(57)【要約】【課題】化合物半導体層の界面の抵抗成分を低減し、より高出力な半導体レーザダイオードを作製可能なエピタキシャルウェハを得る。【解決手段】ヒータにより加熱された基板上に、少なくともＡｌＧａＩｎＰクラッド層５、ＧａＩｎＰ中間層６、ＧａＡｓコンタクト層７を連続的に気相成長させるに際し、不純物ガスにより導入されるＺｎの導入量を増加させることにより、原料ガスの流量を変化させないで、上記ＧａＩｎＰ中間層６のＧａＰ組成比を段階的または連続的に低下させる。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒータにより加熱された基板上に、原料ガス、不純物ガス、キャリアガスを導入することにより化合物半導体層を気相成長させる化合物半導体エピタキシャルウェハの製造方法において、
上記不純物ガスにより導入されるＺｎの導入量を増加させることにより、上記原料ガスの流量を変化させないで化合物半導体層のＧａＰ組成比を低下させることを特徴とする化合物半導体エピタキシャルウェハの製造方法。
【請求項２】
ヒータにより加熱された基板上に、原料ガス、不純物ガス、キャリアガスを導入することにより、少なくともＡｌＧａＩｎＰクラッド層、ＧａＩｎＰ中間層、ＧａＡｓコンタクト層を連続的に気相成長させる化合物半導体エピタキシャルウェハの製造方法において、
上記不純物ガスにより導入されるＺｎの導入量を増加させることにより、上記原料ガスの流量を変化させないで、上記ＧａＩｎＰ中間層のＧａＰ組成比を段階的または連続的に低下させることを特徴とする化合物半導体エピタキシャルウェハの製造方法。
【請求項３】
ＧａＡｓ基板上に、少なくともＡｌＧａＩｎＰクラッド層、ＧａＩｎＰ中間層、ＧａＡｓコンタクト層が連続的に成長された化合物半導体エピタキシャルウェハにおいて、
上記ＧａＩｎＰ中間層のＧａＰ組成比がＡｌＧａＩｎＰクラッド層側から段階的または連続的に減少していることを特徴とする化合物半導体エピタキシャルウェハ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化合物半導体エピタキシャルウェハの製造方法および化合物半導体エピタキシャルウェハ、特に光素子用として適したエピタキシャルウェハに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＡｌＧａＩｎＰ系半導体材料を用いた従来の半導体レーザダイオード（ＬＤ）の一例を、図５に示す。図において、２０１はｎ型ＧａＡｓ基板、２０２は基板２０１上に形成されたｎ型ＡｌＧａＩｎＰからなるクラッド層である。２０３はＡｌＧａＩｎＰからなる活性層である。２０４は、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰからなるクラッド層である。すなわち、ＡｌＧａＩｎＰ活性層２０３のエネルギーギャップが、ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２０２及び２０４のエネルギーギャップより小さくなるよう混晶比が設定されており、ダブルヘテロ構造をなしている。２０６はコンタクト層である。
【０００３】
２０５はＧａＡｓからなる電流ブロック層である。電流ブロック層２０５は、レーザー発振に必要な電流密度を得るために、いわゆる、電流狭窄を行う目的で設けられる。２０５は、層２０４を選択エッチングしてリッジを形成した後、ＳｉＮｘなどのアモルファス膜を用いて選択成長させることによって形成する。
【０００４】
上記ＬＤのような光素子に用いられる従来のエピタキシャルウェハの構造を図３に示す。これは、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、順次、ｎ型ＧａＩｎＰバッファ層２、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層３、量子井戸活性層４、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層５、ｐ型ＧａＩｎＰ中間層６、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層７を積層した構成である。
【０００５】
この構成の特色は次の点にある。すなわち、ｐ型クラッド層５にアルミニウム・ガリウム・インジウム燐（ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ）が、またｐ型コンタクト層７にガリウム砒素（ｐ−ＧａＡｓ）が用いられる。さらに、上記ｐ型クラッド層５の直上にｐ型コンタクト層を形成すると、急激なバンドギャップ不連続のために、その界面が抵抗成分となってしまうため、その間に中間層６としてｐ型ガリウム・インジウム燐（ｐ−ＧａＩｎＰ）が挿入される。そしてこれらの各層のキャリア濃度は層内一様である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術においては、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層５とｐ型ＧａＩｎＰ中間層６との界面や、ｐ型ＧａＩｎＰ中間層６とｐ型ＧａＡｓコンタクト層７との界面に、急なバンドギャップ不連続のための抵抗成分が残る。特にこれらの界面には、両材料系の仕事関数の違いから、図４に示すように、ノッチ８と呼ばれる局所的で急峻なエネルギー障壁ができやすいため、抵抗成分を増加させる傾向があるという問題があった。
【０００７】
そこで本発明の目的は、上記課題を解決し、これら化合物半導体層の界面の抵抗成分を低減し、より高出力な半導体レーザダイオードを作製するのに適したエピタキシャルウェハ及びその製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
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。
【０００９】
請求項１の発明に係る化合物半導体エピタキシャルウェハの製造方法は、ヒータにより加熱された基板上に、原料ガス、不純物ガス、キャリアガスを導入することにより化合物半導体層を気相成長させる化合物半導体エピタキシャルウェハの製造方法において、上記不純物ガスにより導入されるＺｎの導入量を増加させることにより、上記原料ガスの流量を変化させないで化合物半導体層のＧａＰ組成比を低下させることを特徴とする。
【００１０】
これには、ＧａＰ組成の傾斜領域ないし遷移領域を、作成する層と層の界面近傍に配置する形態がすべて含まれる。代表的には次の二つの形態が含まれる。第一は、ヒータにより加熱された基板上に、原料ガス、不純物ガス、キャリアガスを導入することにより、少なくともＡｌＧａＩｎＰクラッド層、ＧａＩｎＰ中間層、ＧａＡｓコンタクト層を連続的に気相成長させる化合物半導体エピタキシャルウェハの製造方法において、上記不純物ガスにより導入されるＺｎの導入量を増加させることにより、上記原料ガスの流量を変化させないで、上記ＧａＩｎＰ中間層のＧａＰ組成比を段階的または連続的に低下させる形態（請求項２の形態）である。第二は、ヒータにより加熱された基板上に、原料ガス、不純物ガス、キャリアガスを導入することにより、少なくともＡｌＧａＩｎＰクラッド層、ＧａＩｎＰ中間層、ＧａＡｓコンタクト層を連続的に気相成長させる化合物半導体エピタキシャルウェハの製造方法において、上記不純物ガスにより導入されるＺｎの導入量を増加させることにより、上記原料ガスの流量を変化させないで、上記ＡｌＧａＩｎＰクラッド層の層内の、ＧａＩｎＰ中間層側に、ＧａＰ組成比を低下させる遷移領域を形成する形態である。すなわち、上記中間層内ではなく又は上記中間層と共に、この中間層に隣接するクラッド層内における中間層側の界面近傍に、上記遷移領域を形成する形態である。
【００１１】
請求項２の発明に係る化合物半導体エピタキシャルウェハの製造方法は、ヒータにより加熱された基板上に、原料ガス、不純物ガス、キャリアガスを導入することにより、少なくともＡｌＧａＩｎＰクラッド層、ＧａＩｎＰ中間層、ＧａＡｓコンタクト層を連続的に気相成長させる化合物半導体エピタキシャルウェハの製造方法において、上記不純物ガスにより導入されるＺｎの導入量を増加させることにより、上記原料ガスの流量を変化させないで、上記ＧａＩｎＰ中間層のＧａＰ組成比を段階的または連続的に低下させることを特徴とする。
【００１２】
請求項３の発明に係る化合物半導体エピタキシャルウェハは、ＧａＡｓ基板上に、少なくともＡｌＧａＩｎＰクラッド層、ＧａＩｎＰ中間層、ＧａＡｓコンタクト層が連続的に成長された化合物半導体エピタキシャルウェハにおいて、上記ＧａＩｎＰ中間層のＧａＰ組成比がＡｌＧａＩｎＰクラッド層側から段階的または連続的に減少していることを特徴とする。
【００１３】
＜発明の要点＞
上記目的を達成するため、本発明では、有機金属気相成長法で成長したガリウム・インジウム燐（ＧａＩｎＰ）や、アルミニウム・ガリウム・インジウム燐（ＡｌＧａＩｎＰ）に、ｐ型不純物、特に亜鉛（Ｚｎ）を添加すると、混晶組成が変化するという性質を利用した。
【００１４】
例えば、ＧａＩｎＰでは不純物を故意に添加しないアンドープの状態でＧａＡｓ基板に格子整合、すなわち基板との格子定数のずれ△θ（デルタシータ）がゼロ近傍となるようにガリウムとインジウムの原料流量を調整した場合、成長時に亜鉛（Ｚｎ）を添加してｐ型層とすると△θがシフトし、ガリウムとインジウムの成長膜への取り込まれ率が変化することがわかる。しかもこの変化は添加する亜鉛の量に従って変化し、膜中のｐ型キャリア濃度が高くなるほど、△θのずれ量も大きくなる。
【００１５】
この△θのずれは、プラス側（基板より格子定数が大きくなる方向）にずれる場合と、マイナス側（基板より格子定数が小さくなる方向）にずれる場合があるが、成長条件を調整することでマイナス側にずれるようにすることができる。
【００１６】
この条件でｐ型ガリウム・インジウム燐（ＧａＩｎＰ）を成長すると、亜鉛を添加し、その添加量を徐々に増加させることで、ガリウムとインジウムの原料流量を変えること無しに、アンドープ層よりも△θを徐々にマイナス側、すなわちガリウム組成を低い側にずらした層を成長することができる。
【００１７】
良く知られているように、亜鉛は拡散し易い元素であるが、ガリウムとインジウムの取り込まれ率は亜鉛を供給している成長時に決まるので、層の成長後に亜鉛が拡散したとしても、ガリウムとインジウムの組成比が変化することはない。
【００１８】
このようにして作製する組成の傾斜領域を層と層の界面近傍に配置することにより、従来の問題点を解決できる。
【００１９】
なお、中間層のＧａｘｌｎｘ−１Ｐにおいて、混晶比ｘを小さくするとバンドギャップエネルギーＥｇが小さくなり、混晶比ｘ＝０としたときのＧａＰのバンドギャップエネルギーＥｇは２．２６（ｅＶ）となる。逆に、混晶比ｘを大きくするとバンドギャップエネルギーＥｇが大きくなり、混晶比ｘ＝１としたときのＩｎＰのバンドギャップエネルギーＥｇは１．３５（ｅＶ）となる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施形態に基づいて説明する。
【００２１】
図１に示すごとく、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、これと格子整合したｎ型ＧａＩｎＰバッファ層２、ｎ型（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）ＩｎＰクラッド層３を順次エピタキシャル成長し、その上にアンドープ（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）ＩｎＰガイド層、障壁層と歪ＧａＩｎＰ井戸層とからなる量子井戸活性層４、さらにｐ型（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）ＩｎＰクラッド層５、ｐ型ＧａＩｎＰ中間層６、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層７を成長し、ダブルヘテロ構造を作製した。
【００２２】
ここでｐ型ＧａＩｎＰ中間層６は膜厚を３００ｎｍとするが、この層の成長条件は、アンドープで△θがほぼゼロとなるようにガリウム原料とインジウム原料の流量を条件出しにてあらかじめ調整しておいた。
【００２３】
図１に示すように、実際にこのｐ型ＧａＩｎＰ中間層６を成長する場合は、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層５を成長した後、ガリウム原料とインジウム原料の流量はアンドープの条件出し時の値に設定し、亜鉛の添加による層のキャリア濃度が、最初の３０ｎｍは５×１０１７ｃｍ−３（６−１）、次の１５０ｎｍは１×１０１８ｃｍ−３（６−２）、続いて３０ｎｍが１．５×１０１８ｃｍ−３（６−３）、３０ｎｍが２×１０１８ｃｍ−３（６−４）、３０ｎｍが２．５×１０１８ｃｍ−３（６−５）、３０ｎｍが３×１０１８ｃｍ−３（６−６）となるように亜鉛の流量を増加させながら成長した。このとき、△θのずれは、別に調査したところ、５×１０１７ｃｍ−３の層で−５０秒程度、１×１０１８ｃｍ−３の層で−１５０秒程度、さらに３×１０１８ｃｍ−３の層では−６００秒程度であった。
【００２４】
他の層は従来の成長条件で成長した。
【００２５】
ちなみに従来の中間層は、キャリア濃度が１．２×１０１８ｃｍ−３の、このキャリア濃度で△θがほぼゼロとなるようなガリウム・インジウム燐（ＧａＩｎＰ）の一様な層であった。
【００２６】
本実施形態の中間層６での遷移領域のエネルギーバンドのイメージを図２に示す。これに対して従来の中間層のエネルギーバンドのイメージを図４に示す。本発明では、従来例の界面に存在するノッチ８と呼ばれるエネルギー障壁が、傾斜領域の挿入によって消滅し、その分抵抗成分が低減されていると考えられる。
【００２７】
本実施形態のエピタキシャルウェハを用いて、半導体レーザダイオードを作製したところ、素子の直列抵抗成分は、１５パーセント低減することができた。また、素子の発振しきい値電流も５〜１０パーセント低減された。
【００２８】
上記実施形態では、不純物ガスにより導入されるＺｎの導入量を増加させることにより、原料ガスの流量を変化させないで、ｐ型ＧａＩｎＰ中間層６のＧａＰ組成比を段階的に低下させる構成とした。しかし、連続的に低下させる構成とすることもできる。また上記実施形態に加えて、ｐ型（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）ＩｎＰクラッド層５の層内の、ｐ型ＧａＩｎＰ中間層６側にも、同様のキャリア濃度の傾斜領域を設けることもでき、これによっても同様の効果が期待できることは言うまでもない。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、次のような優れた効果が得られる。すなわち、有機金属気相成長法で成長したＧａＩｎＰや、ＡｌＧａＩｎＰにｐ型不純物、特に亜鉛を添加することで混晶組成が変化するという性質を利用し、亜鉛の添加量を徐々に増加させることで、ガリウムとインジウムの原料流量を変えること無しに、キャリア濃度の変更のみでガリウム組成を低い側にずらした層を成長することができる。このようにして作製する組成の傾斜領域を層と層の界面近傍に配置することにより、界面の抵抗成分を低減し、より高出力な半導体レーザダイオード等を作製するのに適したエピタキシャルウェハを簡便に作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光素子用の化合物半導体エピタキシャルウェハの構成を例示した断面模式図である。
【図２】本発明の光素子用の化合物半導体エピタキシャルウェハにおけるＧａＩｎＰ中間層のエネルギーバンドのイメージ図である。
【図３】従来の光素子用の化合物半導体エピタキシャルウェハの構造を示した断面模式図である。
【図４】図３に示した従来例のＧａＩｎＰ中間層のエネルギーバンドのイメージ図である。
【図５】従来の半導体レーザダイオードの構造を示した断面模式図である。
【符号の説明】
１　ｎ型ＧａＡｓ基板
２　ｎ型ＧａＩｎＰバッファ層
３　ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
４　量子井戸活性層
５　ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
６　ｐ型ＧａＩｎＰ中間層
７　ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
８　ノッチ（エネルギー障壁）
【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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