JP3257034B2 - 化合物半導体装置とその製造方法 - Google Patents
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Description
リン(P)を有する化合物半導体により構成された化合
物半導体装置及びその製造方法に係わる。
レーザ装置において、その閾値電流の低減化をはかるた
めには、厚さ方向と横方向(面内方向)との二方向に屈
折率差を設け、且つ電流狭窄をも行ってキャリアを発光
領域近傍に閉じ込めるいわゆるBH(ベリッドヘテロ)
型構成が必要とされる。このようなBH型半導体レーザ
を作製するには、第1のクラッド層、活性層及び第2の
クラッド層を順次結晶成長した後、第1のクラッド層に
達する深さにエッチングを行っていわゆるリッジ構造を
形成し、この後再び結晶成長を行って活性層に比しバン
ドギャップの大なる層で埋込み、これにより横方向の閉
じ込めを行う方法や、或いは各層を形成した後不純物の
イオン注入を行う等の方法が採られている。しかしなが
らこれらの方法は、エッチングの際に表面が大気に触れ
て結晶表面が汚損する等して、特性の劣化を招くという
不都合を有する。
くは溝を設けると共に、その結晶面及び段部の延長方向
等を選定することによって、この上に1回の結晶成長に
よって厚さ方向と横方向とに異種接合界面を有するBH
型構成の半導体レーザを得る構成が例えば本出願人の出
願に係る特開平2−65288号公開公報や、または
“H.Narui,T.Ohata,and Y.Mori:Electronic Letters,24
(1988)1249”において提案されている。この場合、Al
GaAs系の化合物半導体基板を用い、その{100}
結晶面より成る主面上に順次MOCVD(有機金属によ
る化学的気相成長)法によって各層を結晶成長すること
によって、結晶面方位による成長速度の違いを利用して
半導体層の横方向に不連続な断層を形成し、上述したよ
うなBH型構造を得ているものである。
む例えばAlGaInP系等の材料より成る半導体レー
ザにおいては、その結晶面方位による成長速度がAlG
aAs系化合物半導体とは異なるために、上述の不連続
な断層による構成を利用することが難しい。
うなリンを含む化合物半導体装置において、1回の結晶
成長によってキャリアの閉じ込めを行い得る構成及びそ
の製造方法を提供する。
体装置は、化合物半導体基板の{001}結晶面より成
る主面上に、〈110〉結晶軸方向から、0°<α≦8
°なる角度αずれた方向に延長するリッジもしくは溝を
設け、化合物半導体基板上に、少なくともAlGaIn
P系材料より成る第1のクラッド層と、GaInPより
成る活性層と、AlGaInP系材料より成る第2のク
ラッド層とを含む化合物半導体層をエピタキシャル成長
して、この化合物半導体層に少なくとも{111}B結
晶面から角度αオフした面を有する機能層を設ける構成
とする。
方法は、化合物半導体基板の{001}結晶面より成る
主面上に、〈110〉結晶軸方向から、0°<α≦8°
なる角度αずれた方向に延長するリッジもしくは溝を設
け、この化合物半導体基板上に、少なくともAlGaI
nP系材料より成る第1のクラッド層と、GaInPよ
り成る活性層と、AlGaInP系材料より成る第2の
クラッド層とを含む化合物半導体層をエピタキシャル成
長する。
の{001}結晶面より成る主面上に〈110〉結晶軸
方向に延長する段部を形成して、この上にAlGaIn
P系等のPを含む化合物半導体層をエピタキシャル成長
する場合、そのAlGaInP結晶の構造を透過電子顕
微鏡によって解析したところ、成長膜の表面は凸凹にな
っており、膜質の良い結晶面を形成することができない
ことがわかった。更に、成長したAlGaInP結晶中
には多数の双晶が形成されており、単結晶でもないこと
が明らかになった。
る。正確な{001}結晶面を有する基板を用いる場
合、段部の上の斜面に形成される化合物半導体層の表面
は正確な{111}B結晶面となる。一方、本発明者等
の研究結果によれば、このような正確な{111}B結
晶面の表面では双晶が形成されるために、結晶性ばかり
でなく膜面状態も悪くなることが分かっている(E.Mori
ta,M.Ikeda,M.Inoue andK.Kaneko:Journal of Crystal
Growth,106(1990)197.) 。従って、段部を有する基板表
面での成長膜の表面形状が凸凹になるのは、主に正確な
{111}B結晶面が段部の上に形成されるためである
と考えられる。
に正確な{111}B結晶面が形成されないように基板
として{001}結晶面から〔110〕結晶軸方向に向
かって数度傾斜したいわゆるオフ基板、またはそれと結
晶学的に等価な例えば〔−1−1−1〕結晶軸方向に向
かって数度傾斜したオフ基板を用いて、この上に〈11
0〉結晶軸方向に沿う方向に延長する段部(リッジもし
くは溝)を設けて化合物半導体層をエピタキシャル成長
することによって、形成される斜面が{111}B結晶
面から僅かにオフさせる。このように{111}B結晶
面から傾いた結晶面(オフ{111}B結晶面)上にお
いては双晶が形成されないことが上述の文献において明
らかにされており、この場合化合物半導体層の一部をリ
ンを含む半導体材料より構成しても、そのエピタキシャ
ル成長層に双晶が形成されることがなく、膜表面のきれ
いな層として形成されることとなる。
1}結晶面より成る主面を有する化合物半導体基板を用
いて、段部の延長する方向を〈110〉結晶軸方向から
0°を越え8°以下傾いた方向に選定して形成し、この
上に化合物半導体層をエピタキシャル成長する構成とす
ることによって、形成される斜面が{111}B結晶面
から僅かにオフされるようにしている。従って、この場
合においても化合物半導体層の一部をリンを含むAlG
aInP系材料により構成しても、双晶が形成されるこ
となく良好な膜質をもって形成されることとなる。
GaAs結晶基板上にMOCVD法によって成長させる
と秩序構造を形成することが知られている。この構造
は、2種の{111}結晶面にGa(又はAl)とIn
原子が交互に積み重なった超格子構造をしており、ま
た、{111}B結晶面より成るGaAs結晶基板上で
はこのような秩序構造は形成されないとされている。
01}結晶面から〈110〉結晶軸方向に傾いた主面を
有する化合物半導体基板上に段部を設けてこの上にAl
GaInP結晶を成長すると、段部上に分断して秩序構
造が形成されることが明らかになった。即ち図5に示す
ように、GaAsより成る化合物半導体基板1上に〈1
10〉結晶軸方向に延長するリッジ2を設け、この上に
GaAs層24及びAlGaInP層25をエピタキシ
ャル成長させて透過電子顕微鏡法によって構造解析を行
ったところ、AlGaInP層25はリッジ2の上部
と、リッジ2の両側の溝22内との領域26A、26B
に分断して秩序構造が形成され、他の領域27は混晶と
なっていることが分かった。
晶領域に比しバンドギャップが狭いことが知られてい
る。このためリッジの上部又は溝内にバンドギャップの
異なる領域を形成することができる。このバンドギャッ
プの差は50meV程度であり、この差を利用してリッ
ジ上又は溝内にキャリアを閉じ込める構造とすることが
できる。
軸方向は、これと結晶学的に等価の面及び方位であれば
同様の効果を得ることができる。
II族Ga原子を000、V族As原子を1/41/41/4 に置
いたときに得られる座標系で表している。
法の各例を図面を参照して詳細に説明する。先ず、本発
明実施例に先立って、{001}結晶面から〈110〉
結晶軸方向に傾けられたいわゆるオフ基板を用いる場合
を参考例として説明する。
aAsより成る化合物半導体基板1を用意する。この基
板1は、その主面1Sが{001}結晶面から〈11
0〉結晶軸方向に傾けられた面より成る。即ちこの場合
その一製造工程図を図2に示すように、矢印Aは〈11
0〉結晶軸方向、矢印Cは{001}結晶面に直交する
〈001〉結晶軸方向、矢印Bはこの〈001〉結晶軸
方向から数度傾いたいわゆるオフ方向で、この例におい
てはこの矢印Bで示すオフ方向が〈001〉結晶軸方向
と2°の角度を成すように選定し、即ち主面1Sが{0
01}結晶面から〈110〉結晶軸方向に2°傾けられ
た基板1を用意する。そしてこの主面1S上に、〈11
0〉結晶軸方向に沿う方向に延長するリッジもしくは
溝、この場合リッジ2を設ける。このリッジ2のパター
ニングはRIE等の垂直異方性エッチングにより形成す
ることができる。
基板1上に化合物半導体層10を順次MOCVD法等に
よりエピタキシャル成長し、その一部をリンを含む半導
体材料、この場合AlGaInPにより構成する。この
場合、先ず基板1上にn型のGaAs等より成るバッフ
ァ層3をMOCVD法により形成する。前述したように
リッジ2上においてはほぼ{111}B結晶面を成す斜
面9A及び9Bを構成しながら断面台形状にエピタキシ
ャル成長し、リッジ2上と溝2A内とにおいて互いに他
と分断されて形成される。前述したようにこの参考例に
おいては、オフ基板を用いているためにこの斜面9A及
び9Bは{111}B結晶面から数度この場合2°オフ
した結晶面となるため、双晶が形成されることなく膜表
面がきれいな成長面となる。
GaInPより成る第1のクラッド層4、真性のGaI
nP等より成る活性層5、p型のAlGaInP等より
成る第2のクラッド層6を順次エピタキシャル成長す
る。このとき、これら半導体層4、5及び6より成る化
合物半導体層10及びキャップ層7はそれぞれ、上述の
リッジ2上の斜面9A及び9Bに追随してほぼ{11
1}B結晶面を成す斜面9A及び9Bを構成しながら成
長する。即ちこの参考例においては、{111}B結晶
面を有する機能層として活性層5を設けて構成する。そ
して、図示しないがキャップ層7上と基板1の裏面とに
Al等より成る電極を被着して、化合物半導体装置、こ
の場合半導体レーザ装置を得ることができる。
層5の上下にこれに比しバンドギャップの狭いクラッド
層4及び6を設けることによって、上下方向(厚さ方
向)に関して光の閉じ込めがなされた構成とすることが
できる。
を{001}GaAs結晶基板上にMOCVD法によっ
て成長させると、リッジ2上と溝内において秩序構造が
分断して形成されることが本発明者等の研究の結果明ら
かとなった。従って、この場合リッジ2上の活性層5は
その左右がこれに比しバンドギャップの小さい混晶領域
に左右を挟まれた構造とすることができる。この参考例
においてはバンドギャップの差は50meV程度とな
る。このため活性層5の横方向にキャリアを閉じ込める
構造とすることができ、低閾値化がなされた化合物半導
体レーザ装置とすることができる。
例を図3の略線的拡大断面図を参照して、その製造方法
の一工程図を示す図4と共に詳細に説明する。この場合
図4に示すように、n型のGaAs等より成り、正確に
{001}結晶面より成る主面1Sを有する化合物半導
体基板1を用意する。そしてこの主面1S上に、〈11
0〉結晶軸方向から0°<α≦8°なる角度α傾いた方
向に延長するリッジもしくは溝、この場合リッジ2を設
けて構成する。図4においてαはこのリッジの延長方向
と〈110〉結晶軸方向とのなす角度を示し、この場合
αを2°として構成した。
を含む化合物半導体層4〜7をエピタキシャル成長す
る。この場合においても、n型GaAs等より成るバッ
ファ層3と、n型AlGaInP等より成る第1のクラ
ッド層4、真性のGaInP等より成る活性層5、p型
のAlGaInP等より成る第2のクラッド層6、p型
のGaAs等より成るキャップ層7を順次MOCVD法
によりエピタキシャル成長して形成する。8はAl等よ
り成る電極を示す。また図示しないが基板1の裏面にも
同様の電極を被着して化合物半導体装置を構成する。
に、リッジ2上においてはバッファ層3の側面が、正確
な{111}B結晶面からこの場合2°傾いたオフ結晶
面となるため、良好な膜質をもって斜面9A及び9Bが
形成される。そしてこれに続いて第1のクラッド層4、
活性層5、第2のクラッド層6及びキャップ層7も同様
に{111}B結晶面からこの場合2°傾いたオフ結晶
面より成る斜面9A及び9Bを構成しながら成長する。
示すように、リッジ2上の活性層5が上下にクラッド層
3及び5に挟まれて光の閉じ込めがなされると共に、リ
ッジ2上の活性層5が秩序構造とされ、その両側の領域
が混晶となるために、横方向においてもバンドギャップ
の大なる層に挟まれ、即ち横方向にキャリアの閉じ込め
がなされた構成とすることができ、低閾値の半導体レー
ザ装置を得ることができる。
略線的拡大断面図を示す。図6において、図3に対応す
る部分には同一符号を付して示す。この場合、図4に示
すように、正確な{001}結晶面より成る主面を有す
る基板1を用意して、この上に〈110〉結晶軸方向か
ら0°<α≦8°の例えば2°傾いた方向に延長する溝
22を設けて構成する。基板材料としては例えばn型の
GaAsを用いることができる。
するエピタキシャル層に自然発生的に{111}B結晶
面から数度傾いた結晶面が生じるように、この側面23
と主面1Sとの成す角度βが54.7°以下の角度とな
るように、ウェットエッチング等により形成する。
物半導体層、この場合n型のAlGaInP等より成る
第1のクラッド層4、GaInP等より成る活性層5即
ち機能層、更にp型のAlGaInP等より成る第2の
活性層6、p型のGaAs等より成るキャップ層7を順
次MOCVD法によりエピタキシャル成長する。8はA
l等より成る電極を示す。
〜7の斜面9A及び9Bが、正確な{111}B結晶面
から0°<α≦8°のこの場合2°傾いたオフ結晶面と
なるため、良好な膜質をもって形成される。また溝22
上の活性層5が上下にクラッド層4及び6に挟まれて光
の閉じ込めがなされると共に、溝22上の活性層5が秩
序構造とされ、溝22の両側の側面23上の領域が混晶
となるために、横方向においてもバンドギャップの大な
る層に挟み込まれ、即ち横方向にキャリアの閉じ込めが
なされた構成とすることができ、低閾値の半導体レーザ
装置を得ることができる。
溝22の延長方向を〈110〉結晶軸方向から2°傾い
た方向に選定して半導体レーザ装置を構成したが、この
ようにレーザを構成する場合は、光がその共振器方向に
進行するにあたって活性層内において光が横方向に反射
することを回避するため、傾斜角度αを8°以下程度と
することが望ましい。すなわち、0°<α≦8°とす
る。
物半導体トランジスタに応用した例を図7の略線的拡大
断面図及び図8の略線的拡大斜視図を参照して説明す
る。この場合においても、図2に示すように、{00
1}結晶面から〈110〉結晶軸方向に数度傾いたオフ
基板を用いてこの基板上に〈110〉結晶軸方向に沿う
方向に延長するリッジ2を設ける。或いは図4に示すよ
うに、正確な{001}結晶面より成る主面を有する基
板1を用意して、この上に〈110〉結晶軸方向から数
度傾いた方向にリッジ2を設けて構成する。基板材料と
しては例えば半絶縁性のGaAsを用いることができ
る。
縁性のGaAs等より成るバッファ層13、真性のAl
GaInP等より成る化合物半導体層14、厚さ100
Å以下程度の真性のGaInPより成る機能層15、厚
さ500Å程度のAlGaInP等より成る化合物半導
体層16を順次MOCVD法等によりエピタキシャル成
長する。
9Bは、オフ基板或いはオフ方向に延長するリッジ上に
エピタキシャル成長されて成るため、{111}B結晶
面から数度傾いた面により構成されて良好な膜質をもっ
て形成される。
領域のみにn型不純物を拡散して不純物注入領域17を
形成し、更にこの上にAl等より成る電極18を蒸着等
により被着形成する。この場合、図8に示すように、こ
の場合リッジ2の延長方向を横切る方向にそれぞれソー
ス電極31、ゲート電極32及びドレイン電極33をパ
ターニング形成して構成する。
0Å程度以下として量子効果を有する結晶層として構成
するもので、このとき機能層の上層のn型化合物半導体
層16から供給される電子が、機能層15のリッジ2上
の屈曲部にたまり、1次元電子ガスによるチャネル領域
15Cが形成され、1次元チャネルを有する高電子移動
度化合物半導体トランジスタを得ることができる。
上全域に秩序構造を形成する場合を示したが、この秩序
構造は高濃度不純物ドープによってその形成を抑制する
ことができるため、厚さ方向にも秩序構造を部分的に形
成するようになすこともできる。
くその他種々の材料構成とすることができ、例えば図
1,3及び6において図示とは逆の導電型とする等、種
々の態様を採り得ることはいうまでもない。
法によれば、AlGaInP系等のPを含む化合物半導
体層を、リッジもしくは溝を有する化合物半導体基板上
に良質な結晶性をもって被着形成することができること
から、活性層等の機能層を横方向にも屈折率差(または
バンドギャップ差)をもって構成することができて、低
閾値の半導体レーザを得ることができ、例えば携帯用C
D(コンパクト・ディスク)プレーヤー等に適用するこ
とができる。また、この場合リアル・インデックスガイ
ド構成となるので、単峰性のスペクトルのレーザ光を得
ることができ、非点収差の低減化をはかることができ
る。
成できるために、AlGaInP系材料に特有の構造で
ある秩序構造を1回の結晶成長で特定領域に形成するこ
とが可能となる。本発明製造方法によればリッジ上部と
溝内部とにのみ選択的に秩序構造を形成することがで
き、その他の同材料より成る混晶領域に比べてバンドギ
ャップの小さいこの秩序領域をリッジ又は溝に沿ってス
トライプ状に形成することができる。そしてこの50m
eV程度のバンドギャップ差を利用してキャリアの閉じ
込めを行うことができる。
設けるとか、或いは不純物を高濃度にドープする等して
秩序構造を厚さ方向に関して部分的に形成する等、上下
方向及び横方向にキャリアの閉じ込めがなされた閾値電
流の小さい半導体レーザ装置、又は高電子移動度トラン
ジスタ等の複合デバイスの実現が可能となる。
である。
工程図である。
断面図である。
製造工程図である。
る。
断面図である。
断面図である。
斜視図である。
Claims (2)
- 【請求項1】 化合物半導体基板の{001}結晶面よ
り成る主面上に、〈110〉結晶軸方向から、0°<α
≦8°なる角度αずれた方向に延長するリッジもしくは
溝が設けられ、 上記化合物半導体基板上に、少なくともAlGaInP
系材料より成る第1のクラッド層と、GaInPより成
る活性層と、AlGaInP系材料より成る第2のクラ
ッド層とを含む化合物半導体層がエピタキシャル成長さ
れ、 上記化合物半導体層に少なくとも{111}B結晶面か
ら、上記角度αオフした面を有する機能層が設けられて
成ることを特徴とする化合物半導体装置。 - 【請求項2】 化合物半導体基板の{001}結晶面よ
り成る主面上に、〈110〉結晶軸方向から、0°<α
≦8°なる角度αずれた方向に延長するリッジもしくは
溝を設け、 上記化合物半導体基板上に、少なくともAlGaInP
系材料より成る第1のクラッド層と、GaInPより成
る活性層と、AlGaInP系材料より成る第2のクラ
ッド層とを含む化合物半導体層をエピタキシャル成長す
ることを特徴とする化合物半導体装置の製造方法。
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-
1993
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Journal of Crystal Growth,Vol.106 Nos.2/3,p.197−207 |
第51回応用物理学会学術講演予稿集,27a−SX−14 |
第53回応用物理学会学術講演予稿集,18p−ZE−15 |
Also Published As
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