(57)【要約】【課題】ｐ型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の抵抗値を確実に低減できるようにする。【解決手段】サファイア基板１０の上に、低温バッファ層１１、ＧａＮ層１２及びｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３を順次成長させる。次に、アニール炉内において、サファイア基板１０を、室温（２５℃）から７５０℃まで、例えば１０℃／ｓの昇温レートで加熱した後、７５０℃の温度で１時間保持し、その後、例えば１０℃／ｓの降温レートで室温まで冷却することにより、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３に対して熱処理を行なう。この熱処理工程の加熱過程において、アニール炉の内部に窒素ガスを３ｍＬ／ｍｉｎ（標準状態）の流量で導入すると共に、アニール炉内の圧力を調整する。このようにすると、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３の内部応力が緩和されるので、ｐ型不純物を不活性化させている水素原子は排出される。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐ型不純物が導入されたＩＩＩ−Ｖ族の化合物半導体層を基板上に形成する工程と、前記化合物半導体層に対して熱処理を行なう工程とを備え、
前記熱処理を行なう工程は、前記化合物半導体層を加熱する過程において、前記化合物半導体層の内部応力を緩和させることにより、前記化合物半導体層から前記ｐ型不純物を不活性化させている原子を排除する工程を含むことを特徴とする半導体層の形成方法。
【請求項２】
前記化合物半導体層を加熱する過程は、前記基板がおかれている雰囲気の圧力を変化させることにより、前記化合物半導体層の内部応力を緩和させる工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体層の形成方法。
【請求項３】
前記化合物半導体層を加熱する過程は、前記雰囲気の圧力を大気圧よりも高く変化させる工程を含むことを特徴とする請求項２に記載の半導体層の形成方法。
【請求項４】
前記化合物半導体層を加熱する過程は、前記基板の温度が５００℃以下のときに前記雰囲気の圧力を変化させる工程を含むことを特徴とする請求項２に記載の半導体層の形成方法。
【請求項５】
前記化合物半導体層は、ＩＩＩ族の元素として窒素を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体層の形成方法。
【請求項６】
前記化合物半導体層は、発光素子のクラッド層、コンタクト層又は光ガイド層であることを特徴とする請求項５に記載の半導体層の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、波長帯が青紫光から紫外光に至る短波長領域の光を出射する発光素子に用いられるＩＩＩ−Ｖ族の化合物半導体層の形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、次世代の高密度光ディスク用光源として、波長帯が青紫色から紫外光に至る短波長領域の光を出射する発光素子に対する要望が高まり、特に、窒化ガリウム（ＧａＮ）を主成分とするＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の研究開発が盛んに行われている。
【０００３】
ところで、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法により成長した窒化ガリウムを主成分とするＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層においては、ｐ型不純物を導入して低抵抗化を図っているが、水素のパッシベーションによって水素原子がｐ型不純物に結合し、これによって、ｐ型不純物が不活性化されてしまう。このため、ｐ型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の低抵抗化を図ることは困難である。
【０００４】
そこで、特開平５−１８３１８９号公報においては、基板上にｐ型の窒化ガリウム半導体層を成長させた後、該窒化ガリウム半導体層に対して、水素を実質的に含まない雰囲気中において５００℃以上の温度の熱処理を施すことにより、ｐ型の窒化ガリウム半導体層から水素を排出してｐ型不純物を活性化させ、これにより、ｐ型の窒化ガリウム半導体層の低抵抗化を図る技術が提案されている。
【０００５】
また、特開平５−１８３１８９号公報には、ｐ型の窒化ガリウム半導体層に対して前述の熱処理を施すと、ｐ型の窒化ガリウム半導体層の抵抗率を１×１０６Ω・ｃｍ〜数Ω・ｃｍ程度に低減できると記載されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、本件発明者らは、ｐ型窒化ガリウム半導体層に対して、水素を実質的に含まない雰囲気中において５００℃以上の温度の熱処理を施しても、ｐ型窒化ガリウム半導体層の抵抗率を１×１０６Ω・ｃｍ〜数Ω・ｃｍ程度に確実に低減することができないという事実に直面した。
【０００７】
前記に鑑み、本発明は、ｐ型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の抵抗値を確実に低減できるようにすることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本件発明者らは、前記の目的を達成できる方策について種々の検討を加えた結果、熱処理工程の加熱過程において、化合物半導体層に温度勾配を生じさせたり又は化合物半導体層の応力を緩和させたりすると、化合物半導体層からｐ型不純物を不活性化させている原子を排除できること、及び、加熱後の冷却過程において、化合物半導体層を急速に冷却すると、ｐ型不純物を不活性化させる原子の化合物半導体層への侵入を抑制できることを見出した。本件発明は、前記の知見に基づいてなされたものであって、具体的には、第１〜第３の半導体層の形成方法によって実現される。
【０００９】
本発明に係る第１の半導体層の形成方法は、ｐ型不純物が導入されたＩＩＩ−Ｖ族の化合物半導体層を基板上に形成する工程と、化合物半導体層に対して熱処理を行なう工程とを備え、熱処理工程は、化合物半導体層を加熱する過程において、化合物半導体層に温度勾配を生じさせることにより、化合物半導体層からｐ型不純物を不活性化させている原子を排除する工程を含む。
【００１０】
第１の半導体層の形成方法によると、化合物半導体層を加熱する際に該化合物半導体層に温度勾配を生じさせることにより、化合物半導体層からｐ型不純物を不活性化させている原子を排除できるため、化合物半導体層の抵抗値を確実に低減することができる。
【００１１】
第１の半導体層の形成方法において、温度勾配は、基板と垂直な方向に形成されることが好ましい。
【００１２】
このようにすると、ｐ型不純物を不活性化させている原子を化合物半導体層の全表面から外部に排出できるので、化合物半導体層の抵抗値を確実に低減することができる。
【００１３】
第１の半導体層の形成方法において、化合物半導体層を加熱する過程は、０．３℃／ｓよりも高い昇温レートで化合物半導体層を加熱することにより、化合物半導体層に基板と垂直な方向の温度勾配を生じさせる工程を含むことが好ましい。
【００１４】
このようにすると、化合物半導体層の内部に、基板側が高くて表面側が低くなるような温度勾配を確実に生じさせて、ｐ型不純物を不活性化させている原子を化合物半導体層の表面から外部に確実に排出することができる。
【００１５】
第１の半導体層の形成方法において、化合物半導体層を加熱する過程は、１０℃／ｓよりも高い昇温レートで化合物半導体層を加熱することにより、化合物半導体層に基板と垂直な方向の温度勾配を生じさせる工程を含むことが好ましい。
【００１６】
このようにすると、化合物半導体層の内部に、基板側が高くて表面側が低くなる急激な温度勾配を確実に生じさせて、ｐ型不純物を不活性化させている原子を化合物半導体層の表面から外部により一層確実に排出することができる。
【００１７】
第１の半導体層の形成方法において、化合物半導体層を加熱する過程は、化合物半導体層の表面に冷却ガスをパルス的に供給することにより、化合物半導体層に基板と垂直な方向の温度勾配を生じさせる工程を含むことが好ましい。
【００１８】
このようにすると、化合物半導体層の内部に、基板側が高くて表面側が低くなるような温度勾配を確実に生じさせて、ｐ型不純物を不活性化させている原子を化合物半導体層の表面から外部に確実に排出することができる。
【００１９】
この場合、化合物半導体層を加熱する過程は窒素ガス雰囲気中で行なわれ、冷却ガスは水素ガスであることが好ましい。
【００２０】
このようにすると、通常行なわれている熱処理プロセスにおいて、窒素ガスに比べて熱伝導率が高い水素ガスを用いて、化合物半導体層の内部に、基板側が高くて表面側が低くなるような温度勾配を確実に生じさせることができる。
【００２１】
第１の半導体層の形成方法において、温度勾配は、基板と平行な方向に形成されることが好ましい。
【００２２】
このようにすると、ｐ型不純物を不活性化させている原子を化合物半導体層の温度が低い部分の表面から外部に排出できるので、化合物半導体層の抵抗値を確実に低減することができる。
【００２３】
第１の半導体層の形成方法において、化合物半導体層を加熱する過程は、基板を第１の温度に設定された第１のトレイ上で加熱した後、基板を、第１のトレイと第１の温度よりも低い第２の温度に設定された第２のトレイとに跨るように載置することにより、化合物半導体層に基板と平行な方向の温度勾配を生じさせる工程を含むことが好ましい。
【００２４】
このようにすると、化合物半導体層の内部に、基板と平行な方向の温度勾配を確実に生じさせることができる。
【００２５】
第１の半導体層の形成方法において、化合物半導体層を加熱する過程は、基板を第１の温度に設定された第１のトレイ上で加熱した後、基板を、第１のトレイと第１の温度よりも低い第２の温度に設定された第２のトレイと第２の温度よりも低い第３の温度に設定された第３のトレイとに跨るように載置することにより、化合物半導体層に基板と平行な方向の温度勾配を生じさせる工程を含むことが好ましい。
【００２６】
このようにすると、化合物半導体層の内部に、基板と平行な方向の温度勾配をより一層確実に生じさせることができる。
【００２７】
第１の半導体層の形成方法において、熱処理を行なう工程は、化合物半導体層に対して複数回の加熱及び冷却を行なって、化合物半導体層に複数回の温度勾配を生じさせる工程を含むことが好ましい。
【００２８】
このようにすると、ｐ型不純物を不活性化させている原子を化合物半導体層から外部に排出する効率が向上するので、化合物半導体層の抵抗値をより一層確実に低減することができる。
【００２９】
第１の半導体層の形成方法において、化合物半導体層は、ＩＩＩ族の元素として窒素を含むことが好ましい。
【００３０】
このようにすると、青紫光から紫外光に至る短波長領域の光を出射する発光素子に用いられるＩＩＩ−Ｖ族の窒化物半導体層の抵抗値を低減することができる。
【００３１】
この場合、窒素を含む化合物半導体層は、発光素子のクラッド層、コンタクト層又は光ガイド層であることが好ましい。
【００３２】
このようにすると、発光素子の動作電圧を低減して消費電力の低減を図り、これによって、発光素子の発熱を抑制して信頼性を向上させることができる。
【００３３】
本発明に係る第２の半導体層の形成方法は、ｐ型不純物が導入されたＩＩＩ−Ｖ族の化合物半導体層を基板上に形成する工程と、化合物半導体層に対して熱処理を行なう工程とを備え、熱処理を行なう工程は、化合物半導体層を加熱した後に冷却する過程において、化合物半導体層を急速に冷却することにより、ｐ型不純物を不活性化させる原子が化合物半導体層に侵入することを抑制する工程を含む。
【００３４】
第２の半導体装置の形成方法によると、熱処理工程の加熱後の冷却過程において、ｐ型不純物を不活性化させる原子が化合物半導体層に侵入する事態を抑制できるため、化合物半導体層の抵抗値を低減することができる。
【００３５】
第２の半導体層の形成方法において、化合物半導体層を冷却する過程は、０．３℃／ｓよりも高い降温レートで化合物半導体層を冷却する工程を含むことが好ましい。
【００３６】
このようにすると、熱処理工程の冷却過程において、ｐ型不純物を不活性化させる原子が化合物半導体層に侵入する事態を確実に抑制できるため、化合物半導体層の抵抗値を確実に低減することができる。
【００３７】
第２の半導体層の形成方法において、化合物半導体層を冷却する過程は、１０℃／ｓよりも高い降温レートで化合物半導体層を冷却する工程を含むことが好ましい。
【００３８】
このようにすると、熱処理工程の冷却過程において、ｐ型不純物を不活性化させる原子が化合物半導体層に侵入する事態をより一層確実に抑制できるため、化合物半導体層の抵抗値をより一層低減することができる。
【００３９】
第２の半導体層の形成方法において、化合物半導体層を冷却する過程は、化合物半導体層の表面に冷却ガスを供給する工程を含むことが好ましい。
【００４０】
このようにすると、熱処理工程の冷却過程において、ｐ型不純物を不活性化させる原子が化合物半導体層に侵入する事態を確実に抑制できるため、化合物半導体層の抵抗値を確実に低減することができる。
【００４１】
化合物半導体層の表面に冷却ガスを供給して化合物半導体層を急速に冷却する場合、化合物半導体層を冷却する過程は窒素ガス雰囲気中で行なわれ、冷却ガスは水素ガスであることが好ましい。
【００４２】
このようにすると、通常行なわれている熱処理プロセスにおいて、窒素ガスに比べて熱伝導率が高い水素ガスを用いて、ｐ型不純物を不活性化させる原子が化合物半導体層に侵入する事態を確実に抑制することができる。
【００４３】
この場合、水素ガスの分圧は３３％以上であることが好ましい。
【００４４】
このようにすると、ｐ型不純物を不活性化させる原子が化合物半導体層に侵入する事態をより一層確実に抑制することができる。
【００４５】
化合物半導体層の表面に冷却ガスを供給して化合物半導体層を急速に冷却する場合、化合物半導体層を冷却する過程は、基板の温度が５００℃以下のときに冷却ガスを供給する工程を含むことが好ましい。
【００４６】
このようにすると、ｐ型不純物を不活性化させる原子が化合物半導体層に侵入する事態をより一層確実に抑制することができる。
【００４７】
第２の半導体層の形成方法において、化合物半導体層は、ＩＩＩ族の元素として窒素を含むことが好ましい。
【００４８】
このようにすると、青紫光から紫外光に至る短波長領域の光を出射する発光素子に用いられるＩＩＩ−Ｖ族の窒化物半導体層の抵抗値を低減することができる。
【００４９】
この場合、窒素を含む化合物半導体層は、発光素子のクラッド層、コンタクト層又は光ガイド層であることが好ましい。
【００５０】
このようにすると、発光素子の動作電圧を低減して消費電力の低減を図り、これによって、発光素子の発熱を抑制して信頼性を向上させることができる。
【００５１】
本発明に係る第３の半導体層の形成方法は、ｐ型不純物が導入されたＩＩＩ−Ｖ族の化合物半導体層を基板上に形成する工程と、化合物半導体層に対して熱処理を行なう工程とを備え、熱処理を行なう工程は、化合物半導体層を加熱する過程において、化合物半導体層の内部応力を緩和させることにより、化合物半導体層からｐ型不純物を不活性化させている原子を排除する工程を含む。
【００５２】
第３の半導体層の形成方法によると、化合物半導体層を加熱する際に該化合物半導体層の内部応力を緩和させることにより、化合物半導体層からｐ型不純物を不活性化させている原子を排除できるため、化合物半導体層の抵抗値を確実に低減することができる。
【００５３】
第３の半導体層の形成方法において、化合物半導体層を加熱する過程は、基板がおかれている雰囲気の圧力を変化させることにより、化合物半導体層の内部応力を緩和させる工程を含むことが好ましい。
【００５４】
このようにすると、通常行なわれている熱処理プロセスにおいて、アニール炉の圧力を変化させることにより、ｐ型不純物を不活性化させる原子が化合物半導体層に侵入する事態を簡易且つ確実に抑制することができる。
【００５５】
基板がおかれている雰囲気の圧力を変化させて化合物半導体層の内部応力を緩和させる場合、化合物半導体層を加熱する過程は、雰囲気の圧力を大気圧よりも高く変化させる工程を含むことが好ましい。
【００５６】
このようにすると、ｐ型不純物を不活性化させる原子が化合物半導体層に侵入する事態をより一層確実に抑制することができる。
【００５７】
基板がおかれている雰囲気の圧力を変化させて化合物半導体層の内部応力を緩和させる場合、化合物半導体層を加熱する過程は、基板の温度が５００℃以下のときに雰囲気の圧力を変化させる工程を含むことが好ましい。
【００５８】
このようにすると、ｐ型不純物を不活性化させる原子が化合物半導体層に侵入する事態をより一層確実に抑制することができる。
【００５９】
第３の半導体層の形成方法において、化合物半導体層は、ＩＩＩ族の元素として窒素を含むことが好ましい。
【００６０】
このようにすると、青紫光から紫外光に至る短波長領域の光を出射する発光素子に用いられるＩＩＩ−Ｖ族の窒化物半導体層の抵抗値を低減することができる。
【００６１】
この場合、窒素を含む化合物半導体層は、発光素子のクラッド層、コンタクト層又は光ガイド層であることが好ましい。
【００６２】
このようにすると、発光素子の動作電圧を低減して消費電力の低減を図り、これによって、発光素子の発熱を抑制して信頼性を向上させることができる。
【００６３】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態に係る半導体層の形成方法について、図１及び図２を参照しながら説明する。
【００６４】
第１の実施形態は、主に短波長の発光素子（半導体レーザ素子）に用いられる、窒化ガリウムを主成分とするｐ型の化合物半導体層、例えばｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ半導体層（０≦ｘ≦１）の低抵抗化を実現できる方法であるが、第１の実施形態は、ｐ型不純物が導入された他のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層についても同様に適用することができる。
【００６５】
まず、サファイア基板１０の表面を酸性溶液を用いて洗浄した後、サファイア基板１０をＭＯＶＰＥ装置の反応炉（図示は省略している）内のサセプタに保持し、その後、反応炉内を真空状態にする。次に、反応炉内を圧力が４０ｋＰａの水素雰囲気にした後、反応炉の温度を約１１００℃にまで昇温してサファイア基板１０を加熱することにより、サファイア基板１０の表面に対して約１０分間のサーマルクリーニングを行なう。
【００６６】
次に、反応炉を約５００℃にまで降温した後、反応炉内に、６ｍＬ／ｍｉｎ（標準状態）の流量のトリメチルガリウム（ＴＭＧ）と、７．５ｍＬ／ｍｉｎ（標準状態）の流量のアンモニア（ＮＨ３）ガスと、キャリアガスとしての水素とを同時に供給することにより、サファイア基板１０の上に、２０ｎｍの厚さを持つＧａＮ層よりなる低温バッファ層１１を成長させる。
【００６７】
次に、反応炉を約１０００℃にまで昇温して、低温バッファ層１１の上に、０．５μｍの厚さを持つＧａＮ層１２を成長させる。
【００６８】
次に、反応炉内に、１．７ｍＬ／ｍｉｎ（標準状態）のトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）と、３０ｍＬ／ｍｉｎ（標準状態）のビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ：ｐ型不純物）とを追加的に供給して、ＧａＮ層１２の上に、０．７μｍの厚さを持つｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３を成長させる。
【００６９】
次に、サファイア基板１０をＭＯＶＰＥ装置の反応炉からアニール炉に移送し、サファイア基板１０をアニール炉内のトレイ上に載置した後、アニール炉内を一旦真空状態にしてから該アニール炉内に窒素ガスを３Ｌ／ｍｉｎ（標準状態）の流量で導入して炉内を大気圧にする。
【００７０】
次に、サファイア基板１０が載置されているトレイを、室温（２５℃）から７５０℃まで、毎秒０．１５℃（０．１５℃／ｓ）〜毎秒１５０℃（１５０℃／ｓ）の種々の昇温レートで加熱した後、７５０℃の温度で１時間保持し、その後、毎秒１０℃（１０℃／ｓ）の降温レートで室温まで冷却することにより、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３に対して熱処理を行なう。尚、この熱処理工程においては、アニール炉内に窒素ガスを３ｍＬ／ｍｉｎ（標準状態）の流量で導入し続けて炉内を大気圧に保っておく。
【００７１】
熱処理工程が完了すると、サファイア基板１０をアニール炉の外部に取り出した後、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３の上面に、一辺が５ｍｍの正方形の四隅に直径が２ｍｍの開口部を有するマスクを形成した後、サファイア基板１０を真空蒸着装置に移送する。
【００７２】
次に、真空蒸着装置内において、抵抗加熱法により、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３の上面に約５ｎｍの厚さのマグネシウム（Ｍｇ）膜をマスクを介して堆積した後、電子ビーム（ＥＢ）によりマグネシウム膜の上に約２００ｎｍの厚さの金（Ａｕ）電極を堆積して、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３の上に直径が２ｍｍの円電極（テスト用電極）を形成する。尚、マグネシウム膜はｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３と金電極とのオーミック接触をとり易くするために設けられる。
【００７３】
次に、サファイア基板１０を真空蒸着装置から外部に取り出した後、サファイア基板１０を円電極が四隅に位置するように５ｍｍ角のチップ状に切り出し、その後、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３の電気的特性を評価するために、室温でホール測定を行なう。
【００７４】
図２は、熱処理工程における昇温レートとｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３の抵抗率との関係を示しており、図２から明らかなように、昇温レートが０．３℃／ｓ以下の場合には抵抗率は約５Ω・ｃｍであるが、昇温レートが０．３℃／ｓよりも高くなると、抵抗率が急激に低下する。また、昇温レートが１０℃／ｓよりも高くなると、抵抗率は約４Ω・ｃｍで一定になる。つまり、昇温レートが１０℃／ｓよりも高くなると、抵抗率の低減は飽和する。
【００７５】
昇温レートが０．３℃／ｓよりも高くなると、抵抗率が急激に低下する理由については次のように考えられる。すなわち、昇温レートが高いため、サファイア基板１０とｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３との間に温度差が発生し、これに伴って、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３の内部に積層方向（基板に垂直な方向）の急激な温度勾配が生じる。ｐ型不純物（Ｍｇ）を不活性化させている水素原子は、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３における温度の高い部位（基板側の部位）から温度の低い部位（表面側の部位）に移動するため、ｐ型不純物（Ｍｇ）を不活性化させている水素原子は、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３における温度の高い部位（基板側の部位）から温度の低い部位（表面側の部位）に移動するため、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３の表面から効率良く排出されるのである。
【００７６】
従って、熱処理工程の加熱過程を、０．３℃／ｓよりも高い昇温レートで行なうと、ｐ型不純物を不活性化させている水素原子を効率良く排出でき、特に１０℃／ｓよりも高い昇温レートで加熱すると、水素原子の排出効率が一層向上する。
【００７７】
尚、前述の実験は、Ａｌの組成が７％であるｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３に対して行なったが、Ａｌの組成が７％よりも高いｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層（０．０７＜ｘ≦１）に対しては、１０℃／ｓよりも高い昇温レートで加熱すると、ｐ型不純物を不活性化させている水素原子を効率良く排出することができ、特に１５０℃／ｓ以上の昇温レートで加熱すると、水素原子の排出効率が一層向上する。
【００７８】
（第１の実施形態の変形例）
第１の実施形態における熱処理工程において、サファイア基板１０が載置されているトレイを、室温（２５℃）から７５０℃まで、毎秒１０℃（１０℃／ｓ）の昇温レートで加熱した後、７５０℃の温度での加熱過程において、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３の表面に冷却ガスとして水素ガスをパルス的に導入し（水素ガスの１０秒間の導入工程と、水素ガスの１０秒間の非導入工程とを繰り返し行ない）、その後、トレイの温度を室温まで冷却する実験も行なった。この場合、水素ガスの非導入工程では３Ｌ／ｍｉｎ（標準状態）の流量の窒素ガスのみを導入し、水素ガスの導入工程では２Ｌ／ｍｉｎ（標準状態）の流量の窒素ガスと１Ｌ／ｍｉｎ（標準状態）の流量の水素ガスとの混合ガス（水素ガスの分圧：３３．３％）を導入する。
【００７９】
このようにすると、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３の内部に積層方向（基板に垂直な方向）の急激な温度勾配が生じるので、ｐ型不純物（Ｍｇ）を不活性化させている水素原子は、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３における温度の高い部位（基板側の部位）から温度の低い部位（表面側の部位）に移動するため、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３の表面から効率良く排出される。
【００８０】
ところで、第１の実施形態及びその変形例においては、熱処理工程は１回であったが、これに代えて、熱処理工程（加熱過程及び冷却過程）を複数回行なうことが好ましい。このようにすると、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３の内部に積層方向の急激な温度勾配が複数回生じるので、ｐ型不純物（Ｍｇ）を不活性化させている水素原子は、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３の表面から一層効率良く排出される。
【００８１】
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態に係る半導体層の形成方法について、図１及び図３を参照しながら説明する。
【００８２】
第２の実施形態は、主に短波長の発光素子（半導体レーザ素子）に用いられる、窒化ガリウムを主成分とするｐ型の化合物半導体層、例えばｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ半導体層（０≦ｘ≦１）の低抵抗化を実現できる方法であるが、第２の実施形態は、ｐ型不純物が導入された他のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層についても同様に適用することができる。
【００８３】
まず、第１の実施形態と同様にして、ＭＯＶＰＥ法により、サファイア基板１０の上に、低温バッファ層１１及びＧａＮ層１２を介して、０．７μｍの厚さを持つｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３を成長させる。
【００８４】
次に、サファイア基板１０をＭＯＶＰＥ装置の反応炉からアニール炉に移送し、サファイア基板１０をアニール炉内のトレイ上に載置した後、アニール炉内を一旦真空状態にしてから該アニール炉内に窒素ガスを３Ｌ／ｍｉｎ（標準状態）の流量で導入して炉内を大気圧にする。
【００８５】
次に、サファイア基板１０が載置されているトレイを、室温（２５℃）から７５０℃まで、毎秒１０℃（１０℃／ｓ）の昇温レートで加熱した後、７５０℃の温度で１時間保持し、その後、毎秒０．１５℃（０．１５℃／ｓ）〜毎秒１５０℃（１５０℃／ｓ）の種々の降温レートで室温まで冷却することにより、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３に対して熱処理工程（加熱過程及び冷却過程）を行なう。尚、この熱処理工程においては、アニール炉内に窒素ガスを３ｍＬ／ｍｉｎ（標準状態）の流量で導入し続けて炉内を大気圧に保っておく。
【００８６】
熱処理工程が完了すると、サファイア基板１０をアニール炉の外部に取り出した後、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３の上面に、一辺が５ｍｍの正方形の四隅に直径が２ｍｍの開口部を有するマスクを形成した後、サファイア基板１０を真空蒸着装置に移送する。
【００８７】
次に、真空蒸着装置内において、抵抗加熱法により、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３の上面に約５ｎｍの厚さのマグネシウム（Ｍｇ）膜をマスクを介して堆積した後、電子ビーム（ＥＢ）によりマグネシウム膜の上に約２００ｎｍの厚さの金（Ａｕ）電極を堆積して、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３の上に直径が２ｍｍの円電極（テスト用電極）を形成する。
【００８８】
次に、サファイア基板１０を真空蒸着装置から外部に取り出した後、サファイア基板１０を円電極が四隅に位置するように５ｍｍ角のチップ状に切り出し、その後、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３の電気的特性を評価するために、室温でホール測定を行なった。
【００８９】
図３は、熱処理工程の加熱後の冷却過程における降温レートとｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３の抵抗率との関係を示しており、図３から明らかなように、降温レートが０．３℃／ｓ以下の場合には抵抗率は約５Ω・ｃｍであるが、降温レートが０．３℃／ｓよりも高くなると、抵抗率が急激に低下する。また、降温レートが１０℃／ｓよりも高くなると、抵抗率は約４Ω・ｃｍで一定になる。つまり、降温レートが１０℃／ｓよりも高くなると、抵抗率の低減は飽和する。
【００９０】
降温レートが０．３℃／ｓよりも高くなると、抵抗率が急激に低下する理由については次のように考えられる。すなわち、降温レートが高いため、サファイア基板１０ひいてはｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３が急速に冷却されるので、冷却過程において、ｐ型不純物（Ｍｇ）を不活性化させる水素原子がｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３に侵入する事態が抑制され、これによって、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３の抵抗率を大きく低減できるのである。
【００９１】
従って、熱処理工程における加熱後の冷却過程を、０．３℃／ｓよりも高い降温レートで行なうと、ｐ型不純物を不活性化させる水素原子の侵入を抑制でき、特に１０℃／ｓよりも高い降温レートで冷却すると、水素原子の侵入を一層抑制することができる。
【００９２】
尚、前述の実験は、Ａｌの組成が７％であるｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３に対して行なったが、Ａｌの組成が７％よりも高いｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層（０．０７＜ｘ≦１）に対しては、１０℃／ｓよりも高い降温レートで冷却すると、ｐ型不純物を不活性化させる水素原子を効率良く排出することができ、特に１５０℃／ｓ以上の降温レートで冷却する、水素原子の侵入抑制効果が一層向上する。
【００９３】
（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態に係る半導体層の形成方法について、図１及び図４を参照しながら説明する。
【００９４】
第３の実施形態は、主に短波長の発光素子（半導体レーザ素子）に用いられる、窒化ガリウムを主成分とするｐ型の化合物半導体層、例えばｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ半導体層（０≦ｘ≦１）の低抵抗化を実現できる方法であるが、第３の実施形態は、ｐ型不純物が導入された他のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層についても同様に適用することができる。
【００９５】
まず、第１の実施形態と同様にして、ＭＯＶＰＥ法により、サファイア基板１０の上に、低温バッファ層１１及びＧａＮ層１２を介して、０．７μｍの厚さを持つｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３を成長させる。
【００９６】
次に、サファイア基板１０をＭＯＶＰＥ装置の反応炉からアニール炉に移送し、サファイア基板１０をアニール炉内のトレイ上に載置した後、アニール炉内を一旦真空状態にしてから該アニール炉内に窒素ガスを３Ｌ／ｍｉｎ（標準状態）の流量で導入して炉内を大気圧にする。
【００９７】
次に、サファイア基板１０が載置されているトレイを、室温（２５℃）から７５０℃まで、毎秒１０℃（１０℃／ｓ）の昇温レートで加熱した後、７５０℃の温度で１時間保持し、その後、トレイの温度を室温まで冷却することにより、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３に対して熱処理を行なう。
【００９８】
第３の実施形態の特徴として、熱処理工程における加熱後の冷却過程において、アニール炉内に、窒素ガスと水素ガスとの混合ガス、例えば２Ｌ／ｍｉｎ（標準状態）の流量の窒素ガスと１Ｌ／ｍｉｎ（標準状態）の流量の水素ガスとの混合ガス（水素ガスの分圧：３３％）、又は１Ｌ／ｍｉｎ（標準状態）の流量の窒素ガスと２Ｌ／ｍｉｎ（標準状態）の流量の水素ガスとの混合ガス（水素ガスの分圧：６７％）を導入し続けて炉内を大気圧に保っておく。
【００９９】
このように、加熱後の冷却過程においてアニール炉内に水素ガスを導入すると、水素ガスの熱伝導率は窒素ガスの熱伝導率よりも大きいため、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３の表面が急速に冷却されるので、ｐ型不純物（Ｍｇ）を不活性化させる水素原子がｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３に侵入する事態が抑制され、これによって、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３の抵抗率を大きく低減することができる。
【０１００】
熱処理工程が完了すると、サファイア基板１０をアニール炉の外部に取り出した後、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３の上面に、一辺が５ｍｍの正方形の四隅に直径が２ｍｍの開口部を有するマスクを形成した後、サファイア基板１０を真空蒸着装置に移送する。
【０１０１】
次に、真空蒸着装置内において、抵抗加熱法により、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３の上面に約５ｎｍの厚さのマグネシウム（Ｍｇ）膜をマスクを介して堆積した後、電子ビーム（ＥＢ）によりマグネシウム膜の上に約２００ｎｍの厚さの金（Ａｕ）電極を堆積して、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３の上に直径が２ｍｍの円電極（テスト電極）を形成する。
【０１０２】
次に、サファイア基板１０を真空蒸着装置から外部に取り出した後、サファイア基板１０を円電極が四隅に位置するように５ｍｍ角のチップ状に切り出し、その後、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３の電気的特性を評価するために、室温でホール測定を行なった。
【０１０３】
図４は、加熱後の冷却過程においてアニール炉に導入する混合ガス中の水素ガスの分圧とｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３の抵抗率との関係を示している。図４から明らかなように、水素ガスの分圧が大きくなると、つまり導入される水素ガスの量が多くなると、急速冷却の効果が促進されて抵抗率が低くなることが分かる。また、水素ガスの分圧が０％のときに約４Ω・ｃｍである抵抗率を、水素ガスの分圧を３３％にすると約３．５Ω・ｃｍに低減できることも分かる。しかしながら、水素ガスの分圧が６７％以上になっても、抵抗率は約３．５Ω・ｃｍで一定であり、水素ガスの導入による冷却効果が飽和すると考えられる。
【０１０４】
ところで、加熱後の冷却過程において、７５０℃から５００℃までは３Ｌ／ｍｉｎ（標準状態）の流量の窒素ガスのみを導入し、５００℃から室温までは２Ｌ／ｍｉｎ（標準状態）の流量の窒素ガスと１Ｌ／ｍｉｎ（標準状態）の流量の水素ガスとの混合ガス（水素ガスの分圧：３３％）を導入する実験も行なった。つまり、基板温度が５００℃以下のときに冷却ガス（水素ガス）を導入して、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３を急速に冷却する実験を行なった。
【０１０５】
この場合には、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３の抵抗率を約３Ω・ｃｍに低減できることが分かった。これは、水素ガス導入時の温度を５００℃以下にすることにより、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３に水素原子が侵入する事態を一層抑制して、ｐ型不純物の不活性化を一層抑制できるためであると考えられる。
【０１０６】
（第４の実施形態）
以下、本発明の第４の実施形態に係る半導体層の形成方法について、図１及び図５を参照しながら説明する。
【０１０７】
第４の実施形態は、主に短波長の発光素子（半導体レーザ素子）に用いられる、窒化ガリウムを主成分とするｐ型の化合物半導体層、例えばｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ半導体層（０≦ｘ≦１）の低抵抗化を実現できる方法であるが、第４の実施形態は、ｐ型不純物が導入された他のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層についても同様に適用することができる。
【０１０８】
まず、第１の実施形態と同様にして、ＭＯＶＰＥ法により、サファイア基板１０の上に、低温バッファ層１１及びＧａＮ層１２を介して、０．７μｍの厚さを持つｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３を成長させる。
【０１０９】
次に、サファイア基板１０をＭＯＶＰＥ装置の反応炉からアニール炉に移送し、サファイア基板１０をアニール炉内のトレイ上に載置した後、アニール炉内を一旦真空状態にしてから該アニール炉内に窒素ガスを３Ｌ／ｍｉｎ（標準状態）の流量で導入して炉内を大気圧にする。
【０１１０】
次に、サファイア基板１０に対する第１回目の熱処理工程を行なう。すなわち、サファイア基板１０が載置されているトレイを、室温（２５℃）から７５０℃まで、毎秒１０℃（１０℃／ｓ）の昇温レートで加熱した後、７５０℃の温度で１時間保持し、その後、トレイの温度を室温まで冷却する。尚、第１回目の熱処理工程においては、炉内に窒素ガスを３ｍＬ／ｍｉｎ（標準状態）の流量で導入し続けて炉内を大気圧に保っておく。
【０１１１】
次に、サファイア基板１０に対する第２回目の熱処理工程を行なう。すなわち、第１回目の熱処理工程と同様、サファイア基板１０が載置されているトレイを、室温から７５０℃まで、毎秒１０℃（１０℃／ｓ）の昇温レートで加熱した後、７５０℃の温度で１時間保持し、その後、トレイの温度を室温まで冷却する。尚、第２回目の熱処理工程においても、炉内に窒素ガスを３ｍＬ／ｍｉｎ（標準状態）の流量で導入し続けて炉内を大気圧に保っておく。
【０１１２】
以後、第１回目及び第２回目の熱処理工程と同様の熱処理工程を例えば４回行なう。つまり、例えば合計６回の熱処理工程を行なう。
【０１１３】
６回の熱処理工程が完了すると、サファイア基板１０をアニール炉の外部に取り出した後、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３の上面に、一辺が５ｍｍの正方形の四隅に直径が２ｍｍの開口部を有するマスクを形成した後、サファイア基板１０を真空蒸着装置に移送する。
【０１１４】
次に、真空蒸着装置内において、抵抗加熱法により、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３の上面に約５ｎｍの厚さのマグネシウム（Ｍｇ）膜をマスクを介して堆積し、電子ビーム（ＥＢ）によりマグネシウム膜の上に約２００ｎｍの厚さの金（Ａｕ）電極を堆積して、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３の上に直径が２ｍｍの円電極（テスト電極）を形成する。
【０１１５】
次に、サファイア基板１０を真空蒸着装置から外部に取り出した後、サファイア基板１０を円電極が四隅に位置するように５ｍｍ角のチップ状に切り出し、その後、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３の電気的特性を評価するために、室温でホール測定を行なった。
【０１１６】
図５は、熱処理工程の回数とｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３の抵抗率との関係を示している。図５から、熱処理工程の回数が増加するに伴って抵抗率が約４．０Ω・ｃｍから約３．５Ω・ｃｍに低減すること、及び熱処理工程が４回以上になると、抵抗率の低減が飽和することが分かる。
【０１１７】
ところで、各回の熱処理工程における７５０℃の温度での保持時間を１時間から６時間までの間で変化させる実験も行なったが、保持時間が増加しても、保持時間が１時間のときと抵抗率は同じであった。
【０１１８】
従って、昇温レートが０．３℃／ｓよりも高い急速加熱を伴う熱処理工程を複数回行なって、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３の内部に複数回の温度勾配を生じさせることにより、水素ガスの排出を促進してｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３の抵抗率を一層低減することができる。
【０１１９】
（第５の実施形態）
以下、本発明の第５の実施形態に係る半導体層の形成方法について、図１及び図６を参照しながら説明する。
【０１２０】
第５の実施形態は、主に短波長の発光素子（半導体レーザ素子）に用いられる、窒化ガリウムを主成分とするｐ型の化合物半導体層、例えばｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ半導体層（０≦ｘ≦１）の低抵抗化を実現できる方法であるが、第５の実施形態は、ｐ型不純物が導入された他のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層についても同様に適用することができる。
【０１２１】
まず、第１の実施形態と同様にして、ＭＯＶＰＥ法により、サファイア基板１０の上に、低温バッファ層１１及びＧａＮ層１２を介して、０．７μｍの厚さを持つｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３を成長させる。
【０１２２】
次に、サファイア基板１０をＭＯＶＰＥ装置の反応炉からアニール炉に移送し、サファイア基板１０をアニール炉内のトレイ上に載置した後、アニール炉内を一旦真空状態にしてから該アニール炉内に窒素ガスを３Ｌ／ｍｉｎ（標準状態）の流量で導入して炉内を大気圧にする。
【０１２３】
次に、サファイア基板１０が載置されているトレイを、室温（２５℃）から７５０℃まで、毎秒１０℃（１０℃／ｓ）の昇温レートで加熱した後、７５０℃の温度で１時間保持し、その後、毎秒１０℃（１０℃／ｓ）の降温レートで室温に下げる。
【０１２４】
第５の実施形態の特徴として、熱処理工程の加熱過程においては、アニール炉内に窒素ガスを３ｍＬ／ｍｉｎ（標準状態）の流量で導入し続ける一方、アニール炉内の気体を排出するための排出路に設けられた流量調整弁を調節することにより、アニール炉内の圧力を制御する。
【０１２５】
このようにすると、加熱過程においてｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３の圧縮応力が緩和されるため、ｐ型不純物（Ｍｇ）を不活性化させている水素原子がｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３から外部に排出される。
【０１２６】
熱処理工程が完了すると、サファイア基板１０をアニール炉の外部に取り出した後、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３の上面に、一辺が５ｍｍの正方形の四隅に直径が２ｍｍの開口部を有するマスクを形成した後、サファイア基板１０を真空蒸着装置に移送する。
【０１２７】
次に、真空蒸着装置内において、抵抗加熱法により、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３の上面に約５ｎｍの厚さのマグネシウム（Ｍｇ）膜をマスクを介して堆積した後、電子ビーム（ＥＢ）によりマグネシウム膜の上に約２００ｎｍの厚さの金（Ａｕ）電極を堆積して、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３の上に直径が２ｍｍの円電極（テスト電極）を形成する。
【０１２８】
次に、サファイア基板１０を真空蒸着装置から外部に取り出した後、サファイア基板１０を円電極が四隅に位置するように５ｍｍ角のチップ状に切り出し、その後、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３の電気的特性を評価するために、室温でホール測定を行なった。
【０１２９】
図６は、７５０℃の温度下における熱処理時の雰囲気圧力と、サファイア基板１０の上に形成されている積層膜の断面形状との関係を示しており、雰囲気圧力が大気圧よりも高くなると、例えば１．５気圧以上になると、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３の圧縮応力が大きく緩和されるため、ｐ型不純物（Ｍｇ）を不活性化させている水素原子がｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３から外部に効率良く排出されるので、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３の抵抗率は低減する。
【０１３０】
ところで、サファイア基板１０を室温から７５０℃に加熱する過程において、サファイア基板１０の熱膨張率はｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３の熱膨張率よりも小さいため、図６に示すように、雰囲気圧力が１．０気圧のときにはｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３には圧縮応力（矢印で示す）が生じているが、雰囲気圧力が１．５気圧になると圧縮応力は緩和される。この応力の緩和が、ｐ型不純物を不活性化させている水素原子をｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３から外部に排出させる駆動力になるので、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３の抵抗率は低減する。
【０１３１】
この場合、雰囲気圧力が１．０気圧のままであると、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３の抵抗率は約４．０Ω・ｃｍであるが、雰囲気圧力が１．５であると、抵抗率は約３．５Ω・ｃｍになることが確認できた。
【０１３２】
尚、サファイア基板１０を加熱する過程において、雰囲気圧力を大気圧より低くしても、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３の圧縮応力は緩和されるが、雰囲気圧力を大気圧よりも高くすると、応力の緩和効果が促進されて、抵抗率は大きく低減する。
【０１３３】
また、本実施形態においては、熱処理工程の温度を７５０℃に設定したが、加熱過程の雰囲気圧力を大気圧よりも高くする場合には、一般に低抵抗化が困難であるとされている５００℃以下の熱処理温度であっても、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３の圧縮応力を緩和する効果が得られることが確認された。
【０１３４】
また、本実施形態においては、サファイア基板１０の熱膨張率がｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３の熱膨張率よりも小さいため、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３に圧縮応力が生じるが、基板の熱膨張力が化合物半導体層の熱膨張力よりも大きい場合には、化合物半導体層に引張応力が生じる。この場合にも、雰囲気圧力を大気圧よりも高くしたり又は低くしたりすると、化合物半導体層に生じている引張応力は緩和される。
【０１３５】
（第６の実施形態）
以下、本発明の第６の実施形態に係る半導体層の形成方法について、図１及び図７を参照しながら説明する。
【０１３６】
第６の実施形態は、主に短波長の発光素子（半導体レーザ素子）に用いられる、窒化ガリウムを主成分とするｐ型の化合物半導体層、例えばｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ半導体層（０≦ｘ≦１）の低抵抗化を実現できる方法であるが、第６の実施形態は、ｐ型不純物が導入された他のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層についても同様に適用することができる。
【０１３７】
まず、第１の実施形態と同様にして、ＭＯＶＰＥ法により、サファイア基板１０の上に、低温バッファ層１１及びＧａＮ層１２を介して、０．７μｍの厚さを持つｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３を成長させる。
【０１３８】
次に、積層膜が形成されているサファイア基板１０をＭＯＶＰＥ装置の反応炉からアニール炉に移送し、窒素ガスが３Ｌ／ｍｉｎ（標準状態）の流量で導入されることにより大気圧に保たれているアニール炉内において、サファイア基板１０ひいてはｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３に対して次のようにして熱処理を行なう。
【０１３９】
まず、図７に示すように、アニール炉には位置されている放熱台２０の上には、第１のヒーター２１ａにより例えば７５０℃に加熱される第１のトレイ２１と、第２のヒーター２２ａにより例えば５７０℃に加熱される第２のトレイ２２と、第３のヒーター２３ａにより例えば３７５℃に加熱される第３のトレイ２３とが配置されており、アニール炉に移送された基板２４（サファイア基板１０の上に、低温バッファ層１１、ＧａＮ層１２及びｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３が順次積層されてなる積層体を基板２４と称する。）を第１のトレイ２１の上に載置した後、第１のトレイ２１を室温（２５℃）から７５０℃にまで毎秒１０℃（１０℃／ｓ）の昇温レートで昇温し、基板２４を７５０℃の温度で１時間加熱する。
【０１４０】
次に、基板２４を基板搬送具２５により平行移動させて、基板２４を７５０℃に設定されている第１のトレイ２１と５７０℃に設定されている第２のトレイ２２とに跨るように載置する。このようにすると、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３には、基板に平行な方向に急激な温度勾配が生じる。このため、ｐ型不純物（Ｍｇ）を不活性化させている水素原子は、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３における温度の高い部位（第１のトレイ側の部位）から温度の低い部位（第２のトレイ側の部位）に移動するので、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３から効率良く排出され、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３の抵抗値は低減する。
【０１４１】
熱処理工程が完了すると、サファイア基板１０をアニール炉の外部に取り出した後、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３の上面に、一辺が５ｍｍの正方形の四隅に直径が２ｍｍの開口部を有するマスクを形成した後、サファイア基板１０を真空蒸着装置に移送する。
【０１４２】
次に、真空蒸着装置内において、抵抗加熱法により、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３の上面に約５ｎｍの厚さのマグネシウム（Ｍｇ）膜をマスクを介して堆積した後、電子ビーム（ＥＢ）によりマグネシウム膜の上に約２００ｎｍの厚さの金（Ａｕ）電極を堆積して、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３の上に直径が２ｍｍの円電極（テスト用電極）を形成する。
【０１４３】
次に、サファイア基板１０を真空蒸着装置から外部に取り出した後、サファイア基板１０を円電極が四隅に位置するように５ｍｍ角のチップ状に切り出し、その後、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３の電気的特性を評価するために、室温でホール測定を行なった。その結果、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３の抵抗値は約３．５Ω・ｃｍであった。
【０１４４】
尚、第６の実施形態では、基板２０を第１のトレイ２１と第２のトレイ２２とに跨るように載置して、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３に基板と平行な方向に温度勾配を生じさせたが、これに代えて、基板２０を第１のトレイ２１と第２のトレイ２２と第３のトレイ２３とに跨るように載置して、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３に基板と平行な方向に温度勾配を生じさせてもよい。このように基板２０を温度が異なる３つのトレイに跨るように載置すると、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３に生じる温度勾配が一層急激になるので、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層１３の抵抗値は一層低減する。
【０１４５】
（第７の実施形態）
以下、本発明の第７の実施形態に係る半導体層の形成方法について、図８及び図９を参照しながら説明する。
【０１４６】
第７の実施形態は、発光素子（レーザ素子）のクラッド層、コンタクト層又は光ガイド層に用いられるｐ型の化合物半導体層の低抵抗化を図ることにより、発光素子の動作電流を低減し、これにより発光素子の信頼性を向上させる方法である。
【０１４７】
まず、図８に示すように、例えば直径が５ｃｍであるサファイア基板３０をＭＯＶＰＥ装置の反応炉（図示は省略している）内のサセプタに保持し、その後、反応炉内を真空状態にする。次に、反応炉内を圧力が４０ｋＰａの水素雰囲気にした後、反応炉の温度を約１１００℃にまで昇温してサファイア基板２０を加熱することにより、サファイア基板３０の表面に対して約１０分間のサーマルクリーニングを行なう。
【０１４８】
次に、反応炉の温度を約５００℃にまで降温した後、反応炉内に、６ｍＬ／ｍｉｎ（標準状態）の流量のトリメチルガリウム（ＴＭＧ）と、７．５Ｌ／ｍｉｎ（標準状態）の流量のアンモニア（ＮＨ３）ガスと、キャリアガスとしての水素とを同時に供給することにより、サファイア基板２０の上に、２０ｎｍの厚さを持つＧａＮ層よりなる低温バッファ層（図示は省略している）を成長させる。
【０１４９】
次に、反応炉の温度を約１０００℃にまで昇温した後、該反応炉内にｎ型不純物を含むシラン（ＳｉＨ４）ガスを供給して、低温バッファ層の上に、シリコンからなる不純物の濃度が約１×１０１８ｃｍ−３であり且つ厚さが約４μｍであるｎ型ＧａＮ層よりなるｎ型コンタクト層３１を成長させる。
【０１５０】
次に、反応炉内に、１．７ｍＬ／ｍｉｎの流量のトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を追加的に供給することにより、ｎ型コンタクト層３１の上に、シリコンからなる不純物の濃度が５×１０１７ｃｍ−３のであり且つ厚さが約０．７μｍであるｎ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層よりなるｎ型クラッド層３２を成長させる。
【０１５１】
次に、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）の供給のみを停止して、ｎ型クラッド層３２の上に、シリコンからなる不純物の濃度が約１×１０１８ｃｍ−３であり且つ厚さが約１００ｎｍであるｎ型ＧａＮ層よりなる第１の光ガイド層３３を成長させる。
【０１５２】
次に、反応炉の温度を約８００℃にまで降温した後、キャリアガスを水素ガスからアンモニアガスに変更すると共に、反応炉内にトリメチルインジウム（ＴＭＩ）とトリメチルガリウム（ＴＭＧ）とを交互に供給することにより、第１の光ガイド層３３の上に、約３ｎｍの厚さを有するＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ層よりなる量子井戸層（３層）と約９ｎｍの厚さを有するＧａＮ層よりなるバリア層（２層）とからなる多重量子井戸構造を有する活性層３４を形成する。
【０１５３】
次に、反応炉の温度を再び約１０００℃にまで昇温した後、キャリアガスを窒素ガスから水素ガスに変更すると共に、反応炉内に、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アンモニア（ＮＨ３）ガス及びトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）と共に、ｐ型不純物であるビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）ガスを供給することにより、活性層３４の上に、マグネシウムからなる不純物の濃度が５×１０１７ｃｍ−３であり且つ厚さが約２０ｎｍであるｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ層よりなるキャップ層３５を成長させる。
【０１５４】
次に、キャップ層３５の上に、マグネシウムからなる不純物の濃度が１×１０１８ｃｍ−３であり且つ厚さが約１５０ｎｍである第２の光ガイド層３６を成長させた後、該第２の光ガイド層３６の上に、マグネシウムからなる不純物の濃度が５×１０１７ｃｍ−３であり且つ厚さが約０．７μｍであるｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層よりなるｐ型クラッド層３７を成長させ、その後、ｐ型クラッド層３７の上に、マグネシウムからなる不純物の濃度が１×１０１８ｃｍ−３であり且つ厚さが約０．１μｍであるｐ型ＧａＮ層よりなるｐ型コンタクト層３８を成長させる。
【０１５５】
次に、ｐ型不純物が導入されたＩＩＩ−Ｖ族の化合物半導体層、例えば、第２の光ガイド層３６、ｐ型クラッド層３７及びｐ型コンタクト層３８に対する熱処理を行なう。これらのｐ型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層に対する熱処理の方法としては、第１〜第６の実施形態に係る半導体層の形成方法を適用できるが、ここでは、第４の実施形態を適用する場合について説明する。
【０１５６】
サファイア基板３０をＭＯＶＰＥ装置の反応炉からアニール炉に移送し、サファイア基板３０をアニール炉内のトレイ上に載置した後、アニール炉内を一旦真空状態にしてから該アニール炉内に窒素ガスを３Ｌ／ｍｉｎ（標準状態）の流量で導入して炉内を大気圧にする。
【０１５７】
次に、サファイア基板３０が載置されているトレイを、室温（２５℃）から７５０℃まで、毎秒１０℃（１０℃／ｓ）の昇温レートで加熱した後、７５０℃の温度で１時間保持し、その後、トレイの温度を室温まで冷却することにより、第１回目の熱処理を施す。尚、第１回目の熱処理工程においては、炉内に窒素ガスを３ｍＬ／ｍｉｎ（標準状態）の流量で導入し続けて炉内を大気圧に保っておく。
【０１５８】
次に、サファイア基板３０が載置されているトレイを、室温（２５℃）から７５０℃まで、毎秒１０℃（１０℃／ｓ）の昇温レートで加熱した後、７５０℃の温度で１時間保持し、その後、トレイの温度を室温まで冷却することにより、第２回目の熱処理を施す。尚、第２回目の熱処理工程においても、炉内に窒素ガスを３ｍＬ／ｍｉｎ（標準状態）の流量で導入し続けて炉内を大気圧に保っておく。
【０１５９】
第１回目及び第２回目の熱処理工程が完了すると、選択的ドライエッチング法により、ｎ型コンタクト層３１を露出させた後、該ｎ型コンタクト層３１の上面にチタン膜とアルミニウム膜との積層膜からなるｎ側電極３９を形成する。
【０１６０】
次に、ｐ型コンタクト層３８を、約２μｍのリッジ幅を有するリッジ状に加工した後、ｐ型コンタクト層３８の上に、ニッケル膜と金膜との積層膜からなるストライプ状のｐ側電極４０を形成する。この場合、ｎ側電極３９とｐ側電極４０とは、二酸化珪素（ＳｉＯ２）からなる絶縁膜４１により絶縁されている。
【０１６１】
次に、積層体に対して劈開を行なうことにより、共振器長が７５０μｍである発光素子（半導体レーザ素子）を形成した後、共振器の一方の劈開面に二酸化珪素及び二酸化チタン（ＴｉＯ２）からなり反射率が９０％である高反射コーティング層を形成して、発光素子（半導体レーザ素子）を得る。
【０１６２】
第７の実施形態によると、ｐ型不純物が導入されたＩＩＩ−Ｖ族の化合物半導体層、例えば、第２の光ガイド層３６、ｐ型クラッド層３７又はｐ型コンタクト層３８に対して、２回の熱処理が行なわれるため、第２の光ガイド層３６、ｐ型クラッド層３７又はｐ型コンタクト層３８の不純物を不活性化させている原子を排除でき、これによって、これらの化合物半導体層の抵抗値を確実に低減することができる。
【０１６３】
室温から７５０℃まで、１０℃／ｓの昇温レートで加熱する加熱する熱処理を２回行なって得られた（第４の実施形態に相当）発光素子のレーザ素子特性を測定したところ、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層からなるｐ型クラッド層３７の抵抗率は約３．５Ω・ｃｍであり、室温から７５０℃まで、０．３℃／ｓの昇温レートで加熱する熱処理を１回行なって得られた（第１の実施形態に相当）発光素子のレーザ素子特性を測定したところ、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層からなるｐ型クラッド層３７の抵抗率は約５Ω・ｃｍであった。
【０１６４】
図９は、ｐ型クラッド層３７の抵抗率が約３．５Ω・ｃｍの場合と約５Ω・ｃｍの場合とにおける、発光素子の動作電圧としきい値電流との関係を示しており、ｐ型クラッド層３７の抵抗率が低いときには、しきい値電流を一定にしたときの動作電流は低減することが分かる。例えば、ｐ型クラッド層３７の抵抗率が約３．５Ω・ｃｍの場合、しきい値電流が５０ｍＡのときの動作電流は５Ｖであって消費電力は約０．２５Ｗであり、ｐ型クラッド層３７の抵抗率が約５Ω・ｃｍの場合、しきい値電流が６０ｍＡのときの動作電流は６Ｖであって消費電力は約０．３６Ｗである。
【０１６５】
これらのことから、ｐ型不純物が導入されたＩＩＩ−Ｖ族の化合物半導体層に対して第１〜第６の実施形態に係る半導体層の形成方法を適用すると、得られる発光素子の動作電圧を低減して消費電力を低減することができ、これによって、発光素子の発熱を抑制して信頼性を向上させることができる。
【０１６６】
尚、第１〜第６の実施形態においては、基板としてサファイア基板を用いたが、これに代えて、炭化珪素基板を用いてもよい。
【０１６７】
【発明の効果】
本発明に係る第１の半導体層の形成方法によると、化合物半導体層を加熱する際に該化合物半導体層に温度勾配を生じさせることにより、化合物半導体層からｐ型不純物を不活性化させている原子を排除できるため、化合物半導体層の抵抗値を確実に低減することができる。
【０１６８】
本発明に係る第２の半導体装置の形成方法によると、熱処理工程の冷却過程において、ｐ型不純物を不活性化させる原子が化合物半導体層に侵入する事態を抑制できるため、化合物半導体層の抵抗値を低減することができる。
【０１６９】
本発明に係る第３の半導体層の形成方法によると、化合物半導体層を加熱する際に該化合物半導体層の内部応力を緩和させることにより、化合物半導体層からｐ型不純物を不活性化させている原子を排除できるため、化合物半導体層の抵抗値を確実に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１〜第６の実施形態に係る半導体層の形成方法の対象となる積層構造の断面図である。
【図２】第１の実施形態に係る半導体層の形成方法の熱処理工程における、昇温レートとｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層の抵抗率との関係を示す特性図である。
【図３】第２の実施形態に係る半導体層の形成方法の熱処理工程の加熱後の冷却過程における、降温レートとｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層の抵抗率との関係を示す特性図である。
【図４】第３の実施形態に係る半導体層の形成方法の熱処理工程の加熱後の冷却過程における、アニール炉に導入する混合ガス中の水素ガスの分圧とｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層の抵抗率との関係を示す特性図である。
【図５】第４の実施形態に係る半導体層の形成方法における、熱処理工程の回数とｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層の抵抗率との関係を示す特性図である。
【図６】第５の実施形態に係る半導体層の形成方法における、熱処理時の雰囲気圧力と、サファイア基板の上に形成されている積層膜の断面形状との関係を示す断面図である。
【図７】第６の実施形態に係る半導体層の形成方法において、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層に基板と平行な温度勾配を生じさせる方法を示す断面図である。
【図８】第７の実施形態に係る半導体層の形成方法の対象となる発光素子の断面図である。
【図９】第７の実施形態に係る半導体層の形成方法により得られる発光素子の動作電圧としきい値電流との関係を示す特性図である。
【符号の説明】
１０　サファイア基板
１１　低温バッファ層
１２　ＧａＮ層
１３　ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層
２０　放熱台
２１　第１のトレイ
２１ａ　第１のヒーター
２２　第２のトレイ
２２ａ　第２のヒーター
２３　第２のトレイ
２３ａ　第３のヒーター
２４　基板
２５　基板搬送具
３０　サファイア基板
３１　ｎ型コンタクト層
３２　ｎ型クラッド層
３３　第１の光ガイド層
３４　活性層
３５　キャップ層
３６　第２の光ガイド層
３７　ｐ型クラッド層
３８　ｐ型コンタクト層
３９　ｎ側電極
４０　ｐ側電極
【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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