JP2006190827A - 分子線結晶成長装置、ヘテロ構造を作製する方法および窒素源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】該中断時間を短縮できる分子線結晶成長装置を提供する。
【解決手段】成長室１３は、窒素を含むIII−Ｖ化合物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化合物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。窒素源装置１７は、ラジカルガン１９と、ハウジング２３と、シャッタ２５とを含む。ラジカルガン１９は、窒素ラジカルを発生する。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、またラジカルガン１９を収容する。シャッタ２５は、開口２１とラジカルガン１９との間に設けられ、またラジカルガン１９からの粒子フラックスを調整するためにアパーチャのサイズを変更できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、分子線結晶成長装置、量子井戸構造を作製する方法および窒素源装置に関する。

特許文献１には、分子線結晶成長装置が記載されている。この分子線結晶成長装置では、ラジカルビーム源が、照射口に開閉自在なシャッタ板が配設されたラジカルビーム源室内に収容されている。ラジカルビーム源室がゲートバルブを介してターボ分子ポンプに接続されている。このラジカルビーム源室では、シャッタ板が閉じられた状態で、ターボ分子ポンプによりラジカルビーム源室内部の真空度が調節される。これにより、組成およびドーピングの急峻なプロファイルを有する薄膜結晶を基板上に安定的にエピタキシャル成長することができる分子線結晶成長装置を提供できる。
特開平６−５５１１号公報

この分子線結晶成長装置では、ラジカルビーム源室内を密閉状態にして、ターボ分子ポンプにより真空排気してラジカルビーム源室内にプラスマを形成することで、所定の強度のラジカルビームをラジカルビーム源から供給できる。

詳述すれば、所望の窒素フラックスを得るためにゲートバルブの開閉量を調整して、ラジカルビーム源室の真空度を予め調節している。真空度およびプラズマが安定した後に、ラジカルビーム源室のシャッタ板を開いてラジカルビームの供給を開始して、所望の窒素組成を有する半導体膜を形成する。これ故に、ラジカルビームの供給強度およびラジカルビームに含まれるラジカル種の割合の変動は小さく抑えられる。また、別の所望の窒素フラックスを得るためにゲートバルブの開閉量を再度調整して、ラジカルビーム源室の真空度を予め調節する。真空度およびプラズマが安定するまで、次の半導体膜の形成を開始できない。窒素組成の異なるいくつかの半導体層を形成するためには、半導体層の形成の間において成長を中断してなければならない。求められていることは、この中断の期間を短縮することである。

本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、該中断時間を短縮できる分子線結晶成長装置を提供することを目的とするものであり、また、該中断時間を短縮できる、ヘテロ構造を作製する方法を提供することを目的とするものであり、さらに上記分子線結晶成長装置に用いられる窒素源装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面は、窒素を含むIII−Ｖ化合物半導体の層を有するヘテロ構造を作製する方法である。この方法は、（ａ）窒素ラジカルガンと基板との間に位置するシャッタ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他の原料フラックスを供給して、第１のIII−Ｖ化合物半導体層を前記基板上に堆積する工程と、（ｂ）前記シャッタのアパーチャサイズを変更する工程と、（ｃ）前記アパーチャサイズを変更した後に、前記変更されたアパーチャを介して窒素フラックスを供給すると共に他の原料フラックスを供給して、第２のIII−Ｖ化合物半導体層を前記第１のIII−Ｖ化合物半導体層上に堆積する工程とを備え、前記第１のIII−Ｖ化合物半導体層の窒素組成は前記第２のIII−Ｖ化合物半導体層の窒素組成と異なる。

好適な実施の形態においては、第１および第２のIII−Ｖ化合物半導体層の一方は井戸層であり、第１および第２のIII−Ｖ化合物半導体層の他方はバリア層である。

また、本発明に係る方法は、窒素を含むIII−Ｖ化合物半導体の層を有するヘテロ構造を作製する方法である。この方法は、（ａ）窒素ラジカルガンと基板との間に位置するシャッタの第１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他の原料フラックスを供給して、第１のIII−Ｖ化合物半導体層を前記基板上に堆積する工程と、（ｂ）窒素フラックスの供給を停止する工程と、（ｃ）前記窒素フラックスの供給を停止した後に、前記第１のIII−Ｖ化合物半導体層上にＧａＡｓ半導体を堆積する工程と、（ｄ）前記シャッタに第２のアパーチャを形成する工程と、（ｅ）前記第２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他の原料フラックスを供給して、第２のIII−Ｖ化合物半導体層を前記ＧａＡｓ半導体層上に堆積する工程とを備え、前記第１のアパーチャのサイズは前記第２のアパーチャのサイズと異なる。

好適な実施の形態においては、ＧａＡｓ半導体層はバリア層であり、第１および第２のIII−Ｖ化合物半導体層の少なくともいずれか一方は井戸層である。

これらの方法では、窒素組成の異なる半導体膜を形成するために、窒素ラジカルガンに供給される原料ガスの流量を変更することなく、シャッタのアパーチャサイズを変更して窒素フラックスを調整している。これ故に、窒素組成の異なるいくつかの半導体層を形成するときに、窒素ラジカルガンのプラズマを安定させるための時間が必要ない。

本発明に係る方法では、前記第１および第２のIII−Ｖ化合物半導体の一方は、III族元素としてガリウムを含み、Ｖ族元素として窒素および砒素を含んでおり、前記第１および第２のIII−Ｖ化合物半導体の他方は、III族元素としてガリウムおよびインジウムを含み、Ｖ族元素として少なくとも窒素および砒素を含むことが好ましい。この方法では、ＧａＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ系半導体膜を形成するために好適である。

本発明の別の側面によれば、分子線結晶成長装置は、（ａ）窒素を含むIII−Ｖ化合物半導体を成長するための成長室と、（ｂ）前記III−Ｖ化合物半導体を成長するための構成元素を前記成長室に提供する一又は複数の粒子ビーム源と、（ｃ）前記成長室に窒素フラックス供給するための窒素源装置とを備え、前記窒素源装置は、（ｃ１）窒素ラジカルを発生するためのラジカルガンと、（ｃ２）前記成長室に接続されており前記ラジカルガンを収容するハウジングと、（ｃ３）前記ハウジングに支持されており、アパーチャのサイズを変更して前記ラジカルガンからの粒子フラックスの量を調整するシャッタとを含む。

この分子線結晶成長装置の窒素源装置では、シャッタはハウジングに支持されており、またラジカルガンからの粒子フラックスは、シャッタのアパーチャのサイズを変更することによって調整される。

好適な実施の形態では、アパーチャのサイズは絞り構造を用いて変更されることができる。また、 前記シャッタは、窒素フラックスが通過する開口と、該開口を覆うための遮蔽部材とを含み、前記アパーチャのサイズは前記遮蔽部材の位置を変更することによりを変更されることができる。

本発明の更なる別の側面は、粒子ビームを用いてIII−Ｖ化合物半導体を成長する成膜装置のための窒素源装置である。窒素源装置は、（ａ）窒素ラジカルを発生するためのラジカルガンと、（ｂ）前記ラジカルガンを収容するハウジングと、（ｃ）前記ハウジングに支持されており、アパーチャのサイズを変更して前記ラジカルガンからの粒子フラックスの量を調整するシャッタとを備える。

これらの窒素源装置では、窒素ラジカルガンに供給される原料ガスの流量を変更することなく、シャッタのアパーチャサイズを変更して窒素フラックスを調整している。これ故に、窒素フラックスを変更する度に、窒素ラジカルガンのプラズマを安定させることが不要である。

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。

以上説明したように、本発明の一側面によれば、該中断時間を短縮できる分子線結晶成長装置が提供される。本発明の別の側面によれば、該中断時間を短縮できる、ヘテロ構造を作製する方法が提供される。本発明の更なる別の側面によれば、上記分子線結晶成長装置に用いられる窒素源装置が提供される。

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、本発明の分子線結晶成長装置、ヘテロ構造を作製する方法および窒素源装置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。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態に係る分子線結晶成長装置を概略的に示す図面である。図２（Ａ）および図２（Ｂ）は、窒素源装置を概略的に示す図面である。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。成長室１３は、窒素を含むIII−Ｖ化合物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化合物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。図２（Ａ）は、窒素源装置の一例を概略的に示す図面である。窒素源装置１７は、ラジカルガン１９と、ハウジング２３と、シャッタ２５とを含む。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、またラジカルガン１９を収容する。ラジカルガン１９は、窒素ラジカルを発生する。シャッタ２５はハウジング２３に支持されており、またシャッタ２５のアパーチャのサイズは、ラジカルガン１９からの粒子フラックスを調整するために変更される。

この窒素源装置では、窒素ラジカルガンに供給される原料ガスの流量を変更することなく、シャッタのアパーチャサイズを変更して窒素フラックスを調整している。これ故に、粒子フラックスの量を調整するために、窒素源装置の真空度を変更する必要がない。

この分子線結晶成長装置１１の窒素源装置１７は、ラジカルガンを収容するハウジングを有するので、ハウジングの真空度を成長室の真空度とは独立して変更できる。また、ラジカルガン１９からの粒子フラックスは、シャッタのアパーチャのサイズを変更することによって調整される。

窒素源装置１７では、ハウジング２３は、第１の開口２３ａおよび第２の開口２３ｂを有する。第１の開口２３ａは、図１に示されるように、配管２７ａおよびバルブ２７ｂを介して原料ボンベ２９に接続されている。第２の開口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および粗引きポンプ３７に接続されている。第１の開口２３ａからの原料ガスは、ラジカルガン１９に提供される。ラジカルガン１９は、原料ガスから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および真空排気装置３３を用いて調整されることができる。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することができる。

ハウジング２３は、シャッタ２５に加えて、ゲートバルブ３９が取り付けられている。ゲートバルブ３９は、シャッタ２５とラジカルガン１９との間に位置している。ゲートバルブ３９を閉じると、ハウジング２３内にプラズマの生成と窒素ラジカルの供給とをして変更できる。

図１に示されるように、成長室１３内には、ＧａＡｓウエハといった成長用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、クヌードセンセルからなる複数の粒子ビーム源１５ａ、１５ｂ、１５ｃが設けられている。各粒子ビーム源１５ａ、１５ｂ、１５ｃには、分子線を照射するための照射口が設けられており、各照射口はステージ４１に向けられている。各粒子ビーム源１５ａ〜１５ｃの照射口には、シャッタ板４７ａ、４７ｂ、４７ｃが設けられている。また、各粒子ビーム源１５ａ〜１５ｃは固体原料を加熱するためのヒータが設けられている。各粒子ビーム源内の固体原料をヒータを用いて加熱すると、粒子ビーム源内の原料が蒸発あるいは昇華する。気化された原料のビームが、各粒子ビーム源から照射される。

窒素源装置１７では、ラジカルガン１９には、高周波コイルが設けられている。原料ボンベ２９から気体原料が、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る。励起された分子線がシャッタ２５から発射される。

窒素源装置１７では、ラジカルガン１９、ゲートバルブ３９、およびシャッタ２５が順に配列されている。図２（Ｂ）に示されるように、窒素源装置１７ａでは、ラジカルガン１９、シャッタ２５およびゲートバルブ３９が順に配列されている。

図３（Ａ）、図３（Ｂ）および図３（Ｃ）は、窒素源装置のためのシャッタの一例を示す図面である。シャッタ２５ａは、粒子フラックスが通過する開口５１ａを有するベース５１と、ベース５１を移動して開口５１ａの一部または全部を覆う遮蔽部材５３とを有する。アパーチャのサイズは遮蔽部材５３の位置を変更することによりを調整されることができる。図３（Ａ）に示されるシャッタ２５ａは、完全に閉じられている。図３（Ｂ）に示されるシャッタ２５ａは完全に開かれており、アパーチャ５１ａのサイズが最も大きい。図３（Ｃ）に示されるシャッタ２５ａは、遮蔽部材５３がアパーチャ５１ａの一部を覆っている。シャッタ２５ａを用いると、アパーチャ５１ａのサイズを連続的に或いは離散的に変更することができる。

図４（Ａ）は、窒素源装置のためのシャッタの別の例を示す図面である。シャッタ２５ｂは、絞り構造５７を有することができる。アパーチャ５７ａのサイズは絞り構造を用いて変更されることができる。絞り構造５７は、複数の絞り板５７ｂから構成されている。シャッタ２５ｂを用いると、アパーチャ５７ａのサイズを連続的に或いは離散的に変更することができる。また、絞り構造５７によれば、フラックスの分布のかたよりを縮小でき、またウエハの配置位置に依存する成膜の不均一を改善できる。多数枚チャージの場合等は均一性の観点からより有利である。

また、図４（Ｂ）は、窒素源装置のためのシャッタの更なる別の例を示す図面である。図４（Ｂ）では、アレイ状に配列された絞り構造が示されている。シャッタ２５ｃは、単位のシャッタ５９ａがアレイ状に配列されたシャッタアレイ５９を含むこともできる。シャッタアレイ５９によれば、フラックスの偏りを縮小できる。真空中におけるシャッタの動作はマグネットカップリング等を用いて実現され、また装置の外から操作されることができる。

以上説明したように、分子線結晶成長装置１１は、アパーチャのサイズを調節可能な機構を有するシャッタ２５と、Ｎラジカルガン１９とステージ４１の間にゲートバルブ３９とを備える。窒素源装置１７は、Ｎラジカルガン１９と、ターボポンプ３５とを備えており、ゲートバルブ３９が閉じられている時に、成長室１３とは独立して真空排気を行うことができる。これ故に、ゲートバルブ３９を閉めたまま窒素ガスを窒素源装置１７に供給して、プラズマを発生すると共にこのプラズマを維持できる。このため、ゲートバルブ３９を開いている時、フラックスの変動を小さくすることにも寄与する。例えば、ＧａＩｎＮＡｓ半導体膜またはＧａＮＡｓ半導体膜の成膜およびＧａＡｓ半導体膜の成長の一方から他方に切り替えるときには、窒素源装置１７のゲートバルブ３９を開閉する。また、ＧａＩｎＮＡｓ半導体膜の成膜およびＧａＮＡｓ半導体膜の成膜の一方から他方に切り替えるときには、窒素組成を調整するためにシャッタ２５のアパーチャのサイズを調整する。

ターボポンプ３５または粗引きポンプ３７に異常がおきた場合、ゲートバルブ３１は、ターボポンプ３５等が停止しても、ラジカルガン１９の真空を破ることを防ぐために用いられる。

分子線結晶成長装置１１と異なる分子線結晶成長装置は、マスフローを用いて原料ガスの流量を制御している。この分子線結晶成長装置では、原料ガスの流量を変化したとき、プラズマが安定するための時間が必要である。さらに、ラジカルガン１９では、原料ガスの流量を変えるとラジカル発生部の圧力が変動するので、ラジカルの安定性が悪くなる。また、原料ガスの流量に関してマッチングが取れる流量範囲が狭い。これらの理由により、膜の界面において急峻に窒素組成を変化させるためには、成長を一旦中断することが必要となる。成長中断をすると、界面にヒ素（Ａｓ）が偏析し、また結晶欠陥が発生しやすい。また、成長室に混入したコンタミネーションのため、半導体膜の界面に不純物がパイルアップして、該界面の品質を悪化させる。一方、分子線結晶成長装置１１のようにシャッタ２５のアパーチャのサイズのみでフラックス量を調整する場合には、１秒程度またはそれ以上に短い時間で、シャッタのアパーチャサイズを迅速な変化させることができる。

（第２の実施の形態）
図５（Ａ）は、レーザダイオードといった半導体発光素子のためのエピタキシャルウエハを示す図面である。図６（Ａ）、図６（Ｂ）、図６（Ｃ）、図６（Ｄ）および図６（Ｅ）は、ヘテロ構造を形成する工程における成膜条件を示す図面である。ＧａＡｓウエハといった半導体ウエハ６１上に、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、半導体層６７ａ、６７ｂ、６７ｃから成る量子井戸構造を有することができる。活性領域６７の成長は、図６（Ａ）〜図６（Ｅ）を参照しながら、後ほど詳述される。活性領域６７上には、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、コンタクト膜７１を堆積する。必要な場合には、メサ構造またはリッジ構造を形成することができる。これらの工程により、結晶成長工程が完了する。結晶成長工程が完了した後に、アノード電極およびカソード電極を形成する。一例の半導体レーザの構造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

図６（Ａ）〜図６（Ｅ）を参照しながら、ヘテロ構造の形成を説明する。特に図６（Ｃ）および図６（Ｄ）を参照すると、時刻ｔ１において窒素源装置のゲートバルブが開かれる。Ｎシャッタのアパーチャのサイズは、面積Ｓ１である。該アパーチャを介して窒素フラックスを供給すると共に他の原料フラックスを供給して、時刻ｔ１〜ｔ２の期間で、ＧａＮＡｓ半導体６７ａといった第１のIII−Ｖ化合物半導体層を成長する。時刻ｔ２において、インジウム源のシャッタを開くと共に、窒素源装置のＮシャッタのアパーチャサイズが変更される。このＮシャッタのアパーチャのサイズは、面積Ｓ２である。該アパーチャを介して窒素フラックスを供給すると共に他の原料フラックスを供給して、時刻ｔ２〜ｔ３の期間で、ＧａＩｎＮＡｓ半導体６７ｂといった第２のIII−Ｖ化合物半導体層を成長する。時刻ｔ３において、インジウム源のシャッタを閉じると共に、窒素源装置のＮシャッタのアパーチャサイズが再び変更される。このＮシャッタのアパーチャのサイズは、面積Ｓ１である。該アパーチャを介して窒素フラックスを供給すると共に他の原料フラックスを供給して、時刻ｔ３〜ｔ４の期間で、ＧａＮＡｓ半導体６７ｃといった第３のIII−Ｖ化合物半導体層を成長する。図６（Ａ）に示されるように、窒素源装置に供給されるＮ_２ガスの流量は、時刻ｔ１〜ｔ４の間において変更されていない。また、図６（Ｂ）に示されるように、窒素源装置に印加されるプラズマパワーは、時刻ｔ１〜ｔ４の間において変更されていない。さらに、図６（Ｅ）に示されるように、窒素源装置のゲートバルブは時刻ｔ１〜ｔ４の間において開かれたままである。

これらの工程の後に、ヘテロ構造を有する活性領域６７が形成される。このヘテロ構造の界面は、急峻にかつ制御性良く窒素組成を制御されている。シャッタを用いて窒素フラックス量を調整するので、成長中断が不要となり、この結果、より良好な界面を形成できる。これ故に、半導体レーザの特性を向上することができる。

好適な実施の形態においては、第２のIII−Ｖ化合物半導体層は井戸層であり、第１および第３のIII−Ｖ化合物半導体層はバリア層である。

これらの方法では、窒素組成の異なる半導体膜を形成するために、窒素ラジカルガンに供給される原料ガスの流量を変更することなく、シャッタのアパーチャサイズを変更して窒素フラックスを調整している。これ故に、窒素組成の異なるいくつかの半導体層を形成するときに、窒素ラジカルガンのプラズマを安定させるための時間が必要ない。

アパーチャサイズはシャッタの構造に依存して異なるけれども、半導体膜の窒素組成とアパーチャサイズとの関係を実験的に決めることができる。

（実施例１）
例えば、全開のシャッタを用いて半導体膜を成長する。このＧａＮＡｓ半導体の窒素組成は２パーセントである（Ｎ＝２％）。また、完全に閉じてシャッタを用いて半導体膜を成長する。このＧａＮＡｓ半導体は、シャッタからの漏れのため、０．２パーセントの窒素組成を有する（Ｎ＝０．２％）。この窒素源装置を用いると、シャッタのアパーチャサイズを調整することにより、０．２％から２％の範囲で窒素組成を変化できる。また、窒素源装置のゲートバルブを閉じた時には、ラジカルガンを用いてプラズマを生成しているけれども、ＧａＡｓ半導体を堆積できる（Ｎ＝０％）。したがって、半導体膜の組成を変更してヘテロ界面を形成するために成長中断してプラズマが安定するのを待つことなく、ＧａＡｓ半導体に加えて、０．２％〜２％の窒素組成の範囲でＧａＮＡｓ層またはＧａＩｎＮＡｓ層を成長できる。

図６（Ａ）〜図６（Ｅ）に示される工程に従って、シリコンドープのＧａＡｓ基板上に、ＧａＮ_{０．００５}Ａｓ_{０．９９５}（Ｎ＝０．５％）０．２μｍ／Ｇａ_０．７Ｉｎ_０．３Ｎ_０．０１Ａｓ_０．９９（Ｎ＝１％）７ｎｍ／ＧａＮ_{０．００５}Ａｓ_{０．９９５}（Ｎ＝０．５％）０．２μｍという構造の単一量子井戸を成長した。また、成長速度は１μm／ｈ、成長温度は摂氏４８０度である。シャッタ全開の場合、パワー５００ワット窒素流量０．２ｓｃｃｍにおいて窒素組成は０．５％であり、パワー５００ワット窒素流量０．４ｓｃｃｍにおいて窒素組成は１％である。ＧａＩｎＮＡｓ半導体の成長において、ガリウムのフラックス強度を一定にすると共に、インジウム源のシャッタを開閉する。上記の単一量子井戸の成長には、１３秒の成長時間がかかる。以上説明したように、本実施の形態に係る上記の単一量子井戸の成長は、窒素ラジカルガンのパワー５００ワットおよび流量０．４ｓｃｃｍに保ったままで、ＧａＮＡｓ／ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＮＡｓを連続して成長することができる。

図７（Ａ）〜図７（Ｄ）に示される工程に従って、シリコンドープのＧａＡｓ基板上に、ＧａＮ_{０．００５}Ａｓ_{０．９９５}（Ｎ＝０．５％）０．２μｍ／Ｇａ_０．７Ｉｎ_０．３Ｎ_０．０１Ａｓ_０．９９（Ｎ＝１％）７ｎｍ／ＧａＮ_{０．００５}Ａｓ_{０．９９５}（Ｎ＝０．５％）０．２μｍという構造の単一量子井戸を成長する。時刻ｔ５〜ｔ６の期間に、ＧａＮ_{０．００５}Ａｓ_{０．９９５}（Ｎ＝０．５％）０．２μｍを成長する。時刻ｔ７〜ｔ８の期間に、Ｇａ_０．７Ｉｎ_０．３Ｎ_０．０１Ａｓ_０．９９（Ｎ＝１％）７ｎｍを成長する。時刻ｔ９〜ｔ１０の期間に、ＧａＮ_{０．００５}Ａｓ_{０．９９５}（Ｎ＝０．５％）０．２μｍを成長する。時刻ｔ１１、ｔ１２に窒素流量を変更する。シャッタを開いたまま窒素流量を変化させると、プラズマ安定待ちの時間が３０秒必要である。時刻ｔ１１〜ｔ７および時刻ｔ１２〜ｔ９の期間が、プラズマを安定させるための待ち時間である。この待ち時間が無い場合は、プラズマが安定する期間中にＧａＩｎＮａＡｓ層の成長が終わる。

フォトルミネッセンス（ＰＬ）の強度を比較すると、連続成長した量子井戸構造は、成長中断した量子井戸構造と比較して、約４倍のＰＬ強度を示す。

本実施の形態によれば、上記の例に限定されることなく、図５（Ｂ）に示されるような別の量子井戸構造７３を形成することもできる。この方法は、窒素を含むIII−Ｖ化合物半導体の層を有するヘテロ構造を作製する方法である。この方法は、窒素ラジカルガンと基板との間に位置するシャッタに形成された第１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他の原料フラックスを供給して、ＧａＮＡｓ半導体７３ａといった第１のIII−Ｖ化合物半導体層を基板上に堆積する。次いで、窒素源装置のシャッタおよびゲートバルブを閉じる。シャッタおよびゲートバルブを閉じた後に、第１のIII−Ｖ化合物半導体層上にＧａＡｓ半導体７３ｂを堆積する。ゲートバルブを閉じた後に、この堆積に先立って、この堆積の後に或いはこの堆積中に、シャッタのアパーチャサイズを調整して第２のアパーチャを形成する。次いで、第２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他の原料フラックスを供給して、ＧａＩｎＮＡｓ半導体７３ｃといった第２のIII−Ｖ化合物半導体層をＧａＡｓ半導体層上に堆積する。次いで、窒素源装置のシャッタおよびゲートバルブを閉じる。シャッタおよびゲートバルブを閉じた後に、第１のIII−Ｖ化合物半導体層上にＧａＡｓ半導体７３ｄを堆積する。この堆積に先立って、この堆積の後に或いはこの堆積中に、シャッタのアパーチャサイズを調整して第３のアパーチャを形成する。次いで、第３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他の原料フラックスを供給して、ＧａＮＡｓ半導体７３ｅといった第３のIII−Ｖ化合物半導体層をＧａＡｓ半導体層７３ｄ上に堆積する。第１および第３のアパーチャのサイズは第２のアパーチャのサイズと異なる。

これらの工程の後に、ヘテロ構造を有する活性領域７３が形成される。この構造は、成長中断なく成長されたＧａＮＡｓ／ＧａＡｓ／ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ／ＧａＮＡｓを有する。このヘテロ構造の界面は、急峻にかつ制御性良く窒素組成を制御されている。シャッタおよびゲートバルブを用いて窒素フラックス量を調整するので、プラズマ安定化のための成長中断が不要となり、この結果、より良好な界面を形成できる。これ故に、半導体レーザの特性を向上することができる。

好適な実施の形態においては、ＧａＡｓ半導体層はバリア層であり、第１および第２のIII−Ｖ化合物半導体層の少なくともいずれか一方は井戸層である。この方法では、ＧａＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ系半導体膜を形成するために好適である。しかしながら、第１および第２のIII−Ｖ化合物半導体は、上記の特定の例示に限定されない。例えば、第１および第２のIII−Ｖ化合物半導体の一方は、III族元素としてガリウムを含み、Ｖ族元素として窒素および砒素を含むことが好ましい。また、第１および第２のIII−Ｖ化合物半導体の他方は、III族元素としてガリウムおよびインジウムを含み、Ｖ族元素として少なくとも窒素および砒素を含むことが好ましい。

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。本実施の形態では、例えば、レーザダイオードといった半導体発光素子を説明したけれども、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。

図１は、第１の実施の形態に係る分子線結晶成長装置を概略的に示す図面である。 図２（Ａ）および図２（Ｂ）は、窒素源装置を概略的に示す図面である。 図３（Ａ）、図３（Ｂ）および図３（Ｃ）は、窒素源装置のためのシャッタの一例を示す図面である。 図４（Ａ）は、窒素源装置のためのシャッタの別の例を示す図面である。図４（Ｂ）は、窒素源装置のためのシャッタの更なる別の例を示す図面である。 図５（Ａ）は、半導体発光素子のためのエピタキシャルウエハを示す図面である。図５（Ｂ）は、半導体発光素子のための量子井戸構造の別の例を示す図面である。 図６（Ａ）は窒素ガス流量を示す図面である。図６（Ｂ）は、窒素源装置に加えられるプラズマパワーを示す図面である。図６（Ｃ）は、Ｎシャッタの開口量を示す図面である。図６（Ｄ）は、インジウム源のシャッタ開閉を示す図面である。図６（Ｅ）は、ゲートバルブの開閉を示す図面である。 図７（Ａ）は窒素ガス流量を示す図面である。図７（Ｂ）は、窒素源装置に加えられるプラズマパワーを示す図面である。図７（Ｃ）は、窒素源シャッタの開閉を示す図面である。図７（Ｄ）は、インジウム源のシャッタ開閉を示す図面である。

符号の説明

１１…分子線結晶成長装置、１３…成長室、１５…粒子ビーム源、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ…粒子ビーム源、１７…窒素源装置、１９…ラジカルガン、２３…ハウジング、２５…シャッタ、２５ｂ…シャッタ、２５ｃ…シャッタ、２３ａ、２３ｂ…開口、３１…ゲートバルブ、３３…真空排気装置、３９…ゲートバルブ、４１…ステージ、２５ａ…シャッタ、５１ａ…開口、５１…ベース、５７…絞り構造、５７ａ…アパーチャ、５９…シャッタアレイ、５９ａ…単位のシャッタ、６１…半導体ウエハ、６３…バッファ膜、６５…クラッド膜、６７…活性領域、６９…クラッド膜、７１…コンタクト膜、６７ａ…ＧａＮＡｓ半導体、６７ｂ…ＧａＩｎＮＡｓ半導体、６７ｃ…ＧａＮＡｓ半導体、７３…量子井戸構造、７３ａ…ＧａＮＡｓ半導体、７３ｂ…ＧａＡｓ半導体、７３ｃ…ＧａＩｎＮＡｓ半導体、７３ｄ…ＧａＡｓ半導体、７３ｅ…ＧａＮＡｓ半導体

Claims (7)

1. 窒素を含むIII−Ｖ化合物半導体の層を有するヘテロ構造を作製する方法であって、
   基板を搭載するステージと窒素ラジカルガンとの間に位置するシャッタ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他の原料フラックスを供給して、第１のIII−Ｖ化合物半導体層を前記基板上に堆積する工程と、
   前記シャッタのアパーチャサイズを変更する工程と、
   前記アパーチャサイズを変更した後に、前記変更されたアパーチャを介して窒素フラックスを供給すると共に他の原料フラックスを供給して、第２のIII−Ｖ化合物半導体層を前記第１のIII−Ｖ化合物半導体層上に堆積する工程と
   を備え、
   前記第１のIII−Ｖ化合物半導体層の窒素組成は前記第２のIII−Ｖ化合物半導体層の窒素組成と異なる、ことを特徴とする方法。
2. 窒素を含むIII−Ｖ化合物半導体の層を有するヘテロ構造を作製する方法であって、
   基板を搭載するステージと窒素ラジカルガンとの間に位置するシャッタの第１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他の原料フラックスを供給して、第１のIII−Ｖ化合物半導体層を前記基板上に堆積する工程と、
   窒素フラックスの供給を停止する工程と、
   前記窒素フラックスの供給を停止した後に、前記第１のIII−Ｖ化合物半導体層上にＧａＡｓ半導体を堆積する工程と、
   前記シャッタに第２のアパーチャを形成する工程と、
   前記第２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他の原料フラックスを供給して、第２のIII−Ｖ化合物半導体層を前記ＧａＡｓ半導体層上に堆積する工程と
   を備え、
   前記第１のアパーチャのサイズは前記第２のアパーチャのサイズと異なる、ことを特徴とする方法。
3. 前記第１および第２のIII−Ｖ化合物半導体の一方は、III族元素としてガリウムを含み、Ｖ族元素として窒素および砒素を含んでおり、
   前記第１および第２のIII−Ｖ化合物半導体の他方は、III族元素としてガリウムおよびインジウムを含み、Ｖ族元素として少なくとも窒素および砒素を含む、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載された方法。
4. 窒素を含むIII−Ｖ化合物半導体を成長するための成長室と、
   前記III−Ｖ化合物半導体を成長するための構成元素を前記成長室に提供する一又は複数の粒子ビーム源と、
   前記成長室に窒素フラックスを提供するための窒素源装置と
   を備え、
   前記窒素源装置は、
   窒素ラジカルを発生するためのラジカルガンと、
   前記ラジカルガンを収容するハウジングと、
   前記ハウジングに支持されており、アパーチャのサイズを変更して前記ラジカルガンからの窒素フラックスの量を調整できる構造を有するシャッタと
   を含む、ことを特徴とする分子線結晶成長装置。
5. 前記アパーチャのサイズは絞り構造を用いて変更される、ことを特徴とする請求項４に記載された分子線結晶成長装置。
6. 前記シャッタは、窒素フラックスが通過する開口と、該開口を覆うための遮蔽部材とを含み、
   前記アパーチャのサイズは前記遮蔽部材の位置を変更することによりを調整される、ことを特徴とする請求項４に記載された分子線結晶成長装置。
7. 粒子ビームを用いてIII−Ｖ化合物半導体を成長する成膜装置のための窒素源装置であって、
   窒素ラジカルを発生するためのラジカルガンと、
   前記ラジカルガンを収容するハウジングと、
   前記ハウジングに支持されており、アパーチャのサイズを変更して前記ラジカルガンからの粒子フラックスの量を調整できる構造を有するシャッタと
   を備えることを特徴とする窒素源装置。

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