(57)【要約】【課題】垂直共振器面発光レーザ用の半導体基板の製造において、原料ガスのコストを低減する。垂直共振器面発光レーザ用の半導体基板におけるｐ型半導体層の不純物濃度を制御する。【解決手段】ｐ型結晶層を有する垂直共振器面発光レーザ用の半導体基板であって、ｐ型結晶層が、３−５族化合物半導体からなり、ｐ型不純物原子として炭素原子を含み、かつ、６×１０１７ｃｍ−３以上、６×１０１９ｃｍ−３以下の濃度の水素原子を含む半導体基板を提供する。【選択図】図１
2012109557.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐ型結晶層を有する垂直共振器面発光レーザ用の半導体基板であって、
前記ｐ型結晶層が、３−５族化合物半導体からなり、ｐ型不純物原子として炭素原子を含み、かつ、６×１０１７ｃｍ−３以上、６×１０１９ｃｍ−３以下の濃度の水素原子を含む
半導体基板。
【請求項２】
前記ｐ型結晶層が、前記半導体基板が垂直共振器面発光レーザに用いられた場合にコンタクト層として機能するｐ型ＧａＡｓ層である
請求項１に記載の半導体基板。
【請求項３】
前記ｐ型ＧａＡｓ層が、１×１０１９ｃｍ−３以上、６×１０１９ｃｍ−３以下の濃度の水素原子を含む
請求項２に記載の半導体基板。
【請求項４】
前記半導体基板が垂直共振器面発光レーザに用いられた場合にｐ型ミラー層として機能するｐ型積層結晶層を有し、
前記ｐ型積層結晶層が、ｐ型ＡｌｍＧａ１−ｍＡｓ（０＜ｍ≦１）からなる第１結晶層と、ｐ型ＡｌｎＧａ１−ｎＡｓ（０≦ｎ＜１、ｍ＞ｎ）からなる第２結晶層とを含む積層結晶層であり、
前記第１結晶層が、前記ｐ型結晶層である
請求項１に記載の半導体基板。
【請求項５】
前記第２結晶層に含まれる水素原子の濃度が、前記第１結晶層に含まれる水素原子の濃度より低い
請求項４に記載の半導体基板。
【請求項６】
前記第１結晶層が、ｐ型ＡｌｍＧａ１−ｍＡｓ層（０．５０≦ｍ≦１．０）である
請求項４または５に記載の半導体基板。
【請求項７】
前記第１結晶層が、６×１０１７ｃｍ−３以上、２．５×１０１８ｃｍ−３以下の濃度の水素原子を含む
請求項４から６の何れか一項に記載の半導体基板。
【請求項８】
前記第１結晶層が、７×１０１７ｃｍ−３以上、５×１０１８ｃｍ−３以下の濃度の酸素原子を含む
請求項４から７のいずれか一項に記載の半導体基板。
【請求項９】
垂直共振器面発光レーザ用の半導体基板の製造方法であって、
前記方法は、３族原料ガスと５族原料ガスとを用いたＭＯＣＶＤ法によりｐ型結晶層を成長する段階を有し、
前記３族原料ガスが、３族原子に少なくとも１つのアルキル基が結合した３族原子のアルキル化物を含み、
前記５族原料ガスが、５族原子の水素化物を含み、
前記ｐ型結晶層を成長する段階において、前記３族原料ガスのモル供給量に対する前記５族原料ガスのモル供給量の比（Ｖ／ＩＩＩ比）を０．７以上３０以下に制御する
半導体基板の製造方法。
【請求項１０】
前記ｐ型結晶層を成長する段階において、前記３族原料ガスおよび前記５族原料ガスに、炭素化合物を添加する
請求項９に記載の半導体基板の製造方法。
【請求項１１】
前記炭素化合物が、ＣＸ４−ｙＨｙ（ただし、Ｘはハロゲン原子であり、ｙは０以上３以下の整数である。）で表される
請求項１０に記載の半導体基板の製造方法。
【請求項１２】
請求項９から１１の何れか一項に記載の半導体基板の製造方法であって、
前記ｐ型結晶層を成長する段階において、ｐ型ＡｌｍＧａ１−ｍＡｓ（０＜ｍ≦１）からなる第１結晶層を成長させ、
前記方法は、前記３族原料ガスおよび前記５族原料ガスを用いたＭＯＣＶＤ法により、ｐ型ＡｌｎＧａ１−ｎＡｓ（０≦ｎ＜１、ｍ＞ｎ）からなる第２結晶層を成長する段階をさらに有し、
前記第１結晶層および前記第２結晶層を複数回繰り返して成長させることにより、ｐ型積層結晶層を形成し、
前記第２結晶層を成長する段階において、前記３族原料ガスおよび前記５族原料ガスに、ｐ型不純物原子を含有する化合物を添加する
半導体基板の製造方法。
【請求項１３】
前記ｐ型不純物原子を含有する化合物が、ＣＸ４−ｙＨｙ（ただし、Ｘはハロゲン原子であり、ｙは０以上３以下の整数である。）で表される
請求項１２に記載の半導体基板の製造方法。
【請求項１４】
前記方法は、３族原料ガスと５族原料ガスとを用いてｎ型結晶層またはｉ型結晶層を成長する段階を更に有し、
前記ｐ型結晶層を成長する段階における前記Ｖ／ＩＩＩ比が、前記ｎ型結晶層または前記ｉ型結晶層を成長する段階におけるいずれの前記Ｖ／ＩＩＩ比よりも小さい
請求項９から１３のいずれか一項に記載の半導体基板の製造方法。
【請求項１５】
コンタクト層として機能するｐ型結晶層、または、ｐ型ミラー層の少なくとも一部として機能するｐ型結晶層を有し、
前記ｐ型結晶層が、３−５族化合物半導体からなり、ｐ型不純物原子として炭素原子を含み、かつ、６×１０１７ｃｍ−３以上、６×１０１９ｃｍ−３以下の濃度の水素原子を含む
垂直共振器面発光レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板、半導体基板の製造方法および垂直共振器面発光レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、ＧａＡｓ基板と、ｎ型の下部ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）と、活性領域と、活性領域上に形成されたｐ型の電流狭窄層と、電流狭窄層上に形成されたｐ型の高濃度ＤＢＲおよびｐ型のＤＢＲとを有するＶＣＳＥＬ（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser）が記載されている。また特許文献１には、ｎ型の下部ＤＢＲ、ｐ型の高濃度ＤＢＲおよびｐ型のＤＢＲは、ＡｌＧａＡｓ層からなる高屈折率層と低屈折率層の対をそれぞれ含むことが記載されている。
【０００３】
特許文献２には、Ｓｉ単結晶基板上に、低温成長ＧａＡｓ層、Ｓｉ原子の拡散を抑止するためのＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ＝０〜０．３）拡散抑止層、高温成長ＧａＡｓ層をこの順に積層させたＧａＡｓ基板が記載されている。ここで特許文献２には、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ拡散抑止層は、ＭＯＣＶＤ法を用い、原料ガスのアルシン／トリメチルガリウムの圧力比を１０以下として成長させることが記載されている。
特許文献１  特開２００９−１９４１０３号公報
特許文献２  特開平５−２３４９０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）の層構成に適合した半導体基板の製造において、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法が用いられる。ＭＯＣＶＤ法によりＧａＡｓ層、ＡｌＧａＡｓ層、ＩｎＧａＡｓ層、ＩｎＧａＡｓＰ層等の３−５族化合物半導体結晶層を成長させる場合、３族原料ガスとしてＡｌ、Ｇａ、Ｉｎ等３族原子の有機化合物が用いられる。また、５族原料ガスとしてＡｓ、Ｐ等５族原子の水素化合物が用いられる。３族原料ガス供給量に対する５族原料ガス供給量のモル比（Ｖ／ＩＩＩ比）を大きくすると、表面が平坦な結晶層を得ることができるので、一般にＶ／ＩＩＩ比を大きくして結晶層を成長させる。
【０００５】
しかし、Ｖ／ＩＩＩ比が大きいと、未反応のまま排気される５族原料ガスが多くなるので、原料ガスのロスが大きくなることがある。また、Ｖ／ＩＩＩ比に応じて３−５族化合物半導体にｐ型不純物がドーピングされることがあるので、ｐ型不純物量を適正に制御する必要がある。本発明の目的は、垂直共振器面発光レーザ用の半導体基板の製造において、原料ガスのコストを低減することにある。また、本発明の目的は、垂直共振器面発光レーザ用の半導体基板におけるｐ型半導体層の不純物濃度を容易に制御することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の第１の態様においては、ｐ型結晶層を有する垂直共振器面発光レーザ用の半導体基板であって、ｐ型結晶層が、３−５族化合物半導体からなり、ｐ型不純物原子として炭素原子を含み、かつ、６×１０１７ｃｍ−３以上、６×１０１９ｃｍ−３以下の濃度の水素原子を含む半導体基板を提供する。
【０００７】
ｐ型結晶層として、半導体基板が垂直共振器面発光レーザに用いられた場合にコンタクト層として機能するｐ型ＧａＡｓ層が挙げられる。ｐ型ＧａＡｓ層が、１×１０１９ｃｍ−３以上、６×１０１９ｃｍ−３以下の濃度の水素原子を含んでもよい。
【０００８】
半導体基板が垂直共振器面発光レーザに用いられた場合にｐ型ミラー層の少なくとも一部として機能するｐ型積層結晶層を有してもよく、ｐ型積層結晶層として、ｐ型ＡｌｍＧａ１−ｍＡｓ（０＜ｍ≦１）からなる第１結晶層と、ｐ型ＡｌｎＧａ１−ｎＡｓ（０≦ｎ＜１、ｍ＞ｎ）からなる第２結晶層とを含む積層結晶層が挙げられ、第１結晶層が、ｐ型結晶層であってもよい。
【０００９】
第１結晶層として、ｐ型ＡｌｍＧａ１−ｍＡｓ層（０．５０≦ｍ≦１．０）が挙げられる。第１結晶層が、６×１０１７ｃｍ−３以上、２．５×１０１８ｃｍ−３以下の濃度の水素原子を含んでもよい。第２結晶層に含まれる水素原子の濃度が、第１結晶層に含まれる水素原子の濃度より低くてもよい。第１結晶層が、７×１０１７ｃｍ−３以上、５×１０１８ｃｍ−３以下の濃度の酸素原子を含んでもよい。
【００１０】
本発明の第２の態様においては、垂直共振器面発光レーザ用の半導体基板の製造方法であって、３族原料ガスと５族原料ガスとを用いたＭＯＣＶＤ法によりｐ型結晶層を成長する段階を有し、３族原料ガスが、３族原子に少なくとも１つのアルキル基が結合した３族原子のアルキル化物を含み、５族原料ガスが、５族原子の水素化物を含み、ｐ型結晶層を成長する段階において、３族原料ガスのモル供給量に対する５族原料ガスのモル供給量の比（Ｖ／ＩＩＩ比）を０．７以上３０以下に制御する半導体基板の製造方法を提供する。
【００１１】
ｐ型結晶層を成長する段階において、３族原料ガスおよび５族原料ガスに、炭素化合物を添加してもよい。炭素化合物として、ＣＸ４−ｙＨｙ（ただし、Ｘはハロゲン原子であり、ｙは０以上３以下の整数である。）で表される化合物が挙げられる。ｐ型結晶層を成長する段階において、ｐ型ＡｌｍＧａ１−ｍＡｓ（０＜ｍ≦１）からなる第１結晶層を成長させ、当該方法は、３族原料ガスおよび５族原料ガスを用いたＭＯＣＶＤ法により、ｐ型ＡｌｎＧａ１−ｎＡｓ（０≦ｎ＜１、ｍ＞ｎ）からなる第２結晶層を成長する段階をさらに有し、第１結晶層および第２結晶層を複数回繰り返して成長させることによりｐ型積層結晶層を形成し、第２結晶層を成長する段階において、３族原料ガスおよび５族原料ガスに、ｐ型不純物原子を含有する化合物を添加してもよい。ｐ型不純物原子を含有する化合物として、ＣＸ４−ｙＨｙ（ただし、Ｘはハロゲン原子であり、ｙは０以上３以下の整数である。）で表される化合物が挙げられる。当該方法は、３族原料ガスと５族原料ガスとを用いてｎ型結晶層またはｉ型結晶層を成長する段階を更に有し、ｐ型結晶層を成長する段階におけるＶ／ＩＩＩ比が、ｎ型結晶層またはｉ型結晶層を成長する段階におけるいずれのＶ／ＩＩＩ比よりも小さくてよい。
【００１２】
本発明の第３の態様においては、コンタクト層として機能するｐ型結晶層、または、ｐ型ミラー層の少なくとも一部として機能するｐ型結晶層を有し、ｐ型結晶層が、３−５族化合物半導体からなり、ｐ型不純物原子として炭素原子を含み、かつ、６×１０１７ｃｍ−３以上、６×１０１９ｃｍ−３以下の濃度の水素原子を含む垂直共振器面発光レーザを提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】半導体基板１００の断面例を示す。
【図２】垂直共振器面発光レーザ２００の断面例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１は、半導体基板１００の断面例を示す。半導体基板１００は、ベース基板１０２、バッファ層１０４、ｎ型積層結晶層１０６、ｉ型積層結晶層１０８、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１１０、ｐ型積層結晶層１１２およびｐ型ＧａＡｓ層１１４を有する。
【００１５】
ベース基板１０２は、その上に形成されるエピタキシャル成長層を支持する支持基板である。ベース基板１０２としてｎ型ＧａＡｓ基板が挙げられる。ベース基板１０２にｎ型ＧａＡｓ基板を用いる場合、ｎ型ＧａＡｓ基板の（１００）面または（１００）面と適当なオフ角を有する面にエピタキシャル成長層が形成される。オフ角は、たとえば２°〜１０°の範囲、好ましくは５°が挙げられる。ｎ型ＧａＡｓ基板にドーピングされる不純物原子としてＳｉ、Ｓｅ、Ｓが挙げられる。ｎ型ＧａＡｓ基板のキャリア濃度は、１×１０１７ｃｍ−３〜１×１０１９ｃｍ−３の範囲、好ましくは１×１０１８ｃｍ−３〜４×１０１８ｃｍ−３の範囲が挙げられる。
【００１６】
ベース基板１０２は、サファイア基板、シリコンカーバイド基板、酸化亜鉛基板、または、表面がシリコンである基板であってもよい。ここで、「表面がシリコン」とは、少なくとも基板の表面の一部がシリコンで構成されることを意味する。たとえばＳｉウェハのように基板全体がシリコンで構成されていてもよく、ＳＯＩ（ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板のように絶縁層の上にシリコン層を有する構造であってもよい。あるいはサファイア基板、ガラス基板、シリコンカーバイド基板、酸化亜鉛基板、ＧａＡｓ基板等シリコン以外の材料からなる基板上にシリコン層が形成されたものでもよい。エピタキシャル成長層と接するベース基板１０２の材料が半導体である場合には、当該半導体材料にｎ型不純物がドーピングされていることが好ましい。ベース基板１０２の全部または一部がｎ型の伝導型を有することにより、ベース基板１０２に電極を接続できる。例えば半導体基板１００が垂直共振器面発光レーザに用いられた場合、ベース基板１０２にレーザのカソード側電極を接続できる。
【００１７】
バッファ層１０４は、ベース基板１０２の上にエピタキシャル成長により形成されたｎ型３−５族化合物半導体結晶層である。バッファ層１０４は、ベース基板１０２中の欠陥に応じて、ｎ型積層結晶層１０６、ｉ型積層結晶層１０８などにも欠陥が形成されることを抑制する。バッファ層１０４としてｎ型ＧａＡｓ層が挙げられる。バッファ層１０４にｎ型ＧａＡｓ層を用いる場合、ｎ型ＧａＡｓ層の厚さは、１０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲内であることが好ましい。ｎ型ＧａＡｓ層にドーピングされる不純物原子として、Ｓｉ、Ｓｅ、Ｓが挙げられる。ｎ型ＧａＡｓ層のキャリア濃度は、１×１０１８ｃｍ−３〜５×１０１８ｃｍ−３の範囲内であることが好ましい。
【００１８】
ｎ型積層結晶層１０６は、バッファ層１０４の上にエピタキシャル成長により形成された、複数のｎ型３−５族化合物半導体結晶層からなる積層結晶層である。ｎ型積層結晶層１０６は、半導体基板１００が垂直共振器面発光レーザに用いられた場合に、共振器の一方のミラーであるｎ型ミラー層として機能する。ｎ型積層結晶層１０６は、例えば分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）である。ｎ型積層結晶層１０６は、高屈折率層と低屈折率層を交互に積層した積層構造を複数含んでもよい。高屈折率層と低屈折率層を複数繰り返して配置することで、所定の波長の光の反射率を高くできる。
【００１９】
ｎ型積層結晶層１０６に含まれる低屈折率層として、ｎ型ＡｌｑＧａ１−ｑＡｓ（０＜ｑ≦１）層が挙げられる。半導体基板１００が垂直共振器面発光レーザに用いられた場合、当該低屈折率層に用いるｎ型ＡｌｑＧａ１−ｑＡｓ（０＜ｑ≦１）層の厚さは、レーザに要求される発光波長帯に応じて設計される。ｎ型ＡｌｑＧａ１−ｑＡｓ（０＜ｑ≦１）層のＡｌ組成（ｑ）は、０．８〜１．０の範囲内であることが適切である。ｎ型ＡｌｑＧａ１−ｑＡｓ（０＜ｑ≦１）層にドーピングされる不純物原子として、Ｓｉ、Ｓｅ、Ｓが挙げられる。ｎ型ＡｌｑＧａ１−ｑＡｓ（０＜ｑ≦１）層のキャリア濃度は、１×１０１８ｃｍ−３〜３×１０１８ｃｍ−３の範囲内であることが好ましい。
【００２０】
ｎ型積層結晶層１０６に含まれる高屈折率層として、ｎ型ＡｌｒＧａ１−ｒＡｓ（０≦ｒ＜１、ｑ＞ｒ）層が挙げられる。ｎ型ＡｌｒＧａ１−ｒＡｓ（０≦ｒ＜１、ｑ＞ｒ）層のＡｌ組成（ｒ）をｎ型ＡｌｑＧａ１−ｑＡｓ（０＜ｑ≦１）層のＡｌ組成（ｑ）より小さくすることで、ｎ型ＡｌｒＧａ１−ｒＡｓ（０≦ｒ＜１、ｑ＞ｒ）層の屈折率をｎ型ＡｌｑＧａ１−ｑＡｓ（０＜ｑ≦１）層の屈折率より大きくできる。半導体基板１００が垂直共振器面発光レーザに用いられた場合に、当該高屈折率層に用いるｎ型ＡｌｒＧａ１−ｒＡｓ（０≦ｒ＜１、ｑ＞ｒ）層の厚さは、レーザに要求される発光波長帯に応じて設計される。ｎ型ＡｌｒＧａ１−ｒＡｓ（０≦ｒ＜１、ｑ＞ｒ）層のＡｌ組成（ｒ）は、０．０〜０．２の範囲内（ただしｎ型ＡｌｑＧａ１−ｑＡｓ（０＜ｑ≦１）層のＡｌ組成（ｑ）より小さい）であることが適切である。ｎ型ＡｌｒＧａ１−ｒＡｓ（０≦ｒ＜１、ｑ＞ｒ）層にドーピングされる不純物原子として、Ｓｉ、Ｓｅ、Ｓが挙げられる。ｎ型ＡｌｒＧａ１−ｒＡｓ（０≦ｒ＜１、ｑ＞ｒ）層のキャリア濃度は、１×１０１８ｃｍ−３〜３×１０１８ｍ−３の範囲内であることが好ましい。
【００２１】
ｎ型ＡｌｑＧａ１−ｑＡｓ（０＜ｑ≦１）層とｎ型ＡｌｒＧａ１−ｒＡｓ（０≦ｒ＜１、ｑ＞ｒ）層との間に、ＡｌｓＧａ１−ｓＡｓのＡｌ組成（ｓ）を当該層の厚さ方向に連続的に変えたｎ型ＡｌｓＧａ１−ｓＡｓ（０≦ｓ≦１）層を配置してもよい。ｎ型ＡｌｑＧａ１−ｑＡｓ層とＡｌｓＧａ１−ｓＡｓ層との界面において、Ａｌ組成（ｓ）はＡｌ組成（ｑ）と略等しくてよい。ｎ型ＡｌｒＧａ１−ｒＡｓ層とＡｌｓＧａ１−ｓＡｓ層との界面において、Ａｌ組成（ｓ）はＡｌ組成（ｒ）と略等しくてよい。Ａｌ組成（ｓ）を連続的に変えることで、ｎ型ＡｌｑＧａ１−ｑＡｓ（０＜ｑ≦１）層およびｎ型ＡｌｒＧａ１−ｒＡｓ（０≦ｒ＜１、ｑ＞ｒ）層の間の電気抵抗を低減できる。ｎ型ＡｌｑＧａ１−ｑＡｓ（０＜ｑ≦１）層およびｎ型ＡｌｒＧａ１−ｒＡｓ（０≦ｒ＜１、ｑ＞ｒ）層の繰り返し回数は、３０〜６０が好ましい。
【００２２】
ｉ型積層結晶層１０８は、ｎ型積層結晶層１０６の上にエピタキシャル成長により形成された、複数のｉ型３−５族化合物半導体結晶層からなる積層結晶層である。ｉ型積層結晶層１０８は、半導体基板１００が垂直共振器面発光レーザに用いられた場合に、活性層として機能する。ｉ型積層結晶層１０８は、２つのｉ型ＡｌＧａＡｓ層１２０がｉ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ層１２２を挟んで構成した積層結晶層を含む。
【００２３】
ｉ型ＡｌＧａＡｓ層１２０は、半導体基板１００が垂直共振器面発光レーザに用いられた場合に、クラッド層として機能する。半導体基板１００が垂直共振器面発光レーザに用いられた場合に、ｉ型ＡｌＧａＡｓ層１２０の厚さは、レーザに要求される発光波長帯に応じて設計される。ｉ型ＡｌＧａＡｓ層１２０のＡｌ組成は、０．１〜０．９の範囲内であることが適切である。厚さ方向のＡｌ組成を連続的に変化させることによって、ｉ型ＡｌＧａＡｓ層１２０のバンドギャップエネルギが厚さ方向に連続的に変化する。
【００２４】
ｉ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ層１２２は、半導体基板１００が垂直共振器面発光レーザに用いられた場合に、発光層として機能する。ｉ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ層１２２は、ＧａＡｓ層およびＡｌＧａＡｓ層が交互に複数配置された量子井戸構造（ＭＱＷ）を含む。量子井戸構造（ＭＱＷ）は、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ構造に代えて、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ構造、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ構造、ＧａＡｓ／ＧａＡｓＰ構造、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＰ構造、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ構造であってもよい。
【００２５】
半導体基板１００が垂直共振器面発光レーザに用いられた場合に、量子井戸構造（ＭＱＷ）に含まれるＧａＡｓ層の厚さは、レーザに要求される発光波長帯に応じて設計される。量子井戸構造（ＭＱＷ）に含まれるＡｌＧａＡｓ層の厚さは、５ｎｍ〜１２ｎｍの範囲内であることが好ましい。当該ＡｌＧａＡｓ層のＡｌ組成は、０．１〜０．４の範囲内であることが適切である。ＧａＡｓ層およびＡｌＧａＡｓ層の積層構造の繰り返し数は、２〜６の範囲内であることが適切である。
【００２６】
ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１１０は、ｉ型積層結晶層１０８の上にエピタキシャル成長により形成される。ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１１０は、半導体基板１００が垂直共振器面発光レーザに用いられた場合に一部が酸化され、酸化狭窄層として機能する。ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１１０の厚さは、２０ｎｍ〜４０ｎｍの範囲内であることが好ましい。ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１１０のＡｌ組成は、０．９５〜１．０の範囲内であることが適切である。ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１１０にドーピングされる不純物原子として、Ｃ（炭素）、Ｚｎが挙げられる。ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１１０のキャリア濃度は、１×１０１８ｃｍ−３〜３×１０１８ｃｍ−３の範囲内であることが好ましい。
【００２７】
ｐ型積層結晶層１１２は、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１１０の上にエピタキシャル成長により形成された、複数のｐ型３−５族化合物半導体結晶層からなる積層結晶層である。ｐ型積層結晶層１１２は、半導体基板１００が垂直共振器面発光レーザに用いられた場合に、共振器の他方のミラーであるｐ型ミラー層として機能する。ｐ型積層結晶層１１２は、例えば分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）である。ｐ型積層結晶層１１２は、低屈折率層である第１結晶層１３０と高屈折率層である第２結晶層１３２とを積層した積層結晶層を含む。第１結晶層１３０と第２結晶層１３２を積層した積層構造を複数回繰り返して配置することで所定の波長の光の反射率を高くできる。
【００２８】
本明細書において、第１結晶層１３０は、例えばｐ型ＡｌｍＧａ１−ｍＡｓ（０＜ｍ≦１）で表される３−５族化合物半導体からなる。第１結晶層１３０が本発明のｐ型結晶層に相当する場合、第１結晶層１３０は、ｐ型不純物原子として炭素原子を含み、かつ、６×１０１７ｃｍ−３以上、６×１０１９ｃｍ−３以下の濃度の水素原子を含む。一方で、第２結晶層１３２は、例えばｐ型ＡｌｎＧａ１−ｎＡｓ（０≦ｎ＜１、ｍ＞ｎ）で表される３−５族化合物半導体からなる。第２結晶層１３２は、ｐ型不純物原子として炭素原子および水素原子のそれぞれを含んでよく、含まなくともよい。
【００２９】
半導体基板１００が垂直共振器面発光レーザに用いられた場合、第１結晶層１３０に用いられるｐ型ＡｌｍＧａ１−ｍＡｓ（０＜ｍ≦１）層の厚さは、レーザに要求される発光波長帯に応じて設計される。ｐ型ＡｌｍＧａ１−ｍＡｓ（０＜ｍ≦１）層のＡｌ組成（ｍ）は、０．８〜１．０の範囲内であることが適切である。ｐ型ＡｌｍＧａ１−ｍＡｓ（０＜ｍ≦１）層にドーピングされる不純物原子として、Ｃ、Ｚｎが挙げられる。ｐ型ＡｌｍＧａ１−ｍＡｓ（０＜ｍ≦１）層のキャリア濃度は、１×１０１８ｃｍ−３〜４×１０１８ｃｍ−３の範囲内であることが好ましい。
【００３０】
第２結晶層１３２としてのｐ型ＡｌｎＧａ１−ｎＡｓ（０≦ｎ＜１、ｍ＞ｎ）層のＡｌ組成（ｎ）をｐ型ＡｌｍＧａ１−ｍＡｓ（０＜ｍ≦１）層のＡｌ組成（ｍ）より小さくすることで、ｐ型ＡｌｎＧａ１−ｎＡｓ（０≦ｎ＜１、ｍ＞ｎ）層の屈折率をｐ型ＡｌｍＧａ１−ｍＡｓ（０＜ｍ≦１）層の屈折率より大きくできる。第２結晶層１３２にｐ型ＡｌｎＧａ１−ｎＡｓ（０≦ｎ＜１、ｍ＞ｎ）層を用いる場合、ｐ型ＡｌｎＧａ１−ｎＡｓ（０≦ｎ＜１、ｍ＞ｎ）層の厚さは、レーザに要求される発光波長帯に応じて設計される。ｐ型ＡｌｎＧａ１−ｎＡｓ（０≦ｎ＜１、ｍ＞ｎ）層のＡｌ組成（ｎ）は、０．０〜０．２の範囲内（ただしｐ型ＡｌｍＧａ１−ｍＡｓ（０＜ｍ≦１）層のＡｌ組成（ｍ）より小さい）であることが適切である。ｐ型ＡｌｎＧａ１−ｎＡｓ（０≦ｎ＜１、ｍ＞ｎ）層にドーピングされる不純物原子として、Ｃ、Ｚｎが挙げられる。ｐ型ＡｌｎＧａ１−ｎＡｓ（０≦ｎ＜１、ｍ＞ｎ）層のキャリア濃度は、１×１０１８ｃｍ−３〜４×１０１８ｃｍ−３の範囲内であることが好ましい。
【００３１】
第１結晶層１３０は、本発明におけるｐ型結晶層の一例である。すなわち、第１結晶層１３０は、垂直共振器面発光レーザ用の半導体基板１００に含まれる３−５族化合物半導体結晶層であり、ｐ型不純物原子として炭素原子を含み、かつ、６×１０１７ｃｍ−３以上、６×１０１９ｃｍ−３以下の濃度の水素原子を含む。また、第１結晶層１３０は、第２結晶層１３２に含まれる水素原子より多くの水素原子を含む。後に説明するように、第１結晶層１３０は、３族原料ガスのモル供給量に対する５族原料ガスのモル供給量の比（Ｖ／ＩＩＩ比）が０．７以上３０以下と小さい条件でエピタキシャル成長させる。３族原料ガスとしてアルキル基を有する有機金属ガスを用いれば、第１結晶層１３０には多くの炭素が不純物としてドーピングされ、アルキル基由来の炭素とともに水素も同時に導入される。その結果、第１結晶層１３０には多くの水素原子を含むようになる。
【００３２】
上記した方法により第１結晶層１３０を形成した場合、第１結晶層１３０は、６×１０１７ｃｍ−３以上、２．５×１０１８ｃｍ−３以下の濃度の水素原子を含むようになる。また、第１結晶層１３０は低屈折率に形成する必要からｐ型ＡｌｍＧａ１−ｍＡｓ層（０．５０≦ｍ≦１．０）として形成され、このようなＡｌ組成が高い結晶層を形成する場合には第１結晶層１３０は酸素原子を含むようになる。すなわち、第１結晶層１３０は、７×１０１７ｃｍ−３以上、５×１０１８ｃｍ−３以下の濃度の酸素原子を含む。
【００３３】
第１結晶層１３０と第２結晶層１３２との間に、ＡｌｓＧａ１−ｓＡｓのＡｌ組成（ｓ）を連続的に変えたｐ型ＡｌｓＧａ１−ｓＡｓ（０≦ｓ≦１）層を配置してもよい。Ａｌ組成（ｓ）を連続的に変えることで、第１結晶層１３０と第２結晶層１３２の間の電気抵抗を低減できる。第１結晶層１３０および第２結晶層１３２の繰り返し回数は、１０〜３０が好ましい。
【００３４】
ｐ型ＧａＡｓ層１１４は、ｐ型積層結晶層１１２の上にエピタキシャル成長により形成されたｐ型３−５族化合物半導体結晶層である。ｐ型ＧａＡｓ層１１４は、他のｐ型半導体層を含んでもよい。ｐ型ＧａＡｓ層１１４は、半導体基板１００が垂直共振器面発光レーザに用いられた場合に、コンタクト層として機能する。ｐ型ＧａＡｓ層１１４の厚さは、１０ｎｍ〜３０ｎｍの範囲内であることが好ましい。ｐ型ＧａＡｓ層１１４にドーピングされる不純物原子として、Ｃ、Ｚｎが挙げられる。ｐ型ＧａＡｓ層１１４のキャリア濃度は、４×１０１９ｃｍ−３〜１×１０２０ｃｍ−３の範囲内であることが好ましい。
【００３５】
ｐ型ＧａＡｓ層１１４は、本発明におけるｐ型結晶層の一例である。すなわち、第１結晶層１３０は、垂直共振器面発光レーザ用の半導体基板１００に含まれる３−５族化合物半導体結晶層であり、ｐ型不純物原子として炭素原子を含み、かつ、６×１０１７ｃｍ−３以上、６×１０１９ｃｍ−３以下の濃度の水素原子を含む。後に説明するように、ｐ型ＧａＡｓ層１１４は、３族原料ガスのモル供給量に対する５族原料ガスのモル供給量の比（Ｖ／ＩＩＩ比）が０．７以上３０以下と小さい条件でエピタキシャル成長させる。３族原料ガスとしてアルキル基を有する有機金属ガスを用いれば、ｐ型ＧａＡｓ層１１４には多くの炭素が不純物としてドーピングされ、アルキル基由来の炭素とともに水素も同時に導入される。その結果、ｐ型ＧａＡｓ層１１４には、１×１０１９ｃｍ−３以上、６×１０１９ｃｍ−３以下の濃度の水素原子を含むようになる。
【００３６】
半導体基板１００の製造方法は、以下のとおりである。ベース基板１０２を用意し、ベース基板１０２上にバッファ層１０４、ｎ型積層結晶層１０６、ｉ型積層結晶層１０８、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１１０、ｐ型積層結晶層１１２およびｐ型ＧａＡｓ層１１４を順次エピタキシャル成長により形成する。
【００３７】
エピタキシャル成長にはＭＯＣＶＤ法を用いる。ＭＯＣＶＤ法に用いる３族原料ガスは、３族原子に少なくとも１つのアルキル基が結合した３族原子のアルキル化物を含む。３族原料ガスとして、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）が挙げられる。５族原料ガスは、５族原子の水素化物を含む。５族原料ガスとして、ＡｓＨ３（アルシン）、ＰＨ３（ホスフィン）が挙げられる。ｎ型不純物ガスとしてＳｉ２Ｈ６（ジシラン）が挙げられ、ｐ型不純物ガスとしてＣＢｒＣｌ３、ジエチル亜鉛（ＤＥＺｎ）が挙げられる。エピタキシャル成長温度は、４００℃〜８００℃の範囲内で制御する。
【００３８】
これら原料ガスの供給量を制御することで各結晶層の組成を制御でき、不純物ガスの供給量を制御することで不純物ドーピング量を制御できる。また、３族原料ガスのモル供給量に対する５族原料ガスのモル供給量の比（Ｖ／ＩＩＩ比）を制御することでエピタキシャル成長層への炭素原子のドーピング量を制御できる。Ｖ／ＩＩＩ比を小さくすることで高価な５族原料ガスが節約できるので、製造コストが低減できる。特に、ｐ型結晶層をエピタキシャル成長させる段階においてＶ／ＩＩＩ比を小さくすれば、ｐ型結晶層内で、３族原料ガス由来の炭素原子がｐ型不純物として機能するので、製造コストを低減するとともにｐ型結晶層の抵抗値を下げることができる。よってｐ型結晶層を成長する段階において、Ｖ／ＩＩＩ比を０．７以上３０以下に制御する。また、ｐ型結晶層を成長する段階におけるＶ／ＩＩＩ比を、それぞれのｎ型３−５族化合物半導体結晶層を成長する段階におけるいずれのＶ／ＩＩＩ比より小さくしてもよい。また、ｐ型結晶層を成長する段階におけるＶ／ＩＩＩ比を、それぞれのｉ型３−５族化合物半導体結晶層を成長する段階におけるいずれのＶ／ＩＩＩ比より小さくしてもよい。
【００３９】
ｐ型結晶層として、ｐ型ＧａＡｓ層１１４または第１結晶層１３０が挙げられる。特に、第１結晶層１３０を成長する段階では、Ｖ／ＩＩＩ比を小さくした条件でエピタキシャル成長する意義は大きい。第１結晶層１３０は第２結晶層１３２よりＡｌ組成を大きくする必要性があるが、Ａｌ組成を大きくするエピタキシャル条件では不純物ガスによるｐ型不純物のドーピング量の制御が難しくなる。しかしＶ／ＩＩＩ比を小さくしてエピタキシャル成長すれば、アルキル基由来の炭素原子が第１結晶層１３０にドーピングされ、当該炭素原子がｐ型不純物として作用するので、Ｖ／ＩＩＩ比を制御することによりｐ型不純物のドーピング量を容易に制御することができる。
【００４０】
なお、ｐ型ＧａＡｓ層１１４または第１結晶層１３０を成長する段階において、３族原料ガスおよび５族原料ガスに、炭素化合物を不純物ガスとして添加してもよい。炭素化合物として、ＣＸ４−ｙＨｙ（ただし、Ｘはハロゲン原子であり、ｙは０以上３以下の整数である。）で表される化合物が挙げられる。より具体的にはＣＢｒＣｌ３が挙げられる。このような炭素化合物を不純物ガスとして添加することにより、ｐ型ＧａＡｓ層１１４または第１結晶層１３０の抵抗値を小さくすることができる。３族原料ガスおよび５族原料ガスに、炭素化合物を添加する方法は、特に限定されない。３族原料ガスおよび５族原料ガスの供給に加え、さらに炭素化合物を反応炉内に供給してもよいし、最初から炭素化合物が添加された３族または５族の原料ガスを、反応炉内に供給してもよい。また、これらのガスおよび炭素化合物は、反応炉に入る前に、配管によりそれぞれ混合されてもよいし、それぞれが独立して反応炉内に入ってもよい。
【００４１】
また、第２結晶層１３２を成長する段階において、３族原料ガスおよび５族原料ガスに、ｐ型不純物原子を含有する化合物を添加することができる。ｐ型不純物原子を含有する化合物として、ＣＸ４−ｙＨｙ（ただし、Ｘはハロゲン原子であり、ｙは０以上３以下の整数である。）で表される化合物が挙げられる。より具体的にはＣＢｒＣｌ３が挙げられる。このような炭素化合物を不純物ガスとして添加することにより、第２結晶層１３２の抵抗値を小さくすることができる。
【００４２】
図２は、垂直共振器面発光レーザ２００の断面例を示す。垂直共振器面発光レーザ２００は、ベース基板１０２、バッファ層１０４、ｎ型ミラー層２０６、活性層２０８、酸化狭窄層２１０、ｐ型ミラー層２１２、コンタクト層２１４、電極２１６および酸化層２１８を有する。活性層２０８は、クラッド層２２０および発光層２２２を有する。
【００４３】
ｎ型ミラー層２０６、活性層２０８、酸化狭窄層２１０、ｐ型ミラー層２１２およびコンタクト層２１４の各々は、半導体基板１００のｎ型積層結晶層１０６、ｉ型積層結晶層１０８、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１１０、ｐ型積層結晶層１１２およびｐ型ＧａＡｓ層１１４の各々がメサ加工されて形成されたものである。電極２１６は、コンタクト層２１４に接してドーナツ状に形成された金属層であり、垂直共振器面発光レーザ２００のアノード電極として機能する。酸化層２１８は、メサ加工されたｐ型ＡｌＧａＡｓ層１１０を横方向酸化した酸化層である。活性層２０８は、クラッド層２２０および発光層２２２を含み、クラッド層２２０および発光層２２２の各々は、ｉ型ＡｌＧａＡｓ層１２０およびｉ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ層１２２の各々がメサ加工されて形成されたものである。なお、図示は省略したが、ベース基板１０２の上面または下面にはカソード電極が形成される。メサ加工は、ｎ型ミラー層２０６の途中、たとえばｎ型ミラー層２０６の上部数層程度の深さで停止してもよい。
【００４４】
垂直共振器面発光レーザ２００の製造方法は以下の通りである。半導体基板１００を製造した後、バッファ層１０４、ｎ型積層結晶層１０６、ｉ型積層結晶層１０８、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１１０、ｐ型積層結晶層１１２およびｐ型ＧａＡｓ層１１４をメサ加工する。その後、メサ加工した半導体基板１００を酸化雰囲気に置き、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１１０を横方向酸化して酸化層２１８を形成する。さらに電極２１６となる金属層を蒸着法またはスパッタ法で形成し、フォトリソグラフィ法またはリフトオフ法により金属層をパターニングして電極２１６を形成する。
【００４５】
上記した半導体基板１００によれば、Ｖ／ＩＩＩ比を０．７以上３０以下に制御してｐ型ＧａＡｓ層１１４または第１結晶層１３０をエピタキシャル成長するので、５族原料ガスを節約するとともに、ｐ型不純物を多くドーピングしてｐ型ＧａＡｓ層１１４または第１結晶層１３０の抵抗を低減できる。また、Ｖ／ＩＩＩ比を０．７以上３０以下に制御するとともにｐ型不純物ガスとしてＣＸ４−ｙＨｙ（ただし、Ｘはハロゲン原子であり、ｙは０以上３以下の整数である。）で表される化合物を含むガスを添加することにより、ｐ型ＧａＡｓ層１１４、第１結晶層１３０あるいは第２結晶層１３２の抵抗値をさらに低減することができる。
【００４６】
（実施例）
ベース基板１０２上に、表１に示す結晶層をエピタキシャル成長させた。３族原料ガスとして、ＴＭＧおよびＴＭＡを用いた。５族原料ガスとして、アルシンを用いた。ｎ型不純物ガスとしてジシランを用いた。ｐ型不純物ガスとして、ＣＢｒＣｌ３を用いた。エピタキシャル成長の反応温度は、５７０℃〜６８０℃の範囲で制御した。
【表１】
2012109557.tif 000003
【００４７】
上記のようにして形成した半導体基板にメサ加工を施し、電極を形成して垂直共振器面発光レーザを作成したところ、正常にレーザ発振が観測された。発振のしきい値電流は０．６ｍＡであった。スロープ効率は０．７９Ｗ／Ａであった。
【００４８】
（比較例）
比較例として、ベース基板１０２の上に、表２に示す結晶層をエピタキシャル成長させた。ｐ型不純物ガスとしてＤＥＺｎを用いたこと、番号２の結晶層のエピタキシャル成長におけるＶ／ＩＩＩ比を３１としたこと、および番号３〜５結晶層のエピタキシャル成長におけるＶ／ＩＩＩ比を１０６としたこと、の他は実施例の場合と同様である。
【表２】
2012109557.tif 000004
【００４９】
上記のようにして形成した半導体基板に、実施例と同様にメサ加工を施し、電極を形成して垂直共振器面発光レーザを作成したところ、電流上昇に伴い急速にレーザ出力が低下する不具合が多発した。また、発振のしきい値電流は０．８ｍＡと実施例より高く、スロープ効率は０．５９Ｗ／Ａと実施例より低下した。
【００５０】
上記した実施例および比較例から、ｐ型ＤＢＲ層の高Ａｌ組成層（第１結晶層１３０に相当する。）の水素濃度が１．３×１０１８ｍ−３以上である場合は、ＶＣＳＥＬ特性が良好であることがわかった。一方、当該水素濃度が２×１０１７ｍ−３未満である場合は、ＶＣＳＥＬ特性が不良であることがわかった。
【００５１】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【符号の説明】
【００５２】
１００  半導体基板、１０２  ベース基板、１０４  バッファ層、１０６  ｎ型積層結晶層、１０８  ｉ型積層結晶層、１１０  ｐ型ＡｌＧａＡｓ層、１１２  ｐ型積層結晶層、１１４  ｐ型ＧａＡｓ層、１２０  ｉ型ＡｌＧａＡｓ層、１２２  ｉ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ層、１３０  第１結晶層、１３２  第２結晶層、２００  垂直共振器面発光レーザ、２０６  ｎ型ミラー層、２０８  活性層、２１０  酸化狭窄層、２１２  ｐ型ミラー層、２１４  コンタクト層、２１６  電極、２１８  酸化層、２２０  クラッド層、２２２  発光層
【図１】
2012109557.tif 000005
【図２】
2012109557.tif 000006