JP2010135402A - Semiconductor optical element and method for manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor optical element having the constitution, by which crystallinity of an active layer can be improved by reducing the concentration of hydrogen ions in the active layer, and to provide a method for manufacturing the semiconductor optical element. <P>SOLUTION: The semiconductor optical element 1 includes a first n-type semiconductor layer 13, the active layer 15, a p-type semiconductor layer 17, and a second n-type semiconductor layer 19. The first n-type semiconductor layer 13 is formed on a substrate 11. The active layer 15 is formed on the first n-type semiconductor layer 13 and includes a III-V group compound semiconductor layer including nitrogen and arsenic as V group elements. The p-type semiconductor layer 17 is formed on the active layer 15. The second n-type semiconductor layer 19 is formed between the active layer 15 and the p-type semiconductor layer 17. An n-type dopant is added to the second n-type semiconductor layer 19. Pn junction J is formed by the second n-type semiconductor layer 19 and the p-type semiconductor layer 17. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は半導体光素子及び半導体光素子を製造する方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor optical device and a method for manufacturing the semiconductor optical device.

非特許文献1には、半導体レーザが記載されている。この半導体レーザは、n型のAlGaAsからなる下部クラッド層と、GaInNAsからなる活性層と、p型のAlGaAsからなる上部クラッド層を備える。これらの層は、n型半導体基板上に順次に積層されている。下部クラッド層及び活性層の間、及び上部クラッド層及び活性層の間には、アンドープのGaAsからなる光閉じ込め層が設けられている。
F. Hohnsdorf et al, “Reduced threshold current densities of(GaIn)(NAs)/GaAs single quantum well lasers for emission wavelengths in therange 1.28-1.38μm” Electron. Lett. 1st April 1999, Vol.35, No7.
Non-Patent Document 1 describes a semiconductor laser. This semiconductor laser includes a lower cladding layer made of n-type AlGaAs, an active layer made of GaInNAs, and an upper cladding layer made of p-type AlGaAs. These layers are sequentially stacked on the n-type semiconductor substrate. An optical confinement layer made of undoped GaAs is provided between the lower cladding layer and the active layer and between the upper cladding layer and the active layer.
F. Hohnsdorf et al, “Reduced threshold current streams of (GaIn) (NAs) / GaAs single quantum well lasers for emission wavelengths in therange 1.28-1.38μm” Electron. Lett. 1st April 1999, Vol.35, No7.

非特許文献1に記載の半導体素子の製造工程には、有機金属気相エピタキシャル成長(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy:MOVPE)法によりGaInNAs活性層の上に種々の半導体層を成長させる工程が含まれている。これらの工程においては、雰囲気中に水素イオンが含まれるか又は水素イオンが発生される。該水素イオンは活性層へ拡散する。   The manufacturing process of a semiconductor device described in Non-Patent Document 1 includes a process of growing various semiconductor layers on a GaInNAs active layer by a metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) method. . In these steps, hydrogen ions are contained in the atmosphere or hydrogen ions are generated. The hydrogen ions diffuse into the active layer.

しかしながら、非特許文献1に記載の半導体光素子の構成では、製造工程における水素イオンの活性層への拡散を十分に抑制することができない。また、活性層中の窒素は、拡散されてきた水素イオンと結合しやすく、該水素イオンと窒素との結合の形成により活性層に結晶欠陥が形成される。活性層中の結晶欠陥の形成は、活性層の結晶性を悪化させ、その結果、発光特性が劣化する。   However, the configuration of the semiconductor optical device described in Non-Patent Document 1 cannot sufficiently suppress the diffusion of hydrogen ions into the active layer in the manufacturing process. Further, nitrogen in the active layer is easily bonded to the diffused hydrogen ions, and crystal defects are formed in the active layer due to the formation of bonds between the hydrogen ions and nitrogen. Formation of crystal defects in the active layer deteriorates the crystallinity of the active layer, and as a result, the light emission characteristics deteriorate.

そこで、本発明は、活性層中の水素イオンの濃度を低減することにより活性層の結晶性を向上できる構造を有する半導体光素子、およびその半導体光素子を製造する方法を提供することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a semiconductor optical device having a structure capable of improving the crystallinity of the active layer by reducing the concentration of hydrogen ions in the active layer, and a method of manufacturing the semiconductor optical device. To do.

本発明の一側面によれば、半導体光素子は、基板上に設けられている第1のn型半導体層と、前記第1のn型半導体層上に設けられており、V族元素として窒素及び砒素を含むIII-V族化合物半導体層を有する活性層と、前記活性層上に設けられているp型半導体層と、前記活性層と前記p型半導体層との間に設けられている第2のn型半導体層と、を備え、前記第2のn型半導体層には、n型ドーパントが添加されており、前記第2のn型半導体層と前記p型半導体層とはpn接合を形成する。   According to one aspect of the present invention, a semiconductor optical device is provided with a first n-type semiconductor layer provided on a substrate, the first n-type semiconductor layer, and nitrogen as a group V element. And an active layer having a III-V compound semiconductor layer containing arsenic, a p-type semiconductor layer provided on the active layer, and a first layer provided between the active layer and the p-type semiconductor layer. N-type semiconductor layer, and an n-type dopant is added to the second n-type semiconductor layer, and the second n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer have a pn junction. Form.

活性層とp型半導体層との間に第2のn型半導体層が設けられているので、第2のn型半導体層とp型半導体層との界面にpn接合が形成される。そのpn接合における電界(ビルトインポテンシャル)により、製造工程における水素イオンの活性層への拡散が抑制される。従って、活性層における窒素と水素イオンとの結合による結晶欠陥の発生が抑制される。その結果、本半導体光素子は、結晶性の良好な活性層を有する。   Since the second n-type semiconductor layer is provided between the active layer and the p-type semiconductor layer, a pn junction is formed at the interface between the second n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer. Due to the electric field (built-in potential) at the pn junction, diffusion of hydrogen ions to the active layer in the manufacturing process is suppressed. Therefore, the generation of crystal defects due to the combination of nitrogen and hydrogen ions in the active layer is suppressed. As a result, this semiconductor optical device has an active layer with good crystallinity.

本発明に係る半導体光素子では、前記活性層と前記第2のn型半導体層との間にアンドープ半導体層を更に備えることが好ましい。この半導体光素子の構成によれば、アンドープ半導体層が活性層とp型半導体層との間にあるので、p型半導体層における吸収損失が抑制される。   In the semiconductor optical device according to the present invention, it is preferable that an undoped semiconductor layer is further provided between the active layer and the second n-type semiconductor layer. According to the configuration of this semiconductor optical device, since the undoped semiconductor layer is between the active layer and the p-type semiconductor layer, absorption loss in the p-type semiconductor layer is suppressed.

本発明に係る半導体光素子では、前記第2のn型半導体層は、1×1016cm−3以上3×1018cm−3以下のキャリア濃度を有することが好ましい。第2のn型半導体層が1×1016cm−3以上のキャリア濃度を有するので、製造工程における水素イオンの活性層への拡散が十分に抑制される。その結果、活性層の結晶性が向上される。また、第2のn型半導体層が3×1018cm−3以下のキャリア濃度を有するので、第2のn型半導体層19中の自由キャリアによる光吸収が低減される。 In the semiconductor optical device according to the present invention, the second n-type semiconductor layer preferably has a carrier concentration of 1 × 10 16 cm −3 or more and 3 × 10 18 cm −3 or less. Since the second n-type semiconductor layer has a carrier concentration of 1 × 10 16 cm −3 or more, diffusion of hydrogen ions to the active layer in the manufacturing process is sufficiently suppressed. As a result, the crystallinity of the active layer is improved. In addition, since the second n-type semiconductor layer has a carrier concentration of 3 × 10 18 cm −3 or less, light absorption by free carriers in the second n-type semiconductor layer 19 is reduced.

本発明に係る半導体光素子では、前記第2のn型半導体層は、2nm以上10nm以下の厚さを有することが好ましい。この範囲であれば、p型半導体層から注入されたキャリア(ホール)と第2のn型半導体層のキャリア(電子)との再結合が、第2のn型半導体層において抑制される。この再結合によるホールの減少に伴い、誘導放出に寄与しない無効電流の発生を抑制することができる。   In the semiconductor optical device according to the present invention, it is preferable that the second n-type semiconductor layer has a thickness of 2 nm to 10 nm. Within this range, recombination between carriers (holes) injected from the p-type semiconductor layer and carriers (electrons) in the second n-type semiconductor layer is suppressed in the second n-type semiconductor layer. With the reduction of holes due to this recombination, the generation of reactive current that does not contribute to stimulated emission can be suppressed.

本発明の別の側面によれば、半導体光素子の製造方法は、基板上に第1のn型半導体層を形成する工程と、前記第1のn型半導体層上にV族元素として窒素及び砒素を含むIII-V族化合物半導体層を有する活性層を形成する工程と、前記活性層上に第2のn型半導体層を形成する工程と、前記第2のn型半導体層上にp型半導体層を形成する工程と、を備え、前記第2のn型半導体層には、n型ドーパントが添加されており、前記第2のn型半導体層と前記p型半導体層とはpn接合を形成する。   According to another aspect of the present invention, a method of manufacturing a semiconductor optical device includes a step of forming a first n-type semiconductor layer on a substrate, nitrogen as a group V element on the first n-type semiconductor layer, and Forming an active layer having a group III-V compound semiconductor layer containing arsenic, forming a second n-type semiconductor layer on the active layer, and p-type on the second n-type semiconductor layer A step of forming a semiconductor layer, wherein an n-type dopant is added to the second n-type semiconductor layer, and the second n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer form a pn junction. Form.

本発明に係る製造方法によれば、活性層の後にp型半導体層の形成に先立って第2のn型半導体層が形成されるので、第2のn型半導体層はp型半導体層との界面とpn接合を形成する。このpn接合における電界(ビルトインポテンシャル)により、製造工程中に水素イオンが活性層へ拡散されることが抑制される。その結果、活性層中の水素イオンの濃度が低くでき、活性層における窒素及び水素イオンの結合による結晶欠陥の発生が抑制される。   According to the manufacturing method of the present invention, since the second n-type semiconductor layer is formed after the active layer and prior to the formation of the p-type semiconductor layer, the second n-type semiconductor layer is connected to the p-type semiconductor layer. A pn junction is formed with the interface. The electric field (built-in potential) at the pn junction suppresses the diffusion of hydrogen ions into the active layer during the manufacturing process. As a result, the concentration of hydrogen ions in the active layer can be lowered, and the generation of crystal defects due to the combination of nitrogen and hydrogen ions in the active layer is suppressed.

本発明によれば、活性層中の水素イオンの濃度を低減することにより活性層の結晶性を向上できる構造を有する半導体光素子及びその製造方法が提供される。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the semiconductor optical element which has a structure which can improve the crystallinity of an active layer by reducing the density | concentration of the hydrogen ion in an active layer, and its manufacturing method are provided.

本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の半導体光素子、およびその製造方法に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一部分には同一の符号を付する。   The knowledge of the present invention can be easily understood by considering the following detailed description with reference to the accompanying drawings shown as examples. Subsequently, embodiments of the semiconductor optical device of the present invention and the manufacturing method thereof will be described with reference to the accompanying drawings. Where possible, the same parts are denoted by the same reference numerals.

(第1の実施の形態)
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る半導体光素子1の構成を概略的に示す図面である。半導体光素子1は、引き続く説明から理解されるように埋め込みリッジ型の構造を有する。埋め込みリッジ構造を採用すると、簡単な製造プロセスにより高い信頼性の半導体光素子を製造できる。本実施の形態は、リッジ型に限定されず、また埋め込みメサ構造を用いることもできる。半導体光素子は、例えば半導体レーザであることができる。
(First embodiment)
FIG. 1 is a drawing schematically showing a configuration of a semiconductor optical device 1 according to a first embodiment of the present invention. The semiconductor optical device 1 has a buried ridge structure as will be understood from the following description. When the buried ridge structure is employed, a highly reliable semiconductor optical device can be manufactured by a simple manufacturing process. This embodiment is not limited to the ridge type, and an embedded mesa structure can also be used. The semiconductor optical device can be, for example, a semiconductor laser.

半導体光素子1は、基板11、第1のn型半導体層13、活性層15、p型半導体層17及び第2のn型半導体層19を備える。   The semiconductor optical device 1 includes a substrate 11, a first n-type semiconductor layer 13, an active layer 15, a p-type semiconductor layer 17, and a second n-type semiconductor layer 19.

第1のn型半導体層13は基板11上に設けられており、例えば下部クラッド層である。活性層15は、第1のn型半導体層13上に設けられており、V族元素として窒素及び砒素を含むIII-V族化合物半導体層を有する。III-V族化合物半導体層は、例えば単一量子井戸構造の井戸層となっている。しかしながら、III-V族化合物半導体層は、多重量子井戸構造を有することができる。また、活性層15におけるIII-V族化合物半導体層は、アンドープ半導体層またはn型ドーパントが添加されたn型半導体層となっている。p型半導体層17は、活性層15上に設けられており、例えば上部クラッド層である。第2のn型半導体層19は、活性層15とp型半導体層17との間に設けられている。第2のn型半導体層19は、n型ドーパントが添加されており、例えば上部光閉じ込め層である。n型ドーパントとしては、例えばシリコンを用いることができる。第2のn型半導体層19とp型半導体層17とはpn接合Jを形成する。   The first n-type semiconductor layer 13 is provided on the substrate 11 and is, for example, a lower cladding layer. The active layer 15 is provided on the first n-type semiconductor layer 13 and includes a III-V group compound semiconductor layer containing nitrogen and arsenic as group V elements. The III-V compound semiconductor layer is, for example, a well layer having a single quantum well structure. However, the III-V group compound semiconductor layer can have a multiple quantum well structure. The III-V compound semiconductor layer in the active layer 15 is an undoped semiconductor layer or an n-type semiconductor layer to which an n-type dopant is added. The p-type semiconductor layer 17 is provided on the active layer 15 and is, for example, an upper cladding layer. The second n-type semiconductor layer 19 is provided between the active layer 15 and the p-type semiconductor layer 17. The second n-type semiconductor layer 19 is doped with an n-type dopant and is, for example, an upper optical confinement layer. For example, silicon can be used as the n-type dopant. The second n-type semiconductor layer 19 and the p-type semiconductor layer 17 form a pn junction J.

そのpn接合Jにより第2のn型半導体層19からp型半導体層17に向かう電界(ビルトインポテンシャル)Eが生じる。その電界Eにより、製造工程において、水素イオンの活性層15への拡散が抑制される。そのため、本半導体光素子1では、活性層15中の水素濃度が低く、低い水素濃度に伴い、活性層15における窒素と水素との結合による結晶欠陥の発生が抑制される。その結果、活性層15の結晶品質が優れている。   The pn junction J generates an electric field (built-in potential) E from the second n-type semiconductor layer 19 toward the p-type semiconductor layer 17. The electric field E suppresses diffusion of hydrogen ions into the active layer 15 in the manufacturing process. Therefore, in the present semiconductor optical device 1, the hydrogen concentration in the active layer 15 is low, and generation of crystal defects due to the combination of nitrogen and hydrogen in the active layer 15 is suppressed with a low hydrogen concentration. As a result, the crystal quality of the active layer 15 is excellent.

半導体光素子1の実施例では、第2のn型半導体層19のキャリア濃度は、1×1016cm−3以上である。この範囲であれば、後述する半導体光素子1の製造工程において活性層15への水素の拡散が十分に抑制され、その結果、活性層15の結晶性が向上される。また、第2のn型半導体層19のキャリア濃度は、3×1018cm−3以下である。この範囲であれば、第2のn型半導体層19中の自由キャリアによる光吸収が低減される。 In the embodiment of the semiconductor optical device 1, the carrier concentration of the second n-type semiconductor layer 19 is 1 × 10 16 cm −3 or more. Within this range, the diffusion of hydrogen into the active layer 15 is sufficiently suppressed in the manufacturing process of the semiconductor optical device 1 described later, and as a result, the crystallinity of the active layer 15 is improved. The carrier concentration of the second n-type semiconductor layer 19 is 3 × 10 18 cm −3 or less. Within this range, light absorption by free carriers in the second n-type semiconductor layer 19 is reduced.

半導体光素子1は、半導体基板21上に設けられたバッファ層23を含むことができる。実施例では、第1のn型半導体層13と活性層15との間には、下部光閉じ込め層25が設けられている。下部光閉じ込め層25は、アンドープであることができる。半導体光素子1は、p型半導体層17が所定の軸に延在するリッジ構造を有している。そのリッジの両側面上にはn型埋め込み層27が設けられている。半導体光素子1は、n型埋め込み層27及びp型半導体層17上に設けられたp型半導体層29(例えば、上部クラッド層)を含むことができる。p型半導体層29上には、コンタクト層(例えば、p型コンタクト層)31が設けられている。コンタクト層31上には、電極(アノード)33が設けられている。半導体基板21の裏面には、電極(カソード)35が設けられている。   The semiconductor optical device 1 can include a buffer layer 23 provided on the semiconductor substrate 21. In the embodiment, a lower optical confinement layer 25 is provided between the first n-type semiconductor layer 13 and the active layer 15. The lower optical confinement layer 25 can be undoped. The semiconductor optical device 1 has a ridge structure in which a p-type semiconductor layer 17 extends along a predetermined axis. N-type buried layers 27 are provided on both side surfaces of the ridge. The semiconductor optical device 1 can include an n-type buried layer 27 and a p-type semiconductor layer 29 (for example, an upper clad layer) provided on the p-type semiconductor layer 17. A contact layer (for example, a p-type contact layer) 31 is provided on the p-type semiconductor layer 29. An electrode (anode) 33 is provided on the contact layer 31. An electrode (cathode) 35 is provided on the back surface of the semiconductor substrate 21.

光閉じ込め層として機能する第2のn型半導体層19のバンドギャップエネルギーは、活性層15のIII-V族化合物半導体層のバンドギャップエネルギーよりも大きく、かつ、クラッド層として機能する第1のn型半導体層13及びp型半導体層17のバンドギャップエネルギーよりも小さい。下部光閉じ込め層25のバンドギャップエネルギーは、活性層15のIII-V族化合物半導体層のバンドギャップエネルギーよりも大きく、かつ、クラッド層として機能する第1のn型半導体層13及びp型半導体層17のバンドギャップエネルギーよりも小さい。第2のn型半導体層19及び下部光閉じ込め層25と、第1のn型半導体層13及びp型半導体層17とにより、キャリアは活性層15に閉じ込められる。   The band gap energy of the second n-type semiconductor layer 19 functioning as the optical confinement layer is larger than the band gap energy of the III-V group compound semiconductor layer of the active layer 15 and the first n functioning as the cladding layer. The band gap energy of the p-type semiconductor layer 13 and the p-type semiconductor layer 17 is smaller. The band gap energy of the lower optical confinement layer 25 is larger than the band gap energy of the III-V group compound semiconductor layer of the active layer 15, and the first n-type semiconductor layer 13 and the p-type semiconductor layer function as a cladding layer. It is smaller than 17 band gap energy. Carriers are confined in the active layer 15 by the second n-type semiconductor layer 19 and the lower optical confinement layer 25, and the first n-type semiconductor layer 13 and the p-type semiconductor layer 17.

また、第2のn型半導体層19の屈折率は、活性層15の平均屈折率よりも小さく、かつ、第1のn型半導体層13及びp型半導体層17の屈折率よりも大きい。下部光閉じ込め層25の屈折率は、活性層15の平均屈折率よりも小さく、かつ、第1のn型半導体層13及びp型半導体層17の屈折率よりも大きい。この半導体光素子1の構造により、第1のn型半導体層13及びp型半導体層17は活性層15に伝播光を閉じ込め可能になる。   The refractive index of the second n-type semiconductor layer 19 is smaller than the average refractive index of the active layer 15 and larger than the refractive indexes of the first n-type semiconductor layer 13 and the p-type semiconductor layer 17. The refractive index of the lower optical confinement layer 25 is smaller than the average refractive index of the active layer 15 and larger than the refractive indexes of the first n-type semiconductor layer 13 and the p-type semiconductor layer 17. With the structure of the semiconductor optical device 1, the first n-type semiconductor layer 13 and the p-type semiconductor layer 17 can confine propagating light in the active layer 15.

半導体光素子1の実施例を示すと、
半導体基板21:(100)面を有するn型GaAs基板
バッファ層23:厚さ100nm、n型GaAs半導体層
第1のn型半導体層13:厚さ1500nm、n型Ga0.51In0.49P半導体層、キャリア濃度7×1017cm−3
下部光閉じ込め層25:厚さ140nm、i型GaAs半導体層
活性層15:厚さ7nm、Ga0.7In0.30.01As0.99半導体層
第2のn型半導体層19:厚さ140nm、n型GaAs半導体層、キャリア濃度1×1016cm−3
p型半導体層17:厚さ500nm、p型GaInP半導体層、キャリア濃度1×1018cm−3
n型埋め込み層27:厚さ500nm、n型AlGaInP半導体層、キャリア濃度1×1017cm−3
p型半導体層29:厚さ1000nm、p型Ga0.51In0.49P半導体層
コンタクト層31:厚さ200nm、p型GaAs半導体層
である。これらの層において、n型ドーパントとしては、例えばSiが用いられており、p型ドーパントとしては、例えばZnが用いられている。
An example of the semiconductor optical device 1 is shown below.
Semiconductor substrate 21: n-type GaAs substrate having (100) plane Buffer layer 23: thickness 100 nm, n-type GaAs semiconductor layer first n-type semiconductor layer 13: thickness 1500 nm, n-type Ga 0.51 In 0.49 P semiconductor layer, carrier concentration 7 × 10 17 cm −3
Lower optical confinement layer 25: 140 nm thick, i-type GaAs semiconductor layer Active layer 15: 7 nm thick, Ga 0.7 In 0.3 N 0.01 As 0.99 semiconductor layer Second n-type semiconductor layer 19: 140 nm thickness, n-type GaAs semiconductor layer, carrier concentration 1 × 10 16 cm −3
p-type semiconductor layer 17: thickness 500 nm, p-type GaInP semiconductor layer, carrier concentration 1 × 10 18 cm −3
n-type buried layer 27: thickness 500 nm, n-type AlGaInP semiconductor layer, carrier concentration 1 × 10 17 cm −3
p-type semiconductor layer 29: thickness 1000 nm, p-type Ga 0.51 In 0.49 P semiconductor layer contact layer 31: thickness 200 nm, p-type GaAs semiconductor layer. In these layers, for example, Si is used as the n-type dopant, and for example, Zn is used as the p-type dopant.

引き続き、図2〜図4を参照しながら、本実施の形態に係る半導体光素子1の製造方法について説明する。図2〜図4は、本実施形態に係る半導体光素子1の製造方法の各工程を模式的に示す図である。半導体光素子1を製造するために、例えば下記各工程を順に行う。   Next, a method for manufacturing the semiconductor optical device 1 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 2-4 is a figure which shows typically each process of the manufacturing method of the semiconductor optical element 1 which concerns on this embodiment. In order to manufacture the semiconductor optical device 1, for example, the following steps are sequentially performed.

(半導体積層形成工程)
まず、半導体基板21を用意する。以下に説明される製造方法は、半導体結晶の成長のために、MOVPE法が用いられる。Ga、In、N、As、Pのそれぞれの原料としては、それぞれ例えばトリエチルガリウム(TEGa)、トリメチルインジウム(TMIn)、ジメチルヒドラジン(DMHy)、ターシャリブチルアルシン(TBAs)、ターシャリブチルホスフィン(TBP)が用いられる。Si、Znのドーピング原料としては、例えばテトラエチルシラン(TeESi)、ジエチルジンク(DEZn)が用いられる。図2に示すように、半導体基板21上に、バッファ層23、第1のn型半導体層13、下部光閉じ込め層25、活性層15、第2のn型半導体層19及びp型半導体層17Aを順次成長する。第2のn型半導体層19とp型半導体層17とはpn接合Jを形成する。pn接合Jにより、活性層15から上部方向に向かう電界Eが生じる。
(Semiconductor stacking process)
First, the semiconductor substrate 21 is prepared. In the manufacturing method described below, the MOVPE method is used for the growth of a semiconductor crystal. Examples of raw materials for Ga, In, N, As, and P include triethylgallium (TEGa), trimethylindium (TMIn), dimethylhydrazine (DMHy), tertiarybutylarsine (TBAs), and tertiarybutylphosphine (TBP), respectively. ) Is used. For example, tetraethylsilane (TeESi) or diethyl zinc (DEZn) is used as a doping material for Si and Zn. As shown in FIG. 2, a buffer layer 23, a first n-type semiconductor layer 13, a lower optical confinement layer 25, an active layer 15, a second n-type semiconductor layer 19 and a p-type semiconductor layer 17A are formed on a semiconductor substrate 21. Grow sequentially. The second n-type semiconductor layer 19 and the p-type semiconductor layer 17 form a pn junction J. Due to the pn junction J, an electric field E directed upward from the active layer 15 is generated.

活性層15のIII-V族化合物半導体層のためGaInNAsを成長するときの条件を例示すれば、
成長温度:510℃、
成長速度:0.9μm/h、
DMHy/V比:0.99、
成長圧力:76Torr
である。
For example, the conditions for growing GaInNAs for the III-V compound semiconductor layer of the active layer 15 are as follows:
Growth temperature: 510 ° C.
Growth rate: 0.9 μm / h,
DMHy / V ratio: 0.99
Growth pressure: 76 Torr
It is.

(埋め込み層形成工程)
引き続き、p型半導体層17A上に、絶縁膜37を形成する。この絶縁膜37は、SiN膜であり、このSiN膜は、例えばプラズマCVD法を用いて形成される。プラズマCVD法によるSiN膜の形成においては、シラン(SiH)、アンモニア(NH)および水素(H)を主原料とするガスが用いられる。その後、絶縁膜37上にフォトレジストを塗布して、レジスト層を形成する。次にフォトリソグラフィー技術を用いて、レジストマスクPM1を形成する。レジストマスクPM1は、所定の軸の方向に沿って延びるストライプマスクを有し、ストライプマスク幅は、例えば5μmである。所定の軸の方向は、半導体光素子の光導波路の方向である。
(Embedded layer forming process)
Subsequently, an insulating film 37 is formed on the p-type semiconductor layer 17A. The insulating film 37 is a SiN film, and this SiN film is formed by using, for example, a plasma CVD method. In the formation of the SiN film by the plasma CVD method, a gas containing silane (SiH 4 ), ammonia (NH 3 ), and hydrogen (H 2 ) as main raw materials is used. Thereafter, a photoresist is applied on the insulating film 37 to form a resist layer. Next, a resist mask PM1 is formed by using a photolithography technique. The resist mask PM1 has a stripe mask extending along the direction of a predetermined axis, and the stripe mask width is, for example, 5 μm. The direction of the predetermined axis is the direction of the optical waveguide of the semiconductor optical device.

続いて、このレジストマスクPM1を用いて絶縁膜37をエッチングする。これにより、図3に示すように、エッチングマスクEM1には、レジストマスクPM1のパターンが転写される。エッチングマスクEM1の形成後、レジストマスクPM1を除去する。この後に、p型半導体層17AをエッチングマスクEM1を用いてエッチングする。エッチング工程では、エッチングマスクEM1で覆われていないp型半導体層17Aの部分が除去されるので、リッジ型構造のp型半導体層17が形成される。このp型半導体層17は、リッジ型構造を有する。その後、エッチングマスクEM1を除去せずに、リッジ型のp型半導体層17の両側面上にn型の埋め込み層27の再成長を行う。その後、例えば、ウェットエッチングを行い、エッチングマスクEM1を除去する。   Subsequently, the insulating film 37 is etched using the resist mask PM1. Thereby, as shown in FIG. 3, the pattern of the resist mask PM1 is transferred to the etching mask EM1. After the formation of the etching mask EM1, the resist mask PM1 is removed. Thereafter, the p-type semiconductor layer 17A is etched using the etching mask EM1. In the etching step, the p-type semiconductor layer 17A not covered with the etching mask EM1 is removed, so that the ridge-type p-type semiconductor layer 17 is formed. The p-type semiconductor layer 17 has a ridge structure. Thereafter, the n-type buried layer 27 is regrown on both side surfaces of the ridge-type p-type semiconductor layer 17 without removing the etching mask EM1. Thereafter, for example, wet etching is performed to remove the etching mask EM1.

(その他の工程)
引き続き、図4に示すように、埋め込み層27及びp型半導体層17の上にp型半導体層29及びコンタクト層31を形成する。その後、コンタクト層31上には電極(アノード)33を形成すると共に、半導体基板21の裏面上に電極(カソード)35を形成する。これにより、図1の半導体光素子1が完成される。
(Other processes)
Subsequently, as shown in FIG. 4, a p-type semiconductor layer 29 and a contact layer 31 are formed on the buried layer 27 and the p-type semiconductor layer 17. Thereafter, an electrode (anode) 33 is formed on the contact layer 31, and an electrode (cathode) 35 is formed on the back surface of the semiconductor substrate 21. Thereby, the semiconductor optical device 1 of FIG. 1 is completed.

上述した製造方法においては、活性層15が水素雰囲気に置かれる工程として、例えば、以下のものがある。プラズマCVD法による絶縁膜37の形成中に、プラズマガス中の水素イオンの拡散によって活性層15中の水素濃度が増加する。また、埋め込み層27及びp型半導体層29の再成長中に、有機金属ガス(TBP等)の熱分解により生じたMOVPEチャンバ内の水素イオンが拡散して、活性層15中の水素濃度が増加する。しかし、活性層15の上側に形成されたpn接合Jにより、水素イオンが活性層15へ拡散されることが抑制される。   In the manufacturing method described above, examples of the step of placing the active layer 15 in a hydrogen atmosphere include the following. During the formation of the insulating film 37 by the plasma CVD method, the hydrogen concentration in the active layer 15 increases due to the diffusion of hydrogen ions in the plasma gas. Further, during the regrowth of the buried layer 27 and the p-type semiconductor layer 29, hydrogen ions in the MOVPE chamber generated by the thermal decomposition of the organometallic gas (TBP or the like) diffuse to increase the hydrogen concentration in the active layer 15. To do. However, diffusion of hydrogen ions to the active layer 15 is suppressed by the pn junction J formed on the upper side of the active layer 15.

(第2の実施の形態)
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。図5は、第2の実施の形態に係る半導体光素子3の構成を概略的に示す図面である。半導体光素子3は、第2のn型半導体層19及びp型半導体層17が共に埋め込み層27により埋め込まれている点において、第1の実施の形態に係る半導体光素子1と相違する。また、埋め込まれていない半導体層39が、活性層15と第2のn型半導体層19及び埋め込み層27との間に更に設けられている。半導体層39は、上部光閉じ込め層として機能するものであり、例えばアンドープであることができる。なお、その他の構成は、半導体光素子1の構成と同等である。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 5 is a drawing schematically showing the configuration of the semiconductor optical device 3 according to the second embodiment. The semiconductor optical device 3 is different from the semiconductor optical device 1 according to the first embodiment in that both the second n-type semiconductor layer 19 and the p-type semiconductor layer 17 are embedded by the embedded layer 27. Further, an unembedded semiconductor layer 39 is further provided between the active layer 15 and the second n-type semiconductor layer 19 and the buried layer 27. The semiconductor layer 39 functions as an upper optical confinement layer, and can be undoped, for example. Other configurations are the same as those of the semiconductor optical device 1.

この構成では、半導体層39が活性層15と第2のn型半導体層19及び埋め込み層27との間にあるので、活性層15がp型半導体層17から離れる。このため、p型半導体層17における吸収損失が抑制される。半導体光素子3の実施例では、第2のn型半導体層19の厚さが10nmである。第2のn型半導体層19の厚さは2nm以上であるので、水素の拡散に対するバリアを提供できる。また、第2のn型半導体層19は、10nm以下であるので、第2のn型半導体層19において、第2のn型半導体層19の多数キャリア(電子)とp型半導体層17から注入されたホールとの再結合が抑制される。その結果、活性層15に到達する前に消滅するホールを低減することができる。   In this configuration, since the semiconductor layer 39 is between the active layer 15 and the second n-type semiconductor layer 19 and the buried layer 27, the active layer 15 is separated from the p-type semiconductor layer 17. For this reason, the absorption loss in the p-type semiconductor layer 17 is suppressed. In the embodiment of the semiconductor optical device 3, the thickness of the second n-type semiconductor layer 19 is 10 nm. Since the thickness of the second n-type semiconductor layer 19 is 2 nm or more, a barrier against hydrogen diffusion can be provided. In addition, since the second n-type semiconductor layer 19 has a thickness of 10 nm or less, in the second n-type semiconductor layer 19, the majority carriers (electrons) of the second n-type semiconductor layer 19 and the p-type semiconductor layer 17 are injected. Recombination with the formed holes is suppressed. As a result, holes that disappear before reaching the active layer 15 can be reduced.

半導体光素子3の実施例を示すと、
半導体層39:厚さ140nm、i型GaAs半導体層
第2のn型半導体層19:厚さ10nm、n型Ga0.51In0.49P半導体層、キャリア濃度1×1016cm−3
p型半導体層17:厚さ490nm、p型Ga0.51In0.49P半導体層、キャリア濃度1×1018cm−3
である。
An example of the semiconductor optical device 3 is shown as follows.
Semiconductor layer 39: 140 nm thick, i-type GaAs semiconductor layer Second n-type semiconductor layer 19: 10 nm thick, n-type Ga 0.51 In 0.49 P semiconductor layer, carrier concentration 1 × 10 16 cm −3
p-type semiconductor layer 17: thickness 490 nm, p-type Ga 0.51 In 0.49 P semiconductor layer, carrier concentration 1 × 10 18 cm −3
It is.

次に、本発明の第2の実施の形態に係る変形例の半導体光素子5について説明する。図6は、半導体光素子5の構成を概略的に示す図面である。半導体光素子5は、以下の点で第2の実施の形態の半導体光素子3と異なる。その一つは、第2のn型半導体層19が半導体層39と同一半導体材料からなることであり、他の一つは、第2のn型半導体層19がn型埋め込み層27により埋め込まれていない点において、第2の実施の形態の半導体光素子3と異なる。第2のn型半導体層19は、半導体層39とp型半導体層17及びn型埋め込み層27との間に設けられている。   Next, a modification of the semiconductor optical device 5 according to the second embodiment of the present invention will be described. FIG. 6 is a drawing schematically showing the configuration of the semiconductor optical device 5. The semiconductor optical device 5 is different from the semiconductor optical device 3 of the second embodiment in the following points. One of them is that the second n-type semiconductor layer 19 is made of the same semiconductor material as that of the semiconductor layer 39, and the other is that the second n-type semiconductor layer 19 is buried by the n-type buried layer 27. This is different from the semiconductor optical device 3 of the second embodiment in that it is not. The second n-type semiconductor layer 19 is provided between the semiconductor layer 39, the p-type semiconductor layer 17, and the n-type buried layer 27.

半導体光素子5においても、半導体光素子3と同様に、第2のn型半導体層19が設けられており、アンドープの半導体層39が活性層15と第2のn型半導体層19との間にある。故に、半導体光素子5は、半導体光素子3と同様の効果を得られる。   Similarly to the semiconductor optical device 3, the semiconductor optical device 5 is provided with the second n-type semiconductor layer 19, and an undoped semiconductor layer 39 is provided between the active layer 15 and the second n-type semiconductor layer 19. It is in. Therefore, the semiconductor optical device 5 can obtain the same effect as the semiconductor optical device 3.

半導体光素子5の実施例を示すと、
第2のn型半導体層19:厚さ10nm、n型GaAs半導体層
半導体層39:厚さ140nm、i型GaAs半導体層
p型半導体層17:厚さ500nm、p型GaInP半導体層、キャリア濃度1×1018cm−3
である。
An example of the semiconductor optical device 5 is shown below.
Second n-type semiconductor layer 19: 10 nm thick, n-type GaAs semiconductor layer Semiconductor layer 39: 140 nm thick, i-type GaAs semiconductor layer p-type semiconductor layer 17: 500 nm thick, p-type GaInP semiconductor layer, carrier concentration 1 × 10 18 cm -3
It is.

以下、第1及び第2の実施の形態に係る半導体光素子1,3及び5の効果を従来の半導体光素子と比較して詳細に説明する。図7は、対比の対象となる従来の半導体光素子7を示す。半導体光素子7では、p型半導体層17と活性層15との間にアンドープの半導体層39が設けられている。半導体光素子7は、第2のn型半導体層19を備えていない点において半導体光素子1と相違する。その他の構成は、比較を容易にするために、半導体光素子1の構成と同等である。   Hereinafter, the effects of the semiconductor optical devices 1, 3 and 5 according to the first and second embodiments will be described in detail in comparison with conventional semiconductor optical devices. FIG. 7 shows a conventional semiconductor optical device 7 to be compared. In the semiconductor optical device 7, an undoped semiconductor layer 39 is provided between the p-type semiconductor layer 17 and the active layer 15. The semiconductor optical device 7 is different from the semiconductor optical device 1 in that it does not include the second n-type semiconductor layer 19. Other configurations are the same as those of the semiconductor optical device 1 for easy comparison.

図8は、半導体光素子1,3及び7における電流−光出力特性を示す図である。図8において、横軸は印加電流(mA)であり、縦軸は、印加電流における光出力(mW)を示す。図8は、半導体光素子1,3及び7における電流−光出力特性PL,PL及びPLを示すグラフである。また、図8は、半導体光素子1,3及び7がレーザ発振を始める駆動電流値(閾値電流)I,I及びIを表す。図8に示されるように、従来構造の半導体光素子7は、その閾値電流Iが、半導体光素子1,3のそれぞれの閾値電流I,Iより高く、かつ、発光効率(以下、スロープ効率という)を表す特性PLの傾きが半導体光素子1,3それぞれ特性PL及び特性PLの傾きより小さいことが分かる。 FIG. 8 is a diagram showing current-light output characteristics in the semiconductor optical devices 1, 3 and 7. In FIG. 8, the horizontal axis represents the applied current (mA), and the vertical axis represents the optical output (mW) at the applied current. FIG. 8 is a graph showing current-light output characteristics PL 1 , PL 3 and PL 7 in the semiconductor optical devices 1 , 3 and 7 . FIG. 8 shows drive current values (threshold currents) I 1 , I 3 and I 7 at which the semiconductor optical devices 1, 3 and 7 start laser oscillation. As shown in FIG. 8, the semiconductor optical device 7 having the conventional structure has a threshold current I 7 higher than the threshold currents I 1 and I 3 of the semiconductor optical devices 1 and 3 , and a light emission efficiency (hereinafter, It can be seen that the slope of the characteristic PL 7 representing the slope efficiency is smaller than the slopes of the characteristic PL 1 and the characteristic PL 3 , respectively.

まず、図8における閾値電流及びスロープ効率の差は、以下のように原因が考えられる。従来の半導体光素子7では、半導体光素子1及び3とは異なり、活性層15とp型半導体層17との間に第2のn型半導体層19が設けられていない。そのため、図9に示すように、pn接合Jを含まない積層体上にプラズマCVD法による絶縁膜37を形成するとき、プラズマガス中の水素イオンが活性層15へ拡散されることが抑制されない。また、pn接合Jを形成することなくp型半導体層29等の再成長が行われると、再成長時にMOVPEチャンバ内での有機金属ガスのTBPの熱分解により生じた水素が活性層15へ拡散されることが抑制されない。その結果、活性層15においてこの水素と窒素との結合により結晶欠陥が多く発生して、結晶欠陥が高閾値電流及び低スロープ効率を引き起こしたと考えられる。   First, the cause of the difference between the threshold current and the slope efficiency in FIG. 8 is considered as follows. In the conventional semiconductor optical device 7, unlike the semiconductor optical devices 1 and 3, the second n-type semiconductor layer 19 is not provided between the active layer 15 and the p-type semiconductor layer 17. Therefore, as shown in FIG. 9, when an insulating film 37 is formed by a plasma CVD method on a stacked body that does not include the pn junction J, diffusion of hydrogen ions in the plasma gas to the active layer 15 is not suppressed. Further, when regrowth of the p-type semiconductor layer 29 or the like is performed without forming the pn junction J, hydrogen generated by pyrolysis of organometallic gas TBP in the MOVPE chamber during the regrowth diffuses into the active layer 15. It is not suppressed. As a result, it is considered that a large number of crystal defects are generated due to the combination of hydrogen and nitrogen in the active layer 15, and the crystal defects cause a high threshold current and a low slope efficiency.

一方、第1半導体光素子1では、図10に示されているように、活性層15上にpn接合Jが形成されている。そのため、活性層15から上部方向に向かう電界Eがpn接合Jに生じ、この電界により、正イオンである水素イオンは製造工程中に活性層15内に侵入することが妨げられる。そのため、活性層15における窒素と水素イオンとの結合による結晶欠陥の発生が抑制される。その結果、活性層15の結晶性の劣化が抑制され、低い閾値電流、及び高いスロープ効率が得られると考えられる。また、第2実施形態に係る半導体光素子3においても半導体光素子1と同様に、活性層15とp型半導体層17との間に、第2のn型半導体層19が設けられているので、半導体光素子1と同様の効果が得られる。   On the other hand, in the first semiconductor optical device 1, a pn junction J is formed on the active layer 15 as shown in FIG. Therefore, an electric field E directed upward from the active layer 15 is generated in the pn junction J, and this electric field prevents hydrogen ions, which are positive ions, from entering the active layer 15 during the manufacturing process. Therefore, the generation of crystal defects due to the combination of nitrogen and hydrogen ions in the active layer 15 is suppressed. As a result, it is considered that the deterioration of the crystallinity of the active layer 15 is suppressed, and a low threshold current and a high slope efficiency are obtained. Also in the semiconductor optical device 3 according to the second embodiment, since the second n-type semiconductor layer 19 is provided between the active layer 15 and the p-type semiconductor layer 17 as in the semiconductor optical device 1. The same effect as the semiconductor optical device 1 can be obtained.

半導体光素子1における特性PLと半導体光素子3における特性PLとの違いについて、図11及び図12を参照して説明する。半導体光素子1では、活性層15の上部に第2のn型半導体層19が直接に設けられているので、図11に示されるように、第2のn型半導体層19に存在する電子の一部とp型半導体層17から注入されたホールとが第2のn型半導体層19において再結合することにより、活性層15へのホールの注入量が低下し、発光効率が低下すると考えられる。 Differences between the characteristic PL 3 in the property PL 1 and the semiconductor optical element 3 in the semiconductor optical device 1 will be described with reference to FIGS. 11 and 12. In the semiconductor optical device 1, since the second n-type semiconductor layer 19 is directly provided on the active layer 15, the electrons existing in the second n-type semiconductor layer 19 are shown in FIG. 11. It is considered that part of the holes and holes injected from the p-type semiconductor layer 17 are recombined in the second n-type semiconductor layer 19, thereby reducing the amount of holes injected into the active layer 15 and reducing the light emission efficiency. .

一方、半導体光素子3では第2のn型半導体層19の厚さが10nmであり、半導体光素子1の第2のn型半導体層19の厚さ140nmより1桁以上薄い。そのため、図12に示されるように、半導体光素子3においては、半導体光素子1と比較して、p型半導体層17からのホールと第2のn型半導体層19のキャリア(電子)との再結合が少なくなる。これにより、誘導放出に寄与しない無効電流の発生が減少したことによると考えられる。   On the other hand, in the semiconductor optical device 3, the thickness of the second n-type semiconductor layer 19 is 10 nm, which is one digit or more thinner than the thickness 140 nm of the second n-type semiconductor layer 19 of the semiconductor optical device 1. Therefore, as shown in FIG. 12, in the semiconductor optical device 3, the holes from the p-type semiconductor layer 17 and the carriers (electrons) of the second n-type semiconductor layer 19 are compared with those in the semiconductor optical device 1. Less recombination. This is considered to be due to a decrease in the generation of reactive currents that do not contribute to stimulated emission.

これに加えて、半導体光素子3では、アンドープの半導体層39が活性層15とp型半導体層29との間にあるので、活性層15を伝播する光がp型半導体層17により吸収されることが低減されたと考えられる。以上の理由から、半導体光素子3では、半導体光素子1よりも低い閾値電流I及び高いスロープ効率が達成されたと考えられる。 In addition, in the semiconductor optical device 3, since the undoped semiconductor layer 39 is between the active layer 15 and the p-type semiconductor layer 29, light propagating through the active layer 15 is absorbed by the p-type semiconductor layer 17. This is considered to have been reduced. For the reasons described above, it is considered that the semiconductor optical device 3 achieved a lower threshold current I 3 and a higher slope efficiency than the semiconductor optical device 1.

次に、図13を用いて、半導体光素子3及び5における電流−光出力特性を説明する。
図13において 、横軸は印加電流(mA)であり、縦軸は、印加電流における光出力(mW)を示す。図13は、半導体光素子3及び5における電流−光出力特性PL及びPLを示すグラフである。また、図13において、閾値電流I及びIは、それぞれ、半導体光素子3及び5の閾値電流を表す。図13に示されるように、特性PL及びPLはほぼ一致していることが分かる。すなわち、半導体光素子3及び5は、それぞれ、ほぼ同一の閾値電流I及びIと、ほぼ同一のスロープ効率とを有している。これらの特性は、半導体光素子3及び5が、いずれも活性層15と、第2のn型半導体層19と、これらの層15,19の間に設けられたアンドープの半導体層39とを有する構造を持つこと、及び第2のn型半導体層19の厚さが10nm程度であることに起因するものと考えられる。
Next, the current-light output characteristics of the semiconductor optical devices 3 and 5 will be described with reference to FIG.
In FIG. 13, the horizontal axis represents the applied current (mA), and the vertical axis represents the optical output (mW) at the applied current. FIG. 13 is a graph showing current-light output characteristics PL 3 and PL 5 in the semiconductor optical devices 3 and 5. In FIG. 13, threshold currents I 3 and I 5 represent the threshold currents of the semiconductor optical devices 3 and 5, respectively. As shown in FIG. 13, it can be seen that the characteristics PL 3 and PL 5 are substantially the same. That is, the semiconductor optical devices 3 and 5 have substantially the same threshold currents I 3 and I 5 and substantially the same slope efficiency, respectively. These characteristics are that the semiconductor optical devices 3 and 5 each have an active layer 15, a second n-type semiconductor layer 19, and an undoped semiconductor layer 39 provided between these layers 15 and 19. This is considered due to the structure and the thickness of the second n-type semiconductor layer 19 being about 10 nm.

[実験例]
本実験例では、半導体光素子1、3及び7にそれぞれ対応する実施例1、2及び比較例1においてウェハWE1,WE2,Wを作製すると共に、ウェハWE1,WE2,Wの活性層中の水素濃度の測定を行った。ウェハWE1,WE2,Wの作製には、MOVPE法が用いられた。Ga、In、N、As、Pのそれぞれの原料としては、TEGa、TMIn、DMHy、TBAs、TBPが用いられた。Si、Znのドーピング原料としては、TeESi、DEZnがそれぞれ用いられた。
[Experimental example]
In this experimental example, while making the wafer W E1, W E2, W C in Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 respectively corresponding to the semiconductor optical device 1, 3 and 7, the wafer W E1, W E2, W C The hydrogen concentration in the active layer was measured. The MOVPE method was used for manufacturing the wafers W E1 , W E2 , and W C. TEGa, TMIn, DMHy, TBAs, and TBP were used as raw materials for Ga, In, N, As, and P, respectively. TeESi and DEZn were used as doping materials for Si and Zn, respectively.

まず、エピタキシャル構造S1を以下のように作製した。SiドープのGaAs(100)基板上に、厚さ100nmのSiドープのGaAsバッファ層、厚さ1500nmのSiドープのGaInP第1のn型半導体層(組成Ga0.51In0.49P、キャリア濃度7×1017cm−3)、厚さ140nmのアンドープのGaAs下部光閉じ込め層、厚さ7nmのアンドープのGaInNAs活性層(組成Ga0.7In0.30.01As0.99)、厚さ140nmのSiドープのGaAs第2のn型半導体層(キャリア濃度1×1016cm−3)及び厚さ500nmのZnドープのGaInPのp型半導体層(組成Ga0.51In0.49P、キャリア濃度1×1018cm−3)を順次に形成して、エピタキシャル構造S1を作製した。 First, the epitaxial structure S1 was produced as follows. On a Si-doped GaAs (100) substrate, a Si-doped GaAs buffer layer having a thickness of 100 nm, a Si-doped GaInP first n-type semiconductor layer having a thickness of 1500 nm (composition Ga 0.51 In 0.49 P, carrier) Concentration 7 × 10 17 cm −3 ), 140 nm thick undoped GaAs lower optical confinement layer, 7 nm thick undoped GaInNAs active layer (composition Ga 0.7 In 0.3 N 0.01 As 0.99 ) 140 nm thick Si-doped GaAs second n-type semiconductor layer (carrier concentration 1 × 10 16 cm −3 ) and 500 nm thick Zn-doped GaInP p-type semiconductor layer (composition Ga 0.51 In 0. 49 P and a carrier concentration of 1 × 10 18 cm −3 ) were sequentially formed to produce an epitaxial structure S1.

エピタキシャル構造S2を以下のように作製した。SiドープのGaAs(100)基板上に、厚さ100nmのSiドープのGaAsバッファ層、厚さ1500nmのSiドープのGaInP第1のn型半導体層(組成Ga0.51In0.49P、キャリア濃度7×1017cm−3)、厚さ140nmのアンドープのGaAs下部光閉じ込め層、厚さ7nmのアンドープのGaInNAs活性層(組成Ga0.7In0.30.01As0.99)、厚さ140nmのアンドープのGaAs半導体層、厚さ10nmのSiドープのGaInP第2のn型半導体層(組成Ga0.51In0.49P、キャリア濃度1×1016cm−3)及び厚さ490nmのZnドープのGaInPのp型半導体層(組成Ga0.51In0.49P、キャリア濃度1×1018cm−3)を順次に形成して、エピタキシャル構造S2を作製した。 Epitaxial structure S2 was fabricated as follows. On a Si-doped GaAs (100) substrate, a Si-doped GaAs buffer layer having a thickness of 100 nm, a Si-doped GaInP first n-type semiconductor layer having a thickness of 1500 nm (composition Ga 0.51 In 0.49 P, carrier) Concentration 7 × 10 17 cm −3 ), 140 nm thick undoped GaAs lower optical confinement layer, 7 nm thick undoped GaInNAs active layer (composition Ga 0.7 In 0.3 N 0.01 As 0.99 ) 140 nm thick undoped GaAs semiconductor layer, 10 nm thick Si doped GaInP second n-type semiconductor layer (composition Ga 0.51 In 0.49 P, carrier concentration 1 × 10 16 cm −3 ) and thickness p-type semiconductor layer of GaInP of 490nm of Zn-doped (composition Ga 0.51 in 0.49 P, a carrier concentration of 1 × 10 18 m -3) are sequentially formed, and to produce an epitaxial structure S2.

エピタキシャル構造S3を以下のように作製した。SiドープのGaAs(100)基板上に、厚さ100nmのSiドープのGaAsバッファ層、厚さ1500nmのSiドープのGaInP第1のn型半導体層(組成Ga0.51In0.49P、キャリア濃度7×1017cm−3)、厚さ140nmのアンドープのGaAs下部光閉じ込め層、厚さ7nmのアンドープのGaInNAs活性層(組成Ga0.7In0.30.01As0.99)、厚さ140nmのアンドープのGaAs半導体層及び厚さ500nmのZnドープのGaInPのp型半導体層(組成Ga0.51In0.49P、キャリア濃度1×1018cm−3)を順次に形成して、エピタキシャル構造S3を作製した。 Epitaxial structure S3 was produced as follows. On a Si-doped GaAs (100) substrate, a Si-doped GaAs buffer layer having a thickness of 100 nm, a Si-doped GaInP first n-type semiconductor layer having a thickness of 1500 nm (composition Ga 0.51 In 0.49 P, carrier) Concentration 7 × 10 17 cm −3 ), 140 nm thick undoped GaAs lower optical confinement layer, 7 nm thick undoped GaInNAs active layer (composition Ga 0.7 In 0.3 N 0.01 As 0.99 ) Then, an undoped GaAs semiconductor layer having a thickness of 140 nm and a Zn-doped GaInP p-type semiconductor layer having a thickness of 500 nm (composition Ga 0.51 In 0.49 P, carrier concentration 1 × 10 18 cm −3 ) are sequentially formed. Thus, an epitaxial structure S3 was produced.

次に、再成長における水素拡散に対するpn接合Jの影響を確実に調べるために、エピタキシャル構造S1、S2及びS3それぞれに更に同時に同一の環境で後記の層を形成した。まず、エピタキシャル構造S1、S2及びS3を第2のMOVPE装置に設置し、これらのエピタキシャル構造S1、S2及びS3上にエッチングストップ層となる厚さ0.1μmのアンドープのGaAs層を一緒に形成した。続いて、厚さ500nmのSiドープのAlGaInP層、厚さ1500nmのZnドープのGaInPクラッド層、厚さ200nmのZnドープのGaAsコンタクト層を順次に形成した。このようにして、エピタキシャル構造S1、S2及びS3それぞれを有するエピタキシャル構造A,B及びCが完成した。   Next, in order to surely examine the influence of the pn junction J on the hydrogen diffusion in the regrowth, the layers described later were formed simultaneously in the same environment in each of the epitaxial structures S1, S2 and S3. First, the epitaxial structures S1, S2 and S3 were installed in the second MOVPE apparatus, and an undoped GaAs layer having a thickness of 0.1 μm serving as an etching stop layer was formed on the epitaxial structures S1, S2 and S3 together. . Subsequently, a Si-doped AlGaInP layer having a thickness of 500 nm, a Zn-doped GaInP cladding layer having a thickness of 1500 nm, and a Zn-doped GaAs contact layer having a thickness of 200 nm were sequentially formed. In this way, epitaxial structures A, B and C having epitaxial structures S1, S2 and S3 were completed.

その後、2次イオン質量分析(Secondary Ion Mass Spectrometry :SIMS)分析における深さ分解能を上げるために、下記のように、実施例1,2及び比較例1のエピタキシャル構造A,B及びCを処理した。まず、エッチング液(リン酸と過酸化水素水と水との混合液)を用いたウェットエッチングによりGaAsコンタクト層を除去し、その後、エッチング液(塩酸と水との混合液)を用いたウェットエッチングによりGaInPクラッド層およびAlGaInP層を除去した。そして、エッチング液(リン酸と過酸化水素水と水との混合液)を用いてGaAsエッチングストップ層を除去しGaInPのp型半導体層を露出させた。図14(a)、(b)及び(c)それぞれと同等の構造を有するSIMS分析用のウェハWE1,WE2,Wを作製した。 Thereafter, in order to increase the depth resolution in the secondary ion mass spectrometry (SIMS) analysis, the epitaxial structures A, B, and C of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 were processed as follows. . First, the GaAs contact layer is removed by wet etching using an etching solution (mixed solution of phosphoric acid, hydrogen peroxide solution, and water), and then wet etching using an etching solution (mixed solution of hydrochloric acid and water). The GaInP cladding layer and the AlGaInP layer were removed. Then, the GaAs etching stop layer was removed using an etching solution (mixed solution of phosphoric acid, hydrogen peroxide solution, and water) to expose the p-type semiconductor layer of GaInP. Wafers W E1 , W E2 , and W C for SIMS analysis having structures equivalent to those in FIGS. 14A, 14 </ b> B, and 14 </ b> C were manufactured.

ウェハ中心付近の1cm角程度のサイズのSIMS分析用試料を、へき開により作製した。これらの試料のSIMS分析はQポール型SIMS分析装置を用いて行われた。1次イオンとしては2keVのエネルギーのセシウムイオン(Cs)を用い、その入射角は60度であった。2次イオンとしては負イオンを検出した。なお、SIMS分析における水素の検出限界は約2×1017cm−3であった。また、試料の表面からの深さとスパッタ量との関係をキャリブレートするために、スパッタリングによって各試料に形成された段差を段差計で測定した。ただし、深さ測定の精度を上げるために、インジウム(In)および窒素(N)を水素と同時に測定して活性層の位置を特定した。なお、In濃度の測定誤差は大きいことがあるため、その値は参考データに留まる。 A sample for SIMS analysis having a size of about 1 cm square near the center of the wafer was prepared by cleavage. SIMS analysis of these samples was performed using a Q-pole SIMS analyzer. As the primary ions, cesium ions (Cs + ) having an energy of 2 keV were used, and the incident angle was 60 degrees. Negative ions were detected as secondary ions. In addition, the detection limit of hydrogen in SIMS analysis was about 2 × 10 17 cm −3 . Further, in order to calibrate the relationship between the depth from the surface of the sample and the amount of sputtering, the step formed on each sample by sputtering was measured with a step gauge. However, in order to increase the accuracy of depth measurement, the position of the active layer was specified by measuring indium (In) and nitrogen (N) simultaneously with hydrogen. In addition, since the measurement error of In concentration may be large, the value remains as reference data.

(SIMS分析結果)
図15及び図16は比較例1に係るウェハWにおけるSIMS分析結果を示し、図17及び図18は実施例1及び2のウェハWE1におけるSIMS分析結果をそれぞれ示す。
(SIMS analysis results)
15 and 16 show the SIMS analysis results of the wafer W C according to Comparative Example 1, FIGS. 17 and 18 show the SIMS analysis results of the wafer W E1 of Example 1 and 2, respectively.

図15では、横軸は深さ(nm)を示し、左の縦軸はH及びNの濃度(cm−3)を示し、右縦軸はGa1−XInAs1−YにおけるInの含有率(Xの値)を示す。試料の表面から約560nmの位置におけるN及びInの濃度曲線のピークは活性層に対応する。図16は、試料の表面から500nmから650nmまでの領域(活性層付近)の拡大図である。図16を参照すると、比較例1に係るウェハWにおいては、活性層中のH濃度曲線が活性層以外の層でのH濃度値より高くなっていることが分かる。上記の活性層以外の層は、具体的には、GaAs下部光閉じ込め層及びアンドープGaAs半導体層である。これらのH濃度の差から、例えば、活性層上へのp型半導体層の形成工程において、水素イオンが活性層へ拡散し、活性層中に窒素と結合する形で捕獲されていることが考えられる。 In Figure 15, the horizontal axis indicates the depth (nm), and the vertical axis on the left represents the concentration (cm -3) of the H and N, and the right ordinate in Ga 1-X In X N Y As 1-Y The In content (value of X) is shown. The peaks of the N and In concentration curves at a position of about 560 nm from the surface of the sample correspond to the active layer. FIG. 16 is an enlarged view of a region (near the active layer) from 500 nm to 650 nm from the surface of the sample. Referring to FIG. 16, in the wafer W C according to Comparative Example 1, it can be seen that the H concentration curves in the active layer is higher than the H concentration value on the layer other than the active layer. Specifically, the layers other than the active layer are a GaAs lower optical confinement layer and an undoped GaAs semiconductor layer. From the difference in H concentration, for example, in the process of forming a p-type semiconductor layer on the active layer, it is considered that hydrogen ions diffuse into the active layer and are trapped in the active layer in a form that combines with nitrogen. It is done.

一方、図17では、横軸は深さ(nm)を示し、左の縦軸はH及びNの濃度(cm−3)を示し、右縦軸はGa1−XInAs1−YにおけるInの含有率(Xの値)を示す。試料の表面から約560nmの位置におけるN及びInの濃度曲線のピークは活性層に対応する。なお、Hが試料の表面から深さ300nm程度まで大量に検出されているようにみえるが、これは試料表面のコンタミネーションの影響によるものである。図18は、表面から500nmの位置と650nmの位置の間の領域(活性層近傍)における拡大図を示す。図18に示すように、活性層近傍におけるHの濃度は検出限界(2×1017cm−3)以下の値となっていることが分かる。横軸における560nm付近におけるN及びInの濃度値のピークは活性層の位置を示し、この領域においてHの濃度値が検出限界以下である。故に、活性層上へのp型半導体層の形成工程において、水素イオンの活性層への拡散が抑制されていることが示された。また、実施例2に係るウェハWE2においても、実施例1と同等の結果が得られた。 On the other hand, in FIG. 17, the horizontal axis indicates the depth (nm), and the vertical axis on the left represents the concentration (cm -3) of the H and N, the right vertical axis Ga 1-X In X N Y As 1- The In content (value of X) in Y is shown. The peaks of the N and In concentration curves at a position of about 560 nm from the surface of the sample correspond to the active layer. It appears that a large amount of H is detected from the surface of the sample to a depth of about 300 nm, which is due to the influence of contamination on the surface of the sample. FIG. 18 shows an enlarged view of a region (near the active layer) between the position of 500 nm and the position of 650 nm from the surface. As shown in FIG. 18, it can be seen that the concentration of H in the vicinity of the active layer is a value below the detection limit (2 × 10 17 cm −3 ). The peak of N and In concentration values near 560 nm on the horizontal axis indicates the position of the active layer, and the H concentration value is below the detection limit in this region. Therefore, it was shown that diffusion of hydrogen ions to the active layer is suppressed in the process of forming the p-type semiconductor layer on the active layer. In addition, in the wafer WE2 according to Example 2, the same result as in Example 1 was obtained.

好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。   While the principles of the invention have been illustrated and described in the preferred embodiments, it will be appreciated by those skilled in the art that the invention can be modified in arrangement and detail without departing from such principles. The present invention is not limited to the specific configuration disclosed in the present embodiment. We therefore claim all modifications and changes that come within the scope and spirit of the following claims.

第1の実施の形態に係る半導体光素子の構成を概略的に示す図面である。1 is a drawing schematically showing a configuration of a semiconductor optical device according to a first embodiment. 第1実施の形態に係る半導体光素子を製造する工程を示す図である。It is a figure which shows the process of manufacturing the semiconductor optical element concerning 1st Embodiment. 第1実施の形態に係る半導体光素子を製造する工程を示す図である。It is a figure which shows the process of manufacturing the semiconductor optical element concerning 1st Embodiment. 第1実施の形態に係る半導体光素子を製造する工程を示す図である。It is a figure which shows the process of manufacturing the semiconductor optical element concerning 1st Embodiment. 第2の実施の形態に係る半導体光素子の構成を概略的に示す図面である。It is drawing which shows schematically the structure of the semiconductor optical element concerning 2nd Embodiment. 第2の実施の形態の変形例に係る半導体光素子の構成を概略的に示す図面である。It is drawing which shows roughly the structure of the semiconductor optical element which concerns on the modification of 2nd Embodiment. 従来の半導体光素子の構成を概略的に示す図面である。1 is a drawing schematically showing a configuration of a conventional semiconductor optical device. 図1、図5及び図7に示すそれぞれの半導体光素子における電流−光出力特性を示す図である。It is a figure which shows the electric current-light output characteristic in each semiconductor optical element shown in FIG.1, FIG5 and FIG.7. 図7の半導体光素子のアンドープの半導体層、活性層及び下部光閉じ込め層の付近におけるエネルギーバンド図である。FIG. 8 is an energy band diagram in the vicinity of an undoped semiconductor layer, an active layer, and a lower optical confinement layer of the semiconductor optical device in FIG. 7. 図1の半導体素子の下部光閉じ込め層からp型半導体層にわたる領域におけるエネルギーバンド図である。FIG. 2 is an energy band diagram in a region extending from a lower optical confinement layer to a p-type semiconductor layer of the semiconductor element of FIG. 1. 図1に示す半導体素子の作用効果を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the effect of the semiconductor element shown in FIG. 図5に示す半導体光素子の作用効果を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the effect of the semiconductor optical element shown in FIG. 図5及び図6に示されているそれぞれの半導体光素子における電流−光出力特性を示す図である。It is a figure which shows the electric current-light output characteristic in each semiconductor optical element shown by FIG.5 and FIG.6. 実施例1,2及び比較例1に係るウェハを示す図である。1 is a view showing wafers according to Examples 1 and 2 and Comparative Example 1. FIG. 比較例1に係るウェハの活性層中における水素濃度を示すためのSIMSによる解析結果を示す図である。It is a figure which shows the analysis result by SIMS for showing the hydrogen concentration in the active layer of the wafer which concerns on the comparative example 1. 比較例1に係るウェハの活性層中における水素濃度を示すためのSIMSによる解析結果を示す図である。It is a figure which shows the analysis result by SIMS for showing the hydrogen concentration in the active layer of the wafer which concerns on the comparative example 1. 実施例1に係るウェハの活性層中における水素濃度を示すためのSIMSによる解析結果を示す図である。It is a figure which shows the analysis result by SIMS for showing the hydrogen concentration in the active layer of the wafer which concerns on Example 1. FIG. 実施例1に係るウェハの活性層中における水素濃度を示すためのSIMSによる解析結果を示す図である。It is a figure which shows the analysis result by SIMS for showing the hydrogen concentration in the active layer of the wafer which concerns on Example 1. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1,3,5,7…半導体光素子、11…基板、13…第1のn型半導体層、15…活性層、17…p型半導体層、19…第2のn型半導体層。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,3,5,7 ... Semiconductor optical element, 11 ... Substrate, 13 ... 1st n-type semiconductor layer, 15 ... Active layer, 17 ... p-type semiconductor layer, 19 ... 2nd n-type semiconductor layer.

Claims (5)

基板上に設けられている第1のn型半導体層と、
前記第1のn型半導体層上に設けられており、V族元素として窒素及び砒素を含むIII-V族化合物半導体層を有する活性層と、
前記活性層上に設けられているp型半導体層と、
前記活性層と前記p型半導体層との間に設けられている第2のn型半導体層と、
を備え、
前記第2のn型半導体層には、n型ドーパントが添加されており、
前記第2のn型半導体層と前記p型半導体層とはpn接合を形成する半導体光素子。
A first n-type semiconductor layer provided on the substrate;
An active layer provided on the first n-type semiconductor layer and having a III-V group compound semiconductor layer containing nitrogen and arsenic as group V elements;
A p-type semiconductor layer provided on the active layer;
A second n-type semiconductor layer provided between the active layer and the p-type semiconductor layer;
With
An n-type dopant is added to the second n-type semiconductor layer,
A semiconductor optical device in which the second n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer form a pn junction.
前記活性層と前記第2のn型半導体層との間にアンドープ半導体層を更に備える請求項1に記載の半導体光素子。   The semiconductor optical device according to claim 1, further comprising an undoped semiconductor layer between the active layer and the second n-type semiconductor layer. 前記第2のn型半導体層は、1×1016cm−3以上3×1018cm−3以下のキャリア濃度を有する請求項1又は請求項2に記載の半導体光素子。 3. The semiconductor optical device according to claim 1, wherein the second n-type semiconductor layer has a carrier concentration of 1 × 10 16 cm −3 or more and 3 × 10 18 cm −3 or less. 前記第2のn型半導体層は、2nm以上10nm以下の厚さを有する請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の半導体光素子。   The semiconductor optical device according to claim 1, wherein the second n-type semiconductor layer has a thickness of 2 nm to 10 nm. 有機金属気相成長法を用いて半導体光素子を製造する方法であって、
基板上に第1のn型半導体層を形成する工程と、
V族元素として窒素及び砒素を含むIII-V族化合物半導体層を有する活性層を前記第1のn型半導体層上に形成する工程と、
前記活性層上に第2のn型半導体層を形成する工程と、
前記第2のn型半導体層上にp型半導体層を形成する工程と、
を備え、
前記第2のn型半導体層には、n型ドーパントが添加されており、
前記第2のn型半導体層と前記p型半導体層とはpn接合を形成する方法。
A method of manufacturing a semiconductor optical device using metal organic vapor phase epitaxy,
Forming a first n-type semiconductor layer on the substrate;
Forming an active layer having a group III-V compound semiconductor layer containing nitrogen and arsenic as a group V element on the first n-type semiconductor layer;
Forming a second n-type semiconductor layer on the active layer;
Forming a p-type semiconductor layer on the second n-type semiconductor layer;
With
An n-type dopant is added to the second n-type semiconductor layer,
A method of forming a pn junction between the second n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer.
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