CN101425658B - 激光二极管用外延晶片及其制造方法 - Google Patents

激光二极管用外延晶片及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种激光二极管用外延晶片，其中的p型AlGaInP包覆层中的p型载流子浓度均匀、且p型杂质的扩散少。本发明提供的激光二极管用外延晶片具有双异质结构，在n型GaAs衬底(1)上，依次至少层叠由AlGaInP系材料构成的n型包覆层(2)、活性层(3)以及p型包覆层(4)，该激光二极管用外延晶片中，所述由AlGaInP系材料构成的p型包覆层(4)中的p型杂质是碳，所述p型包覆层(4)中的载流子浓度在8.0×1017cm-3以上、1.5×1018cm-3以下的范围。

Description

激光二极管用外延晶片及其制造方法
技术领域
本发明涉及适用于AlGaInP系的红色激光二极管的激光二极管用外延晶片及其制造方法。
背景技术
使用AlGaInP系的半导体的红色激光二极管(LD)，作为DVD的读/写用的光源被广泛使用。
图3表示以往的AlGaInP系的LD用外延晶片的概略的断面结构。
如图3所示，外延晶片是采用金属有机物气相外延法(MOVPE法)，在n型GaAs衬底11上，依次层叠n型AlGaInP包覆层12、非掺杂活性层13、p型AlGaInP包覆层14、p型盖层15来形成的。
在生长上述p型AlGaInP包覆层14时，供给二乙基锌(DEZ)、二甲基锌(DMZ)等作为掺杂原料，使包覆层含有锌(Zn)(＝p型载流子)，从而形成p型AlGaInP包覆层14(例如，参见专利文献1)。
专利文献1：特开2002-25920号公报
发明内容
如上所述，在以往的激光二极管用外延晶片中，使p型AlGaInP包覆层含有作为p型载流子的锌(Zn)，但由于Zn的扩散性高，会扩散至相邻层。由于Zn扩散，而产生如下问题：(1)p型包覆层的深度方向的载流子浓度(＝Zn浓度)不均匀；(2)Zn进入作为相邻层的活性层中。如果将(1)、(2)状态的外延晶片进行装置加工，会使激光二极管的特性恶化，例如，作为重要的装置特性的工作电流值Iop升高。如果工作电流值Iop升高，会导致激光二极管的可靠性降低，即，寿命降低这样的大问题。
本发明为解决上述问题，提供一种激光二极管用外延晶片及其制造方法，所述外延晶片的p型AlGaInP包覆层中的p型载流子浓度均匀，且p型杂质的扩散少。
为了解决上述课题，本发明按如下所述来构成。
本发明的第1方式是激光二极管用外延晶片，其为具有双异质结构的外延晶片，即在n型GaAs衬底上依次至少层叠n型包覆层、活性层以及p型包覆层，并且所述n型包覆层、活性层以及p型包覆层均由AlGaInP系材料构成，其特征在于，所述由AlGaInP系材料构成的p型包覆层中的p型杂质为碳，所述p型包覆层中的载流子浓度在8.0×1017cm-3以上、1.5×1018cm-3以下的范围。
本发明的第2方式的特征为，在第1方式的激光二极管用外延晶片中，所述由AlGaInP系材料构成的n型包覆层中的n型杂质为硅。
本发明的第3方式是激光二极管用外延晶片的制造方法，其为对被加热的n型GaAs衬底，供给必要的III族原料气体、V族原料气体、载流气体以及掺杂剂原料气体，在所述n型GaAs衬底上，至少生长具有n型包覆层、活性层以及p型包覆层的双异质结构的外延层，并且所述n型包覆层、活性层以及p型包覆层均由AlGaInP系材料构成，其特征在于，在生长所述由AlGaInP系材料构成的p型包覆层时，作为所述掺杂剂原料气体供给四溴化碳，使所述p型包覆层中的载流子浓度在8.0×1017cm-3以上、1.5×1018cm-3以下的范围。
本发明的第4方式的特征为，在第3方式的激光二极管用外延晶片的制造方法中，生长所述由AlGaInP系材料构成的n型包覆层时，作为所述掺杂剂原料气体，供给硅掺杂原料气体，向所述n型包覆层中掺杂硅。
采用本发明，能够得到p型AlGaInP包覆层中的p型载流子浓度均匀，且p型杂质的扩散少的激光二极管用外延晶片。如果采用该激光二极管用外延晶片，能够制造工作电流值Iop低、可靠性高的激光二极管。
附图说明
图1是表示本发明中的AlGaInP系的激光二极管用外延晶片的实施方式以及实施例的断面图。
图2是表示实施例和比较例的激光二极管用外延晶片的p型包覆层的深度方向的载流子浓度分布的图。
图3是表示以往的AlGaInP系的激光二极管用外延晶片的断面图。
符号说明
1   n型GaAs衬底
2  n型AlGaInP包覆层
3  非掺杂AlGaInP活性层
4  p型AlGaInP包覆层
5  p型GaAs盖层
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明中的激光二极管(LD)用外延晶片及其制造方法的实施方式进行说明。
图1表示本实施方式的AlGaInP系的红色LD用外延晶片的概略的断面结构。该LD用外延晶片是在n型GaAs衬底1上，依次层叠n型AlGaInP包覆层2、非掺杂AlGaInP活性层3、p型AlGaInP包覆层4以及p型GaAs盖层5的外延层。
载流子浓度在8.0×1017cm-3以上、1.5×1018cm-3以下的范围内，在p型AlGaInP包覆层4中掺杂作为p型杂质的碳(C)。另外，在n型AlGaInP包覆层2中，掺杂作为n型杂质的硅(Si)。另外，在p型GaAs盖层5的p型杂质中，优选使用1.0×1019cm-3以上的高浓度的能掺杂的Zn(锌)。
对于上述LD用外延晶片，通过蚀刻或蒸镀等，例如，分别在p型盖层5上的一部分上形成p侧电极，在n型GaAs衬底1的背面形成n侧电极。
制造图1的LD用外延晶片时，使用金属有机物气相外延法(MOVPE法)。即，加热设置于气相生长装置内的GaAs衬底1，对GaAs衬底1供给各外延层所必要的III族原料气体、V族原料气体、载流气体以及掺杂剂原料气体，在GaAs衬底1上依次生长III-V族化合物半导体的外延层来形成。
作为上述III族原料气体，例如，可以使用Al(CH3)3(TMA：三甲基铝)、Al(C2H5)3、Ga(CH3)3(TMG：三甲基钙)、Ga(C2H5)3、In(CH3)3(TMA：三甲基铟)、In(C2H5)3，或者组合它们来使用。
另外，作为V族原料气体，例如，可以使用PH3(磷化氢)、TBP(叔丁基膦)、AsH3(氢化砷)、As(CH3)3、TBA(叔丁基砷)、NH3(氨)，或者组合它们来使用。
作为载流气体，可以使用H2(氢气)、N2(氮气)或Ar(氩气)，或者组合它们来使用。
作为p型掺杂剂原料气体，例如，可以使用CBr4(四溴化碳)、CCl3Br、CCl4、Zn(C2H5)2(DEZ：二乙基锌)、Zn(CH3)2、Cp2Mg，或者组合它们来使用。其中，对于上述p型AlGaInP包覆层4，优选将CBr4(四溴化碳)用作p型掺杂剂原料气体。
作为n型掺杂剂原料气体，例如，可以使用Si2H6(乙硅烷)、SiH4(硅烷)、H2Se、Te(C2H5)2，或者组合它们来使用。其中，对于上述n型AlGaInP包覆层2，优选使用Si2H6或SiH4作为n型掺杂剂原料气体，来掺杂硅(Si)。
在本实施方式中，在生长p型AlGaInP包覆层4时，将四溴化碳(CBr4)作为掺杂剂原料来供给，使p型AlGaInP包覆层4含有作为p型载流子的碳(C)，载流子浓度在8.0×1017cm-3以上、1.5×1018cm-3以下的范围。碳(C)比锌(Zn)扩散少，可以使p型AlGaInP包覆层4的载流子浓度(＝C)在深度方向上均匀，同时，能够减少对相邻层的非掺杂AlGaInP活性层3的扩散。因此，通过使用本实施方式的LD用外延晶片，能得到工作电流值Iop低、可靠性高的长寿命LD。
另外，如以往一样，将Zn用作p型AlGaInP包覆层的p型杂质的情况中，由于Zn向活性层扩散而使结晶性恶化，其结果为，进行光激发萤光(PL)测定来评价时，伴随着Zn载流子浓度的增加，发光光谱的半值宽度急剧增大。特别是，当Zn载流子浓度为6.0×1017cm-3以上时，该倾向变得显著，因此，在以往，抑制Zn载流子浓度，使其低至4.0×1017cm-3左右。
可是，在本实施方式中，为了降低工作电流值Iop，而掺杂扩散少的碳(C)，因此，即使p型AlGaInP包覆层4高浓度地含有碳(C)，使载流子浓度在8.0×1017cm-3以上、1.5×1018cm-3以下的范围，由于其对非掺杂AlGaInP活性层3的扩散也少，从而能够抑制扩散引起的结晶性的恶化，可维持较低PL发光半值宽度。
另外，作为碳(C)的掺杂剂原料的四溴化碳(CBr4)最具实际效果，可靠性高，另外，掺杂效率也良好。此外，掺杂于n型AlGaInP包覆层2的作为n型杂质的硅(Si)，与p型杂质的相互扩散少而优选。
在上述实施方式中，可以进行各种可能的变更，例如，在n型GaAs衬底1与n型AlGaInP包覆层2之间设置缓冲层，或者，在n型AlGaInP包覆层2与非掺杂AlGaInP活性层3之间，以及非掺杂AlGaInP活性层3与p型AlGaInP包覆层4之间，设置非掺杂AlGaInP导流层，或者将非掺杂AlGaInP活性层3变更为多量子阱结构，或者将p型GaAs盖层5变更为AlGaAs、GaP等其他的p型半导体等。
实施例
下面，说明本发明的实施例。
本实施例的LD用外延晶片与图1所示的上述实施方式为相同结构。由本实施例的LD用外延晶片制造的红色激光二极管，例如，可以用作DVD的读/写用的光源。
本实施例的LD用外延晶片是在n型GaAs衬底(厚度500μm，目标载流子浓度为8.0×1017cm-3)1上，依次层叠Si掺杂的n型(Al0.4Ga0.6)0.5In0.5P包覆层(厚度2.5μm，目标载流子浓度为8.0×1017cm-3)2、非掺杂AlGaInP活性层3、C(碳)掺杂的p型(Al0.4Ga0.6)0.5In0.5P包覆层(厚度2.0μm，目标载流子浓度为1.0×1018cm-3)4、以及Zn掺杂的p型GaAs盖层(厚度1.5μm，目标载流子浓度为3.0×1019cm-3)5的外延层。
本实施例的LD用外延晶片，是将n型GaAs衬底1设置在气相生长装置的反应炉内，采用MOVPE法来制造的。生长温度(用设置于与衬底1相对的面的放射温度计测定的衬底1的表面温度)为800℃，生长压力(反应炉内的压力)大约是10666Pa(80Torr)、载流气体是氢气。
生长各外延层时，供给的原料流量如下。
n型(Al0.4Ga0.6)0.5In0.5P包覆层2中，TMG(三甲基镓)：12(cc/分)、TMA(三甲基铝)：4(cc/分)、TMI(三甲基铟)：20(cc/分)、Si2H6(乙硅烷)：510(cc/分)、PH3(磷化氢)：1800(cc/分)。
在非掺杂AlGaInP活性层3中，TMG(三甲基镓)：16(cc/分)、TMA(三甲基铝)：2(cc/分)、TMI(三甲基铟)：24(cc/分)、PH3(磷化氢)：1800(cc/分)。
p型(Al0.4Ga0.6)0.5In0.5P包覆层4中，TMG(三甲基镓)：12(cc/分)、TMA(三甲基铝)：4(cc/分)、TMI(三甲基铟)：20(cc/分)、CBr4(四溴化碳)：40(cc/分)、PH3(磷化氢)：1800(cc/分)。
在p型GaAs盖层5中，TMG(三甲基镓)：12(cc/分)、DEZ(二乙基锌)：300(cc/分)、AsH3(氢化砷)：2000(cc/分)。
另外，制造比较例的外延晶片，该比较例为将实施例的C(碳)掺杂的p型(Al0.4Ga0.6)0.5In0.5P包覆层4，变更为Zn(锌)掺杂的p型(Al0.4Ga0.6)0.5In0.5P包覆层。与实施例的不同点为，在生长p型(Al0.4Ga0.6)0.5In0.5P包覆层时，供给的p型掺杂剂原料不是CBr4，而是DEZ(原料流量90(cc/分))，其他的生长条件完全相同。
对于实施例与比较例的外延晶片，测定p型(Al0.4Ga0.6)0.5In0.5P包覆层的深度方向的载流子浓度分布和非掺杂AlGaInP活性层的载流子的浓度。
图2表示实施例(C掺杂)以及比较例(Zn掺杂)的p型(Al0.4Ga0.6)0.5In0.5P包覆层(厚度2μm)中的深度方向的载流子浓度分布。如图所示，实施例与比较例相比，p型(Al0.4Ga0.6)0.5In0.5P包覆层中的深度方向的载流子浓度分布大幅减小，该载流子浓度分布在实施例中为±3(％)，在比较例中为±25(％)。
另外，非掺杂AlGaInP活性层的载流子浓度在实施例中为2.0×1016cm-3、在比较例中为1.2×1017cm-3，实施例与比较例相比，非掺杂AlGaInP活性层的载流子浓度低。
C掺杂的实施例的情况中，Zn掺杂的比较例的情况中，p型(Al0.4Ga0.6)0.5In0.5P包覆层的目标载流子浓度为1.0×1018cm-3。但是，如图2所示，在比较例中，非掺杂AlGaInP活性层侧的p型(Al0.4Ga0.6)0.5In0.5P包覆层中的载流子浓度大幅降低。这可以说p型(Al0.4Ga0.6)0.5In0.5P包覆层中的载流子浓度(＝Zn浓度)降低的部分扩散至非掺杂AlGaInP活性层中，增高了非掺杂AlGaInP活性层的载流子浓度(＝p型载流子浓度)。与此相对，在实施例中，能够抑制来自p型(Al0.4Ga0.6)0.5In0.5P包覆层的p型载流子的扩散，使p型(Al0.4Ga0.5)0.5In0.5P包覆层的p型载流子浓度均匀化。
其结果为，由实施例与比较例的LD用外延晶片制造LD，测定工作电流值Iop，由实施例的外延晶片制造的LD的工作电流值Iop为67(mA)，由比较例的外延晶片制造的LD的工作电流值Iop为80(mA)，在实施例中，能够抑制LD的工作电流值Iop为较低水平，可以确认能实现LD的可靠性和长寿命化。

Claims (4)

1.激光二极管用外延晶片，其为具有双异质结构的化合物半导体外延晶片，即在n型GaAs衬底上依次至少层叠n型包覆层、活性层以及p型包覆层，并且所述n型包覆层、活性层以及p型包覆层均由AlGaInP系材料构成，其特征在于，所述由AlGaInP系材料构成的p型包覆层中的p型杂质为碳，所述p型包覆层中的载流子浓度在8.0×1017cm-3以上、1.5×1018cm-3以下的范围。
2.根据权利要求1所述的激光二极管用外延晶片，其特征在于，所述由AlGaInP系材料构成的n型包覆层中的n型杂质为硅。
3.激光二极管用外延晶片的制造方法，对被加热的n型GaAs衬底，供给必要的III族原料气体、V族原料气体、载流气体以及掺杂剂原料气体，在所述n型GaAs衬底上，至少生长具有n型包覆层、活性层以及p型包覆层的双异质结构的外延层，并且所述n型包覆层、活性层以及p型包覆层均由AlGaInP系材料构成，其特征在于，在生长所述由AlGaInP系材料构成的p型包覆层时，作为所述掺杂剂原料气体供给四溴化碳，使所述p型包覆层中的载流子浓度在8.0×1017cm-3以上、1.5×1018cm-3以下的范围。
4.根据权利要求3所述的激光二极管用外延晶片的制造方法，其特征在于，生长所述由AlGaInP系材料构成的n型包覆层时，作为所述掺杂剂原料气体，供给硅掺杂原料气体，向所述n型包覆层中掺杂硅。
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