(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
II−ＶＩ族化合物をIII−Ｖ族化合物の上に積層する薄膜成長方法において、該II−ＶＩ族化合物を構成するＶＩ族元素と該III−Ｖ族化合物を構成するIII族元素が反応して、該II−ＶＩ族化合物とは異なる化合物が生成されることを防ぐ目的で、該III−Ｖ族化合物の表面をＶＩ族元素を含まないII族元素からなるアモルファス膜で保護した後に、試料の温度を上昇させて該アモルファス膜を蒸発させ、該II族元素の厚みが0.1nmから0.6nmの範囲内になった時点において、II−ＶＩ族化合物の成長を開始することを特徴とする薄膜成長方法。
【請求項２】
上記II族元素がZn又はCdであり、上記ＶＩ族元素がTe、Se又はSであり、上記アモルファス層を形成する時の試料の温度が30℃から75℃であり、該アモルファス層を180℃から250℃の温度で蒸発させることを特徴とする請求項１記載の薄膜成長方法。
【請求項３】
上記蒸発後、II−ＶＩ族化合物を１又は２原子層成長させた後、成長を一時的に停止し、試料温度を300℃から350℃の範囲に上昇させ１分間以上保持した後に、再び試料温度を180℃から250℃の間に低下させて、II−ＶＩ族化合物の成長を再開することを特徴とする請求項３記載の薄膜成長方法。
【請求項４】
上記III−Ｖ族化合物がGaAs、InP、InSb又はGaSbであることを特徴とする請求項１記載の薄膜成長方法。
【請求項５】
III−Ｖ族半導体基板上にII族物質フラックスを供給する工程及び該II族物質の蒸発工程において、反射型高速電子線回折の回折パターン強度の情報を用いて、該II族物質の厚みを測定することを特徴とする厚みモニター方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は、薄膜の成長、特にII-VI族半導体薄膜の成長に関するものであり、Cd1-xMnxTe磁気光学導波路、ZnSe系レーザダイオード及びCdTe系赤外線検出器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
III-V族半導体基板上に成長させたII-VI族半導体薄膜は、Cd1-xMnxTe磁気光学導波路、ZnSe系レーザダイオード及びCdTe系赤外線検出器などの多くの重要なデバイスに応用される。これらのデバイスの良好な動作にとって、結晶の欠陥密度を減少させることは、非常に重要である。GaAs基板上のZnSe-LEDの劣化は、欠陥が広がって非発光再結合が増加するために、活性層の利得が急激に減少するために生じるものである (A.Ishibashi, J.Cryst. Growth 159 (1996) 555 )。 Cd1-xMnxTe導波路における欠陥の広がりは、光散乱と光吸収の増加を通して、光損失を引き起こす (W. Zaets and K.Ando, Appl.Phys.Lett.77 (2000) 1593)。
III-V族基板上のII-VI族薄膜のエピタキシャル成長においては、基板の表面処理や成長初期の結晶成長条件が、低欠陥密度の実現に非常に重要である。GaAs基板上のZnSe薄膜のエピタキシャル成長においては、（００１）方位のGaAsをホモエピタキシャル成長させ、その（２ｘ４）表面再配列状態のAs終端面にZnを暴露したのち、ZnSe薄膜をマイグレーションエピタキシー成長する方法が、積層欠陥密度を最も少なくするための有効な方法として広く取り入られている (J.M. DePuydt et.al. US patent 5,879,962 and L.H. Kuo, L. Salamanca-Riba, B.J.Wu, G.Hofler, J.M.DePuydt,H.Chen, Appl. Phys. Lett. 67 (1995) 3298)。
ZnやCdなどのII族元素の暴露は、II-VI族薄膜の成長の初期において、III-V族基板がSeやTeなどのVI族元素と反応することを防ぐ (L.H.Kuo, K. Kimura, A. Ohtake, S. Miwa, T. Yasuda, and T.Yao, J. Vac. Sci., Technol. B 15 (1997) 1241 及び J.M. DePuydt et.al. US patent 5,879,962)。しかしながら、II族元素の暴露では、GaAs基板表面がZnで覆われる割合が低いことが知られている(S. Miwa et.al. Appl. Phys. Lett. 73 (1998) 939)。そのため、VI族元素(Se及び Te)は依然として、GaAs基板と反応を起こす。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来、III-V族化合物上にII-VI族化合物薄膜を成長させる場合、初期段階において、VI族元素はIII-V族化合物と反応して（III族）2（VI族）3なる化合物が生成され、これが薄膜に高い密度の欠陥をもたらし、作製した素子の性能を劣化させる原因となっていた。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本願発明は、II-VI族化合物の成長前に、III-V族化合物の表面をII族物質からなるアモルファス薄膜で覆うことにより、この問題を解決するものである。これによりIII-V族半導体基板上に設けたII-VI族半導体光導波路の光損失の低減や、II-VI族半導体レーザの長寿命化などが可能となる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本願発明においては、少なくとも1種類のII族元素のフラックスを発生させる源と、少なくとも1種類のVI族元素のフラックスを発生させる源を含む薄膜成長装置を用いる。薄膜成長装置内に置いたIII-V族化合物の温度をII族元素のアモルファス薄膜が成長する温度に調整して、II族元素アモルファス薄膜を成長させる。その後、基板を加熱して、II-VI族薄膜の成長に適し、かつII族元素アモルファス薄膜が蒸発するような温度にする。II族元素アモルファス薄膜が蒸発し、その厚みが0.1nmから0.6nmの範囲内になった時点で、II族元素のフラックスとVI族元素のフラックスを同じに供給して、III-V族化合物上にII-VI族薄膜を成長させる。
【０００６】
本願発明は、反射型高速電子線回折の回折パターンの強度を用いて、アモルファス薄膜の厚みをモニターすることを含む。高電圧で加速された電子ビームを用いて、電子回折を起こし、その回折パターンの強度を、CCDカメラ等の光検出器で検出する。あらかじめ校正しておいた、回折パターンの強度とアモルファス薄膜の厚みの関係を利用して、アモルファス薄膜の厚みを知ることができる。
【０００７】
【実施例】
以下、本願発明の実施例を図面を参照しながら説明する。
図１は、本願発明による成長方法を模式的に説明するものであり、III-V族化合物上へのII-VI族化合物薄膜の成長を示している。図中の白丸はII族元素を、黒丸はVI族元素を表す。
【０００８】
番号1は、III-V族化合物、番号2は、厚みが0.6nm以上あるII族元素アモルファス薄膜、番号3は、厚みが0.1nmから0.6nmの間に有るII族元素アモルファス薄膜、番号4は、II-VI族化合物薄膜である。
【０００９】
図１a)は、本願発明による成長法の第1段階である。III-V族化合物の表面に、II族元素のフラックスを供給する。基板の温度を、II族元素アモルファス薄膜ができるように調整（３０℃〜７５℃）しておくと、III-V族化合物上にII族元素アモルファス薄膜が成長する。
【００１０】
図１b)は、本願発明による成長法の第２段階である。試料を加熱して、II-VI族化合物薄膜の成長に適し、かつII族元素アモルファス薄膜が蒸発するような温度（１８０℃〜２５０℃）にする。II族元素アモルファス薄膜が蒸発し、その厚みが0.1nmから0.6nmの範囲内になるまで待つ。
【００１１】
図１c)は、本願発明による成長法の第３段階である。II族元素アモルファス薄膜が蒸発し、その厚みが0.1nmから0.6nmの範囲内になった時点で、II族元素のフラックスとVI族元素のフラックスを同じに供給する。
【００１２】
図１ｄ)は、本願発明による成長法の第３段階である。III-V族化合物上にII-VI族化合物薄膜が成長する。II-VI族化合物を１原子層から２原子層成長させた後、成長を止めて試料温度を３００℃から３５０℃に上昇させ、1分間以上保持した。この熱処理プロセスはIII-V族化合物とII-VI族化合物との界面に過剰のII族元素を残さないようにするために必要である。この熱処理プロセスを行わなかったときには、作製した薄膜表面に欠陥が顕微鏡により観測された。熱処理プロセスを行ったときには、この欠陥は発生しなかった。
【００１３】
図２は、反射型高速電子線回折（RHEED)のスペキュラー回折の強度を、70℃に保った（００１）方位を持つIII-V族化合物であるGaAs基板上に堆積させたZn元素からなるアモルファス薄膜の厚みの関数として示したものである。成長の第1段階である、図１a)の段階に対応している。回折強度とアモルファス薄膜の厚みの間に明確な対応関係がある。この関係を利用して、成長プロセス中に、アモルファス薄膜の厚みを知ることができる。
【００１４】
図3は、試料温度が220℃のときの、アモルファスZn薄膜の蒸発プロセス中の反射型高速電子線回折（RHEED)のスペキュラー回折の強度を、時間の関数として示したものである。成長の第２段階である、図１b)の段階に対応している。図２の校正データを用いて評価したアモルファスZn薄膜の膜厚も図3に示した。図3から、アモルファス薄膜の厚みが0.1nmから0.6nmの間の値となり、成長の第３段階である、図１c)の段階に対応するタイミングを正しく決めることができる。
【００１５】
図4は、この方法を用いGaAs基板上に成長させたCd1-xMnxTe磁気光学導波路の構造を表す模式図である。まず、図１に示した方法でGaAs基板上にZnTe薄膜を成長させ、その上にCdTe薄膜及び2層のCd1-xMnxTe層を成長させた。光導波路層として機能するCd0.85Mn0.15Teコア層の下にCd0.7Mn0.3Teクラッド層を設けている。
【００１６】
本願発明の有効性を実証するために、欠陥の量に比例する、X線回折パラメータ及び光伝播損失量を、本方法を適用して成長した場合と適用しないで成長した場合に対して比較した。その結果を表１に示す。GaAs基板上に直接ZnTeを成長した場合、GaAs基板表面をZnビームに暴露する従来の方法を用いてからZnTeを成長した場合、そして本願発明の方法による成長の場合である。表から明確に分かるように、X線回折ピークの幅、X線コヒーレント長、双晶密度、光伝播損失のいずれもが、本願発明の優位性を示している。
【表１】
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【００１７】
【発明の効果】
本願発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
（１）本願発明により、III-V族化合物上に成長させたII-VI族化合物薄膜の欠陥密度を減少させて良質な結晶を得ることができる。
（２）本願発明により、III-V族化合物上に光損失の少ないII-VI族化合物からなる半導体磁気光学導波路を得ることができる。
（３）本願発明により、III-V族化合物上に寿命の長いII-VI族化合物からなる半導体レーザダイオードを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本願発明による成長方法を模式的に説明するものであり、III-V族化合物上へのII-VI族化合物薄膜の成長を示している。
【図２】反射型高速電子線回折（RHEED)のスペキュラー回折の強度とGaAs基板上に堆積させたZn元素からなるアモルファス薄膜の厚みの関係を示したものである。
【図３】アモルファスZn薄膜の蒸発プロセス中の反射型高速電子線回折（RHEED)のスペキュラー回折の強度を、時間の関数として示したものである。図２の校正データを用いて評価したアモルファスZn薄膜の膜厚も示す。
【図４】本願発明の方法を用いGaAs基板上に成長させたCd1-xMnxTe磁気光学導波路の構造を表す模式図である。
【符号の説明】
１  III−Ｖ族化合物
２  厚みが０．６ｎｍ以上あるII族元素
３  厚みが０．１〜０．６ｎｍのII族元素アモルファス薄膜
４  II−ＶI族化合物薄膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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