JP7492634B2 - エピタキシャルウエハ - Google Patents

Description

本発明は、部分酸化を用いて製造するエピタキシャルウエハの製造方法及びそれを用いる半導体素子の製造方法、並びに、高Ａｌ組成層が部分酸化された電流狭窄層を有するエピタキシャルウエハに関する。

面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ; Vertical Cavity Surface Emitting Laserともいう）は、光通信、ＤＶＤやＣＤ、プリンター、光学マウスなど様々な用途に使用されてきたが、顔認証システムに使用されてからは、各種の３Ｄセンサー用途としても注目されている。また、レーザ発振はしないが電流狭窄層を有する点光源ＬＥＤなどの発光素子も各種センサー用途に使用される。

特許文献１には、半導体基板上に積層された半導体層をドライエッチングすることでメサ構造を作製し、そのメサ構造の側壁から、高温水蒸気により高Ａｌ組成層の一部を外周側から水蒸気酸化して絶縁領域を形成した酸化型ＶＣＳＥＬが開示されている。

特許文献２には、熱酸化工程におけるウエハの反りやヒータ形状に依存するウエハ内での酸化のばらつきを防止した酸化装置が開示されている。

酸化方法は、特許文献１には例えば、窒素をキャリアガスとする３５０℃の水蒸気雰囲気に３０分間晒すと記載されている。また、特許文献２には、熱酸化温度を例えば４００℃～５００℃の間に設定することが好ましいと記載されている。

特開２００４－３２７８６２号公報 特開２０１７－５０３８９号公報

エピタキシャルウエハ（以下、ウエハと略記することがある。）が大口径化するほどに、ウエハ面内での特性、すなわち、絶縁領域を形成するための酸化工程での酸化量のばらつきをいかに抑制するが課題となる。酸化量のウエハ面内ばらつきが大きいと、狭窄形状の大きさもウエハ面内でばらつく。したがって、ウエハから得られる半導体素子の順方向電圧の素子間でのばらつきも大きくなり、さらには信頼性の問題も生じやすくなる。特許文献２に記載の遊星駆動技術や温度の均一化は酸化量のばらつきを抑制するには有効ではあるが、さらなるばらつきの抑制が求められる。

そこで本発明は、ウエハ面内の酸化量のばらつきを抑制した電流狭窄層を有するエピタキシャルウエハの製造方法を提供することを目的とする。また、本発明は、この製造方法を用いる半導体素子の製造方法を提供することを目的とする。さらに本発明は、ウエハ面内の酸化量のばらつきを抑制した電流狭窄層を有するエピタキシャルウエハを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明者らは鋭意検討した。そして本発明者らは、酸化処理を行う対象の高Ａｌ組成層に、従来から推奨されていた水蒸気雰囲気での熱酸化の条件とは異なる条件下において酸化を行うことを想起した。その結果、ウエハ面内の酸化量による電流狭窄径のばらつき、および、電流狭窄径の影響を大きく受ける順方向電圧の値のばらつきを、従来よりも改善できることを知見し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明の要旨構成は以下の通りである。
（１）基板上に少なくともＡｌ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ（０．９≦ｘ≦１）からなる高Ａｌ組成層を含む半導体積層体を形成する工程と、
少なくとも前記高Ａｌ組成層の側面を露出させるメサ構造を形成する工程と、
前記高Ａｌ組成層の露出した前記側面から前記高Ａｌ組成層の一部を酸化処理することで電流狭窄層を形成する酸化工程を有し、
前記酸化工程において、水蒸気を０．００１～０．０１ｇ／Ｌ含む雰囲気で、４８０～５８０℃で酸化処理することを特徴とするエピタキシャルウエハの製造方法。

（２）前記半導体積層体を形成する工程において、前記基板上に下部反射層、発光層、前記高Ａｌ組成層、上部反射層を順に形成する、前記（１）に記載のエピタキシャルウエハの製造方法。

（３）前記酸化工程の温度が５１０℃以上である、前記（１）又は（２）に記載のエピタキシャルウエハの製造方法。

（４）前記高Ａｌ組成層のＡｌ組成ｘが０．９≦ｘ＜１である、前記（１）～（３）のいずれかに記載のエピタキシャルウエハの製造方法。

（５）前記（１）～（４）のいずれかに記載の製造方法により得られたエピタキシャルウエハをダイシングする工程を含む、半導体素子の製造方法。

（６）３インチ以上の基板上に少なくともＡｌ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ（０．９≦ｘ≦１）からなる高Ａｌ組成層を含む半導体積層体を有し、
少なくとも前記高Ａｌ組成層を含む電流狭窄層の側面が露出したメサ構造を具え、
前記高Ａｌ組成層は、前記メサ構造の外周側に設けられ、かつ前記高Ａｌ組成層と同一面内にある酸化領域に挟持されて電流狭窄層を構成し、
酸化されていない狭窄領域を俯瞰してウエハ面内の１９個以上の狭窄形状を測定した場合に、狭窄形状の結晶方位＜０１－１＞の幅と、結晶方位＜０１０＞の幅との標準偏差がいずれも０．６μｍ以下であることを特徴とするエピタキシャルウエハ。

なお、本明細書では、結晶方位

を、結晶方位＜０１－１＞と表記する。

（７）前記狭窄形状が円形であり、
前記結晶方位＜０１－１＞の幅に対する前記結晶方位＜０１０＞の幅の比の平均が１００～１０２％である、前記（６）に記載のエピタキシャルウエハ。

本発明によれば、従来よりウエハ面内の酸化量のばらつきを抑制した電流狭窄層を有するエピタキシャルウエハの製造方法を提供することができる。また、本発明は、この製造方法を用いる半導体素子の製造方法を提供することができる。さらに本発明は、ウエハ面内の酸化量のばらつきを抑制した電流狭窄層を有するエピタキシャルウエハを提供することができる。

本発明の一実施形態に従う面発光レーザの製造工程を説明する図である。 本発明の製造方法に適用できる水蒸気酸化装置の一例の概略図である。 本発明のエピタキシャルエハの狭窄形状を測定するときのウエハ面内の１９個の測定箇所を示す模式図である。 実施例において狭窄径を測定した際の赤外線カメラ写真の代表例である。 実施例におけるＡｌ組成と酸化レートとの関係を示すグラフである。 実施例におけるＡｌ組成と酸化レートとの関係を示すグラフである。 実施例におけるウエハ面内の順方向電圧Ｖｆのばらつきを示すグラフである。

（エピタキシャルウエハの製造方法）
本発明は高Ａｌ組成層を含む半導体積層体を有する半導体素子を得るためのエピタキシャルウエハに適用される。具体的には、基板の厚み方向において複数の半導体層に挟まれた状態の高Ａｌ組成層を、その側面から酸化することで部分的に酸化し、基板面内方向で高Ａｌ組成層が酸化層により挟持された電流狭窄層を形成する技術に関する。得られたエピタキシャルウエハをダイシングすることにより半導体素子を得ることができる。高Ａｌ組成層を基板の厚み方向において挟む層が何かは任意であり、様々な形態をとることができる。

＜半導体素子及びその態様としての面発光レーザ＞
以下、図１の符号を参照しつつ本実施形態においては、半導体素子１の例として、基板１０上に下部反射層２０、発光層３０、Ａｌ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ（０．９≦ｘ≦１）からなる高Ａｌ組成層４１を含む電流狭窄層４０、上部反射層５０を順に形成した面発光レーザに関して説明を行う。

本発明によるエピタキシャルウエハの製造方法は、基板１０上に少なくともＡｌ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ（０．９≦ｘ≦１）からなる高Ａｌ組成層４１を含む半導体積層体（図１の例では符号２０，３０，４１、５０）を形成する工程（図１ステップＡ）と、少なくとも高Ａｌ組成層４１の側面を露出させるメサ構造を形成する工程（図１ステップＢ）と、高Ａｌ組成層４１の露出した側面から高Ａｌ組成層４１の一部を酸化処理することで電流狭窄層４０を形成する酸化工程を有する（図１ステップＣ）。当該酸化処理により、高Ａｌ組成層４１は、上記メサ構造の外周側に設けられた酸化領域４２に挟持されて電流狭窄層４０を構成する。そして、詳細を後述するように、酸化工程（図１ステップＣ）において、水蒸気を０．００１～０．０１０ｇ／Ｌ含む雰囲気で、４８０～５８０℃で酸化処理する。また、図１ステップＤに示すように、上部反射層５０の上に上面電極６１を設けてもよく、基板１０の裏面に下面電極６２を設けてもよい。こうして得られた半導体素子構造を有するエピタキシャルウエハをダイシングすれば、半導体素子１を得ることができる。

なお、図１は面発光レーザの具体例を示すものに過ぎず、本発明の製造方法を適用する高Ａｌ組成層４１の位置は上記面発光レーザの例に何ら限定されない。下部反射層２０と発光層３０の間に高Ａｌ組成層４１を設けることもできるし、様々な層を高Ａｌ組成層４１の前後（図１の紙面上下方向）に挟むことができる。また、基板上に下部反射層、下部クラッド層、発光層、電流狭窄層、上部クラッド層を設けた半導体発光素子のように、上部反射層を持たない点光源ＬＥＤを得るために本製造方法を適用することもできるし、上下共に反射層を持たない電流狭窄型ＬＥＤに適用してもよい。半導体発光素子に限らず、半導体受光素子に本製造方法を適用してもよい。なお、反射層（下部反射層２０および上部反射層５０）とは、発光層３０から放出される光を反射させるために設けられる層である。こうした反射層として、Ａｌ組成の異なるＡｌＧａＡｓ層（符号２１，２２及び５１，５２を参照）を交互に繰り返し積層したブラック反射層（ＤＢＲ）や、金属反射層を用いることができる。

以下、本発明の製造方法の各工程を順次説明する。

＜半導体積層体を形成する工程＞
まず、図１ステップＡに示すように、基板１０上に少なくともＡｌ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ（０．９≦ｘ≦１）からなる高Ａｌ組成層４１を含む半導体積層体を形成する。

＜＜高Ａｌ組成層の組成＞＞
高Ａｌ組成層４１は、Ａｌ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ（０．９≦ｘ≦１）からなり、０．９≦ｘ＜１であることがより好ましい。Ａｌ組成ｘの値は、ＳＩＭＳまたはＴＥＭ－ＥＤＳを用いて測定することができる。Ａｌ組成ｘが０．９未満の場合、高Ａｌ組成層と他の半導体層との酸化速度の差が小さく、高Ａｌ組成層４１の選択的な酸化が困難となり、その結果、電流狭窄層４０の形成も困難となる。また、ＡｌＡｓ（すなわちｘ＝１）の場合、本発明によってウエハ面内での酸化量のばらつきを抑制できるものの、面方位の影響が強く残る（例えばメサ形状が円形でも狭窄形状が四角に近づく）傾向がある。そのため、酸化量だけでなく形状も均一にしたい場合には、０．９≦ｘ＜１とすることが好ましく、例えば０．９≦ｘ≦０．９８とすることがより好ましい。

＜高Ａｌ組成層以外の半導体層の組成＞
高Ａｌ組成層４１以外の半導体層については、高Ａｌ組成層４１よりもＡｌ組成が低く、高Ａｌ組成層４１より酸化されにくい半導体層を用いることが好ましい。こうした半導体層としては、エピタキシャル成長において上記の電流狭窄層４０を厚み方向に挟んで成長できる層であればよく、例えば、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＩｎＰ、ＩｎＧａＰとすることができる。

＜基板＞
基板１０は、エピタキシャル成長に用いる成長用基板のことを指す。なお、成長用の基板１０上に半導体積層体をエピタキシャル成長した後に、支持用の任意の基板を半導体積層体上に接合して、成長用に用いた基板１０を除去してもよい。こうした基板１０としては、ＧａＡｓ基板のほかに、ＩｎＰ基板を使用することもできる。ウエハが大口径化するほどに、ウエハ面内での特性、すなわち、酸化工程での酸化量のばらつきをいかに抑制するが課題となる。そこで、本発明の製造方法を適用することが好ましい基板は、３インチ以上である。

＜高Ａｌ組成層の側面を露出させるメサ構造を形成する工程＞
次に、図１ステップＢに示すように高Ａｌ組成層４１の側面を露出させるメサ構造を形成する。高Ａｌ組成層４１を含む半導体積層体に、特定の形状と配置パターンを有するメサ構造を形成することで、高Ａｌ組成層の側面を露出させる。メサ構造を形成するためには、フォトリソグラフィなどの一般的な手法を適用すればよい。

メサ構造を形成した後の半導体積層体の形状としては、半導体積層体を俯瞰した形が円形、四角形や六角形などの多角形とすることができ、また、長方形のように縦横比を変えてもよい。さらに、メサ構造を形成した後の半導体積層体の電流狭窄層４０の全ての側面を露出させるように周囲を除去する場合と、高Ａｌ組成層の一部の側面は露出させずに残し、所定間隔の空隙を設けた凹形状の溝を形成する場合とがある。いずれの場合であっても、高Ａｌ組成層が酸化するために水蒸気が高Ａｌ組成層の側面に十分に触れることができるメサ構造となればよい。

＜高Ａｌ組成層の露出した側面から高Ａｌ組成層の一部を酸化する酸化工程＞
メサ構造を形成する工程に続き、酸化工程を行う（図１ステップＣ）。本工程はＡｌ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ（０．９≦ｘ≦１）の高Ａｌ組成層を酸化する工程であり、酸化によって絶縁性のＡｌ酸化物を主成分とする複合酸化物が生成すると考えられる。この酸化工程は、水蒸気を用いて行う酸化工程であり、水蒸気を０．００１～０．０１ｇ／Ｌ含む雰囲気で行うものとし、０．００８ｇ／Ｌ以下とすることが好ましい。なお、酸化工程中の高Ａｌ組成層４１周辺の雰囲気中の水蒸気含有量が大きく変化しないように水蒸気を０．００１～０．０１ｇ／Ｌ含むガスを１０～３０Ｌ／分で高Ａｌ組成層４１に向けて流し続けることがより好ましい。また、水蒸気を０．００１～０．０１ｇ／Ｌ含むガスは、酸化速度の再現性を確保するために窒素やアルゴンなどの不活性ガスに水蒸気を含ませることがより好ましい。

発明者らは、酸化速度が供給律速となるか反応律速となるかが本発明の水蒸気の濃度と関係があるのではないかと予想している。水蒸気濃度が０．０１ｇ／Ｌ以下であると、酸化速度は主に供給律速となって、温度のばらつきに起因する反応速度のばらつきが酸化速度に及ぼす影響が小さくなる。一方、水蒸気の濃度が０．０１ｇ／Ｌを超えると供給が十分となって酸化速度は反応律速となり、温度のばらつきに起因する反応速度のばらつきが酸化速度に及ぼす影響が過剰になると予想される。そして、供給律速となる条件では、結晶異方性の影響（結晶方位によって反応速度が異なる影響）も低減されているのではないかと予想している。なお、水蒸気の濃度が０．００１ｇ／Ｌ未満であると、酸化レートが小さすぎて酸化工程に必要な時間が長くなりすぎ、製造工程として実用的ではなくなるため、水蒸気濃度の下限を０．００１ｇ／Ｌ未満とした。

酸化処理が行われる温度（ステージ温度）は、従来適正といわれる温度より高い温度が適しており、４８０～５８０℃で行うものとし、５１０～５８０℃で行うことが好ましい。なお、酸化処理が行われている最中の半導体積層体の表面温度を厳密に測定することは困難であるため、ウエハ搭載後の酸化処理直前のステージ温度（設定温度）を酸化処理の温度とする。ステージ温度が４８０℃未満では、上記の水蒸気の濃度では、酸化レートが小さすぎて酸化工程に必要な時間が長くなりすぎ、製造工程としての実用的ではなくなる。一方、ステージ温度が５８０℃を超えると、酸化が急激に起こるために酸化をさせる予定ではない高Ａｌ組成層以外の半導体層への影響も大きく、半導体積層体の表面荒れなどの悪影響が起こる恐れが生じる。また、本工程における酸化時間は、必要な狭窄形状に応じて、水蒸気濃度と酸化処理が行われる温度（ステージ温度）に合わせて適宜設定すればよい。限定を意図しないが、例えば酸化時間を１０分～３時間とすることができる。

このような酸化工程を行うための水蒸気酸化装置１００の構成例を図２に示す。マスフローコントローラーにより一定量で水を供給するとともに純水気化器において１００度以上（例えば１８０度）に加熱された蒸気を一定の水蒸気量で供給する機構１１０と、水蒸気を予熱した（例えば１２０度の）窒素ガスなどの不活性ガスを用いてステージまで送る機構１２０と、ステージ上にウエハＷを搬送・回収する機構（図示せず）と、ステージを特定の温度（ステージ温度）に加熱する機構１３０と、を有する。さらに、水蒸気を含むガスをステージ上のウエハに供給を開始してから供給を停止するまでの酸化時間に対し、高Ａｌ組成層の酸化の停止を確実に行うために、水蒸気を含むガスの停止とともにウエハに水蒸気を含まないガスをウエハに噴霧する機構１４０を有していてもよい。図２には、チャンバ内に導入したガスを排出するための排出口１５０を併せて図示した。

以上の各工程を経て得られたエピタキシャルウエハをダイシングすることで、半導体素子を得ることができる。なお、ダイシングに先立ち、図１ステップＤに示すように、上部反射層５０の上に上面電極６１を設けてもよく、基板１０の裏面に下面電極６２を設けてもよいことは前述のとおりである。また、電極の形態はこの例に何ら限定されず、半導体素子の態様に応じて適宜設ければよい。

＜エピタキシャルウエハ＞
図１の符号を参照する。上記の製造方法によって得られるエピタキシャルウエハは、３インチ以上の基板１０上に少なくともＡｌ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ（０．９≦ｘ≦１）からなる高Ａｌ組成層４１を含む半導体積層体を有する。そして、高Ａｌ組成層４１と同一面内で高Ａｌ組成層４１を挟持する酸化領域４２により電流狭窄層４０を構成する。そして、このエピタキシャルウエハは、電流狭窄層４０の側面が露出したメサ構造を有しており、電流狭窄層４０のウエハ面内での酸化量のばらつきを抑制することができる。ここで、ウエハ面内での酸化量のばらつきが抑制されるとは、すなわち、電流狭窄層４０の酸化されていない狭窄領域の、ウエハ面内の１９個以上の測定箇所について、狭窄形状の結晶方位＜０１－１＞の幅と結晶方位＜０１０＞の幅とをそれぞれ測定した場合に、各結晶方位の幅の標準偏差が小さく、標準偏差が０．６μｍ以下であることをいう。標準偏差が０．４μｍ以下であることがより好ましい。

なお、（１００）面を上面とする閃亜鉛鉱型の半導体結晶における結晶方位において、使用する基板のオリエンテーションフラット（ＯＦ）が（０１１）面である場合、結晶方位＜０１－１＞はＯＦ水平方向に相当し、結晶方位＜０１０＞はＯＦに対して４５度斜め方向に相当する。

＜電流狭窄層の酸化されていない領域（狭窄形状）の測定方法＞
ウエハ面内の１９個以上の測定箇所は、ウエハ面内の中心Ｐ_１を含む図３に示す１９箇所の位置（Ｐ_１～Ｐ_１９）を有するものとする。１９個を超えて測定する場合には、図３に示す１９箇所と重ならない位置を測定箇所に選ぶものとする。測定箇所Ｐ_１～Ｐ_１９の位置は、下記のとおり定める。

まず、ウエハ中心を点Ｐ_１とする。ＯＦと平行かつ点Ｐ_１を通過する直線において、ウエハエッジから距離Ｌ_１内側の２点をそれぞれ点Ｐ_２、Ｐ_３と定める。次に、ＯＦと平行な辺を含み、一辺の長さをＬ_２とする正方形の各辺の頂点及び各辺を３等分した点を、時計回りにＰ_４、Ｐ_５、・・・Ｐ_１５と定める。さらに、ＯＦと平行な辺を含み、一辺の長さをＬ_３とする正方形の各辺の頂点を時計回りにＰ_１６、Ｐ_１７、Ｐ_１８、Ｐ_１９と定める。距離Ｌ_１、Ｌ_２、Ｌ_３は、それぞれウエハ径の５／７６、１１／２０、１１／６４とする。

狭窄形状の測定方法としては、酸化によって透過率が変わることを利用して、狭窄形状を俯瞰した位置から例えば赤外線カメラを用いて撮影すればよい。撮影画像を観察し、酸化した領域と酸化していない領域とのコントラスト差から電流狭窄層の酸化されていない領域（狭窄形状）のサイズを測定することができる。

＜電流狭窄層の酸化されていない領域（狭窄形状）の形について＞
メサ構造と同じく電流狭窄層の酸化されていない領域（狭窄形状）は、半導体積層体を俯瞰してみた場合の形が円形、四角形や六角形などの多角形とすることができ、また、長方形のように縦横比を変えてもよい。

＜異方性の抑制について＞
本発明の製造方法に従い、電流狭窄層４０の酸化されていない領域（狭窄形状）、つまり高Ａｌ組成層４１の形状精度が上がる。メサ構造の特定パターンが円形であり、ＡｌｘＧａ１－ｘＡｓ（０．９≦ｘ＜１）からなる高Ａｌ組成層４１を含む電流狭窄層４０を形成する場合、狭窄形状も円形となる。そして、円形における結晶方位＜０１－１＞の幅（狭窄形状の直径）に対する結晶方位＜０１０＞の幅（狭窄形状の直径）の比の平均を、１００～１０２％と、従来に比べて高精度にすることができる。メサ構造と狭窄形状がともにひずみの無い円であると、電流の広がり方が均一となりやすく、半導体素子としての効率を上げることができるため好ましい。なお、以下の実施例において狭窄形状の直径を狭窄径とも記載する。

次に、実施例を用いて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではない。

［実施例１］
３インチのｎ型ＧａＡｓ基板を用意した。次いで、ＭＯＣＶＤ法により、上記ＧａＡｓ基板（１００）面上に、Ａｌ_０．８６Ｇａ_０．１４Ａｓ（７０ｎｍ）とＡｌ_０．０６Ｇａ_０．９４Ａｓ（６０ｎｍ）のペアを繰り返して４６ペア積層することで合計膜厚６μｍの下部反射層（下部ＤＢＲ）を結晶成長させた。下部反射層上に、発光層としてＩｎ_０．２３Ｇａ_０．７７Ａｓを厚さ３０ｎｍ結晶成長させた後、高Ａｌ組成層としてＡｌ_{０．９６３}Ｇａ_{０．０３７}Ａｓを３０ｎｍ結晶成長させた。高Ａｌ組成層上に、Ａｌ_０．８６Ｇａ_０．１４Ａｓ（７０ｎｍ）とＡｌ_０．０６Ｇａ_０．９４Ａｓ（６０ｎｍ）のペアを繰り返して１８ペア積層することで合計膜厚２．３μｍの上部反射層（上部ＤＢＲ）を結晶成長させた。

次いで、上記上部反射層の上面にレジストを塗布し、フォトリソグラフィにより直径５０μｍの円が２２０μｍ間隔で縦横に並ぶパターンに配置されたレジストマスクを形成した。その後、ドライエッチング装置によって、レジストマスクによりマスクされていない領域を上部反射層から下部反射層の一部が露出するまでエッチングした。これにより、上部反射層、高Ａｌ組成層、発光層、および下部反射層の一部が円筒状に特定のパターンで立ち並ぶメサ構造を作製した、高Ａｌ組成層の側壁は円筒の外周として露出した状態となる。

続いて、水蒸気酸化装置を用いて酸化処理を行った。酸化処理では、Ａｌ組成比の大きい層（本実施例１では、高Ａｌ組成層および下部反射層と上部反射層の一部に相当）が上記の円筒状の側壁から円筒の中心に向かう方向に酸化される。水蒸気酸化装置では、純水気化器において製造された１８０℃の水蒸気を、１２０℃の窒素ガスと混合し、処理チャンバ―内において５４０℃に加熱されたステージに搭載されたウエハの上記メサ構造に吹き付けた。このとき、処理チャンバ―の圧力は常圧とし、水蒸気を０．１ｇ／ｍｉｎ、および窒素ガスのガス流量を２０Ｌ／ｍｉｎに調整することによって、吹き付けるガスの水蒸気濃度を１分あたり０．００５ｇ／Ｌとし、高Ａｌ組成層周辺の雰囲気中の水蒸気含有量が０．００５ｇ／Ｌとなるようにした。酸化処理の時間を１１０分間とし、水蒸気を含むガスの供給を停止すると共に２５℃の窒素ガスをウエハの上記メサ構造に吹き付けることで酸化処理を停止させた。

続いて、酸化処理後のウエハの酸化量の計測を行った。赤外線カメラを用いて、上部反射層側からウエハ面内の１９カ所（ＯＦを紙面下方向にし、前述した図３に示す位置）において、メサ径（外周径）と、酸化されていない領域の径（狭窄径）をそれぞれ測定した。

レジストマスクを円形としたため、ドライエッチングにより形成されるメサ形状は円形であり、メサ径は当該円形の直径に相当する。そのため、メサ径は基板のオリフラ（０１１面）と水平方向の直径を代表値として測定した。酸化による狭窄径については、オリフラと水平方向である＜０１－１＞方位の直径（水平狭窄径）だけでなく、オリフラに対し４５°傾いた斜め方向である＜０１０＞方位の直径（斜め狭窄径）についても測定した。
なお、狭窄径は、赤外線カメラ（浜松ホトニクス製Ｃ９５９７－４２Ｕ）を用いて観察した。酸化された領域と酸化されていない領域とでコントラスト差が生じるために、内蔵されている２点間距離計測の機能によって直径（狭窄径）を測定した。狭窄径を測定する際の赤外線カメラ写真のうち、点Ｐ_１６及び点Ｐ_４の写真を代表例として図に示す。なお、各写真の中央部における濃色部が非酸化領域であり、当該濃色部を取囲む淡色部が酸化領域である。

［実施例２］
酸化処理の時間を１００分間とした以外は、実施例１と同様にした。

［実施例３］
酸化処理の時間を４０分間とした以外は、実施例１と同様にした。

［比較例１］
酸化処理において、水蒸気を１．２ｇ／ｍｉｎおよび窒素ガスのガス流量を２０Ｌ／ｍｉｎに調整することによって、吹き付けるガスの水蒸気濃度を１分あたり０．０６ｇ／Ｌとして高Ａｌ組成層周辺の雰囲気中の水蒸気含有量が０．０６ｇ／Ｌとなるようにし、ステージ温度を５２０℃、酸化処理の時間を２９分４０秒間（２９．７分間）とした以外は、実施例１と同様にした。また、狭窄径を測定する際の赤外線カメラ写真のうち、点Ｐ_１６及び点Ｐ_４の写真を代表例として図に示す。

［比較例２］
酸化処理において、水蒸気を１．２ｇ／ｍｉｎおよび窒素ガスのガス流量を２０Ｌ／ｍｉｎに調整することによって、吹き付けるガスの水蒸気濃度を１分あたり０．０６ｇ／Ｌとして高Ａｌ組成層周辺の雰囲気中の水蒸気含有量が０．０６ｇ／Ｌとなるようにし、酸化処理の時間を１５分間とした以外は、実施例１と同様にした。

［比較例３］
酸化処理において、水蒸気を０．４ｇ／ｍｉｎおよび窒素ガスのガス流量を２０Ｌ／ｍｉｎに調整することによって、吹き付けるガスの水蒸気濃度を１分あたり０．０２ｇ／Ｌとして高Ａｌ組成層周辺の雰囲気中の水蒸気含有量が０．０２ｇ／Ｌとなるようにし、酸化処理の時間を４０分間とした以外は、実施例１と同様にした。

実施例１～３および比較例１～３に係る酸化処理による酸化による狭窄径の評価を行った結果を表１に示す。なお、表中の水平狭窄径（μｍ）と斜め狭窄径（μｍ）については、図３に示す１９か所の平均値と標準偏差（σ）の値をそれぞれ示し、斜め狭窄径と水平狭窄径との比率を「斜め／水平」（％）として表１に記載した。

表１の結果より、実施例１～３においては比較例１～３に比べて酸化処理時間は長くなるものの、狭窄径のばらつきを示す標準偏差（σ）の値が小さい。したがって、実施例１～３では、ウエハ面内での酸化量のばらつきを抑制できることが分かった。また、斜め／水平の割合が１００％に近いことから、メサ形状に対してより等方的に（異方性の影響を抑えて）酸化させることができることが分かった。

（評価１：Ａｌ組成による酸化レートの違いの評価）
上記の実施例１と比較例１ではＡｌ_{０．９６３}Ｇａ_{０．０３７}Ａｓを３０ｎｍ結晶成長後、酸化処理して電流狭窄層を形成した。これに替えて、電流狭窄層をＡｌ_{０．９７６}Ｇａ_{０．０２４}Ａｓから形成したサンプルと、電流狭窄層をＡｌＡｓから形成したサンプルとを用意して、ウエハ中央（図３の点Ｐ_１）における電流狭窄層のＡｌ組成の違いによる酸化レート（＝（メサ径－狭窄径）／２／処理時間）を測定した。水蒸気濃度０．０６ｇ／Ｌ・分、５２０℃での酸化処理の結果を図５に、水蒸気濃度０．００５ｇ／Ｌ・分、５４０℃での酸化処理の結果を図６に、それぞれ示す。

図５，６のグラフより、本製造方法に従って酸化処理を行った方が、Ａｌ組成差による酸化レートの変化を僅かに小さくできることが分かった。このことが、表１の狭窄径のばらつきの抑制につながっている可能性がある。

（評価２：順方向電圧の評価）
酸化処理後のウエハについて、上面反射層上にＡｕ／Ｚｎからなる金属層を蒸着し、４６０℃でのアニール処理を行って上面電極とした。その後、ＧａＡｓ基板裏面にＡｕ／Ｎｉ／Ｇｅからなる金属層を蒸着し裏面電極とし、４１０℃でのアニール処理を行って裏面電極とした。

ダイサーを用いてメサ構造の下部反射層の一部が露出した部分を切断して、個々の面発光レーザのチップとなるように分割した。チップを金属ステム上で銀ペーストを用いてマウントし、金ワイヤーを用いて上面電極にワイヤボンディングを行った。

定電流電圧測定装置を用いて電流１０ｍＡを流した時の順方向電圧を、ウエハ面内のウエハ中央からウエハ外周まで径方向に等間隔に１０カ所（オリフラ水平方向）にわたって測定した。比較例１、比較例３、実施例１における測定結果を図７に示す。

図７より、本発明の製造方法における酸化工程のように、水蒸気濃度を小さくすることで、ウエハ面内での順方向電圧のばらつきを低減できることが確認できた。

本発明によれば、従来よりもウエハ面内での酸化量のばらつきを抑制し、狭窄形状のばらつきが少ない品質が安定した面発光レーザなどの半導体素子を大量に提供することができる。

１ 半導体素子
１０ 基板
２０ 下部反射層
３０ 発光層
４０ 電流狭窄層
４１ 高Ａｌ組成層
４２ 酸化領域
５０ 上部反射層
１００ 水蒸気酸化装置

Claims (2)

1. ３インチ以上の基板上に少なくともＡｌ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ（０．９≦ｘ≦１）からなる高Ａｌ組成層を含む半導体積層体を有し、
   少なくとも前記高Ａｌ組成層を含む電流狭窄層の側面が露出したメサ構造を具え、
   前記高Ａｌ組成層は、前記メサ構造の外周側に設けられ、かつ前記高Ａｌ組成層と同一面内にある酸化領域に挟持されて電流狭窄層を構成し、
   酸化されていない狭窄領域を俯瞰して、下記で定義される１９箇所の位置（Ｐ _１ ～Ｐ _１９ ）を含むウエハ面内の１９個以上の狭窄形状を測定した場合に、狭窄形状の結晶方位＜０１－１＞の幅と、結晶方位＜０１０＞の幅との標準偏差がいずれも０．６μｍ以下であり、
   前記結晶方位＜０１－１＞の幅に対する前記結晶方位＜０１０＞の幅の比の平均が１００～１０２％であることを特徴とするエピタキシャルウエハ。
   記
   前記１９箇所の位置（Ｐ _１ ～Ｐ _１９ ）は、
   距離Ｌ _１ 、Ｌ _２ 、Ｌ _３ を、それぞれ前記ウエハのウエハ径の５／７６、１１／２０、１１／６４と定めて；
   前記ウエハの中心を点Ｐ _１ とし；
   オリエンテーションフラットと平行かつ前記点Ｐ _１ を通過する直線において、前記ウエハのエッジから前記距離Ｌ _１ 内側の２点をそれぞれ点Ｐ _２ 、Ｐ _３ と定め；
   前記オリエンテーションフラットと平行な辺を含み、一辺の長さを前記距離Ｌ _２ とする正方形の各辺の頂点及び各辺を３等分した点を、時計回りに点Ｐ _４ 、Ｐ _５ 、・・・、Ｐ _１５ と定め；
   前記オリエンテーションフラットと平行な辺を含み、一辺の長さを前記距離Ｌ _３ とする正方形の各辺の頂点を時計回りに点Ｐ _１６ 、Ｐ _１７ 、Ｐ _１８ 、Ｐ _１９ と定める。ただし、前記１９箇所の位置を超えて前記狭窄形状を測定する場合には、前記１９箇所の位置と重ならない位置を測定箇所に選ぶものとする。
2. 前記狭窄形状が円形である、請求項１に記載のエピタキシャルウエハ。

Images