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    公开号:WO1987001522A1
    申请号:PCT/JP1986/000443
    申请日:1986-08-29
    公开日:1987-03-12
    发明作者:Takao Kuroda；Akiyoshi Watanabe；Shinji Tsuji；Akio Ohishi；Hiroyoshi Matsumura
    申请人:Hitachi, Ltd.；
    IPC主号:H01L33-00
    专利说明:
    [0001] 明 細 書
    [0002] 発明の名称 半導体装置
    [0003] 技 術 分 野
    [0004] 本発明は、 半導体レーザ， 発光ダイオー ド， ホ トダイオー ド， F E T , バイポーラ ト ラ ンジスタ等の半導体装置に、 禁制蒂幅が 4元系化合物半導体と等価である、 3元以下の多元化合物半導体 層からなる超格子半導体層を適用するこ と に関する。
    [0005] 技 術 背 景
    [0006] 近年、 M 0 C V D Hetal Orgami Chemical Vapor Deposition) 法や M B E (Molecular Beam Epitaxy)法の発達によ り， 厚さ を単 原子層程度にまで制御した化合物半導体装置が提案されている。
    [0007] また、 4元以上の多元化合物の禁制蒂幅を活用 した半導体装置 も注目 されている。 しかしながら、 膜厚が 1 0 O A以下の 4元系 化合物半導体、 と く に、 例えば I nGaAs P のよ う に異なる族の 各 2種の元素からなる 4元系化合物半導体を ΠΙ — V族基板の上に 格子整合した状態で形成する技術は末だ制御性の点で多く の問題 を有している。 （ク レツセル他 "セ ミ コ ン（H.Kressel et al , '• emi conductor Lasers and Hetero junstion LEDs,' , pp 3 0 4 — 3 1 8 , Academic Press , ( 1977) 参照） 。
    [0008] 発 明 の 開 示
    [0009] 以下、 ΠΙ 1 は第 1 の HI族元素を、 m2 は第 2 の HI族元素を、 V1 は第 1 の V族元素を、 そ して V2 は第 2の V族元素を示す。 本発明者は、 ΙΠ— V族結晶上に形成した、 基板と格子整合する 第 1 の ΠΙ— V族 （m1 - V 1 ) と記す 2元結晶層、 及び、 2種の Π族元素と V族元素からな り、 これも当該基板と格子整合する！]! 一 V族 （m1 - ΙΠ2 - V2 ) 3元結晶層からなる超格子構造が、 製造容易で、 かつその平均的バン ドギャップの大きさが ΠΙ— V族
    [0010] (m 1 一 in 2 - V 1 — V2 ) 4元結晶層に相当 し得る こ と を見出 し、 さ らにその研究を推進する うちに、 III 1 - V 1 2元結晶層の 膜厚 （ L 2 ) と、 m 1 — HI2 - V 2 3元結晶層の膜厚 （ L 3 ) の 比， すなわち、 L 2 / L 3 を後述の計算で決まる値にして形成し た超格子構造は、 成長中に自然に生 じる混晶比、 又は Ζ η拡散や S i 注入などで混晶化した後にも基板と格子整合を しており、 搔 めて安定である こと を見出した。
    [0011] すなわち、 本発明の内容は、 G a A s のよ う な ΠΙ— V族の 2元 混晶 （in 1 - V 1 ) 上に形成した当該基板と格子整合した （m 1
    [0012] - ffl2 - V 1 - V 2 ) 4元結晶層の代り に、 （ffl 1 - V 1 ) 2元 及び （瓜 1 一 m2 - V2 ) 3元混晶 （これも基板に格子整合して いる） でなる超格子構造を用いるこ と にある。 云い換えれば、 本 発明は 2元層と 3元層のう ちバン ドギャップ E gの小さい方を w e l l (井戸） ， 大きい方を barrier (障壁） とよび、 各厚み を L w ， L B とする と、 上記超格子構造が無秩序化したと仮定し てできる冶金学的平均組成の混晶も、 また元の結晶に格子整合が とれているよ う、 あ らかじめ L w X L a 比を調整しておく こ とが 重要である こと を見出し、 さ らに、 Lw / L B 比は、 計算値から ± 1 5 %以内であれば同様の効果を有する こと を見出 したこ と に あ 。
    [0013] この成長法による利点と しては、 2種類の V族元素が同時に供 給される場合に必要と される V 1 / V 2 元素比及び基板温度の厳 密な制御が著し く 緩和される こ と、 一般に超格子の成長の間に 2 元層をはさみこむと、 成長表面の ミ ク 口 な凹凸がな ら されて極め て平坦な表面モホ ロ ジ一にす ぐれた結晶 と な り 、 界面準位の発生 や界面に、 基板と格子整合しない多元混晶部分が成長 した りする こ と の防止、 等がある。 また、 L w Z L B 比を う ま く 選ぶこ と に よ リ 、 この超格子が仮に素子作製プロセス中にま じ り あって無秩 序化する こ と があっても、 格子整合の とれた 4 元混晶となるため に、 大きな内部格子歪や ミ ス フィ ッ ト転位の発生する こ と はない こ と な どがあげられる。
    [0014] L w ， L B は M B E法や〇 M V P E 法では、 形成する膜の厚さ は、 Aオーダーまで制御可能であ り 、 L B ≤ 2 5 A位の超格子で は電子の 自 由な ト ンネ リ ングがおこ り 、 ク ロ 一ニ ヒペ リ 一模型か ら知 られる よ う に、 この場合、 電気的にはこの超格子は、 冶金学 的、 均組成の 4 先混品 と ほぼ同 じ と みな してよい。
    [0015] 具体的な例と して、 I n P基板上に、 I n P と
    [0016] I n 0. 53 G a 0.47 A s の超格子を成長する場合と 、 G a A s 基板上 に G a A s と I no.43 G a。. 5 i P の超格子を成長する場合について 説明する。 前者では、 1 。03 3 が 6 1 1 ， I n P が barrier と な り 、 冶金学的平均 4 元混晶 I nx Ga x Asy P y と等価な超 格子が構成される が、 さ ら にこれが混晶化 して I n P と格子整合 するためには、 y二 2 . 1 6 ( 1 - X ) でなければな らない ("Semiconductor Lasers and Hetero.i unction し EDs" H . resse 1 , J, K, Butler Academic Press Ne York , ( 1977) P . 3 9 2参照） また、 厚さ L W の I nzGa zAs ( Z = 0 . 5 3 7 ) と、 厚さ L B の I n P とからなる超格子の場合、 R三 L w L B は、 二次式 ： 1 . 1 6 ( 1 - Z ) R 2 + 1 . 1 6 R — Z = 0 を満たすこと が要求さ れる。 このこ とから、 L W ノ L B ニニ 0 . 3 9 2 でなければならな い。 しかし、 実用的には L W / L B は 0 . 3 3 〜 0 . 4 5 の範囲で 充分であった。
    [0017] この時平均 4元混晶は I n。.87 G a。. i 3 A s。.28 P o .72 となる。 I n P , I no.57 G ao .13 A so .28 P 0.72 , 丄 no, 53(jao, 47 A sのノヽ ン ドギャップは各々 1 . 3 5 e V , 1 . 1 4 e V , 0 . 7 5 e V であ り、 ( " Heterostructure し asers，Part B" H.C.Casey , Jr.H. B.Panish Academic Press , NewYork , ( 1978) P .4 0参照） 、 Ga A J2 As系の多重量子井戸レーザの最適化構造 （W.T.Tsang, AppL Phys Lett 3 9 ( 1981) P . 7 8 0参照） にな らつて量子井 戸型の長波長レーザを設計できる。
    [0018] 次に、 後者の例では、 G a A s が w e 1 1 ， I n G a P が barri er とな り、 冶金学的平均 4元混晶 I nx Ga x Asy P i_y が G a A s と格子整合する条件 y二 1 - 2 . 0 4 X を求めてみる と この場合 には L w / L B 比が何であってもほぼ満たされる こ と がわかる。 このことは、 L w ， L B を適当にと ること によ り G a A s と
    [0019] I no.49 Gao.si Pの間の任意の平均組成 4 ¾ InxGai_xAsyPi_y 〜 [
    [0020]
    [0021] を作製できる こ と を意味する。 また、 M B Eや O M V P E法で超 格子を成長する際に、 G a A s と I nGa P の膜厚比がずれていて も、 格子整合の条件はみたさ れている から多少の組成のズ レ を気 に しない素子構造な らば、 ミ スフィ ッ ト転位発生を気にする こ と な く容易に作製でき る こ と になる。 また、 膜厚比を ゆっ く り と変 えてゆ く と、 エネルギー レベルが厚さ に対 して傾斜 した graded層 を作製でき る こ と になる。 さ ら に、 4元成長層の代 り に、 （ 2 元 ノ 3元） 超格子を用いる こ と によ り 、 いわゆる ミ シ ビリ ティ ギヤ ップの存在によ る成長時の混合不安定性の問題を回避でき、 比較 的低い成長温度でも鏡面ェピタ キシャル膜を得る こ と が可能とな る。
    [0022] 以上述べてきたよ う に、 本発明の結晶構造によ り 、 F E T ， バ ィポ一ラ ト ラ ンジスタ ， ホ トダイオー ド， 長波長および短波長 レ 一ザ， 発光ダイ オー ドな ど、 最子井戸型構造を用いた半導体装置 が容易に作製でき、 特性改善に著し い効果のあ る こ と がわかつた 図面の簡単な説明
    [0023] 第 1 a 図は、 I n P基板上に成長 した， I η P を ク ラ ッ ド層と し、 -量子井戸活性層の井戸層 を I no.ssGao.w As 、 障壁層 を ( I II V / I no .53 G 30.47 A s ) 超格子 （平均組成は
    [0024] I no .87 G 30. 13 A SO . 28 P 0.72 4元混晶に同 じ） とする量子井戸 レーザにおける伝導帯のエネルギー模式図である。 第 1 b 図は第 1 a 図と 同 じ レーザにおける電子の ト ンネル効果あるいは超格子 の無秩序化を行なった時の伝導帯の等価なモデルの図であ る。 第 2 a 図および第 2 b 図は、 G a A s 基板上に成長した、
    [0025] I nGaA J2 P を ク ラッ ド層と し、 量子井戸活性層の井戸層を G a A s 、 障壁層を（GaAsZ I n0.49 Gao.4i P )超格子 （平均組 成は雨者の膜厚比によ り雨者の中間組成を 自由にとれる） とする 量子井戸レーザを説明する図で、 第 2 a 図は伝導体のエネルギー 模式図、 第 2 b 図はその等価モデルを示す。 第 3 a 図および第 3 b 図は、 第 2 a 図において、 井戸層も（GaAsZlno. Gao. siP) 超格子と して， 発振波長をよ り短波長化した量子井戸レーザを説 明する図である。
    [0026] 第 4図は、 実施例 4 に示す装置の断面図である。
    [0027] 第 5 図は、 実施例 5 に示す装置の断面図である。
    [0028] 発明を実施するための最良の形態
    [0029] 実施例 1
    [0030] 量子井戸活性層の障壁層に本発明の超格子層を用いた例を述べ る。
    [0031] 第 l a 図および第 l b 図は、 O M V P E法で H +— I n P 基板 上に、 n — I n P ク ラッ ド層（ n〜 ： L X 1 0 18 , 3 β m ) , アン ド —プ量子井戸活性層、 P — I n P ク ラッ ド層 （ P 〜 l X l O i 8， 2 μ m ) を順次成長した量子井戸型長波長レーザの活性層部分の 伝導蒂エネルギー図を示す。 ここで、 量子井戸活性層は、 量子井 p M I no.53 Gao.47 As の厚さ d w = 7 0 〜 1 2 O Aの単一 層を用い、 障壁層に、 本発明による（ I n P Z I no.53G ao.47 A s) 超格子を用いてある。 この超格子層のバリ ア層である I n Pの厚 さ L B は電子の トンネリ ングが十分におこるよ う L B ;^ 2 5 A と し、 L W / L B - 0 . 3 9 2 の条件よ り （ L W / L B ) ~ ( 8 A / 2 0 A ) と （ 4 A Z 1 0 A ) の 2種類を作製した。 障壁層を構 成する超格子の 1 グループの厚み d B は、 多重量子井戸の各井戸 内の電子がトンネ リ ングをおこさぬよ う d B 〜 8 4〜 1 1 2 A と した。 以上の量子井戸構造半導体層は、 周知の M B E法を用いて 形成した。 この結晶を通常のホ ト リ ソ グラ フィ によ り幅 2 μ mの メサ状にエッチングしたのち、 液相成長法によって埋め込み型 ( B H ) レーザを作製したと ころ、 波長 1 . 3〜 1 . 5 5 ^1で、 しきい電流値が通常の波相成長法による I n G aAs P Z I n P 系 の レーザの約半分 （ 1 0 m A以下） と小さ く 、 温度特性のすぐれ た素子が得られた。 M B E法で作製したものも同様のすぐれた特 性が得られた。 なお、 L W / L B は 0 . 3 3〜 0 . 4 5 の範囲で同 様の結果を得た。
    [0032] 実施例 2
    [0033] 第 2 a 図および第 2 b 図は、 M B E法で n +— G a A s 基板上 に、 n — I nu G a v A β i_u_v P ク ラッ ド層 （ n〜 ； L X 1 0 i 8， 3 μ m ) , アン ドープ量子并戸活性層 ρ — ( I nu G a V Α β i_u_v ) P ク ラッ ド層 （ p〜 ； L X 1 0 18， 2 μ ) 、 Ρ — G a A s ギヤッ プ層 （ l m ) を顋次成長した、 量子井戸型可視レーザの活性層 部分の伝導帯エネルギー図を示す。 こ こで量子井戸活性層の量子 井戶層は G a A s の厚さ d * = 4 0 A〜 1 0 0 Aの単一層と し、 障壁層に本発明による （ GaAsZ l no.4a G ao .5i P ) 超格子を用 いてある。 I n G a P の厚さ L B は鼋子の トンネ リ ングが十分にお こ るよ う に： L B < 2 5 A と し、 障壁層を構成する超格子の 1 グル ープの厚み d B は、 各井戸内の電子がトンネ リ ングしないよう に d B ^S O A〜 ： L 0 0 A と した。 この場合、 Lw / L B 比は、 発 振波長によ り、 L w ， LB < 3 0 Aの範囲で適当に調節した。 ク ラッ ド層の （ I nu G a A β i_u_v ) Ρは、 I no .4 g G ao · 51 Ρ ( E s 〜 1 .8 8 e V) 力、ら、 I no .4 a G ao .4 i P ( E s 〜 2.2 5 e V) までの G a A s に格子整合したものを、 発振波長に対して 適当に選んだ。 この結晶から、 S i 02 膜を電流狭窄層と して用 いたス トライプレーザを作製したと ころ、 発振波長が 0 . 7 5 μ π！〜 0.6 5 μ πι で、 しきい電流密度が Ι Κ Α Ζαί以下と小さ く 、 温度特性にすぐれた素子が得られた。 光出力は 2 0 m Wまで 直線性のよい電流対光出力特性を得た。
    [0034] 実施例 3
    [0035] 第 3 a 図および第 3 b 図は、 活性層の井戸層も本発明の超格子 構造に したもので、 発振波長が 0.7 0〜 0.6 5 111の素子が得 られた。
    [0036] 実施例 4
    [0037] 第 4 図を用いた F E Tの例を説明する。
    [0038] 半絶緣性 Ι η Ρ基板 1 0 1 の上に、 周知のエピタ キシー法にて 膜厚 5 0 0 0 Αのアン ド一プ （不純物は 1 014cm_3以下） I n P バッファ層 1 0 2 を形成し、 その上に本発明の超格子によるチヤ ンネル層 1 0 3 を形成した。 このチャンネル層 1 0 3 は不純物濃 度が l X 1 017on_iの I n P層 （膜厚 ： 1 5 A ) 1 1 3 および I nGaAs 層 （膜厚 ： 6 A ) 1 2 3 を各 1 0 0層ずつ交互に積層 したもので、 周知の M B E法を用いて形成された。 このチャンネ ル層 1 0 3の上のゲー ト形成領域にアン ド一プ Ι ηΑ β Asヘテロ ギャップ層 （膜厚 ： 5 0 0 0 A ) 1 0 4 を形成しその上に蒸着性 によ り膜厚 2 0 0 0 Aの Α β を形成してゲート電極 1 0 5 と した , また、 チャンネル層のソースおよびド レイ ン領域にはスパッタ リ ング法にて A u G e Z N i Z A u (膜厚 ： 2 0 0 0 A)を形成し . 4 0 0 °C , 3分間の熱処理によ り合金化して、 ソースおよびド レ イ ン電極 1 0 6 ， 1 0 7 と した。 この F E Tの特性は、 ゲー ト長 が 0. 3 m 、 ソ ース一 ドレイ ン間隔が 1 μ mで、 相互コ ンダク タ ンスは約 3 0 0 m s / ran , 遮断周波数は 6 0 G H z であった。 実施例 5
    [0039] 第 5 図を用いて本発明をホ トダイオー ドに適用 した例を説明す る。 . n + - I n P 基板 2 0 1 の上に、 ェピタ キ-シ法にて n +—
    [0040] I n Pバッファ層 2 0 2 を形成し、 その上に本発明の超格子層 2 0 3 を光吸収層と して分子線ェピタ キシャル法および/又は有 機金属熱分解法にて形成した。 この超格子層は、 I nGaAs 層 2 1 3 と I η Ρ層 2 2 3 を実施例 4 と同様の方法で積層 したもの である。
    [0041] こ の超格子層の上に n — I η Ρ層 2 0 4 を膜厚 1 i mに して形 成し、 その中の領域 2 0 5 に Z n を拡散して p領域と し n — InP 層 2 0 4 内に p — n接合を形成した。 さ らに通常の方法によ り CrAuP電極 2 0 6 および AuGeNiAu電極 2 0 7 を形成して素 子を完成した。
    [0042] この素子は波長 1 .3 3〜 1 .5 5 /i mにおいて実用的感度をも つていた。
    [0043] また、 本発明は、 上記実施例の他、 発光ダイオー ド， バイポ一 ラ ト ランジスタ等にも適用可能であった。
    [0044] なお、 上記実施例において、 超格子構造の一部が自然に混晶化 したり、 不純物拡散やイ オン注入で混晶化した りする こ と によ り 部分的に生じた、 光学的， 電気的性質の変化を利用するこ ともで きる。
    [0045] また本発明の技術は、 他の多元化合物半導体や、 4元以上の多 元化合物半導体による超格子層を用いた半導体装置にも適用でき る こ と は云う までもない。
    [0046] 産業上の利用可能性
    [0047] 本発明の 目的は高性能の半導体装置、 例えば高速で動作する F E T , ノ ィポーラ ト ラ ンジスタ ， ホ ト ト ラ ンジスタ ， 長波長領 域も し く は短波長領域で安定に発振する半導体レーザ装置などを 提供する こ と にあ り 、 IE — V族基板上に良質の 4元系 m — V族結 晶を容易に製造できるため特性改善が顕著な各種半導体装置を得 る こ と ができ る。
    权利要求:
    Claims

    (ID 請 求 の 範 囲
    l . m族および v族元素からなる in 1 - V 1 2元結晶基板上に、 該基板と格子整合する ΠΙ 1 - V 1 2元結晶および ΙΙΙ 1 - ΙΠ 2 一 V2 3元結晶からなる超格子構造半導体層を有する半導体装置。
    2 . ΠΙ族および V族元素からなる ΠΙ 1 - V 1 2元結晶基板上に、 該基板と格子整合する瓜 1 - V 1 2元結晶および m 1 - πι 2 一
    V 2 3元結晶からなる超格子構造を有する半導体装置において、 該超格子構造の混晶化物が該基板と結晶整合をするよう に、 該
    ΠΙ 1 - V 1 2元結晶超格子層と該 III 1 - ΠΙ2 - V 2 3元結晶超格 子層の膜厚比が選定されている こ と を特徴とする特許請求の範囲 第 1項記載の半導体装擊。
    3 . 上記基板を Ι η Ρ と し、 上記超格子構造を Ι η Ρ (膜厚 ： L B ) と I nzGaし z As ( Z二 0 . 5 3 7 ， 膜厚 ： L w ) と からな り 、 その膜厚比 L w / L B が 0 . 3 3〜 0 .4 5 になるよう に形成 した超格子層とする こ と を特徴とする特許請求の範囲第 2項記載 の半導体装置。
    4 . ΠΙ族および V族元素からなる ΙΠ 1 - V χ 2元結晶基板上に、 該基板と格子整合する ΠΙ 1 - V 1 2元結晶および ΠΙ 1 — ffl 2 —
    V 2 3元結晶からなる超格子.層で少な く とも活性層， 光ガイ ド層 およびク ラッ ド層のいずれかを形成した超格子構造を有する半導 体レーザ装置において、 該超格子層に不純物を供給して、 該超格 子層を混晶化する こ と を特徴とする半導体レーザ装置。
    5 . 上記超格子構造の混晶化物が該基板と結晶整合をするよう に 該 ΠΙ 1 - V 1 2元結晶超格子層と該 ΠΙ 1 - ΙΠ 2 - V 2 3元結晶超 格子層の膜厚比が選定されている こ と を特徴とする第 4項記載の 半導体レーザ装置。
    6 . 上記基板を I n P と し、 上記活性層を I nzGa zAs ( Z -
    0.5 3 7 ) 層、 上記光ガイ ド層を I n P (膜厚 ： L B ) と I nz Gai_2 As (膜厚 ： Lw ) を Lw / L = 0. 3' 3〜 0 · 4 5 になるよ う に形成した超格子層、 および上記ク ラッ ド層を I n P 層とする こ と を特徵とする特許請求の範囲第 4項記載の半導体レ 一ザ装置。
    7 . 上記基板を G a A s と し、 上記活性層およびノも し く は光ガ ィ ド層を G a A s 層と I nzGai_z P ( Z二 0.4 9 0 ) で構成した 超格子層， ク ラッ ド層を I nGaA jS P層と したこ と を特徴とする 特許請求の範囲第 4項記載の半導体レーザ装置。 -
    8 . 上記超格子層が分子線ェピタ キャル （M B E ) 法およぴ 又 は有機金属熱分辉 ( 0 M V P E ) 法で形成されている こ と を特徴 とする特許請求の範囲第 4 から 7項のいずれかに記載の半導体レ —ザ装置。
    9 . 上記超格子層を構成する井戸層および/も し く は障壁層の全 てまたは一部が、 上記 ΠΙ 1 - V 1 2元結晶および HI 1 - E 2 一 V2 3元結晶からなる超格子構造でなる こ と を特徴とする半導体
    10. 上記半導体装置が半導体レーザ装置である こ とを特徴とする 特許請求の範囲第 9項記載の半導体レーザ装置。
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    申请号 | 申请日 | 专利标题
    JP60/193739||1985-09-04||
    JP60193739A|JPH0821748B2|1985-09-04|1985-09-04|半導体レ−ザ装置|DE8686905398A| DE3688064D1|1985-09-04|1986-08-29|Halbleitervorrichtung.|
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