JPH07169701A - 3−5族半導体薄膜の成長方法 - Google Patents

3−5族半導体薄膜の成長方法

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JPH07169701A
JPH07169701A JP31690593A JP31690593A JPH07169701A JP H07169701 A JPH07169701 A JP H07169701A JP 31690593 A JP31690593 A JP 31690593A JP 31690593 A JP31690593 A JP 31690593A JP H07169701 A JPH07169701 A JP H07169701A
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crystal
layer
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thin film
semiconductor
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JP31690593A
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Hitoshi Shimizu
均 清水
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Furukawa Electric Co Ltd
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Furukawa Electric Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 半導体基板上に成長する3−5族半導体薄膜
の品質を向上させる。 【構成】 結晶表面を3族安定化面に保持しつつ成長し
た膜厚1〜200nmの薄膜結晶層を少なくとも1層設
け、該薄膜結晶層以外の半導体薄膜は、結晶表面を3族
安定化面に保持した状態で成長する。 【効果】 結晶表面を3族安定化面に保持しつつ成長し
た薄膜結晶層以降に成長する半導体薄膜の平坦性、結晶
性が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体基板上に高品質
の3−5族半導体薄膜を結晶成長する方法に関するもの
である。
【0002】
【従来の技術】InPに格子整合するInGaAs/I
nAlAs系の材料は、バンド構造が1.3〜1.55
μm帯の光通信用受発光素子に適している。また、In
GaAsの電子移動度はGaAsと比較して2倍程度も
大きいことから、次世代の電子デバイス材料として期待
されている。このため現在、InP基板上に平坦性、結
晶性に優れるInGaAs/InAlAsを結晶成長す
る方法が盛んに研究されている。
【0003】一般に、MBE法、MOCVD法等で3−
5族半導体を結晶成長する場合、5族元素の供給量が少
ないと、蒸気圧の高い5族元素が結晶中から離脱して表
面モホロジーが低下する。このため、3−5族半導体の
結晶成長は、5族元素を過剰に供給して、成長中の結晶
表面を5族安定化面に保った状態で行われる。
【0004】ところが、InP基板上にInGaAs/
InAlAsを結晶成長する場合は、成長時の結晶表面
を5族安定化面に保持するのみでは結晶の平坦性、結晶
性を十分高めることはできないという問題がある。具体
的には、InGaAs/InAlAs量子井戸構造にお
ける価電子帯のバンドオフセットΔEcは0.7ΔEg
(バンドギャップエネルギー差ΔEg=0.70eV)
と、ΔEcが0.4ΔEg(ΔEg=0.59eV)で
あるInP/InGaAsP量子井戸構造よりも高いこ
とから、理論上、InGaAs/InAlAs系のMQ
W半導体レーザは、InP/InGaAsP系のMQW
半導体レーザよりも低しきい値で発振すると考えられ
る。にもかかわらず、InP基板上に平坦性、結晶性に
優れるInGaAs/InAlAs結晶を成長すること
が困難であるため、従来のInGaAs/InAlAs
系のMQW半導体レーザのしきい値電流密度(2.4k
A/cm3程度)は、InP/InGaAsP系のMQ
W半導体レーザのしきい値(1.0kA/cm3程度)
と比較して劣っていた。
【0005】ところで、InP基板上に成長するInG
aAs/InAlAs結晶の平坦性、結晶性を改善する
手段として、結晶層中に超格子バッファ層を導入する方
法がある(マシューズ:特開昭48−20762)。図
2は、超格子バッファ層を導入したMQW半導体レーザ
のエピタキシャル構造を示す説明図である。
【0006】図2中、11はn型InP基板、12は膜
厚0.5μmのn型InAlAsバッファ層、14は膜
厚1μmのn型InAlAsクラッド層、15は膜厚
0.15μmのp型InAlGaAs−SCH層、16
はウェル幅9nm、バリア幅5nm、ウェル数6のIn
GaAs/InAlAs多重量子井戸活性層、17は膜
厚0.15μmのp型InAlGaAs−SCH層、1
8は膜厚0.4μmのp型InAlAsクラッド層、1
9は膜厚2μmのp+型InGaAsコンタクト層であ
り、13は膜厚2nmのInGaAsと膜厚2nmのI
nAlAsを各10層程度交互に積層した超格子バッフ
ァ層である。なお、この方法においても、成長中の結晶
表面は常に5族安定化面に保たれている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかし、超格子バッフ
ァ層を導入する従来の方法は、多数の超格子層を成長す
る必要があるため、膜厚や組成のコントロールが困難で
あるという問題点がある。また、図2に示すMQW半導
体レーザのしきい値は2.0kA/cm3とInP/I
nGaAsP系のMQW半導体レーザよりも劣ってお
り、この方法により得られる結晶の平坦性、結晶性は不
十分であることが示されている。
【0008】本発明は、上記の問題点を解決して、簡易
かつ安定に、半導体基板上に平坦性、結晶性の優れる3
−5族半導体の結晶を成長する方法を提供することを目
的とするものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明は、成長中の結晶
表面を3族安定化面に保持しつつ薄膜結晶を成長する
と、該薄膜結晶中の3族元素のマイグレーションが活発
となり、該薄膜結晶層の平坦性が促進される結果、その
後に成長する半導体結晶層の平坦性、結晶性が改善され
るとの発見に基づくものであり、半導体基板上に、成長
中の3−5族半導体結晶表面を5族安定化面に保持しつ
つ結晶成長を行う半導体薄膜の成長方法において、該半
導体薄膜中に、結晶表面を3族安定化面に保持しつつ成
長した膜厚1〜200nmの薄膜結晶層を少なくとも1
層設けることを特徴とする半導体薄膜の成長方法であ
る。
【0010】本発明において、結晶表面を3族安定化面
に保持しつつ成長した薄膜結晶層(以下、3族面成長層
という。)の膜厚を1nm以上に限定した理由は、3族
面成長層の膜厚が薄くなると、3族元素のマイグレーシ
ョンによる結晶の平坦化の度合いが不十分になる傾向が
あり、1nm以下の膜厚では本発明の効果が得られなく
なるからであり、3族面成長層の膜厚を200nm以下
に限定した理由は、膜厚を厚くすると5族元素の離脱に
よる結晶の表面モホロジーの低下の程度が拡大する傾向
にあり、200nm以上の膜厚では、その後に成長する
半導体結晶層の平坦性、結晶性が却って低下するためで
ある。それ故、最も好ましい3族面成長層の膜厚は、1
0nm〜50nmである。
【0011】また、3族面成長層を1層導入すれば、そ
の後に成長する半導体結晶層の平坦性、結晶性は十分に
向上するが、上記した膜厚の範囲であれば複数の3族面
成長層を導入しても、その後に成長する半導体結晶層の
平坦性、結晶性は低下することはなく、複数層の3族面
成長層を導入することも本発明の範囲に含まれる。
【0012】なお、結晶表面を3族安定化面に制御する
方法は公知である。すなわち、成長温度を上昇させ、あ
るいは5族元素供給量を減少させることにより成長層の
表面を3族安定化面とすることが可能であり、反射型高
エネルギー電子線回折装置(RHEED)により2×4
超構造から4×2超構造に遷移する条件を把握して、該
条件下で成長すると良い。
【0013】また、本発明は、3族面成長層の後に成長
する半導体結晶の品質を向上させるものであるから、各
デバイスの作製においては、該デバイスの特性に密接な
影響を与える機能層(例えば半導体レーザであれば活性
層やクラッド層、FETであればチャネル層等)の成長
前に3族面成長層を設けることが肝要である。
【0014】
【実施例】次に、本発明の実施例を図1を用いて説明す
る。図1は、本発明に基づいて作製したMQW半導体レ
ーザのエピタキシャル構造を示す説明図であるが、本実
施例は、図1中、3が3族面成長層である点を除いて、
先に説明した従来例によるMQW半導体レーザと同一で
ある。
【0015】すなわち、図1中、1はn型InP基板、
2は膜厚0.5μmのn型InAlAsバッファ層、4
は膜厚1μmのn型InAlAsクラッド層、5は膜厚
0.15μmのp型InAlGaAs−SCH層、6は
ウェル幅9nm、バリア幅5nm、ウェル数6のInG
aAs/InAlAs多重量子井戸活性層、7は膜厚
0.15μmのp型InAlGaAs−SCH層、8は
膜厚2μmのp型InAlAsクラッド層、9は膜厚
0.4μmのp+型InGaAsコンタクト層であり、
3は膜厚30nmのInAlAs3族面成長層である。
また、3族面成長層3を除く全ての半導体結晶の成長は
結晶表面を5族安定化面に保った状態で行われる。
【0016】本実施例のMQW半導体レーザのしきい値
電流は0.8kA/cm3であった。この値はInP/
InGaAsP系のMQW半導体レーザのしきい値(1
kA/cm3)、及びΔEg値、ΔEc値からの推定値
と同じレベルであり、InP基板上にInP/InGa
AsP結晶を成長する場合と同程度の平坦性、結晶性が
得られたことを示すものである。
【0017】なお、本発明はInP基板上にInGaA
s/InAlAsを結晶成長する場合のみでなく、例え
ば、GaAs基板上にAlGaAs/GaAsを結晶成
長する場合にも同様に適用することが可能であり、結晶
層の平坦性、結晶性を更に向上させることができる。
【0018】また、上記実施例は、MQWレーザへの適
用例であるが、InP基板上に成長したInGaAs/
InAlAs、あるいは、GaAs基板上に成長したA
lGaAs/GaAsにより構成される全ての半導体デ
バイスに適用することができ、例えば他の半導体レーザ
や受発光素子、あるいは、FET、HEMT等の電子半
導体素子にも同様に適用することができる。
【0019】また、上記実施例において、3族安定化面
によるエピタキシャル成長層3をバッファ層2の上部に
設けたのは、該実施例における重要な機能層であるSC
H層5、7及び活性層6の平坦性、結晶性を高めるた
め、これらの重要な機能層を成長する以前に3族安定化
面によるエピタキシャル成長層を導入することを意図し
たものであり、3族安定化面によるエピタキシャル成長
層の導入位置は上記実施例に限られない。
【0020】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば平
坦性、結晶性に優れる3−5族半導体結晶を簡易かつ再
現性良く作製できるため、半導体デバイスの品質及び歩
留の向上が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に基づいて作製したMQW半導体レーザ
のエピタキシャル構造を示す説明図である。
【図2】従来のMQW半導体レーザのエピタキシャル構
造を示す説明図である。
【符号の説明】
1はn型InP基板 2はn型InAlAsバッファ層 3はInAlAs3族面成長層 4はn型InAlAsクラッド層 5はp型InAlGaAs−SCH層 6はInGaAs/InAlAs多重量子井戸活性層 7はp型InAlGaAs−SCH層 8はp型InAlAsクラッド層 9はp+型InGaAsコンタクト層 11はn型InP基板 12はn型InAlAsバッファ層 13は超格子バッファ層 14はn型InAlAsクラッド層 15はp型InAlGaAs−SCH層 16はInGaAs/InAlAs多重量子井戸活性層 17はp型InAlGaAs−SCH層 18はp型InAlAsクラッド層 19はp+型InGaAsコンタクト層

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板上に、成長中の3−5族半導
    体結晶表面を5族安定化面に保持しつつ結晶成長を行う
    半導体薄膜の成長方法において、該半導体薄膜中に、結
    晶表面を3族安定化面に保持しつつ成長した膜厚1〜2
    00nmの薄膜結晶層を少なくとも1層設けることを特
    徴とする3−5族半導体薄膜の成長方法。
JP31690593A 1993-12-16 1993-12-16 3−5族半導体薄膜の成長方法 Pending JPH07169701A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6677619B1 (en) 1997-01-09 2004-01-13 Nichia Chemical Industries, Ltd. Nitride semiconductor device
US7365369B2 (en) 1997-06-11 2008-04-29 Nichia Corporation Nitride semiconductor device
JP2015118961A (ja) * 2013-12-16 2015-06-25 日本電信電話株式会社 半導体レーザ

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