(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の組成と異なる組成を有する第１の半導体層と、
基板の組成および前記第１の半導体層の組成と異なる組成を有する第２の半導体層とが、交互に積層されてなる多重量子井戸層を有する半導体単結晶の構造解析方法であって、
前記第１の半導体層と前記第２の半導体層の成長時間を変更して２以上の半導体単結晶を作製し、
作製した２以上の半導体単結晶についてＸ線回折による測定を行い、
前記２以上の半導体単結晶について行ったＸ線回折測定により得られる前記多重量子井戸層の周期層厚ｔと、前記第１および第２の半導体層の成長時間Ｔ１，Ｔ２を、
ｔ＝ｔ１＋ｔ２
＝ｖ１・Ｔ１＋ｖ２・Ｔ２・・・（１）
に代入して連立方程式を解くことにより、前記第１および第２の半導体層の成長速度ｖ１，ｖ２を算出し、
前記成長時間Ｔ１，Ｔ２と前記成長速度ｖ１，ｖ２により求まる前記第１および第２の半導体層の層厚ｔ１，ｔ２と、前記Ｘ線回折測定により得られる前記多重量子井戸層の基板との格子定数差Δａ／ａを、
Δａ／ａ＝｛（ｔ１×Δａ１／ａ）＋（ｔ２×Δａ２／ａ）｝／ｔ・・・（２）
に代入して連立方程式を解くことにより、前記第１および第２の半導体層の基板との格子定数差Δａ１／ａ，Δａ２／ａを算出することを特徴とする半導体単結晶の構造解析方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多重量子井戸層（MQW:Multi-Quantum Well）を有する半導体単結晶の構造解析方法に関し、特に、多重量子井戸層を構成する２つの半導体層の成長速度および格子定数を、Ｘ線回折による測定結果を利用して求める方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光通信用の発光デバイスまたは受光デバイスとして、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体単結晶を用いた光半導体素子が開発されている。この光半導体素子は、一般に基板上にバッファ層や活性層、コンタクト層等が積層して構成され、所望の発光特性や電気的特性が得られるように各層の層厚や格子定数等が設計されている。
【０００３】
ところで、従来は、作製された光半導体素子について、Ｘ線回折装置（ＸＲＤ：X-ray diffractometry）や透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Transmission Electron Microscopy）を用いて構造解析をすることにより、設計通りに各層が形成されているかを検査していた。
【０００４】
ここで、Ｘ線回折およびＴＥＭについて簡単に説明する。
【０００５】
Ｘ線回折は、結晶などの原子配列に関する情報を得る基本的な分析法であり、有機、無機、金属材料の合成、物性、結晶構造などの分野で利用されている。
【０００６】
例えば、原子が規則的に配置されている結晶に単色（波長λ）の細いＸ線束をあてると、結晶中の電子によって入射Ｘ線が散乱され、散乱したＸ線が干渉することにより特定方向の強度が強くなり、Ｘ線回折像が得られる。このＸ線回折像は結晶中の原子配置の規則性を反映しているので、これをもとに結晶構造を知ることができる。
【０００７】
また、結晶中の原子配置によって決まる結晶格子面の間隔をｄ、Ｘ線の波長をλ、格子面への入射角度をθとすると、「λ＝２ｄ・ｓｉｎθ」という関係が成り立つ場合に、格子面でＸ線がブラッグ反射してＸ線回折がおきることが知られている。
【０００８】
これより、波長λと回折角２θを測定すると、上述した関係から格子面の間隔ｄがわかる。さらに、結晶中の多くの格子面とそれらからの回折強度、およびそれらの間の角度を測定すると、結晶内の各原子の配置を決めることができるのでその物質を同定することができる。また、現在利用されている一般的なＸ線測定装置では、上述した演算がソフトウェア処理により容易に得ることができるようになっている。
【０００９】
このように、Ｘ線回折法は、積層構造をした半導体層のそれぞれの層について格子定数と層厚の両方の情報を得ることができるうえに、非破壊でかつ比較的短い時間で結晶構造を解析できるという長所があるので、この方法により日常的に光半導体素子の検査が行われていた。
一方、ＴＥＭは、試料に大きな電圧を印加することにより電子を注入して、試料の内部を素通りしてきた電子の投影像をみて、試料内部の構造を調べる装置であり、1ｎｍの大きさまでが見える高分解能を一般に有している。したがって、試料内部の原子１つ１つの並び方を観察することが可能であり、結晶中の原子構造を直接視覚的に観察できるという長所を有する。
【００１０】
従来は、これらの方法により光半導体素子の構造解析を行って、各層が設計通りに形成されているかを検査するようにしていた。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、最近では固体中における電子の波長と同じ程度の厚さ（１０〜１００ｎｍ）の中に二次元的に電子を閉じこめた単一量子井戸構造（ＳＱＷ：Single-Quantum Well）が開発され、さらに、この単一量子井戸構造を多数重ね合わせて層中の電子や正孔および光の閉じこめ効率を向上させた多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Multi-Quantum Well）を利用した光半導体素子が開発されている。
【００１２】
具体的には、光半導体素子の活性層を多重量子井戸構造として、活性層中の電子等の振る舞いを制御することにより半導体の持つ光学的な性質や電子的な性質を向上させている。例えば、多重量子井戸層の中では電子や正孔の厚さ方向の運動が制限され、各々のエネルギーがそろいやすくなるという性質を利用して、少ない電流値で半導体レーザの発振を実現している。
しかし、多重量子井戸層は、構成する各半導体層の厚さや格子定数によって層中での電子や正孔の厚さ方向の運動が変化しやすいという欠点を有する。このため、多重量子井戸層からなる活性層を有する光半導体素子は、多重量子井戸層を構成する各半導体層の厚さや格子定数が変わると一定の発光特性を得ることはできない。
【００１３】
そこで、所望の発光特性を有する光半導体素子を安定して製造するために、多重量子井戸層の各層の厚さや格子定数の設計を行い、製造された光半導体素子の多重量子井戸構造が設計通りに形成されているかの検査が重要となる。
【００１４】
しかしながら、上述したＸ線回折およびＴＥＭを用いた構造解析方法では、多重量子井戸層を各層ごとに詳細に解析することは困難であった。
【００１５】
すなわち、Ｘ線回折法で格子定数の異なる薄層が周期的に積層された構造をした多重量子井戸層を測定すると、１周期の厚さ（周期層厚）が擬似的に１単位格子と見なされてしまうために、多重量子井戸層を構成するそれぞれの半導体層に分離して層厚や格子定数を得ることは困難であった。
【００１６】
例えば、多重量子井戸層の第１層および第２層の厚さをｔ１、ｔ２、成長時間をＴ１、Ｔ２、成長速度をｖ１、ｖ２とすると、Ｘ線回折結果からは、
【数１】
0003834748.tif 000002
で表される周期層厚ｔしか算出できなかった。
【００１７】
また、第１層の基板との格子定数差をΔａ１、第２層の基板との格子定数差をΔａ２とすると、Ｘ線回折結果からは、
【数２】
0003834748.tif 000003
で表される平均格子定数差Δａ／ａしか算出できなかった。
【００１８】
一方、ＴＥＭによる構造解析は、破壊検査であるうえに測定に長時間を要するため、製品としての光半導体素子を日常的に検査することは困難であるという問題があった。また、ＴＥＭによる格子定数差の測定は困難であった。
【００１９】
本発明は、第１の半導体層および第２の半導体層が交互に積層されてなる多重量子井戸層を有する半導体単結晶について、各半導体層の層厚に関する情報およびそれぞれの格子定数に関する情報を容易に求めることができる半導体単結晶の構造解析方法を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、基板の組成と異なる組成を有する第１の半導体層と、基板の組成および前記第１の半導体層の組成と異なる組成を有する第２の半導体層とが、交互に積層されてなる多重量子井戸層を有する半導体単結晶において、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層の少なくとも一方の成長時間を変更して２以上の半導体単結晶を作製し、作製した２以上の半導体単結晶についてＸ線回折による測定を行い、前記Ｘ線回折の測定結果に基づいて、前記第１の半導体層および第２の半導体層の層厚に関する情報および格子定数に関する情報を算出するようにした半導体単結晶の構造解析方法である。
【００２１】
具体的には、前記２以上の半導体単結晶について行ったＸ線回折測定により得られる前記多重量子井戸層の周期層厚ｔと、前記第１および第２の半導体層の成長時間に基づいて、前記第１および第２の半導体層の成長速度を算出し、前記Ｘ線回折測定により得られる前記多重量子井戸層の基板との格子定数差と、前記成長時間と前記成長速度により求まる前記第１および第２の半導体層の層厚に基づいて、前記第１および第２の半導体層の基板との格子定数差を算出するようにした。
【００２２】
より具体的には、前記第１および第２の半導体層の成長速度ｖ１、ｖ２は、異なる２つの半導体単結晶についてＸ線回折測定により得られる前記多重量子井戸層の周期層厚ｔと、前記第１および第２の半導体層の成長時間Ｔ１、Ｔ２を、式▲１▼に代入して連立方程式を解くことにより算出できる。
【００２３】
また、前記第１および第２の半導体層の基板との格子定数差Δａ１／ａ、Δａ２／ａは、異なる２つの半導体単結晶についてＸ線回折測定により得られる前記多重量子井戸層の基板との平均格子定数差Δａ／ａと、前記成長時間Ｔ１、Ｔ２と前記成長速度ｖ１、ｖ２により求まる前記第１および第２の半導体層の層厚ｔ１（＝ｖ１Ｔ１）、ｔ２（＝ｖ２Ｔ２）を、式▲２▼に代入して連立方程式を解くことにより算出できる。
【００２４】
なお、市販のＸ線測定装置が備えた演算処理機能により、Ｘ線回折結果から前記多重量子井戸層の周期層厚および基板との格子定数差は容易に求めることができる。
【００２５】
これより、多重量子井戸層を構成する各半導体層の層厚および基板との格子定数差が設計通りになっているか調査できる。また、設計通りの層厚で各半導体層を形成するための成長時間に関する最適条件を容易に求めることができる。また、算出された基板との格子定数差が設計値と乖離していた場合には、原料元素の供給量を調整することにより組成を変更し、格子定数を調整すればよい。したがって、所望の構造（設計）をした多重量子井戸層を比較的容易に形成することができる。
【００２６】
なお、本発明の構造解析方法は、多重量子井戸層を形成するにあたり成長条件（例えば成長時間）を決定する際に利用することもできるし、半導体単結晶の生産工程における日常的な検査に利用することもできる。
【００２７】
また、多重量子井戸層を構成する半導体の種類は特に制限されず、一般的な半導体層が交互に積層されて構成された多重量子井戸層の構造解析に適用することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態として、多重量子井戸構造をした活性層有する半導体単結晶について、前記活性層の各半導体層の成長速度および格子定数を算出する方法について説明する。
【００２９】
図１は、本実施形態の構造解析に使用した半導体レーザ用の半導体単結晶の構造を示す概略図である。半導体単結晶１００は、ＩｎＰ基板１０上に、ＩｎＰバッファ層２０、ＩｎＧａＡｓＰクラッド層３０、多重量子井戸（ＭＱＷ）層４０、ＩｎＧａＡｓＰクラッド層５０、ＩｎＰコンタクト層６０が順次積層された構成となっている。この半導体単結晶１００は、例えば分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）等により作製することができる。
【００３０】
また、多重量子井戸層４０は、組成の異なる第１のＩｎＧａＡｓＰ層４１と、第２のＩｎＧａＡｓＰ層４２が交互に計１１層積み重なって構成されている。なお、第１のＩｎＧａＡｓＰ層４１およびＩｎＧａＡｓＰ層４２と、ＩｎＧａＡｓＰクラッド層２０、５０との組成も異なる。
【００３１】
ここで、図１に示した半導体単結晶１００の多重量子井戸層４０の設計値を表１に示す。表１より、第１のＩｎＧａＡｓＰ層４１は、層厚が１０ｎｍで、基板との格子定数差（Δａ１／ａ）が−０．３％、第２のＩｎＧａＡｓＰ層４２は、層厚が６ｎｍで、基板との格子定数差Δａ２／ａが＋１．０％と設計されている。ここで、格子定数に関しては、各層の格子定数を直接用いて表すこともできる。
【００３２】
【表１】
0003834748.tif 000004
【００３３】
従来のＸ線回折による解析方法では、各層毎に層厚および基板との格子定数差を算出することはできないので、作製された半導体単結晶１００の多重量子井戸層４０が設計通りに形成されているか検査することはできなかった。これに対して、本発明では、異なる成長時間で第１のＩｎＧａＡｓＰ層４１および第２のＩｎＧａＡｓＰ層４２を成長させた２つの半導体単結晶についてＸ線回折による構造解析を行うことにより、各半導体層毎に層厚および基板との格子定数差を算出可能としている。
【００３４】
以下に、表２に示す成長時間で多重量子井戸層４０の各半導体層４１、４２を成長させて２つの試料１、２を作製し、この試料１、２についてＸ線回折を行うことにより各半導体層４１、４２の層厚および基板との格子定数差を求める方法について説明する。
【００３５】
まず、設計による各半導体層の層厚（表１）とＩｎＧａＡｓＰの概ね成長速度（１０００ｎｍ／ｈｒ（０．２７８ｎｍ／ｓｅｃ））から試料１の各半導体層４１、４２の成長時間を決定した。そして、試料２の各半導体層４１、４２の成長時間は試料１のそれよりも６秒長くした。このように各半導体層４１、４２の成長時間のみを変えて、他の条件はすべて同一として図１に示す構造をした半導体単結晶の試料１、２を作製した。
【００３６】
【表２】
0003834748.tif 000005
【００３７】
次に、作製した試料１、２について、Ｘ線回折法により多重量子井戸層４０の周期層厚ｔおよび基板との平均格子定数差Δａ／ａを測定した。ここで、周期層厚ｔおよび基板との平均格子定数差Δａ／ａは、一般的なＸ線測定装置を用いてＸ線回折結果をソフトウェア処理することにより容易に算出することができる。
【００３８】
Ｘ線測定装置による演算結果を表３に示す。試料１については、周期層厚ｔが１５．１ｎｍ、基板との格子定数差Δａ／ａが０．０９２％であり、試料２については、周期層厚ｔが１８．１ｎｍ、基板との格子定数差Δａ／ａが０．１１７％であった。
【００３９】
【表３】
0003834748.tif 000006
【００４０】
第１のＩｎＧａＡｓＰ層４１の成長速度をｖ１、第２のＩｎＧａＡｓＰ層４２の成長速度をｖ２として、表３に示した周期層厚ｔの測定結果および成長時間を式▲１▼に代入すると、
【数３】
0003834748.tif 000007
が成り立つ。そして、▲３▼、▲４▼式よりｖ１は０．２９３ｎｍ／ｓｅｃ（＝１．０５４ｎｍ／ｈｒ）、ｖ２は０．２０７ｎｍ／ｓｅｃ（＝７４６ｎｍ／ｈｒ）となり、各半導体層４１、４２の実際の成長速度が求まる。これより、試料１、２の多重量子井戸層４０の各層４１、４２の層厚を求めると表４のようになる。表４から、試料１の第１のＩｎＧａＡｓＰ層４１は設計値よりも０．５４８ｎｍ厚く、第２のＩｎＧａＡｓＰ層４２は設計値よりも０．４４６ｎｍ薄く形成されていることが分かる。また、試料２の第１のＩｎＧａＡｓＰ層４１は設計値よりも２．３０６ｎｍ厚く、第２のＩｎＧａＡｓＰ層４２は設計値よりも０．２０４ｎｍ薄く形成されていることが分かる。
【００４１】
このように、試料１および試料２は、設計値の層厚よりも若干ずれているが、表５のように各半導体層の設計層厚と算出された成長速度から成長時間の最適値を算出することにより、理想の多重量子井戸層４０を形成することができる。すなわち、本実施形態の多重量子井戸層４０の場合、第１のＩｎＧａＡｓＰ層４１の成長時間を３４．１秒とし、第２のＩｎＧａＡｓＰ層４２の成長時間を２９．０秒とすることにより設計通りの層厚で各半導体層を形成することができる。
【００４２】
【表４】
0003834748.tif 000008
【００４３】
【表５】
0003834748.tif 000009
【００４４】
また、表３に示した基板との平均格子定数差Δａ／ａの測定結果、および各半導体層４１、４２の層厚を上記▲２▼式に代入すると
【数４】
0003834748.tif 000010
が成り立つ。そして、▲５▼、▲６▼式よりΔａ１／ａは−０．３１３％、Δａ２／ａは＋１．０２９％となり、各半導体層４１、４２の基板との格子定数差が求まる。
【００４５】
これより、本実施形態の多重量子井戸層４０の場合、第１のＩｎＧａＡｓＰ層４１および第２のＩｎＧａＡｓＰ層４２の格子定数は、ほぼ設計通りであると判断することができる。なお、算出された基板との格子定数差が設計値と乖離していた場合には、原料元素の供給量を調整することにより組成を変更し、各半導体層の格子定数を調整すればよい。
【００４６】
本実施形態で説明したようにして多重量子井戸層の構造解析を行えば、多重量子井戸層４０の各半導体層４１、４２が設計通りに形成されているか調査できるとともに、設計通りに形成するための成長時間に関する最適条件を求めることができるので、所望の構造をした多重量子井戸層を比較的容易に形成することができる。
【００４７】
以上本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではない。
【００４８】
例えば、上記実施形態ではわかりやすくするために、試料１と試料２において、第１のＩｎＧａＡｓＰ層４１の成長時間と第２のＩｎＧａＡｓＰ層４２の成長時間の両方とも異なるようにしたが、少なくともどちらか一方の成長時間が異なるようにすれば成長速度および基板との格子定数差を算出することができる。
【００４９】
また、多重量子井戸層を構成する半導体の種類はＩｎＧａＡｓＰに制限されず、一般的な半導体層が交互に積層されて構成された多重量子井戸層の構造解析に適用することができる。
【００５０】
また、本発明の構造解析方法は、多重量子井戸層を形成するにあたり成長条件を決定する際に利用することもできるし、半導体単結晶の生産工程における日常的な検査に利用することもできる。
【００５１】
【発明の効果】
本発明によれば、基板の組成と異なる組成を有する第１の半導体層と、基板の組成および前記第１の半導体層の組成と異なる組成を有する第２の半導体層とが、交互に積層されてなる多重量子井戸層を有する半導体単結晶において、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層の少なくとも一方の成長時間を変更して２以上の半導体単結晶を作製し、作製した２以上の半導体単結晶についてＸ線回折による測定を行い、前記Ｘ線回折の測定結果に基づいて、前記第１の半導体層および第２の半導体層の層厚に関する情報および格子定数に関する情報を算出するようにしたので、多重量子井戸層を構成する各半導体層の各層厚および各層の基板との格子定数差が設計通りになっているか調査できるとともに、設計通りの層厚で各半導体層を形成するための成長時間に関する最適条件を求めることができる。したがって、所望の構造（設計）をした多重量子井戸層を比較的容易に形成することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本実施形態の構造解析に使用した半導体レーザ用の半導体単結晶の構造を示す概略図である。
【符号の説明】
１００  半導体単結晶
１０  ＩｎＰ基板
２０  ＩｎＰバッファ層
３０  ＩｎＧａＡｓＰクラッド層
４０  多重量子井戸（ＭＱＷ）層
４１  第１のＩｎＧａＡｓＰ層
４２  第２のＩｎＧａＡｓＰ層
５０  ＩｎＧａＡｓＰクラッド層
６０  ＩｎＰコンタクト層６０
【図１】
0003834748.tif 000011