JP2009260357A - 光電子半導体素子および光電子半導体素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】高い光出力パワー用に適した光電子半導体素子を実現することである。
【解決手段】光電子半導体素子１は、ガリウムまたはアルミニウム物質のうち少なくとも１つを含む半導体結晶材料から構成され、表面に少なくとも１つの光学表面３が形成された、少なくとも１つの光学活性領域２と、光学活性領域２の、光学表面３に面する部分に形成された、硫黄またはセレンを含む、単分子層の１０層分までの層からなる、少なくとも１つの境界層４とを備える。
【選択図】図１
【解決手段】光電子半導体素子１は、ガリウムまたはアルミニウム物質のうち少なくとも１つを含む半導体結晶材料から構成され、表面に少なくとも１つの光学表面３が形成された、少なくとも１つの光学活性領域２と、光学活性領域２の、光学表面３に面する部分に形成された、硫黄またはセレンを含む、単分子層の１０層分までの層からなる、少なくとも１つの境界層４とを備える。
【選択図】図１
Description
本発明は、光電子半導体素子と、その光電子半導体素子の製造方法に関する。
半導体レーザのような光電子半導体素子は、多くの技術応用分野で見出すことができる。光電子半導体装置は、関連スペクトル領域を適切に設定することができるだけでなく、例えば、小型構造、小スペースの要求、広範囲の用途での具体化の可能性、良好な効率、および高い効果により、他を圧倒している。多くの利用分野で、高輝度、高強度、かつ高い光出力パワーを有する光電子半導体素子が所望されている。
特許文献１には、光半導体素子の反射表面の不動態化の方法が記載されている。
特許文献２には、半導体表面の不動態化および保護が開示されている。
解決すべき課題は、高い光出力パワー用に適した光電子半導体素子を特定することである。さらなる解決すべき課題は、そのような光電子半導体素子の効率的で簡単な製造方法を特定することである。
上記課題を達成するため、本発明の第１の観点に係る光電子半導体素子は、ガリウムまたはアルミニウム物質のうち少なくとも１つを含む半導体結晶材料から構成され、表面に少なくとも１つの光学表面が形成された、少なくとも１つの光学活性領域と、前記光学活性領域の、前記光学表面に面する部分に形成された、硫黄またはセレンを含む、単分子層の１０層分までの層からなる、少なくとも１つの境界層とを備えることを特徴とする。
好ましくは、光電子半導体素子は、境界層はＧａＳｅ、ＧａＳ、ＡｌＳｅまたはＡｌＳを含むことを特徴とする。
好ましくは、光電子半導体素子は、境界層上に少なくとも１つの不動態化層を備えることを特徴とする。
好ましくは、光電子半導体素子の不動態化層はＺｎＳｅまたはＺｎＳにより構成されることを特徴とする。
好ましくは、光電子半導体素子の不動態化層の厚さは、５ｎｍ〜２００ｎｍの範囲にあることを特徴とする。
好ましくは、光電子半導体素子は、不動態化層上にブラッグ反射体の形態で、少なくとも１つの誘電層配列体を備えることを特徴とする。
好ましくは、光電子半導体素子は、レーザバーとして構成されることを特徴とする。
本発明の第２の観点に係る光電子半導体素子の製造方法は、ガリウムまたはアルミニウム物質のうち少なくとも１つを含む半導体材料から、光学活性領域を備えるステップと、前記光学活性領域上に少なくとも１つの光学表面を形成するステップと、硫黄またはセレンを含むガス流によって光学表面に面する光学活性領域を還元するステップと、硫黄またはセレンを含む、単分子層の１０層分までの層からなる境界層を形成するステップと、を備えることを特徴とする。
好ましくは、光電子半導体素子の製造方法は、少なくとも還元するステップおよび境界層を形成するステップ中の気圧が１０−３ｈＰａよりも高いことを特徴とする。
好ましくは、光電子半導体素子の製造方法は、境界層の上に、少なくとも１つの不動態化層を、ガス流によって堆積するステップを備えることを特徴とする。
好ましくは、光電子半導体素子の製造方法の、還元するステップ、および前記不動態化層を堆積するステップは、同一の処理チャンバ内で行われることを特徴とする。
好ましくは、光電子半導体素子の製造方法の、還元するステップ、または不動態化層を堆積するステップに使用するガス流は、Ｈ２、Ｈ２Ｓｅ、Ｈ２Ｓ、有機Ｓｅ金属、有機Ｓ金属、トリメチル亜鉛、ジエチル亜鉛、有機亜鉛のうち少なくとも１つの物質を含むことを特徴とする。
好ましくは、光電子半導体素子の製造方法は、還元するステップ、および／または不動態化層を堆積するステップの工程温度を最高３６０℃より低くしたことを特徴とする。
好ましくは、光電子半導体素子の製造方法は、還元するステップ、および／または不動態化層を堆積するステップの時間をそれぞれ６分未満であることを特徴とする。
好ましくは、光電子半導体素子の製造方法は、少なくとも還元するステップ、および／または不動態化層を堆積するステップの間、複数の半導体素子を１つのグループにグルーピングすることを特徴とする。
上記構成の光電子半導体素子は、損傷することなく高い光出力パワーを得ることができ、また、上記製造方法により、高い光出力パワーを有する光電子半導体素子を効率的、且つ簡単に製造することができる。
以下、本発明に係る光電子半導体素子および半導体素子の製造方法を、実施形態および関連する図を用いてより詳細に説明する。
実施形態および図において、等価な部分または同一の効果を有する部分は、それぞれ同一の参照番号で示した。図示した構成要素は実際の縮尺ではなく、よりわかりやすくするために個々の構成要素を誇張した大きさで示している場合がある。
（実施形態１）
図１は、実施形態１に係る光電子半導体素子１を示す。光電子半導体素子１は少なくとも１つの光学活性領域２と、光学活性領域２上の少なくとも１つの光学表面３と、光学表面３に接する、単分子層の１０層分までの層からなり、硫黄またはセレンを含む少なくとも１つの境界層４とを備える。例えば、ＡｌＧａＡｓを基材とする光学活性領域２上に、光学表面３が形成され、この光学表面３に接して境界層が形成される。境界層４は、光学表面３の表面領域全面に適用される。境界層４はＧａ（Ａｌ）２Ｓｅ３の単分子層から形成される。この単分子層は結晶格子の１単位セルの厚さを有しており、ガリウムおよびアルミニウムに対するセレンの高い親和力により、光学表面３の酸化を防止する。
図１は、実施形態１に係る光電子半導体素子１を示す。光電子半導体素子１は少なくとも１つの光学活性領域２と、光学活性領域２上の少なくとも１つの光学表面３と、光学表面３に接する、単分子層の１０層分までの層からなり、硫黄またはセレンを含む少なくとも１つの境界層４とを備える。例えば、ＡｌＧａＡｓを基材とする光学活性領域２上に、光学表面３が形成され、この光学表面３に接して境界層が形成される。境界層４は、光学表面３の表面領域全面に適用される。境界層４はＧａ（Ａｌ）２Ｓｅ３の単分子層から形成される。この単分子層は結晶格子の１単位セルの厚さを有しており、ガリウムおよびアルミニウムに対するセレンの高い親和力により、光学表面３の酸化を防止する。
まず、光学活性領域２について説明する。光学活性領域２は、少なくともその一部が結晶構造の半導体材料から構成される。光学活性領域２を形成する半導体材料は、ガリウムまたはアルミニウムの物質のうち少なくとも１つを含む。例えば、ひ化ガリウム、ひ化アルミニウムガリウム、ひ化リン化インジウムガリウム、窒化ひ化インジウムガリウム、窒化ガリウム、ひ化インジウムガリウムアルミニウム、またはリン化ガリウム、例えばＩｎＧａＡｌＰを基材とする。ここで、“基材とする”とは、半導体材料の基本的構成要素が、指定された化合物のうちの１つに該当するという意味である。また、半導体材料は、他の物質、特にドーパントを含んでもよい。そのような半導体材料の使用により、光学活性領域２により放射される光、または受光される光の周波数範囲を調整することができる。
また、光学活性領域２は、例えば、ｐ−ｎ遷移領域を有する。光学活性領域２は、量子井戸構造、量子ドット構造もしくは量子線状構造を、個別にあるいは組み合わせて、または平面構造のｐ−ｎ遷移域も含みうる。光学活性領域２が使用される可能性のある素子は、例えば、レーザダイオード、特に近赤外線用レーザダイオード、超放射発光ダイオードまたは発光ダイオード、特に高出力ダイオード、すなわち、少なくとも０．５Ｗの光パワー、好適には少なくとも１Ｗの光パワーを有するダイオードである。
ここで、光学表面３について説明する。光学表面３は、光学活性領域２上の、周囲に対する滑らかな境界面のことをいう。“滑らかな”とは、光学表面３の表面粗さが、光電子半導体素子１の動作時に生成される光の波長よりも著しく小さいことをいい、好適には該波長の半分以下、とくに好適には該波長の４分の１以下である、という意味である。このように、光学表面３は、光学表面３と、周囲の空気、若しくは光学活性領域２の屈折率よりも低い光屈折率を有する周囲の別の材料との間に、光学活性領域２の境界面、若しくは外表面を形成する。光学表面３は、例えば半導体材料に刻み目を入れ、次に破断することにより、光学活性領域２上に形成することができる。光学表面３は研削面であってもよい。
以下に、境界層４について少し詳しく説明する。境界層４は、硫黄またはセレン、例えばセレン化ガリウム（ＧａＳｅ）、硫化ガリウム（ＧａＳ）、セレン化アルミニウム（ＡｌＳｅ）、硫化アルミニウム（ＡｌＳ）またはＧａ（Ａｌ）２Ｓｅ３の単分子層から形成される。この境界層４は、光学表面３に接する位置にあり、好適には、光学表面３に直接接触する。該境界層４は、光学表面３によって形成される境界面の少なくとも一部、好適には全境界面を覆う。該境界層４の厚さは、多くとも単分子層１０層分、好適には多くとも単分子層５層分、特に好適にはせいぜい単分子層１層分である。ここで、単分子層とは、半導体材料の単位セルの厚さの結晶層のことをいう。
好適には、酸素原子は境界層４に存在しない。すなわち、境界層４には酸素原子がなく、“ない”という意味は、残存酸素比率は１０ｐｐｂよりも小さく、特に好適には１ｐｐｂよりも小さいということである。これは、ガリウムおよびアルミニウムに対するセレンおよび硫黄の親和力が、特にセレンの親和力が、ガリウムおよびアルミニウムに対する酸素の親和力よりも大きい場合があり、そのことにより光学表面３の酸化が防止された結果である。従って、上記ような境界層４は、酸化による光学表面３に対する損傷の影響を防止する。この点について、以下にもう少し詳しく説明する。
アルミニウムまたはガリウムの物質のうち少なくとも１つを含む半導体材料は、例えば空気に、特に酸素にさらされるならば、酸化が起こる。その結果、酸化層が半導体材料の空気との境界面で発生する。この酸化層とすべての付加的な不純物は、光電子半導体素子１の動作中に光の吸収を増加させまたは再吸収する色中心または吸収中心を形成することがある。これが、不純物の領域または酸化領域での局所的な加熱を引き起こす。使用される半導体材料によっては、この局所的な加熱が、ひいては半導体材料のバンドギャップの低減を引き起こし、バンドギャップの低減により、再吸収が増大する。これは、不純物の領域の温度がさらに上がる原因となる。吸収や再吸収による局所的な熱の蓄積は、影響を受けた半導体領域の溶解を引き起こし、それにより境界面、特に光学表面３を破壊する。これにより、影響を受けた光電子半導体素子１の効率には悪い影響が出てくる。
例えば、反射層が光学表面３上に堆積されているならば、反射層もまた損傷を受ける。とりわけ、反射層は、局所的な溶解により光学表面３から剥がれるかもしれない。特に、レーザ共振器の場合、共振器中で光学表面３とそれに付けられる反射層が少なくとも１つの共振鏡を形成するが、この剥がれは、例えばレーザダイオードの形で構成された素子の破壊を引き起こすことがある。これは致命的光学損傷（ＣＯＤ＝Catastrophical Optical Damage ）とも呼ばれる。劣化メカニズムが始動する強度しきい値または光パワーしきい値は、例えばレーザに対する品質判定基準であり、致命的光学損傷パワー（ＰＣＯＤ＝Power Catastrophical Optical Damage）しきい値と呼ばれる。
光学表面３の酸化を完全にまたは部分的に防止することにより、この破壊メカニズムのはじまりをなくすか、相当に高い光出力にまでシフトさせることができる。酸化は、光学表面３に境界層４を適用することにより解消することができる。この境界層４は、酸素が結合するかもしれない部位において、光学活性領域２の半導体材料に対して酸素よりも高い親和力を有する原子を有する。これは、硫黄またはセレンを含む境界層４によって得られる。さらに、硫黄またはセレンを含む境界層４は、例えば近赤外レーザ光線のような該当する光線に対して透明であるので、境界層４で吸収または再吸収が生じない。
以上説明した通り、本実施形態に係る光電子半導体素子１は、ガリウムまたはアルミニウムの物質のうちの少なくとも１つを含む結晶半導体材料により形成される少なくとも１つの光学活性領域２を備え、光学活性領域２上に少なくとも１つの光学表面３を含み、さらに、光学表面３に接する位置にあり、硫黄またはセレンを含む少なくとも１つの境界層４を含み、境界層４は単分子層５層までの厚さを有する。そのような半導体素子は、半導体素子の動作中に生じる光パワーに比べて高い破壊しきい値を有する。
（実施形態２）
図２に係る実施形態２では、光電子半導体素子１は、境界層４の上面に少なくとも１つの不動態化層５を備える。すなわち、境界層４上に不動態化層５が追加して堆積される。不動態化層５は、例えば、好適にはＺｎＳｅまたはＺｎＳにより構成される。そのような不動態化層５は、例えば有機金属気相エピキタシー（ＭＯＶＰＥ＝Metal Organic Vapor Phase Epitaxy）を使用することにより簡単に形成することができ、例えば酸化、または湿度から下層を保護することができる。
図２に係る実施形態２では、光電子半導体素子１は、境界層４の上面に少なくとも１つの不動態化層５を備える。すなわち、境界層４上に不動態化層５が追加して堆積される。不動態化層５は、例えば、好適にはＺｎＳｅまたはＺｎＳにより構成される。そのような不動態化層５は、例えば有機金属気相エピキタシー（ＭＯＶＰＥ＝Metal Organic Vapor Phase Epitaxy）を使用することにより簡単に形成することができ、例えば酸化、または湿度から下層を保護することができる。
不動態化層５は少なくとも境界層４の一部を覆い、従って、光学表面３の一部をも覆う。好適には、不動態化層５は境界層４全体、および光学表面３により形成される境界面全体を覆う。異なる特性を有する層を複数積層した不動態化層５は、例えば、互いに、異なる結晶格子に適応できるようにするため、例えば、光学表面３と堆積される予定の追加層との間のアダプタ層として役立つことができる。そのような半導体素子は多用途に構成することができ、例えば酸化や湿気のような周囲の影響に対して強い。
光学活性領域２の半導体材料は、例えばＩｎＧａＡｌＰを基材とし、境界層４は硫黄を含む。この時、不動態化層５はＺｎＳで構成され、その厚さは略５０ｎｍであり、詳細には５ｎｍないし２００ｎｍ、好適には１０ｎｍないし１００ｎｍ、とりわけ好ましいのは２０ｎｍないし６０ｎｍである。そのような厚さの不動態化層５は妥当なコストで作ることができ、半導体素子、特に光学活性領域を酸化から十分に保護することができる。境界層４に存在するＧａ（Ａｌ）２Ｓ３は、ＺｎＳに対し良好な成長基材を提供する。
不動態化層５の厚さが薄いことにより、境界層４と不動態化層５との間の格子不整合は、結晶格子内に転位を引き起こすかもしれないが、結晶粒界にはつながらない。その為、不動態化層５には、例えば酸素が侵入できない。このように、不動態化層５は、酸素を含有する雰囲気中、特に空気中で、半導体素子、特に光学活性領域２、境界層４を空気の影響若しくは酸化から保護する機能を果たす。
また、代替的には、境界層４はＧａ（Ａｌ）２Ｓｅ３によって形成されてもよく、そのときは不動態化層５は好適にはＺｎＳｅから成る。ＺｎＳおよびＺｎＳｅとともに、好適な不動態化層５は、例えば、ＣｄＳｅ、ＣｄＳ、ＣｄＴｅ、ＺｎＴｅ若しくはＢｅＴｅのようなＩＩ−ＶＩ族半導体またはＭｇＴｅ若しくはＭｇＳｅから形成される。
不動態化層５は、好適には、光電子半導体素子１の作動中に生じる波長に対して透明な材料から構成される。結晶構造に応じて、ＺｎＳｅはおおよそ５５０ｎｍよりも長い波長で透明であり、ＺｎＳはおおよそ３７０ｎｍよりも長い波長で透明である。同様に、境界層４および不動態化層５の材料は、例えば、結晶格子の格子定数に関して、互いに、適切に整合していなければならない。
（実施形態３）
実施の形態３に係る光電子半導体素子１は、光学表面３の近傍で、光学活性領域２内の、放射線を生成または吸収する構造を破壊して、吸収または再吸収による損傷から光学表面３を保護するようにしたものである。これは、例えば、いわゆる量子井戸混合（ＱＷＩ＝Quantum Well Intermixing）と呼ばれる、光学活性領域２内の量子井戸を溶融することにより実現可能である。例として、不純物が、例えば、拡散により、光学活性領域２の光学表面３に近接して位置する領域の結晶構造内にもたらされ、このことにより、結果としてこの光学表面３は不活性化される。
実施の形態３に係る光電子半導体素子１は、光学表面３の近傍で、光学活性領域２内の、放射線を生成または吸収する構造を破壊して、吸収または再吸収による損傷から光学表面３を保護するようにしたものである。これは、例えば、いわゆる量子井戸混合（ＱＷＩ＝Quantum Well Intermixing）と呼ばれる、光学活性領域２内の量子井戸を溶融することにより実現可能である。例として、不純物が、例えば、拡散により、光学活性領域２の光学表面３に近接して位置する領域の結晶構造内にもたらされ、このことにより、結果としてこの光学表面３は不活性化される。
（実施形態４）
図３Ａは実施形態４に係るレーザバー７の構造を示す側面図である。レーザバー７は、光電子半導体素子１が例えば電気的または光学的に励起可能な光学活性領域２を有することを意味する。光学活性領域２は半導体層１０により囲まれており、半導体層１０に対して、今度は電流供給のために電極９が付される。光学活性領域２は、例えばＡｌＧａＮを基材とする。境界層４は光学表面３に接する位置にあり、光学表面３は破断により形成することができる。境界層４の厚さは単分子層の一層分になる。この実施形態の境界層４は、半導体層１０の成長方向または光学活性領域２の成長方向に基本的に平行に並べられる。約２０ｎｍの厚さを有する不動態化層５は、境界層４上に堆積される。境界層４と不動態化層５の両者は、光学表面３により形成される境界面全体を覆う。
図３Ａは実施形態４に係るレーザバー７の構造を示す側面図である。レーザバー７は、光電子半導体素子１が例えば電気的または光学的に励起可能な光学活性領域２を有することを意味する。光学活性領域２は半導体層１０により囲まれており、半導体層１０に対して、今度は電流供給のために電極９が付される。光学活性領域２は、例えばＡｌＧａＮを基材とする。境界層４は光学表面３に接する位置にあり、光学表面３は破断により形成することができる。境界層４の厚さは単分子層の一層分になる。この実施形態の境界層４は、半導体層１０の成長方向または光学活性領域２の成長方向に基本的に平行に並べられる。約２０ｎｍの厚さを有する不動態化層５は、境界層４上に堆積される。境界層４と不動態化層５の両者は、光学表面３により形成される境界面全体を覆う。
光学表面３から離れたほうに面した不動態化層５の側面に、誘電層配列体６が堆積され、ブラッグ反射体として構築される。以下、誘電層配列体６はブラッグ反射体と同視する。ブラッグ反射体６は、光屈折率の大きな誘電層と小さな誘電層とを互い違いに多数配列して構築される。層の数は、好適には１０ないし２０である。各誘電層は、ブラッグ反射体６が反射対象とするスペクトルの範囲に応じて、例えば、酸化アルミニウム、酸化シリコン、酸化タンタル、ひ化シリコンアルミニウムガリウムまたはリン化アルミニウムガリウムインジウムを基材にすることができ、セレン化亜鉛、二酸化シリコン、またはシリコンを基材にすることもできる。不動態化層５もブラッグ反射体６の一部を構成しうる。
ブラッグ反射体６は、不動態化層５の少なくとも一部を、好適には不動態化層５全体を覆い、従って光学表面３全体をも覆う。ブラッグ反射体６を使用して、高品質の共振器、例えばレーザコンポーネント用の共振器を、簡単な方法で作り出すことができる。図示されているブラッグ反射体６を一番目のブラッグ反射体として、このブラッグ反射体６と、図示されていない光学表面３の反対側に配置される境界面上の二番目のブラッグ反射体（図示されない）とで、例えば近赤外領域で放射する半導体レーザに対する共振器を形成する。このように、ブラッグ反射体６を使用して、高品質の共振器、例えばレーザコンポーネント用の共振器を、簡単な方法で作り出すことができる。
電気的励起を可能にするために電気接続デバイスを備えた上記レーザバー７において、光学活性領域２において光学表面３または境界面によって形成されるレーザ共振器を備えれば、この方法により構築されるレーザバー７は、高い破壊しきい値を有し、高い光出力パワーを生成するために好適である。
図３Ｂは実施形態４に係る他の光電子半導体素子１の構造を示す側面図である。図示されるとおり、積層、若しくは積み重ねられた複数のレーザバー７から、レーザスタックの形態の光電子半導体素子１を形成することができる。レーザバー７の各構成に応じて、種々のレーザバー７の光学表面３のすべてにわたり連続的な境界層４または不動態化層５が形成されるという点が利点である。
（実施形態５）
図４に実施形態５に係る光電子半導体素子１を示す。図４によると、光電子半導体素子１は、例えば光学励起の、垂直放射半導体レーザ（ＶＥＣＳＥＬ）により形成される。第１のブラッグ反射体６１を形成する第１の誘電層配列体６１は、例えば半導体材料を用いて形成される基板１２上に堆積される。光学活性領域２１および２２は、第１のブラッグ反射体６１の、基板１２から離れたほうに向いた面上に配置される。電極９および半導体層１０は、光学活性領域２２の、基板１２から離れたほうに向いた面上に取り付けられる。
図４に実施形態５に係る光電子半導体素子１を示す。図４によると、光電子半導体素子１は、例えば光学励起の、垂直放射半導体レーザ（ＶＥＣＳＥＬ）により形成される。第１のブラッグ反射体６１を形成する第１の誘電層配列体６１は、例えば半導体材料を用いて形成される基板１２上に堆積される。光学活性領域２１および２２は、第１のブラッグ反射体６１の、基板１２から離れたほうに向いた面上に配置される。電極９および半導体層１０は、光学活性領域２２の、基板１２から離れたほうに向いた面上に取り付けられる。
それらの電極および層を介して、光学活性領域２２は電気的に励起が可能で、それによって第１のレーザを形成し、第１のレーザの共振器は２つの第２のブラッグ反射体６２により形成される。第２のブラッグ反射体６２は、最も離れた部品として光学表面３を覆うように配置される。光学表面３は、光学活性領域２２の左右の外側境界面、基板１２の左右の外側境界面、および半導体層１０の左右の外側境界面を構成する。境界層４は、電気的に励起された第１のレーザの光学表面３に適用される。その結果として、境界層４は不動態化層５により覆われ、境界層４および不動態化層５は、光学表面３により形成される境界面全体を覆う。こうして、境界層４および不動態化層５は、光学活性領域２２を保護するだけでなく、これらを囲む半導体材料をも保護する。
第１のレーザにより励起される垂直放射の光学活性領域２１は、第１のブラッグ反射体６１とともにＶＥＣＳＥＬの共振器を形成する第３のブラッグ反射体６３によって覆われる。
図３Ａ、図３Ｂに示される水平放射レーザ、または図４に示される垂直放射レーザと同様に、硫黄またはセレンを含む境界層４は、発光ダイオードまたは超高輝度ダイオードにおいても使用できる。他の素子も、高強度の光が境界面で生じ、かつガリウムまたはアルミニウムの物質のうち少なくとも１つを含む少なくとも１つの半導体材料を有する場合、上述のタイプの酸化保護および／または不動態化を備えることができる。
（実施形態６）
実施形態６に係る光電子半導体素子の製造方法は、少なくとも下記の工程ステップを備える。
−ガリウムまたはアルミニウムの物質のうち少なくとも１つを含む半導体材料の光学活性領域を供給する光学活性領域供給ステップと、−該光学活性領域上に少なくとも１つの光学表面を形成する光学表面形成ステップと、−硫黄またはセレンを含むガス流により光学表面を還元する還元ステップと、
−単分子層の１０層分以内で作られた、セレンまたは硫黄を含む、少なくとも１つの境界層を形成する境界層形成ステップ。
実施形態６に係る光電子半導体素子の製造方法は、少なくとも下記の工程ステップを備える。
−ガリウムまたはアルミニウムの物質のうち少なくとも１つを含む半導体材料の光学活性領域を供給する光学活性領域供給ステップと、−該光学活性領域上に少なくとも１つの光学表面を形成する光学表面形成ステップと、−硫黄またはセレンを含むガス流により光学表面を還元する還元ステップと、
−単分子層の１０層分以内で作られた、セレンまたは硫黄を含む、少なくとも１つの境界層を形成する境界層形成ステップ。
この製造方法により、以下に説明するように光電子半導体素子を効率的に、かつ、比較的簡単に製造することができる。
図６に、実施形態６に係る光電子半導体素子１の製造方法の各工程ステップを示す。この製造方法により、上述の実施形態のうち１つまたは複数に関して記載される光電子半導体素子１の製造が可能である。以下、図６（ａ）〜（ｆ）に従って各工程ステップを説明する。
図６（ａ）は、光学活性領域供給ステップを示す。ここでは、半導体材料に光学活性領域２が供給される。これは活性領域が成長基板上でエピタキシャルに成長するという事実を包含する。この場合、光学活性領域の成長は、ウェーハ化合物に生じうる。また、この工程ステップは、成長基板から光学活性領域２を分離する工程、または成長基板、例えばウェーハを、１つまたは複数の光学活性領域２を含みうる複数のコンポーネントに分ける工程を含みうる。光学活性領域２は量子ポイント、量子井戸もしくは量子線を有する層であってよいし、または１つもしくは複数の平面ｐ−ｎ遷移域をも含みうる。また、光学活性領域２はヘテロ構造により形成することができ、特に、ウェーハのような基板上にエピタキシャル成長により供給することができる。
図６（ｂ）は光学表面形成ステップを示す。光学活性領域２において少なくとも１つの光学表面３を形成するステップは、例えばウェーハとして存在する光学活性領域２に刻み目を入れた後、光学表面３を形成する滑らかな境界面が生じるように、これを破断することにより、または劈開することにより行うことができる。
光学表面３により形成される光学活性領域２の境界面の表面粗さは、その動作中に光電子半導体素子１により生成される予定の電磁放射線の波長よりも小さく、好適には、該表面粗さは、波長の半分よりも小さく、特に好適には波長の４分の１よりも小さい。例えば、切断された光学表面３は、研磨または研削によってその後平滑化できる。
好適には光学表面３は大気中で形成される。これにより、光学表面３の形成コストを低く維持できるとともに、取扱が簡単になる。
特に光学活性領域２が光学表面３とともに共振器を形成するようにして、光電子半導体素子１がレーザ応用のために使用されるように意図されているのであれば、好適には、２つの光学表面３は基本的に互いに向かい合わせに、または互いに同一平面内に配置されるように形成される。ここで、“基本的に”とは、製作公差の範囲内で、ということを意味する。
光学活性領域２を形成する半導体材料は、例えば、ひ化ガリウム、りん化ガリウム、または窒化ガリウムを基材とするので、大気中においては、光学表面３上に酸化層１３が形成される（図６（ｃ））。この酸化層１３ならびに付加される可能性のある不純物は、局所的吸収構造を形成し、この構造により、その後の光電子半導体素子１の損傷につながる可能性がある。それゆえ、酸化ガリウムおよび／または酸化アルミニウムを含みうる酸化層１３は、半導体素子１に対する長寿命を保証するために還元して除去しなければならない。
図６（ｄ）は還元および境界層形成ステップを示す。図６（ｄ）に示すとおり、好適には、処理チャンバ内に処理対象物を設置し、反応性の大きいセレンまたは硫黄を含むガス流８を使用することによって酸化層１３内の酸素がセレンに置き換えられ、すなわち還元されセレンを含む境界層４が光学表面３上に形成される。好適には、ガス流８はＨ２Ｓｅにより形成される。
この工程ステップ時の工程温度は、好適には２６０〜３００℃である。この範囲の温度では、例えばレーザダイオード用に設計された光学活性領域２は損傷は生じない。還元中の気圧は、数百ｈＰａである。このように、複雑で、それゆえコストのかかる高真空若しくは超高真空環境は不要である。上述の工程条件において、還元時間は１分未満になる。
ガス流８について少し詳しく説明する。ガス流８は、例えばＭＯＶＰＥ法と同様に、光学表面３を覆う形で導かれる。好適には、ガス流８はＨ２Ｓｅにより形成される。また、これら以外にもＨ２、Ｈ２Ｓ、有機セレン金属、有機硫化金属、トリメチル亜鉛、ジエチル亜鉛、または有機亜鉛のうちの少なくとも１つを含むもの、または、Ｈ２Ｓｅを含めたこれらの物質の混合物であってもよい。また、例えば、ドーピングするため、ガス流８に添加剤を付加しても良い。ガス流内に上記の物質を使用することによって、効果的な還元が促進される。すなわち、これにより酸化層１３内、すなわち光学活性領域２を形成する半導体材料の境界面において、該境界面および境界面近傍に位置する酸素原子は、基本的にガス流からの反応性セレン原子または硫黄原子に置き換えられ、それによって光学表面３の還元が実現される。
上記還元により、セレンまたは硫黄を含む境界層４が光学表面３に接して形成される。この境界層４は、多くて単分子層５層分の厚さを有する。すなわち、境界層４の厚さは、半導体材料の結晶格子の、多くて５つの単位セルになる。好適には、単分子層の一層分のみが形成される。境界層４の厚さは、好適には、少なくとも、還元対象となる酸素含有層の厚さに一致する。単分子層は、好適にはセレン化ガリウム、硫化ガリウム、セレン化アルミニウム、または硫化アルミニウムのうちの少なくとも１つの化合物を含む。
還元および境界層形成ステップの工程条件について詳しく説明する。この工程ステップは、１０−３ｈＰａよりも大きな気圧で行われる。これは、これらの工程ステップに対して、高コストの高真空および超高真空環境は必要ではないことを意味する。ガス流による還元中、好適には１００ｈＰａないし１１００ｈＰａの範囲内、特に好適には３００ｈＰａないし７００ｈＰａの範囲内の気圧が効を奏する。複雑でコストのかかる高真空および超高真空が要求されないので、光電子半導体素子１の製造コストは低減される。
還元および境界層形成ステップでの工程温度は、高くても３６０°Ｃまでである。好適には３５０°Ｃ以下であり、特に好適には２６０〜３００°Ｃの範囲内である。この範囲の温度では、製造工程中に、光学活性領域２、例えば、レーザダイオード用に設計された光学活性領域２に破損は生じない。
特に、そのような工程温度では、反応性ガスは高エネルギーまたは低エネルギーのプラズマとして存在しない。プラズマは存在しないので、光学活性領域２およびその光学表面３を形成する半導体材料は、特に慎重に処理を行うことができる。
還元および境界層形成ステップの時間は、６分未満であり、好適には３分未満、特に好適には１分未満である。該当する工程ステップが短時間であるため、コスト効果の高い光電子半導体素子１の製造が保証される。
図６（ｅ）は不動態化層成長ステップを示す。不動態化層５は、例えばＭＯＶＰＥ法と同様に、ガス流により境界層４上に形成される。不動態化層５の堆積は、好適には、還元工程と同一の処理チャンバ内で行われる。これは、種々のガスを流すことのできるチャンバ内に、処理対象の光学活性領域２を持ち込むことにより実現される。例えば、硫黄またはセレンを含むガスの第１のガス流８が光学表面３を覆って通過し、第１のガス流８による還元が終了した後、中断することなく、不動態化層５を成長させるのに使用される第２のガス流１４への切替が行われる。この切替は、酸素を含むガスが光学表面３に届かないよう迅速に実施される。ここで、“迅速に”とは、特に、１秒未満を意味する。それゆえ、処理対象の素子を、還元と不動態化層５の堆積の間に処理チャンバから取り出す必要はない。これにより、還元と不動態化層５の堆積の間の酸化の可能性を効果的に防止する。さらに、これにより、処理対象の素子を再配置するいかなる工程ステップも必要ないので、工程が簡略化される。
好適には、不動態化層５は境界層４全体を覆い、結果として好適には光学表面３を形成する境界面全体を覆う。
不動態化層５は、例えば、ＩＩ−ＶＩ族半導体材料、好適にはセレン化亜鉛または硫化亜鉛によって形成される。不動態化層５を形成する材料は、好適には、不動態化層５が境界層４上で容易に成長しうるように選択される。境界層４が、例えば、Ｇａ（Ａｌ）２Ｓｅ３を含むならば、ＺｎＳｅは不動態化層５に対して特に好適な材料である。そのような方法により、不動態化膜を簡単に製造できる。
上記のような不動態化層５を形成するために、Ｈ２Ｓｅ、Ｈ２Ｓ、有機セレン金属、有機硫化金属、トリメチル亜鉛、ジエチル亜鉛、または有機亜鉛のうちの少なくとも１つを含むガス流１４を使用することができ、上記物質の混合物であってもよい。また、例えば、ドーピングを達成するため、添加剤をガス流１４に付加しても良い。例えば、不動態化層５がセレン化亜鉛から構成されるならば、ガス流１４は、例えばセレンおよび亜鉛を含むガス混合物、例えばＨ２Ｓｅおよびトリメチル亜鉛を含むガス混合物から構成される。ガス流１４に上記物質を使用することによって、効果的な不動態化層５の形成が促進される。
ガス流１４により不動態化層５を形成するあいだ、この工程は数百ｈＰａの圧力で行われる。好適には１００ｈＰａないし１１００ｈＰａの範囲内、特に好適には３００ｈＰａないし７００ｈＰａの範囲内が効を奏する。高真空および超高真空が要求されないので、光電子半導体素子１の製造コストが低減される。
不動態化層５形成時の工程温度は、最大３６０°Ｃ、好適には３５０°Ｃ以下、特に好適には２６０〜３００°Ｃの範囲内である。この範囲の温度では、製造工程中に光学活性領域２に破損は生じない。このような工程温度では、反応性ガスは高エネルギーまたは低エネルギーのプラズマの形では存在しないので、光学活性領域２およびその光学表面３を形成する半導体材料は、特に慎重に処理を行うことができる。
不動態化層５の正確な化学量論的組成および厚さは、個別の要求に応じて決まる。好適には、厚さはおおよそ５０ｎｍになる。セレン化亜鉛層の成長速度は、毎分おおよそ数百ｎｍであるので、不動態化層５の成長の工程ステップもまた秒単位以内で進み、それゆえ短時間しか必要としない。不動態化層５を堆積するステップの時間は、６分未満であり、好適には３分未満、特に好適には１分未満である。該当する工程ステップが短時間であるため、コスト効果の高い光電子半導体素子１の製造が保証される。
好適には、図６（ｄ）に係る還元ステップ、および図６（ｅ）に係る不動態化層５成長ステップは、図５に示すとおり、光学活性領域２をグループ１１にグルーピングして進められる。ここで、“グルーピング”とは、処理対象の複数の素子が、例えば、キャリア上に、規則的な配列で配置されることを意味する。キャリアとして、例えば、平板、格子またはウェーハが使用できる。
次に、キャリアは、これに配置された処理対象の素子とともに、処理チャンバ内に導入される。処理対象の光学表面３は好適には一平面内に配置され、光学表面３により形成される光学活性領域２の境界面は、好適には同一方向に並べられる。処理対象の素子は、光学表面３が形成されていない素子境界面が少なくとも部分的に互いに接触し、覆うようにグルーピングすることができる。したがって、光学表面３が形成されていない素子境界面は還元されず、または不動態化もされない。好適には、グルーピングされる処理対象の素子は立方体形状に形成され、還元され、不動態化層５が堆積される光学表面３は、互いに平行に並べられ、同一平面である該立方体の正面表面に形成される。従って、上記の通り、光学表面３が形成されない側面には堆積または汚染が生じない。図示されていないが、要求に応じて、複数のグループ１１を、キャリア上に配置して処理出来る。このように、処理対象の素子をグルーピングすることにより、効率的でコスト効果の高い製造方法が可能になる。
例えば約１平方ｍｍ程度の表面積を有する光学表面３の場合、直径約１００ｍｍのキャリアを使用すれば、１バッチで、約１０００の光電子半導体素子１を容易に取り扱うことができる。光学表面３の還元および不動態化の後に、グループ１１は処理チャンバから除去することができ、必要とあれば、例えば、図示された光学表面３の反対側に配置される光学表面も処理できるように裏返してもよい。
これまでに説明した工程ステップは真空状態を必要としないので、取扱は非常に簡略化される。指定された処理対象面については、反応ガス流８、１４のガス流量は約３０μモル／分しか必要ではない。したがって、材料消費は比較的小さい。本発明の方法は、より大きなロット数に対し容易に比例拡大させることができる。
図６（ｆ）はオプション工程ステップを示す。ここで、誘電層配列体６を、例えばＭＯＶＰＥにより堆積することができる。
本発明の方法を使用して、図１〜４に示されるような素子が効率的にかつ比較的簡単に製造できる。
代替方法として、例えば、超高真空（ＵＨＶ）中で破断して光学表面３を形成し、同様にＵＨＶ環境下で不動態化することにより、光学表面３を酸化から保護することが可能であるが、ＵＨＶ環境下での光学表面３の形成は、明らかに、高コストとなる。さらに、典型例である１０−８ｈＰａ未満の圧力での光学表面３の形成では、光学表面３の酸化は完全には防げず、かなり低減されるだけである。基本的には、ＣＯＤの危険はなお存在する。
別の代替方法として、光学表面３を大気中で形成したのちＵＨＶ環境下で処理するという方法がある。光学表面３は、例えば、ＵＨＶ環境下でＨ２プラズマによって清浄化しうる。しかし、この方法によっても、酸化残留物が光学表面３上に残る。さらに、ＵＨＶ技術はコスト高であり、処理対象表面の増大、およびより大きなロット数に対し限定的な方法でしか比例拡大させることができない。
本発明は、上述実施形態の記載に限定されない。むしろ、本発明は、各新規な特徴と特徴のそれぞれの組合せを含み、この各組合せは、特に特許請求の範囲における特徴の各組合せを包含する。この特性またはこの組合せそのものが、特許請求の範囲または実施形態において明示されていないとしても、本発明は各新規な特徴と、特徴の各組合せを含むということは適用される。工程ステップの指定シーケンスは、好ましい例と見なされるべきものであるが、要求に応じて、異なるシーケンスも可能である。
本願は、独国特許出願第１０２００８０１８９２８．６号に基づく優先権を主張するものであり、当該基礎出願の開示事項はそのままここに参照として取り込まれる。
１ 光電子半導体素子
２、２１、２２ 光学活性領域
３ 光学表面
４ 境界層
５ 不動態化層
６ 誘電層配列体（ブラッグ反射体）
７ レーザバー
８、１４ ガス流
９ 電極
１０ 半導体層
１１ グループ
１２ 基板
１３ 酸化層
６１ 第１のブラッグ反射体
６２ 第２のブラッグ反射体
６３ 第３のブラッグ反射体
２、２１、２２ 光学活性領域
３ 光学表面
４ 境界層
５ 不動態化層
６ 誘電層配列体（ブラッグ反射体）
７ レーザバー
８、１４ ガス流
９ 電極
１０ 半導体層
１１ グループ
１２ 基板
１３ 酸化層
６１ 第１のブラッグ反射体
６２ 第２のブラッグ反射体
６３ 第３のブラッグ反射体
Claims (15)
- ガリウムまたはアルミニウム物質のうち少なくとも１つを含む半導体結晶材料から構成され、表面に少なくとも１つの光学表面が形成された、少なくとも１つの光学活性領域と、
前記光学活性領域の、前記光学表面に面する部分に形成された、硫黄またはセレンを含む、単分子層の１０層分までの層からなる、少なくとも１つの境界層と、
を備える光電子半導体素子。 - 前記境界層はＧａＳｅ、ＧａＳ、ＡｌＳｅまたはＡｌＳを含むことを特徴とする請求項１に記載の光電子半導体素子。
- 前記境界層上に少なくとも１つの不動態化層を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の光電子半導体素子。
- 前記不動態化層はＺｎＳｅまたはＺｎＳにより構成されることを特徴とする請求項３に記載の光電子半導体素子。
- 前記不動態化層の厚さは、５ｎｍ〜２００ｎｍの範囲にあることを特徴とする請求項３または４に記載の光電子半導体素子。
- 前記不動態化層上にブラッグ反射体の形態で、少なくとも１つの誘電層配列体を備えることを特徴とする請求項３ないし５のいずれか１項に記載の光電子半導体素子。
- レーザバーとして構成されることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の光電子半導体素子。
- ガリウムまたはアルミニウム物質のうち少なくとも１つを含む半導体材料から、光学活性領域を備えるステップと、
前記光学活性領域上に少なくとも１つの光学表面を形成するステップと、
硫黄またはセレンを含むガス流によって前記光学表面に面する前記光学活性領域を還元するステップと、
硫黄またはセレンを含む、単分子層の１０層分までの層からなる境界層を形成するステップと、
を備える光電子半導体素子の製造方法。 - 少なくとも前記還元するステップ、および前記境界層を形成するステップ中の気圧が１０−３ｈＰａよりも高いことを特徴とする請求項８に記載の光電子半導体素子の製造方法。
- 前記境界層の上に、少なくとも１つの不動態化層を、ガス流によって堆積するステップを備えることを特徴とする請求項８または９に記載の光電子半導体素子の製造方法。
- 前記還元するステップ、および前記不動態化層を堆積するステップは、同一の処理チャンバ内で行われることを特徴とする請求項１０に記載の光電子半導体素子の製造方法。
- 前記還元するステップ、または前記不動態化層を堆積するステップに使用する前記ガス流は、Ｈ２、Ｈ２Ｓｅ、Ｈ２Ｓ、有機Ｓｅ金属、有機Ｓ金属、トリメチル亜鉛、ジエチル亜鉛、有機亜鉛のうち少なくとも１つの物質を含むことを特徴とする請求項８ないし１１のいずれか１項に記載の光電子半導体素子の製造方法。
- 前記還元するステップ、および／または前記不動態化層を堆積するステップの工程温度は最高３６０℃より低いことを特徴とする請求項８ないし１２のいずれか１項に記載の光電子半導体素子の製造方法。
- 前記還元するステップ、および／または前記不動態化層を堆積するステップの時間はそれぞれ６分未満であることを特徴とする請求項８ないし１３のいずれか１項に記載の光電子半導体素子の製造方法。
- 少なくとも前記還元するステップ、および／または前記不動態化層を堆積するステップの間、複数の前記半導体素子は１つのグループにグルーピングされることを特徴とする請求項８ないし１４のいずれか１項に記載の光電子半導体素子の製造方法。
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