JP7010546B2 - Optical semiconductor devices and their manufacturing methods - Google Patents
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Description
本発明は光半導体素子およびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to an optical semiconductor device and a method for manufacturing the same.
光通信システムなどには光を出力する光半導体素子が用いられている(特許文献1)。高温環境下における光半導体素子の高出力動作を実現するために、光半導体素子の直列抵抗の低減、および発光層である活性層への効率的な電流注入が重要である。電流注入の効率化のため、例えばn型、p型、n型およびp型の導電型の半導体層を積層したサイリスタ構造を活性層の近傍に形成することがある。 An optical semiconductor device that outputs light is used in an optical communication system or the like (Patent Document 1). In order to realize high output operation of the optical semiconductor element in a high temperature environment, it is important to reduce the series resistance of the optical semiconductor element and to efficiently inject a current into the active layer which is a light emitting layer. In order to improve the efficiency of current injection, for example, a thyristor structure in which n-type, p-type, n-type, and p-type conductive semiconductor layers are laminated may be formed in the vicinity of the active layer.
サイリスタ構造を形成するため、活性層の上にクラッド層を積層し、クラッド層の上にクラッド層とは反対の導電型のブロック層を設ける。しかし、活性層に注入される電流がブロック層により狭窄されるため、光半導体素子の直列抵抗が増加してしまう。また、活性層とブロック層との間でリーク電流が発生する恐れがある。 In order to form a thyristor structure, a clad layer is laminated on the active layer, and a conductive block layer opposite to the clad layer is provided on the clad layer. However, since the current injected into the active layer is narrowed by the block layer, the series resistance of the optical semiconductor device increases. In addition, a leak current may occur between the active layer and the block layer.
そこで、直列抵抗の低減およびリーク電流の抑制が可能な光半導体素子およびその製造方法を提供することを目的とする。 Therefore, it is an object of the present invention to provide an optical semiconductor device capable of reducing series resistance and suppressing leakage current, and a method for manufacturing the same.
本発明に係る光半導体素子は、半導体基板と、前記半導体基板の上に設けられたn型クラッド層と、前記n型クラッド層の上に設けられた活性層と、前記活性層の上に設けられた第1のp型クラッド層と、前記活性層の上であって前記第1のp型クラッド層の両側に設けられ、前記第1のp型クラッド層よりも高いキャリア濃度を有する第2のp型クラッド層と、前記第2のp型クラッド層の上に設けられたn型ブロック層と、前記第1のp型クラッド層および前記n型ブロック層の上に設けられた第3のp型クラッド層と、を具備するものである。 The optical semiconductor device according to the present invention is provided on a semiconductor substrate, an n-type clad layer provided on the semiconductor substrate, an active layer provided on the n-type clad layer, and an active layer. A second p-type clad layer provided on both sides of the first p-type clad layer on the active layer and having a higher carrier concentration than the first p-type clad layer. The p-type clad layer, the n-type block layer provided on the second p-type clad layer, and the third p-type clad layer and the third n-type block layer provided on the n-type block layer. It is provided with a p-type clad layer.
本発明に係る光半導体素子の製造方法は、半導体基板の上にn型クラッド層を形成する工程と、前記n型クラッド層の上に活性層を形成する工程と、前記活性層の上に第1のp型クラッド層を形成する工程と、前記第1のp型クラッド層にストライプ状のマスクを形成する工程と、前記ストライプ状のマスクをマスクにストライプ状のメサを形成する工程と、前記マスクをエッチングにより後退させる工程と、前記後退させたマスクを用いて、前記活性層の上であって前記第1のp型クラッド層の両側に、前記第1のp型クラッド層よりも高いキャリア濃度を有する第2のp型クラッド層を形成する工程と、前記第2のp型クラッド層の上にn型ブロック層を形成する工程と、前記第1のp型クラッド層および前記n型ブロック層の上に第3のp型クラッド層を形成する工程と、を有するものである。 The method for manufacturing an optical semiconductor device according to the present invention includes a step of forming an n-type clad layer on a semiconductor substrate, a step of forming an active layer on the n-type clad layer, and a first step on the active layer. 1. A step of forming a p-type clad layer, a step of forming a striped mask on the first p-type clad layer, a step of forming a striped mesa using the striped mask as a mask, and the above-mentioned step. Using the step of retracting the mask by etching and the retracted mask, carriers on both sides of the first p-type clad layer on the active layer are higher than those of the first p-type clad layer. A step of forming a second p-type clad layer having a concentration, a step of forming an n-type block layer on the second p-type clad layer, and the first p-type clad layer and the n-type block. It has a step of forming a third p-type clad layer on the layer.
上記発明によれば、直列抵抗の低減およびリーク電流の抑制が可能である。 According to the above invention, it is possible to reduce the series resistance and suppress the leakage current.
[本願発明の実施形態の説明]
最初に本願発明の実施形態の内容を列記して説明する。
本願発明の一形態は、(1)半導体基板と、前記半導体基板の上に設けられたn型クラッド層と、前記n型クラッド層の上に設けられた活性層と、前記活性層の上に設けられた第1のp型クラッド層と、前記活性層の上であって前記第1のp型クラッド層の両側に設けられ、前記第1のp型クラッド層よりも高いキャリア濃度を有する第2のp型クラッド層と、前記第2のp型クラッド層の上に設けられたn型ブロック層と、前記第1のp型クラッド層および前記n型ブロック層の上に設けられた第3のp型クラッド層と、を具備する光半導体素子光半導体素子である。第2のp型クラッド層のキャリア濃度が高いため、直列抵抗を低減し、かつ活性層からn型ブロック層に流れるリーク電流を抑制することができる。
(2)前記第2のp型クラッド層の厚さは0.05μm以上、0.15μm以下でもよい。これにより光半導体素子の直列抵抗を小さくすることができる。
(3)前記n型クラッド層と前記活性層とはメサを形成し、前記n型クラッド層の上であって前記メサの両側に設けられた、p型の埋込層を具備し、前記第2のp型クラッド層は、前記活性層の上から前記埋込層の上にかけて設けられてもよい。これにより直列抵抗を低減し、かつリーク電流を抑制することができる。
(4)前記n型クラッド層と前記活性層とはメサを形成し、前記メサの両側に設けられた埋込層を具備し、前記第2のp型クラッド層は前記活性層の上に設けられ、前記埋込層の上には設けられていなくてもよい。これにより直列抵抗を低減し、かつリーク電流を抑制することができる。
(5)本発明は、半導体基板の上にn型クラッド層を形成する工程と、前記n型クラッド層の上に活性層を形成する工程と、前記活性層の上に第1のp型クラッド層を形成する工程と、前記第1のp型クラッド層にストライプ状のマスクを形成する工程と、前記ストライプ状のマスクをマスクにストライプ状のメサを形成する工程と、前記マスクをエッチングにより後退させる工程と、前記後退させたマスクを用いて、前記活性層の上であって前記第1のp型クラッド層の両側に、前記第1のp型クラッド層よりも高いキャリア濃度を有する第2のp型クラッド層を形成する工程と、前記第2のp型クラッド層の上にn型ブロック層を形成する工程と、前記第1のp型クラッド層および前記n型ブロック層の上に第3のp型クラッド層を形成する工程と、を有する光半導体素子の製造方法である。第2のp型クラッド層のキャリア濃度が高いため、直列抵抗を低減し、かつ活性層からn型ブロック層に流れるリーク電流を抑制することができる。
(6)前記第2のp型クラッド層を形成する工程は、前記後退させたマスクを用いて前記第1のp型クラッド層をエッチングする工程と、前記第1のp型クラッド層をエッチングする工程の後、MOCVD法により前記第2のp型クラッド層を形成する工程と、を含んでもよい。MOCVD法により第2のp型クラッド層を形成することができる。
(7)前記第2のp型クラッド層を形成する工程は、前記第1のp型クラッド層の一部にドーパントを気相拡散することにより前記第2のp型クラッド層を形成する工程でもよい。これにより高キャリア濃度の第2のp型クラッド層を形成することができる。
(8)前記メサの両側にp型の埋込層を形成する工程と、前記埋込層の上に別のマスクを形成する工程と、を有し、前記第2のp型クラッド層を形成する工程は、前記第1のp型クラッド層のうち前記後退させたマスクおよび前記別のマスクから露出する部分に前記ドーパントを気相拡散する工程でもよい。これにより高キャリア濃度の第2のp型クラッド層を形成することができる。
[Explanation of Embodiments of the present invention]
First, the contents of the embodiments of the present invention will be listed and described.
One embodiment of the present invention comprises (1) a semiconductor substrate, an n-type clad layer provided on the semiconductor substrate, an active layer provided on the n-type clad layer, and an active layer on the active layer. A first p-type clad layer provided and a second p-type clad layer provided on both sides of the first p-type clad layer on the active layer and having a higher carrier concentration than the first p-type clad layer. 2. The p-type clad layer, the n-type block layer provided on the second p-type clad layer, and the third p-type clad layer and the third n-type block layer provided on the first p-type clad layer and the n-type block layer. An optical semiconductor device comprising the p-type clad layer of the above. Since the carrier concentration of the second p-type clad layer is high, it is possible to reduce the series resistance and suppress the leakage current flowing from the active layer to the n-type block layer.
(2) The thickness of the second p-type clad layer may be 0.05 μm or more and 0.15 μm or less. This makes it possible to reduce the series resistance of the optical semiconductor device.
(3) The n-type clad layer and the active layer form a mesa, and a p-type embedded layer provided on both sides of the n-type clad layer on the n-type clad layer is provided. The p-
(4) The n-type clad layer and the active layer form a mesa, provided with embedded layers provided on both sides of the mesa, and the second p-type clad layer is provided on the active layer. It does not have to be provided on the embedded layer. As a result, the series resistance can be reduced and the leakage current can be suppressed.
(5) The present invention comprises a step of forming an n-type clad layer on a semiconductor substrate, a step of forming an active layer on the n-type clad layer, and a first p-type clad on the active layer. A step of forming a layer, a step of forming a striped mask on the first p-type clad layer, a step of forming a striped mesa using the striped mask as a mask, and a step of retreating the mask by etching. A second step, using the retracted mask, having a higher carrier concentration than the first p-type clad layer on both sides of the first p-type clad layer on the active layer. A step of forming the p-type clad layer, a step of forming an n-type block layer on the second p-type clad layer, and a first step on the first p-type clad layer and the n-type block layer. 3 is a method for manufacturing an optical semiconductor device having a step of forming a p-type clad layer. Since the carrier concentration of the second p-type clad layer is high, it is possible to reduce the series resistance and suppress the leakage current flowing from the active layer to the n-type block layer.
(6) In the step of forming the second p-type clad layer, the step of etching the first p-type clad layer using the retracted mask and the step of etching the first p-type clad layer. After the step, the step of forming the second p-type clad layer by the MOCVD method may be included. A second p-type clad layer can be formed by the MOCVD method.
(7) The step of forming the second p-type clad layer is also a step of forming the second p-type clad layer by gas-phase diffusing a dopant in a part of the first p-type clad layer. good. This makes it possible to form a second p-type clad layer having a high carrier concentration.
(8) The second p-type clad layer is formed by having a step of forming a p-type embedded layer on both sides of the mesa and a step of forming another mask on the embedded layer. The step may be a step of gas-phase diffusing the dopant in a portion of the first p-type clad layer exposed from the retracted mask and the other mask. This makes it possible to form a second p-type clad layer having a high carrier concentration.
[本願発明の実施形態の詳細]
本発明の実施形態に係る光半導体素子およびその製造方法の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
[Details of Embodiments of the present invention]
Specific examples of the optical semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. It should be noted that the present invention is not limited to these examples, and is indicated by the scope of claims, and is intended to include all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of claims.
(シミュレーション)
はじめに、光半導体素子の直列抵抗およびリーク電流について検証したシミュレーションを説明する。図1はシミュレーションに用いた光半導体素子90を例示する断面図である。
(simulation)
First, a simulation that verifies the series resistance and leakage current of an optical semiconductor device will be described. FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating the
図1に示すように、基板10の上に、n型クラッド層12、活性層14およびp型クラッド層16が積層され、これらはメサ11を形成する。n型クラッド層12の上であってメサ11の両側に埋込層18が設けられている。p型クラッド層16の上面の周縁部から埋込層18の上面にかけてn型ブロック層22が設けられている。p型クラッド層16の中央部およびn型ブロック層22の上にp型クラッド層24が設けられ、p型クラッド層24の上にp型コンタクト層26が設けられている。基板10からp型コンタクト層26にかけて、n型、p型、n型およびp型の導電型の層を積層したサイリスタ構造が形成される。p型コンタクト層26の上に絶縁膜28および電極30が設けられている。基板10の下面に電極36が設けられている。
As shown in FIG. 1, an n-type clad
基板10およびn型クラッド層12はシリコン(Si)をドープしたn型インジウムリン(InP)により形成されている。活性層14は、亜鉛(Zn)をドープした複数のインジウムガリウム砒素リン(InGaAsP)層を積層した多重量子井戸(MQW:Multi Quantum Well)構造を有する。p型クラッド層16および24、ならびに埋込層18はZnをドープしたp型InPで形成されている。n型ブロック層22はn型InPで形成されている。p型コンタクト層26はZnをドープしたp型InGaAsで形成されている。絶縁膜28は窒化シリコン(SiN)で形成されている。電極30および36は金(Au)などで形成されている。
The
図2(a)は光半導体素子90の直列抵抗の計算結果である。横軸はp型クラッド層16の厚さ、縦軸は直列抵抗を表す。p型クラッド層16のキャリア濃度が高いほど、p型クラッド層16の電気抵抗は低くなり、光半導体素子90の直列抵抗も低くなる。図2(a)のシミュレーションにおいては、キャリア濃度は1.8×1018cm-3で一定とした。またn型ブロック層22の厚さを0.15μm、活性層14の幅を1.25μm、共振器長を150μmとした。図2(a)に示すように、p型クラッド層16が薄いほど直列抵抗は低減する。電流はp型クラッド層24および16を介して活性層14に注入される。n型ブロック層22が電流を狭窄することで、直列抵抗が増大するものと推定される。p型クラッド層16が薄くなると、狭窄された電流の流れる距離が短くなり、直列抵抗の増大が抑制されると考えられる。すなわち、直列抵抗を低くするためには、p型クラッド層16を薄くすることが有効である。しかしながらリーク電流が増大する恐れがある。
FIG. 2A is a calculation result of the series resistance of the
図2(b)は駆動電流の実験結果である。横軸は光半導体素子90の温度を表す。縦軸は光出力16mWを出すための駆動電流を表す。駆動電流が大きいほど、活性層14からp型クラッド層16を介してn型ブロック層22に流れるリーク電流が大きいことを表す。図中の四角はp型クラッド層16の厚さが0.05μmの場合の実験結果、三角は厚さ0.07μmの場合の実験結果、丸は厚さ0.1μmの場合の実験結果を表す。図2(b)に示すように、温度が高くなるほど駆動電流は大きくなり、かつp型クラッド層16が薄いほど駆動電流が増大する。
FIG. 2B shows the experimental results of the drive current. The horizontal axis represents the temperature of the
以上のように、p型クラッド層16を薄くすることで、直列抵抗を低くすることができるが、リーク電流は増大してしまう。リーク電流を抑制するためには、伝導帯に大きなエネルギー障壁が形成されることが好ましい。以下、エネルギー障壁のシミュレーションについて説明する。
As described above, by thinning the p-type clad
図3(a)は伝導帯の電位の計算結果である。横軸はp型コンタクト層26の表面からの深さ、縦軸は光半導体素子90の伝導帯の電位を表す。実線はp型クラッド層16の厚さが0.5μmの場合の計算結果、破線は厚さが0.1μmの場合の計算結果である。キャリア濃度は5×1017cm-3とした。図3(a)に示すように、伝導帯には、np接合の界面(p型クラッド層16とn型ブロック層22との界面)において、エネルギー障壁b1およびb2が形成される。厚さ0.5μmの場合におけるエネルギー障壁b1は0.2V程度であり、厚さ0.1μmの場合のエネルギー障壁b2より大きい。
FIG. 3A is a calculation result of the potential of the conduction band. The horizontal axis represents the depth from the surface of the p-
図3(b)はエネルギー障壁の計算結果である。横軸はp型クラッド層16の厚さ、縦軸はp型クラッド層16とn型ブロック層22との界面におけるエネルギー障壁である。p型クラッド層16のキャリア濃度は5×1017cm-3とした。図3(b)に示すように、p型クラッド層16が薄いほど、エネルギー障壁は小さくなる。例えば厚さが0.1μmならば、エネルギー障壁は0.008Vである。
FIG. 3B is a calculation result of the energy barrier. The horizontal axis is the thickness of the p-type clad
厚さが小さいほど、図4(a)および図4(b)に示したようにエネルギー障壁は小さくなり、図2(b)に示したようにリーク電流は大きくなる。すなわち、エネルギー障壁が低いとリーク電流が増大する。したがって、リーク電流を低減するためには、エネルギー障壁を高くすることが有効である。 The smaller the thickness, the smaller the energy barrier as shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b), and the larger the leak current as shown in FIG. 2 (b). That is, if the energy barrier is low, the leakage current increases. Therefore, in order to reduce the leakage current, it is effective to raise the energy barrier.
図4(a)はキャリア濃度とエネルギー障壁との関係を示す図である。横軸はp型クラッド層16のキャリア濃度を表し、縦軸はエネルギー障壁を表す。丸はp型クラッド層16の厚さが0.1μmの場合の計算結果、三角は厚さ0.08μmの場合の計算結果、正方形は厚さ0.06μmの場合の計算結果、ひし形は厚さ0.04μmの場合の計算結果を表す。いずれの厚さにおいてもキャリア濃度が高いほど、エネルギー障壁は大きくなる。例えば、厚さ0.04μmにおいて、キャリア濃度を1×1019cm-3とすることで、エネルギー障壁の大きさを約0.07Vとすることができる。
FIG. 4A is a diagram showing the relationship between the carrier concentration and the energy barrier. The horizontal axis represents the carrier concentration of the p-type clad
図4(b)は厚さとキャリア濃度との関係を示す図であり、エネルギー障壁を0.05Vとするように調節された厚さおよびキャリア濃度を示す。横軸はp型クラッド層16の厚さを表し、縦軸はp型クラッド層16のキャリア濃度を表す。図中の実線は、エネルギー障壁を0.05Vとするような厚さとキャリア濃度との関係を表す。図4(b)に示すように、p型クラッド層16を薄くするにしたがい、キャリア濃度を高くする。これによりエネルギー障壁の高さを0.05Vに維持することができる。例えば厚さ0.1μmの場合、キャリア濃度を約2×1018cm-3とする。厚さ0.06μmの場合、キャリア濃度を約5×1018cm-3とする。図4(b)の結果より、エネルギー障壁を0.05V以上とするためには、以下の(1)式が成り立てばよい。Tはp型クラッド層16の厚さ、dはキャリア濃度、nは1.5である。
d×Tn>6.5e16 (1)
FIG. 4B is a diagram showing the relationship between the thickness and the carrier concentration, and shows the thickness and the carrier concentration adjusted so that the energy barrier is 0.05V. The horizontal axis represents the thickness of the p-type clad
d × T n > 6.5e16 (1)
図2(a)に示すようにp型クラッド層16を薄くすることで直列抵抗を低くすることができる。また、図4(a)および図4(b)に示すように、キャリア濃度を高めることでエネルギー障壁を大きくし、リーク電流を抑制することができる。以上の知見に基づいた実施例について説明する。
As shown in FIG. 2A, the series resistance can be reduced by thinning the p-type clad
(光半導体素子)
図5(a)は実施例1に係る光半導体素子100を例示する平面図である。図5(b)は図5(a)の線A-Aに沿った断面図である。図6はメサ11付近を拡大した断面図である。X方向、Y方向およびZ方向は互いに直交する。
(Optical semiconductor device)
FIG. 5A is a plan view illustrating the
図5(a)に示すように、光半導体素子100はXY平面に広がる矩形の半導体レーザ素子である。X方向の長さL1およびY方向の長さL2は例えば200μm~500μmである。
As shown in FIG. 5A, the
図5(b)に示すように、基板10(半導体基板)の上にn型クラッド層12が設けられ、n型クラッド層12には溝13および15が形成されている。溝13と溝15との間にメサ11が形成されている。メサ11付近の構成については後述する。溝13から-X側端部まで、および溝15から+X側端部までのそれぞれの領域において、n型クラッド層12の上に、埋込層18、p型クラッド層20、n型ブロック層22、p型クラッド層24、p型コンタクト層26および絶縁膜28が順に積層されている。絶縁膜28は光半導体素子100の表面を覆い、溝13内およびメサ11上に開口部を有する。
As shown in FIG. 5B, an n-type clad
溝13内には、n型クラッド層12に接触する電極31が設けられている。溝13から-X側のp型コンタクト層26の上にかけて、絶縁膜28の上に配線32が設けられている。電極33は配線32の上面に接触する。配線32は溝13内において電極31に接触する。メサ11から+X側のp型コンタクト層26の上にかけて、絶縁膜28の上に配線34が設けられている。電極35は配線34の上面に接触する。配線34はメサ11上において電極30に接触する。配線32と配線34とは離間している。配線32、電極31および33は互いに電気的に接続されている。配線34、電極30および35は互いに電気的に接続されている。
An
図5(b)に示すように溝13および15の間にメサ11が位置し、メサ11はY方向に延伸する。図6に示すように、n型クラッド層12、活性層14およびp型クラッド層16がストライプ状のメサ11を形成する。n型クラッド層12が凸形状を有し、n型クラッド層12の上面に活性層14が接触している。活性層14の上面の中央部に、p型クラッド層16(第1のp型クラッド層)が接触している。埋込層18はメサ11の両側に位置し、n型クラッド層12および活性層14の側面に接触する。埋込層18の上から活性層14の上面の周縁部にかけて、p型クラッド層20(第2のp型クラッド層)が設けられている。n型ブロック層22は、p型クラッド層20の上に設けられ、p型クラッド層16の上には設けられていない。p型クラッド層20は埋込層18および活性層14それぞれの上面に接触し、n型ブロック層22はp型クラッド層20の上面に接触している。
As shown in FIG. 5B, the
p型クラッド層24(第3のp型クラッド層)は、p型クラッド層16およびn型ブロック層22の上に設けられ、これらの上面に接触する。p型クラッド層24の上にp型コンタクト層26および絶縁膜28が順に積層されている。絶縁膜28はメサ11上に開口部28aを有している。電極30は、開口部28aから露出するp型コンタクト層26に接触する。基板10の下面には電極36が接触する。図5(b)に示した電極35および配線34を介して、電極30には例えば変調信号およびバイアス電流などが供給される。電極30は活性層14に電流を供給するための電極として機能する。
The p-type clad layer 24 (third p-type clad layer) is provided on the p-type clad
基板10およびn型クラッド層12は、例えばシリコン(Si)がドープされたn型InPにより形成され、キャリア濃度は例えば1×1018cm-3である。活性層14は、Znをドープした複数のInGaAsP層を積層した多重量子井戸構造を有し、キャリアの再結合により光を発生させる。p型クラッド層16および24、ならびに埋込層18は、例えばZnをドープしたp型InPで形成されている。p型クラッド層16の厚さは例えば0.1μm、p型クラッド層24の厚さは例えば1.5μmである。p型クラッド層16および24のキャリア濃度は例えば5×1017cm-3である。
The
p型クラッド層20は例えばZnをドープしたp型InPで形成されている。厚さは例えば0.1μmであり、p型クラッド層16の厚さに等しい。p型クラッド層20のキャリア濃度は、埋込層18、p型クラッド層16および24よりも高く、例えば2×1018cm-3である。n型ブロック層22は、例えばSiをドープしたn型InPで形成され、キャリア濃度は2×1018cm-3、厚さは0.3μmである。p型コンタクト層26はZnをドープしたp型InGaAsで形成され、厚さは例えば0.1μmである。メサ11の両側において、基板10からp型コンタクト層26にかけて、n型、p型、n型およびp型の導電型の層を積層したサイリスタ構造が形成される。絶縁膜28は例えばSiNなどの絶縁体で形成されている。電極30および36はAuなどの金属で形成されている。
The p-type clad
(製造方法)
図7(a)から図10(b)は光半導体素子100の製造方法を例示する断面図であり、図6に対応する部分を図示している。光半導体素子100の他の部分も同様の工程により形成される。
(Production method)
7 (a) to 10 (b) are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing the
図7(a)に示すように、例えば有機金属気相成長(MOCVD:Metal Oxide Chemical Vapor Deposition)法により、基板10の上に、n型クラッド層12、活性層14、およびp型クラッド層16を順にエピタキシャル成長する。p型クラッド層16の厚さは例えば0.1μmである。MOCVD装置内の温度(成長温度)は例えば620℃、成長圧力は例えば0.1気圧である。n型クラッド層12の原料ガスは、例えばトリメチルインジウム(TMIn:Trimethyl Indium)、フォスフィン(PH3)およびシラン(SiH4)を含む。活性層14の原料ガスは、例えばTMIn、トリエチルガリウム(TEGa:Triethyl Gallium)、PH3およびアルシン(AsH3)を含む。p型クラッド層16の原料ガスは、例えばTMIn、PH3およびDMZを含む。ドーパントの原料ガスであるDMZの流量は例えば0.02ccmであり、0.1ccm未満である。p型クラッド層16の上面に、ストライプ状の酸化シリコン(SiO2)のマスク40を形成する。マスク40はp型クラッド層16の一部を覆う。
As shown in FIG. 7 (a), for example, by the organic metal vapor deposition (MOCVD) method, the n-type clad
図7(b)に示すように、例えばドライエッチング法により、p型クラッド層16、活性層14およびn型クラッド層12をエッチングし、メサ11を形成する。エッチング深さは例えば1.5μmである。マスク40下の部分はエッチングされない。
As shown in FIG. 7B, the p-type clad
図8(a)に示すように、例えばMOCVD法を用いて、メサ11の両側に、p型InPの埋込層18を成長する。原料ガスは、例えばTMIn、PH3およびDMZなどを含む。マスク40が成長マスクとして機能するため、マスク40下に埋込層18は成長しない。図8(b)に示すように、例えば希釈したフッ酸などを用いてマスク40をエッチングし、後退させる。マスク40の幅および高さが小さくなり、p型クラッド層16の上面のうち周縁部がマスク40から露出する。
As shown in FIG. 8A, for example, the MOCVD method is used to grow p-type InP embedded layers 18 on both sides of the
図9(a)に示すように、例えば希釈したシュウ酸を用いて、p型クラッド層16および埋込層18をエッチングする。これによりp型クラッド層16のうち周縁部が除去され、活性層14が露出する。また、埋込層18は活性層14と同程度の高さまでエッチングされる。p型クラッド層16のうちマスク40下の部分はエッチングされず、活性層14の上面のうち中央部にp型クラッド層16が残存する。図9(b)に示すように、例えばマスク40を用いたMOCVD法により、p型InPのp型クラッド層20を成長する。原料ガスは例えばTMIn、PH3およびDMZなどを含み、DMZの流量は例えば0.1ccm以上である。p型クラッド層20のキャリア濃度は例えば2×1018cm-3である。p型クラッド層20は、活性層14の上面のうちマスク40から露出する部分から埋込層18の上面にかけて設けられ、これらに接触する。p型クラッド層20の厚さは例えばp型クラッド層16と同じく0.1μmである。
As shown in FIG. 9A, the p-type clad
図10(a)に示すように、例えばマスク40を用いたMOCVD法により、p型クラッド層20の上に、n型InPのn型ブロック層22を成長する。原料ガスは例えばTMIn、PH3、およびSiH4を含む。図10(b)に示すように、マスク40を例えばフッ化水素酸に1分間浸すことで除去する。マスク40の除去後、MOCVD法により、p型クラッド層16およびn型ブロック層22の上に、p型クラッド層24およびp型コンタクト層26を順に成長する。p型クラッド層24の原料ガスは例えばTMIn、PH3、およびDMZを含む。p型コンタクト層26の原料ガスは例えばTMIn、TEGa、AsH3およびDMZを含む。図6に示したように、p型コンタクト層26の上に例えばプラズマCVD法などにより絶縁膜28を形成し、蒸着法などにより電極30をp型コンタクト層26の上に設け、基板10の下に電極36を形成する。以上の工程により、光半導体素子100を形成する。
As shown in FIG. 10A, an n-
実施例1によれば、活性層14の上にp型クラッド層16および20が設けられ、p型クラッド層20の上にn型ブロック層22が設けられている。p型クラッド層20のキャリア濃度は例えば2×1018cm-3であり、p型クラッド層16よりも高い。このため、p型クラッド層20とn型ブロック層22との界面のエネルギー障壁が高くなる(図4(a)参照)。この結果、活性層14からn型ブロック層22へと流れるリーク電流を抑制することができる。また、高キャリア濃度のp型クラッド層20はp型クラッド層16よりも低抵抗になるため、光半導体素子100の直列抵抗を低くすることができる。
According to Example 1, the p-type clad
p型ドーパント(Zn)が活性層14に拡散し、非発光再結合中心の増加、多重量子井戸の混晶化を引き起こす恐れがある。実施例1によれば、p型クラッド層20は、活性層14の上であってp型クラッド層16の両側に設けられ、活性層14の上面のうち周縁部に接触する。p型クラッド層20と活性層14との接触面積が小さいため、Znの拡散が抑制される。
The p-type dopant (Zn) may diffuse into the
p型クラッド層20の製造工程ではp型クラッド層16の製造工程よりもDMZの流量を多くする。これによりMOCVD法を用いて高濃度のp型クラッド層20を形成することができる。例えばDMZの流量を0.1ccm以上とすることで、p型クラッド層20のキャリア濃度を例えば2×1018cm-3とすることができる。
In the manufacturing process of the p-type clad
p型クラッド層20とn型ブロック層22との間のエネルギー障壁を例えば0.05V以上とするために、前述の(1)式の関係が成り立てばよい。すなわち、p型クラッド層20の厚さをTとし、キャリア濃度をdとし、nを1.5とした場合、以下の関係である。
d×Tn>6.5e16 (1)
キャリア濃度が低い場合、p型クラッド層20を厚くし、キャリア濃度が高い場合、p型クラッド層20を薄くする。エピタキシャル成長するp型クラッド層20のキャリア濃度は最大で例えば2×1018cm-3程度である。図4(b)より、厚さを例えば約0.1μmとすることで、前述の(1)式の関係が満たされる。この結果、0.05V以上のエネルギー障壁を形成することができる。nは例えば1以上、1.5以下でもよい。
In order to set the energy barrier between the p-type clad
d × T n > 6.5e16 (1)
When the carrier concentration is low, the p-type clad
図2(a)に示したようにp型クラッド層が薄いほど直列抵抗は小さくなるが、図2(b)に示したようにリーク電流は増大してしまう。直列抵抗の低減とリーク電流の抑制とを両立させるため、p型クラッド層20の厚さは適切な範囲とすることが好ましい。例えば図4(b)に示したように、厚さは0.05μm以上、0.15μm以下であることが好ましく、0.03μm以上、0.07μm以上、0.1μm以下、0.2μm以下でもよい。また、直列抵抗の低減のため、p型クラッド層16の厚さも例えば0.05μm以上、0.15μm以下とすることが好ましく、p型クラッド層20の厚さに等しくすればよい。
As shown in FIG. 2A, the thinner the p-type clad layer, the smaller the series resistance, but as shown in FIG. 2B, the leakage current increases. The thickness of the p-type clad
n型クラッド層12の上であってメサ11の両側にp型の埋込層18が設けられる。埋込層18の上に、p型クラッド層20、n型ブロック層22、p型クラッド層24およびp型コンタクト層26が順に積層される。すなわち、n型クラッド層12からp型コンタクト層26にかけてn型、p型、n型、p型の層が順に並ぶことで、サイリスタ構造が形成される。これにより活性層14への効率的な電流注入が可能となる。
A p-type embedded
実施例2は、実施例1とは異なる製造方法を用いる例である。実施例1と同じ構成については説明を省略する。光半導体素子は図5(a)から図6に示したものと同じである。図11(a)および図11(b)は実施例2に係る光半導体素子の製造方法を例示する断面図である。図7(a)から図8(b)までの工程は実施例1と共通である。 Example 2 is an example in which a manufacturing method different from that of Example 1 is used. The description of the same configuration as that of the first embodiment will be omitted. The optical semiconductor element is the same as that shown in FIGS. 5A to 6. 11 (a) and 11 (b) are cross-sectional views illustrating the method for manufacturing the optical semiconductor device according to the second embodiment. The steps from FIG. 7 (a) to FIG. 8 (b) are the same as those in the first embodiment.
図11(a)に示すように、マスク40をエッチングし、p型クラッド層16のうち周縁部をマスク40から露出させる。DMZを流すことで、マスク40から露出するp型クラッド層16、および埋込層18の上面付近にZnを拡散させる。マスク40は拡散マスクとして機能し、p型クラッド層16の中央部はマスク40の下に位置するためZnが拡散しにくい。例えば、DMZの流量は3.4slm、Znの拡散時間は1分、温度は520℃とする。これにより、図11(b)に示すように、p型クラッド層16および埋込層18の上にp型クラッド層16よりも高キャリア濃度の領域、すなわちp型クラッド層20が形成される。p型クラッド層20のZn濃度は例えば5×1018cm-3である。p型クラッド層20形成後の工程は、実施例1と同じである。
As shown in FIG. 11A, the
実施例2によれば、実施例1と同様に、直列抵抗の低減およびリーク電流の抑制が可能である。また、Znの気相拡散によりp型クラッド層20を形成する。このため、エピタキシャル成長したp型クラッド層20に比べて、キャリア濃度を高めることができる。
According to the second embodiment, it is possible to reduce the series resistance and suppress the leakage current as in the first embodiment. Further, the p-type clad
図12はDMZ流量とキャリア濃度との関係を示す図である。横軸は気相拡散に用いるDMZの流量を表し、縦軸はp型クラッド層20のキャリア濃度を表す。図12に示すように、DMZの流量が多いほどキャリア濃度は高まる。エピタキシャル成長ではキャリア濃度は最大で例えば2×1018cm-3程度であるが、気相拡散によりキャリア濃度をさらに高めることができる。DMZの流量を大きくすることで、キャリア濃度を例えば3×1018cm-3以上、5×1018cm-3以上などとすることができる。
FIG. 12 is a diagram showing the relationship between the DMZ flow rate and the carrier concentration. The horizontal axis represents the flow rate of the DMZ used for vapor phase diffusion, and the vertical axis represents the carrier concentration of the p-type clad
エネルギー障壁を0.05V以上とするため、前述の(1)式が成り立つようにp型クラッド層20のキャリア濃度および厚さを定める。図4(b)に示したように、キャリア濃度が高いほど、厚さを小さくすることが好ましい。実施例2によれば、キャリア濃度を例えば2×1018cm-3以上にすることができるため、厚さを0.1μm以下とすることが好ましい。キャリア濃度を例えば5×1018cm-3とする場合、p型クラッド層20の厚さを例えば0.06μmとする。エネルギー障壁を0.05V以上とすることでリーク電流を抑制することができる。また、p型クラッド層16および20を薄くすることで、直列抵抗を低くすることができる。
In order to set the energy barrier to 0.05 V or more, the carrier concentration and the thickness of the p-type clad
(光半導体素子)
実施例3は、実施例1および2とはp型クラッド層20の大きさを変えた例である。実施例1または2と同じ構成については説明を省略する。図13は実施例3に係る光半導体素子300を例示する断面図である。図13に示すように、光半導体素子300のp型クラッド層20は、活性層14の上面のうち周縁部に設けられ、埋込層18の上には設けられていない。埋込層18は、例えば鉄(Fe)をドープしたp型InPにより形成され、n型クラッド層12、活性層14およびp型クラッド層20の両側に設けられている。すなわち、p型クラッド層20は、p型クラッド層16と埋込層18とに挟まれる。n型ブロック層22は、p型クラッド層16と埋込層18との上に設けられている。
(Optical semiconductor device)
Example 3 is an example in which the size of the p-type clad
(製造方法)
図14(a)から図16(b)は光半導体素子300の製造方法を例示する断面図である。図7(a)から図8(b)までの工程は実施例1と共通であるが、埋込層18の原料ガスとして、例えばTMIn、PH3、およびフェロセン(Fe(C5H5)2)を用いる。
(Production method)
14 (a) to 16 (b) are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing the
図14(a)に示すように、マスク40をエッチングし、p型クラッド層16の上面のうち周縁部をマスク40から露出させる。図14(b)に示すように、埋込層18の上面に例えばSiO2のマスク42を形成する。マスク40とマスク42とは離間しており、これらの間からp型クラッド層16が露出する。
As shown in FIG. 14A, the
図15(a)に示すように、DMZを流すことで、p型クラッド層16にZnを拡散させる。例えば、DMZの流量は3.4slm、Znの拡散時間は1分、温度は520℃とする。これにより、p型クラッド層16の周縁部から高キャリア濃度のp型クラッド層20を形成する。p型クラッド層20のZn濃度は例えば5×1018cm-3である。メサ11は、n型クラッド層12、活性層14、p型クラッド層16およびp型クラッド層20により形成される。マスク40および42は拡散マスクとして機能し、マスク40下のp型クラッド層16、およびマスク42下の埋込層18にはZnが拡散しにくい。
As shown in FIG. 15A, Zn is diffused in the p-type clad
図15(b)に示すように、例えば希釈したフッ酸を用いてマスク42を除去する。図16(a)に示すように、例えばMOCVD法により、埋込層18およびp型クラッド層20の上に、n型ブロック層22を成長する。図16(b)に示すように、マスク40を除去した後、例えばMOCVD法により、p型クラッド層24およびp型コンタクト層26を成長する。これ以降の工程は、実施例1と同じであり、光半導体素子300が形成される。
As shown in FIG. 15 (b), the
実施例3によれば、実施例2と同様にZnの気相拡散により、キャリア濃度の高いp型クラッド層20を形成することができる。これにより直列抵抗の低減およびリーク電流の抑制が可能である。エネルギー障壁を0.05V以上とするため、前述の(1)式が成り立つようにp型クラッド層20のキャリア濃度および厚さを定める。例えばキャリア濃度を5×1018cm-3以上とする場合、p型クラッド層20およびp型クラッド層16の厚さを例えば0.06μmとする。
According to the third embodiment, the p-type clad
実施例2においては、埋込層18およびp型クラッド層16にZnを気相拡散することで、p型クラッド層20を形成する。このため、埋込層18はZnドープInPで形成される。一方、実施例3においては、p型クラッド層20はp型クラッド層16へのZnの気相拡散で形成され、埋込層18にはZnを拡散させない。このため、埋込層18のドーパントとして、p型クラッド層20とは異なるもの(例えばFe)を用いてもよい。これにより高抵抗の埋込層18が得られる。なお実施例3においてもZnドープInPで埋込層18を形成してもよい。
In Example 2, the p-type clad
実施例1~3において、p型クラッド層16および20のドーパントとしてZn以外にカドミウム(Cd)、炭素(C)、ベリリウム(Be)などを用いてもよい。実施例1~3において基板10、およびn型クラッド層12はInP以外の化合物半導体で形成されてもよい。ただし、埋込層18、p型クラッド層20、n型ブロック層22などInPの層との格子整合のため、基板10およびn型クラッド層12もInPで形成することが好ましい。
In Examples 1 to 3, cadmium (Cd), carbon (C), beryllium (Be) and the like may be used in addition to Zn as the dopant of the p-type clad
10 基板
11 メサ
12 n型クラッド層
13、15 溝
14 活性層
16、20、24 p型クラッド層
18 埋込層
22 n型ブロック層
26 p型コンタクト層
28 絶縁膜
28a 開口部
30、31、33、35、36 電極
32、34 配線
40、42 マスク
90、100、300 光半導体素子
10
Claims (3)
メサ構造を有する、前記半導体基板の上に設けられたn型クラッド層および前記n型クラッド層の上に設けられた活性層と、
前記活性層の上に設けられ、前記活性層よりも幅が狭い第1のp型クラッド層と、
前記活性層の上であって前記第1のp型クラッド層の両側面に接して設けられ、前記第1のp型クラッド層よりも高いキャリア濃度を有する第2のp型クラッド層と、
前記メサ構造の前記n型クラッド層および前記活性層の側面から前記第2のp型クラッド層の下面に延在して設けられた、前記第2のp型クラッド層よりも低いキャリア濃度を有するp型の埋込層と、
前記活性層の上の領域を含む前記第2のp型クラッド層の上に設けられたn型ブロック層と、
前記第1のp型クラッド層および前記n型ブロック層の上に設けられた第3のp型クラッド層と、を具備する光半導体素子。 With a semiconductor substrate,
An n-type clad layer provided on the semiconductor substrate and an active layer provided on the n-type clad layer having a mesa structure .
A first p-type clad layer provided on the active layer and narrower than the active layer ,
A second p-type clad layer on the active layer, which is provided in contact with both side surfaces of the first p-type clad layer and has a higher carrier concentration than the first p-type clad layer.
It has a lower carrier concentration than the second p-type clad layer, which is provided extending from the side surface of the n-type clad layer and the active layer of the mesa structure to the lower surface of the second p-type clad layer. With a p-shaped embedded layer,
An n-type block layer provided on the second p-type clad layer including a region above the active layer, and an n-type block layer.
An optical semiconductor device comprising the first p-type clad layer and a third p-type clad layer provided on the n-type block layer.
前記n型クラッド層の上に活性層を形成する工程と、
前記活性層の上に第1のp型クラッド層を形成する工程と、
前記第1のp型クラッド層にストライプ状のマスクを形成する工程と、
前記ストライプ状のマスクをマスクにストライプ状の前記n型クラッド層、前記活性層、前記第1のp型クラッド層からなるメサを形成する工程と、
前記メサの両側にp型の埋込層を形成する工程と、
前記ストライプ状のマスクをエッチングにより後退させ、前記第1のp型クラッド層を前記ストライプ状のマスクから露出させる工程と、
前記後退させたマスクを用いて、前記第1のp型クラッド層の幅を前記活性層よりも狭くする工程と、
前記後退させたマスクを用いて、前記活性層の上であって前記第1のp型クラッド層の両側面に接して、前記第1のp型クラッド層よりも高いキャリア濃度を有する第2のp型クラッド層を形成する工程と、
前記活性層の上の領域を含む前記第2のp型クラッド層の上にn型ブロック層を形成する工程と、
前記第1のp型クラッド層および前記n型ブロック層の上に第3のp型クラッド層を形成する工程と、を有し、前記p型の埋込層のキャリア濃度は前記第2のp型クラッド層よりも低い、光半導体素子の製造方法。 The process of forming an n-type clad layer on a semiconductor substrate and
The step of forming an active layer on the n-type clad layer and
The step of forming the first p-type clad layer on the active layer and
The step of forming a striped mask on the first p-type clad layer and
A step of forming a mesa composed of the striped n-type clad layer, the active layer, and the first p-type clad layer using the striped mask as a mask.
The step of forming a p-type embedded layer on both sides of the mesa, and
A step of retracting the striped mask by etching to expose the first p-type clad layer from the striped mask .
A step of narrowing the width of the first p-type clad layer to be narrower than that of the active layer by using the retracted mask.
Using the retracted mask, a second layer on the active layer, in contact with both sides of the first p-type clad layer, has a higher carrier concentration than the first p-type clad layer. The process of forming the p-type clad layer and
A step of forming an n-type block layer on the second p-type clad layer including a region above the active layer, and a step of forming the n-type block layer.
It has a step of forming a third p-type clad layer on the first p-type clad layer and the n-type block layer, and the carrier concentration of the p-type embedded layer is the second p. A method for manufacturing an optical semiconductor device , which is lower than the mold clad layer .
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