JP2008108856A - Compound semiconductor element, and its manufacturing method - Google Patents

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浩之 西本
Yoshitaka Tomomura
好隆 友村
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圭 山本
Katsuhiko Kishimoto
克彦 岸本
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a compound semiconductor element capable of inhibiting degradation in element characteristics. <P>SOLUTION: A p-type clad layer 106 with impurities doped and an active layer 104 without impurities doped are vertically adjacently provided on a substrate 101. A semiconductor layer 105 having distortion is provided between the layers 106 and 104. A crystal of the semiconductor layer 105 having the distortion has higher internal energy of the crystal than a distortionless crystal as distortion works on its interstitial bonding. Therefore, a dopant is hard to pass between these distorted grates. This prevents the dopant from diffusing from the p-type clad layer 106 to the active layer 104. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、一般に化合物半導体素子に関し、より特定的には、光ディスク装置や光通信システム等に好適に使用される半導体レーザや発光ダイオード等および高電子移動度トランジスタやヘテロ接合バイポーラトランジスタ等の化合物半導体素子に関する。この発明は、またド−パントの拡散を防止することができるように改良された化合物半導体素子の製造方法に関する。   The present invention relates generally to compound semiconductor devices, and more specifically, compound semiconductors such as semiconductor lasers and light-emitting diodes, high electron mobility transistors, and heterojunction bipolar transistors that are preferably used in optical disk devices, optical communication systems, and the like. It relates to an element. The present invention also relates to a method of manufacturing a compound semiconductor device improved so as to prevent the diffusion of dopants.

化合物半導体素子には、大きく分けて、高電子移動度トランジスタやヘテロ接合バイポーラトランジスタ等の電子デバイスと、半導体レーザや発光ダイオード等の光デバイスがある。これらの素子では、半導体に極性を持たせるために、不純物を混入させる技術が重要である。この技術を一般的にドーピングと呼び、その不純物をドーパントと呼ぶ。上記化合物半導体素子ではドーピングにより不純物濃度を適切に制御することによって、所望の素子特性を実現している。   Compound semiconductor elements are broadly classified into electronic devices such as high electron mobility transistors and heterojunction bipolar transistors, and optical devices such as semiconductor lasers and light emitting diodes. In these elements, a technique for mixing impurities is important in order to impart polarity to the semiconductor. This technique is generally called doping, and the impurity is called a dopant. In the compound semiconductor device, desired device characteristics are realized by appropriately controlling the impurity concentration by doping.

例えば、高電子移動度トランジスタは、電子を供給するための不純物を添加した層と高純度チャネル層から構成されている。チャネル層は不純物をほとんど含まないため、このチャネル層を通過する電子は不純物とほとんど衝突せず、その結果、電子の移動度は高くなる。   For example, a high electron mobility transistor includes a layer to which an impurity for supplying electrons is added and a high purity channel layer. Since the channel layer contains almost no impurities, electrons passing through the channel layer hardly collide with the impurities, and as a result, the electron mobility increases.

また、例えば半導体レーザは、ドーピングにより極性を持たせたp型半導体およびn型半導体を用いて、ノンドープ半導体層を挟み、中央部で接合させたサンドイッチ構造を持ち、これらp型半導体とn型半導体で挟まれた半導体層が発光層に対応する。この発光層を活性層と呼び、さらに、この活性層を挟む両側の層をクラッド層と呼ぶ。このクラッド層と活性層とはバンドギャップの異なる半導体材料からなり、ダブルヘテロ接合を形成する。このダブルヘテロ接合において電子とホールが結合し、光に効率良く変換され、クラッド層で光が閉じ込められてレーザ発振する。   Further, for example, a semiconductor laser has a sandwich structure in which a non-doped semiconductor layer is sandwiched between p-type semiconductor and n-type semiconductor that are polarized by doping, and is joined at the center. These p-type semiconductor and n-type semiconductor The semiconductor layer sandwiched between the layers corresponds to the light emitting layer. This light emitting layer is called an active layer, and the layers on both sides of the active layer are called clad layers. The clad layer and the active layer are made of semiconductor materials having different band gaps, and form a double heterojunction. In this double heterojunction, electrons and holes are combined and converted into light efficiently, and the light is confined in the cladding layer and laser oscillation occurs.

上述したように化合物半導体素子には、電子デバイスと光デバイスがあるが、ここでは光デバイスの中から半導体レーザを例に挙げて説明することにする。   As described above, compound semiconductor elements include electronic devices and optical devices. Here, semiconductor lasers will be described as examples from optical devices.

従来の半導体レーザとして、例えば、特許文献1に開示されたリッジ埋め込み型半導体レーザがある。この従来の半導体レーザの主な製造工程とその素子構造を図7(A)〜(D)に示し、説明する。   As a conventional semiconductor laser, for example, there is a ridge embedded semiconductor laser disclosed in Patent Document 1. The main manufacturing process and the element structure of this conventional semiconductor laser are shown in FIGS. 7A to 7D and will be described.

まず、図7(A)に示すように、n型GaAs基板301上に、n型AlGaAsのバッファ層302を形成し、さらにその上にn型AlxGa1-xAs(0.3<X<1)の第1クラッド層303、AlyGa1-yAs(0<Y<0.2)の活性層304、p型AlxGa1-xAsの第2クラッド層305とp型GaAsコンタクト層306を、順番に、MOCVD(metal organic chemical vapor deposition:有機金属化学気相成長)法を用いて積層した後、この積層体上の必要な部分にSiO2マスク307を形成する。 First, as shown in FIG. 7A, an n-type AlGaAs buffer layer 302 is formed on an n-type GaAs substrate 301, and an n-type Al x Ga 1-x As (0.3 <X <1) first clad layer 303, Al y Ga 1-y As (0 <Y <0.2) active layer 304, p-type Al x Ga 1-x As second clad layer 305, and p-type GaAs The contact layer 306 is sequentially laminated by using a MOCVD (metal organic chemical vapor deposition) method, and then a SiO 2 mask 307 is formed on a necessary portion on the laminated body.

次に、図7(A)と(B)に示すように、硫酸と過酸化水素水の混合水溶液であるエッチング液を用いて、第2クラッド層305に対してエッチングを行い、第2クラッド層305とp型GaAsコンタクト層306を含むメサ部308の側面を形成する。   Next, as shown in FIGS. 7A and 7B, the second cladding layer 305 is etched using an etchant that is a mixed aqueous solution of sulfuric acid and hydrogen peroxide solution, and the second cladding layer is etched. Side surfaces of the mesa portion 308 including the 305 and the p-type GaAs contact layer 306 are formed.

さらに、図7(C)に示すように、MOCVD法を用いて再成長を行い、メサ部308の側面に接するように、SiO2マスク307を用いて選択成長させた、n型GaAsからなる電流阻止層309を埋め込む。 Further, as shown in FIG. 7C, a current composed of n-type GaAs, which is regrowth using the MOCVD method and selectively grown using the SiO 2 mask 307 so as to be in contact with the side surface of the mesa portion 308. A blocking layer 309 is embedded.

最後に、図7(C)と(D)に示すようにSiO2マスク7を除去し、この積層体の上下にp型電極310およびn型電極311を形成し、へき開することにより、チップに分割して、リッジ埋め込み型半導体レーザを作製できる。
特開平7−50446号公報
Finally, as shown in FIGS. 7C and 7D, the SiO 2 mask 7 is removed, and a p-type electrode 310 and an n-type electrode 311 are formed on the top and bottom of this laminate, and then cleaved to form a chip. By dividing, a ridge embedded semiconductor laser can be manufactured.
Japanese Patent Laid-Open No. 7-50446

ところで、このような化合物半導体素子では、ドーパントが熱履歴などの原因によりドープ層から活性層304にまで拡散し、キャリアの非発光再結合中心となる結晶欠陥が形成され、素子特性が低下する、また、このドーパントが動作時の注入電流や発熱の影響により素子動作中にも容易に拡散し、その結果、素子寿命が短くなるという問題があった。   By the way, in such a compound semiconductor device, the dopant diffuses from the doped layer to the active layer 304 due to a thermal history or the like, and a crystal defect serving as a non-radiative recombination center of the carrier is formed, and the device characteristics are deteriorated. In addition, the dopant is easily diffused during the operation of the device due to the influence of the injection current and heat generation during operation, resulting in a problem that the device life is shortened.

さらにまた、p型コンタクト層306は低抵抗化のために高濃度にドーピングされているが、結晶成長またはその後の製造プロセスなどにおける熱履歴や素子動作中の注入電流や発熱の影響により、ドーパントがコンタクト層306から拡散し、その結果コンタクト層306のキャリア濃度が低下して抵抗が高くなり、電流が流れにくくなるという問題があった。   Furthermore, the p-type contact layer 306 is highly doped to reduce the resistance. However, the dopant is affected by the thermal history in crystal growth or subsequent manufacturing processes, the influence of injection current or heat generation during device operation, and the like. Diffusion from the contact layer 306 results in a problem that the carrier concentration of the contact layer 306 decreases, the resistance increases, and current does not flow easily.

ここでは光デバイスである半導体レーザを例として説明したが、電子デバイスでも同様である。例えば、高電子移動度トランジスタの場合、不純物を添加した層からチャネル層へ不純物が拡散により進入すると、この不純物により電子の移動が妨げられ、高い移動度が得られなくなり、素子の特性を低下させる問題があった。   Although a semiconductor laser, which is an optical device, has been described as an example here, the same applies to an electronic device. For example, in the case of a high electron mobility transistor, if impurities enter the channel layer from the layer to which impurities are added by diffusion, the impurities prevent the movement of electrons, so that high mobility cannot be obtained and the characteristics of the device are deteriorated. There was a problem.

以上のように化合物半導体素子では、不純物の拡散が生じると、素子の特性が劣化するという問題があった。   As described above, the compound semiconductor device has a problem that the characteristics of the device are deteriorated when impurities are diffused.

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、素子特性の劣化を抑制することができるように改良された化合物半導体素子を提供することにある。   The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide an improved compound semiconductor device that can suppress deterioration of device characteristics.

この発明の他の目的は、不純物の拡散が抑制され、設計通りのドーピングプロファイルを形成でき、本来の素子特性を実現できるように改良された、化合物半導体素子の製造方法を提供することにある。   Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a compound semiconductor device which is improved so that diffusion of impurities can be suppressed, a doping profile as designed can be formed, and original device characteristics can be realized.

この発明に従う化合物半導体素子は、基板の上に上下に隣接して設けられた、不純物がドープされた第1の半導体層と、不純物がドープされていない、若しくは上記第1の半導体層よりも低濃度にドープされた第2の半導体層とを備える。上記第1の半導体層と上記第2の半導体層との間に、歪を有する第3の半導体層が設けられている。   The compound semiconductor device according to the present invention includes a first semiconductor layer doped with impurities and provided adjacent to each other on a substrate, and an impurity doped or lower than the first semiconductor layer. And a second semiconductor layer doped in concentration. A strained third semiconductor layer is provided between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer.

この発明によれば、歪を有する第3の半導体層を設けることにより、結晶の内部エネルギーを高い状態に変化させ、ドーパントが格子間を通過できないようにする、もしくは格子位置にある原子と置換できないようにするものである。   According to the present invention, by providing the strained third semiconductor layer, the internal energy of the crystal is changed to a high state so that the dopant cannot pass between the lattices or cannot be replaced with atoms at the lattice positions. It is what you want to do.

この発明の好ましい実施態様によれば、上記第3の半導体層の歪量の絶対値が、0.5%以上、10%以下であることを特徴とする。   According to a preferred embodiment of the present invention, the absolute value of the strain amount of the third semiconductor layer is not less than 0.5% and not more than 10%.

このように歪を有する半導体層の歪量の絶対値が0.5%以上、10%以下の歪量にすることにより、結晶の内部エネルギーを高い状態に変化させ、ドーパントが格子間を通過できないようにする、もしくは格子位置にある原子と置換できないようにするものである。0.5%より小さくなると、不純物拡散の防止効果が不十分になり、不純物拡散によって結晶性の劣化が発生する。また、10%を超えると、ミスフィット転位を発生させることなく、平坦な結晶を単分子層以上形成することが困難となる。したがって、歪を有する半導体層の歪量を0.5%以上、10%以下にすることにより、不純物の拡散を防ぎ、結晶性の劣化を防ぐことができるため、化合物半導体素子の本来の特性を実現することができる。   By setting the absolute value of the strain amount of the semiconductor layer having strain in this way to a strain amount of 0.5% or more and 10% or less, the internal energy of the crystal is changed to a high state, and the dopant cannot pass between the lattices. Or to prevent substitution with atoms at lattice positions. If it is less than 0.5%, the effect of preventing impurity diffusion becomes insufficient, and crystallinity is deteriorated by impurity diffusion. On the other hand, if it exceeds 10%, it becomes difficult to form a flat crystal or more monolayer without causing misfit dislocations. Therefore, by setting the strain amount of the semiconductor layer having strain to 0.5% or more and 10% or less, diffusion of impurities can be prevented and deterioration of crystallinity can be prevented. Can be realized.

この発明のさらに好ましい実施態様によれば、上記歪を有する第3の半導体層の膜厚が単分子層厚以上であり、10nm以下であることを特徴とする。   According to a further preferred embodiment of the present invention, the thickness of the third semiconductor layer having strain is not less than a monomolecular layer thickness and not more than 10 nm.

歪を有する第3の半導体層の膜厚が単分子層厚より薄くなると、不純物の拡散を防止することが不十分になり、素子特性や信頼性が劣化し、また10nmより厚くなると、臨界膜厚を超え、結晶性が低下し、素子の特性を劣化させてしまう。したがって、歪を有する半導体層の膜厚が単分子層厚以上、10nm以下である必要がある。   When the thickness of the strained third semiconductor layer becomes thinner than the monomolecular layer thickness, it becomes insufficient to prevent the diffusion of impurities, the device characteristics and reliability deteriorate, and when the thickness becomes thicker than 10 nm, the critical film If the thickness is exceeded, the crystallinity is lowered and the characteristics of the device are deteriorated. Therefore, the thickness of the semiconductor layer having strain needs to be not less than a monomolecular layer thickness and not more than 10 nm.

さらに好ましい実施態様によれば、上記基板がGaAsであって、上記第3の半導体層がIn1-xGaxAs1-yy「0≦x、y≦1」である。 According to a more preferred embodiment, the substrate is GaAs and the third semiconductor layer is In 1-x Ga x As 1-y P y “0 ≦ x, y ≦ 1”.

In1-xGaxAs1-yy(0≦x、y≦1)を使用するとバンドギャップの選択の幅が広くなり、隣接する半導体層とのバンドギャップを調整しやすい利点がある。つまり、ある一定のバンドギャップを保ちつつ、組成を調節することによって所望の歪量に調整することができるという利点がある。 When In 1-x Ga x As 1-y P y (0 ≦ x, y ≦ 1) is used, there is an advantage that the band gap can be selected in a wide range and the band gap between adjacent semiconductor layers can be easily adjusted. In other words, there is an advantage that a desired strain amount can be adjusted by adjusting the composition while maintaining a certain band gap.

また、上記基板がGaAsであって、上記歪を有する第3の半導体層が、Gaよりも原子半径の大きなIII族元素、もしくはAsよりも原子半径の大きなV族元素を含む二元化合物からなり、その層厚が単分子層以上であるのが好ましい。単分子層であっても、高い歪量を有するため、不純物の拡散を防止する効果が高い。   Further, the substrate is GaAs, and the strained third semiconductor layer is made of a binary compound containing a group III element having an atomic radius larger than Ga or a group V element having an atomic radius larger than As. The layer thickness is preferably a monomolecular layer or more. Even a monomolecular layer has a high strain amount, and thus has a high effect of preventing impurity diffusion.

また、用いる基板がGaAsであって、上記二元化合物がInAsであるのが好ましい。InAs単分子層は約7%の歪量を有し、十分な拡散の抑止効果を得ることができる。   Moreover, it is preferable that the substrate to be used is GaAs and the binary compound is InAs. The InAs monomolecular layer has a strain amount of about 7%, and a sufficient diffusion suppressing effect can be obtained.

また、上記第1の半導体層の、上記第3の半導体層と接触する側の一部の厚み部分では、不純物がドープされていないのが好ましい。   In addition, it is preferable that an impurity is not doped in a part of the thickness of the first semiconductor layer on the side in contact with the third semiconductor layer.

本発明の他の局面に従う化合物半導体素子の製造法は、基板上に、不純物がドープされた第1の半導体層と、不純物がドープされていない、もしくは上記第1の半導体層よりも低濃度にドープされた第2の半導体層とを上下に隣接して形成するIII−V族化合物半導体素子の製造方法において、上記第1の半導体層と上記第2の半導体層との間に、歪を有する第3の半導体層を形成する工程を含むことを特徴とする。   According to another aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a compound semiconductor device comprising: a first semiconductor layer doped with impurities; and a lower concentration than the first semiconductor layer that is not doped with impurities. In the method of manufacturing a group III-V compound semiconductor device in which a doped second semiconductor layer is formed adjacent to each other in the vertical direction, a strain is generated between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer. The method includes a step of forming a third semiconductor layer.

本製造法によって不純物の拡散が抑制され、良質の結晶性が確保できるため、良好な特性と高い信頼性を有する化合物半導体素子を得ることが可能となる。   Since the diffusion of impurities is suppressed by this manufacturing method and high-quality crystallinity can be secured, a compound semiconductor element having good characteristics and high reliability can be obtained.

また、上記第1の半導体層を形成する工程において、上記第3の半導体層と接触する側では、不純物をドープしないで、該第1の半導体層の一部の厚み部分を形成するのが好ましい。   In the step of forming the first semiconductor layer, it is preferable to form a part of the thickness of the first semiconductor layer without doping impurities on the side in contact with the third semiconductor layer. .

結晶成長中の熱履歴により、不純物が拡散した場合、予め第2の半導体層の中に不純物の拡散を防ぐための歪を有する半導体層を形成してあるので、第1の半導体層から第2の半導体層へ成長中に拡散してくる不純物を、歪を有する半導体層を用いて防止できる利点がある。   When impurities are diffused due to thermal history during crystal growth, a semiconductor layer having a strain for preventing diffusion of impurities is formed in the second semiconductor layer in advance. There is an advantage that impurities diffusing into the semiconductor layer during growth can be prevented by using a semiconductor layer having strain.

上述の本発明による化合物半導体素子によれば、不純物の拡散が抑制され、設計通りのドーピングプロファイルを形成でき、本来の素子特性を実現できる。そのため、結晶性の劣化を防ぐことができるので、半導体レーザの場合は素子寿命の長い化合物半導体素子が得られ、高電子移動度トランジスタの場合は移動度が大きい化合物半導体素子が得られ、また電極と低抵抗で接続する化合物半導体素子が得られる。   According to the above-described compound semiconductor device according to the present invention, diffusion of impurities is suppressed, a doping profile as designed can be formed, and original device characteristics can be realized. Therefore, since deterioration of crystallinity can be prevented, a compound semiconductor element having a long element lifetime is obtained in the case of a semiconductor laser, and a compound semiconductor element having a high mobility is obtained in the case of a high electron mobility transistor. And a compound semiconductor element connected with a low resistance.

基板上に不純物がドープされた第一の半導体層と第一の半導体層に上下に隣接して形成された、不純物がドープされていない第二の半導体層を有する化合物半導体素子において、設計通りのドーピングプロファイルを形成でき、本来の素子特性を実現できるようにするという目的を、第一の半導体層と第二の半導体層との間に、歪を有する第3の半導体層を形成し、第一の半導体層から第二の半導体層への不純物の拡散を防ぐということによって実現した。   In a compound semiconductor device having a first semiconductor layer doped with impurities on a substrate and a second semiconductor layer not doped with impurities formed vertically adjacent to the first semiconductor layer, as designed A third semiconductor layer having a strain is formed between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer for the purpose of forming a doping profile and realizing the original device characteristics. This is realized by preventing diffusion of impurities from the semiconductor layer to the second semiconductor layer.

ここで、歪には、圧縮歪及び引っ張り歪が含まれる。歪量を「 e 」と表すと、e>0の場合、圧縮歪と呼び、e<0の場合、引っ張り歪(伸張歪)と呼ぶ。   Here, the strain includes a compressive strain and a tensile strain. When the strain amount is expressed as “e”, when e> 0, it is called compression strain, and when e <0, it is called tensile strain (extension strain).

歪量の算出は次のように行った。すなわち、一般的な手法としてX線回折装置を用いて、歪の生じた薄膜の結晶格子間隔を測定し、歪の無い正常な結晶格子間隔との差を求め、歪量を算出する。まず、手順として、歪の生じた薄膜の結晶格子間隔の値を「a(歪有り)」とする。次に、歪の無い正常な結晶格子間隔を「a(歪無し)」とする。本実施の形態の場合、基板であるGaAs基板の格子間隔が“歪の無い正常な結晶格子間隔”に相当する。次に、歪量eは、「a(歪有り)」と「a(歪無し)」を用いて、
e = (a(歪有り) -a(歪無し))/ a(歪無し)
と定義する。このままでは単位のない数値であるので、%表示するために、 e に改めて100%を乗じて、e =e ×100% と計算した。
The amount of strain was calculated as follows. That is, as a general method, an X-ray diffractometer is used to measure the crystal lattice spacing of a strained thin film, determine the difference from the normal crystal lattice spacing without strain, and calculate the amount of strain. First, as a procedure, the value of the crystal lattice spacing of the strained thin film is set to “a (with strain)”. Next, a normal crystal lattice spacing without distortion is assumed to be “a (no distortion)”. In the present embodiment, the lattice spacing of the GaAs substrate, which is the substrate, corresponds to “a normal crystal lattice spacing without distortion”. Next, the distortion amount e is calculated using “a (with distortion)” and “a (without distortion)”
e = (a (with distortion) -a (without distortion)) / a (without distortion)
It is defined as Since it is a numerical value without a unit as it is, in order to display%, e was multiplied by 100% again to calculate e = e × 100%.

以下、この発明の実施例を図を用いて説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図1は、実施例1に係るIII−V族化合物半導体素子である、リッジ埋め込み型半導体レーザの素子の断面図である。   1 is a cross-sectional view of an element of a ridge embedded semiconductor laser, which is a III-V group compound semiconductor element according to Example 1. FIG.

図1を参照して、n型GaAs基板101(Siキャリア濃度2×1018cm-3)の上に、n型Al0.5Ga0.5Asのバッファ層102(厚さ0.5μm、Siキャリア濃度1.5×1018cm-3)が設けられ、さらにその上にn型Al0.4Ga0.6Asの第1クラッド層103(厚さ0.9μm、Siキャリア濃度8×1017cm-3)、Al0.1Ga0.9As(厚さ0.2μm)の活性層104、引っ張り歪を有するIn0.1Ga0.9As0.470.53半導体層105(厚さ5nm、歪量−1.17%)、p型Al0.4Ga0.6Asの第2クラッド層106(厚さ0.6μm、Znキャリア濃度2×1018cm-3)が設けられている。 Referring to FIG. 1, an n-type Al 0.5 Ga 0.5 As buffer layer 102 (thickness 0.5 μm, Si carrier concentration 1) is formed on an n-type GaAs substrate 101 (Si carrier concentration 2 × 10 18 cm −3 ). 5 × 10 18 cm −3 ), and n-type Al 0.4 Ga 0.6 As first cladding layer 103 (thickness 0.9 μm, Si carrier concentration 8 × 10 17 cm −3 ), Al 0.1 Ga 0.9 As (thickness 0.2 μm) active layer 104, tensile strained In 0.1 Ga 0.9 As 0.47 P 0.53 semiconductor layer 105 (thickness 5 nm, strain amount—1.17%), p-type Al 0.4 Ga A 0.6 As second cladding layer 106 (thickness 0.6 μm, Zn carrier concentration 2 × 10 18 cm −3 ) is provided.

この第2クラッド層106は、成長するとき、活性層104側に接する第2クラッド層106のドーピングするタイミングを少し遅らせて行われている。つまり、最初の0.1μmだけ積層する間は、Znを反応炉に流さず、成長層にZnがドープされないように、成長させている。0.1μmを過ぎると通常の成長を行い、DEZnを供給し、ドーピングを行っている。   When the second cladding layer 106 is grown, the doping timing of the second cladding layer 106 in contact with the active layer 104 is slightly delayed. That is, while the first 0.1 μm is stacked, Zn is not allowed to flow into the reaction furnace, and the growth layer is grown so as not to be doped with Zn. After 0.1 μm, normal growth is performed, DEZn is supplied, and doping is performed.

第2クラッド層106の上に、p型GaAsコンタクト層107(厚さ0.3μm、Znキャリア濃度5×1018cm-3)が積層されている。 A p-type GaAs contact layer 107 (thickness 0.3 μm, Zn carrier concentration 5 × 10 18 cm −3 ) is stacked on the second cladding layer 106.

第2クラッド層106とp型GaAsコンタクト層107はエッチングされ、第2クラッド層106とp型GaAsコンタクト層107を含むメサ部109の側面が形成されている。メサ部109の側面に接するように、n型GaAsからなる電流阻止層110(厚さ0.3μm、キャリア濃度1.5×1018cm-3)が埋め込まれている。この積層体の上に厚さ100nm程度のチタン(Ti)、厚さ50nm程度の白金(Pt)および厚さ400nm程度の金(Au)が順次、蒸着されてなるTi/Pt/Auからなるp型電極111が形成されている。一方、GaAs基板の裏面側には、厚さ100nm程度の金−ゲルマニウム合金(Au−Ge)、厚さ15nm程度のニッケル(Ni)および厚さ300nm程度の金(Au)を順次蒸着してなる、Au-Ge/Ni/Auからなるn型電極112が形成されている。 The second cladding layer 106 and the p-type GaAs contact layer 107 are etched to form a side surface of the mesa portion 109 including the second cladding layer 106 and the p-type GaAs contact layer 107. A current blocking layer 110 (thickness 0.3 μm, carrier concentration 1.5 × 10 18 cm −3 ) made of n-type GaAs is embedded so as to be in contact with the side surface of the mesa portion 109. On this laminated body, titanium (Ti) having a thickness of about 100 nm, platinum (Pt) having a thickness of about 50 nm, and gold (Au) having a thickness of about 400 nm are sequentially deposited. A mold electrode 111 is formed. On the other hand, a gold-germanium alloy (Au—Ge) having a thickness of about 100 nm, nickel (Ni) having a thickness of about 15 nm, and gold (Au) having a thickness of about 300 nm are sequentially deposited on the back side of the GaAs substrate. An n-type electrode 112 made of Au—Ge / Ni / Au is formed.

上記において歪を有する半導体層105にはIn0.1Ga0.9As0.470.53が用いられた。この半導体層105のバンドギャップは、活性層からの発光を吸収しないように、活性層のバンドギャップよりも大きいことが望ましい。ここでは歪を有する半導体層105のバンドギャップを約1.92eVとしたが、これは第2クラッド層106のバンドギャップ1.92eVと同じであり、活性層のバンドギャップよりも大きい。本発明はこのバンドギャップ1.92eVに限定されるものではない。InGaAsP混晶は、直接遷移を満たすバンドギャップを考慮すると、下限は約0.36eVから上限は約2eVまでの選択の幅がある。このようにInGaAsP材料を使用するとバンドギャップの選択の幅が広く、隣接する半導体層とのバンドギャップを調整しやすい利点がある。また、ここでの歪量は−1.17%であるが、Gaの組成をxで、Pの組成をyで表現して(x>0.9、y>0.53)とすると、歪量は符号も含めて−2%(厚さ5nmにおける歪量)まで絶対値を大きくすることが可能であり、さらに拡散抑制の効果を高めることができる。 In 0.1 Ga 0.9 As 0.47 P 0.53 was used for the semiconductor layer 105 having strain in the above. The band gap of the semiconductor layer 105 is preferably larger than the band gap of the active layer so as not to absorb light emitted from the active layer. Here, the band gap of the strained semiconductor layer 105 is about 1.92 eV, which is the same as the band gap 1.92 eV of the second cladding layer 106 and larger than the band gap of the active layer. The present invention is not limited to this band gap of 1.92 eV. InGaAsP mixed crystals have a range of selection from a lower limit of about 0.36 eV to an upper limit of about 2 eV in consideration of the band gap satisfying the direct transition. As described above, when the InGaAsP material is used, there is an advantage that the selection range of the band gap is wide and the band gap between the adjacent semiconductor layers can be easily adjusted. The strain amount here is −1.17%. If the Ga composition is x and the P composition is y (x> 0.9, y> 0.53), the strain is The absolute value of the amount can be increased to -2% (the amount of strain at a thickness of 5 nm) including the sign, and the effect of suppressing diffusion can be further enhanced.

図2は、歪を有する半導体層を設けることによって、ドーパント拡散が防止されるという作用効果を説明するための概念図である。一般的に歪を有する半導体層の結晶は、その格子間結合に歪がかかることにより、無歪の場合に比べて結晶の内部エネルギーが高い状態になる。そのため、図2(B)に示すように、歪のかかった格子間を拡散により移動しようとする格子間の不純物原子は、高い内部エネルギー(越すべき山が高いこと)を感じるため、図2(A)に示す無歪の場合(越すべき山が低い場合)に比べて、より大きなエネルギーを持たなければ、この格子間を通過できなくなる。こうして、p型クラッド層106から活性層104へのドーパントの拡散が抑制されるのである。これは、歪が引っ張り歪である場合のみならず。後述する圧縮歪の場合でも同様である。   FIG. 2 is a conceptual diagram for explaining an operational effect that dopant diffusion is prevented by providing a strained semiconductor layer. In general, a crystal of a semiconductor layer having strain has a higher internal energy of the crystal than in the case of no strain due to strain applied to the interstitial bond. For this reason, as shown in FIG. 2B, impurity atoms between lattices trying to move between the strained lattices by diffusion feel high internal energy (the mountain to be crossed is high). Compared to the case of no distortion shown in A) (when the mountain to be crossed is low), it is impossible to pass between the lattices unless the energy is larger. Thus, dopant diffusion from the p-type cladding layer 106 to the active layer 104 is suppressed. This is not only when the strain is tensile strain. The same applies to the case of compression distortion described later.

p型電極111とn型電極112間に電流を通じると、図3を参照して、矢印に示すように光を出力する。   When a current is passed between the p-type electrode 111 and the n-type electrode 112, light is output as shown by an arrow with reference to FIG.

次に、本発明のリッジ埋め込み型半導体レーザの製造方法を説明する。なお、結晶成長はMOCVD法を用いて行い、その成長条件は、成長温度が750℃、成長圧力は76Torr、V/III(V族元素とIII族元素との供給量の比)=120とした。また、III族原料としてTMG(トリメチルガリウム)、TMA(トリメチルアルミニウム)、V族原料としてAsH3(アルシン)、n型、p型ドーパント原料としてSiH4(シラン)、DEZn(ジエチルジンク)を用いた。キャリアガスは水素(H2)を用いた。 Next, a method for manufacturing the ridge embedded semiconductor laser of the present invention will be described. Note that the crystal growth is performed using the MOCVD method, and the growth conditions are a growth temperature of 750 ° C., a growth pressure of 76 Torr, and V / III (ratio of supply amount of Group V element to Group III element) = 120. . Also, TMG (trimethylgallium) and TMA (trimethylaluminum) were used as group III materials, AsH 3 (arsine) was used as group V materials, SiH 4 (silane) and DEZn (diethyl zinc) were used as n-type and p-type dopant materials. . Hydrogen (H 2 ) was used as the carrier gas.

まず、図4(A)に示すようにn型GaAs基板101(Siキャリア濃度2×1018cm-3)上に、n型Al0.5Ga0.5Asのバッファ層102(厚さ0.5μm、Siキャリア濃度1.5×1018cm-3)を成長し、さらにその上にn型Al0.4Ga0.6Asの第1クラッド層103(厚さ0.9μm、Siキャリア濃度8×1017cm-3)、Al0.1Ga0.9As(厚さ0.2μm)の活性層104、引っ張り歪を有するIn0.1Ga0.9As0.470.53半導体層105(厚さ5nm、歪量−1.17%)、p型Al0.4Ga0.6Asの第2クラッド層106(厚さ0.6μm、Znキャリア濃度2×1018cm-3)を積層するが、このとき第2クラッド層106を成長するとき、活性層104側に接する第2クラッド層106のドーピングするタイミングを少し遅らせて行う。つまり、最初の0.1μmだけ積層する間は、Znを反応炉に流さず、成長層にZnがドープされないように成長する。0.1μmを過ぎると通常の成長を行い、DEZnを供給し、ドーピングを行う。そしてp型GaAsコンタクト層107(厚さ0.3μm、Znキャリア濃度5×1018cm-3)を順番に積層した後、この積層体上の必要な部分に、SiO2マスク108(厚さ0.3μm)を形成する。 First, as shown in FIG. 4A, an n-type Al 0.5 Ga 0.5 As buffer layer 102 (thickness 0.5 μm, Si) is formed on an n-type GaAs substrate 101 (Si carrier concentration 2 × 10 18 cm −3 ). Carrier density 1.5 × 10 18 cm −3 ) and n-type Al 0.4 Ga 0.6 As first cladding layer 103 (thickness 0.9 μm, Si carrier concentration 8 × 10 17 cm −3) ), Al 0.1 Ga 0.9 As (thickness 0.2 μm) active layer 104, tensile strained In 0.1 Ga 0.9 As 0.47 P 0.53 semiconductor layer 105 (thickness 5 nm, strain amount—1.17%), p-type A second clad layer 106 (thickness 0.6 μm, Zn carrier concentration 2 × 10 18 cm −3 ) of Al 0.4 Ga 0.6 As is stacked. At this time, when the second clad layer 106 is grown, the active layer 104 side Doping of the second cladding layer 106 in contact with Do a little delay the timing. That is, while the first 0.1 μm is stacked, Zn is not allowed to flow into the reaction furnace, and the growth layer is grown so as not to be doped with Zn. When the thickness exceeds 0.1 μm, normal growth is performed, DEZn is supplied, and doping is performed. Then, after p-type GaAs contact layer 107 (thickness 0.3 μm, Zn carrier concentration 5 × 10 18 cm −3 ) is laminated in order, SiO 2 mask 108 (thickness 0) is formed on a necessary portion on the laminated body. .3 μm).

次に、図4(B)に示すように、硫酸と過酸化水素水の混合水溶液であるエッチング液を用いて、第2クラッド層106の厚さhの部分を0.3μmだけ残すようにエッチングを行い、第2クラッド層106とp型GaAsコンタクト層107を含むメサ部109の側面を形成する。   Next, as shown in FIG. 4B, etching is performed using an etching solution which is a mixed aqueous solution of sulfuric acid and hydrogen peroxide so as to leave a portion having a thickness h of the second cladding layer 106 of 0.3 μm. The side surfaces of the mesa portion 109 including the second cladding layer 106 and the p-type GaAs contact layer 107 are formed.

さらに、図4(C)に示すように、有機金属化学気相成長法を用いて再成長を行い、メサ部109の側面に接するようにSiO2マスク108を用いて選択成長させたn型GaAsからなる電流阻止層110(厚さ0.3μm、キャリア濃度1.5×1018cm-3)を埋め込む。 Further, as shown in FIG. 4C, n-type GaAs is grown by selective growth using the SiO 2 mask 108 so as to be in contact with the side surface of the mesa portion 109 by performing regrowth using a metal organic chemical vapor deposition method. Embedded in a current blocking layer 110 (thickness 0.3 μm, carrier concentration 1.5 × 10 18 cm −3 ).

最後に、図4(D)に示すように、SiO2マスク108を除去し、この積層体の上に厚さ100nm程度のチタン(Ti)、厚さ50nm程度の白金(Pt)および厚さ400nm程度の金(Au)を順次、蒸着により被着し、これを、フォトリソグラフィーおよびエッチングによりパターニングして、Ti/Pt/Auからなるp型電極111を形成する。一方、GaAs基板の裏面側には、厚さ100nm程度の金−ゲルマニウム合金(Au−Ge)、厚さ15nm程度のニッケル(Ni)および厚さ300nm程度の金(Au)を順次蒸着し、Au−Ge/Ni/Auからなるn型電極112を形成する。それから、この積層体をへき開することにより、チップに分割して、リッジ埋め込み型半導体レーザを作製できる。 Finally, as shown in FIG. 4D, the SiO 2 mask 108 is removed, and titanium (Ti) having a thickness of about 100 nm, platinum (Pt) having a thickness of about 50 nm, and a thickness of 400 nm are formed on the stacked body. About gold (Au) is sequentially deposited by vapor deposition, and is patterned by photolithography and etching to form a p-type electrode 111 made of Ti / Pt / Au. On the other hand, a gold-germanium alloy (Au—Ge) having a thickness of about 100 nm, nickel (Ni) having a thickness of about 15 nm, and gold (Au) having a thickness of about 300 nm are sequentially deposited on the back side of the GaAs substrate. An n-type electrode 112 made of -Ge / Ni / Au is formed. Then, by cleaving the stacked body, it can be divided into chips and a ridge embedded semiconductor laser can be manufactured.

本発明では、ノンドープ活性層104、歪を有するIn0.1Ga0.9As0.470.53半導体層105(厚さ5nm、歪量−1.17%)、p型Al0.4Ga0.6Asの第2クラッド層106(厚さ0.6μm、Znキャリア濃度2×1018cm-3)と順次積層するところで、半導体層105側に接する第2クラッド層106に対してドーピングするタイミングを少し遅らせて行った。つまり、最初の0.1μmだけ積層する間は、DEZnを供給せず成長を行い、半導体層105側に接する第2クラッド層106に、Znがドープされないようにした。このことにより、成長中では半導体層105側に接する第2クラッド層106の中に、0.1μmだけZnをドーピングしていない層を形成しておき、成長中の熱履歴により、ドーピングされた第2クラッド層106から生じるZnの拡散によって、第2クラッド層106のノンドープ領域までドーピングさせた。しかし、第2クラッド層106とノンドープ活性層104の間に形成された半導体層105の存在によって、Znの拡散は妨げられた。 In the present invention, the non-doped active layer 104, the strained In 0.1 Ga 0.9 As 0.47 P 0.53 semiconductor layer 105 (thickness 5 nm, strain amount—1.17%), and the second cladding layer 106 of p-type Al 0.4 Ga 0.6 As. When the layers were sequentially stacked (thickness 0.6 μm, Zn carrier concentration 2 × 10 18 cm −3 ), the timing of doping the second cladding layer 106 in contact with the semiconductor layer 105 side was slightly delayed. That is, during the initial stacking of 0.1 μm, growth was performed without supplying DEZn so that the second cladding layer 106 in contact with the semiconductor layer 105 side was not doped with Zn. Thus, a layer not doped with Zn by 0.1 μm is formed in the second cladding layer 106 in contact with the semiconductor layer 105 side during the growth, and the doped first layer is formed by the thermal history during the growth. The non-doped region of the second cladding layer 106 was doped by diffusion of Zn generated from the second cladding layer 106. However, the presence of the semiconductor layer 105 formed between the second cladding layer 106 and the non-doped active layer 104 prevented Zn diffusion.

このように、予め、ノンドープの領域に歪を有する半導体層を形成しておけば、成長中の熱履歴によりドーパントが拡散した場合、歪を有する半導体層でドーパントを防ぎ、所望の領域をドーピングすることができる。ここで、ドープ層とノンドープ層の界面に、歪を有する半導体層が形成されている場合を考えてみると、歪を有する半導体層によって、ドープ層からノンドープ層へ拡散するドーパントを防ぐ効果があるが、上述のように、予めノンドープの領域に歪を有する半導体層を形成した場合、さらに拡散するドーパントを防ぐ効果があることが分かる。   In this way, if a semiconductor layer having strain is formed in a non-doped region in advance, when the dopant diffuses due to the thermal history during growth, the dopant is prevented by the strained semiconductor layer and a desired region is doped. be able to. Here, considering the case where a semiconductor layer having a strain is formed at the interface between the doped layer and the non-doped layer, the semiconductor layer having a strain has an effect of preventing a dopant that diffuses from the doped layer to the non-doped layer. However, as described above, it is understood that when a semiconductor layer having a strain in a non-doped region is formed in advance, there is an effect of further preventing a diffusing dopant.

このように上述の半導体レーザの構成および製造方法では、歪を有する半導体層105がp型クラッド層106から活性層104へのドーパントの拡散を防ぎ、ドーパントによる活性層の劣化を抑制できる利点があり、本来の素子特性を実現できる。   Thus, the above-described configuration and manufacturing method of the semiconductor laser have an advantage that the strained semiconductor layer 105 can prevent diffusion of the dopant from the p-type cladding layer 106 to the active layer 104 and suppress degradation of the active layer due to the dopant. Original element characteristics can be realized.

なお、本実施例では、歪を有するIn0.1Ga0.9As0.470.53半導体層105を活性層とクラッド層の間に設けた場合を例示したが、この発明はこれに限られるものでなく、例えば活性層とクラッド層の間にさらにノンドープ光ガイド層を設け、その光ガイド層とクラッド層の間に、歪を有する半導体層を設けてもよい。これにより、ドーパントがガイド層内に拡散した場合、ドーパントによって形成される欠陥が、ガイド層に分布した光の再結合中心となることで、素子の特性を劣化させることを防ぐ効果がある。 In this embodiment, the case where the strained In 0.1 Ga 0.9 As 0.47 P 0.53 semiconductor layer 105 is provided between the active layer and the clad layer is illustrated, but the present invention is not limited to this. A non-doped light guide layer may be further provided between the active layer and the clad layer, and a strained semiconductor layer may be provided between the light guide layer and the clad layer. As a result, when the dopant diffuses into the guide layer, the defect formed by the dopant becomes an effect of preventing the deterioration of the characteristics of the element by becoming the recombination center of the light distributed in the guide layer.

図5は、実施例3にかかるIII−V族化合物半導体素子である、リッジ埋め込み型半導体レーザの断面図である。   FIG. 5 is a cross-sectional view of a ridge embedded semiconductor laser which is a III-V group compound semiconductor device according to Example 3.

図5を参照して、n型GaAs基板201(Siキャリア濃度2×1018cm-3)上に、n型Al0.5Ga0.5Asのバッファ層202(厚さ0.5μm、Siキャリア濃度1.5×1018cm-3)が設けられ、さらにその上にn型Al0.4Ga0.6Asの第1クラッド層203(厚さ0.9μm、Siキャリア濃度8×1017cm-3)、Al0.1Ga0.9As(厚さ0.2μm)の活性層204、p型Al0.4Ga0.6Asの第2クラッド層205(厚さ0.6μm、Znキャリア濃度2×1018cm-3)と圧縮歪を有するIn0.08Ga0.92As半導体層206(厚さ5nm、歪量+0.5%)とp型GaAsコンタクト層207(厚さ0.3μm、Znキャリア濃度5×1018cm-3)が順番に積層されている。
エッチングにより、第2クラッド層205と歪を有する半導体層206とp型GaAsコンタクト層207を含むメサ部209が形成されている。
Referring to FIG. 5, n-type Al 0.5 Ga 0.5 As buffer layer 202 (thickness 0.5 μm, Si carrier concentration 1... On n-type GaAs substrate 201 (Si carrier concentration 2 × 10 18 cm −3 ). 5 × 10 18 cm −3 ), and n-type Al 0.4 Ga 0.6 As first cladding layer 203 (thickness 0.9 μm, Si carrier concentration 8 × 10 17 cm −3 ), Al 0.1 The active layer 204 of Ga 0.9 As (thickness 0.2 μm), the second cladding layer 205 (thickness 0.6 μm, Zn carrier concentration 2 × 10 18 cm −3 ) of p-type Al 0.4 Ga 0.6 As and compressive strain In 0.08 Ga 0.92 As semiconductor layer 206 (thickness 5 nm, strain amount + 0.5%) and p-type GaAs contact layer 207 (thickness 0.3 μm, Zn carrier concentration 5 × 10 18 cm −3 ) are sequentially stacked. Has been.
By etching, a mesa portion 209 including the second cladding layer 205, the semiconductor layer 206 having strain, and the p-type GaAs contact layer 207 is formed.

メサ部209の側面に接するように、n型GaAsからなる電流阻止層210(厚さ0.3μm、キャリア濃度1.5×1018cm-3)が埋め込まれている。この積層体の上に、厚さ100nm程度のチタン(Ti)、厚さ50nm程度の白金(Pt)および厚さ400nm程度の金(Au)が順次、蒸着により被着された、Ti/Pt/Auからなるp型電極211が形成されている。一方、この積層体の下、つまりGaAs基板201の裏面側には、厚さ100nm程度の金−ゲルマニウム合金(Au−Ge)、厚さ15nm程度のニッケル(Ni)および厚さ300nm程度の金(Au)を順次蒸着されてなる、Au−Ge/Ni/Auからなるn型電極212が設けられている。 A current blocking layer 210 (thickness 0.3 μm, carrier concentration 1.5 × 10 18 cm −3 ) made of n-type GaAs is embedded so as to be in contact with the side surface of the mesa portion 209. On this laminate, titanium (Ti) having a thickness of about 100 nm, platinum (Pt) having a thickness of about 50 nm and gold (Au) having a thickness of about 400 nm were sequentially deposited by vapor deposition. A p-type electrode 211 made of Au is formed. On the other hand, under this laminate, that is, on the back side of the GaAs substrate 201, a gold-germanium alloy (Au—Ge) having a thickness of about 100 nm, nickel (Ni) having a thickness of about 15 nm, and gold having a thickness of about 300 nm ( An n-type electrode 212 made of Au—Ge / Ni / Au is provided by sequentially depositing Au).

歪を有する半導体層206が、p型コンタクト層207からクラッド層205へ拡散してくるZnを通過させず、p型コンタクト層207のキャリア濃度を低下させない。そのため、設計通りのドーピングプロファイルを形成でき、p型コンタクト層207の低抵抗化を維持することができ、素子の本来の閾値電流を実現できる。   The strained semiconductor layer 206 does not pass Zn diffused from the p-type contact layer 207 to the cladding layer 205, and does not reduce the carrier concentration of the p-type contact layer 207. Therefore, a doping profile as designed can be formed, the resistance of the p-type contact layer 207 can be kept low, and the original threshold current of the device can be realized.

図6を参照して、図5に示すリッジ埋め込み型半導体レーザの製造方法を説明する。なお、結晶成長はMOCVD法を用いて行い、その成長条件は、成長温度が750℃、成長圧力は76Torr、V/III(V族元素とIII族元素との供給量の比)=120とした。また、III族原料としてTMG(トリメチルガリウム)、TMA(トリメチルアルミニウム)、V族原料としてAsH3(アルシン)、n型、p型ドーパント原料としてSiH4(シラン)、DEZn(ジエチルジンク)を用いた。キャリアガスは水素(H2)を用いた。 With reference to FIG. 6, a method of manufacturing the ridge embedded semiconductor laser shown in FIG. 5 will be described. Note that the crystal growth is performed using the MOCVD method, and the growth conditions are a growth temperature of 750 ° C., a growth pressure of 76 Torr, and V / III (ratio of supply amount of Group V element to Group III element) = 120. . Also, TMG (trimethylgallium) and TMA (trimethylaluminum) were used as group III materials, AsH 3 (arsine) was used as group V materials, SiH 4 (silane) and DEZn (diethyl zinc) were used as n-type and p-type dopant materials. . Hydrogen (H 2 ) was used as the carrier gas.

まず、図6(A)に示すように、n型GaAs基板201(Siキャリア濃度2×1018cm-3)上に、n型Al0.5Ga0.5Asのバッファ層202(厚さ0.5μm、Siキャリア濃度1.5×1018cm-3)を成長し、さらにその上にn型Al0.4Ga0.6Asの第1クラッド層203(厚さ0.9μm、Siキャリア濃度8×1017cm-3)、Al0.1Ga0.9As(厚さ0.2μm)の活性層204、p型Al0.4Ga0.6Asの第2クラッド層205(厚さ0.6μm、Znキャリア濃度2×1018cm-3)と圧縮歪を有するIn0.08Ga0.92As半導体層206(厚さ5nm、歪量+0.5%)とp型GaAsコンタクト層207(厚さ0.3μm、Znキャリア濃度5×1018cm-3)を順番に積層した後、この積層体上の必要な部分にSiO2マスク208を形成する。 First, as shown in FIG. 6A, on an n-type GaAs substrate 201 (Si carrier concentration 2 × 10 18 cm −3 ), an n-type Al 0.5 Ga 0.5 As buffer layer 202 (thickness 0.5 μm, A Si carrier concentration of 1.5 × 10 18 cm −3 ), and a first cladding layer 203 of n-type Al 0.4 Ga 0.6 As (thickness 0.9 μm, Si carrier concentration of 8 × 10 17 cm −). 3 ), Al 0.1 Ga 0.9 As (thickness 0.2 μm) active layer 204, p-type Al 0.4 Ga 0.6 As second cladding layer 205 (thickness 0.6 μm, Zn carrier concentration 2 × 10 18 cm −3). ) And a compressive strained In 0.08 Ga 0.92 As semiconductor layer 206 (thickness 5 nm, strain amount + 0.5%) and p-type GaAs contact layer 207 (thickness 0.3 μm, Zn carrier concentration 5 × 10 18 cm −3). ) In order, then the necessary parts on this laminate Forming a SiO 2 mask 208.

次に、図6(A)と(B)に示すように、硫酸と過酸化水素水の混合水溶液であるエッチング液を用いて、第2クラッド層205の厚さhの部分を0.3μmだけ残すようにエッチングを行い、第2クラッド層205と、歪を有する半導体層206と、p型GaAsコンタクト層207を含むメサ部209の側面を形成する。   Next, as shown in FIGS. 6A and 6B, an etching solution that is a mixed aqueous solution of sulfuric acid and hydrogen peroxide solution is used to reduce the thickness h of the second cladding layer 205 by 0.3 μm. Etching is performed so as to leave a side surface of the mesa portion 209 including the second clad layer 205, the semiconductor layer 206 having strain, and the p-type GaAs contact layer 207.

さらに、図6(C)に示すように,有機金属化学気相成長法を用いて再成長を行い、メサ部209の側面に接するように、SiO2マスク208(厚さ0.3μm)を用いて選択成長させた、n型GaAsからなる電流阻止層210(厚さ0.3μm、キャリア濃度1.5×1018cm-3)を埋め込む。 Further, as shown in FIG. 6C, regrowth is performed using a metal organic chemical vapor deposition method, and an SiO 2 mask 208 (thickness 0.3 μm) is used so as to contact the side surface of the mesa portion 209. Then, a current blocking layer 210 (thickness 0.3 μm, carrier concentration 1.5 × 10 18 cm −3 ) made of n-type GaAs, which has been selectively grown, is buried.

最後に、図6(C)と(D)に示すように、SiO2マスク208を除去し、この積層体の上に、厚さ100nm程度のチタン(Ti)、厚さ50nm程度の白金(Pt)および厚さ400nm程度の金(Au)を順次、蒸着により被着し、これを、フォトリソグラフィーおよびエッチングによりパターニングして、Ti/Pt/Auからなるp型電極211を形成する。一方、この積層体の下、つまりGaAs基板201の裏面側には、厚さ100nm程度の金−ゲルマニウム合金(Au−Ge)、厚さ15nm程度のニッケル(Ni)および厚さ300nm程度の金(Au)を順次蒸着し、Au−Ge/Ni/Auからなるn型電極212を形成する。それから、この積層体をへき開することにより、チップに分割してリッジ埋め込み型半導体レーザを作製できる。 Finally, as shown in FIGS. 6C and 6D, the SiO 2 mask 208 is removed, and titanium (Ti) with a thickness of about 100 nm and platinum (Pt with a thickness of about 50 nm) are formed on the stacked body. ) And gold (Au) having a thickness of about 400 nm are sequentially deposited by vapor deposition and patterned by photolithography and etching to form a p-type electrode 211 made of Ti / Pt / Au. On the other hand, under this laminate, that is, on the back side of the GaAs substrate 201, a gold-germanium alloy (Au—Ge) having a thickness of about 100 nm, nickel (Ni) having a thickness of about 15 nm, and gold having a thickness of about 300 nm ( Au) is sequentially deposited to form an n-type electrode 212 made of Au-Ge / Ni / Au. Then, by cleaving the stacked body, it can be divided into chips and a ridge embedded semiconductor laser can be manufactured.

ところで、歪を有する半導体層206はInGaAsから成り、この材料では、Inを少し加えることでGaAsコンタクト層と同じくらいのバンドギャップを保ちつつ、歪を発生させ、コンタクト層からの不純物の拡散を防ぐことができる。さらに拡散を防ぐ効果を高める場合は、層厚が5nmなので歪量を約2%まで高くできる。このときの組成はIn0.3Ga0.7Asとなる。なお、5nmを超えて結晶成長を行うと、ミスフィット転位が発生し、素子としては使用できない結晶になってしまう。 By the way, the strained semiconductor layer 206 is made of InGaAs, and with this material, by adding a little In, strain is generated while maintaining the same band gap as that of the GaAs contact layer, thereby preventing diffusion of impurities from the contact layer. be able to. In order to further enhance the effect of preventing diffusion, since the layer thickness is 5 nm, the amount of strain can be increased to about 2%. The composition at this time is In 0.3 Ga 0.7 As. If the crystal growth exceeds 5 nm, misfit dislocations occur, resulting in a crystal that cannot be used as a device.

また、ここでは歪を有する半導体層206に、InGaAs材料を用いた場合を例示したが、In0.1Ga0.9As0.470.53材料でもよい。 Further, although the case where an InGaAs material is used for the strained semiconductor layer 206 is illustrated here, an In 0.1 Ga 0.9 As 0.47 P 0.53 material may be used.

さらに、歪を有する半導体層206にInAsを用いてもよい。InAsの単原子層を用いた場合、InAsは高い歪量(約7%)を有するので、単原子層でもドーパントの拡散を効果的に防止することができる。   Further, InAs may be used for the semiconductor layer 206 having strain. When an InAs monoatomic layer is used, InAs has a high strain (about 7%), dopant diffusion can be effectively prevented even in the monoatomic layer.

また、このInAs単原子層を複数枚無歪層と組み合わせた構造にしても良い。この場合、臨界膜厚を超えてドーパントの拡散防止層を形成できるため、より拡散防止の効果は高まる。つまり、二元化合物であるInAsを単分子層形成しているので、結晶内に高い局所歪を有するInからなる原子層が形成されているため、ドーパント原子がInAs層を通過する際には、必ずこのIn原子による高い局所歪の影響を受ける。そのため、例えばInGaAsなどの混晶により歪層が形成され、局所歪が結晶中に離散的に形成される場合よりも、より薄い膜厚で、より効果的にドーパントの拡散を抑制することが可能となる。ここではInAsの例を示したが、InSbやGaSbやAlSbなどを用いても同様の効果を得ることができる。   Further, the InAs monoatomic layer may be combined with a plurality of unstrained layers. In this case, since the diffusion preventing layer of the dopant can be formed exceeding the critical film thickness, the effect of preventing diffusion is further enhanced. In other words, since the binary compound InAs is formed as a monomolecular layer, an atomic layer made of In having a high local strain is formed in the crystal. Therefore, when the dopant atoms pass through the InAs layer, Be sure to be affected by the high local strain caused by this In atom. Therefore, for example, a strained layer is formed by a mixed crystal such as InGaAs, and the diffusion of dopant can be suppressed more effectively with a thinner film thickness than when local strain is discretely formed in the crystal. It becomes. Although an example of InAs is shown here, the same effect can be obtained by using InSb, GaSb, AlSb, or the like.

このように上述の半導体レーザの構成および製造方法では、歪を有する半導体層206が、p型コンタクト層207からクラッド層205へ拡散してくるZnを通過させず、p型コンタクト層207のキャリア濃度を低下させない。そのため、設計通りのドーピングプロファイルを形成でき、p型コンタクト層207の低抵抗化を維持することができ、素子の本来の閾値電流を実現できる。   Thus, in the above-described configuration and manufacturing method of the semiconductor laser, the semiconductor layer 206 having strain does not pass Zn diffused from the p-type contact layer 207 to the cladding layer 205, and the carrier concentration of the p-type contact layer 207 Does not decrease. Therefore, a doping profile as designed can be formed, the resistance of the p-type contact layer 207 can be kept low, and the original threshold current of the device can be realized.

なお、上記実施例では、化合物半導体素子としてリッジ埋め込み型半導体レーザ素子を例示したが、この発明はこれに限られるものでなく、他の半導体レーザ、発光ダイオード等の光デバイスおよび高電子移動度トランジスタやヘテロ接合バイポーラトランジスタ等の電子デバイスに応用することが可能である。   In the above embodiment, the ridge buried type semiconductor laser element is exemplified as the compound semiconductor element. However, the present invention is not limited to this, and other semiconductor lasers, optical devices such as light emitting diodes, and high electron mobility transistors. And can be applied to electronic devices such as heterojunction bipolar transistors.

また、上記実施例では、III−V族化合物半導体素子について例示したが、ドーパントの拡散の問題は、他の化合物半導体素子にも見られる。本発明は、基板としてGaAsを使用する場合に限られず、III−V族以外の他の基板、たとえばInP基板やGaN基板などを用いた化合物半導体素子に適用しても相当の効果を奏する。   Moreover, in the said Example, although illustrated about the III-V group compound semiconductor element, the problem of the spreading | diffusion of a dopant is seen also in another compound semiconductor element. The present invention is not limited to the case where GaAs is used as the substrate, and can be applied to a compound semiconductor device using a substrate other than the group III-V, such as an InP substrate or a GaN substrate.

今回開示された実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。   It should be understood that the embodiments disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

本発明にかかる化合物半導体素子によれば、素子寿命の長い、また電極と低抵抗で接続する化合物半導体素子が得られる。   According to the compound semiconductor device of the present invention, a compound semiconductor device having a long device life and connected to an electrode with low resistance can be obtained.

実施例1にかかるリッジ埋め込み型半導体レーザの素子の断面図である。1 is a cross-sectional view of an element of a ridge embedded semiconductor laser according to Example 1. FIG. 歪を有する半導体層を設けることによって、ドーパント拡散が防止される作用効果を説明するための概念図である。 (A) 歪を有する半導体層が形成されていない場合 (B) 歪を有する半導体層が形成されている場合It is a conceptual diagram for demonstrating the effect by which dopant diffusion is prevented by providing the semiconductor layer which has a distortion. (A) When a strained semiconductor layer is not formed (B) When a strained semiconductor layer is formed 実施例1にかかるリッジ埋め込み型半導体レーザの光出力の様子を示す概念図である。FIG. 3 is a conceptual diagram showing a state of light output of a ridge embedded semiconductor laser according to Example 1; 実施例2にかかるリッジ埋め込み型半導体レーザの主な製造工程の順序の各工程における断面図である。 (A)各半導体層を積層し、レジストマスクをつけた状態を表す模式断面図である。 (B)リッジストライプを形成した状態を表す模式断面図である。 (C)電流阻止層を形成した状態を表す模式断面図である。 (D)キャップ層を積層した状態を表す模式断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view in each step of the sequence of main manufacturing steps of the ridge embedded semiconductor laser according to Example 2; (A) It is a schematic cross section showing the state which laminated | stacked each semiconductor layer and attached the resist mask. (B) It is a schematic cross section showing the state in which the ridge stripe is formed. (C) It is a schematic cross section showing the state in which the current blocking layer was formed. (D) It is a schematic cross section showing the state which laminated | stacked the cap layer. 実施例3にかかるリッジ埋め込み型半導体レーザ素子の断面図である。7 is a cross-sectional view of a ridge embedded semiconductor laser device according to Example 3. FIG. 実施例4に係るリッジ埋め込み型半導体レーザの主な製造工程の順序の各工程における断面図である。 (A)各半導体層を積層し、レジストマスクをつけた状態を表す模式断面図である。 (B)リッジストライプを形成した状態を表す模式断面図である。 (C)電流阻止層を形成した状態を表す模式断面図である。 (D)キャップ層を積層した状態を表す模式断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view in each step of the sequence of main manufacturing steps of a ridge embedded semiconductor laser according to Example 4. (A) It is a schematic cross section showing the state which laminated | stacked each semiconductor layer and attached the resist mask. (B) It is a schematic cross section showing the state in which the ridge stripe is formed. (C) It is a schematic cross section showing the state in which the current blocking layer was formed. (D) It is a schematic cross section showing the state which laminated | stacked the cap layer. 従来のリッジ埋め込み型半導体レーザの素子の主な製造工程の順序の各工程における断面図である。 (A)各半導体層を積層し、レジストマスクをつけた状態を表す模式断面図である。 (B)リッジストライプを形成した状態を表す模式断面図である。 (C)電流阻止層を形成した状態を表す模式断面図である。 (D)キャップ層を積層した状態を表す模式断面図である。It is sectional drawing in each process of the order of the main manufacturing process of the element of the conventional ridge embedding type | mold semiconductor laser. (A) It is a schematic cross section showing the state which laminated | stacked each semiconductor layer and attached the resist mask. (B) It is a schematic cross section showing the state in which the ridge stripe is formed. (C) It is a schematic cross section showing the state in which the current blocking layer was formed. (D) It is a schematic cross section showing the state which laminated | stacked the cap layer.

符号の説明Explanation of symbols

102 n型Al0.5Ga0.5Asのバッファ層
103 n型Al0.4Ga0.6Asの第1クラッド層
104 Al0.1Ga0.9Asの活性層
105 In0.1Ga0.9As0.470.53半導体層(歪層)
106 p型Al0.4Ga0.6Asの第2クラッド層
107 p型GaAsコンタクト層
108 SiO2マスク
109 メサ部
110 n型GaAs電流阻止層
111 p型電極
112 n型電極
201 n型GaAs基板
202 n型Al0.5Ga0.5Asのバッファ層
203 n型Al0.4Ga0.6Asの第1クラッド層
204 Al0.1Ga0.9Asの活性層
205 p型Al0.4Ga0.6Asの第2クラッド層
206 In0.08Ga0.92As半導体層(歪層)
207 p型GaAsコンタクト層
208 SiO2マスク
209 メサ部
210 n型GaAs電流阻止層
211 p型電極
212 n型電極
301 n型GaAs基板
302 バッファ層
303 第1クラッド層
304 活性層
305 第2クラッド層
306 p型GaAsコンタクト層
307 SiO2マスク
308 メサ部
309 n型GaAs電流阻止層
310 p型電極
311 n型電極
102 n-type Al 0.5 Ga 0.5 As buffer layer 103 n-type Al 0.4 Ga 0.6 As first cladding layer 104 Al 0.1 Ga 0.9 As active layer 105 In 0.1 Ga 0.9 As 0.47 P 0.53 semiconductor layer (strain layer)
106 p-type Al 0.4 Ga 0.6 As second clad layer 107 p-type GaAs contact layer 108 SiO 2 mask 109 mesa 110 n-type GaAs current blocking layer 111 p-type electrode 112 n-type electrode 201 n-type GaAs substrate 202 n-type Al 0.5 Ga 0.5 As buffer layer 203 n-type Al 0.4 Ga 0.6 As first cladding layer 204 Al 0.1 Ga 0.9 As active layer 205 p-type Al 0.4 Ga 0.6 As second cladding layer 206 In 0.08 Ga 0.92 As semiconductor layer (Strain layer)
207 p-type GaAs contact layer 208 SiO 2 mask 209 mesa portion 210 n-type GaAs current blocking layer 211 p-type electrode 212 n-type electrode 301 n-type GaAs substrate 302 buffer layer 303 first cladding layer 304 active layer 305 second cladding layer 306 p-type GaAs contact layer 307 SiO 2 mask 308 mesa 309 n-type GaAs current blocking layer 310 p-type electrode 311 n-type electrode

Claims (9)

基板の上に上下に隣接して設けられた、不純物がドープされた第1の半導体層と、不純物がドープされていない、若しくは前記第1の半導体層よりも低濃度にドープされた第2の半導体層とを備え、
前記第1の半導体層と前記第2の半導体層との間に、歪を有する第3の半導体層が設けられている化合物半導体素子。
A first semiconductor layer doped with an impurity provided adjacent to the upper and lower sides on the substrate; and a second semiconductor layer not doped with the impurity or doped at a lower concentration than the first semiconductor layer. A semiconductor layer,
A compound semiconductor element in which a strained third semiconductor layer is provided between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer.
前記第3の半導体層の歪量の絶対値が、0.5%以上、10%以下であることを特徴とする請求項1に記載の化合物半導体素子。   2. The compound semiconductor device according to claim 1, wherein an absolute value of a strain amount of the third semiconductor layer is not less than 0.5% and not more than 10%. 前記第3の半導体層の膜厚が単分子層厚以上であり、10nm以下であることを特徴とする請求項1に記載する化合物半導体素子。   2. The compound semiconductor device according to claim 1, wherein a thickness of the third semiconductor layer is not less than a monomolecular layer thickness and not more than 10 nm. 前記基板がGaAsであって、前記第3の半導体層がIn1-xGaxAs1-yy「0≦x、y≦1」であることを特徴とする請求項1に記載する化合物半導体素子。 2. The compound according to claim 1, wherein the substrate is GaAs and the third semiconductor layer is In 1−x Ga x As 1−y P y “0 ≦ x, y ≦ 1”. Semiconductor element. 前記基板がGaAsであって、
前記歪を有する第3の半導体層が、Gaよりも原子半径の大きなIII族元素、もしくはAsよりも原子半径の大きなV族元素を含む二元化合物からなり、その層厚が単分子層以上であることを特徴とする請求項1に記載する化合物半導体素子。
The substrate is GaAs;
The strained third semiconductor layer is made of a binary compound containing a group III element having an atomic radius larger than Ga or a group V element having an atomic radius larger than As, and the layer thickness is not less than a monomolecular layer. The compound semiconductor device according to claim 1, wherein the compound semiconductor device is provided.
前記二元化合物がInAsであることを特徴とする請求項1に記載する化合物半導体素子。   The compound semiconductor device according to claim 1, wherein the binary compound is InAs. 前記第1の半導体層の、前記第3の半導体層と接触する側の一部の厚み部分では、不純物がドープされていない請求項1から5のいずれか1項に記載の化合物半導体素子。   6. The compound semiconductor device according to claim 1, wherein an impurity is not doped in a part of the thickness of the first semiconductor layer on a side in contact with the third semiconductor layer. 基板上に、不純物がドープされた第1の半導体層と、不純物がドープされていない、もしくは前記第1の半導体層よりも低濃度にドープされた第2の半導体層とを上下に隣接して形成するIII−V族化合物半導体素子の製造方法において、
前記第1の半導体層と前記第2の半導体層との間に、歪を有する第3の半導体層を形成する工程を含むことを特徴とする化合物半導体素子の製造方法。
On the substrate, a first semiconductor layer doped with impurities and a second semiconductor layer not doped with impurities or doped at a lower concentration than the first semiconductor layer are vertically adjacent to each other. In the method for producing a III-V compound semiconductor device to be formed,
A method of manufacturing a compound semiconductor device, comprising: forming a strained third semiconductor layer between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer.
前記第1の半導体層を形成する工程において、前記第3の半導体層と接触する側では、不純物をドープしないで、該第1の半導体層の一部の厚み部分を形成することを特徴とする請求項6に記載の化合物半導体素子の製造方法。   In the step of forming the first semiconductor layer, on the side in contact with the third semiconductor layer, a part of the thickness of the first semiconductor layer is formed without doping impurities. The manufacturing method of the compound semiconductor element of Claim 6.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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