(57)【要約】【課題】  半導体レーザーや発光ダイオード（LED）といった半導体デバイスのInGaAsNへの窒素導入量を増大させる好適な方法を見つけること。【解決手段】  本発明は少なくとも１つのIII族元素と、窒素と、そして少なくとも１つのＶ族元素をその構成要素として含む半導体材料層を成長させる方法である。方法は、反応炉を用意するステップと、前駆物質を反応炉へと供給するステップとを含み、それらの前駆物質は、少なくとも１つのIII族元素の前駆物質と、窒素の前駆物質と、窒素以外の少なくとも１つのＶ族元素の前駆物質と、少なくとも１つのIII族元素が窒素との間に持つよりも強い結合強度を窒素との間に持つ元素の前駆物質とを含む。   【選択図】図３
2004235632.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのIII族元素と、窒素と、少なくとも１つのＶ族元素とを構成元素として含む半導体材料の層を成長させる方法であって、該方法は、
リアクターを用意するステップと、前記リアクターへと前駆物質を供給するステップとを有し、該前駆物質は、
前記少なくとも１つのIII族元素用の前駆物質と、
窒素用の前駆物質と、
窒素以外の前記少なくとも１つのＶ族元素用の前駆物質と、
前記少なくとも１つのIII族元素が窒素に対して持つよりも強い結合強度を窒素に対して持つ元素用の前駆物質とを含む、前記方法。
【請求項２】
前記リアクターが、有機金属化学蒸着用のリアクターである請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記少なくとも１つのIII族元素が窒素に対して持つよりも強い結合強度を窒素に対して持つ元素用の前駆物質が、アルミニウム原子を含むものである請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記前駆物質が、トリメチルアルミニウム（（ＣＨ３）３Ａｌ）およびトリエチルアルミニウム（（Ｃ２Ｈ５）３Ａｌ）から成るグループから選択されたものである請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記少なくとも１つのIII族元素が窒素に対して持つよりも強い結合強度を窒素に対して持つ元素用の前駆物質が、ホウ素原子を含むものである請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記前駆物質が、トリメチルボロン（（ＣＨ３）３Ｂ）、トリエチルボロン（（Ｃ２Ｈ５）３Ｂ）、およびジボラン（Ｂ２Ｈ６）から成るグループから選択されたものである請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記少なくとも１つのIII族元素が窒素に対して持つよりも強い結合強度を窒素に対して持つ元素用の前駆物質が、シリコン原子を含むものである請求項１記載の方法。
【請求項８】
前記前駆物質が、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）およびモノシラン（ＳｉＨ４）から成るグループから選択されたものである請求項７に記載の方法。
【請求項９】
少なくとも１つのIII族元素と、窒素と、少なくとも１つのＶ族元素とを、構成元素として含む半導体材料の層を成長させる為のシステムであって、
リアクターと、
前記少なくとも１つのIII族元素用の前駆物質と、
前記窒素用の前駆物質と、
窒素以外の前記少なくとも１つのＶ族元素用の前駆物質と、
前駆少なくとも１つのIII族元素が窒素に対して持つよりも強い結合強度を窒素に対して持つ元素用の前駆物質とを含む前記システム。
【請求項１０】
基板と、
一対の分布型ブラグリフレクタの間に位置する共振器と、
前記共振器中に位置し、約1.2〜1.6μｍの範囲の波長で発光するように構成された窒化インジウムガリウム砒素（InGaAsN）の層とを備え、前記InGaAsNは少量の原子を含み、該原子は、インジウムまたはガリウム原子が窒素原子に対して持つより強い結合強度を窒素原子に対して持つ発光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に半導体デバイスに関するものであり、より具体的には半導体材料層の製作に関する。
【背景技術】
【０００２】
技術の進歩に伴い、データ伝送速度およびデータ伝送量増大への要求は止むことが無い。これまでにも、この留まるところを知らない要求に応じる上で銅線を含むケーブル等の従来の通信線が使用されて来た。しかしながら、従来の通信線には数々の欠点がある。従来の通信線は、データ伝送中に干渉の影響を受け易い。これらの干渉の例としては、電磁干渉およびシンボル間干渉が挙げられるが、これらに限られない。従来の通信線はまた、限定された帯域幅を持つという特性があり、このことから、従来の通信線を通じてデータが伝送される速度は限られている。
【０００３】
遠隔通信産業における従来の通信線における欠点を克服する為に、光ファイバ遠隔通信システムが導入された。光ファイバ遠隔通信システムには、電磁干渉に対する免疫を持つという特徴がある。具体的には、光ファイバ遠隔通信においては情報の伝送に光ファイバが用いられる。光ファイバは電子ではなく光を伝送するものであることから、光ファイバが電磁エネルギーを放射することは無い。加えて、光ファイバ遠隔通信システムは情報の伝送用に高い帯域幅を持つ。当業者には知られているように、高帯域幅はより高速の信号伝送速度を許容するものである。
【０００４】
基本的な光ファイバネットワークには、トランスミッタ、光ファイバ・ファイバオプティック、およびレシーバが含まれる。トランスミッタは、発光ダイオード（LED）、レーザーダイオード（LD）、エッジ発光レーザー、垂直共振器表面発光レーザー（VCSEL）、またはその他の、電気信号を光ファイバで伝送する為の光信号へと変換するデバイスを含んでいる。レシーバは一般に、光ファイバから受けた光を電気信号へと変換し戻す為のフォトダイオードと、そしてその電気信号を増幅して電気信号の検出を容易にする増幅器を含んでいる。
【０００５】
一般に、光ファイバ遠隔通信システムにおいて使用されるレーザーは、約1.2〜1.6μｍ範囲にある比較的長い単一波長の光を生成するものであることが望ましい。約1.2〜1.6μｍの波長範囲にある光は、信号強度の損失を比較的低く抑えながら長距離にわたる光ファイバでの伝送が可能である。しかし1.2〜1.6μｍ範囲の発光を生じるには、半導体レーザーを対応するバンドギャップエネルギーを持つ材料から製作しなければならない。半導体中の光子についての詳細は、この参照により本願に含まれるB.Saleh他著、「Fundamentals  of  Photonics」、pp.543-643（1991）（非特許文献１参照）に記載されている。
【特許文献１】米国特許第5,896,408号
【非特許文献１】B.Saleh他著、「Fundamentals  of  Photonics」pp.543-643（1991）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
1.2〜1.6μｍの波長範囲で作動可能な半導体レーザーは、InPウエハ上に成膜したインジウムガリウム砒素燐（InGaAsP）の活性領域を用いて製作することが出来る。しかしながら、InPと比較するとInGaAsPの伝導帯オフセットは小さい為、高温（例えば約８０℃を超えた場合）での作動においてはパフォーマンスが劣化する。従って、InGaAsPを使用する為には冷却システムが必要となり、レーザーのコストが増大することになるのである。加えて、InPウエハ上の垂直共振器表面発光レーザーに高品質の分布ブラグリフレクタ（DBR）を形成することは困難である。
【０００７】
窒化インジウムガリウム砒素（InGaAsN）はガリウム砒素（GaAs）ウエハ上に成膜することが出来ることから、InGaAsNは長波長エッジ発光レーザーおよびVCSELの活性領域として魅力的な材料である。InGaAsNおよびGaAsは高い伝導帯オフセットを持っている。更にこのようなデバイスには、InPに適応する材料から作ったDBRよりも反射性の高いGaAs／アルミニウム砒素（AlAs）のDBRを使用することが可能である。しかしながら、半導体レーザーにInGaAsNを使用した場合、製造上の難題が著しく増えることになる。
【０００８】
連続波作動が可能なInGaAsNエッジ発光レーザーおよびVCSELは、一般に量産に適した有機金属化学蒸着法（MOCVD）により成膜することが出来る。ジメチルヒドラジン（（ＣＨ３）２ＮＮＨ２、またはDMHyとも称する）は、InGaAsNのMOCVD成長の窒素前駆物質として使用されている。この窒素前駆物質であるDMHyは相対的に低い分解温度を持ち、従って一般に比較的低温（500〜600℃）での有機金属化学蒸着法（MOCVD）によるInGaAsNの成長に好適であるという利点を持っている。加えて、ジメチルヒドラジンは液体であり、室温において適度に高い蒸気圧を持っている。
【０００９】
しかしながら、ジメチルヒドラジンを窒素前駆物質として使用する場合には欠点がある。例えば1.3μｍ範囲の発光が可能なレーザーを得る為には、InGaAsNの組成はＩｎ0.38Ｇａ0.62Ａｓ0.99Ｎ0.01であることが望ましい。しかしながら、ジメチルヒドラジンをＮ前駆物質としてＭＯＣＶＤを実施した場合のInGaAsN中のＮの導入量は非常に低くなることから、固体組成におけるＮ／全Ｖ族原子の比率を１％とする為には、MOCVD反応炉に供給されるジメチルヒドラジン／全Ｖ族前駆物質の比率は９５％を上回るのである。これによりジメチルヒドラジンの消費量は大きくなる。加えて、以下に説明するInGaAsN品質問題も、ジメチルヒドラジンを窒素前駆物質として使用することに起因するものである。
【００１０】
InGaAsN中のＮの含有量を増大させ、非常に高いジメチルヒドラジン／全Ｖ族前駆物質比率（例えば９５％を超える）を得る為には、非常に低いAs/III族比率（約５）が必要である。しかしながら、As/III族の比率が低いと、GaAsベースの半導体においては材料品質が劣化することになる。ジメチルヒドラジン／全Ｖ族前駆物質比率が非常に高く、As/III族比率が非常に低いことを特徴とした一例においては、III族用の前駆物質、ＡｓおよびＮの比は１：５：１００である。この比率とした場合、Ｎの付着係数は約0.0001であると推定される。
【００１１】
ジメチルヒドラジンを窒素前駆物質として使用した場合の他の欠点として、ジメチルヒドラジンの純度が、特に残留水レベルという意味で現時点においては厳密に制御されていないことが挙げられる。ジメチルヒドラジン中の水汚染により、成膜された材料が劣悪な品質を持つことになる。上述したように、約１．３μｍの波長で作動するレーザーにおいては、InGaAsNの成長を高いジメチルヒドラジン／全Ｖ族前駆物質比率で実施しなければならない。高比率とする為には、MOCVD反応炉に大量のジメチルヒドラジンを供給しなければならず、InGaAsN中へと不純物が導入される可能性が生じるのである。
【００１２】
更に、1.55μｍでの発光が可能なレーザーの活性領域を形成するには、約４０％のＩｎを含むInGaAsNが望ましい。更にこのようなレーザーにおいては、活性領域に約３％のＮを含ませることも望ましい。残念ながら、このようなＩｎモル分率の場合、InGaAsN中へのＮの導入量は激減する傾向がある。従って、1.55μｍの光を生成するレーザーを、InGaAsNを用いて製作することは困難なのである。この結果、半導体レーザーや発光ダイオード（LED）といった半導体デバイスのInGaAsNへの窒素導入量を増大させる好適な方法を見つけることが望ましいのである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述に照らし、本発明は一般に、半導体材料の層を形成する為の方法およびシステムに関するものである。一実施例においては、本発明は少なくとも１つのIII族元素と、窒素と、そして少なくとも１つのＶ族元素をその構成要素として含む半導体材料層を成長させる方法である。方法は、反応炉を用意するステップと、前駆物質を反応炉へと供給するステップとを含み、それらの前駆物質は、少なくとも１つのIII族元素の前駆物質と、窒素の前駆物質と、窒素以外の少なくとも１つのＶ族元素の前駆物質と、少なくとも１つのIII族元素が窒素との間に持つよりも強い結合強度を窒素との間に持つ元素の前駆物質とを含む。
【００１４】
一般に、システムの構造に関しては、システムは反応炉と、少なくとも１つのIII族元素の前駆物質と、窒素の前駆物質と、窒素以外の少なくとも１つのＶ族元素の前駆物質と、少なくとも１つのIII族元素が窒素との間に持つよりも強い結合強度を窒素との間に持つ元素の前駆物質を含んでいる。少なくとも１つのIII族元素が窒素との間に持つよりも強い結合強度を窒素との間に持つ元素の前駆物質は、これが無い場合と比較した場合、層中への窒素の導入効率を改善し、窒素を供給する為に使用する前駆物質の量を低減するものである。ジメチルヒドラジンが窒素前駆物質として使用される場合、半導体層へと導入される不純物濃度は低下する。
【００１５】
更に、少なくとも１つのIII族元素が窒素との間に持つよりも強い結合強度を窒素との間に持つ元素の前駆物質は、半導体層への窒素導入量を増大させることにより、窒素前駆物質としてアンモニア（ＮＨ３）の使用を可能とするものである。アンモニアは一般に高い純度を持ち、これにより半導体材料の総合的品質が改善される。
【００１６】
少なくとも１つのIII族元素が窒素との間に持つよりも強い結合強度を窒素との間に持つ元素の前駆物質の利用により、InGaAsN層をより高い成膜温度、および高いＡｓ／III族比率で成長させることが出来る。これらのことにより、高品質ＧａＡｓ系材料を成膜することが出来る。
【００１７】
本発明の他のシステムおよび方法は、添付図および以下の詳細説明を読むことにより当業者に明らかとなる。そのような更なるシステム、方法、特徴および利点は、全て本発明の範囲に入るものであり、請求項により保護されることを意図したものである。
【００１８】
本発明は、図を参照することでより深く理解することが出来る。図の部品は必ずしも相互の寸法を考慮したものではなく、本発明の原理を明確に説明することに重点を置いて描いたものである。更に図においては、複数の図を通じて対応する部分には同様の符号をつけた。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下の説明は、InGaAsNの層を含む活性領域を持つ半導体レーザーを形成することに関わるものであるが、しかし本発明はこれと異なる組成の活性領域を形成する為にも利用することが出来るものであることは言うまでもなく、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の他の発光デバイスに利用することも可能である。
【００２０】
本発明は、少なくとも１つのIII族元素、窒素、そして少なくとも１つの他のＶ族元素を含むIII−Ｖ族半導体材料の層を形成する為の方法およびシステムである。少なくとも１つのIII族元素が窒素との間に持つよりも強い結合強度を窒素との間に持つ元素の前駆物質が導入される。このような元素とは、例えばホウ素／ボロン（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、またはシリコン（Ｓｉ）である。例を挙げると、アルミニウム原子はトリメチルアルミニウム（（ＣＨ３）３Ａｌ）およびトリエチルアルミニウム（（Ｃ２Ｈ５）３Ａｌ）により、ホウ素原子はトリメチルボロン（（ＣＨ３）３Ｂ）、トリエチルボロン（（Ｃ２Ｈ５）３Ｂ）、およびジボラン（Ｂ２Ｈ６）により、そしてシリコンはジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）およびモノシラン（ＳｉＨ４）により提供することが出来る。Ａｌ、ＢまたはＳｉ原子は、InGaAsN半導体層への窒素導入を促進するものである。
【００２１】
この半導体製作法およびシステムは、ＩｎまたはＧａ（III族元素）よりもＮ原子に対する結合強度の強いＡｌ、ＢまたはＳｉ原子をInGaAsN層の形成に用いたものである。前駆物質により提供されるＡｌ、ＢまたはＳｉ原子は、InGaAsN層へのＮの導入量を増大させ、これにより層を形成する為に用いられるジメチルヒドラジン（窒素前駆物質）の量を低減するものである。
【００２２】
Ｎの導入量を制約してしまう要因の１つは、表面からのＮの「脱着」と呼ばれるものである。Ｎの脱着は、Ｇａ原子とＮ原子、そしてＩｎ原子とＮ原子との間の弱い結合強度から生じ、この結果、例えばＮＨ３、ＮＨ２ＣＨ３、ＮＨ（ＣＨ３）２といった様々な分子が形成される。Ａｌ、ＢおよびＳｉ等の原子を使用することにより、InGaAsN層へのＮ原子の導入数が、脱着に起因して失われるＮ原子の個数を上回ることになるのである。
【００２３】
ＧａおよびＩｎの持つＮとの結合強度よりも高い結合強度をＮとの間に持つＡｌ、ＢまたはＳｉといった他の元素とＮが結合した場合、脱着による表面からのＮの喪失は低下する。更にＡｌ、ＢまたはＳｉ原子は、ＮのInGaAsN層への導入を効率良く促進し、ＮＨ３の窒素前駆物質としての利用を可能とするものである。InGaAsN層中へのＡｌ、Ｂ又Ｓｉの導入量は、成長条件に依存するものであり、約０％〜５％の間で変化させることが出来る。
【００２４】
原子間の結合強度を表すものの一例として、原子間の結合を破る為に必要とされるエネルギーであるアトマイゼーション・エネルギーが挙げられる。表１は、Ｂ、Ａｌ、ＧａおよびＩｎの原子とＮ原子との間の結合を説明するものである。更に表１はそれぞれの結合を壊す為に必要とされるアトマイゼーション・エネルギーも示している。
【００２５】
（表１）
┌───────┬──────────────────┐
│    結合      │  アトマイゼーション・エネルギー    │
├───────┼──────────────────┤
│     B-N      │                300                 │
├───────┼──────────────────┤
│    Al-N      │                220                 │
├───────┼──────────────────┤
│    Ga-N      │                190                 │
├───────┼──────────────────┤
│    In-N      │                150                 │
└───────┴──────────────────┘
表１は、Ｂ原子とＮ原子間の結合およびＡｌ原子とＮ原子間の結合が、Ｇａ原子とＮ原子間、あるいはＩｎ原子とＮ原子間の結合よりも高いアトマイゼーション・エネルギーを持っていることを示している。従って、ＢおよびＡｌ原子のＮ原子に対する結合強度はＧａあるいはＩｎ原子がＮ原子に対して持つものよりも強いのである。本発明によれば、InGaAsNへのＮの導入は、Ｂ、ＡｌあるいはＳｉのような原子がInGaAsNの成膜面にあった場合に改善される。Ｂ、ＡｌまたはＳｉ原子は、これらそれぞれの高い付着係数ゆえにＮの導入を促進することになるのである。
【００２６】
本発明はInGaAsN層への窒素の導入効率を改善するものである。従来のＮのInGaAsN層への導入効率は窒素前駆物質としてジメチルヒドラジンを使用した場合に〜0.0001程度である。Ａｌ、ＢまたはＳｉ原子を含有する更なる前駆物質を使用することにより、ＮのInGaAsN層への導入効率は一般に0.1よりも大きくなる。
【００２７】
本発明の第一の実施例によれば、Ｂ原子を含む前駆物質が使用される。Ｂ原子のＮ原子への結合強度はＩｎまたはＧａがＮ原子に対して持っているものよりも強く、そしてＢ原子は約1.0というInGaAsN層への高い導入効率を持っている。InGaAsN層は、Ｂ原子を含む前駆物質を使用した成膜の後はごくわずかな量のＢを含んでいても良いが、Ｂの濃度は小さく、一般に、全ての空いているＮ原子が全ての空いているＢ原子と結合した場合、Ｎの量と同程度となる。
【００２８】
InGaAsN層においては、Ｂの導入により一方向へのバンドギャップエネルギーの変化が生じる。しかしながら、少量のＮは大きなたわみ効果が生じる為にＢの導入により生じたバンドギャップの変化を容易に補償することが出来る。例えば、１％のＢまたはＡｌの導入によりバンドギャップは約１０ｍｅＶしか増大しないが、１％のＮを導入することで約１６０ｍｅＶもバンドギャップを低下させることが出来る。従って、少量のＢ（またはＡｌまたはＳｉ）は、InGaAsN層の物理的および光学的特性に取るに足らない影響しか及ぼさない可能性が高いのである。
【００２９】
InGaAsNはＧａＡｓウエハ上に成長させることが出来ることから、半導体レーザーに用いる材料として魅力的である。InGaAsNは、InGaAsPとＩｎＰとの間の伝導帯オフセットよりも高い伝導帯オフセットをＧａＡｓとの間に持っている。更に、ＧａＡｓ基板により、反射性の高いＧａＡｓ／ＡｌＡｓ分布型ブラグリフレクタを使用することが可能となる。加えて、活性領域にInGaAsNを有する半導体レーザーは、約１．２μｍ〜１．６μｍの範囲にある相対的に長波長の光を生成することが出来る。この波長範囲にある光は、光ファイバにより長距離にわたって伝送されても光強度の損失が比較的少ない。また更に、InGaAsNの成膜にＢ原子を含む前駆物質を用いることにより、InGaAsNを用いたエッジ発光レーザーおよび表面発光レーザーの量産を以下に説明するように効率よく実施することが出来る。
【００３０】
Ｂ原子を含む前駆物質を用いて製作されるInGaAsN層は、レーザーや発光ダイオード等のオプトエレクトロニクス・デバイスの一部に使用することが出来るだけではなく、高電子移動度トランジスタやヘテロ接合バイポーラトランジスタといった電子デバイスの一部としても使用することが出来る。
【００３１】
Ｂ原子を含む前駆物質の例を挙げると、トリメチルボロン（（ＣＨ３）３Ｂ、またはＴＭＢとも称する）、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）およびトリエチルボロン（（Ｃ２Ｈ５）３Ｂ、またはＴＥＢとも称する）があるが、これらに限られない。更に、追加のＢ、ＡｌまたはＳｉ前駆物質が使用された場合、Ｂ、ＡｌまたはＳｉ原子を含有する前駆物質を用いたInGaAsN層へのＮの導入は、As/III族の比に対する依存度が小さい。よってこれらの前駆物質の１つを使用することにより、InGaAsNはこれらの追加前駆物質の１つを加えない場合に比べてより高い成長温度およびより高いAs/III族比で成長させることが出来る。一般により高い成長温度およびより高いAs/III族比により、InGaAsNを含むGaAs系材料をより高い品質で作ることが出来る。更に、Ｎ前駆物質としてのDMHy供給量を低減したことにより、あるいはDMHyよりも一般に純度の高いアンモニア（NH3）を用いることにより、InGaAsN層にはより低い濃度の不純物しか導入されない。
【００３２】
Ｂ原子とＮ原子との間のより強い結合強度の結果、概ねＩｎ４０％、Ｎ３％の良好なInGaAsNが形成される。この材料は１．５５μｍで発光するレーザーの製作を可能とするものである。以下に、上述した前駆物質についての詳細を説明する。以下の説明は、半導体レーザーの一部としてInGaAsNを成膜することについてのものであるが、このプロセスは他のデバイスの製造におけるInGaAsNの形成にも適用することが出来るものである点に留意が必要である。
【００３３】
垂直共振器表面発光レーザー
以下の説明は、本発明に基づく方法およびシステムを用いて成膜したInGaAsN層を含む垂直共振器表面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）に関するものであり、ＶＣＳＥＬの活性領域に用いられるInGaAsN層の形成にＢ原子含有前駆物質が使われている。図１はＶＣＳＥＬ１０２を描いた概略図であり、その活性層が本方法およびシステムを用いて製作されたInGaAsNを含んでいる。ＢおよびＮ間の強い結合により、InGaAsNへのＮの導入が改善されることになる。一例として、ＢおよびＮ間の結合により、Inを４０％、そしてＮを３％含むInGaAsN層が良好に成膜されるのである。この材料は、約１．５５μｍの波長の光を生成するレーザーの活性層に利用するのに好適である。
【００３４】
ＶＣＳＥＬ１０２は、幾つかの層を含んでおり、それらについて以下により詳細を説明する。具体的には、ＶＣＳＥＬ１０２はＧａＡｓ基板１０４と、その底部にある第一の金属電極１２６を含む。ＧａＡｓから成る緩衝層１０６はＧａＡｓ基板１０４の上に位置する。ｎ型ＤＢＲ１０８は緩衝層１０６上にある。
【００３５】
共振器構造１２１はｎ型ＤＢＲ１０８上にある。共振器構造１２１は、ｎ型ＤＢＲ１０８上に位置する第一のクラッド層１１２と、その第一のクラッド層１１２と第二のクラッド層１１６との間に位置する活性領域１１４を含んでいる。図３は、共振器構造１２１の詳細を描いた概略図である。
【００３６】
ｐ型ＤＢＲ１２０が第二のクラッド層１１６上にある。ｐ型ＤＢＲ１２０の上にはＧａＡｓから成る接触層１２２が位置している。第二の金属電極１２４は、接触層１２２の露出面上に位置している。ＶＣＳＥＬ１０２を構成する材料、並びにそれらの層の厚みは、このＶＣＳＥＬ１０２の製造方法を説明する図２を参照しつつ以下に説明する。本説明に開示するもの以外の材料をＶＣＳＥＬ１０２の一部の層に使用することが可能であることは言うまでもない。ＶＣＳＥＬ１０２は、有機金属化学蒸着法（ＭＯＣＶＤ）を用いて製造される。当該分野では周知のように、ＭＯＣＶＤは液体化学前駆物質を用いるものであり、これに不活性キャリヤガスを通して化学蒸気を発生させる。化学蒸気は、ＭＯＣＶＤリアクターと呼ばれる反応炉中に置かれた加熱された半導体基板上を通る。ＭＯＣＶＤリアクターの条件は、気体状の前駆物質が基板上を通る際にエピタキシャル層を形成することになるように制御される。ＶＣＳＥＬ１０２の形成にＭＯＣＶＤリアクターを使用するという説明は、一例を挙げる目的で示したものである。
【００３７】
図２は、Ｂ原子を含む前駆物質を用いて成長させたInGaAsN層を含むVCSELを製造する為の本発明に基づく方法の一例を示すフローチャートである。
【００３８】
フローチャートの各ブロックは、方法の一部を表す。他の実施例においては、ブロック中に説明した処理はこのフローチャートに示される順序とは異なっていても良い。例えば、連続して生じる２つのブロックは、実際には実質的に同時に実施される場合があっても、あるいは逆の順序で実施される場合があっても良いのである。
【００３９】
以下は、単一のVCSEL１０２を製造する方法として説明されているが、製造工程は一般に、VCSEL１０２のようなVCSELを複数作ることが出来るVCSEL層構造体を製作する為に実施される。
【００４０】
図１に示したように、VCSEL１０２はｎ型ＧａＡｓ基板１０４上に作られる。GaAs基板１０４はｎ型ＧａＡｓ基板である。ＧａＡｓ基板１０４は、製作に向けて以下の通りに準備される。ＧａＡｓ基板１０４が、ＭＯＣＶＤリアクター（図４に基づいて後に説明する）中へと運ばれる。その後リアクターの気圧が約５０ｍｂａｒに下げられ、MOCVDリアクター内部の雰囲気を概ね窒素に変えることにより、酸素および湿気が除去される。気圧を約５０〜１０００ｍｂａｒの範囲としたＭＯＣＶＤリアクターへと水素およびアルシンが導入され、その後GaAs基板は約５分間にわたり６００〜８００℃へと加熱され、GaAs基板が清浄化される。この結果、GaAs基板１０４が得られる。
【００４１】
ブロック２０２においては、ＧａＡｓ基板１０４上に緩衝層１０６が形成される。緩衝層１０６は、ガリウムおよび砒素前駆物質として、それぞれトリエチルガリウム（（Ｃ２Ｈ５）３Ｇａ、またはＴＥＧａとも称する）およびターシャリーブチル・アルシン（（Ｃ４Ｈ９）Ｈ２Ａｓ、またはＴＢＡｓとも称する）を使用して６００℃〜８００℃の温度で１００〜５００ｎｍ厚に形成した、Ｓｉ添加（５ｘ１０１７−５ｘ１０１８ｃｍ−３）ｎ型ＧａＡｓから成る。ＧａＡｓ緩衝層１０６はまた、上述したものとは異なる厚さを持っているものであっても良い。ＧａＡｓ緩衝層１０６は、これらに限られないが、ＧａＡｓ基板１０４の表面にある不純物、および／または非平坦面といったＧａＡｓ基盤１０４の表面不完全性を補償するものである。
【００４２】
ブロック２０４においては、ＧａＡｓ緩衝層１０６上にｎ型ＤＢＲ１０８が６００〜８００℃の温度で形成される。本発明のこの実施例によれば、ｎ型ＤＢＲ１０８は３５〜４５対の層を含んでおり、それぞれの層対はＳｉ添加（５ｘ１０１７−５ｘ１０１８ｃｍ−３）ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０．８＜ｘ≦１）層と、Ｓｉ添加（５ｘ１０１７−５ｘ１０１８ｃｍ−３）ＧａＡｓ層を含んでいる。ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層は、層材料中におけるＶＣＳＥＬ１０２の発光波長の４分の１に対応する厚さに形成される。ＧａＡｓ層もまた、層材料中におけるＶＣＳＥＬ１０２の発光波長の４分の１に対応する厚さに形成されるが、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層とＧａＡｓ層との間の各界面において約１０〜３０ｎｍの線形勾配がある。ＤＢＲの反射率はＤＢＲの層対の材料間の屈折率の差と、ＤＢＲを構成する層対の数により決まる。これらのパラメータは他のパラメータと共に特定の反射特性を持つＤＢＲを製造する上で変化させることが出来る。
【００４３】
ブロック２０６においては、ｎ型ＤＢＲ１０８の上に第一のクラッド層１１２が形成される。本発明のこの実施例によれば、第一のクラッド層１１２はＧａＡｓから成り、１５０〜１７０ｎｍ厚である。更に、第一のクラッド層１１２は約５００〜６００℃で形成される。かわりに第一のクラッド層１１２は、AlGaAs、InGaAsP、GaAsP、AlInGaAsN、またはGaAsNといった異なる材料で形成することも出来る。第一のクラッド層１１２の材料は、例えばより大きな価電子帯オフセットおよび／または活性領域の歪み補償（以下に説明する）といったＶＣＳＥＬ１０２に望まれる特性により異なるものである。第一のクラッド層１１２、活性領域１１４、および第二のクラッド層１１６の材料には、これらの層の成長中に不純物は添加されない。
【００４４】
ブロック２０８においては、活性領域１１４が第一のクラッド層１１２上に形成される。活性領域１１４の製作は、様々な方法により実施することが出来る。図３は、図１の共振器構造１２１をより詳細に描いた概略図である。活性領域１１４は、具体的には第一のInGaAsN量子井戸層１１１、第二のInGaAsN量子井戸層１１３、および第三のInGaAsN量子井戸層１１５である３つのInGaAsN量子井戸層（６〜１０ｎｍ厚）から成り、これらの間には２つのＧａＡｓ障壁層１１７および１１９（５〜３０ｎｍ厚）がある。量子井戸層のそれぞれは、ガリウム前駆物質としてトリエチルガリウム（（Ｃ２Ｈ５）３Ｇａ、またはＴＥＧａとも称する）、インジウム前駆物質としてトリメチルインジウム（（ＣＨ３）３Ｉｎ、またはＴＭＩｎとも称する）、砒素前駆物質としてターシャリーブチル・アルシン（（Ｃ４Ｈ９）Ｈ２Ａｓ、またはＴＢＡとも称する）、窒素前駆物質としてジメチルヒドラジン（（ＣＨ３）２ＮＮＨ２、またはＤＭＨｙとも称する）、そしてＢ原子を含む前駆物質を用い、約５００〜６００℃で形成される。ホウ素原子を含む好適な前駆物質としては、トリメチルボロン（（ＣＨ３）３Ｂ）、トリエチルボロン（（Ｃ２Ｈ５）３Ｂ）、およびジボラン（Ｂ２Ｈ６）が含まれる。他の実施例においては、トリメチルアルミニウム（（ＣＨ３）３Ａｌ）およびトリエチルエルミニウム（（Ｃ２Ｈ５）３Ａｌ）等のＡｌ原子を含む前駆物質、あるいはジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）およびモノシラン（ＳｉＨ４）等のＳｉ原子を含む前駆物質を使用することも出来る。
【００４５】
リアクターへのインジウムおよび窒素前駆物質の供給を止めることにより、第一の障壁層１１７が第一のInGaAsN量子井戸層１１１上に形成され、第二の障壁層１１９が第二のInGaAsN量子井戸層１１３上に形成される。障壁層１１７および１１９は、GaAsで形成するかわりにGaAsN、GaAsP、InGaP、InGaAs、InGaAsP、またはInGaAsNで形成することにより、より大きなキャリヤ閉じ込め能力、および／またはInGaAsN量子井戸層１１１、１１３、１１５に適正な歪みを作る等、所望のＶＣＳＥＬ１０２の特性を得ることが出来る。
【００４６】
留意すべきは、第一のクラッド層１１２が更に第一のInGaAsN量子井戸層１１１の障壁層としての働きを持ち、そして第二のクラッド層１１６が更に第三のInGaAsN量子井戸層１１５の障壁層としての働きを持つという点である。従って、各InGaAsN量子井戸層１１１、１１３、１１５は、２つのＧａＡｓ層の間に挟まれているということである。
【００４７】
活性領域１１４はかわりに、６〜１０ｎｍ厚の単一のInGaAsN量子井戸層を含むものであっても良い。６〜１０ｎｍ厚のInGaAsN量子井戸層の形成は、ＴＥＧａおよびＴＢＡｓに加えて、ＴＭＩｎ、ＤＭＨｙおよびＢ原子を含む前駆物質をMOCVDリアクター１３２（図４）（以下に説明する）中へと供給することにより実施することが出来る。図３に示した活性領域１１４のような多重量子井戸層構造が望まれる場合においては、ＭＯＣＶＤリアクター１３２（図４）からのＴＭＩｎ、ＤＭＨｙおよびＢ原子を含む前駆物質の供給を止めることにより、ＧａＡｓ障壁層１１７、１１９のそれぞれが、それぞれのInGaAsN量子井戸層１１１、１１３、１１５の上に形成される。InGaAsN量子井戸層１１１、１１３、１１５の形成は、所望回数にわたり繰り返すことが可能である点に留意が必要である。
【００４８】
活性領域１１４中の量子井戸層１１１、１１３、１１５の材料としてInGaAsNを使用することにより、活性領域１１４に所望の電子および正孔閉じ込め特性を得ることが出来る。もし、かわりに従来のInGaAsP／InP材料系が使用された場合、低い伝導帯オフセットは、電子を活性領域１１４にうまく閉じ込められないことを意味することとなり、この結果活性領域からのキャリヤのオーバーフローの増大を招くことになる。従来のInGaAsP／InP活性領域を用いたVCSELにおいて生じる熱は、閾値電流密度の増大から性能を劣化させるものである。この結果、InGaAsPを含む活性領域を持つVCSELには冷却システムが必要となる。上述したように、これは望ましくないことである。
【００４９】
再び図１および図２を参照するが、ブロック２１２において、ＧａＡｓの第二のクラッド層１１６が活性領域１１４上に形成される。第二のクラッド層１１６は、約６００〜８００℃の温度下で１５０〜１７０ｎｍ厚に形成される。第二のクラッド層１１６は、かわりにAlGaAs、InGaAsP、GaAsP、AlInGaAsN、またはGaAsNなどの異なる材料で形成しても良い。この層の材料は、例えば活性領域１１４と比較してより大きい伝導帯オフセットとする、および／または活性領域に所望の歪み分布を確立する等、ＶＣＳＥＬ１０２に望まれる特性に応じたものである。
【００５０】
第一および第二のクラッド層１１２、１１６および活性領域１１４は、共振器構造１２１を構成している。共振器構造１２１の厚さは、ＶＣＳＥＬ１０２が発する光の共振器構造１２１の材料中における波長のｎ倍（ｎは整数）に対応するものであることが望ましい。一例として、ｎが１であり、生成される光の所望波長が１．３μｍである場合、共振器構造１２１の厚さは、約３８０ｎｍであるが、これは１．３μｍをＧａＡｓの屈折率３．４で割ったものである。ｎは一般に１〜３であるが、この範囲外であっても良い。
【００５１】
ブロック２１４においては、ｐ型ＤＢＲ１２０が第二のクラッド層１１６上に形成される。ｐ型ＤＢＲ１２０は２０〜３５対の層を含み、これらの層対のそれぞれは、Ｃ添加（５ｘ１０１７−５ｘ１０１８ｃｍ−３）ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０．８＜ｘ≦１）層およびＣ添加（５ｘ１０１７−５ｘ１０１８ｃｍ−３）ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（０≦ｙ＜０．２）層から構成されている。ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層は、層材料におけるＶＣＳＥＬ１０２の放射波長の４分の１に対応する厚さに形成される。ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ層もまた、層材料におけるＶＣＳＥＬ１０２の放射波長の４分の１に対応する厚さに形成され、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓとＡｌｙＧａ１−ｙＡｓとの間の界面において１０〜３０ｎｍの線形勾配がある。
【００５２】
ｐ型ＤＢＲ１２０は更に、電流閉じ込め特性を得る目的で後に酸化膜を作る為に使用する１０〜３０ｎｍ厚のＣ添加ＡｌｚＧａ１−ｚＡｓを含むものであっても良い。酸化速度はＡｌＧａＡｓ層のＡｌ含有量に強く依存するものであることから、ＡｌｚＧａ１−ｚＡｓ層中のｚの値は、そのＶＣＳＥＬ１０２における他のＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層に選択されたｘの値よりも高くなるように選択される。この参照によりその全てが本願に含まれる米国特許第５，８９６，４０８号（特許文献１参照）は、酸化膜の一例を提供するものである。更に留意すべきは、電流閉じ込め特性を得るためにイオン注入を、これ単体、または後に酸化される層と共に実施することも出来るという点である。
【００５３】
ブロック２１６においては、ｐ型接触層１２２がｐ型ＤＢＲ１２０上に形成される。接触層１２２は５０〜１００ｎｍ厚の高い濃度（５ｘ１０１８−１ｘ１０２０ｃｍ−３）にＣを添加したＧａＡｓである。接触層１２２は、その上に形成される第二の金属電極１２４に低抵抗の接触を提供する。第二の金属電極１２４は、ブロック２１８においてｐ型接触層１２２上に形成され、電気接続を作る。ＶＣＳＥＬ１０２は更に第一の金属電極１２６を含むが、これはブロック２２２において、ＧａＡｓ基板１０４に電気接続を作る為の金属析出プロセスを用いて、ＧａＡｓ基板１０４上に形成されるものである。
【００５４】
ＶＣＳＥＬ１０２を形成する為に用いることが出来るＭＯＣＶＤリアクター１３２の一例を図４に示したが、図１の参照と共に説明する。ＭＯＣＶＤリアクター１３２の詳細の多くは当業者に明らかであり、簡潔にする為にこれらの説明は省略する。接続１３６を介してリアクターコントローラ１３４がＭＯＣＶＤリアクター１３２に結合している。リアクターコントローラ１３４は、ＭＯＣＶＤリアクター１３２の様々な作動態様およびパラメータを制御するものである。以下にも説明するように、リアクターコントローラ１３４が制御するパラメータとしては、他のものに加えてエピタキシャル成長中にＭＯＣＶＤリアクター１３２へと導入される前駆物質の量が挙げられる。
【００５５】
MOCVDエピタキシャル成長を促進する為に、構成要素である前駆物質材料中に不活性キャリヤガスがバブリングされ、各元素用の飽和気体状の前駆物質が作られる。飽和気体状前駆物質は他の気体で希釈され、キャリヤガスによりMOCVDリアクター１３２へと運ばれる。飽和気体状の前駆物質は加熱された基板ウエハ（例えばＧａＡｓ基板１０４）上を通り、構成原子元素をもたらす。矢印１４２は、加熱された基板ウエハ上を通過する飽和気体状の前駆物質を表したものである。原子元素は加熱された基板ウエハ上に析出され、ここで下にある基板ウエハの結晶構造と結合してエピタキシャル層を形成する。
【００５６】
図４に示した例においては、InGaAsN量子井戸層の成長を促進する為に、前駆物質１３８は、それぞれにインジウム、ガリウム、砒素および窒素をもたらす前駆物質であるTMIn、TEGa、TBAsおよびDMHyに加え、Ｂ原子を含む前駆物質をも含んでいる。エピタキシャル層に望まれる構成によっては、他の気体状前駆物質を含んでいても良い。不活性キャリヤガスは、例えば水素（Ｈ２）または窒素（Ｎ２）とすることが出来る。不活性キャリヤガスが前駆物質中へとバブリングされることにより、飽和気体状の前駆物質が作られる。結果的に得られた飽和気体状の前駆物質および不活性キャリヤガスは、後に混合して適切な濃度の混合気体とし、この混合気体をMOCVDリアクター１３２中に通すものである。
【００５７】
最適な層厚、組成均一性および界面明確性を得る為に、混合物の流速を増す目的で更なるキャリヤガスを導入しても良い。加熱したサセプタ１４４は一般にはグラファイト、炭化シリコン、またはモリブデン製の加熱面を含み、その上にＧａＡｓ基板１０４が載せられる。ｎ型ＧａＡｓ緩衝層１０６、ｎ型ＤＢＲ１０８、第一のクラッド層１１２、活性領域１１４、第二のクラッド層１１６、ｐ型ＤＢＲ１２０および接触層１２２がＧａＡｓ基板１０４上に成膜され、これによりVCSEL１０２が形成される。
【００５８】
本発明の他の実施例によれば、Ａｌ原子を含む前駆物質が用いられる。Ａｌ原子のＮ原子に対する結合強度は、ＩｎまたはＧａ原子が窒素原子に対して持つ結合強度よりも強く、そしてＡｌ原子は約1.0の高いInGaAsN層への導入効率を持っている。Ａｌ原子を含む前駆物質は更に、Ｂ原子を含む前駆物質によるものと同じように、形成された半導体材料におけるＮの取り込みを効果的に高めるものである。Ａｌ原子を含む前駆物質としては、例えばトリメチルアルミニウム（（ＣＨ３）３Ａｌ、またはＴＭＡｌとも称する）およびトリエチルアルミニウム（（Ｃ２Ｈ５）３Ａｌ、またはＴＥＡｌとも称する）が含まれるがこれらに限られない。
【００５９】
本発明の第二の他の実施例によれば、Ｓｉ原子を含む前駆物質が用いられる。Ｓｉ原子のＮ原子に対する誘引力は、ＩｎまたはＧａ原子が窒素原子に対して持つものよりも強く、そしてＳｉ原子は約0.5の高いInGaAsN層への結合効率を持っている。Ｓｉ原子を含む前駆物質は更に、Ｂ原子やＡｌ原子を含む前駆物質によるものと同じように、形成された半導体材料におけるＮの取り込みを効果的に高めるものである。Ｓｉ原子を含む前駆物質としては、例えばジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）およびモノシラン（ＳｉＨ４）が含まれるが、これらに限られない。
【００６０】
本発明の第三の他の実施例によれば、Ａｌ、ＢおよびＳｉ原子を含む前駆物質が用いられる。Ａｌ、ＢおよびＳｉを含む前駆物質は更に、Ｂ原子のみを含む前駆物質によるものと同じように、形成された半導体材料におけるＮの取り込みを効果的に高めるものである。Ａｌ、ＢおよびＳｉ原子を含む前駆物質としては、例えば（ＣＨ３）３Ａｌ、（ＣＨ３）３ＢおよびＳｉ２Ｈ６を組み合わせた前駆物質が挙げられるが、これに限られない。
【００６１】
上述した本発明の実施例は、単に本発明の原理に対する明確な理解を得る目的で提示した、可能とされる実施例にしか過ぎない。上述した本発明の実施例には、本発明の精神および原理から実質的に離れることなく、多数の改変および変更を加えることが可能である。このような改変および変更の全ては、本発明の本開示の範囲に含まれることを意図したものであり、請求項により保護されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】その一部分にInGaAsN層を含むVCSELの一例を描いた概略図。
【図２】図１のVCSELの製造プロセスを説明するフローチャート。
【図３】図１のVCSELの空洞共振器構造を更に詳しく描いた概略図。
【図４】図１のVCSELの活性領域を成長させる為に用いるＭＯＣＶＤリアクターを描いた概略図。
【符号の説明】
【００６３】
１０２  発光デバイス
１０４  基板
１０８、１２０  分布型ブラグリフレクタ
１２１  共振器
１１１  半導体材料層
１３２  リアクター
１３８  前駆物質
【図１】
2004235632.tif 000003
【図２】
2004235632.tif 000004
【図３】
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【図４】
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