(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型半導体層中のＯ原子混入量を適切な範囲とする。【解決手段】ｐ型結晶層を有する半導体基板であって、前記ｐ型結晶層が、３族原子としてアルミニウム原子を含む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、１×１０１７ｃｍ−３以上、１×１０１９ｃｍ−３以下の濃度の水素原子を含み、かつ、２×１０１７ｃｍ−３以上、２×１０２０ｃｍ−３以下の濃度の酸素原子を含む半導体基板を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐ型結晶層を有する半導体基板であって、
前記ｐ型結晶層が、３族原子としてアルミニウム原子を含む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、１×１０１７ｃｍ−３以上、１×１０１９ｃｍ−３以下の濃度の水素原子を含み、かつ、２×１０１７ｃｍ−３以上、２×１０２０ｃｍ−３以下の濃度の酸素原子を含む
半導体基板。
【請求項２】
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３】
前記第１結晶層が、ＡｌｍＧａ１−ｍＡｓ層（０．５０≦ｍ≦１．０）である
請求項２に記載の半導体基板。
【請求項４】
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族原子としてアルミニウム原子を含む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、１×１０１７ｃｍ−３以上、１×１０１９ｃｍ−３以下の濃度の水素原子を含み、かつ、２×１０１７ｃｍ−３以上、２×１０２０ｃｍ−３以下の濃度の酸素原子を含む
垂直共振器面発光レーザ。
【請求項５】
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、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０．０１以上１５以下に制御する
半導体基板の製造方法。
【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、および高温成長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等の３族原子を含む有機化合物が用いられる。また、５族原料ガスとして、Ａｓ、Ｐ等の５族原子を含む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、Ａｌを含む３−５族化合物半導体においてＡｌ組成を大きくすると、ｐ型不純物のドーピング量の制御が難しくなる。ここで、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、Ｖ／ＩＩＩ比を制御してｐ型不純物のドーピング量を制御することも考えられる。しかし、ｐ型不純物量のドーピング量が制御しやすい条件においては、Ａｌを含む３−５族化合物半導体中に酸素（Ｏ）原子が混入する場合がある。
【０００６】
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型半導体層中のＯ原子混入量を適切な範囲とすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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型結晶層を有する半導体基板であって、前記ｐ型結晶層が、３族原子としてアルミニウム原子を含む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、１×１０１７ｃｍ−３以上、１×１０１９ｃｍ−３以下の濃度の水素原子を含み、かつ、２×１０１７ｃｍ−３以上、２×１０２０ｃｍ−３以下の濃度の酸素原子を含む半導体基板を提供する。
【０００８】
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てもよく、前記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、前記第１結晶層が、前記ｐ型結晶層であってもよい。前記第１結晶層として、ｐ型ＡｌｍＧａ１−ｍＡｓ層（０．５０≦ｍ≦１．０）が挙げられる。
【０００９】
本発明の第２の態様においては、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族原子としてアルミニウム原子を含む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、１×１０１７ｃｍ−３以上、１×１０１９ｃｍ−３以下の濃度の水素原子を含み、かつ、２×１０１７ｃｍ−３以上、２×１０２０ｃｍ−３以下の濃度の酸素原子を含む垂直共振器面発光レーザを提供する。
【００１０】
本発明の第３の態様においては、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型結晶層を成長する段階を有する方法を提供する。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み、５族原料ガスは、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０．０１以上１５以下に制御する。
【００１１】
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【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。
【図３】実施例１の半導体基板のＳＩＭＳプロファイルを示す。
【図４】比較例の半導体基板のＳＩＭＳプロファイルを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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−３〜３×１０１８ｃｍ−３の範囲内であることが好ましい。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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、またはＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ構造であってもよい。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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、１×１０１７ｃｍ−３以上、１×１０１９ｃｍ−３以下の濃度の水素原子を含み、かつ、２×１０１７ｃｍ−３以上、２×１０２０ｃｍ−３以下の濃度の酸素原子を含む。一方で、第２結晶層１３２は、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型結晶層であればよく、ｐ型不純物原子としての炭素原子、水素原子、酸素原子を含んでもよいし、含まなくてもよい。
【００２８】
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、０．５〜１．０の範囲内であることが適切であり、特に０．８〜１．０の範囲内であることが好ましい。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。
【００２９】
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。
【００３０】
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、半導体基板１００に含まれる結晶層であり、３族原子としてアルミニウム原子を含む３−５族化合物半導体からなる。第１結晶層１３０は、ｐ型不純物原子として炭素原子を含み、１×１０１７ｃｍ−３以上、１×１０１９ｃｍ−３以下の濃度の水素原子を含み、かつ、２×１０１７ｃｍ−３以上、２×１０２０ｃｍ−３以下の濃度の酸素原子を含む。第１結晶層１３０に含まれる水素原子の濃度は、好ましくは、４×１０１７ｃｍ−３以上、７×１０１８ｃｍ−３以下、さらに好ましくは、６×１０１７ｃｍ−３以上、５×１０１８ｃｍ−３以下である。第１結晶層１３０に含まれる酸素原子の濃度は、好ましくは、２×１０１７ｃｍ−３以上、２×１０１９ｃｍ−３以下、さらに好ましくは、１×１０１８ｃｍ−３以上、６×１０１８ｃｍ−３以下である。第１結晶層１３０に含まれる炭素原子の濃度は、通常５×１０１６ｃｍ−３以上、５×１０２０ｃｍ−３以下、好ましくは、１×１０１７ｃｍ−３以上、１×１０２０ｃｍ−３以下、さらに好ましくは、１×１０１８ｃｍ−３以上、１×１０１９ｃｍ−３以下である。
【００３１】
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。後に製造方法に関連して説明するように、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】
上記した製造方法により第１結晶層１３０を形成した場合、第１結晶層１３０は、１×１０１７ｃｍ−３以上、１×１０１９ｃｍ−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、２×１０１７ｃｍ−３以上、２×１０２０ｃｍ−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】
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。
【００３６】
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）が挙げられる。エピタキシャル成長温度は、４００℃〜８００℃の範囲内で制御する。
【００３７】
３族原料ガスおよび５族原料ガスの供給量を制御することで各結晶層の組成が制御できる。ｎ型不純物ガスの供給量を制御することでｎ型不純物のドーピング量が制御できる。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）が小さい場合には、３族原料ガスのアルキル基に由来する炭素原子がエピタキシャル成長層に混入する。炭素原子はｐ型不純物として機能するので、このようなアルキル基由来の炭素原子の混入を利用し、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すなわちｐ型不純物のドーピング量が制御できる。
【００３８】
Ｖ／ＩＩＩ比を小さくすれば、高価な５族原料ガスが節約でき、製造コストが低減できる。つまり、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比を小さくすることで、製造コストを低減するとともにｐ型不純物をドーピングすることができる。ｐ型結晶層を成長する段階において、Ｖ／ＩＩＩ比は、０．０１以上、１５．０以下に制御する。ｐ型結晶層を成長する段階におけるＶ／ＩＩＩ比は、好ましくは１．０以上、１３．０以下に、さらに好ましくは５．０以上、１０．０以下に制御するのがよい。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】
なお、ｐ型結晶層を成長する段階において、アルキル基由来の炭素原子をドーピングすることに加え、ｐ型不純物ガスを供給することによりｐ型不純物をドーピングすることもできる。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。）で表される化合物が挙げられ、具体的にはＣＢｒＣｌ３が挙げられる。他のｐ型不純物ガスとしてジエチル亜鉛（ＤＥＺｎ）が挙げられる。ｐ型不純物ガスを添加することにより、ｐ型結晶層の抵抗値を小さくすることができる。
【００４０】
ｐ型結晶層として、ｐ型積層結晶層１１２内の第１結晶層１３０が挙げられる。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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
上記した半導体基板１００によれば、Ｖ／ＩＩＩ比を０．０１以上、１５．０以下に制御して第１結晶層１３０をエピタキシャル成長するので、第１結晶層１３０には、ｐ型不純物原子として炭素原子を含み、１×１０１７ｃｍ−３以上、１×１０１９ｃｍ−３以下の濃度の水素原子を含むとともに、２×１０１７ｃｍ−３以上、２×１０２０ｃｍ−３以下の濃度の酸素原子を含むようになる。
【００４５】
（実施例１）
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。層番号２〜５のｐ型結晶層ではＶ／ＩＩＩ比が１５以下と小さいので、３族原料ガスのメチル基に由来するＣ原子がｐ型不純物になるが、ｐ型不純物ガスも併用した。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。なお、層番号３のｐ型ＡｌＧａＡｓ層が第１結晶層１３０に相当する。層番号２のｐ型ＡｌＧａＡｓ層が第２結晶層１３２に相当する。
【表１】
2012134473.tif 000003
【００４６】
なお、表１において水素濃度あるいは酸素濃度を（１〜２）×１０１８のように示しているのは、指数表記における仮数部の範囲を括弧内に示したものであり、１×１０１８〜２×１０１８の意味である。また、繰り返し数が複数である結晶層における水素濃度あるいは酸素濃度の範囲は、複数繰り返して形成した各結晶層の水素濃度あるいは酸素濃度が当該範囲内にあることを示している。表２において同様である。
【００４７】
図３は、上記のようにして形成した半導体基板のＳＩＭＳ（２次イオン質量分析）プロファイルを示す。図３のＳＩＭＳプロファイルは、半導体基板の表面から４５００ｎｍ程度の深さ（ｎ型ミラー層の途中）までの、Ｇａ、Ａｌ、Ｃ、ＨおよびＯの各濃度の深さプロファイルである。ｐ型ミラー層における高Ａｌ組成な領域でのＯ濃度は、１×１０１８〜２×１０１８atoms/ccの高い値を示した。
【００４８】
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。
【００４９】
（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。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、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としたので、メチル基由来のＣ原子がｐ型不純物として機能する程度に混入することはない。このためｐ型不純物をｐ型不純物ガスにより供給することが必要であり、ｐ型不純物ガスとしてＤＥＺｎを用いた。その他のエピタキシャル成長条件は実施例１の場合と同様である。
【表２】
2012134473.tif 000004
【００５０】
図４は、比較例の半導体基板のＳＩＭＳ（２次イオン質量分析）プロファイルを示す。図４のＳＩＭＳプロファイルは、半導体基板の表面から４５００ｎｍ程度の深さ（ｎ型ミラー層の途中）までの、Ｇａ、Ａｌ、Ｃ、ＨおよびＯの各濃度の深さプロファイルである。実施例１の場合とは異なり、ｐ型ミラー層における高Ａｌ組成な領域でのＯ濃度は、４×１０１６〜８×１０１６atoms/ccであり、実施例１の場合より低かった。
【００５１】
上記のようにして形成した半導体基板に、実施例１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１より高く、スロープ効率は０．５９Ｗ／Ａと実施例１より低下した。
【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】
2012134473.tif 000005
【図２】
2012134473.tif 000006
【図３】
2012134473.tif 000007
【図４】
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