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JP4634066B2 - Method for forming a semiconductor layer - Google Patents
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Description

本発明は、半導体層を形成する方法に関する。   The present invention relates to a method for forming a semiconductor layer.

文献1(T. Hakkarainen et al., J. Cryst. Growth 234 (2002) pp631.)には、TBAsからMOVPE炉内に形成されたヒ素雰囲気中でGaInNAs半導体膜の熱アニールを行うことが記載されている。熱アニールのための雰囲気は、TBAsから形成されているので、ヒ素および水素を含む。   Reference 1 (T. Hakkarainen et al., J. Cryst. Growth 234 (2002) pp631.) Describes thermal annealing of GaInNAs semiconductor films in an arsenic atmosphere formed from TBAs in a MOVPE furnace. ing. Since the atmosphere for thermal annealing is formed from TBAs, it contains arsenic and hydrogen.

文献2(H. Saito et al., J. Cryst. Growth 195 (1998) pp 416.)には、熱アニール専用の装置を用いてGaInNAs/GaAs量子井戸に熱アニールを窒素雰囲気中で施すことが記載されている。降温過程も窒素雰囲気中で行われている。   Reference 2 (H. Saito et al., J. Cryst. Growth 195 (1998) pp 416.) describes that thermal annealing is performed on GaInNAs / GaAs quantum wells in a nitrogen atmosphere using a dedicated thermal annealing apparatus. Are listed. The temperature lowering process is also performed in a nitrogen atmosphere.

文献3(H. Saito et al., J. Cryst. Growth 195 (1998) pp 416.)には、GaInNAs半導体の構造変化が熱アニールにより生じることが記載されている。
T. Hakkarainen et al., J. Cryst. Growth 234 (2002) pp631. H. Saito et al., J. Cryst. Growth 195 (1998) pp416. S. Kurtz et al., Appl. Phys. Lett. 78 (2001) pp748.
Reference 3 (H. Saito et al., J. Cryst. Growth 195 (1998) pp 416.) describes that a structural change of a GaInNAs semiconductor is caused by thermal annealing.
T. Hakkarainen et al., J. Cryst. Growth 234 (2002) pp631. H. Saito et al., J. Cryst. Growth 195 (1998) pp416. S. Kurtz et al., Appl. Phys. Lett. 78 (2001) pp748.

発明者らの実験によれば、ガリウム元素、インジウム元素、ヒ素元素および窒素元素を含むIII−V化合物半導体、例えばGaInNAs半導体が、活性水素雰囲気でアニールされる場合、半導体中にN―H結合が生成され、この半導体の光学特性が向上する。しかしながら、この半導体のアニールにおいて、降温過程の処理に依っては、該光学特性が劣化することが明らかになっている。 According to the experiments by the inventors, when a III-V compound semiconductor containing gallium element, indium element, arsenic element and nitrogen element, for example, GaInNAs semiconductor is annealed in an active hydrogen atmosphere, N—H 2 bond is present in the semiconductor. Is generated, and the optical characteristics of the semiconductor are improved. However, it has been clarified that in the annealing of the semiconductor, the optical characteristics are deteriorated depending on the temperature lowering process.

文献3によれば、熱アニールによって、GaInNAs半導体のN−H結合(3101cm−1)がN−H結合(3124cm−1)に変化する。一方、文献2によれば、窒素といった不活性なガス雰囲気中でGaInNAs半導体膜がアニールされているので、活性水素中における熱アニールが行われていない。不活性なガス雰囲気中でGaInNAs半導体膜をアニールすると、水素が脱離しやすくなるため、文献3に記載された化学結合の変化が生じにくくなる。 According to Literature 3, the thermal annealing changes the N—H bond (3101 cm −1 ) of the GaInNAs semiconductor to the N—H 2 bond (3124 cm −1 ). On the other hand, according to Document 2, since the GaInNAs semiconductor film is annealed in an inert gas atmosphere such as nitrogen, thermal annealing in active hydrogen is not performed. When the GaInNAs semiconductor film is annealed in an inert gas atmosphere, hydrogen is easily desorbed, so that the chemical bond change described in Document 3 is less likely to occur.

文献1によれば、TBAs雰囲気の熱アニールのため活性水素は供給されているが、降温過程に何らの工夫が行われていない。これでは、降温過程において、GaInNAs半導体膜の光学特性が劣化する。この文献では、熱アニールのため活性水素がどのように働いているかについて考慮されていない。   According to Reference 1, active hydrogen is supplied for thermal annealing in a TBAs atmosphere, but no contrivance has been made in the temperature lowering process. This degrades the optical characteristics of the GaInNAs semiconductor film in the temperature lowering process. This document does not consider how active hydrogen works for thermal annealing.

そこで、本発明は、上記の事項を鑑みて為されたものであり、ガリウム元素、インジウム元素、ヒ素元素および窒素元素を含んでおり良好な光学特性を示すIII−V化合物半導体から形成される半導体層を形成する方法を提供することを目的としている。   Therefore, the present invention has been made in view of the above matters, and is a semiconductor formed of a III-V compound semiconductor containing gallium element, indium element, arsenic element, and nitrogen element and exhibiting good optical characteristics. The object is to provide a method of forming a layer.

本発明の一側面によれば、半導体層を形成する方法に係る。この方法は、(a)ガリウム元素、インジウム元素、ヒ素元素および窒素元素を含むIII−V化合物半導体から成る半導体層をガリウムヒ素基板上に有機金属気相成長法で形成する工程と、(b)活性水素を含む雰囲気中で前記半導体層に熱処理を施す工程と、(c)前記半導体層の熱処理が完了した後に、活性水素を含まない雰囲気中で前記熱処理の温度から降温する工程とを含み、前記熱処理の温度は摂氏510度以上であり、前記熱処理の温度は摂氏720度未満であることを特徴とする。

One aspect of the invention relates to a method for forming a semiconductor layer. This method includes (a) forming a semiconductor layer made of a III-V compound semiconductor containing gallium element, indium element, arsenic element and nitrogen element on a gallium arsenide substrate by metal organic vapor phase epitaxy; and (b) Performing a heat treatment on the semiconductor layer in an atmosphere containing active hydrogen; and (c) lowering the temperature from the temperature of the heat treatment in an atmosphere not containing active hydrogen after the heat treatment of the semiconductor layer is completed. The temperature of the heat treatment is 510 degrees Celsius or more, and the temperature of the heat treatment is less than 720 degrees Celsius.

この発明によれば、活性水素を含む雰囲気中で半導体層に熱処理をした後に、活性水素を含まない雰囲気中で半導体層の温度を熱処理の温度から下げるので、半導体層の光学特性を向上させることができる。   According to the present invention, after the semiconductor layer is heat-treated in an atmosphere containing active hydrogen, the temperature of the semiconductor layer is lowered from the temperature of the heat treatment in an atmosphere not containing active hydrogen, thereby improving the optical characteristics of the semiconductor layer. Can do.

本発明は、ガリウム元素、インジウム元素、ヒ素元素および窒素元素を含むIII−V化合物半導体から成る半導体層を形成した後に、III−V化合物半導体から成る一又は複数の別の半導体層を形成する工程を更に備え、前記熱処理は、別の半導体層を形成した後に行われるようにしてもよい。   According to the present invention, after forming a semiconductor layer made of a III-V compound semiconductor containing a gallium element, indium element, arsenic element and nitrogen element, one or more other semiconductor layers made of a III-V compound semiconductor are formed. The heat treatment may be performed after another semiconductor layer is formed.

この方法によれば、活性水素を含む雰囲気中で半導体層に熱処理をした後に、活性水素を含まない雰囲気中で半導体層の温度を熱処理の温度から下げるので、半導体層の光学特性を向上させることができることに加えて、急峻なヘテロ界面を形成できる。   According to this method, after the semiconductor layer is heat-treated in an atmosphere containing active hydrogen, the temperature of the semiconductor layer is lowered from the temperature of the heat treatment in an atmosphere not containing active hydrogen, thereby improving the optical characteristics of the semiconductor layer. In addition to being capable of forming a steep hetero interface.

本発明では、前記熱処理の温度は摂氏510度以上であり、前記熱処理の温度は摂氏720度未満であることが好ましい。   In the present invention, the temperature of the heat treatment is preferably 510 degrees Celsius or more, and the temperature of the heat treatment is preferably less than 720 degrees Celsius.

この発明によれば、熱処理の温度が摂氏510度以上であれば、半導体層の光学特性が向上される。熱処理の温度が摂氏720度以上であると、半導体層の光学特性を向上させることができない。   According to this invention, when the temperature of the heat treatment is 510 degrees Celsius or higher, the optical characteristics of the semiconductor layer are improved. If the heat treatment temperature is 720 degrees Celsius or higher, the optical characteristics of the semiconductor layer cannot be improved.

本発明では、前記半導体層に熱処理を施す前記工程では、活性水素を形成するための水素化物原料を供給して、前記活性水素を含む雰囲気を形成していることが好ましい。   In the present invention, it is preferable that in the step of performing a heat treatment on the semiconductor layer, a hydride raw material for forming active hydrogen is supplied to form an atmosphere containing the active hydrogen.

この発明によれば、水素化物原料を用いることは、活性水素を含む雰囲気を形成するために好適である。   According to this invention, it is preferable to use a hydride raw material in order to form an atmosphere containing active hydrogen.

本発明では、前記水素化物原料は、AsH3、PH3、SiH4、Si2H6、HF、HCl、HBr、HAt、H2O、H2S、H2Se、H2Te、H2Po、NH3、SbH3、BiH3、CH4、GeH4、SnH3、PbH3、BH3、PH5、AsH5、SbH5、SH4、SH6、SeH4、SeH6、TeH4、TeH6、IH3、IH5、AlH3、GaH3、(CH3)3Al、(C6H15)AlO、(CH3)2AlH、(C2H5)3Al、(CH3)3Sb、(C2H5)3Sb、C6H18N3Sb、(CH3)3As、C6H18N3As、(CH3)3Bi、(CH3)2Cd、CHCl3、(CH3)3Ga、(C2H5)3Ga、(CH3)3In、(C2H5)3In、(C5H5)2Mg、(C6H7)2Mg、(CH3)2NNH2、(CH3)3CNH2、(CH3)2Se、(CH3)2Te、(C2H5)2Te、(C3H7)2Te、(C2H5)2Zn、(CH3)2Zn、C4H11P、C4H11As、(C2H5)4Si、(C5H5)2Fe 、HI、BiH3、C2H3CN、CH3Cl、HCN、CH3Br、C2H2、C2H4、C2H6、C3H6、C3H8、C4H6、C4H10、C6H6、(CH3)2O、B2H6、GeH4、SiH2Cl2、SiHCl3、SnH4、N2H4、CH3NHNH2のうちの少なくとも一の水素化物を含むことができる。 In the present invention, the hydride raw material is AsH 3 , PH 3 , SiH 4 , Si 2 H 6 , HF, HCl, HBr, HAt, H 2 O, H 2 S, H 2 Se, H 2 Te, H 2 Po, NH 3, SbH 3, BiH 3, CH 4, GeH 4, SnH 3, PbH 3, BH 3, PH 5, AsH 5, SbH 5, SH 4, SH 6, SeH 4, SeH 6, TeH 4, TeH 6, IH 3, IH 5 , AlH 3, GaH 3, (CH 3) 3 Al, (C 6 H 15) AlO, (CH 3) 2 AlH, (C 2 H 5) 3 Al, (CH 3) 3 Sb, (C 2 H 5 ) 3 Sb, C 6 H 18 N 3 Sb, (CH 3 ) 3 As, C 6 H 18 N 3 As, (CH 3 ) 3 Bi, (CH 3 ) 2 Cd, CHCl 3 , (CH 3 ) 3 Ga, (C 2 H 5 ) 3 Ga, (CH 3 ) 3 In, (C 2 H 5 ) 3 In, (C 5 H 5 ) 2 Mg, (C 6 H 7 ) 2 Mg, (CH 3 ) 2 NNH 2 , (CH 3 ) 3 CNH 2 , (CH 3 ) 2 Se, (CH 3 ) 2 Te, (C 2 H 5 ) 2 Te, (C 3 H 7 ) 2 Te, (C 2 H 5 ) 2 Zn, (CH 3 ) 2 Zn, C 4 H 11 P, C 4 H 11 As, (C 2 H 5 ) 4 Si, (C 5 H 5 ) 2 Fe, HI, BiH 3 , C 2 H 3 CN, CH 3 Cl, HCN, CH 3 Br, C 2 H 2 , C 2 H 4 , C 2 H 6 , C 3 H 6 , C 3 H 8 , C 4 H 6 , C 4 H 10, C 6 H 6, ( CH 3) 2 O, B 2 H 6, GeH 4 SiH 2 Cl 2, SiHCl 3, SnH 4, N 2 H 4, may include at least one hydride of CH 3 NHNH 2.

この発明によれば、上記の水素化物原料を用いて、活性水素を含む雰囲気を形成できる。   According to this invention, an atmosphere containing active hydrogen can be formed using the hydride raw material.

本発明では、前記半導体層に熱処理を施す前記工程では、水素および前記水素化物の少なくともいずれか一の物質のプラズマをRFプラズマ法またはECRプラズマ法により形成して前記活性水素を生成することができる。   In the present invention, in the step of performing the heat treatment on the semiconductor layer, the active hydrogen can be generated by forming a plasma of at least one of hydrogen and the hydride by an RF plasma method or an ECR plasma method. .

この発明によれば、RFプラズマ法またはECRプラズマ法により効率よく活性水素を生成することはできる。   According to the present invention, active hydrogen can be efficiently generated by the RF plasma method or the ECR plasma method.

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。   The above and other objects, features, and advantages of the present invention will become more readily apparent from the following detailed description of preferred embodiments of the present invention, which proceeds with reference to the accompanying drawings.

以上説明したように、本発明によれば、ガリウム元素、インジウム元素、ヒ素元素および窒素元素を含んでおり良好な光学特性を示すIII−V化合物半導体の半導体層を形成する方法が提供される。   As described above, according to the present invention, there is provided a method for forming a semiconductor layer of a III-V compound semiconductor containing gallium element, indium element, arsenic element, and nitrogen element and exhibiting good optical characteristics.

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、本発明の半導体層を形成する方法に係わ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。
(第1の実施の形態)
図1(A)、図1(B)および図1(C)は、ガリウム元素、インジウム元素、ヒ素元素および窒素元素を含むIII−V化合物半導体の半導体層を形成する方法に係る実施の形態を示す図面である。
The knowledge of the present invention can be easily understood by considering the following detailed description with reference to the accompanying drawings shown as examples. Subsequently, embodiments of the method for forming a semiconductor layer of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. Where possible, the same parts are denoted by the same reference numerals.
(First embodiment)
1A, 1B, and 1C illustrate an embodiment of a method for forming a semiconductor layer of a III-V compound semiconductor containing a gallium element, an indium element, an arsenic element, and a nitrogen element. FIG.

図1(A)に示されるように、ガリウム元素、インジウム元素、ヒ素元素および窒素元素を含むIII−V化合物半導体から成る半導体層を形成する。半導体基板11を準備する。半導体基板11は、減圧有機金属気相成長(MOVPE)装置といった成膜装置17内に配置される。本実施例では、半導体基板11は、例えば(100)面を有するガリウムヒ素基板であることができる。このガリウムヒ素基板上にガリウムヒ素半導体膜13をエピタキシャル成長する。ガリウムヒ素半導体膜13は、例えば、トリエチルガリウム(TEGa)およびターシャリブチルアルシン(TBAs)を含む原料ガス並びに水素を含むキャリアガスを用いて堆積される。ガリウムヒ素半導体膜13上には、ガリウム元素、インジウム元素、ヒ素元素および窒素元素を含むIII−V化合物半導体、例えばGaInNAs半導体膜15をエピタキシャル成長する。GaInNAs半導体膜15は、例えば、トリエチルガリウム(TEGa)、トリメチルインジウム(TMIn)、ターシャリブチルアルシン(TBAs)およびジメチルヒドラジン(DMHy)を含む原料ガス並びに水素を含むキャリアガスを用いて堆積される。半導体膜13および15の堆積が完了した後に、成膜のための温度TDepから熱アニールのための温度TAnnへ基板の温度を変更する。 As shown in FIG. 1A, a semiconductor layer made of a III-V compound semiconductor containing a gallium element, an indium element, an arsenic element, and a nitrogen element is formed. A semiconductor substrate 11 is prepared. The semiconductor substrate 11 is disposed in a film forming apparatus 17 such as a low pressure metal organic chemical vapor deposition (MOVPE) apparatus. In this embodiment, the semiconductor substrate 11 can be, for example, a gallium arsenide substrate having a (100) plane. A gallium arsenide semiconductor film 13 is epitaxially grown on the gallium arsenide substrate. The gallium arsenide semiconductor film 13 is deposited using a source gas containing triethylgallium (TEGa) and tertiarybutylarsine (TBAs) and a carrier gas containing hydrogen, for example. On the gallium arsenide semiconductor film 13, a III-V compound semiconductor containing gallium element, indium element, arsenic element and nitrogen element, for example, a GaInNAs semiconductor film 15 is epitaxially grown. The GaInNAs semiconductor film 15 is deposited using, for example, a source gas containing triethylgallium (TEGa), trimethylindium (TMIn), tertiarybutylarsine (TBAs) and dimethylhydrazine (DMHy) and a carrier gas containing hydrogen. After the deposition of the semiconductor films 13 and 15 is completed, the temperature of the substrate is changed from the temperature T Dep for film formation to the temperature T Ann for thermal annealing.

図1(B)に示されるように、熱アニール温度TAnnにおいて半導体層を熱処理する。この熱処理19は、例えば成膜装置を用いて行うことができる。また、熱処理19は、活性水素23を含む雰囲気21中で行われる。半導体層13および/または15からのヒ素抜けを防止するために、上記雰囲気21は、ヒ素蒸気25を含むことが好ましい。熱処理19の温度TAnnは摂氏510度以上であることが好ましい。熱処理19の温度TAnnが摂氏510度以上であれば、半導体デバイスの光学特性が向上される。また、熱処理19の温度TAnnは摂氏720度未満であることが好ましい。熱処理の温度TAnnが摂氏720度以上であると、半導体デバイスの光学特性が向上しない。この方法によれば、比較的低温で光学特性の良好な窒化物半導体膜を得ることができる。また、製造設備への負担も少なく、相互拡散の少ない良質なヘテロ界面を有するエピタキシャル成長膜の形成に有利である。 As shown in FIG. 1B, the semiconductor layer is heat-treated at a thermal annealing temperature T Ann . This heat treatment 19 can be performed using, for example, a film forming apparatus. The heat treatment 19 is performed in an atmosphere 21 containing active hydrogen 23. In order to prevent arsenic escape from the semiconductor layers 13 and / or 15, the atmosphere 21 preferably contains arsenic vapor 25. The temperature T Ann of the heat treatment 19 is preferably 510 degrees Celsius or higher. When the temperature T Ann of the heat treatment 19 is 510 degrees Celsius or higher, the optical characteristics of the semiconductor device are improved. The temperature T Ann of the heat treatment 19 is preferably less than 720 degrees Celsius. When the temperature T Ann of the heat treatment is 720 degrees Celsius or higher, the optical characteristics of the semiconductor device are not improved. According to this method, a nitride semiconductor film having good optical characteristics at a relatively low temperature can be obtained. Further, it is advantageous for forming an epitaxially grown film having a good quality heterointerface with less burden on manufacturing equipment and less interdiffusion.

半導体層13、15に熱処理19を施す工程では、ターシャリブチルアルシンといった水素化物原料を供給して活性水素23を含む雰囲気21を形成することができる。水素化物原料を用いることによって、活性水素を含む雰囲気を成膜の環境に応じて形成することができる。水素化物原料は、これらに限定されることはなく、例示的に列記すれば、水素化物原料は、AsH3、PH3、SiH4、Si2H6、HF、HCl、HBr、HAt、H2O、H2S、H2Se、H2Te、H2Po、NH3、SbH3、BiH3、CH4、GeH4、SnH3、PbH3、BH3、PH5、AsH5、SbH5、SH4、SH6、SeH4、SeH6、TeH4、TeH6、IH3、IH5、AlH3、GaH3、(CH3)3Al、(C6H15)AlO、(CH3)2AlH、(C2H5)3Al、(CH3)3Sb、(C2H5)3Sb、C6H18N3Sb、(CH3)3As、C6H18N3As、(CH3)3Bi、(CH3)2Cd、CHCl3、(CH3)3Ga、(C2H5)3Ga、(CH3)3In、(C2H5)3In、(C5H5)2Mg、(C6H7)2Mg、(CH3)2NNH2、(CH3)3CNH2、(CH3)2Se、(CH3)2Te、(C2H5)2Te、(C3H7)2Te、(C2H5)2Zn、(CH3)2Zn、C4H11P、C4H11As、(C2H5)4Si、(C5H5)2Fe 、HI、BiH3、C2H3CN、CH3Cl、HCN、CH3Br、C2H2、C2H4、C2H6、C3H6、C3H8、C4H6、C4H10、C6H6、(CH3)2O、B2H6、GeH4、SiH2Cl2、SiHCl3、SnH4、N2H4、CH3NHNH2のうちの少なくとも一の水素化物を含むことができる。一実施例では、水素化物の圧力は、10パスカル以上101300パスカル以下であることが好ましい。上記の水素化物原料を用いて、活性水素を含む雰囲気を形成できる。熱アニールが完了した後に、熱アニールのために用いた装置のチャンバから活性水素を除いて、活性水素を含まない雰囲気を形成する。 In the step of performing the heat treatment 19 on the semiconductor layers 13 and 15, an atmosphere 21 containing active hydrogen 23 can be formed by supplying a hydride raw material such as tertiary butylarsine. By using a hydride raw material, an atmosphere containing active hydrogen can be formed according to the film formation environment. The hydride raw material is not limited to these, and exemplarily listed, the hydride raw material is AsH 3 , PH 3 , SiH 4 , Si 2 H 6 , HF, HCl, HBr, HAt, H 2 O, H 2 S, H 2 Se, H 2 Te, H 2 Po, NH 3 , SbH 3 , BiH 3 , CH 4 , GeH 4 , SnH 3 , PbH 3 , BH 3 , PH 5 , AsH 5 , SbH 5 , SH 4, SH 6, SeH 4, SeH 6, TeH 4, TeH 6, IH 3, IH 5, AlH 3, GaH 3, (CH 3) 3 Al, (C 6 H 15) AlO, (CH 3) 2 AlH, (C 2 H 5 ) 3 Al, (CH 3 ) 3 Sb, (C 2 H 5 ) 3 Sb, C 6 H 18 N 3 Sb, (CH 3 ) 3 As, C 6 H 18 N 3 As , (CH 3 ) 3 Bi, (CH 3 ) 2 Cd, CHCl 3 , (CH 3 ) 3 Ga, (C 2 H 5 ) 3 Ga, (CH 3 ) 3 In, (C 2 H 5 ) 3 In, (C 5 H 5 ) 2 Mg, (C 6 H 7 ) 2 Mg, (CH 3 ) 2 NNH 2 , (CH 3 ) 3 CNH 2 , (CH 3 ) 2 Se, (CH 3 ) 2 Te, (C 2 H 5 ) 2 Te, (C 3 H 7 ) 2 Te, (C 2 H 5 ) 2 Zn, (CH 3 ) 2 Zn, C 4 H 11 P, C 4 H 11 As, (C 2 H 5 ) 4 Si, (C 5 H 5 ) 2 Fe, HI, BiH 3 , C 2 H 3 CN, CH 3 Cl, HCN, CH 3 Br, C 2 H 2 , C 2 H 4 , C 2 H 6 , C 3 H 6 , C 3 H 8 , C 4 H 6 , C 4 H 10 , C 6 H 6 , (CH 3 ) 2 O, B 2 H 6 , GeH 4 , SiH 2 Cl 2 , SiHCl 3 , SnH 4 , N 2 H 4 , At least one hydride of CH 3 NHNH 2 may be included. In one embodiment, the hydride pressure is preferably 10 Pascals or more and 101300 Pascals or less. An atmosphere containing active hydrogen can be formed using the hydride raw material. After the thermal annealing is completed, the active hydrogen is removed from the chamber of the apparatus used for the thermal annealing to form an atmosphere containing no active hydrogen.

図1(C)に示されるように、熱アニール19により、熱処理された半導体膜13aおよび15aが提供される。半導体層を熱処理した後に、活性水素を含まない雰囲気中で熱処理の温度TAnnから変更する。この温度変更は、活性水素を含まない雰囲気27中で半導体層の温度を熱処理の温度から下げることが含まれる。このような降温により、半導体層の光学特性を向上させることができる。 As shown in FIG. 1C, the heat-treated semiconductor films 13a and 15a are provided by the thermal annealing 19. After the heat treatment of the semiconductor layer, the temperature is changed from the heat treatment temperature T Ann in an atmosphere containing no active hydrogen. This temperature change includes lowering the temperature of the semiconductor layer from the temperature of the heat treatment in the atmosphere 27 containing no active hydrogen. Such a temperature decrease can improve the optical characteristics of the semiconductor layer.

本実施の形態では、ガリウム元素、インジウム元素、ヒ素元素および窒素元素を含むIII−V化合物半導体から成る半導体層15を形成した後に、III−V化合物半導体から成る一又は複数の別の半導体層を形成することができる。熱処理は、別の半導体層を形成した後に行われる。この方法によれば、活性水素を含む雰囲気中で半導体層に熱処理をした後に、これらの半導体層の温度を活性水素を含まない雰囲気中で熱処理の温度から下げる。これ故に、半導体層の光学特性を向上させることができることに加えて、急峻なヘテロ界面を形成できる。   In this embodiment, after forming the semiconductor layer 15 made of a III-V compound semiconductor containing gallium element, indium element, arsenic element and nitrogen element, one or more other semiconductor layers made of III-V compound semiconductor are formed. Can be formed. The heat treatment is performed after another semiconductor layer is formed. According to this method, after the semiconductor layers are heat-treated in an atmosphere containing active hydrogen, the temperature of these semiconductor layers is lowered from the temperature of the heat treatment in an atmosphere containing no active hydrogen. Therefore, in addition to improving the optical characteristics of the semiconductor layer, a steep hetero interface can be formed.

上記の実施の形態では、活性水素およびヒ素を含む熱処理雰囲気はターシャリブチルアルシンを用いて生成されている。活性水素の生成は、この手法に限定されることは無い。図2(A)および図2(B)は、本実施の形態の変形例のIII−V化合物半導体の半導体層を形成する方法に係る実施の形態を示す図面である。これらの変形例では、ガリウム元素、インジウム元素、ヒ素元素および窒素元素を含むIII−V化合物半導体膜を形成した後に、水素プラズマ中において熱アニール19を行っている。本実施の形態の変形例では、図2(A)に示されるように、水素および水素化物の少なくともいずれか一の物質のプラズマ33をRFプラズマ装置31により形成することができる。RFプラズマ法により、効率よく活性水素を生成することはできる。また、図2(B)に示されるように、水素および水素化物の少なくともいずれか一の物質のプラズマ37をECRプラズマ装置35により形成することができる。ECRプラズマ法により、効率よく活性水素を生成することはできる。ECRプラズマとしての利点は、RFプラズマ法に比べてエピタキシャル結晶へのダメージを少なくできる点にある。   In the above embodiment, the heat treatment atmosphere containing active hydrogen and arsenic is generated using tertiary butylarsine. The generation of active hydrogen is not limited to this method. FIGS. 2A and 2B are drawings showing an embodiment of a method for forming a semiconductor layer of a III-V compound semiconductor according to a modification of the present embodiment. In these modified examples, after forming a III-V compound semiconductor film containing gallium element, indium element, arsenic element, and nitrogen element, thermal annealing 19 is performed in hydrogen plasma. In the modification of the present embodiment, as shown in FIG. 2A, the plasma 33 of at least one of hydrogen and hydride can be formed by the RF plasma apparatus 31. Active hydrogen can be efficiently generated by the RF plasma method. Further, as shown in FIG. 2B, a plasma 37 of at least one of hydrogen and hydride can be formed by an ECR plasma apparatus 35. Active hydrogen can be efficiently generated by the ECR plasma method. The advantage as ECR plasma is that damage to the epitaxial crystal can be reduced as compared with the RF plasma method.

また、RFとECRプラズマの共通の利点は、以下に示す。利点:(1)熱分解しにくい水素や水素化物原料を用いる場合、プラズマ方式は活性水素を効率良く生成することができる。(2)水素等の毒性のないガスを用いてプラズマ方式により活性水素を生成することにより、除害装置を有するMOVPE装置のような高価な装置ではなく、安価な熱処理炉で簡単にアニールすることができるというメリットがある。   The common advantages of RF and ECR plasma are shown below. Advantages: (1) When hydrogen or hydride raw material that is difficult to be thermally decomposed is used, the plasma method can efficiently generate active hydrogen. (2) By generating active hydrogen by plasma method using non-toxic gas such as hydrogen, it is easy to anneal in an inexpensive heat treatment furnace instead of expensive equipment such as MOVPE equipment with abatement equipment. There is a merit that you can.

図3(A)、図3(B)および図3(C)は、上記の実施例に係るGaInNAs半導体層を形成する方法を示す図面である。また、図3(D)、図3(E)および図3(F)は、文献1および文献3に記載されたGaInNAs半導体層を形成する方法を示す図面である。   3A, 3B, and 3C are views showing a method of forming a GaInNAs semiconductor layer according to the above-described embodiment. FIGS. 3D, 3E, and 3F are diagrams illustrating a method of forming a GaInNAs semiconductor layer described in Document 1 and Document 3. FIG.

図3(A)に示されるように、基板41(GaAsウエハ43およびGaAsバッファ層45を含む)上に設けられたGaInNAs半導体層47には、N−H結合49が含まれる。図3(B)に示されるように、活性水素51の雰囲気中で熱アニールを行うことにより、活性水素51の作用によりN−H結合がN−H結合53に変わる。発明者らの実験によれば、多数のN−H結合53を含むGaInNAs半導体層47は、良好な光学特性を示す。活性水素の雰囲気でのアニールではN−H結合が生成され光学特性は向上するが、降温時に活性水素51が供給されていると半導体膜の光学特性が低下する。降温時に混入する活性水素51がN−H結合を形成するか、或いはN−H結合を壊してN−H結合に戻す可能性がある。図3(C)に示されるように、活性水素51を含まない雰囲気中で温度の変更を行うことにより、GaAsバッファ層45aおよびGaInNAs半導体層47aが得られる。GaInNAs半導体層47aに形成されたN−H結合の数が減少することは少ない。 As shown in FIG. 3A, the GaInNAs semiconductor layer 47 provided on the substrate 41 (including the GaAs wafer 43 and the GaAs buffer layer 45) includes N—H bonds 49. As shown in FIG. 3B, by performing thermal annealing in an atmosphere of active hydrogen 51, the N—H bond is changed to the N—H 2 bond 53 by the action of the active hydrogen 51. According to the experiments by the inventors, the GaInNAs semiconductor layer 47 including a large number of N—H 2 bonds 53 exhibits good optical characteristics. In the annealing in an active hydrogen atmosphere, N—H 2 bonds are generated and the optical characteristics are improved. However, if active hydrogen 51 is supplied when the temperature is lowered, the optical characteristics of the semiconductor film are deteriorated. Or the active hydrogen 51 is mixed while cooled to form a N-H bond, or it may be returned to the N-H bond breaking the N-H 2 bonds. As shown in FIG. 3C, the GaAs buffer layer 45a and the GaInNAs semiconductor layer 47a are obtained by changing the temperature in an atmosphere not containing the active hydrogen 51. There is little decrease in the number of N—H 2 bonds formed in the GaInNAs semiconductor layer 47a.

一方、文献1および文献3に記載されたGaInNAs半導体層を形成する方法では、図3(D)に示されるように、基板41上に設けられたGaInNAs半導体層47には、N−H結合が含まれる。活性水素の雰囲気中で熱アニールを行うことにより、GaAsバッファ層45aおよびGaInNAs半導体層47aが形成される。活性水素の作用によりN−H結合49がN−H結合51に変わる。しかしながら、降温時には活性水素は逆の作用を奏するので、活性水素を含む雰囲気中で降温すると、GaAsバッファ層45bおよびGaInNAs半導体層47bが形成される。これらの半導体膜45bおよび47bでは、形成されたN−H結合の一部が、活性水素51の作用によりN−H結合55に変わっている。文献2の方法では、熱アニール中に活性水素が供給されない。N−H結合は摂氏500度前後(この温度以上)から結合が切れるので、摂氏500度以上の熱アニール中に活性水素が供給されない場合は、結晶中から水素が脱離する。水素が脱離するとN−H結合が生成できず、その効果は得られない。 On the other hand, in the method for forming a GaInNAs semiconductor layer described in Document 1 and Document 3, as shown in FIG. 3D, the GaInNAs semiconductor layer 47 provided on the substrate 41 has N—H bonds. included. By performing thermal annealing in an active hydrogen atmosphere, a GaAs buffer layer 45a and a GaInNAs semiconductor layer 47a are formed. The N—H bond 49 is changed to the N—H 2 bond 51 by the action of active hydrogen. However, since the active hydrogen has the opposite effect when the temperature is lowered, the GaAs buffer layer 45b and the GaInNAs semiconductor layer 47b are formed when the temperature is lowered in an atmosphere containing active hydrogen. In these semiconductor films 45 b and 47 b, some of the formed N—H 2 bonds are changed to N—H bonds 55 by the action of the active hydrogen 51. In the method of Document 2, active hydrogen is not supplied during thermal annealing. Since the N—H bond breaks from around 500 degrees Celsius (above this temperature), hydrogen is desorbed from the crystal when no active hydrogen is supplied during thermal annealing at 500 degrees Celsius or more. When hydrogen is desorbed, N—H 2 bonds cannot be generated, and the effect cannot be obtained.

図4(A)および図4(B)は、実験例の半導体デバイスの構造を示す図面である。
(実験例1)
減圧MOVPE法によりGaAsに格子整合するGaInNAsエピタキシャル膜を成長する。ガリウム(Ga)、インジウム(In)、窒素(N)およびヒ素(As)の原料としてそれぞれTEGa、TMIn、DMHyおよびTBAsを用いる。基板として(100)面を有するSiドープGaAs基板(2度オフ)を用いる。成長温度は摂氏510度である。成長速度は時間当たり1.0マイクロメートル、DMHy/V族モル比は0.97であり、成長圧力は10130パスカル(76Torr)である。図4(A)に示されるように、GaAs基板上にGaInNAs/GaAs構造のエピタキシャル膜が形成され、例えば、GaInNAs膜の厚さは0.3マイクロメートルであり、GaInNAs膜はインジウム14パーセント、窒素5パーセントの組成を有する。
4A and 4B are diagrams illustrating the structure of a semiconductor device of an experimental example.
(Experimental example 1)
A GaInNAs epitaxial film lattice-matched to GaAs is grown by a low pressure MOVPE method. TEGa, TMIn, DMHy, and TBAs are used as raw materials for gallium (Ga), indium (In), nitrogen (N), and arsenic (As), respectively. A Si-doped GaAs substrate (twice off) having a (100) plane is used as the substrate. The growth temperature is 510 degrees Celsius. The growth rate is 1.0 micrometers per hour, the DMHy / V group molar ratio is 0.97, and the growth pressure is 10130 Pascal (76 Torr). As shown in FIG. 4A, an epitaxial film having a GaInNAs / GaAs structure is formed on a GaAs substrate. For example, the thickness of the GaInNAs film is 0.3 micrometers, the GaInNAs film is 14% indium, nitrogen. It has a composition of 5 percent.

GaInNAsエピタキシャル膜を成長した後に、MOVPE炉を用いてこの膜のin-situ熱アニールを行っている。熱処理はTBAs雰囲気(TBAs流量は、毎分1.6×10−4モル(mole/min))中においてMOVPE炉を用いて行われ、熱アニール温度は摂氏595度、摂氏670度の温度でそれぞれ行われ、熱アニール時間は、10分である。熱アニール後、TBAsの供給を停止し、水素を含まない雰囲気で降温している。また、GaInNAsエピタキシャル膜の熱アニールを専用熱処理炉を用いて行っている。専用熱処理炉での熱アニールでは、固体As原料を昇華させたAs雰囲気中で、摂氏600度の温度で行われ、熱アニール時間は30分である。 After the GaInNAs epitaxial film is grown, this film is subjected to in-situ thermal annealing using a MOVPE furnace. The heat treatment was performed using a MOVPE furnace in a TBAs atmosphere (TBAs flow rate was 1.6 × 10 −4 moles per minute (mole / min)), and the thermal annealing temperatures were 595 degrees Celsius and 670 degrees Celsius, respectively. The thermal annealing time is 10 minutes. After the thermal annealing, the supply of TBAs is stopped and the temperature is lowered in an atmosphere not containing hydrogen. Further, thermal annealing of the GaInNAs epitaxial film is performed using a dedicated heat treatment furnace. Thermal annealing in a dedicated heat treatment furnace is performed at a temperature of 600 degrees Celsius in an As atmosphere in which a solid As raw material is sublimated, and the thermal annealing time is 30 minutes.

図5は、これらのGaInNAs半導体膜のフーリエ変換赤外吸収スペクトル(FTIR)の測定結果を示すグラフである。横軸は波数(cm−1)を示し、縦軸は赤外吸収強度(任意単位)を示す。グラフには、特性曲線C1、C2、C3、C4が示されている。各特性曲線における吸収ピークは、3125cm−1でN−H振動に関連している。図6は、FTIRの吸収ピーク強度とフォトルミネッセンス(PL)強度との関係を示す図面である。横軸はフォトルミネッセンス強度(任意単位)を示し、縦軸は赤外吸収強度(任意単位)を示す。測定点M1、M2は、活性水素を含む雰囲気中の熱アニールおよび活性水素を含まない雰囲気中での降温に対応するデータ(in−situ)を示す。測定点M3は、活性水素の無い雰囲気中の熱アニールおよび降温に対応するデータを示す。測定点M4は、熱アニール無しのデータ(as−grown)を示す。図6に示されるように、GaInNAs結晶では吸収ピーク強度とPL強度は正の相関がある。N−H結合の生成が非発光中心を低減させ、GaInNAs結晶の光学特性を向上させる。 FIG. 5 is a graph showing the measurement results of Fourier transform infrared absorption spectra (FTIR) of these GaInNAs semiconductor films. The horizontal axis indicates the wave number (cm −1 ), and the vertical axis indicates the infrared absorption intensity (arbitrary unit). Characteristic curves C1, C2, C3, and C4 are shown in the graph. The absorption peak in each characteristic curve is related to NH vibration at 3125 cm −1 . FIG. 6 is a drawing showing the relationship between the absorption peak intensity of FTIR and the photoluminescence (PL) intensity. The horizontal axis represents photoluminescence intensity (arbitrary unit), and the vertical axis represents infrared absorption intensity (arbitrary unit). Measurement points M1 and M2 indicate data (in-situ) corresponding to thermal annealing in an atmosphere containing active hydrogen and temperature drop in an atmosphere not containing active hydrogen. A measurement point M3 indicates data corresponding to thermal annealing and temperature lowering in an atmosphere without active hydrogen. The measurement point M4 indicates data (as-grown) without thermal annealing. As shown in FIG. 6, in the GaInNAs crystal, the absorption peak intensity and the PL intensity have a positive correlation. Formation of N—H 2 bonds reduces non-luminescent centers and improves the optical properties of GaInNAs crystals.

(実験例2)
図4(B)に示されるように、減圧MOVPE法により、GaInNAs/GaAs単一量子井戸(SQW)構造を形成している。量子井戸構造を有する半導体デバイスにおいては、GaInNAs膜は厚さ7ナノメートルであり、GaInNAs膜は、34パーセントのインジウム組成および1パーセントの窒素組成を有している。ガリウム(Ga)、インジウム(In)、窒素(N)およびヒ素(As)の原料としてそれぞれTEGa、TMIn、DMHyおよびTBAsを用いる。基板として(100)面を有するSiドープGaAs基板(2度オフ)を用いる。成長温度は摂氏510度である。成長速度は時間当たり0.9マイクロメートルであり、DMHy/V族モル比は0.99であり、成長圧力は10130パスカル(76Torr)である。
(Experimental example 2)
As shown in FIG. 4B, a GaInNAs / GaAs single quantum well (SQW) structure is formed by a low pressure MOVPE method. In a semiconductor device having a quantum well structure, the GaInNAs film is 7 nanometers thick, and the GaInNAs film has a 34 percent indium composition and a 1 percent nitrogen composition. TEGa, TMIn, DMHy, and TBAs are used as raw materials for gallium (Ga), indium (In), nitrogen (N), and arsenic (As), respectively. A Si-doped GaAs substrate (twice off) having a (100) plane is used as the substrate. The growth temperature is 510 degrees Celsius. The growth rate is 0.9 micrometers per hour, the DMHy / V group molar ratio is 0.99, and the growth pressure is 10130 Pascals (76 Torr).

GaInNAs/GaAs量子井戸エピタキシャル膜を成長した後に、MOVPE炉を用いてin-situ熱アニールを行っている。MOVPE炉での熱処理はTBAs雰囲気(TBAs流量は、毎分1.6×10−4モル(mole/min))で行われ、熱アニールは摂氏570度、摂氏670度、720度の温度でそれぞれ行われ、熱アニール時間は、10分である。熱アニール後、TBAsの供給を停止し、活性水素を含まない雰囲気で降温している。一方、専用熱処理炉を用いて量子井戸エピタキシャル膜の熱アニールを行っている。専用熱処理炉での熱アニールでは、GaInNAs膜の表面のヒ素抜けを防ぐためにGaAs基板でGaInNAs膜を覆っている。窒素ガス雰囲気中で、温度摂氏500度から摂氏780度の範囲のいくつかの温度で熱アニールが行われ、熱アニール時間は15秒である。 After the GaInNAs / GaAs quantum well epitaxial film is grown, in-situ thermal annealing is performed using a MOVPE furnace. The heat treatment in the MOVPE furnace is performed in a TBAs atmosphere (TBAs flow rate is 1.6 × 10 −4 mol / mole / min), and thermal annealing is performed at temperatures of 570 degrees Celsius, 670 degrees Celsius, and 720 degrees Celsius, respectively. The thermal annealing time is 10 minutes. After the thermal annealing, the supply of TBAs is stopped and the temperature is lowered in an atmosphere containing no active hydrogen. On the other hand, the quantum well epitaxial film is thermally annealed using a dedicated heat treatment furnace. In thermal annealing in a dedicated heat treatment furnace, the GaInNAs film is covered with a GaAs substrate in order to prevent arsenic desorption from the surface of the GaInNAs film. Thermal annealing is performed in a nitrogen gas atmosphere at several temperatures ranging from 500 degrees Celsius to 780 degrees Celsius, and the thermal annealing time is 15 seconds.

図7は、これらのGaInNAs/GaAs量子井戸のフォトルミネッセンス(PL)特性を室温において測定した結果を示すグラフである。横軸は熱アニール温度(摂氏)を示し、縦軸はフォトルミネッセンス強度(任意単位)を示す。シンボル「■」は、窒素雰囲気において熱アニールをした後に窒素雰囲気において降温して作製された量子井戸のPL強度を示す。シンボル「□」は、活性水素を含む雰囲気(TBAs雰囲気)において熱アニールをした後に活性水素を含まない雰囲気において降温して作製された量子井戸のPL強度を示す。PL強度の熱アニール温度依存性によれば、活性水素を含む雰囲気における熱アニールおよび活性水素を含まない雰囲気における熱アニールのそれぞれにおいて、PL強度が最大になる最適な熱アニール温度があり、活性水素雰囲気(TBAs雰囲気)での熱アニール(MOVPE炉で行われる熱アニール)では、約摂氏670度であり、活性水素の無い窒素雰囲気での熱アニール(専用熱処理炉で行われる熱アニール)では、約摂氏600度である。活性水素雰囲気でアニールされた量子井戸のPL強度は強い。これらの熱アニールにおけるPL強度を比較すると、活性水素雰囲気でアニールされた量子井戸のPL強度は、活性水素の無い雰囲気でアニールされた量子井戸のPL強度と比べて約4倍程度に大きい。活性水素雰囲気での熱アニールがGaInNAs結晶の光学特性の向上に有利である。この要因として、活性水素雰囲気アニールでのN−H結合が生成されることによって非発光中心が低減されると考えられる。したがって、この結合の数を増加すると共に減らさなければ、良好な光学特性が得られる。 FIG. 7 is a graph showing the results of measuring the photoluminescence (PL) characteristics of these GaInNAs / GaAs quantum wells at room temperature. The horizontal axis indicates the thermal annealing temperature (Celsius), and the vertical axis indicates the photoluminescence intensity (arbitrary unit). The symbol “■” indicates the PL intensity of a quantum well fabricated by performing thermal annealing in a nitrogen atmosphere and then lowering the temperature in the nitrogen atmosphere. The symbol “□” indicates the PL intensity of a quantum well produced by performing thermal annealing in an atmosphere containing active hydrogen (TBAs atmosphere) and then lowering the temperature in an atmosphere containing no active hydrogen. According to the dependence of the PL strength on the thermal annealing temperature, there is an optimum thermal annealing temperature that maximizes the PL strength in each of thermal annealing in an atmosphere containing active hydrogen and thermal annealing in an atmosphere not containing active hydrogen. In thermal annealing (thermal annealing performed in a MOVPE furnace) in an atmosphere (TBAS atmosphere), the temperature is about 670 degrees Celsius. In thermal annealing in a nitrogen atmosphere without active hydrogen (thermal annealing performed in a dedicated heat treatment furnace), It is 600 degrees Celsius. The PL strength of quantum wells annealed in an active hydrogen atmosphere is strong. Comparing the PL intensity in these thermal annealing, the PL intensity of the quantum well annealed in the active hydrogen atmosphere is about 4 times larger than the PL intensity of the quantum well annealed in the atmosphere without active hydrogen. Thermal annealing in an active hydrogen atmosphere is advantageous for improving the optical properties of GaInNAs crystals. As this factor, it is considered that the non-luminescent center is reduced by the formation of N—H 2 bond in the active hydrogen atmosphere annealing. Therefore, good optical properties can be obtained unless the number of bonds is increased and decreased.

以上説明したように、本発明の実施の形態によれば、良好な光学特性を示す、ガリウム元素、インジウム元素、ヒ素元素および窒素元素を含むIII−V化合物半導体の半導体層を形成する方法を提供できる。   As described above, according to the embodiment of the present invention, a method for forming a semiconductor layer of a III-V compound semiconductor containing gallium element, indium element, arsenic element, and nitrogen element and exhibiting good optical characteristics is provided. it can.

本実施の形態では、GaInNAs半導体膜を形成する方法を説明したけれども、この方法は、GaInNAs半導体膜の他にも、GaNAs、AlN、GaN、InN、BN、AlGaN、AlGaInN、BAlGaInN、GaPN、InAsN、InPN、InPAsN、GaPAsN半導体膜の光学特性を向上するために利用できる。本実施の形態では、SQW構造の量子井戸の半導体装置を説明したけれども、この方法は、多重量子井戸構造(MQW)の量子井戸の半導体装置にも使用される。   In this embodiment mode, a method for forming a GaInNAs semiconductor film has been described. It can be used to improve the optical properties of InPN, InPAsN, and GaPAsN semiconductor films. In the present embodiment, the quantum well semiconductor device having the SQW structure has been described. However, this method is also used for a semiconductor device having a quantum well structure having a multiple quantum well structure (MQW).

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。例えば、本発明に係る半導体そうを形成する方法は、半導体デバイスを製造する方法に使用できる。また、半導体デバイスとしては、レーザダイオード、発光ダイオード、フォトダイオード、半導体アンプ、太陽電池、光変調素子といった半導体光素子がある。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。   While the principles of the invention have been illustrated and described in the preferred embodiments, it will be appreciated by those skilled in the art that the invention can be modified in arrangement and detail without departing from such principles. The present invention is not limited to the specific configuration disclosed in the present embodiment. For example, the method of forming a semiconductor device according to the present invention can be used in a method of manufacturing a semiconductor device. Semiconductor devices include semiconductor optical elements such as laser diodes, light emitting diodes, photodiodes, semiconductor amplifiers, solar cells, and light modulation elements. We therefore claim all modifications and changes that come within the scope and spirit of the following claims.

図1(A)、図1(B)および図1(C)は、ガリウム元素、インジウム元素、ヒ素元素および窒素元素を含むIII−V化合物半導体の半導体層を形成する方法に係る実施の形態を示す図面である。1A, 1B, and 1C illustrate an embodiment of a method for forming a semiconductor layer of a III-V compound semiconductor containing a gallium element, an indium element, an arsenic element, and a nitrogen element. FIG. 図2(A)および図2(B)は、本実施の形態の変形例のIII−V化合物半導体の半導体層を形成する方法に係る実施の形態を示す図面である。FIGS. 2A and 2B are diagrams showing an embodiment of a method for forming a semiconductor layer of a III-V compound semiconductor according to a modification of the present embodiment. 図3(A)、図3(B)および図3(C)は、上記の実施例に係るGaInNAs半導体層を形成する方法を示す図面である。また、図3(D)、図3(E)および図3(F)は、文献1および文献3に記載されたGaInNAs半導体層を形成する方法を示す図面である。3A, 3B, and 3C are views showing a method of forming a GaInNAs semiconductor layer according to the above-described embodiment. FIGS. 3D, 3E, and 3F are diagrams illustrating a method of forming a GaInNAs semiconductor layer described in Document 1 and Document 3. FIG. 図4(A)および図4(B)は、実験例の半導体多層膜の構造を示す図面である。4A and 4B are diagrams showing the structure of a semiconductor multilayer film of an experimental example. 図5は、実験例1におけるGaInNAs半導体膜のフーリエ変換赤外吸収スペクトル(FTIR)の測定結果を示すグラフである。FIG. 5 is a graph showing a measurement result of a Fourier transform infrared absorption spectrum (FTIR) of the GaInNAs semiconductor film in Experimental Example 1. 図6は、実験例1におけるFTIRの吸収ピーク強度とフォトルミネッセンス(PL)強度との関係を示す図面である。FIG. 6 is a drawing showing the relationship between the absorption peak intensity of FTIR and the photoluminescence (PL) intensity in Experimental Example 1. 図7は、実験例2におけるGaInNAs/GaAs量子井戸のフォトルミネッセンス(PL)特性を室温において測定した結果を示すグラフである。FIG. 7 is a graph showing the results of measuring the photoluminescence (PL) characteristics of GaInNAs / GaAs quantum wells in Experimental Example 2 at room temperature.

符号の説明Explanation of symbols

11…半導体基板、13…ガリウムヒ素半導体膜、15…GaInNAs半導体膜、17…成膜装置、
19…熱処理、23…活性水素、21…活性水素を含む雰囲気、13a、15a…熱処理された半導体膜、TAnn…熱処理の温度、TDep…堆積の温度、27…活性水素を含まない雰囲気、41…基板、43…GaAsウエハ、45…GaAsバッファ層、47…GaInNAs半導体層、51…活性水素、53…N−H結合、55…N−H結合、45a…活性水素を含まない雰囲気中で降温されたGaAsバッファ層、47a…活性水素を含まない雰囲気中で降温されたGaInNAs半導体層、45b…活性水素を含む雰囲気中で降温されたGaAsバッファ層、47b…活性水素を含む雰囲気中で降温されたGaInNAs半導体層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Semiconductor substrate, 13 ... Gallium arsenide semiconductor film, 15 ... GaInNAs semiconductor film, 17 ... Film-forming apparatus,
19 ... heat treatment, 23 ... active hydrogen, 21 ... atmosphere containing active hydrogen, 13a, 15a ... heat treated semiconductor film, T Ann ... temperature of heat treatment, T Dep ... temperature of deposition, 27 ... atmosphere containing no active hydrogen, 41 ... substrate, 43 ... GaAs wafer, 45 ... GaAs buffer layer, 47 ... GaInNAs semiconductor layer, 51 ... active hydrogen, 53 ... N-H 2 bonds, 55 ... N-H bonds, in an atmosphere free of 45a ... active hydrogen GaAs buffer layer lowered in temperature, 47a ... GaInNAs semiconductor layer lowered in an atmosphere containing no active hydrogen, 45b ... GaAs buffer layer lowered in an atmosphere containing active hydrogen, 47b ... in an atmosphere containing active hydrogen Temperature-lowered GaInNAs semiconductor layer

Claims (5)

半導体層を形成する方法であって、
ガリウム元素、インジウム元素、ヒ素元素および窒素元素を含むIII−V化合物半導体から成る半導体層をガリウムヒ素基板上に有機金属気相成長法で形成する工程と、
活性水素を含む雰囲気中で前記半導体層に熱処理を施す工程と、
前記半導体層の熱処理が完了した後に、活性水素を含まない雰囲気中で前記熱処理の温度から降温する工程と
を含み、
前記熱処理の温度は摂氏510度以上であり、
前記熱処理の温度は摂氏720度未満であることを特徴とする方法。
A method for forming a semiconductor layer, comprising:
Forming a semiconductor layer made of a III-V compound semiconductor containing gallium element, indium element, arsenic element and nitrogen element on a gallium arsenide substrate by metal organic vapor phase epitaxy;
Applying a heat treatment to the semiconductor layer in an atmosphere containing active hydrogen;
After the heat treatment of the semiconductor layer is completed, a step of lowering the temperature of the heat treatment in an atmosphere containing no active hydrogen,
The temperature of the heat treatment is 510 degrees Celsius or higher,
The temperature of the heat treatment is less than 720 degrees Celsius.
ガリウム元素、インジウム元素、ヒ素元素および窒素元素を含むIII−V化合物半導体から成る半導体層を形成した後に、III−V化合物半導体から成る一又は複数の別の半導体層を形成する工程を更に備え、
前記熱処理は、前記別の半導体層を形成した後に行われることを特徴とする請求項1に記載された方法。
Forming a semiconductor layer made of a III-V compound semiconductor containing a gallium element, an indium element, an arsenic element, and a nitrogen element, and then forming one or more other semiconductor layers made of a III-V compound semiconductor;
The method according to claim 1, wherein the heat treatment is performed after forming the another semiconductor layer.
前記半導体層に熱処理を施す前記工程における前記雰囲気では、前記活性水素に加えてヒ素を含む、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。 The method according to claim 1, wherein the atmosphere in the step of performing a heat treatment on the semiconductor layer includes arsenic in addition to the active hydrogen. 前記半導体層に熱処理を施す前記工程では、活性水素を形成するための水素化物原料を供給して、前記活性水素を含む雰囲気を形成することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載された方法。 4. The method according to claim 1, wherein, in the step of performing a heat treatment on the semiconductor layer, an hydride raw material for forming active hydrogen is supplied to form an atmosphere containing the active hydrogen. 5. The method according to one item. 前記水素化物原料は、AsH3、PH3、SiH4、Si2H6、HF、HCl、HBr、HAt、H2O、H2S、H2Se、H2Te、H2Po、NH3、SbH3、BiH3、CH4、GeH4、SnH3、PbH3、BH3、PH5、AsH5、SbH5、SH4、SH6、SeH4、SeH6、TeH4、TeH6、IH3、IH5、AlH3、GaH3、(CH3)3Al、(C6H15)AlO、(CH3)2AlH、(C2H5)3Al、(CH3)3Sb、(C2H5)3Sb、C6H18N3Sb、(CH3)3As、C6H18N3As、(CH3)3Bi、(CH3)2Cd、CHCl3、(CH3)3Ga、(C2H5)3Ga、(CH3)3In、(C2H5)3In、(C5H5)2Mg、(C6H7)2Mg、(CH3)2NNH2、(CH3)3CNH2、(CH3)2Se、(CH3)2Te、(C2H5)2Te、(C3H7)2Te、(C2H5)2Zn、(CH3)2Zn、C4H11P、C4H11As、(C2H5)4Si、(C5H5)2Fe、HI、BiH3、C2H3CN、CH3Cl、HCN、CH3Br、C2H2、C2H4、C2H6、C3H6、C3H8、C4H6、C4H10、C6H6、(CH3)2O、B2H6、GeH4、SiH2Cl2、SiHCl3、SnH4、N2H4、CH3NHNH2のうちの少なくとも一の水素化物を含むことを特徴とする請求項4に記載された方法。
The hydride raw materials are AsH 3 , PH 3 , SiH 4 , Si 2 H 6 , HF, HCl, HBr, HAt, H 2 O, H 2 S, H 2 Se, H 2 Te, H 2 Po, NH 3 , SbH 3, BiH 3, CH 4, GeH 4, SnH 3, PbH 3, BH 3, PH 5, AsH 5, SbH 5, SH 4, SH 6, SeH 4, SeH 6, TeH 4, TeH 6, IH 3 , IH 5 , AlH 3 , GaH 3 , (CH 3 ) 3 Al, (C 6 H 15 ) AlO, (CH 3 ) 2 AlH, (C 2 H 5 ) 3 Al, (CH 3 ) 3 Sb, ( C 2 H 5 ) 3 Sb, C 6 H 18 N 3 Sb, (CH 3 ) 3 As, C 6 H 18 N 3 As, (CH 3 ) 3 Bi, (CH 3 ) 2 Cd, CHCl 3 , (CH 3 ) 3 Ga, (C 2 H 5 ) 3 Ga, (CH 3 ) 3 In, (C 2 H 5 ) 3 In, (C 5 H 5 ) 2 Mg, (C 6 H 7 ) 2 Mg, (CH 3) 2 NNH 2, (CH 3) 3 CNH 2, (CH 3) 2 Se, (CH 3) 2 Te, (C 2 H 5) 2 Te, (C 3 H 7) 2 Te, (C 2 H 5 ) 2 Zn, (CH 3 ) 2 Zn, C 4 H 11 P, C 4 H 11 As, (C 2 H 5 ) 4 Si, (C 5 H 5 ) 2 Fe, HI, BiH 3 , C 2 H 3 CN, CH 3 Cl, HCN, CH 3 Br, C 2 H 2 , C 2 H 4 , C 2 H 6 , C 3 H 6 , C 3 H 8 , C 4 H 6 , C 4 H 10 , C 6 H 6 , (CH 3 ) 2 O, B 2 H 6 , GeH 4 , SiH 2 Cl 2 , SiH Cl 3, SnH 4, N 2 H 4, CH 3 method according to claim 4, characterized in that it comprises at least one hydride of NHNH 2.
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