JP3129736B2 - 原子層エピタキシーおよびマイグレーションエンハストエピタキシーにより成長した量子井戸を有するｉｉ−ｖｉ族レーザダイオード - Google Patents

原子層エピタキシーおよびマイグレーションエンハストエピタキシーにより成長した量子井戸を有するｉｉ−ｖｉ族レーザダイオード

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Description

【発明の詳細な説明】 ミネソタ州セントポールの3M社が行った研究は、世界
で始めてII−VI族半導体材料で実際にレーザダイオード
を作製したことで一躍脚光を浴びた。この種のデバイス
（装置）は光スペクトルの青緑の部分に属する490nmの
コヒーレント光を放出する。このデバイスについては、
Haaseらの論文“Short Wavelength II−IV Laser Diode
s（短波長II−VI族レーザダイオード）”（Conference
Proceedings for Gallium Arsenide and Related Compo
unds,1991,Institute of Physics Conference Series,N
o.120,pp9−16）に一般的な説明がされている。
上記のレーザダイオードにおける発光（活性）層とし
ては、従来の分子線エピタキシー（MBE）法により成長
した歪CdxZn1-xSe単一量子井戸（single quantum well
s）がある。ただしこの方法は、任意のCdZnSe合金の組
成と厚さを制御し難いという欠点がある。発光効率（lu
minescence efficinecy）もあまり良くない。このよう
な性質があるため、この種のデバイスは全体としての効
率に限界がある。
Journal of Crystal Growth,Vol.101,No.1−4,1 Apri
l 1991,pp.81−85には、MBE装置を作動させて基板上に
量子井戸活性層を成長させる方法およびフォトルミネセ
ンスII−VI族構造の作製について開示されている。同様
にEP−Ａ−0284031にはMBEによる成長方法が開示されて
いる。
一方、レーザダイオードの性能を向上させることが常
に求められている。商品として広く普及するには、高い
強度の光束を室温で効率良く発生する能力のあるデバイ
スでなければならない。また、このような特性を持つレ
ーザダイオードの製造技術も必要である。
本発明は、レーザダイオードのようなII−VI族化合物
半導体エレクトロルミネセンス（EL発光）デバイスのた
めの半導体基体上に量子井戸活性層を成長させる方法で
あって、チャンバと、成長原料としてII族元素を少なく
とも一種およびVI族元素を少なくとも一種とを用いるタ
イプの分子線エピタキシー（MBE）装置を作動させる改
良された方法である。上記MBEチャンバ内で、基体と、I
I−VI族半導体デバイスの既に成長済の層とを加熱す
る。このチャンバ内にII族元素とVI族元素とを交互に注
入することにより、II族元素の単原子層（monolayer）
とVI族元素の単原子層とが少なくとも１層づつ積層した
量子井戸を成長させる。一つの具体例としては、基体と
半導体デバイスの成長済み層とを約150℃の温度に加熱
しつつ、チャンバ内にCd、ZnおよびSeを交互に注入する
ことにより、記号［（CdSe）１（ZnSe）２］３で表され
るCdSe/ZnSe系短周期歪超格子（SPSLS）量子井戸層を含
むレーザダイオード活性層を作製する。この方法を用い
て作製したレーザダイオードの原型（プロトタイプ）
は、発明の背景の章で説明したものに比べて室温におけ
るフォトルミネセンス（PL発光）強度およびエレクトロ
ルミネセンス（EL発光）強度が高いだけでなく、より低
い域値電流で作動する。
図１は本発明によるII−VI族半導体レーザダイオード
の構造を示す横断面図である（各部の寸法比は実際とは
異なる）。
図２は、図１に示したタイプのレーザダイオードにつ
いて、損失係数（α）と光学モードの半値全幅（FWHM）
との積を光ガイド層の厚さの関数として示すグラフであ
る。
図３は、本発明によるレーザダイオードを作製するの
に用いることができる分子線エピタキシー（MBE）装置
を示す。
図４は、図１に示した量子井戸層の断面の詳細を示
す。
図５は、本発明によるレーザダイオードの活性層を作
製するために図３に示したMBE装置で行うシャッター操
作手順のグラフである。
図６は、本発明により作製したレーザダイオードの量
子井戸の断面の高解像度透過電子顕微鏡写真である。
図１に、本発明によるII−VI族化合物半導体レーザダ
イオード10（すなわちEL発光デバイスの一種）の概略を
示す。レーザダイオード10の内部では、短周期歪超格子
（short−period strained−layer superlattice:SPSL
S）量子井戸層12が、ｎ型ZnSe光ガイド層14およびｐ型Z
nSe光ガイド層16に挟まれている。以下に詳細に説明す
るように、量子井戸層12は原子層エピタキシー法（atom
ic layer epitaxy:ALE）やマイグレーションエンハンス
トエピタキシー法（migration enhanced epitaxy:MEE）
によって成長した高効率活性層である。レーザダイオー
ド10は、ｎ型GaAs基板18上に作製されており、この基板
14とガイド層14との間にｎ型ZnSeオーミックコンタクト
層19が設けられている。ｐ型ZnSeオーミックコンタクト
層20がｐ型ガイド層16上に形成されている。オーミック
コンタクト層20の光ガイド層16とは反対側の表面は、ポ
リイミド絶縁層22に覆われている。絶縁層22にはストラ
イプ状開口部があって、この開口部内に形成されたAu電
極24により、ｐ型オーミックコンタクト層20との電気的
コンタクトが行われる。リード線のボンディングを容易
にするために、絶縁層22を覆う形で薄いTi層26と最上部
Au層28が設けてある。レーザダイオード10下部の電気的
コンタクトは、基板18のｎ型オーミックコンタクト層19
とは反対側の表面上に設けたIn電極30で行う。
レーザダイオード10の原型では、光ガイド層14および
コンタクト層19は共にClでｎ型にドープしてある。この
原型では、光ガイド層16およびオーミックコンタクト層
20はＮでｐ型にドープしてある。下側光ガイド層14は正
味濃度１×1017cm-3にドナーをドープしてあり、上側光
ガイド層16は正味濃度２×1017cm-3にアクセプターをド
ープしてある。この態様においては、ｎ型光ガイド層14
は厚さ2.0μｍ、ｐ型光ガイド層16は厚さ1.5μｍであ
る。この態様の場合、自由キャリアの吸収と散乱に起因
する損失は8cm-1と見積もられる。量子井戸層12はデバ
イスの損失特性および光閉じ込め特性に及ぼす影響が比
較的小さいので、その存在は上記設計では無視してい
る。理論的には、導波路の総厚さが2.0μｍより小さい
と、基板18および電極24での吸収損失が大きくなり過ぎ
る。厚さ2.5μｍの場合、基板および電極による吸収損
失は11.7cm-1である。一方、この光学モードのFWHMは導
波路厚さの丁度半分程度であることが分かった。したが
って、厚さが６μｍより大きくなると、光閉じ込め効果
が非常に弱くなるため、単一量子井戸層12では損失を上
回る利得を供給することは実際上無理である。最大モー
ド利得は導波路モードのFWHMに反比例する。導波路の厚
さが６μｍの場合は、FWHMは約３μｍであり、単一量子
井戸によるモード利得は12cm-1と見積もることができ
る。参考文献としては、たとえばN.K.Dutta,Journal of
Applied Physics,vol.53,p.7211（Nov.1982）がある。
図３に、上記レーザダイオード10の原型を作製するた
めに用いる分子線エピタキシー（MBE）装置を図解す
る。このMBE装置のチャンバ54は、高エネルギー電子銃5
8、燐スクリーン60、基板ヒータ90、および光束モニタ6
2を備えている。54のようなMBEチャンバは一般に知られ
ており、市販もされている。
レーザダイオード10の原型は（100）結晶方位を持つS
iドープN+型GaAs基板18上に作製される。このタイプの
基板は市販されている。基板12を従来公知の方法により
クリーニングし準備してから、In半田でモリブデン製試
料ブロック（図３には示さず）に取り付けた後、チャン
バ54内に配置する。図４に示した量子井戸層12を成長さ
せるのに用いる操作手順の一例を図５に示す。一連の反
応種毎のパルス間に特定の遅れ時間を挟むことにより、
余剰の反応体を再び蒸発させる。
図４に示したようなSPSLS量子井戸層を含む原型レー
ザダイオード10は、温度150℃で、熱分解Se（Se2）エフ
ュージョンセル76を用いて成長させる。シャッター操作
手順として、まず最初はSeシャッターを開けておく。単
原子層を少なくとも１層堆積させた後に（約５分後）、
Seシャッターを閉じる。次に、若干の遅れ時間（２秒程
度）をおいて余剰のSeを蒸発させてから、Znシャッター
を開く。次いで、Znの単原子層を少なくとも１層堆積さ
せた後に（約４秒後）、Znシャッターを閉じる。Znシャ
ッターを閉じるた後に若干の遅れ時間（約１秒）をおい
て余剰Znが蒸発する時間を確保してから、Seシャッター
を再び開く。このようにしてシャッターの開閉を交互に
行って成長を続けさせることにより、Cd層、Se層、Zn層
を順次積層してゆく。Cdシャッターを約４秒間開けた
後、遅れ時間を約１秒おいてからSeシャッターを再び開
ける。Seシャッターを開いた状態で開始した手順を繰り
返すことにより、量子井戸層12を完成させる。原型レー
ザダイオード10の量子井戸層12を作製するのに用いるMB
Eチャンバ54の運転条件としては上記の他は下記のとお
りである。
Cdビーム相当圧力:1.33×10-5Pa（1.0×10-7Torr）＊ Znビーム相当圧力:1.33×10-5Pa（1.0×10-7Torr）＊ Se分解部温度:600℃ Se塊蒸発温度:250℃ ＊個々のMBE装置の形とプラズマ源に依存する条件項目 上記の方法で150℃で成長させたSPSLS量子井戸層12を
持つ原型レーザダイオード10は最大の量子効率を示し
た。しかし、最低130℃まで成長温度を低くしても、許
容可能な特性を持つオーミックコンタクト層20を得るこ
とができることが予想される。原型レーザダイオード10
のオーミックコンタクト層20を作製するのに用いるMBE
チャンバ54の上記以外の運転条件は下記のとおりであ
る。
Znビーム相当圧力 :1.33×10-5Pa（1.0×10-7Tor
r）＊ Se分解部温度 :600℃ ＊ Se原料塊蒸発温度 :250℃ ＊ 成長速度 :0.3〜0.6μm/時間 表面処理 :Zn安定化処理 チャンバ内窒素圧力：＞4.66×10-5Pa（3.5×10-7Tor
r）＊ rfパワー :150〜250W ＊個々のMBE装置の形に依存する条件項目 コンタクト層20を成長させたのに次いで、未完成状態
のレーザダイオード10をMBEチャンバ54から取り出す。
電極24は、従来のフォトリソグラフィーおよびリフトオ
フ法を用いて、コンタクト層20上にAuを蒸着した後スト
ライプ状（典型的には幅約20μｍ）にパターニングした
ものである。次いで、電極24およびコンタクト層20の露
出部分を覆うように、絶縁層22を形成する。低温で層を
形成できる絶縁物質としては、ポリイミド系フォトレジ
ストが好ましい。原型レーザダイオード10の作製には、
チバ・ガイギー社のプロビミド408（Probimide408）を
用いた。ポリイミド層22の、電極24の直上のストライプ
状部分（幅約20μｍ）を除去する。これは、現像後キュ
ア以外についてはレジストメーカーの推奨する処理レシ
ピ（手順）を用い、フォトマスクを通したUV露光と現像
とによって行った。現像後のレジストのキュアは、マス
ク・アライナーにより1J/cm2のUVライトでデバイスを全
面照射した後、ホットプレートに載せて空気中で３分間
ベークした。次に、Au電極24の露出表面上とポリイミド
層22上に、Ti−Au層26を蒸着してリードボンディングし
易いようにした。光ガイド層は、ZnSxSe1-x、CdxZn
1-xS、ZnS1-xTex、Zn1-xCdxSe、Zn1-xMgxSySe1-y、また
はCdxZn1-x-yMgySの層を、GaAs、AlAs、GaP、AlxGa1-xA
s、IxGa1-xAs、InxAl1-xAs、InxGa1-xP、InxAl1-xP、Ga
As1-xPx、InxGa1-x-yAlyAs、InxGa1-x-yAlyP、ZnSe、ま
たはZn1-xCdxS等の基板に対して格子適合させたもので
あってもよい。
本願に開示した原型レーザダイオードの作製に用いた
発明の発想は、ALE法やMEE法により多種多様なII−VI族
半導体および合金の活性層やガイド層を作製するのによ
く適している。これらの例としては、ZnSe、ZnTe、ZnSe
Te、CdS、CdZnSeTe、MgZnSe、CdZnS、ZnSTeおよびCdZnT
eがある。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 チェン，フワ アメリカ合衆国，ミネソタ 55133― 3427，セントポール，ポスト オフィス ボックス 33427（番地なし) (72)発明者 デパイト，ジェームズ エム. アメリカ合衆国，ミネソタ 55133― 3427，セントポール，ポスト オフィス ボックス 33427（番地なし) (72)発明者 ハース，マイケル エー. アメリカ合衆国，ミネソタ 55133― 3427，セントポール，ポスト オフィス ボックス 33427（番地なし) (72)発明者 キウ，ジュン アメリカ合衆国，ミネソタ 55133― 3427，セントポール，ポスト オフィス ボックス 33427（番地なし) (56)参考文献 特開 昭63−236387（ＪＰ，Ａ) Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａ ｌ Ｇｒｏｗｔｈ 117（1992）1077

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】CdZnSe量子井戸活性層と、このCdZnSe量子
    井戸活性層に隣接した少なくとも１つのII−VI族半導体
    光ガイド層と、上記CdZnSe量子井戸活性層およびII−VI
    族半導体光ガイド層を取り巻くII−VI族半導体クラッド
    層と、電気エネルギーを上記CdZnSe量子井戸活性層に供
    給する電極とを有するII−VI族化合物半導体レーザダイ
    オードの製造方法であって、上記CdZnSe量子井戸活性層
    を短周期歪み超格子量子井戸活性層として形成するII−
    VI族化合物半導体レーザダイオードの製造方法におい
    て、 Cd源、Zn源およびSe源とを有する分子線エピタキシー装
    置のチャンバ内で、基板と、II−VI族レーザダイオード
    の、既に成長している各層とを加熱し、 上記チャンバ内へ、Cd元素、Zn元素およびSe元素を交互
    に注入し、 上記チャンバ内で、上記基板と上記既に成長している各
    層との上に、Cd単原子層、Zn単原子層およびSe単原子層
    が積層して成る短周期歪み超格子CdZnSe量子井戸活性層
    を成長させる工程を含むII−VI族化合物半導体レーザダ
    イオードの製造方法。
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