(57)【要約】【課題】III−Ｖ族化合物半導体層中のＮ組成比を、層厚方向において均一化することができるIII−Ｖ族化合物半導体層の形成方法及び半導体光素子の製造方法を提供する。【解決手段】III−Ｖ族化合物半導体層の形成方法は、III族元素及び砒素元素を含むIII−Ｖ族化合物半導体層３上に、III族元素を含むIII族原料ガスＧ１と、砒素元素を含む砒素原料ガスＧ２と、窒素元素を含む窒素原料ガスＧ３とを供給することによって、III族元素、砒素元素及び窒素元素を含むIII−Ｖ族化合物半導体層５を形成する工程Ｓ３を含む。工程Ｓ３は、窒素原料ガスＧ３の供給を開始する前に、III−Ｖ族化合物半導体層３上に、供給量Ｆ１の砒素原料ガスＧ２を供給する工程Ｓ３１と、窒素原料ガスＧ３の供給を開始してから所定時間経過するまでの期間、砒素原料ガスＧ２の供給量を変化させる工程Ｓ３２とを含む。【選択図】図２
2008021926.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
III族元素及び砒素元素を含む第１のIII−Ｖ族化合物半導体層上に、III族元素を含むIII族原料ガスと、砒素元素を含む砒素原料ガスと、窒素元素を含む窒素原料ガスとを供給することによって、III族元素、砒素元素及び窒素元素を含む第２のIII−Ｖ族化合物半導体層を形成する工程を含み、
前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層を形成する工程は、
前記窒素原料ガスの供給を開始する前に、前記第１のIII−Ｖ族化合物半導体層上に、第１の供給量の前記砒素原料ガスを供給する工程と、
前記窒素原料ガスの供給を開始してから所定時間経過するまでの期間、前記砒素原料ガスの供給量を変化させる工程と、
を含む、III−Ｖ族化合物半導体層の形成方法。
【請求項２】
前記第１の供給量の前記砒素原料ガスを供給する工程の前に、前記III族原料ガスの供給量に対する前記砒素原料ガスの供給量の比と、前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層中の窒素元素の組成比との関係を求める工程と、
前記関係を用いて前記第１の供給量を決定する工程と、
を更に含む、請求項１に記載のIII−Ｖ族化合物半導体層の形成方法。
【請求項３】
前記第１の供給量の前記砒素原料ガスを供給する工程では、前記第１の供給量の前記砒素原料ガスを供給している期間、前記III族原料ガスの供給を停止する、請求項１又は２に記載のIII−Ｖ族化合物半導体層の形成方法。
【請求項４】
前記第１の供給量の前記砒素原料ガスを供給する工程では、燐元素を含む第２の供給量の燐原料ガスを供給し、
前記砒素原料ガスの供給量を変化させる工程では、前記燐原料ガスの供給量を変化させる、請求項１〜３のいずれか一項に記載のIII−Ｖ族化合物半導体層の形成方法。
【請求項５】
障壁層及び井戸層が積層された量子井戸構造を有する半導体光素子の製造方法であって、
III族元素及び砒素元素を含み前記障壁層となるべき第１のIII−Ｖ族化合物半導体層上に、III族元素を含むIII族原料ガスと、砒素元素を含む砒素原料ガスと、窒素元素を含む窒素原料ガスとを供給することによって、III族元素、砒素元素及び窒素元素を含み前記井戸層となるべき第２のIII−Ｖ族化合物半導体層を形成する工程を含み、
前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層を形成する工程は、
前記窒素原料ガスの供給を開始する前に、前記第１のIII−Ｖ族化合物半導体層上に、第１の供給量の前記砒素原料ガスを供給する工程と、
前記窒素原料ガスの供給を開始してから所定時間経過するまでの期間、前記砒素原料ガスの供給量を変化させる工程と、
を含む、半導体光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III−Ｖ族化合物半導体層の形成方法及び半導体光素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＩｎＮＡｓ井戸層と、ＧａＡｓ障壁層とが交互に積層された量子井戸構造を有する半導体発光素子が知られている。この半導体発光素子では、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層とＧａＡｓ障壁層との界面近傍において、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層中の窒素元素の組成比（以下、場合により「Ｎ組成比」という。）がＧａＩｎＮＡｓ井戸層の厚み方向に変化してしまう。特に、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層とＧａＡｓ障壁層との界面に向かうに連れて、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層中のＮ組成比が大きくなってしまうことが多い。このような現象をパイルアップという。このため、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層とＧａＡｓ障壁層との間に中間層を設けることにより、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層中のＮ組成比の均一化を図ることが行われている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００１−１８５４９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、中間層を設ける方法では、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層中のＮ組成比をＧａＩｎＮＡｓ井戸層の厚み方向において十分に均一化することができない。
【０００４】
本発明は、上記事情に鑑みて為されたものであり、窒素元素を含むIII−Ｖ族化合物半導体層中の窒素元素の組成比を、当該III−Ｖ族化合物半導体層の厚み方向において均一化することができるIII−Ｖ族化合物半導体層の形成方法及び半導体光素子の製造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】
上述の課題を解決するため、本発明のIII−Ｖ族化合物半導体層の形成方法は、III族元素及び砒素元素を含む第１のIII−Ｖ族化合物半導体層上に、III族元素を含むIII族原料ガスと、砒素元素を含む砒素原料ガスと、窒素元素を含む窒素原料ガスとを供給することによって、III族元素、砒素元素及び窒素元素を含む第２のIII−Ｖ族化合物半導体層を形成する工程を含み、前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層を形成する工程は、前記窒素原料ガスの供給を開始する前に、前記第１のIII−Ｖ族化合物半導体層上に、第１の供給量の前記砒素原料ガスを供給する工程と、前記窒素原料ガスの供給を開始してから所定時間経過するまでの期間、前記砒素原料ガスの供給量を変化させる工程と、を含む。
【０００６】
本発明のIII−Ｖ族化合物半導体層の形成方法によれば、第１の供給量を所望の供給量とすることによって、第１のIII−Ｖ族化合物半導体層と第２のIII−Ｖ族化合物半導体層との界面近傍における第２のIII−Ｖ族化合物半導体層中のＮ組成比を調整することができる。よって、第２のIII−Ｖ族化合物半導体層中のＮ組成比を第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の厚み方向において均一化することができる。
【０００７】
上記III−Ｖ族化合物半導体層の形成方法は、前記第１の供給量の前記砒素原料ガスを供給する工程の前に、前記III族原料ガスの供給量に対する前記砒素原料ガスの供給量の比と、前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層中の窒素元素の組成比との関係を求める工程と、前記関係を用いて前記第１の供給量を決定する工程と、を更に含んでもよい。
【０００８】
この場合、第１の供給量が高精度に決定されるので、第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の厚み方向において、第２のIII−Ｖ族化合物半導体層中のＮ組成比を高精度に調整することができる。例えば、第１のIII−Ｖ族化合物半導体層と第２のIII−Ｖ族化合物半導体層との界面近傍における第２のIII−Ｖ族化合物半導体層中のＮ組成比が小さくなると見込まれる場合を検討する。まず、第２のIII−Ｖ族化合物半導体層中のＮ組成比が大きくなるようなＡｓ／III比（III族原料ガスの供給量に対する砒素原料ガスの供給量の比）を求める。このＡｓ／III比から算出される砒素原料ガスの供給量を第１の供給量とする。
【０００９】
また、前記第１の供給量の前記砒素原料ガスを供給する工程では、前記第１の供給量の前記砒素原料ガスを供給している期間、前記III族原料ガスの供給を停止してもよい。
【００１０】
この場合、砒素原料ガスがIII族原料ガスと反応することがないので、砒素原料ガスの供給量（第１の供給量）を安定させることができる。
【００１１】
また、前記第１の供給量の前記砒素原料ガスを供給する工程では、燐元素を含む第２の供給量の燐原料ガスを供給し、前記砒素原料ガスの供給量を変化させる工程では、前記燐原料ガスの供給量を変化させてもよい。
【００１２】
この場合、第１及び第２の供給量を所望の供給量とすることによって、第１のIII−Ｖ族化合物半導体層と第２のIII−Ｖ族化合物半導体層との界面近傍における第２のIII−Ｖ族化合物半導体層中の窒素元素、砒素元素、燐元素の組成比を調整することができる。
【００１３】
本発明の半導体光素子の製造方法は、障壁層及び井戸層が積層された量子井戸構造を有する半導体光素子の製造方法であって、III族元素及び砒素元素を含み前記障壁層となるべき第１のIII−Ｖ族化合物半導体層上に、III族元素を含むIII族原料ガスと、砒素元素を含む砒素原料ガスと、窒素元素を含む窒素原料ガスとを供給することによって、III族元素、砒素元素及び窒素元素を含み前記井戸層となるべき第２のIII−Ｖ族化合物半導体層を形成する工程を含み、前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層を形成する工程は、前記窒素原料ガスの供給を開始する前に、前記第１のIII−Ｖ族化合物半導体層上に、第１の供給量の前記砒素原料ガスを供給する工程と、前記窒素原料ガスの供給を開始してから所定時間経過するまでの期間、前記砒素原料ガスの供給量を変化させる工程と、を含む。
【００１４】
本発明の半導体光素子の製造方法によれば、第１の供給量を所望の供給量とすることによって、第１のIII−Ｖ族化合物半導体層と第２のIII−Ｖ族化合物半導体層との界面近傍における第２のIII−Ｖ族化合物半導体層中のＮ組成比を調整することができる。よって、第２のIII−Ｖ族化合物半導体層中のＮ組成比を第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の厚み方向において均一化することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、窒素元素を含むIII−Ｖ族化合物半導体層中の窒素元素の組成比を、当該III−Ｖ族化合物半導体層の厚み方向において均一化することができるIII−Ｖ族化合物半導体層の形成方法及び半導体光素子の製造方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号を用い、重複する説明を省略する。
【００１７】
図１は、III−Ｖ族化合物半導体層を形成するための成膜装置の一例を模式的に示す図である。図１に示される成膜装置５０は、基板１を収容するためのチャンバＣＨと、チャンバＣＨ内に設置され基板１を保持するホルダＨとを備える。成膜装置５０としては、例えばＭＯＶＰＥ装置（有機金属気相成長装置）等が挙げられる。基板１としては例えばＳｉがドープされたＧａＡｓ基板等が挙げられる。チャンバＣＨ内は、例えば真空ポンプ等を用いることにより減圧される。基板１上には、例えばガリウム元素（Ｇａ）、インジウム元素（Ｉｎ）等のIII族元素及び砒素元素（Ａｓ）を含む第１のIII−Ｖ族化合物半導体層３が設けられている。一実施例において、III−Ｖ族化合物半導体層３はＧａＡｓ結晶からなる層である。III−Ｖ族化合物半導体層３の厚さは、例えば０．２μｍである。
【００１８】
III−Ｖ族化合物半導体層３上には、チャンバＣＨに取り付けられた配管Ｐ１を通ってIII族原料ガスＧ１が供給される。III族原料ガスＧ１は、例えばガリウム元素、インジウム元素等のIII族元素を含む。ガリウム元素を含むIII族原料ガスＧ１としては、例えば、ＴＥＧａ（トリエチルガリウム）等が挙げられる。インジウム元素を含むIII族原料ガスＧ１としては、例えば、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）等が挙げられる。
【００１９】
III−Ｖ族化合物半導体層３上には、チャンバＣＨに取り付けられた配管Ｐ２を通って砒素原料ガスＧ２が供給される。砒素原料ガスＧ２は、砒素元素を含む。砒素原料ガスＧ２としては、例えば、ＡｓＨ３（アルシン）等の砒素の水素化物や、ＴＢＡｓ（ターシャリーブチルアルシン）等の砒素元素を含む有機物が挙げられる。
【００２０】
III−Ｖ族化合物半導体層３上には、チャンバＣＨに取り付けられた配管Ｐ３を通って窒素原料ガスＧ３が供給される。窒素原料ガスＧ３は、窒素元素（Ｎ）を含む。窒素原料ガスＧ３としては、例えば、ＤＭＨｙ（ジメチルヒドラジン）等が挙げられる。
【００２１】
III−Ｖ族化合物半導体層３上には、チャンバＣＨに取り付けられた配管Ｐ４を通って燐原料ガスＧ４が供給されてもよい。燐原料ガスＧ４は、燐元素（Ｐ）を含む。燐原料ガスＧ４としては、例えば、ホスフィン等の燐の水素化物や、ＴＢＰ（ターシャリーブチルホスフィン）等の砒素元素を含む有機物が挙げられる。
【００２２】
成膜装置５０では、例えばＭＯＶＰＥ法（有機金属気相成長法）を用いて、III−Ｖ族化合物半導体層３上に、III族原料ガスＧ１、砒素原料ガスＧ２及び窒素原料ガスＧ３を供給することによって、III族元素、砒素元素及び窒素元素を含む第２のIII−Ｖ族化合物半導体層５が形成される。III−Ｖ族化合物半導体層３とIII−Ｖ族化合物半導体層５とによって界面２が形成されている。一実施例において、III−Ｖ族化合物半導体層５はＧａＩｎＮＡｓ結晶からなる層である。ＧａＩｎＮＡｓ結晶としては、例えばＧａ０．７Ｉｎ０．３ＮｘＡｓ１−ｘ結晶（０＜ｘ＜１）が挙げられる。ｘはＮ組成比である。III−Ｖ族化合物半導体層５の厚さは、例えば７ｎｍである。
【００２３】
III−Ｖ族化合物半導体層３上に、III族原料ガスＧ１、砒素原料ガスＧ２、窒素原料ガスＧ３及び燐原料ガスＧ４を供給することによって、III族元素、砒素元素、窒素元素及び燐元素を含むIII−Ｖ族化合物半導体層５を形成してもよい。
【００２４】
図２は、実施形態に係るIII−Ｖ族化合物半導体層の形成方法の手順を示すフローチャートである。本実施形態のIII−Ｖ族化合物半導体層の形成方法は、例えば上述の成膜装置５０を用いることによって実施することができる。本実施形態のIII−Ｖ族化合物半導体層の形成方法は、下記工程Ｓ１〜Ｓ３を順に経ることによって実施することができる。
【００２５】
（工程Ｓ１）
工程Ｓ１では、III族原料ガスＧ１の供給量（モル流量）に対する砒素原料ガスＧ２の供給量（モル流量）の比（Ａｓ／III比）と、III−Ｖ族化合物半導体層５中のＮ組成比との関係を求める。III族原料ガスＧ１が例えばＴＥＧａ及びＴＭＩｎを含む場合、III族原料ガスＧ１のモル流量は、ＴＥＧａのモル流量とＴＭＩｎのモル流量との合計になる。Ｎ組成比は、例えばＳＩＭＳ（Secondaryion mass spectroscopy）を用いて測定することができる。このＮ組成比は、例えばIII−Ｖ族化合物半導体層５の厚み方向におけるIII−Ｖ族化合物半導体層５の中点でのＮ組成比である。
【００２６】
図３は、Ａｓ／III比とＮ組成比との関係の一例を示すグラフである。横軸はＡｓ／III比を示す。縦軸はＮ組成比を示す。Ａｓ／III比を変えてIII−Ｖ族化合物半導体層５を形成し、各Ａｓ／III比におけるＮ組成比を測定することにより、プロットＣ１〜Ｃ３が得られる。プロットＣ１〜Ｃ３からＡｓ／III比とＮ組成比との関係Ｒ１を求める。関係Ｒ１は例えば直線である。関係Ｒ１を求める際には、例えば最小二乗法等の統計的手法を用いることができる。プロットＣ１〜Ｃ３のうち２つのプロットを測定して関係Ｒ１を求めてもよい。図３のグラフから、Ａｓ／III比を増加させるに連れてＮ組成比が小さくなることが分かる。
【００２７】
図３に示される例において、プロットＣ１〜Ｃ３を得るためのIII−Ｖ族化合物半導体層５の成長条件はそれぞれ以下の通りである。プロットＣ１〜Ｃ３において、ＴＢＡｓの供給量以外の成長条件は同じである。
・III族原料ガスＧ１：ＴＥＧａ及びＴＭＩｎ
・砒素原料ガスＧ２：ＴＢＡｓ
・窒素原料ガスＧ３：ＤＭＨｙ
・成長温度：５２０℃
・成長圧力：７０Ｔｏｒｒ（１Ｔｏｒｒ＝１３３．３２２Ｐａ）
・ＴＥＧａの供給量：３×１０−５モル／分
・ＴＭＩｎの供給量：２×１０−５モル／分
・ＤＭＨｙの供給量：３×１０−２モル／分
・プロットＣ１のＴＢＡｓの供給量：３×１０−４モル／分
・プロットＣ２のＴＢＡｓの供給量：４×１０−４モル／分
・プロットＣ３のＴＢＡｓの供給量：５×１０−４モル／分
【００２８】
（工程Ｓ２）
工程Ｓ２では、工程Ｓ１において得られたＡｓ／III比とＮ組成比との関係Ｒ１を用いて、砒素原料ガスＧ２の所望の供給量Ｆ１（第１の供給量）を決定する。
【００２９】
（工程Ｓ３）
工程Ｓ３では、III−Ｖ族化合物半導体層３上にIII−Ｖ族化合物半導体層５を形成する。具体的には、工程Ｓ３では工程Ｓ３１及びＳ３２を実施する。
【００３０】
工程Ｓ３１では、窒素原料ガスＧ３の供給を開始する前に、III−Ｖ族化合物半導体層３上に、供給量Ｆ１の砒素原料ガスＧ２を供給する。
【００３１】
工程Ｓ３２では、窒素原料ガスＧ３の供給を開始してから所定時間経過するまでの期間、砒素原料ガスＧ２の供給量を変化させる。
【００３２】
工程Ｓ２，Ｓ３１，Ｓ３２の具体例を説明する。例えばＮ組成比が１．０×１０−２のIII−Ｖ族化合物半導体層５を成長させる場合、工程Ｓ２では、Ａｓ／III比が１０となるような砒素原料ガスＧ２の供給量Ｆ１を求める。工程Ｓ３１では、供給量Ｆ１の砒素原料ガスＧ２を供給する。工程Ｓ３２では、窒素原料ガスＧ３の供給を開始してから所定時間経過するまでの期間、Ａｓ／III比が小さくなるように砒素原料ガスＧ２の供給量を徐々に小さくする。工程Ｓ２，Ｓ３１，Ｓ３２では、III族原料ガスＧ１の供給量及び窒素原料ガスＧ３の供給量を一定にする。
【００３３】
図４は、各原料ガスの供給量の時間変化の一例を示すタイミングチャートである。縦軸は各原料ガスの供給量を示す。横軸ｔは時刻を示す。
【００３４】
時刻ｔ０から時刻ｔ１までの期間、供給量Ｆ１１のガリウム原料ガスをIII族原料ガスＧ１として供給し、供給量Ｆ１３の砒素原料ガスＧ２を供給する。供給量Ｆ１３は、供給量Ｆ１とは異なる。III族原料ガスＧ１としてのインジウム原料ガス、及び窒素原料ガスＧ３は供給しない。これにより、III−Ｖ族化合物半導体層３としてのＧａＡｓ層が基板１上に形成される。
【００３５】
時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間、供給量Ｆ１の砒素原料ガスＧ２を供給する（工程Ｓ３１）。一実施例において、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間は１０秒間である。本実施形態では供給量Ｆ１は供給量Ｆ１３よりも大きいが、供給量Ｆ１を供給量Ｆ１３より小さくしてもよい（図７参照）。III族原料ガスＧ１としてのガリウム原料ガス及びインジウム原料ガス、並びに窒素原料ガスＧ３は供給しない。供給量Ｆ１の砒素原料ガスＧ２を供給している間（時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間）、III族原料ガスＧ１の供給を停止してもよい。なお、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間、ガリウム原料ガスを供給してもよい。この場合、時刻ｔ０から時刻ｔ２までの期間、ガリウム原料ガスが連続的に供給される。
【００３６】
時刻ｔ２から時刻ｔ３までの期間、供給量Ｆ１１のガリウム原料ガス、供給量Ｆ１２のインジウム原料ガス、及び供給量Ｆ１４の窒素原料ガスＧ３を供給する。一実施例において、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの期間は２８秒間である。ガリウム原料ガスの供給量Ｆ１１は、時刻ｔ０から時刻ｔ１までの期間における供給量Ｆ１１と異なっていてもよい。窒素原料ガスＧ３の供給量Ｆ１４は、例えば、砒素原料ガスＧ２の供給量Ｆ１３の１００〜１０００倍である。したがって、窒素原料ガスＧ３の供給量Ｆ１４を微調整するのは困難である。また、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの期間は通常短いので、窒素原料ガスＧ３の供給量Ｆ１４を微調整するのは困難である。
【００３７】
時刻ｔ２から時刻ｔａまでの期間、砒素原料ガスＧ２の供給量を変化させる（工程Ｓ３２）。時刻ｔ２から時刻ｔａまでの期間は、成膜装置５０の状態、III−Ｖ族化合物半導体層５の成長条件（例えば、成長圧力等）によって決定される。一実施例において、時刻ｔ２から時刻ｔａまでの期間は４秒間である。時刻ｔａは、時刻ｔ１と時刻ｔ３との間の時刻である。時刻ｔ２における砒素原料ガスＧ２の供給量は供給量Ｆ１である。時刻ｔａにおける砒素原料ガスＧ２の供給量は供給量Ｆ１３である。砒素原料ガスＧ２の供給量は、時刻ｔ２から時刻ｔａまでの期間、徐々に変化させることができる。時刻ｔａから時刻ｔ３までの期間、供給量Ｆ１３の砒素原料ガスＧ２を供給する。砒素原料ガスＧ２の供給量Ｆ１３は、時刻ｔ０から時刻ｔ１までの期間における供給量Ｆ１３と異なっていてもよい。上述のようにして、III−Ｖ族化合物半導体層５としてのＧａＩｎＮＡｓ層がIII−Ｖ族化合物半導体層３上に形成される。
【００３８】
時刻ｔ３から時刻ｔ４までの期間、供給量Ｆ１３の砒素原料ガスＧ２を供給する。一実施例において、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの期間は１０秒間である。ガリウム原料ガス、インジウム原料ガス、及び窒素原料ガスＧ３は供給しない。
【００３９】
時刻ｔ４から時刻ｔ５までの期間、供給量Ｆ１１のガリウム原料ガス及び供給量Ｆ１３の砒素原料ガスＧ２を供給する。インジウム原料ガス及び窒素原料ガスＧ３は供給しない。これにより、III−Ｖ族化合物半導体層５上にＧａＡｓ層が形成される。時刻ｔ３から時刻ｔ４までの期間において、ガリウム原料ガスを供給してもよい。この場合、時刻ｔ２から時刻ｔ５までの期間、ガリウム原料ガスが連続的に供給される。
【００４０】
以上説明したように、本実施形態に係るIII−Ｖ族化合物半導体層の形成方法は、III−Ｖ族化合物半導体層３上に、III族原料ガスＧ１、砒素原料ガスＧ２及び窒素原料ガスＧ３を供給することによって、III−Ｖ族化合物半導体層５を形成する工程Ｓ３を含む。工程Ｓ３は、窒素原料ガスＧ３の供給を開始する前に、III−Ｖ族化合物半導体層３上に、供給量Ｆ１の砒素原料ガスＧ２を供給する工程Ｓ３１と、窒素原料ガスＧ３の供給を開始してから所定時間経過するまでの期間、砒素原料ガスＧ２の供給量を変化させる工程Ｓ３２とを含む。
【００４１】
本実施形態に係るIII−Ｖ族化合物半導体層の形成方法によれば、砒素原料ガスＧ２の供給量を所望の供給量Ｆ１とすることによって、III−Ｖ族化合物半導体層３とIII−Ｖ族化合物半導体層５との界面２近傍におけるＮ組成比を調整することができる。よって、Ｎ組成比をIII−Ｖ族化合物半導体層５の厚み方向において均一化することができる。特に、パイルアップ等の現象を抑制することができる。パイルアップの原因としては、例えば、窒素原料ガスＧ３の分解効率が他の原料ガスの分解効率とは大きく異なるため、窒素原料ガスＧ３の供給を開始してからIII−Ｖ族化合物半導体層５に取り込まれる窒素元素の比率が一定（定常状態）になるまで、所定の時間を要すること等が考えられる。
【００４２】
また、工程Ｓ１及びＳ２を実施することにより、供給量Ｆ１が高精度に決定される。このため、III−Ｖ族化合物半導体層５の厚み方向において、III−Ｖ族化合物半導体層５中のＮ組成比を高精度に調整することができる。例えば、III−Ｖ族化合物半導体層３とIII−Ｖ族化合物半導体層５との界面２近傍におけるIII−Ｖ族化合物半導体層５中のＮ組成比が小さくなると見込まれる場合を検討する。この場合、まず、III−Ｖ族化合物半導体層５中のＮ組成比が大きくなるようなＡｓ／III比を求める。このＡｓ／III比から算出される砒素原料ガスＧ２の供給量を供給量Ｆ１とする。
【００４３】
さらに、工程Ｓ２では、供給量Ｆ１の砒素原料ガスＧ２を供給している期間、III族原料ガスＧ１の供給を停止してもよい。この場合、砒素原料ガスＧ２がIII族原料ガスＧ１と反応することがないので、砒素原料ガスＧ２の供給量Ｆ１を安定させることができる。また、未反応の砒素原料ガスＧ２を砒素原料ガスＧ２に供給することができるので、砒素元素がIII−Ｖ族化合物半導体層３から蒸発して抜け出すことを抑制することができる。
【００４４】
図５は、半導体光素子の一例を模式的に示す断面図である。図５に示されるＬＥＤ１０（半導体光素子）は、基板１２と、基板１２の主面１２ａ上に設けられたバッファ層１４と、バッファ層１４上に設けられたクラッド層１６と、クラッド層１６上に設けられた活性層１７と、活性層１７上に設けられたクラッド層２８と、クラッド層２８上に設けられたコンタクト層３０とを備える。コンタクト層３０上には電極３２が設けられている。基板１２の主面１２ａとは反対側の面（裏面）１２ｂには電極３４が設けられている。
【００４５】
活性層１７は量子井戸構造を有する。活性層１７は、クラッド層１６上に設けられた障壁層１８と、障壁層１８上に設けられた井戸層２０と、井戸層２０上に設けられた障壁層２２と、障壁層２２上に設けられた井戸層２４と、井戸層２４上に設けられた障壁層２６とを備える。井戸層２０，２４は、例えばＧａＩｎＮＡｓ層である。この場合、例えば波長１．３〜１．５μｍの光がＬＥＤ１０が出射される。
【００４６】
図６は、実施形態に係る半導体光素子の製造方法の手順を示すフローチャートである。本実施形態の半導体光素子の製造方法の一例として、ＬＥＤ１０の製造方法について説明する。ＬＥＤ１０は、下記工程Ｓ１１〜Ｓ１５を順に経ることによって製造することができる。
【００４７】
（工程Ｓ１１）
工程Ｓ１１では、基板１２の主面１２ａ上に、バッファ層１４及びクラッド層１６をこの順にエピタキシャル成長することにより、積層体を形成する。
【００４８】
（工程Ｓ１２）
工程Ｓ１２では、積層体上に障壁層１８となるべきIII−Ｖ族化合物半導体層３を形成する。
【００４９】
（工程Ｓ１３）
工程Ｓ１３では、III−Ｖ族化合物半導体層３上に、井戸層２０となるべきIII−Ｖ族化合物半導体層５を形成する。続いて、必要に応じてIII−Ｖ族化合物半導体層５上に、障壁層２２となるべきIII−Ｖ族化合物半導体層３を形成する。その後、III−Ｖ族化合物半導体層３上に井戸層２４となるべきIII−Ｖ族化合物半導体層５を形成する。
【００５０】
（工程Ｓ１４）
工程Ｓ１４では、III−Ｖ族化合物半導体層５上に、障壁層２６となるべきIII−Ｖ族化合物半導体層３を形成する。
【００５１】
（工程Ｓ１５）
工程Ｓ１５では、III−Ｖ族化合物半導体層３上に、クラッド層２８及びコンタクト層３０をこの順にエピタキシャル成長する。さらに、必要に応じて、コンタクト層３０上に電極３２を形成すると共に、基板１２の裏面１２ｂ上に電極３４を形成する。
【００５２】
本実施形態の半導体光素子の製造方法によれば、III−Ｖ族化合物半導体層５を形成する際に、砒素原料ガスＧ２の供給量を所望の供給量Ｆ１とすることによって、III−Ｖ族化合物半導体層３とIII−Ｖ族化合物半導体層５との界面近傍におけるIII−Ｖ族化合物半導体層５中のＮ組成比を調整することができる。よって、III−Ｖ族化合物半導体層５中のＮ組成比をIII−Ｖ族化合物半導体層５の厚み方向において均一化することができる。
【００５３】
量子井戸構造では、発光効率を向上させるために、井戸層中のＮ組成比を層厚方向に均一化し、井戸層と障壁層との界面におけるＮ組成比を急峻に変化させることが好ましい。このため、III−Ｖ族化合物半導体層５から井戸層２０，２４を形成し、III−Ｖ族化合物半導体層３から障壁層１８，２２，２６を形成すると、井戸層２０，２４と障壁層１８，２２，２６との界面近傍における井戸層２０，２４中のＮ組成比を調整することができる。よって、上記製造方法によれば、ＬＥＤ１０の発光効率を向上させることができる。
【００５４】
図７は、各原料ガスの供給量の時間変化の一例を示すタイミングチャートである。縦軸は各原料ガスの供給量を示す。横軸ｔは時刻を示す。図７のタイミングチャートは、時刻ｔ１から時刻ｔａまでの期間における砒素原料ガスＧ２の供給量以外、図４のタイミングチャートと同じである。
【００５５】
時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間、供給量Ｆ１ａの砒素原料ガスＧ２を供給する（工程Ｓ３１）。図７に示される例では、供給量Ｆ１ａは供給量Ｆ１３よりも小さい。時刻ｔ２から時刻ｔａまでの期間、砒素原料ガスＧ２の供給量を変化させる（工程Ｓ３２）。時刻ｔ２における砒素原料ガスＧ２の供給量は供給量Ｆ１ａである。時刻ｔａにおける砒素原料ガスＧ２の供給量は供給量Ｆ１３である。砒素原料ガスＧ２の供給量は、時刻ｔ２から時刻ｔａまでの期間、徐々に変化させることができる。
【００５６】
図８は、各原料ガスの供給量の時間変化の一例を示すタイミングチャートである。縦軸は各原料ガスの供給量を示す。横軸ｔは時刻を示す。図８のタイミングチャートは、燐原料ガスＧ４を更に供給していること以外、図４のタイミングチャートと同じである。以下、燐原料ガスＧ４の供給について説明する。
【００５７】
時刻ｔ０から時刻ｔ１までの期間、供給量Ｆ１５の燐原料ガスＧ４を供給する。これにより、III−Ｖ族化合物半導体層３としてのＧａＡｓＰ層が基板１上に形成される。時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間、III−Ｖ族化合物半導体層３上に、所望の供給量Ｆ２（第２の供給量）の燐原料ガスＧ４を供給する（工程Ｓ３１）。図８に示される例では、供給量Ｆ２は供給量Ｆ１５よりも大きいが、供給量Ｆ２を供給量Ｆ１５より小さくしてもよい。時刻ｔ２から時刻ｔａまでの期間、燐原料ガスＧ４の供給量を変化させる（工程Ｓ３２）。
【００５８】
時刻ｔ２における燐原料ガスＧ４の供給量は供給量Ｆ２である。時刻ｔａにおける燐原料ガスＧ４の供給量は供給量Ｆ１５である。燐原料ガスＧ４の供給量は、時刻ｔ２から時刻ｔａまでの期間、徐々に変化させることができる。時刻ｔａから時刻ｔ３までの期間、供給量Ｆ１５の燐原料ガスＧ４を供給する。これにより、III−Ｖ族化合物半導体層５としてのＧａＩｎＮＡｓＰ層がIII−Ｖ族化合物半導体層３上に形成される。時刻ｔ４から時刻ｔ５までの期間、供給量Ｆ１５の燐原料ガスＧ４を供給する。これにより、III−Ｖ族化合物半導体層５上にＧａＡｓＰ層が形成される。
【００５９】
このように、工程Ｓ３１において供給量Ｆ２の燐原料ガスＧ４を供給し、工程Ｓ３２において燐原料ガスＧ４の供給量を変化させてもよい。供給量Ｆ１，Ｆ２を所望の供給量とすることによって、III−Ｖ族化合物半導体層３とIII−Ｖ族化合物半導体層５との界面２近傍におけるIII−Ｖ族化合物半導体層５中の窒素元素、砒素元素及び燐元素の各組成比を調整することができる。
【００６０】
また、工程Ｓ３２において砒素原料ガスＧ２の供給量及び燐原料ガスＧ４の供給量を同様に変化させると、III−Ｖ族化合物半導体層５中の砒素元素の組成比と燐元素の組成比とを一定にすることができる。
【００６１】
以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、工程Ｓ１及びＳ２を実施しなくてもよい。
【実施例】
【００６２】
以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００６３】
（実施例１）
ＳｉがドープされたＧａＡｓ基板上に、ＭＯＶＰＥ法を用いて、厚さ２００ｎｍのｎ型のＧａＡｓバッファ層を成長させた。Ｇａ原料ガスとしては、ＴＥＧａを用いた。Ａｓ原料ガスとしては、ＴＢＡｓを用いた。続いて、ＧａＡｓバッファ層上に、ＭＯＶＰＥ法を用いて、厚さ１．５μｍのｎ型のＡｌＧａＡｓクラッド層を成長させた。Ａｌ原料ガスとしては、ＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）を用いた。次に、ＡｌＧａＡｓクラッド層上に、ＭＯＶＰＥ法を用いて活性層を成長させた。具体的には、厚さ１４０ｎｍのアンドープのＧａＡｓガイド層、厚さ７ｎｍのアンドープのＧａＩｎＮＡｓ井戸層、厚さ８ｎｍのアンドープのＧａＡｓ障壁層、厚さ７ｎｍのアンドープのＧａＩｎＮＡｓ井戸層、及び厚さ１４０ｎｍのアンドープのＧａＡｓガイド層をこの順に成長させた。Ｉｎ原料ガスとしては、ＴＭＩｎを用いた。Ｎ原料ガスとしては、ＤＭＨｙを用いた。さらに、活性層上に、ＭＯＶＰＥ法を用いて、厚さ１．５μｍのｐ型のＡｌＧａＡｓクラッド層を成長させた。その後、ＡｌＧａＡｓクラッド層上に、ＭＯＶＰＥ法を用いて、ｐ型のＧａＡｓコンタクト層を成長させた。このようにして実施例１のＬＥＤを作製した。
【００６４】
ここで、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層を成長させる際、ＤＭＨｙの供給を開始する前に、供給量Ｆ１のＴＢＡｓのみを供給した。ＤＭＨｙの供給を開始してから所定時間（厚さ１ｎｍのＧａＩｎＮＡｓ井戸層を成長させるために必要な時間）経過するまでＴＢＡｓの供給量を徐々に小さくした。その後、残り厚さ６ｎｍのＧａＩｎＮＡｓ井戸層を成長させる間は、供給量Ｆ１３のＴＢＡｓを供給した。供給量Ｆ１は、供給量Ｆ１３の約１．７倍であった。
【００６５】
（比較例１）
ＧａＩｎＮＡｓ井戸層を成長させる間、ＴＢＡｓの供給量を一定としたこと以外は実施例１と同様にして比較例１のＬＥＤを作製した。
【００６６】
（評価結果）
実施例１及び比較例１のＬＥＤの光出力を測定した。その結果、比較例１のＬＥＤの光出力を１０とすると、実施例１のＬＥＤの光出力は１４０であった。よって、実施例１のＬＥＤの発光効率は、比較例１のＬＥＤの発光効率よりも高い。
【００６７】
また、ＳＩＭＳにより、実施例１及び比較例１におけるＧａＩｎＮＡｓ井戸層のＮ組成比の層厚方向分布を測定した。その結果、比較例１のＬＥＤでは、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層の成長が開始する界面側におけるＮ組成比が高くなっていた。一方、実施例１のＬＥＤでは、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層のＮ組成比の層厚方向分布は均一であった。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】III−Ｖ族化合物半導体層を形成するための成膜装置の一例を模式的に示す図である。
【図２】実施形態に係るIII−Ｖ族化合物半導体層の形成方法の手順を示すフローチャートである。
【図３】Ａｓ／III比とＮ組成比との関係の一例を示すグラフである。
【図４】各原料ガスの供給量の時間変化の一例を示すタイミングチャートである。
【図５】半導体光素子の一例を模式的に示す断面図である。
【図６】実施形態に係る半導体光素子の製造方法の手順を示すフローチャートである。
【図７】各原料ガスの供給量の時間変化の一例を示すタイミングチャートである。
【図８】各原料ガスの供給量の時間変化の一例を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
【００６９】
３…第１のIII−Ｖ族化合物半導体層、５…第２のIII−Ｖ族化合物半導体層、１０…ＬＥＤ（半導体光素子）、１８，２２，２６…障壁層、２０，２４…井戸層、Ｇ１…III族原料ガス、Ｇ２…砒素原料ガス、Ｇ３…窒素原料ガス。
【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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