JP2007035968A

JP2007035968A - 化合物半導体素子の製造方法

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Publication number: JP2007035968A
Application number: JP2005217896A
Authority: JP
Inventors: Yoshitaka Tomomura; 好隆友村
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2005-07-27
Filing date: 2005-07-27
Publication date: 2007-02-08

Abstract

【課題】急峻なヘテロ接合を有する高品質なＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体素子を提供する。
【解決手段】ＳｂとＡｓを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第１の半導体層と、Ｓｂを含まず、Ａｓを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第２の半導体層とのヘテロ接合を有する化合物半導体素子を、分子線エピタキシー法により製造する方法であって、前記第１の半導体層を形成する工程においてＡｓ分子線の分子種としてＡｓ４を用い、前記第２の半導体層を形成する工程においてＡｓ分子線の分子種としてＡｓ２を用いることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体素子の製造方法に関する。

半導体レーザや発光ダイオード等の、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体素子は、現代社会を支えるキーデバイスとなっているが、近年、上記分野において、ＧａＡｓにＳｂ、Ｎなどを混晶化することにより、光ファイバー通信に重要な波長である１.３μｍや１.５５μｍ、あるいはそれよりも長波長で発光するバンドギャップの小さい半導体材料が得られること、及び安価なＧａＡｓ基板に格子整合できること等が分かった。このため、ＧａＡｓにＳｂ、Ｎなどを混晶化した材料が、発光デバイスへの適用の観点から注目されている。

このような中、特許文献１には、半導体レーザや発光ダイオードといった光通信用半導体発光素子の発光層として用いることのできるＧａＡｓ_1-x-yＳｂ_xＮ_y（０＜Ｘ≦０．３かつ０＜Ｙ≦０．０１５）から成る混晶半導体材料が提案されている。この技術に係る混晶半導体材料を半導体レーザの活性層として用いると、ＧａＡｓ基板上に波長１．３μｍを超える長波長の半導体レーザが実現できるとされる。

特許第３２０９２６６号公報

この技術を更に説明する。従来、この波長域での半導体レーザは、ＩｎＰ基板上に形成されていたが、上記特許文献１の半導体レーザでは、ＧａＡｓ基板上に活性層としてＧａＡｓＳｂＮが形成されている。この構造によると、ＩｎＰ基板上に活性層が形成された従来の構造の半導体レーザよりも数倍のヘテロ障壁が得られ、その結果、量子井戸層に注入キャリアを効率よく閉じこめることができるので、半導体レーザの環境温度が変化しても閾値が変わらず、安定した光出力が得られるとされる。つまり、温度変化に対する半導体レーザの発振閾電流値の変化が小さい優れた温度特性が得られ、半導体レーザの温度を一定に保つための装置や光出力を一定に保つ装置を必要としない。このため、レ−ザ装置や応用システムのコストを大幅に削減できる。

ＧａＡｓＳｂＮ混晶について、本発明者が鋭意研究を行ったところ、ＧａＡｓＳｂＮ混晶半導体層と、これに隣接するＳｂを含まない半導体層とのヘテロ接合部分に問題があった。具体的には、半導体レーザの量子井戸活性層の井戸層であるＧａＡｓＳｂＮ混晶そのものの結晶性が良好であっても、障壁層であるＧａＡｓ層とのヘテロ接合部分において、Ｓｂが偏析しやすいために隣接するＳｂを含めたくない層に結晶組成分のダレが生じ、急峻なヘテロ接合が得られないという問題がある。

所望の発光波長を得るためにＧａＡｓＳｂＮ混晶中のＳｂの組成比を増加させると、それだけＳｂの偏析が大きくなるので、ヘテロ接合の急峻性が一層悪くなり、その結果発光効率が大幅に低下するとともに、発光の半値全幅が大幅に広がるという発光性能の低下が生じる。よって、ヘテロ接合の急峻性に劣る混晶を用いると、良好な発光特性を有する半導体素子を実現できない。

上記課題を解決するための本発明は、ＳｂとＡｓを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第１の半導体層と、Ｓｂを含まず、Ａｓを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第２の半導体層とのヘテロ接合を有する化合物半導体素子を、分子線エピタキシー法により製造する方法であって、前記第１の半導体層を形成する工程においてＡｓ分子線の分子種としてＡｓ４を用い、前記第２の半導体層を形成する工程においてＡｓ分子線の分子種としてＡｓ２を用いることを特徴とする。

分子線エピタキシー法を用いる場合、Ａｓ源としてＡｓ２（Ａｓの２原子分子）またはＡｓ４（Ａｓの４原子分子）のいずれか一方のみを用いることが一般的である。ここで、Ａｓ分子線の分子種としてＡｓ２を用いた場合、その反応性が高いので、結晶成長の表面においてＡｓとＩＩＩ族元素とが結合しやすいために、ＳｂとＩＩＩ族元素とが結合しにくくなる。このため、所望量のＳｂをＩＩＩ族元素と結合させて第１の半導体層に取り込むことができにくくなるという問題がある。この問題を解消するために、Ｓｂを過剰に供給すると、Ｓｂの偏析が生じ、偏析したＳｂが隣接した第２の半導体層（Ｓｂを含まない層）に取り込まれるので、急峻なヘテロ接合が形成されなくなるという問題が新たに生じる。

他方、Ａｓ分子線の分子種としてＡｓ４を用いた場合、その反応性がＡｓ２よりも低いため、Ａｓ２を用いる場合よりも結晶成長の表面においてＳｂとＩＩＩ族元素とが結合しやすくなる。よって、所望量のＳｂを第１の半導体層に取り込ませることが可能になる。しかし、隣接した第２の半導体層（Ｓｂを含まない層）の形成時に、第１の半導体層に取り込まれずに結晶成長の表面に残存したＳｂが、反応性の低いＡｓ４と競合してＩＩＩ族元素と結合するので、残存Ｓｂが第２の半導体層中に取り込まれる。これにより、急峻なヘテロ接合の形成が阻害される。

ここにおいて、上記本発明では、第１の半導体層（Ｓｂを含む層）の成長時には、反応性の低いＡｓ４を用いることにより、第１の半導体層に効率よくＳｂを取り込むことができる。他方、第２の半導体層（Ｓｂを含まない層）の成長時には、反応性の高いＡｓ２を用いて、残存するＳｂよりもＡｓ２が優先的にＩＩＩ族元素と結合させる。よって、Ｓｂが第２の半導体層（Ｓｂを含まない層）に取り込まれることがないので、急峻なヘテロ接合を有する半導体素子を実現することができる。

前記第１の半導体層がＧａＡｓＳｂであり、前記第２の半導体層がＧａＡｓであり、前記化合物半導体素子を、ＧａＡｓ基板上に作製する構成とすることができる。

前記半導体素子が、前記第１の半導体層を井戸層とし、前記第２の半導体層を障壁層とする量子井戸半導体レーザである構成とすることができる。

上記本発明によると、ヘテロ結合の急峻性に優れたＩＩＩ−Ｖ族半導体素子が得られる。このため、上記方法では、発振閾値電流を低減でき、発光効率を向上し得た半導体レーザが実現できる。また、その他の半導体素子に適用した場合においても、素子特性を大幅に改善できる。

本発明を実施するための最良の形態を、実施例を用いて詳細に説明する。

（実施例１）
図１に、ＧａＡｓ基板の上に形成された、ＧａＡｓを障壁層とし、ＧａＡｓＳｂＮを井戸層とした、単一量子井戸構造を活性層として有する、実施例１に係る半導体レーザ素子を示す。本実施例では、ＧａＡｓＳｂＮ井戸層を成長する際には、Ａｓ４をＡｓ分子線の分子種として用い、ＧａＡｓ障壁層を成長する際には、Ａｓ４をＡｓ分子線の分子種として用いる点に特徴がある。

図１を用いて、実施例１の半導体レーザ素子の構造を詳細に説明する。ここで、各部は、
ｐ型側電極金属１０１・・・Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ
電流狭窄層１０２・・・ポリイミド
コンタクト層１０３・・・ｐ型ＧａＡｓ，０．５μｍ
上クラッド層１０４・・・ｐ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ，１μｍ
上ガイド層１０５・・・ｉ（真性）−Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ａｓ，０．１μｍ
活性層１０６・・・ｉ−ＧａＡｓ_0.803Ｓｂ_0.19Ｎ_0.007，７ｎｍ井戸層／ｉ−ＧａＡｓ障壁層，５ｎｍからなる単一量子井戸構造
下ガイド層１０７・・・ｉ（真性）−Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ａｓ，０．１μｍ
下クラッド層１０８・・・ｎ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ，１μｍ
基板１０９・・・ｎ型ＧａＡｓ
ｎ型側電極金属１１０・・・ＡｕＧｅ／Ｎｉ
である。

この半導体レーザ素子を作製するにあたり、まず半導体各層を、金属Ｇａ、金属Ａｌ、固体Ａｓ（Ａｓ２、Ａｓ４）固体Ｓｂ（Ｓｂ２）、そして窒素プラズマを用いた原子状Ｎ、を原料とした分子線エピタキシャル装置を用いた。なお、Ａｓ分子線の発生源としては、２つのクラッキングセルを用いた。具体的には、１つのクラッキングセルはＡｓ２を得るためにクラッキング部の温度を９００℃以上とし、もう一方のクラッキングセルはＡｓ４を得るためにクラッキング部の温度を６００℃以下とした。

結晶成長条件は、ＧａＡｓ基板１０９上に、上下クラッド層１０４、１０８は６００℃、上下ガイド層１０５、１０７及び活性層１０６を４５０℃で、各層を順次結晶成長した。ｐ型層のドーパントとしてはＢｅを用い、ｎ型層のドーパントとしてはＳｉを用いた。Ａｓ分子線の分子種として、ＧａＡｓＳｂＮ井戸層のみにＡｓ４を用い、ＧａＡｓ障壁層等の他の層にはＡｓ２を用いた。

活性層１０６は、次のようにして作製した。Ｇａ、Ａｓ４、Ｎ、Ｓｂを供給し、Ａｓ２は供給しないで、ＧａＮＡｓＳｂ層（井戸層）を形成する。次に井戸層の上に、Ｇａ、Ａｓ２を供給し、ＳｂとＮとＡｓ４とを供給しないで、ＧａＡｓ層（障壁層）を積層する。この工程を複数回繰り返すことにより、ヘテロ接合を有する活性層１０６が形成される。Ａｓ４と、Ｓｂ、Ｎ及びＡｓ２が交互に供給されており、同時に供給されないことが、この活性層の結晶成長方法の特徴である。

各半導体層を結晶成長した後、結晶基板を結晶成長装置から取り出し、公知のホトリソグラフィ法及び公知のウエットエッチング法により、幅３μｍのリッジ導波路に加工し、リッジ導波路の両脇をポリイミド１０２で埋めた後、基板を厚さ１００μｍにまで薄層化し、上下に電極１０１、１１０を蒸着した。その後、チップ状に分割し、実施例１に係る半導体素子１００を作製した。

共振器長１０００μｍにへき開し、上下の電極１０１、１１０を通して電流を流すと、発振しきい値電流密度４００［Ａ／ｃｍ²］にて、波長１．３１μｍでレーザ発振を生じた。

（比較例１、２）
全ての層をＡｓ分子線の分子種としてＡｓ４のみ（比較例１）、Ａｓ２のみ（比較例２）を用いて結晶成長させたこと以外は、上記実施例１と同様にして、半導体レーザ素子を作製した。

それぞれの半導体レーザ素子は波長１．３１μｍにてレーザ発振し、その発振しきい値電流密度は、比較例１においては１０００［Ａ／ｃｍ²］、比較例２においては１５００［Ａ／ｃｍ²］であった。

以下、実施例１、比較例１、２を参照しながら本願発明の作用と効果について説明する。

通常、分子線エピタキシー法により、Ａｓを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を成長する場合、Ａｓの分子線として、固体Ａｓを２５０℃程度（６５０℃以下）に加熱して得られるＡｓ４（Ａｓの４原子分子）からなる分子線、または上記のように得られたＡｓ４分子線をさらに高温（９００℃程度以上）で分解すること、または、ＡｓＨ₃(アルシン)を高温（９００℃程度以上）で分解することにより得られるＡｓ２（Ａｓの２原子分子）からなる分子線が用いられる。いずれのＡｓ分子線を用いるかは、成長する材料系、積層構造や、使用する装置に応じてより好ましいものが選択されるが、選択した一方のＡｓ分子線のみを適用するのが一般的である。

比較例１、２は、一般的な方法として、Ａｓ分子線の分子種としてそれぞれＡｓ２またはＡｓ４のいずれか一方のみを用いた場合に相当する。いずれか一方のみのＡｓ分子線を用いてＧａＡｓＳｂＮ井戸層／ＧａＡｓ障壁層からなる量子井戸活性層を結晶成長した場合、使用する分子線に応じて、ＧａＡｓＳｂＮ／ＧａＡｓヘテロ接合の急峻性に影響を及ぼす。ヘテロ接合の急峻性が劣化すると、発光特性が劣化するので、Ａｓ分子線の分子種と、ヘテロ接合の急峻性について以下に考察する。

まず、Ａｓ分子線の分子種としてＡｓ２を用いた場合（比較例２）、その反応性が高いため結晶成長の表面においてＧａとの結合を形成しやすいために、ＳｂとＧａとが結合しにくくなる。このため、所望量のＳｂをＧａと結合させてＧａＡｓＳｂＮ層に取り込ませるためには、Ｓｂを過剰に供給する必要があるが、Ｓｂの偏析が生じ、偏析したＳｂが隣接したＧａＡｓ層（Ｓｂを含まない層）に取り込まれるので、急峻なヘテロ接合が形成されない。

また、Ａｓ分子線の分子種としてＡｓ４を用いた場合（比較例１）、その反応性がＡｓ２よりも低いため、Ａｓ２を用いる場合よりも結晶成長の表面においてＳｂとＧａとが結合しやすく、所望量のＳｂがＧａＡｓＳｂＮ層に取り込ませることができる。しかし、隣接したＧａＡｓ層（Ｓｂを含まない層）の形成時に、ＧａＡｓＳｂＮ層に取り込まれずに結晶成長の表面に残存したＳｂが、反応性の低いＡｓ４と競合してＩＩＩ族元素と結合するため、残存ＳｂがＧａＡｓ層中に取り込まれる。よって、急峻なヘテロ接合が形成されない。

これに対し、実施例１では、ＧａＡｓＳｂＮ層の成長時には、反応性の低いＡｓ４を用いることにより、効率よくＧａＡｓＳｂＮ層にＳｂを取り込むことができる。また、ＧａＡｓ層の成長時には、反応性の高いＡｓ２を用いることにより、残存したＳｂよりもＡｓ２が優先的にＧａと結合させることができるので、残存ＳｂがＧａＡｓ層に取り込まれることがない。

これにより、実施例１では、急峻なＧａＡｓＳｂＮ層／ＧａＡｓ層ヘテロ接合が形成できるので、良好な発光特性を有する半導体レーザ素子が得られる。

（その他の事項）
上記実施例では半導体レーザを作製したが、本発明は、発光ダイオード、フォトダイオードなどの発光／受光デバイスだけでなく、バイポーラトランジスタなどの電子デバイスにも適用することができる。

また、ＩＩＩ族元素としては、Ｇａ、Ａｌ、Ｔｌ、Ｉｎ等を用いることができ、Ａｓ、Ｓｂ以外のＶ族元素としては、Ｎ、Ｐ等を用いることができる。

以上に説明したように、本発明によると、急峻なヘテロ接合を有するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体素子を実現でき、これを用いることにより特性のよい半導体素子（例えば、発光特性に優れた半導体レーザ素子）を提供できる。したがって、産業上の意義は大きい。

本発明に係る半導体レーザ素子の斜視図である。

符号の説明

１００半導体レーザ素子
１０１ｐ型側電極金属
１０２電流狭窄層
１０３コンタクト層
１０４上クラッド層
１０５上ガイド層
１０６井戸層
１０７下ガイド層
１０８下クラッド層
１０９基板
１１０ｎ型側電極金属

Claims

ＳｂとＡｓを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第１の半導体層と、Ｓｂを含まず、Ａｓを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第２の半導体層とのヘテロ接合を有する化合物半導体素子を、分子線エピタキシー法により製造する方法であって、
前記第１の半導体層を形成する工程においてＡｓ分子線の分子種としてＡｓ４を用い、
前記第２の半導体層を形成する工程においてＡｓ分子線の分子種としてＡｓ２を用いることを特徴とする化合物半導体素子の製造方法。
前記第１の半導体層がＧａＡｓＳｂであり、
前記第２の半導体層がＧａＡｓであり、
前記化合物半導体素子を、ＧａＡｓ基板上に作製することを特徴とする請求項１に記載の化合物半導体素子の製造方法。
前記半導体素子が、前記第１の半導体層を井戸層とし、前記第２の半導体層を障壁層とする量子井戸半導体レーザであることを特徴とする化合物半導体素子の製造方法。