JP3888927B2 - 化合物半導体デバイス製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、化合物半導体層を含むデバイスを作製する化合物半導体デバイス製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、化合物半導体デバイスとして、ＣＤ（コンパクト・ディスク）、ＭＤ（ミニ・ディスク）用のピックアップに用いられる半導体レーザ素子の需要は益々拡大しており、特性ばらつきが少なく信頼性に優れた半導体レーザ素子が要求されている。半導体レーザ素子の基本構造としてダブルヘテロ接合構造が用いられていたが、光出力の高出力化や、しきい電流の低電流化の要求に伴い、例えばキャリア閉じ込め領域と光閉じ込め領域とを分離した、分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ：separate confinement heterostructure）や、活性領域に量子井戸を形成した、多重量子井戸（ＭＱＷ：multi quantum well）構造を持つものが用いられるようになった。これらの積層構造で最も薄い半導体層の厚さは数十Å〜数百Åであるため、これまで半導体層形成法として一般的であった液相エピタキシ法に代わって、最近は、層厚制御が容易な有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ：metal organic chemical vapor deposition）法や分子線エピタキシ（ＭＢＥ：molecular beam epitaxy）法などの気相エピタキシ法が使われている。
【０００３】
例えばリッジ型半導体レーザ素子は、図１（Ａ）〜図２（Ｄ）に示すようにして製造されている。まず図１（Ａ）に示すように、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ型ＧａＡｓ基板１上にｎ型ＧａＡｓバッファ層（層厚０．５μｍ）２、ｎ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ第１クラッド層（ｘ＝０．４６、層厚２．７μｍ）３、ｎ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ第２クラッド層（ｘ＝０．４８、層厚０．２μｍ）４、ノンドープＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ第１光ガイド層（ｘ＝０．３５、層厚２８０Å）５、ノンドープＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ量子井戸活性層６、ノンドープＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ第２光ガイド層（ｘ＝０．３５、層厚２８０Å）７、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ第１クラッド層（ｘ＝０．４８、層厚０．２μｍ）８、ｐ型ＧａＡｓエッチングストップ層（層厚２６Å）９、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ第２クラッド層（ｘ＝０．４８、層厚１．３μｍ）１０、ｐ型ＧａＡｓキャップ層（層厚０．７５μｍ）１１を順に成長する。量子井戸活性層６は、互いに組成（混晶比ｘ）が異なる厚さ数十Åのウエル層、バリヤ層、ガイド層の積層からなる。次に図１（Ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ法などにより図１（Ｂ）の紙面に垂直な方向に延びるストライプ状のレジスト１２を形成した後、このレジスト１２の両側のｐ型ＧａＡｓキャップ層１１およびｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ第２クラッド層１０をエッチングして除去する。これにより、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１１およびｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ第２クラッド層１０の一部からなるリッジを形成する。レジストを除去した後、再度のＭＯＣＶＤ法により、図２（Ｃ）に示すようにリッジの両側に、電流を狭窄するために高抵抗或いはｎ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ電流ブロック層（ｘ＝０．７、層厚１．０μｍ）１３、ｎ型ＧａＡｓ電流ブロック層（層厚０．３μｍ）１４、ｐ型ＧａＡｓ平坦化層１５を積層させる。次に、リッジ上以外の部分にフォトリソグラフィ法でレジスト（図示せず）を形成して、電流ブロック層１３，１４、ｐ型平坦化層１５のうちリッジ上の不要な部分をエッチングして除去する。そのレジストを除去した後、図２（Ｄ）に示すようにｐ型ＧａＡｓコンタクト層（層厚５０μｍ）１６を成長させる。その後、ウエハの裏面にｎ型電極１８、ウエハの表面にｐ型電極１７を形成する。
【０００４】
一般的に、ＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法では半導体層の厚さは成長時間を設定することによって制御される。具体的には、化合物半導体デバイスに用いられる半導体層の材料を予めモニタ用ウエハ上に堆積し、堆積した層の厚さを成長時間で除算してその成長レートを求める。そして、実際に化合物半導体デバイスを作製する段階で、上記成長レートを元にして、その半導体層が所定の目標層厚に成長されるように、成長時間を設定する。
【０００５】
ここで、堆積した層の厚さを測定する従来の方法としては、
ｉ） ウエハをへき開して、堆積した層の断面を走査電子顕微鏡などで直接観察する方法や、
ii） 堆積した層を選択的にエッチングして、その段差を接触式段差計で測定する方法
などが知られている。
iii） また、特開平１−９８２１５号公報には、薄膜結晶の層厚をフォトルミネッセンス法によって非破壊で測定する方法が開示されている。これによれば、エピタキシャル基板上に、ＧａＡｓ井戸層をＡｌＧａＡｓバリア層で挟み込んでなる量子井戸構造を形成し、フォトルミネッセンス法によって前記井戸層からの発光波長を測定する。この発光波長は井戸層の厚さに対応しているので、発光波長から井戸層の厚さを求めることができる。井戸層の厚さが５０Å〜１００Åの範囲内であれば、特に精度良く井戸層の厚さを求めることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
半導体レーザ素子の特性ばらつきを低減するためには、積層構造をなす各半導体層の厚さを正確に制御することが重要となる。例えば記録再生の高速化のため光ディスク用光源として半導体レーザ素子の高出力化が進んでいるが、高出力の半導体レーザ素子では、光学系との結合効率を上げるため、ヘテロ接合面に垂直な方向の放射角（これを「垂直放射角」と呼ぶ。）を１６°〜１９°と小さくし、かつ垂直放射角のばらつきを小さくするように放射角を制御することが重要となってくる。現在高出力半導体レーザ素子に用いられているＳＣＨ，ＭＱＷ構造では、垂直放射角は、多重量子井戸活性層とクラッド層の屈折率差や光閉じ込めを行っているガイド層の厚さに依存している。多重量子井戸活性層を構成するウエル層、バリヤ層、ガイド層の厚さは数十Åに設定され、またガイド層の厚さは通常２７０Å〜３００Åの範囲内に設定されるため、これらの層の厚さは、数Åオーダで制御する必要がある。そのためには、これらの層の成長レートを正確に求めなければならない。
【０００７】
しかしながら、ウエハをへき開して、堆積した層の断面を走査電子顕微鏡で観察し層厚を測定する方法（上記ｉ）では、観察できるようにするために層厚を少なくとも０．５μｍ以上にする必要があるため、実際のガイド層の厚さの約２０倍の層厚から求めた成長レートに基づいて、ガイド層の成長時間を設定することになる。この方法では、電子顕微鏡での層厚の読み取り誤差を避けることができず、また、ガイド層の実際の厚さでの成長レートと観察用の層厚での成長レートとの間のズレも存在する。このため、この方法に基づいてÅオーダの層厚制御をすることは難しい。
【０００８】
また、堆積した層を選択的にエッチングして、その段差を接触式段差計で測定する方法（上記ii）は、堆積した層のうち例えばガイド層のみを選択的にエッチングするための適当なエッチャントが存在しない場合は、適用ができない。
【０００９】
また、前記特開平１−９８２１５号公報の方法（上記iii）は、ＡｌＧａＡｓのような三元混晶からなる井戸層には適用できない。即ち、三元混晶からなる井戸層の場合、井戸層からの発光波長を決める因子としては井戸層の厚さと組成（Ａｌ混晶比）とがあり、それぞれ独立に変化する。このため、上記方法ではこの２つの因子を確定することができないのである。また井戸層の厚さが２００Å程度になると井戸層の厚さに対して発光波長の変化が小さくなるので、フォトルミネッセンス測定による測定誤差が大きくなる。
【００１０】
なお、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造などの、互いに組成が異なる複数種類の化合物半導体層が一定周期で複数回繰り返して積層された周期構造については、Ｘ線回折のサテライト反射を利用した空間的周期の測定方法が確立されている。しかし、この測定方法では、個々の化合物半導体層の厚さを直接知ることはできない。
【００１１】
そこで、この発明の課題は、化合物半導体層の厚さを正確に制御できる化合物半導体デバイス製造方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、この発明の化合物半導体デバイス製造方法は、所定の成長法により目標層厚に成長されるべき、互いに組成が異なる第１組成および第２組成の化合物半導体層を含むデバイスを作製する化合物半導体デバイス製造方法であって、
上記各化合物半導体層のための成長時間を決定する工程は、
同一のウエハ上に、
第１組成の化合物半導体層と第２組成の化合物半導体層とをそれぞれ一定の成長時間で複数回繰り返し成長してなる第１の周期構造と、
上記第１の周期構造の最上層とは組成が異なる層と、
第１組成の化合物半導体層を上記第１の周期構造の第１組成の化合物半導体層の成長時間と同じ成長時間、第２組成の化合物半導体層を上記第１の周期構造の第２組成の化合物半導体層の成長時間と異なる成長時間で複数回繰り返し成長してなる第２の周期構造と
をこの順に連続して形成し、
Ｘ線回折法により上記二つの周期構造を併せた測定データを得、
上記第２の周期構造と、その直下の上記第１の周期構造の最上層とは組成が異なる上記層とをエッチングして除去した後、
Ｘ線回折法により、上記ウエハ上に残された第１の周期構造についての測定データを得て、上記第１の周期構造の空間的周期を求め、
上記二つの周期構造を併せた測定データから上記第１の周期構造についての測定データ を差し引いて、上記第２の周期構造についての空間的周期を求め、
上記第１の周期構造の空間的周期と第２の周期構造の空間的周期との差に基づいて上記第２組成の化合物半導体層の成長レートを求めるとともに、上記第１組成の化合物半導体層の成長レートを求めることを特徴とする。
【００１３】
この発明の化合物半導体デバイス製造方法によれば、作製すべきデバイスに含まれる第１組成の化合物半導体層、第２組成の化合物半導体層の成長レートを精度良く求めることができる。したがって、上記第１組成の化合物半導体層、第２組成の化合物半導体層の厚さを正確に目標層厚に制御することができる。したがって、作製された半導体レーザ素子によれば、従来に比して放射特性のばらつき、特に垂直放射角のばらつきが低減される。この結果、素子の歩留りが高まる。
【００１４】
この一実施形態の化合物半導体デバイス製造方法では、上記第１の周期構造と、上記第１の周期構造の最上層とは組成が異なる層と、上記第２の周期構造とを同一のウエハ上にこの順に連続して形成するので、上記二つの周期構造やそれらの間に挟まれた上記層を形成するための、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）装置や分子線エピタキシ（ＭＢＥ）装置を用いた実際の成長工程（作業）が１回で済む。したがって、第１組成の化合物半導体層、第２組成の化合物半導体層の成長レートを求めるのに要する工程の数を低減できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００１６】
この発明の化合物半導体デバイス製造方法を適用して図２（Ｄ）に示したリッジ型半導体レーザ素子（ＳＣＨ−ＭＱＷレーザ素子）を作製するものとする。この図２（Ｄ）中、１はｎ型ＧａＡｓ基板、２はｎ型ＧａＡｓバッファ層（層厚０．５μｍ）、３はｎ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ第１クラッド層（ｘ＝０．４６、層厚２．７μｍ）、４はｎ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ第２クラッド層（ｘ＝０．４８、層厚０．２μｍ）、５はノンドープＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ第１光ガイド層（ｘ＝０．３５、層厚２８０Å）、６はノンドープＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ量子井戸活性層、７はノンドープＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ第２光ガイド層（ｘ＝０．３５、層厚２８０Å）、８はｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ第１クラッド層（ｘ＝０．４８、層厚０．２μｍ）、９はｐ型ＧａＡｓエッチングストップ層（層厚２６Å）、１０はｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ第２クラッド層（ｘ＝０．４８、層厚１．３μｍ）、１１はｐ型ＧａＡｓキャップ層（層厚０．７５μｍ）、１３はｎ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ電流ブロック層（ｘ＝０．７、層厚１．０μｍ）、１４はｎ型ＧａＡｓ電流ブロック層（層厚０．３μｍ）、１５はｐ型ＧａＡｓ平坦化層（層厚０．７μｍ）、１６はｐ型ＧａＡｓコンタクト層（層厚５０μｍ）、１７はｐ電極、１８はｎ電極をそれぞれ示している。上記各括弧内に示した層厚は目標層厚である。量子井戸活性層６は、互いに組成（混晶比ｘ）が異なる厚さ数十ÅのノンドープＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓウエル層、ノンドープＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓバリヤ層、ノンドープＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓガイド層の積層からなる。
【００１７】
このＡｌＧａＡｓ系材料からなる半導体レーザ素子は、発振波長が７８０ｎｍ〜７８６ｎｍ、垂直放射角分布が１６°〜１９°程度になることを予定したものである。各層２〜１１、１３〜１６は、上記各括弧内に示した目標層厚になるようにＭＯＣＶＤ法によって結晶成長される。ＡｌＧａＡｓ量子井戸活性層６、ＡｌＧａＡｓガイド層５，７、ＡｌＧａＡｓクラッド層３，４，８，１０、ＧａＡｓキャップ層１１などの厚さが目標層厚になるように制御するためには、実際の結晶成長の前に予め、それらの層の成長レートを正確に求めておく必要がある。
【００１８】
（参考例１）
この発明の基礎となる参考例では、量子井戸活性層６がＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓウエル層（ｘ＝０．１１、層厚８０Å）、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓバリヤ層（ｘ＝０．３５、層厚５０Å）、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓガイド層（ｘ＝０．３５、層厚３００Å）からなるものとし、これらの層の成長レートを求めるものとする。上記各括弧内に示した層厚は目標層厚である（以下同様。）。この例では、ウエル層とバリヤ層、ガイド層とが互いに組成（混晶比ｘ）が異なる。バリヤ層とガイド層とは、混晶比ｘが同じ値０．３５で、目標層厚のみが互いに異なる。したがって、第１組成の化合物半導体層を混晶比ｘ＝０．１１のＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層とし、第２組成の化合物半導体層を混晶比ｘ＝０．３５のＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層として、これら２種類の層の成長レートを求めるものとする。
【００１９】
ｉ） 具体的には、図３（Ａ）（Ｂ）に示すように、ウエハとしてのｎ型ＧａＡｓ基板１９上に、ＭＯＣＶＤ法により、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓクラッド層（ｘ＝０．５０、層厚０．２μｍ）２０を形成し、続いて、第１組成の化合物半導体層としてのＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層（ｘ＝０．１１、層厚８０Å）２２と第２組成の化合物半導体層としてのＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層（ｘ＝０．３５、層厚５０Å）２３とをそれぞれ一定の成長時間で８回繰り返し成長して第１の周期構造２１を形成する。
【００２０】
一方、図３（Ｃ）（Ｄ）に示すように、別のウエハとしてのｎ型ＧａＡｓ基板１９′上に、ＭＯＣＶＤ法により、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓクラッド層（ｘ＝０．５０、層厚０．２μｍ）２０′を形成し、続いて、第１組成の化合物半導体層としてのＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層（ｘ＝０．１１、層厚８０Å）２２′と第２組成の化合物半導体層としてのＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層（ｘ＝０．３５、層厚１００Å）２５とをそれぞれ一定の成長時間で８回繰り返し成長して第２の周期構造２４を形成する。ここで注目すべきは、目標層厚の同一から分かるように、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層２２の成長時間とＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層２２′の成長時間とを同一に設定する一方、目標層厚の相異から分かるように、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層２３の成長時間とＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層２５の成長時間とを互いに異なる設定にしていることである。
【００２１】
ii ） 次に、Ｘ線回折法により第１の周期構造２１の空間的周期ｄ_１、第２の周期構造２４の空間的周期ｄ_２をそれぞれ測定する。
【００２２】
このＸ線回折法の測定データ（観測された波形）には、図４中に示すように、ＧａＡｓ基板のピーク、ＡｌＧａＡｓのピーク、サテライトピークが含まれる。サテライトピークの間隔ｄから第１の周期構造２１の空間的周期ｄ_１、第２の周期構造２４の空間的周期ｄ_２をそれぞれ求めることができる。
【００２３】
iii ） 次に、測定した第１の周期構造２１の空間的周期ｄ_１と第２の周期構造２４の空間的周期ｄ_２との差に基づいて、第２組成の化合物半導体層としての混晶比ｘ＝０．３５のＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層２３，２５の成長レートを求める。
【００２４】
詳しくは、既述のようにＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層２２の成長時間とＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層２２′の成長時間とを同一に設定したので、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層２２の厚さｈ_０とＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層２２′の厚さｈ_０′とは等しいと考えられる（つまり、ｈ_０＝ｈ_０′）。したがって、第２の周期構造２４の空間的周期ｄ_２と第１の周期構造２１の空間的周期ｄ_１との差（ｄ_２−ｄ_１）は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層２５の厚さｈ_２とＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層２３の厚さｈ_１との差（ｈ_２−ｈ_１）に等しい（つまり、ｄ_２−ｄ_１＝ｈ_２−ｈ_１）。よって、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層２３，２５の成長レートｒ_２は、次式（１）
ｒ_２＝（ｈ_２−ｈ_１）／Δｔ＝（ｄ_２−ｄ_１）／Δｔ …（１）
により算出される。なお、Δｔは、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層２５の成長時間とＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層２３の成長時間との差を表している。
【００２５】
iv ） 次に、第１組成の化合物半導体層としての混晶比ｘ＝０．１１のＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層２２，２２′の成長レートを求める。
【００２６】
詳しくは、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層２２，２２′の成長レートｒ_１は、次式（２）
ｒ_１＝ｈ_０／ｔ_１＝（ｄ_１−ｈ_１）／ｔ_１＝（ｄ_１−ｒ_２ｔ_２）／ｔ_１ …（２）
により算出される。なお、ｔ_１はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層２２の成長時間、ｔ_２はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層２３の成長時間をそれぞれ表している。この成長レートｒ_１は、次式（３）
ｒ_１＝ｈ_０′／ｔ_１＝（ｄ_２−ｈ_２）／ｔ_１＝（ｄ_１−ｒ_２ｔ_２′）／ｔ_１
…（３）
によっても算出される。なお、ｔ_２′はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層２５の成長時間を表している。測定誤差に起因して式（２）の右辺の値と式（３）の右辺の値との間に差が生じた場合は、それらの値の平均をとるのが望ましい。
【００２７】
このようにした場合、作製すべきデバイスに含まれる第１組成の化合物半導体層としての混晶比ｘ＝０．１１のＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層の成長レートｒ_１、第２組成の化合物半導体層としての混晶比ｘ＝０．３５のＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層の成長レートｒ_２をそれぞれ精度良く求めることができる。したがって、これらの層の厚さを正確に目標層厚に制御することができる。
【００２８】
実際に、このようにして求めた成長レートｒ_１、ｒ_２を元にして、量子井戸活性層６を構成するＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓウエル層（ｘ＝０．１１、層厚８０Å）、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓバリヤ層（ｘ＝０．３５、層厚５０Å）、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓガイド層（ｘ＝０．３５、層厚３００Å）が各括弧内の目標層厚に成長されるように、成長時間を設定した。そして、図１（Ａ）〜図２（Ｄ）に示した手順でＳＣＨ−ＭＱＷレーザ素子を作製したところ、発振波長が７８０〜７８６ｎｍで垂直放射角分布が１６°〜１９°となり、従来法によるものに比して、ばらつきを低減することができた。この結果、素子の歩留りを高めることができた。
【００２９】
（実施例）
この例では、図５（Ａ）に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板１１９上に、ＭＯＣＶＤ法により、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓクラッド層（ｘ＝０．５０、層厚０．２μｍ）１２０を形成した後、図３中の第１の周期構造２１に相当する第１の周期構造１２１を形成する。同一のｎ型ＧａＡｓ基板１１９上に連続して、ＭＯＣＶＤ法により、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓクラッド層（ｘ＝０．５０、層厚０．２μｍ）１２０′を形成し、続いて、図３中の第２の周期構造２４に相当する第２の周期構造１２４を形成する。第１の周期構造１２１は、図５（Ｂ）に示すように、図３中の第１の周期構造２１と全く同じに、第１組成の化合物半導体層としてのＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層（ｘ＝０．１１、層厚８０Å）１２２と第２組成の化合物半導体層としてのＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層（ｘ＝０．３５、層厚５０Å）１２３とをそれぞれ一定の成長時間で８回繰り返し成長した構造になっている。同様に、第２の周期構造１２４は、図５（Ｃ）に示すように、図３中の第２の周期構造２４と全く同じに、第１組成の化合物半導体層としてのＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層（ｘ＝０．１１、層厚８０Å）１２２′と第２組成の化合物半導体層としてのＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層（ｘ＝０．３５、層厚１００Å）１２５とをそれぞれ一定の成長時間で８回繰り返し成長した構造になっている。
【００３０】
次に、Ｘ線回折法により、上記二つの周期構造１２１，１２４を併せた測定データを得る。その後、第２の周期構造１２４とその直下のＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓクラッド層（ｘ＝０．５０、層厚０．２μｍ）１２０′をエッチングして除去する。
【００３１】
次に、Ｘ線回折法により、ｎ型ＧａＡｓ基板１１９上に残された第１の周期構造１２１についての測定データを得て、第１の周期構造１２１の空間的周期ｄ_１を求める。
【００３２】
次に、上記二つの周期構造を併せた測定データから第１の周期構造１２１についての測定データを差し引いて、上記第２の周期構造についての空間的周期ｄ_２を求める。
【００３３】
この後、上記式（１）を用いて、第２組成の化合物半導体層としての混晶比ｘ＝０．３５のＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層１２３，１２５の成長レートｒ_２を算出する。また、上記式（２）（３）のいずれか一方または両方を用いて、第１組成の化合物半導体層としての混晶比ｘ＝０．１１のＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層１２２，１２２′の成長レートｒ_１を算出する。
【００３４】
実際に、このようにして求めた成長レートｒ_１、ｒ_２を元にして、量子井戸活性層６を構成するＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓウエル層（ｘ＝０．１１、層厚８０Å）、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓバリヤ層（ｘ＝０．３５、層厚５０Å）、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓガイド層（ｘ＝０．３５、層厚３００Å）が各括弧内の目標層厚に成長されるように、成長時間を設定した。そして、図１（Ａ）〜図２（Ｄ）に示した手順でＳＣＨ−ＭＱＷレーザ素子を作製したところ、発振波長が７８０〜７８６ｎｍで垂直放射角分布が１６°〜１９°となり、従来法によるものに比して、ばらつきを低減することができた。この結果、素子の歩留りを高めることができた。
【００３５】
この例では、第１の周期構造１２１と第２の周期構造１２４とを同一のウエハ１１９上にこの順に連続して形成するので、上記二つの周期構造１２１，１２４やそれらの間に挟まれたクラッド層１２０′を形成するための、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）装置（その他、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）装置などでも良い。）を用いた実際の成長工程（作業）が１回で済む。したがって、第１組成の化合物半導体層、第２組成の化合物半導体層の成長レートを求めるのに要する工程の数を低減できる。
【００３６】
（参考例２）
この例では、図２（Ｄ）中に示した量子井戸活性層６がＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓウエル層（ｘ＝０．１１、層厚８０Å）、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓバリヤ層（ｘ＝０．３６、層厚５０Å）、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓガイド層（ｘ＝０．３３、層厚３００Å）からなるものとし、これらの層の成長レートを求めるものとする。この例では、ウエル層とバリヤ層とガイド層とが全て互いに組成（混晶比ｘ）が異なる。したがって、第１組成の化合物半導体層を混晶比ｘ＝０．１１のＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層とし、第２組成の化合物半導体層を混晶比ｘ＝０．３６のＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層とし、第３組成の化合物半導体層を混晶比ｘ＝０．３３のＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層として、これら３種類の層の成長レートを求めるものとする。
【００３７】
ｉ） 具体的には、図６（Ａ）（Ｂ）に示すように、ウエハとしてのｎ型ＧａＡｓ基板２１９上に、ＭＯＣＶＤ法により、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓクラッド層（ｘ＝０．５０、層厚０．２μｍ）２２０を形成し、続いて、第１組成の化合物半導体層としてのＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層（ｘ＝０．１１、層厚８０Å）２２２と第２組成の化合物半導体層としてのＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層（ｘ＝０．３６、層厚５０Å）２２７とをそれぞれ一定の成長時間で８回繰り返し成長して第１の周期構造２２６を形成する。
【００３８】
また、図６（Ｃ）（Ｄ）に示すように、別のウエハとしてのｎ型ＧａＡｓ基板２１９′上に、ＭＯＣＶＤ法により、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓクラッド層（ｘ＝０．５０、層厚０．２μｍ）２２０′を形成し、続いて、第１組成の化合物半導体層としてのＡｌ_ｘＧａ_{１− ｘ}Ａｓ層（ｘ＝０．１１、層厚８０Å）２２２′と第２組成の化合物半導体層としてのＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層（ｘ＝０．３６、層厚１００Å）２２８とをそれぞれ一定の成長時間で８回繰り返し成長して第２の周期構造２３６を形成する。ここで注目すべきは、目標層厚の同一から分かるように、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層２２２の成長時間とＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層２２２′の成長時間とを同一にする一方、目標層厚の相異から分かるように、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層２２７の成長時間とＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層２２８の成長時間とを互いに異なる設定にしていることである。
【００３９】
また、図６（Ｅ）（Ｆ）に示すように、別のウエハとしてのｎ型ＧａＡｓ基板２１９″上に、ＭＯＣＶＤ法により、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓクラッド層（ｘ＝０．５０、層厚０．２μｍ）２２０″を形成し、続いて、第１組成の化合物半導体層としてのＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層（ｘ＝０．１１、層厚８０Å）２２２″と第３組成の化合物半導体層としてのＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層（ｘ＝０．３３、層厚５０Å）２２９とをそれぞれ一定の成長時間で８回繰り返し成長して第３の周期構造２４６を形成する。ここで注目すべきは、目標層厚の同一から分かるように、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層２２２，２２２′の成長時間とＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層２２２″の成長時間とを同一に設定していることである。
【００４０】
ii ） 次に、Ｘ線回折法により第１の周期構造２２６の空間的周期ｄ_１、第２の周期構造２３６の空間的周期ｄ_２、第１の周期構造２４６の空間的周期ｄ_３をそれぞれ測定する。
【００４１】
iii ） 次に、上記式（１）を用いて、第２組成の化合物半導体層としての混晶比ｘ＝０．３６のＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層２２７，２２８の成長レートｒ_２を算出する。また、上記式（２）（３）のいずれか一方または両方を用いて、第１組成の化合物半導体層としての混晶比ｘ＝０．１１のＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層２２２，２２２′の成長レートｒ_１を算出する。この成長レートｒ_１はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層２２２″の成長レートでもある。
【００４２】
また、第３組成の化合物半導体層としての混晶比ｘ＝０．３３のＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層２２９の成長レートｒ_３を、次式（４）
ｒ_３＝ｈ_３／ｔ_３＝（ｄ_３−ｈ_０″）／ｔ_３＝（ｄ_３−ｈ_０）／ｔ_３
＝（ｄ_１−ｒ_１ｔ_１）／ｔ_３ …（４）
によって算出する。なお、ｔ_１はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層２２２の成長時間、ｔ_３はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層２２９の成長時間をそれぞれ表している。
【００４３】
このようにして３種類の層、つまり混晶比がそれぞれｘ＝０．１１、ｘ＝０．３６、ｘ＝０．３３のＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層の成長レートを精度良く求めることができる。
【００４４】
成長時間を決定すべき化合物半導体層が４種類である場合は、さらに、第１組成の化合物半導体層と第４組成の化合物半導体層とをそれぞれ一定の成長時間で複数回繰り返し成長して第４の周期構造を形成して、Ｘ線回折法により第４の周期構造の空間的周期も併せて測定する。そして、上記式（４）と同様の式を用いて、第４組成の化合物半導体層の成長レートを求めれば良い。
【００４５】
このように、成長時間を決定すべき化合物半導体層がｎ種類（ｎは３以上の自然数）ある場合は、その中の互いに異なる２種類の化合物半導体層をそれぞれ一定の成長時間で複数回繰り返し成長してなる周期構造をｎ種類、つまり成長時間を決定すべき化合物半導体層の種類分だけ形成する。そして、第ｎ組成の化合物半導体層の成長レートまで順次求めれば良い。なお、各周期構造を形成するとき、２種類の化合物半導体層の一方を常に第１組成の化合物半導体層とすれば、２種類の化合物半導体層をランダムに抽出する場合に比して、第３組成以降の化合物半導体層の成長レートを算出するとき、測定誤差が入り込むのを排除できる。したがって、第３組成以降の化合物半導体層の成長レートを精度良く求めることができる。この結果、ｎ種類の化合物半導体層を含む化合物半導体デバイスを作製する場合に、各化合物半導体層の厚さを正確に目標層厚に制御できる。
【００４６】
なお、この実施形態では、成長時間を決定すべき化合物半導体層がＡｌＧａＡｓ、つまり３元系材料である場合について述べたが、当然ながらこれに限られるものではない。この発明は、例えば赤色レーザに用いられるＩｎＧａＡｌＰなどの４元系材料その他の様々な材料について、好適に適用できる。
【００４７】
【発明の効果】
以上より明らかなように、この発明の化合物半導体デバイス製造方法によれば、作製すべきデバイスに含まれる化合物半導体層が目標層厚に成長されるように、上記化合物半導体層の成長時間を精度良く決定できる。したがって、上記化合物半導体層の厚さを正確に目標層厚に制御することができる。
【００４８】
したがって、作製された半導体レーザ素子によれば、従来に比して放射特性のばらつき、特に垂直放射角のばらつきを低減できる。この結果、素子の歩留りを向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 一般的な化合物半導体デバイス製造方法の工程を示す図である。
【図２】 一般的な化合物半導体デバイス製造方法の工程を示す図である。
【図３】 この発明の基礎となる参考例１の化合物半導体デバイス製造方法で作製する成長レートモニタ用ウエハの断面構造を例示する図である。
【図４】 Ｘ線回折法により、２種類の化合物半導体層を一定周期で複数回繰り返し成長して形成された周期構造の空間的周期を測定した結果（波形）を示す図である。
【図５】 この発明の一実施形態の化合物半導体デバイス製造方法で作製する成長レートモニタ用ウエハの断面構造を例示する図である。
【図６】 参考例２の化合物半導体デバイス製造方法で作製する成長レートモニタ用ウエハの断面構造を例示する図である。
【符号の説明】
１９，１９′，１１９，２１９，２１９′，２１９″ ｎ型ＧａＡｓ基板
２１，１２１，２２６ 第１の周期構造
２４，１２４，２３６ 第２の周期構造
２４６ 第３の周期構造
２２，２２′，１２２，１２２′，２２２，２２２′，２２２″ 第１組成の化合物半導体層としての混晶比ｘ＝０．１１のＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層
２３，２５，１２３，１２５ 第２組成の化合物半導体層としての混晶比ｘ＝０．３５のＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層
２２７，２２８ 第２組成の化合物半導体層としての混晶比ｘ＝０．３６のＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層
２２９ 第３組成の化合物半導体層としての混晶比ｘ＝０．３３のＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層

Claims (1)

1. 所定の成長法により目標層厚に成長されるべき、互いに組成が異なる第１組成および第２組成の化合物半導体層を含むデバイスを作製する化合物半導体デバイス製造方法であって、
   上記各化合物半導体層のための成長時間を決定する工程は、
   同一のウエハ上に、
   第１組成の化合物半導体層と第２組成の化合物半導体層とをそれぞれ一定の成長時間で複数回繰り返し成長してなる第１の周期構造と、
   上記第１の周期構造の最上層とは組成が異なる層と、
   第１組成の化合物半導体層を上記第１の周期構造の第１組成の化合物半導体層の成長時間と同じ成長時間、第２組成の化合物半導体層を上記第１の周期構造の第２組成の化合物半導体層の成長時間と異なる成長時間で複数回繰り返し成長してなる第２の周期構造と
   をこの順に連続して形成し、
   Ｘ線回折法により上記二つの周期構造を併せた測定データを得、
   上記第２の周期構造と、その直下の上記第１の周期構造の最上層とは組成が異なる上記層とをエッチングして除去した後、
   Ｘ線回折法により、上記ウエハ上に残された第１の周期構造についての測定データを得て、上記第１の周期構造の空間的周期を求め、
   上記二つの周期構造を併せた測定データから上記第１の周期構造についての測定データを差し引いて、上記第２の周期構造についての空間的周期を求め、
   上記第１の周期構造の空間的周期と第２の周期構造の空間的周期との差に基づいて上記第２組成の化合物半導体層の成長レートを求めるとともに、上記第１組成の化合物半導体層の成長レートを求めることを特徴とする化合物半導体デバイス製造方法。

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