JP2010027923A

JP2010027923A - 半導体光素子

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Publication number: JP2010027923A
Application number: JP2008188918A
Authority: JP
Inventors: Kenji Sakurai; 謙司櫻井; Noriaki Kaida; 憲明甲斐田
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2008-07-22
Filing date: 2008-07-22
Publication date: 2010-02-04

Abstract

【課題】ｐ型ドーパントの拡散を防止可能な半導体光素子を提供する。
【解決手段】半導体光素子は、ｐ型半導体基板、メサ構造部、半絶縁性半導体埋込層、及び、拡散防止層を備えている。メサ構造部は、ｐ型半導体基板の上に設けられている。また、メサ構造部は、ｐ型半導体基板の上に積層されたｐ型クラッド層、活性層、及びｎ型クラッド層を含んでいる。半絶縁性半導体埋込層には、Ｆｅがドープされている。半絶縁性半導体埋込層は、上記積層の方向に交差する方向においてメサ構造部の両側に設けられている。拡散防止層は、ｐ型ドーパントの拡散を防止するための層である。拡散防止層は、ｐ型半導体基板とメサ構造部の間、及び、ｐ型半導体基板と半絶縁性半導体埋込層との間に設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体光素子に関するものである。

半導体光素子には、特許文献１に開示されたものがある。特許文献１に開示の半導体光素子は、ｎ型ＩｎＰ基板、メサ構造部、Ｆｅドープの半絶縁性のＩｎＰ電流阻止層、及び、拡散防止層を備えている。メサ構造部は、ｎ型ＩｎＰ基板上に設けられており、当該ｎ型ＩｎＰ基板上に順に積層されたｎ型クラッド層、活性領域、Ｚｎドープのｐ型クラッド層を有している。半絶縁性ＩｎＰ電流阻止層は、メサ構造部の両側に設けられている。半絶縁性ＩｎＰ電流阻止層により、半絶縁性ＩｎＰ電流阻止層へのリーク電流を低減し、メサ構造部に電流を集中させることができる。拡散防止層は、ＩｎＡｌＡｓ及び／又はＩｎＧａＡｓから構成されており、電流阻止層とメサ構造部との間、即ち、メサ構造部の側部に接触するように設けられている。ｐ型クラッド層にドープされたＺｎは、半絶縁性ＩｎＰ電流阻止層にドープされたＦｅ不純物と相互拡散し易く、メサ構造部においてｐ型クラッド層と電流阻止層とが直接接触すると、ｐ型クラッド層にドープされたＺｎが、容易に半絶縁性ＩｎＰ電流阻止層に拡散し、半絶縁性ＩｎＰ電流阻止層の抵抗を下げ、リーク電流を増大させることが知られている。この拡散防止層は、ｐ型クラッド層のＺｎが、半絶縁性のＩｎＰ電流阻止層に拡散することを防止している。
特開２００１−３５２１３１号公報

上述したｎ型ＩｎＰ基板に代えて、ｐ型ＩｎＰ基板を用いることが考えられる。このような光半導体素子では、ｐ型ＩｎＰ基板上に、ｐ型クラッド層、活性領域、ｎ型クラッド層を有するメサ構造部が形成される。また、メサ構造部の両側に、Ｆｅドープの半絶縁性のＩｎＰ埋込層が形成される。特許文献１の教示によれば、かかるｐ型ＩｎＰ基板を用いる半導体光素子では、ｐ型クラッド層から半絶縁性の埋込層へのＺｎの拡散を防止するために、メサ構造の側部に拡散防止層を用いることは可能である。

しかしながら、ｐ型基板を用いた半導体光素子では、ｐ型の不純物としてＺｎ不純物がドープされ、このＺｎ不純物が、活性層や埋め込み層へ拡散し、素子特性への影響が無視できないことが、明らかになった。そこで、ｐ型クラッド層から半絶縁性の埋込層へのＺｎの拡散を防止することに加えて、更にｐ型基板からのｐ型ドーパントの拡散を防止する必要性がある。

本発明は、ｐ型ドーパントの拡散を防止可能な半導体光素子を提供することを目的としている。

本発明の半導体光素子は、ｐ型半導体基板、メサ構造部、半絶縁性半導体埋込層、及び、拡散防止層を備えている。メサ構造部は、ｐ型半導体基板の上に設けられている。また、メサ構造部は、ｐ型半導体基板の上に積層されたIII-V族化合物半導体からなるｐ型クラッド層、活性領域、及びｎ型クラッド層を含んでいる。半絶縁性半導体埋込層には、Ｆｅがドープされている。半絶縁性半導体埋込層は、上記積層の方向に交差する方向においてメサ構造部の両側に設けられている。拡散防止層は、ｐ型ドーパントの拡散を防止するためのIII-V族化合物半導体からなる層である。拡散防止層は、ｐ型半導体基板とメサ構造部の間、及び、ｐ型半導体基板と半絶縁性半導体埋込層との間に設けられている。

本半導体光素子によれば、ｐ半導体基板から半絶縁性埋込層へのｐ型ドーパントの直接的な拡散が防止される。また、ｐ型半導体基板とｐ型クラッド層との間のドーパントの濃度差に起因するｐ半導体基板からのｐ型クラッド層を経由するｐ型ドーパントの拡散が防止される。

また、拡散防止層は、ＡｌＩｎＡｓ半導体材料からなり、その厚みが、１００ｎｍ以下であることが好ましい。拡散防止層がメサ構造部とｐ型半導体基板との間に介在することによって抵抗値が増加することがある。この構成の半導体光素子によれば、拡散防止層を１００ｎｍ以下とすることによって、半導体光素子の抵抗値を抑えることが可能となる。

また、拡散防止層に、ｐ型半導体基板内のｐ型ドーパントの濃度より低い濃度で、当該ｐ型ドーパントがドープされていることが好適である。このような濃度でｐ型ドーパントを拡散防止層に含めることによって、拡散防止層の機能、即ち、ｐ型半導体基板からのｐ型ドーパントの拡散を防止するという機能を実現しつつ、半導体光素子の抵抗値の抑制を実現することが可能となる。

また、本発明の半導体光素子は、半絶縁性半導体埋込層と拡散防止層との間に、ｐ型半導体基板から半絶縁性半導体埋込層へのホールの流入を防止するためのｎ型のホール流入防止層を更に備えることが好適である。

以上説明したように、本発明によれば、ｐ型半導体基板からのｐ型ドーパントの拡散を防止可能な半導体光素子が提供される。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。

図１は、一実施形態に係る半導体光素子の断面図である。図１に示す半導体光素子１０は、半導体基板１２、メサ構造部１４、半導体埋込層１６、及び、拡散防止層１８を備えている。

半導体基板１２は、ｐ型のドーパントが高濃度にドープされたｐ型半導体基板である。本例では、半導体基板１２は、３×１０^１８ｃｍ^−３の濃度でＺｎがドープされたＩｎＰ基板である。半導体基板１２の厚みは、例えば、１００μｍである。

メサ構造部１４は、半導体基板１２の一方の主面の側に設けられている。メサ構造部１４は、ｐ型クラッド層２０、活性領域２２、及び、ｎ型クラッド層２４を含んでいる。ｐ型クラッド層２０、活性領域２２、及び、ｎ型クラッド層２４は、半導体基板１２の一方の主面の上に、順に積層されている。

ｐ型クラッド層２０は、ｐ型のドーパントがドープされた半導体層である。本例では、ｐ型クラッド層２０は、８×１０^１７ｃｍ^−３の濃度でＺｎがドープされたＩｎＰ半導体層である。ｐ型クラッド層２０の厚みは、例えば、０．５μｍである。

活性領域２２は、注入される電流により光を発生する領域である。本例では、活性領域２２は、多重量子井戸−分離閉じ込め構造（ＭＱＷ−ＳＣＨ）を有している。即ち、本例の活性領域２２は、活性層２２ａと、当該活性層２２ａの上下に設けられた上部ＳＣＨ層２２ｂ及び下部ＳＣＨ層２２ｃを含んでいる。

活性層２２ａは、例えば、ノンドープのＡｌＧａＩｎＡｓから構成され、その発光波長は、１．３μｍである。また、活性層２２ａの厚みは、例えば、０．１４μｍである。上部ＳＣＨ層２２ｂ及び下部ＳＣＨ層２２ｃは、例えば、ノンドープのＡｌＧａＩｎＡｓから構成されており、これらの厚みは、例えば、４０ｎｍである。

ｎ型クラッド層２４は、ｎ型のドーパントがドープされた半導体層である。本例では、ｎ型クラッド層２４は、８×１０^１７ｃｍ^−３の濃度でＳｉがドープされたＩｎＰ半導体層である。ｎ型クラッド層２４の厚みは、例えば、１．５μｍである。

本例のメサ構造部１４は、コンタクト層２６を更に含んでいる。コンタクト層２６は、ｎ型クラッド層２４上に形成されている。コンタクト層２６は、例えば、１×１０^１９ｃｍ^−３の濃度でＳｉがドープされたＩｎＧａＡｓＰ半導体層であり、後述する上部電極層とのオーミック接触を提供している。コンタクト層２６の厚みは、例えば、０．５μｍである。

半導体埋込層１６は、このメサ構造部１４の両側に設けられている。即ち、半導体埋込層１６は、メサ構造部１４の各層の積層方向に交差する方向において当該メサ構造部１４の両側に設けられている。半導体埋込層１６は、半絶縁性の半導体層であり、例えば、Ｆｅが２×１０^１８ｃｍ^−３の濃度でドープされたＩｎＰ半導体層である。

本半導体光素子１０では、拡散防止層１８が、半導体基板１２と半導体埋込層１６の間、及び、半導体基板１２とメサ構造部１４との間に形成されている。即ち、拡散防止層１８は半導体基板１２の一方の主面上に形成されており、この拡散防止層１８上に、メサ構造部１４及び半導体埋込層１６が形成されている。

拡散防止層１８は、半導体基板１２からｐ型ドーパント（Ｚｎ）が拡散することを防止するための半導体層である。具体的には、拡散防止層１８は、半導体基板１２からｐ型ドーパントが半導体埋込層１６に直接拡散することを防止する。また、拡散防止層１８は、半導体基板１２とｐ型クラッド層２０の間のｐ型ドーパントの濃度差に起因して、半導体基板１２からｐ型ドーパントが、ｐ型クラッド層２０を介して、半導体埋込層１６に拡散すること、また、活性領域２２に拡散することを防止している。

拡散防止層１８は、例えば、ＡｌＩｎＡｓ又はＩｎＧａＡｓから構成し得る。拡散防止層１８の厚みは、２０〜１００ｎｍの範囲にあることが好ましい。これは、ＡｌＩｎＡｓといった材料から構成される拡散防止層１８は、半導体光素子１０の抵抗値を上昇させるからである。ＡｌＩｎＡｓ半導体層が、メサ構造部と半導体埋込層との間に形成された場合は、ＡｌＩｎＡｓ半導体層による抵抗増大は、埋め込み層へのリーク電流をより低減するので、より好適に機能する。しかし、本実施形態においては、拡散防止層１８が半導体基板１２の一方の主面上に形成され、この拡散防止層１８上に、メサ構造部１４が形成されているので、このＡｌＩｎＡｓ半導体層を形成したことによる素子抵抗の増大による素子特性への影響を無視することができない。一例を示すと、ＡｌＩｎＡｓ／ＩｎＰの価電子帯バンドオフセットは１００ｍｅＶ程度であり、したがって、拡散防止層１８は、半導体光素子１０の抵抗値を上昇させ、しきい値電流の増大、発光効率の低下等の特性の劣化を生じることが考えられる。よって、拡散防止層１８の厚みは、１００ｎｍ以下であることが好ましい。ここで、拡散防止層を有していない半導体光素子の抵抗値は、６．５Ωであるのに対して、厚みが１００ｎｍのＡｌＩｎＡｓ拡散防止層１８を有する半導体光素子１０の抵抗値は７．７Ωである。したがって、１００ｎｍ以下の拡散防止層１８であれば、抵抗値の上昇の影響は少ない。また、本願発明者は、２０ｎｍの厚みを有する拡散防止層を含む半導体光素子１０を作成した結果、半導体基板１２からのｐ型ドーパントの拡散は十分に防止されることを、確認している。

拡散防止層１８は、半導体基板１２のｐ型ドーパントの濃度よりも低い濃度で、ｐ型ドーパントを含んでいることも好ましい。例えば、拡散防止層１８には、５×１０^１７〜３×１０^１８ｃｍ^−３の濃度で、ｐ型ドーパント（Ｚｎ）をドープすることができる。拡散防止層１８にｐ型ドーパントを導入することで、半導体基板１２からのｐ型ドーパントの拡散を防止しつつ、半導体光素子１０の抵抗値の上昇を抑制することが可能となる。

また、半導体光素子１０は、絶縁層２８、下部電極３０、及び上部電極３２を更に備えている。絶縁層２８は、半導体埋込層１６上に形成されており、コンタクト層２６上に開口を提供している。絶縁層２８は、例えば、ＳｉＯ_２又はＳｉＮといった材料から構成された層である。上部電極３２は、絶縁層２８上に形成されており、また、絶縁層２８に形成された開口を介してコンタクト層２６上に形成されている。また、下部電極３０は、半導体基板１２の他方の主面上に形成されている。

かかる構成を有する半導体光素子１０は、拡散防止層１８により半導体基板１２からのｐ型ドーパントの拡散を防止できるので、半導体埋込層１６の電流ブロック機能の低下を防止することができる。したがって、半導体光素子１０は、高温特性、高出力特性に優れている。

以下、半導体光素子１０の製造方法について説明する。図２は、一実施形態に係る半導体光素子の製造方法を示す図である。図２は、半導体光素子の製造方法における各工程で製造される生産物の断面を示している。

図２の（ａ）に示すように、本製造方法では、まず、半導体基板１２の上に、拡散防止層１８、ｐ型クラッド層２０、活性領域２２、ｎ型クラッド層２４、及び、コンタクト層２６が順に成長される。これら各層は、例えば、ＭＯＶＰＥ法を用いて成長させることが可能である。なお、活性層２２ａ以外の各層は、半導体基板１２の材料、例えば、ＩｎＰに、格子整合させる。ここで、拡散防止層１８は実質的に平坦な基板１２の主面上に、略一面にわたって形成されるので、その形成は容易である。

次に、図２の（ｂ）に示すように、コンタクト層２６上に、ＳｉＯ_２等の絶縁膜が形成され、当該絶縁膜をマスクとして反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によりメサ構造部１４が形成される。なお、図２の（ｂ）に示すように、本例の製造方法では、拡散防止層１８が露出する前に、ＲＩＥによるエッチングが停止されている。

次いで、図２の（ｃ）に示すように、ＲＩＥエッチング後に残されたメサ構造部１４の両側のｐ型クラッド層２０が、ウェットエッチングにより除去され、拡散防止層１８が露出される。ウェットエッチングには、ｐ型クラッド層２０を選択的にエッチングするエッチャントを用いることができる。したがって、ウェットエッチングによれば、メサ構造部１４の高さのウェハ面内の均一性を高めることができる。かかるエッチャントとしては、例えば、HCl:H3PO4:CH3COOH 溶液を用いることが可能である。なお、メサ構造部１４を形成するためのエッチングには、ウェットエッチングを用いずに、ＲＩＥエッチングのみを用いてもよい。

次いで、本例の製造方法では、図２の（ｄ）に示すように、メサ構造部１４の両側に半導体埋込層１６が埋め込まれる。そして、図２の（ｅ）に示すように、絶縁層２８が形成され、コンタクト層２６上において絶縁層２８に開口が形成される。

最後に、図２の（ｆ）に示すように、半導体基板１２の他方の主面に下部電極３０が形成され、絶縁層２８上及びコンタクト層２６上に上部電極３２が形成される。以上の工程を経て、半導体光素子１０が形成される。

以下、本発明の別の実施形態に係る半導体光素子について説明する。図３は、別の実施形態に係る半導体光素子の断面図である。図３に示す半導体光素子１０Ｂは、拡散防止層１８と半導体埋込層１６との間に、ホール流入防止層３４を備えている点において、半導体光素子１０と異なっている。

ホール流入防止層３４は、ｎ型の半導体層であり、例えば、Ｓｉが８×１０^１７ｃｍ^−３の濃度でドープされたＩｎＰ半導体層である。ホール流入防止層３４の厚みは、例えば、０．１μｍである。

このホール流入防止層３４は、半導体基板１２から半導体埋込層１６へのホールの流入を防止する機能を有している。したがって、ホール流入防止層３４によって、半導体光素子１０Ｂの高温特性、及び、高出力特性が向上される。

ホール流入防止層３４は、メサ構造部１４の形成（図２の（ｃ）を参照）の後に、露出している拡散防止層１８上に成長させることが可能である。なお、このホール流入防止層３４は、活性領域２２には接触させないように形成されることが必要である。

以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はこれら実施の形態に限定されるものでない。例えば、半導体光素子の各層の材料、ドーパントの材料、各層の厚みは、当業者であれば、適宜選択可能である。

一実施形態に係る半導体光素子の断面図である。一実施形態に係る半導体光素子の製造方法を示す図である。別の実施形態に係る半導体光素子の断面図である。

符号の説明

１０，１０Ｂ…半導体光素子、１２…半導体基板、１４…メサ構造部、１６…半導体埋込層、１８…拡散防止層、２０…ｐ型クラッド層、２２…活性領域、２４…ｎ型クラッド層、２６…コンタクト層、２８…絶縁層、３０…下部電極、３２…上部電極、３４…ホール流入防止層。

Claims

ｐ型半導体基板と、
前記ｐ型半導体基板の上に設けられたメサ構造部であって、前記ｐ型半導体基板の上に積層されたIII-V族化合物半導体からなるｐ型クラッド層、活性領域、及びｎ型クラッド層を含む、該メサ構造部と、
前記積層の方向に交差する方向において前記メサ構造部の両側に設けられたＦｅドープの半絶縁性半導体埋込層と、
ｐ型ドーパントの拡散を防止するためのIII-V族化合物半導体からなる拡散防止層であって、前記ｐ型半導体基板と前記メサ構造部の間、及び、前記ｐ型半導体基板と前記半絶縁性半導体埋込層との間に設けられた該拡散防止層と、
を備える、半導体光素子。
前記拡散防止層は、ＡｌＩｎＡｓ半導体材料からなり、その厚みが、１００ｎｍ以下である、請求項１に記載の半導体光素子。
前記拡散防止層に、前記ｐ型半導体基板内のｐ型ドーパントの濃度より低い濃度で、該ｐ型ドーパントがドープされている、請求項１又は２に記載の半導体光素子。
前記半絶縁性半導体埋込層と前記拡散防止層との間に、前記ｐ型半導体基板から前記半絶縁性半導体埋込層へのホールの流入を防止するｎ型のホール流入防止層を更に備える、請求項１〜３の何れか一項に記載の半導体光素子。