JP7069248B2 - ゲッター層を有する発光半導体デバイスを製造する方法 - Google Patents

ゲッター層を有する発光半導体デバイスを製造する方法 Download PDF

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Description

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）又は例えば垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）若しくは端面発光レーザダイオードなどのレーザダイオードのような発光半導体デバイスに関する。本発明は更に、そのような発光半導体デバイスを製造する対応した方法に関する。
特許文献１（ＵＳ６４４７６０４Ｂ１）は、ＵＶ－ＬＥＤで使用され得るＩＩＩ－Ｖ族窒化物ホモエピタキシャルマイクロエレクトロニクスデバイス構造を記載している。薄い酸化物層が（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ基板上に成長され、その後、成長の直前に、アルカリ溶液内で剥離され、あるいはその他の好適手法でエッチング除去される。この薄い酸化物層の目的は、潜在的な不純物を基板からゲッタリングすなわち除去して、基板表面の最初の数層の単分子層にホモエピタキシャル層阻害不純物（例えば、Ｃ、Ｓｉ、Ｓ又はＯなど）及び／又はその他の不純物がないことを可能にすることである。
デバイスの寿命及び性能を高めるために、発光半導体デバイスの成長プロセスにおいて不純物を減らすことが更に望まれる。
米国特許第６４４７６０４号明細書
故に、本発明の１つの目的は、改善された発光半導体デバイスと、そのような発光半導体デバイスを製造する対応した方法とを提供することである。
第１の態様によれば、基板と、発光層構造と、該発光層構造内の不純物を減らすためのＡｌＧａＡｓゲッター層とを有する発光半導体デバイスが提案される。発光層構造は、活性層と、アルミニウム含有量が変化する層とを有し、アルミニウムを含む発光層構造の層の成長条件は、ＡｌＧａＡｓゲッター層内の第１の不純物濃度が、アルミニウムを含む発光層構造の層内の第２の不純物濃度と比較して、少なくとも５０％高いように、ＡｌＧａＡｓゲッター層の成長条件と比較して異なる。成長条件は、砒素分圧、酸素分圧、堆積温度、総堆積圧力、及びアルミニウムの堆積速度からなる群から選択される。前記ＡｌＧａＡｓゲッター層のアルミニウムの堆積速度は、アルミニウム含有量が第１のアルミニウム含有量と該第１のアルミニウム含有量とは異なる第２のアルミニウム含有量との間を０．５％／ｎｍ未満で変化するサブレイヤを前記ＡｌＧａＡｓゲッター層が有するように選定される。
発光半導体デバイスは、発光ダイオード（ＬＥＤ）、又は例えば垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）若しくは端面発光レーザダイオードのようなレーザダイオードを有する。ＡｌＧａＡｓゲッター層は、組成式ＡｌｘＧａ１－ｘＡｓによって記述されることができ、ｘは、ＡｌＧａＡｓゲッター層内で変化し得るＡｌＧａＡｓゲッター層のアルミニウム含有量を記述する。ＡｌＧａＡｓは、ゲッター層の有効性に影響を及ぼすことなく、更なる元素を少ない量で含み得る。アルミニウム含有量は、ｘ１＝０とｘ２＝１との間で変化することができ、一般的な値はｘ１＝０．０５とｘ２＝０．９との間である。光子の吸収及び例えばＡｌＡｓの酸化が役割を果たさないようにＡｌＧａＡｓゲッター層が基板と発光層構造との間に置かれる場合、ｘ１＝０とｘ２＝１との間の範囲全体を使用することができる。不純物がＡｌＧａＡｓゲッター層の中に囲われ、その結果、堆積装置内の気相中の不純物の濃度が低減される。ＡｌＧａＡｓゲッター層の堆積において、砒素分圧、酸素分圧、堆積温度、総堆積圧力、及びアルミニウムの堆積速度からなる群からの成長条件の、１つのみが異なってもよいし、２つ以上の組み合わせが異なってもよい。例えば、砒素分圧、又は気相中のガリウム分圧に対する砒素分圧の比が、発光層構造の層の砒素分圧と等しくありながら、ＡｌＧａＡｓゲッター層の堆積中のＡｌ堆積速度によって決定されるＡｌＧａＡｓゲッター層のアルミニウム含有量が、発光層構造の層と比較してＡｌＧａＡｓゲッター層の中で異なるように変化するとし得る。
他の例では、砒素分圧が、ＡｌＧａＡｓゲッター層の堆積中に、アルミニウムを含む発光層構造の層の堆積と比較して異なるように制御され得る。これは、ガリウム分圧に対する砒素分圧の異なる比、又はＡｌＧａＡｓゲッター層の堆積中のこの比の動的変化を有し得る。
ＡｌＧａＡｓゲッター層の堆積における異なる成長条件の動的な変化又は変更は、不純物の濃度を下げるために特定の条件に厳密に一致させることが必要ないという利点を有し得る。ＡｌＧａＡｓゲッター層の堆積中に成長条件を変化させることで十分であることがあり、それにより、１つ以上の不純物をＡｌＧａＡｓゲッター層内に埋め込むための条件に堆積条件が一致するときに堆積装置の気相中の濃度が有意に低減されることが遅くされ得る。有意とは、この点において、気相中のそれぞれの不純物のうちの少なくとも２０％、好ましくは５０％、より好ましくは９０％の減少を意味する。また、２つ以上のＡｌＧａＡｓゲッター層が存在してもよく、第１の層でＡｌ堆積速度が変化され、第２の層でＡｓ分圧が変化され、第３の層で温度が変化される等々とし得る。ＡｌＧａＡｓゲッター層の堆積中の成長条件の変化はまた、成長条件のオシレイション（振動）を有していてもよい。ＡｌＧａＡｓゲッター層のＡｌ含有量は、例えば、第１のＡｌ含有量ｘ１から第２のＡｌ含有量ｘ２まで増加し、その後、第３のＡｌ含有量ｘ３まで減少してもよい。
Ｓ、Ｐ、Ｏ、Ｚｎ、Ｓｉ、Ｂ、Ｎ、Ｉｎなどのような、発光半導体デバイスの寿命に影響を及ぼし得る数多くの不純物が気相中に存在する。不純物とは、この点において、それぞれの元素が、１つの特有の堆積工程において、堆積装置又は機器の気相への望まれない付け足しであることを意味する。１つの堆積工程で望まれるドーパントが、別の堆積工程において不純物となり得る。
実験が示していることには、特に硫黄は、発光半導体デバイスの寿命を著しく縮め得る。故に、ＡｌＧａＡｓゲッター層は、堆積装置の気相中の硫黄濃度を低下させるために、硫黄を組み入れるように適応され得る。
量子井戸のような発光層を有する活性層は、発光半導体デバイスの寿命に影響を及ぼす不純物の組み込みに関して非常に影響を受けやすい。故に、ＡｌＧａＡｓゲッター層は好ましくは、基板と活性層との間に配置される。１つ以上のＡｌＧａＡｓゲッター層が、基板上に直接的に堆積されることができ、あるいは、例えば、ＶＣＳＥＬの場合に、活性層の堆積に先立って堆積される下側の誘電体分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）の中に埋め込まれ得る。
実験が示していることには、アルミニウムの堆積速度は、不純物の組み込みに強く影響する。ＡｌＧａＡｓゲッター層のアルミニウムの堆積速度は、ＡｌＧａＡｓゲッター層のアルミニウム含有量が０．５％／ｎｍ未満で変化するように選定される。実験が更に示していることには、ＡｌＧａＡｓゲッター層内のＡｌ含有量のゆっくりした変化が、堆積装置の気相中の不純物の改善された減少を可能にし得る。アルミニウム含有量は、ＡｌＧａＡｓゲッター層の始まりにおける第１のアルミニウム含有量ｘ１からＡｌＧａＡｓゲッター層の終わりにおける第２のアルミニウム含有量ｘ２まで０．４％／ｎｍの、又は好ましくは、更には０．３％／ｎｍの一定の割合で増加され得る。アルミニウム含有量は、それに代えて減少されてもよい。下側のアルミニウム含有量ｘ１は０．１又は０．２とすることができ、上側のアルミニウム含有量ｘ２は０．９とすることができる。第２のアルミニウム含有量ｘ２は好ましくは、０．６、０．５、又は０．４とし得る。ＡｌＧａＡｓゲッター層が、増加及び減少するアルミニウム含有量を持つ１つ以上のサブレイヤを有することが有利であり得る。増加及び減少するとは、基板に隣接するＡｌＧａＡｓゲッター層の側を基準にしている。後者は、例えば、その他の成長条件に応じて、ｘ１＝０．２とｘ２＝０．４との間のＡｌ含有量で不純物が好ましく組み入れられ得る場合に有利であり得る。続けて０．３％／ｎｍの割合でｘ１とｘ２との間でＡｌ含有量を変化させることによって、薄いＡｌＧａＡｓゲッター層の中に１つ以上の不純物の大部分を組み入れることが可能であり得る。いずれにせよ、ＡｌＧａＡｓゲッター層が一定のアルミニウム含有量の領域を有することも可能であり得る。
加えて、アルミニウムを含む発光層構造の層内のアルミニウムの堆積速度が、アルミニウムを含む発光層構造の層内のアルミニウム含有量が少なくとも０．５％／ｎｍで変化するように選定され得る。実験が示していることには、アルミニウム含有量の速い変化は、ゆっくりした変化とは対照的に、発光層構造の層内に不純物が組み込まれる確率を低下させる。後者は、不純物の濃度が閾値よりも低い場合に、活性層の中の及び活性層に隣接した影響を受けやすい領域での不純物の組み込みを回避する助けとなる。故に、活性層の中の及び活性層に隣接した領域におけるＡｌ含有量の速い変化は、堆積装置の気相中の１つ以上の不純物の濃度を低下させるＡｌＧａＡｓゲッター層の効果を支援する。
上述の手段に代えて、あるいは加えて、ＡｌＧａＡｓゲッター層の堆積中の砒素分圧が、ガリウム分圧の２倍と２００倍との間の範囲のうちの少なくとも一部内で変化され得ることが有利であり得る。砒素分圧は好ましくは、ＡｌＧａＡｓゲッター層の堆積中に、ガリウム分圧の５倍と８０倍との間の範囲のうちの少なくとも一部内で変化され得る。この変化は、例えば、ガリウム分圧の１０倍から３０倍まで、又はガリウム分圧の６０倍から２０倍まで、砒素分圧を線形に変えることによって連続的に変えられ得る。これに代えて、あるいは加えて、砒素とガリウムとの間の分圧の比が段階的に変化されてもよい。また、（Ａｌ含有量に関して上述したのと同様に、）砒素とガリウムとの間の振動的な分圧比を供することが可能であり得る。砒素とガリウムとの間の分圧比のオシレイションは、堆積装置の気相中の不純物の濃度を低下させるように適応された比較的薄いＡｌＧａＡｓゲッター層を可能にし得る。砒素とガリウムとの間の分圧比を変化させることは、必ずしも、ＡｌＧａＡｓゲッター層の全体的な結晶構造を変化させないが、格子欠陥の数が変化され、それによりＡｌＧａＡｓゲッター層内への不純物の組み入れの確率が変わり得る。
上述の手段に代えて、あるいは加えて、ＡｌＧａＡｓゲッター層内の酸素の第１の酸素濃度が、アルミニウムを含む発光層構造の層内の第２の酸素濃度と比較して、少なくとも５０％高いように、ＡｌＧａＡｓゲッター層の堆積中の酸素分圧が増大され得る。ＡｌＧａＡｓゲッター層の堆積中に堆積装置内の酸素分圧を増大させることは、ＡｌＧａＡｓゲッター層内への不純物の組み入れを増やし得る。増大された酸素分圧はまた、ＡｌＧａＡｓゲッター層内の酸素含有量を増加させ得る。故に、追加の酸素が発光層構造の層にダメージを生じさせないよう注意を払わなければならない。酸素分圧は、故に、ＡｌＧａＡｓゲッター層内の酸素濃度が１０１８ｃｍ－３未満、より好ましくは２×１０１７ｃｍ－３未満であるように選定される。酸素分圧は、第１の分圧から第２の分圧、第３の分圧などへと連続的あるいは段階的に変化されることができ、あるいは更には、Ａｓ分圧又はＡｌ堆積速度に関して上述したように、振動的に変化されてもよい。
上述の手段に代えて、あるいは加えて、ＡｌＧａＡｓゲッター層の堆積中の堆積温度が、５００℃と７５０℃との間の範囲のうちの少なくとも一部内で変化され得る。温度は、第１の温度から第２の温度、第３の温度などへと連続的あるいは段階的に変化されることができ、あるいは更には、Ａｓ分圧、Ａｌ堆積速度、又は酸素分圧に関して上述したように、振動的に変化されてもよい。温度は、例えば、発光半導体デバイスの層構造を備えたウエハ、そして特には、材料が上に堆積される表面を、電磁放射線によって加熱することによって、非常に迅速に変化され得る。電磁放射線は、急な温度変化を可能にする半導体光源によって供給され得る。急な温度変化は、非平衡状態でのＡｌＧａＡｓの堆積を可能にし、それが、ＡｌＧａＡｓゲッター層の吸収能力及びＡｌＧａＡｓゲッター層内への不純物の組み入れの確率を更に高めるために使用され得る。
上述の手段に代えて、あるいは加えて、ＡｌＧａＡｓゲッター層の堆積中の総圧が、５０ｍｂａｒと１５０ｍｂａｒとの間の範囲のうちの少なくとも一部内で変化され得る。総圧は、第１の圧力から第２の圧力、第３の圧力などへと連続的あるいは段階的に変化されることができ、あるいは更には、Ａｓ分圧、Ａｌ堆積速度、酸素分圧、又は温度に関して上述したように、振動的に変化されてもよい。
ＡｌＧａＡｓゲッター層を堆積するのに必要な時間は、総処理時間を長くさせ得るが、堆積装置の気相中の不純物の濃度を効率的に低下させることには最小限の厚さが必要とされるのみである。故に、ＡｌＧａＡｓゲッター層の厚さは、少なくとも５０ｎｍとし得る。堆積装置に応じて、１００ｎｍ、２００ｎｍ、３００ｎｍ、又は更には５００ｎｍに至る厚さを持つＡｌＧａＡｓゲッター層を設けることが有利であり得る。
発光半導体デバイスは、第１、第２、第３、又は更には、いっそう多くのＡｌＧａＡｓゲッター層を有することができ、それらは、異なるＡｌＧａＡｓゲッター層に異なる不純物が優先的に組み入れられるように、異なる成長条件によって堆積され得る。各ＡｌＧａＡｓゲッター層が全ての不純物を組み入れてもよいが、主に１つの不純物のみが組み入れられてもよい。これらゲッター層は互いに積層され得る。それに代えて、あるいは加えて、例えば、先に堆積された層にドーパントを加えた後に、発光半導体デバイスにＡｌＧａＡｓゲッター層を付加することが有利なことがある。ドーパントはその後に堆積される層にとっての不純物となり得るので、ＡｌＧａＡｓゲッター層は、気相中のドーパント（例えば、Ｓｉ）の濃度を低下させるように適応され得る。
発光半導体デバイスは、第１の電極と第２の電極とを有する垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）とすることができ、発光層構造は、底部ＤＢＲと、活性層と、頂部ＤＢＲとを有し、ＡｌＧａＡｓゲッター層のアルミニウム含有量が、ＡｌＧａＡｓゲッター層内で、底部ＤＢＲ又は頂部ＤＢＲの層のアルミニウム含有量の変化と比較して少なくとも５倍のゆっくりさで変化し得る。ＡｌＧａＡｓゲッター層の堆積中のアルミニウム含有量の比較的ゆっくりした変化は、気相中の１つ以上の不純物の濃度を低下させる確率を増大させ得る。堆積速度の変化は、０．５％／ｎｍ、０．４％／ｎｍ、０．３％／ｎｍ、又はそれより低くし得る。ＶＣＳＥＬの活性層の近くに堆積され得るグレーデッドインデックスレイヤ（ＧＲＩＮ）（傾斜屈折率層）に関して注意を払わなければならない。ＧＲＩＮのＡｌ含有量は、一方のＤＢＲの層のＡｌ含有量よりも遥かにゆっくりと変化する。ＧＲＩＮ内のＡｌの堆積速度の変化は、気相中の１つ以上の不純物の濃度が閾値を超えている限りにおいて、ＧＲＩＮがＶＣＳＥＬの活性層の隣のＡｌＧａＡｓゲッター層として作用することを回避するために、０．５％／ｎｍよりも高く、０．６％／ｎｍよりも高く、好ましくは０．７％／ｎｍよりも高くされ得る。
更なる一態様によれば、発光半導体デバイスを製造する方法が提供される。この方法は、
基板を用意するステップと、
発光層構造を第１の成長条件で設けるステップと、
発光半導体デバイスの層構造内の不純物を減らすためのＡｌＧａＡｓゲッター層を、第１の成長条件とは異なる第２の成長条件で設けるステップと
を有し、
第２の成長条件は、ＡｌＧａＡｓゲッター層内の第１の不純物濃度が、アルミニウムを含む発光層構造の層内の第２の不純物濃度と比較して、少なくとも５０％高いように選定され、第１及び第２の成長条件は、砒素分圧、酸素分圧、堆積温度、総堆積圧力、及びアルミニウムの堆積速度からなる群から選択され、アルミニウム含有量が第１のアルミニウム含有量と該第１のアルミニウム含有量とは異なる第２のアルミニウム含有量との間を０．５％／ｎｍ未満で変化するサブレイヤを、ＡｌＧａＡｓゲッター層が有するように、ＡｌＧａＡｓゲッター層のアルミニウムの堆積速度が選定される。
ＡｌＧａＡｓゲッター層を設けるステップは、発光層構造の堆積に先立って行われ得る。それに代えて、あるいは加えて、ＡｌＧａＡｓゲッター層は、発光層構造の一部を設けた後に配設あるいは堆積されてもよい。
理解されるべきことには、それぞれの独立項との従属項の如何なる組み合わせも本発明の一好適実施形態とすることができる。また、製造する方法は、従属項及びそれぞれの実施形態の説明によって記述される発光半導体デバイスの実施形態に対応する実施形態を有し得る。
更なる有利な実施形態が以下に規定される。
本発明のこれら及びその他の態様が、以下に記載される実施形態を参照して明らかになる。
ここに、添付の図面を参照して、実施形態に基づいて、例として、本発明を説明する。図面は以下を示す。
第１の実施形態に従った発光半導体デバイスを示している。 第２の実施形態に従った発光半導体デバイスを示している。 従来技術のＶＣＳＥＬ構造のＡｌプロファイルを示している。 従来技術のＶＣＳＥＬ構造のＡｌ及び硫黄のプロファイルを示している。 図４に示したプロファイルの拡大図を示している。 図４に示したプロファイルとの比較で、変更された成長条件でのＶＣＳＥＬ構造のＡｌ及び硫黄のプロファイルを示している。 本発明に従った第１の発光半導体デバイスのＡｌプロファイルを示している。 本発明に従った第２の発光半導体デバイスのＡｌプロファイルを示している。 発光半導体デバイスの層の堆積中の酸素分圧の変化に伴う発光半導体デバイスのＡｌ、Ｓ及びＯのプロファイルを示している。 本発明に従った方法の主な略図を示している。 発光半導体デバイスの発光層構造内のＳ濃度を低下させることの効果を示している。 図面においては、全体を通して、似通った参照符号が同様のオブジェクトを表す。図中のオブジェクトは必ずしも縮尺通りに描かれていない。
以下、本発明の様々な実施形態を図面により説明する。
図１は、第１の実施形態に従った発光半導体デバイス１００を示している。発光半導体デバイス１００はＶＣＳＥＬであり、ＧａＡｓ基板１２０の第１の面上に設けられた第１の電極１１０と、ＧａＡｓ基板１２０の第２の面上に設けられたＡｌＧａＡｓゲッター層１９０と、発光層構造１５５と、第２の電極１７０とを有している。発光層構造１５５は、ＡｌＧａＡｓゲッター層１９０の頂部上に設けられた好ましくは９９％よりも高い反射率を持つ底部ＤＢＲ１３０と、活性層１４０と、閉じ込め層１５０と、第２の電極１７０の下に設けられた頂部ＤＢＲ１６０とを有している。頂部ＤＢＲは、好ましくは９５％よりも高い反射率を持ち、頂部ＤＢＲ１６０を介したレーザ放射を可能にしている。活性層１４０は、第１の電極１１０及び第２の電極１７０を介して電力が供給される場合にレーザ光を発する量子井戸を有する。レーザ光は、頂部ＤＢＲ１６０を介して、リング形状の第２の電極１７０を通過して放射される。
ＡｌＧａＡｓゲッター層１９０はまた、図２に示す本発明に従った発光半導体デバイス１００の第２の実施形態に示されるように、底部ＤＢＲ１３０の中に配置されてもよい。幾つかのＡｌＧａＡｓゲッター層１９０を設けることも可能であり得る。それらＡｌＧａＡｓゲッター層１９０のうちの１つ以上が基板上に設けられ、１つ以上のその他のＡｌＧａＡｓゲッター層１９０が、底部ＤＢＲ１３０の最初の層と頂部ＤＢＲ１６０の最後の層との間に設けられ得る。
図３は、従来技術のＶＣＳＥＬ構造のＡｌプロファイル３８０を示している。図３において約８０００ｎｍの位置にある基板１２０の上でエピタキシャル成長が始まる。ＶＣＳＥＬの最初の部分は、約３０００ｎｍ位置まで延在している底部ＤＢＲ１３０であり、それに活性層１４０が続いている。活性層１４０は、グレーデッドインデックスレイヤ（ＧＲＩＮ）、キャビティスペーサ、量子井戸、及びそれらの間のバリアとで形成されている。２５００ｎｍよりも僅かに上の位置で、構造内の最も高いＡｌレベルが、閉じ込め層１５０を構築する酸化物開口の位置を指し示しており、それに頂部ＤＢＲ１６０が続いている。頂部ＤＢＲ１６０は、光の一部をレーザ放射として透過させるので、底部ＤＢＲ１３０よりも少ないミラー対を有している。図３において０ｎｍに近い位置にあるＶＣＳＥＬの最後の２つの部分は、電気コンタクトを形成するために及び半導体材料と空気との間の屈折率の飛びを考慮した反射率に一致させるために必要とされるサブキャップ層及びキャップ層である。材料の導電率を高めるには、ドーパントを使用しなければならない。典型的に、ｐドーパントとして炭素が使用され、ｎドーパントとしてＳｉが使用されるが、ドーパントとして首尾良く使用された多様なその他の元素：Ｓｎ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｍｇ、・・・が文献にて知られている。これらの物質の他に、反応炉内には通常、酸素及び水素も存在しており、これらがエピタキシャル構造内に組み入れられる。更なる物質も存在し、例えば、基板の洗浄又は堆積装置若しくは反応炉の部品の洗浄に使用される物質や、ガス中に存在する物質が存在する。これらの物質は全て、１つの処理工程では有用であり得るが、後続の処理工程において発光半導体の性能に影響を及ぼす不純物となり得る。メカニズムに応じて、導電率が上昇したり、光電効率が低下したり、あるいはデバイスの寿命が縮んだりし得る。故に、エピタキシャル構造内の不純物の量を低減することが非常に望ましい。
図４は、構造内のアルミニウム含有量及びこのケースでは硫黄（Ｓ）である不純物の濃度のＳＩＭＳスペクトルを示している。硫黄プロファイル中のピーク４３０によって示されるように、２８００ｎｍと２６００ｎｍとの間のＡｌプロファイル４５０のＧＲＩＮ内の位置に、最も多く不純物が組み込まれている。これらのスペクトルのうち、より狭い範囲を、図５に示している。明らかなように、Ａｌ含有量がゆっくりと変化している領域に不純物が組み込まれている。ＧＲＩＮの堆積中、Ａｌ含有量が０．３１％／ｎｍで変化するようにＡｌの堆積速度を制御した。２８００ｎｍと２６００ｎｍとの間でのＡｌ含有量の増加とともに、硫黄がＧＲＩＮに埋め込まれている。炭素（Ｃ）によるＧＲＩＮのｐドーピングを可能にするために、活性層の２８００ｎｍと２６００ｎｍとの間で、Ａｓ分圧とＧａ分圧との間の比を低下させた。２８００ｎｍと３４００ｎｍとの間の範囲では、Ａｓ分圧とＧａ分圧との間の比を、炭素の組み込みが回避されるように選定した。Ｓ濃度は、およそｘ１＝０．２５のＡｌ含有量で始まっておよそｘ２＝０．４のＡｌ含有量で終わる明らかなピークを有している。硫黄の組み込みは、硫黄がその中にトラップされ得るＧＲＩＮ内の格子欠陥の数を増加させ得るものであるＧａ分圧に対するこの低めのＡｓ分圧によって支援されているとし得る。図１１は、このような標準的なＶＣＳＥＬを用いて行った、１７０℃且つ駆動電流６ｍＡでの加速寿命実験結果を示している。このような高い硫黄含有量を持つＶＣＳＥＬは、４００時間未満という低寿命を有する。
図６は、図４に示したプロファイルとの比較で、変更したＶＣＳＥＬ構造のアルミニウムプロファイル４５０及び硫黄プロファイル４３０を示している。図４及び５とは対照的に、このＳＩＭＳスペクトルは、より低いＳ含有量及び異なる構造を示している。これは、図４及び５に示した構造内の硫黄濃度よりも硫黄濃度が遥かに低いという事実によって生じ得る。加えて、ＧＲＩＮ領域内でＡｌ含有量を遥かに速く変化させることによって、硫黄を好ましく吸収するＡｌＧａＡｓゲッター層としてＧＲＩＮ層が作用することが回避される。基本的に、この領域内に硫黄は見当たらない。実験が示していることには、発光半導体デバイスの速い劣化を回避するためには、このケースでは硫黄の濃度を、１×１０１５ｃｍ－３の範囲とし得る所定の閾値未満に低下させることが肝要である。故に、発光層構造内で、特に、活性層内及びその隣で、低い硫黄濃度を可能にするため、気相中の不純物濃度を閾値未満まで低下させるために、反応炉内に存在する可能性のある不純物を組み入れるようにＡｌＧａＡｓゲッター層１９０が使用され得る。加えて、影響を受けやすい活性層１４０の隣には、如何なるＡｌＧａＡｓゲッター層１９０も回避されるべきである。故に、ＡｌＧａＡｓゲッター層１９０は好ましくは、基板１２０と発光層構造との間に置かれ、あるいは基板１２０の隣の底部ＤＢＲ１３０の下側半分の中に置かれる。
このようなＡｌＧａＡｓゲッター層１９０を有する構造の一例が、第１の実施形態に従ったＶＣＳＥＬ構造のＡｌプロファイル７８０を示す図７に示されている。この構造は、およそ８０００ｎｍの位置で２００ｎｍにわたっての、低い方のＡｌレベルと高い方のＡｌレベルとの間でのＡｌ含有量のゆっくりした上昇及び減少を有している。この上昇は、ＤＢＲスタック内においてよりも遥かにゆっくりしたものである。
他の一例が、第２の実施形態に従ったＶＣＳＥＬ構造のＡｌプロファイル８８０を示す図８に示されている。このケースでは、およそ８０００ｎｍの位置に、ゆっくり変化するＡｌ含有量を持つ構造が成長されている。図７及び８の例では、このようなＡｌＧａＡｓゲッター層１９０が一度のみ繰り返されている。当然ながら、アルミニウムを含む発光層構造１５５のレイヤ群の成長条件と比較して成長条件を変更することによって、Ｓのような不純物又はその他の不純物の組み入れを向上させるために、これらのＡｌＧａＡｓゲッター層１９０のうちの２つ以上を、場合により互いに隣接させて、成長させることも可能である。成長条件は、砒素分圧、酸素分圧、堆積温度、総堆積圧力、及びアルミニウムの堆積速度からなる群から選択される。
図９は、発光半導体デバイス１００の層の堆積中の酸素分圧の変化に伴う発光半導体デバイス１００のアルミニウム濃度９１０、硫黄濃度９３０、及び酸素濃度９２０を示している。硫黄は主に、およそ８０００ｎｍ及び４５００ｎｍの位置の酸素濃度のピークによって指し示される増大される酸素分圧にて埋め込まれる。故に、増大される酸素分圧は、１つ以上のＡｌＧａＡｓゲッター層１９０内に不純物をトラップするために使用され得る。この更なる手段は、このケースにおいて、図９の右側に示されるＡｌＧａＡｓゲッター層１９０を支援している。
図１０は、本発明に従った発光半導体を製造する方法の主な略図を示している。ステップ１０１０にて、基板１２０が用意される。ステップ１０２０にて、発光層構造１５５が、第１の成長条件で設けられる。ステップ１０３０にて、基板１２０と発光層構造１５５との間に、発光半導体デバイスの層構造１５５内の不純物を減らすためのＡｌＧａＡｓゲッター層１９０が、第１の成長条件とは異なる第２の成長条件で設けられる。第２の成長条件は、ＡｌＧａＡｓゲッター層１９０内の第１の不純物濃度が、アルミニウムを含む発光層構造１５５のレイヤ群内の第２の不純物濃度と比較して、少なくとも５０％高くなるように選定される。第１及び第２の成長条件は、砒素分圧、酸素分圧、堆積温度、総堆積圧力、及びアルミニウムの堆積速度からなる群から選択される。
図１１は、発光半導体デバイス１００の発光層構造１５５内のＳ濃度を低下させることの効果を示している。発光半導体デバイス１００の寿命を、１７０℃且つ駆動電流６ｍＡでの加速寿命試験により測定した。この寿命試験が示すことには、ＡｌＧａＡｓゲッター層１９０なしでおよそ４００時間の寿命を持つ発光半導体デバイス１００に対して、発光層構造１５５内の最大硫黄濃度がＡｌＧａＡｓゲッター層１９０によって低下された発光半導体デバイス１００の寿命は、１０００時間より長くまで、又は更には１５００時間より長くまで延ばされている。
図面及び以上の記載にて本発明を詳細に図示して説明してきたが、これらの図示及び説明は、限定的なものではなく、例示的あるいは典型的なものとみなされるべきである。
本開示を読むことにより、その他の変更が当業者に明らかになる。それらの変更は、技術的に既知であり且つここで既に述べた特徴に代えて又は加えて使用され得るような、その他の特徴を含んでいてもよい。
開示の実施形態への変形が、図面、本開示及び添付の請求項の検討から、当業者によって理解されて実現され得る。請求項において、用語“有する”はその他の要素又はステップを排除するものではなく、不定冠詞“ａ”又は“ａｎ”は複数の要素又はステップを排除するものではない。特定の複数の手段が相互に異なる従属項に記載されているという単なる事実は、それらの手段の組合せが有利に使用され得ないということを指し示すものではない。
請求項中の如何なる参照符号も、その範囲を限定するものとして解されるべきでない。
１００ 発光半導体デバイス
１１０ 第１の電極
１２０ 基板
１３０ 底部ＤＢＲ
１４０ 活性層
１５０ 閉じ込め層
１５５ 発光層構造
１６０ 頂部ＤＢＲ
１７０ 第２の電極
１９０ ＡｌＧａＡｓゲッター層
３８０ 従来技術のＶＣＳＥＬ構造のＡｌプロファイル
４３０ 硫黄プロファイル
４５０ Ａｌプロファイル
７８０ 第１の実施形態に従ったＶＣＳＥＬ構造のＡｌプロファイル
８８０ 第２の実施形態に従ったＶＣＳＥＬ構造のＡｌプロファイル
９１０ Ａｌ濃度
９２０ Ｏ濃度
９３０ Ｓ濃度
１０１０ 基板を用意するステップ
１０２０ 発光層構造を設けるステップ
１０３０ ＡｌＧａＡｓゲッター層を設けるステップ

Claims (8)

  1. 発光半導体デバイスを製造する方法であって、
    基板を用意するステップと、
    発光層構造を第１の成長条件で設けるステップと、
    前記発光半導体デバイスの層構造内の不純物を減らすためのＡｌＧａＡｓゲッター層を、前記第１の成長条件とは異なる第２の成長条件で設けるステップと
    を有し、
    前記第１及び第２の成長条件は、砒素分圧、酸素分圧、堆積温度、総堆積圧力、及びアルミニウムの堆積速度からなる群から選択され、
    前記第２の成長条件は、前記ＡｌＧａＡｓゲッター層内の前記不純物の濃度である第１の不純物濃度が、アルミニウムを含む前記発光層構造の層内の前記不純物の濃度である第２の不純物濃度と比較して、少なくとも５０％高いように選定され、
    アルミニウム含有量が第１のアルミニウム含有量と該第１のアルミニウム含有量とは異なる第２のアルミニウム含有量との間を０．５％／ｎｍ未満で変化するサブレイヤを、前記ＡｌＧａＡｓゲッター層が有するように、前記ＡｌＧａＡｓゲッター層のアルミニウムの堆積速度が選定され、
    前記ＡｌＧａＡｓゲッター層内の格子欠陥の数が、アルミニウムを含む前記発光層構造の層と比較して増加されるように、前記ＡｌＧａＡｓゲッター層の堆積中の砒素分圧が、ガリウム分圧の２倍と２００倍との間の範囲のうちの少なくとも一部内で変化され、
    前記ＡｌＧａＡｓゲッター層に組み入れられる不純物は硫黄である、
    ことを特徴とする方法。
  2. 前記ＡｌＧａＡｓゲッター層は、前記基板と前記発光層構造内の活性層との間に配置される、請求項１に記載の方法。
  3. アルミニウムを含む前記発光層構造の層内のアルミニウム含有量が少なくとも０．５％／ｎｍで変化するように、アルミニウムを含む前記発光層構造の層内のアルミニウムの堆積速度が選定される、請求項１又は２に記載の方法。
  4. 前記ＡｌＧａＡｓゲッター層内の酸素の濃度である第１の酸素濃度が、アルミニウムを含む前記発光層構造の層内の酸素の濃度である第２の酸素濃度と比較して、少なくとも５０％高いように、前記ＡｌＧａＡｓゲッター層の堆積中の酸素分圧が増大される、請求項１乃至３のいずれかに記載の方法。
  5. 前記ＡｌＧａＡｓゲッター層の堆積中の堆積温度が、５００℃と７５０℃との間の範囲のうちの少なくとも一部内で変化される、請求項１乃至４のいずれかに記載の方法。
  6. 前記ＡｌＧａＡｓゲッター層の堆積中の総圧が、５０ｍｂａｒと１５０ｍｂａｒとの間の範囲のうちの少なくとも一部内で変化される、請求項１乃至５のいずれかに記載の方法。
  7. 前記ＡｌＧａＡｓゲッター層は少なくとも５０ｎｍの厚さを備える、請求項１乃至６のいずれかに記載の方法。
  8. 当該方法は、少なくとも第１及び第２のＡｌＧａＡｓゲッター層を設けることを有し、前記第１及び第２のＡｌＧａＡｓゲッター層に異なる不純物が組み入れられるように、前記第１及び第２のＡｌＧａＡｓゲッター層の成長条件が異なる、請求項１乃至７のいずれかに記載の方法。
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