JPH0521355A - 気相成長方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 燐を含む複数のＶ族元素或いは、燐とVI族純
物元素を含む結晶の III−Ｖ族化合物半導体の有機金属
気相成長方法において、固相中のＶ族組成及びVI族濃度
のコントロールを容易に行うこと。 【構成】 反応容器３１内に原料ガスとして、ガリウム
の有機金属化合物，インジウムの有機金属化合物，燐の
水素化物及び砒素の水素化物を導入して、基板３２上に
Ｇａ_x Ｉｎ_1-x Ａｓ_y Ｐ_1-y を成長形成する有機金属気
相成長方法において、予め水素化物の供給量［Ｐ
Ｈ₃ ］，［ＡｓＨ₃ ］と、形成された化合物半導体層中
の砒素の割合ｙ及び燐の割合（１−ｙ）とを測定して、 ｛［ＡｓＨ₃ ］／ｙ｝／｛［ＰＨ₃ ］^1/2 ／（１−
ｙ）｝＝Ｃ で定まる比例係数Ｃを求め、この比例係数Ｃを元に、形
成すべき化合物半導体層に対する水素化物供給量［ＰＨ
₃ ］，［ＡｓＨ₃ ］をそれぞれ設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燐を含む III−Ｖ族化
合物半導体の有機金属気相成長方法に係り、特に、ヘテ
ロ接合，組成が連続的に変化する層，或いは不純物濃度
が結晶中で変化する結晶層の成長に適した気相成長方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体レーザやヘテロバイポーラトラン
ジスタ等においては、結晶中で組成が連続的に変化する
構造を用いることにより、その特性が改善されることが
知られている。近年、このような構造の半導体デバイス
をＧａＩｎＡｓＰ結晶を用いて形成することが試みられ
ている。

【０００３】ＧａＩｎＡｓＰ結晶を用いて半導体デバイ
スを作製する際は、この結晶の組成を、ＩｎＰ基板或い
はＧａＡｓ基板にほぼ格子整合するようにコントロール
する必要がある。しかし、ＧａＩｎＡｓＰ結晶は蒸気圧
の高いＶ族元素を複数含むため、組成のコントロールが
難しい。このため、上記高性能半導体デバイスを形成す
るために、ＧａＩｎＡｓＰ結晶の組成を、連続的に変え
るのではなくて、中間の何点かの格子整合する組成で、
組成を不連続に変えることが試みられている。また、中
間の各組成の成長条件を直線補完することにより、全体
として必要なだけ組成を変化させ、なおかつ大きな格子
不整合の無い結晶を成長することが試みられている。

【０００４】しかしながら、この種の方法では、変化さ
せる組成の途中の組成の結晶を成長する条件を何点も、
詳細に調べなければならない。このため、効率が悪く実
用上大きな問題となる。また、結晶中の組成を思ったよ
うに変えることはできず、所望の結晶を得ることができ
ない、という問題があった。

【０００５】また、燐よりも蒸気圧の低いＶ族，VI族元
素は、燐よりも吸着効率が高いために、低濃度に添加す
ることが難しかった。燐原料ガスの供給量を増やせば添
加効率が下がることは知られているが、その下がり方が
明確でなく、燐原料の供給量を変えることで、添加量を
制御することは難しかった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このように従来の気相
成長方法においては、組成が連続的に変化する層を含む
半導体デバイスを形成しようとすると、作業量が多く、
効率も悪く、実用性が極めて低い。また、狙った通りの
設計でデバイスが形成できないといった問題があった。

【０００７】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、ＧａＩｎＡｓＰ系等の
燐を含む III−Ｖ化合物半導体層に、燐よりも蒸気圧の
低いＶ，VI族元素を低濃度に制御性良く添加することの
できる気相成長方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の骨子は、ＡｌＧ
ａＩｎＡｓＰ結晶や、Ｓｅ又はＴｅをドーピングしたＩ
ｎＰ結晶のように、燐と、燐よりも蒸気圧の低いＶ又は
VI族元素αとを含む化合物半導体層を成長する際に、燐
の結晶中への取り込まれが原料供給量の１／２乗に比例
し、燐よりも蒸気圧の低い元素Ａの取り込まれが原料供
給量に比例することを利用して結晶成長を行うことにあ
る。

【０００９】即ち、本発明（請求項１）は、III 族元素
と燐及び燐よりも蒸気圧の低いＶ族又はVI族元素αを含
む半導体層を、III 族有機金属化合物と燐の水素化合物
及び元素αの水素化合物を用いて成長形成する有機金属
気相成長方法において、予め水素化物原料の供給量［Ｐ
Ｈ₃ ］，［αＨａ］（ａ＝２又は３）と、形成された化
合物半導体層中の元素αの割合ｙ及び燐の割合（１−
ｙ）とを測定して、 ｛［αＨａ］／ｙ｝／｛［ＰＨ₃ ］^1/2 ／（１−ｙ）｝＝Ｃ …（１）

【００１０】で定まる比例係数Ｃを求め、この比例係数
Ｃを元に、形成すべき化合物半導体層に対する水素化物
原料供給量［ＰＨ₃ ］，［αＨａ］をそれぞれ設定する
ことを特徴とする。

【００１１】また、本発明（請求項２）は、アルミニウ
ム，ガリウム，インジウムの内の少なくとも一種類と燐
及び燐よりも蒸気圧の低いＶ族又はVI族元素αを含む第
１の化合物半導体層Ａｌ_z Ｇａ_x Ｉｎ_1-x-z Ａ_y Ｐ_1-y
（Ｏ≦ｚ，ｘ≦１，０＜ｙ＜１）と、第１の化合物半導
体層とは組成比が異なる第２の化合物半導体層Ａｌ_q Ｇ
ａ_r Ｉｎ_1-r-q Ａ_s Ｐ_1-s （０≦ｑ，ｒ≦１，Ｏ＜ｓ＜
１）とを、III族有機金属化合物と燐の水素化合物及び
元素αの水素化合物を用いて成長形成する有機金属気相
成長方法において、第１の化合物半導体層を形成すると
きの水素化物原料供給量［ＰＨ₃ ］₁ ，［αＨａ］
₁ （ａ＝２又は３）と、第２の化合物半導体層を形成す
るときの水素化物原料供給量［ＰＨ₃ ］₂ ，［αＨａ］
₂ （ａ＝２又は３）との間に略、 ｛［αＨａ］₁ ／ｙ｝／｛（［ＰＨ₃ ］₁ ）^1/2 ／（１−ｙ）｝ ＝｛［αＨａ］₂ ／ｓ｝／｛（［ＰＨ₃ ］₂ ）^1/2 ／（１−ｓ）｝…（２） の関係を保持させながら、水素化物原料を供給すること
を特徴とする。

【００１２】ここで、上述の（１）（２）式は、本発明
者らの鋭意研究及び実験により確認されたものである。
具体的には、有機金属気相成長法において、原料ガスと
してＴＭＩ，ＴＭＧａ又はＴＥＧａ，ＰＨ₃ ，ＡｓＨ₃
を用い、ＧａＩｎＡｓＰを成長し、燐の水素化物［ＰＨ
₃ ］，砒素の水素化物原料供給量［ＡｓＨ₃ ］と成長結
晶中の砒素の割合ｙ，燐の割合（１−ｙ）との関係を調
べたところ、図１に示すように、［ＰＨ₃ ］^1/2 ／（１
−ｙ）と［ＡｓＨ₃ ］／ｙとが比例関係にあることを見
出した。

【００１３】また、このような条件は、成長温度５５０
〜６７０℃とし、また供給する原料ガスとキャリアガス
の流速を、成長基板直上で４０ｃｍ／ｓｅｃ以上とする
ことで確実に実現できる。また、Ａｓの代わりにＳｅ，
Ｓ，Ｔｅを用いても同様の結果が得られた。なお、
（１）（２）式の関係が成り立つためには、同一の温度
で結晶成長を行う必要がある。比例定数Ｃの値は、成長
速度が一定であれば一定となる。Ｃの値は、固相のIII
族組成に殆ど依存しない。Ｃの値は、結晶中の転位密度
が、１０⁶ ｃｍ^-2以下であれば略一定である。

【００１４】

【作用】本発明によれば、（１）式又は（２）式の関係
が成立するように、水素化物原料供給量をコントロール
することにより、所望の組成のエピタキシャル層を形成
できる。つまり、固相の組成を自由に変化させることが
できる。また、燐濃度を変えることにより、固相中の元
素αの濃度をコントロールすることができる。

【００１５】本発明の気相成長方法においては、一つの
組成で、気相の原料供給量と固相の組成を調べることに
より、全固相組成域で必要な原料供給量を類推できるよ
うになる。このため、超格子膜のように、成膜後に膜組
成を測定して組成決定することが難しい場合にも、固相
の組成を決定できるようになる。また、この関係がIII
族組成によらず、Ｖ族原料供給量のみにより、固相のＶ
族の組成が決められるので、固相中のＶ族組成を自由に
変えられるようになる。従って、グレーデッドインデッ
クスレーザダイオード（ＧＲＩＮ−ＬＤ）やグレーデッ
ドベースヘテロバイポーラトランジスタ、アバランシェ
ダイオードの光吸収層とアバランシェ層の間のバンドギ
ャップの連続的に大きくなっている層、レーザのコンタ
クト層のように低抵抗層から高バンドギャップ層まで連
続的にバンドギャップを変えたい構造のように、結晶中
の組成が連続的に変化している構造を用いることにより
高性能化しているデバイスを作製した場合、設計通りに
固相の組成が形成できるようになり、高性能のデバイス
の作成が可能になる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の詳細を図示の実施例によって
説明する。

【００１７】図２は、本発明の第１の実施例方法を使用
して作成した半導体レーザの概略構造を示す断面図であ
る。図中２０１はＳｎ添加のｎ−ＩｎＰ（ｎ＝２×１０
¹⁸ｃｍ^-3）の（００１）基板であり、このＩｎＰ基板２
０１上にバッファ層を兼ねた厚さ１．５μｍのＳｉ添加
のｎ−ＩｎＰクラッド層２０２（ｎ＝２×１０¹⁸ｃ
ｍ^-3）が形成されている。さらに、クラッド層２０２上
には、１．０μｍ帯の発光が可能なＧａ_0.11Ｉｎ_0.88Ａ
ｓ_0.23Ｐ_0.77から１．２μｍ帯の発光が可能なＧａ_0.21
Ｉｎ_0.79Ａｓ_0.45Ｐ_0.55まで組成をリニアに変化させ
た、厚さ０．１μｍの下部組成グレーテッド層２０３が
形成されている。

【００１８】グレーテッド層２０３上には、１．５５μ
ｍ帯の発光が可能である組成のＧａＩｎＡｓＰ／ＧａＩ
ｎＡｓからなるＭＱＷ活性層２０４が形成されている。
活性層２０４は、厚さ１０ｎｍのＧａＩｎＡｓＰバリア
層６層と厚さ４ｎｍのＧａＩｎＡｓ井戸層５層とで形成
した。この活性層２０４には、Ｚｎを均一に１×１０¹⁷
ｃｍ^-3で添加した。活性層２０４上には、厚さ０．１μ
ｍの上部組成グレーデッド層２０５が形成されている。

【００１９】上部グレーテッド層２０５は、下部グレー
デッド層２０３と対称に１．２μｍ帯の発光が可能なＧ
ａ_0.21Ｉｎ_0.79Ａｓ_0.45Ｐ_0.55から１．０μｍ帯の発光
が可能なＧａ_0.11Ｉｎ_0.89Ａｓ_0.23Ｐ_0.77まで組成を変
化させている。上部グレーテッド層２０５上には、１．
０μｍ帯の発光が可能な組成のＧａ_0.11Ｉｎ_0.89Ａｓ
_0.23Ｐ_0.77光ガイド層２０６が０．１μｍの厚さに形成
されている。この光ガイド層２０６の上には、回折格子
が形成されている。

【００２０】下部グレーデッド層２０３，活性層２０
４，上部グレーデッド層２０５，光ガイド層２０６及び
クラッド層２０２には、幅１〜１．５μｍ，深さ１．５
μｍ以上のメサストライプが形成されている。メサの両
側は厚さ１．３μｍ以上のＦｅ添加の高抵抗ＩｎＰ埋め
込み層２０７，Ｓｉ添加の電流阻止層２０８（ｎ＝６×
１０¹⁸cm^-3）で順次埋め込まれている。メサ上部及び埋
め込み層上部には厚さ２．０μｍのＺｎ添加のｐ−Ｉｎ
Ｐクラッド層２０９（ｐ＝５×１０¹⁸cm^-3）、Ｚｎ添加
のＧａ_0.47Ｉｎ_0.53Ａｓコンタクト層２１０が形成され
ている。

【００２１】そして、基板２０１の下面にｎ型電極２１
１としてＡｕ／ＡｕＧｅが、コンタクト層２１０上には
ｐ型電極２１２としてＡｕ／ＡｕＺｎが設けられてい
る。なお、この素子は素子容量低減のためにｎ−ＩｎＰ
クラッド層２０２から上の素子全体をメサ幅８〜１０μ
ｍのメサ構造とした。

【００２２】さて、本実施例におけるレーザ素子の結晶
は、有機金属気相成長法により形成した。本実施例に用
いた気相成長装置は、図３に示すように、反応容器３１
内に試料３２を載置する誘導ヒータを兼ねた試料台３３
を配置し、容器３１の周囲に高周波導波管を設置したも
のである。そして、容器３１内に導入される各種原料ガ
スは、流量制御器（ＭＦＣ）により流量を制御できるよ
うになっている。

【００２３】結晶の成長温度は６２０℃とし、成長圧力
は２００Torrとした。成長原料として、トリメチルイン
ジウム（ＴＭＩ），トリメチルガリウム（ＴＭＧａ），
アルシン（ＡｓＨ₃ ），フォスフィン（ＰＨ₃ ），シラ
ン（ＳｉＨ₄ ），ジメチルジンク（ＤＭＺ）を用いた。

【００２４】ｎ−クラッド層２０２，埋め込み層２０
７，電流阻止層２０８，ｐ−クラッド層２０９成長中の
原料供給量は、ＴＭＩの分圧が５×１０^-3Torr、フォス
フィンの分圧が２Torrとなるようにした。

【００２５】光ガイド層２０６成長中のＴＭＩ，ＴＭＧ
供給量は、それぞれ５×１０^-4Torrと４．５×１０^-3To
rrとした。フォスフィンとアルシンの供給量は、それぞ
れ２Torrと１．８×１０^-2Torrとした（図１中の点
Ａ）。

【００２６】上部グレーデッド層２０５及び下部グレー
デッド層２０３は、組成を１．０μｍで発光可能なＧａ
_0.11Ｉｎ_0.89Ａｓ_0.23Ｐ_0.77から、１．２μｍ帯で発光
可能なＧａ_0.21Ｉｎ_0.79Ａｓ_0.45Ｐ_0.55に組成を変える
につれて、III 族原料のＴＭＧとＴＭＩの濃度はそれぞ
れ、５×１０_-4Torrと４．５×１０_-3Torrから１×１０
_-3Torrと４×１０_-3Torrにリニアに変えた。フォスフィ
ンとアルシンについては、２Torrと１．８×１０_-2Torr
から２Torrと４．９×１０_-2Torrに式（２）に従って結
晶中の組成がリニアに変わるように変えた（図１中の点
Ａから点Ｂ迄フォスフィンの供給条件を変えた）。この
ときの結晶の成長速度は、１．８μｍであった。

【００２７】本実施例の半導体レーザに用いた結晶の組
成をオージェスペクトロスコピーによって測定した結
果、所定の組成に制御されていることが確認できた。ま
た、本実施例の半導体レーザ素子のファーフィールドパ
ターンを測定したところ、対称な、副次的な構造の殆ど
無いパターンが得られた。一方、組成グレーデッド層の
組成変化を階段状に不連続に変えたところ、ファーフィ
ールドパターンに細かい構造が多数現れた。これは、組
成グレーデッド層中で不連続に組成を変えているため
に、組成を不連続に変えた、ヘテロ界面での反射率が大
きくなっているためである。

【００２８】このように本実施例方法によれば、燐及び
砒素を含む各層を、式（２）で与えられる水素化物原料
供給量の元に成長形成しているので、各層の組成を制御
性良く設定することができる。従って、半導体レーザ素
子の各層を設計通りの組成に形成することができ、素子
特性の向上をはかることが可能となる。

【００２９】図４は、本発明の第２の実施例方法を使用
して作成した半導体レーザの活性層付近の構造を示す断
面図である。本実施例におけるレーザ素子の結晶も、先
の実施例と同様に有機金属気相成長法により形成した。
結晶の成長温度は６４０℃とし、成長圧力は７０Torrと
した。

【００３０】成長原料としては、トリメチルインジウム
（ＴＭＩ），トリエチルガリウム（ＴＥＧａ），アルシ
ン（ＡｓＨ₃ ），フォスフィン（ＰＨ₃ ）、シラン（Ｓ
ｉＨ₄ ），ジメチルジンク（ＤＭＺ）を用いた。

【００３１】ｎ−ＩｎＰ基板４０１上にはバッファ層を
兼ねたｎ−ＩｎＰクラッド層 402が形成されている。ク
ラッド層４０２のキャリア濃度は５×１０¹⁸ｃｍ^-3とし
た。クラッド層４０２上には、光ガイド層を兼ねたグレ
ーデッド層４０３が積層されている。組成グレーデッド
層４０３の組成は、Ｇａ_0.15Ｉｎ_0.85Ａｓ_0.3 Ｐ_0.7か
ら、Ｇａ_0.21Ｉｎ_0.79Ａｓ_0.45Ｐ_0.55まで変化させた。

【００３２】このとき、ＴＥＧａとＴＭＩの供給量はそ
れぞれ、８×１０^-4Torrと４．５×１０^-3Torrから、
１．１×１０^-3Torrと４．１×１０^-3Torrまで、直線的
に変化させた。ＰＨ₃ とＡｓＨ₃ の供給量は、式（２）
に従いそれぞれ、１．５Torrと２×１０^-2Torrから、
０．６Torrと２．７×１０^-2Torrまで変化させた。

【００３３】組成グレーデッド層４０３上には、活性層
４０４が形成されている。活性層４０４は、厚さ４ｎｍ
のＩｎＡｓ_0.75Ｐ_0.25井戸層４０５の５層と、厚さ１０
ｎｍのＧａ_0.21Ｉｎ_0.79Ａｓ_0.45Ｐ_0.55障壁層４０６の
６層とから形成した。ＩｎＡｓＰ井戸層４０５を形成す
る際には、ＴＭＩは５×１０^-3Torrとして供給した。Ｐ
Ｈ³ とＡｓＨ³ の供給量は、組成グレーデッド層４０３
の成長条件と式（２）の関係を保つようにそれぞれ０．
６Torrと１．１×１０^-3Torrとして供給した。障壁層４
０６を形成する際には、ＴＭＩとＴＥＧａを４．１×１
０^-3Torrと１．１×１０^-3Torrとして供給した。ＰＨ₃
とＡｓ₃ の供給量は、組成グレーデッド層４０３の成長
条件と式（２）の関係を保つようにそれぞれ０．６Torr
と２．７×１０^-2Torrとして供給した。

【００３４】活性層４０４の上には、組成グレーデッド
層４０７が積層されている。組成グレーデッド層４０７
の組成は、Ｇａ_0.21Ｉｎ_0.79Ａｓ_0.45Ｐ_0.55から、Ｇａ
_0.15Ｉｎ_0.85Ａｓ_0.3 Ｐ_0.7 まで変化させた。このと
き、ＴＥＧとＴＭＩの供給量はそれぞれ、１．１×10^-3
Torrと４．１×１０^-3Torrから、８×１０^-4Torrと４．
５×１０^-3Torrまで、直線的に変化させた。ＰＨ₃ とＡ
ｓＨ₃ の供給量は、式（２）に従いそれぞれ、０．６To
rrと２．７×１０^-2Torrから、１．５Torrと２×１０^-2
Torrまで変化させた。

【００３５】組成グレーデッド層４０７上には、ＧａＩ
ｎＡｓＰ光ガイド層４０８とｐ−ＩｎＰクラッド層４０
９が積層されている。光ガイド層４０８とｐ−クラッド
層４０９の間には、回折格子が形成されている。ｐ−ク
ラッド層４０９のキャリア濃度は、１×１０¹⁸ｃｍ^-3と
した。クラッド層４０９上には、厚さ０．１μｍのコン
タクト組成グレーデッド層４１０が形成され、更にその
上に厚さ０．６μｍのＧａ_0.47Ｉｎ_0.53Ａｓコンタクト
層４１１が形成されている。

【００３６】グレーデッド層４１０の組成は、ＩｎＰか
ら、Ｇａ_0.47Ｉｎ_0.53Ａｓまで、ＩｎＰに格子整合する
ようにを変えられている。このとき、ＴＭＩとＴＥＧａ
の供給量はそれぞれ、５．２×１０^-3Torrと０Torrか
ら、２．８×１０^-3Torrと２．５×１０^-3Torrまで、直
線的に変化させた。ＰＨ₃ とＡｓＨ₃ の供給量は、式
（２）に従いそれぞれ、２Torrと０Torrから、０Torrと
０．０６Torrまで変化させた。

【００３７】コンタクト組成グレーデッド層４１０及び
ＧａＩｎＡｓコンタクト層４１１のキャリア濃度は、そ
れぞれ、２×１０¹⁸ｃｍ^-3，１×１０¹⁹ｃｍ^-3とした。
本実施例のレーザ素子は活性層４０４のメサ幅１．２μ
ｍのメサ構造をしており、メサの両側は、ＩｎＰのｐ／
ｎ／ｐ逆接合埋め込み層４１２で埋め込まれている。ｐ
領域のキャリア濃度は１×１０¹⁸ｃｍ^-3、ｎ領域のキャ
リア濃度は２×１０¹⁶ｃｍ^-3とした。そして、コンタク
ト層４１１上にｐ型電極４１３を電極幅３μｍで形成
し、ＩｎＰ基板４０１の下面にｎ型電極４１４を形成し
た。

【００３８】図４に示す半導体レーザの活性層４０４の
井戸層４０６は、ＩｎＡｓＰで形成されており、格子整
合する基板がないので、良質な膜厚を形成できず成長条
件と成長した結晶の組成の関係を決定することが難し
い。このため一般に、量子井戸構造の活性層を形成する
際には、ＩｎＰに略格子整合するＧａＩｎＡｓＰで活性
層の井戸層を構成するか或いは、Ｖ族元素が一種類で原
料供給量に結晶組成が比例するＧａＩｎＡｓによって活
性層を構成することが行われている。また、ＩｎＰに格
子整合しないＧａＩｎＡｓＰを成長する際には、燐組成
が１０％程度を越えることは難しかった。

【００３９】これに対し本実施例の結晶成長方法によれ
ば、ＩｎＰ基板結晶に格子整合するＧａＩｎＡｓＰ結晶
の原料供給条件から、ＩｎＡｓＰ結晶の組成を決定でき
る。このため、容易に、精度良くＩｎＡｓＰの組成を決
定することができる。

【００４０】本実施例の半導体レーザでは、設計通りに
活性層の発光波長を略１．５５μｍにコントロールする
ことができた。さらに、本実施例の半導体レーザは閾値
電流が０．８ｍＡと極めて低かった。これは、活性層４
０４の井戸層４０５がＩｎＰに格子整合するＧａＩｎＡ
ｓやＧａＩｎＡｓよりもバンドギャップが小さいため
に、伝導帯障壁が充分大きく取れたことによる。また、
通常の歪量子井戸に用いるＧａＩｎＡｓと比較して、同
じバンドギャップのＩｎＡｓＰは真空準位からの深さが
深いので、ＩｎＰクラッド層４０１，４０９、ＩｎＰ埋
め込み層４１２やＧａＩｎＡｓＰ障壁層４０６に対し
て、伝導帯障壁がより大きく取れることによる。さら
に、ＩｎＰ基板上で形成しているので、ＧａＩｎＡｓよ
りも大きな圧縮歪を活性層中に導入することができる。
ＩｎＡｓＰはＧａＩｎＡｓと比較して柔らかく、また転
移の発生に対してもその広がりを抑制することができる
材料であるので、大きな圧縮歪を導入しても良質な結晶
が形成され得るのである。

【００４１】また、本実施例の半導体レーザ素子の高速
応答特性を測定したところ、２５ＧＨｚと極めて高速な
応答が可能であった。これは、前述したように、活性層
中に大きな圧縮歪を導入できたことと、コンタクト組成
グレーデッド層４１０を用いているので、コンタクト層
の部分でのキャリアのパイルアップが防止できているた
めである。

【００４２】図５は、本発明の第３の実施例方法を使用
して作成したアバランシェダイオードの構造を示す断面
図を示す。キャリア濃度２×１０¹⁸ｃｍ^-3のｎ−ＩｎＰ
基板５０１上に、厚さ０．２μｍ，キャリア濃度５×１
０¹⁵ｃｍ^-3の低濃度ＩｎＰバッファ層５０２、キャリア
濃度２×１０¹⁴cm^-3，厚さ２μｍのＧａ_0.47Ｉｎ_0.53Ａ
ｓ光吸収層５０３、組成がＩｎＰからＧａＩｎＡｓまで
変化しているキャリア濃度５×１０¹⁵ｃｍ^-3，厚さ０．
５μｍのグレーデッドバンドギャップ変化層５０４、キ
ャリア濃度１×１０¹⁷ｃｍ^-3，厚さ０．５μｍのＩｎＰ
電界緩和層５０５、キャリア濃度２×１０¹⁶ｃｍ^-3，厚
さ１．５μｍのＩｎＰアバランシェ層５０６が成長形成
されている。そして、アバランシェ層５０６内に、Ｃｄ
を添加したｐ型不純物拡散領域５０７と、Ｂｅを添加し
たｐ型拡散ガードリング５０８が形成されている。

【００４３】本実施例におけるレーザ素子の結晶は、有
機金属気相成長法により形成した。結晶の成長温度は６
４０℃とし、成長圧力は７０Torrとした。成長原料とし
て、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、トリエチルガリ
ウム（ＴＥＧａ）、アルシン（ＡｓＨ₃ ）、フォスフィ
ン（ＰＨ₃ ）、セレン化水素（Ｈ₂ Ｓｅ）を用いた。Ｉ
ｎＰ電界緩和層５０５を成長する際には、ＴＭＩ、ＰＨ
₃ 、Ｈ₂ Ｓｅの供給量は、各々、２×１０^-2Torr、２To
rr、２×１０^-7Torrとした。ＩｎＰアバランシェ層５０
６を成長する際には、ＴＭＩ，ＰＨ₃ の供給量は２×１
０^-2Torr，２Torrとした。ＩｎＰアバランシェ層５０６
のキャリア濃度を下げるために、Ｈ₂Ｓｅの供給量は、
５×１０^-8Torrまで下げた。

【００４４】低濃度ＩｎＰバッファ層５０２を成長する
際に、ＴＭＩの供給量は２×１０^-2Torrとした。Ｈ₂ Ｓ
ｅの供給量を下げて、キャリア濃度を所定の値まで下げ
ようとすると、極めて低濃度のＨ₂ Ｓｅガスをごく微量
供給しなければならず、Ｈ₂ Ｓｅガスの容器への吸着，
分解或いは供供装置の零点の変動等で、不安定となる。
そこで、Ｈ₂ Ｓｅの供給量は、ＩｎＰアバランシェ層５
０６成長の際と同じ５×１０^-8Torrとし、ＰＨ₃ の供給
量を式（２）に従い３２Torrに増やすことで所定のキャ
リア濃度を得た。

【００４５】グレーデッドバンデギャップ変化層５０４
を成長する際には、組成がＧａ_0.47Ｉｎ_0.53ＡｓからＩ
ｎ迄変化しているのに応じて、ＴＭＩとＴＥＧａの供給
量はそれぞれ、１×１０^-2Torrと９．４×１０^-3Torrか
ら、２×１０^-2Torrと０Torrまで、直線的に変化させ
た。ＰＨ₃ とＡｓＨ₃ の供給量は、式（２）に従いそれ
ぞれ、０Torrと０．３Torrから、２Torrと０Torrまで変
化させた。

【００４６】このように本実施例では、低濃度ＩｎＰバ
ッファー層５０２成長の際に、式（２）に従いＰＨ₃ 供
給量を増やしたので、Ｈ₂ Ｓｅ原料ガスの濃度を上げる
ことができ、従来不安定であった、キャリア濃度コント
ロールの長期的安定性を上げることができた。

【００４７】なお、本発明は上述した各実施例に限定さ
れるものではない。実施例では、半導体レーザ素子の作
成に用いる結晶の組成コントロール、アバランシェフォ
トダイオードのキャリア濃度コントロール成長方法につ
いて述べたが、グレーデッドベースヘテロバイポーラト
ランジスタ，発光ダイオード，吸収型光変調素子等を作
成するための結晶成長への適用も可能である。また、実
施例では、ＡｓとＰの含まれる結晶、ＳｅとＰの含まれ
る結晶の結晶成長について述べたが、ＴｅとＰの含まれ
る結晶、ＳｂとＰの含まれる結晶の結晶成長への適用も
可能である。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。

【００４８】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、蒸
気圧の高い元素を複数含む結晶の有機金属気相成長方法
において、成長時に組成コントロールの方法が不明確、
或いは組成コントロールを行うために極めて複雑な方法
を取る必要があったものが、極めて容易に行えるように
なる。このため、従来制御の困難であった、Ｖ族元素の
組成を連続的に所定の組成で変化させることが可能にな
る。また、VI族元素については、極めて低濃度からの濃
度制御が可能となる。このため、デバイス中のバンドギ
ャップ，不純物濃度，ひいてはキャリア濃度と電位分布
を自由に設計できるようになり、良好な特性を有する半
導体素子を実現することができる。特に、歪量子井戸構
造を含む半導体レーザ素子の作成においては、従来困難
であった、ＩｎＡｓＰ活性層の量子井戸構造の作成が可
能となり、半導体レーザ素子の、閾値電流の低減、高速
変調特性の改善等が実現でき、その有用性は絶大であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理を説明するためのもので、原料供
給量と成長した結晶の組成との関係を示す特性図、

【図２】本発明の第１の実施例方法による半導体レーザ
素子の概略構造を示す断面図、

【図３】第１の実施例方法に使用した気相成長装置を示
す概略構成図、

【図４】第２の実施例方法による半導体レーザ素子の概
略構造を示す断面図。

【図５】第３の実施例方法によるアバランシェフォトダ
イオードの概略構造を示す断面図。

【符号の説明】

３１…反応管、 ３２…試料、 ３３…試料台、 ３４…ヒータ、 ２０１…ｎ−ＩｎＰ基板、 ２０２…ｎ−Ｉｎ
Ｐクラッド層、 ２０３…下部組成グレーデッド層、 ２０４…ＭＱＷ活
性層、 ２０５…上部組成グレーデッド層、 ２０６…光ガイド
層、 ２０７…ＩｎＰ埋め込み層、 ２０８…Ｓｉ添加
の電流阻止層、 ２０９…ｐ−ＩｎＰクラッド層、 ２１０…コンタク
ト層、 ２１１…ｎ型電極、 ２１２…ｐ型電
極。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】III 族元素と燐及び燐よりも蒸気圧の低い
   Ｖ族又はVI族元素αを含む化合物半導体層を、III 族有
   機金属化合物と燐の水素化合物及び元素αの水素化合物
   を用いて成長形成する有機金属気相成長方法において、 予め前記水素化物原料の供給量［ＰＨ₃ ］，［αＨａ］
   （ａ＝２又は３）と、形成された化合物半導体層中の元
   素αの割合ｙ及び燐の割合（１−ｙ）とを測定して、 ｛［αＨａ］／ｙ｝／｛［ＰＨ₃ ］^1/2 ／（１−ｙ）｝＝Ｃ で定まる比例係数Ｃを求め、この比例係数Ｃを元に、形
   成すべき化合物半導体層に対する水素化物原料供給量
   ［ＰＨ₃ ］，［αＨａ］をそれぞれ設定することを特徴
   とする気相成長方法。
2. 【請求項２】アルミニウム，ガリウム，インジウムの内
   の少なくとも一種類と燐及び燐よりも蒸気圧の低いＶ族
   又はVI族元素αを含む第１の化合物半導体層 Ａｌ_z Ｇａ_x Ｉｎ_1-x-z Ａ_y Ｐ_1-y （Ｏ≦ｚ，ｘ≦１，
   ０＜ｙ＜１）と、 第１の化合物半導体層とは組成比が異なる第２の化合物
   半導体層 Ａｌ_q Ｇａ_r Ｉｎ_1-r-q Ａ_s Ｐ_1-s （０≦ｑ，ｒ≦１，
   Ｏ＜ｓ＜１）とを、 III 族有機金属化合物と燐の水素化合物及び元素αの水
   素化合物を用いて成長形成する有機金属気相成長方法に
   おいて、 第１の化合物半導体層を形成するときの水素化物原料供
   給量［ＰＨ₃ ］₁ ， ［αＨａ］₁ （ａ＝２又は３）と、第２の化合物半導体
   層を形成するときの水素化物原料供給量［ＰＨ₃ ］₂ ，
   ［αＨａ］₂ （ａ＝２又は３）との間に略、 ｛［αＨａ］₁ ／ｙ｝／｛（［ＰＨ₃ ］₁ ）^1/2 ／（１−ｙ）｝ ＝｛［αＨａ］₂ ／ｓ｝／｛（［ＰＨ₃ ］₂ ）^1/2 ／（１−ｓ）｝ の関係を保持させながら、水素化物原料を供給すること
   を特徴とする気相成長方法。
3. 【請求項３】燐よりも蒸気圧の低いＶ族又はVI族の元素
   αがＡｓ若しくはＳｅであり、元素αの水素化合物原料
   がＡｓＨ₃ 若しくはＨ₂ Ｓｅであることを特徴とする請
   求項１又は２に記載の気相成長方法。