CN101447540A - 半导体发光元件用外延晶片及半导体发光元件 - Google Patents

半导体发光元件用外延晶片及半导体发光元件 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种半导体发光元件用外延晶片，以及采用该半导体发光元件用外延晶片来制作的半导体发光元件，该半导体发光元件用外延晶片能控制Zn从p型接触层向p型包覆层和活性层的扩散量。本发明提供一种半导体发光元件用外延晶片，在n型GaAs基板(1)上至少依次层叠由AlGaInP系材料形成的混晶所构成的n型包覆层(4)、活性层(6)和掺杂Mg的p型包覆层，以及p型接触层(13)，所述p型接触层(13)从所述n型GaAs基板(1)侧开始依次具有掺杂Mg的接触层(13b)和掺杂Zn的接触层(13a)至少两个层，其特征在于，在所述掺杂Mg的p型包覆层(8，10)和所述p型接触层(13)之间，具备掺杂Zn的Zn掺杂层(11)。

Description

半导体发光元件用外延晶片及半导体发光元件
技术领域
本发明涉及在半导体发光元件(发光二极管、半导体激光器等)中使用的半导体发光元件用外延晶片及使用其制作的半导体发光元件。
背景技术
以往，作为半导体发光元件用晶体的生长方法，主要使用金属有机物气相外延法(MOVPE法)。在该方法中，生长III-V族化合物半导体结晶时，加热设置于气相生长装置内的基板，将作为各外延层的原料的III族有机金属原料气体和V族原料气体、载气及掺杂原料气体导入生长炉内，在炉内使混合气体热分解，从而在基板上堆积生长晶体膜。
通过如上所述的MOVPE法得到的半导体发光元件用外延晶片被用于半导体发光元件中，所述半导体发光元件有：在光盘系统中用作读取/写入用光源的半导体激光器二极管(LD)以及在显示器、遥控、传感器、车载用灯等各种用途中使用的发光二极管(LED)等。
在MOVPE法中，进行半导体发光元件用的AlGaInP系的晶体生长时，通常使用Zn、Mg作为p型掺杂剂。尤其是在高输出LD用的化合物半导体晶体中，Mg经常被用于p型AlGaInP包覆层中。这是因为，Mg的扩散系数比Zn小，不易扩散至活性层，所以能更高浓度地掺杂。
另一方面，在p型接触层中，需要尽可能地减小电极的接触电阻，因此，需要使其中的载流子浓度比包覆层高一个数量级以上。因此，p型接触层通常由砷化镓(GaAs)形成，作为掺杂剂，使用能够以高于Mg的浓度来添加的Zn。
可是，对于高密度光盘装置的读取/写入用光源来说，要求稳定的高输出、高温动作，因此，有必要使半导体发光元件用外延晶片的p型包覆层的载流子浓度实现高浓度化，达到1×1018cm-3左右，为此，Mg掺杂是有利的。
但是，掺杂Mg的p型包覆层的情形中，Zn和Mg的相互扩散显著，p型接触层的Zn在其生长中扩散至p型包覆层和活性层，其结果为，引起活性层的荧光光谱的半值宽度增大等现象，产生活性层的发光特性的劣化和元件寿命的降低这样的严重问题。
为了解决该问题而采用了用于防止Zn扩散的各种各样的方法。作为防止基板至活性层的Zn扩散的方法，有人提出了在基板和p型包覆层之间，设置同时掺杂了Zn和Si的Zn扩散防止层的方法(专利文献1)。此外，作为防止Zn从p型盖层(p型接触层)的扩散的方法，有人提出了从基板侧来看，依次由掺杂Mg的层(作为Zn扩散抑制层来发挥功能)和掺杂Zn的层至少两层来形成p型盖层的方法(专利文献2)，还有人提出在p型包覆层和p型盖层之间，插入掺杂碳的p型AlGaAs层(作为Zn扩散抑制层来发挥功能)的方法(专利文献3)。
专利文献1：日本特开2002-111052号公报
专利文献2：日本特开2006-19695号公报
专利文献3：日本特开2007-96267号公报
发明内容
根据上述专利文献2、专利文献3的方法，Zn从Zn掺杂的p型接触层至Mg掺杂的p型包覆层和未掺杂的活性层的扩散，可以被极其有效地抑制于几乎没有的程度。
但是，用上述的以往方法，使从p型接触层至p型包覆层等的Zn扩散处于几乎没有的状态时，以往假定有Zn的扩散的状态而合理化的元件制作工艺则可能需要大幅变更。
另外，适当的Zn的扩散，有时对于稳定半导体发光元件特性来说是有效的，因此，用上述以往的方法，使Zn几乎不从p型接触层向p型包覆层等扩散时，也存在不能得到希望的半导体发光元件特性的问题。
基于以上所述，本发明的目的是提供一种可控制Zn从p型接触层向p型包覆层和活性层的扩散量、在p型包覆层等中实现希望的最适合的Zn浓度的半导体发光元件用外延晶片，以及使用该半导体发光元件用外延晶片来制作的、可实现稳定的高输出动作和高温动作的半导体发光元件。
为了解决上述课题，本发明构成如下。
本发明的第1方式为：一种半导体发光元件用外延晶片，其结构为，在n型GaAs基板上至少依次层叠由AlGaInP系材料形成的混晶所构成的n型包覆层、活性层和掺杂Mg的p型包覆层，以及p型接触层，所述p型接触层从前述n型GaAs基板侧来看，依次具有掺杂Mg的接触层和掺杂Zn的接触层的至少两个层，其特征在于，在所述掺杂Mg的p型包覆层和所述p型接触层之间，具备掺杂Zn的Zn掺杂层。
本发明的第2方式为：一种半导体发光元件用外延晶片，其结构为，在n型GaAs基板上至少依次层叠由AlGaInP系材料形成的混晶所构成的n型包覆层、活性层和掺杂Mg的p型包覆层、掺杂Mg的p型中间层以及p型接触层，所述p型接触层从前述n型GaAs基板侧来看，依次具有掺杂Mg的接触层和掺杂Zn的接触层的至少两个层，其特征在于，在所述掺杂Mg的p型包覆层和所述p型中间层之间，具备掺杂Zn的Zn掺杂层。
本发明的第3方式为：根据第2方式的发光元件用外延晶片，其特征在于，所述掺杂Mg的p型中间层被掺杂Zn的p型中间层替换。
本发明的第4方式为：根据第1～第3方式中任一项的半导体发光元件用外延晶片，其特征在于，所述Zn掺杂层为掺杂Zn的GaAs层。
本发明的第5方式为，根据第1～第3方式中任一项的半导体发光元件用外延晶片，其特征在于，所述Zn掺杂层为Zn的平面掺杂层。
本发明的第6方式为：一种半导体发光元件，其特征在于，采用第1～第3方式中任一项的半导体发光元件用外延晶片来制作。
本发明的第7方式为：一种半导体发光元件，其特征在于，采用第4或第5方式中的半导体发光元件用外延晶片来制作。
根据本发明，可以得到实现Zn向Mg掺杂的p型包覆层和活性层进行最适量的扩散的半导体发光元件用外延晶片，并且，采用该半导体发光元件用外延晶片，不用变更以往的元件制作工艺，就能得到可实现稳定的高输出动作和高温动作且具有高可靠性的半导体发光元件。
附图说明
图1是表示本发明涉及的实施方式和实施例1的半导体发光元件用外延晶片的断面示意图。
图2是表示变更本发明的实施例1的Zn掺杂层的厚度、浓度时，通过SIMS测定p型包覆层中的Zn浓度的结果的图。
图3是表示变更本发明的实施例2中的平面掺杂时的Zn流量和时间时，通过SIMS测定p型包覆层中的Zn浓度的结果的图。
符号说明
1   n型GaAs基板
2   n型第1缓冲层
3   n型第2缓冲层
4   n型包覆层
5   未掺杂引导层
6   活性层
7   未掺杂引导层
8   p型第1包覆层
9   蚀刻终止层
10  p型第2包覆层
11  Zn掺杂层
12  p型中间层
13  p型接触层
13a Zn掺杂接触层
13b Mg掺杂接触层
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明涉及的半导体发光元件用外延晶片的实施方式进行说明。
图1是表示本实施方式的半导体发光元件(半导体激光器)用外延晶片的断面结构的断面示意图。
如图1所示，该实施方式的半导体发光元件用外延晶片的结构为：在n型GaAs基板1上，依次层叠由GaAs构成的n型第一缓冲层2、由GaInP构成的n型第2缓冲层3、由AlGaInP构成的n型包覆层4、由AlGaInP构成的未掺杂引导层5、具有包括GaInP阱和AlGaInP势垒层的多量子阱结构的活性层6、由AlGaInP构成的未掺杂引导层7、由掺杂Mg的AlGaInP构成的p型第一包覆层8、由GaInP构成的蚀刻终止层9、由掺杂Mg的AlGaInP构成的p型第二包覆层10、由掺杂Zn的GaAs构成的Zn掺杂层11、由掺杂Mg的GaInP构成的p型中间层12、由GaAs构成的p型接触层13。
由GaInP构成的p型中间层12，是用于减少AlGaInP构成的p型第二包覆层10和GaAs构成的p型接触层13之间的由带隙不连续所引起的层间电阻成分而设置的层。
P型接触层13的结构是：从n型GaAs基板1侧开始依次为，由掺杂Mg的GaAs构成的Mg掺杂接触层13b和由掺杂Zn的GaAs构成的Zn掺杂接触层13a所形成的二层结构。P型接触层13的Zn掺杂接触层13a，为了降低与电极的接触电阻而必须提高Zn浓度，由于Zn掺杂接触层13a由GaAs形成，所以可以高浓度地掺杂Zn。
p型接触层13从n型GaAs基板1侧来看，是依次由Mg掺杂接触层13b和Zn掺杂接触层13a构成的二层结构，因此，Mg掺杂接触层13b成为抑制Zn掺杂接触层13a中的Zn扩散的Zn扩散抑制层，Zn掺杂接触层13a的Zn几乎不会经过Mg掺杂接触层13b而向着p型中间层12和p型第二包覆层10侧扩散。
但是，如果是Zn不从p型接触层13向p型第二包覆层10侧扩散的状态，则假定以往的具有Zn扩散的状态而合理化的元件制作工艺可能要被大幅变更。
为了避免这个问题，而要求实现适合于以往的元件制作工艺的，向p型包覆层10、8和活性层6的进行适当量的Zn扩散。
为了实现适当的Zn扩散量，在本实施方式中，首先，将p型接触层13制成由Mg掺杂接触层13b和Zn掺杂接触层13a构成的二层结构，抑制并防止p型接触层13的Zn向p型第二包覆层10侧的扩散，达到几乎没有的状态。此外，为了实现Zn向p型第二包覆层10侧进行最适量的扩散，在p型第二包覆层10和p型中间层12之间，设置Zn掺杂层11来作为Zn扩散调节层。通过调节和设定Zn掺杂层11的厚度、Zn浓度中的任一方或双方，可以控制Zn向p型第二包覆层10侧的最适扩散量。由于Zn掺杂层11是GaAs层，因此即使减小Zn掺杂层11的厚度，也可高浓度地掺杂Zn，所以容易调节Zn扩散量。
通过采用这样的结构，不用变更以往的元件制作工艺，就可得到实现Zn向p型包覆层10、8和活性层6进行最适量的扩散的半导体发光元件用外延晶片。另外，通过使用得到的半导体发光元件用外延晶片，可以制作出能实现稳定的高输出动作和高温动作且具有高可靠性的半导体发光元件。
在上述实施方式中，作为用于设定并控制Zn向p型第二包覆层10侧进行最适合扩散量的Zn扩散调节层，设置由掺杂Zn的GaAs构成的Zn掺杂层11，但也可以替代Zn掺杂层11，在p型第二包覆层10的层叠后且p型接触层13的层叠前，实施Zn的平面掺杂(planar doping)，形成Zn的平面掺杂层，将该Zn的平面掺杂层作为Zn扩散调节层。此时，通过调节Zn平面掺杂实施时的Zn流量和时间中的一方或双方，可以控制Zn向p型第二包覆层10侧的扩散量。
另外，在上述实施方式中，向p型中间层12掺杂Mg，也可以不掺杂Mg而掺杂Zn。或者，在上述实施方式中，也可以不设置p型中间层12。
实施例
接着，说明本发明的实施例。
实施例1
实施例1的半导体发光元件(半导体激光器)用外延晶片是与上述图1所示的实施方式相同的断面结构，采用图1说明实施例1。
如图1所示，在由GaAs构成的n型GaAs基板1上，依次生长由GaAs构成的第1缓冲层2、由Ga0.51In0.49P构成的第2缓冲层3、由(Al0.68Ga0.32)0.51In0.49P构成的n型包覆层4、由(Al0.50Ga0.50)0.51In0.49P构成的未掺杂引导层5、具有多量子阱(MQW)结构的活性层6、由(Al0.50Ga0.50)0.51In0.49P构成的未掺杂引导层7、由(Al0.70Ga0.30)0.51In0.49P构成的p型第1包覆层8、由Ga0.55In0.45P构成的蚀刻终止层9、由(Al0.70Ga0.30)0.51In0.49P构成的p型第2包覆层10、由掺杂Zn的GaAs构成的Zn掺杂层11、由Ga0.51In0.49P构成的p型中间层12、由GaAs形成的p型接触层13，该p型接触层13从基板侧开始形成的由掺杂Mg的Mg掺杂接触层13b和掺杂Zn的Zn掺杂接触层13a的二层所构成的。所述活性层6是以Ga0.51In0.49P为阱、以(Al0.50Ga0.50)0.51In0.49P为势垒层的量子阱结构，不添加杂质。
实施例1的外延晶片结构如表1所示。在表1中，概括表示各外延层的组成、结构、厚度、载流子浓度。在表1中，“un-”表示未掺杂。
表1
 
外延层 组成和结构 厚度(nm) 载流子浓度(cm-3)
接触层13a Zn掺杂GaAs 300 5.0×1018
接触层13b Mg掺杂GaAS 30 2.5×1018
中间层12 Mg掺杂Ga0.51In0.49P 40 1.5×1018
掺杂层11 Zn掺杂GaAs 50以下 1.0×1019～2.5×1019
p型第2包覆层10 Mg掺杂(Al0.70Ga0.30)0.51In0.49P 1500 1×1018
蚀刻终止层9 un-Ga0.55In0.45P 9 -
p型第1包覆层8 Mg掺杂(Al0.70Ga0.30)0.51In0.49P 300 1×1018
未掺杂引导层7 un-(Al0.50Ga0.50)0.51In0.49P 70 -
活性层6 MQW：n-GaInP/[un-(Al0.50Ga0.50)0.51In0.49P/un-GaInP]×3               49 -
未掺杂引导层5 un-(Al0.50Ga0.50)0.51In0.49P 15 -
n型包覆层4 Si掺杂(Al0.68Ga0.32)0.51In0.49P 2000 8.5×1017
第2缓冲层3 Si掺杂Ga0.51In0.49P 200 1×1018
第1缓冲层2 Si掺杂GaAs 200 1×1018
基板1 导电型n型GaAs 50μm 1×1018
在上述外延层的生长中，采用金属有机气相外延法(MOVPE法)。即，加热设置于气相生长装置的生长炉内的n型GaAs基板1，向生长炉内导入各外延层2～13所需要的III族有机金属原料气体、V族原料气体、载气、掺杂原料气体，在炉内热分解气体，在n型GaAs基板1上依次堆积生长外延晶体。
作为III族有机金属气体，导入TMG(三甲基镓)作为Ga的原料、TMA(三甲基铝)作为Al的原料、TMI(三甲基铟)作为In的原料，作为V族原料气体，导入AsH3作为As的原料、PH3(膦)作为P的原料，作为掺杂原料气体，导入Si2H6(乙硅烷)来作为n型杂质的Si的原料、Cp2Mg来作为p型的杂质Mg的原料、DEZ(二乙基锌)来作为Zn的原料，作为载气使用高纯度氢气。
在该实施例1中，通过变更在p型第2包覆层10上生长的Zn掺杂层11的厚度、Zn浓度，来调查Zn向p型第2包覆层10侧的扩散量。
图2表示变更Zn掺杂层11的厚度、Zn浓度时的p型第1包覆层8至p型第2包覆层10的外延晶片层中的Zn浓度(平均值)的测定结果。图2(a)是使Zn掺杂层11的Zn浓度为1.0×1019cm-3或2.5×1019cm-3，而改变Zn掺杂层11的厚度时的测定结果，图2(b)是将Zn掺杂层11的厚度固定为50nm，而改变Zn掺杂层11的Zn浓度时的测定结果。Zn浓度的测定通过SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry：二次离子质谱分析)来进行。
另外，相对于实施例1而言，制作出不设置Zn掺杂层11，而其他为相同结构的比较例的半导体发光元件用外延晶片。图2(a)也表示了比较例的结果。
如图2所示，可以看出能够将p型第1包覆层8至第2包覆层10的Zn浓度调节在平均1×1015cm-3至1.2×1018cm-3的范围内。1×1015cm-3的值是没有Zn掺杂层11的比较例的情形。
另外，采用实施例1的半导体激光器用外延晶片，通过通常的元件制作工艺来制作的红色半导体激光器的元件特性非常良好。
实施例2
上述实施例1和实施例2的不同点在于，在实施例2中，不像上述实施例1那样在p型第2包覆层10上层叠由GaAs构成的Zn掺杂层11，而是在生长由AlGaInP构成的p型第2包覆层10后，实施Zn的平面掺杂来形成Zn的平面掺杂层，其他部分与上述实施例1相同。
在该实施例2中，通过变更实施平面掺杂时的Zn流量和时间，来调查Zn向p型第2包覆层10侧的扩散量。
图3表示变更平面掺杂实施时的Zn流量和时间时，p型第1包覆层8至p型第2包覆层10的外延层中的平均的Zn浓度的测定结果。
图3(a)是Zn流量为200ccm或400ccm，而改变平面掺杂时间时的测定结果，图3(b)是将平面时间固定为30秒钟，而改变Zn流量时的测定结果。Zn浓度的测定利用SIMS进行。另外，图3中也表示不层叠Zn掺杂层11且也不实施平面掺杂的上述比较例的结果。
如图3所示，可以看出能将p型第1包覆层8至第2包覆层10的Zn浓度调节在平均1×1015cm-3至1.3×1018cm-3的范围内。另外，采用实施例2的外延晶片，通过通常的元件制作工艺制作的红色半导体激光器的元件特性非常良好。

Claims (7)

1.一种半导体发光元件用外延晶片，其结构为，在n型GaAs基板上至少依次层叠由AlGaInP系材料形成的混晶所构成的n型包覆层、活性层、掺杂Mg的p型包覆层以及p型接触层；所述p型接触层从所述n型GaAs基板侧开始依次具有掺杂Mg的接触层和掺杂Zn的接触层的至少两个层，其特征在于，在所述掺杂Mg的p型包覆层和所述p型接触层之间，具备掺杂Zn的Zn掺杂层。
2.一种半导体发光元件用外延晶片，其结构为，在n型GaAs基板上至少依次层叠由AlGaInP系材料形成的混晶所构成的n型包覆层、活性层、掺杂Mg的p型包覆层、掺杂Mg的p型中间层以及p型接触层，所述p型接触层从所述n型GaAs基板侧开始依次具有掺杂Mg的接触层和掺杂Zn的接触层的至少两个层，其特征在于，在所述掺杂Mg的p型包覆层和所述p型中间层之间，具备掺杂Zn的Zn掺杂层。
3.根据权利要求2所述的半导体发光元件用外延晶片，其特征在于，所述掺杂Mg的p型中间层被掺杂Zn的p型中间层替换。
4.根据权利要求1至3中任一项的所述的半导体发光元件用外延晶片，其特征在于，所述Zn掺杂层为掺杂Zn的GaAs层。
5.根据权利要求1至3中任一项的所述的半导体发光元件用外延晶片，其特征在于，所述Zn掺杂层为Zn的平面掺杂层。
6.一种半导体发光元件，其特征在于，采用权利要求1至3中任一项所述的半导体发光元件用外延晶片来制作。
7.一种半导体发光元件，其特征在于，采用权利要求4或5所述的半导体发光元件用外延晶片来制作。
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