專利名稱：半導體發(fā)光器件用外延片和半導體發(fā)光器件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體發(fā)光器件(發(fā)光二極管、半導體激光器)用外延片、特別是適用于使用鎂(Mg)作為P型摻雜劑的磷化鋁鎵銦(AlGaInP)系發(fā)光器件的半導體發(fā)光器件用外延片，及使用其制作的半導體發(fā)光器件。
背景技術：
使用有機金屬氣相成長(MOVPE)法的半導體發(fā)光器件用AlGaInP系晶體生長中，以往一般使用硅(Si)、硒(Se)作為n型摻雜劑，鋅(Zn)、鎂(Mg)作為p型摻雜劑。用于半導體激光器(LD)的外延片，使用Zn作為p型摻雜劑時，p型披覆層的載流子濃度通常被設定為4×1017cm-3左右的相對較低的濃度。
近年來，半導體激光器中，將AlGaInP系可見光半導體激光器用于光源的高密度光盤裝置等正在被積極地開發(fā)。作為這種高密度光盤裝置的讀取、寫入用光源，要求其穩(wěn)定的高輸出和高溫工作，為此需要使p型披覆層中的載流子濃度更加高濃度化。
但是，將Zn高濃度摻雜時，在外延生長過程中Zn會擴散至活性層，帶來器件特性和可靠性劣化的問題。為此只能將Zn以低濃度摻雜。最近，可以使用擴散常數(shù)比Zn小的Mg作為p型摻雜劑，使p型披覆層得以高載流子濃度化。
另外，對于在p型襯底上順次層積p型披覆層、活性層、n型披覆層、n型電流擴散層的n朝上結構的發(fā)光二極管(LED)，為了解決磷化鎵(GaP)襯底的p型摻雜劑Zn擴散至活性層，形成非發(fā)光中心而導致輝度下降的問題，已知有在p型披覆層和襯底之間、或者p型披覆層的一部分形成鋅擴散防止層的方法。(例如參考特開2002-111052號公報)還有，以往的光器件用外延片，為了形成低電阻的電極，在最上層形成高濃度摻雜的低電阻的復蓋層(接觸層)。該復蓋層通常是由砷化鎵(GaAs)形成，并使用能夠高濃度添加的Zn作為摻雜劑。(例如參考特開平9-69667號公報)發(fā)明內(nèi)容但是，已知LED和LD在高輸出工作或高溫工作時，從活性層向p型披覆層的電子溢流引起的泄漏電流增大，所以閾電流和工作電流也增大。為了實現(xiàn)穩(wěn)定的高溫、高輸出工作，最好是使p型披覆層具有極高的載流子濃度。但是，以往使用Zn作為p型摻雜劑的情況下，p型披覆層的高載流子濃度化的同時Zn向活性層中擴散，從而，活性層的光致發(fā)光光譜的半寬度(以下稱為PL半寬度)增大等，損害活性層的晶體品質(zhì)，成為閾電流或工作電流增大和可靠性下降的原因。
作為其對策，本申請人在在先審請中提出了這樣的結構使用MOVPE法作為晶體生長方法，在n型GaAs襯底上至少順次層積n型AlGaInP披覆層、多量子阱(MQW)活性層、p型AlGaInP第1披覆層、p型磷化鎵銦(GaInP)刻蝕停止層、p型AlGaInP第2披覆層、及p型砷化鎵(GaAs)接觸層的LD用外延片中，p型AlGaInP第1披覆層、p型GaInP刻蝕停止層、及p型AlGaInP第2披覆層的p型摻雜劑為Mg，且p型GaAs接觸層的p型摻雜劑為Zn，且p型AlGaInP第1披覆層和p型AlGaInP第2披覆層中至少p型AlGaInP第1披覆層的載流子濃度在8×1017cm-3～1.3×1018cm-3的范圍。
這樣，對p型AlGaInP披覆層的p型摻雜劑使用Mg，對p型GaAs接觸層的p型摻雜劑使用比較容易得到大于等于1×1019cm-3的載流子濃度且可以得到充分小的接觸電阻的Zn是有效的。由此，能夠使p型披覆層的載流子濃度高濃度至1×1018cm-3左右。
但發(fā)現(xiàn)的問題是，如果摻雜至p型披覆層的載流子濃度比1×1018cm-3為高濃度，則Zn和Mg的相互擴散變得顯著，發(fā)生p型接觸層的Zn會向完全沒有摻雜Zn的p型披覆層和活性層擴散的現(xiàn)象。因而，在比1×1018cm-3更高濃度摻雜時，和僅使用Zn作為p型摻雜劑的情況相同，都存在活性層的PL半寬度增大的問題。
也就是說，在以往的技術中，將易于擴散的Zn用作形成于最上層的p型GaAs復蓋層的p型摻雜劑時，添加到該p型GaAs復蓋層的Zn，在其生長過程中通過下層的p型披覆層擴散至活性層，存在使活性層的發(fā)光特性劣化的問題。
如作為上述在先審請例子說明，使用Mg作為p型披覆層的摻雜劑的情況下，尤其是該Zn的擴散顯著，進而還助長原本應該是比較難以擴散的Mg的擴散，因此產(chǎn)生使活性層的發(fā)光特性和器件的壽命劣化的嚴重問題。
所以，本發(fā)明的目的是解決這些問題，提供使GaAs復蓋層的Zn不會擴散到披覆層和活性層的半導體發(fā)光器件用外延片，進而提供可以進行穩(wěn)定的高輸出工作及高溫工作、且可靠性高的半導體發(fā)光器件(LED、LD)。
為了達到上述目的，本發(fā)明是如下構成的。
權利要求1的發(fā)明涉及的半導體發(fā)光器件用外延片，是在n型襯底上至少順次層積n型披覆層、活性層、p型披覆層、及p型復蓋層，且p型披覆層的p型摻雜劑為Mg的半導體發(fā)光器件用外延片，其特征在于所述p型復蓋層由從襯底側順次形成的摻雜Mg的層和摻雜Zn的層的至少兩個層構成。
權利要求2的發(fā)明是，在由GaAs構成的n型襯底上至少順次層積由AlGaInP構成的n型披覆層、活性層、由AlGaInP構成的p型披覆層、及由GaAs構成的p型復蓋層，且p型披覆層的p型摻雜劑為Mg的半導體發(fā)光器件用外延片，其特征在于所述p型復蓋層由摻雜Mg的層和摻雜Zn的層的至少兩個層構成，且從p型披覆層側順次形成有所述摻雜Mg的層和所述摻雜Zn的層。
權利要求3的發(fā)明是，在n型襯底上至少順次層積n型披覆層、活性層、p型第1披覆層、p型刻蝕停止層、p型第2披覆層、及p型復蓋層，且p型第1披覆層、p型刻蝕停止層、p型第2披覆層的p型摻雜劑為Mg的半導體發(fā)光器件用外延片，其特征在于所述p型復蓋層由摻雜Mg的層和摻雜Zn的層的至少兩個層構成，且從p型第2披覆層側順次形成有所述摻雜Mg的層和所述摻雜Zn的層。
權利要求4的發(fā)明是，在由GaAs構成的n型襯底上至少順次層積由AlGaInP構成的n型披覆層、活性層、由AlGaInP構成的p型第1披覆層、p型刻蝕停止層、由AlGaInP構成的p型第2披覆層、及由GaAs構成的p型復蓋層，且p型第1披覆層、p型刻蝕停止層、p型第2披覆層的p型摻雜劑為Mg的半導體發(fā)光器件用外延片，其特征在于所述p型復蓋層由摻雜Mg的層和摻雜Zn的層的至少兩個層構成，且從p型第2披覆層側順次形成有所述摻雜Mg的層和所述摻雜Zn的層。
權利要求5的發(fā)明是，根據(jù)權利要求1或2所述的半導體發(fā)光器件用外延片，其特征在于在上述p型披覆層和上述p型復蓋層之間，設置摻雜了能夠降低兩者間(上述p型披覆層和上述p型復蓋層之間)帶隙不連續(xù)而引起的界面電阻的Mg的p型中間層。
權利要求6的發(fā)明是，在由GaAs構成的襯底上通過外延生長AlGaInP系材料的化合物半導體來制作，且主要使用Mg作為p型摻雜劑的半導體發(fā)光器件用外延片，其特征在于形成于最上層的GaAs系材料的復蓋層是由從襯底側順次形成的摻雜Mg的層和摻雜Zn的層的至少兩個層構成。
權利要求7的發(fā)明涉及的半導體發(fā)光器件的特征在于使用權利要求1～6中的任一項所述的半導體發(fā)光器件用外延片來制造。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明中，使用MOVPE法作為晶體生長方法，進而作為與活性層相鄰的p型第1披覆層、刻蝕停止層及p型第2披覆層的p型摻雜劑，使用擴散常數(shù)小的Mg來代替以往的Zn。還有，本發(fā)明的p型復蓋層的p型摻雜劑，與在先審請一樣，使用了大于等于1×1019cm-3的摻雜比較容易的Zn，但是為了防止Zn向p型披覆層和活性層擴散，使p型復蓋層由摻雜Mg的層和摻雜Zn的層的至少兩個層構成，從p型披覆層側順次形成摻雜Mg的層和摻雜Zn的層。由此，可以制造出使以往在不損害活性層品質(zhì)的條件下難以高濃度化的p型披覆層的載流子濃度，即使在大于等于1×1018cm-3的高濃度區(qū)域，活性層的PL半寬度也幾乎不增加，且能夠得到可以高輸出和高溫工作的LD的外延片。
也就是說，本發(fā)明中把p型復蓋層制成至少被分割為兩層的結構，使靠近襯底和活性層的層為摻雜了Mg的層(Mg摻雜p型復蓋層)、使另一層為摻雜了Zn的層(Zn摻雜p型復蓋層)。如果為這樣的結構，摻雜了Mg的層起到抑制另一摻雜了Zn的層中的Zn擴散的鋅擴散抑制層的作用，所以Zn因摻雜了Mg的層而幾乎不向活性層側擴散。其結果能夠解決使活性層的發(fā)光特性和器件的壽命劣化的以往問題。
這樣將用于抑制Zn向p型披覆層和活性層擴散的p型復蓋層制成至少被分割為兩層的結構，使靠近襯底和活性層一側的層為摻雜Mg的層，使另一層為摻雜Zn的層的想法，在上述特開平9-69667號公報、特開2002-111052號公報中都沒有記載。
根據(jù)本發(fā)明，將由GaAs構成的p型復蓋層制成至少被分割為兩層的結構，且使靠近n型襯底和活性層一側的層為由GaAs構成的Mg摻雜p型復蓋層(摻雜了Mg的層)，使另一層為由GaAs構成的Zn摻雜p型復蓋層(摻雜了Zn的層)，使得Mg摻雜p型復蓋層起到抑制另一Zn摻雜p型復蓋層中的Zn擴散的鋅擴散抑制層的作用，因此，p型復蓋層中的Zn，因Mg摻雜p型復蓋層而幾乎不向活性層側擴散。也就是說，能夠極其有效地抑制p型復蓋層的Zn向披覆層尤其是活性層擴散，因此不會使活性層的發(fā)光特性和器件的壽命劣化。其結果，由于減少了擴散，因此可以充分利用將能夠高濃度摻雜的Mg用于p型披覆層等的優(yōu)點，可以提供適用于制作高輸出和高溫特性優(yōu)異的紅色半導體激光器等光器件的半導體發(fā)光器件用外延片。


圖1是表示本發(fā)明的半導體發(fā)光器件(LD)用外延片的實施例的斷面模式圖。
圖2是表示伴有本發(fā)明的鋅擴散抑制層的半導體發(fā)光器件(LD)用外延片的SIMS(二次離子質(zhì)譜儀)分析結果的圖。
圖3是表示本發(fā)明的半導體發(fā)光器件(LED)用外延片的實施例的斷面模式圖。
圖4是表示以往使用Zn摻雜復蓋層的半導體發(fā)光器件(LD)用外延片的SIMS分析結果的圖。
圖中，1為n型襯底；2為n型緩沖層；3為n型緩沖層；4為n型披覆層；5為未摻雜引導層；6為活性層；7為Mg摻雜p型第1披覆層；8為p型刻蝕停止層；9為Mg摻雜p型第2披覆層；10為Mg摻雜p型中間層；11為p型復蓋層；11a為Mg摻雜p型復蓋層(摻雜了Mg的層)；11b為Zn摻雜p型復蓋層(摻雜了Zn的層)；12為Zn的分布曲線；13為Mg的分布曲線。
具體實施例方式
以下，基于圖示的實施方式說明本發(fā)明。
圖1所示半導體發(fā)光器件(LD)用外延片，是在由GaAs構成的n型襯底1上，順次層積由GaAs構成的n型緩沖層2、由GaInP構成的n型緩沖層3、由AlGaInP構成的n型披覆層4、由AlGaInP構成的未摻雜引導層5、由多量子阱(MQW)構成的活性層6、由AlGaInP構成的p型第1披覆層7、由GaInP構成的p型刻蝕停止層8、由AlGaInP構成的p型第2披覆層9、由GaInP構成的p型中間層10、及由CaAs構成的p型復蓋層11的結構。
最上層的p型復蓋層11，是由摻雜了Mg的層(Mg摻雜p型復蓋層11a)和摻雜了Zn的層(Zn摻雜p型復蓋層11b)的至少兩個層構成，而且，在p型第2披覆層9側形成有所述摻雜了Mg的層(Mg摻雜p型復蓋層11a)，并且在表面?zhèn)刃纬捎兴鰮诫s了Zn的層(Zn摻雜p型復蓋層11b)。摻雜在p型第1披覆層7、p型第2披覆層9、及p型刻蝕停止層8的p型摻雜劑為Mg。
如果為這種結構，Mg摻雜p型復蓋層11a能夠起到抑制另一Zn摻雜p型復蓋層11b中的Zn擴散的鋅擴散抑制層的作用，所以Zn因Mg摻雜p型復蓋層11a而幾乎不向活性層6側擴散。
并且，作為另外一種結構，有圖3所示的半導體發(fā)光器件(LED)用外延片。其是在由GaAs構成的n型襯底21上，順次層積由GaAs構成的n型緩沖層22、由Al0.5Ga0.5As和AlAs的薄膜多層結構構成的n型DBR(布拉格反射)層23、由AlGaInP構成的n型披覆層24、由多量子阱(MQW)構成的活性層25、由AlGaInP構成的p型披覆層26、由GaP構成的p型電流擴散層27及由GaAs構成的p型復蓋層28的結構。
最上層的p型復蓋層28，由摻雜了Mg的層(Mg摻雜p型復蓋層28a)和摻雜了Zn的層(Zn摻雜p型復蓋層28b)的至少兩個層構成，而且，在p型披覆層26側形成所述摻雜了Mg的層(Mg摻雜p型復蓋層28a)，并且在表面?zhèn)刃纬伤鰮诫s了Zn的層(Zn摻雜p型復蓋層28b)。摻雜在p型披覆層26、及p型電流擴散層27的p型摻雜劑為Mg。
如果為這種結構，與圖1的半導體發(fā)光器件(LD)用外延片相同，Mg摻雜p型復蓋層28a起到抑制另一Zn摻雜p型復蓋層28b中的Zn擴散的鋅擴散抑制層的作用，所以Zn因Mg摻雜p型復蓋層28a而幾乎不向活性層25側擴散。
實施例1下面，說明本發(fā)明的實施例。
如圖1所示，在由GaAs構成的n型襯底1上，順次外延生長由GaAs構成的n型緩沖層2、由與它晶格匹配的GaInP構成的n型緩沖層3、由(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P構成的n型披覆層4，在此之上，再順次生長由(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P構成的未摻雜引導層5、由阻擋層和應變GaInP阱層構成的多量子阱(MQW)構成的活性層6、進而由(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P構成的Mg摻雜p型第1披覆層7、由GaInP構成的p型刻蝕停止層8、由(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P構成的Mg摻雜p型第2披覆層9、由GaInP構成的Mg摻雜p型中間層10。
這樣，在最上部順次生長伴有本發(fā)明的鋅擴散抑制層的由GaAs構成的Mg摻雜p型復蓋層(摻雜了Mg的層)11a、和由GaAs構成的Zn摻雜p型復蓋層(摻雜了Zn的層)11b。其中在Mg摻雜p型第2披覆層9側的Mg摻雜p型復蓋層11a的厚度為50nm，載流子濃度為1×1018cm-3，上側的Zn摻雜p型復蓋層11b的厚度為450nm，載流子濃度為5×1018cm-3。
對于具有本實施例(本發(fā)明)的層結構的半導體發(fā)光器件(LD)用外延片，由SIMS分析檢查其Zn和Mg的分布狀況。將其結果示于圖2。圖中，曲線12為Zn的分布曲線，曲線13為Mg的分布曲線。圖2的曲線12表示的鋅濃度，在Mg摻雜p型第1披覆層7和Mg摻雜p型第2披覆層9中成為1×1015cm-3左右的非常小的值。即可以確認本實施例的情況，最上層的Zn摻雜p型復蓋層11b的Zn幾乎沒有擴散到Mg摻雜p型第1披覆層7和Mg摻雜p型第2披覆層9中。
作為比較，在圖4表示對于p型復蓋層11僅由Zn摻雜p型復蓋層11b構成的以往例的情況進行了SIMS分析的結果。Mg摻雜p型第1披覆層7和Mg摻雜p型第2披覆層9中的Zn(曲線12)的值變高，表明Zn已擴散至活性層6。
采用本發(fā)明外延片制作的紅色半導體激光器的器件特性也非常良好。
實施例2
本發(fā)明的鋅擴散抑制層(Mg摻雜p型復蓋層11a)，可以將其鎂的摻雜量在一定程度上自由地設定。所以，作為另一實施例，把作為鋅擴散抑制層的Mg摻雜p型復蓋層(摻雜了Mg的層)11a的載流子濃度定為4×1018cm-3，把Zn摻雜p型復蓋層(摻雜了Zn的層)11b也同樣定為4×1018cm-3來構成的結果，可以發(fā)揮同樣的效果。
實施例3如圖3所示，在由GaAs構成的n型襯底21上，順次外延生長由GaAs構成的n型緩沖層22、由Al0.5Ga0.5As和AlAs的薄膜多層結構構成的n型DBR層23、由(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P構成的n型披覆層24，在此之上，再順次生長由阻擋層和應變GaInP阱層構成的多量子阱(MQW)構成的活性層25、由(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P構成的Mg摻雜p型披覆層26、及由GaP構成的p型電流擴散層27。
這樣，在最上部順次生長伴有本發(fā)明的鋅擴散抑制層的由GaAs構成的Mg摻雜p型復蓋層(摻雜了Mg的層)28a、和由GaAs構成的Zn摻雜p型復蓋層(摻雜了Zn的層)28b。其中在Mg摻雜p型披覆層側的Mg摻雜p型復蓋層28a的厚度為70nm，載流子濃度為1×1018cm-3，上側的Zn摻雜p型復蓋層28b的厚度為450nm，載流子濃度為5×1018cm-3。
其中，上述實施例1和3中，Mg摻雜p型復蓋層的厚度分別為50nm、70nm，但從實用性角度考慮優(yōu)選為30nm～100nm。
這是因為，鋅擴散抑制層的下層中不存在實用性問題的鋅濃度為約小于等于1×1016cm-3，但為了實現(xiàn)該程度的鋅濃度，則需要使鋅擴散抑制層的厚度大于等于30nm。
另外，對于半導體發(fā)光器件，實際應用中所允許的電阻值為約小于等于3Ω，但為了實現(xiàn)該程度的電阻值，則需要使鋅擴散抑制層的厚度小于等于100nm。
權利要求
1.一種半導體發(fā)光器件用外延片，是在n型襯底上至少順次層積n型披覆層、活性層、p型披覆層、及p型復蓋層，且p型披覆層的p型摻雜劑為Mg的半導體發(fā)光器件用外延片，其特征在于，所述p型復蓋層由從襯底側順次形成的摻雜Mg的層和摻雜Zn的層的至少兩個層構成。
2.一種半導體發(fā)光器件用外延片，是在由GaAs構成的n型襯底上至少順次層積由AlGaInP構成的n型披覆層、活性層、由AlGaInP構成的p型披覆層、及由GaAs構成的p型復蓋層，且p型披覆層的p型摻雜劑為Mg的半導體發(fā)光器件用外延片，其特征在于，所述p型復蓋層由摻雜Mg的層和摻雜Zn的層的至少兩個層構成，且從p型披覆層側順次形成有所述摻雜Mg的層和所述摻雜Zn的層。
3.一種半導體發(fā)光器件用外延片，是在n型襯底上至少順次層積n型披覆層、活性層、p型第1披覆層、p型刻蝕停止層、p型第2披覆層、及p型復蓋層，且p型第1披覆層、p型刻蝕停止層、p型第2披覆層的p型摻雜劑為Mg的半導體發(fā)光器件用外延片，其特征在于，所述p型復蓋層由摻雜Mg的層和摻雜Zn的層的至少兩個層構成，且從p型第2披覆層側順次形成有所述摻雜Mg的層和所述摻雜Zn的層。
4.一種半導體發(fā)光器件用外延片，是在由GaAs構成的n型襯底上至少順次層積由AlGaInP構成的n型披覆層、活性層、由AlGaInP構成的p型第1披覆層、p型刻蝕停止層、由AlGaInP構成的p型第2披覆層、及由GaAs構成的p型復蓋層，且p型第1披覆層、p型刻蝕停止層、p型第2披覆層的p型摻雜劑為Mg的半導體發(fā)光器件用外延片，其特征在于，所述p型復蓋層由摻雜Mg的層和摻雜Zn的層的至少兩個層構成，且從p型第2披覆層側順次形成有所述摻雜Mg的層和所述摻雜Zn的層。
5.根據(jù)權利要求1或2所述的半導體發(fā)光器件用外延片，其特征在于，在上述p型披覆層和上述p型復蓋層之間，設置摻雜了能夠降低兩者間帶隙不連續(xù)而引起的界面電阻的Mg的p型中間層。
6.一種半導體發(fā)光器件用外延片，是在由GaAs構成的襯底上通過外延生長AlGaInP系材料的化合物半導體來制作，且主要使用Mg作為p型摻雜劑的半導體發(fā)光器件用外延片，其特征在于，形成于最上層的GaAs系材料的復蓋層是由從襯底側順次形成的摻雜Mg的層和摻雜Zn的層的至少兩個層構成。
7.一種半導體發(fā)光器件，其特征在于，使用權利要求1～6中的任一項所述的半導體發(fā)光器件用外延片來制造。
全文摘要
本發(fā)明提供使得由GaAs構成的p型復蓋層的Zn不向披覆層和活性層擴散的發(fā)光器件用外延片，進而提供可以得到能夠進行穩(wěn)定的高輸出工作和高溫工作、且可靠性高的LED和LD的發(fā)光器件。本發(fā)明的半導體發(fā)光器件用外延片，是在n型襯底(1)上至少順次層積n型披覆層(4)、活性層(6)、p型披覆層(7)、(9)、及p型復蓋層(11)，且p型披覆層(7)、(9)的p型摻雜劑是Mg的半導體發(fā)光器件用外延片，所述p型復蓋層(11)由從襯底側順次形成的摻雜Mg的層(11a)和摻雜Zn的(11b)的至少兩個層構成。
文檔編號H01L33/00GK1705143SQ20051007202
公開日2005年12月7日 申請日期2005年5月26日 優(yōu)先權日2004年6月3日
發(fā)明者鈴木良治, 大石昭夫 申請人:日立電線株式會社