JP2007207929A

JP2007207929A - Ｉｉｉ−ｖ化合物半導体光装置を作製する方法

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Publication number: JP2007207929A
Application number: JP2006023466A
Authority: JP
Inventors: Takashi Yamada; 隆史山田
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2006-01-31
Filing date: 2006-01-31
Publication date: 2007-08-16

Abstract

【課題】発光特性を改善可能なIII−Ｖ化合物半導体光装置を作製する方法を提供する。
【解決手段】この方法では、活性層のための第１のIII−Ｖ化合物半導体層１９を有機金属気相成長炉２５で形成する。次いで、第１のIII−Ｖ化合物半導体層１９上に有機金属気相成長炉２５を用いて、III族構成元素としてガリウムおよびＶ族構成元素としてヒ素を含む第２のIII−Ｖ化合物半導体層２１を形成する。この後に、第２のIII−Ｖ化合物半導体層２１を形成した後に、有機金属気相成長炉２５に熱処理ガスＧａｓを供給すると共に有機金属ガスを供給することなく、第１のIII−Ｖ化合物半導体層１９を熱処理して第１のIII−Ｖ化合物半導体層中の水素濃度を低減する。熱処理ガスＧａｓは、水素ガス、窒素ガス、不活性ガスの少なくともいずれかを含むと共に、水素化物を含まない。
【選択図】図１

Description

本発明は、III−Ｖ化合物半導体光装置を作製する方法に関する。

特許文献１には、化合物半導体の結晶を成長する方法が記載されている。この結晶成長方法は、有機金属気相成長法により水素雰囲気中でＧａＩｎＮＡｓ半導体を結晶成長した後に、他の半導体層を形成すること無くＧａＩｎＮＡｓ半導体を窒素雰囲気中で熱処理を行う。必要な場合には、結晶中のヒ素が熱処理中に抜けることを防止するために、ヒ素原料を供給しながら行われる。
特開２００４−１６５３４９号公報

特許文献１に記載された方法では、ＧａＩｎＮＡｓ半導体を結晶成長した後に、他の半導体層を形成すること無く有機金属気相成長炉を用いＧａＩｎＮＡｓ半導体を窒素雰囲気中で熱処理を行う。ヒ素が抜けることを防止するために、熱処理中にヒ素原料を供給している。

また、この熱処理は、ＧａＩｎＮＡｓ半導体の表面を他の半導体で覆うことなく行われる。ＧａＩｎＮＡｓ半導体が活性層のために堆積されるので、その界面は非常に重要である。ＧａＩｎＮＡｓ半導体表面のダメージは、窒素雰囲気中の熱処理によっても避けられない。

本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、発光特性を改善可能なIII−Ｖ化合物半導体光装置を作製する方法を提供することを目的とする。

本発明の一側面は、III−Ｖ化合物半導体光装置を作製する方法である。この方法は、（ａ）少なくとも窒素およびヒ素をＶ族構成元素として含んでおり活性層のための第１のIII−Ｖ化合物半導体層を有機金属気相成長炉でIII−Ｖ化合物半導体領域上に形成する工程と、（ｂ）前記第１のIII−Ｖ化合物半導体層上に前記有機金属気相成長炉を用いて、III族構成元素として少なくともガリウムを含むと共にＶ族構成元素として少なくともヒ素を含む第２のIII−Ｖ化合物半導体層を形成する工程と、（ｃ）前記第２のIII−Ｖ化合物半導体層を形成した後に、前記有機金属気相成長炉に熱処理ガスを供給し、且つ有機金属ガスを供給することなく、前記第１のIII−Ｖ化合物半導体層中の水素濃度を低減するように前記第１のIII−Ｖ化合物半導体層を熱処理する工程と、（ｄ）前記第２のIII−Ｖ化合物半導体層上に前記有機金属気相成長炉を用いて、第３のIII−Ｖ化合物半導体層を形成する工程とを備え、前記熱処理ガスは、水素ガス、窒素ガス、不活性ガスの少なくともいずれかを含むと共に、水素化物を含まない。

この方法によれば、活性層のための第１のIII−Ｖ化合物半導体層上に第２のIII−Ｖ化合物半導体層を形成した後に該熱処理を行うので、活性層のための第１のIII−Ｖ化合物半導体層の表面が熱処理によるダメージを受けることがない。また、水素ガス、窒素ガス、不活性ガスの少なくともいずれかを含むと共に水素化物を含まないガスを用いて熱処理を行うので、活性水素を含まない雰囲気中で熱処理が行われる。

本発明に係るIII−Ｖ化合物半導体光装置を作製する方法では、前記前記熱処理の温度は摂氏５００度以上であることが好ましい。

この方法によれば、上記の熱処理ガスを用いると共に摂氏５００度以上の温度で熱処理を行うことにより、第１のIII−Ｖ化合物半導体層中の水素を低減することができる。

本発明に係るIII−Ｖ化合物半導体光装置を作製する方法では、前記熱処理は、摂氏５００度以上の温度および１５秒以上の時間の条件で行われることが好ましい。

この方法によれば、比較的短時間の熱処理で水素濃度の低減が可能である。

本発明に係るIII−Ｖ化合物半導体光装置を作製する方法では、前記第１のIII−Ｖ化合物半導体層の材料は、ＧａＩｎＮＡｓまたはＧａＮＡｓである。

この方法は、半導体光デバイスに用いられるＧａＩｎＮＡｓまたはＧａＮＡｓに用いることが特に有用である。

本発明に係るIII−Ｖ化合物半導体光装置を作製する方法では、前記第２のIII−Ｖ化合物半導体層を形成した後に、前記有機金属気相成長炉でクラッド層を形成する工程を更に備え、前記熱処理は前記クラッド層を形成するに先立って行われることが好ましい。

この方法によれば、活性層のための半導体層の表面を保護しなくてはならないが、活性層上に形成される半導体層が厚くなる前に、活性層内の第１のIII−Ｖ化合物半導体層の脱水素を行うことが好ましい。

本発明に係るIII−Ｖ化合物半導体光装置を作製する方法では、前記活性層は多重量子井戸構造を含む。

この方法によれば、活性層のために複数の第１のIII−Ｖ化合物半導体層を形成した後に熱処理の工程を設けるので、活性層内の第１のIII−Ｖ化合物半導体層の水素濃度を低減できる。

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、本発明によれば、発光特性を改善可能なIII−Ｖ化合物半導体光装置を作製する方法が提供される。

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III−Ｖ化合物半導体光装置を作製する方法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。

図１は、本実施の形態に係るIII−Ｖ化合物半導体光装置を作製する方法を示す図面である。

図１（Ａ）に示されるように、導電性を有する基板１１を準備する。基板１１は、例えばＧａＡｓ基板であることができる。或いは、ＧａＡｓ基板に替えて、ＧａＡｓ表面を有する基板を用いることができる。第１導電型III−Ｖ化合物半導体から成るバッファ膜１３を基板１１の表面１１ａ上に形成する。バッファ膜１３としては、例えばｎ型ＧａＡｓ半導体膜を用いることができる。この形成は、有機金属気相成長炉を用いて行われる。引き続く製造法の説明では、有機金属気相成長のためのガリウム原料としてトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、インジウム原料としてトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、窒素原料としてジメチルヒドラジン（ＤＭＨｙ）、ヒ素原料としてターシャリブチルアルシン（ＴＢＡｓ）等を用いる。

図１（Ｂ）に示されるように、III−Ｖ化合物半導体から成るクラッド膜１５をバッファ膜１３上に形成する。クラッド膜１５としては、例えばｎ型ＡｌＧａＡｓ半導体膜を用いることができる。この形成は、有機金属気相成長炉を用いて行われる。クラッド膜１５のバンドギャップ波長は、後ほど形成されるIII−Ｖ化合物半導体層１７のバンドギャップ波長より小さく、クラッド膜１５はIII−Ｖ化合物半導体層１７および活性層にキャリアを閉じ込めるように働く。

図１（Ｃ）に示されるように、III−Ｖ化合物半導体から成る光ガイド層１７ａをクラッド膜１５上に形成する。光ガイド層１７ａとしては、例えばアンドープＧａＡｓ半導体膜を用いることができる。この形成は、有機金属気相成長炉を用いて行われる。

次いで、活性層の形成を行う。図１（Ｃ）に示されるように、III−Ｖ化合物半導体から成るバリア層１７ｂを光ガイド層１７ａ上に形成する。バリア層１７ｂとしては、例えばアンドープＧａＡｓ半導体膜を用いることができる。この形成は、有機金属気相成長炉を用いて行われる。この実施例では、光ガイド層１７ａの材料がバリア層１７ｂの材料と同じなので、光ガイド層１７ａおよびバリア層１７ｂのためのIII−Ｖ化合物半導体膜１７を一緒に形成するようにしてもよい。

図２（Ａ）に示されるように、活性層のための第１のIII−Ｖ化合物半導体層１９を形成する。この形成は、有機金属気相成長炉を用いて行われる。第１のIII−Ｖ化合物半導体層１９のバンドギャップ波長はバリア層１７ｂのバンドギャップ波長よりも大きく、第１のIII−Ｖ化合物半導体層１９は井戸層として働く。第１のIII−Ｖ化合物半導体層１９は、少なくとも窒素およびヒ素をＶ族構成元素として含んでいる。第１のIII−Ｖ化合物半導体層の材料は、例えばＧａＩｎＮＡｓまたはＧａＮＡｓであることができる。これらの材料は、光通信用の半導体光デバイスの分野において特に有用である。ＧａＩｎＮＡｓの成長は、例えば摂氏５１０度程度で行われる。この成長は有機金属気相成長法を用いて行われるので、成長された膜中には多数の水素Ｈが含まれる。

活性層の形成を引き続き行う。図２（Ｂ）に示されるように、III族構成元素として少なくともガリウムおよびＶ族構成元素として少なくともヒ素を含むIII−Ｖ化合物半導体から成るバリア層２１ｂをIII−Ｖ化合物半導体層１９（井戸層）上に形成する。バリア層２１ｂとしては、例えばアンドープＧａＡｓ半導体膜を用いることができる。この形成は、有機金属気相成長炉を用いて行われる。
本実施の形態では、これにより単一量子井戸構造の活性層が完成した。活性層の構造はこれに限定されることなく、バルクまたは多重量子井戸構造であってもよい。

次いで、図２（Ｂ）に示されるように、III族構成元素として少なくともガリウムおよびＶ族構成元素として少なくともヒ素を含むIII−Ｖ化合物半導体から成る光ガイド層２１ａをバリア層２１ｂ上に形成する。光ガイド層２１ａとしては、例えばアンドープＧａＡｓ半導体膜を用いることができる。この形成は、有機金属気相成長炉を用いて行われる。この実施例では、光ガイド層２１ａの材料がバリア層２１ｂの材料と同じなので、第２のIII−Ｖ化合物半導体膜２１を成長して光ガイド層２１ａおよびバリア層２１ｂを一緒に形成するようにしてもよい。

キャップ膜として作用する半導体（２１および／又は２１ｂ）を第１のIII−Ｖ化合物半導体層１９上に堆積した後に、第１のIII−Ｖ化合物半導体層１９中の水素を追い出すための熱処理２３を行う。この熱処理２３は、第２のIII−Ｖ化合物半導体層２１を形成した後に、第１のIII−Ｖ化合物半導体層１９に脱水素処理のための熱処理２３を施す。この熱処理２３は、有機金属気相成長炉２５に熱処理ガスＧａｓを供給することにより行われる。また、熱処理２３は、有機金属ガスを供給することなく行われる。熱処理２３により、第１のIII−Ｖ化合物半導体層１９中の水素濃度が小さくなる。熱処理ガスＧａｓは、水素ガス、窒素ガス、不活性ガスの少なくともいずれかを含むと共に、水素化物（例えば、ＡｓＨ_３、ＴＢＡｓ、ＴＭＡｓ、ＭＥＡｓ、ＴＥＡｓ、ＰＨ_３、ＴＢＰ、ＴＭＰ、ＴＥＰ、ＤＥＰ、ＤＭＨｙ、ＭＭＨｙ、ＴＥＧａ、ＴＭＧａ、ＴＥＩｎ、ＴＭＩｎ、ＴＥＡｌ、ＴＭＡｌ、ＴＭＳｂ、ＴＥＳｂ、ＳｉＨ_４、Ｓｉ_２Ｈ_６、ＴｅＥＳｉ、ＤＥＺｎ、ＤＭＺｎ）を含まない。

この方法によれば、活性層のための第１のIII−Ｖ化合物半導体層１９上に第２のIII−Ｖ化合物半導体層２１ａ及び／又は２１ｂを形成した後に熱処理２３を行うので、第１のIII−Ｖ化合物半導体層１９の表面が熱処理２３によるダメージを受けることがない。また、水素ガス、窒素ガス、不活性ガスの少なくともいずれかを含むと共に水素化物を含まないガスＧａｓを用いるので、活性水素を含まない雰囲気中で熱処理が行われる。これ故に、第１のIII−Ｖ化合物半導体層１９からの脱水素過程が促進される。

この方法では、熱処理２３の温度Ｔは摂氏５００度以上であることが好ましい。上記の熱処理ガスを用いると共に摂氏５００度以上の温度で熱処理を行うことにより、第１のIII−Ｖ化合物半導体層１９中の水素濃度を低減できる。また、熱処理２３の温度Ｔは摂氏７２０度以下であることが好ましい。ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓヘテロ界面において相互拡散が起こりやすくなる、また、最表面のIII-V化合物半導体においてＡｓ抜けが起こりやすくなるからである。

熱処理２３は、摂氏５００度以上の温度および１５秒以上の時間の条件で行われることが好ましい。この方法によれば、比較的短時間の熱処理で水素濃度の低減が可能である。

一例として、活性層は多重量子井戸構造を含むことが好ましい。この方法によれば、複数の第１のIII−Ｖ化合物半導体層１９を活性層のために成長した後に熱処理２３を行うので、活性層内の第１のIII−Ｖ化合物半導体層１９の水素濃度を低減できる。

図３（Ａ）に示されるように、第２のIII−Ｖ化合物半導体層２１を形成した後に、III−Ｖ化合物半導体層からなるクラッド膜２７を有機金属気相成長炉２５で形成する。クラッド膜２７のバンドギャップ波長は第２のIII−Ｖ化合物半導体層２１のバンドギャップ波長より小さく、クラッド膜２７は第２のIII−Ｖ化合物半導体層２１および活性層にキャリアを閉じ込めるように働く。熱処理２３は、このクラッド層２７を形成するに先立って行われることが好ましい。この方法によれば、活性層１９上に多層の半導体層が形成される前に、活性層内の第１のIII−Ｖ化合物半導体層１９の脱水素が行われる。

次いで、図３（Ａ）に示されるように、有機金属気相成長炉２５でクラッド層２７上にコンタクト膜を形成する。コンタクト膜のキャリア濃度はクラッド層２７のキャリア濃度より大きいことが好ましい。また、コンタクト膜のバンドギャップ波長はクラッド層２７のバンドギャップ波長より大きいことが好ましい。

図３（Ｂ）に示されるように、コンタクト膜をフォトリソグラフィおよびエッチングを用いて、パターン形成されたコンタクト層２９を形成する。コンタクト層２９は、例えばストライプ形状を有する。次いで、クラッド層２７およびコンタクト層２９上に気相成長法で無機絶縁膜を堆積する。無機絶縁膜は、フォトリソグラフィおよびエッチングを用いて、コンタクト層２９に位置を合わせて設けられた開口を有する無機絶縁層３１を形成する。

図３（Ｃ）に示されるように、コンタクト層２９にオーミック接触を成す第１の電極３３を形成する。第１の電極３３は、コンタクト層２９および無機絶縁層３１上に形成されることができる。また、基板１１の裏面１１ａにオーミック接触を成す第２の電極３５を形成する。第１の電極３３は、例えばアノード電極として使用されることができ、第２の電極３５は、例えばカソード電極として使用されることができる。

以上により、例えば半導体レーザといったIII−Ｖ化合物半導体光装置を作製する方法の主要な工程が説明された。

（実施例１）
減圧ＭＯＶＰＥ法により、図４に示されるようなＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ単一量子井戸（ＳＱＷ）構造４１を作製する。基板４３はＳｉドープＧａＡｓ（１００）面２度オフ基板を用いる。ガリウム（Ｇａ）原料、インジウム原料（Ｉｎ）、窒素原料（Ｎ）、ヒ素（Ａｓ）原料としてはそれぞれ、ＴＥＧａ、ＴＭＩｎ、ＤＭＨｙ、ＴＢＡｓを用いる。量子井戸層４５はＧａＩｎＮＡｓ半導体からなる。量子井戸層は７ｎｍの厚さを有する。量子井戸層４５では、インジウム組成は３４％であり、窒素組成は１％である。量子井戸層４５の下にはＧａＡｓバッファ層４７が設けられている。ＧａＡｓバッファ層４７の厚さは２００ｎｍである。量子井戸層の上には、ＧａＡｓキャップ層４９が設けられている。ＧａＡｓキャップ層４９の厚さは１００ｎｍである。ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層４５の成長条件の一例は、摂氏５１０度の成長温度、０．９μｍ／時間の成長速度、０．９９のモル比［ＤＭＨｙ］／［全Ｖ族元素］、７６Ｔｏｒｒの成長圧力である。ＧａＡｓキャップ層４９を成長した後に、ＭＯＶＰＥ炉内において１５秒間のアニール（ｉｎ−ｓｉｔｕ）を水素雰囲気で行う。アニール温度は摂氏５００度〜６５０度の範囲にある。アニールされたＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層中の水素濃度を二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により評価する。

図５は、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層中の水素濃度とアニール温度との関係を示す。
測定点温度（摂氏）水素濃度
Ｐ１４５０度３．０×１０^１９ｃｍ^−３
Ｐ２５００度８．４×１０^１８ｃｍ^−３
Ｐ３５５０度７．０×１０^１８ｃｍ^−３
Ｐ４６００度４．３×１０^１８ｃｍ^−３
Ｐ５６５０度１．０×１０^１８ｃｍ^−３
摂氏５００度以上のアニールによりＧａＩｎＮＡｓ中の水素濃度は低下される。故に、摂氏５００度付近がＮ−Ｈ結合の解離エネルギーであると推測される。また、摂氏５５０度以上において解離が促進される。さらに、摂氏６００度以上において水素濃度が急激に小さくなる。

（実施例２）
減圧ＭＯＶＰＥ法によりＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ単一量子井戸（ＳＱＷ）構造の活性層を有するレーザ構造のためのエピタキシャル膜積層５１を作製する。このエピタキシャル膜積層５１は、ＧａＡｓ基板５３上に形成されたＧａＡｓバッファ層５５を有する。ＧａＡｓ基板５３としては、ＳｉドープＧａＡｓ（１００）２度オフ基板を用いる。ＧａＡｓバッファ層５５上には、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層５７が設けられている。ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層５７は７ｎｍの厚さを有する。そのインジウム組成は３４％であり、窒素組成は１％である。ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層５７は、ＧａＡｓ半導体層５９とＧａＡｓ半導体層６１との間に設けられている。ＧａＡｓ半導体層５９は、バリア層５９ａとしてだけでなくＳＣＨ層５９ｂとしても機能するように、１４０ｎｍの厚さを有する。また、ＧａＡｓ半導体層６１は、バリア層６１ａとしてだけでなくＳＣＨ層６１ｂとしても機能するように、１４０ｎｍの厚さを有する。ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層５７、ＧａＡｓ半導体層５９とＧａＡｓ半導体層６１は、ｎ型クラッド層６３とｐ型クラッド層６５との間に設けられている。ｎ型クラッド層６３およびｐ型クラッド層６５には、それぞれｎ型ＡｌＧａＡｓ半導体およびｐ型ＡｌＧａＡｓ半導体を用いる。このＡｌＧａＡｓ半導体は、３０％のアルミニウム組成を有する。ｎ型クラッド層６３およびｐ型クラッド層６５の厚みは、例えば各々１．５μｍである。また、ｎ型ドーパントとしてシリコンを用い、ｐ型ドーパントとして亜鉛を用いてドーピングする。ｐ型クラッド層６５の成長後、０．２μｍのｐ型ＧａＡｓコンタクト層を成長する。Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｎ、Ａｓ原料としてはそれぞれＴＭＡｌ、ＴＥＧａ、ＴＭＩｎ、ＤＭＨｙ、ＴＢＡｓを用いた。ＳｉおよびＺｎのドーピング原料としては、テトラエチルシラン（ＴｅＥＳｉ）、ジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）をそれぞれ用いる。

井戸層の成長条件として、例えば摂氏５１０度の成長温度、０．９μｍ／時間の成長速度、０．９９のＶ族モル比［ＤＭＨｙ］／［全Ｖ族原料］、７６Ｔｏｒｒの成長圧力を用いることができる。ＧａＩｎＮＡｓ井戸層成長後に、続けて厚さ１００ｎｍのＧａＡｓバリア層を成長することができる。この成長の後に、半導体成長を一旦中断して、摂氏６５０度の水素雰囲気で１５秒の時間でアニール（ｉｎ−ｓｉｔｕアニール）を有機金属気相成長炉を用いて行って、脱水素を実行することができる。続けて、有機金属気相成長炉を用いて、その場で（ｉｎ−ｓｉｔｕ）にてｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層６５およびｐ型ＧａＡｓコンタクト層を順に成長する。これらの工程により、レーザ構造のためのエピタキシャル基板の作製が完了する。

エピタキシャル成長工程が終了した後、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層の光学特性向上のために、ＭＯＶＰＥ炉の中で摂氏６５０度、１０分間のアニールを行う。脱水素の効果およびその条件を評価するために、以下の３種類の評価条件におけるレーザ構造を有するエピタキシャル基板も追加して準備する。
（１）脱水素処理なし
（２）半導体層（キャップ層）なしで脱水素処理
（３）ＴＢＡｓ原料（水素化物）雰囲気で脱水素処理。

図６に示されるように、成長したレーザ構造エピタキシャル基板をｇａｉｎ−ｇｕｉｄｅ型レーザに加工する。まず、フォトリソグラフィにより、パターン形成されたフォトレジストを形成する。この後に、メサエッチングによりｐ型ＧａＡｓコンタクト層をストライプ状に加工して、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層６７を形成する。ストライプ幅は例えば５μｍである。プラズマＣＶＤ法により、ウェハ全面にＳｉＮ絶縁膜６９を形成し、フォトリソグラフィおよびフッ酸エッチングによりＳｉN絶縁膜を部分的に除去してストライプ形成の開口を形成する。その後、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層６７上にアノード電極７１ａを形成すると共に、ＧａＡｓ基板の裏面にカソード電極７１ｂを形成して、加工プロセスを終了する。処理済みエピタキシャルウェハを共振器長６００μｍ幅で劈開し、レーザバーを形成する。レーザ特性評価および長期通電試験は、レーザバーを利用して行われる。

図７は、脱水素を行ったＧａＩｎＮＡｓレーザＡと脱水素無しＧａＩｎＮＡｓレーザＢの電流−光出力特性を示す。特性線Ｃ_Ａ１は、本実施の形態に示されるような脱水素処理が行われた半導体レーザＡを示し、特性線Ｃ_Ｂ１は、脱水素処理が行われていない半導体レーザＢを示す。なお、キャップ層なしで脱水素したレーザバー試料（条件（２））はレーザ発振しない。また、ＴＢＡｓ雰囲気中で脱水素したレーザバー試料（条件（３））は脱水素処理なしのレーザバー試料（条件（１））と同等の特性である。

ＧａＩｎＮＡｓの脱水素によりレーザ特性（閾値電流、スロープ効率）が向上することについて説明する。ＧａＩｎＮＡｓ結晶において、窒素と結合しやすい水素は、種々のＮ−Ｈ結合を形成する。単純なＮ−Ｈ結合は、窒素と結合していたIII族原子のダングリングボンドを生成するので、該ダングリングボンドが非発光中心として働き、光学特性を劣化させる可能性がある。また、ＮとＨとの種々の複合欠陥について報告もあり、水素はＧａＩｎＮＡｓ中において結晶欠陥を生成させる可能性がある。本実施の形態におけるアニールによる脱水素処理によって、ＧａＩｎＮＡｓ中の水素を除去し、水素に関連した欠陥を低減させることができる。この結果、発光効率の向上、吸収ロスの低減により、低閾値電流、高スロープ効率が得られる。

図７に示されるように、本実施の形態に示される脱水素処理は、レーザ特性、例えば閾値電流を低くし、かつ、スロープ効率を高める。これは、該脱水素処理により非発光中心の起源となる水素が活性層中から除去され、水素に関連した結晶欠陥が低減したことにより発光効率が向上した結果と考えられる。

図８は、ＧａＩｎＮＡｓレーザＡおよびＧａＩｎＮＡｓレーザＢに関する連続通電試験の結果を示す。通電試験では、摂氏２５度において、光出力２ｍＷ（一定値）になるように電流を供給している。特性線Ｃ_Ｂ２に示されるように、脱水素しなかったレーザＢは通電初期から動作電流が増加し徐々に劣化が進んでいる。一方、特性線Ｃ_Ａ２に示されるように、脱水素を行ったレーザＡは１０００時間まで動作電流が安定しており、通電による劣化がほとんど現れない。

ＧａＩｎＮＡｓの脱水素により、半導体レーザの長期信頼性が向上することについて説明する。ＧａＩｎＮＡｓ中には、Ｎ−Ｈ結合の他に、
（ａ）窒素およびその隣のIII族原子と水素（Ｈ）が結合したＮ−Ｈ_２結合
（ｂ）ダングリングボンド欠陥と結合した水素（Ｈ）
等の欠陥を生成しない水素結合も存在している。これらの水素結合（ａ、ｂ）は解離エネルギーが小さく非常に不安定であり、通電により与えられるエネルギーでも、水素結合が容易に切れることが考えられる。これ故に、脱水素処理がされない半導体レーザでは、これらの水素結合が通電中に切れてダングリングボンド欠陥が活性化し、それらが非発光中心として働くことで劣化が進行したものと考えられる。脱水素処理により、このような不安定な水素結合を無くすことにより、通電における劣化に関する信頼性を向上できると考えられる。

脱水素処理を行わないときは、活性層中のＮ−Ｈ_２結合やダングリングボンド欠陥と水素原子との結合が通電中に切れて、結果的にダングリングボンド欠陥が活性化され、これらが非発光中心として働いて劣化を進行させると考えられる。このように、脱水素処理により非発光中心の起源である水素を除去すれば、結晶欠陥の少ない高品質なＧａＩｎＮＡｓ活性層を形成できる。この結果、低閾値電流、高スロープ効率が得られる。また、水素結合は不安定であり該結合を無くすと、通電における長期信頼性にも大幅な改善が得られる。

以上説明したように、ＭＯＶＰＥ成長によるＧａＩｎＮＡｓ結晶では、通常、高濃度の水素が結晶中に取り込まれる。これらの水素は窒素と結合しやすく、種々のＮ−Ｈ結合を形成する。単純なＮ−Ｈ結合はIII族原子のダングリングボンドを生成するので、この結合が非発光中心として働き、光学特性を劣化させる可能性がある。ダングリングボンドを生成しないＮ−Ｈ_２結合、或いは何らかのダングリングボンドと水素との結合では、これらの結合が維持されている限り非発光中心としては働かない。しかし、水素結合の結合エネルギーは小さく、これ故に通電により容易に結合が切れる。したがって、通電によりダングリングボンドと水素との結合が切れて欠陥が活性化されることも考えられ、結晶中の水素原子は半導体光デバイスの信頼性に大きな影響を与える。本実施の形態は、非発光中心の起源になり信頼性にも悪影響を与える可能性がある水素を、活性層からダメージなしに簡単に脱離させる方法を提供する。まず、熱アニールによる活性層へのダメージを無くすために、活性層上には１原子層以上のキャップ層（保護層）を設ける。また、アニール雰囲気に活性水素（水素ラジカルあるいは水素イオン）が含まれていると水素の脱離が妨げられ、また逆に水素が結晶中に混入する可能性がある。これを防ぐために、水素の脱離は活性水素が存在しないガス雰囲気で行う。これにより、熱分解により活性水素が生成される水素化物原料は避けて、水素や窒素といった不活性ガス雰囲気で熱アニールを行う。更に、半導体表面を大気にさらすことなくｉｎ−ｓｉｔｕでアニールを行う。これにより、清浄な表面を維持し汚染防止ができると共に、デバイス作製時間の短縮も可能となる。

この方法を用いて脱水素処理を行うことにより、Ｎ−Ｈ結合の生成抑制により非発光中心を低減できる。この結果、ＧａＩｎＮＡｓ系デバイスの光学特性の向上が期待できる。また、不安定な水素結合の低減により信頼性の向上が期待され、低閾値、高出力、高信頼性の半導体光デバイスを低コストで作製することが可能となる。

また、比較的低い摂氏５００度程度の温度で水素の脱離が可能となる。これ故に、熱アニールにおける表面ダメージがほとんどなく、半導体光デバイスの特性が良好になる。加えて、多層薄膜から成る半導体光デバイスでは、低温アニールによってヘテロ接合界面における相互拡散を最小限に抑制でき、半導体光デバイス特性の劣化を極力抑えることができる。

さらに、比較的短時間である１５秒程度で脱水素処理が可能となる。これ故に、上述のように、アニールによるヘテロ接合界面での相互拡散を最小限に抑制でき、デバイス特性の劣化を極力抑えることができる。

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、ＧａＩｎＮＡｓといった、少なくとも窒素およびヒ素をＶ族構成元素として含むIII−Ｖ化合物半導体層を含むIII−Ｖ化合物半導体光装置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（Ａ）は、バッファ層を成長する工程を示す図面である。図１（Ｂ）は、クラッド層を成長する工程を示す図面である。図１（Ｃ）は、光ガイド層およびバリア層を成長する工程を示す図面である。図２（Ａ）は、量子井戸層を形成する工程を示す図面である。図２（Ｂ）は、光ガイド層およびバリア層を成長する工程を示す図面である。図２（Ｃ）は、熱アニールを行う工程を示す図面である。図３（Ａ）は、クラッド層を成長する工程を示す図面である。図３（Ｂ）は、コンタクト層にパターン形成する工程およびパッシベーションを形成する工程を示す図面である。図３（Ｃ）は、電極を形成する工程を示す図面である。図４は、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ単一量子井戸（ＳＱＷ）構造を示す図面である。図５は、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層中の水素濃度とアニール温度との関係を示す。図６は、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ単一量子井戸（ＳＱＷ）構造の活性層を有する半導体レーザを示す図面である。図７は、脱水素を行ったＧａＩｎＮＡｓレーザと脱水素無しＧａＩｎＮＡｓレーザＡの電流−光出力特性を示す図面である。図８は、ＧａＩｎＮＡｓレーザＡおよびＧａＩｎＮＡｓレーザＢに関する連続通電試験の結果を示す図面である。

符号の説明

１１…基板、１３…バッファ膜、１５…クラッド膜、１７…III−Ｖ化合物半導体層、１７ａ…光ガイド層、１７ｂ…バリア層、１９…第１のIII−Ｖ化合物半導体層、２１…第２のIII−Ｖ化合物半導体膜、２１ｂ…バリア層、２１…光ガイド層、２３…熱処理、２７…クラッド膜、２９…コンタクト層、３１…無機絶縁層、３３…第１の電極、３５…第２の電極、４１…ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ単一量子井戸構造、４３…基板、４５…量子井戸層、４７…ＧａＡｓバッファ層、４９…ＧａＡｓキャップ層、５１…エピタキシャル膜積層、５３…ＧａＡｓ基板、５５…ＧａＡｓバッファ層、５７…ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層、５９…ＧａＡｓ半導体層、５９ａ…バリア層、５９ｂ…ＳＣＨ層、６１…ＧａＡｓ半導体層、６１ａ…バリア層、６１ｂ…ＳＣＨ層、６３…ｎ型クラッド層、６５…ｐ型クラッド層、６７…ｐ型ＧａＡｓコンタクト層、６９…ＳｉＮ絶縁膜、７１ａ…アノード電極、７１ｂ…カソード電極

Claims

III−Ｖ化合物半導体光装置を作製する方法であって、
少なくとも窒素およびヒ素をＶ族構成元素として含んでおり活性層のための第１のIII−Ｖ化合物半導体層を有機金属気相成長炉でIII−Ｖ化合物半導体領域上に形成する工程と、
前記第１のIII−Ｖ化合物半導体層上に前記有機金属気相成長炉を用いて、III族構成元素として少なくともガリウムを含むと共にＶ族構成元素として少なくともヒ素を含む第２のIII−Ｖ化合物半導体層を形成する工程と、
前記第２のIII−Ｖ化合物半導体層を形成した後に、前記有機金属気相成長炉に熱処理ガスを供給し、且つ有機金属ガスを供給することなく、前記第１のIII−Ｖ化合物半導体層中の水素濃度を低減するように前記第１のIII−Ｖ化合物半導体層を熱処理する工程と、
前記第２のIII−Ｖ化合物半導体層上に前記有機金属気相成長炉を用いて、第３のIII−Ｖ化合物半導体層を形成する工程と
を備え、
前記熱処理ガスは、水素ガス、窒素ガス、不活性ガスの少なくともいずれかを含むと共に、水素化物を含まないことを特徴とする方法。
前記熱処理の温度は摂氏５００度以上である、ことを特徴とする請求項１に記載された方法。
前記熱処理は、摂氏５００度以上の温度で１５秒以上の時間で行われる、ことを特徴とする、ことを特徴とする請求項１に記載された方法。
前記第１のIII−Ｖ化合物半導体層の材料は、ＧａＩｎＮＡｓまたはＧａＮＡｓである、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載された方法。
前記活性層は多重量子井戸構造を有する、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載された方法。