(57)【要約】【課題】動作時間の経過に伴って微分抵抗が上昇することを低減できる、垂直共振型面発光半導体レーザを作製する方法が提供される。【解決手段】垂直共振型面発光半導体レーザを作製する方法は、第１キャリアガス及び原料を成長炉に供給して、面発光半導体レーザのための半導体積層を含むエピタキシャル基板を形成する工程と、成長炉において、原料の供給を停止すると共に第１キャリアガスから第２キャリアガスへ切り替えを行う工程と、切り替えの後に、第２キャリアガスを含む雰囲気において、成長炉においてエピタキシャル基板の熱処理を行う工程と、熱処理の後に、エピタキシャル基板を成長炉から取り出す工程を備え、第１キャリアガスは水素を含み、第２キャリアガスは水素を含まず、ヒ素化合物は、水素及びヒ素を構成元素として含み、半導体積層体は、ｐ型ドーパントを含むｐ型導電性の領域を含む。【選択図】図２
2018160651.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
垂直共振型面発光半導体レーザを作製する方法であって、
第１キャリアガス及び原料を成長炉に供給して、当該垂直共振型面発光半導体レーザのための半導体積層を含むエピタキシャル基板を形成する工程と、
前記成長炉において、前記原料の供給を停止すると共に前記第１キャリアガスから第２キャリアガスへ切り替えを行う工程と、
前記切り替えの後に、前記第２キャリアガスを含む雰囲気において、前記エピタキシャル基板の熱処理を行う工程と、
前記熱処理の後に、前記エピタキシャル基板を前記成長炉から取り出す工程と、
を備え、
前記半導体積層を形成する工程は、前記第１キャリアガス並びにＩＩＩ族原料及びヒ素化合物を前記成長炉に供給して、前記半導体積層のためのＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層を成長する工程を含み、
前記第１キャリアガスは、水素を含み、
前記第２キャリアガスは、水素を含まず、
前記ヒ素化合物は、水素及びヒ素を構成元素として含み、
前記半導体積層は、ｐ型ドーパントを含むｐ型導電性の領域を含む、垂直共振型面発光半導体レーザを作製する方法。
【請求項２】
前記熱処理の温度は、摂氏４００度以上であり、摂氏７５０度以下である、請求項１に記載された面発光半導体レーザを作製する方法。
【請求項３】
前記熱処理の温度は、前記ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層の成長温度以上である、請求項１又は請求項２に記載された垂直共振型面発光半導体レーザを作製する方法。
【請求項４】
前記熱処理の温度は、前記ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層の成長温度より大きい、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された垂直共振型面発光半導体レーザを作製する方法。
【請求項５】
前記熱処理の温度は、前記ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層の成長温度より低い、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載された垂直共振型面発光半導体レーザを作製する方法。
【請求項６】
前記ヒ素化合物は、ＡｓＨ３を含む、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載された垂直共振型面発光半導体レーザを作製する方法。
【請求項７】
前記熱処理の後に、前記エピタキシャル基板を前記成長炉から取り出すために、窒素雰囲気中で成長炉の温度を下げる工程を更に備える、請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載された垂直共振型面発光半導体レーザを作製する方法。
【請求項８】
前記ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層の成長温度は、摂氏５５０度以上であり、摂氏７００度以下である、請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載された垂直共振型面発光半導体レーザを作製する方法。
【請求項９】
前記ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層は、有機金属気相成長法で形成される、請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載された垂直共振型面発光半導体レーザを作製する方法。
【請求項１０】
前記第２キャリアガスは、窒素を含む、請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載された垂直共振型面発光半導体レーザを作製する方法。
【請求項１１】
前記ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層は、閃亜鉛鉱型の結晶構造を有する、請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載された垂直共振型面発光半導体レーザを作製する方法。
【請求項１２】
前記半導体積層は、下部分布反射器のための第１積層体、活性層のための半導体層、及び上部分布反射器のための第２積層体を含み、
前記第１積層体は、ＡｌＧａＡｓを備え、
前記半導体層は、ＡｌＧａＡｓを備え、
前記第２積層体は、ＡｌＧａＡｓを備え、
前記半導体積層の最上層は、ＧａＡｓを備える、請求項１〜請求項１１のいずれか一項に記載された垂直共振型面発光半導体レーザを作製する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、垂直共振型面発光半導体レーザを作製する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１は、面発光半導体レーザを開示する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】A.  N.  AL-Omari  et  al.  ”Polyimide  Planarized  Vertical  Cavity  Surface  Emitting  Lasers  With  17.0-GHz  Bandwidth,”  IEEE  PHOTONICS  TECHNOLOGY  LETTERS,  VOL.  16,  NO.  4,  APRIL  2004
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
面発光半導体レーザは、非特許文献１に記載されるように、高速の変調で動作可能である。発明者の知見によれば、面発光半導体レーザは、累積動作時間が長くなるに伴って最高変調速度が低下していくものがある。発明者の実験によれば、変調速度の劣化は、面発光半導体レーザの微分抵抗の上昇に起因している。面発光半導体レーザにおいて求められているものは、微分抵抗の上昇を低減することである。発明者の検討によれば、微分抵抗の上昇は、面発光半導体レーザの半導体内の残留水素に関連しており、また半導体の熱処理によって半導体の水素が放出されて、半導体の残留水素濃度を低減できる。発明者の観察によれば、半導体の製造において、半導体からの水素の放出を妨げているものがある。発明者の更なる検討によれば、半導体の表面が空気中において酸化されて、自然酸化膜に覆われ、自然酸化膜が半導体からの水素の放出を妨げて、長い熱処理を必要としている。このような長い熱処理は、エピタキシャル膜の積層に熱ストレスを与え、結果として、面発光半導体レーザの発光特性を低下させる可能性がある。
【０００５】
本発明の一側面は、動作時間の経過に伴って微分抵抗が上昇することを低減できる、垂直共振型面発光半導体レーザを作製する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一側面に係る、垂直共振型面発光半導体レーザを作製する方法は、第１キャリアガス及び原料を成長炉に供給して、当該垂直共振型面発光半導体レーザのための半導体積層を含むエピタキシャル基板を形成する工程と、前記成長炉において、前記原料の供給を停止すると共に前記第１キャリアガスから第２キャリアガスへ切り替えを行う工程と、前記切り替えの後に、前記第２キャリアガスを含む雰囲気において、前記エピタキシャル基板の熱処理を行う工程と、前記熱処理の後に、前記エピタキシャル基板を前記成長炉から取り出す工程と、を備え、前記半導体積層体を形成する工程は、前記第１キャリアガス並びにＩＩＩ族原料及びヒ素化合物を前記成長炉に供給して、前記半導体積層体のためのＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層を成長する工程を含み、前記第１キャリアガスは、水素を含み、前記第２キャリアガスは、水素を含まず、前記ヒ素化合物は、水素及びヒ素を構成元素として含み、前記半導体積層体は、ｐ型ドーパントを含むｐ型導電性の領域を含む。
【０００７】
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。
【発明の効果】
【０００８】
以上説明したように、本発明の一側面によれば、動作時間の経過に伴って微分抵抗が上昇することを低減できる、垂直共振型面発光半導体レーザを作製する方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本実施形態に係る垂直共振型面発光半導体レーザを作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。
【図２】図２は、処理装置において、一体として行われる処理の温度及びガス供給のシーケンスを示す図面である。
【図３】図３は、実施形態に係る製造方法により作成される垂直共振型面発光半導体レーザを示す図面である。
【図４】図４は、実験例１に係るエピタキシャル基板の作製及び熱処理のためのシーケンスにおける成長炉の温度変化Ｔ１ＭＰ及びガス（Ｇ（ＡｓＨ３）、Ｇ（Ｈ２）、Ｇ（Ｎ２））の流量変化を示す図面である。
【図５】図５は、実験例２に係るエピタキシャル基板の作製及び熱処理のためのシーケンスにおける成長炉の温度変化Ｔ２ＭＰ及びガス（Ｇ（ＡｓＨ３）、Ｇ（Ｈ２）、Ｇ（Ｎ２））の流量変化を示す図面である。
【図６】図６は、実験例３に係るエピタキシャル基板の作製及び熱処理のためのシーケンスにおける成長炉の温度変化Ｔ３ＭＰ及びガス（Ｇ（ＡｓＨ３）、Ｇ（Ｈ２）、Ｇ（Ｎ２））の流量変化を示す図面である。
【図７】図７は、実験例４に係るエピタキシャル基板の作製のためのシーケンスにおける成長炉の温度変化Ｔ４ＭＰ及びガス（Ｇ（ＡｓＨ３）、Ｇ（Ｈ２））の流量変化を示す図面である。
【図８】図８は、面発光半導体レーザＤ１Ｖの微分抵抗の変動を示す図面である。
【図９】図９は、面発光半導体レーザＤ２Ｖの微分抵抗の変動を示す図面である。
【図１０】図１０は、面発光半導体レーザＤ３Ｖの微分抵抗の変動を示す図面である。
【図１１】図１１は、面発光半導体レーザ及びＤ４Ｖの微分抵抗の変動を示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
引き続きいくつかの具体例を説明する。
【００１１】
具体例に係る垂直共振型面発光半導体レーザを作製する方法は、（ａ）第１キャリアガス及び原料を成長炉に供給して、当該垂直共振型面発光半導体レーザのための半導体積層を含むエピタキシャル基板を形成する工程と、（ｂ）前記成長炉において、前記原料の供給を停止すると共に前記第１キャリアガスから第２キャリアガスへ切り替えを行う工程と、（ｃ）前記切り替えの後に、前記第２キャリアガスを含む雰囲気において、前記成長炉において前記エピタキシャル基板の熱処理を行う工程と、（ｄ）前記熱処理の後に、前記エピタキシャル基板を前記成長炉から取り出す工程と、を備え、前記半導体積層体を形成する工程は、前記第１キャリアガス並びにＩＩＩ族原料及びヒ素化合物を前記成長炉に供給して、前記半導体積層体のためのＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層を成長する工程を含み、前記第１キャリアガスは、水素を含み、前記第２キャリアガスは、水素を含まず、前記ヒ素化合物は、水素及びヒ素を構成元素として含み、前記半導体積層体は、ｐ型ドーパントを含むｐ型導電性の領域を含む。
【００１２】
面発光半導体レーザを作製する方法によれば、半導体積層体を形成する工程は、第１キャリアガス、ＩＩＩ族原料及びヒ素化合物を成長炉に供給して、半導体積層体のための一又は複数のＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層を成長する工程を含む。この成長に際して、ヒ素を含む堆積物が成長炉内に生成される。半導体積層体を形成した後に、成長に用いた成長炉において半導体積層体の熱処理を行う。成長炉において、半導体積層体の成長用のキャリアガスから熱処理用のキャリアガスに変更することによって、半導体積層体の表面は酸素に曝されることなく、自然酸化膜が半導体積層体の表面に形成されることを避けることができる。また、熱処理によれば、半導体積層体の表面酸化物に煩われることなく、半導体積層体から水素の放出が可能になる。半導体積層体の熱処理は、水素を含まない第２キャリアガスの雰囲気内で行なわれる。この雰囲気は、熱処理中に半導体積層体からの水素の放出を促進できる。このように処理された半導体積層体は、成長された半導体積層体より低い水素濃度を有する。
【００１３】
具体例に係る垂直共振型面発光半導体レーザを作製する方法では、前記熱処理の温度は、摂氏４００度以上であり、摂氏７５０度以下である。
【００１４】
垂直共振型面発光半導体レーザを作製する方法によれば、上記の温度範囲は、Ｖ族構成元素としてヒ素を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層からのヒ素抜けを避けながら水素放出を可能にする。
【００１５】
具体例に係る垂直共振型面発光半導体レーザを作製する方法では、前記熱処理の温度は、前記ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層の成長温度以上である。
【００１６】
垂直共振型面発光半導体レーザを作製する方法によれば、成長温度以上の熱処理温度は、水素放出を促進できる。
【００１７】
具体例に係る垂直共振型面発光半導体レーザを作製する方法では、前記熱処理の温度は、前記ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層の成長温度より大きい。
【００１８】
垂直共振型面発光半導体レーザを作製する方法によれば、成長温度より大きな熱処理温度は、相対的に短い処理時間で所望の水素量の放出を可能にする。
【００１９】
具体例に係る垂直共振型面発光半導体レーザを作製する方法では、前記熱処理の温度は、前記ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層の成長温度より低い。
【００２０】
垂直共振型面発光半導体レーザを作製する方法によれば、成長温度より低い熱処理温度は、水素放出を可能にすると共に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層からＶ族構成元素の抜けを低減できる。
【００２１】
具体例に係る垂直共振型面発光半導体レーザを作製する方法では、前記ヒ素化合物は、ＡｓＨ３を含む。
【００２２】
垂直共振型面発光半導体レーザを作製する方法によれば、アルシンは、ヒ素含有のＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層を良好な品質で成長することを可能にする。また、成長中にＡｓ原料から水素が供給される。
【００２３】
具体例に係る垂直共振型面発光半導体レーザを作製する方法は、前記熱処理の後に、前記エピタキシャル基板を前記成長炉から取り出すために、窒素雰囲気中で成長炉の温度を下げる工程を更に備える。
【００２４】
垂直共振型面発光半導体レーザを作製する方法によれば、窒素雰囲気中における基板温度の降下は、放出された水素が半導体中に戻ることを低減できる。
【００２５】
具体例に係る垂直共振型面発光半導体レーザを作製する方法では、前記ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層の成長温度は、摂氏５５０度以上であり、摂氏７００度以下である。
【００２６】
垂直共振型面発光半導体レーザを作製する方法によれば、上記の温度範囲における成長において、水素は、不純物としてＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層に残される。
【００２７】
具体例に係る垂直共振型面発光半導体レーザを作製する方法では、前記ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層は、有機金属気相成長法で形成される。
【００２８】
垂直共振型面発光半導体レーザを作製する方法によれば、ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層は、不純物として水素を含む。
【００２９】
具体例に係る垂直共振型面発光半導体レーザを作製する方法では、前記第２キャリアガスは、窒素を含む。
【００３０】
垂直共振型面発光半導体レーザを作製する方法によれば、窒素は、ｐ型ドーパントに対して不活性であり、水素に比べて原子半径が大きく結晶中に取り込まれにくい。
【００３１】
具体例に係る垂直共振型面発光半導体レーザを作製する方法では、前記ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層は、閃亜鉛鉱型の結晶構造を有する。
【００３２】
垂直共振型面発光半導体レーザを作製する方法によれば、閃亜鉛鉱型結晶構造の化合物半導体において、水素濃度の低減が可能である。
【００３３】
具体例に係る垂直共振型面発光半導体レーザを作製する方法では、前記半導体積層は、下部分布反射器のための第１積層体、活性層のための半導体層、及び上部分布反射器のための第２積層体を含み、前記第１積層体は、ＡｌＧａＡｓを備え、前記半導体層は、ＡｌＧａＡｓを備え、前記第２積層体は、ＡｌＧａＡｓを備え、前記半導体積層体の最上層は、ＧａＡｓを備える。
【００３４】
垂直共振型面発光半導体レーザを作製する方法によれば、ヒ素原料が多くの半導体の成長に際して供給される。
【００３５】
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、本発明に係る垂直共振型の面発光半導体レーザを作製する方法の実施形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
【００３６】
図１は、面発光半導体レーザを作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。図２は、処理装置において連続して行われる処理シーケンスの温度及びガス供給の制御を示す図面である。図１の（ａ）部に示されるように、半導体基板１１を準備する。半導体基板１１は、例えばＧａＡｓ基板であることができる。成長炉といった処理装置４に第１キャリアガスＣ１及び原料ガスＧ１を供給して、半導体基板１１上に半導体積層体１３のための半導体膜を成長する。この成長によって、エピタキシャル基板ＥＰが得られる。半導体積層体１３の成長は、例えば分子線エピタキシー法及び／又は有機金属気相成長法により行われる。半導体積層体１３は、下部分布反射器のための第１積層体１５、活性層のための量子井戸構造１７、及び上部分布反射器のための第２積層体１９を含み、半導体積層体１３は、酸化狭窄層のためのＡｌ含有半導体層２１を含む。第１積層体１５は、第１層及び第２層を含み、第１積層体１５の第１層及び第２層は、交互に配列される。第２積層体１９は、第１層及び第２層を含み、第２積層体１９の第１層及び第２層は、交互に配列される。Ａｌ含有半導体層２１は、第２積層体１９内に設けられることができ、或いは量子井戸構造１７と第２積層体１９との間に設けられることができる。また、半導体積層体１３は、第２積層体１９上に設けられたコンタクト層のための高ドープ半導体層２３を含むことができる。原料ガスＧ１は、半導体にｎ型及びｐ型をそれぞれ付与できるｎ型ドーパント及びｐ型ドーパントを含むことができる。エピタキシャル基板ＥＰの一例を示す。このエピタキシャル基板ＥＰのＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層は、有機金属気相成長法で形成される。ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層は、不純物として水素を含む。
半導体基板１１：４インチサイズのｎ型ＧａＡｓウエハ。
下部分布反射器のための第１積層体１５：ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ＝０．１２）／ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ＝０．９０）、３５ペア。
下部スペーサ層：Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ＝０．３０）。
活性層のための量子井戸構造１７：ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、３ＱＷｓ。
上部スペーサ層：アンドープＡｌＧａＡｓ（Ａｌ＝０．３０）。
上部スペーサ層：Ｚｎドープｐ型ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ＝０．９０）
上部分布反射器のための第２積層体１９：ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ＝０．１２）／ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ＝０．９０）、２３ペア。
Ａｌ含有半導体層２１：ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ＝０．９８）。
コンタクト層のための高ドープ半導体層２３：Ｚｎドープｐ型ＧａＡｓ。
ヒ素原料が多くの半導体の成長に際して供給される。例示のエピタキシャル基板ＥＰの表面は、ＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓのいずれかであり、ヒ素原子の配列が最表面に存在する。エピタキシャル基板ＥＰの半導体膜は、ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体を備える。ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体は、例えば閃亜鉛鉱型の結晶構造を有する。
第１キャリアガスＣ１：水素。
原料ガスＧ１：成長されるべき半導体の構成元素を提供できるＩＩＩ族有機金属原料及びＶ族原料。
Ａｌ原料：トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）。
Ｇａ原料：トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、又はトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）。
Ａｓ原料：ＡｓＨ３といったヒ素化合物。
アルシン（ＡｓＨ３）は、ヒ素含有のＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層を良好な品質で成長することを可能にする。また、成長中にＡｓ原料から水素が供給される。
【００３７】
処理装置４の温度は、半導体積層体１３のための半導体膜を成長するための成長温度ＴＧに設定される。成長温度ＴＧは、例えば摂氏５５０度以上であり、摂氏７００度以下であることができる。上記の温度範囲における成長において、原料中及び／又はキャリアガス中の水素が、不純物としてＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層に残される。また、処理装置４内には、ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層のための原料ガスに起因する堆積物が生成される。堆積物は、例えばヒ素及び／又はヒ素化合物を含むことができる。
【００３８】
処理装置４において原料ガスＧ１の供給を停止して、エピタキシャル基板ＥＰの作製を完了する。原料供給の停止に合わせて、或いは停止の後に、キャリアガスの切り替えを行う。この切り替えによって、処理装置４には、第１キャリアガスＣ１に替えて、第２キャリアガスＣ２が供給される。第２キャリアガスＣ２は水素を含まない。図１の（ｂ）部に示されるように、第２キャリアガスＣ２の雰囲気において、エピタキシャル基板ＥＰの熱処理を処理装置４内で行う。この熱処理によれば、エピタキシャル基板ＥＰ内の水素濃度を低減できる。
第１キャリアガスＣ１：水素。
第２キャリアガスＣ２：窒素。
窒素は、ｐ型ドーパントに対して不活性であり、水素に比べて原子半径が大きく結晶中に取り込まれにくい。
【００３９】
面発光半導体レーザを作製する方法によれば、半導体積層体を形成する工程は、第１キャリアガスＣ１、ＩＩＩ族原料（例えば、有機金属原料）及びＶ族原料（例えば、ヒ素化合物）を成長炉に供給して、半導体積層体のための一又は複数のＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層を成長する工程を含む。この成長に際して、ヒ素を含む堆積物が成長炉内に生成される。半導体積層体を形成した後に、成長に用いた成長炉において半導体積層体の熱処理を行う。成長炉において、半導体積層体の成長用の第１キャリアガスＣ１から熱処理用の第２キャリアガスＣ２に変更することによれば、半導体積層体１３の表面は酸素に曝されることなく、自然酸化膜がエピ表面に成長することを避けることができる。また、熱処理によれば、半導体積層体１３の表面酸化物に煩われることなく、半導体積層体１３から水素の放出が可能になる。半導体積層体１３の熱処理は、水素を含まない第２キャリアガスの雰囲気内で行なわれる。この雰囲気は、熱処理中に半導体積層体１３からの水素の放出を促進できる。このように処理された半導体積層体１３は、成長された半導体積層体１３より低い水素濃度を有する。具体的には、閃亜鉛鉱型結晶構造の化合物半導体において、水素濃度の低減が可能である。
【００４０】
処理装置４の温度は、半導体積層体１３の熱処理を行うための熱処理温度ＴＨに設定される。熱処理温度ＴＨは、例えば摂氏４００度以上であり、摂氏７５０度以下である（上限温度をＴＨＭＡＸとして参照し、下限温度をＴＨＭＩＮとして参照する）。上記の温度範囲は、ヒ素を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層からのヒ素抜けを避けながら水素放出を可能にする。
【００４１】
熱処理温度ＴＨは、ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層の成長温度以上であることができ、成長温度ＴＧ以上の熱処理温度は水素放出を促進できる。また、熱処理温度ＴＨは、ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層の成長温度ＴＧより高い温度であることができ、成長温度より大きな熱処理温度ＴＨは、相対的に短い処理時間で所望の水素の放出を可能にする。或いは、熱処理温度ＴＨは、ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層の成長温度より低いようにしてもよい。成長温度より低い熱処理温度は、水素放出を可能にすると共にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層からのＶ族構成元素の抜けを低減できる。
【００４２】
図２を参照しながら、熱処理における温度シーケンスを説明する。第１キャリアガスＣ１の供給は、処理装置４の昇温の時刻ｔ０において開始される。原料ガスＧ１の供給は、処理装置４における成長温度ＴＧへの到達の時刻ｔ１において開始され、第１キャリアガスＣ１の供給は続く。原料ガスＧ１の供給は、所望の半導体膜の成長完了において停止される。原料ガスＧ１の供給停止により、新たな半導体が堆積されない。原料ガスＧ１の供給停止に応じて、キャリアガスが、第１キャリアガスＣ１から第２キャリアガスＣ２に変更される。半導体膜の成長中において、処理装置４の温度は、温度シーケンスＰ０に従う。時刻ｔ２以降において、処理装置４の温度は、図２に例示される第１シーケンスＰ１、第２シーケンスＰ２及び第３シーケンスＰ３のいずれかに従って変更されることができる。
【００４３】
第１シーケンスＰ１では、熱処理温度ＴＨは、成長温度ＴＧと実質的に同じであって、時刻ｔ２から時刻ｔ３１の間に実質的な熱処理が行われる。第２シーケンスＰ２では、熱処理温度ＴＨは、成長温度ＴＧより高い温度（例えばＴＨＭＡＸ）に昇温されると共に昇温後の温度において時刻ｔ２から時刻ｔ３２の間に実質的な熱処理が行われる。第３シーケンスＰ３では、熱処理温度ＴＨは、成長温度ＴＧより低い温度（例えばＴＨＭＩＮ）に降温されると共に降温後の温度において時刻ｔ２から時刻ｔ３３の間に実質的な熱処理が行われる。熱処理時間は、摂氏４００度以上の熱処理温度ＴＨで５分以上であることができ、摂氏７５０度以上の熱処理温度ＴＨで３分以上であることができる。熱処理時間は、３０分以下であることが良い。
【００４４】
図２に示された温度シーケンスでは、処理装置４の温度は、熱処理温度ＴＨＭＩＮより低い温度に降温される。この降温の際にも、窒素雰囲気が用いられる。窒素雰囲気中における基板温度の降下は、放出された水素が半導体中に戻ることを低減できる。熱処理の後に、エピタキシャル基板ＥＰは、成長炉といった処理装置４から取り出されて、大気に触れる。
【００４５】
図１の（ｃ）部に示されるように、熱処理されたエピタキシャル基板ＥＰ上に、面発光レーザのポストを規定するための絶縁体マスク２５を形成する。絶縁体マスク２５は、シリコン系無機絶縁膜（シリコン窒化膜、シリコン酸化膜、シリコン酸窒化膜）を含むことができ、シリコン系無機絶縁体は、例えばＳｉＮであることができる。シリコン系無機絶縁膜は、例えば化学的気相成長法により成長される。成膜されたシリコン系無機絶縁膜は、フォトリソグラフィ及びエッチングにより加工されて、絶縁体マスク２５が得られる。絶縁体マスク２５を用いてエピタキシャル基板ＥＰをエッチングして、半導体ポスト２７を含む半導体生産物ＳＰ１を形成する。このエッチングは、エッチング装置６を用いて行われる。エッチング装置６のチャンバにエッチャント（塩素Ｃｌ２）が供給される。このエッチングは、例えばドライエッチングにより行われることができる。半導体ポスト２７は、コンタクト層２３ａ、上部分布ブラッグ反射構造のための半導体積層１９ａ、及び酸化狭窄のための高Ａｌ組成半導体層２１ａ及び活性層のための量子井戸構造１７ａを含む。これらの半導体の側面が、半導体ポスト２７の側面に現れている。下部分布ブラッグ反射構造のための半導体積層１５ａは、半導体ポスト２７を搭載する。エッチングの後に、絶縁体マスク２５を除去する。
【００４６】
図１の（ｄ）部に示されるように、半導体生産物ＳＰ１を酸化雰囲気中において、半導体ポスト２７の側面から高Ａｌ組成半導体層２１ａの酸化を行って基板生産物ＳＰ２を形成する。この酸化は、例えば酸化炉８において行われる。酸化炉８のチャンバに酸化雰囲気が形成される。酸化雰囲気は、例えば高温の水蒸気であることができる。高Ａｌ組成半導体層２１ａは、例えば０．９８のＡｌ組成を有しているので、酸化雰囲気中において半導体ポスト２７の側面から酸化されてＩＩＩ族酸化物層（酸化アルミニウム層）が形成される。この酸化により、半導体生産物ＳＰ１に電流狭窄構造２９が形成されて、ポスト３１を含む基板生産物ＳＰ２を得る。ポスト３１は、コンタクト層２３ａ、上部分布ブラッグ反射構造のための半導体積層１９ａ、電流狭窄構造２９、及び活性層のための量子井戸構造１７ａを含む。
【００４７】
図１の（ｅ）部に示されるように、ポスト３１の上面に開口を有する絶縁保護膜３３を形成する。絶縁保護膜３３の形成の一例が、以下に示される。基板生産物ＳＰ２の全面に絶縁膜を成長する。この絶縁膜は、例えば化学的気相成長法で形成される。フォトリソグラフィ及びエッチングを用いて絶縁膜を加工して、ポスト３１の上面に開口を形成する。これらの工程により、絶縁保護膜３３が形成される。絶縁保護膜３３は、下部分布ブラッグ反射構造のための半導体積層１５ａの上面、及びポスト３１の側面を覆う。絶縁保護膜３３は、ポスト３１の上面に開口３３ａを有する。絶縁保護膜３３は、例えば酸化膜を含み、酸化膜は、例えば酸化シリコン膜であることができる。
【００４８】
フォトリソグラフィ及びエッチングを用いて、図１の（ｆ）部に示されるように、ポスト３１の上面に上部電極３５を形成すると共に、半導体基板１１の裏面に下部電極３７を形成する。必要な場合には、半導体基板１１の裏面を研磨した後に、研磨された裏面に下部電極３７を形成するようにしてもよい。
【００４９】
これらの工程によって、基板生産物ＳＰ３が得られる。基板生産物ＳＰ３を加工して、図３に示される面発光半導体レーザ４１を含む半導体チップを形成する。理解を容易にするために、図３を参照する説明は、可能な場合には、図１を参照しながら行われた説明における参照符合を用いて行われる。
【００５０】
面発光半導体レーザ４１は、半導体基板１１、下部分布ブラッグ反射構造のための半導体積層１５ａ、量子井戸構造１７ａ、電流狭窄構造２９、コンタクト層２３ａ、上部分布ブラッグ反射構造のための半導体積層１９ａ、上部電極３５、下部電極３７及び絶縁保護膜３３を含む。ポスト３１は、コンタクト層２３ａ、上部分布ブラッグ反射構造のための半導体積層１９ａ、電流狭窄構造２９、及び活性層のための量子井戸構造１７ａを含む。絶縁保護膜３３は、下部分布ブラッグ反射構造のための半導体積層１５ａの表面、及びポスト３１の側面を覆う。量子井戸構造１７ａは、上部スペーサ層１７ｂ、井戸層１７ｃ、障壁層１７ｄ及び下部スペーサ層１７ｅを含む。面発光半導体レーザ４１は、レーザ光Ｌをポスト３１の上面から出射する。
面発光半導体レーザ４１の一例。
ｐ型コンタクト層：ＧａＡｓ。
ｐ型分布ブラッグ反射器：ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ＝０．１２）／ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ＝０．９０）、２３ペア。
ｐ型酸化狭窄構造：ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ＝０．９８）。
活性層。
ｐ型スペーサ層：ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ＝０．３０）。
ｉ型スペーサ層：ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ＝０．９０）。
量子井戸構造：ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、３ＱＷｓ。
ｉ型スペーサ層：ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ＝０．３０）。
ｎ型分布ブラッグ反射器：ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ＝０．１２）／ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ＝０．９０）、３５ペア。
ｎ型基板：ＧａＡｓ。
【００５１】
実施形態に係る作製方法における実験例１〜４を説明する。実験例１〜４では、エピタキシャル基板の成長及びエピタキシャル基板の熱処理を行う一方で、実験例４ではエピタキシャル基板の成長を行い熱処理を行わない。
【００５２】
（実験例１）
図４は、実験例１に係るエピタキシャル基板の作製及び熱処理のためのシーケンスにおける成長炉の温度変化Ｔ１ＭＰ及びガス（Ｇ（ＡｓＨ３）、Ｇ（Ｈ２）、Ｇ（Ｎ２））の流量変化を示す図面である。図４を参照すると、成長炉の温度は、時刻ｔ１において成長温度ＴＧに到達しており、時刻ｔ１においてＩＩＩ族構成元素のための原料ガスの供給を開始する。この実験例では、Ｖ族構成元素のための原料ガスＧ（ＡｓＨ３）及びキャリアガス（水素）は、時刻ｔ１に先だって成長炉に供給されている。時刻ｔ１に先だって供給する理由は、ＧａＡｓ基板からヒ素が抜けることによる基板表面劣化を防止するためである。これらの原料ガスの供給停止に応答して、半導体の成長は停止する。また、時刻ｔ２において、ＩＩＩ族構成元素のための原料ガス及びＶ族構成元素のための原料ガスＧ（ＡｓＨ３）の供給を停止する。この停止に合わせて、キャリアガスが水素から窒素に切り替えられる。基板温度は変更されない。時刻ｔ３（例えば、基板温度が摂氏４００度である時刻）において、実質的な熱処理を完了する。この実験例では、窒素雰囲気における一定温度の期間ＰＴＨは３分以上であることができ、本実験例では例えば５分である。このエピタキシャル基板及び熱処理の後に、引き続く製造工程を行って、面発光半導体レーザ（参照符合「Ｄ１Ｖ」として参照する）を作製する。
【００５３】
（実験例２）
図５は、実験例２に係るエピタキシャル基板の作製及び熱処理のためのシーケンスにおける成長炉の温度変化Ｔ２ＭＰ及びガス（Ｇ（ＡｓＨ３）、Ｇ（Ｈ２）、Ｇ（Ｎ２））の流量変化を示す図面である。図５を参照すると、成長炉の温度は、時刻ｔ１において成長温度ＴＧに到達しており、時刻ｔ１において、ＩＩＩ族構成元素のための原料ガスの供給を開始する。Ｖ族構成元素のための原料ガスＧ（ＡｓＨ３）及びキャリアガス（水素）が、時刻ｔ１に先だって既に成長炉に供給されている。時刻ｔ２において、ＩＩＩ族構成元素のための原料ガス及びＶ族構成元素のための原料ガスＧ（ＡｓＨ３）の供給を停止する。これらの原料ガスの供給停止に応じて、半導体の成長は行われない。また、この停止に合わせて、キャリアガスが水素から窒素に切り替えられる。この実験例では、半導体の成長を停止した時刻以降において、例えば時刻ｔ２において、成長炉の温度を所望の熱処理の温度に下げる。窒素雰囲気における一定温度（成長温度より低い温度）の期間ＰＴＨは３分以上であることができ、本実験例では例えば３０分である。時刻ｔ３（基板温度が例えば摂氏４００度である時刻）において、実質的な熱処理を完了する。このエピタキシャル基板及び熱処理の後に、引き続く製造工程を行って、面発光半導体レーザ（参照符合「Ｄ２Ｖ」として参照する）を作製する。
【００５４】
（実験例３）
図６は、実験例３に係るエピタキシャル基板の作製及び熱処理のためのシーケンスにおける成長炉の温度変化Ｔ３ＭＰ及びガス（Ｇ（ＡｓＨ３）、Ｇ（Ｈ２）、Ｇ（Ｎ２））の流量変化を示す図面である。図６を参照すると、成長炉の温度は、時刻ｔ１において成長温度ＴＧに到達しており、時刻ｔ１において、ＩＩＩ族構成元素のための原料ガスの供給を開始する。Ｖ族構成元素のための原料ガスＧ（ＡｓＨ３）及びキャリアガス（水素）が、時刻ｔ１に先だって既に成長炉に供給されている。時刻ｔ２において、ＩＩＩ族構成元素のための原料ガス及びＶ族構成元素のための原料ガスＧ（ＡｓＨ３）の供給を停止する。これらの原料ガスの供給停止により、半導体の成長は行われない。また、この停止に合わせて、キャリアガスが水素から窒素に切り替えられる。この実験例では、半導体の成長停止の後、例えば時刻ｔ２において、成長炉の温度を所望の熱処理の温度に上げる。窒素雰囲気における一定温度（成長温度より低い温度）の期間ＰＴＨは３分以上であることができ、本実験例では例えば５分である。時刻ｔ３（基板温度が例えば摂氏４００度である時刻）において、実質的な熱処理を完了する。このエピタキシャル基板及び熱処理の後に、引き続く製造工程を行って、面発光半導体レーザ（参照符合「Ｄ３Ｖ」として参照する）を作製する。
【００５５】
（実験例４）
図７は、実験例３に係るエピタキシャル基板の作製のための成長シーケンスにおける成長炉の温度変化Ｔ４ＭＰ及びガス（Ｇ（ＡｓＨ３）、Ｇ（Ｈ２））の流量変化を示す図面である。図７を参照すると、成長炉の温度は、時刻ｔ１において成長温度ＴＧに到達しており、時刻ｔ１において、ＩＩＩ族構成元素のための原料ガスの供給を開始する。Ｖ族構成元素のための原料ガスＧ（ＡｓＨ３）及びキャリアガス（水素）が、時刻ｔ１に先だって既に成長炉に供給されている。時刻ｔ２において、ＩＩＩ族構成元素のための原料ガス及びＶ族構成元素のための原料ガスＧ（ＡｓＨ３）の供給を停止する。これらの原料ガスの供給停止により、半導体の成長が行われない。この停止の後においても、キャリアガス水素を引き続き流す。この実験例では、例えば時刻ｔ２において、水素雰囲気において成長炉の温度を室温に向けて低下させる。この実験例において、水素雰囲気中の基板温度降下を中断せずに行う。このエピタキシャル基板の作製の後に、引き続く製造工程を行って、面発光半導体レーザ（参照符合「Ｄ４Ｖ」として参照する）を作製する。
【００５６】
図８、図９、図１０、及び図１１は、それぞれ、面発光半導体レーザＤ１Ｖ、Ｄ２Ｖ、Ｄ３Ｖ、及びＤ４Ｖの微分抵抗の変動を示す。これらの図におけるグラフの横軸は、個々の面発光半導体レーザにおける通電時間を示し、縦軸は、個々の面発光半導体レーザの微分抵抗の変化量を示す。通電は、摂氏１００度の恒温槽において行われる。
デバイス名：実験の試料数、累積通電時間（１０００ｈ）における平均変動量。
Ｄ１Ｖ：２０個、０．１％。
Ｄ２Ｖ：２０個、０．２％。
Ｄ３Ｖ：２０個、−０．３％。
Ｄ４Ｖ：２０個、６．２％。
通電における面発光半導体レーザのバイアス条件：７ｍＡ。
面発光半導体レーザの微分抵抗の測定条件：２ｍＡと３ｍＡにおける電圧の差から算出。
【００５７】
微分抵抗の平均変動量に関して、図８、図９、図１０、及び図１１を参照すると、面発光半導体レーザＤ１Ｖ、Ｄ２Ｖ、及びＤ３Ｖの微分抵抗の変動は、面発光半導体レーザＤ４Ｖの微分抵抗の変動に比べて十分に小さい。
【００５８】
累積通電時間（１０００ｈ）における平均変動量に関して、面発光半導体レーザＤ１Ｖ、Ｄ２Ｖ、Ｄ３Ｖにおける微分抵抗のばらつきは、面発光半導体レーザＤ４Ｖにおける微分抵抗のばらつきに比べて十分に小さい。
【００５９】
これらのエピタキシャル基板のＳＩＭＳ分析の結果によれば、エピタキシャル膜に１０の１８乗台の水素が残留している。また、実験例４に示されるように、熱処理無しで作製された面発光半導体レーザＤ４Ｖでは、エピ成長に用いるＩＩＩ族原料のトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ），及びＶ族原料ＡｓＨ３、並びにキャリアガスＨ２から、水素原子が提供される。水素原子は、エピタキシャル膜中のｐ型ドーパントに結合して、或いは自由水素の形態で結晶中に残留する。デバイスの動作中に、水素原子は、デバイスへの通電によってエネルギーを得て、半導体内を移動する。移動した水素原子が、電流経路上のｐ型ドーパントに結合すると、ｐ型ドーパントは不活性化される。ｐ型ドーパントの不活性化は、微分抵抗を上昇させる。このような知見から、実験例１〜３では、結晶成長中に膜中に取り込まれた水素原子が、水素を含まない雰囲気中における熱処理によって膜中から放出される。熱処理による水素濃度低減、及び熱処理中の結晶性劣化の低減により、実験例１〜３における面発光レーザは、微分抵抗の上昇を抑制できる。
【００６０】
高純度の水素が容易に得られるので、通常のＭＯＣＶＤ成長では、キャリアガスに水素を用いる。水素雰囲気中における降温を行う実験例では、結晶内に高濃度の水素が存在している。これに対して、窒素ガスは水素ガスに比べると純度が低い。しかしながら、発明者の知見によれば、水素原子よりも原子半径の大きな不純物はほとんど取り込まれない。実験例１〜３における窒素雰囲気（窒素の圧力範囲：１３３０Ｐａ〜２００００Ｐａ）における熱処理では、膜中への窒素の取り込みは、ドーパント濃度の１％以下であると見積もられ、これ故に、窒素は膜中に実質的に取り込まれず、微分抵抗への影響は無視できる程度に小さい。
【００６１】
半導体の製造工程では、エピ成長の後には、当該結晶成長の温度より高い温度にエピタキシャル膜を曝さないようにしてエピタキシャル膜が高温の熱ストレスを受けないようにしてきた。
【００６２】
実験例３では、成長時の基板温度（摂氏６５０度）より高い温度（摂氏７００度）を用いて熱処理を行う。高温の熱処理は、デバイスの微分抵抗の変動及びばらつきの点において、これまで懸念されてきた結晶性悪化を上回る効果、具体的には、エピタキシャル膜からの水素離脱に大きな効果を示す。
【００６３】
実験例２においては、成長温度より低い温度において熱処理を行う。長い熱処理時間により、低温の熱処理においてエピタキシャル膜からの水素離脱を可能にしている。
【００６４】
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。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
以上説明したように、本実施形態によれば、動作時間の経過に伴って微分抵抗が上昇することを低減できる、面発光半導体レーザを作製する方法が提供される。
【符号の説明】
【００６６】
４…処理装置、６…エッチング装置、８…酸化炉、１１…半導体基板、１５…第１積層体、１７…量子井戸構造、２１…Ａｌ含有半導体層、２３…高ドープ半導体層、１５ａ…半導体積層、１７ａ…量子井戸構造、１９ａ…半導体積層、２１ａ…高Ａｌ組成半導体層、２３ａ…コンタクト層、２５…絶縁体マスク、２７…半導体ポスト、２９…電流狭窄構造、３１…ポスト、３５…上部電極、３７…下部電極、ＥＰ…エピタキシャル基板、Ｇ１…原料ガス、Ｃ１…第１キャリアガス、Ｃ２…第２キャリアガス。
【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】
2018160651.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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