JP2005252111A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体基板への異種元素の導入によって、ＤＢＲ特性の低下を抑制しつつ、面発光型光デバイス構造におけるエピタキシャル成長ウエハの基板の反りや、ミスフィット欠陥の少ない良好な特性を有するウエハを実現し、歩留まり率の高い半導体積層構造を提供する。
【解決手段】異種元素をＧａＡｓ基板１０１の全体に液相成長法（ＬＰＥ法）を用いて導入することによって、ＧａＡｓ基板１０１を構成する半導体結晶の格子定数が増大する。これにより、ＧａＡｓ基板１０１を構成する半導体結晶の格子定数と、ＤＢＲ１０４を構成する半導体結晶の平均格子定数ａ_ｍとが、ほぼ一致する。したがって、反射率、熱抵抗、電気抵抗といったＤＢＲ特性の低下を抑制しつつ、エピタキシャル成長ウエハの反りや、格子不整合による欠陥の少ない高品質な結晶が得られることにより半導体素子の歩留まりを向上させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、面発光型半導体光デバイスの積層構造に関する。

面発光型半導体光デバイスのうち、特に、垂直共振器型面発光レーザ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser：ＶＣＳＥＬ）は、端面型レーザに比べて、製造コストが低い、製造の歩留まりが高い、二次アレイ化が容易であるなど、多くの利点を有しており、近年活発に開発が進められている。

面発光レーザは、活性層とそれを上下で挟む一対の多層膜ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）から構成される。このＤＢＲ膜は屈折率の異なる層（低屈折率層と高屈折率層）の周期構造からなるが、それは誘電体多層膜であったり、半導体多層膜であったりする。誘電体多層膜では、この屈折率の異なる層の屈折率差が大きく取れるため、通常数対の多層膜構造で十分な反射率が得られる。一方、半導体多層膜ＤＢＲでは、その層に不純物をドーピングすることで電流を流すことが出来るなど利点もあるが、その場合半導体多層膜層は基板に対してエピタキシャル成長する必要があり、多層膜の材料選択に当たっては、基板と格子整合することが重要となる。また、半導体多層膜ＤＢＲでは、低屈折率層と高屈折率層との屈折率差が誘電体に比べて大きく取れないため、所望の反射率を得るために、多層膜のペア数を大きくする必要がある。

このような要請を満足する半導体多層膜ＤＢＲとして、ＧａＡｓ基板上のＡｌ（Ｇａ）Ａｓ／Ｇａ（Ａｌ）Ａｓ系があり、ＧａＡｓ層を活性層にする８５０ｎｍ帯のＶＣＳＥＬなどの半導体多層膜ＤＢＲとして広く用いられてきた。さらに、このＤＢＲを用いて、より長波長のＶＣＳＥＬを作製する試みが行われており、ＩｎＧａＡｓ活性層を用いた９８０ｎｍ帯ＶＣＳＥＬやＧａＩｎＮＡｓ、ＩｎＡｓ量子ドット、ＧａＡｓＳｂ等を活性層とする１３００ｎｍ帯ＶＣＳＥＬが報告されている。

しかし、波長が長波長化するに従い、ＤＢＲの各層厚は大きくなること（層厚Ｄ＝λ／４ｎ：λは波長、ｎは屈折率）、このＡｌ（Ｇａ）Ａｓ／Ｇａ（Ａｌ）Ａｓ系半導体多層膜ＤＢＲでは、長波化に伴って屈折率差が小さくなるため、同じ反射率を得るためには、より多くのペア数が必要になること等の要因により、発振波長の長波化に伴い、半導体多層膜ＤＢＲの総層厚は大きくなる。例えば、１３００ｎｍ帯ＶＣＳＥＬでは、典型的には、ＤＢＲの総数は上下合わせて６０ペア近くになり、総層厚も約１３μｍとなり、８５０ｎｍ帯ＶＣＳＥＬの約１．５倍にもなる。

このように、ＤＢＲの総層厚が大きくなると、平均格子定数と基板の格子定数に少しの格子不整合があると、エピタキシャル膜に反りや欠陥が生じ、ＶＣＳＥＬの信頼性への影響が懸念される。８５０ｎｍ帯ＶＣＳＥＬによく用いられているＡｌ（Ｇａ）Ａｓ／Ｇａ（Ａｌ）Ａｓ系半導体多層膜ＤＢＲでは、平均格子定数はＧａＡｓ基板に対して約０．０７％程度大きくなっている。この材料系を１３００ｎｍ帯ＶＣＳＥＬに適用すると、４５０μｍ厚のＧａＡｓ基板上にＶＣＳＥＬ構造をエピタキシャル成長させるとウエハは曲率半径約５ｍ程度にまで反ってしまい、素子の信頼性のみならず、フルウエハプロセス時の面内均一性等にも影響が出てくる。

以上説明してきたように、Ａｌ（Ｇａ）Ａｓ／Ｇａ（Ａｌ）Ａｓ系半導体多層膜ＤＢＲは、大きな屈折率差がとれ、ＧａＡｓ基板にほぼ格子整合し、更に熱抵抗の点でも他の３元もしくは４元混晶で構成されるＤＢＲに比べて優れているが、これを長波系のＶＣＳＥＬに適用する場合に、その小さな格子不整合度のため、素子に対して無視出来ない影響を有するといった問題が顕在化する。この問題を解決するために、これまでいくつかの方法が開示されている。

Ａｌ（Ｇａ）Ａｓ／Ｇａ（Ａｌ）Ａｓ系半導体多層膜ＤＢＲ格子不整合の主な要因はまず、低屈折率層を構成するＡｌ（Ｇａ）Ａｓの格子定数がＧａＡｓ基板の格子定数と比べて０．１３％程度大きいことに起因している、そこで、このＡｌ（Ｇａ）ＡｓにＰ元素を加えたＡｌＧａＡｓＰ４元混晶を用いることで、ＧａＡｓ基板に格子整合させることが特許文献１に記載されている。また、同様に、ＧａＡｓ基板に格子整合する材料系として、ＡｌＧａＩｎＰ系材料が特許文献２に記載されている。また、別のアプローチとして、ＤＢＲを構成する低屈折率層と高屈折率層の屈折率差を大きくとることで、ペア数を減らす技術もあり、特許文献３および特許文献４には高屈折率層にＧａＩｎＮＡｓ層を用いたものが記載されている。

特開２００２−１００８３４号公報 特開平６−１９６８２１号公報 特開平９−２３７９４２号公報 特開平１０−７４９７９号公報

しかしながら、特許文献１記載の技術においては、材料系にリンが入っているため、ＤＢＲの各層を成長させるたびに、Ａｓとリンの切り替え界面が存在する。Ａｓとリンの切り替え界面では、通常、変性層と呼ばれる制御の困難な層が発生する。この層は、成長表面を凹凸にしたり、また、この界面を何層にも積層させると、この凹凸が累積され、最終的には平坦性の高い成長面を維持することが困難になり、所望の反射率が得られないといった技術的課題がある。

また、特許文献２に記載の技術においては、ＧａＡｓ基板に格子整合するために必要なＩｎ組成が約０．５程度であり、このため熱抵抗がＡｌ（Ｇａ）Ａｓ／Ｇａ（Ａｌ）Ａｓ系半導体多層膜ＤＢＲに比べて１０倍程度大きく、デバイスにした場合の放熱特性の面で技術的課題が残されている。

また、特許文献３および特許文献４に記載の技術においては、窒素を含んだ材料系であるため、高品質の結晶成長は容易なことではない。特に、窒素が少量でも加えられた場合、成長時に３次元化を引き起こしやすいことが知られており、成長表面に凹凸が生じ、やはり所望の反射率を得るのが困難である。また、通常、ＤＢＲでは、電気抵抗を下げるために、低屈折率層と高屈折率層との間に中間層を設け、ヘテロ接合により生じるバンドのヘテロスパイクやノッチを低減させ低抵抗化を図るが、上述のような４元混晶でＤＢＲを構成する場合、この中間層の組成制御が極めて困難になる。

このように、上記公報記載の技術をはじめ従来技術においては、所望のＤＢＲ特性を有することは困難であり、特に、光通信で重要となる１３００ｎｍや１５５０ｎｍといった波長のＶＣＳＥＬをＧａＡｓ基板上に形成するときに顕著に現れる技術的課題である。

本発明は、上記事情に鑑みなされたものであって、ＤＢＲ特性の低下を抑制しつつ、かつ面発光型光デバイス構造におけるエピタキシャル成長ウエハの基板の反りや、ミスフィット欠陥の少ない良好な特性を有するウエハを実現し、それにより素子の歩留まり向上を可能にする技術を提供することにある。

本発明によれば、半導体基板と、該半導体基板上に形成された多層膜ブラッグ反射鏡と、を有する半導体積層構造であって、多層膜ブラッグ反射鏡は低屈折率層と高屈折率層とが周期的に積層された構造を有し、半導体基板、低屈折率層、高屈折率層は、いずれもIII−Ｖ族半導体であり、半導体基板は、当該半導体基板を構成するＶ族元素よりも大きな原子半径を有する異種元素を含み、当該半導体基板の格子定数が、高屈折率層の格子定数より大きく、低屈折率層の格子定数より小さいことを特徴とする半導体積層構造が提供される。

また、異種元素が、IIIＢ族元素、ＶＢ族元素、IＶＢ族元素、ＶIＢ族元素よりなる群から選択される元素であってもよい。

本発明において、周期律表として、Ｏｌｄ ＩＵＰＡＣ表記法を用いた。

また、半導体基板が、ＧａとＡｓとを構成元素とする半導体基板であり、低屈折率層が、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ただし、０＜ｘ≦１）であり、高屈折率層が、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（ただし、０≦ｙ＜１）であり、ｘとｙは、ｘ＞ｙの関係式で表され、異種元素が、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｔｌ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｐｏよりなる群から選択された元素であってもよい。

また、半導体基板が、ＧａとＰとを構成元素とする半導体基板であり、低屈折率層が、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＰ（ただし、０＜ｘ≦１）であり、高屈折率層が、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＰ（ただし、０≦ｙ＜１）であり、ｘとｙは、ｘ＞ｙの関係式で表され、異種元素が、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｔｌ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｐｏ、Ｓｅ、Ａｓよりなる群から選択された元素であってもよい。

また、半導体基板の格子定数と、多層膜ブラッグ反射鏡の平均格子定数との差を、半導体基板の格子定数で除した数値の絶対値が０．０００１以内であってもよい。

本発明により、III−Ｖ族半導体からなる半導体基板に、当該半導体基板を構成するＶ族元素よりも大きな原子半径を有する異種元素が導入されており、該異種元素の導入により、当該半導体基板の格子定数が、高屈折率層の格子定数より大きく、低屈折率層の格子定数より小さく調整されたことを特徴とする。このため、ＤＢＲ特性の低下を抑制しつつ、面発光型光デバイス構造におけるエピタキシャル成長ウエハの基板の反りや、ミスフィット欠陥の少ない良好な特性を有するウエハを実現し、歩留まり率の高い半導体積層構造を提供することができる。

本発明によれば、上記の半導体積層構造を備えることを特徴とする面発光型半導体光素子が提供される。

本発明により、ＤＢＲ特性の低下を抑制しつつ、かつ面発光型光デバイス構造におけるエピタキシャル成長ウエハの基板の反りや、ミスフィット欠陥の少ない良好な特性を有するウエハを実現し、歩留まり率の高い半導体積層構造を備える面発光型半導体光素子を提供することができる。

本発明によれば、半導体基板への異種元素の導入によって、当該半導体基板の格子定数が、高屈折率層の格子定数より大きく、低屈折率層の格子定数より小さく調整されることにより、ＤＢＲ特性の低下を抑制しつつ、面発光型光デバイス構造におけるエピタキシャル成長ウエハの基板の反りや、ミスフィット欠陥の少ない良好な特性を有するウエハを実現し、歩留まり率の高い半導体積層構造を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、同様の構成要素には同一の符号を付し、以下の説明において詳細な説明を適宜省略する。

第一の実施形態
図１は、本実施形態に係る半導体装置の積層構造１００を説明するための図である。

ＧａＡｓ基板１０１の上に、低屈折率層１０２と、高屈折率層１０３の周期構造からなるＤＢＲ１０４が積層されている。

ここで、低屈折率層１０２はＧａ、Ａｌ、Ａｓにより構成されており、主にＡｌおよびＡｓにより構成されている。また、高屈折率層１０３は、Ｇａ、Ａｌ、Ａｓにより構成されており、主にＧａおよびＡｓにより構成されている。

低屈折率層１０２および高屈折率層１０３は、有機金属気相成長方法（ＭＯＣＶＤ法）により成膜されている。原料としては、ＴＭＧ（トリメチルガリウム），ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム），ＡｓＨ₃（アルシン）を、キャリアガスとしてはＨ₂を用いた。

また、低屈折率層１０２および高屈折率層１０３の層厚は、各々の層内における設計波長λを、各々の層の屈折率をｎとしたときに４ｎで割った数値となる。

さらに、ＤＢＲ１０４を構成する半導体結晶の平均格子定数ａは、低屈折率層１０２を構成する半導体結晶の格子定数をａ_１、層厚をｔ_１、高屈折率層１０３を構成する半導体結晶の格子定数をａ_２、層厚をｔ_２とすると、ａ＝（ａ_１ｔ_１＋ａ_２ｔ_２）／（ｔ_１＋ｔ_２）と表される。

したがって、低屈折率層１０２を構成する主な元素がＡｌおよびＡｓであり、高屈折率層１０３を構成する主な元素がＧａおよびＡｓであることから、ＤＢＲ１０４を構成する半導体結晶の平均格子定数ａ_ｍは、ＡｌＡｓの格子定数とＧａＡｓの格子定数との間の数値となる。

ここで、ＡｌＡｓの格子定数は、ＧａＡｓの格子定数より、０．１３％程度大きいので、ＤＢＲ１０４を構成する半導体結晶の平均格子定数もＧａＡｓの格子定数よりも大きくなる。そのため、ＧａＡｓ基板１０１には、それを構成する半導体結晶の格子定数が、ＤＢＲ１０４を構成する半導体結晶の平均格子定数ａ_ｍと、ほぼ一致するように、III族もしくはＶ族のサイトに容易に入る元素であり、かつ原子半径がＡｓの原子半径よりも大きな異種元素が導入されている。

そのような元素としては、IIIＢ族元素、ＶＢ族元素、両性不純物としてIII族のサイトおよびＶ族のサイトの両方に入り得るIＶＢ族元素、Ｖ族元素にドナー不純物として入るＶIＢ族元素のなかで、Ａｓの原子半径よりも大きな原子半径を有する異種元素が用いられ、より具体的には、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｔｌ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｐｏなどが用いられる。

上述した異種元素をＧａＡｓ基板１０１の全体に液相成長法（ＬＰＥ法）を用いて導入することによって、ＧａＡｓ基板１０１を構成する半導体結晶の格子定数が増大する。ここで、上述した異種元素はＧａＡｓ基板１０１内に固溶している。これにより、ＧａＡｓ基板１０１を構成する半導体結晶の格子定数と、ＤＢＲ１０４を構成する半導体結晶の平均格子定数ａ_ｍとが、ほぼ一致する。したがって、反射率、熱抵抗、電気抵抗といったＤＢＲ特性の低下を抑制しつつ、エピタキシャル成長ウエハの反りや、格子不整合による欠陥の少ない高品質な結晶が得られることにより半導体素子の歩留まりを向上させることができる。

ここで、多層膜ブラッグ反射鏡の総層厚は、たとえば１３００ｎｍ帯垂直共振器型面発光レーザでは１０μｍから１３μｍ程度となる。この総層厚に対して、格子不整合転位が入らない臨界歪み量は０．０１％である。したがって、ＧａＡｓ基板１０１を構成する半導体結晶の格子定数と、ＤＢＲ１０４を構成する半導体結晶の平均格子定数ａ_ｍとの格子不整合度が０．０１％以内であれば、ＧａＡｓ基板１０１を構成する半導体結晶の格子定数と、ＤＢＲ１０４を構成する半導体結晶の平均格子定数ａ_ｍとが完全に一致していなくても格子整合をとってエピタキシャル成長させることができる。この結果、反射率、熱抵抗、電気抵抗といったＤＢＲ特性の低下を抑制しつつ、エピタキシャル成長ウエハの反りや、格子不整合による欠陥の少ない高品質な結晶が得られることにより半導体素子の歩留まりを向上させることができる。

また、ＤＢＲ１０４の主要な構成要素として、ＡｌＧａＡｓ系材料が用いられている。このため、ＤＢＲ１０４の電気抵抗値を低減させるために、低屈折率層１０２や高屈折率層１０３の間に中間的な屈折率を有する中間層を形成する際には、ＡｌとＧａの組成を変化させるだけでよい。したがって、組成や界面を制御性よく形成することが可能になる。この結果、高品質な結晶を得ることができることにより、半導体素子の歩留まりを向上させることができる。

第二の実施形態
図２は、第一の実施形態で説明した積層構造を垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）に用いた形態を説明するための図である。

ＧａＡｓ基板２０１の上に低屈折率層２０２、高屈折率層２０３の周期構造からなる下部ＤＢＲ２０７が積層されている。その上に、共振器部２０８と上部ＤＢＲ２０９が積層されている。

ここで、共振器部２０８は活性層２０４を有しており、活性層２０４に電流によるキャリアを注入すること、もしくは光によってキャリア励起することにより活性層２０４を発光させる。発生した光は、上部ＤＢＲ２０９と下部ＤＢＲ２０７とにより反射され、光共振を起こして、光学利得が光学損失を上回ったときにレーザとして発振される。

ここで、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｔｌ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｐｏなどの元素がＧａＡｓ基板２０１に導入されることにより、ＧａＡｓ基板２０１を構成する半導体結晶の格子定数が増大する。ここで、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｔｌ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｐｏなどの元素はＧａＡｓ基板２０１に固溶している。このことにより、ＧａＡｓ基板２０１を構成する半導体結晶の格子定数と上部ＤＢＲ２０９を構成する半導体結晶の平均格子定数およびＧａＡｓ基板２０１を構成する半導体結晶の格子定数と下部ＤＢＲ２０７を構成する半導体結晶の平均格子定数がそれぞれほぼ一致する。したがって、上部ＤＢＲ２０９と、下部ＤＢＲ２０７と、ＧａＡｓ基板２０１は、格子整合をとってエピタキシャル成長させることができる。したがって、反射率、熱抵抗、電気抵抗といったＤＢＲ特性の低下を抑制しつつ、エピタキシャル成長ウエハの反りや、格子不整合による欠陥の少ない高品質の結晶を得ることができることにより半導体素子の歩留まり率を向上させることができる。

また、本実施形態においては、第一の実施形態で説明した積層構造を垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）に用いているため、ＧａＡｓ基板２０１を構成する半導体結晶の格子定数と上部ＤＢＲ２０９を構成する半導体結晶の平均格子定数の格子不整合度、およびＧａＡｓ基板２０１を構成する半導体結晶の格子定数と下部ＤＢＲ２０７を構成する半導体結晶の平均格子定数の格子不整合度がそれぞれ０．０１％以内であれば、ＧａＡｓ基板２０１を構成する半導体結晶の格子定数と下部ＤＢＲ２０７を構成する半導体結晶の平均格子定数、およびＧａＡｓ基板２０１を構成する半導体結晶の格子定数と上部ＤＢＲ２０９を構成する半導体結晶の平均格子定数とが、それぞれ完全に一致していなくても格子整合をとってエピタキシャル成長させることができる。

以上、発明の好適な実施の形態を説明した。しかし、本発明は上述の実施の形態に限定されず、当業者が本発明の範囲内で上述の実施形態を変形可能なことはもちろんである。

たとえば、上記実施形態においては、半導体基板として、ＧａＡｓ基板を用いた形態について説明したが、たとえば、ＧａＰ基板のように、III−Ｖ族半導体により構成される半導体基板であればよい。

また、上記実施形態においては、半導体基板に添加する異種元素として、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｔｌ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｐｏなどを例示したが、これ以外でも、半導体基板を構成するＶ族元素の原子半径よりも大きな原子半径を有する異種元素であればよい。具体的には、上記Ｖ族元素がリンであるときは、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｔｌ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｐｏ、Ｓｅ、Ａｓなどであればよい。

実施例１
本実施例では、ＧａＡｓ基板に１％のＩｎをドープした半導体積層構造を説明する。

図３に示すように、液相成長法（ＬＰＥ法）によって１％のＩｎを基板全体にドープした４５０μｍの厚さのＧａＡｓ基板３０１上に、低屈折率層であるＡｌＡｓ層３０２と、高屈折率層であるＧａＡｓ層３０３との一対を基本単位とした６０ペアのＤＢＲ層３０４を有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を用いて積層させる。ここで、原料としては、ＴＭＧ（トリメチルガリウム），ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム），ＡｓＨ₃（アルシン）を、キャリアガスとしてはＨ₂を用いた。また、ＩｎはＧａＡｓ基板３０１に固溶している。

また、本実施例におけるＤＢＲ層３０４の設計波長を１３００ｎｍとする。設計波長１３００ｎｍにおけるＡｌＡｓ層３０２の屈折率は２．９１、ＧａＡｓ層３０３の屈折率は３．４１３である。従って、ＡｌＡｓ層３０２の層厚は１１１．７ｎｍ、ＧａＡｓ層３０３の層厚は９５．２ｎｍである。

ここで、ＤＢＲ層３０４の平均Ａｌ組成は０．５４となり、それを構成する半導体結晶の平均格子定数は、０．５６５７５ｎｍである。また、１％のＩｎをドープしたＧａＡｓ基板３０１を構成する半導体結晶の格子定数は０．５６５７４ｎｍであるから、ＤＢＲ層３０４とＩｎをドープしたＧａＡｓ基板３０１との格子不整合度は０．００２６％であり、ほぼ格子整合していると言える。

ここで、ＶＣＳＥＬで典型的なＤＢＲ総数である６０ペアを用いた時のウエハの反りは曲率半径１２０ｍである。

比較例１
ＩｎをドープしないＧａＡｓ基板上にＤＢＲ層を成長させた場合、ＶＣＳＥＬで典型的なＤＢＲ総数である６０ペアを用いた時の曲率半径は４．８ｍである。

図４は、比較例１に示すＤＢＲ層をＩｎをドープしないＧａＡｓ基板上に成長させた場合のウエハの反りと、実施例１の場合のウエハの反りとを比較した図である。図４に示すように、本実施例の場合のウエハの反りは、ＩｎをドープしないＧａＡｓ基板上に成長させた場合のウエハの反りと比較すると十分に平坦と言えることがわかる。

したがって、ＧａＡｓ基板３０１に１％のＩｎをドープすることによって、ＧａＡｓ基板３０１とＤＢＲ３０４とはほぼ格子整合し、この結果、ＧａＡｓ基板３０１はエピタキシャル成長のウエハの反りが低減されることがわかる。

実施例２
本実施例では、実施形態で説明した半導体積層構造を用いてＶＣＳＥＬウエハを形成した例を説明する。

図５に示すように、液相成長法（ＬＰＥ法）によって１％のＩｎを基板全体にドープした４５０μｍの厚さのＧａＡｓ基板５０１上に、ＳｉドープＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層５０２と、ＳｉドープＧａＡｓ層５０３との一対を基本単位とした３５ペアのｎ型ＤＢＲ層５１１を、分子線エピタキシー成長法（ＭＢＥ法）にて積層させる。ここで、原料としては、ＴＭＧ（トリメチルガリウム），ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム），ＡｓＨ₃（アルシン）を、キャリアガスとしてはＨ₂を用いた。また、ＩｎはＧａＡｓ基板５０１に固溶している。

ｎ型ＤＢＲ層５１１においては、ＳｉドープＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層５０２およびＳｉドープＧａＡｓ層５０３のそれぞれの膜厚が、これらの媒質内の各々の光学長が発振波長のほぼ１／４となるように設定されている。

本実施例におけるｎ型ＤＢＲ層５１１の設計波長を１３００ｎｍとし、その上に設計波長の１／４の層厚のＳｉドープＩｎ_０．５Ｇａ_０．５Ｐ層５０４を低屈折率層として積層させる。このＳｉドープＩｎ_０．５Ｇａ_０．５Ｐ層５０４は、ＶＣＳＥＬをメサ形状に加工する際のエッチストッパー層としても機能する。

その上に、６ｎｍの層厚のＧａ_０．６５Ｉｎ_０．３５Ｎ_１．５％Ａｓ活性層５０５をＧａＡｓスペーサ層５１４で挟んだ共振器部５１２を積層させる。ＧａＡｓスペーサ層５１４の層厚は共振器部５１２の光学長が設計波長１３００ｎｍとなるように設定される。

さらにその上に、酸化狭窄構造を形成するための層として、ＢｅドープＡｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓ層５０６を積層し、引き続いてＢｅドープＧａＡｓ層５０７と、ＢｅドープＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層５０８との一対を基本単位として２４ペアのｐ型ＤＢＲ層５１３を順次積層させる。最表面のＢｅドープＧａＡｓ層５０７のＢｅのドーピング濃度は、金属とのコンタクトを良好にするため、２×１０^１９ｃｍ^−３と高濃度にした。

次に、フォトレジストをエピタキシャル成長膜上へ塗布し、円形のレジストマスクを形成する。ついで、ドライエッチングにより、Ｉｎ_０．５Ｇａ_０．５Ｐ層５０４の表面が露出されるまでエッチングを施し、直径３０μｍの円柱状構造を形成する。この工程により、電流狭窄部の側面が露出され、水蒸気雰囲気中の炉内において約４００℃の温度で約１０分間加熱を行う。

これにより、電流狭窄層５０６は酸化され、電流狭窄層５０６の中心部には直径が約８μｍの非酸化領域が形成される。ここで、電流狭窄部は、電流を非酸化領域とほぼ同じ幅の活性層領域に集中して流すために設けている。

次に、メサ上に、Ｔｉ／Ａｕのリング状の上部電極５０９を形成する。また、ｎ側電極として、Ｉｎ_０．５Ｇａ_０．５Ｐ層５０４の一部をケミカルエッチングにより除去して、その下のＳｉドープＧａＡｓ層５０３を露出させて、その露出させた部分にＡｕＧｅ合金の電極５１０を形成する。

作製されたＶＣＳＥＬウエハは、ｎ型ＤＢＲ層５１１を構成する半導体結晶の平均格子定数と、１％のＩｎをドーピングしたＧａＡｓ基板５０１を構成する半導体結晶の格子定数が、０．０１％以内に整合されており、素子の割り出し工程でＧａＡｓ基板５０１の裏面を１５０μｍに研磨しても、素子の反りは曲率半径１０ｍ以上である。

これにより、ＧａＡｓ基板５０１に１％のＩｎをドーピングすることによって、ＧａＡｓ基板５０１を構成する半導体結晶の格子定数は増大する。このことにより、ＧａＡｓ基板５０１とＤＢＲ５１１とはほぼ格子整合し、ＧａＡｓ基板５０１はエピタキシャル成長のウエハの反りが低減されるので、均一性の高いプロセスを行うことができる。この結果、反射率、熱抵抗、電気抵抗といったＤＢＲ特性の低下を抑制しつつ、かつ歩留まり率の高いＶＣＳＥＬ素子が提供される。

以上、実施例を説明した。しかし、本発明は上述の実施例に限定されず、当業者が本発明の範囲内で上述の実施形態を変形可能なことはもちろんである。

たとえば、上記実施例においては、ＧａＡｓ基板を例に挙げて説明したが、ＧａＰ基板であってもよい。

また、上記実施例においては、活性層５０５を構成する材料として、ノンドープＧａ_０．６５Ｉｎ_０．３５Ｎ_１．５％Ａｓを用いたが、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＢｉ、ＩｎＡｓ量子ドット、ＧａＡｓＳｂ、ＧａＮＡｓＳｂなどを用いてもよく、ＧａＡｓやＩｎＧａＡｓを用いて近赤外用のＶＣＳＥＬを構成してもよい。

また、これらの活性層を構成する材料に応じて、ＤＢＲ層をはじめとする層の材料やその組成、ＤＢＲ層の周期数を含めたそれぞれの層の厚さは適宜選択してもよく、ｎ型ＤＢＲ層５１１においては、ＳｉドープＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層５０２の厚みと、ＳｉドープＧａＡｓ層５０３の厚みの合計膜厚を、光学長が発振波長の１／２となるように設定してもよい。

また、上記実施例においては、ＤＢＲ層を構成する材料として、ＡｌＧａＡｓ系材料を用いた例を説明したが、このＡｌＧａＡｓ系材料に、少量のＰ、Ｓｂ、Ｎ、ＢｉなどのＶＢ族元素が添加されていてもよいし、少量のＩｎ、ＴｌなどのIIIＢ族元素が添加されていてもよい。

また、上記実施例においては、ＩｎドープＧａＡｓ基板を例に挙げて説明したが、ドープされる元素は、III族もしくはＶ族のサイトに容易に入る元素であり、かつ原子半径がＡｓの原子半径よりも大きな異種元素であればよく、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｔｌ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｐｏなどであってもよい。

また、上記実施例において、ドーパントの種類は一種類であったが、二種類以上であってもよく、ｎ型、ｐ型の基板にするためのドーパントが同時に含まれていてもよい。

実施の形態に係る半導体装置の構成を示すための断面図である。 実施の形態に係る半導体装置の構成を示すための断面図である。 実施の形態に係る半導体装置の構成を示すための断面図である。 実施例に係る半導体装置の物性データを示すための図である。 実施例に係る半導体装置の構成を示すための断面図である。

符号の説明

１０１ ＧａＡｓ基板
１０２ 低屈折率層
１０３ 高屈折率層
１０４ ＤＢＲ層
２０１ ＧａＡｓ基板
２０２ 低屈折率層
２０３ 高屈折率層
２０４ 活性層
２０５ 低屈折率層
２０６ 高屈折率層
２０７ 下部ＤＢＲ
２０８ 共振器部
２０９ 上部ＤＢＲ
３０１ ＧａＡｓ基板
３０２ ＡｌＡｓ層
３０３ ＧａＡｓ層
３０４ ＤＢＲ層
５０１ ＧａＡｓ基板
５０２ ＳｉドープＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層
５０３ ＳｉドープＧａＡｓ層
５０４ ＳｉドープＩｎ_０．５Ｇａ_０．５Ｐ層
５０５ Ｇａ_０．６５Ｉｎ_０．３５Ｎ_１．５％Ａｓ活性層
５０６ ＢｅドープＡｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓ層
５０７ ＢｅドープＧａＡｓ層
５０８ ＢｅドープＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層
５０９ 上部電極
５１０ 電極
５１１ ｎ型ＤＢＲ層
５１２ 共振器部
５１３ ｐ型ＤＢＲ層
５１４ ＧａＡｓスペーサ層

Claims (7)

1. 半導体基板と、該半導体基板上に形成された多層膜ブラッグ反射鏡と、を有する半導体積層構造であって、
   前記多層膜ブラッグ反射鏡は低屈折率層と高屈折率層とが周期的に積層された構造を有し、
   前記半導体基板、前記低屈折率層、前記高屈折率層は、いずれもIII−Ｖ族半導体であり、
   前記半導体基板は、
   当該半導体基板を構成するＶ族元素よりも大きな原子半径を有する異種元素を含み、
   当該半導体基板の格子定数が、前記高屈折率層の格子定数より大きく、前記低屈折率層の格子定数より小さいことを特徴とする半導体積層構造。
2. 請求項１に記載の半導体積層構造において、
   前記異種元素が、IIIＢ族元素、ＶＢ族元素、IＶＢ族元素、ＶIＢ族元素よりなる群から選択される元素であることを特徴とする半導体積層構造。
3. 請求項１または２に記載の半導体積層構造において、
   前記半導体基板が、ＧａとＡｓとを構成元素とする半導体基板であり、
   前記低屈折率層が、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ただし、０＜ｘ≦１）であり、
   前記高屈折率層が、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（ただし、０≦ｙ＜１）であり、
   前記ｘと前記ｙは、ｘ＞ｙの関係式で表され、
   前記異種元素が、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｔｌ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｐｏよりなる群から選択された元素であることを特徴とする半導体積層構造。
4. 請求項１または２に記載の半導体積層構造において、
   前記半導体基板が、ＧａとＰとを構成元素とする半導体基板であり、
   前記低屈折率層が、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＰ（ただし、０＜ｘ≦１）であり、
   前記高屈折率層が、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＰ（ただし、０≦ｙ＜１）であり、
   前記ｘと前記ｙは、ｘ＞ｙの関係式で表され、
   前記異種元素が、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｔｌ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｐｏ、Ｓｅ、Ａｓよりなる群から選択された元素であることを特徴とする半導体積層構造。
5. 請求項１乃至４いずれかに記載の半導体積層構造において、
   前記Ｖ族元素の原子半径よりも大きな原子半径を有する元素がＩｎであることを特徴とする半導体積層構造。
6. 請求項１乃至５いずれかに記載の半導体積層構造において、
   前記半導体基板の格子定数と、前記多層膜ブラッグ反射鏡の平均格子定数との差を、前記半導体基板の格子定数で除した数値の絶対値が０．０００１以内であることを特徴とする半導体積層構造。
7. 請求項１乃至６いずれかに記載の半導体積層構造を備えることを特徴とする面発光型半導体光素子。

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