(57)【要約】【課題】ｐ型不純物の異常拡散の発生を防止すること。【解決手段】半導体装置は、何れか一方が光感応層または発光層として機能し、ｐ型の不純物が低濃度にドープされ、且つ互いにヘテロ接合する第１および第２のIII−V族化合物半導体層を備える。第２のIII−V族化合物半導体層のエネルギーギャップは、第１のIII−V族化合物半導体層のそれより小さく、各半導体層におけるｐ型のドーパントとしては、Ｂｅ又はＣが用いられる。このとき、第２のIII−V族化合物半導体層は、第１のIII−V族化合物半導体層上に積層されていても良い。また、第１のIII−V族化合物半導体層と第２のIII−V族化合物半導体層は（Ｉｎ，Ｇａ，Ａｌ）と（Ａｓ，Ｐ，Ｎ）のうち少なくともそれぞれ一つ以上含んでいても良い。【選択図】図１
2008135667.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐ型の不純物がドープされ、且つ互いにヘテロ接合する第１のIII−V族化合物半導体層および第２のIII−V族化合物半導体層を備え、
前記第１のIII−V族化合物半導体層または前記第２のIII−V族化合物半導体層は、光感応層または発光層として機能し、
前記第２のIII−V族化合物半導体層のエネルギーギャップは、前記第１のIII−V族化合物半導体層のエネルギーギャップより小さく、
ベリリウム（Ｂｅ）又はカーボン（Ｃ）が、前記第１のIII−V族化合物半導体層および前記第２のIII−V族化合物半導体層におけるｐ型のドーパントとして用いられることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記第２のIII−V族化合物半導体層は、前記第１のIII−V族化合物半導体層上に積層されることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記第１のIII−V族化合物半導体層と前記第２のIII−V族化合物半導体層が（Ｉｎ，Ｇａ，Ａｌ）と（Ａｓ，Ｐ，Ｎ）のうち少なくともそれぞれ１つ以上含むことを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第１のIII−V族化合物半導体層は、二元化合物半導体からなるIII−V族化合物半導体層であり、
前記第２のIII−V族化合物半導体層は、三元化合物半導体または四元化合物半導体からなるIII−V族化合物半導体層であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第１のIII−V族化合物半導体層および前記第２のIII−V族化合物半導体層は、分子線エピタキシー法により成長されることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記第１のIII−V族化合物半導体層および前記第２のIII−V族化合物半導体層は、ｐ型の不純物が１×１０１８ｃｍ−３以下の低濃度にドープされたことを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、III−Ｖ族化合物半導体の薄膜成長時に、例えば亜鉛（Ｚｎ）がｐ型のドーパントとして用いられている。このとき、ｐ型不純物の濃度が例えば１×１０２０ｃｍ−３程度以上の高濃度の場合に、ｐ型不純物であるＺｎの異常拡散が発生してしまうといった問題点がある。
【０００３】
特許文献１〜５には、上記問題点が指摘されており、ベリリウム（Ｂｅ）またはカーボン（Ｃ）をｐ型のドーパントとして用いることにより、上記問題点を解決する旨が記載されている。
【特許文献１】特許第３２２４０５７号公報
【特許文献２】特許第２６４６９６６号公報
【特許文献３】特許第２７６１２６４号公報
【特許文献４】特開平５−１３６３９７号公報
【特許文献５】特開２００１−３６１９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、III−Ｖ族化合物半導体を成長する際に、上記特許文献１〜５で言及された状況とは異なり、ｐ型不純物の濃度が例えば１×１０１８ｃｍ−３程度以下の低濃度の場合にも、ｐ型不純物の異常拡散が発生するおそれがある。このような低濃度領域におけるｐ型不純物の異常拡散が生じた場合には、当該p型化合物半導体層のキャリア濃度を正確に制御することができなくなり、その結果、当該p型化合物半導体層を含んで作製した半導体装置あるいは光デバイス等が期待通りの特性を保たないといった問題点がある。
【０００５】
そこで、本発明は上記に鑑みてなされたもので、低濃度領域におけるｐ型不純物の異常拡散を防止することが可能な半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者は、鋭意検討を重ねた結果、以下に述べるようなことを見出した。すなわち、「Ｚｎをｐ型のドーパントとし、且つヘテロ構造を有する半導体装置において、Ｚｎが１×１０１８ｃｍ−３以下の低濃度にドープされたｐ型の三元化合物半導体からなるIII−V族化合物半導体層またはｐ型の四元化合物半導体からなるIII−V族化合物半導体層（以下、「三・四元半導体層」ともいう。）上に、Ｚｎが１×１０１８ｃｍ−３以下の低濃度にドープされたｐ型の二元化合物半導体からなる半導体層（以下、「二元半導体層」ともいう。）を積層する場合は、積層後に濃度分布を分析したときに、設計通りの所定のＺｎドーピング濃度が得られる。しかし、上記とは逆に、二元半導体層上に、三・四元半導体層を積層する場合は、積層後に濃度分布を分析したときに、二元半導体層においてＺｎの異常拡散が生じ、該二元半導体層では設計通りの所定のＺｎドーピング濃度が得られない。」ということを見出した。
【０００７】
本発明者は、更なる鋭意検討を重ねた結果、「ヘテロ接合する第１のIII−V族化合物半導体層および第２のIII−V族化合物半導体層を備え、第２のIII−V族化合物半導体層のエネルギーギャップは、第１のIII−V族化合物半導体層のエネルギーギャップより小さい場合、ｐ型不純物の異常拡散は、成長装置や成長条件により生じるのではなく、半導体へテロ構造と、ｐ型不純物の種類に起因した本質的な問題により生じる。」ことを更に見出した。これまで、このような異常拡散の問題を指摘した先行文献（例えば、上記特許文献１〜５を始めとする従来の特許文献など）は無く、その理由も解明されていない。本発明は、このような新たな知見に基づいて為されたものであり、二元半導体層上に三・四元半導体層を積層する場合、低濃度領域においてｐ型不純物の異常拡散を防止するために為されたものである。
【０００８】
すなわち、本発明の半導体装置は、何れか一方が光感応層または発光層として機能し、ｐ型の不純物がドープされ、且つ互いにヘテロ接合する第１のIII−V族化合物半導体層および第２のIII−V族化合物半導体層を備える。第２のIII−V族化合物半導体層のエネルギーギャップは、第１のIII−V族化合物半導体層のエネルギーギャップより小さく、各III−V族化合物半導体層におけるｐ型のドーパントとしては、Ｂｅ又はＣが用いられる。このとき、第２のIII−V族化合物半導体層は、第１のIII−V族化合物半導体層上に積層されていても良い。また、第１のIII−V族化合物半導体層と第２のIII−V族化合物半導体層は（Ｉｎ，Ｇａ，Ａｌ）と（Ａｓ，Ｐ，Ｎ）のうち少なくともそれぞれ一つ以上含んでいても良い。このとき、第１のIII−V族化合物半導体層は二元化合物半導体からなるIII−V族化合物半導体層であり、第２のIII−V族化合物半導体層は三元化合物半導体または四元化合物半導体からなるIII−V族化合物半導体層であることが好適である。また、第１のIII−V族化合物半導体層および第２のIII−V族化合物半導体層は、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）により成長されても良い。また、第１のIII−V族化合物半導体層および第２のIII−V族化合物半導体層は、ｐ型の不純物が１×１０１８ｃｍ−３以下の低濃度にドープされていても良い。
【０００９】
このような本発明の半導体装置によれば、Ｚｎより拡散係数の小さいもの、つまりＺｎより原子半径の小さいものであるＢｅ又はＣを第１のIII−V族化合物半導体層および第２のIII−V族化合物半導体層におけるｐ型のドーパントとして用いることにより、該ｐ型のドーパントが第１のIII−V族化合物半導体層で異常拡散することを防止できる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、低濃度領域においてｐ型不純物が異常拡散することを防止できる。このことにより、積層する半導体層のキャリア濃度を正確に制御することができ、その結果、該半導体層を含んで作製した半導体装置あるいは光デバイス等に期待通りの特性を保たせることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、添付図面を参照して本発明にかかる半導体装置の好適な実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００１２】
図１は、本実施形態にかかる半導体装置１００の積層構造を示す断面図である。図１に示されるように、半導体装置１００は、ｎ型のＩｎＰ基板１０２上に、ｎ型のＩｎＰ半導体層１０４（第１層）、ｎ型のＩｎＧａＡｓＰ半導体層１０６（第２層）、ｎ型のＩｎＰ半導体層１０８（第３層）、ｐ型のＩｎＰ半導体層１１０（第４層、ｐ型の二元化合物半導体からなる第１のIII−V族化合物半導体層）、ｐ型のＩｎＧａＡｓＰ半導体層１１２（第５層、ｐ型の三元化合物半導体またはｐ型の四元化合物半導体からなる第２のIII−V族化合物半導体層）、ｐ型のＩｎＰ半導体層１１４（第６層）が順に積層された構造を有する。
【００１３】
図２は、半導体装置１００を作製するための一実施例として、各層の材料、厚さ等について設計した事項をまとめた図である。図２に示すように、半導体装置１００において、ＩｎＰ基板１０２は、その厚さが３５０μｍになるように、且つ硫黄（Ｓ）のドーピング濃度が２×１０１８ｃｍ−３になるように設計されている。また、第１層のｎ型のＩｎＰ半導体層１０４は、その厚さが１μｍになるように、且つＳｉのドーピング濃度が２×１０１８ｃｍ−３になるように設計されている。また、第２層のｎ型のＩｎＧａＡｓＰ半導体層１０６は、その室温でのエネルギーギャップに対応する波長が１．７μｍになり、その厚さが２μｍになるように、且つＳｉのドーピング濃度が２×１０１８ｃｍ−３になるように設計されている。また、第３層のｎ型のＩｎＰ半導体層１０８は、その厚さが０．２μｍになるように、且つＳｉのドーピング濃度が２×１０１８ｃｍ−３になるように設計されている。
【００１４】
また、第４層のｐ型のＩｎＰ半導体層１１０は、その厚さが０．７μｍになるように、且つＢｅのドーピング濃度が２×１０１６ｃｍ−３になるように設計されている。また、第５層のｐ型のＩｎＧａＡｓＰ半導体層１１２は、その波長が１．７μｍになり、その厚さが２μｍになるように、且つＢｅのドーピング濃度が２×１０１６ｃｍ−３になるように設計されている。この第５層のエネルギーギャップは、上記第４層のエネルギーギャップより小さいように設計されている。また、第６層のｐ型のＩｎＰ半導体層１１４は、その厚さが０．０５μｍになるように、且つＢｅのドーピング濃度が２×１０１８ｃｍ−３になるように設計されている。
【００１５】
上記設計に基づいて、ＭＢＥ法により、各層が順にエピタキシャル成長され、図１に示したような本実施形態に係る半導体装置１００が作製された。図３は、該作製された半導体装置１００に対して、ｐ型ドーパントであるＢｅ原子の濃度分布を２次イオン質量分析（以下、「ＳＩＭＳ法」という。）により測定した結果を示す図である。なお、図３には、半導体装置１００における最上層である第６層側から最下層である基板側への深さ方向に、Ｂｅ原子の濃度分布が示されている。つまり、半導体装置１００における第６層の上面は、図３においてその深さが「０μｍ」に相当する。また、図３では、Ｂｅ原子の濃度分布をグラフＧ１で表示している。また、各層の界面を同定するために、Ｇａ原子の濃度分布をグラフＧ２で表示し、Ｓｉ原子の濃度分布をグラフＧ３で表示している。
【００１６】
図３に示されるように、測定した各層のＢｅのドーピング濃度は、図２で示した設計通りのＢｅのドーピング濃度（図２の５列目）と一致している。特に、図３において点線で囲まれた第４層のｐ型ＩｎＰ層の部分に着目すると、設計の通り、Ｂｅの原子濃度が所定の２×１０１６ｃｍ−３となっていることが確認できる。
【００１７】
また、図３に示した上記結果は、第４層がｐ型のＩｎＰ半導体層であり且つ第５層がｐ型のＩｎＧａＡｓＰ半導体層であった上述したような場合以外に、次のような場合にも同様に現れる。すなわち、第４層及び第５層に（Ｉｎ，Ｇａ，Ａｌ）と（Ａｓ，Ｐ，Ｎ）のうち少なくともそれぞれ一つ以上含み、第４層のエネルギーギャップが第５層のエネルギーギャップよりも大きい場合に、図３に示した結果と同様な結果が現れる。また、第４層が二元化合物半導体からなる半導体層であり、第５層が三元化合物半導体からなる半導体層である場合にも、図３に示した結果と同様な結果が現れる。更に、ｐ型のドーパントとしてＢｅを用いた場合以外に、ｐ型のドーパントとしてＣを用いた場合も、図３に示した結果と同様な結果が現れる。
【００１８】
このような本実施形態の半導体装置１００によれば、Ｚｎより拡散係数の小さいもの、つまりＺｎより原子半径の小さいものであるＢｅ又はＣを第４層および第５層におけるｐ型のドーパントとして用いることにより、該ｐ型のドーパントが第４層において異常拡散することを防止できる。
【００１９】
また、本実施形態においては、半導体装置１００を構成する各層はＭＢＥ法によりエピタキシャル成長される。ＭＢＥ法は、ｐ型のドーパントとしてＢｅを利用する好適なエピタキシャル成長方法であるからである。
【００２０】
以上、本実施形態の半導体装置１００を一例として説明した本発明の半導体装置は、半導体発光素子や半導体受光素子などの光デバイスとして用いられることができる。図４は、該光デバイスの一例として、面発光型ダイオード２００を模式的に示す断面模式図である。
【００２１】
図４に示されるように、面発光型ダイオード２００は、電極２０２，２１８、ｎ型のＩｎＰ基板２０４、ｎ型のＩｎＧａＡｓＰエッチングストップ層２０６、ｎ型のＩｎＰクラッド層２０８、ｐ型のＩｎＰ接合層２１０、ｐ型のＩｎＧａＡｓＰ活性層２１２、ｐ型のＩｎＰクラッド層２１４、ＳｉＯ２絶縁膜２１６および放熱用のヒートシンク２２０を備えている。
【００２２】
面発光型ダイオード２００を作製するためには、まず、Ｓドープｎ型ＩｎＰ基板２０４上に、ＭＢＥ法により、Ｓiドープｎ型ＩｎＧａＡｓＰエッチングストップ層２０６、Ｓiドープｎ型ＩｎＰクラッド層２０８、Ｂｅドープｐ型ＩｎＰ接合層２１０（ｐ型の二元化合物半導体からなる第１のIII−V族化合物半導体層）、Ｂｅドープｐ型ＩｎＧａＡｓＰ活性層２１２（ｐ型の三元化合物半導体またはｐ型の四元化合物半導体からなる第２のIII−V族化合物半導体層）、Ｂｅドープｐ型ＩｎＰクラッド層２１４を順にエピタキシャル成長する。その後、例えばプラズマＣＶＤにより、Ｂｅドープｐ型ＩｎＰクラッド層２１４上に、ＳｉＯ２絶縁膜２１６を堆積する。
【００２３】
次に、例えば光リソグラフィーとエッチングにより、ＳｉＯ２絶縁膜２１６の一部を除去し、電極２１８を蒸着する。次に、Ｓドープｎ型ＩｎＰ基板２０４上に電極２０２を蒸着する。次に、例えば光リソグラフィーとエッチングにより、電極２０２及びＳドープｎ型ＩｎＰ基板２０４の一部を除去する。このとき、適当なエッチング液を選択することにより、当該エッチングはＳiドープｎ型ＩｎＧａＡｓＰエッチングストップ層２０６で自動的に停止する。更に、別の適当なエッチング液を選択することにより、Ｓiドープｎ型ＩｎＧａＡｓＰエッチングストップ層２０６をエッチングする。最終的に、これまでの積層構造を放熱用のヒートシンク２２０上に上下逆にしてマウントすることにより、面発光型ダイオード２００を完成することができる。
【００２４】
この面発光型ダイオード２００は、両電極２０２，２１８間に順方向バイアス電圧Ｖｂ１が印加されることにより、発光ダイオードとして動作する。Ｂｅドープｐ型ＩｎＧａＡｓＰ活性層２１２からの発光は、図４に示すように、Ｂｅドープｐ型ＩｎＰ接合層２１０およびＳiドープｎ型ＩｎＰクラッド層２０８を通して上部に取り出される。このとき、Ｂｅドープｐ型ＩｎＰ接合層２１０には従来構造で生じていたｐ型ドーパントの異常拡散がないため、発光効率が大幅に向上する。
【００２５】
本発明の半導体装置は、以上で説明した半導体発光素子として用いられることに限られることなく、半導体受光素子として用いられることもできる。図５は、該半導体受光素子の一例として、裏面入射型フォトダイオード３００を模式的に示す断面模式図である。
【００２６】
図５に示されるように、裏面入射型フォトダイオード３００は、電極３０２，３１６、ＳｉＯ２絶縁膜３０４、Ｂｅドープｐ型ＩｎＰクラッド層３０６、Ｂｅドープｐ型ＩｎＧａＡｓＰ活性層３０８、Ｂｅドープｐ型ＩｎＰ接合層３１０、Ｓiドープｎ型ＩｎＰクラッド層３１２、Ｓドープｎ型ＩｎＰ基板３１４を備えている。
【００２７】
裏面入射型フォトダイオード３００を作製するためには、まず、Ｓドープｎ型ＩｎＰ基板３１４上に、ＭＢＥ法により、Ｓiドープｎ型ＩｎＰクラッド層３１２、Ｂｅドープｐ型ＩｎＰ接合層３１０（ｐ型の二元化合物半導体からなる第１のIII−V族化合物半導体層）、Ｂｅドープｐ型ＩｎＧａＡｓＰ活性層３０８（ｐ型の三元化合物半導体またはｐ型の四元化合物半導体からなる第２のIII−V族化合物半導体層）、Ｂｅドープｐ型ＩｎＰクラッド層３０６を順にエピタキシャル成長する。その後、例えばプラズマＣＶＤにより、Ｂｅドープｐ型ＩｎＰクラッド層３０６上に、ＳｉＯ２絶縁膜３０４を堆積する。
【００２８】
次に、例えば光リソグラフィーとエッチングにより、ＳｉＯ２絶縁膜３０４の一部を除去し、電極３０２を蒸着する。次に、Ｓドープｎ型ＩｎＰ基板３１４上に電極３１６を蒸着する。次に、例えば光リソグラフィーとエッチングにより、電極３１６の一部を除去する。
【００２９】
この裏面入射型フォトダイオード３００は、両電極３０２，３１６間に逆方向バイアス電圧Ｖｂ２が印加されることにより、フォトダイオードとして動作する。被測定光はＳドープｎ型ＩｎＰ基板３１４側から入射し、Ｓドープｎ型ＩｎＰ基板３１４、Ｓiドープｎ型ＩｎＰクラッド層３１２及びＢｅドープｐ型ＩｎＰ接合層３１０を透過して、Ｂｅドープｐ型ＩｎＧａＡｓＰ活性層３０８で吸収され、キャリアを発生する。このとき、Ｂｅドープｐ型ＩｎＰ接合層３１０には従来構造で生じていたｐ型ドーパントの異常拡散がないため、受光感度が大幅に向上し、さらに暗電流が大幅に減少する。
【００３０】
以上で説明したことを一例とする本発明は、以下に述べるような新たな知見に基づいて為されたものである。
【００３１】
本発明者は、鋭意検討を重ねた結果、下記のことを見出した。すなわち、「Ｚｎをｐ型のドーパントとし、且つヘテロ構造を有する半導体装置において、Ｚｎが１×１０１８ｃｍ−３以下の低濃度にドープされたｐ型の三元化合物半導体からなる半導体層またはｐ型の四元化合物半導体からなる半導体層（三・四元半導体層、第２のIII−V族化合物半導体層）上に、Ｚｎが１×１０１８ｃｍ−３以下の低濃度にドープされたｐ型の二元化合物半導体からなる半導体層（二元半導体層、第１のIII−V族化合物半導体層）を積層する場合は、積層後に濃度分布を分析したときに、設計通りの所定のＺｎドーピング濃度が得られる。しかし、上記とは逆に、二元半導体層上に、三・四元半導体層を積層する場合は、積層後に濃度分布を分析したときに、二元半導体層においてＺｎの異常拡散が生じ、該二元半導体層では設計通りの所定のＺｎドーピング濃度が得られない。」ということを見出した。
【００３２】
本発明者は、更なる鋭意検討を重ねた結果、「ヘテロ接合する第１のIII−V族化合物半導体層および第２のIII−V族化合物半導体層を備え、第２のIII−V族化合物半導体層のエネルギーギャップは、第１のIII−V族化合物半導体層のエネルギーギャップより小さい場合、ｐ型不純物の異常拡散は、成長装置や成長条件により生じるのではなく、半導体へテロ構造と、ｐ型不純物の種類に起因した本質的な問題により生じる。」ことを更に見出した。これまで、このような異常拡散の問題を指摘した先行文献は無く、その理由も解明されていない。本発明は、このような新たな知見に基づいて為されたものであり、二元半導体層上に三・四元半導体層を積層する場合、低濃度領域においてｐ型不純物の異常拡散を防止するために為されたものである。
【００３３】
上記のことをより具体的に述べると以下のようである。まず、本発明者はヘテロ構造の半導体装置（以下、「第１の試作装置」ともいう。）を有機金属気相成長法（以下、「ＭＯＣＶＤ法」という。）により試作した。第１の試作装置は、ｐ型のＩｎＰ基板、ｐ型のＩｎＰ半導体層（第１層）、ｐ型のＩｎＧａＡｓＰ半導体層（第２層）、ｐ型のＩｎＰ半導体層（第３層）、及びｎ型のＩｎＰ半導体層（第４層）が順に積層された構造を有する。
【００３４】
図６は、第１の試作装置を試作するために、各層の材料、厚さ等について設計した事項をまとめた図である。図６に示すように、ヘテロ構造を有する第１の試作装置において、ＩｎＰ基板は、その厚さが３５０μｍになるように、且つＺｎのドーピング濃度が５×１０１６ｃｍ−３になるように設計されている。また、第１層は、その厚さが１μｍになるように、且つＺｎのドーピング濃度が２×１０１８ｃｍ−３になるように設計されている。また、第２層は、その波長が１．７μｍになり、その厚さが２μｍになるように、且つＺｎのドーピング濃度が２×１０１６ｃｍ−３になるように設計されている。また、第３層は、その厚さが０．７μｍになるように、且つＺｎのドーピング濃度が２×１０１６ｃｍ−３になるように設計されている。また、第４層は、その厚さが０．２μｍになるように、且つシリコン（Ｓｉ）のドーピング濃度が２×１０１８ｃｍ−３になるように設計されている。
【００３５】
上記設計に基づいて、ＭＯＣＶＤ法により、各層が順にエピタキシャル成長され、第１の試作装置が試作された。図７は、第１の試作装置において、ｐ型ドーパントであるＺｎ原子の濃度分布をＳＩＭＳ法により測定した結果を示す図である。なお、図７では、前述した図３と同様な形式で測定結果が示されており、Ｚｎ原子の濃度分布がグラフＧ１で表示され、Ａｓ原子の濃度分布がグラフＧ２で表示され、Ｐ原子の濃度分布がグラフＧ３で表示されている。図７に示されるように、測定した各層のＺｎのドーピング濃度は、図６で示した設計通りのＺｎのドーピング濃度（図６の５列目）と一致している。特に、図７において点線で囲まれた第３層のｐ型ＩｎＰ層の部分に着目すると、設計の通り、Ｚｎの原子濃度が所定の２×１０１６ｃｍ−３となっていることが確認できる。
【００３６】
以上のように、設計通りのドーピング濃度が確認された第１の試作装置に対して、本発明者は、ヘテロ構造を有する他の半導体装置（以下、「第２の試作装置」ともいう。）を同様にＭＯＣＶＤ法により試作した。第２の試作装置は、ｎ型のＩｎＰ基板、ｎ型のＩｎＰ半導体層（第１層）、ｎ型のＩｎＧａＡｓＰ半導体層（第２層）、ｎ型のＩｎＰ半導体層（第３層）、ｐ型のＩｎＰ半導体層（第４層）、ｐ型のＩｎＧａＡｓＰ半導体層（第５層）、ｐ型のＩｎＰ半導体層（第６層）が順に積層された構造を有する。
【００３７】
すなわち、ヘテロ構造を有する第１の試作装置においては、ｐ型のＩｎＧａＡｓＰ層（第２層、ｐ型の三・四元半導体層）上にｐ型のＩｎＰ層（第３層、ｐ型の二元半導体層）が積層されたことに対して、同じくヘテロ構造を有する第２の試作装置においては、ｎ型のＩｎＰ半導体層（第３層）上のｐ型のＩｎＰ層（第４層、ｐ型の二元半導体層）上にｐ型のＩｎＧａＡｓＰ層（第５層、ｐ型の三・四元半導体層）が積層される。
【００３８】
図８は、第２の試作装置を試作するために、各層の材料、厚さ等について設計した事項をまとめた図である。図８に示すように、ヘテロ構造を有する第２の試作装置において、ＩｎＰ基板は、その厚さが３５０μｍになるように、且つＳのドーピング濃度が２×１０１８ｃｍ−３になるように設計されている。また、第１層は、その厚さが１μｍになるように、且つＳｉのドーピング濃度が２×１０１８ｃｍ−３になるように設計されている。また、第２層は、その波長が１．７μｍになり、その厚さが２μｍになるように、且つＳｉのドーピング濃度が２×１０１８ｃｍ−３になるように設計されている。
【００３９】
また、第３層は、その厚さが０．２μｍになるように、且つＳｉのドーピング濃度が２×１０１８ｃｍ−３になるように設計されている。また、第４層は、その厚さが０．７μｍになるように、且つＺｎのドーピング濃度が２×１０１６ｃｍ−３になるように設計されている。また、第５層は、その波長が１．７μｍになり、その厚さが２μｍになるように、且つＺｎのドーピング濃度が２×１０１６ｃｍ−３になるように設計されている。また、第６層は、その厚さが０．０５μｍになるように、且つＺｎのドーピング濃度が２×１０１８ｃｍ−３になるように設計されている。
【００４０】
上記設計に基づいて、ＭＯＣＶＤ法により、各層が順にエピタキシャル成長され、第２の試作装置が試作された。図９は、第２の試作装置において、ｐ型ドーパントであるＺｎ原子の濃度分布をＳＩＭＳ法により測定した結果を示す図である。なお、図９では、前述した図７と同様な形式で測定結果が示されている。図９に示されるように、測定した各層のＺｎのドーピング濃度は、図８で示した設計通りのＺｎのドーピング濃度（図８の５列目）と一致していない。特に、図９において点線で囲まれた第４層のｐ型ＩｎＰ層の部分に着目すると、Ｚｎ原子濃度はＳＩＭＳ法の測定限界である１×１０１５ｃｍ−３以下となっている。
【００４１】
このことは、図９で示される結果は、図７の結果とは異なり、第２の試作装置の第４層のｐ型ＩｎＰ層において設計上の所定の原子濃度であった２×１０１６ｃｍ−３にはなっていないことを示す。また、図９の結果によれば、Ｚｎ原子が第２の試作装置の第３層のｎ型ＩｎＰ層との界面に偏析していることが確認できる。以上のことは、エピタキシャル成長を何度行って分析しても同じであった。また、別のＭＯＣＶＤ装置を用い、例えば温度やガス流量等の異なる条件下でエピタキシャル成長させても、同様の結果が得られた。
【００４２】
これらの結果から、「Ｚｎをｐ型のドーパントとし、且つヘテロ構造を有する半導体装置において、Ｚｎが１×１０１８ｃｍ−３以下の低濃度にドープされたｐ型の三・四元半導体層上に、Ｚｎが１×１０１８ｃｍ−３以下の低濃度にドープされたｐ型の二元半導体層を積層する場合、つまり第１の試作装置の場合は、積層後に濃度分布を分析したときに、設計通りの所定のＺｎドーピング濃度が得られる。しかし、上記とは逆に、二元半導体層上に、三・四元半導体層を積層する場合、つまり、第２の試作装置の場合は、積層後に濃度分布を分析したときに、成長装置や成長条件によらず、二元半導体層においてＺｎの異常拡散が生じ、該二元半導体層では設計通りの所定のＺｎドーピング濃度が得られない。」ということが考えられる。
【００４３】
また、第２の試作装置の場合において、第４層のｐ型ＩｎＰ層のＺｎドーピング濃度をより高くして、例えば１×１０１７ｃｍ−３になるように設計した場合にも、第４層のｐ型ＩｎＰ層では設計通りの所定の原子濃度が得られず、ＳＩＭＳ分析の測定限界以下となってしまった。この結果からは、「Ｚｎの異常拡散は、ドーピング濃度に依存せずに発生する。」ということが考えられる。
【００４４】
このようにｐ型ドーパントの異常拡散が生じると、該異常拡散が生じた半導体層のキャリア濃度を正確に制御することができなくなり、その結果、該半導体層を例えば半導体受光素子の光感応層または半導体発光素子の発光層として含んで作製した電子デバイスあるいは光デバイスが期待通りの特性を保たないといった問題点がある。
【００４５】
続いて、本発明者は、更なる他の半導体装置（以下、「第３の試作装置」ともいう。）を第１の試作装置および第２の試作装置の場合と同様にＭＯＣＶＤ法により試作した。図１０は、第３の試作装置を試作するために、各層の材料、厚さ等について設計した事項をまとめた図である。図１０に示すように、試作された第３の試作装置は、図８に示した第２の試作装置と比べて、第３層および第４層に相違点がある。
【００４６】
すなわち、ｎ型のＩｎＧａＡｓＰ半導体層の第３層は、その波長が０．９５μｍになり、その厚さが０．２μｍになるように、且つＳｉのドーピング濃度が２×１０１８ｃｍ−３になるように設計されている。また、ｐ型のＩｎＧａＡｓＰ半導体層の第４層は、その波長が０．９５μｍになり、その厚さが０．７μｍになるように、且つＺｎのドーピング濃度が２×１０１６ｃｍ−３になるように設計されている。このように、第３の試作装置には、第２の試作装置においてＺｎの異常拡散が生じた第４層のｐ型ＩｎＰ層の代わりに、該ｐ型ＩｎＰ層のエネルギーギャップと近いエネルギーギャップを有し、且つ第５層のｐ型のＩｎＧａＡｓＰ半導体層のエネルギーギャップより大きいエネルギーギャップを有するｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層を第４層として備えるように設計されている。
【００４７】
この第３の試作装置において、ｐ型ドーパントであるＺｎ原子の濃度分布をＳＩＭＳ法により測定したところ、その結果は前述した図９と同様であった。すなわち、測定した各層のＺｎのドーピング濃度は、図１０の設計通りのＺｎのドーピング濃度（図１０の５列目）と一致しなかった。以上のことは、エピタキシャル成長を何度行って分析しても同じであった。また、別のＭＯＣＶＤ装置を用い、例えば温度やガス流量等の異なる条件下でエピタキシャル成長させても、同様の結果が得られた。
【００４８】
以上説明したような第１の試作装置、第２の試作装置および第３の試作装置を通じた実験の結果をまとめると、「ヘテロ接合する第１のIII−V族化合物半導体層および第２のIII−V族化合物半導体層を備え、第２のIII−V族化合物半導体層のエネルギーギャップは、第１のIII−V族化合物半導体層のエネルギーギャップより小さい場合、ｐ型不純物の異常拡散は、成長装置や成長条件により生じるのではなく、半導体へテロ構造と、ｐ型不純物の種類に起因した本質的な問題により生じる。」と考えられる。これまで、このような異常拡散の問題を指摘した先行文献や特許文献は無く、その理由も解明されていなかった。
【００４９】
本発明は、このような新たな知見に基づいて為されたものであり、二元半導体層上に三・四元半導体層を積層する場合、低濃度領域においてｐ型不純物の異常拡散を防止するために為されたものである。
【００５０】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。例えば、上記説明においては、例えば光ファイバとの結合効率を向上させるために基板の一部を除去した構造の面発光型ダイオード２００、または裏面入射型フォトダイオード３００を、本発明の半導体装置を含む光デバイスの一例としているが、これに限られることなく、例えば発光を端面から取り出すいわゆる端面発光型発光ダイオードにも本発明の半導体装置を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本実施形態にかかる半導体装置の積層構造を示す断面図である。
【図２】本実施形態の半導体装置に関する設計事項をまとめた図である。
【図３】本実施形態の半導体装置に対して、Ｂｅ原子の濃度分布をＳＩＭＳ法により測定した結果を示す図である。
【図４】半導体装置を含む面発光型ダイオードを示す断面模式図である。
【図５】半導体装置を含む裏面入射型フォトダイオードを示す断面模式図である。
【図６】第１の試作装置に関する設計事項をまとめた図である。
【図７】第１の試作装置に対して、Ｚｎ原子の濃度分布をＳＩＭＳ法により測定した結果を示す図である。
【図８】第２の試作装置に関する設計事項をまとめた図である。
【図９】第２の試作装置に対して、Ｚｎ原子の濃度分布をＳＩＭＳ法により測定した結果を示す図である。
【図１０】第３の試作装置に関する設計事項をまとめた図である。
【符号の説明】
【００５２】
１００…半導体装置、１０２…ｎ型ＩｎＰ基板、１０４…ｎ型ＩｎＰ半導体層（第１層）、１０６…ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ半導体層（第２層）、１０８…ｎ型ＩｎＰ半導体層（第３層）、１１０…ｐ型ＩｎＰ半導体層（第４層）、１１２…ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ半導体層（第５層）、１１４…ｐ型ＩｎＰ半導体層（第６層）、２００…面発光型ダイオード、２０２，２１８…電極、２０４…ｎ型ＩｎＰ基板、２０６…ｎ型ＩｎＧａＡｓＰエッチングストップ層、２０８…ｎ型ＩｎＰクラッド層、２１０…ｐ型のＩｎＰ接合層、２１２…ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ活性層、２１４…ｐ型ＩｎＰクラッド層、２１６…ＳｉＯ２絶縁膜、２２０…放熱用のヒートシンク、３００…裏面入射型フォトダイオード、３０２，３１６…電極、３０４…ＳｉＯ２絶縁膜、３０６…ｐ型ＩｎＰクラッド層、３０８…ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ活性層、３１０…ｐ型ＩｎＰ接合層、３１２…ｎ型ＩｎＰクラッド層、３１４…ｎ型ＩｎＰ基板。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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