JP4894576B2

JP4894576B2 - 半導体光素子の製造方法

Info

Publication number: JP4894576B2
Application number: JP2007068538A
Authority: JP
Inventors: 吉彦花巻; 健一小野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-03-16
Filing date: 2007-03-16
Publication date: 2012-03-14
Anticipated expiration: 2027-03-16
Also published as: TW200840090A; TWI344710B; KR20080084541A; JP2008235329A; CN101267009A; US20080227233A1; KR100912622B1; US7759148B2

Description

本発明は、半導体光素子の製造方法に係り、動作時の素子抵抗値が設計値と一致した半導体光素子を製造するためのものである。

半導体レーザーは光ディスクドライブ、スキャナーやコピー機等に幅広く利用されている。このような半導体レーザーとして特開平１１−３０７８１０号公報に記載の半導体レーザーが提案されている。この半導体レーザーの特徴は以下の二点である。一点目は、コンタクト層とクラッド層との間に両者の中間的なバンドギャップを有する中間バンドギャップ層（以下ＢＤＲ（Band Discontinuity Reduction）層と称する）を導入しバンド不連続緩和による素子抵抗低減を図る事である。二点目はコンタクト層にＣをドープしてコンタクト層と電極との間の接触抵抗を低減する事である。

特開2005-85848号公報特開平10-308551号公報特開2001-144322号公報特開平11-307810号公報

上記従来の半導体レーザーにおいては、ＢＤＲ層にドープした不純物がコンタクト層へ熱拡散する事がある。この熱拡散はコンタクト層の成長時及び、成長後の熱処理が原因で起こる。熱拡散によるＢＤＲ層の不純物密度の低下により、半導体光素子動作時の素子抵抗値が上昇する。結果として動作時の素子抵抗が設計値と一致しないという問題があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、ＢＤＲ層からコンタクト層への不純物の拡散を抑制する事により、動作時の素子抵抗値が設計値と一致する半導体光素子を提供する事を目的とする。

第一導電型であるクラッド層形成のためのクラッド層形成工程と、該クラッド層に接し、該クラッド層形成後に堆積される、第一の不純物がドープされた、第一導電型であるＢＤＲ(Band Discontinuity reduction)層形成のためのＢＤＲ層形成工程と、該ＢＤＲ層に接し、該ＢＤＲ層成長後に堆積される、電極形成のための、該第一の不純物とＣがドープされた、第一導電型であるコンタクト層形成のための、コンタクト層形成工程と、該コンタクト層形成工程後に熱処理を行うための、熱処理工程と、を有することを特徴とする。

本発明により動作時の素子抵抗を設計値と一致させる事が可能である。

実施の形態１
図１は本実施形態における半導体レーザーの構成を説明するための図である。図１の各層に付された番号は図２に示す図表の左端の番号と一致している。図２には各層の名称、材料、ドーパント、キャリア濃度、厚さの情報が記載されている。以下、各層について説明していく。

まず、GaAs基板１上に、ｎ型ドーパントとしてSiがドープされたSi-GaAsからなるバッファー層２が形成される。次いで、同じくSiがドープされたSi-InGaPからなるクラッド層３が形成される。続いて、同じくSiがドープされたSi-AlGaAsからなるクラッド層４が形成されている。ここでバッファー層とは基板上の素子の結晶性を高めるために形成される。クラッド層は主に、ガイド層と量子井戸層のキャリア密度を高める事と、活性層の光の閉じ込めを担う。また、ドーパントとして用いたSiはTe、Se等であっても本発明の効果は変わらない。次いで、ドーパントをドープしないAlGaAsからなるガイド層５が形成される。次いで、同じくドーパントをドープしないAlGaAsからなる井戸層６が形成される。続いて、同じくドーパントをドープしないAlGaAsからなるガイド層７が積層される。ここで井戸層とはキャリア再結合により光が放出される層である。またガイド層とは主に前述の光を活性層に閉じ込めるための層である。

続いて、ｐ型ドーパントとしてZnがドープされたｐ型の導電型であるZn-AlGaAsからなるクラッド層８が形成される。続いて同じくZnがドープされたZn-InGaPからなるクラッド層９が形成される。その後、同じくZnがドープされたZn-AlGaInPからなるクラッド層１０が形成される。次いで、同じくZnがドープされたZn-InGaPからなるＢＤＲ層１１が積層される。その後、CとZnが同時にドープされたp型の導電型であるC-Zn-GaAsからなるコンタクト層１２が形成される。コンタクト層１２にドープされたＣは、良好なオーミック電極をコンタクト層上に形成する事に寄与する。またコンタクト層１２にドープされたZnは主に、ＢＤＲ層１１からのZnの拡散を防止する役割を果たす。

図３は実際の製造工程において本実施形態の半導体レーザーを製造するフローの一部を説明するための図である。ＭＯＣＶＤ(Metalorganic Chemical Vapor Deposition)法を用いてバッファー層２から各層が順次堆積される。各層を形成するための原材料として、トリメチルインジウム(TMI)、トリメチルガリウム(TMG)、トリメチルアルミニウム(TMA)、フォスフィン(PH3)、アルシン(AsH3)、シラン(SiH4)、ジメチルジンク(DMZn)、ジエチルジンク(DEZn)等が用いられる。これらの材料を水素ガスと混合後、マスフローコントローラ(MFC)などにより流量を制御して成長させることによりバッファー層２からｐ-ＢＤＲ層１１までの各層を得る事ができる（ステップ１００）。ステップ１００で表される各層の結晶成長の際には素子に熱が加わる。次いでｐ-コンタクト層12が成膜される（ステップ１０２）。ステップ１０２においては素子に熱が加わる。コンタクト層12も、基本的には上述の方法で形成されるが、ドーパントとしてCとZnが同時にドーピングされる。Znのｐ-コンタクト層12へのドープは、ジメチルジンク(DMZn)やジエチルジンク(DEZn)を供給する事により行われる。一方Ｃのドープは、成長温度を540℃程度とし、V/III(TMGに対するAsH3の流量比)を１程度とする事により行われる。これは、TMGに元来含まれるメチル基から遊離したＣがGaAs層に取り込まれる事を利用する方法である。このようなＣのドープの方法は公知技術であり、特別な材料の導入を要しない点で優れている。（以後、このドープの方法をIntrinsicドーパント導入法と称する。それに対して本実施形態のZnドープのようにドーパント材料を積極的に添加するドープの方法は、Intentionallyドーパント導入法と称する。）

次いで、ステップ１０４では熱処理が行われる。ステップ１０４の熱処理のいう熱とは、ｐ-コンタクト層の成長後、MOCVD装置からGaAs基板を取り出した後のデバイス作製中に素子に加わる熱である。

本実施形態の構成は上述した通りである。本発明の特徴はｐ-コンタクト層にCの他にZnがドープされている点にある。その意義を説明するために、ｐ-コンタクト層にZnがドープされていない、図４の構成を有する半導体レーザー（以後、比較例と称する）について説明する。比較例の構成が、図２に示す本発明に係る構成と相違する点はｐ-コンタクト層にCの他にZnを有さない点のみである。従って、比較例はｐ-コンタクト層形成工程におけるガス流量比を除いて図３を用いて説明した製造工程と同様の工程により製造される。すなわち、比較例においても図３ステップ１０２で素子に加わる熱およびステップ１０４の熱処理により素子に加わる熱（以後前述した２種類の熱を、工程起因熱と称する。）が存在する事になる。比較例においては、この工程起因熱によりｐ-ＢＤＲ層のドーパントであるZnが、ｐ-コンタクト層へ拡散してしまう事がある。これによりｐ-ＢＤＲ層中のドーパント密度が低下し、素子抵抗が設計から予想される値（以後、設計値と称する）と比較して増大するという問題があった。

図２に示す本実施形態の半導体レーザーは、ｐ-ＢＤＲ層にドープされたドーパントの工程起因熱に起因する拡散を防止する事ができる。この拡散防止はｐ-コンタクト層にＣと共にドープされるドーパント（以後、拡散抑制ドーパントと称する）であるZnによる効果である。すなわち、工程起因熱に起因するｐ-ＢＤＲ層にドープされたZnのｐ-コンタクト層への拡散は、拡散抑制ドーパントであるZnにより抑制される。このような効果を得るためには、拡散抑制ドーパントは、ｐ-ＢＤＲ層にドープされるドーパントと同一である必要がある。ゆえに、本実施形態で拡散抑制ドーパントとしてZnがドープされている。

図２に示す本実施形態の構成によれば、拡散抑制ドーパントの効果によりｐ-ＢＤＲ層のドーパントの拡散を抑制できる。これにより、ｐ-ＢＤＲ層のドーパント密度低下による素子抵抗増大を防止する事ができる。すなわち、素子抵抗を設計値に一致させる事ができる。

なお、ｐ-コンタクト層のキャリア濃度はＣのみの寄与で20.0-40.0(E18/cm3)が好ましい。より好ましくは、拡散抑制ドーパントの量はｐ-ＢＤＲ層のドーピング量と等しい量が良い。しかしながら拡散抑制ドーパントがコンタクト層中に存在していれば、拡散抑制ドーパントの量や拡散抑制ドーパントの分布によらず本発明の効果を得る事ができる。

本実施形態では、ｐ-クラッド層８、ｐ-クラッド層９、ｐ-クラッド層１０、ｐ-ＢＤＲ層１１のドーパント、ｐ-コンタクト層１２の拡散抑制ドーパントはZnとしたが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち前述したZnではなく、図５、図６に示すようにｐ型ドーパントとしてＭｇやＢｅを利用しても本発明の効果を得ることができる。この場合、ＭｇとＢｅはそれぞれシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）、シクロペンタジエニルベリリウム（Ｃｐ２Ｂｅ）によりドープされる。ここで、ＭｇまたはＢｅの場合も、キャリア濃度はＣのみの寄与で20.0-40.0(E18/cm3)が好ましい。より好ましくは、拡散抑制ドーパントの量はｐ-ＢＤＲ層のドーピング量と等しい量が良い。拡散抑制ドーパントがコンタクト層中に存在していれば、拡散抑制ドーパントの量や拡散抑制ドーパントの分布によらず本発明の効果を得る事ができる。

本実施形態では井戸層を１層備える単一量子井戸構造としたが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち複数の井戸層からなる多重量子井戸構造であっても、本発明の効果を得る事ができる。

本実施形態のガイド層５，７と井戸層６はAlGaAsとしたが本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、ガイド層/井戸層/ガイド層からなる量子井戸構造のレーザーの発振波長が775nm-785nm帯であればどんな材料の組み合わせでも本発明の効果を得ることができる。

本実施形態では、クラッド層３の材料は、InGaPとしたが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、クラッド層３の材料はAlGaInPであっても本発明の効果を得る事ができる。

本実施形態ではコンタクト層１３へのＣのドープの方法として前述したIntrinsicドーパント導入法を用いたが本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、コンタクト層１３へ四塩化炭素（CCl4）、四塩化臭素(CBr4)などを供給してＣをドープ（Intentionallyドーパント導入法）しても本発明の効果を得ることができる。

図７は典型的なリッジ導波型レーザーであり、ｐ-ＢＤＲ層５０とｐ-コンタクト層５２を備える。本発明はこのような半導体レーザーに用いてもその効果を得ることができる。また、図８は典型的な電流狭窄構造を有する埋め込み型レーザーであり、ｐ-ＢＤＲ層５４とｐ-コンタクト層５６を備える。本発明はこのような半導体レーザーに用いてもその効果を得ることができる。

本実施形態では半導体レーザーの例を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、ＬＥＤ（Light-Emitting Diode）等の半導体光素子であっても、拡散抑制ドーパントがＢＤＲ層にドープされたドーパントの拡散を抑制する効果は同じであるため、本発明の効果を得ることができる。

本実施形態では半導体レーザーとして図２に示すように発振波長が775-785nm程度のものを記載したが、本実施形態はこれに限定されるものではない。すなわち、図９、１０、１１に示すような発振波長が1250-1580nm程度の半導体レーザーであっても、拡散抑制ドーパントの効果は変わらないので、本発明の効果を得ることができる。なお、図９、１０、１１の半導体レーザーにおいて材料系としてInGaAsPを挙げているが、AlGaInAsでも可能である。また、ｎ型ドーパントはＳ以外のものであっても本発明の効果に変わりはない。

この発明の実施形態１の半導体光素子に関する外観を説明するための図である。この発明の実施形態１の半導体光素子について、775-785nm程度の波長で発振する、ｐ型ドーパントとしてＺｎを用いたものを説明するための図である。この発明の実施形態１の半導体光素子の製造方法の一部を説明するための図である。この発明の実施形態１との比較例を説明するための図。この発明の実施形態１の半導体光素子について、775-785nm程度の波長で発振する、ｐ型ドーパントとしてＭｇを用いたものを説明するための図である。この発明の実施の形態１の半導体光素子について、775-785nm程度の波長で発振する、ｐ型ドーパントとしてＢｅを用いたものを説明するための図である。リッジ導波型レーザーの外観を表す図である。電流狭窄構造を有する埋め込み型レーザーの外観を表す図である。この発明の実施形態１の半導体光素子について、1250-1580nm程度の波長で発振する、ｐ型ドーパントとしてＢｅを用いたものを説明するための図である。この発明の実施の形態１の半導体光素子について、1250-1580nm程度の波長で発振する、ｐ型ドーパントとしてＺｎを用いたものを説明するための図である。この発明の実施の形態１の半導体光素子について、1250-1580nm程度の波長で発振する、ｐ型ドーパントとしてＭｇを用いたものを説明するための図である。

符号の説明

１１ｐ-ＢＤＲ層
１２ｐ-コンタクト層

Claims

第一導電型であるクラッド層形成のためのクラッド層形成工程と、
前記クラッド層に接し、前記クラッド層形成後に堆積される、第一の不純物がドープされた、第一導電型であるＢＤＲ(Band Discontinuity reduction)層形成のためのＢＤＲ層形成工程と、
前記ＢＤＲ層に接し、前記ＢＤＲ層成長後に堆積される、電極形成のための、前記第一の不純物とＣがドープされた、第一導電型であるコンタクト層形成のための、コンタクト層形成工程と、
前記コンタクト層形成工程後に熱処理を行うための、熱処理工程と、
を有する半導体光素子の製造方法。
前記第一導電型はｐ型であり、
前記第一の不純物がMg、Be、Znのいずれか一つの不純物であり、
前記コンタクト層はGaAsであり、
前記ＢＤＲ層はInGaPである事を特徴とする、
請求項１に記載の半導体光素子の製造方法。
前記第一導電型がｐ型であり、
前記第一の不純物がMg、Be、Znのいずれか一つの不純物であり、
前記コンタクト層はInGaAsであり、
前記ＢＤＲ層はInGaAsPである事を特徴とする、
請求項１に記載の半導体光素子の製造方法。
前記Ｃはintrinsicドーパント導入法によりドープされることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体光素子の製造方法。