JPH04369830A - 化合物半導体単結晶エピタキシャル基板およびその成長方法 - Google Patents
化合物半導体単結晶エピタキシャル基板およびその成長方法Info
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- JPH04369830A JPH04369830A JP14719991A JP14719991A JPH04369830A JP H04369830 A JPH04369830 A JP H04369830A JP 14719991 A JP14719991 A JP 14719991A JP 14719991 A JP14719991 A JP 14719991A JP H04369830 A JPH04369830 A JP H04369830A
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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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はＩｎＰ単結晶基板上に，
気相エピタキシャル成長法によって形成する長波長帯半
導体レーザ素子用多重量子井戸構造に関し，特に多重量
子井戸構造の井戸層と障壁層を構成するＩＩＩ族元素の
組成比を等しくすることによって，簡便な結晶成長装置
で成長が可能であり，かつ結晶成長の歩留りが良好で、
長波長帯半導体レーザ素子などに用いられる高品質の化
合物半導体単結晶エピタキシャル基板およびその成長方
法に関する。
気相エピタキシャル成長法によって形成する長波長帯半
導体レーザ素子用多重量子井戸構造に関し，特に多重量
子井戸構造の井戸層と障壁層を構成するＩＩＩ族元素の
組成比を等しくすることによって，簡便な結晶成長装置
で成長が可能であり，かつ結晶成長の歩留りが良好で、
長波長帯半導体レーザ素子などに用いられる高品質の化
合物半導体単結晶エピタキシャル基板およびその成長方
法に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年，長波長帯レーザ素子の高性能化を
狙いとして，多重量子井戸構造の成長が主として有機金
属気相成長法により試みられている〔例えば、Ｅｌｅｃ
ｔｒｏｎ Ｌｅｔｔｅｒｓ，２５（１９８９）ｐ１７
３５〕。従来，多重量子井戸構造の成長には，基板単結
晶であるＩｎＰに格子整合した組成のＩｎ１−ｘＧａｘ
ＡｓｙＰ１−ｙ四元混晶を障壁層として用い，井戸層と
してはＩｎＰに格子整合した組成のＩｎ１−ｘＧａｘＡ
ｓ三元混晶が用いられているが，障壁層と井戸層のＩＩ
Ｉ族元素の組成比ｘおよびＶ族元素の組成比ｙは，井戸
層と障壁層で大きく異なるため，高温での熱処理により
井戸層と障壁層間での構成元素の相互拡散による組成変
動，いわゆる混晶化が発生し易い。このことは，多重量
子井戸構造を用いたレーザ素子の発振波長等の諸素子特
性の再現性低下の原因となり，製造歩留りを悪化させる
ばかりではなく，製造された素子の長期信頼性をも損な
うという問題がある。また，障壁層と井戸層のＩＩＩ族
元素の組成比ｘおよびＶ族元素の組成比ｙが大きく異な
るため，図２（ａ），（ｂ）に示すように，多重量子井
戸構造の結晶成長に際してＩＩＩ族およびＶ族元素の原
料供給量を井戸層と障壁層とでは変える必要があり，そ
のためには障壁層から井戸層，あるいは井戸層から障壁
層の成長に移行するに際して，成長を一時中断し，例え
ばＧａ原料の供給量を変化させ，一定値に落ち着くまで
待機した後で成長を再開するという手順が必要となる。 このことは，成長中断中の結晶表面の劣化，すなわちヘ
テロ界面の劣化が生じ易く，成長された結晶の特性のバ
ラツキの最大要因となる。言うまでもなく，多重量子井
戸構造ではヘテロ界面の数が多く，このことがバルクＤ
Ｈ結晶に比して結晶成長の歩留りを一般的に低下させる
原因となっている。また，井戸層と障壁層でＩＩＩ族元
素の組成比ｘおよびＶ族元素の組成比ｙの値が異なるた
め，ＩｎとＧａの原料化合物供給比を成長中断中に変化
させ，かつ成長の停止および開始時に原料供給量を一定
に保つための対策が不可欠であり，このため結晶成長装
置が複雑になり，装置の価格も高くなるなどの問題があ
った。
狙いとして，多重量子井戸構造の成長が主として有機金
属気相成長法により試みられている〔例えば、Ｅｌｅｃ
ｔｒｏｎ Ｌｅｔｔｅｒｓ，２５（１９８９）ｐ１７
３５〕。従来，多重量子井戸構造の成長には，基板単結
晶であるＩｎＰに格子整合した組成のＩｎ１−ｘＧａｘ
ＡｓｙＰ１−ｙ四元混晶を障壁層として用い，井戸層と
してはＩｎＰに格子整合した組成のＩｎ１−ｘＧａｘＡ
ｓ三元混晶が用いられているが，障壁層と井戸層のＩＩ
Ｉ族元素の組成比ｘおよびＶ族元素の組成比ｙは，井戸
層と障壁層で大きく異なるため，高温での熱処理により
井戸層と障壁層間での構成元素の相互拡散による組成変
動，いわゆる混晶化が発生し易い。このことは，多重量
子井戸構造を用いたレーザ素子の発振波長等の諸素子特
性の再現性低下の原因となり，製造歩留りを悪化させる
ばかりではなく，製造された素子の長期信頼性をも損な
うという問題がある。また，障壁層と井戸層のＩＩＩ族
元素の組成比ｘおよびＶ族元素の組成比ｙが大きく異な
るため，図２（ａ），（ｂ）に示すように，多重量子井
戸構造の結晶成長に際してＩＩＩ族およびＶ族元素の原
料供給量を井戸層と障壁層とでは変える必要があり，そ
のためには障壁層から井戸層，あるいは井戸層から障壁
層の成長に移行するに際して，成長を一時中断し，例え
ばＧａ原料の供給量を変化させ，一定値に落ち着くまで
待機した後で成長を再開するという手順が必要となる。 このことは，成長中断中の結晶表面の劣化，すなわちヘ
テロ界面の劣化が生じ易く，成長された結晶の特性のバ
ラツキの最大要因となる。言うまでもなく，多重量子井
戸構造ではヘテロ界面の数が多く，このことがバルクＤ
Ｈ結晶に比して結晶成長の歩留りを一般的に低下させる
原因となっている。また，井戸層と障壁層でＩＩＩ族元
素の組成比ｘおよびＶ族元素の組成比ｙの値が異なるた
め，ＩｎとＧａの原料化合物供給比を成長中断中に変化
させ，かつ成長の停止および開始時に原料供給量を一定
に保つための対策が不可欠であり，このため結晶成長装
置が複雑になり，装置の価格も高くなるなどの問題があ
った。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は，長波
長帯レーザ素子などに用いられる多重量子井戸結晶成長
における従来の問題点を改善し，安定性に優れた発光波
長１．２μｍ〜１．６７μｍの長波長帯レーザ素子用多
重量子井戸結晶を，簡便な成長装置で，かつ高歩留りで
結晶成長が実現できる化合物半導体単結晶エピタキシャ
ル基板およびその成長方法を提供することにある。
長帯レーザ素子などに用いられる多重量子井戸結晶成長
における従来の問題点を改善し，安定性に優れた発光波
長１．２μｍ〜１．６７μｍの長波長帯レーザ素子用多
重量子井戸結晶を，簡便な成長装置で，かつ高歩留りで
結晶成長が実現できる化合物半導体単結晶エピタキシャ
ル基板およびその成長方法を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に，本発明の化合物半導体単結晶エピタキシャル基板は
，例えば図１（ａ）に示すごとく，井戸層４と障壁層５
のＩＩＩ族元素の組成比（ｘ）をｘ＝ｘ２＝ｘ３と等し
くし，Ｖ族元素の組成比（ｙ）のみを井戸層４（ｙ＝ｙ
２）と障壁層５（ｙ＝ｙ３）で変える（ｙ２≠ｙ３）こ
とで，多重量子井戸構造を構成している。したがって本
発明の化合物半導体単結晶エピタキシャル基板は，井戸
層と障壁層の少なくともどちらか一層が，ＩｎＰ単結晶
基板に対して格子不整合を有する多重量子井戸構造であ
り，いわゆる歪超格子と呼ばれている構造となる。この
ように，井戸層と障壁層のＩＩＩ族元素の組成比（ｘ）
を等しくし，かつ井戸層および障壁層共にＩｎ１−ｘＧ
ａｘＡｓｙＰ１−ｙなる組成の四元混晶系を用いること
で，多重量子井戸構造で問題となる井戸層と障壁層との
間で生じる構成元素相互拡散（混晶化）による発光波長
の変動や，超格子構造の破壊を最小限度に抑えることが
可能となる。
に，本発明の化合物半導体単結晶エピタキシャル基板は
，例えば図１（ａ）に示すごとく，井戸層４と障壁層５
のＩＩＩ族元素の組成比（ｘ）をｘ＝ｘ２＝ｘ３と等し
くし，Ｖ族元素の組成比（ｙ）のみを井戸層４（ｙ＝ｙ
２）と障壁層５（ｙ＝ｙ３）で変える（ｙ２≠ｙ３）こ
とで，多重量子井戸構造を構成している。したがって本
発明の化合物半導体単結晶エピタキシャル基板は，井戸
層と障壁層の少なくともどちらか一層が，ＩｎＰ単結晶
基板に対して格子不整合を有する多重量子井戸構造であ
り，いわゆる歪超格子と呼ばれている構造となる。この
ように，井戸層と障壁層のＩＩＩ族元素の組成比（ｘ）
を等しくし，かつ井戸層および障壁層共にＩｎ１−ｘＧ
ａｘＡｓｙＰ１−ｙなる組成の四元混晶系を用いること
で，多重量子井戸構造で問題となる井戸層と障壁層との
間で生じる構成元素相互拡散（混晶化）による発光波長
の変動や，超格子構造の破壊を最小限度に抑えることが
可能となる。
【０００５】
【実施例】以下に本発明の実施例を挙げ，図面を用いて
さらに詳細に説明する。図１（ａ）は本発明の化合物半
導体単結晶エピタキシャル基板の多重量子井戸構造の一
例を示す模式図で，図１（ｂ）は，本発明の結晶成長方
法における原料ガス供給タイムチャートの一例を示す。 図１（ａ）に示すごとく，多重量子井戸構造は，ＩｎＰ
単結晶基板１，ＩｎＰバッファ層２，Ｉｎ１−ｘＧａｘ
ＡｓｙＰ１−ｙバッファ（ガイド）層３，Ｉｎ１−ｘＧ
ａｘＡｓｙＰ１−ｙ井戸層４，Ｉｎ１−ｘＧａｘＡｓｙ
Ｐ１−ｙ障壁層５，Ｉｎ１−ｘＧａｘＡｓｙＰ１−ｙガ
イド（バッファ）層６およびＩｎＰオーバクラッド層７
からなる。そして，図１（ｂ）は，Ｉｎ原料ガス８，Ｇ
ａ原料ガス９，Ｐ原料ガス１０，Ａｓ原料ガス１１のそ
れぞれの供給量の時間変化を示す。おのおのについて，
縦軸が原料ガス供給量（流量）を，横軸が時間を表わす
。そして，井戸層成長時間間隔１２，障壁層成長時間間
隔１３は，おのおの井戸層と障壁層の成長に対応する時
間間隔を示す。なお，図１（ｂ）は多重量子井戸（超格
子）の成長に関する部分のみを抜き出して示したもので
ある。本実施例においては，発光波長１．５５μｍの多
重量子井戸エピタキシャル基板について説明する。従来
の多重量子井戸構造では，図２（ａ）に示すごとく，障
壁層５および井戸層４１に，おのおのＩｎＰ基板１に格
子整合したＩｎ１−ｘＧａｘＡｓｙＰ１−ｙ四元混晶，
Ｉｎ１−ｘＧａｘＡｓ三元混晶を用いており，ＩＩＩ族
元素の組成比ｘおよびＶ族元素の組成比ｙは，井戸層で
はｘ＝ｘ５＝０．４７，ｙ＝ｙ５＝１．０となり，障壁
層ではｘ＝ｘ３＝０．２９，ｙ＝ｙ３＝０．６３となる
。これに対して本発明の実施例においては，図１（ａ）
に示すごとく，障壁層５を従来例と同じようにｘ３＝０
．２９，ｙ３＝０．６３とした場合，約１％の圧縮歪を
持つ井戸層４のＩＩＩ族元素の組成比ｘおよびＶ族元素
の組成比ｙは，おのおのｘ２＝ｘ３＝０．２９，ｙ２＝
０．８５となり，ＩＩＩ族元素の組成比ｘが等しいだけ
ではなく，Ｖ族元素の組成比ｙの井戸層４と障壁層５の
差も小さくなっている。混晶化，すなわち井戸層４と障
壁層５の間での構成元素の相互拡散が生じる原因は組成
比の差であり，したがって本発明の多重量子井戸構造で
は混晶化が生じ難くなり，レーザ素子の製造歩留りおよ
び長期信頼性の向上をはかることができる。また，ＩＩ
Ｉ族元素の組成比ｘが井戸層４と障壁層５で等しいこと
から，以下に示すごとく，極めて簡便な方法で多重量子
井戸構造を成長させることが可能となる。すなわち，図
１（ｂ）に示すように，本発明の多重量子井戸（歪超格
子）構造を成長させるに際して，Ａｓ原料ガス１１の供
給量のみを井戸層４と障壁層５の成長時に変えるだけで
よく，他の結晶成長用原料ガスであるＩｎ原料ガス８，
Ｇａ原料ガス９，Ｐ原料ガス１０は，常時一定値の流量
で供給し続けるだけである。したがって，成長装置とし
て，Ａｓ原料ガス１１の供給系のみに急峻な流量切り替
えが要求されるだけであって，装置構成を極めて単純化
することが可能となる。
さらに詳細に説明する。図１（ａ）は本発明の化合物半
導体単結晶エピタキシャル基板の多重量子井戸構造の一
例を示す模式図で，図１（ｂ）は，本発明の結晶成長方
法における原料ガス供給タイムチャートの一例を示す。 図１（ａ）に示すごとく，多重量子井戸構造は，ＩｎＰ
単結晶基板１，ＩｎＰバッファ層２，Ｉｎ１−ｘＧａｘ
ＡｓｙＰ１−ｙバッファ（ガイド）層３，Ｉｎ１−ｘＧ
ａｘＡｓｙＰ１−ｙ井戸層４，Ｉｎ１−ｘＧａｘＡｓｙ
Ｐ１−ｙ障壁層５，Ｉｎ１−ｘＧａｘＡｓｙＰ１−ｙガ
イド（バッファ）層６およびＩｎＰオーバクラッド層７
からなる。そして，図１（ｂ）は，Ｉｎ原料ガス８，Ｇ
ａ原料ガス９，Ｐ原料ガス１０，Ａｓ原料ガス１１のそ
れぞれの供給量の時間変化を示す。おのおのについて，
縦軸が原料ガス供給量（流量）を，横軸が時間を表わす
。そして，井戸層成長時間間隔１２，障壁層成長時間間
隔１３は，おのおの井戸層と障壁層の成長に対応する時
間間隔を示す。なお，図１（ｂ）は多重量子井戸（超格
子）の成長に関する部分のみを抜き出して示したもので
ある。本実施例においては，発光波長１．５５μｍの多
重量子井戸エピタキシャル基板について説明する。従来
の多重量子井戸構造では，図２（ａ）に示すごとく，障
壁層５および井戸層４１に，おのおのＩｎＰ基板１に格
子整合したＩｎ１−ｘＧａｘＡｓｙＰ１−ｙ四元混晶，
Ｉｎ１−ｘＧａｘＡｓ三元混晶を用いており，ＩＩＩ族
元素の組成比ｘおよびＶ族元素の組成比ｙは，井戸層で
はｘ＝ｘ５＝０．４７，ｙ＝ｙ５＝１．０となり，障壁
層ではｘ＝ｘ３＝０．２９，ｙ＝ｙ３＝０．６３となる
。これに対して本発明の実施例においては，図１（ａ）
に示すごとく，障壁層５を従来例と同じようにｘ３＝０
．２９，ｙ３＝０．６３とした場合，約１％の圧縮歪を
持つ井戸層４のＩＩＩ族元素の組成比ｘおよびＶ族元素
の組成比ｙは，おのおのｘ２＝ｘ３＝０．２９，ｙ２＝
０．８５となり，ＩＩＩ族元素の組成比ｘが等しいだけ
ではなく，Ｖ族元素の組成比ｙの井戸層４と障壁層５の
差も小さくなっている。混晶化，すなわち井戸層４と障
壁層５の間での構成元素の相互拡散が生じる原因は組成
比の差であり，したがって本発明の多重量子井戸構造で
は混晶化が生じ難くなり，レーザ素子の製造歩留りおよ
び長期信頼性の向上をはかることができる。また，ＩＩ
Ｉ族元素の組成比ｘが井戸層４と障壁層５で等しいこと
から，以下に示すごとく，極めて簡便な方法で多重量子
井戸構造を成長させることが可能となる。すなわち，図
１（ｂ）に示すように，本発明の多重量子井戸（歪超格
子）構造を成長させるに際して，Ａｓ原料ガス１１の供
給量のみを井戸層４と障壁層５の成長時に変えるだけで
よく，他の結晶成長用原料ガスであるＩｎ原料ガス８，
Ｇａ原料ガス９，Ｐ原料ガス１０は，常時一定値の流量
で供給し続けるだけである。したがって，成長装置とし
て，Ａｓ原料ガス１１の供給系のみに急峻な流量切り替
えが要求されるだけであって，装置構成を極めて単純化
することが可能となる。
【０００６】以下に，フォトルミネセンス（ＰＬ）波長
が１．３１μｍの歪超格子結晶を，有機金属気相成長法
で成長する場合の一例について，図１（ａ），（ｂ）を
参照しながら説明する。なお，ＩｎＰバッファ層２，Ｉ
ｎＰオーバクラッド層７，Ｉｎ１−ｘＧａｘＡｓｙＰ１
−ｙバッファ層３，Ｉｎ１−ｘ４Ｇａｘ４Ａｓｙ４Ｐ１
−ｙ４ガイド層６の成長は，公知の方法〔例えば、Ｔｈ
ｅ ＭＯＣＶＤ Ｃｈａｌｌｅｎｇｅ Ｖｏｌ．
１，“Ａ Ｓｕｒｖｅｎ ｏｆ ＧａＩｎＡｓＰ
−ＩｎＰ ｆｏｒ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ ａｎｄ
Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ
” Ａｄａｍ Ｈｉｌｇｅｒ，Ｂｒｉｓｔｏｌ
ａｎｄ Ｐｈｉｌａｄｅｌｐｈｉａ，１９８９〕で実
施可能であり，ここでは説明を省略する。なお，Ｉｎ，
Ｇａ，Ｐ，Ａｓ原料ガスとして，おのおのトリメチルイ
ンジウム（ＴＭＩ），トリエチルガリウム（ＴＥＧ），
ホォスフィン（ＰＨ３），アルシン（ＡｓＨ３）を用い
，キャリアガスとしては水素ガス（Ｈ２）を用いた。Ｔ
ＭＩの流量は，ＩｎＰの成長速度が１．０μｍ／ｈｒと
なるように調整し，その時のキャリアガス流量は１４０
ｓｃｃｍ（立方センチメートル／分）であった。障壁層
成長時のＴＥＧ，ＰＨ３および ＡｓＨ３の流量は，
おのおの７，４８および０．７ｓｃｃｍであり，井戸層
成長時には，ＴＭＩ，ＴＥＧ，ＰＨ３の流量を障壁層成
長時と等しく１４０，７，４８ｓｃｃｍとし，ＡｓＨ３
供給量のみを２．１ｓｃｃｍに増加させた。このように
，障壁層５と井戸層４でＩＩＩ族元素（ＴＭＩ，ＴＥＧ
）の供給量を等しく保っているため，障壁層５と井戸層
４のＩＩＩ族元素の組成比ｘは，ｘ＝０．１７と等しく
なっている。Ｖ族元素の組成比ｙは，障壁層５ではｙ＝
０．５５であり，ＩｎＰ単結晶基板１にほぼ格子整合す
るように選んであるが，井戸層４ではｙ＝０．６６であ
り，約１％の格子不整量を有する歪多重量子井戸あるい
は歪超格子構造になっている。本実施例の歪超格子は，
フォトルミネセンス（ＰＬ）波長が１．３１μｍであり
，その室温での半値全幅は３５ｍｅＶと小さく，良好な
ヘテロ界面が形成されていることを示している。さらに
，ｘ線回折パタンの測定を行った結果，理論計算結果と
良好な一致が得られ，結晶学的にもほぼ理想的な超格子
構造が形成されていた。また，井戸数を８とした結晶を
用いて埋め込みレーザ素子を試作したところ，しきい値
電流値（Ｉｔｈ）＝１０ｍＡ，片面での量子効率（η）
＝３０％（両面へき開）と優れた特性が得られた。なお
，バッファ層３およびガイド層６のＩＩＩ族元素の組成
比ｘおよびｙは障壁層５と等しくしてあるが，バッファ
層３およびガイド層６のＩＩＩ族元素の組成比ｘおよび
ｙは，障壁層５のＩＩＩ族元素の組成比ｘと等しくする
必要はなく，ＩｎＰ単結晶基板にほぼ格子整合する値で
あれば良い。さらに，本実施例ではＩｎＰ単結晶基板１
とバッファ層２をｐ形，Ｉｎ１−ｘＧａｘＡｓｙＰ１−
ｙガイド層６とＩｎＰオーバクラッド層７をｎ形とした
が，もちろん，ＩｎＰ単結晶基板１とバッファ層２をｎ
形とし，ガイド層６とオーバクラッド層７をｐ形として
も上記と同様に良好なレーザ特性が得られることは言う
までもない。本実施例では，ＰＬ波長が１．３μｍの場
合について説明したが，容易に類推できるように，他の
発光波長を有する歪超格子結晶を成長させることも，本
実施例と同様にして成長が可能である。例えば，ＴＥＧ
供給量を１５ｓｃｃｍとし，図１（ｂ）に示す障壁層成
長時間間隔１３および井戸層成長時間間隔１２のＡｓＨ
３流量を，おのおの２．８ｓｃｃｍおよび１５ｓｃｃｍ
とすれば格子不整量約１％で，ＰＬ発光波長１．５５μ
ｍの歪超格子を成長させることができた。このとき，Ｉ
ＩＩ族元素の組成比ｘは，ｘ＝０．２９であり，Ｖ族元
素の組成比ｙは，障壁層５および井戸層４で，おのおの
ｙ＝０．６３およびｙ＝０．８５であった。また，本実
施例では井戸層４の成長を，ＡｓＨ３供給量のみを変化
させることで行ったが，ＰＨ３供給量も同時に変化させ
るか，あるいはＡｓＨ３供給量の代わりにＰＨ３供給量
のみを変化させても多重量子井戸構造が成長できること
は言うまでもない。また，結晶成長用原料ガスとしてＴ
ＭＩ，ＴＥＧ，ＡｓＨ３，ＰＨ３を用いたが，もちろん
これらに限定されるものではなく，これらの代わりにＴ
ＥＩ，ＴＭＧ，ＴＢＰ，ＴＢＡ等を用いても同様の効果
が得られる。以上，有機金属気相成長法を用いた場合に
ついて説明したが，本発明の多重量子井戸構造の成長方
法は，他の成長法でも実施することが可能であり，例え
ばＭＯＭＢＥ法，ＣＢＥ法等の，いわゆるＭＢＥ法，さ
らには通常の場合には，ＩＩＩ族元素を含む原料ガス供
給量の急峻な切り替えが困難であるため，一般に超格子
構造の成長は容易ではないクロライドおよびハイドライ
ドＶＰＥ法においても，本発明のＶ族元素を含む原料ガ
スの流量切り替えのみができればよいため成長に使用す
ることが可能である。
が１．３１μｍの歪超格子結晶を，有機金属気相成長法
で成長する場合の一例について，図１（ａ），（ｂ）を
参照しながら説明する。なお，ＩｎＰバッファ層２，Ｉ
ｎＰオーバクラッド層７，Ｉｎ１−ｘＧａｘＡｓｙＰ１
−ｙバッファ層３，Ｉｎ１−ｘ４Ｇａｘ４Ａｓｙ４Ｐ１
−ｙ４ガイド層６の成長は，公知の方法〔例えば、Ｔｈ
ｅ ＭＯＣＶＤ Ｃｈａｌｌｅｎｇｅ Ｖｏｌ．
１，“Ａ Ｓｕｒｖｅｎ ｏｆ ＧａＩｎＡｓＰ
−ＩｎＰ ｆｏｒ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ ａｎｄ
Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ
” Ａｄａｍ Ｈｉｌｇｅｒ，Ｂｒｉｓｔｏｌ
ａｎｄ Ｐｈｉｌａｄｅｌｐｈｉａ，１９８９〕で実
施可能であり，ここでは説明を省略する。なお，Ｉｎ，
Ｇａ，Ｐ，Ａｓ原料ガスとして，おのおのトリメチルイ
ンジウム（ＴＭＩ），トリエチルガリウム（ＴＥＧ），
ホォスフィン（ＰＨ３），アルシン（ＡｓＨ３）を用い
，キャリアガスとしては水素ガス（Ｈ２）を用いた。Ｔ
ＭＩの流量は，ＩｎＰの成長速度が１．０μｍ／ｈｒと
なるように調整し，その時のキャリアガス流量は１４０
ｓｃｃｍ（立方センチメートル／分）であった。障壁層
成長時のＴＥＧ，ＰＨ３および ＡｓＨ３の流量は，
おのおの７，４８および０．７ｓｃｃｍであり，井戸層
成長時には，ＴＭＩ，ＴＥＧ，ＰＨ３の流量を障壁層成
長時と等しく１４０，７，４８ｓｃｃｍとし，ＡｓＨ３
供給量のみを２．１ｓｃｃｍに増加させた。このように
，障壁層５と井戸層４でＩＩＩ族元素（ＴＭＩ，ＴＥＧ
）の供給量を等しく保っているため，障壁層５と井戸層
４のＩＩＩ族元素の組成比ｘは，ｘ＝０．１７と等しく
なっている。Ｖ族元素の組成比ｙは，障壁層５ではｙ＝
０．５５であり，ＩｎＰ単結晶基板１にほぼ格子整合す
るように選んであるが，井戸層４ではｙ＝０．６６であ
り，約１％の格子不整量を有する歪多重量子井戸あるい
は歪超格子構造になっている。本実施例の歪超格子は，
フォトルミネセンス（ＰＬ）波長が１．３１μｍであり
，その室温での半値全幅は３５ｍｅＶと小さく，良好な
ヘテロ界面が形成されていることを示している。さらに
，ｘ線回折パタンの測定を行った結果，理論計算結果と
良好な一致が得られ，結晶学的にもほぼ理想的な超格子
構造が形成されていた。また，井戸数を８とした結晶を
用いて埋め込みレーザ素子を試作したところ，しきい値
電流値（Ｉｔｈ）＝１０ｍＡ，片面での量子効率（η）
＝３０％（両面へき開）と優れた特性が得られた。なお
，バッファ層３およびガイド層６のＩＩＩ族元素の組成
比ｘおよびｙは障壁層５と等しくしてあるが，バッファ
層３およびガイド層６のＩＩＩ族元素の組成比ｘおよび
ｙは，障壁層５のＩＩＩ族元素の組成比ｘと等しくする
必要はなく，ＩｎＰ単結晶基板にほぼ格子整合する値で
あれば良い。さらに，本実施例ではＩｎＰ単結晶基板１
とバッファ層２をｐ形，Ｉｎ１−ｘＧａｘＡｓｙＰ１−
ｙガイド層６とＩｎＰオーバクラッド層７をｎ形とした
が，もちろん，ＩｎＰ単結晶基板１とバッファ層２をｎ
形とし，ガイド層６とオーバクラッド層７をｐ形として
も上記と同様に良好なレーザ特性が得られることは言う
までもない。本実施例では，ＰＬ波長が１．３μｍの場
合について説明したが，容易に類推できるように，他の
発光波長を有する歪超格子結晶を成長させることも，本
実施例と同様にして成長が可能である。例えば，ＴＥＧ
供給量を１５ｓｃｃｍとし，図１（ｂ）に示す障壁層成
長時間間隔１３および井戸層成長時間間隔１２のＡｓＨ
３流量を，おのおの２．８ｓｃｃｍおよび１５ｓｃｃｍ
とすれば格子不整量約１％で，ＰＬ発光波長１．５５μ
ｍの歪超格子を成長させることができた。このとき，Ｉ
ＩＩ族元素の組成比ｘは，ｘ＝０．２９であり，Ｖ族元
素の組成比ｙは，障壁層５および井戸層４で，おのおの
ｙ＝０．６３およびｙ＝０．８５であった。また，本実
施例では井戸層４の成長を，ＡｓＨ３供給量のみを変化
させることで行ったが，ＰＨ３供給量も同時に変化させ
るか，あるいはＡｓＨ３供給量の代わりにＰＨ３供給量
のみを変化させても多重量子井戸構造が成長できること
は言うまでもない。また，結晶成長用原料ガスとしてＴ
ＭＩ，ＴＥＧ，ＡｓＨ３，ＰＨ３を用いたが，もちろん
これらに限定されるものではなく，これらの代わりにＴ
ＥＩ，ＴＭＧ，ＴＢＰ，ＴＢＡ等を用いても同様の効果
が得られる。以上，有機金属気相成長法を用いた場合に
ついて説明したが，本発明の多重量子井戸構造の成長方
法は，他の成長法でも実施することが可能であり，例え
ばＭＯＭＢＥ法，ＣＢＥ法等の，いわゆるＭＢＥ法，さ
らには通常の場合には，ＩＩＩ族元素を含む原料ガス供
給量の急峻な切り替えが困難であるため，一般に超格子
構造の成長は容易ではないクロライドおよびハイドライ
ドＶＰＥ法においても，本発明のＶ族元素を含む原料ガ
スの流量切り替えのみができればよいため成長に使用す
ることが可能である。
【０００７】
【発明の効果】以上詳細に説明したごとく，本発明の多
重量子井戸構造の井戸層と障壁層とを共にＩｎ１−ｘＧ
ａｘＡｓｙＰ１−ｙ混晶となし，かつＩＩＩ族元素の組
成比を，井戸層と障壁層とで等しくすることで，ヘテロ
界面で成長を中断することなく，かつ簡単な成長装置の
構成で，高品質の長波長帯多重量子井戸構造の結晶を，
再現性および安定性よく，実用的な成長歩留りでもって
成長させることができる。また，従来の成長方法で多重
量子井戸構造を成長させるには，複雑な装置構成となり
，かつ極めて高精度な流量および圧力制御が不可欠であ
ったが，本発明によれば必要最小限の装置構成で，高品
質の多重量子井戸構造を成長させることが可能となり，
したがって装置および製品の製造コストを低く抑えるこ
とができ，経済的効果は大きい。
重量子井戸構造の井戸層と障壁層とを共にＩｎ１−ｘＧ
ａｘＡｓｙＰ１−ｙ混晶となし，かつＩＩＩ族元素の組
成比を，井戸層と障壁層とで等しくすることで，ヘテロ
界面で成長を中断することなく，かつ簡単な成長装置の
構成で，高品質の長波長帯多重量子井戸構造の結晶を，
再現性および安定性よく，実用的な成長歩留りでもって
成長させることができる。また，従来の成長方法で多重
量子井戸構造を成長させるには，複雑な装置構成となり
，かつ極めて高精度な流量および圧力制御が不可欠であ
ったが，本発明によれば必要最小限の装置構成で，高品
質の多重量子井戸構造を成長させることが可能となり，
したがって装置および製品の製造コストを低く抑えるこ
とができ，経済的効果は大きい。
【図１】図１（ａ）は，本発明の実施例において例示し
た化合物半導体単結晶エピタキシャル基板の構成の一例
を示す模式図，および図１（ｂ）は，結晶成長用原料供
給のタイムチャートを示す説明図。
た化合物半導体単結晶エピタキシャル基板の構成の一例
を示す模式図，および図１（ｂ）は，結晶成長用原料供
給のタイムチャートを示す説明図。
【図２】従来の多重量子井戸構造を有する化合物半導体
単結晶エピタキシャル基板の構成を示す模式図。および
図２（ｂ）は，結晶成長用原料供給のタイムチャートを
示す説明。
単結晶エピタキシャル基板の構成を示す模式図。および
図２（ｂ）は，結晶成長用原料供給のタイムチャートを
示す説明。
１…ＩｎＰ単結晶基板
２…ＩｎＰバッファ層
３…Ｉｎ１−ｘ１Ｇａｘ１Ａｓｙ１Ｐ１−ｙ１バッファ
（ガイド）層４…Ｉｎ１−ｘ２Ｇａｘ２Ａｓｙ２Ｐ１−
ｙ２井戸層５…Ｉｎ１−ｘ３Ｇａｘ３Ａｓｙ３Ｐ１−ｙ
３障壁層６…Ｉｎ１−ｘ４Ｇａｘ４Ａｓｙ４Ｐ１−ｙ４
ガイド（バッファ）層７…ＩｎＰオーバクラッド層 ８…Ｉｎ原料ガス ９…Ｇａ原料ガス １０…Ｐ原料ガス １１…Ａｓ原料ガス １２…井戸層成長時間間隔 １３…障壁層成長時間間隔 １４…成長中断時間間隔１ １５…成長中断時間間隔２
（ガイド）層４…Ｉｎ１−ｘ２Ｇａｘ２Ａｓｙ２Ｐ１−
ｙ２井戸層５…Ｉｎ１−ｘ３Ｇａｘ３Ａｓｙ３Ｐ１−ｙ
３障壁層６…Ｉｎ１−ｘ４Ｇａｘ４Ａｓｙ４Ｐ１−ｙ４
ガイド（バッファ）層７…ＩｎＰオーバクラッド層 ８…Ｉｎ原料ガス ９…Ｇａ原料ガス １０…Ｐ原料ガス １１…Ａｓ原料ガス １２…井戸層成長時間間隔 １３…障壁層成長時間間隔 １４…成長中断時間間隔１ １５…成長中断時間間隔２
Claims (3)
- 【請求項１】リン化インジウム（ＩｎＰ）単結晶基板上
に，気相エピタキシャル成長法により，井戸層および障
壁層を交互に積層して形成した多重量子井戸構造を有す
る化合物半導体単結晶エピタキシャル基板において，多
重量子井戸を構成する井戸層および障壁層共に一般式，
Ｉｎ１−ｘＧａｘＡｓｙＰ１−ｙ （式中，ｘはＩＩＩ族元素の組成比，ｙはＶ族元素の組
成比を表わす。）で示される組成の四元混晶よりなり，
かつ上記井戸層および障壁層のＩＩＩ族元素の組成比ｘ
をほぼ等しくしたことを特徴とする化合物半導体単結晶
エピタキシャル基板。 - 【請求項２】リン化インジウム（ＩｎＰ）単結晶基板上
に，気相エピタキシャル成長法により，井戸層および障
壁層を交互に積層して形成した多重量子井戸構造を有す
る化合物半導体単結晶エピタキシャル基板において，上
記多重量子井戸構造の上下を，井戸層および障壁層と等
しいＩＩＩ族元素の組成比ｘを有する一般式，Ｉｎ１−
ｘＧａｘＡｓｙＰ１−ｙ （式中，ｘはＩＩＩ族元素の組成比，ｙはＶ族元素の組
成比を表わす。）で示される組成の四元混晶で挾んで構
成した活性層よりなる化合物半導体単結晶エピタキシャ
ル基板。 - 【請求項３】リン化インジウム（ＩｎＰ）単結晶基板上
に，気相エピタキシャル成長法により，井戸層および障
壁層を交互に積層して形成した多重量子井戸構造を有す
る化合物半導体単結晶エピタキシャル基板の成長方法に
おいて，上記多重量子井戸構造の井戸層および障壁層の
結晶成長に際して，インジウム（Ｉｎ）およびガリウム
（Ｇａ）の原料化合物の供給量をほぼ同一に維持した状
態で，ヒ素（Ａｓ）もしくはリン（Ｐ）の原料化合物の
供給量を変化させて気相エピタキシャル成長法によって
多重量子井戸構造の化合物半導体単結晶エピタキシャル
基板を形成することを特徴とする結晶成長方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3147199A JP2587150B2 (ja) | 1991-06-19 | 1991-06-19 | 化合物半導体単結晶エピタキシャル基板およびその成長方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3147199A JP2587150B2 (ja) | 1991-06-19 | 1991-06-19 | 化合物半導体単結晶エピタキシャル基板およびその成長方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04369830A true JPH04369830A (ja) | 1992-12-22 |
| JP2587150B2 JP2587150B2 (ja) | 1997-03-05 |
Family
ID=15424799
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3147199A Expired - Lifetime JP2587150B2 (ja) | 1991-06-19 | 1991-06-19 | 化合物半導体単結晶エピタキシャル基板およびその成長方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2587150B2 (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH08102566A (ja) * | 1994-09-30 | 1996-04-16 | Nec Corp | 量子井戸構造光半導体装置及びその製造方法 |
| JP2002151795A (ja) * | 2000-11-10 | 2002-05-24 | Sharp Corp | 窒化物半導体発光素子、光ピックアップ装置、白色光源装置および表示装置 |
| JP2016100427A (ja) * | 2014-11-20 | 2016-05-30 | 日本電信電話株式会社 | 量子ドットナノワイヤおよびその製造方法並びに発光素子 |
-
1991
- 1991-06-19 JP JP3147199A patent/JP2587150B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH08102566A (ja) * | 1994-09-30 | 1996-04-16 | Nec Corp | 量子井戸構造光半導体装置及びその製造方法 |
| JP2002151795A (ja) * | 2000-11-10 | 2002-05-24 | Sharp Corp | 窒化物半導体発光素子、光ピックアップ装置、白色光源装置および表示装置 |
| JP2016100427A (ja) * | 2014-11-20 | 2016-05-30 | 日本電信電話株式会社 | 量子ドットナノワイヤおよびその製造方法並びに発光素子 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2587150B2 (ja) | 1997-03-05 |
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