ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の形成方法、半導体光素子の製造方法及び半導体光素子。
【課題】窒素元素を含むIII−Ｖ族化合物半導体層中の窒素元素の組成比を、当該III−Ｖ族化合物半導体層の厚み方向において均一化することができるIII−Ｖ族化合物半導体層の形成方法、半導体光素子の製造方法及び半導体光素子を提供する。
【解決手段】このIII−Ｖ族化合物半導体層の形成方法は、基板１の温度が第１の値Ｔｓｕｂ（１）になるように基板１を加熱しながら第１のIII−Ｖ族化合物半導体層３を基板１上に成長させる工程と、III−Ｖ族化合物半導体層３上に第２のIII−Ｖ族化合物半導体層５を成長させる工程とを含む。III−Ｖ族化合物半導体層５を成長させる工程は、III−Ｖ族化合物半導体層５の成長開始時に、基板１の温度が第１の値Ｔｓｕｂ（１）よりも高い第２の値Ｔｓｕｂ（２）になるように基板１を加熱する工程と、III−Ｖ族化合物半導体層５の成長と共に、基板１の温度を低下させる工程とを含む。
【解決手段】このIII−Ｖ族化合物半導体層の形成方法は、基板１の温度が第１の値Ｔｓｕｂ（１）になるように基板１を加熱しながら第１のIII−Ｖ族化合物半導体層３を基板１上に成長させる工程と、III−Ｖ族化合物半導体層３上に第２のIII−Ｖ族化合物半導体層５を成長させる工程とを含む。III−Ｖ族化合物半導体層５を成長させる工程は、III−Ｖ族化合物半導体層５の成長開始時に、基板１の温度が第１の値Ｔｓｕｂ（１）よりも高い第２の値Ｔｓｕｂ（２）になるように基板１を加熱する工程と、III−Ｖ族化合物半導体層５の成長と共に、基板１の温度を低下させる工程とを含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III−Ｖ族化合物半導体層の形成方法、半導体光素子の製造方法及び半導体光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＩｎＮＡｓ井戸層とＧａＡｓ障壁層とが交互に積層された量子井戸構造を有する半導体発光素子が知られている。この半導体発光素子では、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層とＧａＡｓ障壁層との界面近傍において、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層中の窒素元素の組成比（以下、場合により「Ｎ組成比」という。）がＧａＩｎＮＡｓ井戸層の厚み方向に変化してしまう。特に、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層の成長開始時に、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層中のＮ組成比が大きくなってしまうことが多い。このような現象をパイルアップという。このため、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層とＧａＡｓ障壁層との間に中間層を設けることにより、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層中のＮ組成比の均一化を図ることが行われている（特許文献１参照）。
【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】
【０００３】
しかしながら、上述のように中間層を設ける方法では、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層中のＮ組成比をＧａＩｎＮＡｓ井戸層の厚み方向において十分に均一化することができない。
【０００４】
そこで、本発明者らはパイルアップの原因を調査した。まず、半導体ウェハの表面に熱電対を設置し、その半導体ウェハの表面上にＧａＡｓ障壁層とＧａＩｎＮＡｓ井戸層とを形成した。その結果、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層の成長開始時に半導体ウェハの表面温度が著しく低下し、その後、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層の成長と共に表面温度が上昇していることが判明した。これにより、本発明者らは、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層の成長開始時に半導体ウェハの表面温度が著しく低下していることがパイルアップの主な原因であることを突き止めた。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みて為されたものであり、窒素元素を含むIII−Ｖ族化合物半導体層中の窒素元素の組成比を、当該III−Ｖ族化合物半導体層の厚み方向において均一化することができるIII−Ｖ族化合物半導体層の形成方法、半導体光素子の製造方法及び半導体光素子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】
【０００６】
上述の課題を解決するため、本発明のIII−Ｖ族化合物半導体層の形成方法は、基板の温度が第１の値になるように前記基板を加熱しながら、III族元素及び砒素元素を含む第１のIII−Ｖ族化合物半導体層を前記基板上に成長させる工程と、前記第１のIII−Ｖ族化合物半導体層上に、III族元素、砒素元素及び窒素元素を含む第２のIII−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程とを含み、前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程は、前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の成長開始時に、前記基板の温度が前記第１の値よりも高い第２の値になるように前記基板を加熱する工程と、前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の成長と共に、前記基板の温度を低下させる工程とを含む。
【０００７】
本発明のIII−Ｖ族化合物半導体層の形成方法では、第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の成長開始時の基板の温度が予め高く設定されているので、第１のIII−Ｖ族化合物半導体層の表面温度が低下することを抑制できる。また、第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の成長と共に基板の温度を低下させているので、第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の表面温度が第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の成長と共に上昇することを抑制できる。このため、第２のIII−Ｖ族化合物半導体層が成長している間、第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の表面温度の変化を小さくすることができる。したがって、第２のIII−Ｖ族化合物半導体層中のＮ組成比を、第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の厚み方向において均一化することができる。
【０００８】
また、本発明のIII−Ｖ族化合物半導体層の形成方法は、第１の加熱装置を用いて基板を加熱しながら、III族元素及び砒素元素を含む第１のIII−Ｖ族化合物半導体層を前記基板上に成長させる工程と、前記第１の加熱装置を用いて前記基板を加熱しながら、前記第１のIII−Ｖ族化合物半導体層上に、III族元素、砒素元素及び窒素元素を含む第２のIII−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程とを含み、前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程は、前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の成長開始時に、前記第１の加熱装置とは異なる第２の加熱装置を用いて前記第１のIII−Ｖ族化合物半導体層を加熱する工程と、前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の成長と共に、前記第２の加熱装置の加熱温度を低下させる工程とを含む。
【０００９】
本発明のIII−Ｖ族化合物半導体層の形成方法では、第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の成長開始時に第１のIII−Ｖ族化合物半導体層が加熱されるので、第１のIII−Ｖ族化合物半導体層の表面温度が低下することを抑制できる。また、第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の成長と共に第２の加熱装置の加熱温度を低下させているので、第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の表面温度が第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の成長と共に上昇することを抑制できる。このため、第２のIII−Ｖ族化合物半導体層が成長している間、第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の表面温度の変化を小さくすることができる。したがって、第２のIII−Ｖ族化合物半導体層中のＮ組成比を、第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の厚み方向において均一化することができる。
【００１０】
また、第２の加熱装置を用いることによって、第１の加熱装置とは独立に第１のIII−Ｖ族化合物半導体層を加熱することができる。よって、第１のIII−Ｖ族化合物半導体層の温度調整が容易になる。
【００１１】
また、前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程では、砒素の水素化物、及び砒素元素を含む有機物のうち少なくとも一方を用いて前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層を成長させることが好ましい。
【００１２】
この場合であっても、第２のIII−Ｖ族化合物半導体層中のＮ組成比を、第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の厚み方向において均一化することができる。
【００１３】
本発明の半導体光素子の製造方法は、障壁層及び井戸層が積層された量子井戸構造を有する半導体光素子の製造方法であって、基板の温度が第１の値になるように前記基板を加熱しながら、III族元素及び砒素元素を含み前記障壁層となるべき第１のIII−Ｖ族化合物半導体層を前記基板上に成長させる工程と、前記第１のIII−Ｖ族化合物半導体層上に、III族元素、砒素元素及び窒素元素を含み前記井戸層となるべき第２のIII−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程とを含み、前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程は、前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の成長開始時に、前記基板の温度が前記第１の値よりも高い第２の値になるように前記基板を加熱する工程と、前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の成長と共に、前記基板の温度を低下させる工程とを含む。
【００１４】
また、本発明の半導体光素子の製造方法は、障壁層及び井戸層が積層された量子井戸構造を有する半導体光素子の製造方法であって、第１の加熱装置を用いて基板を加熱しながら、III族元素及び砒素元素を含み前記障壁層となるべき第１のIII−Ｖ族化合物半導体層を前記基板上に成長させる工程と、前記第１の加熱装置を用いて前記基板を加熱しながら、前記第１のIII−Ｖ族化合物半導体層上に、III族元素、砒素元素及び窒素元素を含み前記井戸層となるべき第２のIII−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程とを含み、前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程は、前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の成長開始時に、前記第１の加熱装置とは異なる第２の加熱装置を用いて前記第１のIII−Ｖ族化合物半導体層を加熱する工程と、前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の成長と共に、前記第２の加熱装置の加熱温度を低下させる工程とを含む。
【００１５】
本発明の半導体光素子の製造方法では、本発明のIII−Ｖ族化合物半導体層の形成方法を用いて井戸層を形成する。よって、得られる半導体光素子の井戸層中のＮ組成比を、当該井戸層の厚み方向において均一化することができる。したがって、量子井戸構造の特性を向上させることができる。
【００１６】
本発明の半導体光素子は、障壁層及び井戸層が積層された量子井戸構造を有する半導体光素子であって、基板の温度が第１の値になるように前記基板を加熱しながら、III族元素及び砒素元素を含み前記障壁層となるべき第１のIII−Ｖ族化合物半導体層を前記基板上に成長させる工程と、前記第１のIII−Ｖ族化合物半導体層上に、III族元素、砒素元素及び窒素元素を含み前記井戸層となるべき第２のIII−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程とを含み、前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程は、前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の成長開始時に、前記基板の温度が前記第１の値よりも高い第２の値になるように前記基板を加熱する工程と、前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の成長と共に、前記基板の温度を低下させる工程とを含む半導体光素子の製造方法により作製される。
【００１７】
また、本発明の半導体光素子は、障壁層及び井戸層が積層された量子井戸構造を有する半導体光素子であって、第１の加熱装置を用いて基板を加熱しながら、III族元素及び砒素元素を含み前記障壁層となるべき第１のIII−Ｖ族化合物半導体層を前記基板上に成長させる工程と、前記第１の加熱装置を用いて前記基板を加熱しながら、前記第１のIII−Ｖ族化合物半導体層上に、III族元素、砒素元素及び窒素元素を含み前記井戸層となるべき第２のIII−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程とを含み前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程は、前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の成長開始時に、前記第１の加熱装置とは異なる第２の加熱装置を用いて前記第１のIII−Ｖ族化合物半導体層を加熱する工程と、前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の成長と共に、前記第２の加熱装置の加熱温度を低下させる工程とを含む半導体光素子の製造方法により作製される。
【００１８】
また、本発明の半導体光素子は、III族元素及び砒素元素を含む障壁層と、前記障壁層上に設けられ、III族元素、砒素元素及び窒素元素を含む井戸層とが積層された量子井戸構造を有する半導体光素子であって、前記障壁層と前記井戸層との界面における窒素元素濃度が、前記井戸層の厚み方向の中心位置における窒素元素濃度と同等又はそれよりも低い。
【００１９】
本発明の半導体光素子では、井戸層中のＮ組成比を、井戸層の厚み方向において均一化することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、窒素元素を含むIII−Ｖ族化合物半導体層中の窒素元素の組成比を、当該III−Ｖ族化合物半導体層の厚み方向において均一化することができるIII−Ｖ族化合物半導体層の形成方法、半導体光素子の製造方法及び半導体光素子が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号を用い、重複する説明を省略する。
【００２２】
図１は、III−Ｖ族化合物半導体層を形成するための成膜装置の一例を模式的に示す図である。図１に示される成膜装置５０は、基板１を収容するためのチャンバＣＨと、チャンバＣＨ内に設置され基板１を保持するホルダＨとを備える。ホルダＨ内には、基板１を加熱するための第１の加熱装置５２が収容されている。成膜装置５０としては、例えばＭＯＶＰＥ装置（有機金属気相成長装置）等が挙げられる。基板１としては例えばＳｉがドープされたＧａＡｓ基板等が挙げられる。チャンバＣＨ内は、例えば真空ポンプ等を用いることにより減圧される。
【００２３】
基板１上には、チャンバＣＨに取り付けられた配管Ｐ１を通ってIII族原料ガスＧ１が供給される。III族原料ガスＧ１は、例えばガリウム元素、インジウム元素等のIII族元素を含む。ガリウム元素を含むIII族原料ガスＧ１としては、例えば、ＴＥＧａ（トリエチルガリウム）等が挙げられる。インジウム元素を含むIII族原料ガスＧ１としては、例えば、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）等が挙げられる。
【００２４】
基板１上には、チャンバＣＨに取り付けられた配管Ｐ２を通って砒素原料ガスＧ２が供給される。砒素原料ガスＧ２は、砒素元素を含む。砒素原料ガスＧ２としては、例えば、ＡｓＨ３（アルシン）等の砒素の水素化物や、ＴＢＡｓ（ターシャリーブチルアルシン）等の砒素元素を含む有機物が挙げられる。
【００２５】
基板１上には、チャンバＣＨに取り付けられた配管Ｐ３を通って窒素原料ガスＧ３が供給される。窒素原料ガスＧ３は、窒素元素（Ｎ）を含む。窒素原料ガスＧ３としては、例えば、ＤＭＨｙ（ジメチルヒドラジン）等が挙げられる。
【００２６】
基板１上には、チャンバＣＨに取り付けられた配管Ｐ４を通って燐原料ガスＧ４が供給されてもよい。燐原料ガスＧ４は、燐元素（Ｐ）を含む。燐原料ガスＧ４としては、例えば、ホスフィン等の燐の水素化物や、ＴＢＰ（ターシャリーブチルホスフィン）等の砒素元素を含む有機物が挙げられる。
【００２７】
成膜装置５０では、例えばＭＯＶＰＥ法（有機金属気相成長法）を用いて、III族原料ガスＧ１、及び砒素原料ガスＧ２を基板１上に供給することによって、基板１上に、例えばガリウム元素（Ｇａ）、インジウム元素（Ｉｎ）等のIII族元素及び砒素元素（Ａｓ）を含む第１のIII−Ｖ族化合物半導体層３を成長させることができる。一実施例において、III−Ｖ族化合物半導体層３はＧａＡｓ結晶からなる層である。III−Ｖ族化合物半導体層３の厚さは、０．１〜１．０μｍであることが好ましく、例えば０．２μｍである。
【００２８】
また、成膜装置５０では、例えばＭＯＶＰＥ法（有機金属気相成長法）を用いて、III−Ｖ族化合物半導体層３上に、III族原料ガスＧ１、砒素原料ガスＧ２及び窒素原料ガスＧ３を供給することによって、III族元素、砒素元素及び窒素元素を含む第２のIII−Ｖ族化合物半導体層５を成長させることができる。III−Ｖ族化合物半導体層３とIII−Ｖ族化合物半導体層５とによって界面２が形成される。一実施例において、III−Ｖ族化合物半導体層５はＧａＩｎＮＡｓ結晶からなる層である。ＧａＩｎＮＡｓ結晶としては、例えばＧａ０．７Ｉｎ０．３ＮｘＡｓ１−ｘ結晶（０＜ｘ＜１）が挙げられる。ｘはＮ組成比である。Ｎ組成比は、例えばＳＩＭＳ（Secondaryion massspectroscopy）を用いて測定することができる。III−Ｖ族化合物半導体層５の厚さは、５〜１０ｎｍであることが好ましく、例えば７ｎｍである。
【００２９】
なお、III−Ｖ族化合物半導体層３上に、III族原料ガスＧ１、砒素原料ガスＧ２、窒素原料ガスＧ３及び燐原料ガスＧ４を供給することによって、III族元素、砒素元素、窒素元素及び燐元素を含むIII−Ｖ族化合物半導体層５を形成してもよい。
【００３０】
また、成膜装置５０は、III−Ｖ族化合物半導体層３を加熱するための第２の加熱装置５４を備えてもよい。加熱装置５４は、加熱装置５２とは異なる装置である。加熱装置５４は、チャンバＣＨ内に配置されてもよいし、チャンバＣＨ外に配置されてもよい。加熱装置５４としては、例えば赤外線ランプといったランプ等を用いることができる。
【００３１】
図２は、第１実施形態に係るIII−Ｖ族化合物半導体層の形成方法の手順を示すフローチャートである。本実施形態のIII−Ｖ族化合物半導体層の形成方法は、例えば上述の成膜装置５０を用いることによって実施することができる。本実施形態のIII−Ｖ族化合物半導体層の形成方法は、下記工程Ｓ１〜Ｓ２を順に経ることによって実施することができる。
【００３２】
（工程Ｓ１）
工程Ｓ１では、基板１の温度が第１の値Ｔｓｕｂ（１）になるように基板１を加熱しながら、III−Ｖ族化合物半導体層３を基板１上に成長させる。基板１の加熱には加熱装置５２が用いられる。一実施例では、加熱装置５２の設定温度を５１０℃にすることによって第１の値Ｔｓｕｂ（１）を５１０℃にする。
【００３３】
（工程Ｓ２）
工程Ｓ２では、III−Ｖ族化合物半導体層３上にIII−Ｖ族化合物半導体層５を成長させる。工程Ｓ２は、下記工程Ｓ２１〜工程Ｓ２２を順に経ることによって実施することができる。
【００３４】
（工程Ｓ２１）
工程Ｓ２１では、III−Ｖ族化合物半導体層５の成長開始時に、基板１の温度が第１の値Ｔｓｕｂ（１）よりも高い第２の値Ｔｓｕｂ（２）になるように基板１を加熱する。基板１の加熱には加熱装置５２が用いられる。一実施例では、加熱装置５２の設定温度を５３０℃にすることによって第２の値Ｔｓｕｂ（２）を５３０℃にする。
【００３５】
（工程Ｓ２２）
工程Ｓ２２では、III−Ｖ族化合物半導体層５の成長と共に、基板１の温度を低下させる。例えば、基板１の温度を第２の値Ｔｓｕｂ（２）から第１の値Ｔｓｕｂ（１）に低下させる。この場合、加熱装置５２の設定温度を低下させることが好ましい。一実施例では、加熱装置５２の設定温度を５３０℃から５１０℃に低下させる。
【００３６】
図３は、各原料ガスの供給量及び基板の温度の時間変化の一例を示すタイミングチャートである。縦軸は各原料ガスの供給量及び基板１の温度Ｔを示す。横軸ｔは時刻を示す。
【００３７】
（工程Ｓ１）
時刻ｔ０から時刻ｔ１までの期間、供給量Ｆ１１のガリウム原料ガスをIII族原料ガスＧ１として供給し、供給量Ｆ１３の砒素原料ガスＧ２を供給する。供給量Ｆ１３は、供給量Ｆ１１とは異なる。III族原料ガスＧ１としてのインジウム原料ガス、及び窒素原料ガスＧ３は供給しない。これにより、III−Ｖ族化合物半導体層３としてのＧａＡｓ層が基板１上に形成される。
【００３８】
時刻ｔ０から時刻ｔ１までの期間、加熱装置５２の設定温度を第１の値Ｔｓｕｂ（１）とする。
【００３９】
時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間、供給量Ｆ１３の砒素原料ガスＧ２を供給する。一実施例において、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間は１０秒間である。III族原料ガスＧ１としてのガリウム原料ガス及びインジウム原料ガス、並びに窒素原料ガスＧ３は供給しない。これにより、砒素元素の蒸発が抑制される。なお、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間を無くしてもよい。その場合、時刻ｔ１と時刻ｔ２とが同時刻になる。
【００４０】
時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間、加熱装置５２の設定温度を第２の値Ｔｓｕｂ（２）とする。これにより、時刻ｔ２における基板１の温度が安定する。
【００４１】
（工程Ｓ２）
時刻ｔ２から時刻ｔ３までの期間、供給量Ｆ１１のガリウム原料ガス、供給量Ｆ１２のインジウム原料ガス、供給量Ｆ１３の砒素原料ガス、及び供給量Ｆ１４の窒素原料ガスＧ３を供給する。一実施例において、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの期間は２８秒間である。ガリウム原料ガスの供給量Ｆ１１は、時刻ｔ０から時刻ｔ１までの期間における供給量Ｆ１１と異なっていてもよい。窒素原料ガスＧ３の供給量Ｆ１４は、例えば、砒素原料ガスＧ２の供給量Ｆ１３の１００〜１０００倍である。これにより、III−Ｖ族化合物半導体層５としてのＧａＩｎＮＡｓ層がIII−Ｖ族化合物半導体層３上に形成される。
【００４２】
ＧａＩｎＮＡｓ層が例えばＧａ０．７Ｉｎ０．３Ｎ０．０１Ａｓ０．９９層である場合、各原料ガスの供給量は例えば以下のように設定することができる。
・ＴＥＧａのガス流量：３×１０−５［ｍｏｌ／分］
・ＴＭＩｎのガス流量：２×１０−６［ｍｏｌ／分］
・ＤＭＨｙのガス流量：３×１０−２［ｍｏｌ／分］
・ＴＢＡｓのガス流量：３×１０−４［ｍｏｌ／分］
【００４３】
上記の場合、各原料ガスのガス流量のモル比は下記の通りである。
ＴＥＧａ：ＴＭＩｎ：ＤＭＨｙ：ＴＢＡｓ＝０．１：０．０７：１００：１
【００４４】
時刻ｔ２から時刻ｔ３までの期間、加熱装置５２の設定温度を第２の値Ｔｓｕｂ（２）から第１の値Ｔｓｕｂ（１）まで徐々に低下させる。なお、時刻ｔ３における基板１の温度は、Ｔｓｕｂ（１）でなくてもよいし、必ずしも加熱装置５２の設定温度を単調減少させなくてもよい。
【００４５】
第１の値Ｔｓｕｂ（１）と第２の値Ｔｓｕｂ（２）との差、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの期間、及び加熱装置５２の設定温度の低下のさせ方等は、成膜装置５０の構成、各原料ガスの供給の仕方、及び第１の値Ｔｓｕｂ（１）等に応じて最適化させることが好ましい。
【００４６】
時刻ｔ３から時刻ｔ４までの期間、供給量Ｆ１３の砒素原料ガスＧ２を供給する。一実施例において、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの期間は１０秒間である。ガリウム原料ガス、インジウム原料ガス、及び窒素原料ガスＧ３は供給しない。なお、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの期間を無くしてもよい。その場合、時刻ｔ３と時刻ｔ４とが同時刻になる。
【００４７】
時刻ｔ３から時刻ｔ４までの期間、加熱装置５２の設定温度を第１の値Ｔｓｕｂ（１）とする。
【００４８】
時刻ｔ４から時刻ｔ５までの期間、供給量Ｆ１１のガリウム原料ガス及び供給量Ｆ１３の砒素原料ガスＧ２を供給する。インジウム原料ガス及び窒素原料ガスＧ３は供給しない。これにより、III−Ｖ族化合物半導体層５上にＧａＡｓ層が形成される。
【００４９】
時刻ｔ４から時刻ｔ５までの期間、加熱装置５２の設定温度を第１の値Ｔｓｕｂ（１）とする。
【００５０】
以上説明したように、本実施形態に係るIII−Ｖ族化合物半導体層の形成方法は、基板１の温度が第１の値Ｔｓｕｂ（１）になるように基板１を加熱しながら、III−Ｖ族化合物半導体層３を基板１上に成長させる工程と、III−Ｖ族化合物半導体層３上にIII−Ｖ族化合物半導体層５を成長させる工程とを含み、III−Ｖ族化合物半導体層５を成長させる工程は、III−Ｖ族化合物半導体層５の成長開始時に、基板１の温度が第１の値Ｔｓｕｂ（１）よりも高い第２の値Ｔｓｕｂ（２）になるように基板１を加熱する工程と、III−Ｖ族化合物半導体層５の成長と共に、基板１の温度を低下させる工程とを含む。
【００５１】
本実施形態に係るIII−Ｖ族化合物半導体層の形成方法によれば、III−Ｖ族化合物半導体層５の成長開始時の基板１の温度が所望の値（第１の値Ｔｓｕｂ（１））よりも予め高く設定されているので、III−Ｖ族化合物半導体層３の表面温度が低下することを抑制できる。また、III−Ｖ族化合物半導体層５の成長と共に基板１の温度を低下させているので、III−Ｖ族化合物半導体層５の表面温度がIII−Ｖ族化合物半導体層５の成長と共に上昇することを抑制できる。このため、III−Ｖ族化合物半導体層５が成長している間、III−Ｖ族化合物半導体層５の表面温度の変化を小さくすることができる。したがって、III−Ｖ族化合物半導体層５中のＮ組成比を、III−Ｖ族化合物半導体層５の厚み方向において均一化することができる。すなわち、パイルアップが抑制される。さらに、Ｎ組成比が均一であると、結晶欠陥の発生も抑制される。
【００５２】
図４は、第２実施形態に係るIII−Ｖ族化合物半導体層の形成方法の手順を示すフローチャートである。本実施形態のIII−Ｖ族化合物半導体層の形成方法は、例えば上述の成膜装置５０を用いることによって実施することができる。本実施形態のIII−Ｖ族化合物半導体層の形成方法は、下記工程Ｓ３〜Ｓ４を順に経ることによって実施することができる。
【００５３】
（工程Ｓ３）
工程Ｓ３では、加熱装置５２を用いて基板１を加熱しながらIII−Ｖ族化合物半導体層３を基板１上に成長させる。一実施例では、加熱装置５２の設定温度を５１０℃にする。
【００５４】
（工程Ｓ４）
工程Ｓ４では、加熱装置５２を用いて基板１を加熱しながら、III−Ｖ族化合物半導体層３上にIII−Ｖ族化合物半導体層５を成長させる。工程Ｓ４は、下記工程Ｓ４１〜工程Ｓ４２を順に経ることによって実施することができる。
【００５５】
（工程Ｓ４１）
工程Ｓ４１では、III−Ｖ族化合物半導体層５の成長開始時に、加熱装置５４を用いてIII−Ｖ族化合物半導体層３を加熱する。一実施例では、加熱装置５２の設定温度を５１０℃に維持したまま、加熱装置５４の加熱温度を５３０℃にする。
【００５６】
（工程Ｓ４２）
工程Ｓ４２では、III−Ｖ族化合物半導体層５の成長と共に、加熱装置５４の加熱温度を低下させる。すなわち、加熱装置５４がIII−Ｖ族化合物半導体層３に与える熱エネルギーを小さくする。一実施例では、加熱装置５２の設定温度を５１０℃に維持したまま、加熱装置５４の加熱温度を５１０℃にする。
【００５７】
以上説明したように、本実施形態に係るIII−Ｖ族化合物半導体層の形成方法は、加熱装置５２を用いて基板１を加熱しながらIII−Ｖ族化合物半導体層３を基板１上に成長させる工程と、加熱装置５２を用いて基板１を加熱しながら、III−Ｖ族化合物半導体層３上にIII−Ｖ族化合物半導体層５を成長させる工程とを含み、III−Ｖ族化合物半導体層５を成長させる工程は、III−Ｖ族化合物半導体層５の成長開始時に、加熱装置５４を用いてIII−Ｖ族化合物半導体層３を加熱する工程と、III−Ｖ族化合物半導体層５の成長と共に、加熱装置５４の加熱温度を低下させる工程とを含む。
【００５８】
本実施形態に係るIII−Ｖ族化合物半導体層の形成方法によれば、III−Ｖ族化合物半導体層５の成長開始時にIII−Ｖ族化合物半導体層３が加熱されるので、III−Ｖ族化合物半導体層３の表面温度が低下することを抑制できる。また、III−Ｖ族化合物半導体層５の成長と共に加熱装置５４の加熱温度をを低下させているので、III−Ｖ族化合物半導体層５の表面温度がIII−Ｖ族化合物半導体層５の成長と共に上昇することを抑制できる。このため、III−Ｖ族化合物半導体層５が成長している間、III−Ｖ族化合物半導体層５の表面温度の変化を小さくすることができる。したがって、III−Ｖ族化合物半導体層５中のＮ組成比を、III−Ｖ族化合物半導体層５の厚み方向において均一化することができる。すなわち、パイルアップが抑制される。さらに、Ｎ組成比が均一であると、結晶欠陥の発生も抑制される。
【００５９】
また、加熱装置５４を用いることによって、加熱装置５２とは独立にIII−Ｖ族化合物半導体層３を加熱することができる。よって、加熱装置５４の加熱温度を調整することによって、III−Ｖ族化合物半導体層３の温度調整が容易になる。
【００６０】
上記第１及び第２実施形態に係るIII−Ｖ族化合物半導体層の形成方法では、III−Ｖ族化合物半導体層５を成長させる工程において、砒素の水素化物、及び砒素元素を含む有機物のうち少なくとも一方を用いてIII−Ｖ族化合物半導体層５を成長させることが好ましい。この場合であっても、III−Ｖ族化合物半導体層５中のＮ組成比を、III−Ｖ族化合物半導体層５の厚み方向において均一化することができる。
【００６１】
図５は、半導体光素子の一例を模式的に示す断面図である。図５に示されるＬＥＤ１０（半導体光素子）は、基板１２と、基板１２の主面１２ａ上に設けられたバッファ層１４と、バッファ層１４上に設けられたクラッド層１６と、クラッド層１６上に設けられた活性層１７と、活性層１７上に設けられたクラッド層２８と、クラッド層２８上に設けられたコンタクト層３０とを備える。コンタクト層３０上には電極３２が設けられている。基板１２の主面１２ａとは反対側の面（裏面）１２ｂには電極３４が設けられている。
【００６２】
活性層１７は量子井戸構造を有する。活性層１７は、クラッド層１６上に設けられた障壁層１８と、障壁層１８上に設けられた井戸層２０と、井戸層２０上に設けられた障壁層２２と、障壁層２２上に設けられた井戸層２４と、井戸層２４上に設けられた障壁層２６とを備える。障壁層１８と井戸層２０との界面における窒素元素濃度は、井戸層２０の厚み方向の中心位置における窒素元素濃度と同等又はそれよりも低い。井戸層２０，２４は、例えばＧａＩｎＮＡｓ層である。この場合、例えば波長１．３〜１．５μｍの光がＬＥＤ１０から出射される。ＬＥＤ１０では、井戸層２０中のＮ組成比を、井戸層２０の厚み方向において均一化することができる。
【００６３】
図６は、実施形態に係る半導体光素子の製造方法の手順を示すフローチャートである。本実施形態の半導体光素子の製造方法の一例として、ＬＥＤ１０の製造方法について説明する。ＬＥＤ１０は、下記工程Ｓ１１〜Ｓ１５を順に経ることによって製造することができる。
【００６４】
（工程Ｓ１１）
工程Ｓ１１では、基板１２の主面１２ａ上に、バッファ層１４及びクラッド層１６をこの順にエピタキシャル成長することにより、積層体を形成する。
【００６５】
（工程Ｓ１２）
工程Ｓ１２では、積層体上に障壁層１８となるべきIII−Ｖ族化合物半導体層３を形成する。
【００６６】
（工程Ｓ１３）
工程Ｓ１３では、III−Ｖ族化合物半導体層３上に、井戸層２０となるべきIII−Ｖ族化合物半導体層５を形成する。続いて、必要に応じてIII−Ｖ族化合物半導体層５上に、障壁層２２となるべきIII−Ｖ族化合物半導体層３を形成する。その後、III−Ｖ族化合物半導体層３上に井戸層２４となるべきIII−Ｖ族化合物半導体層５を形成する。
【００６７】
（工程Ｓ１４）
工程Ｓ１４では、III−Ｖ族化合物半導体層５上に、障壁層２６となるべきIII−Ｖ族化合物半導体層３を形成する。
【００６８】
（工程Ｓ１５）
工程Ｓ１５では、III−Ｖ族化合物半導体層３上に、クラッド層２８及びコンタクト層３０をこの順にエピタキシャル成長する。さらに、必要に応じて、コンタクト層３０上に電極３２を形成すると共に、基板１２の裏面１２ｂ上に電極３４を形成する。
【００６９】
本実施形態の半導体光素子の製造方法では、本実施形態に係るIII−Ｖ族化合物半導体層の形成方法を用いて井戸層２０，２４を形成する。よって、得られるＬＥＤ１０の井戸層２０，２４中のＮ組成比を、井戸層２０，２４の厚み方向においてそれぞれ均一化することができる。すなわち、パイルアップが抑制される。したがって、量子井戸構造の特性を向上させることができる。
【００７０】
量子井戸構造では、発光効率を向上させるために、井戸層中のＮ組成比を厚み方向に均一化し、井戸層と障壁層との界面におけるＮ組成比を急峻に変化させることが好ましい。このため、III−Ｖ族化合物半導体層５から井戸層２０，２４を形成し、III−Ｖ族化合物半導体層３から障壁層１８，２２，２６を形成すると、井戸層２０，２４と障壁層１８，２２，２６との界面近傍における井戸層２０，２４中のＮ組成比を急峻に変化させることができる。よって、上記製造方法によれば、ＬＥＤ１０の発光効率を向上させることができる。
【００７１】
以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。
【００７２】
例えば、本実施形態の半導体光素子の製造方法は、ＬＥＤ以外に、例えば、半導体レーザ、半導体増幅器、半導体変調器、半導体センサ等に適用することもできる。
【実施例】
【００７３】
以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００７４】
（実施例１）
ＳｉがドープされたＧａＡｓ基板上に、ＭＯＶＰＥ法を用いて、厚さ２００ｎｍのｎ型のＧａＡｓバッファ層を成長させた。Ｇａ原料ガスとしては、ＴＥＧａを用いた。Ａｓ原料ガスとしては、ＴＢＡｓを用いた。続いて、ＧａＡｓバッファ層上に、ＭＯＶＰＥ法を用いて、厚さ１．５μｍのｎ型のＡｌＧａＡｓクラッド層を成長させた。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。次に、ＡｌＧａＡｓクラッド層上に、ＭＯＶＰＥ法を用いて活性層を成長させた。具体的には、厚さ１４０ｎｍのアンドープのＧａＡｓガイド層、厚さ７ｎｍのアンドープのＧａＩｎＮＡｓ井戸層、厚さ８ｎｍのアンドープのＧａＡｓ障壁層、厚さ７ｎｍのアンドープのＧａＩｎＮＡｓ井戸層、及び厚さ１４０ｎｍのアンドープのＧａＡｓガイド層をこの順に成長させた。Ｉｎ原料ガスとしては、ＴＭＩｎを用いた。Ｎ原料ガスとしては、ＤＭＨｙを用いた。さらに、活性層上に、ＭＯＶＰＥ法を用いて、厚さ１．５μｍのｐ型のＡｌＧａＡｓクラッド層を成長させた。その後、ＡｌＧａＡｓクラッド層上に、ＭＯＶＰＥ法を用いて、ｐ型のＧａＡｓコンタクト層を成長させた。このようにして実施例１のＬＥＤを作製した。
【００７５】
ここで、ＧａＡｓ基板の温度が５１０℃となるようにＧａＡｓ基板を加熱して、ＧａＡｓ障壁層を成長させた。また、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層の成長開始時に、ＧａＡｓ基板の温度が５３０℃となるようにＧａＡｓ基板を加熱した。さらに、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層の成長終了時に、ＧａＡｓ基板の温度が５１０℃となるように、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層の成長と共にＧａＡｓ基板の温度を低下させた。
【００７６】
（比較例１）
ＧａＡｓ障壁層及びＧａＩｎＮＡｓ井戸層を成長させる間、ＧａＡｓ基板の温度が５１０℃と一定になるようにＧａＡｓ基板を加熱したこと以外は実施例１と同様にして比較例１のＬＥＤを作製した。
【００７７】
（評価結果）
実施例１及び比較例１のＬＥＤの光出力を測定した。その結果、比較例１のＬＥＤの光出力を１０とすると、実施例１のＬＥＤの光出力は８０であった。よって、実施例１のＬＥＤの発光効率は、比較例１のＬＥＤの発光効率よりも高いことが判明した。
【００７８】
また、ＳＩＭＳにより、実施例１及び比較例１におけるＧａＩｎＮＡｓ井戸層の窒素元素濃度の厚み方向分布を測定した。その結果、比較例１のＬＥＤでは、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層の厚み方向の中心位置での窒素元素濃度が６．５×１０１９（ｃｍ−３）であった。一方、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層とＧａＡｓ障壁層との界面における窒素元素濃度は２．０×１０２０（ｃｍ−３）であった。これは、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層とＧａＡｓ障壁層との界面近傍で窒素元素のパイルアップが発生しているために、N組成比が高くなっていることを意味する。一方、実施例１のＬＥＤでは、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層の厚み方向の中心位置での窒素元素濃度が６．５×１０１９（ｃｍ−３）であった。一方、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層とＧａＡｓ障壁層との界面における窒素元素濃度は３．０×１０１９（ｃｍ−３）であった。よって、実施例１のＬＥＤでは、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層とＧａＡｓ障壁層との界面近傍での窒素元素のパイルアップは、明らかに抑制されていることが分かる。つまり、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層において、その厚み方向でのＮ組成比の分布が改善されていることが判明した。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】III−Ｖ族化合物半導体層を形成するための成膜装置の一例を模式的に示す図である。
【図２】第１実施形態に係るIII−Ｖ族化合物半導体層の形成方法の手順を示すフローチャートである。
【図３】各原料ガスの供給量及び基板の温度の時間変化の一例を示すタイミングチャートである。
【図４】第２実施形態に係るIII−Ｖ族化合物半導体層の形成方法の手順を示すフローチャートである。
【図５】半導体光素子の一例を模式的に示す断面図である。
【図６】実施形態に係る半導体光素子の製造方法の手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００８０】
１…基板、３…第１のIII−Ｖ族化合物半導体層、５…第２のIII−Ｖ族化合物半導体層、１０…ＬＥＤ（半導体光素子）、１８，２２，２６…障壁層、２０，２４…井戸層、５２…第１の加熱装置、５４…第２の加熱装置。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III−Ｖ族化合物半導体層の形成方法、半導体光素子の製造方法及び半導体光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＩｎＮＡｓ井戸層とＧａＡｓ障壁層とが交互に積層された量子井戸構造を有する半導体発光素子が知られている。この半導体発光素子では、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層とＧａＡｓ障壁層との界面近傍において、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層中の窒素元素の組成比（以下、場合により「Ｎ組成比」という。）がＧａＩｎＮＡｓ井戸層の厚み方向に変化してしまう。特に、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層の成長開始時に、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層中のＮ組成比が大きくなってしまうことが多い。このような現象をパイルアップという。このため、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層とＧａＡｓ障壁層との間に中間層を設けることにより、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層中のＮ組成比の均一化を図ることが行われている（特許文献１参照）。
【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】
【０００３】
しかしながら、上述のように中間層を設ける方法では、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層中のＮ組成比をＧａＩｎＮＡｓ井戸層の厚み方向において十分に均一化することができない。
【０００４】
そこで、本発明者らはパイルアップの原因を調査した。まず、半導体ウェハの表面に熱電対を設置し、その半導体ウェハの表面上にＧａＡｓ障壁層とＧａＩｎＮＡｓ井戸層とを形成した。その結果、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層の成長開始時に半導体ウェハの表面温度が著しく低下し、その後、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層の成長と共に表面温度が上昇していることが判明した。これにより、本発明者らは、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層の成長開始時に半導体ウェハの表面温度が著しく低下していることがパイルアップの主な原因であることを突き止めた。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みて為されたものであり、窒素元素を含むIII−Ｖ族化合物半導体層中の窒素元素の組成比を、当該III−Ｖ族化合物半導体層の厚み方向において均一化することができるIII−Ｖ族化合物半導体層の形成方法、半導体光素子の製造方法及び半導体光素子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】
【０００６】
上述の課題を解決するため、本発明のIII−Ｖ族化合物半導体層の形成方法は、基板の温度が第１の値になるように前記基板を加熱しながら、III族元素及び砒素元素を含む第１のIII−Ｖ族化合物半導体層を前記基板上に成長させる工程と、前記第１のIII−Ｖ族化合物半導体層上に、III族元素、砒素元素及び窒素元素を含む第２のIII−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程とを含み、前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程は、前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の成長開始時に、前記基板の温度が前記第１の値よりも高い第２の値になるように前記基板を加熱する工程と、前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の成長と共に、前記基板の温度を低下させる工程とを含む。
【０００７】
本発明のIII−Ｖ族化合物半導体層の形成方法では、第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の成長開始時の基板の温度が予め高く設定されているので、第１のIII−Ｖ族化合物半導体層の表面温度が低下することを抑制できる。また、第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の成長と共に基板の温度を低下させているので、第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の表面温度が第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の成長と共に上昇することを抑制できる。このため、第２のIII−Ｖ族化合物半導体層が成長している間、第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の表面温度の変化を小さくすることができる。したがって、第２のIII−Ｖ族化合物半導体層中のＮ組成比を、第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の厚み方向において均一化することができる。
【０００８】
また、本発明のIII−Ｖ族化合物半導体層の形成方法は、第１の加熱装置を用いて基板を加熱しながら、III族元素及び砒素元素を含む第１のIII−Ｖ族化合物半導体層を前記基板上に成長させる工程と、前記第１の加熱装置を用いて前記基板を加熱しながら、前記第１のIII−Ｖ族化合物半導体層上に、III族元素、砒素元素及び窒素元素を含む第２のIII−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程とを含み、前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程は、前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の成長開始時に、前記第１の加熱装置とは異なる第２の加熱装置を用いて前記第１のIII−Ｖ族化合物半導体層を加熱する工程と、前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の成長と共に、前記第２の加熱装置の加熱温度を低下させる工程とを含む。
【０００９】
本発明のIII−Ｖ族化合物半導体層の形成方法では、第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の成長開始時に第１のIII−Ｖ族化合物半導体層が加熱されるので、第１のIII−Ｖ族化合物半導体層の表面温度が低下することを抑制できる。また、第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の成長と共に第２の加熱装置の加熱温度を低下させているので、第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の表面温度が第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の成長と共に上昇することを抑制できる。このため、第２のIII−Ｖ族化合物半導体層が成長している間、第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の表面温度の変化を小さくすることができる。したがって、第２のIII−Ｖ族化合物半導体層中のＮ組成比を、第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の厚み方向において均一化することができる。
【００１０】
また、第２の加熱装置を用いることによって、第１の加熱装置とは独立に第１のIII−Ｖ族化合物半導体層を加熱することができる。よって、第１のIII−Ｖ族化合物半導体層の温度調整が容易になる。
【００１１】
また、前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程では、砒素の水素化物、及び砒素元素を含む有機物のうち少なくとも一方を用いて前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層を成長させることが好ましい。
【００１２】
この場合であっても、第２のIII−Ｖ族化合物半導体層中のＮ組成比を、第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の厚み方向において均一化することができる。
【００１３】
本発明の半導体光素子の製造方法は、障壁層及び井戸層が積層された量子井戸構造を有する半導体光素子の製造方法であって、基板の温度が第１の値になるように前記基板を加熱しながら、III族元素及び砒素元素を含み前記障壁層となるべき第１のIII−Ｖ族化合物半導体層を前記基板上に成長させる工程と、前記第１のIII−Ｖ族化合物半導体層上に、III族元素、砒素元素及び窒素元素を含み前記井戸層となるべき第２のIII−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程とを含み、前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程は、前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の成長開始時に、前記基板の温度が前記第１の値よりも高い第２の値になるように前記基板を加熱する工程と、前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の成長と共に、前記基板の温度を低下させる工程とを含む。
【００１４】
また、本発明の半導体光素子の製造方法は、障壁層及び井戸層が積層された量子井戸構造を有する半導体光素子の製造方法であって、第１の加熱装置を用いて基板を加熱しながら、III族元素及び砒素元素を含み前記障壁層となるべき第１のIII−Ｖ族化合物半導体層を前記基板上に成長させる工程と、前記第１の加熱装置を用いて前記基板を加熱しながら、前記第１のIII−Ｖ族化合物半導体層上に、III族元素、砒素元素及び窒素元素を含み前記井戸層となるべき第２のIII−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程とを含み、前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程は、前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の成長開始時に、前記第１の加熱装置とは異なる第２の加熱装置を用いて前記第１のIII−Ｖ族化合物半導体層を加熱する工程と、前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の成長と共に、前記第２の加熱装置の加熱温度を低下させる工程とを含む。
【００１５】
本発明の半導体光素子の製造方法では、本発明のIII−Ｖ族化合物半導体層の形成方法を用いて井戸層を形成する。よって、得られる半導体光素子の井戸層中のＮ組成比を、当該井戸層の厚み方向において均一化することができる。したがって、量子井戸構造の特性を向上させることができる。
【００１６】
本発明の半導体光素子は、障壁層及び井戸層が積層された量子井戸構造を有する半導体光素子であって、基板の温度が第１の値になるように前記基板を加熱しながら、III族元素及び砒素元素を含み前記障壁層となるべき第１のIII−Ｖ族化合物半導体層を前記基板上に成長させる工程と、前記第１のIII−Ｖ族化合物半導体層上に、III族元素、砒素元素及び窒素元素を含み前記井戸層となるべき第２のIII−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程とを含み、前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程は、前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の成長開始時に、前記基板の温度が前記第１の値よりも高い第２の値になるように前記基板を加熱する工程と、前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の成長と共に、前記基板の温度を低下させる工程とを含む半導体光素子の製造方法により作製される。
【００１７】
また、本発明の半導体光素子は、障壁層及び井戸層が積層された量子井戸構造を有する半導体光素子であって、第１の加熱装置を用いて基板を加熱しながら、III族元素及び砒素元素を含み前記障壁層となるべき第１のIII−Ｖ族化合物半導体層を前記基板上に成長させる工程と、前記第１の加熱装置を用いて前記基板を加熱しながら、前記第１のIII−Ｖ族化合物半導体層上に、III族元素、砒素元素及び窒素元素を含み前記井戸層となるべき第２のIII−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程とを含み前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程は、前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の成長開始時に、前記第１の加熱装置とは異なる第２の加熱装置を用いて前記第１のIII−Ｖ族化合物半導体層を加熱する工程と、前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の成長と共に、前記第２の加熱装置の加熱温度を低下させる工程とを含む半導体光素子の製造方法により作製される。
【００１８】
また、本発明の半導体光素子は、III族元素及び砒素元素を含む障壁層と、前記障壁層上に設けられ、III族元素、砒素元素及び窒素元素を含む井戸層とが積層された量子井戸構造を有する半導体光素子であって、前記障壁層と前記井戸層との界面における窒素元素濃度が、前記井戸層の厚み方向の中心位置における窒素元素濃度と同等又はそれよりも低い。
【００１９】
本発明の半導体光素子では、井戸層中のＮ組成比を、井戸層の厚み方向において均一化することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、窒素元素を含むIII−Ｖ族化合物半導体層中の窒素元素の組成比を、当該III−Ｖ族化合物半導体層の厚み方向において均一化することができるIII−Ｖ族化合物半導体層の形成方法、半導体光素子の製造方法及び半導体光素子が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号を用い、重複する説明を省略する。
【００２２】
図１は、III−Ｖ族化合物半導体層を形成するための成膜装置の一例を模式的に示す図である。図１に示される成膜装置５０は、基板１を収容するためのチャンバＣＨと、チャンバＣＨ内に設置され基板１を保持するホルダＨとを備える。ホルダＨ内には、基板１を加熱するための第１の加熱装置５２が収容されている。成膜装置５０としては、例えばＭＯＶＰＥ装置（有機金属気相成長装置）等が挙げられる。基板１としては例えばＳｉがドープされたＧａＡｓ基板等が挙げられる。チャンバＣＨ内は、例えば真空ポンプ等を用いることにより減圧される。
【００２３】
基板１上には、チャンバＣＨに取り付けられた配管Ｐ１を通ってIII族原料ガスＧ１が供給される。III族原料ガスＧ１は、例えばガリウム元素、インジウム元素等のIII族元素を含む。ガリウム元素を含むIII族原料ガスＧ１としては、例えば、ＴＥＧａ（トリエチルガリウム）等が挙げられる。インジウム元素を含むIII族原料ガスＧ１としては、例えば、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）等が挙げられる。
【００２４】
基板１上には、チャンバＣＨに取り付けられた配管Ｐ２を通って砒素原料ガスＧ２が供給される。砒素原料ガスＧ２は、砒素元素を含む。砒素原料ガスＧ２としては、例えば、ＡｓＨ３（アルシン）等の砒素の水素化物や、ＴＢＡｓ（ターシャリーブチルアルシン）等の砒素元素を含む有機物が挙げられる。
【００２５】
基板１上には、チャンバＣＨに取り付けられた配管Ｐ３を通って窒素原料ガスＧ３が供給される。窒素原料ガスＧ３は、窒素元素（Ｎ）を含む。窒素原料ガスＧ３としては、例えば、ＤＭＨｙ（ジメチルヒドラジン）等が挙げられる。
【００２６】
基板１上には、チャンバＣＨに取り付けられた配管Ｐ４を通って燐原料ガスＧ４が供給されてもよい。燐原料ガスＧ４は、燐元素（Ｐ）を含む。燐原料ガスＧ４としては、例えば、ホスフィン等の燐の水素化物や、ＴＢＰ（ターシャリーブチルホスフィン）等の砒素元素を含む有機物が挙げられる。
【００２７】
成膜装置５０では、例えばＭＯＶＰＥ法（有機金属気相成長法）を用いて、III族原料ガスＧ１、及び砒素原料ガスＧ２を基板１上に供給することによって、基板１上に、例えばガリウム元素（Ｇａ）、インジウム元素（Ｉｎ）等のIII族元素及び砒素元素（Ａｓ）を含む第１のIII−Ｖ族化合物半導体層３を成長させることができる。一実施例において、III−Ｖ族化合物半導体層３はＧａＡｓ結晶からなる層である。III−Ｖ族化合物半導体層３の厚さは、０．１〜１．０μｍであることが好ましく、例えば０．２μｍである。
【００２８】
また、成膜装置５０では、例えばＭＯＶＰＥ法（有機金属気相成長法）を用いて、III−Ｖ族化合物半導体層３上に、III族原料ガスＧ１、砒素原料ガスＧ２及び窒素原料ガスＧ３を供給することによって、III族元素、砒素元素及び窒素元素を含む第２のIII−Ｖ族化合物半導体層５を成長させることができる。III−Ｖ族化合物半導体層３とIII−Ｖ族化合物半導体層５とによって界面２が形成される。一実施例において、III−Ｖ族化合物半導体層５はＧａＩｎＮＡｓ結晶からなる層である。ＧａＩｎＮＡｓ結晶としては、例えばＧａ０．７Ｉｎ０．３ＮｘＡｓ１−ｘ結晶（０＜ｘ＜１）が挙げられる。ｘはＮ組成比である。Ｎ組成比は、例えばＳＩＭＳ（Secondaryion massspectroscopy）を用いて測定することができる。III−Ｖ族化合物半導体層５の厚さは、５〜１０ｎｍであることが好ましく、例えば７ｎｍである。
【００２９】
なお、III−Ｖ族化合物半導体層３上に、III族原料ガスＧ１、砒素原料ガスＧ２、窒素原料ガスＧ３及び燐原料ガスＧ４を供給することによって、III族元素、砒素元素、窒素元素及び燐元素を含むIII−Ｖ族化合物半導体層５を形成してもよい。
【００３０】
また、成膜装置５０は、III−Ｖ族化合物半導体層３を加熱するための第２の加熱装置５４を備えてもよい。加熱装置５４は、加熱装置５２とは異なる装置である。加熱装置５４は、チャンバＣＨ内に配置されてもよいし、チャンバＣＨ外に配置されてもよい。加熱装置５４としては、例えば赤外線ランプといったランプ等を用いることができる。
【００３１】
図２は、第１実施形態に係るIII−Ｖ族化合物半導体層の形成方法の手順を示すフローチャートである。本実施形態のIII−Ｖ族化合物半導体層の形成方法は、例えば上述の成膜装置５０を用いることによって実施することができる。本実施形態のIII−Ｖ族化合物半導体層の形成方法は、下記工程Ｓ１〜Ｓ２を順に経ることによって実施することができる。
【００３２】
（工程Ｓ１）
工程Ｓ１では、基板１の温度が第１の値Ｔｓｕｂ（１）になるように基板１を加熱しながら、III−Ｖ族化合物半導体層３を基板１上に成長させる。基板１の加熱には加熱装置５２が用いられる。一実施例では、加熱装置５２の設定温度を５１０℃にすることによって第１の値Ｔｓｕｂ（１）を５１０℃にする。
【００３３】
（工程Ｓ２）
工程Ｓ２では、III−Ｖ族化合物半導体層３上にIII−Ｖ族化合物半導体層５を成長させる。工程Ｓ２は、下記工程Ｓ２１〜工程Ｓ２２を順に経ることによって実施することができる。
【００３４】
（工程Ｓ２１）
工程Ｓ２１では、III−Ｖ族化合物半導体層５の成長開始時に、基板１の温度が第１の値Ｔｓｕｂ（１）よりも高い第２の値Ｔｓｕｂ（２）になるように基板１を加熱する。基板１の加熱には加熱装置５２が用いられる。一実施例では、加熱装置５２の設定温度を５３０℃にすることによって第２の値Ｔｓｕｂ（２）を５３０℃にする。
【００３５】
（工程Ｓ２２）
工程Ｓ２２では、III−Ｖ族化合物半導体層５の成長と共に、基板１の温度を低下させる。例えば、基板１の温度を第２の値Ｔｓｕｂ（２）から第１の値Ｔｓｕｂ（１）に低下させる。この場合、加熱装置５２の設定温度を低下させることが好ましい。一実施例では、加熱装置５２の設定温度を５３０℃から５１０℃に低下させる。
【００３６】
図３は、各原料ガスの供給量及び基板の温度の時間変化の一例を示すタイミングチャートである。縦軸は各原料ガスの供給量及び基板１の温度Ｔを示す。横軸ｔは時刻を示す。
【００３７】
（工程Ｓ１）
時刻ｔ０から時刻ｔ１までの期間、供給量Ｆ１１のガリウム原料ガスをIII族原料ガスＧ１として供給し、供給量Ｆ１３の砒素原料ガスＧ２を供給する。供給量Ｆ１３は、供給量Ｆ１１とは異なる。III族原料ガスＧ１としてのインジウム原料ガス、及び窒素原料ガスＧ３は供給しない。これにより、III−Ｖ族化合物半導体層３としてのＧａＡｓ層が基板１上に形成される。
【００３８】
時刻ｔ０から時刻ｔ１までの期間、加熱装置５２の設定温度を第１の値Ｔｓｕｂ（１）とする。
【００３９】
時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間、供給量Ｆ１３の砒素原料ガスＧ２を供給する。一実施例において、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間は１０秒間である。III族原料ガスＧ１としてのガリウム原料ガス及びインジウム原料ガス、並びに窒素原料ガスＧ３は供給しない。これにより、砒素元素の蒸発が抑制される。なお、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間を無くしてもよい。その場合、時刻ｔ１と時刻ｔ２とが同時刻になる。
【００４０】
時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間、加熱装置５２の設定温度を第２の値Ｔｓｕｂ（２）とする。これにより、時刻ｔ２における基板１の温度が安定する。
【００４１】
（工程Ｓ２）
時刻ｔ２から時刻ｔ３までの期間、供給量Ｆ１１のガリウム原料ガス、供給量Ｆ１２のインジウム原料ガス、供給量Ｆ１３の砒素原料ガス、及び供給量Ｆ１４の窒素原料ガスＧ３を供給する。一実施例において、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの期間は２８秒間である。ガリウム原料ガスの供給量Ｆ１１は、時刻ｔ０から時刻ｔ１までの期間における供給量Ｆ１１と異なっていてもよい。窒素原料ガスＧ３の供給量Ｆ１４は、例えば、砒素原料ガスＧ２の供給量Ｆ１３の１００〜１０００倍である。これにより、III−Ｖ族化合物半導体層５としてのＧａＩｎＮＡｓ層がIII−Ｖ族化合物半導体層３上に形成される。
【００４２】
ＧａＩｎＮＡｓ層が例えばＧａ０．７Ｉｎ０．３Ｎ０．０１Ａｓ０．９９層である場合、各原料ガスの供給量は例えば以下のように設定することができる。
・ＴＥＧａのガス流量：３×１０−５［ｍｏｌ／分］
・ＴＭＩｎのガス流量：２×１０−６［ｍｏｌ／分］
・ＤＭＨｙのガス流量：３×１０−２［ｍｏｌ／分］
・ＴＢＡｓのガス流量：３×１０−４［ｍｏｌ／分］
【００４３】
上記の場合、各原料ガスのガス流量のモル比は下記の通りである。
ＴＥＧａ：ＴＭＩｎ：ＤＭＨｙ：ＴＢＡｓ＝０．１：０．０７：１００：１
【００４４】
時刻ｔ２から時刻ｔ３までの期間、加熱装置５２の設定温度を第２の値Ｔｓｕｂ（２）から第１の値Ｔｓｕｂ（１）まで徐々に低下させる。なお、時刻ｔ３における基板１の温度は、Ｔｓｕｂ（１）でなくてもよいし、必ずしも加熱装置５２の設定温度を単調減少させなくてもよい。
【００４５】
第１の値Ｔｓｕｂ（１）と第２の値Ｔｓｕｂ（２）との差、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの期間、及び加熱装置５２の設定温度の低下のさせ方等は、成膜装置５０の構成、各原料ガスの供給の仕方、及び第１の値Ｔｓｕｂ（１）等に応じて最適化させることが好ましい。
【００４６】
時刻ｔ３から時刻ｔ４までの期間、供給量Ｆ１３の砒素原料ガスＧ２を供給する。一実施例において、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの期間は１０秒間である。ガリウム原料ガス、インジウム原料ガス、及び窒素原料ガスＧ３は供給しない。なお、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの期間を無くしてもよい。その場合、時刻ｔ３と時刻ｔ４とが同時刻になる。
【００４７】
時刻ｔ３から時刻ｔ４までの期間、加熱装置５２の設定温度を第１の値Ｔｓｕｂ（１）とする。
【００４８】
時刻ｔ４から時刻ｔ５までの期間、供給量Ｆ１１のガリウム原料ガス及び供給量Ｆ１３の砒素原料ガスＧ２を供給する。インジウム原料ガス及び窒素原料ガスＧ３は供給しない。これにより、III−Ｖ族化合物半導体層５上にＧａＡｓ層が形成される。
【００４９】
時刻ｔ４から時刻ｔ５までの期間、加熱装置５２の設定温度を第１の値Ｔｓｕｂ（１）とする。
【００５０】
以上説明したように、本実施形態に係るIII−Ｖ族化合物半導体層の形成方法は、基板１の温度が第１の値Ｔｓｕｂ（１）になるように基板１を加熱しながら、III−Ｖ族化合物半導体層３を基板１上に成長させる工程と、III−Ｖ族化合物半導体層３上にIII−Ｖ族化合物半導体層５を成長させる工程とを含み、III−Ｖ族化合物半導体層５を成長させる工程は、III−Ｖ族化合物半導体層５の成長開始時に、基板１の温度が第１の値Ｔｓｕｂ（１）よりも高い第２の値Ｔｓｕｂ（２）になるように基板１を加熱する工程と、III−Ｖ族化合物半導体層５の成長と共に、基板１の温度を低下させる工程とを含む。
【００５１】
本実施形態に係るIII−Ｖ族化合物半導体層の形成方法によれば、III−Ｖ族化合物半導体層５の成長開始時の基板１の温度が所望の値（第１の値Ｔｓｕｂ（１））よりも予め高く設定されているので、III−Ｖ族化合物半導体層３の表面温度が低下することを抑制できる。また、III−Ｖ族化合物半導体層５の成長と共に基板１の温度を低下させているので、III−Ｖ族化合物半導体層５の表面温度がIII−Ｖ族化合物半導体層５の成長と共に上昇することを抑制できる。このため、III−Ｖ族化合物半導体層５が成長している間、III−Ｖ族化合物半導体層５の表面温度の変化を小さくすることができる。したがって、III−Ｖ族化合物半導体層５中のＮ組成比を、III−Ｖ族化合物半導体層５の厚み方向において均一化することができる。すなわち、パイルアップが抑制される。さらに、Ｎ組成比が均一であると、結晶欠陥の発生も抑制される。
【００５２】
図４は、第２実施形態に係るIII−Ｖ族化合物半導体層の形成方法の手順を示すフローチャートである。本実施形態のIII−Ｖ族化合物半導体層の形成方法は、例えば上述の成膜装置５０を用いることによって実施することができる。本実施形態のIII−Ｖ族化合物半導体層の形成方法は、下記工程Ｓ３〜Ｓ４を順に経ることによって実施することができる。
【００５３】
（工程Ｓ３）
工程Ｓ３では、加熱装置５２を用いて基板１を加熱しながらIII−Ｖ族化合物半導体層３を基板１上に成長させる。一実施例では、加熱装置５２の設定温度を５１０℃にする。
【００５４】
（工程Ｓ４）
工程Ｓ４では、加熱装置５２を用いて基板１を加熱しながら、III−Ｖ族化合物半導体層３上にIII−Ｖ族化合物半導体層５を成長させる。工程Ｓ４は、下記工程Ｓ４１〜工程Ｓ４２を順に経ることによって実施することができる。
【００５５】
（工程Ｓ４１）
工程Ｓ４１では、III−Ｖ族化合物半導体層５の成長開始時に、加熱装置５４を用いてIII−Ｖ族化合物半導体層３を加熱する。一実施例では、加熱装置５２の設定温度を５１０℃に維持したまま、加熱装置５４の加熱温度を５３０℃にする。
【００５６】
（工程Ｓ４２）
工程Ｓ４２では、III−Ｖ族化合物半導体層５の成長と共に、加熱装置５４の加熱温度を低下させる。すなわち、加熱装置５４がIII−Ｖ族化合物半導体層３に与える熱エネルギーを小さくする。一実施例では、加熱装置５２の設定温度を５１０℃に維持したまま、加熱装置５４の加熱温度を５１０℃にする。
【００５７】
以上説明したように、本実施形態に係るIII−Ｖ族化合物半導体層の形成方法は、加熱装置５２を用いて基板１を加熱しながらIII−Ｖ族化合物半導体層３を基板１上に成長させる工程と、加熱装置５２を用いて基板１を加熱しながら、III−Ｖ族化合物半導体層３上にIII−Ｖ族化合物半導体層５を成長させる工程とを含み、III−Ｖ族化合物半導体層５を成長させる工程は、III−Ｖ族化合物半導体層５の成長開始時に、加熱装置５４を用いてIII−Ｖ族化合物半導体層３を加熱する工程と、III−Ｖ族化合物半導体層５の成長と共に、加熱装置５４の加熱温度を低下させる工程とを含む。
【００５８】
本実施形態に係るIII−Ｖ族化合物半導体層の形成方法によれば、III−Ｖ族化合物半導体層５の成長開始時にIII−Ｖ族化合物半導体層３が加熱されるので、III−Ｖ族化合物半導体層３の表面温度が低下することを抑制できる。また、III−Ｖ族化合物半導体層５の成長と共に加熱装置５４の加熱温度をを低下させているので、III−Ｖ族化合物半導体層５の表面温度がIII−Ｖ族化合物半導体層５の成長と共に上昇することを抑制できる。このため、III−Ｖ族化合物半導体層５が成長している間、III−Ｖ族化合物半導体層５の表面温度の変化を小さくすることができる。したがって、III−Ｖ族化合物半導体層５中のＮ組成比を、III−Ｖ族化合物半導体層５の厚み方向において均一化することができる。すなわち、パイルアップが抑制される。さらに、Ｎ組成比が均一であると、結晶欠陥の発生も抑制される。
【００５９】
また、加熱装置５４を用いることによって、加熱装置５２とは独立にIII−Ｖ族化合物半導体層３を加熱することができる。よって、加熱装置５４の加熱温度を調整することによって、III−Ｖ族化合物半導体層３の温度調整が容易になる。
【００６０】
上記第１及び第２実施形態に係るIII−Ｖ族化合物半導体層の形成方法では、III−Ｖ族化合物半導体層５を成長させる工程において、砒素の水素化物、及び砒素元素を含む有機物のうち少なくとも一方を用いてIII−Ｖ族化合物半導体層５を成長させることが好ましい。この場合であっても、III−Ｖ族化合物半導体層５中のＮ組成比を、III−Ｖ族化合物半導体層５の厚み方向において均一化することができる。
【００６１】
図５は、半導体光素子の一例を模式的に示す断面図である。図５に示されるＬＥＤ１０（半導体光素子）は、基板１２と、基板１２の主面１２ａ上に設けられたバッファ層１４と、バッファ層１４上に設けられたクラッド層１６と、クラッド層１６上に設けられた活性層１７と、活性層１７上に設けられたクラッド層２８と、クラッド層２８上に設けられたコンタクト層３０とを備える。コンタクト層３０上には電極３２が設けられている。基板１２の主面１２ａとは反対側の面（裏面）１２ｂには電極３４が設けられている。
【００６２】
活性層１７は量子井戸構造を有する。活性層１７は、クラッド層１６上に設けられた障壁層１８と、障壁層１８上に設けられた井戸層２０と、井戸層２０上に設けられた障壁層２２と、障壁層２２上に設けられた井戸層２４と、井戸層２４上に設けられた障壁層２６とを備える。障壁層１８と井戸層２０との界面における窒素元素濃度は、井戸層２０の厚み方向の中心位置における窒素元素濃度と同等又はそれよりも低い。井戸層２０，２４は、例えばＧａＩｎＮＡｓ層である。この場合、例えば波長１．３〜１．５μｍの光がＬＥＤ１０から出射される。ＬＥＤ１０では、井戸層２０中のＮ組成比を、井戸層２０の厚み方向において均一化することができる。
【００６３】
図６は、実施形態に係る半導体光素子の製造方法の手順を示すフローチャートである。本実施形態の半導体光素子の製造方法の一例として、ＬＥＤ１０の製造方法について説明する。ＬＥＤ１０は、下記工程Ｓ１１〜Ｓ１５を順に経ることによって製造することができる。
【００６４】
（工程Ｓ１１）
工程Ｓ１１では、基板１２の主面１２ａ上に、バッファ層１４及びクラッド層１６をこの順にエピタキシャル成長することにより、積層体を形成する。
【００６５】
（工程Ｓ１２）
工程Ｓ１２では、積層体上に障壁層１８となるべきIII−Ｖ族化合物半導体層３を形成する。
【００６６】
（工程Ｓ１３）
工程Ｓ１３では、III−Ｖ族化合物半導体層３上に、井戸層２０となるべきIII−Ｖ族化合物半導体層５を形成する。続いて、必要に応じてIII−Ｖ族化合物半導体層５上に、障壁層２２となるべきIII−Ｖ族化合物半導体層３を形成する。その後、III−Ｖ族化合物半導体層３上に井戸層２４となるべきIII−Ｖ族化合物半導体層５を形成する。
【００６７】
（工程Ｓ１４）
工程Ｓ１４では、III−Ｖ族化合物半導体層５上に、障壁層２６となるべきIII−Ｖ族化合物半導体層３を形成する。
【００６８】
（工程Ｓ１５）
工程Ｓ１５では、III−Ｖ族化合物半導体層３上に、クラッド層２８及びコンタクト層３０をこの順にエピタキシャル成長する。さらに、必要に応じて、コンタクト層３０上に電極３２を形成すると共に、基板１２の裏面１２ｂ上に電極３４を形成する。
【００６９】
本実施形態の半導体光素子の製造方法では、本実施形態に係るIII−Ｖ族化合物半導体層の形成方法を用いて井戸層２０，２４を形成する。よって、得られるＬＥＤ１０の井戸層２０，２４中のＮ組成比を、井戸層２０，２４の厚み方向においてそれぞれ均一化することができる。すなわち、パイルアップが抑制される。したがって、量子井戸構造の特性を向上させることができる。
【００７０】
量子井戸構造では、発光効率を向上させるために、井戸層中のＮ組成比を厚み方向に均一化し、井戸層と障壁層との界面におけるＮ組成比を急峻に変化させることが好ましい。このため、III−Ｖ族化合物半導体層５から井戸層２０，２４を形成し、III−Ｖ族化合物半導体層３から障壁層１８，２２，２６を形成すると、井戸層２０，２４と障壁層１８，２２，２６との界面近傍における井戸層２０，２４中のＮ組成比を急峻に変化させることができる。よって、上記製造方法によれば、ＬＥＤ１０の発光効率を向上させることができる。
【００７１】
以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。
【００７２】
例えば、本実施形態の半導体光素子の製造方法は、ＬＥＤ以外に、例えば、半導体レーザ、半導体増幅器、半導体変調器、半導体センサ等に適用することもできる。
【実施例】
【００７３】
以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００７４】
（実施例１）
ＳｉがドープされたＧａＡｓ基板上に、ＭＯＶＰＥ法を用いて、厚さ２００ｎｍのｎ型のＧａＡｓバッファ層を成長させた。Ｇａ原料ガスとしては、ＴＥＧａを用いた。Ａｓ原料ガスとしては、ＴＢＡｓを用いた。続いて、ＧａＡｓバッファ層上に、ＭＯＶＰＥ法を用いて、厚さ１．５μｍのｎ型のＡｌＧａＡｓクラッド層を成長させた。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。次に、ＡｌＧａＡｓクラッド層上に、ＭＯＶＰＥ法を用いて活性層を成長させた。具体的には、厚さ１４０ｎｍのアンドープのＧａＡｓガイド層、厚さ７ｎｍのアンドープのＧａＩｎＮＡｓ井戸層、厚さ８ｎｍのアンドープのＧａＡｓ障壁層、厚さ７ｎｍのアンドープのＧａＩｎＮＡｓ井戸層、及び厚さ１４０ｎｍのアンドープのＧａＡｓガイド層をこの順に成長させた。Ｉｎ原料ガスとしては、ＴＭＩｎを用いた。Ｎ原料ガスとしては、ＤＭＨｙを用いた。さらに、活性層上に、ＭＯＶＰＥ法を用いて、厚さ１．５μｍのｐ型のＡｌＧａＡｓクラッド層を成長させた。その後、ＡｌＧａＡｓクラッド層上に、ＭＯＶＰＥ法を用いて、ｐ型のＧａＡｓコンタクト層を成長させた。このようにして実施例１のＬＥＤを作製した。
【００７５】
ここで、ＧａＡｓ基板の温度が５１０℃となるようにＧａＡｓ基板を加熱して、ＧａＡｓ障壁層を成長させた。また、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層の成長開始時に、ＧａＡｓ基板の温度が５３０℃となるようにＧａＡｓ基板を加熱した。さらに、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層の成長終了時に、ＧａＡｓ基板の温度が５１０℃となるように、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層の成長と共にＧａＡｓ基板の温度を低下させた。
【００７６】
（比較例１）
ＧａＡｓ障壁層及びＧａＩｎＮＡｓ井戸層を成長させる間、ＧａＡｓ基板の温度が５１０℃と一定になるようにＧａＡｓ基板を加熱したこと以外は実施例１と同様にして比較例１のＬＥＤを作製した。
【００７７】
（評価結果）
実施例１及び比較例１のＬＥＤの光出力を測定した。その結果、比較例１のＬＥＤの光出力を１０とすると、実施例１のＬＥＤの光出力は８０であった。よって、実施例１のＬＥＤの発光効率は、比較例１のＬＥＤの発光効率よりも高いことが判明した。
【００７８】
また、ＳＩＭＳにより、実施例１及び比較例１におけるＧａＩｎＮＡｓ井戸層の窒素元素濃度の厚み方向分布を測定した。その結果、比較例１のＬＥＤでは、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層の厚み方向の中心位置での窒素元素濃度が６．５×１０１９（ｃｍ−３）であった。一方、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層とＧａＡｓ障壁層との界面における窒素元素濃度は２．０×１０２０（ｃｍ−３）であった。これは、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層とＧａＡｓ障壁層との界面近傍で窒素元素のパイルアップが発生しているために、N組成比が高くなっていることを意味する。一方、実施例１のＬＥＤでは、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層の厚み方向の中心位置での窒素元素濃度が６．５×１０１９（ｃｍ−３）であった。一方、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層とＧａＡｓ障壁層との界面における窒素元素濃度は３．０×１０１９（ｃｍ−３）であった。よって、実施例１のＬＥＤでは、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層とＧａＡｓ障壁層との界面近傍での窒素元素のパイルアップは、明らかに抑制されていることが分かる。つまり、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層において、その厚み方向でのＮ組成比の分布が改善されていることが判明した。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】III−Ｖ族化合物半導体層を形成するための成膜装置の一例を模式的に示す図である。
【図２】第１実施形態に係るIII−Ｖ族化合物半導体層の形成方法の手順を示すフローチャートである。
【図３】各原料ガスの供給量及び基板の温度の時間変化の一例を示すタイミングチャートである。
【図４】第２実施形態に係るIII−Ｖ族化合物半導体層の形成方法の手順を示すフローチャートである。
【図５】半導体光素子の一例を模式的に示す断面図である。
【図６】実施形態に係る半導体光素子の製造方法の手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００８０】
１…基板、３…第１のIII−Ｖ族化合物半導体層、５…第２のIII−Ｖ族化合物半導体層、１０…ＬＥＤ（半導体光素子）、１８，２２，２６…障壁層、２０，２４…井戸層、５２…第１の加熱装置、５４…第２の加熱装置。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の温度が第１の値になるように前記基板を加熱しながら、III族元素及び砒素元素を含む第１のIII−Ｖ族化合物半導体層を前記基板上に成長させる工程と、
前記第１のIII−Ｖ族化合物半導体層上に、III族元素、砒素元素及び窒素元素を含む第２のIII−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程と、
を含み、
前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程は、
前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の成長開始時に、前記基板の温度が前記第１の値よりも高い第２の値になるように前記基板を加熱する工程と、
前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の成長と共に、前記基板の温度を低下させる工程と、
を含む、III−Ｖ族化合物半導体層の形成方法。
【請求項２】
第１の加熱装置を用いて基板を加熱しながら、III族元素及び砒素元素を含む第１のIII−Ｖ族化合物半導体層を前記基板上に成長させる工程と、
前記第１の加熱装置を用いて前記基板を加熱しながら、前記第１のIII−Ｖ族化合物半導体層上に、III族元素、砒素元素及び窒素元素を含む第２のIII−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程と、
を含み、
前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程は、
前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の成長開始時に、前記第１の加熱装置とは異なる第２の加熱装置を用いて前記第１のIII−Ｖ族化合物半導体層を加熱する工程と、
前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の成長と共に、前記第２の加熱装置の加熱温度を低下させる工程と、
を含む、III−Ｖ族化合物半導体層の形成方法。
【請求項３】
前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程では、砒素の水素化物、及び砒素元素を含む有機物のうち少なくとも一方を用いて前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層を成長させる、請求項１又は２に記載のIII−Ｖ族化合物半導体層の形成方法。
【請求項４】
障壁層及び井戸層が積層された量子井戸構造を有する半導体光素子の製造方法であって、
基板の温度が第１の値になるように前記基板を加熱しながら、III族元素及び砒素元素を含み前記障壁層となるべき第１のIII−Ｖ族化合物半導体層を前記基板上に成長させる工程と、
前記第１のIII−Ｖ族化合物半導体層上に、III族元素、砒素元素及び窒素元素を含み前記井戸層となるべき第２のIII−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程と、
を含み、
前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程は、
前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の成長開始時に、前記基板の温度が前記第１の値よりも高い第２の値になるように前記基板を加熱する工程と、
前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の成長と共に、前記基板の温度を低下させる工程と、
を含む、半導体光素子の製造方法。
【請求項５】
障壁層及び井戸層が積層された量子井戸構造を有する半導体光素子の製造方法であって、
第１の加熱装置を用いて基板を加熱しながら、III族元素及び砒素元素を含み前記障壁層となるべき第１のIII−Ｖ族化合物半導体層を前記基板上に成長させる工程と、
前記第１の加熱装置を用いて前記基板を加熱しながら、前記第１のIII−Ｖ族化合物半導体層上に、III族元素、砒素元素及び窒素元素を含み前記井戸層となるべき第２のIII−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程と、
を含み、
前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程は、
前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の成長開始時に、前記第１の加熱装置とは異なる第２の加熱装置を用いて前記第１のIII−Ｖ族化合物半導体層を加熱する工程と、
前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の成長と共に、前記第２の加熱装置の加熱温度を低下させる工程と、
を含む、半導体光素子の製造方法。
【請求項６】
障壁層及び井戸層が積層された量子井戸構造を有する半導体光素子であって、
基板の温度が第１の値になるように前記基板を加熱しながら、III族元素及び砒素元素を含み前記障壁層となるべき第１のIII−Ｖ族化合物半導体層を前記基板上に成長させる工程と、
前記第１のIII−Ｖ族化合物半導体層上に、III族元素、砒素元素及び窒素元素を含み前記井戸層となるべき第２のIII−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程と、
を含み、
前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程は、
前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の成長開始時に、前記基板の温度が前記第１の値よりも高い第２の値になるように前記基板を加熱する工程と、
前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の成長と共に、前記基板の温度を低下させる工程と、
を含む半導体光素子の製造方法により作製される、半導体光素子。
【請求項７】
障壁層及び井戸層が積層された量子井戸構造を有する半導体光素子であって、
第１の加熱装置を用いて基板を加熱しながら、III族元素及び砒素元素を含み前記障壁層となるべき第１のIII−Ｖ族化合物半導体層を前記基板上に成長させる工程と、
前記第１の加熱装置を用いて前記基板を加熱しながら、前記第１のIII−Ｖ族化合物半導体層上に、III族元素、砒素元素及び窒素元素を含み前記井戸層となるべき第２のIII−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程と、
を含み、
前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程は、
前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の成長開始時に、前記第１の加熱装置とは異なる第２の加熱装置を用いて前記第１のIII−Ｖ族化合物半導体層を加熱する工程と、
前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の成長と共に、前記第２の加熱装置の加熱温度を低下させる工程と、
を含む半導体光素子の製造方法により作製される、半導体光素子。
【請求項８】
III族元素及び砒素元素を含む障壁層と、前記障壁層上に設けられ、III族元素、砒素元素及び窒素元素を含む井戸層とが積層された量子井戸構造を有する半導体光素子であって、
前記障壁層と前記井戸層との界面における窒素元素濃度が、前記井戸層の厚み方向の中心位置における窒素元素濃度と同等又はそれよりも低い、半導体光素子。
【請求項１】
基板の温度が第１の値になるように前記基板を加熱しながら、III族元素及び砒素元素を含む第１のIII−Ｖ族化合物半導体層を前記基板上に成長させる工程と、
前記第１のIII−Ｖ族化合物半導体層上に、III族元素、砒素元素及び窒素元素を含む第２のIII−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程と、
を含み、
前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程は、
前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の成長開始時に、前記基板の温度が前記第１の値よりも高い第２の値になるように前記基板を加熱する工程と、
前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の成長と共に、前記基板の温度を低下させる工程と、
を含む、III−Ｖ族化合物半導体層の形成方法。
【請求項２】
第１の加熱装置を用いて基板を加熱しながら、III族元素及び砒素元素を含む第１のIII−Ｖ族化合物半導体層を前記基板上に成長させる工程と、
前記第１の加熱装置を用いて前記基板を加熱しながら、前記第１のIII−Ｖ族化合物半導体層上に、III族元素、砒素元素及び窒素元素を含む第２のIII−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程と、
を含み、
前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程は、
前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の成長開始時に、前記第１の加熱装置とは異なる第２の加熱装置を用いて前記第１のIII−Ｖ族化合物半導体層を加熱する工程と、
前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の成長と共に、前記第２の加熱装置の加熱温度を低下させる工程と、
を含む、III−Ｖ族化合物半導体層の形成方法。
【請求項３】
前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程では、砒素の水素化物、及び砒素元素を含む有機物のうち少なくとも一方を用いて前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層を成長させる、請求項１又は２に記載のIII−Ｖ族化合物半導体層の形成方法。
【請求項４】
障壁層及び井戸層が積層された量子井戸構造を有する半導体光素子の製造方法であって、
基板の温度が第１の値になるように前記基板を加熱しながら、III族元素及び砒素元素を含み前記障壁層となるべき第１のIII−Ｖ族化合物半導体層を前記基板上に成長させる工程と、
前記第１のIII−Ｖ族化合物半導体層上に、III族元素、砒素元素及び窒素元素を含み前記井戸層となるべき第２のIII−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程と、
を含み、
前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程は、
前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の成長開始時に、前記基板の温度が前記第１の値よりも高い第２の値になるように前記基板を加熱する工程と、
前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の成長と共に、前記基板の温度を低下させる工程と、
を含む、半導体光素子の製造方法。
【請求項５】
障壁層及び井戸層が積層された量子井戸構造を有する半導体光素子の製造方法であって、
第１の加熱装置を用いて基板を加熱しながら、III族元素及び砒素元素を含み前記障壁層となるべき第１のIII−Ｖ族化合物半導体層を前記基板上に成長させる工程と、
前記第１の加熱装置を用いて前記基板を加熱しながら、前記第１のIII−Ｖ族化合物半導体層上に、III族元素、砒素元素及び窒素元素を含み前記井戸層となるべき第２のIII−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程と、
を含み、
前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程は、
前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の成長開始時に、前記第１の加熱装置とは異なる第２の加熱装置を用いて前記第１のIII−Ｖ族化合物半導体層を加熱する工程と、
前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の成長と共に、前記第２の加熱装置の加熱温度を低下させる工程と、
を含む、半導体光素子の製造方法。
【請求項６】
障壁層及び井戸層が積層された量子井戸構造を有する半導体光素子であって、
基板の温度が第１の値になるように前記基板を加熱しながら、III族元素及び砒素元素を含み前記障壁層となるべき第１のIII−Ｖ族化合物半導体層を前記基板上に成長させる工程と、
前記第１のIII−Ｖ族化合物半導体層上に、III族元素、砒素元素及び窒素元素を含み前記井戸層となるべき第２のIII−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程と、
を含み、
前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程は、
前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の成長開始時に、前記基板の温度が前記第１の値よりも高い第２の値になるように前記基板を加熱する工程と、
前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の成長と共に、前記基板の温度を低下させる工程と、
を含む半導体光素子の製造方法により作製される、半導体光素子。
【請求項７】
障壁層及び井戸層が積層された量子井戸構造を有する半導体光素子であって、
第１の加熱装置を用いて基板を加熱しながら、III族元素及び砒素元素を含み前記障壁層となるべき第１のIII−Ｖ族化合物半導体層を前記基板上に成長させる工程と、
前記第１の加熱装置を用いて前記基板を加熱しながら、前記第１のIII−Ｖ族化合物半導体層上に、III族元素、砒素元素及び窒素元素を含み前記井戸層となるべき第２のIII−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程と、
を含み、
前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程は、
前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の成長開始時に、前記第１の加熱装置とは異なる第２の加熱装置を用いて前記第１のIII−Ｖ族化合物半導体層を加熱する工程と、
前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層の成長と共に、前記第２の加熱装置の加熱温度を低下させる工程と、
を含む半導体光素子の製造方法により作製される、半導体光素子。
【請求項８】
III族元素及び砒素元素を含む障壁層と、前記障壁層上に設けられ、III族元素、砒素元素及び窒素元素を含む井戸層とが積層された量子井戸構造を有する半導体光素子であって、
前記障壁層と前記井戸層との界面における窒素元素濃度が、前記井戸層の厚み方向の中心位置における窒素元素濃度と同等又はそれよりも低い、半導体光素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００８−２１８９１４（Ｐ２００８−２１８９１４Ａ）
【公開日】平成２０年９月１８日（２００８．９．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−５７６４８（Ｐ２００７−５７６４８）
【出願日】平成１９年３月７日（２００７．３．７）
【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２０年９月１８日（２００８．９．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年３月７日（２００７．３．７）
【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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