JP2008300735A - Ｉｉｉ−ｖ化合物半導体光素子を作製する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒ素、燐および窒素をＶ族構成元素として含む半導体結晶を成長する場合、該半導体表面の品質低下を縮小可能な、III−Ｖ化合物半導体光素子を作製する方法を提供する。
【解決手段】基板Ｅ１の温度を結晶成長のための温度Ｔ_Ｇ１に向けて変更する。この温度上昇は、有機燐原料Ｇ_ＴＢＰを成長炉３２に供給しながら行われる。結晶成長温度Ｔ_Ｇ１は摂氏５００度以上である。温度の変更が完了した後に、第２の半導体光素子のためのIII−Ｖ化合物半導体多層膜３３を成長炉３２で基板Ｅ１上にマスク２７を用いて成長する。この温度変更の際に、有機ヒ素原料を供給することなく有機燐原料Ｇ_ＴＢＰを供給したとき、半導体メサ３１の表面３１ａ、３１ｃから燐の脱離による結晶品質の劣化が低減される。
【選択図】図２

Description

本発明は、III−Ｖ化合物半導体光素子を作製する方法に関する。

特許文献１には、光集積素子が記載されている。この光集積素子では、第１および第２のクラッド層は、ＧａＡｓ基板の第１および第２の領域上に設けられている。半導体領域は、ＧａＡｓ基板の第１の領域上に設けられた第１の部分と、ＧａＡｓ基板の第２の領域上に設けられた第２の部分とを有しており、また第１のクラッド層と第２のクラッド層との間に設けられている。第１の部分は、１．３エレクトロンボルト以上のバンドギャップを持つ量子井戸構造を有し、第１の部分のバンドギャップは、第２の部分のバンドギャップと異なる。
特開２００５−２８６１９２号公報

III−Ｖ化合物半導体光素子として、例えば半導体レーザおよび半導体ＥＡ変調器を含む光集積素子がある。光集積素子は、半導体レーザのための活性層と半導体ＥＡ変調器のための光吸収層を含み、活性層の構造は光吸収層の構造と異なるので、活性層および光吸収層は別々に作製される。このようなIII−Ｖ化合物半導体光素子の作製の一例では、半導体レーザおよび半導体ＥＡ変調器等のために、以下のような半導体結晶を有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法で成長する。例えば、ＧａＩｎＰ、ＧａＡｓおよびＧａＩｎＮＡｓの最表面を持つ半導体領域を有するエピタキシャルウエハ上に、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層を含む活性層が成長される。この結晶成長に先立って、成長炉の温度を所望の値まで上昇させる。下地の半導体結晶から燐およびヒ素が脱離することを避けるために、この昇温期間にはホスフィン（ＰＨ_３）およびアルシン（ＡｓＨ_３）を混合したガスを供給している。このような混合ガス中において結晶成長を行うことなく昇温するとき、結晶成長した後の表面に欠陥が発生し、表面荒れが発生していた。その結果、発明者が目指す品質の半導体結晶が得られなかった。

本発明の目的は、ヒ素、燐および窒素をＶ族構成元素として含む半導体表面を有する基板上への半導体結晶成長において、該半導体表面の品質劣化を低減可能な、III−Ｖ化合物半導体光素子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化合物半導体光素子を作製する方法である。この方法は、（ａ）半導体メサと該半導体メサの上面のマスクとを含むメサ構造を有する基板の温度を、有機燐原料を成長炉に供給しながら結晶成長のための温度に向けて変更する工程と、（ｂ）前記成長炉で、前記温度の変更が完了した後に、III−Ｖ化合物半導体領域を前記基板上に前記マスクを用いて堆積する工程とを備え、前記半導体メサは、Ｖ族構成元素としてヒ素、燐および窒素を含む半導体表面を有するIII−Ｖ化合物半導体積層を含み、前記半導体メサの前記半導体表面の少なくとも一部分に、Ｖ族構成元素として燐を含む半導体が現れており、前記半導体メサの前記半導体表面の少なくとも一部分に、Ｖ族構成元素として窒素およびヒ素を含む半導体が現れており、前記半導体メサの全体として、Ｖ族構成元素としてヒ素、燐および窒素が含まれている。

ヒ素および窒素をＶ族構成元素として含むIII−Ｖ化合物半導体領域の成長温度への変更が、結晶成長に先立って行われる。この温度変更の際に、有機ヒ素原料を供給することなく有機燐原料を供給したとき、半導体メサの表面から原子の脱離による結晶品質の劣化が低減される。引き続く実施の形態における説明から理解されるように、これまでの方法では、温度変更中のガス雰囲気を形成するために、キャリアガスの水素、ホスフィン（ＰＨ_３）およびアルシン（ＡｓＨ_３）を供給していた。しかしながら、ＰＨ_３およびＡｓＨ_３の混合ガスの雰囲気に替えて有機燐原料を供給することによって、半導体メサがＶ族構成元素として燐だけでなくヒ素および窒素を含む半導体表面を有するけれども、半導体メサの結晶の品質の劣化が低減される。

本発明に係る方法では、前記半導体メサはＧａＡｓ基板上に形成されており、前記温度の変更の際に、前記基板の温度が所望の値に到達した後に、前記有機燐原料の供給を停止し、前記成長工程において、前記成長炉への有機ヒ素原料および有機ガリウム原料の供給を開始してガリウムおよびヒ素を含むIII−Ｖ化合物半導体を堆積すると共に、この堆積後に窒素およびヒ素を含むIII−Ｖ化合物半導体を堆積する。

有機燐原料を供給しながら基板の温度を上昇したので、半導体メサの表面の荒れが低減される。成長炉への有機燐原料の供給を停止した後に成長炉への有機ヒ素原料および有機ガリウム原料を開始するので、半導体メサの結晶品質を損なうことなく、ガリウムおよびヒ素を含むIII−Ｖ化合物半導体の成長を行うことができる。

本発明に係る方法は、（ｃ）前記温度の変更に先立って、Ｖ族構成元素として燐を含む第２のIII−Ｖ化合物半導体層、Ｖ族構成元素としてヒ素および窒素を含む第１のIII−Ｖ化合物半導体層、およびIII族構成元素としてＧａを含むと共にＶ族構成元素としてヒ素を含む第３のIII−Ｖ化合物半導体層を有する第１のIII−Ｖ化合物半導体多層膜を形成する工程と、（ｄ）前記温度の変更に先立って前記マスクを前記第１のIII−Ｖ化合物半導体多層膜上に形成した後に、該マスクを用いて前記第１のIII−Ｖ化合物半導体多層膜をエッチングして前記メサ構造を形成する工程とを更に備えることができる。前記第１〜第３のIII−Ｖ化合物半導体層の表面が、前記エッチングにより前記半導体メサの側面に現れる。

この方法によれば、第２のIII−Ｖ化合物半導体層からの燐の脱離に加えて第１のIII−Ｖ化合物半導体層からのヒ素の脱離が共に、温度の変更に際に低減される。

前記第２のIII−Ｖ化合物半導体層は、例えばＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓＰ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかからなることが好ましい。前記第３のIII−Ｖ化合物半導体層は、例えばＧａＡｓ、ＧａＮＡｓのいずれかからなることが好ましい。

本発明に係る方法では、前記第２及び第３のIII−Ｖ化合物半導体層は量子井戸構造を構成するように配置されていることができる。また、前記半導体メサの前記量子井戸構造は半導体発光素子のために設けられることができる。或いは、前記半導体メサの前記量子井戸構造は半導体光変調素子のために設けられることができる。

本発明に係る方法は、前記III−Ｖ化合物半導体領域は第２のIII−Ｖ化合物半導体多層膜であり、当該方法は、（ｅ）前記マスクを除去した後に、前記第２のIII−Ｖ化合物半導体多層膜および前記半導体メサ上に別のマスクを形成する工程と、（ｆ）該別のマスクを用いて前記第２のIII−Ｖ化合物半導体多層膜および前記半導体メサをエッチングして別の半導体メサを形成する工程と、を備えることができる。前記別の半導体メサは、Ｖ族構成元素としてヒ素および窒素を含む第４のIII−Ｖ化合物半導体層と、Ｖ族構成元素としてヒ素を含む第５のIII−Ｖ化合物半導体層とを含む。

本発明に係る方法では、前記第４および第５のIII−Ｖ化合物半導体層は量子井戸構造を形成することができる。また、前記半導体メサの前記量子井戸構造は半導体発光素子のために設けられ、前記別の半導体メサの前記量子井戸構造は半導体光変調素子のために設けられることができる。或いは、前記半導体メサの前記量子井戸構造は半導体光変調素子のために設けられ、前記別の半導体メサの前記量子井戸構造は半導体発光素子のために設けられることができる。

本発明の方法では、前記有機燐原料は、ターシャリーブチルホスフィン、トリエチル燐、トリメチル燐、およびジエチルホスフィンの少なくともいずれかを含むことができる。

本発明の方法では、前記結晶成長温度は摂氏５００度以上であることが好ましい。

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、ヒ素、燐および窒素をＶ族構成元素として含む半導体表面を有する基板上への半導体結晶成長において該半導体表面の品質劣化を低減可能な、III−Ｖ化合物半導体光素子を作製する方法がされる。

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化合物半導体光素子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、図２、図３は、本実施の形態に係るIII−Ｖ化合物半導体光素子を作製する方法の主要な製造工程を示す図面である。これらの図面は、商業的に利用可能なウエハ上に一括して形成される多数のIII−Ｖ化合物半導体光素子のうち一のIII−Ｖ化合物半導体光素子を模式的に示している。基板１１は、第１の半導体光素子のための第１のエリア１１ｂと第２の半導体光素子のための第２のエリア１１ｃとを含む主面１１ａを有する。引き続く例示的な説明では、第１の半導体光素子は分布帰還型半導体レーザを含み、第２の半導体光素子は電界吸収型光変調素子を含む。III−Ｖ化合物半導体の成長は、有機金属気相成長法で行われる。成長に際して、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、窒素（Ｎ）、砒素（Ａｓ）および燐（Ｐ）の原料として、それぞれＴＥＧａ、ＴＭＩｎ、ＤＭＨｙ、ＴＢＡｓ、ＴＢＰを用いた。

図１（ａ）に示されるように、第１の半導体光素子のためのIII−Ｖ化合物半導体多層膜１３を基板１１の主面１１ａ上に形成する。半導体多層膜１３は、クラッド層１５、活性層１７および回折格子層１９を含む。基板１１は、例えば半導体基板であり、より具体的にはＧａＡｓ基板であることができる。半導体多層膜１３の表面１３ａは、第１の半導体光素子の第１のエリア１３ｂと第２の半導体光素子の第２のエリア１３ｃとを含む。半導体多層膜１３は、必要な場合には、バッファ層２１を含むことができる。活性層１７は、第１の光ガイド層１８ａ、井戸層１８ｂ、障壁層１８ｃ、第２の光ガイド層１８ｄを含むことができる。障壁層１８ｃは井戸層１８ｂの間に設けられている。障壁層１８ｃのバンドギャップは井戸層１８ｂのバンドギャップよりも大きい。井戸層１８ｂおよび障壁層１８ｃからなる積層は、第１の光ガイド層１８ａと第２の光ガイド層１８ｄとの間に設けられている。井戸層１８ｂのバンドギャップは、第１および第２の光ガイド層１８ａ、１８ｄのバンドギャップよりも小さい。第２の光ガイド層１８の表面には、回折格子のための周期構造２３が形成されている。第２の光ガイド層１８ｄの表面は、回折格子層１９で覆われている。第２の光ガイド層１８ｄの屈折率は回折格子層１９の屈折率と異なっており、第２の光ガイド層１８ｄおよび回折格子層１９は、分布帰還型半導体レーザのための回折格子を構成する。活性層１７の構造は、回折格子に関連している半導体レーザの発振波長に合わせて作製される。

半導体多層膜１３の一例は下記のものである。
基板１１：シリコン添加ｎ型ＧａＡｓ
バッファ層２１：シリコン添加ｎ型ＧａＡｓ、２００ｎｍ
クラッド層１５：ｎ型ＧａＩｎＰ、１．５μｍ
（これ以外の材料として、例えばｎ型ＡｌＧａＡｓ等を使用できる）
活性層１７
光ガイド層１８ａ、１８ｄ：アンドープＧａＡｓ、１４０ｎｍ
（これ以外に、例えばＧａＡｓＰ等）
井戸層１８ｂ：アンドープＧａＩｎＮＡｓ、７ｎｍ
（これ以外に、例えばＧａＩｎＮＡｓＰ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＮＡｓ等）
障壁層１８ｃ：アンドープＧａＡｓ、８ｎｍ
（これ以外に、例えばＧａＮＡｓ、ＧａＡｓＰ等）
回折格子層１９：ＧａＩｎＰ、１８０ｎｍ

図１（ｂ）に示されるように、第１のエリア１１ｂ上の半導体多層膜１３上にマスク２７を形成する。マスク２７は絶縁体からなり、絶縁体は、例えばシリコン酸化物、シリコン窒化物等である。引き続く工程では、マスク２７を用いて半導体多層膜１３をエッチングして、第２の半導体光素子のための半導体多層膜を堆積するエリアを形成する。

図１（ｃ）に示されるように、マスク２７を用いて半導体多層膜１３をエッチングして、メサ構造２９を有する基板Ｅ１を形成する。エッチングとしては、例えばウエットエッチング、ドライエッチングを用いることができる。メサ構造２９は、第１のエリア１１ｂ上に設けられており、また半導体メサ３１とマスク２７とを含む。マスク２７は半導体メサ３１の上面３１ａ上に位置する。半導体メサ３１はIII−Ｖ化合物半導体積層を含む。半導体メサ３１は、例えば活性層１７ａおよび回折格子層１９ａを含む。また、本実施の形態ではクラッド押す１５は実質的にエッチングされないけれども、半導体メサ３１は、必要な場合にはクラッド層１５ａの少なくとも一部分を含むことができる。つまり、半導体メサ３１は、一または複数のIII−Ｖ化合物半導体混晶からなりヒ素、燐および窒素をＶ族構成元素として含む半導体表面３１ａ、３１ｃを有する。半導体メサ３１は、Ｖ族構成元素としてヒ素、燐および窒素を含む半導体表面３１ｃを有する。半導体表面３１ｃはエッチングにより形成される。半導体メサ３１の表面３１ｃの少なくとも一部分（例えば井戸層１８ｂ、光ガイド層１８ａ、１８ｄおよび障壁層１８ｃ、つまり活性層１７ａの側面１７ｃ）に、Ｖ族構成元素としてヒ素を含む半導体（例えば、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＡｓ、ＧａＮＡｓ等）が現れている。半導体メサ３１の表面（側面および／または上面）３１ｃの少なくとも一部分（例えばクラッド層１５ａの表面１５ｃ、回折格子層１９ａの側面１９ｃ）に、Ｖ族構成元素として燐を含む半導体（例えばＧａＩｎＰ）が現れている。半導体メサ３１の表面３１ｃの少なくとも一部分（例えば井戸層１８ｃの側面）に、Ｖ族構成元素として窒素を含む半導体（例えばＧａＩｎＮＡｓ）が現れている。したがって、半導体メサ３１の全体として、Ｖ族構成元素としてヒ素、燐および窒素が含まれている。

図２（ａ）に示されるように、半導体多層膜１３のエッチングの後に、引き続く結晶成長のために成長炉３２に基板Ｅ１をセットする。基板Ｅ１の温度を結晶成長のための温度Ｔ_Ｇ１に向けて変更する。この温度上昇は、有機燐原料Ｇ_ＴＢＰを成長炉３２に供給しながら行われる。結晶成長温度Ｔ_Ｇ１は摂氏５００度以上であることが好ましい。また、結晶成長温度Ｔ_Ｇ１は摂氏６００度以下であることが好ましい。

ヒ素および窒素をＶ族構成元素として含むIII−Ｖ化合物半導体領域の成長のための温度への変更が結晶成長に先立って行われる。この温度変更の際に、有機ヒ素原料を供給することなく有機燐原料Ｇ_ＴＢＰおよびキャリアガス（例えばＨ_２）を供給したとき、半導体メサ３１の表面３１ｃから燐の脱離による結晶品質の劣化が低減される。引き続く実施の形態における説明から理解されるように、これまでの方法では、温度変更中のガス雰囲気を形成するために、キャリアガスの水素、ホスフィン（ＰＨ_３）およびアルシン（ＡｓＨ_３）を混合したガスを供給していた。しかしながら、混合ガスの雰囲気に替えて有機燐原料Ｇ_ＴＢＰを供給することによって、半導体メサ３１の結晶の品質の劣化が低減される。

有機燐原料は、ターシャリーブチルホスフィン、トリエチル燐、トリメチル燐、およびジエチルホスフィンの少なくともいずれかを含むことができる。

図２（ｂ）に示されるように、温度の変更が完了した後に、第２の半導体光素子のためのIII−Ｖ化合物半導体多層膜３３を成長炉３２で基板Ｅ１上にマスク２７を用いて成長する。半導体多層膜３３は、窒素およびヒ素をＶ族構成元素として含むIII−Ｖ化合物半導体領域を有する。半導体多層膜３３は吸収層３７を含む。半導体メサ３１のエッチングの程度に応じて、半導体多層膜３３はクラッド層を含むことができる。吸収層３７は、第１の光ガイド層３８ａ、井戸層３８ｂ、障壁層３８ｃ、第２の光ガイド層３８ｄを含むことができる。障壁層３８ｃは井戸層３８ｂの間に設けられている。障壁層３８ｃのバンドギャップは井戸層３８ｂのバンドギャップよりも大きい。井戸層３８ｂおよび障壁層３８ｃからなる積層は、第１の光ガイド層３８ａと第２の光ガイド層３８ｄとの間に設けられている。井戸層３８ｂのバンドギャップは、第１および第２の光ガイド層３８ａ、３８ｄのバンドギャップよりも小さい。吸収層３７の構造は、半導体レーザの発振波長の光を変調可能なように作製される。

半導体多層膜３３の一例は下記のものである。
吸収層３７
光ガイド層３８ａ、３８ｄ：アンドープＧａＡｓ、１４０ｎｍ
（これ以外に、例えばＧａＡｓＰ等）
井戸層３８ｂ：アンドープＧａＩｎＮＡｓ、７ｎｍ
（これ以外に、例えばＧａＩｎＮＡｓＰ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＮＡｓ等）
障壁層３８ｃ：アンドープＧａＡｓ、８ｎｍ
（これ以外に、例えばＧａＮＡｓ、ＧａＡｓＰ等）
障壁層３８ｃ：アンドープＧａＡｓ、８ｎｍ

この場合、半導体メサ３１はＧａＡｓ基板上に形成されている。温度上昇の際に、基板Ｅ１の温度が所望の値に到達した後に、有機燐原料Ｇ_ＴＢＰの供給を停止する。そして、成長炉３２への有機ヒ素原料Ｇ_ＴＢＡおよび有機ガリウム原料Ｇ_ＴＥＧの供給を開始して、ガリウムおよびヒ素を含むIII−Ｖ化合物半導体、例えばＧａＡｓを成長する。有機燐原料Ｇ_ＴＢＰを供給しながら基板Ｅ１の温度を上昇したので、半導体メサ３３の表面３３ｂの荒れが低減される。成長炉３２への有機燐原料Ｇ_ＴＢＰの供給を停止した後に成長炉３２への有機ヒ素原料Ｇ_ＴＢＡを開始するので、半導体メサ３１の結晶品質を損なうことなく、半導体多層膜３３のためのＧａＡｓ半導体の成長できる。

半導体多層膜３３の成長の後にマスク２７を除去する。この後に、半導体メサ３１および半導体多層膜３３上に別のマスク４０を形成する。マスク４０は絶縁体からなり、絶縁体は、例えばシリコン酸化物、シリコン窒化物等である。マスク４０は、半導体メサ３１と半導体多層膜３３との境界を横切って設けられており、光導波路のための半導体積層を形成するための形状を有する。

図２（ｃ）および図２（ｄ）に示されるように、マスク４０を用いて半導体メサ３１および半導体多層膜３３をエッチングして、半導体メサ４１、４３を有する基板Ｅ２を形成する。エッチングとしては、例えばウエットエッチング、ドライエッチングを用いることができる。図２（ｃ）および図２（ｄ）は、それぞれ、基板Ｅ２の異なる断面を模式的に示している。図２（ｃ）は、半導体多層膜３３をエッチングすることにより得られた半導体メサ４３の断面を示しており、図２（ｄ）は、半導体多層膜１３をエッチングすることにより得られた半導体メサ４１の断面を示している。半導体メサ４１、４３は、それぞれ、第１および第２のエリア１１ｂ、１１ｃ上に設けられており、また半導体メサ４１、４３上には、マスク４０が設けられている。半導体メサ４１、４３の各々はIII−Ｖ化合物半導体積層を含む。半導体メサ４１のIII−Ｖ化合物半導体積層は、例えば活性層１７ｂおよび回折格子層１９ｂを含み半導体メサ４３のIII−Ｖ化合物半導体積層は、例えば吸収層３７ｂを含む。本実施例では、クラッド層１５ａは実質的にエッチングされないけれども、必要な場合には、半導体メサ４１、４３は、さらにクラッド層１５ｂの少なくとも一部分を含むことができる。

エッチングの後にマスク４０を除去することなく引き続く半導体の成長のために、基板Ｅ２を再び成長炉３２にセットする。まず、半導体メサ４１、４３を埋め込むための再成長を行う。基板Ｅ２の温度を結晶成長のための温度Ｔ_Ｇ２に向けて変更する。必要な場合には、この温度上昇も有機燐原料Ｇ_ＴＢＰを成長炉３２に供給しながら行うことができる。結晶成長温度Ｔ_Ｇ２は摂氏５００度以上であることが好ましい。また、結晶成長温度Ｔ_Ｇ２は摂氏６００度以下であることが好ましい。成長温度が比較的高い場合には、ヒ素供給源および燐供給源を含む混合ガスを供給することにより、昇温中における結晶品質の劣化を低減できる。埋め込みのためのIII−Ｖ化合物半導体は、Ｖ族構成元素として窒素を含まない。温度の変更が完了した後に、マスク４０を用いて埋込層４５（図２（ｃ）および図２（ｄ）において破線で示されている）を成長する。埋込層４５の材料は、例えばＧａＡｓ等であることができる。

図３（ａ）に示されるように、マスク４０を除去した後に、埋込層４５および半導体メサ４１、４３上に、クラッド層４７を成長する。クラッド層４７の材料は、例えばｐ型ＧａＩｎＰ等であることができ、その膜厚は１．５マイクロメートルであることができる。クラッド層４７上に、コンタクト層４９を成長する。コンタクト層４９の材料は、例えばｐ型ＧａＡｓ等であることができ、その膜厚は２００ｎｍであることができる。これらの工程により、主要な半導体成長が完了した。

コンタクト層を成長した後に、いわゆるＧａＩｎＮＡｓ系半導体のアニールのために基板Ｅ３を熱処理する。この熱処理の一例は、例えばアニール温度摂氏６００度、ＴＢＡｓガス雰囲気中で、１０分である。

図３（ｂ）に示されるように、成長炉３２から基板Ｅ３を取り出した後に、コンタクト層４９を部分的に除去してコンタクト層４９ａ、４９ｂを形成する。コンタクト層４９ａ、４９ｂ上にそれぞれ第１の電極５１ａ、５１ｂを形成すると共に、基板１１の裏面に第２の電極５３を形成する。

これらの工程により、III−Ｖ化合物半導体光素子を作製するための主要な工程が説明された。この説明においては、III−Ｖ化合物半導体光素子として半導体レーザとＥＡ変調素子を集積する光集積素子を作製したけれども、本実施の形態は、これらの半導体素子の組み合わせに限定されることない。また、上記の作製方法では、半導体レーザのための半導体多層膜を成長した後にＥＡ変調素子のための半導体多層膜を成長しているけれども、ＥＡ変調素子のための半導体多層膜を成長した後に半導体レーザのための半導体多層膜を成長してもよい。さらに、活性層の形成に先立って回折格子を形成してもよい。

引き続き実施例を説明する。図４および図５は、サセプタ温度上昇および半導体成長のためのタイミングを示す図面である。反応炉内のサセプタ温度を摂氏２５度から摂氏５００度まで約１５分間で上昇させた。この温度上昇の間、結晶成長は行っていない。図４および図５において、時刻ｔ_０〜ｔ_１は温度上昇期間Ｐ０であり、例えば約１５分程度である。時刻ｔ_４以降は成長期間Ｐ４である。時刻ｔ_１〜ｔ_２は、温度変更のための操作をしないインターミッション期間Ｐ１であり、例えば約１秒である。時刻ｔ_２〜ｔ_３は、ガスを供給しないインターミッション期間Ｐ２であり、例えば約１秒である。時刻ｔ_３〜ｔ_４は、成長に先立ってＶ族ガスのみを供給するインターミッション期間Ｐ３であり、例えば約１秒である。

温度上昇の条件は、以下のものである。図４（ａ）は、条件（１）のためのガス供給のタイミングを示す。条件（１）では、キャリアガス（水素）の流量＝３０ｓｌｍ、ホスフィンの流量＝３．０×１０^−２ｍｏｌ／分、アルシンの流量＝３．０×１０^−２ｍｏｌ／分の３種類のガスを流しながら、混合ガス雰囲気中で温度を上昇した。

図４（ｂ）は、条件（２−１）および条件（２−２）のためのガス供給のタイミングを示す。条件（２−１）では、キャリアガス（水素）の流量＝３０ｓｌｍ、ターシャリーブチルホスフィンの流量＝５．０×１０^−３ｍｏｌ／分、ターシャリーブチルアルシンの流量＝１．０×１０^−２ｍｏｌ／分の３種類のガスを流しながら、混合ガス雰囲気中で温度を上昇した。また、条件（２−２）では、キャリアガス（水素）の流量＝３０ｓｌｍ、ターシャリーブチルホスフィンの流量＝１．０×１０^−２ｍｏｌ／分、ターシャリーブチルアルシンの流量＝１．０×１０^−２ｍｏｌ／分の３種類のガスを流しながら、混合ガス雰囲気中で温度を上昇した。

図５（ａ）は、条件（３）のためのガス供給のタイミングを示す。条件（３）では、キャリアガス（水素）の流量＝３０ｓｌｍ、ホスフィンの流量＝３．０×１０^−２ｍｏｌ／分の２種類のガスを流しながら、混合ガス雰囲気中で温度を上昇した。

図５（ｂ）は、条件（４）のためのガス供給のタイミングを示す。条件（４）では、キャリアガス（水素）の流量＝３０ｓｌｍ、ターシャリーブチルホスフィンの流量＝５．０×１０^−３ｍｏｌ／分の２種類の混合ガスを流しながら、温度を上昇した。

図６は、エピタキシャル成長を行った成長炉を模式的に示す図面である。成長炉３２では、ガス供給のために代表的に５つのライン６１ａ〜６１ｅが示されている。ライン６１ａ〜６１ｅは、それぞれ、有機ガリウムソース、有機インジウムソース、有機燐ソース、有機ヒ素ソース、有機窒素ソースに接続されている。ライン６１ａ〜６１ｅは、バルブ６３ａ〜６３ｅを介して反応管６７の一端に接続されている。また、ライン６１ａ〜６１ｅは、バルブ６５ａ〜６５ｅを介して排気ライン６１ｆに接続され、排気ライン６１ｆはさらに排気ポンプに接続されている。反応管６７内にはサセプタ６９が設けられており、サセプタ６９上には複数の基板Ｗがチャージされている。サセプタ６９は回転可能である。サセプタ６９の温度が成長のために上昇される。反応管６７の他端は、反応生成物および残余のガスを排気するためのポンプに接続されている。本実験のために、ホスフィンのラインおよびアルシンのラインがさらに設けられる。

結晶成長を行う温度まで温度の上昇が完了した後、基板上に活性層を成長した。活性層は下から順に、１４０ｎｍのアンドープＧａＡｓガイド層、７ｎｍのアンドープＧａＩｎＮＡｓ井戸層、８ｎｍのアンドープＧａＡｓ障壁層、７ｎｍのアンドープＧａＩｎＮＡｓ井戸層、そして１４０ｎｍのアンドープＧａＡｓガイド層とを含む。活性層上にｐ型ドープしたＧａＩｎＰクラッド層を成長し、その上にｐ型ドープＧａＡｓコンタクト層を成長して、エピタキシャルウエハを作製した。続いて、このエピタキシャルウエハの熱アニール処理を行った。この後に、光学顕微鏡によるエピタキシャルウエハの表面の観察とフォトルミネッセンス（ＰＬ）評価を実施した。その結果は以下に示す。

条件（１）では、エピタキシャルウエハ表面には多数の荒れが現れた。成長したＧａＩｎＮＡｓ活性層に対応するＰＬスペクトルのピーク強度も弱く、その強度は、最も良好な条件のエピタキシャルウエハの値に対して０．１以下（相対値）である。ＰＬスペクトルの半値幅は１００ｍｅＶであった。

条件（２−１）では、エピタキシャルウエハ表面には多数の荒れが現れた。成長したＧａＩｎＮＡｓ活性層に対応するＰＬスペクトルのピーク強度も弱く、その強度は０．１以下（相対値）である。ＰＬスペクトルの半値幅は９０ｍｅＶであった。

条件（２−２）では、エピタキシャルウエハ表面には多数の荒れが現れた。成長したＧａＩｎＮＡｓ活性層に対応するＰＬスペクトルのピーク強度も弱く、その強度は０．１以下（相対値）である。ＰＬスペクトルの半値幅は８８ｍｅＶであった。条件（２−１）とほぼ同じ結果であり改善は見られない。

条件（３）では、エピタキシャルウエハ表面の荒れは、条件（１）および（２）によるエピタキシャルウエハ表面に比べて低減されていた。成長したＧａＩｎＮＡｓ活性層に対応するＰＬスペクトルのピーク強度は０．５以下（相対値）である。ＰＬスペクトルの半値幅は７５ｍｅＶであった。

条件（４）では、エピタキシャルウエハ表面の荒れは光学顕微鏡では観測されなかった。成長したＧａＩｎＮＡｓ活性層に対応するＰＬスペクトルのピーク強度は１．０以下（相対値）である。ＰＬスペクトルの半値幅は、６０ｍｅＶであった。図７は、条件（４）におけるエピタキシャルウエハ表面の原子間力顕微鏡像を示す図面である。

ＧａＩｎＮＡｓ系半導体材料を用いた光集積デバイス用のエピタキシャル結晶成長をＧａＡｓ基板上に行うとき、Ｖ族として燐を含む半導体、例えばＧａＩｎＰ表面と、Ｖ族としてヒ素を含む半導体、例えばＧａＡｓ表面またはＧａＩｎＮＡｓ表面とが共に、エピタキシャルウエハの表面に露出されている。このエピタキシャルウエハ上に活性層の結晶成長を行い、ＧａＡｓ障壁層およびＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層等を成長することが必要となる。この結晶成長を有機金属気相成長法で実施する場合、結晶成長炉内のサセプタ温度が常温から結晶成長する温度（ＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓのための成長温度）まで到達するまでの期間、これまで、リアクタに、キャリアガスの水素、ＰＨ_３、ＡｓＨ_３を供給して、これらの混合したガス雰囲気を形成していた。このガス雰囲気では、III族元素が供給されていないので、結晶が成長されることはない。このような燐およびヒ素の両方を含む雰囲気にする理由は、摂氏５００度あるいはそれに近い温度への昇温中において、ＧａＩｎＰ表面からは燐が脱離することを抑制すると共に、ＧａＡｓおよびＧａＩｎＮＡｓ表面からはヒ素が脱離することを抑制するためである。しかし、このガス雰囲気では結晶成長した後の最表面に多数の欠陥が観測され、つまり、表面荒れが発生していた。発明者の検討によれば、ＧａＩｎＰ表面において多数の欠陥が発生しており、燐の脱離による欠陥が原因であると考えられる。ＰＨ_３ガスを雰囲気中に含むけれども、この雰囲気中の燐の分圧は、燐の脱離を十分に抑制できるガス圧力よりも小さいと考えられる。そこで、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓのための成長温度の当たりで十分な燐分圧は提供するために、本実施の形態で説明したような検討を行った。

条件（１）では、燐脱離に対してはＰＨ_３の分解からのＰ分圧をかけ、ヒ素脱離に対してはＡｓＨ_３の分解からのＡｓ分圧をかける。しかし、この手法では、雰囲気中にＰ分圧とＡｓ分圧が混在し、実効的なＰ分圧が十分でない可能性がある。このため、表面からＰ脱離が発生して、表面荒れおよび量子井戸の結晶性（ＰＬ強度の低下）が生じたと考えられる。

これに対して、条件（４）では、燐脱離に対してのＴＢＰのみの分解からのＰ分圧をかける。これにより、Ｐ脱離を抑制できる十分な分圧が提供されると考えられる。一方で、Ａｓ脱離に対するＡｓ分圧が加えられていないが、ＧａＩｎＮＡｓ系半導体を成長するための温度（せいぜい摂氏５００度程度）近辺の範囲内では、Ａｓ脱離の平衡度は小さく、Ａｓ分圧が小さくてもＡｓ脱離による表面荒れ、結晶欠陥の発生およびＰＬ特性への影響は小さいと考えられる。

一方、条件（３）は、条件（４）とは、次の点で異なる。ＧａＩｎＮＡｓ系半導体材料を結晶成長させる温度である、温度上昇の到達温度（摂氏５００度程度）の領域では、ＴＢＰの分解効率に比べてＰＨ_３の分解効率がより小さいので、Ｐ脱離の抑制に必要なＰ分圧を提供できないと考えられる。このような観点からも、ＧａＩｎＮＡｓ系半導体量子井戸構造を形成するときの成長温度（摂氏５００度程度）近辺を採用する結晶成長でも、温度上昇の際のガス雰囲気はＴＢＰといった有機燐源が好適であると考えられる。

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、具体的な構造の量活性層および吸収層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、本実施の形態に係るIII−Ｖ化合物半導体光素子を作製する方法の主要な製造工程を示す図面である。 図２は、本実施の形態に係るIII−Ｖ化合物半導体光素子を作製する方法の主要な製造工程を示す図面である。 図３は、本実施の形態に係るIII−Ｖ化合物半導体光素子を作製する方法の主要な製造工程を示す図面である。 図４は、サセプタ温度上昇および半導体成長のためのタイミングを示す図面である。 図５は、サセプタ温度上昇および半導体成長のためのタイミングを示す図面である。 図６は、エピタキシャル成長のための有機金属気相成長炉を模式的に示す図面である。 図７は、条件（４）におけるエピタキシャルウエハ表面の原子間力顕微鏡像を示す図面である。

符号の説明

１１…基板、１１ａ…基板主面、１１ｂ…第１のエリア、１１ｃ…第２のエリア、１３…III−Ｖ化合物半導体多層膜、１３ａ…半導体多層膜の表面、１３ｂ…第１のエリア、１３ｃ…第２のエリア、１５、１５ａ…クラッド層、１５ｂ…クラッド層、１５ｃ…クラッド層の表面、１７…活性層、１８ａ…第１の光ガイド層、１８ｂ…井戸層、１８ｃ…障壁層、１８ｄ…第２の光ガイド層、１９…回折格子層、１９ｂ…回折格子層の側面、２１…バッファ層、２７…マスク、２９…メサ構造、Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３…基板、３１…半導体メサ、３１ａ、３１ｃ…半導体メサの表面、３７…吸収層、３８ａ…第１の光ガイド層、３８ｂ…井戸層、３８ｃ…障壁層、３８ｄ…第２の光ガイド層、４０…マスク、４１、４３…半導体メサ、４５…埋込層、４７…クラッド層、４９、４９ａ、４９ｂ…コンタクト層、５１ａ、５１ｂ…第１の電極、５３…第２の電極

Claims (11)

1. III−Ｖ化合物半導体光素子を作製する方法であって、
   半導体メサと該半導体メサの上面のマスクとを含むメサ構造を有する基板の温度を、有機燐原料を成長炉に供給しながら結晶成長のための温度に向けて変更する工程と、
   前記温度の変更が完了した後に、前記成長炉でIII−Ｖ化合物半導体領域を前記基板上に前記マスクを用いて堆積する工程と
   を備え、
   前記半導体メサは、Ｖ族構成元素としてヒ素、燐および窒素を含む半導体表面を有するIII−Ｖ化合物半導体積層を含み、前記半導体メサの前記半導体表面の少なくとも一部分に、Ｖ族構成元素として燐を含む半導体が現れており、前記半導体メサの前記半導体表面の少なくとも一部分に、Ｖ族構成元素として窒素およびヒ素を含む半導体が現れており、前記半導体メサの全体として、Ｖ族構成元素としてヒ素、燐および窒素が含まれている、ことを特徴とする方法。
2. 前記半導体メサはＧａＡｓ基板上に形成されており、
   前記温度の変更の際に、前記基板の温度が所望の値に到達した後に、前記有機燐原料の供給を停止し、
   前記成長工程において前記成長炉への有機ヒ素原料および有機ガリウム原料の供給を開始してガリウムおよびヒ素を含むIII−Ｖ化合物半導体を堆積すると共に、この堆積後に窒素およびヒ素を含むIII−Ｖ化合物半導体を堆積する、ことを特徴とする請求項１に記載された方法。
3. 前記温度の変更に先立って、Ｖ族構成元素として燐を含む第１のIII−Ｖ化合物半導体層、Ｖ族構成元素としてヒ素および窒素を含む第２のIII−Ｖ化合物半導体層、およびIII族構成元素としてＧａを含むと共にＶ族構成元素としてヒ素を含む第３のIII−Ｖ化合物半導体層を有する第１のIII−Ｖ化合物半導体多層膜を形成する工程と、
   前記温度の変更に先立って前記マスクを前記第１のIII−Ｖ化合物半導体多層膜上に形成した後に、該マスクを用いて前記第１のIII−Ｖ化合物半導体多層膜をエッチングして前記メサ構造を形成する工程と
   を更に備え、
   前記第１〜第３のIII−Ｖ化合物半導体層の表面が、前記エッチングにより前記半導体メサの側面に現れる、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. 前記第２のIII−Ｖ化合物半導体層は、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓＰ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかからなる、ことを特徴とする請求項３に記載された方法。
5. 前記第３のIII−Ｖ化合物半導体層は、ＧａＡｓおよびＧａＮＡｓのいずれかからなる、ことを特徴とする請求項３または請求項４に記載された方法。
6. 前記第２及び第３のIII−Ｖ化合物半導体層は量子井戸構造を構成するように配置されている、ことを特徴とする請求項３または請求項４に記載された方法。
7. 前記半導体メサの前記量子井戸構造は半導体発光素子のために設けられる、ことを特徴とする請求項６に記載された方法。
8. 前記半導体メサの前記量子井戸構造は半導体光変調素子のために設けられる、ことを特徴とする請求項６に記載された方法。
9. 前記III−Ｖ化合物半導体領域は第２のIII−Ｖ化合物半導体多層膜を含み、
   当該方法は、前記マスクを除去した後に、前記第２のIII−Ｖ化合物半導体多層膜および前記半導体メサ上に別のマスクを形成する工程と、
   該別のマスクを用いて前記第２のIII−Ｖ化合物半導体多層膜および前記半導体メサをエッチングして別の半導体メサを形成する工程と
   を備え、
   前記別の半導体メサは、Ｖ族構成元素としてヒ素および窒素を含む第４のIII−Ｖ化合物半導体層と、III族構成元素としてＧａを含むと共にＶ族構成元素としてヒ素を含む第５のIII−Ｖ化合物半導体層とを含む、ことを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載された方法。
10. 前記有機燐原料は、ターシャリーブチルホスフィン、トリエチル燐、トリメチル燐、およびジエチルホスフィンの少なくともいずれかを含む、ことを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載された方法。
11. 前記結晶成長温度は摂氏５００度以上である、ことを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載された方法。