JPH0727865B2 - ヘテロ界面形成方法 - Google Patents
ヘテロ界面形成方法Info
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- JPH0727865B2 JPH0727865B2 JP28221587A JP28221587A JPH0727865B2 JP H0727865 B2 JPH0727865 B2 JP H0727865B2 JP 28221587 A JP28221587 A JP 28221587A JP 28221587 A JP28221587 A JP 28221587A JP H0727865 B2 JPH0727865 B2 JP H0727865B2
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Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、ヘテロ界面の形成方法に関し、特に分子線エ
ピタキシ法によって化合物半導体の高品質ヘテロ界面を
形成する方法に関する。
ピタキシ法によって化合物半導体の高品質ヘテロ界面を
形成する方法に関する。
［従来の技術］ ２次元電子ガストランジスタや量子井戸レーザのような
化合物半導体のデバイスは、その多くが異種の半導体結
晶を接合したヘテロ接合を利用するものである。ヘテロ
接合界面（以下、ヘテロ界面と称する）の性質はキャリ
アの散乱や、発光、吸収等に影響し、デバイス特性を大
きく左右する。従って、平坦かつ急峻で、不純物や欠陥
のない高品質の界面を形成することが重要である。この
ような急峻なヘテロ界面を形成する手段として分子線エ
ピタキシ（Molecular Beam Epitaxy,以下MBEと称する）
法が広く行われている。
化合物半導体のデバイスは、その多くが異種の半導体結
晶を接合したヘテロ接合を利用するものである。ヘテロ
接合界面（以下、ヘテロ界面と称する）の性質はキャリ
アの散乱や、発光、吸収等に影響し、デバイス特性を大
きく左右する。従って、平坦かつ急峻で、不純物や欠陥
のない高品質の界面を形成することが重要である。この
ような急峻なヘテロ界面を形成する手段として分子線エ
ピタキシ（Molecular Beam Epitaxy,以下MBEと称する）
法が広く行われている。
第２図は、このMBE法を行うために一般的に用いられるM
BE装置の概略断面図を示したもので、イオンポンプ等の
真空ポンプ９によって超高真空に保たれた成長室１中
に、所望の結晶を構成する元素を含む原料を加熱し、分
子線状に各元素を噴出させる分子線源20,21,22,23と、
この分子線源20,21,22,23とは独立に温度制御可能に基
板４を加熱・保持する基板ホルダ３とを設け、各分子線
源20,21,22,23から基板４に向けて原料元素の分子線を
噴出させてエピタキシャル成長を行うものである。MBE
法では、各分子線源の前方に配設されたシャッタ5a〜5d
の開閉により個々の分子線の継続を行うと共に、各原料
の蒸発源の温度設定により分子線強度の変調制御を行う
ことができる。
BE装置の概略断面図を示したもので、イオンポンプ等の
真空ポンプ９によって超高真空に保たれた成長室１中
に、所望の結晶を構成する元素を含む原料を加熱し、分
子線状に各元素を噴出させる分子線源20,21,22,23と、
この分子線源20,21,22,23とは独立に温度制御可能に基
板４を加熱・保持する基板ホルダ３とを設け、各分子線
源20,21,22,23から基板４に向けて原料元素の分子線を
噴出させてエピタキシャル成長を行うものである。MBE
法では、各分子線源の前方に配設されたシャッタ5a〜5d
の開閉により個々の分子線の継続を行うと共に、各原料
の蒸発源の温度設定により分子線強度の変調制御を行う
ことができる。
従来、MBE法において原子のオーダーで平坦かつ急峻な
ヘテロ界面を形成する方法としては、各分子線源20〜23
のシャッタ5a〜5dを閉じることで成長を界面で中断し、
数十秒ないし数分間待機することにより、界面の平坦性
を増す方法がGaAs/AlGaAsヘテロ系について報告されて
いる（ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・
フィジックス（Jpn.J.Appl.Phys.）,24,（1985）,L417
頁）。ここではこの方法を、界面待機MBE法と呼ぶ。
ヘテロ界面を形成する方法としては、各分子線源20〜23
のシャッタ5a〜5dを閉じることで成長を界面で中断し、
数十秒ないし数分間待機することにより、界面の平坦性
を増す方法がGaAs/AlGaAsヘテロ系について報告されて
いる（ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・
フィジックス（Jpn.J.Appl.Phys.）,24,（1985）,L417
頁）。ここではこの方法を、界面待機MBE法と呼ぶ。
第３図は従来の界面待機MBE法によるヘテロ界面形成方
法を工程順に模式的に説明した説明図である。ここでは
AxC1-xD３元混晶上にAyB1-yD３元混晶を界面待機MBE法
により積層する場合を説明する。なお、A,B,Cは陽イオ
ン性、Ｄは陰イオン性元素を表す。また図中、Ｄ元素に
ついては省略した。
法を工程順に模式的に説明した説明図である。ここでは
AxC1-xD３元混晶上にAyB1-yD３元混晶を界面待機MBE法
により積層する場合を説明する。なお、A,B,Cは陽イオ
ン性、Ｄは陰イオン性元素を表す。また図中、Ｄ元素に
ついては省略した。
第２図において、分子線源20,21,22および23にそれぞれ
A,C,BおよびＤの各元素の原料を入れ、分子線源20,21お
よび23の前方のシャッタ5a,5bおよび5dを開き、下地のA
xC1-xDの成長を行った後、ＡおよびＣ元素の分子線源20
および21の前方のシャッタ5aおよび5bを閉じてＤ元素の
みを照射する状態とする。中断した瞬間には、第３図
（ａ）に示すように表面に高さ２分子層におよぶ凹凸が
存在している。しかし、そのまま90〜180秒待期を続け
ると表面上のＡおよびＣ原子あるいは分子が表面を拡散
し、表面のステップやキンクに捉えられて第３図（ｂ）
に示すように高さが１分子層の平坦な島を形成する。次
に、ＡおよびＢ元素の分子線源20および22の前方のシャ
ッタ5aおよび5cを開いて、平坦化された表面の上にAyB
1-yD３元混晶を成長させれば、第３図（ｃ）に示すよう
に所望のヘテロ界面が得られる。こうして得られた界面
の遷移領域の幅は、１分子層分であり、極めて急峻かつ
平坦なものである。
A,C,BおよびＤの各元素の原料を入れ、分子線源20,21お
よび23の前方のシャッタ5a,5bおよび5dを開き、下地のA
xC1-xDの成長を行った後、ＡおよびＣ元素の分子線源20
および21の前方のシャッタ5aおよび5bを閉じてＤ元素の
みを照射する状態とする。中断した瞬間には、第３図
（ａ）に示すように表面に高さ２分子層におよぶ凹凸が
存在している。しかし、そのまま90〜180秒待期を続け
ると表面上のＡおよびＣ原子あるいは分子が表面を拡散
し、表面のステップやキンクに捉えられて第３図（ｂ）
に示すように高さが１分子層の平坦な島を形成する。次
に、ＡおよびＢ元素の分子線源20および22の前方のシャ
ッタ5aおよび5cを開いて、平坦化された表面の上にAyB
1-yD３元混晶を成長させれば、第３図（ｃ）に示すよう
に所望のヘテロ界面が得られる。こうして得られた界面
の遷移領域の幅は、１分子層分であり、極めて急峻かつ
平坦なものである。
［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、この１分子層分の遷移領域を詳細に検討
すると、この部分は陽イオン性元素としてA,B,C種類の
元素が共存した４元混晶になっている。このことは次の
ような不利益をもたらす。即ち、４元混晶は３元混晶よ
りもキャリアを散乱させやすい。また界面に望ましくな
いエネルギーポテンシャルの乱れが生じ、界面に沿う方
向へのキャリアの輸送を妨げる。この問題は、遷移領域
の４元混晶組成が界面に平行な面内で均一でないので、
ことに重大である。界面におけるポテンシャルの乱れ
は、このような界面を持つ量子井戸からの励起子発光の
スペクトル幅を拡げる働きをする。従って量子井戸を光
素子に応用する際には大きな問題である。
すると、この部分は陽イオン性元素としてA,B,C種類の
元素が共存した４元混晶になっている。このことは次の
ような不利益をもたらす。即ち、４元混晶は３元混晶よ
りもキャリアを散乱させやすい。また界面に望ましくな
いエネルギーポテンシャルの乱れが生じ、界面に沿う方
向へのキャリアの輸送を妨げる。この問題は、遷移領域
の４元混晶組成が界面に平行な面内で均一でないので、
ことに重大である。界面におけるポテンシャルの乱れ
は、このような界面を持つ量子井戸からの励起子発光の
スペクトル幅を拡げる働きをする。従って量子井戸を光
素子に応用する際には大きな問題である。
本発明の目的は、以上述べたような従来の問題点を解決
するためになされたもので、界面での望ましくない混晶
の形成を防止して高品質のヘテロ界面を形成する方法を
提供することにある。
するためになされたもので、界面での望ましくない混晶
の形成を防止して高品質のヘテロ界面を形成する方法を
提供することにある。
［問題点を解決するための手段］ 本発明は、第１の半導体Ｎ元混晶（Ｎは３以上の自然数
を表す）の上に該第１の半導体Ｎ元混晶と共通の陽イオ
ン性元素と陰イオン性元素を少なくとも１個ずつ含む第
２の半導体Ｍ元混晶（Ｍは３以上の自然数を表す）を分
子線エピタキシ法により積層してなる半導体ヘテロ界面
の形成方法において、第１の半導体Ｎ元混晶をエピタキ
シャル成長させる第１の成長工程と、陽イオン性元素を
含む分子線の照射を停止し、陰イオン性元素のみを含む
分子線を照射しながら待機することにより、前記第１の
成長工程で成長した第１の半導体Ｎ元混晶表面の段差が
１分子層となるように平坦化する表面平坦化工程と、前
記第１の半導体Ｎ元混晶と第２の半導体Ｍ元混晶に共通
の陽イオン性元素および陰イオン性元素からなる第３の
半導体Ｑ元結晶または混晶（Ｑは２≦Ｑ≦Ｎの自然数を
表す）を１分子層だけ成長させる第２の成長工程と、前
記第２の半導体Ｍ元混晶を前記第３の半導体Ｑ元結晶ま
たは混晶の上にエピタキシャル成長させる第３の成長工
程とを有してなることを特徴とするヘテロ界面形成方法
である。
を表す）の上に該第１の半導体Ｎ元混晶と共通の陽イオ
ン性元素と陰イオン性元素を少なくとも１個ずつ含む第
２の半導体Ｍ元混晶（Ｍは３以上の自然数を表す）を分
子線エピタキシ法により積層してなる半導体ヘテロ界面
の形成方法において、第１の半導体Ｎ元混晶をエピタキ
シャル成長させる第１の成長工程と、陽イオン性元素を
含む分子線の照射を停止し、陰イオン性元素のみを含む
分子線を照射しながら待機することにより、前記第１の
成長工程で成長した第１の半導体Ｎ元混晶表面の段差が
１分子層となるように平坦化する表面平坦化工程と、前
記第１の半導体Ｎ元混晶と第２の半導体Ｍ元混晶に共通
の陽イオン性元素および陰イオン性元素からなる第３の
半導体Ｑ元結晶または混晶（Ｑは２≦Ｑ≦Ｎの自然数を
表す）を１分子層だけ成長させる第２の成長工程と、前
記第２の半導体Ｍ元混晶を前記第３の半導体Ｑ元結晶ま
たは混晶の上にエピタキシャル成長させる第３の成長工
程とを有してなることを特徴とするヘテロ界面形成方法
である。
［作用］ 第１図は本発明によるヘテロ界面形成方法を工程順に模
式的に説明した説明図である。ここではAxC1-xD３元混
晶上にAyB1-yD３元混晶を積層する場合を説明する。な
お、A,B,Cは陽イオン性、Ｄは陰イオン性元素を表す。
また図中、Ｄ元素については省略した。
式的に説明した説明図である。ここではAxC1-xD３元混
晶上にAyB1-yD３元混晶を積層する場合を説明する。な
お、A,B,Cは陽イオン性、Ｄは陰イオン性元素を表す。
また図中、Ｄ元素については省略した。
第１図（ａ）は下地のAxC1-xDの成長を行った後、成長
を中断した時の下地の半導体３元混晶の表面を示したも
のである。次に、平坦化を行って、第１図（ｂ）に示す
ような表面状態とした後、第１および第２の半導体混晶
に共通の元素からなる結晶を１分子層分成長させると第
１図（ｃ）に示す如くなり、界面の遷移領域には、高々
Ｎ元の混晶しか形成されない。次いで第１図（ｄ）に示
すように、第２の半導体混晶であるAyB1-yDを積層して
ヘテロ構造を形成する。この方法によれば、従来の方法
のように下地の混晶より次数の高い、即ちキャリアを散
乱しやすい混晶が形成されることがなく、キャリアの輸
送効率の高い界面が得られる。
を中断した時の下地の半導体３元混晶の表面を示したも
のである。次に、平坦化を行って、第１図（ｂ）に示す
ような表面状態とした後、第１および第２の半導体混晶
に共通の元素からなる結晶を１分子層分成長させると第
１図（ｃ）に示す如くなり、界面の遷移領域には、高々
Ｎ元の混晶しか形成されない。次いで第１図（ｄ）に示
すように、第２の半導体混晶であるAyB1-yDを積層して
ヘテロ構造を形成する。この方法によれば、従来の方法
のように下地の混晶より次数の高い、即ちキャリアを散
乱しやすい混晶が形成されることがなく、キャリアの輸
送効率の高い界面が得られる。
［実施例］ 以下、図面を参照しながら本発明の一実施例を説明す
る。
る。
本発明の方法に用いられるMBE装置としては例えば前記
の第２図に示すような装置を用いることができる。以
下、例として第１図の説明図におけるＡをIn、ＢをGa、
ＣをAl、ＤをAsとし、InP（001）基板上に第１の半導体
Ｎ元混晶として、InxAl1-xAs（ｘ＝0.52）を、第２のＭ
元半導体混晶としてInyGa1-yAs（ｙ＝0.53）を積層して
ヘテロ構造を形成する場合について述べる。
の第２図に示すような装置を用いることができる。以
下、例として第１図の説明図におけるＡをIn、ＢをGa、
ＣをAl、ＤをAsとし、InP（001）基板上に第１の半導体
Ｎ元混晶として、InxAl1-xAs（ｘ＝0.52）を、第２のＭ
元半導体混晶としてInyGa1-yAs（ｙ＝0.53）を積層して
ヘテロ構造を形成する場合について述べる。
第２図に示すMBE装置の各分子線源は、それぞれ20にI
n、21にGa、22にAl、23にAsが原料として充填されてい
る。
n、21にGa、22にAl、23にAsが原料として充填されてい
る。
まず、通常の方法によりInP（001）基板４を有機洗浄
し、化学的にエッチングして清浄化した後、10-10Torr
台の超高真空に排気された成長室１中の基板ホルダ３に
装着する。
し、化学的にエッチングして清浄化した後、10-10Torr
台の超高真空に排気された成長室１中の基板ホルダ３に
装着する。
成長開始に先立ち、In、Ga、Alの各分子線源20,21,22は
所望の組成、即ちInxAl1-xAs（ｘ＝0.52）とInyGa1-yAs
（ｙ＝0.53）が得られるように温度制御される。また、
As分子線源23も、InP基板４表面において２×10-5Torr
の強度が得られるように温度を制御する。As分子線源23
の前方のシャッタ5dを開け、As分子線をInP基板４に照
射しつつ、基板ホルダ３に取付けられた抵抗ヒータの温
度を上げ、As圧下でInP基板４の表面を熱クリーニング
する。通常、540℃で表面の酸化膜や汚れが脱離し、表
面が清浄となる。次に基板温度を550℃に安定させ、In
とAlの分子線源20,22の前方のシャッタ5a,5cを開けて、
In0.52Al0.48Asを0.5μｍ成長させる（第１の成長工
程）。典型的な成長速度は0.8μm/hであった。
所望の組成、即ちInxAl1-xAs（ｘ＝0.52）とInyGa1-yAs
（ｙ＝0.53）が得られるように温度制御される。また、
As分子線源23も、InP基板４表面において２×10-5Torr
の強度が得られるように温度を制御する。As分子線源23
の前方のシャッタ5dを開け、As分子線をInP基板４に照
射しつつ、基板ホルダ３に取付けられた抵抗ヒータの温
度を上げ、As圧下でInP基板４の表面を熱クリーニング
する。通常、540℃で表面の酸化膜や汚れが脱離し、表
面が清浄となる。次に基板温度を550℃に安定させ、In
とAlの分子線源20,22の前方のシャッタ5a,5cを開けて、
In0.52Al0.48Asを0.5μｍ成長させる（第１の成長工
程）。典型的な成長速度は0.8μm/hであった。
次に、InとAlの分子線源20,22のシャッタ5a,5cを閉じて
成長を中断する。ここで成長の中断の瞬間は前記の第１
図（ａ）に対応する。
成長を中断する。ここで成長の中断の瞬間は前記の第１
図（ａ）に対応する。
次いで、そのままAsを照射しながら、120秒待機を行っ
て平坦化を行う（平坦化工程）。この状態は前記の第１
図（ｂ）に対応する。
て平坦化を行う（平坦化工程）。この状態は前記の第１
図（ｂ）に対応する。
次に、Inの分子線源20の前方のシャッタ5aを１分子層の
厚さ、即ち、約2.93Åに相当する2.5秒だけ開ける。こ
の第２の成長工程により表面がInAsにより覆われる（第
１図（ｃ）に対応）。
厚さ、即ち、約2.93Åに相当する2.5秒だけ開ける。こ
の第２の成長工程により表面がInAsにより覆われる（第
１図（ｃ）に対応）。
続いて、Gaの分子線源21の前方のシャッタ5bを開け、In
0.53Ga0.47Asを成長させ、第３の成長工程を行う。
0.53Ga0.47Asを成長させ、第３の成長工程を行う。
以上の工程により前記第１図（ｄ）に対応するヘテロ界
面が形成される。このヘテロ界面では、界面に平行な方
向には４元混晶は存在せず、界面は３元混晶であるI
nx′Al1-x′AsからIny′Ga1-y′Asへ急峻に切替ってい
る。従って、従来の界面待機MBE法では避けられない。
４元混晶よりなる界面遷移領域が生じず、高品質な界面
が得られる。界面にできるInx′Al1-x′AsとIny′G
a1-y′Asは、必ずしもInP基板４に格子整合しないが、
１分子層しかないのでその影響はほとんど無視できる。
面が形成される。このヘテロ界面では、界面に平行な方
向には４元混晶は存在せず、界面は３元混晶であるI
nx′Al1-x′AsからIny′Ga1-y′Asへ急峻に切替ってい
る。従って、従来の界面待機MBE法では避けられない。
４元混晶よりなる界面遷移領域が生じず、高品質な界面
が得られる。界面にできるInx′Al1-x′AsとIny′G
a1-y′Asは、必ずしもInP基板４に格子整合しないが、
１分子層しかないのでその影響はほとんど無視できる。
［発明の効果］ 以上述べたように、本発明のヘテロ界面形成方法によれ
ば、界面が１分子層の高さの平坦な島から形成され、極
めて急峻であるだけでなく、キャリアを散乱したり、エ
ネルギーポテンシャルを乱す望ましくない混晶層を生じ
ない。この結果、ヘテロ界面に沿ったキャリアの輸送現
象を利用した電子デバイスの作製や、界面での混晶（合
金）散乱が発光スペクトル幅に影響する量子井戸を用い
た光素子の作製に適する。
ば、界面が１分子層の高さの平坦な島から形成され、極
めて急峻であるだけでなく、キャリアを散乱したり、エ
ネルギーポテンシャルを乱す望ましくない混晶層を生じ
ない。この結果、ヘテロ界面に沿ったキャリアの輸送現
象を利用した電子デバイスの作製や、界面での混晶（合
金）散乱が発光スペクトル幅に影響する量子井戸を用い
た光素子の作製に適する。
第１図は本発明のヘテロ界面形成方法を模式的に説明し
た工程図、第２図は本発明の方法に用いられるMBE装置
の一例を示す概略断面図、第３図は従来の界面待機MBE
法によるヘテロ界面の形成方法を模式的に説明した工程
図である。 １……成長室、３……基板ホルダ ４……基板、5a〜5d……シャッタ ９……真空ポンプ、20〜23……分子線源 A,B,C……陽イオン性元素 Ｄ……陰イオン性元素
た工程図、第２図は本発明の方法に用いられるMBE装置
の一例を示す概略断面図、第３図は従来の界面待機MBE
法によるヘテロ界面の形成方法を模式的に説明した工程
図である。 １……成長室、３……基板ホルダ ４……基板、5a〜5d……シャッタ ９……真空ポンプ、20〜23……分子線源 A,B,C……陽イオン性元素 Ｄ……陰イオン性元素
Claims (1)
- 【請求項１】第１の半導体Ｎ元混晶（Ｎは３以上の自然
数を表す）の上に該第１の半導体Ｎ元混晶と共通の陽イ
オン性元素と陰イオン性元素を少なくとも１個ずつ含む
第２の半導体Ｍ元混晶（Ｍは３以上の自然数を表す）を
分子線エピタキシ法により積層してなる半導体ヘテロ界
面の形成方法において、第１の半導体Ｎ元混晶をエピタ
キシャル成長させる第１の成長工程と、陽イオン性元素
を含む分子線の照射を停止し、陰イオン性元素のみを含
む分子線を照射しながら待機することにより、前記第１
の成長工程で成長した第１の半導体Ｎ元混晶表面の段差
が１分子層となるように平坦化する表面平坦化工程と、
前記第１の半導体Ｎ元混晶と第２の半導体Ｍ元混晶に共
通の陽イオン性元素および陰イオン性元素からなる第３
の半導体Ｑ元結晶または混晶（Ｑは２≦Ｑ≦Ｎの自然数
を表す）を１分子層だけ成長させる第２の成長工程と、
前記第２の半導体Ｍ元混晶を前記第３の半導体Ｑ元結晶
または混晶の上にエピタキシャル成長させる第３の成長
工程とを有してなることを特徴とするヘテロ界面形成方
法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP28221587A JPH0727865B2 (ja) | 1987-11-10 | 1987-11-10 | ヘテロ界面形成方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP28221587A JPH0727865B2 (ja) | 1987-11-10 | 1987-11-10 | ヘテロ界面形成方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01125818A JPH01125818A (ja) | 1989-05-18 |
| JPH0727865B2 true JPH0727865B2 (ja) | 1995-03-29 |
Family
ID=17649557
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP28221587A Expired - Fee Related JPH0727865B2 (ja) | 1987-11-10 | 1987-11-10 | ヘテロ界面形成方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0727865B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2729528B2 (ja) * | 1990-04-13 | 1998-03-18 | ヤンマーディーゼル株式会社 | 防音型作業装置 |
| JP4629247B2 (ja) * | 2001-02-14 | 2011-02-09 | 本田技研工業株式会社 | 船外機の冷却通路構造 |
-
1987
- 1987-11-10 JP JP28221587A patent/JPH0727865B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01125818A (ja) | 1989-05-18 |
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