JPH10289877A

JPH10289877A - 化合物半導体の形成方法及び半導体装置

Info

Publication number: JPH10289877A
Application number: JP9691697A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Kawada; 雅彦河田; Jun Goto; 順後藤; Shoichi Akamatsu; 正一赤松; Shigekazu Minagawa; 重量皆川
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-04-15
Filing date: 1997-04-15
Publication date: 1998-10-27

Abstract

(57)【要約】【課題】ＩｎＧａＮの成長において、混晶内で部分的な
Ｉｎの析出を防止し、成長膜の平坦性を保ち、上記混晶
部を半導体レーザの活性層に使用したときの発振波長の
多重化を防止する。【解決手段】ＩｎＮとＧａＮを単膜として数原子層ずつ
交互に積層することにより見かけ上、ＩｎＧａＮのバン
ドギャップに相当する擬似３元混晶を形成する。ＩｎＧ
ａＮのＩｎ組成は、ＩｎＮの膜厚を一定とし、ＧａＮの
膜厚を調整することにより決定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は化合物半導体の３元
混晶に係り、特にその形成方法およびその３元混晶を発
光素子の活性層として用いた半導体装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＧａＮ系に代表される青色半導体発光素
子(発光ダイオード，半導体レーザ等)の中でも半導体レ
ーザはデジタルビデオディスク等の光源として注目され
ている。ＧａＮ系半導体レーザは、ＡｌＧａＮをクラッ
ド層，ＧａＮをガイド層として用い、活性層はＩｎＧａ
Ｎ(Ｉｎ２０％）を井戸層に、ＩｎＧａＮ(Ｉｎ５％）を
障壁層とした多重量子井戸構造（ＭＱＷ）を用いてい
る。各層は主にＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）によ
り形成されている。しかし、ＩｎＧａＮはＧａＮとＩｎ
Ｎの共有結合半径差が大きく結晶成長が困難である。こ
のため、ＩｎＧａＮ混晶内にＩｎ組成のバラツキが存在
し、また、Ｉｎが混晶内で部分的に析出するため平坦な
成長面を得ることが困難であった（第５７回秋季応用物
理学会予稿集８ｐ−ＺＦ−１４）。これらの問題点は、
半導体レーザの発光波長の多重化，半値幅の増加の原因
になり好ましくない。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ＭＯＣＶＤ（有機金属
気相成長法）により３元混晶であるＩｎＧａＮを成長す
る場合、ＧａＮとＩｎＮの共有結合半径差が８.８％と
大きいため、ＩｎＧａＮ混晶内で部分的なＩｎの析出が
生じる。そのため、Ｉｎ析出場所のＩｎ組成が大きくな
り、ＩｎＧａＮ混晶の膜内組成にバラツキが生じる。ま
た、Ｉｎの析出はその部分が島状成長するため、ＩｎＧ
ａＮ膜の平坦性が損なわれ、成長面に凹凸が現れる。し
たがって、ＩｎＧａＮを半導体レーザの活性層として使
用した場合、発光波長の多重化，半値幅の増加等の問題
がある。また、ＩｎＧａＮにドーピングする場合にもＩ
ｎ組成のバラツキに対応してドーピング量も安定しな
い。これらの問題を解決するためにはＩｎの析出を防止
し、組成バラツキの無い均一で平坦なＩｎＧａＮ膜を成
長する必要がある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】ＩｎＧａＮはＩｎＮとＧ
ａＮが成長膜内である割合だけ混ざった混晶であり、成
長する際、Ｉｎ，Ｇａ，Ｎ原料を同時に基板上に供給す
るため、Ｉｎの析出が起こる。本発明は、ＩｎＮとＧａ
Ｎを単膜として数原子層ずつ交互に積層することによ
り、見かけ上ＩｎＧａＮのバンドギャップに相当する擬
似３元混晶を形成するものである。

【０００５】ＩｎＧａＮのＩｎ組成は、ＩｎＮの膜厚を
一定とし、ＧａＮの膜厚を調整することにより決定す
る。例えば、Ｉｎ組成を小さくする場合はＧａＮ膜厚を
厚く、Ｉｎ組成を大きくする場合は薄くすれば良い。こ
の方法を用いることにより、ＩｎＮ，ＧａＮ共に単膜と
して成長できるので、Ｉｎの析出を防止でき、Ｉｎ組成
が均一で表面が平坦な成長が可能になる。

【０００６】

【発明の実施の形態】

＜実施例１＞本発明の実施例の一つを図１に示す。まず
サファイア基板１上にバッファ層としてＧａＮ層２を３
μｍ成長する。次にＩｎＮ層３を０.２ｎｍ，ＧａＮ層
４を１ｎｍ、交互に成長し、ＩｎＮ(０.２ｎｍ）／Ｇａ
Ｎ（１ｎｍ）の組合せからなる層５を２００回、繰り返
し成長する。結晶成長には、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相
成長法）を用い、Ｇａ原料にＴＭＧ(トリメチルガリウ
ム)，Ｉｎ原料にＴＭＩ（トリメチルインジウム），Ｎ
原料にアンモニアを使用した。ＧａＮバッファ層２の成
長温度は１０５０℃、ＩｎＮ／ＧａＮ層５は８００℃で
成長した。以上の様に成長した試料をフォトルミネッセ
ンス測定したところ、発光半値幅が従来１０ｎｍ程度あ
ったものが、本発明の方法で成長したＩｎＮ／ＧａＮ膜
では６ｎｍと改善された。

【０００７】また、同様の成長を分子線エピタキシ法を
用い、Ｇａ，Ｉｎは固体ソース、Ｎ原料は窒素ガスをＥ
ＣＲプラズマにより活性化したものを使用して成膜し
た。この時の成長温度は７５０℃である。この試料をフ
ォトルミネッセンス測定したところ、ＭＯＣＶＤで成長
したものとほぼ同等の半値幅が得られた。

【０００８】＜実施例２＞本発明のＩｎＮ／ＧａＮ膜を
半導体レーザの活性層に用いた実施例を図２に示す。成
長はＭＯＣＶＤを用いＧａ原料にＴＭＧ，Ｉｎ原料にＴ
ＭＩ，Ａｌ原料にＴＭＡ（トリメチルアルミニウム），
Ｎ原料にアンモニア，ｎ型ドーパントにモノシラン，ｐ
型ドーパントにジスペンタジエニルマグネシウムを用い
た。

【０００９】まず、サファイア基板２１上に基板温度５
５０℃で低温成長ＧａＮバッファ層２２を３０ｎｍ成長
し、その上にｎ−ＧａＮコンタクト層２３を３μｍ，ｎ
−ＡｌＧａＮ(Ａｌ組成０.１２）クラッド層２４を４０
０ｎｍ，ｎ−ＧａＮガイド層２５を７０ｎｍ，成長温度
１０５０℃で積層する。

【００１０】次に、成長温度を８００℃に降温し、Ｉｎ
Ｎ(０.１ｎｍ）／ＧａＮ（２ｎｍ）超格子バリア層を３
サイクル(６.３ｎｍ）成長する。この時の見かけ上のバ
ンドギャップはＩｎＧａＮ(Ｉｎ組成０.０５）と同じで
ある。次に、ＩｎＮ(０.２ｎｍ）／ＧａＮ（１ｎｍ）超
格子井戸層を２サイクル(２.４ｎｍ）成長する。この時
の見かけ上のバンドギャップはＩｎＧａＮ(Ｉｎ組成０.
２）と同じである。この超格子バリア層と超格子井戸層
を２０サイクル繰り返し成長する。これにより、見かけ
上ＩｎＧａＮ(Ｉｎ組成０.０５）／ＩｎＧａＮ(Ｉｎ組
成０.２）のＭＱＷ（多重量子井戸）２６が形成され
る。

【００１１】次に、成長温度を１０５０℃に戻し、ｐ−
ＧａＮガイド層２７を７０ｎｍ，ｐ−ＡｌＧａＮ(Ａｌ
組成０.１２）クラッド層２８を４００ｎｍ，ｐ−Ｇａ
Ｎコンタクト層２９を４００ｎｍ、順次成長し、半導体
レーザ構造を形成する。次に、塩素系ドライエッチング
によりｎ電極部分をｎ型コンタクト層まで取り除き、そ
こにＴｉ／Ａｕ２１１をｎ型電極として蒸着し、ｐ型電
極にはＮｉ／Ａｕ２１０を蒸着する。

【００１２】以上のように成長した半導体レーザを発振
させた時、発振スペクトルの半値幅は従来のＩｎＧａＮ
(Ｉｎ組成０.０５）／ＩｎＧａＮ(Ｉｎ組成０.２）ＭＱ
Ｗを用いたものが２ｎｍに対し、本発明の構造を用いた
場合、１.４ｎｍと改善された。

【００１３】＜実施例３＞次にＭＢＥ（分子線エピタキ
シ法）を用いて成長した実施例を図３を用いて説明す
る。ＭＢＥ成長ではＧａ，Ｉｎ，Ａｌ原料に固体ソー
ス，Ｎ原料にＥＣＲプラズマにより活性化した窒素ガ
ス，ｎ型ドーパントにＳｉ固体ソース，ｐ型ドーパント
にＭｇ固体ソースを用いた。

【００１４】まず、サファイア基板３１上に基板温度７
５０℃でｎ−ＧａＮコンタクト層３２を３μｍ，ｎ−Ａ
ｌＧａＮ(Ａｌ組成０.１２）クラッド層３３を４００ｎ
ｍ，ｎ−ＧａＮガイド層３４を７０ｎｍ成長する。次い
でＩｎＮ(０.１ｎｍ）／ＧａＮ（２ｎｍ）超格子バリア
層を３サイクル(６.３ｎｍ）を成長する。この時の見か
け上のバンドギャップはＩｎＧａＮ(Ｉｎ組成０.０５）
と同じである。次に、ＩｎＮ(０.２ｎｍ）／ＧａＮ（１
ｎｍ）超格子井戸層を２サイクル（２.４ｎｍ）成長す
る。この時の見かけ上のバンドギャップはＩｎＧａＮ
（Ｉｎ組成０.２)と同じである。この超格子バリア層と
超格子井戸層を２０サイクル繰り返し成長する。これに
より、見かけ上ＩｎＧａＮ(Ｉｎ組成０.０５）／ＩｎＧ
ａＮ（Ｉｎ組成０.２)のＭＱＷ(多重量子井戸)３５が形
成される。

【００１５】次に、ｐ−ＧａＮガイド層３６を７０ｎ
ｍ，ｐ−ＡｌＧａＮ（Ａｌ組成0.12）クラッド層３７を
４００ｎｍ，ｐ−ＧａＮコンタクト層３８を４００ｎ
ｍ、順次成長し、半導体レーザ構造を形成する。次に、
塩素系ドライエッチングによりｎ電極部分をｎ型コンタ
クト層まで取り除き、そこにＴｉ／Ａｕ３１０をｎ型電
極として蒸着し、ｐ型電極にはＮｉ／Ａｕ３９を蒸着す
る。この時のレーザの発振スペクトルの半値幅は１ｎｍ
程度であった。

【００１６】

【発明の効果】ＩｎＧａＮ３元混晶を直接成長せず、Ｉ
ｎＮ／ＧａＮの超格子構造にすることにより、従来問題
であったＩｎの析出を防止でき、Ｉｎ組成のバラツキ，
ＩｎＮの島状成長による成長表面の凹凸がなく、組成が
均一で平坦な成長膜を得ることができる。また、ＩｎＮ
／ＧａＮの超格子構造を半導体レーザの活性層に使用す
ることにより、発振波長の多重化を防止でき、半値幅も
従来に比べ約１／２にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のＩｎＮ／ＧａＮ超格子構造を示す断面
図。

【図２】本発明のＩｎＮ／ＧａＮ超格子構造を半導体レ
ーザの活性層に応用した実施例の半導体レーザの断面
図。

【図３】本発明のＩｎＮ／ＧａＮ超格子構造を半導体レ
ーザの活性層に応用した実施例の半導体レーザの断面
図。

【符号の説明】

１…サファイア基板、２…ＧａＮバッファ層、３…Ｉｎ
Ｎ膜、４…ＧａＮ膜、５…ＩｎＮ／ＧａＮ超格子、２１
…サファイア基板、２２…低温ＧａＮバッファ層、２３
…ｎ−ＧａＮコンタクト層、２４…ｎ−ＡｌＧａＮクラ
ッド層、２５…ｎ−ＧａＮガイド層、２６…ＩｎＮ／Ｇ
ａＮＭＱＷ活性層、２７…ｐ−ＧａＮガイド層、２８…
ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層、２９…ｐ−ＧａＮコンタク
ト層、２１０…Ｎｉ／Ａｕ電極、２１１…Ｔｉ／Ａｕ電
極、３１…サファイア基板、３２…ｎ−ＧａＮコンタク
ト層、３３…ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層、３４…ｎ−Ｇ
ａＮガイド層、３５…ＩｎＮ／ＧａＮＭＱＷ活性層、３
６…ｐ−ＧａＮガイド層、３７…ｐ−ＡｌＧａＮクラッ
ド層、３８…ｐ−ＧａＮコンタクト層、３９…Ｎｉ／Ａ
ｕ電極、３１０…Ｔｉ／Ａｕ電極。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者皆川重量東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】化合物半導体の３元混晶の形成方法におい
て、３元混晶を構成する一方の第１の化合物半導体と残
りの第２の化合物半導体を数原子層ずつ、交互に積層
し、３元混晶の組成は第１および第２の化合物半導体の
層厚の割合を適正に変化させることにより所望の組成の
擬似３元混晶を形成することを特徴とする化合物半導体
の形成方法。
【請求項２】請求項１において、３元混晶がＩｎＧａＮ
またはＡｌＧａＮであり、第１の化合物半導体がＩｎＮ
またはＡｌＮで、第２の化合物半導体がＧａＮであるこ
とを特徴とする化合物半導体の形成方法。
【請求項３】請求項１，２において形成した３元混晶を
発光素子の活性層として使用することを特徴とする化合
物半導体装置。
【請求項４】請求項１，２，３において、３元混晶を構
成する化合物半導体の少なくとも一方に不純物をドーピ
ングすることにより、３元混晶をｐ型もしくはｎ型に導
電化することを特徴とする化合物半導体の形成方法。
【請求項５】請求項１，２，３，４において、３元混晶
の形成方法として、分子線エピタキシ装置もしくは有機
金属気相成長装置を用いることを特徴とする化合物半導
体の形成方法。