(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧａＡｓ基板とＧａＮＡｓ，ＧａＰＮ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＩｎＮＰ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかからなる活性層との間にＡｌを含む半導体層を設け、前記活性層と前記Ａｌを含む半導体層を、それぞれ窒素化合物原料と有機金属Ａｌ原料を用いて成長させる半導体発光素子の製造方法において、前記Ａｌを含む半導体層を成長した後、前記活性層を成長する前に、成長室内壁の温度を前記活性層を成長する際の成長室内壁の温度よりも高温に保持してパージを行ない、Ａｌ原料、または、Ａｌ反応物、または、Ａｌ化合物、または、Ａｌを成長室内壁から除去することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項２】
ＧａＡｓ基板とＧａＮＡｓ，ＧａＰＮ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＩｎＮＰ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかからなる活性層との間にＡｌを含む半導体層を設け、前記活性層と前記Ａｌを含む半導体層を、それぞれ窒素化合物原料と有機金属Ａｌ原料を用いて成長させる半導体発光素子の製造方法において、前記Ａｌを含む半導体層を成長した後、前記活性層を成長する前に、成長室内壁の温度を前記活性層を成長する際の成長室内壁の温度よりも高温に保持し、かつ、サイドフローガスを成長室内壁に沿って流してパージを行ない、Ａｌ原料、または、Ａｌ反応物、または、Ａｌ化合物、または、Ａｌを成長室内壁から除去することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項３】
ＧａＡｓ基板とＧａＮＡｓ，ＧａＰＮ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＩｎＮＰ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかからなる活性層との間にＡｌを含む半導体層を設け、前記活性層と前記Ａｌを含む半導体層を、それぞれ窒素化合物原料と有機金属Ａｌ原料を用いて成長させる半導体発光素子の製造方法において、前記Ａｌを含む半導体層を成長した後、前記活性層を成長する前に、基板を保持するサセプタの温度を前記活性層を成長する際のサセプタの温度よりも高温に保持してパージを行ない、Ａｌ原料、または、Ａｌ反応物、または、Ａｌ化合物、または、Ａｌをサセプタから除去することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項４】
ＧａＡｓ基板とＧａＮＡｓ，ＧａＰＮ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＩｎＮＰ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかからなる活性層との間にＡｌを含む半導体層を設け、前記活性層と前記Ａｌを含む半導体層を、それぞれ窒素化合物原料と有機金属Ａｌ原料を用いて成長させる半導体発光素子の製造方法において、前記Ａｌを含む半導体層を成長した後、前記活性層を成長する前に、基板を保持するサセプタの温度を前記活性層を成長する際のサセプタの温度よりも高温に保持し、かつ、サイドフローガスをサセプタに沿って流してパージを行ない、Ａｌ原料、または、Ａｌ反応物、または、Ａｌ化合物、または、Ａｌをサセプタから除去することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項５】
請求項１または請求項２のいずれか一項に記載の半導体発光素子の製造方法と、請求項３または請求項４のいずれか一項に記載の半導体発光素子の製造方法とを組み合わせ、Ａｌ原料、または、Ａｌ反応物、または、Ａｌ化合物、または、Ａｌを成長室内壁およびサセプタから除去することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子の製造方法および面発光型半導体レーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インターネットに代表されるように、近年の爆発的なネットワーク普及により光通信で取り扱われる情報量が飛躍的に増大しており、この後も増加していくと考えられる。そのため幹線系だけではなく、メトロネットワーク、さらには一般家庭やオフィスといった加入者系やＬＡＮ（Local Area Network）などのユーザに近い伝送路、さらには各機器間や機器内の配線へも光ファイバーが導入されつつある。このため、光による大容量情報伝送技術が極めて重要となってきている。
【０００３】
そして、よりエンドユーザに近いネットワークへの光ファイバー，光配線の普及を推進するためには、より安価で小型のしかも光ファイバーとの整合性が良い光源が必要となってくる。そのような光源としては、シリカファイバーの伝送ロスが小さく整合性の良い１．３μｍ帯，１．５５μｍ帯の面発光型半導体レーザ素子（ＶＣＳＥＬ： Vertical Cavity Surface Emitting Laser：垂直空洞面発光型半導体レーザ素子）が極めて有望である。面発光型半導体レーザ素子は、端面発光型レーザに比べて、低価格化，低消費電力化，小型化，２次元集積化に向き、実際にＧａＡｓ基板上に形成できる０．８５μｍ帯ではすでに高速ＬＡＮである１Ｇｂｉｔ／ｓのイーサネットなどで実用化されている。
【０００４】
現時点では、１．３μｍ帯ではＩｎＰ基板上の材料系が一般的に用いられ、端面発光型半導体レーザで利用されている。しかし、これら従来の長波長帯半導体レーザでは、環境温度が室温から８０℃になると、その温度特性により動作電流が３倍にも増加するという大きな欠点を持っているため、冷却手段等を考慮する必要があり、コスト高を招く要因となっている。また、面発光型半導体レーザ素子においては、反射鏡に適した材料がないため、高性能化は困難であり、実用レベルの特性が得られていないのが現状である。またＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ反射鏡を張り合わせることでＩｎＰ基板上の活性層に利用することも提案されてはいるが、コスト高になるため量産には問題が多い。
【０００５】
そこで最近、ＧａＡｓ基板上に１．３μｍ帯を形成できる材料系が注目されている。この材料系の中でもＧａＩｎＮＡｓはレーザ特性の温度依存性を極めて小さくすることができる材料として注目されている。すなわち、ＧａＩｎＮＡｓは、温度依存性が小さいことで、冷却機構の簡素化でき、小型化，低コスト化が図れるため、中規模以下の光ネットワークの光源として有望であると考えられている。ＧａＩｎＮＡｓはその結晶内部にＮを含むことでバンドギャップを狭くしており、Ｎを含む活性層を高品質に成長する技術が非常に重要とされている。
【０００６】
従来、特開平１０−１２６００４号には、ＧａＩｎＮＡｓ活性層とＡｌを含む層を直接接して成長すると、界面に窒素が偏析して表面モフォロジーが劣化し発光強度が著しく低下してしまうことを改善する方法として、ＧａＩｎＮＡｓ層に直接接する層にはＡｌを含まないようにする構造が提案されている。
【０００７】
また、特開２０００−４０６８号では、ＧａＩｎＮＰ活性層とＡｌＧａＩｎＰクラッド層との間に、ＡｌとＮを構成元素として含まない中間層を設けることにより、結晶性，発光効率を改善している。
【０００８】
しかし、中間層を設けた場合でも、Ａｌを含む半導体層上に形成したＧａＩｎＮＡｓ活性層の発光効率の低下が報告されている。すなわち、文献「Electoron. Lett.， 2000 , 36(21) , pp1776-1777」には、同じＭＯＣＶＤ成長室でＡｌＧａＡｓクラッド層上に連続的にＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層を成長すると、フォトルミネッセンス強度が著しく劣化することが報告されている。上記文献においては、フォトルミネッセンス強度を改善するために、ＡｌＧａＡｓクラッド層とＧａＩｎＮＡｓ活性層を異なるＭＯＣＶＤ成長室で成長させている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
図１は、本願の発明者によるＭＯＣＶＤ装置で作製したＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層とＧａＡｓバリア層とからなるＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ２重量子井戸構造の室温フォトルミネッセンススペクトルを示す図である。なお、図１において、符号ＡはＡｌＧａＡｓクラッド層上にＧａＡｓ中間層をはさんで２重量子井戸構造を形成した試料を示すものであり、符号ＢはＧａＩｎＰクラッド層上にＧａＡｓ中間層をはさんで２重量子井戸構造を連続的に形成した試料を示すものである。
【００１０】
図１に示すように、試料Ａでは試料Ｂに比べてフォトルミネッセンス強度が半分以下に低下している。このことから、１台のＭＯＣＶＤ装置を用いて、ＡｌＧａＡｓ等のＡｌを構成元素として含む半導体層上に、ＧａＩｎＮＡｓ等の窒素を含む活性層を連続的に形成すると、従来例と同様に、活性層の発光強度が劣化してしまうという問題が生じることがわかる。このため、ＡｌＧａＡｓクラッド層上に形成したＧａＩｎＮＡｓ系レーザの閾電流密度は、ＧａＩｎＰクラッド層上に形成した場合に比べて２倍以上高くなってしまうという問題がある。
【００１１】
本発明は、ＧａＡｓ基板と窒素および他のＶ族元素を含む活性層との間にＡｌを含む半導体層が設けられている半導体発光素子において、発光特性を著しく改善することの可能な半導体発光素子の製造方法および面発光型半導体レーザ素子を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、ＧａＡｓ基板とＧａＮＡｓ，ＧａＰＮ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＩｎＮＰ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかからなる活性層との間にＡｌを含む半導体層を設け、前記活性層と前記Ａｌを含む半導体層を、それぞれ窒素化合物原料と有機金属Ａｌ原料を用いて成長させる半導体発光素子の製造方法において、前記Ａｌを含む半導体層を成長した後、前記活性層を成長する前に、成長室内壁の温度を前記活性層を成長する際の成長室内壁の温度よりも高温に保持してパージを行ない、Ａｌ原料、または、Ａｌ反応物、または、Ａｌ化合物、または、Ａｌを成長室内壁から除去することを特徴としている。
【００１３】
また、請求項２記載の発明は、ＧａＡｓ基板とＧａＮＡｓ，ＧａＰＮ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＩｎＮＰ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかからなる活性層との間にＡｌを含む半導体層を設け、前記活性層と前記Ａｌを含む半導体層を、それぞれ窒素化合物原料と有機金属Ａｌ原料を用いて成長させる半導体発光素子の製造方法において、前記Ａｌを含む半導体層を成長した後、前記活性層を成長する前に、成長室内壁の温度を前記活性層を成長する際の成長室内壁の温度よりも高温に保持し、かつ、サイドフローガスを成長室内壁に沿って流してパージを行ない、Ａｌ原料、または、Ａｌ反応物、または、Ａｌ化合物、または、Ａｌを成長室内壁から除去することを特徴としている。
【００１４】
また、請求項３記載の発明は、ＧａＡｓ基板とＧａＮＡｓ，ＧａＰＮ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＩｎＮＰ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかからなる活性層との間にＡｌを含む半導体層を設け、前記活性層と前記Ａｌを含む半導体層を、それぞれ窒素化合物原料と有機金属Ａｌ原料を用いて成長させる半導体発光素子の製造方法において、前記Ａｌを含む半導体層を成長した後、前記活性層を成長する前に、基板を保持するサセプタの温度を前記活性層を成長する際のサセプタの温度よりも高温に保持してパージを行ない、Ａｌ原料、または、Ａｌ反応物、または、Ａｌ化合物、または、Ａｌをサセプタから除去することを特徴としている。
【００１５】
また、請求項４記載の発明は、ＧａＡｓ基板とＧａＮＡｓ，ＧａＰＮ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＩｎＮＰ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかからなる活性層との間にＡｌを含む半導体層を設け、前記活性層と前記Ａｌを含む半導体層を、それぞれ窒素化合物原料と有機金属Ａｌ原料を用いて成長させる半導体発光素子の製造方法において、前記Ａｌを含む半導体層を成長した後、前記活性層を成長する前に、基板を保持するサセプタの温度を前記活性層を成長する際のサセプタの温度よりも高温に保持し、かつ、サイドフローガスをサセプタに沿って流してパージを行ない、Ａｌ原料、または、Ａｌ反応物、または、Ａｌ化合物、または、Ａｌをサセプタから除去することを特徴としている。
【００１６】
また、請求項５記載の発明は、請求項１または請求項２のいずれか一項に記載の半導体発光素子の製造方法と、請求項３または請求項４のいずれか一項に記載の半導体発光素子の製造方法とを組み合わせ、Ａｌ原料、または、Ａｌ反応物、または、Ａｌ化合物、または、Ａｌを成長室内壁およびサセプタから除去することを特徴としている。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２２】
図２は、基板と窒素を含む半導体層との間にＡｌを含む半導体層が設けられている半導体発光素子の一例を示す図である。図２の半導体発光素子では、基板２０１上に、Ａｌを含む第１の半導体層２０２と、中間層２０３と、窒素を含む活性層２０４と、中間層２０３と、第２の半導体層２０５とが順次に積層されている。
【００２３】
ここで、基板２０１には、例えばＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＧａＰ等の化合物半導体基板が用いられる。
【００２４】
また、Ａｌを構成元素として含む第１の半導体層２０２には、ＡｌＡｓ，ＡｌＰ，ＡｌＧａＡｓ，ＡｌＩｎＰ，ＡｌＧａＩｎＰ，ＡｌＩｎＡｓ，ＡｌＩｎＡｓＰ，ＡｌＧａＩｎＡｓＰ等の材料を用いることができる。なお、第１の半導体層２０２は、単一層の場合だけでなく、Ａｌを構成元素として含む半導体層が複数積層されたものであってもよい。
【００２５】
また、中間層２０３は、構成元素としてＡｌを含んでおらず、例えばＧａＡｓ，ＧａＰ，ＩｎＰ，ＧａＩｎＰ，ＧａＩｎＡｓ，ＧａＩｎＡｓＰ等の材料で構成されている。
【００２６】
また、窒素を含む活性層２０４には、例えばＧａＮＡｓ，ＧａＰＮ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＩｎＮＰ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂ等の材料が用いられ、窒素を含む活性層２０４は、Ａｌ原料を意図的に導入することなく結晶成長されている。また、活性層２０４は、単一層の場合だけでなく、窒素を含む半導体を井戸層とし、中間層材料を障壁層とする多重量子井戸構造で構成することも可能である。
【００２７】
図２の半導体発光素子の各層のエネルギーバンドギャップは、活性層２０４，中間層２０３，第１の半導体層２０２，第２の半導体層２０５という順に大きくなっている。なお、第２の半導体層２０５は、第１の半導体層２０２と同じ材料で構成されることが一般的であるが、必ずしも同じ材料である必要はなく、また、Ａｌを含まない材料で構成することも可能である。
【００２８】
図２の半導体発光素子は、有機金属Ａｌ原料と窒素化合物原料を用いたエピタキシャル成長装置を用いて、結晶成長を行なうことができる。ここで、有機金属Ａｌ原料としては、例えばＴＭＡ，ＴＥＡを用いることができる。また、窒素化合物原料としては、ＤＭＨｙ，ＭＭＨｙ等の有機窒素原料やＮＨ3を用いることができる。また、結晶成長方法としては、ＭＯＣＶＤ法あるいはＣＢＥ法を用いることができる。
【００２９】
図３は、図２の半導体発光素子の一例として、第１の半導体層２０２，第２の半導体層２０５をＡｌＧａＡｓとし、中間層２０３をＧａＡｓとし、窒素を含む活性層２０４をＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ２重量子井戸構造として構成した半導体発光素子を、１台のエピタキシャル成長装置（ＭＯＣＶＤ）を用いて形成したときの、窒素（Ｎ）濃度と酸素（Ｏ）濃度の深さ方向分布を示す図である。なお、この測定はＳＩＭＳによって行った。次表（表１）に測定条件を示す。
【００３０】
【表１】
0004410975.tif 000002
【００３１】
図３において、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ２重量子井戸構造に対応して、活性層２０４中に２つの窒素濃度ピークが見られる。そして、活性層２０４において、酸素濃度のピークが検出されている。しかし、Ａｌを含まない中間層２０３における酸素濃度は、活性層２０４の酸素濃度よりも約１桁低い濃度となっている。
【００３２】
一方、第１の半導体層２０２，第２の半導体層２０５をＧａＩｎＰとし、中間層２０３をＧａＡｓとし、窒素を含む活性層２０４をＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ２重量子井戸構造として構成した半導体発光素子について、酸素濃度の深さ方向分布を測定した場合には、活性層２０４中の酸素濃度はバックグラウンドレベルであった。
【００３３】
すなわち、窒素化合物原料と有機金属Ａｌ原料を用いて、１台のエピタキシャル成長装置により、基板（２０１）と窒素を含む活性層（２０４）との間にＡｌを含む半導体層（２０２）を設けた半導体発光素子を連続的に結晶成長すると、窒素を含む活性層（２０４）中に酸素が取り込まれることが本願の発明者の実験により明らかとなった。活性層（２０４）に取り込まれた酸素は非発光再結合準位を形成するため、活性層（２０４）の発光効率を低下させてしまう。この活性層（２０４）に取り込まれた酸素が、基板（２０１）と窒素を含む活性層（２０４）との間にＡｌを含む半導体層（２０２）を設けた半導体発光素子における発光効率を低下させる原因であることが新たに判明した。
【００３４】
酸素が取り込まれるメカニズムは以下の様に考えられる。すなわち、Ａｌを構成元素として含む半導体層を成長させると、成長室内にＡｌ原料、または、Ａｌ反応物、または、Ａｌ化合物、または、Ａｌが残留する。その後、窒素を含む半導体層を結晶成長する際に、成長室に窒素化合物原料を供給すると、窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる水分等の不純物と、化学的に活性なＡｌ原料、または、Ａｌ反応物、または、Ａｌ化合物、または、Ａｌとが化学結合して、活性層中にＡｌが取り込まれる。また、Ａｌと窒素化合物原料中に含まれる水分とが反応して、酸素不純物も同時に活性層に取り込まれ、活性層の発光効率を低下させてしまう。
【００３５】
以上のように、Ａｌを含む物質の成長室内への残留と、窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる水分等の不純物と残留したＡｌを含む物質が結合して活性層に取り込まれることが、基板と窒素を含む活性層との間にＡｌを含む半導体層を設けた半導体発光素子における発光効率を低下させる製造工程上の要因であることがわかった。
【００３６】
本発明は、このような製造工程上の要因を解決し、Ａｌを含む半導体層上に、高発光効率の窒素を含む活性層を形成することを意図している。
【００３７】
第１の実施形態
図４（ａ），（ｂ）は本発明の第１の実施形態の半導体発光素子の製造装置の構成例を示す図である。なお、図４（ａ），（ｂ）は、ＭＯＣＶＤ装置の反応室（成長室）の縦断面を示す図となっている。
【００３８】
図４（ａ），（ｂ）の構成例では、反応室（成長室）１は、横型反応管となっており、原料ガス供給口４と、排気口６とを有している。また、反応室（成長室）１の内部には、半導体発光素子を成長させるための基板２と、基板２を保持するためのサセプタ３とが設けられている。
【００３９】
また、図４（ａ），（ｂ）の構成例では、反応室１には、反応室１の壁面を加熱するためのヒータ７が設けられており、ヒータ７によって反応室１の壁面の温度を任意に変化させることが可能になっている。
【００４０】
第１の実施形態の半導体発光素子の製造装置では、原料ガス供給口４から導入された原料ガスは、例えば抵抗加熱等によって高温に保持されたサセプタ３上の基板２の表面で化学反応により半導体層を成長させる。
【００４１】
ところで、この第１の実施形態では、反応室１には壁面を加熱するためのヒータ７が設けられており、ヒータ７によって反応室１の壁面の温度を任意に変化させることを可能にしている。すなわち、このヒータ７によって反応室１の壁面の温度を上げることで、反応室１の内壁に吸着している原料ガスや化学反応による生成物の脱離を促進させることができる。
【００４２】
このように、本発明の第１の実施形態は、基板と窒素を含む活性層との間にＡｌを含む半導体層を設け、前記窒素を含む活性層と前記Ａｌを含む半導体層を、それぞれ窒素化合物原料と有機金属Ａｌ原料を用いて成長させる半導体発光素子の製造方法において、前記Ａｌを含む半導体層を成長した後、前記窒素を含む活性層を成長する前に、成長室（反応室１）内壁の温度を前記窒素を含む活性層を成長する際の成長室（反応室１）内壁の温度より高温に保持してパージを行ない、Ａｌ原料、または、Ａｌ反応物、または、Ａｌ化合物、または、Ａｌを成長室（反応室１）内壁から除去するようにしている。
【００４３】
前述のように、基板と窒素を含む活性層との間にＡｌを含む半導体層を設けた半導体発光素子を製造するときに、Ａｌを含む物質の成長室内への残留は発光効率の低下の一因であるため、これを除去することは発光効率を向上させるために有効である。
【００４４】
この第１の実施形態では、Ａｌを含む半導体層を成長させた際に成長室（反応室１）内壁に吸着残留したＡｌ原料ガスやＡｌを含む反応生成物を、窒素を含む活性層を成長させる前に成長室（反応室１）壁面を一定時間加熱して反応室１内を例えば水素などのガスによりパージすることにより、反応室１の内壁から脱離させ、窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる水分等の不純物と残留したＡｌを含む物質が結合して活性層に取り込まれることを防ぐようにしている。
【００４５】
第１の実施形態では、Ａｌを含む半導体層と中間層の成長の間にパージを行なうようにした。この時、反応室１の壁面（内壁）を加熱する温度を活性層を成長する際の反応室１の内壁の温度よりも高くすることで、活性層を成長する時よりも壁面から脱離し易い状態でパージが行なわれ、実際に活性層を成長する時にはＡｌを含む物質が壁面から脱離しないようにすることができ、その結果、Ａｌを含む物質が窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物と接触して基板に取り込まれることを防ぐことができ、低閾値の半導体発光素子を成長することができる。
【００４６】
上記の工程は、単にＡｌを含む物質を除去するためのパージ工程を設ける場合よりも、より短時間に効果的にパージを行なうことができる。
【００４７】
第２の実施形態
図５は本発明の第２の実施形態の半導体発光素子の製造装置の構成例を示す図である。なお、図５は、ＭＯＣＶＤ装置の反応室（成長室）の縦断面を示す図となっている。図５において、図４と同様の箇所には同じ符号を付している。
【００４８】
図５の構成例では、反応室（成長室）１は、横型反応管となっており、原料ガス供給口４と、サイドフローガス供給口５と、排気口６とを有している。また、反応室（成長室）１の内部には、半導体発光素子を成長させるための基板２と、基板２を保持するためのサセプタ３とが設けられている。
【００４９】
また、反応室１には、壁面を加熱するためのヒータ７が設けられており、ヒータ７によって反応室１の壁面の温度を任意に変化させることが可能となっている。
【００５０】
この第２の実施形態の半導体発光素子の製造装置の特徴は、第１の実施形態の半導体発光素子の製造装置と比べて、Ａｌを含む半導体層を成長させるときに、および／または、窒素を含む活性層を成長させるときに、反応室（成長室）１の内壁に沿ってサイドフローガスを流す構造を有していることにある。
【００５１】
このような構成の半導体発光素子の製造装置では、原料ガス供給口４から導入された原料ガスは、例えば抵抗加熱等によって高温に保持されたサセプタ３上の基板２の表面で化学反応により半導体層を成長させる。
【００５２】
一方、原料ガスを含まないサイドフローガスをサイドフローガス供給口５から導入し、サイドフローガスを反応室１の内壁に沿って流れるようにする。また、ヒータ７によって反応室１の壁面の温度を上げることで反応室１の内壁に吸着している原料ガスや化学反応による生成物の脱離を促進させることができる。さらに、壁面を加熱してパージを行なう工程において、サイドフローガスを流すことによってより速やかにかつ効果的に内壁に吸着している原料ガスや化学反応による生成物の脱離を促進させることができる。その結果、Ａｌを含む物質が窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物と接触して基板に取り込まれることを防ぐことができ、低閾値の半導体発光素子を成長することができる。
【００５３】
このように、本発明の第２の実施形態は、基板と窒素を含む活性層との間にＡｌを含む半導体層を設け、前記窒素を含む活性層と前記Ａｌを含む半導体層を、それぞれ窒素化合物原料と有機金属Ａｌ原料を用いて成長させる半導体発光素子の製造方法において、前記Ａｌを含む半導体層を成長した後、前記窒素を含む活性層を成長する前に、成長室内壁の温度を前記窒素を含む活性層を成長する際の成長室内壁の温度よりも高温に保持し、かつ、サイドフローガスを成長室内壁に沿って流してパージを行ない、Ａｌ原料、または、Ａｌ反応物、または、Ａｌ化合物、または、Ａｌを成長室内壁から除去する。
【００５４】
第３の実施形態
図６は本発明の第３の実施形態の半導体発光素子の製造装置の構成例を示す図である。なお、図６は、ＭＯＣＶＤ装置の反応室の横断面を示す図となっている。
【００５５】
図６の構成例では、反応室１は横型反応管となっており、反応室１の内部には、半導体発光素子を成長させるための基板２と、基板２を保持するためのサセプタ３とが設けられている。
【００５６】
このような構成では、原料ガス供給口４から導入された原料ガスは、例えば抵抗加熱等によって高温に保持されたサセプタ３上の基板２の表面で化学反応により半導体層を成長させる。Ａｌを含む半導体層を成長させた際にサセプタ３に吸着残留したＡｌ原料ガスやＡｌを含む反応生成物を、窒素を含む活性層を成長させる前にサセプタ３を一定時間加熱して反応室１内を例えば水素などのガスによりパージすることにより、サセプタ３から脱離させ、窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる水分等の不純物と残留したＡｌを含む物質が結合して活性層に取り込まれるのを防ぐことができる。この時、サセプタ３を加熱する温度を、活性層を成長する際のサセプタ３の温度よりも高くすることで、活性層を成長する時よりもサセプタ３から脱離し易い状態でパージが行なわれ、実際に活性層を成長する時にはＡｌを含む物質がサセプタ３から脱離しないようにすることができる。その結果、Ａｌを含む物質が窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物と接触して基板に取り込まれることを防ぐことができ、低閾値の半導体発光素子を成長することができる。
【００５７】
このように、本発明の第３の実施形態は、基板と窒素を含む活性層との間にＡｌを含む半導体層を設け、前記窒素を含む活性層と前記Ａｌを含む半導体層を、それぞれ窒素化合物原料と有機金属Ａｌ原料を用いて成長させる半導体発光素子の製造方法において、前記Ａｌを含む半導体層を成長した後、前記窒素を含む活性層を成長する前に、基板を保持するサセプタの温度を前記窒素を含む活性層を成長する際のサセプタの温度よりも高温に保持してパージを行ない、Ａｌ原料、または、Ａｌ反応物、または、Ａｌ化合物、または、Ａｌをサセプタから除去する。
【００５８】
第４の実施形態
図７は本発明の第４の実施形態の半導体発光素子の製造装置の構成例を示す図である。なお、図７はＭＯＣＶＤ装置の反応室の横断面を示す図となっている。
【００５９】
図７の構成例では、反応室（成長室）１は、横型反応管となっており、原料ガス供給口４と、サイドフローガス供給口５と、排気口６とを有している。また、反応室（成長室）１の内部には、半導体発光素子を成長させるための基板２と、基板２を保持するためのサセプタ３とが設けられている。
【００６０】
このような構成では、原料ガス供給口４から導入された原料ガスは、例えば抵抗加熱等によって高温に保持されたサセプタ３上の基板２の表面で化学反応により半導体層を成長させる。
【００６１】
一方、原料ガスを含まないサイドフローガスをサイドフローガス供給口５から導入し、サセプタ３の側面に沿って流れるように吹き出し口を設けてある。
【００６２】
この第４の実施形態では、Ａｌを含む半導体層を成長させた際にサセプタ３に吸着残留したＡｌ原料ガスやＡｌを含む反応生成物を、窒素を含む活性層を成長させる前にサセプタ３を一定時間加熱し、このサセプタ３の側面に流すサイドフローガスによって原料ガスや化学反応により生成した物質がサセプタ３などから脱離するのを促進させてパージを行なうことで、窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる水分等の不純物と残留したＡｌを含む物質が結合して活性層に取り込まれるのを防ぐことができる。この時、サセプタ３を加熱する温度を、活性層を成長する際のサセプタの温度よりも高くすることで、活性層を成長する時よりもサセプタ３から脱離し易い状態でパージが行なわれ、実際に活性層を成長する時にはＡｌを含む物質がサセプタ３から脱離しないようにすることができる。その結果、Ａｌを含む物質が窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物と接触して基板に取り込まれることを防ぐことができ、低閾値の半導体発光素子を成長することができる。
【００６３】
このように、本発明の第４の実施形態は、基板と窒素を含む活性層との間にＡｌを含む半導体層を設け、前記窒素を含む活性層と前記Ａｌを含む半導体層を、それぞれ窒素化合物原料と有機金属Ａｌ原料を用いて成長させる半導体発光素子の製造方法において、前記Ａｌを含む半導体層を成長した後、前記窒素を含む活性層を成長する前に、基板を保持するサセプタの温度を前記窒素を含む活性層を成長する際のサセプタの温度よりも高温に保持し、かつ、サイドフローガスをサセプタに沿って流してパージを行ない、Ａｌ原料、または、Ａｌ反応物、または、Ａｌ化合物、または、Ａｌをサセプタから除去する。
【００６４】
図８は図７の半導体発光素子の製造装置の変形例を示す図である。なお、図８は、ＭＯＣＶＤ装置の反応室の縦断面を横から見た概略図である。また、図８において、図７に対応する箇所には同じ符号を付している。
【００６５】
図８の構成例では、反応室１は縦型反応管となっており、反応室１の内部には、半導体発光素子を成長させるための基板２と、基板２を保持するためのサセプタ３とが設けられている。
【００６６】
このような構成の半導体発光素子の製造装置では、原料ガス供給口４から導入された原料ガスは、例えば抵抗加熱等によって高温に保持されたサセプタ３上の基板２の表面で化学反応により半導体層を成長させるようになっている。また、反応室１には壁面を加熱するためのヒータが設けてあり、壁面の温度を任意に変化させることを可能にしてある。
【００６７】
このように、図８の構成例も、その動作は、基本的に、図７の構成例と同じであり、図７の構成例と同様の効果を得ることができる。なお、図８の構成例のような縦型の反応管を用いたＭＯＣＶＤ装置は、比較的膜の均一性を得やすいため、膜厚の均一性などが要求される面発光型半導体レーザなどの量産時に用いられることが多い。
【００６８】
第５の実施形態
図９は本発明の第５の実施形態の半導体発光素子の製造装置の構成例を示す図である。なお、図９はＭＯＣＶＤ装置の反応室の横断面を表した概略図である。
【００６９】
図９の構成例では、反応室（成長室）１は、横型反応管となっており、原料ガス供給口４と、サイドフローガス供給口５と、排気口６とを有している。また、反応室（成長室）１の内部には、半導体発光素子を成長させるための基板２と、基板２を保持するためのサセプタ３とが設けられている。
【００７０】
このような構成では、原料ガス供給口４から導入された原料ガスは、例えば抵抗加熱等によって高温に保持されたサセプタ３上の基板表面で化学反応により半導体層を成長させる。
【００７１】
一方、原料ガスを含まないサイドフローガスをサイドフローガス供給口５から導入し、反応室１の内壁およびサセプタ３の側面に沿って流れるように吹き出し口を設けてある。
【００７２】
また、図９の構成例では、反応室１には、壁面を加熱するためのヒータ７が設けられており、反応室１の壁面の温度を任意に変化させることが可能になっている。すなわち、ヒータ７によって壁面の温度を上げることで、反応室１の内壁に吸着している原料ガスや化学反応による生成物の脱離を促進させることができる。
【００７３】
さらに、壁面を加熱してパージを行なう工程において、サイドフローガスを流すことによって、より速やかにかつ効果的に内壁に吸着している原料ガスや化学反応による生成物の脱離を促進させることができる。また、サセプタ３を加熱してパージを行なう工程において、サセプタ３の側面に流すサイドフローガスによって原料ガスや化学反応により生成した物質がサセプタ３などから脱離するのを促進させてパージを行なうことで、窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる水分等の不純物と残留したＡｌを含む物質が結合して活性層に取り込まれるのを防ぐことができる。
【００７４】
このように、反応室１の壁面の加熱によるパージとサセプタ３の加熱によるパージとを同時に行なうことで、よりパージの効果を高めることができ、低閾値の半導体発光素子を成長することができる。
【００７５】
このように、本発明の第５の実施形態は、第１または第２の実施形態のいずれかの半導体発光素子の製造方法と、第３または第４の実施形態のいずれかの半導体発光素子の製造方法とを組み合わせ、Ａｌ原料、または、Ａｌ反応物、または、Ａｌ化合物、または、Ａｌを成長室内壁およびサセプタから除去する。
【００７６】
このように、上述した各実施形態の半導体発光素子の製造方法および半導体発光素子の製造装置によって、発光効率の高い半導体発光素子を作製することができる。
【００７７】
図１０は本発明の半導体発光素子の製造方法および半導体発光素子の製造装置により作製された面発光型半導体レーザの一例を示す図である。図１０を参照すると、この面発光型半導体レーザは、ｎ型ＧａＡｓ基板５１上に、ｎ型半導体多層膜反射鏡５２、ＧａＡｓ下部スペーサ層５３、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層５４、ＧａＡｓ上部スペーサ層５５、ＡｌＡｓ層５６、ｐ型半導体多層膜反射鏡５７が順次に形成されている。
【００７８】
ここで、ｎ型半導体多層膜反射鏡５２は、ｎ型ＧａＡｓ高屈折率層とｎ型Ａｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ低屈折率層とを交互に積層した分布ブラッグ反射鏡で構成されている。同様に、ｐ型半導体多層膜反射鏡５７も、ｐ型ＧａＡｓ高屈折率層とｐ型Ａｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ低屈折率層とを交互に積層した分布ブラッグ反射鏡で構成されている。
【００７９】
また、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層５４は、バンドギャップ波長が１．３μｍ帯となっている。そして、ＧａＡｓ下部スペーサ層５３からＧａＡｓ上部スペーサ層５５までは、λ共振器を構成している。
【００８０】
そして、上記積層構造を、ｎ型半導体多層膜反射鏡５２に達するまで円筒状にエッチングして、メサ構造が形成されている。メササイズは３０μｍφとなっている。そして、エッチングして表面が露出した側面からＡｌＡｓ層５６を選択的に酸化させ、ＡｌＯx絶縁領域を形成することにより、電流狭窄構造が形成されている。この場合、電流は、ＡｌＯx絶縁領域によって約５μｍφの酸化開口領域に集中して活性層５４に注入される。
【００８１】
また、ｐ型半導体多層膜反射鏡５７の表面にはリング状のｐ側電極５８が形成され、ｎ型ＧａＡｓ基板５１の裏面にはｎ側電極５９が形成されている。
【００８２】
また、この例においては、下部スペーサ層５３とｎ型半導体多層膜反射鏡５２の成長の間でパージを行なうこととした。
【００８３】
このような構成の面発光型半導体レーザでは、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層５４で発光した光は、上下の半導体多層膜反射鏡５２，５７で反射して増幅され、１．３μｍ帯のレーザ光を基板５１と垂直方向に放射する。
【００８４】
このような構成の面発光型半導体レーザにおいて、ＧａＡｓ基板５１上の半導体多層膜反射鏡５２としては、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ積層型がもっとも容易に高性能の反射鏡を作製でき、かつ電気特性も良好なため利用しやすい。
【００８５】
実際、０．８５μｍ帯および０．９８μｍ帯のＶＣＳＥＬはＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ積層型の半導体多層膜反射鏡を用いて実際に製造販売されており、ＧａＡｓ基板上のＶＣＳＥＬにおいては、このＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ積層型の半導体多層膜反射鏡は必須といえるものである。しかし、従来は窒素を含む活性層を用いた面発光型半導体レーザをＭＯＣＶＤで成長させた場合、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ積層型で反射鏡５２を作ろうとすると前述のような理由により活性層５４の品質が低下し、閾電流の低い素子を得ることができなかった。しかし、本発明による製造装置および製造方法を用いることで、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ積層の半導体多層膜反射鏡５２を用いても、ＧａＩｎＮＡｓ等の活性層５４からなる低閾の面発光型半導体レーザを作製することができる。
【００８６】
また、本発明では、上述した各実施形態の半導体発光素子の製造方法によって作製された面発光型半導体レーザ素子を用いた光送信モジュール、あるいは、光送受信モジュール、あるいは、光通信システムを構築することができる。
【００８７】
図１１は本発明に係る光送信モジュールの一例を示す図である。また、図１２は本発明に係る光送受信モジュールの一例を示す図である。
【００８８】
本発明による面発光型半導体レーザ素子を光通信システムに用いる場合、面発光型半導体レーザ素子は低コストであるので、図１１や図１２に示すように、送信用の面発光型半導体レーザ素子と受信用フォトダイオードと光ファイバーとを組み合わせた光送信モジュールや光送受信モジュールを得られる。
【００８９】
例えばＧａＩｎＮＡｓを用いた面発光型レーザは１．２−１．３μｍ帯やそれよりも長波長帯での発振を得られる素子であり、これらの波長では石英系の光ファイバに対しての損失が少ないなどの理由により通信用の光源として好適であるとされている。さらには、特に１．３μｍ等の長波長帯で低損失となるフッ素添加ＰＯＦ（プラスチックファイバ）とＧａＩｎＮＡｓを活性層に用いた面発光型レーザとを組み合わせるとファイバが低コストであること、ファイバの径が大きくてファイバとのカップリングが容易で実装コストを低減できることから、極めて低コストのモジュールを実現できる。また、ＧａＩｎＮＡｓはその優れた温度特性から、強力な冷却用の構成を必要としない。そのため、冷却用のコストが削減でき、安価な光通信モジュールを得られる。
【００９０】
本発明によれば、高品質のＮを含む活性層を成長することができるため、図９のような面発光型半導体レーザ素子を製造することがより容易に行なえるようになり、高性能の通信用長波長帯面発光型半導体レーザ素子を実現でき、さらにこれらの素子を用いると、低コストの光ファイバー通信システム，光インターコネクションシステムなどの光通信システムを実現することができる。
【００９１】
【発明の効果】
以上に説明したように、請求項１記載の発明によれば、ＧａＡｓ基板とＧａＮＡｓ，ＧａＰＮ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＩｎＮＰ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかからなる活性層との間にＡｌを含む半導体層を設け、前記活性層と前記Ａｌを含む半導体層を、それぞれ窒素化合物原料と有機金属Ａｌ原料を用いて成長させる半導体発光素子の製造方法において、前記Ａｌを含む半導体層を成長した後、前記活性層を成長する前に、成長室内壁の温度を前記活性層を成長する際の成長室内壁の温度よりも高温に保持してパージを行ない、Ａｌ原料、または、Ａｌ反応物、または、Ａｌ化合物、または、Ａｌを成長室内壁から除去することで、Ａｌを含む物質が窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物と接触して基板に取り込まれるのを防ぐことができ、低閾値の半導体発光素子を成長することができる。
【００９２】
また、請求項２記載の発明によれば、ＧａＡｓ基板とＧａＮＡｓ，ＧａＰＮ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＩｎＮＰ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかからなる活性層との間にＡｌを含む半導体層を設け、前記活性層と前記Ａｌを含む半導体層を、それぞれ窒素化合物原料と有機金属Ａｌ原料を用いて成長させる半導体発光素子の製造方法において、前記Ａｌを含む半導体層を成長した後、前記活性層を成長する前に、成長室内壁の温度を前記活性層を成長する際の成長室内壁の温度よりも高温に保持し、かつ、サイドフローガスを成長室内壁に沿って流してパージを行ない、Ａｌ原料、または、Ａｌ反応物、または、Ａｌ化合物、または、Ａｌを成長室内壁から除去することで、Ａｌを含む物質が窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物と接触して基板に取り込まれるのを、より一層防ぐことができ、低閾値の半導体発光素子を成長することができる。
【００９３】
また、請求項３記載の発明によれば、ＧａＡｓ基板とＧａＮＡｓ，ＧａＰＮ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＩｎＮＰ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかからなる活性層との間にＡｌを含む半導体層を設け、前記活性層と前記Ａｌを含む半導体層を、それぞれ窒素化合物原料と有機金属Ａｌ原料を用いて成長させる半導体発光素子の製造方法において、前記Ａｌを含む半導体層を成長した後、前記活性層を成長する前に、基板を保持するサセプタの温度を前記活性層を成長する際のサセプタの温度よりも高温に保持してパージを行ない、Ａｌ原料、または、Ａｌ反応物、または、Ａｌ化合物、または、Ａｌをサセプタから除去することで、Ａｌを含む物質が窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物と接触して基板に取り込まれるのを防ぐことができ、低閾値の半導体発光素子を成長することができる。
【００９４】
また、請求項４記載の発明によれば、ＧａＡｓ基板とＧａＮＡｓ，ＧａＰＮ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＩｎＮＰ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかからなる活性層との間にＡｌを含む半導体層を設け、前記活性層と前記Ａｌを含む半導体層を、それぞれ窒素化合物原料と有機金属Ａｌ原料を用いて成長させる半導体発光素子の製造方法において、前記Ａｌを含む半導体層を成長した後、前記活性層を成長する前に、基板を保持するサセプタの温度を前記活性層を成長する際のサセプタの温度よりも高温に保持し、かつ、サイドフローガスをサセプタに沿って流してパージを行ない、Ａｌ原料、または、Ａｌ反応物、または、Ａｌ化合物、または、Ａｌをサセプタから除去することで、Ａｌを含む物質が窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物と接触して基板に取り込まれるのを、より一層防ぐことができ、低閾値の半導体発光素子を成長することができる。
【００９５】
また、請求項５記載の発明によれば、請求項１または請求項２のいずれか一項に記載の半導体発光素子の製造方法と、請求項３または請求項４のいずれか一項に記載の半導体発光素子の製造方法とを組み合わせ、Ａｌ原料、または、Ａｌ反応物、または、Ａｌ化合物、または、Ａｌを成長室内壁およびサセプタから除去するようになっており、請求項１または請求項２のいずれかと、請求項３または請求項４のいずれかとを組み合わせることで、成長室内壁とサセプタの両方からＡｌ原料、または、Ａｌ反応物、または、Ａｌ化合物、または、Ａｌを除去することができ、その結果Ａｌを含む物質が窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物と接触して基板に取り込まれるのを、より一層防ぐことができ、低閾値の半導体発光素子を成長することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願の発明者によるＭＯＣＶＤ装置で作製したＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層とＧａＡｓバリア層とからなるＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ２重量子井戸構造の室温フォトルミネッセンススペクトルを示す図である。
【図２】基板と窒素を含む半導体層との間にＡｌを含む半導体層が設けられている半導体発光素子の一例を示す図である。
【図３】図２の半導体発光素子を、１台のエピタキシャル成長装置（ＭＯＣＶＤ）を用いて形成したときの、窒素（Ｎ）濃度と酸素（Ｏ）濃度の深さ方向分布を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施形態の半導体発光素子の製造装置の構成例を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施形態の半導体発光素子の製造装置の構成例を示す図である。
【図６】本発明の第３の実施形態の半導体発光素子の製造装置の構成例を示す図である。
【図７】本発明の第４の実施形態の半導体発光素子の製造装置の構成例を示す図である。
【図８】図７の半導体発光素子の製造装置の変形例を示す図である。
【図９】本発明の第５の実施形態の半導体発光素子の製造装置の構成例を示す図である。
【図１０】本発明の半導体発光素子の製造方法および半導体発光素子の製造装置により作製された面発光型半導体レーザの一例を示す図である。
【図１１】本発明に係る光送信モジュールの一例を示す図である。
【図１２】本発明に係る光送信モジュールの一例を示す図である。
【符号の説明】
１                      反応室（成長室）
２                      基板
３                      サセプタ
４                      原料ガス供給口
５                      サイドフローガス供給口
６                      ガス排気口
７                      ヒータ
５１                    ｎ型ＧａＡｓ基板
５２                    ｎ型半導体多層膜反射鏡
５３                    ＧａＡｓ下部スペーサ層
５４                    ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層
５５                    ＧａＡｓ上部スペーサ層
５６                    ＡｌＡｓ層
５７                    ｐ型半導体多層膜反射鏡
５８                    ｐ側電極
５９                    ｎ側電極
２０１                  基板
２０１                  第１の半導体層
２０３                  中間層
２０４                  活性層
２０５                  第２の半導体層
【図１】
0004410975.tif 000003
【図２】
0004410975.tif 000004
【図３】
0004410975.tif 000005
【図４】
0004410975.tif 000006
【図５】
0004410975.tif 000007
【図６】
0004410975.tif 000008
【図７】
0004410975.tif 000009
【図８】
0004410975.tif 000010
【図９】
0004410975.tif 000011
【図１０】
0004410975.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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