ＩＩＩ−Ｖ族半導体層を作製する方法、量子井戸構造を作製する方法、及び、窒素源装置
【課題】窒素フラックスの調整が可能な、ＩＩＩ−Ｖ族半導体層を作製する方法と、量子井戸構造を作製する方法と、窒素源装置とを提供すること。
【解決手段】アパーチャ２６ａ等のうち開口されたアパーチャを介して窒素フラックスを供給し他の原料フラックスを供給して、第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体層を基板上に堆積する第１の工程と、開口されるアパーチャの数を変更する第２の工程と、第２の工程後に開口されているアパーチャを介して窒素フラックスを供給し他の原料フラックスを供給して、第２のＩＩＩ−Ｖ族半導体層を第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体層上に堆積する第３の工程とを備え、第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体層の窒素組成は第２のＩＩＩ−Ｖ族半導体層の窒素組成と異なる。
【解決手段】アパーチャ２６ａ等のうち開口されたアパーチャを介して窒素フラックスを供給し他の原料フラックスを供給して、第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体層を基板上に堆積する第１の工程と、開口されるアパーチャの数を変更する第２の工程と、第２の工程後に開口されているアパーチャを介して窒素フラックスを供給し他の原料フラックスを供給して、第２のＩＩＩ−Ｖ族半導体層を第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体層上に堆積する第３の工程とを備え、第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体層の窒素組成は第２のＩＩＩ−Ｖ族半導体層の窒素組成と異なる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体層を作製する方法と、量子井戸構造を作製する方法と、窒素源装置とに関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１には、ＧａＮＡｓ半導体の障壁層とＧａＩｎＮＡｓ半導体の井戸層とを有するＩＩＩ−Ｖ族半導体のヘテロ構造（量子井戸構造）が開示されている。そして、室温における波長１．３０８μｍのレーザ光の出力に要する電流密度の閾値は、このようなＧａＮＡｓ半導体の障壁層を有するヘテロ構造の場合に非常に低く、５７０Ａ／ｃｍ２である、と報告されている。
【非特許文献１】H. Shimizu, et al., “Low Threshold GaInNAsSb Quantum Well Lasers”,Novel In-Plane Semiconductor Lasers, Jerry R. Meyer, Claire G. Gmachl, Editors,Proceedings of SPIE, p.26, Vol.4651(2002), DECEMBER 2002
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記のようなヘテロ構造を作製する場合、窒素ラジカルガンの搭載された窒素源装置を備えるＭＢＥ装置（MBE:Molecular Beam Epitaxy）が用いられる。従来の窒素源装置の構造によれば、窒素源装置内におけるプラズマの安定化のために窒素源装置への窒素ガスの流量を一定とするので、窒素源装置からの窒素フラックスも一定となる。しかし、例えば、ＧａＮＡｓ半導体の障壁層の形成後に、この障壁層とは窒素組成の異なるＧａＩｎＮＡｓ半導体の井戸層の形成を行う場合には窒素フラックスの変更が必要となる。この場合、窒素源装置への窒素ガスの流量を変更する必要があり、この変更の度に窒素源装置内のプラズマが安定するのを待たなくてはならない。
【０００４】
そこで本発明の目的は、窒素フラックスの調整が可能な、ＩＩＩ−Ｖ族半導体層を作製する方法と、量子井戸構造を作製する方法と、窒素源装置とを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、互いに窒素組成の異なる複数のＩＩＩ−Ｖ族半導体層を作製する方法であって、窒素と異なる原料フラックスを供給すると共に、基板を搭載するステージと窒素ラジカルガンとの間に設けられた開閉可能な複数のアパーチャのうち開口された一又は複数のアパーチャを介して窒素フラックスを供給して、第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体層を前記基板上に堆積する第１の工程と、前記第１の工程の後、開口するアパーチャの数を変更する第２の工程と、窒素と異なる原料フラックスを供給すると共に、前記第２の工程後に開口されたアパーチャを介して窒素フラックスを供給して、第２のＩＩＩ−Ｖ族半導体層を前記第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体層上に堆積する第３の工程とを備え、前記第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体層の窒素組成は前記第２のＩＩＩ−Ｖ族半導体層の窒素組成と異なる、ことを特徴とする。
【０００６】
本発明の別の側面は、互いに窒素組成の異なる複数のＩＩＩ−Ｖ族半導体層を含む量子井戸構造を作製する方法であって、窒素と異なる原料フラックスを供給すると共に、基板を搭載するステージと窒素ラジカルガンとの間に設けられた開閉可能な複数のアパーチャのうち開口された一又は複数のアパーチャを介して窒素フラックスを供給して、第１の半導体層を前記基板上に堆積する第１の工程と、前記第１の工程の後、開口するアパーチャの数を変更する第２の工程と、窒素と異なる原料フラックスを供給すると共に、前記第２の工程後に開口されたアパーチャを介して窒素フラックスを供給して、第２の半導体層を前記第１の半導体層上に堆積する第３の工程とを備え、前記第１の半導体層及び前記第２の半導体層の一方は、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層であり、他方は、ＧａＮＡｓ障壁層である、ことを特徴とする。
【０００７】
本発明の別の側面は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体の成長に用いる窒素源装置であって、窒素ラジカルを発生するための窒素ラジカルガンと、前記窒素ラジカルガンを収容するハウジングと、前記窒素ラジカルガンの有する窒素ラジカルの出射口に設けられており、複数のアパーチャを有するアパーチャ部材と、前記アパーチャ部材上に設けられており、前記複数のアパーチャのうち少なくとも一のアパーチャを開閉するための開閉シャッタとを備える、ことを特徴とする。
【０００８】
従って、開口するアパーチャの数を変更することにより、窒素ガスの流量を変更することなく窒素フラックスの調整が可能となる。窒素ガスの流量を変更した場合、プラズマの安定化のための時間が必要となるが、本発明によれば、窒素ガスの流量は変更されないので、このような時間が不要となる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、窒素フラックスの調整が可能な、ＩＩＩ−Ｖ族半導体層を作製する方法と、量子井戸構造を作製する方法と、窒素源装置とが提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照して、本発明に係る好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において、可能な場合には、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。図１及び図２を参照して、実施形態に係る分子線結晶成長装置１１の構成と窒素源装置１７の構成とを説明する。分子線結晶成長装置１１は、成長室１３と、一又は複数の粒子ビーム源１５と、窒素源装置１７とを備えるＭＢＥ装置である。成長室１３は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体を成長するために用いられる。各粒子ビーム源１５は、成長室１３に接続されており、ＩＩＩ−Ｖ族半導体を成長するための構成元素を提供する。窒素源装置１７は、成長室１３に接続されている。
【００１１】
窒素源装置１７は、窒素ラジカルガン１９、ハウジング２３、ワイヤ２４ａ、駆動装置２４ｂ、アパーチャ部材２５ａ、開閉シャッタ２５ｂ及びゲートバルブ３９を含む。ハウジング２３は、分子線結晶成長装置１１の成長室１３に設けられた開口２１に接続可能であり、また窒素ラジカルガン１９を収容する。窒素ラジカルガン１９は、ＰＢＮチャンバ（PBN:Pyrolitic Boron Nitride）を有しており、このＰＢＮチャンバにおいて窒素ラジカルを発生する。
【００１２】
アパーチャ部材２５ａは、ＰＢＮから成り、窒素ラジカルを出射するための窒素ラジカルガン１９の出射口１９ａに設けられており、窒素ラジカルガン１９の筐体に支持されている。アパーチャ部材２５ａは、円板状であり、出射口１９ａを覆う。アパーチャ部材２５ａは、アパーチャ部材２５ａを貫通し窒素ラジカルガン１９の内外に通じる複数のアパーチャ（図３（Ｂ）に示す７個のアパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｇ）を有する。窒素ラジカルガン１９の出射口１９ａから出射される窒素ラジカルは、アパーチャ部材２５ａのアパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｇを介して窒素フラックスとなる。
【００１３】
開閉シャッタ２５ｂは、アパーチャ部材２５ａと同様の円板状であり、アパーチャ部材２５ａ上に設けられている。開閉シャッタ２５ｂは、アパーチャ部材２５ａを覆う。開閉シャッタ２５ｂは、開閉シャッタ２５ｂを貫通する複数の開口（図３（Ｃ）に示す７個の開口２７ａ〜開口２７ｇ）を有する。開閉シャッタ２５ｂのこれらの開口２７ａ〜開口２７ｇは、アパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｇを開口可能である。すなわち、開口２７ａ〜開口２７ｇによって開口される（窒素ラジカルガン１９の内外に通じる）アパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｇは、アパーチャ部材２５ａと開閉シャッタ２５ｂとの重なり具合により決まる。この窒素源装置１７では、窒素ラジカルガン１９に供給される窒素ガスの流量を変更することなく、アパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｇのうち開口されるアパーチャの数を変更することによって窒素フラックスを調整する。
【００１４】
なお、開閉シャッタ２５ｂは、アパーチャ部材２５ａ上を移動可能である。開閉シャッタ２５ｂには、ワイヤ２４ａの一端が接続されており、ワイヤ２４ａの他端は、駆動装置２４ｂに接続されている。駆動装置２４ｂは、ワイヤ２４ａを介して、開閉シャッタ２５ｂを移動する。駆動装置２４ｂは、ワイヤ２４ａの調整を、マグネットカップリングを用いて行う。これにより、ハウジング２３の外部からワイヤ２４ａの操作と開閉シャッタ２５ｂの移動とが可能となる。
【００１５】
窒素源装置１７は、窒素ラジカルガン１９を収容するハウジング２３を有する。ハウジング２３は、開口２３ａ及び開口２３ｂを有する。開口２３ａは、配管２９ａ及びバルブ２９ｂを介して原料ボンベ３０に接続されている。開口２３ｂは、ゲートバルブ３１を介して真空排気装置３３に接続されている。真空排気装置３３は、例えばターボ分子ポンプ３５及び粗引きポンプ３７に接続されている。開口２３ａからの窒素ガスは、窒素ラジカルガン１９に提供される。窒素ラジカルガン１９は、窒素ガスから窒素ラジカルを生成する。ハウジング２３内の真空度は、ゲートバルブ３１及び真空排気装置３３を用いて調整される。これにより、ハウジング２３内に、原料ガスのプラズマを生成できる。ハウジング２３内の真空度は、成長室１３の真空度とは独立して変更できる。
【００１６】
ゲートバルブ３９は、ハウジング２３に取り付けられている。ゲートバルブ３９は、ハウジング２３端部の開口に設けられている。ゲートバルブ３９は、アパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｇからの窒素フラックスをハウジング２３内から成長室１３内に導く。
【００１７】
成長室１３内には、ＧａＡｓウエハといった基板を搭載するステージ４１が設けられている。成長室１３の内部を真空排気するために、真空排気ポンプ４３がゲートバルブ４５を介して成長室１３に接続されている。成長室１３には、複数の粒子ビーム源１５ａ〜粒子ビーム源１５ｃが設けられている。粒子ビーム源１５ａ〜粒子ビーム源１５ｃには、分子線を出射するための出射口がそれぞれ設けられており、各出射口はステージ４１に向けられている。窒素源装置１７のゲートバルブ３９（窒素源装置１７の出射口）も同様にステージ４１に向けられている。
【００１８】
粒子ビーム源１５ａ〜粒子ビーム源１５ｃの出射口には、シャッタ板４７ａ〜シャッタ板４７ｃが設けられており、シャッタ板４７ａ〜シャッタ板４７ｃが開口すると、その開口からビームが出射される。また、粒子ビーム源１５ａ〜粒子ビーム源１５ｃは固体原料を加熱するためのヒータが設けられており、このヒータによって粒子ビーム源１５ａ〜粒子ビーム源１５ｃ内の原料が蒸発又は昇華する。このように気化された原料のビームが、粒子ビーム源１５ａ〜粒子ビーム源１５ｃから出射される。
【００１９】
窒素源装置１７は、窒素ラジカルガン１９に設けられた高周波コイルを有する。原料ボンベ３０からの気体原料が、ハウジング２３のキャビティに供給され、その気体原料は、この高周波コイルから放出される高周波エネルギにより励起され、窒素ラジカルが生成される。この窒素ラジカルは、アパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｇ及びゲートバルブ３９を介して窒素フラックスとして出射される。
【００２０】
次に、図３（Ａ）〜図３（Ｃ）を参照してアパーチャ部材２５ａ及び開閉シャッタ２５ｂの構成を説明する。アパーチャ部材２５ａ及び開閉シャッタ２５ｂは、同形状（例えば、円板状）を有している。アパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｇは何れも同形状（例えば、円形）であり、アパーチャ部材２５ａの表面において略均一に配置されている。
【００２１】
開閉シャッタ２５ｂの開口２７ａ〜開口２７ｄは、何れもアパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｄと同様の形状（例えば、円形）を有している。開口２７ａ〜開口２７ｄの開閉シャッタ２５ｂにおける配置と、アパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｄのアパーチャ部材２５ａにおける配置とは同様である。このため、開口２７ａ〜開口２７ｄとアパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｄとは重なり合うことが可能である。すなわち、開口２７ａ〜開口２７ｄは、アパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｄを開口可能である。
【００２２】
開口２７ｅ〜開口２７ｇは、アパーチャ２６ｅ〜アパーチャ２６ｇよりも大きな形状を有している。開口２７ｅ〜開口２７ｇのそれぞれは、同様の例えば楕円形状を有しており、この楕円形状の長軸に沿って二つのアパーチャ（アパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｇと同形状のアパーチャ）を含み得る大きさを有している。開口２７ｅ〜開口２７ｇの長軸（又は短軸）の向きは、全て同じである。
【００２３】
開口２７ｅ〜開口２７ｇは、開口２７ａ〜開口２７ｄとアパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｄとが重なり合うようにアパーチャ部材２５ａと開閉シャッタ２５ｂとが配置されている場合に、アパーチャ２６ｅ〜アパーチャ２６ｇを開口する。よって、開口２７ａ〜開口２７ｄとアパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｄとが重なり合うようにアパーチャ部材２５ａと開閉シャッタ２５ｂとが配置されている場合、アパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｇの全てが開口される。
【００２４】
次に、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）を参照して、開口されるアパーチャの数の変更方法を説明する。まず、アパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｄと、開口２７ａ〜開口２７ｄとが重なり合っている状態、すなわち、アパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｇが全て開口されている状態であるとする（図４（Ａ））。次に、この状態において、ワイヤ２４ａ及び駆動装置２４ｂを用いて、開閉シャッタ２５ｂを、開口２７ｅ〜開口２７ｇの長軸方向に（図中符号Ａ１に示す向きに）移動する（図４（Ｂ））。この場合、ワイヤ２４ａ及び駆動装置２４ｂは、開閉シャッタ２５ｂを、開口２７ｅ〜開口２７ｇの長軸方向に（図中符号Ａ１に示す向きに）移動できる構成となっている。
【００２５】
開閉シャッタ２５ｂの移動量は、アパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｇの直径程度である。この移動により、アパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｄは、開閉シャッタ２５ｂにより閉口される。これに対し、アパーチャ２６ｅ〜アパーチャ２６ｇは、開口２７ｅ〜開口２７ｇ内をそれぞれ移動するだけであり、開閉シャッタ２５ｂの移動前と同様に開口されている。以上のようにして、アパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｇのうち開口されるアパーチャの数が開閉シャッタ２５ｂを用いて変更できる。
【００２６】
なお、開閉シャッタ２５ｂに替えて、図５（Ａ）に示す開閉シャッタ２５ｃを窒素源装置１７に設けてもよい。図５（Ａ）を参照して、開閉シャッタ２５ｃの構成を説明する。開閉シャッタ２５ｃは、開閉シャッタ２５ｃを貫通する開口２８ａ〜開口２８ｇを有する。開口２８ａ〜開口２８ｄは、何れもアパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｄと同様の形状（例えば、円形）を有している。開口２８ａ〜開口２８ｄの開閉シャッタ２５ｃにおける配置と、アパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｄのアパーチャ部材２５ａにおける配置とは同様である。このため、開口２８ａ〜開口２８ｄとアパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｄとは重なり合うことが可能となる。すなわち、開口２８ａ〜開口２８ｄは、アパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｄを開口可能である。
【００２７】
開口２８ｅ〜開口２８ｇは、アパーチャ２６ｅ〜アパーチャ２６ｇよりも大きな形状を有している。開口２８ｅ〜開口２８ｇのそれぞれは、同様の例えば楕円形状を有しており、この楕円形状の長軸に沿って二つのアパーチャ（アパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｇと同形状のアパーチャ）を含み得る大きさを有している。開口２８ｅ〜開口２７ｇの長軸は、開閉シャッタ２５ｃの側面２２（円形の淵）に沿って延びている。
【００２８】
開口２８ｅ〜開口２８ｇは、開口２８ａ〜開口２８ｄとアパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｄとが重なり合うようにアパーチャ部材２５ａと開閉シャッタ２５ｃとが配置されている場合に、アパーチャ２６ｅ〜アパーチャ２６ｇを開口する。よって、開口２８ａ〜開口２８ｄとアパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｄとが重なり合うようにアパーチャ部材２５ａと開閉シャッタ２５ｃとが配置されている場合、アパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｇの全てが開口される。
【００２９】
次に、図５（Ｂ）及び図５（Ｃ）を参照して、開閉シャッタ２５ｃを用いて行われる開口されるアパーチャ数の変更方法を説明する。まず、アパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｄと、開口２８ａ〜開口２８ｄとが重なり合っている状態、すなわち、アパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｇが全て開口されている状態であるとする（図５（Ｂ））。次に、この状態においてワイヤ２４ａ及び駆動装置２４ｂを用いて、開閉シャッタ２５ｃを、開閉シャッタ２５ｃの中心軸の周りに（図中符号Ａ２に示す向きに）回転移動する（図５（Ｃ））。この中心軸は、開閉シャッタ２５ｃに対し垂直に延びる軸である。
【００３０】
また、この場合、ワイヤ２４ａ及び駆動装置２４ｂは、開閉シャッタ２５ｃを、開閉シャッタ２５ｃの中心軸の周りに（図中符号Ａ２に示す向きに）回転移動できる構成となっている。この開閉シャッタ２５ｃの回転による移動量は、アパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｇの直径程度である。この移動により、アパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｄは、開閉シャッタ２５ｃにより閉口される。これに対し、アパーチャ２６ｅ〜アパーチャ２６ｇは、開口２８ｅ〜開口２８ｇ内をそれぞれ移動するだけであり、開閉シャッタ２５ｃの移動前と同様に開口されている。以上のようにして、アパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｇのうち開口されるアパーチャの数が開閉シャッタ２５ｃを用いて変更できる。
【００３１】
次に、分子線結晶成長装置１１を用いた半導体レーザの作成方法を説明する。以下、図６（Ａ）に示す半導体レーザ７０を、分子線結晶成長装置１１を用いて作製する場合について説明する。まず、第１導電型の半導体ウエハ６１上に、第１導電型のバッファ膜６３を堆積する。バッファ膜６３上に、第１導電型のクラッド膜６５を堆積する。クラッド膜６５上に、活性領域６７を形成する。活性領域６７は、複数の窒化物半導体の層（例えば、図６（Ｂ）に示すｕｄ−ＧａＡｓ半導体６７ａ〜ｕｄ−ＧａＡｓ半導体６７ｆ）から成る量子井戸構造を有する。活性領域６７の作製方法については、後に詳述する。
【００３２】
活性領域６７上に、第２導電型のクラッド膜６９を堆積する。クラッド膜６９上に、第２導電型のコンタクト膜７１を堆積する。これらの工程により、半導体レーザ７０の結晶成長工程が完了する。この結晶成長工程の後、アノード電極及びカソード電極を形成する。半導体レーザ７０の構造の一例は下記のものである。
半導体ウエハ６１：ｎ型ＧａＡｓウエハ
バッファ膜６３：ｎ型ＧａＡｓ
クラッド膜６５：ｎ型ＡｌＧａＡｓ
活性領域６７：ＧａＡｓ光閉じ込め層を含む量子井戸構造
クラッド膜６９：ｐ型ＡｌＧａＡｓ
コンタクト膜７１：ｐ型ＧａＡｓ
【００３３】
次に、図６及び図７を参照して、分子線結晶成長装置１１を用いた活性領域６７の作製方法を説明する。活性領域６７は、Ｖ族として窒素を含むＩＩＩ−Ｖ族半導体の層を有するヘテロ構造（多重量子井戸構造）を有する。まず、開閉シャッタ２５ｂ（又は開閉シャッタ２５ｃ）とワイヤ２４ａ及び駆動装置２４ｂとを用いて、アパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｇの全てを閉口する。なお、以下においては、開閉シャッタ２５ｂが用いられている場合について説明するが、開閉シャッタ２５ｃが用いられている場合であっても同様である。そして、所定の時刻ｔ１において窒素源装置１７のゲートバルブ３９を開く。なお、以下に示す時刻ｔ１から時刻ｔ７に至る期間中、原料ボンベ３０から窒素源装置１７に供給する窒素ガスの流量は一定に保持される。
【００３４】
時刻ｔ１から時刻ｔ２に至る期間において、粒子ビーム源１５から原料フラックスを供給し、ｕｄ−ＧａＡｓ半導体６７ａといった化合物半導体層をクラッド膜６５上に１００ｎｍ程度成長する。時刻ｔ２において、ワイヤ２４ａ及び駆動装置２４ｂを用いて、アパーチャ部材２５ａ上において開閉シャッタ２５ｂを移動し、アパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｇのうちＮ１個のアパーチャを開口する。
【００３５】
時刻ｔ２から時刻ｔ３に至る期間において、開口されたＮ１個のアパーチャを介して窒素フラックスを供給すると共に粒子ビーム源１５から他の原料フラックスを供給し、ＧａＩｎＮＡｓ半導体６７ｂといった第１のＩＩＩ−Ｖ窒化合物半導体層をｕｄ−ＧａＡｓ半導体６７ａといった化合物半導体層上に７ｎｍ程度成長する（ステップＳ１、第１の工程）。時刻ｔ３において、ワイヤ２４ａ及び駆動装置２４ｂを用いて、アパーチャ部材２５ａ上において開閉シャッタ２５ｂを移動し、アパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｇのうち開口されるアパーチャ数をＮ１個からＮ２個に変更する（ステップＳ２、第２の工程）。時刻ｔ３から時刻ｔ４に至る期間において、開口されたＮ２個のアパーチャを介して窒素フラックスを供給すると共に粒子ビーム源１５から他の原料フラックスを供給し、ｕｄ−ＧａＮＡｓ半導体６７ｃといった第２のＩＩＩ−Ｖ族半導体層をＧａＩｎＮＡｓ半導体６７ｂといった第１のＩＩＩ−Ｖ窒化合物半導体層上に１０ｎｍ程度成長する（ステップＳ３、第３の工程）。
【００３６】
時刻ｔ４において、ワイヤ２４ａ及び駆動装置２４ｂを用いて、アパーチャ部材２５ａ上において開閉シャッタ２５ｂを移動し、アパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｇのうち開口されるアパーチャ数をＮ２個からＮ１個に変更する。時刻ｔ４から時刻ｔ５に至る期間において、ステップＳ１と同様の処理により、ＧａＩｎＮＡｓ半導体６７ｄといったＩＩＩ−Ｖ族半導体層を、ｕｄ−ＧａＮＡｓ半導体６７ｃといった第２のＩＩＩ−Ｖ族半導体層上に７ｎｍ程度成長する。時刻ｔ５において、ステップＳ２と同様の処理により、アパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｇのうち開口されるアパーチャ数をＮ１個からＮ２個に変更する。時刻ｔ５から時刻ｔ６に至る期間において、ステップＳ３と同様の処理により、ｕｄ−ＧａＮＡｓ半導体６７ｅといったＩＩＩ−Ｖ族半導体層を、ＧａＩｎＮＡｓ半導体６７ｄといったＩＩＩ−Ｖ族半導体層上に１０ｎｍ程度成長する。
【００３７】
時刻ｔ６において、ワイヤ２４ａ及び駆動装置２４ｂを用いて、アパーチャ部材２５ａ上において開閉シャッタ２５ｂを移動し、アパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｇの全てを閉口する。時刻ｔ６から時刻ｔ７に至る期間において、粒子ビーム源１５から原料フラックスを供給し、ｕｄ−ＧａＡｓ半導体６７ｆといった化合物半導体層を、ｕｄ−ＧａＮＡｓ半導体６７ｅといったＩＩＩ−Ｖ族半導体層上に１００ｎｍ程度成長する。以上の工程では、ヘテロ構造（多重量子井戸構造）を有する活性領域６７が形成される。
【００３８】
以上の工程において、窒素源装置１７に供給する窒素ガスの流量を変更することなく、開閉シャッタ２５ｂを用いて、開口されるアパーチャの数を変更することにより、窒素フラックスの調整が可能となる。開閉シャッタ２５ｂの移動は、ワイヤ２４ａ及び駆動装置２４ｂを用いて比較的短時間（数秒程度）で行えるので結晶の成長中断が不要となり、この結果、活性領域６７のヘテロ構造の界面は急峻に且つ制御性良く窒素組成が制御される。よって、良好なヘテロ構造の界面が形成される。そして、歪補償や変調特性等に応じて量子井戸のバンド構造を比較的自由に設計可能となる。このように、分子線結晶成長装置１１を用いて作製された半導体レーザの特性は向上される。
【００３９】
次に、開口されたアパーチャの数と、ＩＩＩ−Ｖ族半導体中の窒素組成との関係について説明する。例えば、ＲＦパワーが３００Ｗ、窒素ガスの流量が０．２ｓｃｃｍ、ＧａＡｓ半導体の成長速度が１．４μｍ／ｈという条件のもとで、アパーチャ部材２５ａ及び開閉シャッタ２５ｂを用いてＧａＮＡｓ半導体を成長させた場合について説明する。図４（Ａ）に示すようにアパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｇのうち開口されたアパーチャの数が「７」の場合、成長後のＧａＮＡｓ半導体における窒素組成は０．３６％であり、図４（Ｂ）に示すようにアパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｇのうち開口されたアパーチャの数が「３」の場合、成長後のＧａＮＡｓ半導体における窒素組成は０．２％であった。このように、開口されたアパーチャの数を変更することにより、窒素組成の変更が可能となり、窒素組成（％）は、開口されたアパーチャの数に概ね比例する。
【００４０】
以上、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。例えば、アパーチャ２６ａ等の数及び形状は、図３等に示すものに限らない。また、開口２７ｅ〜開口２７ｇ及び開口２８ａ〜開口２８ｇの形状は、楕円形としたが、他の形状であってもよい。このように、開閉シャッタ２５ｂや開閉シャッタ２５ｃの開口の数や形状を工夫することによって、開閉シャッタ２５ｂや開閉シャッタ２５ｃにより開閉されるアパーチャの数を種々に設定できる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】実施形態に係る分子線結晶成長装置の構成を示す図である。
【図２】実施形態に係る窒素源装置の構成を示す図である。
【図３】実施形態に係るアパーチャ部材及び開閉シャッタの構成を示す図である。
【図４】実施形態に係る開口されるアパーチャの数の変更方法を説明するための図である。
【図５】実施形態に係る他の開閉シャッタの構成を示す図である。
【図６】実施形態に係る製造方法により製造される半導体レーザの構成を示す図である。
【図７】実施形態に係る製造方法を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００４２】
１１…分子線結晶成長装置、１３…成長室、１５，１５ａ，１５ｂ，１５ｃ…粒子ビーム源、１７…窒素源装置、１９…窒素ラジカルガン、１９ａ…出射口、２１，２３ａ，２３ｂ…開口、２２…側面、２３…ハウジング、２４ａ…ワイヤ、２４ｂ…駆動装置、２５ａ…アパーチャ部材、２５ｂ，２５ｃ…開閉シャッタ、２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，２６ｅ，２６ｆ，２６ｇ…アパーチャ、２７ａ，２７ｂ，２７ｃ，２７ｄ，２７ｅ，２７ｆ，２７ｇ，２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄ，２８ｅ，２８ｆ，２８ｇ、５１ａ…開口、２９ａ…配管、２９ｂ…バルブ、３０…原料ボンベ、３１…ゲートバルブ、３３…真空排気装置、３５…ターボ分子ポンプ、３７…粗引きポンプ、３９…ゲートバルブ、４１…ステージ、４３…真空排気ポンプ、４５…ゲートバルブ、４７ａ，４７ｂ，４７ｃ…シャッタ板、５１…ベース、６１…半導体ウエハ、６３…バッファ膜、６５…クラッド膜、６７…活性領域、６７ｅ…ｕｄ−ＧａＮＡｓ半導体、６７ｆ…ｕｄ−ＧａＡｓ半導体、６７ａ…ｕｄ−ＧａＡｓ半導体、６７ｃ…ｕｄ−ＧａＮＡｓ半導体、６７ｄ…ＧａＩｎＮＡｓ半導体、６７ｂ…ＧａＩｎＮＡｓ半導体、６９…クラッド膜、７０…半導体レーザ、７１…コンタクト膜
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体層を作製する方法と、量子井戸構造を作製する方法と、窒素源装置とに関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１には、ＧａＮＡｓ半導体の障壁層とＧａＩｎＮＡｓ半導体の井戸層とを有するＩＩＩ−Ｖ族半導体のヘテロ構造（量子井戸構造）が開示されている。そして、室温における波長１．３０８μｍのレーザ光の出力に要する電流密度の閾値は、このようなＧａＮＡｓ半導体の障壁層を有するヘテロ構造の場合に非常に低く、５７０Ａ／ｃｍ２である、と報告されている。
【非特許文献１】H. Shimizu, et al., “Low Threshold GaInNAsSb Quantum Well Lasers”,Novel In-Plane Semiconductor Lasers, Jerry R. Meyer, Claire G. Gmachl, Editors,Proceedings of SPIE, p.26, Vol.4651(2002), DECEMBER 2002
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記のようなヘテロ構造を作製する場合、窒素ラジカルガンの搭載された窒素源装置を備えるＭＢＥ装置（MBE:Molecular Beam Epitaxy）が用いられる。従来の窒素源装置の構造によれば、窒素源装置内におけるプラズマの安定化のために窒素源装置への窒素ガスの流量を一定とするので、窒素源装置からの窒素フラックスも一定となる。しかし、例えば、ＧａＮＡｓ半導体の障壁層の形成後に、この障壁層とは窒素組成の異なるＧａＩｎＮＡｓ半導体の井戸層の形成を行う場合には窒素フラックスの変更が必要となる。この場合、窒素源装置への窒素ガスの流量を変更する必要があり、この変更の度に窒素源装置内のプラズマが安定するのを待たなくてはならない。
【０００４】
そこで本発明の目的は、窒素フラックスの調整が可能な、ＩＩＩ−Ｖ族半導体層を作製する方法と、量子井戸構造を作製する方法と、窒素源装置とを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、互いに窒素組成の異なる複数のＩＩＩ−Ｖ族半導体層を作製する方法であって、窒素と異なる原料フラックスを供給すると共に、基板を搭載するステージと窒素ラジカルガンとの間に設けられた開閉可能な複数のアパーチャのうち開口された一又は複数のアパーチャを介して窒素フラックスを供給して、第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体層を前記基板上に堆積する第１の工程と、前記第１の工程の後、開口するアパーチャの数を変更する第２の工程と、窒素と異なる原料フラックスを供給すると共に、前記第２の工程後に開口されたアパーチャを介して窒素フラックスを供給して、第２のＩＩＩ−Ｖ族半導体層を前記第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体層上に堆積する第３の工程とを備え、前記第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体層の窒素組成は前記第２のＩＩＩ−Ｖ族半導体層の窒素組成と異なる、ことを特徴とする。
【０００６】
本発明の別の側面は、互いに窒素組成の異なる複数のＩＩＩ−Ｖ族半導体層を含む量子井戸構造を作製する方法であって、窒素と異なる原料フラックスを供給すると共に、基板を搭載するステージと窒素ラジカルガンとの間に設けられた開閉可能な複数のアパーチャのうち開口された一又は複数のアパーチャを介して窒素フラックスを供給して、第１の半導体層を前記基板上に堆積する第１の工程と、前記第１の工程の後、開口するアパーチャの数を変更する第２の工程と、窒素と異なる原料フラックスを供給すると共に、前記第２の工程後に開口されたアパーチャを介して窒素フラックスを供給して、第２の半導体層を前記第１の半導体層上に堆積する第３の工程とを備え、前記第１の半導体層及び前記第２の半導体層の一方は、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層であり、他方は、ＧａＮＡｓ障壁層である、ことを特徴とする。
【０００７】
本発明の別の側面は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体の成長に用いる窒素源装置であって、窒素ラジカルを発生するための窒素ラジカルガンと、前記窒素ラジカルガンを収容するハウジングと、前記窒素ラジカルガンの有する窒素ラジカルの出射口に設けられており、複数のアパーチャを有するアパーチャ部材と、前記アパーチャ部材上に設けられており、前記複数のアパーチャのうち少なくとも一のアパーチャを開閉するための開閉シャッタとを備える、ことを特徴とする。
【０００８】
従って、開口するアパーチャの数を変更することにより、窒素ガスの流量を変更することなく窒素フラックスの調整が可能となる。窒素ガスの流量を変更した場合、プラズマの安定化のための時間が必要となるが、本発明によれば、窒素ガスの流量は変更されないので、このような時間が不要となる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、窒素フラックスの調整が可能な、ＩＩＩ−Ｖ族半導体層を作製する方法と、量子井戸構造を作製する方法と、窒素源装置とが提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照して、本発明に係る好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において、可能な場合には、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。図１及び図２を参照して、実施形態に係る分子線結晶成長装置１１の構成と窒素源装置１７の構成とを説明する。分子線結晶成長装置１１は、成長室１３と、一又は複数の粒子ビーム源１５と、窒素源装置１７とを備えるＭＢＥ装置である。成長室１３は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体を成長するために用いられる。各粒子ビーム源１５は、成長室１３に接続されており、ＩＩＩ−Ｖ族半導体を成長するための構成元素を提供する。窒素源装置１７は、成長室１３に接続されている。
【００１１】
窒素源装置１７は、窒素ラジカルガン１９、ハウジング２３、ワイヤ２４ａ、駆動装置２４ｂ、アパーチャ部材２５ａ、開閉シャッタ２５ｂ及びゲートバルブ３９を含む。ハウジング２３は、分子線結晶成長装置１１の成長室１３に設けられた開口２１に接続可能であり、また窒素ラジカルガン１９を収容する。窒素ラジカルガン１９は、ＰＢＮチャンバ（PBN:Pyrolitic Boron Nitride）を有しており、このＰＢＮチャンバにおいて窒素ラジカルを発生する。
【００１２】
アパーチャ部材２５ａは、ＰＢＮから成り、窒素ラジカルを出射するための窒素ラジカルガン１９の出射口１９ａに設けられており、窒素ラジカルガン１９の筐体に支持されている。アパーチャ部材２５ａは、円板状であり、出射口１９ａを覆う。アパーチャ部材２５ａは、アパーチャ部材２５ａを貫通し窒素ラジカルガン１９の内外に通じる複数のアパーチャ（図３（Ｂ）に示す７個のアパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｇ）を有する。窒素ラジカルガン１９の出射口１９ａから出射される窒素ラジカルは、アパーチャ部材２５ａのアパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｇを介して窒素フラックスとなる。
【００１３】
開閉シャッタ２５ｂは、アパーチャ部材２５ａと同様の円板状であり、アパーチャ部材２５ａ上に設けられている。開閉シャッタ２５ｂは、アパーチャ部材２５ａを覆う。開閉シャッタ２５ｂは、開閉シャッタ２５ｂを貫通する複数の開口（図３（Ｃ）に示す７個の開口２７ａ〜開口２７ｇ）を有する。開閉シャッタ２５ｂのこれらの開口２７ａ〜開口２７ｇは、アパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｇを開口可能である。すなわち、開口２７ａ〜開口２７ｇによって開口される（窒素ラジカルガン１９の内外に通じる）アパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｇは、アパーチャ部材２５ａと開閉シャッタ２５ｂとの重なり具合により決まる。この窒素源装置１７では、窒素ラジカルガン１９に供給される窒素ガスの流量を変更することなく、アパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｇのうち開口されるアパーチャの数を変更することによって窒素フラックスを調整する。
【００１４】
なお、開閉シャッタ２５ｂは、アパーチャ部材２５ａ上を移動可能である。開閉シャッタ２５ｂには、ワイヤ２４ａの一端が接続されており、ワイヤ２４ａの他端は、駆動装置２４ｂに接続されている。駆動装置２４ｂは、ワイヤ２４ａを介して、開閉シャッタ２５ｂを移動する。駆動装置２４ｂは、ワイヤ２４ａの調整を、マグネットカップリングを用いて行う。これにより、ハウジング２３の外部からワイヤ２４ａの操作と開閉シャッタ２５ｂの移動とが可能となる。
【００１５】
窒素源装置１７は、窒素ラジカルガン１９を収容するハウジング２３を有する。ハウジング２３は、開口２３ａ及び開口２３ｂを有する。開口２３ａは、配管２９ａ及びバルブ２９ｂを介して原料ボンベ３０に接続されている。開口２３ｂは、ゲートバルブ３１を介して真空排気装置３３に接続されている。真空排気装置３３は、例えばターボ分子ポンプ３５及び粗引きポンプ３７に接続されている。開口２３ａからの窒素ガスは、窒素ラジカルガン１９に提供される。窒素ラジカルガン１９は、窒素ガスから窒素ラジカルを生成する。ハウジング２３内の真空度は、ゲートバルブ３１及び真空排気装置３３を用いて調整される。これにより、ハウジング２３内に、原料ガスのプラズマを生成できる。ハウジング２３内の真空度は、成長室１３の真空度とは独立して変更できる。
【００１６】
ゲートバルブ３９は、ハウジング２３に取り付けられている。ゲートバルブ３９は、ハウジング２３端部の開口に設けられている。ゲートバルブ３９は、アパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｇからの窒素フラックスをハウジング２３内から成長室１３内に導く。
【００１７】
成長室１３内には、ＧａＡｓウエハといった基板を搭載するステージ４１が設けられている。成長室１３の内部を真空排気するために、真空排気ポンプ４３がゲートバルブ４５を介して成長室１３に接続されている。成長室１３には、複数の粒子ビーム源１５ａ〜粒子ビーム源１５ｃが設けられている。粒子ビーム源１５ａ〜粒子ビーム源１５ｃには、分子線を出射するための出射口がそれぞれ設けられており、各出射口はステージ４１に向けられている。窒素源装置１７のゲートバルブ３９（窒素源装置１７の出射口）も同様にステージ４１に向けられている。
【００１８】
粒子ビーム源１５ａ〜粒子ビーム源１５ｃの出射口には、シャッタ板４７ａ〜シャッタ板４７ｃが設けられており、シャッタ板４７ａ〜シャッタ板４７ｃが開口すると、その開口からビームが出射される。また、粒子ビーム源１５ａ〜粒子ビーム源１５ｃは固体原料を加熱するためのヒータが設けられており、このヒータによって粒子ビーム源１５ａ〜粒子ビーム源１５ｃ内の原料が蒸発又は昇華する。このように気化された原料のビームが、粒子ビーム源１５ａ〜粒子ビーム源１５ｃから出射される。
【００１９】
窒素源装置１７は、窒素ラジカルガン１９に設けられた高周波コイルを有する。原料ボンベ３０からの気体原料が、ハウジング２３のキャビティに供給され、その気体原料は、この高周波コイルから放出される高周波エネルギにより励起され、窒素ラジカルが生成される。この窒素ラジカルは、アパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｇ及びゲートバルブ３９を介して窒素フラックスとして出射される。
【００２０】
次に、図３（Ａ）〜図３（Ｃ）を参照してアパーチャ部材２５ａ及び開閉シャッタ２５ｂの構成を説明する。アパーチャ部材２５ａ及び開閉シャッタ２５ｂは、同形状（例えば、円板状）を有している。アパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｇは何れも同形状（例えば、円形）であり、アパーチャ部材２５ａの表面において略均一に配置されている。
【００２１】
開閉シャッタ２５ｂの開口２７ａ〜開口２７ｄは、何れもアパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｄと同様の形状（例えば、円形）を有している。開口２７ａ〜開口２７ｄの開閉シャッタ２５ｂにおける配置と、アパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｄのアパーチャ部材２５ａにおける配置とは同様である。このため、開口２７ａ〜開口２７ｄとアパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｄとは重なり合うことが可能である。すなわち、開口２７ａ〜開口２７ｄは、アパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｄを開口可能である。
【００２２】
開口２７ｅ〜開口２７ｇは、アパーチャ２６ｅ〜アパーチャ２６ｇよりも大きな形状を有している。開口２７ｅ〜開口２７ｇのそれぞれは、同様の例えば楕円形状を有しており、この楕円形状の長軸に沿って二つのアパーチャ（アパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｇと同形状のアパーチャ）を含み得る大きさを有している。開口２７ｅ〜開口２７ｇの長軸（又は短軸）の向きは、全て同じである。
【００２３】
開口２７ｅ〜開口２７ｇは、開口２７ａ〜開口２７ｄとアパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｄとが重なり合うようにアパーチャ部材２５ａと開閉シャッタ２５ｂとが配置されている場合に、アパーチャ２６ｅ〜アパーチャ２６ｇを開口する。よって、開口２７ａ〜開口２７ｄとアパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｄとが重なり合うようにアパーチャ部材２５ａと開閉シャッタ２５ｂとが配置されている場合、アパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｇの全てが開口される。
【００２４】
次に、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）を参照して、開口されるアパーチャの数の変更方法を説明する。まず、アパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｄと、開口２７ａ〜開口２７ｄとが重なり合っている状態、すなわち、アパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｇが全て開口されている状態であるとする（図４（Ａ））。次に、この状態において、ワイヤ２４ａ及び駆動装置２４ｂを用いて、開閉シャッタ２５ｂを、開口２７ｅ〜開口２７ｇの長軸方向に（図中符号Ａ１に示す向きに）移動する（図４（Ｂ））。この場合、ワイヤ２４ａ及び駆動装置２４ｂは、開閉シャッタ２５ｂを、開口２７ｅ〜開口２７ｇの長軸方向に（図中符号Ａ１に示す向きに）移動できる構成となっている。
【００２５】
開閉シャッタ２５ｂの移動量は、アパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｇの直径程度である。この移動により、アパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｄは、開閉シャッタ２５ｂにより閉口される。これに対し、アパーチャ２６ｅ〜アパーチャ２６ｇは、開口２７ｅ〜開口２７ｇ内をそれぞれ移動するだけであり、開閉シャッタ２５ｂの移動前と同様に開口されている。以上のようにして、アパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｇのうち開口されるアパーチャの数が開閉シャッタ２５ｂを用いて変更できる。
【００２６】
なお、開閉シャッタ２５ｂに替えて、図５（Ａ）に示す開閉シャッタ２５ｃを窒素源装置１７に設けてもよい。図５（Ａ）を参照して、開閉シャッタ２５ｃの構成を説明する。開閉シャッタ２５ｃは、開閉シャッタ２５ｃを貫通する開口２８ａ〜開口２８ｇを有する。開口２８ａ〜開口２８ｄは、何れもアパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｄと同様の形状（例えば、円形）を有している。開口２８ａ〜開口２８ｄの開閉シャッタ２５ｃにおける配置と、アパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｄのアパーチャ部材２５ａにおける配置とは同様である。このため、開口２８ａ〜開口２８ｄとアパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｄとは重なり合うことが可能となる。すなわち、開口２８ａ〜開口２８ｄは、アパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｄを開口可能である。
【００２７】
開口２８ｅ〜開口２８ｇは、アパーチャ２６ｅ〜アパーチャ２６ｇよりも大きな形状を有している。開口２８ｅ〜開口２８ｇのそれぞれは、同様の例えば楕円形状を有しており、この楕円形状の長軸に沿って二つのアパーチャ（アパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｇと同形状のアパーチャ）を含み得る大きさを有している。開口２８ｅ〜開口２７ｇの長軸は、開閉シャッタ２５ｃの側面２２（円形の淵）に沿って延びている。
【００２８】
開口２８ｅ〜開口２８ｇは、開口２８ａ〜開口２８ｄとアパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｄとが重なり合うようにアパーチャ部材２５ａと開閉シャッタ２５ｃとが配置されている場合に、アパーチャ２６ｅ〜アパーチャ２６ｇを開口する。よって、開口２８ａ〜開口２８ｄとアパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｄとが重なり合うようにアパーチャ部材２５ａと開閉シャッタ２５ｃとが配置されている場合、アパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｇの全てが開口される。
【００２９】
次に、図５（Ｂ）及び図５（Ｃ）を参照して、開閉シャッタ２５ｃを用いて行われる開口されるアパーチャ数の変更方法を説明する。まず、アパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｄと、開口２８ａ〜開口２８ｄとが重なり合っている状態、すなわち、アパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｇが全て開口されている状態であるとする（図５（Ｂ））。次に、この状態においてワイヤ２４ａ及び駆動装置２４ｂを用いて、開閉シャッタ２５ｃを、開閉シャッタ２５ｃの中心軸の周りに（図中符号Ａ２に示す向きに）回転移動する（図５（Ｃ））。この中心軸は、開閉シャッタ２５ｃに対し垂直に延びる軸である。
【００３０】
また、この場合、ワイヤ２４ａ及び駆動装置２４ｂは、開閉シャッタ２５ｃを、開閉シャッタ２５ｃの中心軸の周りに（図中符号Ａ２に示す向きに）回転移動できる構成となっている。この開閉シャッタ２５ｃの回転による移動量は、アパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｇの直径程度である。この移動により、アパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｄは、開閉シャッタ２５ｃにより閉口される。これに対し、アパーチャ２６ｅ〜アパーチャ２６ｇは、開口２８ｅ〜開口２８ｇ内をそれぞれ移動するだけであり、開閉シャッタ２５ｃの移動前と同様に開口されている。以上のようにして、アパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｇのうち開口されるアパーチャの数が開閉シャッタ２５ｃを用いて変更できる。
【００３１】
次に、分子線結晶成長装置１１を用いた半導体レーザの作成方法を説明する。以下、図６（Ａ）に示す半導体レーザ７０を、分子線結晶成長装置１１を用いて作製する場合について説明する。まず、第１導電型の半導体ウエハ６１上に、第１導電型のバッファ膜６３を堆積する。バッファ膜６３上に、第１導電型のクラッド膜６５を堆積する。クラッド膜６５上に、活性領域６７を形成する。活性領域６７は、複数の窒化物半導体の層（例えば、図６（Ｂ）に示すｕｄ−ＧａＡｓ半導体６７ａ〜ｕｄ−ＧａＡｓ半導体６７ｆ）から成る量子井戸構造を有する。活性領域６７の作製方法については、後に詳述する。
【００３２】
活性領域６７上に、第２導電型のクラッド膜６９を堆積する。クラッド膜６９上に、第２導電型のコンタクト膜７１を堆積する。これらの工程により、半導体レーザ７０の結晶成長工程が完了する。この結晶成長工程の後、アノード電極及びカソード電極を形成する。半導体レーザ７０の構造の一例は下記のものである。
半導体ウエハ６１：ｎ型ＧａＡｓウエハ
バッファ膜６３：ｎ型ＧａＡｓ
クラッド膜６５：ｎ型ＡｌＧａＡｓ
活性領域６７：ＧａＡｓ光閉じ込め層を含む量子井戸構造
クラッド膜６９：ｐ型ＡｌＧａＡｓ
コンタクト膜７１：ｐ型ＧａＡｓ
【００３３】
次に、図６及び図７を参照して、分子線結晶成長装置１１を用いた活性領域６７の作製方法を説明する。活性領域６７は、Ｖ族として窒素を含むＩＩＩ−Ｖ族半導体の層を有するヘテロ構造（多重量子井戸構造）を有する。まず、開閉シャッタ２５ｂ（又は開閉シャッタ２５ｃ）とワイヤ２４ａ及び駆動装置２４ｂとを用いて、アパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｇの全てを閉口する。なお、以下においては、開閉シャッタ２５ｂが用いられている場合について説明するが、開閉シャッタ２５ｃが用いられている場合であっても同様である。そして、所定の時刻ｔ１において窒素源装置１７のゲートバルブ３９を開く。なお、以下に示す時刻ｔ１から時刻ｔ７に至る期間中、原料ボンベ３０から窒素源装置１７に供給する窒素ガスの流量は一定に保持される。
【００３４】
時刻ｔ１から時刻ｔ２に至る期間において、粒子ビーム源１５から原料フラックスを供給し、ｕｄ−ＧａＡｓ半導体６７ａといった化合物半導体層をクラッド膜６５上に１００ｎｍ程度成長する。時刻ｔ２において、ワイヤ２４ａ及び駆動装置２４ｂを用いて、アパーチャ部材２５ａ上において開閉シャッタ２５ｂを移動し、アパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｇのうちＮ１個のアパーチャを開口する。
【００３５】
時刻ｔ２から時刻ｔ３に至る期間において、開口されたＮ１個のアパーチャを介して窒素フラックスを供給すると共に粒子ビーム源１５から他の原料フラックスを供給し、ＧａＩｎＮＡｓ半導体６７ｂといった第１のＩＩＩ−Ｖ窒化合物半導体層をｕｄ−ＧａＡｓ半導体６７ａといった化合物半導体層上に７ｎｍ程度成長する（ステップＳ１、第１の工程）。時刻ｔ３において、ワイヤ２４ａ及び駆動装置２４ｂを用いて、アパーチャ部材２５ａ上において開閉シャッタ２５ｂを移動し、アパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｇのうち開口されるアパーチャ数をＮ１個からＮ２個に変更する（ステップＳ２、第２の工程）。時刻ｔ３から時刻ｔ４に至る期間において、開口されたＮ２個のアパーチャを介して窒素フラックスを供給すると共に粒子ビーム源１５から他の原料フラックスを供給し、ｕｄ−ＧａＮＡｓ半導体６７ｃといった第２のＩＩＩ−Ｖ族半導体層をＧａＩｎＮＡｓ半導体６７ｂといった第１のＩＩＩ−Ｖ窒化合物半導体層上に１０ｎｍ程度成長する（ステップＳ３、第３の工程）。
【００３６】
時刻ｔ４において、ワイヤ２４ａ及び駆動装置２４ｂを用いて、アパーチャ部材２５ａ上において開閉シャッタ２５ｂを移動し、アパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｇのうち開口されるアパーチャ数をＮ２個からＮ１個に変更する。時刻ｔ４から時刻ｔ５に至る期間において、ステップＳ１と同様の処理により、ＧａＩｎＮＡｓ半導体６７ｄといったＩＩＩ−Ｖ族半導体層を、ｕｄ−ＧａＮＡｓ半導体６７ｃといった第２のＩＩＩ−Ｖ族半導体層上に７ｎｍ程度成長する。時刻ｔ５において、ステップＳ２と同様の処理により、アパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｇのうち開口されるアパーチャ数をＮ１個からＮ２個に変更する。時刻ｔ５から時刻ｔ６に至る期間において、ステップＳ３と同様の処理により、ｕｄ−ＧａＮＡｓ半導体６７ｅといったＩＩＩ−Ｖ族半導体層を、ＧａＩｎＮＡｓ半導体６７ｄといったＩＩＩ−Ｖ族半導体層上に１０ｎｍ程度成長する。
【００３７】
時刻ｔ６において、ワイヤ２４ａ及び駆動装置２４ｂを用いて、アパーチャ部材２５ａ上において開閉シャッタ２５ｂを移動し、アパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｇの全てを閉口する。時刻ｔ６から時刻ｔ７に至る期間において、粒子ビーム源１５から原料フラックスを供給し、ｕｄ−ＧａＡｓ半導体６７ｆといった化合物半導体層を、ｕｄ−ＧａＮＡｓ半導体６７ｅといったＩＩＩ−Ｖ族半導体層上に１００ｎｍ程度成長する。以上の工程では、ヘテロ構造（多重量子井戸構造）を有する活性領域６７が形成される。
【００３８】
以上の工程において、窒素源装置１７に供給する窒素ガスの流量を変更することなく、開閉シャッタ２５ｂを用いて、開口されるアパーチャの数を変更することにより、窒素フラックスの調整が可能となる。開閉シャッタ２５ｂの移動は、ワイヤ２４ａ及び駆動装置２４ｂを用いて比較的短時間（数秒程度）で行えるので結晶の成長中断が不要となり、この結果、活性領域６７のヘテロ構造の界面は急峻に且つ制御性良く窒素組成が制御される。よって、良好なヘテロ構造の界面が形成される。そして、歪補償や変調特性等に応じて量子井戸のバンド構造を比較的自由に設計可能となる。このように、分子線結晶成長装置１１を用いて作製された半導体レーザの特性は向上される。
【００３９】
次に、開口されたアパーチャの数と、ＩＩＩ−Ｖ族半導体中の窒素組成との関係について説明する。例えば、ＲＦパワーが３００Ｗ、窒素ガスの流量が０．２ｓｃｃｍ、ＧａＡｓ半導体の成長速度が１．４μｍ／ｈという条件のもとで、アパーチャ部材２５ａ及び開閉シャッタ２５ｂを用いてＧａＮＡｓ半導体を成長させた場合について説明する。図４（Ａ）に示すようにアパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｇのうち開口されたアパーチャの数が「７」の場合、成長後のＧａＮＡｓ半導体における窒素組成は０．３６％であり、図４（Ｂ）に示すようにアパーチャ２６ａ〜アパーチャ２６ｇのうち開口されたアパーチャの数が「３」の場合、成長後のＧａＮＡｓ半導体における窒素組成は０．２％であった。このように、開口されたアパーチャの数を変更することにより、窒素組成の変更が可能となり、窒素組成（％）は、開口されたアパーチャの数に概ね比例する。
【００４０】
以上、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。例えば、アパーチャ２６ａ等の数及び形状は、図３等に示すものに限らない。また、開口２７ｅ〜開口２７ｇ及び開口２８ａ〜開口２８ｇの形状は、楕円形としたが、他の形状であってもよい。このように、開閉シャッタ２５ｂや開閉シャッタ２５ｃの開口の数や形状を工夫することによって、開閉シャッタ２５ｂや開閉シャッタ２５ｃにより開閉されるアパーチャの数を種々に設定できる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】実施形態に係る分子線結晶成長装置の構成を示す図である。
【図２】実施形態に係る窒素源装置の構成を示す図である。
【図３】実施形態に係るアパーチャ部材及び開閉シャッタの構成を示す図である。
【図４】実施形態に係る開口されるアパーチャの数の変更方法を説明するための図である。
【図５】実施形態に係る他の開閉シャッタの構成を示す図である。
【図６】実施形態に係る製造方法により製造される半導体レーザの構成を示す図である。
【図７】実施形態に係る製造方法を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００４２】
１１…分子線結晶成長装置、１３…成長室、１５，１５ａ，１５ｂ，１５ｃ…粒子ビーム源、１７…窒素源装置、１９…窒素ラジカルガン、１９ａ…出射口、２１，２３ａ，２３ｂ…開口、２２…側面、２３…ハウジング、２４ａ…ワイヤ、２４ｂ…駆動装置、２５ａ…アパーチャ部材、２５ｂ，２５ｃ…開閉シャッタ、２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，２６ｅ，２６ｆ，２６ｇ…アパーチャ、２７ａ，２７ｂ，２７ｃ，２７ｄ，２７ｅ，２７ｆ，２７ｇ，２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄ，２８ｅ，２８ｆ，２８ｇ、５１ａ…開口、２９ａ…配管、２９ｂ…バルブ、３０…原料ボンベ、３１…ゲートバルブ、３３…真空排気装置、３５…ターボ分子ポンプ、３７…粗引きポンプ、３９…ゲートバルブ、４１…ステージ、４３…真空排気ポンプ、４５…ゲートバルブ、４７ａ，４７ｂ，４７ｃ…シャッタ板、５１…ベース、６１…半導体ウエハ、６３…バッファ膜、６５…クラッド膜、６７…活性領域、６７ｅ…ｕｄ−ＧａＮＡｓ半導体、６７ｆ…ｕｄ−ＧａＡｓ半導体、６７ａ…ｕｄ−ＧａＡｓ半導体、６７ｃ…ｕｄ−ＧａＮＡｓ半導体、６７ｄ…ＧａＩｎＮＡｓ半導体、６７ｂ…ＧａＩｎＮＡｓ半導体、６９…クラッド膜、７０…半導体レーザ、７１…コンタクト膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに窒素組成の異なる複数のＩＩＩ−Ｖ族半導体層を作製する方法であって、
窒素と異なる原料フラックスを供給すると共に、基板を搭載するステージと窒素ラジカルガンとの間に設けられた開閉可能な複数のアパーチャのうち開口された一又は複数のアパーチャを介して窒素フラックスを供給して、第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体層を前記基板上に堆積する第１の工程と、
前記第１の工程の後、開口するアパーチャの数を変更する第２の工程と、
窒素と異なる原料フラックスを供給すると共に、前記第２の工程後に開口されたアパーチャを介して窒素フラックスを供給して、第２のＩＩＩ−Ｖ族半導体層を前記第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体層上に堆積する第３の工程と
を備え、
前記第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体層の窒素組成は前記第２のＩＩＩ−Ｖ族半導体層の窒素組成と異なる、ことを特徴とする方法。
【請求項２】
互いに窒素組成の異なる複数のＩＩＩ−Ｖ族半導体層を含む量子井戸構造を作製する方法であって、
窒素と異なる原料フラックスを供給すると共に、基板を搭載するステージと窒素ラジカルガンとの間に設けられた開閉可能な複数のアパーチャのうち開口された一又は複数のアパーチャを介して窒素フラックスを供給して、第１の半導体層を前記基板上に堆積する第１の工程と、
前記第１の工程の後、開口するアパーチャの数を変更する第２の工程と、
窒素と異なる原料フラックスを供給すると共に、前記第２の工程後に開口されたアパーチャを介して窒素フラックスを供給して、第２の半導体層を前記第１の半導体層上に堆積する第３の工程と
を備え、
前記第１の半導体層及び前記第２の半導体層の一方は、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層であり、他方は、ＧａＮＡｓ障壁層である、ことを特徴とする方法。
【請求項３】
ＩＩＩ−Ｖ族半導体の成長に用いる窒素源装置であって、
窒素ラジカルを発生するための窒素ラジカルガンと、
前記窒素ラジカルガンを収容するハウジングと、
前記窒素ラジカルガンの有する窒素ラジカルの出射口に設けられており、複数のアパーチャを有するアパーチャ部材と、
前記アパーチャ部材上に設けられており、前記複数のアパーチャのうち少なくとも一のアパーチャを開閉するための開閉シャッタと
を備える、ことを特徴とする窒素源装置。
【請求項１】
互いに窒素組成の異なる複数のＩＩＩ−Ｖ族半導体層を作製する方法であって、
窒素と異なる原料フラックスを供給すると共に、基板を搭載するステージと窒素ラジカルガンとの間に設けられた開閉可能な複数のアパーチャのうち開口された一又は複数のアパーチャを介して窒素フラックスを供給して、第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体層を前記基板上に堆積する第１の工程と、
前記第１の工程の後、開口するアパーチャの数を変更する第２の工程と、
窒素と異なる原料フラックスを供給すると共に、前記第２の工程後に開口されたアパーチャを介して窒素フラックスを供給して、第２のＩＩＩ−Ｖ族半導体層を前記第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体層上に堆積する第３の工程と
を備え、
前記第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体層の窒素組成は前記第２のＩＩＩ−Ｖ族半導体層の窒素組成と異なる、ことを特徴とする方法。
【請求項２】
互いに窒素組成の異なる複数のＩＩＩ−Ｖ族半導体層を含む量子井戸構造を作製する方法であって、
窒素と異なる原料フラックスを供給すると共に、基板を搭載するステージと窒素ラジカルガンとの間に設けられた開閉可能な複数のアパーチャのうち開口された一又は複数のアパーチャを介して窒素フラックスを供給して、第１の半導体層を前記基板上に堆積する第１の工程と、
前記第１の工程の後、開口するアパーチャの数を変更する第２の工程と、
窒素と異なる原料フラックスを供給すると共に、前記第２の工程後に開口されたアパーチャを介して窒素フラックスを供給して、第２の半導体層を前記第１の半導体層上に堆積する第３の工程と
を備え、
前記第１の半導体層及び前記第２の半導体層の一方は、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層であり、他方は、ＧａＮＡｓ障壁層である、ことを特徴とする方法。
【請求項３】
ＩＩＩ−Ｖ族半導体の成長に用いる窒素源装置であって、
窒素ラジカルを発生するための窒素ラジカルガンと、
前記窒素ラジカルガンを収容するハウジングと、
前記窒素ラジカルガンの有する窒素ラジカルの出射口に設けられており、複数のアパーチャを有するアパーチャ部材と、
前記アパーチャ部材上に設けられており、前記複数のアパーチャのうち少なくとも一のアパーチャを開閉するための開閉シャッタと
を備える、ことを特徴とする窒素源装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００９−１０２１７（Ｐ２００９−１０２１７Ａ）
【公開日】平成２１年１月１５日（２００９．１．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１７０９１６（Ｐ２００７−１７０９１６）
【出願日】平成１９年６月２８日（２００７．６．２８）
【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１月１５日（２００９．１．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年６月２８日（２００７．６．２８）
【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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