ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層を形成する方法
【課題】本発明によれば、Ｇａ（III族）とヒ素、窒素（Ｖ族）とを含むIII−Ｖ化合物半導体結晶中の水素濃度を低減可能であり、再成長界面におけるパイルアップも低減可能な、III−Ｖ化合物半導体層を形成する方法が提供される。
【解決手段】ＡｓＨ３を含む雰囲気中で基板３１の温度を第１の温度Ｔ１に上昇した後に、ＡｓＨ３を用いて結晶成長する際の供給量５〜１５ｓｃｃｍに比べて十分に小さいＡｓＨ３を流しながら、第１の温度Ｔ１で基板３１をサーマルクリーニングを行う。この熱処理の後に、ＡｓＨ３の供給を停止し、金属ヒ素を供給する。ＭＢＥ装置１３で金属Ａｓを用いて、第１〜第３のIII−Ｖ化合物半導体層３３、３５、３７を基板３１に成長する。第１のIII−Ｖ化合物半導体層３３はＧａＡｓであり、第２のIII−Ｖ化合物半導体層３５はＧａＩｎＮＡｓであり、第３のIII−Ｖ化合物半導体層３７はＧａＡｓである。
【解決手段】ＡｓＨ３を含む雰囲気中で基板３１の温度を第１の温度Ｔ１に上昇した後に、ＡｓＨ３を用いて結晶成長する際の供給量５〜１５ｓｃｃｍに比べて十分に小さいＡｓＨ３を流しながら、第１の温度Ｔ１で基板３１をサーマルクリーニングを行う。この熱処理の後に、ＡｓＨ３の供給を停止し、金属ヒ素を供給する。ＭＢＥ装置１３で金属Ａｓを用いて、第１〜第３のIII−Ｖ化合物半導体層３３、３５、３７を基板３１に成長する。第１のIII−Ｖ化合物半導体層３３はＧａＡｓであり、第２のIII−Ｖ化合物半導体層３５はＧａＩｎＮＡｓであり、第３のIII−Ｖ化合物半導体層３７はＧａＡｓである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III−Ｖ化合物半導体層を形成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１には、ＧａＩｎＮＡｓを分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法で成長することが記載されている。この成長において、固体ヒ素がＡｓソースとして使用された。また、ＡｓＨ３を用いたガスソースＭＢＥによるＧａＩｎＮＡｓ成長では、１×１０１８ｃｍ−３レベルの水素がＧａＩｎＮＡｓに取り込まれていた。ガスソースＭＢＥではＡｓＨ３流量は５〜１５ｓｃｃｍである。
【非特許文献１】J. Cryst. Growth, 227-228 (2001), p521-526
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ＡｓＨ３を用いたガスソースＭＢＥ成長によるＧａＩｎＮＡｓには、水素が取り込まれる。これに比べて、固体Ａｓソースを用いた固体ソースＭＢＥ成長によるＧａＩｎＮＡｓでは、水素濃度はＳＩＭＳの検出限界未満である。ところが、固体Ａｓソースを用いたＭＢＥでは、発明者らの知見によれば、III−Ｖ化合物半導体の構成元素と異なる不純物が再成長界面にパイルアップしている。
【０００４】
本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、III族としてＧａとＶ族としてヒ素および窒素を含むIII−Ｖ化合物半導体結晶中の水素濃度を低減可能であると共に、再成長界面におけるパイルアップも低減可能な、III−Ｖ化合物半導体層を形成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】
【０００５】
本発明の一側面は、分子線エピタキシ法でIII−Ｖ化合物半導体層を形成する方法である。この方法は、（ａ）Ｖ族としてヒ素を含むIII−Ｖ化合物半導体からなる表面を有する基板を分子線エピタキシ装置に配置した後に、ＡｓＨ３を含む雰囲気中で前記基板の温度を第１の温度に上昇する工程と、（ｂ）ＡｓＨ３を含む雰囲気中において、前記第１の温度で前記基板を熱処理する工程と、（ｃ）前記熱処理の後に、ＡｓＨ３の供給を停止する工程と、（ｄ）前記分子線エピタキシ装置で金属Ａｓを用いて、第１のIII−Ｖ化合物半導体層を第２の温度で成長する工程と、（ｅ）前記分子線エピタキシ装置で金属Ａｓを用いて、第２のIII−Ｖ化合物半導体層を第３の温度で成長する工程とを備え、前記第１および第２のIII−Ｖ化合物半導体層の一方は、III族としてＧａとＶ族としてヒ素を含む第１の半導体から成り、前記第１および第２のIII−Ｖ化合物半導体層の他方は、III族としてＧａとＶ族としてヒ素および窒素を含む第２の半導体から成る。
【０００６】
この発明によれば、ＡｓＨ３を含む雰囲気中で基板の温度を第１の温度に上昇するので、Ｖ族としてヒ素を含むIII−Ｖ化合物半導体の表面からのヒ素抜けを低減できる。また、ＡｓＨ３を含む雰囲気中において基板の熱処理を行って成長前にサーマルクリーニングを行うので、基板表面のコンタミネーションを除去できる。さらに、第１および第２のIII−Ｖ化合物半導体層を分子線エピタキシ装置で金属Ａｓを用いて成長するので、膜中の水素と窒素との結合に起因する品質の低下が抑制される。
【０００７】
本発明に係る方法では、ＡｓＨ３の供給を停止する前記工程では、前記第１の温度よりも低い第４の温度に温度を下げた後に、ＡｓＨ３の供給の停止が行われ、ＡｓＨ３の供給を停止する前記工程では、金属Ａｓの供給を開始すると共に、金属Ａｓの供給の後に前記第４の温度よりも高い前記第２の温度に温度を上げることが好ましい。本発明によれば、ヒ素抜けによる半導体表面の荒れを低減できる。
【０００８】
本発明に係る方法では、前記基板を熱処理する前記工程では、ＡｓＨ３に加えて金属Ａｓを供給しており、ＡｓＨ３の供給を停止する前記工程では、金属Ａｓが供給されていることが好ましい。
【０００９】
この発明によれば、熱処理の後に、ＡｓＨ３の供給を停止する際に金属ヒ素によりヒ素雰囲気が維持されるので、ヒ素抜けによる半導体表面の荒れを低減できる。
【００１０】
本発明に係る方法では、前記第２の半導体は、III族としてＧａおよびＩｎとＶ族としてヒ素および窒素を含んでいることが好ましい。この方法によれば、III族としてＧａおよびＩｎとＶ族としてヒ素および窒素を含む半導体において、水素と窒素との結合による光学特性の低下を抑制できる。
【００１１】
本発明に係る方法では、前記第２の半導体は、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＮＡｓおよびＧａＮＡｓＳｂのいずれかを含むことができる。また、本発明に係る方法では、前記第１の半導体は、ＧａＡｓ、ＧａＮＡｓおよびＧａＩｎＮＡｓのいずれかを含むことができる。ただし、第１の半導体は、第２の半導体のバンドギャプエネルギーより大きいバンドギャップエネルギーを有する。
【００１２】
本発明に係る方法では、前記第２の半導体は、半導体光素子の量子井戸構造の井戸層のために用いられることができる。本発明によれば、単層膜からなる活性層だけでなく、単一量子井戸構造および多重量子井戸構造の活性層においても、ヒ素抜けによる半導体表面の荒れを低減できると共に、非発光中心の生成を抑制できる。
【００１３】
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】
【００１４】
以上説明したように、本発明によれば、III−Ｖ化合物半導体層を形成する方法が提供され、この方法によれば、III族としてＧａとＶ族としてヒ素および窒素を含むIII−Ｖ化合物半導体結晶中の水素濃度を低減可能であると共に、再成長界面におけるパイルアップも低減可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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化合物半導体層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。
【００１６】
図１は、半導体膜を製造するための結晶成長装置の一例を示す図面である。図２は、本実施の形態に係るIII−Ｖ化合物半導体層を形成する方法の主要な工程を示す模式図である。結晶成長装置としては、図１に示されるような分子線エピタキシ（ＭＢＥ）装置１３を用いる。詳細に説明すると、ＭＢＥ装置１３は、チャンバ１３ａと、基板Ｗを保持するホルダ１３ｂと、ソース１３ｃと、ＲＨＥＥＤといったモニタ装置１３ｄと、真空ポンプが接続された排気口１３ｅとを含む。ソース１３ｃには、熱処理用のＡｓＨ３源１７、Ｖ族原料源１９、２１、III族原料源２３、２５、その他のソース２７、２９を含む。Ｖ族原料源１９は、金属ヒ素を供給するるバルブクラッカーセルを有する。Ｖ族原料源２１は窒素を供給するラジカルガンを有すIII族原料源２３はガリウム（Ｇａ）を供給し、III族原料源２５はインジウム（Ｉｎ）を供給する。その他のソース２７、２９は、例えばｎ型ドーパント、ｐ型ドーパント、或いは他の原料源のための使用される。
【００１７】
図２を参照しながら、III−Ｖ化合物半導体層を形成する方法の主要な工程を説明する。まず、Ｖ族としてヒ素を含むIII−Ｖ化合物半導体からなる表面を有する基板をＭＢＥ装置１３に配置する。ホルダ１３ｂ上には、基板３１が配置されている。本実施例では、基板３１としてｎ型ＧａＡｓ基板を用いるが、これ以外に、ｐ型ＧａＡｓ基板、ノンドープＧａＡｓ基板等も使用できる。しかしながら、基板３１はこれに限定されること無く、Ｖ族としてヒ素を含むIII−Ｖ化合物半導体からなる表面を有するように半導体基板上に一または複数のIII−Ｖ化合物半導体層を成長して形成されたエピタキシャル基板を基板として使用できる。次いで、図２（ａ）に示されるように、ＡｓＨ３を含む雰囲気中で基板３１の温度を第１の温度Ｔ１へ向けて上昇する。ＡｓＨ３を含む雰囲気中で基板３１の温度を上昇するので、III−Ｖ化合物半導体表面からのヒ素抜けを低減できる。図２（ｂ）に示されるように、ＡｓＨ３を含む雰囲気中において、第１の温度Ｔ１で基板３１を熱処理する。ＲＨＥＥＤといった表面観察装置を用いて回折パターンを観察したとき、２×４倍の回折パターンが観測されれば、自然酸化膜が除去されている。ＡｓＨ３を含む雰囲気中において基板３１の熱処理により成長前にサーマルクリーニングを行うので、基板表面のコンタミネーションを除去できる。故に、基板表面における酸素、炭素等の不純物のパイルアップが減少する。第１の温度Ｔ１は、例えば摂氏５８０度であり、また、この温度範囲は、摂氏５５０度〜摂氏６２０度以下であることができる。例えば１ｓｃｃｍ程度のＡｓＨ３の供給量により、サーマルクリーニングを行うことができる。この供給量は、ＡｓＨ３を用いて結晶成長する際の供給量（ガスソースＭＢＥにおける供給量）、例えば５〜１５ｓｃｃｍに比べて十分に小さい。また、この熱処理は結晶成長が行われないので、成長中の水素の取り込みもない。さらに、この熱処理中に生成された活性水素は、結晶成長が開始されるまでに十分に排気されるようにできる。
【００１８】
この熱処理の後に、ＡｓＨ３の供給を停止する。図２（ｃ）に示されるように、この停止と共に、金属ヒ素を供給する。ＡｓＨ３の供給を停止した後に十分な期間を取って、雰囲気の切り替わり（例えば活性水素の除去）を確実にする。これにより、チャンバ内に残留する水素の量が低減される。
【００１９】
次いで、ＭＢＥ装置１３で金属Ａｓを用いて、第１のIII−Ｖ化合物半導体層３３を基板３１に第２の温度Ｔ２で成長する。第１のIII−Ｖ化合物半導体層３３は、III族としてＧａとＶ族としてヒ素を含む第１の半導体から成り、例えばＧａＡｓ等である。本実施例では、金属ヒ素の供給に加えてガリウムを供給して、ＧａＡｓを成長する。第２の温度Ｔ２は、例えば摂氏５８０度であり、また、この温度範囲は、摂氏５００度〜摂氏６００度以下であることができる。必要な場合には、成長中に基板温度を第２の温度Ｔ２から、引き続く成長のための第３の温度Ｔ３に徐々に変化させることができる。これは成長中断して温度変更する場合には不純物が界面にパイルアップする可能性があるためである。
【００２０】
続いて、ＭＢＥ装置１３で金属Ａｓを用いて、第２のIII−Ｖ化合物半導体層３５を第３の温度で成長する。第２のIII−Ｖ化合物半導体層３５は、III族としてＧａとＶ族としてヒ素および窒素を含む第２の半導体から成り、例えばＧａＩｎＮＡｓ等である。本実施例では、金属ヒ素に加えてガリウム、インジウム、窒素を供給して、ＧａＩｎＮＡｓを成長する。第３の温度Ｔ３は、例えば摂氏４５０度であり、また、この温度範囲は、摂氏３５０度〜摂氏４８０度以下であることができる。
【００２１】
この後に、ＭＢＥ装置１３で金属Ａｓを用いて、第３のIII−Ｖ化合物半導体層３７を基板３１に成長する。この成長は、例えば温度Ｔ５で行われることができる。第３のIII−Ｖ化合物半導体層３７は、III族としてＧａとＶ族としてヒ素を含む第３の半導体から成り、例えばＧａＡｓ等である。本実施例では、金属ヒ素の供給に加えてガリウムを供給して、ＧａＡｓを成長する。成長温度Ｔ５は、例えば摂氏５８０度であり、また、この温度範囲は、摂氏５００度〜摂氏６００度以下であることができる。必要な場合には、成長中に基板温度を第３の温度Ｔ３から成長温度Ｔ５に徐々に変化させることができる。これは成長中断して温度変更する場合には不純物がパイルアップする可能性があるためである。
【００２２】
第１〜第３のIII−Ｖ化合物半導体層３３、３５、３７をＭＢＥ装置１３で金属Ａｓを用いて成長するので、第２のIII−Ｖ化合物半導体層３５中の窒素と水素との結合に起因する品質の低下が抑制される。
【００２３】
第１および第３の半導体は、例えばＧａＡｓ、ＧａＮＡｓおよびＧａＩｎＮＡｓのいずれかを含むことができる。ただし、第１および第３の半導体は、第２の半導体のバンドギャップエネルギーより大きいバンドギャップエネルギーを有する。好ましくは、第２のIII−Ｖ化合物半導体層３５の第２の半導体は、III族としてＧａおよびＩｎとＶ族としてヒ素および窒素を含んでいる。III族としてＧａおよびＩｎとＶ族としてヒ素および窒素を含む半導体において、水素と窒素との結合による非発光中心の生成を抑制できる。また、第２の半導体は、例えばＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＮＡｓおよびＧａＮＡｓＳｂのいずれかを含むことができる。
【００２４】
この熱処理の後に、ＡｓＨ３の供給を停止する工程では、第１の温度Ｔ１よりも低い第４の温度Ｔ４に基板温度を下げた後に、ＡｓＨ３の供給を停止することが好ましい。また、この工程で、金属Ａｓの供給を開始すると共に、この後に第３の温度Ｔ３よりも高い第２の温度Ｔ２に基板温度を上げることが好ましい。ＡｓＨ３を十分排気してから昇温することによりバックグラウンドのＨ濃度を下げることができる。ＡｓＨ３およびＡｓを供給しない期間を設けることによって真空度に基づきＡｓＨ３が十分排気されていることを昇温前に確認することができるので、Ａｓを供給しない時間を設けることが好適である。
この方法によれば、ＡｓＨ３からを金属Ａｓへの切り替えを、熱処理温度および成長温度よりも低い温度で行うので、ヒ素抜けによる半導体表面の荒れを低減できる。第４の温度Ｔ４は、例えば摂氏２００度であり、また、この温度範囲は、摂氏１００度〜摂氏４５０度以下であることができる。
【００２５】
或いは、熱処理工程では、ＡｓＨ３に加えて金属Ａｓを供給することができる。ＡｓＨ３の分解によって生成された活性水素の働きにより、サーマルクリーニングが行われる。また、ＡｓＨ３の供給を停止する工程では、ＡｓＨ３に加えて金属Ａｓを供給していることが好ましい。熱処理の後に、ＡｓＨ３の供給を停止する際に金属ヒ素によりヒ素雰囲気が維持されるので、ヒ素抜けによる半導体表面の荒れを低減できる。また、金属ヒ素の供給により、ヒ素供給源の切り替えをために温度の昇降を行わなくても良い。
【００２６】
（実施例）
ＧａＡｓ基板をＭＢＥ成長室に導入し、１ｓｃｃｍの供給量でＡｓＨ３を流しながら、基板温度を摂氏５８０度まで昇温した。この温度で２０分間保持してサーマルクリーニングを行った。チャンバの真空度は１×１０−５Ｔｏｒｒ（１Ｔｏｒｒ＝１３３．３Ｐａで換算される）であった。ＲＨＥＥＤで回折パターンを観察したところ、自然酸化膜が除去されて２×４倍の回折パターンが観測された。基板温度を摂氏２００度に下げた後に、ＡｓＨ３の供給を停止すると共に、金属Ａｓ原料のバルブを開いた。金属ヒ素のフラックス強度は２×１０−５Ｔｏｒｒに設定した。このＡｓフラックスを供給しながら、基板温度を摂氏５８０度に昇温した。
【００２７】
温度が十分に安定した後に、Ａｓフラックスに加えて、Ｇａシャッタを開いてガリウムフラックスを供給して、ＧａＡｓバッファの成長を開始した。０．５μｍのＧａＡｓバッファ層を成長した。この成長を行いながら基板温度を毎秒一度（１ｄｅｇ／秒）の割合で摂氏４５０度に降温した。温度が十分に安定した後に、ＩｎセルのシャッタおよびおよびＮラジカルガンのシャッタを開けて、ＩｎフラックスおよびＮフラックスを供給して７ｎｍのＧａＩｎＮＡｓ層を成長した。ＩｎセルのシャッタおよびおよびＮラジカルガンのシャッタを閉じ、さらに、０．１μｍのＧａＡｓキャップ層を成長してエピタキシャル基板Ａを作製した。この成長を行いながら、この成長を行いながら基板温度を毎秒一度（１ｄｅｇ／秒）の割合で摂氏５８０度に昇温した。
【００２８】
この実験とは別の実験において、チャンバの真空度は２×１０−５Ｔｏｒｒになるように金属ヒ素にみを供給して、摂氏５８０度の基板温度で２０分間保持してサーマルクリーニングを行った。ＲＨＥＥＤ回折パターンを観察したところ、自然酸化膜が除去されて２×４倍の回折パターンが観測された。この後に、同様にして、０．５μｍのＧａＡｓバッファ層、７ｎｍのＧａＩｎＮＡｓ層、および０．１μｍのＧａＡｓキャップ層を成長してエピタキシャル基板Ｒを作製した。
【００２９】
Ａｒレーザ励起によるフォトルミネッセンス（ＰＬ）スペクトルの測定を行ったところ、エピタキシャル基板Ａ（ＡｓＨ３クリーニング）のＰＬスペクトル強度は、エピタキシャル基板Ｒ（金属Ａｓクリーニング）のＰＬスペクトル強度の６倍であった。また、ＳＩＭＳ分析により、エピタキシャル膜−基板の界面における不純物元素を調査した。界面にパイルアップした主要な不純物濃度の結果を示す。
【００３０】
エピタキシャル基板Ｒ エピタキシャル基板Ａ
酸素（Ｏ）：２．３９×１０１９ ４．８０×１０１７
炭素（Ｃ）：９．１８×１０１８ ２．６１×１０１８
硫黄（Ｓ）：８．２４×１０１６ ２．３０×１０１６
単位atoms／ｃｃである。
ＡｓＨ３クリーニングのエピタキシャル基板Ａにおける不純物パイルアップが、金属Ａｓクリーニングのエピタキシャル基板Ｒに比べて減少している。
【００３１】
金属Ａｓ雰囲気のクリーニングに比べてＡｓＨ３雰囲気のクリーニングでは、ＡｓＨ３の熱分解で生成する活性水素により、基板表面のクリーニングが促進され、炭素および酸素等の不純物が低減され、パイルアップが減少する。
【００３２】
したがって、エピタキシャル積層−基板の界面にパイルアップした不純物が非発光再結合中心を生成して、ＰＬスペクトル強度を低下させている。一方、活性水素は、エピタキシャル成長中、特にＮラジカルが存在するＧａＩｎＮＡｓ成長中に、結晶に取り込まれてＧａＩｎＮＡｓ活性層の光学特性を低下させている。
【００３３】
高温でＡｓＨ３流量を０にすると、基板表面からＡｓが抜けて表面あれが発生する。ヒ素抜けを避けるために、上記実施例のように、結晶成長に先立って一旦温度を下げて、ＡｓＨ３の供給を金属Ａｓの供給に切り替える必要がある。或いは、ＡｓＨ３および金属Ａｓの両方を流してサーマルクリーニングをした後に、ＡｓＨ３の供給を停止してもよい。チャンバ中に残留したＡｓＨ３から活性水素が結晶中に混入するのを避けるためには、ＡｓＨ３供給の停止の後に、十分な時間を排気のために与えてから結晶成長を開始することが特に好ましい。
【００３４】
また、ＡｓＨ３による表面クリーニングのための処理室とは別の真空チャンバにおいて成長を行ってもよい。ＡｓＨ３による表面クリーニングは活性水素によるクリーニング効果が大きい。Ｈ２プラズマによるクリーニングも同様の効果が得られるけれども、プラズマによる処理では、基板表面へのプラズマダメージ（例えば、基板表面が水素でパッシベーションされる）が悪影響を与える可能性があるので、プラズマ条件を設定することが容易ではない。また、プラズマの制御は装置の状態に依存するので、プラズマの状態が不安定になることもある。したがって、プロセスの安定性、再現性、装置の維持管理の点から、ＡｓＨ３ガスによる処理が優れている。
【００３５】
引き続く説明から理解されるように、第２の半導体は、半導体光素子の量子井戸構造の井戸層のための用いられることができる。単層膜からなる活性層だけでなく、単一量子井戸構造および多重量子井戸構造の活性層においても、ヒ素抜けによる半導体表面の荒れを低減できると共に、非発光中心の生成を抑制できる。
【００３６】
図３は、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工程フローである。工程Ｓ１０１において、ＳｉドープのＧａＡｓ基板を準備する。引き続く結晶成長には、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）を用いた。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。ここまでの工程により生産物をエピタキシャル基板Ｗ１として参照する。
【００３７】
工程Ｓ１０５において、エピタキシャル基板１のＡｌＧａＡｓクラッド層上に活性層を成長させる。具体的には、既に説明した熱処理を行った後に、ＭＢＥ装置を用いて活性層を成長する。工程Ｓ１０５−１において、エピタキシャル基板Ｗ１をＭＢＥ装置に導入した後に、ＡｓＨ３を供給しながら、基板温度を熱処理温度まで上昇させる。工程Ｓ１０５−２では、ＡｓＨ３雰囲気中で熱処理を行って、エピタキシャル基板Ｗ１の表面をクリーニングする。工程Ｓ１０５−３では、ＡｓＨ３の供給から金属ヒ素の供給へ変更する。工程Ｓ１０５−４において、ガリウムおよび金属ヒ素を供給しながら厚さ１４０ｎｍのアンドープのＧａＡｓガイド層を成長し、工程Ｓ１０５−５において、ガリウム、インジウム、窒素および金属ヒ素を供給しながら厚さ７ｎｍのアンドープのＧａＩｎＮＡｓ井戸層を成長し、工程Ｓ１０５−６において、金属ヒ素を供給しながら厚さ８ｎｍのアンドープのＧａＡｓ障壁層を成長し、工程Ｓ１０５−７において、ガリウム、インジウム、窒素および金属ヒ素を供給しながら厚さ７ｎｍのアンドープのＧａＩｎＮＡｓ井戸層を成長し、工程Ｓ１０５−８において、金属ヒ素を供給しながら厚さ１４０ｎｍのアンドープのＧａＡｓガイド層を成長する。これにより、活性層が形成される。ここまでの工程により生産物をエピタキシャル基板Ｗ２として参照する。
【００３８】
有機金属気相成長炉を用いて、工程Ｓ１０７において、エピタキシャル基板Ｗ２の活性層上に、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。
【００３９】
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。
【００４０】
工程１１３においてアノードおよびカソードを形成する。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。
【００４１】
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。また、本実施の形態では、半導体レーザといった半導体光素子を例示的に説明しているけれども、ＨＥＭＴのような電子デバイスに適用することもできる。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】
【００４２】
【図１】図１は、半導体膜を製造するための結晶成長装置の一例を示す図面である。
【図２】図２は、本実施の形態に係るIII−Ｖ化合物半導体層を形成する方法の主要な工程を示す模式図である。
【図３】図３は、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工程フローである。
【符号の説明】
【００４３】
１３…分子線エピタキシ（ＭＢＥ）装置、１３ａ…チャンバ、１３ｂ…ホルダ、１３ｃ…ソース、１３ｄ…モニタ装置、１３ｅ…排気口、１７…熱処理用のＡｓＨ３源、１９、２１…Ｖ族原料源、２３、２５…III族原料源、２７、２９…その他のソース、３１…基板、３３…第１のIII−Ｖ化合物半導体層、３５…第２のIII−Ｖ化合物半導体層、３７…第３のIII−Ｖ化合物半導体層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III−Ｖ化合物半導体層を形成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１には、ＧａＩｎＮＡｓを分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法で成長することが記載されている。この成長において、固体ヒ素がＡｓソースとして使用された。また、ＡｓＨ３を用いたガスソースＭＢＥによるＧａＩｎＮＡｓ成長では、１×１０１８ｃｍ−３レベルの水素がＧａＩｎＮＡｓに取り込まれていた。ガスソースＭＢＥではＡｓＨ３流量は５〜１５ｓｃｃｍである。
【非特許文献１】J. Cryst. Growth, 227-228 (2001), p521-526
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ＡｓＨ３を用いたガスソースＭＢＥ成長によるＧａＩｎＮＡｓには、水素が取り込まれる。これに比べて、固体Ａｓソースを用いた固体ソースＭＢＥ成長によるＧａＩｎＮＡｓでは、水素濃度はＳＩＭＳの検出限界未満である。ところが、固体Ａｓソースを用いたＭＢＥでは、発明者らの知見によれば、III−Ｖ化合物半導体の構成元素と異なる不純物が再成長界面にパイルアップしている。
【０００４】
本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、III族としてＧａとＶ族としてヒ素および窒素を含むIII−Ｖ化合物半導体結晶中の水素濃度を低減可能であると共に、再成長界面におけるパイルアップも低減可能な、III−Ｖ化合物半導体層を形成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】
【０００５】
本発明の一側面は、分子線エピタキシ法でIII−Ｖ化合物半導体層を形成する方法である。この方法は、（ａ）Ｖ族としてヒ素を含むIII−Ｖ化合物半導体からなる表面を有する基板を分子線エピタキシ装置に配置した後に、ＡｓＨ３を含む雰囲気中で前記基板の温度を第１の温度に上昇する工程と、（ｂ）ＡｓＨ３を含む雰囲気中において、前記第１の温度で前記基板を熱処理する工程と、（ｃ）前記熱処理の後に、ＡｓＨ３の供給を停止する工程と、（ｄ）前記分子線エピタキシ装置で金属Ａｓを用いて、第１のIII−Ｖ化合物半導体層を第２の温度で成長する工程と、（ｅ）前記分子線エピタキシ装置で金属Ａｓを用いて、第２のIII−Ｖ化合物半導体層を第３の温度で成長する工程とを備え、前記第１および第２のIII−Ｖ化合物半導体層の一方は、III族としてＧａとＶ族としてヒ素を含む第１の半導体から成り、前記第１および第２のIII−Ｖ化合物半導体層の他方は、III族としてＧａとＶ族としてヒ素および窒素を含む第２の半導体から成る。
【０００６】
この発明によれば、ＡｓＨ３を含む雰囲気中で基板の温度を第１の温度に上昇するので、Ｖ族としてヒ素を含むIII−Ｖ化合物半導体の表面からのヒ素抜けを低減できる。また、ＡｓＨ３を含む雰囲気中において基板の熱処理を行って成長前にサーマルクリーニングを行うので、基板表面のコンタミネーションを除去できる。さらに、第１および第２のIII−Ｖ化合物半導体層を分子線エピタキシ装置で金属Ａｓを用いて成長するので、膜中の水素と窒素との結合に起因する品質の低下が抑制される。
【０００７】
本発明に係る方法では、ＡｓＨ３の供給を停止する前記工程では、前記第１の温度よりも低い第４の温度に温度を下げた後に、ＡｓＨ３の供給の停止が行われ、ＡｓＨ３の供給を停止する前記工程では、金属Ａｓの供給を開始すると共に、金属Ａｓの供給の後に前記第４の温度よりも高い前記第２の温度に温度を上げることが好ましい。本発明によれば、ヒ素抜けによる半導体表面の荒れを低減できる。
【０００８】
本発明に係る方法では、前記基板を熱処理する前記工程では、ＡｓＨ３に加えて金属Ａｓを供給しており、ＡｓＨ３の供給を停止する前記工程では、金属Ａｓが供給されていることが好ましい。
【０００９】
この発明によれば、熱処理の後に、ＡｓＨ３の供給を停止する際に金属ヒ素によりヒ素雰囲気が維持されるので、ヒ素抜けによる半導体表面の荒れを低減できる。
【００１０】
本発明に係る方法では、前記第２の半導体は、III族としてＧａおよびＩｎとＶ族としてヒ素および窒素を含んでいることが好ましい。この方法によれば、III族としてＧａおよびＩｎとＶ族としてヒ素および窒素を含む半導体において、水素と窒素との結合による光学特性の低下を抑制できる。
【００１１】
本発明に係る方法では、前記第２の半導体は、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＮＡｓおよびＧａＮＡｓＳｂのいずれかを含むことができる。また、本発明に係る方法では、前記第１の半導体は、ＧａＡｓ、ＧａＮＡｓおよびＧａＩｎＮＡｓのいずれかを含むことができる。ただし、第１の半導体は、第２の半導体のバンドギャプエネルギーより大きいバンドギャップエネルギーを有する。
【００１２】
本発明に係る方法では、前記第２の半導体は、半導体光素子の量子井戸構造の井戸層のために用いられることができる。本発明によれば、単層膜からなる活性層だけでなく、単一量子井戸構造および多重量子井戸構造の活性層においても、ヒ素抜けによる半導体表面の荒れを低減できると共に、非発光中心の生成を抑制できる。
【００１３】
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】
【００１４】
以上説明したように、本発明によれば、III−Ｖ化合物半導体層を形成する方法が提供され、この方法によれば、III族としてＧａとＶ族としてヒ素および窒素を含むIII−Ｖ化合物半導体結晶中の水素濃度を低減可能であると共に、再成長界面におけるパイルアップも低減可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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化合物半導体層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。
【００１６】
図１は、半導体膜を製造するための結晶成長装置の一例を示す図面である。図２は、本実施の形態に係るIII−Ｖ化合物半導体層を形成する方法の主要な工程を示す模式図である。結晶成長装置としては、図１に示されるような分子線エピタキシ（ＭＢＥ）装置１３を用いる。詳細に説明すると、ＭＢＥ装置１３は、チャンバ１３ａと、基板Ｗを保持するホルダ１３ｂと、ソース１３ｃと、ＲＨＥＥＤといったモニタ装置１３ｄと、真空ポンプが接続された排気口１３ｅとを含む。ソース１３ｃには、熱処理用のＡｓＨ３源１７、Ｖ族原料源１９、２１、III族原料源２３、２５、その他のソース２７、２９を含む。Ｖ族原料源１９は、金属ヒ素を供給するるバルブクラッカーセルを有する。Ｖ族原料源２１は窒素を供給するラジカルガンを有すIII族原料源２３はガリウム（Ｇａ）を供給し、III族原料源２５はインジウム（Ｉｎ）を供給する。その他のソース２７、２９は、例えばｎ型ドーパント、ｐ型ドーパント、或いは他の原料源のための使用される。
【００１７】
図２を参照しながら、III−Ｖ化合物半導体層を形成する方法の主要な工程を説明する。まず、Ｖ族としてヒ素を含むIII−Ｖ化合物半導体からなる表面を有する基板をＭＢＥ装置１３に配置する。ホルダ１３ｂ上には、基板３１が配置されている。本実施例では、基板３１としてｎ型ＧａＡｓ基板を用いるが、これ以外に、ｐ型ＧａＡｓ基板、ノンドープＧａＡｓ基板等も使用できる。しかしながら、基板３１はこれに限定されること無く、Ｖ族としてヒ素を含むIII−Ｖ化合物半導体からなる表面を有するように半導体基板上に一または複数のIII−Ｖ化合物半導体層を成長して形成されたエピタキシャル基板を基板として使用できる。次いで、図２（ａ）に示されるように、ＡｓＨ３を含む雰囲気中で基板３１の温度を第１の温度Ｔ１へ向けて上昇する。ＡｓＨ３を含む雰囲気中で基板３１の温度を上昇するので、III−Ｖ化合物半導体表面からのヒ素抜けを低減できる。図２（ｂ）に示されるように、ＡｓＨ３を含む雰囲気中において、第１の温度Ｔ１で基板３１を熱処理する。ＲＨＥＥＤといった表面観察装置を用いて回折パターンを観察したとき、２×４倍の回折パターンが観測されれば、自然酸化膜が除去されている。ＡｓＨ３を含む雰囲気中において基板３１の熱処理により成長前にサーマルクリーニングを行うので、基板表面のコンタミネーションを除去できる。故に、基板表面における酸素、炭素等の不純物のパイルアップが減少する。第１の温度Ｔ１は、例えば摂氏５８０度であり、また、この温度範囲は、摂氏５５０度〜摂氏６２０度以下であることができる。例えば１ｓｃｃｍ程度のＡｓＨ３の供給量により、サーマルクリーニングを行うことができる。この供給量は、ＡｓＨ３を用いて結晶成長する際の供給量（ガスソースＭＢＥにおける供給量）、例えば５〜１５ｓｃｃｍに比べて十分に小さい。また、この熱処理は結晶成長が行われないので、成長中の水素の取り込みもない。さらに、この熱処理中に生成された活性水素は、結晶成長が開始されるまでに十分に排気されるようにできる。
【００１８】
この熱処理の後に、ＡｓＨ３の供給を停止する。図２（ｃ）に示されるように、この停止と共に、金属ヒ素を供給する。ＡｓＨ３の供給を停止した後に十分な期間を取って、雰囲気の切り替わり（例えば活性水素の除去）を確実にする。これにより、チャンバ内に残留する水素の量が低減される。
【００１９】
次いで、ＭＢＥ装置１３で金属Ａｓを用いて、第１のIII−Ｖ化合物半導体層３３を基板３１に第２の温度Ｔ２で成長する。第１のIII−Ｖ化合物半導体層３３は、III族としてＧａとＶ族としてヒ素を含む第１の半導体から成り、例えばＧａＡｓ等である。本実施例では、金属ヒ素の供給に加えてガリウムを供給して、ＧａＡｓを成長する。第２の温度Ｔ２は、例えば摂氏５８０度であり、また、この温度範囲は、摂氏５００度〜摂氏６００度以下であることができる。必要な場合には、成長中に基板温度を第２の温度Ｔ２から、引き続く成長のための第３の温度Ｔ３に徐々に変化させることができる。これは成長中断して温度変更する場合には不純物が界面にパイルアップする可能性があるためである。
【００２０】
続いて、ＭＢＥ装置１３で金属Ａｓを用いて、第２のIII−Ｖ化合物半導体層３５を第３の温度で成長する。第２のIII−Ｖ化合物半導体層３５は、III族としてＧａとＶ族としてヒ素および窒素を含む第２の半導体から成り、例えばＧａＩｎＮＡｓ等である。本実施例では、金属ヒ素に加えてガリウム、インジウム、窒素を供給して、ＧａＩｎＮＡｓを成長する。第３の温度Ｔ３は、例えば摂氏４５０度であり、また、この温度範囲は、摂氏３５０度〜摂氏４８０度以下であることができる。
【００２１】
この後に、ＭＢＥ装置１３で金属Ａｓを用いて、第３のIII−Ｖ化合物半導体層３７を基板３１に成長する。この成長は、例えば温度Ｔ５で行われることができる。第３のIII−Ｖ化合物半導体層３７は、III族としてＧａとＶ族としてヒ素を含む第３の半導体から成り、例えばＧａＡｓ等である。本実施例では、金属ヒ素の供給に加えてガリウムを供給して、ＧａＡｓを成長する。成長温度Ｔ５は、例えば摂氏５８０度であり、また、この温度範囲は、摂氏５００度〜摂氏６００度以下であることができる。必要な場合には、成長中に基板温度を第３の温度Ｔ３から成長温度Ｔ５に徐々に変化させることができる。これは成長中断して温度変更する場合には不純物がパイルアップする可能性があるためである。
【００２２】
第１〜第３のIII−Ｖ化合物半導体層３３、３５、３７をＭＢＥ装置１３で金属Ａｓを用いて成長するので、第２のIII−Ｖ化合物半導体層３５中の窒素と水素との結合に起因する品質の低下が抑制される。
【００２３】
第１および第３の半導体は、例えばＧａＡｓ、ＧａＮＡｓおよびＧａＩｎＮＡｓのいずれかを含むことができる。ただし、第１および第３の半導体は、第２の半導体のバンドギャップエネルギーより大きいバンドギャップエネルギーを有する。好ましくは、第２のIII−Ｖ化合物半導体層３５の第２の半導体は、III族としてＧａおよびＩｎとＶ族としてヒ素および窒素を含んでいる。III族としてＧａおよびＩｎとＶ族としてヒ素および窒素を含む半導体において、水素と窒素との結合による非発光中心の生成を抑制できる。また、第２の半導体は、例えばＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＮＡｓおよびＧａＮＡｓＳｂのいずれかを含むことができる。
【００２４】
この熱処理の後に、ＡｓＨ３の供給を停止する工程では、第１の温度Ｔ１よりも低い第４の温度Ｔ４に基板温度を下げた後に、ＡｓＨ３の供給を停止することが好ましい。また、この工程で、金属Ａｓの供給を開始すると共に、この後に第３の温度Ｔ３よりも高い第２の温度Ｔ２に基板温度を上げることが好ましい。ＡｓＨ３を十分排気してから昇温することによりバックグラウンドのＨ濃度を下げることができる。ＡｓＨ３およびＡｓを供給しない期間を設けることによって真空度に基づきＡｓＨ３が十分排気されていることを昇温前に確認することができるので、Ａｓを供給しない時間を設けることが好適である。
この方法によれば、ＡｓＨ３からを金属Ａｓへの切り替えを、熱処理温度および成長温度よりも低い温度で行うので、ヒ素抜けによる半導体表面の荒れを低減できる。第４の温度Ｔ４は、例えば摂氏２００度であり、また、この温度範囲は、摂氏１００度〜摂氏４５０度以下であることができる。
【００２５】
或いは、熱処理工程では、ＡｓＨ３に加えて金属Ａｓを供給することができる。ＡｓＨ３の分解によって生成された活性水素の働きにより、サーマルクリーニングが行われる。また、ＡｓＨ３の供給を停止する工程では、ＡｓＨ３に加えて金属Ａｓを供給していることが好ましい。熱処理の後に、ＡｓＨ３の供給を停止する際に金属ヒ素によりヒ素雰囲気が維持されるので、ヒ素抜けによる半導体表面の荒れを低減できる。また、金属ヒ素の供給により、ヒ素供給源の切り替えをために温度の昇降を行わなくても良い。
【００２６】
（実施例）
ＧａＡｓ基板をＭＢＥ成長室に導入し、１ｓｃｃｍの供給量でＡｓＨ３を流しながら、基板温度を摂氏５８０度まで昇温した。この温度で２０分間保持してサーマルクリーニングを行った。チャンバの真空度は１×１０−５Ｔｏｒｒ（１Ｔｏｒｒ＝１３３．３Ｐａで換算される）であった。ＲＨＥＥＤで回折パターンを観察したところ、自然酸化膜が除去されて２×４倍の回折パターンが観測された。基板温度を摂氏２００度に下げた後に、ＡｓＨ３の供給を停止すると共に、金属Ａｓ原料のバルブを開いた。金属ヒ素のフラックス強度は２×１０−５Ｔｏｒｒに設定した。このＡｓフラックスを供給しながら、基板温度を摂氏５８０度に昇温した。
【００２７】
温度が十分に安定した後に、Ａｓフラックスに加えて、Ｇａシャッタを開いてガリウムフラックスを供給して、ＧａＡｓバッファの成長を開始した。０．５μｍのＧａＡｓバッファ層を成長した。この成長を行いながら基板温度を毎秒一度（１ｄｅｇ／秒）の割合で摂氏４５０度に降温した。温度が十分に安定した後に、ＩｎセルのシャッタおよびおよびＮラジカルガンのシャッタを開けて、ＩｎフラックスおよびＮフラックスを供給して７ｎｍのＧａＩｎＮＡｓ層を成長した。ＩｎセルのシャッタおよびおよびＮラジカルガンのシャッタを閉じ、さらに、０．１μｍのＧａＡｓキャップ層を成長してエピタキシャル基板Ａを作製した。この成長を行いながら、この成長を行いながら基板温度を毎秒一度（１ｄｅｇ／秒）の割合で摂氏５８０度に昇温した。
【００２８】
この実験とは別の実験において、チャンバの真空度は２×１０−５Ｔｏｒｒになるように金属ヒ素にみを供給して、摂氏５８０度の基板温度で２０分間保持してサーマルクリーニングを行った。ＲＨＥＥＤ回折パターンを観察したところ、自然酸化膜が除去されて２×４倍の回折パターンが観測された。この後に、同様にして、０．５μｍのＧａＡｓバッファ層、７ｎｍのＧａＩｎＮＡｓ層、および０．１μｍのＧａＡｓキャップ層を成長してエピタキシャル基板Ｒを作製した。
【００２９】
Ａｒレーザ励起によるフォトルミネッセンス（ＰＬ）スペクトルの測定を行ったところ、エピタキシャル基板Ａ（ＡｓＨ３クリーニング）のＰＬスペクトル強度は、エピタキシャル基板Ｒ（金属Ａｓクリーニング）のＰＬスペクトル強度の６倍であった。また、ＳＩＭＳ分析により、エピタキシャル膜−基板の界面における不純物元素を調査した。界面にパイルアップした主要な不純物濃度の結果を示す。
【００３０】
エピタキシャル基板Ｒ エピタキシャル基板Ａ
酸素（Ｏ）：２．３９×１０１９ ４．８０×１０１７
炭素（Ｃ）：９．１８×１０１８ ２．６１×１０１８
硫黄（Ｓ）：８．２４×１０１６ ２．３０×１０１６
単位atoms／ｃｃである。
ＡｓＨ３クリーニングのエピタキシャル基板Ａにおける不純物パイルアップが、金属Ａｓクリーニングのエピタキシャル基板Ｒに比べて減少している。
【００３１】
金属Ａｓ雰囲気のクリーニングに比べてＡｓＨ３雰囲気のクリーニングでは、ＡｓＨ３の熱分解で生成する活性水素により、基板表面のクリーニングが促進され、炭素および酸素等の不純物が低減され、パイルアップが減少する。
【００３２】
したがって、エピタキシャル積層−基板の界面にパイルアップした不純物が非発光再結合中心を生成して、ＰＬスペクトル強度を低下させている。一方、活性水素は、エピタキシャル成長中、特にＮラジカルが存在するＧａＩｎＮＡｓ成長中に、結晶に取り込まれてＧａＩｎＮＡｓ活性層の光学特性を低下させている。
【００３３】
高温でＡｓＨ３流量を０にすると、基板表面からＡｓが抜けて表面あれが発生する。ヒ素抜けを避けるために、上記実施例のように、結晶成長に先立って一旦温度を下げて、ＡｓＨ３の供給を金属Ａｓの供給に切り替える必要がある。或いは、ＡｓＨ３および金属Ａｓの両方を流してサーマルクリーニングをした後に、ＡｓＨ３の供給を停止してもよい。チャンバ中に残留したＡｓＨ３から活性水素が結晶中に混入するのを避けるためには、ＡｓＨ３供給の停止の後に、十分な時間を排気のために与えてから結晶成長を開始することが特に好ましい。
【００３４】
また、ＡｓＨ３による表面クリーニングのための処理室とは別の真空チャンバにおいて成長を行ってもよい。ＡｓＨ３による表面クリーニングは活性水素によるクリーニング効果が大きい。Ｈ２プラズマによるクリーニングも同様の効果が得られるけれども、プラズマによる処理では、基板表面へのプラズマダメージ（例えば、基板表面が水素でパッシベーションされる）が悪影響を与える可能性があるので、プラズマ条件を設定することが容易ではない。また、プラズマの制御は装置の状態に依存するので、プラズマの状態が不安定になることもある。したがって、プロセスの安定性、再現性、装置の維持管理の点から、ＡｓＨ３ガスによる処理が優れている。
【００３５】
引き続く説明から理解されるように、第２の半導体は、半導体光素子の量子井戸構造の井戸層のための用いられることができる。単層膜からなる活性層だけでなく、単一量子井戸構造および多重量子井戸構造の活性層においても、ヒ素抜けによる半導体表面の荒れを低減できると共に、非発光中心の生成を抑制できる。
【００３６】
図３は、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工程フローである。工程Ｓ１０１において、ＳｉドープのＧａＡｓ基板を準備する。引き続く結晶成長には、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）を用いた。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。ここまでの工程により生産物をエピタキシャル基板Ｗ１として参照する。
【００３７】
工程Ｓ１０５において、エピタキシャル基板１のＡｌＧａＡｓクラッド層上に活性層を成長させる。具体的には、既に説明した熱処理を行った後に、ＭＢＥ装置を用いて活性層を成長する。工程Ｓ１０５−１において、エピタキシャル基板Ｗ１をＭＢＥ装置に導入した後に、ＡｓＨ３を供給しながら、基板温度を熱処理温度まで上昇させる。工程Ｓ１０５−２では、ＡｓＨ３雰囲気中で熱処理を行って、エピタキシャル基板Ｗ１の表面をクリーニングする。工程Ｓ１０５−３では、ＡｓＨ３の供給から金属ヒ素の供給へ変更する。工程Ｓ１０５−４において、ガリウムおよび金属ヒ素を供給しながら厚さ１４０ｎｍのアンドープのＧａＡｓガイド層を成長し、工程Ｓ１０５−５において、ガリウム、インジウム、窒素および金属ヒ素を供給しながら厚さ７ｎｍのアンドープのＧａＩｎＮＡｓ井戸層を成長し、工程Ｓ１０５−６において、金属ヒ素を供給しながら厚さ８ｎｍのアンドープのＧａＡｓ障壁層を成長し、工程Ｓ１０５−７において、ガリウム、インジウム、窒素および金属ヒ素を供給しながら厚さ７ｎｍのアンドープのＧａＩｎＮＡｓ井戸層を成長し、工程Ｓ１０５−８において、金属ヒ素を供給しながら厚さ１４０ｎｍのアンドープのＧａＡｓガイド層を成長する。これにより、活性層が形成される。ここまでの工程により生産物をエピタキシャル基板Ｗ２として参照する。
【００３８】
有機金属気相成長炉を用いて、工程Ｓ１０７において、エピタキシャル基板Ｗ２の活性層上に、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。
【００３９】
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。
【００４０】
工程１１３においてアノードおよびカソードを形成する。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。
【００４１】
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。また、本実施の形態では、半導体レーザといった半導体光素子を例示的に説明しているけれども、ＨＥＭＴのような電子デバイスに適用することもできる。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】
【００４２】
【図１】図１は、半導体膜を製造するための結晶成長装置の一例を示す図面である。
【図２】図２は、本実施の形態に係るIII−Ｖ化合物半導体層を形成する方法の主要な工程を示す模式図である。
【図３】図３は、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工程フローである。
【符号の説明】
【００４３】
１３…分子線エピタキシ（ＭＢＥ）装置、１３ａ…チャンバ、１３ｂ…ホルダ、１３ｃ…ソース、１３ｄ…モニタ装置、１３ｅ…排気口、１７…熱処理用のＡｓＨ３源、１９、２１…Ｖ族原料源、２３、２５…III族原料源、２７、２９…その他のソース、３１…基板、３３…第１のIII−Ｖ化合物半導体層、３５…第２のIII−Ｖ化合物半導体層、３７…第３のIII−Ｖ化合物半導体層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
分子線エピタキシ法でIII−Ｖ化合物半導体層を形成する方法であって、
Ｖ族としてヒ素を含むIII−Ｖ化合物半導体からなる表面を有する基板を分子線エピタキシ装置に配置した後に、ＡｓＨ３を含む雰囲気中で前記基板の温度を第１の温度に上昇する工程と、
ＡｓＨ３を含む雰囲気中において、前記第１の温度で前記基板を熱処理する工程と、
前記熱処理の後に、ＡｓＨ３の供給を停止する工程と、
前記分子線エピタキシ装置で金属Ａｓを用いて、第１のIII−Ｖ化合物半導体層を第２の温度で成長する工程と、
前記分子線エピタキシ装置で金属Ａｓを用いて、第２のIII−Ｖ化合物半導体層を第３の温度で成長する工程と
を備え、
前記第１および第２のIII−Ｖ化合物半導体層の一方は、III族としてＧａとＶ族としてヒ素を含む第１の半導体から成り、
前記第１および第２のIII−Ｖ化合物半導体層の他方は、III族としてＧａとＶ族としてヒ素および窒素を含む第２の半導体から成る、ことを特徴とする方法。
【請求項２】
ＡｓＨ３の供給を停止する前記工程では、前記第１の温度よりも低い第４の温度に温度を下げた後に、ＡｓＨ３の供給の停止が行われ、
ＡｓＨ３の供給を停止する前記工程では、金属Ａｓの供給を開始すると共に、金属Ａｓの供給の後に前記第４の温度よりも高い前記第２の温度に温度を上げる、ことを特徴とする請求項１に記載された方法。
【請求項３】
前記基板を熱処理する前記工程では、ＡｓＨ３に加えて金属Ａｓを供給しており、ＡｓＨ３の供給を停止する前記工程では、金属Ａｓが供給されている、ことを特徴とする請求項１に記載された方法。
【請求項４】
前記第２の半導体は、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＮＡｓおよびＧａＮＡｓＳｂのいずれかを含む、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】
前記第１の半導体は、ＧａＡｓ、ＧａＮＡｓおよびＧａＩｎＮＡｓのいずれかを含む、ことを特徴とする請求項４に記載された方法。
【請求項６】
前記第２の半導体は、半導体光素子の量子井戸構造の井戸層のために用いられる、ことを特徴とする請求項４または請求項５に記載された方法。
【請求項１】
分子線エピタキシ法でIII−Ｖ化合物半導体層を形成する方法であって、
Ｖ族としてヒ素を含むIII−Ｖ化合物半導体からなる表面を有する基板を分子線エピタキシ装置に配置した後に、ＡｓＨ３を含む雰囲気中で前記基板の温度を第１の温度に上昇する工程と、
ＡｓＨ３を含む雰囲気中において、前記第１の温度で前記基板を熱処理する工程と、
前記熱処理の後に、ＡｓＨ３の供給を停止する工程と、
前記分子線エピタキシ装置で金属Ａｓを用いて、第１のIII−Ｖ化合物半導体層を第２の温度で成長する工程と、
前記分子線エピタキシ装置で金属Ａｓを用いて、第２のIII−Ｖ化合物半導体層を第３の温度で成長する工程と
を備え、
前記第１および第２のIII−Ｖ化合物半導体層の一方は、III族としてＧａとＶ族としてヒ素を含む第１の半導体から成り、
前記第１および第２のIII−Ｖ化合物半導体層の他方は、III族としてＧａとＶ族としてヒ素および窒素を含む第２の半導体から成る、ことを特徴とする方法。
【請求項２】
ＡｓＨ３の供給を停止する前記工程では、前記第１の温度よりも低い第４の温度に温度を下げた後に、ＡｓＨ３の供給の停止が行われ、
ＡｓＨ３の供給を停止する前記工程では、金属Ａｓの供給を開始すると共に、金属Ａｓの供給の後に前記第４の温度よりも高い前記第２の温度に温度を上げる、ことを特徴とする請求項１に記載された方法。
【請求項３】
前記基板を熱処理する前記工程では、ＡｓＨ３に加えて金属Ａｓを供給しており、ＡｓＨ３の供給を停止する前記工程では、金属Ａｓが供給されている、ことを特徴とする請求項１に記載された方法。
【請求項４】
前記第２の半導体は、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＮＡｓおよびＧａＮＡｓＳｂのいずれかを含む、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】
前記第１の半導体は、ＧａＡｓ、ＧａＮＡｓおよびＧａＩｎＮＡｓのいずれかを含む、ことを特徴とする請求項４に記載された方法。
【請求項６】
前記第２の半導体は、半導体光素子の量子井戸構造の井戸層のために用いられる、ことを特徴とする請求項４または請求項５に記載された方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００９−３８２５３（Ｐ２００９−３８２５３Ａ）
【公開日】平成２１年２月１９日（２００９．２．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２０２１５１（Ｐ２００７−２０２１５１）
【出願日】平成１９年８月２日（２００７．８．２）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年２月１９日（２００９．２．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年８月２日（２００７．８．２）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
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