JP3143662B2 - 光―電子半導体素子 - Google Patents
光―電子半導体素子Info
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- H01S5/34326—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser with a well layer based on InGa(Al)P, e.g. red laser
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は一般に光−電子半導体素子に関するものであ
り、特に高バンドギャップ量子井戸ヘテロ構造レーザお
よび高バンドギャップ半導体材料を成長させる方法に関
する。
り、特に高バンドギャップ量子井戸ヘテロ構造レーザお
よび高バンドギャップ半導体材料を成長させる方法に関
する。
光−電子素子は電子エネルギを光エネルギに変換した
りその逆を行ったりするのに役立つ。この素子には発光
ダイオード（LED）、レーザ・エミッタ、ホトデテク
ト、ホトセル等が含まれる。特に、LEDは表示用および
指示器として頻繁に使用される。レーザー・ダイオード
は、LEDの一形態と見なすことができるが、ファイバ光
学用光源として使用される。
りその逆を行ったりするのに役立つ。この素子には発光
ダイオード（LED）、レーザ・エミッタ、ホトデテク
ト、ホトセル等が含まれる。特に、LEDは表示用および
指示器として頻繁に使用される。レーザー・ダイオード
は、LEDの一形態と見なすことができるが、ファイバ光
学用光源として使用される。
いろいろな形式の半導体LEDが知られている。大部分
の形式のLEDでは、pn接合半導体が利用されている。ｐ
型およびｎ型の領域と接触している一対の電極により電
位差が接合部を横切って加えられる。これにより電子が
ｎ型領域からｐ型領域へ接合部を横切って注入され、正
孔がｐ型領域からｎ型領域へ接合部を横切って注入され
る。ｐ型領域では、注入された電子が正孔と再結合して
光を放出する。ｎ型領域では、注入された正孔が電子と
再結合して光を放出する。放出光の波長は電子と正孔と
の再結合により発生するエネルギによって決まり、これ
はｐ−ｎ接合半導体材料のバンドギャップによって決ま
る。
の形式のLEDでは、pn接合半導体が利用されている。ｐ
型およびｎ型の領域と接触している一対の電極により電
位差が接合部を横切って加えられる。これにより電子が
ｎ型領域からｐ型領域へ接合部を横切って注入され、正
孔がｐ型領域からｎ型領域へ接合部を横切って注入され
る。ｐ型領域では、注入された電子が正孔と再結合して
光を放出する。ｎ型領域では、注入された正孔が電子と
再結合して光を放出する。放出光の波長は電子と正孔と
の再結合により発生するエネルギによって決まり、これ
はｐ−ｎ接合半導体材料のバンドギャップによって決ま
る。
ｐ−ｎ接合は幾つかの形態のうちの一つの形態を取る
ことができることが知られている。最も簡単な形態で
は、ホモ接合素子が使用され、これではｐ型領域および
ｎ型領域のバンドギャップ・エネルギが同じである。改
良されたLEDでは、単一ヘテロ接合素子が使用されてお
り、これではｐ型領域のバンドギャップ・エネルギはｎ
型領域のそれとは異なっている。これにより電子または
正孔の、両方ではなく、どちらかが接合部を横切って注
入されるという性質が生ずる。注入された電子または正
孔は一方の領域だけで光放出を生ずるように再結合す
る。この領域を普通、活性領域と言う。より小さな活性
領域に放射性再結合を集中させることにより、ヘテロ接
合素子はホモ接合素子より効率が良くなる。
ことができることが知られている。最も簡単な形態で
は、ホモ接合素子が使用され、これではｐ型領域および
ｎ型領域のバンドギャップ・エネルギが同じである。改
良されたLEDでは、単一ヘテロ接合素子が使用されてお
り、これではｐ型領域のバンドギャップ・エネルギはｎ
型領域のそれとは異なっている。これにより電子または
正孔の、両方ではなく、どちらかが接合部を横切って注
入されるという性質が生ずる。注入された電子または正
孔は一方の領域だけで光放出を生ずるように再結合す
る。この領域を普通、活性領域と言う。より小さな活性
領域に放射性再結合を集中させることにより、ヘテロ接
合素子はホモ接合素子より効率が良くなる。
二重ヘテロ接合LEDとして知られている素子は単一ヘ
テロ接合LEDより効率が更に改良されている。特にその
活性領域は一対の、より幅の広いバンドギャップ層（一
方はｐ型、他方はｎ型である）、の間にはさまれてい
る。この３個の層により２個のヘテロ接合部が形成され
る。この追加層のバンドギャップを大きくすると、注入
された電子をより小さな活性層に閉じ込めるのに役立
つ。これにより、より薄い活性層にすることができ、再
吸収が極小になり光放出効率が大きくなる。更に、その
高バンドギャップの一対の層は、光学的閉じ込めを行い
光放出効率を更に高める、クラッド層としても働く。
テロ接合LEDより効率が更に改良されている。特にその
活性領域は一対の、より幅の広いバンドギャップ層（一
方はｐ型、他方はｎ型である）、の間にはさまれてい
る。この３個の層により２個のヘテロ接合部が形成され
る。この追加層のバンドギャップを大きくすると、注入
された電子をより小さな活性層に閉じ込めるのに役立
つ。これにより、より薄い活性層にすることができ、再
吸収が極小になり光放出効率が大きくなる。更に、その
高バンドギャップの一対の層は、光学的閉じ込めを行い
光放出効率を更に高める、クラッド層としても働く。
レーザ・エミッタの場合には、量子井戸（quantum we
ll）ヘテロ構造（QWH）として知られている素子が非常
に効率的である。QWHは活性層の厚さがキャリアのド・
ブロイ波長の程度にまで薄くなっている二層ヘテロ構造
と見なすことができる。この場合には、キャリアの運動
は量子効果を仮定しており、活性層の平面内に局在して
いる二次元ガスのように振舞う。二次元量子化は、有限
方形井戸の束縛状態エネルギにより与えられる一連の個
別エネルギ・レベルを生ずる。対応する状態密度は段階
状関数を得る。対照的に、非量子化に対する状態密度は
放物関数で記述され、バンドの縁に近づくにつれて０に
縮小する。QWHは、放出効率が高く、応答時間が速く、
しきい値電流が低く、温度変化に対する感度が低いとい
う点で有利である。
ll）ヘテロ構造（QWH）として知られている素子が非常
に効率的である。QWHは活性層の厚さがキャリアのド・
ブロイ波長の程度にまで薄くなっている二層ヘテロ構造
と見なすことができる。この場合には、キャリアの運動
は量子効果を仮定しており、活性層の平面内に局在して
いる二次元ガスのように振舞う。二次元量子化は、有限
方形井戸の束縛状態エネルギにより与えられる一連の個
別エネルギ・レベルを生ずる。対応する状態密度は段階
状関数を得る。対照的に、非量子化に対する状態密度は
放物関数で記述され、バンドの縁に近づくにつれて０に
縮小する。QWHは、放出効率が高く、応答時間が速く、
しきい値電流が低く、温度変化に対する感度が低いとい
う点で有利である。
いろいろなバンドギャップをもつｐ型またはｎ型の層
は典型的にはIII−Ｖ化合物の合金からエピタキシャル
層として成長される。一般的化合物としてヒ化ガリウム
（GaAs）があり、これは高品質の単結晶を容易に生ず
る。しかし、この化合物は光スペクトルの赤外端に対応
する1.43電子ボルト（eV）のバンドギャップを持ってい
る。
は典型的にはIII−Ｖ化合物の合金からエピタキシャル
層として成長される。一般的化合物としてヒ化ガリウム
（GaAs）があり、これは高品質の単結晶を容易に生ず
る。しかし、この化合物は光スペクトルの赤外端に対応
する1.43電子ボルト（eV）のバンドギャップを持ってい
る。
可視スペクトルで放出を行うLEDを作るには更に広い
バンドギャップの材料を使用しなければならない。たと
えば、効率の良い赤色LEDはヒ化アルミニウム・ガリウ
ム（AlGaAs）半導体材料から製作されている。AlGaAsは
GaAsと格子整合している。半導体材料のバンドギャップ
・エネルギはガリウム原子の代りにアルミニウム原子を
置換えることにより増大することができる。得られる材
料中のアルミニウムの置換えが大きければ大きい程、バ
ンドギャップが大きくなる。アルミニウムは、アルミニ
ウムの濃度が変っても格子定数に実質上影響せず、この
性質により格子整合したAlGaAsの連続エピタキシャル層
を容易に成長させることができるので、合金を形成する
のに選定される。
バンドギャップの材料を使用しなければならない。たと
えば、効率の良い赤色LEDはヒ化アルミニウム・ガリウ
ム（AlGaAs）半導体材料から製作されている。AlGaAsは
GaAsと格子整合している。半導体材料のバンドギャップ
・エネルギはガリウム原子の代りにアルミニウム原子を
置換えることにより増大することができる。得られる材
料中のアルミニウムの置換えが大きければ大きい程、バ
ンドギャップが大きくなる。アルミニウムは、アルミニ
ウムの濃度が変っても格子定数に実質上影響せず、この
性質により格子整合したAlGaAsの連続エピタキシャル層
を容易に成長させることができるので、合金を形成する
のに選定される。
典型的に、再吸収をできる限り少なくするために、す
べての層のバンドギャップは活性層のバンドキャップよ
り広くなるように選定される。この方法で、これらの層
は活性層から放出される光に対して透明に見える。同じ
考え方により、エピタキシャル層を成長させる基板は理
想的にはより広いバンドギャップを備えるべきである。
しかし、AlGaAsをウェーハの形で得るのは不可能であ
り、代りに、格子整合した、可視光吸収GaAsが基板とし
て一般的に使用されている。
べての層のバンドギャップは活性層のバンドキャップよ
り広くなるように選定される。この方法で、これらの層
は活性層から放出される光に対して透明に見える。同じ
考え方により、エピタキシャル層を成長させる基板は理
想的にはより広いバンドギャップを備えるべきである。
しかし、AlGaAsをウェーハの形で得るのは不可能であ
り、代りに、格子整合した、可視光吸収GaAsが基板とし
て一般的に使用されている。
AlGaAs−GaAs系は最良でも赤いLEDおよびレーザを提
供することができる。光スペクトルの橙赤色または黄色
の部分のような、より短い波長のLEDおよびレーザを得
るには、エピタキシャル成長して各種接合部を形成する
ことができる。更にバンドギャップ・エネルギの高い半
導体材料を準備する必要がある。この目的で、２種類の
半導体合金系が提案されている。一つは格子不整合であ
り、他は格子整合している。
供することができる。光スペクトルの橙赤色または黄色
の部分のような、より短い波長のLEDおよびレーザを得
るには、エピタキシャル成長して各種接合部を形成する
ことができる。更にバンドギャップ・エネルギの高い半
導体材料を準備する必要がある。この目的で、２種類の
半導体合金系が提案されている。一つは格子不整合であ
り、他は格子整合している。
Applied Physics Letters,vol.41,No.2,JuLy1982,PP.
172〜174には、GaAsxP1-x−GaP系が開示されている。こ
の系は格子不整合であるが、著者は、層が充分薄いひず
み層超格子（SLS）であれば結晶品質の高い層を成長す
ることができること、および層の組成がだんだん変って
いることを示した。これらの構造において、層と層との
不整合は層内のひずみによって全体的に緩和されるの
で、境界には不適合欠陥は発生しない。その著者は光ル
ミネッセンスの研究により78゜Kの温度で611nmの波長
（2.03eVのバンドギャップに対応する）の放射のあるこ
とが示された光−電子素子を製作した。
172〜174には、GaAsxP1-x−GaP系が開示されている。こ
の系は格子不整合であるが、著者は、層が充分薄いひず
み層超格子（SLS）であれば結晶品質の高い層を成長す
ることができること、および層の組成がだんだん変って
いることを示した。これらの構造において、層と層との
不整合は層内のひずみによって全体的に緩和されるの
で、境界には不適合欠陥は発生しない。その著者は光ル
ミネッセンスの研究により78゜Kの温度で611nmの波長
（2.03eVのバンドギャップに対応する）の放射のあるこ
とが示された光−電子素子を製作した。
格子整合が必要ないので、SLSは広範多様な合金系か
ら成長させることができ、したがって一層融通性があ
る。その他の格子不整合材料の例にはGaAs−GaAsPがあ
る。しかし、格子不整合系で格子整合ほど容易に成長で
きるものは無く、その成長過程は一般に一層複雑であ
る。
ら成長させることができ、したがって一層融通性があ
る。その他の格子不整合材料の例にはGaAs−GaAsPがあ
る。しかし、格子不整合系で格子整合ほど容易に成長で
きるものは無く、その成長過程は一般に一層複雑であ
る。
格子整合系の場合には、AlGaInP−GaInP系がよりバン
ドギャップの高い素子を成長させる基礎として役立つこ
とができることがわかっている。GayIn1-yPにおいてガ
リウムの代りにアルミニウムを置換えると高バンドギャ
ップ（AlxGa1-x）yIn1-yP−（AlzGa1-z）yIn1-yPヘテロ
接合および量子井戸ヘテロ構造の製作が可能になる。こ
れらの中で、最も重要な場合は（AlxGa1-x）0.5In0.5Ｐ
合金（ｙが0.5にほぼ等しい）であって、これは（Ga0.5
In0.5Ｐと同様）GaAsと格子整合しており、そしてAlxGa
1-xAs系より波長の短いレーザを生ずる。これは2.26eV
（549nm）までの大きな直接バンドギャップを持ってお
り、室温で555nmから670nmまでの範囲の放出波長を発生
する可能性がある。
ドギャップの高い素子を成長させる基礎として役立つこ
とができることがわかっている。GayIn1-yPにおいてガ
リウムの代りにアルミニウムを置換えると高バンドギャ
ップ（AlxGa1-x）yIn1-yP−（AlzGa1-z）yIn1-yPヘテロ
接合および量子井戸ヘテロ構造の製作が可能になる。こ
れらの中で、最も重要な場合は（AlxGa1-x）0.5In0.5Ｐ
合金（ｙが0.5にほぼ等しい）であって、これは（Ga0.5
In0.5Ｐと同様）GaAsと格子整合しており、そしてAlxGa
1-xAs系より波長の短いレーザを生ずる。これは2.26eV
（549nm）までの大きな直接バンドギャップを持ってお
り、室温で555nmから670nmまでの範囲の放出波長を発生
する可能性がある。
しかしながら、（AlxGa1-x）0.5In0.5Ｐから成る活性
素子を直接GaAs基板上に形成する、この系を用いての従
来の方法では、ごくわずか高いバンドギャップをもつ素
子が作られたにすぎなかった。
素子を直接GaAs基板上に形成する、この系を用いての従
来の方法では、ごくわずか高いバンドギャップをもつ素
子が作られたにすぎなかった。
Applied Physics Letters,no.48,vol.3,January 198
6,PP.207〜208で、その著者は679nmの赤色波長で動作す
る連続（CW）室温（300K）レーザ・ダイオードを得た。
これまで生産された最短波長の素子の中に、Electronic
s Letters,no.24,vol.23,Novemver 1987,PP.1327〜1328
に発表されたものがある。その著者は二重ヘテロ構造構
成中に（AlxGa1-x）0.5In0.5Ｐ（ｘ＝0.15）活性領域を
使用する640nmの（CW）室温レーザを報告した。パルス
で、室温で動作するものに関しては、最短波長素子がJa
panese Jaurnal of Applied Physics,vol.26,1987,PP.1
01〜105に開示されている。その著者は二重ヘテロ構造
構成中に（AlxGax-1）0.5In0.5Ｐ（ｘ＝0.2）活性領域
を使用する636nmのパルス化、室温レーザを報告してい
る。このように従来の素子は上述の格子整合系のバンド
ギャップ全体を利用するにははるかに不充分である。格
子整合系のもとで、可能なより高バンドギャップ素子を
具合よく成長することにより一層短波長のエミッタを作
ることが望ましい。
6,PP.207〜208で、その著者は679nmの赤色波長で動作す
る連続（CW）室温（300K）レーザ・ダイオードを得た。
これまで生産された最短波長の素子の中に、Electronic
s Letters,no.24,vol.23,Novemver 1987,PP.1327〜1328
に発表されたものがある。その著者は二重ヘテロ構造構
成中に（AlxGa1-x）0.5In0.5Ｐ（ｘ＝0.15）活性領域を
使用する640nmの（CW）室温レーザを報告した。パルス
で、室温で動作するものに関しては、最短波長素子がJa
panese Jaurnal of Applied Physics,vol.26,1987,PP.1
01〜105に開示されている。その著者は二重ヘテロ構造
構成中に（AlxGax-1）0.5In0.5Ｐ（ｘ＝0.2）活性領域
を使用する636nmのパルス化、室温レーザを報告してい
る。このように従来の素子は上述の格子整合系のバンド
ギャップ全体を利用するにははるかに不充分である。格
子整合系のもとで、可能なより高バンドギャップ素子を
具合よく成長することにより一層短波長のエミッタを作
ることが望ましい。
従来の素子が一層高いバンドギャップを達成できなか
った一つの主な理由はおそらく、ALxGa1-xAsと違って、
（AlxGa1-x）yIn1-yPがGaAsと本質的に格子整合してい
ないことであろう。燐（Ｐ）原子はヒ素（As）原子より
小さいが、インジュウム（In）原子はヒ素（As）原子よ
り大きい。GaAsとの格子接合は、In原子とＰ原子とを釣
合わせることにより（すなわち、ｙは0.5にほぼ等し
い）精密に維持されている。従来の素子は臨界高バンド
ギャップ素子部（ｘが0.4にほぼ等しい）をGaAs基板の
上に直接形成していた。しかし、成長過程中に組成ｙを
一定に保つこと、したがってGaAs基板上に成長する（Al
xGa1-x）0.5In0.5Ｐヘテロ構造にひずみおよび欠陥が無
いように保つことは簡単なことではない。
った一つの主な理由はおそらく、ALxGa1-xAsと違って、
（AlxGa1-x）yIn1-yPがGaAsと本質的に格子整合してい
ないことであろう。燐（Ｐ）原子はヒ素（As）原子より
小さいが、インジュウム（In）原子はヒ素（As）原子よ
り大きい。GaAsとの格子接合は、In原子とＰ原子とを釣
合わせることにより（すなわち、ｙは0.5にほぼ等し
い）精密に維持されている。従来の素子は臨界高バンド
ギャップ素子部（ｘが0.4にほぼ等しい）をGaAs基板の
上に直接形成していた。しかし、成長過程中に組成ｙを
一定に保つこと、したがってGaAs基板上に成長する（Al
xGa1-x）0.5In0.5Ｐヘテロ構造にひずみおよび欠陥が無
いように保つことは簡単なことではない。
本発明はより高いバンドギャップをもち、一層短波長
で、またひずみや欠陥の無い光エミッタを提供すること
である。
で、またひずみや欠陥の無い光エミッタを提供すること
である。
本発明は格子整合合金系にエピタキシャル層を成長さ
せるのに金属有機気相エピタキシャル（MOVPE）によ
る、組成および温度の同時勾配法を採用している。
せるのに金属有機気相エピタキシャル（MOVPE）によ
る、組成および温度の同時勾配法を採用している。
追加勾配層は、基板から臨界高バンドギャップ素子部
まで比較的無欠陥な移り変わりを提供するために成長さ
れる。たとえば、GaAs基板上の（AlxGa1-x）0.5In0.5Ｐ
ヘテロ構造の場合、勾配層は異なるアルミニウム組成を
持った、したがってバンドギャップの異なる多数の副層
に分割される。各副層が順次成長するにつれて、アルミ
ニウム組成ｘは０から所定の最大値まで増大する。この
ようにして、素子部と釣合った、所定の高バンドギャッ
プが最後の副層の完成時に得られる。
まで比較的無欠陥な移り変わりを提供するために成長さ
れる。たとえば、GaAs基板上の（AlxGa1-x）0.5In0.5Ｐ
ヘテロ構造の場合、勾配層は異なるアルミニウム組成を
持った、したがってバンドギャップの異なる多数の副層
に分割される。各副層が順次成長するにつれて、アルミ
ニウム組成ｘは０から所定の最大値まで増大する。この
ようにして、素子部と釣合った、所定の高バンドギャッ
プが最後の副層の完成時に得られる。
加えて、合金の組成は各副層で次第に変えられるが、
温度にも勾配が付けられ、したがって、各副層に対する
エピタキシャル成長はその組成に対する最適温度のもと
で行われる。
温度にも勾配が付けられ、したがって、各副層に対する
エピタキシャル成長はその組成に対する最適温度のもと
で行われる。
残りの高バンドギャップ素子部の次の成長を成功させ
るのは組成勾配と温度上昇との同時遂行である。
るのは組成勾配と温度上昇との同時遂行である。
各種の高バンドギャップ素子が本発明の方法により実
現できる。その素子にはヘテロ接合、単一ヘテロ接合、
二重ヘテロ接合、の各素子の他に、量子井戸ヘテロ構造
（QWH）がある。本発明の好適実施例では、高バンドギ
ャップ、分離閉じ込めQWHが素子部分として形成され
る。
現できる。その素子にはヘテロ接合、単一ヘテロ接合、
二重ヘテロ接合、の各素子の他に、量子井戸ヘテロ構造
（QWH）がある。本発明の好適実施例では、高バンドギ
ャップ、分離閉じ込めQWHが素子部分として形成され
る。
本発明の技法により作製されるQWHレーザ・エミッタ
は1988年５月16日〜20日に日本の箱根で開催されたMOVP
Eに関する第４回国際会議で示された、「Stimulated Em
ission in In0.5（AlxGa1-x）0.5P Quantum Well Hetev
ostructure」と題する論文に報告されている。この論文
は77゜Kで543nm（パルス化）、553nm（CW）、および室
温300゜Kで593nm（パルス化）、625nm（Cw）という短い
レーザ波長を報告している。これらの結果は（AlxG
a1-x）0.5In0.5Ｐ−GaAs系に対して、またはIII−Ｖ合
金系に対して今まで報告された最高エネルギのレーザで
あることを示している。
は1988年５月16日〜20日に日本の箱根で開催されたMOVP
Eに関する第４回国際会議で示された、「Stimulated Em
ission in In0.5（AlxGa1-x）0.5P Quantum Well Hetev
ostructure」と題する論文に報告されている。この論文
は77゜Kで543nm（パルス化）、553nm（CW）、および室
温300゜Kで593nm（パルス化）、625nm（Cw）という短い
レーザ波長を報告している。これらの結果は（AlxG
a1-x）0.5In0.5Ｐ−GaAs系に対して、またはIII−Ｖ合
金系に対して今まで報告された最高エネルギのレーザで
あることを示している。
本発明の一実施例においては、高バンドギャップ素子
は吸収基板を用いて形成される。この素子はGaAs基板上
に形成された組成勾配層、およびそれに続いた素子部分
を備えている。
は吸収基板を用いて形成される。この素子はGaAs基板上
に形成された組成勾配層、およびそれに続いた素子部分
を備えている。
本発明の他の実施例においては、高バンドギャップ素
子が透明基板を用いて形成されている。この素子はGaAs
基板上に形成された勾配層の第１の部分、これに続くそ
のバンドギャップが活性部分からの放出を吸収しないよ
う充分高い透明基板、これに続いてバンドギャップを素
子部分のレベルにまでにする第２の勾配層、これに続く
素子部分それ自身、を備えている。前記吸収GaAs基板お
よび勾配層の第１の部分はその後除去される。
子が透明基板を用いて形成されている。この素子はGaAs
基板上に形成された勾配層の第１の部分、これに続くそ
のバンドギャップが活性部分からの放出を吸収しないよ
う充分高い透明基板、これに続いてバンドギャップを素
子部分のレベルにまでにする第２の勾配層、これに続く
素子部分それ自身、を備えている。前記吸収GaAs基板お
よび勾配層の第１の部分はその後除去される。
本発明の更に他の実施例では、高バンドギャップ素子
が透明基板を用いてまた形成される。この素子は、その
バンドギャップが活性素子からの放出を吸収しないよう
充分に高く、GaAs基板上に形成された透明基板、それに
続くバンドギャップ素子部分のレベルまでにする勾配
層、それに続く素子部分自身、を備えている。前記吸収
GaAs基板はその後除去される。
が透明基板を用いてまた形成される。この素子は、その
バンドギャップが活性素子からの放出を吸収しないよう
充分に高く、GaAs基板上に形成された透明基板、それに
続くバンドギャップ素子部分のレベルまでにする勾配
層、それに続く素子部分自身、を備えている。前記吸収
GaAs基板はその後除去される。
本発明の更に他の実施例では、反転透明基板が高バン
ドギャップと共に形成されている。これはGaAs基板上に
形成された勾配層、これに続く素子部分、これに続いて
そのバンドギャップが活性素子からの放出を吸収しない
程充分高い透明基板、を備えている。
ドギャップと共に形成されている。これはGaAs基板上に
形成された勾配層、これに続く素子部分、これに続いて
そのバンドギャップが活性素子からの放出を吸収しない
程充分高い透明基板、を備えている。
本発明のなお他の実施例においては、ひずみ層超格子
構造が勾配層または素子部分または両方に組込まれてい
る。
構造が勾配層または素子部分または両方に組込まれてい
る。
第1A図は本発明の一実施例による、吸収基板上に成長
した活性、高バンドギャップ部の概略断面図である。区
画100は、好適には厚さが150マイクロメートルより大き
い、ｎ型またはｐ型の、低転位の、単結晶ヒ化ガリウム
（GaAs）基板である。好適に厚さ0.5乃至１マイクロメ
ートルの範囲にある（AlxGa1-x）0.5In0.5Ｐの組成勾配
層130はGaAs基板100の上に形成されている。組成勾配層
130の組成は（AlxGa1-x）0.5In0.5Ｐであり、ｘは層の
厚さにわたり０から1.0まで変化する。ガリウム原子に
対するアルミニウム原子の置換量が増加するにつれて、
（AlxGa1-x）0.5In0.5Ｐ層130のバンドギャップ・エネ
ルギが増大する。基板100に対する「プライマー」すな
わちバッファとして、0.1マイクロメートルのGaAsの薄
いエピタキシャル層（図示せず）を組成勾配層130の前
に随意に成長させることができる。
した活性、高バンドギャップ部の概略断面図である。区
画100は、好適には厚さが150マイクロメートルより大き
い、ｎ型またはｐ型の、低転位の、単結晶ヒ化ガリウム
（GaAs）基板である。好適に厚さ0.5乃至１マイクロメ
ートルの範囲にある（AlxGa1-x）0.5In0.5Ｐの組成勾配
層130はGaAs基板100の上に形成されている。組成勾配層
130の組成は（AlxGa1-x）0.5In0.5Ｐであり、ｘは層の
厚さにわたり０から1.0まで変化する。ガリウム原子に
対するアルミニウム原子の置換量が増加するにつれて、
（AlxGa1-x）0.5In0.5Ｐ層130のバンドギャップ・エネ
ルギが増大する。基板100に対する「プライマー」すな
わちバッファとして、0.1マイクロメートルのGaAsの薄
いエピタキシャル層（図示せず）を組成勾配層130の前
に随意に成長させることができる。
第1B図は第1A図の素子に対応するバンドギャップ・エ
ネルギ図を示す。部分105は約1.43eVのバンドギャップ
・エネルギを持つGaAs基板に対応する。区画135は（Alx
Ga1-x）0.5In0.5Ｐの組成勾配層に対応する。最初、ア
ルミニュームの濃度が０であるとき、Ga0.5In0.5Ｐのバ
ンドギャップ・エネルギはエネルギ曲線上の点130で示
すように約1.9eVである。波長の終わりにおいてGa原子
の100％がAl原子が置換えられ、組成勾配層のバンドギ
ャップ・エネルギは約2.3eVまで上っている。これをバ
ンドギャップ・エネルギ曲線上の点140により示してあ
る。第1A図を再び参照すると、活性高バンドギャップ部
150が組成勾配層100の上に形成されている。バンドギャ
ップの異なるヘテロ構造を（AlxGa1-x）0.5In0.5Ｐの中
のアルミニウム濃度ｘを変えることにより成長させても
よい。高バンドギャップ部分150を成長してから、その
上に随意選択の接触層180を成長させることができる。
この場合には、厚さ0.1乃至0.2マイクロメートルの、エ
ピタキシャル成長されたGaAsまたはGa0.5In0.5Ｐ層であ
ることが好ましい。最後に従来の技法でオーム接触を素
子の上に形成することができる。
ネルギ図を示す。部分105は約1.43eVのバンドギャップ
・エネルギを持つGaAs基板に対応する。区画135は（Alx
Ga1-x）0.5In0.5Ｐの組成勾配層に対応する。最初、ア
ルミニュームの濃度が０であるとき、Ga0.5In0.5Ｐのバ
ンドギャップ・エネルギはエネルギ曲線上の点130で示
すように約1.9eVである。波長の終わりにおいてGa原子
の100％がAl原子が置換えられ、組成勾配層のバンドギ
ャップ・エネルギは約2.3eVまで上っている。これをバ
ンドギャップ・エネルギ曲線上の点140により示してあ
る。第1A図を再び参照すると、活性高バンドギャップ部
150が組成勾配層100の上に形成されている。バンドギャ
ップの異なるヘテロ構造を（AlxGa1-x）0.5In0.5Ｐの中
のアルミニウム濃度ｘを変えることにより成長させても
よい。高バンドギャップ部分150を成長してから、その
上に随意選択の接触層180を成長させることができる。
この場合には、厚さ0.1乃至0.2マイクロメートルの、エ
ピタキシャル成長されたGaAsまたはGa0.5In0.5Ｐ層であ
ることが好ましい。最後に従来の技法でオーム接触を素
子の上に形成することができる。
各種層を成長させる工程において、水平金属有機気相
エピタキシー（MOVPE）反応器を使用する。MOVPE反応器
は約180トールの低圧に維持される。エピタキシャル層
の成長率はV/IIIの比を250として毎分約0.04マイクロメ
ータに保たれる。（AlxGa1-x）0.5In0.5Ｐエピタキシャ
ル層は、主要結晶成分Al、Ga、Inおよびｐの源としてそ
れぞれトリメチルアルミニウム（TMAl）、トリメチルガ
リウム（TMGa）、トリメチルインジウム（TMIn）、およ
び10％ホスフィン（PH3）を使用して、ｎ型またはｐ型
（100）GaAs基板上に格子整合して（ｙが約0.5に等し
い）成長される。セレン化水素が立方センチメートルあ
たり５×1017から５×1018原子の間の濃度でｎ型ドーパ
ント源として使用される。ジメチル亜鉛が立方センチメ
ートルあたり５×1017から５×1018原子間の濃度でｐ型
ドーパント源として使用される。
エピタキシー（MOVPE）反応器を使用する。MOVPE反応器
は約180トールの低圧に維持される。エピタキシャル層
の成長率はV/IIIの比を250として毎分約0.04マイクロメ
ータに保たれる。（AlxGa1-x）0.5In0.5Ｐエピタキシャ
ル層は、主要結晶成分Al、Ga、Inおよびｐの源としてそ
れぞれトリメチルアルミニウム（TMAl）、トリメチルガ
リウム（TMGa）、トリメチルインジウム（TMIn）、およ
び10％ホスフィン（PH3）を使用して、ｎ型またはｐ型
（100）GaAs基板上に格子整合して（ｙが約0.5に等し
い）成長される。セレン化水素が立方センチメートルあ
たり５×1017から５×1018原子の間の濃度でｎ型ドーパ
ント源として使用される。ジメチル亜鉛が立方センチメ
ートルあたり５×1017から５×1018原子間の濃度でｐ型
ドーパント源として使用される。
高品質結晶成長に対して二つの因子が重要であること
がわかっている。一つは酸素および水の汚染を極力少く
することである。他は組成勾配を付けることにより高バ
ンドギャップ材料を得ることである。
がわかっている。一つは酸素および水の汚染を極力少く
することである。他は組成勾配を付けることにより高バ
ンドギャップ材料を得ることである。
AlGaInP合金に含まれているアルミニウムは酸素に対
して高い親和力を備えている。酸素汚染の結果成長層の
補償効果が大きくなりそして光ルミネッセンス（PL）効
果が乏しくなることがわかっている。この問題点はアル
ミニウム組成が高いこれら高バンドギャップ層にとって
は一層激しいものである。したがって成長過程において
酸素および水分の汚染を極力少くするあらゆる予防措置
が取られている。たとえば、水蒸気および酸素を除去す
るため、フォスフィンを分子ふるいフィルタを通過させ
ている。反応物質は清浄水素により、高周波加熱グラフ
ァイト・サセプタを含む水平反応管に運ばれる。反応器
のエンドキャップは窒素追放グローブ・ボックスで取囲
まれて、基板の積み下ろし中の酸素汚染を極小にしてい
る。
して高い親和力を備えている。酸素汚染の結果成長層の
補償効果が大きくなりそして光ルミネッセンス（PL）効
果が乏しくなることがわかっている。この問題点はアル
ミニウム組成が高いこれら高バンドギャップ層にとって
は一層激しいものである。したがって成長過程において
酸素および水分の汚染を極力少くするあらゆる予防措置
が取られている。たとえば、水蒸気および酸素を除去す
るため、フォスフィンを分子ふるいフィルタを通過させ
ている。反応物質は清浄水素により、高周波加熱グラフ
ァイト・サセプタを含む水平反応管に運ばれる。反応器
のエンドキャップは窒素追放グローブ・ボックスで取囲
まれて、基板の積み下ろし中の酸素汚染を極小にしてい
る。
高品質結晶成長にとって重要な他の因子は、成長欠陥
およびひずみが格子整合合金内に生じないように保つこ
とである。本発明によれば、これまで格子不整合系での
み使用された組成勾配、および温度勾配、を利用して格
子整合系によるバンドギャップ素子を作製する。前述し
たとおり、格子整合系に関する従来の技術は高バンドギ
ャップ・エピタキシャル層をGaAs基板上に直接一段階で
成長させていた。組成勾配付けを行う本発明の技法は、
従来到達不可能であったバンドギャップが一層短い（62
5nm）素子をも具合よく作製することができる。
およびひずみが格子整合合金内に生じないように保つこ
とである。本発明によれば、これまで格子不整合系での
み使用された組成勾配、および温度勾配、を利用して格
子整合系によるバンドギャップ素子を作製する。前述し
たとおり、格子整合系に関する従来の技術は高バンドギ
ャップ・エピタキシャル層をGaAs基板上に直接一段階で
成長させていた。組成勾配付けを行う本発明の技法は、
従来到達不可能であったバンドギャップが一層短い（62
5nm）素子をも具合よく作製することができる。
バンドギャップ特性が第1B図のプロフィル135を持つ
第1A図の層130のような、（AlxGa1-x）0.5In0.5Ｐの組
成勾配層を成長させるには、層を多層の副層に分割す
る。第１の副層はｘが0.0でアルミニウムを含まず、す
なわち、Ga0.5In0.5Ｐであり、GaAs層と（AlxGa1-x）
0.5In0.5Ｐ層と間のバッファ層と考えることができる。
最後の副層はｘがほぼ1.0に等しく、すなわち、完全に
アルミニウムで置換されている。各中間層ではバンドギ
ャップ・エネルギが、対応するアルミニウム濃度の変化
と共に、ほぼ等しく増分増加している。多数層への分割
の限界では、バンドギャップ・エネルギのプロフィルは
滑らかなものになる（第７図を参照）。好適実施例で
は、約10個の副層が具合よく成長し、バンドギャップ・
エネルギのプロフィルは階段状関数を示している。
第1A図の層130のような、（AlxGa1-x）0.5In0.5Ｐの組
成勾配層を成長させるには、層を多層の副層に分割す
る。第１の副層はｘが0.0でアルミニウムを含まず、す
なわち、Ga0.5In0.5Ｐであり、GaAs層と（AlxGa1-x）
0.5In0.5Ｐ層と間のバッファ層と考えることができる。
最後の副層はｘがほぼ1.0に等しく、すなわち、完全に
アルミニウムで置換されている。各中間層ではバンドギ
ャップ・エネルギが、対応するアルミニウム濃度の変化
と共に、ほぼ等しく増分増加している。多数層への分割
の限界では、バンドギャップ・エネルギのプロフィルは
滑らかなものになる（第７図を参照）。好適実施例で
は、約10個の副層が具合よく成長し、バンドギャップ・
エネルギのプロフィルは階段状関数を示している。
その他に、合金の組成は各副層で勾配が付けられる
が、温度も勾配が付けられている。したがって、各副層
に対するエピタキシャル成長はその組成に対する最適温
度のもとで行われる。最適温度は、Ｘ線回析のような方
法により試験的（サンプル）成長層の成長形態を調べる
ことにより実験的に決定することができる。第１副層の
最適成長温度は約690℃が好適であることがわかった。
同様に、最後の副層の最適成長温度は約755℃であるこ
とがわかった。これら二つの温度はそれぞれ下限および
上限を表わしている。本発明の一実施例においては、各
中間副層に対する最適成長温度は上記下限および上限の
直線補間により推定することができる。
が、温度も勾配が付けられている。したがって、各副層
に対するエピタキシャル成長はその組成に対する最適温
度のもとで行われる。最適温度は、Ｘ線回析のような方
法により試験的（サンプル）成長層の成長形態を調べる
ことにより実験的に決定することができる。第１副層の
最適成長温度は約690℃が好適であることがわかった。
同様に、最後の副層の最適成長温度は約755℃であるこ
とがわかった。これら二つの温度はそれぞれ下限および
上限を表わしている。本発明の一実施例においては、各
中間副層に対する最適成長温度は上記下限および上限の
直線補間により推定することができる。
組成勾配領域から離れて、エピタキシャルGaAs層が約
690℃の温度で好適に成長される。残りの高バンドギャ
ップ部は約755℃の温度で好適に成長される。実際、755
℃という一定温度で該高バンドギャップ部を具合よく次
に成長させるための比較的無欠陥の遷移プラットフォー
ムを生ずるのは、組成および温度の同時勾配付け法によ
っている。
690℃の温度で好適に成長される。残りの高バンドギャ
ップ部は約755℃の温度で好適に成長される。実際、755
℃という一定温度で該高バンドギャップ部を具合よく次
に成長させるための比較的無欠陥の遷移プラットフォー
ムを生ずるのは、組成および温度の同時勾配付け法によ
っている。
高バンドギャップ層を成長させる説明を（AlxGa1-x）
0.5In0.5Ｐ−GaAsシステムで示してきたが、本発明の技
法は他の格子整合系に同等に適用可能であることを理解
すべきである。
0.5In0.5Ｐ−GaAsシステムで示してきたが、本発明の技
法は他の格子整合系に同等に適用可能であることを理解
すべきである。
高バンドギャップ活性部分150はホモ構造、ヘテロ構
造、二重ヘテロ構造、および超格子形態のうちのどんな
形態でも取ることができる。好適実施例では、量子井戸
（quantum well）ヘテロ構造（QWH）が高バンドギャッ
プ活性部分150として成長される。対応する高バンドギ
ャップ・エネルギ図を第1B図に区画155として示す。第2
A図は第1A図の活性部分150におけるQWHの断面を一層詳
細に示している。同様に、第2B図は第2A図のQWHおよび
第1B図の区画155に対応する詳細なバンドギャップ・エ
ネルギ図である。
造、二重ヘテロ構造、および超格子形態のうちのどんな
形態でも取ることができる。好適実施例では、量子井戸
（quantum well）ヘテロ構造（QWH）が高バンドギャッ
プ活性部分150として成長される。対応する高バンドギ
ャップ・エネルギ図を第1B図に区画155として示す。第2
A図は第1A図の活性部分150におけるQWHの断面を一層詳
細に示している。同様に、第2B図は第2A図のQWHおよび
第1B図の区画155に対応する詳細なバンドギャップ・エ
ネルギ図である。
特に、第2A図および第2B図は別々の閉じ込めQWHを示
している。これは、一方はキャリアを閉じ込め、他方は
光を閉じ込める、別々の二組の閉じ込め構造を示してい
る。
している。これは、一方はキャリアを閉じ込め、他方は
光を閉じ込める、別々の二組の閉じ込め構造を示してい
る。
区画161および162は活性部分150の両側に高バンドギ
ャップ・ヘテロ構造を形成している。これらは中央活性
層内にキャリアを閉じ込めるのに役立つ。区画161は（A
lzGa1-z）0.5In0.5Ｐから構成されており、ｘは約0.9で
ある。これはｎドープ型で、好適には約１マイクロメー
トルの厚さに成長される。区画162はＰドープ（AlxGa
1-x）0.5In0.5Ｐから成り、Ｘは約１である。これは好
適に１マイクロメートルの厚さに成長される。キャリア
閉じ込め層161および162に対応するバンドギャップ・エ
ネルギ図を第2B図にそれぞれ曲線171および172として示
す。これらは2.3乃至2.4eVの範囲のバンドギャップ・エ
ネルギに相当する。
ャップ・ヘテロ構造を形成している。これらは中央活性
層内にキャリアを閉じ込めるのに役立つ。区画161は（A
lzGa1-z）0.5In0.5Ｐから構成されており、ｘは約0.9で
ある。これはｎドープ型で、好適には約１マイクロメー
トルの厚さに成長される。区画162はＰドープ（AlxGa
1-x）0.5In0.5Ｐから成り、Ｘは約１である。これは好
適に１マイクロメートルの厚さに成長される。キャリア
閉じ込め層161および162に対応するバンドギャップ・エ
ネルギ図を第2B図にそれぞれ曲線171および172として示
す。これらは2.3乃至2.4eVの範囲のバンドギャップ・エ
ネルギに相当する。
第2A図に戻ると、光閉じ込め層が層163および164によ
り与えられる。両層共ｎドープ（AlxGa1-x）0.5In0.5Ｐ
から構成されている。両者とも約0.1マイクロメートル
の厚さに成長されている。これらに対応するバンドギャ
ップ・エネルギを第2B図にそれぞれレベル173および174
として示す。これも2.25eVに対応する。最後に、第2A図
で、活性量子井戸部が層167から構成されている。層167
はｎドープ（AlxGa1-x）0.5In0.5から構成され、ｘは約
0.2に等しい。活性層167は約0.02から0.04マイクロメー
トル幅の量子井戸を画定している。対応するバンドギャ
ップ・エネルギ・プロフィルを第2B図に示す。レベル17
7で示した井戸の底部は約2evであり、第2A図の層167に
対応する。第2A図および第2B図に示すようなQWHの製作
にあたっては、各層は順次左から右へ成長される。
り与えられる。両層共ｎドープ（AlxGa1-x）0.5In0.5Ｐ
から構成されている。両者とも約0.1マイクロメートル
の厚さに成長されている。これらに対応するバンドギャ
ップ・エネルギを第2B図にそれぞれレベル173および174
として示す。これも2.25eVに対応する。最後に、第2A図
で、活性量子井戸部が層167から構成されている。層167
はｎドープ（AlxGa1-x）0.5In0.5から構成され、ｘは約
0.2に等しい。活性層167は約0.02から0.04マイクロメー
トル幅の量子井戸を画定している。対応するバンドギャ
ップ・エネルギ・プロフィルを第2B図に示す。レベル17
7で示した井戸の底部は約2evであり、第2A図の層167に
対応する。第2A図および第2B図に示すようなQWHの製作
にあたっては、各層は順次左から右へ成長される。
多重量子井戸構造、および屈折率勾配をもつ分離閉じ
込めヘテロ構造（GRIN−SCH）のような他の形態の量子
井戸構造も当業者に周知である。単一量子井戸構造のみ
を図示し、説明してきたが、本発明は多重量子井戸構造
およびGRIN−SCHのような他の変形例にも同等に適用す
ることができる。
込めヘテロ構造（GRIN−SCH）のような他の形態の量子
井戸構造も当業者に周知である。単一量子井戸構造のみ
を図示し、説明してきたが、本発明は多重量子井戸構造
およびGRIN−SCHのような他の変形例にも同等に適用す
ることができる。
第1A図および第1B図に戻ると、図示したQWH素子は典
型的にGaAs基板上に成長されている。先に記したとお
り、GaAsのバンドギャップは光スペクトルの赤外端に相
当している。それ故GaAsは可視光に対して、非常に吸収
性があり、不透明である。したがって、GaAs基板上に形
成されたLED素子は、その不透明基板により支持された
立体角内に放出される光の他に、上表面での臨界角反射
により反射される光が吸収されて失われるという点で、
本質的に不利益である。
型的にGaAs基板上に成長されている。先に記したとお
り、GaAsのバンドギャップは光スペクトルの赤外端に相
当している。それ故GaAsは可視光に対して、非常に吸収
性があり、不透明である。したがって、GaAs基板上に形
成されたLED素子は、その不透明基板により支持された
立体角内に放出される光の他に、上表面での臨界角反射
により反射される光が吸収されて失われるという点で、
本質的に不利益である。
透明基板LEDを設けることは可能であり、その一例がA
pplied Physics Letters,vol,43、No.11（1983年12月１
日）PP.1034〜1036に開示されている。開示されたプロ
セスにはALGaAsの各種透明層を吸収性GaAs基板上に成長
させることが含まれている。GaAs基板に隣接する第１の
透明層は置換基板として働らき、続く各層が素子を構成
する。不透明GaAs基板は後に除去されて、置換透明基板
上にみ素子を残す。
pplied Physics Letters,vol,43、No.11（1983年12月１
日）PP.1034〜1036に開示されている。開示されたプロ
セスにはALGaAsの各種透明層を吸収性GaAs基板上に成長
させることが含まれている。GaAs基板に隣接する第１の
透明層は置換基板として働らき、続く各層が素子を構成
する。不透明GaAs基板は後に除去されて、置換透明基板
上にみ素子を残す。
第3A図は、本発明の他の実施例による、透明基板を備
えた活性部の概略断面図である。本質的に、最初の製作
プロセスは吸収基板のそれと同様である。主な相違点
は、組成勾配層の成長中において、透明基板を成長させ
るために段階の一つが非常に長いということである。
えた活性部の概略断面図である。本質的に、最初の製作
プロセスは吸収基板のそれと同様である。主な相違点
は、組成勾配層の成長中において、透明基板を成長させ
るために段階の一つが非常に長いということである。
第3A図と第3B図とを同時に参照すると、その対応する
バンドギャップ・エネルギ・レベル305を持つGaAs基板3
00が以後のエピタキシャル成長の基礎を形成することが
できる。先に述べた吸収基板の場合のように、組成勾配
量320を基板300の上面にエピタキシャル成長させる。勾
配のため、バンドギャップ・エネルギが、エネルギ・レ
ベル曲線325で示すように、各新しい勾配層が成長する
につれて増大する。基板を透明にするには、そのバンド
ギャップ・エネルギがQWHの特性放出エネルギより大き
くなければならない。現在の場合では、これはレベル37
7に近い。バンドギャップ・エネルギがQWHの最低バンド
ギャップ・エネルギ・レベル377に達すると、勾配付け
過程が一時的に停止される。停止すると直ちにアルミニ
ウム濃度が一定の（ｘ＝0.35）（AlxGa1-x）0.5In0.5Ｐ
の層330が成長される。この層は透明基板として役立つ
ことになり、70乃至90マイクロメートルの厚さに好適に
成長される。そのバンドギャップ・レベルをレベル335
で示す。このレベル335はQWHのレベル377と閉じ込め層3
50のバンドギャップ・エネルギ・レベル355との間のど
こにあってもよい。好適実施例では、これは、透明基板
335のアルミニウム含有量が極小になるようにQWHのレベ
ル377のわずか上になるように選定される。この方法に
より水分および酸化の影響を受け難くなる。透明基板33
0が成長されると、第２の組成勾配層340をその上面に成
長させて、それに続く活性部に対する高バンドギャップ
の基礎を形成する。
バンドギャップ・エネルギ・レベル305を持つGaAs基板3
00が以後のエピタキシャル成長の基礎を形成することが
できる。先に述べた吸収基板の場合のように、組成勾配
量320を基板300の上面にエピタキシャル成長させる。勾
配のため、バンドギャップ・エネルギが、エネルギ・レ
ベル曲線325で示すように、各新しい勾配層が成長する
につれて増大する。基板を透明にするには、そのバンド
ギャップ・エネルギがQWHの特性放出エネルギより大き
くなければならない。現在の場合では、これはレベル37
7に近い。バンドギャップ・エネルギがQWHの最低バンド
ギャップ・エネルギ・レベル377に達すると、勾配付け
過程が一時的に停止される。停止すると直ちにアルミニ
ウム濃度が一定の（ｘ＝0.35）（AlxGa1-x）0.5In0.5Ｐ
の層330が成長される。この層は透明基板として役立つ
ことになり、70乃至90マイクロメートルの厚さに好適に
成長される。そのバンドギャップ・レベルをレベル335
で示す。このレベル335はQWHのレベル377と閉じ込め層3
50のバンドギャップ・エネルギ・レベル355との間のど
こにあってもよい。好適実施例では、これは、透明基板
335のアルミニウム含有量が極小になるようにQWHのレベ
ル377のわずか上になるように選定される。この方法に
より水分および酸化の影響を受け難くなる。透明基板33
0が成長されると、第２の組成勾配層340をその上面に成
長させて、それに続く活性部に対する高バンドギャップ
の基礎を形成する。
第１および第２の組成勾配層320および340は第1A図の
単一の組成勾配層130と同等と見なすことができるが、
二つの部分に分かれている。実際、基板330のような透
明基板の成長が第1A図の組成勾配層130の成長中に含ま
れていれば、得られる構造は第3A図の層320、330、およ
び340と同等になる。
単一の組成勾配層130と同等と見なすことができるが、
二つの部分に分かれている。実際、基板330のような透
明基板の成長が第1A図の組成勾配層130の成長中に含ま
れていれば、得られる構造は第3A図の層320、330、およ
び340と同等になる。
第3A図および第3B図に戻ると、第２の組成勾配層340
を成長させてから、活性の高バンドギャップ区域350
を、第1A図に示す吸収基板の場合のようにその上面に成
長させる。最後に、保護キャップとしてばかりでなく接
触バッファとしても作用する層380を活性区画350の上面
に成長させる。接触層380を透明にするのが最も望まし
く、それ故層380はそのハンドギャップ・レベル385をレ
ベル377より高くすべきである。これは好適に（AlxGa
1-x）0.5In0.5Ｐから構成され、ｘは約0.35である。す
べての層を成長させてから、QWHのレベル377より低いバ
ンドギャップを持つ層を除去する。これによりQWHから
の放出光が再吸収されなくなる。第3A図において、除去
すべき吸収層GaAs基板300および組成勾配層320の第１の
部分に相当する。除去は過酸化水素と水酸化ナトリウム
との混合物または過酸化水素と水酸化アンモニウムの混
合物のような溶液を使用して化学エッチングにより行う
ことができる。
を成長させてから、活性の高バンドギャップ区域350
を、第1A図に示す吸収基板の場合のようにその上面に成
長させる。最後に、保護キャップとしてばかりでなく接
触バッファとしても作用する層380を活性区画350の上面
に成長させる。接触層380を透明にするのが最も望まし
く、それ故層380はそのハンドギャップ・レベル385をレ
ベル377より高くすべきである。これは好適に（AlxGa
1-x）0.5In0.5Ｐから構成され、ｘは約0.35である。す
べての層を成長させてから、QWHのレベル377より低いバ
ンドギャップを持つ層を除去する。これによりQWHから
の放出光が再吸収されなくなる。第3A図において、除去
すべき吸収層GaAs基板300および組成勾配層320の第１の
部分に相当する。除去は過酸化水素と水酸化ナトリウム
との混合物または過酸化水素と水酸化アンモニウムの混
合物のような溶液を使用して化学エッチングにより行う
ことができる。
或る場合に、良好なオーム接触を得るために、接触層
380をGa0.5In0.5Ｐ（すなわちｘ＝０）の薄い吸収層と
することができる。一旦金属接触が堆積され（且つそれ
が素子の全表面を覆わなかったら）ると、金属接触域の
外側のGa0.5In0.5Ｐがエッチング除去され、最も透明な
領域が残る。
380をGa0.5In0.5Ｐ（すなわちｘ＝０）の薄い吸収層と
することができる。一旦金属接触が堆積され（且つそれ
が素子の全表面を覆わなかったら）ると、金属接触域の
外側のGa0.5In0.5Ｐがエッチング除去され、最も透明な
領域が残る。
第4A図および第4B図は透明基板をもつ本発明の他の実
施例を示す。再び、第3A図で示した場合のように、基板
400を高品質GaAsウェーハとすることができる。しか
し、第3A図のものと異なり、組成勾配層の第１の部分が
省略されており、高バンドギャップをもつ透明基板420
が基板400の上面に直接成長している。再び、透明基板
のバンドギャップ・エネルギ・レベル425はQWHのバンド
ギャップ・エネルギ・レベル477より高く、閉じ込め層4
50のバンドギャップ・エネルギ・レベル455より低くな
ければならない。透明基板層420はAlxGa1-xAsから構成
され、ｘは約0.75である。基板420は70から90マイクロ
メートルの厚さに好適に成長される。これは液相エピタ
キシー（LPE）または金属有機気相エピタキシー（MOVP
E）によりエピタキシャルに成長させることができる。
その後で組成勾配層430、続いて活性高バンドギャップ
区画450および保護キャップ（または接触バッファ）480
を第3A図および第3B図に示した場合のように成長させ
る。すべての層を成長させ終ったら、吸収性GaAs基板40
0を除去する。
施例を示す。再び、第3A図で示した場合のように、基板
400を高品質GaAsウェーハとすることができる。しか
し、第3A図のものと異なり、組成勾配層の第１の部分が
省略されており、高バンドギャップをもつ透明基板420
が基板400の上面に直接成長している。再び、透明基板
のバンドギャップ・エネルギ・レベル425はQWHのバンド
ギャップ・エネルギ・レベル477より高く、閉じ込め層4
50のバンドギャップ・エネルギ・レベル455より低くな
ければならない。透明基板層420はAlxGa1-xAsから構成
され、ｘは約0.75である。基板420は70から90マイクロ
メートルの厚さに好適に成長される。これは液相エピタ
キシー（LPE）または金属有機気相エピタキシー（MOVP
E）によりエピタキシャルに成長させることができる。
その後で組成勾配層430、続いて活性高バンドギャップ
区画450および保護キャップ（または接触バッファ）480
を第3A図および第3B図に示した場合のように成長させ
る。すべての層を成長させ終ったら、吸収性GaAs基板40
0を除去する。
第5A図および第5B図は透明基板を有する本発明の別の
実施例を示す。この場合には、透明基板560を最後に、
特に活性区画550の形成後に成長させる。このような反
転基板を備えた素子は、米国出願第188、140号に開示さ
れている。この開示はAlGaAs系を使用する低バンドギャ
ップ光−電子素子において示されている。透明基板およ
び活性素子層を成長させる順序が逆になっている。活性
素子層を高品質であるが吸収性のGaAs基板上に最初に成
長させる。特に透明基板を活性素子層の上面に形成す
る。続いて、吸収性GaAs基板を除去する。これにより活
性素子層を良好な表面に形成することができ、これによ
り透明基板の成長に関連する問題点に関係なく、一貫し
て良好な結晶品質を確保することができる。
実施例を示す。この場合には、透明基板560を最後に、
特に活性区画550の形成後に成長させる。このような反
転基板を備えた素子は、米国出願第188、140号に開示さ
れている。この開示はAlGaAs系を使用する低バンドギャ
ップ光−電子素子において示されている。透明基板およ
び活性素子層を成長させる順序が逆になっている。活性
素子層を高品質であるが吸収性のGaAs基板上に最初に成
長させる。特に透明基板を活性素子層の上面に形成す
る。続いて、吸収性GaAs基板を除去する。これにより活
性素子層を良好な表面に形成することができ、これによ
り透明基板の成長に関連する問題点に関係なく、一貫し
て良好な結晶品質を確保することができる。
第5A図および第5B図を参照すると、吸収基板500、組
成勾配層530および540、および活性高バンドギャップ区
画500の成長はすべて第1A図および第1B図に示す吸収基
板の実施例と同様である。活性高バンドギャップ区画55
0の形成後、透明基板550をその上面に成長させる。透明
基板は、ｘが約0.75のAlxGa1-xAsまたはｘが約0.6の（A
lxGa1-x）0.5In0.5Ｐのいずれかでよい。この基板を70
から90マイクロメートルの厚さに好適に成長させる。再
び、先に記した透明基板の場合のように、その組成はそ
のバンドギャップ・エネルギ・レベル565がQWHのレベル
577より大きく、閉じ込め層のバンドギャップ・エネル
ギ・レベル555より低くなるように選定される。続いて
の成長、および処理中に、吸収性である（すなわち、バ
ンドギャップがQWHのレベル577より低い）すべての層を
除去する。第5A図の場合、これらの層は元のGaAs基板50
0および組成勾配層530の一部分に相当する。
成勾配層530および540、および活性高バンドギャップ区
画500の成長はすべて第1A図および第1B図に示す吸収基
板の実施例と同様である。活性高バンドギャップ区画55
0の形成後、透明基板550をその上面に成長させる。透明
基板は、ｘが約0.75のAlxGa1-xAsまたはｘが約0.6の（A
lxGa1-x）0.5In0.5Ｐのいずれかでよい。この基板を70
から90マイクロメートルの厚さに好適に成長させる。再
び、先に記した透明基板の場合のように、その組成はそ
のバンドギャップ・エネルギ・レベル565がQWHのレベル
577より大きく、閉じ込め層のバンドギャップ・エネル
ギ・レベル555より低くなるように選定される。続いて
の成長、および処理中に、吸収性である（すなわち、バ
ンドギャップがQWHのレベル577より低い）すべての層を
除去する。第5A図の場合、これらの層は元のGaAs基板50
0および組成勾配層530の一部分に相当する。
第６図は、組成勾配領域635および活性区画の閉じ込
め領域651において、ひずみ層超格子（strained−layer
superlattice:SLS）が組込まれている他は、第1B図の
バンドギャップ・エネルギの概略図と同じである。格子
不整合およびひずみは、（AlxGa1-x）yInyPのエピタキ
シャル成長中に非常に薄い層（厚さが0.1から0.2マイク
ロメートルにほぼ等しい）中に故意に導入される。ひず
みをエピタキシャル層中に調節しながら導入すると、完
全には格子整合していない材料に固有のひずみを緩和す
る効果がある。
め領域651において、ひずみ層超格子（strained−layer
superlattice:SLS）が組込まれている他は、第1B図の
バンドギャップ・エネルギの概略図と同じである。格子
不整合およびひずみは、（AlxGa1-x）yInyPのエピタキ
シャル成長中に非常に薄い層（厚さが0.1から0.2マイク
ロメートルにほぼ等しい）中に故意に導入される。ひず
みをエピタキシャル層中に調節しながら導入すると、完
全には格子整合していない材料に固有のひずみを緩和す
る効果がある。
第６図を参照して、SLS構造635および651を組入れる
には、（AlxGa1-x）yInyPのエピタキシャル成長を第1A
図および第1B図に示した場合と同じ平均成長パラメータ
を用いて進める。加えて、ｙは、交番層に関するその格
子整合値0.5の周りにわずかに（約100％）変動すること
が許される。
には、（AlxGa1-x）yInyPのエピタキシャル成長を第1A
図および第1B図に示した場合と同じ平均成長パラメータ
を用いて進める。加えて、ｙは、交番層に関するその格
子整合値0.5の周りにわずかに（約100％）変動すること
が許される。
例示の目的で、第６図では、SLS構造が吸収基板上の
組成勾配層635および活性部のクラッド領域651の双方に
組込まれている。SLS構造を組込むのは必要が生じたと
き結晶品質を更に改善することを目的としていることを
理解すべきである。SLSは組成勾配領域だけに、または
活性素子部分だけに、または（図示のように）両領域に
組込むことができるし、または全く組込まなくてもよ
い。このことは透明基板を備えた素子にも同等に適用す
ることができる。
組成勾配層635および活性部のクラッド領域651の双方に
組込まれている。SLS構造を組込むのは必要が生じたと
き結晶品質を更に改善することを目的としていることを
理解すべきである。SLSは組成勾配領域だけに、または
活性素子部分だけに、または（図示のように）両領域に
組込むことができるし、または全く組込まなくてもよ
い。このことは透明基板を備えた素子にも同等に適用す
ることができる。
以上の説明のように、格子整合した（AlxGa1-x）yIn
1-yP−GaAs系において、素子部分をエピタキシャル成長
させることによって、高バンドギャップ光一電子素子が
形成される。このエピタキシャル層のバンドギャップは
ｘの値と共に増大する。GaAs基板上に直接素子部分を成
長させる代わりに、ｘと温度とに勾配が付けられた（Al
xGa1-x）yIn1-yP層がｙ＝0.5に実質的に維持しながら、
遷移層として成長される。この高バンドギャップ素子構
造はホモ接合、ヘテロ接合、および特に分離閉じ込め量
子井戸ヘテロ構造を含む。本発明の実施例では、吸収基
板や透明基板上の素子や、ひずみ層超格子構造を組み込
んだ素子を含んでいる。
1-yP−GaAs系において、素子部分をエピタキシャル成長
させることによって、高バンドギャップ光一電子素子が
形成される。このエピタキシャル層のバンドギャップは
ｘの値と共に増大する。GaAs基板上に直接素子部分を成
長させる代わりに、ｘと温度とに勾配が付けられた（Al
xGa1-x）yIn1-yP層がｙ＝0.5に実質的に維持しながら、
遷移層として成長される。この高バンドギャップ素子構
造はホモ接合、ヘテロ接合、および特に分離閉じ込め量
子井戸ヘテロ構造を含む。本発明の実施例では、吸収基
板や透明基板上の素子や、ひずみ層超格子構造を組み込
んだ素子を含んでいる。
第1A図は本発明の一実施例による、吸収基板上に形成さ
れた活性部分を含む光一電子半導体素子の短面図、第1B
図は第1A図の素子のバンドギャップ・エネルギを示した
図、第2A図は活性部分にQWHを有する本発明による光一
電子半導体素子の断面図、 第2B図は第2A図に示した素子のバンドギャップ・エネル
ギを示した図、 第3A図は本発明の他の実施例による透明基板をもつ活性
部分を含む光一電子半導体素子の断面図、 第3B図は第3A図の素子のバンドギャップ・エネルギを示
した図、 第4A図は本発明のさらに他の実施例による透明基板をも
つ活性部分を含む光一電子半導体素子の断面図、 第4B図は第4A図の素子のバンドギャップ・エネルギを示
した図、第5A図は本発明の他の実施例による反転透明基
板を持つ活性部分を含む光一電子半導体素子の断面図、
第5B図は第5A図の素子のバンドギャップ・エネルギを示
した図、 第６図は本発明の他の実施例による組成勾配層とフラッ
ド層中にSLSをもつ光一電子半導体素子のバンドギャッ
プ・エネルギを示した図、 第７図は組成勾配層がスムーズに変化していることを除
いて第1B図の特性と同一な本発明による光一電子半導体
素子のバンドギャップ・エネルギを示した図である。 100、300、400、500:GaAs基板、 130、320、340、430、530:組成勾配量、 150、350、450、550:活性、高バンドギャップ部、 180:接触層、163,164:光閉じ込め層 330、420、560:透明基板
れた活性部分を含む光一電子半導体素子の短面図、第1B
図は第1A図の素子のバンドギャップ・エネルギを示した
図、第2A図は活性部分にQWHを有する本発明による光一
電子半導体素子の断面図、 第2B図は第2A図に示した素子のバンドギャップ・エネル
ギを示した図、 第3A図は本発明の他の実施例による透明基板をもつ活性
部分を含む光一電子半導体素子の断面図、 第3B図は第3A図の素子のバンドギャップ・エネルギを示
した図、 第4A図は本発明のさらに他の実施例による透明基板をも
つ活性部分を含む光一電子半導体素子の断面図、 第4B図は第4A図の素子のバンドギャップ・エネルギを示
した図、第5A図は本発明の他の実施例による反転透明基
板を持つ活性部分を含む光一電子半導体素子の断面図、
第5B図は第5A図の素子のバンドギャップ・エネルギを示
した図、 第６図は本発明の他の実施例による組成勾配層とフラッ
ド層中にSLSをもつ光一電子半導体素子のバンドギャッ
プ・エネルギを示した図、 第７図は組成勾配層がスムーズに変化していることを除
いて第1B図の特性と同一な本発明による光一電子半導体
素子のバンドギャップ・エネルギを示した図である。 100、300、400、500:GaAs基板、 130、320、340、430、530:組成勾配量、 150、350、450、550:活性、高バンドギャップ部、 180:接触層、163,164:光閉じ込め層 330、420、560:透明基板
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ティモシー・ディ・オーセントウスキー アメリカ合衆国カリフォルニア州サンノ ゼ クリーク・ポイント・ドライブ 2920 (56)参考文献 特開 平１−296678（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−243483（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 33/00 H01S 5/00 - 5/50
Claims (12)
- 【請求項１】光−電子半導体素子であって、 （ａ）所定の格子定数を有する第一の基板層と、 （ｂ）前記第一の層とほぼ同じ格子定数を有し、前記第
一の基板層よりも大きなエネルギ・バンドギャップを有
する、アルミニウム、ガリウム、インジウム、リンを含
む部分と、 （ｃ）前記第一の層とほぼ同じ格子定数を有し、境界を
形成するように前記部分と隣接し、アルミニウム、ガリ
ウム、インジウム、リンを含む第二の層と、 を有し、前記第二の層は、前記境界面での前記第二の層
のエネルギー・バンドギャップが前記境界での前記部分
のエネルギー・バンドギャップとほぼ等しく、前記境界
面から離れるに従いエネルギー・バンドギャップが減少
するように変化するエネルギー・バンドギャップを有
し、前記第一の基板層は前記部分および前記第二の層の
何れかに隣接することを特徴とする光−電子半導体素
子。 - 【請求項２】請求項１に記載の光−電子半導体素子であ
って、前記第二の層は一面で前記部分と、および他の面
で前記第一の基板層と隣接することを特徴とする光−電
子半導体素子。 - 【請求項３】請求項２に記載の光−電子半導体素子であ
って、前記第一の基板層はひ素・ガリウムを含むことを
特徴とする光−電子半導体素子。 - 【請求項４】請求項２に記載の光−電子半導体素子であ
って、前記第一の基板層は透明基板であることを特徴と
する光−電子半導体素子。 - 【請求項５】請求項４に記載の光−電子半導体素子であ
って、前記第一の基板層はアルミニウム、ガリウム、イ
ンジウム、リンを含むことを特徴とする光−電子半導体
素子。 - 【請求項６】請求項４に記載の光−電子半導体素子であ
って、前記第一の基板層はアルミニウム、ガリウム、ひ
素を含むことを特徴とする光−電子半導体素子。 - 【請求項７】請求項１に記載の光−電子半導体素子であ
って、前記部分のエネルギー・バンドギャップが2eV以
上であることを特徴とする光−電子半導体素子。 - 【請求項８】請求項１に記載の光−電子半導体素子であ
って、前記第二の層のエネルギー・バンドギャップが段
階的に変化することを特徴とする光−電子半導体素子。 - 【請求項９】請求項１に記載の光−電子半導体素子であ
って、前記第二の層のエネルギー・バンドギャップが滑
らかに変わることを特徴とする光−電子半導体素子。 - 【請求項１０】請求項１に記載の光−電子半導体素子で
あって、前記第一の基板層と前記第二の層のエネルギー
・バンドギャップの最小値が、前記部分のエネルギー・
バンドギャップの最少値よりも大きく、かつ前記部分の
エネルギー・バンドギャップの最大値よりも小さいこと
を特徴とする光−電子半導体素子。 - 【請求項１１】光−電子半導体素子であって、 （ａ）所定の格子定数を有する第一基板層と、 （ｂ）前記第一の層とほぼ同じ格子定数を有し、アルミ
ニウム、ガリウム、インジウム、リンを含み、前記第一
基板層よりも大きなエネルギ・バンドギャップを有し、
キャリヤ濃度、および光放出効率を増加するためにドー
プした半導体材料を含む量子井戸構造を含む部分と、 （ｃ）前記第一の層とほぼ同じ格子定数を有し、アルミ
ニウム、ガリウム、インジウム、リンを含む、境界を形
成するように前記部分と隣接する第二の層と、 を有し、前記第二の層は、前記境界面での前記第二の層
のエネルギー・バンドギャップが前記境界での前記部分
のエネルギー・バンドギャップとほぼ等しく、前記境界
面から離れるに従いエネルギー・バンドギャップが減少
するように変化するエネルギー・バンドギャップを有
し、前記第一の基板層は前記部分および前記第二の層の
何れかに隣接することを特徴とする光−電子半導体素
子。 - 【請求項１２】光−電子半導体素子であって、 （ａ）所定の格子定数を有する第一基板層と、 （ｂ）前記第一の層とほぼ同じ格子定数を有し、アルミ
ニウム、ガリウム、インジウム、リンを含み、前記第一
基板層よりも大きなエネルギ・バンドギャップ、および
ひずみ層超格子構造を有する部分と、 （ｃ）前記第一の層とほぼ同じ格子定数を有し、アルミ
ニウム、ガリウム、インジウム、リンを含み、境界を形
成するように前記部分と隣接する第二の層と、 を有し、前記第二の層は、ひずみ層超格子構造を有し、
また前記境界面での前記第二の層のエネルギー・バンド
ギャップが前記境界での前記部分のエネルギー・バンド
ギャップとほぼ等しく、前記境界面から離れるに従いエ
ネルギー・バンドギャップが減少するように変化するエ
ネルギー・バンドギャップを有し、前記第一の基板層は
前記部分および前記第二の層の何れかに隣接することを
特徴とする光−電子半導体素子。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US07/300,003 US5060028A (en) | 1989-01-19 | 1989-01-19 | High band-gap opto-electronic device |
| US300,003 | 1989-01-19 |
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|---|---|
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|---|---|---|---|
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- 1989-01-19 US US07/300,003 patent/US5060028A/en not_active Expired - Fee Related
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-
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- 1990-01-19 JP JP1045990A patent/JP3143662B2/ja not_active Expired - Fee Related
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