JP3697304B2 - 半導体レーザ及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザーおよびその製造方法に係り、特に、マグネシウム（Ｍｇ）をドーピング材料または構成材料として用いた化合物半導体層を有する半導体レーザーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＧａＩｎＡｌＰ等のIII-Ｖ族化合物半導体は、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により制御性よく成長することが可能となっており、半導体レーザーや発光ダイオードの構成材料として広く利用されている。
【０００３】
III-Ｖ族化合物半導体のｐ型ドーパントとして、ＭＯＣＶＤ法においては一般にＺｎが用いられている。Ｚｎは、ＧａＡｓのｐ型ドーパントとして用いた場合には、ほぼ良好なドーピング特性を示す。しかしながら、ＩｎＰ，ＧａＩｎＡｌＰなどのＰを含むIII-Ｖ族化合物半導体のドーパントとしてＺｎを用いた場合には、この化合物半導体中へのＺｎの取り込まれ率が低いので所望の量をドープすることが困難である。しかも、Ｚｎは活性化率が低く、層内での拡散が速いために制御性にも劣る。
【０００４】
Ｚｎに代わるｐ型ドーパントとしては、Ｂｅ，Ｍｇなどが考えられる。Ｂｅは、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法においてはｐ型ドーパントとして良好な特性を示している。しかしながら、有機Ｂｅ化合物は強い毒性を有しているので、ＭＯＣＶＤ法においてドーパントとして使用することは極めて困難である。一方、Ｍｇの直鎖型有機金属化合物であるジメチルマグネシウムおよびジエチルマグネシウム等は、毒性を有していないが、自己会合性が非常に強いので単体で存在しない。このため、このようなＭｇの直鎖型有機金属化合物は、ドーピング用原料として適していない。
【０００５】
そこで最近、蒸気圧の比較的高いビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2 Ｍｇ）が、Ｍｇドーピング用原料として用いられつつある。しかしながら、このＣｐ2 Ｍｇは、結晶成長装置内に残留するというメモリー効果を有しているので、ドーピング制御が非常に困難である。ＤＨ（ダブルヘテロ）レーザ素子においては、０．１μｍの膜厚中で３桁以上の濃度変化が要求されるにもかかわらず、現在のところ、このように急峻な濃度変化は確保できていない。また、蒸気圧を高めるために、シクロペンタ環にメチル基を付与したビスメチルシクロペンタジエニルマグネシウム［（ＣＨ3 ）Ｃｐ2 Ｍｇ］をドーパントとして用いた例もあるが、この場合にも、ドープ層とアンドープ層との界面において、Ｍｇの急峻な濃度変化は得られていない。
【０００６】
しかも、所定の半導体層の抵抗値を小さくするために、ｐ型ドーパントとしてのＭｇは多量にドープしなければならない。例えば、０．５Ω・ｃｍ〜１０Ω・ｃｍ程度の抵抗値を得るためには、５×１０18／ｃｍ3 〜５×１０19／ｃｍ3 程度の濃度でＭｇをドープする必要がある。このように多量にＭｇをドープした場合には、レーザーの性能が低下し、特に活性層の厚さが５ｎｍ以下と小さい半導体レーザーの場合に、動作電流等に大きな影響が及ぼされる。
【０００７】
なお、Ｍｇは III-V族化合物半導体のｐ型ドーパントとしてのみならず、II−VI族化合物半導体などの化合物半導体層の構成材料の１つとして用いられることもある。この場合においても、前述と同様の理由でＭｇ組成を高精度に制御することは困難であった。
【０００８】
ＭｇをII−VI族化合物半導体中に含有させる場合には、Ｍｇの量は１０％以上であることが、動作電流低減、短波長化の点で好ましい。しかしながら、このような量でＭｇを含有させたII−VI族化合物半導体を主成分とする半導体レーザーは、十分な信頼性を得ることが困難である。特に、活性層の厚さが５ｎｍ未満と薄い半導体レーザーの場合には、動作電流増大等の性能の低下は著しい。
【０００９】
このように、Ｍｇの単純なアルキル化合物であるジメチルマグネシウム、ジエチルマグネシウムは蒸気圧が低いので、これらの化合物は、ＭＯＣＶＤ法によって化合物半導体層を成長する際のＭｇ原料として適していない。一方、シクロペンタ環を有するＭｇ化合物は、メモリー効果が高いため、化合物半導体層中のＭｇ組成またはＭｇドーピング量を高精度に制御することは困難であった。
【００１０】
すなわち、Ｍｇドープされた III-V族化合物半導体を主成分とする半導体レーザーは、ｐ型クラッドの抵抗値を低下させるためにＭｇ量を増加させた場合には、発光層の効率等の特性が低下して、最悪の場合には動作が不可能となってしまう。また、Ｍｇを構成材料の一部として含有するII−VI族化合物半導体を主成分とする半導体レーザーにおいても、クラッド層へ導入するＭｇ量を増加させると、同様の問題が生じていた。
いずれの場合も、半導体層におけるＭｇ量を増加させると、半導体レーザーの特性が低下し、十分な信頼性が得られないという問題を有していた。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、ｐ型ドープ層が所望の抵抗値を有するとともに、優れた性能を有する III-V族化合物半導体を主成分とする半導体レーザーを提供することにある。
【００１２】
また、本発明の他の目的は、上下のクラッド層中に十分な量のＭｇを含有し、かつ、高められた信頼性を有するII−VI族化合物半導体を主成分とする半導体レーザーを提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明によると、基板、前記基板上に形成され、 III-V族化合物半導体を主成分とする下部クラッド層、下部クラッド層の直上に形成され、 III-V族化合物半導体を主成分とする活性層、および、活性層上に形成され、 III-V族化合物半導体を主成分とする上部ｐ型クラッド層を有する発振波長４５０ｎｍ以下の半導体レーザーにおいて、前記上部ｐ型クラッド層中に、ＭｇとＳｉとが含有されていることを特徴とする半導体レーザが提供される。
【００１４】
かかる半導体レーザーは、基板上に、 III-V族化合物半導体を主成分とする下部クラッド層を形成する工程、前記下部クラッド層の直上に、 III-V族化合物半導体を主成分とする活性層を形成する工程、および、前記活性層の直上に、 III-V族化合物半導体を主成分とする上部ｐ型クラッド層を形成する工程を具備し、前記上部クラッド層を形成する際のｐ型ドーパントガスとして、Ｓｉ原子にメチル基Ｍｅが３個結合した（Ｍｅ3 Ｓｉ−）を有する有機Ｍｇ化合物を用いることを特徴とする方法によって製造することができる。
【００１５】
また、本発明によると、基板、前記基板上に形成され、Ｍｇを含有するII−VI族化合物半導体を主成分とする下部クラッド層、前記下部クラッド層の直上に形成され、II−VI族化合物半導体を主成分とする活性層、および、前記活性層の直上に形成され、Ｍｇを含有するII−VI族化合物半導体を主成分とする上部ｐ型クラッド層を有し、前記下部クラッド層の活性層に接する側、および上部ｐ型クラッド層の活性層に接する側の少なくとも一方にＳｉが含有されていることを特徴とする半導体レーザーが提供される。
【００１６】
かかる半導体レーザーは、基板上に、Ｍｇを含有するII-VI族化合物半導体を主成分とする下部クラッド層を形成する工程、前記下部クラッド層の直上に、II-IV族化合物半導体を主成分とする活性層を形成する工程、および前記活性層の直上に、Ｍｇを含有するII-IV族化合物半導体を主成分とする上部ｐ型クラッド層を形成する工程を具備し、前記上部および下部クラッド層を形成する際のＭｇ原料ガスとして、Ｓｉ原子にメチル基Ｍｅが３個結合した基（Ｍｅ3Ｓｉ−）を有する有機Ｍｇ化合物を使用することを特徴とする方法により製造することができる。
さらに本発明によると、基板、前記基板上に形成され、 III-V 族化合物半導体を主成分とする下部クラッド層、下部クラッド層の直上に形成され、 III-V 族化合物半導体を主成分とする活性層、および活性層の直上に形成され、 III-V 族化合物半導体を主成分とする上部ｐ型クラッド層を有する半導体レーザーにおいて、前記上部ｐ型クラッド層はＡｌＧａＮからなり、当該上部ｐ型クラッド層中にＭｇとＳｉとが含有されていることを特徴とする半導体レーザーが提供される。
【００１７】
本発明者らは、 III-V族化合物半導体層に多量のＭｇをドープした際に生じる信頼性の低下は、このＭｇが層内を拡散して、ドープ層とアンドープ層との間に急峻な界面が得られないことに起因すると考え、鋭意研究した結果、ドープ層中にＳｉを存在させることによって、Ｍｇの拡散を抑制し得ることを見出だした。すなわち、ある特定の半導体層の抵抗値を所定の程度まで小さくするためには、その層に含有されるＭｇ量は１０18／ｃｍ3 のオーダー以上であることが要求されるが、この場合には、Ｍｇは隣接する層との界面を越えて拡散してしまう。そのため、ドープ層とアンドープ層との間には急峻な界面が得られず、半導体レーザーの信頼性を低下させる原因となっていた。
【００１８】
本発明の半導体レーザーにおいては、Ｓｉをｐドープ層中にＭｇとともに存在させているので、ｐドープ層におけるＭｇの拡散を抑制することができる。特に、Ｍｇ量に相当する量のＳｉをドープ層中に含有させることによって、より効果的にＭｇの拡散を抑制することができる。したがって、 III-V族化合物半導体層中に５×１０18／ｃｍ3 以上のＳｉを含有させた場合には、５×１０18／ｃｍ3 以上のＭｇをこの層に含有させても、隣接する層へのＭｇの拡散は抑制される。すなわち、多量のＭｇをドープすることによって所望の抵抗値を得るとともに、ＳｉによりＭｇの拡散を抑制することによってドープ層とアンドープ層との界面の急峻性を確保できる。このため、かかる半導体を主成分とする半導体レーザーの信頼性の低下を防止することが可能となる。
【００１９】
また、II−VI族化合物半導体層の構成材料の一部として、多量のＭｇを含有させた場合に生じる半導体レーザーの信頼性の低下について、本発明者らは次のように考察した。すなわち、多量のＭｇが含有されたII−VI族化合物半導体層と、この半導体層に隣接し、かつＭｇが含有されないII−VI族化合物半導体層との界面に歪みが生じやすくなる。その結果、転位等の欠陥が発生して、かかる化合物半導体を主成分とする半導体レーザーの信頼性を低下させる。ＭｇとともにＳｉを半導体層内に含有させた場合には、Ｓｉは、隣接する層との界面側に集まってＳｉリッチな領域が形成される。このＳｉリッチな領域によって、前述の界面における欠陥や歪みの発生が抑制されると考えられる。したがって、II−VI族化合物半導体を主成分とする半導体レーザーの信頼性を向上させることが可能となる。
【００２０】
本発明においては、 III-V族化合物半導体またはII−VI族化合物半導体に、ｐ型ドーパントとしてのＭｇまたは構成材料としてのＭｇをドープする場合には、原料ガスとして、Ｓｉを含有する化合物とＭｇを含有する化合物との２種類の原料ガスを使用することができる。Ｓｉを含有する化合物としては、例えば、ＳｉＨ4 、Ｓｉ2 Ｈ6 等のＳｉ水素化物、またはＳｉ（ＣＨ3 ）4 等の有機金属Ｓｉ化合物が挙げられ、Ｍｇを含有する化合物としては、例えば、Ｃｐ2 Ｍｇ、メチルＣｐ2 Ｍｇ、およびエチルＣｐ2 Ｍｇ等が挙げられる。
【００２１】
なお、Ｓｉを含有する原料ガスの流量は、Ｍｇを含む原料ガスの流量に応じて決定することができる。 III-V族化合物半導体層中でのＭｇの拡散を抑制するためには、Ｍｇ量に相当する量のＳｉが存在することが必要とされるので、所望のＭｇ量に応じてＳｉ原料の供給量を選択する。例えば、Ｍｇ原料としてのＣｐ2 Ｍｇの流量を０℃で１０〜１００ｃｃ／分とする場合には、Ｓｉ原料としてのＳｉＨ4 の流量も１０ｐｐｍの濃度にて１０〜１００ｃｃ／分とすることが好ましい。
【００２２】
所定の化合物半導体層にＳｉとＭｇとを含有する本発明の半導体レーザーの製造に当たっては、ＭｇとＳｉとを含有する化合物を原料ガスとして用いてもよく、かかる化合物としては、Ｓｉ原子にメチル基Ｍｅが３つ結合した（Ｍｅ3 Ｓｉ−）を有する有機Ｍｇ化合物が有効である。
【００２３】
以下、有機Ｍｇ化合物について詳細に説明する。この有機Ｍｇ化合物は、ＭｇとＳｉとを含んでいるので、必要とされる原料ガスが１種類ですむのみならず、以下のような利点を有する。本発明者らは、Ｃｐ2 Ｍｇのメモリー効果は、Ｍｇ化合物の本質的な問題ではなく、シクロペンタ環を有するＭｇ化合物に特有な問題であると考えた。したがって、シクロペンタ環を持たないＭｇ化合物を原料ガスとして用いれば、メモリー効果を回避することができる。しかしながら、ＭＯＣＶＤ法の原料ガスとして一般に用いられるような直鎖型のアルキルＭｇ化合物は、前述のように自己会合性が強いために単体では存在していない。
【００２４】
本発明者らは、有機Ｍｇ化合物の中でも嵩高く対称性のよい基が付与されている場合に、単体で存在しかつ、十分に高い蒸気圧をもつ化合物があることを見出だした。［（Ｍｅ3 Ｓｉ）2 Ｎ］2 Ｍｇは、そのような物質のうちの一つであり、融点が１１６℃であるために十分な蒸気圧を確保できる。したがって、この［（Ｍｅ3 Ｓｉ）2 Ｎ］2 Ｍｇは、ｐ型ドーパントおよびＭｇ原料として、特に好ましい物質である。この化合物は、下記化１に示す式（１）で表わされる。
【００２５】
【化１】
【００２６】
この化合物は、Ｎを含むIII-Ｖ族化合物半導体にＭｇドーピングを行う際のドーピング用原料として、著しい効果を発揮する。通常、Ｎを含むIII-Ｖ族化合物半導体にＭｇドーピングを行う場合には、Ｍｇに同伴してＨが取り込まれると考えられている。ドープ層中にＨが混入すると、ｐ型ドーパンドの活性化率を低下させてしまうので、ドープ層へのＨの混入は極力避なければならない。上述の式（１）で表わされる化合物は、それ自体にＭｇ−Ｎ結合を有しているので、Ｈの混入を抑制することができ、有効なＭｇドーピングが可能である。しかも、この化合物中に含まれるトリメチルシリル基は、Ｓｉ原子にメチル基が３個付与した基であるため嵩高く立体的であるとともに対称性がよい。このため、（Ｍｅ3 Ｓｉ−）基は、他の物質に結合することによって安定な物質を形成する。
【００２７】
かかる有機Ｍｇ化合物を原料ガスとして用いて、 III-V族化合物半導体からなるｐ型クラッド層をＭＯＣＶＤ法により形成することによって、このドープ層にはＭｇとともにＳｉが取り込まれる。ＳｉはＭｇの拡散を抑制し、それによって、ドープ層とアンドープ層との間には急峻な界面が形成される。
【００２８】
しかも、この有機Ｍｇ化合物は、十分に高い蒸気圧を有するとともに、メモリー効果がないので、ドープ層とアンドープ層との界面の急峻性をよりいっそう高め、再現性のよいドーピングを行なうことができる。
【００２９】
また、前述の有機Ｍｇ化合物を、II−VI族化合物半導体からなるクラッド層へＭｇを導入する際の原料として用いた場合にも、この化合物中のＳｉはＭｇとともにドープ層中に取り込まれる。Ｓｉは、クラッド層の活性層側に集中して、Ｓｉリッチな領域が形成され、これによって、クラッド層／活性層界面での歪みや欠陥の発生が抑制される。
【００３０】
このII−VI族化合物半導体の場合においても、 III-V族化合物半導体の場合と同様に、Ｍｇの組成制御を再現性よく行なうことができる。
なお、上述のような化合物半導体層へのＳｉの取り込みは、Ｓｉを含有するガスとＭｇを含有するガスとの２種類の原料ガスを用いた場合にも、同様に生じると考えられる。
【００３１】
すなわち、ｐドープされた III-V族化合物半導体層からなるクラッド層中、およびＭｇを含有するII−VI族化合物半導体層からなるクラッド層中にＳｉを含有させることによって、信頼性の高い半導体レーザーが得られる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施例により詳細に説明する。
まず、原料ガスとして［（Ｍｅ3 Ｓｉ）2 Ｎ］2 Ｍｇを用いて、ＭＯＣＶＤ法によりＧａＮ層中にＭｇドーピングを行った後、このＧａＮ層における深さ方向のＭｇ濃度プロファイルをＳＩＭＳ分析法によって測定した。得られた結果を図１に示す。なお、図１には、比較のために、Ｃｐ2 Ｍｇを用いて同様にＧａＮ中にＭｇドーピングを行なった後、同様にＳＩＭＳ分析法により測定したＭｇ濃度プロファイルを示した。
【００３３】
図１に示すように、原料ガスとしてＣｐ2 Ｍｇを用いた場合には、原料を供給し始めても、Ｍｇは所望の層に直ぐには取り込まれない。さらに、原料の供給を止めても、Ｍｇはこの層にだらだらと取り込まれてしまう。
【００３４】
それに対して、［（Ｍｅ3 Ｓｉ）2 Ｎ］2 Ｍｇを用いた場合には、立上がり、立ち下がりに若干のテールが残るものの、ドープ層においては、ほぼ一定のＭｇドーピングが行なわれている。
【００３５】
なお、［（Ｍｅ3 Ｓｉ）2 Ｎ］2 Ｍｇを用いた場合のドープ層中には、Ｓｉは、Ｍｇとほぼ同等の量で含有されており、その濃度プロファイルは、十分急峻であった。
【００３６】
このように、ＳｉをＭｇとともにドープ層中に含有させることによって、ドープ層とアンドープ層との間に急峻な界面が形成されることがわかる。
図２は、本発明の第１の実施例の半導体レーザーの断面図である。サファイア基板１０のｃ面上にＡｌＮ（１０ｎｍ）の第１バッファ層１１、ＧａＮ（１．０μｍ）の第２バッファ層１２、Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮ（１．０μｍ）のクラッド層１３、ＧａＮ（０．０５μｍ）の活性層１４、Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＮ（１．０μｍ）のクラッド層１５、およびＭｇドープｐ型ＧａＮ（０．５μｍ）のコンタクト層１６が順次形成されている。また、第２のバッファ層１２およびｐ型コンタクト層１６の上面には、それぞれＡｕ／ＴｉＡｌ電極１７およびＡｕ／Ｎｉ電極１８が設けられている。
【００３７】
図３は、本発明の実施例方法に使用した成長装置を示す概略構成図である。図中の２１は石英製の反応管であり、この反応管２１内には、ガス導入口２２から原料混合ガスが導入される。そして、反応管２１内のガスは、ガス排気口２３から排気される。反応管２１内には、カーボン製のサセプタ２４が配置されており、このサセプタ２４は、高周波コイル２５により誘電加熱される。なお、試料基板２０は、前述のサセプタ２４上に載置され、この基板２０の温度は熱電対２６によって測定される。熱電対によって測定された基板２０の温度は、別の装置（図示せず）によってコントロールされる。
【００３８】
次に、図３の成長装置を用いて図２の構造の半導体レーザを製造する方法の一例を、簡単に説明する。
まず、基板をサセプタ上に載置して、チャンバー内にＨ2 ガスを導入しつつ、この基板を１１００℃に加熱することによって、その表面を清浄化する。次いで、基板温度を４５０〜９００℃に低下させた後、Ｈ2 ガスを、ＮＨ3 ガス、または（ＣＨ3 ）2 Ｎ2 Ｈ2 等のＮを含む有機化合物に切り替える。このＮを含む有機化合物とともに、成長すべき層に応じた有機金属化合物をチャンバー内に導入して、それぞれの層の成長を行う。
【００３９】
基板上への半導体層の成膜に当たっては、まず、Ａｌ（ＣＨ3 ）3 およびＡｌ（Ｃ2 Ｈ5 ）3 等の有機金属Ａｌ化合物をチャンバー内に導入して、ＡｌＮを含む第１バッファ層１１を基板１０上に形成し、次に、Ｇａ（ＣＨ3 ）3 またはＧａ（Ｃ2 Ｈ5 ）3 等の有機金属Ｇａ化合物をチャンバー内に導入して、ＧａＮを含む第２バッファ層１２を形成する。
【００４０】
ＡｌＧａＮを含む第１のクラッド層１３は、有機金属Ａｌ化合物および有機金属Ｇａ化合物に加えて、ｎ型ドーピング用原料を導入して成長を行う。ｎ型ドーピング用原料としては、ＳｉＨ4 等のＳｉ水素化物、またはＳｉ（ＣＨ3 ）4 等の有機金属Ｓｉ化合物を用いることができる。
【００４１】
活性層１４は、前述の第２のバッファ層の場合と同様に、Ｇａ（ＣＨ3 ）3 またはＧａ（Ｃ2 Ｈ5 ）3 等の有機金属Ｇａ化合物を導入することによって、成長を行なう。なお、ＧａＮ活性層１４のバンドギャップを狭めるために、この層にＩｎを添加してもよい。この場合には、Ｉｎ（ＣＨ3 ）3 或いはＩｎ（Ｃ2 Ｈ5 ）3 等の有機金属Ｉｎ化合物を、例えば、気相中でのＧａ原料に対するＩｎ原料の分子比を、５％〜１００％として導入することによって、活性層中にＩｎを添加することができる。
【００４２】
ＡｌＧａＮを含む第２のクラッド層１５は、有機金属Ａｌ化合物および有機金属Ｇａ化合物に加えて、ｐ型ドーピング用原料を導入して成長を行う。ｐ型ドーピング用原料としては、トリメチルシリル基を有する有機Ｍｇ化合物、例えば［（Ｍｅ3 Ｓｉ）2 Ｎ］2 Ｍｇ、［（Ｍｅ3 Ｓｉ）ＣＨ3 ］2 Ｍｇ、および（Ｍｅ3 Ｓｉ）2 Ｍｇ等を使用することができる。
【００４３】
さらに、コンタクト層１６の形成の際には、有機金属Ｇａ化合物、例えばＧａ（ＣＨ3 ）3 或いはＧａ（Ｃ2 Ｈ5 ）3 を導入して成長を行う。このコンタクト層１６のｐ型ドーピング用原料としては、前述と同様のトリメチルシリル基を有する有機Ｍｇ化合物が用いられる。
【００４４】
以上のように基板上に、第１のバッファ層、第２のバッファ層、第１のクラッド層、活性層、第２のクラッド層、およびコンタクト層を順次形成した後、エッチングにより所定の領域を選択的に除去する。
【００４５】
さらに、第２のバッファ層１２の露出面に蒸着等によって、Ａｕ／ＴｉＡｌ電極１７を形成し、コンタクト層１６の表面に蒸着等によってＡｕ／Ｎｉ電極１８を形成することによって、図２に示すような本発明の半導体レーザー１９が得られる。かかる構成の半導体レーザーの発振波長は、４５０ｎｍである。
【００４６】
前述の第１の実施例の半導体レーザーにおけるｐドープ層に含有されるＭｇおよびＳｉの濃度は、以下のように考察される。例えば、０℃に保持されたＭｇ原料のキャリア流量を５０ｃｃ／ｍｉｎとして、前述の工程にしたがって１．０μｍの膜厚のｐドープ層を形成すると、このｐ型クラッド層中のＭｇ量およびＳｉ量は、それぞれ５×１０19／ｃｍ3および３×１０19／ｃｍ3と考えられる。この場合、ｐ型クラッド層と活性層との界面においては、０．１μｍの膜厚中でＭｇ量が５倍以上変化することになる。
【００４７】
したがって、このドープ層の下層に存在するアンドープ層である活性層の膜厚が５ｎｍ以下の場合であっても、十分な精度をもってドープ量を制御することができる。
さらに、ｐドープ層中のＭｇ濃度、Ｓｉ濃度、およびｐドープ層とアンドープ層との界面におけるＭｇ濃度の変化を計算し、下記表１にまとめた。
【００４８】
【表１】
【００４９】
表１に示すように、ｐドープ層中のＳｉ量が５×１０17／ｃｍ3未満の場合には、アンドープ層との界面において０．１μｍの膜厚中、Ｍｇ量の変化は、わずか１／２にすぎない場合がある。すなわち、ｐ型クラッド層においてＭｇの急峻なドーピングが得られない。
【００５０】
ｐドープ層中のＭｇ量が５×１０18／ｃｍ3 未満の場合には、拡散距離は、０．ｌμｍ以下であるものの、所望の抵抗値を得ることができない。ドープ層の特性を維持するためには、１×１０19／ｃｍ3 以上のＭｇが必要であるが、Ｓｉが含有されない場合には、隣接する層までＭｇが拡散してしまうので、急峻な界面が得られない。
【００５１】
これに対して、ｐドープ層中のＳｉが５×１０18／ｃｍ3以上の場合には、アンドープ層との界面におけるＭｇドープ量の変化は、０．１μｍ当たり５倍にも及んでいる。したがって、極めて急峻な界面が得られたことがわかる。しかも、この場合には、ｐドープ層の抵抗は１Ω・ｃｍ以下であり、半導体レーザ実現のために十分な値である。
【００５２】
このように、本実施例によれば、ＤＨ構造のｐ型ＡｌＧａＮクラッド層中にＳｉを含有させたので、Ｍｇの急峻なドーピングを行なうことができ、優れた性能のＤＨレーザが得られることが予測される。
【００５３】
特に、Ｓｉ原子にメチル基が３個結合した（Ｍｅ3 Ｓｉ−）を有する有機Ｍｇ化合物を、ＡｌＧａＮのｐ型ドーパントとして用いるので、ＤＨ構造のｐ型ＡｌＧａＮクラッド層においてＭｇの急峻なドーピングを行うことができ、これによって優れた性能を有するＤＨレーザを作製することが可能となる。
【００５４】
図４は、本発明の他の実施例に係わる半導体レーザを示す断面図である。図４に示すように、半導体レーザー３７においては、ＧａＡｓ基板３０上にＧａＡｓバッファ層３１が形成され、その上にＺｎＭｇＳＳｅクラッド層３２、ＺｎＳｅ活性層３３、およびＺｎＭｇＳＳｅクラッド層３４が順次形成されている。さらに、クラッド層３４表面および基板３０の裏面には、それぞれＡｕ電極３６およびＡｕＧｅ電極３５が形成されている。
【００５５】
本実施例においても、前述の第１の実施例と同様に各々の層をＭＯＣＶＤ法により成長し、Ｍｇを含むクラッド層３２、３４の少なくとも一方にはＳｉを含有させる。これによって、急峻なヘテロ界面をもつＺｎＭｇＳＳｅ／ＺｎＳｅのヘテロ構造の作製が可能になる。
【００５６】
しかも、かかる半導体レーザーは、クラッド層の活性層側における欠陥や歪みの発生が抑制されるので、信頼性を高めることができる。
前述の第２の実施例の半導体レーザーにおけるクラッド層中のＭｇおよびＳｉの濃度は、以下のように考察される。例えば、Ｍｇ原料の流量を１００ｃｃ／ｍｉｎとして、前述の実施例１と同様の工程にしたがって１．０μｍの膜厚のクラッド層を形成すると、このクラッド層中のＳｉ量は、１×１０19／ｃｍ3 と考えられる。この場合、クラッド層の活性層に接する側には、Ｓｉが集中してＳｉリッチな領域が形成され、これによって、ドープ層とアンドープ層との界面での欠陥の発生は防止される。なお、クラッド層中のＳｉが５×１０18／ｃｍ3 未満の場合には、このクラッド層の表面近傍にはＳｉリッチな領域が形成されないので、欠陥や歪みが発生することが予測される。
【００５７】
さらに、第２の実施例の半導体レーザーにおいては、クラッド層と活性層との界面においては、０．１μｍの膜厚中でＭｇ量が３倍以上変化することになる。したがって、このクラッド層に隣接する活性層の膜厚が５ｎｍ以下の場合であっても、十分な精度をもってドープ量を制御することができる。
【００５８】
このように、本実施例によれば、ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層中に、ＭｇとともにＳｉを含有させたので、Ｍｇの急峻な濃度変化が得られ、優れた性能のＤＨレーザを製造し得ることが予測される。
【００５９】
特に、Ｓｉ原子にメチル基が３個結合した（Ｍｅ3 Ｓｉ−）を有する有機Ｍｇ化合物を、Ｍｇ原料として用いるので、このＭｇを含有するクラッド層と活性層との界面での急峻なドーピングが可能であるとともに、クラッド層の表面における欠陥や歪みを抑制して、優れた性能のＤＨレーザを作製することが可能となる。
【００６０】
なお、本発明は上述した各実施例に限定されるものではない。実施例では、ＭＯＣＶＤ法におけるＭｇ原料ガスとして、トリメチルシリル基を有する有機Ｍｇ化合物を用いたが、これに限らず、Ｓｉ元素にメチル基が３個結合した基（Ｍｅ3 Ｓｉ−）を有する任意の有機Ｍｇ化合物を用いることができる。
【００６１】
また、実施例で述べた化合物半導体層の材料系は何等限定されるものではなく、仕様に応じて適宜変更可能である。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。
【００６２】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、ｐドープされた III-V族化合物半導体層、またはII−VI族化合物半導体を含むクラッド層にＭｇとＳｉとを含有させたことにより、信頼性を向上させた半導体レーザーが得られる。
【００６３】
ＭＯＣＶＤ法のＭｇ原料として、Ｓｉ元素にメチル基が３個結合した基を有する有機Ｍｇ化合物を用いる本発明の方法は、Ｍｇドーピング量の急峻性やＭｇ組成制御性に優れた化合物半導体層の成長を再現性よく行うことを可能にし、半導体レーザのみならず、発光ダイオード等の化合物半導体を用いた素子の特性向上に寄与することが予測される。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＧａＮ中にＭｇをドーピングした際における深さ方向のＭｇ濃度プロファイルを示すグラフ図。
【図２】本発明の一実施例に係る半導体レーザーを示す断面図。
【図３】本発明の一実施例の製造に使用した結晶成長装置を示す概略構成図。
【図４】本発明の他の実施例に係わる半導体レーザーを示す断面図。
【符号の説明】
１０…サファイア基板
１１…ＡｌＮ第１バッファ層
１２…ＧａＮ第２バッファ層
１３…Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
１４…ＧａＮ活性層
１５…Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
１６…Ｍｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層
１７…Ａｕ／ＴｉＡｌ電極
１８…Ａｕ／Ｎｉ電極
１９…半導体レーザ
２０…試料基板
２１…石英製の反応管
２２…ガス導入口
２３…ガス排気口
２４…サセプタ
２５…高周波コイル
２６…熱電対
３０…ＧａＡｓ基板
３１…ＧａＡｓバッファ層
３２…ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層
３３…ＺｎＳｅ活性層
３４…クラッド層
３５…ＡｕＧｅ電極
３６…Ａｕ電極
３７…半導体レーザ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザーおよびその製造方法に係り、特に、マグネシウム（Ｍｇ）をドーピング材料または構成材料として用いた化合物半導体層を有する半導体レーザーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＧａＩｎＡｌＰ等のIII-Ｖ族化合物半導体は、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により制御性よく成長することが可能となっており、半導体レーザーや発光ダイオードの構成材料として広く利用されている。
【０００３】
III-Ｖ族化合物半導体のｐ型ドーパントとして、ＭＯＣＶＤ法においては一般にＺｎが用いられている。Ｚｎは、ＧａＡｓのｐ型ドーパントとして用いた場合には、ほぼ良好なドーピング特性を示す。しかしながら、ＩｎＰ，ＧａＩｎＡｌＰなどのＰを含むIII-Ｖ族化合物半導体のドーパントとしてＺｎを用いた場合には、この化合物半導体中へのＺｎの取り込まれ率が低いので所望の量をドープすることが困難である。しかも、Ｚｎは活性化率が低く、層内での拡散が速いために制御性にも劣る。
【０００４】
Ｚｎに代わるｐ型ドーパントとしては、Ｂｅ，Ｍｇなどが考えられる。Ｂｅは、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法においてはｐ型ドーパントとして良好な特性を示している。しかしながら、有機Ｂｅ化合物は強い毒性を有しているので、ＭＯＣＶＤ法においてドーパントとして使用することは極めて困難である。一方、Ｍｇの直鎖型有機金属化合物であるジメチルマグネシウムおよびジエチルマグネシウム等は、毒性を有していないが、自己会合性が非常に強いので単体で存在しない。このため、このようなＭｇの直鎖型有機金属化合物は、ドーピング用原料として適していない。
【０００５】
そこで最近、蒸気圧の比較的高いビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2 Ｍｇ）が、Ｍｇドーピング用原料として用いられつつある。しかしながら、このＣｐ2 Ｍｇは、結晶成長装置内に残留するというメモリー効果を有しているので、ドーピング制御が非常に困難である。ＤＨ（ダブルヘテロ）レーザ素子においては、０．１μｍの膜厚中で３桁以上の濃度変化が要求されるにもかかわらず、現在のところ、このように急峻な濃度変化は確保できていない。また、蒸気圧を高めるために、シクロペンタ環にメチル基を付与したビスメチルシクロペンタジエニルマグネシウム［（ＣＨ3 ）Ｃｐ2 Ｍｇ］をドーパントとして用いた例もあるが、この場合にも、ドープ層とアンドープ層との界面において、Ｍｇの急峻な濃度変化は得られていない。
【０００６】
しかも、所定の半導体層の抵抗値を小さくするために、ｐ型ドーパントとしてのＭｇは多量にドープしなければならない。例えば、０．５Ω・ｃｍ〜１０Ω・ｃｍ程度の抵抗値を得るためには、５×１０18／ｃｍ3 〜５×１０19／ｃｍ3 程度の濃度でＭｇをドープする必要がある。このように多量にＭｇをドープした場合には、レーザーの性能が低下し、特に活性層の厚さが５ｎｍ以下と小さい半導体レーザーの場合に、動作電流等に大きな影響が及ぼされる。
【０００７】
なお、Ｍｇは III-V族化合物半導体のｐ型ドーパントとしてのみならず、II−VI族化合物半導体などの化合物半導体層の構成材料の１つとして用いられることもある。この場合においても、前述と同様の理由でＭｇ組成を高精度に制御することは困難であった。
【０００８】
ＭｇをII−VI族化合物半導体中に含有させる場合には、Ｍｇの量は１０％以上であることが、動作電流低減、短波長化の点で好ましい。しかしながら、このような量でＭｇを含有させたII−VI族化合物半導体を主成分とする半導体レーザーは、十分な信頼性を得ることが困難である。特に、活性層の厚さが５ｎｍ未満と薄い半導体レーザーの場合には、動作電流増大等の性能の低下は著しい。
【０００９】
このように、Ｍｇの単純なアルキル化合物であるジメチルマグネシウム、ジエチルマグネシウムは蒸気圧が低いので、これらの化合物は、ＭＯＣＶＤ法によって化合物半導体層を成長する際のＭｇ原料として適していない。一方、シクロペンタ環を有するＭｇ化合物は、メモリー効果が高いため、化合物半導体層中のＭｇ組成またはＭｇドーピング量を高精度に制御することは困難であった。
【００１０】
すなわち、Ｍｇドープされた III-V族化合物半導体を主成分とする半導体レーザーは、ｐ型クラッドの抵抗値を低下させるためにＭｇ量を増加させた場合には、発光層の効率等の特性が低下して、最悪の場合には動作が不可能となってしまう。また、Ｍｇを構成材料の一部として含有するII−VI族化合物半導体を主成分とする半導体レーザーにおいても、クラッド層へ導入するＭｇ量を増加させると、同様の問題が生じていた。
いずれの場合も、半導体層におけるＭｇ量を増加させると、半導体レーザーの特性が低下し、十分な信頼性が得られないという問題を有していた。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、ｐ型ドープ層が所望の抵抗値を有するとともに、優れた性能を有する III-V族化合物半導体を主成分とする半導体レーザーを提供することにある。
【００１２】
また、本発明の他の目的は、上下のクラッド層中に十分な量のＭｇを含有し、かつ、高められた信頼性を有するII−VI族化合物半導体を主成分とする半導体レーザーを提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明によると、基板、前記基板上に形成され、 III-V族化合物半導体を主成分とする下部クラッド層、下部クラッド層の直上に形成され、 III-V族化合物半導体を主成分とする活性層、および、活性層上に形成され、 III-V族化合物半導体を主成分とする上部ｐ型クラッド層を有する発振波長４５０ｎｍ以下の半導体レーザーにおいて、前記上部ｐ型クラッド層中に、ＭｇとＳｉとが含有されていることを特徴とする半導体レーザが提供される。
【００１４】
かかる半導体レーザーは、基板上に、 III-V族化合物半導体を主成分とする下部クラッド層を形成する工程、前記下部クラッド層の直上に、 III-V族化合物半導体を主成分とする活性層を形成する工程、および、前記活性層の直上に、 III-V族化合物半導体を主成分とする上部ｐ型クラッド層を形成する工程を具備し、前記上部クラッド層を形成する際のｐ型ドーパントガスとして、Ｓｉ原子にメチル基Ｍｅが３個結合した（Ｍｅ3 Ｓｉ−）を有する有機Ｍｇ化合物を用いることを特徴とする方法によって製造することができる。
【００１５】
また、本発明によると、基板、前記基板上に形成され、Ｍｇを含有するII−VI族化合物半導体を主成分とする下部クラッド層、前記下部クラッド層の直上に形成され、II−VI族化合物半導体を主成分とする活性層、および、前記活性層の直上に形成され、Ｍｇを含有するII−VI族化合物半導体を主成分とする上部ｐ型クラッド層を有し、前記下部クラッド層の活性層に接する側、および上部ｐ型クラッド層の活性層に接する側の少なくとも一方にＳｉが含有されていることを特徴とする半導体レーザーが提供される。
【００１６】
かかる半導体レーザーは、基板上に、Ｍｇを含有するII-VI族化合物半導体を主成分とする下部クラッド層を形成する工程、前記下部クラッド層の直上に、II-IV族化合物半導体を主成分とする活性層を形成する工程、および前記活性層の直上に、Ｍｇを含有するII-IV族化合物半導体を主成分とする上部ｐ型クラッド層を形成する工程を具備し、前記上部および下部クラッド層を形成する際のＭｇ原料ガスとして、Ｓｉ原子にメチル基Ｍｅが３個結合した基（Ｍｅ3Ｓｉ−）を有する有機Ｍｇ化合物を使用することを特徴とする方法により製造することができる。
さらに本発明によると、基板、前記基板上に形成され、 III-V 族化合物半導体を主成分とする下部クラッド層、下部クラッド層の直上に形成され、 III-V 族化合物半導体を主成分とする活性層、および活性層の直上に形成され、 III-V 族化合物半導体を主成分とする上部ｐ型クラッド層を有する半導体レーザーにおいて、前記上部ｐ型クラッド層はＡｌＧａＮからなり、当該上部ｐ型クラッド層中にＭｇとＳｉとが含有されていることを特徴とする半導体レーザーが提供される。
【００１７】
本発明者らは、 III-V族化合物半導体層に多量のＭｇをドープした際に生じる信頼性の低下は、このＭｇが層内を拡散して、ドープ層とアンドープ層との間に急峻な界面が得られないことに起因すると考え、鋭意研究した結果、ドープ層中にＳｉを存在させることによって、Ｍｇの拡散を抑制し得ることを見出だした。すなわち、ある特定の半導体層の抵抗値を所定の程度まで小さくするためには、その層に含有されるＭｇ量は１０18／ｃｍ3 のオーダー以上であることが要求されるが、この場合には、Ｍｇは隣接する層との界面を越えて拡散してしまう。そのため、ドープ層とアンドープ層との間には急峻な界面が得られず、半導体レーザーの信頼性を低下させる原因となっていた。
【００１８】
本発明の半導体レーザーにおいては、Ｓｉをｐドープ層中にＭｇとともに存在させているので、ｐドープ層におけるＭｇの拡散を抑制することができる。特に、Ｍｇ量に相当する量のＳｉをドープ層中に含有させることによって、より効果的にＭｇの拡散を抑制することができる。したがって、 III-V族化合物半導体層中に５×１０18／ｃｍ3 以上のＳｉを含有させた場合には、５×１０18／ｃｍ3 以上のＭｇをこの層に含有させても、隣接する層へのＭｇの拡散は抑制される。すなわち、多量のＭｇをドープすることによって所望の抵抗値を得るとともに、ＳｉによりＭｇの拡散を抑制することによってドープ層とアンドープ層との界面の急峻性を確保できる。このため、かかる半導体を主成分とする半導体レーザーの信頼性の低下を防止することが可能となる。
【００１９】
また、II−VI族化合物半導体層の構成材料の一部として、多量のＭｇを含有させた場合に生じる半導体レーザーの信頼性の低下について、本発明者らは次のように考察した。すなわち、多量のＭｇが含有されたII−VI族化合物半導体層と、この半導体層に隣接し、かつＭｇが含有されないII−VI族化合物半導体層との界面に歪みが生じやすくなる。その結果、転位等の欠陥が発生して、かかる化合物半導体を主成分とする半導体レーザーの信頼性を低下させる。ＭｇとともにＳｉを半導体層内に含有させた場合には、Ｓｉは、隣接する層との界面側に集まってＳｉリッチな領域が形成される。このＳｉリッチな領域によって、前述の界面における欠陥や歪みの発生が抑制されると考えられる。したがって、II−VI族化合物半導体を主成分とする半導体レーザーの信頼性を向上させることが可能となる。
【００２０】
本発明においては、 III-V族化合物半導体またはII−VI族化合物半導体に、ｐ型ドーパントとしてのＭｇまたは構成材料としてのＭｇをドープする場合には、原料ガスとして、Ｓｉを含有する化合物とＭｇを含有する化合物との２種類の原料ガスを使用することができる。Ｓｉを含有する化合物としては、例えば、ＳｉＨ4 、Ｓｉ2 Ｈ6 等のＳｉ水素化物、またはＳｉ（ＣＨ3 ）4 等の有機金属Ｓｉ化合物が挙げられ、Ｍｇを含有する化合物としては、例えば、Ｃｐ2 Ｍｇ、メチルＣｐ2 Ｍｇ、およびエチルＣｐ2 Ｍｇ等が挙げられる。
【００２１】
なお、Ｓｉを含有する原料ガスの流量は、Ｍｇを含む原料ガスの流量に応じて決定することができる。 III-V族化合物半導体層中でのＭｇの拡散を抑制するためには、Ｍｇ量に相当する量のＳｉが存在することが必要とされるので、所望のＭｇ量に応じてＳｉ原料の供給量を選択する。例えば、Ｍｇ原料としてのＣｐ2 Ｍｇの流量を０℃で１０〜１００ｃｃ／分とする場合には、Ｓｉ原料としてのＳｉＨ4 の流量も１０ｐｐｍの濃度にて１０〜１００ｃｃ／分とすることが好ましい。
【００２２】
所定の化合物半導体層にＳｉとＭｇとを含有する本発明の半導体レーザーの製造に当たっては、ＭｇとＳｉとを含有する化合物を原料ガスとして用いてもよく、かかる化合物としては、Ｓｉ原子にメチル基Ｍｅが３つ結合した（Ｍｅ3 Ｓｉ−）を有する有機Ｍｇ化合物が有効である。
【００２３】
以下、有機Ｍｇ化合物について詳細に説明する。この有機Ｍｇ化合物は、ＭｇとＳｉとを含んでいるので、必要とされる原料ガスが１種類ですむのみならず、以下のような利点を有する。本発明者らは、Ｃｐ2 Ｍｇのメモリー効果は、Ｍｇ化合物の本質的な問題ではなく、シクロペンタ環を有するＭｇ化合物に特有な問題であると考えた。したがって、シクロペンタ環を持たないＭｇ化合物を原料ガスとして用いれば、メモリー効果を回避することができる。しかしながら、ＭＯＣＶＤ法の原料ガスとして一般に用いられるような直鎖型のアルキルＭｇ化合物は、前述のように自己会合性が強いために単体では存在していない。
【００２４】
本発明者らは、有機Ｍｇ化合物の中でも嵩高く対称性のよい基が付与されている場合に、単体で存在しかつ、十分に高い蒸気圧をもつ化合物があることを見出だした。［（Ｍｅ3 Ｓｉ）2 Ｎ］2 Ｍｇは、そのような物質のうちの一つであり、融点が１１６℃であるために十分な蒸気圧を確保できる。したがって、この［（Ｍｅ3 Ｓｉ）2 Ｎ］2 Ｍｇは、ｐ型ドーパントおよびＭｇ原料として、特に好ましい物質である。この化合物は、下記化１に示す式（１）で表わされる。
【００２５】
【化１】
この化合物は、Ｎを含むIII-Ｖ族化合物半導体にＭｇドーピングを行う際のドーピング用原料として、著しい効果を発揮する。通常、Ｎを含むIII-Ｖ族化合物半導体にＭｇドーピングを行う場合には、Ｍｇに同伴してＨが取り込まれると考えられている。ドープ層中にＨが混入すると、ｐ型ドーパンドの活性化率を低下させてしまうので、ドープ層へのＨの混入は極力避なければならない。上述の式（１）で表わされる化合物は、それ自体にＭｇ−Ｎ結合を有しているので、Ｈの混入を抑制することができ、有効なＭｇドーピングが可能である。しかも、この化合物中に含まれるトリメチルシリル基は、Ｓｉ原子にメチル基が３個付与した基であるため嵩高く立体的であるとともに対称性がよい。このため、（Ｍｅ3 Ｓｉ−）基は、他の物質に結合することによって安定な物質を形成する。
【００２７】
かかる有機Ｍｇ化合物を原料ガスとして用いて、 III-V族化合物半導体からなるｐ型クラッド層をＭＯＣＶＤ法により形成することによって、このドープ層にはＭｇとともにＳｉが取り込まれる。ＳｉはＭｇの拡散を抑制し、それによって、ドープ層とアンドープ層との間には急峻な界面が形成される。
【００２８】
しかも、この有機Ｍｇ化合物は、十分に高い蒸気圧を有するとともに、メモリー効果がないので、ドープ層とアンドープ層との界面の急峻性をよりいっそう高め、再現性のよいドーピングを行なうことができる。
【００２９】
また、前述の有機Ｍｇ化合物を、II−VI族化合物半導体からなるクラッド層へＭｇを導入する際の原料として用いた場合にも、この化合物中のＳｉはＭｇとともにドープ層中に取り込まれる。Ｓｉは、クラッド層の活性層側に集中して、Ｓｉリッチな領域が形成され、これによって、クラッド層／活性層界面での歪みや欠陥の発生が抑制される。
【００３０】
このII−VI族化合物半導体の場合においても、 III-V族化合物半導体の場合と同様に、Ｍｇの組成制御を再現性よく行なうことができる。
なお、上述のような化合物半導体層へのＳｉの取り込みは、Ｓｉを含有するガスとＭｇを含有するガスとの２種類の原料ガスを用いた場合にも、同様に生じると考えられる。
【００３１】
すなわち、ｐドープされた III-V族化合物半導体層からなるクラッド層中、およびＭｇを含有するII−VI族化合物半導体層からなるクラッド層中にＳｉを含有させることによって、信頼性の高い半導体レーザーが得られる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施例により詳細に説明する。
まず、原料ガスとして［（Ｍｅ3 Ｓｉ）2 Ｎ］2 Ｍｇを用いて、ＭＯＣＶＤ法によりＧａＮ層中にＭｇドーピングを行った後、このＧａＮ層における深さ方向のＭｇ濃度プロファイルをＳＩＭＳ分析法によって測定した。得られた結果を図１に示す。なお、図１には、比較のために、Ｃｐ2 Ｍｇを用いて同様にＧａＮ中にＭｇドーピングを行なった後、同様にＳＩＭＳ分析法により測定したＭｇ濃度プロファイルを示した。
【００３３】
図１に示すように、原料ガスとしてＣｐ2 Ｍｇを用いた場合には、原料を供給し始めても、Ｍｇは所望の層に直ぐには取り込まれない。さらに、原料の供給を止めても、Ｍｇはこの層にだらだらと取り込まれてしまう。
【００３４】
それに対して、［（Ｍｅ3 Ｓｉ）2 Ｎ］2 Ｍｇを用いた場合には、立上がり、立ち下がりに若干のテールが残るものの、ドープ層においては、ほぼ一定のＭｇドーピングが行なわれている。
【００３５】
なお、［（Ｍｅ3 Ｓｉ）2 Ｎ］2 Ｍｇを用いた場合のドープ層中には、Ｓｉは、Ｍｇとほぼ同等の量で含有されており、その濃度プロファイルは、十分急峻であった。
【００３６】
このように、ＳｉをＭｇとともにドープ層中に含有させることによって、ドープ層とアンドープ層との間に急峻な界面が形成されることがわかる。
図２は、本発明の第１の実施例の半導体レーザーの断面図である。サファイア基板１０のｃ面上にＡｌＮ（１０ｎｍ）の第１バッファ層１１、ＧａＮ（１．０μｍ）の第２バッファ層１２、Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮ（１．０μｍ）のクラッド層１３、ＧａＮ（０．０５μｍ）の活性層１４、Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＮ（１．０μｍ）のクラッド層１５、およびＭｇドープｐ型ＧａＮ（０．５μｍ）のコンタクト層１６が順次形成されている。また、第２のバッファ層１２およびｐ型コンタクト層１６の上面には、それぞれＡｕ／ＴｉＡｌ電極１７およびＡｕ／Ｎｉ電極１８が設けられている。
【００３７】
図３は、本発明の実施例方法に使用した成長装置を示す概略構成図である。図中の２１は石英製の反応管であり、この反応管２１内には、ガス導入口２２から原料混合ガスが導入される。そして、反応管２１内のガスは、ガス排気口２３から排気される。反応管２１内には、カーボン製のサセプタ２４が配置されており、このサセプタ２４は、高周波コイル２５により誘電加熱される。なお、試料基板２０は、前述のサセプタ２４上に載置され、この基板２０の温度は熱電対２６によって測定される。熱電対によって測定された基板２０の温度は、別の装置（図示せず）によってコントロールされる。
【００３８】
次に、図３の成長装置を用いて図２の構造の半導体レーザを製造する方法の一例を、簡単に説明する。
まず、基板をサセプタ上に載置して、チャンバー内にＨ2 ガスを導入しつつ、この基板を１１００℃に加熱することによって、その表面を清浄化する。次いで、基板温度を４５０〜９００℃に低下させた後、Ｈ2 ガスを、ＮＨ3 ガス、または（ＣＨ3 ）2 Ｎ2 Ｈ2 等のＮを含む有機化合物に切り替える。このＮを含む有機化合物とともに、成長すべき層に応じた有機金属化合物をチャンバー内に導入して、それぞれの層の成長を行う。
【００３９】
基板上への半導体層の成膜に当たっては、まず、Ａｌ（ＣＨ3 ）3 およびＡｌ（Ｃ2 Ｈ5 ）3 等の有機金属Ａｌ化合物をチャンバー内に導入して、ＡｌＮを含む第１バッファ層１１を基板１０上に形成し、次に、Ｇａ（ＣＨ3 ）3 またはＧａ（Ｃ2 Ｈ5 ）3 等の有機金属Ｇａ化合物をチャンバー内に導入して、ＧａＮを含む第２バッファ層１２を形成する。
【００４０】
ＡｌＧａＮを含む第１のクラッド層１３は、有機金属Ａｌ化合物および有機金属Ｇａ化合物に加えて、ｎ型ドーピング用原料を導入して成長を行う。ｎ型ドーピング用原料としては、ＳｉＨ4 等のＳｉ水素化物、またはＳｉ（ＣＨ3 ）4 等の有機金属Ｓｉ化合物を用いることができる。
【００４１】
活性層１４は、前述の第２のバッファ層の場合と同様に、Ｇａ（ＣＨ3 ）3 またはＧａ（Ｃ2 Ｈ5 ）3 等の有機金属Ｇａ化合物を導入することによって、成長を行なう。なお、ＧａＮ活性層１４のバンドギャップを狭めるために、この層にＩｎを添加してもよい。この場合には、Ｉｎ（ＣＨ3 ）3 或いはＩｎ（Ｃ2 Ｈ5 ）3 等の有機金属Ｉｎ化合物を、例えば、気相中でのＧａ原料に対するＩｎ原料の分子比を、５％〜１００％として導入することによって、活性層中にＩｎを添加することができる。
【００４２】
ＡｌＧａＮを含む第２のクラッド層１５は、有機金属Ａｌ化合物および有機金属Ｇａ化合物に加えて、ｐ型ドーピング用原料を導入して成長を行う。ｐ型ドーピング用原料としては、トリメチルシリル基を有する有機Ｍｇ化合物、例えば［（Ｍｅ3 Ｓｉ）2 Ｎ］2 Ｍｇ、［（Ｍｅ3 Ｓｉ）ＣＨ3 ］2 Ｍｇ、および（Ｍｅ3 Ｓｉ）2 Ｍｇ等を使用することができる。
【００４３】
さらに、コンタクト層１６の形成の際には、有機金属Ｇａ化合物、例えばＧａ（ＣＨ3 ）3 或いはＧａ（Ｃ2 Ｈ5 ）3 を導入して成長を行う。このコンタクト層１６のｐ型ドーピング用原料としては、前述と同様のトリメチルシリル基を有する有機Ｍｇ化合物が用いられる。
【００４４】
以上のように基板上に、第１のバッファ層、第２のバッファ層、第１のクラッド層、活性層、第２のクラッド層、およびコンタクト層を順次形成した後、エッチングにより所定の領域を選択的に除去する。
【００４５】
さらに、第２のバッファ層１２の露出面に蒸着等によって、Ａｕ／ＴｉＡｌ電極１７を形成し、コンタクト層１６の表面に蒸着等によってＡｕ／Ｎｉ電極１８を形成することによって、図２に示すような本発明の半導体レーザー１９が得られる。かかる構成の半導体レーザーの発振波長は、４５０ｎｍである。
【００４６】
前述の第１の実施例の半導体レーザーにおけるｐドープ層に含有されるＭｇおよびＳｉの濃度は、以下のように考察される。例えば、０℃に保持されたＭｇ原料のキャリア流量を５０ｃｃ／ｍｉｎとして、前述の工程にしたがって１．０μｍの膜厚のｐドープ層を形成すると、このｐ型クラッド層中のＭｇ量およびＳｉ量は、それぞれ５×１０19／ｃｍ3および３×１０19／ｃｍ3と考えられる。この場合、ｐ型クラッド層と活性層との界面においては、０．１μｍの膜厚中でＭｇ量が５倍以上変化することになる。
【００４７】
したがって、このドープ層の下層に存在するアンドープ層である活性層の膜厚が５ｎｍ以下の場合であっても、十分な精度をもってドープ量を制御することができる。
さらに、ｐドープ層中のＭｇ濃度、Ｓｉ濃度、およびｐドープ層とアンドープ層との界面におけるＭｇ濃度の変化を計算し、下記表１にまとめた。
【００４８】
【表１】
表１に示すように、ｐドープ層中のＳｉ量が５×１０17／ｃｍ3未満の場合には、アンドープ層との界面において０．１μｍの膜厚中、Ｍｇ量の変化は、わずか１／２にすぎない場合がある。すなわち、ｐ型クラッド層においてＭｇの急峻なドーピングが得られない。
【００５０】
ｐドープ層中のＭｇ量が５×１０18／ｃｍ3 未満の場合には、拡散距離は、０．ｌμｍ以下であるものの、所望の抵抗値を得ることができない。ドープ層の特性を維持するためには、１×１０19／ｃｍ3 以上のＭｇが必要であるが、Ｓｉが含有されない場合には、隣接する層までＭｇが拡散してしまうので、急峻な界面が得られない。
【００５１】
これに対して、ｐドープ層中のＳｉが５×１０18／ｃｍ3以上の場合には、アンドープ層との界面におけるＭｇドープ量の変化は、０．１μｍ当たり５倍にも及んでいる。したがって、極めて急峻な界面が得られたことがわかる。しかも、この場合には、ｐドープ層の抵抗は１Ω・ｃｍ以下であり、半導体レーザ実現のために十分な値である。
【００５２】
このように、本実施例によれば、ＤＨ構造のｐ型ＡｌＧａＮクラッド層中にＳｉを含有させたので、Ｍｇの急峻なドーピングを行なうことができ、優れた性能のＤＨレーザが得られることが予測される。
【００５３】
特に、Ｓｉ原子にメチル基が３個結合した（Ｍｅ3 Ｓｉ−）を有する有機Ｍｇ化合物を、ＡｌＧａＮのｐ型ドーパントとして用いるので、ＤＨ構造のｐ型ＡｌＧａＮクラッド層においてＭｇの急峻なドーピングを行うことができ、これによって優れた性能を有するＤＨレーザを作製することが可能となる。
【００５４】
図４は、本発明の他の実施例に係わる半導体レーザを示す断面図である。図４に示すように、半導体レーザー３７においては、ＧａＡｓ基板３０上にＧａＡｓバッファ層３１が形成され、その上にＺｎＭｇＳＳｅクラッド層３２、ＺｎＳｅ活性層３３、およびＺｎＭｇＳＳｅクラッド層３４が順次形成されている。さらに、クラッド層３４表面および基板３０の裏面には、それぞれＡｕ電極３６およびＡｕＧｅ電極３５が形成されている。
【００５５】
本実施例においても、前述の第１の実施例と同様に各々の層をＭＯＣＶＤ法により成長し、Ｍｇを含むクラッド層３２、３４の少なくとも一方にはＳｉを含有させる。これによって、急峻なヘテロ界面をもつＺｎＭｇＳＳｅ／ＺｎＳｅのヘテロ構造の作製が可能になる。
【００５６】
しかも、かかる半導体レーザーは、クラッド層の活性層側における欠陥や歪みの発生が抑制されるので、信頼性を高めることができる。
前述の第２の実施例の半導体レーザーにおけるクラッド層中のＭｇおよびＳｉの濃度は、以下のように考察される。例えば、Ｍｇ原料の流量を１００ｃｃ／ｍｉｎとして、前述の実施例１と同様の工程にしたがって１．０μｍの膜厚のクラッド層を形成すると、このクラッド層中のＳｉ量は、１×１０19／ｃｍ3 と考えられる。この場合、クラッド層の活性層に接する側には、Ｓｉが集中してＳｉリッチな領域が形成され、これによって、ドープ層とアンドープ層との界面での欠陥の発生は防止される。なお、クラッド層中のＳｉが５×１０18／ｃｍ3 未満の場合には、このクラッド層の表面近傍にはＳｉリッチな領域が形成されないので、欠陥や歪みが発生することが予測される。
【００５７】
さらに、第２の実施例の半導体レーザーにおいては、クラッド層と活性層との界面においては、０．１μｍの膜厚中でＭｇ量が３倍以上変化することになる。したがって、このクラッド層に隣接する活性層の膜厚が５ｎｍ以下の場合であっても、十分な精度をもってドープ量を制御することができる。
【００５８】
このように、本実施例によれば、ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層中に、ＭｇとともにＳｉを含有させたので、Ｍｇの急峻な濃度変化が得られ、優れた性能のＤＨレーザを製造し得ることが予測される。
【００５９】
特に、Ｓｉ原子にメチル基が３個結合した（Ｍｅ3 Ｓｉ−）を有する有機Ｍｇ化合物を、Ｍｇ原料として用いるので、このＭｇを含有するクラッド層と活性層との界面での急峻なドーピングが可能であるとともに、クラッド層の表面における欠陥や歪みを抑制して、優れた性能のＤＨレーザを作製することが可能となる。
【００６０】
なお、本発明は上述した各実施例に限定されるものではない。実施例では、ＭＯＣＶＤ法におけるＭｇ原料ガスとして、トリメチルシリル基を有する有機Ｍｇ化合物を用いたが、これに限らず、Ｓｉ元素にメチル基が３個結合した基（Ｍｅ3 Ｓｉ−）を有する任意の有機Ｍｇ化合物を用いることができる。
【００６１】
また、実施例で述べた化合物半導体層の材料系は何等限定されるものではなく、仕様に応じて適宜変更可能である。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。
【００６２】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、ｐドープされた III-V族化合物半導体層、またはII−VI族化合物半導体を含むクラッド層にＭｇとＳｉとを含有させたことにより、信頼性を向上させた半導体レーザーが得られる。
【００６３】
ＭＯＣＶＤ法のＭｇ原料として、Ｓｉ元素にメチル基が３個結合した基を有する有機Ｍｇ化合物を用いる本発明の方法は、Ｍｇドーピング量の急峻性やＭｇ組成制御性に優れた化合物半導体層の成長を再現性よく行うことを可能にし、半導体レーザのみならず、発光ダイオード等の化合物半導体を用いた素子の特性向上に寄与することが予測される。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＧａＮ中にＭｇをドーピングした際における深さ方向のＭｇ濃度プロファイルを示すグラフ図。
【図２】本発明の一実施例に係る半導体レーザーを示す断面図。
【図３】本発明の一実施例の製造に使用した結晶成長装置を示す概略構成図。
【図４】本発明の他の実施例に係わる半導体レーザーを示す断面図。
【符号の説明】
１０…サファイア基板
１１…ＡｌＮ第１バッファ層
１２…ＧａＮ第２バッファ層
１３…Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
１４…ＧａＮ活性層
１５…Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
１６…Ｍｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層
１７…Ａｕ／ＴｉＡｌ電極
１８…Ａｕ／Ｎｉ電極
１９…半導体レーザ
２０…試料基板
２１…石英製の反応管
２２…ガス導入口
２３…ガス排気口
２４…サセプタ
２５…高周波コイル
２６…熱電対
３０…ＧａＡｓ基板
３１…ＧａＡｓバッファ層
３２…ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層
３３…ＺｎＳｅ活性層
３４…クラッド層
３５…ＡｕＧｅ電極
３６…Ａｕ電極
３７…半導体レーザ。
Claims (6)
- 基板、
前記基板上に形成され、III-V族化合物半導体を主成分とする下部クラッド層、
下部クラッド層の上に形成され、III-V族化合物半導体を主成分とする活性層、および
活性層の上に形成され、III-V族化合物半導体を主成分とする上部ｐ型クラッド層を有する発振波長４５０ｎｍ以下の半導体レーザーにおいて、
前記上部ｐ型クラッド層中に、ＭｇとＳｉとが含有されていることを特徴とする半導体レーザー。 - 基板、
前記基板上に形成され、Ｍｇを含有するII-VI族化合物半導体を主成分とする下部クラッド層、
前記下部クラッド層の上に形成され、II-VI族化合物半導体を主成分とする活性層、および
前記活性層の上に形成され、Ｍｇを含有するII-VI族化合物半導体を主成分とする上部ｐ型クラッド層を有し、
前記下部クラッド層の活性層に接する側、および上部ｐ型クラッド層の活性層に接する側の少なくとも一方にＳｉが含有されていることを特徴とする半導体レーザー。 - 基板上に、III-V族化合物半導体を主成分とする下部クラッド層を形成する工程、
前記下部クラッド層の上に、III-V族化合物半導体を主成分とする活性層を形成する工程、および
前記活性層の上に、III-V族化合物半導体を主成分とする上部ｐ型クラッド層を形成する工程を具備し、
前記上部クラッド層を形成する際、ｐ型ドーパントガスとしてのＭｇを含有する原料ガスとＳｉを含有する原料ガスとを用いることを特徴とする半導体レーザーの製造方法。 - 基板上に、III-V族化合物半導体を主成分とする下部クラッド層を形成する工程、
前記下部クラッド層の上に、III-V族化合物半導体を主成分とする活性層を形成する工程、および
前記活性層の上に、III-V族化合物半導体を主成分とする上部ｐ型クラッド層を形成する工程を具備し、
前記上部クラッド層を形成する際のｐ型ドーパントガスとして、Ｓｉ原子にメチル基Ｍｅが３個結合した（Ｍｅ3Ｓｉ−）を有する有機Ｍｇ化合物を用いることを特徴とする半導体レーザーの製造方法。 - 基板上に、Ｍｇを含有するII-VI族化合物半導体を主成分とする下部クラッド層を形成する工程、
前記下部クラッド層の上に、II-VI族化合物半導体を主成分とする活性層を形成する工程、および
前記活性層の上に、Ｍｇを含有するII-VI族化合物半導体を主成分とする上部ｐ型クラッド層を形成する工程を具備し、
前記上部および下部クラッド層を形成する際のＭｇ原料ガスとして、Ｓｉ原子にメチル基Ｍｅが３個結合した基（Ｍｅ3Ｓｉ−）を有する有機Ｍｇ化合物を使用することを特徴とする半導体レーザーの製造方法。 - 基板、
前記基板上に形成され、III-V族化合物半導体を主成分とする下部クラッド層、
下部クラッド層の上に形成され、III-V族化合物半導体を主成分とする活性層、および
活性層の上に形成され、III-V族化合物半導体を主成分とする上部ｐ型クラッド層を有する半導体レーザーにおいて、
前記上部ｐ型クラッド層はＡｌＧａＮからなり、当該上部ｐ型クラッド層中にＭｇとＳｉとが含有されていることを特徴とする半導体レーザー。
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