CN100347821C - 化合物半导体层和发光元件的制造方法及汽相生长设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种化合物半导体层和发光元件的制造方法及汽相生长设备。III-V族化合物半导体层的制造方法，包括以下工序：在反应室中的衬底上形成第一III-V族化合物半导体层；在第一III-V族化合物半导体层形成工序之前或之后，向反应室提供III族材料气体，防止反应室内的III族气体的再次蒸发。

Description

化合物半导体层和发光元件的制造方法及汽相生长设备
技术领域
本发明涉及III-V族化合物半导体层的制造方法，半导体发光元件的制造方法以及汽相生长设备。
已有技术
通常，作为在GaAs衬底上生长具有结晶缺陷较少的III-V族化合物半导体结晶的方法，日本专利申请公开8-203837公开了如下方法。
图9是按照日本专利申请公开8-203837公开的III-V族化合物半导体层的传统制造方法，在整个生长期间的衬底温度和材料气体引入的图形曲线。
首先，将GaAs衬底放置在反应容器(反应室)中。反应容器内的气氛降低到要求的压强。然后，将作为V族材料气体的AsH3(砷)引入反应容器。接着，把GaAs衬底衬底温度提高到650℃。向反应容器引入TMG(三甲基镓)作为III族材料气体，以便在GaAs衬底上生长GaAs缓冲层。然后，停止向反应容器提供TMG，并且停止生长GaAs缓冲层。在停止提供AsH3的同时，开始作为V族材料的PH3(磷)的引入。在经过预定时间周期之后，向反应容器提供TMG、TMA(三甲基铝)和TMI(三甲基铟)作为III族材料气体，开始AlGaInP层的生长。在生长工艺期间，将GaAs衬底的衬底温度提高到750℃。在GaAs衬底的衬底温度保持在750℃的同时，生长AlGaInP层，直至其具有预定的厚度。
在日本专利申请公开8-203837公开的III-V族化合物半导体层的传统制造方法中，是在衬底温度低于AlGaInP的优选生长温度的条件下进行从AsH3到PH3的转换。原因如下。
当在高的衬底温度下不存在AsH3时，砷趋向于从GaAs结晶中分离。于是，如果在高的衬底温度下进行从AsH3到PH3的转换，则转换到PH3之后砷原子立即分离。这样会导致结晶缺陷。如果为了抑制砷原子的分离，在转换到PH3之后在短的时间内开始提供TMG、TMA和TMI，以便生长AlGaInP，则气体在反应容器中不能从AsH3到PH3充分地交换。这样，砷原子混合于AlGaInP之中。这会导致结晶缺陷。
因此，在日本专利申请公开8-203837公开的传统技术中，在低的衬底温度下气体从AsH3转换到PH3。这样，与在AlGaInP的优选生长温度下转换的情形相比，能够抑制从AsH3转换到PH3之后砷原子立即泄漏或者砷原子嵌入AlGaInP。结果，获得具有良好质量的结晶成为可能。
作为在GaAs衬底上生长具有结晶缺陷较少的III-V族化合物半导体结晶的方法的另一实例，日本专利申请公开2000-216496公开了如下方法。
图10是按照日本专利申请公开2000-216496公开的III-V族化合物半导体层的传统制造方法，在整个生长期间的衬底温度和材料气体引入的图形曲线。
首先，将n-GaAs衬底放置在反应容器中。反应容器内的气氛降低到要求的压强。然后，作为V族材料气体，向反应容器中引入AsH3。
接着，加热第一GaAs衬底直至衬底温度提高到770-830℃，即第一温度，在此第一温度下准备生长n-GaAs缓冲层。
然后，在衬底温度保持在第一温度的同时，向反应容器引入TMG作为III族材料气体，以便在n-GaAs衬底上生长第一n-GaAs缓冲层直至其具有预定的厚度。之后，停止向反应容器提供TMG，并且停止第一n-GaAs缓冲层的生长。
而且，衬底温度降低到第二温度，680℃。向反应容器引入TMG，以便生长第二n-GaAs缓冲层。
然后，V族材料气体从AsH3转换到PH3。10秒之后，向反应容器提供TMG、TMA和TMI作为III族材料气体，开始AlGaInP层的生长。在生长工艺期间，将GaAs衬底的衬底温度提高到760℃。在GaAs衬底的衬底温度保持在760℃的同时，生长AlGaInP层，直至其具有预定的厚度。
在日本专利申请公开2000-216496公开的III-V族化合物半导体层的传统制造方法中，是在衬底温度高于AlGaInP的优选生长温度的条件下生长第一n-GaAs缓冲层。原因如下。
通过在生长AlGaInP之前在较高的衬底温度生长第一n-GaAs缓冲层，在第一n-GaAs缓冲层的生长期间能够将附着在衬底保持部件等上的氧蒸发掉。由于第二n-GaAs缓冲层和AlGaInP层是在低于第一n-GaAs缓冲层的衬底温度下生长，所以没有氧从衬底保持部件等上蒸发掉。
因此，根据日本专利申请公开2000-216496公开的传统技术，可以获得形成不发光的复合中心的AlGaInP结晶，作为具有很少有氧混合其中的良好质量AlGaInP结晶。
而且，日本专利申请公开6-244122公开了一种在硅衬底上生长GaAs缓冲层的方法。在该方法中，通过在升温工序期间连续提供材料气体，即使在升温工序期间也生长GaAs层，其中衬底温度从材料气体能够分解的温度提高到能够生长单晶的温度。根据日本专利申请公开6-244122公开的传统技术，能够在硅衬底上生长具有良好表面平坦度的GaAs层。
在上述日本专利申请公开8-203837中公开的传统技术中，通过防止砷混入AlGaInP或者在GaAs与AlGaInP的界面分离，从而获得具有良好质量的结晶。在上述日本专利申请公开2000-216496中公开的传统技术中，通过防止氧在GaAs与AlGaInP的界面混入AlGaInP，从而获得具有良好质量的结晶。
但是，通过进一步的研究，本发明人发现了上述传统技术未考虑的现象引起了AlGaInP的结晶性的恶化。
图11A是生长化合物半导体所用的汽相生长设备1100的重要部分的结构剖面图。图11B是其平面图。
汽相生长设备1100包括反应室(反应容器或反应器)501和设置在反应室501内的衬底保持部件(衬底接受器)502。衬底保持部件502保持GaAs衬底。从设置在反应室501中的气体入口501a提供材料气体，并从设置在反应室501中的气体出口501b排出气体，形成相对于GaAs衬底从一侧流向另一侧。当向反应室501提供气体生长结晶时，反应产物不仅附着在衬底上，而且还附着在反应室501的其它部位上，例如衬底保持部件502、与衬底相对置的反应室501的表面等等。
附着在反应室501上的反应产物根据条件可能分解或者分离并且再次蒸发。再次蒸发的气体可以混入材料气体。在衬底的下游侧(气体出口501b的一侧)产生的再次蒸发的气体直接排出反应室501。在衬底的上游侧(气体入口501a的一侧)产生的再次蒸发的气体混入材料气体，并且到达衬底表面。
当再次蒸发的气体到达未生长半导体层的衬底表面时，例如生长之前或者在半导体层的生长中断期间，再次蒸发的气体的影响是最强的。当半导体层生长时，通过再次蒸发产生的元素(以下称为再次蒸发元素)均匀地混入生长层。于是，再次蒸发元素的浓度相对较低。当半导体层还没有生长或者生长被中断时，再次蒸发元素附着在衬底表面或者结晶表面并且积累，直至下一个生长工序。因此，再次蒸发元素以较高的浓度积累在生长界面。
例如，在生长开始之前，在升温工序期间铟再次蒸发并且到达GaAs衬底的情形，铟与升温工序期间提供的AsH3发生反应并且生长，在GaAs衬底表面形成InAs。由于InAs与GaAs具有大的晶格失配，所以不能正常地生长结晶。因此，产生结晶缺陷。GaAs缓冲层和AlGaInP生长在这种结晶缺陷上。于是，不能获得具有良好质量的结晶。
在例如因组成等变化而使AlGaInP中断生长的情形，停止提供III族材料成分，以此停止利用提供的PH3的生长。当在提供PH3的同时从上游提供砷时，砷附着在AlGaInP的表面，或者AlGaInP中的部分磷被砷置换。于是，在生长界面产生结晶缺陷。
本发明人进行详细的研究并且发现，可能附着在反应室内除衬底之外的其它部位的反应产物可能以任何元素形式产生，但是砷和铟的附着和再次蒸发比其它元素更为显著，并且可能对结晶质量产生显著的影响。
日本专利申请公开6-244122公开的传统技术，是通过在升温的硅衬底上生长GaAs层，改善硅衬底上的GaAs的表面平坦度。其目的不是防止杂质混入III-V族化合物半导体层以改善结晶性。
发明内容
根据本发明的一个方案，提供一种III-V族化合物半导体层的制造方法，包括以下工序：在反应室中在衬底上形成第一III-V族化合物半导体层；在第一III-V族化合物半导体层形成工序之前或之后，向反应室提供III族材料气体，防止反应室内的III族气体的再次蒸发。
在本发明的一个实施例中，提供III族材料气体的工序包括，通过提供III族材料气体形成第一过渡III-V族化合物半导体层。
在本发明的另一个实施例中，形成第一III-V族化合物半导体层的工序包括，在第一衬底温度形成第一III-V族化合物半导体层。
在本发明的又一个实施例中，提供III族材料气体的工序包括，在衬底温度达到优选温度以上时提供III族材料气体。
在本发明的再一个实施例中，优选的温度是结晶缺陷最少的衬底温度，结晶缺陷包括因反应室中产生的反应产物的再次蒸发而导致的结晶缺陷以及因迁移不充分而导致的结晶缺陷。
在本发明的再一个实施例中，提供III族材料气体的工序包括，在第一III-V族化合物半导体层的形成工序完成之前，当衬底温度达到优选温度以上时，提供III族材料气体。
在本发明的再一个实施例中，提供III族材料气体的工序包括，在第一III-V族化合物半导体层的形成工序之前，当衬底温度达到优选温度以上同时衬底温度提高到第一衬底温度时，提供III族材料气体。
在本发明的再一个实施例中，提供III族材料气体的工序包括，当衬底温度达到优选温度以上同时衬底温度提高到第一衬底温度时，一起提供V族材料气体与III族材料气体。
在本发明的再一个实施例中，III-V族化合物半导体层的制造方法还包括在反应室中在第二衬底温度下形成第二III-V族化合物半导体层的工序，其中提供III族材料气体的工序包括，在衬底温度从第一衬底温度改变到第二衬底温度的同时，提供III族材料气体。
在本发明的再一个实施例中，提供III族材料气体的工序包括，在衬度温度从第一衬底温度改变到第二衬底温度的同时，一起提供V族材料气体与III族材料气体。
在本发明的再一个实施例中，第一III族化合物半导体层包括铟和砷中的至少一种。
在本发明的再一个实施例中，衬底是GaAs衬底；形成第一III-V族化合物半导体层的工序包括，在第一衬底温度下在GaAs衬底上形成GaAs缓冲层；提供III族材料气体的工序包括，在衬底温度提高到第一衬底温度，同时衬底温度达到优选温度以上时，提供III族材料气体。
在本发明的再一个实施例中，提供III族材料气体的工序包括，提供在形成GaAs缓冲层的工序中所使用的III族材料气体作为III族材料气体。
在本发明的再一个实施例中，衬底是GaAs衬底；形成第一III-V族化合物半导体层工序包括，在第一衬底温度下在GaAs衬底上形成第一GaAs缓冲层；形成第二III-V族化合物半导体层的工序包括，在第二衬底温度下形成第二GaAs缓冲层；提供III族材料气体的工序包括，在衬底温度从第一衬底温度改变到第二衬底温度的同时，提供III族材料气体。
在本发明的再一个实施例中，提供III族材料气体的工序包括，提供在形成第一GaAs缓冲层的工序和形成第二GaAs缓冲层的工序中至少之一所使用的III族材料气体作为III族材料气体。
在本发明的再一个实施例中，III-V族化合物半导体层的制造方法还包括，在高于第一衬底温度和第二温度中的至少之一的衬底温度下，在反应室中形成第三III-V族化合物半导体层。
在本发明的再一个实施例中，形成第二III-V族化合物半导体层的工序包括，在停止提供III族材料气体10秒以内之后，使用III族材料气体形成第二III-V族化合物半导体层。
在本发明的再一个实施例中，III-V族化合物半导体层的制造方法还包括，在GaAs缓冲层上形成(AlxGa1-x)yIn1-yP层(0≤x≤1，0≤y＜1)。
在本发明的再一个实施例中，形成GaAs缓冲层的工序包括，在第一衬底温度下使用第一V族材料气体形成GaAs缓冲层；形成(AlxGa1-x)yIn1-yP层(0≤x≤1，0≤y＜1)的工序包括，在第二衬底温度下使用第二V族材料气体形成(AlxGa1-x)yIn1-yP层(0≤x≤1，0≤y＜1)，还包括在低于第二衬底温度的衬底温度下，将第一V族材料气体转换为第二V族材料气体。
在本发明的再一个实施例中，形成第一III-V族化合物半导体层的工序包括，采用金属有机化学汽相淀积形成第一III-V族化合物半导体层。
在本发明的再一个实施例中，优选温度是600℃。
在本发明的再一个实施例中，优选温度是630℃。
根据本发明的另一个方案，提供一种半导体发光元件的制造方法，包括以下工序：制造III-V族化合物半导体层；使用III-V族化合物半导体层形成半导体发光元件；其中，制造III-V族化合物半导体层的工序包括：在反应室中在衬底上形成III-V族化合物半导体层；在III-V族化合物半导体层形成工序之前或之后，向反应室提供III族材料气体，防止反应室内的III族气体的再次蒸发。
在本发明的再一个实施例中，形成半导体发光元件的工序包括，形成半导体发光二极管或者半导体激光器。
根据本发明的又一个方案，提供一种汽相生长设备，包括反应室和材料气体提供区，材料气体提供区用于向反应室提供气体，以便在反应室内设置的衬底上形成III-V族化合物半导体层，其中，在III-V族化合物半导体层形成之前或之后，材料气体提供区向反应室提III族材料气体，防止反应室内的III族气体的再次蒸发。
在本发明的再一个实施例中，汽相生长设备还包括用于加热衬底的衬底加热区。
这样，在此介绍的本发明所提供的III-V族化合物半导体层的制造方法、半导体发光元件的制造方法和汽相生长设备具有以下优点，能够抑制因附着在除衬底之外的反应室其它部位上的反应产物的再次蒸发而使III-V族半导体层的结晶性出现的恶化。
以下，对上述方案的效果予以说明。
根据本发明，通过提供III族材料气体可以防止III族材料气体的再次蒸发。这样就能够获得具有良好质量的III-V族化合物半导体层。
在本发明中，为了使III-V族化合物半导体层在预定衬底温度下结晶生长，在衬底温度达到优选温度以上时，向反应室提供III族材料气体直至生长结束。在优选温度下(例如630℃)，因来自衬底周围部分的铟或砷的再次蒸发而导致的结晶缺陷增加而因迁移不充分而导致的结晶缺陷减少。但是，在600℃能够获得抑制结晶缺陷的效果。
一般而言，为了防止砷泄漏或磷泄漏，在开始结晶生长和/或用于转换成分的生长中断工序之前，在升温工序期间向反应室提供V族材料气体。在本发明中，也向反应室提供III族气体，以便连续结晶生长。这样，再次蒸发的元素不会积累在衬底表面或生长界面，不会形成高密度的缺陷。因此，可以获得质量良好的结晶。本发明能够应用于例如金属有机化学汽相淀积，获得质量良好的结晶。
具体地，砷和铟附着在衬底之外的其它部位，并比其它元素更为显著地再次蒸发，对结晶质量产生重大影响。因此，本发明优选应用于包含铟和/或砷作为组成元素的III-V族化合物半导体层。例如，包含铟的III-V族化合物半导体层可以是包含(AlxGa1-x)yIn1-yP(0≤x≤1，0≤y＜1)的层。包含砷的半导体层可以是GaAs缓冲层。
并且，在本发明中，在升温到预定衬底温度的工序期间，当衬底温度达到630℃以上时，开始向反应室提供III族材料气体，在此温度下，因来自衬底周围部位的铟或砷的再次蒸发而导致的结晶缺陷开始增加，并且因迁移不充分而导致的结晶缺陷减少。在低的衬底温度下开始生长，在此温度下铟和砷的再次蒸发量较小。于是，在结晶生长的初始阶段，衬底表面不会积累铟和砷，不会形成高密度的缺陷。因此，可以获得质量良好的结晶。
而且，在本发明中，对于在不同的预定衬底温度下，在半导体衬底上的至少两层半导体层的结晶生长，在升温工序或者降温工序期间在不同生长层之间向反应室提供III族材料气体。由于在不同生长层的生长之间不中断生长，所以铟和砷不会积累在生长界面，不会形成高密度缺陷。因此，可以获得质量良好的结晶。
而且，在本发明中，对于在升温到用于准备首先生长的GaAs缓冲层的生长温度的工序，在GaAs衬底上的至少一层GaAs缓冲层的结晶生长，当衬底温度达到优选温度(例如630℃)以上时，开始向反应室提供III族材料气体。在低的衬底温度下开始生长，在此温度下铟和砷的再次蒸发量较小。于是，在结晶生长的初始阶段，衬底表面不会积累铟和砷，不会形成高密度的缺陷。因此，可以获得质量良好的结晶。
作为在升温到用于准备首先生长的GaAs缓冲层的生长温度的工序中，向反应室提供的III族材料气体，优选使用用于GaAs缓冲层生长的III族材料气体。如果使用不同的材料气体，则为了防止材料气体混合，在转换气体时，必须为中断生长提供等待时间周期，以便在开始提供下一种材料气体之前，排出在先已使用的气体。如果使用相同的材料气体，则可以在升温工序期间采用提供的III族材料气体继续生长。由于不中断生长，所以可生长质量良好的结晶。
而且，在本发明中，对于在GaAs衬底上生长两层具有不同生长温度的GaAs缓冲层，在升温工序或者降温工序期间，在不同生长层的生长之间，向反应室提供III族材料气体。由于在两层GaAs缓冲层的生长之间不中断生长，所以铟和砷不会积累在两层之间的界面上，不会形成高密度的缺陷。因此，可以获得质量良好的结晶。
作为在升温工序或者降温工序向反应室提供的III族材料气体，优选使用用于至少一层GaAs缓冲层结晶生长的III族材料气体。如果使用不同的材料气体，则为了防止材料气体混合，在转换气体时，必须为中断生长提供等待时间周期，以便在开始提供下一种材料气体之前，排出在先已使用的气体。如果使用相同的材料气体，则可以在升温工序或者降温工序期间采用提供的III族材料气体继续生长。由于不中断生长，所以可生长质量良好的结晶。
用于至少一层GaAs缓冲层的生长温度可以设定为高于准备在GaAs缓冲层上生长的III-V族化合物半导体层的生长温度。于是，正如在日本专利申请公开2000-216496所公开的传统技术，附着在衬底保持部件等上的氧在GaAs缓冲层生长时被蒸发。于是，能够防止在准备在其上生长的III-V族化合物半导体层中形成不发光的复合中心。
如上所述，如果至少一层的GaAs缓冲层的生长温度设定为高于形成在其上的III-V族化合物半导体层的生长温度，则在GaAs缓冲层的生长之前或者之后，淀积在衬底周围部位上的铟和砷更易于再次蒸发。即使在这种情况，通过向反应室内提供III族材料气体，可以将衬底表面上和/或生长界面的铟和砷的积累量降至很少。因此，可以获得质量良好的结晶。
在转换材料气体时，为了防止III族材料气体在反应室混合，可以停止全部III族材料气体的提供，暂时停止生长。在包括暂时停止提供III族材料气体的工艺情况，通过将中断的时间周期设定得较短，例如10秒以内，可以将在生长中断期间铟和砷在界面表面的积累量降至最小。因此，可以获得质量良好的结晶。
在制造电子器件例如半导体激光器、HEMT、HBT等的结晶生长中，生长相对较薄的薄膜，其具有约2-3μm以下的厚度。在此情形，附着在衬底保持部件周围的反应产物的量较少。于是，再次蒸发的元素对结晶性的影响较小。另一方面，在制造半导体发光二极管的结晶生长中，经常形成厚度在3μm以上的厚膜。因此，附着在衬底保持部件周围的反应产物的量较多，再次蒸发的元素对结晶性的影响显著。因此，使用由本发明的III-V族化合物半导体层的制造方法所形成的III-V族化合物半导体层来制造半导体发光二极管是特别有效的。
通过参考附图来阅读和理解以下的详细说明，本领域的技术人员将可了解本发明的这些和其它优点。
附图的简要说明
图1A是本发明实施例所使用的汽相生长设备的重要部分的结构剖面图。
图1B是图1A的汽相生长设备的平面图。
图2A是针对III-V族化合物半导体层生长的生长温度(衬底温度)与再次蒸发元素的量之间的关系曲线图。
图2B是生长温度与结晶缺陷数量之间的关系曲线图。
图2C是生长温度与通过实验获得的铟结晶缺陷数量之间关系曲线图。
图3A是本发明的实施例所制造的半导体发光二极管的典型结构的剖面图。
图3B是本发明的实施例所制造的半导体激光器的典型结构的剖面图。
图4是按实施例1的III-V族化合物半导体层的制造方法在整个生长期间衬底温度与材料气体引入之间的关系图形。
图5是按实施例2的III-V族化合物半导体层的制造方法在整个生长期间衬底温度与材料气体引入之间的关系图形。
图6是按实施例3的III-V族化合物半导体层的制造方法在整个生长期间衬底温度与材料气体引入之间的关系图形。
图7是按实施例4的III-V族化合物半导体层的制造方法在整个生长期间衬底温度与材料气体引入之间的关系图形。
图8是按实施例5的III-V族化合物半导体层的制造方法在整个生长期间衬底温度与材料气体引入之间的关系图形。
图9是按III-V族化合物半导体层的传统制造方法在整个生长期间衬底温度与材料气体引入之间的关系图形。
图10是按III-V族化合物半导体层的传统制造方法在整个生长期间衬底温度与材料气体引入之间的关系图形。
图11A是生长III-V族化合物半导体层所使用的汽相生长设备的重要部分的结构剖面图。
图11B是图11A的汽相生长设备的平面图。
优选实施例
以下将对使用根据本发明的III-V族化合物半导体层的制造方法来制造半导体发光二极管的方法的实施例1到5予以说明。首先，说明本发明的原理。
图1A是用于本发明的实施例1到5的化合物半导体层的生长所用的汽相生长设备100的重要部分结构的剖面图。图1B是其平面图。
汽相生长设备100包括反应室1，用于向反应室1提供材料气体的材料气体提供区102，和用于将反应室1中的气体排出的排出区106。
参见图1A和1B，本发明实施例中所用的汽相生长设备100包括反应室(反应器)1和设置在反应室1中的碳制衬底保持部件(衬底接受器)2。衬底保持部件2保持GaAs衬底。气体入口1a和气体出口1b设置在反应室1中。来自材料气体提供区102的材料气体被由气体入口1a提供，并且被排出区106从气体出口1b排出。因此，能够在反应室1中获得要求的气氛。
用做衬底加热装置的射频线圈(RF线圈)3设置在衬底保持部件2之下。射频电流流过RF线圈3，使衬底保持部件2产生感应加热。于是，GaAs衬底的衬底温度提高。此外，在衬底保持部件2之下设置辐射温度计(未示出)，测量衬底保持部件2的温度(衬底温度)，从而控制温度。
可以通过金属有机化学汽相淀积来生长III-V族化合物半导体层。作为III族材料，使用三甲基铝(TMA)、三甲基镓(TMG)、和三甲基铟(TMI)。作为V族材料，使用砷(AsH3)和磷(PH3)。而且，作为掺杂材料，可以使用二乙基锌(DEZn)、环戊二稀基镁(Cp2Mg)、硒化氢(H2Se)、硅烷(SiH4)等。使用按铝的熔点定标的辐射温度计测量衬底表面温度。
使用上述汽相生长设备100和材料，生长形成半导体发光元件的III-V族化合物半导体层，并且进行分别要求的各种处理，例如腐蚀、光刻、金属蒸发淀积、切割等，可以制造期望的半导体发光元件，例如半导体发光二极管、半导体激光器等。
在上述汽相生长设备100中，当采用提供给反应室1的材料气体进行结晶生长时，反应产物不仅附着在衬底上，而且还附着在反应室1的其它部位，例如衬底保持部件2的周围部位、反应室1与衬底相对置的部位等。在随后的结晶生长工艺中反应产物被加热时，反应产物被再次蒸发，并且会对生长层的结晶质量产生不利影响。本发明的目的在于将反应产物的再次蒸发对结晶质量的不利影响抑制到最小程度。
本发明人已经从实验中发现因反应产物的再次蒸发产生的结晶缺陷与生长温度之间的关系如下。
采用SIMS(二次离子质谱仪)测量混入结晶的元素(铟)杂质的量(铟浓度)。获得生长温度(衬底温度)与再次蒸发的元素量之间的关系。结果如图2A的曲线所示。正如从图2A可见，在生长温度约为400℃以上的区域，再次蒸发的元素量(铟浓度)增加，并且随着生长温度的提高，再次蒸发的元素量开始增加。关于再次蒸发的元素量(砷浓度)(未示出)，在生长温度为300℃左右再次蒸发开始增加。
同时，400℃作为生长温度是过低的，可以因不充分的迁移而引起结晶缺陷。图2B是生长温度与结晶缺陷数量之间关系曲线图。正如从图2B可见，随着衬底温度的提高，因迁移不充分导致的结晶缺陷减少。
因此，III-V族化合物半导体层的结晶性取决于再次蒸发量与迁移之间的权衡。具体地，如果在过低的温度开始结晶生长，则结晶缺陷增加，因为迁移不充分。如果生长温度过高，则结晶生长之前和生长之间的中断期间的反应产物的再次蒸发量增加，从而增加了结晶缺陷。
图2C是通过实验获得的生长温度与铟结晶缺陷数量之间的关系曲线。当开始生长的温度是630℃时，在半导体层表面观察到的缺陷数量是最少的。
一旦开始结晶生长，则随着结晶的继续生长，存在于衬底保持部件周围的反应产物通过再次蒸发而缓慢减少。于是，上述优选温度630℃不同于所谓的优选生长温度。
因此，在本实施例中，对于在预定衬底温度的III-V族化合物半导体层的结晶生长，在衬底温度达到优选温度以上时，随着向反应室提供III族材料气体，进行III-V族化合物半导体的结晶生长。优选温度是这样一种温度，在此温度下，来自衬底周围部位的铟或砷的再次蒸发开始增加，而迁移的不充分减少，直至完成结晶生长(例如630℃)。但是，在600℃可以获得抑制结晶缺陷的效果。
例如，在升温到预定衬底温度的工序中，当衬底温度达到优选温度(例如630℃)以上时，开始向反应室提供III族材料气体，进行III-V族化合物半导体层的结晶生长。而且，在生长层之间的升温工序或者降温工序中，向反应室提供III族材料气体，继续生长III-V族化合物半导体层。当暂时中断III族材料气体的提供时，停止的时间周期设定为10秒以内。
与结晶生长和结晶生长中断之前的升温工序相比，由于结晶生长界面上淀积的再次蒸发的元素混入随着结晶生长的层中，所以浓度降低。于是，随着结晶生长的层中的结晶缺陷降低，获得质量良好的结晶结构。
关于砷浓度，在约300℃的衬底温度左右开始再次蒸发。540℃的衬底温度是优选温度。因此，当衬底温度是优选温度(例如540℃)以上时，可以向反应室提供III族材料气体，进行III-V族化合物半导体的结晶生长(在500℃可以获得抑制结晶缺陷的效果)。
图3A是利用根据本发明的III-V族化合物半导体层的制造方法所制造的半导体发光二极管300的典型叠层结构的剖面图。
参见图3A，半导体发光二极管300包括GaAs衬底11，GaAs缓冲层12，发光部分13和电流扩散层15。按照GaAs缓冲层12，发光部分13和电流扩散层15的顺序层叠在GaAs衬底11上。电极16相对于宽度方向位于电流扩散层15的中心。
GaAs缓冲层12包括第一GaAs缓冲层12a和第二GaAs缓冲层12b，按照上述顺序从衬底侧层叠。在比形成发光部分13的AlGaInP层((AlxGa1-x)yIn1-yP层(0≤x≤1，0≤y＜1))更高的衬底温度下，进行第一GaAs缓冲层12a的结晶生长。
另外，缓冲层也可以具有单层结构。
发光部分13包括AlGaInP下包覆层13a、有源层13b和AlGaInP上包覆层13c。AlGaInP上包覆层13c和AlGaInP下包覆层13a分别层叠在有源层13b的上下表面。
电流阻断层14设置在电流扩散层15中，位于宽度方向的中心，以便通过部分电流扩散层15与电极16对置，并且在厚度方向与发光部分13相隔预定的距离。从电极16提供的电流流过电流扩散层15，比流过电流阻断层14更为容易。因此，电流在电流扩散层15中被扩展，并且提供到发光部分13。
图3B是采用根据本发明的III-V族化合物半导体层的制造方法所制造的半导体激光器350的典型叠层结构的剖面图。
在图3B中，半导体激光器350包括GaAs衬底11，GaAs缓冲层12，发光部分13和GaAs接触层18。按照GaAs缓冲层12，发光部分13和GaAs接触层18的顺序层叠在GaAs衬底11上。
GaAs缓冲层12包括第一GaAs缓冲层12a和第二GaAa缓冲层12b，按照上述顺序从衬底侧层叠。在比形成发光部分13的AlGaInP层((AlxGa1-x)yIn1-yP层(0≤x≤1，0≤y＜1))更高的衬底温度下，进行第一GaAs缓冲层12a的结晶生长。
另外，缓冲层也可以具有单层结构。
发光部分13包括AlGaInP下包覆层13a、AlGaInP有源层13b和AlGaInP上包覆层13c。AlGaInP上包覆层13c和AlGaInP下包覆层13a分别层叠在有源层13b的上下表面。
上包覆层13c的端部相对于有源层13b被去除预定厚度，以使上包覆层13c在上包覆层13c的中心部位具有梯形剖面。设置GaAs电流阻断层17，填充梯形部分。
设置GaAs接触层18，越过AlGaInP上包覆层13c的梯形部分的上表面和GaAs电流阻断层17的上表面。从GaAs接触层18提供的电流流过AlGaInP上包覆层13c，比流过GaAs电流阻断层17更为容易。因此，通过设置在AlGaInP上包覆层13c中心的梯形部分，电流被聚集在中心，并提供给AlGaInP有源层13b。
如上所述，根据本发明，可以制造具有如图3A和3B所示层结构的半导体发光二极管和半导体激光器。但是，本发明可以应用于包括具有这种层结构的任何半导体发光元件的制造。
以下，将说明本发明的具体结构的实施例1到5。
(实施例1)
在实施例1中，在形成半导体发光元件的发光部分13的AlGaInP层层叠之前，在650℃的衬底温度下，在GaAs衬底11上生长GaAs缓冲层12，该衬底温度低于用于形成发光部分13的AlGaInP层的生长温度730℃。
图4是实施例1的III-V族化合物半导体层的制造方法中，在整个生长期间衬底温度和材料气体引入的关系图形。
参见图4，首先，在反应室1中的衬底保持部件2上放置GaAs衬底11。将反应室1的气氛降低到要求的压力。然后，向反应室1引入AsH3作为V族材料气体。接着，在GaAs衬底11的衬底温度升高到GaAs缓冲层12的生长温度650℃的工序期间，在衬底温度达到优选温度(例如630℃)的点时，将TMG引入反应室1作为III族材料气体，生长过渡GaAs缓冲层。随着GaAs缓冲层12的继续结晶生长，GaAs衬底11的衬底温度提高到650℃。衬底温度保持在用于形成GaAs缓冲层的650℃，生长主GaAs缓冲层12，直至其具有预定厚度。GaAs缓冲层12包括过渡GaAs缓冲层和主GaAs缓冲层。
接着，在用于GaAs缓冲层12的生长温度650℃，该温度低于AlGaInP层的生长温度，将用于GaAs缓冲层12的V族材料气体AsH3和III族材料气体TMG转换为用于AlGaInP层的V族材料气体PH3和III族材料气体TMG、TMA和TMI，该AlGaInP层形成发光部分13。随着AlGaInP层的连续生长而不中断，温度提高到用于AlGaInP层的优选生长温度730℃。GaAs衬底11的衬底温度保持在730℃，生长形成发光部分13的AlGaInP层，直到其具有预定的厚度。
在实施例1中，正如图4中◎所示的，在形成主GaAs缓冲层之前，在升温工序期间，在衬底温度达到优选温度(例如630℃)以上时的点，开始提供III族材料气体TMG，进行GaAs缓冲层12的结晶生长。继续进行GaAs缓冲层12的生长，直到温度达到GaAs缓冲层12的生长温度650℃。
如果在主GaAs缓冲层生长之前，在升温工序中未生长半导体层，则附着在衬底保持部件2周围的元素因衬底温度的升高而被再次蒸发。再次蒸发的元素附着在GaAs衬底11表面。这些元素可能成为结晶缺陷的晶核，并且可以明显地降低结晶质量，包括后续生长的发光部分13。
在实施例1中，在采用在升温工序中提供的III族材料气体生长半导体层的同时，产生再次蒸发的元素。但是，在生长工艺期间再次蒸发的元素混入结晶，但不聚集和积累在一个界面上。因此，再次蒸发的元素的浓度低，于是它们对结晶性的影响小。
使用实施例1形成的III-V族半导体层，制造半导体发光二极管，并评价其性能。结果表明，与在升温工序期间不提供III族材料气体、因而无结晶生长所制造的产品相比，亮度提高了约10％。使用这种半导体层制造的图3B所示的半导体激光器也具有改善了的结晶性和性能。
(实施例2)
在实施例2中，与实施例1不同，在630℃生长第二GaAs缓冲层12b之前，该温度低于AlGaInP层的生长温度730℃，在780℃下在GaAs衬底11上生长第一GaAs缓冲层12a，该温度高于形成发光部分13的AlGAInP层的生长温度730℃。在实施例2中，在第二主GaAs缓冲层形成之前，在降温工序期间，采用提供的III族材料气体继续GaAs缓中层12的结晶生长。虽然产生了再次蒸发的元素，它们在生长工艺期间混入结晶，但不聚集和积累在一个界面上。因此，能够抑制结晶性的劣化。
图5是实施例2的III-V族化合物半导体层的制造方法中，在整个生长期间衬底温度和材料气体引入的关系图形。
参见图5，首先，在反应室1中的衬底保持部件2上放置GaAs衬底11。将反应室1的气氛降低到要求的压力。然后，向反应室1引入AsH3作为V族材料气体。接着，GaAs衬底11的衬底温度升高到第一GaAs缓冲层12a的生长温度780℃。将TMG引入反应室1作为III族材料气体。衬底温度保持在780℃，形成第一GaAs缓冲层12a作为第一主GaAs缓冲层，直至其具有预定厚度。
在GaAs衬底11的衬底温度降低到第二GaAs缓冲层12b的生长温度630℃的工序中，不停止向反应室1提供TMG，继续生长GaAs缓冲层，形成过渡GaAs缓冲层。随着结晶生长继续而不中断，GaAs衬底11的衬底温度降低到630℃。衬底温度保持在形成第二主GaAs缓冲层的630℃，生长第二GaAs缓冲层12b，直至其具有预定的厚度。第二GaAs缓冲层12b包括过渡GaAs缓冲层和第二主GaAs缓冲层。
接着，在低于AlGaInP层生长温度的第二GaAs缓冲层12b的生长温度630℃，将用于GaAs缓冲层12的V族材料气体AsH3转换为用于形成发光部分13的AlGaInP层的V族材料气体PH3。停止提供用于GaAs缓冲层12的III族材料气体TMG。GaAs衬底11的衬底温度提高到用于AlGaInP层的优选生长温度730℃。在升温工序期间，在从AsH3转换到PH3之后的1秒，开始提供用于形成发光部分13的AlGaInP层的III族材料气体TMG、TMA和TMI。随着AlGaInP层的生长，温度升高到AlGaInP层的优选生长温度730℃。GaAs衬底11的衬底温度保持在730℃，生长形成发光部分13的AlGaInP层，直至其具有预定的厚度。
在实施例2中，正如图5中◎所示的，在第一主GaAs缓冲层与第二主GaAs缓冲层的生长之间的降温工序期间，不停止提供III族材料气体TMG，继续GaAs缓冲层12的结晶生长。连续进行GaAs缓冲层12的结晶生长，直到温度达到第二GaAs缓冲层12b的生长温度630℃。
如果在第一主GaAs缓冲层与第二主GaAs缓冲层的生长之间的降温工序期间，停止提供III族材料气体，因而中断生长，则附着在衬底保持部件2周围的元素在中断期间被再次蒸发。再次蒸发的元素附着在第一GaAs缓冲层12a表面。这些元素可能成为结晶缺陷的晶核，并且可以明显地降低结晶质量，包括后续生长的发光部分13。
在实施例2中，在采用在降温工序中提供的III族材料气体生长半导体层的同时，产生再次蒸发的元素。但是，在生长工艺期间再次蒸发的元素混入结晶，但不聚集和积累在一个界面上。因此，再次蒸发的元素的浓度低，于是它们对结晶性的影响小。
使用实施例2形成的III-V族半导体层，制造半导体发光二极管，并评价其性能。结果表明，与在降温工序期间不提供III族材料气体、因而无结晶生长所制造的产品相比，亮度提高了约10％。使用这种半导体层制造的图3B所示的半导体激光器也具有改善了的结晶性和性能。
(实施例3)
在实施例3中，如同实施例2，在低于AlGaInP层的生长温度730℃的630℃下生长第二GaAs缓冲层12b之前，在780℃下在GaAs衬底11上生长第一GaAs缓冲层12a，该温度高于形成发光部分13的AlGaInP的生长温度730℃。
图6是实施例3的III-V族化合物半导体层的制造方法中，在整个生长期间衬底温度和材料气体引入的关系图形。
参见图6，首先，在反应室1中的衬底保持部件2上放置GaAs衬底11。将反应室1的气氛降低到要求的压力。然后，向反应室1引入AsH3作为V族材料气体。接着，在GaAs衬底11的衬底温度升高到第一GaAs缓冲层12a的生长温度780℃的工序期间，在衬底温度达到优选温度(例如630℃)的点，将TMG引入反应室1作为III族材料气体，进行GaAs缓冲层的结晶生长，形成第一过渡GaAs缓冲层。随着GaAs缓冲层12的继续结晶生长，GaAs衬底11的衬底温度提高到780℃。衬底温度保持在形成第一主GaAs缓冲层的780℃，进行第一主GaAs缓冲层12a的结晶生长，直至其具有预定厚度。第一主GaAs缓冲层12a包括第一过渡GaAs缓冲层和第一主GaAs缓冲层。
在GaAs衬底11的衬底温度降低到第二GaAs缓冲层12b的生长温度630℃的工序中，不停止向反应室1提供TMG，继续生长GaAs缓冲层，形成第二过渡GaAs缓冲层。随着结晶生长继续而不中断，GaAs衬底11的衬底温度降低到630℃。衬底温度保持在形成第二主GaAs缓冲层的630℃，生长第二GaAs缓冲层12b，直至其具有预定的厚度。第二GaAs缓冲层12b包括第二过渡GaAs缓冲层和第二主GaAs缓冲层。
接着，在低于AlGaInP层生长温度的第二GaAs缓冲层12b的生长温度630℃，将用于GaAs缓冲层12的V族材料气体AsH3转换为用于形成发光部分13的AlGaInP层的V族材料气体PH3。停止提供用于GaAs缓冲层12的III族材料气体TMG。GaAs衬底11的衬底温度提高到AlGaInP层的优选生长温度730℃。在升温工序期间，在从AsH3转换到PH3之后的2秒，开始提供III族材料气体TMG、TMA和TMI，用于形成发光部分13的AlGaInP层。随着AlGaInP层的生长，温度升高到AlGaInP层的优选生长温度730℃。GaAs衬底11的温度保持在730℃，生长形成发光部分13的AlGaInP层，直至其具有预定的厚度。
在实施例3中，正如图6中左侧的◎所示，在形成第一主GaAs缓冲层之前的升温工序期间，在衬底温度达到优选温度(例如630℃)以上时的点，开始提供III族材料气体TMG，进行第一GaAs缓冲层12a的结晶生长。连续生长第一GaAs缓冲层12a，直到温度达到第一GaAs缓冲层12a的生长温度780℃。
此外，在实施例3中，正如图6中右侧的◎所示，在第一主GaAs缓冲层与第二主GaAs缓冲层的生长之间的降温工序期间，不停止提供III族材料气体TMG，继续GaAs缓冲层12的结晶生长。连续进行GaAs缓冲层12的结晶生长，直到温度达到第二GaAs缓冲层12b的生长温度630℃。
正如针对实施例1和2所述的，如果在形成第一主GaAs缓冲层之前的升温工序中，以及在第一主GaAs缓冲层与第二主GaAs缓冲层的生长之间的降温工序期间，不提供III族材料气体，结果不生长半导体层，则附着在衬底保持部件2周围的元素被再次蒸发。再次蒸发的元素附着在GaAs衬底11和第一GaAs缓冲层12a的表面。这些元素可能成为结晶缺陷的晶核，并且可以明显地降低结晶质量，包括后续生长的发光部分13。
在实施例3中，在采用在升温工序和降温工序中提供的III族材料气体生长半导体层的同时，产生再次蒸发的元素。但是，在生长工艺期间再次蒸发的元素混入结晶，但不聚集和积累在一个界面上。因此，再次蒸发的元素的浓度低，于是它们对结晶性的影响小。
使用实施例3形成的III-V族半导体层，制造半导体发光二极管，并评价其性能。结果表明，与在降温工序期间不提供III族材料气体、因而无结晶生长所制造的产品相比，亮度提高了约20％。使用这种半导体层制造的图3B所示的半导体激光器也具有改善了的结晶性和性能。
(实施例4)
在实施例4中，与实施例1不同，在GaAs缓冲层12与形成半导体发光元件的发光部分13的AlGaInP层之间设置DBR层(反光层)。DBR层将来自发光部分13的部分光反射到衬底，将该光引导向与衬底对置的光输出表面，以便提高光的输出效率。在与AlGaInP层的生长温度730℃相同的衬底温度，交替进行AlAs层和AlGaAs层的结晶生长，重复20次，可以形成主DBR层。
图7是实施例4的III-V族化合物半导体层的制造方法中，在整个生长期间衬底温度和材料气体引入的关系图形。
参见图7，首先，在反应室1中的衬底保持部件2上放置GaAs衬底11。将反应室1的气氛降低到要求的压力。然后，向反应室1引入AsH3作为V族材料气体。接着，在GaAs衬底11的衬底温度升高到GaAs缓冲层12的生长温度670℃的工序期间，在衬底温度达到优选温度(例如630℃)时的点，将TMG引入反应室1作为III族材料气体，形成第一过渡GaAs缓冲层。随着GaAs缓冲层12的继续结晶生长，GaAs衬底11的衬底温度提高到670℃。衬底温度保持在形成主GaAs缓冲层的670℃。
在GaAs衬底11的衬底温度升高到DBR层的生长温度730℃的工序期间，继续结晶生长而不停止向反应室1提供TMG。进行GaAs缓冲层12的结晶生长，形成第二过渡GaAs缓冲层。GaAs缓冲层12包括第一过渡GaAs缓冲层、主GaAs缓冲层和第二过渡GaAs缓冲层。
接着，在DBR层的生长温度730℃，提供TMA作为III族材料气体，生长具有预定厚度的AlAs层，提供TMA和TMG生长具有预定厚度的AlGaAs层。通过交替重复这种工序，形成主DBR层。在GaAs衬底11的衬底温度暂时降低到630℃期间，该温度低于形成发光部分13的AlGaInP层的生长温度730℃，不停止提供用于DBR层的V族材料气体AsH3、III族材料气体TMG和TMA，继续AlGaAs层的结晶生长，将其形成过渡DBR层。
接着，在低于AlGaInP层的生长温度的衬底温度630℃，将用于DBR层的V族材料气体AsH3转换为用于形成发光部分13的AlGaInP层的V族材料气体PH3。停止提供用于DBR层的III族材料气体TMG和TMA。GaAs衬底11的衬底温度提高到用于AlGaInP层的优选生长温度730℃。在升温工序期间，在从AsH3转换为PH3之后的5秒，开始提供III族材料气体TMG、TMA和TMI，用于形成发光部分13的AlGaInP层。随着AlGaInP层的生长，温度提高到AlGaInP层的优选生长温度730℃。GaAs衬底11的衬底温度保持在730℃，进行形成发光部分13的AlGaInP层的结晶生长，直到其具有预定的厚度。
在实施例4中，正如图7中左侧的◎所示，在形成主GaAs缓冲层之前的升温工序期间，在衬底温度达到优选温度(例如630℃)以上时的点，开始提供III族材料气体TMG，生长GaAs缓冲层12。连续生长GaAs缓冲层12，直到温度达到GaAs缓冲层12的生长温度670℃。
此外，在实施例4中，正如图7中央的◎所示，在主GaAs缓冲层与DBR层的生长之间的升温工序期间，不停止提供用于GaAs缓冲层的III族材料气体TMG，继续GaAs缓冲层12的结晶生长。连续进行GaAs缓冲层12的结晶生长，直到温度达到DBR层的生长温度730℃。
并且，在实施例4中，正如图7右侧的◎所示，在主DBR层与发光部分13之间的转换材料气体的降温工序期间，不停止提供用于生长AlGaAs层从而形成主DBR层的最终层的III族材料气体TMG和TMA，继续AlGaAs层的结晶生长。连续进行AlGaAs层的结晶生长，直到温度达到衬底温度630℃。
如上所述，作为准备在升温工序和降温工序提供的材料气体，使用与在先已经提供的一种气体相同的气体。因此，可以避免材料气体转换的不方便以及因气体的转换而在界面产生的不规则结晶。
为了生长DBR层，需要在AlAs层与AlGaAs层之间转换材料气体。通常，当转换材料气体时，结晶生长被中断，以便有时间从反应室1排空材料气体。在实施例4中，为了在生长中断期间防止再次蒸发的元素的附着，不中断结晶生长。如果在反应室1中的材料气体的流动无扰动，并且平稳地排出材料气体，则不必中断结晶生长。
当中断生长以便转换材料气体时，使生长中断时间较短，以使其对结晶性的影响相应地较小。因此，最好将生长中断时间设定为10秒以内。
在实施例4中，为了在DBR层与发光部分13之间转换材料气体，在升温工序期间的生长中断时间应尽可能地短至5秒。因此，后续生长的发光部分13的结晶性得以改善。
使用在实施例4形成的III-V族半导体层，制造半导体发光二极管，并评价其性能。结果表明，与在降温工序期间不提供III族材料气体、因而无结晶生长的所制造的产品相比，亮度提高了约25％。使用这种半导体层制造的图3B所示的半导体激光器也具有改善了的结晶性和性能。
(实施例5)
在实施例5中，与实施例2和3不同，在第二GaAs缓冲层12b与形成半导体发光元件的发光部分13的AlGaInP层之间设置DBR层(反光层)。DBR层将来自发光部分13的部分光反射到衬底，将该光引导向与衬底对置的光输出表面，以便提高光的输出效率。在与AlGaInP的生长温度730℃相同的衬底温度，交替进行AlAs层和AlGaAs层的结晶生长，重复20次，可以形成主DBR层。
图8是实施例5的III-V族化合物半导体层的制造方法中，在整个生长期间衬底温度和材料气体引入的关系图形。
参见图8，首先，在反应室1中的衬底保持部件2上放置GaAs衬底11。将反应室1的气氛降低到要求的压力。然后，向反应室1引入AsH3作为V族材料气体。接着，在GaAs衬底11的衬底温度升高到第一GaAs缓冲层12a的生长温度780℃的工序期间，在衬底温度达到优选温度(例如630℃)时的点，将TMG引入反应室1作为III族材料气体，形成第一过渡GaAs缓冲层。随着GaAs缓冲层12的继续结晶生长，GaAs衬底11的衬底温度提高到780℃。衬底温度保持在形成第一主缓冲层的780℃。
在GaAs衬底11的衬底温度降低到第二GaAs缓冲层12b的生长温度630℃期间，不停止向反应室1提供TMG，继续GaAs缓冲层的结晶生长，形成第二过渡GaAs缓冲层。随着继续结晶生长而不中断，GaAs衬底11的衬底温度降低到630℃。衬底温度保持在630℃，形成第二主GaAs缓冲层。
在GaAs衬底11的衬底温度升高到DBR层的生长温度730℃的工序中，继续结晶生长，而不停止向反应室1提供TMG，形成第三过渡GaAs缓冲层。进行GaAs缓冲层12的结晶生长。GaAs缓冲层12包括第一过渡GaAs缓冲层、第一主GaAs缓冲层、第二过渡GaAs缓冲层、第二主GaAs缓冲层和第三过渡GaAs缓冲层。
接着，在DBR层的生长温度730℃，提供TMA作为III族材料气体，生长具有预定厚度的AlAs层，提供TMA和TMG，生长具有预定厚度的AlGaAs层。通过交替重复此工序，形成主DBR层。在GaAs衬底11的衬底温度暂时降低到比形成发光部分13的AlGaInP层的生长温度730℃要低的630℃的工序期间，不停止提供用于DBR层的V族材料气体AsH3、III族材料气体TMG和TMA，继续作为过渡DBR层的AlGaAs层的结晶生长。
接着，在低于AlGaInP层的生长温度730℃的衬底温度630℃，将用于DBR层的V族材料气体AsH3转换为用于形成发光部分13的AlGaInP层的V族材料气体PH3。停止提供用于DBR层的III族材料气体TMG和TMA。GaAs衬底11的衬底温度提高到用于AlGaInP层的优选生长温度730℃。在升温工序期间，在从AsH3转换为PH3之后的1秒，开始提供III族材料气体TMG、TMA和TMI，用于形成发光部分13的AlGaInP层。随着AlGaInP层的继续结晶生长，温度提高到AlGaInP层的优选生长温度730℃。GaAs衬底11的衬底温度保持在730℃，进行形成发光部分13的AlGaInP层的结晶生长，直到其具有形成AlGaInP层的预定厚度。
在实施例5中，正如图8中最左侧的◎所示，在形成第一主GaAs缓冲层之前的升温工序期间，在衬底温度达到优选温度(例如630℃)以上时的点，开始提供III族材料气体TMG，影响GaAs缓冲层的结晶生长。连续生长第一主GaAs缓冲层，直到温度达到第一主GaAs缓冲层的生长温度780℃。
此外，在实施例5中，正如图8中左的◎所示，在第一主GaAs缓冲层与第二主GaAs缓冲层的生长之间的降温工序期间，不停止提供III族材料气体TMG，继续GaAs缓冲层的结晶生长。连续进行GaAs缓冲层的结晶生长，直到温度达到第二主GaAs缓冲层的生长温度630℃。
此外，在实施例5中，正如图8中右的◎所示，在第二主GaAs缓冲层与DBR层的生长之间的升温工序期间，不停止提供用于GaAs缓冲层的III族材料气体TMG，继续GaAs缓冲层12的结晶生长。连续进行GaAs缓冲层12的结晶生长，直到温度达到DBR层12b的生长温度730℃。
并且，在实施例5中，正如图8最右侧的◎所示，在主DBR层与发光部分13之间的转换材料气体的降温工序期间，不停止提供用于生长AlGaAs层从而形成主DBR层的最终层的III族材料气体TMG和TMA，继续AlGaAs层的结晶生长，形成过渡DBR层。连续进行AlGaAs的结晶生长，直到温度达到衬底温度630℃。
如上所述，作为准备在升温工序和降温工序提供的材料气体，使用与在先已经提供的一种气体相同的气体。因此，可以避免材料气体转换的不方便以及因气体的转换而在界面产生的不规则结晶。
为了生长DBR层，需要在AlAs层与AlGaAs层之间转换材料气体。通常，当转换材料气体时，生长被中断，以便有时间从反应室1排空材料气体。在实施例5中，为了在生长中断期间防止再次蒸发的元素的附着，不中断结晶生长。如果在反应室1中的材料气体的流动无扰动，并且平稳地排出材料气体，则不必中断结晶生长。
当中断生长以便转换材料气体时，使生长中断时间较短，以使其对结晶性的影响相应地较小。因此，最好将生长中断时间设定为10秒以内。
在实施例5中，为了在DBR层与发光部分13之间转换材料气体，在升温工序期间的生长中断时间应尽可能地短至1秒。因此，后续生长的发光部分13的结晶性得以改善。
使用在实施例5形成的III-V族半导体层，制造半导体发光二极管，并评价其性能。结果表明，与在降温工序期间不提供III族材料气体、因而无结晶生长的所制造的产品相比，亮度提高了约25％。使用这种半导体层制造的图3B所示的半导体激光器也具有改善了的结晶性和性能。
如上所述，为了采用向反应室1提供的材料气体来生长半导体层，当在后续工序加热衬底时，附着在衬底上的反应产物被再次蒸发并且混入材料气体，从而导致对结晶性的不利影响。再次蒸发量随着生长温度的提高而增加。另一方面，如果生长温度过低，则因迁移不充分而产生结晶缺陷。在优选温度(例如630℃)，结晶缺陷的数量可以最少。因此，在根据本发明的实施例1到5的预定衬底温度的III-V族化合物半导体层的结晶生长中，在开始结晶生长之前的升温工序和/或为转换成分而中断生长的工序期间，当衬底温度是优选温度(例如630℃)以上时，向反应室1提供III族材料气体，继续结晶生长。因此，可以抑制因附着在反应室1中的衬底保持部件2周围的反应产物的再次蒸发，而导致的III-V族化合物半导体层结晶性的劣化。
正如从上述说明可见的，根据本发明，在预定衬底温度的III-V族化合物半导体层的结晶生长中，当衬底温度是优选温度(例如630℃)以上时，采用向反应室提供的III族材料气体继续生长而不中断。因此，可以防止从衬底保持部件周围附着的反应产物的再次蒸发的元素例如砷、铟等积累在衬底表面和生长界面上并混入其中。因此，可以获得质量良好的结晶。
而且，根据本发明，在生长半导体层之前的升温工序期间，当衬底温度达到优选温度(例如630℃)以上时，开始向反应室提供III族材料气体。因此，可以防止在生长的初始阶段从衬底保持部件周围附着的反应产物再次蒸发的元素例如砷、铟等积累在衬底表面和生长界面上并混入其中。因此，可以获得质量良好的结晶。
而且，根据本发明，在不同的生长层的生长之间的升温工序或降温工序期间，向反应室提供III族材料气体，在不同的生长层的生长之间继续生长而不中断。因此，铟、砷等不积累在生长层之间的界面上，不形成高密度的缺陷。因此，可以获得质量良好的结晶。
而且，根据本发明，为了在GaAs衬底上生长GaAs缓冲层，在温度升高到GaAs缓冲层的生长温度的工序期间，当衬底温度达到优选温度(例如630℃)以上时，开始向反应室提供III族材料气体。因此，可以防止在生长的初始阶段从衬底保持部件周围附着的反应产物再次蒸发的元素例如砷、铟等积累在衬底表面和生长界面上并混入其中。因此，可以获得质量良好的结晶。
此外，作为在温度升高到首先生长的GaAs缓冲层的生长温度的工序中，向反应室提供的III族材料气体，使用与GaAs缓冲层的生长所用的III族材料气体相同的气体。因此，消除了转换材料气体的不方便。而且，可以防止因材料气体的转换而在界面产生的结晶紊乱。因此，可以获得质量良好的结晶。
而且，根据本发明，为了在GaAs衬底上生长具有不同的生长温度的两种GaAs缓冲层，在不同生长层的生长之间的升温工序或降温工序期间，向反应室提供III族材料气体，在不同生长层的生长之间连续生长而不中断。因此，铟、砷等不积累在生长层之间的界面上，不形成高密度的缺陷。因此，可以获得质量良好的结晶。
而且，作为在升温工序或降温工序向反应室提供的III族材料气体，使用与GaAs缓冲层的生长所用的III族材料气体相同的气体。因此，消除了转换材料气体的不方便。而且，可以防止因材料气体的转换而在界面产生的结晶紊乱。因此，可以获得质量良好的结晶。
而且，将用于GaAs缓冲层至少之一的生长温度设定为高于在GaAs缓冲层上要生长的III-V族化合物半导体的生长温度。因此，可以在GaAs缓冲层的生长期间，蒸发附着在衬底保持部件等上的氧。在此情形，由于生长温度高，所以附着在衬底保持部件周围的反应产物的再次蒸发量变大。如果在这种再次蒸发之前或之后中断生长，则对结晶性的不利影响变得显著。因此，在高温生长至少一种GaAs缓冲层的情形，优选在继续生长之前和之后进行升温工序或降温工序中，向反应室提供III族材料气体。
而且，为了改变生长层的成分而转换材料气体时，可以暂时停止提供III族材料气体中断生长。在此情形，优选将中断设定为10秒以内。可以不中断半导体层的生长。但是，在必须提供生长中断的情形，通过将时间设定为10秒以内，可以使铟、砷等在在生长中断期间在生长界面的积累抑制在最小程度。
当III-V族化合物半导体包含(AlxGa1-x)yIn1-yP层((0≤x≤1，0≤y＜1))时，本发明特别有效。通常，为了生长AlGaInP族半导体层，在GaAs衬底上设置GaAs缓冲层，然后在其上生长AlGaInP层。这样，砷和铟包含在反应产物中。因此，通过使用本发明的III-V族化合物半导体层的制造方法，可以改善结晶质量。
而且，在使用金属有机汽相淀积作为制造方法的情形，由于要提供的材料的是气体，所以本发明的III-V族化合物半导体层的制造方法是有效的，可以改善结晶质量。
附着在衬底保持部件周围的反应产物量越多，本发明就越有效。具体地，为了制造半导体发光二极管，在每个工序生长的层的厚度比制造其它类型半导体发光元件例如半导体激光器的更厚。于是，附着在衬底保持部件周围的反应产物的量就更多。因此，当本发明应用于半导体发光二极管的制造时，本发明就特别有效，并且实现更大的效果，例如通过改善结晶质量而使亮度提高。
在不脱离本发明的范围和精神的条件下，各种其它的改变对于本领域的技术人员来说是显而易见的并且易于做出。因此，不应将权利要求书的范围局限于在此给出的说明，而应对权利要求书做广泛地的解释。

Claims (22)

1.一种III-V族化合物半导体层的制造方法，包括以下工序：
在反应室中的衬底上形成第一III-V族化合物半导体层；
在第一III-V族化合物半导体层形成工序之前，以及在此工序和形成第二III-V族化合物半导体层的工序之间，向反应室提供III族材料气体，从而防止反应室内的III族气体的再次蒸发，其中，所述III族材料气体是在衬底温度处于优选温度以上时提供的，所述优选的温度是结晶缺陷最少的衬底温度，结晶缺陷包括因反应室中产生的反应产物的再次蒸发而导致的结晶缺陷以及因迁移不充分而导致的结晶缺陷。
2.根据权利要求1的III-V族化合物半导体层的制造方法，其中，提供III族材料气体的工序包括，在第一III-V族化合物半导体层形成工序之前通过提供III族材料气体形成第一过渡III-V族化合物半导体层。
3.根据权利要求1的III-V族化合物半导体层的制造方法，其中，形成第一III-V族化合物半导体层的工序包括，在第一衬底温度形成第一III-V族化合物半导体层。
4.根据权利要求1的III-V族化合物半导体层的制造方法，其中，提供III族材料气体的工序包括，在第一III-V族化合物半导体层的形成工序之前，当衬底温度达到优选温度以上时，提供III族材料气体。
5.根据权利要求1的III-V族化合物半导体层的制造方法，其中，提供III族材料气体的工序包括，在第一III-V族化合物半导体层的形成工序之前，在衬底温度提高到第一衬底温度的过程中当衬底温度达到优选温度以上时，提供III族材料气体。
6.根据权利要求5的III-V族化合物半导体层的制造方法，其中，提供III族材料气体的工序包括，在衬底温度提高到第一衬底温度的过程中当衬底温度达到优选温度以上时，一起提供V族材料气体与III族材料气体。
7.根据权利要求3的III-V族化合物半导体层的制造方法，其中在第二衬底温度下执行形成第二III-V族化合物半导体层的工序，
其中提供III族材料气体的工序包括，在衬底温度从第一衬底温度改变到第二衬底温度的同时，提供III族材料气体。
8.根据权利要求7的III-V族化合物半导体层的制造方法，其中，提供III族材料气体的工序包括，在衬底温度从第一衬底温度改变到第二衬底温度的同时，一起提供V族材料气体与III族材料气体。
9.根据权利要求1的III-V族化合物半导体层的制造方法，其中，第一III-V族化合物半导体层包括铟和砷中的至少一种。
10.根据权利要求1的III-V族化合物半导体层的制造方法，其中，
衬底是GaAs衬底；
形成第一III-V族化合物半导体层的工序包括，在第一衬底温度下在GaAs衬底上形成GaAs缓冲层；
提供III族材料气体的工序包括，在衬底温度提高到第一衬底温度的过程中当衬底温度达到优选温度以上时，提供III族材料气体。
11.根据权利要求10的III-V族化合物半导体层的制造方法，其中，提供III族材料气体的工序包括，提供在形成GaAs缓冲层的工序中所使用的III族材料气体作为III族材料气体。
12.根据权利要求7的III-V族化合物半导体层的制造方法，其中，
衬底是GaAs衬底；
形成第一III-V族化合物半导体层工序包括，在第一衬底温度下在GaAs衬底上形成第一GaAs缓冲层；
形成第二III-V族化合物半导体层的工序包括，在第二衬底温度下形成第二GaAs缓冲层；
提供III族材料气体的工序包括，在衬底温度从第一衬底温度改变到第二衬底温度的同时，提供III族材料气体。
13.根据权利要求12的III-V族化合物半导体层的制造方法，其中，提供III族材料气体的工序包括，提供在形成第一GaAs缓冲层的工序和形成第二GaAs缓冲层的工序中至少之一所使用的III族材料气体作为III族材料气体。
14.根据权利要求12的III-V族化合物半导体层的制造方法，还包括，在高于第一衬底温度和第二衬底温度中的至少之一的衬底温度下，在反应室中形成第三III-V族化合物半导体层。
15.根据权利要求7的III-V族化合物半导体层的制造方法，其中，形成第二III-V族化合物半导体层的工序包括，在停止提供III族材料气体10秒以内之后，使用III族材料气体形成第二III-V族化合物半导体层。
16.根据权利要求10的III-V族化合物半导体层的制造方法，还包括，在GaAs缓冲层上形成(AlxGa1-x)yIn1-yP层，其中0≤x≤1，0≤y＜1。
17.根据权利要求16的III-V族化合物半导体层的制造方法，其中，
形成GaAs缓冲层的工序包括，在第一衬底温度下使用第一V族材料气体形成GaAs缓冲层；
形成(AlxGa1-x)yIn1-yP层的工序包括，在第二衬底温度下使用第二V族材料气体形成(AlxGa1-x)yIn1-yP层，其中0≤x≤1，0≤y＜1，
还包括在衬底温度低于第二衬底温度时，将第一V族材料气体转换为第二V族材料气体。
18.根据权利要求1的III-V族化合物半导体层的制造方法，其中，形成第一III-V族化合物半导体层的工序包括，采用金属有机化学汽相淀积形成第一III-V族化合物半导体层。
19.根据权利要求1的III-V族化合物半导体层的制造方法，其中，优选温度是600℃。
20.根据权利要求1的III-V族化合物半导体层的制造方法，其中，优选温度是630℃。
21.一种半导体发光元件的制造方法，包括以下工序：
制造III-V族化合物半导体层；
使用III-V族化合物半导体层形成半导体发光元件；其中：
制造III-V族化合物半导体层的工序包括：
在反应室中在衬底上形成III-V族化合物半导体层；
在III-V族化合物半导体层形成工序之前，以及在此工序和形成第二III-V族化合物半导体层的工序之间，向反应室提供III族材料气体，防止反应室内的III族气体的再次蒸发，其中，所述III族材料气体是在衬底温度达到优选温度以上时提供的，所述优选的温度是结晶缺陷最少的衬底温度，结晶缺陷包括因反应室中产生的反应产物的再次蒸发而导致的结晶缺陷以及因迁移不充分而导致的结晶缺陷。
22.根据权利要求21的半导体发光元件的制造方法，其中，形成半导体发光元件的工序包括，形成半导体发光二极管或者半导体激光器。
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