JP4078891B2 - 化合物半導体エピタキシャルウェハの製造方法および化合物半導体エピタキシャルウェハ - Google Patents
化合物半導体エピタキシャルウェハの製造方法および化合物半導体エピタキシャルウェハ Download PDFInfo
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、化合物半導体エピタキシャルウェハの製造方法および化合物半導体エピタキシャルウェハ、特に光素子用として適したエピタキシャルウェハに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
AlGaInP系半導体材料を用いた従来の半導体レーザダイオード(LD)の一例を、図5に示す。図において、201はn型GaAs基板、202は基板201上に形成されたn型AlGaInPからなるクラッド層である。203はAlGaInPからなる活性層である。204は、p型AlGaInPからなるクラッド層である。すなわち、AlGaInP活性層203のエネルギーギャップが、AlGaInPクラッド層202及び204のエネルギーギャップより小さくなるよう混晶比が設定されており、ダブルヘテロ構造をなしている。206はコンタクト層である。
【0003】
205はGaAsからなる電流ブロック層である。電流ブロック層205は、レーザー発振に必要な電流密度を得るために、いわゆる、電流狭窄を行う目的で設けられる。205は、層204を選択エッチングしてリッジを形成した後、SiNxなどのアモルファス膜を用いて選択成長させることによって形成する。
【0004】
上記LDのような光素子に用いられる従来のエピタキシャルウェハの構造を図3に示す。これは、n型GaAs基板1上に、順次、n型GaInPバッファ層2、n型AlGaInPクラッド層3、量子井戸活性層4、p型AlGaInPクラッド層5、p型GaInP中間層6、p型GaAsコンタクト層7を積層した構成である。
【0005】
この構成の特色は次の点にある。すなわち、p型クラッド層5にアルミニウム・ガリウム・インジウム燐(p−AlGaInP)が、またp型コンタクト層7にガリウム砒素(p−GaAs)が用いられる。さらに、上記p型クラッド層5の直上にp型コンタクト層を形成すると、急激なバンドギャップ不連続のために、その界面が抵抗成分となってしまうため、その間に中間層6としてp型ガリウム・インジウム燐(p−GaInP)が挿入される。そしてこれらの各層のキャリア濃度は層内一様である。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術においては、p型AlGaInPクラッド層5とp型GaInP中間層6との界面や、p型GaInP中間層6とp型GaAsコンタクト層7との界面に、急なバンドギャップ不連続のための抵抗成分が残る。特にこれらの界面には、両材料系の仕事関数の違いから、図4に示すように、ノッチ8と呼ばれる局所的で急峻なエネルギー障壁ができやすいため、抵抗成分を増加させる傾向があるという問題があった。
【0007】
そこで本発明の目的は、上記課題を解決し、これら化合物半導体層の界面の抵抗成分を低減し、より高出力な半導体レーザダイオードを作製するのに適したエピタキシャルウェハ及びその製造方法を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。
【0009】
請求項1の発明に係る化合物半導体エピタキシャルウェハの製造方法は、ヒータにより加熱された基板上に、原料ガス、不純物ガス、キャリアガスを導入することにより化合物半導体層を成長する有機金属気相成長法を用いて、少なくともAlGaInPクラッド層、GaInP中間層、GaAsコンタクト層を連続的に気相成長させる化合物半導体エピタキシャルウェハの製造方法において、上記不純物ガスにより導入されるZnの導入量を増加させることにより、上記原料ガスの流量を変化させないで化合物半導体層のGaP組成比を段階的または連続的にAlGaInPクラッド層の側から低下させることを特徴とする。
【0010】
これには、GaP組成の傾斜領域ないし遷移領域を、作成する層と層の界面近傍に配置する形態がすべて含まれる。代表的には次の二つの形態が含まれる。第一は、ヒータにより加熱された基板上に、原料ガス、不純物ガス、キャリアガスを導入することにより、少なくともAlGaInPクラッド層、GaInP中間層、GaAsコンタクト層を連続的に気相成長させる化合物半導体エピタキシャルウェハの製造方法において、上記不純物ガスにより導入されるZnの導入量を増加させることにより、上記原料ガスの流量を変化させないで、上記GaInP中間層のGaP組成比を段階的または連続的に低下させる形態(請求項2の形態)である。第二は、ヒータにより加熱された基板上に、原料ガス、不純物ガス、キャリアガスを導入することにより、少なくともAlGaInPクラッド層、GaInP中間層、GaAsコンタクト層を連続的に気相成長させる化合物半導体エピタキシャルウェハの製造方法において、上記不純物ガスにより導入されるZnの導入量を増加させることにより、上記原料ガスの流量を変化させないで、上記AlGaInPクラッド層の層内の、GaInP中間層側に、GaP組成比を低下させる遷移領域を形成する形態である。すなわち、上記中間層内ではなく又は上記中間層と共に、この中間層に隣接するクラッド層内における中間層側の界面近傍に、上記遷移領域を形成する形態である。
【0011】
請求項2の発明に係る化合物半導体エピタキシャルウェハの製造方法は、ヒータにより加熱された基板上に、原料ガス、不純物ガス、キャリアガスを導入することにより、少なくともAlGaInPクラッド層、GaInP中間層、GaAsコンタクト層を、有機金属気相成長法を用いて連続的に気相成長させる化合物半導体エピタキシャルウェハの製造方法において、上記不純物ガスにより導入されるZnの導入量を増加させることにより、上記原料ガスの流量を変化させないで、上記GaInP中間層のGaP組成比を段階的または連続的にAlGaInPクラッド層の側から低下させることを特徴とする。
【0012】
請求項3の発明に係る化合物半導体エピタキシャルウェハは、GaAs基板上に、少なくともAlGaInPクラッド層、GaInP中間層、GaAsコンタクト層が連続的に有機金属気相成長法を用いて成長された化合物半導体エピタキシャルウェハにおいて、上記GaInP中間層の亜鉛の添加によるキャリア濃度が上記AlGaInPクラッド層の側から徐々に増加しており、上記有機金属気相成長法における原料ガスの流量を変化させないで上記亜鉛を添加することで、上記GaInP中間層のGaP組成比がAlGaInPクラッド層側から段階的または連続的に減少して成長されていることを特徴とする。
【0013】
<発明の要点>
上記目的を達成するため、本発明では、有機金属気相成長法で成長したガリウム・インジウム燐(GaInP)や、アルミニウム・ガリウム・インジウム燐(AlGaInP)に、p型不純物、特に亜鉛(Zn)を添加すると、混晶組成が変化するという性質を利用した。
【0014】
例えば、GaInPでは不純物を故意に添加しないアンドープの状態でGaAs基板に格子整合、すなわち基板との格子定数のずれ△θ(デルタシータ)がゼロ近傍となるようにガリウムとインジウムの原料流量を調整した場合、成長時に亜鉛(Zn)を添加してp型層とすると△θがシフトし、ガリウムとインジウムの成長膜への取り込まれ率が変化することがわかる。しかもこの変化は添加する亜鉛の量に従って変化し、膜中のp型キャリア濃度が高くなるほど、△θのずれ量も大きくなる。
【0015】
この△θのずれは、プラス側(基板より格子定数が大きくなる方向)にずれる場合と、マイナス側(基板より格子定数が小さくなる方向)にずれる場合があるが、成長条件を調整することでマイナス側にずれるようにすることができる。
【0016】
この条件でp型ガリウム・インジウム燐(GaInP)を成長すると、亜鉛を添加し、その添加量を徐々に増加させることで、ガリウムとインジウムの原料流量を変えること無しに、アンドープ層よりも△θを徐々にマイナス側、すなわちガリウム組成を低い側にずらした層を成長することができる。
【0017】
良く知られているように、亜鉛は拡散し易い元素であるが、ガリウムとインジウムの取り込まれ率は亜鉛を供給している成長時に決まるので、層の成長後に亜鉛が拡散したとしても、ガリウムとインジウムの組成比が変化することはない。
【0018】
このようにして作製する組成の傾斜領域を層と層の界面近傍に配置することにより、従来の問題点を解決できる。
【0019】
なお、中間層のGaxlnx-1Pにおいて、混晶比xを小さくするとバンドギャップエネルギーEgが小さくなり、混晶比x=0としたときのGaPのバンドギャップエネルギーEgは2.26(eV)となる。逆に、混晶比xを大きくするとバンドギャップエネルギーEgが大きくなり、混晶比x=1としたときのInPのバンドギャップエネルギーEgは1.35(eV)となる。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施形態に基づいて説明する。
【0021】
図1に示すごとく、n型GaAs基板1上に、これと格子整合したn型GaInPバッファ層2、n型(Al0.7Ga0.3)InPクラッド層3を順次エピタキシャル成長し、その上にアンドープ(Al0.5Ga0.5)InPガイド層、障壁層と歪GaInP井戸層とからなる量子井戸活性層4、さらにp型(Al0.7Ga0.3)InPクラッド層5、p型GaInP中間層6、p型GaAsコンタクト層7を成長し、ダブルヘテロ構造を作製した。
【0022】
ここでp型GaInP中間層6は膜厚を300nmとするが、この層の成長条件は、アンドープで△θがほぼゼロとなるようにガリウム原料とインジウム原料の流量を条件出しにてあらかじめ調整しておいた。
【0023】
図1に示すように、実際にこのp型GaInP中間層6を成長する場合は、p型AlGaInPクラッド層5を成長した後、ガリウム原料とインジウム原料の流量はアンドープの条件出し時の値に設定し、亜鉛の添加による層のキャリア濃度が、最初の30nmは5×1017cm-3(6−1)、次の150nmは1×1018cm-3(6−2)、続いて30nmが1.5×1018cm-3(6−3)、30nmが2×1018cm-3(6−4)、30nmが2.5×1018cm-3(6−5)、30nmが3×1018cm-3(6−6)となるように亜鉛の流量を増加させながら成長した。このとき、△θのずれは、別に調査したところ、5×1017cm-3の層で−50秒程度、1×1018cm-3の層で−150秒程度、さらに3×1018cm-3の層では−600秒程度であった。
【0024】
他の層は従来の成長条件で成長した。
【0025】
ちなみに従来の中間層は、キャリア濃度が1.2×1018cm-3の、このキャリア濃度で△θがほぼゼロとなるようなガリウム・インジウム燐(GaInP)の一様な層であった。
【0026】
本実施形態の中間層6での遷移領域のエネルギーバンドのイメージを図2に示す。これに対して従来の中間層のエネルギーバンドのイメージを図4に示す。本発明では、従来例の界面に存在するノッチ8と呼ばれるエネルギー障壁が、傾斜領域の挿入によって消滅し、その分抵抗成分が低減されていると考えられる。
【0027】
本実施形態のエピタキシャルウェハを用いて、半導体レーザダイオードを作製したところ、素子の直列抵抗成分は、15パーセント低減することができた。また、素子の発振しきい値電流も5〜10パーセント低減された。
【0028】
上記実施形態では、不純物ガスにより導入されるZnの導入量を増加させることにより、原料ガスの流量を変化させないで、p型GaInP中間層6のGaP組成比を段階的に低下させる構成とした。しかし、連続的に低下させる構成とすることもできる。また上記実施形態に加えて、p型(Al0.7Ga0.3)InPクラッド層5の層内の、p型GaInP中間層6側にも、同様のキャリア濃度の傾斜領域を設けることもでき、これによっても同様の効果が期待できることは言うまでもない。
【0029】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、次のような優れた効果が得られる。すなわち、有機金属気相成長法で成長したGaInPや、AlGaInPにp型不純物、特に亜鉛を添加することで混晶組成が変化するという性質を利用し、亜鉛の添加量を徐々に増加させることで、ガリウムとインジウムの原料流量を変えること無しに、キャリア濃度の変更のみでガリウム組成を低い側にずらした層を成長することができる。このようにして作製する組成の傾斜領域を層と層の界面近傍に配置することにより、界面の抵抗成分を低減し、より高出力な半導体レーザダイオード等を作製するのに適したエピタキシャルウェハを簡便に作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の光素子用の化合物半導体エピタキシャルウェハの構成を例示した断面模式図である。
【図2】本発明の光素子用の化合物半導体エピタキシャルウェハにおけるGaInP中間層のエネルギーバンドのイメージ図である。
【図3】従来の光素子用の化合物半導体エピタキシャルウェハの構造を示した断面模式図である。
【図4】図3に示した従来例のGaInP中間層のエネルギーバンドのイメージ図である。
【図5】従来の半導体レーザダイオードの構造を示した断面模式図である。
【符号の説明】
1 n型GaAs基板
2 n型GaInPバッファ層
3 n型AlGaInPクラッド層
4 量子井戸活性層
5 p型AlGaInPクラッド層
6 p型GaInP中間層
7 p型GaAsコンタクト層
8 ノッチ(エネルギー障壁)
Claims (3)
- ヒータにより加熱された基板上に、原料ガス、不純物ガス、キャリアガスを導入することにより化合物半導体層を成長する有機金属気相成長法を用いて、少なくともAlGaInPクラッド層、GaInP中間層、GaAsコンタクト層を連続的に気相成長させる化合物半導体エピタキシャルウェハの製造方法において、
上記不純物ガスにより導入されるZnの導入量を増加させることにより、上記原料ガスの流量を変化させないで化合物半導体層のGaP組成比を段階的または連続的にAlGaInPクラッド層の側から低下させることを特徴とする化合物半導体エピタキシャルウェハの製造方法。 - ヒータにより加熱された基板上に、原料ガス、不純物ガス、キャリアガスを導入することにより、少なくともAlGaInPクラッド層、GaInP中間層、GaAsコンタクト層を、有機金属気相成長法を用いて連続的に気相成長させる化合物半導体エピタキシャルウェハの製造方法において、
上記不純物ガスにより導入されるZnの導入量を増加させることにより、上記原料ガスの流量を変化させないで、上記GaInP中間層のGaP組成比を段階的または連続的にAlGaInPクラッド層の側から低下させることを特徴とする化合物半導体エピタキシャルウェハの製造方法。 - GaAs基板上に、少なくともAlGaInPクラッド層、GaInP中間層、GaAsコンタクト層が連続的に有機金属気相成長法を用いて成長された化合物半導体エピタキシャルウェハにおいて、
上記GaInP中間層の亜鉛の添加によるキャリア濃度が上記AlGaInPクラッド層の側から徐々に増加しており、上記有機金属気相成長法における原料ガスの流量を変化させないで上記亜鉛を添加することで、上記GaInP中間層のGaP組成比がAlGaInPクラッド層側から段階的または連続的に減少して成長されていることを特徴とする化合物半導体エピタキシャルウェハ。
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