JP4580623B2 - Compound semiconductor device and semiconductor module using the same - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化合物半導体素子、わけても、Alを含む化合物半導体層とAsとPを含む化合物半導体層の積層を有する化合物半導体素子とそれを用いた半導体モジュールに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年のインターネット人口の爆発的増大等により、情報処理の大容量化に対する要求が高まっている。LANなどの比較的伝送距離の短い通信ネットワークにおいては、5-10年後に、従来、幹線系通信網の伝送速度であったGb/sレベルの伝送速度が必要になると予測されている。ここで用いられる光通信モジュールにおいては、先に述べた高速変調が可能であるという性能面での要求に加えて、莫大な数の一般ユーザが使用することを念頭におき、低コストで提供することも必須の用件となる。よって、高温での特性劣化の小さい半導体レーザが、その光源として適すると考えられる。
【0003】
従来の半導体レーザ、変調器等の光通信用デバイスには、主にInP基板上に形成されるGaInAsPが用いられてきた。本材料は4種類の主構成元素から成る4元系材料であり、バンドギャップ、及び格子定数の設計自由度が高い。よって、光通信に適合した1.3μm、及び1.55μm帯の波長組成において、量子井戸活性層に所望の格子歪を導入することが容易であり、それにより素子の高性能化が達成されてきた。一方で、材料物性上、量子井戸活性層における井戸層と障壁層間の伝導帯のエネルギー差(ΔEc)が小さいため、電子の閉じ込めが小さく高温での特性劣化が顕著である。また、同様の理由で活性層の利得が小さく、緩和振動周波数が小さい。以上から、GaInAsPを用いた半導体レーザでは、今後の高速化や低コスト化に対する要求を満たすことは困難であると予測されている。
【0004】
それに対して、近年、通信用半導体レーザの特性を抜本的に改善可能な材料として、InP基板上に形成されるAlGaInAsが開発されている。本材料で形成した量子井戸活性層はGaInAsPと比較してΔEcが大きく、高温での特性劣化が小さい。また、活性層の利得が大きいので、緩和振動周波数も大きくできる。よって、本材料を用いた半導体レーザの開発が各所で進められている。GaInAsP、AlGaInAs共にInP基板上に形成される材料であるため、AlGaInAsに、従来材料であるGaInAsPを混在させたフレキシブルな結晶層構成を導入することにより、素子設計自由度が拡大し、AlGaInAs系光デバイスの特性をさらに向上できると考えられる。
【0005】
技術の一例として、特開平5−41562号の図4に記載のAlGaInAs半導体レーザ構造がある(特許文献1)。本構造は、AlGaInAs活性層上に、GaInAsPからなる回折格子構造を積層した構造である。適切な組成条件を選ぶことにより、AlGaInAsとGaInAsP間の価電子帯のエネルギー差(ΔEv)はほぼ0にできるため、回折格子構造付近での正孔に対する抵抗成分が低減し、それにより、低電圧での動作が期待される。
【0006】
また、技術の別の例としてGaAs基板上に形成されるGaInNAsを活性層に用いた半導体レーザがある。GaInNAsも近年開発された半導体材料であるが、AlGaInAsと比較して、活性層にさらに大きなΔEcを実現でき、更なる半導体レーザの高速化において非常に有望な材料であると期待されている。一方で、本材料は、N組成の増大に伴い発光特性が低下してしまう課題があるため、発振波長を1.3μm帯に適合させるためにIn組成を大きくしている。その結果、2%近い高い圧縮歪を有するGaInNAs層が、本レーザの量子井戸層に用いられている。この大きな格子歪が素子の性能や長期信頼性への影響を及ぼす可能性があるため、光ガイド層として引張歪を有するPを含む材料を導入し、素子全体の格子歪を補償しようとする試みが成されている。例えば、2002年国際半導体レーザ会議プロシーディングス33頁に記載の例では、GaAs障壁層とAlGaAsクラッド層の間にGaAsPからなる引張歪層を導入し、低しきい値でのレーザ発振を実現している(非特許文献1)。即ち、AlGaAsとGaAsPの積層構造が用いられ、それにより素子性能の改善がなされている。
【0007】
以上にように、Alを含む化合物半導体層とAsとPを含む化合物半導体層を組み合わせた積層構造により、従来素子の性能を改善できることが期待され、その実例を2例挙げた。このような積層構造が、ここで記述していない他の多くの素子にも適用され、特性改善に寄与し得ることは言うまでも無い。また、素子としては半導体レーザのみを挙げたが、本積層構造を適用して形成する限り、これに限定されるものではない。
【0008】
【特許文献1】
特開平5−41562号(図4)
【非特許文献1】
2002年国際半導体レーザ会議プロシーディングス(33頁)
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
本願発明は、少なくともAlを含む化合物半導体層と少なくともAsとPを含む化合物半導体層の高品質な積層構造を得ることにある。更に、本願発明の目的は、得られた高品質な積層構造によって、従来素子を超える高性能な化合物半導体素子を提供せんとするものである。その素子応用例の一つとして、高速動作が可能な半導体レーザを提供せんとするものである。
【0010】
本願発明の更に別の目的は、より低電圧で動作が可能な半導体素子搭載の半導体モジュールを提供せんとするものである。
【0011】
こうした課題に対応するために為に、技術的には、少なくともAlを含む化合物半導体層と少なくともAsとPを含む化合物半導体層の積層構造における以下の課題を解決することを要する。Alを含む化合物半導体層は活性度が高いので、酸素などの不純物の混入を避け、高品質な膜を得るために成長温度を高くする必要が有る(〜700℃)。一方、AsとPを含む化合物半導体層は、特にPがAsに比べて膜表面から脱離しやすいことから、比較的低温成長の方が組成制御や表面モフォロジーの点で高品質な膜が得やすい(〜600℃)。このような材料物性上の違いから、Alを含む化合物半導体層とAsとPを含む化合物半導体層との高品質な多層構造を作製することは容易ではなかった。従来は、各層を最適温度で成長する為に、成長中断を行っていた。成長中断は、積層構造の結晶品質や表面状態を劣化させる可能性がある。以下にその理由を述べる。Alを含む化合物半導体層上にAsとPを含む化合物半導体層を積層する場合では、両層の間で成長中断を行い700℃から600℃に降温していた。その際、活性なAlを含む化合物半導体層の表面や膜中に不純物等が付着、混入し、表面状態や結晶品質の劣化をもたらしていた。逆に、AsとPを含む化合物半導体層上にAlを含む化合物半導体層を積層する場合では、両層の間で成長中断を行い600℃から700℃に昇温していた。その際、AsとPを含む化合物半導体層の表面からP原子が脱離して、表面状態が劣化したり、組成変化による結晶品質の劣化をもたらしていた。よって、従来の成長中断を用いる方法を用いては高品質な積層構造を得ることは容易ではなかった。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本願発明の基本構成は次の通りである。即ち、半導体基板とこの半導体基板上部に形成された半導体多層構造体とを備えた半導体素子であって、前記半導体多層構造体は、第1、第2、及びその中間に位置する第3の半導体層から成る半導体層積層を一組以上有し、且つ前記半導体多層構造体内に当該半導体素子の活性領域を構成する半導体層積層領域を含む。即ち、前記半導体多層構造体の所定の積層が、当該半導体素子の活性領域を担うようになされている。そして、前記第1の半導体層は、必須の構成元素として少なくともAlを含有する化合物半導体層である。前記第2の半導体層は、必須の構成元素として少なくともAsとPとを含有する化合物半導体層である。前記第3の半導体層は、その一部或いは全部に少なくともAlとPとを含有し、且つ、混晶組成が傾斜的或いは段階的に変化している化合物半導体層である。この第3の半導体層の混晶組成は、通例、この層を挟んで存在する第1の半導体層と第2の半導体層の間のエネルギーバンド変化、及び格子定数を考慮して傾斜的或いは段階的に変化させる。
【0013】
前記半導体基板としては、化合物半導体素子に用いられている基板を用いて十分である。その代表的な例は、InP基板或はGaAs基板である。
【0014】
前記第1の半導体層の代表的な例は、III−V族化合物半導体材料、わけても、AlGaInAs、AlInAs、AlGaAs、及びAlAsの群から選ばれた一者である。
【0015】
第2の半導体層の代表的な例は、III−V族化合物半導体材料、わけても、GaInAsP、GaAsP、及びInAsPの群から選ばれた一者である。
【0016】
第3の半導体層の代表的な例は、III−V族化合物半導体材料、わけても、(AlGa1−x)In1−yAs1−z(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、但し、x+y+z≠0)で表わされた化合物半導体材料層である。
【0017】
本発明に適用する半導体多層積層体を電子デバイス或いは光デバイスとして用いる為の要求によって、具体的な組成が選択される。半導体多層積層を、格子整合条件を確保しつつ、デバイス特性をも確保することを考慮して設定される。
【0018】
更に、前記第1、第2、及び第3の半導体層の各層相互の格子定数の不整合度が0.5%未満であることが、各層の結晶性確保の実際的な観点から有用である。
【0019】
図1に示すAlGaInAs分布帰還型レーザにおいては、本発明は107〜109において適用されるが、その際、前記第1、第2、及び第3の半導体層の各層相互における価電子帯頂上のエネルギー差が、10meV以下であることがデバイス特性をも確保の観点から有用である。
【0020】
又、別の例では、図5に示すようにGaInNAs半導体レーザ素子の403〜405及び407〜409適用されるが、ここでは、前記第1、及び第2の半導体層が、各々タイプIのバンド構造を有している。その際、第3の半導体層の伝導帯及び価電子帯のエネルギーが、第1、及び第2の半導体層のうちバンドギャップの大きい層から小さい層に向かって低下していることが望ましい。こうして、第1、及び第2の半導体層の間の伝導体及び価電子帯のエネルギー差を滑らかに繋ぐようなエネルギーバンド構造が達成される。こうして、本発明になる化合物半導体素子の特性を改善することが出来る。例えば、半導体レーザにおいては、しきい値電流や素子抵抗、素子寿命といった素子特性を改善することが出来る。
【0021】
こうして、前記諸化合物半導体素子を低電圧で動作でき、通例の電源規格である3.3V電源で駆動可能となすことが出来た。それにより低消費電力の実用的な半導体モジュールを提供することが出来る。
【0022】
【発明の実施の形態】
具体的な実施の形態を説明するに先だって、本願発明の基本思想の詳細を追加説明する。
【0023】
少なくともAlを含む化合物半導体層と、少なくともAsとPを含む化合物半導体層の高品質な積層構造を得るためには、両層の成長温度の違いに起因した成長中断を不要にする必要がある。そのためには、両層の間に、成長温度を変化させるための中間的な層を導入することが有効である。
【0024】
中間層内では、Al組成、及びP組成を傾斜的、或いは段階的に変化させる。例えば、以下の実施の形態の欄に具体例を説明するように適切な組成変化を行うことにより、Alを含む層が低温にて成長されることによる結晶品質の劣化や、AsとPを含む層が高温にて成長されることによる結晶品質の劣化や組成制御等における悪影響を大きく抑制することができる。
【0025】
更に、素子特性の劣化を避けるために、結晶成長面やエネルギーバンド構造面での設計自由度があることも中間層としての必要な要件である。
【0026】
本目的を達成する中間層として、その一部、或いは全部に少なくともAlとPが用いられており、且つ、混晶組成が傾斜的、或いは段階的に変化している化合物半導体層を用いれば良い事を見出した。中間層材料として、例えば5元系材料であるAlGaInAsP層を用いれば、その組成を傾斜的、或いは段階的に変化させても、格子整合条件を保ちながら、素子特性を劣化させないエネルギーバンド構造を実現することが可能となる。尚、ここで、「中間層の一部」とは結晶成長の方向に一部の厚さ領域と言う意味である。
【0027】
以下、本発明の具体的な実施の形態について説明する。
【0028】
<実施の形態1>
発明の実施の形態1として、本発明による低抵抗AlGaInAs分布帰還型レーザについて具体的に説明する。その分布帰還型レーザ素子のレーザ光の進行方向に平行な面での断面図を図1に示した。本例は、本発明の第1、第3、及び第2の半導体層の半導体積層1を1組有する例である。図2は製造工程に従った断面図で、レーザ光の進行方向に垂直な面での断面図である。
【0029】
ここでは成長方法を有機金属気相堆積(MOCVD)法とした。MOCVD法では、III族元素の供給源として、トリエチルガリウム(TEG)、トリメチルインジウム(TMI)、トリメチルアルミニウム(TMAl)を用い、V族元素の供給源として、アルシン(AsH)とフォスフィン(PH)を用いた。又、n型不純物の導入ガスとしてジシラン(Si)、p型不純物の導入ガスとしてジメチルジンク(DMZn)を用いた。但し、同様の構造が形成できれば、本発明の効果を得ることが可能であるので、成長法や原料に関しては、ここに記述したもののみに限定されるものではない。例えば、PHはその分解効率が成長温度の影響を受けやすい為、成長温度の影響を受けにくい有機V族原料(例えば、ターシャルブチルフォスフィン等)の使用は、本発明の組成傾斜層を作成する際により有効である。
【0030】
半導体基板はn型InP(100)基板101(n型ドーピング濃度=1×1018cm- )を用いた。PH雰囲気において、基板を昇温した後、基板温度600℃において第一番目の結晶成長工程として厚さ500nmのn型InPクラッド層102(n型不純物濃度=1×1018cm- )の成長を開始した。その後、厚さ50nmのn型AlInAsクラッド層103(n型不純物濃度=1×1018cm- )を成長した。更に、厚さ50nmのn型AlGaInAs光ガイド層104(n型ドーピング濃度=1×1018cm- )、厚さ10nmのノンドープAlGaInAs障壁層と厚さ6nmのノンドープAlGaInAs井戸層からなる多重量子井戸層105(周期数:10)、厚さ50nmのp型AlGaInAs光ガイド層106(p型ドーピング濃度=1×1017cm- )からなる活性層、厚さ50nmのp型AlInAsクラッド層107(p型不純物濃度=1×1018cm- )を順次成長した。基板温度は、最初のn型InPクラッド層102内で700℃に達し、その後、Alを含む層内では700℃に保った。続いて、本発明にかかわる最も重要な層である、厚さ20nmのp型AlGaInAsP組成傾斜層108(p型不純物濃度=1×1018cm- )を形成し、その間に成長温度を700℃から600℃に降温させた。よって、成長中断は不要であった。尚、組成変化の詳細については後述する。続いてp型GaInAsP回折格子層109(p型不純物濃度=1×1018cm- )、p型InPキャップ層(p型不純物濃度=1×1018cm- )115を形成し、第一番目の結晶成長工程を終了した(図2(a))。
【0031】
本例においては、前記p型AlInAsクラッド層107、p型AlGaInAsP組成傾斜層108、及びp型GaInAsP回折格子層109が、各々、前記一般的説明における第1の半導体層、第3の半導体層、及び第2の半導体層に相当し、本発明の半導体積層1を構成する。本例においては、第2の半導体層が回折格子を形成する層となっているが、必ずしも、回折格子を形成する層を形成する層でなくとも良いことは言うまでもない。
【0032】
ここで、p型AlGaInAsP組成傾斜層108における組成変化の詳細について記述する。成長温度変化による結晶性低下の影響を抑制するため、p型AlInAsクラッド層107側からp型GaInAsP回折格子層109側に向かって、Al組成が徐々に低下し、P組成が徐々に増大することが望ましい。即ち、第1の半導体層が含有するAlを、これを含有しない第2の半導体層に向かって漸次、或は段階的に減少させる。更に、第1の半導体層が含有しないPを、これを含有する第2の半導体層に向かって漸次、或は段階的に増大させる。
【0033】
又、従来の技術で述べたように、本レーザ構造において低電圧動作が期待される理由は、p型AlInAsクラッド層107とp型GaInAsP回折格子層109間のΔEvがほぼ0であることに起因している。そのため、導入するp型AlGaInAsP組成傾斜層108においても、エネルギーバンド構造の点から両側の層とのΔEvがほぼ0であるという条件を保つ必要がある。更に、前述したように、両側の層との格子定数差が大きくなると、多数の格子不整合転位が発生し結晶性を劣化させるので、格子不整合度が小さいことも必要な要件となる。
【0034】
わけても、5元系材料であるAlGaInAsP層おいては、以上のような2つの条件を同時に満たすことが可能である。p型AlInAsクラッド層107、及びp型AlGaInAsP組成傾斜層108の組成変化を図3に示した。ここで、p型AlGaInAsP組成傾斜層108は、p型GaInAsP回折格子層109とのΔEvが±10meV以下で、且つ、格子不整合度が±0.1%以下の条件を満たす例である。結果的に、組成傾斜層108の両側の層の各元素組成をほぼ直線でつないだような組成変化となり、制御も容易である。
【0035】
p型AlInAsクラッド層107側からp型GaInAsP回折格子層109側に向かってAl組成を徐々に低下させているので、この間で成長温度が低下することによるAlを含む結晶の品質劣化を大きく抑制できる。又、逆にP組成を徐々に増大させているため、高温側で顕著なP原子の脱離や組成ずれの影響を大きく抑制できる。よって、結晶成長の点からもエネルギーバンド構造の点からも素子特性を劣化させることの無い、高品質なAlを含む化合物半導体層とAsとPを含む化合物半導体層の半導体多層構造体を実現できた。
【0036】
続いて、結晶層保護の為に設けたp型InPキャップ層115を除去した。
こうして準備した多層成長ウエハに対し、回折格子作製のためのプロセス工程を施した。干渉露光法により回折格子パターンを形成し、それをマスクにエッチングを行い回折格子を形成した。
【0037】
その後、第二番目の結晶成長工程を開始した。PH雰囲気において、基板を昇温した後、厚さ1500nmのp型InPクラッド層110(p型不純物濃度=1×1018cm- )、厚さ100nmのp型GaInAsクラッド層111(p型不純物濃度=1×1019cm- )の順に成長した。最後に、コンタクト層保護のための厚さ100nmのp型InPキャップ層(p型ドーピング濃度=1×1018cm- )116を形成して、第二番目の結晶成長工程を終了した(図2(b))。
【0038】
前述の半導体ウエハ(基板)には複数の半導体素子部が形成されている。こうした半導体ウエハに対して、結晶層保護の為に設けたp型InPキャップ層116を除去し、次いで、通例のストライプ構造作製工程(図2(c))、及びこのストライプ構造を埋め込む工程及び電極作製工程(図2(d))を経て、素子として完成した。尚、図2において、符号120は埋め込み層、112は絶縁膜、113は上部電極、114は下部(基板側)電極である。前記埋め込み層120にpn接合等を設けリーク電流阻止の構造を取ること、或いは端面保護のパッシベーション膜などを用いることなど通例の分布帰還型半導体レーザ装置の各種技術を用い得ることは言うまでもない。
【0039】
作製された素子は、閾値電流18mAで発振し、85℃の高温まで良好なレーザ発振特性を示した。また、素子の抵抗は8オームであり、従来素子に比べて大幅な低抵抗化を達成できた。それにより、直接変調による10Gb/sの高速変調時において、低電圧動作が可能であった。また、素子の発熱が小さく長寿命であった。
【0040】
こうして準備した化合物半導体素子を用いて光送信モジュールを作製した。図4にその回路構成例を示す。ここで、301は本発明によるレーザダイオード、302はドライバIC、303はバイアス回路である。本レーザダイオードは素子抵抗が低く、動作電圧を低減できたため、電源電圧(Vcc)が3.3Vで駆動が可能であった。従来の5V電源で動作する光送信モジュールと比較して、低消費電力化が可能であった。又、本モジュールも、素子同様、長寿命を確保することが出来た。
【0041】
<実施の形態2>
本例は、本発明の第1、第2、及び第3の半導体層の半導体積層が2組(符号2、3)有する例である。
【0042】
本発明によるGaInNAs半導体レーザ素子について具体的に説明する。その素子構造を図5に示した。ここでは、従来の技術に記述したGaAsP層ではなく、GaInAsP層を導入した例を示している。引張歪を有する層を導入して素子全体の歪を補償しようとする目的である。活性層にGaInNAsを用いる場合には、Nの導入において、非平衡状態での成長法が有利である。従って、MOCVD法に加え、分子線エピタキシー(MBE)法等が成長方法として適している。ここでは成長方法を固体ソースMBE(SS−MBE)法とした。尚、レーザ装置の為のストライプ構造の作成などの工程は、実施の形態1と同様であるので、その詳細説明は省略する。
【0043】
SS−MBE法では、III族元素の供給源として、ガリウム(Ga)、インジウム(In)を用い、V族元素の供給源として、砒素(As)に関しては金属Asを用いた。又、n型不純物としてシリコン(Si)、高濃度にp型ドーピングできる不純物原料として四臭化炭素(CBr)用いた。尚、同様のドーピング濃度が達成できれば、p型不純物としてベリリウム(Be)や亜鉛(Zn)を用いても良い。窒素(N)についてはNガスをRFプラズマ励起したNラジカルを使用した。尚、窒素プラズマの励起は、その他にECR(Electron Cycrotron Resonance:電子サイクロトロン共鳴)プラズマを用いても行うことが出来る。勿論、素子構造として、同様の構造が形成できれば、本発明の効果を得ることが可能であるので、成長法や原料に関しては、ここに説明したもののみに限定されるものではない。
【0044】
半導体基板は(100)面を主面とするn型GaAs基板401(n型ドーピング濃度=2×1018cm- )を用いた。As雰囲気において、基板を昇温した後、基板温度600℃にて、厚さ500nmのn型GaAsバッファー層402(n型不純物濃度=1×1018cm- )の成長を開始した。その後、厚さ1300nmのn型AlGaAsクラッド層403(n型不純物濃度=1×1018cm- )を成長した。基板温度は、最初のn型GaAsバッファー層402内で700℃に達し、その後、n型AlGaAsクラッド層403内では700℃に保った。
【0045】
続いて、本発明にかかわる最も重要な層の一つである、厚さ100nmのn型AlGaInAsP組成傾斜層404(n型不純物濃度=1×1018cm- )を形成し、その間に成長温度を700℃から500℃に降温させた。よって、成長中断は不要であった。尚、組成変化の詳細については後述する。
【0046】
更に、厚さ50nmのn型GaInAsP光ガイド層405(n型ドーピング濃度=1×1018cm- )、厚さ10nmのノンドープGaAs障壁層と厚さ6nmのノンドープGaInNAs井戸層からなる多重量子井戸層406(周期数:3)、厚さ50nmのp型GaInAsP光ガイド層407(p型ドーピング濃度=1×1017cm- )からなる活性層を形成した。
【0047】
続いて、再び本発明にかかわる最も重要な層の一つである、厚さ100nmのp型AlGaInAsP組成傾斜層408(p型不純物濃度=1×1018cm- )を形成し、その間に成長温度を500℃から700℃に昇温させた。よって、ここでも成長中断は不要であった。
【0048】
続いて、p型AlGaAsクラッド層409(p型不純物濃度=1×1018cm- )、p型GaAsコンタクト層410(p型不純物濃度=1×1019cm- )を形成し、結晶成長工程を終了した。
【0049】
前述した様に、本例は、前記一般的説明における本発明の第1、第3、及び第2の半導体層の半導体積層が2組有する例である。前記クラッド層403、組成傾斜層404、及び光ガイド層405が、各々第1、第3、及び第2の半導体層であり、1組の半導体積層2を構成する。更に、もう一組の半導体積層3は、光ガイド層407、組成傾斜層408、及びクラッド層409が、各々第1、第3、及び第2の半導体層である。本例のGaInNAs半導体レーザ素子の活性領域は多重量子井戸層406であり、上記2組の半導体積層の領域は、当該レーザ装置のクラッド層及び光ガイド層の領域に相当する。この様に、本発明は、半導体層の積層に関するものである。
【0050】
次に、n型AlGaInAsP組成傾斜層404、及びp型AlGaInAsP組成傾斜層408における組成変化の詳細について説明する。
【0051】
成長温度変化による結晶性低下の影響を抑制するため、AlGaAsクラッド層側からGaInAsP光ガイド層側に向かって、Al組成が徐々に低下し、P組成が徐々に増大することが望ましい。
【0052】
又、AlGaAsとInGaAsPは、活性層内にキャリアを有効に閉じ込めるため、AlGaAsの伝導帯と価電子帯のエネルギーが両方共、InGaAsPよりも大きい、所謂タイプIのヘテロ構造を形成するため、AlGaInAsP組成傾斜層においては、バンドギャップの大きいAlGaAsから、バンドギャップの小さいInGaAsP側に向かって、伝導体、及び価電子帯のエネルギー差を滑らかに繋ぐようなエネルギーバンド構造を有する事が望まれる。
更に、AlGaInAsP組成傾斜層とAlGaAsクラッド層やGaInAsP光ガイド層との格子定数差が大きくなると、多数の格子不整合転位が発生し結晶性を劣化させる。従って、AlGaInAsP組成傾斜層と両側の層との格子定数差が小さいことも必要な要件となる。
【0053】
5元系材料であるAlGaInAsP層おいては、以上のような2つの条件を同時に満たすことが可能である。AlGaAsクラッド層とGaInAsP光ガイド層間の伝導体、及び価電子帯のエネルギー差を滑らかに繋ぎ、且つ、両層との格子不整合度が±0.1%以下の条件を満たすAlGaInAsP組成傾斜層の組成変化を図6に示した。結果的に、両側の層の各元素組成をほぼ直線でつないだような組成変化となり、制御も容易である。AlGaAsクラッド層側からGaInAsP光ガイド層側に向かってAl組成を徐々に低下させているので、この間で成長温度が低下することによるAlを含む結晶の品質劣化を大きく抑制できる。又、逆にP組成を徐々に増大させており、高温側で顕著なP原子の脱離や組成ずれの影響を大きく抑制できる。こうして、結晶成長の点からもエネルギーバンド構造の点からも素子特性を劣化させることの無い、高品質なAlを含む化合物半導体層とAsとPを含む化合物半導体層の積層構造を実現できた。
【0054】
前述の半導体ウエハ(基板)には複数の半導体素子部が形成されている。こうした半導体ウエハに対して、通例のストライプ構造作製工程、及びこのストライプ構造を埋め込む工程、電極作製工程を経て、ファブリペロー型半導体レーザ素子として完成した。尚、埋め込み構造の基本的工程は実施の形態1に示したものと同様であるので詳細説明は省略する。
【0055】
作製されたファブリペロー型半導体レーザ素子は、閾値電流10mAで発振し、85℃の高温まで良好なレーザ発振特性を示した。また、10Gb/sを超える高速変調特性を示した。又、層全体の平均歪量の低減により、長期信頼性にも優れていた。
【0056】
以上にように、本発明による高品質なAlを含む化合物半導体層とAsとPを含む化合物半導体層の積層構造の諸例を説明した。本発明による積層構造が、ここで例示しなかった他の多くの半導体素子にも適用され得ることは言うまでも無い。又、本発明の化合物半導体素子として、半導体レーザ素子のみを挙げたが、本積層構造を適用して形成する限り、これに限定されるものではない。例えば、高移動度トランジスタやヘテロバイポーラトランジスタなどの化合物半導体電子素子にも適用可能である。そして、それを用いて高性能、低消費電力、且つ長寿命な半導体モジュールを提供することができる。
【0057】
本願発明によれば、Alを含む化合物半導体層とAsとPを含む化合物半導体層の中間層として、その一部、或いは全部に少なくともAlとPが用いられており、且つ、混晶組成が傾斜的、或いは段階的に変化している化合物半導体層を設けることにより、高品質な積層構造を得ることができる。それにより、優れた素子特性を実現することができる。具体例として、AlGaInAsを用いた分布帰還型半導体レーザ素子において低抵抗な素子を実現した例やGaInAs半導体レーザ素子において素子全体の格子歪を低減した例を詳細に説明した。この半導体レーザ素子を用いて、低電圧で動作する光送信モジュールを提供できる。更に、本発明になる半導体レーザ素子は安価に提供することが出来る。
【0058】
【発明の効果】
本発明は、少なくともAlを含む化合物半導体層と少なくともAsとPを含む化合物半導体層の高品質な積層構造を得ることが出来る。更には、得られた高品質な積層構造によって、従来素子を超える高性能な化合物半導体素子を提供することが出来る。その素子応用例の一つは高速動作が可能で且つ安価な半導体レーザ装置である。
【0059】
本発明の更に、より低電圧で動作が可能な化合物半導体素子搭載の半導体モジュールを提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明によるAlGaInAs分布帰還形レーザ装置主要部のレーザ光の進行方向と平行な面での断面図である。
【図2】図2は、図1の分布帰還形レーザ装置を製造する工程順に示した装置の、レーザ光の進行方向と直交する面での断面図である。
【図3】図3は、図1の素子における組成傾斜層における組成変化を示す図である。
【図4】図4は、半導体モジュールの回路構成例を示す図である。
【図5】図5は、本発明によるGaInNAs半導体レーザ装置主要部のレーザ光の進行方向と平行な面での断面図である。
【図6】図6は、図5の素子における組成傾斜層における組成変化を示す図である。
【符号の説明】
1、2、3:第1、第3、第2の半導体層を有する半導体積層、101:n型InP(100)基板、102:n型InPクラッド層、103:n型AlInAsクラッド層、104:n型AlGaInAs光ガイド層、105:AlGaInAs多重量子井戸層、106:p型AlGaInAs光ガイド層、107:p型AlInAsクラッド層、108:p型AlGaInAsP組成傾斜層、109:p型GaInAsP回折格子層、110:p型InPクラッド層、111:p型GaInAsクラッド層、112:絶縁膜、113:上部電極、114:下部電極、120:埋め込み層、301:レーザダイオード、302:ドライバIC、303:バイアス回路、401:n型GaAs基板、402:n型GaAsバッファ:層、403:n型AlGaAsクラッド層、404:n型AlGaInAsP組成傾斜層、405:n型GaInAsP光ガイド層、406:GaInNAs/GaAs多重量子井戸層、407:p型GaInAsP光ガイド層、408:p型AlGaInAsP組成傾斜層、409:p型AlGaAsクラッド層、410:p型GaAsコンタクト層。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a compound semiconductor element, in particular, a compound semiconductor element having a stack of a compound semiconductor layer containing Al and a compound semiconductor layer containing As and P, and a semiconductor module using the compound semiconductor element.
[0002]
[Prior art]
Due to the explosive growth of the Internet population in recent years, there is an increasing demand for an increase in information processing capacity. In a communication network having a relatively short transmission distance such as a LAN, it is predicted that a transmission rate of Gb / s level, which is a transmission rate of a trunk communication network, will be required after 5 to 10 years. The optical communication module used here is provided at a low cost in consideration of the fact that it is used by a large number of general users in addition to the performance requirement that high-speed modulation is possible as described above. This is also an essential requirement. Therefore, it is considered that a semiconductor laser having a small characteristic deterioration at a high temperature is suitable as the light source.
[0003]
Conventionally, GaInAsP formed on an InP substrate has been used in optical communication devices such as semiconductor lasers and modulators. This material is a quaternary material composed of four main constituent elements, and has a high degree of freedom in designing the band gap and lattice constant. Therefore, it is easy to introduce a desired lattice strain into the quantum well active layer in the wavelength composition of 1.3 μm and 1.55 μm bands suitable for optical communication, thereby achieving high performance of the device. It was. On the other hand, due to the material properties, the energy difference (ΔEc) between the well layer and the barrier layer in the quantum well active layer is small, so that the confinement of electrons is small and the characteristic deterioration at high temperature is remarkable. For the same reason, the gain of the active layer is small and the relaxation oscillation frequency is small. From the above, it is predicted that it will be difficult for a semiconductor laser using GaInAsP to meet future demands for higher speed and lower cost.
[0004]
On the other hand, in recent years, AlGaInAs formed on an InP substrate has been developed as a material that can drastically improve the characteristics of a semiconductor laser for communication. The quantum well active layer formed of this material has a large ΔEc compared with GaInAsP, and the characteristic deterioration at high temperature is small. Moreover, since the gain of the active layer is large, the relaxation oscillation frequency can be increased. Therefore, development of semiconductor lasers using this material has been promoted in various places. Since both GaInAsP and AlGaInAs are materials formed on an InP substrate, by introducing a flexible crystal layer configuration in which GaInAsP, which is a conventional material, is mixed into AlGaInAs, the element design flexibility is expanded, and AlGaInAs-based light It is considered that the device characteristics can be further improved.
[0005]
As an example of the technology, there is an AlGaInAs semiconductor laser structure described in FIG. 4 of JP-A-5-41562 (Patent Document 1). This structure is a structure in which a diffraction grating structure made of GaInAsP is stacked on an AlGaInAs active layer. By selecting an appropriate composition condition, the energy difference (ΔEv) in the valence band between AlGaInAs and GaInAsP can be made almost zero, so that the resistance component against holes near the diffraction grating structure is reduced, thereby reducing the low voltage Expected to work with
[0006]
Another example of the technology is a semiconductor laser using GaInNAs formed on a GaAs substrate as an active layer. GaInNAs is also a semiconductor material that has been developed in recent years, but it can be expected to be a very promising material in further increasing the speed of the semiconductor laser because it can achieve a larger ΔEc in the active layer compared to AlGaInAs. On the other hand, since this material has a problem that the light emission characteristics are lowered as the N composition increases, the In composition is increased in order to adapt the oscillation wavelength to the 1.3 μm band. As a result, a GaInNAs layer having a compressive strain as high as 2% is used for the quantum well layer of the present laser. Since this large lattice strain may affect the performance and long-term reliability of the device, an attempt to compensate for the lattice strain of the entire device by introducing a material containing P having tensile strain as the light guide layer Is made. For example, in the example described on page 33 of the 2002 International Semiconductor Laser Conference proceeding, a tensile strained layer made of GaAsP is introduced between a GaAs barrier layer and an AlGaAs cladding layer to realize laser oscillation at a low threshold. (Non-Patent Document 1). That is, a laminated structure of AlGaAs and GaAsP is used, thereby improving device performance.
[0007]
As described above, it is expected that the performance of the conventional element can be improved by the laminated structure in which the compound semiconductor layer containing Al and the compound semiconductor layer containing As and P are combined, and two examples are given. It goes without saying that such a laminated structure can be applied to many other devices not described here and contribute to improvement of characteristics. Further, although only a semiconductor laser has been described as an element, the present invention is not limited to this as long as the present laminated structure is applied.
[0008]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 5-41562 (FIG. 4)
[Non-Patent Document 1]
2002 International Semiconductor Laser Conference Proceedings (page 33)
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention is to obtain a high-quality stacked structure of a compound semiconductor layer containing at least Al and a compound semiconductor layer containing at least As and P. Furthermore, an object of the present invention is to provide a high-performance compound semiconductor device that exceeds the conventional device by the obtained high-quality laminated structure. As one example of the device application, a semiconductor laser capable of high-speed operation is to be provided.
[0010]
Still another object of the present invention is to provide a semiconductor module equipped with a semiconductor element that can operate at a lower voltage.
[0011]
In order to cope with such problems, technically, it is necessary to solve the following problems in a stacked structure of a compound semiconductor layer containing at least Al and a compound semiconductor layer containing at least As and P. Since the compound semiconductor layer containing Al has high activity, it is necessary to increase the growth temperature (˜700 ° C.) in order to avoid mixing impurities such as oxygen and to obtain a high-quality film. On the other hand, in the compound semiconductor layer containing As and P, since P is more easily detached from the film surface than As, in particular, it is easier to obtain a high quality film in terms of composition control and surface morphology by relatively low temperature growth. (~ 600 ° C). Due to such differences in material properties, it has not been easy to produce a high-quality multilayer structure of a compound semiconductor layer containing Al and a compound semiconductor layer containing As and P. Conventionally, the growth was interrupted in order to grow each layer at the optimum temperature. The interruption of growth may deteriorate the crystal quality and surface state of the laminated structure. The reason is described below. In the case where the compound semiconductor layer containing As and P is stacked on the compound semiconductor layer containing Al, the growth was interrupted between the two layers and the temperature was lowered from 700 ° C. to 600 ° C. At that time, impurities and the like are attached and mixed in the surface and film of the compound semiconductor layer containing active Al, resulting in deterioration of the surface state and crystal quality. Conversely, when a compound semiconductor layer containing Al is stacked on a compound semiconductor layer containing As and P, the growth is interrupted between the two layers and the temperature is raised from 600 ° C. to 700 ° C. At that time, P atoms were desorbed from the surface of the compound semiconductor layer containing As and P, resulting in deterioration of the surface state and deterioration of crystal quality due to composition change. Therefore, it is not easy to obtain a high-quality laminated structure by using a conventional method using growth interruption.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The basic configuration of the present invention is as follows. That is, a semiconductor element comprising a semiconductor substrate and a semiconductor multilayer structure formed on the semiconductor substrate, wherein the semiconductor multilayer structure is a first semiconductor, a second semiconductor, and a third semiconductor located in the middle thereof. The semiconductor multilayer structure includes at least one set of semiconductor layer stacks composed of layers and includes a semiconductor layer stack region that constitutes an active region of the semiconductor element. In other words, a predetermined stack of the semiconductor multilayer structures serves as an active region of the semiconductor element. The first semiconductor layer is a compound semiconductor layer containing at least Al as an essential constituent element. The second semiconductor layer is a compound semiconductor layer containing at least As and P as essential constituent elements. The third semiconductor layer is a compound semiconductor layer that contains at least Al and P in a part or all of the third semiconductor layer and the mixed crystal composition changes in a gradient or stepwise manner. The mixed crystal composition of the third semiconductor layer is generally graded or stepped in consideration of the energy band change between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer existing between this layer and the lattice constant. Change.
[0013]
As the semiconductor substrate, a substrate used for a compound semiconductor element is sufficient. A typical example is an InP substrate or a GaAs substrate.
[0014]
A typical example of the first semiconductor layer is a group selected from the group consisting of III-V compound semiconductor materials, particularly AlGaInAs, AlInAs, AlGaAs, and AlAs.
[0015]
A typical example of the second semiconductor layer is a group selected from the group of III-V compound semiconductor materials, particularly GaInAsP, GaAsP, and InAsP.
[0016]
A representative example of the third semiconductor layer is a group III-V compound semiconductor material, particularly (AlxGa1-x)yIn1-yAszP1-zIt is a compound semiconductor material layer represented by (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1, where x + y + z ≠ 0).
[0017]
A specific composition is selected according to the requirement for using the semiconductor multilayer laminate applied to the present invention as an electronic device or an optical device. The semiconductor multilayer stack is set in consideration of securing device characteristics while securing lattice matching conditions.
[0018]
Furthermore, it is useful from the practical viewpoint of ensuring crystallinity of each layer that the degree of mismatch of the lattice constants of the first, second, and third semiconductor layers is less than 0.5%. .
[0019]
In the AlGaInAs distributed feedback laser shown in FIG. 1, the present invention is applied at 107 to 109. At this time, the energy at the top of the valence band in each of the first, second, and third semiconductor layers. It is useful from the viewpoint of securing the device characteristics that the difference is 10 meV or less.
[0020]
In another example, as shown in FIG. 5, GaInNAs semiconductor laser elements 403 to 405 and 407 to 409 are applied. Here, the first and second semiconductor layers are each a type I band. It has a structure. At that time, it is desirable that the energy of the conduction band and the valence band of the third semiconductor layer is decreased from the layer having the larger band gap to the layer having the smaller band gap among the first and second semiconductor layers. Thus, an energy band structure that smoothly connects the energy difference between the conductor and the valence band between the first and second semiconductor layers is achieved. Thus, the characteristics of the compound semiconductor device according to the present invention can be improved. For example, in a semiconductor laser, device characteristics such as threshold current, device resistance, and device life can be improved.
[0021]
Thus, the various compound semiconductor devices can be operated at a low voltage and can be driven by a 3.3 V power source which is a usual power source standard. Thereby, a practical semiconductor module with low power consumption can be provided.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Prior to describing specific embodiments, details of the basic idea of the present invention will be additionally described.
[0023]
In order to obtain a high-quality stacked structure of a compound semiconductor layer containing at least Al and a compound semiconductor layer containing at least As and P, it is necessary to eliminate the growth interruption due to the difference in growth temperature between the two layers. For this purpose, it is effective to introduce an intermediate layer for changing the growth temperature between the two layers.
[0024]
In the intermediate layer, the Al composition and the P composition are changed gradually or stepwise. For example, by performing an appropriate composition change as described in a specific example in the section of the following embodiment, deterioration of crystal quality due to growth of a layer containing Al at a low temperature, and As and P are included. It is possible to greatly suppress adverse effects on crystal quality deterioration and composition control due to the growth of the layer at a high temperature.
[0025]
Furthermore, in order to avoid deterioration of device characteristics, it is also a necessary requirement as an intermediate layer that there is a degree of freedom in design on the crystal growth surface and energy band structure surface.
[0026]
As the intermediate layer that achieves this object, a compound semiconductor layer in which at least part of or all of Al and P is used and the mixed crystal composition changes in a gradient or stepwise manner may be used. I found a thing. For example, if an AlGaInAsP layer, which is a ternary material, is used as the intermediate layer material, an energy band structure that does not deteriorate the device characteristics while maintaining the lattice matching condition even if the composition is changed in a graded or stepwise manner is realized. It becomes possible to do. Here, “part of the intermediate layer” means a part of the thickness region in the crystal growth direction.
[0027]
Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described.
[0028]
<Embodiment 1>
As a first embodiment of the invention, a low resistance AlGaInAs distributed feedback laser according to the present invention will be specifically described. A cross-sectional view of the distributed feedback laser element in a plane parallel to the traveling direction of the laser beam is shown in FIG. This example is an example having one set of semiconductor stacks 1 of the first, third, and second semiconductor layers of the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view according to the manufacturing process, and is a cross-sectional view taken along a plane perpendicular to the traveling direction of the laser beam.
[0029]
Here, the growth method is a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method. In the MOCVD method, triethylgallium (TEG), trimethylindium (TMI), and trimethylaluminum (TMAl) are used as a group III element supply source, and arsine (AsH) is used as a group V element supply source.3) And phosphine (PH3) Was used. Also, disilane (Si2H6), Dimethyl zinc (DMZn) was used as an introduction gas for p-type impurities. However, since the effects of the present invention can be obtained if a similar structure can be formed, the growth method and raw materials are not limited to those described here. For example, PH3Since the decomposition efficiency is easily affected by the growth temperature, the use of an organic group V raw material (for example, tert-butylphosphine) that is not easily affected by the growth temperature is more dependent on the composition gradient layer of the present invention. It is valid.
[0030]
The semiconductor substrate is an n-type InP (100) substrate 101 (n-type doping concentration = 1 × 1018cm- 3) Was used. PH3After raising the temperature of the substrate in the atmosphere, the n-type InP cladding layer 102 (n-type impurity concentration = 1 × 10 5) having a thickness of 500 nm is used as the first crystal growth step at a substrate temperature of 600 ° C.18cm- 3) Started growing. Thereafter, an n-type AlInAs cladding layer 103 having a thickness of 50 nm (n-type impurity concentration = 1 × 1018cm- 3) Grew up. Further, an n-type AlGaInAs light guide layer 104 having a thickness of 50 nm (n-type doping concentration = 1 × 10 618cm- 3), A multiple quantum well layer 105 (period number: 10) composed of a non-doped AlGaInAs barrier layer having a thickness of 10 nm and a non-doped AlGaInAs well layer having a thickness of 6 nm, a p-type AlGaInAs light guide layer 106 having a thickness of 50 nm (p-type doping concentration = 1 × 1017cm- 3), P-type AlInAs cladding layer 107 having a thickness of 50 nm (p-type impurity concentration = 1 × 1018cm- 3) Grew sequentially. The substrate temperature reached 700 ° C. in the first n-type InP cladding layer 102, and then maintained at 700 ° C. in the Al-containing layer. Subsequently, a p-type AlGaInAsP composition gradient layer 108 having a thickness of 20 nm (p-type impurity concentration = 1 × 10 6), which is the most important layer according to the present invention.18cm- 3), During which the growth temperature was lowered from 700 ° C. to 600 ° C. Therefore, growth interruption was unnecessary. Details of the composition change will be described later. Subsequently, the p-type GaInAsP diffraction grating layer 109 (p-type impurity concentration = 1 × 1018cm- 3), P-type InP cap layer (p-type impurity concentration = 1 × 1018cm- 3) 115 is formed, and the first crystal growth step is completed (FIG. 2A).
[0031]
In this example, the p-type AlInAs cladding layer 107, the p-type AlGaInAsP composition gradient layer 108, and the p-type GaInAsP diffraction grating layer 109 are respectively the first semiconductor layer, the third semiconductor layer in the general description, It corresponds to the second semiconductor layer and constitutes the semiconductor stack 1 of the present invention. In this example, the second semiconductor layer is a layer that forms a diffraction grating, but needless to say, it is not necessarily a layer that forms a layer that forms a diffraction grating.
[0032]
Here, the details of the composition change in the p-type AlGaInAsP composition gradient layer 108 will be described. In order to suppress the influence of the crystallinity reduction due to the growth temperature change, the Al composition gradually decreases and the P composition gradually increases from the p-type AlInAs cladding layer 107 side toward the p-type GaInAsP diffraction grating layer 109 side. Is desirable. That is, Al contained in the first semiconductor layer is decreased gradually or stepwise toward the second semiconductor layer not containing the Al. Furthermore, P which the first semiconductor layer does not contain is gradually or stepwise increased toward the second semiconductor layer containing the P.
[0033]
Further, as described in the prior art, the reason why low voltage operation is expected in this laser structure is that ΔEv between the p-type AlInAs cladding layer 107 and the p-type GaInAsP diffraction grating layer 109 is almost zero. is doing. Therefore, also in the p-type AlGaInAsP composition gradient layer 108 to be introduced, it is necessary to maintain the condition that ΔEv between the layers on both sides is almost 0 from the viewpoint of the energy band structure. Furthermore, as described above, when the difference in lattice constant between the layers on both sides is increased, a large number of lattice mismatch dislocations are generated and the crystallinity is deteriorated. Therefore, it is a necessary requirement that the degree of lattice mismatch is small.
[0034]
In particular, the AlGaInAsP layer, which is a ternary material, can simultaneously satisfy the above two conditions. The composition change of the p-type AlInAs cladding layer 107 and the p-type AlGaInAsP composition gradient layer 108 is shown in FIG. Here, the p-type AlGaInAsP composition graded layer 108 is an example in which ΔEv with the p-type GaInAsP diffraction grating layer 109 is ± 10 meV or less and the degree of lattice mismatch is ± 0.1% or less. As a result, the composition change is such that the elemental compositions of the layers on both sides of the composition gradient layer 108 are connected by a substantially straight line, and control is easy.
[0035]
Since the Al composition is gradually reduced from the p-type AlInAs cladding layer 107 side toward the p-type GaInAsP diffraction grating layer 109 side, the quality deterioration of the crystal containing Al due to the lowering of the growth temperature can be largely suppressed. . On the other hand, since the P composition is gradually increased, the effects of significant P atom desorption and composition shift on the high temperature side can be greatly suppressed. Therefore, it is possible to realize a semiconductor multilayer structure including a high-quality compound semiconductor layer containing Al and a compound semiconductor layer containing As and P that does not deteriorate the device characteristics in terms of crystal growth and energy band structure. It was.
[0036]
Subsequently, the p-type InP cap layer 115 provided for protecting the crystal layer was removed.
The multilayer growth wafer thus prepared was subjected to a process step for producing a diffraction grating. A diffraction grating pattern was formed by the interference exposure method, and etching was performed using the pattern as a mask to form a diffraction grating.
[0037]
Thereafter, the second crystal growth process was started. PH3After raising the temperature of the substrate in the atmosphere, the p-type InP cladding layer 110 having a thickness of 1500 nm (p-type impurity concentration = 1 × 1018cm- 3), P-type GaInAs cladding layer 111 having a thickness of 100 nm (p-type impurity concentration = 1 × 1019cm- 3) Grew in the order. Finally, a p-type InP cap layer with a thickness of 100 nm for protecting the contact layer (p-type doping concentration = 1 × 1018cm- 3) 116 is formed, and the second crystal growth step is completed (FIG. 2B).
[0038]
A plurality of semiconductor element portions are formed on the aforementioned semiconductor wafer (substrate). The p-type InP cap layer 116 provided for protecting the crystal layer is removed from such a semiconductor wafer, and then a usual stripe structure manufacturing process (FIG. 2C), and a process and electrode for embedding the stripe structure The device was completed through the manufacturing process (FIG. 2D). In FIG. 2, reference numeral 120 denotes a buried layer, 112 denotes an insulating film, 113 denotes an upper electrode, and 114 denotes a lower (substrate side) electrode. It goes without saying that various techniques of a conventional distributed feedback semiconductor laser device can be used, such as providing a pn junction or the like in the buried layer 120 to take a leakage current blocking structure, or using a passivation film for protecting an end face.
[0039]
The fabricated device oscillated at a threshold current of 18 mA and exhibited good laser oscillation characteristics up to a high temperature of 85 ° C. Further, the resistance of the element is 8 ohms, and the resistance can be greatly reduced as compared with the conventional element. As a result, low voltage operation was possible during high-speed modulation of 10 Gb / s by direct modulation. Further, the heat generation of the element was small and the life was long.
[0040]
An optical transmission module was manufactured using the compound semiconductor element thus prepared. FIG. 4 shows an example of the circuit configuration. Here, 301 is a laser diode according to the present invention, 302 is a driver IC, and 303 is a bias circuit. Since this laser diode had low element resistance and could reduce the operating voltage, it could be driven with a power supply voltage (Vcc) of 3.3V. Compared with a conventional optical transmission module operating with a 5V power supply, low power consumption was possible. In addition, this module was able to ensure a long life like the device.
[0041]
<Embodiment 2>
This example is an example in which the semiconductor stack of the first, second, and third semiconductor layers of the present invention has two sets (reference numerals 2, 3).
[0042]
The GaInNAs semiconductor laser device according to the present invention will be specifically described. The element structure is shown in FIG. Here, an example is shown in which a GaInAsP layer is introduced instead of the GaAsP layer described in the prior art. The purpose is to introduce a layer having a tensile strain to compensate for the strain of the entire device. When GaInNAs is used for the active layer, a growth method in a non-equilibrium state is advantageous in introducing N. Therefore, in addition to the MOCVD method, a molecular beam epitaxy (MBE) method or the like is suitable as a growth method. Here, the growth method was a solid source MBE (SS-MBE) method. Since the steps such as the creation of the stripe structure for the laser device are the same as those in the first embodiment, detailed description thereof is omitted.
[0043]
In the SS-MBE method, gallium (Ga) and indium (In) were used as the group III element supply source, and metal As was used as the group V element supply source for arsenic (As). Further, silicon (Si) is used as an n-type impurity, and carbon tetrabromide (CBr) is used as an impurity material that can be p-type doped at high concentration.4)Using. If a similar doping concentration can be achieved, beryllium (Be) or zinc (Zn) may be used as the p-type impurity. N for nitrogen (N)2N radicals in which the gas was RF plasma excited were used. The excitation of nitrogen plasma can also be performed using ECR (Electron Cyclotron Resonance) plasma. Of course, if a similar structure can be formed as an element structure, the effects of the present invention can be obtained, and the growth method and raw materials are not limited to those described here.
[0044]
The semiconductor substrate is an n-type GaAs substrate 401 whose main surface is the (100) plane (n-type doping concentration = 2 × 1018cm- 3) Was used. After raising the temperature of the substrate in an As atmosphere, the n-type GaAs buffer layer 402 (n-type impurity concentration = 1 × 10 5) having a thickness of 500 nm at a substrate temperature of 600 ° C.18cm- 3) Started growing. Thereafter, an n-type AlGaAs cladding layer 403 having a thickness of 1300 nm (n-type impurity concentration = 1 × 1018cm- 3) Grew up. The substrate temperature reached 700 ° C. in the first n-type GaAs buffer layer 402 and then kept at 700 ° C. in the n-type AlGaAs cladding layer 403.
[0045]
Subsequently, the n-type AlGaInAsP composition gradient layer 404 (n-type impurity concentration = 1 × 10 4) having a thickness of 100 nm, which is one of the most important layers according to the present invention.18cm- 3), During which the growth temperature was lowered from 700 ° C. to 500 ° C. Therefore, growth interruption was unnecessary. Details of the composition change will be described later.
[0046]
Further, an n-type GaInAsP light guide layer 405 having a thickness of 50 nm (n-type doping concentration = 1 × 1018cm- 3), A multi-quantum well layer 406 (period number: 3) composed of a non-doped GaAs barrier layer having a thickness of 10 nm and a non-doped GaInNAs well layer having a thickness of 6 nm, a p-type GaInAsP light guide layer 407 having a thickness of 50 nm (p-type doping concentration = 1 × 1017cm- 3) Was formed.
[0047]
Subsequently, a p-type AlGaInAsP composition gradient layer 408 (p-type impurity concentration = 1 × 10 4) having a thickness of 100 nm, which is one of the most important layers according to the present invention.18cm- 3) And the growth temperature was raised from 500 ° C. to 700 ° C. during this period. Therefore, the growth interruption was not necessary here either.
[0048]
Subsequently, a p-type AlGaAs cladding layer 409 (p-type impurity concentration = 1 × 1018cm- 3), P-type GaAs contact layer 410 (p-type impurity concentration = 1 × 1019cm- 3) To complete the crystal growth process.
[0049]
As described above, this example is an example in which the semiconductor stack of the first, third, and second semiconductor layers of the present invention in the general description has two sets. The cladding layer 403, the composition gradient layer 404, and the light guide layer 405 are first, third, and second semiconductor layers, respectively, and constitute a set of semiconductor stacks 2. Furthermore, in another set of semiconductor stacks 3, the light guide layer 407, the composition gradient layer 408, and the clad layer 409 are first, third, and second semiconductor layers, respectively. The active region of the GaInNAs semiconductor laser element of this example is a multiple quantum well layer 406, and the regions of the two semiconductor stacks correspond to the regions of the cladding layer and the light guide layer of the laser device. Thus, the present invention relates to the stacking of semiconductor layers.
[0050]
Next, details of the composition change in the n-type AlGaInAsP composition gradient layer 404 and the p-type AlGaInAsP composition gradient layer 408 will be described.
[0051]
In order to suppress the influence of the decrease in crystallinity due to the growth temperature change, it is desirable that the Al composition gradually decrease and the P composition gradually increase from the AlGaAs cladding layer side toward the GaInAsP light guide layer side.
[0052]
In addition, since AlGaAs and InGaAsP effectively confine carriers in the active layer, both the conduction band and valence band energy of AlGaAs form a so-called type I heterostructure that is larger than InGaAsP. The graded layer is desired to have an energy band structure that smoothly connects the energy difference between the conductor and the valence band from AlGaAs having a large band gap toward the InGaAsP side having a small band gap.
Furthermore, when the lattice constant difference between the AlGaInAsP composition gradient layer and the AlGaAs cladding layer or the GaInAsP light guide layer increases, a large number of lattice mismatch dislocations occur and the crystallinity deteriorates. Therefore, a small difference in lattice constant between the AlGaInAsP composition gradient layer and the layers on both sides is also a necessary requirement.
[0053]
In the AlGaInAsP layer which is a ternary material, the above two conditions can be satisfied simultaneously. An AlGaInAsP composition graded layer that smoothly connects the conductor between the AlGaAs cladding layer and the GaInAsP light guide layer and the energy difference between the valence bands and satisfies the condition that the degree of lattice mismatch between the two layers is ± 0.1% or less. The composition change is shown in FIG. As a result, the composition changes so that the elemental compositions of the layers on both sides are connected by a substantially straight line, and control is easy. Since the Al composition is gradually lowered from the AlGaAs cladding layer side toward the GaInAsP light guide layer side, the quality deterioration of the crystal containing Al due to the growth temperature being lowered during this period can be largely suppressed. On the other hand, the P composition is gradually increased, and the effects of significant P atom desorption and composition shift on the high temperature side can be greatly suppressed. Thus, a high-quality compound semiconductor layer containing Al and a compound semiconductor layer containing As and P that do not deteriorate device characteristics from the point of crystal growth and energy band structure can be realized.
[0054]
A plurality of semiconductor element portions are formed on the aforementioned semiconductor wafer (substrate). Such a semiconductor wafer was completed as a Fabry-Perot type semiconductor laser device through a conventional stripe structure manufacturing process, a process of embedding this stripe structure, and an electrode manufacturing process. Since the basic process of the embedded structure is the same as that shown in the first embodiment, detailed description is omitted.
[0055]
The fabricated Fabry-Perot type semiconductor laser device oscillated at a threshold current of 10 mA, and showed good laser oscillation characteristics up to a high temperature of 85 ° C. Moreover, the high-speed modulation characteristic exceeding 10 Gb / s was shown. Moreover, the long-term reliability was also excellent by reducing the average strain amount of the entire layer.
[0056]
As described above, various examples of the laminated structure of the compound semiconductor layer containing high-quality Al and the compound semiconductor layer containing As and P according to the present invention have been described. It goes without saying that the laminated structure according to the present invention can be applied to many other semiconductor elements not exemplified here. Further, only the semiconductor laser element is mentioned as the compound semiconductor element of the present invention. However, the compound semiconductor element is not limited to this as long as it is formed by applying the present laminated structure. For example, the present invention can also be applied to compound semiconductor electronic devices such as high mobility transistors and heterobipolar transistors. Then, it is possible to provide a semiconductor module with high performance, low power consumption, and long life by using it.
[0057]
According to the present invention, as an intermediate layer between a compound semiconductor layer containing Al and a compound semiconductor layer containing As and P, at least part of or all of Al and P is used, and the mixed crystal composition is inclined. By providing a compound semiconductor layer that changes in a stepwise or stepwise manner, a high-quality stacked structure can be obtained. Thereby, excellent device characteristics can be realized. As specific examples, an example in which a low-resistance element is realized in a distributed feedback semiconductor laser element using AlGaInAs and an example in which the lattice distortion of the entire element is reduced in a GaInAs semiconductor laser element have been described in detail. By using this semiconductor laser element, an optical transmission module that operates at a low voltage can be provided. Furthermore, the semiconductor laser device according to the present invention can be provided at low cost.
[0058]
【The invention's effect】
The present invention can provide a high-quality stacked structure of a compound semiconductor layer containing at least Al and a compound semiconductor layer containing at least As and P. Furthermore, a high-performance compound semiconductor device that exceeds the conventional device can be provided by the obtained high-quality laminated structure. One example of the element application is a low-cost semiconductor laser device capable of high-speed operation.
[0059]
Furthermore, the present invention can provide a semiconductor module equipped with a compound semiconductor element that can operate at a lower voltage.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a main part of an AlGaInAs distributed feedback laser apparatus according to the present invention on a plane parallel to the traveling direction of laser light.
2 is a cross-sectional view of the apparatus shown in the order of steps for manufacturing the distributed feedback laser apparatus of FIG. 1 on a plane orthogonal to the traveling direction of laser light.
FIG. 3 is a view showing a composition change in a composition gradient layer in the element of FIG. 1;
FIG. 4 is a diagram illustrating a circuit configuration example of a semiconductor module.
FIG. 5 is a cross-sectional view of a main part of a GaInNAs semiconductor laser device according to the present invention on a plane parallel to the traveling direction of laser light.
6 is a view showing a composition change in a composition gradient layer in the element of FIG. 5; FIG.
[Explanation of symbols]
1, 2: 3, semiconductor stack having first, third, and second semiconductor layers, 101: n-type InP (100) substrate, 102: n-type InP clad layer, 103: n-type AlInAs clad layer, 104: n-type AlGaInAs light guide layer, 105: AlGaInAs multiple quantum well layer, 106: p-type AlGaInAs light guide layer, 107: p-type AlInAs cladding layer, 108: p-type AlGaInAsP composition gradient layer, 109: p-type GaInAsP diffraction grating layer, 110: p-type InP clad layer, 111: p-type GaInAs clad layer, 112: insulating film, 113: upper electrode, 114: lower electrode, 120: buried layer, 301: laser diode, 302: driver IC, 303: bias circuit 401: n-type GaAs substrate 402: n-type GaAs buffer: layer 403: Type AlGaAs cladding layer, 404: n-type AlGaInAsP composition gradient layer, 405: n-type GaInAsP light guide layer, 406: GaInNAs / GaAs multiple quantum well layer, 407: p-type GaInAsP light guide layer, 408: p-type AlGaInAsP composition gradient layer 409: p-type AlGaAs cladding layer, 410: p-type GaAs contact layer.

Claims (14)

半導体基板と、前記基板上部に形成された半導体多層構造体とを有し、
前記半導体多層構造体は、第1、第2、及びその中間に位置する第3の半導体層から成る半導体層積層を一組以上有し、且つ当該化合物半導体素子の活性領域を構成する半導体層積層領域を含み、
前記第1の半導体層は、Pを含まず、Alを含有する化合物半導体層であり、
前記第2の半導体層は、Alを含まず、AsとPとを含有する化合物半導体層であり、
前記第3の半導体層は、その一部或いは全部にAlとPとを含有し、且つ、混晶組成が傾斜的或いは段階的に変化している化合物半導体層であることを特徴とする化合物半導体素子。
A semiconductor substrate and a semiconductor multilayer structure formed on the substrate;
The semiconductor multilayer structure has at least one semiconductor layer stack composed of a first semiconductor layer, a second semiconductor layer, and a third semiconductor layer positioned between them, and constitutes an active region of the compound semiconductor element. Including areas,
The first semiconductor layer is a compound semiconductor layer that does not contain P and contains Al,
The second semiconductor layer is a compound semiconductor layer that does not contain Al and contains As and P;
The third semiconductor layer is a compound semiconductor layer containing Al and P in a part or all of the third semiconductor layer and the mixed crystal composition changing in a gradient or stepwise manner. Semiconductor element.
前記第1の半導体層がAlGaInAs、AlInAs、AlGaAs、及びAlAsの群から選ばれた一者であり、第2の半導体層がGaInAsP、GaAsP、及びInAsPの群から選ばれた一者であり、第3の半導体層が(AlGa1−x)In1−yAs1−z(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、但し、x+y+z≠0)で表わされた化合物半導体材料層であることを特徴とする請求項1に記載の化合物半導体素子。The first semiconductor layer is one selected from the group of AlGaInAs, AlInAs, AlGaAs, and AlAs, and the second semiconductor layer is one selected from the group of GaInAsP, GaAsP, and InAsP; in 3 of the semiconductor layer (Al x Ga 1-x) y in 1-y As z P 1-z (0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1,0 ≦ z ≦ 1, however, x + y + z ≠ 0 ) The compound semiconductor device according to claim 1, wherein the compound semiconductor material layer is represented. 前記第1、第2、及び第3の半導体層の格子定数の不整合度が0.5%未満であることを特徴とする請求項1に記載の化合物半導体素子。  2. The compound semiconductor device according to claim 1, wherein the lattice constant mismatch degree of the first, second, and third semiconductor layers is less than 0.5%. 前記第1、第2、及び第3の半導体層の格子定数の不整合度が0.5%未満であることを特徴とする請求項2に記載の化合物半導体素子。  3. The compound semiconductor device according to claim 2, wherein a degree of mismatch of lattice constants of the first, second, and third semiconductor layers is less than 0.5%. 前記第1、第2、及び第3の半導体層における価電子帯頂上のエネルギー差が10meV以下であることを特徴とする請求項2に記載の化合物半導体素子。  3. The compound semiconductor device according to claim 2, wherein the energy difference at the top of the valence band in the first, second, and third semiconductor layers is 10 meV or less. 前記第1、第2、及び第3の半導体層における価電子帯頂上のエネルギー差が10meV以下であることを特徴とする請求項3に記載の化合物半導体素子。  4. The compound semiconductor device according to claim 3, wherein an energy difference at the top of the valence band in each of the first, second, and third semiconductor layers is 10 meV or less. 前記第1、及び第2の半導体層がタイプIのバンド構造を有し、第3の半導体層の伝導帯及び価電子帯のエネルギーが、第1、及び第2の半導体層のうちバンドギャップの大きい層から小さい層に向かって低下していることを特徴とする請求項2に記載の化合物半導体素子。  The first and second semiconductor layers have a type I band structure, and the conduction band and valence band energy of the third semiconductor layer has a band gap of the first and second semiconductor layers. The compound semiconductor element according to claim 2, wherein the compound semiconductor element decreases from a large layer toward a small layer. 前記第1、及び第2の半導体層がタイプIのバンド構造を有し、第3の半導体層の伝導帯及び価電子帯のエネルギーが、第1、及び第2の半導体層のうちバンドギャップの大きい層から小さい層に向かって低下していることを特徴とする請求項3に記載の化合物半導体素子。  The first and second semiconductor layers have a type I band structure, and the conduction band and valence band energy of the third semiconductor layer has a band gap of the first and second semiconductor layers. The compound semiconductor element according to claim 3, wherein the compound semiconductor element decreases from a large layer toward a small layer. 前記第1、第2、及びその中間に位置する第3の半導体層から成る半導体層積層を複数有することを特徴とする請求項1に記載の化合物半導体素子。  2. The compound semiconductor device according to claim 1, comprising a plurality of semiconductor layer stacks composed of the first, second, and third semiconductor layers located in the middle thereof. 前記半導体多層構造体が多重量子井戸層を有し、且つ
当該多重量子井戸層の基板側に第1のクラッド領域を、当該多重量子井戸層の基板と反対側に第2のクラッド領域を有し、
第1、第2、及びその中間に位置する第3の半導体層から成る前記半導体層積層が前記第2のクラッド領域の一部を構成し、
前記第2の半導体層が光の帰還手段を有し、半導体発光が可能なことを特徴とする請求項1に記載の化合物半導体素子。
The semiconductor multilayer structure has a multiple quantum well layer, a first cladding region on the substrate side of the multiple quantum well layer, and a second cladding region on the opposite side of the substrate of the multiple quantum well layer. ,
The semiconductor layer stack composed of the first, second, and third semiconductor layers located between them constitutes a part of the second cladding region;
2. The compound semiconductor device according to claim 1, wherein the second semiconductor layer has a light feedback means and can emit semiconductor light.
前記半導体多層構造体が多重量子井戸層を有し、且つ
当該多重量子井戸層の基板側に第1のクラッド領域を、当該多重量子井戸層の基板と反対側に第2のクラッド領域を有し、
前記第1のクラッド領域は、少なくとも第1、第2、及びその中間に位置する第3の半導体層から成る第1の半導体層積層を有し、
前記第2のクラッド領域は、少なくとも第1、第2、及びその中間に位置する第3の半導体層から成る第2の半導体層積層を有し、半導体発光が可能なことを特徴とする請求項1に記載の化合物半導体素子。
The semiconductor multilayer structure has a multiple quantum well layer, a first cladding region on the substrate side of the multiple quantum well layer, and a second cladding region on the opposite side of the substrate of the multiple quantum well layer. ,
The first cladding region has a first semiconductor layer stack composed of at least a first semiconductor layer, a second semiconductor layer, and a third semiconductor layer located between them,
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the second cladding region has a second semiconductor layer stack including at least a first semiconductor layer, a second semiconductor layer, and a third semiconductor layer located between the first semiconductor layer and the third semiconductor layer. 2. The compound semiconductor device according to 1.
前記第1の半導体層積層の第1の半導体層は基板側のクラッド層であり、前記第1の半導体層積層の第2の半導体層は基板側の光ガイド層であり、且つ
前記第2の半導体層積層の第1の半導体層は、前記多重量子井戸層に対して基板と反対側のクラッド層であり、前記第2の半導体層積層の第2の半導体層は、前記多重量子井戸層に対して基板と反対側の光ガイド層であることを特徴とした請求項11に記載の化合物半導体素子。
The first semiconductor layer of the first semiconductor layer stack is a clad layer on the substrate side, the second semiconductor layer of the first semiconductor layer stack is a light guide layer on the substrate side, and the second The first semiconductor layer of the semiconductor layer stack is a cladding layer opposite to the substrate with respect to the multiple quantum well layer, and the second semiconductor layer of the second semiconductor layer stack is the multiple quantum well layer. The compound semiconductor device according to claim 11, wherein the compound semiconductor device is a light guide layer opposite to the substrate.
半導体基板と、前記基板上部に形成された半導体多層構造体とを有し、
前記半導体多層構造体は、第1、第2、及びその中間に位置する第3の半導体層から成る半導体層積層を一組以上有し、且つ当該化合物半導体素子の活性領域を構成する半導体層積層領域を含み、
前記第1の半導体層は、Pを含まず、Alを含有する化合物半導体層であり、
前記第2の半導体層は、Alを含まず、AsとPとを含有する化合物半導体層であり、
前記第3の半導体層は、その一部或いは全部にAlとPとを含有し、且つ、混晶組成が傾斜的或いは段階的に変化している化合物半導体層である化合物半導体素子を有し、前記化合物半導体素子が3.3V電源で駆動可能なことを特徴とする半導体モジュール。
A semiconductor substrate and a semiconductor multilayer structure formed on the substrate;
The semiconductor multilayer structure has at least one semiconductor layer stack composed of a first semiconductor layer, a second semiconductor layer, and a third semiconductor layer positioned between them, and constitutes an active region of the compound semiconductor element. Including areas,
The first semiconductor layer is a compound semiconductor layer that does not contain P and contains Al,
The second semiconductor layer is a compound semiconductor layer that does not contain Al and contains As and P;
The third semiconductor layer has a compound semiconductor element that is a compound semiconductor layer that contains Al and P in part or all of the third semiconductor layer and the mixed crystal composition changes in a gradient or stepwise manner. A semiconductor module characterized in that the compound semiconductor element can be driven by a 3.3 V power source.
前記第1の半導体層がAlGaInAs、AlInAs、AlGaAs、及びAlAsの群から選ばれた一者であり、第2の半導体層がGaInAsP、GaAsP、及びInAsPの群から選ばれた一者であり、第3の半導体層が(AlGa1−x)In1−yAs1−z(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1但し、x+y+z≠0)で表わされた化合物半導体材料層であることを特徴とする請求項13に記載の半導体モジュール。The first semiconductor layer is one selected from the group of AlGaInAs, AlInAs, AlGaAs, and AlAs, and the second semiconductor layer is one selected from the group of GaInAsP, GaAsP, and InAsP; Table 3 of the semiconductor layer (Al x Ga 1-x) y in 1-y As z P 1-z (0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1,0 ≦ z ≦ 1 , however, x + y + z ≠ 0 ) The semiconductor module according to claim 13, wherein the semiconductor module is a compound semiconductor material layer.
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