JPH03201585A - Manufacture of optical semiconductor element and growing method for low resistance semiconductor layer - Google Patents
Manufacture of optical semiconductor element and growing method for low resistance semiconductor layerInfo
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Landscapes
- Semiconductor Lasers (AREA)
Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の目的〕
(産業上の利用分野)
本発明は、屈折率導波型の半導体レーザ或はダブルへテ
ロ接合型の発光ダイオード等の光半導体素子の製造方法
に係わり、特に活性層の周囲をそれよりも禁制帯幅の大
きい半導体層で囲まれた半導体発光素子の製造方法に関
する。[Detailed Description of the Invention] [Object of the Invention] (Industrial Application Field) The present invention relates to a method for manufacturing optical semiconductor devices such as index-guided semiconductor lasers or double heterojunction light-emitting diodes. In particular, the present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor light emitting device in which an active layer is surrounded by a semiconductor layer having a wider forbidden band width than the active layer.
また、本発明は、半導体薄膜成長法に係わり、特にm−
v族化合物半導体層の気相成長方法に関する。The present invention also relates to a semiconductor thin film growth method, particularly m-
The present invention relates to a method for vapor phase growth of a group V compound semiconductor layer.
(従来の技術)
近年、光半導体素子の開発が活発に行われている。特に
その活性層に効果的に電流を注入することができるペテ
ロ接合を用いた光半導体素子の開発1作製が行われてい
る。LEDに比べ、高速応答性の優れた誘導放出過程を
利用する半導体レーザの研究は一層活発である。半導体
レーザの安定した室温連続発振は二重へテロ接合構造を
用いて達成された。最近では半導体レーザは必ずと言っ
ても過言ではないほど、この二重へテロ接合構造をとっ
ている。(Prior Art) In recent years, optical semiconductor devices have been actively developed. In particular, optical semiconductor devices using Peter junctions that can effectively inject current into their active layers have been developed and manufactured. Compared to LEDs, research on semiconductor lasers that utilize stimulated emission process, which has excellent high-speed response, is more active. Stable continuous oscillation at room temperature of a semiconductor laser was achieved using a double heterojunction structure. Nowadays, it is no exaggeration to say that semiconductor lasers almost always have this double heterojunction structure.
この棟の半導体発光索子では、以下の3点の条件を満た
すことが重−要である。まず第1は、発光効率を上げる
ために、極めて狭い帽に制御された発光領域にのみ効率
的に電流を狭窄集中させることである。第2には、素子
のコンタクト抵抗を小さくするために、電極を広い領域
に互って形成すること。またはコンタクト層のキャリア
濃度をあげて抵抗値を下げることである。第3には、光
通信用の発光素子のように高速変調を行うことを要求さ
れる場合は、その接合容量を小さくするため、p−n接
合の形成されている部分の面積を極力小さくすることで
ある。It is important for the semiconductor light-emitting cable of this building to satisfy the following three conditions. First, in order to increase luminous efficiency, current is efficiently constricted and concentrated only in a light-emitting region controlled by an extremely narrow cap. Second, in order to reduce the contact resistance of the device, electrodes should be formed over a wide area and adjacent to each other. Alternatively, the resistance value can be lowered by increasing the carrier concentration of the contact layer. Third, when high-speed modulation is required, such as in a light-emitting element for optical communication, the area of the part where the p-n junction is formed should be minimized to reduce the junction capacitance. That's true.
光通信用の半導体発光素子のなかで、上記3つの条件を
比較的満足している例として、自己整合プロセスを利用
したメサ・レーザがあり、GaInPAs/InP系の
レーザに応用されている(例えば。Among semiconductor light emitting devices for optical communications, mesa lasers that utilize a self-alignment process are examples that relatively satisfy the above three conditions, and are applied to GaInPAs/InP lasers (e.g. .
Y、 Hirayama et al、 : 11th
Int、 Sem1conductorLaser
Conf、、 D:1.Ho5ton (1988)、
またはIEEE J。Y, Hirayama et al.: 11th
Int, Sem1conductorLaser
Conf., D:1. Ho5ton (1988),
or IEEE J.
Quantuit Electron、、 QB−25
,1320(1989)、など)。Quantuit Electron, QB-25
, 1320 (1989), etc.).
この半導体レーザをSA−CM(自己整合型電流狭窄メ
サ)レーザと呼ぶ。また、同様に上記3つの条件を比較
的満足している例として、DC−FBI((Doubl
eChannel Planar Buried He
tero)レーザがある(例えば水戸他昭和57年度電
子通信学会全国大会、光および量子エレクトロニクスA
の予稿集857)、このレーザは二重へテロ構造のウェ
ハに2つの溝を設け、その間に挾まれた活性領域上以外
に、pn逆接合による埋め込み結晶成長をさせたもので
ある。This semiconductor laser is called a SA-CM (self-aligned current confinement mesa) laser. Similarly, as an example that relatively satisfies the above three conditions, DC-FBI ((Double
eChannel Planar Buried He
tero) laser (for example, Mito et al., 1982 Institute of Electronics and Communication Engineers National Conference, Optical and Quantum Electronics A
Proceedings 857), this laser has two grooves formed in a double heterostructure wafer, and buried crystal growth is performed using a pn reverse junction in areas other than the active region sandwiched between them.
これと似た形で、埋め込まれた活性領域以外を工図面を
参照しながら製造方法と特徴を説明する。In a similar manner, the manufacturing method and features will be explained with reference to engineering drawings for areas other than the buried active region.
第5図は従来のメサ型pn逆接合レーザの製造工程を示
す断面図である。まず、第5図(a)に示す如く、n型
の(100)InP基板(以下、基板と略記する)10
0上に厚さ約1.5/aのn−1nPバツフア兼クラツ
ド)l!!!101.1.55−帯の発光を可能にする
組成の厚さ0.1−のノンドープGaInPAs活性層
102、厚さ0.215Iのp−InPキャップ層10
3 を順次結晶成長させる。その後、第5図(b)に示
す如く、Sin、膜200をエツチングマスクとしてB
rメタノール系の溶液を用いてGaInPAs活性層1
02に輻2pm、間隔1.54の2本のストライプ溝2
06を形成する。この時、前記2本のストライプ溝の間
隔は最終的に活性層幅となるので、安定な基本横モード
発振と低い発振しきい値を得るために1から1:、5I
sの間に制御している。FIG. 5 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of a conventional mesa type pn reverse junction laser. First, as shown in FIG. 5(a), an n-type (100) InP substrate (hereinafter abbreviated as substrate) 10
n-1nP buffer and cladding with a thickness of about 1.5/a on top of 0)l! ! ! 101.1.55-band non-doped GaInPAs active layer 102 with a thickness of 0.1-I and a p-InP cap layer 10 with a thickness of 0.215I, which enables light emission in the 55-band.
3 are sequentially grown as crystals. Thereafter, as shown in FIG. 5(b), B was etched using the Sin film 200 as an etching mask.
GaInPAs active layer 1 using a methanol-based solution
Two stripe grooves 2 with a radius of 2 pm and a spacing of 1.54 on 02
Form 06. At this time, since the interval between the two stripe grooves ultimately becomes the width of the active layer, in order to obtain stable fundamental transverse mode oscillation and a low oscillation threshold,
It is controlled during s.
次いで第5図(e)に示す如く、2本の溝部206に電
流阻止層としてp−InP層104、n−InP層10
5を。Next, as shown in FIG. 5(e), a p-InP layer 104 and an n-InP layer 10 are formed in the two grooves 206 as current blocking layers.
5.
5in2膜200を用いて選択的に結晶成長する。その
後、第5図(d)に示す様にSiO□膜200のみをエ
ツチング後、膜厚2殉のp−InP層106、発光波長
にして例えば1.3/aの組成のp”−GaInPAs
コンタクトq 107、膜厚0.2.のInPキャップ
層108を順次結晶成長させる。Crystals are selectively grown using the 5in2 film 200. After that, as shown in FIG. 5(d), only the SiO□ film 200 is etched, and then the p-InP layer 106 with a thickness of 2 is formed, and the p''-GaInPA with a composition of, for example, 1.3/a in terms of the emission wavelength is etched.
Contact q 107, film thickness 0.2. InP cap layer 108 is sequentially crystal-grown.
次いで、第5図(e)に示すように、上記キャップ層1
08を剥した後に幅30I1mのAu−ZnTIt極2
02をリフトオフ法により形成し、その後アロイングを
施す。続いて、活性層102が露出するまでにエツチン
グを行いメサを形成する。この時、p−InP層1.0
6のエツチングにHCIを用いれば、その選択性によっ
て活性)eJ102で正確にエツチングが停止する。Next, as shown in FIG. 5(e), the cap layer 1 is
After peeling off 08, Au-ZnTIt electrode 2 with a width of 30I1m
02 is formed by a lift-off method, and then alloyed. Subsequently, etching is performed until the active layer 102 is exposed to form a mesa. At this time, p-InP layer 1.0
If HCI is used for etching of 6, the etching will stop precisely at active) eJ102 due to its selectivity.
その後、硫酸系エッチャント(例えば、硫酸+過酸化水
素+水=10: 1 : 1)で、2つの溝の外側の活
性層のみを選択的に除去する。この溶液はInPには殆
ど作用しない。従って、エツチングの横方向の進行はW
i電流阻止層あるInP層104.105のところで自
動的に停止し、極めて再現性よく所望のメサ形状を得る
ことができる。なお、上記エツチングにより空隙205
が形成される。Thereafter, only the active layer outside the two grooves is selectively removed using a sulfuric acid-based etchant (for example, sulfuric acid + hydrogen peroxide + water = 10:1:1). This solution has almost no effect on InP. Therefore, the lateral progress of etching is W
It automatically stops at the InP layers 104 and 105, which are current blocking layers, and a desired mesa shape can be obtained with extremely high reproducibility. In addition, the void 205 is formed by the above etching.
is formed.
次いで第5図(f)に示すように、絶縁膜とじて5lo
t 磨201 を堆積させた後、メサ頂上部に窓を開け
、p側電極としてAu−Cr電極203を全面に蒸着す
る。また、基板100側は約100岬厚になるまで研磨
したあと、n(ll電極としてAu−Gettt極20
4全204成する。これにより、埋め込みメサ型pn逆
接合半導体レーザが完成することになる。Next, as shown in FIG. 5(f), 5 lo
After depositing the t polish 201, a window is opened at the top of the mesa, and an Au-Cr electrode 203 is deposited on the entire surface as a p-side electrode. In addition, after polishing the substrate 100 side to a thickness of about 100 mm, the Au-Gettt electrode 20 mm was used as the n(ll electrode).
4 total 204 completed. As a result, a buried mesa type pn reverse junction semiconductor laser is completed.
波長1.557aの単一モード発振をするレーザが要求
される場合には、前記活性層102の部分を波長1.5
5戸帯の組成を持つGaInPAs活性層102の上に
波長、たとえば13−の組成を持ちInPに格子整合す
るGaInPAs光ガイド層を成長させた2層構造にし
ておき、第5図(b)のストライプ溝を形成する前に光
ガイド層の上部に、所望の波長に合う周期の回折格子を
作成しておく(図示は省略する)、その後は前記した作
成方法を継続することによって、分布帰還型(DFB
: Distributed Feed Back)埋
め込みメサ型pn逆接合半導体レーザが完成される。If a laser that oscillates in a single mode with a wavelength of 1.557a is required, the active layer 102 is
A two-layer structure is formed in which a GaInPAs optical guide layer having a wavelength, for example, a composition of 13-1 and lattice-matched to InP is grown on a GaInPAs active layer 102 having a composition in the 5-band range, as shown in FIG. 5(b). Before forming the stripe grooves, a diffraction grating with a period matching the desired wavelength is created on the top of the optical guide layer (not shown), and then by continuing the above-described creation method, a distributed feedback type (DFB
: Distributed Feed Back) A buried mesa type pn reverse junction semiconductor laser is completed.
しかしながら、この種の埋め込みメサ型pn逆接合半導
体レーザの製造工程にあっては、活性層幅。However, in the manufacturing process of this type of buried mesa type pn reverse junction semiconductor laser, the width of the active layer is limited.
埋め込み層幅を正確に制御できるという利点を持つ反面
、そのプロセス上、二度の成長中断は避けられない。従
ってGaInPAs層102の表面、およびバッファI
nP層となるn−InP層101と電流阻止肘となるρ
−InP104の界面、およびp−InPクラッド層1
06とρ−InP層105層外05各々は一度大気にさ
らされてから再成長することになる。この界面は各々G
aInPAsとInPのへテロ接合界面、丁nPのホモ
pn接合界面でもあり、−度大気にさらすことによる不
要な不純物の混入、および再成長時の温度上昇の間の待
機中に結晶表面が荒されることが接合の電気的特性の向
上には障害となっていた。Although it has the advantage of being able to accurately control the width of the buried layer, it is inevitable that the growth will be interrupted twice due to the process. Therefore, the surface of the GaInPAs layer 102 and the buffer I
n-InP layer 101 which becomes an nP layer and ρ which becomes a current blocking elbow
-InP104 interface and p-InP cladding layer 1
06 and the ρ-InP layer 105, each of the outer layers 05 is once exposed to the atmosphere and then regrown. This interface is each G
It is also the heterojunction interface of aInPAs and InP, and the homopn junction interface of DynP, and the crystal surface is roughened by the introduction of unnecessary impurities due to exposure to -degree atmosphere and during waiting during the temperature rise during regrowth. This has been an obstacle to improving the electrical characteristics of the bond.
埋め込みInPの接合部においては、接合容量を小さく
することと、接合部の立ち上がり電圧を大きくして活性
層以外への電流リークを減らし高出力化する観点から最
適化する必要がある。一般的に、上記したように基板、
または−度成長を中断し大気にさらした表面とその上の
エピタキシャル成長層との界面には穐々の汚染や結晶の
乱れなどが存在し、そこtこpn、またはへテロ界面を
作製した場合の電気的特性は成長を中断せずに連続して
作製した場合に比較して劣る。例えば、立ち上がり電圧
が所望のレベルまで上がらない、順方向および逆方向の
電流リーク量が多いなどの問題が起きていた。The junction of the embedded InP needs to be optimized from the viewpoint of reducing the junction capacitance and increasing the rising voltage of the junction to reduce current leakage to areas other than the active layer and increase output. Generally, as mentioned above, the substrate,
Or, at the interface between the surface exposed to the atmosphere after interruption of growth and the epitaxial growth layer thereon, contamination of crystals or disordered crystals may exist, and if a hetero interface is created, The electrical properties are inferior to those produced continuously without interrupting growth. For example, there have been problems such as the rise voltage not rising to a desired level and the amount of current leakage in the forward and reverse directions being large.
一方、ノンドープのGaInPAs活性層102トこ適
度しこp型不純物を導入することは、高速化の点でメリ
ットがあるが、活性層102の成長時にp型不純物を溝
入すると、成長中にn型層までp型不純物が拡散してし
まい、pn接合かへテロ接合界面を突き抜けて発振しな
くなる等の問題があり、活性層102への不純物の導入
は困難であった。これらを克服する対策として、p−I
nPt?X流阻止層104、p −1,n Pクラット
N106を再成長させる際、その最下部に11層を設け
、成長中の拡散によってn型クラッド層10)の一部、
活性層102の一部までp型不純物であるZnを拡散さ
せるという技術があったが。On the other hand, introducing a moderate p-type impurity into the non-doped GaInPAs active layer 102 has the advantage of speeding up the process. It has been difficult to introduce impurities into the active layer 102 because the p-type impurity diffuses into the active layer 102, penetrating the p-n junction or heterojunction interface, and preventing oscillation. As a measure to overcome these problems, p-I
nPt? When regrowing the X-flow blocking layer 104, p -1,n P cladding N106, 11 layers are provided at the bottom of it, and a part of the n-type cladding layer 10) is formed by diffusion during growth.
There is a technique in which Zn, which is a p-type impurity, is diffused to a part of the active layer 102.
P+層とP層を連続成長させる場合、ドーピングガスの
流量を大きく (例えば第1図の304点から303点
へ)変化させる必要があり、その流量変化時に反応管へ
のガス総流量が変化してしまい、成長途中の半導体層の
組成がゆらぐなどの問題点があった。またその再現性は
乏しいものであった。When growing the P+ layer and the P layer continuously, it is necessary to change the flow rate of the doping gas significantly (for example, from point 304 to point 303 in Figure 1), and when the flow rate changes, the total gas flow rate to the reaction tube changes. This caused problems such as fluctuations in the composition of the semiconductor layer during growth. Moreover, the reproducibility was poor.
以下、従来の低抵抗半導体泗の成長方法につき説明する
。近年、半導体、なかでも■−v族化合物半導体層の気
相成長が注目されている。光通信用デバイスとして期待
される]、 、 55.帯長波長半導体レーザや光電子
集積回路(Optoelectronj、csIntc
4rated C1rcuit : 0EIC)等の製
造工程において重要な位置を占めるGaInPAs/T
nP系の薄膜成長には気相成長法が好まれ、なかでも有
機金属化学気相成長(Mstal Organic C
hemical VaporDeposition :
MOCV[l) 法が注14されている。Hereinafter, a conventional method for growing a low-resistance semiconductor layer will be explained. In recent years, attention has been paid to semiconductors, especially vapor phase growth of ■-v group compound semiconductor layers. Expected as an optical communication device], , 55. Long wavelength semiconductor lasers and optoelectronic integrated circuits (optoelectronj, csIntc
GaInPAs/T occupies an important position in the manufacturing process of
Vapor phase epitaxy is preferred for growing nP-based thin films, and among them, metal organic chemical vapor deposition (Mstal Organic C
Chemical VaporDeposition:
The MOCV[l) method is noted in Note 14.
広変調周波数帯域を持ち、高出力な高性能のGaInP
As/ InP系二重へテロ(Doubl、e t(e
tcro : D)I)構造レーザダイオードを製造す
るためには、低抵抗な、高濃度ドーピングされたp型1
nP層が要求されると考えられる。また、接触抵抗を低
減する手段としても高濃度p型半導体層は必須であった
。High performance GaInP with wide modulation frequency band and high output
As/InP double hetero (Double, e t(e
tcro: D) I) Structure In order to produce a laser diode, a highly doped p-type 1 with low resistance is used.
It is believed that an nP layer is required. In addition, a highly doped p-type semiconductor layer was essential as a means to reduce contact resistance.
しかしながら、一般的にp型ドーパントとして広く用い
られる亜鉛の濃度は、エピタキシャル気相成長でドーピ
ングを施した場合にある一定値で飽和し、それ以上亜鉛
原料の流量を増加させても正孔濃度が増加せず、いわゆ
る飽和濃度で制限されていた。However, the concentration of zinc, which is generally widely used as a p-type dopant, is saturated at a certain value when doping is performed by epitaxial vapor phase growth, and even if the flow rate of the zinc raw material is increased beyond that point, the hole concentration will decrease. It did not increase and was limited to the so-called saturation concentration.
MOCVD法成長InPへの亜鉛ドーピングについては
いくつかの研究がなされている0例えば1M。Several studies have been conducted regarding zinc doping into MOCVD-grown InP.
Razeghi他(J、 Cryst、 Growth
64.76 (1983))、A、 w、 Ne1s
on他(J、 Cryst、 Gro%Ith 6g、
102(1984))、R,5axena他(J、
Cryst、 Growth、 77゜591 (19
86))などの報告にみられるように、 InP結晶中
に取り込まれる亜鉛濃度がI XIO”am−”程度以
下までは、ジメチル亜鉛またはジエチル亜鉛の流量増加
に従ってそれに比例して亜鉛濃度も上昇するが、いわゆ
る熱平衡における飽和濃度(約3xto”(2)−3〉
以上にはならなかった。−殻内な減圧MOCVD法によ
る亜鉛のInPへのドーピング特性を第2図および第3
図に示した。飽和していない領域では一定のジメチル亜
鉛またはジエチル亜鉛流量に対して亜鉛濃度は温度上昇
に従い減少し、成長速度を速くするに従って減少するこ
とが調べられテール。叙上ノMOCVDF&、長は常圧
、減圧MOCvD法であり、成長温度範囲も実用性のあ
る、550℃〜670℃の間であった。Razeghi et al. (J, Crystal, Growth
64.76 (1983)), A, w, Ne1s
on et al. (J, Cryst, Gro%Ith 6g,
102 (1984)), R.5axena et al. (J.
Crystal, Growth, 77°591 (19
As seen in reports such as 86)), as the flow rate of dimethylzinc or diethylzinc increases, the zinc concentration increases proportionally until the zinc concentration incorporated into the InP crystal is below the level of I is the saturation concentration at so-called thermal equilibrium (approximately 3×to”(2)−3〉
It didn't get any better than that. - Figures 2 and 3 show the doping characteristics of zinc into InP using the intrashell low pressure MOCVD method.
Shown in the figure. It was investigated that in the unsaturated region, for a constant dimethylzinc or diethylzinc flow rate, the zinc concentration decreases with increasing temperature and decreases with increasing growth rate. The above-mentioned MOCVDF& was based on normal pressure and reduced pressure MOCvD methods, and the growth temperature range was between 550°C and 670°C, which is practical.
このように、InPへのp型不純物として期待される亜
鉛は3 XIO”cm−’以上には結晶中にドーピング
できず、結果として得られる正孔濃度もこの値以下に制
限されていた。このためより低抵抗のP型層を、亜鉛を
ドーパントとして作製することができなかった。As described above, zinc, which is expected to be a p-type impurity in InP, cannot be doped into the crystal to a level higher than 3XIO"cm-', and the resulting hole concentration is also limited to below this value. Therefore, a P-type layer with lower resistance could not be produced using zinc as a dopant.
(発明が解決しようとする課題〉
上に述べたように、光半導体素子の製造における従来例
によると、活性層への自動拡散ドーピング、ホモpn接
合界面と再成長界面の分離の技術が要求されていたが1
反応管への総ガス流量を変化させることなく連続成長中
の結晶に於ける不純物濃度を変化させることは困難であ
った。さらに、再成長におけるメサ構造自体の形状変化
等の物理的形状劣化に対向する対策が望まれていた。(Problems to be Solved by the Invention) As mentioned above, according to the conventional manufacturing of optical semiconductor devices, techniques for automatic diffusion doping into the active layer and separation of the homo pn junction interface and the regrowth interface are required. It was 1
It has been difficult to change the impurity concentration in a continuously growing crystal without changing the total gas flow rate to the reaction tube. Furthermore, there has been a desire for countermeasures against physical deterioration of the mesa structure itself, such as changes in shape during regrowth.
第1の発明は、上記事情を考慮してなされたもので、そ
の目的とするところは、活性層、メサ構造等、可成長時
に表面に露出している半導体層の表面劣化を最小に抑制
し、かつドーパントガス流量を含んで1反応管全体に流
れ込むガス流量、気流および圧力等の定常状態を大きく
乱すことなく徐々にp型不純物濃度を変化(特に減少)
させながらクラッド層を形成することにある。その際活
性層部近傍(再成長開始時)には、その後の成長中に自
動的にp型不純物が活性層の一部およびn型りラッドm
の一部に拡散するような濃度である、p型半導体層にお
けるp型ドーパントの熱平衡における飽和濃度まで不純
物を導入することによって。The first invention was made in consideration of the above circumstances, and its purpose is to minimize the surface deterioration of semiconductor layers exposed on the surface during growth, such as active layers and mesa structures. , and gradually change (especially decrease) the p-type impurity concentration without greatly disturbing the steady state of the gas flow rate, air flow, pressure, etc. flowing into one reaction tube including the dopant gas flow rate.
The objective is to form the cladding layer while At this time, near the active layer (at the start of regrowth), p-type impurities are automatically added to a part of the active layer and n-type rad m during subsequent growth.
By introducing impurities up to the thermal equilibrium saturation concentration of the p-type dopant in the p-type semiconductor layer, which is such that it diffuses into a portion of the p-type semiconductor layer.
高速変調が可能で高出力な半導体発光素子の製造方法を
提供することにある。An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor light emitting device that can perform high-speed modulation and has high output.
前に述べた例のように従来、 InP中の亜鉛のように
濃度が不純物幅送量に対し一定値で飽和し、キャリア濃
度が上げられないような不純物が存在し、その不純物を
用いてデバイスを作製したい場合、そのデバイスのキャ
リア濃度はその値以上には上げられないという問題点が
あった。これは寄生抵抗の低減、接触抵抗の低減などの
障害となる要因のひとつであった。As in the example mentioned above, conventionally, there are impurities such as zinc in InP whose concentration saturates at a constant value with respect to the amount of impurity feed and the carrier concentration cannot be increased, and these impurities are used to develop devices. When it is desired to fabricate a device, there is a problem in that the carrier concentration of the device cannot be raised above that value. This was one of the factors that hindered the reduction of parasitic resistance and contact resistance.
第2の発明は、上記事情を考慮してなされたもので、そ
の目的とするところは、半導体*S成長過程においての
不純物導入効率を上げて結晶中により高濃度の不純物を
導入することによって、低抵抗な半導体層を作製する技
術を提供することにある。The second invention was made in consideration of the above circumstances, and its purpose is to increase the impurity introduction efficiency in the semiconductor*S growth process and introduce a higher concentration of impurities into the crystal. The object of the present invention is to provide a technology for manufacturing a low-resistance semiconductor layer.
(mliIを解決するための手段〉
本発明の第1は光半導体素子の製造方法に係り、化合物
半導体層の少くともその一つの構成元素よりも蒸気圧の
高い不純物をドープしつつ成長させて化合物半導体層を
形成する光半導体素子の製造に際し、前記化合物半導体
層内の不純物濃度を、該不純物の前記半導体層中の熱平
衡におけるドーピング飽和濃度からこの飽和濃度の40
%の濃度範囲内では、ドーピングガスの流量を所定とし
、成長温度を変化させて制御して行い、前記不純物の前
記半導体層中の熱平衡におけるドーピング飽和濃度を超
える濃度に対しては、該半導体層の或長速度の増加に従
ってドーピング速度が増加する流量以上に不純物流量を
増加させて化合物半導体層を形成することを特徴とする
ものである。また、本発明の第2は、抵抗半導体層の成
長方法に係り、化合物半導体層の少くともその一つの構
成元素よりも蒸気圧の高い不純物をドープしつつ成長さ
せて化合物半導体層を形成するに際し、前記化合物半導
体層内の不純物濃度を、該不純物の前記半導体層中の熱
平衡におけるドーピング飽和濃度からこの飽和濃度の4
0%の濃度範囲内では、ドーピングガスの流量を所定と
し、成長温度を変化させて制御して行うことを特徴とす
る。さらに、本発明の第3は化合物半導体層の少くとも
その一つの構成元素よりも蒸気圧の高い不純物をドープ
しつつ成長させる低抵抗化合物半導体層の成長形成に際
し、前記不純物の濃度が前記半導体層中の熱平衡におけ
る飽和濃度を超える濃度に対しては、該半導体層の成長
速度の増加に従ってドーピング濃度が増加する流量以上
に不純物流量を増加し、成長速度を毎時7IIIa以上
にして成長を行うことを特徴とする低抵抗半導体層の成
長方法を提供する。(Means for solving mliI) The first aspect of the present invention relates to a method for manufacturing an optical semiconductor device, in which a compound semiconductor layer is grown while being doped with an impurity having a higher vapor pressure than at least one constituent element of the compound semiconductor layer. When manufacturing an optical semiconductor element forming a semiconductor layer, the impurity concentration in the compound semiconductor layer is determined from the doping saturation concentration of the impurity in thermal equilibrium in the semiconductor layer to 40% of this saturation concentration.
%, the flow rate of the doping gas is set as a predetermined value, and the growth temperature is changed and controlled. The method is characterized in that the compound semiconductor layer is formed by increasing the impurity flow rate above a flow rate at which the doping rate increases as the doping rate increases. The second aspect of the present invention relates to a method for growing a resistive semiconductor layer, which includes growing a compound semiconductor layer while doping it with an impurity having a higher vapor pressure than at least one constituent element of the compound semiconductor layer. , the impurity concentration in the compound semiconductor layer is determined from the doping saturation concentration of the impurity in thermal equilibrium in the semiconductor layer to 4 of this saturation concentration.
Within the concentration range of 0%, the flow rate of the doping gas is set at a predetermined value, and the growth temperature is changed and controlled. Furthermore, the third aspect of the present invention is that when growing a low resistance compound semiconductor layer doped with an impurity having a higher vapor pressure than at least one constituent element of the compound semiconductor layer, the concentration of the impurity is lower than the concentration of the impurity in the semiconductor layer. For concentrations exceeding the saturation concentration at thermal equilibrium in the semiconductor layer, the impurity flow rate is increased beyond the flow rate at which the doping concentration increases as the growth rate of the semiconductor layer increases, and growth is performed at a growth rate of 7IIIa/hour or more. A method for growing a characteristically low-resistance semiconductor layer is provided.
(作 用)
本発明にかかる光半導体素子の製造方法の骨子は、p型
りラッド層または電流阻止層等を形成する際にその不純
物濃度を、ガス流量を変化させることなく成長温度のみ
を変化させることによって活性層から離れるにしたがっ
てそのp型不純物のクラッド半導体層の気相成長時にお
けるドーピング飽和濃度から、飽和濃度の少なくとも4
0%以上の濃度まで連続的に徐々に変化(特に減少)す
る構造を持たせて、その不純物の自動拡散によって埋め
込みホモpn接合界面を基板−再成長界面と分離し、ま
たへテロ接合界面を通して活性層の一部まで不純物を任
意の濃度分布を持つように自動拡散させることにある。(Function) The gist of the method for manufacturing an optical semiconductor device according to the present invention is that when forming a p-type rad layer or a current blocking layer, only the growth temperature is changed to change the impurity concentration without changing the gas flow rate. By increasing the distance from the active layer, the p-type impurity decreases from the doping saturation concentration during vapor phase growth of the cladding semiconductor layer to at least 4% of the saturation concentration.
By providing a structure that continuously gradually changes (particularly decreases) to a concentration higher than 0%, the buried homo pn junction interface is separated from the substrate-regrowth interface by automatic diffusion of the impurity, and also through the heterojunction interface. The purpose is to automatically diffuse impurities to a part of the active layer so as to have an arbitrary concentration distribution.
また、電流阻止層やクラッドの成長開始時から徐々に成
長温度を上げて成長させることによって上記構造を作製
すると共に、ペテロ接合界面、 pn接合界面、および
メサの形状劣化を最小限に抑えることにある。具体的に
は。In addition, we fabricated the above structure by gradually increasing the growth temperature from the start of growth of the current blocking layer and cladding, and also minimized the deterioration of the shape of the Peter junction interface, pn junction interface, and mesa. be. in particular.
量を適宜選択し、反応管内圧力は変化させずに、成長開
始温度、成長終了温度を選択する。The amount is appropriately selected, and the growth start temperature and growth end temperature are selected without changing the pressure inside the reaction tube.
叙上の如くなる本発明によれば、p−InPクラッド層
の高濃度p型層の不純物が成長中に自動拡散することに
よってpnホモ接合位置を基板−再成長界面から分離で
き、立ち上がり電圧の増大や逆方向リーク電流の減少が
可能となり、電流狭窄率がよくなる。また、成長温度を
適当に選択することによって活性層端に設けられたメサ
の形状劣化を抑制しつつ、p型不純物を活性領域にまで
導入できる。したがって高速応答可能な半導体発光素子
が得られる。According to the present invention as described above, the p-n homojunction position can be separated from the substrate-regrowth interface by self-diffusion of impurities in the highly concentrated p-type layer of the p-InP cladding layer during growth, and the rise voltage can be reduced. This makes it possible to increase the current and decrease the reverse leakage current, improving the current confinement ratio. Furthermore, by appropriately selecting the growth temperature, p-type impurities can be introduced into the active region while suppressing deterioration of the shape of the mesa provided at the end of the active layer. Therefore, a semiconductor light emitting device capable of high-speed response can be obtained.
減圧有機金屈気相成長法を用いることは実施上の再現性
が良く、かつp型不純物であるZnの原料としてジメチ
ル亜鉛を使用すればその流量を任意の一定値に制御する
ことが容易であり、再現性も良い。さらにジメチル亜鉛
を用いてZnの濃度を活性層から離れるにしたがって、
その熱平衡における飽和濃度から連続的に徐々に減少し
てその飽和濃度の少なくとも40%以上の濃度となるよ
うに制御する際、たとえばその成長を550℃から60
0℃の間の任意のある温度から開始し、620℃から6
80℃の間の任意のある温度で終了させることによって
濃度を制御すれば反応管内のガス気流を乱さなくて済む
(例えば第1図における305点から303点〉ため、
成長中のウェハ内の組成、濃度などのばらつき、ゆらぎ
等を低減できる。Using the low-pressure organic gold diversion vapor phase growth method has good reproducibility in practice, and if dimethylzinc is used as the raw material for Zn, which is a p-type impurity, the flow rate can be easily controlled to an arbitrary constant value. Yes, and the reproducibility is good. Furthermore, dimethylzinc was used to increase the concentration of Zn as it moves away from the active layer.
When controlling the concentration to be at least 40% of the saturation concentration by continuously gradually decreasing from the saturation concentration at thermal equilibrium, for example, the growth is controlled from 550 °C to 60 °C.
Starting from any temperature between 0°C and 620°C to 6
If the concentration is controlled by ending the reaction at an arbitrary temperature between 80°C, there is no need to disturb the gas flow in the reaction tube (for example, points 305 to 303 in Fig. 1).
It is possible to reduce variations in composition, concentration, etc., fluctuations, etc. within a wafer during growth.
この方法は、従来ではドーピング濃度を変えるためにド
ーパントガス流量を大きく変化させていたのに対して、
ドーパントガス流量をある一定値に固定して変えること
なくドーピング濃度を変化させるものである。In contrast to the conventional method, which required large changes in the dopant gas flow rate to change the doping concentration, this method
This method changes the doping concentration without fixing the dopant gas flow rate to a certain constant value.
すなわち、あるジメチル亜鉛の流量以上では成長温度に
ほとんど関わらず結晶中に取り込まれるZnの濃度が飽
和するので、その飽和領域に近いジメチル亜鉛の流量範
囲(例えば第1図における領域301)の任意の一点で
は、ドーピング濃度を成長温度の変化のみによって光半
導体素子に適用するにふされしい濃度に制御できるとい
う効果を利用したものである。That is, above a certain dimethylzinc flow rate, the concentration of Zn incorporated into the crystal is saturated almost regardless of the growth temperature, so any dimethylzinc flow rate range close to the saturation region (for example, region 301 in FIG. 1) One point is to take advantage of the effect that the doping concentration can be controlled to a concentration suitable for application to optical semiconductor devices only by changing the growth temperature.
次に、本発明にかかる低抵抗半導体層の成長方法の骨子
は、半導体薄膜に、それが置換する位置の構成元素より
も蒸気圧が高い不純物のうち、特に飽和領域(不純物原
料の供給量に対して結晶中に取り込まれる不純物量が殆
ど変化しないような領域)を持つようなものを導入しな
がら成長させる際に、不純物流量をそれが飽和する流量
以上に流しながら、かつ結晶成長速度を速くすることに
よって結晶中に取り込まれる不純物量とキャリア濃度を
高くすることにある。これによって低抵抗半導体層を形
成することができる。また、成長速度を決める成長・条
件のみを変化させることによって、半導体層のキャリア
濃度を高濃度にさせる。Next, the gist of the method for growing a low-resistance semiconductor layer according to the present invention is to add impurities to the semiconductor thin film that have a higher vapor pressure than the constituent elements at the positions to be replaced, especially in the saturated region (depending on the supply amount of the impurity raw material). On the other hand, when growing while introducing a material that has a region in which the amount of impurities incorporated into the crystal hardly changes, it is possible to increase the crystal growth rate while flowing the impurity flow rate higher than the flow rate that saturates the impurity. The purpose of this is to increase the amount of impurities incorporated into the crystal and the carrier concentration. With this, a low resistance semiconductor layer can be formed. Furthermore, by changing only the growth conditions that determine the growth rate, the carrier concentration in the semiconductor layer can be made high.
叙上の如く本発明によれば、従来の成長条件では達成で
きなかった高濃度の半導体層を形成できるため、素子を
作製した場合のコンタクト層として用いることにより接
触抵抗の低減ができる。また、この高濃度層をクラッド
に用いることにより半導体レーザの出力を大幅に向上す
ることができる。また、たとえば結晶成長法にMOCV
D法を用いれば膜厚制御が容易であるため、不純物総量
一定の拡散源のための薄膜としても利用できるという利
点がある。As described above, according to the present invention, it is possible to form a semiconductor layer with a high concentration, which could not be achieved under conventional growth conditions, so that contact resistance can be reduced by using it as a contact layer when an element is manufactured. Further, by using this high concentration layer for the cladding, the output of the semiconductor laser can be significantly improved. Also, for example, MOCV is used as a crystal growth method.
Since the film thickness can be easily controlled using the D method, it has the advantage that it can also be used as a thin film for a diffusion source with a constant total amount of impurities.
(実施例) 以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明する。(Example) Hereinafter, details of the present invention will be explained with reference to illustrated embodiments.
第4図は本発明の第1の実施例を示すメサ型pn逆接合
レーザの製造工程を示す断面図である。まず、第4図(
a)に示す如<、n型(n = I XIO”備−3)
の(001)InP基板100上に厚さ約1.5.のn
−InPバッファ兼クラッド層11(n : I XI
O”al−3)、1.55.帯の発光を可能にする組成
の厚さ0.1−のノンドープGa1nPAs活性層12
、厚さ0.2.のp(nPキャップ層13を順次結晶成
長させる。その後、第4図(b)に示す如く、5un2
膜20をエツチングマスクとしてBrメタノール系(例
えばI(Or : Br : H,0=17 : 1
: 100)の溶液を用いてGaInPAs活性層12
に幅24、間隔1.5.の2本のストライプ溝26を形
成する。この時、その2本のストライプ溝の間隔は最終
的に活性層幅となるので、安定な基本横モード発振と低
い発振しきい値を得るために1から1.57m(73間
に制御する。FIG. 4 is a sectional view showing the manufacturing process of a mesa type pn reverse junction laser showing the first embodiment of the present invention. First, Figure 4 (
As shown in a), n-type (n = IXIO"Re-3)
(001) InP substrate 100 with a thickness of about 1.5. n of
-InP buffer/cladding layer 11 (n: I
O"al-3), non-doped Ga1nPAs active layer 12 with a composition thickness of 0.1- that enables emission in the 1.55. band
, thickness 0.2. The p(nP cap layer 13 is successively crystal-grown. Then, as shown in FIG. 4(b), 5un2
Using the film 20 as an etching mask, a Br methanol system (for example, I(Or:Br:H,0=17:1
: 100) using a solution of GaInPAs active layer 12
width 24, spacing 1.5. Two stripe grooves 26 are formed. At this time, since the distance between the two stripe grooves ultimately becomes the width of the active layer, it is controlled between 1 and 1.57 m (73 m) in order to obtain stable fundamental transverse mode oscillation and a low oscillation threshold.
次いで第4図(c)に示す如く、2本の溝部26に電流
阻止層としてp−InPJil14 (例えば(p=1
x10”an−’)、n−InP層15(例えばn =
I X 10” cxa−” )をSiO□膜20膜
製00て選択的に結晶成長する。その後、第4図(d)
に示す様にSun、膜20のみをエツチング後、膜厚2
1mのp−InPn土層、発光波長にして例えば1.3
μの組成のp”−GaInPAsコンタクト層1’)(
p >10L!Iex−3>、膜厚0.2μのInPキ
ャップ層18を順次結晶成長させる。Next, as shown in FIG. 4(c), p-InPJil 14 (for example, (p=1
x10"an-'), n-InP layer 15 (e.g. n =
Crystals of Ix10"cxa-") are selectively grown on a 20-layer SiO□ film. After that, Fig. 4(d)
As shown in the figure, after etching only the film 20, the film thickness is 2.
1 m of p-InPn soil layer, the emission wavelength is e.g. 1.3
p"-GaInPAs contact layer 1') with a composition of μ
p>10L! Iex-3>, an InP cap layer 18 having a thickness of 0.2 μm is successively grown.
次いで、第4図(e)に示すように、キャップ層18を
剥した後に幅304のAu−Zn電極22をリフトオフ
法により形成し、その後アロイングを施す、続いて、活
性層I2が露出するまでエツチングを行いメサを形成す
る。この時、p−InPn土層のエツチングにHCIを
用いれば、その選択性によって活性層12で正確にエツ
チングが停止する。その後、硫酸系エッチャント(例え
ば、硫酸+過酸化水素+水=10: 1 : 1)で、
2つの溝の外側の活性層のみを選択的に除去する。この
溶液はInPには殆ど作用しない、従って、エツチング
の横方向の進行は電流阻止層であるInPM114.1
5のところで自動的に停止し、極めて再現性よく所望の
メサ形状を得ることができる。Next, as shown in FIG. 4(e), after peeling off the cap layer 18, an Au-Zn electrode 22 having a width of 304 mm is formed by a lift-off method, and then alloying is performed. Perform etching to form a mesa. At this time, if HCI is used for etching the p-InPn soil layer, the etching will stop precisely at the active layer 12 due to its selectivity. After that, with a sulfuric acid-based etchant (for example, sulfuric acid + hydrogen peroxide + water = 10: 1: 1),
Only the active layer outside the two grooves is selectively removed. This solution has little effect on InP, so the lateral progress of etching is limited to InPM114.1, which is the current blocking layer.
It automatically stops at point 5, and the desired mesa shape can be obtained with extremely good reproducibility.
次いで第4図(f)に示すように、絶縁膜としてSin
、層21を堆積させた後、メサ頂上部に窓を開け、p側
電極としてAu−Cr電極23を全面に蒸着する。Next, as shown in FIG. 4(f), a Sin
After depositing the layer 21, a window is opened at the top of the mesa, and an Au--Cr electrode 23 is deposited on the entire surface as a p-side electrode.
また、基板100側は約100μ厚になるまで研磨した
あと、n側電極としてAu−Ge電極24を蒸着形成す
る。これにより、埋め込みメサ型pn逆接合半導体レー
ザが完成することになる。Further, after polishing the substrate 100 side to a thickness of approximately 100 μm, an Au-Ge electrode 24 is deposited as an n-side electrode. As a result, a buried mesa type pn reverse junction semiconductor laser is completed.
波長1.554の単一モード発振をするレーザが要求さ
れる場合には、前記活性層12の部分を波長1.55μ
帯の組成を持つGaInPAs活性層12の上に波長、
たとえば1.3.の組成を持ちInPに格子整合するG
aInPAs光ガイド層を成長させた2層構造にしてお
き、第4図(b)のストライプ溝を形成する前に光ガイ
ド層の上部に、所望の波長に合う周期の回折格子を作成
しておく(図示は省略する)、その後は前記した作成方
法を継続することによって、分布帰還埋め込みメサ型p
n逆接合半導体レーザが完成される。If a laser with single mode oscillation at a wavelength of 1.554 is required, the active layer 12 may be oscillated at a wavelength of 1.55μ.
On top of the GaInPAs active layer 12 having a composition of
For example 1.3. G that has a composition of and is lattice matched to InP
A two-layer structure is formed by growing an aInPAs light guide layer, and a diffraction grating with a period matching the desired wavelength is created on the top of the light guide layer before forming the stripe grooves shown in FIG. 4(b). (Illustration is omitted). After that, by continuing the above-described production method, the distributed feedback buried mesa type p
An n-reverse junction semiconductor laser is completed.
第4図(b)と(c)の間、また(c)と(d)の間に
おいて、P−InP電流阻止層14、p−InPクラッ
ド層16を各々の再成長の際の第1番目の半導体層とし
て成長させるわけであるが1M0CVD法でジメチル亜
鉛をZn不純物原料として用いた場合のZnのドーピン
グ特性の一例を第1図から第3図に示した。第3図にお
いて、InPのMOCVD成長には、トリメチルインジ
ウム(TMIn)とフォスフイン(PH3)を用い、ド
ーパント濃度スにはジメチル亜鉛を用いている。Between (b) and (c) in FIG. 4, and between (c) and (d), the P-InP current blocking layer 14 and the p-InP cladding layer 16 are formed as the first An example of the doping characteristics of Zn when dimethylzinc is used as a Zn impurity raw material in the 1M0CVD method is shown in FIGS. 1 to 3. In FIG. 3, trimethylindium (TMIn) and phosphine (PH3) are used for MOCVD growth of InP, and dimethylzinc is used for the dopant concentration.
TMInとPH3の流量はそれぞれ1. I X 10
−’mol/winおよび4 、2 X 10”” m
ol/ll1inという典型的な値であり、各原料は水
素または窒素などの不活性ガスによって希釈され、総流
量1012/ll1inで減圧200Torrに制御さ
れた反応管に導入されている。The flow rates of TMIn and PH3 are 1. I x 10
-'mol/win and 4,2 X 10"" m
This is a typical value of 1/1 inch, and each raw material is diluted with an inert gas such as hydrogen or nitrogen, and introduced into a reaction tube controlled at a reduced pressure of 200 Torr at a total flow rate of 1012/1 inch.
第1図から、領域302では、一定のドーパント濃度か
らそれより低いもう一点の濃度に変化させるためには成
長温度を一定にした場合にはドーパントガス流量を大き
く変化させる必要があり、また、ドーパントの流量を変
えない場合には成長温度を大きく変化させる必要があっ
た。しかしながら領域301においては一定のドーパン
ト濃度からそれより低いもう一点の濃度に変化させるた
めに、ドーパントガス流量を変化させなくても成長温度
を少しだけ変化させればよいという利点がある。From FIG. 1, in order to change the dopant concentration from a constant dopant concentration to another lower concentration in region 302, it is necessary to greatly change the dopant gas flow rate when the growth temperature is kept constant; If the flow rate of the growth temperature was not changed, it was necessary to change the growth temperature significantly. However, in region 301, there is an advantage that in order to change the dopant concentration from a constant dopant concentration to another lower concentration, the growth temperature only needs to be changed slightly without changing the dopant gas flow rate.
(たとえば第1図における点305から303へ)この
領域301を利用して、電流阻止層14、p−InPク
ラッド層16を成長させる際に成長温度のみを変化させ
るだけでZnの濃度を連続的に変化させながら成長する
ことによって連続的な不純物濃度分布を持った電流阻止
層、クラッド層を成長させることができる。成長温度5
50℃から700℃の間ではTMInの流量を変化させ
ない限り成長速度は変化しないので、徐々にZn濃度を
変化させることは容易である。また1例えばInP中の
Znは1.8X10”Ql−”以上になるとn型層への
拡散が速くなることが知られている。(For example, from point 305 to point 303 in FIG. 1) Utilizing this region 301, when growing the current blocking layer 14 and the p-InP cladding layer 16, the concentration of Zn can be continuously changed by changing only the growth temperature. By growing while changing the impurity concentration, it is possible to grow a current blocking layer and a cladding layer with a continuous impurity concentration distribution. Growth temperature 5
Since the growth rate does not change between 50° C. and 700° C. unless the flow rate of TMIn is changed, it is easy to gradually change the Zn concentration. It is also known that, for example, when Zn in InP exceeds 1.8×10"Ql-", the diffusion into the n-type layer becomes faster.
半導体レーザでは一般的に10”Ql″″3以上の不純
物濃度を持つp型クラッドが必要とされるので、例えば
活性層の近傍では2.3X10”(!11−’という熱
平衡におけるInP中Znの飽和濃度を用いその後の成
長中の活性層への自動拡散を適量に制御できるような濃
度にし、Zn濃度の平坦部はlXl0”an−’にした
い場合、ジメチル亜鉛をたとえば9X10−7mol/
n+inで反応管へ供給したまま、成長を550℃から
開始し、徐々に成長温度を上げて670℃にし、そこで
成長温度を固定すれば所望の不純物濃度分布を得ること
ができる上に、従来のようにドーパントガス流量を大き
く変化させなくても、例えばρ+Pのような構造をつく
ることができる。Semiconductor lasers generally require a p-type cladding with an impurity concentration of 10"Ql""3 or more, so for example, in the vicinity of the active layer, the concentration of Zn in InP at a thermal equilibrium of 2.3 If you want to use the saturation concentration to appropriately control automatic diffusion into the active layer during subsequent growth, and want the flat part of the Zn concentration to be lXl0"an-', dimethylzinc should be used at, for example, 9X10-7 mol/
By starting growth at 550°C while supplying n+in to the reaction tube, and gradually increasing the growth temperature to 670°C, and then fixing the growth temperature there, it is possible to obtain the desired impurity concentration distribution. For example, a structure such as ρ+P can be created without greatly changing the dopant gas flow rate.
上記の例ではジメチル亜鉛の供給量をアナログ的に変化
させられることを考えていたが、ジメチル亜鉛の流量を
、例えば5,6XIQ−’mol/minから1.45
X 10−’ mol/winの間でディジタル的に
しか選択できない場合においても、成長開始における温
度と5その昇温速度、最終温度を所望の値に選択するこ
とによって適応できる。In the above example, it was considered that the supply amount of dimethylzinc could be changed analogously, but the flow rate of dimethylzinc could be changed from, for example, 5,6XIQ-'mol/min to 1.45XIQ-'mol/min.
Even if it is only possible to select digitally between X 10-' mol/win, it can be adapted by selecting the temperature at the start of growth, its heating rate, and final temperature to desired values.
特にInP系材料の場合第1図に示したように。Particularly in the case of InP-based materials, as shown in FIG.
InP中のZnの濃度は成長温度にほとんどよらず、あ
るジメチル亜鉛の流量以上では約3XIO”al−”で
飽和する。また成長温度が低い方が同じジメチル亜鉛流
量に対して導入不純物濃度が高い、し−たがって上記例
のような温度操作によって、飽和濃度である約3 X
10” am−3からI X 10” as−”までの
希望の濃度までを制御できるという利点がある。The concentration of Zn in InP is almost independent of the growth temperature, and is saturated at about 3XIO"al-" above a certain dimethylzinc flow rate. Furthermore, the lower the growth temperature, the higher the concentration of introduced impurities for the same dimethyl zinc flow rate. Therefore, by temperature manipulation as in the above example, the saturation concentration of about 3
It has the advantage of being able to control the desired concentration from 10" am-3 to I x 10"as-".
しかしながらこの方法はInP以外の材料、Zn以外の
ドーパントでも選択することができる。たとえば活性層
がGaInPまたはGaInAIPで構成され、クラッ
ド層がGaInAIPまたはGaAsで構成されている
場合にも適応できる。また、 GaAlAsをクラッド
層とし、GaAsまたはGaAlAsを活性層とするレ
ーザも同様である。However, this method can also be used with materials other than InP and dopants other than Zn. For example, the present invention can be applied to a case where the active layer is made of GaInP or GaInAIP and the cladding layer is made of GaInAIP or GaAs. The same applies to a laser having a cladding layer made of GaAlAs and an active layer made of GaAs or GaAlAs.
第4図では電流阻止層14.15のpn逆接合によって
電流狭窄を行うレーザの例を示したが1本発明はInP
クラッドはpn順接合型で、ペテロ接合との立ち上がり
電圧の差に依って電流狭窄を行うレーザ等の光半導体素
子にも適用することができる0例えば、第4図の例の電
流阻止層14.15が。FIG. 4 shows an example of a laser in which current confinement is achieved by a pn reverse junction of current blocking layers 14 and 15.
The cladding is of the pn forward junction type, and can be applied to optical semiconductor devices such as lasers that perform current confinement based on the difference in rising voltage from the Peter junction.For example, the current blocking layer 14 in the example of FIG. 15 is.
p−InPのみで形成される場合にも、その再成長開始
時の成長温度を低めから(例えば550℃)始めること
によって1例えば活性層の近傍では約3×10”01−
’という熱平衡におけるInP中Znの飽和濃度で、そ
の後の成長中の活性層への自動拡散を適量に制御できる
ような濃度にし、Znlll度の平坦部はI X 10
”an−3にすることができる。この場合。Even in the case of p-InP being formed only, by starting the growth temperature at a low temperature (for example, 550°C) at the start of regrowth, 1, for example, about 3×10"01-
At the saturation concentration of Zn in InP at thermal equilibrium of
"an-3. In this case.
ヘテロ接合の再成長界面からZnが活性層内に適度に拡
散し、高速化がなされる上、pnホモ接合界面と再成長
界面が分離され、リーク電流が減少し電流狭窄効果が強
くなり光出力が増大するなどの利点がある。Zn moderately diffuses into the active layer from the regrowth interface of the heterojunction, increasing speed, and separating the pn homojunction interface from the regrowth interface, reducing leakage current and strengthening the current confinement effect, increasing optical output. There are advantages such as an increase in
さらに本発明は電子デバイス作成工程にも応用でき、H
EMT (高電子移動度トランジスタ)やHBT(ヘテ
ロバイポーラトランジスタ)などの、ヘテロ接合を用い
たデバイスにも適応できる。また。Furthermore, the present invention can be applied to the electronic device manufacturing process, and H
It can also be applied to devices using heterojunctions such as EMT (high electron mobility transistor) and HBT (hetero bipolar transistor). Also.
ホモ接合デバイスにはもちろん適応可能である。It is of course applicable to homozygous devices.
尚、上記例では特にP型半導体層のドーパントにZnを
取り上げたが、n型半導体層のドーパントは当然として
、熱平衡において濃度飽和をおこす不純物であれば、伝
導型と関連しない原子、例えば、Er、 Eu、S園等
の希土類元素などにも適応することができる。In the above example, Zn was particularly used as a dopant for the P-type semiconductor layer, but it goes without saying that the dopant for the N-type semiconductor layer may be an impurity that causes concentration saturation in thermal equilibrium, such as atoms that are not related to the conductivity type, such as Er. It can also be applied to rare earth elements such as , Eu, and S.
以下1本発明にかかる低抵抗半導体層の成長方法の詳細
を図示の実施例によって説明する。The details of the method for growing a low-resistance semiconductor layer according to the present invention will be explained below with reference to the illustrated embodiments.
第3図は本発明の第1の実施例を示す、MOCVD法に
より成長じた亜鉛ドープInP中の正孔濃度の成長速度
依存性である。成長温度は620℃である。FIG. 3 shows the growth rate dependence of the hole concentration in zinc-doped InP grown by MOCVD, showing the first embodiment of the present invention. The growth temperature is 620°C.
第3図(a)は、第2図における飽和領域401におい
て成長速度を変化させた場合の正孔濃度、第3図(b)
は第2図における非飽和領域402において成長速度を
変化させた場合の正孔濃度を示している。Figure 3(a) shows the hole concentration when the growth rate is changed in the saturation region 401 in Figure 2, and Figure 3(b)
shows the hole concentration when the growth rate is changed in the non-saturated region 402 in FIG.
非飽和領域402においては、■族である亜鉛の結晶へ
の取り込まれは■族であるInとの競合によっているた
め、また成長速度はこの成長条件下ではInの流量によ
り比例して決定されるために、一定ジメチル亜鉛流量の
下では成長速度の増加に伴って正孔濃度は減少している
(第3図(b)参照)。しかしながら、飽和領域401
においては、これと反対に成長速度の上昇にしたがって
正孔濃度が上昇している(第3図(a)参照〉ことが鋭
意研究の結果明かとなった。正孔濃度は成長速度毎時1
0.の時に4,5X10”C!I−’となっている。こ
の値はInP中亜鉛による正孔濃度としては今までの最
高の値である。さらに成長速度を上昇させることによっ
てさらなる正孔濃度の上昇が予想される。コンタクト層
として利用することを考えれば、成長速度の増大に伴う
、膜厚制御の困難さは回避できるので、このようにして
得られる高濃度p型層は、有効な低抵抗半導体層として
利用できる。接触抵抗は不純物濃度が3 X 10”
Ql−3の場合に比べて10分の1以下に低減された。In the non-saturated region 402, the incorporation of zinc, which belongs to the group II, into the crystal is due to competition with In, which belongs to the group II, and the growth rate is determined in proportion to the flow rate of In under this growth condition. Therefore, under a constant dimethylzinc flow rate, the hole concentration decreases as the growth rate increases (see FIG. 3(b)). However, the saturated region 401
As a result of extensive research, it has become clear that, on the contrary, the hole concentration increases as the growth rate increases (see Figure 3 (a)).
0. 4.5X10"C!I-'. This value is the highest hole concentration ever achieved by zinc in InP. By further increasing the growth rate, it is possible to further increase the hole concentration. If you consider using it as a contact layer, the difficulty in controlling the film thickness that accompanies an increase in the growth rate can be avoided, so the highly doped p-type layer obtained in this way can be used as an effective low-concentration layer. Can be used as a resistive semiconductor layer.Contact resistance is determined by an impurity concentration of 3 x 10"
It was reduced to one tenth or less compared to the case of Ql-3.
ここで、飽和領域におけるジメチル亜鉛の流量は、第2
図において、その流量に対してZnの濃度が飽和する以
上の流量以上であれば、いくらでもかまわない。また、
成長温度についても、InPが成長できる温度範囲であ
れば何度であっても構わない。Here, the flow rate of dimethylzinc in the saturated region is
In the figure, any flow rate may be used as long as the flow rate is higher than the flow rate at which the concentration of Zn is saturated. Also,
The growth temperature may be any temperature as long as it is within the temperature range where InP can grow.
上記例では反応管圧力2.7 X LO’Paの減圧有
機金属化学気相堆積法を使用し、PH3流量として4.
2×103mol/分を採用しているが、この値は他の
値でも構わむい。また、上記例では亜鉛を取り上げてい
たが、 Cd、 Beなどの蒸気圧の高い他のP型ドー
パントでも構わないのは当然である。また、このドーパ
ントのようにドーピング飽和領域を持つドーパントの場
合にはいずれも適用可能である。尚、上記例では特にp
型半導体層のドーパントにZnを取り上げたが、n型半
導体層のドーパントは当然として、濃度飽和をおこす不
純物であれば、伝導型と関連しない原子、例えばEr、
Eu、 5I11等の希土類元素などにも適応するこ
とができる。In the above example, a reduced pressure organometallic chemical vapor deposition method with a reaction tube pressure of 2.7 x LO'Pa is used, and the PH3 flow rate is 4.
Although 2×10 3 mol/min is adopted, this value may be any other value. Further, although zinc was used in the above example, it is natural that other P-type dopants with high vapor pressure such as Cd and Be may be used. Further, any dopant having a doping saturation region like this dopant can be applied. In the above example, especially p
Although Zn is used as a dopant for the n-type semiconductor layer, the dopant for the n-type semiconductor layer can naturally be an impurity that causes concentration saturation, such as atoms unrelated to the conductivity type, such as Er,
It can also be applied to rare earth elements such as Eu and 5I11.
さらに本発明は電子デバイス作成工程にも応用でき、
HEMT (高電子移動度トランジスタ)やIIBT(
ヘテロバイポーラトランジスタ)などの、ヘテロ接合を
用いたデバイスの成長にも適応できる。Furthermore, the present invention can also be applied to the process of creating electronic devices.
HEMT (high electron mobility transistor) and IIBT (
It can also be applied to the growth of devices using heterojunctions, such as heterojunctions (hetero-bipolar transistors).
また、ホモ接合デバイスにはもちろん適応可能である。Moreover, it is of course applicable to homojunction devices.
また、本発明はm−■族化合物半導体だけでなく、蒸気
圧の高いU−Vt族化合物半導体にも、成長速度を更に
速くすることによって適応できる。Further, the present invention can be applied not only to m-■ group compound semiconductors but also to U-Vt group compound semiconductors having high vapor pressure by increasing the growth rate.
以上記載したように本発明の光半導体素子の製造方法に
よれば、光半導体素子の活性領域外側の埋め込み部のp
nホモ接合の立ち上がり電圧の増大やリーク電流の減少
が可能となる。また、Flil部長を適当に選択するこ
とによって活性層の上または下に設けられた回折格子、
メサ構造等の形状の劣化を抑制しつつ、pu不純物を活
性領域にまで導入できる。したがって高速応答可能で発
振する半導体発光素子が得られる。さらに本発明によれ
ば、−旦成長を開始した後は、階段状でなく連続的な濃
度勾配が欲しい場合にも温度のみを制御すれば良く5制
限性、操作性に優れている上1反応管へ送るガス流量を
変化させることなく、上記のような構造を作製すること
ができる。As described above, according to the method for manufacturing an optical semiconductor device of the present invention, the p
It is possible to increase the rise voltage of the n homojunction and reduce the leakage current. In addition, a diffraction grating provided above or below the active layer by appropriately selecting the Fil length,
Pu impurities can be introduced into the active region while suppressing deterioration of the shape of the mesa structure and the like. Therefore, a semiconductor light emitting device capable of high-speed response and oscillation can be obtained. Furthermore, according to the present invention, once growth has started, even if a continuous concentration gradient rather than a stepwise one is desired, only the temperature needs to be controlled. The above structure can be produced without changing the gas flow rate sent to the tube.
次に本発明にかかる低抵抗半導体層の成長方法によれば
、通常の成長条件では達成できなかった高濃度の半導体
層を形成できるため、素子を作製した場合のコンタクト
層として用いることにより接触抵抗の低減ができる。た
とえば、2桁以上の接触抵抗低減が実現された。また、
この高濃度層をクラッド層に用いることにより半導体レ
ーザの出力を大幅に向上することができる。また、たと
えば結晶成長法にMOCVD法を用いれば膜厚制御が容
易なため、不純物総量一定の拡散源のための薄膜として
も利用できるという利点がある。Next, according to the method of growing a low-resistance semiconductor layer according to the present invention, it is possible to form a semiconductor layer with a high concentration, which could not be achieved under normal growth conditions, so that it can be used as a contact layer when manufacturing an element, thereby increasing the contact resistance. can be reduced. For example, contact resistance was reduced by more than two orders of magnitude. Also,
By using this high concentration layer as a cladding layer, the output of the semiconductor laser can be significantly improved. Furthermore, if the MOCVD method is used as the crystal growth method, for example, the film thickness can be easily controlled, so there is an advantage that it can be used as a thin film for a diffusion source with a constant total amount of impurities.
第1図乃至第3図はいずれも本発明において利用したM
OCVD法によるInPへのZnのドーピング特性の一
例を示す線図、第4図は本発明にががる一実施例の光半
導体素子の製造を工程順に示すいずれも断面図、第5図
は従来の光半導体素子の製造を工程順に示すいずれも断
面図である。
100−n−InP基板。
11・・・n−InPバッファ(クラッド)層、12−
・・ノンドープGaInPAs活性層。
13・・・p−InPキャップ層、
14・・・p−InP電流阻止層、
15−n−InPtt流阻止層、
16・・・p−InPクラッド層、
17−p”GaInPAsコンタクト層、18・・・p
−InPキャップ層、26・・・ストライプ溝。
22−Au−Zn電極、 23−Au−Cr電極、24
−Au−Ge電極、20.2l−=Si02膜、301
・・・一定のジメチル亜鉛流量に対して結晶中に取り込
まれるZn濃度が、成長温度を変えてもそれほど大きく
変化しなくなり、さらにジメチル亜鉛流量増加に対して
Znの結晶にはいる濃度が飽和する直前の領域。
302・・・一定のジメチル亜鉛流量に対して結晶中に
取り込まれるZn濃度が成長温度を変えると大きく変化
し、かつジメチル亜鉛流量増加に対して結晶中にはいる
Znlll度がまだ飽和していない領域、
303−=620℃においてZn濃度がl X 10”
cs−”となるジメチル亜鉛流量を示す点。
304・・・620℃においてZn濃度がこの例での飽
和濃度である2、3X10”Ql−” となるジメチル
亜鉛流量を示す点、
305・・・303点とジメチル亜鉛流量を変えること
なく飽和濃度を得ることができる成長温度を示す点、
401・・・ジメチル亜鉛流量増加に対して正孔濃度が
飽和している領域。
402・・・ジメチル亜鉛流量に対して正孔濃度が増加
する領域。Figures 1 to 3 show M used in the present invention.
A diagram showing an example of the doping characteristics of Zn into InP by the OCVD method, FIG. 4 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of an optical semiconductor device according to an embodiment of the present invention in the order of steps, and FIG. 5 is a diagram showing the conventional method. All of these are cross-sectional views showing the manufacturing process of the optical semiconductor device in the order of steps. 100-n-InP substrate. 11... n-InP buffer (cladding) layer, 12-
...Non-doped GaInPAs active layer. 13...p-InP cap layer, 14-p-InP current blocking layer, 15-n-InPtt flow blocking layer, 16-p-InP cladding layer, 17-p"GaInPAs contact layer, 18-・・p
-InP cap layer, 26...stripe groove. 22-Au-Zn electrode, 23-Au-Cr electrode, 24
-Au-Ge electrode, 20.2l-=Si02 film, 301
...The concentration of Zn taken into the crystal for a constant flow rate of dimethylzinc does not change much even if the growth temperature is changed, and furthermore, the concentration of Zn taken into the crystal becomes saturated as the flow rate of dimethylzinc increases. The previous area. 302...The concentration of Zn taken into the crystal changes significantly when the growth temperature is changed for a constant dimethylzinc flow rate, and the Znlll concentration in the crystal is not yet saturated as the dimethylzinc flow rate increases. In the region, 303-=620°C, the Zn concentration is l x 10''
Points indicating the dimethylzinc flow rate at which the Zn concentration becomes 2,3X10"Ql-", which is the saturation concentration in this example, at 304...620°C, 305... 303 point and a point indicating the growth temperature at which a saturation concentration can be obtained without changing the dimethyl zinc flow rate, 401...A region where the hole concentration is saturated with an increase in the dimethyl zinc flow rate.402...Dimethyl zinc A region where the hole concentration increases with respect to the flow rate.
Claims (2)
りも蒸気圧の高い不純物をドープしつつ成長させて化合
物半導体層を形成する光半導体素子の製造に際し、前記
化合物半導体層内の不純物濃度を、該不純物の前記半導
体層の熱平衡におけるドーピング飽和濃度からこの飽和
濃度の40%の濃度範囲内では、ドーピングガスの流量
を所定とし、成長温度を変化させて制御して行い、前記
不純物の前記半導体層の熱平衡におけるドーピング飽和
濃度を超える濃度に対しては、該半導体層の成長速度の
増加に従ってドーピング速度が増加する流量以上に不純
物流量を増加させて化合物半導体層を形成することを特
徴とする光半導体素子の製造方法。(1) When manufacturing an optical semiconductor device in which a compound semiconductor layer is grown by doping with an impurity having a higher vapor pressure than at least one constituent element of the compound semiconductor layer, the impurity concentration in the compound semiconductor layer is , within a concentration range from the doping saturation concentration of the impurity at thermal equilibrium of the semiconductor layer to 40% of this saturation concentration, the flow rate of the doping gas is set to a predetermined value and the growth temperature is varied and controlled. For a concentration exceeding the doping saturation concentration in thermal equilibrium of the layer, a compound semiconductor layer is formed by increasing the impurity flow rate beyond the flow rate at which the doping rate increases as the growth rate of the semiconductor layer increases. A method for manufacturing semiconductor devices.
りも蒸気圧の高い不純物をドープしつつ成長させる低抵
抗化合物半導体層の成長形成に際し、前記不純物の濃度
が前記半導体層の熱平衡における飽和濃度を超える濃度
に対しては、該半導体層の成長速度の増加に従ってドー
ピング濃度が増加する流量以上に不純物流量を増加し、
成長速度を毎時7μm以上にして成長を行うことを特徴
とする低抵抗半導体層の成長方法。(2) When growing a low-resistance compound semiconductor layer doped with an impurity having a higher vapor pressure than at least one constituent element of the compound semiconductor layer, the concentration of the impurity is the saturated concentration at thermal equilibrium of the semiconductor layer. For concentrations exceeding , increasing the impurity flow rate above the flow rate at which the doping concentration increases as the growth rate of the semiconductor layer increases,
A method for growing a low-resistance semiconductor layer, characterized in that growth is performed at a growth rate of 7 μm or more per hour.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP34241889A JPH03201585A (en) | 1989-12-28 | 1989-12-28 | Manufacture of optical semiconductor element and growing method for low resistance semiconductor layer |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP34241889A JPH03201585A (en) | 1989-12-28 | 1989-12-28 | Manufacture of optical semiconductor element and growing method for low resistance semiconductor layer |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH03201585A true JPH03201585A (en) | 1991-09-03 |
Family
ID=18353579
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JP34241889A Pending JPH03201585A (en) | 1989-12-28 | 1989-12-28 | Manufacture of optical semiconductor element and growing method for low resistance semiconductor layer |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH03201585A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2005223316A (en) * | 2004-01-09 | 2005-08-18 | Sharp Corp | Compound semiconductor device, manufacturing method for the compound semiconductor device, light transmitting system, and optical disk equipment |
-
1989
- 1989-12-28 JP JP34241889A patent/JPH03201585A/en active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2005223316A (en) * | 2004-01-09 | 2005-08-18 | Sharp Corp | Compound semiconductor device, manufacturing method for the compound semiconductor device, light transmitting system, and optical disk equipment |
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