JP2006086199A - 半導体光デバイス及び半導体光デバイスの製造方法 - Google Patents

半導体光デバイス及び半導体光デバイスの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 半導体光デバイスのp型半導体層に、BeとFeとを同時にドーピングする場合にも、Beのドーピング遅れをなくし、所望の正孔濃度を得る。
【解決手段】 少なくともn型の導電型を有するn型半導体層と、活性層と、p型半導体層と、p型半導体層の両側に形成され、Feがドーピングされた電流ブロック層とを備える半導体光デバイスにおいて、p型半導体層を形成する際には、FeとBeとが、同時にドーピングされる。このとき、p型半導体の正孔濃度は、約1.0×1018/cm3とし、Fe元素濃度が約2×1016〜8×1016/cm3となるように、各元素をドーピングする材料の流量を調整する。
【選択図】 図1

Description

この発明は半導体光デバイス及び半導体光デバイスの製造方法に関する。更に具体的には、p型ドーパントとしてBeを用い、電流ブロック層を高抵抗にするためのドーパントとしてFeを用いた半導体光デバイス及びその製造方法に関するものである。
近年、情報通信機器が取り扱う情報量は膨大なものとなり、特に光通信の分野では、40GHzを超える超高速変調が可能となる半導体発光デバイス(半導体レーザ、変調器、あるいは変調器付きレーザ)や、発光デバイスから光伝送路を通ってきた変調光を受ける80GHzを超える半導体超高速受光デバイス(フォトダイオードなど)のニーズが高まってきている。
このような半導体発光デバイス、あるいは、半導体受光デバイス(以下、まとめて、「半導体光デバイス等」と称することとする)では、デバイスに電力を供給するために、電極の他に、p型あるいはn型の伝導性を持った半導体を併せ持つ。また、40GHzを超えるような高速変調を可能にさせるために、デバイス抵抗、あるいは静電容量を低減させる必要がある。このため、Fe‐InP電流ブロック層を、半導体光デバイス等に設けるなど、デバイスに注入する電流が流れる領域を限定する方法が採られている。
Fe−InP電流ブロック層を、半導体光デバイス等に設ける場合、p型半導体に接するようにして、p型半導体の両側にFe−InP電流ブロック層を設ける場合が多い。しかし、このような構造の場合、Fe−InP電流ブロック層のFeが、p型半導体のp型ドーパント(例えば、Zn、Be、あるいは、Mg等)と相互拡散を起こすことが考えられる。このようにFeとp型ドーパントとの間で相互拡散が起きると、Fe−InP電流ブロック層の抵抗が、p型半導体と接する界面付近で低下することとなる。この場合、p型半導体の両側に、高抵抗のFe−InP電流ブロック層を設けて、電流の流れる領域を限定するという、Fe−InP電流ブロック層の機能を、効率よく発揮できなくなる不具合が生じてしまう。
従って、この対策として、Feが、p型半導体のp型ドーパントと相互拡散を起こさないようにする方法が考えられている。
このような方法の1つとして、例えば、Fe−InP電流ブロック層に接するp型半導体に、p型ドーパントと共に、Feを同時にドーピングする方法がある(例えば、特許文献1参照)。
また、Fe−InP電流ブロック層をRu−InP電流ブロック層とする方法も提案されている(例えば、非特許文献1参照)。
ところで、p型半導体にドーピングするp型ドーパントとしては、特に、MOCVD法(有機金属気相成長法)では、Znが用いられることが多い。しかし、Znの拡散係数は比較的大きく、活性層へ拡散することも考えられる。このため、半導体レーザの発光効率が悪くなるという問題が挙げられ、Znに代えて、Be等、拡散係数が小さい材料を用いる検討が進められている(例えば、特許文献2参照)。
特許第3257045号公報 特開平8−102567号公報 JPn. J. Appl. Phys. Vol. 42 (2003), p2320-P2324
しかし、p型半導体のドーパントとしてBeを用いる場合に、Beと、Feを同時にドーピングしようとしても、Beにドーピング遅れが生じてしまうことが考えられる。従って、従来の方法により、半導体に、FeとBeとを同時にドーピングすることは、困難であると考えられる。
従って、この発明は、このような問題を解決し、半導体に、BeとFeとを同時にドーピングする方法を用いた半導体光デバイスの製造方法、及び、電流ブロック層のFeとp型半導体中のBeとの相互拡散が抑えられつつ、必要な濃度にBeとFeがドーピングされた半導体光デバイスを提供するものである。
この発明の半導体光デバイスは、少なくともn型の導電型を有するn型半導体層と、活性層と、p型の導電型を有するp型半導体層と、前記p型半導体層の両側に形成され、Feがドーピングされた電流ブロック層と、を備える。また、前記p型半導体層には、FeとBeとがドーピングされ、かつ、正孔濃度が、約1.0×1018/cm3であり、Fe元素濃度が約2×1016〜8×1016/cm3である。なお、ここで、正孔濃度、約1.0×1018/cm3には、少なくとも製造上見込まれる±0.3×1018/cm3のばらつきをも含むものとする。
また、この発明の半導体光デバイスの製造方法は、n型半導体層を形成するn型半導体層形成工程と、前記n型半導体層上に活性層を形成する活性層形成工程と、前記活性層上に、p型半導体層を形成するp型半導体層形成工程と、前記p型半導体層の両側に電流ブロック層を形成する電流ブロック層形成工程と、を備える。ここで、p型半導体層は、FeとBeとがドーピングされており、前記p型半導体層形成工程においては、前記p型半導体層に含まれる層を成長する際に、BeとFeとを同時にドーピングする。
なお、この発明において、p型半導体層の正孔濃度、約1.0×1018/cm3とする場合には、少なくとも製造上見込まれる±0.3×1018/cm3のばらつきをも含むものとする。
この発明においては、FeとBeとを、同時ドーピングにより、半導体に同時ドーピングすることができる。従って、p型半導体装置のドーパントとしてBeを用いる場合にも、電流ブロック層のFeと、Beとの相互拡散を効果的に抑えることができ、動作特性の良好な半導体光デバイスを得ることができる。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。
また、以下の実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及する場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に限定されるものではない。また、実施の形態において説明する構造や、方法におけるステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。
まず、この発明の以下の実施の形態における概要を説明する。
図1は、FeとBeとを同時ドーピングした場合における、Beのドーピング遅れ量を表すグラフである。縦軸は、ドーピング遅れ量(μm)を表し、横軸は、CpFeモル流量(pmol/min)を表す。
また、図2は、Be及びFeの濃度分布を表すグラフである。図2(a)は、FeとBeとを同時ドーピングした場合であり、図2(b)は、Beのみをドーピングした場合を表す。また、図2(a)、(b)において、それぞれ、縦軸は、濃度(atmos/cc)を表し、横軸は、表面からの深さ(μm)を表す。
また、図3は、Be及びFeを、同時ドーピングした場合と、Beのみをドーピングした場合の、相互拡散の状態を説明するためのグラフである。図3(a)は、FeとBeとを同時ドーピングした場合であり、図3(b)は、Beのみをドーピングした場合である。また、図3(a)、(b)において、それぞれ、縦軸は、濃度(任意単位)を表し、横軸は、表面からの位置(μm)を表す。
図1のドーピングにおいて、Beドーピング用の有機金属として、(MeCp)Be(Be(CH;ビスメチルシクロペンタジエニルベリリウム)を用い、Feドーピング用の有機金属として、CpFeを用いた。図1のグラフ中、黒丸でプロットした曲線は、(MeCp)Beの流量が、26.4pmol/minの場合を表し、黒四角でプロットした曲線は、(MeCp)Beの流量が、52.8pmol/minの場合を表す。この流量は、Beを単独でドーピングした場合に、正孔濃度が、それぞれ、1×1018/cm3、2×1018/cm3となる量である。また、MOCVD法(有機金属気相成長法)による成膜を行い、BeをドーピングするInPの成膜条件としては、温度約600℃、成膜圧力約100mbar、膜成長速度約2.5μm/h、V/III比40である。また、CpFeの流量を変化させているが、具体的に、10pmol/minでは、結晶中にFeは、1.2×1017/cm3存在し、6.5pmol/minでは、結晶中にFeは、8.0×1016/cm3存在する。
図1からわかるように、(MeCp)Beの供給量の大小にかかわらず、CpFeモル流量が増加するにつれて、Beのドーピング遅れ量は増大する。即ち、BeとFeとを同時にドーピングすれば、必然的に、Beにドーピング遅れが生じることになる。
また、図2から、Beのみの注入の場合には、ドーピング遅れが生じないが、Feと、Beとを同時にドーピングした場合には、深さ0.8〜2.0μm付近に、Beのドーピング遅れ領域が発生し、特に、1.3〜2.0μmにはBeが全くドーピングされていないことがわかる。
しかしながら、図1に示すように、(MeCp)Beの供給量が大きいほど、Beのドーピング遅れ量は小さくなることを発明者は発見した。
従って、この発明では、このことを利用して、Beのドーピング遅れ量を、半導体光デバイス等の動作特性に悪影響を与えない範囲に抑えるように、(MeCp)Beの流量を制御して、同時ドーピングを行うものである。
また、同時に、発明者は、InP層に、Feが予め存在することにより、BeとFeとの間の相互拡散が抑制されることを発見した。即ち、この実施の形態において、BeとFeとを同時にドーピングすることで、同時に、相互拡散を抑制することができる。これについて、図3を用いて説明する。
図3においては、(MeCp)Beの流量を、52.8pmol/minとし、更に、CpFeの流量を6.5pmol/minとしている。また、図1に説明した場合と同様、MOCVD法による成膜を行い、BeをドーピングするInPの成膜条件としては、温度約600℃、成膜圧力約100mbar、膜成長速度約2.5μm/hである。
図3(b)に示すように、Beのみをドーピングした場合には、Fe−InP層とBe−InP層との間で、相互拡散が起こり、Fe−InP層の、Be−InP層との境界付近に、約1.5μmの幅の空乏層が発生する。
しかしながら、図3(a)に示すように、FeとBeとの同時ドーピングを行う場合、この境界付近にも空乏層は発生しない。即ち、FeとBeとを同時にドーピングすることで、InP層にFeが存在することとなるため、Fe−InP層と、Fe&Be−InP層との間で相互拡散を抑えることができる。
従って、以下に説明するこの発明の実施の形態では、上述したように、Beのドーピング遅れ量を抑えつつ、更に、同時ドーピングを行い、同時に、電流ブロック層のFeと、半導体のBeとの間の相互拡散を抑えることもできる。
実施の形態1.
図4は、この発明の実施の形態1における半導体光デバイスを説明するための模式図である。
図4に示すように、実施の形態1における半導体光デバイスは、n−InP基板2上に、n−InGaAs層4、n−InP層6、n−InGaAsP層8が積層されている。n−InGaAs層4、n−InP層6、n−InGaAsP層8の膜厚は、それぞれ、500nm、1500nm、800nmである。
また、n−InGaAsP層8上には、活性層として、ノンドープInGaAs光吸収層10が形成されている。InGaAs光吸収層の膜厚は、約400nmである。
InGaAs光吸収層10上には、p型のコンタクト層14が形成されている。コンタクト層14の両側には、Fe−InP電流ブロック層16が形成されている。Fe−InP電流ブロック層16は、コンタクト層14に流れる電流を制限するために形成された高抵抗な層であり、その膜厚は、約2500nmである。
コンタクト層14は、InGaAs光吸収層10上に、下から順に、Be&Fe−InGaAsP層18、Be&Fe−InP層20、Be&Fe−InGaAsP層22、Be&Fe−InGaAs層24が積層されて構成されている。Be&Fe−InGaAsP層18、Be&Fe−InP層20、Be&Fe−InGaAsP層22、Be&Fe−InGaAs層24の膜厚は、それぞれ、約800nm、1000nm、20nm、250nmである。また、コンタクト層14の幅は、800nmである。
図5は、この発明の実施の形態1における半導体光デバイスの製造方法について説明するためのフロー図である。
まず、MOCVD法における材料ガスとしては、HS(硫化水素)、SiH(シラン)、Si(ジシラン)、V族の原子の原料として、Asに対しては、AsH(アルシン)、Pに対してはPH(フォスフィン)、また、有機金属として、Gaに対しては、TMG(トリメチルガリウム)あるいはTEG(トリエチルガリウム)、Inに対しては、TMI(トリメチルインジウム)あるいはTEI(トリエチルインジウム)等を用いる。また、p型ドーパントとしては、(MeCp)Beを用いる。
具体的に、これらの材料から、適切な材料を選択し、従来通りMOCVD法によりn−InP基板2上に、n−InGaAs層4、n−InP層6、n−InGaAsP層8を順に積層し、更に、InGaAs光吸収層10を形成する(ステップS2〜S8)。
Be&Fe−InGaAsP層18、Be&Fe−InP層20、Be&Fe−InGaAsP層22、Be&Fe−InGaAs層24を積層する(ステップS10〜S16)。
ここで、Be&Fe−InP層20中に含まれる正孔濃度を、1×1018/cmに保ちつつ、Beのドーピング遅れ量は、0.025μm以下とするため、(MeCp)Beの供給量は、約52.8pmol/minとする。この量は、Be単独ドーピングの場合には、InPに対して、正孔濃度が2.0×1018/cm3になる量である。ただし、実際には、Feとの同時ドーピングを行うため、正孔濃度は、1×1018/cm3となる。また、CpFeの供給量は、2±1pmol/minの範囲内で一定の供給量とする。
なお、(MeCp)Be及びCpFeの供給量は、図1からも、Beのドーピング遅れ量が、0.025μm以下となり、光デバイスの動作特性上問題が生じない量であることがわかる。
また、たとえば、コンタクト層14のBe&Fe−InP層20以外の層に対して、正孔濃度を1×1018/cm3以上にしたい時には、(MeCp)Beの供給量を、その正孔濃度に対応した量に設定する。このとき、CpFeの供給量は、2±1pmol/minの範囲内とすればよい。Fe−InP電流ブロック層16とコンタクト層14とのBeの相互拡散は、コンタクト層14内に予めFeが存在すれば抑制されることがわかっているので、Be&Fe−InP層20以外の層には、その濃度にかかわらず、Feが同時にドーピングされていれば良いからである。
同時ドーピングは従来の方法と同じである。例えば、Be&Fe−InP層20を形成する場合、例えば、直径約345mm、高さ約27mmの円柱形のチャンバーを用いる。そして、膜成長温度約600℃、成長速度2.5μm/h、成長圧力100mbarの条件下で、材料ガスとして、TMIを、235.3pmol/min供給し、PHを、1.339pmol/min供給する。さらに、ドーピングする層の半導体の成長を始めるタイミングで、CpFeを2±1pmol/min供給し、同時に、(MeCp)Beを、必要な正孔濃度になる流量で供給する。以上のようにして、p型のドーパントとしてBeがドーピングされたp型半導体からなるコンタクト層14に、Feを同時にドーピングすることができる。
その後、InGaAs光吸収層10及びコンタクト層14を所望の形状にエッチングする(ステップS18)。そして、この両側に、Fe−InP電流ブロック層16を形成する(ステップS20)。Fe−InP電流ブロック層は、MOCVD法により従来と同様の方法で形成する。
以上説明したように、実施の形態1においては、p型ドーパントとして、Beを用いる場合に、BeとFeとを同時にドーピングする。ここで、(MeCp)Be及びCpFeの各供給量は、Feを同時にドーピングしても、Beのドーピング遅れが、0.025μm以内になるように設定している。従って、Feを同時にドーピングしても、Be&Fe−InP層20内を含め、各層18~24内に、十分にp型ドーパントであるBeを供給することができる。従って、p型半導体の動作特性を良好に維持しつつ、各層にFeをドーピングすることで、Fe−InP電流ブロック層16とコンタクト層14との間での、Beの相互拡散を抑えることができる。したがって、デバイス特性の良好な半導体光デバイスを得ることができる。
なお、この実施の形態1においては、Beドーピングに、(MeCp)Beを用いているが、固体Beを用いてもよい。この場合、MBE(Molecular Beam Epitaxy)法によるBeとFeの同時ドーピングのケースとなる。
実施の形態1においては、Be&Fe−InP層20におけるCpFeの供給量を、2±1pmol/minの範囲内で一定とする場合について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではなく、供給量を変化させたものであってもよい。
図6は、コンタクト層成膜中のFeの供給量の他の例を説明するグラフである。
例えば、図6に示す場合においては、Feの元素濃度を、2×1016〜8×1016/cm3の範囲内に保つように、成膜開始から、一定時間(t)経過までは、約2.5pmol/min供給し、その後、成膜終了時(t)まで、供給量を約2.0pmol/minに減らして、供給している。このように、CpFeの供給量は、正孔濃度を所定の範囲に保つ範囲で、変化させて供給するものであってもよい。なお、供給量は、2±1pmol/minの範囲であることが好ましい。
また、実施の形態1において、正孔濃度を1×1018/cm3として説明した。しかし、この濃度には、±0.3×1018/cm3の、製造上見込まれる誤差を含むものと考える。
なお、例えば、実施の形態1において、n−InGaAs層4、n−InP層6、n−InGaAsP層8は、この発明の「n型半導体層」に該当し、InGaAs光吸収層10は、この発明の「活性層」に該当する。また、コンタクト層14は、この発明の「p型半導体層」に該当し、Fe−InP電流ブロック層16は、この発明の「電流ブロック層」に該当する。但し、この発明は、必ずしも実施の形態1において説明した構造に限るものではなく、この発明の範囲内で、他の構造であってもよい。
また、例えば、実施の形態1において、ステップS2〜S6を実行することにより、この発明の「n型半導体形成工程」が実行され、ステップS8を実行することにより、この発明の「活性層形成工程」が実行され、ステップS10〜S18を実行することにより、「p型半導体層形成工程」が実行され、ステップS20を実行することにより「電流ブロック層形成工程」が実行される。
実施の形態2.
実施の形態2においても、Beをp型ドーパントに用いたコンタクト層14中のBe&Fe−InP層20の正孔濃度を、1×1018/cm3に保ちつつ、Feを同時ドーピングする。
ただし、実施の形態2においては、(MeCp)Beの供給量Xを、X(pmol/min)の2n倍とする。ここで、Xは、Beを単独ドーピングした場合にInP層の正孔濃度を1×1018/cm3にできる(MeCp)Beの供給量を表す。
また、このとき、CpFeの供給量Yは、次式(1)のように設定する。
Y=2+(n−1)±1 (pmol/min) ・・・・(1)
即ち、この実施の形態2においては、同時ドーピングする場合のCpFeの供給量Yは、(MeCp)Beの供給量Xの増減に併せて、供給量Yも増減させて、適正な供給量で供給する。
(MeCp)Be及びCpFeの供給量をこのように設定する場合、BeとFeを同時ドーピングしても、ドーピング遅れを抑え、Be&Fe−InP層20の正孔濃度を1×1018/cm3にすることができる。
実施の形態3.
実施の形態3においても、p型ドーパントとしてBeを用い、コンタクト層14には、BeとFeとを同時に供給する。
但し、実施の形態3では、Beの正孔濃度を、m×1018/cm3とする場合について説明する。なお、この正孔濃度の値には、±0.3×1018/cm3程度の製造上の誤差は含んで考えるものとする。
CpFeの流量は、2±1pmol/minとする。これに対して、(MeCp)Beの供給量Xは、Xの2m倍とする。なおここで、Xは、Beを単独ドーピングしたときに、正孔濃度を、1×1018/cm3とすることができる供給量である。
このように、(MeCp)Beの供給量を設定することにより、十分な正孔濃度を確保しつつ、Fe濃度を一定に保つことができる。従って、BeとFeとを同時ドーピング
する場合にも、p型半導体の正孔濃度を高くしてデバイス抵抗の低減が可能になる。
FeとBeとを同時ドーピングした場合における、Beのドーピング遅れ量を表すグラフである。 Be及びFeを、同時ドーピングした場合と、Beのみをドーピングした場合の濃度分布を表すグラフである。 Be及びFeを、同時ドーピングした場合と、Beのみをドーピングした場合の、相互拡散の状態を説明するためのグラフである。 この発明の実施の形態1における半導体光デバイスを説明するための模式図である。 この発明の実施の形態1における半導体光デバイスの製造方法を説明するためのフロー図である。 この発明の実施の形態1における半導体光デバイスの製造方法における、CpFeの供給量の1例を説明するためのグラフである。
符号の説明
2 n−InP基板
4 n−InGaAs層
6 n−InP層
8 n−InGaAsP層
10 InGaAs光吸収層
14 コンタクト層
16 Fe−InP電流ブロック層
18 Be&Fe−InGaAsP層
20 Be&Fe−InP層
22 Be&Fe−InGaAsP層
24 Be&Fe−InGaAs層

Claims (7)

  1. 少なくともn型の導電型を有するn型半導体層と、
    活性層と、
    p型の導電型を有するp型半導体層と、
    前記p型半導体層の両側に形成され、Feがドーピングされた電流ブロック層と、
    を備え、
    前記p型半導体層には、FeとBeとがドーピングされ、かつ、正孔濃度が、約1.0×1018/cm3であり、Fe元素濃度が約2×1016〜8×1016/cm3であることを特徴とする半導体光デバイス。
  2. n型半導体層を形成するn型半導体層形成工程と、
    前記n型半導体層上に活性層を形成する活性層形成工程と、
    前記活性層上に、FeとBeとがドーピングされたp型半導体層を形成するp型半導体層形成工程と、
    前記p型半導体層の両側に電流ブロック層を形成する電流ブロック層形成工程と、
    を備え、
    前記p型半導体層形成工程は、前記p型半導体層に含まれる層を成長する際に、Be元素をp型ドーパントとして用いて、BeとFeとを同時にドーピングすることを特徴とする半導体光デバイスの製造方法。
  3. 前記p型半導体層形成工程において、Be元素ドーピング材料の供給量を、前記Be元素ドーピング材料を単独でドーピングした時に、前記p型半導体層の正孔濃度を、約1×1018/cm3にできる量の、2n倍とするとき、
    Fe元素ドーピング材料の供給量を、2+(n−1)±1pmol/minの範囲内とすることを特徴とする請求項2に記載の半導体光デバイスの製造方法。
  4. 前記p型半導体層形成工程において、
    Fe元素ドーピング材料の供給量を、2±1pmol/minの範囲内とするとき、
    前記p型半導体層の正孔濃度をm×1018/cm3とするため、Be元素ドーピング材料の供給量は、前記Be元素ドーピング材料を単独でドーピングした時に、前記p型半導体層の正孔濃度を、約1×1018/cm3にできる量の、2m倍とすることを特徴とする請求項2に記載の半導体光デバイスの製造方法。
  5. 前記p型半導体層形成工程において、前記Fe元素ドーピング材料は、前記p型半導体層の前記Fe元素の元素濃度が、2×1016〜8×1016/cm3の範囲内になる一定の供給量を継続して供給することを特徴とする請求項2から4の何れかに記載の半導体光デバイスの製造方法。
  6. 前記p型半導体層形成工程は、前記p型半導体層の前記Fe元素の元素濃度が、2×1016〜8×1016/cm3の所定の範囲内になるように、前記Fe元素ドーピング材料の供給量を調節することを特徴とする請求項2から4の何れかに記載の半導体光デバイスの製造方法。
  7. 前記Beのドーパント材料として、(MeCp)Beを用いることを特徴とする請求項2から6の何れかに記載の半導体光デバイスの製造方法。
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