JP2006222363A - レーザダイオード及び化合物半導体ウェハ - Google Patents

Abstract

【課題】ｐ型クラッド層に高濃度にＭｇをドーピングした上で、そのドーパントの拡散による活性層の劣化を防いた構造のＡｌＧａＩｎＰ系レーザダイオード及び化合物半導体ウェハを得ることを可能にする。
【解決手段】ｐ型クラッド層２０が、活性層１側から、成長時にＭｇが高濃度にドープされたＡｌＧａＩｎＰ層から成る第一部分２と、成長時にＺｎが低濃度にドープされたＡｌＧａＩｎＰ層から成る第二部分３と、成長時にＭｇが高濃度にドープされたＡｌＧａＩｎＰ層から成る第三部分４とを有する構造とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体発光素子（発光ダイオード、半導体レーザ）用の化合物半導体ウェハ、特に、ｐ型不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）を用いたＡｌＧａＩｎＰ系発光素子に適したエピタキシャルウェハ及びこれを用いて作製したレーザダイオードに関するものである。

ＡｌＧａＩｎＰ系の半導体レーザダイオード（ＬＤ）はデジタルバーサタイルディスク（ＤＶＤ）の読み取り用光源、書き込み用光源として広く用いられている。最近の電子機器は熱環境の苛酷な高密度実装を行うため、特に高温での動作電流の低減が重要である。このためＬＤのｐ型クラッド層のドーピング量を増やしキャリア濃度を大きくして、ヘテロ界面での漏れ電流を低減したり、直列抵抗成分を低減するなどの施策が行われている。

ＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体のｐ型ドーパントとしてはベリリウム（Ｂｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）等が挙げられる。このうち分子線エピタキシー（ＭＢＥ）で用いられているＢｅ原料は高濃度で低拡散のドーピングが可能であるが極めて毒性が強いという欠点を有する。また、ＺｎはＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体内のｐ型ドーパントとして広く用いられているものの、拡散定数が比較的大きく熱工程等による悪影響が生じることが知られている。その為、ドーパントとしてＺｎを用いてｐ型クラッド層のキャリア濃度を高くするとＺｎが活性層へ拡散しＬＤ素子特性が劣化する。そこで、ｐ型不純物として、Ｚｎに比べ拡散定数が小さいＭｇを用いてｐ型クラッド層を高キャリア濃度化することが試みられてきた。

図９に、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体材料を用いた従来の半導体レーザダイオード（ＬＤ）の一例として、特開平９−２１９５６７号公報（特許文献１）に開示されたものを示す。図９において、２０１はｎ型ＧａＡｓ基板、２０２はｎ型ＧａＡｓ基板２０１上に形成されたｎ型ＡｌＧａＩｎＰからなるクラッド層である。２０５はＡｌＧａＩｎＰからなる活性層であり、その上下にノンドープＡｌＧａＩｎＰ層を有する。２０７は、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰからなるクラッド層である。すなわち、ＡｌＧａＩｎＰ活性層２０４〜２０６をＡｌＧａＩｎＰクラッド層２０３とｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２０７で挟んだダブルヘテロ構造を有している。

２０８はｐ型ＧａＩｎＰコンタクト層、２０９はｐ型ＧａＡｓキャップ層で、ストライプ構造となっており、そのストライプ構造の両側には電流狭窄を行う目的でＧａＡｓからなる電流ブロック層２１０が設けられている。

上記ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザダイオードの特徴は、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２０７のうちのノンドープＡｌＧａＩｎＰ層２０６と接する第一部分２０７ａには、ｐ型不純物として、従来より用いられているＺｎの代わりに、このＺｎに比べて化合物半導体の固体中で拡散しにくいＭｇがドープされ、残りの第二部分２０７ｂにはＺｎがドープされている点にある。

このように構成された半導体レーザにおいては、ｐ型クラッド層の活性層側の第一部分にＺｎがドープされていないか、または、Ｚｎがドープされる場合であっても非常に低濃度で済むことにより、ｐ型クラッド層中のＺｎが活性層中に入り込むのを有効に防止することができる。
特開平９−２１９５６７号公報（図１）

上記したように、ドーパントとしてＺｎを用いてｐ型クラッド層のキャリア濃度を高くすると、Ｚｎが活性層へ拡散しＬＤ素子特性が劣化する。そこで本発明者は、Ｚｎよりも拡散定数の小さいＭｇをｐ型クラッド層のドーパントとして用いるべく研究を重ね、これに成功した。すなわち、Ｍｇをｐ型クラッド層のドーパントとしたことによりドーパントの熱履歴による拡散がＺｎを用いた場合よりも抑制された。その結果としてｐ型クラッド層のキャリア濃度を従来よりも高くすることが可能となり、ＬＤ素子の高温動作特性や高出力動作特性が向上した。

しかしながら、問題点として、ｐ型クラッド層のキャリア濃度を１×１０¹⁸cm^-3よりも高濃度にドーピングすると、ＺｎとＭｇの相互拡散が顕著になり、Ｚｎの拡散が本来は比較的拡散し難いはずのＭｇの拡散をも助長してしまうという現象が生じることが分かった。したがって、ｐ型クラッド層のドーパントとしてＭｇを用いて１×１０¹⁸cm^-3よりも更に高濃度ドーピングすると、ｐ型不純物としてＺｎのみを用いた場合と同様に、活性層のＰＬ半値幅が大きくなるという問題があった。

一方、高温で高出力動作し信頼性の高いＬＤを作成する為には、光の閉じ込め効果の向上やコンタクト層での光吸収を防ぐ為に、ｐ型クラッド層を厚くする必要がある。しかしｐ型クラッド層を厚くするとｐ型クラッド層の熱履歴が長くなる。その為、半導体ＬＤエピタキシャルウェハ成長中のＭｇの拡散長が長くなり、活性層での不純物であるＭｇの濃度が高くなってしまう。その結果、ＬＤ素子特性が劣化するといった問題が生じる。

また、ｐ型ドーパントとしてＭｇを用いｐクラッド層を厚くしなくとも、ｐ型クラッド層のキャリア濃度を高くすると、Ｍｇの活性層への拡散は少なからず生じてしまう。

特許文献１のように、ｐ型クラッド層の活性層側の第一部分を、Ｚｎがドープされていない又は非常に低濃度の層とすることによっても、ｐ型クラッド層中のＺｎが活性層中に入り込むのを防止し得るが、ｐ型クラッド層のＭｇキャリア濃度を１×１０¹⁸cm^-3よりも高くできる更なる有効な拡散防止手段の提供が望まれる。

本発明は、上記問題を解決する為に、高濃度にＭｇをドーパントとしてｐ型クラッド層にドーピングした上で、そのドーパントの拡散による活性層の劣化を防いた構造のレーザダイオード及び化合物半導体ウェハを得ること、これにより、高密度実装等に適し、且つ高温動作用途や高出力用途に適したＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザダイオード及びそれ用エピタキシャルウェハを得ることを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。

請求項１の発明に係る化合物半導体ウェハは、ｎ型基板上に、少なくともｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層を順次積層した半導体発光素子用の化合物半導体ウェハにおいて、上記ｐ型クラッド層が、活性層側から、成長時にＭｇがドープされた第一部分と、成長時にＺｎがドープされた第二部分と、成長時にＭｇがドープされた第三部分とを有することを特徴とする。

請求項２の発明に係る化合物半導体ウェハは、ｎ型基板上に、少なくともｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層を順次積層し、ｐ型クラッド層がＡｌＧａＩｎＰ層から成る半導体発光素子用の化合物半導体ウェハにおいて、上記ＡｌＧａＩｎＰ層から成るｐ型クラッド層が、活性層側から、成長時にＭｇがドープされた第一部分と、成長時にＺｎがドープされた第二部分と、成長時にＭｇがドープされた第三部分とを有することを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１又は２記載の化合物半導体ウェハにおいて、上記第一部分、第二部分および第三部分について、各部分の成長中にエピタキシャルウェハ内に取り込まれるｐ型不純物原子の数を、それぞれＰ１、Ｐ２、Ｐ３と表した場合に、Ｐ１≧Ｐ３＞Ｐ２の関係を持つようにドーピングされていることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の化合物半導体ウェハにおいて、上記ｐ型クラッド層の第一部分と第三部分がその成長時に１×１０¹⁸cm^-3よりも高いキャリア濃度にドーピングされていることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の化合物半導体ウェハにおいて、上記ｐ型クラッド層の活性層側に近い第一部分中にエッチングストップ層を設けたことを特徴とする。

請求項６の発明に係るレーザダイオードは、請求項１〜５のいずれかに記載の化合物半導体ウェハを用いて作製したことを特徴とする。

＜発明の要点＞
本発明の要点は、ｐ型クラッド層内のＭｇの拡散を、活性層側よりもコンタクト層側（活性層と逆側）に優先的に起こさせるようにした点にある。

ＭｇドープのＡｌＧａＩｎＰ層１．０μｍ上にｕｎ−ｄｏｐｅのＡｌＧａＩｎＰ層１．０μｍ成長したものの２次イオン分析（ＳＩＭＳ）の結果を図２に示す。図２から、Ｍｇ濃度がＭｇドープ層とｕｎ−ｄｏｐｅ層に分離されており、Ｍｇのｕｎ−ｄｏｐｅ層への拡散は微量であることを確認した。

次に、ＭｇドープのＡｌＧａＩｎＰ層１．０μｍ上にＺｎドープのＡｌＧａＩｎＰ層１．０μｍを成長したものの２次イオン分析（ＳＩＭＳ）の結果を図３に示す。図３から、Ｍｇ、Ｚｎ共にＡｌＧａＩｎＰ層中に均一に拡散することを確認した。つまり、ＭｇはＺｎと相互拡散しＺｎの含まれる層へ拡散しやすいことが明らかとなった。そこで本発明者はこの相互拡散の効果を利用して、活性層側へのＭｇの拡散を抑制できることを見出した。

具体的には、図１に示すように、活性層１の成長後に高濃度のＭｇドープＡｌＧａＩｎＰ層（ｐ型クラッド層２０の第一部分２）を成長し、次に、低濃度のＺｎドープＡｌＧａＩｎＰ層（ｐ型クラッド層２０の第二部分３）を成長し、その後、高濃度のＭｇドープＡｌＧａＩｎＰ層（ｐ型クラッド層２０の第三部分４）を成長する（図１）。ここで、第二部分３のＺｎドープＡｌＧａＩｎＰ層のキャリア濃度は、Ｚｎが活性層まで拡散しない程度に低くし、活性層からの距離もＺｎが活性層まで拡散しない程度に離す必要がある。また、以上の理由から、第二部分３のＺｎドープＡｌＧａＩｎＰ層はキャリア濃度を低くしている為、第二部分３のＺｎドープＡｌＧａＩｎＰ層を厚くすると直列抵抗成分が大きくなる要因となる。よって、第二部分３のＺｎドープＡｌＧａＩｎＰ層の厚さは薄い方が望ましい。

また、本発明の類似構造の公知例として、特開平９−２１９５６７号公報（特許文献１）がある。この公知例の特許文献１では、活性層側から見てｐ型クラッド層に第一部分および第二部分を順次設け、第一部分にｐ型不純物としてＭｇがドープされ、第二部分にｐ型不純物としてＺｎがドープされている半導体レーザ構造を開示している。従来は、ｐ型不純物としてＭｇを添加することが難しく、Ｚｎが用いられることが一般的であった。そのため、上記公知例の特許文献１では、ｐ型クラッド層のｐ型不純物として全てＺｎを用いていたことを従来技術とし、上記公知例の発明内容として、活性層近傍で拡散し難いＭｇをｐ型不純物として用いることによって、Ｚｎの活性層への拡散を防止している。

それに対し、本発明者等は、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザダイオードエピタキシャルウェハのｐ型不純物としてＭｇを添加することに成功している。そこで、本発明では、ｐ型クラッド層の全てのｐ型不純物として全てＭｇを用いている場合を従来技術とし、Ｍｇを高濃度にｐ型クラッド層に添加した際に、Ｍｇが活性層へ拡散するのを防止することを課題としている。従って、本発明は特許文献１とは解決しようとする技術的課題が異なり、より高度な問題を解決しようとするものである。

また、上記公知例（特許文献１）の半導体レーザ構造では、本発明の上記課題を解決することができない。その理由として、Ｚｎドープのｐ型クラッド層を活性層から十分に離してしまうと、活性層近傍のＭｇはＺｎと相互拡散し難くなる為、活性層近傍のＭｇが活性層へ拡散してしまう。その為、Ｚｎドープのｐ型クラッド層は活性層から適度に離れている程度が好ましい。上記公知例の特許文献１では、構造上、本発明におけるｐ型クラッド層の第三部分４（図１参照）に相当するＡｌＧａＩｎＰ層がＺｎドープとなっていることに等しい。先にも述べたように、高温で高出力動作し信頼性の高いＬＤを作成する為には、光の閉じ込め効果の向上やコンタクト層での光吸収を防ぐ為に、ｐ型クラッド層を厚くする必要がある。その為、ｐ型クラッド層の熱履歴が長くなるために、ｐ型不純物は拡散しやすくなる。よって、ｐ型不純物としてＺｎを用いること自体をなるべく避ける必要があり、仮にｐ型不純物としてＺｎを用いる場合には、Ｚｎ濃度を低くする必要がある。

しかし、Ｚｎ濃度を低くすると、半導体レーザダイオードの直列抵抗成分が大きくなり、レーザ発振に支障をきたす。その為、ｐ型クラッド層は、ｐ型不純物として高濃度添加してもＺｎよりも拡散しにくいＭｇを用いることが必須となる。

以上のことから、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザダイオードエピタキシャルウェハの構造設計として、Ｚｎドープのｐ型クラッド層は、Ｍｇドープのｐ型クラッド層内に無ければならない。

次に、請求項３の表現について触れておく。

本発明の特徴は、ｎ型基板上に形成されるｐ型クラッド層がＡｌＧａＩｎＰ層からなるＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザダイオード用エピタキシャルウェハを成長する際において、上記ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層が活性層側から第一部分、第二部分および第三部分から成り、上記第一部分を成長する際にドーピング原料としてＭｇ原料のみを供給し、上記第二部分を成長する際にドーピング原料としてＺｎ原料のみを供給し、上記第三部分を成長する際にドーピング原料としてＭｇ原料のみを供給していることにある。

そして本発明の請求項３においては、上記ｐ型クラッド層の第一部分、第二部分および第三部分について、各部分の成長中にエピタキシャルウェハ内に取り込まれるｐ型不純物原子の数を、それぞれＰ１、Ｐ２、Ｐ３と表した場合に、Ｐ１≧Ｐ３＞Ｐ２の関係を持つようにドープすることとしている。つまり、成長中に第一部分と第三部分でのｐ型不純物濃度（Ｍｇ濃度）よりも第二部分でのｐ型不純物濃度（Ｚｎ濃度）が低くなるようにドーピング原料を供給する。ドーピング原料の決め方は、ＧａＡｓ基板上にＧａＡｓバッファ層を成長した後に各部分のみ（例えば、第一部分のみ）を成長したもののｐ型不純物濃度を調べて決定する。このようにして各部分をそれぞれ単独に成長したものを調べて供給するドーピング原料を決定する。

しかし、半導体レーザ構造で成長中および成長後の降温中に第一部分、第二部分、第三部分でＭｇおよびＺｎが拡散するので、成長後のエピタキシャルウェハでは第一部分、第二部分、第三部分の全てにＭｇおよびＺｎが存在する。更に、ｐ型不純物濃度自体は第一部分、第二部分および第三部分でほとんど差は生じなくなる。これは各部分でＭｇ濃度が均一化されてしまうことによる（実施例の図６、図７参照）。つまり、成長中に第一部分と第三部分でのｐ型不純物濃度よりも第二部分でのｐ型不純物濃度が低くなるようにドーパント原料を供給しても、成長後のエピタキシャルウェハでは、第一部分、第二部分および第三部分でｐ型不純物濃度には差は見られなくなる。そこで、請求項３においては、“成長中に取り込まれるｐ型不純物原子の数”という表現で記載することとした。

本発明では、ｎ型基板上に、少なくともｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層を順次積層した半導体発光素子用の化合物半導体ウェハ、より具体的には、ｐ型クラッド層がＡｌＧａＩｎＰ層から成るＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザダイオード用の化合物半導体ウェハにおいて、上記ｐ型クラッド層が、活性層側から、成長時にＭｇがドープされた第一部分と、成長時にＺｎがドープされた第二部分と、成長時にＭｇがドープされた第三部分とを有する構造としたので、ｐ型クラッド層内のＭｇの拡散を、活性層側よりもコンタクト層側（活性層と逆側）に優先的に起こさせることができる。

本発明によれば、ｐ型クラッド層内のキャリア濃度を高くしても活性層内での不純物濃度を低く抑える事が可能になり、その結果として高出力動作時においても動作電流および閾値電流の低いＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザダイオード用エピタキシャルウェハを容易に製造することができる。

以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

図１は、本発明の半導体発光素子用の化合物半導体ウェハに直接関係する部分を抽出して示したもので、ｎ型基板上に、少なくともｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層を順次積層し、ｐ型クラッド層のｐ型不純物がＭｇである構造を前提としている。ここでは、ｎ型基板上に形成されるｐ型クラッド層２０がＡｌＧａＩｎＰ層からなるＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザダイオード用エピタキシャルウェハを例にしている。

図１において、上記ｐ型クラッド層２０は、活性層１側から順に、成長時にＭｇが高濃度にドープされたＡｌＧａＩｎＰ層から成る第一部分２と、成長時にＺｎが低濃度にドープされたＡｌＧａＩｎＰ層から成る第二部分３と、成長時にＭｇが高濃度にドープされたＡｌＧａＩｎＰ層から成る第三部分４とを有する。

上記第一部分２、第二部分３および第三部分４については、各部分の成長中にエピタキシャルウェハ内に取り込まれるｐ型不純物原子の数を、それぞれＰ１、Ｐ２、Ｐ３と表した場合に、Ｐ１≧Ｐ３＞Ｐ２の関係を持つようにドーピングされている。

また各部分のうち、ｐ型クラッド層の第一部分２と第三部分４はその成長時にＭｇが１×１０¹⁸cm^-3よりも高いキャリア濃度でドーピングされている。ＺｎドープＡｌＧａＩｎＰ層である第二部分３のキャリア濃度は、Ｚｎが活性層まで拡散しない程度に低くし、活性層からの距離もＺｎが活性層まで拡散しない程度に離している。ＺｎドープＡｌＧａＩｎＰ層である第二部分３の厚さは薄い方が望ましい。

このように、ｐ型クラッド層２０が、活性層側から、成長時にＭｇが高濃度にドープされたＡｌＧａＩｎＰ層から成る第一部分と、成長時にＺｎが低濃度にドープされたＡｌＧａＩｎＰ層から成る第二部分と、成長時にＭｇが高濃度にドープされたＡｌＧａＩｎＰ層から成る第三部分とを有する構造とすることにより、ｐ型クラッド層２０内のＭｇの拡散を、活性層１側よりもコンタクト層側（活性層と逆側）に優先的に起こさせることができる。

上記半導体レーザダイオードエピタキシャルウェハを二次イオン分析（ＳＩＭＳ）で調べところ、ｐ型クラッド層２０をすべてＭｇドープとしたもの（従来例）と比較して、飛躍的に活性層１内でのＭｇ濃度が低減していることが確認された。これは、ＭｇドープＡｌＧａＩｎＰ層（ｐ型クラッド層２０）中にＺｎドープのＡｌＧａＩｎＰ層（第二部分３）があることによって、ＭｇドープＡｌＧａＩｎＰ層（第一部分２）中のＭｇが活性層よりもＺｎドープＡｌＧａＩｎＰ層（第三部分４）へ優先的に拡散した為である。またこの効果により、ＬＤ素子特性としても、高温特性が良好で、且つ高出力動作で信頼性の高いものが得られた。

図４に示すように、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）により、ｎ型のＧａＡｓ基板５上に、ＭｇドープＡｌＧａＩｎＰ層からなるｐ型クラッド層２０を有する、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザダイオード用エピタキシャルウェハを作製した。これは、ＧａＡｓ基板５上に、順次、ｎ型ＧａＡｓバッファ層６、ｎ型クラッド層（ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層）７、活性層８、ＭｇドープＡｌＧａＩｎＰ層（ｐ型クラッド層２０の第一部分）９、ＺｎドープＡｌＧａＩｎＰ層（ｐ型クラッド層２０の第二部分）１０、ＭｇドープＡｌＧａＩｎＰ層（ｐ型クラッド層２０の第三部分）１１、ＧａＩｎＰコンタクト層１２、ＧａＡｓキャップ層１３を設け、そのｐ型クラッド層２０の第一部分９中にエッチングストップ層１４を位置させた構造のものである。

基板としてはｎ型ＧａＡｓ単結晶基板を使用し、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ原料としてはトリエチルガリウム又はトリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、トリメチルインジウムを使用した。Ｐ原料としてはフォスフィン（ＰＨ₃）を使用した。Ａｓ原料としてはアルシン（ＡｓＨ₃）を使用した。活性層８の組成は発光波長に応じた組成にしても良く、量子井戸構造としてもよい。

まず、ＭＯＶＰＥ装置内にＧａＡｓ基板５を配置し、基板温度７００℃においてｎ型の導電性を有し、厚さ０．５μｍのＳｉドープＧａＡｓバッファ層６を形成した。次に同じ基板温度で、Ｓｉドープ（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなるｎ型クラッド層７、ＡｌＧａＩｎＰ系の歪み量子井戸からなる活性層８、Ｍｇドープ（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなるｐ型クラッド層（第一部分のＭｇドープＡｌＧａＩｎＰ層）９を５００nm成長した。その後、Ｚｎドープ（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなるｐ型クラッド層（第二部分のＺｎドープＡｌＧａＩｎＰ層）１０を５０nm成長し、さらにＭｇドープ（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなるｐ型クラッド層（第三部分のＭｇドープＡｌＧａＩｎＰ層）１１を７００nm成長した。その後、ＭｇドープＧａＩｎＰからなるコンタクト層１２を成長した。次に、基板温度を５００℃から６００℃の範囲まで下げたのちに、ＺｎドープＧａＡｓキャップ層１３を成長した。また、ｐ型クラッド層９中にＭｇドープＧａＩｎＰ層からなるエッチングストップ層１４を設けた。エッチングストップ層１４の厚さは１０nmで、ｐ型クラッド層９を２００nm成長させた後に成長した。

ＧａＡｓバッファ層６のキャリア濃度は、１．４×１０¹⁸cm^-3、ｎ型クラッド層７のキャリア濃度は６．０×１０¹⁷cm^-3とした。ｐ型クラッド層９、１１、ＧａＩｎＰコンタクト層１２およびエッチングストップ層１４のキャリア濃度は１．２×１０¹⁸cm^-3、ｐ型クラッド層１０のキャリア濃度は１．０×１０¹⁷cm^-3とした。ＧａＡｓキャップ層１３のキャリア濃度は１．５×１０¹⁹cm^-3とした。

以上のようにして、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザダイオード用エピタキシャルウェハＡを作製した（図４）。

比較のために、上記ｐ型クラッド層２０の第一部分９、第二部分１０、第三部分１１をすべてＭｇドープ（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなるｐ型クラッド層１５としたＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザダイオード用エピタキシャルウェハＢを作製した（図５）。

上記実施例に係るＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザダイオード用エピタキシャルウェハＡ（以下、ＬＤ_epi−Ａと記す）と、比較例に係る半導体レーザダイオード用エピタキシャルウェハＢ（以下ＬＤ_epi−Ｂと記す）の活性層近傍での２次イオン分析（ＳＩＭＳ）の結果を図６、図７にそれぞれ示す。ＬＤ_epi−Ａでは、活性層内でのＭｇ濃度は十分に低いのに、ＬＤ_epi−ＢではＭｇの拡散により活性層内でのＭｇ濃度が高くなっていることが確認できた。これはＬＤ_epi−Ａでは先に述べたＭｇとＺｎの相互拡散が起こっており、ＭｇがＺｎのある層へ拡散し易い為に、Ｍｇの活性層への拡散が抑制されたものと考えられる。

ＬＤ_epi−Ａ、Ｂをそれぞれｐ型クラッド層９の途中までエッチングをし、フォトルミネッセンス（ＰＬ）測定をしたところ、活性層での発光スペクトル半値幅はＬＤ_epi−Ａ、Ｂでそれぞれ７．２nm、１２．２nmとなった。この結果はＬＤ_epi−Ｂに対してＬＤ_epi−Ａの方が活性層内での不純物濃度が低いことを示しており、図６、７のＳＩＭＳ結果と合致する。

半導体レーザ素子の実施例として、図８に示す断面構造の半導体レーザダイオードを作製した。

上記半導体レーザダイオードエピタキシャルウェハＬＤ_epi−ＡおよびＬＤ_epi−ＢのＧａＡｓキャップ層１３上に、それぞれ酸化シリコン膜を０．２μｍ堆積した。その後、この酸化シリコン膜をフォトリソグラフィー技術により、幅１．６μｍのストライプ状とした。このストライプ状の酸化シリコン膜をマスクとして、硫酸＋過酸化水素系のエッチング液を用いてＧａＡｓキャップ層１３を、硫酸系のエッチング液を用いてｐ型クラッド層をエッチングストップ層１４まで選択エッチングし、リッジ構造を形成した。

その後、ＭＯＶＰＥ装置を用いて、酸化シリコン膜を利用してＬＤ_epi−ＡおよびＢ上にｎ型ＡｌＩｎＰ電流ブロック層１６を成長した。そしてＭＯＶＰＥ装置内から取り出したＬＤ_epi−ＡおよびＢ上の酸化シリコンマスクを、有機溶剤を用いて除去した。最後に、基板裏面とＧａＡｓキャップ層１３とｎ型ＧａＩｎＰ電流ブロック層１６上にオーミック電極１７をそれぞれ形成した。

このようにして、半導体レーザを得た。チップの幅は４００μｍとし、共振長を１０００μｍとした。レーザ端面は端面破壊を抑制する為にＺｎ拡散処理を行なった。（以下、ＬＤ_epi−Ａから作製した半導体レーザをＬＤ−Ａ、ＬＤ_epi−Ｂから作製した半導体レーザをＬＤ−Ｂと称す。）（図８）
このそれぞれのレーザチップについて、２５℃で連続通電試験を行いその特性を調べた。１４０ｍＷ出力時の閾値電流（Ｉｔｈ）はそれぞれ６２．３ｍＡ、７０．２ｍＡとなった。また、動作電流（Ｉ_op）は、ＬＤ−ＡとＬＤ−Ｂでそれぞれ１５９ｍＡ、２３６ｍＡとなった。８０℃で同様の試験をしたところＬＤ−Ａでは閾値電流が８２．６ｍＷで動作電流が２２０．２ｍＡであったのに対して、ＬＤ−Ｂでは閾値電流が９２．６ｍＷで動作電流は出力が１４０ｍＷに到達する前にキンクが発生してしまった。ＬＤ−Ａ、ＬＤ−Ｂそれぞれのキンクフリー出力はそれぞれ、２３０ｍＷ、１２３ｍＷであった。

以上のことから、ｐ型クラッド層がＭｇドープＡｌＧａＩｎＰ層からなるＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザダイオードにおいて、ｐ型クラッド層内の一部分をＺｎドープＡｌＧａＩｎＰ層とすることによって、ｐ型クラッド層にＭｇを高濃度ドーピングしても活性層へのＭｇ濃度を低減出来ることが分かった。その結果、高出力動作時において閾値電流および動作電流を低減出来ることに成功した。また、８０℃での高温動作特性も良好である事が確認された。

本発明におけるｐ型クラッド層の断面構造を示した図である。 ＭｇドープＡｌＧａＩｎＰ層１μｍ上にアンドープＡｌＧａＩｎＰ層１μｍ成長させたサンプルの２次イオン分析（ＳＩＭＳ）結果を示した図である。 ＭｇドープＡｌＧａＩｎＰ層１μｍ上にＺｎドープＡｌＧａＩｎＰ層１μｍ成長させたサンプルの２次イオン分析（ＳＩＭＳ）結果を示した図である。 本発明の実施例における半導体レーザダイオードエピタキシャルウェハの断面構造の概略図である。 従来の半導体レーザダイオードエピタキシャルウェハの断面構造を示した概略図である。 本発明の実施例における半導体レーザダイオードエピタキシャルウェハの２次イオン分析（ＳＩＭＳ）結果を示した図である。 本発明の実施例における比較例としての従来技術により作製した半導体レーザダイオードエピタキシャルウェハの２次イオン分析（ＳＩＭＳ）結果を示した図である。 本発明の実施例における半導体レーザ素子の断面構造を示した概略図である。 従来の半導体レーザダイオードの構造を示す図である。

符号の説明

１ 活性層
２ 第一部分（ＭｇドープＡｌＧａＩｎＰ層）
３ 第二部分（ＺｎドープＡｌＧａＩｎＰ層）
４ 第三部分（ＭｇドープＡｌＧａＩｎＰ層）
５ ＧａＡｓ基板
６ ｎ型ＧａＡｓバッファ層
７ ｎ型クラッド層（ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層）
８ 活性層
９ ＭｇドープＡｌＧａＩｎＰ層（ｐ型クラッド層の第一部分）
１０ ＺｎドープＡｌＧａＩｎＰ層（ｐ型クラッド層の第二部分）
１１ ＭｇドープＡｌＧａＩｎＰ層（ｐ型クラッド層の第三部分）
１２ ＧａＩｎＰコンタクト層
１３ ＧａＡｓキャップ層
１４ エッチングストップ層
１５ ＭｇドープＡｌＧａＩｎＰ層（ｐ型クラッド層）
１６ ｎ型ＡｌＩｎＰ電流ブロック層
１７ オーミック電極
２０ ｐ型クラッド層

Claims (6)

1. ｎ型基板上に、少なくともｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層を順次積層した半導体発光素子用の化合物半導体ウェハにおいて、
   上記ｐ型クラッド層が、活性層側から、成長時にＭｇがドープされた第一部分と、成長時にＺｎがドープされた第二部分と、成長時にＭｇがドープされた第三部分とを有することを特徴とする化合物半導体ウェハ。
2. ｎ型基板上に、少なくともｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層を順次積層し、ｐ型クラッド層がＡｌＧａＩｎＰ層から成る半導体発光素子用の化合物半導体ウェハにおいて、
   上記ＡｌＧａＩｎＰ層から成るｐ型クラッド層が、活性層側から、成長時にＭｇがドープされた第一部分と、成長時にＺｎがドープされた第二部分と、成長時にＭｇがドープされた第三部分とを有することを特徴とする化合物半導体ウェハ。
3. 請求項１又は２記載の化合物半導体ウェハにおいて、
   上記第一部分、第二部分および第三部分について、各部分の成長中にエピタキシャルウェハ内に取り込まれるｐ型不純物原子の数を、それぞれＰ１、Ｐ２、Ｐ３と表した場合に、
   Ｐ１≧Ｐ３＞Ｐ２
   の関係を持つようにドーピングされていることを特徴とする化合物半導体ウェハ。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の化合物半導体ウェハにおいて、
   上記ｐ型クラッド層の第一部分と第三部分がその成長時に１×１０¹⁸cm^-3よりも高いキャリア濃度にドーピングされていることを特徴とする化合物半導体ウェハ。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の化合物半導体ウェハにおいて、
   上記ｐ型クラッド層の活性層側に近い第一部分中にエッチングストップ層を設けたことを特徴とする化合物半導体ウェハ。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の化合物半導体ウェハを用いて作製したことを特徴とするレーザダイオード。

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