放射光第巻第号

()特集放射光利用の広がり

高分解能マイクロビーム X 線回折法による InGaAsP 選択成長層の評価―第 3 世代放射光の産業利用の例として―
木村滋
NEC 基礎研究所

Characterization of InGaAsP Selective-Growth Layers
Using High-Resolution Microbeam X-ray DiŠraction―As an Example of Industrial Application of 3rd Generation Synchrotron Radiation―
Shigeru KIMURA
Fundamental Research Laboratories, NEC Corporation

Abstract
We developed the high-resolution microbeam x-ray diŠraction method to deˆne optical devices for a typical example ofindustrial application of 3rd generation synchrotron radiation. Using the method, the lattice constants of quaternary alloy(InGaAsP) compound semiconductors selectively grown in microscopic regions measuring 1.7 mm in width were accurately measured. It is now possible to deˆne the composition of the selectively grown InGaAsP layers with roughly 100
times more accuracy compared with the traditional technologies.

.

はじめにとにより，同一成長条件でも，選択成長層の膜厚，結晶組波長1.3～1.6 mm で発振する半導体レーザは，現代社会成を変化させることが可能であることと，（100)面と(111)において必要不可欠な半導体素子の一つとなっている。何B 面に囲まれた理想的な光導波路がエッチングを行うこと故ならば，この半導体レーザは光通信において光信号を発なく自動的に形成できることである（ Fig. 2 ）。この長所生させる光源であり，これなしでは社会インフラが成り立を活かすと，これまで選択エッチングと再成長を繰り返したないといっても過言ではない。音声電話に始まり，各種て作製していた光集積素子を選択成長マスク形成と 1 回

データ通信ネットワークも今や光通信なしでは存在できなの MOVPE 成長で実現可能になる。それにより，比較的い。また，近年世界中で爆発的に拡大しつづけているイン

安価に各種の光集積素子3,4)や高性能レーザーダイオード5)

ターネットは，急激なペースで通信容量の拡大を要求し続等を作製できる可能性が大きいことが示された。
このような特長を持つ狭幅選択 MOVPE 法により素子けている。この要求に対し基幹回線網では，波長分割多重（wavelength division multiplexing: WDM）による高速化を作製する場合，狭い領域の InGaAsP 選択成長層の膜が急速に進展してきており，すでにサブ T / s のスループ厚，結晶組成（バンドギャップ，格子歪量）をデバイス設ットに達しつつある。一方，加入者系に対しても，各加入計通りに制御して，その結晶性を良好なものにすることが者端までの配線を既存の銅配線から光ファイバーへ置き換

非常 に重要と なる。その ためには，選 択成長にお いてえるファイバートゥーザホーム（ˆber-to-the-home:

SiO2 マスク幅によって変化する InGaAsP 組成を定量的にFTTH）が急速に立ち上がっている。このように加入者端把握することが必須である。基板全面にエピタキシャル成にまで光通信網を張り巡らせるためには，いかに低コスト長された InGaAsP 層の場合には，フォトルミネッセンスでネットワークを構築できるかが大きな課題であり，光通（ Photo-Luminescence: PL ）と高分解能 X 線回折（ High-信用の半導体レーザに対しても低コスト化の要求が大きく

Resolution X-Ray DiŠraction: HRXRD）法により，バンなっている。このような高機能高性能化と低コスト化をドギャップと格子歪量を求め，それらから組成を決定する

両 立 する 1 つの 解 と し て ， InGaAsP 系 材 料 の狭 幅 選 択ことが定常的に行われている。しかし，選択成長層に対しMOVPE (Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy) 法を用いては，これまでは顕微フォトルミネッセンス（ m-PL ）にた素子作成方法が注目されている。狭幅選択 MOVPE 法よるバンドギャップの測定しかできておらず，正確に組成とは， InP ( 100 )基板上の[ 011 ]方向に成膜された一対のを判断するのは困難な状況であった。その理由は，マイク

SiO2 ストライプマスクに挟まれた 2 mm 以下の狭い領域にロメーターオーダーの領域で HRXRD 法を行えなかった

選択的に MOVPE 成長する方法である（Fig. 1)1,2)。このためである。

方法の長所は， SiO2 ストライプマスク幅を変化させるこ

最近，米国にある第三世代放射光施設 APS(Adovan-8501 つくば市御幸が丘34番地
NEC 基礎研究所 〒305
TEL: 0298
50
1144 FAX: 0298
56
6137 E-mail: s-kimura＠bl.jp.nec.com――(C) 2002 The Japanese Society for Synchrotron Radiation Research放射光

Figure 1.

第巻第号()

Schematic ˆgure of narrow-stripe selective-MOVPE growth.

Figure 3.

Figure 2. A cross-sectional SEM photograph of selectively grown
InP/InGaAsP layers.

An optical micrograph of the sample structure.

ced Photon Source) の Cai らが高輝度放射光を利用して，ピークを明瞭に捕えることができ，格子歪量の定量的測定

小さなピンホールやフレネルゾーンプレートと呼ばれに 成 功 し た8 ) 。 こ れ に よ り ， こ れ ま で 不 可 能 で あ っ た

る集光素子で形成したマイクロメーターオーダーの X 線

InxGa1－xAsyP1－y の In 組成（ x ）と As 組成（ y ）を一義的ビームを使い選択成長 InGaAsP 多重量子井戸構造の超格に決定することが可能になり，マスク幅によって変化しな子衛星反射が測定できることを示した6)。しかし，上記のいと思われていた As の組成が変化することが明らかにな

X 線マイクロビームは 10－4 ラジアン程度の角度広がりをった。

持つため，超格子の衛星反射のように基板ピークから離れ

本 報では ，第 三 世代放 射光 の産 業利 用の 例と して ，た位置に現れる反射を測定する場合には有効であるが，基InGaAsP 選択成長層の歪測定技術を紹介し，得られた結板ピークの極めて近い位置に現れる歪の小さい選択成長層果が半導体光デバイス製品の特性向上に直接貢献できたこからの回折ピークを測定するのには使い難いものであった。
そこで，我々は，マイクロメーターオーダーの領域でHRXRD 法を実現するために， SPring-8 の兵庫県ビームとを示す。
.

実験

. 試料ライン（ BL24XU ）において，シリコンの非対称反射を今回測定した試料は，n 型 InP(100)基板上[011]方向に利用した角度広がり，および，エネルギー広がりの小さい一 対 の SiO2 ス ト ラ イ プ マ ス ク （ マ ス ク 幅 Wm ＝ 4 ～ 40

X 線マイクロビームによる HRXRD 法を開発してきた。

mm ，開口幅 Wo ＝ 1.7 mm ）が形成されたパターン基板をこれまでに，エネルギー15 keV の硬 X 線で，試料位置で用いて選択成長した InGaAsP 層である。基板上のストラのビームサイズ7.1 mm（水平方向)×4.8 mm（垂直方向），イプマスクが形成されていない領域に常圧 MOVPE 法に発散 角 7.7 mrad ，エ ネ ル ギ ー幅 66 meV の X 線 マ イク ロ

より InGaAsP 層と InP キャップ層を選択成長した（Fig.

ビームを作製することに成功し，Dd /d ～10－6 の微小な歪3）。族ソースにはトリメチルインジュウム（TMIn）とを局所的に測定できることを示した7)。このマイクロビー

トリメチルガリウム（TMGa）を，族ソースにはアルシ

ムは HRXRD 測定に十分な性能を持っているため，我々ン（ AsH3 ）とフォスフィン（ PH3）を使用した。非選択は InP 基板上の幅 1.7 mm の狭いストライプ領域に選択成成長領域（ W m ＝ 0 mm ）に形成された InxGa1－xAsyP1－y の長された InGaAsP の HRXRD 測定を行った。その結果，組成は， x ＝ 0.56, y ＝ 0.61 であった。また，非選択成長領

ビームサイズは選択成長領域の幅より大きいものの，両端域での InGaAsP 層と InP キャップ層の厚さは，両方ともに SiO2 マスクが存在するので選択成長層のみからの回折約20 nm であった。

――

放射光第巻第号

()Figure 5. A measured InP 400 peak proˆle at the non-selective
growth region (Wm ＝0 mm) of the sample.
Figure 4.

The experimental arrangement setup at BL24XU.

X 線を入射させる方法は，以下 6 段階の手順で行なっ
. 実験方法

た。まず， 1 )試料を取り付けるゴニオヘッドに円錐形の今回の実験で使用した X 線光学系の配置図を Fig. 4 にピンを取りつけ， 2 )そのピンの先がマイクロビームの中示す。実験は SPring-8 BL24XU の C ハッチで行なった。

心にくるように透過光強度をモニターしながら調整する。

このビームラインは 8 の字アンジュレータからの高輝度

その後， 3 )焦点距離 300 mm で約 200 倍の拡大像が得られX 線が利用できるビームラインである9) 。今回の実験でる望遠レンズを取り付けた CCD カメラ 2 台で 2 方向からは，アンジュレータ光から垂直軸型 Si 111 二結晶分光器

ピンの先端を観察し， 4 )モニター画面上に記録する。さにより 1.5 次光である 15 keV の X 線を取り出して利用しらに， 5 )ピンを外して，試料をゴニオヘッドに取り付た。その X 線をソースポイントから65 m の位置に設置さけ，最後に， 6 )目的とする微小領域が 2 台のモニター上れた 4 象限スリットで， 100 mm （水平)× 50 mm （垂直）のビームを記録した位置にくるように調整する。ロッキンに整形した後，水平方向と垂直方向にそれぞれ 2 回ずつ

ステッ
グ曲線の測定は，InP 400 回折ピーク周りを 0.004 °FZSi(100)の511非対称反射を行なうことにより，ビームプで微小回転させながらシンチレーション検出器により回サイズの圧縮を行なった。非対称反射によるビームの圧縮折強度を計測することにより行った。計測時間は 1 点 10は，非対称因子 b ＝sin (uB＋a)/sin (uB＋a) の逆数倍にな秒で行った。また，この測定に先立って，正確な InP 400る。ここで， uB はブラッグ角， a は表面と回折面とのなのピーク角度位置と半値幅を求めるために，非選択成長領， a ＝ 15.79 °である
す角であり，今回の場合， uB ＝ 23.29 °ステップで測定域において InP 400 基板ピークを 0.0002 °ため， b ＝4.83となり，ビーム幅は水平方向，垂直方向とした。この時，シンチレーション検出器の数え落としを防もに 1 /b2＝1 /23.3＝0.043倍に圧縮される。ビームに発散ぐために検出器の前に 1 mm 厚の Al 吸収板を設置して測角がなければ100×50 mm2 のビームを圧縮しているので，定した。

4.3×2.2 mm2 のビームが得られることになるが，実際には.

結果と考察

511 非対称反射のビーム発散によって 4 5 mm ビームサイ

Figure 5 に非選択成長領域で測定した InP 400 のロッズは大きくなる。試料位置でのビームサイズを測定するたキング曲線を示す。この曲線の半値幅は 21.7 mrad であっ

めに，試料位置でナイフエッジを水平方向，及び垂直方向た。この値は，理想的な InP 400 の半値幅 18.8 mrad と非にステップ幅 1 mm で移動させ透過 X 線強度を測定した。

常に近く，本測定光学系が HRXRD 測定に有効であるこ

その結果，試料に入射する X 線のビームサイズの実測値とを証明している。 Figure 6 には狭幅選択成長層と非選は7.3 mm （水平方向)×6.4 mm （垂直方向）であった。ま

択成 長領域で 測定した一 連のロッキン グ曲線を示 す。

た，光学系の幾何学配置を考慮して見積もられたビームのFigure 6 で，横軸は，Dq/q＝Du cot uB でプロットしてい角度発散は，水平方向で 7.7 mrad ，垂直方向で 5.3 mrad でる 。 こ こ で ， Du は InGaAsP 層 ピ ー ク 位 置 と InP 基 板あり，エネルギー幅は66 meV である。なお，ビームフラピーク位置との差（単位はラジアン），uB は InP 基板のブックスはこの非対称反射光学系により約1/15000に減少しラッグ角である。W m＝30 mm を除くすべての曲線で，Dqたが，HRXRD 測定には充分な量であった。

/ q ＝ 0 に見られる InP 基板ピークの他に InGaAsP 選択成

このマイクロビームを入射 X 線として，サブミクロン長層のピークが測定できていることが分かる。選択成長層の精度で試料の位置決めができる XYZ 移動ステージを備からのピークは，W m が増加するにつれて，強度が増加すえた垂直軸型高精度 2 軸回折計により HRXRD 測定を行るとともに高角側から低角側にシフトしている。狭幅選択った。試料は，［011 ]方向が水平線と平行になるようにセ成長の成長速度増加現象と組成変動現象を反映している。

ットした。試料中の目的とする微小領域にマイクロビーム

これらの現象は Fig. 7 に示すように，新たに 2 つの原料――

放射光第巻第号()

供給経路，「SiO2 マスク上からの表面マイグレーション」ることが分かる。 InGaAsP の格子定数はベガード則に良と「横方向気相拡散」，が狭幅選択成長では加わることにく従うことが知られており，InP, InAs, GaP, GaAs の格子より起こると考えられている10)。

定数を使い次の式で表される12)。

Dq/q＝－Dd/d であることは，ブラッグの法則から導け

a0＝0.4174x＋0.2021y－0.0123xy＋5.4512

るため，基板表面に垂直な方向の InGaAsP 選択成長層の歪は Fig. 6 のピーク位置から直接求めることができる。

(2 )（2)式から，In 組成（x），もしくは，As 組成（y）が増加

Figure 8 には，マスク幅に対してプロットした基板表面

すると InGaAsP の格子定数が大きくなることが分かる。に垂直方向の歪を示す。今回測定した InGaAsP 選択成長

したがって，狭幅選択成長ではマスク幅の変化に伴い，層は InP 基板にエピタキシャル成長しているため，ポアIn ，もしくは，As が選択成長層に取り込まれ易くなるこッソン変形が起こっている。 InGaAsP 層が完全にエピタとを示している。また，（2)式から，InGaAsP のような 4キシャル成長している（ミスフィット転位の発生がない）

元混晶では，格子定数の測定のみからでは組成を決定でき場合，歪のない立方晶の InGaAsP の格子定数 a0 を求めるないことも分かる。

Figure 9 に m-PL により測定された PL ピーク波長を示ためには，以下の式により求めることができる11)。

す。この PL 波長データと Fig. 8 の格子定数のデータか(a －a a )＝(C ＋C 2C )(Ddd),
0InP

InP

1111(1)

12

ら ， InGaAsP 組成を 一義的 に導出で きる。 その結 果をFig. 10に示す。が族（In ）組成を，が族（As ）ここで， aInP は InP 基板の格子定数で 5.8686 Å である。

組成を表している。この結果，これまでオージェ電子分光

また， Ci j は InGaAsP の弾性定数であるが， C11 /( C11 ＋法による測定で観測されず変化しないとされていた族組

2C12 )＝ 0.502 を使用した。この値は， InP,GaP,成がマスク幅の増加とともに変化していることが初めて観GaAs の弾性定数を使い In0.5Ga0.5As0.5P0.5 に対して内挿しInAs,測された。さらに，As 組成 y は単調に増加するのではな

たものである12) 。（ 1 )式により計算した a

0 も同時に Fig.

く，狭いマスク幅領域（ W m ＜ 10 mm ）では逆に減少する

8 の右縦軸に示している。a0 に注目すると，マスク幅の増領域が見られる。このことは，族組成の変動要因に複数加に伴い，増加しながら飽和値に近づくように変化していのメカニズムがあり，しかもそれらが As 原料と P 原料で

Figure 7. Schematic drawing of the narrow-stripe selectiveMOVPE growth mechanism.

Figure 6. A series of the rocking curves from the narrow-stripe
selective MOVPE grown regions and the non-selective growth regionof the sample. The log of the diŠraction intensity was plotted against
Dq/q.

Figure 8. Mask width dependence of the perpendicular strain Dd/
d and the unstrained lattice parameter a0 for narrow-stripe selective
MOVPE grown InGaAsP layers.

――

放射光

第巻第号

()光通信ネットワーク用光集積素子の製品開発に活かされている。
最後に，放射光の産業利用に関する筆者の感想を述べさせていただきたい。現状で放射光の産業利用を考えるとき，時間がかかり過ぎることが最大のネックであろう。企業とすれば，問題が解決できるのであれば手段は何でも良く，測定するまでに時間のかかる放射光利用はどうしても敬遠されがちである。産業利用を活性化するためには，スピーディに対応ができるような新しい仕組み作りが必要であろう。他方，放射光以外ではできない手法により産業応用上重要な知見が得られることを数多く示し，少々時間がFigure 9. Mask width dependence of photoluminescence peakwavelength for narrow-stripe selective MOVPE grown InGaAsP layers.

かかっても放射光を利用することは有効だと企業に認知させることも重要であると考える。企業の研究所で 10 年以
上も放射光研究に携わっている者として，これからも放射光の特長を活かしたユニークな測定法を開発し，製品開発に有効であることを示していくことにより，少しでも産業利用の活性化に貢献していきたいと思っている。
謝辞
本報で紹介した研究は， NEC 基礎研の木村英和氏，小林憲司氏，泉弘一氏，および，姫路工業大学の松井純爾教授をはじめとする X 線光学講座の皆様との共同研究であり， SPring-8 兵庫県ビームラインで行われたものである（課題 No. C99B24XU 545N ）。研究遂行に関してお世話になった方々に感謝致します。

Figure 10. Mask width dependence of the composition change fornarrow-stripe selective MOVPE grown InGaAsP layers.

参考文献
1)
2)

各々逆方向の効果をもたらしている可能性があると考えられる結果である。
.

3)
4)

まとめ

SPring-8 兵庫県ビームラインを利用した高分解能マイクロビーム X 線回 折法により ，狭幅選択 MOVPE 法で

5)

InP 基板上の幅 1.7 mm の狭いストライプ領域に選択成長された InGaAsP 層からの回折ピークを測定することに成6)功した。その結果，選択成長された InGaAsP 層の格子歪量，および，格子定数を定量することが可能になった。

InGaAsP のような 4 元混晶の組成を同定するためには，

7)

バンドギャップと格子歪量の両方を測定する必要がある
が，これまでは m-PL によるバンドギャップの測定しかで

8)

き て い な かっ た 。 今 回 ， SPring-8 を 利用 し た マ イ ク ロ
ビーム X 線回折により初めて，格子歪量の定量に成功した。この結果， InxGa1－xAsyP1－y の In 組成（ x ）と As 組成（y ）を一義的に決定することが可能になり，これまでマスク幅によって変化しないと仮定されていた As の組成が変化することも明らかになった。これらの結果をデバイス作製にフィードバックすることにより，結晶組成と格子9)10)11)12)定数をデバイス設計通りに制御することが可能になり，素子の発光特性が約 40 も向上した。この結果は， WDM――T. Sasaki, M. Kitamura and I. Mito: J. Cryst. Growth 132,435 (1993).
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