【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置の改善に関し、特にＯＭＶＰＥ（有機金属気相エピタキシャル）法で製造されるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の改善に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を利用する電子素子や光素子の製造のためのＯＭＶＰＥ結晶成長法において、ｐ型ドーパントとしては一般にＺｎ、Ｍｇ、またはＣが用いられる。電子素子においては、ＨＢＴ（Ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ Ｂｉｐｏｌｏｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）のように高濃度で急峻な変化を伴うドーパント濃度プロファイルが必要な場合には、拡散定数の小さいＣが用いられる。
【０００３】
一方、光素子においては、特にＡｌを含む化合物半導体材料を利用する発光素子では、非発光再結合中心となる酸素の混入を防ぐために高温で結晶成長させる必要があるので、高温ではドーピングが難しいＣの代わりにＺｎが用いられる。Ｚｎより拡散定数の小さいＭｇが採用される場合もあるが、Ｍｇの供給源として使用されるＣｐ２Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）やＭｅＣｐ２Ｍｇ（メチルＣｐ２Ｍｇ）の蒸気が配管内壁に結露して付着し易いので、急峻なドーパント濃度プロファイルを形成することが困難であるという問題がある。さらに、Ｍｇは酸素と結合しやすいので、非発光再結合中心を増加させて、発光素子の発光効率を低下させる恐れがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ＺｎはＡｌを含む化合物半導体材料中においても比較的高温までドーピングが可能であり、さらにＭｇ用原料ガスのように配管内壁に結露付着することもなく、酸素との結合性も特に強くはない。ただし、化合物半導体材料中でＺｎの拡散定数が大きいので、高濃度ドーピングの場合に高温で長時間保持すればドーピング濃度プロファイルが崩れるという問題がある。
【０００５】
ところで、近年普及が始まっているＤＶＤ（デジタル汎用ディスク）レコーダに採用されている高輝度赤色レーザ素子においては、その活性層を構成する化合物半導体材料としてＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＰが利用されている（特許文献１参照）。このようなレーザ素子を高出力化することによってＤＶＤの高速書き込みが可能になるので、その高出力化のための開発が加速されている。
【０００６】
たとえば、レーザ素子の高出力化のために、その活性層として、井戸層に歪みを有する歪多重量子井戸が採用されている。高出力動作中のレーザ素子はその動作温度が高くなるので、ＤＨ（ダブルへテロ）構造中に閉じ込められたキャリアがクラッド層の外にあふれる現象（キャリアオバーフロー）が発生し、発光強度が減少するという問題がある。この問題を解決するためには、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層のキャリア濃度をできるだけ高くする必要がある。
【０００７】
しかし、たとえばＺｎを１Ｅ１８ｃｍ−３（なお、「Ｅ１８」は「×１０１８」を意味し、以後同様である）を超えてドーピングすれば、結晶成長中にＺｎが拡散し、レーザ素子中の活性層であるＭＱＷ（多重量子井戸）中を貰通するという現象が起こる。非常に薄いＡｌＧａＩｎＰとＧａＩｎＰの多層構造からなるＭＱＷ中をＺｎが拡散すれば、そのＭＱＷ構造が物理的に崩壊し、量子効果が消滅して発光波長が短波長化しかつ発光強度が減少するという問題がある。
【０００８】
以上述べたように、Ａｌを含む発光素子においてはｐ型ドーパントとしてＺｎを採用することが望ましいが、高濃度にＺｎをドーピングした場合にＺｎの拡散が起こるという問題がある。そこで、本発明は高濃度にＺｎをドーピングした場合でもＺｎの拡散を抑制することができるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置を提供することを目的としている。
【０００９】
【特許文献１】
特開平１０−２９００４６号公報
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の一つの態様によれば、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置は、基板上においてエピタキシャル成長させられた少なくともｐ型層を含み、このｐ型層はｐ型ドーパントとしてＺｎを含むとともに、基板に比べて大きな格子定数を有していて圧縮歪を含んでいることを特徴としている。
【００１１】
本発明の他の態様によれば、基板上において少なくともＺｎを含まない層とＺｎを含むｐ型層とがエピタキシャル成長させられており、基板に比べて大きな格子定数を有していて圧縮歪を含むアンドープ層がそれらのＺｎを含まない層とＺｎを含むｐ型層との間に挿入されていることを特徴としている。この場合に、Ｚｎを含むｐ型層も基板に比べて大きな格子定数を有していて圧縮歪を含んでいることが好ましい。
【００１２】
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置に含まれるｐ型層はＡｌＧａＩｎＰからなり、かつその圧縮歪みを生じる格子不整合度が２Ｅ−３以上であることが好ましい。また、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置において、Ｚｎを含まない層、Ｚｎを含むｐ型層、およびアンドープ層のいずれもがＡｌＧａＩｎＰからなり、そのアンドープ層の圧縮歪みを生じる格子不整合度が３Ｅ−３以上であることが好ましい。
【００１３】
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置はレーザ装置であり得て、Ｚｎを含まない層が活性層であり、Ｚｎを含むｐ型層がクラッド層でありかつ２Ｅ−３以上の圧縮歪を含み、それらの活性層とｐ型層との間に３Ｅ−３以上の圧縮歪を含むアンドープ層が挿入されていることが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明が適用され得るＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置として、レーザ素子の一例を模式的断面図で示している。このレーザ素子は、たとえばｎ型ＧａＡｓ基板１上に順にエピタキシャル成長させられたｎ型（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層２、（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐ下部ガイド層３、ＭＱＷ層（複数のＧａＩｎＰ井戸層と複数のＡｌＧａＩｎＰ障壁層を含む）４、（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐ上部ガイド層５、アンドープのＡｌＧａＩｎＰオフセット層６ａ、Ｚｎを含むｐ型（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層６、およびｐ型ＧａＡｓコンタクト層７を含んでいる。
【００１５】
このように、アンドープ層であるべき上部ガイド層５内とＭＱＷ層４内へのＺｎの拡散を防止するために、Ｚｎドーピング層であるｐ型クラッド層６に隣接して、Ｚｎの拡散を見込んだアンドープのオフセット層６ａを挿入することが一般に行われている。
【００１６】
しかし、本発明者らが行なった実験によれば、ｐ型クラッド層６のＺｎ濃度が１Ｅ１８ｃｍ−３程度でそのエピタキシャル成長温度が７００℃以上の場合、厚さ２００ｎｍ以上のＡｌＧａＩｎＰオフセット層６ａを設けても上部ガイド層５内またはＭＱＷ層４内へのＺｎの拡散を防止し得ないことが判明した。そこで本発明者らが検討したところ、オフセット層または／およびＺｎドープ層に圧縮歪を付与することによって、ガイド層内およびＭＱＷ層内へのＺｎの拡散を抑制し得ることが見出された。この理由としては、一般にＺｎはＩＩＩ族原子の空孔を介して拡散していくが、圧縮歪みの付与によって空孔が減少するとともにその移動が抑制されるのでＺｎの拡散も抑制されると考えられる。
【００１７】
（実施例１）
実施例１において、図１に示されたようなＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＰのＭＱＷを有するＤＨ−ＬＤ（ダブルへテロ・レーザダイオード）装置としての試料Ｎｏ．１とＮｏ．２が、一部異なる条件の下で作製された。試料Ｎｏ．１とＮｏ．２のいずれにおいても、ＭＱＷの発光波長が６４０ｎｍになるように、その組成と構造が設定された。また、上部ガイド層５上に厚さ１５０ｎｍのアンドープのオフセット層６ａが形成された。さらに、オフセット層６ａ上には、Ｚｎ濃度８Ｅ１７ｃｍ−３のｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６が、７１０℃の基板温度の下でエピタキシャル成長させられた。クラッド層６上にｐ型ＧａＡｓコンタクト層７が形成されて、試料Ｎｏ．１とＮｏ．２が完成させられた。
【００１８】
試料Ｎｏ．１とＮｏ．２の間において作製上異なる条件は、試料Ｎｏ．１においてはオフセット層６ａの格子不整合度（△ａ／ａ）を１Ｅ−４以下のほとんど歪みがない状態に設定したのに対して、試料Ｎｏ．２においてはオフセット層６ａの格子不整合度（△ａ／ａ）を３Ｅ−３にして圧縮歪みを生じる状態に設定したことである。ここで、ａはＧａＡｓ基板１の格子定数を表し、△ａはＡｌＧａＩｎＰオフセット層６ａの格子定数とＧａＡｓ基板１の格子定数との差を表している。この△ａは、ＡｌＧａＩｎＰオフセット層６ａの組成比を調整することによって設定された。
【００１９】
以上のような条件の下で作製された試料Ｎｏ．１とＮｏ．２について、最表面のｐ型ＧａＡｓコンタクト層７をエッチングで除去した後にＰＬ（フォトルミネッセンス）特性が測定され、それぞれの試料に関する測定結果が図２と図３に示されている。すなわち、これらの図のグラフにおいて、横軸はＰＬ波長（ｎｍ）を表し、縦軸はＰＬ強度を任意単位（ａ．ｕ．）で表している。
【００２０】
前述のようにＭＱＷの発光波長は約６４０ｎｍに設定されていたが、図２から明らかなように、試料Ｎｏ．１ではＰＬピーク波長が約６２０ｎｍにシフトしており、発光強度も予想値の約１／１０程度まで減少した。このことは、ｐ型クラッド層６からＭＱＷ層４までＺｎが拡散し、ＭＱＷの機能を破壊したことによると考えられる。
【００２１】
他方、図３から明らかなように、試料Ｎｏ．２ではＰＬピーク波長が設定どうりの約６４０ｎｍになっており、ｐ型クラッド層６からのＺｎの拡散がＭＱＷ層４まで至っていないことを裏付けている。すなわち、オフセット層６ａにおける圧縮歪がＺｎの拡散を顕著に抑制するように作用したことを意味している。
【００２２】
なお、図２のグラフと図３のグラフに示された曲線におけるノイズレベルから理解されるであろうように、図２のグラフと図３のグラフにおける縦軸のＰＬ強度の任意単位（ａ．ｕ．）は同一ではなく、図２におけるＰＬ強度の任意単位（ａ．ｕ．）は図３に比べて大きく拡大されている。このような関係は他のグラフ間の関係においても同様であり、ＰＬピーク強度のみの大きさをグラフ間で比較しても意味がないことに留意されたい。
【００２３】
（実施例２）
実施例１に類似して、実施例２においては試料Ｎｏ．３、Ｎｏ．４、およびＮｏ．５が作製された。ただし、これらの試料のいずれにおいても、オフセット層６ａの厚さは８５ｎｍに設定された。また、試料Ｎｏ．３、Ｎｏ．４、およびＮｏ．５のオフセット層６ａは、格子不整合度（△ａ／ａ）が−３Ｅ−３の引張り歪、３Ｅ−３の圧縮歪、および６Ｅ−３の圧縮歪を生じるようなそれぞれの組成比で形成された。
【００２４】
以上のような条件の下で作製された試料Ｎｏ．３、Ｎｏ．４、およびＮｏ．５についても、実施例１の場合と同様にＰＬ特性が測定され、それぞれの試料に関する測定結果が図４、図５、および図６に示されている。
【００２５】
図４から明らかなように、厚さ８５ｎｍのオフセット層６ａが−３Ｅ−３の引張り歪を含む試料Ｎｏ．３におけるＭＱＷ層４のＰＬピーク波長は、設定値の約６４０ｎｍから６２０ｎｍ未満の値までシフトしていることが分かる。すなわち、引張り歪を含むオフセット層６ａは、Ｚｎの拡散防止に関してほとんど役に立たないことを意味している。
【００２６】
他方、図５と図６におけるＰＬ発光強度分布プロファイルはほぼ同じ形態を有しているとともに、ほぼ同じ約６４０ｎｍのピーク波長を有している。このことから、オフセット層６ａの厚さが８５ｎｍの場合には、Ｚｎの拡散を抑制するためにはオフセット層６ａが３Ｅ−３の圧縮歪を含んでいれば十分であって、それ以上に（試料Ｎｏ．５における６Ｅ−３ように）圧縮歪量を増大させる必要のないことが分かる。
【００２７】
（実施例３）
実施例１に類似して、実施例３においては試料Ｎｏ．６、Ｎｏ．７、およびＮｏ．８が作製された。ただし、これらの試料のいずれにおいても、オフセット層６ａの厚さは４０ｎｍに設定された。また、試料Ｎｏ．６、Ｎｏ．７、およびＮｏ．８のオフセット層６ａは、格子不整合度（△ａ／ａ）が３Ｅ−３、６Ｅ−３、および８Ｅ−３の圧縮歪を生じるようなそれぞれの組成比で形成された。
【００２８】
以上のような条件の下で作製された試料Ｎｏ．６、Ｎｏ．７、およびＮｏ．８についても、実施例１の場合と同様にＰＬ特性が測定され、それぞれの試料に関する測定結果が図７、図８、および図９に示されている。
【００２９】
図７から明らかなように、厚さ４０ｎｍのオフセット層６ａが３Ｅ−３の圧縮歪を含む試料Ｎｏ．６におけるＭＱＷ層４のＰＬ発光では、設定値の約６４０ｎｍからシフトした約６２０ｎｍの波長における発光強度がかなり大きくなっていることが分かる。すなわち、オフセット層６ａの厚さを４０ｎｍ程度まで減少させた場合に、Ｚｎの拡散を十分に抑制するためには、３Ｅ−３の圧縮歪では十分ではないことが分かる。
【００３０】
他方、図８と図９におけるＰＬ発光強度分布プロファイルを比較すれば、オフセット層６ａが６Ｅ−３の圧縮歪を含む試料Ｎｏ．７では波長約６２０ｎｍにおいて弱いＰＬ発光のサブピークが残っているのに対して、オフセット層６ａが８Ｅ−３の圧縮歪を含む試料Ｎｏ．８では波長約６２０ｎｍにおいてＰＬ発光のサブピークがほとんど残っていない。このことから、オフセット層６ａの厚さが４０ｎｍまで減少させられた場合でも、オフセット層６ａの圧縮歪を８Ｅ−３に増大させることによって、Ｚｎの拡散を十分に抑制し得ることが分かる。
【００３１】
なお、Ｚｎの拡散を抑制する観点からは、オフセット層に導入される圧縮歪において特に上限値は存在しない。しかし、あまりに大きな圧縮歪がオフセット層に導入されれば、そのオフセット層に亀裂や剥離が生じるので、そのような不都合が生じない圧縮歪の範囲内に制限されることが好ましい。
【００３２】
（実施例４）
実施例４において作製された資料Ｎｏ．９とＮｏ．１０は、図１中のオフセット層６ａを含んでいないことにおいて、上述の試料Ｎｏ．１〜８と異なっている。そして、試料Ｎｏ．９とＮｏ．１０の間において作製上異なる条件は、試料Ｎｏ．９においてはｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６の格子不整合度（△ａ／ａ）を１Ｅ−４以下のほとんど歪みがない状態に設定したのに対して、試料Ｎｏ．１０においてはｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６の格子不整合度（△ａ／ａ）を３Ｅ−３にして圧縮歪みを生じる状態に設定したことである。ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６の格子定数は、ＡｌＧａＩｎＰの組成比を微調整することによって設定された。
【００３３】
以上のような条件の下で作製された試料Ｎｏ．９とＮｏ．１０について、ＳＩＭＳ（２次イオン質量分析）が測定され、それぞれの試料に関する測定結果が図１０と図１１に示されている。すなわち、これらの図のグラフにおいて、横軸は上部ガイド層５とＭＱＷ層４との界面を基準にした深（ｎｍ）さを表し、左の縦軸はＺｎの濃度（×１０１８ｃｍ−３）を表し、そして右の縦軸はＡｌ、Ｇａ、Ｉｎ、およびＰの濃度を任意単位（ａｒｂ．）で表している。
【００３４】
図１０において、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６がほとんど圧縮歪を含まない試料Ｎｏ．９であっても、そのｐ型クラッド層６中のＺｎの濃度が１×１０１８ｃｍ−３未満で比較的低いので、Ｚｎの拡散はＭＱＷ層４までには至っていない。しかし、ｐ型クラッド層６内にドープされたＺｎはアンドープの上部ガイド層５内にかなり拡散侵入しており、実質的に上部ガイド層５とＭＱＷ層４との界面からＬ＝２２ｎｍの近距離まで拡散侵入している。
【００３５】
他方、図１１に示されているように、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６が圧縮歪を含む試料Ｎｏ．１０においても、試料Ｎｏ．９の場合と同様にｐ型クラッド層６中にドープされたＺｎが上部ガイド層５内に拡散侵入してはいる。しかし、この圧縮歪を含む試料Ｎｏ．１０の場合には、ｐ型クラッド層６内にドープされたＺｎは実質的に上部ガイド層５とＭＱＷ層４との界面からＬ＝３２ｎｍの遠く離れた位置にまでしか拡散侵入しておらず、ＭＱＷ層４に対する影響はほとんどないと考えられる。
【００３６】
本実施例４における図１０と図１１の比較から明らかなように、オフセット層６ａを省略してｐ型クラッド層６自体に圧縮歪を導入することによっても、そのｐ型クラッド層６からのＺｎの拡散流出を抑制し得ることが分かる。
【００３７】
次に、実施例４の場合のようなｐ型クラッド層６の格子不整合度（△ａ／ａ）の実測方法について説明する。このような格子不整合度は、ディフラクトメータを用いたＸ線回折を利用して測定することができる。図１２から図１４のグラフは、そのようなディフラクトメータを用いたＸ線回折結果を示している。
【００３８】
すなわち、図１２から図１４のグラフの各々において、下側の横軸は回折角θ（ｄｅｇ：度）を表し、上側の横軸はＧａＡｓ基板結晶の（４００）面の回折角を基準とした回折角θ（ｓｅｃ：秒）を表し、そして縦軸はＸ線回折強度（Ｘ線センサのカウントパルス数）を対数目盛りで表している。なお、ＧａＡｓ基板結晶の（４００）面は、その基板の主面（エピタキシャル成長させる面）に直交する結晶面である。
【００３９】
周知のように、Ｘ線回折においては、２ｄ・ｓｉｎθ＝ｎλのＢｒａｇｇ条件を満たしたとき反射が生じる。ここで、ｄは原子面間隔、θは回折角、ｎは整数、そしてλはＸ線の波長を表す。すなわち、Ｘ線波長λが一定の場合、原子面間隔ｄの変化は回折角θの変化として検知され得る。より具体的には、ＧａＡｓ結晶は０．６５３３ｎｍの格子定数（（１００）原子面間隔に相当）を有し、したがって（４００）面はその１／４に相当する０．１４１３３ｎｍの原子面間隔を有している。そして、単一波長のＸ線として、Ｃｕの固有Ｘ線であるＫα線（波長０．１５４０５ｎｍ）を利用し得る。この場合、ＧａＡｓ結晶の（４００）面の回折角θは３３．０２４度になる。
【００４０】
図１２のグラフにおいて、観察され得る回折強度ピークは、回折角度θ＝３３．０２４度におけるピークだけである。このことは、ＧａＡｓ基板結晶上に積層された複数のエピタキシャル層のいずれもがその基板結晶と格子整合していることを意味する。すなわち、それらのエピタキシャル層は、基板から圧縮応力と引っ張り応力のいずれを受けることもない。
【００４１】
他方、図１３に関するの試料においては、ｐ型クラッド層６の組成比を微調整することによって、その格子定数がＧａＡｓ基板１に比べて少し大きくされた。その結果、図１３のグラフにおいては、ＧａＡｓ基板結晶の（４００）面の回折角θ＝３３．０２４度におけるメイン回折強度ピークのみならず、θ＝３２．９５１度におけるサブ回折強度ピークも観察される。この回折角度θ＝３２．９５１度から計算されるｐ型クラッド層６の（４００）原子面間隔から格子不整合度（△ａ／ａ）を求めれば２Ｅ−３になる。
【００４２】
図１４は図１３に類似しており、図１４におけるθ＝３２．９２３度におけるサブ回折強度ピークから計算されるｐ型クラッド層６の（４００）原子面間隔から格子不整合度（△ａ／ａ）を求めれば３Ｅ−３になる。これは、上述の実施例４における試料Ｎｏ．１０に相当している。
【００４３】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、ｐ型層へ高濃度にＺｎをドーピングした場合でもＺｎの拡散を抑制することができるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用され得るＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体レーザ素子の一例を示す模式的断面図である。
【図２】図１のレーザ素子において厚さ１５０ｎｍのオフセット層６ａが１Ｅ−４以下の極めて小さな圧縮歪しか含まない場合におけるＭＱＷ層４のＰＬ発光特性を示すグラフである。
【図３】図１のレーザ素子において厚さ１５０ｎｍのオフセット層６ａが３Ｅ−３の圧縮歪を含む場合におけるＭＱＷ層４のＰＬ発光特性を示すグラフである。
【図４】図１のレーザ素子において厚さ８５ｎｍのオフセット層６ａが−３Ｅ−３の引張り歪を含む場合におけるＭＱＷ層４のＰＬ発光特性を示すグラフである。
【図５】図１のレーザ素子において厚さ８５ｎｍのオフセット層６ａが３Ｅ−３の圧縮歪を含む場合におけるＭＱＷ層４のＰＬ発光特性を示すグラフである。
【図６】図１のレーザ素子において厚さ８５ｎｍのオフセット層６ａが６Ｅ−３の圧縮歪を含む場合におけるＭＱＷ層４のＰＬ発光特性を示すグラフである。
【図７】図１のレーザ素子において厚さ４０ｎｍのオフセット層６ａが３Ｅ−３の圧縮歪を含む場合におけるＭＱＷ層４のＰＬ発光特性を示すグラフである。
【図８】図１のレーザ素子において厚さ４０ｎｍのオフセット層６ａが６Ｅ−３の圧縮歪を含む場合におけるＭＱＷ層４のＰＬ発光特性を示すグラフである。
【図９】図１のレーザ素子において厚さ４０ｎｍのオフセット層６ａが８Ｅ−３の圧縮歪を含む場合におけるＭＱＷ層４のＰＬ発光特性を示すグラフである。
【図１０】図１中のオフセット層６ａを省略したレーザ素子においてｐ型クラッド層６が歪を有しない場合におけるＳＩＭＳ結果を示すグラフである。
【図１１】図１中のオフセット層６ａを省略したレーザ素子においてｐ型クラッド層６が圧縮歪を有する場合におけるＳＩＭＳ結果を示すグラフである。
【図１２】ｐ型クラッド層６がＧａＡｓ基板と格子整合している場合のＸ線回折結果を示すグラフである。
【図１３】ｐ型クラッド層６がＧａＡｓ基板１に対して２Ｅ−３の格子不整合度を有する場合のＸ線回折結果を示すグラフである。
【図１４】ｐ型クラッド層６がＧａＡｓ基板１に対して３Ｅ−３の格子不整合度を有する場合のＸ線回折結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１ ｎ型ＧａＡｓ基板、２ ｎ型（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層、３ （Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐ下部ガイド層、４ ＭＱＷ層（複数のＧａＩｎＰ井戸層と複数のＡｌＧａＩｎＰ障壁層を含む）、５ （Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐ上部ガイド層、６ａ アンドープのＡｌＧａＩｎＰオフセット層、６ Ｚｎを含むｐ型（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層、７ ｐ型ＧａＡｓコンタクト層。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an improvement in a semiconductor device, and more particularly to an improvement in a III-V compound semiconductor device manufactured by an OMVPE (organic metal vapor phase epitaxy) method.
[0002]
[Prior art]
In the OMVPE crystal growth method for manufacturing an electronic device or an optical device using a III-V compound semiconductor, Zn, Mg, or C is generally used as a p-type dopant. In an electronic device, when a dopant concentration profile with a high concentration and a steep change is required as in an HBT (Heterojunction Bipolar Transistor), C having a small diffusion constant is used.
[0003]
On the other hand, in an optical element, especially in a light emitting element utilizing a compound semiconductor material containing Al, it is necessary to grow a crystal at a high temperature in order to prevent the incorporation of oxygen serving as a non-radiative recombination center. Is used instead of Zn. Sometimes small Mg diffusion constant than Zn is employed but, Mg vapor pipe inner wall of the Cp 2 Mg used as the source (biscyclopentadienyl magnesium) and MeCp 2 Mg (methyl Cp 2 Mg) of There is a problem that it is difficult to form a steep dopant concentration profile because it is easily condensed and adhered to the substrate. Furthermore, since Mg is easily bonded to oxygen, the number of non-radiative recombination centers may be increased and the luminous efficiency of the light-emitting element may be reduced.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, Zn can be doped to a relatively high temperature even in a compound semiconductor material containing Al, furthermore, it does not adhere to the inner wall of the pipe as in the case of the raw material gas for Mg, and has a particularly strong bond with oxygen. Absent. However, since the diffusion constant of Zn is large in the compound semiconductor material, there is a problem that the doping concentration profile is deteriorated if the high-concentration doping is performed at a high temperature for a long time.
[0005]
By the way, AlGaInP / GaInP is used as a compound semiconductor material constituting an active layer in a high-brightness red laser element used in a DVD (digital versatile disk) recorder that has recently become popular (Patent Document 1). reference). By increasing the output of such a laser element, high-speed writing of DVDs becomes possible, and the development for increasing the output is accelerated.
[0006]
For example, in order to increase the output of a laser device, a strained multiple quantum well having a strain in a well layer is employed as an active layer thereof. Since the operating temperature of the laser element during high-power operation increases, a phenomenon (carrier overflow) in which carriers confined in a DH (double hetero) structure overflows outside the cladding layer occurs, and the emission intensity decreases. There is a problem. In order to solve this problem, it is necessary to increase the carrier concentration of the p-AlGaInP cladding layer as high as possible.
[0007]
However, for example, if Zn is doped beyond 1E18 cm −3 (“E18” means “× 10 18 ”, the same applies hereinafter), Zn is diffused during crystal growth, and the activity in the laser device is increased. The phenomenon of passing through the MQW (multiple quantum well) that is the layer occurs. If Zn diffuses in the MQW having a very thin multilayer structure of AlGaInP and GaInP, the MQW structure physically collapses, the quantum effect disappears, the emission wavelength becomes shorter, and the emission intensity decreases. There is.
[0008]
As described above, in a light-emitting element containing Al, it is desirable to use Zn as a p-type dopant, but there is a problem that Zn is diffused when Zn is doped at a high concentration. Therefore, an object of the present invention is to provide a group III-V compound semiconductor device capable of suppressing Zn diffusion even when Zn is doped at a high concentration.
[0009]
[Patent Document 1]
JP-A-10-290046 [0010]
[Means for Solving the Problems]
According to one aspect of the present invention, a III-V compound semiconductor device includes at least a p-type layer epitaxially grown on a substrate, the p-type layer including Zn as a p-type dopant, and And has a large lattice constant and includes compressive strain.
[0011]
According to another aspect of the present invention, at least a layer containing no Zn and a p-type layer containing Zn are epitaxially grown on the substrate, have a larger lattice constant than the substrate, and include a compressive strain. An undoped layer is inserted between the Zn-free layer and the Zn-containing p-type layer. In this case, it is preferable that the p-type layer containing Zn also has a larger lattice constant than the substrate and contains a compressive strain.
[0012]
The p-type layer included in the group III-V compound semiconductor device is preferably made of AlGaInP, and has a degree of lattice mismatch that causes a compressive strain of 2E-3 or more. Further, in the group III-V compound semiconductor device, each of the layer containing no Zn, the p-type layer containing Zn, and the undoped layer is made of AlGaInP, and the undoped layer has a lattice mismatch of 3E- It is preferably three or more.
[0013]
The III-V compound semiconductor device can be a laser device, wherein the layer not containing Zn is the active layer, the p-type layer containing Zn is the cladding layer and contains a compressive strain of 2E-3 or more, and It is preferable that an undoped layer containing a compression strain of 3E-3 or more is inserted between the active layer and the p-type layer.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is a schematic sectional view showing an example of a laser element as a group III-V compound semiconductor device to which the present invention can be applied. This laser device includes, for example, an n-type (Al 0.7 Ga 0.3 ) 0.5 In 0.5 P cladding layer 2 and an (Al 0.5 Ga 0. 5 ) 0.5 In 0.5 P lower guide layer 3, MQW layer (including a plurality of GaInP well layers and a plurality of AlGaInP barrier layers) 4, (Al 0.5 Ga 0.5 ) 0.5 In 0. 5 P upper guide layer 5, an undoped AlGaInP offset layer 6a, a p-type (Al 0.7 Ga 0.3) 0.5 in 0.5 P cladding layer 6, and the p-type GaAs contact layer 7 containing Zn containing In.
[0015]
Thus, in order to prevent the diffusion of Zn into the upper guide layer 5 which should be an undoped layer and into the MQW layer 4, diffusion of Zn is expected adjacent to the p-type cladding layer 6 which is a Zn-doped layer. It is common practice to insert an undoped offset layer 6a.
[0016]
However, according to an experiment performed by the present inventors, when the Zn concentration of the p-type cladding layer 6 is about 1E18 cm −3 and the epitaxial growth temperature is 700 ° C. or higher, the AlGaInP offset layer 6a having a thickness of 200 nm or more is provided. It was also found that Zn could not prevent the diffusion of Zn into the upper guide layer 5 or the MQW layer 4. Therefore, the present inventors have studied and found that the diffusion of Zn into the guide layer and the MQW layer can be suppressed by imparting compressive strain to the offset layer and / or the Zn-doped layer. The reason is that Zn generally diffuses through vacancies of group III atoms. However, it is considered that the diffusion of Zn is suppressed because the vacancies are reduced and the movement is suppressed by the application of compressive strain. Can be
[0017]
(Example 1)
In Example 1, the sample No. as a DH-LD (double hetero laser diode) device having an MQW of AlGaInP / GaInP as shown in FIG. 1 and No. 2 were made under partially different conditions. Sample No. 1 and No. In each of Nos. 2 and 3, the composition and structure were set such that the emission wavelength of MQW was 640 nm. An undoped offset layer 6a having a thickness of 150 nm was formed on the upper guide layer 5. Further, on the offset layer 6a, a p-type AlGaInP cladding layer 6 having a Zn concentration of 8E17 cm- 3 was epitaxially grown at a substrate temperature of 710C. A p-type GaAs contact layer 7 was formed on the cladding layer 6, 1 and No. 2 was completed.
[0018]
Sample No. 1 and No. The conditions that differ in fabrication between Sample Nos. In Sample No. 1, while the degree of lattice mismatch (△ a / a) of the offset layer 6a was set to a state of almost no distortion of 1E-4 or less, Sample No. In No. 2, the degree of lattice mismatch (△ a / a) of the offset layer 6a was set to 3E-3 to set a state in which compressive strain was generated. Here, a represents the lattice constant of the GaAs substrate 1, and △ a represents the difference between the lattice constant of the AlGaInP offset layer 6a and the lattice constant of the GaAs substrate 1. This Δa was set by adjusting the composition ratio of the AlGaInP offset layer 6a.
[0019]
Sample No. manufactured under the above conditions was used. 1 and No. With respect to Sample No. 2, the PL (photoluminescence) characteristics were measured after the outermost p-type GaAs contact layer 7 was removed by etching, and the measurement results for each sample are shown in FIGS. 2 and 3. That is, in the graphs of these figures, the horizontal axis represents the PL wavelength (nm), and the vertical axis represents the PL intensity in arbitrary units (au).
[0020]
Although the emission wavelength of the MQW was set to about 640 nm as described above, as is clear from FIG. In No. 1, the PL peak wavelength shifted to about 620 nm, and the emission intensity also decreased to about 1/10 of the expected value. This is presumably because Zn diffused from the p-type cladding layer 6 to the MQW layer 4 and destroyed the function of the MQW.
[0021]
On the other hand, as is clear from FIG. In No. 2, the PL peak wavelength is about 640 nm, which is set, confirming that the diffusion of Zn from the p-type cladding layer 6 does not reach the MQW layer 4. That is, it means that the compressive strain in the offset layer 6a acts to remarkably suppress the diffusion of Zn.
[0022]
As will be understood from the noise levels in the curves shown in the graphs of FIGS. 2 and 3, arbitrary units of the PL intensity on the vertical axis in the graphs of FIGS. 2 and 3 (a. u.) are not the same, and the arbitrary unit (au) of the PL intensity in FIG. 2 is greatly enlarged as compared with FIG. It should be noted that such a relationship is similar in the relationship between other graphs, and it is meaningless to compare only the magnitude of the PL peak intensity between the graphs.
[0023]
(Example 2)
Similar to Example 1, in Example 2, the sample No. 3, no. 4 and No. 5 were produced. However, in each of these samples, the thickness of the offset layer 6a was set to 85 nm. Further, the sample No. 3, no. 4 and No. The offset layer 6a of No. 5 has a composition ratio such that the degree of lattice mismatch (不 a / a) causes a tensile strain of −3E-3, a compressive strain of 3E-3, and a compressive strain of 6E-3. Was done.
[0024]
Sample No. manufactured under the above conditions was used. 3, no. 4 and No. 5, the PL characteristics were measured in the same manner as in Example 1, and the measurement results for each sample are shown in FIGS. 4, 5, and 6.
[0025]
As is apparent from FIG. 4, the sample No. 5 in which the offset layer 6a having a thickness of 85 nm has a tensile strain of -3E-3. 3, it can be seen that the PL peak wavelength of the MQW layer 4 has shifted from the set value of about 640 nm to a value less than 620 nm. In other words, it means that the offset layer 6a including the tensile strain is hardly useful for preventing the diffusion of Zn.
[0026]
On the other hand, the PL emission intensity distribution profiles in FIG. 5 and FIG. 6 have substantially the same form, and have substantially the same peak wavelength of about 640 nm. From this, when the thickness of the offset layer 6a is 85 nm, it is sufficient for the offset layer 6a to contain a compressive strain of 3E-3 to suppress the diffusion of Zn, and more than ( It can be seen that there is no need to increase the amount of compressive strain (as in 6E-3 in sample No. 5).
[0027]
(Example 3)
Similar to Example 1, in Example 3, the sample No. 6, no. 7, and no. 8 were made. However, in each of these samples, the thickness of the offset layer 6a was set to 40 nm. Further, the sample No. 6, no. 7, and no. The offset layer 6a of No. 8 was formed with each composition ratio such that the degree of lattice mismatch (△ a / a) caused the compressive strain of 3E-3, 6E-3, and 8E-3.
[0028]
Sample No. manufactured under the above conditions was used. 6, no. 7, and no. As for Example 8, the PL characteristics were measured in the same manner as in Example 1, and the measurement results for the respective samples are shown in FIGS. 7, 8, and 9.
[0029]
As is clear from FIG. 7, the sample No. 3 in which the offset layer 6a having a thickness of 40 nm includes a compression strain of 3E-3. In the PL light emission of the MQW layer 4 in No. 6, the light emission intensity at a wavelength of about 620 nm shifted from the set value of about 640 nm is considerably large. That is, it is understood that when the thickness of the offset layer 6a is reduced to about 40 nm, the compressive strain of 3E-3 is not enough to sufficiently suppress the diffusion of Zn.
[0030]
On the other hand, comparing the PL emission intensity distribution profiles in FIG. 8 and FIG. 9, the sample No. 3 in which the offset layer 6a includes the compression strain of 6E-3 was obtained. Sample No. 7 has a weak PL emission subpeak at a wavelength of about 620 nm, whereas Sample No. 7 in which the offset layer 6a contains 8E-3 compressive strain. In No. 8, almost no sub-peak of PL emission remains at a wavelength of about 620 nm. From this, it is understood that even when the thickness of the offset layer 6a is reduced to 40 nm, the diffusion of Zn can be sufficiently suppressed by increasing the compressive strain of the offset layer 6a to 8E-3.
[0031]
From the viewpoint of suppressing the diffusion of Zn, there is no particular upper limit in the compressive strain introduced into the offset layer. However, if an excessively large compressive strain is introduced into the offset layer, the offset layer will crack or peel off, so that it is preferable that the offset layer be limited to a range of compressive strain that does not cause such inconvenience.
[0032]
(Example 4)
Material No. prepared in Example 4. 9 and No. Sample No. 10 does not include the offset layer 6a in FIG. 1 to 8. Then, the sample No. 9 and No. Sample No. 10 was different in terms of fabrication. In Sample No. 9, while the degree of lattice mismatch (△ a / a) of the p-type AlGaInP cladding layer 6 was set to a state with almost no distortion of 1E-4 or less, Sample No. In No. 10, the degree of lattice mismatch (△ a / a) of the p-type AlGaInP cladding layer 6 was set to 3E-3 so as to generate a compressive strain. The lattice constant of the p-type AlGaInP cladding layer 6 was set by finely adjusting the composition ratio of AlGaInP.
[0033]
Sample No. manufactured under the above conditions was used. 9 and No. SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry) was measured for No. 10 and the measurement results for each sample are shown in FIGS. That is, in the graphs of these figures, the horizontal axis represents the depth (nm) based on the interface between the upper guide layer 5 and the MQW layer 4, and the left vertical axis represents the concentration of Zn (× 10 18 cm −3). ) And the right vertical axis represents the concentration of Al, Ga, In, and P in arbitrary units (arb.).
[0034]
In FIG. 10, the p-type AlGaInP clad layer 6 has almost no compressive strain. Even though the density is 9, the Zn concentration in the p-type cladding layer 6 is relatively low at less than 1 × 10 18 cm −3 , so that the diffusion of Zn does not reach the MQW layer 4. However, the Zn doped in the p-type cladding layer 6 considerably diffuses and penetrates into the undoped upper guide layer 5, and substantially L = 22 nm from the interface between the upper guide layer 5 and the MQW layer 4. It spreads and invades.
[0035]
On the other hand, as shown in FIG. In sample No. 10 as well, As in the case of No. 9, Zn doped in the p-type cladding layer 6 diffuses and penetrates into the upper guide layer 5. However, the sample No. In the case of 10, Zn doped in the p-type cladding layer 6 diffuses and penetrates substantially only to a position L = 32 nm far from the interface between the upper guide layer 5 and the MQW layer 4. , MQW layer 4 is considered to have little effect.
[0036]
As is clear from the comparison between FIG. 10 and FIG. 11 in the fourth embodiment, it is also possible to omit the offset layer 6a and to introduce a compressive strain into the p-type cladding layer 6 itself. It can be seen that the diffusion outflow of the can be suppressed.
[0037]
Next, a method of actually measuring the degree of lattice mismatch (△ a / a) of the p-type cladding layer 6 as in the case of the fourth embodiment will be described. Such a degree of lattice mismatch can be measured using X-ray diffraction using a diffractometer. The graphs of FIGS. 12 to 14 show the results of X-ray diffraction using such a diffractometer.
[0038]
That is, in each of the graphs of FIGS. 12 to 14, the lower horizontal axis represents the diffraction angle θ (deg: degree), and the upper horizontal axis is based on the diffraction angle of the (400) plane of the GaAs substrate crystal. Represents the diffraction angle θ (sec: seconds), and the vertical axis represents the X-ray diffraction intensity (the number of count pulses of the X-ray sensor) on a logarithmic scale. Note that the (400) plane of the GaAs substrate crystal is a crystal plane orthogonal to the main surface (the surface on which epitaxial growth is performed) of the substrate.
[0039]
As is well known, in X-ray diffraction, reflection occurs when the Bragg condition of 2d · sin θ = nλ is satisfied. Here, d is an atomic plane interval, θ is a diffraction angle, n is an integer, and λ represents a wavelength of X-ray. That is, when the X-ray wavelength λ is constant, a change in the atomic plane distance d can be detected as a change in the diffraction angle θ. More specifically, the GaAs crystal has a lattice constant of 0.6533 nm (corresponding to the (100) atomic plane spacing), and therefore, the (400) plane has an atomic plane spacing of 0.14133 nm corresponding to １ ／ of the lattice constant. Have. Then, as the X-ray of a single wavelength, a Kα ray (wavelength 0.15405 nm) which is an intrinsic X-ray of Cu can be used. In this case, the diffraction angle θ of the (400) plane of the GaAs crystal is 33.024 degrees.
[0040]
In the graph of FIG. 12, the only diffraction intensity peak that can be observed is a peak at a diffraction angle θ = 33.024 degrees. This means that each of the plurality of epitaxial layers stacked on the GaAs substrate crystal is lattice-matched to the substrate crystal. That is, these epitaxial layers do not receive either compressive stress or tensile stress from the substrate.
[0041]
On the other hand, in the sample shown in FIG. 13, the lattice constant was made slightly larger than that of the GaAs substrate 1 by finely adjusting the composition ratio of the p-type cladding layer 6. As a result, in the graph of FIG. 13, not only the main diffraction intensity peak at the diffraction angle θ = 33.024 degrees of the (400) plane of the GaAs substrate crystal, but also the sub-diffraction intensity peak at θ = 32.951 degrees is observed. You. If the degree of lattice mismatch (△ a / a) is determined from the (400) atomic plane spacing of the p-type cladding layer 6 calculated from the diffraction angle θ = 32.951 degrees, it is 2E-3.
[0042]
FIG. 14 is similar to FIG. 13, and the degree of lattice mismatch (Δa /／) is calculated from the (400) atomic plane spacing of the p-type cladding layer 6 calculated from the sub-diffraction intensity peak at θ = 32.923 degrees in FIG. If a) is obtained, it becomes 3E-3. This is the same as the sample No. in Example 4 described above. It corresponds to 10.
[0043]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a group III-V compound semiconductor device capable of suppressing the diffusion of Zn even when the p-type layer is doped with Zn at a high concentration.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a group III-V compound semiconductor laser device to which the present invention can be applied.
FIG. 2 is a graph showing PL emission characteristics of the MQW layer 4 when the offset layer 6a having a thickness of 150 nm contains only a very small compression strain of 1E-4 or less in the laser device of FIG.
FIG. 3 is a graph showing the PL emission characteristics of the MQW layer 4 when the offset layer 6a having a thickness of 150 nm includes a compressive strain of 3E-3 in the laser device of FIG.
4 is a graph showing PL emission characteristics of the MQW layer 4 when the offset layer 6a having a thickness of 85 nm includes a tensile strain of -3E-3 in the laser device of FIG.
FIG. 5 is a graph showing PL emission characteristics of the MQW layer 4 when the offset layer 6a having a thickness of 85 nm includes a compressive strain of 3E-3 in the laser device of FIG.
FIG. 6 is a graph showing PL emission characteristics of the MQW layer 4 when the 85 nm-thick offset layer 6a has a compression strain of 6E-3 in the laser device of FIG.
FIG. 7 is a graph showing PL emission characteristics of the MQW layer 4 when the offset layer 6a having a thickness of 40 nm includes a compressive strain of 3E-3 in the laser device of FIG.
8 is a graph showing PL light emission characteristics of the MQW layer 4 when the offset layer 6a having a thickness of 40 nm includes a compressive strain of 6E-3 in the laser device of FIG.
FIG. 9 is a graph showing PL emission characteristics of the MQW layer 4 when the offset layer 6a having a thickness of 40 nm includes a compressive strain of 8E-3 in the laser device of FIG.
FIG. 10 is a graph showing SIMS results when the p-type cladding layer 6 has no distortion in the laser device in which the offset layer 6a in FIG. 1 is omitted.
FIG. 11 is a graph showing SIMS results when the p-type cladding layer 6 has a compressive strain in the laser device in which the offset layer 6a in FIG. 1 is omitted.
FIG. 12 is a graph showing an X-ray diffraction result when the p-type cladding layer 6 is lattice-matched with a GaAs substrate.
13 is a graph showing an X-ray diffraction result when the p-type cladding layer 6 has a degree of lattice mismatch of 2E-3 with respect to the GaAs substrate 1. FIG.
FIG. 14 is a graph showing an X-ray diffraction result when the p-type cladding layer 6 has a degree of lattice mismatch of 3E-3 with respect to the GaAs substrate 1.
[Explanation of symbols]
1 n-type GaAs substrate, 2 n-type (Al 0.7 Ga 0.3 ) 0.5 In 0.5 P cladding layer, 3 (Al 0.5 Ga 0.5 ) 0.5 In 0.5 P bottom Guide layer, 4 MQW layers (including a plurality of GaInP well layers and a plurality of AlGaInP barrier layers), 5 (Al 0.5 Ga 0.5 ) 0.5 In 0.5 P upper guide layer, 6a undoped AlGaInP offset layer, p-type (Al0.7Ga 0.3) 0.5 In 0.5 P cladding layer, 7 p-type GaAs contact layer containing 6 Zn.
