(57)【要約】  【課題】  ｐ型ドーパント元素の拡散による特性に対する影響を軽減し、かつｐ型ドーパント元素を設計通りに濃度分布させることが可能な、歩留まりの高い半導体発光素子の構造を提供する。  【解決手段】  基板と、化合物半導体により構成されたｐ導電型の層を含み基板上に形成された複数層の積層膜とを備える。ｐ導電型の層は、少なくとも第一のドーパント元素、および第二のドーパント元素を含み、第一および第二ドーパント元素の濃度分布が互いに異なり、かつ基板に垂直な方向に対して変化している。【選択図】  図３
2005101099.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、化合物半導体により構成されたｐ導電型の層を含み前記基板上に形成された複数層の積層膜とを備えた半導体発光素子において、前記ｐ導電型の層は、少なくとも第一のドーパント元素、および第二のドーパント元素を含み、前記第一および前記第二ドーパント元素の濃度分布が互いに異なり、かつ前記基板に垂直な方向に対して変化していることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記ｐ導電型の層において、前記第一のドーパント元素と前記第二のドーパント元素の濃度比分布が、前記基板に垂直な方向に対して変化している請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記第一のドーパント元素は前記第二のドーパント元素と比べて積層膜内で熱工程による拡散の影響を受け難いとともに、膜の成長開始期および成長終了期において所望する成膜結果と比較して成膜の遅延を生じ易い性質を有する元素であり、前記第二のドーパント元素は前記第一のドーパント元素と比べ積層膜内で熱工程による拡散の影響を受け易い性質を有する元素であり、
前記第一のドーパント元素は、下層との界面に隣接した前記基板に垂直な方向の一部領域において、他の領域の濃度よりも低濃度の領域を形成し、前記第二のドーパント元素は、前記第一のドーパント元素の低濃度領域にドーピングされて、前記第一および第二のドーパント元素の濃度の和が、前記ｐ導電型の層の前記基板に垂直な方向において実質的に一様である請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記第一のドーパント元素は更に、上層との界面に隣接した前記基板に垂直な方向の一部領域においても、他の領域の濃度よりも低濃度の領域を形成し、前記第二のドーパント元素は、当該低濃度領域にもドーピングされている請求項５記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記ｐ導電型の層がIII-Ｖ族化合物半導体で構成され、前記第一のドーパント元素がMg、前記第二のドーパント元素がZnである請求項３または４記載の半導体発光素子。
【請求項６】
基板上に、化合物半導体により構成されたｐ導電型の層を含む複数層の積層膜を形成する工程を有する半導体発光素子の製造方法において、
前記ｐ導電型の層を積層する工程において、第一のドーパント元素、および第二のドーパント元素のドーピングを行い、前記第一または第二のドーパント元素のうち、少なくとも一方の原料の供給量を時間的に変化させることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項７】
前記第一のドーパント元素は積層膜内で拡散し難いとともに膜の成長開始期および成長終了期に成膜効果の遅延を生じ易い性質を有する元素であり、前記第二のドーパント元素は積層膜内で拡散し易い性質を有する元素であり、
前記第一のドーパント元素は、膜の成長開始期から成長終了期に亘って原料の供給量を一定とし、前記第二のドーパント元素は、膜の成長開始期に原料を供給する請求項６記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項８】
前記第一のドーパント元素は前記第二のドーパント元素と比べて積層膜内で熱工程による拡散の影響を受け難いとともに、膜の成長開始期および成長終了期において所望する成膜結果と比較して成膜の遅延を生じ易い性質を有する元素であり、前記第二のドーパント元素は前記第一のドーパント元素と比べ積層膜内で熱工程による拡散の影響を受け易い性質を有する元素であり、
前記第一のドーパント元素は、膜の成長終了期を除く成膜期間に亘って原料の供給量を一定とし、前記第二のドーパント元素は、膜の成長開始期および成長終了期に原料を供給する請求項６記載の半導体発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ディスク装置、光情報処理等に使用される発光ダイオード、半導体レーザ等の半導体発光素子、およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
III-Ｖ族系化合物半導体により構成される半導体レーザにおいては、少なくともｐ型ドーピングしたクラッド層と活性層を有する。ｐ型ドーパント元素としては、一般的に、II族元素のZnが用いられている。Znをp型ドーパント元素として用いた半導体レーザとしては、例えば特許文献１に示した構造が知られている。
【０００３】
しかし、Znは拡散係数が大きいという性質を持っているため、エピタキシャル成長などのプロセス時や通電使用中に、Znが結晶内を移動しやすい。その結果、p型クラッド層などのZnをドーピングした層から、Znを含まないことを想定して設計した活性層にZnが移動する現象が起こり得る。
【０００４】
このような意図しないp型クラッド層からの拡散で活性層に移動したZnは、非発光再結合率増加の原因となるため、通電使用時間が増加するにつれ動作電流が上昇し、最終的に動作しなくなる場合もある、という問題があった。
【０００５】
上記の問題は、Znを代替するドーパント元素としてMgを用いることにより、回避することが可能である。高温下や通電時においても、Mgは拡散し難い性質を持つからである。
【０００６】
Zn及びMgをp型ドーパント元素として用いた半導体レーザとしては、例えば特許文献２に示した構造が知られている。この文献では、Mgをドーパントとして用いることにより、Znをドーパントとして用いる層よりも、高いキャリア濃度の層を有することを特徴としている。
【特許文献１】特開平４−７４４８７号公報
【特許文献２】特開平３−２８０４８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、Mgをドーパント元素として、エピタキシャル成長を有機金属気相成長（MOCVD）法などで行う場合、以下の問題がある。
【０００８】
Mgは、成長装置の配管や成長室の内壁に残存し易い性質を持つ。その結果、pドープを施すべき層の成長開始と同時にMgの原料供給を開始しても、成長室の手前の配管内で原料が消費され成長室まで十分に供給されず、成長開始からある程度の時間、所望濃度にMgをドーピングすることが困難である。
【０００９】
さらに、pドープを施すべき層の成長が終了したときに、同時にMgの原料供給を停止しても、成長室内にMgが依然として残存しているため、次工程の成長層に意図しないMgドーピングが施されてしまう。
【００１０】
このような成長装置内のMgの残存による影響、すなわち膜の成長開始期および成長終了期に成膜効果の遅延を生じる効果（以下メモリ効果という）により、所望の特性を得るために設定したドーピング濃度で、実際の半導体装置にドーピングすることができないという問題があった。
【００１１】
所望するバンド図を図１（ａ）に示す。これに対して、従来例において得られていたバンド図を図１（ｂ）に示す。メモリ効果の影響により、Mg分布が不適切であると、ｐ側の伝導バンド、価電子バンドの準位がp-i接合面において、低い準位にシフトするため、図１（ｂ）に示したバンド図を取る。このバンド構造では、i層よりpドープ層に電子が移動するため、発光効率が落ちるという不具合がある。
【００１２】
本発明は、ｐ型ドーパント元素の拡散による特性に対する影響を軽減し、かつｐ型ドーパント元素を設計通りに濃度分布させることが可能な、歩留まりの高い半導体発光素子の構造及びその製造方法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】
【００１３】
本発明の半導体発光素子は、基板と、化合物半導体により構成されたｐ導電型の層を含み前記基板上に形成された複数層の積層膜とを備えた半導体発光素子において、前記ｐ導電型の層は、少なくとも第一のドーパント元素、および第二のドーパント元素を含み、前記第一および前記第二ドーパント元素の濃度分布が互いに異なり、かつ前記基板に垂直な方向に対して変化していることを特徴とする。
【００１４】
本発明の半導体発光素子の製造方法は、基板上に、化合物半導体により構成されたｐ導電型の層を含む複数層の積層膜を形成する工程を有し、前記ｐ導電型の層を積層する工程において、第一のドーパント元素、および第二のドーパント元素のドーピングを行い、前記第一または第二のドーパント元素のうち、少なくとも一方の原料の供給量を時間的に変化させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
上記の半導体発光素子の構造及びその製造方法によれば、ｐ型ドーパント元素の拡散によるｐ導電型の層および隣接する層の特性に対する影響が軽減されるとともに、ｐ型ドーパント元素を設計通りに濃度分布させることが可能である。それにより、半導体発光素子の安定した動作を実現し、高い歩留まりを得ることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の半導体発光素子において好ましくは、前記ｐ導電型の層において、前記第一のドーパント元素と前記第二のドーパント元素の濃度比分布が、前記基板に垂直な方向に対して変化している。
【００１７】
また好ましくは、前記第一のドーパント元素は前記第二のドーパント元素と比べて積層膜内で熱工程による拡散の影響を受け難いとともに、膜の成長開始期および成長終了期において所望する成膜結果と比較して成膜の遅延を生じ易い性質を有する元素であり、前記第二のドーパント元素は前記第一のドーパント元素と比べ積層膜内で熱工程による拡散の影響を受け易い性質を有する元素である。前記第一のドーパント元素は、下層との界面に隣接した前記基板に垂直な方向の一部領域において、他の領域の濃度よりも低濃度の領域を形成する。また、前記第二のドーパント元素は、前記第一のドーパント元素の低濃度領域にドーピングされて、前記第一および第二のドーパント元素の濃度の和が、前記ｐ導電型の層の前記基板に垂直な方向において実質的に一様である。
【００１８】
前記ｐ導電型の層がIII-Ｖ族化合物半導体で構成され、前記第一のドーパント元素がMg、前記第二のドーパント元素がZnである構成とすることができる。
【００１９】
本発明の半導体発光素子の製造方法において好ましくは、前記第一のドーパント元素は前記第二のドーパント元素と比べて積層膜内で熱工程による拡散の影響を受け難いとともに、膜の成長開始期および成長終了期において所望する成膜結果と比較して成膜の遅延を生じ易い性質を有する元素であり、前記第二のドーパント元素は前記第一のドーパント元素と比べ積層膜内で熱工程による拡散の影響を受け易い性質を有する元素である。前記第一のドーパント元素は、膜の成長開始期から成長終了期に亘って原料の供給量を一定とし、前記第二のドーパント元素は、膜の成長開始期に原料を供給する。
【００２０】
あるいは、前記第一のドーパント元素は、膜の成長終了期を除く成膜期間に亘って原料の供給量を一定とし、前記第二のドーパント元素は、膜の成長開始期および成長終了期に原料を供給するようにしてもよい。
【００２１】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。
【００２２】
（第一の実施形態）
図２は、第一の実施形態における半導体レーザを概略的に示す断面図である。この半導体レーザは、基板101上に、n型クラッド層102、活性層103、p型クラッド層104、電流ブロック層105、およびコンタクト層106が順次積層された構造である。コンタクト層106上部および基板101下部に、それぞれ電極107、108が形成されている。
【００２３】
p型クラッド層104はリッジ状に形成されており、その幅は上部約1μm、下部約3μmである。電流ブロック層105はp型クラッド層104上に隣接して積層されており、電流注入領域は除去されている。各層の材料、伝導型、膜厚は以下の表１の通りである。
【００２４】
【表１】
2005101099.tif 000003
pクラッド層104の組成については、MOCVD（有機金属気相成長）法を用いてエピタキシャル成長を行う場合、Gaの原料となる有機金属（トリメチルガリウムなど）、Alの原料となる有機金属（トリメチルアルミニウムなど）、Inの原料となる有機金属（トリメチルインジウムなど）の供給量を、マスフローの流量などにより容易に制御可能である。しかし、ｐクラッド層104のドーピング濃度は、Mgの原料となる有機金属（ビスシクロペンタディエニルマグネシウムなど）の供給量をマスフローの流量などにより制御する方法では、メモリ効果の影響により調整困難である。一方、Znの原料となる有機金属（ジメチル亜鉛など）のみでは、Znが半導体装置内で拡散しやすく問題である。
【００２５】
本実施形態の半導体レーザでは、MgおよびZnを併用し、両元素の利点を活用し欠点を抑制するように、各々の濃度分布が適切に設定される。図３を参照して、本実施形態の半導体レーザにおけるMgおよびZnの濃度分布について説明する。図３（ａ）、（ｃ）、（ｅ）、（ｆ）の横軸は、例えばMOCVD装置において、エピ成長ガス材料を供給する濃度を制御することにより設定されるZn及びMgの目標濃度を示す。図３（ｂ）、（ｄ）、（ｇ）の横軸は、半導体レーザ内に実際に形成されるZn及びMgの濃度分布を示す。図３の縦軸は、図２に記したレーザ断面図の厚さ方向を示す。
【００２６】
図３（ａ）〜（ｄ）は、従来方法である１種類のドーパント元素のみを用いたドーピング方法を示す。図３（ｅ）〜（ｇ）は、本実施形態のドーピング方法を示す。
【００２７】
従来例のドーピング方法においてMgをドーピング元素として用いた場合、図３（ａ）に示すような設定でp型クラッド層104に所望する濃度のMgをドーピングしようとしても、上述のメモリ効果により、図３（ｂ）に示すように、p型クラッド層104成長開始期中のMg濃度が、所望するよりも低いドーピング濃度となる。尚、電流ブロック層105より上層は別工程で成長させるため、ここでは考慮しない。
【００２８】
従来例の１種類のドーパント元素のみを用いたドーピング方法においてZnをドーピング元素として用いた場合、図３（ｃ）のような設定で、ドーピング当初はp型クラッド層104に所望する濃度のZnをドーピングすることができる。しかし、Znは半導体レーザ中を拡散し易いため、図３（ｄ）に示すように、Znが活性層103など上下の層に拡散してしまう。
【００２９】
これに対して本実施形態では、図３（ｆ）に示すように、所望するドーピングの全時間に亘って第一のドーパントのMgを、所望するドーピングの成長開始期には、図３（ｅ）に示すように、第二のドーパントのZnを併用する。それにより、図３（ｇ）に示すように、p型クラッド層104の全領域に亘って所望のドーパント濃度分布を得ることができる。すなわち、Mgは、活性層103との界面に隣接した一部領域において、他の領域の濃度よりも低濃度の領域を形成する。これに対してZnは、Mgの低濃度領域にドーピングされて、MgおよびZnの濃度の和は実質的に一様である。なお、成長開始期にZnを用いても、Znのみのドーピングの場合よりZnのドーズ量が小さいので、Zn拡散は低減される。
【００３０】
MgとZnのドーピング濃度比は、Zｎの拡散程度とMgのメモリ効果の程度を勘案して設定することにより、所望する濃度分布でｐ型ドーパント元素をドーピングすることができる。Znのドーズ量がMgのドーズ量の5分の1以下であれば、Znの拡散を無視できる。
【００３１】
このようなドーピング方法を用いることにより、界面近傍ではMgの供給を行わないのでメモリ効果の影響を回避できる。また、Znのみのドーピングの場合よりZnのドーズ量が小さいので、Zn拡散も低減できる。
【００３２】
図４は、従来例及び本実施の形態における、通電電流に対する光出力を示すグラフである。図４（ａ）のグラフは、従来の方法を用いて、ドーパントとして低濃度のZnを用いた場合を示す。この場合、50mWの光出力に達するために、120mAの電流を通電する必要がある。一方、図４（ｂ）のグラフにより示される高濃度のZｎの場合、90mAでよい。しかし、Znを高濃度ドープすると、拡散による影響が懸念される。図４（ｃ）のグラフは、従来の方法を用いて、Mgのみを用いた場合を示す。この場合、電流を増加させても熱飽和が起こり、光出力が50mWに達しない。これは、メモリ効果の影響により、クラッド層に正常なｐドーピングが施されないためである。そこで、本実施形態を適用し、成長開始および成長終了期にはZnを用いて、成長途中にはMgを用いた場合が、図４（ｄ）のグラフに示される。この場合、メモリ効果、拡散の影響が低減され、図４（ｂ）のグラフに示した高濃度のZnの場合とほぼ同等の電流対光出力特性が得られ、少ない電流量でレーザ発振させることができる。
【００３３】
図５は、従来例及び本実施の形態における、70℃において50ｍWの光出力を得るときの、通電時間に対する動作電流の変化を示すグラフである。従来型のZnが高濃度の場合（ｂ）では、Znが通電時間の経過とともに拡散することにより、動作電流が徐々に高くなり、半導体レーザの寿命が短縮される。低Zn濃度の場合（ａ）では、この問題は発生しないが、高Zｎ濃度の場合に比べて大きな動作電流を要する。これに対して、成長開始および成長終了期にはZnを用いて、成長途中にはMgを用いた場合（ｄ）には、低動作電流で半導体レーザを発振し、従来型半導体レーザよりも寿命を長くすることが可能であるという効果が認められる。
【００３４】
（第二の実施形態）
図６は、第二の実施形態における半導体レーザを概略的に示す断面図である。この半導体レーザは、基板201上に、n型クラッド層202、活性層203、第一p型クラッド層204、電流ブロック層205、第二ｐ型クラッド層206、およびコンタクト層207が順次積層された構造である。コンタクト層207上部および基板201下部に、それぞれ電極208、209が形成されている。
【００３５】
電流ブロック層205は第一p型クラッド層204上に隣接して積層されており、電流注入領域が除去されている。電流ブロック層205は溝状のストライプに形成されており、その幅は上部約3μm、下部約1μmである。各層の材料、伝導型、膜厚は以下の表２の通りである。
【００３６】
【表２】
2005101099.tif 000004
図７を参照して、本実施形態の半導体レーザにおけるMgおよびZnの濃度分布について説明する。図７（ａ）、（ｃ）、（ｅ）、（ｆ）の横軸は、例えばMOCVD装置において、エピ成長ガス材料を供給する濃度を制御することにより設定されるZn及びMgの目標濃度を示す。図７（ｂ）、（ｄ）、（ｇ）の横軸は、半導体レーザ内に実際に形成されるZn及びMgの濃度分布を示す。図７の縦軸は図６に記したレーザ断面図の厚さ方向を示す。
【００３７】
図７（ａ）〜（ｄ）は、従来方法である１種類のドーパント元素のみを用いたドーピング方法を示す。図７（ｅ）〜（ｇ）は、本実施形態のドーピング方法を示す。
【００３８】
従来例のドーピング方法においてMgをドーピング元素として用いた場合、図７（ａ）に示すような設定で第一p型クラッド層204に所望する濃度のMgをドーピングしようとしても、メモリ効果により、図７（ｂ）に示すように、第一p型クラッド層204成長開始期中のMg濃度が、所望するよりも低いドーピング濃度となる。また、電流ブロック層205においては、同様のメモリ効果の影響を受け、n型ドーピングしているにもかかわらず、第一p型クラッド層204のエピタキシャル成長時の残留Mgが検出される。
【００３９】
従来例の１種類のドーパント元素のみを用いたドーピング方法においてZnをドーピング元素として用いた場合、図７（ｃ）のような設定で、ドーピング当初は第一p型クラッド層204に所望する濃度のZnをドーピングすることができる。しかし、Znは半導体レーザ中を拡散し易いため、図７（ｄ）に示すように、Znが活性層203など上下の層に拡散してしまう。
【００４０】
これに対して本実施形態では、図７（ｆ）に示すように、所望するドーピングの開始期から中間期には、原料として第一のドーパントのMgを、所望するドーピングの成長開始期および成長終了期には、図７（ｅ）に示すように、第二のドーパントのZnを併用して用いる。この方法によれば、第一p型クラッド層204の成長終了期にはMgの供給を行わないので、電流ブロック層205へのメモリ効果による意図しないドーピングの影響を回避できる。また、成長開始および成長終了期にZnを用いているが、Znのみのドーピングの場合よりZnのドーズ量が小さいので、Zn拡散は低減される。
【００４１】
本実施形態においても第一の実施形態と同様の効果が得られる。
【００４２】
以上のような形態を取ることにより、活性層へのドーパントの拡散が少なく、かつ所望のドーピング濃度分布が形成された半導体レーザを実現することができる。したがって、活性層非発光結合の少ない、発光効率の良好な半導体レーザを実現することが可能となる。
【００４３】
なお、上記実施の形態においては、半導体レーザを例として説明したが、発光ダイオード（ＬＥＤ）に本発明の構造及び製法を適用して、非発光結合を低減させ、発光効率を向上させることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明の半導体発光素子及びその製造方法は、ドーパント元素の素子内での移動を防ぎ、かつ設計に適合したドーピング制御を可能とし、半導体発光素子の安定した動作を実現するものであり、光ディスク装置、光情報処理などに使用する半導体発光素子に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】従来例の半導体レーザにおける問題を説明するための模式的バンド図
【図２】本発明の第一の実施形態における半導体レーザの模式的断面図
【図３】従来及び本発明の第一の実施形態における深さ方向のドーピング濃度分布を示すグラフ
【図４】従来及び本発明の第一の実施の形態における電流に対する光出力を示すグラフ
【図５】従来及び本発明の第一の実施の形態における通電時間に対する動作電流を示すグラフ
【図６】本発明の第二の実施形態における半導体レーザの模式的断面図
【図７】従来及び本発明の第二の実施形態における深さ方向のドーピング濃度分布を示すグラフ
【符号の説明】
【００４６】
101  n型GaAs基板
102  n型AlGaInPクラッド層
103  活性層
104  p型AlGaInPクラッド層
105  n型AlInP電流ブロック層
106  p型GaAsコンタクト層
107  p側電極
108  n側電極
201  n型GaAs基板
202  n型AlGaInPクラッド層
203  活性層
204  第一p型AlGaInPクラッド層
205  n型AlInP電流ブロック層
206  第二p型AlGaInPクラッド層
207  p型AlGaInPコンタクト層
208  p側電極
209  n側電極
【図１】
2005101099.tif 000005
【図２】
2005101099.tif 000006
【図３】
2005101099.tif 000007
【図４】
2005101099.tif 000008
【図５】
2005101099.tif 000009
【図６】
2005101099.tif 000010
【図７】
2005101099.tif 000011