JP3133187B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
半導体装置およびその製造方法Info
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Description
に関し、特にIII−V族化合物半導体層をMOVPE
(有機金属気相成長法)で結晶成長する工程を含む半導
体装置の製造方法に関する。
POSシステム用光源、プリンタ用光源等として可視光
半導体レーザの需要が高まっている。このような可視光
半導体レーザとして、GaAsを基板としたAlGaI
nP系半導体レーザ等が用いられている。
aInPの活性層を用い、AlGaInPのクラッド層
で活性層の両側を挟んでAlGaInP系可視光半導体
レーザを構成することができる。
(Al)GaInP可視光半導体レーザの構造例を示
す。n+ 型GaAs基板61の上に、n型GaAsバッ
ファ層62を成長し、続いてn型AlGaInPクラッ
ド層63を成長してn型領域が形成されている。なお、
n型不純物としては、IV族元素SiやVI族元素S
e、S等、通常用いられるn型不純物を用いることがで
きる。
またはAlGaInPの活性層64が形成され、その上
にp型AlGaInPクラッド層65、p型GaInP
中間層67aが形成される。その後、表面にSiO2 の
ストライプ状マスクを形成する。SiO2 マスクをエッ
チングマスクとしてメサエッチングが成されてp型クラ
ッド層65の中間部までが除去される。
クを成長マスクとしても用い、n型GaAs電流阻止層
66が成長され、メサの側面を埋め込む。このGaAs
電流阻止層66によって、活性層64に対して横方向の
光閉じ込めと正孔電流に対する電流狭窄とが成される。
その後、表面をさらにp型GaAsコンタクト層68a
で覆い、半導体レーザ構造が形成される。
p型GaAsコンタクト層68a上面にはn側電極6
9、p側電極70が形成される。図5Aに示すような構
造の半導体レーザにおいては、p型クラッド層65の抵
抗率をなるべく低くし、その内部での発熱を抑制するこ
と、また注入キャリアの閉じ込めを有効にすることが望
まれる。このためには、p型クラッド層65、p型中間
層67aのドーピング濃度をなるべく高くすることが望
まれる。
視光半導体レーザの他の構成を示す。Znドープのp型
GaAs基板111の表面には、ストライプ状のメサ構
造が形成されている。
s電流ブロック層112が形成され、その表面に低減し
たメサ構造を形成する。電流ブロック層112は、p型
基板111から輸送される正孔に対してポテンシャルバ
リアを形成し、正孔電流をメサ頂上に集中させる。
のp型GaAsバッファ層113、ZnドープのAlG
aInPクラッド層115が形成されている。ここで、
中間層114は、バッファ層113とクラッド層115
との中間のバンドギャップを有している。
aInPで形成された活性層116が形成され、その上
にn型領域が積層される。まず、Seドープのn型Al
GaInPクラッド層117が形成され、その上にSe
ドープのGaInP中間層118、Seドープのn型G
aAsコンタクト層119が形成される。ここで、中間
層118はクラッド層117とコンタクト層119の中
間のバンドギャップを有する。
タキシャル成長されており、メサ構造にならった屈曲し
た表面を有する。このような構成により、メサ頂上の上
の部分に光導波路が形成される。光導波路の位置がメサ
構造にセルフアラインするため、この構造をセルフアラ
インベントウェーブガイド(self-aligned bent wavegu
ide laser )と呼ぶ。
ッド層115の中間のバンドギャップを有するが、その
両端にはヘテロ接合に伴ってスパイクと呼ばれるポテン
シャルバリアが発生する。
低減させるには、バッファ層113、中間層114、ク
ラッド層115に一様に高濃度のp型不純物をドープす
るか、バンド構造が連続的に変化するようなグレーデッ
ド構造を採用することが望まれる。これは、図5Aの構
造においても同様である。
気相成長法(MOVPE)を用いて結晶成長される。p
型ドーパントには、通常Znが用いられ、そのソース材
料としてジメチル亜鉛(DMZn、(CH3 )2 Zn)
またはジエチル亜鉛(DEZn、(C2 H5 )2 Zn)
が用いられる。
らのZnの再離脱が顕著で、高濃度のドーピング(5×
1017cm-3以上)が困難である。ZnはAlGaIn
P系結晶中での拡散が大きい。ZnをAlGaInP系
結晶にドープすると、InまたはPと反応副生成物を発
生し、結晶欠陥の核となる。
には幾つかの問題がある。そこで、Znに変わるドーパ
ントとしてMgが期待されている。Mgは、高濃度ドー
ピング(2×1018cm-3程度)が可能である。Mgは
AlGaInP系結晶中での拡散が小さい。MgはAl
GaInP系母体物質との間で反応副生成物を形成しな
い。
パントとしてのMgの利点は多い。しかし、AlGaI
nP系材料におけるp型ドーパントとしてのMgには、
ドーピング遅れという問題がある。結晶成長中にMgを
ドーピングしても、その初期においては希望した量のM
gがドーピングされない。すなわち、Mgの供給を開始
してから、実際に結晶中にMgが取り込まれるまでに時
間がかかる。
AlGaInP系材料では比較的小さいが、Alを含ま
ないGaInP、GaAs等では顕著に表れ、大きな問
題となる。ドーピング遅れは、Mg原料の量を多くすれ
ば小さくなることが知られているが、実用的に重要なキ
ャリア濃度に対応する領域では制御が難しく、大きな問
題となる。
のドーピング遅れは、成長温度、母体がInAlPであ
るかInGaPであるかにより大きく変化するが、この
ドーピング遅れは、固相表面に一定量のMgが蓄積され
るまでは、ドーピングが開始しないというモデルによっ
て説明することができると述べている。(Extended Abs
tracts of the 22nd,1990 International Conference o
n Solid State Devices and Materials,仙台, 1990, p
p.509-512).ハタノら(Hatano et al)は、ドーピング
遅れのないMgドーピングを実現するためにトリメチル
アルミニウム(trimethylaluminum )とジメチルマグネ
シウム(dimethylmagnesium) とのアダクト(adduct)を
用いることを提案している(Appl.Phys. Lett., Vol.5
8, No.14,1991, pp.1488-1490) 。
るドーピング遅れの現象を説明する。図5Cは、Znド
ープのGaAs基板の上にMgドープのGaAsエピタ
キシャル膜を成長した場合を示す。横軸に表面からの深
さを取り、縦軸にドーパントの濃度を取る。
長初期からMgをドーピングしているのに拘らず、Mg
濃度は成長初期には極めて低く、成長がある程度進むに
つれて次第に立ち上がる。
ては、ZnドープのGaAs基板から拡散により若干の
Znが進入しているので、p型となるが、Zn濃度が落
ちた後、Mg濃度が立ち上がるまでの間の領域は、不純
物濃度が極めて低く、高抵抗領域となってしまう。
gをp型ドーパントとして用いた場合のより具体的問題
点を図5Dを参照して説明する。図5Dにおいては、p
+ 型GaAs基板71の上に、p型GaAsバッファ層
72を成長し、その上にp型GaInP中間層73、p
型AlGaInPクラッド層74を成長してp型領域を
形成する。p型領域の上に、アンドープのGaInP層
75を成長して活性層とし、その上にn型AlGaIn
Pクラッド層76、n型GaAsコンタクト層77を成
長してn型領域を形成する。
nP中間層73、AlGaInPクラッド層74のp型
ドーパントとしてMgをドープすることにする。する
と、GaAsバッファ層72およびGaInP中間層7
3においては、Mgがドープされにくく、所望のp型と
ならないことがある。場合によっては、これらの領域は
n型となってしまう。このように、所望のMgがドープ
されないと、作製したはずのダイオード構造に電流が流
れない、あるいはI−V特性が悪化するというような結
果を招く。
して用い、かつドーピング遅れを低減した半導体装置の
製造方法を提供することである。
造方法は、III−V族化合物半導体層をMOVPEで
結晶成長する工程を含む半導体装置の製造方法であっ
て、p型III−V族化合物半導体層のMOVPE結晶
成長において、p型不純物としてMgの有機金属化合物
とAlの有機金属化合物との混合ガスを用い、成長初期
の界面近傍でIII族元素としてAlを約0.02以上
約0.1以下含むMgドープのp型層を成長する工程を
含む。
を混合してドーパントとして用いると、ドーピング遅れ
現象が低減する。したがって、ドーピング遅れ現象に基
づく種々の問題が低減する。
す。図1Aは、半導体装置の製造方法を概略的に示し、
図1Bは半導体装置内のp型III−V族化合物半導体
層の構成を示す。
合物半導体層7を成長する際、Mgの有機金属化合物1
をp型ドーパントとして用い、同時に成長層の組成とし
ては不要なAlの有機金属化合物2をMgの有機金属化
合物1に混合部4で示すように混合する。ただし、混入
されるAlが成長層のエネルギギャップと屈折率とに実
質的影響を与えることを防止するためAlの添加量は組
成として0.1以下とする。
5で示すように添加し、得られたソースガスを用いて下
地結晶6上にCVD成長を行なってp型III−V族化
合物半導体層7を成長する。
って作成する半導体装置の構成例を示す。少なくとも表
面にi型またはn型領域を有する下地層9の上に、Mg
とAlをドープされたIII−V族化合物半導体層7
a、7bが配置され、その上にp側電極またはp型基板
8が配置されている。III−V族化合物半導体層7
a、7bは、p側電極またはp型基板8とi型またはn
型の下地層9の間を接続している。
向かう場合のみでなく、上方から下方に向かう場合も含
む。Mgのドーピング遅れは、Mgの有機金属化合物が
石英配管や石英反応管等に付着するためであると言われ
ている。
ング遅れ現象が低減するかの理由は定かではないが、M
gの有機金属化合物とAlの有機金属化合物を混合する
と、Mgの有機金属化合物の性質が変化し、途中の配
管、反応管等に付着する率が低減するものと考えられ
る。
Alが混入し、成長層の組成を変化させるが、必要なA
lの量はあまり多くはなく、半導体装置の特性を変化さ
せる程度は微弱である。
の製造方法を実施するためのCVD結晶成長システムを
概略的に示す。石英製反応管11の中に、サセプタ12
が配置され、サセプタ12の上に結晶成長を行なうため
の下地基板13が配置される。
イッチングマニホールド15からソースガス供給用の配
管21を介して結晶成長用原料ガスが供給される。ガス
スイッチングマニホールド15は、供給用配管21と廃
棄用配管22を有し、各原料ガスからの配管23、24
が切換バルブ16、17を含む連動切換バルブ18によ
って配管22、21に接続されている。
16a、17aは、一方が開いているときは他方が閉じ
る。図示の状態においては、バルブ17a、17b、1
7iが閉じている状態を示す。
のキャリアガスは、マスフローコントローラ31を介し
てシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2 Mg)3
3を収容した容器32に供給され、Cp2 Mgのガスを
含んだ状態となって圧力制御バルブ34に供給される。
なお、Alソースとしてトリメチルアミンアラン(CH
3 )3 NAlH3 、ジメチルアミンアラン(CH3 )2
C2 H5 NAlH3 等のアミン系材料を用いることもで
きる。同様、アミン系Mgを用いることもできる。
アガスはマスフローコントローラ35を介して直接圧力
制御バルブ34にも供給されている。マスフローコント
ローラ35から圧力制御バルブ34に到る配管の途中に
圧力計36が接続されており、測定した圧力を制御ライ
ン38を介して圧力制御バルブ34にフィードバック
し、一定圧力を維持させる。圧力制御バルブ34から供
給されるドーパントガスは配管23を介してガススイッ
チングマニホールド15に入り、バルブ17bを介して
反応管11に供給されるか、バルブ16bを介して廃棄
される。
としては、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム(C
5 H5 )2 Mgまたはビスメチルシクロペンタジエニル
マグネシウム(CH3 C5 H4 )2 Mgを用いるのが好
ましい。
アガスはマスフローコントローラ41を介してトリメチ
ルアルミニウム(CH3 )3 Al(TMA)またはトリ
エチルアルミニウム(C2 H5 )3 Al(TEA)の液
体43を収容した容器42に導入され、バブリングを行
なった後、圧力制御バルブ44を介して配管24に供給
されている。
アガスはマスフローコントローラ45を介して直接圧力
制御バルブ44にも供給されている。マスフローコント
ローラ45から圧力制御バルブ44に到る配管の途中に
圧力計46が接続され、圧力計の測定値は制御ライン4
8を介して圧力制御バルブ44にフィードバックされて
いる。
流側では圧力が一定に保たれる。圧力制御バルブ44に
接続された配管24は、バルブ17aを介して反応管1
1に接続されるか、バルブ16aを介して廃棄側に接続
される。
ャリアガスを供給され、マスフローコントローラ108
を介して配管109にキャリアガスを供給する。配管1
02は、ボンベ103に収容された10〜20%H2 希
釈のアルシン(AsH3 )が減圧バルブ104、バルブ
105を介して供給され、マスフローコントローラ10
7を介して配管109に接続している。なお、同様の構
成でホスフィン(PH 3 )のH2 希釈ガスも供給され
る。
リメチルインジウム(TMIn)、GaソースとしてT
MGaまたはTEGa、AsソースとしてAsH3 、P
ソースとしてPH3 がガススイッチイングマニホールド
15に接続される。また、結晶成長中にキャリアガスは
H2 であり、成長前または成長後のパージ用にN2 ガス
が用いられる。
管11内は10Torrのオーダの減圧雰囲気に保た
れ、圧力制御バルブより上流側は大気圧程度に保たれ
る。ドーパントとして用いるCp2 Mgおよび添加物と
して用いるTMAまたはTEAは、成長層の特性を害さ
ないために半導体グレードの高純度のものを用いる。
体のソースガスは、他の供給ラインからガススイッチン
グマニホールド15を介して配管21に供給する。Mg
をドープしたp型III−V族化合物半導体層を成長さ
せるときは、必ずMgソースガスと共に所定量のAlソ
ースガスを供給する。
の製造方法を実施するための他のCVD結晶成長システ
ムを概略的に示す。反応管11、サセプタ12、下地基
板13、ガススイッチングマニホールド15、供給用配
管21、廃棄用配管22は図2に示したものと同様であ
る。
Mgの有機金属化合物はAlの有機金属化合物と混合さ
れた状態で配管26からガススイッチングマニホールド
15のバルブ16a、17aに供給される。
のキャリアガスがマスフローコントローラ51を介して
TMA、TEA等のAlの有機金属化合物53を収容し
た容器52に導入され、バブリングされた後、圧力制御
バルブ57に供給される。
ーラ56aを介してCp2 Mg等のMgの有機金属化合
物54を収容した容器55に供給され、Cp2 Mgの蒸
気を混合した状態となって圧力制御バルブ57に供給さ
れる。
ローラ56を介して直接圧力制御バルブ57に供給され
る。マスフローコントローラ56から圧力制御バルブ5
7に到る配管の途中に圧力計58が接続され、測定した
圧力に基づく制御信号を制御ライン59を介して圧力制
御バルブ57にフィードバックし、圧力制御バルブ57
を制御する。
機金属化合物とAlの有機金属化合物とが圧力制御バル
ブ57の上流側の比較的高い圧力状態で混合され、圧力
制御バルブ57から低圧側配管26に供給される。比較
的高い圧力でMgの有機金属化合物とAlの有機金属化
合物の混合を行なうため、より均質な混合ガスを供給す
ることができる。
ロペンタジエニルマグネシウムとが常温、常圧下におい
て反応し、他の化合物を精製するかどうかを調査した。
フラスコにCp2 MgとTMAを入れ、混合し、50℃
で加熱、攪拌を3時間行った。
応のTMAを抜き出し、残った粉体を50〜90℃/
0.5Torrで昇華した。初めの数グラムと最後の数
グラムに関して元素分析を行った。
ると推定できた。したがって、上述の反応炉においてト
リメチルアルミニウムとビスシクロペンタジエニルマグ
ネシウムとの間に反応が生じていないものと推定でき
る。
テムを用いて作成する半導体装置の構成例を、図4に示
す。図4に示す可視光半導体レーザにおいては、n+ 型
GaAs基板61の上に、n型GaAsバッファ層6
2、n型AlGaInPクラッド層63が配置され、そ
の上にアンドープのGaInPまたはAlGaInPで
形成された活性層64が配置される。
AlGaInPクラッド層65、Mgをドープしたp型
AlGaInP中間層67が配置され、メサ状にエッチ
ングされている。メサの側面はn型GaAs領域66に
よって埋め込まれている。
AlGaAsコンタクト層68、またはZnをドープし
たp型GaAsコンタクト層が配置されている。n+ 型
GaAs基板61の底面にはn側電極69が形成され、
p型AlGaAsコンタクト層68の上面にはp側電極
70が形成されている。なお、クラッド層63、65の
組成は(Al0.7 Ga0.3 )0.5 In0.5 Pである。
際には、n+ 型GaAs基板61の上に、通常のMOV
PEにしたがって活性層64までを成長し、その上のp
型層の成長においては、p型ドーパントとしてMgの有
機金属化合物と同時にAlの有機金属化合物を混合して
ドープしつつ、結晶成長を行なう。
半導体レーザと比較すると、本来Alを添加する必要の
ない中間層67にもAlが添加されることになる。コン
タクト層のGaAsに対しては、Znは通常高濃度にド
ープできるもので、ZnドープのGaAsでもよい。ま
た、MgドープのAlGaAsでもよい。
III−V族p型半導体層を複数層接続した構造を作成
する際には、p型ドーパントとしてMgの有機金属化合
物を添加すると同時にAlの有機金属化合物を添加し、
Mgのドーピング遅れを低減させる。
lの有機金属化合物を供給して行なう結晶成長の効果を
より具体的に説明する。図6Aは、Mgドーピングの効
果を検証するために用いたサンプルの構成を示す。Zn
ドープのGaAs基板91の上に、ZnドープのGaA
sバッファ層92を成長し、Mgドープ結晶成長用の下
地基板を作成する。
(Alx Ga1-x )0.5 In0.5 P第1中間層93(x
=0〜0.4)、(Al0.4 Ga0.6 )0.5 In0.5 P
第2中間層94、(Al0.7 Ga0.3 )0.5 In0.5 P
クラッド層95を順次成長する。第1中間層93、第2
中間層94の組成は、バッファ層92とクラッド層95
の間の価電子帯を滑らかに接続するように選択してあ
る。
の範囲から選択する。たとえば、GaAsは670℃、
AlGaInPは670〜730℃(Alの組成によっ
て変化させる)とする。
ることなく(すなわち、上述の中間層93の組成(Al
x Ga1-x )0.5 In0.5 Pをx=0とおいて)、Mg
のソースガスとしてCp2 Mgのみをドープしたときの
結果を示す。図中横軸は表面からの深さをミクロンで示
し、縦軸は正孔濃度を示す。
P層93を0.2μm成長し、その上に(Al0.4 Ga
0.6 )0.5 In0.5 P層94を約300Å成長し、その
上に(Al0.7 Ga0.3 )0.5 In0.5 P層95を厚さ
約0.5μm成長した。
nをドープしたGaAs領域からその上のGaInP層
93に入ると正孔濃度は急激に低下している。その後、
(Alx Ga1-x )0.5 In0.5 P(x=0.4)の層
94近傍で、正孔濃度は高い値を取り、やがてほぼ一定
値に落ちついている。正孔濃度が、たとえば1桁低くな
ることは抵抗が1桁高くなることである。
とした成長層に正孔濃度が不足すると、結果として得ら
れる半導体装置のI−V特性は劣化してしまう。図7
A、図7Bは、MgソースのCp2 Mgと同時にトリメ
チルアルミニウムTMAを添加した場合の結果を示す。
gドープのGaInP層を成長しようとしても、Mgが
直ちにはドープされないことを考慮し、バンド不連続の
発生を許容して、初めからAlを混合した。
の上に、Mgと共にAlをドープしつつ、(Alx Ga
1-x )0.5 In0.5 Pの組成xを0.04から0.4に
順次増大させたAlGaInP層93、(Al0.4 Ga
0.6 )0.5 In0.5 P層94を成長し、その上に(Al
0.7 Ga0.3 )0.5 In0.5 P層95を成長した。各層
の厚さは、図6Bと同様である。
aAs領域91、92からMgをドープしたAlGaI
nP93、94に入ると一旦わずかに落ち込むが、すぐ
に回復し、その後ほぼ均一な高い濃度を示している。M
gドープ領域に入って正孔濃度が落ち込む領域の幅は約
270Åであった。ただし、この領域においても、正孔
濃度は約1×1018cm-3以上であり、図6Bの場合と
比べると十分高濃度であると言える。
らに増大させた例を示す。Mgと共にAlをドープしつ
つ、(Alx Ga1-x )0.5 In0.5 P層93、94の
組成勾配をx=0.1からx=0.4に変化させた。
の傾向を示すが、Mgドープ領域初期の落ち込みがより
浅く、より狭くなっている。正孔濃度の落ち込んでいる
領域の幅は約150Åであった。
べきものであり、図7Bの結果は極めて満足すべきもの
である。この結果からドーパントとしてMgの有機金属
化合物を用いるときは、同時にAlの有機金属化合物を
所定量以上添加することが好ましいことが判る。
0.5 In0.5 Pの場合、少なくともx=0.04(組成
としてAl0.02)、好ましくはx=0.1(III族元
素全体を考えると、Al組成はAl0.05)以上である。
なお、Alの混合量を全III族元素原料に対してAl
0.1 以下にすることが半導体層の物理的特性を実質的に
変化させないために好ましい。
Alの有機金属化合物としてトリエチルアルミニウムT
EAを用いた場合の結果を示す。成長した構成は、(A
lxGa1-x )0.5 In0.5 P層93としてx=0.0
4とした。
同様、AlGaInP層93の初期においてわずかに落
ち込むが、約1×1018cm-3以上の値であり、その後
速やかに立ち上がり、ほぼ一定の高濃度を示している。
Alの有機金属化合物としてTEAを用いた場合も、添
加すべきAl量はTMAの場合と同程度であることが判
る。
族化合物半導体において、p型ドーパントとしてCp2
Mgを用い、同時にAlの有機金属化合物(TMAまた
はTEA)を用いると、約1×1018cm-3以上の高正
孔濃度が得られ、かつその正孔濃度は1〜3×1018c
m-3とほぼ一定とできた。従来のMgドーピングの場合
と比べれは、ドーピング遅れが著しく改善されている。
にAlが導入されるが、その量は1020cm-3のオーダ
であり、結晶中のIII族原子の密度約2×1022cm
-3と較べ、実用上大きな問題は生じない。
金属化合物に添加すべきAlの有機金属化合物の量はM
gの所望ドーパント濃度に応じて変化する。図9Aは、
成長層の全III族元素原料に対するAl元素原料の組
成をパラメータとし、III族原料のモル流量に対する
Mg原料のモル流量比を変化させたときのドーピング遅
れの結果を示すグラフである。図中、○印は再現性良く
ドーピング遅れがない結果が得られたデータを示し、△
印は時々ドーピング遅れがある結果が得られたデータを
示し、×印は必ずドーピング遅れがある結果が得られた
データを示す。
ル流量に対するMg原料のモル流量比が約2×10-3程
度以上であれば、全III族元素原料に対するAl元素
原料の組成は約0.02でドーピング遅れを実質的に消
滅させることができ、極めて低い固相組成でもドーピン
グ遅れを著しく減少させることができる。
のモル流量比が約1×10-3程度の場合は、全III族
元素原料に対するAl元素原料の組成を約0.02以上
とすることによってドーピング遅れを著しく減少させる
ことができ、全III族元素原料に対するAl元素原料
の組成を約0.03〜0.035以上とすれば、実質的
にドーピング遅れをなくすことができる。
全III族元素原料に対する添加すべきAl元素原料の
組成はより大きな値となっている。図9Bは、より広い
Al混合領域でのMgドーピング遅れの実験結果を示
す。横軸は全III族元素原料に対するAl元素原料
(TMAまたはTEA)の量を示し、縦軸は全III族
元素原料に対するMg原料(Cp2 Mg)の量を示す。
ドーピング遅れのあった結果を●で示し、ドーピング遅
れのなかった場合を○で示す。
曲線pより上の領域と判断できる。添加すべきMgの量
が増大すると、ドーピング遅れは生じにくいこと、およ
び混合するAlの量が増大するとドーピング遅れが生じ
ない傾向が見られる。なお、混合するAlの量が全II
I族元素に対して約0.05以上であれば、Mgドーピ
ングの遅れに対する効果はほぼ一定と考えられる。
の添加量は少ない方が好ましく、Mgドーピングのため
に添加する全III族元素原料の量に対するAl添加量
は0.05以下が好ましいといえる。
用いる場合、Mgの有機金属化合物に所定量以上のAl
の有機金属化合物を混合することにより、ドーピング遅
れを実際上問題ない程度に低減することが可能となっ
た。
可視光半導体レーザを示す。Znドープのp型GaAs
基板111は、その表面にストライプ状のメサ構造を形
成している。このGaAs基板111の上に、メサ側面
を埋め込むようにSeドープのn型GaAs電流ブロッ
ク層112が形成され、段差の弛められたメサ構造を形
成している。
aAsバッファ層113がエピタキシャルに成長されて
いる。この構成は、図5Bに示したものと同等である。
バッファ層113の上にMgをドープしたp型(Alx
Ga1-x )0.5 In0. 5 Pの中間層114aがエピタキ
シャルに形成されている。この層の組成xは、バッファ
層に接する側から、x=0.04からx=0.4まで徐
々に変化させられ、組成勾配層を形成している。
lGaInPクラッド層115aがエピタキシャルに成
長されている。なお、クラッド層の組成は(Al0.7 G
a0. 3 )0.5 In0.5 Pである。
aInP活性層116がエピタキシャルに成長され、そ
の上にn側積層がエピタキシャルに成長される。n側積
層は活性層の上にSeドープのn型AlGaInPクラ
ッド層117、その上にSeドープのn型GaInP中
間層118、その上にSeドープのn型GaAsコンタ
クト層119を含む。活性層116から上の積層は、図
5Bに示す構成と同等である。
クラッド115aがMgドープであり、さらに中間層1
14aが組成勾配層で形成されている点が図5Bと異な
る点である。
に関しては、米国出願 USSN 892,680、欧州特許出願
91303783.4 (EP-A 454476) を参照する。本構成におい
ては、中間層がAlを含む層で形成され、Mgをドープ
されているため、中間層全体を高濃度にMgドープする
ことができる。バッファ層113と接する側において、
Alの組成xが0.04と設定されているため、Alを
含んではいるが、その物理的性質はGaInPとほぼ同
等であり、Alを添加したことにより実質的変更は生じ
ない。
T)は、ベース、コレクタに較べて、バンドギャップの
広い材料をエミッタに用いたトランジスタであり、高利
得、高駆動能力、高速性等から次世代の超高速集積回路
用の基本素子として注目を集めている。
は、ベース領域のキャリア濃度をできるだけ高くしてベ
ース抵抗を下げること、およびベース膜厚をできるだけ
薄くしてキャリアの走行時間を短縮することが必要であ
る。
長方法(MBE法、CBE法、MOCVD法等)に応じ
て、Zn、Be、C、Mg等を用いる。Znは、他のデ
バイスではよく用いられるドーパントであるが、HBT
の場合には必要な高濃度のキャリア濃度を得ることが困
難であり、かつ結晶中での拡散が非常に大きいため、薄
いベース領域を形成するのが困難である。
やはり結晶中での拡散が起きると、さらに非常に有毒な
ことが問題である。このような背景から現在、高濃度ド
ーピングが可能で、拡散が小さく、毒性の問題がない
C、Mgへの期待が高まっている。
ング遅れである。III−V族化合物半導体によるHB
Tは、主にAlGaAs/GaAs/GaAs系、In
P/InGaAs/InGaAs系、InAlAs/I
nGaAs/InGaAs系(エミッタ/ベース/コレ
クタ)であるが、いずれの系でもベースはAlを含まな
い材料で構成される。
Å程度なので、Mgを結晶中に導入しようとしてもドー
ピング遅れのために、Mgはベースにはほとんど取り込
まれない。
イポーラトランジスタを示す。基板121の上にn型コ
レクタ領域122、p型ベース領域123、n型エミッ
タ領域124が積層されている。
タ領域122をGaAs、ベース領域123をMgドー
プのAlGaAs、エミッタ124をAlGaAsで形
成することができる。
リア濃度に応じてドープするMgの量を定め、そのMg
をドープするのにドーピング遅れを起こさないように混
合するAlの組成を、たとえば図9Bを参照して選択す
る。Alの混合量は、全III族元素原料に対して0.
1以下とする。
クタ領域122をInGaAsで形成し、ベース領域1
23をMgドープのAlInGaAsで形成し、エミッ
タ領域124をInPで形成してもよい。
は、ベース領域に望まれるp型不純物濃度によって決定
し、混合するAlの量は、Mgドーピングにドーピング
遅れを生じないように、かつベース領域の物理的性質を
実質的に変更しない範囲で選択する。
クタ領域122をn型InGaAsで形成し、ベース領
域123をMgドープのAlInGaAsで形成し、エ
ミッタ領域124をInAlAsで形成することもでき
る。
料を混ぜることにより、ドーピング遅れを解消し、薄い
ベース領域に急峻な高濃度ドーピングをすることができ
る。この時、ベース材料に導入されるAlの量は十分少
ないため、エミッタとベースのバンドギャップ差は十分
取れ、HBTの動作を損ねるものではない。また、Al
と結合しやすい酸素不純物による再結合欠陥の導入も素
子特性を損なう程ではない。
を、ある特定の波長の光で励起すると、ファイバ中を伝
搬する別の波長の光を増幅することができる。この光フ
ァイバ増幅を利用した長距離光通信に注目が集まってい
る。
が、この中で0.98μmの光が最も増幅効率が良いこ
とが知られている。このような背景から、波長0.98
μmで発振する半導体レーザの要求が高まっている。
の代表的な断面構造図である。波長0.98μm半導体
レーザは、InPまたはGaAs基板に完全に格子整合
した混晶材料系では原理的に作製することはできない、
したがって、活性層を意図的に格子不整合させた特殊な
組み合わせを用いる必要がある。
As基板、132はSiドープのn型AlGaAsまた
はGaInPのクラッド層、133はSiドープのn型
GaAsガイド層、134はInGaAs歪量子井戸活
性層、135はMgドープのp型AlGaAsガイド
層、136はMgドープのp型AlGaAsクラッド
層、137はZnドープのp型GaAsコンタクト層で
ある。
うである。 クラッド層132、136:Al0.7 Ga0.3 Asまた
はIn0.5 Ga0.5 P,1〜2μm. n型ガイド層133: GaAs,0.1μm. 活性層134 : In0.2 Ga0.8 As,50
〜100Å p型ガイド層135: Al0.1 Ga0.9 As,0.
1μm. コンタクト層137: GaAs,0.5〜1μm. GaAsのバンドギャップは1.42eVであり、これ
は波長0.87μmに相当する。GaAs活性層にIn
を導入することにより、波長を1μm程度にまで長くす
ることができる。
くなるほうにずれるが、InGaAsの膜厚が臨界値以
下であれば、格子不整合による転位の発生を抑えること
ができる。
組成はIn0.2 Ga0.8 As〜In 0.3 Ga0.7 As程
度であり、この時の臨界膜厚は50〜100Å程度であ
る。このレーザは、活性層に導入される圧縮歪の効果、
量子井戸の効果等により、素子特性(閾値電流密度、効
率等)が非常に優れている。
出力が必要である。高光出力を得るための条件の1つと
して素子の抵抗を下げ、動作時の発熱を下げることが挙
げられる。このためには、AlGaAsクラッド層、特
にp型AlGaAsクラッド層のキャリア濃度を上げる
必要がある。
は、一般にZnであるが、Znは結晶中での拡散が非常
に大きく、活性層にダメージを与えるという問題点を持
っている。
グが可能であり、Znに較べると結晶中での拡散が小さ
いという長所を持っている。p型不純物としてMgを用
いる場合、理想的にはGaAsのガイド層にMgのドー
ピングを行いたいが、GaAsへのMgドーピングでは
著しいドーピング遅れが発生する。
長する際に、微量のAl原料を添加することにより、M
gドーピング遅れを解消し、活性層の近傍から急峻なド
ーピングプロファイルを得ることが可能である。
のキャリア濃度は、5×1017cm -3−1×1018cm
-3、ガイド層のAlx Ga1-x AsのAl組成はx=
0.1程度である。この時のAl組成は光分布を損ねる
ものではない。
Mgの有機金属化合物とAlの有機金属化合物の相互作
用によるものと考えられ、成長すべきIII−V族化合
物半導体のAl以外の組成にはよらないものと考えられ
る。
族化合物半導体に限らず、その他のIII−V族化合物
半導体にMgをp型ドーパントとして添加するときに、
上述の方法は有効と考えられる。
本発明はこれらに制限されるものではない。たとえば、
種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者
に自明であろう。
Mgのドーピング時にMgの原料である有機金属化合物
と共に、Alの有機金属化合物を混合することにより、
ドーピング初期からMgを結晶中に有効に導入すること
ができる。
まないIII−V族化合物半導体結晶成長における課題
であったMgのドーピング遅れを解決することができ
る。このため、AlGaInP系III−V族化合物半
導体を用いた可視光半導体レーザ等のp型領域をMgド
ーピングによって形成することができる。
法を示す概略図である。
に示す断面図である。
実施するためのCVD結晶成長システムを示すブロック
図である。
実施するためのCVD結晶成長システムを示すブロック
図である。
る。
を示す断面図である。
を示す断面図である。
明するためのドーパント濃度の分布を示すグラフであ
る。
ザ装置の構成例を示す断面図である。
サンプルの構成を示す概略断面図である。
を示すグラフである。
グを行い、図6Aに示すサンプルを作製した結果を示す
グラフである。
グを行い、図6Aに示すサンプルを作製した結果を示す
グラフである。
を行い、図6Aに示すサンプルを作製した結果を示すグ
ラフである。
するAlの有機金属化合物の量によるドーピング遅れの
程度を示すグラフである。
するAlの有機金属化合物の量によるドーピング遅れの
程度を示すグラフである。
ザの断面図である。
ンジスタ(HBT)の断面図である。
の半導体レーザの断面図である。
Claims (11)
- 【請求項1】 p型III−V族化合物半導体層のMO
VPE結晶成長において、p型不純物としてMgの有機
金属化合物とAlの有機金属化合物との混合ガスを用
い、成長初期の界面近傍でIII族元素としてAlを約
0.02以上約0.1以下含むMgドープのp型層を成
長する工程を含む半導体装置の製造方法。 - 【請求項2】 請求項1記載の半導体装置の製造方法で
あって、 Mgの有機金属化合物とAlの有機金属化合物を第1の
圧力下で混合し、混合ドーパントガスを形成する工程
と、 前記第1の圧力より低い第2の圧力下で前記混合ドーパ
ントガスと他の原料ガスを混合し、下地基板上に供給し
て結晶成長させる工程とを含む半導体装置の製造方法。 - 【請求項3】 前記Mgの有機金属化合物がビスシクロ
ペンタジエニルマグネシウムまたはビスメチルシクロペ
ンタジエニルマグネシウムであり、前記Alの有機金属
化合物がトリメチルアルミニウムまたはトリエチルアル
ミニウムである請求項1または2記載の半導体装置の製
造方法。 - 【請求項4】 Znドープのp型GaAs下地結晶上に
Mgの有機金属化合物とAlの有機金属化合物との混合
ガスをp型不純物ソースとして、Al組成がIII族元
素として約0.02以上約0.1以下の第1のAlGa
InP層を有機金属気相成長で結晶成長する工程と、 前記第1のAlGaInP層上に、Mgの有機金属化合
物とAlの有機金属化合物との混合ガスをp型不純物ソ
ースとして、前記第1のAlGaInP層よりAl組成
の高い第2のAlGaInP層を有機金属気相成長で結
晶成長する工程とを含む化合物半導体装置の製造方法。 - 【請求項5】 さらに、前記第2のAlGaInP層上
にMgの有機金属化合物とAlの有機金属化合物との混
合ガスをp型不純物ソースとして、組成がほぼ(Al
0.7 Ga0.3 )0.5 In0.5 Pである第3のAlGaI
nP層を成長する工程を含む請求項4記載の化合物半導
体装置の製造方法。 - 【請求項6】 下地化合物半導体結晶層上に形成され、
p型不純物としてMgを含み、III族元素としてAl
を約0.02以上約0.1以下含む第1のp型III−
V族化合物半導体層と、 前記第1のp型III−V族化合物半導体層上に形成さ
れ、p型不純物としてMgを含み、III族元素として
より高い組成のAlを含む第2のp型III−V族化合
物半導体層とを含むIII−V族化合物半導体装置。 - 【請求項7】 前記下地化合物半導体結晶層がp型不純
物としてZnをドープされたGaAsの表面を有し、前
記第1のp型III−V族化合物半導体層がp型(Al
x Ga1-x )0.5 In0.5 As層であり、前記第2のp
型III−V族化合物半導体層がp型AlGaInP層
である請求項6記載のIII−V族化合物半導体装置。 - 【請求項8】 前記第2のp型III−V族化合物半導
体層がAl組成が次第に増大する組成勾配を有するp型
AlGaInP層である請求項6または7記載のIII
−V族化合物半導体装置。 - 【請求項9】 前記下地化合物半導体結晶層がアンドー
プのInGaAs層であり、前記第1のp型III−V
族化合物半導体層がp型AlGaAs層またはp型Ga
InP層である請求項6記載のIII−V族化合物半導
体装置。 - 【請求項10】 Mgをドープされていない下地化合物
半導体結晶層と、 前記下地化合物半導体結晶層上に形成され、p型不純物
としてMgを含み、III族元素としてAlを約0.0
2以上約0.1以下含むp型III−V族化合物半導体
層と、 前記p型III−V族化合物半導体層上に形成されたn
型III−V族化合物半導体層とを有するIII−V族
化合物半導体装置。 - 【請求項11】 前記下地化合物半導体結晶層がp型I
nGaAs層であり、前記n型III−V族化合物半導
体層がn型AlGaAs層、n型InP層、n型InA
lAs層のいずれか1種である請求項10記載のIII
−V族化合物半導体装置。
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1993
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