JP2009231602A

JP2009231602A - 半導体光素子を作製する方法

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Publication number: JP2009231602A
Application number: JP2008076331A
Authority: JP
Inventors: Takashi Ishizuka; 貴司石塚
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2008-03-24
Filing date: 2008-03-24
Publication date: 2009-10-08

Abstract

【課題】結晶性を向上させることができる半導体光素子を作製する方法を提供する。
【解決手段】本発明は半導体光素子を作製する方法であって、III族としてGa、Ｖ族としてAsを含む第１のIII−Ｖ化合物半導体層をMOVPE法で成長する第１の工程と、III族としてGa及びIn、Ｖ族としてAs及びNを含む第２のIII−Ｖ化合物半導体層をMOVPE法で成長する第２の工程と、III族としてGa、Ｖ族としてAsを含む第３のIII−Ｖ化合物半導体層をMOVPE法で成長する第３の工程と、第１〜第３のIII−Ｖ化合物半導体層を成長した後に、当該成長した第１〜第３のIII−Ｖ化合物半導体層に対して熱アニールを行う第４の工程と、熱アニールを行った後に、２度／秒以下の速度で、当該熱アニール後の第１〜第３のIII−Ｖ化合物半導体層の温度を低下させる第５の工程と、を備えることを特徴とする。
【選択図】図１０

Description

本発明は、半導体光素子を作製する方法に関する。

非特許文献１には、分子線エピタキシー成長（MBE）法で、GaInNAs結晶を成長する方法が記載されている。非特許文献１において、GaInNAs結晶成長時の窒素原料としては、Ｎラジカルが用いられる。

非特許文献２には、有機金属気相成長（MOVPE）法で、GaInNAs結晶を成長する方法が記載されている。非特許文献２において、GaInNAs結晶成長時の窒素原料としては、ジメチルヒドラジン（UDMHy:1,1-dimethylhydrazine）が用いられる。

特許文献１には、GaInNAs結晶成長において、良好な結晶特性を得るための熱処理方法が記載されている。
Jpn. J. Appl. Phys. (1996) 35, pp.1273-1275 Jpn. J. Appl. Phys. (1997) 36, pp.2671-2675 特開2002-319548号公報

Ga_0.66In_0.34N_0.01As_0.99活性層を有する半導体光素子（例えば、レーザダイオード）の開発が行われている。この組成のGaInNAs結晶は、波長1.3マイクロメートル帯で発光可能である。しかしながら、良好なレーザ特性を実現するGaInNAs結晶を得ることは容易ではない。また、十分な発光強度を得ることも容易でなく、レーザダイオードの発振閾値電流密度が高かったり、長期信頼性に関しても、レーザダイオードの十分な寿命が得られない場合が多い。これらの要因の一つとして、GaInNAsとしての窒素の混晶化の難しさが挙げられる。

半導体光素子の結晶性を向上させるために、GaInNAs層を成長した後に熱処理（熱アニール）を行うことが行われている。しかしながら、当該熱処理後においても半導体光素子の結晶性は製品に適用可能な程度までには及ばず、結晶性に関して更なる向上が望まれていた。例えば、特許文献１は、熱アニールを行う際における処理温度の範囲や温度変化の条件等について開示しているが、本発明者がそれらの条件等を実験で確認した結果、製品化できるほどの特性向上は得られなかった。

そこで、本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、半導体光素子の結晶性を向上可能な、半導体光素子を作製する方法を提供することを目的とする。

本発明の一側面は、半導体光素子を作製する方法である。この方法は、III族としてガリウムを含むと共にＶ族としてヒ素を含む第１のIII−Ｖ化合物半導体層を有機金属気相成長法で成長する第１の工程と、III族としてガリウム及びインジウムを含むと共にＶ族としてヒ素及び窒素を含む第２のIII−Ｖ化合物半導体層を有機金属気相成長法で成長する第２の工程と、III族としてガリウムを含むと共にＶ族としてヒ素を含む第３のIII−Ｖ化合物半導体層を有機金属気相成長法で成長する第３の工程と、第１〜第３のIII−Ｖ化合物半導体層を成長した後に、当該成長した第１〜第３のIII−Ｖ化合物半導体層に対して熱アニールを行う第４の工程と、熱アニールを行った後に、２度／秒以下の速度で、当該熱アニール後の第１〜第３のIII−Ｖ化合物半導体層の温度を低下させる第５の工程と、を備えることを特徴とする。

この方法によれば、熱アニールを行った後に、２度／秒以下の低速で、当該熱アニール後の第１〜第３のIII−Ｖ化合物半導体層の温度を低下させることにより、半導体光素子の結晶性を向上することができる。

本発明に係る方法では、第５の工程では、熱アニールを行った後に、０．５度／秒以下の速度で、当該熱アニール後の第１〜第３のIII−Ｖ化合物半導体層の温度を低下させることが好ましい。この方法によれば、０．５度／秒以下の低速で、当該熱アニール後の第１〜第３のIII−Ｖ化合物半導体層の温度を低下させることにより、半導体光素子の結晶性を更に向上することができる。

本発明に係る方法では、第２のIII−Ｖ化合物半導体層は、GaInNAs、GaInNAsP、GaInNAsSbのいずれかからなることができる。この方法は、上記のIII−Ｖ化合物半導体層の成長に好適である。

本発明に係る方法では、第１及び第３のIII−Ｖ化合物半導体層は、GaAsおよびGaNAsのいずれかからなることができる。この方法は、上記の第２のIII−Ｖ化合物半導体層と共に用いられる上記の第１及び第３のIII−Ｖ化合物半導体層の成長に好適である。

本発明に係る方法では、第２のIII−Ｖ化合物半導体層は、量子井戸構造における井戸層であっても良い。この発明によれば、第２のIII−Ｖ化合物半導体層を用いて、結晶性が向上された単一量子井戸構造または多重量子井戸構造における活性層を作製できる。

本発明に係る方法では、第１及び第３のIII−Ｖ化合物半導体層は、量子井戸構造における障壁層または光閉じ込め層であっても良い。この発明によれば、第２のIII−Ｖ化合物半導体層と、これと組み合わせて用いられる第１及び第３のIII−Ｖ化合物半導体層とを用いて、結晶性が向上された多重量子井戸構造を実現できる。

本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。

以上説明したように、本発明によれば、半導体光素子の結晶性を向上可能な、半導体光素子を作製する方法が提供される。

本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の半導体光素子を作製する方法に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。

［単一量子井戸構造の半導体光素子を作製する方法］
まず、本発明の実施の形態に係る単一量子井戸構造（SQW）の半導体光素子を作製する方法について説明する。図１〜図４は、この方法の主要な工程を示す図面である。この方法により作製される半導体光素子はIII−Ｖ化合物半導体からなり、III−Ｖ化合物半導体の結晶成長は有機金属気相成長法を用いて行われる。また、この半導体光素子は、III族としてガリウムを含むと共にＶ族としてヒ素を含むIII−Ｖ化合物半導体層（第１および第３のIII−Ｖ化合物半導体層）、およびIII族としてガリウム及びインジウムを含むと共にＶ族としてヒ素及び窒素を含むIII−Ｖ化合物半導体層（第２のIII−Ｖ化合物半導体層）を含む。第２のIII−Ｖ化合物半導体層は半導体光素子の単一量子井戸構造における井戸層であり、第１及び第３のIII−Ｖ化合物半導体層は光閉じ込め層である。引き続く説明では、半導体光素子の一例として端面発光型レーザダイオードを作製する方法を説明する。

成長炉１１１に半導体基板１１３をセットする。ガリウム原料、インジウム原料、アルミニウム原料、窒素原料、燐原料およびヒ素原料として、それぞれ、例えば、トリエチルガリウム（TEGa）、トリメチルインジウム（TMIn）、トリメチルアルミニウム（TMAl）、ジメチルヒドラジン（DMHy）、ターシャリブチルホスフィン（TBP）およびターシャリブチルアルシン（TBAs）を使用することができる。

半導体基板１１３は、第１導電型III−Ｖ化合物半導体からなり、例えばSiドープのｎ型GaAs基板である。図１（ａ）に示されるように、半導体基板１１３の主面１１３ａ上に、バッファ層１１５、クラッド層１１７および光閉じ込め層１１９を形成する。バッファ層１１５およびクラッド層１１７は第１導電型III−Ｖ化合物半導体からなり、また光閉じ込め層１１９はIII族としてガリウムを含むと共にＶ族としてヒ素を含むIII−Ｖ化合物半導体からなる。一例のｎ型GaAs基板上には、ｎ型GaAsバッファ層、ｎ型AlGaAsクラッド層、およびアンドープGaAs光閉じ込め層を順に成長する。GaAsバッファ層の成長温度は例えば摂氏５５０度であり、AlGaAsクラッド層の成長温度は例えば摂氏６５０度であり、GaAs光閉じ込め層の成長温度は例えば摂氏５５０度である。光閉じ込め層１１９の材料は、GaAsに限定されることなく、GaNAs、GaAsPのいずれかから成ることができる。

次いで、図１（ｂ）に示されるように、活性層のための井戸層１２１を成長温度Ｔ１１で光閉じ込め層１１９上に形成する。井戸層１２１は、III族としてガリウム及びインジウムを含むと共にＶ族としてヒ素及び窒素を含むIII−Ｖ化合物半導体からなる。井戸層１２１は、例えばアンドープのGaInNAs層からなることができ、成長温度Ｔ１１は例えば摂氏４９０度以上であり、また摂氏５４０度以下である。

引き続く工程では、活性層のための井戸層１２１を成長した後に、図２（ａ）に示されるように、光閉じ込め層１２３を井戸層１２１上に成長温度Ｔ１２で形成する。光閉じ込め層１２３はIII族としてガリウムを含むと共にＶ族としてヒ素を含むIII−Ｖ化合物半導体からなる。一例の光閉じ込め層１２３は、例えばアンドープGaAsであることができ、成長温度Ｔ１２は例えば摂氏４９０度以上であり、また摂氏５５０度以下である。光閉じ込め層１２３の材料は、GaAsに限定されることなく、GaNAs、GaAsPのいずれかから成ることができる。

次いで、図２（ｂ）に示されるように、第２導電型III−Ｖ化合物半導体からなるクラッド層１２５を光閉じ込め層１２３上に成長温度Ｔ１３で形成する。一例のクラッド層１２５は、例えばｐ型AlGaAsであることができ、成長温度Ｔ１３は例えば摂氏５５０度以上であり、また摂氏６５０度以下である。

次いで、図３（ａ）に示されるように、第２導電型III−Ｖ化合物半導体からなるコンタクト層１２７をクラッド層１２５上に成長温度Ｔ１４で形成する。一例のコンタクト層１２７は、例えばｐ型GaAsであることができ、成長温度Ｔ１４は例えば摂氏５００度以上であり、また摂氏５５０度以下である。これらの工程により、エピタキシャル基板Ｅ１１が形成された。

次いで、図３（ｂ）に示されるように、成長炉１１１を用いてエピタキシャル基板Ｅ１１のアニール１２９を温度Ｔ１５で行う。アニール温度Ｔ１５は例えば摂氏５５０度以上であり、また摂氏７５０度以下である。アニール１２９は、例えばターシャリブチルアルシン（TBAs）等の雰囲気で行われる。この熱処理により、エピタキシャル基板Ｅ１２が形成された。

アニール１２９を行った後には、２度／秒以下の速度で、当該熱アニール１２９後のエピタキシャル基板Ｅ１２の温度を低下させる。好ましくは、０．５度／秒以下の速度で、当該熱アニール１２９後のエピタキシャル基板Ｅ１２の温度を低下させる。

この後に、図４（ａ）に示されるように、温度低下後のエピタキシャル基板Ｅ１２のコンタクト層１２７上に絶縁膜１３１をCVD成膜装置１３３を用いて形成すると共に、該絶縁膜１３１に開口を形成して保護層１３１ａを形成する。絶縁膜１３１の開口は、フォトリソグラフィにより形成される。

次いで、図４（ｂ）に示されるように、電極１３５、１３７をエピタキシャル基板上に形成する。一例では、電極１３５、１３７のうちのｐ電極をコンタクト層１２７上に形成すると共に、電極１３５、１３７のうちのｎ電極を基板２１３の裏面１１３ｂ上に形成する。

電極を形成した後に、ウエハの壁開によって半導体レーザを作製した。この半導体レーザの共振器長は、例えば６００μｍである。これらの工程により作製された半導体レーザの一例は、
半導体基板１１３：Siドープｎ型GaAs
バッファ層１１５：Siドープｎ型GaAs、厚さ２００ｎｍ
クラッド層１１７：Siドープｎ型AlGaAs、厚さ１．５μｍ
光閉じ込め層１１９：アンドープGaAs、厚さ１４０ｎｍ
井戸層１２１：アンドープのGaInNAs、厚さ７ｎｍ
光閉じ込め層１２３：アンドープGaAs、厚さ１４０ｎｍ
クラッド層１２５：Ｚｎドープｐ型AlGaAs、厚さ１．５μｍ
コンタクト層１２７：Ｚｎドープｐ型GaAs、厚さ２００ｎｍ
絶縁膜１３１：シリコン酸化物、厚さ１００ｎｍ
である。

活性層は、単一量子井戸構造を有しており、例えば、光閉じ込め層１１９、井戸層１２１、光閉じ込め層１２３からなることができる。この井戸層の成長で、有機金属原料のTEGa、TMIn、DMHy、TBAsの流量は、それぞれ、５×１０^−５mol／分、２×１０^−５mol／分、３×１０^−２mol／分、３×１０^−４mol／分であった。この成長で、同じＶ族原子となる、DMHyとTBAsの供給モル数比は
［DMHy］：［TBAs］＝１００：１
であった。また、Ｉｎ組成およびＮ組成は、それぞれ、約３４％および約１％であって、レーザ発光波長は１．２９μｍであった。

［多重量子井戸構造の半導体光素子を作製する方法］
引き続き、本発明の実施の形態に係る多重量子井戸構造（MQW）の半導体光素子を作製する方法について説明する。図５〜図９は、この方法の主要な工程を示す図面である。この方法により作製される半導体光素子はIII−Ｖ化合物半導体からなり、III−Ｖ化合物半導体の結晶成長は有機金属気相成長法を用いて行われる。また、この半導体光素子は、III族としてガリウムを含むと共にＶ族としてヒ素を含むIII−Ｖ化合物半導体層（第１および第３のIII−Ｖ化合物半導体層）、およびIII族としてガリウム及びインジウムを含むと共にＶ族としてヒ素及び窒素を含むIII−Ｖ化合物半導体層（第２のIII−Ｖ化合物半導体層）を含む。第２のIII−Ｖ化合物半導体層は半導体光素子の多重量子井戸構造における井戸層であり、第１及び第３のIII−Ｖ化合物半導体層は障壁層または光閉じ込め層である。引き続く説明では、半導体光素子の一例として端面発光型レーザダイオードを作製する方法を説明する。

成長炉２１１に半導体基板２１３をセットする。ガリウム原料、インジウム原料、アルミニウム原料、窒素原料、燐原料およびヒ素原料として、それぞれ、例えば、トリエチルガリウム（TEGa）、トリメチルインジウム（TMIn）、トリメチルアルミニウム（TMAl）、ジメチルヒドラジン（DMHy）、ターシャリブチルホスフィン（TBP）およびターシャリブチルアルシン（TBAs）を使用することができる。

半導体基板２１３は、第１導電型III−Ｖ化合物半導体からなり、例えばSiドープのｎ型GaAs基板である。図５（ａ）に示されるように、半導体基板２１３の主面２１３ａ上に、バッファ層２１５、クラッド層２１７および光閉じ込め層２１９を形成する。バッファ層２１５およびクラッド層２１７は第１導電型III−Ｖ化合物半導体からなり、また光閉じ込め層２１９はIII族としてガリウムを含むと共にＶ族としてヒ素を含むIII−Ｖ化合物半導体からなる。一例のｎ型GaAs基板上には、ｎ型GaAsバッファ層、ｎ型AlGaAsクラッド層、およびアンドープGaAs光閉じ込め層を順に成長する。GaAsバッファ層の成長温度は例えば摂氏５５０度であり、AlGaAsクラッド層の成長温度は例えば摂氏６５０度であり、GaAs光閉じ込め層の成長温度は例えば摂氏５５０度である。光閉じ込め層２１９の材料は、GaAsに限定されることなく、GaNAs、GaAsPのいずれかから成ることができる。

次いで、図５（ｂ）に示されるように、活性層のための井戸層２２１ａを成長温度Ｔ２１で光閉じ込め層２１９上に形成する。井戸層２２１ａは、III族としてガリウム及びインジウムを含むと共にＶ族としてヒ素及び窒素を含むIII−Ｖ化合物半導体からなる。井戸層２２１ａは、例えばアンドープのGaInNAs層からなることができ、成長温度Ｔ２１は例えば摂氏４９０度以上であり、また摂氏５４０度以下である。

引き続く工程では、活性層のための井戸層２２１ａを成長した後に、当該半導体光素子のための残りの複数のIII−Ｖ化合物半導体層をそれぞれの成長温度において成長して、エピタキシャル基板を形成する。井戸層２２１ａの形成の後に、図６（ａ）に示されるように、井戸層２２１ａ上に障壁層２２３を成長温度Ｔ２２で形成する。障壁層２２３はIII族としてガリウムを含むと共にＶ族としてヒ素を含むIII−Ｖ化合物半導体からなる。障壁層２２３は、例えばアンドープのGaAs層からなることができ、成長温度Ｔ２２は例えば摂氏４９０度以上であり、また摂氏５４０度以下である。必要な場合には、障壁層２２３に所望のドーパントが添加される。障壁層２２３の材料は、GaAsに限定されることなく、GaNAs、GaAsPのいずれかから成ることができる。

次いで、図６（ｂ）に示されるように、井戸層２２１ａと同様に井戸層２２１ｂを障壁層２２３上に成長温度Ｔ２１で形成する。井戸層２２１ｂは、井戸層２２１ａと同じく例えばアンドープのGaInNAs層からなることができる。井戸層２２１ａ、２１ｂの材料は、GaInNAsに限定されることなく、GaInNAsP、GaInNAsSbのいずれかから成ることができる。

次いで、図７（ａ）に示されるように、光閉じ込め層２２５を井戸層２２１ｂ上に成長温度Ｔ２３で形成する。光閉じ込め層２２５はIII族としてガリウムを含むと共にＶ族としてヒ素を含むIII−Ｖ化合物半導体からなる。一例の光閉じ込め層２２５は、例えばアンドープGaAsであることができ、成長温度Ｔ２３は例えば摂氏４９０度以上であり、また摂氏５５０度以下である。光閉じ込め層２２５の材料は、GaAsに限定されることなく、GaNAs、GaAsPのいずれかから成ることができる。

次いで、図７（ｂ）に示されるように、第２導電型III−Ｖ化合物半導体からなるクラッド層２２７を光閉じ込め層２２５上に成長温度Ｔ２４で形成する。一例のクラッド層２２７は、例えばｐ型AlGaAsであることができ、成長温度Ｔ２４は例えば摂氏５５０度以上であり、また摂氏６５０度以下である。

次いで、図８（ａ）に示されるように、第２導電型III−Ｖ化合物半導体からなるコンタクト層２２９をクラッド層２２７上に成長温度Ｔ２５で形成する。一例のコンタクト層２２９は、例えばｐ型GaAsであることができ、成長温度Ｔ２５は例えば摂氏５００度以上であり、また摂氏５５０度以下である。これらの工程により、エピタキシャル基板Ｅ２１が形成された。

次いで、図８（ｂ）に示されるように、成長炉２１１を用いてエピタキシャル基板Ｅ２１のアニール２３１を温度Ｔ２６で行う。アニール温度Ｔ２６は例えば摂氏５５０度以上であり、また摂氏７５０度以下である。アニール２３１は、例えばターシャリブチルアルシン（TBAs）等の雰囲気で行われる。この熱処理により、エピタキシャル基板Ｅ２２が形成された。

アニール２３１を行った後には、２度／秒以下の速度で、当該熱アニール２３１後のエピタキシャル基板Ｅ２２の温度を低下させる。好ましくは、０．５度／秒以下の速度で、当該熱アニール２３１後のエピタキシャル基板Ｅ２２の温度を低下させる。

この後に、図９（ａ）に示されるように、温度低下後のエピタキシャル基板Ｅ２２のコンタクト層２２９上に絶縁膜２３３をCVD成膜装置２３５を用いて形成すると共に、該絶縁膜２３３に開口を形成して保護層２３３ａを形成する。絶縁膜２３３の開口は、フォトリソグラフィにより形成される。

次いで、図９（ｂ）に示されるように、電極２３７、２３９をエピタキシャル基板上に形成する。一例では、電極２３７、２３９のうちのｐ電極をコンタクト層２２９上に形成すると共に、電極２３７、２３９のうちのｎ電極を基板２１３の裏面２１３ｂ上に形成する。

電極を形成した後に、ウエハの壁開によって半導体レーザを作製した。この半導体レーザの共振器長は、例えば６００μｍである。これらの工程により作製された半導体レーザの一例は、
半導体基板２１３：Siドープｎ型GaAs
バッファ層２１５：Siドープｎ型GaAs、厚さ２００ｎｍ
クラッド層２１７：Siドープｎ型AlGaAs、厚さ１．５μｍ
光閉じ込め層２１９：アンドープGaAs、厚さ１４０ｎｍ
井戸層２２１ａ：アンドープのGaInNAs、厚さ７ｎｍ
障壁層２２３：アンドープGaAs、厚さ８ｎｍ
井戸層２２１ｂ：アンドープのGaInNAs、厚さ７ｎｍ
光閉じ込め層２２５：アンドープGaAs、厚さ１４０ｎｍ
クラッド層２２７：Ｚｎドープｐ型AlGaAs、厚さ１．５μｍ
コンタクト層２２９：Ｚｎドープｐ型GaAs、厚さ２００ｎｍ
絶縁膜２３３：シリコン酸化物、厚さ１００ｎｍ
である。

活性層は、多重量子井戸構造を有しており、例えば、光閉じ込め層２１９、井戸層２２１ａ、障壁層２２３、井戸層２２１ｂ、光閉じ込め層２２５からなることができる。この井戸層の成長で、有機金属原料のTEGa、TMIn、DMHy、TBAsの流量は、それぞれ、５×１０^−５mol／分、２×１０^−５mol／分、３×１０^−２mol／分、３×１０^−４mol／分であった。この成長で、同じＶ族原子となる、DMHyとTBAsの供給モル数比は
［DMHy］：［TBAs］＝１００：１
であった。また、Ｉｎ組成およびＮ組成は、それぞれ、約３４％および約１％であって、レーザ発光波長は１．２９μｍであった。

［実験結果］
以上、単一または多重量子井戸構造の半導体光素子を作製する方法について説明した。以下では、上記の方法により作製した半導体光素子の結晶性を確かめた実験の結果について説明する。

発明者は、既述した［単一量子井戸構造の半導体光素子を作製する方法］により、GaInNAs/GaAs量子井戸構造を有する４種類の端面発光型発光ダイオード（LED）を作製した。Ga、In、N、As原料としては、それぞれ、TEGa、TMIn、DMHy、TBAsを用いた。基板はSiドープGaAs（１００）の２°オフ基板である。GaAs基板上に、アンドープGaAsバッファ層を２００ｎｍ成長し、その上にアンドープGaInNAs量子井戸層を７ｎｍ成長し、その上にアンドープGaAsキャップ層を１００ｎｍ成長した。GaInNAs量子井戸層の成長温度は５１０度、成長速度は１ミクロン/hrs、DMHy/（DMHy+TBAs）比は０．９７、成長圧力は７６torrであった。GaInNAs量子井戸層の組成はGa６６％、In３４％であった。

エピタキシャル成長後、このエピウエハをそれぞれ異なる条件で熱アニールおよび当該熱アニール後の温度冷却を行った。熱アニールおよび当該熱アニール後の温度冷却の条件は以下の４通りである。なお、熱アニール時間は数分程度である。
条件１：熱アニール時の温度＝６５０度、熱アニール後の温度の低下速度＝２度／秒
条件２：熱アニール時の温度＝７００度、熱アニール後の温度の低下速度＝２度／秒
条件３：熱アニール時の温度＝６２０度、熱アニール後の温度の低下速度＝０．５度／秒
条件４：熱アニール時の温度＝６７０度、熱アニール後の温度の低下速度＝０．５度／秒

これらの４通りのGaInNAs/GaAs量子井戸構造結晶の光学特性を室温におけるPL（Photoluminescence）により評価した。図１０にPLピーク波長、PL強度、PLピークの半値幅の結果を示す。なお、図１０に示す実験結果では、GaInNAs/GaAs量子井戸構造結晶でのPLピーク波長とPLピーク強度との間の相関関係において、PLピーク波長が短くなるほどPL発光強度が増加する傾向があることを考慮すべきである。そこで、図１０に示す実験結果を用いてGaInNAs/GaAs量子井戸構造結晶でのPL発光特性を比較する際には、同程度のPLピーク波長別のPL発光強度を比較する必要がある。つまり、条件１と条件３を比較し、且つ条件２と条件４を比較すべきである。

条件１と条件３を比較すると、PLピーク波長は近い波長となっているが、PL強度は有意に条件３が大きい。図１０に示すように、条件１ではＰＬ強度が４．５であるが、条件３ではＰＬ強度が１３である。なお、条件１ではPLピークの半値幅が５２meVであるが、条件３ではPLピークの半値幅が４９meVである。また、条件２と条件４を比較すると、PLピーク波長は近い波長となっているが、PL強度は有意に条件４が大きい。図１０に示すように、条件２ではＰＬ強度が４．８であるが、条件４ではＰＬ強度が１４である。なお、条件２ではPLピークの半値幅が４９meVであるが、条件４ではPLピークの半値幅が４７meVである。

これらの結果から考えると、最終的に得られるGaInNAs/GaAs量子井戸構造結晶の結晶性が、熱アニール後に温度を下げる際の低下速度により左右されることがわかる。図示はしないが、低下速度が２度／秒より速い場合には条件１または２よりも低いＰＬ強度が表れるため、良好な結晶性を実現するためには、２度／秒以下の低速で温度を下げることが好ましい。また、図示はしないが、低下速度が０．５度／秒より遅い場合には条件３または４よりも高いＰＬ強度が表れるため、更に良好な結晶性を実現するためには、０．５度／秒以下の速度で温度を下げることが好ましい。

ここで、以上の実験結果について更に考察する。一般的に、GaInNAs/GaAs量子井戸構造結晶は、単純な単一量子井戸構造のエピウエハだけでなく、レーザの活性層に用いるための多重量子井戸構造やクラッド層を有する構造などのエピウエハでも、そのGaInNAs/GaAs量子井戸層を結晶成長した成長温度よりも高い温度で熱アニールすることが必要とされる。熱アニールすることで、商品化できるほどの良好な結晶性を持たせることができる。この熱アニールでは、GaInNAs/GaAs量子井戸層を結晶成長した成長温度よりも高い温度となることから、一旦結晶成長されたGaInNAsの各原子が熱アニールによって配列が入れ替わるなどの結晶構造の変化が起こっていると考えられる。一方、この熱アニールが終了した直後から温度が低下することになるが、温度が低下している時間帯でも結晶内部の構造の変化は存在すると考えられる。

この際、この温度の低下速度が小さい場合は、温度が低下している時間帯での結晶内部の構造変化が小さいと考えられ、熱アニールすることによって得られた良好な結晶性を維持しやすいと考えられる。一方で、この温度の低下速度が大きい場合は、温度が低下している時間帯での結晶内部の構造変化が大きいと考えられ、熱アニールすることによって得られた良好な結晶性を維持できずに、結晶性を劣化させていると考えられる。

そこで、本発明では、熱アニールを行った後に、低速で、当該熱アニール後の半導体層の温度を低下させることにより、半導体光素子の結晶性を向上することができた。

好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。

本発明の実施の形態に係る［単一量子井戸構造の半導体光素子を作製する方法］の主要な工程を示す図面である。本発明の実施の形態に係る［単一量子井戸構造の半導体光素子を作製する方法］の主要な工程を示す図面である。本発明の実施の形態に係る［単一量子井戸構造の半導体光素子を作製する方法］の主要な工程を示す図面である。本発明の実施の形態に係る［単一量子井戸構造の半導体光素子を作製する方法］の主要な工程を示す図面である。本発明の実施の形態に係る［多重量子井戸構造の半導体光素子を作製する方法］の主要な工程を示す図面である。本発明の実施の形態に係る［多重量子井戸構造の半導体光素子を作製する方法］の主要な工程を示す図面である。本発明の実施の形態に係る［多重量子井戸構造の半導体光素子を作製する方法］の主要な工程を示す図面である。本発明の実施の形態に係る［多重量子井戸構造の半導体光素子を作製する方法］の主要な工程を示す図面である。本発明の実施の形態に係る［多重量子井戸構造の半導体光素子を作製する方法］の主要な工程を示す図面である。［単一量子井戸構造の半導体光素子を作製する方法］で作製した半導体光素子の結晶性を確かめた実験の結果を示す図面である。

符号の説明

１１３，２１３…半導体基板、１１５，２１５…バッファ層、１１７，１２５，２１７，２２７…クラッド層、１１９，１２３，２１９，２２５…光閉じ込め層、１２１，２２１ａ，２２１ｂ…井戸層、２２３…障壁層、１２７，２２９…コンタクト層、１３１，２３３…絶縁膜。

Claims

半導体光素子を作製する方法であって、
III族としてガリウムを含むと共にＶ族としてヒ素を含む第１のIII−Ｖ化合物半導体層を有機金属気相成長法で成長する第１の工程と、
III族としてガリウム及びインジウムを含むと共にＶ族としてヒ素及び窒素を含む第２のIII−Ｖ化合物半導体層を有機金属気相成長法で成長する第２の工程と、
III族としてガリウムを含むと共にＶ族としてヒ素を含む第３のIII−Ｖ化合物半導体層を有機金属気相成長法で成長する第３の工程と、
前記第１〜第３のIII−Ｖ化合物半導体層を成長した後に、当該成長した第１〜第３のIII−Ｖ化合物半導体層に対して熱アニールを行う第４の工程と、
前記熱アニールを行った後に、２度／秒以下の速度で、当該熱アニール後の第１〜第３のIII−Ｖ化合物半導体層の温度を低下させる第５の工程と、
を備えることを特徴とする方法。
前記第５の工程では、前記熱アニールを行った後に、０．５度／秒以下の速度で、当該熱アニール後の第１〜第３のIII−Ｖ化合物半導体層の温度を低下させる、ことを特徴とする請求項１に記載された方法。
前記第２のIII−Ｖ化合物半導体層は、GaInNAs、GaInNAsP、GaInNAsSbのいずれかからなる、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載された方法。
前記第１のIII−Ｖ化合物半導体層は、GaAsおよびGaNAsのいずれかからなり、
前記第３のIII−Ｖ化合物半導体層は、GaAsおよびGaNAsのいずれかからなる、ことを特徴とする請求項３に記載された方法。
前記第２のIII−Ｖ化合物半導体層は、量子井戸構造における井戸層である、ことを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載された方法。
前記第１及び第３のIII−Ｖ化合物半導体層は、量子井戸構造における障壁層または光閉じ込め層である、ことを特徴とする請求項５に記載された方法。