JPS63282193A - ヘテロ界面形成方法 - 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】 （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なヘテロ界面
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
晶が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、ヘテロ界面と記す）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。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（Ｍ
ｏｌｅｃｕｌａｒ　Ｂｅａｍ　Ｅｐｉｔａｘｙ、以下Ｍ
ＢＥという）法が広く行なわれている。

第２図にＭＢＥ装置の概略断面図を示す。ＭＢＥ法はイ
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噴出させる分子線源２０．２１．２
２と、この分子線源２０２１．２２とは独立に温度制御
可能な基板ホルダー３とを設け、分子線源２０．２１．
２２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なうものである。ＭＢＥ法では
、シャター５の開閉により個々の分子線の断続並びに蒸
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。

従来原子のオーダーで平坦かつ急峻なヘテ界面を形成す
る方法としてＭＢＥ成長中にシャッター５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／ＡｌＧａ
Ａｓ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・オフ・アプライド・フィジックス、（Ｊｐ
ｎ、Ｊ、　Ｐｈｙｓ、２４（１９８５）Ｌ４１７頁）。

この方法では、待機中に基板表面の原子が表面を動きま
わり、表面に存在するステップやキンクに捉えられ次第
に大きな島を形成する。良く制御されたＧａＡｓとＡｌ
ＧａＡｓのへテロ成長のＭＢＥでは、界面の遷移領域の
幅は、１分子層である。このため、界面には、高さが１
分子層厚の極めて平坦な島が形成される。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、成長を中断し、待機している間には、基
板表面に成長室１中に存在する不純物が吸着してしまう
。このため、このようにして界面を平坦化して形成した
ＧａＡｓとＡｌＧａＡｓからなる半導体素子、例えば量
子井戸を用いて発光素子を形成する場合に、発光スペク
トル幅は狭まるものの、発光効率が低下してしまう問題
がある。

本発明の目的はこの問題点を解決した高品質へテロ界面
の形成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） 本発明の界面形成方法は、所望の結晶を構成する元素を
含む分子線を温度に保持した基板上に堆積させる分子線
エピタキシ成長において、第１の化合物半導体結晶を堆
積させる第１のエピタキシャル成長工程と、該第１のエ
ピタキシャル成長を中止して前記基板の温度を前記第１
のエピタキシャル成長工程の場合より高く保持して待機
する待機工程と、続いて該基板の温度を該待機工程より
低い温度に保持して第２の化合物半導体結晶を堆積させ
る第２のエピタキシャル成長工程を備えている点に特徴
がある。

（作用） この界面形成方法は、界面での待機中に基板温度を成長
中より上げることで原子の表面拡散速度を増大させるの
で平坦化に要する時間が減り、不純物の吸着量の低減さ
れる。また、基板温度を高くすることにより不純物の表
面への吸着確率そのものが低減される。

（実施例） 以下、図面を参照しながら本発明の詳細な説明する。第
１図（ａ）は、本発明の界面形成方法を、基板温度の時
間変化のグラフとして表した図、第１図（ｂ）は本発明
により形成した量子井戸の７７にでのフォトルミネッセ
ンス（以下−１ＰＬという）スペクトルである。第２図
は、本発明に用いるＭＢＥ装置の概略断面図である。

ここでは、ＧａＡｓ基板上に、ＡＩ□、５Ｇａ□、５Ａ
ｓバリア層でＧａＡｓ量子井戸を挾んだ量子井戸構造を
形成する例について述べる。第２図のＭＢＥ装置の概略
の構成については既に説明した。分子線源２０にはＧａ
、２１にはＡＩ、２２にはＡｓが原料として充填される
。まず通常の方法により有機洗浄し、化学的エツチング
により清浄化したＧａＡｓ（１００）基板４が１Ｏ−１
０Ｔｏｒｒに排気された成長室１中の基板ホルダー３に
装着される。

成長に先立ち、ＧａおよびＡ１分子線源（２０，２１）
は、所望のＡＩ□、５Ｇａ□、５Ａｓの組成を得るべく
温度設定し、Ａｓ分子線源２２もおよそｌＸｌ０−５Ｔ
ｏｒｒの分子線強度がＧａＡｓ基板１の位置で得られる
ように温度設定する。

Ａｓ分子線源２２の前方のシャッター５をＡｓ分子線を
ＧａＡｓ基板４に照射しつつ、基板ホルダー３内蔵のヒ
ーターの濃度設定を上げＡｓ圧下でＧａＡｓ基板４の表
面を熱クリーニングする。通常５８０°で表面の酸化膜
が脱離し、表面が清浄となる。基板温度を６００°Ｃで
安′定に制御させ、ＧａとＡＩの分子線源２０゜２１の
前方のシャッター５を開けＡＩｏ、５Ｇａ□、５Ａｓの
がリア層を成長（第１のエピタキシャル成長）させる。

成長層厚は０．５ｐｍとした。

次に、ＧａとＡＩのシャッター５を閉じて成長を中断し
、同時に基板ホルダー３のヒーターの温度設定を６８０
°Ｃに上げてそのままＡｓ照射下で１０秒間待機（待機
工程）する。

次に・基板温度を再び６００°Ｃに設定し、同時しこ、
Ｇａ分子線源２０の前方のシャッター５を開けてＧａＡ
ｓを約２８人（約１０分子層）成長（第２のエピタキシ
ャル成長工程）する。これで量子井戸の片側のへテロ界
面が形成された。

ついで、再びＧａのシャッター５を閉じて成長を中断し
、基板温度を６８０°Ｃにし、基板４にＡｓのみを照射
して１０秒間待機する（待機工程）。

次に、再び基板温度を６００°Ｃに戻し、ＧａとＡ１の
シャッター５を開けてＡＩ□、５Ｇａ□、５Ａｓバリア
層を０．５ｐｍ成長させ、量子井戸層構造が形成される
。

このようにして形成された量子井戸のＰＬスペクトルを
７７にで測定すると、第１図（ｂ）の実線のスペクトル
のように２つのピークが見られる。それぞれのピークは
、厚さが１分子層分異なるＧａＡｓ量子井戸、即ち厚さ
４．５ａＱと５．Ｏａ□（ａ□はＧａＡｓの格子定数）
の量子井戸からのＰＬ発光に対応している。従来の、界
面形成法により、待機を３分間行なった場合のスペクト
ルが破線で示されている。この場合にもピークが２つあ
り、界面が平坦化され、島が形成されていることがわか
るが発光強度が本発明の場合の１ノ３程度に落ちている
。

このように、本発明によれば発光効率の高い、高品質な
界面を有する量子井戸が得られる。

尚、以上の実施例では、量子井戸を例にとったが、ペテ
ロ界面への変調ドーピングを行なった２次元電子ガス系
等においても、本発明のへテロ界面形成法は、界面の高
品質化に有効であること言うまでもない。

また、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ等の他の材料系にお
いても本発明は有効であるのは言うまでもない。

（発明の効果） 以上のように、゛本発明のへテロ界面形成法によれば、
界面が単分子層の高さの平坦な島領域から形成され、極
めて平坦かつ急峻であるだけでなく、界面に不純物が少
ない。この結果、発光スペクトルが狭く、強度が強いの
で発光・受光素子の作製等各種半導体素作製の応用に適
する。また、界面が平坦で不純物が少ないのでペテロ界
面でのキャリアの輸送現像を利用した電子デバイスの作
製に応用に適する。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は、本発明のへテロ界面形成方法を説明す
る基板温度の時間変化グラフ、第１図（ｂ）は、本発明
により形成した量子井戸の７７ｋにおけるフォトルミネ
ッセンススペクトル図である。 第２図は、本発明に用いられる分子線エピタキシ装置の
概略断面図である。 図中、１・・・成長室、２０・・・Ｇａ分子線源、２１
・・・Ａ１分子線源、２２・・・Ａｓ分子線源、３・・
・基板ホルダー、４・・・基第１図（ａ） 時間 第１図（ｂ） 波長

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 所望の結晶を構成する元素を含む分子線を所定の温度に
   保持した基板に照射して基板上に原子又は分子を堆積さ
   せる分子線エピタキシ成長において、第１の原子又は分
   子を堆積させる第１のエピタキシャル成長工程と、該第
   １のエピタキシャル成長を中止して前記基板の温度を前
   記第１のエピタキシャル成長工程の場合よりも高く保持
   して待機する待機工程と、待機工程に続いて該基板の温
   度を該待機工程より低い温度に保持して第２の原子又は
   分子を堆積させる第２のエピタキシャル成長工程を少な
   くとも有することを特徴とするヘテロ界面形成方法。