JP4204166B2 - 半導体素子の製造方法および該製造方法により製造した半導体素子ならびに該半導体素子を用いた光学システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、結晶性の良好な窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を含んだIII−Ｖ族混晶半導体素子の製造方法および該製造方法により製造した光通信用半導体レーザ，発光ダイオード，赤外光用フォトダイオードなどの半導体素子、ならびに該半導体素子を用いた光モジュール，光インターコネクションあるいは光通信システムなどの光学システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光ファイバーを用いた光通信システムは主に幹線系で用いられている。将来は各家庭を含めた加入者系での利用が考えられている。これを実現するためにはシステムの小型化，低コスト化が必要であるが、光通信用半導体レーザの高温動作特性の劣化を防止するためにペルチェ素子によって冷却しながら使用するのではシステムの小型化や低価格化を図ることは困難である。そのため、前記の如き温度制御用のペルチェ素子を必要としないシステムの実現が要望され、半導体レーザには低しきい値動作と温度変化による特性変化の少ない高特性温度の素子が望まれている。しかし、従来のＧａＩｎＰＡｓ／ＩｎＰ系材料では伝導帯のバンド不連続を大きくできないことが主たる原因で高特性温度を実現するのは困難である。
【０００３】
これを解決できる材料として、特開平６−３７３５５号公報では、ＧａＡｓ基板上にＧａＩｎＮＡｓ系材料を設けた構成が言及されている。ＧａＩｎＮＡｓは、窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を含んだIII−Ｖ族混晶半導体である。ＧａＡｓより格子定数が大きいＧａＩｎＡｓに窒素（Ｎ）を添加することで格子定数をＧａＡｓに格子整合させることが可能となり、さらに、バンドギャップエネルギーが小さくなり、１.３μｍ，１.５μｍ帯での発光が可能な材料が得られる。
【０００４】
また、Jpn.J.Appl.Phys.Vol.３５（１９９６）ｐｐ.１２７３〜１２７５では、近藤らによりバンドラインナップが計算されている。ＧａＡｓ格子整合系なのでＡｌＧａＡｓ等をクラッド層に用いることで伝導帯のバンド不連続が大きくなる。このため高特性温度半導体レーザが実現できると予想されている。
【０００５】
しかしながら、窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を含んだIII−Ｖ族混晶半導体は、窒素（Ｎ）の原子半径が他の元素に比べて小さいことに起因して混晶組成のほとんどが熱平衡状態では非混和領域にあり、結晶成長が非常に難しい。非平衡度の高いＭＯＣＶＤ法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition；有機金属化学気相成長法）やＭＢＥ法（Molecular Beam Epitaxy;分子線エピタキシャル成長法）によりわずかの窒素（Ｎ）組成の結晶が成長可能となるものである。窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を含んだIII−Ｖ族混晶半導体の成長に関して、上記特開平６−３７３５５号公報では、高周波プラズマにより活性化した窒素ガスもしくは窒素化合物ガスを窒素源としたＭＯＣＶＤ法について、また、特開平９−２８３８５７号公報では、ＤＭＨｙ（ジメチルヒドラジン）を窒素源としたＭＯＣＶＤ法について、さらに、特開平６−３３４１６８号公報および特開平１１−８７８４８号公報では活性化窒素を用いたＭＢＥ法について述べられている。
【０００６】
また、窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を含んだIII−Ｖ族混晶半導体であるＧａＩｎＮＡｓやＧａＮＡｓの結晶成長後に熱処理することによる結晶性改善が特開平１１−２７４０８３号公報や、３９th Electronic Materials Conference, Session T, p３, Fort Collins, Colorado June ２５-２７, １９９７、 Appl．Phys.Lett., Vol.７２（１９９８）pp１１４０９〜１４１１、 Appl. Phys. Lett., Vol.７２（１９９８） pp１８５７〜１８５９、またはJpn.J.Appl.Phys.Vol.３８（１９９９） pp.L２９８〜L３００等のように試みられている。ほとんどの場合、熱処理は急速加熱が可能なＲＴＡ（短時間熱処理；Rapid Thermal Annealing）装置を用いている。特開平１１−２７４０８３号公報においては、層構造成長後に成長装置を用いて熱処理を行うことも記載されている。
【０００７】
しかし、これらの結果は半導体素子としての構造についての効果ではなくＰＬ（Ｐhotoluminescence）測定のための構造についての結果であり、層構造成長後に熱処理して効果を得ている。半導体素子についての例は半導体レーザの場合がある。J．Cryst．Growth．Vol.１９２ （１９９８） ｐｐ．３８１〜３８５では、レーザ構造成長中において、上部クラッド層の成長温度を窒素を含んだIII−Ｖ族混晶半導体層であるＧａＩｎＮＡｓ活性層の成長温度より高くして１.３μｍ帯でのレーザ発振を達成している。ＧａＩｎＮＡｓの窒素組成は３％であり大きく、ＧａＡｓ基板に格子整合している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、半導体素子構造について従来技術の方法、例えば、特開平１１−２７４０８３号公報のように半導体素子構造成長後に熱処理した場合、不純物の拡散による半導体素子特性の劣化などの問題が生じる。また、急速加熱が可能なＲＴＡ（短時間熱処理；Rapid Thermal Annealing）装置を用いた場合は成長装置から取り出して別の装置で熱処理を行うので製造工程が増えるとともに製造装置を多く必要とし、コストが高くなるという問題が生じる。
【０００９】
そこで、本発明はこれらの問題を解消することを目的としたものである。
具体的には、本発明の半導体素子の製造方法は、窒素を含んだIII−Ｖ族混晶半導体層を含んだ半導体素子について結晶性改善効果を容易に得ることのできる製造方法（請求項１〜１３）、該製造方法を用いた高品質な結晶性の半導体素子（請求項１４）ならびに該半導体素子を用いた光学システム（請求項１５，１６）を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１記載の半導体素子の製造方法は、少なくともＧａ（ガリウム）を含むIII族元素と、少なくともＮ（窒素）およびＡｓ（ヒ素）を含むＶ族元素とから構成されるIII−Ｖ族混晶半導体層と、該III−Ｖ族混晶半導体層の上部に成長された１層または複数層からなり、少なくともＧａ（ガリウム）を含む III 族元素と、Ｖ族元素とから構成され、少なくとも１層は不純物をドープして形成される上部半導体層を有する半導体素子の製造方法において、III−Ｖ族混晶半導体層の成長終了時点から上部半導体層成長終了時点の間にIII−Ｖ族混晶半導体層の成長温度より高く７８０℃より低い温度にする熱処理工程を設け、かつ該熱処理工程を少なくとも不純物をドープして形成される層の成長開始前から開始するようにしたことを特徴としている。また請求項２記載の発明は、前記熱処理工程は、前記不純物をドープして形成される層の成長開始前に行われる第１の熱処理工程と、前記不純物をドープして形成される層の成長中に行われる第２の熱処理工程とを含むことを特徴とし、請求項３記載の発明は、前記第１の熱処理工程の処理温度は、前記第２の熱処理工程の処理温度より高温であることを特徴としている。
【００１１】
窒素を含んだIII−Ｖ族混晶半導体層成長後、熱処理を行うことで結晶性が改善するが、半導体素子構造成長後ではなく、熱処理を窒素を含んだIII−Ｖ族混晶半導体層の成長終了時点から上部半導体層成長終了時点の間に上記III−Ｖ族混晶半導体層の成長温度より高い温度となる工程を含むことでも結晶性改善効果が得られる。この場合、熱処理工程を他の装置を用いずに半導体素子成長工程中に同一装置で行うことができる。また、この熱処理工程を少なくとも不純物をドープして形成される上部半導体層の成長開始前を含んでいることで不純物の拡散が抑えられ半導体素子特性の劣化を抑えられる。
【００１２】
請求項４記載の半導体素子の製造方法は、請求項１に示す半導体素子の製造方法において、上記III−Ｖ族混晶半導体層の成長温度より高く７８０℃より低い温度となる工程は、窒素を含んだIII−Ｖ族混晶半導体層を少なくとも１原子層からなる他の上部半導体層で覆った後であること特徴としている。
【００１３】
熱処理を窒素を含んだIII−Ｖ族混晶半導体層の表面をさらしたままで行うとＶ属原子の脱離および表面原子の移動のため表面近傍の結晶性が劣化し、結果として半導体素子の特性を劣化させてしまうが、少なくとも１原子層からなる他の上部半導体層で覆った後熱処理を行うとこれを防ぐことができる。
【００１４】
請求項５記載の半導体素子の製造方法は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体素子の製造方法において、上記半導体素子は半導体レーザであり、前記III−Ｖ族混晶半導体層は光を発生する活性層であり、半導体レーザは前記活性層と光を閉じ込める下部クラッド層を有することを特徴とする。
【００１５】
請求項６記載の半導体素子の製造方法は、不純物をドープして形成される上部クラッド層の下（基板側）に不純物をドープしていないクラッド層を有することを特徴とし、また、請求項７および８はそのための有効な材料・組成を明記したもので、請求項７は、前記III−Ｖ族混晶半導体層をＩｎ組成（１−ｘ）が２５％以上であるＧａｘＩｎ１−ｘＮｙＡｓ１−ｙ（０≦ｘ≦０.７５，０＜ｙ＜１）に、請求項８は、さらに前記上部半導体層をＺｎドープＧａＩｎＰを含むものに具体化したものである。
【００１６】
半導体レーザの場合、窒素を含んだIII−Ｖ族混晶半導体層成長後、熱処理を行うことで結晶性が改善するが、半導体レーザ構造成長後ではなく、熱処理を窒素を含んだIII−Ｖ族混晶半導体層の成長終了時点から半導体レーザ構造成長終了時点の間に上記III−Ｖ族混晶半導体層の成長温度より高い温度となる工程を含むことでも結晶性改善効果が得られる。この場合、熱処理工程を他の装置を用いずに半導体レーザ構造成長工程中に同一装置で行うことができる。また、この熱処理工程の期間に少なくとも不純物をドープして形成される上部クラッド層の成長開始前を含ませることで、不純物の拡散が抑えられ、しきい値電流の増加などの半導体レーザ特性の劣化を抑えられる。
【００１７】
高温で不純物がドープされた上部クラッド層を成長させると不純物が活性層に拡散して半導体素子の性能を悪化してしまう原因になる。そのため、不純物がドープされた上部クラッド層の下（基板側）に不純物をドープしていないクラッド層を設け、この層を高温で成長することにより熱処理を行い、不純物がドープされた上部クラッド層をより低温で成長させることにより、不純物の活性層への拡散を低減し、素子の特性の劣化を抑えることを可能にした。
【００１８】
請求項９記載の半導体素子の製造方法は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体素子の製造方法を面発光型半導体レーザに適用し、前記窒素を含んだIII−Ｖ族混晶半導体層を光を発生する活性層としたものである。半導体レーザは前記活性層と光を閉じ込める下部および上部多層膜反射鏡を有するようにしたものである。また、請求項１０ないし１２はそのための有効な材料・組成を明記したもので、請求項１０は、前記III−Ｖ族混晶半導体層をＩｎ組成（１−ｘ）が２５％以上であるＧａｘＩｎ１−ｘＮｙＡｓ１−ｙ（０≦ｘ≦０.７５，０＜ｙ＜１）を有するものに、請求項１１は、前記上部半導体層をＺｎドープＡｌＡｓを含むものに、請求項１２は下部多層膜反射鏡および上部多層膜反射鏡の少なくとも一方が、高屈折率層としてＡｌＮＧａ１−ＮＡｓ（０≦Ｎ＜１）、低屈折率層としてＡｌＭＧａ１−ＭＡｓ（０≦Ｎ＜Ｍ≦１）が交互に積層された構造を有するものにしたことを特徴としている。
【００１９】
面発光型半導体レーザの場合、窒素を含んだIII−Ｖ族混晶半導体層成長後、熱処理を行うことで結晶性が改善するが、面発光型半導体レーザ構造成長後ではなく、熱処理を窒素を含んだIII−Ｖ族混晶半導体層の成長終了時点から面発光半導体レーザ構造成長終了時点の間に上記窒素を含んだIII−Ｖ族混晶半導体層の成長温度より高い温度となる工程を含むことでも結晶性改善効果が得られる。この場合、熱処理工程を他の装置を用いずに面発光型半導体レーザ構造成長工程中に同一装置で行うことができる。また、この熱処理工程を少なくとも不純物をドープして形成される上部半導体層の成長開始前を含んでいることで不純物の拡散が抑えられしきい値電流の増加などの面発光型半導体レーザ特性の劣化を抑えられる。
【００２０】
ＧａＩｎＮＡｓはＧａＡｓ基板上に成長できる１.３μｍ，１.５５μｍ帯レーザの活性層材料になり得るが、ＧａＡｓのバンドギャップ波長は０.９μｍ程度でありバンドギャップ波長を長くする効果のある窒素およびＩｎの添加により長波長化する必要がある。ＧａＩｎＮＡｓのＩｎ組成（１−ｘ）が２５％以上の場合、窒素添加量を低減できる。
【００２２】
ＧａＩｎＮＡｓのＩｎ組成（１−ｘ）が２５％以上の場合、つまりＧａＡｓ基板に対して大きな歪みを有している場合、あまり高温で熱処理すると歪みの緩和等により結晶性が悪化する場合があり、７８０℃以下の適切な温度での熱処理が必要である。
【００２３】
請求項１３記載の半導体素子の製造方法は、上述した半導体素子の製造方法において、前記III−Ｖ族混晶半導体層の形成方法の一例として、ＭＯＣＶＤ法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition；有機金属化学気相成長法）またはＭＢＥ法（Molecular Beam Epitaxy;分子線エピタキシャル成長法）に具体化したものである。
【００２４】
請求項１４記載の半導体素子は、上述した各半導体素子の製造方法を用いて作製された半導体素子であり、請求項１５記載の光学システムは、このような半導体素子を備えた光学システムであり、請求項１６は、光学システムを光モジュール，光インターコネクション，あるいは光ファイバ通信システムに具体化したものである。
【００２５】
請求項１４の半導体素子は、請求項１〜１３の製造方法を用い、窒素を含んだIII−Ｖ族混晶半導体層成長後、簡便な工程で熱処理を行うことで容易に結晶性が改善し、高品質かつ信頼性に優れた半導体素子が得ることができる。さらに請求項１５および１６の光学システムはその高品質で信頼性の優れた半導体素子を用いるので、高性能で高信頼のシステムを実現することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
＜本発明の原理の説明ための実験＞
本実験では、窒素を含んだIII−Ｖ族混晶半導体層としてＧａＩｎＮＡｓを用いて活性層成長後に上部にＡｌＧａＡｓまたはＧａＩｎＰクラッド層をＧａＩｎＮＡｓより高温で成長することを想定して熱処理実験を行っている。面方位（１００）のＧａＡｓ基板上にＧａＡｓ層（０.２μｍ），ＧａＩｎＮＡｓ井戸層（７ｎｍ）とＧａＡｓ層（５０ｎｍ）を順次成長させた。この場合の成長温度は６００℃であった。各試料は、Ｉｎ組成割合を同じにし（３０％）、窒素の組成割合だけ変えた。その後、ＭＯＣＶＤ成長装置を用いてＡｓＨ3雰囲気中、６８０℃，７００℃，および７８０℃で２０分間熱処理した。
【００２７】
図１は、上記実験の結果得られた各試料のＰＬ（Ｐhotoluminescence）特性を示す図である。図中、ａ）は熱処理温度が７８０℃、窒素（Ｎ）の組成割合が０.２％の場合、ｂ）は熱処理温度が７００℃、窒素（Ｎ）の組成割合が０.２％の場合、ｃ）は熱処理温度が６８０℃、窒素（Ｎ）の組成割合が０.５％の場合、ｄ）は熱処理温度が６８０℃、窒素（Ｎ）の組成割合が０.８％の場合のＰＬ特性であり、点線は熱処理前のスペクトルを、実線は熱処理後のスペクトルを示している。
【００２８】
図１によれば、熱処理によりピーク波長が短波長側にシフトすること、熱処理温度が高い方がシフト量が大きいことがわかる。また、同じ温度では窒素量が違う試料間（図中ｃ，ｄ参照）でシフト量は同じであり、このシフトの原因はＩｎの拡散であると考えられる。
【００２９】
また、発光強度は７８０℃では低下しており（図中ａ参照）、７８０℃未満の他の温度では増加している（図中、ｂ，ｃ，ｄ参照）ことがわかる。増加の原因は熱処理による活性層中の欠陥の減少と考えられ、低下の原因は結晶性の劣化と考えられる。このようにＧａＩｎＮＡｓ活性層を成長してから７８０℃未満の温度で熱処理すると結晶性が改善し、７８０℃以上の高温で熱処理すると不具合が生じることがわかった。
【００３０】
＜第１の実施例＞
上述した効果を利用した本発明の第１の実施例の半導体レーザについて、図面を用いて詳細に説明する。
図２は、実施例１の半導体レーザ素子の断面図を示す図である。最も簡単な構造である絶縁膜ストライプ型レーザを例にして説明する。層構造としてはＳＣＨ−ＤＱＷ（Separate Confinement Heterostructure Double Quantum Well）構造である。
【００３１】
面方位（１００）のｎ−ＧａＡｓ基板１０１上にＳｅドープｎ−ＧａＡｓバッファ層１０２，Ｓｅドープｎ−Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ下部クラッド層（１.５μｍ）１０３，アンドープＧａＡｓ下部光ガイド層（１００ｎｍ）１０４，アンドープＧａ0.63Ｉｎ0.37Ｎ0.006Ａｓ0.994井戸層とアンドープＧａＡｓバリア層（１４.７ｎｍ）からなる活性層１０５，アンドープＧａＡｓ上部光ガイド層（１００ｎｍ）１０６，Ｚｎドープｐ−Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ上部クラッド層（１.５μｍ）１０７，Ｚｎドープｐ−ＧａＡｓコンタクト層（０.３μｍ）１０８が順次成長されている。
【００３２】
上記構造において、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層のＩｎ組成ｘを３７％，窒素組成を０.６％とした。ＧａＩｎＮＡｓ井戸層の厚さは７.７ｎｍとした。成長方法はＭＯＣＶＤ法を採用した。キャリアガスにはＨ2を用いた。原料にはＴＭＧ（トリメチルガリウム），ＴＭＩ（トリメチルインジウム），ＡｓＨ3（アルシン），ＰＨ3（フォスフィン）、そして窒素の原料にはＤＭＨｙ（ジメチルヒドラジン）を用いた。ＤＭＨｙは低温で分解するので６００℃以下の低温成長に適している。本実施例ではＧａＩｎＮＡｓ井戸層を５５０℃で成長させた。特に、歪みの大きい量子井戸層を成長させる場合は、例えば、５００℃〜６００℃程度の低温成長が好ましい。
【００３３】
ＧａＡｓ光ガイド層１０４と１０６もＧａＩｎＮＡｓ井戸層と同じ５５０℃で成長し、上部ＧａＡｓ光ガイド層１０６の成長後、成長を中断し基板温度を７００℃に上げ３分間熱処理を行った。その後、温度を６２０℃に下げＺｎドープ上部ＧａＩｎＰクラッド層１０７およびＧａＡｓコンタクト層１０８を成長させた。ｐ側電極１１０が電流注入部となる部分を除去した絶縁膜１０９を介して形成されている。ＧａＡｓコンタクト層１０８は電流注入部分以外はエッチングにより除去した構造とした。裏面にはｎ側電極１１１が形成されている。
【００３４】
本実施例では、上部光ガイド層成長後、成長を中断し基板温度を３分間７００℃に上げる工程、および６２０℃でのＺｎドープ上部クラッド層１０７およびＧａＡｓコンタクト層１０８の成長工程が熱処理工程に相当している。
【００３５】
ＧａＩｎＮＡｓ井戸層の成長温度より高い温度で上部クラッド層１０７およびＧａＡｓコンタクト層１０８を成長するだけでも効果はあるが、熱処理温度はＧａＩｎＮＡｓ井戸層成長温度より高い温度、例えば６５０℃〜７８０℃程度の高温が好ましい。
【００３６】
このような高温でＺｎドープ上部クラッド層１０７を成長させると、ドープしている不純物（本実施例ではＺｎ）が活性領域（ＧａＩｎＮＡｓ活性層（井戸層）およびＧａＡｓ光ガイド層１０４，１０６）に拡散し内部損失を大きくするなど、半導体レーザの特性を悪くする原因になってしまう。このため、不純物（Ｚｎ）をドープするクラッド層の成長温度は、拡散を低減するためにできるだけ低い温度での成長が適しており、そのため不純物をドープするクラッド層成長前に高温での熱処理工程を設けることが好ましかった。
【００３７】
本実施例では、上部光ガイド層成長後基板温度を７００℃に上げ３分間熱処理を行った。熱処理工程は、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層の表面がさらされた状態ではなく、少なくとも１原子層からなる他の上部半導体層で覆った後に熱処理を行うことで、Ｖ族原子の脱離および表面原子の移動のため表面近傍の結晶性の劣化を抑えることができた。つまり、上部光ガイド層１０６の成長途中から温度を上げて熱処理を行っても効果が得られる。
【００３８】
このように作製した半導体レーザのしきい電流密度は１ｋＡ／ｃｍ2以下であった。発振波長は約１.３μｍであった。２５℃〜８０℃における特性温度は２００Ｋを超え、非常に良好であった。また結晶性が良好なので長寿命であった。また発振波長は窒素組成，Ｉｎ組成および井戸層の厚さ等により制御可能であった。
【００３９】
上記説明では、ＭＯＣＶＤ法での成長の例を示したが、ＭＢＥ法等他の成長方法を採用することも可能である。また、窒素の原料にＤＭＨｙを用いた例を示したが、活性化した窒素やＮＨ3等他の窒素化合物を用いることもできる。砒素（Ａｓ）の原料にＴＢＡ（ターシャルブチルアルシン）等の有機砒素を用いることもできる。また、上記説明では、積層構造として２重量子井戸構造（ＤＱＷ）の例を示したが、他の井戸数の量子井戸を用いた構造（ＳＱＷ，ＭＱＷ）等を用いることもできる。また、各層の組成厚さ等は必要に応じて上述した以外の値を設定してもよい。クラッド層には、上述したＧａＩｎＰと同様にワイドギャップのＡｌＧａＡｓを用いることもできる。レーザ素子の構造も上記図２以外の他の構造にしてもかまわない。
【００４０】
＜第２の実施例＞
本発明の第２の実施例の半導体レーザについて、図面を用いて詳細に説明する。
図３は、実施例２の半導体レーザ素子の断面図を示す図である。第１の実施例と異なる点は、アンドープＧａＡｓ上部光ガイド層（１００ｎｍ）１０６とＺｎドープｐ−Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ上部クラッド層（１.５μｍ）１０７の間にアンドープＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ層（０.０５μｍ）１１２を設けたことである。
【００４１】
本実施例においてはＧａＩｎＮＡｓ井戸層を５７０℃で成長している。ＧａＡｓ光ガイド層１０４，１０６もＧａＩｎＮＡｓ井戸層と同じ５７０℃で成長し、次にアンドープＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ層（０.０５μｍ）１１２を７２０℃で成長し、その後温度を６４０℃に下げてＺｎドープ上部ＧａＩｎＰクラッド層１０７およびＧａＡｓコンタクト層１０８を成長させた。
【００４２】
本実施例では、ＧａＩｎＮＡｓ層の成長温度より高い７２０℃でのアンドープＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ層成長、および６４０℃でのＺｎドープ上部ＧａＩｎＰクラッド層１０７およびＧａＡｓコンタクト層１０８成長が熱処理工程を兼ねている。ＧａＩｎＮＡｓ層の成長温度より高い温度で上部クラッド層１０７およびＧａＡｓコンタクト層１０８を成長するだけでも効果はあるが、熱処理温度は７００℃程度の高温が好ましい。
【００４３】
このような高温でＺｎドープ上部クラッド層１０７を成長すると、ドープしている不純物（本実施例ではＺｎ）が活性領域に拡散して内部損失を大きくするなど、半導体レーザの特性を悪くする原因になってしまう。このため不純物をドープするクラッド層の成長温度は拡散を低減するため７００℃以下のできるだけ低温が適している。このため不純物をドープするクラッド層成長前に高温での熱処理工程を設けることが好ましい。本実施例では、Ｚｎドープ上部ＧａＩｎＰクラッド層１０７の成長は６２０℃の低温で行い拡散を低減し、Ｚｎドープ上部ＧａＩｎＰクラッド層１０７の前にアンドープＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ層１１２を設け、７００℃の高温で成長することでこれを実現している。素子特性など効果は実施例１と同様であった。クラッド層としてアンドープ層１１２を入れたので活性領域まで不純物が拡散し難くなるのでドープするクラッド層の成長温度を高くすることができる。アンドープ層と同じ成長温度でもよい。アンドープ層１１２を本実施例ではＧａＩｎＰとしたが、光ガイド層よりバンドギャップが大きくかつ屈折率が小さい材料であればこの効果が得られる。
【００４４】
＜第３の実施例＞
本発明の第３の実施例の面発光型半導体レーザについて、図面を用いて詳細に説明する。
図４は、第３の実施例に係る面発光型半導体レーザの構造を示す図である。面方位（１００）のｎ−ＧａＡｓ基板２０１上に、ｎ−ＡｌＧａＡｓとｎ−ＧａＡｓをそれぞれの媒質内における発振波長の１／４倍の厚さで交互に積層した周期構造（３５周期）からなるｎ−半導体多層膜反射鏡（下部多層膜反射鏡）２０２，アンドープ下部ＧａＡｓスペーサ層２０３，３層のＧａ0.7Ｉｎ0.3Ｎ0.01Ａｓ0.99Ａｓ井戸層とＧａＡｓバリア層からなる多重量子井戸（ＱＷ）活性層２０４，アンドープ上部ＧａＡｓスペーサ層２０５，Ｚｎドープｐ−ＡｌＡｓ層（５０ｎｍ）２０６、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層２０７、アンドープＡｌＧａＡｓとＧａＡｓをそれぞれの媒質内における発振波長の１／４倍の厚さで交互に積層した周期構造（２２周期）からなる半導体多層膜反射鏡２０８、が順次成長されている。
【００４５】
Ｇａ0.7Ｉｎ0.3Ｎ0.01Ａｓ0.99井戸層とＧａＡｓバリア層からなる多重量子井戸（ＱＷ）活性層２０４は、Ｉｎ組成ｘを３０％、窒素組成を１％とした。この量子井戸活性層２０４の厚さは７ｎｍとした。成長方法はＭＯＣＶＤ法を採用した。原料にはＴＭＧ（トリメチルガリウム），ＴＭＩ（トリメチルインジウム），ＡｓＨ3（アルシン），ＰＨ3（フォスフィン）、そして窒素の原料にはＤＭＨｙ（ジメチルヒドラジン）を用いた。ＤＭＨｙは低温で分解するので、６００℃以下のような低温成長に適している。
【００４６】
本実施例では、ＧａＩｎＮＡｓ層を５４０℃で成長させた。ＤＭＨｙは低温で分解するので６００度以下の低温成長に適しており、特に、低温成長の必要な歪みの大きい量子井戸層を成長する場合に好都合である。キャリアガスにはＨ2を用いた。本実施例ではアンドープ上部ＧａＡｓスペーサ層２０５の成長後半から不純物をドープするＺｎドープｐ−ＡｌＡｓ層２０６の成長前まで基板温度を５４０℃から７００℃に上げて熱処理を行った。不純物をドープするＺｎドープｐ−ＡｌＡｓ層２０６より上部の層は６５０℃で成長させた。
【００４７】
次に、フォトリソグラフとエッチング工程により下部多層膜反射鏡２０２の上部まで直径３０μｍの円形にメサエッチングし、さらに上部多層膜反射鏡２０８のみを直径１０μｍの円形にメサエッチングした。ＡｌｘＯｙ電流狭さく層２０６１は側面の現れたＡｌＡｓ層２０６を水蒸気で側面から酸化して形成した。
【００４８】
次に、ポリイミドでエッチング部を埋め込んで平坦化し、ｐコンタクト部２０９と光取り出し口となる上部多層膜反射鏡２０８上のポリイミドを除去し、ｐコンタクト部にｐ側電極２１０、基板裏面にはｎ側電極２１１を形成した。
【００４９】
本実施例では、ＧａＩｎＮＡｓ層２０４の成長温度より高い７００℃でのアンドープ上部ＧａＡｓスペーサ層２０５の成長後半から不純物をドープするＺｎドープｐ−ＡｌＡｓ層２０６の成長前までの成長工程が熱処理工程に相当している。不純物をドープする層の成長温度は拡散を低減するため７００℃以下のできるだけ低温が適している。本実施例では、不純物をドープする層２０６の成長前に高温での熱処理工程を設けてＧａＩｎＮＡｓ井戸活性層２０４の結晶性改善を行っている。
【００５０】
上記製造方法で作製した面発光レーザの発振波長は約１.３μｍであった。しきい電流密度は１ｋＡ／ｃｍ2以下であった。また高温での特性も良好であった。さらに結晶性が良好なので長寿命であった。
【００５１】
上記説明では、ＭＯＣＶＤ法による成長の例を示したがＭＢＥ法等他の成長方法を用いることもできる。また窒素の原料にＤＭＨｙを用いた例を説明したが、活性化した窒素やＮＨ3等他の窒素化合物を用いることもできる。さらに、積層構造として３重量子井戸構造（ＴＱＷ）の例を示したが他の井戸数の量子井戸を用いた構造（ＳＱＷ，ＭＱＷ）等を用いることもできる。また各層の組成厚さ等は必要に応じて上記以外の値を設定できる。レーザの構造も上記以外の構造にしてもかまわない。本実施例では上部多層膜反射鏡２０８の下部にｐ−コンタクト層２０７を設けたが、上部多層膜反射鏡２０８の上部にコンタクト部２０７を設ける構造にしてもよい。多層膜反射鏡をＡｌＧａＡｓとＧａＡｓの組み合わせとしたが、高屈折率と低屈折率が交互に積層された構成であればよく、ＡｌＧａＡｓ系材料の場合、高屈折率層としてＡｌNＧａ1-NＡｓ（０≦Ｎ＜１）、低屈折率層としてＡｌMＧａ1-MＡｓ（０≦Ｎ＜Ｍ≦１）で構成することができる。また、ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓなど、他の材料系を用いることもできる。また、上部多層膜反射鏡２０８および下部多層膜反射鏡２０２は半導体材料で形成した例を示したが、これらの反射鏡の一方または他方またはその両方は誘電体で形成するようにしてもよい。
【００５２】
なお、本発明は、発光素子のみならず受光素子や電子素子等ＧａxＩｎ1-xＮyＡｓ1-y（０≦ｘ≦１，０＜ｙ＜１）のような窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を含んだIII−Ｖ族混晶半導体を用いた各種半導体素子に適用できる。
【００５３】
本発明によれば、半導体レーザの温度特性が非常に優れているので冷却素子を必要としない光通信システムに用いることができる。
光ファイバを用いた長距離通信に用いることができるのみならず、コンピュータなどの機器間、ボード間、ボード内のＬＳＩ間、ＬＳＩ内の素子内の素子間など、光インターコネクションとしての短距離通信に用いることができる。
【００５４】
特に、面発光レーザは端面発光型レーザに比較して桁違いに低消費電力化することができ、２次元アレイ化が容易になので、並列伝送型の光通信システムに適している。波長としては光ファイバの伝送損失の小さい１.３μｍ帯、１.５５μｍ帯が好ましいが、これまで満足な性能の発振波長１.３μｍ帯、１.５５μｍ帯の面発光レーザは実現されていなかった。本発明によれば、結晶性の良好なＧａＩｎＮＡｓを含んだ半導体素子を作製できるので、高性能の光送受信モジュール、光インターコネクション、光ファイバ通信システムなどの光学システムを実現できる。
【００５５】
【発明の効果】
本発明によれば、以下のような効果が得られる。
（請求項１〜３における効果）
窒素を含んだIII−Ｖ族混晶半導体層成長後、熱処理を行うことで結晶性が改善するが、半導体素子構造成長後ではなく、熱処理を窒素を含んだIII−Ｖ族混晶半導体層の成長終了時点から上部半導体層成長終了時点の間に上記III−Ｖ族混晶半導体層の成長温度より高い温度となる工程を含むことでも結晶性改善効果が得られる。この場合、熱処理工程を他の装置を用いずに半導体素子成長工程中に同一装置で行うことができる。また、この熱処理工程を少なくとも不純物をドープして形成される上部半導体層の成長開始前を含んでいることで不純物の拡散が抑えられ半導体素子特性の劣化を抑えることができ、高品質の半導体素子が得られる。また、ＧａＩｎＮＡｓのＩｎ組成（１−ｘ）が２５％以上の場合、つまりＧａＡｓ基板に対して大きな歪みを有している場合、あまり高温で熱処理すると歪みの緩和等により結晶性が悪化する場合があり、７８０℃以下の適切な温度で熱処理を行うことで、結晶性が改善され、高品質の半導体素子を得ることができる。
【００５６】
（請求項４における効果）
熱処理を窒素を含んだIII−Ｖ族混晶半導体層の表面をさらしたままで行うとＶ属原子の脱離および表面原子の移動のため表面近傍の結晶性が劣化し、結果として半導体素子の特性を劣化させてしまうが、少なくとも１原子層からなる他の上部半導体層で覆った後熱処理を行うとこれを防ぐことができ、結晶性の良好な半導体素子を得ることができる。
【００５７】
（請求項５〜８における効果）
半導体レーザの場合、窒素を含んだIII−Ｖ族混晶半導体層成長後、熱処理を行うことで結晶性が改善するが、半導体レーザ構造成長後ではなく、熱処理を窒素を含んだIII−Ｖ族混晶半導体層の成長終了時点から半導体レーザ構造成長終了時点の間に上記III−Ｖ族混晶半導体層の成長温度より高い温度となる工程を含むことでも結晶性改善効果が得られる。この場合、熱処理工程を他の装置を用いずに半導体レーザ構造成長工程中に同一装置で行うことができる。また、この熱処理工程の期間に少なくとも不純物をドープして形成される上部クラッド層の成長開始前を含ませることで、不純物の拡散が抑えられ、しきい値電流の増加などの半導体レーザ特性の劣化を抑えられ、これにより高品質の半導体素子を得ることができる。また高温で不純物がドープされた上部クラッド層を成長させると不純物が活性層に拡散して半導体素子の性能を悪化してしまう原因が、不純物がドープされた上部クラッド層の下（基板側）に不純物をドープしていないクラッド層を設け、この層を高温で成長することにより熱処理を行うことにより、不純物がドープされた上部クラッド層をより低温で成長させることができる。これにより不純物の活性層への拡散を低減することができ、高品質の半導体素子を得ることが可能になった。
【００５８】
請求項７，８は組成を具体的にしたものである。ＧａＩｎＮＡｓはＧａＡｓ基板上に成長できる１.３μｍ，１.５５μｍ帯レーザの活性層材料になり得るが、ＧａＡｓのバンドギャップ波長は０.９μｍ程度でありバンドギャップ波長を長くする効果のある窒素およびＩｎの添加により長波長化する必要がある。請求項４のように、ＧａＩｎＮＡｓのＩｎ組成（１−ｘ）が２５％以上の場合、窒素添加量を低減でき、高品質の半導体素子（面発光型半導体レーザ）を得ることができる。
【００５９】
（請求項９〜１２における効果）
面発光型半導体レーザの場合、窒素を含んだIII−Ｖ族混晶半導体層成長後、熱処理を行うことで結晶性が改善するが、面発光型半導体レーザ構造成長後ではなく、熱処理を窒素を含んだIII−Ｖ族混晶半導体層の成長終了時点から面発光半導体レーザ構造成長終了時点の間に上記III−Ｖ族混晶半導体層の成長温度より高い温度となる工程を含むことでも結晶性改善効果が得られる。この場合、熱処理工程を他の装置を用いずに面発光型半導体レーザ構造成長工程中に同一装置で行うことができる。また、この熱処理工程を少なくとも不純物をドープして形成される上部半導体層の成長開始前を含んでいることで不純物の拡散が抑えられしきい値電流の増加などの面発光型半導体レーザ特性の劣化を抑えられ、高品質の半導体素子（面発光型半導体レーザ）を得ることができる。
【００６０】
請求項１０〜１２は組成・構造を具体的にしたものである。ＧａＩｎＮＡｓはＧａＡｓ基板上に成長できる１.３μｍ，１.５５μｍ帯レーザの活性層材料になり得るが、ＧａＡｓのバンドギャップ波長は０.９μｍ程度でありバンドギャップ波長を長くする効果のある窒素およびＩｎの添加により長波長化する必要がある。請求項７のように、ＧａＩｎＮＡｓのＩｎ組成（１−ｘ）が２５％以上の場合、窒素添加量を低減でき、高品質の半導体素子（面発光型半導体レーザ）を得ることができる。
【００６１】
ＧａＩｎＮＡｓのＩｎ組成（１−ｘ）が２５％以上の場合、つまりＧａＡｓ基板に対して大きな歪みを有している場合、あまり高温で熱処理すると歪みの緩和等により結晶性が悪化する場合があり、７８０℃以下の適切な温度で熱処理を行うことで、結晶性が改善され、高品質の半導体素子を得ることができる。
【００６２】
（請求項１３における効果）
窒素を含んだIII−Ｖ族混晶半導体層は、従来公知の膜形成方法によって実現できる。
【００６３】
（請求項１４〜１６における効果）
上述した請求項１〜１３の製造方法を用い、窒素を含んだIII−Ｖ族混晶半導体層成長後、簡便な工程で熱処理を行うことで容易に結晶性が改善し、コストを上げることなく、高品質かつ信頼性に優れた半導体素子が得ることができる（請求項１４）。さらにその高品質で信頼性の優れた半導体素子を用いることによって高性能で高信頼の光学システムを実現することができる（請求項１５，１６）。
【図面の簡単な説明】
【図１】実験の結果得られた各試料のＰＬ（Ｐhotoluminescence）特性を示す図である。
【図２】第１の実施例の半導体レーザ素子の断面図を示す図である。
【図３】第２の実施例の半導体レーザ素子の断面図を示す図である。
【図４】第３の実施例に係る面発光型半導体レーザの構造を示す図である。
【符号の説明】
１０１：ｎ−ＧａＡｓ基板
１０２：ｎ−ＧａＡｓバッファ層
１０３：ｎ−Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ下部クラッド層
１０４：アンドープＧａＡｓ下部光ガイド層
１０５：活性層
１０５１：ＧａＩｎＮＡｓ井戸層
１０５２：ＧａＡｓバリア層
１０６：ＧａＡｓ上部光ガイド層
１０７：ｐ−ＧａＩｎＰ上部クラッド層
１０８：ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
１０９：絶縁層（ＳｉＯ2）
１１０：ｐ側電極１１０
１１１：ｎ側電極
１１２：ＧａＩｎＰ層
２０１：ｎ−ＧａＡｓ基板
２０２：ｎ−半導体多層膜反射鏡（下部多層膜反射鏡）
２０３：下部ＧａＡｓスペーサ層
２０４：ＧａＩｎＮＡｓ井戸層とＧａＡｓバリア層からなる多重量子井戸（ＱＷ）活性層
２０５：上部ＧａＡｓスペーサ層
２０６：ｐ−ＡｌＡｓ層
２０７：ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
２０８：半導体多層膜反射鏡
２０９：ｐコンタクト部
２１０：ｐ側電極
２１１：ｎ側電極
【発明の属する技術分野】
本発明は、結晶性の良好な窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を含んだIII−Ｖ族混晶半導体素子の製造方法および該製造方法により製造した光通信用半導体レーザ，発光ダイオード，赤外光用フォトダイオードなどの半導体素子、ならびに該半導体素子を用いた光モジュール，光インターコネクションあるいは光通信システムなどの光学システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光ファイバーを用いた光通信システムは主に幹線系で用いられている。将来は各家庭を含めた加入者系での利用が考えられている。これを実現するためにはシステムの小型化，低コスト化が必要であるが、光通信用半導体レーザの高温動作特性の劣化を防止するためにペルチェ素子によって冷却しながら使用するのではシステムの小型化や低価格化を図ることは困難である。そのため、前記の如き温度制御用のペルチェ素子を必要としないシステムの実現が要望され、半導体レーザには低しきい値動作と温度変化による特性変化の少ない高特性温度の素子が望まれている。しかし、従来のＧａＩｎＰＡｓ／ＩｎＰ系材料では伝導帯のバンド不連続を大きくできないことが主たる原因で高特性温度を実現するのは困難である。
【０００３】
これを解決できる材料として、特開平６−３７３５５号公報では、ＧａＡｓ基板上にＧａＩｎＮＡｓ系材料を設けた構成が言及されている。ＧａＩｎＮＡｓは、窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を含んだIII−Ｖ族混晶半導体である。ＧａＡｓより格子定数が大きいＧａＩｎＡｓに窒素（Ｎ）を添加することで格子定数をＧａＡｓに格子整合させることが可能となり、さらに、バンドギャップエネルギーが小さくなり、１.３μｍ，１.５μｍ帯での発光が可能な材料が得られる。
【０００４】
また、Jpn.J.Appl.Phys.Vol.３５（１９９６）ｐｐ.１２７３〜１２７５では、近藤らによりバンドラインナップが計算されている。ＧａＡｓ格子整合系なのでＡｌＧａＡｓ等をクラッド層に用いることで伝導帯のバンド不連続が大きくなる。このため高特性温度半導体レーザが実現できると予想されている。
【０００５】
しかしながら、窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を含んだIII−Ｖ族混晶半導体は、窒素（Ｎ）の原子半径が他の元素に比べて小さいことに起因して混晶組成のほとんどが熱平衡状態では非混和領域にあり、結晶成長が非常に難しい。非平衡度の高いＭＯＣＶＤ法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition；有機金属化学気相成長法）やＭＢＥ法（Molecular Beam Epitaxy;分子線エピタキシャル成長法）によりわずかの窒素（Ｎ）組成の結晶が成長可能となるものである。窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を含んだIII−Ｖ族混晶半導体の成長に関して、上記特開平６−３７３５５号公報では、高周波プラズマにより活性化した窒素ガスもしくは窒素化合物ガスを窒素源としたＭＯＣＶＤ法について、また、特開平９−２８３８５７号公報では、ＤＭＨｙ（ジメチルヒドラジン）を窒素源としたＭＯＣＶＤ法について、さらに、特開平６−３３４１６８号公報および特開平１１−８７８４８号公報では活性化窒素を用いたＭＢＥ法について述べられている。
【０００６】
また、窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を含んだIII−Ｖ族混晶半導体であるＧａＩｎＮＡｓやＧａＮＡｓの結晶成長後に熱処理することによる結晶性改善が特開平１１−２７４０８３号公報や、３９th Electronic Materials Conference, Session T, p３, Fort Collins, Colorado June ２５-２７, １９９７、 Appl．Phys.Lett., Vol.７２（１９９８）pp１１４０９〜１４１１、 Appl. Phys. Lett., Vol.７２（１９９８） pp１８５７〜１８５９、またはJpn.J.Appl.Phys.Vol.３８（１９９９） pp.L２９８〜L３００等のように試みられている。ほとんどの場合、熱処理は急速加熱が可能なＲＴＡ（短時間熱処理；Rapid Thermal Annealing）装置を用いている。特開平１１−２７４０８３号公報においては、層構造成長後に成長装置を用いて熱処理を行うことも記載されている。
【０００７】
しかし、これらの結果は半導体素子としての構造についての効果ではなくＰＬ（Ｐhotoluminescence）測定のための構造についての結果であり、層構造成長後に熱処理して効果を得ている。半導体素子についての例は半導体レーザの場合がある。J．Cryst．Growth．Vol.１９２ （１９９８） ｐｐ．３８１〜３８５では、レーザ構造成長中において、上部クラッド層の成長温度を窒素を含んだIII−Ｖ族混晶半導体層であるＧａＩｎＮＡｓ活性層の成長温度より高くして１.３μｍ帯でのレーザ発振を達成している。ＧａＩｎＮＡｓの窒素組成は３％であり大きく、ＧａＡｓ基板に格子整合している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、半導体素子構造について従来技術の方法、例えば、特開平１１−２７４０８３号公報のように半導体素子構造成長後に熱処理した場合、不純物の拡散による半導体素子特性の劣化などの問題が生じる。また、急速加熱が可能なＲＴＡ（短時間熱処理；Rapid Thermal Annealing）装置を用いた場合は成長装置から取り出して別の装置で熱処理を行うので製造工程が増えるとともに製造装置を多く必要とし、コストが高くなるという問題が生じる。
【０００９】
そこで、本発明はこれらの問題を解消することを目的としたものである。
具体的には、本発明の半導体素子の製造方法は、窒素を含んだIII−Ｖ族混晶半導体層を含んだ半導体素子について結晶性改善効果を容易に得ることのできる製造方法（請求項１〜１３）、該製造方法を用いた高品質な結晶性の半導体素子（請求項１４）ならびに該半導体素子を用いた光学システム（請求項１５，１６）を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１記載の半導体素子の製造方法は、少なくともＧａ（ガリウム）を含むIII族元素と、少なくともＮ（窒素）およびＡｓ（ヒ素）を含むＶ族元素とから構成されるIII−Ｖ族混晶半導体層と、該III−Ｖ族混晶半導体層の上部に成長された１層または複数層からなり、少なくともＧａ（ガリウム）を含む III 族元素と、Ｖ族元素とから構成され、少なくとも１層は不純物をドープして形成される上部半導体層を有する半導体素子の製造方法において、III−Ｖ族混晶半導体層の成長終了時点から上部半導体層成長終了時点の間にIII−Ｖ族混晶半導体層の成長温度より高く７８０℃より低い温度にする熱処理工程を設け、かつ該熱処理工程を少なくとも不純物をドープして形成される層の成長開始前から開始するようにしたことを特徴としている。また請求項２記載の発明は、前記熱処理工程は、前記不純物をドープして形成される層の成長開始前に行われる第１の熱処理工程と、前記不純物をドープして形成される層の成長中に行われる第２の熱処理工程とを含むことを特徴とし、請求項３記載の発明は、前記第１の熱処理工程の処理温度は、前記第２の熱処理工程の処理温度より高温であることを特徴としている。
【００１１】
窒素を含んだIII−Ｖ族混晶半導体層成長後、熱処理を行うことで結晶性が改善するが、半導体素子構造成長後ではなく、熱処理を窒素を含んだIII−Ｖ族混晶半導体層の成長終了時点から上部半導体層成長終了時点の間に上記III−Ｖ族混晶半導体層の成長温度より高い温度となる工程を含むことでも結晶性改善効果が得られる。この場合、熱処理工程を他の装置を用いずに半導体素子成長工程中に同一装置で行うことができる。また、この熱処理工程を少なくとも不純物をドープして形成される上部半導体層の成長開始前を含んでいることで不純物の拡散が抑えられ半導体素子特性の劣化を抑えられる。
【００１２】
請求項４記載の半導体素子の製造方法は、請求項１に示す半導体素子の製造方法において、上記III−Ｖ族混晶半導体層の成長温度より高く７８０℃より低い温度となる工程は、窒素を含んだIII−Ｖ族混晶半導体層を少なくとも１原子層からなる他の上部半導体層で覆った後であること特徴としている。
【００１３】
熱処理を窒素を含んだIII−Ｖ族混晶半導体層の表面をさらしたままで行うとＶ属原子の脱離および表面原子の移動のため表面近傍の結晶性が劣化し、結果として半導体素子の特性を劣化させてしまうが、少なくとも１原子層からなる他の上部半導体層で覆った後熱処理を行うとこれを防ぐことができる。
【００１４】
請求項５記載の半導体素子の製造方法は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体素子の製造方法において、上記半導体素子は半導体レーザであり、前記III−Ｖ族混晶半導体層は光を発生する活性層であり、半導体レーザは前記活性層と光を閉じ込める下部クラッド層を有することを特徴とする。
【００１５】
請求項６記載の半導体素子の製造方法は、不純物をドープして形成される上部クラッド層の下（基板側）に不純物をドープしていないクラッド層を有することを特徴とし、また、請求項７および８はそのための有効な材料・組成を明記したもので、請求項７は、前記III−Ｖ族混晶半導体層をＩｎ組成（１−ｘ）が２５％以上であるＧａｘＩｎ１−ｘＮｙＡｓ１−ｙ（０≦ｘ≦０.７５，０＜ｙ＜１）に、請求項８は、さらに前記上部半導体層をＺｎドープＧａＩｎＰを含むものに具体化したものである。
【００１６】
半導体レーザの場合、窒素を含んだIII−Ｖ族混晶半導体層成長後、熱処理を行うことで結晶性が改善するが、半導体レーザ構造成長後ではなく、熱処理を窒素を含んだIII−Ｖ族混晶半導体層の成長終了時点から半導体レーザ構造成長終了時点の間に上記III−Ｖ族混晶半導体層の成長温度より高い温度となる工程を含むことでも結晶性改善効果が得られる。この場合、熱処理工程を他の装置を用いずに半導体レーザ構造成長工程中に同一装置で行うことができる。また、この熱処理工程の期間に少なくとも不純物をドープして形成される上部クラッド層の成長開始前を含ませることで、不純物の拡散が抑えられ、しきい値電流の増加などの半導体レーザ特性の劣化を抑えられる。
【００１７】
高温で不純物がドープされた上部クラッド層を成長させると不純物が活性層に拡散して半導体素子の性能を悪化してしまう原因になる。そのため、不純物がドープされた上部クラッド層の下（基板側）に不純物をドープしていないクラッド層を設け、この層を高温で成長することにより熱処理を行い、不純物がドープされた上部クラッド層をより低温で成長させることにより、不純物の活性層への拡散を低減し、素子の特性の劣化を抑えることを可能にした。
【００１８】
請求項９記載の半導体素子の製造方法は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体素子の製造方法を面発光型半導体レーザに適用し、前記窒素を含んだIII−Ｖ族混晶半導体層を光を発生する活性層としたものである。半導体レーザは前記活性層と光を閉じ込める下部および上部多層膜反射鏡を有するようにしたものである。また、請求項１０ないし１２はそのための有効な材料・組成を明記したもので、請求項１０は、前記III−Ｖ族混晶半導体層をＩｎ組成（１−ｘ）が２５％以上であるＧａｘＩｎ１−ｘＮｙＡｓ１−ｙ（０≦ｘ≦０.７５，０＜ｙ＜１）を有するものに、請求項１１は、前記上部半導体層をＺｎドープＡｌＡｓを含むものに、請求項１２は下部多層膜反射鏡および上部多層膜反射鏡の少なくとも一方が、高屈折率層としてＡｌＮＧａ１−ＮＡｓ（０≦Ｎ＜１）、低屈折率層としてＡｌＭＧａ１−ＭＡｓ（０≦Ｎ＜Ｍ≦１）が交互に積層された構造を有するものにしたことを特徴としている。
【００１９】
面発光型半導体レーザの場合、窒素を含んだIII−Ｖ族混晶半導体層成長後、熱処理を行うことで結晶性が改善するが、面発光型半導体レーザ構造成長後ではなく、熱処理を窒素を含んだIII−Ｖ族混晶半導体層の成長終了時点から面発光半導体レーザ構造成長終了時点の間に上記窒素を含んだIII−Ｖ族混晶半導体層の成長温度より高い温度となる工程を含むことでも結晶性改善効果が得られる。この場合、熱処理工程を他の装置を用いずに面発光型半導体レーザ構造成長工程中に同一装置で行うことができる。また、この熱処理工程を少なくとも不純物をドープして形成される上部半導体層の成長開始前を含んでいることで不純物の拡散が抑えられしきい値電流の増加などの面発光型半導体レーザ特性の劣化を抑えられる。
【００２０】
ＧａＩｎＮＡｓはＧａＡｓ基板上に成長できる１.３μｍ，１.５５μｍ帯レーザの活性層材料になり得るが、ＧａＡｓのバンドギャップ波長は０.９μｍ程度でありバンドギャップ波長を長くする効果のある窒素およびＩｎの添加により長波長化する必要がある。ＧａＩｎＮＡｓのＩｎ組成（１−ｘ）が２５％以上の場合、窒素添加量を低減できる。
【００２２】
ＧａＩｎＮＡｓのＩｎ組成（１−ｘ）が２５％以上の場合、つまりＧａＡｓ基板に対して大きな歪みを有している場合、あまり高温で熱処理すると歪みの緩和等により結晶性が悪化する場合があり、７８０℃以下の適切な温度での熱処理が必要である。
【００２３】
請求項１３記載の半導体素子の製造方法は、上述した半導体素子の製造方法において、前記III−Ｖ族混晶半導体層の形成方法の一例として、ＭＯＣＶＤ法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition；有機金属化学気相成長法）またはＭＢＥ法（Molecular Beam Epitaxy;分子線エピタキシャル成長法）に具体化したものである。
【００２４】
請求項１４記載の半導体素子は、上述した各半導体素子の製造方法を用いて作製された半導体素子であり、請求項１５記載の光学システムは、このような半導体素子を備えた光学システムであり、請求項１６は、光学システムを光モジュール，光インターコネクション，あるいは光ファイバ通信システムに具体化したものである。
【００２５】
請求項１４の半導体素子は、請求項１〜１３の製造方法を用い、窒素を含んだIII−Ｖ族混晶半導体層成長後、簡便な工程で熱処理を行うことで容易に結晶性が改善し、高品質かつ信頼性に優れた半導体素子が得ることができる。さらに請求項１５および１６の光学システムはその高品質で信頼性の優れた半導体素子を用いるので、高性能で高信頼のシステムを実現することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
＜本発明の原理の説明ための実験＞
本実験では、窒素を含んだIII−Ｖ族混晶半導体層としてＧａＩｎＮＡｓを用いて活性層成長後に上部にＡｌＧａＡｓまたはＧａＩｎＰクラッド層をＧａＩｎＮＡｓより高温で成長することを想定して熱処理実験を行っている。面方位（１００）のＧａＡｓ基板上にＧａＡｓ層（０.２μｍ），ＧａＩｎＮＡｓ井戸層（７ｎｍ）とＧａＡｓ層（５０ｎｍ）を順次成長させた。この場合の成長温度は６００℃であった。各試料は、Ｉｎ組成割合を同じにし（３０％）、窒素の組成割合だけ変えた。その後、ＭＯＣＶＤ成長装置を用いてＡｓＨ3雰囲気中、６８０℃，７００℃，および７８０℃で２０分間熱処理した。
【００２７】
図１は、上記実験の結果得られた各試料のＰＬ（Ｐhotoluminescence）特性を示す図である。図中、ａ）は熱処理温度が７８０℃、窒素（Ｎ）の組成割合が０.２％の場合、ｂ）は熱処理温度が７００℃、窒素（Ｎ）の組成割合が０.２％の場合、ｃ）は熱処理温度が６８０℃、窒素（Ｎ）の組成割合が０.５％の場合、ｄ）は熱処理温度が６８０℃、窒素（Ｎ）の組成割合が０.８％の場合のＰＬ特性であり、点線は熱処理前のスペクトルを、実線は熱処理後のスペクトルを示している。
【００２８】
図１によれば、熱処理によりピーク波長が短波長側にシフトすること、熱処理温度が高い方がシフト量が大きいことがわかる。また、同じ温度では窒素量が違う試料間（図中ｃ，ｄ参照）でシフト量は同じであり、このシフトの原因はＩｎの拡散であると考えられる。
【００２９】
また、発光強度は７８０℃では低下しており（図中ａ参照）、７８０℃未満の他の温度では増加している（図中、ｂ，ｃ，ｄ参照）ことがわかる。増加の原因は熱処理による活性層中の欠陥の減少と考えられ、低下の原因は結晶性の劣化と考えられる。このようにＧａＩｎＮＡｓ活性層を成長してから７８０℃未満の温度で熱処理すると結晶性が改善し、７８０℃以上の高温で熱処理すると不具合が生じることがわかった。
【００３０】
＜第１の実施例＞
上述した効果を利用した本発明の第１の実施例の半導体レーザについて、図面を用いて詳細に説明する。
図２は、実施例１の半導体レーザ素子の断面図を示す図である。最も簡単な構造である絶縁膜ストライプ型レーザを例にして説明する。層構造としてはＳＣＨ−ＤＱＷ（Separate Confinement Heterostructure Double Quantum Well）構造である。
【００３１】
面方位（１００）のｎ−ＧａＡｓ基板１０１上にＳｅドープｎ−ＧａＡｓバッファ層１０２，Ｓｅドープｎ−Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ下部クラッド層（１.５μｍ）１０３，アンドープＧａＡｓ下部光ガイド層（１００ｎｍ）１０４，アンドープＧａ0.63Ｉｎ0.37Ｎ0.006Ａｓ0.994井戸層とアンドープＧａＡｓバリア層（１４.７ｎｍ）からなる活性層１０５，アンドープＧａＡｓ上部光ガイド層（１００ｎｍ）１０６，Ｚｎドープｐ−Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ上部クラッド層（１.５μｍ）１０７，Ｚｎドープｐ−ＧａＡｓコンタクト層（０.３μｍ）１０８が順次成長されている。
【００３２】
上記構造において、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層のＩｎ組成ｘを３７％，窒素組成を０.６％とした。ＧａＩｎＮＡｓ井戸層の厚さは７.７ｎｍとした。成長方法はＭＯＣＶＤ法を採用した。キャリアガスにはＨ2を用いた。原料にはＴＭＧ（トリメチルガリウム），ＴＭＩ（トリメチルインジウム），ＡｓＨ3（アルシン），ＰＨ3（フォスフィン）、そして窒素の原料にはＤＭＨｙ（ジメチルヒドラジン）を用いた。ＤＭＨｙは低温で分解するので６００℃以下の低温成長に適している。本実施例ではＧａＩｎＮＡｓ井戸層を５５０℃で成長させた。特に、歪みの大きい量子井戸層を成長させる場合は、例えば、５００℃〜６００℃程度の低温成長が好ましい。
【００３３】
ＧａＡｓ光ガイド層１０４と１０６もＧａＩｎＮＡｓ井戸層と同じ５５０℃で成長し、上部ＧａＡｓ光ガイド層１０６の成長後、成長を中断し基板温度を７００℃に上げ３分間熱処理を行った。その後、温度を６２０℃に下げＺｎドープ上部ＧａＩｎＰクラッド層１０７およびＧａＡｓコンタクト層１０８を成長させた。ｐ側電極１１０が電流注入部となる部分を除去した絶縁膜１０９を介して形成されている。ＧａＡｓコンタクト層１０８は電流注入部分以外はエッチングにより除去した構造とした。裏面にはｎ側電極１１１が形成されている。
【００３４】
本実施例では、上部光ガイド層成長後、成長を中断し基板温度を３分間７００℃に上げる工程、および６２０℃でのＺｎドープ上部クラッド層１０７およびＧａＡｓコンタクト層１０８の成長工程が熱処理工程に相当している。
【００３５】
ＧａＩｎＮＡｓ井戸層の成長温度より高い温度で上部クラッド層１０７およびＧａＡｓコンタクト層１０８を成長するだけでも効果はあるが、熱処理温度はＧａＩｎＮＡｓ井戸層成長温度より高い温度、例えば６５０℃〜７８０℃程度の高温が好ましい。
【００３６】
このような高温でＺｎドープ上部クラッド層１０７を成長させると、ドープしている不純物（本実施例ではＺｎ）が活性領域（ＧａＩｎＮＡｓ活性層（井戸層）およびＧａＡｓ光ガイド層１０４，１０６）に拡散し内部損失を大きくするなど、半導体レーザの特性を悪くする原因になってしまう。このため、不純物（Ｚｎ）をドープするクラッド層の成長温度は、拡散を低減するためにできるだけ低い温度での成長が適しており、そのため不純物をドープするクラッド層成長前に高温での熱処理工程を設けることが好ましかった。
【００３７】
本実施例では、上部光ガイド層成長後基板温度を７００℃に上げ３分間熱処理を行った。熱処理工程は、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層の表面がさらされた状態ではなく、少なくとも１原子層からなる他の上部半導体層で覆った後に熱処理を行うことで、Ｖ族原子の脱離および表面原子の移動のため表面近傍の結晶性の劣化を抑えることができた。つまり、上部光ガイド層１０６の成長途中から温度を上げて熱処理を行っても効果が得られる。
【００３８】
このように作製した半導体レーザのしきい電流密度は１ｋＡ／ｃｍ2以下であった。発振波長は約１.３μｍであった。２５℃〜８０℃における特性温度は２００Ｋを超え、非常に良好であった。また結晶性が良好なので長寿命であった。また発振波長は窒素組成，Ｉｎ組成および井戸層の厚さ等により制御可能であった。
【００３９】
上記説明では、ＭＯＣＶＤ法での成長の例を示したが、ＭＢＥ法等他の成長方法を採用することも可能である。また、窒素の原料にＤＭＨｙを用いた例を示したが、活性化した窒素やＮＨ3等他の窒素化合物を用いることもできる。砒素（Ａｓ）の原料にＴＢＡ（ターシャルブチルアルシン）等の有機砒素を用いることもできる。また、上記説明では、積層構造として２重量子井戸構造（ＤＱＷ）の例を示したが、他の井戸数の量子井戸を用いた構造（ＳＱＷ，ＭＱＷ）等を用いることもできる。また、各層の組成厚さ等は必要に応じて上述した以外の値を設定してもよい。クラッド層には、上述したＧａＩｎＰと同様にワイドギャップのＡｌＧａＡｓを用いることもできる。レーザ素子の構造も上記図２以外の他の構造にしてもかまわない。
【００４０】
＜第２の実施例＞
本発明の第２の実施例の半導体レーザについて、図面を用いて詳細に説明する。
図３は、実施例２の半導体レーザ素子の断面図を示す図である。第１の実施例と異なる点は、アンドープＧａＡｓ上部光ガイド層（１００ｎｍ）１０６とＺｎドープｐ−Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ上部クラッド層（１.５μｍ）１０７の間にアンドープＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ層（０.０５μｍ）１１２を設けたことである。
【００４１】
本実施例においてはＧａＩｎＮＡｓ井戸層を５７０℃で成長している。ＧａＡｓ光ガイド層１０４，１０６もＧａＩｎＮＡｓ井戸層と同じ５７０℃で成長し、次にアンドープＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ層（０.０５μｍ）１１２を７２０℃で成長し、その後温度を６４０℃に下げてＺｎドープ上部ＧａＩｎＰクラッド層１０７およびＧａＡｓコンタクト層１０８を成長させた。
【００４２】
本実施例では、ＧａＩｎＮＡｓ層の成長温度より高い７２０℃でのアンドープＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ層成長、および６４０℃でのＺｎドープ上部ＧａＩｎＰクラッド層１０７およびＧａＡｓコンタクト層１０８成長が熱処理工程を兼ねている。ＧａＩｎＮＡｓ層の成長温度より高い温度で上部クラッド層１０７およびＧａＡｓコンタクト層１０８を成長するだけでも効果はあるが、熱処理温度は７００℃程度の高温が好ましい。
【００４３】
このような高温でＺｎドープ上部クラッド層１０７を成長すると、ドープしている不純物（本実施例ではＺｎ）が活性領域に拡散して内部損失を大きくするなど、半導体レーザの特性を悪くする原因になってしまう。このため不純物をドープするクラッド層の成長温度は拡散を低減するため７００℃以下のできるだけ低温が適している。このため不純物をドープするクラッド層成長前に高温での熱処理工程を設けることが好ましい。本実施例では、Ｚｎドープ上部ＧａＩｎＰクラッド層１０７の成長は６２０℃の低温で行い拡散を低減し、Ｚｎドープ上部ＧａＩｎＰクラッド層１０７の前にアンドープＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ層１１２を設け、７００℃の高温で成長することでこれを実現している。素子特性など効果は実施例１と同様であった。クラッド層としてアンドープ層１１２を入れたので活性領域まで不純物が拡散し難くなるのでドープするクラッド層の成長温度を高くすることができる。アンドープ層と同じ成長温度でもよい。アンドープ層１１２を本実施例ではＧａＩｎＰとしたが、光ガイド層よりバンドギャップが大きくかつ屈折率が小さい材料であればこの効果が得られる。
【００４４】
＜第３の実施例＞
本発明の第３の実施例の面発光型半導体レーザについて、図面を用いて詳細に説明する。
図４は、第３の実施例に係る面発光型半導体レーザの構造を示す図である。面方位（１００）のｎ−ＧａＡｓ基板２０１上に、ｎ−ＡｌＧａＡｓとｎ−ＧａＡｓをそれぞれの媒質内における発振波長の１／４倍の厚さで交互に積層した周期構造（３５周期）からなるｎ−半導体多層膜反射鏡（下部多層膜反射鏡）２０２，アンドープ下部ＧａＡｓスペーサ層２０３，３層のＧａ0.7Ｉｎ0.3Ｎ0.01Ａｓ0.99Ａｓ井戸層とＧａＡｓバリア層からなる多重量子井戸（ＱＷ）活性層２０４，アンドープ上部ＧａＡｓスペーサ層２０５，Ｚｎドープｐ−ＡｌＡｓ層（５０ｎｍ）２０６、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層２０７、アンドープＡｌＧａＡｓとＧａＡｓをそれぞれの媒質内における発振波長の１／４倍の厚さで交互に積層した周期構造（２２周期）からなる半導体多層膜反射鏡２０８、が順次成長されている。
【００４５】
Ｇａ0.7Ｉｎ0.3Ｎ0.01Ａｓ0.99井戸層とＧａＡｓバリア層からなる多重量子井戸（ＱＷ）活性層２０４は、Ｉｎ組成ｘを３０％、窒素組成を１％とした。この量子井戸活性層２０４の厚さは７ｎｍとした。成長方法はＭＯＣＶＤ法を採用した。原料にはＴＭＧ（トリメチルガリウム），ＴＭＩ（トリメチルインジウム），ＡｓＨ3（アルシン），ＰＨ3（フォスフィン）、そして窒素の原料にはＤＭＨｙ（ジメチルヒドラジン）を用いた。ＤＭＨｙは低温で分解するので、６００℃以下のような低温成長に適している。
【００４６】
本実施例では、ＧａＩｎＮＡｓ層を５４０℃で成長させた。ＤＭＨｙは低温で分解するので６００度以下の低温成長に適しており、特に、低温成長の必要な歪みの大きい量子井戸層を成長する場合に好都合である。キャリアガスにはＨ2を用いた。本実施例ではアンドープ上部ＧａＡｓスペーサ層２０５の成長後半から不純物をドープするＺｎドープｐ−ＡｌＡｓ層２０６の成長前まで基板温度を５４０℃から７００℃に上げて熱処理を行った。不純物をドープするＺｎドープｐ−ＡｌＡｓ層２０６より上部の層は６５０℃で成長させた。
【００４７】
次に、フォトリソグラフとエッチング工程により下部多層膜反射鏡２０２の上部まで直径３０μｍの円形にメサエッチングし、さらに上部多層膜反射鏡２０８のみを直径１０μｍの円形にメサエッチングした。ＡｌｘＯｙ電流狭さく層２０６１は側面の現れたＡｌＡｓ層２０６を水蒸気で側面から酸化して形成した。
【００４８】
次に、ポリイミドでエッチング部を埋め込んで平坦化し、ｐコンタクト部２０９と光取り出し口となる上部多層膜反射鏡２０８上のポリイミドを除去し、ｐコンタクト部にｐ側電極２１０、基板裏面にはｎ側電極２１１を形成した。
【００４９】
本実施例では、ＧａＩｎＮＡｓ層２０４の成長温度より高い７００℃でのアンドープ上部ＧａＡｓスペーサ層２０５の成長後半から不純物をドープするＺｎドープｐ−ＡｌＡｓ層２０６の成長前までの成長工程が熱処理工程に相当している。不純物をドープする層の成長温度は拡散を低減するため７００℃以下のできるだけ低温が適している。本実施例では、不純物をドープする層２０６の成長前に高温での熱処理工程を設けてＧａＩｎＮＡｓ井戸活性層２０４の結晶性改善を行っている。
【００５０】
上記製造方法で作製した面発光レーザの発振波長は約１.３μｍであった。しきい電流密度は１ｋＡ／ｃｍ2以下であった。また高温での特性も良好であった。さらに結晶性が良好なので長寿命であった。
【００５１】
上記説明では、ＭＯＣＶＤ法による成長の例を示したがＭＢＥ法等他の成長方法を用いることもできる。また窒素の原料にＤＭＨｙを用いた例を説明したが、活性化した窒素やＮＨ3等他の窒素化合物を用いることもできる。さらに、積層構造として３重量子井戸構造（ＴＱＷ）の例を示したが他の井戸数の量子井戸を用いた構造（ＳＱＷ，ＭＱＷ）等を用いることもできる。また各層の組成厚さ等は必要に応じて上記以外の値を設定できる。レーザの構造も上記以外の構造にしてもかまわない。本実施例では上部多層膜反射鏡２０８の下部にｐ−コンタクト層２０７を設けたが、上部多層膜反射鏡２０８の上部にコンタクト部２０７を設ける構造にしてもよい。多層膜反射鏡をＡｌＧａＡｓとＧａＡｓの組み合わせとしたが、高屈折率と低屈折率が交互に積層された構成であればよく、ＡｌＧａＡｓ系材料の場合、高屈折率層としてＡｌNＧａ1-NＡｓ（０≦Ｎ＜１）、低屈折率層としてＡｌMＧａ1-MＡｓ（０≦Ｎ＜Ｍ≦１）で構成することができる。また、ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓなど、他の材料系を用いることもできる。また、上部多層膜反射鏡２０８および下部多層膜反射鏡２０２は半導体材料で形成した例を示したが、これらの反射鏡の一方または他方またはその両方は誘電体で形成するようにしてもよい。
【００５２】
なお、本発明は、発光素子のみならず受光素子や電子素子等ＧａxＩｎ1-xＮyＡｓ1-y（０≦ｘ≦１，０＜ｙ＜１）のような窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を含んだIII−Ｖ族混晶半導体を用いた各種半導体素子に適用できる。
【００５３】
本発明によれば、半導体レーザの温度特性が非常に優れているので冷却素子を必要としない光通信システムに用いることができる。
光ファイバを用いた長距離通信に用いることができるのみならず、コンピュータなどの機器間、ボード間、ボード内のＬＳＩ間、ＬＳＩ内の素子内の素子間など、光インターコネクションとしての短距離通信に用いることができる。
【００５４】
特に、面発光レーザは端面発光型レーザに比較して桁違いに低消費電力化することができ、２次元アレイ化が容易になので、並列伝送型の光通信システムに適している。波長としては光ファイバの伝送損失の小さい１.３μｍ帯、１.５５μｍ帯が好ましいが、これまで満足な性能の発振波長１.３μｍ帯、１.５５μｍ帯の面発光レーザは実現されていなかった。本発明によれば、結晶性の良好なＧａＩｎＮＡｓを含んだ半導体素子を作製できるので、高性能の光送受信モジュール、光インターコネクション、光ファイバ通信システムなどの光学システムを実現できる。
【００５５】
【発明の効果】
本発明によれば、以下のような効果が得られる。
（請求項１〜３における効果）
窒素を含んだIII−Ｖ族混晶半導体層成長後、熱処理を行うことで結晶性が改善するが、半導体素子構造成長後ではなく、熱処理を窒素を含んだIII−Ｖ族混晶半導体層の成長終了時点から上部半導体層成長終了時点の間に上記III−Ｖ族混晶半導体層の成長温度より高い温度となる工程を含むことでも結晶性改善効果が得られる。この場合、熱処理工程を他の装置を用いずに半導体素子成長工程中に同一装置で行うことができる。また、この熱処理工程を少なくとも不純物をドープして形成される上部半導体層の成長開始前を含んでいることで不純物の拡散が抑えられ半導体素子特性の劣化を抑えることができ、高品質の半導体素子が得られる。また、ＧａＩｎＮＡｓのＩｎ組成（１−ｘ）が２５％以上の場合、つまりＧａＡｓ基板に対して大きな歪みを有している場合、あまり高温で熱処理すると歪みの緩和等により結晶性が悪化する場合があり、７８０℃以下の適切な温度で熱処理を行うことで、結晶性が改善され、高品質の半導体素子を得ることができる。
【００５６】
（請求項４における効果）
熱処理を窒素を含んだIII−Ｖ族混晶半導体層の表面をさらしたままで行うとＶ属原子の脱離および表面原子の移動のため表面近傍の結晶性が劣化し、結果として半導体素子の特性を劣化させてしまうが、少なくとも１原子層からなる他の上部半導体層で覆った後熱処理を行うとこれを防ぐことができ、結晶性の良好な半導体素子を得ることができる。
【００５７】
（請求項５〜８における効果）
半導体レーザの場合、窒素を含んだIII−Ｖ族混晶半導体層成長後、熱処理を行うことで結晶性が改善するが、半導体レーザ構造成長後ではなく、熱処理を窒素を含んだIII−Ｖ族混晶半導体層の成長終了時点から半導体レーザ構造成長終了時点の間に上記III−Ｖ族混晶半導体層の成長温度より高い温度となる工程を含むことでも結晶性改善効果が得られる。この場合、熱処理工程を他の装置を用いずに半導体レーザ構造成長工程中に同一装置で行うことができる。また、この熱処理工程の期間に少なくとも不純物をドープして形成される上部クラッド層の成長開始前を含ませることで、不純物の拡散が抑えられ、しきい値電流の増加などの半導体レーザ特性の劣化を抑えられ、これにより高品質の半導体素子を得ることができる。また高温で不純物がドープされた上部クラッド層を成長させると不純物が活性層に拡散して半導体素子の性能を悪化してしまう原因が、不純物がドープされた上部クラッド層の下（基板側）に不純物をドープしていないクラッド層を設け、この層を高温で成長することにより熱処理を行うことにより、不純物がドープされた上部クラッド層をより低温で成長させることができる。これにより不純物の活性層への拡散を低減することができ、高品質の半導体素子を得ることが可能になった。
【００５８】
請求項７，８は組成を具体的にしたものである。ＧａＩｎＮＡｓはＧａＡｓ基板上に成長できる１.３μｍ，１.５５μｍ帯レーザの活性層材料になり得るが、ＧａＡｓのバンドギャップ波長は０.９μｍ程度でありバンドギャップ波長を長くする効果のある窒素およびＩｎの添加により長波長化する必要がある。請求項４のように、ＧａＩｎＮＡｓのＩｎ組成（１−ｘ）が２５％以上の場合、窒素添加量を低減でき、高品質の半導体素子（面発光型半導体レーザ）を得ることができる。
【００５９】
（請求項９〜１２における効果）
面発光型半導体レーザの場合、窒素を含んだIII−Ｖ族混晶半導体層成長後、熱処理を行うことで結晶性が改善するが、面発光型半導体レーザ構造成長後ではなく、熱処理を窒素を含んだIII−Ｖ族混晶半導体層の成長終了時点から面発光半導体レーザ構造成長終了時点の間に上記III−Ｖ族混晶半導体層の成長温度より高い温度となる工程を含むことでも結晶性改善効果が得られる。この場合、熱処理工程を他の装置を用いずに面発光型半導体レーザ構造成長工程中に同一装置で行うことができる。また、この熱処理工程を少なくとも不純物をドープして形成される上部半導体層の成長開始前を含んでいることで不純物の拡散が抑えられしきい値電流の増加などの面発光型半導体レーザ特性の劣化を抑えられ、高品質の半導体素子（面発光型半導体レーザ）を得ることができる。
【００６０】
請求項１０〜１２は組成・構造を具体的にしたものである。ＧａＩｎＮＡｓはＧａＡｓ基板上に成長できる１.３μｍ，１.５５μｍ帯レーザの活性層材料になり得るが、ＧａＡｓのバンドギャップ波長は０.９μｍ程度でありバンドギャップ波長を長くする効果のある窒素およびＩｎの添加により長波長化する必要がある。請求項７のように、ＧａＩｎＮＡｓのＩｎ組成（１−ｘ）が２５％以上の場合、窒素添加量を低減でき、高品質の半導体素子（面発光型半導体レーザ）を得ることができる。
【００６１】
ＧａＩｎＮＡｓのＩｎ組成（１−ｘ）が２５％以上の場合、つまりＧａＡｓ基板に対して大きな歪みを有している場合、あまり高温で熱処理すると歪みの緩和等により結晶性が悪化する場合があり、７８０℃以下の適切な温度で熱処理を行うことで、結晶性が改善され、高品質の半導体素子を得ることができる。
【００６２】
（請求項１３における効果）
窒素を含んだIII−Ｖ族混晶半導体層は、従来公知の膜形成方法によって実現できる。
【００６３】
（請求項１４〜１６における効果）
上述した請求項１〜１３の製造方法を用い、窒素を含んだIII−Ｖ族混晶半導体層成長後、簡便な工程で熱処理を行うことで容易に結晶性が改善し、コストを上げることなく、高品質かつ信頼性に優れた半導体素子が得ることができる（請求項１４）。さらにその高品質で信頼性の優れた半導体素子を用いることによって高性能で高信頼の光学システムを実現することができる（請求項１５，１６）。
【図面の簡単な説明】
【図１】実験の結果得られた各試料のＰＬ（Ｐhotoluminescence）特性を示す図である。
【図２】第１の実施例の半導体レーザ素子の断面図を示す図である。
【図３】第２の実施例の半導体レーザ素子の断面図を示す図である。
【図４】第３の実施例に係る面発光型半導体レーザの構造を示す図である。
【符号の説明】
１０１：ｎ−ＧａＡｓ基板
１０２：ｎ−ＧａＡｓバッファ層
１０３：ｎ−Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ下部クラッド層
１０４：アンドープＧａＡｓ下部光ガイド層
１０５：活性層
１０５１：ＧａＩｎＮＡｓ井戸層
１０５２：ＧａＡｓバリア層
１０６：ＧａＡｓ上部光ガイド層
１０７：ｐ−ＧａＩｎＰ上部クラッド層
１０８：ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
１０９：絶縁層（ＳｉＯ2）
１１０：ｐ側電極１１０
１１１：ｎ側電極
１１２：ＧａＩｎＰ層
２０１：ｎ−ＧａＡｓ基板
２０２：ｎ−半導体多層膜反射鏡（下部多層膜反射鏡）
２０３：下部ＧａＡｓスペーサ層
２０４：ＧａＩｎＮＡｓ井戸層とＧａＡｓバリア層からなる多重量子井戸（ＱＷ）活性層
２０５：上部ＧａＡｓスペーサ層
２０６：ｐ−ＡｌＡｓ層
２０７：ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
２０８：半導体多層膜反射鏡
２０９：ｐコンタクト部
２１０：ｐ側電極
２１１：ｎ側電極
Claims (16)
- 少なくともＧａ（ガリウム）を含むIII族元素と、少なくともＮ（窒素）およびＡｓ（ヒ素）を含むＶ族元素とから構成されるIII−Ｖ族混晶半導体層と、該III−Ｖ族混晶半導体層の上部に成長された１層または複数層からなり、少なくともＧａ（ガリウム）を含む III 族元素と、Ｖ族元素とから構成され、少なくとも１層は不純物をドープして形成される上部半導体層を有する半導体素子の製造方法において、
前記III−Ｖ族混晶半導体層の成長終了時点から前記上部半導体層成長終了時点の間に前記III−Ｖ族混晶半導体層の成長温度より高く７８０℃より低い温度にする熱処理工程を設け、かつ該熱処理工程を少なくとも不純物をドープして形成される層の成長開始前から開始するようにしたことを特徴とする半導体素子の製造方法。 - 請求項１記載の半導体素子の製造方法において、
前記熱処理工程は、前記不純物をドープして形成される層の成長開始前に行われる第１の熱処理工程と、前記不純物をドープして形成される層の成長中に行われる第２の熱処理工程とを含むことを特徴とする半導体素子の製造方法。 - 請求項２記載の半導体製造方法において、
前記第１の熱処理工程の処理温度は、前記第２の熱処理工程の処理温度より高温であることを特徴とする半導体素子の製造方法。 - 請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体素子の製造方法において、
前記III−Ｖ族混晶半導体層の成長温度より高く７８０℃より低い温度にする熱処理工程は、該III−Ｖ族混晶半導体層を少なくとも１原子層からなる他の上部半導体層で覆った後に行われること特徴とする半導体素子の製造方法。 - 請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体素子の製造方法において、
前記半導体素子は半導体レーザであり、前記III−Ｖ族混晶半導体層は光を発生する活性層であり、前記半導体レーザは前記活性層と光を閉じ込める下部クラッド層を有することを特徴とする半導体素子の製造方法。 - 請求項５記載の半導体素子の製造方法において、
不純物をドープして形成される上部クラッド層の下（基板側）に不純物をドープしていないクラッド層を有することを特徴とする半導体素子の製造方法。 - 請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体素子の製造方法において、
前記III−Ｖ族混晶半導体層は、Ｉｎ組成（１−ｘ）が２５％以上であるＧａｘＩｎ１−ｘＮｙＡｓ１−ｙ（０≦ｘ≦０.７５，０＜ｙ＜１）を有することを特徴とする半導体素子の製造方法。 - 請求項７記載の半導体素子の製造方法において、
前記上部半導体層はＺｎドープＧａＩｎＰを含むことを特徴とする半導体の製造方法。 - 請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体素子の製造方法において、
前記半導体素子は面発光型半導体レーザであり、前記III−Ｖ族混晶半導体層は光を発生する活性層であり、前記面発光型半導体レーザは前記活性層と光を閉じ込める下部多層膜反射鏡および上部多層膜反射鏡を少なくとも有することを特徴とする半導体素子の製造方法。 - 請求項９記載の半導体素子の製造方法において、
前記III−Ｖ族混晶半導体層は、Ｉｎ組成（１−ｘ）が２５％以上であるＧａｘＩｎ１−ｘＮｙＡｓ１−ｙ（０≦ｘ≦０.７５，０＜ｙ＜１）を有することを特徴とする半導体素子の製造方法。 - 請求項９または１０記載の半導体素子の製造方法において、
前記上部半導体層はＺｎドープＡｌＡｓを含むことを特徴とする半導体の製造方法。 - 請求項９から１１のいずれか１項に記載の半導体製造方法において、
前記下部多層膜反射鏡および上部多層膜反射鏡の少なくとも一方は、高屈折率層としてＡｌＮＧａ１−ＮＡｓ（０≦Ｎ＜１）、低屈折率層としてＡｌＭＧａ１−ＭＡｓ（０≦Ｎ＜Ｍ≦１）が交互に積層された構造を有することを特徴とする半導体素子の製造方法。 - 請求項１から１２のいずれか１項に記載の半導体素子の製造方法において、
前記III−Ｖ族混晶半導体層は、ＭＯＣＶＤ法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition；有機金属化学気相成長法）またはＭＢＥ法（Molecular Beam Epitaxy;分子線エピタキシャル成長法）で形成されたものであることを特徴とする半導体素子の製造方法。 - 請求項１から１３のいずれか１項に記載の半導体素子の製造方法を用いて作製されたことを特徴とする半導体素子。
- 請求項１４記載の半導体素子を具備することを特徴とする光学システム。
- 請求項１５記載の光学システムは、光モジュール，光インターコネクション，あるいは光ファイバ通信システムであることを特徴とする光学システム。
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