(57)【要約】【課題】フォトルミネッセンス特性を改善可能な、III−Ｖ化合物半導体装置を作製する方法を提供する。【解決手段】ＧａＡｓバッファ半導体層４３上に、Ｖ族として窒素およびヒ素を含む第１のIII−Ｖ化合物半導体からなるＧａＩｎＮＡｓ井戸層４５を分子線エピタキシ法で形成する。井戸層４５を形成した後に、ヒ素を含む第２のIII−Ｖ化合物半導体からなるＧａＡｓキャップ層４７を分子線エピタキシ法で成長する。有機金属気相成長炉５３を用いて、成膜することなく摂氏６５０度以上の熱処理温度で活性水素およびヒ素を含む雰囲気においてエピタキシャルウエハ４９ｂに熱処理を施す。【選択図】図３
2007214209.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
III−Ｖ化合物半導体装置を作製する方法であって、
Ｖ族として窒素およびヒ素を含む第１のIII−Ｖ化合物半導体からなり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に、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成長する工程と、
前記半導体層を成長した後に、成膜することなく摂氏６５０度以上の温度で、有機金属気相成長炉を用いて活性水素およびヒ素を含む雰囲気において前記量子井戸構造に熱処理を施す工程と、
前記熱処理の後に、前記有機金属気相成長炉を用いて第２導電型III−Ｖ化合物半導体領域を成長する工程と
を備える、ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記熱処理の温度は摂氏８５０度以下である、ことを特徴とする請求項１に記載された方法。
【請求項３】
前記熱処理は、前記有機金属気相成長炉にＡｓＨ３を供給して行われる、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載された方法。
【請求項４】
前記第２導電型III−Ｖ化合物半導体領域はｐ型クラッド層およびｐ型コンタクト層を含む、ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された方法。
【請求項５】
分子線エピタキシ法で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および第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および第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〜請求項３のいずれか一項に記載された方法。
【請求項６】
III−Ｖ化合物半導体を形成する方法であって、
Ｖ族として窒素およびヒ素を含む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、
前記活性層を成長した後に、有機金属気相成長炉を用いて、成膜することなく摂氏６５０度以上の温度で活性水素およびヒ素を含む雰囲気において前記活性層に熱処理を施す工程と、
前記熱処理の後に、III−Ｖ化合物半導体層を成長する工程と、
を備える、ことを特徴とする方法。
【請求項７】
前記熱処理の温度は摂氏８５０度以下である、ことを特徴とする請求項６に記載された方法。
【請求項８】
前記熱処理の時間は、３０分以上であり、４時間以下である、ことを特徴とする請求項６または請求項７に記載された方法。
【請求項９】
前記第１のIII−Ｖ化合物半導体はＧａＩｎＮＡｓまたはＧａＮＡｓである、ことを特徴とする請求項６から請求項８のいずれか一項に記載された方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III−Ｖ化合物半導体を形成する方法およびIII−Ｖ化合物半導体装置を作製する方法に関する。
【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て熱アニール（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て、摂氏７００度の温度で熱処理される。熱処理時間は１時間２０分である。
【０００３】
非特許文献２には、良好な結晶品質を持つＧａＮＡｓおよびＧａＩｎＮＡｓを成長することが記載されている。ＧａＮＡｓおよびＧａＩｎＮＡｓは、窒素ラジカルを窒素の前駆体として用いて分子線ビームエピタキシ法で成長される。ＲＴＡチャンバを用いて行われる摂氏７５０度の温度における追加のラピッドサーマルアニールにより、ＧａＩｎＮＡｓの結晶性が大いに改善される。
【０００４】
特許文献１には、窒素を含んだIII−Ｖ族混晶半導体層を含んだ半導体素子の結晶性改善効果を容易に得ることのできる製造方法が記載されている。この製造方法では、III族元素とＮおよび他の１種以上のＶ族元素とから構成されるIII−Ｖ族混晶半導体層（ＧａＩｎＮＡｓ活性層）と、その上部に１層または複数層からなる上部半導体層（光ガイド層、クラッド層）をＭＯＣＶＤ炉で成長する。熱処理として次のようなものがある。熱処理は、光ガイド層を成長した後に、成長を中断して摂氏７００度の温度で３分間の熱処理がＭＯＣＶＤ炉を用いて行われる。または、熱処理は、上部光閉じ込め層の成長の後、上部クラッド層の成長に先立って、摂氏７２０度の温度でＧａＩｎＰ層をＭＯＣＶＤ炉で成長することによって行われる。または、熱処理は、上部ＧａＡｓスペーサ層の成長後半からｐ型ＡｌＡｓ層の成長の前まで、摂氏５４０度から摂氏７００度まで成長温度を上昇しながらＭＯＣＶＤ炉で行われる。
【０００５】
特許文献２には、高品質で実用レベルのＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子の製造方法が記載されている。この面発光型半導体レーザ素子は、半導体基板上に、活性層を含んだ活性領域と、活性層の上部及び下部に設けられた反射鏡を含んだ共振器構造とを有する。この活性層は、ＧａＩｎＮＡｓを主成分として含み、半導体基板と活性層との間に形成される下部反射鏡は屈折率が周期的に変化し入射光を光波干渉によって反射する半導体分布ブラッグ反射鏡を含み、活性層はＭＢＥ法で成長し、反射鏡のうち少なくともｐ側の反射鏡（例えば、反射鏡）はＭＯＣＶＤ法で成長する。下地となる結晶成長層の表面の一部をＢｒを用いてエッチングにより除去する。
【０００６】
特許文献３には、ＧａＩｎＮＡｓといった窒素と窒素以外のＶ族元素とを含むIII−Ｖ族化合物混晶半導体材料（数パーセント程度の窒素を結晶中に取り込む混晶）をＭＢＥ法で結晶成長すると共に、発光特性に優れた結晶を得る為の熱処理を行う方法が記載されている。この方法では、Ｖ族組成として窒素と窒素以外のＶ族元素とを共に含むIII−Ｖ族化合物半導体を、ランプアニール装置を用いて熱処理する際、５０℃／秒以上、５００℃／秒以下の昇温速度で昇温する。次いで、ランプアニール装置において、５５０℃以上９００℃以下の範囲の温度で保持する。
【非特許文献１】B. Damilano et al. Appl. Phys. Lett. 86,071105-1 (2005)
【非特許文献２】M. Kondow, et. al;, Semicond. Sci. Technol. 17, (2002) 746-754
【特許文献１】特開２００１−２５７４３０号公報
【特許文献２】特開２００４−２８８７８９号公報
【特許文献３】特開２００２−３１９５４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１の方法では、ＧａＩｎＮＡｓ活性層、上部光ガイド層、および上部クラッド層をＭＯＣＶＤ炉で成長すると共に、ＭＯＣＶＤ炉を利用して熱処理を行うので、ＭＢＥ法を用いて井戸層の成長を行わない。これとは異なり、特許文献２の方法では、活性層をＭＢＥ法で成長すると共に、ｐ側ブラッグ反射鏡をＭＯＣＶＤ法で成長している。ＭＢＥ法およびＭＯＣＶＤ法の両方を用いて半導体層を形成しているけれども、アニールのための熱処理が記載されていない。特許文献３の方法では、Ｖ族組成として窒素および窒素以外のＶ族元素を含むIII−Ｖ族化合物半導体をＭＢＥ法で成長した後に、ランプアニール装置を用いて熱処理している。この方法では、熱処理専用にランプアニール装置が必要である。非特許文献１の方法では、Ｇａ０．６Ｉｎ０．４Ｎ０．０１５Ａｓ０．９８５／ＧａＡｓ量子井戸構造をＭＢＥ法で作製すると共に、この量子井戸構造をＲＴＡチャンバを用いて摂氏７００度の温度で熱処理している。また、非特許文献２では、ＭＢＥ法で成長されたＧａＩｎＮＡｓをＲＴＡチャンバを用いて摂氏７５０度当たりの温度で熱処理している。
【０００８】
例えば非特許文献１では、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸構造の作製が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、製造工程が煩雑でなる。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光学特性を向上するためには、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸の作製の後に、アニールが必要である。
【０００９】
本発明は、このような事情を鑑みてなされたものであり、フォトルミネッセンス特性を改善可能な、Ｖ族として窒素およびヒ素を含む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し、またこのIII−Ｖ化合物半導体を含むIII−Ｖ化合物半導体装置を作製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】
【００１０】
本発明の一側面に係る方法は、III−Ｖ化合物半導体装置を作製する方法である。この方法は、（ａ）Ｖ族として窒素およびヒ素を含む第１のIII−Ｖ化合物半導体からなり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、（ｂ）前記井戸層を形成した後に、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成長する工程と、（ｃ）前記半導体層を成長した後に、成膜することなく摂氏６５０度以上の温度で、有機金属気相成長炉を用いて活性水素およびヒ素を含む雰囲気において前記量子井戸構造に熱処理を施す工程と、（ｄ）前記熱処理の後に、前記有機金属気相成長炉を用いて第２導電型III−Ｖ化合物半導体領域を成長する工程とを備える。
【００１１】
この方法によれば、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に、引き続く半導体層を有機金属気相成長炉を用いて成長するに先立って、該有機金属気相成長炉を用いて熱処理を行うと共に、有機金属気相成長炉を用いて引き続く半導体層を成長する。これ故に、ＲＴＡチャンバ等を準備する必要がない。また、熱処理と、引き続く半導体層の成長とを有機金属気相成長炉を用いて行うので、量子井戸構造のためのアニールと、引き続く半導体層の成長に先立つ熱クリーニングとの両方を有機金属気相成長炉を用いて行うことができる。さらに、活性水素を含む雰囲気で熱処理を行うので、フォトルミネッセンス特性が良好になる。
【００１２】
本発明に係る方法では、前記熱処理温度は摂氏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度を越えると結晶構造の劣化が始まり、フォトルミネッセンス特性の向上が小さくなる。
【００１３】
本発明に係る方法では、前記熱処理は、前記有機金属気相成長炉にＡｓＨ３を供給して行われることが好ましい。ＡｓＨ３を用いると、ヒ素および活性水素を含む雰囲気が提供される。
【００１４】
本発明に係る方法では、前記第２導電型III−Ｖ化合物半導体領域はｐ型クラッド層およびｐ型コンタクト層を含む。本発明によれば、ｐ型クラッド層およびｐ型コンタクト層の形成に先立って熱処理を行うので、アニール条件に対する制約が小さい。
【００１５】
本発明に係る方法では、分子線エピタキシ法で前記量子井戸層を形成するに先立って、交互に積層された第１および第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および第４のＤＢＲ層を含む第２のブラッグ回折格子部を含む。この方法によれば、本発明によれば、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ので、熱処理による第２のブラッグ回折格子部への影響がない。
【００１６】
本発明の別の側面に係る発明は、III−Ｖ化合物半導体を形成する方法である。この方法は、（ａ）Ｖ族として窒素およびヒ素を含む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、（ｂ）前記活性層を成長した後に、有機金属気相成長炉を用いて、成膜することなく摂氏６５０度以上の温度で活性水素およびヒ素を含む雰囲気において前記活性層に熱処理を施す工程と、（ｃ）前記熱処理の後に、III−Ｖ化合物半導体層を成長する工程とを備える。
【００１７】
この方法によれば、分子線エピタキシ法を用いて活性層を作製した後に、引き続く半導体層を有機金属気相成長炉を用いて成長するに先立って、該有機金属気相成長炉を用いて熱処理を行うと共に、有機金属気相成長炉を用いて引き続く半導体層を成長する。これ故に、ＲＴＡチャンバ等を準備する必要がない。また、熱処理と、引き続く半導体層の成長とを有機金属気相成長炉を用いて行うので、活性層のためのアニールと、引き続く半導体層の成長に先立つ熱クリーニングとの両方を有機金属気相成長炉を用いて行うことができる。さらに、活性水素を含む雰囲気で熱処理を行うので、フォトルミネッセンス特性が良好になる。
【００１８】
本発明に係る方法では、前記熱処理温度は摂氏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度を越えるとフォトルミネッセンス特性の向上が小さくなる。
【００１９】
本発明に係る方法では、前記熱処理の時間は、３０分以上であり、４時間以下であることが好ましい。所望のアニールが提供される。
【００２０】
本発明に係る方法では、前記第１のIII−Ｖ化合物半導体はＧａＩｎＮＡｓまたはＧａＮＡｓである。この方法によれば、熱処理によりＧａＩｎＮＡｓまたはＧａＮＡｓのフォトルミネッセンス特性を良好にできる。
【００２１】
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。
【発明の効果】
【００２２】
以上説明したように、本発明によれば、フォトルミネッセンス特性を改善可能な、Ｖ族として窒素およびヒ素を含むIII−Ｖ化合物半導体を形成する方法が提供される。また、本発明によれば、Ｖ族として窒素およびヒ素を含むIII−Ｖ化合物半導体を含むIII−Ｖ化合物半導体装置を作製する方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明のIII−Ｖ化合物半導体装置を作製する方法およびIII−Ｖ化合物半導体を形成する方法に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
【００２４】
図１（Ａ）、図１（Ｂ）、図２（Ａ）および図２（Ｂ）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）を参照すると、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を形成する工程が示されている。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。基板１３はＧａＡｓ半導体表面を有しており、例えばＧａＡｓ基板であることができる。本実施例では、第１導電型III−Ｖ半導体領域１５として、第１のブラッグ回折格子部１７を有機金属気相成長法で形成する。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、それぞれ、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。第１のブラッグ回折格子部１７は第１のＤＢＲ層１７ａおよび第２のＤＢＲ層１７ｂを含んでおり、第１および第２のＤＢＲ層１７ａ、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であることができ、第２のＤＢＲ層１７ｂは例えばｎ型ＡｌＧａＡｓであることができる。第１のブラッグ回折格子部１７は、例えば２３対のＤＢＲ部４１層を含むことができる。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る。
【００２５】
第１導電型III−Ｖ半導体領域１５を成長した後に、有機金属気相成長炉から大気中に基板１３を取り出す。次いで、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。図１（Ｂ）を参照すると、第１導電型III−Ｖ半導体領域１５上に活性層２３を形成する工程が示されている。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族として窒素およびヒ素を含む第１のIII−Ｖ化合物半導体からなることができる。第１のIII−Ｖ化合物半導体としては、例えばＧａＩｎＮＡｓまたはＧａＮＡｓであることができる。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。
【００２６】
或いは、活性層２３は、量子井戸構造２５を有することができる。量子井戸構造２５は、井戸層２５ａおよび障壁層２５ｂを含む。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大きい。井戸層２５ａは、例えばＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＮＡｓまたはＧａＩｎＮＡｓＳｂであることができる。障壁層２５ｂは、例えば、ＧａＡｓまたはＧａＮＡｓからなることができる。必要な場合には、量子井戸構造２５の両側に、光ガイド層を設けることができる。光ガイド層の材料は、例えば障壁層２５ｂの材料と同じである。
【００２７】
次いで、図２（Ａ）に示されるように、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（一例では量子井戸構造２５）に熱処理２７を施す。熱処理２７のためには、ガスＧＴＨを供給して、活性水素およびヒ素を含む雰囲気を形成する。分子線エピタキシ法でＧａＩｎＮＡｓ半導体を成長する温度が例えば摂氏４７５度程度であるので、熱処理２７は、Ｖ族として窒素およびヒ素を含む第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。
【００２８】
熱処理温度ＴＴＨは、例えば摂氏６５０度以上であることが好ましい。摂氏６５０度以下では、アニール効果が得られず、ＰＬ強度の向上率が小さいからである。また、熱処理温度ＴＴＨは、例えば摂氏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度を越えると結晶性の劣化が始まり、フォトルミネッセンス特性の向上が小さくなる。
【００２９】
発明者の実験によれば、熱処理のための時間は、熱クリーニングのためには５分以上であることが好ましい。また、熱処理のための時間は、熱クリーニングおよびアニールのためには３０分以上であることが好ましい。また、熱処理のための時間は４時間以下であることが好ましい。４時間を越える熱処理では、結晶性の劣化が始まり、アニールによるピーク強度の改善が小さくなる。
【００３０】
また、熱処理２７は、有機金属気相成長炉１１に熱処理ガスＧＴＨを供給して行われることが好ましい。熱処理ガスＧＴＨがＡｓＨ３を含む場合、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。熱処理ガスＧＴＨは、ＡｓＨ３に限定されることなく、ＴＢＡ（ターシャルブチルアルシン）等を用いることができる。さらに、熱処理２７における圧力は、例えば１０Ｐａ以上〜１００Ｐａ以下である。
【００３１】
熱処理２７の一条件としては
熱処理ガス：ＡｓＨ３、ＴＢＡ
圧力：５．３×１０３Ｐａ（４０Ｔｏｒｒ）
熱処理時間：６０分
である。
【００３２】
図２（Ｂ）を参照すると、熱処理２７の後に、有機金属気相成長炉１１を用いて第２導電型III−Ｖ化合物半導体領域２９を成長する。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を含むことができる。第２のブラッグ回折格子部３１は第３のＤＢＲ層３１ａおよび第４のＤＢＲ層３１ｂを含んでおり、第３および第４のＤＢＲ層３１ａ、３１ｂは交互に積層されている。第３のＤＢＲ層３１ａは例えばｎ型ＧａＡｓであることができ、第４のＤＢＲ層３１ｂは例えばｎ型ＡｌＧａＡｓであることができる。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る。
【００３３】
第２のブラッグ回折格子部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層を含むことができる。これにより、垂直共振型半導体レーザを作製することができる。
【００３４】
或いは、第１導電型III−Ｖ半導体領域１５はｎ型クラッド層を含むことができる。また、第２導電型III−Ｖ化合物半導体領域２９はｐ型クラッド層およびｐ型コンタクト層を含むことができる。ｐ型クラッド層およびｐ型コンタクト層の形成に先立って熱処理を行うので、アニール条件に対する制約が小さい。これにより、端面発光型半導体レーザを作製することができる。
【００３５】
これらの工程により、III−Ｖ化合物半導体光装置のための主要な結晶成長工程が説明された。この方法によれば、分子線エピタキシ装置２１を用いて活性層２３（或いは、井戸層２５ａおよび障壁層２５ｂ）を作製した後に、引き続く半導体層２９を有機金属気相成長炉１１を用いて成長するに先立って、有機金属気相成長炉１１を用いて熱処理２７を行うと共に、有機金属気相成長炉１１を用いて引き続く半導体層２９を成長する。これ故に、熱処理専用のためのＲＴＡチャンバ等を準備する必要がない。また、熱処理２７と、引き続く半導体層２９の成長とを有機金属気相成長炉１１を用いて行うので、活性層２３のためのアニールと、引き続く半導体層２９の成長前の熱クリーニングとの両方を有機金属気相成長炉１１を用いて行うことができる。さらに、活性水素を含む雰囲気で熱処理２７を行うので、フォトルミネッセンス特性が良好になる。
【００３６】
（実施例）
図３（Ａ）〜図３（Ｄ）を参照しながら、本実施の形態における実施例を説明する。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３（Ａ）に示されるように、ｎ型ＧａＡｓ基板４１を準備する。図３（Ｂ）に示されるように、このｎ型ＧａＡｓ基板４１上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層４３を分子線エピタキシ法で成長する。ｎ型ＧａＡｓバッファ層４３の厚みは、例えば０．５マイクロメートルである。基板温度は例えば摂氏５８０度である。次いで、ｎ型ＧａＡｓバッファ層４３上に、ＧａＩｎＮＡｓ活性層４５を分子線エピタキシ法で成長する。ｎ型ＧａＩｎＮＡｓ活性層４５の厚みは、例えば７ナノメートルである。基板温度は例えば摂氏４７０度である。続けて、ｎ型ＧａＡｓキャップ４７の厚みは、例えば０．１マイクロメートルである。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エハ４９ａ、４９ｂが完成した。
【００３７】
一方のエピタキシャルウエハ４９ａをラピッドサーマルアニーリング（ＲＴＡ）装置５１内に配置する。他方のエピタキシャルウエハ４９ｂを有機金属気相成長（ＯＭＶＰＥ）炉５３に配置する。これらの装置５１、５３を用いて、それぞれ、エピタキシャルウエハ４９ａ、４９ｂを熱処理する。
【００３８】
ＲＴＡ装置５１では、昇温レートは摂氏５０度／秒を用いると共に、熱処理時間として１５秒を用いる。ＯＭＶＰＥ炉５３では、昇温レートは摂氏３０度／秒を用いる。それぞれ、いくつかの温度において熱処理を行う。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値として参照する）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する。結晶成長後に、熱処理前のエピタキシャルウエハ４９ａ、４９ｂのピーク強度を基準にして、熱処理によるピーク強度の変化を比較する。
【００３９】
ＲＴＡ装置５１を用いる熱処理において様々な温度において熱処理を行うと、摂氏７５０度においてピーク強度が最大になる。この温度における熱処理されたエピタキシャルウエハのピーク最大強度は、ａｓ−ｇｒｏｗｎ値の７．７倍の値である。
ＯＭＶＰＥ炉を用いた熱処理において、ＰＬ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、下記のような結果が得られた。
熱処理時間    増加率  アニール前波長（ａｓ−ｇｒｏｗｎ）  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
である。
摂氏７３０度から摂氏８００度のアニール温度において顕著なＰＬ強度の増加が見られている。摂氏８２０度ではＰＬ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って結晶に損傷をあたえていることがわかる。したがって、アニール効果としては摂氏６５０度から摂氏８５０度でＰＬ強度の増大が可能であるが、結晶性の改善効果と波長のシフト量を考慮すると、アニール温度としては摂氏７３０度以上摂氏８００度以下がより好ましい。
【００４０】
一方、ＯＭＶＰＥ炉５３を用いる熱処理において様々な温度において熱処理を行うと、発明者が通常用いる結晶成長前に行うサーマルクリーニング（摂氏７００度から７３０度、７分）の熱処理温度よりもやや高めの温度においてピーク強度が最大になる。この温度、処理時間で熱処理されたエピタキシャルウエハのピーク強度は、ａｓ−ｇｒｏｗｎ値のほぼ５．４倍の値である。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している。例えば、２時間のアニールは施されたエピタキシャルウエハのピーク強度は、図４に示されるように、ａｓ−ｇｒｏｗｎ値の５７倍の値である。図４には、測定点Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４が示されている。
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
である。様々な実験の結果、熱処理の時間は３０分以上であることが好ましい。３０分以上の熱処理でＰＬ強度が十分増大するアニール効果が得られるからである。また、熱処理の時間は４時間以下であることが好ましい。結晶性の劣化が起こり、ＰＬ強度が低下し始めるからである。
【００４１】
最も改善効果の大きな温度において、いずれの装置を用いた熱処理でもピーク波長は熱処理の前後で３０ナノメートル程度の短い波長にシフトした。
【００４２】
この実験結果より、ＯＭＶＰＥ炉５３を用いる熱処理は、ＲＴＡ装置５１を用いる熱処理に比べて、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る。
【００４３】
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等の成長をする際に、通常、有機金属気相成長炉を用いてクリーニングを行っている。その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。したがって、このような熱クリーニングのための温度より高い温度で長時間の熱処理を行うことによって、ＧａＩｎＮＡｓ半導体層の結晶性を改善することが可能である。また、この熱処理は、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。
【００４４】
例えば、垂直共振型半導体レーザの作製するとき、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。この作製は煩雑である。しかしながら、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。これにより、大気中を移動する際の汚染および破損等の確率が減り、より望ましい。
【００４５】
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。
【００４６】
水素が存在する雰囲気でＯＭＶＰＥ炉を用いアニールすること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るアニールより、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。より望ましくは、熱処理温度７３０度以上が好ましい。十分なＰＬ強度向上効果を得るからである。また、熱処理温度８００度以下が好ましい。８００度以上では結晶性の劣化が始まり、ＰＬ強度の向上率が小さくなり始めるからである。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。
【００４７】
さらに、二次イオン放出質量分析（ＳＩＭＳ）法を用いて評価結果から、ＯＭＶＰＥ装置のチャンバでＡｓＨ３雰囲気における７分間の熱処理により、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）が１桁程度低減する。
【００４８】
以上説明したように、ＲＴＡ装置を用いることなく、工程を簡略化できる。また、ＲＴＡ装置を用いるアニールに比べて、ピーク強度がより増大する。垂直共振型半導体レーザのｎ型ブラッグ反射部およびｐ型ブラッグ反射部をＯＭＶＰＥ装置を用いて作製するとともに、分子線ビームエピタキシ装置を用いて発光層を成長することにより、量産性および信頼性に優れたＧａＩｎＮＡｓ系半導体レーザを提供できる。また、ＯＭＶＰＥ法を用いる結晶成長前の表面クリーニングをＧａＩｎＮＡｓ半導体の最適アニール条件となるように設定することにより、再成長界面の不純物を低減することができ、光学特性も向上する。
【００４９】
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】図１（Ａ）および図１（Ｂ）は、III−Ｖ化合物半導体装置を作製する方法を示す概略図である。
【図２】図２（Ａ）および図２（Ｂ）は、III−Ｖ化合物半導体装置を作製する方法を示す概略図である。
【図３】図３（Ａ）〜図３（Ｄ）は、本実施の形態における実施例を説明するための工程図である。
【図４】図４は、ＯＭＶＰＥ装置を用いたアニール実験の結果を示す図面である。
【符号の説明】
【００５１】
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、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…エピタキシャルウエハ、５１…ＲＴＡ装置、５３…ＯＭＶＰＥ炉  
【図１】
2007214209.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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