JP4178901B2 - Semiconductor optical device and method of manufacturing semiconductor optical device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体光デバイス、及び半導体光デバイスを製造する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
光通信及び光増幅器のための光源として、半導体発光素子が利用されている。光通信の分野では、半導体変調素子が、光源からの光を変調するために用いられている。半導体発光素子及び半導体変調素子は、複数の半導体層及び一対の電極を備えている。複数の半導体層の各々は、基板上に設けられており、III−V族化合物半導体から構成されている。一対の電極は、複数の半導体層にキャリアを与えるために利用される。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
発明者らは、III−V族化合物半導体から構成される半導体光素子を研究しており、特にガリウム元素、インジウム元素、砒素元素、及び窒素元素を含む4元III−V族化合物半導体(以下、GaInNAs半導体と呼ぶ)に着目している。しかしながら、この4元III−V族化合物半導体は非混和領域が相図に存在しており、非混和領域はGaInNAs半導体の成長を難しいものにしている。発明者らは、実験において、ガリウム元素、インジウム元素、砒素元素、燐元素、及び窒素元素を含む五元III−V族化合物半導体(以下、GaInNAsP半導体と呼ぶ)は、GaInNAs半導体に比べて成長が容易であることを発見している。
【0004】
発明者らは、GaInNAsP半導体を含む半導体光デバイスを作製していくための研究を進めている。具体的には、発明者らは、GaInNAsP半導体とGaAs半導体とを含む量子井戸構造を有する半導体光デバイスを作製する検討を行っている。この検討において、発明者らは、GaAs半導体とGaInNAsP半導体との接合を形成する際にGaAs半導体とGaInNAsP半導体との界面において燐原子(P)と砒素原子(As)との置換が生じる可能性があることを発見した。更なる検討の結果、この置換は、V族として砒素を含み燐を含まない半導体層と、V族として砒素及び燐を含む半導体層との界面においても生じる可能性があることを発見している。
【0005】
本発明の目的は、2つの半導体層の界面において燐原子(P)と砒素原子(As)との置換が生じ難い構造を有する半導体光デバイス、及び半導体光デバイスを製造する方法を提供することとする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明の一側面は、半導体光デバイスに関する。半導体光デバイスは、化合物半導体部と、GaAs基板とを含む。化合物半導体部は、第1〜第5の化合物半導体層を含む。第1の化合物半導体層は、第2の化合物半導体層上に設けられている。第1の化合物半導体層の各々は、一又は複数の種類のIII族元素、砒素元素、及び燐元素を含む。第2の化合物半導体層は、ガリウム元素、インジウム元素、窒素元素、砒素元素、燐元素を含む。第3の化合物半導体層は、一又は複数の種類のIII族元素、砒素元素、及び燐元素を含む。第4の化合物半導体層は、GaInP半導体から構成される。第5の化合物半導体層は、GaInP半導体から構成される。GaAs基板は、第1〜第5の化合物半導体層を搭載する。第4の化合物半導体層はクラッド層であり、第5の化合物半導体層はクラッド層であり、第2の化合物半導体層は、GaInNAsP半導体から構成されており、第1及び第3の化合物半導体層はGaNPAs半導体及びAlGaInAsP半導体のいずれかから構成されており、第1及び第3の化合物半導体層の各々のバンドギャップは、GaInNAsP半導体及びGaAs半導体のバンドギャップよりも大きく、第1〜第3の化合物半導体層は、第2の化合物半導体層が井戸層を構成すると共に第1及び第3の化合物半導体層が障壁層を構成する量子井戸構造を構成するように設けられており、第1〜第3の化合物半導体層は、第4の化合物半導体層と第5の化合物半導体層との間に設けられている。
【0007】
本発明の更なる別の側面によれば、半導体光デバイスは、第1導電型半導体部と、第2導電型半導体部と、化合物半導体部とを備える。化合物半導体部は、第1導電型半導体部と第2導電型半導体部との間に設けられている。化合物半導体部は、第1及び第2の化合物半導体層を含む。第1の化合物半導体層は、第2の化合物半導体層上に設けられている。第1の化合物半導体層の各々は、一又は複数の種類のIII族元素、砒素元素、及び燐元素を含む。第2の化合物半導体層は、ガリウム元素、インジウム元素、窒素元素、砒素元素、燐元素を含む。
【0008】
本発明の更なる別の側面によれば、半導体光デバイスは、第1導電型半導体部と、第2導電型半導体部と、第1及び第2の化合物半導体層と、第3の化合物半導体層とを備える。第1導電型半導体部は、多層反射膜を形成するように設けられた複数の第1導電型半導体層を含む。第2導電型半導体部は、多層反射膜を形成するように設けられた複数の第2導電型半導体層を含む。第1及び第2の化合物半導体層は、第1導電型半導体部と第2導電型半導体部との間に設けられている。第2の化合物半導体層は、第1の化合物半導体層上に設けられている。第1の化合物半導体層は、一又は複数の種類のIII族元素、砒素元素、及び燐元素を含んでいる。第2の化合物半導体層は、ガリウム元素、インジウム元素、窒素元素、砒素元素、燐元素を含んでいる。
【0009】
上記の半導体光デバイスでは、第1及び第2の化合物半導体層は砒素元素及び燐元素を含むので、第1の化合物半導体層と第2の化合物半導体層との間において燐原子(P)と砒素原子(As)との置換が生じ難い。
【0010】
本発明に係わる半導体光デバイスは、一又は複数の種類のIII族元素、砒素元素、及び燐元素を含む第3の化合物半導体層を更に備えることができる。第1〜第3の化合物半導体層は、量子井戸構造を構成する。この半導体光デバイスは、急峻な接合を有する量子井戸構造を備える。
【0011】
本発明に係わる半導体光デバイスにおいては、第3の化合物半導体層は、GaInNAsP半導体から構成されるようにできる。
【0012】
本発明に係わる半導体光デバイスにおいては、第1の化合物半導体層の各々はGaInAsP半導体から構成されており、また、第2の化合物半導体層はGaInNAsP半導体から構成されるようにできる。
【0013】
本発明に係わる半導体光デバイスは、一又は複数の種類のIII族元素、砒素元素、及び燐元素を含む第3の化合物半導体層と、第1導電型半導体部と、第2導電型半導体部とを更に備えることができる。第1導電型半導体部及び第2導電型半導体部は、GaAs半導体に格子整合する半導体材料から構成されている。第3の化合物半導体層は、一又は複数の種類のIII族元素、砒素元素、及び燐元素を含む。第1〜第3の化合物半導体層は、量子井戸構造を構成するように設けられている。量子井戸構造では、第2の化合物半導体層が井戸層を構成すると共に第1及び第3の化合物半導体層が障壁層を構成している。第1及び第3の化合物半導体層におけるIII族元素、砒素元素、及び燐元素の組成は、第1及び第3の化合物半導体層の各々が圧縮歪み及び引っ張り歪みの一方の歪みを有するように決定されている。第2の化合物半導体層におけるガリウム元素、インジウム元素、窒素元素、砒素元素、及び燐元素の組成は、第2の化合物半導体層が圧縮歪み及び引っ張り歪みの他方の歪みを有するように決定されている。
【0014】
第1及び第3の化合物半導体層と第2の化合物半導体層との間の半導体層の界面において組成の変化が急峻な半導体接合を得ることができるので、良好な歪み量子井戸構造を得ることができる。
【0015】
本発明に係わる半導体光デバイスにおいては、第1〜第3の化合物半導体層は、量子井戸構造を構成するように設けられている。量子井戸構造では、第2の化合物半導体層が井戸層を構成すると共に第1及び第3の化合物半導体層が障壁層を構成している。第1及び第3の化合物半導体層におけるIII族元素、砒素元素、及び燐元素の組成は、第1及び第3の化合物半導体層の各々を構成する半導体の格子定数がGaAs半導体に格子整合しないように決定されている。第2の化合物半導体層におけるガリウム元素、インジウム元素、窒素元素、砒素元素、及び燐元素の組成は、第2の化合物半導体層を構成する半導体の格子定数がGaAs半導体に格子整合しないように決定されている。障壁層を構成する半導体と井戸層を構成する半導体との平均的な格子定数は、GaAs半導体の格子定数と実質的に一致している。
【0016】
量子井戸構造部の全体として、歪み量は実質的に打ち消されており、井戸層及び障壁層の積層数は、量子井戸構造部における歪みに起因して制約されることがない。
【0017】
本発明に係わる半導体光デバイスにおいては、第1及び第3の化合物半導体層は、GaNPAs半導体から構成されている。第2の化合物半導体層は、GaInNAsP半導体から構成されている。
【0018】
GaNPAs半導体が引っ張り歪みを有するように構成される場合には、GaNPAs半導体のバンドギャップを小さくできる。このGaNPAs半導体は、量子井戸構造において量子効果を低減するように作用する。これにより、発生される光の波長を長波長にシフトさせることが可能になる。
【0019】
本発明に係わる半導体光デバイスにおいては、第1及び第2の化合物半導体層は、GaPAs半導体から構成されている。第3の化合物半導体層は、GaInNAsP半導体から構成されている。GaPAs半導体のバンドギャップは、GaAs半導体のバンドギャップに比べて大きい。GaPAs半導体では、量子井戸構造へのキャリアの閉じ込めが良好になる。故に、半導体光デバイスの温度特性が良好になる。
【0020】
本発明に係わる半導体光デバイスにおいては、第1〜第3の化合物半導体層は量子井戸構造を構成するように設けられていてもよい。井戸層は圧縮歪み及び引っ張り歪みの一方の歪みを備えている。障壁層は、圧縮歪み及び引っ張り歪みの他方の歪みを備えている。量子井戸構造は、井戸層における歪み量は、障壁層の各々には歪み量と実質的に等しくなるように構成されている。この半導体光デバイスでは、井戸層及び障壁層における歪み量は、実質的に打ち消し合っており、井戸層及び障壁層の数が歪み応力に起因して制限されることはない。
【0021】
本発明に係わる半導体光デバイスにおいては、第1及び第2の化合物半導体層の各々のバンドギャップは、GaInNAsP半導体及びGaAs半導体のバンドギャップよりも大きくすることが好ましい。より大きなバンドギャップにより、第1及び第2の化合物半導体層はキャリアを第3の化合物半導体層に閉じ込める能力が向上する。この結果、温度依存性のより小さい半導体光デバイスが得られる。また、第1及び第2の化合物半導体層の各々は、GaAs半導体に実質的に格子整合することが好ましい。この半導体光デバイスは、第1及び第2の化合物半導体層の各々として、例えば、AlGaInAsP半導体を用いることにより得ることができる。
【0022】
本発明に係わる半導体光デバイスでは、第1導電型半導体部は第4の化合物半導体層を含んでおり、第2導電型半導体部は第5の化合物半導体層を含んでいる。第4及び第5の化合物半導体層の各々は、GaInP半導体から構成されている。この半導体光デバイスでは、GaInP半導体のバンドギャップは第1及び第3の化合物半導体層のバンドギャップよりも大きくできる。また、GaInP半導体の屈折率は第1及び第3の化合物半導体層の屈折率よりも小さくできる。
【0023】
本発明に係わる半導体光デバイスは、第1〜第3の化合物半導体層とを搭載する基板を更に備えることができる。基板はGaAs基板又はSi基板であることができる。
【0024】
本発明に係わる半導体光デバイスは、第1導電型半導体部、第2導電型半導体部、一対の面を有する半導体基板と、第1の電極と、第2の電極と、第3の化合物半導体層を更に備えることができる。一対の面の一方の面上には、第1導電型半導体部、第2導電型半導体部と、第1〜第3の化合物半導体層とが設けられている。一対の面の他方の面上には、第2の電極が設けられている。本発明においては、当該半導体光デバイスは半導体光増幅素子を構成することができる。また、本発明においては、当該半導体光デバイスは半導体レーザを構成することができる。さらに、本発明においては、当該半導体光デバイスは半導体光変調素子を構成することができる。
【0025】
量子井戸構造は、MQW構造及びSQW構造のいずれかであってもよい。第1〜第3の化合物半導体層の組合せにより、急峻な半導体接合を備えた様々な量子井戸構造が実現できる。
【0026】
本発明の更なる別の側面は、半導体光デバイスを製造する方法に関しており、この方法は、(a)第1導電型のGaInPクラッド層を第1導電型のGaAs基板上に形成する工程と、(b)井戸層と障壁層とを含む量子井戸構造を前記GaInPクラッド層上に形成する工程と、(c)第2導電型のGaInPクラッド層を前記量子井戸構造上に形成する工程とを備える。井戸層は、GaInNAsP半導体から構成されており、障壁層はGaNPAs半導体及びAlGaInAsP半導体のいずれかから構成されている。これらの工程によれば、急峻な半導体接合を備えた量子井戸構造を作製できる。障壁層はGaNPAs半導体から構成されていることが好ましい。また、障壁層はGaPAs半導体から構成されていることが好ましい。さらに、前記障壁層はAlGaInAsP半導体から構成されていることが好ましい。
【0027】
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。
【0028】
【発明の実施の形態】
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、本発明の半導体光デバイスに係わる実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
【0029】
引き続いて、半導体光デバイスの一例として、半導体発光素子を説明する。半導体発光素子としては、半導体レーザ素子及び半導体光増幅素子が例示される。この半導体発光素子と同様の構造は、電界吸収型変調素子といった半導体変調素子にも適用できる。
【0030】
(第1の実施の形態)
図1は、半導体発光素子を示す斜視図である。半導体発光素子1aは、基板3と、第1導電型半導体層5と、化合物半導体部7aと、第1の第2導電型半導体層9と、電流ブロック層11と、第2の第2導電型半導体層13と、第3の第2導電型半導体層15と、第1の電極17と、第2の電極19とを備える。基板3は、一対の面3a及び3bを有する。一方の面3aは他方の面3bに対向している。基板3の面3aは、第1導電型半導体層5と、化合物半導体部7aと、第1の第2導電型半導体層9と、電流ブロック層11と、第2の第2導電型半導体層13と、第3の第2導電型半導体層15と搭載している。化合物半導体部7aは、第1導電型半導体層5と第2導電型半導体層9との間に設けられている。第3の第2導電型半導体層15上には、第1の電極17が設けられている。基板3の面3b上には、第2の電極19が設けられている。
【0031】
電流ブロック層11は、第2導電型半導体層9上に設けられている。電流ブロック層11は、開口部11aを有する。化合物半導体部7aの発光領域は、開口部11aに現れている。図1に示された実施例では、半導体発光素子1aの一端面21aから他端面21bに伸びる軸に沿って設けられている。開口部11aには、化合物半導体部7aが現れている。電流ブロック層11は、第2導電型半導体層15からのキャリア(電子及び正孔のいずれか)に対して障壁として作用する。この障壁により、キャリアは、開口部11aを通過して化合物半導体部7aに到達する。つまり、開口部11aは、キャリアが注入される化合物半導体部7aの領域を規定している。
【0032】
第2導電型半導体層13は、化合物半導体部7aの発光領域上及び電流ブロック層11上に設けられている。故に、開口部11aは第2導電型半導体層13により埋め込まれており、第2導電型半導体層13は第2導電型半導体層15から化合物半導体部7aへの経路を提供する。
【0033】
第2導電型半導体層15は、相対的に高濃度の不純物が添加されバンドギャップが小さい半導体で形成されている。これにより、電極17に対してオーミック接触を得やすい。第2導電型半導体層15は、コンタクト層として作用する。
【0034】
電極17は、第2導電型半導体層15上に設けられている。電極17は、電流ブロック層11の開口部11aの領域にキャリアを提供できるように設けられている。つまり、電極17は、開口部11a上に位置しており、図1に示された実施例では、半導体発光素子1aの一端面21aから他端面21bに伸びる軸に沿って設けられている。電極19は、基板3の面3b上に設けられている。
【0035】
図2(a)は、化合物半導体部の構造を示す図面である。図2(b)は、化合物半導体部のバンドダイアグラムを示す図面である。図2(a)を参照すると、化合物半導体部7aは、化合物半導体層23a、23bと、化合物半導体層24a〜24cとを有する。化合物半導体層23aは、化合物半導体層24aと化合物半導体層24bとの間に設けられている。化合物半導体層23bは、化合物半導体層24aと化合物半導体層24cとの間に設けられている。化合物半導体層23a、23bは、GaInNAsP半導体といった、ガリウム元素、インジウム元素、窒素元素、砒素元素、燐元素を含む半導体から構成されている。化合物半導体層24a〜24cの各々は、GaInAsP半導体といった、一又は複数の種類のIII族元素、砒素元素、及び燐元素を含む半導体から構成されている。半導体光デバイス1aでは、化合物半導体層24a〜24c及び化合物半導体層23a、23bの両方は砒素元素及び燐元素を含むので、化合物半導体層24a〜24cと化合物半導体層23a、23bとの接合において、燐原子(P)と砒素原子(As)との置換が生じ難い。故に、これらの半導体層間の界面に遷移層が形成されにくい。したがって、この界面における組成変化が急峻な半導体接合を得ることができる。
【0036】
図2(b)を参照すると、化合物半導体部7aは、量子井戸構造27aを有する。量子井戸構造27aにおいて、化合物半導体層24bのバンドギャップ△EB1は、化合物半導体層23a、23bのバンドギャップ△EWより小さく、また、化合物半導体層24a、24cのバンドギャップ△EB2、△EB3は化合物半導体層23a、23bのバンドギャップ△EWより小さい。化合物半導体層23a、23bは井戸層として作用する。化合物半導体層24bは、障壁層として作用する。化合物半導体層24a、24cは、光閉じ込め層或いは障壁層として作用する。故に、第1導電型半導体層5及び第1の第2導電型半導体層9からのキャリア(電子及び正孔)は、量子井戸構造27aに閉じ込められる。
【0037】
また、図2(a)を参照すると、量子井戸構造27aは、第1導電型半導体層5と第1の第2導電型半導体層9との間に設けられている。図2(b)を参照すると、第1導電型半導体層5の屈折率nCL1及び第2導電型半導体層9の屈折率nCL2は、量子井戸構造27a内の半導体層の屈折率nB1、nW、nC2、nC3のいずれよりも小さい。故に、量子井戸構造27a内において発生された光は、量子井戸構造27に沿って伝搬するとき、第1導電型半導体層5と第1の第2導電型半導体層9との間の領域に閉じ込められる。このとき、第1導電型半導体層5と第2導電型半導体層9は、クラッド層として働くことができる。
【0038】
図2(a)は、特定の数の井戸層及び障壁層を有する量子井戸構造を例示的に示しているけれども、半導体光デバイス1aにおいては、量子井戸構造27aは、任意の数の井戸層及び障壁層を有するMQW構造、或いはSQW構造のいずれかであることができる。これらの量子井戸構造において、急峻な半導体接合が得られる。
【0039】
半導体発光素子1aに含まれる半導体材料の実施例を下記に示す。
基板3:n型GaAs基板
第1導電型半導体層5:
n型GaInP半導体、
厚さ1.5マイクロメートル、キャリア濃度7×1017cm-3
化合物半導体層23a、23b:
アンドープGa0.86In0.140.04As0.950.01半導体
厚さ10ナノメートル、
化合物半導体層24a〜24c:
アンドープGa0.78In0.22As0.550.45半導体
厚さ10ナノメートル、
第2導電型半導体層9:
p型GaInP半導体、
厚さ1.5マイクロメートル、キャリア濃度7×1017cm-3
電流ブロック層11:
p型AlGaInP半導体、
厚さ0.5マイクロメートル、キャリア濃度7×1017cm-3
第2導電型半導体層13:
p型GaInP半導体、
厚さ1.0マイクロメートル、キャリア濃度7×1017cm-3
第2導電型半導体層15:
p型GaAs半導体、
厚さ200ナノメートル、キャリア濃度1×1019cm-3
好適な実施の形態では、その主面上にGaAs半導体層を備えるシリコン基板、或いは、GaAs基板を基板3として用いることができる。この場合には、化合物半導体部7aの半導体層23a、23b、24a〜24cの組成は、GaAs半導体に格子整合するように決定される。ここで、半導体Aが半導体Bに格子整合することは、格子パラメータ(aA−aB)/aBが−0.5パーセント以上+0.5パーセント以下の範囲にあることを意味する。
【0040】
化合物半導体層23a、23bは、ガリウム元素、インジウム元素、窒素元素、砒素元素、燐元素を含む半導体から構成されるので、バンドギャップと格子定数とを独立して変更可能な範囲が広い。
【0041】
図1、図2(a)及び図2(b)を参照しながら、半導体発光素子を説明したけれども、半導体発光素子がファブリペロー型半導体レーザ素子であるときは、一端面21a及び他端面21bの反射率は、一端面21a及び他端面21bが当該半導体レーザ素子の光共振器を構成するように決定されている。半導体発光素子がDFB型半導体レーザ素子であるときは、化合物半導体部7aと光学的に結合するように設けられた回折格子53を基板3上に備えている。半導体発光素子が半導体光増幅素子であるときは、一端面21aの反射率は、例えば1パーセント以下になるように非常に小さな値に決定されており、他端面21bの反射率は、一端面21aの反射率より相対的に大きくなるように決定されている。これらの半導体発光素子では、化合物半導体部は、注入されたキャリアに応答して光を発生する活性層として作用する。半導体発光素子では、活性層の構造は、化合物半導体部のフォトルミネッセンススペクトルが所望の発光波長を含むように構成されている。
【0042】
図1、図2(a)及び図2(b)に示された半導体光デバイスの構造は、電界吸収型変調素子といった半導体変調素子としても利用できる。半導体変調素子は、一端面21aに光を受けて、変調された光を他端面から出射する。これらの半導体変調素子では、化合物半導体部は、印加された電界に応答して入射光を変調する活性層として作用する。半導体変調素子では、活性層の構造は、化合物半導体部のフォトルミネッセンス波長が入射光の波長とわずかに異なるように構成されている。
【0043】
これらの半導体光デバイスからは、図1に示されるような光Laが提供される。
【0044】
GaAs半導体から構成される光閉じ込め層(障壁層)と、光閉じ込め層に隣接するGaInP半導体層とを備える半導体光デバイスでは、GaInP半導体層とGaAs半導体層との界面において、砒素原子と燐原子の置換が生じる可能性がある。実施例では、第1導電型半導体層5としてn型GaInP半導体層が利用されており、第2導電型半導体層9としてp型GaInP半導体層が利用されている。第1導電型半導体層5は、燐元素を含む半導体層が利用されており、光閉じ込め層(障壁層)には燐元素及び砒素元素を含む半導体層が使用されている。発明者らが行った実験によれば、第1導電型半導体層5と光閉じ込め層との界面においても、砒素原子と燐原子の置換が抑制されて、良好な品質の界面が得られていることが明らかになっている。
【0045】
また、発明者の実験によれば、化合物半導体部7aを構成する半導体層の表面においてキャリア再結合が抑制されていることが明らかになっている。発明者らは、半導体光デバイス1aにおいては化合物半導体層23a、23b、24a〜24cが燐(P)元素を含むのでキャリア再結合が抑制されていると考えている。
【0046】
好適な半導体発光素子においては、第1及び第3の化合物半導体層の各々のバンドギャップは、GaInNAsP半導体及びGaAs半導体のバンドギャップよりも大きくすることが好ましい。より大きなバンドギャップにより、第1及び第3の化合物半導体層はキャリアを第2の化合物半導体層に閉じ込める能力が向上する。この結果、温度依存性のより小さい半導体光デバイスが得られる。また、第1及び第3の化合物半導体層の各々は、GaAs半導体に実質的に格子整合することが好ましい。この半導体光デバイスは、第1及び第3の化合物半導体層の各々として、例えば、AlGaInAsP半導体を用いることにより得ることができる。ここで、半導体Aが半導体Bに実質的に格子整合することは、格子パラメータ(aA−aB)/aBが−0.5パーセント以上+0.5パーセント以下の範囲にあることを意味する。
【0047】
(第2の実施の形態)
引き続いて、別の実施の形態に係わる半導体発光素子を説明する。 図3(a)〜図3(d)の各々は歪み量子井戸構造を示す図面である。これらの量子井戸構造は、歪みを内包している。図3(a)〜図3(d)において、矢印の先端が内向き(→←)は圧縮歪みを示しており、矢印の先端が外向き(←→)は引っ張り歪みを示している。矢印の長さは、歪みの大きさを示している。半導体光デバイス1b〜1eでは、第1導電型半導体層5及び第2導電型半導体層9は、GaAs半導体に格子整合している。
【0048】
図3(a)は、半導体光デバイス1bを示す図面である。半導体光デバイス1bでは、化合物半導体部7bは、化合物半導体層29a、29b、31a〜31cが量子井戸構造27bを構成するように設けられている。量子井戸構造7bでは、化合物半導体層29a、29bが井戸層を構成すると共に化合物半導体層31a〜31cが障壁層を構成している。化合物半導体層31a〜31cにおけるIII族元素、砒素元素、及び燐元素の組成は、化合物半導体層31a〜31cの各々が引っ張り歪みを有するように決定されている。化合物半導体層29a、29bにおけるガリウム元素、インジウム元素、窒素元素、砒素元素、及び燐元素の組成は、化合物半導体層29a、29bが圧縮歪みを有するように決定されている。量子井戸構造27bにおいては、圧縮歪みの大きさは、引っ張り歪みの大きさに比べて大きい。この量子井戸構造では、井戸層及び障壁層の層数及び厚みの歪み応力による制限を緩和できるという利点がある。また、量子井戸構造27bは、例えば、GaInNAsP半導体及びGaNPAs半導体の組合せにより実現できる。例えば、GaInNAsP半導体の組成は、Ga0.7In0.30.017As0.9820.001である。
【0049】
図3(b)は、半導体光デバイス1cを示す図面である。半導体光デバイス1cでは、化合物半導体部7cは、化合物半導体層33a、33b、35a〜35cが量子井戸構造27cを構成するように設けられている。量子井戸構造27cでは、化合物半導体層33a、33bが井戸層を構成すると共に化合物半導体層35a〜35cが障壁層を構成している。化合物半導体層35a〜35cにおけるIII族元素、砒素元素、及び燐元素の組成は、化合物半導体層35a〜35cの各々が引っ張り歪みを有するように決定されている。化合物半導体層33a、33bにおけるガリウム元素、インジウム元素、窒素元素、砒素元素、及び燐元素の組成は、化合物半導体層33a、33bが圧縮歪みを有するように決定されている。量子井戸構造27cにおいては、圧縮歪みの大きさは、引っ張り歪みの大きさに比べて小さい。この量子井戸構造では、井戸層及び障壁層の層数及び厚みの歪み応力による制限を緩和できるという利点がある。また、量子井戸構造27cは、GaInNAsP半導体及びGaNPAs半導体の組合せにより実現できる。例えば、GaInNAsP半導体の組成は、Ga0.7In0.30.017As0.9820.001である。
【0050】
図3(c)は、半導体光デバイス1dを示す図面である。半導体光デバイス1dでは、化合物半導体部7dは、化合物半導体層37a、37b、39a〜39cが量子井戸構造27dを構成するように設けられている。量子井戸構造7dでは、化合物半導体層37a、37bが井戸層を構成すると共に化合物半導体層39a〜39cが障壁層を構成している。化合物半導体層39a〜39cにおけるIII族元素、砒素元素、及び燐元素の組成は、化合物半導体層39a〜39cの各々が圧縮歪みを有するように決定されている。化合物半導体層37a、37bにおけるガリウム元素、インジウム元素、窒素元素、砒素元素、及び燐元素の組成は、化合物半導体層37a、37bが引っ張り歪みを有するように決定されている。量子井戸構造27dにおいては、圧縮歪みの大きさは、引っ張り歪みの大きさにほぼ等しくなるように両半導体層の組成が決定されている。量子井戸構造27dは、例えば、GaInNAsP半導体及びGaInAsP半導体の組合せにより実現できる。量子井戸構造27dでは、次のような利点がある。量子井戸活性層結晶全体の歪みが補償されているので、結晶品質の劣化が少なく、光デバイスの信頼性が向上する。また、井戸層に引っ張り歪みを有するので、長波長化しやすいく、発光効率が向上できる。さらに、量子井戸活性層結晶全体の歪みが補償されているので、井戸層及び障壁層の層数及び厚みの制約がない。
【0051】
図3(d)は、半導体光デバイス1eを示す図面である。半導体光デバイス1eでは、化合物半導体部7eは、化合物半導体層41a、41b、43a〜43cが量子井戸構造27eを構成するように設けられている。量子井戸構造7eでは、化合物半導体層41a、41bが井戸層を構成すると共に化合物半導体層43a〜43cが障壁層を構成している。化合物半導体層43a〜43cにおけるIII族元素、砒素元素、及び燐元素の組成は、化合物半導体層43a〜43cの各々が引っ張り歪みを有するように決定されている。化合物半導体層41a、41bにおけるガリウム元素、インジウム元素、窒素元素、砒素元素、及び燐元素の組成は、化合物半導体層41a、41bが圧縮歪みを有するように決定されている。量子井戸構造27dにおいては、圧縮歪みの大きさは、引っ張り歪みの大きさにほぼ等しくなるように両半導体層の組成が決定されている。量子井戸構造27eは、例えば、GaInNAsP半導体及びGaNPAs半導体の組合せにより実現できる。量子井戸構造27eでは、次のような利点がある。量子井戸活性層結晶全体の歪みが補償されているので、結晶品質の劣化が少なく、光デバイスの信頼性が向上する。また、井戸層に圧縮歪みを有するので、短波長化しやすいく、発光効率が向上できる。さらに、量子井戸活性層結晶全体の歪みが補償されているので、井戸層及び障壁層の層数及び厚みの制約がない。
【0052】
量子井戸構造7b及び7cでは、量子井戸構造において歪みが全体として打ち消されずに残っている。歪みに応じて、半導体レーザ素子の発振モードが異なる。例えば、圧縮歪みの量子井戸構造では、半導体レーザ素子はTEモードで発振する。引っ張り歪みの量子井戸構造では、半導体レーザ素子はTMモードで発振する。
【0053】
量子井戸構造27d及び27eでは、量子井戸構造全体として歪みが打ち消し合っているので、井戸層及び障壁層の数が歪み量子井戸構造であることに起因して制限されない。故に、半導体発光素子として、大きな利得が得られる。また、半導体発光素子の温度特性が良好になる。更に、半導体発光素子が、より高温において動作可能になると共に、より高出力が得られる。
【0054】
(第3の実施の形態)
引き続いて、更なる別の実施の形態に係わる半導体発光素子を説明する。図4(a)及び図4(b)は、半導体光デバイスを構成する主要な半導体層の結晶の格子を模式的に示す図面である。引き続く説明では、基板3が半導体基板である実施例を説明する。
【0055】
図4(a)は、GaAs半導体基板といった半導体基板のための半導体3cと、量子井戸構造の井戸層のための半導体材料45と、障壁層のための半導体材料47と示している。半導体材料3cは、格子定数d0を有している。半導体材料45は、格子定数d1を有している。半導体47は、格子定数d2を有している。格子定数d0は、格子定数d1より大きく、格子定数d2より小さい。
【0056】
図4(b)は、GaAs半導体基板といった半導体基板のための半導体3cと、量子井戸構造の井戸層のための半導体49と、障壁層のための半導体51と示している。半導体材料3cは、格子定数d0を有している。半導体材料49は、格子定数d3を有している。半導体材料51は、格子定数d4を有している。格子定数d0は、格子定数d4より大きく、格子定数d3より小さい。
【0057】
量子井戸構造は、半導体材料45(或いは、半導体材料49)から構成される井戸層(図2における化合物半導体層23a、23b)、半導体材料47(或いは、半導体材料51)からなる障壁層(図2における化合物半導体層24a〜24c)を含む。第1導電型半導体層(図1における参照番号5)及び第2導電型半導体層(図1における参照番号9)は、GaAs半導体に格子整合している。しかしながら、第1及び第2の化合物半導体層におけるIII族元素、砒素元素、及び燐元素の組成は、化合物半導体層(図2における化合物半導体層24a〜24c)の各々を構成する半導体がGaAs半導体に格子整合しないように決定されている。化合物半導体層(図2における化合物半導体層23a、23b)におけるガリウム元素、インジウム元素、窒素元素、砒素元素、及び燐元素の組成は、第3の化合物半導体層を構成する半導体がGaAs半導体に格子整合しないように決定されている。
【0058】
好ましい実施例では、障壁層及び井戸層がほぼ等しい厚さである場合、障壁層を構成する半導体材料の格子定数dAと井戸層を構成する半導体材料の格子定数dBとの算術平均dAV=(dA+dB)は、GaAs半導体の格子定数dGaAsの値と実質的に一致している。ここで、実質的に一致は、−0.005≦(dAV−dGaAs)/dGaAs≦+0.005を意味する。量子井戸構造部の全体として歪みは実質的に打ち消されており、井戸層及び障壁層の積層数は、量子井戸構造部における歪みに起因して制約されることがない。
【0059】
好適な半導体光デバイスにおいては、障壁層は、GaNPAs半導体から構成されている。井戸層は、GaInNAsP半導体から構成され、この組合では、障壁層がGaAs半導体から構成される量子井戸構造と比較して、GaInNAsP井戸層内の量子準位が低エネルギーでシフトするので、長波長化しやすく、またGaInNAsP井戸層/GaAs障壁層の量子井戸構造では実現できない1.5マイクロメートル波長帯が利用できるようになる。1.5マイクロメートル波長帯は光通信の分野において重要な帯域である。
【0060】
好適な別の半導体光デバイスにおいては、障壁層は、GaPAs半導体から構成されている。井戸層は、GaInNAsP半導体から構成されている。GaPAs半導体のバンドギャップは、GaAs半導体のバンドギャップに比べて大きい。GaPAs半導体では、量子井戸構造へのキャリアの閉じ込めが良好になる。故に、半導体光デバイスの温度特性が良好になる。
【0061】
(第4の実施の形態)
図5は、別の実施の形態に係わる半導体発光素子を示す斜視図である。半導体発光素子1fは、垂直光共振器面発光レーザ素子の構造を有する。半導体発光素子1fは、基板60と、第1の半導体部62と、第1導電型半導体層64と、化合物半導体部66と、第4の第2導電型半導体層68と、第5の第2導電型半導体層70と、電流ブロック層72と、第5の第2導電型半導体層74と、第2の半導体部76と、第6の第2導電型半導体層78と、第1の電極80と、第2の電極82とを備える。基板60としては、GaAs基板及びシリコン基板といった半導体基板が例示される。基板60は、一対の面60a及び60bを有する。一方の面60aは他方の面60bに対向している。基板60の面60aは、第1の半導体部62と、第1導電型半導体層64と、化合物半導体部66と、第4の第2導電型半導体層68と、第5の第2導電型半導体層70と、電流ブロック層72と、第5の第2導電型半導体層74と、第2の半導体部76と、第6の第2導電型半導体層78とを搭載している。第1の半導体部62及び第2の半導体部76は、光共振器を構成する。
【0062】
化合物半導体部66は、第1の半導体部62と第2の半導体部76との間に位置している。化合物半導体部66は、第1導電型半導体層64と第2導電型半導体層68との間に設けられている。化合物半導体部66は、図2(a)、図2(b)、図3(a)〜図3(d)、図4(a)及び図4(b)に示されるいずれかの形態を備えることができる。化合物半導体部66は、所定の波長帯域において光を発生できるように設けられる。
【0063】
第2導電型半導体層68の主面は、第1の領域68a及び第2の領域68bを有する。第1の領域68aは第2の領域68bの周囲を囲むように設けられている。第2の領域68b上には、第4の第2導電型半導体層70、電流ブロック層72、及び第5の第2導電型半導体層74が設けられている。
【0064】
第2導電型半導体層74の主面は、第1の領域74a及び第2の領域74bを有する。第1の領域74aは第2の領域74bの周囲を囲むように設けられている。第2の領域74b上には、第2の半導体部76が設けられている。第2の領域74bの面積は、第2の領域68bの面積より小さい。
【0065】
電流ブロック層72は、第5の第2導電型半導体層70上に設けられており、また、化合物半導体部66の発光領域上に開口部72aを有する。第2導電型半導体層70の主面は、第1の領域70a及び第2の領域70bを有する。第1の領域70aは第2の領域70bの周囲を囲むように設けられている。第1の領域70a上には、電流ブロック層72が設けられている。第2の領域70b上には、電流ブロック層72の開口部72aが設けられている。開口部72aには、第2導電型半導体層70が現れている。この第2導電型半導体層70上には、電流経路半導体層73が設けられている。電流経路半導体層73は開口部72a内に位置しており、電流ブロック層72及び電流経路半導体層73上には、第2導電型半導体層74が設けられている。電流ブロック層72は、第2導電型半導体層74からのキャリア(電子及び正孔のいずれか一方)に対して障壁として作用する。この障壁により、キャリアは、開口部72aを通過して化合物半導体部66に到達する。つまり、開口部72aは、キャリアが注入される化合物半導体部66の領域を規定している。電流ブロック層は、第2導電型を有するAlAs半導体層の一部をメサの周囲からメサ内部に向けて選択酸化し、Al23絶縁層をドーナツ状に形成することで形成される。この結果、電流ブロック層の開口部72aは、電気的に導通可能な第2導電型を有するAlAs半導体層として形成される。
【0066】
第2導電型半導体層74は、第2導電型半導体部70上及び電流ブロック層72上に設けられている。開口部72aは、第2導電型半導体層74により埋め込まれるようにしてもよく、このとき、第2導電型半導体層74は、第2の半導体部76から第2導電型半導体層70への経路を提供している。
【0067】
第2導電型半導体層78は、相対的に高濃度の不純物が添加されバンドギャップが小さい半導体で形成されている。故に、電極17に対するオーミック接触が得やすい。第2導電型半導体層78は、コンタクト層として作用する。
【0068】
電極80は、第2導電型半導体層78上に設けられている。電極80は、第2の半導体部76にキャリアを提供できるように設けられている。つまり、電極80は、開口部72a上に位置している。基板60の面60bには、第2の電極82が設けられている。
【0069】
図6(a)は、第1の半導体部の構造を示す図面である。第1の半導体部62は、複数の半導体層62a及び複数の半導体層62bを備える。半導体層62a及び半導体層62bは、交互に配置されている。半導体層62aの屈折率は、半導体層62bの屈折率と異なっている。したがって、半導体部62は、回折格子を構成する。
【0070】
図6(b)は、第2の半導体部の構造を示す図面である。第2の半導体部76は、複数の半導体層76a及び複数の半導体層76bを備える。半導体層76a及び半導体層76bは、交互に配置されている。半導体層76aの屈折率は、半導体層76bの屈折率と異なっている。したがって、半導体部76は、回折格子を構成する。
【0071】
半導体発光素子1fは、半導体部62の回折格子の反射スペクトル、半導体部76の回折格子の反射スペクトル、及び化合物半導体部66の発光スペクトルが重なる波長帯域内の所定の波長の光Lbを発生できる。
【0072】
半導体発光素子1fに含まれる半導体材料の実施例を下記に示す。
基板60:n型GaAs基板
第1の半導体部62;
n型AlAs半導体/n型GaAs半導体 22.5周期
厚さ115ナノメートル/90ナノメートル、
キャリア濃度1×1018cm-3/1×1018cm-3
半導体層64:
アンドープAl0.5Ga0.5As半導体、
厚さ175ナノメートル
化合物半導体部66:
アンドープGaInNAsP半導体/アンドープGaInAsP半導体
厚さ10ナノメートル/厚さ10ナノメートル
半導体層68:
アンドープAl0.5Ga0.5As半導体、
厚さ175ナノメートル
第2導電型半導体層70:
p型GaAs半導体、
厚さ30ナノメートル、キャリア濃度7×1017cm-3
電流ブロック層72:
p型Al23
厚さ30ナノメートル
電流経路半導体層73:
p型AlAs半導体、
厚さ30ナノメートル、
第2導電型半導体層74:
p型GaAs半導体、
厚さ30ナノメートル、キャリア濃度7×1017cm-3
第2の半導体部76:
p型Al0.1Ga0.9As半導体/n型GaAs半導体 20周期
厚さ110ナノメートル/90ナノメートル、
キャリア濃度7×1017cm-3/7×1017cm-3
コンタクト層78;
p型GaAs半導体
厚さ60ナノメートル、キャリア濃度1×1019cm-3
好適な実施の形態では、その主面上にGaAs半導体層を備えるシリコン基板、或いは、GaAs基板を基板3として用いることができる。
【0073】
(第5の実施の形態)
引き続いて、半導体光デバイスを製造する方法を説明する。図7(a)に示されるように、GaAs半導体基板90を準備する。GaAs半導体基板90は一対の面90a及び90bを有する。表面90aは背面90bに対向している。
【0074】
図7(b)を参照すると、n型GaAs半導体基板90の主面90a上に、n型III−V族化合物半導体層92を形成する。化合物半導体層92はGaAs半導体に格子整合するn型GaInP半導体層から構成される。次いで、n型化合物半導体層92上に化合物半導体部94を形成する。n型化合物半導体層92及び化合物半導体部94は、例えば、有機金属気相成長法(OMVPE法)又は分子線エピタキシ法(MBE法)でエピタキシャル成長される。
【0075】
図8(a)〜図8(d)を参照しながら、化合物半導体部94の形成を説明する。化合物半導体部94は、アンドープGaInNAsP半導体層及びアンドープGaInAsP半導体層から構成される。図8(a)に示されるように、n型GaInP半導体層92上にアンドープGaInAsP半導体層94aを成長する。GaInP半導体層92とGaInAsP半導体層94aとの界面においては隣(P)と砒素(As)との置換が抑制されるので、急峻な接合が得られる。次いで、図8(b)に示されるように、GaInAsP半導体層94a上にアンドープGaInNAsP半導体層94bを成長する。GaInAsP半導体層94aとGaInNAsP半導体層94bとの界面においては隣(P)と砒素(As)との置換が抑制されるので、急峻な接合が得られる。所望の半導体層の積層が得られるまで、この成長ステップを繰り返して行う。これにより、化合物半導体部94が得られる。
【0076】
しかしながら、化合物半導体部がアンドープGaInNAsP半導体層及びアンドープGaAs半導体層から構成される場合には、図8(c)に示されるように、n型GaInP半導体層92上にアンドープGaAs半導体層95aを成長する。GaInP半導体層92とGaAs半導体層95aとの界面においては燐(P)と砒素(As)との置換が生じるので、遷移層97aがGaInP半導体層92とGaAs半導体層95aとの間に形成される。次いで、図8(d)に示されるように、GaAs半導体層95a上にアンドープGaInNAsP半導体層95bを成長する。GaAs半導体層95aとGaInNAsP半導体層95bとの界面においては燐(P)と砒素(As)との置換が生じるので、遷移層97bがGaInP半導体層とGaInAsP半導体層との間に形成される。遷移層97a及び97bの組成及び厚さは制御されていない。
【0077】
続いて、図9(a)に示されるように、GaAs半導体に格子整合するp型GaInP半導体層から構成されるp型III−V族化合物半導体層96を化合物半導体部94上にエピタキシャル成長する。次いで、電流ブロック層のためのAlGaInP半導体層といったn型化合物半導体層98をp型化合物半導体層96上にエピタキシャル成長する。
【0078】
図9(b)に示されるように、p型化合物半導体層98上にマスク層100を形成する。マスク層100は、電流通過領域を規定するための開口部100aを備える。マスク層100を形成した後に、リン酸系エッチャントを用いて、p型化合物半導体層96に対してp型化合物半導体層98を選択的にエッチングして、開口部98bを有する電流ブロック層98aを形成する。開口部98bは、所定の軸に沿って伸びている。開口部98bにおいて、p型化合物半導体層96は露出している。
【0079】
図10(a)に示されるように、電流ブロック層98a及びp型化合物半導体層96上に、p型GaInP半導体層といったIII−V族化合物半導体層102をエピタキシャル成長する。次いで、III−V族化合物半導体層102上にコンタクト層104をエピタキシャル成長する。
【0080】
コンタクト層104上には、アノード電極106を形成する。アノード電極106は、電流ブロック層98aの開口部98bと同じ方向に伸びている。基板90の背面90b上には、カソード電極108が形成される。これらの工程を介して、半導体光デバイス1gが得られる。
【0081】
以上説明した半導体発光素子では、発明者の知見によれば、発光領域及びその近傍に燐が添加されているので、表面再結合電流が低減される。
【0082】
量子井戸構造に歪み(圧縮又は引っ張り歪み)が加わった半導体レーザ素子では、次のようなレーザ特性が向上する。半導体レーザ素子の利得及び微分利得を大きくでき、しきい値電流を小さくでき、発光効率を増大でき、高温動作が可能になり、発振モードの制御が可能になる。
【0083】
GaInNAsP半導体と他のIII−V族化合物半導体との組み合わせにより、多彩な半導体光デバイスが得られる。
【0084】
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ができることは、当業者によって認識される。例えば、本実施の形態では、単一の半導体発光素子を説明したけれども、半導体光デバイスは複数の半導体発光素子を備えることもできる。半導体光デバイスは、光集積素子であることができる。光集積素子は、半導体変調素子と、半導体発光素子とを含むことができる。また、実施の形態では半導体基板を備える半導体光デバイスを説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。更に、実施の形態では半導体基板を備える半導体発光素子及び半導体変調素子を説明したが、本発明は、導波路型半導体受光素子といった受光素子にも適用でき、これらに限定されるものではない。加えて、本発明は、上記の実施の形態に限定されることなく、例えば、他の半導体材料に対しても適用できる。したがって、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。
【0085】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば2つの半導体層の界面において燐原子(P)と砒素原子(As)との置換が生じ難い構造を有する半導体光デバイス、及びその製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、半導体発光素子を示す斜視図である。
【図2】図2(a)は、化合物半導体部の構造を示す図面である。図2(b)は、化合物半導体部のバンドダイアグラムを示す図面である。
【図3】図3(a)〜図3(d)の各々は歪み量子井戸構造を示す図面である。
【図4】図4(a)及び図4(b)は、半導体光デバイスを構成する主要な半導体層の結晶の格子を模式的に示す図面である。
【図5】図5は、別の実施の形態に係わる半導体発光素子を示す斜視図である。
【図6】図6(a)は、第1の半導体部の構造を示す図面である。図6(b)は、第2の半導体部の構造を示す図面である。
【図7】図7(a)及び図7(b)は、半導体光デバイスを製造する方法を示す図面である。
【図8】図8(a)及び図8(b)は、半導体光デバイスの化合物半導体部を成長する手順を示す図面である。図8(c)及び図8(d)は、半導体光デバイスの化合物半導体部を成長する手順を示す図面である。
【図9】図9(a)及び図9(b)は、半導体光デバイスを製造する方法を示す図面である。
【図10】図10(a)及び図10(b)は、半導体光デバイスを製造する方法を示す図面である。
【符号の説明】
1a、1b…半導体発光素子、3…基板、5…第1導電型半導体層、7a…化合物半導体部、9…第2導電型半導体層、11…電流ブロック層、11a…開口部、13…第2導電型半導体層、15…第2導電型半導体層、17…第1の電極、19…第2の電極、23a、23b、24a〜24c…化合物半導体層、60…基板、62…第1の半導体部、64…第1導電型半導体層、66…化合物半導体部、68…第4の第2導電型半導体層、70…第5の第2導電型半導体層、72…電流ブロック層、73…電流経路半導体層、74…第5の第2導電型半導体層、76…第2の半導体部、78…第6の第2導電型半導体層、80…第1の電極、82…第2の電極、
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor optical device and a method for manufacturing the semiconductor optical device.
[0002]
[Prior art]
Semiconductor light emitting devices are used as light sources for optical communications and optical amplifiers. In the field of optical communication, a semiconductor modulation element is used for modulating light from a light source. The semiconductor light emitting device and the semiconductor modulation device include a plurality of semiconductor layers and a pair of electrodes. Each of the plurality of semiconductor layers is provided on the substrate and is made of a III-V group compound semiconductor. The pair of electrodes is used for supplying carriers to a plurality of semiconductor layers.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
The inventors have studied a semiconductor optical device composed of a III-V group compound semiconductor, and in particular, a quaternary III-V group compound semiconductor (hereinafter referred to as a quaternary III-V group compound semiconductor containing gallium element, indium element, arsenic element, and nitrogen element). Focuses on GaInNAs semiconductor). However, this quaternary III-V group compound semiconductor has an immiscible region in the phase diagram, which makes it difficult to grow a GaInNAs semiconductor. In the experiment, the inventors have investigated that a ternary III-V compound semiconductor (hereinafter referred to as a GaInNAsP semiconductor) containing a gallium element, an indium element, an arsenic element, a phosphorus element, and a nitrogen element grows more than a GaInNAs semiconductor. I found it easy.
[0004]
The inventors have been conducting research for manufacturing a semiconductor optical device including a GaInNAsP semiconductor. Specifically, the inventors are examining the production of a semiconductor optical device having a quantum well structure including a GaInNAsP semiconductor and a GaAs semiconductor. In this examination, the inventors may replace phosphorus atoms (P) and arsenic atoms (As) at the interface between the GaAs semiconductor and the GaInNAsP semiconductor when forming a junction between the GaAs semiconductor and the GaInNAsP semiconductor. I discovered that there is. Further investigation has found that this substitution can also occur at the interface between a semiconductor layer that contains arsenic as a group V and does not contain phosphorus, and a semiconductor layer that contains arsenic and phosphorus as a group V. .
[0005]
An object of the present invention is to provide a semiconductor optical device having a structure in which substitution of phosphorus atoms (P) and arsenic atoms (As) hardly occurs at an interface between two semiconductor layers, and a method for manufacturing the semiconductor optical device. To do.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
  One aspect of the present invention relates to a semiconductor optical device. The semiconductor optical device includes a compound semiconductor portion and a GaAs substrate. The compound semiconductor portion includes first to fifth compound semiconductor layers. The first compound semiconductor layer is provided on the second compound semiconductor layer. Each of the first compound semiconductor layers includes one or more kinds of group III elements, arsenic elements, and phosphorus elements. The second compound semiconductor layer contains a gallium element, an indium element, a nitrogen element, an arsenic element, and a phosphorus element. The third compound semiconductor layer includes one or more kinds of group III elements, arsenic elements, and phosphorus elements. The fourth compound semiconductor layer is made of a GaInP semiconductor. The fifth compound semiconductor layer is made of a GaInP semiconductor. The GaAs substrate carries the first to fifth compound semiconductor layers. The fourth compound semiconductor layer is a cladding layer, the fifth compound semiconductor layer is a cladding layer, the second compound semiconductor layer is composed of a GaInNAsP semiconductor, and the first and third compound semiconductor layers are,Each of the first and third compound semiconductor layers is composed of any one of a GaNPAs semiconductor and an AlGaInAsP semiconductor, and each of the first and third compound semiconductor layers is larger than the band gap of the GaInNAsP semiconductor and the GaAs semiconductor. The layers are provided such that the second compound semiconductor layer forms a well layer and the first and third compound semiconductor layers form a quantum well structure that forms a barrier layer. The compound semiconductor layer is provided between the fourth compound semiconductor layer and the fifth compound semiconductor layer.
[0007]
According to still another aspect of the present invention, a semiconductor optical device includes a first conductivity type semiconductor part, a second conductivity type semiconductor part, and a compound semiconductor part. The compound semiconductor part is provided between the first conductive type semiconductor part and the second conductive type semiconductor part. The compound semiconductor portion includes first and second compound semiconductor layers. The first compound semiconductor layer is provided on the second compound semiconductor layer. Each of the first compound semiconductor layers includes one or more kinds of group III elements, arsenic elements, and phosphorus elements. The second compound semiconductor layer contains a gallium element, an indium element, a nitrogen element, an arsenic element, and a phosphorus element.
[0008]
According to still another aspect of the present invention, a semiconductor optical device includes a first conductivity type semiconductor part, a second conductivity type semiconductor part, first and second compound semiconductor layers, and a third compound semiconductor layer. With. The first conductivity type semiconductor part includes a plurality of first conductivity type semiconductor layers provided so as to form a multilayer reflective film. The second conductivity type semiconductor part includes a plurality of second conductivity type semiconductor layers provided so as to form a multilayer reflective film. The first and second compound semiconductor layers are provided between the first conductivity type semiconductor part and the second conductivity type semiconductor part. The second compound semiconductor layer is provided on the first compound semiconductor layer. The first compound semiconductor layer contains one or a plurality of types of group III elements, arsenic elements, and phosphorus elements. The second compound semiconductor layer contains a gallium element, an indium element, a nitrogen element, an arsenic element, and a phosphorus element.
[0009]
In the above semiconductor optical device, since the first and second compound semiconductor layers contain an arsenic element and a phosphorus element, phosphorus atoms (P) and arsenic are interposed between the first compound semiconductor layer and the second compound semiconductor layer. Substitution with atoms (As) hardly occurs.
[0010]
The semiconductor optical device according to the present invention can further include a third compound semiconductor layer containing one or more kinds of Group III elements, arsenic elements, and phosphorus elements. The first to third compound semiconductor layers constitute a quantum well structure. This semiconductor optical device has a quantum well structure having a sharp junction.
[0011]
In the semiconductor optical device according to the present invention, the third compound semiconductor layer can be composed of a GaInNAsP semiconductor.
[0012]
In the semiconductor optical device according to the present invention, each of the first compound semiconductor layers may be composed of a GaInAsP semiconductor, and the second compound semiconductor layer may be composed of a GaInNAsP semiconductor.
[0013]
A semiconductor optical device according to the present invention includes a third compound semiconductor layer containing one or more kinds of group III elements, arsenic elements, and phosphorus elements, a first conductivity type semiconductor portion, and a second conductivity type semiconductor portion. Can be further provided. The first conductive type semiconductor part and the second conductive type semiconductor part are made of a semiconductor material lattice-matched to the GaAs semiconductor. The third compound semiconductor layer includes one or more kinds of group III elements, arsenic elements, and phosphorus elements. The first to third compound semiconductor layers are provided so as to constitute a quantum well structure. In the quantum well structure, the second compound semiconductor layer constitutes a well layer and the first and third compound semiconductor layers constitute a barrier layer. The composition of the group III element, the arsenic element, and the phosphorus element in the first and third compound semiconductor layers is determined so that each of the first and third compound semiconductor layers has one of compressive strain and tensile strain. Has been. The composition of the gallium element, indium element, nitrogen element, arsenic element, and phosphorus element in the second compound semiconductor layer is determined so that the second compound semiconductor layer has the other strain of compressive strain and tensile strain. .
[0014]
Since a semiconductor junction having a sharp composition change can be obtained at the interface of the semiconductor layer between the first and third compound semiconductor layers and the second compound semiconductor layer, a good strained quantum well structure can be obtained. it can.
[0015]
In the semiconductor optical device according to the present invention, the first to third compound semiconductor layers are provided so as to constitute a quantum well structure. In the quantum well structure, the second compound semiconductor layer constitutes a well layer and the first and third compound semiconductor layers constitute a barrier layer. The composition of the group III element, arsenic element, and phosphorus element in the first and third compound semiconductor layers is such that the lattice constants of the semiconductors constituting each of the first and third compound semiconductor layers do not lattice match with the GaAs semiconductor. Has been determined. The composition of the gallium element, indium element, nitrogen element, arsenic element, and phosphorus element in the second compound semiconductor layer is determined so that the lattice constant of the semiconductor constituting the second compound semiconductor layer does not lattice match with the GaAs semiconductor. ing. The average lattice constant of the semiconductor constituting the barrier layer and the semiconductor constituting the well layer substantially matches the lattice constant of the GaAs semiconductor.
[0016]
As a whole, the amount of strain is substantially canceled out in the quantum well structure portion, and the number of stacked layers of the well layer and the barrier layer is not restricted due to the strain in the quantum well structure portion.
[0017]
In the semiconductor optical device according to the present invention, the first and third compound semiconductor layers are composed of GaNPAs semiconductors. The second compound semiconductor layer is made of a GaInNAsP semiconductor.
[0018]
When the GaNPAs semiconductor is configured to have tensile strain, the band gap of the GaNPAs semiconductor can be reduced. This GaNPAs semiconductor acts to reduce the quantum effect in the quantum well structure. This makes it possible to shift the wavelength of the generated light to a long wavelength.
[0019]
In the semiconductor optical device according to the present invention, the first and second compound semiconductor layers are composed of GaPAs semiconductors. The third compound semiconductor layer is made of a GaInNAsP semiconductor. The band gap of the GaPAs semiconductor is larger than that of the GaAs semiconductor. In the GaPAs semiconductor, carriers are confined in the quantum well structure. Therefore, the temperature characteristics of the semiconductor optical device are improved.
[0020]
In the semiconductor optical device according to the present invention, the first to third compound semiconductor layers may be provided so as to constitute a quantum well structure. The well layer has one of compressive strain and tensile strain. The barrier layer has a strain of the other of the compressive strain and the tensile strain. The quantum well structure is configured such that the amount of strain in the well layer is substantially equal to the amount of strain in each barrier layer. In this semiconductor optical device, the strain amounts in the well layer and the barrier layer substantially cancel each other, and the number of well layers and barrier layers is not limited due to the strain stress.
[0021]
In the semiconductor optical device according to the present invention, it is preferable that the band gaps of the first and second compound semiconductor layers are larger than the band gaps of the GaInNAsP semiconductor and the GaAs semiconductor. Due to the larger band gap, the ability of the first and second compound semiconductor layers to confine carriers in the third compound semiconductor layer is improved. As a result, a semiconductor optical device with less temperature dependence is obtained. Each of the first and second compound semiconductor layers is preferably substantially lattice matched to the GaAs semiconductor. This semiconductor optical device can be obtained by using, for example, an AlGaInAsP semiconductor as each of the first and second compound semiconductor layers.
[0022]
In the semiconductor optical device according to the present invention, the first conductivity type semiconductor part includes a fourth compound semiconductor layer, and the second conductivity type semiconductor part includes a fifth compound semiconductor layer. Each of the fourth and fifth compound semiconductor layers is made of a GaInP semiconductor. In this semiconductor optical device, the band gap of the GaInP semiconductor can be made larger than the band gaps of the first and third compound semiconductor layers. Further, the refractive index of the GaInP semiconductor can be made smaller than the refractive indexes of the first and third compound semiconductor layers.
[0023]
The semiconductor optical device according to the present invention can further include a substrate on which the first to third compound semiconductor layers are mounted. The substrate can be a GaAs substrate or a Si substrate.
[0024]
A semiconductor optical device according to the present invention includes a first conductivity type semiconductor portion, a second conductivity type semiconductor portion, a semiconductor substrate having a pair of surfaces, a first electrode, a second electrode, and a third compound semiconductor layer. Can be further provided. On one surface of the pair of surfaces, a first conductivity type semiconductor portion, a second conductivity type semiconductor portion, and first to third compound semiconductor layers are provided. A second electrode is provided on the other surface of the pair of surfaces. In the present invention, the semiconductor optical device can constitute a semiconductor optical amplification element. In the present invention, the semiconductor optical device can constitute a semiconductor laser. Furthermore, in the present invention, the semiconductor optical device can constitute a semiconductor optical modulation element.
[0025]
The quantum well structure may be either an MQW structure or an SQW structure. By combining the first to third compound semiconductor layers, various quantum well structures having steep semiconductor junctions can be realized.
[0026]
  Yet another aspect of the present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor optical device, the method comprising: (a) forming a first conductivity type GaInP cladding layer on a first conductivity type GaAs substrate; (B) forming a quantum well structure including a well layer and a barrier layer on the GaInP cladding layer; and (c) forming a second conductivity type GaInP cladding layer on the quantum well structure. . The well layer is made of a GaInNAsP semiconductor, and the barrier layer is,It is composed of either a GaNPAs semiconductor or an AlGaInAsP semiconductor. According to these steps, a quantum well structure having a steep semiconductor junction can be produced. The barrier layer is preferably composed of a GaNPAs semiconductor. The barrier layer is preferably made of a GaPAs semiconductor. Furthermore, the barrier layer is preferably made of an AlGaInAsP semiconductor.
[0027]
The above and other objects, features, and advantages of the present invention will become more readily apparent from the following detailed description of preferred embodiments of the present invention, which proceeds with reference to the accompanying drawings.
[0028]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
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 will be described with reference to the accompanying drawings. Where possible, the same parts are denoted by the same reference numerals.
[0029]
Subsequently, a semiconductor light emitting element will be described as an example of a semiconductor optical device. Examples of the semiconductor light emitting element include a semiconductor laser element and a semiconductor optical amplifying element. The same structure as this semiconductor light emitting element can be applied to a semiconductor modulation element such as an electroabsorption modulation element.
[0030]
(First embodiment)
FIG. 1 is a perspective view showing a semiconductor light emitting device. The semiconductor light emitting device 1a includes a substrate 3, a first conductivity type semiconductor layer 5, a compound semiconductor portion 7a, a first second conductivity type semiconductor layer 9, a current blocking layer 11, and a second second conductivity type. A semiconductor layer 13, a third second conductivity type semiconductor layer 15, a first electrode 17, and a second electrode 19 are provided. The substrate 3 has a pair of surfaces 3a and 3b. One surface 3a faces the other surface 3b. The surface 3 a of the substrate 3 includes a first conductive semiconductor layer 5, a compound semiconductor portion 7 a, a first second conductive semiconductor layer 9, a current blocking layer 11, and a second second conductive semiconductor layer 13. And the third second conductivity type semiconductor layer 15. The compound semiconductor portion 7 a is provided between the first conductivity type semiconductor layer 5 and the second conductivity type semiconductor layer 9. A first electrode 17 is provided on the third second conductivity type semiconductor layer 15. A second electrode 19 is provided on the surface 3 b of the substrate 3.
[0031]
The current block layer 11 is provided on the second conductivity type semiconductor layer 9. The current block layer 11 has an opening 11a. The light emitting region of the compound semiconductor portion 7a appears in the opening 11a. In the embodiment shown in FIG. 1, the semiconductor light emitting device 1a is provided along an axis extending from one end surface 21a to the other end surface 21b. A compound semiconductor portion 7a appears in the opening 11a. The current blocking layer 11 acts as a barrier against carriers (either electrons or holes) from the second conductivity type semiconductor layer 15. Due to this barrier, the carriers pass through the opening 11a and reach the compound semiconductor portion 7a. That is, the opening 11a defines a region of the compound semiconductor portion 7a into which carriers are injected.
[0032]
The second conductivity type semiconductor layer 13 is provided on the light emitting region of the compound semiconductor portion 7 a and on the current blocking layer 11. Therefore, the opening 11a is filled with the second conductivity type semiconductor layer 13, and the second conductivity type semiconductor layer 13 provides a path from the second conductivity type semiconductor layer 15 to the compound semiconductor portion 7a.
[0033]
The second conductivity type semiconductor layer 15 is formed of a semiconductor to which a relatively high concentration of impurities is added and the band gap is small. Thereby, it is easy to obtain ohmic contact with the electrode 17. The second conductivity type semiconductor layer 15 functions as a contact layer.
[0034]
The electrode 17 is provided on the second conductivity type semiconductor layer 15. The electrode 17 is provided so as to provide carriers in the region of the opening 11 a of the current blocking layer 11. That is, the electrode 17 is located on the opening 11a, and in the embodiment shown in FIG. 1, is provided along the axis extending from the one end surface 21a to the other end surface 21b of the semiconductor light emitting element 1a. The electrode 19 is provided on the surface 3 b of the substrate 3.
[0035]
FIG. 2A shows the structure of the compound semiconductor portion. FIG. 2B is a diagram showing a band diagram of the compound semiconductor portion. Referring to FIG. 2A, the compound semiconductor portion 7a includes compound semiconductor layers 23a and 23b and compound semiconductor layers 24a to 24c. The compound semiconductor layer 23a is provided between the compound semiconductor layer 24a and the compound semiconductor layer 24b. The compound semiconductor layer 23b is provided between the compound semiconductor layer 24a and the compound semiconductor layer 24c. The compound semiconductor layers 23a and 23b are made of a semiconductor containing a gallium element, an indium element, a nitrogen element, an arsenic element, or a phosphorus element, such as a GaInNAsP semiconductor. Each of the compound semiconductor layers 24a to 24c is composed of a semiconductor containing one or more kinds of group III elements, arsenic elements, and phosphorus elements, such as GaInAsP semiconductors. In the semiconductor optical device 1a, both the compound semiconductor layers 24a to 24c and the compound semiconductor layers 23a and 23b contain an arsenic element and a phosphorus element. Therefore, in the junction between the compound semiconductor layers 24a to 24c and the compound semiconductor layers 23a and 23b, phosphorus Substitution of atoms (P) and arsenic atoms (As) is difficult to occur. Therefore, it is difficult to form a transition layer at the interface between these semiconductor layers. Therefore, a semiconductor junction having a sharp composition change at the interface can be obtained.
[0036]
Referring to FIG. 2B, the compound semiconductor portion 7a has a quantum well structure 27a. In the quantum well structure 27a, the band gap ΔE of the compound semiconductor layer 24bB1Is the band gap ΔE of the compound semiconductor layers 23a and 23b.WThe band gap ΔE of the compound semiconductor layers 24a and 24c is smaller.B2, △ EB3Is the band gap ΔE of the compound semiconductor layers 23a, 23b.WSmaller than. The compound semiconductor layers 23a and 23b function as well layers. The compound semiconductor layer 24b functions as a barrier layer. The compound semiconductor layers 24a and 24c function as an optical confinement layer or a barrier layer. Therefore, carriers (electrons and holes) from the first conductive type semiconductor layer 5 and the first second conductive type semiconductor layer 9 are confined in the quantum well structure 27a.
[0037]
2A, the quantum well structure 27a is provided between the first conductivity type semiconductor layer 5 and the first second conductivity type semiconductor layer 9. Referring to FIG. 2B, the refractive index n of the first conductivity type semiconductor layer 5 is obtained.CL1And the refractive index n of the second conductivity type semiconductor layer 9CL2Is the refractive index n of the semiconductor layer in the quantum well structure 27aB1, NW, NC2, NC3Smaller than any of the above. Therefore, when the light generated in the quantum well structure 27a propagates along the quantum well structure 27, it is confined in a region between the first conductivity type semiconductor layer 5 and the first second conductivity type semiconductor layer 9. It is done. At this time, the first conductive semiconductor layer 5 and the second conductive semiconductor layer 9 can function as a cladding layer.
[0038]
Although FIG. 2A exemplarily shows a quantum well structure having a specific number of well layers and barrier layers, in the semiconductor optical device 1a, the quantum well structure 27a includes any number of well layers and It can be either an MQW structure with a barrier layer or an SQW structure. In these quantum well structures, a sharp semiconductor junction is obtained.
[0039]
Examples of the semiconductor material included in the semiconductor light emitting element 1a are shown below.
Substrate 3: n-type GaAs substrate
First conductivity type semiconductor layer 5:
n-type GaInP semiconductor,
Thickness 1.5 micrometers, carrier concentration 7 × 1017cm-3
Compound semiconductor layers 23a and 23b:
Undoped Ga0.86In0.14N0.04As0.95P0.01semiconductor
10 nanometers thick,
Compound semiconductor layers 24a-24c:
Undoped Ga0.78In0.22As0.55P0.45semiconductor
10 nanometers thick,
Second conductivity type semiconductor layer 9:
p-type GaInP semiconductor,
Thickness 1.5 micrometers, carrier concentration 7 × 1017cm-3
Current blocking layer 11:
p-type AlGaInP semiconductor,
0.5 micrometer thick, carrier concentration 7 × 1017cm-3
Second conductivity type semiconductor layer 13:
p-type GaInP semiconductor,
Thickness 1.0 micrometer, carrier concentration 7 × 1017cm-3
Second conductivity type semiconductor layer 15:
p-type GaAs semiconductor,
200 nanometers thick, carrier concentration 1 × 1019cm-3
In a preferred embodiment, a silicon substrate having a GaAs semiconductor layer on its main surface or a GaAs substrate can be used as the substrate 3. In this case, the compositions of the semiconductor layers 23a, 23b, 24a to 24c of the compound semiconductor portion 7a are determined so as to lattice match with the GaAs semiconductor. Here, the lattice matching of the semiconductor A with the semiconductor B means that the lattice parameterA-AB) / ABIs in the range of −0.5 percent or more and +0.5 percent or less.
[0040]
Since the compound semiconductor layers 23a and 23b are made of a semiconductor containing a gallium element, an indium element, a nitrogen element, an arsenic element, and a phosphorus element, the range in which the band gap and the lattice constant can be changed independently is wide.
[0041]
Although the semiconductor light emitting device has been described with reference to FIGS. 1, 2A and 2B, when the semiconductor light emitting device is a Fabry-Perot type semiconductor laser device, the one end surface 21a and the other end surface 21b are formed. The reflectance is determined so that the one end face 21a and the other end face 21b constitute an optical resonator of the semiconductor laser element. When the semiconductor light emitting device is a DFB type semiconductor laser device, a diffraction grating 53 is provided on the substrate 3 so as to be optically coupled to the compound semiconductor portion 7a. When the semiconductor light emitting element is a semiconductor optical amplifying element, the reflectance of the one end face 21a is determined to be a very small value, for example, 1% or less, and the reflectance of the other end face 21b is one end face 21a. It is determined to be relatively larger than the reflectance. In these semiconductor light emitting devices, the compound semiconductor portion functions as an active layer that generates light in response to injected carriers. In the semiconductor light emitting device, the structure of the active layer is configured such that the photoluminescence spectrum of the compound semiconductor portion includes a desired emission wavelength.
[0042]
The structure of the semiconductor optical device shown in FIG. 1, FIG. 2 (a) and FIG. 2 (b) can also be used as a semiconductor modulation element such as an electroabsorption type modulation element. The semiconductor modulation element receives light at one end surface 21a and emits the modulated light from the other end surface. In these semiconductor modulation elements, the compound semiconductor portion acts as an active layer that modulates incident light in response to an applied electric field. In the semiconductor modulation element, the structure of the active layer is configured such that the photoluminescence wavelength of the compound semiconductor portion is slightly different from the wavelength of incident light.
[0043]
From these semiconductor optical devices, the light L as shown in FIG.aIs provided.
[0044]
In a semiconductor optical device comprising an optical confinement layer (barrier layer) composed of a GaAs semiconductor and a GaInP semiconductor layer adjacent to the optical confinement layer, arsenic atoms and phosphorus atoms are present at the interface between the GaInP semiconductor layer and the GaAs semiconductor layer. Substitution may occur. In the embodiment, an n-type GaInP semiconductor layer is used as the first conductive type semiconductor layer 5, and a p-type GaInP semiconductor layer is used as the second conductive type semiconductor layer 9. The first conductivity type semiconductor layer 5 uses a semiconductor layer containing phosphorus element, and the optical confinement layer (barrier layer) uses a semiconductor layer containing phosphorus element and arsenic element. According to experiments conducted by the inventors, the substitution of arsenic atoms and phosphorus atoms is suppressed even at the interface between the first conductivity type semiconductor layer 5 and the optical confinement layer, and a good quality interface is obtained. It has become clear.
[0045]
Further, according to the experiment by the inventors, it has been clarified that carrier recombination is suppressed on the surface of the semiconductor layer constituting the compound semiconductor portion 7a. The inventors consider that in the semiconductor optical device 1a, the compound semiconductor layers 23a, 23b, and 24a to 24c contain a phosphorus (P) element, so that carrier recombination is suppressed.
[0046]
In a preferred semiconductor light emitting device, the band gaps of the first and third compound semiconductor layers are preferably larger than the band gaps of the GaInNAsP semiconductor and the GaAs semiconductor. Due to the larger band gap, the ability of the first and third compound semiconductor layers to confine carriers in the second compound semiconductor layer is improved. As a result, a semiconductor optical device with less temperature dependence is obtained. Each of the first and third compound semiconductor layers is preferably substantially lattice matched to the GaAs semiconductor. This semiconductor optical device can be obtained by using, for example, an AlGaInAsP semiconductor as each of the first and third compound semiconductor layers. Here, the fact that the semiconductor A substantially lattice matches with the semiconductor B indicates that the lattice parameter (aA-AB) / ABIs in the range of −0.5 percent or more and +0.5 percent or less.
[0047]
(Second embodiment)
Subsequently, a semiconductor light emitting device according to another embodiment will be described. Each of FIG. 3A to FIG. 3D is a drawing showing a strained quantum well structure. These quantum well structures contain strain. 3A to 3D, the tip of the arrow indicates inward (→ ←) indicates compression strain, and the tip of the arrow indicates outward (← →) indicates tensile strain. The length of the arrow indicates the magnitude of the distortion. In the semiconductor optical devices 1b to 1e, the first conductivity type semiconductor layer 5 and the second conductivity type semiconductor layer 9 are lattice-matched to the GaAs semiconductor.
[0048]
FIG. 3A shows the semiconductor optical device 1b. In the semiconductor optical device 1b, the compound semiconductor portion 7b is provided such that the compound semiconductor layers 29a, 29b, and 31a to 31c constitute the quantum well structure 27b. In the quantum well structure 7b, the compound semiconductor layers 29a and 29b constitute a well layer, and the compound semiconductor layers 31a to 31c constitute a barrier layer. The composition of the group III element, the arsenic element, and the phosphorus element in the compound semiconductor layers 31a to 31c is determined so that each of the compound semiconductor layers 31a to 31c has a tensile strain. The composition of gallium element, indium element, nitrogen element, arsenic element, and phosphorus element in the compound semiconductor layers 29a and 29b is determined so that the compound semiconductor layers 29a and 29b have compressive strain. In the quantum well structure 27b, the magnitude of the compressive strain is larger than the magnitude of the tensile strain. This quantum well structure has an advantage that the number of well layers and barrier layers and the limitation due to strain stress on the thickness can be relaxed. The quantum well structure 27b can be realized by a combination of a GaInNAsP semiconductor and a GaNPAs semiconductor, for example. For example, the composition of the GaInNAsP semiconductor is Ga0.7In0.3N0.017As0.982P0.001It is.
[0049]
FIG. 3B shows the semiconductor optical device 1c. In the semiconductor optical device 1c, the compound semiconductor portion 7c is provided such that the compound semiconductor layers 33a, 33b, and 35a to 35c constitute the quantum well structure 27c. In the quantum well structure 27c, the compound semiconductor layers 33a and 33b constitute a well layer and the compound semiconductor layers 35a to 35c constitute a barrier layer. The composition of the group III element, the arsenic element, and the phosphorus element in the compound semiconductor layers 35a to 35c is determined so that each of the compound semiconductor layers 35a to 35c has tensile strain. The composition of gallium element, indium element, nitrogen element, arsenic element, and phosphorus element in the compound semiconductor layers 33a and 33b is determined so that the compound semiconductor layers 33a and 33b have compressive strain. In the quantum well structure 27c, the magnitude of the compressive strain is smaller than the magnitude of the tensile strain. This quantum well structure has an advantage that the number of well layers and barrier layers and the limitation due to strain stress on the thickness can be relaxed. The quantum well structure 27c can be realized by a combination of a GaInNAsP semiconductor and a GaNPAs semiconductor. For example, the composition of the GaInNAsP semiconductor is Ga0.7In0.3N0.017As0.982P0.001It is.
[0050]
FIG. 3C shows the semiconductor optical device 1d. In the semiconductor optical device 1d, the compound semiconductor portion 7d is provided such that the compound semiconductor layers 37a, 37b, and 39a to 39c constitute the quantum well structure 27d. In the quantum well structure 7d, the compound semiconductor layers 37a and 37b constitute a well layer, and the compound semiconductor layers 39a to 39c constitute a barrier layer. The composition of the group III element, the arsenic element, and the phosphorus element in the compound semiconductor layers 39a to 39c is determined so that each of the compound semiconductor layers 39a to 39c has a compressive strain. The composition of the gallium element, indium element, nitrogen element, arsenic element, and phosphorus element in the compound semiconductor layers 37a and 37b is determined so that the compound semiconductor layers 37a and 37b have tensile strain. In the quantum well structure 27d, the compositions of both semiconductor layers are determined so that the magnitude of the compressive strain is approximately equal to the magnitude of the tensile strain. The quantum well structure 27d can be realized by, for example, a combination of a GaInNAsP semiconductor and a GaInAsP semiconductor. The quantum well structure 27d has the following advantages. Since the distortion of the entire quantum well active layer crystal is compensated, the crystal quality is hardly deteriorated and the reliability of the optical device is improved. In addition, since the well layer has tensile strain, it is easy to increase the wavelength and the light emission efficiency can be improved. Furthermore, since the distortion of the whole quantum well active layer crystal is compensated, there are no restrictions on the number and thickness of the well layers and the barrier layers.
[0051]
FIG. 3D shows the semiconductor optical device 1e. In the semiconductor optical device 1e, the compound semiconductor portion 7e is provided so that the compound semiconductor layers 41a, 41b, and 43a to 43c constitute the quantum well structure 27e. In the quantum well structure 7e, the compound semiconductor layers 41a and 41b constitute a well layer, and the compound semiconductor layers 43a to 43c constitute a barrier layer. The composition of the group III element, the arsenic element, and the phosphorus element in the compound semiconductor layers 43a to 43c is determined so that each of the compound semiconductor layers 43a to 43c has a tensile strain. The composition of gallium element, indium element, nitrogen element, arsenic element, and phosphorus element in the compound semiconductor layers 41a and 41b is determined so that the compound semiconductor layers 41a and 41b have compressive strain. In the quantum well structure 27d, the compositions of both semiconductor layers are determined so that the magnitude of the compressive strain is approximately equal to the magnitude of the tensile strain. The quantum well structure 27e can be realized by a combination of a GaInNAsP semiconductor and a GaNPAs semiconductor, for example. The quantum well structure 27e has the following advantages. Since the distortion of the entire quantum well active layer crystal is compensated, the crystal quality is hardly deteriorated and the reliability of the optical device is improved. In addition, since the well layer has a compressive strain, the wavelength is not easily shortened and the light emission efficiency can be improved. Furthermore, since the distortion of the whole quantum well active layer crystal is compensated, there are no restrictions on the number and thickness of the well layers and the barrier layers.
[0052]
In the quantum well structures 7b and 7c, the strain remains in the quantum well structure without being canceled as a whole. Depending on the strain, the oscillation mode of the semiconductor laser element varies. For example, in a compressive strain quantum well structure, the semiconductor laser element oscillates in a TE mode. In the tensile strained quantum well structure, the semiconductor laser element oscillates in the TM mode.
[0053]
In the quantum well structures 27d and 27e, since the strain cancels out as a whole of the quantum well structure, the number of well layers and barrier layers is not limited due to the strained quantum well structure. Therefore, a large gain can be obtained as a semiconductor light emitting device. In addition, the temperature characteristics of the semiconductor light emitting device are improved. Furthermore, the semiconductor light emitting device can be operated at a higher temperature and a higher output can be obtained.
[0054]
(Third embodiment)
Subsequently, a semiconductor light emitting device according to still another embodiment will be described. 4 (a) and 4 (b) are diagrams schematically showing crystal lattices of main semiconductor layers constituting a semiconductor optical device. In the following description, an embodiment in which the substrate 3 is a semiconductor substrate will be described.
[0055]
FIG. 4A shows a semiconductor 3c for a semiconductor substrate such as a GaAs semiconductor substrate, a semiconductor material 45 for a well layer of a quantum well structure, and a semiconductor material 47 for a barrier layer. The semiconductor material 3c has a lattice constant d0have. The semiconductor material 45 has a lattice constant d1have. The semiconductor 47 has a lattice constant d2have. Lattice constant d0Is the lattice constant d1Larger, lattice constant d2Smaller than.
[0056]
FIG. 4B shows a semiconductor 3c for a semiconductor substrate such as a GaAs semiconductor substrate, a semiconductor 49 for a well layer of a quantum well structure, and a semiconductor 51 for a barrier layer. The semiconductor material 3c has a lattice constant d0have. The semiconductor material 49 has a lattice constant d.Threehave. The semiconductor material 51 has a lattice constant dFourhave. Lattice constant d0Is the lattice constant dFourLarger, lattice constant dThreeSmaller than.
[0057]
The quantum well structure has a well layer (compound semiconductor layers 23a and 23b in FIG. 2) composed of a semiconductor material 45 (or semiconductor material 49) and a barrier layer (FIG. 2) composed of a semiconductor material 47 (or semiconductor material 51). Compound semiconductor layers 24a to 24c). The first conductive semiconductor layer (reference numeral 5 in FIG. 1) and the second conductive semiconductor layer (reference numeral 9 in FIG. 1) are lattice-matched to the GaAs semiconductor. However, the composition of the group III element, arsenic element, and phosphorus element in the first and second compound semiconductor layers is such that the semiconductor constituting each of the compound semiconductor layers (compound semiconductor layers 24a to 24c in FIG. 2) is a GaAs semiconductor. It is determined not to match the lattice. The composition of the gallium element, indium element, nitrogen element, arsenic element, and phosphorus element in the compound semiconductor layer (compound semiconductor layers 23a and 23b in FIG. 2) is such that the semiconductor constituting the third compound semiconductor layer is lattice matched to the GaAs semiconductor. Decided not to.
[0058]
In a preferred embodiment, when the barrier layer and the well layer have substantially the same thickness, the lattice constant d of the semiconductor material constituting the barrier layerAAnd lattice constant d of the semiconductor material constituting the well layerBArithmetic mean ofAV= (DA+ DB) Is the lattice constant d of the GaAs semiconductor.GaAsIs substantially the same as Here, the substantial coincidence is −0.005 ≦ (dAV-DGaAs) / DGaAsIt means ≦ + 0.005. The strain is substantially canceled as a whole in the quantum well structure, and the number of well layers and barrier layers is not restricted due to the strain in the quantum well structure.
[0059]
In a preferred semiconductor optical device, the barrier layer is composed of a GaNPAs semiconductor. The well layer is composed of a GaInNAsP semiconductor, and in this combination, the quantum level in the GaInNAsP well layer is shifted with low energy compared to a quantum well structure in which the barrier layer is composed of a GaAs semiconductor. This makes it possible to use a 1.5 micrometer wavelength band that cannot be realized by the quantum well structure of GaInNAsP well layer / GaAs barrier layer. The 1.5 micrometer wavelength band is an important band in the field of optical communications.
[0060]
In another suitable semiconductor optical device, the barrier layer is composed of a GaPAs semiconductor. The well layer is composed of a GaInNAsP semiconductor. The band gap of the GaPAs semiconductor is larger than that of the GaAs semiconductor. In the GaPAs semiconductor, carriers are confined in the quantum well structure. Therefore, the temperature characteristics of the semiconductor optical device are improved.
[0061]
(Fourth embodiment)
FIG. 5 is a perspective view showing a semiconductor light emitting device according to another embodiment. The semiconductor light emitting device 1f has a structure of a vertical optical resonator surface emitting laser device. The semiconductor light emitting device 1f includes a substrate 60, a first semiconductor portion 62, a first conductivity type semiconductor layer 64, a compound semiconductor portion 66, a fourth second conductivity type semiconductor layer 68, and a fifth second. Conductive semiconductor layer 70, current blocking layer 72, fifth second conductive semiconductor layer 74, second semiconductor portion 76, sixth second conductive semiconductor layer 78, and first electrode 80. And a second electrode 82. Examples of the substrate 60 include semiconductor substrates such as a GaAs substrate and a silicon substrate. The substrate 60 has a pair of surfaces 60a and 60b. One surface 60a faces the other surface 60b. The surface 60a of the substrate 60 includes a first semiconductor part 62, a first conductive semiconductor layer 64, a compound semiconductor part 66, a fourth second conductive semiconductor layer 68, and a fifth second conductive semiconductor. The layer 70, the current blocking layer 72, the fifth second conductivity type semiconductor layer 74, the second semiconductor portion 76, and the sixth second conductivity type semiconductor layer 78 are mounted. The first semiconductor unit 62 and the second semiconductor unit 76 constitute an optical resonator.
[0062]
The compound semiconductor unit 66 is located between the first semiconductor unit 62 and the second semiconductor unit 76. The compound semiconductor portion 66 is provided between the first conductivity type semiconductor layer 64 and the second conductivity type semiconductor layer 68. The compound semiconductor portion 66 has any of the forms shown in FIGS. 2A, 2B, 3A to 3D, 4A, and 4B. be able to. The compound semiconductor unit 66 is provided so as to generate light in a predetermined wavelength band.
[0063]
The main surface of the second conductivity type semiconductor layer 68 has a first region 68a and a second region 68b. The first region 68a is provided so as to surround the periphery of the second region 68b. A fourth second conductive semiconductor layer 70, a current blocking layer 72, and a fifth second conductive semiconductor layer 74 are provided on the second region 68b.
[0064]
The main surface of the second conductivity type semiconductor layer 74 has a first region 74a and a second region 74b. The first region 74a is provided so as to surround the periphery of the second region 74b. A second semiconductor portion 76 is provided on the second region 74b. The area of the second region 74b is smaller than the area of the second region 68b.
[0065]
The current blocking layer 72 is provided on the fifth second conductivity type semiconductor layer 70, and has an opening 72 a on the light emitting region of the compound semiconductor portion 66. The main surface of the second conductivity type semiconductor layer 70 has a first region 70a and a second region 70b. The first region 70a is provided so as to surround the second region 70b. A current blocking layer 72 is provided on the first region 70a. On the second region 70b, an opening 72a of the current blocking layer 72 is provided. The second conductivity type semiconductor layer 70 appears in the opening 72a. A current path semiconductor layer 73 is provided on the second conductivity type semiconductor layer 70. The current path semiconductor layer 73 is located in the opening 72 a, and the second conductivity type semiconductor layer 74 is provided on the current block layer 72 and the current path semiconductor layer 73. The current blocking layer 72 acts as a barrier against carriers (either electrons or holes) from the second conductivity type semiconductor layer 74. Due to this barrier, the carriers pass through the opening 72 a and reach the compound semiconductor portion 66. That is, the opening 72a defines a region of the compound semiconductor portion 66 into which carriers are injected. The current blocking layer selectively oxidizes a part of the AlAs semiconductor layer having the second conductivity type from the periphery of the mesa toward the inside of the mesa.2OThreeIt is formed by forming an insulating layer in a donut shape. As a result, the opening 72a of the current blocking layer is formed as an AlAs semiconductor layer having the second conductivity type that can be electrically conducted.
[0066]
The second conductivity type semiconductor layer 74 is provided on the second conductivity type semiconductor unit 70 and the current blocking layer 72. The opening 72 a may be filled with the second conductivity type semiconductor layer 74. At this time, the second conductivity type semiconductor layer 74 is routed from the second semiconductor portion 76 to the second conductivity type semiconductor layer 70. Is provided.
[0067]
The second conductivity type semiconductor layer 78 is formed of a semiconductor to which a relatively high concentration of impurities is added and the band gap is small. Therefore, it is easy to obtain ohmic contact with the electrode 17. The second conductivity type semiconductor layer 78 functions as a contact layer.
[0068]
The electrode 80 is provided on the second conductivity type semiconductor layer 78. The electrode 80 is provided so that a carrier can be provided to the second semiconductor portion 76. That is, the electrode 80 is located on the opening 72a. A second electrode 82 is provided on the surface 60 b of the substrate 60.
[0069]
FIG. 6A shows the structure of the first semiconductor portion. The first semiconductor unit 62 includes a plurality of semiconductor layers 62a and a plurality of semiconductor layers 62b. The semiconductor layers 62a and the semiconductor layers 62b are alternately arranged. The refractive index of the semiconductor layer 62a is different from the refractive index of the semiconductor layer 62b. Therefore, the semiconductor unit 62 constitutes a diffraction grating.
[0070]
FIG. 6B shows the structure of the second semiconductor portion. The second semiconductor unit 76 includes a plurality of semiconductor layers 76a and a plurality of semiconductor layers 76b. The semiconductor layers 76a and the semiconductor layers 76b are alternately arranged. The refractive index of the semiconductor layer 76a is different from the refractive index of the semiconductor layer 76b. Therefore, the semiconductor unit 76 constitutes a diffraction grating.
[0071]
The semiconductor light emitting element 1f is a light L having a predetermined wavelength within a wavelength band in which the reflection spectrum of the diffraction grating of the semiconductor unit 62, the reflection spectrum of the diffraction grating of the semiconductor unit 76, and the emission spectrum of the compound semiconductor unit 66 overlap.bCan be generated.
[0072]
Examples of the semiconductor material included in the semiconductor light emitting device 1f are shown below.
Substrate 60: n-type GaAs substrate
First semiconductor part 62;
n-type AlAs semiconductor / n-type GaAs semiconductor 22.5 periods
115 nm thickness / 90 nm thickness,
Carrier concentration 1 × 1018cm-3/ 1 × 1018cm-3
Semiconductor layer 64:
Undoped Al0.5Ga0.5As semiconductor,
175 nanometer thickness
Compound semiconductor part 66:
Undoped GaInNAsP semiconductor / Undoped GaInAsP semiconductor
10 nanometers thick / 10 nanometers thick
Semiconductor layer 68:
Undoped Al0.5Ga0.5As semiconductor,
175 nanometer thickness
Second conductivity type semiconductor layer 70:
p-type GaAs semiconductor,
30 nanometers thick, carrier concentration 7 × 1017cm-3
Current blocking layer 72:
p-type Al2OThree,
30 nanometers thick
Current path semiconductor layer 73:
p-type AlAs semiconductor,
30 nanometers thick,
Second conductivity type semiconductor layer 74:
p-type GaAs semiconductor,
30 nanometers thick, carrier concentration 7 × 1017cm-3
Second semiconductor unit 76:
p-type Al0.1Ga0.9As semiconductor / n-type GaAs semiconductor 20 periods
Thickness 110nm / 90nm,
Carrier concentration 7 × 1017cm-3/ 7 × 1017cm-3
Contact layer 78;
p-type GaAs semiconductor
60 nanometers thick, carrier concentration 1 × 1019cm-3
In a preferred embodiment, a silicon substrate having a GaAs semiconductor layer on its main surface or a GaAs substrate can be used as the substrate 3.
[0073]
(Fifth embodiment)
Subsequently, a method for manufacturing a semiconductor optical device will be described. As shown in FIG. 7A, a GaAs semiconductor substrate 90 is prepared. The GaAs semiconductor substrate 90 has a pair of surfaces 90a and 90b. The front surface 90a faces the back surface 90b.
[0074]
Referring to FIG. 7B, an n-type III-V group compound semiconductor layer 92 is formed on the main surface 90a of the n-type GaAs semiconductor substrate 90. The compound semiconductor layer 92 is composed of an n-type GaInP semiconductor layer lattice-matched to a GaAs semiconductor. Next, the compound semiconductor portion 94 is formed on the n-type compound semiconductor layer 92. The n-type compound semiconductor layer 92 and the compound semiconductor portion 94 are epitaxially grown by, for example, a metal organic chemical vapor deposition method (OMVPE method) or a molecular beam epitaxy method (MBE method).
[0075]
The formation of the compound semiconductor portion 94 will be described with reference to FIGS. 8 (a) to 8 (d). The compound semiconductor unit 94 includes an undoped GaInNAsP semiconductor layer and an undoped GaInAsP semiconductor layer. As shown in FIG. 8A, an undoped GaInAsP semiconductor layer 94a is grown on the n-type GaInP semiconductor layer 92. At the interface between the GaInP semiconductor layer 92 and the GaInAsP semiconductor layer 94a, substitution between adjacent (P) and arsenic (As) is suppressed, so that a sharp junction can be obtained. Next, as shown in FIG. 8B, an undoped GaInNAsP semiconductor layer 94b is grown on the GaInAsP semiconductor layer 94a. Since the substitution of adjacent (P) and arsenic (As) is suppressed at the interface between the GaInAsP semiconductor layer 94a and the GaInNAsP semiconductor layer 94b, a steep junction can be obtained. This growth step is repeated until the desired semiconductor layer stack is obtained. Thereby, the compound semiconductor part 94 is obtained.
[0076]
However, when the compound semiconductor portion is composed of an undoped GaInNAsP semiconductor layer and an undoped GaAs semiconductor layer, an undoped GaAs semiconductor layer 95a is grown on the n-type GaInP semiconductor layer 92 as shown in FIG. . Since the substitution of phosphorus (P) and arsenic (As) occurs at the interface between the GaInP semiconductor layer 92 and the GaAs semiconductor layer 95a, a transition layer 97a is formed between the GaInP semiconductor layer 92 and the GaAs semiconductor layer 95a. . Next, as shown in FIG. 8D, an undoped GaInNAsP semiconductor layer 95b is grown on the GaAs semiconductor layer 95a. Since substitution of phosphorus (P) and arsenic (As) occurs at the interface between the GaAs semiconductor layer 95a and the GaInNAsP semiconductor layer 95b, the transition layer 97b is formed between the GaInP semiconductor layer and the GaInAsP semiconductor layer. The composition and thickness of the transition layers 97a and 97b are not controlled.
[0077]
Subsequently, as shown in FIG. 9A, a p-type III-V group compound semiconductor layer 96 composed of a p-type GaInP semiconductor layer lattice-matched to a GaAs semiconductor is epitaxially grown on the compound semiconductor portion 94. Next, an n-type compound semiconductor layer 98 such as an AlGaInP semiconductor layer for a current blocking layer is epitaxially grown on the p-type compound semiconductor layer 96.
[0078]
As shown in FIG. 9B, the mask layer 100 is formed on the p-type compound semiconductor layer 98. The mask layer 100 includes an opening 100a for defining a current passage region. After the mask layer 100 is formed, the p-type compound semiconductor layer 98 is selectively etched with respect to the p-type compound semiconductor layer 96 using a phosphoric acid-based etchant to form a current blocking layer 98a having an opening 98b. To do. The opening 98b extends along a predetermined axis. In the opening 98b, the p-type compound semiconductor layer 96 is exposed.
[0079]
As shown in FIG. 10A, a III-V group compound semiconductor layer 102 such as a p-type GaInP semiconductor layer is epitaxially grown on the current blocking layer 98 a and the p-type compound semiconductor layer 96. Next, the contact layer 104 is epitaxially grown on the III-V compound semiconductor layer 102.
[0080]
An anode electrode 106 is formed on the contact layer 104. The anode electrode 106 extends in the same direction as the opening 98b of the current blocking layer 98a. On the back surface 90 b of the substrate 90, the cathode electrode 108 is formed. The semiconductor optical device 1g is obtained through these steps.
[0081]
In the semiconductor light emitting device described above, according to the knowledge of the inventors, phosphorus is added to the light emitting region and the vicinity thereof, so that the surface recombination current is reduced.
[0082]
In the semiconductor laser device in which strain (compression or tensile strain) is applied to the quantum well structure, the following laser characteristics are improved. The gain and differential gain of the semiconductor laser element can be increased, the threshold current can be decreased, the light emission efficiency can be increased, high temperature operation is possible, and the oscillation mode can be controlled.
[0083]
Various semiconductor optical devices can be obtained by combining GaInNAsP semiconductors with other III-V group compound semiconductors.
[0084]
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. For example, although a single semiconductor light emitting element has been described in the present embodiment, a semiconductor optical device can also include a plurality of semiconductor light emitting elements. The semiconductor optical device can be an optical integrated device. The optical integrated device can include a semiconductor modulation device and a semiconductor light emitting device. Moreover, although the semiconductor optical device provided with the semiconductor substrate was described in the embodiment, the present invention is not limited to this. Furthermore, in the embodiments, the semiconductor light emitting device and the semiconductor modulation device including the semiconductor substrate have been described. However, the present invention can be applied to a light receiving device such as a waveguide type semiconductor light receiving device, and is not limited thereto. In addition, the present invention is not limited to the above embodiment, and can be applied to other semiconductor materials, for example. Therefore, 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.
[0085]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, there is provided a semiconductor optical device having a structure in which substitution of phosphorus atoms (P) and arsenic atoms (As) hardly occurs at the interface between two semiconductor layers, and a method for manufacturing the same. Is done.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a semiconductor light emitting device.
FIG. 2 (a) is a drawing showing the structure of a compound semiconductor portion. FIG. 2B is a diagram showing a band diagram of the compound semiconductor portion.
3 (a) to 3 (d) are drawings showing a strained quantum well structure. FIG.
FIGS. 4A and 4B are diagrams schematically showing crystal lattices of main semiconductor layers constituting a semiconductor optical device. FIGS.
FIG. 5 is a perspective view showing a semiconductor light emitting element according to another embodiment.
FIG. 6A is a drawing showing a structure of a first semiconductor portion. FIG. 6B shows the structure of the second semiconductor portion.
7 (a) and 7 (b) are drawings showing a method of manufacturing a semiconductor optical device.
FIGS. 8A and 8B are diagrams showing a procedure for growing a compound semiconductor portion of a semiconductor optical device. FIGS. FIG. 8C and FIG. 8D are drawings showing a procedure for growing a compound semiconductor portion of a semiconductor optical device.
FIG. 9A and FIG. 9B are drawings showing a method of manufacturing a semiconductor optical device.
FIGS. 10A and 10B are diagrams showing a method of manufacturing a semiconductor optical device.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1a, 1b ... Semiconductor light emitting element, 3 ... Substrate, 5 ... 1st conductivity type semiconductor layer, 7a ... Compound semiconductor part, 9 ... 2nd conductivity type semiconductor layer, 11 ... Current block layer, 11a ... Opening part, 13 ... 1st Two-conductivity-type semiconductor layer, 15 ... second-conductivity-type semiconductor layer, 17 ... first electrode, 19 ... second electrode, 23a, 23b, 24a-24c ... compound semiconductor layer, 60 ... substrate, 62 ... first Semiconductor part 64 ... 1st conductivity type semiconductor layer 66 ... Compound semiconductor part 68 ... 4th 2nd conductivity type semiconductor layer, 70 ... 5th 2nd conductivity type semiconductor layer, 72 ... Current block layer, 73 ... Current path semiconductor layer, 74 ... fifth second conductivity type semiconductor layer, 76 ... second semiconductor part, 78 ... sixth second conductivity type semiconductor layer, 80 ... first electrode, 82 ... second electrode ,

Claims (5)

一又は複数の種類のIII族元素、砒素元素、及び燐元素を含む第1の化合物半導体層と、
ガリウム元素、インジウム元素、窒素元素、砒素元素、燐元素を含む第2の化合物半導体層と
一又は複数の種類のIII族元素、砒素元素、及び燐元素を含む第3の化合物半導体層と、
GaInP半導体から構成される第4の化合物半導体層と、
GaInP半導体から構成される第5の化合物半導体層と、
前記第1〜第5の化合物半導体層を搭載するGaAs基板と
を備え、
前記第4の化合物半導体層はクラッド層であり、
前記第5の化合物半導体層はクラッド層であり、
前記第2の化合物半導体層は、GaInNAsP半導体から構成されており、
前記第1及び第3の化合物半導体層はGaNPAs半導体及びAlGaInAsP半導体のいずれかから構成されており、
前記第1及び第3の化合物半導体層の各々のバンドギャップは、GaInNAsP半導体及びGaAs半導体のバンドギャップよりも大きく、
前記第1〜第3の化合物半導体層は、前記第2の化合物半導体層が井戸層を構成すると共に前記第1及び第3の化合物半導体層が障壁層を構成する量子井戸構造を構成するように設けられており、
前記第1〜第3の化合物半導体層は、前記第4の化合物半導体層と前記第5の化合物半導体層との間に設けられている、半導体光デバイス。
A first compound semiconductor layer containing one or more types of Group III elements, arsenic elements, and phosphorus elements;
A second compound semiconductor layer containing a gallium element, an indium element, a nitrogen element, an arsenic element, and a phosphorus element ;
A third compound semiconductor layer containing one or more types of group III elements, arsenic elements, and phosphorus elements;
A fourth compound semiconductor layer composed of a GaInP semiconductor;
A fifth compound semiconductor layer composed of a GaInP semiconductor;
A GaAs substrate on which the first to fifth compound semiconductor layers are mounted;
The fourth compound semiconductor layer is a cladding layer;
The fifth compound semiconductor layer is a cladding layer;
The second compound semiconductor layer is composed of a GaInNAsP semiconductor,
The first and third compound semiconductor layers are composed of either a GaNPAs semiconductor or an AlGaInAsP semiconductor,
The band gap of each of the first and third compound semiconductor layers is larger than the band gaps of GaInNAsP semiconductor and GaAs semiconductor,
The first to third compound semiconductor layers form a quantum well structure in which the second compound semiconductor layer forms a well layer and the first and third compound semiconductor layers form a barrier layer. Provided,
The first to third compound semiconductor layers are semiconductor optical devices provided between the fourth compound semiconductor layer and the fifth compound semiconductor layer.
多層反射膜を形成するように設けられた複数の第1導電型半導体層を含む第1の半導体部と、
多層反射膜を形成するように設けられた複数の第2導電型半導体層を含む第2の半導体部と
を更に備え、
前記第1〜第5の化合物半導体層は、前記第1の半導体部と前記第2の半導体部との間に設けられている、請求項1に記載の半導体光デバイス。
A first semiconductor portion including a plurality of first conductivity type semiconductor layers provided to form a multilayer reflective film;
A second semiconductor portion including a plurality of second conductivity type semiconductor layers provided so as to form a multilayer reflective film;
The semiconductor optical device according to claim 1, wherein the first to fifth compound semiconductor layers are provided between the first semiconductor portion and the second semiconductor portion.
前記第1及び第3の化合物半導体層における前記III族元素、砒素元素、及び燐元素の組成は、前記第1及び第3の化合物半導体層の各々が圧縮歪み及び引っ張り歪みの一方の歪みを有するように決定されており、
前記第2の化合物半導体層における前記ガリウム元素、インジウム元素、窒素元素、砒素元素、及び燐元素の組成は、前記第2の化合物半導体層が圧縮歪み及び引っ張り歪みの他方の歪みを有するように決定されている、請求項1または請求項2に記載の半導体光デバイス。
The composition of the group III element, arsenic element, and phosphorus element in the first and third compound semiconductor layers is such that each of the first and third compound semiconductor layers has one of compressive strain and tensile strain. Has been determined as
The composition of the gallium element, indium element, nitrogen element, arsenic element, and phosphorus element in the second compound semiconductor layer is determined so that the second compound semiconductor layer has the other strain of compressive strain and tensile strain. The semiconductor optical device according to claim 1, wherein the semiconductor optical device is provided.
前記第1及び第3の化合物半導体層における前記III族元素、砒素元素、及び燐元素の組成は、前記第1及び第3の化合物半導体層の各々を構成する半導体がGaAs半導体の格子定数に格子整合しないように決定されており、
前記第2の化合物半導体層における前記ガリウム元素、インジウム元素、窒素元素、砒素元素、及び燐元素の組成は、前記第2の化合物半導体層を構成する半導体の格子定数がGaAs半導体に格子整合しないように決定されており、
前記障壁層を構成する半導体と前記井戸層を構成する半導体との平均的な格子定数は、GaAs半導体の格子定数と実質的に一致している、請求項1または請求項2に記載の半導体光デバイス。
The composition of the group III element, the arsenic element, and the phosphorus element in the first and third compound semiconductor layers is such that the semiconductor constituting each of the first and third compound semiconductor layers has a lattice constant of a GaAs semiconductor. Has been determined to be inconsistent,
The composition of the gallium element, indium element, nitrogen element, arsenic element, and phosphorus element in the second compound semiconductor layer is such that the lattice constant of the semiconductor constituting the second compound semiconductor layer does not lattice match with the GaAs semiconductor. Has been determined
3. The semiconductor optical device according to claim 1, wherein an average lattice constant of the semiconductor constituting the barrier layer and the semiconductor constituting the well layer substantially coincides with the lattice constant of the GaAs semiconductor. device.
第1導電型のGaInPクラッド層を第1導電型のGaAs基板上に形成する工程と、
井戸層及び障壁層を含む量子井戸構造を前記GaInPクラッド層上に形成する工程と、
第2導電型のGaInPクラッド層を前記量子井戸構造上に形成する工程と
を備え、
前記井戸層は、GaInNAsP半導体から構成され、
前記障壁層はGaNPAs半導体及びAlGaInAsP半導体のいずれかから構成された、半導体光デバイスを製造する方法。
Forming a first conductivity type GaInP cladding layer on a first conductivity type GaAs substrate;
Forming a quantum well structure including a well layer and a barrier layer on the GaInP cladding layer;
Forming a second conductivity type GaInP cladding layer on the quantum well structure,
The well layer is made of a GaInNAsP semiconductor,
The method for manufacturing a semiconductor optical device, wherein the barrier layer is composed of either a GaNPAs semiconductor or an AlGaInAsP semiconductor.
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