(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧａＡｓ及びＡｌＧａＡｓからなる半導体物質の多層構造にｐ型ドープ物質を製造する方法において、
ｉ）シリコン又はゲルマニウムを多層構造の上に若しくは内部に与える段階と、
ii）前記半導体物質を高温で、Ｇａリッチ状態下にてアニールして前記シリコン又はゲルマニウムをｐ型ドーパントとして内部拡散させる段階と、
を備えることを特徴とする製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ヘテロ構造半導体物質、特に、ガリウム・ヒ素／アルミニウム・ガリウム・ヒ素（ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ）を、シリコン（Ｓｉ）を用いてドープし、ドープされた半導体物質を過剰なガリウム（Ｇａ）リッチ状態（gallium rich conditions)下でアニールすることにより、幅広いバンドギャップを有したｐ型物質を得るようにした、ｐ型ドープ物質の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
グループIII −Ｖ化合物半導体中への不純物拡散は光電子デバイスの製造における重要なステップである。最近、この分野はガリウム・ヒ素へのシリコン拡散にかなり注目している。また、この分野は最近、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ量子井戸構造（quantum well structures)における不純物誘導不規則化（ＩＩＤ）（impurity induced disordering)（不純物に誘導された不規則化、換言すれば、不純物によって秩序を乱すこと）にもかなり注目している。
特に、ガリウム・ヒ素へのシリコン拡散が研究されている。例えば、"The diffusion of Si in GaAs", G.R. Antell Solid State Electronics, Vol.8, pp.943 〜946 (1965)は、密封された石英カプセル中で高温にて実行されるガリウム・ヒ素中へのシリコン拡散を開示するものであり、この密封石英水晶カプセルは、ヒ素がガリウム・ヒ素基板の外に拡散してしまうことを防止するためにヒ素に大きな圧力をかけることを含んでいる。ガリウム・ヒ素におけるシリコンの拡散率（diffusivity）と活性化（activation） は、ヒ素にかけた圧力とガリウム空孔濃度に比例する。しかしながら、ヒ素に大きな圧力をかけた環境でドープ物質をアニールするとｎ型ドープ物質が生成されてしまう。
【０００３】
M.E. Greiner等による"Diffision of Si in Using Rapid Thermal Processing: Experiment and Model", Applied Physics Letters, Vol.44(8), pp.750 〜752 (1984年４月15日) では、幾つかの異なるキャプセル剤を用いた高速熱処理を使用することによる、薄い、要素蒸着シリコンソース（elemental-deposited silicon source) からのシリコン拡散を開示する。このモデルは、ガリウム若しくはヒ素空孔のいずれかと位置(site)を交換することによって一対のシリコン原子が置換的に移動することを開示する。
ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓのようなIII −Ｖ化合物の層状ヘテロ構造に亜鉛を拡散させることによってｐ型層不規則化領域（ｐ型の、層が不規則化された領域）を製造できることは従来技術でもよく知られている。しかしながら、シリコンはこれに比べると非常に良好な不規則化不純物（構造を不規則化する不純物）である。なぜなら、シリコンは不規則性物質 (disordered material)（構造が不規則な物質）から規則性物質（ordered material） （構造が規則的な物質）への変移が亜鉛に比べると非常に急激的であり、また再生可能だからである。しかしながら、層の不規則化を行なうような分野で以前使用されていたシリコンはｎ型ドープ物質のみを生成するものであった。例えば、K. Meehan 等の "Disorder of an Alx Ga1-x As-GaAs Superlattice by Donor Diffusion", Applied Physics Letters, Vol.45(5), pp.549〜551（1984年９月１日）参照。故に、ｎ型シリコン拡散によって生成されたものと同じような変移的急激特性（transitional abruptness）を備えたｐ型層不規則化処理が従来から長く必要とされてきた。
【０００４】
【発明の概要】
本発明は、シリコン若しくはゲルマニウムを用いて層状ヘテロ構造半導体物質を拡散し、ガリウムリッチ状態下でドープ物質をアニールすることにより、ｐ型ドープ層不規則化領域（ｐ型ドープされ層が不規則化された領域）を得る。
本発明は更に、ｐ型ドープされ層が不規則化されているようなヘテロ構造半導体デバイスを形成する方法を用いて様々なヘテロ構造半導体デバイスを形成する発明を提供する。
本発明によれば、ｐ型ドープ半導体物質を不純物誘導不規則化によって形成するために異なる組成物の多層が混合される。更に言えば、多層半導体物質構造をシリコンを用いてドーピングし、ガリウムリッチ状態下でドープされた物質をアニールすることによって、ｐ型ドープ混合物質が製造される。更に、多層半導体物質は好ましくはＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓである。
本発明の方法は、好ましくはシリコン若しくはゲルマニウムであるような不純物種をIII −Ｖ半導体構造の表面上に導入し、その後、ドープされた物質をゲルマニウムリッチ状態下で十分な温度にてアニールし、不純物種を多層半導体物質中へ拡散させる段階を含む。ガリウムリッチ状態は２つの方法のうちのいずれかで得ることができる。即ち、（１）ＧａＡｓと直接接触を行なうＳｉ（若しくはＧｅ）ソースをＧａを用いてドープし、Ｇａの濃度がほぼ１０％となるようにするものと、（２）また、Ｇａの一片がアンポウル（ampoule）に配置されるというもの、である。３ｃｍ3 のアンポウル容積と、２０〜６０ｍｇの量であるＧａ重量を用いてＧａリッチ状態を得ることができる。
【０００５】
本発明の方法はシリコンドーパントとガリウム・ヒ素における欠陥のエネルギーの計算に基づいている。この計算はヒ素およびガリウム化学的ポテンシャルの関数として欠陥濃度が変動することを示す。化学的ポテンシャルはある範囲で変動することができ、これは熱力学的な考察によって決定される。ヒ素リッチ状態では、ヒ素の化学的ポテンシャルが高く、一方、ガリウムの化学的ポテンシャルは低い。これに対し、ガリウムリッチ状態では、ガリウムの化学的ポテンシャルが高く、一方、ヒ素の化学的ポテンシャルは低い。しかしながら、ガリウムとヒ素の化学的ポテンシャルの合計は一定である。ガリウムリッチ状態は、シリコン上部層とバルクガリウムを有するヘテロ構造物質をアニールアンポウルに配置するか、若しくは、シリコンのガリウムリッチソース層をヘテロ構造基板の上に蒸着することによって、得られる。
より好ましい実施例において、不純物種をIII −Ｖ半導体構造中に導入することによってｐ型ドープ物質を製造する方法は、シリコン拡散ソース層をIII −Ｖ多層構造の表面上に化学的に蒸着する段階と、例えばＳｉＯ2 やＳｉ3 Ｎ4 のようなキャップ層をシリコン拡散ソース層の上に化学的に蒸着する段階と、ドープされた半導体物質を高温でガリウム環境にてアニールする段階と、を備える。アニール処理は５００〜１０００°Ｃの温度範囲で実行される。物質をアニールすることはシリコンをIII −Ｖ多層構造中へ熱的に拡散させることであり、これは層の不規則化を物質に引き起こす。ガリウムリッチ環境はｐ型ドープ層不規則化領域を作り出す。
【０００６】
【実施例】
ヒ素リッチ状態下では、シリコンはドナーとして働くことが良く知られており、また、ガリウム空孔と共に可動錯体（mobile complex) を形成することによって拡散すると信じられている。一方、本発明の方法の発明者は、ガリウムリッチ状態ではシリコンがヒ素位置を占有しようとするために、シリコンはアクセプタとして働くと判断した。シリコンはガリウム格子間型を備えた錯体を形成することによってガリウムリッチ状態下で拡散することから、ガリウムリッチアニール状態と関連して若しくはガリウムリッチソース層でシリコンを用いて、ＧａＡｓとＡｌＧａＡｓの層状ヘテロ構造を不規則化することによって幅広いバンドギャップ領域を得ることができる。
図１は、ヒ素とガリウムの原子化学的ポテンシャルの関数として理論上の欠陥濃度（defect concentrations)のプロットを示す。図１に示された理論上の欠陥濃度の決定においては８５０°Ｃという温度が仮定された。故に、ほぼ１０20／ｃｍ3 の濃度に配置され、また「シリコン総量」と表された実質的な水平ラインは、仮定温度である８５０°Ｃにおけるシリコン濃度の理論上の総量を示す。図１に示された理論上の欠陥濃度を決定する際、これらの濃度はシリコンドーパントのエネルギーとガリウムヒ素における欠陥とに基づいて、ヒ素とガリウム化学ポテンシャルの関数として決定される。ヒ素とガリウム化学ポテンシャルは、以下に記述された方法で決定されたある範囲において変化する。μAsに対する最大値は、μAs(bulk)、即ち、純粋な要素Ａｓの化学的ポテンシャルである。同様に、μGaに対する最大値は、μGa(bulk)、即ち、純粋な要素Ｇａの化学的ポテンシャルである。これらの限界のうちの１つが超過した場合、このシステムは平衡状態から外れることになり、要素バルク相（elemental bulk phase) の沈澱に対する駆動力が存在する。例えば、Ｇａの化学的ポテンシャルがμGa(bulk)以下に硬化するまでＧａの沈澱が形成される。化合物ＧａＡｓとの平衡状態が保持されているため、μAsとμGaの個々の値は個別的には変化せず、これら２つの合計は一定であるよう、また、バルク化合物ＧａＡｓの化学的ポテンシャルに等しくなるよう、変化する。この結果、Ｇａリッチ状態の極限はμGa＝μGa(bulk)且つμAs＋μGa＝μGaAs(bulk)である場合に対応する。この状態は化学的電位差が１．０ｅＶに対応する。Ａｓリッチ状態の極限はμAs＝μAs(bulk)且つμAs＋μGa＝μGaAs(bulk)である場合に対応する。この状態は化学的電位差が−１．０ｅＶに対応する。
【０００７】
図１に示されているように、化学的電位差は、ヒ素の化学的ポテンシャルμAsがμAs(bulk)に等しい場合である−１．０ｅＶからガリウムの化学的ポテンシャルμGaがμGa(bulk)に等しい場合である＋１．０ｅＶの範囲にある。図１に示されているように、化学的電位差が−１．０ｅＶに近づいたとき、この環境は徐々にヒ素リッチとなり、一方、化学的電位差が＋１．０ｅＶに近づいたとき、この環境は徐々にガリウムリッチとなる。化学形電位差が−０．４〜１．０ｅＶの範囲にあるとき、この環境はガリウムリッチということができ、一方、化学的電位差が−０．４〜−１．０ｅＶの範囲にあるとき、この環境はヒ素リッチということができる。
図１に示されているように、この環境が徐々にガリウムリッチとなり、化学的電位差がほぼ０．４ｅＶ以上に上昇したとき、ガリウム格子間欠陥（ＩGa）の濃度は、ほぼ０．４ｅＶの化学的電位差における１０12／ｃｍ3 からほぼ１．０ｅＶの化学的電位差における１０18／ｃｍ3 まで急激に上昇する。同様に、ガリウム格子間およびシリコンアクセプター、ＳｉAsＩGa、を備える欠陥錯体の濃度は、ガリウム格子間欠陥の濃度における増加に密に並行する。これらの欠陥は、多層ヘテロ構造のＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓの層の混合を取り持つ。シリコンドナー、ＳｉGa、を覆うようにして、多くの余分なシリコンアクセプタが存在するため、ガリウムリッチ状態下でのシリコンの内部拡散（in-diffusiion)の硬化は、ｐ型ドープ物質中へＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓヘテロ構造を不規則化することである。ｎ型ＩＩＬＤに関してはよく知られているように、ドーピングの臨界レベルはＩＩＬＤが誘導される前に要求される。ｎ型ＩＩＬＤに対する一般の臨界ドーピングレベルはほぼ１０12〜１０18欠陥である。ｐ型ＩＩＬＤ物質における臨界ドーピングレベルも同様のものが期待される。
【０００８】
｜ＮD −ＮA ｜と記載された図１に示す破線は、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓヘテロ構造におけるアクセプタの数、即ちＮA とドナーの数、即ちＮD 間の差の絶対値を示す。ヒ素リッチ状態では、ＮD ＞ＮA であって、この物質はｎ型である。ガリウムリッチ状態では、ＮD ＜ＮA であって、この物質はｐ型である。アクセプタ数とドナー数の差の絶対値は、ドーピングの度合いを直接的に示している。図１に示されているように、絶対値｜ＮD −ＮA ｜は、ガリウムリッチ状態下で、物質は強力にｐ型ドープ物質となるであろうことを示している。
故に、ガリウムリッチ状態下におけるシリコン若しくはゲルマニウムの不純物拡散によるｐ型物質の形成は、当業者によく知られた不純物誘導層不規則化（ＩＩＬＤ）技術を用いて使用され得る。Brunham に付与された米国特許第４，８２４，７９８号に記述されているように、ヒ素でドープされたシリコンを用いて実行されるＩＩＬＤは、異なる組成物の薄層を混合することによって一様な組成物のｎ型物質を製造するために知られている。この結果、既知のＩＩＬＤ技術と本発明の方法とを結合させることにより、ｎおよびｐ型物質両方の所定領域を備えたデバイス構造を形成することが可能とされる。
【０００９】
図２を参照すれば明らかなように、ここには本発明を用いて形成されたｐ型ＩＩＬＤ領域の第１の実施例が示されている。横方向に注入されたダイオードレーザ１０１は、その上にｎ−Ｇａ1-X Ａｌx Ａｓのクラッド層（cladding layer) ２０がエピシャキタルに蒸着された半絶縁性のＧａＡｓの基層１０と、ドープされｐ型ドープされ、若しくはｎ型ドープされている層であって、しかも、比較的薄い従来の２重ヘテロ構造活性層（active layer) と、Ｇａ1-Z Ａｌz Ａｓ（ここでは、ｘ＞ｙ＞ｚ）の複数のキャリア制限層（carrier confinement layer)若しくはＧａＡｓ又はＧａ1-y Ａｌy Ａｓの代替井戸層（alternating well layers)の多重量子井戸構造（multiple quantum well structure)の間に挟まれた、ＧａＡｓ又はＧａ1-y Ａｌy Ａｓのいずれかの活性単一量子井戸（active single quantum well）と、Ｇａ1-Z Ａｌz Ａｓ（ここでは、ｚ＞ｘ≧ｙ’＞ｙ）のキャリア制限層の間に挟まれたＡｌＡｓ又はＧａ1-y'Ａｌy'Ａｓのいずれかの対応バリア構造と、を備えた層であるような、活性導波管層（active waveguide layer) １６と、更に、ｐ−Ｇａ1-X'Ａｌx'Ａｓのクラッド層１２（ここでＸ’≒Ｘ）と、を備える。エピタキシャル蒸着は、従来技術でも知られているメタロガニック（metalorganic）蒸着、若しくは分子ビームエピタクシーとして知られている、層成長技術を介するものであろう。エピタキシャルに蒸着された層の内部では、光学的導波管１４はシリコンを領域２４と４０中に拡散させることによって形成されており、これにより、多重半導体層を混合して活性導波管層よりより大きなバンドギャップとより低い屈折率の一様な領域を形成する。
【００１０】
次に、本発明の方法による横方向注入ダイオードレーザの形成について記述するために図３を参照する。図２に示す一様な層１２等が形成された後、ｎ型拡散／不規則化領域（ｎ型の、拡散され／不規則化された（秩序が乱された）領域）３０が形成されるであろう領域上に開口３５を備えた層１２の上部にＳｉ3 Ｎ4 マスク３１が形成される。その後、ヒ素リッチシリコン層３２が、Ｓｉ3 Ｎ4マスク３１の開口３５を通じて層１２の上に蒸着され、Ｓｉ3 Ｎ4 ３３の第２の層でキャップされる。同様に、窓３４がその後、Ｓｉ3 Ｎ4 ３１／Ｓｉ３２／Ｓｉ3 Ｎ4 ３３層に開けられ、ｐ型拡散／不規則化領域（ｐ型の、拡散され／不規則化された（秩序が乱された）領域）４０が形成されるであろう領域上の層（制限層（confinement layer））１２の上に、窓３４を通じてガリウムリッチシリコン層４１が蒸着される。ガリウムリッチシリコン層４１は、その後、最後のＳｉ3 Ｎ4 キャップ層３６を用いてキャップされ、ヘテロ構造１０６の全体が高温で十分長い時間、例えば、６〜１０時間、アニールされる。高温とは８００〜９００℃の範囲であることが好ましい。
Ｓｉ3 Ｎ4 キャップ層３６でキャップされたヘテロ構造をアニールすることにより、Ｓｉ3 Ｎ4 マスク（ヒ素リッチシリコン層）３１のシリコンと、ガリウムリッチシリコン層４１のシリコンは、エピタキシャル層１２等の中へ拡散し、不規則化領域３０および４０を形成する。ヒ素リッチシリコン層３１はヒ素リッチであるため、シリコンはヒ素リッチ環境においてはヘテロ構造層の中へ拡散する。過剰なヒ素の存在がＧａ空孔を誘導する。このＧａ空孔は、拡散シリコンをドナー不純物とし、これにより、図２に示されているように、ヒ素リッチシリコン層３１の下側にｎ型の拡散領域３０を形成する。同様に、ガリウムリッチシリコン層４１はガリウムリッチであることから、シリコンはガリウムリッチ環境においてはヘテロ構造の中へ拡散する。過剰なガリウムの存在がヒ素空孔を誘導する。このヒ素空孔は、拡散シリコンをアクセプタ不純物とし、これにより、図２に示されているように、ガリウムリッチシリコン層４１の下側にｐ型拡散領域４０を形成する。
【００１１】
横方向注入ダイオードレーザ１０１を形成するための代替法においては、ガリウムリッチシリコン層４１が、非ドープシリコン層３７と置換され、図４に示されているように、ヒ素リッチシリコン層３２だけがＳｉ3 Ｎ4 ３３でキャップされる。ヘテロ構造１０７はその後、高温で、ガリウムリッチ環境を形成するのに適した量だけガリウムを含んだ密閉されたアンポウルにてアニールされる。３ｃｍ3 のアンポウル容積と２０〜６０ｍｇのガリウムが一般的に使用される。また、ヒ素リッチシリコン層３２は、非ドープシリコンと置換され、非ドープシリコン層３７だけがＳｉ3 Ｎ4 でキャップされる。こうして生じたヘテロ構造は、その後、高温で、ヒ素リッチ環境を形成するのに適した量だけヒ素を含んだ密閉されたアンポウルにてアニールされる。３ｃｍ3 のアンポウル容積と２０〜６０ｍｇのガリウムが一般的に使用される。いずれの代替法にあっても、ヘテロ構造をアニールすることによって露出されたシリコンは、ヘテロ構造層の中へ拡散し、その環境がガリウムリッチであるときはｐ型拡散領域４０を、また、その環境がヒ素リッチであるときはｎ型拡散領域３０を、形成する。一方、キャップされたシリコン層３２若しくは４１はヘテロ構造層の中へ拡散し、それがヒ素リッチであるか若しくはガリウムリッチであるかに依存して他のｎ型、若しくはｐ型の拡散領域を形成する。
【００１２】
本明細書に参考として組み入れられているThorntonに付与された米国特許第４，９８７，４６８号に教示されているように、ｐ型のＩＩＬＤを有効に使用することができる第２のデバイス構造は、ｐ−ｎ−ｐヘテロ構造バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）である。図５は本発明の方法を用いて製造されたＰ−Ｎ−Ｐ  ＨＢＴを示す。ＨＢＴ１０２は、ｎ型基板１１０と、Ａｌx Ｇａ1-X Ａｓの低部制限層１１６と、ＧａＡｓ若しくはＡｌy Ｇａ1-y Ａｓの活性ベース層１１４（ここではｘ＞ｙ）と、上部制限層１１２若しくはＡｌx Ｇａ1-X Ａｓと、を備える。ｎ型ベース領域１１７の両方の側に２つのｐ型拡散領域４０が形成される。ＨＢＴ１０２を適当にバイアスすることにより、ｐ型拡散領域４０の一方をＰ−Ｎ−Ｐバイポーラトランジスタのコレクタとして機能させ、一方、もう一方のｐ型拡散領域４０をＰ−Ｎ−Ｐバイポーラトランジスタのエミッタとして機能させることができる。分離された金属層２２と２４はｐ型拡散領域４０の上部に形成され、コレクタ接触２２とエミッタ接触２４として機能する。Ｐ−Ｎ−Ｐバイポーラトランジスタ１０２はその後、プロトン衝撃領域 (proton bombarded regions) ２６によってヘテロ構造層の周囲領域から隔離される。金属層２８が基板の上に形成されてベース接触として働く。
【００１３】
上述しまた図３に示された本発明の上の実施例と同様の方法により、ｐ型拡散領域４０が形成される。また、ｐ型拡散領域４０はシリコン層３７を層１１２の上部に形成し、更に、上で述べたようにヘテロ構造１０７と露出されたシリコン層３７とをガリウムリッチ雰囲気でアニールすることによって形成される。この場合は両方の領域が同じ型であるから、図４に示されたキャップ層３３は必要とされない。米国特許第４，９８７，４６８号に開示された類似構造と比較した場合のこのＰ−Ｎ−Ｐ構造の利点は、最も共通の、それほど高価ではない、最良品質の、ｎ型基板上に形成されるということである。
ｐ型ＩＩＬＤ領域を形成する機能は、モノリシック集積構造を形成する場合に特に有用である。本発明によれば、シリコン層のドーパント不純物を制御することにより、及び／又は、上述のようにアニールを行っている間の周囲環境を制御することにより、ｎ型のＩＩＬＤ領域とｐ型のＩＩＬＤ領域が同時に形成されるようにして集積構造を製造することができる。ｎ型のＩＩＬＤ領域とｐ型のＩＩＬＤ領域を同時に形成することは重要な利点である。なぜなら、１つのアニールの完了に続いて行われる第２のアニールは、完成される不規則化領域の深さと形態に変化を引き起こすからである。
【００１４】
例えば、モノリシックＮ−Ｐ−Ｎトランジスタとレーザ１０３は、図６に示すようにして製造することができる。集積トランジスタ／レーザ１０３は、その上にｐ−Ｇａ1-X Ａｌx Ａｓのクラッド層２０がエピタキシャルに付着されるようなＧａＡｓの半絶縁性基板１０と、レーザ部分においては活性導波管２１として機能し、トランジスタ部分においてはベースチャンネル２３として機能するような活性ｐ型多層１６と、ｐ−Ｇａ1-X Ａｌx Ａｓのクラッド層１２と、を備える。ｐ型多層１６は、ｐ−ＧａＡｓ又はｐ−Ｇａ1-y Ａｌy Ａｓの単一量子井戸、若しくは、ｐ−Ｇａ1-Z Ａｌz Ａｓの複数のキャリア制限層、若しくは、ｐ−ＧａＡｓ又はｐ−Ｇａ1-y Ａｌy Ａｓの代替井戸層の多重量子井戸構造の間に挟まれたｐ−ＧａＡｓ又はｐ−Ｇａ1-y Ａｌy Ａｓのいずれかの単一量子井戸と、Ｇａ1-Z Ａｌz Ａｓ（ここで、ｘ＞ｚ≧ｙ’＞ｙ）のキャリア制限層の間に挟まれたＡｌＡｓ若しくはｐ−Ｇａ1-y'Ａｌy'Ａｓのいずれかの対応するバリア層と、を備える。これら全ての層が、メタロガニック蒸着、若しくは分子ビームエピタクシーのようなよく知られた技術を用いて蒸着され得る。
エピタキシャルに蒸着された層内部で、Ｎ−Ｐ−Ｎトランジスタと分離層が形成され、モノリシックレーザ／トランジスタ１０３を作り出す。この構造のトランジスタは、トランジスタエミッタとして働くｎ型不規則化領域３０と、トランジスタコレクタとして働くｎ型不規則化領域３２と、不規則化領域３０と３２の間のｐ型多層１６に形成されたベースチャンネル２３と、を備える。この構造のレーザは、ｐ型不規則化領域４０とｎ型不規則化領域３２の間に形成される。この結果、領域３２はレーザのカソードでもあると同時にトランジスタのコレクタでもある。集積構造１０３に対する電気接触は、レーザ・アノードに接続された接触部１２２と、トランジスタエミッタに接続された接触部２４と、ベースチャンネルに遠隔的にアクセスを行なう接触部２８とを通じてなされる。不規則化領域３２の重要な特徴は、レーザをトランジスタベースから電気的に隔離するために、エピタキシャルに蒸着された全ての層を通じて半絶縁性基板１０中へそれが実質的に延長されている点にある。
【００１５】
集積構造１０３は、前述の本発明に従って良好に作り出される。従来技術と同様、各段階において適当なマスキングが実行されて所望の構造を規定する。シリコンの適当なソース層が蒸着された後、ソース層のヒ素およびガリウム含量とアニール中の周囲を制御することによって、ｎ型不規則化領域とｐ型不規則化領域が同時に形成される。しかしながら、図６に示されているように、領域３０や４０に比べてより深い領域３２を作り出すには、ウエハ上に蒸着された領域３２に対してシリコンソース層だけの部分的なアニールが必要とされる。
また、集積トランジスタ／レーザは、Ｐ−Ｎ−Ｐトランジスタと横方向注入レーザを組み合わせることによって形成され得る。集積構造の形態は、図６に示されているものと同様のものであって、ｐ型の代わりにｎ型にドープされた全てのエピタキシャル層と、ｐ型拡散を用いて作り出された不規則化領域３０、３２と、ｎ型拡散を用いて作り出された不規則化領域４０を有する。領域３０はトランジスタのエミッタに残り、領域３２はコレクタに残る。しかしながら、領域４０はレーザに対してカソードとなる。接触部２８は、ベースチャンネル２３に対する遠隔アクセスを提供し続ける。
【００１６】
ｐ型のＩＩＬＤを用いて、Thorntonに付与され本明細書にも参考として組み入れられている米国特許第５，０６２，１１５号に開示されているような構造を備えた表面放射レーザを作ることができる。例えば、図７および図８は、ｐ型のＩＩＬＤで作られた円形表面放射レーザ１０５を示す。図７はレーザ１０５の上面図であり、一方、図８はレーザ１０５の断面図を示す。図７に示されているように、レーザ・アノード１２４は環形を形成する。図７に示された２等分線Ａは図８に示された線Ａに対応する。
表面放射レーザ１０５はｎ−ＧａＡｓのｎ型基板１１０を備える。この基板の上には、ｎ−Ｇａ1-X Ａｌx Ａｓの幅広いバンドギャップ層１１２と、多重レフレクター６０と、ｎ−Ｇａ1-y Ａｌy Ａｓのスペーサー層６２と、非ドープ、若しくは、ドープｎ型活性多層１６と、ｎ−Ｇａ1-y Ａｌy Ａｓ（ｘ≦ｙ）の第２スペーサー層１２と、スペーサー層１２の表面上に蒸着された絶縁性スタック５０が、エピタキシャルに蒸着されている。多重レフレクター６０は、ｎ−Ｇａ1-Z Ａｌz Ａｓとｎ−Ｇａ1-Z'Ａｌz'Ａｓ（ここでｚ≠ｚ’）の代替スタックを備える。この代替スタックは、当業者に知られているように、高い光学的反射率をレイズ波長（lasing wavelength)で提供する。多層１６は、ｎ−ＧａＡｓ又はｎ−Ｇａ1-w Ａｌw Ａｓのいずれかの薄い層、若しくは、ｎ−ＧａＡｓ又はｎ−Ｇａ1-w Ａｌw Ａｓのいずれかの量子井戸層、若しくは、ＡｌＡｓ又はＧａ1-v Ａｌv Ａｓ（ここでｖ≧ｙ＞ｗ）のいずれかの対応するバリア層と互い違いにされたｎ−ＧａＡｓ又はｎ−Ｇａ1-w Ａｌw Ａｓの量子井戸層の多重量子井戸構造、を備える。
【００１７】
表面放射レーザ１０５は、本発明に従って、前述の２つの方法のいずれを用いても良好に製造される。従来技術でも知られているように、適当なマスキングが実行されて所望の環形が形成される。その後、環状領域４０のシリコンを本発明の原理に従ってガリウムリッチ状態下で拡散させることにより、エピタキシャルに蒸着された層の内部で表面放射レーザが形成される。図８に示されているように、ｎ型領域は表面放射レーザ１０５で必要とされないため、ｐ型拡散領域４０は、上述したように、ガリウムリッチ雰囲気によって取り囲まれた非キャップでしかも非ドープのシリコン層３７、若しくは、キャップされたガリウムリッチシリコン層４１、のいずれかを用いて形成される。適当な時間と状態下で不純物誘導層不規則化が発生し、これにより、多重エピタキシャル層を領域４０で混合することによって円筒形表面放射レーザキャビティを形成する。キャビティの横方向境界は、複数の混合および非混合多層間の界面であり、シリコンの拡散フロント（diffusion front）にほぼ対応する。シリコン誘導層不規則化を用いて得られた界面の急激特性によってこの構造を製造することができる。にもかかわらず、ｐ型レーザの不規則化に対する従来技術で知られた以前の技術は、この方法で有用なデバイスを作り出すのには不適当な拡散界面を生成してしまう。この構造の重要な特徴は、図８に示されているように、領域４０がレフレクター６０を通じて幅広いバンドギャップ層１１２の中へも延長されているために、光学的制限が増大される点にある。
【００１８】
ｐ型拡散領域が形成された後、活性デバイスは、プロトンを有する衝撃領域２６によって残りの層から電気的に隔離される。レーザ・アノード１２４が領域４０の上部表面の上に金属層によって形成され、一方、レーザ・カソード１２２が基板１１０の底面上に金属によって形成される。活性多層１６の非拡散部分上に中心づけられた穴は、光がこの構造から放射されるよう接触金属で覆われていない。絶縁性スタック５０がこの開口上に蒸着され、レーザ動作を維持するのに必要とされる光学的な反射を与える。
図７および図８に示された円形表面放射レーザにおいて、穴は活性層１６中へ不規則化領域４０から横方向に注入され、一方、電子はエピタキシャル層６０に直交する方向で基板１１０から注入される。この結果、電流がアノード１２４からカソード１２２中へ、不規則化領域４０、活性層１６、スペーサ層６２、レフレクター６０、幅広いバンドギャップ層１１２、基板１１０を順次通じて流れ込む。最後の処理段階として、多重絶縁層５０をスペーサ層１２の上部に円形レーザ・カソード１２４の中心にて付与することにより、放射レーザミラーが形成される。
【００１９】
ｐ型不規則化領域を用いて形成されるこの構造の重要な利点は、基板がｎ型ということである。従来の（米国特許第５，０６２，１１５号参照）ｎ型不規則化領域は、コストが増大しまた品質が劣るという理由から、ｎ型が所望されているにもかかわらずｐ型基板を要求していた。
図６に示されたモノリシック集積トランジスタ／横方向注入レーザに対して行われていたのと同じ方法で、表面放射レーザ１０５とトランジスタ１０２をエピタキシャル層の同一セットで結合してモノリシック表面放射レーザ／トランジスタを作り出すことができる。
本発明によれば、ヒ素成長エピタキシャル層の化学量論を制御することによってパターン化された逆方向バイアス接合を形成することができる。この方法は図９を参照して示されており、この図は、不規則化領域４０に形成された逆方向バイアス接合３９を備えたレーザ構造１０９を示す。このような位置付けが行われたｐ−ｎ接合が、シリコンの拡散の間に、不規則化領域４０の形成と同時に形成される。アニール処理の間に拡散シリコンによって製造されたドーパント型は、ヘテロ構造層のエピタキシャル成長の間に、いずれかの層のいずれかのポイントに誘導された真性欠陥（intrinsic defect) の型によって予め選択される。例えば、有力な真性欠陥がヒ素空孔、若しくはガリウム析出である場合、シリコン不純物はアクセプタとして働き、不規則化物質はｐ型であろう。一方、真性欠陥がガリウム空孔、若しくはヒ素析出である場合、シリコン不純物はドナーとして働き、この物質はｎ型であろう。このように、ガリウムリッチ環境とヒ素リッチ環境の間でエピタキシャル成長状態を変更することによってｐ−ｎ接合の置換が制御され、エピタキシャル層に存在する真性欠陥の型を変更する。
【００２０】
本発明の方法を用いて成されるｐ−ｎ接合の実施例が図９に示されている。レーザ構造１０９はｎ型のＧａＡｓの基板１１０を備え、この基板の上には以下のものがエピタキシャルに蒸着されている。即ち、ｎ−Ｇａ1-X Ａｌx Ａｓのクラッド層１２０と、非ドープ、若しくは、ｐ型ドープ、若しくは、ｎ型ドープ管であって、該管は、比較的薄い従来の二重ヘテロ構造活性層と、Ｇａ1-Z Ａｌz Ａｓ（ｘ＞ｙ＞ｚ）の複数のキャリア制限層か、若しくは、ＧａＡｓ又はＧａ1-y Ａｌy Ａｓの代替井戸層の多重量子井戸構造の間に挟まれたＧａＡｓ又はＧａ1-y Ａｌy Ａｓのいずれかの活性単一量子井戸と、Ｇａ1-Z Ａｌz Ａｓ（ｘ＞ｚ≧ｙ’＞ｙ）の複数のキャリア制限層の間に挟まれたＡｌＡｓ又はＧａ1-y'Ａｌy'Ａｓのいずれかの対応するバリヤ層と、を備えているような活性導波管１１６と、ｐ−Ｇａ1-X'Ａｌx'Ａｓ（ここでｘ’≒ｘ）のクラッド層１１２と、ｐ−ＧａＡｓの接触層１１１と、を備える。多層は、層１１１、１１２および１１６が真性Ｇａ空孔を含みそれ故にヒ素リッチであるよう、その一方、層１２０が真性Ａｓ空孔を含みそれ故にガリウムリッチであるよう、成長される。エピタキシャル蒸着は、メタロガニック蒸着、若しくは分子ビームエピタクシーとして従来から良く知られた層成長技術を介して行われるだろう。
【００２１】
本発明の方法によれば、ｐ−ｎ接合３９は、その上では不規則化領域３０／４０が所望されるような層１１１の上に非ドープシリコンを蒸着し、シリコンをＳｉ3 Ｎ4 でキャップし、この結果生じた構造を適当な時間長の間、一般には６〜１０時間、８００〜９００°Ｃの温度でアニールすることにより、形成される。シリコンはエピタキシャル層１１１〜１１２中へ拡散して、シリコン不純物誘導不規則化領域３０／４０を形成する。層１１１、１１２、および１１６はヒ素リッチであることから、シリコンはヒ素リッチ環境が効率的であるようなものに拡散し、これにより、シリコンをドナー不純物とし不規則化領域３０をｎ型とする。一方、層１２０はガリウムリッチであることから、シリコンはガリウムリッチ環境が効率的であるようなものに拡散し、これにより、シリコンをアクセプター不純物とし、不規則化領域４０をｐ型とする。こうして、領域３０と４０の界面におけるｐ−ｎ都合の位置が制御され、活性層１６とクラッド層１２０の界面付近で発生する。
本発明の代替方法によれば、拡散の間にエピタキシャル層の環境を変更することによってｐ−ｎ接合３９を形成することができる。この実施例では、非ドープシリコン層がＳｉ3 Ｎ4 によってキャップされていないため、それは大気環境に露出される。拡散は先ずガリウムリッチ環境で進行するため、拡散シリコンは、領域３０と４０にｐ型不規則化物質を作り出す。一旦ｐ型拡散が十分な深さとなると、環境はヒ素リッチに変更され、アニールは継続される。ヒ素が過剰に存在するなかでアニールを継続し、領域３０をｎ型に変更することによって、ｐ−ｎ接合３９を作り出す。不規則化領域内部におけるｐ−ｎ都合の正確な位置を制御することは、第１の方法を用いた場合よりも本発明では更に困難である。拡散中の環境の変更を真性欠陥と関連して用いて、不規則化領域におけるｎ型若しくはｐ型ドーピングの選択を助けることができる。
【００２２】
埋込型逆方向バイアス接合ダイオードレーザを製造するための方法が更に図１０に示されている。図１０のダイオードレーザを形成し且つアニールする方法の完全な記述は、Epler や Paoliに付与され、本明細書にも参考として組み入れられている米国特許第５，０１３，６８４号に述べられている。図１０に示されているように、ドープシリコン５０のスパイクの第１の層はクラッド層１２０に形成され、一方、ドープシリコン５２のスパイクの第２の層はクラッド層１１２に形成される。シリコン層５０と５２の一方はヒ素で高濃度にドープされてヒ素リッチ環境を提供する。シリコン層５０と５２の他方はガリウムで高濃度にドープされてガリウムリッチ環境を提供する。図１０に示された例では、第１の層５０が高濃度にガリウムドープされ、一方、第２の層５２は高濃度にヒ素ドープされる。
層５０と５２がデバイスに形成された後、デバイスはアニールされる。スパイクの第１の層５０はガリウムリッチであるため、シリコンはガリウムリッチ環境でデバイス中に拡散する。同様に、第２の層５２はヒ素リッチであるため、シリコンはヒ素リッチ環境でデバイス中に拡散する。ＩＩＬＤ不規則化領域３０'と４０'は、層５０および層５２からデバイス中へシリコンが拡散するときに成長する。最後に、図１０に示されているように、層５０と５２からの拡散フロントが接合部３９ａで出会って埋込型接合デバイスを形成する。ガリウムリッチ層５０からの拡散シリコンがアクセプタ不純物として働いて、接合部３９ａの一方の側の領域４０'をドープされたｐ型とする。ヒ素リッチ層５２からの拡散シリコンはドナー不純物として働いて、接合部３９ａの他方の側の領域３０'をドープされたｎ型とする。ドープ領域３０'および４０'は、横方向埋込型逆方向バイアス接合部３９ａを形成する。
【００２３】
一旦、不規則化領域３０'と４０'が形成されると、レーザ構造１０９をエピタキシャル層の残りから隔離するためにプロトン衝撃領域２６が形成される。第１の金属層がｎ型基板１１０の底に配置されてレーザ・カソード１２２を形成し、一方、第２の金属層は接触層１１１の上部表面の上に配置されてレーザ・アノード１２４（図７、図８参照）を形成する。
【図面の簡単な説明】
【図１】様々な状態の下でのガリウム・ヒ素におけるシリコン誘導欠陥の影響を示す図。
【図２】本発明によって形成された物質から生成される横方向注入ダイオードレーザの断面図。
【図３】本発明の第１の実施例を示す図２の横方向注入ダイオードレーザのアニール前における断面図。
【図４】本発明の第２の実施例を示す図２の横方向注入ダイオードレーザのアニール前における断面図。
【図５】本発明によって形成された物質から生成されるＰ−Ｎ−Ｐ型バイポーラトランジスタの断面図。
【図６】本発明によって形成された物質から作られるモノリシックＮ−Ｐ−Ｎ型トランジスタおよびレーザの断面図。
【図７】本発明によって形成された物質から生成される横方向注入表面エミッタの上面図。
【図８】本発明によって形成された物質から生成される横方向注入表面エミッタの断面図。
【図９】本発明によって形成される物質から生成される埋込型逆方向バイアス接合を備えたダイオードレーザの断面図。
【図１０】逆方向バイアス接合ダイオードレーザを形成するための他の方法を示す図。
【符号の説明】
１０    基層
２０    クラッド層
３０  ｎ型拡散領域
４０  ｐ型拡散領域
１０１  ダイオードレーザ１
【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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