JPH03201585A

JPH03201585A - 光半導体素子の製造方法および低抵抗半導体層の成長方法

Info

Publication number: JPH03201585A
Application number: JP34241889A
Authority: JP
Inventors: Shigehide Chichibu; 重英秩父; Mitsuhiro Kushibe; 光弘櫛部; Yuzo Hirayama; 雄三平山; Masahisa Funamizu; 船水　将久; Masaaki Onomura; 正明小野村; Kazuhiro Eguchi; 和弘江口
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-12-28
Filing date: 1989-12-28
Publication date: 1991-09-03

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明は、屈折率導波型の半導体レーザ或はダブルへテ
ロ接合型の発光ダイオード等の光半導体素子の製造方法
に係わり、特に活性層の周囲をそれよりも禁制帯幅の大
きい半導体層で囲まれた半導体発光素子の製造方法に関
する。

また、本発明は、半導体薄膜成長法に係わり、特にｍ−
ｖ族化合物半導体層の気相成長方法に関する。

（従来の技術）近年、光半導体素子の開発が活発に行われている。特に
その活性層に効果的に電流を注入することができるペテ
ロ接合を用いた光半導体素子の開発１作製が行われてい
る。ＬＥＤに比べ、高速応答性の優れた誘導放出過程を
利用する半導体レーザの研究は一層活発である。半導体
レーザの安定した室温連続発振は二重へテロ接合構造を
用いて達成された。最近では半導体レーザは必ずと言っ
ても過言ではないほど、この二重へテロ接合構造をとっ
ている。

この棟の半導体発光索子では、以下の３点の条件を満た
すことが重−要である。まず第１は、発光効率を上げる
ために、極めて狭い帽に制御された発光領域にのみ効率
的に電流を狭窄集中させることである。第２には、素子
のコンタクト抵抗を小さくするために、電極を広い領域
に互って形成すること。またはコンタクト層のキャリア
濃度をあげて抵抗値を下げることである。第３には、光
通信用の発光素子のように高速変調を行うことを要求さ
れる場合は、その接合容量を小さくするため、ｐ−ｎ接
合の形成されている部分の面積を極力小さくすることで
ある。

光通信用の半導体発光素子のなかで、上記３つの条件を
比較的満足している例として、自己整合プロセスを利用
したメサ・レーザがあり、ＧａＩｎＰＡｓ／ＩｎＰ系の
レーザに応用されている（例えば。

Ｙ、　Ｈｉｒａｙａｍａ　ｅｔ　ａｌ、　：　１１ｔｈ
　Ｉｎｔ、　Ｓｅｍ１ｃｏｎｄｕｃｔｏｒＬａｓｅｒ　
Ｃｏｎｆ、、　Ｄ：１．Ｈｏ５ｔｏｎ　（１９８８）、
またはＩＥＥＥ　Ｊ。

Ｑｕａｎｔｕｉｔ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ、、　ＱＢ−２５
，１３２０（１９８９）、など）。

この半導体レーザをＳＡ−ＣＭ（自己整合型電流狭窄メ
サ）レーザと呼ぶ。また、同様に上記３つの条件を比較
的満足している例として、ＤＣ−ＦＢＩ（（Ｄｏｕｂｌ
ｅＣｈａｎｎｅｌ　Ｐｌａｎａｒ　Ｂｕｒｉｅｄ　Ｈｅ
ｔｅｒｏ）レーザがある（例えば水戸他昭和５７年度電
子通信学会全国大会、光および量子エレクトロニクスＡ
の予稿集８５７）、このレーザは二重へテロ構造のウェ
ハに２つの溝を設け、その間に挾まれた活性領域上以外
に、ｐｎ逆接合による埋め込み結晶成長をさせたもので
ある。

これと似た形で、埋め込まれた活性領域以外を工図面を
参照しながら製造方法と特徴を説明する。

第５図は従来のメサ型ｐｎ逆接合レーザの製造工程を示
す断面図である。まず、第５図（ａ）に示す如く、ｎ型
の（１００）ＩｎＰ基板（以下、基板と略記する）１０
０上に厚さ約１．５／ａのｎ−１ｎＰバツフア兼クラツ
ド）ｌ！！！１０１．１．５５−帯の発光を可能にする
組成の厚さ０．１−のノンドープＧａＩｎＰＡｓ活性層
１０２、厚さ０．２１５Ｉのｐ−ＩｎＰキャップ層１０
３　を順次結晶成長させる。その後、第５図（ｂ）に示
す如く、Ｓｉｎ、膜２００をエツチングマスクとしてＢ
ｒメタノール系の溶液を用いてＧａＩｎＰＡｓ活性層１
０２に輻２ｐｍ、間隔１．５４の２本のストライプ溝２
０６を形成する。この時、前記２本のストライプ溝の間
隔は最終的に活性層幅となるので、安定な基本横モード
発振と低い発振しきい値を得るために１から１：、５Ｉ
ｓの間に制御している。

次いで第５図（ｅ）に示す如く、２本の溝部２０６に電
流阻止層としてｐ−ＩｎＰ層１０４、ｎ−ＩｎＰ層１０
５を。

５ｉｎ２膜２００を用いて選択的に結晶成長する。その
後、第５図（ｄ）に示す様にＳｉＯ□膜２００のみをエ
ツチング後、膜厚２殉のｐ−ＩｎＰ層１０６、発光波長
にして例えば１．３／ａの組成のｐ”−ＧａＩｎＰＡｓ
コンタクトｑ　１０７、膜厚０．２．のＩｎＰキャップ
層１０８を順次結晶成長させる。

次いで、第５図（ｅ）に示すように、上記キャップ層１
０８を剥した後に幅３０Ｉ１ｍのＡｕ−ＺｎＴＩｔ極２
０２をリフトオフ法により形成し、その後アロイングを
施す。続いて、活性層１０２が露出するまでにエツチン
グを行いメサを形成する。この時、ｐ−ＩｎＰ層１．０
６のエツチングにＨＣＩを用いれば、その選択性によっ
て活性）ｅＪ１０２で正確にエツチングが停止する。

その後、硫酸系エッチャント（例えば、硫酸＋過酸化水
素＋水＝１０：　１　：　１）で、２つの溝の外側の活
性層のみを選択的に除去する。この溶液はＩｎＰには殆
ど作用しない。従って、エツチングの横方向の進行はＷ
ｉ電流阻止層あるＩｎＰ層１０４．１０５のところで自
動的に停止し、極めて再現性よく所望のメサ形状を得る
ことができる。なお、上記エツチングにより空隙２０５
が形成される。

次いで第５図（ｆ）に示すように、絶縁膜とじて５ｌｏ
ｔ　磨２０１　を堆積させた後、メサ頂上部に窓を開け
、ｐ側電極としてＡｕ−Ｃｒ電極２０３を全面に蒸着す
る。また、基板１００側は約１００岬厚になるまで研磨
したあと、ｎ（ｌｌ電極としてＡｕ−Ｇｅｔｔｔ極２０
４全２０４成する。これにより、埋め込みメサ型ｐｎ逆
接合半導体レーザが完成することになる。

波長１．５５７ａの単一モード発振をするレーザが要求
される場合には、前記活性層１０２の部分を波長１．５
５戸帯の組成を持つＧａＩｎＰＡｓ活性層１０２の上に
波長、たとえば１３−の組成を持ちＩｎＰに格子整合す
るＧａＩｎＰＡｓ光ガイド層を成長させた２層構造にし
ておき、第５図（ｂ）のストライプ溝を形成する前に光
ガイド層の上部に、所望の波長に合う周期の回折格子を
作成しておく（図示は省略する）、その後は前記した作
成方法を継続することによって、分布帰還型（ＤＦＢ　
：　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　Ｆｅｅｄ　Ｂａｃｋ）埋
め込みメサ型ｐｎ逆接合半導体レーザが完成される。

しかしながら、この種の埋め込みメサ型ｐｎ逆接合半導
体レーザの製造工程にあっては、活性層幅。

埋め込み層幅を正確に制御できるという利点を持つ反面
、そのプロセス上、二度の成長中断は避けられない。従
ってＧａＩｎＰＡｓ層１０２の表面、およびバッファＩ
ｎＰ層となるｎ−ＩｎＰ層１０１と電流阻止肘となるρ
−ＩｎＰ１０４の界面、およびｐ−ＩｎＰクラッド層１
０６とρ−ＩｎＰ層１０５層外０５各々は一度大気にさ
らされてから再成長することになる。この界面は各々Ｇ
ａＩｎＰＡｓとＩｎＰのへテロ接合界面、丁ｎＰのホモ
ｐｎ接合界面でもあり、−度大気にさらすことによる不
要な不純物の混入、および再成長時の温度上昇の間の待
機中に結晶表面が荒されることが接合の電気的特性の向
上には障害となっていた。

埋め込みＩｎＰの接合部においては、接合容量を小さく
することと、接合部の立ち上がり電圧を大きくして活性
層以外への電流リークを減らし高出力化する観点から最
適化する必要がある。一般的に、上記したように基板、
または−度成長を中断し大気にさらした表面とその上の
エピタキシャル成長層との界面には穐々の汚染や結晶の
乱れなどが存在し、そこｔこｐｎ、またはへテロ界面を
作製した場合の電気的特性は成長を中断せずに連続して
作製した場合に比較して劣る。例えば、立ち上がり電圧
が所望のレベルまで上がらない、順方向および逆方向の
電流リーク量が多いなどの問題が起きていた。

一方、ノンドープのＧａＩｎＰＡｓ活性層１０２トこ適
度しこｐ型不純物を導入することは、高速化の点でメリ
ットがあるが、活性層１０２の成長時にｐ型不純物を溝
入すると、成長中にｎ型層までｐ型不純物が拡散してし
まい、ｐｎ接合かへテロ接合界面を突き抜けて発振しな
くなる等の問題があり、活性層１０２への不純物の導入
は困難であった。これらを克服する対策として、ｐ−Ｉ
ｎＰｔ？Ｘ流阻止層１０４、ｐ　−１，ｎ　Ｐクラット
Ｎ１０６を再成長させる際、その最下部に１１層を設け
、成長中の拡散によってｎ型クラッド層１０）の一部、
活性層１０２の一部までｐ型不純物であるＺｎを拡散さ
せるという技術があったが。

Ｐ＋層とＰ層を連続成長させる場合、ドーピングガスの
流量を大きく　（例えば第１図の３０４点から３０３点
へ）変化させる必要があり、その流量変化時に反応管へ
のガス総流量が変化してしまい、成長途中の半導体層の
組成がゆらぐなどの問題点があった。またその再現性は
乏しいものであった。

以下、従来の低抵抗半導体泗の成長方法につき説明する
。近年、半導体、なかでも■−ｖ族化合物半導体層の気
相成長が注目されている。光通信用デバイスとして期待
される］、　、　５５．帯長波長半導体レーザや光電子
集積回路（Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｊ、ｃｓＩｎｔｃ
４ｒａｔｅｄ　Ｃ１ｒｃｕｉｔ　：　０ＥＩＣ）等の製
造工程において重要な位置を占めるＧａＩｎＰＡｓ／Ｔ
ｎＰ系の薄膜成長には気相成長法が好まれ、なかでも有
機金属化学気相成長（Ｍｓｔａｌ　Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｃ
ｈｅｍｉｃａｌ　ＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　：
　ＭＯＣＶ［ｌ）　法が注１４されている。

広変調周波数帯域を持ち、高出力な高性能のＧａＩｎＰ
Ａｓ／　ＩｎＰ系二重へテロ（Ｄｏｕｂｌ、ｅ　ｔ（ｅ
ｔｃｒｏ　：　Ｄ）Ｉ）構造レーザダイオードを製造す
るためには、低抵抗な、高濃度ドーピングされたｐ型１
ｎＰ層が要求されると考えられる。また、接触抵抗を低
減する手段としても高濃度ｐ型半導体層は必須であった
。

しかしながら、一般的にｐ型ドーパントとして広く用い
られる亜鉛の濃度は、エピタキシャル気相成長でドーピ
ングを施した場合にある一定値で飽和し、それ以上亜鉛
原料の流量を増加させても正孔濃度が増加せず、いわゆ
る飽和濃度で制限されていた。

ＭＯＣＶＤ法成長ＩｎＰへの亜鉛ドーピングについては
いくつかの研究がなされている０例えば１Ｍ。

Ｒａｚｅｇｈｉ他（Ｊ、　Ｃｒｙｓｔ、　Ｇｒｏｗｔｈ
　６４．７６　（１９８３））、Ａ、　ｗ、　Ｎｅ１ｓ
ｏｎ他（Ｊ、　Ｃｒｙｓｔ、　Ｇｒｏ％Ｉｔｈ　６ｇ、
　１０２（１９８４））、Ｒ，５ａｘｅｎａ他（Ｊ、　
Ｃｒｙｓｔ、　Ｇｒｏｗｔｈ、　７７゜５９１　（１９
８６））などの報告にみられるように、　ＩｎＰ結晶中
に取り込まれる亜鉛濃度がＩ　ＸＩＯ”ａｍ−”程度以
下までは、ジメチル亜鉛またはジエチル亜鉛の流量増加
に従ってそれに比例して亜鉛濃度も上昇するが、いわゆ
る熱平衡における飽和濃度（約３ｘｔｏ”（２）−３〉
以上にはならなかった。−殻内な減圧ＭＯＣＶＤ法によ
る亜鉛のＩｎＰへのドーピング特性を第２図および第３
図に示した。飽和していない領域では一定のジメチル亜
鉛またはジエチル亜鉛流量に対して亜鉛濃度は温度上昇
に従い減少し、成長速度を速くするに従って減少するこ
とが調べられテール。叙上ノＭＯＣＶＤＦ＆、長は常圧
、減圧ＭＯＣｖＤ法であり、成長温度範囲も実用性のあ
る、５５０℃〜６７０℃の間であった。

このように、ＩｎＰへのｐ型不純物として期待される亜
鉛は３　ＸＩＯ”ｃｍ−’以上には結晶中にドーピング
できず、結果として得られる正孔濃度もこの値以下に制
限されていた。このためより低抵抗のＰ型層を、亜鉛を
ドーパントとして作製することができなかった。

（発明が解決しようとする課題〉上に述べたように、光半導体素子の製造における従来例
によると、活性層への自動拡散ドーピング、ホモｐｎ接
合界面と再成長界面の分離の技術が要求されていたが１
反応管への総ガス流量を変化させることなく連続成長中
の結晶に於ける不純物濃度を変化させることは困難であ
った。さらに、再成長におけるメサ構造自体の形状変化
等の物理的形状劣化に対向する対策が望まれていた。

第１の発明は、上記事情を考慮してなされたもので、そ
の目的とするところは、活性層、メサ構造等、可成長時
に表面に露出している半導体層の表面劣化を最小に抑制
し、かつドーパントガス流量を含んで１反応管全体に流
れ込むガス流量、気流および圧力等の定常状態を大きく
乱すことなく徐々にｐ型不純物濃度を変化（特に減少）
させながらクラッド層を形成することにある。その際活
性層部近傍（再成長開始時）には、その後の成長中に自
動的にｐ型不純物が活性層の一部およびｎ型りラッドｍ
の一部に拡散するような濃度である、ｐ型半導体層にお
けるｐ型ドーパントの熱平衡における飽和濃度まで不純
物を導入することによって。

高速変調が可能で高出力な半導体発光素子の製造方法を
提供することにある。

前に述べた例のように従来、　ＩｎＰ中の亜鉛のように
濃度が不純物幅送量に対し一定値で飽和し、キャリア濃
度が上げられないような不純物が存在し、その不純物を
用いてデバイスを作製したい場合、そのデバイスのキャ
リア濃度はその値以上には上げられないという問題点が
あった。これは寄生抵抗の低減、接触抵抗の低減などの
障害となる要因のひとつであった。

第２の発明は、上記事情を考慮してなされたもので、そ
の目的とするところは、半導体＊Ｓ成長過程においての
不純物導入効率を上げて結晶中により高濃度の不純物を
導入することによって、低抵抗な半導体層を作製する技
術を提供することにある。

〔発明の構成〕

（ｍｌｉＩを解決するための手段〉本発明の第１は光半導体素子の製造方法に係り、化合物
半導体層の少くともその一つの構成元素よりも蒸気圧の
高い不純物をドープしつつ成長させて化合物半導体層を
形成する光半導体素子の製造に際し、前記化合物半導体
層内の不純物濃度を、該不純物の前記半導体層中の熱平
衡におけるドーピング飽和濃度からこの飽和濃度の４０
％の濃度範囲内では、ドーピングガスの流量を所定とし
、成長温度を変化させて制御して行い、前記不純物の前
記半導体層中の熱平衡におけるドーピング飽和濃度を超
える濃度に対しては、該半導体層の或長速度の増加に従
ってドーピング速度が増加する流量以上に不純物流量を
増加させて化合物半導体層を形成することを特徴とする
ものである。また、本発明の第２は、抵抗半導体層の成
長方法に係り、化合物半導体層の少くともその一つの構
成元素よりも蒸気圧の高い不純物をドープしつつ成長さ
せて化合物半導体層を形成するに際し、前記化合物半導
体層内の不純物濃度を、該不純物の前記半導体層中の熱
平衡におけるドーピング飽和濃度からこの飽和濃度の４
０％の濃度範囲内では、ドーピングガスの流量を所定と
し、成長温度を変化させて制御して行うことを特徴とす
る。さらに、本発明の第３は化合物半導体層の少くとも
その一つの構成元素よりも蒸気圧の高い不純物をドープ
しつつ成長させる低抵抗化合物半導体層の成長形成に際
し、前記不純物の濃度が前記半導体層中の熱平衡におけ
る飽和濃度を超える濃度に対しては、該半導体層の成長
速度の増加に従ってドーピング濃度が増加する流量以上
に不純物流量を増加し、成長速度を毎時７ＩＩＩａ以上
にして成長を行うことを特徴とする低抵抗半導体層の成
長方法を提供する。

（作　用）本発明にかかる光半導体素子の製造方法の骨子は、ｐ型
りラッド層または電流阻止層等を形成する際にその不純
物濃度を、ガス流量を変化させることなく成長温度のみ
を変化させることによって活性層から離れるにしたがっ
てそのｐ型不純物のクラッド半導体層の気相成長時にお
けるドーピング飽和濃度から、飽和濃度の少なくとも４
０％以上の濃度まで連続的に徐々に変化（特に減少）す
る構造を持たせて、その不純物の自動拡散によって埋め
込みホモｐｎ接合界面を基板−再成長界面と分離し、ま
たへテロ接合界面を通して活性層の一部まで不純物を任
意の濃度分布を持つように自動拡散させることにある。

また、電流阻止層やクラッドの成長開始時から徐々に成
長温度を上げて成長させることによって上記構造を作製
すると共に、ペテロ接合界面、　ｐｎ接合界面、および
メサの形状劣化を最小限に抑えることにある。具体的に
は。

量を適宜選択し、反応管内圧力は変化させずに、成長開
始温度、成長終了温度を選択する。

叙上の如くなる本発明によれば、ｐ−ＩｎＰクラッド層
の高濃度ｐ型層の不純物が成長中に自動拡散することに
よってｐｎホモ接合位置を基板−再成長界面から分離で
き、立ち上がり電圧の増大や逆方向リーク電流の減少が
可能となり、電流狭窄率がよくなる。また、成長温度を
適当に選択することによって活性層端に設けられたメサ
の形状劣化を抑制しつつ、ｐ型不純物を活性領域にまで
導入できる。したがって高速応答可能な半導体発光素子
が得られる。

減圧有機金屈気相成長法を用いることは実施上の再現性
が良く、かつｐ型不純物であるＺｎの原料としてジメチ
ル亜鉛を使用すればその流量を任意の一定値に制御する
ことが容易であり、再現性も良い。さらにジメチル亜鉛
を用いてＺｎの濃度を活性層から離れるにしたがって、
その熱平衡における飽和濃度から連続的に徐々に減少し
てその飽和濃度の少なくとも４０％以上の濃度となるよ
うに制御する際、たとえばその成長を５５０℃から６０
０℃の間の任意のある温度から開始し、６２０℃から６
８０℃の間の任意のある温度で終了させることによって
濃度を制御すれば反応管内のガス気流を乱さなくて済む
（例えば第１図における３０５点から３０３点〉ため、
成長中のウェハ内の組成、濃度などのばらつき、ゆらぎ
等を低減できる。

この方法は、従来ではドーピング濃度を変えるためにド
ーパントガス流量を大きく変化させていたのに対して、
ドーパントガス流量をある一定値に固定して変えること
なくドーピング濃度を変化させるものである。

すなわち、あるジメチル亜鉛の流量以上では成長温度に
ほとんど関わらず結晶中に取り込まれるＺｎの濃度が飽
和するので、その飽和領域に近いジメチル亜鉛の流量範
囲（例えば第１図における領域３０１）の任意の一点で
は、ドーピング濃度を成長温度の変化のみによって光半
導体素子に適用するにふされしい濃度に制御できるとい
う効果を利用したものである。

次に、本発明にかかる低抵抗半導体層の成長方法の骨子
は、半導体薄膜に、それが置換する位置の構成元素より
も蒸気圧が高い不純物のうち、特に飽和領域（不純物原
料の供給量に対して結晶中に取り込まれる不純物量が殆
ど変化しないような領域）を持つようなものを導入しな
がら成長させる際に、不純物流量をそれが飽和する流量
以上に流しながら、かつ結晶成長速度を速くすることに
よって結晶中に取り込まれる不純物量とキャリア濃度を
高くすることにある。これによって低抵抗半導体層を形
成することができる。また、成長速度を決める成長・条
件のみを変化させることによって、半導体層のキャリア
濃度を高濃度にさせる。

叙上の如く本発明によれば、従来の成長条件では達成で
きなかった高濃度の半導体層を形成できるため、素子を
作製した場合のコンタクト層として用いることにより接
触抵抗の低減ができる。また、この高濃度層をクラッド
に用いることにより半導体レーザの出力を大幅に向上す
ることができる。また、たとえば結晶成長法にＭＯＣＶ
Ｄ法を用いれば膜厚制御が容易であるため、不純物総量
一定の拡散源のための薄膜としても利用できるという利
点がある。

（実施例）以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明する。

第４図は本発明の第１の実施例を示すメサ型ｐｎ逆接合
レーザの製造工程を示す断面図である。まず、第４図（
ａ）に示す如＜、ｎ型（ｎ　＝　Ｉ　ＸＩＯ”備−３）
の（００１）ＩｎＰ基板１００上に厚さ約１．５．のｎ
−ＩｎＰバッファ兼クラッド層１１（ｎ　：　Ｉ　ＸＩ
Ｏ”ａｌ−３）、１．５５．帯の発光を可能にする組成
の厚さ０．１−のノンドープＧａ１ｎＰＡｓ活性層１２
、厚さ０．２．のｐ（ｎＰキャップ層１３を順次結晶成
長させる。その後、第４図（ｂ）に示す如く、５ｕｎ２
膜２０をエツチングマスクとしてＢｒメタノール系（例
えばＩ（Ｏｒ　：　Ｂｒ　：　Ｈ，０＝１７　：　１　
：　１００）の溶液を用いてＧａＩｎＰＡｓ活性層１２
に幅２４、間隔１．５．の２本のストライプ溝２６を形
成する。この時、その２本のストライプ溝の間隔は最終
的に活性層幅となるので、安定な基本横モード発振と低
い発振しきい値を得るために１から１．５７ｍ（７３間
に制御する。

次いで第４図（ｃ）に示す如く、２本の溝部２６に電流
阻止層としてｐ−ＩｎＰＪｉｌ１４　（例えば（ｐ＝１
ｘ１０”ａｎ−’）、ｎ−ＩｎＰ層１５（例えばｎ　＝
　Ｉ　Ｘ　１０”　ｃｘａ−”　）をＳｉＯ□膜２０膜
製００て選択的に結晶成長する。その後、第４図（ｄ）
に示す様にＳｕｎ、膜２０のみをエツチング後、膜厚２
１ｍのｐ−ＩｎＰｎ土層、発光波長にして例えば１．３
μの組成のｐ”−ＧａＩｎＰＡｓコンタクト層１’）（
ｐ　＞１０Ｌ！Ｉｅｘ−３＞、膜厚０．２μのＩｎＰキ
ャップ層１８を順次結晶成長させる。

次いで、第４図（ｅ）に示すように、キャップ層１８を
剥した後に幅３０４のＡｕ−Ｚｎ電極２２をリフトオフ
法により形成し、その後アロイングを施す、続いて、活
性層Ｉ２が露出するまでエツチングを行いメサを形成す
る。この時、ｐ−ＩｎＰｎ土層のエツチングにＨＣＩを
用いれば、その選択性によって活性層１２で正確にエツ
チングが停止する。その後、硫酸系エッチャント（例え
ば、硫酸＋過酸化水素＋水＝１０：　１　：　１）で、
２つの溝の外側の活性層のみを選択的に除去する。この
溶液はＩｎＰには殆ど作用しない、従って、エツチング
の横方向の進行は電流阻止層であるＩｎＰＭ１１４．１
５のところで自動的に停止し、極めて再現性よく所望の
メサ形状を得ることができる。

次いで第４図（ｆ）に示すように、絶縁膜としてＳｉｎ
、層２１を堆積させた後、メサ頂上部に窓を開け、ｐ側
電極としてＡｕ−Ｃｒ電極２３を全面に蒸着する。

また、基板１００側は約１００μ厚になるまで研磨した
あと、ｎ側電極としてＡｕ−Ｇｅ電極２４を蒸着形成す
る。これにより、埋め込みメサ型ｐｎ逆接合半導体レー
ザが完成することになる。

波長１．５５４の単一モード発振をするレーザが要求さ
れる場合には、前記活性層１２の部分を波長１．５５μ
帯の組成を持つＧａＩｎＰＡｓ活性層１２の上に波長、
たとえば１．３．の組成を持ちＩｎＰに格子整合するＧ
ａＩｎＰＡｓ光ガイド層を成長させた２層構造にしてお
き、第４図（ｂ）のストライプ溝を形成する前に光ガイ
ド層の上部に、所望の波長に合う周期の回折格子を作成
しておく（図示は省略する）、その後は前記した作成方
法を継続することによって、分布帰還埋め込みメサ型ｐ
ｎ逆接合半導体レーザが完成される。

第４図（ｂ）と（ｃ）の間、また（ｃ）と（ｄ）の間に
おいて、Ｐ−ＩｎＰ電流阻止層１４、ｐ−ＩｎＰクラッ
ド層１６を各々の再成長の際の第１番目の半導体層とし
て成長させるわけであるが１Ｍ０ＣＶＤ法でジメチル亜
鉛をＺｎ不純物原料として用いた場合のＺｎのドーピン
グ特性の一例を第１図から第３図に示した。第３図にお
いて、ＩｎＰのＭＯＣＶＤ成長には、トリメチルインジ
ウム（ＴＭＩｎ）とフォスフイン（ＰＨ３）を用い、ド
ーパント濃度スにはジメチル亜鉛を用いている。

ＴＭＩｎとＰＨ３の流量はそれぞれ１．　Ｉ　Ｘ　１０
−’ｍｏｌ／ｗｉｎおよび４　、２　Ｘ　１０””　ｍ
ｏｌ／ｌｌ１ｉｎという典型的な値であり、各原料は水
素または窒素などの不活性ガスによって希釈され、総流
量１０１２／ｌｌ１ｉｎで減圧２００Ｔｏｒｒに制御さ
れた反応管に導入されている。

第１図から、領域３０２では、一定のドーパント濃度か
らそれより低いもう一点の濃度に変化させるためには成
長温度を一定にした場合にはドーパントガス流量を大き
く変化させる必要があり、また、ドーパントの流量を変
えない場合には成長温度を大きく変化させる必要があっ
た。しかしながら領域３０１においては一定のドーパン
ト濃度からそれより低いもう一点の濃度に変化させるた
めに、ドーパントガス流量を変化させなくても成長温度
を少しだけ変化させればよいという利点がある。

（たとえば第１図における点３０５から３０３へ）この
領域３０１を利用して、電流阻止層１４、ｐ−ＩｎＰク
ラッド層１６を成長させる際に成長温度のみを変化させ
るだけでＺｎの濃度を連続的に変化させながら成長する
ことによって連続的な不純物濃度分布を持った電流阻止
層、クラッド層を成長させることができる。成長温度５
５０℃から７００℃の間ではＴＭＩｎの流量を変化させ
ない限り成長速度は変化しないので、徐々にＺｎ濃度を
変化させることは容易である。また１例えばＩｎＰ中の
Ｚｎは１．８Ｘ１０”Ｑｌ−”以上になるとｎ型層への
拡散が速くなることが知られている。

半導体レーザでは一般的に１０”Ｑｌ″″３以上の不純
物濃度を持つｐ型クラッドが必要とされるので、例えば
活性層の近傍では２．３Ｘ１０”（！１１−’という熱
平衡におけるＩｎＰ中Ｚｎの飽和濃度を用いその後の成
長中の活性層への自動拡散を適量に制御できるような濃
度にし、Ｚｎ濃度の平坦部はｌＸｌ０”ａｎ−’にした
い場合、ジメチル亜鉛をたとえば９Ｘ１０−７ｍｏｌ／
ｎ＋ｉｎで反応管へ供給したまま、成長を５５０℃から
開始し、徐々に成長温度を上げて６７０℃にし、そこで
成長温度を固定すれば所望の不純物濃度分布を得ること
ができる上に、従来のようにドーパントガス流量を大き
く変化させなくても、例えばρ＋Ｐのような構造をつく
ることができる。

上記の例ではジメチル亜鉛の供給量をアナログ的に変化
させられることを考えていたが、ジメチル亜鉛の流量を
、例えば５，６ＸＩＱ−’ｍｏｌ／ｍｉｎから１．４５
　Ｘ　１０−’　ｍｏｌ／ｗｉｎの間でディジタル的に
しか選択できない場合においても、成長開始における温
度と５その昇温速度、最終温度を所望の値に選択するこ
とによって適応できる。

特にＩｎＰ系材料の場合第１図に示したように。

ＩｎＰ中のＺｎの濃度は成長温度にほとんどよらず、あ
るジメチル亜鉛の流量以上では約３ＸＩＯ”ａｌ−”で
飽和する。また成長温度が低い方が同じジメチル亜鉛流
量に対して導入不純物濃度が高い、し−たがって上記例
のような温度操作によって、飽和濃度である約３　Ｘ　
１０”　ａｍ−３からＩ　Ｘ　１０”　ａｓ−”までの
希望の濃度までを制御できるという利点がある。

しかしながらこの方法はＩｎＰ以外の材料、Ｚｎ以外の
ドーパントでも選択することができる。たとえば活性層
がＧａＩｎＰまたはＧａＩｎＡＩＰで構成され、クラッ
ド層がＧａＩｎＡＩＰまたはＧａＡｓで構成されている
場合にも適応できる。また、　ＧａＡｌＡｓをクラッド
層とし、ＧａＡｓまたはＧａＡｌＡｓを活性層とするレ
ーザも同様である。

第４図では電流阻止層１４．１５のｐｎ逆接合によって
電流狭窄を行うレーザの例を示したが１本発明はＩｎＰ
クラッドはｐｎ順接合型で、ペテロ接合との立ち上がり
電圧の差に依って電流狭窄を行うレーザ等の光半導体素
子にも適用することができる０例えば、第４図の例の電
流阻止層１４．１５が。

ｐ−ＩｎＰのみで形成される場合にも、その再成長開始
時の成長温度を低めから（例えば５５０℃）始めること
によって１例えば活性層の近傍では約３×１０”０１−
’という熱平衡におけるＩｎＰ中Ｚｎの飽和濃度で、そ
の後の成長中の活性層への自動拡散を適量に制御できる
ような濃度にし、Ｚｎｌｌｌ度の平坦部はＩ　Ｘ　１０
”ａｎ−３にすることができる。この場合。

ヘテロ接合の再成長界面からＺｎが活性層内に適度に拡
散し、高速化がなされる上、ｐｎホモ接合界面と再成長
界面が分離され、リーク電流が減少し電流狭窄効果が強
くなり光出力が増大するなどの利点がある。

さらに本発明は電子デバイス作成工程にも応用でき、Ｈ
ＥＭＴ　（高電子移動度トランジスタ）やＨＢＴ（ヘテ
ロバイポーラトランジスタ）などの、ヘテロ接合を用い
たデバイスにも適応できる。また。

ホモ接合デバイスにはもちろん適応可能である。

尚、上記例では特にＰ型半導体層のドーパントにＺｎを
取り上げたが、ｎ型半導体層のドーパントは当然として
、熱平衡において濃度飽和をおこす不純物であれば、伝
導型と関連しない原子、例えば、Ｅｒ、　Ｅｕ、Ｓ園等
の希土類元素などにも適応することができる。

以下１本発明にかかる低抵抗半導体層の成長方法の詳細
を図示の実施例によって説明する。

第３図は本発明の第１の実施例を示す、ＭＯＣＶＤ法に
より成長じた亜鉛ドープＩｎＰ中の正孔濃度の成長速度
依存性である。成長温度は６２０℃である。

第３図（ａ）は、第２図における飽和領域４０１におい
て成長速度を変化させた場合の正孔濃度、第３図（ｂ）
は第２図における非飽和領域４０２において成長速度を
変化させた場合の正孔濃度を示している。

非飽和領域４０２においては、■族である亜鉛の結晶へ
の取り込まれは■族であるＩｎとの競合によっているた
め、また成長速度はこの成長条件下ではＩｎの流量によ
り比例して決定されるために、一定ジメチル亜鉛流量の
下では成長速度の増加に伴って正孔濃度は減少している
（第３図（ｂ）参照）。しかしながら、飽和領域４０１
においては、これと反対に成長速度の上昇にしたがって
正孔濃度が上昇している（第３図（ａ）参照〉ことが鋭
意研究の結果明かとなった。正孔濃度は成長速度毎時１
０．の時に４，５Ｘ１０”Ｃ！Ｉ−’となっている。こ
の値はＩｎＰ中亜鉛による正孔濃度としては今までの最
高の値である。さらに成長速度を上昇させることによっ
てさらなる正孔濃度の上昇が予想される。コンタクト層
として利用することを考えれば、成長速度の増大に伴う
、膜厚制御の困難さは回避できるので、このようにして
得られる高濃度ｐ型層は、有効な低抵抗半導体層として
利用できる。接触抵抗は不純物濃度が３　Ｘ　１０”　
Ｑｌ−３の場合に比べて１０分の１以下に低減された。

ここで、飽和領域におけるジメチル亜鉛の流量は、第２
図において、その流量に対してＺｎの濃度が飽和する以
上の流量以上であれば、いくらでもかまわない。また、
成長温度についても、ＩｎＰが成長できる温度範囲であ
れば何度であっても構わない。

上記例では反応管圧力２．７　Ｘ　ＬＯ’Ｐａの減圧有
機金属化学気相堆積法を使用し、ＰＨ３流量として４．
２×１０３ｍｏｌ／分を採用しているが、この値は他の
値でも構わむい。また、上記例では亜鉛を取り上げてい
たが、　Ｃｄ、　Ｂｅなどの蒸気圧の高い他のＰ型ドー
パントでも構わないのは当然である。また、このドーパ
ントのようにドーピング飽和領域を持つドーパントの場
合にはいずれも適用可能である。尚、上記例では特にｐ
型半導体層のドーパントにＺｎを取り上げたが、ｎ型半
導体層のドーパントは当然として、濃度飽和をおこす不
純物であれば、伝導型と関連しない原子、例えばＥｒ、
　Ｅｕ、　５Ｉ１１等の希土類元素などにも適応するこ
とができる。

さらに本発明は電子デバイス作成工程にも応用でき、　
ＨＥＭＴ　（高電子移動度トランジスタ）やＩＩＢＴ（
ヘテロバイポーラトランジスタ）などの、ヘテロ接合を
用いたデバイスの成長にも適応できる。

また、ホモ接合デバイスにはもちろん適応可能である。

また、本発明はｍ−■族化合物半導体だけでなく、蒸気
圧の高いＵ−Ｖｔ族化合物半導体にも、成長速度を更に
速くすることによって適応できる。

〔発明の効果〕

以上記載したように本発明の光半導体素子の製造方法に
よれば、光半導体素子の活性領域外側の埋め込み部のｐ
ｎホモ接合の立ち上がり電圧の増大やリーク電流の減少
が可能となる。また、Ｆｌｉｌ部長を適当に選択するこ
とによって活性層の上または下に設けられた回折格子、
メサ構造等の形状の劣化を抑制しつつ、ｐｕ不純物を活
性領域にまで導入できる。したがって高速応答可能で発
振する半導体発光素子が得られる。さらに本発明によれ
ば、−旦成長を開始した後は、階段状でなく連続的な濃
度勾配が欲しい場合にも温度のみを制御すれば良く５制
限性、操作性に優れている上１反応管へ送るガス流量を
変化させることなく、上記のような構造を作製すること
ができる。

次に本発明にかかる低抵抗半導体層の成長方法によれば
、通常の成長条件では達成できなかった高濃度の半導体
層を形成できるため、素子を作製した場合のコンタクト
層として用いることにより接触抵抗の低減ができる。た
とえば、２桁以上の接触抵抗低減が実現された。また、
この高濃度層をクラッド層に用いることにより半導体レ
ーザの出力を大幅に向上することができる。また、たと
えば結晶成長法にＭＯＣＶＤ法を用いれば膜厚制御が容
易なため、不純物総量一定の拡散源のための薄膜として
も利用できるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第３図はいずれも本発明において利用したＭ
ＯＣＶＤ法によるＩｎＰへのＺｎのドーピング特性の一
例を示す線図、第４図は本発明にががる一実施例の光半
導体素子の製造を工程順に示すいずれも断面図、第５図
は従来の光半導体素子の製造を工程順に示すいずれも断
面図である。１００−ｎ−ＩｎＰ基板。１１・・・ｎ−ＩｎＰバッファ（クラッド）層、１２−
・・ノンドープＧａＩｎＰＡｓ活性層。１３・・・ｐ−ＩｎＰキャップ層、１４・・・ｐ−ＩｎＰ電流阻止層、１５−ｎ−ＩｎＰｔｔ流阻止層、１６・・・ｐ−ＩｎＰクラッド層、１７−ｐ”ＧａＩｎＰＡｓコンタクト層、１８・・・ｐ
−ＩｎＰキャップ層、２６・・・ストライプ溝。２２−Ａｕ−Ｚｎ電極、　２３−Ａｕ−Ｃｒ電極、２４
−Ａｕ−Ｇｅ電極、２０．２ｌ−＝Ｓｉ０２膜、３０１
・・・一定のジメチル亜鉛流量に対して結晶中に取り込
まれるＺｎ濃度が、成長温度を変えてもそれほど大きく
変化しなくなり、さらにジメチル亜鉛流量増加に対して
Ｚｎの結晶にはいる濃度が飽和する直前の領域。３０２・・・一定のジメチル亜鉛流量に対して結晶中に
取り込まれるＺｎ濃度が成長温度を変えると大きく変化
し、かつジメチル亜鉛流量増加に対して結晶中にはいる
Ｚｎｌｌｌ度がまだ飽和していない領域、３０３−＝６２０℃においてＺｎ濃度がｌ　Ｘ　１０”
　ｃｓ−”となるジメチル亜鉛流量を示す点。３０４・・・６２０℃においてＺｎ濃度がこの例での飽
和濃度である２、３Ｘ１０”Ｑｌ−”　となるジメチル
亜鉛流量を示す点、３０５・・・３０３点とジメチル亜鉛流量を変えること
なく飽和濃度を得ることができる成長温度を示す点、４０１・・・ジメチル亜鉛流量増加に対して正孔濃度が
飽和している領域。４０２・・・ジメチル亜鉛流量に対して正孔濃度が増加
する領域。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）化合物半導体層の少くともその一つの構成元素よ
りも蒸気圧の高い不純物をドープしつつ成長させて化合
物半導体層を形成する光半導体素子の製造に際し、前記
化合物半導体層内の不純物濃度を、該不純物の前記半導
体層の熱平衡におけるドーピング飽和濃度からこの飽和
濃度の４０％の濃度範囲内では、ドーピングガスの流量
を所定とし、成長温度を変化させて制御して行い、前記
不純物の前記半導体層の熱平衡におけるドーピング飽和
濃度を超える濃度に対しては、該半導体層の成長速度の
増加に従ってドーピング速度が増加する流量以上に不純
物流量を増加させて化合物半導体層を形成することを特
徴とする光半導体素子の製造方法。
（２）化合物半導体層の少くともその一つの構成元素よ
りも蒸気圧の高い不純物をドープしつつ成長させる低抵
抗化合物半導体層の成長形成に際し、前記不純物の濃度
が前記半導体層の熱平衡における飽和濃度を超える濃度
に対しては、該半導体層の成長速度の増加に従ってドー
ピング濃度が増加する流量以上に不純物流量を増加し、
成長速度を毎時７μｍ以上にして成長を行うことを特徴
とする低抵抗半導体層の成長方法。