JP4419520B2

JP4419520B2 - 半導体レーザダイオード及びその製造方法

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Publication number: JP4419520B2
Application number: JP2003371857A
Authority: JP
Inventors: 直樹金田; 雅一大村; 和幸飯塚
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2003-10-31
Filing date: 2003-10-31
Publication date: 2010-02-24
Anticipated expiration: 2023-10-31
Also published as: JP2005136273A

Description

本発明は、Ｍｇ及びＺｎをｐ型層の導電性制御に用いたＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザダイオード及びその製造方法に関するものである。

ＡｌＧａＩｎＰ系の半導体レーザダイオード（ＬＤ）はデジタルバーサタイルディスク（ＤＶＤ）の読み取り用光源、書き込み用光源として広く用いられている。最近の電子機器は高密度実装を行うため、特に高温での動作電流の低減が重要である。このためＬＤのｐ型クラッド層のドーピング量を増やしキャリア濃度を大きくして、ヘテロ界面での漏れ電流を低減したり、直列抵抗成分を低減するなどの施策が行われている。

ＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体のｐ型ドーパントとしてはベリリウム（Ｂｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）等が挙げられる。このうち分子線エピタキシー（ＭＢＥ）で用いられているＢｅ原料は、高濃度で低拡散のドーピングが可能であるが、極めて毒性が強いという欠点を有する。またＺｎは、ＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体内のｐ型ドーパントとして広く用いられているものの、拡散定数が比較的大きく熱工程等による悪影響が生ずることが知られている。

図８に、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体材料を用いた従来の半導体レーザダイオード（ＬＤ）の一例として、特開平９−２１９５６７号公報（特許文献１）に開示されたものを示す。図において、２０１はｎ型ＧａＡｓ基板、２０２は基板２０１上に形成されたｎ型ＡｌＧａＩｎＰからなるクラッド層である。２０３はｎ型ＡｌＧａＩｎＰからなるクラッド層である。２０５はＡｌＧａＩｎＰからなる活性層であり、その上下にノンドープＡｌＧａＩｎＰ層を有する。２０７はｐ型ＡｌＧａＩｎＰからなるクラッド層である。すなわち、ＡｌＧａＩｎＰ活性層２０４〜２０６をｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２０３とｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２０７で挟んだダブルヘテロ構造を有している。

２０８はｐ型ＧａＩｎＰコンタクト層、２０９はｐ型ＧａＡｓキャップ層で、ストライプ構造となっており、そのストライプ構造の両側には電流狭窄を行う目的でＧａＡｓからなる電流ブロック層２１０が設けられている。

上記ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザダイオードの特徴は、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２０７のうちのノンドープＡｌＧａＩｎＰ層２０６と接する第１の部分２０７ａには、ｐ型不純物として、従来より用いられているＺｎの代わりに、このＺｎに比べて化合物半導体の固体中で拡散しにくいＭｇがドープされ、残りの第２の部分２０７ｂにはＺｎがドープされている点にある。

このように構成された半導体レーザにおいては、ｐ型クラッド層の活性層側の第１の部分にＺｎがドープされていないか、または、Ｚｎがドープされる場合であっても非常に低濃度で済むことにより、ｐ型クラッド層中のＺｎが活性層中に入り込むのを有効に防止することができる。また、ｐ型クラッド層中のＺｎが活性層中に入り込むのを防止するためにｐ型クラッド層の第２の部分を活性層から過度に離す必要がないので、ｐ型クラッド層の直列抵抗を十分に低くすることができる。

また一般に、コンタクト層をｐ型ＧａＡｓで構成することも多い（例えば特許文献２参照）。
特開平９−２１９５６７号公報（図１）特許第３０５３８３６号公報（第３図）

しかしながら、我々の調査によれば、ＡｌＧａＩｎＰ系の半導体レーザダイオードのクラッド層及びコンタクト層のｐ型ドーパントとしてＭｇを用いた場合に、次のような問題が生じることがわかった。

第１に、最表面のＧａＡｓコンタクト層をＭｇドープによって作製する場合に、十分に抵抗の小さいＭｇ−ＧａＡｓ層を得ることが困難である。コンタクト層としての低抵抗化に必要な２×１０¹⁸cm^-3から５×１０¹⁹cm^-3程度のキャリア濃度を得ようとしても、ＧａＡｓ層の膜厚方向に均一にＭｇが入らず、ＧａＡｓ層の成長初期に特にＭｇが入りにくいためである。

図３はＧａＡｓ基板上にキャリア濃度１×１０¹⁹cm^-3のＭｇ−ＧａＡｓ層を育成し、これを２次イオン分析（ＳＩＭＳ）により、膜厚方向のＭｇ濃度分布を調べたものである。これから明らかなように成長初期にＭｇが十分に入っておらず、低抵抗のＭｇ−ＧａＡｓ層を得ることが困難であることがわかる。抵抗が高い場合にはレーザ素子を駆動しているときに発熱が大きくなり、その結果、動作電流の上昇や信頼性の低下をもたらす。

第２の問題としては、図４に示すように気相中のＭｇ（またはＺｎ）濃度とキャリア濃度の関係を調べると、同一のＺｎ気相濃度ではＧａＡｓとＡｌＧａＩｎＰではＧａＡｓの方が遥かにＺｎが入り易いが、同一のＭｇ気相濃度ではＧａＡｓとＡｌＧａＩｎＰではＭｇの入り易さは同程度である。コンタクト層は良好な電気的接触を得るために１×１０¹⁹cm^-3前後のキャリア濃度が必要である。これに必要なＭｇ原料を供給しながらＭｇ−ＧａＡｓ層を成長した場合には、レーザダイオードの結晶成長終了後に過剰なＭｇが成長炉内に残留してしまう。これにより次成長の初期に意図せずにＭｇが結晶中に取り込まれてしまう。特にＭｇは基板とエピタキシャル層との界面付近や、エピタキシャル層同士の界面付近に偏析しやすく、これは素子抵抗を上昇させる原因となってしまい好ましくない。

本発明は、上記欠点を解消するためになされたものであり、不純物拡散による活性層の劣化を防ぎ、なおかつｐ型クラッド層キャリア濃度を十分に高くすることを実現することにより、高品質なＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザダイオードを得ることを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。

請求項１の発明に係る半導体レーザダイオードは、ｎ型のＧａＡｓ基板と、該基板上に形成したＡｌＧａＩｎＰからなるｎ型クラッド層と、該ｎ型クラッド層上に形成した活性層と、該活性層上に形成したＡｌＧａＩｎＰからなるｐ型クラッド層と、該ｐ型クラッド層上に形成したｐ型コンタクト層を備えたＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザダイオードにおいて、上記ｐ型コンタクト層がＺｎ（亜鉛）ドープＧａＡｓ層からなり、上記ｐ型クラッド層が、Ｍｇ（マグネシウム）がドープされた第一部分及び第三部分と、その間にＭｇがドープされていないか又はＭｇ濃度が前記第一部分及び第三部分よりも低い領域である第二部分とを有することを特徴とする。ここで、Ｍｇがドープされていないか又はＭｇ濃度が前記第一部分及び第三部分よりも低い領域である第二部分とは、Ｍｇの供給を停止した状態で成長した領域部分を意味する。

請求項２の発明は、請求項１記載の半導体レーザダイオードにおいて、上記ｐ型クラッド層及びｐ型コンタクト層がリッジ構造を有しており、該リッジ構造の左右に電流ブロック層を具備していることを特徴とする。

請求項３の発明に係る半導体レーザダイオードの製造方法は、ＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長）法により、ｎ型ＧａＡｓ基板上に、ＡｌＧａＩｎＰからなるｎ型クラッド層、活性層、ＭｇドープのＡｌＧａＩｎＰからなるｐ型クラッド層、ＺｎドープＧａＡｓからなるｐ型コンタクト層を順次成長させるＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザダイオードの製造方法において、上記ｐ型クラッド層の成長時に、Ｍｇ原料を一時的に供給停止したまま成長する工程を含むことを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項３記載の半導体レーザダイオードの製造方法において、活性層の成長後、ｐ型クラッド層成長開始後のしばらくの間は十分なＭｇ原料を供給しながらｐ型クラッド層を成長させ、途中で一時的にＭｇ原料の供給を停止したままｐ型クラッド層の成長を続行し、再びＭｇ原料を供給しながらｐ型クラッド層を成長し、最後にＺｎ−ＧａＡｓコンタクト層を成長することを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項３又は４記載の半導体レーザダイオードの製造方法において、Ｍｇ原料としてシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）を用いることを特徴とする。

＜発明の要点＞
コンタクト層のｐ型ドーパントとしてＭｇを用いるのは、前述の問題があるため好ましくないため、Ｍｇよりも拡散定数が大きいが高キャリア濃度を得やすいＺｎ−ＧａＡｓをコンタクト層とすればよいと考えられる。また一般にＺｎ−ＧａＡｓは従来より広く用いられてきている。

ところが、この場合においては、ｐ型クラッド層成長時にはＺｎを供給せず、Ｍｇを供給しながら成長したにもかかわらず、コンタクト層のＺｎがｐ型クラッド層側に拡散し、更には活性層内部まで拡散し、素子特性を著しく劣化させてしまうという問題があった。

我々は、コンタクト層からｐ型クラッド層へのＺｎの拡散量は、ｐ型クラッド層のＭｇ濃度に大きく依存することを見出した。つまりＺｎは、Ｍｇの存在によって拡散が助長されることが分かった。

図５、図６、図７はｐ型クラッド層（図中ではｐクラッド層と略称している）のＭｇ濃度を３段階変化させたときの、コンタクト層からのＺｎ拡散の状況を示している。Ｍｇをドーピングしない図５の場合には、コンタクト層からｐ型クラッド層へのＺｎ拡散量はほとんどなく、２次イオン分析の検出下限以下であるが、ｐ型クラッド層のＭｇ濃度を増やすのに従って（図６、図７）、コンタクト層からのＺｎ拡散の程度が著しくなることが明らかとなった。

活性層近傍におけるｐ型クラッド層のキャリア濃度を下げると障壁が小さくなるためバンド端でのリーク電流が増大し、レーザダイオードの高温動作特性が大幅に低下する。このため、本発明では、活性層成長後、ｐ型クラッド層成長開始後のしばらくの間は十分なＭｇ原料を供給しながらｐ型クラッド層を成長させ、途中で一時的にＭｇ原料の供給を停止したままｐ型クラッド層の成長を続行し、再びＭｇ原料を供給しながらｐ型クラッド層を成長し、最後にＺｎ−ＧａＡｓコンタクト層を成長した。この場合、コンタクト層からｐ型クラッド層へのＺｎ拡散量を抑えつつ、活性層近傍でのＭｇ濃度を下げることなく、活性層内部へのＺｎ拡散量を低減させることができた。このときの２次イオン分析の結果を図２に示す。

本発明によれば、次のような優れた効果が得られる。

まず、ｐ型クラッド層がＭｇドープであることにより、拡散定数の大きいＺｎをｐ型クラッド層にドーピングする場合と比較して、熱履歴による活性層の劣化を少なくすることができる。

活性層成長後、ｐ型クラッド層成長開始後のしばらくの間は十分なＭｇ原料を供給しながらｐ型クラッド層を成長させ、途中で一時的にＭｇ原料の供給を停止したままｐ型クラッド層の成長を続行し、再びＭｇ原料を供給しながらｐ型クラッド層を成長し、最後にＺｎ−ＧａＡｓコンタクト層を成長することにより、ｐ型クラッド層内部でＭｇ濃度が低い領域においてコンタクト層からｐ型クラッド層へのＺｎ拡散量を抑えつつ、活性層近傍でのＭｇ濃度を下げることなく、活性層内部へのＺｎ拡散量を低減させることができた（図２）。これにより高温特性が優れ、信頼性の高い、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザダイオードを得ることができる。

従って、本発明によれば結晶中の不純物拡散が少ないことにより、閾電流が小さく出力が大きいＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザダイオード用エピタキシャルウェハを容易に製造することができる。

以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

図１に示すごとく、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、これと格子整合したｎ型ＧａＡｓバッファ層２、ｎ型（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐクラッド層３を順次エピタキシャル成長し、その上にＡｌＧａＩｎＰ系の歪量子井戸から成る活性層４、さらにＭｇドープのｐ型（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐクラッド層（ｐ型クラッド層）５、Ｚｎドープのｐ型ＧａＡｓコンタクト層６を成長し、ダブルヘテロ構造を作製した。

上記ｐ型クラッド層５は、Ｍｇ（マグネシウム）がドープされた第一部分５ａと、Ｍｇがドープされていない第二部分５ｂ（Ｍｇの供給を停止した状態で成長した部分）と、Ｍｇがドープされた第三部分５ｃとから成る。

このように構成することにより、ｐ型クラッド層５内部で、Ｍｇ濃度が低い領域である第二部分５ｂにおいて、コンタクト層６からｐ型クラッド層５へのＺｎ拡散量を抑えつつ、活性層４近傍でのＭｇ濃度を下げることなく、活性層４内部へのＺｎ拡散量を低減させることができる（図２）。これにより高温特性が優れ、信頼性の高い、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザダイオードを得ることができる。

ＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長）法により、図１の如く、ｎ型基板１上に、ＭｇドープＡｌＧａＩｎＰ層からなるｐ型クラッド層５と、ＺｎドープＧａＡｓ層からなるコンタクト層６を有する、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザダイオード用エピタキシャルウェハを作製した。基板としてはｎ型ＧａＡｓ単結晶基板を使用し、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ原料としてはトリエチルガリウム又はトリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、トリメチルインジウムを使用した。Ｐ原料としてはフォスフィン（ＰＨ₃）を使用した。Ａｓ原料としてはアルシン（ＡｓＨ₃）を使用した。発光層の組成は発光波長に応じて適当な組成にしても良く、量子井戸構造としてもよい。

まず、成長炉内にＧａＡｓ基板１を配置し、基板温度７００℃においてｎ型の導電性を有し、厚さ０．５μｍのＳｉドープＧａＡｓバッファ層２を形成した。次に、同じ基板温度で、Ｓｉドープ（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなるｎ型クラッド層３、ＡｌＧａＩｎＰ系の歪み量子井戸からなる活性層４を形成した。活性層４の成長後、Ｍｇドープ（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなるｐ型クラッド層５を形成した。その際、ｐ型クラッド層成長開始後のしばらくの間は十分なＭｇ原料を供給しながらｐ型クラッド層（第一部分５ａ）を成長させ、途中で一時的にＭｇ原料の供給を停止したままｐ型クラッド層の成長（第二部分５ｂ）を続行し、再びＭｇ原料を供給しながらｐ型クラッド層（第三部分５ｃ）を成長した。次に、基板温度を６５０℃まで下げたのちに、コンタクト層６のＺｎ−ＧａＡｓ層を成長した。ｐ型クラッド層５のキャリア濃度は（１．０〜１．５）×１０¹⁸cm^-3とした。Ｚｎ−ＧａＡｓコンタクト層６のキャリア濃度は（０．５〜２．５）×１０¹⁹cm^-3とした。

ｐ型クラッド層成長時に絶え間無くIII族原料並びにＶ族原料及びＭｇ原料を供給する場合（比較例）と、ｐ型クラッド層成長時に途中で一時的にＭｇ原料の供給を停止したままｐ型クラッド層の成長を続行し再びＭｇ原料を供給しながらＰクラッド層を成長した場合（本実施例）とを比較した。なおＭｇ原料としてシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）を用いた。

完成したエピタキシャルウェハについて２次イオン分析（ＳＩＭＳ）を行った結果は図６〜図７、図２に示したとおりである。ｐ型クラッド層成長時に絶え間無くIII族原料並びにＶ族原料及びＭｇ原料を供給する場合（比較例）には、図６〜図７から分かるように、ｐ型クラッド層のＭｇ濃度を増やすのに従ってコンタクト層からのＺｎ拡散の程度が著しくなる。一方、ｐ型クラッド層成長時に途中で一時的にＭｇ原料の供給を停止したままｐ型クラッド層の成長を続行し再びＭｇ原料を供給しながらｐ型クラッド層を成長した場合（本実施例）には、図２に示すように、活性層近傍でのＭｇ濃度を下げることなく、活性層内部へのＺｎ拡散量を低減させることができた。

これらのエピタキシャルウェハのコンタクト層を硫酸系エッチング液で除去し、更に塩酸系エッチング液でｐ型クラッド層を半分程度除去したのちに、波長４８８nmのＡｒレーザを用いて活性層のフォトルミネッセンススペクトルを測定したところ、ｐ型クラッド層成長時に絶え間無くIII族原料並びにＶ族原料及びＭｇ原料を供給する場合（比較例）には半値幅が１２〜２５nmであり、ｐ型クラッド層成長時に途中で一時的にＭｇ原料の供給を停止したままｐ型クラッド層の成長を続行し再びＭｇ原料を供給しながらｐ型クラッド層を成長した場合（本実施例）には１１nmとなり、２次イオン分析でのＺｎ拡散状況と矛盾しない結果が得られた。すなわち、ｐ型クラッド層成長時に途中で一時的にＭｇ原料の供給を停止したままｐ型クラッド層の成長を続行し再びＭｇ原料を供給しながらｐ型クラッド層を成長した場合（本実施例）には良質な活性層が得られた。

また、このようにして得られたＬＤエピタキシャルウェハからＬＤチップを作製した。この場合、図８の場合と同様に、第２クラッド層５及びｐ型コンタクト層６をリッジ構造とし、該リッジ構造の左右に電流ブロック層を設け、上下にｐ側電極１１、ｎ側電極１２を設けた。このＬＤにおいて、ｐ型クラッド層成長時に絶え間無くIII族原料並びにＶ族原料及びＭｇ原料を供給する場合（比較例）では、閾電流が１４０〜２２０（ｍＡ）であったのに対し、ｐ型クラッド層成長時に途中で一時的にＭｇ原料の供給を停止したままｐ型クラッド層の成長を続行し再びＭｇ原料を供給しながらｐ型クラッド層を成長した場合（本実施例）では１００（ｍＡ）となり、２次イオン分析や、フォトルミネッセンス測定から得られた活性層品質評価結果との関係が明確に現れた。

本発明の一実施形態に係る半導体レーザダイオード用エピタキシャルウェハの構造を示した図である。本発明に従い、ｐ型クラッド層成長時に途中で一時的にＭｇ原料の供給を停止したまま、ｐ型クラッド層の成長を続行し再びＭｇ原料を供給しながら、ｐ型クラッド層を成長して製作したエピタキシャルウェハの２次イオン分析結果を示す図である。厚さ１ミクロンのＭｇドープＧａＡｓプロファイル（２次イオン分析による）を示す図である。Ｍｇ、Ｚｎの取り込み効率を比較して示した図である。従来の、ｐ型クラッド層成長時にＭｇ原料を供給せずに、製作した半導体レーザダイオード用エピタキシャルウェハの２次イオン分析結果を示す図である。ｐ型クラッド層成長時にＭｇ濃度が１×１０¹⁸cm^-3となるように、Ｍｇ原料を供給しながら製作したエピタキシャルウェハの２次イオン分析結果を示す図である。ｐ型クラッド層成長時にＭｇ濃度が１．５×１０¹⁸cm^-3となるように、Ｍｇ原料を供給しながら製作したエピタキシャルウェハの２次イオン分析結果を示す図である。従来の半導体レーザダイオード用エピタキシャルウェハの構造を示した図である。

符号の説明

１基板
２バッファ層
３ｎ型クラッド層
４活性層
５ｐ型クラッド層
５ａ第一部分
５ｂ第二部分
５ｃ第三部分
６ｐ型コンタクト層

Claims

ｎ型のＧａＡｓ基板と、該基板上に形成したＡｌＧａＩｎＰからなるｎ型クラッド層と、該ｎ型クラッド層上に形成した活性層と、該活性層上に形成したＡｌＧａＩｎＰからなるｐ型クラッド層と、該ｐ型クラッド層上に形成したｐ型コンタクト層を備えたＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザダイオードにおいて、
上記ｐ型コンタクト層がＺｎドープＧａＡｓ層からなり、
上記ｐ型クラッド層が、Ｍｇがドープされた第一部分及び第三部分と、その間にＭｇがドープされていないか又はＭｇ濃度が前記第一部分及び第三部分よりも低い領域である第二部分とを有することを特徴とする半導体レーザダイオード。
請求項１記載の半導体レーザダイオードにおいて、
上記ｐ型クラッド層及びｐ型コンタクト層がリッジ構造を有しており、該リッジ構造の左右に電流ブロック層を具備していることを特徴とする半導体レーザダイオード。
ＭＯＶＰＥ法により、ｎ型ＧａＡｓ基板上に、ＡｌＧａＩｎＰからなるｎ型クラッド層、活性層、ＭｇドープのＡｌＧａＩｎＰからなるｐ型クラッド層、ＺｎドープＧａＡｓからなるｐ型コンタクト層を順次成長させるＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザダイオードの製造方法において、
上記ｐ型クラッド層の成長時に、Ｍｇ原料を一時的に供給停止したまま成長する工程を含むことを特徴とする半導体レーザダイオードの製造方法。
請求項３記載の半導体レーザダイオードの製造方法において、
活性層の成長後、ｐ型クラッド層成長開始後のしばらくの間はＭｇ原料を供給しながらｐ型クラッド層を成長させ、途中で一時的にＭｇ原料の供給を停止したままｐ型クラッド層の成長を続行し、再びＭｇ原料を供給しながらｐ型クラッド層を成長し、最後にＺｎ−ＧａＡｓコンタクト層を成長することを特徴とする半導体レーザダイオードの製造方法。
請求項３又は４記載の半導体レーザダイオードの製造方法において、
Ｍｇ原料としてシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）を用いることを特徴とする半導体レーザダイオードの製造方法。