(57)【要約】【課題】常温下においても量子井戸構造のフォトルミネッセンス測定ができるようにする。【解決手段】井戸層が障壁層で挟まれて構成される化合物半導体の量子井戸構造において、障壁層にｎ型不純物をドープする。これにより、障壁層において自由電子が発生するから、レーザ光によって励起された井戸層の電子が試料表面へ拡散してしまうのを低減できる。従って、常温下においてもフォトルミネッセンス発光強度の経時的な減衰を防止できる。【選択図】      図１
2004207547.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
井戸層が障壁層で挟まれて構成される化合物半導体の量子井戸構造において、
前記障壁層に、ｎ型不純物がドープされていることを特徴とする化合物半導体の量子井戸構造。
【請求項２】
気相成長法を用いる半導体デバイスの製造方法において、
第１の障壁層を形成する第１障壁層形成工程と、
次いで、該第１の障壁層上に井戸層を形成する井戸層形成工程と、
次いで、該井戸層上に第２の障壁層を形成する第２障壁層形成工程とを有し、
前記第１障壁層形成工程及び第２障壁層形成工程では、当該各層にｎ型不純物をドープするためのドーパントガスを供給することを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
【請求項３】
前記第２障壁層形成工程の後、常温下における前記井戸層からのフォトルミネッセンススペクトルに基づいて、該井戸層を評価する評価工程を有することを特徴とする請求項２記載の半導体デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、井戸層が障壁層で挟まれて構成される化合物半導体の量子井戸構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＡｌＧａＡｓやＩｎＧａＡｓ等のIII−Ｖ族化合物半導体の混晶比測定方法としてフォトルミネッセンス(以下、ＰＬ(Photo Luminescence)という。)法が知られている。混晶比とは、化合物半導体における組成比のことである。このＰＬ法が適用されうる測定対象として、例えば単一量子井戸(以下、ＳＱＷ(Single Quantum Well)という。)構造がある。
【０００３】
図４は、従来のＳＱＷの構成を示す。このようにＳＱＷは、井戸層２が障壁層１,２で挟まれて構成されている。上部障壁層１の厚さは例えば５０[nm]程度であり、下部障壁層３の厚さは例えば４００[nm]程度である。これら障壁層１,３はともにｉ−ＧａＡｓ層からなり、そのキャリア濃度は１×１０15cm-3以下である。ここで、「ｉ−」とは、その層が半絶縁性を有することを意味する。
【０００４】
井戸層２の厚さは、例えば１０[nm]程度であり、このような薄い膜に対してＰＬ法が好適に用いられる。この井戸層２は、ｉ−Ｉｎ0.15ＧａＡｓからなり、ノンドープで構成されている。ここで、Ｉｎ0.15ＧａＡｓとは、Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ａｓを略したものであり、ＩｎとＧａとの比が０．１５：０．８５であることを意味する。そして、その比が混晶比である。
【０００５】
以下、このようなＳＱＷのＰＬ法による混晶比測定方法につき説明する。図５は、ＰＬ測定装置の構成を示す。測定に当たっては、まずＳＱＷを有する試料Ｓを、冷却装置４内の測定ホルダに保持させ、ステージ５にセットする。冷却装置４では、液体窒素によって試料Ｓの温度が７７[Ｋ]に保たれるようになっている。次に、レーザ発振装置６において、井戸層２のバンドギャップよりも大きなエネルギを有する励起光としてのレーザ光を発振させ、該レーザ光の特定の波長域を干渉フィルタ７でカットし、光チョッパ８で断続(変調)させ、集束鏡９を介して試料Ｓに照射する。
【０００６】
試料Ｓに励起レーザ光が照射されると、該試料Ｓにおいて、価電子帯の電子が励起されて、伝導体へ上がる。これにより、過剰な電子・正孔の対ができたことになる。そして、励起状態は安定な状態ではないから、伝導帯の電子が価電子帯へ落ちて正孔と再結合する結果、この試料Ｓからその禁制帯幅に等しいエネルギを有する光が放射される。これが、フォトルミネッセンスである。
【０００７】
試料Ｓより発生したフォトルミネッセンス光は、集束レンズ１０で集光され、光源カットフィルタ１１によって必要な波長域成分のみが選択され、分光器１２に導かれる。尚、分光器１２は、例えば図示せぬコンピュータと接続されており、該コンピュータにより分光器１２での分光波長を制御(掃引)できるようになっている。
【０００８】
分光器１２で分光された光は、光検出器１３で検出され、その検出信号は位相検波増幅器(例：ロックインアンプ)１４へ送られる。位相検波増幅器１４では、光検出器１３で検出した信号を、光チョッパ８における変調周期と位相同期させて増幅してフォトルミネッセンスの発光スペクトルを求める。求められた発光スペクトルは、記録計１５にて描かれてプロットアウトされたり、或いは波形モニタ１６にて表示出力される。
【０００９】
そのとき、得られた発光スペクトルの発光強度が最大になるようにステージ５を調整する。調整が完了したら、測定を開始し、記録計１５又は波形モニタ１６にてピーク波長を読み取る。そのピーク波長からエピタキシャル層(いまの場合は、井戸層２)の不純物濃度を算定し、それに基づいて混晶比が求められる。例えば、ＩｎＧａＡｓエピタキシャル層中のＩｎ濃度が１５％の場合は、混晶比は、０．１５ということになる。
【００１０】
【特許文献１】
特開平１−９２６４１号公報(第１−６頁、第１図)
【００１１】
【特許文献２】
特開平１−９４２４７号公報(第１−８頁、第１図)
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＳＱＷ等の混晶比を上記の如くしてＰＬ法により測定する場合は、常温(室温)下においては試料Ｓの温度が経時変化するため、励起レーザ光を当てたときの発光スペクトルの強度が減衰する傾向にある。この理由は、励起レーザ光を試料Ｓに当てたときには井戸層２(例：チャネル層)に過剰の電子と正孔とが発生するが、常温下では、正孔が試料Ｓの表面側に、電子が試料Ｓの裏面側に拡散してしまうためである。このような発光スペクトル減衰の問題は、ＳＱＷにおける井戸層２のような薄い膜において特に深刻となる。
【００１３】
図６は、常温下で従来のＳＱＷにおける上記Ｉｎ0.15ＧａＡｓ層(井戸層２)のＰＬ測定を行ったときの結果を示す。同図は、横軸に時間[秒]をとり、縦軸にＰＬスペクトルのピーク波長での発光強度[ｍＷ]をとったグラフである。このように常温下では、時間が経過するにつれて、ピーク波長での発光強度が４５〜７０％まで減衰しているのがわかる。つまり常温下においては、ＰＬスペクトルのピーク波長での発光強度が経時的に減衰するので、正確な混晶比の測定が困難である。
【００１４】
一方、常温ではなく７７[Ｋ]程度の低温下では、電子と正孔とを井戸層２内に閉じ込めることができ、それらの拡散を低減できる。そのため、上述のように従来は液体窒素(温度７７[Ｋ])の中に試料Ｓをいれ、温度を一定にしてからＰＬ測定を行っていた。しかしながら、冷却装置４によって試料Ｓを予め冷却させるためには、常温時でＰＬ測定を行う場合の約１０倍の作業時間を要するし、また液体窒素等を取り扱うために作業の習得が難しいという課題がある。
【００１５】
そこで本発明は、常温下においても量子井戸構造のＰＬ測定ができるようにすることを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の態様によれば、井戸層が障壁層で挟まれて構成される化合物半導体の量子井戸構造において、前記障壁層に、ｎ型不純物がドープされていることを特徴とする化合物半導体の量子井戸構造が提供される。障壁層にｎ型不純物をドープしたことにより、励起光を照射したときの井戸層における電子と正孔の拡散が防止される。これにより、ＰＬスペクトルのピーク波長の経時的な減衰を低減でき、常温下における量子井戸構造のＰＬ測定が可能となる。
【００１７】
本発明の第２の態様によれば、気相成長法を用いた半導体デバイスの製造方法において、第１の障壁層を形成する第１障壁層形成工程と、次いで、該第１の障壁層上に井戸層を形成する井戸層形成工程と、次いで、該井戸層上に第２の障壁層を形成する第２障壁層形成工程とを有し、前記第１障壁層形成工程及び第２障壁層形成工程では、当該各層へｎ型不純物をドープするためのドーパントガスを供給することを特徴とする半導体デバイスの製造方法が提供される。
【００１８】
本発明の第３の態様によれば、第２の態様において、前記第２障壁層形成工程の後、常温下における前記井戸層からのフォトルミネッセンススペクトルに基づいて、該井戸層を評価する評価工程をさらに有することを特徴とする半導体デバイスの製造方法が提供される。
【００１９】
本発明の第４の態様によれば、第１の態様による量子井戸構造を有する半導体デバイスも提供される。このような半導体デバイスとしては、前記井戸層をチャネル層として有する電界効果トランジスタ(例：ＨＥＭＴ(High Electronmobility Transistor等)や、活性層が前記量子井戸構造を有する発光素子(例：半導体レーザや発光ダイオード等)がある。
【００２０】
本発明においては、前記井戸層又は障壁層として、例えばＧａＡｓ(ガリウムヒ素)、ＡｌＧａＡｓ(アルミニウムガリウムヒ素)、ＩｎＧａＡｓ(インジウムガリウムヒ素)、ＩｎＧａＰ(インジウムガリウムリン)、ＡｌＧａＰ(アルミニウムガリウムリン)、又はＩｎＧａＡｌＰ(インジウムガリウムアルミニウムリン)等を用いることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１は、実施の形態による化合物半導体の量子井戸構造を示す。これは、従来のものと同様に井戸層２２が障壁層２１,２３で挟まれて構成されたＳＱＷである。詳細には、井戸層２２としてのＩｎＧａＡｓ層が、障壁層としてのＧａＡｓ層によって挟まれてなるダブルへテロ接合エピタキシャル半導体である。但し、このＳＱＷは、障壁層２１,２３にｎ型不純物がドープされていることを最大の特徴としている。
【００２２】
図１において、上部障壁層(第２の障壁層)２１の厚さは例えば２００[nm]とするのが好ましく、下部障壁層(第１の障壁層)２３の厚さは例えば４００[nm]とするのが好ましい。これら障壁層２１,２３はともにｎ−ＧａＡｓ層からなり、そのキャリア濃度は２〜８×１０17cm-3程度である。ここで、「ｎ−」とは、その層にｎ型不純物がドーピングされていることを意味する。井戸層２２の厚さは、例えば１０[nm]とするのが好ましい。この井戸層２２は、ｉ−Ｉｎ0.15ＧａＡｓからなり、ノンドープで構成されてある。
【００２３】
以下、実施の形態によるＳＱＷの製造方法につき説明する。
【００２４】
〔第１障壁層形成工程〕
まず、エピタキシャル層を成長させるための下地たる基板を、図示せぬ基板保持具(サセプタ)にセットして成長炉内で加熱する。その後、成長炉内にて、気相成長法により基板上に、他の層を介して、或いは介さずに、第１の障壁層としてのｎ−ＧａＡｓ層２３を形成する。このとき、Ｇａ原料としてはＧａ(ＣＨ3)3(トリメチルガリウム)を用い、Ａｓ原料としてはＡｓＨ3(アルシン)を用い、希釈用ガスとしては不活性ガスである水素ガスを用いることができる。これらのガスを基板上に供給すると、該ガスが熱により分解して、基板上にエピタキシャル層が成長する。尚、Ｇａ原料としては他に、Ｇａ(ＣＨ3ＣＨ2)3(トリエチルガリウム)等がある。またＡｓ原料としては他に、Ａｓ(ＣＨ3)3(トリメチル砒素)、ＴＢＡ(ターシャリーブチルアルシン)等がある。
【００２５】
但し本工程では、さらに当該ＧａＡｓエピタキシャル層へｎ型不純物をドープするためのドーパントガスも基板へ供給する。ｎ型ドーパントの元素としては、ＳｉやＳｅ(セレン)を用いることができる。Ｓｉ元素をｎ型不純物とする場合には、ドーパントガスとして、ＳｉＨ4(モノシラン)，Ｓ2Ｈ6(ジシラン)を用いることができる。またＳｅ元素をｎ型不純物とする場合は、ドーパントガスとして、Ｈ2Ｓｅ(セレン化水素)を用いることができる。
【００２６】
〔井戸層形成工程〕
次いで、形成したｎ−ＧａＡｓ層２３の上に、井戸層としてのｉ−Ｉｎ0.15ＧａＡｓ層２２を形成する。ｉ−Ｉｎ0.15ＧａＡｓ層２２を成長するときには、Ｇａ原料としてＧａ(ＣＨ3)3を用い、Ａｓ原料としてＡｓＨ3を用い、Ｉｎ原料としてＩｎ(ＣＨ3)3(トリメチルインジウム)を用い、希釈用ガスとして水素ガスを用い、これらをｎ−ＧａＡｓ層２３が形成された基板上に供給する。尚、Ｉｎ原料としては他に、Ｉｎ(ＣＨ3ＣＨ2)3(トリエチルアルミニウム)等もある。
【００２７】
〔第２障壁層形成工程〕
次いで、形成したｉ−Ｉｎ0.15ＧａＡｓ層２２の上に、第２の障壁層としてのｎ−ＧａＡｓ層２１を形成する。本工程の内容は、上記第１障壁層形成工程と同様であるため重複する説明は省略する。
【００２８】
〔評価工程〕
そして、上記第１障壁層形成工程、井戸層形成工程、及び第２障壁層形成工程を含む工程を経た後には、前述したＰＬ測定装置(図５参照)を用いて、量子井戸構造の評価を行う。但し、本工程では、常温下における井戸層２２からのＰＬスペクトルに基づいて、該井戸層２２を評価するため、液体窒素による試料Ｓの冷却装置４は用いる必要がない。常温下における井戸層２２からのＰＬスペクトルのピーク波長からエピタキシャル層(いまの場合は、井戸層２２)の不純物濃度を算定し、それに基づいて混晶比を求める。
【００２９】
〔実施例〕
下地基板としてＧａＡｓ基板を用い、第１障壁層形成工程及び第２障壁層形成工程においてｎ−ＧａＡｓ層を形成するにあたり、原料ガスとしてＧａ(ＣＨ3)3とＡｓＨ3を用い、ドーピング用ガスとしてＳｉ2Ｈ6を用いた。Ｇａ(ＣＨ3)3の流量は５５．５[cm／分]とし、ＡｓＨ3の流量は、４５０[cm3／分]とした。Ｓｉ2Ｈ6の流量は、エピタキシャル層中のキャリア濃度が、２×１０17〜８×１０17[cm-3]の範囲となる値に制御した。また、エピタキシャル層の成長時の基板温度は７００℃とし、成長炉内圧力は７０[Ｔｏｒｒ]とした。このような条件下でＳＱＷを形成した。
【００３０】
〔常温下でのＰＬ発光強度の経時変化について〕
その形成したＳＱＷを試料Ｓとして、ＰＬ測定装置(図５参照)を用いて、常温下でのＰＬ発光強度の経時変化を調べた。その結果を図２に示す。図２は、横軸に時間[秒]をとり、縦軸にＰＬスペクトルのピーク波長での発光強度[ｍＷ]をとったグラフである。尚、同図においては、比較のために従来技術にかかるＳＱＷのＰＬ発光強度の経時変化特性(図６参照)も併せてプロットしてある。図示のように、本発明が適用されたＳＱＷでは、少なくとも５４０秒以内においては、ＰＬ発光強度が殆んど減衰していないことがわかる。
【００３１】
このメカニズムは必ずしも定かではないが、発明者らによれば、常温下においては、井戸層に励起光を当てると必ず拡散が生じるものの、障壁層としてのＧａＡｓ層にｎ型不純物をドーピングすることにより、障壁層において自由電子が発生するから、レーザ光によって励起された井戸層の電子が試料Ｓの表面へ拡散してしまうのを低減できるものと考えられる。従って、常温下においてもフォトルミネッセンス発光強度の経時的な減衰が防止できるようになったと考えられる。
【００３２】
〔ＰＬピーク波長のドーピング濃度依存性について〕
また、ＰＬ発光スペクトルのピーク波長が、障壁層２１，２３のｎ型不純物のドーピング濃度に依存してシフトしないかを調べた。図３にその結果を示す。図３は、横軸にキャリア濃度[×１０17]をとり、縦軸にピーク波長[nm]をとったグラフである。図示のように、キャリア濃度が２×１０17〜８×１０17の範囲で各測定点のピーク波長の変化は、±０．５[nm]以下であり、またピーク波長のキャリア濃度に対する依存性も見られなかった。従って、本発明が適用されたＳＱＷでは、安定して再現性よくＰＬ測定が行えると考えられる。
【００３３】
以上説明したように、本実施の形態によれば、ＰＬ法でのＳＱＷの混晶比測定が常温で可能となるため、評価方法の大幅な簡略化が期待できる。つまり、従来技術を用いてＳＱＷを製作した場合、常温時にＰＬ法で混晶比の測定はできない。そのため、液体窒素を使用して７７Ｋの低温で測定しなければならない。これに対して本発明では、Ｗｅｌｌ(井戸層)をｎ−ＧａＡｓ層２１，２３で挟むことにより、試料Ｓの表面の電子と正孔の拡散を防止し常温での混晶比の測定を可能とした。したがって、液体窒素の使用が不要となる。また、作業時間も１０倍以上短縮が期待できる。
【００３４】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、実施の形態ではＳＱＷを例示したが、本発明は井戸層を２層以上する井戸構造(例：ＳＱＷｓ等)にも適用できる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、常温下においても量子井戸構造のＰＬ測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態による化合物半導体の量子井戸構造を示す図。
【図２】実施の形態による量子井戸構造のフォトルミネッセンスのピーク波長における発光強度の経時変化を示す図。
【図３】実施の形態による量子井戸構造のフォトルミネッセンスのピーク波長と、井戸層のキャリア濃度との関係を示す図。
【図４】従来技術による化合物半導体の量子井戸構造を示す図。
【図５】従来技術によるフォトルミネッセンス測定装置の構成を例示した図。
【図６】従来技術による量子井戸構造のフォトルミネッセンスのピーク波長における発光強度の経時変化を示す図。
【符号の説明】
２１  ｎ−ＧａＡｓ層(第２の障壁層)
２２  ｉ−Ｉｎ0.15ＧａＡｓ層(井戸層)
２３  ｎ−ＧａＡｓ層(第１の障壁層)
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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