(57)【要約】【課題】Ｎ及びＡｓのためのＶ族構成元素およびIII族構成元素を少なくとも含むIII−Ｖ化合物半導体層の表面形態を引き継ぐこと無く、III−Ｖ化合物半導体層上に成長される半導体層表面の平坦性を向上できる。【解決手段】成長期間ｔ５〜ｔ６では、ＴＥＧａ及びＴＢＡｓを交互に成長炉１１に供給して、ＧａＡｓ障壁層をＧａＩｎＮＡｓ層上に成長する。具体的には、第２のIII−Ｖ化合物半導体層１９の成長では、時刻ｔ５において、ガリウム原料の供給を開始すると共に、時刻ｔ５１において、ガリウム原料の供給を停止する。次いで、時刻ｔ５２においてヒ素原料の供給を開始すると共に、時刻ｔ５３においてヒ素原料の供給を停止する。Ｖ族原料を供給する第１工程と、III族原料を供給する第２工程とを繰り返すことによって、第２のIII−Ｖ化合物半導体層１９が成長される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体光素子を作製する方法であって、
窒素およびヒ素のためのＶ族構成元素およびIII族構成元素を少なくとも含む原料を成長炉に供給して第１のIII−Ｖ化合物半導体層を成長する工程と、
前記第１のIII−Ｖ化合物半導体層上に前記成長炉で第２のIII−Ｖ化合物半導体層を成長する工程と
を備え、
前記第２のIII−Ｖ化合物半導体層を成長する工程は、
前記第２のIII−Ｖ化合物半導体層のためのＶ族原料およびIII族原料のいずれか一方を供給する第１工程と、
前記第２のIII−Ｖ化合物半導体層のためのＶ族原料およびIII族原料のいずれか他方を供給する第２工程と、
前記第１工程および前記第２工程を繰り返す工程と
を含む、ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記第１のIII−Ｖ化合物半導体層は量子井戸構造のための井戸層であり、
前記第２のIII−Ｖ化合物半導体層は量子井戸構造のための障壁層である、ことを特徴とする請求項１に記載された方法。
【請求項３】
前記量子井戸構造が完成した後に、前記第１のIII−Ｖ化合物半導体層をアニールする工程を更に備える、ことを特徴とする請求項２に記載された方法。
【請求項４】
窒素およびヒ素のためのＶ族構成元素およびIII族構成元素を少なくとも含む原料を成長炉に供給して第３のIII−Ｖ化合物半導体層を前記第２のIII−Ｖ化合物半導体層上に成長する工程を更に備える、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】
前記第２のIII−Ｖ化合物半導体層の成長では、前記第１工程と前記第２工程との間に第１の中断工程を含み、
前記第１の中断工程では、前記Ｖ族原料およびIII族原料を供給しない、ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載された方法。
【請求項６】
前記第２のIII−Ｖ化合物半導体層の成長では、前記第２工程と前記第１工程との間に第２の中断工程を含み、
前記第２の中断工程では、前記Ｖ族原料およびIII族原料を供給しない、ことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載された方法。
【請求項７】
前記成長炉では有機金属気相成長法が用いられる、ことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載された方法。
【請求項８】
窒素以外のＶ族原料としては、Ｖ族水素化物およびＶ族有機化合物の少なくともいずれか一方が用いられる、ことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載された方法。
【請求項９】
前記第１のIII−Ｖ化合物半導体層は、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＮＡｓ、ＧａＮＰＡｓ、ＧａＩｎＮＰＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＮＡｓＳｂ、ＧａＮＰＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＰＡｓＳｂのいずれかを含む、ことを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載された方法。
【請求項１０】
III−Ｖ化合物半導体結晶を成長する方法であって、
窒素およびヒ素のためのＶ族構成元素およびIII族構成元素を少なくとも含むIII−Ｖ化合物半導体層上に、Ｖ族構成元素として窒素を含まないIII−Ｖ化合物半導体結晶を成長する工程を備え、
前記III−Ｖ化合物半導体結晶を成長する工程は、
前記III−Ｖ化合物半導体結晶のためのＶ族原料およびIII族原料のいずれか一方を供給する第１工程と、
前記III−Ｖ化合物半導体結晶のためのＶ族原料およびIII族原料のいずれか他方を供給する第２工程と、
前記第１工程および前記第２工程を繰り返す工程と
を含む、ことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体光素子を作製する方法、及びIII−Ｖ化合物半導体結晶を成長する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１には、ＧａＩｎＮＡｓ系多重量子井戸構造を形成する方法が記載されている。ＧａＩｎＮＡｓ系多重量子井戸構造では、量子井戸構造からの発光効率の低下を避けるために、通常に成長されたＧａＡｓ障壁層に代えて、量子井戸層の歪みを緩和するためにＧａＡｓＰ層をＧａＡｓ障壁層中に配置した。
【０００３】
特許文献１には、化合物半導体の結晶成長方法が記載されている。この結晶成長方法では、第１のIII−Ｖ族化合物半導体上に、少なくとも一種類の窒素以外のＶ族元素と窒素とを共にＶ族組成として含む第２のIII−Ｖ族化合物半導体の窒素原料に対する反応性を制御する第３のIII−Ｖ族化合物半導体からなる中間層を形成している。この後に、引き続いて第２の化合物半導体を形成する。これによって、 III−（Ｎ、Ｖ）族化合物半導体結晶を半導体基板に成長する際に、界面における窒素のパイルアップを抑制する。
【非特許文献１】Jpn.  J.  Appl.  Phys.  (2004) Vol.43  pp.L267
【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】
【０００４】
有機金属気相成長法で、III−Ｖ化合物半導体の薄膜層を成長するとき、そのIII−Ｖ化合物半導体の組成比に応じて構成元素の原料ガスの供給を切替えて、所望の組成のIII−Ｖ化合物半導体を成長する。非常に薄い複数の半導体層を積み重ねた積層構造の一例には、量子井戸構造があり、この構造の形成では、組成の異なる半導体層を交互に成長する。量子井戸構造では、個々の半導体層において表面の良好な平坦性と半導体層の境界での組成の急峻な変化とが求められる。
【０００５】
一例として、ＧａＡｓ障壁層とＧａＩｎＮＡｓ井戸層と含む２重量子井戸構造の成長を説明する。この成長では、ＴＥＧａ（トリエチルガリウム）、ＴＭＩn（トリメチルインジウム）、ＴＢＡｓ（ターシャリーブチルアルシン）、ＤＭＨｙ（ジメチルヒドラジン）が原料として用いられる。ＧａＡｓバッファ層を成長する。この後に、必要な場合には、成長を中断し、この成長中断中には、Ａｓの蒸発を抑えるためにＴＢＡｓだけを供給している。引き続いて、ＴＥＧａ、ＴＭＩｎ、ＴＢＡｓおよびＤＭＨｙを同時に供給してＧａＩｎＮＡｓ井戸層を成長する。この後に、必要な場合には、ＴＢＡｓだけを供給しながら成長の中断を行う。次いで、ＴＥＧａ及びＴＢＡｓを供給しＧａＡｓ障壁層を成長する。その後に、同様に成長の中断を行ってから、第２番目のＧａＩｎＮＡｓ井戸層を成長する。必要な場合には成長の中断を行い、この後に、ＧａＡｓキャップ層を成長する。これにより２重量子井戸構造が完成される。ＴＥＧａ及びＴＢＡｓ等の供給量は必要に応じて変更される。
【０００６】
しかしながら、ＧａＩｎＮＡｓに代表される希釈窒素系III−Ｖ化合物半導体を成長するとき、井戸層といった薄膜層を成長する成長界面においてエピタキシャル表面の平坦性が損なわれている。このため、これまでのガス供給量の切替えによる手法では、この量子井戸構造を有する半導体光素子が良好な特性を示さない。
【０００７】
本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、半導体光素子を作製する方法及びIII−Ｖ化合物半導体結晶を成長する方法を提供することを目的とする。これらの方法によれば、窒素およびヒ素のためのＶ族構成元素およびIII族構成元素を少なくとも含むIII−Ｖ化合物半導体層の表面形態を改善することができ、III−Ｖ化合物半導体層上に成長される半導体層表面の平坦性を向上できる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一側面は、半導体光素子を作製する方法である。この方法は、（ａ）窒素およびヒ素のためのＶ族構成元素およびIII族構成元素を少なくとも含む原料を成長炉に供給して第１のIII−Ｖ化合物半導体層を成長する工程と、（ｂ）前記第１のIII−Ｖ化合物半導体層上に前記成長炉で第２のIII−Ｖ化合物半導体層を成長する工程とを備える。前記第２のIII−Ｖ化合物半導体層を成長する工程は、前記第２のIII−Ｖ化合物半導体層のためのＶ族原料およびIII族原料のいずれか一方を供給する第１工程と、前記第２のIII−Ｖ化合物半導体層のためのＶ族原料およびIII族原料のいずれか他方を供給する第２工程と、前記第１工程および前記第２工程を繰り返す工程とを含む。
【０００９】
窒素およびヒ素のためのＶ族構成元素およびIII族構成元素を少なくとも含むIII−Ｖ化合物半導体層の成長では三次元成長が起こりやすく、このため、このIII−Ｖ化合物半導体層の成長表面の平坦性が損なわれやすい。故に、このIII−Ｖ化合物半導体層上に別のIII−Ｖ化合物半導体層を引き続き成長すると、該別のIII−Ｖ化合物半導体層の成長において、下地のIII−Ｖ化合物半導体層の成長表面における表面モフォロジが引き継がれ、この結果、第２のIII−Ｖ化合物半導体層の平坦性も損なわれる。しかしながら、第２のIII−Ｖ化合物半導体層を成長する工程において、第２のIII−Ｖ化合物半導体層のためのＶ族原料の供給と、第２のIII−Ｖ化合物半導体層のためのIII族原料の供給と交互に繰り返すので、第２のIII−Ｖ化合物半導体層の成長において、第１のIII−Ｖ化合物半導体層の成長表面における表面モフォロジが改善される。
【００１０】
本発明に係る方法における好適な一例では、前記第１のIII−Ｖ化合物半導体層は量子井戸構造のための井戸層であることができる。井戸層の表面の形態からこの井戸層上の層の表面形態への影響が低減される。また、また、前記第２のIII−Ｖ化合物半導体層は量子井戸構造のための障壁層であることができる。障壁層の表面形態は、この障壁層の下層からの影響を受けにくい。
【００１１】
本発明に係る方法は、前記第２のIII−Ｖ化合物半導体層の成長では、前記第１工程と前記第２工程との間に第１の中断工程を含むことができる。前記第１の中断工程では、前記Ｖ族原料およびIII族原料を供給しない。この方法によれば、マイクレーション等のための時間が、第１工程において半導体表面に供給された原料ガスの構成物に提供される。
【００１２】
本発明に係る方法では、前記第２のIII−Ｖ化合物半導体層の成長では、前記第２工程と前記第１工程との間に第２の中断工程を含むことができる。前記第２の中断工程では、前記Ｖ族原料およびIII族原料を供給しないこの方法によれば、マイクレーション等のための時間が、第２工程において半導体表面に供給された原料ガスの構成物に提供される。
【００１３】
本発明に係る方法では、前記成長炉では、分子線ビームエピタキシ法を用いることができる。或いは、本発明に係る方法では、前記成長炉では有機金属気相成長法を用いることができる。この有機金属気相成長法では、窒素以外のＶ族原料としては、Ｖ族水素化物およびＶ族有機化合物の少なくともいずれか一方が用いられる。Ｖ族水素化物およびＶ族有機化合物の少なくともいずれかを用いることによって、第２のIII−Ｖ化合物半導体層の成長において、第１のIII−Ｖ化合物半導体層の成長表面からの表面モフォロジの引き継ぎを低減できる。
【００１４】
本発明に係る方法では、例示すれば、前記第１のIII−Ｖ化合物半導体層は、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＮＡｓ、ＧａＮＰＡｓ、ＧａＩｎＮＰＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＮＡｓＳｂ、ＧａＮＰＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＰＡｓＳｂのいずれかを含むことができる。
【００１５】
本発明に係る方法は、窒素およびヒ素のためのＶ族構成元素およびIII族構成元素を少なくとも含む原料を成長炉に供給して第３のIII−Ｖ化合物半導体層を前記第２のIII−Ｖ化合物半導体層上に成長する工程を更に備えることができる。前記第３のIII−Ｖ化合物半導体層は前記量子井戸構造の井戸層である。この方法によれば、第１のIII−Ｖ化合物半導体層の表面からの表面モフォロジの引き継ぐことなく、第３のIII−Ｖ化合物半導体層を第２のIII−Ｖ化合物半導体層上に成長できる。
【００１６】
本発明に係る方法は、前記量子井戸構造が完成した後に、前記第１のIII−Ｖ化合物半導体層をアニールする工程を更に備えることができる。この方法によれば、アニールによって光学的特性の向上が提供される。
【００１７】
本発明の別の側面は、III−Ｖ化合物半導体結晶を成長する方法である。この方法は、窒素およびヒ素のためのＶ族構成元素およびIII族構成元素を少なくとも含むIII−Ｖ化合物半導体層上に、Ｖ族構成元素として窒素を含まないIII−Ｖ化合物半導体結晶を成長する工程を備える。前記III−Ｖ化合物半導体結晶を成長する工程は、前記III−Ｖ化合物半導体結晶のためのＶ族原料およびIII族原料のいずれか一方を供給する第１工程と、前記III−Ｖ化合物半導体結晶のためのＶ族原料およびIII族原料のいずれか他方を供給する第２工程と、前記第１工程および前記第２工程を繰り返す工程とを含む。
【００１８】
第２のIII−Ｖ化合物半導体層を成長する工程において、第２のIII−Ｖ化合物半導体層のためのＶ族原料の供給と、第２のIII−Ｖ化合物半導体層のためのIII族原料の供給と交互に繰り返すので、第２のIII−Ｖ化合物半導体層の成長において、第１のIII−Ｖ化合物半導体層の成長表面における表面モフォロジが改善される。
【００１９】
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】
【００２０】
以上説明したように、本発明によれば、半導体光素子を作製する方法及びIII−Ｖ化合物半導体結晶を成長する方法が提供され、これらの方法によれば、窒素およびヒ素のためのＶ族構成元素およびIII族構成元素を少なくとも含むIII−Ｖ化合物半導体層の表面形態を引き継ぐこと無く、III−Ｖ化合物半導体層上に成長される半導体層表面の平坦性を向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
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、本発明の半導体光素子を作製する方法及びIII−Ｖ化合物半導体結晶を成長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。
【００２２】
図１は、本発明の実施の形態における主要な工程におけるエピタキシャルウエハの層構造を模式的に示す図面である。図２は、本発明の実施の形態における主要な原料の供給におけるシーケンスを示す図面である。例示するエピタキシャル結晶成長では、例えば有機金属気相成長法を用いて量子井戸構造を作製する。量子井戸構造は、ＧａＡｓ障壁層およびＧａＩｎＮＡｓ井戸層を含む二重量子井戸構造である。二重量子井戸構造の形成は例示であり、これの数以上の井戸層を含む量子井戸構造を本実施の形態と同様に作製できる。原料として、例えばトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩn）、ターシャリーブチルアルシン（ＴＢＡｓ）、ジメチルヒドラジン（ＤＭＨｙ）を用いる。
【００２３】
成長炉１１に基板１３をセットする。基板１３は、例えば半導体基板である。以下の説明では、半導体基板としてＧａＡｓ基板を用いる。成長炉の温度を上昇させ、図２における時刻ｔ０においてヒ素原料の供給を開始する。図１（ａ）に示されるように、基板１３の主面１３ａ上にバッファ層１５を成長するために、例えば、摂氏６００度に成長炉１１の温度を上昇させる。時刻ｔ１において、ヒ素原料に加えてガリウム原料の供給を開始する。時刻ｔ２において、ガリウム原料の供給を停止する。具体的には、成長期間ｔ１〜ｔ２では、ＴＥＧａ及びＴＢＡｓを成長炉１１に供給して、ＧａＡｓ基板上にＧａＡｓバッファ層を成長する。ＧａＡｓバッファ層の厚さは、例えば２００ｎｍである。成長中断期間ｔ２〜ｔ３では、III族原料を供給すること無く、ヒ素原料のみを供給する。必要な場合には、例えば温度、圧力の変更を行うことができる。
【００２４】
次いで、図１（ｂ）に示されるように、窒素およびヒ素のためのＶ族構成元素およびIII族構成元素を少なくとも含む原料を成長炉１１に供給して第１のIII−Ｖ化合物半導体層１７をIII−Ｖ化合物半導体領域１５上に成長する。III−Ｖ化合物半導体層１７は、窒素およびヒ素のためのＶ族構成元素およびIII族構成元素を少なくとも含んでおり、また希釈窒素系III−Ｖ化合物半導体と呼ばれることがある。好適な一例では、第１のIII−Ｖ化合物半導体層１７は量子井戸構造のための井戸層であることができる。そして、バッファ層１５として成長したＧａＡｓ層は、例えば量子井戸構造のための障壁層または光ガイド層であることができる。バッファ層１５の主面１５ａ上に第１のIII−Ｖ化合物半導体層１７を成長するために、例えば、摂氏５００度に成長炉１１の温度を変更する。時刻ｔ３において、ヒ素原料に加えて、窒素原料及びIII族原料の供給を開始する。III族原料には、ガリウム原料およびインジウム原料が含まれる。時刻ｔ４において、窒素原料、ガリウム原料及びインジウム原料の供給を停止する。具体的には、成長期間ｔ３〜ｔ４では、ＴＥＧａ、ＴＭＩｎ、ＤＭＨｙ及びＴＢＡｓを成長炉１１に供給して、ＧａＡｓ層上にＧａＩｎＮＡｓ層を成長する。ＧａＩｎＮＡｓ層の厚さは、例えば６ｎｍである。ＧａＩｎＮＡｓ層の成長温度の範囲は、例えば摂氏４５０度から摂氏６００度である。
【００２５】
本実施の形態では、例示すれば、第１のIII−Ｖ化合物半導体層は、例えばＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＮＡｓ、ＧａＮＰＡｓ、ＧａＩｎＮＰＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＮＡｓＳｂ、ＧａＮＰＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＰＡｓＳｂのいずれかを含むことができる。
【００２６】
成長中断期間ｔ４〜ｔ５では、ヒ素、窒素原料及びIII族原料を供給すること無く、キャリアガスのみを供給する。キャリアガスは、例えば水素である。必要な場合には、例えば温度、圧力の変更を行うことができる。
【００２７】
図１（ｃ）に示されるように、引き続き、第１のIII−Ｖ化合物半導体層１７の主面１７ａ上に第２のIII−Ｖ化合物半導体層１９を成長する。好適な実施例では、第２のIII−Ｖ化合物半導体層１９は量子井戸構造のための障壁層であることができる。時刻ｔ５〜ｔ６の期間が、障壁層を形成するために提供される。成長期間ｔ５〜ｔ６では、ＴＥＧａ及びＴＢＡｓを交互に成長炉１１に供給して、ＧａＡｓ障壁層をＧａＩｎＮＡｓ層上に成長する。ＧａＡｓ層の厚さは、全体で、例えば２０ｎｍである。ＧａＡｓ層の成長温度の範囲は、例えば摂氏４００度から摂氏５５０度である。
【００２８】
具体的には、第２のIII−Ｖ化合物半導体層１９の成長では、図２に示されるように、時刻ｔ５において、ガリウム原料の供給を開始すると共に、時刻ｔ５１において、ガリウム原料の供給を停止する。時刻ｔ５１〜ｔ５２では、キャリアガスのみを供給する。次いで、時刻ｔ５２においてヒ素原料の供給を開始すると共に、時刻ｔ５３においてヒ素原料の供給を停止する。続けて、時刻ｔ５４において、ガリウム原料の供給を開始すると共に、時刻ｔ５５において、ガリウム原料の供給を停止する。同様にして、時刻ｔ５６、ｔ５７、ｔ５８、ｔ５９、ｔ６１、ｔ６においてガスの供給を切り替える。このように、第２のIII−Ｖ化合物半導体層１９のためのＶ族原料およびIII族原料のいずれか一方を供給する第１工程と、第２のIII−Ｖ化合物半導体層１９のためのＶ族原料およびIII族原料のいずれか他方を供給する第２工程とを繰り返すことによって、第２のIII−Ｖ化合物半導体層１９が成長される。本実施の形態では、第２のIII−Ｖ化合物半導体層１９は、連続的な原料供給により成長されていない。このような原料の供給は、成長炉のバルブを切り替えることにより行うことができる。
【００２９】
一般に、希釈窒素系III−Ｖ化合物半導体層（例えば、本実施例におけるＧａＩｎＮＡｓ層）の成長では三次元成長が起こりやすく、このため、希釈窒素系III−Ｖ化合物半導体表面の平坦性が損なわれやすい。故に、希釈窒素系III−Ｖ化合物半導体からなる下地の井戸層上に別のIII−Ｖ化合物半導体からなる半導体層、例えば障壁層を連続的な原料供給により成長すると、障壁層の成長において下地の井戸層の表面における表面モフォロジが引き継がれ、この結果、障壁層の平坦性も損なわれる。
【００３０】
しかしながら、第２のIII−Ｖ化合物半導体層１９を成長する際に、第２のIII−Ｖ化合物半導体層１９のためのＶ族原料の供給と、第２のIII−Ｖ化合物半導体層１９のためのIII族原料の供給と交互に繰り返すので、第２のIII−Ｖ化合物半導体層の成長において、第１のIII−Ｖ化合物半導体層１７の成長表面における表面モフォロジが改善される。
【００３１】
成長中断期間ｔ６〜ｔ７では、ヒ素原料、窒素原料及びIII族原料を供給すること無く、キャリアガスのみを供給する。ヒ素原料の供給を追加してもよい。必要な場合には、この期間に、温度、圧力等を変更できる。
【００３２】
次いで、図１（ｄ）に示されるように、窒素およびヒ素のためのＶ族構成元素およびIII族構成元素を少なくとも含む原料を成長炉１１に供給して、第３のIII−Ｖ化合物半導体層２１を第２のIII−Ｖ化合物半導体層１９の主面１９ａ上に成長する。この方法によれば、第１のIII−Ｖ化合物半導体層１７の表面１７ａからの表面モフォロジの引き継ぐことなく、第３のIII−Ｖ化合物半導体層２１を第２のIII−Ｖ化合物半導体層１９上に成長できる。第３のIII−Ｖ化合物半導体層２１は、窒素およびヒ素のためのＶ族構成元素およびIII族構成元素を少なくとも含んでおり、希釈窒素系III−Ｖ化合物半導体と呼ばれることがある。好適な一例では、第３のIII−Ｖ化合物半導体層２１は量子井戸構造のための井戸層であることができる。時刻ｔ７において、ヒ素原料に加えて、窒素原料及びIII族原料の供給を開始する。III族原料には、ガリウム原料およびインジウム原料が含まれる。時刻ｔ８において、窒素原料、ガリウム原料及びインジウム原料の供給を停止する。具体的には、成長期間ｔ７〜ｔ８では、ＴＥＧａ、ＴＭＩｎ、ＤＭＨｙ及びＴＢＡｓを成長炉１１に供給して、ＧａＡｓ障壁層上にＧａＩｎＮＡｓ層を成長する。ＧａＩｎＮＡｓ層の厚さは、例えば６ｎｍである。
【００３３】
本実施の形態では、第３のIII−Ｖ化合物半導体層２１は、例えばＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＮＡｓ、ＧａＮＰＡｓ、ＧａＩｎＮＰＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＮＡｓＳｂ、ＧａＮＰＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＰＡｓＳｂのいずれかを含むことができる。
【００３４】
成長中断期間ｔ８〜ｔ９では、窒素原料及びIII族原料を供給すること無く、ヒ素原料のみを供給する。必要な場合には、この期間に、温度、圧力等を変更できる。
【００３５】
追加の井戸層及び障壁層の成長を行うときは、図１（ｂ）及び図１（ｃ）に示されたIII−Ｖ化合物半導体層１９の成長と同様に、原料の交互供給により障壁層のためのIII−Ｖ化合物半導体層を成長する。
【００３６】
追加の井戸層を成長しないときは、次いで、図１（ｄ）に示されるように、III−Ｖ化合物半導体からなるキャップ層２３を第３のIII−Ｖ化合物半導体層２１の主面２１ａ上に成長する。好適な一例では、キャップ層２３は量子井戸構造のための障壁層または光ガイド層であることができる。井戸層上にキャップ層を成長するために、例えば、摂氏６００度に成長炉１１の温度を上昇させる。時刻ｔ９において、ヒ素原料に加えて、ガリウム原料の供給を開始する。時刻ｔ１０において、ガリウム原料の供給を停止する。具体的には、成長期間ｔ９〜ｔ１０では、ＴＥＧａ及びＴＢＡｓを成長炉１１に供給して、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層上にＧａＡｓ層を成長する。このＧａＡｓ層の厚さは、例えば１００ｎｍである。
【００３７】
必要な場合には、この後にさらに結晶成長を行うことができる。成長中断期間ｔ１０〜ｔ１１において窒素原料及びIII族原料を供給すること無く、ヒ素原料のみを供給する。本実施例では、成長炉１１の温度を下げる。成長炉１１の温度が十分に下げられた後に、エピタキシャル基板Ｅ１を成長炉１１から取り出す。
【００３８】
量子井戸構造が完成した後に、第１及び第３のIII−Ｖ化合物半導体層１７、２１をアニールすることができる。アニール温度は、例えば摂氏６５０度である。この方法によれば、アニールによって光学的特性が向上される。
【００３９】
以下の事項は、本発明の効果を引き出すために適用される技術事項であるが、図２に示されるように、交互の原料供給の間に原料の供給を中断する工程を配置する必要がある。この工程により、意図しない原料供給の重なりを防ぐことができる。
【００４０】
例えば、第２のIII−Ｖ化合物半導体層１９の成長では、第１工程（例えば、図２における工程Ｓ１）と第２工程（例えば、図２における工程Ｓ２）との間に第１の中断工程（例えば、図２における工程Ｓ３）を含む必要がある。この時間は、例えば５秒以上であることが好ましい。この時間に、第１工程で供給された原料を成長炉から一掃するとともに、第１工程において半導体表面に供給された原料ガスの構成物をマイクレーションさせる。また、この時間は、例えば６０秒以下であることが好ましい。必要以上の長い成長中断時間を設けると、表面に供給された構成物が表面から脱離してしまうからである。
【００４１】
また、第２のIII−Ｖ化合物半導体層１９の成長では、第２工程（例えば、図２における工程Ｓ２）と第１工程（例えば、図２における工程Ｓ１）との間に第２の成長中断工程（例えば、図２における工程Ｓ４）を含むことが必要である。
この時間に、第１工程で供給された原料を成長炉から一掃するとともに、第１工程において半導体表面に供給された原料ガスの構成物をマイクレーションさせる。また、この時間は、例えば６０秒以下であることが好ましい。必要以上の長い成長中断時間を設けると、表面に供給された構成物が表面から脱離してしまうからである。
【００４２】
第１の中断工程のみを成長シーケンスに組み入れることができる。或いは、第２の中断工程のみを成長シーケンスに組み入れることができる。
【００４３】
この本発明の実施例では、有機金属気相成長法による結晶成長において、窒素以外のＶ族原料としては、Ｖ族水素化物およびＶ族有機化合物の少なくともいずれか一方が用いられる。Ｖ族水素化物およびＶ族有機化合物の少なくともいずれかを用いても、希釈窒素系III−Ｖ化合物半導体層の成長において、下地の希釈窒素系III−Ｖ化合物半導体層の表面からの表面モフォロジの引き継ぎを低減できる。例えば、ヒ素原料としてＴＢＡｓに限定されることなく、アルシン（ＡｓＨ３）であってもよい。
【００４４】
（実施例）
有機金属気相成長法において、多重量子井戸構造を作製した。予備的な実験において、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層を成長した後に以下のステップを行った：
（１）５秒間の第１の原料パージ期間
（２）５秒間のIII族原料供給期間（ＴＥＧａを供給）
（３）５秒間の第２の原料パージ期間
（４）５秒間のＶ族原料供給期間（ＴＢＡｓを供給）。
これらの４ステップを行うことにより、厚さ０．２８ｎｍのＧａＡｓが成長された。
【００４５】
この予備実験に基づいて、本発明の実施の形態の原料供給シーケンスを用いて、多重量子井戸構造を成長して、量子井戸構造でのフォトルミネッセンス（ＰＬ）スペクトルを測定した。
【００４６】
比較のために、図３に示されるシーケンスを用いて、同様な構造の量子井戸構造を作製した。図３を参照しながら、作製のシーケンスを簡単に説明する。
【００４７】
成長炉１１にＧａＡｓ基板をセットする。図３における時刻ｓ０においてヒ素原料の供給を開始する。成長期間ｓ１〜ｓ２では、ＴＥＧａ及びＴＢＡｓを成長炉１１に供給して、実施の形態と同様にＧａＡｓ基板上にＧａＡｓバッファ層を成長する。ＧａＡｓバッファ層の厚さは、例えば２００ｎｍである。成長中断期間ｓ２〜ｓ３では、III族原料を供給すること無く、ヒ素原料のみを供給する。成長期間ｓ３〜ｓ４では、ＴＥＧａ、ＴＭＩｎ、ＤＭＨｙ及びＴＢＡｓを成長炉１１に供給して、ＧａＡｓバッファ層上にＧａＩｎＮＡｓ層を成長する。ＧａＩｎＮＡｓ層の厚さは、例えば約６ｎｍである。成長中断期間ｓ４〜ｓ５では、窒素原料及びIII族原料を供給すること無く、ヒ素原料のみを供給する。引き続き、成長期間ｓ５〜ｓ６では、ＴＥＧａ及びＴＢＡｓを同時に成長炉１１に供給して、ＧａＡｓ障壁層をＧａＩｎＮＡｓ層上に成長する。ＧａＡｓ層の厚さは、例えば２０ｎｍである。成長中断期間ｓ６〜ｓ７では、窒素原料及びIII族原料を供給すること無く、ヒ素原料のみを供給する。次いで、成長期間ｓ７〜ｓ８では、ＴＥＧａ、ＴＭＩｎ、ＤＭＨｙ及びＴＢＡｓを成長炉１１に供給して、ＧａＡｓ障壁層上にＧａＩｎＮＡｓ層を成長する。ＧａＩｎＮＡｓ層の厚さは、例えば６ｎｍである。成長中断期間ｓ８〜ｓ９では、窒素原料及びIII族原料を供給すること無く、ヒ素原料のみを供給する。この後に、成長期間ｓ９〜ｓ１０では、ＴＥＧａ及びＴＢＡｓを成長炉１１に供給して、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層上にＧａＡｓ層を成長する。このＧａＡｓ層の厚さは、例えば１００ｎｍである。成長中断期間ｓ１０〜ｓ１１において窒素原料及びIII族原料を供給すること無く、ヒ素原料のみを供給する。成長炉１１の温度が十分に下げられた後に、エピタキシャル基板を成長炉１１から取り出す。
【００４８】
本実施の形態及び比較実験に従う量子井戸構造は、ＧａＡｓ基板上に形成された以下の層を含む：
ＧａＡｓバッファ層：２００ｎｍ
ＧａＩｎＮＡｓ井戸層：６ｎｍ
ＧａＡｓ障壁層：２０ｎｍ
ＧａＩｎＮＡｓ井戸層：６ｎｍ
ＧａＡｓキャップ層：１００ｎｍ。
【００４９】
図４は、量子井戸構造のＰＬスペクトル強度と量子井戸構造に含まれる井戸層の数と関係を示す図面である。特性線ＣＡは、本実施の形態に従う量子井戸構造の特性を示す。特性線ＣＢは、比較のための量子井戸構造の特性を示す。
井戸層の数  特性線ＣＡ  特性線ＣＢ
井戸層１個：１      、１
井戸層２個：１．８７、０．９５
井戸層３個：２．７５、０．８
が具体的な値である。
【００５０】
本実施形態に従う特性線ＣＡを比較実験に係る特性性ＣＢと比べると、特性線ＣＡは以下の事項を示す。井戸層の数を増加させても発光効率の劣化は観察されず、井戸層の数の増加に従ってほぼ比例して発光強度も増加している。つまり、２層目以上のＧａＩｎＮＡｓ井戸層の結晶性が保持されている。この特性図は、２個および３個の井戸層を含む多重量子井戸構造について良好なＰＬ発光特性が得られることを示している。これらの結果から、４以上の井戸層の数を含む多重量子井戸構造においても、同様の効果が得られると考えられる。
【００５１】
以上説明したように、本実施の形態によれば、井戸層の数が増加しても発光効率が低下しない多重量子井戸構造を形成できる。
【００５２】
一方、特性線ＣＢは以下の事項を示す。比較実験のための原料供給シーケンスを用いると、井戸層の数を増加させて発光効率の向上を期待したにも関わらず、ＰＬ強度は井戸層の数の増加に伴い次第に低下した。
【００５３】
ＧａＩｎＮＡｓといった希釈窒素系III−Ｖ化合物半導体結晶は、エピタキシャル成長において３次元的な成長が起こりやすく、ＧａＩｎＮＡｓ表面の平坦性は、ＧａＡｓ結晶の表面の平坦性に比べて劣っている。故に、２番目以降のＧａＩｎＮＡｓ井戸層の下地半導体層（つまり、障壁層）は、第１番目のＧａＩｎＮＡｓ井戸層の平坦性をそのまま受け継いでいる。２番目以降のＧａＩｎＮＡｓ井戸層は、あまり良好でない平坦性を有する障壁層上に成長される。このため、２番目以降のＧａＩｎＮＡｓ井戸層の結晶性を損ねているということが明らかにされた。
【００５４】
本実施の形態では、井戸層と井戸層に挟まれた障壁層を成長するときに、原料を交互に供給して成長する原子層エピタキシー（ＡＬＥ）もしくはマイグレーションエンハンストエピタキシー（ＭＥＥ）を採用している。このＡＬＥ（もしくはＭＥＥ）による成長では、ＧａＩｎＮＡｓ層の成長で生じた表面の非平坦性を回復させる。III族原料とＶ族原料を交互に供給することにより、表面でのマイグレーションが促進され、ＧａＩｎＮＡｓ成長で生じた表面ラフネスを平坦化する。これにより、２番目以降のＧａＩｎＮＡｓ井戸層も、良好な平坦性の下地障壁層上に成長される。このように、本実施の形態に係る障壁層の成長方法によれば、ＧａＩｎＮＡｓ成長で生じた表面ラフネスはＧａＡｓ障壁層の成長によって回復され、この結果、ＧａＡｓ障壁層の表面は平坦化される。したがって、井戸層を繰り返し成長しても、下地の障壁層の表面の平坦性は同じように良好である。原料を交互に供給する成長の半導体層（例えば、ＧａＡｓ障壁層）は、下地ＧａＩｎＮＡｓ層表面の形態の影響を低減する。また、原料を交互に供給する成長の半導体層は、該半導体層の下地の表面形態を引き継ぐことなく、良好な結晶表面を引き続く成長のために提供する。
【００５５】
図５は、半導体レーザといった半導体発光素子を作製する方法における主要な工程を示す図面である。工程Ｓ１０１において、ＳｉドープのＧａＡｓ基板を準備する。結晶成長には、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法を用いる。Ｇａ原料ガスとしてはＴＥＧａを用いる。Ａｌ原料ガスとしては、ＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）を用いる。Ｉｎ原料ガスとしては、ＴＭＩｎを用いる。Ａｓ原料ガスとしてはＴＢＡｓを用いる。Ｎ原料ガスとしては、ＤＭＨｙを用いる。必要な場合は、厚さ２００ｎｍのｎ型のＧａＡｓバッファ層をＧａＡｓ基板上に成長する。工程Ｓ１０３において、ＧａＡｓバッファ層上に、厚さ１．５μｍのｎ型のＡｌＧａＡｓクラッド層を成長する。工程Ｓ１０５において、ＡｌＧａＡｓクラッド層上に活性層を成長させた。具体的には、工程Ｓ１０５−１において厚さ１４０ｎｍのアンドープのＧａＡｓガイド層を成長し、工程Ｓ１０５−２において、厚さ７ｎｍのアンドープのＧａＩｎＮＡｓ井戸層を成長する。工程Ｓ１０５−３において厚さ８ｎｍのアンドープのＧａＡｓ障壁層を成長する。この成長は、本実施の形態に従って、原料の交互供給により行われる。工程Ｓ１０５−４において、厚さ７ｎｍのアンドープのＧａＩｎＮＡｓ井戸層を成長し、工程Ｓ１０５−５において厚さ１４０ｎｍのアンドープのＧａＡｓガイド層を成長する。さらに、工程Ｓ１０７において、活性層上に、厚さ１．５μｍのｐ型のＡｌＧａＡｓクラッド層を成長する。工程Ｓ１０９において、ＡｌＧａＡｓクラッド層上に、ｐ型のＧａＡｓコンタクト層を成長する。必要な場合には、工程Ｓ１１１において、有機金属気相成長炉内においてターシャルブチルアルシンを供給した状態で２０分間のアニールを行う。アニール温度は摂氏６５０度である。工程Ｓ１１３においてアノード電極およびカソード電極を形成する。このようにして発光ダイオードおよび半導体レーザを作製することができる。
【００５６】
また、有機金属気相成長法によるＧａＩｎＮＡｓ井戸層の成長を説明してきたけれども、分子ビームエピタキシー（ＭＢＥ）法を用いる成長においても、同様の効果を得ることができる。ＭＢＥ法では、例えば、Ｇａ原料として金属ガリウム、Ｉｎ原料として金属インジウム、窒素原料として窒素ラジカル、Ａｓ原料として金属ヒ素を用いることができる。
【００５７】
以上説明したように、本実施の形態によれば、窒素およびヒ素のためのＶ族構成元素およびIII族構成元素を少なくとも含むIII−Ｖ化合物半導体層を有する半導体積層においてIII−Ｖ化合物半導体層とこれに隣接する半導体層との間の界面における平坦性を向上させることができる。
【００５８】
また、本実施の形態によれば、窒素およびヒ素のためのＶ族構成元素およびIII族構成元素を少なくとも含むIII−Ｖ化合物半導体層の表面形態を引き継ぐこと無く、III−Ｖ化合物半導体層上に成長される半導体層表面の平坦性を向上できる。
【００５９】
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。本実施の形態では、半導体レーザ、発光ダイオードといった半導体光素子について説明されているけれども、半導体光素子は、これに限定されることなく、半導体センサー、太陽電池等でもよい。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】
【００６０】
【図１】図１は、本発明の実施の形態における主要な工程におけるエピタキシャルウエハの層構造を模式的に示す図面である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態における主要な原料供給におけるシーケンスを示す図面である。
【図３】図３は、比較実験のための主要な原料供給におけるシーケンスを示す図面である。
【図４】図４は、量子井戸構造のＰＬスペクトル強度と量子井戸構造に含まれる井戸層の数と関係を示す図面である。
【図５】図５は、半導体レーザといった半導体発光素子を作製する方法における主要な工程を示す図面である。
【符号の説明】
【００６１】
１１…成長炉、１３…基板、１３ａ…基板の主面、１５…バッファ層、１７…第１のIII−Ｖ化合物半導体層、１９…第２のIII−Ｖ化合物半導体層、２１…第３のIII−Ｖ化合物半導体層、２３…キャップ層  
【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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