(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型ＧａＡｓ基板上に、少なくとも、ＡｌＧａＩｎＰ系材料からなる混晶により構成されたｎ型クラッド層、活性層、及びＭｇをドーピングしたｐ型クラッド層と、ｐ型コンタクト層とを順次積層し、前記ｐ型コンタクト層が、前記ｎ型ＧａＡｓ基板側から順にＭｇをドーピングしたコンタクト層とＺｎをドーピングしたコンタクト層との少なくとも二層を有する半導体発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、
前記Ｍｇをドーピングしたｐ型クラッド層と前記ｐ型コンタクト層との間に、ＺｎをドーピングしたＧａＡｓ層からなるＺｎドープ層を備えたことを特徴とする半導体発光素子用エピタキシャルウェハ。
【請求項２】
ｎ型ＧａＡｓ基板上に、少なくとも、ＡｌＧａＩｎＰ系材料からなる混晶により構成されたｎ型クラッド層、活性層、及びＭｇをドーピングしたｐ型クラッド層と、Ｍｇをドーピングしたｐ型中間層と、ｐ型コンタクト層とを順次積層し、前記ｐ型コンタクト層が、前記ｎ型ＧａＡｓ基板側から順にＭｇをドーピングしたコンタクト層とＺｎをドーピングしたコンタクト層との少なくとも二層を有する半導体発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、
前記Ｍｇをドーピングしたｐ型クラッド層と前記ｐ型中間層との間に、ＺｎをドーピングしたＧａＡｓ層からなるＺｎドープ層を備えたことを特徴とする半導体発光素子用エピタキシャルウェハ。
【請求項３】
請求項２に記載の半導体発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、前記Ｍｇをドーピングしたｐ型中間層を、Ｚｎをドーピングしたｐ型中間層としたことを特徴とする半導体発光素子用エピタキシャルウェハ。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、前記Ｚｎドープ層が、Ｚｎのプレーナドープ層であることを特徴とする半導体発光素子用エピタキシャルウェハ。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体発光素子用エピタキシャルウェハを用いて製作されたことを特徴とする半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子（発光ダイオード、半導体レーザなど）に用いられる半導体発光素子用エピタキシャルウェハ及びこれを用いて作製される半導体発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体発光素子用結晶の成長方法としては、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）が主に用いられてきた。この方法において、III−Ｖ族化合物半導体結晶を成長させる
際には、気相成長装置内に設置した基板を加熱し、各エピタキシャル層の原料となるIII
族有機金属原料ガスとＶ族原料ガス、またキャリアガス及びドーパント原料ガスを成長炉内に導入し、炉内で混合ガスを熱分解させ、基板上に結晶膜を堆積成長させる。
【０００３】
上記のようなＭＯＶＰＥ法によって得られた半導体発光素子用エピタキシャルウェハは、光ディスクシステムにおいて読み取り・書き込み用光源として利用される半導体レーザーダイオード（ＬＤ）や、ディスプレイ、リモコン、センサー、車載用ランプ等様々な用途に利用される発光ダイオード（ＬＥＤ）等の半導体発光素子に用いられる。
【０００４】
ＭＯＶＰＥ法において、半導体発光素子用のＡｌＧａＩｎＰ系の結晶成長を行う際には、ｐ型ドーパントとしてＺｎ、Ｍｇを用いるのが一般的である。特に、高出力ＬＤ用の化合物半導体結晶においては、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層にはＭｇが使用されることが多い。これは、ＭｇがＺｎよりも拡散係数が小さく、活性層に拡散しにくいため、より高濃度にドーピングすることが可能であるからである。
【０００５】
一方、ｐ型コンタクト層には電極の接触抵抗を可能な限り低くする必要性から、クラッド層より一桁以上高いキャリア濃度が必要とされている。そのため、ｐ型コンタクト層は通常ガリウム砒素（ＧａＡｓ）で形成され、ドーパントとしてはＭｇより高濃度に添加できるＺｎが用いられている。
【０００６】
ところで、高密度光ディスク装置における読み取り・書き込み用光源には、安定した高出力・高温動作が要求されており、そのためには半導体発光素子用エピタキシャルウェハのｐ型クラッド層のキャリア濃度を１×１０１８ｃｍ−３程度に高濃度化する必要があり、このためには、Ｍｇドープが有利である。
しかしながら、Ｍｇをドープしたｐ型クラッド層の場合、ＺｎとＭｇの相互拡散が顕著であり、ｐ型コンタクト層のＺｎがその成長中にｐ型クラッド層や活性層にまで拡散し、その結果、活性層のフォトルミネッセンス・スペクトルの半値幅が大きくなるなどの現象が起こり、活性層の発光特性の劣化や素子寿命の低下という大きな問題が生じていた。
【０００７】
この問題を解決するため、Ｚｎの拡散を防ぐ様々な方法が用いられてきた。基板から活性層へのＺｎ拡散を防止する方法としては、基板とｐ型クラッド層との間に、ＺｎとＳｉを同時にドープしたＺｎ拡散防止層を設ける方法（特許文献１）が提案されている。さらに、ｐ型キャップ層（ｐ型コンタクト層）からのＺｎの拡散を防ぐ方法としては、ｐ型キャップ層を基板側から順にＭｇをドーピングした層（Ｚｎ拡散抑止層として機能）とＺｎをドーピングした層の少なくとも２つの層を形成する方法（特許文献２）、またｐ型クラッド層とｐ型キャップ層との間に、カーボンをドーピングしたｐ型ＡｌＧａＡｓ層（Ｚｎ拡散抑止層として機能）を挿入する方法（特許文献３）が提案されている。
【特許文献１】特開２００２−１１１０５２号公報
【特許文献２】特開２００６−１９６９５号公報
【特許文献３】特開２００７−９６２６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記特許文献２、特許文献３の方法により、Ｚｎドープのｐ型コンタクト層からＭｇドープのｐ型クラッド層やアンドープの活性層へのＺｎの拡散は、ほとんどない程度にまで極めて有効に抑止することができる。
【０００９】
しかしながら、上記の従来方法で、ｐ型コンタクト層からｐ型クラッド層等へのＺｎの拡散がほとんどない状態にした場合、従来、Ｚｎの拡散がある状態を想定してチューニングした素子製作プロセスの大幅な変更が必要となるおそれがある。
また、適度なＺｎの拡散は、半導体発光素子特性を安定させるのに有効である場合もあるため、上記従来方法でｐ型コンタクト層からｐ型クラッド層等へのＺｎ拡散をほとんど無くした場合、所望の半導体発光素子特性を得ることができないという問題もあった。
【００１０】
以上を踏まえ、本発明の目的は、ｐ型コンタクト層からｐ型クラッド層や活性層へのＺｎの拡散量をコントロールでき、ｐ型クラッド層等に所望の最適なＺｎ濃度を実現できる半導体発光素子用エピタキシャルウェハ、及びその半導体発光素子用エピタキシャルウェハを用いて作製される、安定した高出力動作及び高温動作が可能な半導体発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明は次のように構成されている。
本発明の第１の態様は、ｎ型ＧａＡｓ基板上に、少なくとも、ＡｌＧａＩｎＰ系材料からなる混晶により構成されたｎ型クラッド層、活性層、及びＭｇをドーピングしたｐ型クラッド層と、ｐ型コンタクト層とを順次積層し、前記ｐ型コンタクト層が、前記ｎ型ＧａＡｓ基板側から順にＭｇをドーピングしたコンタクト層とＺｎをドーピングしたコンタクト層との少なくとも二層を有する半導体発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、前記Ｍｇをドーピングしたｐ型クラッド層と前記ｐ型コンタクト層との間に、ＺｎをドーピングしたＧａＡｓ層からなるＺｎドープ層を備えたことを特徴とする半導体発光素子用エピタキシャルウェハである。
【００１２】
本発明の第２の態様は、ｎ型ＧａＡｓ基板上に、少なくとも、ＡｌＧａＩｎＰ系材料からなる混晶により構成されたｎ型クラッド層、活性層、及びＭｇをドーピングしたｐ型クラッド層と、Ｍｇをドーピングしたｐ型中間層と、ｐ型コンタクト層とを順次積層し、前記ｐ型コンタクト層が、前記ｎ型ＧａＡｓ基板側から順にＭｇをドーピングしたコンタクト層とＺｎをドーピングしたコンタクト層との少なくとも二層を有する半導体発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、前記Ｍｇをドーピングしたｐ型クラッド層と前記ｐ型中間層との間に、ＺｎをドーピングしたＧａＡｓ層からなるＺｎドープ層を備えたことを特徴とする半導体発光素子用エピタキシャルウェハである。
【００１３】
本発明の第３の態様は、第２の態様の発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、前記Ｍｇをドーピングしたｐ型中間層を、Ｚｎをドーピングしたｐ型中間層としたことを特徴とする。
【００１５】
本発明の第４の態様は、第１〜第３の態様のいずれかの半導体発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、前記Ｚｎドープ層が、Ｚｎのプレーナドープ層であることを特徴とする。
【００１６】
本発明の第５の態様は、第１〜第４の態様のいずれかの半導体発光素子用エピタキシャルウェハを用いて製作されたことを特徴とする半導体発光素子である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、Ｍｇドープのｐ型クラッド層や活性層への最適な量のＺｎ拡散が実現された半導体発光素子用エピタキシャルウェハが得られ、また、この半導体発光素子用エピタキシャルウェハを用いて、従来の素子製作プロセスを変更することなく、安定した高出力動作及び高温動作が可能で、且つ高信頼性を有する半導体発光素子が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に、本発明に係る半導体発光素子用エピタキシャルウェハの実施形態を図面を用いて説明する。
【００１９】
図１は、この実施形態の半導体発光素子（半導体レーザ）用エピタキシャルウェハの断面構造を示す断面模式図である。
図１に示すように、この実施形態の半導体発光素子用エピタキシャルウェハは、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ＧａＡｓからなるｎ型第一バッファ層２、ＧａＩｎＰからなるｎ型第二バッファ層３、ＡｌＧａＩｎＰからなるｎ型クラッド層４、ＡｌＧａＩｎＰからなるアンドープガイド層５、ＧａＩｎＰのウェルとＡｌＧａＩｎＰのバリアとからなる多重量子井戸構造の活性層６、ＡｌＧａＩｎＰからなるアンドープガイド層７、ＭｇをドーピングしたＡｌＧａＩｎＰからなるｐ型第一クラッド層８、ＧａＩｎＰからなるエッチングストップ層９、ＭｇをドーピングしたＡｌＧａＩｎＰからなるｐ型第二クラッド層１０、ＺｎをドーピングしたＧａＡｓからなるＺｎドープ層１１、ＭｇをドーピングしたＧａＩｎＰからなるｐ型中間層１２、ＧａＡｓからなるｐ型コンタクト層１３を順次積層した構造となっている。
【００２０】
ＧａＩｎＰからなるｐ型中間層１２は、ＡｌＧａＩｎＰのｐ型第二クラッド層１０とＧａＡｓのｐ型コンタクト層１３との間のバンドギャップ不連続による界面の抵抗成分を減少するために設けられた層である。
ｐ型コンタクト層１３は、ｎ型ＧａＡｓ基板１側から順に、ＭｇをドーピングしたＧａＡｓからなるＭｇドープコンタクト層１３ｂと、ＺｎをドーピングしたＧａＡｓからなるＺｎドープコンタクト層１３ａとの二層構造になっている。ｐ型コンタクト層１３のＺｎドープコンタクト層１３ａは、電極との接触抵抗を低くするためにＺｎ濃度を高くする必要があるが、Ｚｎドープコンタクト層１３ａはＧａＡｓで形成されおり、Ｚｎを高濃度にドーピングできる。
【００２１】
ｐ型コンタクト層１３が、ｎ型ＧａＡｓ基板１側から順に、Ｍｇドープコンタクト層１３ｂとＺｎドープコンタクト層１３ａとの二層構造になっているため、Ｍｇドープコンタクト層１３ｂが、Ｚｎドープコンタクト層１３ａ中のＺｎの拡散を抑止するＺｎ拡散抑止層となり、Ｚｎドープコンタクト層１３ａのＺｎは、Ｍｇドープコンタクト層１３ｂを超えてｐ型中間層１２やｐ型第二クラッド層１０側へはほとんど拡散しない。
しかしながら、ｐ型コンタクト層１３からｐ型第二クラッド層１０側へのＺｎの拡散がほとんどない状態にすると、従来のＺｎの拡散がある状態を想定してチューニングした素子製作プロセスの大幅な変更が必要となるおそれがある。
これを回避するために、従来の素子製作プロセスに適合した、ｐ型クラッド層１０，８や活性層６への適度な量のＺｎ拡散を実現することが求められる。
【００２２】
適度なＺｎ拡散量を実現するために、本実施形態では、まず、ｐ型コンタクト層１３を、Ｍｇドープコンタクト層１３ｂとＺｎドープコンタクト層１３ａとの二層構造にして、ｐ型コンタクト層１３のＺｎがｐ型第二クラッド層１０側への拡散をほとんどない状態にまで抑止ないし防止する。これに加えて、ｐ型第二クラッド層１０側へ最適な量のＺｎ拡散を実現するために、ｐ型第二クラッド層１０とｐ型中間層１２との間に、Ｚｎ拡散調整層として、Ｚｎドープ層１１を設けている。Ｚｎドープ層１１の厚さ、Ｚｎ濃度のどちらか一方または双方を調整・設定することによって、ｐ型第二クラッド層１０側へ最適なＺｎ拡散量をコントロールすることができる。なお、Ｚｎドープ層１１はＧａＡｓ層なので、Ｚｎドープ層１１の厚さを薄くしても、Ｚｎを高濃度にドーピングできるため、Ｚｎ拡散量の調整がしやすい。
このような構造を採用することによって、従来の素子製作プロセスを変更することなく、ｐ型クラッド層１０、８や活性層６への最適な量のＺｎの拡散が実現された半導体発光素子用エピタキシャルウェハが得られる。また、得られた半導体発光素子用エピタキシャルウェハを用いることにより、安定した高出力動作及び高温動作が可能で、且つ高信頼性を有する半導体発光素子を作製することができる。
【００２３】
なお、上記実施形態では、ｐ型第二クラッド層１０側へ最適なＺｎ拡散量を設定ないしコントロールするためのＺｎ拡散調整層として、ＺｎをドーピングしたＧａＡｓからなるＺｎドープ層１１を設けたが、Ｚｎドープ層１１に代えて、ｐ型第二クラッド層１０の積層後であってｐ型コンタクト層１３の積層前に、Ｚｎのプレーナドープを実施し、Ｚｎのプレーナドープ層を形成して、このＺｎのプレーナドープ層をＺｎ拡散調整層とすることができる。この場合、Ｚｎプレーナドープ実施時のＺｎ流量と時間の一方もしくは双方を調整することで、ｐ型第二クラッド層１０側へのＺｎの拡散量をコントロールすることができる。
また、上記実施形態では、ｐ型中間層１２にＭｇをドーピングしたが、ＭｇではなくＺｎをドーピングするようにしてもよい。あるいは、上記実施形態において、ｐ型中間層１２を設けないようにしてもよい。
【実施例】
【００２４】
次に、本発明の実施例を説明する。
【００２５】
（実施例１）
実施例１の半導体発光素子（半導体レーザ）用エピタキシャルウェハは、上述した図１に示す実施形態と同一の断面構造であり、図１を用いて実施例１を説明する。
図１に示すごとく、ＧａＡｓからなるｎ型ＧａＡｓ基板１の上に、ＧａＡｓからなる第１バッファ層２、Ｇａ０.５１Ｉｎ０.４９Ｐからなる第２バッファ層３、（Ａｌ０.６８
Ｇａ０.３２）０.５１Ｉｎ０.４９Ｐからなるｎ型クラッド層４、（Ａｌ０.５０Ｇａ０.
５０）０.５１Ｉｎ０.４９Ｐからなるアンドープガイド層５、多重量子井戸（ＭＱＷ）からなる活性層６、（Ａｌ０.５０Ｇａ０.５０）０.５１Ｉｎ０.４９Ｐからなるアンドープガイド層７、（Ａｌ０.７０Ｇａ０.３０）０.５１Ｉｎ０.４９Ｐからなるｐ型第１クラッド層８、Ｇａ０.５５Ｉｎ０.４５Ｐからなるエッチングストップ層９、（Ａｌ０.７０Ｇ
ａ０.３０）０.５１Ｉｎ０.４９Ｐからなるｐ型第２クラッド層１０、Ｚｎをドープした
ＧａＡｓからなるＺｎドープ層１１、Ｇａ０.５１Ｉｎ０.４９Ｐからなるｐ型中間層１２、基板側からＭｇをドーピングしたＭｇドープコンタクト層１３ｂとＺｎをドーピングしたＺｎドープコンタクト層１３ａの二層からなるＧａＡｓからなるｐ型コンタクト層１３を順次成長させた。前記活性層６は、Ｇａ０.５１Ｉｎ０.４９Ｐをウェル、（Ａｌ０.５
０Ｇａ０.５０）０.５１Ｉｎ０.４９Ｐをバリアとした量子井戸構造とし、不純物は添加
していない。
実施例１のエピタキシャルウェハ構造を図２に示す。図２には、各エピタキシャル層の組成・構造、厚さ、キャリア濃度をまとめて示す。図２において、「ｕｎ−」は、アンド
ープを表す。  
【００２６】
上記エピタキシャル層の成長には、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）を用いた。すなわち、気相成長装置の成長炉内に設置したｎ型ＧａＡｓ基板１を加熱し、各エピタキシャル層２〜１３に必要とするIII族有機金属原料ガス、Ｖ族原料ガス、キャリアガス、ド
ーパント原料ガスを成長炉内に導入し、炉内でガスを熱分解させ、ｎ型ＧａＡｓ基板１上にエピタキシャル結晶を順次、堆積成長させた。
III族有機金属ガスとしては、Ｇａの原料としてＴＭＧ（トリメチルガリウム）、Ａｌ
の原料としてＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、Ｉｎの原料としてＴＭＩ（トリメチルインジウム）を導入し、Ｖ族原料ガスとしては、Ａｓの原料としてＡｓＨ３、Ｐの原料としてＰＨ３（ホスフィン）を導入し、ドーパント原料ガスとしては、ｎ型不純物であるＳｉの原料としてＳｉ２Ｈ６（ジシラン）、ｐ型の不純物であるＭｇの原料としてＣｐ２Ｍｇ、Ｚｎの原料としてＤＥＺ（ジエチル亜鉛）を導入し、キャリアガスとしては高純度水素ガスを用いた。
【００２７】
この実施例１では、ｐ型第２クラッド層１０上に成長したＺｎドープ層１１の厚さ、Ｚｎ濃度を変更することで、ｐ型第２クラッド層１０側へのＺｎ拡散量を調べた。
図３にＺｎドープ層１１の厚さ、Ｚｎ濃度を変更した際のｐ型第１クラッド層８からｐ型第２クラッド層１０までのエピタキシャル層中のＺｎ濃度（平均値）を測定した結果を示す。図３（ａ）は、Ｚｎドープ層１１のＺｎ濃度を１.０×１０１９ｃｍ−３または２.５×１０１９ｃｍ−３とし、Ｚｎドープ層１１の厚さを変えたときの測定結果であり、図３（ｂ）は、Ｚｎドープ層１１の厚さを５０ｎｍに固定し、Ｚｎドープ層１１のＺｎ濃度を変えたときの測定結果である。Ｚｎ濃度の測定は、ＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectrometry：二次イオン質量分析）により行った。
また、実施例１において、Ｚｎドープ層１１を設けず、その他は同一構造とした比較例の半導体発光素子用エピタキシャルウェハを作製した。図３（ａ）には比較例の結果も示す。
【００２８】
図３に示すように、ｐ型第１クラッド層８からｐ型第２クラッド層１０までのＺｎ濃度を、平均１×１０１５ｃｍ−３から１.２×１０１８ｃｍ−３の間で調整できることが分
かった。１×１０１５ｃｍ−３の値は、Ｚｎドープ層１１なしの比較例の場合である
また、実施例１の半導体レーザ用エピタキシャルウェハを用いて、通常の素子製作プロセスによって製作した赤色半導体レーザの素子特性は、非常に良好であった。
（実施例２）
【００２９】
上記実施例１と実施例２との相違点は、実施例２では、上記実施例１のようにｐ型第２クラッド層１０上にＧａＡｓからなるＺｎドープ層１１を積層せずに、ＡｌＧａＩｎＰからなるｐ型第２クラッド層１０を成長した後に、Ｚｎのプレーナドープを実施してＺｎのプレーナドープ層を形成した点にあり、その他は上記実施例１と同一である。
【００３０】
この実施例２では、プレーナドープを実施する際のＺｎ流量と時間を変更することによって、ｐ型第２クラッド層１０側へのＺｎ拡散量を調べた。
図４に、プレーナドープ実施時のＺｎ流量と時間を変更した際のｐ型第１クラッド層８からｐ型第２クラッド層１０までのエピタキシャル層中の平均のＺｎ濃度を測定した結果を示す。
図４（ａ）は、Ｚｎ流量を２００ｃｃｍまたは４００ｃｃｍとし、プレーナドープの時間を変えたときの測定結果であり、図４（ｂ）は、プレーナドープの時間を３０秒に固定し、Ｚｎ流量を変えたときの測定結果である。Ｚｎ濃度の測定は、ＳＩＭＳにより行った。また、図４には、Ｚｎドープ層１１を積層せず且つプレーナドープも実施していない、上記比較例の結果も示す。
【００３１】
図４に示すように、ｐ型第１クラッド層８からｐ型第２クラッド層１０までのＺｎ濃度を、平均１×１０１５ｃｍ−３から１.３×１０１８ｃｍ−３の間で調整できることが分
かった。また、実施例２のエピタキシャルウェハを用い、通常の素子製作プロセスによって製作した赤色半導体レーザの素子特性は非常に良好であった。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係る実施形態及び実施例１の半導体発光素子用エピタキシャルウェハを示す断面模式図である。
【図２】本発明の実施例１の半導体発光素子用エピタキシャルウェハ構造を示す図である。
【図３】本発明の実施例１のＺｎドープ層における厚さ、濃度を変更した際のｐ型クラッド層中のＺｎ濃度をＳＩＭＳによって測定した結果を示す図である。
【図４】本発明の実施例２におけるプレーナドープ時のＺｎ流量と時間を変更した際のｐ型クラッド層中のＺｎ濃度をＳＩＭＳによって測定した結果を示す図である。
【符号の説明】
【００３３】
１    ｎ型ＧａＡｓ基板
２    ｎ型第１バッファ層
３    ｎ型第２バッファ層
４    ｎ型クラッド層
５    アンドープガイド層
６    活性層
７    アンドープガイド層
８    ｐ型第１クラッド層
９    エッチングストップ層
１０    ｐ型第２クラッド層
１１    Ｚｎドープ層
１２    ｐ型中間層
１３    ｐ型コンタクト層
１３ａ  Ｚｎドープコンタクト層
１３ｂ  Ｍｇドープコンタクト層
【図１】
0005018433.tif 000002
【図２】
0005018433.tif 000003
【図３】
0005018433.tif 000004
【図４】
0005018433.tif 000005