JP2005229055A - 化合物半導体の結晶成長方法および化合物半導体装置の製造方法 - Google Patents

化合物半導体の結晶成長方法および化合物半導体装置の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 良好な品質の化合物半導体結晶を得ることができる化合物半導体の結晶成長方法を提供する。
【解決手段】 本発明に係る化合物半導体の結晶成長方法は、有機金属化学気相成長法により窒化物原料を用いてＶ族元素中に窒素を含むIII−Ｖ化合物半導体を結晶成長させる方法であって、窒化物原料の反応室への供給を開始してから所与の期間、窒化物原料の反応室への供給量を変化させることを含む。
【選択図】 図５

Description

本発明は、化合物半導体の結晶成長方法および化合物半導体装置の製造方法に関する。
インターネットの普及に伴い、FTTH（Fiber To The Home）と言われるように各家庭内への光ファイバの敷設が進められている。このような家庭内などの非幹線系光通信では、幹線系の光通信（基地局間の光通信）とは異なり、低コスト、低消費電力であることが重視される。そのため、これまで幹線系の光通信で用いられてきた光通信機器をそのまま家庭内などの非幹線系光通信に用いることはできない。
幹線系においては、例えば、発振波長１．３μｍ帯の半導体レーザとして、一般にＩｎＧａＡｓＰを用いた半導体レーザが用いられている。しかし、近年、この半導体レーザに置き換わる安価で消費電力が小さい発光素子として、窒素を原料に含む、例えばＧａＩｎＮＡｓなどを用いた発振波長１．３μｍ帯の半導体レーザの開発が盛んに行われている。例えば、ＧａＩｎＮＡｓを用いた発振波長１．３μｍ帯の半導体レーザは、安価で消費電力が小さいという利点がある。特に、ＧａＩｎＮＡｓ結晶を用いた１．３μｍ帯半導体レーザは、従来の発光素子の使用に必要であったペルチェ素子などの温度制御素子が不要となることから、現在最も有力な１．３μｍ帯半導体レーザ用材料と考えられている。また、その他の発振波長帯の半導体レーザの分野においても例えば、ＧａＮなどを用いた短波長帯半導体レーザなど窒素を構成元素に含む化合物半導体が注目されている。
そこで、これらの化合物半導体の結晶成長方法が開発されている。例えば、特許文献１は、ＧａＩｎＮＡｓ結晶を、安全に成長させることができる方法を開示している。
特開平１１−２３８６８５号公報
本発明の目的は、良好な結晶品質の化合物半導体結晶を得ることができる化合物半導体の結晶成長方法を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、かかる化合物半導体の結晶成長方法を適用した化合物半導体装置の製造方法を提供することにある。
本発明に係る化合物半導体の結晶成長方法は、有機金属化学気相成長法により窒化物原料を用いてＶ族元素中に窒素を含むIII−Ｖ化合物半導体を結晶成長させる方法であって、窒化物原料の反応室への供給を開始してから所与の期間、窒化物原料の反応室への供給量を変化させることを含む。
一般に、窒化物原料を用いてＶ族元素中に窒素を含むIII−Ｖ族化合物半導体を結晶成長させる場合には、N元素は他の元素に比べて、結晶内に取り込まれにくいため、III族元素の原料に対して十分に大きな流量の窒化物原料を反応室に供給する必要がある。
本発明に係る化合物半導体の結晶成長方法によれば、窒化物原料の反応室への供給を開始してから所与の期間、窒化物原料の反応室への供給量を変化させることによって、大きな流量の窒化物原料を反応室に供給した場合であっても、反応室内の気流の乱れによるエピタキシャル膜の結晶品質への悪影響を防止することができ、例えば、構成元素の面内分布の均一性に優れた良好な結晶品質の化合物半導体結晶を得ることができる。
本発明に係る化合物半導体の結晶成長方法において、窒化物原料の供給量を、連続的に変化させることができる。この場合、窒化物原料の供給量を、増加させることにより変化させることができる。さらにこの場合、窒化物原料の供給量を、直線的に増加させることができる。
本発明に係る化合物半導体の結晶成長方法において、所望の化合物半導体における窒素の組成比に基づいて、供給量の増加率を定めることができる。
本発明に係る化合物半導体の結晶成長方法において、期間を、反応室内に層状の気流が発生するまでの時間とすることができる。係る態様によれば、反応室内の気流の乱れを緩和し、良好な品質の結晶を得ることができる。
本発明に係る化合物半導体の結晶成長方法において、期間を、反応室内の圧力変動が安定化するまでの時間とすることができる。係る態様によっても、反応室内の気流の乱れを緩和し、良好な品質の結晶を得ることができる。
本発明に係る化合物半導体の結晶成長方法において、期間を、結晶中の窒素の組成比が安定するまでの時間とすることができる。
本発明に係る化合物半導体の結晶成長方法において、窒化物原料の供給量を、所与の期間経過後、一定量とすることができる。係る態様によっても、渦や乱流などの気流の乱れが少ない状態で結晶成長を行うことができ、良好な品質の結晶を得ることができる。
以上に述べた本発明の結晶成長方法は、少なくともガリウムおよび窒素を構成元素に含むIII−Ｖ族化合物半導体の結晶成長に適用することができる。このようなIII−Ｖ族化合物半導体としては、例えば、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮＡｓなどが挙げられる。
また、本発明の結晶成長方法は、化合物半導体装置の製造方法に適用することができる。
以下、本発明に好適な実施の形態について図面を参照しながら説明する。
１．第１の実施形態
第１の実施形態においては、窒素をＶ族元素として含むIII−Ｖ族化合物半導体としてＧａＩｎＮＡｓを結晶成長する場合を例にとり説明する。
１−１．製造装置
以下、本実施の形態に係るＧａＩｎＮＡｓの結晶成長方法に適用されるＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）装置について説明する。図１は、ＭＯＣＶＤ装置を模式的に示す図である。
ＭＯＣＶＤ装置１００は、反応室１０と第１〜第４の原料室２０，２２，２４，２６とを有する。反応室１０の周囲には、反応室１０内の基板５０の温度を制御するためのヒーター４０が設けられている。第１〜第４の原料室２０，２２，２４，２６のそれぞれと、反応室１０とは、原料供給ライン３１により接続されている。この原料供給ライン３１には、キャリアガスとしての水素（Ｈ２）が供給されている。
また、ＭＯＣＶＤ装置１００は、第１の排気ライン３２と、第２の排気ライン３９とを有する。第１の排気ライン３２は、主として反応室１０への原料の流量を制御するために用いられる。第２の排気ライン３９は、主として反応室１０から余剰原料や不純物を除去するために用いられる。
また、ＭＯＣＶＤ装置１００は、原料供給ライン３１における原料の流量を制御するためのダミーライン３４を有する。ダミーライン３４は、接続切替機構３６によって原料供給ライン３１または第１の排気ライン３２のいずれかに接続されてキャリアガスたる水素（Ｈ２）を供給可能に設けられている。
また、ＭＯＣＶＤ装置１００において、原料供給ライン３１と第１の排気ライン３２との間には、差圧計３８が設けられており、これにより原料供給ライン３１と第１の排気ライン３２との差圧をモニターしながら、反応室１０に導入される原料の流量をコントロールすることができる。
第１原料室２０には、ガリウム原料２０ａが充填されている。ガリウム原料２０ａとしては、例えば、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）を挙げることができる。
第２原料室２２には、インジウム原料２２ａが充填されている。インジウム原料２２ａとしては、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、トリエチルインジウム（ＴＥＩｎ）を挙げることができる。
第３原料室２４には、窒化物原料２４ａが充填されている。窒素原料２４ａとしては、ジメチルヒドラジン（ＤＭＨｙ）、モノメチルヒドラジン（ＭＭＨｙ）を挙げることができる。
第４原料室２６には、ヒ素原料２６ａが充填されている。ヒ素原料２６ａとしては、ターシャリーブチルアルシン（ＴＢＡｓ）を挙げることができる。
また、第１〜第４の原料室２０，２２，２４，２６からは、供給準備ライン３３を通じて原料が供給される。この供給準備ライン３３は、接続切替機構３５によって原料供給ライン３１または第１の廃棄ライン３２のいずれかに接続可能に設けられている。
また、必要に応じて、ヒ素原料としてのアルシン（ＡｓＨ3）ガスが充填された第５原料室２８を設けて原料供給ライン３７によりアルシンを反応室１０内に導入可能にしてもよい。
ここで、各原料室２０，２２，２４，２６から反応室１０への原料ガスの流量制御は、以下のように行われる。
図２（Ａ）は、反応室１０へ原料ガスを供給している状態での各ラインの接続関係を示している。かかる場合においては、供給準備ライン３３から供給される原料ガスと同量の水素（Ｈ２）ガスがダミーライン３４から供給される。このとき、接続切替機構３５は、供給準備ライン３３を原料供給ライン３１に接続し、接続切替機構３６は、ダミーライン３４を第１の排気ライン３２に接続する。これにより、原料供給ライン３１の流量と第１の排気ライン３２の流量とは、ほぼ等しくなり、ライン間には差圧が生じない。このため、反応室１０内部では、層状の気流（層流）１５が発生している状態となる。
図２（Ｂ）は、反応室１０への原料ガスの供給を停止した状態での各ラインの接続関係を示している。かかる場合においても、供給準備ライン３３から供給される原料ガスと同量の水素（Ｈ２）ガスがダミーライン３４から供給される。このとき、接続切替機構３５は、供給準備ライン３３を第１の排気ライン３２に接続し、接続切替機構３６は、ダミーライン３４を原料供給ライン３１に接続する。これにより、原料供給ライン３１の流量と第１の排気ライン３２の流量とは、ほぼ等しくなり、ライン間に差圧が生じない。このため、反応室１０内部には気流の乱れが発生せず、引き続き反応室１０の気流状態を層状の気流（層流）１５に保つことができる。
このように、ＭＯＣＶＤ装置１００においては、反応室１０内で乱れの少ない層状の気流（層流）１５を作るように原料の流量の制御または反応室１０内の圧力の制御を行っている。なお、反応室１０での結晶成長に際して、良好な結晶品質の膜を得るためには、少なくとも反応室１０内に装填された例えば、基板などの被成膜体の付近に層状の気流（層流）１５が発生していればよい。
１−２． ＧａＩｎＮＡｓ層の形成方法
第１〜第４原料室２０，２２，２４，２６に充填されている原料２０ａ，２２ａ，２４ａ，２６ａは、それぞれ、キャリアガスとしての水素（Ｈ2）によりバブリングされ、反応室１０に導入される。なお、ＧａＩｎＮＡｓの結晶成長の際に、第５の原料室２８に充填されたアルシンガスを、キャリアガスの水素ともに反応室１０に導入してもよい。そして、それぞれの原料２０ａ，２２ａ，２４ａ，２６ａは、反応室１０において熱分解され、基板（例えば、ＧａＡｓ基板）５０上に堆積し、図３に示すようにＧａＩｎＮＡｓ層６０が形成される。なお、ＧａＩｎＮＡｓの組成比は、一般に、Ｇａ1-xＩｎxＮyＡｓ1-yで表される。
ＧａＩｎＮＡｓの結晶成長の際、供給される原料において、III族（Ｇａ、Ｉｎ）原料の流量に対するＶ族（Ｎ、Ａｓ）原料の流量は、例えば、数倍から数百倍とすることができる。また、砒素原料（ＡｓＨ３またはＴＢＡｓ）の流量に対する窒化物原料（ＤＭＨｙまたはＭＭＨｙ）の流量は、数十倍から数百倍とすることができる。ＧａＩｎＮＡｓの結晶成長時の基板温度は、例えば、４００℃〜７００℃とすることができる。また、反応室１０内の圧力は、例えば、１００ｍｂａｒ程度とすることができる。また、反応室１０内への各原料の流量の制御は、図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示したように行われる。
図４は、従来の結晶成長方法によって結晶成長させたＧａＩｎＮＡｓにおける窒素濃度と、窒化物原料供給量との関係を示す概念図である。従来のＧａＩｎＮＡｓの結晶成長の際、窒化物原料の供給量は、結晶成長開始から成長終了まで一定量であった。そのため結晶成長開始と同時に、反応室１０へ大流量の窒化物原料が供給されるため、その原料供給による圧力衝撃を受ける。この圧力衝撃によって、結晶内の構成元素は、不均一な状態となってしまう。このように従来の結晶成長方法では、窒素濃度が不均一な状態となってしまうため、良好な品質のＧａＩｎＮＡｓ層を得ることは困難である。
図５は、本実施の形態に係る結晶成長方法によって結晶成長させたＧａＩｎＮＡｓにおける窒素濃度と、窒化物原料供給量との関係を示す概念図である。本実施の形態に係るＧａＩｎＮＡｓの結晶成長においては、窒化物原料の反応室１０への供給量を、窒化物原料の供給開始直後から期間ｔ１が経過するまでの間、直線的に増加させ、期間ｔ１の経過後、一定量としている。これにより、窒化物原料の供給量の初期値を、従来と比べて少量としているため、供給開始直後の反応室１０内の圧力衝撃を緩和することができる。また、窒化物原料の供給量を直線的に増加させることにより、結晶成長開始から結晶成長が終了するまでの間、急激な圧力変動を防止することができる。このように窒化物原料の供給量を直線的に増加させることにより、図５に示すように、ＧａＩｎＮＡｓ層中の窒素濃度を、従来に比べて均一な状態とすることができる。従って、本実施の形態に係る結晶成長方法によれば、良好な品質のＧａＩｎＮＡｓ層を得ることができる。
ここで期間ｔ１は、反応室１０内の圧力変動が安定化するまでの時間または反応室１０内に層状の気流（層流）が発生するまでの時間である。
また窒化物原料の供給量の増加率は、所望の化合物半導体ＧａＩｎＮＡｓにおける窒素の組成比に基づいて定められる。また窒化物原料の供給量の初期値および増加後の値も、所望の化合物半導体ＧａＩｎＮＡｓにおける窒素の組成比に基づいて定められる。例えば、窒素の組成比が高いほど、増加率も高くすることによって、所望の組成比のＧａＩｎＮＡｓ層を得ることができる。
また本実施の形態に係る結晶成長方法において、窒化物原料の供給量を直線的に増加させているが、これにかえて非直線的に増加させてもよい。
２．第２の実施形態
以下、第２の実施形態に係る化合物半導体の結晶成長方法として、ＧａＡｓ層／ＧａＩｎＮＡｓ層／ＧａＡｓ層からなる量子井戸構造を形成する場合を例にとり説明する。
本実施形態では、第１の実施形態と同様に、図１に示されるＭＯＣＶＤ装置１００を用いて各層の結晶成長を行うことができる。
具体的には、図６に示すように、基板（例えば、ＧａＡｓ基板）５０上にＧａＡｓバリア層７０、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層８０、およびＧａＡｓ層バリア層９０を順次積層することにより量子井戸構造を形成することができる。
セシウム１次イオンの照射による２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）によって、従来の結晶成長方法によって形成されたＧａＡｓ層／ＧａＩｎＮＡｓ層／ＧａＡｓ層からなる多重量子井戸構造のサンプルの膜厚方向のＡｓ、ＧａおよびＮ原子のプロファイルを求めた。その結果を図７に示す。
ここでサンプルは、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層８０の結晶成長開始から成長終了まで一定量の窒化物原料（ＤＭＨｙまたはＭＭＨｙ）を供給し、結晶成長させることにより得られたものである。
窒素原子のピークの形状が、図４において示した窒素濃度のピークの形状と同様に、窒素の濃度において不安定な領域８２が存在する。すなわち、図７によれば、範囲８２において、窒素濃度が不均一になっているため、従来の結晶成長方法では、良好な品質のＧａＡｓ／ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸の結晶を得ることは困難である。
そこで第２の実施形態においても、第１の実施形態の場合と同様に、窒化物原料の反応室１０への供給量を、窒化物原料の供給開始直後から期間ｔ１が経過するまでの間、直線的に増加させ、期間ｔ１の経過後、一定量とする。これにより、窒化物原料の供給量の初期値を、従来と比べて少量としているため、供給開始直後の反応室１０内の圧力衝撃を緩和することができる。また、窒化物原料の供給量を直線的に増加させることにより、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層８０の結晶成長開始から結晶成長が終了するまでの間において、急激な圧力変動を防止することができる。このように窒化物原料の供給量を直線的に増加させることにより、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層８０の窒素濃度を、従来に比べて均一な状態とすることができる。従って、本実施の形態に係る結晶成長方法によれば、良好な品質のＧａＩｎＮＡｓ層を得ることができる。
３．第３の実施形態
以下、第３の実施形態に係る発光素子の製造方法を説明する。なお、発光素子として、ストライプレーザおよび面発光型レーザを例にとり説明する。
３−１． ストライプレーザの製造方法
以下、実施の形態に係るストライプレーザの製造方法について説明する。図８は、実施の形態に係るストライプレーザの製造工程を模式的に示す断面図である。
まず、図８（Ａ）に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板２１０上に、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を利用して、組成を変調させながらエピタキシャル成長させることにより、ｎ型バッファ層２２０、ｎ型クラッド層２２２およびバリア層２２４を順次積層する。
ｎ型バッファ層２２０は、例えば、シリコンがドープされたｎ型ＧａＡｓからなる。ｎ型クラッド層２２２は、例えば、シリコンがドープされたｎ型Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓからなる。ｎ型クラッド層２２２の厚さは、例えば、１５００ｎｍとすることができる。バリア層２２４は、例えば、ＧａＡｓからなる。バリア層２２４の厚さは、例えば、１００ｎｍとすることができる。
なお、ｎ型バッファ層２２０、ｎ型クラッド層２２２およびバリア層２２４のそれぞれは、その層を構成する原子の原料を反応室に導入し、熱分解することにより形成されることができる。この場合において、基板温度は例えば、５００〜８００℃であり、反応室の圧力は１００ｍｂａｒ（１０4Ｐａ）とすることができる。アルミニウム原料は、例えば、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡａ）、トリエチルアルミニウム（ＴＥＡａ）である。シリコン原料は、例えば、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）、モノシラン（ＳｉＨ４）であることができる。ガリウム原料および砒素原料は、上記で示したものを挙げることができる。
次に、井戸層としてのＧａＩｎＮＡｓ層２３０を形成する。ＧａＩｎＮＡｓ層２３０の組成比は、例えば、Ｇａ0.65Ｉｎ0.35Ｎ0.01Ａｓ0.99であることができる。バリア層２２４の上にＧａＩｎＮＡｓ層２３０を形成する手法としては、第２の実施形態に係るＧａＡｓ／ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸構造の結晶成長方法を用いることができる。ＧａＩｎＮＡｓ層２３０の厚さは、例えば、１０ｎｍとすることができる。
次に、ＧａＩｎＮＡｓ層２３０の上に、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を利用して、組成を変調させながらエピタキシャル成長させることにより、バリア層２４０、ｐ型クラッド層２４２およびｐ型コンタクト層２４４を順次積層する。このとき、ＧａＩｎＮＡｓ層２３０の上にバリア層２４０を形成する手法としては、第２の実施形態に係るＧａＡｓ／ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸構造の結晶成長方法を用いることができる。
バリア層２４０は、例えば、ＧａＡｓからなる。バリア層２４０の厚さは、例えば、１００ｎｍとすることができる。ｐ型クラッド層２４２は、例えば、Ｚｎがドープされたｐ型Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓからなる。ｐ型クラッド層２４２の厚さは、例えば、１５００ｎｍとすることができる。ｐ型コンタクト層２４４は、例えば、ＺｎがドープされたＧａＡｓからなる。ｐ型コンタクト層２４４の厚さは、例えば、５０ｎｍとすることができる。
なお、バリア層２４０、ｐ型クラッド層２４２およびｐ型コンタクト層２４４のそれぞれは、その層を構成する原子の原料を反応室に導入し、熱分解することにより形成されることができる。この場合、基板温度は例えば、５００〜８００℃であり、反応室の圧力は１００ｍｂａｒ（１０4Ｐａ）とすることができる。ドープ材料としての亜鉛原料は、例えば、ジエチルジンク（ＤＥＺｎ）、ジメチルジンク（ＤＭＺｎ）を用いることができる。アルミニウム原料、ガリウム原料および砒素原料は、上記で例示したものを用いることができる。
次に、図８（Ｂ）に示すように、ｐ型コンタクト層２４４の上に、公知の方法により、絶縁層２５０を形成する。絶縁層２５０は、ストライプ状の貫通孔２５２を有する。貫通孔２５２の幅は、例えば、５μｍとすることができる。絶縁層２５０は、例えば、酸化シリコンからなる。
次に、ｐ型コンタクト層２４４および絶縁層２５０の上に、蒸着法により、金属膜からなるｐ電極２６０を形成する。ｐ電極は、例えば、Ｃｒ膜、ＡｕＺｎ膜、Ａｕ膜が順次積層された構造を採用することができる。
次に、ｎ型ＧａＡｓ基板２１０の裏面を、例えば、１００μｍの厚さにまで研磨する。次に、ｎ型ＧａＡｓ基板２１０の裏面に、蒸着法により、金属膜からなるｎ電極２６２を形成する。ｎ電極２６２は、例えば、Ｃｒ膜、ＡｕＧｅ膜、Ｎｉ膜、Ａｕ膜が積層された構造を採用することができる。こうして、ストライプレーザ２００を形成することができる。
以上のようにして形成されたストライプレーザ２００は、次の効果を有する。
このストライプレーザのバリア層２２４、井戸層２３０、バリア層２４０から構成される量子井戸構造は、第２の実施の形態で説明した結晶成長方法により形成されている。このため、良好な結晶品質の層からなるＧａＡｓ／ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸構造を形成することができる。その結果、優れた特性のストライプレーザを製造することができる。
３−２． 面発光型半導体レーザの製造方法
以下、実施の形態に係る面発光半導体レーザ（以下「面発光レーザ」という）の製造方法について説明する。図９および図１０は、実施の形態に係る面発光レーザの製造工程を模式的に示す断面図である。
まず、図９（Ａ）に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板３１０上に、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を利用して、組成を変調させながらエピタキシャル成長させることにより、バッファ層３２０、ｎ型下部ＤＢＲミラー３２２、ｎ型クラッド層３２４およびバリア層３２６を順次積層する。
バッファ層３２０は、例えば、シリコンがドープされたＧａＡｓからなることができる。ｎ型下部ＤＢＲミラー３２２は、例えば、ｎ型ＧａＡｓ層と、ｎ型ＡｌＡｓ層とが交互に積層された３５ペアの分布反射型多層膜ミラーからなることができる。ｎ型ＧａＡｓ層およびｎ型ＡｌＡｓ層のそれぞれの厚さは、面発光レーザの発振波長の１／４に相当する光学膜厚（1/4の厚さをさらにその層の屈折率で割った膜厚）であることができる。ｎ型クラッド層は、例えば、シリコンがドープされたＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓからなることができる。バリア層３２６は、例えば、ＧａＡｓからなることができる。
なお、バッファ層３２０、ｎ型下部ＤＢＲミラー３２２、ｎ型クラッド層３２４およびバリア層３２６のそれぞれは、その層を構成する原子の原料を反応室に導入し、熱分解することにより形成されることができる。この場合、基板温度を例えば、５００〜８００℃とし、反応室の圧力を１００ｍｂａｒ（１０4Ｐａ）とすることができる。なお、ガリウム原料およびヒ素原料は、上記で示したものを適用することができる。アルミニウムの原料およびシリコンの原料は、ストライプレーザの製造方法で示したものを挙げることができる。
次に、井戸層としてのＧａＩｎＮＡｓ層３３０を形成する。ＧａＩｎＮＡｓ層３３０の組成比は、Ｇａ0.65Ｉｎ0.35Ｎ0.01Ａｓ0.99とすることができる。バリア層３２６の上にＧａＩｎＮＡｓ層３３０を形成する手法としては、第２の実施形態に係るＧａＡｓ／ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸構造の結晶成長方法を用いることができる。ＧａＩｎＮＡｓ層３３０の厚さは、例えば、１０ｎｍとすることができる。
次に、ＧａＩｎＮＡｓ層３３０の上に、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を利用して、組成を変調させながらエピタキシャル成長させることにより、バリア層３４０、ｐ型クラッド層３４２、ｐ型上部ＤＢＲミラー３４４およびｐ型コンタクト層３４６を順次積層する。このとき、ＧａＩｎＮＡｓ層３３０の上にバリア層３４０を形成する手法として、第２の実施形態に係るＧａＡｓ／ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸構造の結晶成長方法を用いることができる。
バリア層３４０は、例えば、ＧａＡｓからなることができる。ｐ型クラッド層３４２は、例えば、亜鉛がドープされたｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓからなることができる。ｐ型上部ＤＢＲミラー３４４は、例えば、ｐ型ＧａＡｓ層とｐ型ＡｌＡｓ層とが交互に積層された２３ペアの分布反射方多層膜ミラーからなることができる。ｐ型ＧａＡｓ層およびｐ型ＡｌＡｓ層のそれぞれの厚さは、面発光レーザの発振波長の１／４に相当する光学膜厚とすることができる。ｐ型コンタクト層３４６は、例えば、亜鉛がドープされたｐ型ＧａＡｓからなることができる。ｐ型コンタクト層３４６の厚さは、例えば、５０ｎｍとすることができる。
なお、バッファ層３４０、ｐ型クラッド層３４２、ｐ型下部ＤＢＲミラー３４４およびｐ型コンタクト層３４６のそれぞれは、その層の構成原子の原料を反応室に導入し、熱分解することにより形成されることができる。この場合、基板温度を例えば、５００〜８００℃とし、反応室の圧力を１００ｍｂａｒ（１０4Ｐａ）とすることができる。なお、ガリウム原料およびヒ素原料は、上記で示したものを適用することができる。アルミニウムの原料および亜鉛の原料は、ストライプレーザの製造方法で示したものを挙げることができる。
次に、図９（Ｂ）に示すように、公知のフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術により、ｐ型コンタクト層３４６およびｐ型ＤＢＲミラー３４４をパターニングして柱状部３７２を形成する。これにより、面発光レーザの共振器３７０が形成される。次に、図１０に示すように、柱状部３７２の周囲に、絶縁層（例えば、ポリイミド層）３５０を形成する。具体的には、ポリイミドを塗布し、硬化させた後、平坦化することにより、絶縁層３５０を形成することができる。
次に、柱状部３７２および絶縁層３５０の上に、公知の方法により、第１電極３６０を形成する。第１電極は、ストライプレーザにおけるｐ電極２６０と同様の金属膜からなることができる。次に、ｎ型ＧａＡｓ基板３１０の裏面に、公知の方法により、第２電極３６２を形成する。第２電極３６２は、ストライプレーザにおけるｎ電極２６２と同様の金属膜からなることができる。こうして、面発光レーザ３００を形成することができる。
以上のようにして形成された面発光レーザ３００は、次の効果を有する。
この面発光レーザのバリア層３２６、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層３３０、およびバリア層３４０は、第２の実施形態に係るＧａＡｓ／ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸構造の結晶成長方法により形成されている。このため、各層の結晶品質が良好な量子井戸構造を形成することができる。その結果、優れた特性の面発光レーザを製造することができる。
また、ＧａＩｎＮＡｓ層３３０により構成される面発光レーザ３００によれば、長波長帯域（例えば、１３１０ｎｍ）のレーザを実現することができる。
以上に、本発明に好適な実施の形態について説明したが、本発明は、上記の実施の形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の態様を取り得る。
例えば、第１の実施形態では、ＧａＩｎＮＡｓを結晶成長する場合を例に取り説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、少なくともガリウムおよび窒素を構成元素に含むIII−Ｖ族化合物半導体の結晶成長に適用することができる。このようなIII−Ｖ族化合物半導体としては、例えば、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮＡｓなどが挙げられる。
また、例えば、第２の実施形態では、ＧａＡｓ／ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸構造を結晶成長する場合を例にとり説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、井戸層に少なくともガリウムおよび窒素を構成元素に含むIII−Ｖ族化合物半導体を採用する量子井戸構造の結晶成長に適用することができる。このようなIII−Ｖ族化合物半導体としては、上記と同様のものが例示できる。
また、例えば、第３の実施形態では、発光素子として、ストライプレーザーおよび面発光レーザーを形成する場合を例に取り説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、活性層に少なくともガリウムおよび窒素を構成元素に含むIII−Ｖ族化合物半導体を採用する発光ダイオードの製造方法にも適用することができる。
さらに、本発明に係る化合物半導体の結晶成長方法が適用されるのは、発光素子に限定されるものではなく、例えば、受光素子、太陽電池、電子デバイス等の化合物半導体装置であってもよい。なお、電子デバイスとしては、例えば、電界効果トランジスタを挙げることができる。電界効果トランジスタでは、例えば、能動層またはコンタクト層に、本発明に係る化合物半導体の結晶成長方法が適用される。
ＭＯＣＶＤ装置を模式的に示す図。 ＭＯＣＶＤ装置の流量の制御機構を説明するための図。 化合物半導体の結晶成長工程を模式的に示す断面図。 従来の方法による窒素濃度と窒化物原料供給量との関係を示す概念図。 第１実施形態による窒素濃度と窒化物原料供給量との関係を示す概念図。 量子井戸構造の結晶成長工程を模式的に示す断面図。 多重量子井戸構造のＡｓ、ＧａおよびＮ原子のプロファイルを示す図。 ストライプレーザーの製造工程を模式的に示す断面図。 面発光レーザーの製造工程を模式的に示す断面図。 面発光レーザーの製造工程を模式的に示す断面図。
符号の説明
１０ 反応室、２０ 第１原料室、２２ 第２原料室、２４ 第３原料室、２６
第４原料室、２８ 第５原料室、３１，３７ 原料供給ライン、３２ 第１の排気ライン、３３ 供給準備ライン、３４ ダミーライン、３５，３６ 接続切替機構、３８ 差圧計、４０ ヒーター、５０ 基板、１００ ＭＯＣＶＤ装置

Claims (10)

  1. 有機金属化学気相成長法により窒化物原料を用いてＶ族元素中に窒素を含むIII−Ｖ化合物半導体を結晶成長させる方法であって、
    前記窒化物原料の反応室への供給を開始してから所与の期間、前記窒化物原料の前記反応室への供給量を変化させることを含む、化合物半導体の結晶成長方法。
  2. 請求項１において、
    前記供給量を、連続的に変化させる、化合物半導体の結晶成長方法。
  3. 請求項１または２において、
    前記供給量を、増加させることにより変化させる、化合物半導体の結晶成長方法。
  4. 請求項３において、
    前記供給量を、直線的に増加させる、化合物半導体の結晶成長方法。
  5. 請求項３または４において、
    所望の化合物半導体における窒素の組成比に基づいて、前記供給量の増加率を定める、化合物半導体の結晶成長方法。
  6. 請求項１ないし５のいずれかにおいて、
    前記期間は、前記反応室内に層状の気流が発生するまでの時間である、化合物半導体結晶成長方法。
  7. 請求項１ないし５のいずれかにおいて、
    前記期間は、前記反応室内の圧力変動が安定化するまでの時間である、化合物半導体結晶成長方法。
  8. 請求項１ないし７のいずれかにおいて、
    前記供給量は、前記所与の期間経過後、一定量である、化合物半導体結晶成長方法。
  9. 請求項１ないし８のいずれかにおいて、
    前記III−Ｖ化合物半導体は、少なくともガリウムおよび窒素を構成元素中に含む、化合物半導体の結晶成長方法。
  10. 請求項１ないし９のいずれかに記載の化合物半導体の結晶成長方法を含む、化合物半導体装置の製造方法。
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