JP2012146964A - 半導体基板、半導体基板の製造方法および垂直共振器面発光レーザ - Google Patents

Abstract

【課題】垂直共振器面発光レーザ用の半導体基板におけるｐ型結晶層をＶ／ＩＩＩ比が小さいエピタキシャル条件で形成するとともにｐ型結晶層の電気抵抗を低減する。
【解決手段】垂直共振器面発光レーザ用の半導体基板であって、半導体基板はコンタクト層として機能するｐ型結晶層を有し、ｐ型結晶層が、３−５族化合物半導体からなり、２×１０^１８ｃｍ^−３以上、１×１０^１９ｃｍ^−３以下の濃度の水素原子を含む半導体基板を提供する。ｐ型結晶層として、ｐ型ＧａＡｓ層が挙げられる。ｐ型結晶層が、ｐ型不純物原子として炭素原子を含んでもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体基板、半導体基板の製造方法および垂直共振器面発光レーザに関する。

特許文献１には、ＧａＡｓ基板と、ｎ型の下部ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）と、活性領域と、活性領域上に形成されたｐ型の電流狭窄層と、電流狭窄層上に形成されたｐ型の高濃度ＤＢＲおよびｐ型のＤＢＲとを有するＶＣＳＥＬ（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser）が記載されている。また特許文献１には、ｎ型の下部ＤＢＲ、ｐ型の高濃度ＤＢＲおよびｐ型のＤＢＲは、ＡｌＧａＡｓ層からなる高屈折率層と低屈折率層の対をそれぞれ含むことが記載されている。

特許文献２には、Ｓｉ単結晶基板上に、低温成長ＧａＡｓ層、Ｓｉ原子の拡散を抑止するためのＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ＝０〜０．３）拡散抑止層、および高温成長ＧａＡｓ層をこの順に積層させたＧａＡｓ基板が記載されている。ここでＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ拡散抑止層は、ＭＯＣＶＤ法を用い、原料ガスのアルシン／トリメチルガリウムの圧力比を１０以下として成長させることが記載されている。
特許文献１ 特開２００９−１９４１０３号公報
特許文献２ 特開平５−２３４９０７号公報

垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）の層構成に適合した半導体基板の製造において、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法が用いられる。ＭＯＣＶＤ法によりＧａＡｓ層、ＡｌＧａＡｓ層、ＩｎＧａＡｓ層、ＩｎＧａＡｓＰ層等の３−５族化合物半導体結晶層をエピタキシャル成長させる場合、３族原料ガスとしてＡｌ、Ｇａ、Ｉｎ等の３族原子を含む有機化合物が用いられ、５族原料ガスとしてＡｓ、Ｐ等の５族原子を含む水素化合物が用いられる。３族原料ガス供給量に対する５族原料ガス供給量のモル比（Ｖ／ＩＩＩ比）を小さくすると、３族原料ガスに含まれる炭素原子がエピタキシャル結晶層に取り込まれ、取り込まれた炭素原子がｐ型不純物として機能するので、ＶＣＳＥＬのｐ型ミラー層あるいはｐ型コンタクト層等ｐ型結晶層の形成において都合が良い。

しかし、Ｖ／ＩＩＩ比を小さくして３族原料ガス由来の炭素原子をエピタキシャル結晶層に取り込めば、炭素原子と共に水素原子も結晶層中に取り込まれる。これら水素原子は、ｐ型結晶層の電気抵抗を高め、ＶＣＳＥＬ特性に対し好ましくない影響を与える。本発明の目的は、垂直共振器面発光レーザ用の半導体基板におけるｐ型結晶層をＶ／ＩＩＩ比が小さいエピタキシャル条件で形成するとともに当該ｐ型結晶層の電気抵抗を低減することにある。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様においては、垂直共振器面発光レーザ用の半導体基板であって、半導体基板はコンタクト層として機能するｐ型結晶層を有し、ｐ型結晶層が、３−５族化合物半導体からなり、２×１０^１８ｃｍ^−３以上、１×１０^１９ｃｍ^−３以下の濃度の水素原子を含む半導体基板を提供する。ｐ型結晶層として、ｐ型ＧａＡｓ層が挙げられる。ｐ型結晶層が、ｐ型不純物原子として炭素原子を含んでもよい。

本発明の第２の態様においては、３族原料ガスと５族原料ガスとを用いたＭＯＣＶＤ法により水素原子を有するｐ型結晶層を成長する段階と、ｐ型結晶層を加熱し、ｐ型結晶層内の水素原子濃度を低減する段階と、を有する半導体基板の製造方法を提供する。３族原料ガスが、３族原子に少なくとも１つのアルキル基が結合した３族原子のアルキル化物を含んでも良く、５族原料ガスが、５族原子の水素化物を含んでも良く、ｐ型結晶層を成長する段階において、３族原料ガスのモル供給量に対する５族原料ガスのモル供給量の比（Ｖ／ＩＩＩ比）を０．０１以上１５．０以下に制御することができる。

本発明の第３の態様においては、コンタクト層として機能するｐ型結晶層を有し、ｐ型結晶層が、３−５族化合物半導体からなり、２×１０^１８ｃｍ^−３以上、１×１０^１９ｃｍ^−３以下の濃度の水素原子を含む垂直共振器面発光レーザを提供する。

半導体基板１００の断面例を示す。 垂直共振器面発光レーザ２００の断面例を示す。

図１は、半導体基板１００の断面例を示す。半導体基板１００は、ベース基板１０２、バッファ層１０４、ｎ型積層結晶層１０６、ｉ型積層結晶層１０８、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１１０、ｐ型積層結晶層１１２およびｐ型ＧａＡｓ層１１４を有する。

ベース基板１０２は、その上に形成されるエピタキシャル成長層を支持する支持基板である。ベース基板１０２としてｎ型ＧａＡｓ基板が挙げられる。ベース基板１０２にｎ型ＧａＡｓ基板を用いる場合、ｎ型ＧａＡｓ基板の（１００）面または（１００）面と適当なオフ角を有する面にエピタキシャル成長層が形成される。オフ角は、たとえば２°〜１０°の範囲、好ましくは４〜６°が挙げられる。ｎ型ＧａＡｓ基板にドーピングされる不純物原子としてＳｉ、Ｓｅ、Ｓが挙げられる。ｎ型ＧａＡｓ基板のキャリア濃度は、１×１０^１７ｃｍ^−３〜１×１０^１９ｃｍ^−３の範囲、好ましくは１×１０^１８ｃｍ^−３〜４×１０^１８ｃｍ^−３の範囲が挙げられる。

ベース基板１０２は、サファイア基板、シリコンカーバイド基板、酸化亜鉛基板、または表面がシリコンである基板であってもよい。ここで、「表面がシリコン」とは、少なくとも基板の表面の一部がシリコンで構成されることを意味する。たとえばＳｉウェハのように基板全体がシリコンで構成されていてもよく、ＳＯＩ（ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板のように絶縁層の上にシリコン層を有する構造であってもよい。あるいはサファイア基板、ガラス基板、シリコンカーバイド基板、酸化亜鉛基板、ＧａＡｓ基板等シリコン以外の材料からなる基板上にシリコン層が形成されたものでもよい。エピタキシャル成長層と接するベース基板１０２の材料が半導体である場合には、当該半導体材料にｎ型不純物がドーピングされていることが好ましい。ベース基板１０２の全部または一部がｎ型の伝導型を有することにより、ベース基板１０２に電極を接続できる。例えば半導体基板１００が垂直共振器面発光レーザに用いられた場合、ベース基板１０２にレーザのカソード側電極を接続できる。

バッファ層１０４は、ベース基板１０２の上にエピタキシャル成長により形成されたｎ型３−５族化合物半導体結晶層である。バッファ層１０４は、ベース基板１０２中の欠陥に応じて、ｎ型積層結晶層１０６、ｉ型積層結晶層１０８などにも欠陥が形成されることを抑制する。バッファ層１０４としてｎ型ＧａＡｓ層が挙げられる。バッファ層１０４にｎ型ＧａＡｓ層を用いる場合、ｎ型ＧａＡｓ層の厚さは、１０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲内であることが好ましい。ｎ型ＧａＡｓ層にドーピングされる不純物原子として、Ｓｉ、Ｓｅ、Ｓが挙げられる。ｎ型ＧａＡｓ層のキャリア濃度は、１×１０^１８ｃｍ^−３〜５×１０^１８ｃｍ^−３の範囲内であることが好ましい。

ｎ型積層結晶層１０６は、バッファ層１０４の上にエピタキシャル成長により形成された、複数のｎ型３−５族化合物半導体結晶層からなる積層結晶層である。ｎ型積層結晶層１０６は、半導体基板１００が垂直共振器面発光レーザに用いられた場合に、共振器の一方のミラーであるｎ型ミラー層として機能する。ｎ型積層結晶層１０６は、例えば分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）である。ｎ型積層結晶層１０６は、高屈折率層と低屈折率層を交互に積層した積層構造を複数含んでもよい。高屈折率層と低屈折率層とを複数繰り返して配置することで所定の波長の光の反射率を高くできる。

ｎ型積層結晶層１０６に含まれる低屈折率層として、ｎ型Ａｌ_ｑＧａ_１−ｑＡｓ（０＜ｑ≦１）層が挙げられる。半導体基板１００が垂直共振器面発光レーザに用いられた場合、当該低屈折率層に用いるｎ型Ａｌ_ｑＧａ_１−ｑＡｓ（０＜ｑ≦１）層の厚さは、レーザに要求される発光波長帯に応じて設計される。ｎ型Ａｌ_ｑＧａ_１−ｑＡｓ（０＜ｑ≦１）層のＡｌ組成（ｑ）は、０．８〜１．０の範囲内であることが適切である。ｎ型Ａｌ_ｑＧａ_１−ｑＡｓ（０＜ｑ≦１）層にドーピングされる不純物原子として、Ｓｉ、Ｓｅ、Ｓが挙げられる。ｎ型Ａｌ_ｑＧａ_１−ｑＡｓ（０＜ｑ≦１）層のキャリア濃度は、１×１０^１８ｃｍ^−３〜３×１０^１８ｃｍ^−３の範囲内であることが好ましい。

ｎ型積層結晶層１０６に含まれる高屈折率層として、ｎ型Ａｌ_ｒＧａ_１−ｒＡｓ（０≦ｒ＜１、ｑ＞ｒ）層が挙げられる。ｎ型Ａｌ_ｒＧａ_１−ｒＡｓ（０≦ｒ＜１、ｑ＞ｒ）層のＡｌ組成（ｒ）をｎ型Ａｌ_ｑＧａ_１−ｑＡｓ（０＜ｑ≦１）層のＡｌ組成（ｑ）より小さくすることで、ｎ型Ａｌ_ｒＧａ_１−ｒＡｓ（０≦ｒ＜１、ｑ＞ｒ）層の屈折率をｎ型Ａｌ_ｑＧａ_１−ｑＡｓ（０＜ｑ≦１）層の屈折率より大きくできる。半導体基板１００が垂直共振器面発光レーザに用いられた場合に、当該高屈折率層に用いるｎ型Ａｌ_ｒＧａ_１−ｒＡｓ（０≦ｒ＜１、ｑ＞ｒ）層の厚さは、レーザに要求される発光波長帯に応じて設計される。ｎ型Ａｌ_ｒＧａ_１−ｒＡｓ（０≦ｒ＜１、ｑ＞ｒ）層のＡｌ組成（ｒ）は、０．０〜０．２の範囲内（ただしｎ型Ａｌ_ｑＧａ_１−ｑＡｓ（０＜ｑ≦１）層のＡｌ組成（ｑ）より小さい）であることが適切である。ｎ型Ａｌ_ｒＧａ_１−ｒＡｓ（０≦ｒ＜１、ｑ＞ｒ）層にドーピングされる不純物原子として、Ｓｉ、Ｓｅ、Ｓが挙げられる。ｎ型Ａｌ_ｒＧａ_１−ｒＡｓ（０≦ｒ＜１、ｑ＞ｒ）層のキャリア濃度は、１×１０^１８ｃｍ^−３〜３×１０^１８ｍ^−３の範囲内であることが好ましい。

ｎ型Ａｌ_ｑＧａ_１−ｑＡｓ（０＜ｑ≦１）層とｎ型Ａｌ_ｒＧａ_１−ｒＡｓ（０≦ｒ＜１、ｑ＞ｒ）層との間に、Ａｌ_ｓＧａ_１−ｓＡｓのＡｌ組成（ｓ）を当該層の厚さ方向に連続的に変えたｎ型Ａｌ_ｓＧａ_１−ｓＡｓ（０≦ｓ≦１）層を配置してもよい。ｎ型Ａｌ_ｑＧａ_１−ｑＡｓ層とＡｌ_ｓＧａ_１−ｓＡｓ層との界面において、Ａｌ組成（ｓ）はＡｌ組成（ｑ）と略等しくてよい。ｎ型Ａｌ_ｒＧａ_１−ｒＡｓ層とＡｌ_ｓＧａ_１−ｓＡｓ層との界面において、Ａｌ組成（ｓ）はＡｌ組成（ｒ）と略等しくてよい。Ａｌ組成（ｓ）を連続的に変えることで、ｎ型Ａｌ_ｑＧａ_１−ｑＡｓ（０＜ｑ≦１）層およびｎ型Ａｌ_ｒＧａ_１−ｒＡｓ（０≦ｒ＜１、ｑ＞ｒ）層の間の電気抵抗を低減できる。ｎ型Ａｌ_ｑＧａ_１−ｑＡｓ（０＜ｑ≦１）層およびｎ型Ａｌ_ｒＧａ_１−ｒＡｓ（０≦ｒ＜１、ｑ＞ｒ）層の繰り返し回数は、３０〜６０が好ましい。

ｉ型積層結晶層１０８は、ｎ型積層結晶層１０６の上にエピタキシャル成長により形成された、複数のｉ型３−５族化合物半導体結晶層からなる積層結晶層である。ｉ型積層結晶層１０８は、半導体基板１００が垂直共振器面発光レーザに用いられた場合に、活性層として機能する。ｉ型積層結晶層１０８は、２つのｉ型ＡｌＧａＡｓ層１２０がｉ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ層１２２を挟んで構成した積層結晶層を含む。

ｉ型ＡｌＧａＡｓ層１２０は、半導体基板１００が垂直共振器面発光レーザに用いられた場合に、クラッド層として機能する。半導体基板１００が垂直共振器面発光レーザに用いられた場合に、ｉ型ＡｌＧａＡｓ層１２０の厚さは、レーザに要求される発光波長帯に応じて設計される。ｉ型ＡｌＧａＡｓ層１２０のＡｌ組成は、０．１〜０．９の範囲内であることが適切である。厚さ方向のＡｌ組成を連続的に変化させることによって、ｉ型ＡｌＧａＡｓ層１２０のバンドギャップエネルギが厚さ方向に連続的に変化する。

ｉ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ層１２２は、半導体基板１００が垂直共振器面発光レーザに用いられた場合に、発光層として機能する。ｉ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ層１２２は、ＧａＡｓ層およびＡｌＧａＡｓ層が交互に複数配置された量子井戸構造（ＭＱＷ）を含む。量子井戸構造（ＭＱＷ）は、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ構造に代えて、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ構造、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ構造、ＧａＡｓ／ＧａＡｓＰ構造、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＰ構造、またはＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ構造であってもよい。

半導体基板１００が垂直共振器面発光レーザに用いられた場合に、量子井戸構造（ＭＱＷ）に含まれるＧａＡｓ層の厚さは、レーザに要求される発光波長帯に応じて設計される。量子井戸構造（ＭＱＷ）に含まれるＡｌＧａＡｓ層の厚さは、５ｎｍ〜１２ｎｍの範囲内であることが好ましい。当該ＡｌＧａＡｓ層のＡｌ組成は、０．１〜０．４の範囲内であることが適切である。ＧａＡｓ層およびＡｌＧａＡｓ層の積層構造の繰り返し数は、２〜６の範囲内であることが適切である。

ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１１０は、ｉ型積層結晶層１０８の上にエピタキシャル成長により形成される。ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１１０は、半導体基板１００が垂直共振器面発光レーザに用いられた場合に一部が酸化され、酸化狭窄層として機能する。ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１１０の厚さは、２０ｎｍ〜４０ｎｍの範囲内であることが好ましい。ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１１０のＡｌ組成は、０．９５〜１．０の範囲内であることが適切である。ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１１０にドーピングされる不純物原子として、Ｃ（炭素）、Ｚｎが挙げられる。ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１１０のキャリア濃度は、１×１０^１８ｃｍ^−３〜３×１０^１８ｃｍ^−３の範囲内であることが好ましい。

ｐ型積層結晶層１１２は、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１１０の上にエピタキシャル成長により形成された、複数のｐ型３−５族化合物半導体結晶層からなる積層結晶層である。ｐ型積層結晶層１１２は、半導体基板１００が垂直共振器面発光レーザに用いられた場合に、共振器の他方のミラーであるｐ型ミラー層として機能する。ｐ型積層結晶層１１２は、例えば分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）である。ｐ型積層結晶層１１２は、低屈折率層である第１結晶層１３０と高屈折率層である第２結晶層１３２とを積層した積層結晶層を含む。つまり、第１結晶層１３０または第２結晶層１３２は、ｐ型ミラー層として機能するｐ型積層結晶層１１２の一部を構成する。第１結晶層１３０と第２結晶層１３２を積層した積層構造を複数回繰り返して配置することで所定の波長の光の反射率を高くできる。

第１結晶層１３０として、ｐ型Ａｌ_ｍＧａ_１−ｍＡｓ（０＜ｍ≦１）層が挙げられる。半導体基板１００が垂直共振器面発光レーザに用いられた場合、第１結晶層１３０に用いられるｐ型Ａｌ_ｍＧａ_１−ｍＡｓ（０＜ｍ≦１）層の厚さは、レーザに要求される発光波長帯に応じて設計される。ｐ型Ａｌ_ｍＧａ_１−ｍＡｓ（０＜ｍ≦１）層のＡｌ組成（ｍ）は、０．５〜１．０の範囲内であることが適切であり、特に０．８〜１．０の範囲内であることが好ましい。ｐ型Ａｌ_ｍＧａ_１−ｍＡｓ（０＜ｍ≦１）層にドーピングされる不純物原子として、Ｃ、Ｚｎが挙げられる。ｐ型Ａｌ_ｍＧａ_１−ｍＡｓ（０＜ｍ≦１）層のキャリア濃度は、１×１０^１８ｃｍ^−３〜４×１０^１８ｃｍ^−３の範囲内であることが好ましい。

第２結晶層１３２としてのｐ型Ａｌ_ｎＧａ_１−ｎＡｓ（０≦ｎ＜１、ｍ＞ｎ）層のＡｌ組成（ｎ）をｐ型Ａｌ_ｍＧａ_１−ｍＡｓ（０＜ｍ≦１）層のＡｌ組成（ｍ）より小さくすることで、ｐ型Ａｌ_ｎＧａ_１−ｎＡｓ（０≦ｎ＜１、ｍ＞ｎ）層の屈折率をｐ型Ａｌ_ｍＧａ_１−ｍＡｓ（０＜ｍ≦１）層の屈折率より大きくできる。第２結晶層１３２にｐ型Ａｌ_ｎＧａ_１−ｎＡｓ（０≦ｎ＜１、ｍ＞ｎ）層を用いる場合、ｐ型Ａｌ_ｎＧａ_１−ｎＡｓ（０≦ｎ＜１、ｍ＞ｎ）層の厚さは、レーザに要求される発光波長帯に応じて設計される。ｐ型Ａｌ_ｎＧａ_１−ｎＡｓ（０≦ｎ＜１、ｍ＞ｎ）層のＡｌ組成（ｎ）は、０．０〜０．２の範囲内（ただしｐ型Ａｌ_ｍＧａ_１−ｍＡｓ（０＜ｍ≦１）層のＡｌ組成（ｍ）より小さい）であることが適切である。ｐ型Ａｌ_ｎＧａ_１−ｎＡｓ（０≦ｎ＜１、ｍ＞ｎ）層にドーピングされる不純物原子として、Ｃ、Ｚｎが挙げられる。ｐ型Ａｌ_ｎＧａ_１−ｎＡｓ（０≦ｎ＜１、ｍ＞ｎ）層のキャリア濃度は、１×１０^１８ｃｍ^−３〜４×１０^１８ｃｍ^−３の範囲内であることが好ましい。

第１結晶層１３０と第２結晶層１３２との間に、Ａｌ_ｓＧａ_１−ｓＡｓのＡｌ組成ｓを連続的に変えたｐ型Ａｌ_ｓＧａ_１−ｓＡｓ（０≦ｓ≦１）層を配置してもよい。Ａｌ組成ｓを連続的に変えることで、第１結晶層１３０と第２結晶層１３２の間の電気抵抗を低減できる。第１結晶層１３０および第２結晶層１３２の繰り返し回数は、１０〜３０が好ましい。

ｐ型ＧａＡｓ層１１４は、ｐ型積層結晶層１１２の上にエピタキシャル成長されたｐ型３−５族化合物半導体結晶層である。ｐ型ＧａＡｓ層１１４は、他のｐ型半導体層を含んでもよい。ｐ型ＧａＡｓ層１１４は、半導体基板１００が垂直共振器面発光レーザに用いられた場合に、コンタクト層として機能する。ｐ型ＧａＡｓ層１１４の厚さは、１０ｎｍ〜４０ｎｍの範囲内であることが好ましい。ｐ型ＧａＡｓ層１１４にドーピングされる不純物原子として、Ｃ、Ｚｎが挙げられる。ｐ型ＧａＡｓ層１１４のキャリア濃度は、４×１０^１９ｃｍ^−３〜１×１０^２０ｃｍ^−３の範囲内であることが好ましい。

ｐ型ＧａＡｓ層１１４は、本発明におけるｐ型結晶層に相当する。すなわち、ｐ型ＧａＡｓ層１１４は、３−５族化合物半導体からなり、２×１０^１８ｃｍ^−３以上、１×１０^１９ｃｍ^−３以下の濃度の水素原子を含む。また、ｐ型ＧａＡｓ層１１４は、ｐ型不純物原子として炭素原子を含む。なお、図１において、ｐ型ＧａＡｓ層１１４を設けずに、第２結晶層１３２のキャリア濃度を高くして、これをコンタクト層として用いてもよい。この場合には、第２結晶層１３２が本発明におけるｐ型結晶層に相当する。

ｐ型ＧａＡｓ層１１４をエピタキシャル成長させる場合、結晶層表面の平坦性を高めるため、３族原料ガス供給量に対する５族原料ガス供給量のモル比（Ｖ／ＩＩＩ比）が比較的大きい条件を選択する。一方、Ｖ／ＩＩＩ比を小さくすると、３族原料ガスに含まれる炭素原子が結晶層に取り込まれるようになり、結晶層に取り込まれた炭素原子がｐ型不純物として機能するようになる。ｐ型ＧａＡｓ層１１４等のｐ型結晶層の場合、Ｖ／ＩＩＩ比の小さなエピタキシャル成長条件を選択すれば、結晶層中にｐ型不純物である炭素原子が取り込まれ、ｐ型結晶層の抵抗率が低減でき、あるいはｐ型結晶層の抵抗率が制御しやすくなる。

ところが、Ｖ／ＩＩＩ比を小さくして３族原料ガス由来の炭素原子をｐ型結晶層に取り込めば、炭素原子に付随して水素原子もｐ型結晶層に多く取り込まれることになる。これら水素原子は、ｐ型不純物である炭素原子を不活性化する。不活性化した炭素原子は、ｐ型不純物として機能しないので、同一レベルの炭素原子がドープされたｐ型結晶層と比較すれば、正孔濃度が低くなる。また、炭素原子はそれ自体が正孔を散乱させる因子になるので、不活性化した炭素原子の比率が大きい結晶層では、同一レベルの正孔濃度を有する結晶層と比較して正孔移動度が小さくなる。正孔濃度の低下あるいは正孔移動度の低下は、ｐ型結晶層の電気抵抗を増加させ、ＶＣＳＥＬとして構成した場合の特性を劣化させることになる。

本実施形態の半導体基板１００において、ｐ型結晶層であるｐ型ＧａＡｓ層１１４に含まれる水素原子の濃度範囲は、２×１０^１８ｃｍ^−３以上、１×１０^１９ｃｍ^−３以下である。水素原子の濃度が１×１０^１９ｃｍ^−３以下であれば、ｐ型ＧａＡｓ層１１４に含まれる炭素原子が活性化される割合がより大きくなり、正孔濃度をより高くすることができる。この結果、電気抵抗をより小さくすることができる。また、不活性化される炭素原子の数が相対的に少なくなるので、正孔移動度を低下させる因子が少なく、その結果、電気抵抗をより小さくすることができる。

一方、水素原子の濃度が２×１０^１８ｃｍ^−３以上であれば、ｐ型ＧａＡｓ層１１４の結晶性がより向上し、電気抵抗の上昇を抑えることができる。水素原子濃度を２×１０^１８ｃｍ^−３未満の非常に低い値にするには、ｐ型ＧａＡｓ層１１４を成長した後に、高温、または、長時間で熱処理する必要があるが、高温または長時間での熱処理は、ｐ型ＧａＡｓ層１１４の膜中に存在する水素原子を強制的に脱離させることになる。なお、ｐ型ＧａＡｓ層１１４の膜中に存在している水素原子は、Ｃ−Ｈ結合を形成した状態で安定に存在していると推察される。このため、水素原子を強制的に離脱させると、安定なＣ−Ｈ結合を高いエネルギーで切断することとなり、Ｃ原子のダングリングボンドを発生させると考えられる。Ｃ原子のダングリングボンドは、ｐ型ＧａＡｓ層１１４の結晶性を悪化させ、かえってｐ型ＧａＡｓ層１１４の電気抵抗を上昇させることとなる。

ｐ型ＧａＡｓ層１１４の水素原子濃度を２×１０^１８ｃｍ^−３未満の非常に低い値にする方策として、ｐ型ＧａＡｓ層１１４を成長させる段階での原料ガスとして、５族原子の有機化合物を使うことも考えられる。しかし、このような方策の場合であっても、不純物混入や欠陥発生により電気抵抗を上昇させることになると考えられる。従って、良好な電気抵抗特性を実現するｐ型ＧａＡｓ層１１４中の水素原子濃度には、適切な範囲が存在することなる。ｐ型結晶層中の水素原子の濃度を前述の範囲とする方法については製造方法において説明する。

なお、ＶＣＳＥＬを構成するｐ型結晶層のうち、コンタクト層として機能するｐ型ＧａＡｓ層１１４は、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１１０と比較して、Ｖ／ＩＩＩ比がより小さい条件でのエピタキシャル成長で形成する。この場合のＶ／ＩＩＩ比として、０．０１以上１５．０以下が挙げられる。Ｖ／ＩＩＩ比が小さいと、エピタキシャル結晶層に炭素原子とともに水素原子が多く取り込まれるようになるので、ｐ型ＧａＡｓ層１１４を本発明のｐ型結晶層とする効果が大きい。

半導体基板１００の製造方法は、以下のとおりである。ベース基板１０２を用意し、ベース基板１０２上にバッファ層１０４、ｎ型積層結晶層１０６、ｉ型積層結晶層１０８、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１１０、ｐ型積層結晶層１１２およびｐ型ＧａＡｓ層１１４を順次エピタキシャル成長させる。

エピタキシャル成長にはＭＯＣＶＤ法を用いる。ＭＯＣＶＤ法に用いる３族原料ガスは、３族原子に少なくとも１つのアルキル基が結合した３族原子のアルキル化物を含む。３族原料ガスとして、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）が挙げられる。５族原料ガスは、５族原子の水素化物を含む。５族原料ガスとして、ＡｓＨ_３（アルシン）、ＰＨ_３（ホスフィン）が挙げられる。ｎ型不純物ガスとしてＳｉ_２Ｈ_６（ジシラン）が挙げられる。エピタキシャル成長温度は、４００℃〜８００℃の範囲内で制御する。

エピタキシャル成長において、３族原料ガスおよび５族原料ガスの供給量を制御することで各結晶層の組成が制御できる。また、ｎ型不純物ガスの供給量を制御することでｎ型不純物のドーピング量が制御できる。ｐ型不純物のドーピングには、３族原料ガスに含まれる炭素原子のオートドーピングが利用できる。すなわち、３族原料ガスのモル供給量に対する５族原料ガスのモル供給量の比（Ｖ／ＩＩＩ比）が小さい場合には、３族原料ガスのアルキル基に由来する炭素原子がエピタキシャル成長層に混入する。炭素原子はｐ型不純物として機能するので、このようなアルキル基由来の炭素原子の混入を利用し、Ｖ／ＩＩＩ比を制御することでエピタキシャル成長層への炭素原子すなわちｐ型不純物のドーピング量が制御できる。Ｖ／ＩＩＩ比を小さくすれば、高価な５族原料ガスが節約でき、製造コストが低減できる。

ｐ型ＧａＡｓ層１１４をエピタキシャル成長により形成する段階では、Ｖ／ＩＩＩ比を小さくし、オートドーピングによりｐ型不純物である炭素原子を混入させる。ただし、Ｖ／ＩＩＩ比が小さいので、エピタキシャル成長が終了した段階のｐ型ＧａＡｓ層１１４には、炭素原子とともに水素原子が多く混入している。そこで、ｐ型ＧａＡｓ層１１４のエピタキシャル成長が終了した段階で、エピタキシャル成長されたｐ型ＧａＡｓ層１１４を加熱し、ｐ型ＧａＡｓ層１１４内の水素原子濃度を低減する。

ｐ型ＧａＡｓ層１１４を形成する段階とｐ型ＧａＡｓ層１１４内の水素原子濃度を低減する段階を、同一反応炉において連続して行うことができる。この場合、反応炉へのガスの供給を停止して、反応炉内の雰囲気を減圧状態にすることができる。あるいは、ｐ型ＧａＡｓ層１１４を形成する段階とｐ型ＧａＡｓ層１１４内の水素原子濃度を低減する段階を、反応炉を変えて不連続に行うこともできる。この場合、窒素、アルゴン、ヘリウム等の不活性なガスで反応炉内の雰囲気を置換し、当該不活性ガスを流し続けた状態でｐ型ＧａＡｓ層１１４を加熱できる。反応炉内の雰囲気を減圧状態にし、あるいは、雰囲気を不活性ガスに置換することで、雰囲気中の水素分圧を低く、たとえば水素分子濃度を検出限度以下にすることができる。これにより、ｐ型ＧａＡｓ層１１４内の水素原子濃度を効果的に低減できる。不活性ガスとして窒素が好ましい。

なお、ｐ型ＧａＡｓ層１１４を形成する段階とｐ型ＧａＡｓ層１１４内の水素原子濃度を低減する段階を連続して行う場合あるいは不連続に行う場合の何れの場合であっても、反応炉内に、たとえば水素キャリアガスと５族原料ガスとを流し続けてもよい。この場合、水素キャリアガスと５族原料ガスとを流し続けるので、反応炉内の雰囲気の水素分圧を低くすることができない。よって反応炉内の水素分圧が低い場合と比較して効果が限定的となる。ただし、ｐ型ＧａＡｓ層１１４内の水素原子濃度が高い場合には、水素原子を外部に拡散させ除去することが可能である。

減圧雰囲気でｐ型ＧａＡｓ層１１４を加熱する場合の圧力、加熱温度および加熱時間として、１×１０^−３〜１×１０^３Ｐａ、３００〜６００℃、１〜３０分が挙げられる。窒素雰囲気でｐ型ＧａＡｓ層１１４を加熱する場合の窒素流量、圧力、加熱温度および加熱時間として、１〜２００ＳＬＭ、１×１０^３〜１×１０^５Ｐａ、４００〜７００℃、１〜６０分が挙げられる。水素キャリアガスおよび５族原料ガスの雰囲気でｐ型ＧａＡｓ層１１４を加熱する場合のガス流量、圧力、加熱温度および加熱時間として、Ｈ_２流量が１〜２００ＳＬＭ、５族原料ガス流量が１〜２０００ＳＣＣＭ、１×１０^３〜１×１０^４Ｐａ、５００〜８００℃、１〜６０分が挙げられる。

ｐ型結晶層を成長する段階において、アルキル基由来の炭素原子をドーピングすることに加え、ｐ型不純物ガスを供給することによりｐ型不純物をドーピングすることもできる。ｐ型不純物ガスとしてＣＸ_４−ｙＨ_ｙ（ただし、Ｘはハロゲン原子、ｙは０以上３以下の整数である。）が挙げられ、具体的にはＣＢｒＣｌ_３が挙げられる。他のｐ型不純物ガスとしてジエチル亜鉛（ＤＥＺｎ）が挙げられる。

以上のようにして、半導体基板１００が製造できる。ｐ型ＧａＡｓ層１１４をエピタキシャル成長により形成したさせた後、半導体基板１００を加熱することにより、ｐ型ＧａＡｓ層１１４内の水素原子濃度を２×１０^１８ｃｍ^−３以上、１×１０^１９ｃｍ^−３以下の適切な範囲にすることができる。この結果、ｐ型ＧａＡｓ層１１４内に存在する炭素原子が活性化される割合が増加し、一方でｐ型ＧａＡｓ層１１４の結晶性の低下も防ぐことができるので、ｐ型ＧａＡｓ層１１４の電気抵抗が低下する。コンタクト層として機能するｐ型ＧａＡｓ層１１４の電気抵抗がＶＣＳＥＬ特性に及ぼす影響は大きいので、当該電気抵抗の低下によりＶＣＳＥＬ特性を著しく向上させることができる。

図２は、垂直共振器面発光レーザ２００の断面例を示す。垂直共振器面発光レーザ２００は、ベース基板１０２、バッファ層１０４、ｎ型ミラー層２０６、活性層２０８、酸化狭窄層２１０、ｐ型ミラー層２１２、コンタクト層２１４、電極２１６および酸化層２１８を有する。活性層２０８は、クラッド層２２０および発光層２２２を有する。

ｎ型ミラー層２０６、活性層２０８、酸化狭窄層２１０、ｐ型ミラー層２１２およびコンタクト層２１４の各々は、半導体基板１００のｎ型積層結晶層１０６、ｉ型積層結晶層１０８、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１１０、ｐ型積層結晶層１１２およびｐ型ＧａＡｓ層１１４の各々がメサ加工されて形成されたものである。電極２１６は、コンタクト層２１４に接してドーナツ状に形成された金属層であり、垂直共振器面発光レーザ２００のアノード電極として機能する。酸化層２１８は、メサ加工されたｐ型ＡｌＧａＡｓ層１１０を横方向酸化した酸化層である。活性層２０８は、クラッド層２２０および発光層２２２を含み、クラッド層２２０および発光層２２２の各々は、ｉ型ＡｌＧａＡｓ層１２０およびｉ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ層１２２の各々がメサ加工されて形成されたものである。なお、図示は省略したが、ベース基板１０２の上面または下面にはカソード電極が形成される。メサ加工は、ｎ型ミラー層２０６の途中、たとえばｎ型ミラー層２０６の上部数層程度の深さで停止してもよい。

垂直共振器面発光レーザ２００の製造方法は以下の通りである。半導体基板１００を製造した後、バッファ層１０４、ｎ型積層結晶層１０６、ｉ型積層結晶層１０８、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１１０、ｐ型積層結晶層１１２およびｐ型ＧａＡｓ層１１４をメサ加工する。その後、メサ加工した半導体基板１００を酸化雰囲気に置き、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１１０を横方向酸化して酸化層２１８を形成する。さらに電極２１６となる金属層を蒸着法またはスパッタ法で形成し、フォトリソグラフィ法またはリフトオフ法により金属層をパターニングして電極２１６を形成する。

（実施例１）
オフ角５°のベース基板１０２上に、表１に示す結晶層をエピタキシャル成長させた。３族原料ガスとしてＴＭＧおよびＴＭＡを用いた。５族原料ガスとしてアルシンを用いた。ｎ型不純物ガスとしてジシランを用いた。層番号２〜５のｐ型結晶層ではＶ／ＩＩＩ比が１５以下と小さいので、３族原料ガスのメチル基に由来するＣ原子がｐ型不純物になるが、ｐ型不純物ガスも併用した。ｐ型不純物ガスとしてＣＢｒＣｌ_３を用いた。エピタキシャル成長の反応温度は、５７０℃〜６８０℃の範囲で制御した。なお、層番号１のｐ型ＧａＡｓ層がｐ型ＧａＡｓ層１１４に相当する。層番号３のｐ型ＡｌＧａＡｓ層が第１結晶層１３０に相当する。層番号２のｐ型ＡｌＧａＡｓ層が第２結晶層１３２に相当する。

層番号５から層番号１までの各層の形成工程では、エピタキシャル成長後に熱処理を行った。熱処理の工程は、エピタキシャル成長と同一の反応炉において、エピタキシャル成長の工程と連続して行った。具体的には、エピタキシャル成長の工程後に原料ガスの供給を停止し、エピタキシャル成長させた結晶層を加熱した。加熱温度および加熱時間は、６００℃、２０分とした。

上記のようにして形成した半導体基板にメサ加工を施し、電極を形成して垂直共振器面発光レーザを作成したところ、正常にレーザ発振が観測された。発振のしきい値電流は０．４５ｍＡであった。スロープ効率は０．８８Ｗ／Ａであった。不良率は１．０％であった。

（比較例）
比較例として、ベース基板１０２の上に、表２に示す結晶層をエピタキシャル成長させた。比較例における各層の形成工程は、層番号５から層番号１までの各層において加熱処理を行わなかった点を除き、実施例１と同様である。

上記のようにして形成した半導体基板に、実施例１と同様にメサ加工を施し、電極を形成して垂直共振器面発光レーザを作成したところ、電流上昇させた際に、レーザ出力が低下する素子が発生し、歩留まりが低下した。また、発振のしきい値電流は０．８０ｍＡと実施例１より高く、スロープ効率は０．５２Ｗ／Ａと実施例１より低下した。不良率は１８．９％と実施例１より高かった。

１００ 半導体基板、１０２ ベース基板、１０４ バッファ層、１０６ ｎ型積層結晶層、１０８ ｉ型積層結晶層、１１０ ｐ型ＡｌＧａＡｓ層、１１２ ｐ型積層結晶層、１１４ ｐ型ＧａＡｓ層、１２０ ｉ型ＡｌＧａＡｓ層、１２２ ｉ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ層、１３０ 第１結晶層、１３２ 第２結晶層、２００ 垂直共振器面発光レーザ、２０６ ｎ型ミラー層、２０８ 活性層、２１０ 酸化狭窄層、２１２ ｐ型ミラー層、２１４ コンタクト層、２１６ 電極、２１８ 酸化層、２２０ クラッド層、２２２ 発光層

Claims (6)

1. 垂直共振器面発光レーザ用の半導体基板であって、
   前記半導体基板はコンタクト層として機能するｐ型結晶層を有し、
   前記ｐ型結晶層が、３−５族化合物半導体からなり、２×１０^１８ｃｍ^−３以上、１×１０^１９ｃｍ^−３以下の濃度の水素原子を含む
   半導体基板。
2. 前記ｐ型結晶層が、ｐ型ＧａＡｓ層である
   請求項１に記載の半導体基板。
3. 前記ｐ型結晶層が、ｐ型不純物原子として炭素原子を含む
   請求項１または請求項２に記載の半導体基板。
4. ３族原料ガスと５族原料ガスとを用いたＭＯＣＶＤ法により水素原子を有するｐ型結晶層を成長する段階と、
   前記ｐ型結晶層を加熱し、前記ｐ型結晶層内の水素原子濃度を低減する段階と、
   を有する半導体基板の製造方法。
5. 前記３族原料ガスが、３族原子に少なくとも１つのアルキル基が結合した３族原子のアルキル化物を含み、
   前記５族原料ガスが、５族原子の水素化物を含み、
   前記ｐ型結晶層を成長する段階において、前記３族原料ガスのモル供給量に対する前記５族原料ガスのモル供給量の比（Ｖ／ＩＩＩ比）を０．０１以上１５．０以下に制御する
   請求項４に記載の半導体基板の製造方法。
6. コンタクト層として機能するｐ型結晶層を有し、
   前記ｐ型結晶層が、３−５族化合物半導体からなり、２×１０^１８ｃｍ^−３以上、１×１０^１９ｃｍ^−３以下の濃度の水素原子を含む
   垂直共振器面発光レーザ。

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