JP2008078578A - Semiconductor device, compound semiconductor substrate, and method for manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a compound semiconductor substrate exhibiting broader physical properties that cannot be obtained by only a thermodynamically stable material system using a combination of a metastable material system and the thermodynamically stable high quality-crystal. <P>SOLUTION: The system is provided with a first conductive type clad layer 12, a first conductive type light guide layer 13, an active layer 16 having a light emitting layer 14 consisting of the metastable material system crystal, a second conductive type light guide layer 17, and a second conductive type cladding layer 21 each formed of chemical semiconductor layer are sequentially laminated on a substrate 11, and a bonding layer 18 to which a bonded surface 18a that divides an upper/lower layer formed in a non-light emitting region 20 between an upper surface of the light emitting layer 14 positioned at the uppermost side inside the active layer 16 and a lower surface of the second conductive type cladding layer 17 or between a lower surface of the light emitting layer 14 positioned at the lowermost side inside the active layer 16 and an upper surface of the first conductive type cladding layer 12 is bonded through a quantum dot 19 that does not continue in the inplane direction. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、メタステーブル材料系を含む化合物半導体基板とその製造方法、特に、温度または歪によってメタステーブル材料系をヘテロ接合した化合物半導体基板とその製造方法に関するものである。また、その化合物半導体基板を用いて製造した半導体装置にも関するものである。   The present invention relates to a compound semiconductor substrate including a metastable material system and a manufacturing method thereof, and more particularly to a compound semiconductor substrate in which a metastable material system is heterojunctioned by temperature or strain and a manufacturing method thereof. The present invention also relates to a semiconductor device manufactured using the compound semiconductor substrate.

半導体デバイスに新しい材料系を適用して、従来にないまたは従来実現できなかった特性を実現する試みが進められている。たとえば、InAs系量子ドットをGaAs基板上に形成してレーザの活性層に適用するようなことが試みられている。また、GaAs基板上にGaInNAs系材料を形成することや、GaN基板上に高In組成のGaInNを形成して、緑色や赤色のレーザを実現することなども試みられている。これらの活性層を形成する材料は、基板と積層領域との格子不整が大きかったり、不混和領域の組成の材料であったりする熱力学的には不安定なメタステーブル材料系であり、加熱することでその特性が大きく変化してしまう。しかし、従来、実用に供されていた材料系とは物性が大きく異なるために、従来できなかった特性の光半導体デバイスや電子デバイスを実現できる可能性があり、このような構造の化合物半導体基板と、この化合物半導体基板を利用した半導体装置が求められている。   Attempts are being made to apply new material systems to semiconductor devices to achieve unprecedented or unfeasible characteristics. For example, attempts have been made to form InAs-based quantum dots on a GaAs substrate and apply them to the active layer of a laser. Attempts have also been made to form a GaInNAs-based material on a GaAs substrate or to form a green or red laser by forming GaInN having a high In composition on a GaN substrate. The material forming these active layers is a thermodynamically unstable metastable material system in which the lattice mismatch between the substrate and the laminated region is large or the material of the composition of the immiscible region is heated. This greatly changes the characteristics. However, since the physical properties are significantly different from the material systems that have been put to practical use, there is a possibility that an optical semiconductor device or an electronic device having characteristics that could not be achieved before can be realized. Therefore, there is a demand for a semiconductor device using this compound semiconductor substrate.

このようなメタステーブル材料系を利用した半導体デバイスを形成する場合に、二つの構成上の特性がある。その第1の特性は、ヘテロ接合を利用して半導体デバイスを構成する場合に、メタステーブル材料系の周辺の半導体の形成温度は高いことが望ましいことである。メタステーブル材料系は熱力学的には不混和の材料系を低温で均一に混ぜて形成するものであり、この温度域では材料結晶を構成する元素の結晶表面での移動度が抑制され、このような温度域で形成された結晶は結晶性が不完全となる。この結晶性が不完全なメタステーブル材料に隣接してまたは共存させて使用する材料系は同様の温度で形成されなければならず、結晶全体の特性が不完全になり、半導体デバイスとして十分な特性を得ることができない。   In forming a semiconductor device using such a metastable material system, there are two structural characteristics. The first characteristic is that when a semiconductor device is configured using a heterojunction, it is desirable that the formation temperature of the semiconductor around the metastable material system be high. The metastable material system is formed by uniformly mixing a thermodynamically immiscible material system at a low temperature. In this temperature range, the mobility of elements constituting the material crystal on the crystal surface is suppressed. Crystals formed in such a temperature range have incomplete crystallinity. The material system used adjacent to or coexisting with the metastable material having incomplete crystallinity must be formed at the same temperature, resulting in incomplete characteristics of the entire crystal and sufficient characteristics as a semiconductor device. Can't get.

また、第2の特性は、結晶表面に格子不整の大きな材料系を形成するメタステーブル材料系の場合、形成段階では、結晶の上側は空間的に開放されているために材料の下側だけに歪を受けるが、結晶中に埋め込まれると3次元的に歪が加えられるようになるため、メタステーブル材料系の受ける歪量が、結晶形成段階よりも増大する点にある。さらに、メタステーブル材料系の形成温度と、メタステーブル材料系上に形成する材料(周辺材料)の形成温度が異なる場合、メタステーブル材料系と周辺材料の熱膨張係数の差に伴い、メタステーブル材料系が形成された段階よりも大きな歪を受ける場合もある。   The second characteristic is that, in the case of a metastable material system that forms a material system with large lattice irregularities on the crystal surface, the upper side of the crystal is spatially open at the formation stage, so that it is only on the lower side of the material. Although it is strained, strain is applied three-dimensionally when it is embedded in the crystal, so that the amount of strain received by the metastable material system is larger than that in the crystal formation stage. In addition, when the formation temperature of the metastable material system and the formation temperature of the material (peripheral material) formed on the metastable material system are different, the metastable material may differ depending on the difference in thermal expansion coefficient between the metastable material system and the peripheral material. In some cases, the strain may be larger than when the system was formed.

ところで、従来、半導体装置の製造において、異種材料を接合するためにウェハの接合を行うことが多く行われている(たとえば、特許文献1参照)。この特許文献1には、発光波長に対して不透明な第1の基板に発光層を含む半導体層を順に形成した後、発光波長に対して透明な第2の基板を貼り合わせ、第1の基板を所定の形状に除去した構造の発光ダイオードの製造方法が開示されている。これは、内部発光効率を低下させることなく外部出射効率を向上させ、十分な強度を有する発光ダイオードを得るために、発光波長に対して不透明な第1の基板に発光層を形成した後、発光波長に対して透明な第2の基板と貼り合わせるようにしたものである。しかし、この特許文献1は、メタステーブル材料の両側に高温でしか形成できない材料とのヘテロ接合を形成するというものではない。   Conventionally, in the manufacture of semiconductor devices, wafers are often joined to join dissimilar materials (see, for example, Patent Document 1). In Patent Document 1, a semiconductor layer including a light emitting layer is sequentially formed on a first substrate that is opaque with respect to the emission wavelength, and then a second substrate that is transparent with respect to the emission wavelength is bonded to the first substrate. A method of manufacturing a light emitting diode having a structure in which is removed in a predetermined shape is disclosed. In order to improve the external emission efficiency without reducing the internal light emission efficiency and to obtain a light emitting diode having sufficient intensity, the light emission layer is formed on the first substrate opaque to the light emission wavelength, and then the light emission A second substrate transparent to the wavelength is attached. However, this patent document 1 does not form a heterojunction with a material that can be formed only at high temperatures on both sides of a metastable material.

特許第3230638号公報Japanese Patent No. 3230638

以上のように、熱力学的には不混和領域にあったり、格子不整が大きかったりする熱力学的にメタステーブル状態にある材料系の場合には、低温で形成した状態を何らかの方法で維持する必要があったり、格子不整の大きな材料を埋め込むうちに歪量の増大を抑える必要があったりする。このような結晶では、そのメタステーブル材料系を形成後に、さらに埋め込み領域の結晶を成長させたり、その際に埋め込み領域を形成するために必要な温度までプロセス温度を上げたりすると、スピノーダル分解を起こしたり、塑性変形による歪緩和を起こしたりして、結晶性の低下を招いてしまう。   As described above, in the case of a thermodynamically metastable material system that is in a thermodynamically immiscible region or has a large lattice irregularity, the state formed at a low temperature is maintained by some method. It is necessary to suppress the increase in the amount of strain while embedding a material having a large lattice irregularity. In such a crystal, after forming the metastable material system, if the crystal of the buried region is further grown, or if the process temperature is raised to a temperature necessary for forming the buried region at that time, spinodal decomposition occurs. Or cause strain relaxation due to plastic deformation, leading to a decrease in crystallinity.

このような問題を回避するために、メタステーブル材料系を形成した後は大きく温度を上げずに埋め込み層を形成し、埋め込み層形成後に短時間のアニールを行ったり、メタステーブル材料系からなる層(以下、メタステーブル層という)の形成後に積層する層として低温で形成できる材料を用いたり、メタステーブル層形成後の層の厚さを薄くして、メタステーブル層に加わる歪量を抑制したりしている。   In order to avoid such a problem, after forming the metastable material system, a buried layer is formed without greatly increasing the temperature, and after the buried layer is formed, annealing is performed for a short time, or a layer made of the metastable material system is used. Use a material that can be formed at a low temperature as a layer to be layered after formation (hereinafter referred to as a metastable layer), or reduce the thickness of the layer after forming the metastable layer to suppress the amount of strain applied to the metastable layer. is doing.

しかし、メタステーブル層形成後に低温で埋め込み層を形成してアニールを行っても完全に結晶性を回復することはできず、特にアンイテンショナルに添加された不純物の量を抑制することはできないという問題点があった。また、メタステーブル層形成後に低温で形成できる材料のみを堆積してデバイスを構成した場合、デバイス構造を自由に設計することができず十分なデバイス特性を得ることができないという問題点もあった。さらに、メタステーブル層形成後に堆積する層の厚さを薄くした場合にもデバイス設計に制約が加わり、十分な特性を実現することは難しいという問題点もあった。   However, even if the buried layer is formed at a low temperature after the metastable layer is formed and annealed, the crystallinity cannot be completely recovered, and in particular, the amount of impurities added unevenly cannot be suppressed. There was a problem. Further, when a device is configured by depositing only a material that can be formed at a low temperature after the metastable layer is formed, there is a problem that a device structure cannot be freely designed and sufficient device characteristics cannot be obtained. Furthermore, when the thickness of the layer deposited after forming the metastable layer is reduced, there is a problem that it is difficult to realize sufficient characteristics due to restrictions on device design.

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、メタステーブル材料系の形成後に、メタステーブル材料系の特性を大きく変化させずにメタステーブル材料系を挟んだ両側に高品質の結晶を自由に形成した構造を有する化合物半導体基板とその製造方法を提供することを目的とする。また、この化合物半導体基板を利用した半導体装置を提供することも目的とする。   The present invention has been made in view of the above, and after forming the metastable material system, high-quality crystals can be freely formed on both sides of the metastable material system without greatly changing the characteristics of the metastable material system. An object of the present invention is to provide a compound semiconductor substrate having a structure formed in (1) and a method for manufacturing the same. It is another object of the present invention to provide a semiconductor device using the compound semiconductor substrate.

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、基板上に、それぞれ化合物半導体によって形成される、第1導電型クラッド層、第1導電型光ガイド層、メタステーブル材料系結晶からなる発光層を有する活性層、第2導電型光ガイド層、および第2導電型クラッド層が順に積層された構造を有し、前記活性層内の最も上側に位置する発光層の上面と前記第2導電型クラッド層の下面との間、または前記活性層内の最も下側に位置する発光層の下面と前記第1導電型クラッド層の上面との間の非発光領域に形成される上下の層を分割する接合面が、面内方向に連続しない化合物半導体からなるドット状突起物を介して接合された接合層を備える化合物半導体基板と、前記第1導電型クラッド層に第1導電型のキャリアを供給し、第2導電型クラッド層に第2導電型のキャリアを供給する第1および第2の電極と、を備えることを特徴とする。   In order to solve the above-described problems and achieve the object, the present invention provides a first conductivity type cladding layer, a first conductivity type light guide layer, and a metastable material-based crystal, each formed on a substrate by a compound semiconductor. An active layer having a light emitting layer, a second conductivity type light guide layer, and a second conductivity type clad layer are laminated in order, and the upper surface of the light emitting layer located on the uppermost side in the active layer, Upper and lower portions formed in a non-light emitting region between the lower surface of the second conductivity type cladding layer or between the lower surface of the light emitting layer located at the lowest side in the active layer and the upper surface of the first conductivity type cladding layer A compound semiconductor substrate provided with a bonding layer bonded via a dot-shaped protrusion made of a compound semiconductor whose bonding surface is divided in the in-plane direction, and a first conductivity type on the first conductivity type cladding layer Supply the carrier and the second Conductivity type cladding layer on the second conductivity type first and second electrode for supplying carriers, characterized in that it comprises a.

また、本発明は、基板上に、それぞれ化合物半導体層によって形成される、第1導電型クラッド層、第1導電型光ガイド層、メタステーブル材料系結晶からなる発光層を有する活性層、第2導電型光ガイド層、および第2導電型クラッド層が順に積層された構造を有し、前記活性層内の最も上側に位置する発光層の上面と前記第2導電型クラッド層の下面との間、または前記活性層内の最も下側に位置する発光層の下面と前記第1導電型クラッド層の上面との間の非発光領域に形成される上下の層を分割する接合面が、面内方向に連続しない化合物半導体からなるドット状突起物を介して接合された接合層を備えることを特徴とする。   The present invention also provides a first conductive type cladding layer, a first conductive type light guide layer, and an active layer having a light emitting layer made of a metastable material-based crystal, each of which is formed of a compound semiconductor layer on a substrate, A conductive light guide layer and a second conductive clad layer are sequentially stacked, and between the upper surface of the uppermost light emitting layer in the active layer and the lower surface of the second conductive clad layer Or a bonding surface that divides the upper and lower layers formed in the non-light-emitting region between the lower surface of the light emitting layer located at the lowest side in the active layer and the upper surface of the first conductivity type cladding layer is in-plane It is characterized by comprising a bonding layer bonded through dot-shaped projections made of a compound semiconductor that is not continuous in the direction.

さらに、本発明は、第1の基板上に、それぞれ化合物半導体からなる第1導電型クラッド層、第1導電型光ガイド層を、前記化合物半導体が結晶成長する第1の温度で形成する第1の工程と、前記第1導電型光ガイド層上に、それぞれ化合物半導体からなるメタステーブル材料系結晶からなる発光層を含む活性層、下部第2導電型光ガイド層、面内方向に連続しないドット状突起物を、前記発光層がメタステーブルな状態を保つ範囲の、前記第1の温度よりも低い第2の温度で形成する第2の工程と、第2の基板上に、それぞれ化合物半導体からなる第2導電型クラッド層、上部第2導電型光ガイド層を、前記第2の温度よりも高い第3の温度で形成する第3の工程と、前記第1の基板上の前記下部第2導電型光ガイド層と、前記第2の基板上の前記上部第2導電型光ガイド層とを前記ドット状突起物を介して貼り合わせ、前記第1および第2の基板の基板面に圧力を与えて、前記発光層がメタステーブルな状態を保つ範囲の、前記第1および第3の温度よりも低い第4の温度で熱処理する第4の工程と、前記第2の基板を除去する第5の工程と、を含むことを特徴とする。   Further, according to the present invention, a first conductivity type cladding layer and a first conductivity type light guide layer each made of a compound semiconductor are formed on a first substrate at a first temperature at which the compound semiconductor grows. And an active layer including a light-emitting layer made of a metastable material crystal made of a compound semiconductor, a lower second conductive light guide layer, and dots that are not continuous in the in-plane direction on the first conductive light guide layer A second step of forming a protrusion at a second temperature lower than the first temperature within a range in which the light emitting layer maintains a metastable state, and a compound semiconductor on the second substrate, respectively. A second step of forming a second conductive type cladding layer and an upper second conductive type light guide layer at a third temperature higher than the second temperature, and the lower second type on the first substrate. Conductive light guide layer and the second substrate The upper second-conductivity-type light guide layer is bonded through the dot-shaped protrusions, and pressure is applied to the substrate surfaces of the first and second substrates to keep the light-emitting layer in a metastable state. And a fourth step of heat-treating at a fourth temperature lower than the first and third temperatures in a range, and a fifth step of removing the second substrate.

本発明によれば、不混和組成の材料や格子不整が熱力学的な臨界歪量を超えたメタステーブル材料系と高温でないと良質な結晶の成長が難しい材料系とが共存する半導体ヘテロ接合を形成することができる。その結果、従来得られなかった材料系を組み合わせた高品質な結晶の化合物半導体基板およびその基板を利用した半導体装置を実現することができるという効果を有する。   According to the present invention, a semiconductor heterojunction in which a material having an immiscible composition and a metastable material system in which lattice imperfection exceeds a thermodynamic critical strain amount and a material system in which high-quality crystals are difficult to grow without high temperature coexist are formed. Can be formed. As a result, there is an effect that it is possible to realize a high-quality crystalline compound semiconductor substrate combined with a material system that has not been obtained conventionally and a semiconductor device using the substrate.

以下に添付図面を参照して、本発明にかかる半導体装置および化合物半導体基板とその製造方法の最良な実施の形態を詳細に説明する。なお、これらの実施の形態により本発明が限定されるものではなく、種々工夫して用いることが可能である。また、以下の実施の形態で用いられる化合物半導体基板と半導体装置の断面図は模式的なものであり、層の厚みと幅との関係や各層の厚みの比率などは現実のものとは異なる。さらに、この明細書における化合物半導体基板とは、基板と積層領域との格子不整が大きかったり、不混和領域の組成の材料であったりする熱力学的には不安定な材料であるメタステーブル材料系からなる活性層を含む化合物半導体層が複数積層された構造が基板上に形成されたものであればよく、基板としては、化合物半導体基板でもよいし、サファイアなどの化合物半導体基板以外の基板でもよい。   Exemplary embodiments of a semiconductor device, a compound semiconductor substrate, and a method for manufacturing the same according to the present invention will be explained below in detail with reference to the accompanying drawings. It should be noted that the present invention is not limited by these embodiments, and various modifications can be used. Further, the cross-sectional views of the compound semiconductor substrate and the semiconductor device used in the following embodiments are schematic, and the relationship between the thickness and width of the layers, the ratio of the thicknesses of the layers, and the like are different from the actual ones. Further, the compound semiconductor substrate in this specification is a metastable material system that is a thermodynamically unstable material in which the lattice mismatch between the substrate and the laminated region is large or the material of the composition of the immiscible region. As long as a structure in which a plurality of compound semiconductor layers including an active layer are stacked is formed on a substrate, the substrate may be a compound semiconductor substrate or a substrate other than a compound semiconductor substrate such as sapphire. .

(第1の実施の形態)
図1は、本発明の第1の実施の形態にかかる化合物半導体基板の構成の一例を模式的に示す断面図である。この化合物半導体基板は、N型のGaAs基板11上に、N型のAlGaAs層からなる下部クラッド層12、N型のGaAs層からなる下部光ガイド層13、GaAs基板11と格子整合しないGaInAs層からなる発光層14の上下がGaAs層からなる障壁層15で挟まれた構造を有する活性層16、P型のGaAs層からなる上部光ガイド層17、P型のAlGaAs層からなる上部クラッド層21、P型のGaAs層からなるコンタクト層22が積層された構成を有する。ここで、最上層の発光層14と上部クラッド層21との間の非発光領域20(ここでは、上部光ガイド層17に対応する)内には、接合面18aが形成され、接合面18a間に形成されたInAsの量子ドット(以下、InAsドットという)19によって両者が接合された接合層18が形成されることを特徴とする。この図1の例では、メタステーブル材料系を含む活性層16上に形成された格子欠陥が発生しない程度の厚さの第1の上部光ガイド層17−1と、図示しない別の基板上に形成された第2の上部光ガイド層17−2とが、そのいずれかまたはそれぞれの上面に形成されたInAsドット19をバンプとして、面方位を合わせて接合された構成を有する。ここで、InAsドット19は、特許請求の範囲におけるドット状突起物に対応している。
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an example of the configuration of the compound semiconductor substrate according to the first embodiment of the present invention. This compound semiconductor substrate includes an N-type GaAs substrate 11, a lower cladding layer 12 made of an N-type AlGaAs layer, a lower light guide layer 13 made of an N-type GaAs layer, and a GaInAs layer that is not lattice-matched with the GaAs substrate 11. An active layer 16 having a structure in which the upper and lower light emitting layers 14 are sandwiched between barrier layers 15 made of GaAs layers, an upper light guide layer 17 made of a P-type GaAs layer, an upper cladding layer 21 made of a P-type AlGaAs layer, A contact layer 22 made of a P-type GaAs layer is stacked. Here, in the non-light emitting region 20 (here, corresponding to the upper light guide layer 17) between the uppermost light emitting layer 14 and the upper cladding layer 21, a bonding surface 18a is formed, and between the bonding surfaces 18a. The bonding layer 18 is formed by bonding the InAs quantum dots (hereinafter referred to as InAs dots) 19 formed together. In the example of FIG. 1, the first upper light guide layer 17-1 is formed on the active layer 16 including the metastable material system and has a thickness that does not cause lattice defects, and another substrate (not shown). The formed second upper light guide layer 17-2 has a configuration in which either or each of the upper light guide layers 17-2 is bonded with the InAs dots 19 formed on the upper surface of the second upper light guide layer 17-2 in accordance with the plane orientation. Here, the InAs dots 19 correspond to the dot-like projections in the claims.

なお、接合面18aは、活性層16中の最上層の発光層14の上面から上部クラッド層21の下面までの間の発光層14よりもバンドギャップの大きな層からなる非発光領域20に形成されていればよい。   The bonding surface 18 a is formed in a non-light emitting region 20 composed of a layer having a larger band gap than the light emitting layer 14 between the upper surface of the uppermost light emitting layer 14 in the active layer 16 and the lower surface of the upper cladding layer 21. It only has to be.

この図1の例では、活性層上の第1の光ガイド層と第2の光ガイド層との間に形成されたInAsドットが、貼り合わせ時に押し付けられて拡散するが、特にInがGaAs膜内を非常によく拡散し、InAsドットを挟んだ全体の歪が緩和される。つまり、活性層16の形成後、第1の上部光ガイド層17−1上にInAsドット19を介して形成されたコンタクト層22および上部クラッド層21、第2の上部光ガイド層17−2からの歪がInAsドットによって緩和されて、接合層18の下側の活性層16に与える影響が抑制される。   In the example of FIG. 1, InAs dots formed between the first light guide layer and the second light guide layer on the active layer are pressed and diffused at the time of bonding. In particular, In is a GaAs film. The inside diffuses very well, and the entire distortion across the InAs dots is alleviated. That is, after the formation of the active layer 16, the contact layer 22 and the upper cladding layer 21 formed on the first upper light guide layer 17-1 via the InAs dots 19 and the second upper light guide layer 17-2. Is relaxed by the InAs dots, and the influence on the active layer 16 below the bonding layer 18 is suppressed.

図2は、このような化合物半導体基板を用いて製造した半導体装置の構成の一例を模式的に示す断面図である。この図2の例では、端面発光型の半導体レーザの場合を例示している。この半導体装置は、図1の化合物半導体基板のコンタクト層22と上部クラッド層21の面内中央付近に、それらの幅が狭められた電流狭窄領域を有する構造となっている。つまり、上部クラッド層21の面内中央付近が凸状の構造となっている。この凸状の電流狭窄領域が形成された上部クラッド層21とコンタクト層22の側面および上部クラッド層21の上面にはSiO2膜からなるパッシベーション膜24が形成され、このパッシベーション膜24上に、コンタクト層22の表面と同じ高さとなるようにポリマ埋め込み層25が形成される。コンタクト層22側の上面の全面にはP型電極26が形成され、GaAs基板11の下面の全面にはN型電極23が形成される。そして、劈開により基板面に垂直な方向の端面を形成して共振器構造を有する半導体レーザとして動作可能な半導体装置が得られる。 FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing an example of the configuration of a semiconductor device manufactured using such a compound semiconductor substrate. In the example of FIG. 2, the case of an edge emitting semiconductor laser is illustrated. This semiconductor device has a structure having a current confinement region whose width is narrowed in the vicinity of the in-plane center of the contact layer 22 and the upper cladding layer 21 of the compound semiconductor substrate of FIG. That is, the upper cladding layer 21 has a convex structure in the vicinity of the in-plane center. A passivation film 24 made of a SiO 2 film is formed on the side surfaces of the upper clad layer 21 and the contact layer 22 where the convex current confinement region is formed and on the upper surface of the upper clad layer 21, and on the passivation film 24, a contact is formed. A polymer buried layer 25 is formed so as to have the same height as the surface of the layer 22. A P-type electrode 26 is formed on the entire upper surface on the contact layer 22 side, and an N-type electrode 23 is formed on the entire lower surface of the GaAs substrate 11. A semiconductor device that can operate as a semiconductor laser having a resonator structure by forming an end surface in a direction perpendicular to the substrate surface by cleavage is obtained.

このような構造の半導体装置において、P型電極26とN型電極23との間に電流を流すと、電流狭窄領域を介して活性層16に注入されたキャリアによって、活性層16で発光する。この活性層16で発光された光は、両端面間での共振によって増幅され、レーザ光として端面から出射される。   In the semiconductor device having such a structure, when a current is passed between the P-type electrode 26 and the N-type electrode 23, the active layer 16 emits light by carriers injected into the active layer 16 through the current confinement region. The light emitted from the active layer 16 is amplified by resonance between both end faces and emitted from the end face as laser light.

つぎに、このような化合物半導体基板および半導体装置の製造方法について説明する。図3−1〜図3−4は、本発明にかかる化合物半導体基板の製造方法の一例を模式的に示す断面図である。まず、N型の第1のGaAs基板11上にMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法により下部クラッド層12(N型のAlGaAs層)、下部光ガイド層13(N型のGaAs層)を形成する。このとき、下部クラッド層12を構成するAlGaAs層は、650〜800℃の高温で形成される。ついで、成長温度をたとえば500〜650℃に下げて、発光層14(GaInAs層)の上下を障壁層15(GaAs層)で挟むように活性層16を形成する。なお、最下層の発光層14の下側と、最上層の発光層14の上側には、障壁層15が形成されるが、この例では、その部分に障壁層15と同一の材料からなる下部光ガイド層13と上部光ガイド層17がそれぞれ形成されるので、それらの位置には障壁層15は形成されない。その後、活性層16を形成した温度と同じかそれよりも低い温度で、第1の上部光ガイド層17−1(GaAs層)とInAsドット19を順次形成する(図3−1)。InAsドット19は、歪量が大きくて連続した膜になれずに盛り上がってしまう特徴を利用して形成するものである。このInAsドット19は、発光層14の厚さよりも厚く、発光層14での発光強度の最も高い光の波長の1/4よりも基板面に対する垂直方向への高さの低い突状体構造であればよく、たとえば高さが1〜10nmで、直径が10〜40nmの範囲であることが望ましいが、もっと小さくても可能である。   Next, a method for manufacturing such a compound semiconductor substrate and semiconductor device will be described. 3A to 3D are cross-sectional views schematically showing an example of a method for manufacturing a compound semiconductor substrate according to the present invention. First, a lower cladding layer 12 (N-type AlGaAs layer) and a lower light guide layer 13 (N-type GaAs layer) are formed on an N-type first GaAs substrate 11 by MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition). . At this time, the AlGaAs layer constituting the lower cladding layer 12 is formed at a high temperature of 650 to 800 ° C. Next, the growth temperature is lowered to, for example, 500 to 650 ° C., and the active layer 16 is formed so that the upper and lower sides of the light emitting layer 14 (GaInAs layer) are sandwiched between the barrier layers 15 (GaAs layers). Note that a barrier layer 15 is formed below the lowermost light emitting layer 14 and above the uppermost light emitting layer 14. In this example, the lower layer made of the same material as the barrier layer 15 is formed there. Since the light guide layer 13 and the upper light guide layer 17 are formed, the barrier layer 15 is not formed at those positions. Thereafter, a first upper light guide layer 17-1 (GaAs layer) and InAs dots 19 are sequentially formed at a temperature equal to or lower than the temperature at which the active layer 16 is formed (FIG. 3-1). The InAs dots 19 are formed by utilizing the feature that the amount of distortion is large and does not become a continuous film but rises. The InAs dots 19 have a projecting structure that is thicker than the light emitting layer 14 and has a height in the direction perpendicular to the substrate surface that is less than ¼ of the wavelength of light having the highest light emission intensity in the light emitting layer 14. For example, it is desirable that the height is in the range of 1 to 10 nm and the diameter is in the range of 10 to 40 nm, but a smaller size is also possible.

一方、P型の第2のGaAs基板27上に、後の工程で第2のGaAs基板27をエッチングして除去するためのGaAs層からなるダミー層28、後の工程で第2のGaAs基板27をエッチングする際にエッチングストップとして機能するAlGaAs層からなるエッチングストップ層29、P型のGaAs層からなるコンタクト層22、P型のAlGaAs層からなる上部クラッド層21、およびP型のGaAs層からなる第2の上部光ガイド層17−2を順にMOCVD法によって形成する(図3−2)。ここで、上部クラッド層21を構成するP型のAlGaAs層は、メタステーブル材料系を有する活性層16が形成された第1のGaAs基板11とは別の第2のGaAs基板27上に形成されるので、高品質な結晶が得られる活性層16の形成温度よりも高温で形成することができる。また、ダミー層28とエッチングストップ層29は必要に応じて省略可能である。   On the other hand, a dummy layer 28 made of a GaAs layer for etching and removing the second GaAs substrate 27 in a later step on the P-type second GaAs substrate 27, and a second GaAs substrate 27 in a later step. An etching stop layer 29 made of an AlGaAs layer that functions as an etching stop when etching the substrate, a contact layer 22 made of a P-type GaAs layer, an upper cladding layer 21 made of a P-type AlGaAs layer, and a P-type GaAs layer The second upper light guide layer 17-2 is sequentially formed by MOCVD (FIG. 3-2). Here, the P-type AlGaAs layer constituting the upper cladding layer 21 is formed on a second GaAs substrate 27 different from the first GaAs substrate 11 on which the active layer 16 having a metastable material system is formed. Therefore, it can be formed at a temperature higher than the formation temperature of the active layer 16 from which high-quality crystals can be obtained. Further, the dummy layer 28 and the etching stop layer 29 can be omitted as necessary.

ついで、第1のGaAs基板11上のInAsドット19と第2のGaAs基板27の第2の上部光ガイド層17−2とを向かい合わせ、それぞれの基板上の第1の上部光ガイド層17−1の面方位と第2の上部光ガイド層17−2の面方位とを一致させて、両者を接触させる。その後、両基板間に基板面に垂直な方向に、たとえば錘41などで加重を加えるように、圧縮応力を加えた状態で、第2のGaAs基板27上の上部クラッド層21の形成温度よりも低温で、またはその形成時間よりも短時間でアニールして、第1のGaAs基板11と第2のGaAs基板27とを接合する(図3−3)。   Next, the InAs dot 19 on the first GaAs substrate 11 and the second upper light guide layer 17-2 of the second GaAs substrate 27 are faced to each other, and the first upper light guide layer 17- on each substrate is faced. The surface orientation of 1 and the surface orientation of the second upper light guide layer 17-2 are matched to bring them into contact with each other. After that, in a state in which a compressive stress is applied so that a weight is applied, for example, with a weight 41 in a direction perpendicular to the substrate surface between both substrates, the temperature is higher than the formation temperature of the upper cladding layer 21 on the second GaAs substrate 27. The first GaAs substrate 11 and the second GaAs substrate 27 are joined by annealing at a low temperature or in a shorter time than the formation time (FIG. 3-3).

ついで、エッチングにより第2のGaAs基板27側から、第2のGaAs基板27とダミー層28を除去し、さらにエッチングストップ層29の一部を除去する(図3−4)。引き続いて、エッチングストップ層29を選択エッチングにより除去して、コンタクト層22を表面に露出させることで、図1に示される化合物半導体基板が得られる。   Next, the second GaAs substrate 27 and the dummy layer 28 are removed from the second GaAs substrate 27 side by etching, and a part of the etching stop layer 29 is further removed (FIG. 3-4). Subsequently, the etching stop layer 29 is removed by selective etching to expose the contact layer 22 on the surface, whereby the compound semiconductor substrate shown in FIG. 1 is obtained.

なお、上記の工程において、特に上部および下部クラッド層12,21を構成するAlGaAs層の形成に関して、不純物の低減には活性な水素を供給することが望ましいことから、V族であるAsの原料(AsH3:アルシン)の供給量を、III族であるGaの原料(たとえば、トリメチルガリウム、以下、TMGという)よりもできるだけ多く供給することが望ましい。また、このような条件で高品質な結晶を成長するという観点からGaAsのコングルーエント温度である550℃以上で成長すると、供給されたAs原料が基板に堆積しても再蒸発してしまうので、As原料の供給を多くすることができるので望ましく、さらに、金属Alの融点である625℃を上回る温度で成長すると、AlAsなどの析出物の混入を防ぐ点からより望ましい。一方、発光層14を構成するメタステーブル材料系である高歪のGaInAs層に関しては、結晶表面での原子の過剰な動きを抑制するために、過剰なV族原料ガスの供給を抑制できるコングルーエント温度の550℃以下で実施することが望ましい。 In the above process, particularly for the formation of the AlGaAs layers constituting the upper and lower cladding layers 12 and 21, it is desirable to supply active hydrogen to reduce impurities. It is desirable to supply as much of AsH 3 : arsine as much as possible as compared to the Group III Ga raw material (for example, trimethylgallium, hereinafter referred to as TMG). Further, from the viewpoint of growing a high-quality crystal under such conditions, if the growth is performed at a GaAs congruent temperature of 550 ° C. or higher, the supplied As raw material will re-evaporate even if it is deposited on the substrate. It is desirable because the supply of As raw material can be increased, and it is more desirable to grow at a temperature exceeding 625 ° C., which is the melting point of metal Al, from the viewpoint of preventing the inclusion of precipitates such as AlAs. On the other hand, with respect to the high strain GaInAs layer that is a metastable material system constituting the light emitting layer 14, in order to suppress excessive movement of atoms on the crystal surface, congrue that can suppress supply of excessive V group source gas. It is desirable to carry out at an entry temperature of 550 ° C. or lower.

つぎに、このような化合物半導体基板を用いた半導体装置の製造方法について説明する。図4−1〜図4−3は、本発明にかかる半導体装置の製造方法の一例を模式的に示す断面図である。まず、図1に示される化合物半導体基板のコンタクト層22上にSiO2膜を形成し、通常のリソグラフィ法により電流狭窄領域のみにSiO2膜が残るように、SiO2膜のストライプのマスク30を形成する(図4−1)。 Next, a method for manufacturing a semiconductor device using such a compound semiconductor substrate will be described. 4A to 4C are cross-sectional views schematically showing an example of a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention. First, an SiO 2 film is formed on the compound semiconductor substrate of the contact layer 22 shown in FIG. 1, as the SiO 2 film remains only in the current confinement region by an ordinary lithography method, a mask 30 of a stripe of the SiO 2 film Form (FIG. 4-1).

ついで、このストライプのマスク30を用いて、コンタクト層22と上部クラッド層21の一部をエッチングしてメサ構造を形成する(図4−2)。その後、SiO2膜を堆積してパッシベーション膜24を形成し、図4−2の工程で除去された段差部分にポリマを埋め込みんでポリマ埋め込み層25を形成する(図4−3)。ついで、通常のリソグラフィ法によってメサ構造上を覆っている所定の位置のSiO2膜(24,30)を除去して下層のコンタクト層22を露出させる。その後、露出されたコンタクト層22の上面にコンタクトメタル層を蒸着してP型電極26を形成する。また、第1のGaAs基板11を、エッチングや研磨によって薄膜化(所定の厚さに)した後に、第1のGaAs基板11の下面にN型電極23を蒸着する。最後に、基板面に垂直な所定の方向に劈開して、素子の共振器構造を形成することで図2に示されるような半導体装置が得られる。 Next, a mesa structure is formed by etching a part of the contact layer 22 and the upper clad layer 21 using the stripe mask 30 (FIG. 4-2). Thereafter, a SiO 2 film is deposited to form a passivation film 24, and a polymer is buried in the step portion removed in the step of FIG. 4-2 to form a polymer buried layer 25 (FIG. 4-3). Next, the SiO 2 film (24, 30) at a predetermined position covering the mesa structure is removed by a normal lithography method to expose the lower contact layer 22. Thereafter, a contact metal layer is deposited on the exposed upper surface of the contact layer 22 to form a P-type electrode 26. Further, after the first GaAs substrate 11 is thinned (by a predetermined thickness) by etching or polishing, an N-type electrode 23 is deposited on the lower surface of the first GaAs substrate 11. Finally, the semiconductor device as shown in FIG. 2 is obtained by cleaving in a predetermined direction perpendicular to the substrate surface to form a resonator structure of the element.

このような方法で化合物半導体基板を形成すると、メタステーブルな状態の高歪のGaInAs層(発光層14)を形成した後には、その層上に高温で成長させる必要がある他の半導体層を厚く形成することがないので、第1のGaAs基板11を長時間高温の環境にさらすことがない。このため、発光層14を構成するGaInAs層の歪量が障壁層15(第1の上部光ガイド層17−1)を構成するGaAs層に対して熱平衡的には臨界歪量を越えていても、温度を上げることにより生じる転位の成長を抑制することができる。一方、第1のGaAs基板11上の下部クラッド層12と第2のGaAs基板27上の上部クラッド層21を構成するAlGaAs層も、メタステーブルな状態のGaInAs層(発光層14)を有する第1のGaAs基板11に対する格子不整の問題を考えずに最適な温度での成長が可能となる。このため、きわめて高品質な結晶の成長が可能となる。その結果、高品質なAlGaAs層の間に(下部クラッド層12と上部クラッド層21との間に)転位密度の低い高品質なGaInAs結晶(発光層14)が形成されたヘテロ接合構造を有する化合物半導体基板の形成が可能となる。   When a compound semiconductor substrate is formed by such a method, after forming a highly strained GaInAs layer (light-emitting layer 14) in a metastable state, other semiconductor layers that need to be grown on the layer at a high temperature are thickened. Since it is not formed, the first GaAs substrate 11 is not exposed to a high temperature environment for a long time. Therefore, even if the strain amount of the GaInAs layer constituting the light emitting layer 14 exceeds the critical strain amount in terms of thermal equilibrium with respect to the GaAs layer constituting the barrier layer 15 (first upper light guide layer 17-1). , Dislocation growth caused by raising the temperature can be suppressed. On the other hand, the AlGaAs layers constituting the lower clad layer 12 on the first GaAs substrate 11 and the upper clad layer 21 on the second GaAs substrate 27 also have a GaInAs layer (light emitting layer 14) in a metastable state. It is possible to grow at the optimum temperature without considering the problem of lattice irregularity with respect to the GaAs substrate 11. This makes it possible to grow extremely high quality crystals. As a result, a compound having a heterojunction structure in which a high-quality GaInAs crystal (light-emitting layer 14) having a low dislocation density is formed between high-quality AlGaAs layers (between the lower cladding layer 12 and the upper cladding layer 21). A semiconductor substrate can be formed.

またこのような化合物半導体基板を用いることで、高品質な半導体レーザなどの半導体装置の実現が可能となる。たとえば、本第1の実施の形態の上述した半導体レーザにおいては、結晶中への転位の導入が抑制されるので、しきい値電流密度を低減することができるとともに、最大光出力の増大、温度依存性の抑制、素子寿命の向上を可能とする。   Also, by using such a compound semiconductor substrate, it is possible to realize a semiconductor device such as a high-quality semiconductor laser. For example, in the above-described semiconductor laser of the first embodiment, since introduction of dislocations into the crystal is suppressed, the threshold current density can be reduced, the maximum light output is increased, the temperature is increased. It is possible to suppress the dependency and improve the element life.

上述したように、InAsドット19を第1の上部光ガイド層17−1(GaAs層)上に形成するとInAsドット19の下部および周辺部分でGaAs層との相互拡散が起こるために、InAsドット19の中心軸付近でIn組成が高く、外周部分ではGaAs組成が高い構造の接合層18が形成される。このため、InAsドット19は自然にGaAs層で埋め込んだ電流狭窄構造となる。またInAsドット19の上下から第1と第2のGaAs基板11,27のそれぞれに形成された第1と第2の上部光ガイド層17−1,17−2間を接合した場合には、InAsドット19の中央先端のIn組成の高い領域が第2の上部光ガイド層17−2のGaAs層と接触されて圧迫されるので、InがGaAs層(第2の上部光ガイド層17−2)中に拡散を起こし易い状態となる。このため通常よりも活発に上下の基板の原子の相互拡散が起こり、良質な接合が可能となる。   As described above, when the InAs dots 19 are formed on the first upper light guide layer 17-1 (GaAs layer), mutual diffusion with the GaAs layer occurs in the lower portion and the peripheral portion of the InAs dots 19. A bonding layer 18 having a high In composition in the vicinity of the central axis and a high GaAs composition in the outer peripheral portion is formed. Therefore, the InAs dots 19 have a current confinement structure that is naturally embedded with a GaAs layer. When the first and second upper light guide layers 17-1 and 17-2 formed on the first and second GaAs substrates 11 and 27 are joined from above and below the InAs dots 19, InAs Since the region having a high In composition at the center tip of the dot 19 is brought into contact with and pressed against the GaAs layer of the second upper light guide layer 17-2, the In is a GaAs layer (second upper light guide layer 17-2). It becomes a state in which diffusion is likely to occur. Therefore, interdiffusion of atoms between the upper and lower substrates occurs more actively than usual, and high-quality bonding is possible.

なお、上述した製造工程における図3−2では、第2のGaAs基板27上の上面は第2の上部光ガイド層17−2を構成するGaAs層であったが、第1のGaAs基板11の場合と同様に第2の上部光ガイド層17−2の表面上にInAsドットを形成してもよい。この場合には、第1と第2のGaAs基板11,27の両側から相互にInAsドット19が接着剤として働くのでより接着効果を高くすることができる。また、InAsドット19を、第2のGaAs基板27の第2の上部光ガイド層17−2の表面にのみ形成してもよい。   In FIG. 3-2 in the manufacturing process described above, the upper surface on the second GaAs substrate 27 is the GaAs layer constituting the second upper light guide layer 17-2. Similarly to the case, InAs dots may be formed on the surface of the second upper light guide layer 17-2. In this case, since the InAs dots 19 act as adhesives from both sides of the first and second GaAs substrates 11 and 27, the bonding effect can be further enhanced. Further, the InAs dots 19 may be formed only on the surface of the second upper light guide layer 17-2 of the second GaAs substrate 27.

図5は、本発明にかかる化合物半導体基板を用いた半導体装置の構造の他の例を示す断面図である。この図5に示される半導体装置は、図1において、接合層18と活性層16の最も上部の発光層14との間の第1の上部光ガイド層17−1にキャリアの蓄積を行うAlGaAs層からなるキャリア蓄積層31を導入した構造を有する。このような構造によれば、接合面での欠陥の影響を抑制し、接合面と離れた領域でキャリアの蓄積を行うことができるので、半導体装置の特性を向上させることが可能となる。なお、図1と同一の構成要素には同一の符号を付してその説明を省略している。なお、このようなキャリア蓄積層31は、メタステーブル材料系を含む活性層16が形成された後、第1の上部光ガイド層17−1上に500〜650℃の温度で形成される。   FIG. 5 is a sectional view showing another example of the structure of the semiconductor device using the compound semiconductor substrate according to the present invention. The semiconductor device shown in FIG. 5 includes an AlGaAs layer that accumulates carriers in the first upper light guide layer 17-1 between the junction layer 18 and the uppermost light emitting layer 14 of the active layer 16 in FIG. The carrier storage layer 31 made of is introduced. According to such a structure, the influence of defects on the bonding surface can be suppressed and carriers can be accumulated in a region away from the bonding surface, so that the characteristics of the semiconductor device can be improved. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the component same as FIG. 1, and the description is abbreviate | omitted. The carrier storage layer 31 is formed at a temperature of 500 to 650 ° C. on the first upper light guide layer 17-1 after the active layer 16 including the metastable material system is formed.

また、図1と図2では活性層16の内部の発光領域と接合面18a(接合層18)の間にはGaAs層(第1の上部光ガイド層17−1)のみが形成されていたが、接合層18の上下両側に不純物を添加して導電性を高めることによって、接合領域でのキャリア濃度を高め、欠陥の影響を低減することもできる。また、InAsドット形成時にドット内部に不純物添加を行うことも有効である。   In FIGS. 1 and 2, only the GaAs layer (first upper light guide layer 17-1) is formed between the light emitting region inside the active layer 16 and the bonding surface 18a (bonding layer 18). By adding impurities to the upper and lower sides of the bonding layer 18 to increase conductivity, the carrier concentration in the bonding region can be increased and the influence of defects can be reduced. It is also effective to add impurities inside the dots when forming InAs dots.

図6は、本発明にかかる化合物半導体基板を用いた半導体装置の構造の他の例を示す断面図である。上述した例では、第1のGaAs基板11上に発光層14を含む活性層16が形成されており、接合層18は活性層16の上部に形成されていたが、図6に示されるように、図示しない第2のGaAs基板側に発光層14を有する活性層16を形成してもよい。つまり、接合層18を、活性層16の最下層の発光層14と下部クラッド層12との間の、発光層14よりもバンドギャップの大きい半導体層によって構成される非発光領域20(この図6の例では、第1と第2の下部光ガイド層13−1,13−2間)中に形成してもよい。なお、図1と同一の構成要素には同一の符号を付してその説明を省略している。   FIG. 6 is a sectional view showing another example of the structure of the semiconductor device using the compound semiconductor substrate according to the present invention. In the example described above, the active layer 16 including the light emitting layer 14 is formed on the first GaAs substrate 11, and the bonding layer 18 is formed on the active layer 16, but as shown in FIG. The active layer 16 having the light emitting layer 14 may be formed on the second GaAs substrate side (not shown). That is, the bonding layer 18 is a non-light-emitting region 20 formed of a semiconductor layer having a band gap larger than that of the light-emitting layer 14 between the light-emitting layer 14 and the lower cladding layer 12 in the lowermost layer of the active layer 16 (FIG. 6). In this example, it may be formed in the first and second lower light guide layers 13-1 and 13-2). In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the component same as FIG. 1, and the description is abbreviate | omitted.

上述した説明では、メタステーブル材料系からなる活性層16として、GaInAs層からなる発光層14の上下をGaAs層からなる障壁層15で挟んだ構造のものを例に挙げて説明したが、これに限られるものではなく、メタステーブル材料系を有する活性層16に対して広く本第1の実施の形態を適用することができる。   In the above description, the active layer 16 made of the metastable material system has been described by taking as an example a structure in which the upper and lower sides of the light emitting layer 14 made of the GaInAs layer are sandwiched by the barrier layer 15 made of the GaAs layer. The present embodiment is not limited, and the first embodiment can be widely applied to the active layer 16 having a metastable material system.

たとえば、図1に示される化合物半導体基板や図2に示される半導体装置において、発光層14としてGaInNAs層を用いてもよい。GaInNAsはGaInAsよりも不混和性が高いために、GaInNAs層形成後に650℃程度またはそれ以上の温度で長時間処理すると発光波長が短波長にシフトするとともに、組成が不均一になってしまう。そのため、GaInNAs層形成後の高温での熱処理は、半導体装置としての特性を急激に劣化させる原因となる。   For example, a GaInNAs layer may be used as the light emitting layer 14 in the compound semiconductor substrate shown in FIG. 1 or the semiconductor device shown in FIG. Since GaInNAs is more immiscible than GaInAs, when the GaInNAs layer is formed and treated at a temperature of about 650 ° C. or higher for a long time, the emission wavelength shifts to a short wavelength and the composition becomes nonuniform. For this reason, the heat treatment at a high temperature after the GaInNAs layer is formed causes the characteristics of the semiconductor device to be rapidly deteriorated.

しかし、上述した方法で化合物半導体基板と半導体装置を製造することで、メタステーブルなGaInNAs層を高温にさらすことが不要となる。その結果、GaInNAs層の均一性を維持できるようになるので、半導体装置としての特性を大幅に向上することができる。   However, by manufacturing the compound semiconductor substrate and the semiconductor device by the above-described method, it is not necessary to expose the metastable GaInNAs layer to a high temperature. As a result, the uniformity of the GaInNAs layer can be maintained, so that the characteristics as a semiconductor device can be greatly improved.

また、図1に示される化合物半導体基板や図2に示される半導体装置において、発光層14としてInAsドット結晶を用いてもよい。InAsドットは局所的な歪量が大きいために、InAsドットの形成後に560℃程度またはそれ以上の温度で長時間処理すると発光波長が短波長にシフトするとともに、構造が不均一になってしまう。そのため、InAsドット形成後の高温での熱処理は、半導体装置としての特性を急激に劣化させる原因となる。   Further, in the compound semiconductor substrate shown in FIG. 1 or the semiconductor device shown in FIG. 2, an InAs dot crystal may be used as the light emitting layer 14. Since the InAs dots have a large amount of local strain, if the InAs dots are processed for a long time at a temperature of about 560 ° C. or higher after the InAs dots are formed, the emission wavelength is shifted to a short wavelength and the structure becomes non-uniform. For this reason, the heat treatment at a high temperature after the InAs dot formation causes the characteristics of the semiconductor device to be rapidly deteriorated.

しかし、上述した方法で化合物半導体基板と半導体装置を製造することで、メタステーブルなInAsドット層を高温にさらすことが不要となる。その結果、InAsドット層の均一性を維持できるようになるので、半導体装置としての特性を大幅に向上することができる。   However, by manufacturing the compound semiconductor substrate and the semiconductor device by the above-described method, it becomes unnecessary to expose the metastable InAs dot layer to a high temperature. As a result, the uniformity of the InAs dot layer can be maintained, and the characteristics as a semiconductor device can be greatly improved.

この第1の実施の形態によれば、第1の基板上にメタステーブル材料系を形成した後、メタステーブル材料系上に形成すべき材料のうち、メタステーブル材料系を高温環境下に置く材料やメタステーブル材料系に歪を過剰に与える材料を、他の第2の基板上に形成し、両者を量子ドット(ドット状突起物)によって面方位を合わせた後に接合するようにしたので、メタステーブル材料系が高温環境下にさらされてスピノーダル分解を起こしたり、メタステーブル材料系に過剰な歪が加えられることによって、塑性変形による歪緩和を起こしたりして、結晶性の低下を招くことを防ぐという効果を有する。また、低融点の量子ドットをバンプとして用いることで、メタステーブル材料系の形成温度付近の温度で量子ドットを構成する材料が他の基板中によく拡散して、2つの基板を接合することができ、メタステーブル材料系のスピノーダル分解や歪緩和の発生を抑えることができる。   According to the first embodiment, after the metastable material system is formed on the first substrate, among the materials to be formed on the metastable material system, the material that places the metastable material system in a high temperature environment Since a material that excessively strains the metastable material system is formed on another second substrate, and the two are aligned after being aligned with quantum dots (dot projections), When the table material system is exposed to a high temperature environment, spinodal decomposition occurs, or excessive strain is applied to the metastable material system, causing strain relaxation due to plastic deformation, leading to a decrease in crystallinity. It has the effect of preventing. In addition, by using low-melting-point quantum dots as bumps, the material constituting the quantum dots diffuses well into other substrates at temperatures near the formation temperature of the metastable material system, and the two substrates can be joined. It is possible to suppress the occurrence of spinodal decomposition and strain relaxation of the metastable material system.

(第2の実施の形態)
図7は、本発明の第2の実施の形態にかかる化合物半導体基板の構成の一例を模式的に示す断面図である。この化合物半導体基板は、N型のGaAs基板51上に、下部半導体多層膜反射鏡層52、下部クラッド層53、下部光ガイド層54、発光層56とこの発光層56の上下を挟むように設けられる障壁層55からなる活性層57、上部光ガイド層58、上部クラッド層61、AlGaAs層62、上部半導体多層膜反射鏡層63、コンタクト層64が順に積層された構成を有する。ここで、活性層57の上側に形成される上部光ガイド層58内には、InAsなどの量子ドット59を介した接合層60が形成される。つまり、メタステーブル材料系を含む活性層57上に形成された格子欠陥が発生しない程度の厚さの第1の上部光ガイド層58−1と、第2の上部光ガイド層58−2とが、いずれかまたはそれぞれの上面に形成された量子ドット59をバンプとして、面方位を合わせて接合された構成を有する。ここで、量子ドット59は、特許請求の範囲におけるドット状突起物に対応する。
(Second Embodiment)
FIG. 7: is sectional drawing which shows typically an example of a structure of the compound semiconductor substrate concerning the 2nd Embodiment of this invention. This compound semiconductor substrate is provided on an N-type GaAs substrate 51 so as to sandwich the lower semiconductor multilayer reflector layer 52, the lower cladding layer 53, the lower light guide layer 54, the light emitting layer 56, and the upper and lower sides of the light emitting layer 56. The active layer 57 including the barrier layer 55, the upper light guide layer 58, the upper cladding layer 61, the AlGaAs layer 62, the upper semiconductor multilayer reflector layer 63, and the contact layer 64 are sequentially stacked. Here, in the upper light guide layer 58 formed on the upper side of the active layer 57, a bonding layer 60 is formed through quantum dots 59 such as InAs. That is, the first upper light guide layer 58-1 and the second upper light guide layer 58-2 having a thickness that does not cause a lattice defect formed on the active layer 57 including the metastable material system. The quantum dots 59 formed on any one or each upper surface are used as bumps and are joined together in the same plane orientation. Here, the quantum dots 59 correspond to the dot-like projections in the claims.

なお、この第2の実施の形態でも、接合層60は、活性層57中の最上層の発光層56の上面から上部クラッド層61の下面までの間の発光層14よりもバンドギャップの大きな層からなる非発光領域20’に形成されていればよい。   Also in this second embodiment, the bonding layer 60 is a layer having a larger band gap than the light emitting layer 14 between the upper surface of the uppermost light emitting layer 56 in the active layer 57 and the lower surface of the upper cladding layer 61. What is necessary is just to be formed in the non-light-emitting area | region 20 'which consists of.

図8は、このような化合物半導体基板を用いて製造した半導体装置の構成の一例を模式的に示す断面図である。この図8の例では、面発光型の半導体レーザの場合を例示している。この半導体装置は、図7の化合物半導体基板のコンタクト層64から下部クラッド層53までと下部半導体多層膜反射鏡層52の一部が除去され、所定の平面形状を有するメサ型の構造を有している。メサ型に形成されたAlGaAs層62の面内中央付近の領域に電流狭窄領域62sが設けられ、この電流狭窄領域62sの外周部分に酸化アルミニウム層62xが設けられた電流狭窄構造が形成される。ここで、下部半導体多層膜反射鏡層52と上部半導体多層膜反射鏡層63によって基板面に対して垂直方向に光共振器が形成されている。   FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing an example of the configuration of a semiconductor device manufactured using such a compound semiconductor substrate. The example of FIG. 8 illustrates the case of a surface emitting semiconductor laser. This semiconductor device has a mesa structure having a predetermined planar shape from which part of the lower semiconductor multilayer reflector layer 52 is removed from the contact layer 64 to the lower cladding layer 53 of the compound semiconductor substrate of FIG. ing. A current confinement region 62s is provided in a region in the vicinity of the in-plane center of the AlGaAs layer 62 formed in the mesa shape, and a current confinement structure in which an aluminum oxide layer 62x is provided in the outer peripheral portion of the current confinement region 62s is formed. Here, an optical resonator is formed in a direction perpendicular to the substrate surface by the lower semiconductor multilayer reflector layer 52 and the upper semiconductor multilayer reflector layer 63.

コンタクト層64の電流狭窄領域62sに対応する領域には、コンタクト層64が除去され、上部半導体多層膜反射鏡層63が露出したコンタクト層開口部64aが設けられる。コンタクト層64およびコンタクト層開口部64aはパッシベーション膜65により覆われており、パッシベーション膜65内には、電流狭窄領域62sの周囲を囲むようにコンタクト層64が露出した開口65aが設けられ、この開口65aを埋め込むようにたとえば金属からなる上面側電極66が設けられる。これによって、上面側電極66とコンタクト層64とが電気的に接続される。上面側電極66によって囲まれる領域を、ここでは電極開口部66aという。また、第1のGaAs基板51の下面側には基板側電極67が設けられている。   In the region corresponding to the current confinement region 62s of the contact layer 64, the contact layer 64 is removed, and a contact layer opening 64a from which the upper semiconductor multilayer reflector layer 63 is exposed is provided. The contact layer 64 and the contact layer opening 64a are covered with a passivation film 65, and an opening 65a in which the contact layer 64 is exposed is provided in the passivation film 65 so as to surround the current confinement region 62s. An upper surface side electrode 66 made of, for example, metal is provided so as to embed 65a. Thereby, the upper surface side electrode 66 and the contact layer 64 are electrically connected. A region surrounded by the upper surface side electrode 66 is herein referred to as an electrode opening 66a. A substrate-side electrode 67 is provided on the lower surface side of the first GaAs substrate 51.

このように構成された面発光型半導体素子において、上面側電極66と基板側電極67との間に電流を流すと、活性層57に近接して配置された電流狭窄領域62sを介して、活性層57にキャリアが注入される。注入されたキャリアによって活性層57で発光された光は、下部半導体多層膜反射鏡層52と上部半導体多層膜反射鏡層63からなる光共振器によって共振され、コンタクト層開口部64aと電極開口部66aが重なる領域からレーザ光が外部に放射される。   In the surface-emitting type semiconductor device configured as described above, when a current is passed between the upper surface side electrode 66 and the substrate side electrode 67, the surface active semiconductor element is activated via the current confinement region 62 s disposed close to the active layer 57. Carriers are injected into the layer 57. The light emitted from the active layer 57 by the injected carriers is resonated by the optical resonator composed of the lower semiconductor multilayer reflector layer 52 and the upper semiconductor multilayer reflector layer 63, and the contact layer opening 64a and the electrode opening. Laser light is emitted to the outside from the region where 66a overlaps.

ここで、図7に示される化合物半導体基板と図8に示される半導体装置の製造方法について説明する。化合物半導体基板は、第1の実施の形態の場合と同様に製造される。すなわち、第1のGaAs基板51上にMOCVD法などにより下部半導体多層膜反射鏡層52、下部クラッド層53、下部光ガイド層54、活性層57、第1の上部光ガイド層58−1を形成し、さらに第1の上部光ガイド層58−1の上面にInAsなどの量子ドット59を形成する。一方、図示しない第2のGaAs基板上にも、MOCVD法などによって、AlGaAs層からなる図示しないダミー層、コンタクト層64、上部半導体多層膜反射鏡層63、AlGaAs層62、上部クラッド層61、第2の上部光ガイド層58−2を形成する。ついで、上部半導体多層膜反射鏡層63の一部を構成するAlGaAs層62の外周部分を酸化して、酸化アルミニウム層62xを形成する。これにより、AlGaAs層62の面内中央付近には、酸化されていない電流狭窄領域62sが形成される。ついで、2つの基板上の第1の上部光ガイド層58−1と上部光ガイド層58−2とを、量子ドット59を介して対向させ、両者の面方位を合わせて上下から加圧し、加熱して接合する。そして、第2のGaAs基板とAlGaAs層(ダミー層)を除去してコンタクト層64を露出させることで図7に示される化合物半導体基板が得られる。   Here, a method for manufacturing the compound semiconductor substrate shown in FIG. 7 and the semiconductor device shown in FIG. 8 will be described. The compound semiconductor substrate is manufactured in the same manner as in the first embodiment. That is, the lower semiconductor multilayer reflector layer 52, the lower cladding layer 53, the lower light guide layer 54, the active layer 57, and the first upper light guide layer 58-1 are formed on the first GaAs substrate 51 by MOCVD or the like. Further, quantum dots 59 such as InAs are formed on the upper surface of the first upper light guide layer 58-1. On the other hand, on a second GaAs substrate (not shown), a dummy layer (not shown) made of an AlGaAs layer, a contact layer 64, an upper semiconductor multilayer reflector layer 63, an AlGaAs layer 62, an upper cladding layer 61, a first layer, and the like are also formed by MOCVD or the like. 2 upper light guide layers 58-2 are formed. Next, the outer peripheral portion of the AlGaAs layer 62 that constitutes a part of the upper semiconductor multilayer reflector layer 63 is oxidized to form an aluminum oxide layer 62x. As a result, an unoxidized current confinement region 62s is formed in the vicinity of the in-plane center of the AlGaAs layer 62. Next, the first upper light guide layer 58-1 and the upper light guide layer 58-2 on the two substrates are opposed to each other through the quantum dots 59, and both surface orientations are adjusted from above and below to heat. And join. Then, by removing the second GaAs substrate and the AlGaAs layer (dummy layer) to expose the contact layer 64, the compound semiconductor substrate shown in FIG. 7 is obtained.

図9−1〜図9−4は、半導体装置の製造方法の一例を模式的に示す断面図である。上記のようにして製造された図7に示される化合物半導体基板の上面にSiO2膜71を堆積して、フォトリソグラフィとエッチングを用いて、コンタクト層開口部64aを形成する位置のSiO2膜を除去する。そして、このSiO2膜71をマスクとして、コンタクト層64をエッチングして、その中央部分にコンタクト層開口部64aを形成して、上部半導体多層膜反射鏡層63を露出させる(図9−1)。ついで、再度SiO2膜(図示せず)を堆積し、フォトリソグラフィとエッチングを用いて、コンタクト層開口部64aの形成領域を含む所定の領域を残すように、コンタクト層64から下部クラッド層53までと下部半導体多層膜反射鏡層52の一部を除去して、所定の平面形状を有するメサ構造を形成する(図9−2)。その後、メサ構造中のAlGaAs層62を外周から酸化して、AlGaAs層62の外周部内のAlを酸化させた酸化アルミニウム層62xを形成する。このとき、コンタクト層開口部64aとほぼ対応するAlGaAs層62の中央部分の領域が酸化されないような条件で、AlGaAs層62の外周部分を酸化させる。これによって、AlGaAs層62の中央部分には、電流狭窄領域62sが形成される(図9−3)。 9A to 9D are cross-sectional views schematically illustrating an example of a method for manufacturing a semiconductor device. The SiO 2 film 71 is deposited on the upper surface of the compound semiconductor substrate shown in FIG. 7 manufactured as described above, and the SiO 2 film at the position where the contact layer opening 64a is formed is formed using photolithography and etching. Remove. Then, using the SiO 2 film 71 as a mask, the contact layer 64 is etched to form a contact layer opening 64a at the center thereof, thereby exposing the upper semiconductor multilayer reflector layer 63 (FIG. 9-1). . Next, a SiO 2 film (not shown) is deposited again, and from the contact layer 64 to the lower cladding layer 53 so as to leave a predetermined region including a region where the contact layer opening 64a is formed by using photolithography and etching. Then, a part of the lower semiconductor multilayer film reflecting mirror layer 52 is removed to form a mesa structure having a predetermined planar shape (FIG. 9-2). Thereafter, the AlGaAs layer 62 in the mesa structure is oxidized from the outer periphery to form an aluminum oxide layer 62x in which Al in the outer peripheral portion of the AlGaAs layer 62 is oxidized. At this time, the outer peripheral portion of the AlGaAs layer 62 is oxidized under the condition that the central region of the AlGaAs layer 62 substantially corresponding to the contact layer opening 64a is not oxidized. As a result, a current confinement region 62s is formed in the central portion of the AlGaAs layer 62 (FIG. 9-3).

ついで、メサ構造を形成した化合物半導体基板上にパッシベーション膜65を形成した後に、フォトリソグラフィとエッチングを用いて、コンタクト層開口部64aより外側の領域の電極を形成する位置に対応する部分でコンタクト層64を露出させ、コンタクト層開口部64a内の電流狭窄領域62sに対応する部分で上部半導体多層膜反射鏡層63を露出させるようにパッシベーション膜65の一部を除去する。その後、レジストを用いたリフトオフ法を用いて、開口65aでコンタクト層64と接触し、電極開口部66aが開口した状態の上面側電極66を形成する(図9−4)。そして第1のGaAs基板51を適切な厚さまで薄くした後に、第1のGaAs基板51の下面に基板側電極67を形成することによって、図8に示される半導体装置が得られる。   Next, after the passivation film 65 is formed on the compound semiconductor substrate having the mesa structure, the contact layer is formed at a portion corresponding to the position where the electrode in the region outside the contact layer opening 64a is formed using photolithography and etching. A portion of the passivation film 65 is removed so that the upper semiconductor multilayer reflector layer 63 is exposed at a portion corresponding to the current confinement region 62s in the contact layer opening 64a. Thereafter, the lift-off method using a resist is used to form the upper surface side electrode 66 in contact with the contact layer 64 through the opening 65a and the electrode opening 66a being opened (FIG. 9-4). Then, after thinning the first GaAs substrate 51 to an appropriate thickness, the substrate-side electrode 67 is formed on the lower surface of the first GaAs substrate 51, whereby the semiconductor device shown in FIG. 8 is obtained.

従来は、高歪な活性層57を低温で形成すると活性層57の表面に凹凸が生じてしまい、その上に成長させる結晶が不均一な歪を受けるために、活性層57の近傍での平坦な結晶成長が難しいという問題があった。しかし、本第2の実施の形態では、AlGaAs層とGaAs層が積層してなる高反射率層の半導体多層膜反射鏡層52,63をそれぞれ別の基板(GaAs基板)上に直接形成することができるので、半導体多層膜反射鏡層52,63に凹凸が形成されることがない。また、そのいずれかのGaAs基板上に活性層57を形成した後、両者を量子ドット59で接合するようにしたので、上記した問題点を回避して、高品質の化合物半導体基板とこの化合物半導体基板を用いた半導体装置を得ることができる。   Conventionally, when a highly strained active layer 57 is formed at a low temperature, the surface of the active layer 57 is uneven, and crystals grown on the surface are subjected to non-uniform strain. There was a problem that difficult crystal growth was difficult. However, in the second embodiment, the semiconductor multilayer reflector layers 52 and 63 of the high reflectivity layer formed by laminating the AlGaAs layer and the GaAs layer are directly formed on different substrates (GaAs substrates). Therefore, irregularities are not formed on the semiconductor multilayer mirror layers 52 and 63. In addition, since the active layer 57 is formed on any one of the GaAs substrates, and both are joined by the quantum dots 59, the above-described problems can be avoided and the high-quality compound semiconductor substrate and the compound semiconductor can be obtained. A semiconductor device using a substrate can be obtained.

また、上部および下部半導体多層膜反射鏡層52,63の形成時において高温での結晶成長が可能である。そのため、上部および下部半導体多層膜反射鏡層52,63中の低屈折率層に用いるAl組成の高いAlGaAs層の形成時において、温度が上がるほどAlの酸素の取り込み効率が低下するので、結晶中に酸素と結合するAlが減る。また、高温での結晶成長では、原料ガスに含まれるメチル基のCがP型のドーパントとしてAsのサイトを置き換えることを防ぐ。その結果、高純度のAl組成の高いAlGaAs層の結晶成長が可能であり、キャリア濃度の制御を容易に行うことができる。以上により、上部および下部半導体多層膜反射鏡層52,63での光の吸収の発生または反射率の低下が起こり難くなり、素子の特性を向上することができる。   In addition, crystal growth at a high temperature is possible when the upper and lower semiconductor multilayer mirror layers 52 and 63 are formed. Therefore, when the AlGaAs layer having a high Al composition used for the low refractive index layers in the upper and lower semiconductor multilayer reflector layers 52 and 63 is formed, the Al oxygen uptake efficiency decreases as the temperature rises. The amount of Al bonded to oxygen decreases. Further, in crystal growth at a high temperature, C of the methyl group contained in the source gas is prevented from replacing the As site as a P-type dopant. As a result, crystal growth of a high purity AlGaAs layer having a high Al composition is possible, and the carrier concentration can be easily controlled. As described above, light absorption or lowering of reflectance in the upper and lower semiconductor multilayer mirror layers 52 and 63 hardly occurs, and the characteristics of the element can be improved.

この第2の実施の形態によれば、面発光型半導体素子のように発光層を挟んだ上下方向に半導体多層膜反射鏡層が形成されるような構造の化合物半導体基板や半導体装置も、高品質で製造することができるという効果を有する。   According to the second embodiment, a compound semiconductor substrate or semiconductor device having a structure in which a semiconductor multilayer mirror layer is formed in a vertical direction with a light emitting layer sandwiched like a surface emitting semiconductor element is also high It has the effect that it can manufacture with quality.

(第3の実施の形態)
図10は、本発明の第3の実施の形態にかかる化合物半導体基板の構成の一例を模式的に示す断面図である。この化合物半導体基板は、サファイア基板101上に、低温GaN層102、高温GaN層103、N型のGaInNからなるN型コンタクト層104、N型のGaN層105、N型のAlGaN層からなる下部クラッド層106、N型のGaN層からなる下部光ガイド層107、GaInN層からなる発光層108の上下をGaN層からなる障壁層109で挟んだ活性層(量子井戸層)110、GaN層からなる第1の上部光ガイド層111、AlGaN層からなるホールブロック層(キャリアブロック層)112、P型のGaN層からなる第2の上部光ガイド層113、InNの量子ドット(以下、InNドットという)114からなる接合層115、P型のGaN層からなる第3の上部光ガイド層116、P型のAlGaN層からなる上部クラッド層117、P型のGaN層からなるP型コンタクト層118が順に積層された構造を有する。InNドット114は、特許請求の範囲におけるドット状突起物に対応する。
(Third embodiment)
FIG. 10 is a cross-sectional view schematically showing an example of the configuration of the compound semiconductor substrate according to the third embodiment of the present invention. This compound semiconductor substrate includes a low-temperature GaN layer 102, a high-temperature GaN layer 103, an N-type contact layer 104 made of N-type GaInN, an N-type GaN layer 105, and a lower clad made of an N-type AlGaN layer on a sapphire substrate 101. An active layer (quantum well layer) 110 having a barrier layer 109 made of a GaN layer sandwiched between a lower light guide layer 107 made of an N-type GaN layer, a light emitting layer made of a GaInN layer, and a barrier layer 109 made of a GaN layer. 1 upper light guide layer 111, a hole block layer (carrier block layer) 112 made of an AlGaN layer, a second upper light guide layer 113 made of a P-type GaN layer, and InN quantum dots (hereinafter referred to as InN dots) 114 A bonding layer 115 made of, a third upper light guide layer 116 made of a P-type GaN layer, and a P-type AlGaN layer. Part cladding layer 117, P-type contact layer 118 made of P-type GaN layer are laminated in this order. The InN dots 114 correspond to the dot-like projections in the claims.

ここで、接合層115は、活性層110を構成する最上層の発光層108の上面と上部クラッド層117の下面との間の発光層108よりもバンドギャップの大きい半導体層からなる非発光領域130内に形成されることを特徴とする。この図10の例では、メタステーブルな活性層110を有する第1のサファイア基板101上に形成された第2の上部光ガイド層113と、図示しない第2のサファイア基板に形成された第3の上部光ガイド層116とが、いずれかまたはそれぞれの上面に形成されたInNドット114をバンプとして、面方位を合わせて接合されて接合層115が形成される。   Here, the bonding layer 115 is a non-light emitting region 130 made of a semiconductor layer having a larger band gap than the light emitting layer 108 between the upper surface of the uppermost light emitting layer 108 and the lower surface of the upper clad layer 117 constituting the active layer 110. It is formed in the inside. In the example of FIG. 10, the second upper light guide layer 113 formed on the first sapphire substrate 101 having the metastable active layer 110 and the third upper sapphire substrate not shown are formed. The upper light guide layer 116 is bonded with the InN dots 114 formed on either or each of the upper surfaces thereof as bumps so that the surface orientations are aligned to form the bonding layer 115.

図11は、このような化合物半導体基板を用いて製造した半導体装置の構成の一例を模式的に示す断面図である。この図11の例では、端面発光型の半導体レーザの場合を例示している。この半導体装置は、図10の化合物半導体基板の所定の位置のP型コンタクト層118からN型のGaN層105までを除去したリッジ状構造を有している。このリッジ状構造によって、電流狭窄構造が形成されている。リッジ状構造が形成された化合物半導体基板上の全面および側面には、SiO2膜からなるパッシベーション膜119が形成される。このパッシベーション膜119のP型コンタクト層118上の所定の位置には、P型コンタクト層118が露出するように開口が設けられ、パッシベーション膜119のN型コンタクト層104上の所定の位置には、N型コンタクト層104が露出するように開口が設けられる。そして、それぞれの開口には、P型コンタクト層118とN型コンタクト層104に接触するようにそれぞれP型電極120とN型電極121が形成される。これにより、端面を用いた共振器構造を有するレーザ発振可能な半導体装置が得られる。 FIG. 11 is a cross-sectional view schematically showing an example of the configuration of a semiconductor device manufactured using such a compound semiconductor substrate. In the example of FIG. 11, the case of an edge emitting semiconductor laser is illustrated. This semiconductor device has a ridge structure in which the P-type contact layer 118 at a predetermined position on the compound semiconductor substrate of FIG. 10 is removed from the N-type GaN layer 105. This ridge-like structure forms a current confinement structure. A passivation film 119 made of a SiO 2 film is formed on the entire surface and side surfaces of the compound semiconductor substrate on which the ridge-like structure is formed. An opening is provided at a predetermined position on the P-type contact layer 118 of the passivation film 119 so that the P-type contact layer 118 is exposed. At a predetermined position on the N-type contact layer 104 of the passivation film 119, An opening is provided so that the N-type contact layer 104 is exposed. In each opening, a P-type electrode 120 and an N-type electrode 121 are formed so as to be in contact with the P-type contact layer 118 and the N-type contact layer 104, respectively. As a result, a semiconductor device capable of laser oscillation having a resonator structure using the end face can be obtained.

このような半導体基板についての製造方法についても、上述した第1と第2の実施の形態と基本的に同じである。つまり、第1のサファイア基板101上に、低温GaN層102、高温GaN層103、N型コンタクト層104、N型のGaN層105、下部クラッド層106、下部光ガイド層107、GaInN層とGaN層による活性層110を順に形成し、この活性層110のメタステーブルな状態を壊さない条件でその上面に、第1の上部光ガイド層111、ホールブロック層112、第2の上部光ガイド層113を形成し、さらにその上にInNドット114を形成する。一方、図示しない第2のサファイア基板上には、低温GaNバッファ層、高温GaNバッファ層、P型コンタクト層118、P型の上部クラッド層117、第3の上部光ガイド層116を順に形成する。そして、第1のサファイア基板101上の第2の上部光ガイド層113と第2のサファイア基板の第3の上部光ガイド層116とを結晶方位を合わせて対向させて、InNドット114をバンプとして貼り合わせる。その後、両基板間に圧力をかけて、メタステーブル材料系の状態を壊さない条件の温度で熱処理して、両基板間を接合し、図10に示される化合物半導体基板が得られる。また、このような化合物半導体基板を用いた半導体装置の製造方法についても、第1と第2の実施の形態で説明した工程と基本的に同様な処理が行われるため、その詳細な説明は省略する。   The manufacturing method for such a semiconductor substrate is also basically the same as the first and second embodiments described above. That is, on the first sapphire substrate 101, the low-temperature GaN layer 102, the high-temperature GaN layer 103, the N-type contact layer 104, the N-type GaN layer 105, the lower clad layer 106, the lower light guide layer 107, the GaInN layer and the GaN layer. The first upper light guide layer 111, the hole block layer 112, and the second upper light guide layer 113 are formed on the upper surface of the active layer 110 under the conditions that the metastable state of the active layer 110 is not broken. In addition, InN dots 114 are formed thereon. On the other hand, a low-temperature GaN buffer layer, a high-temperature GaN buffer layer, a P-type contact layer 118, a P-type upper cladding layer 117, and a third upper light guide layer 116 are sequentially formed on a second sapphire substrate (not shown). Then, the second upper light guide layer 113 on the first sapphire substrate 101 and the third upper light guide layer 116 of the second sapphire substrate are made to face each other in the crystal orientation, and the InN dots 114 are used as bumps. to paste together. Thereafter, pressure is applied between the two substrates, and heat treatment is performed at a temperature that does not destroy the state of the metastable material system, and the two substrates are bonded together to obtain the compound semiconductor substrate shown in FIG. Also, a method for manufacturing a semiconductor device using such a compound semiconductor substrate is basically the same as the steps described in the first and second embodiments, and thus detailed description thereof is omitted. To do.

GaInN系の材料はGaInAs系の材料よりも不混和性が高く、GaInN層の結晶成長中に容易に相分離を起こしてしまうために、低温での成長が不可欠である。そこで、本第3の実施の形態では、第1のサファイア基板101上に発光層108であるGaInN層を成長させた後には、このGaInN層の上面に薄くかつプロセス温度がGaInN層と同程度の層のみを成長させ、GaInN層上に配置されるべき厚い結晶(層)の成長は第2のサファイア基板で行うようにしている。これにより、結晶性の高いGaInN層を有する化合物半導体基板を得ることが可能となる。   Since a GaInN-based material is more immiscible than a GaInAs-based material and phase separation easily occurs during crystal growth of the GaInN layer, growth at a low temperature is indispensable. Therefore, in the third embodiment, after the GaInN layer, which is the light emitting layer 108, is grown on the first sapphire substrate 101, it is thin on the upper surface of the GaInN layer and has the same process temperature as the GaInN layer. Only the layer is grown, and a thick crystal (layer) to be disposed on the GaInN layer is grown on the second sapphire substrate. As a result, a compound semiconductor substrate having a GaInN layer with high crystallinity can be obtained.

また、第1と第2の実施の形態で示したAlGaAsとGaAsの系と異なり、GaNとAlGaNとの格子不整が大きく、GaNまたはAlGaNと最適な成長温度の差が大きい。そのため、GaN層上に高Al組成のAlGaN層を成長することが難しい。しかし、この第3の実施の形態では、各基板上には片側のクラッド層(AlGaN層)106,117のみを成長するようにしているので、従来の製造方法の場合と比べて同じ格子不整であれば蓄積されるエネルギを半分とすることができる。その結果、クラッド層を構成するAlGaN層のAl組成を高くすることができ(屈折率を小さくすることができ)、活性層への光の閉じ込めを大きくとることができるので、レーザ素子において低閾値化をはかることができるという効果を有する。また、クラッド層106,117での吸収係数を低減できるので、LED(Light-Emitting Diode)を作製した場合の光の取り出し効率を高くとることができる。   Further, unlike the AlGaAs and GaAs systems shown in the first and second embodiments, the lattice mismatch between GaN and AlGaN is large, and the difference between the optimum growth temperature and GaN or AlGaN is large. Therefore, it is difficult to grow an AlGaN layer having a high Al composition on the GaN layer. However, in the third embodiment, since only one clad layer (AlGaN layer) 106, 117 is grown on each substrate, the lattice irregularity is the same as in the conventional manufacturing method. If so, the accumulated energy can be halved. As a result, the Al composition of the AlGaN layer constituting the cladding layer can be increased (the refractive index can be decreased), and light confinement in the active layer can be increased, so that a low threshold value is obtained in the laser device. It has the effect that it can be achieved. In addition, since the absorption coefficient in the cladding layers 106 and 117 can be reduced, the light extraction efficiency when an LED (Light-Emitting Diode) is manufactured can be increased.

この第3の実施の形態によれば、格子不整の大きな材料系を上下に積層した構造を有する化合物半導体基板でも容易に得ることができるという効果を有する。   According to the third embodiment, it is possible to easily obtain even a compound semiconductor substrate having a structure in which material systems having large lattice irregularities are stacked one above the other.

(第4の実施の形態)
図12は、本発明の第4の実施の形態にかかる化合物半導体基板の構成の一例を模式的に示す断面図である。この化合物半導体基板は、第1の実施の形態の図1において、第1の上部光ガイド層17−1と活性層16と下部光ガイド層13の一部が、基板面に垂直な方向に形成された溝42によって分離されていることを特徴とする。なお、その他の構成は第1の実施の形態と同様であるので、その説明を省略する。
(Fourth embodiment)
FIG. 12: is sectional drawing which shows typically an example of a structure of the compound semiconductor substrate concerning the 4th Embodiment of this invention. In this compound semiconductor substrate, in FIG. 1 of the first embodiment, the first upper light guide layer 17-1, the active layer 16, and a part of the lower light guide layer 13 are formed in a direction perpendicular to the substrate surface. It is characterized by being separated by the groove 42 formed. Since other configurations are the same as those of the first embodiment, description thereof is omitted.

このような化合物半導体基板は、第1のGaAs基板11上に下部クラッド層12、下部光ガイド層13、活性層16および第1の上部光ガイド層17−1を形成したのち、たとえばエッチングによって、所定の位置の第1の上部光ガイド層17−1と活性層16と下部光ガイド層13の一部を除去して溝42を形成する。ついで、第1の上部光ガイド層17−1上にInAsドット19を形成する。その後は、第1の実施の形態で説明した手順で、第1の基板と第2の基板を貼り合わせ、所定の処理を行って化合物半導体基板を得る。   In such a compound semiconductor substrate, the lower cladding layer 12, the lower light guide layer 13, the active layer 16, and the first upper light guide layer 17-1 are formed on the first GaAs substrate 11, and then, for example, by etching, A part of the first upper light guide layer 17-1, the active layer 16, and the lower light guide layer 13 at a predetermined position is removed to form a groove. Next, InAs dots 19 are formed on the first upper light guide layer 17-1. After that, according to the procedure described in the first embodiment, the first substrate and the second substrate are bonded together, and a predetermined process is performed to obtain a compound semiconductor substrate.

なお、ここでは、第1の実施の形態の場合で活性層と第1の上部光ガイド層に基板面に垂直な溝42を形成する場合を示したが、第2と第3の実施の形態に対しても同様に活性層とその上部の光ガイド層に基板面に垂直な溝を形成することができる。また、溝の形成位置や溝の深さは任意である。   Here, the case where the groove 42 perpendicular to the substrate surface is formed in the active layer and the first upper light guide layer in the case of the first embodiment is shown, but the second and third embodiments are shown. Similarly, a groove perpendicular to the substrate surface can be formed in the active layer and the light guide layer thereabove. Further, the groove forming position and the groove depth are arbitrary.

この第4の実施の形態によれば、第1の上部光ガイド層17−1と活性層16と下部光ガイド層13の一部に基板面に垂直な方向に形成された溝を設けることで、第1と第2の基板を貼り合わせる場合に、基板が反っている場合でも他方の基板にそれほど強い力を与えずに押し付けることができるとともに、活性層16に歪を加えることもできるという効果を有する。   According to the fourth embodiment, a groove formed in a direction perpendicular to the substrate surface is provided in a part of the first upper light guide layer 17-1, the active layer 16, and the lower light guide layer 13. When the first and second substrates are bonded together, even if the substrate is warped, the other substrate can be pressed without giving a strong force, and the active layer 16 can be strained. Have

以下に、実施例を挙げて本発明についてより詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.

この実施例1では、第1の実施の形態で説明した図1の化合物半導体基板と図2の半導体装置の具体例について説明する。この実施例1の図1で使用される化合物半導体基板は、N-型の第1のGaAs基板11上に、Siを添加した厚さ1.3μmのAl0.4Ga0.6As層からなる下部クラッド層12、厚さ0.15μmのGaAs層からなる下部光ガイド層13、厚さ7nmのGa0.6In0.4As層よりなる1層の発光層(量子井戸層)14、厚さ90nmのGaAs層からなる第1の上部光ガイド層17−1、Znを添加したInAsドット19により形成した接合層18、厚さ5nmのGaAs層からなる第2の上部光ガイド層17−2、厚さ1.3μmのP型のAl0.4Ga0.6As層からなる上部クラッド層21、厚さ0.3μmの高濃度のCを添加したGaAs層からなるコンタクト層22が積層された構造を有する。ただし、この実施例1では、活性層16は、1層のGaInAs層(発光層14)からなる場合を示している。 In Example 1, specific examples of the compound semiconductor substrate of FIG. 1 and the semiconductor device of FIG. 2 described in the first embodiment will be described. The compound semiconductor substrate used in FIG. 1 of Example 1 is a lower clad layer comprising an Al 0.4 Ga 0.6 As layer with a thickness of 1.3 μm added with Si on an N -type first GaAs substrate 11. 12, a lower light guide layer 13 made of a GaAs layer having a thickness of 0.15 μm, a light emitting layer (quantum well layer) 14 made of a Ga 0.6 In 0.4 As layer having a thickness of 7 nm, and a GaAs layer having a thickness of 90 nm. A first upper light guide layer 17-1, a bonding layer 18 formed of InAs dots 19 doped with Zn, a second upper light guide layer 17-2 made of a GaAs layer having a thickness of 5 nm, and a thickness of 1.3 μm. It has a structure in which an upper clad layer 21 made of a P-type Al 0.4 Ga 0.6 As layer and a contact layer 22 made of a GaAs layer with a high concentration of C having a thickness of 0.3 μm are laminated. However, in this Example 1, the active layer 16 has shown the case where it consists of one layer of GaInAs layers (light emitting layer 14).

また、このような化合物半導体基板から図2に示されるような半導体装置が製造されるが、ここでは、パッシベーション膜24としてSiO2膜が用いられる。この半導体装置の詳細な構造は、第1の実施の形態で説明したので省略する。このような半導体装置は、端面発光型の半導体レーザ素子として用いられる。 A semiconductor device as shown in FIG. 2 is manufactured from such a compound semiconductor substrate. Here, a SiO 2 film is used as the passivation film 24. Since the detailed structure of this semiconductor device has been described in the first embodiment, a description thereof will be omitted. Such a semiconductor device is used as an edge emitting semiconductor laser element.

このような構造の化合物半導体基板(半導体装置)においては、GaInAs層(活性層16)を形成後、GaAs層(第1の上部光ガイド層17−1)が形成され、このGaAs層上にはInAsドット19により構成した接合層18が形成されている。このため、このInAsドット19よりなる接合層18において、その接合層18上に形成されたGaAs層(第2の上部光ガイド層17−2)、AlGaAs層(上部クラッド層21)およびGaAs層(コンタクト層22)の積層体が活性層に与える歪の影響が抑制される。特に、AlGaAs層(上部クラッド層21)を成長する場合に基板の温度を560℃以上に上げる必要があるのに対して、2つの基板に形成された半導体層同士の接合を行う場合には、メタステーブルなGaInAs層(活性層16)を有する第1のGaAs基板11にAlGaAs層(上部クラッド層21)を成長するのではなく、第2のGaAs基板上に成長させればよい。その結果、第1のGaAs基板11上のGaInAs層(活性層16)は成長後にプロセス温度を超えるような温度環境下に置かれることがない。   In the compound semiconductor substrate (semiconductor device) having such a structure, after the GaInAs layer (active layer 16) is formed, a GaAs layer (first upper light guide layer 17-1) is formed. A bonding layer 18 composed of InAs dots 19 is formed. For this reason, in the bonding layer 18 composed of the InAs dots 19, a GaAs layer (second upper light guide layer 17-2), an AlGaAs layer (upper cladding layer 21) and a GaAs layer (on the bonding layer 18) ( The effect of strain on the active layer by the contact layer 22) is suppressed. In particular, when the AlGaAs layer (upper clad layer 21) is grown, it is necessary to raise the temperature of the substrate to 560 ° C. or higher, whereas when bonding semiconductor layers formed on two substrates, Instead of growing the AlGaAs layer (upper clad layer 21) on the first GaAs substrate 11 having the metastable GaInAs layer (active layer 16), it may be grown on the second GaAs substrate. As a result, the GaInAs layer (active layer 16) on the first GaAs substrate 11 is not placed in a temperature environment that exceeds the process temperature after growth.

このような製造方法によって、本実施例1のGaInAs量子井戸層では、従来行われていたGaInAs量子井戸層を挟んだ上下両側の面に厚いクラッド層を積層した場合と比べ、GaAs層との間の格子不整の影響を小さくすることができる。たとえば、通常の(従来の方法で製造した)GaInAs層では、そのIn組成が熱力学的臨界組成の0.4を大きく越えることはないが、本実施例1を用いてGaInAs層(活性層16)の形成を440℃の低温で行うと、In組成が0.46でも高品質なGaInAs層の結晶成長が可能となる。   By such a manufacturing method, in the GaInAs quantum well layer of Example 1, the gap between the GaInAs quantum well layer and the GaAs layer compared to the case where a thick clad layer is laminated on both the upper and lower surfaces sandwiching the GaInAs quantum well layer, which has been conventionally performed. It is possible to reduce the influence of the lattice irregularity. For example, in a normal GaInAs layer (manufactured by a conventional method), the In composition does not greatly exceed the thermodynamic critical composition of 0.4, but the GaInAs layer (active layer 16) is used in Example 1. ) At a low temperature of 440 ° C., it is possible to grow a high-quality GaInAs layer even if the In composition is 0.46.

つぎに、このような化合物半導体基板と半導体装置の製造方法について説明する。なお、化合物半導体基板と半導体装置の製造手順は、第1の実施の形態の図3−1〜図4−3に示したので、ここでは、詳細な説明は省略し、概略のみ述べる。   Next, a method for manufacturing such a compound semiconductor substrate and a semiconductor device will be described. Since the manufacturing procedure of the compound semiconductor substrate and the semiconductor device is shown in FIGS. 3-1 to 4-3 of the first embodiment, detailed description is omitted here and only the outline is described.

まず、Si添加のN-型の第1のGaAs基板11上にトリエチルガリウム(以下、TEGという)とトリメチルアルミニウム(以下、TMAという)とアルシン(AsH3)を原料として、MOCVD法により、680℃の温度で、AlGaAs層(下部クラッド層12)を成長させ、引き続いて同じ温度で、TEGとアルシンを原料として、GaAs層(下部光ガイド層13)を成長させる。ここで、AlGaAs層の成長には、シラン(SiH3)を原料としてSiを添加してN-型の導電型とする。ついで、成長温度を440℃に下げて、TMGとトリメチルインジウム(以下、TMIという)とアルシンを原料として、GaInAs層(活性層16)を成長させる。続けて、同じ温度で、TMGとアルシンを原料として、GaAs層(第1の上部光ガイド層17−1)を成長させ、さらに、TMIとアルシンを原料としてInAsドット19を形成する。 First, triethylgallium (hereinafter referred to as TEG), trimethylaluminum (hereinafter referred to as TMA), and arsine (AsH 3 ) are used as raw materials on a Si-added N -type first GaAs substrate 11 at 680 ° C. by MOCVD. Then, an AlGaAs layer (lower cladding layer 12) is grown at the same temperature, and a GaAs layer (lower light guide layer 13) is subsequently grown using TEG and arsine as raw materials at the same temperature. Here, for the growth of the AlGaAs layer, Si is added using silane (SiH 3 ) as a raw material to obtain an N type conductivity type. Next, the growth temperature is lowered to 440 ° C., and a GaInAs layer (active layer 16) is grown using TMG, trimethylindium (hereinafter referred to as TMI) and arsine as raw materials. Subsequently, at the same temperature, a GaAs layer (first upper light guide layer 17-1) is grown using TMG and arsine as raw materials, and InAs dots 19 are formed using TMI and arsine as raw materials.

一方、第2のGaAs基板27上には、680℃の温度で、TEGとアルシンを原料としてGaAs層(ダミー層28)を成長させる。続けて、同じ温度で、TEGとTMAとアルシンを原料としてAl0.4Ga0.6As層(エッチングストップ層29)を成長させ、また、TEGとアルシンを原料としてGaAs層(コンタクト層22)を成長させる。さらに続けて、TEGとTMAとアルシンを原料としてAl0.4Ga0.6As層(上部クラッド層21)を成長させ、さらにまたTEGとアルシンを原料としてGaAs層(第2の上部光ガイド層17−2)を成長させる。ここで、AlGaAs層(上部クラッド層21)の形成時において、原料のTMAからのオートドーピングによって、2×1018cm-3の濃度のCのドーピングが行われる。 On the other hand, a GaAs layer (dummy layer 28) is grown on the second GaAs substrate 27 at a temperature of 680 ° C. using TEG and arsine as raw materials. Subsequently, at the same temperature, an Al 0.4 Ga 0.6 As layer (etching stop layer 29) is grown using TEG, TMA, and arsine as raw materials, and a GaAs layer (contact layer 22) is grown using TEG and arsine as raw materials. Subsequently, an Al 0.4 Ga 0.6 As layer (upper clad layer 21) is grown using TEG, TMA, and arsine as raw materials, and a GaAs layer (second upper light guide layer 17-2) using TEG and arsine as raw materials. Grow. Here, when the AlGaAs layer (upper clad layer 21) is formed, doping of C at a concentration of 2 × 10 18 cm −3 is performed by autodoping from the raw material TMA.

その後、第1のGaAs基板11上のGaAs層(第1の上部光ガイド層17−1)と第2のGaAs基板27のGaAs層(第2の上部光ガイド層17−2)とを対向させて結晶方位を合わせた後、第1のGaAs基板11上のInAsドット19をバンプとして接触させる。そして、400g/cm2の加重を加えた状態で、第2のGaAs基板27上のAlGaAs層(上部クラッド層21)の形成温度よりも低温である500℃で5分間アニールして第1のGaAs基板11と第2のGaAs基板27のGaAs層同士を、InAsドット19を介して接合する。ついで、第1のGaAs基板11の下面にSiO2膜を積層して被覆した状態で、硫酸過酸化水素系のウェットエッチングによって、第2のGaAs基板27の残り厚さが50μmとなるまで第2のGaAs基板27を除去し、引き続いて、ドライエッチングでAlが観察されるまで第2のGaAs基板27とダミー層28のエッチングを行う。その後、塩酸系またはバッファードフッ化水素アンモニア系溶液を用いて、第2のGaAs基板27上に形成されたAlGaAs層(エッチングストップ層29)を除去することでGaAs層(コンタクト層22)を露出させる。このようにすることで、図1に示した半導体基板を得ることができる。 Thereafter, the GaAs layer (first upper light guide layer 17-1) on the first GaAs substrate 11 and the GaAs layer (second upper light guide layer 17-2) of the second GaAs substrate 27 are made to face each other. After aligning the crystal orientation, the InAs dots 19 on the first GaAs substrate 11 are brought into contact as bumps. Then, with a load of 400 g / cm 2 applied, the first GaAs is annealed at 500 ° C., which is lower than the formation temperature of the AlGaAs layer (upper cladding layer 21) on the second GaAs substrate 27, for 5 minutes. The GaAs layers of the substrate 11 and the second GaAs substrate 27 are bonded to each other through InAs dots 19. Next, with the SiO 2 film laminated and coated on the lower surface of the first GaAs substrate 11, the second thickness of the second GaAs substrate 27 is reduced to 50 μm by wet sulfuric acid hydrogen peroxide etching. Then, the second GaAs substrate 27 and the dummy layer 28 are etched until Al is observed by dry etching. Thereafter, the AlGaAs layer (etching stop layer 29) formed on the second GaAs substrate 27 is removed using a hydrochloric acid-based or buffered hydrogen fluoride ammonia-based solution to expose the GaAs layer (contact layer 22). Let By doing in this way, the semiconductor substrate shown in FIG. 1 can be obtained.

なお、AlGaAs層(下部クラッド層12、上部クラッド層21)の形成に関しては、第1の実施の形態で説明したように不純物のCおよび酸素の濃度低減を実現するためには、活性な水素を供給することが望ましいため、本実施例1では、V族とIII族の原料供給比を100以上としている。また、本実施例1では、GaAsのコングルーエント温度の550℃よりも高く、金属Alの融点である625℃を上回る680℃で結晶成長を行って、高品質な結晶成長を実現している。このような条件を選択すると、Al組成が0.4を超える高Al組成AlGaAsについてもCと酸素の混入を抑制することができる。   As for the formation of the AlGaAs layers (the lower cladding layer 12 and the upper cladding layer 21), as described in the first embodiment, active hydrogen is used to reduce the concentration of impurities C and oxygen. Since it is desirable to supply, in Example 1, the raw material supply ratio of Group V and Group III is set to 100 or more. In Example 1, the crystal growth is performed at 680 ° C., which is higher than the GaAs congruent temperature of 550 ° C. and exceeds the melting point of metal Al, which is 625 ° C., thereby realizing high-quality crystal growth. . When such conditions are selected, mixing of C and oxygen can be suppressed even for high Al composition AlGaAs having an Al composition exceeding 0.4.

一方、メタステーブル材料系である高歪のGaInAsに関しては、第1の実施の形態で説明したように、GaAsのコングルーエント温度の550℃以下の440〜520℃で結晶成長を実施することが望ましく、上記した例では440℃で結晶成長を行っている。   On the other hand, for the high strain GaInAs that are metastable material systems, as described in the first embodiment, crystal growth can be performed at 440 ° C. to 520 ° C. which is 550 ° C. or less of the GaAs congruent temperature. Desirably, crystal growth is performed at 440 ° C. in the above example.

上記のようにして得られた化合物半導体基板のコンタクト層22上にSiO2膜を形成した後に、通常のリソグラフィ法により幅5μmのストライプ上のSiO2膜のマスク30を形成し、このマスク30を用いて、GaAs層(コンタクト層22)とP型のAlGaAs層(上部クラッド層21)の途中までエッチングを行ってメサ構造を形成する。その後、第1の実施の形態で説明したように、SiO2膜からなるパッシベーション膜24を形成し、ポリマによってエッチングによって形成された段差を埋め込んでポリマ埋め込み層25を形成し、メサ構造上のパッシベーション膜24を除去して露出させたコンタクト層22上にコンタクトメタル層を蒸着してP型電極26を形成し、薄膜化した第1のGaAs基板11の下面にコンタクトメタル層を蒸着してN型電極23を形成する。最後に、メサ構造の延在方向に垂直な方向で化合物半導体基板を劈開して素子の共振器構造を形成することで図2に示した半導体装置が得られる。 After forming a SiO 2 film on the contact layer 22 of the compound semiconductor substrate obtained as described above, a mask 30 of a SiO 2 film on a stripe having a width of 5 μm is formed by a normal lithography method. The mesa structure is formed by etching halfway between the GaAs layer (contact layer 22) and the P-type AlGaAs layer (upper clad layer 21). Thereafter, as described in the first embodiment, a passivation film 24 made of an SiO 2 film is formed, a step formed by etching with a polymer is buried to form a polymer buried layer 25, and a passivation on the mesa structure is formed. A contact metal layer is deposited on the contact layer 22 exposed by removing the film 24 to form a P-type electrode 26, and a contact metal layer is deposited on the lower surface of the thinned first GaAs substrate 11 to form an N-type. The electrode 23 is formed. Finally, the compound semiconductor substrate is cleaved in a direction perpendicular to the extending direction of the mesa structure to form a resonator structure of the element, thereby obtaining the semiconductor device shown in FIG.

このような化合物半導体基板を用いることで、高品質な半導体装置の実現が可能となる。たとえば、本実施例1の半導体レーザ素子においては、多重量子井戸層を構成する結晶中への転位の導入が抑制される。その結果、しきい値電流密度を低減することができ、発振可能な波長域が、1.2〜1.25μmを超える波長まで実現可能となることが確認された。   By using such a compound semiconductor substrate, a high-quality semiconductor device can be realized. For example, in the semiconductor laser device of Example 1, the introduction of dislocations into the crystals constituting the multiple quantum well layer is suppressed. As a result, it was confirmed that the threshold current density can be reduced and the wavelength range in which oscillation is possible can be realized to wavelengths exceeding 1.2 to 1.25 μm.

上述した実施例1では活性層16の内部の発光領域と接合層18の間にはGaAs層(第1の上部光ガイド層17−1)のみが形成されていたが、図5に示されるように、量子井戸層(活性層16)上のGaAs層(第1の上部光ガイド層17−1)に、量子井戸層の上面から7nmの位置に、厚さ3nmのAl0.3Ga0.7As層からなるキャリア蓄積層31を導入してもよい。このように、キャリアの蓄積を接合層18とはなれた領域で行うと、接合層18での欠陥の影響を抑制することができるので半導体装置の特性向上が可能となる。 In Example 1 described above, only the GaAs layer (the first upper light guide layer 17-1) is formed between the light emitting region inside the active layer 16 and the bonding layer 18, but as shown in FIG. Further, from the Al 0.3 Ga 0.7 As layer having a thickness of 3 nm to the GaAs layer (first upper light guide layer 17-1) on the quantum well layer (active layer 16) at a position 7 nm from the upper surface of the quantum well layer. A carrier storage layer 31 may be introduced. In this way, when carriers are accumulated in a region separated from the bonding layer 18, the influence of defects in the bonding layer 18 can be suppressed, so that the characteristics of the semiconductor device can be improved.

また、図2に示されるように、活性層16と隣接してInAsドット19からなる接合層18があり、キャリア蓄積層31がない場合に、発光する活性層16と発光しないInAsドット19にはほぼ均等にキャリアの注入が行われる。しかし、図5に示されるように、キャリア蓄積層31を形成すると、InAsドット19に注入されるキャリアはキャリア蓄積層31に蓄積される。その結果、本実施例1の場合は、発光層14が一層であることから、レーザ発振させた場合の量子効率を2倍程度に向上でき、閾値電流は半分程度となる。また、接合領域での欠陥の影響を低減するためには、InAsドット19の形成時にInAsドット内部にZnを1×1018cm-3の濃度で添加してもよい。 In addition, as shown in FIG. 2, when there is a bonding layer 18 made of InAs dots 19 adjacent to the active layer 16, and there is no carrier storage layer 31, the active layer 16 that emits light and the InAs dots 19 that do not emit light have The carrier is injected almost evenly. However, as shown in FIG. 5, when the carrier accumulation layer 31 is formed, the carriers injected into the InAs dots 19 are accumulated in the carrier accumulation layer 31. As a result, in the case of the first embodiment, since the light emitting layer 14 is a single layer, the quantum efficiency when laser oscillation is performed can be improved by about twice, and the threshold current becomes about half. In order to reduce the influence of defects in the junction region, Zn may be added at a concentration of 1 × 10 18 cm −3 inside the InAs dots when the InAs dots 19 are formed.

この実施例2では、第1の実施の形態の図1に示される化合物半導体基板と図2に示される半導体装置において、活性層16として不混和性が高いGaInAsよりも高いGaInNAsであるGa0.57In0.430.005As0.995結晶を用いたものである。このような場合でも、GaInNAs層成長後にその温度を上げないでも済むことから、均一なGaInNAsの成長を実現することがでる。また、高In組成の結晶を用いることができ、同じ発光波長1.31μmの量子井戸を実現する場合でも、通常のGa0.63In0.370.01As0.99よりもIn組成が0.06%程度多くN組成が0.005%程度低いことから、発光効率が高くなる。このような発光効率の高くなった半導体装置を半導体レーザ素子とした場合では、閾値電流密度を40%程度まで低減することができる。このようにすることで、GaInNAs層を高温にさらすことが不要となり、その均一性を維持できるようになるので、半導体装置としての特性を大幅に向上させることができる。 In Example 2, in the compound semiconductor substrate shown in FIG. 1 of the first embodiment and the semiconductor device shown in FIG. 2, Ga 0.57 In which is GaInNAs higher than GaInAs having high immiscibility as the active layer 16. 0.43 N 0.005 As 0.995 crystals are used. Even in such a case, it is not necessary to raise the temperature after the growth of the GaInNAs layer, so that uniform GaInNAs growth can be realized. Further, a crystal having a high In composition can be used, and even when realizing a quantum well with the same emission wavelength of 1.31 μm, the In composition is about 0.06% higher than that of normal Ga 0.63 In 0.37 N 0.01 As 0.99. Since the composition is about 0.005% lower, the luminous efficiency is increased. In the case where the semiconductor device having such high luminous efficiency is a semiconductor laser element, the threshold current density can be reduced to about 40%. By doing so, it is not necessary to expose the GaInNAs layer to a high temperature and the uniformity can be maintained, so that the characteristics as a semiconductor device can be greatly improved.

この実施例3では、第1の実施の形態の図1に示される化合物半導体基板と図2に示される半導体装置において、活性層16としてInAsドット結晶をTMIとTBAs(Tertiarybutylarsine)を用い形成し、その層をGaInAs層で埋め込むように構成したものである。このような構造の化合物半導体基板を用いることによって、1.3μm帯で高効率で発光する発光素子を実現することができる。   In Example 3, in the compound semiconductor substrate shown in FIG. 1 of the first embodiment and the semiconductor device shown in FIG. 2, an InAs dot crystal is formed as the active layer 16 using TMI and TBAs (Tertiarybutylarsine). The layer is configured to be embedded with a GaInAs layer. By using the compound semiconductor substrate having such a structure, a light emitting element that emits light with high efficiency in the 1.3 μm band can be realized.

InAsドットは局所的な歪量が大きいために、膜形成後は、形成温度である500℃以下の温度に保つ必要がある。本実施例3では、そのようなInAsドットを有する化合物半導体基板(半導体装置)でも、形成されたInAsドット層を高温にさらすことが不要となり、その均一性を維持できるようになる。その結果、半導体装置としての特性を大幅に向上させることができる。   Since InAs dots have a large amount of local strain, it is necessary to keep the temperature at 500 ° C. or lower, which is the formation temperature, after forming the film. In Example 3, even in the compound semiconductor substrate (semiconductor device) having such InAs dots, it is unnecessary to expose the formed InAs dot layer to a high temperature, and the uniformity can be maintained. As a result, the characteristics as a semiconductor device can be greatly improved.

この実施例4では、第2の実施の形態の図7に示される化合物半導体基板と図8に示される面発光型半導体装置の具体例について説明する。この実施例4で使用される化合物半導体基板は、GaAs基板51上にAl0.9Ga0.1As層とGaAs層を交互に繰り返してそれぞれ35層積層した下部半導体多層膜反射鏡層52、厚さ0.08μmのAl0.2Ga0.8As層からなる下部クラッド層53、厚さ0.05μmのGaAs層からなる下部光ガイド層54、厚さ6nmのGa0.54In0.46As層からなる発光層56と厚さ15nmのGaAs層からなる障壁層55を交互に積層させることによって3層の発光層56を形成した活性層57、厚さ0.1μmのGaAs層からなる第1の上部光ガイド層58−1、InAsドット59からなる接合層60、厚さ0.05μmのAl0.2Ga0.8As層からなる上部クラッド層61、Al0.98Ga0.02As層62、Al0.92Ga0.08As層とGaAs層が交互に28層積層してなる上部半導体多層膜反射鏡層63、GaAs層からなるコンタクト層64が順に積層されてなる構造を有する。 In Example 4, a specific example of the compound semiconductor substrate shown in FIG. 7 and the surface emitting semiconductor device shown in FIG. 8 according to the second embodiment will be described. The compound semiconductor substrate used in this Example 4 has a lower semiconductor multilayer reflector layer 52 having a thickness of 0. 10 on a GaAs substrate 51 in which 35 layers of Al 0.9 Ga 0.1 As layers and GaAs layers are alternately stacked. A lower cladding layer 53 made of 08 μm Al 0.2 Ga 0.8 As layer, a lower light guide layer 54 made of GaAs layer having a thickness of 0.05 μm, a light emitting layer 56 made of Ga 0.54 In 0.46 As layer having a thickness of 6 nm, and a thickness of 15 nm An active layer 57 in which three light emitting layers 56 are formed by alternately laminating barrier layers 55 made of GaAs layers, a first upper light guide layer 58-1 made of a GaAs layer having a thickness of 0.1 μm, and InAs. bonding layer 60 consisting of a dot 59, the upper clad layer 61 made of Al 0.2 Ga 0.8 As layer having a thickness of 0.05μm, Al 0.98 Ga 0.02 As layer 62, Al 0.92 Ga 0.08 a Has a structure in which the contact layer 64 a layer and GaAs layer is made of the upper semiconductor multilayer reflection mirror layer 63, the GaAs layer formed by laminating 28 layers alternately are stacked in this order.

また、このような化合物半導体基板から図8に示されるような半導体装置が製造されるが、この半導体装置の詳細な構造は、第2の実施の形態で説明したものと同一であるので、その説明を省略する。ただし、AlGaAs層62の外周部分に酸化した酸化アルミニウム層62xを形成し、その中央部分に直径7.5μmのAl0.98Ga0.02As層がそのまま残された領域からなる電流狭窄領域62sを有する構造となっている。このような半導体装置は、面発光型半導体レーザとして用いられる。 Further, a semiconductor device as shown in FIG. 8 is manufactured from such a compound semiconductor substrate, and the detailed structure of this semiconductor device is the same as that described in the second embodiment, so that Description is omitted. However, an oxidized aluminum oxide layer 62x is formed on the outer peripheral portion of the AlGaAs layer 62, and a structure having a current confinement region 62s composed of a region in which an Al 0.98 Ga 0.02 As layer having a diameter of 7.5 μm is left as it is in the central portion. It has become. Such a semiconductor device is used as a surface emitting semiconductor laser.

このような化合物半導体基板とこの化合物半導体基板を用いた半導体装置の製造方法は、第2の実施の形態で説明した手順と同じ手順であるので、その詳細な説明を省略する。ただし、第1のGaAs基板51上に形成される半導体層において、下部半導体多層膜反射鏡層52、下部クラッド層53および下部光ガイド層54は、それぞれ成長温度700℃で形成され、活性層57および第1の上部光ガイド層58−1は、それぞれ成長温度490℃で形成され、InAsドット59は成長温度500℃で形成される。また、接合層60よりも上位に位置する半導体層において、図示しない第2のGaAs基板上にAlGaAs層(ダミー層)、コンタクト層64、上部半導体多層膜反射鏡層63、AlGaAs層62、上部クラッド層61は、それぞれ成長温度700℃で形成される。さらに、第1のGaAs基板51の第1の上部光ガイド層58−1と第2のGaAs基板の上部クラッド層61の面方位を合わせて、InAsドット59を介して貼り合わせ、500g/cm2の圧力で加圧して、窒素雰囲気中で500℃で加熱する。 Since such a compound semiconductor substrate and a method for manufacturing a semiconductor device using this compound semiconductor substrate are the same as those described in the second embodiment, detailed description thereof is omitted. However, in the semiconductor layer formed on the first GaAs substrate 51, the lower semiconductor multilayer reflector layer 52, the lower cladding layer 53, and the lower light guide layer 54 are each formed at a growth temperature of 700 ° C., and the active layer 57 The first upper light guide layer 58-1 is formed at a growth temperature of 490 ° C., and the InAs dots 59 are formed at a growth temperature of 500 ° C. Also, in the semiconductor layer located above the bonding layer 60, an AlGaAs layer (dummy layer), a contact layer 64, an upper semiconductor multilayer reflector layer 63, an AlGaAs layer 62, an upper clad on a second GaAs substrate (not shown). The layers 61 are formed at a growth temperature of 700 ° C., respectively. Further, the surface orientations of the first upper light guide layer 58-1 of the first GaAs substrate 51 and the upper clad layer 61 of the second GaAs substrate are aligned and bonded through InAs dots 59, and 500 g / cm 2 is bonded. And heated at 500 ° C. in a nitrogen atmosphere.

この実施例5では、第3の実施の形態の図10に示される化合物半導体基板と図11に示される半導体装置の具体例について説明する。この実施例5で使用される化合物半導体基板は、サファイア基板101上に、厚さ35nmの低温GaN層102、厚さ1.8μmの高温GaN層103、厚さ0.05μmのSi添加のGa0.95In0.05N層からなるN型コンタクト層104、厚さ0.1μmのSi添加のN型のGaN層105−1、厚さ2μmのSi添加のN型のGaN層105−2、厚さ0.3μmのSi添加のN型Al0.22Ga0.78N層からなる下部クラッド層106、厚さ0.05μmのGaN層からなる下部光ガイド層107、厚さ3.5nmのGa0.85In0.15N層の発光層(量子井戸層)108と厚さ7nmのGaN層の障壁層109を組み合わせて量子井戸層を3回積層した活性層110、厚さ50nmのGaN層からなる第1の上部光ガイド層111、厚さ3nmのMg添加のAl0.2Ga0.8N層からなるホールブロック層112、厚さ10nmのGaN層からなる第2の上部光ガイド層113、InNドット114からなる接合層115、厚さ10nmのP型のGaN層からなる第3の上部光ガイド層116、厚さ0.3μmのP型のAl0.22Ga0.78N層からなる上部クラッド層117、P型のGaN層からなるP型コンタクト層118が順に積層されてなる構造を有する。なお、この実施例5では、N型のGaN層105が、形成温度の異なる2層のN型のGaN層105−1,105−2からなる場合を示している。 In Example 5, a specific example of the compound semiconductor substrate shown in FIG. 10 and the semiconductor device shown in FIG. 11 according to the third embodiment will be described. The compound semiconductor substrate used in Example 5 is a sapphire substrate 101, a low-temperature GaN layer 102 having a thickness of 35 nm, a high-temperature GaN layer 103 having a thickness of 1.8 μm, and a Ga 0.95 containing Si having a thickness of 0.05 μm. N-type contact layer 104 made of In 0.05 N layer, 0.1-μm thick Si-added N-type GaN layer 105-1, 2-μm thick Si-added N-type GaN layer 105-2, 0. Light emission of a lower cladding layer 106 made of a 3 μm Si-doped N-type Al 0.22 Ga 0.78 N layer, a lower light guide layer 107 made of a GaN layer having a thickness of 0.05 μm, and a Ga 0.85 In 0.15 N layer having a thickness of 3.5 nm An active layer 110 in which a quantum well layer is stacked three times by combining a layer (quantum well layer) 108 and a barrier layer 109 of a GaN layer having a thickness of 7 nm, a first upper light guide layer 111 made of a GaN layer having a thickness of 50 nm, thickness nm of the hole blocking layer 112 made of Al 0.2 Ga 0.8 N layer Mg addition, a GaN layer having a thickness of 10nm second upper optical guide layer 113, the bonding layer 115 made of InN dots 114, P-type thickness 10nm A third upper light guide layer 116 made of a GaN layer, an upper cladding layer 117 made of a P-type Al 0.22 Ga 0.78 N layer having a thickness of 0.3 μm, and a P-type contact layer 118 made of a P-type GaN layer in this order. It has a laminated structure. In the fifth embodiment, the N-type GaN layer 105 is composed of two N-type GaN layers 105-1 and 105-2 having different formation temperatures.

このような化合物半導体基板の製造方法の概略について説明する。まず、第1のサファイア基板101上に、TMGとNH3を原料として、MOCVD法により、450℃の温度で低温GaN層102を成長させ、引き続いて成長温度を1050℃に上げて高温GaN103層を形成する。ついで、850℃の温度で、原料ガスにTEG、TMIおよびアルシンを用いてSi添加のGa0.95In0.05N層(N型コンタクト層104)を成長させ、Si添加のN型のGaN層105−1を成長させる。さらに、その上には、再度成長温度を1050℃に上げて、Si添加のN型のGaN層105−2を成長させ、原料ガスにTMA、TMGおよびアルシンを用いてSi添加のn型Al0.22Ga0.78N層(下部クラッド層106)を成長させ、さらにGaN層(下部光ガイド層107)を成長させる。ついで、780℃の温度でGa0.85In0.15N層(発光層108)の上下をGaN層(障壁層109)が挟むようにした3層の量子井戸層を有する活性層110、GaN層(第1の上部光ガイド層111)、MgをドープしたAl0.2Ga0.8N層(ホールブロック層112)、GaN層(第2の上部光ガイド層113)を成長させる。さらに、400℃の温度でInNドット114を形成する。 An outline of a method for producing such a compound semiconductor substrate will be described. First, the low temperature GaN layer 102 is grown on the first sapphire substrate 101 using TMG and NH 3 as raw materials by MOCVD at a temperature of 450 ° C., and then the growth temperature is increased to 1050 ° C. to form a high temperature GaN 103 layer. Form. Next, at a temperature of 850 ° C., a Si-added Ga 0.95 In 0.05 N layer (N-type contact layer 104) is grown using TEG, TMI and arsine as source gases, and the Si-added N-type GaN layer 105-1 is grown. Grow. Further, the growth temperature is again increased to 1050 ° C. to grow a Si-added N-type GaN layer 105-2, and TMA, TMG, and arsine are used as source gases to add Si-added n-type Al 0.22. A Ga 0.78 N layer (lower cladding layer 106) is grown, and a GaN layer (lower light guide layer 107) is further grown. Next, an active layer 110 having three quantum well layers in which a GaN layer (barrier layer 109) is sandwiched between the upper and lower sides of the Ga 0.85 In 0.15 N layer (light emitting layer 108) at a temperature of 780 ° C., a GaN layer (first layer) The upper light guide layer 111), Mg-doped Al 0.2 Ga 0.8 N layer (hole block layer 112), and GaN layer (second upper light guide layer 113) are grown. Further, InN dots 114 are formed at a temperature of 400 ° C.

一方、図示しない第2のサファイア基板上には、低温GaNバッファ層、高温GaNバッファ層、GaN層(P型コンタクト層118)、Al0.22Ga0.78N層(上部クラッド層117)、GaN層(第3の上部光ガイド層116)が順次1,050℃の温度で形成される。また、基板間の接着に関しては上下から1kg/cm2の圧力を加えて、NH3を含む窒素雰囲気中で500℃まで加熱して行う。この接着後、第2のサファイア基板、低温GaNバッファ層、高温GaNバッファ層はエッチングなどにより除去され、図10に示されるような化合物半導体基板が得られる。 On the other hand, on a second sapphire substrate (not shown), a low-temperature GaN buffer layer, a high-temperature GaN buffer layer, a GaN layer (P-type contact layer 118), an Al 0.22 Ga 0.78 N layer (upper cladding layer 117), and a GaN layer (first 3 upper light guide layers 116) are sequentially formed at a temperature of 1,050 ° C. The bonding between the substrates is performed by applying a pressure of 1 kg / cm 2 from above and below and heating to 500 ° C. in a nitrogen atmosphere containing NH 3 . After this bonding, the second sapphire substrate, the low-temperature GaN buffer layer, and the high-temperature GaN buffer layer are removed by etching or the like, and a compound semiconductor substrate as shown in FIG. 10 is obtained.

その後、このようにして形成された化合物半導体基板を用いて電流狭窄領域を形成するためにリッジ状構造をエッチングによって形成した後、SiO2膜からなるパッシベーション膜119、P型電極120、N型電極121を形成する。そして、基板の切断、研磨、HR(High Reflection)コートの工程により端面を形成して共振器構造を作製して端面発光型の半導体レーザが形成される。 Thereafter, a ridge-like structure is formed by etching in order to form a current confinement region using the compound semiconductor substrate thus formed, and then a passivation film 119 made of an SiO 2 film, a P-type electrode 120, an N-type electrode 121 is formed. Then, an end face is formed by cutting the substrate, polishing, and HR (High Reflection) coating to produce a resonator structure, thereby forming an edge emitting semiconductor laser.

GaInN系の材料はGaInAs系よりも不混和性が高いために、GaInN成長中に容易に相分離を起こしてしまい、800℃以下の低温での成長が不可欠である。また、成長温度が1,000℃以上であるGaNまたはAlGaNとは、最適な成長温度の差が大きい。このため、本実施例5では、GaInN層(発光層108)の成長後に薄いGaN層(第1と第2の上部光ガイド層111,113)/AlGaN層(ホールブロック層112)のみを成長し、他の厚い結晶の成長は別の第2の基板上に成長し、後に量子ドット114を介して両者を接合させるようにした。   Since GaInN-based materials are more immiscible than GaInAs-based materials, phase separation easily occurs during GaInN growth, and growth at a low temperature of 800 ° C. or lower is essential. Also, the difference in the optimum growth temperature is large from GaN or AlGaN whose growth temperature is 1,000 ° C. or higher. For this reason, in Example 5, only the thin GaN layer (first and second upper light guide layers 111 and 113) / AlGaN layer (hole block layer 112) is grown after the growth of the GaInN layer (light emitting layer 108). The other thick crystal was grown on another second substrate, and the two were later joined through the quantum dots 114.

また、AlGaAsとGaAsの系と異なりGaNとAlGaNとの格子不整が大きいために、従来の製造方法では、GaN層105,118上に高Al組成のAlGaN層(下部クラッド層106、上部クラッド層117)を成長することが難しい。しかし、本実施例5によれば、各基板上には片側のクラッド層のみを成長させればよいので、従来の方法に対して同じ格子不整であれば蓄積されるエネルギは半分となる。このため、AlGaN層(クラッド層106,117)のAl組成を0.22まで高くすることができ、クラッド層106,117の屈折率の低下によって活性層110への光の閉じ込めを40%程度大きくとることができる。光が閉じ込められる体積が小さくなると光密度が上昇するので、それに応じてレーザの閾値を40%程度低減することができる。   In addition, unlike the AlGaAs and GaAs systems, the lattice irregularity between GaN and AlGaN is large. Therefore, in the conventional manufacturing method, an AlGaN layer having a high Al composition (the lower cladding layer 106 and the upper cladding layer 117 is formed on the GaN layers 105 and 118. ) Difficult to grow. However, according to the fifth embodiment, since only one clad layer needs to be grown on each substrate, the energy stored is halved if the lattice is the same as in the conventional method. Therefore, the Al composition of the AlGaN layer (cladding layers 106 and 117) can be increased to 0.22, and the confinement of light in the active layer 110 is increased by about 40% due to the decrease in the refractive index of the cladding layers 106 and 117. Can take. As the volume in which light is confined decreases, the light density increases, and accordingly the laser threshold can be reduced by about 40%.

なお、実施例1から実施例5として半導体レーザに本発明を適用した場合を示したが、本発明は半導体レーザに限られるものではなく、発光ダイオードなどの他の光発光素子にも適用可能である。また発光波長として1.3μmの素子を挙げたが、様々な組成を選ぶことができる。たとえば、1.4〜1.7μmの(Ga)InAs量子ドットやGaInNAsの量子井戸または量子ドットの発光層を選ぶことができる。また、0.98〜1.2μm帯の量子井戸や量子ドットを発光層に選ぶことができる。さらに、GaN系として400nmで発光する素子を挙げたが、この波長域に限られるものではなく、GaInN層の組成をコントロールすることで、紫外領域から赤色領域までの発光素子を実現することが可能となる。この他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の半導体素子やそのための基板に適用可能である。   In addition, although the case where this invention was applied to the semiconductor laser was shown as Example 1-5, this invention is not restricted to a semiconductor laser, It can apply also to other light emitting elements, such as a light emitting diode. is there. In addition, although an element having a light emission wavelength of 1.3 μm is mentioned, various compositions can be selected. For example, (Ga) InAs quantum dots of 1.4 to 1.7 μm, GaInNAs quantum wells, or light emitting layers of quantum dots can be selected. Further, a quantum well or quantum dot in the 0.98 to 1.2 μm band can be selected as the light emitting layer. Furthermore, although an element that emits light at 400 nm is cited as a GaN-based material, it is not limited to this wavelength range, and it is possible to realize a light-emitting element from the ultraviolet region to the red region by controlling the composition of the GaInN layer. It becomes. In addition, the present invention can be applied to various semiconductor elements and substrates therefor without departing from the spirit of the present invention.

また、材料系としてもAlGaAs/GaAs系やGaInN/AlGaN/GaNの半導体多層膜に限られるものではなく、GaAlInP/GaIn(Al)P系材料、In(Al)GaAs/AlGaInAs系材料、InP/AlInAs系材料、InP/GaInAsP系材料、AlGaAs/GaAs系材料を用いた半導体多層膜を用いた光半導体素子、またはこれらの材料にNやSbなどを添加した半導体の組み合わせ、GaSbとInAsもしくはGaSbとGaAlSbの組み合わせまたはこれらの材料をベースとして、各種III族元素あるいはV族元素を加えた光半導体素子に対して本発明の適用が可能である。   Further, the material system is not limited to the semiconductor multilayer film of AlGaAs / GaAs or GaInN / AlGaN / GaN. GaAlInP / GaIn (Al) P-based material, In (Al) GaAs / AlGaInAs-based material, InP / AlInAs -Based materials, InP / GaInAsP-based materials, optical semiconductor elements using semiconductor multilayer films using AlGaAs / GaAs-based materials, or combinations of these materials with semiconductors added with N or Sb, GaSb and InAs or GaSb and GaAlSb The present invention can be applied to an optical semiconductor element to which various group III elements or group V elements are added based on these combinations or these materials.

また、本願発明の製造方法に係わる結晶成長方法に関しては、MOCVD法において各金属元素の原料として、メチル系、エチル系など種々の原料を用いることができるのはもちろん、MBE(Molecular Beam Epitaxy)法、CBE(Chemical Beam Epitaxy)法、MOMBE(Metal-Organic Molecular Beam Epitaxy)法など本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の結晶成長の技術を用いることができる。   Further, regarding the crystal growth method related to the production method of the present invention, various raw materials such as methyl-based and ethyl-based materials can be used as raw materials for each metal element in the MOCVD method, as well as MBE (Molecular Beam Epitaxy) method. Various crystal growth techniques such as CBE (Chemical Beam Epitaxy) method and MOMBE (Metal-Organic Molecular Beam Epitaxy) method can be used without departing from the spirit of the present invention.

以上のように、本発明にかかる半導体基板は、形成温度以上の高温や過剰な歪を受けることを嫌うメタステーブル系の材料を含む半導体膜の多層構造を有する半導体装置を製造する場合に有用である。   As described above, the semiconductor substrate according to the present invention is useful when manufacturing a semiconductor device having a multilayer structure of a semiconductor film containing a metastable material that is not subject to a high temperature exceeding the formation temperature or excessive strain. is there.

本発明の第1の実施の形態による化合物半導体基板の構成の一例を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically an example of a structure of the compound semiconductor substrate by the 1st Embodiment of this invention. 図1の化合物半導体基板を用いて製造した半導体装置の構成の一例を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically an example of a structure of the semiconductor device manufactured using the compound semiconductor substrate of FIG. 本発明による化合物半導体基板の製造方法の一例を模式的に示す断面図である(その1)。It is sectional drawing which shows typically an example of the manufacturing method of the compound semiconductor substrate by this invention (the 1). 本発明による化合物半導体基板の製造方法の一例を模式的に示す断面図である(その2)。It is sectional drawing which shows typically an example of the manufacturing method of the compound semiconductor substrate by this invention (the 2). 本発明による化合物半導体基板の製造方法の一例を模式的に示す断面図である(その3)。It is sectional drawing which shows typically an example of the manufacturing method of the compound semiconductor substrate by this invention (the 3). 本発明による化合物半導体基板の製造方法の一例を模式的に示す断面図である(その4)。It is sectional drawing which shows typically an example of the manufacturing method of the compound semiconductor substrate by this invention (the 4). 本発明による半導体装置の製造方法の一例を模式的に示す断面図である(その1)。It is sectional drawing which shows typically an example of the manufacturing method of the semiconductor device by this invention (the 1). 本発明による半導体装置の製造方法の一例を模式的に示す断面図である(その2)。It is sectional drawing which shows typically an example of the manufacturing method of the semiconductor device by this invention (the 2). 本発明による半導体装置の製造方法の一例を模式的に示す断面図である(その3)。It is sectional drawing which shows typically an example of the manufacturing method of the semiconductor device by this invention (the 3). 本発明による化合物半導体基板を用いた半導体装置の構造の他の例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the other example of the structure of the semiconductor device using the compound semiconductor substrate by this invention. 本発明による化合物半導体基板を用いた半導体装置の構造の他の例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the other example of the structure of the semiconductor device using the compound semiconductor substrate by this invention. 本発明の第2の実施の形態による化合物半導体基板の構成の一例を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically an example of a structure of the compound semiconductor substrate by the 2nd Embodiment of this invention. 図7の化合物半導体基板を用いて製造した半導体装置の構成の一例を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically an example of a structure of the semiconductor device manufactured using the compound semiconductor substrate of FIG. 半導体装置の製造方法の一例を模式的に示す断面図である(その1)。It is sectional drawing which shows an example of the manufacturing method of a semiconductor device typically (the 1). 半導体装置の製造方法の一例を模式的に示す断面図である(その2)。It is sectional drawing which shows an example of the manufacturing method of a semiconductor device typically (the 2). 半導体装置の製造方法の一例を模式的に示す断面図である(その3)。It is sectional drawing which shows an example of the manufacturing method of a semiconductor device typically (the 3). 半導体装置の製造方法の一例を模式的に示す断面図である(その4)。It is sectional drawing which shows an example of the manufacturing method of a semiconductor device typically (the 4). 本発明の第3の実施の形態による化合物半導体基板の構成の一例を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically an example of a structure of the compound semiconductor substrate by the 3rd Embodiment of this invention. 図10の化合物半導体基板を用いて製造した半導体装置の構成の一例を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically an example of a structure of the semiconductor device manufactured using the compound semiconductor substrate of FIG. 本発明の第4の実施の形態による化合物半導体基板の構成の一例を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically an example of a structure of the compound semiconductor substrate by the 4th Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

11,51 N型のGaAs基板
12,53,106 下部クラッド層
13,13−1,13−2,107 下部光ガイド層
14,56,108 発光層
15,55,109 障壁層
16,57,110 活性層
17,17−1,17−2,58,111,113,116 上部光ガイド層
18,60,115 接合層
18a 接合面
19,59 量子ドット(InAsドット)
20 非発光領域
21,61,117 上部クラッド層
22,64 コンタクト層
23 N型電極
24 パッシベーション膜
25 ポリマ埋め込み層
26 P型電極
31 キャリアブロック層
52 下部半導体多層膜反射鏡層
62 AlGaAs層
63 上部半導体多層膜反射鏡層
101 サファイア基板
102 低温GaN層
103 高温GaN層
104 N型コンタクト層
105 N型のGaN層
112 ホールブロック層
114 量子ドット(InNドット)
118 P型コンタクト層
11, 51 N-type GaAs substrate 12, 53, 106 Lower cladding layer 13, 13-1, 13-2, 107 Lower light guide layer 14, 56, 108 Light emitting layer 15, 55, 109 Barrier layer 16, 57, 110 Active layer 17, 17-1, 17-2, 58, 111, 113, 116 Upper light guide layer 18, 60, 115 Bonding layer 18a Bonding surface 19, 59 Quantum dot (InAs dot)
20 Non-light emitting region 21, 61, 117 Upper cladding layer 22, 64 Contact layer 23 N-type electrode 24 Passivation film 25 Polymer buried layer 26 P-type electrode 31 Carrier block layer 52 Lower semiconductor multilayer reflector layer 62 AlGaAs layer 63 Upper semiconductor Multilayer reflector layer 101 Sapphire substrate 102 Low-temperature GaN layer 103 High-temperature GaN layer 104 N-type contact layer 105 N-type GaN layer 112 Hole block layer 114 Quantum dots (InN dots)
118 P-type contact layer

Claims (6)

基板上に、それぞれ化合物半導体によって形成される、第1導電型クラッド層、第1導電型光ガイド層、メタステーブル材料系結晶からなる発光層を有する活性層、第2導電型光ガイド層、および第2導電型クラッド層が順に積層された構造を有し、前記活性層内の最も上側に位置する発光層の上面と前記第2導電型クラッド層の下面との間、または前記活性層内の最も下側に位置する発光層の下面と前記第1導電型クラッド層の上面との間の非発光領域に形成される上下の層を分割する接合面が、面内方向に連続しない化合物半導体からなるドット状突起物を介して接合された接合層を備える化合物半導体基板と、
前記第1導電型クラッド層に第1導電型のキャリアを供給し、第2導電型クラッド層に第2導電型のキャリアを供給する第1および第2の電極と、
を備えることを特徴とする半導体装置。
A first conductivity type cladding layer, a first conductivity type light guide layer, an active layer having a light emitting layer made of a metastable material-based crystal, a second conductivity type light guide layer, and a second conductivity type light guide layer, each formed of a compound semiconductor on the substrate; The second conductivity type cladding layer has a structure in which the second conductivity type cladding layer is laminated in order, and between the upper surface of the light emitting layer located on the uppermost side in the active layer and the lower surface of the second conductivity type cladding layer, or in the active layer From the compound semiconductor in which the bonding surface that divides the upper and lower layers formed in the non-light emitting region between the lower surface of the lowermost light emitting layer and the upper surface of the first conductivity type cladding layer is not continuous in the in-plane direction A compound semiconductor substrate comprising a bonding layer bonded via a dot-shaped protrusion,
First and second electrodes for supplying a first conductivity type carrier to the first conductivity type cladding layer and supplying a second conductivity type carrier to the second conductivity type cladding layer;
A semiconductor device comprising:
前記ドット状突起物は、前記発光層の厚さよりも厚く、前記発光層で発光される最大強度の光の波長の1/4以下の大きさの化合物半導体から構成されることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。   The dot-shaped protrusion is made of a compound semiconductor that is thicker than the light emitting layer and has a size equal to or smaller than ¼ of the wavelength of the maximum intensity light emitted from the light emitting layer. Item 14. The semiconductor device according to Item 1. 前記活性層と前記接合層との間に、前記ドット状突起物側からのキャリアを蓄積するキャリア蓄積層をさらに有することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。   2. The semiconductor device according to claim 1, further comprising a carrier accumulation layer that accumulates carriers from the dot-shaped protrusions between the active layer and the bonding layer. 前記活性層を含む側の接合面には、少なくとも前記活性層の下面に至る深さを有する溝が形成されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。   2. The semiconductor device according to claim 1, wherein a groove having a depth reaching at least a lower surface of the active layer is formed on a bonding surface including the active layer. 基板上に、それぞれ化合物半導体層によって形成される、第1導電型クラッド層、第1導電型光ガイド層、メタステーブル材料系結晶からなる発光層を有する活性層、第2導電型光ガイド層、および第2導電型クラッド層が順に積層された構造を有し、
前記活性層内の最も上側に位置する発光層の上面と前記第2導電型クラッド層の下面との間、または前記活性層内の最も下側に位置する発光層の下面と前記第1導電型クラッド層の上面との間の非発光領域に形成される上下の層を分割する接合面が、面内方向に連続しない化合物半導体からなるドット状突起物を介して接合された接合層を備えることを特徴とする化合物半導体基板。
A first conductive type cladding layer, a first conductive type light guide layer, an active layer having a light emitting layer made of a metastable material-based crystal, a second conductive type light guide layer, each formed of a compound semiconductor layer on a substrate, And a second conductivity type cladding layer are sequentially laminated,
Between the upper surface of the uppermost light emitting layer in the active layer and the lower surface of the second conductivity type cladding layer, or the lower surface of the lowermost light emitting layer in the active layer and the first conductivity type A bonding surface that divides the upper and lower layers formed in the non-light-emitting region between the upper surface of the cladding layer and the upper surface of the cladding layer includes a bonding layer bonded via a dot-shaped protrusion made of a compound semiconductor that is not continuous in the in-plane direction. A compound semiconductor substrate characterized by the above.
第1の基板上に、それぞれ化合物半導体からなる第1導電型クラッド層、第1導電型光ガイド層を、前記化合物半導体が結晶成長する第1の温度で形成する第1の工程と、
前記第1導電型光ガイド層上に、それぞれ化合物半導体からなるメタステーブル材料系結晶からなる発光層を含む活性層、下部第2導電型光ガイド層、面内方向に連続しないドット状突起物を、前記発光層がメタステーブルな状態を保つ範囲の、前記第1の温度よりも低い第2の温度で形成する第2の工程と、
第2の基板上に、それぞれ化合物半導体からなる第2導電型クラッド層、上部第2導電型光ガイド層を、前記第2の温度よりも高い第3の温度で形成する第3の工程と、
前記第1の基板上の前記下部第2導電型光ガイド層と、前記第2の基板上の前記上部第2導電型光ガイド層とを前記ドット状突起物を介して貼り合わせ、前記第1および第2の基板の基板面に圧力を与えて、前記発光層がメタステーブルな状態を保つ範囲の、前記第1および第3の温度よりも低い第4の温度で熱処理する第4の工程と、
前記第2の基板を除去する第5の工程と、
を含むことを特徴とする化合物半導体基板の製造方法。
Forming a first conductive type cladding layer and a first conductive type light guide layer each made of a compound semiconductor on a first substrate at a first temperature at which the compound semiconductor grows;
On the first conductivity type light guide layer, an active layer including a light emitting layer made of a metastable material crystal made of a compound semiconductor, a lower second conductivity type light guide layer, and dot-like projections that are not continuous in the in-plane direction. A second step of forming at a second temperature lower than the first temperature in a range where the light emitting layer maintains a metastable state;
A third step of forming a second conductive type cladding layer and an upper second conductive type light guide layer each made of a compound semiconductor on a second substrate at a third temperature higher than the second temperature;
The lower second conductivity type light guide layer on the first substrate and the upper second conductivity type light guide layer on the second substrate are bonded together via the dot-shaped projections, and the first And a fourth step of applying a pressure to the substrate surface of the second substrate and heat-treating at a fourth temperature lower than the first and third temperatures within a range in which the light emitting layer maintains a metastable state; ,
A fifth step of removing the second substrate;
A method for producing a compound semiconductor substrate, comprising:
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