JPH01128423A - 半導体装置 - 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、半導体装置に関し、ＭＢＥ（分子線エピタキ
シ）法やＭＯ−ＭＢＥ　（有機金属を用いた分子線エピ
タキシ）法によりエピタキシャル層を形成して製造され
る半導体装置に関するものである。

［従来の技術］ 近年、化合物半導体を用いた半導体装置の発展は目覚ま
しく、特に、ＧａＡｓを用いた集積回路やＡｌＧａＡｓ
／ＧａＡｓ系のＨＥＭＴ　（高電子移動度トランジスタ
）およびＩｎＧａＡｓＰ／−１ｎＰ系の半導体レーザな
どが既に実用化され、そのｆｆｉ要性はますます大きく
なっている。特に、ヘテロ接合を用いたデバイスの結晶
成長技術においては、ＭＢＥ法等を用いて、厚さ１０Ａ
以下の単分子層オーダまでの極めて薄いエピタキシャル
層を大面積にわたって制御することが可能となっている
。また、半導体の材料面では、 ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系およびＩｎＧａＡｓＰ／　Ｉ
　ｎ　Ｐ系は既に実用域に達しており、各種デバイスの
基本的な性能改善のため他の材料系の研究開発が活発化
している。その代表的なものは、ＧａＡｓに格子整合し
たＡＱＧａｌｎＰ系材料とＩｎ系材路子整合したＡ１１
ＧａＩｎＡｓ系材料である。ＡｌＧａ　Ｉ　ｎＰ系材料
はダブルへテロ構造の半導体レーザとしては最短波長の
６００ｎｍ帯発振が可能な材料系である。また、 Ａ（ｌＧａｌｎＡｓ系材料は、電子移動度がＧａＡｓよ
り高いと期待されるＧａ　Ｉ　ｎＡｓをチャネル層とし
、ＡｆＬＩｎＡｓをキャリア供給層としたＨＥＭＴへの
応用や、Ｇａ　Ｉ　ｎＡｓを活性層とする長波長レーザ
材料として重要な材料系である。

［発明が解決しようとする問題点］ ＡＬＧａｌｎＰ系およびＡｌｌＧａ　Ｉ　ｎＡｓ系材料
を用いたベテロ構造を有するデバイスは、ＭＢＥ法やＭ
Ｏ−ＭＢＥ法等の真空中のエピタキシャル成長法を用い
て製作できる。これらの材料を用いて結晶層を形成する
場合、これらの材料系はいずれもＡｌｌとＩｎを同時に
含んでいるため、ＡｕＧａＡｓ系材料などと比較して一
般に高品質の結晶を得ることは容易でない。その理由と
して次の２点が挙げられる。まず、第１の理由として（
１）　化合物半導体結晶の成長工程で、成長温度を高温
に設定できないので不純物の取込みや結晶欠陥などが生
じる。

通常、化学的に活性なＡｉを含む化合物半導体結晶の成
長においては雰囲気中の酸素、水分、炭化水素などの汚
染物質に起因する不純物の取込みや結晶欠陥の生成を低
減するために、６００〜７００℃程度以上の高い温度で
結晶の成長を行なう。

ところが、Ｉｎは蒸気圧がＡｌやＧａに比べて高いため
Ｉｎを含む化合物では５５０℃程度以上で熱分解が始ま
り、Ｉｎが再蒸発してしまう。そしてＩｎの再蒸発によ
る結晶のわずかな組成ずれでも格子不整合率が１０−３
以上の大きな格子不整合が生じる。したがって、Ａ１１
ｊとＩｎを同時に含む場合、５５０℃程度以下の比較的
低い温度でしか成長できないため結晶性が劣ることにな
る。

Ｉｎの再蒸発を防止するには、Ｉｎの原料を十分に供給
し飽和雰囲気状態にすればよい。しかし、ＭＢＥ法やＭ
Ｏ−ＭＢＥ法では高真空条件を維持するために原料を十
分に供給することはできない。

また、第２の理由として、 （２）　　ＡｆＬ原子とＩｎ原子のマイグレーション長
の差に起因して結晶面が粗面化する。

Ａ【はＩｎに比べて化学的に活性であり、成長結晶表面
におけるＡｍ原子の〒均マイグレーション長は短いため
、結晶表面に飛来したＡｕ原子は十分にマイグレーショ
ンせず平行置換格子位置に入りにくい。またＡｍ原子の
平均マイグレーション長はＩｎの平均マイグレーション
長と比べて相対的に短い。このために成長結晶表面でＡ
ｆＬとＩｎが異なる挙動を示し、特にＭＢＥ法のような
単分子オーダの二次元的な成長機構による成長法におい
てはＡＱ、のみが三次元的に成長し、そのためにＩｎの
成長過程が阻害される。したがって成長結晶の表面が粗
面化しやすくなる。

もし、結晶の成長温度を高くできれば、Ａｍ原子のマイ
グレーション長は長くなり、Ｉｎのマイグレーション長
はＩｎが高温化により再蒸発する場合には実効的に短く
なる。したがって両者のマイグレーション長の差が小さ
くなり、粗面化を抑制することができる。しかしながら
高温成長は前記（１）項のような問題点がある。

したがって本発明は、ＩｎとＡＱを含む化合物半導体の
エピタキシャル結晶層が高品質で、特性の優れた半導体
装置を提供することを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ 本発明における半導体装置は、半導体基板上にＩｎとＡ
Ｑ、を含む化合物半導体層をＭＢＥ法やＭＯ−ＭＢＥ法
を用いてエピタキシャル成長させて形成する半導体装置
であって、前記半導体基板は、その基板の面方位が結晶
面の主面の面方位から傾いて形成されている。

［作用コ 本発明における半導体装置は、半導体基板の面方位を結
晶面の主面の面方位から傾けることにより、基板結晶表
面に単分子層のテラスを形成している。このテラス構造
により、Ｉｎのマイグレーション長をテラスの幅に制限
し、実効的なＩｎのマイグレーション長を短くシ、ＡＱ
、のマイグレーション長との差を小さくすることができ
る。これによって、ＩｎとＡＩが等価な条件で平行置換
格子位置に入り結晶成長する。

［実施例１ 以下、本発明における一実施例を図を用いて説明する。

本発明においては、基板の面方位を結晶面の主面から傾
けて基板の表面上にテラス構造を設けたことを特徴とし
ている。したがって、以下ではまず基板の面方位とテラ
ス構造との関係について説明し、その後テラス構造が結
晶性の改善に及ぼす効果を実施例をもって示し、最後に
本発明により作製した半導体レーザの実施例について説
明する。

第１図は、面方位を傾けた基板結晶の表面形状の断面を
模式的に示した図である。（１００）面を主面として面
方位を傾けて形成したＧａＡｓ基板１の場合、基板結晶
表面には階段状のテラス構造が形成される。テラス構造
はテラスの段差部２の高さが単分子層厚さ２．８３Ａに
相当し、テラスの平坦部３の幅が平均幅りをもってほぼ
規則的に形成される。また同時に、テラス構造の段差部
２の側面にはキンクサイト４がほぼ規則的に形成される
。結晶成長工程において、テラス構造を有。

する基板１表面上では、基板１上に飛来した原子はテラ
ス構造の平坦部３を最大りだけマイグレーションすれば
キンクサイト４に取り込まれて結晶成長する。すなわち
テラス構造を有する基板１面上での飛来原子のマイグレ
ーション基は、テラス構造の平坦部長さしによって制御
され得る。Ｉｎ・とＡＱ、と含む化合物半導体層のエピ
タキシャル結晶成長工程では、マイグレーション基の短
いＡｌｌ原子５を基準としてテラス構造の平坦部長さし
を設定すればよい。モして１１原子５とＩｎ原子６のマ
イグレーション基を実効的に等価な長さとし、両者とも
有効にキンクサイト４に取り込まれることにより結晶層
が層状成長を行なう。

ここでテラス構造の平坦部長さしの制御方法について説
明する。第２図は、ＧａＡｓ基板の（１００）面を主面
とした場合の（１００）面からの面方位のオフ角度αと
、オフ方向でのテラス構造の平坦部長さしの関係を示し
ている。本図によれば、ＧａＡｓ基板板ではオフ角度α
を０．５°から１０°の範囲で変化させれば、テラス構
造の平坦部中さしは３３０Ａから１６Ａの間で変化させ
ることができる。第１図で示したように、飛来した原子
はテラス構造の平坦部表面を移動してキンクサイト４に
取り込まれるので、原子のマイグレーション基もまたほ
ぼ３３０八から１６Ａの間に制御される。通常ＡｆＬＧ
ａＩｎＰや ＡｌＧａ１ｎＡｓ結晶面上でのＩｎとＡ、ｉ原子のマイ
グレーション基は明確でないが、たとえば、５００℃程
度の成長温度ではＡｍが数十へ、ｌｎが数百式である。

したがってＩｎおよびＡｆｌ原子のマイグレーション基
を仮に１６人程度に制御するためには、テラス構造の平
坦部長さしを１６Ａに設定する。すなわち第２図によっ
て、基板の面方位のオフ角度αを１０°に設定すればよ
い。実際はＡ１１．とＩｎのマイグレーション基を設定
する場合には、テラス構造の段差部に平行な方向に移動
する原子の存在や、飛来した原子とキングサイト４との
距離を統計的に扱って算出する必要がある。たとえば、
ＡｌＧａｌｎＰ層の成長時にＧａＡｓ基板の面方位を（
１００）面から４°傾けて平坦部長さＬ−４０Ａのテラ
ス構造を形成した場合、ＩｎおよびＧａの等価的マイグ
レーション長は５４Ａ程度に制限された。そして、はと
んどのＩｎおよびＧａ原子がテラスのキンクサイトに組
込まれ、またＡｍ原子についても高い確率でキンクサイ
トに組込まれた。そのため、結晶成長モードは二次元的
なものが支配的となり、粗面化が起こらず良質の結晶が
得られた。

次に、本発明におけるテラス構造と結晶成長温度との関
係について説明する。一般に、結晶成長温度が高くなる
ほど原子のマイグレーション基は長くなるのでテラス構
造の平坦部長さしも長くとれる。したがって第２図の関
係より、基板の重力へのオフ角度αも小さくてよい。こ
のことを検証するために、実際に異なるオフ角度を有す
る（１００）面を主面としたＧａＡｓ基板（Ｓｉ−１ｘ
１０”　ｃｍ−”　ドープ）上に、Ａ　ｕｏ、ｓ　　Ｉ
　ｎｏ、ｓＰ層（厚さ２１ｔｍｓ　５ｉ−５ｘｌＯ”　
ｃｍ−”ドープ）をＭＢＥ法によりエピタキシャル成長
させ、その成長層の結晶性をフォトルミネセンス強度を
測定して評価した。フォトルミネセンス強度の測定値は
結晶性が良い場合には大きくなる。測定にあたって、６
１定に用いたＰ（リン）ソースは固体ソースから得られ
るＰ４を９００℃の高温ステージで熱分解してＰ２の形
で用いた。また、フォトルミネセンスはＨｅ−Ｃｄレー
ザの波長３２５ｎｍ発振光を３００μｍφに集光したレ
ーザ光を用いて約５Ｗ／ｃｍ２の励起強度で室温状態で
測定した。第３図に測定結果を示している。本図には結
晶の成長温度が５００℃と４６０℃の場合で、種々のオ
フ角度に対するフォトルミネセンス強度の測定値が示さ
れている。成長温度が５００℃ではオフ角度が４〜１０
°の範囲でフォトルミネセンス強度が大きくなるが、４
６０℃では、７°以上のオフ角度が必要となることがわ
かる。

この結果から、結晶成長温度はＩｎの再蒸発が始まる５
５０℃付近に近づけるほど良好な結晶を得るに必要なオ
フ角度が小さくなる。

最後に、本発明によるテラス構造を用いて結晶成長させ
て作製したダブルへテロ接合構造の半導体レーザを第４
図に示す。本半導体レーザは（１００）面から（１１１
）Ａ面に向って４°傾けてテラス構造を形成したｎ−Ｇ
ａＡｓ基板（Ｓｉｍ１０”　ｃｍ−”　ドープ）７上に
、ｎ−Ｇａ１ｎＰバッファ層（層厚０．５ａｍ、、５１
ｍ１Ｏ”ｃｍ−”　ドープ）８、ｎ−Ａ１１ＩｎＰクラ
ッド層（層厚Ｉｐｍ、Ｓ　１−１０”　ｃｍ−”　ドー
プ）９、ノンドープのＧａ　Ｉ　ｎＰ活性層（層厚０，
０８μｍ）１０、ｐ−Ａ１１ＩｎＰクラッド層（層厚１
μｍ、Ｂｅ−５Ｘ１０”　ｃｍ−”　）１１、ｐ−Ｇａ
１ｎＰキャップ層（層厚Ｑ、　　１μｍ、Ｂｅ−５Ｘ１
０”　ｃｍ−”　）１２を温度５００℃で連続的にＭＢ
Ｅ成長させて形成する。その後、ｎ側にＡｕＧｅ−Ｎｉ
層１３、ｐ側にＡｕＺｎ層１４を蒸着アロイしてオーミ
ック電極を形成した。

以上の工程により、共振器長２５０μｍ１幅約１００μ
ｍの全面電極素子を製作したところ、しきい値電流密度
ＩＫＡ／ｃｍ２で波長的６６０ｎｍのレーザ発振を得た
。比較のために、オフ角度のない（１００）面を主面と
するＧａＡｓ１板を用いていることのみが本実施例と異
なる半導体レーザを作製し実験したところ、発振に必要
なしきい値電流密度は３ＫＡ／ｃｍ２以上であり、本発
明により半導体レーザのしきい値電流が大幅に低減でき
ることが判明した。

以上、本発明の実施例としてＡｌｌ　ＩｎＰを用いた半
導体レーザについて説明したが、本発明はＩｎとＡＱを
含む化合物半導体の結晶成長に一般的に効果があり、Ｇ
ａＡｓ基板上の ＡＥｌＧａｌｎＰ層や、さらにＩｎＰに格子整合したＡ
ｌｌＩｎＧａＡｓ層およびＡｌｌＩｎＡｓ層が形成され
る半導体装置に広く適用できる。したがってＡＱＧａＩ
ｎＰ系の可視半導体レーザ、ＡｌＧａ１ｎＡｓ系の長波
長レーザ、光検出器、光変調器、トランジスタなどの半
導体装置に適用できる。

［発明の効果コ 以上のように、本発明によれば、ＡｆＬとＩｎを含む化
合物半導体のエピタキシャル層を高品質の結晶層で形成
したので、しきい値電流が小さい高効率の半導体装置を
得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による半導体装置の面方位を傾けた基板
上での結晶の成長過程を説明する模式図である。第２図
はＧａＡｓ基板の（１００）面のオフ角度とテラス構造
の平坦部長さＬとの関係を示す相関図である。第３図は
ＡＱＩｎＰ層からのフォトルミネセンス強度と基板の（
１００）面とのオフ角度との関係を示す相関図である。 第４図は本発明の一実施例として作製した半導体レーザ
の断面模式図である。 図において、１は半導体基板、２はテラス構造の段差部
、３はテラス構造の平坦部を示す。 図中、同一の符号は同一の部分を示す。 第１図 −一ゆ　オフ＾膚凶（廖） 第３図 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　半導体基板上に、ＩｎとＡｌを含む化合物半導体層が
   真空エピタキシャル成長されてなる半導体装置において
   、 前記半導体基板は、その成長面方位が結晶面の主面の面
   方位から０．５゜から１０゜の範囲で傾いて形成されて
   いることを特徴とする半導体装置。