JP2001024282A - Ｉｉｉ−ｖ族混晶半導体を用いた半導体装置の製造方法及び光通信システム - Google Patents
Ｉｉｉ−ｖ族混晶半導体を用いた半導体装置の製造方法及び光通信システムInfo
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- JP2001024282A JP2001024282A JP19617899A JP19617899A JP2001024282A JP 2001024282 A JP2001024282 A JP 2001024282A JP 19617899 A JP19617899 A JP 19617899A JP 19617899 A JP19617899 A JP 19617899A JP 2001024282 A JP2001024282 A JP 2001024282A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】良好な結晶性を有するＧａＩｎＮＡｓ等のＮを
含むIII−Ｖ族混晶半導体を用いた半導体装置の製造方
法を提供すること。 【解決手段】ｎ−ＧａＡｓ基板１上に、水素の存在しな
い環境下で、水素を含まない原料として金属ガリウム、
金属インジウム及び金属ヒ素を用い、かつ、ラジオフレ
ケンシー法で励起した窒素を原料として、ｎ−ＧａＡｓ
バッハァ層２、ｎ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓクラッド層３、
ＧａＩｎＮＡｓからなる歪単一量子井戸活性層４を形成
する。
含むIII−Ｖ族混晶半導体を用いた半導体装置の製造方
法を提供すること。 【解決手段】ｎ−ＧａＡｓ基板１上に、水素の存在しな
い環境下で、水素を含まない原料として金属ガリウム、
金属インジウム及び金属ヒ素を用い、かつ、ラジオフレ
ケンシー法で励起した窒素を原料として、ｎ−ＧａＡｓ
バッハァ層２、ｎ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓクラッド層３、
ＧａＩｎＮＡｓからなる歪単一量子井戸活性層４を形成
する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ＧａＩｎＮＡｓ混
晶半導体等のIII−Ｖ族混晶半導体を用いた半導体装置
の製造方法及びそのような半導体装置を用いた光通信シ
ステムに関する。
晶半導体等のIII−Ｖ族混晶半導体を用いた半導体装置
の製造方法及びそのような半導体装置を用いた光通信シ
ステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来実用化されている光通信システム用
半導体レーザは、すべてＩｎＰ基板上に作製され、活性
層にＧａＩｎＰＡｓ又はＡｌＧａＩｎＡｓ混晶半導体を
用いている。また、これらの半導体レーザは、量子井戸
構造及び屈折率導波型構造の採用により高性能になって
いる。しかし、これらの半導体レーザは、高温動作時に
特性が大きく劣化するという問題がある。幹線系光ファ
イバ通信では半導体レーザをペルチェ電熱素子で冷却し
ながら使用しているが、光ファイバ通信が各家庭やオフ
ィスへ、各コンピュータへと導入される今後の加入者系
光ファイバ通信では、半導体レーザ送信モジュールの低
価格化と低消費電力化が必須であり、冷却素子を必要と
しないで温度特性が優れた光通信システム用半導体レー
ザが強く求められている。
半導体レーザは、すべてＩｎＰ基板上に作製され、活性
層にＧａＩｎＰＡｓ又はＡｌＧａＩｎＡｓ混晶半導体を
用いている。また、これらの半導体レーザは、量子井戸
構造及び屈折率導波型構造の採用により高性能になって
いる。しかし、これらの半導体レーザは、高温動作時に
特性が大きく劣化するという問題がある。幹線系光ファ
イバ通信では半導体レーザをペルチェ電熱素子で冷却し
ながら使用しているが、光ファイバ通信が各家庭やオフ
ィスへ、各コンピュータへと導入される今後の加入者系
光ファイバ通信では、半導体レーザ送信モジュールの低
価格化と低消費電力化が必須であり、冷却素子を必要と
しないで温度特性が優れた光通信システム用半導体レー
ザが強く求められている。
【０００３】最近、ＧａＩｎＮＡｓ混晶半導体を使用す
ることにより、光通信システム用半導体レーザの温度特
性が大幅に改善できることが報告された（第５７回応用
物理学会講演会予稿集 第９５１頁）。
ることにより、光通信システム用半導体レーザの温度特
性が大幅に改善できることが報告された（第５７回応用
物理学会講演会予稿集 第９５１頁）。
【０００４】なお、ここでいう光通信システムは、長距
離通信のみを指すものではなく、光インターコネクショ
ン等の短距離伝送も含むものである。
離通信のみを指すものではなく、光インターコネクショ
ン等の短距離伝送も含むものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上記のＧａＩｎＮＡｓ
混晶半導体は、理論検討では光通信システム用半導体レ
ーザの発光材料として理想的なことが分かっている。し
かし、新材料である故、その作製方法及び作製条件は未
だ確立していない。ＧａＩｎＮＡｓ混晶半導体は、Ｖ族
を構成する元素の原子半径がＮとＡｓで大きく異なるた
め、熱力学的に準安定（不安定）な材料であり相分離が
発生しやすく、良質な結晶を得ることは極めて困難であ
る。
混晶半導体は、理論検討では光通信システム用半導体レ
ーザの発光材料として理想的なことが分かっている。し
かし、新材料である故、その作製方法及び作製条件は未
だ確立していない。ＧａＩｎＮＡｓ混晶半導体は、Ｖ族
を構成する元素の原子半径がＮとＡｓで大きく異なるた
め、熱力学的に準安定（不安定）な材料であり相分離が
発生しやすく、良質な結晶を得ることは極めて困難であ
る。
【０００６】ＧａＩｎＮＡｓ混晶半導体の結晶成長方法
としては、有機金属気相エピタキシー（ＯＭＶＰＥ）
法、化学線エピタキシー（ＣＢＥ）法、及びガスソース
分子線エピタキシー（ＧＳ−ＭＢＥ）法が一般に知られ
ている。しかし、いずれの成長方法においても少なくと
も１つの原料には水素が含まれている。
としては、有機金属気相エピタキシー（ＯＭＶＰＥ）
法、化学線エピタキシー（ＣＢＥ）法、及びガスソース
分子線エピタキシー（ＧＳ−ＭＢＥ）法が一般に知られ
ている。しかし、いずれの成長方法においても少なくと
も１つの原料には水素が含まれている。
【０００７】本発明者等の検討の結果、上記のどの方法
で作製したＧａＩｎＮＡｓ混晶半導体にも結晶中に水素
が取り込まれ、その水素が結晶性を劣化させていること
が判明した。
で作製したＧａＩｎＮＡｓ混晶半導体にも結晶中に水素
が取り込まれ、その水素が結晶性を劣化させていること
が判明した。
【０００８】水素の取り込みを防ぐには、水素がない環
境下で水素を含まない原料を用いて結晶成長を行えばよ
い。このような製造方法としては、金属ガリウム、金属
インジウム、ＥＣＲ（エレクトロン サイクロトロン
レゾナンス）法によるプラズマ励起窒素及び金属ヒ素を
原料とするＧＳ−ＭＢＥ法についての第１７回北米ＭＢ
Ｅ会議、講演番号Ｉ１における報告のみがある。しかし
ながら報告されたレーザの閾電流密度は９．５ｋＡ／ｃ
ｍ2であり、実用化に十分な特性とはいえない。
境下で水素を含まない原料を用いて結晶成長を行えばよ
い。このような製造方法としては、金属ガリウム、金属
インジウム、ＥＣＲ（エレクトロン サイクロトロン
レゾナンス）法によるプラズマ励起窒素及び金属ヒ素を
原料とするＧＳ−ＭＢＥ法についての第１７回北米ＭＢ
Ｅ会議、講演番号Ｉ１における報告のみがある。しかし
ながら報告されたレーザの閾電流密度は９．５ｋＡ／ｃ
ｍ2であり、実用化に十分な特性とはいえない。
【０００９】本発明の第１の目的は、良好な結晶性を有
するIII−Ｖ族混晶半導体を用いた半導体装置の製造方
法を提供することにある。本発明の第２の目的は、良好
な結晶性を有するIII−Ｖ族混晶半導体を有する半導体
装置を用いた光通信システムを提供することにある。
するIII−Ｖ族混晶半導体を用いた半導体装置の製造方
法を提供することにある。本発明の第２の目的は、良好
な結晶性を有するIII−Ｖ族混晶半導体を有する半導体
装置を用いた光通信システムを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明者等がさらに検討
した結果、上記従来技術で採用したＥＣＲ法による窒素
の励起方法ではイオン照射により結晶にダメージが発生
し、良質な結晶を作製できないことが判った。また、イ
オン照射によるダメージを防ぐには窒素ガスをラジオフ
レケンシー（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ：ＲＦ）
法で励起すればよいことも判った。
した結果、上記従来技術で採用したＥＣＲ法による窒素
の励起方法ではイオン照射により結晶にダメージが発生
し、良質な結晶を作製できないことが判った。また、イ
オン照射によるダメージを防ぐには窒素ガスをラジオフ
レケンシー（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ：ＲＦ）
法で励起すればよいことも判った。
【００１１】従って、上記第１の目的を達成するため
に、本発明の半導体装置の製造方法は、基板上に、水素
の存在しない環境下で、水素を含まない原料を用い、か
つ、ラジオフレケンシー法で励起した窒素を原料として
ＧａＩｎＮＡｓ層を形成するようにしたものである。
に、本発明の半導体装置の製造方法は、基板上に、水素
の存在しない環境下で、水素を含まない原料を用い、か
つ、ラジオフレケンシー法で励起した窒素を原料として
ＧａＩｎＮＡｓ層を形成するようにしたものである。
【００１２】このＧａＩｎＮＡｓ層の形成は、ガスソー
ス分子線エピタキシー法により行うことが好ましい。ま
た、このＧａＩｎＮＡｓ層は、半導体発光素子の光を発
生する活性層を構成することが好ましい。水素を含まな
い原料としては、金属ガリウム、金属インジウム及び金
属ヒ素を用いることが好ましい。
ス分子線エピタキシー法により行うことが好ましい。ま
た、このＧａＩｎＮＡｓ層は、半導体発光素子の光を発
生する活性層を構成することが好ましい。水素を含まな
い原料としては、金属ガリウム、金属インジウム及び金
属ヒ素を用いることが好ましい。
【００１３】また、上記第１の目的を達成するために、
本発明の半導体装置の製造方法は、基板上に、ＡｌxＧ
ａyＩｎ1-x-yＮaＰbＡｓcＳｂ1-a-b-c（但し、ｘ、ｙ、
ａ、ｂ、ｃはそれぞれ０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ａ
≦１、０≦ｂ≦１、０≦ｃ≦１の範囲の値である）で表
される半導体層を積層する工程を有し、上記ａが、０＜
ａ＜１の範囲の値であるＮを有する層を、ガスソース分
子線エピタキシー法により、水素の存在しない環境下
で、水素を含まない原料を用い、かつ、ラジオフレケン
シー法で励起した窒素を原料として形成するようにした
ものである。
本発明の半導体装置の製造方法は、基板上に、ＡｌxＧ
ａyＩｎ1-x-yＮaＰbＡｓcＳｂ1-a-b-c（但し、ｘ、ｙ、
ａ、ｂ、ｃはそれぞれ０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ａ
≦１、０≦ｂ≦１、０≦ｃ≦１の範囲の値である）で表
される半導体層を積層する工程を有し、上記ａが、０＜
ａ＜１の範囲の値であるＮを有する層を、ガスソース分
子線エピタキシー法により、水素の存在しない環境下
で、水素を含まない原料を用い、かつ、ラジオフレケン
シー法で励起した窒素を原料として形成するようにした
ものである。
【００１４】上記Ｎを有する層は、半導体発光素子の光
を発生する活性層を構成することが好ましい。水素を含
まない原料としては、金属アルミニウム、金属ガリウ
ム、金属インジウム、金属ヒ素、金属リン及び金属アン
チモンであることが好ましい。
を発生する活性層を構成することが好ましい。水素を含
まない原料としては、金属アルミニウム、金属ガリウ
ム、金属インジウム、金属ヒ素、金属リン及び金属アン
チモンであることが好ましい。
【００１５】いずれの製造方法の場合も、ヒ素ビームは
Ａｓ4及びＡｓ2分子のどちらでもよいが、相分離を抑制
して結晶性をより向上させるためにはＡｓ4が好まし
く、燐系半導体層とヒ素系半導体層とで急峻な界面を形
成するためにはＡｓ2が好ましい。
Ａｓ4及びＡｓ2分子のどちらでもよいが、相分離を抑制
して結晶性をより向上させるためにはＡｓ4が好まし
く、燐系半導体層とヒ素系半導体層とで急峻な界面を形
成するためにはＡｓ2が好ましい。
【００１６】また、上記第２の目的を達成するために、
本発明の光通信システムは、半導体レーザを上記いずれ
かの半導体装置の製造方法により製造し、この半導体レ
ーザと、半導体レーザの駆動用ＩＣと、受光素子と、受
光素子の駆動用ＩＣと、半導体レーザ及び受光素子とそ
れぞれ光学的に結合する光ファイバーとから構成するよ
うにしたものである。
本発明の光通信システムは、半導体レーザを上記いずれ
かの半導体装置の製造方法により製造し、この半導体レ
ーザと、半導体レーザの駆動用ＩＣと、受光素子と、受
光素子の駆動用ＩＣと、半導体レーザ及び受光素子とそ
れぞれ光学的に結合する光ファイバーとから構成するよ
うにしたものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図１から
図３を用いて説明する。 〈実施例１〉第１の実施例は、本発明を１．３μｍ帯端
面発光型半導体レーザに適用したものである。図１
（ａ）はその断面構造図を、図１（ｂ）は活性層の拡大
断面図を示している。ｎ−ＧａＡｓ基板１上に、ｎ−Ｇ
ａＡｓバッファ層２（層厚３００ｎｍ）、ｎ−Ａｌ0.3
Ｇａ0.7Ａｓクラッド層（層厚１５００ｎｍ、Ｓｉ：１
×１０18ｃｍ-3）３、歪単一量子井戸活性層４をＧＳ−
ＭＢＥ法により順次結晶成長させる。この歪単一量子井
戸活性層４は、図１（ｂ）に示すように、ＧａＡｓ障壁
層（層厚１５０ｎｍ）１０及び１２とＧａ0.7Ｉｎ0.3Ｎ
0.01Ａｓ0.99井戸層（層厚７ｎｍ）１１から構成され
る。
図３を用いて説明する。 〈実施例１〉第１の実施例は、本発明を１．３μｍ帯端
面発光型半導体レーザに適用したものである。図１
（ａ）はその断面構造図を、図１（ｂ）は活性層の拡大
断面図を示している。ｎ−ＧａＡｓ基板１上に、ｎ−Ｇ
ａＡｓバッファ層２（層厚３００ｎｍ）、ｎ−Ａｌ0.3
Ｇａ0.7Ａｓクラッド層（層厚１５００ｎｍ、Ｓｉ：１
×１０18ｃｍ-3）３、歪単一量子井戸活性層４をＧＳ−
ＭＢＥ法により順次結晶成長させる。この歪単一量子井
戸活性層４は、図１（ｂ）に示すように、ＧａＡｓ障壁
層（層厚１５０ｎｍ）１０及び１２とＧａ0.7Ｉｎ0.3Ｎ
0.01Ａｓ0.99井戸層（層厚７ｎｍ）１１から構成され
る。
【００１８】さらにｐ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓクラッド層
（層厚１５００ｎｍ、Ｂｅ：１×１０18ｃｍ-3）５、ｐ
−ＧａＡｓキャップ層（層厚２００ｎｍ、Ｂｅ：１×１
０19ｃｍ-3）６を順次結晶成長させ、多層構造を作製し
た。
（層厚１５００ｎｍ、Ｂｅ：１×１０18ｃｍ-3）５、ｐ
−ＧａＡｓキャップ層（層厚２００ｎｍ、Ｂｅ：１×１
０19ｃｍ-3）６を順次結晶成長させ、多層構造を作製し
た。
【００１９】III族元素の原料は、金属アルミニウム、
金属ガリウム及び金属インジウムを用いた。Ｖ族元素の
原料には、ＲＦプラズマで活性化した窒素と金属ヒ素を
用いた。通常の分子線セルに金属ヒ素を装着し、加熱昇
華させてＡｓ4分子ビームとして供給した。そのビーム
強度は、相分離の抑制のために０．０１Ｐａに設定し
た。ＲＦプラズマセルの励起窒素出射孔は、イオン照射
によるダメージを防ぐために直径０．２ｍｍとした。Ｇ
ａＡｓバッファ層２等は、６００℃で結晶成長させた
が、歪単一量子井戸活性層４は、相分離を抑制するため
に４８０℃と低温で結晶成長した。
金属ガリウム及び金属インジウムを用いた。Ｖ族元素の
原料には、ＲＦプラズマで活性化した窒素と金属ヒ素を
用いた。通常の分子線セルに金属ヒ素を装着し、加熱昇
華させてＡｓ4分子ビームとして供給した。そのビーム
強度は、相分離の抑制のために０．０１Ｐａに設定し
た。ＲＦプラズマセルの励起窒素出射孔は、イオン照射
によるダメージを防ぐために直径０．２ｍｍとした。Ｇ
ａＡｓバッファ層２等は、６００℃で結晶成長させた
が、歪単一量子井戸活性層４は、相分離を抑制するため
に４８０℃と低温で結晶成長した。
【００２０】図２（ａ）に、上記多層構造の室温おける
フォトルミネッセンス（ＰＬ）を示す。測定は、ｐ−Ｇ
ａＡｓキャップ層６をエッチングにより取り除いた後に
行った。半値幅は２８ｍｅＶで、実用化されているＧａ
ＩｎＰＡｓレーザと同程度であった。また、発光強度
も、同程度であった。
フォトルミネッセンス（ＰＬ）を示す。測定は、ｐ−Ｇ
ａＡｓキャップ層６をエッチングにより取り除いた後に
行った。半値幅は２８ｍｅＶで、実用化されているＧａ
ＩｎＰＡｓレーザと同程度であった。また、発光強度
も、同程度であった。
【００２１】図２（ｂ）には、ヒ素原料に水素を含むア
ルシンを用いて、ヒ素原料の違い以外は上記多層構造と
同じ条件で作製した従来の多層構造の室温おけるＰＬを
示す。半値幅は４０ｍｅＶであり、発光強度も約１／１
０であった。以上の結果より、金属ヒ素を用いて作製し
たＧａＩｎＮＡｓの結晶性は十分高く問題がないことが
判る。
ルシンを用いて、ヒ素原料の違い以外は上記多層構造と
同じ条件で作製した従来の多層構造の室温おけるＰＬを
示す。半値幅は４０ｍｅＶであり、発光強度も約１／１
０であった。以上の結果より、金属ヒ素を用いて作製し
たＧａＩｎＮＡｓの結晶性は十分高く問題がないことが
判る。
【００２２】さらに、金属ヒ素を用いて作製した多層構
造に、図１（ａ）に示す如く、ＳｉＮｘ窒化膜を堆積
し、電流狭窄層７を形成した。ｐ側電極８、ｎ側電極９
を形成した後、劈開法により共振器長約４００μｍのレ
ーザ素子を得た。ストライプ幅は１０μｍとした。素子
の前面にλ／４（λ：発振波長）の厚みのＳｉＯ2によ
る低反射膜を、素子の後面にＳｉＯ2とアモルファスＳ
ｉからなる４層膜による高反射膜を形成した。その後、
素子を接合面を下にして、ヒートシンク上にボンディン
グした。閾値電流密度が０．５ ｋＡ／ｃｍ2で室温連
続発振し、発振波長は１．３μｍであった。また、２５
℃から８５℃の範囲における特性温度は１５０Ｋと高
く、温度特性が非常に良好であった。また、本レーザ
は、活性層の結晶性が良好なので１０万時間以上の長い
素子寿命を有した。
造に、図１（ａ）に示す如く、ＳｉＮｘ窒化膜を堆積
し、電流狭窄層７を形成した。ｐ側電極８、ｎ側電極９
を形成した後、劈開法により共振器長約４００μｍのレ
ーザ素子を得た。ストライプ幅は１０μｍとした。素子
の前面にλ／４（λ：発振波長）の厚みのＳｉＯ2によ
る低反射膜を、素子の後面にＳｉＯ2とアモルファスＳ
ｉからなる４層膜による高反射膜を形成した。その後、
素子を接合面を下にして、ヒートシンク上にボンディン
グした。閾値電流密度が０．５ ｋＡ／ｃｍ2で室温連
続発振し、発振波長は１．３μｍであった。また、２５
℃から８５℃の範囲における特性温度は１５０Ｋと高
く、温度特性が非常に良好であった。また、本レーザ
は、活性層の結晶性が良好なので１０万時間以上の長い
素子寿命を有した。
【００２３】〈実施例２〉本実施例は、本発明を１．３
μｍ帯面発光型半導体レーザに適用したものである。以
下、図３を用いて説明する。図３（ａ）は、その断面構
造を、図３（ｂ）は活性層の拡大図を示している。ｎ−
ＧａＡｓ基板１上に、後に説明するｎ型半導体多層膜反
射鏡２０、ＧａＡｓスペーサ層２１、三重量子井戸活性
層２４をＧＳーＭＢＥ法により順次成長させた。三重量
子井戸活性層２４は、図３（ｂ）に示すように、ＧａＮ
0.02Ａｓ0.98障壁層（層厚５ｎｍ）２２とＧａ0.80Ｉｎ
0.20Ｎ0.02Ａｓ0.98井戸層（層厚５ｎｍ）２３から構成
され、応力補償型量子井戸構造とした。
μｍ帯面発光型半導体レーザに適用したものである。以
下、図３を用いて説明する。図３（ａ）は、その断面構
造を、図３（ｂ）は活性層の拡大図を示している。ｎ−
ＧａＡｓ基板１上に、後に説明するｎ型半導体多層膜反
射鏡２０、ＧａＡｓスペーサ層２１、三重量子井戸活性
層２４をＧＳーＭＢＥ法により順次成長させた。三重量
子井戸活性層２４は、図３（ｂ）に示すように、ＧａＮ
0.02Ａｓ0.98障壁層（層厚５ｎｍ）２２とＧａ0.80Ｉｎ
0.20Ｎ0.02Ａｓ0.98井戸層（層厚５ｎｍ）２３から構成
され、応力補償型量子井戸構造とした。
【００２４】さらにＧａＡｓスペーサ層２５、ｎ−Ｇａ
Ａｓ基板１に格子整合したｐ−Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッ
ド層２６（層厚１μｍ、Ｃ：１×１０18ｃｍ-3）、ｐ−
ＧａＡｓコンタクト層２７（層厚１００ｎｍ、Ｃ：１×
１０19ｃｍ-3）を順次成長させた。ＧａＡｓスペーサ層
２１、三重量子井戸活性層２４及びＧａＡｓスペーサ層
２５の厚みの合計が半導体中での波長と等しくなるよう
にＧａＡｓスペーサ層の層厚を調整した。
Ａｓ基板１に格子整合したｐ−Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッ
ド層２６（層厚１μｍ、Ｃ：１×１０18ｃｍ-3）、ｐ−
ＧａＡｓコンタクト層２７（層厚１００ｎｍ、Ｃ：１×
１０19ｃｍ-3）を順次成長させた。ＧａＡｓスペーサ層
２１、三重量子井戸活性層２４及びＧａＡｓスペーサ層
２５の厚みの合計が半導体中での波長と等しくなるよう
にＧａＡｓスペーサ層の層厚を調整した。
【００２５】ｎ型半導体多層膜反射鏡２０は、半導体中
で１／４波長厚の高屈折率のＧａＡｓ層と半導体中で１
／４波長厚の低屈折率のＡｌＡｓ層を交互に積層した。
反射率を９９％以上にするために反射鏡層の積層数を２
２対とした。
で１／４波長厚の高屈折率のＧａＡｓ層と半導体中で１
／４波長厚の低屈折率のＡｌＡｓ層を交互に積層した。
反射率を９９％以上にするために反射鏡層の積層数を２
２対とした。
【００２６】III族元素の原料は、金属アルミニウム、
金属ガリウム及び金属インジウムを用いた。Ｖ族元素の
原料には、ＲＦプラズマで活性化した窒素、ホスフィ
ン、及び金属ヒ素を用いた。金属ヒ素をバルブドクラッ
カー型の分子線セルに装着し、加熱昇華させて得たＡｓ
4分子をさらに高温でクラッキングしてＡｓ2分子のビー
ムとして供給した。そのビーム強度は、燐系半導体層と
ヒ素系半導体層とで急峻な界面を形成するためには、
０．０００１Ｐａと実施例１の場合よりも低く設定し
た。また、ｎ型ドーパントとしてはＳｉを用い、ｐ型ド
ーパントとしてはＣ（原料はＣＢｒ4）を用いた。
金属ガリウム及び金属インジウムを用いた。Ｖ族元素の
原料には、ＲＦプラズマで活性化した窒素、ホスフィ
ン、及び金属ヒ素を用いた。金属ヒ素をバルブドクラッ
カー型の分子線セルに装着し、加熱昇華させて得たＡｓ
4分子をさらに高温でクラッキングしてＡｓ2分子のビー
ムとして供給した。そのビーム強度は、燐系半導体層と
ヒ素系半導体層とで急峻な界面を形成するためには、
０．０００１Ｐａと実施例１の場合よりも低く設定し
た。また、ｎ型ドーパントとしてはＳｉを用い、ｐ型ド
ーパントとしてはＣ（原料はＣＢｒ4）を用いた。
【００２７】ｎ型半導体多層膜反射鏡２０は６００℃、
ＧａＡｓスペーサ層２１、三重量子井戸活性層２４、Ｇ
ａＡｓスペーサ層２５は４５０℃、ｐ−Ｇａ0.5Ｉｎ0.5
Ｐクラッド層２６、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層２７は５
００℃で成長した。三重量子井戸活性層２４の成長温度
が実施例１の場合よりも低いのは、Ａｓ2分子ビームの
下で相分離の発生を防ぐためである。
ＧａＡｓスペーサ層２１、三重量子井戸活性層２４、Ｇ
ａＡｓスペーサ層２５は４５０℃、ｐ−Ｇａ0.5Ｉｎ0.5
Ｐクラッド層２６、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層２７は５
００℃で成長した。三重量子井戸活性層２４の成長温度
が実施例１の場合よりも低いのは、Ａｓ2分子ビームの
下で相分離の発生を防ぐためである。
【００２８】本実施例では、燐原料に水素を含むホスフ
ィンを用いたが、ホスフィンの成長室への導入はＧａＩ
ｎＮＡｓ活性層の成長後であり、ＧａＩｎＮＡｓ活性層
の成長時には水素がない環境で成長を行った。従って、
実施例１の場合と同様にＧａＩｎＮＡｓ活性層の結晶性
は良好であった。
ィンを用いたが、ホスフィンの成長室への導入はＧａＩ
ｎＮＡｓ活性層の成長後であり、ＧａＩｎＮＡｓ活性層
の成長時には水素がない環境で成長を行った。従って、
実施例１の場合と同様にＧａＩｎＮＡｓ活性層の結晶性
は良好であった。
【００２９】次に、化学気相堆積工程とホトレジスト工
程により直径１０μｍの円形のＳｉＯ2膜（後の工程で
除去するため図示せず）を形成し、これをマスクとして
ｎ型のｎ型半導体多層膜反射鏡２０の途中までウエット
エッチングしてメサ状にする。その後、ＳｉＯ2マスク
を残したまま化学気相堆積工程によりＳｉＯ2保護層２
８を形成し、ポリイミド２９を塗布し、硬化する。次
に、反応性イオンビームエッチングによりＳｉＯ2マス
クが露出するまでポリイミド２９をエッチングし、メサ
の上部のＳｉＯ2マスクを図に示したように除去するこ
とで平坦な面が得られる。この後、リフトオフ法により
リング状のｐ側電極３１を形成し、さらにスッパタ蒸着
法により誘電体多層膜反射鏡３０を形成し、ｎ側電極３
２を形成した。誘電体多層膜反射鏡３０は、誘電体中で
１／４波長厚さの高屈折率ＴｉＯ2層と誘電体中で１／
４波長厚さの低屈折率ＳｉＯ2層を交互に積層して作製
した。反射率を９９％以上にするために積層数を１０対
とした。
程により直径１０μｍの円形のＳｉＯ2膜（後の工程で
除去するため図示せず）を形成し、これをマスクとして
ｎ型のｎ型半導体多層膜反射鏡２０の途中までウエット
エッチングしてメサ状にする。その後、ＳｉＯ2マスク
を残したまま化学気相堆積工程によりＳｉＯ2保護層２
８を形成し、ポリイミド２９を塗布し、硬化する。次
に、反応性イオンビームエッチングによりＳｉＯ2マス
クが露出するまでポリイミド２９をエッチングし、メサ
の上部のＳｉＯ2マスクを図に示したように除去するこ
とで平坦な面が得られる。この後、リフトオフ法により
リング状のｐ側電極３１を形成し、さらにスッパタ蒸着
法により誘電体多層膜反射鏡３０を形成し、ｎ側電極３
２を形成した。誘電体多層膜反射鏡３０は、誘電体中で
１／４波長厚さの高屈折率ＴｉＯ2層と誘電体中で１／
４波長厚さの低屈折率ＳｉＯ2層を交互に積層して作製
した。反射率を９９％以上にするために積層数を１０対
とした。
【００３０】本面発光レーザに電流を注入したところ、
８５℃の高温まで連続動作に成功した。レーザ光は誘電
体多層膜反射鏡側から出射され、波長は約１．３μｍで
あった。また、本レーザは、活性層の結晶性が良好なの
で面発光レーザの実用化では十分な１万時間以上の長い
素子寿命を有した。
８５℃の高温まで連続動作に成功した。レーザ光は誘電
体多層膜反射鏡側から出射され、波長は約１．３μｍで
あった。また、本レーザは、活性層の結晶性が良好なの
で面発光レーザの実用化では十分な１万時間以上の長い
素子寿命を有した。
【００３１】上記実施例１及び２では、良質な結晶性を
有するＧａＩｎＮＡｓ層について説明したが、ＡｌxＧ
ａyＩｎ1-x-yＮaＰbＡｓcＳｂ1-a-b-c（但し、ｘ、ｙ、
ａ、ｂ、ｃはそれぞれ０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ａ
≦１、０≦ｂ≦１、０≦ｃ≦１の範囲の値である）で表
されるIII−Ｖ族半導体層を形成するときに、上記ａが
０＜ａ＜１であるＮを有する層を上記と同様にして形成
すれば、良質な結晶性の層を得ることができる。
有するＧａＩｎＮＡｓ層について説明したが、ＡｌxＧ
ａyＩｎ1-x-yＮaＰbＡｓcＳｂ1-a-b-c（但し、ｘ、ｙ、
ａ、ｂ、ｃはそれぞれ０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ａ
≦１、０≦ｂ≦１、０≦ｃ≦１の範囲の値である）で表
されるIII−Ｖ族半導体層を形成するときに、上記ａが
０＜ａ＜１であるＮを有する層を上記と同様にして形成
すれば、良質な結晶性の層を得ることができる。
【００３２】また、上記実施例１及び２では、良質な結
晶性を有するＧａＩｎＮＡｓ層の光通信システム用半導
体レーザへの応用について説明したが、本発明が提供す
る作製方法はＧａＩｎＮＡｓ層等のＮを有するIII−Ｖ
族混晶半導体を使用する太陽電池等の他の半導体装置へ
も適用できることはいうまでもない。
晶性を有するＧａＩｎＮＡｓ層の光通信システム用半導
体レーザへの応用について説明したが、本発明が提供す
る作製方法はＧａＩｎＮＡｓ層等のＮを有するIII−Ｖ
族混晶半導体を使用する太陽電池等の他の半導体装置へ
も適用できることはいうまでもない。
【００３３】〈実施例３〉受光素子であるフォトダイオ
ードと、その駆動用ＩＣと、半導体レーザと、その駆動
用ＩＣと、半導体レーザ及びフォトダイオードとそれぞ
れ光学的に結合する光ファイバーとからなる光通信シス
テムの半導体レーザとして実施例１又は２の半導体レー
ザを用いた。上記各実施例で述べたようにこの半導体レ
ーザは高温特性に優れ、長寿命であるので、システムの
信頼性は大きく向上した。
ードと、その駆動用ＩＣと、半導体レーザと、その駆動
用ＩＣと、半導体レーザ及びフォトダイオードとそれぞ
れ光学的に結合する光ファイバーとからなる光通信シス
テムの半導体レーザとして実施例１又は２の半導体レー
ザを用いた。上記各実施例で述べたようにこの半導体レ
ーザは高温特性に優れ、長寿命であるので、システムの
信頼性は大きく向上した。
【００３４】
【発明の効果】以上述べたように、良好な結晶性を有す
るＧａＩｎＮＡｓ等、上記のようなＮを有するIII−Ｖ
族混晶半導体を作製できた。その結果、高性能な半導体
装置を提供することができた。また、温度特性に非常に
優れる光通信システムを提供することができた。
るＧａＩｎＮＡｓ等、上記のようなＮを有するIII−Ｖ
族混晶半導体を作製できた。その結果、高性能な半導体
装置を提供することができた。また、温度特性に非常に
優れる光通信システムを提供することができた。
【図１】本発明の実施例１の半導体レーザの断面構造図
及びその活性層の拡大断面構造図。
及びその活性層の拡大断面構造図。
【図２】ＧａＩｎＮＡｓのＰＬスペクトル図。
【図３】本発明の実施例２の半導体レーザの断面構造図
及びその活性層の拡大断面構造図。
及びその活性層の拡大断面構造図。
１…ｎ−ＧａＡｓ基板 ２…ｎ−ＧａＡｓバッファ層 ３…ｎ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓクラッド層 ４…歪単一量子井戸活性層 ５…ｐ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓクラッド層 ６…ｐ−ＧａＡｓキャップ層 ７…電流狭窄層 ８、３１…ｐ側電極 ９、３２…ｎ側電極 １０…ＧａＡｓ障壁層 １１…Ｇａ0.7Ｉｎ0.3Ｎ0.01Ａｓ0.99井戸層 １２…ＧａＡｓ障壁層 ２０…ｎ型半導体多層膜反射鏡 ２１…ＧａＡｓスペーサ層 ２２…ＧａＮ0.02Ａｓ0.98障壁層 ２３…Ｇａ0.80Ｉｎ0.20Ｎ0.02Ａｓ0.98井戸層 ２４…三重量子井戸活性層 ２５…ＧａＡｓスペーサ層 ２６…ｐ−Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層 ２７…ｐ−ＧａＡｓコンタクト層 ２８…ＳｉＯ2保護層 ２９…ポリイミド ３０…誘電体多層膜反射鏡
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 北谷 健 東京都国分寺市東恋ヶ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 田中 俊明 東京都国分寺市東恋ヶ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 Ｆターム(参考） 5F041 AA44 CA04 CA05 CA12 CA34 CA35 CA66 FF14 5F045 AA05 AA08 AB10 AB18 AB19 AD08 AD10 AE11 AF04 BB16 CA12 CA13 DA55 5F073 AA73 AA74 AB17 AB28 BA02 CA20 DA06 EA28 5F103 AA04 DD30 GG01 HH03 LL03 LL04 LL17 RR05
Claims (10)
- 【請求項１】基板上に、水素の存在しない環境下で、水
素を含まない原料を用い、かつ、ラジオフレケンシー法
で励起した窒素を原料としてＧａＩｎＮＡｓ層を形成す
る工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方
法。 - 【請求項２】上記ＧａＩｎＮＡｓ層の形成は、ガスソー
ス分子線エピタキシー法により行うことを特徴とする請
求項１記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項３】上記ＧａＩｎＮＡｓ層は、半導体発光素子
の光を発生する活性層を構成することを特徴とする請求
項１又は２記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項４】上記水素を含まない原料は、金属ガリウ
ム、金属インジウム及び金属ヒ素であることを特徴とす
る請求項１から３のいずれか一に記載の半導体装置の製
造方法。 - 【請求項５】基板上に、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮaＰbＡ
ｓcＳｂ1-a-b-c（但し、ｘ、ｙ、ａ、ｂ、ｃはそれぞれ
０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０
≦ｃ≦１の範囲の値である）で表される半導体層を積層
する工程を有する半導体装置の製造方法において、上記
ａが、０＜ａ＜１の範囲の値である窒素を有する層を、
ガスソース分子線エピタキシー法により、水素の存在し
ない環境下で、水素を含まない原料を用い、かつ、ラジ
オフレケンシー法で励起した窒素を原料として形成する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 【請求項６】上記窒素を有する層は、半導体発光素子の
光を発生する活性層を構成することを特徴とする請求項
５記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項７】上記水素を含まない原料は、金属アルミニ
ウム、金属ガリウム、金属インジウム、金属ヒ素、金属
リン及び金属アンチモンであることを特徴とする請求項
５又６記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項８】上記金属ヒ素は、Ａｓ4分子ビームとして
供給されることを特徴とする請求項１から７のいずれか
一に記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項９】上記金属ヒ素は、Ａｓ2分子ビームとして
供給されることを特徴とする請求項１から７のいずれか
一に記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項１０】請求項１から９のいずれか一に記載の半
導体装置の製造方法により製造された半導体装置が半導
体レーザであり、該半導体レーザと、該半導体レーザの
駆動用ＩＣと、受光素子と、該受光素子の駆動用ＩＣ
と、上記半導体レーザ及び上記受光素子とそれぞれ光学
的に結合する光ファイバーとからなることを特徴とする
光通信システム。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP19617899A JP2001024282A (ja) | 1999-07-09 | 1999-07-09 | Ｉｉｉ−ｖ族混晶半導体を用いた半導体装置の製造方法及び光通信システム |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP19617899A JP2001024282A (ja) | 1999-07-09 | 1999-07-09 | Ｉｉｉ−ｖ族混晶半導体を用いた半導体装置の製造方法及び光通信システム |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001024282A true JP2001024282A (ja) | 2001-01-26 |
Family
ID=16353507
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP19617899A Pending JP2001024282A (ja) | 1999-07-09 | 1999-07-09 | Ｉｉｉ−ｖ族混晶半導体を用いた半導体装置の製造方法及び光通信システム |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001024282A (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7141829B2 (en) | 2001-03-27 | 2006-11-28 | Sharp Kabushiki Kaisha | Semiconductor laser device with antimony and crystal growth method |
| JP2007250896A (ja) * | 2006-03-16 | 2007-09-27 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 半導体光素子 |
| US7875906B2 (en) | 2007-06-28 | 2011-01-25 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Photodetector and production method thereof |
| JP2011233891A (ja) * | 2010-04-23 | 2011-11-17 | Lg Innotek Co Ltd | 発光素子、発光素子パッケージ、及び照明システム |
| JP4836382B2 (ja) * | 1999-12-31 | 2011-12-14 | パナソニック株式会社 | 発光素子 |
-
1999
- 1999-07-09 JP JP19617899A patent/JP2001024282A/ja active Pending
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4836382B2 (ja) * | 1999-12-31 | 2011-12-14 | パナソニック株式会社 | 発光素子 |
| US7141829B2 (en) | 2001-03-27 | 2006-11-28 | Sharp Kabushiki Kaisha | Semiconductor laser device with antimony and crystal growth method |
| JP2007250896A (ja) * | 2006-03-16 | 2007-09-27 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 半導体光素子 |
| US7579630B2 (en) | 2006-03-16 | 2009-08-25 | Sumitomo Electric Industries Ltd. | Semiconductor optical device |
| US7875906B2 (en) | 2007-06-28 | 2011-01-25 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Photodetector and production method thereof |
| JP2011233891A (ja) * | 2010-04-23 | 2011-11-17 | Lg Innotek Co Ltd | 発光素子、発光素子パッケージ、及び照明システム |
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