JP2005159152A - Manufacturing method of iii-v compound semiconductor crystal and manufacturing method of semiconductor device using the same - Google Patents

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香 栗原
Kenji Shimoyama
謙司 下山
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method of a III-V compound semiconductor crystal which is free from composition separation and subjected to carbon doping with good crystallinity small in hole-type defect density, and to provide a manufacturing method of a semiconductor device using the manufacturing method. <P>SOLUTION: When a III-V compound semiconductor crystal is formed on a substrate by supplying a group V raw material mainly containing a hydride or an organic compound of a group V element to the substrate, a growth temperature is held at 560 to 650C°, preferably higher than 585C° and lower than 650C°, and the ratio of a mole supply amount of the group V raw material to the mol supply amount of a group III raw material is set to be 25 to 100 when the hydride of the group V element is used, 10 to 50 when the organic compound of the group V element is used, a growth velocity is set to be 0.2 to 5 μm/h, and a dopant gas containing carbon is supplied to the substrate. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、基板上にIII−V族化合物半導体結晶を成長させる際に、炭素ドープするIII−V族化合物半導体結晶の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a group III-V compound semiconductor crystal that is carbon-doped when a group III-V compound semiconductor crystal is grown on a substrate.

InP基板上に形成したInAlGaAs系材料は、InGaAsP系材料と比較して微分利得が高く、大きな伝導帯バンド不連続量を有するなどの特徴を有するため、高温動作、高速変調レーザに適した材料系として知られている。InAlGaAs系材料がレーザ特性を向上できる理由は、InGaAsP系材料の伝導体バンド不連続量ΔEcが全体のバンドギャップの差ΔEgに対してΔEc=0.39ΔEgと小さいのに対し、InAlGaAs系ではΔEc=0.72ΔEgと伝導帯側のバンド不連続量が大きく、電子の閉じ込めが効率的に行われ、温度上昇に伴う電子のオーバーフローが少ないからである。さらに、InAlGaAs系材料は、高い電子移動度を持つため、HBTやFETなどの電子デバイスにおいても、高速化に適した材料系である。   InAlGaAs-based material formed on an InP substrate has characteristics such as high differential gain and large conduction band discontinuity compared to InGaAsP-based material. Known as. The reason why the InAlGaAs-based material can improve the laser characteristics is that the conductor band discontinuity ΔEc of the InGaAsP-based material is as small as ΔEc = 0.39ΔEg with respect to the overall band gap difference ΔEg, whereas in the InAlGaAs-based material, ΔEc = This is because 0.72ΔEg and the band discontinuity on the conduction band side are large, the electrons are confined efficiently, and the overflow of electrons accompanying a rise in temperature is small. Furthermore, since the InAlGaAs-based material has high electron mobility, it is a material system suitable for high speed even in electronic devices such as HBT and FET.

InAlGaAs系材料をデバイスに適用する際には、他の材料系と同様に、p型ドーピングが必要である。通常は、非特許文献1に記載されているように、ドーパントとして亜鉛が用いられる。しかし、亜鉛ドーピングには、拡散係数が高いために亜鉛が結晶成長中に移動するという問題がある。半導体レーザの場合、このようなドーパントがレーザの活性層にまで拡散すると、それが非発光再結合中心となり、レーザ特性が大きく劣化してしまう。また電子デバイスの場合には、pn接合位置がずれ、p型ドーピングのピーク濃度が減少するため、特性劣化が生じる。   When an InAlGaAs-based material is applied to a device, p-type doping is necessary as in other material systems. Usually, as described in Non-Patent Document 1, zinc is used as a dopant. However, zinc doping has a problem in that zinc moves during crystal growth because of its high diffusion coefficient. In the case of a semiconductor laser, when such a dopant diffuses to the active layer of the laser, it becomes a non-radiative recombination center and the laser characteristics are greatly deteriorated. In the case of an electronic device, the pn junction position is shifted and the peak concentration of p-type doping is reduced, resulting in deterioration of characteristics.

拡散係数の小さいp型ドーパントとして、マグネシウムやベリリウムなどが知られている。しかしながら、マグネシウムは反応性が高いため、導入する際に配管などの上流側に付着することが多く、それがメモリー効果となって、導入をストップした後も徐々に基板に到達して取り込まれる。このため、ドーパントとしてマグネシウムを採用しても、やはり精密なドーピングプロファイルの制御は不可能である。ベリリウムについてはアルシンを凌駕するほど毒性が極端に高いため、MOVPEで用いられることはほとんどない。   Magnesium, beryllium and the like are known as p-type dopants having a small diffusion coefficient. However, since magnesium is highly reactive, it often adheres to the upstream side of the pipe or the like when it is introduced, which acts as a memory effect and gradually reaches the substrate and is taken in even after the introduction is stopped. For this reason, even if magnesium is used as the dopant, it is still impossible to precisely control the doping profile. Beryllium is rarely used in MOVPE because it is so toxic that it surpasses arsine.

一方、拡散係数が小さくて毒性が低いドーパントとして炭素もAlGaAs系材料やInAlAs系材料において試みられている。炭素ドーピングは非特許文献2に示されているように拡散係数が小さいため、制御性の良い急峻なドーピングプロファイルの実現が可能である。さらに、炭素ドープInAlAsを分離閉じこめ層として用いた半導体レーザの発振も報告されている(非特許文献4)。   On the other hand, carbon has also been tried as an AlGaAs-based material or InAlAs-based material as a dopant having a low diffusion coefficient and low toxicity. Since carbon doping has a small diffusion coefficient as shown in Non-Patent Document 2, it is possible to realize a steep doping profile with good controllability. Furthermore, the oscillation of a semiconductor laser using carbon-doped InAlAs as a separate confinement layer has been reported (Non-patent Document 4).

InAlAs系材料中への炭素ドーピングについては非特許文献3に記載されており、そこでは基板温度550℃、V族原料の総モル供給量とIII族原料の総モル供給量との比(以下、V/III比という)200といった条件で、p型ドーピングが実現されている。しかるに、InAlAs系材料ではインジウムと炭素の結合が弱いため、炭素が取り込まれにくいため、InAlAs系材料で炭素ドーピングを行う場合には、結晶を低温成長する必要があるという問題があった(非特許文献3参照)。   Carbon doping into the InAlAs-based material is described in Non-Patent Document 3, where the substrate temperature is 550 ° C., the ratio of the total molar supply amount of the Group V raw material to the total molar supply amount of the Group III raw material (hereinafter, The p-type doping is realized under the condition of 200 (referred to as V / III ratio). However, the InAlAs-based material has a weak bond between indium and carbon, so that it is difficult for carbon to be taken in. Therefore, when carbon doping is performed with the InAlAs-based material, there is a problem that the crystal needs to be grown at a low temperature (non-patent document). Reference 3).

一方、良好な結晶品質を有するInAlAsを実現するには、高温、高V/III比が必須であることが報告されている(非特許文献5参照)。前述の非特許文献3によれば、550℃といった低温成長においても非発光再結合中心となる酸素濃度の増加は小さいとされているものの、低温、低V/III比で成長したInAlAsには、空孔型欠陥密度の増加や組成分離による結晶性の劣化が懸念される。実際に非特許文献6によると、低温でのInAlAsでは組成分離が生じると報告されている。また前述の非特許文献4ではレーザ発振が示されているが、InAlAsの結晶性の影響を受けている場合、結晶性の改善により一層の特性向上が可能である。
以上から炭素ドープInAlAsにおいて、キャリア濃度を確保しつつ、良好な結晶性を得るためには、多方面からの検討が必要である。これらを満たす成長条件のウインドウは狭いと予想され、明確な指針は得られていないのが現状である。
IEEE Photonics Technology Letters vol.11 No.8 (1999) p949-951 Journal of crystal growth vol. 111 (1991) p274-279 Journal of crystal growth vol. 254 (2003) p6-14 IPRM2003 Proceeding WA2.6 Journal of Crystal Growth Vol. 108 (1991) p441-448 Materials Science & Engneering B64 (1999) p174-179
On the other hand, in order to realize InAlAs having good crystal quality, it has been reported that a high temperature and a high V / III ratio are essential (see Non-Patent Document 5). According to the above-mentioned Non-Patent Document 3, although the increase in oxygen concentration that becomes a non-radiative recombination center is small even at a low temperature growth of 550 ° C., InAlAs grown at a low temperature and a low V / III ratio include There is concern about an increase in vacancy-type defect density and deterioration of crystallinity due to composition separation. In fact, according to Non-Patent Document 6, it is reported that composition separation occurs in InAlAs at low temperatures. Further, in the aforementioned non-patent document 4, laser oscillation is shown. However, when the crystallinity of InAlAs is affected, the characteristics can be further improved by improving the crystallinity.
From the above, in carbon-doped InAlAs, in order to obtain good crystallinity while ensuring the carrier concentration, it is necessary to study from various aspects. The window of growth conditions that satisfy these conditions is expected to be narrow, and no clear guidelines have been obtained.
IEEE Photonics Technology Letters vol.11 No.8 (1999) p949-951 Journal of crystal growth vol. 111 (1991) p274-279 Journal of crystal growth vol. 254 (2003) p6-14 IPRM2003 Proceeding WA2.6 Journal of Crystal Growth Vol. 108 (1991) p441-448 Materials Science & Engneering B64 (1999) p174-179

本発明は、上記従来技術の問題点を考慮してなされたものであり、本発明の目的は、InAlGaAs系をはじめとするIII−V族化合物系における簡便な炭素ドーピング法を提供することを目的とする。特に、炭素ドーピングプロファイルを正確に制御しながら、良好な品質を有するIII−V族化合物半導体結晶を製造し得る方法を提供することにある。   The present invention has been made in consideration of the above-mentioned problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a simple carbon doping method in III-V group compounds including InAlGaAs. And In particular, an object of the present invention is to provide a method capable of producing a group III-V compound semiconductor crystal having good quality while accurately controlling a carbon doping profile.

さらに、本発明のもう一つの目的は、前記III−V族化合物半導体結晶の製造方法を用いてIII−V族化合物半導体層を形成する、半導体デバイスの製造方法を提供することにある。   Furthermore, another object of the present invention is to provide a semiconductor device manufacturing method in which a III-V compound semiconductor layer is formed using the above-mentioned III-V compound semiconductor crystal manufacturing method.

上記目的を達成するために鋭意検討を重ねた結果、本発明者らは、InとAlを含有するIII−V族化合物半導体結晶において結晶品質を損なわずに炭素ドーピングを施すことに成功した。すなわち、本発明によれば、空孔型欠陥密度が小さく、組成分離を抑制した状態で、低酸素条件下での所望の炭素ドーピングを施したIII−V族化合物半導体結晶が得られる。   As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors succeeded in performing carbon doping in a III-V group compound semiconductor crystal containing In and Al without impairing the crystal quality. That is, according to the present invention, it is possible to obtain a III-V group compound semiconductor crystal subjected to desired carbon doping under low oxygen conditions in a state where the vacancy-type defect density is small and composition separation is suppressed.

本発明の目的は、InとAlとを含有するIII族原料、及びV族元素の水素化物を主成分とするV族原料を基板に供給し、該基板上にIII−V族化合物半導体結晶を成長させる際に、基板温度を560〜650℃に保持し、V/III比を25〜100とし、かつ炭素を含有するドーパントガスを前記基板に供給することを特徴とするIII−V族化合物半導体結晶の製造方法により達成される。   An object of the present invention is to supply a group III material containing In and Al and a group V material mainly composed of a hydride of a group V element to a substrate, and form a group III-V compound semiconductor crystal on the substrate. A III-V group compound semiconductor, characterized in that the substrate temperature is maintained at 560-650 ° C., the V / III ratio is 25-100, and a dopant gas containing carbon is supplied to the substrate during the growth. This is achieved by a crystal production method.

また、本発明の目的は、InとAlとを含有するIII族原料、及びV族元素の有機化合物を主成分とするV族原料を基板に供給し、該基板上にIII−V族化合物半導体結晶を成長させる際に、基板温度を560〜650℃に保持し、V/III比を10〜50とし、かつ炭素を含有するドーパントガスを前記基板に供給することを特徴とするIII−V族化合物半導体結晶の製造方法によっても達成できる。   Another object of the present invention is to supply a group III material containing In and Al and a group V material mainly composed of an organic compound of a group V element to a substrate, and a group III-V compound semiconductor on the substrate. When growing a crystal, a substrate temperature is maintained at 560 to 650 ° C., a V / III ratio is set to 10 to 50, and a dopant gas containing carbon is supplied to the substrate. This can also be achieved by a method for producing a compound semiconductor crystal.

本発明のIII−V族化合物半導体結晶の製造方法は、前記成長温度を585℃より高く、かつ650℃以下の温度に保持することが好ましい。   In the method for producing a group III-V compound semiconductor crystal of the present invention, the growth temperature is preferably maintained at a temperature higher than 585 ° C. and not higher than 650 ° C.

本発明のIII−V族化合物半導体結晶の製造方法は、前記基板上にIII−V族化合物半導体結晶を成長させる際に、前記III族原料及び前記V族原料を前記基板と格子整合させることができる。   In the method for producing a group III-V compound semiconductor crystal of the present invention, when the group III-V compound semiconductor crystal is grown on the substrate, the group III material and the group V material are lattice-matched with the substrate. it can.

本発明のIII−V族化合物半導体結晶の製造方法は、III−V族化合物半導体結晶の成長過程において、III−V族化合物半導体結晶の成長速度が0.2〜5μm/時であることが好ましい。   In the method for producing a III-V compound semiconductor crystal of the present invention, the growth rate of the III-V compound semiconductor crystal is preferably 0.2 to 5 μm / hour in the growth process of the III-V compound semiconductor crystal. .

本発明のIII−V族化合物半導体結晶の製造方法は、V族原料として少なくともAsを主要なV族元素とするV族原料を好ましく用いることができる。   In the method for producing a group III-V compound semiconductor crystal of the present invention, a group V material having at least As as a main group V element can be preferably used as the group V material.

また、本発明のIII−V族化合物半導体結晶の製造方法では、前記Asと、In、Al又はIn、Al、GaからなるInAlGaAs又はInAlAsをIII−V族化合物半導体結晶として好ましく用いることができる。   In the method for producing a III-V compound semiconductor crystal of the present invention, As and InAlGaAs or InAlAs composed of In, Al, In, Al, or Ga can be preferably used as the III-V compound semiconductor crystal.

また、本発明のIII−V族化合物半導体結晶の製造方法では、基板に供給するIII族原料として有機金属化合物を好ましく用いることができる。   Moreover, in the manufacturing method of the III-V group compound semiconductor crystal of this invention, an organometallic compound can be preferably used as a III group raw material supplied to a board | substrate.

また、本発明の半導体デバイスの製造方法では、前記III−V族化合物半導体結晶の製造方法を用いてIII−V族化合物半導体層を形成することができる。   In the method for producing a semiconductor device of the present invention, the III-V compound semiconductor layer can be formed using the method for producing a III-V compound semiconductor crystal.

本発明のIII−V族化合物半導体結晶の製造方法は、基板温度を560〜650℃に保持し、V/III比をV族元素の水素化物を用いる場合には25〜100、有機化合物を用いる場合には10〜50とした状態で炭素を含有するドーパントガスを基板に供給する。このため、本発明のIII−V族化合物半導体結晶の製造方法によれば、最適化された炭素ドープによるInAlAs層、InAlGaAs層などのIII−V族化合物半導体層を形成できるため、デバイス構造全体に亘って正確なドーピングプロファイルを実現できる。さらに本発明のIII−V族化合物半導体結晶の製造方法によれば、結晶性の劣化が生じないため、活性層近傍又は活性層を構成するIII−V族化合物半導体層の一部分にも使用できる。   The method for producing a III-V compound semiconductor crystal of the present invention uses an organic compound when the substrate temperature is maintained at 560 to 650 ° C. and the V / III ratio is 25 to 100 when a hydride of a V group element is used. In some cases, a dopant gas containing carbon is supplied to the substrate in a state of 10 to 50. For this reason, according to the III-V compound semiconductor crystal manufacturing method of the present invention, an optimized carbon-doped InAlAs layer, InAlGaAs layer, or other III-V compound semiconductor layer can be formed. An accurate doping profile can be realized. Furthermore, according to the method for producing a group III-V compound semiconductor crystal of the present invention, since the crystallinity is not deteriorated, it can be used in the vicinity of the active layer or a part of the group III-V compound semiconductor layer constituting the active layer.

本発明のIII−V族化合物半導体結晶の製造方法によれば、ドーピングフロントを活性層に近接させることによりキャリア走行時間を短縮できる。また、本発明のIII−V族化合物半導体結晶の製造方法によれば、活性層障壁部分のみに選択的にドーピングすることでフェルミ準位を制御することが可能である。さらに、本発明のIII−V族化合物半導体結晶の製造方法によれば、ヘテロ界面にドーピングすることにより、電気抵抗を低減でき、高発光特性を維持した状態で高速変調特性を実現できる。特に、本発明の製造方法によれば、結晶中の欠陥密度が小さく、かつ界面の平坦性を良好に保ったIII−V族化合物半導体層を提供できるため、活性層近傍に前記半導体層を配しても、特性の劣化を招かない。   According to the method for producing a group III-V compound semiconductor crystal of the present invention, the carrier traveling time can be shortened by bringing the doping front close to the active layer. Further, according to the method for producing a III-V group compound semiconductor crystal of the present invention, it is possible to control the Fermi level by selectively doping only the active layer barrier portion. Furthermore, according to the method for producing a group III-V compound semiconductor crystal of the present invention, by doping the heterointerface, electrical resistance can be reduced, and high-speed modulation characteristics can be realized while maintaining high light emission characteristics. In particular, according to the manufacturing method of the present invention, since a group III-V compound semiconductor layer having a low defect density in the crystal and maintaining good flatness of the interface can be provided, the semiconductor layer is arranged in the vicinity of the active layer. Even so, the characteristics are not deteriorated.

さらに、本発明の半導体デバイスの製造方法は、III−V族化合物半導体層を形成する工程において、本発明のIII−V族化合物半導体結晶の製造方法を用いる。これにより本発明の半導体デバイスの製造方法によれば、高速化、高出力化に対応可能な高発光特性を有する半導体デバイスを提供できる。   Furthermore, the manufacturing method of the semiconductor device of this invention uses the manufacturing method of the III-V group compound semiconductor crystal of this invention in the process of forming a III-V group compound semiconductor layer. Thereby, according to the manufacturing method of the semiconductor device of this invention, the semiconductor device which has the high light emission characteristic which can respond to high-speed and high output can be provided.

以下に、本発明のIII−V族化合物半導体結晶の製造方法及び該製造方法を用いたデバイスの製造方法について詳細に説明する。
なお、本明細書において「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。
Below, the manufacturing method of the III-V compound semiconductor crystal of this invention and the manufacturing method of the device using this manufacturing method are demonstrated in detail.
In the present specification, a numerical range represented by using “to” means a range including numerical values described before and after “to” as a lower limit value and an upper limit value.

[III−V族化合物半導体結晶の製造方法]
本発明のIII−V族化合物半導体結晶の製造方法は、InとAlとを含有するIII族原料、及びV族元素の水素化物を主成分とするV族原料を基板に供給し、該基板上にIII−V族化合物半導体結晶を成長させる。
本発明の製造方法で用いられるIII族原料は、少なくともInとAlをIII族元素として含有する材料系であれば特に制限はない。例えば、前記III族原料としては、トリメチルインジウム(TMIn)、トリメチルアルミニウム(TMAl)、トリメチルガリウム(TMGa)、トリエチルガリウム(TEGa)などの有機金属化合物を用いることができる。特にAlとGaの比が1:1以上であり、かつAlの含有量が多いIII族原料を用いることが好ましい。
[Method for Producing III-V Compound Semiconductor Crystal]
The method for producing a group III-V compound semiconductor crystal of the present invention supplies a group III material containing In and Al and a group V material mainly composed of a hydride of a group V element to the substrate. A III-V compound semiconductor crystal is grown.
The group III raw material used in the production method of the present invention is not particularly limited as long as it is a material system containing at least In and Al as group III elements. For example, organometallic compounds such as trimethylindium (TMIn), trimethylaluminum (TMAl), trimethylgallium (TMGa), and triethylgallium (TEGa) can be used as the group III material. In particular, it is preferable to use a group III raw material having a Al / Ga ratio of 1: 1 or more and a high Al content.

本発明の製造方法で用いられるV族原料は、V族元素の水素化物又は有機化合物を主成分とするV族原料であれば特に限定はない。V族原料としては、例えば、アルシン(AsH3)、ホスフィン(PH3)などの水素化物のほか、ターシャリーブチルアルシン(TBAs)、トリメチルアルシン(TMAs)、トリブチルホスフィン(TBP)、トリスジメチルアミノアルシン(TDMAAs)、トリスジメチルアミノホスフィン(TDMAP)などの有機化合物を用いることができ、中でもアルシン(As)、ターシャリーブチルアルシン(TBAs)、トリメチルアルシン(TMAs)などのAsを主要なV族元素とする原料を用いることが好ましい。 The group V raw material used in the production method of the present invention is not particularly limited as long as it is a group V raw material mainly containing a hydride of a group V element or an organic compound. The group V raw material, for example, arsine (AsH3), phosphine (PH 3) other hydrides, such as, tertiary butyl arsine (TBAs), trimethyl arsine (TMAs), tributylphosphine (TBP), tris dimethylamino arsine ( Organic compounds such as TDMAAs) and trisdimethylaminophosphine (TDMAP) can be used. Among them, As such as arsine (As), tertiary butylarsine (TBAs), and trimethylarsine (TMAs) is the main group V element. It is preferable to use raw materials.

本発明の製造方法で用いられる炭素を含有するドーパントガスは、特に限定されず、例えば、四臭化炭素(CBr4)、四塩化炭素(CCl4)、トリメチルアルシン(TMAs)などが挙げられる。環境への配慮及び制御のし易さから四臭化炭素(CBr4)を用いることが好ましい。 The dopant gas containing carbon used in the production method of the present invention is not particularly limited, and examples thereof include carbon tetrabromide (CBr 4 ), carbon tetrachloride (CCl 4 ), and trimethylarsine (TMAs). Carbon tetrabromide (CBr 4 ) is preferably used in consideration of the environment and ease of control.

炭素を含有するドーパントガスの添加量は、特に限定されないが、前記ガスの添加量を制御して炭素ドーピング濃度を変化させることもできる。例えば、四臭化炭素の場合、3μmol/minで1×1018cm-3の濃度が得られる。四臭化炭素を用いる場合、四臭化炭素は飽和の少ないドーパントであるから、添加量の範囲は広いがドーピング範囲を考えると下限は0.3μmol/min程度、上限は300μmol/minであることが好ましく、1〜100μmol/minであることがさらに好ましい。 The addition amount of the dopant gas containing carbon is not particularly limited, but the carbon doping concentration can be changed by controlling the addition amount of the gas. For example, in the case of carbon tetrabromide, a concentration of 1 × 10 18 cm −3 can be obtained at 3 μmol / min. When carbon tetrabromide is used, carbon tetrabromide is a dopant with little saturation, so the range of addition is wide, but considering the doping range, the lower limit is about 0.3 μmol / min, and the upper limit is 300 μmol / min. Is preferable, and it is more preferable that it is 1-100 micromol / min.

本発明の製造方法は、基板上にIII−V族化合物半導体結晶を成長させる際に、成長温度、すなわち基板の温度を560〜650℃に保持し、V族元素の水素化物をV族原料とする場合、V/III比を25〜100とし、V族元素の有機化合物の場合、V/III比を10〜50とする。本発明の製造方法は、前記成長温度及びV/III比の状態で炭素を含有するドーパントガスを基板に供給する。   In the production method of the present invention, when a group III-V compound semiconductor crystal is grown on a substrate, the growth temperature, that is, the temperature of the substrate is maintained at 560 to 650 ° C., and a hydride of a group V element is used as a group V raw material. In this case, the V / III ratio is set to 25 to 100, and in the case of an organic compound of a group V element, the V / III ratio is set to 10 to 50. The manufacturing method of the present invention supplies a dopant gas containing carbon to the substrate at the growth temperature and the V / III ratio.

従来の報告(前記非特許文献3)によれば、炭素ドープInAlAs化合物半導体結晶の成長条件は、成長温度が500℃であり、かつV/III比は200付近とされていた。しかしながら、本発明者らのその後の調査により、前記成長条件では組成分離が避けられず、空孔型欠陥密度も大きいことが分かった。そこで、本発明者らは、前記成長条件につき鋭意検討した結果、成長温度を560℃より高い温度において、炭素濃度を確保するために必要なV/III比と成長速度を調整すれば、酸素濃度の増加を抑えつつ、組成分離と空孔型欠陥密度の抑制を同時に達成でき、デバイス特性を向上できることを見出した。   According to a conventional report (Non-Patent Document 3), the growth condition of the carbon-doped InAlAs compound semiconductor crystal was a growth temperature of 500 ° C. and a V / III ratio of around 200. However, subsequent investigations by the present inventors have revealed that compositional separation is unavoidable under the above growth conditions, and the vacancy-type defect density is also large. Therefore, as a result of intensive studies on the growth conditions, the present inventors have determined that the oxygen concentration can be adjusted by adjusting the V / III ratio and the growth rate necessary for securing the carbon concentration at a growth temperature higher than 560 ° C. It has been found that the compositional separation and the suppression of the vacancy-type defect density can be achieved at the same time, and the device characteristics can be improved.

図1に、InAlAs化合物半導体結晶の成長温度を変化させた場合におけるInAlAs層の透過型電子顕微鏡(TEM)写真を示す。成長温度が618℃である場合(図1(A))にはInAlAs化合物半導体結晶が基板と格子整合し、均一で界面が平坦であることが分かる。なお、前記格子整合は、X線回折測定等により求められ、格子不整合率が1%以下、好ましくは0.7%以下、さらに好ましくは0.5%以下であることが適当である。また、成長温度が580℃の場合(図1(B)には、成長開始界面から約0.15μmのところでモホロジーが変化し、僅かに組成分離が生じているが、0.15μm以下の薄層である場合には、全体としては均一かつ平坦な界面であることが分かる。一方、成長温度が550℃の場合(図1(C))のように低温化すると、組成分離に対応する縦縞のコントラストが増大し、InAlAs面とInP面との界面における凹凸の高低差が大きくなっていることが分かる。   FIG. 1 shows a transmission electron microscope (TEM) photograph of the InAlAs layer when the growth temperature of the InAlAs compound semiconductor crystal is changed. When the growth temperature is 618 ° C. (FIG. 1A), it can be seen that the InAlAs compound semiconductor crystal is lattice-matched with the substrate, and is uniform and has a flat interface. The lattice matching is obtained by X-ray diffraction measurement or the like, and it is appropriate that the lattice mismatch rate is 1% or less, preferably 0.7% or less, more preferably 0.5% or less. When the growth temperature is 580 ° C. (FIG. 1B), the morphology changes slightly at about 0.15 μm from the growth start interface, and a slight compositional separation occurs, but a thin layer of 0.15 μm or less. When the growth temperature is 550 ° C. (FIG. 1C), the vertical stripes corresponding to the composition separation are observed. It can be seen that the contrast is increased and the height difference of the unevenness at the interface between the InAlAs surface and the InP surface is increased.

図2に、成長速度を変化させた場合の炭素ドープInAlAs化合物半導体結晶の製造工程における酸素濃度及び炭素濃度(縦軸)と成長速度(横軸)の関係を示す。ここではアルシン供給量を一定として、III族供給量を変化させて成長速度を調整した。図2に示すように、成長速度が遅いほど、炭素濃度が低下し、酸素濃度が上昇する傾向がある。これは、V族サイトに捕獲される元素が、酸素、ヒ素、炭素の順に取り込まれやすく、成長速度が遅い場合、この取り込まれやすさの違い(競合)が、より強調されるためと推測される。したがって、成長速度はある程度速い方が望ましいことが分かる。なお図1において、この材料系の表面が3次元化しやすいことを示したが、Inが含まれる材料系の場合、成長速度が速い方が3次元化しにくいことが報告されている(Journal of vacuum science and technology B19(4) (2001)p1550)。   FIG. 2 shows the relationship between the oxygen concentration and carbon concentration (vertical axis) and the growth rate (horizontal axis) in the manufacturing process of the carbon-doped InAlAs compound semiconductor crystal when the growth rate is changed. Here, the growth rate was adjusted by changing the group III supply amount while keeping the arsine supply amount constant. As shown in FIG. 2, the slower the growth rate, the lower the carbon concentration and the higher the oxygen concentration. This is presumed that the element captured at the group V site is easily incorporated in the order of oxygen, arsenic, and carbon, and that the difference (competition) in the incorporation is more emphasized when the growth rate is slow. The Therefore, it can be seen that it is desirable that the growth rate is somewhat high. 1 shows that the surface of this material system is likely to be three-dimensional. However, in the case of a material system containing In, it has been reported that a higher growth rate is less likely to be three-dimensional (Journal of vacuum science and technology B19 (4) (2001) p1550).

次に空孔型欠陥密度の程度を調査するために、580℃及び618℃で作製した炭素ドープInAlAs化合物半導体結晶の陽電子対消滅実験の結果を図3に示す。なお、キャリア濃度は炭素濃度とそれを補償する酸素濃度によって変化するが、炭素ドーパント供給量を調節して同一のキャリア濃度1×1018cm-3とした。また、成長温度が580℃及び618℃である炭素ドープInAlAsでは、低酸素濃度を達成するためのV/III比として、それぞれ75と40を採用した。 Next, in order to investigate the degree of vacancy-type defect density, the results of positron pair annihilation experiments of carbon-doped InAlAs compound semiconductor crystals produced at 580 ° C. and 618 ° C. are shown in FIG. The carrier concentration varies depending on the carbon concentration and the oxygen concentration to compensate for it, but the carbon carrier supply amount is adjusted to the same carrier concentration of 1 × 10 18 cm −3 . Further, in carbon-doped InAlAs having growth temperatures of 580 ° C. and 618 ° C., 75 and 40 were adopted as V / III ratios for achieving a low oxygen concentration, respectively.

陽電子対消滅実験では、マイナスの電荷を持つ空孔型欠陥が陽電子を捕獲しやすいことを利用して、欠陥密度を測定する手法であり、欠陥の密度は、陽電子の寿命(消滅速度)に反映される。陽電子の消滅割合をSパラメータと呼び、Sパラメータを用いて空孔型欠陥の導入量を測る指標とする。Sパラメータが大きいほど、陽電子の寿命が短く、空孔型欠陥密度が多いことが分かっている(Applied Physics Letters vol. 78 Mo. 1 (2001) p28:以下「文献A」という)。   Positron pair annihilation experiment is a technique to measure the defect density by taking advantage of the fact that negatively charged vacancy-type defects easily capture positrons, and the defect density is reflected in the positron lifetime (annihilation rate). Is done. The annihilation rate of positrons is called the S parameter, and it is used as an index for measuring the amount of introduced vacancy defects using the S parameter. It is known that the larger the S parameter, the shorter the positron lifetime and the higher the vacancy-type defect density (Applied Physics Letters vol. 78 Mo. 1 (2001) p28: hereinafter referred to as “Document A”).

図3に示すように、InAlAsの成長温度が580℃の場合、Sパラメータは0.53と大きく、成長温度が618℃以上の場合にはSパラメータが0.52と小さい。また、図3に示されていないが、成長温度が550℃以下の場合、Sパラメータがさらに増加して空孔型欠陥密度(点欠陥密度)も一層増加した。ここで、成長温度間のSパラメータの差は、小数点以下2桁目(10-2)の差であり、一見すると大差はないようにも見えるが、この程度の差で点欠陥密度の大小を比較評価できる(前記文献A参照)。Sパラメータの数値が0.01程度小さくなれば、空孔型欠陥密度がより小さく、より良好な品質の結晶が形成されることを示すことにほかならないからである。このような空孔型欠陥密度は非発光再結合中心になるため、デバイス特性の劣化要因となる。
以上の事実から560℃より低い低温成長では組成分離が生じ、それに伴い界面の凹凸が大きく、空孔型欠陥密度が増加することが判明した。
As shown in FIG. 3, when the growth temperature of InAlAs is 580 ° C., the S parameter is as large as 0.53, and when the growth temperature is 618 ° C. or higher, the S parameter is as small as 0.52. Although not shown in FIG. 3, when the growth temperature is 550 ° C. or lower, the S parameter is further increased, and the vacancy-type defect density (point defect density) is further increased. Here, the difference in the S parameter between the growth temperatures is the second decimal place (10 -2 ). At first glance, it seems that there is not much difference. Comparative evaluation is possible (see the above-mentioned document A). This is because if the numerical value of the S parameter is reduced by about 0.01, the vacancy-type defect density is lower and it means that crystals of better quality are formed. Such a vacancy-type defect density becomes a non-radiative recombination center, which causes deterioration of device characteristics.
From the above facts, it was found that composition separation occurred in low-temperature growth lower than 560 ° C., and as a result, the unevenness of the interface was large and the vacancy-type defect density increased.

上記の陽電子対消滅実験及びSパラメータの実験よりInAlAs化合物半導体結晶では組成分離が生じる臨界温度が560℃であることがはじめて判明した。また、低い成長速度で結晶成長すると、酸素濃度が増加し、炭素濃度が低下するという炭素ドーピングの観点から不利な現象が生じることも判明した。さらに、空孔型欠陥密度は560〜650℃の成長温度で有意差が認められ、例えば成長温度が618℃の場合には従来の亜鉛ドープと比較して良好な低い点欠陥密度が達成できることが判った。   From the above positron pair annihilation experiment and S parameter experiment, it was found for the first time that the critical temperature at which composition separation occurs in the InAlAs compound semiconductor crystal is 560 ° C. It has also been found that when a crystal is grown at a low growth rate, a disadvantageous phenomenon occurs from the viewpoint of carbon doping in which the oxygen concentration increases and the carbon concentration decreases. Furthermore, a significant difference is observed in the vacancy-type defect density at a growth temperature of 560 to 650 ° C. For example, when the growth temperature is 618 ° C., it is possible to achieve a favorable point defect density lower than that of conventional zinc doping. understood.

一方、低温では結晶成長時の元素のマイグレーション長が短くなるため、欠陥が生成されやすいことと、組成分離がある場合、局所的に歪みが集中するため、欠陥が増えることが予想される。そのため、組成分離が生じる臨界温度と、欠陥密度が増加し始める温度が一致していることはリーズナブルである。また、さらに成長温度が低温の550℃である場合における陽電子実験の結果を図示していないが、一層欠陥密度が大きくなることが判った。   On the other hand, since the element migration length during crystal growth becomes shorter at low temperatures, defects are likely to be generated, and when there is a composition separation, strains are concentrated locally, so defects are expected to increase. For this reason, it is reasonable that the critical temperature at which compositional separation occurs coincides with the temperature at which the defect density starts to increase. Further, although the results of the positron experiment when the growth temperature is a low temperature of 550 ° C. are not shown, it has been found that the defect density is further increased.

以上の知見から、InAlAs系化合物半導体結晶では、成長温度を少なくとも560℃以上の高い温度において組成分離及び空孔型欠陥密度の抑制を行うことが、良好なデバイス特性を得るために必要であることが初めて見出された。560℃付近では若干の組成分離は生じるが、それは少なくともInAlAs化合物半導体結晶の層厚が0.15μmより厚い場合であり、それより薄い場合には組成分離が生じないと考えられる。したがって、InAlAs化合物半導体結晶の成長温度は、560℃以上、好ましくは570℃、より好ましくは580℃、さらに好ましくは585℃を超える温度とすることが適当である。成長温度をさらに上昇した場合、厚膜化しても組成分離が生じる心配はない。空孔型欠陥密度が618℃で低減されることに鑑みれば、成長温度は600℃以上であることがよりに好ましく、610℃以上であることがさらに好ましいと考えられる。一方、成長温度は、高温では炭素の取り込みが阻害されることから、成長温度の上限は、少なくとも650℃であることが適当であり、炭素濃度を増加させる観点からは成長温度は630℃以下であることがさらに好ましい。   From the above knowledge, it is necessary for InAlAs-based compound semiconductor crystals to obtain good device characteristics by performing composition separation and suppression of vacancy-type defect density at a growth temperature of at least 560 ° C. or higher. Was found for the first time. Some compositional separation occurs at around 560 ° C., but this is at least when the layer thickness of the InAlAs compound semiconductor crystal is thicker than 0.15 μm, and it is considered that compositional separation does not occur when it is thinner than that. Therefore, the growth temperature of the InAlAs compound semiconductor crystal is suitably 560 ° C. or higher, preferably 570 ° C., more preferably 580 ° C., and even more preferably 585 ° C. When the growth temperature is further increased, there is no concern that composition separation will occur even if the film thickness is increased. In view of the fact that the vacancy-type defect density is reduced at 618 ° C., the growth temperature is more preferably 600 ° C. or higher, and further preferably 610 ° C. or higher. On the other hand, since the carbon uptake is inhibited at a high temperature, the upper limit of the growth temperature is suitably at least 650 ° C. From the viewpoint of increasing the carbon concentration, the growth temperature is 630 ° C. or lower. More preferably it is.

上記温度範囲におけるV/III比は、V族ガスにV族元素(好ましくはAs)を含有する水素化物を用いた場合において、炭素濃度を上げる観点から100以下であることが適当である。成長温度は、高温になるほど炭素濃度が減少するため、炭素濃度を確保する観点からV/III比は80以下であることが好ましい。またV/III比の下限値は、酸素濃度の増加を抑える観点から規定されるが、高温ほどアルシンの分解効率が向上するため、必要最小量は25以上であることが好ましく、さらに酸素濃度を低減する観点からは30以上であることがより好ましい。   The V / III ratio in the above temperature range is suitably 100 or less from the viewpoint of increasing the carbon concentration when a hydride containing a group V element (preferably As) is used for the group V gas. Since the carbon concentration decreases as the growth temperature increases, the V / III ratio is preferably 80 or less from the viewpoint of securing the carbon concentration. The lower limit of the V / III ratio is defined from the viewpoint of suppressing the increase in oxygen concentration. However, since the decomposition efficiency of arsine is improved at higher temperatures, the necessary minimum amount is preferably 25 or more, and the oxygen concentration is further reduced. From the viewpoint of reduction, it is more preferably 30 or more.

また、V/III比は、V族ガスにターシャリーブチルアルシン(TBA)、トリメチルヒ素(TMAs)などのAsを含む有機化合物を用いた場合、前記水素化物のV族原料を用いた場合と比較して分解効率が高いため、10〜50であることが好ましく、10〜40であることがより好ましく、10〜30であることがさらに好ましい。   The V / III ratio is compared with the case where an organic compound containing As such as tertiary butylarsine (TBA) or trimethylarsenic (TMAs) is used as the group V gas, compared with the case where the group V raw material of the hydride is used. And since decomposition efficiency is high, it is preferable that it is 10-50, it is more preferable that it is 10-40, and it is further more preferable that it is 10-30.

成長速度は、酸素濃度を下げ、かつ炭素濃度を上げる観点から、少なくとも0.2μm/h以上であることが適当であると考えられる。一方、成長速度の上限はインジウムに関する装置側の要請で決まることが多いが5μm/hであることが適当である。成長速度の下限は酸素の取り込み制御のし易さの観点から好ましくは0.2〜3μm/hであり、さらに好ましくは0.5〜3μm/hである。   It is considered appropriate that the growth rate is at least 0.2 μm / h or more from the viewpoint of lowering the oxygen concentration and raising the carbon concentration. On the other hand, the upper limit of the growth rate is often determined by the requirements of the apparatus regarding indium, but is suitably 5 μm / h. The lower limit of the growth rate is preferably 0.2 to 3 μm / h, more preferably 0.5 to 3 μm / h, from the viewpoint of easy control of oxygen uptake.

以上の説明では、InAlAs系化合物半導体結晶の例を挙げたが、本発明おいてIII−V族化合物半導体結晶は、In、Al、Asに加えて、他の元素、例えば、Ga、P、N、Sbなどを含有していてもよい。V族元素の構成が異なる場合には、InとAl、Cの結合エネルギーの比は同様であるため、V族元素の種類は何であってもよいが、As以外のV族元素は全V族元素中の50%以下にすることが望ましい。   In the above description, an example of an InAlAs-based compound semiconductor crystal has been given. In the present invention, a III-V group compound semiconductor crystal includes other elements such as Ga, P, and N in addition to In, Al, and As. , Sb and the like may be contained. When the composition of the group V element is different, the ratio of the bond energy of In, Al, and C is the same, so any kind of group V element can be used, but all group V elements other than As are all group V elements. It is desirable to make it 50% or less in the element.

本発明の製造方法において、基板上にIII−V族化合物半導体結晶を成長させる方法は、特に制限されず、各種の成長方法を用いることができる。例えば、有機金属化合物を使用する方法として、化学ビームエピタキシー法(CBE)、有機金属分子線エピタキシー法(MOMBE)などが挙げられるが、有機金属気相成長法(MOVPE)を用いることが最も望ましい。   In the production method of the present invention, the method for growing the III-V compound semiconductor crystal on the substrate is not particularly limited, and various growth methods can be used. For example, as a method using an organometallic compound, a chemical beam epitaxy method (CBE), a organometallic molecular beam epitaxy method (MOMBE), and the like can be given. It is most desirable to use a metal organic vapor phase epitaxy method (MOVPE).

[本発明の半導体デバイスの製造方法]
本発明の半導体デバイスの製造方法は、III−V族化合物半導体層を形成する工程において、前述した本発明のIII−V族化合物半導体結晶の製造方法を用いる。本発明の半導体デバイスの製造方法は、III−V族化合物半導体層を形成する工程において本発明のIII−V族化合物半導体結晶の製造方法を用いられるものであれば、その他の工程における原料、製造条件及び装置は一般的な半導体デバイスの製造方法で用いられる原料、条件及び装置をそのまま適用できる。
[Method of Manufacturing Semiconductor Device of the Present Invention]
The method for producing a semiconductor device of the present invention uses the aforementioned method for producing a group III-V compound semiconductor crystal of the present invention in the step of forming a group III-V compound semiconductor layer. If the manufacturing method of the semiconductor device of this invention uses the manufacturing method of the III-V group compound semiconductor crystal of this invention in the process of forming a III-V compound semiconductor layer, the raw material in other processes, manufacture The conditions, equipment, and materials used in general semiconductor device manufacturing methods, conditions, and equipment can be applied as they are.

以下に実施例を挙げて本発明の特徴をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することができる。したがって、本発明の範囲は以下に示す具体例により限定的に解釈されるべきものではない。   The features of the present invention will be described more specifically with reference to the following examples. The materials, amounts used, ratios, processing details, processing procedures, and the like shown in the following examples can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention. Therefore, the scope of the present invention should not be construed as being limited by the specific examples shown below.

実施例1
本実施例では、図4及び図5に示す構造を有するデバイスを製造した。なお、本明細書に添付した図面は、構造を把握しやすくするために敢えて寸法を変えている部分があるが、実際の寸法は以下の文中に記載されるとおりである。
Example 1
In this example, a device having the structure shown in FIGS. 4 and 5 was manufactured. In the drawings attached to the present specification, there are portions where the dimensions are intentionally changed in order to make the structure easy to grasp, but the actual dimensions are as described in the following text.

図4に示すように、n型InP基板10上に、MOVPE法を用いて以下のような半導体レーザ基板1を作製した。
厚さ500nmのn型InP層11、厚さ100nmのn型In0.52Al0.48As層12、厚さ80nmのIn0.52(AlxGa1-x)0.48As(0.74<x<1)下部傾斜屈折率(GRIN)層13、圧縮歪1.5%、バンドギャップ波長1.3μmの5周期の多重量子井戸層14(InAlGaAs)と、厚さ10nm、バンドギャップ波長1.0μmの障壁層15(InAlGaAs)とからなる活性層16、厚さ80nmのIn0.52(AlxGa1-x)0.48As(0.74<x<1)上部傾斜屈折率(GRIN)層17、厚さ100nmの炭素ドープIn0.52Al0.48As−SCH層18、厚さ50nmのp型InPスペーサー層19、厚さ10nm、バンドギャップ波長1.1μmのInGaAsPエッチストップ層20、厚さ1.5μmのp型InPアウタークラッド層21、厚さ200nmのp型In0.53Ga0.47Asコンタクト層22をこの順に積層した。
As shown in FIG. 4, the following semiconductor laser substrate 1 was fabricated on an n-type InP substrate 10 by using the MOVPE method.
N-type InP layer 11 having a thickness of 500 nm, n-type In 0.52 Al 0.48 As layer 12 having a thickness of 100 nm, In 0.52 (Al x Ga 1-x ) 0.48 As having a thickness of 80 nm (0.74 <x <1) Rate (GRIN) layer 13, five-period multiple quantum well layer 14 (InAlGaAs) having a compression strain of 1.5% and a band gap wavelength of 1.3 μm, and a barrier layer 15 having a thickness of 10 nm and a band gap wavelength of 1.0 μm (InAlGaAs) Active layer 16 having a thickness of 80 nm, In 0.52 (Al x Ga 1-x ) 0.48 As (0.74 <x <1) upper gradient refractive index (GRIN) layer 17, 100 nm thick carbon-doped In 0.52 Al 0.48 As-SCH layer 18, p-type InP spacer layer 19 having a thickness of 50 nm, a thickness of 10 nm, InGaAsP etch stop layer 20 of bandgap wavelength 1.1 .mu.m, a thickness of 1.5 [mu] m p-type InP Utakuraddo layer 21 was laminated a p-type In 0.53 Ga 0.47 As contact layer 22 having a thickness of 200nm in this order.

炭素ドープ層を作製する際には、原料としてTMIn、TMAl、TMGa、AsH3、H2、CBr4の混合ガスを用いた。成長温度は、618℃及び580℃とした。また成長速度は、全て1μm/hとし、キャリア濃度はドーパント供給量を調節してキャリア濃度が1X1018cm-3となるように、活性層に近いp型InAlAs−SCH層18へ炭素ドーピングした。 When producing the carbon doped layer, a mixed gas of TMIn, TMAl, TMGa, AsH 3 , H 2 , and CBr 4 was used as a raw material. The growth temperature was 618 ° C. and 580 ° C. The growth rate was all 1 μm / h, and the carrier concentration was carbon-doped into the p-type InAlAs-SCH layer 18 close to the active layer so that the carrier concentration was 1 × 10 18 cm −3 by adjusting the dopant supply amount.

上記のような炭素ドープInAlGaAs系半導体レーザ基板1を形成した後に、以下に示すようなプロセスを経て、図5に示すようなInAlGaAs系半導体レーザ素子A(成長温度618℃)及び素子B(成長温度580℃)を作製した。まず、幅12μm、ピッチ300μm程度のストライプ状のフォトレジストマスクを積層構造上に形成し、それをマスクとしてウェットエッチングを行い、リッジ25を形成した。ウェットエッチングの際に、p型InGaAsコンタクト層22には燐酸と過酸化水素の混合水溶液、p型InPアウタークラッド層21には塩酸の希釈水溶液を用いた。これによって、エッチングをInGaAsPエッチストップ層20で停止させることができ、制御性が向上した。その後、フォトレジストを剥離して、全面にの絶縁膜としてSi34誘電体膜26を形成した。さらに、Si34誘電体膜26のメサ上面部分にストライプ上に選択的にコンタクトホール27を開け、p型電極28を形成した。基板側は100μm程度の薄さにまで研磨して、n型電極29を形成した。このようなプロセスを経た後に、キャビティー長1000μm程度のレーザチップを切り出し、光出力を得る端面と反対側のファセット面に反射率94%の誘電体多層膜を形成して半導体レーザを完成させた。 After the carbon-doped InAlGaAs semiconductor laser substrate 1 is formed as described above, an InAlGaAs semiconductor laser element A (growth temperature 618 ° C.) and an element B (growth temperature) as shown in FIG. 580 ° C.). First, a striped photoresist mask having a width of about 12 μm and a pitch of about 300 μm was formed on the laminated structure, and wet etching was performed using the photoresist mask as a mask to form the ridge 25. During the wet etching, a mixed aqueous solution of phosphoric acid and hydrogen peroxide was used for the p-type InGaAs contact layer 22, and a diluted aqueous solution of hydrochloric acid was used for the p-type InP outer cladding layer 21. As a result, the etching can be stopped at the InGaAsP etch stop layer 20 and the controllability is improved. Thereafter, the photoresist was peeled off to form a Si 3 N 4 dielectric film 26 as an insulating film on the entire surface. Further, a contact hole 27 was selectively opened on the stripe on the mesa upper surface portion of the Si 3 N 4 dielectric film 26 to form a p-type electrode 28. The substrate side was polished to a thickness of about 100 μm to form an n-type electrode 29. After such a process, a laser chip having a cavity length of about 1000 μm was cut out, and a dielectric multilayer film having a reflectivity of 94% was formed on the facet surface opposite to the end face from which light output was obtained, thereby completing a semiconductor laser. .

比較例1
成長速度を550℃とした以外は、実施例1と同様の方法及び条件で素子Cを作製した。
Comparative Example 1
A device C was produced by the same method and conditions as in Example 1 except that the growth rate was 550 ° C.

上記のようにして作製した素子A〜Cのパルス駆動による電流−光出力特性を図6に示す。発振閾値密度については、素子間の差は小さく、1.6kA/cm2程度であったが、最大光出力については素子間で大きく異なっていた。すなわち、図6に示すように、素子A及びBは最大光出力として150mW以上が得られ、中でも素子Aについては良好な特性が得られた。これに対し、素子Cはわずか36mW程度で熱飽和し、それ以上高い光出力は得られなかった。この結果は、InAlAsの結晶特性を反映しているものと考えられ、組成分離の有無や空孔型欠陥密度の変化と整合するものと考えられる。 FIG. 6 shows current-light output characteristics by pulse driving of the elements A to C manufactured as described above. Regarding the oscillation threshold density, the difference between the elements was small and was about 1.6 kA / cm 2 , but the maximum light output was greatly different between the elements. That is, as shown in FIG. 6, the devices A and B have a maximum light output of 150 mW or more, and the device A has good characteristics. On the other hand, the element C was thermally saturated at only about 36 mW, and a higher light output could not be obtained. This result is considered to reflect the crystal characteristics of InAlAs, and is considered to be consistent with the presence or absence of compositional separation and the change in vacancy-type defect density.

また、本実施例ではInP基板上のInAlAsを採用したが、In、Al、As以外の元素を含んだ化合物半導体にも本発明は効果がある。例えばIII族としてGaを、V族としてNやPを含ませることもできるが、As以外のV族元素は全V族元素中の50%以下にすることが望ましい。   In this embodiment, InAlAs on an InP substrate is used. However, the present invention is also effective for a compound semiconductor containing elements other than In, Al, and As. For example, Ga can be included as Group III, and N or P can be included as Group V, but it is desirable that the Group V elements other than As be 50% or less of all the Group V elements.

本発明のIII−V族化合物半導体結晶の製造方法は、炭素ドーピングプロファイルを正確に制御しながら、良好な品質を有するIII−V族化合物半導体結晶の製造方法として利用できる。また、本発明の半導体デバイスの製造方法は、高速化、高出力化に対応可能な高発光特性を有する半導体デバイスの製造方法として利用できる。   The method for producing a group III-V compound semiconductor crystal of the present invention can be used as a method for producing a group III-V compound semiconductor crystal having good quality while accurately controlling the carbon doping profile. In addition, the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention can be used as a method for manufacturing a semiconductor device having high light emission characteristics that can cope with high speed and high output.

本発明の製造方法で製造される炭素ドープInAlGaAs化合物半導体結晶は、半導体レーザの層構成として用いた場合、デバイス特性の向上に寄与するが、炭素ドープInAlAs化合物半導体結晶で形成された層はバンド構造の特徴からヘテロバイポーラトランジスタなどの電子デバイスとしての利用に有望とされている。この化合物半導体結晶で形成された層を有する電子デバイスとして、例えばヘテロバイポーラトランジスタ(HBT)、電界効果型トランジスタ(FET)、高電子移動度トランジスタ(HEMT)などが挙げられる。この場合にも拡散係数の小さい炭素ドーピングで、組成分離を抑制することによりドーピングプロファイルが精密に制御できるのみならず、良好な結晶性を反映して、ホールの移動度の高いドーピングが可能となるため、デバイス特性の向上に寄与する。   The carbon-doped InAlGaAs compound semiconductor crystal produced by the production method of the present invention contributes to improvement of device characteristics when used as a semiconductor laser layer structure, but the layer formed of the carbon-doped InAlAs compound semiconductor crystal has a band structure. Therefore, it is expected to be used as an electronic device such as a heterobipolar transistor. Examples of the electronic device having a layer formed of the compound semiconductor crystal include a hetero bipolar transistor (HBT), a field effect transistor (FET), and a high electron mobility transistor (HEMT). In this case as well, carbon doping with a small diffusion coefficient can not only precisely control the doping profile by suppressing composition separation, but also allows doping with high hole mobility reflecting good crystallinity. Therefore, it contributes to the improvement of device characteristics.

成長温度が618℃(A)、580℃(B)、550℃(C)である場合におけるInAlAs化合物半導体結晶で形成された層の透過電子顕微鏡(TEM)写真である。It is a transmission electron microscope (TEM) photograph of the layer formed with the InAlAs compound semiconductor crystal in case growth temperature is 618 degreeC (A), 580 degreeC (B), and 550 degreeC (C). 成長速度を変化させた場合における炭素ドープInAlAs層中の炭素濃度と残留酸素濃度を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the carbon concentration and residual oxygen concentration in a carbon dope InAlAs layer when changing a growth rate. 成長温度が580℃及び618℃である場合におけるInAlAs化合物半導体結晶で形成された層について陽電子対消滅実験により得られたSパラメータの深さ依存性を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the depth dependence of the S parameter obtained by the positron pair annihilation experiment about the layer formed with the InAlAs compound semiconductor crystal in case growth temperature is 580 degreeC and 618 degreeC. InAlGaAs系半導体レーザ構造の屈折率のプロファイルを示す図である。It is a figure which shows the profile of the refractive index of an InAlGaAs type | system | group semiconductor laser structure. InAlGaAs系半導体レーザ構造の断面該略図である。1 is a schematic cross-sectional view of an InAlGaAs-based semiconductor laser structure. InAlAs化合物半導体層の成長温度を変化させた場合におけるInAlGaAs系半導体レーザの電流−光出力特性を示す図である。It is a figure which shows the electric current-light output characteristic of the InAlGaAs type | system | group semiconductor laser in the case of changing the growth temperature of an InAlAs compound semiconductor layer.

符号の説明Explanation of symbols

1 炭素ドープInAlGaAs系半導体レーザ基板
10 n型InP基板
11 n型InP層
12 n型In0.52Al0.48As層
13 In0.52(AlxGa1-x)0.48As(0.74<x<1)下部傾斜屈折率(GRIN)層
14 5周期の多重量子井戸層
15 障壁層
16 活性層
17 In0.52(AlxGa1-x)0.48As(0.74<x<1)上部傾斜屈折率(GRIN)層
18 p型In0.52Al0.48As−SCH層
19 p型InPスペーサー層
20 InGaAsPエッチングストップ層
21 p型InPアウタークラッド層
22 p型In0.53Ga0.47Asコンタクト層
25 リッジ
26 Si34誘電体膜
27 コンタクトホール
28 p型電極
29 n型電極
1 Carbon-doped InAlGaAs semiconductor laser substrate 10 n-type InP substrate 11 n-type InP layer 12 n-type In 0.52 Al 0.48 As layer 13 In 0.52 (Al x Ga 1-x ) 0.48 As (0.74 <x <1) Index (GRIN) layer 14 5-period multiple quantum well layer 15 barrier layer 16 active layer 17 In 0.52 (Al x Ga 1 -x ) 0.48 As (0.74 <x <1) upper graded refractive index (GRIN) layer 18 p-type In 0.52 Al 0.48 As-SCH layer 19 p-type InP spacer layer 20 InGaAsP etching stop layer 21 p-type InP outer cladding layer 22 p-type In 0.53 Ga 0.47 As contact layer 25 ridge 26 Si 3 N 4 dielectric film 27 contact hole 28 p-type electrode 29 n-type electrode

Claims (9)

InとAlとを含有するIII族原料、及びV族元素の水素化物を主成分とするV族原料を基板に供給し、該基板上にIII−V族化合物半導体結晶を成長させる際に、成長温度を560〜650℃に保持し、III族原料のモル供給量に対するV族原料のモル供給量の比率を25〜100とし、かつ炭素を含有するドーパントガスを前記基板に供給することを特徴とするIII−V族化合物半導体結晶の製造方法。 When a group III source material containing In and Al and a group V source mainly composed of a hydride of a group V element are supplied to a substrate, and a group III-V compound semiconductor crystal is grown on the substrate, it grows. The temperature is maintained at 560 to 650 ° C., the ratio of the molar supply amount of the group V raw material to the molar supply amount of the group III raw material is 25 to 100, and a dopant gas containing carbon is supplied to the substrate. A method for producing a III-V compound semiconductor crystal. InとAlとを含有するIII族原料、及びV族元素の有機化合物を主成分とするV族原料を基板に供給し、該基板上にIII−V族化合物半導体結晶を成長させる際に、成長温度を560〜650℃に保持し、III族原料のモル供給量に対するV族原料のモル供給量の比率を10〜50とし、かつ炭素を含有するドーパントガスを前記基板に供給することを特徴とするIII−V族化合物半導体結晶の製造方法。 When a group III material containing In and Al and a group V material mainly composed of an organic compound of a group V element are supplied to a substrate, and a group III-V compound semiconductor crystal is grown on the substrate, the growth is performed. The temperature is maintained at 560 to 650 ° C., the ratio of the molar supply amount of the group V raw material to the molar supply amount of the group III raw material is 10 to 50, and a dopant gas containing carbon is supplied to the substrate. A method for producing a III-V compound semiconductor crystal. 前記成長温度を585℃より高く、かつ650℃以下の温度に保持する請求項1又は2に記載のIII−V族化合物半導体結晶の製造方法。 The method for producing a III-V group compound semiconductor crystal according to claim 1 or 2, wherein the growth temperature is maintained at a temperature higher than 585 ° C and not higher than 650 ° C. 前記基板上にIII−V族化合物半導体結晶を成長させる際に、前記III族原料及び前記V族原料を前記基板と格子整合させる請求項1〜3のいずれか一項に記載のIII−V族化合物半導体結晶の製造方法。 The group III-V according to any one of claims 1 to 3, wherein when the group III-V compound semiconductor crystal is grown on the substrate, the group III material and the group V material are lattice-matched with the substrate. A method for producing a compound semiconductor crystal. 前記III−V族化合物半導体結晶の成長速度が0.2〜5μm/hである請求項1〜4のいずれか一項に記載のIII−V族化合物半導体結晶の製造方法。 The growth rate of the said III-V group compound semiconductor crystal is 0.2-5 micrometers / h, The manufacturing method of the III-V group compound semiconductor crystal as described in any one of Claims 1-4. 前記V族原料として少なくともAsを主要なV族元素とする原料を用いる請求項1〜5のいずれか一項に記載のIII−V族化合物半導体結晶の製造方法。 The method for producing a III-V compound semiconductor crystal according to any one of claims 1 to 5, wherein a raw material containing at least As as a main group V element is used as the group V raw material. 前記III−V族化合物半導体結晶がInAlGaAs化合物半導体結晶又はInAlAs化合物半導体結晶である請求項1〜6のいずれか一項に記載のIII−V族化合物半導体結晶の製造方法。 The method for producing a group III-V compound semiconductor crystal according to any one of claims 1 to 6, wherein the group III-V compound semiconductor crystal is an InAlGaAs compound semiconductor crystal or an InAlAs compound semiconductor crystal. 前記III族原料として有機金属化合物を用いる請求項1〜7のいずれか一項に記載のIII−V族化合物半導体結晶の製造方法。 The method for producing a group III-V compound semiconductor crystal according to any one of claims 1 to 7, wherein an organometallic compound is used as the group III raw material. 請求項1〜8のいずれか一項に記載のIII−V族化合物半導体結晶の製造方法を用いてIII−V族化合物半導体層を形成することを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising forming a group III-V compound semiconductor layer using the method for manufacturing a group III-V compound semiconductor crystal according to claim 1.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2008211141A (en) * 2007-02-28 2008-09-11 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Semiconductor device and optical semiconductor module
JP2010072495A (en) * 2008-09-19 2010-04-02 Opnext Japan Inc Coaxial type semiconductor optical module
JP2015096461A (en) * 2008-04-23 2015-05-21 国立研究開発法人産業技術総合研究所 Method of producing nanoparticles and nanoparticles produced thereby

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