JP4534615B2 - レーザダイオード用エピタキシャルウェハ及びレーザダイオード - Google Patents

Description

本発明はＡｌＧａＩｎＰ系のレーザダイオード（ＬＤ）用エピタキシャルウェハに関するものである。

ＡｌＧａＩｎＰ系の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ずることが知られている。

図９に、ＡｌＧａＩｎＰ系の従来の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クラッド層である。２０３はｐ型ＡｌＧａＩｎＰ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２０４、２０６を有する。２０７はｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層である。すなわち、ＡｌＧａＩｎＰ活性層２０５およびノンドープＡｌＧａＩｎＰ層２０４、２０６をｎ型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ｎ型ＧａＡｓ電流ブロック層２１０が形成され、埋め込み成長されている。

上記ＡｌＧａＩｎＰ系のＬＤ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１の部分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２の部分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ＬＤにおいては、ｐ型クラッド層の活性層側の第１の部分に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。また、ｐ型クラッド層中のＺｎが活性層中に入り込むのを防止するためにｐ型クラッド層の第２の部分を活性層から過度に離す必要がないので、ｐ型クラッド層の直列抵抗を十分に低くすることができる。
特開平９−２１９５６７号公報（図１）

上記のように、従来は、ｐ型クラッド層中のＺｎが活性層中に入り込む不都合を防止することのみに注意が払われてきた。しかし、次に述べるように、ｐ型クラッド層よりも上（ｐ側電極側）に位置する層（例えば、コンタクト層やキャップ層など）の中のＺｎがｐ型クラッド層や活性層中に入り込むことも防止すべきである。

発明者の調査によれば、ＡｌＧａＩｎＰ系のＬＤのクラッド層及びコンタクト層のｐ型ドーパントとしてＭｇを用いた場合に、次のような問題が生じることがわかった。

第１に、ＧａＡｓコンタクト層をＭｇドープによって作製する場合に、十分に抵抗の小さいＭｇドープコンタクト層を得ることが困難である。ＧａＡｓコンタクト層としての低抵抗化に必要な３×１０¹⁸〜５０×１０¹⁸cm^-3程度のキャリア濃度を得ようとしても、ＧａＡｓコンタクト層の膜厚方向に均一にＭｇが入らず、ＧａＡｓコンタクト層の成長初期に特にＭｇが入りにくいためである。

図３はＧａＡｓ基板上にキャリア濃度１×１０¹⁹cm^-3のＭｇドープＧａＡｓ層を育成し、これを２次イオン分析（ＳＩＭＳ）により、膜厚方向のＭｇ濃度分布を調べたものである。これから明らかなように、成長初期にＭｇが十分に入っておらず、低抵抗のＭｇドープＧａＡｓ層を得ることが困難であることがわかる。抵抗が高い場合にはレーザ素子を駆動しているときに発熱が大きくなり、その結果、動作電流の上昇や信頼性の低下をもたらす。

第２の問題としては、図４に示すように気相中のＭｇ濃度またはＺｎ濃度（Ｍｇ気相濃度またはＺｎ気相濃度）とキャリア濃度の関係を調べると（Ｍｇ、Ｚｎの取り込み効率を比較すると）、同一のＺｎ気相濃度ではＧａＡｓとＡｌＧａＩｎＰではＧａＡｓの方が遥かにＺｎが入り易いが、同一のＭｇ気相濃度ではＧａＡｓとＡｌＧａＩｎＰではＭｇの入り易さは同程度である。コンタクト層は、電極の大きさにもよるが、良好な電気的接触を得るために１×１０¹⁹cm^-3前後のキャリア濃度が必要である。これに必要なＭｇ原料を供給しながらＭｇドープＧａＡｓ層を成長した場合には、ＬＤの半導体結晶の成長終了後に過剰なＭｇが成長炉内に残留してしまう。これにより次の成長の初期に意図せずにＭｇが半導体結晶中に取り込まれてしまう。特にＭｇは基板とエピタキシャル層との界面付近や、エピタキシャル層同士の界面付近に偏析しやすく、これは素子抵抗を上昇させたり信頼性を損なう原因となってしまい好ましくない。

コンタクト層のｐ型ドーパントとしてＭｇを用いることは前述の問題があるため好ましくない。このため、Ｍｇよりも拡散定数が大きいが高キャリア濃度を得やすいＺｎをドーパントとして、ＺｎドープＧａＡｓをコンタクト層とすればよいと考えられる。また一般にＺｎドープＧａＡｓは従来より広く用いられている。

しかしながら、この場合においては別の問題が発生する。つまり、ｐ型クラッド層（の全部または一部）の成長時にはＺｎを供給せず、III族原料、Ｖ族原料、Ｍｇ原料のみを供給しながら結晶成長したのにもかかわらず、コンタクト層のＺｎがｐ型クラッド層側に異常に拡散し、更には活性層内部まで拡散し、素子特性を著しく劣化させてしまうという問題が生じたのである。

我々は、エピタキシャル層への熱履歴を抑えれば拡散が低減できると予想し、種々の成長温度でコンタクト層を形成し、コンタクト層のＺｎの拡散状況を比較し６００℃以下の成長温度においてＺｎの拡散が著しく抑えられることを見出した（特願２００３−３７１８５８号）。コンタクト層の成長温度とコンタクト層のＺｎが活性層近傍まで異常拡散している様子を２次イオン分析（ＳＩＭＳ）測定を行った結果を図５、図６、図７に示す。図５はコンタクト層の成長温度が５８０℃の場合、図６はコンタクト層の成長温度が６３０℃の場合、図７はコンタクト層の成長温度が６８０℃の場合を示す。

ところが実屈折率導波型のＬＤを製作する場合には、結晶成長は１回だけでなく、リッジ構造とした後、ＡｌＩｎＰ等で埋め込むのが一般的であり、これを６００℃以下で行うのは困難である。このため埋め込み成長時に、ＺｎドープＧａＡｓコンタクト層から生じるＺｎ拡散が問題となっていた。コンタクト層を６００℃以下で成長したエピタキシャルウェハにリッジ形成を行い、成長温度６３０℃でＡｌＩｎＰを埋め込み成長した場合の２次イオン分析結果、つまり埋め込み成長後のエピタキシャル層の活性層近傍の２次イオン分析結果を図８に示す。

本発明は上記課題を解消するためになされたものであり、コンタクト層からのＺｎの拡散による活性層の劣化を防ぐことにより、高密度実装等に適した高温動作用途や高出力用途に適したＡｌＧａＩｎＰ系のＬＤ用エピタキシャルウェハおよびそのＬＤ用エピタキシャルウェハを用いて作製したＬＤ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の発明に係るレーザダイオード用エピタキシャルウェハは、ｎ型ＧａＡｓ基板上に、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、ＡｌＧａＩｎＰ活性層及びｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層からなる発光部と、その上に形成されたｐ型コンタクト層を具備し、上記ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層がマグネシウム（Ｍｇ）ドープｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層からなるレーザダイオード用エピタキシャルウェハにおいて、上記ｐ型コンタクト層を、炭素（Ｃ）が５×１０ ¹⁷ ｃｍ ^-3 以上オートドープされたｐ型ＡｌＧａＡｓ層と、その上に形成された亜鉛（Ｚｎ）ドープｐ型ＧａＡｓ層により構成し、これにより、上記ｐ型コンタクト層の亜鉛（Ｚｎ）ドープｐ型ＧａＡｓ層が、上記ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層であるマグネシウム（Ｍｇ）ドープｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層に隣接しない構造としたことを特徴とする。

これにより、上記ｐ型コンタクト層のＺｎドープｐ型ＧａＡｓ層を、上記ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層であるＭｇドープｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層から離して隣接しない構造とした。

請求項２の発明に係るレーザダイオード用エピタキシャルウェハは、請求項１記載のレーザダイオード用エピタキシャルウェハにおいて、上記炭素（Ｃ）が５×１０ ¹⁷ ｃｍ ^-3 以上オートドープされたｐ型ＡｌＧａＡｓ層のＡｌＡｓ組成が、活性層の発光波長に対し透明であることを特徴とする。

請求項３の発明に係るレーザダイオード用エピタキシャルウェハは、請求項１又は２記載のレーザダイオード用エピタキシャルウェハに、さらにリッジを形成し、ｎ型ＡｌＩｎＰからなる電流ブロック層を埋め込み成長したことを特徴とする。

請求項４の発明に係るレーザダイオードは、請求項３記載のレーザダイオード用エピタキシャルウェハ上に、電極を形成し、切り分けることにより作製したことを特徴とする。

＜発明の要点＞
本発明者は、コンタクト層からのＺｎの拡散はＺｎドープ層とＭｇドープ層が隣接しているためであると推定した。

これを確認するため、ＺｎドープＧａＡｓコンタクト層と、ＭｇドープＡｌＧａＩｎＰ層との間に厚さ１００nmのＣドープＡｌＧａＡｓを具備させたＬＤ用エピタキシャルウェハを製作し、リッジ形成した後、埋め込み成長を行った。

その結果、図２、図８の比較から分かるように、ＣドープＡｌＧａＡｓ層の有無によってＺｎの拡散量が大きく変化することがわかった。つまりＣドープＡｌＧａＡｓ層を具備させることにより、ＺｎドープＧａＡｓ層とＭｇドープＡｌＧａＩｎＰ層が隣接しなければ、Ｚｎの拡散が抑制できることを見出した。

また、このとき、ＣドープＡｌＧａＡｓ層のＣ濃度が５×１０¹⁷cm^-3未満のときは、ＣドープＡｌＧａＡｓ層が無い場合と比較し、直列抵抗成分が１０％以上増加する。直列抵抗成分の増加はレーザダイオードの高出力時の発熱要因となり、高温特性や信頼性の低下をもたらす。このことから、ＡｌＧａＡｓ層のＣ濃度の最適値は５×１０¹⁷cm^-3以上であることがわかった。

本発明によれば、次のような優れた効果が得られる。

まず第１にｐクラッド層がＭｇドープｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層であることにより、拡散定数の大きいＺｎをｐクラッド層の導電性制御に使用する場合と比較して、後工程での熱履歴による活性層の劣化をかなり抑えることができる。

第２にコンタクト層をＣドープｐ型ＡｌＧａＡｓ層と、Ｚｎドープｐ型ＧａＡｓ層の積層構造とし、Ｚｎドープ層とＭｇドープ層が隣接しないようにすることによって、埋め込み成長及び後工程での熱履歴によるコンタクト層からのＺｎ拡散を著しく低減させることができ、また素子抵抗を増加させることもない。これによって出力が大きく信頼性の優れたＬＤを得ることができる。

要するに、本発明によれば結晶中の不純物拡散が少ないことにより、発光出力が大きく信頼性の優れたＡｌＧａＩｎＰ系のＬＤ用エピタキシャルウェハを容易に得ることができる。

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に、この実施の形態に係るＡｌＧａＩｎＰ系のＬＤ用エピタキシャルウェハの構造例を示す。このＬＤ用エピタキシャルウェハは、ｎ型（キャリア濃度１×１０¹⁸cm^-3）ＧａＡｓからなるｎ型基板１上に、ｎ型（キャリア濃度１×１０¹⁸cm^-3）ＧａＡｓからなるｎ型バッファ層２、ｎ型（キャリア濃度１×１０¹⁸cm^-3）ＡｌＧａＩｎＰ層からなるｎ型クラッド層３を順次エピタキシャル成長し、その上にＡｌＧａＩｎＰ系量子井戸からなる活性層４（ＡｌＧａＩｎＰとＧａＩｎＰの多層構造（量子井戸構造）からなる活性層）、さらにＭｇドープｐ型（キャリア濃度１×１０¹⁸cm^-3）ＡｌＧａＩｎＰ層からなるｐ型クラッド層５、ｐ型コンタクト層６を順次成長した、ダブルヘテロ構造を有する。

上記ｐ型コンタクト層６は、Ｃがドープされたｐ型（キャリア濃度１×１０¹⁸cm^-3）ＡｌＧａＡｓ層７と、Ｚｎがドープされたｐ型（キャリア濃度１×１０¹⁹cm^-3）ＧａＡｓ層８の積層構造により構成されており、これによりコンタクト層６の上部（表面部）の構成要素であるＺｎドープｐ型ＧａＡｓ層８を、下部のｐ型クラッド層であるＭｇドープｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層５から離して、両者が隣接しない構造としている。

なおＬＤを作成する場合、ｐ型クラッド層５及びｐ型コンタクト層６はリッジ構造とされ、該リッジ構造の左右にｎ型ＡｌＩｎＰ電流ブロック層が設けられる。

このＬＤ用エピタキシャルウェハを製造するには、ＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長）法により、ｎ型基板１上に、Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層からなるｐ型クラッド層５と、Ｃがドープされたｐ型ＡｌＧａＡｓ層７及びＺｎがドープされたｐ型ＧａＡｓ層８からなるｐ型コンタクト層６を形成する。

ｎ型基板１としてはｎ型ＧａＡｓ単結晶からなる基板を使用し、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。活性層の組成は発光波長に応じて組成を変更しても良く、多層構造（量子井戸構造）からなる活性層のみならず、単層構造の活性層としてもよい。

＜実施例＞
まず、成長炉内にｎ型ＧａＡｓからなるｎ型基板１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からなるｎ型バッファ層２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３、ＡｌＧａＩｎＰ系量子井戸構造からなる活性層４、Ｍｇドープ（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなるｐ型クラッド層５を形成した。

次に基板温度を５００℃から６００℃の範囲まで下げたのちに、ｐ型コンタクト層６の第一の構成要素であるＣドープＡｌＧａＡｓ層７を成長した。ＣはＶ族原料とIII族原料の比率、成長速度等を調整することにより、原料ガスからオートドープされるようにした。さらにｐ型コンタクト層６の第二の構成要素であるＺｎドープＧａＡｓ層８を成長した。

ｐ型クラッド層５のキャリア濃度は１×１０¹⁸cm^-3とした。ｐ型コンタクト層６の第一の構成要素であるＣドープＡｌＧａＡｓ層７のＣ濃度は５×１０¹⁷〜５０×１０¹⁷cm^-3とした。コンタクト層６の第二の構成要素であるＺｎドープＧａＡｓ層８のキャリア濃度は５×１０¹⁸〜３０×１０¹⁸cm^-3とした。

比較のため、ＣドープＡｌＧａＡｓ層７の無いＡｌＧａＩｎＰ系のＬＤ用エピタキシャルウェハ（比較例）も作製した。

次に本発明の効果を確認するため、上記実施例のエピタキシャルウェハにリッジを形成し（図９参照）、６３０℃においてｎ型ＡｌＩｎＰからなる電流ブロック層を埋め込み成長した（図９の電流ブロック層２１０参照）。完成した埋め込み成長済みエピタキシャルウェハについて２次イオン分析（ＳＩＭＳ）を行った結果を図２に示す。

図２と図８の比較から分かるように、ＣドープＡｌＧａＡｓ層７の有無により、ＺｎドープＧａＡｓ層８からのＺｎの拡散状況に大きな差が生じている。ＣドープＡｌＧａＡｓ層７の存在により、明らかにＺｎの拡散を抑制できていることがわかった。

埋め込み成長済みエピタキシャルウェハのｐ型コンタクト層６、電流ブロック層及びｐ型クラッド層５の約半分をウェットエッチングにより除去し、波長４８８nmのアルゴン（Ａｒ）レーザを用いて活性層４のフォトルミネッセンススペクトルを測定したところ、ＣドープＡｌＧａＡｓ層７のあるもの（実施例のエピタキシャルウェハ）では発光スペクトルの半値幅は１０nm以下であったが、ＣドープＡｌＧａＡｓ層７の無いもの（比較例のエピタキシャルウェハ）では１３nm以上となり、ＳＩＭＳでのＺｎ拡散状況と矛盾しない結果が得られた。

すなわちＣドープＡｌＧａＡｓ層７を介在させ、ＺｎドープＧａＡｓ層８とＭｇドープのｐ型クラッド層５を隣接させないことにより、良質な活性層４を有するＡｌＧａＩｎＰ系レーザダイオードが得られた。

また、このようにして得られたＬＤ用エピタキシャルウェハ上に、電極を形成し、切り分けることにより、ＬＤチップを作製したところ、ＣドープＡｌＧａＡｓ層７を具備するものでは閾電流が１２０［ｍＡ］であったのに、ＣドープＡｌＧａＡｓ層７を具備しないものでは２１０［ｍＡ］となり、２次イオン分析や、フォトルミネッセンス測定から得られた活性層品質との関係が明確に現れた。

本発明のレーザダイオード用エピタキシャルウェハの構造を示す断面図である。 本発明のレーザダイオード用エピタキシャルウェハにリッジ形成を行い、成長温度６３０℃でｎ型ＡｌＩｎＰからなる電流ブロック層を埋め込み成長した場合の二次イオン分析結果を示す図である。 厚さ１ミクロンのＭｇドープＧａＡｓ層のＭｇプロファイル（２次イオン分析による）を示す図である。 Ｍｇ、Ｚｎの取り込み効率を比較して示した図である。 コンタクト層の成長温度５８０℃で製作したエピタキシャルウェハの二次イオン分析結果を示す図である。 コンタクト層の成長温度６３０℃で製作したエピタキシャルウェハの二次イオン分析結果を示す図である。 コンタクト層の成長温度６８０℃で製作したエピタキシャルウェハの二次イオン分析結果を示す図である。 コンタクト層を成長温度６００℃以下で製作したエピタキシャルウェハにリッジ形成を行い、成長温度６３０℃でＡｌＩｎＰを埋め込み成長した場合の二次イオン分析結果を示す図である。 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 ｎ型基板
２ ｎ型バッファ層
３ ｎ型クラッド層
４ 活性層
５ ｐ型クラッド層
６ ｐ型コンタクト層
７ ＣドープＡｌＧａＡｓ層
８ ＺｎドープＧａＡｓ層

Claims (4)

1. ｎ型ＧａＡｓ基板上に、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、ＡｌＧａＩｎＰ活性層及びｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層からなる発光部と、その上に形成されたｐ型コンタクト層を具備し、上記ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層がマグネシウムドープｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層からなるレーザダイオード用エピタキシャルウェハにおいて、
   上記ｐ型コンタクト層を、炭素が５×１０ ¹⁷ ｃｍ ^-3 以上オートドープされたｐ型ＡｌＧａＡｓ層と、その上に形成された亜鉛ドープｐ型ＧａＡｓ層により構成し、
   これにより、上記ｐ型コンタクト層の亜鉛ドープｐ型ＧａＡｓ層が、上記ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層であるマグネシウムドープｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層に隣接しない構造としたことを特徴とするレーザダイオード用エピタキシャルウェハ。
2. 請求項１記載のレーザダイオード用エピタキシャルウェハにおいて、
   上記炭素が５×１０ ¹⁷ ｃｍ ^-3 以上オートドープされたｐ型ＡｌＧａＡｓ層のＡｌＡｓ組成が、活性層の発光波長に対し透明であることを特徴とするレーザダイオード用エピタキシャルウェハ。
3. 請求項１又は２記載のレーザダイオード用エピタキシャルウェハに、さらにリッジを形成し、ｎ型ＡｌＩｎＰからなる電流ブロック層を埋め込み成長したことを特徴とするレーザダイオード用エピタキシャルウェハ。
4. 請求項３記載のレーザダイオード用エピタキシャルウェハ上に、電極を形成し、切り分けることにより作製したことを特徴とするレーザダイオード。

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