(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
分子線エピタキシャル成長法により、複数の層を積層して半導体素子を製造する際、所望の層の同一材料に対する原料の供給を、複数の分子線セルを用いてなり、
組成が異なる層毎に、その組成を決定する同一の材料の分子線セルの数が異なってなることを特徴とする半導体素子の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体素子の製造方法であって、
異なる組成を有し、互いに隣接しない層を形成する際、同一の分子線セルを用いてなることを特徴とする半導体素子の製造方法。
【請求項３】
請求項２に記載の半導体素子の製造方法であって、
隣接する層を形成している間に、前記同一の分子線セルが単位時間当りに発射する分子線量を変更してなることを特徴とする半導体素子の製造方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体素子の製造方法であって、
待機中の分子線セルの温度を、その使用中に比べてより低くしてなることを特徴とする半導体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザ素子などの半導体素子の薄層構造を高精度に制御形成するための製造技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年の半導体エピタキシャル技術の進歩はめざましく、さまざまな分野で高性能半導体薄膜を利用した素子が実用化されている。特に分子線エピタキシャル法(MBE法)や有機金属気層成長法(MOCVD法)の実用化により成長可能な薄層構造の種類が増大したことは周知のことである。
【０００３】
なかでもMBE法は半導体薄層の層厚制御性が優れており、構成元素の単分子層程度までの精度で制御形成が可能である。したがって、近年注目され実用化されている量子井戸構造や超格子構造を用いた素子の形成に特に有利である。このため、高速電子デバイスの薄層形成技術としては主流となってきている。
【０００４】
反面、MBE法は、超高真空を利用する装置の構成上、複雑な薄層構造を持つ素子、たとえば半導体レーザなどでは困難な点が多い。このため、特に赤色半導体レーザなどの、組成によって格子定数が変化するいわゆる格子不整合系の材料などでは、MOCVD法が主流となっていた。しかし、赤色レーザなどの分野でも素子の高性能化にともない量子井戸構造の利用が不可欠となり、また比較的低温で良質な結晶が成長できるMBE法はドーピング濃度の制御性も優れていることから、MBE法のこれらの分野での技術革新が求められている。以下にMBE法による半導体レーザの従来技術を挙げ、問題点について述べる。
【０００５】
図５、６を用いて、MBE法によるAlGaInP系の赤色半導体レーザの製造法の従来例を説明する。
【０００６】
図６に示す様に、n−GaAs基板３０上に分子線エピタキシャル法を用いてn−GaAsバッファ層３１、n−Ga0.5In0.5P層３２、n−Al0.5In0.5Pクラッド層(厚さ１μｍ)３３、Ga0.5In0.5P活性層３４、p−Al0.5In0.5Pクラッド層(厚さ１μｍ)３５、p−Ga0.5In0.5P層３６、p−GaAsキャップ層３７を順次成長する。
【０００７】
この場合、n−GaAsバッファ層３１とn−Ga0.5In0.5P層３２の間とp−Ga0.5In0.5P層３６とp−GaAsキャップ層３７の間はV族分子線の切り替えのために成長を休止した。しかしそのほかでは、Ga0.5In0.5PとAl0.5In0.5Pを交互に連続成長した。この理由は、これらの層は、レーザ発振を起こす層もしくはレーザ光の集中する部分であり、成長休止した場合、燐の脱離や不純物の混入による結晶性の悪化がレーザ特性を劣化させるためである。
【０００８】
次に、図５に上記の連続成長の部分を成長する時の各セルの分子線量を示す。In、Al、Ga、Pセルはそれぞれ１個づつ使用して格子不整合ない構造を連続的に成長できた。本従来例の様に、簡単な赤色レーザを成長する場合は、特に大きな問題はないが、３種類以上の組成を成長する場合には、従来の方法では、成長中に使用しているセルの設定を変更するか、成長を休止する必要があった。このいずれの手段もレーザ特性に影響を及ぼす結晶性の悪化を引き起こす原因となる。すなわち前者の場合、成長中の設定変更により格子定数の不安定が生じ結晶性の再現性が悪くなる。後者の場合、燐の脱離や不純物の混入により結晶性が悪化する。
【０００９】
次に上記の問題点を解決するために用いられている、より複雑な素子構造の成長方法の従来例を図７、８を用いて説明する。
【００１０】
図８に示す様に、n−GaAs基板４０上にMBE法を用いてn−GaAsバッファ層４１、n−Ga0.5In0.5P層４２、n−(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pクラッド層(厚さ１μｍ)４３、(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P光ガイド層(厚さ３０nm)４４、Ga0.5In0.5P/(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P多重量子井戸活性層４５、(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P光ガイド層(厚さ３０nm)４６、p−(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pクラッド層(厚さ１μｍ)４７、p−Ga0.5In0.5P層４８、p−GaAsキャップ層４９を順次成長した。ここで、上記多重量子井戸活性層は、Ga0.5In0.5P量子井戸層(厚さ８nm)４５aを３層、(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P障壁層(厚さ５nm)４５bを２層交互に積層したものである。
【００１１】
この場合、n−GaAsバッファ層４１とn−Ga0.5In0.5P層４２の間とp−Ga0.5In0.5P層４８とp−GaAsキャップ層４９の間はV族分子線の切り替えのために成長を休止する。しかしそのほかでは、Ga0.5In0.5P、(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P、(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pの３種類の組成の層を連続成長する。この理由は、これらの層は、レーザ発振を起こす層もしくはレーザ光の集中する部分であり、成長休止した場合、燐の脱離や不純物の混入による結晶性の悪化がレーザ特性を劣化させるためである。
【００１２】
次に、図７に上記の連続成長の部分を成長する時の各セルの分子線量を示す。InとPセルはそれぞれ１個づつの分子線セルを使用するが、Ga0.5In0.5P層をGa１セル、(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P層をGa２セルとAl１セル、(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P層をGa３セルとAl２セルをそれぞれの分子線を発射するように設定して成長を行う。したがって、３個のGaセル、２個のAlセルを用いる。
【００１３】
このようにしてAlとGaの分子線の合計とInの分子線の比率を一定に保ったまま、すなわち格子定数を一定に保ったままAlをGaの比率を瞬時に変えてバンドギャップの違う層を連続的に成長できる。このように、各組成に対応する分子線を別の分子線セルから供給することにより、多種類の組成の層を含む素子の成長であっても各組成を連続成長できる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
上記の改良された従来例における問題点を以下に列挙する。第一の問題点は、たとえば、図７、８における多重量子井戸活性層４５を連続成長する際には、Ga１分子線セルGa３分子線セルおよびAl２分子線セルを開閉して組成を変更する。しかし、シャッタを開けた際の分子線強度は、ある一定の過渡変動を持つ。これは、シャッタが閉じている時には、セル内部の熱輻射がシャッタで反射し材料表面の温度を上昇させるのに対し、シャッタを開けた直後に熱輻射の反射がなくなるため、急激に材料表面温度が低下するためである。この時の分子線強度の変動は、セルの大きさや、材料充填量に依存するが、約１０％程度となることが多い。特に大型の材料セルに多量の材料を充填する必要のある、量産用MBE装置では、大きな値となる。
【００１５】
この問題点は、AlGaInP系などの、組成によって格子定数が変化するいわゆる格子不整合系の材料で特に大きい。分子線の過渡応答による組成のずれが格子不整合による結晶転移の原因となるからである。
【００１６】
また、量子井戸構造や超格子構造など、層厚がキャリアのドブロイ波長より小さい構造を作製する場合にも大きな問題となる。
【００１７】
分子線過渡応答がバンドギャップの変動のみならず成長速度の変動をもたらし、このような構造で重要な薄層層厚の制御を困難とするからである。
【００１８】
第２の問題点として、従来例では、各セルの分子線量をシャッタが閉じているときも各層の組成に対応する値に設定しているため、実効的な成長に必要な材料の量よりかなり多くの材料を消費することがある。この問題点を解決するために、隣接しない層で同一のセルを用いそれらの層を成長する間の時間にセル温度を変更する方法も用いられているが、各層の組成が大きく異なる場合には温度変更の値が大きく、変更後の層でのセル温度が充分安定しないという、第３の問題点が発生する。
【００１９】
第４の問題点は、上述の様に、各セルの分子線量をシャッタが閉じているときも、各層の組成に対応する値に設定しているため、多くの材料分子がセルシャッタに付着しシャッタの交換頻度を増加させたり、シャッタに付着した材料クラスタの飛散による成長層の表面欠陥の増大などを引き起こすことがある。
【００２０】
本発明は上述する課題を解決するためになされたものであり、各セルの分担する分子線量が低くなるためシャッタを開けたあとの分子線過渡応答が、その比率は大きく変えられないが、絶対量は飛躍的に低減させることを目的とする。
【００２１】
また、分子線の設定量が低くし、設定変更した場合の分子線の安定性を良くすることを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
この発明（請求項１）に係る半導体素子の製造方法は、分子線エピタキシャル成長法により、複数の層を積層して半導体素子を製造する際、所望の層の同一材料に対する原料の供給を、複数の分子線セルを用いてなり、組成が異なる層毎に、その組成を決定する同一の材料の分子線セルの数が異なってなることによって上記の目的を達成する。
【００２３】
【００２４】
【００２５】
【００２６】
この発明（請求項２）に係る半導体素子の製造方法は、請求項１に記載の半導体素子の製造方法であって、異なる組成を有し、互いに隣接しない層を形成する際、同一の分子線セルを用いてなることによって上記の目的を達成する。
【００２７】
この発明（請求項３）に係る半導体素子の製造方法は、請求項２に記載の半導体素子の製造方法であって、隣接する層を形成している間に、前記同一の分子線セルが単位時間当りに発射する分子線量を変更してなることによって上記の目的を達成する。
【００２８】
この発明（請求項４）に係る半導体素子の製造方法は、請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体素子の製造方法であって、待機中の分子線セルの温度を、その使用中に比べてより低くしてなることによって、上記の目的を達成する。
【００２９】
【００３０】
即ち、上記の第１、第２および第４の問題点を解決するために、分子線エピタキシャル法により複数の多元混晶層を成長する際、その内のすべてもしくは一部の層において、第１の分子を単位時間当り総和で第１の分子線量だけ発射する単一または複数の第１の分子線セルと、第２の分子を総和で第２の分子線量だけ発射する単一または複数の第２の分子線セルを同時に稼働させて、第１の分子と第２の分子との組成比が（第１の分子線量/第２の分子線量）である第１混晶層を製作し、続いて、第１の分子を単位時間当り総和で第３の分子線量だけ発射する第１工程とは個数の異なる単一また複数の第１の分子線セルと、第２の分子を総和で第４の分子線量だけ発射する第１工程とは個数の異なる単一または複数の第２の分子線セルを同時に稼働させて、第１の分子と第２の分子との組成比が（第３の分子線量/第４の分子線量）である第２混晶層を製作する。
【００３１】
また第２および第４の問題点を解決する手段として、上記分子線セルのセル温度を分子線を発射していない工程において、分子線を発射している工程に比べて低く設定する第３の問題点を解決するために、上記手段と併用して、隣接しない複数の層を製作するのに、同一種類の分子線を発射する同一の分子線セルを用い、上記隣接しない複数の層の間の層を成長させている期間に、上記分子線セルが単位時間当りに発射する分子線量を変更して上記隣接する複数の層を作製する。
【００３２】
以下、本発明の作用を記載する。
【００３３】
上記手段を用いた場合、各セルの分担する分子線量が低くなるためシャッタを開けたあとの分子線過渡応答は、比率は大きく変わらないが、絶対量は飛躍的に低減する。
【００３４】
また、分子線の設定量が低くなるため、設定変更した場合の分子線の安定性が良くなる。
【００３５】
【発明の実施の形態】
この発明の実施の形態を説明する前に、まずこの発明をより理解し易くするために参考例を説明する。
<参考例>
図１、２を用いて、赤色半導体レーザ素子の製造方法の本発明の参考例を説明する。
【００３６】
図２に示す様に、n−GaAs基板１０上にMBE法を用いてn−GaAsバッファ層１１、n−Ga0.5In0.5P層１２、n−(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pクラッド層(厚さ１μｍ)１３、(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P光ガイド層(厚さ５０nm)１４、Ga0.6In0.4P/(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P多重量子井戸活性層１５、(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P光ガイド層(厚さ５０nm)１６、p−(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pクラッド層(厚さ１μｍ)１７、p−Ga0.5In0.5P層１８、p−GaAsキャップ層１９を順次成長した。ここで、上記多重量子井戸活性層は、Ga0.6In0.4P量子井戸層(厚さ５nm)１５aを５層、(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P障壁層(厚さ５nm)１５bを４層交互に積層したものである。
【００３７】
本参考例の場合、n−GaAsバッファ層１１とn−Ga0.5In0.5P層１２の間とp−Ga0.5In0.5P層１８とp−GaAsキャップ層１９の間はV族分子線の切り替えのために成長を休止したが、そのほかでは、Ga0.5In0.5P、Ga0.6In0.4P、(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P、(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pの４種類の組成の層を連続成長した。
【００３８】
次に、図１に上記の連続成長の部分を成長する時の各セルの分子線量を、図９にその際のセル温度の推移をそれぞれ示す。InとPセルはそれぞれ１個づつの分子線セルを使用したが、Ga0.5In0.5P層をGa１、２、３の３個のGaセル、(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P層をGa２セルとAl１、２の２個のAlセル、(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P層をGa２、３の２個のGaセルとAl２セルをそれぞれの分子線を発射するように設定して成長を行った。Ga１とGa２セルは、(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P層１３および１７を成長している間には、成長時にくらべセル温度を約５０℃低く設定した。本参考例では、３個のGaセル、２個のAlセルを用いた。
【００３９】
このようにしてAlとGaの分子線の合計とInの分子線の比率を一定に保ったまま、すなわち格子定数を一定に保ったままAlをGaの比率を瞬時に変えてバンドギャップの違う層を連続的に成長できた。
【００４０】
本参考例の様に、所望の層の同一材料に対する原料の供給を、複数の分子線セルを用いて行うことにより、シャッタを開いた時の分子線強度の過渡応答の絶対量を減らすことができた。本参考例のように組成により格子定数が変動する格子不整合系では、この過渡応答による組成の変動が大きい場合、結晶転位の発生などにより素子の特性が著しく劣化する。本参考例の適用によりこの問題が解決できた。また、特に層厚が５nmと小さい量子井戸活性層では、分子線の過渡応答は組成の変動と成長速度の変動の原因となるため影響が大きいが、本参考例により構造が安定し素子の発振波長の制御性が飛躍的に改善できた。
【００４１】
さらに、１つの層を複数の分子線セルを用いて成長するためことにより、各セルの設定分子線強度を最低限にまで低くできるため、材料の消費量を低下でき、シャッタへの材料付着も低減できた。また、この効果は１３、１７層でGa１、２セルの温度を低下させて待機させることにより、より顕著になっている。低温で待機後、そのセルを使用するまでにセル温度を成長時の温度まで上昇しておく必要がある。待機時には、セル温度は、充分低い方が上述の効果を顕著とできるが、その後の成長時の使用温度に比べあまり低いと温度を再上昇してからの温度安定に時間がかかるため、実質的な待機時間が短くなり効果が少ない。しかし、本参考例では、各セルの設定温度が前記の改良された従来例に比べ、５０℃程度低いためこの悪影響が低減できた。
<実施例>
上記参考例では、３個のGaセルを用いたが、成長待機中にGaセル温度を変更することにより、２個のGaセルで複雑なレーザ構造を精密に作製できる。この実施例を図３、４を用いて下記に説明する。
【００４２】
図４に示す様に、n−GaAs基板２０上にMBE法を用いてn−GaAsバッファ層２１、n−Ga0.5In0.5P層２２、n−(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pクラッド層(厚さ１μｍ)２３、(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P光ガイド層(厚さ５０nm)２４、Ga0.6In0.4P/(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P多重量子井戸活性層２５、(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P光ガイド層(厚さ５０nm)２６、p−(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pクラッド層(厚さ１μｍ)２７、p−Ga0.5In0.5P層２８、p−GaAsキャップ層２９を順次成長した。ここで、上記多重量子井戸活性層は、Ga0.6In0.4P量子井戸層(厚さ５nm)２５aを５層、(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P障壁層(厚さ５nm)２５bを４層交互に積層したものである。
【００４３】
本実施例の場合も、n−GaAsバッファ層２１とn−Ga0.5In0.5P層２２の間とp−Ga0.5In0.5P層２８とp−GaAsキャップ層２９の間はV族分子線の切り替えのために成長を休止したが、そのほかでは、Ga0.5In0.5P、Ga0.6In0.4P、(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P、(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pの４種類の組成の層を連続成長した。
【００４４】
次に、図３に上記の連続成長の部分を成長する時の各セルの分子線量を示す。InとPセルはそれぞれ１個づつの分子線セルを使用したが、Ga0.5In0.5P層をGa１および２の２個のGaセル、(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P層をGa１セルとAl１および２の２個のAlセル、(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P層をGa２セルとAl１セル、Ga0.6In0.4P層をGa１および２の２個のGaセルをそれぞれの分子線を発射するように設定して成長を行った。
【００４５】
Ga１は(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P層を成長している間に、次の成長層で必要な分子線量を発射する様に設定を変更した。同様にGa２は(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pを成長している間に、次の成長層で必要な分子線量を発射する様に設定を変更した。したがってこの場合、２個のGaセル、２個のAlセルを用いた。
【００４６】
このようにしてAlとGaの分子線の合計とInの分子線の比率を一定に保ったまま、すなわち格子定数を一定に保ったままAlをGaの比率を瞬時に変えてバンドギャップの違う層を連続的に成長できた。ただし、Ga0.6In0.4P層は、GaAs基板に比べて格子定数が、約１%小さくなる。これによりレーザ発振波長をより短波長とすることが可能であるが、この場合もInとPのフラックスは、一定のままで連続成長が可能である。このような格子歪を意図的に導入する場合、組成の制御性は非常に精密さを要するため、本発明の分子線過渡応答の影響を減らす効果は、特に有用である。
【００４７】
また、本実施例では、各層、特に活性層２５aでのGa１セル設定温度を従来例に比べ５０℃程度低くできるため、層２４、２６での待機時にセル設定を変更する温度差が小さい。従来例では、層２４、２６の様に薄い層の間で設定を変更した場合活性層２５aでのGaセル温度が安定せず、組成の制御性が悪かったが、本実施例の場合この問題が回避できた。
【００４８】
本実施例は、成長室に装着できるセルの個数に限度があるMBE法では、実用上極めて重要である。この実施例は、より複雑な多層構造を作製する場合に応用可能である。
【００４９】
【発明の効果】
本発明により、従来困難であった、MBE法による複雑な多層膜の成長時の精密な組成制御を可能とした。このため、格子不整合系におけるSCH量子井戸活性層を有するレーザなどの非常に複雑な構造の半導体レーザの成長が容易となった。
【００５０】
本発明を用いた場合、多層構造の自由度は、非常に大きくなり、さらに複雑な超格子構造や意図的に格子不整合を導入した構造なども容易に作製することが可能となった。また、本発明により材料の消費量を減らすことができ、さらにセルシャッタへの不要な材料の付着量を減らすことができたため、長期間安定した成長が実現できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の参考例の各成長層における各セルの分子線量を示す図である。
【図２】本発明の参考例のレーザ構造の成長層の断面図である。
【図３】本発明の実施例の各成長層における各セルの分子線量を示す図である。
【図４】本発明の実施例のレーザ構造の成長層の断面図を示す図である。
【図５】従来例の各成長層における各セルの分子線量を示す図である。
【図６】従来例のレーザ構造の成長層の断面図である。
【図７】他の従来例の各成長層における各セルの分子線量を示す図である。
【図８】他の従来例のレーザ構造の成長層の断面図である。
【図９】本発明の参考例の各成長層におけるGa１セル温度の温度推移を示す図である。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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