JP2005294866A

JP2005294866A - 発光デバイスをｐ型ドーピングする方法

Info

Publication number: JP2005294866A
Application number: JP2005168644A
Authority: JP
Inventors: Piotr Grodzinski; ピオトル・グロッジンスキ; Hsing-Chung Lee; シン−チュン・リー; Chan-Long Shieh; チェン−ロン・シェー
Original assignee: Finisar Corp
Current assignee: Finisar Corp
Priority date: 1994-07-05
Filing date: 2005-06-08
Publication date: 2005-10-20
Also published as: JPH0832181A; KR960006167A; DE19523181A1; KR100346532B1; US5547898A

Abstract

【課題】垂直キャビティ表面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavirty Surface Emitting Laser ）の分散ブラグ・リフレクタ（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）に
おける炭素ドーピング・レベルを制御する方法を提供する。
【解決手段】第１ミラー・スタック１０５は、基板１０２の表面１０１上に被着される。第１クラッディング領域１０６は、第１ミラー・スタック１０５上に被着される。活性層１０８は、第１クラッディング層１０６上に被着される。第２クラッディング層１０９は、活性層１０８上に被着される。第２ミラー・スタック１１１は、第２クラッディング層１０９上に被着され、Ｖ族含有有機金属（ＴＢＡｓ）とＩＩＩ族有機金属（トリメチルガリウムおよびトリメチルアルミニウム）との比率によって制御される炭素ドーピング・レベルを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に、半導体材料のドーピングに関し、さらに詳しくは、発光デバイスにおいて用いられる層のドーピングに関する。

近年、垂直キャビティ表面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：vertical cavity surface emitting
laser）と呼ばれるレーザ・デバイスに対する関心が高まっている。ＶＣＳＥＬデバイスの利点は、このデバイスはウェハに対して垂直な光を発光し、アレイ形成・集積およびオン・ウェハ試験(on-wafer testing)について将来性が高いことである。従来、ＶＣＳＥＬデバイスは、その分散ブラグ・リフレクタ（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector ）において高濃度にドーピングされたアルミニウム・ガリウム砒素層（Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ／Ａｌ_yＧａ_1-yＡｓ）を利用する。これらのＶＣＳＥＬデバイスは、一般に、可視（０．６５ミクロン）から赤外線（０．９８ミクロン）に近い波長の範囲で動作する。よって、ＤＢＲは０．５７ミクロンよりも長い波長を反射するように作られる。一般に、ＤＢＲはｐ型ドーパントまたはｎ型ドーパントのいずれかでドーピングされる。これらの層構造の成長は、ＭＯＣＶＤ(Metal-organic Chemical Vapor Deposition)，ＭＢＥ(Molecular Beam Epitaxy)またはＣＢＥ(Chemical Beam Epitaxy)などのエピタキシャル成長方法によって達成される。

しかし、これらのドーピング層を作製するために適切なｐ型ドーパントを選択することは問題となる。例えば、ＭＯＣＶＤでは亜鉛（Ｚｎ）はｐ型ドーパントとして一般に用いられるが、亜鉛は極めて高い拡散係数を有するので、ＤＢＲをドーピングするのに利用できない。別の一般に用いられるｐ型ドーパント源として、炭素（Ｃ）用の四塩化炭素(carbon tetrachloride)（ＣＣｌ₄）があり、これはｐ型ドーパントである。残念ながら、四塩
化炭素は、現在使用が差し控えられいるオゾン破壊材料であるため、ＣＣｌ₄は利用でき
ない。こられ２つの一般に用いられるｐ型ドーパントは利用できないので、ＤＢＲをｐ型ドーピングするための別の方法が必要とされることが明白である。

従来のｐ型ドーパント材料の使用は製造または環境を考慮した条件を満たさないことがわかる。従って、性能レベルを改善または等しくし、環境問題に影響せず、製造方法を簡単にする、ＤＢＲをｐ型ドーピングする別の方法が極めて望ましい。

発光デバイス用の被着材料において炭素ドーピング・レベルを制御する方法が提供される。表面を有する基板が設けられる。第１ミラー・スタックがこの基板の表面上に被着される。第１クラッディング領域が第１ミラー・スタック上に被着される。活性層が第１クラッディング層上に被着される。第２クラッディング層が活性層上に被着される。第２ミラー・スタックが第２クラッディング層上に被着され、第２ミラー・スタックの少なくとも第１層は、Ｖ族有機金属ＴＢＡｓ(tertiarybutylarsine)とＩＩＩ族のガリウムおよび
アルミニウム含有有機金属との比率によって制御される炭素ドーピング・レベルを有する。

図１において、ＶＣＳＥＬ１００の構造の簡略拡大断面図の例を示す。一般に、ＶＣＳＥＬ１００構造は、ＤＢＲ１０５，クラッディング領域１０６，活性領域１０８，クラッ
ディング領域１０９およびＤＢＲ１１１など、いくつかの主要部分からなる。ＶＣＳＥＬ１００構造は、平坦なＶＣＳＥＬデバイス，メサ・エッチ型(mesa-etched) ＶＣＳＥＬデバイス，リッジ導波管(ridge-waveguide) ＶＣＳＥＬデバイス，発光ダイオードなど、さまざまな構成に処理できることが理解される。さらに、１つのＶＣＳＥＬ構造１００のみを基板１０２の表面１０１上に示しているが、多数のＶＣＳＥＬデバイスまたは構造を基板１０２上に形成して、デバイスのアレイを形成できることが理解される。

一般に、基板１０２は、ｎ型ドーピング，ｐ型ドーピングまたは半絶縁のガリウム砒素など、任意の適切な半導体材料からなるが、この特定の例では、基板１０２はガリウム砒素からなる。ガリウム砒素は、それぞれ異なるアルミニウム濃度でアルミニウム・ガリウム砒素の複数の層のエピタキシャル成長を促進するために基板１０２として用いられる。

Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓにおいて異なるアルミニウム組成の交互の層１０３，１０４を有するＤＢＲ１０５のエピタキシャル被着は、ＭＯＣＶＤ，ＭＢＥ，ＣＢＥなどの最新のエピタキシャル技術によって達成される。これらの技術により、ガリウム砒素，アルミニウム・ガリウム砒素，アルミニウム砒素，インジウム・ガリウム砒素などのさまざまな材料の半導体層のエピタキシャル被着が可能となる。

一例として、シリコン（Ｓｉ），セレニウム（Ｓｅ）など任意の適切なｎ型ドーパントでドーピングされたアルミニウム・ガリウム砒素の交互膜または層１０３，１０４を有するＤＢＲ１０５のエピタキシャル被着は、基板１０２の表面１０１上に被着される。交互層１０３，１０４の被着は、ＶＣＳＥＬ１００構造の第１セットのＤＢＲまたはミラー１０５を形成する。アルミニウム・ガリウム砒素の交互層１０３，１０４の厚さは、一般に、ＶＣＳＥＬ１００構造が動作するように設計される波長の１／４に設定される。さらに、選択された数の層１０３，１０４はＶＣＳＥＬ１００について指定された量の反射を行うことが理解される。

クラッディング領域１０６は、交互層１０３，１０４を有するＤＢＲ１０５上にエピタキシャル被着される。クラッディング領域１０６は一般に２つの部分を有するが、これらの部分は図１が煩雑になるのを防ぐため図示されていない。まず第１に、６００オングストロームから１，０００オングストローム厚の範囲のｎ型ドーピングされたアルミニウム・ガリウム砒素がＤＢＲ１０５の上に被着される。アルミニウム・ガリウム砒素のドーピングは、一般に１Ｅ１８ｃｍ^-3の範囲に維持される。第２に、３００オングストロームから７００オングストロームの範囲の厚さを有し、より低いアルミニウム組成のドーピングされていないアルミニウム・ガリウム砒素層が、ｎ型ドーピングされたアルミニウム・ガリウム砒素層上に被着される。

活性領域１０８は、クラッディング領域１０６上にエピタキシャル被着される。活性領域１０８は、一般に、ガリウム砒素またはインジウム・ガリウム砒素の１つまたはそれ以上の層からなり、アルミニウム・ガリウム砒素またはガリウム砒素障壁層によって分離された量子ウェルを形成する。量子ウェルおよび障壁の両方の公称厚さは、約１００オングストロームに維持される。

クラッディング領域１０９は、活性領域１０８上にエピタキシャル被着される。クラッディング領域１０９は一般に２つの部分からなるが、これらの部分は図１が煩雑になるのを防ぐために図示されていない。まず第１に、ドーピングされていないアルミニウム・ガリウム砒素層が活性領域１０８上に被着される。このドーピングされていないアルミニウム・ガリウム砒素層の厚さは、３００オングストロームから７００オングストロームの範囲である。第２に、ｐ型ドーピングされたアルミニウム・ガリウム砒素層がドーピングされていないアルミニウム・ガリウム砒素層上に被着される。このｐ型ドーピングされたア
ルミニウム・ガリウム砒素のドーピングは、１Ｅ１８ｃｍ^-3レベルに維持される。ｐ型ドーピングされたアルミニウム・ガリウム砒素の厚さは、６００オングストロームから１，０００オングストロームの範囲である。クラッディング層１０６，１０９および活性領域１０８の厚さは、これらの領域の全光学的厚さがＶＣＳＥＬデバイスの動作波長の１波長または倍数波長に等しくなるように選択される。

ＤＢＲまたはミラー１１１は、第２クラッディング領域１０９上に被着される。ミラーまたはＤＢＲ１１１は、一般に、±５パーセントの公称範囲で、交互アルミニウム濃度がそれぞれ１５パーセントおよび８０パーセントの、ｐ型ドーピングされたアルミニウム・ガリウム砒素の交互層１１４，１１６からなる。交互アルミニウム濃度の対応するｐ型ドーピング濃度は、１Ｅ１７ｃｍ^-3から５Ｅ１８ｃｍ^-3の範囲である。交互層１１４，１１６の厚さは、ＶＣＳＥＬ１００が動作するように設計される１／４波長に設定される。さらに、ＤＢＲ１１１上のアルミニウム・ガリウム砒素の最後の層である、１５パーセント・アルミニウム濃度を有するアルミニウム・ガリウム砒素層１１７の厚さは、他の交互層１１４，１１６で用いられる１／４波長ではなく、３／４波長または１／２波長の厚さに設定される。

Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ／Ａｌ_yＧａ_1-yＡｓ、例えば、０．８５ミクロンで動作するＶＣＳＥＬ１００の場合ｘ＝０．１５，ｙ＝０．８０、からなるＤＢＲ１０５，１１１における反射は、屈折率の差があるために生じる。この屈折率の差は、ＤＢＲ１０５，１１１のそれぞれの交互層１０３，１０４および１１４，１１６における異なるアルミニウム濃度に起因する。また、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ／Ａｌ_yＧａ_1-yＡｓのバンドギャップはアルミニウム濃度とともに変化し、ＤＢＲ１０５，１１１内の隣接するＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ／Ａｌ_yＧａ_1-yＡｓ層間にヘテロ障壁(heterobarrier)を形成する。このへテロ障壁は、ＤＢＲ１０５，
１１１の直列抵抗をさらに決定し、ヘテロ障壁高さが大きいほど、直列抵抗は大きくなる。直列抵抗を最小限に抑えるため、アルミニウム組成は交互層１０３，１０４および１１４，１１６間の界面で勾配がつけられる。さらに、ヘテロ障壁および直列抵抗の低下は、界面におけるドーピングの局所的増加によって達成できる。

本発明では、ＤＢＲまたはミラー１１１のｐ型ドーピングは、真性炭素(intrinsic carbon)（Ｃ）によって達成され、この真性炭素は、一般にトリメチルアルミニウム(trimethylaluminium)（ＴＭＡｌ）およびトリメチルガリウム(trimethylgallium)（ＴＭＧａ）であるアルミニウムおよびガリウムの有機金属源の分解中に解放される。アルミニウム・ガリウム砒素層１１４，１１６におけるｐ型ドーピングの制御は、Ｖ族有機金属、例えばＴＢＡｓ(tertiarybutylarsine)と、ＩＩＩ族有機金属、例えばＴＭＡｌおよびＴＭＧａと
の比率（Ｖ／ＩＩＩ比）を変えることによって達成される。ＴＢＡｓの分解中に生じる水素原子は炭素導入を低減するので、ｐ型ドーピング・レベルはＶ／ＩＩＩ比を変えることによって選択できる。

以下で説明するプロセスはAixtron MOCVD エピタキシャル被着システムについてであるが、システムのばらつきや特性差を考慮してプロセス・パラメータを適切に変更することにより、他のエピタキシー・システムも利用できることが理解される。要するに、基板１０２は、摂氏７００度〜９００度の範囲の温度および１５〜２５ミリバールの圧力を有するＭＯＣＶＤシステムの反応室に入れられる。ただし、本発明の好適な実施例では、反応室の温度は約摂氏７２０度に設定され、圧力は約２０ミリバールに設定される。水素ガスをキャリアとして用いて、反応物質のガスフローまたは蒸気は、１０〜６０ｓｃｃｍの範囲のＴＭＡｌ，７〜３０ｓｃｃｍの範囲のＴＭＧａおよび７０〜１１０ｓｃｃｍの範囲のＴＢＡｓである。広い範囲の温度および圧力下で、同様な結果がＭＯＣＶＤプロセスで得られることが理解される。よって、ここに示す例は、本発明をわかりやすく説明するように説明のためのみのものである。

Ｖ族含有有機金属とＩＩＩ族有機金属との適切な比率を与えることにより、１５％および８０％のアルミニウム濃度で、それぞれ１Ｅ１６ｃｍ^-3〜１Ｅ１７ｃｍ^-3および３Ｅ１７ｃｍ^-3〜３Ｅ１８ｃｍ^-3の炭素濃度を有するアルミニウム・ガリウム砒素の膜が得られ、それによりＶＣＳＥＬデバイス構造１００のＤＢＲまたはミラー１１１について適切なｐ型ドーピング・レベルが得られる。さらに、本発明で具現されるＶ族およびＩＩＩ族の有機金属ガスまたは蒸気の適切な比率を利用することにより、ＶＣＳＥＬ，発光ダイオードなどの発光デバイスの層のｐ型ドーピングは、プロセスからＣＣｌ₄を排除することに
より簡略化される。従って、ＤＢＲ１１１の交互のアルミニウム・ガリウム砒素層における適切なｐ型ドーパント濃度は、リフレクタ領域１１１の直列抵抗をさらに低減し、ＤＢＲまたはミラー１１１に流れる注入電流(injection current)を可能にする。

図２は、炭素濃度と、Ｖ族含有有機金属ガスまたは蒸気とＩＩＩ族有機金属ソース・ガスまたは蒸気との比率との関係を示すグラフである。このグラフにおいて、Ｖ族有機金属ソース・ガスはＴＢＡｓであり、ＩＩＩ族有機金属ソース・ガスはトリメチルガリウムおよびトリメチルアルミニウムである。曲線２０１は、ｐ型ドーピング濃度、すなわち、本発明により被着された１５パーセント・アルミニウム濃度を有するアルミニウム・ガリウム砒素層における炭素、を示す。ｐ型ドーピング・レベルの濃度（炭素濃度）は、１Ｅ１６ｃｍ^-3から１Ｅ１７ｃｍ^-3の範囲であり、Ｖ／ＩＩＩ比の変化によるアルミニウム・ガリウム砒素における炭素ドーピングの可変濃度を示す。曲線２０２は、ｐ型ドーピング濃度、すなわち、８０パーセント・アルミニウム濃度を有するアルミニウム・ガリウム砒素における炭素、を表す。ｐ型ドーピング・レベルの濃度（炭素濃度）は、３Ｅ１７ｃｍ^-3から３Ｅ１８ｃｍ^-3の範囲である。従って、Ｖ族とＩＩＩ族有機金属ソース・ガスの適切な比率を選択することにより、適切なドーピング・レベルを有するアルミニウム・ガリウム砒素膜が得られる。さらに、オゾンを破壊する四塩化炭素を必要・使用せずに、ｐ型ドーピング・レベルが生成され、それによりＶＣＳＥＬ，発光ダイオード（ＬＥＤ）などの発光デバイス用のアルミニウム・ガリウム砒素膜を生成する安全かつ効率的な方法が得られる。

図３は、ＳＩＭＳ(Secondary Ion Mass Spectrometry)深度分布であり、８０パーセン
ト・アルミニウム濃度を有するアルミニウム・ガリウム砒素層上に被着された１５パーセント・アルミニウム濃度を有するアルミニウム・ガリウム砒素層におけるオングストローム単位の深さの関数としての立方センチメートル単位の炭素濃度原子を表す。

ライン４０１，４０２は、深度の関数としての炭素濃度およびアルミニウム濃度をそれぞれ表す。ライン４０１，４０２の部分４０３，４０４は、それぞれ１５パーセント・アルミニウム濃度および８０パーセント・アルミニウム濃度を有するアルミニウム・ガリウム砒素層の表面またはその付近の炭素およびアルミニウムの濃度レベルを示す。部分４０６，４０７は、アルミニウム・ガリウム砒素層のバルクまたは内部におけるそれぞれ炭素およびアルミニウムの濃度レベルを示す。図３R>３からわかるように、炭素およびアルミニウムのバルク濃度は、均等かつ一貫している。しかし、１５パーセントおよび８０パーセント・アルミニウムを有するアルミニウム・ガリウム砒素層間の界面部分４０８，４０９では、炭素濃度はＶ／ＩＩＩ比を低下することにより局所的に増加され、アルミニウム濃度は所望のレベルに調整される。炭素濃度が界面でスパイクが生じるように（尖頭）増加されると、炭素濃度、すなわち、ライン４０１の部分４１５は、所望のレベルに調整され、よって２つのアルミニウム・ガリウム砒素層の界面における炭素濃度の可変性が実証される。さらに、ＤＢＲ１１１（図２に図示）の炭素濃度の調整により、直列抵抗はさらに低減され、ＤＢＲ１１１の性能を向上させる。この性能の向上は、アルミニウム・ガリウム砒素層の界面におけるＶ／ＩＩＩ比を調整して、炭素濃度をスパイクを生じるように増加することによって得られる。従って、界面においてより高いｐ型ドーピング・レベル
を施すことは、異なるアルミニウム濃度の交互層間のバンドギャップ差によって生じるキャリアの障壁高さの低減に寄与する。

以上、アルミニウム・ガリウム砒素膜の交互層を含む、ＶＣＳＥＬ，ＬＥＤなどのｐ型ドーピング層、例えば、ＤＢＲの成長およびドーピングの新規な方法が提供されたことが理解される。この方法は、高度に制御可能かつ予測可能に、これらのｐ型ドーピングされた層を作製する環境的に安全かつ効率的な方法を提供する。さらに、Ｖ族とＩＩＩ族の有機金属ガス・ソースの適切な比率を選択することにより、ＣＣｌ₄を用いずにｐ型ドーピ
ングが達成され、ドーピング・プロセスを簡略化する。

半導体基板上に作製されたＶＣＳＥＬデバイスの拡大簡略断面図の例である。Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ（それぞれｘ＝０．１５，ｘ＝０．８０）における炭素濃度を反映する正孔濃度と、ＴＢＡとトリメチルガリウムおよびトリメチルアルミニウムとの比率（Ｖ／ＩＩＩ比）との関係を示すグラフである。２つのアルミニウム・ガリウム砒素の層、すなわち１５パーセント・アルミニウムの第１層と、Ｖ／ＩＩＩ比の選択のために界面で炭素濃度を局所的に高めた８０パーセント・アルミニウムの第２層を介して、炭素濃度の深度分布を示すＳＩＭＳ(Secondary Ion Mass Spectrometry)のグラフである。

符号の説明

１００…ＶＣＳＥＬ、１０１…基板の表面、１０２…基板、１０３，１０４…交互層、１０５…ＤＢＲ、１０６…クラッディング領域、１０８…活性領域、１０９…クラッディング領域、１１１…ＤＢＲ、１１４，１１６…交互層、１１７…アルミニウム・ガリウム砒素層。

Claims

発光デバイスの製造方法であって、
表面（１０１）を有する基板（１０２）を設ける工程と、
前記基板（１０２）の前記表面（１０１）上に第１ミラー・スタック（１０５）を被着する工程と、
前記第１ミラー・スタック（１０５）上に第１クラッディング層（１０６）を被着する工程と、
前記第１クラッディング層（１０６）上に活性層（１０８）を被着する工程と、
前記活性層（１０８）上に第２クラッディング層（１０９）を被着する工程と、
前記第２クラッディング層（１０９）上に第２ミラー・スタック（１１１）を被着する工程と、
複数のアルミニウム・ガリウム砒素の交互の層（１１４，１１６）を設ける工程であって、前記交互の層の少なくとも２つ（１１４，１１６）は界面領域を画成する、交互の層を設ける工程と、
前記界面領域ではＶ族有機金属とＩＩＩ族有機金属の比率を調整することによって前記界面領域で炭素濃度のスパイクを形成する工程とを備え、前記炭素濃度のスパイクは、前記界面領域における炭素濃度が前記界面領域を画成する前記相互の層内部の炭素濃度よりも高くするものである、発光デバイスの製造方法。
界面領域を画成する前記アルミニウム・ガリウム砒素の交互の層（１１４，１１６）のうちの一方は約１５パーセントのアルミニウム濃度を有し、他方は約１５パーセントのアルミニウム濃度を有する、請求項１に記載の発光デバイスの製造方法。
前記界面領域のアルミニウム濃度を調節する工程をさらに備える請求項１に記載の発光デバイスの製造方法。
前記第２のミラー・スタック（１１１）の界面領域よりも下方の深さで、界面領域における炭素濃度のスパイクよりも低いが、界面領域よりも浅い領域での濃度よりも高い濃度に炭素濃度を調節する工程をさらに備える請求項１に記載の発光デバイスの製造方法。