JP4193245B2 - 化合物半導体素子 - Google Patents
化合物半導体素子 Download PDFInfo
- Publication number
- JP4193245B2 JP4193245B2 JP30441198A JP30441198A JP4193245B2 JP 4193245 B2 JP4193245 B2 JP 4193245B2 JP 30441198 A JP30441198 A JP 30441198A JP 30441198 A JP30441198 A JP 30441198A JP 4193245 B2 JP4193245 B2 JP 4193245B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- compound semiconductor
- layer
- gainnas
- supply
- semiconductor device
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
Images
Landscapes
- Semiconductor Lasers (AREA)
- Led Devices (AREA)
- Chemical Vapour Deposition (AREA)
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は化合物半導体素子に関し、さらに詳しくは、Nの含有量を高めたIII-V族化合物半導体素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
光通信用の1.3μm〜1.5μm波長帯のコヒーレント光源として、InP基板上に成長したInGaAsPの4元混晶を活性層とする化合物半導体レーザが用いられている。このInP系化合物半導体レーザは、活性層とクラッド層とのエネルギバンドギャップの伝導帯不連続部分ΔEcが基本的に小さい。このためレーザの特性温度T0 が小さく、また閾値電流が高く、安定な光出力を得るためにはペルチェ素子等の電子冷却素子により温度制御することが必要であった。
【0003】
そこで活性層とクラッド層とのエネルギバンドギャップの伝導帯不連続部分ΔEcが大きい化合物半導体素子として、GaAsやGaInAsにV族元素のNを混合した混晶系が有望と考えられている。すなわち、GaNAsやGaInNAsとすることにより、ΔEcを大きくでき、電子冷却等は必要とせず、室温で動作させることが可能となる。
【0004】
図5に各化合物半導体の格子定数(組成)とバンドギャップエネルギの関係を示す。GaAsとGaNとの混晶であるGaNx As1-x は、その組成xとバンドギャップエネルギとの関係が、大きくボウイングすることが判る。そこでこのGaNAs混晶とさらにInAsとの4元混晶とすることにより、GaAs基板と格子整合させながら、GaAsの波長から数100nm以上迄の長波長の発光および受光化合物半導体素子を可能にすると言われている。N組成を4%に設定したGaInNAs化合物半導体を活性層とし、1.5μmで発光する半導体レーザは、例えば特開平6−37355号公報に開示されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、GaInNAs層を活性層とする発光素子は、1〜1.5μmまでの波長の発光は確認されているものの、1.5μmを超える長波長の発光は未だ実現していない。この理由は、N原子が結晶格子中に採り込まれ難く、所望の組成のGaInNAs化合物半導体層が成膜されないことによる。
【0006】
本発明はかかる現状に鑑み提案するものであり、N原子がGaInNAs化合物半導体層に多く採り込まれた化合物半導体素子を提供することを課題とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を達成するため、本発明の化合物半導体素子は、
GaAs基板上に、PがドーピングされたGaInNAs化合物半導体層を有することを特徴とする。
【0008】
このPのドーピング濃度は、1×1017cm-3以上1×1021cm-3以下であることが望ましい。
【0009】
本発明の別の化合物半導体素子は、
GaAs基板上に、GaInNAs化合物半導体層と、該GaInNAs化合物半導体層に接し、AlGaAsP化合物半導体層により形成され、燐(P)を供給するP供給層を有することを特徴とする。
【0010】
このP供給層は、P供給機能とともに、光ガイド層としても機能するものである。またこのP供給層は、AlGaAsPであることが望ましい。さらにこのP供給層の厚さは、臨界膜厚以下であることが望ましい。
【0013】
〔作用〕
GaInNAs化合物半導体層中にN原子が採り込まれ難い理由は、NとAsとの原子半径が大きく乖離していることによる。すなわちNの原子半径は0.070nmであり、Asの原子半径0.118nmと比較すると極めて小さい。このため特にAsリッチな組成領域では、歪効果によって、なかなかNが結晶格子中に採り込まれない現象が起きる。
【0014】
本発明のポイントは、NとAsの中間の原子半径を持つPあるいはCをGaInNAs化合物半導体層中にドーピングし、N原子導入による内部歪を低減し、N原子が採り込まれ易くする点にある。
【0015】
その一つであるP原子は、原子半径が0.11nmのV族原子である。したがって、GaInNAsPの5元混晶とすれば、Nの採り込みを多くし、GaAs基板に格子整合した半導体素子を得ることができる。しかしながら、GaInNAsP5元混晶の場合には、蒸気圧の異なる3種のV族化合物原料を制御性よく導入することは困難である。
【0016】
そこで、GaInNAsP5元混晶より成膜が容易なGaInNAs4元混晶に、ドーピングレベルのPを導入することが考えられる。実際、1×1017cm-3以上1×1021cm-3程度以下のP濃度であれば、5元混晶の場合のように導入に困難はなく、またこの程度の低P濃度であっても、N原子の採り込み効果は充分に得られることが判った。
1×1017cm-3オーダの濃度は、半導体レーザにおけるキャリア濃度の一般的な値である。また1×1021cm-3の濃度は、GaInNAs4元混晶の単位格子あたり1個のP原子が導入するオーダの濃度である。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の化合物半導体素子につき、実施形態例により図面を参照しつつ詳細に説明する。なお以下に示す半導体素子の各成長層はMOCVD法により形成したが、MOMBE (Metal Organic Molecular Beam Epitaxy) 法を用いて成長することも可能である。MOCVD装置としては、従来採用されている一般的な横型あるいは縦型のリアクタを有する装置を用いることができる。また原料ガスとしては、Al源はトリメチルアルミニウム(TMA)等のアルキルアルミニウムを、Ga源はトリメチルガリウム(TMG)等のアルキルガリウムを、In源はトリメチルインジウム等のアルキルインジウムを、N源はジメチルヒドラジン等を用いる。これらはMOCVDの原料ガスとして一般的な化合物である。
【0020】
これに加え、本発明においてはP供給源として、ホスフィンやターシャリブチルホスフィンを用いる。このP供給源は、GaInNAs化合物半導体層へのPドーピング用、およびP供給層としてのGaAsPあるいはAlGaAsP用の原料ガス用ともに用いることができる。
【0021】
またC供給源としては、V/III 比を下げることにより、各III 族有機金属化合物の熱分解によって発生したメタン等の炭化水素が採用される。また原料ガス中にメタン等の低次炭化水素ガスを添加してもよい。
【0022】
〔実施形態例1〕
本実施形態例は、GaAs基板上にPがドーピングされたGaInNAs化合物半導体層を有する化合物半導体発光素子を示すもので、図1を参照して説明する。
【0023】
図1に示す化合物半導体発光素子は、n−GaAs基板1上にn−AlGaAsクラッド層2、PドープGaInNAs活性層4、p−AlGaAsクラッド層8、そしてp−GaAsキャップ層9が順次形成されている。
PドープGaInNAs活性層4中のP濃度は、1×1017cm-3から1×1021cm-3程度の範囲でドーピングされている。このPは、PドープGaInNAs活性層4をMOCVD法等で形成する際に、ホスフィンやターシャリブチルホスフィンをドーパントとして原料ガス中に添加することにより導入される。
この程度の低ドーピング量であっても、N原子の採り込みを促進する効果は充分である。
【0024】
なおn−AlGaAsクラッド層2、およびp−AlGaAsクラッド層8のAlx Ga1-x As3元混晶中のAl組成は、例えばx=0.45の混晶比が採用される。
【0025】
ダブルヘテロ(DH)構造を形成した後、p−GaAsキャップ層9、およびp−AlGaAsクラッド層8の層厚方向の一部に例えばB等の不純物を選択的にイオン注入して高抵抗化層(不図示)を形成し、電流狭窄をおこなう。この後、表面および裏面に電極(同じく不図示)を形成し、半導体発光素子を完成する。
電極は、Pd/Pt/AuやAu/Zn等の金属を蒸着法等により形成することにより、オーミック電極とすることができる。
【0026】
〔実施形態例2〕
本実施形態例は、GaAs基板上にGaInNAs化合物半導体層と、このGaInNAs化合物半導体層に接するP供給層を有する化合物半導体発光素子を示すもので、図2を参照して説明する。
【0027】
図2に示す化合物半導体発光素子は、n−GaAs基板1上にn−AlGaAsクラッド層2、P供給層5、GaInNAs活性層6、p−AlGaAsクラッド層8、そしてp−GaAsキャップ層9が順次形成されている。
【0028】
P供給層5は、GaAsPあるいはAlGaAsP等、Pを含む混晶により形成される。これらGaAsPあるいはAlGaAsPは、GaInNAsとは格子整合しないため、P供給層5の膜厚はそれぞれの組成に応じた臨界膜厚以下の膜厚が選ばれる。
【0029】
GaInNAs活性層6は、ノンドープのGaInNAs4元混晶から形成される。P供給層5上にGaInNAs活性層6を成膜する際は、その界面を介して、P供給層5からのPが成長中のGaInNAs活性層6に拡散する。この結果、成長中、GaInNAs活性層6の表面は常にP原子が高濃度に存在し、N原子の採り込みを促進する。
またP供給層をGaInNAs活性層6の上面にも形成すれば、対称性が高まり、また光ガイド層の機能を持たせることができる。
【0030】
この後のイオン注入工程、電極形成工程等は前実施形態例1と同様にして、化合物半導体発光素子を完成する。
【0031】
〔実施形態例3〕
本実施形態例は、活性層構造に多重量子井戸構造を用いた化合物半導体発光素子を示すもので、図3を参照して説明する。
【0032】
図3に示す化合物半導体発光素子は、n−GaAs基板1上にn−AlGaAsクラッド層2、AlGaAsガイド層3、P供給層5、ノンドープのGaInNAs量子井戸層6QW、バリア層を兼ねるP供給層5、ノンドープのGaInNAs量子井戸層6QW、AlGaAsガイド層3、p−AlGaAsクラッド層8、そしてp−GaAsキャップ層9が順次形成されている。
【0033】
P供給層5は、同じくGaAsPあるいはAlGaAsP等、Pを含む混晶により形成される。
【0034】
またAlGaAsガイド層3は、これらGaAsPあるいはAlGaAsP等、Pを含む混晶により形成してもよい。
【0035】
かかる多重量子井戸構造のノンドープのGaInNAs量子井戸層6QWの成膜工程においても、P供給層5(かつバリア層)からPが拡散し、前実施形態例2と同様にN原子を多く採り込んだGaInNAs量子井戸層6QWを成膜することができる。
【0036】
なお本実施形態例では、2QW (Double Quantum Well)構造を採用したが、3QW構造や4QW構造にも同様に適用できることは言うまでもない。
【0037】
〔実施形態例4〕
GaInNAs化合物半導体層へのN採り込みを促進する作用は、P原子の他にもC原子をドーパントレベルで導入した場合にも認められる。本実施形態例はGaAs基板上にCがドーピングされたGaInNAs化合物半導体層を有する化合物半導体発光素子を示すもので、図4を参照して説明する。
【0038】
図4に示す化合物半導体発光素子は、n−GaAs基板1上にn−AlGaAsクラッド層2、CドープGaInNAs活性層7、p−AlGaAsクラッド層8、そしてp−GaAsキャップ層9が順次形成されている。
CドープGaInNAs活性層7中のCは、CドープGaInNAs活性層7をMOCVD法等で形成する際に、先述したV/III 比を、通常のMOCVD条件でのV/III 比より下げることにより、Cが選択的に結晶中のV族サイトに採り込まれたものである。このCドーパントの効果により、N原子の採り込みが促進される。
【0039】
この場合のCの原料は各III 族元素の熱分解により発生するメタン等の炭化水素であるが、この際にV族元素の原料ガスとしてターシャリブチルアルシンやトリメチル砒素等の有機V族化合物を採用することにより、Cドープは一層促進される。
【0040】
この後のイオン注入による電流狭窄や電極の形成工程は前実施形態例1と同様である。
【0041】
以上、本発明の半導体素子の構造およびその一例として半導体レーザを採り上げ詳述したが、これらは単なる例示であり、本発明はこれらの例示に何ら限定されるものではない。半導体受光素子の活性層すなわち受光層にも、全く同様にPドーピングやCドーピング等の手法を用いて、Nの採り込みに優れたGaInNAs化合物半導体層を適用することができる。
例示した化合物半導体素子の層構成や原料ガス、あるいは成膜方法等は適宜変更が可能である。
【0042】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の化合物半導体素子によれば、本来採り込み難いN原子が、GaInNAs化合物半導体層に多く採り込まれた化合物半導体素子を提供することが可能となる。
【0043】
したがって、本発明の半導体素子を例えば半導体レーザに適用すれば、ΔEcが大きく、特段の温度制御を必要としない長波長半導体レーザを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の化合物半導体素子の層構成を示す概略断面図である。
【図2】本発明の他の化合物半導体素子の層構成を示す概略断面図である。
【図3】本発明のさらに他の化合物半導体素子の層構成を示す概略断面図である。
【図4】本発明の別の化合物半導体素子の層構成を示す概略断面図である。
【図5】各化合物半導体の格子定数(組成)とバンドギャップエネルギの関係を示すグラフである。
【図6】各元素の原子半径を示す図である。
【符号の説明】
1…n−GaAs基板、2…n−AlGaAsクラッド層、3…AlGaAsガイド層、4…PドープGaInNAs活性層、5…P供給層、6…GaInNAs活性層、6QW…GaInNAs量子井戸層、7…CドープGaInNAs活性層、8…p−AlGaAsクラッド層、9…p−GaAsキャップ層
Claims (5)
- GaAs基板上に、GaInNAs化合物半導体層と、該GaInNAs化合物半導体層に接し、AlGaAsP化合物半導体層により形成され、燐(P)を供給するP供給層を有することを特徴とする化合物半導体素子。
- 前記P供給層の上に前記GaInNAs化合物半導体層が接して形成され、前記P供給層から前記GaInNAs化合物半導体層に燐(P)が拡散し、前記GaInNAs化合物半導体層への窒素原子(N)の採りこみを促進することを特徴とする請求項1記載の化合物半導体素子。
- 前記P供給層は、燐(P)を供給する機能とともに、光ガイド層としても機能することを特徴とする請求項1又は2記載の化合物半導体素子。
- 前記P供給層の厚さは、臨界膜厚以下であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項記載の化合物半導体素子。
- 前記GaInNAs化合物半導体層が、GaInNAs化合物半導体量子井戸層を含むことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項記載の化合物半導体素子。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP30441198A JP4193245B2 (ja) | 1998-10-26 | 1998-10-26 | 化合物半導体素子 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP30441198A JP4193245B2 (ja) | 1998-10-26 | 1998-10-26 | 化合物半導体素子 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2000133882A JP2000133882A (ja) | 2000-05-12 |
JP4193245B2 true JP4193245B2 (ja) | 2008-12-10 |
Family
ID=17932688
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP30441198A Expired - Lifetime JP4193245B2 (ja) | 1998-10-26 | 1998-10-26 | 化合物半導体素子 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP4193245B2 (ja) |
-
1998
- 1998-10-26 JP JP30441198A patent/JP4193245B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2000133882A (ja) | 2000-05-12 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP3683669B2 (ja) | 半導体発光素子 | |
US8981340B2 (en) | Nitride semiconductor device and production method thereof | |
US6586774B2 (en) | Method for fabricating nitride semiconductor, method for fabricating nitride semiconductor device, and nitride semiconductor device | |
EP0403293B1 (en) | Method of manufacturing III-V group compound semiconductor device | |
JP2653863B2 (ja) | Tiドープ▲III▼―▲V▼族エピタキシャル層を用いた半導体デバイス | |
US5381756A (en) | Magnesium doping in III-V compound semiconductor | |
JP3553147B2 (ja) | 半導体層の製造方法 | |
US7759148B2 (en) | Method for manufacturing semiconductor optical device | |
JP4193245B2 (ja) | 化合物半導体素子 | |
JPH0613334A (ja) | 半導体装置およびその製造方法 | |
JP2000277867A (ja) | 半導体レーザ装置 | |
JP3665911B2 (ja) | 半導体光素子の製造方法,及び半導体光素子 | |
JP3654331B2 (ja) | 半導体製造方法および半導体発光素子 | |
JP2001203423A (ja) | 半導体発光装置 | |
JP3053836B2 (ja) | ▲iii▼―v族化合物半導体素子の製造方法 | |
JP4199835B2 (ja) | 半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法 | |
US6821806B1 (en) | Method for forming compound semiconductor layer and compound semiconductor apparatus | |
US20070241322A1 (en) | Long Wavelength Induim Arsenide Phosphide (InAsP) Quantum Well Active Region And Method For Producing Same | |
JP2001339120A (ja) | 化合物半導体素子およびその製造方法 | |
JP2000269607A (ja) | 半導体レーザ及びその製造方法 | |
JP2000133840A (ja) | Iii −v族混晶半導体、半導体発光素子、iii −v族混晶半導体の製造方法及び半導体発光素子の製造方法 | |
JP2000114665A (ja) | 半導体発光素子 | |
JP2001044489A (ja) | 半導体結晶の成長方法および半導体素子 | |
JP2003204120A (ja) | 半導体レーザ装置 | |
JPH10270797A (ja) | 半導体発光素子とその製造方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20050617 |
|
RD03 | Notification of appointment of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7423 Effective date: 20050617 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20080425 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20080430 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20080630 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20080902 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20080915 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111003 Year of fee payment: 3 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121003 Year of fee payment: 4 |