JPS5841676B2 - 半導体レ−ザ素子の製造法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は半導体レーザ素子形成に必要なダブルへテロ構
造の結晶の製造法に関するものである。

一般に鉛を含む多元半導体は、エネルギーギャップが狭
く、赤外線レーザ素子また６１赤外線光電変換素子の材
料として広く用いられている。

このような赤外線レーザ素子を形成する場合に第１図に
示すように鉛を含む多元半導体基板１上に結晶組成がそ
れぞれ異なる第１結晶層２、第２結晶層３、第３結晶層
４を形成したヘテロ構造がとられ、これらの結晶層をそ
れぞれバッファ層、活性層、トップ層と称している。

このような構造を有するレーザ素子の動作を説明すると
、第１図の第２結晶層３つまり活性層内゛に形成された
Ｐ−Ｎ接合面５に電子が注入されると充満帯にあるホー
ルと再結合して光子を発生する。

この光子と注入キャリアとを上記し現第１結晶層２つま
りバッファ層と活性層３のへテロ界面６および活性層３
と第３結晶層４つまりトップ層間のへテロ界面７によっ
て閉じ込める形となり、電気エネルギーから光への変換
効率が増大し、そのためレーザ発振を開始するしきい値
電流密度が低下するといった効果を生ずる。

このようなヘテロ接合界面の形成法として、多元半導体
基板、例えば鉛−テルル（ＰｂＴｅ）の基板−ヒに成長
させるべき異質の多元半導体、例えば鉛−錫−テルル（
Ｐｂ、 −ｘＳｎｘＴｅ ）の結晶の融液の温度を降下
させ、融液が固化されて形成される結晶成長層を上記基
板上に形成するという液相エピタキシャル成長法が一般
に用いられている。

ここで形成されたレーザ素子の発振波長を１０μｍ以上
の長波長にするためには、ＰｂＴｅよりなる基板上にＰ
ｂｌ−ｘｓｎｘＴｅの成分比で表されＸが０．０５よ
り０．１８である結晶層をバッファ層として形成し、そ
の上にＸの値が０．２０より０．３０までの値のＰｂ１
− ｘＳｎｘＴｅの結晶を活性層として形成しなければ
ならないことが判明している。

従来液相エピタキシャル成長法を用いてＸが０．０５〜
０．１８のＰ ｂｌ−ｘＳｎｘＴｅの組成のバッファ層
上にＸの値がバッファ層の成分と同じか又はそれ以下の
Ｐ ｂ、 −ｘｓｎｘＴｅの結晶層を活性層として形成
する場合、ＰｂＴｅよりなる基板上に上記糺戊のバッフ
ァ層を形成したのち、該バッファ層−ヒに上記組成の活
性層となる半導体の融液を約６００℃の温度で接触させ
た後、加熱炉の温度を約６００°Ｃから１°Ｃ／１分の
速度で降温し２〜３分経過させることで形成していた。

しかしレーザ素子の発振波長を１０μｍ以上の長波長と
するために、Ｘが０．０５より０１８であるＰ ｂｌ−
ｘＳｎｘＴｅの組成の結晶層をバッファ層とし、該バッ
ファ層上にＸの値が０．２０より０．３０までのＰｂ１
− ｘＳｎｘＴｅの組成の結晶層を活性層として形成す
るとき上記した従来のような形成条件では、第２図に示
すようにバッファ層１１と活性層１２との界面に凹凸が
生じていることが判明した。

このようなバッファ層と活性層との界面に凹凸がある結
晶材料をレーザ素子に用いるならば、レーザ素子の発振
を開始するしきい値電流が増大し、素子の信頼度が損な
われるといった問題点を生ずる。

ここで上記したようなバッファ層と活性層との界面に凹
凸が生ずる原因を第３図を用いて説明する。

第３図は鉛（Ｐｂ ）、錫（Ｓｎ）、テルル（Ｔｅ ）
よりなり、Ｐｂ、 −ｘｓｎｘＴｅの組成で表される結
晶材料の状態図で、正三角形の頂点Ａ、Ｂ、ＣはＴｅ。

Ｐｂ；Ｓｎが１００％の状態を示すものである。

ここでＡ、Ｂを結ぶ辺２１はＰｂ１−Ｘ５ｎＸＴｅの結
晶材料がｐｂとＴｅより形成される場合を示し、Ｂ。

Ｃを結ぶ辺２２はＰｂとＳｎより形成される場合を示し
、Ｃ，Ａを結ぶ辺２３はＳｎとＴｅより形成される場合
を示す。

ＤとＥを結ぶ線分２４は融液から生成したＰ ｂｌ−ｘ
ｓｎｘＴｅの結晶の組成を表し、Ｘの値にかかわらずＴ
ｅの値は一定（原子比で５０％）で、すべての固化した
Ｐｂ１−ｘＳｎｘＴｅの結晶のｋｆ４６はこの線上にあ
る。

また曲線２５及び２６はＸの値がそれぞれ０．１５およ
び０．２０のＰｂ、−ｘＳｎｘＴｅの組成の結晶の固相
線で、上記結晶を融液から固化する際に、液相の温度が
変化した場合に応じて同−絹戒の結晶を析出する点の軌
跡を示す。

ここで従来の液相エピクキシャル法でＰｂＴｅの基板上
にＸの値が０．１５の組成のＰｂ、−ｘｓｎｘＴｅの結
晶をバッファ層として形成し、該バッファ層ノ 上に例えば０２０のＸ値を有し活性層となるＰ ｂ、−
−ｘｓｎｘＴｅの結晶材料の融液を６００°Ｃの温晩で
接触させた後、加熱炉の温度を１°Ｃ／１分の割合で降
温させて活性層を形成する場合につき前記状態図に基づ
き説明する。

この場合、６００’Ｃの温度で（１固相と液相が平衡状
態でありＸが０．２０の組成の材料は、ｘ＝０．２０の
固相線２６と６００°Ｃの液相線２７との交点でＦとい
う紹Ｆ＆を有する融液すなわち溶融金属であり、またＸ
が０．１５の組成の材料はＸが０．１５の固相線２５と
６００’Ｃの液相線２７との交点でＧという組成を有す
る融液である。

このようなＧ点の組成の融液が冷却されて固相線２５の
軌跡をたどり４１点の組成となった固相のバッファ層上
にＦ点の組成の融液が冷却されて固相線２６の軌跡をた
どり、■点の組成となった同相の活性層が析出する。

ここで固化したバッファ層上に活性層となる材料の融液
を接触させて活性層を形成するとき、固相のバッファ層
の一部も多少融解し、バッファ層と活性層形成材料の融
液との間に多少とも原子の移動が生ずる。

この原子の移動が大きいほどバッファ層とその上に形成
された活性層の界面に凹凸が生ずる。

本例のようにｘ＝０．２０のＰｂ１−ｘＳｎｘＴｅの活
性層の形成材料は固相線２６が右側に大きくわん曲して
おり、６００’Ｃの液相線２７における該活性層形成材
料の融液の組成Ｆとバッファ層の組成Ｇとの間の距離が
大きく、したがって両者の材料の組成差が大きい。

したがって両者の間における原子の移動が大きくなり、
形成されるバッファ層と活性層の界面に凹凸が生ずる。

また本図では例示していないが、ｘ＞０．２０のＰ ｂ
ｌ−ｘＳｎｘＴｅの固相線はいずれも右側に犬ぎくわん
曲しているから、ｘ ＝ ２．０の場合と同様の結果と
なる。

そこでこのように形成するバッファ層と活性層の結晶の
界面の凹凸をなくすためには、活性層材料の融液から結
晶を析出する際に融液を過冷却の状態にしてできるだけ
早く結晶を成長させて固液界面の非平衡状態の時間を少
なくすることが必要となる。

本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、半導体レー
ザ素子材料としての鉛を含む多元半導体基板上に、Ｐｂ
、−ｘＳｎｘＴｅの成分比を有する鉛、錫、テルルから
なる複数の多元半導体結晶層を順次液相エピタキシャル
成長法によって形成する場合に、上記基板上にＸ値が０
．０５より０．１８までの第１結晶層を形成する。

その後該第１結晶層上にＸ値が０．２０より０．３０ま
での値を有する第２結晶層を形成するに際し、上記第２
結晶層を形成するための結晶材料の液相をそれが固化し
ない範囲で第１結晶層形成時の温度から一旦降温して過
冷却状態とする。

その後結晶成長を行なって第２結晶層を形成するように
したことを特徴とする新規な半導体レーザ素子の製造法
を提供せんとするものである。

以下図面を用いて本発明の一実施例につき詳細に説明す
る。

第４図に示すようにバッファ層となる第１結晶層を形成
するためのＰ ｂＯ０ｇ５ Ｓｎ□、１５Ｔｅの融液３
１を収容する第１の液だめ３２、活性層となる第２結晶
層を形成するためのＰ ｂｏ、’ｙｓ Ｓｎｏ、２□Ｔ
ｅの融液３３を収容する第２液だめ３４、トップ層を形
成するためのＰ ｂｏ、ｓ Ｓ ｎｏ、２ Ｔ ｅの融
液３５を収容する第３の液だめ３６を有するカーボンス
ライダ３７と、後述するダミー基板３８を有する凹み３
９およびＰｂＴｅよりなるレーザ素子用基板４０を収容
する凹み４１を有するカーボンボート４２からなる液相
エピタキシャル成長用治具を水素ガス雰囲気中の石英管
４３に設置し、加熱炉４４にて約６００°Ｃの温度に加
熱する。

このようにした後第４図の装置図および液相エピタキシ
ャル成長をさせるときの温度履歴を第５図を用いて説明
する。

ここで第５図は本発明によるエピタキシャル成長の工程
の炉内温度と上記カーボン治具がその炉内温度で放置さ
れている時間の関係を示す図で、縦軸は炉内温度を示し
横軸は放置される時間を示す。

前記したように炉内温度がａ点に示すように６１２℃に
上昇するとその時点から約３０〜４０分間炉内温度を一
定に保つ。

その後第４図のスライダを矢印の方向に移動させて、第
１の液だめ３１をダミー基板３８上に移動させて第５図
のｂ点に示すように温度をわずか上昇させたのち、ｂ点
からＣ点まで約３５分位一定温度に保つ。

このようにしてカーボン治具をすべらせたときに融液中
から最初に析出する組成の安定していない結晶層をダミ
ー基板上に析出させる。

その後第４図に示すように、カーボンスライダを移動さ
せて第１の液だめ３１をレーザ素子用基板４０の上にも
ってくる。

この時第２の液だめ３４はダミー基板３８上にある。

この移動が終了した時点で第５図に示すように炉内温度
をＣ点の６１４°Ｃからｄ点の６２２℃まで上昇させた
のち、ｅ点まで約２０分間一定温度に保ち、その間に充
分バッファ層を形成する結晶材料の融液とレーザ素子用
基板とをなじませる。

次に炉内温度をｅ点の６２２℃からｆ点の６０７°Ｃま
で０．２℃／分の降温速度にして上記基板及び融液を徐
冷する。

この間での徐冷時間は約１時間１０分位である。

さらに炉内温度をｆ点の６０７℃からｇ点の６００°Ｃ
まで約３°Ｃ／分の降感速度にして上記レーザ素子用基
板および結晶層を形成する融液を急冷する。

この急冷の段階でバッファ層となる結晶層がレーザ素子
用基板上に析出して形成され、その時にダミー基板３８
上にある活性層を形成する融液３３は固化寸前の過冷却
の状態に保たれる。

この６００℃のｇ点でスライダを動かして上記固化寸前
の過冷却の状態の活性層を形成する融液を上記バッファ
層の結晶層が形成されたレーザ素子用基板上に移動させ
る。

この移動が終わった時点で上記バッファ層上に活性層が
形成され、前述した理由で両結晶層間の界面に凹凸が生
じなくなる。

次に炉内温度を第５図の６００℃のｇ点から５９５℃の
ｈ点まで１°Ｃ／分の温度で降温して上記バッファ層上
に活性層が最適な速度で成長するようにする。

この成長時間は非常に短く２〜３分位である。

次に第４図に示すようにスライダを動かして基板上にト
ップ層を形成するための結晶材料の融液３５を移動させ
て第５図の５９５°Ｃのｈ点より５９０℃のに点まで１
８Ｃ／１分の温度勾配で加熱炉を降温させてバッファ層
、活性層が形成されたレーザ素子用基板上にトップ層の
結晶層を形成する。

以上述べたような本発明による方法でレーザ素子材料の
へテロ接合を形成すれば、バッファ層上に形成される活
性層の結晶が液相から急冷して形成されるので、液相か
ら結晶成長する際の固液界面の非平衡の状態の時間が短
くなり、したがって結晶界面の凹凸現象がなくなり、平
滑な結晶界面が得られる。

なお本発明の方法は活性層以外のトップ層の結晶層を形
成する場合にも適用できる。

このような結晶材料をレーザ素子として用いるならば発
振を開始するしきい値電流値が低減し、電力第１］用効
率が高くかつ信頼度の高いレーザ素子が得られる利点を
生ずる。

【図面の簡単な説明】

第１図はレーザ素子の構造を説明する図で、第２図は従
来のレーザ素子の結晶界面を示す図で、第３図はレーザ
素子形成の際の材料の状態図、第４図は本発明の方法を
用いて液相エピタキシャル成長を実施するための装置の
一例構造を示す断面図、第５図は本発明の方法を実施す
るための加熱炉の温度と加熱時間の関係を示す線図であ
る。 １：多元半導体基板、２：バッファ層、３：活性層、４
ニドツブ層、５：Ｐ−Ｎ接合面、６：へテロ界面、７：
ヘテロ界面、１１：バッファ層、１２：活性層、２１：
ｐｂとＴｅの２成分で構成された線分、２２：ｐｂとＳ
ｎの２成分で構成された線分、’ｌ ３ ： ＴｅとＳ
ｎの２成分で構成された線分、２４ ：ＰｂＴｅ（！：
５ｎＴｅで構成された線分、２５：ｘ−＝０．１５の液
相、線、２６：Ｘ二０．２０の液相線、３１：バッファ
層形成材料の融液、３２：液だめ、３３：活性層形成材
料の融液、３４：液だめ、３５ニドツブ層形成材料の融
液、３６：液だめ、３７：カーボンスライダ、３８：ダ
ミー基板、３９：凹み、４Ｑ ：ＰｂＴｅ基板、４１：
凹み、４２：カーボンポート、４３：石英管、４４：加
熱炉、Ａ：Ｔｅ１００％の状態、Ｂ：Ｐｂ１００％の状
態、Ｃ：８０１００％の状態、Ｄ：Ｐｂ５０％とＴｅ５
０％の状態、Ｅ：５ｎ５０％とＴｅ５０％の状態、Ｆ：
ｘ＝０．２０の固相線と液相線の交点、Ｇ：ｘ＝０．１
５の固相線と液相線の交点、Ｈ：０点の組成の融液が固
化し六−ときの組成、■：Ｆ点の組成の融液が固化した
ときの組成、ａ 、 ｂ 、 ｃ ｚ ｃｌｅ、ｆ 、
ｇ、ｈ、に：炉内温度。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 半導体レーザ素子材料としての鉛を含む多元半導体
   基板上にＰｂ１−ｘｓｎｘＴｅで表される組成を有する
   多元半導体結晶層を液相エピタキシャル成長法によって
   形成する場合において、上記基板上に０．０５より０．
   １８までのＸ値を有する第１結晶層を形成し、一方０．
   ２０より０．３０までのＸ値を有する第２結晶層を形成
   するための結晶材料を含む液相を、該液相が固化しない
   範囲で上記第１結晶層形成時の温度から一旦降温して過
   冷却状態にしたのち、該液相を第１結晶層と接触させて
   第２結晶層を形成することを特徴とする半導体レーザ素
   子の製造法。