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Info
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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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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。
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
【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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
造を示す説明図である。
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)
- 【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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP31690593A JPH07169701A (ja) | 1993-12-16 | 1993-12-16 | 3−5族半導体薄膜の成長方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP31690593A JPH07169701A (ja) | 1993-12-16 | 1993-12-16 | 3−5族半導体薄膜の成長方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07169701A true JPH07169701A (ja) | 1995-07-04 |
Family
ID=18082224
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP31690593A Pending JPH07169701A (ja) | 1993-12-16 | 1993-12-16 | 3−5族半導体薄膜の成長方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07169701A (ja) |
Cited By (3)
| 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 |
-
1993
- 1993-12-16 JP JP31690593A patent/JPH07169701A/ja active Pending
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6677619B1 (en) | 1997-01-09 | 2004-01-13 | Nichia Chemical Industries, Ltd. | Nitride semiconductor device |
| US6849864B2 (en) | 1997-01-09 | 2005-02-01 | Nichia Chemical Industries, Ltd. | Nitride semiconductor device |
| US7211822B2 (en) | 1997-01-09 | 2007-05-01 | Nichia Chemical Industries, Ltd. | Nitride semiconductor device |
| US7615804B2 (en) | 1997-01-09 | 2009-11-10 | Nichia Chemical Industries, Ltd. | Superlattice nitride semiconductor LD device |
| US8541794B2 (en) | 1997-01-09 | 2013-09-24 | Nichia Chemical Industries, Ltd. | Nitride semiconductor light-emitting devices |
| 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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