JPS60201623A - ＩｎＧａＡｓＰ系化合物半導体の製法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はエピタキシャル成長法を用いたｈＧ＆ＡｓＰ糸
化合物半糸体合物半導体する〇 〔従来技術〕 現在注目されているオプトエレクト四二りスの分野にお
いては、石英ファイバーを用いた光通信のごとき長波長
発光素子が望まれている。

一方、光メモリ−、レーザープリンターあるいは表示素
子の分野においては、記録密度を向上させるあるいは特
性を改良するなどの理由から、直接遷移型の可視光発光
素子が注目され、発光波長をより短波長化する研究が幅
広く行なわれている。

短波長発光素子に利用する材料としては、■−Ｖ族化合
物半導体のほか、ｎ−ｙ族化合物半導体も注目されてい
るが、ＰＭ制御が容易であることや良質な基板が容易に
入手可能であることなどの理由から、現状ではｉ−ｖ族
化合物半導体を用い、短波長化をはかる研究がより幅広
く行なわれている。

ｉ−ｖ族化合物半導体を用いて可視光発光素子を製造す
るとき、チッ素原子を■族成分とするナイトライド系半
導体を用いる方法は、良質の基板が容易に入手できない
ため不適当であり、主としてＱａＡｍを基板としたＧａ
ＸＩＡ！、−エｊＡｓ系または工ｎｙＧ　ａ□−ｙＡｓ
　ｚＰｚ１糸化合物化合物る可視光発光素子の研究が行
なわれている。

基板としてＧａＡｇｘＰ、、を用いて工ｎ、Ｇａ、−ｙ
ＡｓｚＰよ−。

系化合物をエピタキシャル成長させると、ＧａＡｓを基
板として用いるばあいよりさらに短波長化をはかること
ができるため１有望な材料である。

しかし基板として用いるＧａＡ１１ｘＰよ−エは、格子
定数の異なるＧＩＬＡ！１基板上に組成の傾きをつけて
気相成長させたものが用いられるため、欠陥密度が大き
く、このため該基板を用いたエピタキシャル成長法はあ
まり研究されておらず、その製法も確立されていない。

〔発明の目的〕

本発明者らは前記のごとき実情に鑑み、Ｇ　ａＡｓを基
板として用いた可視光発光素子のばあいよりもさらに短
波長化するのに適した材料ではあるが、良質なエビ層の
製法が確立されていないＩｎＧａＡｓＰ系化合物半導体
のＧａＡａｘＰｌ−エ基板上へのエピタキシャル成長法
を確立すべく鋭意研究を重ねた結果、本発明を完成した
〇 （発明の構成〕 すなわち本発明は、Ｉ　”　Ｖ族化合物である式：工ｎ
ｙＧ’、−ｙＡｓ　ｚＰｚ、（式中、ｙは０．２２〜０
．５７．２は０〜０．１である）であられされる化合物
半導体を製造する際に、Ｉｎを主成分とするメルトを、
ソータ温度をエピタキシャル成長温度より２０°Ｏ以上
高く保持したのち、ＧａＡａＸＰｌ−ｘ（式中、Ｘは０
．５５〜０．７５である）で表わされる単結晶基板と接
触させてエピタキシャル成長させることを特徴とする工
ｎＧａＡｓＰ　Ｊ化合物半導体の製法に関する。

〔発明の実施態様〕

本発明に用いるＧａＡｓＸＰｌ−エ単結晶基板において
、通常Ｘは０．５５〜０．７５のものが使用される。

たとえば工ｎｙＧ　ａｌ−ｙＰを成長させるばあいには
、χとｙとの間には格子整合条件より ７　＝０．４Ｂｘ なる関係のあることが知られており、えられるエピタキ
シャル層が直接遷移領域にあり、しかも所望するバンド
ギャップ（ｍｇ）に合致するｙに対応したＸを有するこ
とが必要である。

本発明に用いるＩｎを主成分とするメルトには、通常用
いられる原料（ソース）が限定されることなく含有され
うる。このようなソースの具体例としては、Ｐ源として
のＧａＰや工ｎＰなど、Ｇａ源としてのＧａＰやＧａ（
金属）など、Ａ８源としてのＧａＡｓや工２１Ａ８など
があげられる。

メルト中にしめるソースの量は、ソースの種類によって
も若干影響をうけるため、−概には決められないが、通
常メルトに対して原子分率で０．０１〜０．０５、好ま
しくは０．０２〜０．０４程度である。

Ｇａ源としてＧａＰ５Ｐ源として工ＺＩＰを用いると、
工ｎＰの溶解速度がＧａＰのそれよりも速いため、投入
した工ｎＰの量によりＧａＰのメルト中への溶解量が制
御される。それゆえＧＮＰを多少過剰に用いてもエピタ
キシャル成長に大きな影響を及ぼさない。またメルト中
のＰ濃度については、ソータ中にＰの逸散があるため、
通常あらかじめ逸散分を含めて過剰に用いられる０たと
えば８５０°ａにてソータを３０分間行なったのち、Ｂ
ｏｏ　’。

でエピタキシャル成長を行なうばあい、ボートの形にも
依存するが、およそ投入する総重量は必要量の１．３〜
１．４倍程度である。初期に投入するＰ量が不足すると
、過剰のＧＩＬＰがメルト中に溶解し、メルト中の（）
＆原子分率が上昇する結果、良質なエピタキシャル成長
層をうろことができにくくなる。またＰ量が多すぎると
、メルト中のＧａ原子分率が低く抑制されるため、良質
なエピタキシャル成長層をうろことができにくくなる。

たとえば８３０°０で３０分間ソータしたのち、８００
°０でエピタキシャル成長させるばあい、Ｇａ、Ｐ、工
ｎ５Ａｓの原子分率は、それぞれり、０１５〜０、０２
５−０．０５５〜０．０４１．０．９０〜０．９５．０
〜０．０４の範囲から選択するのが好ましい。

本発明におけるソーク温度は、エピタキシャル成長温度
より少なくとも２０°Ｏ以上高いことが必要であり、５
０°ａ以上高いことが好ましく、５０°Ｏよりも高くな
いことが好ましい。エピタキシャル成長温度より２０ｑ
ｏ高い温度未満でソータを行なったばあい、良質なエピ
タキシャル層を再現性よくうろことは困難である。また
エピタキシャル成長温度より５０００高い温度をこえる
高温でソータすると、Ｐ成分の逸散が著しく１経済的で
ないばかりでなく、メルト中のＰ原子分率を再現性よく
調節するのが困難になる傾向が生じる＠ ソータ時間は、ソータ温度にもよるが、通常３０分間〜
１時間程度である０ソーク中、装置内にはパラジウム膜
で純化した水素が通常０．５〜１．０１７分程変流され
る。

ソータ温度からエピタキシャル成長温度までの冷却速度
は０．１〜３°０／分の範囲で適した値を選択すること
が好ましいが、これらの冷却速度に限定されるものでは
ない。冷却速度が大きいばあい、成長温度より数度高い
一定温度で５〜１５分間程度メルトを保持し、メルト内
の温度分布の均一化をはかったのち、より遅い冷却速度
にて冷却するというような方法も採用しうる〇前記のご
ときメルトは、エピタキシャル成長に用いる通常のカー
ボン製ボート中で製造されるのが好ましい・製造された
のち、該メルトは前記ＱａＡｓ工Ｐ□−８単結晶板と接
触せしめられ、エピタキシャル成長層が形成される０エ
ピタキシヤル成長は高温で行なうことが多く、エピタキ
シャル成長前の基板が熱損傷をうけることを防止する目
的で、別のＧａＡｓＸＰエーエ基板をカバーとして用い
、エピタキシャル成長用基板を成長前までおおうことが
好ましい。それゆえ前記ボートはカバー用基板を保持す
ることができる構成になっているのが望ましい。また炉
心管内部に別途原料を用い、Ａｓ圧やＰ圧を加えること
も可能である。

エピタキシャル成長時におけるメルトの冷却速度は、０
〜３％／分程度が適しており、好ましくは０．３〜１．
５’Ｏ／分であり、より好ましくは０．５〜１．０００
７分であることが良質な結晶をうるという点から一層望
ましい◎エピタキシャル成長温度は７００〜９００°ａ
程度が好ましく、７５０〜８５０°ａ程度がさらに好ま
しく、このような温度範囲で選択されうる。

本発明においては、一般に用いられるｐｌｉ制御用のド
ーパントが用いられうる。このようなドーパントの具体
例としては、たとえばｎｇドーパントであるＴｏ　ｓ　
Ｓｅ　ｓ　Ｓｎ　％　Ｓなど、ｐＩｊＩｉドーパントで
あるＺｎ、　Ｏｆｌなどがあげられる。またチッ素のご
とき等電子測的不純物を同時にドーピングすることも可
能である〇 前記のごときドーパントを多量に使用すると、エピタキ
シャル成長層の欠陥を増大させたり、基板のメルトバッ
クをひきおこすことがあるので１使用量を最低必要量に
とどめることが好ましい。ドーパントの使用量としては
、エピタキシャル成長条件やドーパントの種類などに依
存するため、−概に決定することはできないが、メルト
中に原子分率で約０．００２〜Ｄ、０１５程度含まれる
ことが好ましい。ドーパントがこの程度合まれると、１
ｏ１８〜１０２０程度のキャリアー密度をうろことがで
きる。

ドーパントを用いるとき、ソータ中に生じやすいドーパ
ントの蒸発による基板あるいは他のメルトの汚染や成長
中におけるドーパントの拡散についても留意することが
好ましい。とくにＺｎは蒸発、拡散が著しく、水素流の
最下流にＺｎを含有するメルトを位置させることが望ま
しい・また２ｎ拡散をも考慮し−で９層、ｎ層などの設
計を行なうことが好ましい。

このようにして成長させることのできる本発明による工
！ｉｙＧ＆、−アＡ〜Ｐニー２化合物半導体は、使用し
たＧａＡｓｘＰエーエ基板のＸによりおよそｙ、ｚの範
囲は決定されるが、エピタキシャル成長条件によっても
若干の制御は可能である◇Ｘとｙあるいは２との間の関
係は、ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス（
Ｊ、　Ａｐｐｌ、　ＰＩｖｓ、　）４９２５５１に示さ
れている。たとえばＸが０．５５〜０．７５のとき、ｙ
は０．２２〜０．３７．２は０〜０．１である。本発明
においてはこの範囲で実施するとき顕著な効果かえられ
る。

エピタキシャル成長層に直接電極を設けるために形成さ
れるオーミックコンタクト用金属としては、通常使用さ
れるものが、そのまま用いられうる。代表的なものとし
ては、エピタキシャル成長層がｐ型のばあいＡｕ／Ｚｎ
合金、ｎ型のばあいＡｕ／Ｓｎ合金があげられる。

たとえばｎ型ＧａＡσ。、６Ｐ０．４基板上にｎ型工ｎ
ｏ、３Ｇ　＆ｏ、ｒｔ　Ｐおよびｐ型工ｎｏ、３Ｇ　Ｉ
Ｌｏ、　ｒｔ　Ｐを逐次エピタキシャル成長させ、電極
としてｎ型層にＡｕ／Ｓｎ、ｐ型層にＡｕ／Ｚｎを蒸着
させたのち合金化し、直流電界を印加し、電流注入型発
光を観測すると、発光波要約５７０　ｎｍ　ｓ順方向立
上り電圧的１．４ｖであり、同等の波長を有する間接通
弊型Ｇａｐ−ＬＩＤの約１．９ｖと比較して、かなり低
い電圧で駆動させることができる。また高周波による変
調が可能である。また発光波長は、光通信用プラスチッ
クファイバーの低損失域に一致シテおり、光通信用光源
としても有用である。

つぎに実施例にもとづき本発明の詳細な説明するが、本
発明はこれら実施例に限定されるものではない。

実施例１ メルトとして工ｎ　２．０８４ｐ　ｓ工ｎＰ　６０．２
ｍｐ、ＧａＰ５５、　Ｏｍｇをエツチングしたのち、横
型スライドボードに投入した。またドーパントとしてＴ
ｅを含むｎ型のＧ　＆ＡＩｌ　ｏ、　６□ＰＯ，３９を
エツチングしたのち基板として装着し、基板保護用のカ
バーとして１ＧａＡ８ａ６□’０．３９からなる別の基
板を成長用基板上に置いた。メルトは基板に対して、水
素流の上流にくるように配置した。水素はパラジウム純
化装置を通して純化したものを０．７１７分流した。

なお水素はさらに液相成長装置に入る直前で、液体チッ
素温度まで冷却することにより再精製し、た。

前記のように設定したのち８５０°０にて３０分間ソー
クし、１．９°０／分の冷却速度で８０３°０まで冷却
し、１０分間定温保持した。そののち０．２９　’０／
分の冷却速度で冷却し、８’ＯＯ’Ｏになった所でメル
トを基板と２分間接触させてエピタキシャル成長を行な
わせて冷却した。

えられたエピタキシャル成長層の表面はほぼ全面にわた
って鏡面であり、断面の８１Ｍ像を観察することにより
めた成長層の厚さは、０．５μｍであった。

実施例２ メルトと基板との接触時間を５分間、成長時の冷却速度
を０．５８００／分にした以外は実施例１と同様にして
、半導体を製造し、その特性を測定したところ、エピタ
キシャル成長層は厚さ０．８μｍであり、鏡面を有する
表面であった。

実施例３ 第１表に示す組成のメルトＡおよびメル）Ｂを、基板に
対して水素流の下流から順にメルトＢ１ヌル）Ａ％基板
となるように配置した０８００°０でメル）Ａと８分間
接触させたのち、ただちにメル）Ｂと２分間接触させて
から冷却した以外は、実施例１と同様にしてエピタキシ
ャル成長を行なった〇 えられた基板をＳＦ！Ｍ断面観察および電子ビーム誘起
電流ＣＩＣＢ工Ｏ）測定したところ、ｎ型層は１．３μ
ｍ、ｐ型層は０．４μｍであったが、ドーパントである
Ｋｎが成長中にｎ型層へ拡散し、ＰＮ接合はｎ型層へ約
０．２μｍ入り込んだところに形成されていた。

ｐ型層表面にＡｕ／Ｚｎ　％基板裏面にＡｕ／Ｓｎを蒸
着させ、電流注入により端面発光させたところ、ピーク
波長５７１ｎｍ　％半値幅２Ｓｎｍのエレクトロルミネ
ッセンスが観測された。このダイオードの立上り電圧は
約１．４ｖであった。

実施例４ 第１表に示すメル）Ｏを基板に対して水素流の下流側に
配置し、ソーク温度８８０°０、成長開始温度８５０°
０、成長時間５分間とした以外は実施例１と同様にして
、エピタキシャル成長を行ない、えられたものの特性を
測定したところ、エピタキシャル成長層は厚さ約２．６
μｍであり、鏡面を有する表面であった。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １　Ｍ−Ｖ族化合物である式＝ｌｎｙＧ＆１−ｙｅｓＺ
   Ｐｌ−２（式中、ｙは０．２２〜０．３７ｍは０〜０．
   １である）であられされる化合物半導体を製造する際に
   、工りを主成分とするメルトを、ソーク温度をエピタキ
   シャル成長温度より２０８０以上高く保持したのち、Ｇ
   ａＡｓｚｐｌ−ｚ　（式中、Ｘは０．５５〜０．７５で
   ある）で表わされる単結晶基板と接触させてエピタキシ
   ャル成長させることを特徴とするＩｎＧａＡｓＰ系化合
   物半導体の製法。