JPH0425120A - 化合物半導体層の製造方法 - Google Patents

化合物半導体層の製造方法

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JPH0425120A
JPH0425120A JP2129914A JP12991490A JPH0425120A JP H0425120 A JPH0425120 A JP H0425120A JP 2129914 A JP2129914 A JP 2129914A JP 12991490 A JP12991490 A JP 12991490A JP H0425120 A JPH0425120 A JP H0425120A
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篤勇 角田
Naohiro Suyama
尚宏 須山
Kaneki Matsui
完益 松井
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は化合物半導体層の製造方法に関し、特に、m−
v族に属する化合物半導体層をGaAs基板上に結晶性
良く形成することができる化合物半導体層の製造方法に
関する。
(従来の技術) 近年、光情′報処理システムの高機能化等を目的として
、より短波長域で発振する半導体レーザ素子の実現が要
求されている。
GaAs基板に格子整合する(A I yG a +−
v)e、s In 11.SP結晶(0≦Y≦1)は、
600nm帯の波長を有する光を放射する可視光半導体
レーザのための材料として注目されている。以下、本明
細書に於ては、特に断わらない限り、 (AIYGa 
I−Y) 11.5r n lI、5P (0≦Y≦1
)をAlGa1nP又はGa I nP (Y=Oの場
合)と称する。
AIGaInP結晶を基板上に成長させる方法としては
、有機金属気相成長法(MOCVD法)の他に、分子線
エピタキシー法(MBE法)が期待されている。
MBE法を用いて作成されたAlGa InP系可視光
半導体レーザ素子が、室温で可視光を連続的に発振した
ことの報告がある(Hayakawa、et、al、J
ournal  of  Cry=2 5tal   Growth   95   (198
9)pp、  949)。
第5図に、’MBE法により作成された従来のAIGa
InP系可視光半導体レーザ素子の断面図を示す。
第1導電型GaAs基板1上に、各々MBE法により成
長させられた第1導電型G a A s /’ yファ
層2、第1導電型Ga I nPバッファ層3、第1導
電型AlGa InPクラッド層4、GaInP活性層
5、第2導電型AIGaInP第2クラツド層6、及び
第2導電型GaInP層20が、この順番で基板1側か
ら積層されている。
第2導電型GaInP層20上には、絶縁性窒化シリコ
ン膜21が形成されており、窒化シリコン膜21には、
第2導電型Ga I nPP2O3達する幅10μmの
ストライブ状溝が形成されている。
上記の積層構造の上面及び基板1の裏面には、電極23
.22が形成されている。
第5図の半導体レーザ素子は、ストライプ状の溝を有す
る絶縁性窒化シリコン膜21が電流を狭搾する利得導波
形半導体レーザ素子である。
この半導体レーザ素子は、発振閾値93mAを示し、ま
た、゛可視光を室温で連続的に発振することができる。
(発明が解決しようとする課題) しかしながら、上述の従来技術においては、以下に述べ
る問題点があった。
第5図の半導体レーザ素子は、発振時に、活性層で発生
した熱の放散が悪いため、最高連続発振温度が35°C
と低かった。これは、AIGaInP結晶の熱伝導率が
低いためである。
放熱性に優れた構造を有し、しかも、GaAs基板に格
子整合したAIGaInP結晶からなるダブルへテロ構
造を備えた半導体レーザ素子を製造するためには、Al
Ga1nP結晶層上に、比較的熱伝導率が大きく、放熱
性に優れた材料であるAlGaAs結晶層を、MBE法
により形成することができればよい。
しかし、GaAs基板に格子整合するAIGaInP結
晶層上に、AlGaAs結晶層を、MB=4= E法により形成する場合、AIGaInP結晶層の表面
が不純物により汚染されると、そのAlGa1nP結晶
゛層上に、結晶性の優れたAlGaAs結晶層を成長さ
せることができないという問題がある。
このような汚染は、AI Ga I nP結晶層とAl
GaAs結晶層とを、MBE法により連続的に形成する
場合に於て、AIGaInP結晶層の成長終了後に、P
の分子線照射から、Asの分子線照射への切り替えのた
め、層成長を一時的に停止するときにも生じる。
これは、上述の一時的な結晶層成長の停止後数秒の内に
、MBE装置内雰囲気中の酸素、水蒸気等の不純物が、
成長の停止した結晶層表面を汚染するからである。
また、MBE法により高品質のAlGaAs層を成長さ
せる場合、基板温度を620°C程度に上昇させる必要
がある。この温度では、しかし、AlGa InP層か
らのIn又はPの蒸発が盛んに生じるために、AIGa
InP結晶層の表面が劣−5= 化してしまうという問題がある。このような表面の劣化
が生じたAIGaInP結晶層上に、AlGaAslG
aAs結晶古層ると、結晶性に優れたAlGaAs結晶
層を得ることはできない。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであ
り、その目的とするところは、GaAs基板に格子整合
する(A 1 yG a 1−Y) LSI ne、s
P結晶層の表面が汚染されたときでも、その(AI Y
G a I−Y) II、51 n lI、sP結晶層
上に、高品質のA I XG a +−*A s結晶層
を容易に形成することができる化合物半導体層の製造方
法を提供することにある。
本発明の他の目的は、GaAs基板に格子整合する( 
A I YG a +−y) e、s I n II、
sP結晶層の表面を劣化させることなく、その(A I
 YG a t−y) e51rz+、sP結晶層上に
、高品質のA I XG a 1−XAs結晶層を容易
に形成することができる化合物半導体層の製造方法を提
供することにある。
(課題を解決するための手段) 本発明の化合物半導体層の製造方法は、GaA一 S基板に格子整合する(AlyGa+−y)s、51n
e5P結晶層(O≦Y≦1)を該基板上に形成する工程
と、該結゛晶層の表面にAs分子線を照射しながら、該
結晶層のInが蒸発する温度に該基板を昇温することに
より、該結晶層の表面を数分子層のA I yG a 
1−yA s結晶層(0≦Y≦1)に変化させる工程と
、A I XG a I−XA S結晶層(0≦X≦1
)を該A 1 yG a 1−vA s結晶層上に形成
する工程とを包含しており、そのことにより上記目的が
達成される。
(実施例) 以下に本発明を実施例について説明する。
最初に、第1図を参照しながら、第1の実施例を説明す
る。
第1図(a)に示すように、まず、GaAs基板ll上
に、GaAsバッファ層12、及び(AI 11.7G
 a i+、a) s、s I n T!、6P層14
を、この順番で基板11側からMBE法により成長させ
た。このときの基板温度は、510°Cとした。
次に、2分子線の照射を停止した後、 (AIθ7G 
a [1,3) e、s I n [!、5P層14に
対してAs分子線を照射しながら、基板温度を620 
’Cに上昇させ、その状態“を数分間維持するという工
程を行った。
この工程によって、 (A 1 n、7G a 11.
3) 11.5 I n8.5P層14の表面近傍のI
n及びPが、As分子線のAsと置換することにより、
(A I [1,TG a 8、s) [1,5I n
 +!、sP層14の層面4傍の数分子層が、数分子層
のA l l!、7G a [1,3A 3層15に変
化した。
この数分子層のA l l!、7G a 11.aA 
3層15は、680°C程度以下では、組成元素の蒸発
がほとんど生じない熱的に安定な材料からなる層である
このため、620°C程度で通常盛んに生じるはずの(
A I 11.7G a s、3) s、s I n 
e、sP層14からのIn又はPの蒸発が、数分子層の
A l t+、yG a [1,3As層15に覆われ
ることによって防止された。
このように、上記工程を行うことによって、特に580
°C程度以上に於いて顕著となる(Ali!。
7G a [1,3) [!、5 I n s、sP層
14のIn又はPの蒸発による劣化を、620°C程1
度に於いても防止するこ七ができた。
As分子線を照射しながら基板温度を620°Cに上昇
させる゛という上述の工程の後、その工程に連続させて
、A l 11,4G a 9.aA 3層16をAI
i!。
7Gaa3As層15上に成長させる工程を行った。
このA 1 g、4G a e、eA 3層16の成長
は、As分子線の他に、A1分子線及びGa分子線を基
板11に向けて照射する通常のMBE法により行った。
このときの基板温度は、620°Cとした。第1の実施
例の方法により形成したAIθ、4G a 8.aA 
s層16と、As分子線を照射しながら基板温度を62
0°Cに上昇させるという上述の工程のみを省略した方
法により形成したA I [1,4G a8.6As層
(比較例)とを比較するために、各々のA I 、、A
Gaθ、BA s層のフォトルミネッセンスを測定した
この結果、実施例の発光強度は、比較例のものの数倍の
大きさであった。このことは、実施例のA I 9,4
G a 9.aA 3層16の結晶性が、比較例のA 
I [1,4G a 6.BA s層の結晶性よりも優
れていることを示している。
上述の実施例の方法により、このように優れた結晶性を
有するA I 11.4G a g、6A s層16を
形成できた第1の理由は、A l e、aG a e、
6A s層16の成長前に、As分子線を照射しながら
基板温度を620°Cに上昇させるという上述の工程を
行うことにより、(A I e、rG a [1,3)
 [!、5 I n e、sP層14の表面近傍の数分
子層を数分子層のAlGaAs層15に変化させ、この
層によって、(A1[1,7G a 11.3) 11
.s I n 11.5P層14のIn及びPの蒸発に
よる劣化を防止したためである。
第2の理由は、A I i!、4G a [1,eA 
s層16の成長前に、As分子線を照射しながら基板温
度を620°Cに上昇させるという上述の工程中に、(
A1 e、7G a 11.3) [1,5I n e
、sP層14の表面近傍のIn及びPが、As分子線の
Asと置換することにより、 (A 1 a、yG a
 e、3) [!、5 r n B、5P層14の表面
近傍に存在した酸化物などの不純物が除去され、それに
よって、その表面近傍が清浄化されたためである。
このように、本実施例では、たとえP分子線熱射の停止
からAs分子線照射を開始するまでの数秒の内に、MB
E装置内雰囲気中の酸素、水蒸気等の不純物力9、成長
の停止した結晶層表面を汚染しても、その汚染が上述の
方法により清浄化されるので、分子線照射の切り替えに
よる問題は生じなかった。
次に、第2図を参照しながら、第2の実施例を説明する
第2図(a)が示すように、まず、GaAs基板ll上
に、GaAsバッファ層12、及びGaInP層13を
、この順番で基板11側からMBE法により成長させた
。このときの基板温度は、450〜570°Cの範囲と
した。
この後、表面観察のため、基板11をMBE装置外に取
り出した。その後、再び、基板11をMBE装置内に導
入し、GaInP層13に対してAs分子線を照射しな
がら、基板温度を620°Cに上昇させ、その状態を数
分間維持するという工程を行った。
この工程によって、GalnP層13の表面近傍のIn
及びPが、As分子線のAsと置換することにより、G
alnP層13の表面近傍の数分子層が、数分子層のG
aAs層17に変化した。
この数分子層のGaAs層17は、680°C程度以下
では、組成元素の蒸発がほとんど生じない熱的に安定な
材料からなる層である。このため、620℃程度で通常
盛んに生じるはずのGalnP層13からのIn又はP
の蒸発が、この数分子層のGaAs層17に覆われるこ
とによって防止された。
このように、上記工程を行うことによって、特に580
°C程度以上に於いて顕著となるGalnP層13のI
n又はPの蒸発による劣化を、620°C程度に於いて
も防止することができた。
As分子線を照射しながら基板温度を620°Cに上昇
させるという上述の工程の後、その工程に連続させて、
A l 11.7G a 11.3A 6層18をGa
AS層17層間7上させる工程を行った。このA1[!
、7G a l!、3A s層18の成長は、As分子
線の他に、A1分子線及びGa分子線を基板11に向け
て照射する通常のMBE法により行った。このときの基
板温度は、690°Cとした。
こうして形′成したAlGaAs層18も、第1の実施
例の方法により形成したAlGaAs層16と同様に、
優れた結晶性を有するものであった。
次に、第3図を参照しながら、第3の実施例を説明する
まず、第1導電型GaAs基板1上に、第1導電型Ga
Asバッファ層2、第1導電型GaInPバツフア層3
、第1導電型AIGaInPクラツド層4、Ga I 
nP活性層5、第2導電型AIGaInP第2クラツド
層6、及び第2導電型GaInP層7を、この順番で基
板1側から、MBE法により成長させた(第3図(a)
)。これらの層の成長は、Pを分子線源として扱うMB
E装置内で通常のMBE法により行った。なお、そのと
きの基板温度は、510°Cとした。また、第2導電型
GaInP層7の層厚は、100Aとした。
この後、基板1をそのMBE装置から外に取り出し、次
に、Asを分子線源として扱う他のMBE装置内に基板
1を導入した。
次に、このMBE装置内で、第2導電型Ga1nP層7
上1ごAs分子線を照射しながら、基板温度を620°
Cに上昇させ、その状態を数分間維持するという工程を
行った。
この工程によって、GalnP層7の表面近傍のIn及
びPが、As分子線のAsと置換することにより、Ga
 I nP層70表面近傍の数分子層が、数分子層のG
 a A ’s層8に変化した(第3図(b))。
GaAs層8上に、第2導電型GaAsキャップ層9を
MBE法により成長させた後、第2導電型GaAsキャ
ップ層9上に、絶縁性窒化シリコン膜21をプラズマC
VD法により成長させた。
窒化シリコン膜21をフォトエツチングすることにより
、第2導電型GaAsキャップ層9に達する幅10μm
のストライブ状溝を窒化シリコン膜21に形成した。
このようにして形成した積層構造の上面及び基板1の裏
面に、電極23.22を形成することにより、第3図(
C)に示す利得導波型の半導体レーザ素子を作成した。
この半導体ル−ザ素子は、670nmの波長光を室温で
連続発振した。
この半導体レーザ素子は、GaInPよりも熱伝導性に
優れたGaAsからなる第2導電型GaAsキャップ層
9を有しているため、活性層5で発生した熱が効率的に
半導体レーザ素子外へ放散される。このため、第6図の
半導体レーザ素子の温度特性よりも、優れた温度特性を
達成することができた。
上述の作成方法から、As分子線を照射しながら基板温
度を620°Cに上昇させる工程を省略した方法により
作成した半導体レーザ素子(比較例)では、その発振閾
値が上昇したため、室温での連続発振を実現することは
できなかった。これは、この半導体レーザ素子の第2導
電型Ga1nP層7の表面が大気との接触により汚染さ
れた後、MBE装置内で充分に清浄化されないまま、そ
の上に結晶層を成長させたためである。このため、比較
例の第2導電型GaInP層より上方に形成された結晶
層の結晶性が実施例のものに比べ劣ったものとなり、′
比較例のレーザ光の発光効率が低下するに至った。
次に、第4図を参照しながら、第4の実施例を説明する
まず、第1導電型GaAs基板l上に、第1導電型Ga
1nPバツフア層3、Ga I nP活性層5、及び第
2導電型GaInP層6を、この順番で基板側から、M
BE法により成長させた。これらの層の成長は、Pを分
子線源として扱うMBE装置内で通常のMBE法により
行った。
この後、基板1をそのMBE装置から外に取り出し、次
に、Asを分子線源として扱う他のMBE装置内に基板
1を導入した。
次に、このMBE装置内で、第2導電型Ga1nP層6
上にAs分子線を照射しながら、基板温度を620°C
に上昇させ、その状態を数分間維持するという工程を行
った。
この工程によって、GaInP層6の表面近傍のIn及
びPが、As分子線のAsと置換することにより、Ga
 I nPPO2表面近傍の数分干潮が、数分干潮°の
GaAs層8に変化した。
GaAs層8上に、第2導電型GaAs層9を成長させ
た後、第2導電型G a A’s層9及び基板1の裏面
に、電極23.22を形成した。
この後、電極23及び第2導電型GaAs層9の所定領
域を第2導電型GaInP層6の表面までエツチングす
ることにより、フォトダイオードの受光部を形成した。
次に、電極23、第2導電型GaAs層9、GaAs層
8、GaInP層6、Ga I nP活性層5及び第1
導電型GaInPバツフア層3の所定部分をエツチング
することにより、第4図に示すpIn型フォトダイオー
ドを作成した。
MBE装置内で、上述の第2導電型Ga I nP層6
上にAs分子線を照射しながら、基板温度を620°C
に上昇させる工程を行わないで作製したpin型フォト
ダイオードの感度に比較して、本実施例のpln型フォ
トダイオードの感度は優れたものであった。これは、M
BE法による層成長を一時的に休止した部分の成長層界
面に於ても、本実施例の方′法により、界面順位の形成
が低減されたためである。
このように、製造工程中に、GaAs基板に格子整合す
るAIGaInP結晶層の表面が汚染されたときでも、
その上に、高品質のAlGaAs結晶層を容易に形成す
ることができるので、高品質の半導体レーザ素子のみな
らず、フォトダイオード等の各種の化合物半導体装置を
提供することができる。
(発明の効果) このように本発明では、GaAs基板に格子整合した(
 A 1 yG a I−Y) [1,51n e;s
P結晶層(0≦Y≦1)の表面にAs分子線を照射しな
がら、該結晶層のInが蒸発する温度に該基板を昇温す
ることにより、該結晶層の表面を数分干潮のAlvG 
a +−yA S結晶層(0≦Y≦1)に変化させるこ
とができる。このため、 (A l yG a I−Y
) [1,51n11.5P結晶層の表面を)n浄化し
、しかも、 (Al−18= yG a +−y) a、s I n 1!、5Pから
のIn及びPの蒸発を防ぐことができる。
また、数分′子層の該A I yG a I−YA S
結晶層上に、A I XG a 1−XA S結晶層(
O≦X≦1)を形成すれば、該A 1 yG a +−
yA S結晶層の表面が清浄化されているため、該A 
I XG a I−XA S結晶層の結晶性は高品質な
ものとなる。
従って、本発明の化合物半導体層の製造方法によれば、
 (A 1 yG a I−Y) 11.5 I n 
8.sP結晶層上に優れた結晶性を有するA I XG
 a +−xA s結晶層を備えた高品質の化合物半導
体装置を提供することができる。
4、   の。 な言I 第1図は本発明の第1の実施例を示す断面図、第2図は
第2の実施例を示す断面図、第3図は第3の実施例を示
す断面図、第4図は第4の実施例を示す断面図、第5図
は従来例を示す断面図である。
I・・・第1導電型GaAs基板、2・・・第1導電型
GaAsバッファ層、3・・・第1導電型GaInPバ
ッファ層、4・・・第1導電型AIGaInP第1クラ
ツド層、5・・・GaInP活性層、6・・・第2導電
型AlGa’InP第2クラツド層、7・・・第2導電
型Ga I nP層、8− G a A s層、9・・
・第2導電型GaAsキャップ層、11・・・GaAs
基板、12−−・G a A sバッファ層、13−・
GalnP層、14−=AI Ga I nP層、15
・・・AlGaAs層、16−= A I G a A
 s層、17・−・GaAs層、18−−−AlGaA
s層、20 ・・・第2導電型GaInP層、21・・
・窒化シリコン22.23・・・電極。
以上

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、GaAs基板に格子整合する(Al_YGa_1_
    −_Y)_0_._5In_0_._5P結晶層(0≦
    Y≦1)を該基板上に形成する工程と、 該結晶層の表面にAs分子線を照射しながら、該結晶層
    のInが蒸発する温度に該基板を昇温することにより、
    該結晶層の表面を数分子層のAl_YGa_1_−_Y
    As結晶層(0≦Y≦1)に変化させる工程と、 Al_XGa_1_−_XAs結晶層(0≦X≦1)を
    該Al_YGa_1_−_YAs結晶層上に形成する工
    程と、を包含する化合物半導体層の製造方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US5441913A (en) * 1993-06-28 1995-08-15 Sumitomo Chemical Company, Limited Process of making a semiconductor epitaxial substrate
US6099640A (en) * 1997-09-03 2000-08-08 Nec Corporation Molecular beam epitaxial growth method

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