(57)【要約】【課題】フォトルミネッセンス特性を向上させることができる、ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体光装置を作製する方法、及びＩＩＩ−Ｖ化合物半導体を形成する方法を提供する。【解決手段】この方法では、量子井戸構造２５を作製後、有機金属気相成長炉１１を用いて熱処理２７と第２導電型ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体領域２９の成長とを行う。有機金属気相成長炉１１において、量子井戸構造２５のアニールと、第２導電型ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体領域２９の成長に先立つ熱クリーニングとを行うので、工程を簡素化できる。また、熱処理２７を施した後、Ｈ２雰囲気において、有機金属気相成長炉１１の温度を熱処理温度ＴＴＨから第２導電型ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体領域２９の成長温度ＴＧＲまで降温させる。これにより、量子井戸構造２５への水素の拡散を抑制され、フォトルミネッセンス特性の向上が図られる。【選択図】図２
2008283078.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体光装置を作製する方法であって、
Ｖ族として窒素及びヒ素を含む第１のＩＩＩ−Ｖ化合物半導体からなる量子井戸構造のための井戸層をＩＩＩ−Ｖ化合物半導体領域上に分子線エピタキシ法で形成する工程と、
前記井戸層を形成した後、ヒ素を含む第２のＩＩＩ−Ｖ化合物半導体からなる半導体層を分子線エピタキシ法で形成する工程と、
前記半導体層を成長させた後、有機金属気相成長炉を用いることにより、ＡｓＨ３雰囲気下で、成膜することなく摂氏６５０度以上の熱処理温度で前記量子井戸構造に熱処理を施す工程と、
前記量子井戸構造に熱処理を施した後、前記有機金属気相成長炉の温度を、Ｈ２雰囲気下で前記第２導電型ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体領域を成長させる成長温度まで降温させる工程と、
前記降温の後、前記有機金属気相成長炉を用いることにより、前記成長温度で第２導電型ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体領域を成長させる工程と、
を備えたことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記熱処理温度は、摂氏８５０度以下であることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記第２導電型ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体領域は、ｐ型クラッド層及びｐ型コンタクト層を含むことを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
【請求項４】
前記井戸層を形成するに先立って、交互に積層された第１のＤＢＲ層及び第２のＤＢＲ層を含む第１のブラッグ回折格子部を、有機金属気相成長法で形成する工程を更に備え、
前記第２導電型ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体領域は、交互に積層された第３のＤＢＲ層及び第４のＤＢＲ層を含む第２のブラッグ回折格子部を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の方法。
【請求項５】
ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体を形成する方法であって、
Ｖ族として窒素及びヒ素を含むＩＩＩ−Ｖ化合物半導体からなる活性層をＧａＡｓ半導体領域上に分子線エピタキシ法で形成する工程と、
前記活性層を成長させた後、有機金属気相成長炉を用いることにより、ＡｓＨ３雰囲気下で、成膜することなく摂氏６５０度以上の熱処理温度で前記活性層に熱処理を施す工程と、
前記活性層に熱処理を施した後、前記有機金属気相成長炉の温度を、Ｈ２雰囲気下で前記ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体を成長させる成長温度まで降温させる工程と、
前記降温の後、前記有機金属気相成長炉を用いることにより、前記成長温度でＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層を成長させる工程と、
を備えたことを特徴とする方法。
【請求項６】
前記熱処理温度は、摂氏８５０度以下であることを特徴とする請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記熱処理温度は、３０分以上４時間以下であることを特徴とする請求項５又は６記載の方法。
【請求項８】
前記ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体は、ＧａＩｎＮＡｓ又はＧａＮＡｓであることを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体光装置を作製する方法、及びＩＩＩ−Ｖ化合物半導体を形成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１には、分子線エピタキシ法で作製されたＩｎ０．４Ｇａ０．６Ａｓ０．９８５Ｎ０．０１５／ＧａＡｓ量子井戸構造を持つ試料のフォトルミネッセンス特性に関し、熱アニール（in situ）および成長温度の影響について記載されている。Ｉｎ０．４Ｇａ０．６Ａｓ０．９８５Ｎ０．０１５／ＧａＡｓ量子井戸構造は、摂氏５８０度で成長されたＧａＡｓバリア層（厚さ８０ｎｍ）によって覆われている。試料は、高温ポストアニールのためのＲＴＡチャンバに入れられ、摂氏７００度の温度で熱処理される。熱処理時間は、およそ１時間２０分である。
【非特許文献１】B. Damilano et al. Appl. Phys. Lett.86,071105-1 (2005)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
非特許文献１に記載の方法では、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸構造の作製はＭＢＥ装置で行われ、熱処理は別の装置を用いて行なわれるので、製造工程が煩雑となる。しかしながら、ＧａＩｎＮＡｓといった半導体結晶には、窒素添加に起因する非発光再結合中心が多数存在する。したがって、このような半導体結晶のフォトルミネッセンス特性を向上させるためには、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸の作製の後に、アニールを行うことが必要と考えられる。また、フォトルミネッセンス特性の向上にあたっては、アニール後に上部クラッド層を成長させる工程での活性層への雰囲気ガス成分の拡散にも配慮する必要がある。
【０００４】
本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、フォトルミネッセンス特性を向上させることができる、ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体光装置を作製する方法、及びＩＩＩ−Ｖ化合物半導体を形成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】
【０００５】
上記課題の解決のため、本発明に係るＩＩＩ−Ｖ化合物半導体光装置を作製する方法は、ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体光装置を作製する方法であって、Ｖ族として窒素及びヒ素を含む第１のＩＩＩ−Ｖ化合物半導体からなる量子井戸構造のための井戸層をＩＩＩ−Ｖ化合物半導体領域上に分子線エピタキシ法で形成する工程と、井戸層を形成した後、ヒ素を含む第２のＩＩＩ−Ｖ化合物半導体からなる半導体層を分子線エピタキシ法で形成する工程と、半導体層を成長させた後、有機金属気相成長炉を用いることにより、ＡｓＨ３雰囲気下で、成膜することなく摂氏６５０度以上の熱処理温度で量子井戸構造に熱処理を施す工程と、量子井戸構造に熱処理を施した後、有機金属気相成長炉の温度を、Ｈ２雰囲気下で第２導電型ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体領域を成長させる成長温度まで降温させる工程と、降温の後、有機金属気相成長炉を用いることにより、成長温度で第２導電型ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体領域を成長させる工程と、を備えたことを特徴としている。
【０００６】
この方法では、分子線エピタキシ法を用いて量子井戸構造を作製した後、有機金属気相成長炉を用いて熱処理を行うと共に、引き続きこの有機金属気相成長炉にて半導体層を成長させる。したがって、ＲＴＡチャンバ等を別途に準備する必要はなく、有機金属気相成長炉において、量子井戸構造のためのアニールと、半導体層の成長に先立つ熱クリーニングとの双方を行うことができるので、工程を簡素化できる。また、この方法では、量子井戸構造に熱処理を施した後、ＡｓＨ３雰囲気からＨ２雰囲気に切り替えて、ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体を成長させる成長温度まで有機金属気相成長炉の温度を降温させる。これにより、量子井戸構造への水素の拡散を抑制することが可能となり、フォトルミネッセンス特性の向上が図られる。
【０００７】
また、熱処理温度は、摂氏８５０度以下であることが好ましい。第１のＩＩＩ−Ｖ化合物半導体の窒素組成を考慮すると、摂氏８５０度を超えると、結晶構造が劣化すると考えられる。したがって、熱処理温度を摂氏８５０度以下とすることで、フォトルミネッセンス特性のより確実な向上が期待できる。
【０００８】
また、第２導電型ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体領域は、ｐ型クラッド層及びｐ型コンタクト層を含むことが好ましい。この場合、ｐ型クラッド層及びｐ型コンタクト層の形成に先立って熱処理を行うこととなるので、熱処理の条件に対する制約を小さくできる。
【０００９】
また、井戸層を形成するに先立って、交互に積層された第１のＤＢＲ層及び第２のＤＢＲ層を含む第１のブラッグ回折格子部を、有機金属気相成長法で形成する工程を更に備え、第２導電型ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体領域は、交互に積層された第３のＤＢＲ層及び第４のＤＢＲ層を含む第２のブラッグ回折格子部を含むことが好ましい。この場合、第２のブラッグ回折格子部の形成に先立って熱処理を行うこととなるので、熱処理による第２のブラッグ回折格子部への影響をなくすことができる。
【００１０】
本発明に係るＩＩＩ−Ｖ化合物半導体を形成する方法は、ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体を形成する方法であって、Ｖ族として窒素及びヒ素を含むＩＩＩ−Ｖ化合物半導体からなる活性層をＧａＡｓ半導体領域上に分子線エピタキシ法で形成する工程と、活性層を成長させた後、有機金属気相成長炉を用いることにより、ＡｓＨ３雰囲気下で、成膜することなく摂氏６５０度以上の熱処理温度で活性層に熱処理を施す工程と、活性層に熱処理を施した後、有機金属気相成長炉の温度を、Ｈ２雰囲気下でＩＩＩ−Ｖ化合物半導体を成長させる成長温度まで降温させる工程と、降温の後、有機金属気相成長炉を用いることにより、成長温度でＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層を成長させる工程と、を備えたことを特徴としている。
【００１１】
この方法では、分子線エピタキシ法を用いて活性層を作製した後、有機金属気相成長炉を用いて熱処理を行うと共に、引き続きこの有機金属気相成長炉にて半導体層を成長させる。したがって、ＲＴＡチャンバ等を別途に準備する必要はなく、有機金属気相成長炉において、活性層のためのアニールと、半導体層の成長に先立つ熱クリーニングとの双方を行うことができるので、工程を簡素化できる。また、この方法では、活性層に熱処理を施した後、ＡｓＨ３雰囲気からＨ２雰囲気に切り替えて、ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体を成長させる成長温度まで有機金属気相成長炉の温度を降温させる。これにより、活性層への水素の拡散を抑制することが可能となり、フォトルミネッセンス特性の向上が図られる。
【００１２】
また、熱処理温度は、摂氏８５０度以下であることが好ましい。ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体の窒素組成を考慮すると、摂氏８５０度を超えると、結晶構造が劣化すると考えられる。したがって、熱処理温度を摂氏８５０度以下とすることで、フォトルミネッセンス特性のより確実な向上が期待できる。
【００１３】
また、熱処理温度は、３０分以上４時間以下であることが好ましい。この場合、所望のアニールが提供される。
【００１４】
また、ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体は、ＧａＩｎＮＡｓ又はＧａＮＡｓであることが好ましい。この場合、熱処理により、ＧａＩｎＮＡｓ又はＧａＮＡｓのフォトルミネッセンス特性を良好なものとすることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、フォトルミネッセンス特性を向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照しながら、本発明に係るＩＩＩ−Ｖ化合物半導体光装置を作製する方法、及びＩＩＩ−Ｖ化合物半導体を形成する方法の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１７】
図１〜図３は、ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体光装置を作製する方法を示す概略図である。図１（Ａ）は、結晶成長装置を用いて、基板１３の主面１３ａ上に第１導電型ＩＩＩ−Ｖ半導体領域１５を形成する工程を示している。結晶成長装置としては、有機金属気相成長炉１１を用いることができる。
【００１８】
基板１３は、例えばＧａＡｓ基板である。基板１３の表面には、第１導電型ＩＩＩ−Ｖ半導体領域１５として、有機金属気相成長法で形成した第１のブラッグ回折格子部１７が設けられている。有機金属気相成長法では、ガリウム原料、インジウム原料、アルミニウム原料、ヒ素原料、窒素原料として、例えばトリメチルガリウム、トリメチルインジウム、トリメチルアルミニウム、ターシャリブチルアルシン、ジメチルヒドラジンを用いることができる。
【００１９】
第１のブラッグ回折格子部１７は、第１のＤＢＲ層１７ａ及び第２のＤＢＲ層１７ｂを含んでいる。第１のＤＢＲ層１７ａ及び第２のＤＢＲ層１７ｂは、交互に積層されている。第１のＤＢＲ層１７ａは、例えばｎ型ＧａＡｓであり、第２のＤＢＲ層１７ｂは、例えばｎ型ＡｌＧａＡｓである。第１のＤＢＲ層１７ａの半導体材料の屈折率は、第２のＤＢＲ層１７ｂの半導体材料の屈折率と異なっている。第１のブラッグ回折格子部１７は、例えば２３対のＤＢＲ部４１層によって構成される。
【００２０】
第１導電型ＩＩＩ−Ｖ半導体領域１５を形成した後、有機金属気相成長炉１１から大気中に基板１３を取り出す。次に、量子井戸構造のための井戸層を、分子線エピタキシ法によってＩＩＩ−Ｖ化合物半導体領域上に形成する。
【００２１】
図１（Ｂ）は、第１導電型ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体領域１５上に活性層２３を形成する工程を示す図である。活性層２３は、分子線ビームエピタキシ装置２１を用いて形成される。活性層２３は、例えばＶ族として窒素及びヒ素を含む第１のＩＩＩ−Ｖ化合物半導体である。第１のＩＩＩ−Ｖ化合物半導体は、例えばＧａＩｎＮＡｓ又はＧａＮＡｓである。
【００２２】
第１のＩＩＩ−Ｖ化合物半導体からなる活性層２３上には、ヒ素を含む第２のＩＩＩ−Ｖ化合物半導体からなる半導体層（例えばＧａＡｓ半導体層）を分子線エピタキシ法で成長することが好ましい。また、第１のＩＩＩ−Ｖ化合物半導体からなる活性層２３の形成に先立って、ヒ素を含むＩＩＩ−Ｖ化合物半導体からなる半導体層（例えばＧａＡｓ半導体層）を分子線エピタキシ法で成長することが好ましい。
【００２３】
活性層は、量子井戸構造２５を有している。量子井戸構造２５は、井戸層２５ａ及び障壁層２５ｂを含んで構成されている。井戸層２５ａは、例えばＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＮＡｓ又はＧａＩｎＮＡｓＳｂである。障壁層２５ｂは、例えばＧａＡｓ又はＧａＮＡｓである。井戸層２５ａのバンドギャップ波長は、障壁層２５ｂのバンドギャップ波長よりも大きなものとなっている。なお、量子井戸構造２５の両側には、例えば障壁層２５ｂと同じ材料からなる光ガイド層を設けてもよい。
【００２４】
次に、図２（Ａ）に示すように、有機金属気相成長炉１１を用いて、成膜することなく活性層１５に熱処理２７を施す。熱処理２７を行うにあたっては、有機金属気相成長炉１１の外部からガスＧＴＨを供給し、活性水素及びヒ素を含む雰囲気を形成する。分子線エピタキシ法では、ＧａＩｎＮＡｓ半導体を成長させる温度は例えば摂氏４７５度程度であるので、熱処理２７は、Ｖ族として窒素及びヒ素を含む第１のＩＩＩ−Ｖ化合物半導体のための成膜温度よりも高い温度で行われる。
【００２５】
熱処理温度ＴＴＨは、例えば摂氏６５０度以上８５０度以下で行われる。摂氏６５０度以下では、アニール効果が得られず、フォトルミネッセンス強度の向上率が小さいからである。また、第１のＩＩＩ−物半導体の窒素組成を考慮すると、摂氏８５０度を越えると結晶性の劣化が始まり、フォトルミネッセンス強度の十分な向上が見られなくなるためである。熱処理のための時間は、十分なアニール及び熱クリーニングのため、３０分以上とされるが、結晶性の劣化を考慮して４時間以下とされる。
【００２６】
また、熱処理２７中に有機金属気相成長炉１１に供給される熱処理ガスＧＴＨは、例えばＡｓＨ３である。このガスの熱分解により、ヒ素および活性水素を含む雰囲気が提供される。
【００２７】
熱処理２７の一条件としては、例えば、
熱処理ガス：ＡｓＨ３
圧力：５．３×１０３Ｐａ（４０Ｔｏｒｒ）
熱処理時間：１２０分
が用いられる。
【００２８】
活性層１５に熱処理を施した後、図２（Ｂ）に示すように、有機金属気相成長炉１１から熱処理ガスＧＴＨを除去する。次いで、熱処理ガスＧＴＨに代え、雰囲気ガスＧＡＴを有機金属気相成長炉１１に供給する。雰囲気ガスＧＡＴは、例えばＨ２である。これにより、有機金属気相成長炉１１には、Ｈ２雰囲気が形成される。そして、このＨ２雰囲気下において、有機金属気相成長炉１１内の温度を、熱処理温度ＴＴＨから第２導電型ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体領域を成長させる成長温度ＴＧＲまで、降温させる。成長温度ＴＧＲは、例えば摂氏６００度程度である。
【００２９】
有機金属気相成長炉１１内の温度を成長温度ＴＧＲまで降温させた後、図３に示すように、第２導電型ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体領域２９を成長させる。第２導電型ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体領域２９は、第２のブラッグ回折格子部３１を含んでいる。第２のブラッグ回折格子部３１は、交互に積層された第３のＤＢＲ層３１ａ及び第４のＤＢＲ層３１ｂを含んでいる。第３のＤＢＲ層３１ａは、例えばｎ型ＧａＡｓであり、第４のＤＢＲ層３１ｂは、例えばｎ型ＡｌＧａＡｓである。第３のＤＢＲ層３１ａの半導体材料の屈折率は、第４のＤＢＲ層３１ｂの半導体材料の屈折率と異なっている。
【００３０】
第２導電型ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体領域２９の形成に先立って熱処理２７を行うので、熱処理２７による第２のブラッグ回折格子部３１への影響がない。第２のブラッグ回折格子部３１は、例えば２８対のＤＢＲ層を含んでいる。これにより、垂直共振器型半導体レーザを作製できる。
【００３１】
第１導電型ＩＩＩ−Ｖ半導体領域１５は、ｎ型クラッド層を含んでいてもよく、第２導電型ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体領域２９は、ｐ型クラッド層及びｐ型コンタクト層を含んでいてもよい。この場合、ｐ型クラッド層及びｐ型コンタクト層の形成に先立って熱処理２７を行うので、アニール条件に対する制約を小さくできる。これにより、端面発光型半導体レーザを作製できる。
【００３２】
以上のように、この方法では、分子線エピタキシ法を用いて量子井戸構造２５を作製した後、有機金属気相成長炉１１を用いて熱処理２７を行うと共に、引き続きこの有機金属気相成長炉１１にて第２導電型ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体領域２９を成長させる。したがって、ＲＴＡチャンバ等を別途に準備する必要はなく、有機金属気相成長炉１１において、量子井戸構造２５のためのアニールと、第２導電型ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体領域２９の成長に先立つ熱クリーニングとの双方を行うことができるので、工程を簡素化できる。
【００３３】
また、この方法では、量子井戸構造２５に熱処理２７を施した後、ＡｓＨ３雰囲気からＨ２雰囲気に切り替え、このＨ２雰囲気下において、有機金属気相成長炉１１の温度を熱処理温度ＴＴＨから第２導電型ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体領域２９を成長させる成長温度ＴＧＲまで降温させる。これにより、量子井戸構造２５への水素の拡散を抑制することが可能となり、フォトルミネッセンス特性の向上が図られる。
【００３４】
［実施例］
続いて、図４を参照しながら、本発明の実施例について説明する。
【００３５】
分子線エピタキシ装置４０を用いて、単一量子井戸構造を作製する。図４（Ａ）に示すように、まず、ｎ型ＧａＡｓ基板４１を準備する。次に、図４（Ｂ）に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板４１上に、分子線エピタキシ法によってｎ型ＧａＡｓバッファ層４３を成長させる。ｎ型ＧａＡｓバッファ層４３の厚みは、例えば０．５μｍである。また、基板温度は、例えば摂氏５８０度である。
【００３６】
次に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層４３上に、分子線エピタキシ法によって、ｎ型ＧａＩｎＮＡｓ活性層４５を成長させる。ｎ型ＧａＩｎＮＡｓ活性層４５の厚みは例えば７ｎｍである。また、基板温度は、例えば摂氏４７０度である。ｎ型ＧａＡｓバッファ層４３を形成した後、この上にｎ型ＧａＡｓキャップ層４７を成長させる。ｎ型ＧａＡｓキャップ層４７の厚みは、例えば０．１μｍである。また、基板温度は、例えば摂氏５４０度である。これらの工程により、単一量子井戸構造を有するエピタキシャルウェハ４９ａ，４９ｂが完成する。
【００３７】
次に、図４（Ｃ）及び図４（Ｄ）に示すように、一方のエピタキシャルウェハ４９ａを、ＲＴＡ（ラピッドサーマルアニーリング）装置５１内に配置し、他方のエピタキシャルウェハ４９ｂをＯＭＶＰＥ（有機金属気相成長）炉５３に配置する。そして、これらの装置５１，５３を用いて、エピタキシャルウェハ４９ａ，４９ｂをそれぞれ熱処理した。
【００３８】
ＲＴＡ装置５１では、昇温レートを摂氏５０度／秒とし、熱処理時間を１５秒とした。ＯＭＶＰＥ炉５３では、昇温レートを摂氏３０度／秒とした。熱処理の前において、フォトルミネッセンススペクトルのピーク強度を測定する（ａｓ−ｇｒｏｗｎ値として参照）と共に、熱処理の後においてもフォトルミネッセンススペクトルのピーク強度を測定した。結晶成長後に、熱処理前のエピタキシャルウェハ４９ａ、４９ｂのフォトルミネッセンスピーク強度を基準にして、熱処理によるフォトルミネッセンスピーク強度の変化を比較した。
【００３９】
ＲＴＡ装置５１を用いる熱処理においてアニール温度を変化させていくと、アニール温度を摂氏７５０度とした場合にピーク強度が最大になった。この温度における熱処理されたエピタキシャルウェハのピーク最大強度は、ａｓ−ｇｒｏｗｎ値の７．７倍の値であった。一方、ＯＭＶＰＥ炉５３を用いた熱処理においては、ピーク強度は、温度、時間に大きく依存する。アニール時間を２時間とし、アニール温度を変更した実験では、以下のような結果が得られた。
【００４０】
熱処理温度    増加率  アニール前波長  アニール後波長
摂氏６００度    ２．７  １２１０ｎｍ  １２００ｎｍ
摂氏６５０度        ８  １２１０ｎｍ  １１８９ｎｍ
摂氏７３０度      ３３  １２１０ｎｍ  １１７６ｎｍ
摂氏７５０度      ５７  １１８０ｎｍ  １１４６ｎｍ
摂氏８００度      ５０  １２０８ｎｍ  １１５２ｎｍ
摂氏８２０度      ２５  １２０７ｎｍ  １１４１ｎｍ
摂氏８５０度        ５  １２０８ｎｍ  １１３５ｎｍ
【００４１】
この結果から、摂氏７３０度から摂氏８００度のアニール温度において、顕著なフォトルミネッセンス強度の増加が見られる。摂氏８２０度では、フォトルミネッセンス強度が最適温度における値よりも小さくなり、結晶に必要以上の熱処理効果がかかり、結晶に損傷を与えていることがわかる。
【００４２】
また、ＯＭＶＰＥ炉５３を用いる熱処理では、ピーク強度の値は、熱処理の時間に大きく依存する。例えば、２時間のアニールが施されたエピタキシャルウェハのピーク強度は、図５に示されるように、ａｓ−ｇｒｏｗｎ値の５７倍の値となっている。図５には、以下の測定点Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４が示されている。
【００４３】
熱処理時間    強度増加  アニール前波長  アニール後波長
Ｄ１：７分、５．４倍    １１８０ｎｍ    １１５６ｎｍ
Ｄ２：１時間、１８倍    １１８２ｎｍ    １１６７ｎｍ
Ｄ３：２時間、５７倍    １２０４ｎｍ    １１６２ｎｍ
Ｄ４：４時間、２２倍    １１５４ｎｍ    １２２０ｎｍ
【００４４】
実験の結果、熱処理の時間は、３０分以上４時間以下とすることが好適であると確認できた。３０分以上の熱処理でフォトルミネッセンス強度を十分増大するだけのアニール効果が得られ、一方で、４時間以下の熱処理で結晶性の劣化によるフォトルミネッセンス強度の低下を防止できるためである。また、ＯＭＶＰＥ炉５３を用いた熱処理は、ＲＴＡ装置５１を用いた熱処理に比べて、フォトルミネッセンススペクトルのピーク強度の改善効果に優れていることも確認できた。
【００４５】
Ｖ族として窒素およびヒ素を含むＩＩＩ−Ｖ化合物半導体とは異なるＡｌＧａＡｓ等の成長をする際、通常、有機金属気相成長炉を用いたクリーニングが行われる。クリーニング温度は例えば摂氏７００度程度であり、クリーニング時間は数分である。上述した熱処理は、ＧａＩｎＮＡｓ半導体のためのアニール効果だけでなく、引き続く半導体層の成長前のクリーニング効果も発揮する。熱処理温度を上げすぎると、ヒ素抜け等によりエピタキシャル層の表面が曇ることがあるが、上記の熱処理条件の温度範囲では、エピタキシャル層の表面に鏡面が維持される。
【００４６】
例えば、垂直共振型半導体レーザを作製する場合、分子線ビームエピタキシ法を用いて活性領域を成長し、ＲＴＡ装置を用いて活性領域のアニールを行い、この後に、ＯＭＶＰＥ装置を用いて半導体層を活性領域上に形成する。この工程は煩雑である。これに対し、ＲＴＡ装置を用いること無くＯＭＶＰＥ装置を用いて活性領域のアニールを行うと、工程の簡略化が図られる。また、大気中を移動する際の汚染および破損等の確率を減らすことが可能となる。
【００４７】
また、ブラッグ反射部の成長後にアニールを行うと、ブラッグ反射部のためのＤＢＲ層の成長温度よりもアニール温度の方が高いので、ブラッグ反射器構造に対しての影響（例えば、拡散等）が考えられる。また、分子線ビームエピタキシ装置のチャンバ内でのアニールだけでは、十分なピーク強度が得られないことは先行技術文献からも理解される。
【００４８】
水素が存在する雰囲気でＯＭＶＰＥ炉を用いたアニールにより、活性水素よる表面（再成長界面）のパッシベーション効果が得られ、分子線ビームエピタキシ装置を用いたアニールよりもピーク強度特性が改善する。アニール温度は、摂氏６５０度から８５０度の範囲でピーク強度の増大が可能である。インジウム組成、窒素組成により最適なアニール温度は異なる。本実施の形態におけるアニール法は、分子線ビームエピタキシ装置を用いて作製されたＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂに有効である。
【００４９】
さらに、二次イオン放出質量分析（ＳＩＭＳ）法を用いた評価結果から、ＯＭＶＰＥ装置において、ＡｓＨ３雰囲気下で７分間の熱処理を行うことにより、再成長界面の不純物（例えば、炭素、酸素等）がＳＩＭＳ分析の検出限界以下まで低下することが明らかになった。この結果より、再成長界面の不純物除去のためには、摂氏７３０度における７分間の熱処理が好ましい。摂氏７６０度における２時間の熱処理を行っても光学特性および表面モホロジーに特に劣化が見られない。摂氏６５０度における熱処理を行うと、ＳＩＭＳ分析によれば、再成長界面の不純物（例えば、炭素および酸素等）は１桁程度低減する。
【００５０】
続いて、ＯＭＶＰＥ炉５３において、熱処理を施した後、ＯＭＶＰＥ炉５３の雰囲気ガスを変化させた場合のフォトルミネッセンス強度を測定する実験を行った。
【００５１】
この実験では、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示した工程と同様に、単一量子井戸構造を有するエピタキシャルウェハを作製した。ｎ型ＧａＩｎＮＡｓ活性層４５のＩｎ組成は約３０％とし、Ｎ組成は約１％とした。また、ｎ型ＧａＩｎＮＡｓ活性層４５の成長温度は、摂氏４２０度とした。ｎ型ＧａＡｓキャップ層４７まで成長させた後の波長は、約１３２０ｎｍであった。
【００５２】
ＯＭＶＰＥ炉５３での熱処理の条件は、
熱処理ガス：ＡｓＨ３
圧力：５．３×１０３Ｐａ（４０Ｔｏｒｒ）
熱処理温度：摂氏７００度
熱処理時間：１２０分
とした。
【００５３】
そして、熱処理の後、ｐ型クラッド層及びｐ型コンタクト層の成長温度である摂氏６００度までＯＭＶＰＥ炉５３の温度を降温させる際、ＯＭＶＰＥ炉５３を引き続きＡｓＨ３雰囲気とした場合と、ＡｓＨ３雰囲気からＨ２雰囲気に切り替えた場合とで、フォトルミネッセンス強度の増加率を測定した。図６は、その結果を示す図である。
【００５４】
図６に示すように、ＡｓＨ３雰囲気で降温させた場合には、フォトルミネッセンス強度の増加率は約５０倍であったのに対し、ＡｓＨ３雰囲気からＨ２雰囲気に切り替えて降温させた場合では、フォトルミネッセンス強度の増加率は約６０倍に向上していた。ＡｓＨ３雰囲気で降温させた場合の波長は１２３８ｎｍ、ＡｓＨ３雰囲気からＨ２雰囲気に切り替えて降温させた場合の波長は１２４０ｎｍであった。
【００５５】
二次イオン放出質量分析（ＳＩＭＳ）を用いた分析結果によれば、ＡｓＨ３雰囲気で降温させた場合では、ｎ型ＧａＩｎＮＡｓ活性層から６×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｃのＨが検出され、ＡｓＨ３雰囲気からＨ２雰囲気に切り替えて降温させた場合では、ｎ型ＧａＩｎＮＡｓ活性層から３×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｃ以下のＨが検出された。障壁層であるＧａＡｓからはＨが検出されておらず、ｎ型ＧａＩｎＮＡｓ活性層に含まれるＮが雰囲気ガス中のＨと結合しやすいものと考えられる。
【００５６】
このことから、ＡｓＨ３雰囲気からＨ２雰囲気に切り替えて降温させることが、ｎ型ＧａＩｎＮＡｓ活性層への水素の拡散を抑制し、フォトルミネッセンス特性を向上できることが実証された。なお、全ての層を成長させた後、ＯＭＶＰＥ炉５３の温度を室温まで降温させる際にも、ＯＭＶＰＥ炉５３をＨ２雰囲気としてもよい。この場合、ｎ型ＧａＩｎＮＡｓ活性層への水素の拡散を一層抑制でき、フォトルミネッセンス特性の更なる向上が図られる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体光装置を作製する方法を示す概略図である。
【図２】図１の後続の工程を示す概略図である。
【図３】図２の後続の工程を示す概略図である。
【図４】実施例を説明するための工程図である。
【図５】ＯＭＶＰＥ装置を用いたアニール実験の結果を示す図である。
【図６】ＯＭＶＰＥ装置における降温時の雰囲気ガスとフォトルミネッセンス強度増加率との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００５８】
１３…基板、１３ａ…基板主面、１５…第１導電型ＩＩＩ−Ｖ半導体領域、１１…有機金属気相成長炉、１７…第１のブラッグ回折格子部、１７ａ…第１のＤＢＲ層、１７ｂ…第２のＤＢＲ層、２１…分子線ビームエピタキシ装置、２３…活性層、２５…量子井戸構造、２５ａ…井戸層、２５ｂ…障壁層、２７…熱処理、ＧＴＨ…熱処理ガス、ＧＡＴ…雰囲気ガス、ＴＴＨ…熱処理温度、ＴＧＲ…成長温度、２９…第２導電型ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体領域、３１…第２のブラッグ回折格子部、３１ａ…第３のＤＢＲ層、３１ｂ…第４のＤＢＲ層、４０…分子線エピタキシ装置、４１…ｎ型ＧａＡｓ基板、４３…ｎ型ＧａＡｓバッファ層、４５…ＧａＩｎＮＡｓ活性層、４７…ｎ型ＧａＡｓキャップ、４９ａ、４９ｂ…エピタキシャルウェハ、５１…ＲＴＡ装置、５３…ＯＭＶＰＥ炉。
【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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