レーザの製造等に極めて有効で
ある。
As described above, according to the method of this embodiment, TM
Using A, TMG, and TMI, and using phosphine and arsine as group V raw materials, the pressure in the reaction chamber was set to 15 to 35.
Torrs substrate temperature 740℃ or higher, growth rate 2μm
/h, and by quickly replacing the raw material gas in the reaction chamber and starting growth, we have a large bandgap that matches the theoretical value, high mobility, and good luminous efficiency, and an extremely low defect density. High quality InGaAl! P can be grown and is extremely effective for manufacturing semiconductor lasers and the like.

また本発明者等は、」二記実施例方法により、以下のよ
うにして半導体レーザを作成したところ、極めて良好な
結果が得られた。即ち、キャリア濃度3 X LO18
cT1°3のStドープGaAs基板の(100)面上
に、基板温度750’C、反応管内圧力25torr、
成長速度3μn/h、反応管内流速70cIi/sec
にて、前記手法により膜厚0.5μm、キャリア濃度I
 X 10I8n−3のSiドープG’ a A sバ
177層、膜厚1μm、キャリア濃度l×1018α°
3のStドープ1nA、gPクラッド層、膜厚0.07
μmのアンドープ1nGaP活性層、膜厚1um、キャ
リア濃度I X 1018−3のMgドープInAiP
クラッド層、膜厚0.5μ辺、キャリア濃度7×1O1
8c11−3のMgドープGaAs:Iンタクト層を作
成した。なお、このとき、各層の成長後、次の層を成長
するまで30秒間成長を中断しているが、中断時間を4
5秒以上にした場合には良好な成長は行えなかった。こ
のようにして成長したダブルへテロウェハを用いて、5
i02による電流狭窄レーザを試作したところ、キャビ
ティ長250μm、ストライブ幅16μmのとき、室温
での波長。
In addition, the present inventors produced a semiconductor laser in the following manner using the method described in Example 2, and obtained very good results. That is, carrier concentration 3 x LO18
On the (100) plane of a St-doped GaAs substrate with a cT of 1°3, the substrate temperature was 750'C, the reaction tube internal pressure was 25 torr,
Growth rate 3 μn/h, flow rate in reaction tube 70 cIi/sec
By the above method, the film thickness was 0.5 μm and the carrier concentration I
177 layers of Si-doped G' a A s bar of X 10I8n-3, film thickness 1 μm, carrier concentration l×1018α°
3, St-doped 1nA, gP cladding layer, film thickness 0.07
Undoped 1nGaP active layer of μm, thickness 1um, Mg-doped InAiP with carrier concentration I x 1018-3
Cladding layer, film thickness 0.5μ side, carrier concentration 7×1O1
A Mg-doped GaAs:I intact layer of 8c11-3 was prepared. At this time, after the growth of each layer, the growth is interrupted for 30 seconds until the next layer is grown, but the interruption time is 4 seconds.
When the time was 5 seconds or more, good growth could not be achieved. Using the double hetero wafer grown in this way, 5
When we prototyped a current confinement laser using i02, the wavelength at room temperature was found when the cavity length was 250 μm and the stripe width was 16 μm.

発振閾値電流及び電流密度としてそれぞれ、055層m
、 80a+A、  2 KA/ atr 2が得られ
、この素子は室温。
055 layer m as the oscillation threshold current and current density, respectively.
, 80a+A, 2 KA/atr 2 is obtained, and the device is at room temperature.

光出力3mWにて、1000時間以上に亙り安定に動作
した。この結果は、これまで報告されてた最も波長の短
い半導体レーザが本発明による方法にて作成可能である
ことを示しており、このことからも本発明の有用性は証
明された。
It operated stably for more than 1000 hours at an optical output of 3 mW. This result shows that a semiconductor laser with the shortest wavelength reported so far can be produced by the method according to the present invention, and this also proves the usefulness of the present invention.

なお、本発明は上述した実施例方法に限定されるもので
はない。例えば、成長時の基板表面温度は740℃以上
であればよいが、より望ましい範囲は745〜755℃
である。また、前記基板の面方位は(100)に何隻限
定されるものではなく、(100)面から傾いたもので
もよい。さらに、■族原料としてはメチル系以外の有機
金属を用いてもよい。その他、本発明の要旨を逸脱しな
い範囲で、種々変形して実施することができる。
Note that the present invention is not limited to the method of the embodiment described above. For example, the substrate surface temperature during growth may be 740°C or higher, but a more desirable range is 745-755°C.
It is. Further, the plane orientation of the substrate is not limited to the (100) plane, and may be inclined from the (100) plane. Furthermore, organic metals other than methyl may be used as the group (1) raw materials. In addition, various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.

[発明の効果] 以上詳述したように本発明によれば、燐の原料として用
いるホスフィンの分解効率を反応室内圧力を選択するこ
とにより上げ(15〜351orr)、高い基板温度(
740℃以上)の採用を可能としているので、理論的に
期待されるバンドギャップと理想的な結晶性を有するI
nGaAiP結晶をGaAs基板上に再現性良く成長す
ることができ、短波長で長寿命の半導体レーザの作成等
に極めて有効である。
[Effects of the Invention] As detailed above, according to the present invention, the decomposition efficiency of phosphine used as a raw material for phosphorus is increased by selecting the reaction chamber pressure (15 to 351 orr), and the high substrate temperature (
740℃ or higher), it has the theoretically expected band gap and ideal crystallinity.
An nGaAiP crystal can be grown on a GaAs substrate with good reproducibility, and is extremely effective for producing short wavelength, long-life semiconductor lasers.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明の一実施例方法に使用した成長装置を示
す概略構成図、第2図はGaAsに格子整合するInA
l!Pの基板表面温度とバンドギャップとの関係を示す
特性図、第3図はGaAs基板に格子整合するInGa
Pの基板表面温度と表面欠陥密度との関係を示す特性図
、第4図はC;aAs基板に格子整合するInGaPの
基板表面温度とフォトルミネッセンスの発光半値幅との
関係を示す特性図、第5図はGaAs基板板に格子整合
するInA、i7Pの正孔易動度と基板表面温度との関
係を示す特性図、第6図はGaAs基板に格子整合する
InAJPについて成長可能な基板表面温度の上限と反
応室内の圧力との関係を示す特性図、第7図はウェハ面
内でのInGaPのGaAs基板からの格子不整合の分
布幅と成長速度との関係を示す特性図である。 11・・・反応管、12・・・ガス導入口、13・・・
ガス排気口、14・・・サセプタ、15・・・試料基板
、16・・・高周波コイル、17・・・熱電対。 第1図 −榔佃ば≦(6)荷重 ど
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a growth apparatus used in a method according to an embodiment of the present invention, and FIG.
l! A characteristic diagram showing the relationship between the substrate surface temperature and band gap of P.
A characteristic diagram showing the relationship between the substrate surface temperature of P and the surface defect density; FIG. Figure 5 is a characteristic diagram showing the relationship between hole mobility and substrate surface temperature for InA and i7P, which are lattice-matched to a GaAs substrate, and Figure 6 is a characteristic diagram showing the relationship between the substrate surface temperature and the substrate surface temperature for InAJP, which is lattice-matched to a GaAs substrate. FIG. 7 is a characteristic diagram showing the relationship between the upper limit and the pressure in the reaction chamber, and FIG. 7 is a characteristic diagram showing the relationship between the distribution width of lattice mismatch of InGaP from the GaAs substrate and the growth rate within the wafer plane. 11... Reaction tube, 12... Gas inlet, 13...
Gas exhaust port, 14... Susceptor, 15... Sample substrate, 16... High frequency coil, 17... Thermocouple. Figure 1 - Sakatsukuda ≦ (6) Load

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)結晶成長に供される反応炉内にGaAs基板を配
置し、反応炉内にIII族原料及びV族原料のガスを導入
すると共に基板を加熱し、基板上に有機金属化学気相成
長法によりIn_1_−_x_−_yGa_xAl_y
P層(0≦x≦1、0≦y≦1)を成長形成する化合物
半導体結晶層の製造方法において、前記反応炉内に導入
するV族原料ガスとしてホスフィンを用い、前記反応炉
内の圧力を15〜35torrに設定し、且つ前記基板
の表面温度を740℃以上に設定したことを特徴とする
化合物半導体結晶層の製造方法。
(1) A GaAs substrate is placed in a reactor used for crystal growth, gases of group III raw materials and group V raw materials are introduced into the reactor, and the substrate is heated, and metal-organic chemical vapor phase growth is performed on the substrate. By law In_1_−_x_−_yGa_xAl_y
In a method for manufacturing a compound semiconductor crystal layer in which a P layer (0≦x≦1, 0≦y≦1) is grown and formed, phosphine is used as a group V raw material gas introduced into the reactor, and the pressure in the reactor is A method for manufacturing a compound semiconductor crystal layer, characterized in that the surface temperature of the substrate is set to 15 to 35 torr, and the surface temperature of the substrate is set to 740° C. or higher.
(2)前記基板の表面温度を745〜755℃とし、前
記化合物半導体結晶層の成長速度を2μm/hよりも速
くしたことを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の化
合物半導体結晶層の製造方法。
(2) The compound semiconductor crystal layer according to claim 1, wherein the surface temperature of the substrate is 745 to 755°C, and the growth rate of the compound semiconductor crystal layer is faster than 2 μm/h. Production method.
(3)前記化合物半導体結晶層の成長形成の前に、前記
基板を収容した反応炉内に砒素の原料ガスを導入し、砒
素を含む雰囲気下にて基板を成長時の基板温度まで加熱
したのち、砒素の原料ガスの導入を停止し、次いで上記
原料ガスの導入の停止後1秒以内にIII族の原料ガスを
反応炉内に導入して成長を開始することを特徴とする特
許請求の範囲第1項又は第2項記載の化合物半導体結晶
層の製造方法。
(3) Before the growth and formation of the compound semiconductor crystal layer, an arsenic raw material gas is introduced into the reactor containing the substrate, and the substrate is heated to the substrate temperature at the time of growth in an atmosphere containing arsenic. , the introduction of the arsenic raw material gas is stopped, and then, within 1 second after the introduction of the arsenic raw material gas is stopped, a group III raw material gas is introduced into the reactor to start growth. A method for manufacturing a compound semiconductor crystal layer according to item 1 or 2.
(4)前記化合物半導体結晶層を成長形成する際に、V
族原料ガスとして予備分解しないホスフィンとアルシン
を用い、III族原料ガスとしてトリメチルアルミニウム
、トリメチルガリウム及びトリメチルインジウムを用い
たことを特徴とする特許請求の範囲第1項、第2項又は
第3項記載の化合物半導体結晶層の製造方法。
(4) When growing the compound semiconductor crystal layer, V
Claims 1, 2, or 3 are characterized in that phosphine and arsine, which are not predecomposed, are used as Group III source gases, and trimethylaluminum, trimethylgallium, and trimethylindium are used as Group III source gases. A method for manufacturing a compound semiconductor crystal layer.
(5)前記反応炉として、縦型反応炉を用いたことを特
徴とする特許請求の範囲第4項記載の化合物半導体結晶
層の製造方法。
(5) The method for manufacturing a compound semiconductor crystal layer according to claim 4, wherein a vertical reactor is used as the reactor.
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