JP2950277B2 - 半導体の結晶成長方法及び半導体素子 - Google Patents
半導体の結晶成長方法及び半導体素子Info
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はIII−V族半導体
混晶のエピタキシャル成長方法及び該方法により作成し
た半導体素子に関するものである。
混晶のエピタキシャル成長方法及び該方法により作成し
た半導体素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】GaAs基板上のAlGaInP系赤色
域の混晶、InP基板上のGaInAsP系、AlGa
InAs系長波長域の混晶、GaAs基板に対して圧縮
歪み系であるGaInAs混晶などが光素子、あるいは
電子素子として用いられている。
域の混晶、InP基板上のGaInAsP系、AlGa
InAs系長波長域の混晶、GaAs基板に対して圧縮
歪み系であるGaInAs混晶などが光素子、あるいは
電子素子として用いられている。
【0003】これらの材料系を有機金属気相成長法でエ
ピタキシャル成長した場合には、通常の成長条件下で
[−1,1,1]B方向あるいは[1,−1,1]B方
向の2倍周期構造の自然超格子がしばしば形成され、こ
のためにフォトルミネッセンス(PL)ピークエネルギ
ーが減少するあるいは、PL半値幅が増大していた。
ピタキシャル成長した場合には、通常の成長条件下で
[−1,1,1]B方向あるいは[1,−1,1]B方
向の2倍周期構造の自然超格子がしばしば形成され、こ
のためにフォトルミネッセンス(PL)ピークエネルギ
ーが減少するあるいは、PL半値幅が増大していた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】発光特性の向上のため
にはPL半値幅を狭くする必要がある。しかしながら、
PL半値幅を狭くするためには、自然超格子を無秩序化
することによって行う場合に限られており、それ以外の
方法によってPL半値幅の改善を行う方法はなかった。
にはPL半値幅を狭くする必要がある。しかしながら、
PL半値幅を狭くするためには、自然超格子を無秩序化
することによって行う場合に限られており、それ以外の
方法によってPL半値幅の改善を行う方法はなかった。
【0005】本発明の目的は、半導体基板上の3元以上
のIII−V族混晶半導体エピタキシャル層成長中に形
成される自然超格子の単一位相領域の大きさを制御し、
これによって混晶エピタキシャル層の発光特性の改善を
可能にする結晶成長方法及び該方法によって得られる半
導体素子を提供することにある。
のIII−V族混晶半導体エピタキシャル層成長中に形
成される自然超格子の単一位相領域の大きさを制御し、
これによって混晶エピタキシャル層の発光特性の改善を
可能にする結晶成長方法及び該方法によって得られる半
導体素子を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】前記の目的は以下の手段
によって達成される。
によって達成される。
【0007】すなわち、本発明は、(001)面から
[−1,1,1]B方向への傾斜角が4°以上15°以
下の範囲で連続した原子面からなる凹凸を有し、凹凸の
隣り合った凹と凹の間隔が100nm以上である半導体
基板の成長面上に、有機金属気相成長法により、この傾
斜角の範囲を保ちながら3元以上のIII−V族半導体
層の成長を行い[−1,1,1]B方向の2倍周期構造
を有する秩序構造を形成することを特徴とする半導体の
結晶成長方法を提案するものであり、前記傾斜方向が
[1,−1,1]B方向であり、2倍周期構造を有する
秩序構造が[1,−1,1]B方向に形成されているこ
と、前記半導体基板がGaAsであり、III−V族混
晶エピタキシャル層がGax In1-x Pであること、半
導体基板がGaAsであり、III−V族混晶が(Al
x Ga1-x )y In1-y Pであること、半導体基板がI
nPであり、III−V族混晶がGax In1-x Asで
あること、半導体基板がInPであり、III−V族混
晶がGax In1-x Asy P1- y であること、半導体体
基板がInPであり、III−V族混晶が(Alx Ga
1-x )y In1-y Asであること(0≦x,y≦1)を
含む。
[−1,1,1]B方向への傾斜角が4°以上15°以
下の範囲で連続した原子面からなる凹凸を有し、凹凸の
隣り合った凹と凹の間隔が100nm以上である半導体
基板の成長面上に、有機金属気相成長法により、この傾
斜角の範囲を保ちながら3元以上のIII−V族半導体
層の成長を行い[−1,1,1]B方向の2倍周期構造
を有する秩序構造を形成することを特徴とする半導体の
結晶成長方法を提案するものであり、前記傾斜方向が
[1,−1,1]B方向であり、2倍周期構造を有する
秩序構造が[1,−1,1]B方向に形成されているこ
と、前記半導体基板がGaAsであり、III−V族混
晶エピタキシャル層がGax In1-x Pであること、半
導体基板がGaAsであり、III−V族混晶が(Al
x Ga1-x )y In1-y Pであること、半導体基板がI
nPであり、III−V族混晶がGax In1-x Asで
あること、半導体基板がInPであり、III−V族混
晶がGax In1-x Asy P1- y であること、半導体体
基板がInPであり、III−V族混晶が(Alx Ga
1-x )y In1-y Asであること(0≦x,y≦1)を
含む。
【0008】また、本発明は前記の方法により作成した
ことを特徴とする半導体素子を提案するものである。
ことを特徴とする半導体素子を提案するものである。
【0009】
【発明の実施の形態】以下に、半導体基板成長面が(0
01)面から[−1,1,1]B方向へ傾斜する場合の
[−1,1,1]B方向の2倍周期構造を有する秩序構
造の形成を例にとって本発明の実施の形態を説明する。
01)面から[−1,1,1]B方向へ傾斜する場合の
[−1,1,1]B方向の2倍周期構造を有する秩序構
造の形成を例にとって本発明の実施の形態を説明する。
【0010】図1に半導体基板成長面が(001)面か
ら[−1,1,1]B方向への傾斜角が4°以上15°
以下の範囲で連続した面からなる凹凸を有する場合にそ
の基板表面上に成長した3元以上のIII−V族混晶エ
ピタキシャル層中に、単一位相層で[−1,1,1]B
方向の2倍周期構造を有する秩序構造が形成されている
模式図を示す。図中の成長表面のステップの一段の高さ
は、1分子層、すなわち2原子層を示す。成長面が(0
01)面から[−1,1,1]B方向への傾斜角が4°
以上15°以下の範囲で連続した面からなる凹凸を有
し、その隣り合った凹の間隔が100nm以上であり、
このような成長表面を維持するような成長条件である場
合、成長表面のV族被覆率は、1以下になり、しかも
[−110]方向への2倍周期構造が、自然超格子の形
成が同一位相を保ちながら形成されるように、複数の分
子層テラス及びステップにわたり存在可能となる。この
ため、自然超格子の単一位相層を大きく形成することが
可能となる。
ら[−1,1,1]B方向への傾斜角が4°以上15°
以下の範囲で連続した面からなる凹凸を有する場合にそ
の基板表面上に成長した3元以上のIII−V族混晶エ
ピタキシャル層中に、単一位相層で[−1,1,1]B
方向の2倍周期構造を有する秩序構造が形成されている
模式図を示す。図中の成長表面のステップの一段の高さ
は、1分子層、すなわち2原子層を示す。成長面が(0
01)面から[−1,1,1]B方向への傾斜角が4°
以上15°以下の範囲で連続した面からなる凹凸を有
し、その隣り合った凹の間隔が100nm以上であり、
このような成長表面を維持するような成長条件である場
合、成長表面のV族被覆率は、1以下になり、しかも
[−110]方向への2倍周期構造が、自然超格子の形
成が同一位相を保ちながら形成されるように、複数の分
子層テラス及びステップにわたり存在可能となる。この
ため、自然超格子の単一位相層を大きく形成することが
可能となる。
【0011】ところが、(001)面から[−1,1,
1]B方向への傾斜が4°以上15°以下の範囲におさ
まらず、図2のように傾斜角が15度を超えた場合、こ
のような領域を含む成長面上の混晶中では[−1,1,
1]B方向の2倍周期構造の自然超格子形成領域を分断
するドメイン境界が発生する。このとき、ドメイン境界
の両側では自然超格子形成領域1及び2では互いに位相
が半周期異なっている。またあるいは、図3のように、
(001)面から[−1,1,1]B方向へ傾斜した基
板表面上に、傾斜方位が部分的に反転して[1,−1,
1]B方向になった領域が存在する場合、[−1,1,
1]B方向の2倍周期の自然超格子形成領域(3と4)
の間に、[1,−1,1]B方向の2倍周期(図3中の
自然超格子形成領域5)が形成される。このように、図
1のような成長表面の条件下では自然超格子は単一位相
領域を大きく形成することができる。そのため、結晶中
における自然超格子の秩序度と対応する、PLピークエ
ネルギーの揺らぎが小さくなり、PL半値幅が狭くな
り、発光効率も向上する。
1]B方向への傾斜が4°以上15°以下の範囲におさ
まらず、図2のように傾斜角が15度を超えた場合、こ
のような領域を含む成長面上の混晶中では[−1,1,
1]B方向の2倍周期構造の自然超格子形成領域を分断
するドメイン境界が発生する。このとき、ドメイン境界
の両側では自然超格子形成領域1及び2では互いに位相
が半周期異なっている。またあるいは、図3のように、
(001)面から[−1,1,1]B方向へ傾斜した基
板表面上に、傾斜方位が部分的に反転して[1,−1,
1]B方向になった領域が存在する場合、[−1,1,
1]B方向の2倍周期の自然超格子形成領域(3と4)
の間に、[1,−1,1]B方向の2倍周期(図3中の
自然超格子形成領域5)が形成される。このように、図
1のような成長表面の条件下では自然超格子は単一位相
領域を大きく形成することができる。そのため、結晶中
における自然超格子の秩序度と対応する、PLピークエ
ネルギーの揺らぎが小さくなり、PL半値幅が狭くな
り、発光効率も向上する。
【0012】また、基板表面の(001)面からの傾斜
方位が[1,−1,1]B方向の場合には、メインに形
成される超格子構造は[1,−1,1]B方向の2倍周
期構造となるが、実施の形態は上記と同様に成り立つ。
方位が[1,−1,1]B方向の場合には、メインに形
成される超格子構造は[1,−1,1]B方向の2倍周
期構造となるが、実施の形態は上記と同様に成り立つ。
【0013】例えば、基板GaAsを用い、その上にG
aInPやAlGaInP系結晶を成長する場合、ある
いは、InP基板上にGaInAsPあるいはAlGa
InAsを成長する場合、以上の原理が成立する。
aInPやAlGaInP系結晶を成長する場合、ある
いは、InP基板上にGaInAsPあるいはAlGa
InAsを成長する場合、以上の原理が成立する。
【0014】
【実施例】以下、本発明の結晶成長方法の実施例を図1
を参照して説明する。
を参照して説明する。
【0015】まず、半導体基板の面方位が(11n)B
面のGaAs基板(n=7,8,9,10,11)を同
時にMOVPE反応管内に並べ、GaAsに格子整合す
るGax In1-x P(x=0.5)層を0.3ミクロン
成長した。この成長により、各基板上の成長表面には、
(001)面から[−1,1,1]B方向に4°から1
5°傾斜した面が連続した、原子ステップ列をもつ面が
形成されていた。
面のGaAs基板(n=7,8,9,10,11)を同
時にMOVPE反応管内に並べ、GaAsに格子整合す
るGax In1-x P(x=0.5)層を0.3ミクロン
成長した。この成長により、各基板上の成長表面には、
(001)面から[−1,1,1]B方向に4°から1
5°傾斜した面が連続した、原子ステップ列をもつ面が
形成されていた。
【0016】この表面上に、Gax In1-x P(x=
0.5)層を0.7ミクロン成長し、さらにその上に
(Alx Ga1-x )y In1-y P(x=0.6,y=
0.5)層を0.7ミクロン成長し、さらにその上にA
lx In1-x P(x=0.5)層を0.7ミクロン成長
した。この間、成長表面は常に(001)面から[−
1,1,1]B方向に4°から15°傾斜した面が連続
するように成長した。このときの成長温度を、660
℃、V/III比を150とした。これらの各基板上の
GaInP及びAlGaInP及びAlInP成長層
[110]断面の透過電子線顕微鏡像を観察した。従来
では自然超格子形成が図2あるいは図3のように幅8n
m〜50nm程度のドメインにわかれていたが、本実施
例では、幅100nm〜200nmまで自然超格子の単
一位相形成のサイズが拡大されていた。これによって、
室温におけるPL半値幅は従来50meV〜60meV
であったが、30meV〜40meVまで狭くなり発光
特性が改善された。
0.5)層を0.7ミクロン成長し、さらにその上に
(Alx Ga1-x )y In1-y P(x=0.6,y=
0.5)層を0.7ミクロン成長し、さらにその上にA
lx In1-x P(x=0.5)層を0.7ミクロン成長
した。この間、成長表面は常に(001)面から[−
1,1,1]B方向に4°から15°傾斜した面が連続
するように成長した。このときの成長温度を、660
℃、V/III比を150とした。これらの各基板上の
GaInP及びAlGaInP及びAlInP成長層
[110]断面の透過電子線顕微鏡像を観察した。従来
では自然超格子形成が図2あるいは図3のように幅8n
m〜50nm程度のドメインにわかれていたが、本実施
例では、幅100nm〜200nmまで自然超格子の単
一位相形成のサイズが拡大されていた。これによって、
室温におけるPL半値幅は従来50meV〜60meV
であったが、30meV〜40meVまで狭くなり発光
特性が改善された。
【0017】また、半導体基板の面方位が(11n)B
面のInP基板(n=7,8,9,10,11)を同時
にMOVPE反応管内に並べ、InPに格子整合するG
axIn1-x As(x=0.5)層を0.3ミクロン成
長した。この成長により各基板上の成長表面には、(0
01)面から[−1,1,1]B方向に4°から15°
傾斜した面が連続した、原子ステップ列をもつ面が形成
された。
面のInP基板(n=7,8,9,10,11)を同時
にMOVPE反応管内に並べ、InPに格子整合するG
axIn1-x As(x=0.5)層を0.3ミクロン成
長した。この成長により各基板上の成長表面には、(0
01)面から[−1,1,1]B方向に4°から15°
傾斜した面が連続した、原子ステップ列をもつ面が形成
された。
【0018】この表面上に、Gax In1-x As(x=
0.5)層を0.7ミクロン成長し、さらにその上に
(Alx Ga1-x )y In1-y As(x=0.3,y=
0.5)層を0.7ミクロン成長し、さらにその上に
(Alx Ga1-x )y In1-y As(x=0.6,y=
0.5)層を0.7ミクロン成長した。この間、成長表
面は常に(001)面から[−1,1,1]B方向に4
°から15°傾斜した面が連続するように成長した。こ
のときの成長温度を、630℃,V/III比を180
とした。これらの各基板上のGaInAs及び2種のA
lGaInAs成長層の[110]断面の透過電子線顕
微鏡像を観察した。従来では自然超格子形成が幅8nm
〜20nm程度のドメインにわかれていたが、本実施例
では、幅80nm〜150nmまで自然超格子の単一位
相形成のサイズが拡大されていた。これによって、室温
におけるPL半値幅は従来60meV程度であったが、
50meVまで狭くなり発光特性が改善された。
0.5)層を0.7ミクロン成長し、さらにその上に
(Alx Ga1-x )y In1-y As(x=0.3,y=
0.5)層を0.7ミクロン成長し、さらにその上に
(Alx Ga1-x )y In1-y As(x=0.6,y=
0.5)層を0.7ミクロン成長した。この間、成長表
面は常に(001)面から[−1,1,1]B方向に4
°から15°傾斜した面が連続するように成長した。こ
のときの成長温度を、630℃,V/III比を180
とした。これらの各基板上のGaInAs及び2種のA
lGaInAs成長層の[110]断面の透過電子線顕
微鏡像を観察した。従来では自然超格子形成が幅8nm
〜20nm程度のドメインにわかれていたが、本実施例
では、幅80nm〜150nmまで自然超格子の単一位
相形成のサイズが拡大されていた。これによって、室温
におけるPL半値幅は従来60meV程度であったが、
50meVまで狭くなり発光特性が改善された。
【0019】また、半導体基板の面方位が(11n)B
面のInP基板(n=7,8,9,10,11)を同時
にMOVPE反応管内に並べ、InPに格子整合するG
axIn1-x As(x=0.5)層を0.3ミクロン成
長した。この成長により、各基板上の成長表面には、
(001)面から[−1,1,1]B方向に4°から1
5°傾斜した面が連続した、原子ステップ列をもつ面が
形成されていた。
面のInP基板(n=7,8,9,10,11)を同時
にMOVPE反応管内に並べ、InPに格子整合するG
axIn1-x As(x=0.5)層を0.3ミクロン成
長した。この成長により、各基板上の成長表面には、
(001)面から[−1,1,1]B方向に4°から1
5°傾斜した面が連続した、原子ステップ列をもつ面が
形成されていた。
【0020】この表面上に、Gax In1-x Asy P
1-y (x=0.13,y=0.27)層を0.7ミクロ
ン成長し、さらにその上にGax In1-x Asy P1-y
(x=0.24,y=0.55)層を0.7ミクロン成
長し、さらにその上にGax In1-x Asy P1-y (x
=0.35,y=0.79)層を0.7ミクロン成長し
た。このときの成長温度を、620℃、V/III比を
200とした。この間、成長表面は常に(001)面か
ら[−1,1,1]B方向に4°から15°傾斜した面
が連続するように成長した。これらの各基板上の3種の
GaInAsP成長層の[110]断面の透過電子線顕
微鏡像を観察した。従来では自然超格子形成が幅5nm
〜10nm程度のドメインにわかれていたが、本実施例
では、幅50nm〜100nmまで自然超格子の単一位
相形成のサイズが拡大されていた。これによって、室温
におけるPL半値幅は従来50meV程度であったが、
40meVまで狭くなり発光特性が改善された。
1-y (x=0.13,y=0.27)層を0.7ミクロ
ン成長し、さらにその上にGax In1-x Asy P1-y
(x=0.24,y=0.55)層を0.7ミクロン成
長し、さらにその上にGax In1-x Asy P1-y (x
=0.35,y=0.79)層を0.7ミクロン成長し
た。このときの成長温度を、620℃、V/III比を
200とした。この間、成長表面は常に(001)面か
ら[−1,1,1]B方向に4°から15°傾斜した面
が連続するように成長した。これらの各基板上の3種の
GaInAsP成長層の[110]断面の透過電子線顕
微鏡像を観察した。従来では自然超格子形成が幅5nm
〜10nm程度のドメインにわかれていたが、本実施例
では、幅50nm〜100nmまで自然超格子の単一位
相形成のサイズが拡大されていた。これによって、室温
におけるPL半値幅は従来50meV程度であったが、
40meVまで狭くなり発光特性が改善された。
【0021】以上の実施例では、GaAs基板及びIn
P基板に(11n)B面(n=7,8,9,10,1
1)を用いたが、(001)面から[−1,1,1]方
向あるいは[1,−1,1]方向に傾斜した、傾斜角4
°以上15°以下の基板で、4°から15°傾斜した面
が連続した、原子ステップ列をもつ面を形成した場合に
は、GaInP,AlGaInP,GaInAsP,A
lGaInPの各混晶系について、自然超格子形成時の
単一位相領域のサイズが拡大され、PL半値幅の狭幅化
にみられる光学特性の向上を確認した。また、各混晶の
組成についても、上記以外のx,y(0<x,y<1)
でも同様に成り立つ。
P基板に(11n)B面(n=7,8,9,10,1
1)を用いたが、(001)面から[−1,1,1]方
向あるいは[1,−1,1]方向に傾斜した、傾斜角4
°以上15°以下の基板で、4°から15°傾斜した面
が連続した、原子ステップ列をもつ面を形成した場合に
は、GaInP,AlGaInP,GaInAsP,A
lGaInPの各混晶系について、自然超格子形成時の
単一位相領域のサイズが拡大され、PL半値幅の狭幅化
にみられる光学特性の向上を確認した。また、各混晶の
組成についても、上記以外のx,y(0<x,y<1)
でも同様に成り立つ。
【0022】
【発明の効果】本発明の結晶成長方法により半導体基板
上の3元以上のIII−V族混晶における自然超格子の
単一位相領域のサイズの拡大可能となり、これにより、
発光特性の向上を図ることができる。
上の3元以上のIII−V族混晶における自然超格子の
単一位相領域のサイズの拡大可能となり、これにより、
発光特性の向上を図ることができる。
【図1】(001)面から[−1,1,1]B方向へ4
°から15°の範囲で傾斜した原子層ステップを有する
基板上の混晶中に単一位相をもって自然超格子が形成さ
れることを示す図である。
°から15°の範囲で傾斜した原子層ステップを有する
基板上の混晶中に単一位相をもって自然超格子が形成さ
れることを示す図である。
【図2】従来例の1つであり、(001)面から[−
1,1,1]B方向へ15°超えた原子ステップ傾斜面
を有する基板上の混晶中に、自然超格子形成領域1と自
然超格子形成領域2の間にドメイン境界が形成されたこ
とを示す図である。
1,1,1]B方向へ15°超えた原子ステップ傾斜面
を有する基板上の混晶中に、自然超格子形成領域1と自
然超格子形成領域2の間にドメイン境界が形成されたこ
とを示す図である。
【図3】別の従来例であり、(001)面から[−1,
1,1]B方向へ傾斜した原子ステップ傾斜面の間に、
部分的に[1,−1,1]B方向へ傾斜した原子ステッ
プを有する基板上の混晶中で、自然超格子形成領域3と
自然超格子形成領域4の間に異なる方位の自然超格子形
成領域5の形成されたことを示す図である。
1,1]B方向へ傾斜した原子ステップ傾斜面の間に、
部分的に[1,−1,1]B方向へ傾斜した原子ステッ
プを有する基板上の混晶中で、自然超格子形成領域3と
自然超格子形成領域4の間に異なる方位の自然超格子形
成領域5の形成されたことを示す図である。
Claims (8)
- 【請求項1】 (001)面から[−1,1,1]B方
向への傾斜角が4°以上15°以下の範囲で連続した原
子面からなる凹凸を有し、凹凸の隣り合った凹と凹の間
隔が100nm以上である半導体基板の成長面上に、有
機金属気相成長法により、この傾斜角の範囲を保ちなが
ら3元以上のIII−V族半導体層の成長を行い[−
1,1,1]B方向の2倍周期構造を有する秩序構造を
形成することを特徴とする半導体の結晶成長方法。 - 【請求項2】 前記傾斜方向が[1,−1,1]B方向
であり、2倍周期構造を有する秩序構造が[1,−1,
1]B方向に形成されている請求項1記載の半導体の成
長方法。 - 【請求項3】 前記半導体基板がGaAsであり、II
I−V族混晶がGa x In1-x Pである請求項1または
2記載の半導体の結晶成長方法。 - 【請求項4】 前記半導体基板がGaAsであり、II
I−V族混晶が(Alx Ga1-x )y In1-y Pである
請求項1または2記載の半導体の結晶成長方法。 - 【請求項5】 前記半導体基板がInPであり、III
−V族混晶がGaxIn1-x Asである請求項1または
2記載の半導体の結晶成長方法。 - 【請求項6】 前記半導体基板がInPであり、III
−V族混晶がGaxIn1-x Asy P1-y である請求項
1または2記載の半導体の結晶成長方法。 - 【請求項7】 前記半導体基板がInPであり、III
−V族混晶が(Al x Ga1-x )y In1-y Asである
請求項1または2記載の半導体の結晶成長方法。 - 【請求項8】 請求項1乃至7のうち、いずれか1項に
記載の方法により作成したことを特徴とする半導体素
子。
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JP5915197A JP2950277B2 (ja) | 1997-03-13 | 1997-03-13 | 半導体の結晶成長方法及び半導体素子 |
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JPH10256162A JPH10256162A (ja) | 1998-09-25 |
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- 1997-03-13 JP JP5915197A patent/JP2950277B2/ja not_active Expired - Fee Related
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JPH10256162A (ja) | 1998-09-25 |
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