JP4154907B2 - Semiconductor optical device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、III−V族化合物半導体膜、及び半導体光素子、及び半導体膜を形成する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
光通信モジュールは、半導体レーザ素子を備えている。この半導体レーザ素子は、InP基板と、InP半導体層と、GaInAsP半導体層とを備える。光通信モジュールにおいて、レーザ光の発振波長を温度変化に関して安定にするために、半導体レーザ光素子はペルチェ素子上に配置されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
GaInAsP半導体を活性層として使用する半導体レーザ素子では、温度変化すると比較的温度変化が大きいことが知られている。この理由は、GaInAsP半導体のバンドギャップの温度係数が大きいことに起因する。
【0004】
発明者らは、GaInAsP半導体よりも半導体レーザ素子の温度特性に優れる半導体材料の一候補として、GaInNAs半導体を研究している。母材GaInAs半導体への窒素の固容度は小さいけれども、発明者らの研究では、窒素を含む四元半導体として、Ga0.65In0.35N0.1As0.9半導体という組成が実現されている。また、発明者らは、半導体レーザ素子も作製している。しかしながら、発明者らは、実用的な半導体材料としてGaInNAs半導体を用いるためには更なる研究が必要であると考えている。すなわち、求められていることは、結晶性の良い半導体材料を提供することである。
【0005】
そこで、本発明の目的は、良好な結晶性を有する五元III−V族化合物半導体膜、この半導体膜を含む半導体光素子、III−V族化合物半導体膜を形成する方法を提供することとした。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体光素子は、GaAs基板と、前記GaAs基板上に設けられた第1のp型半導体層と、前記GaAs基板上に設けられた第1のn型半導体層と、前記第1のp型半導体層と前記第1のn型半導体層との間に設けられた第1の活性層とを備え、前記第1の活性層は、1.25マイクロメートルを超える波長領域にPLピーク波長を有するように設けられ五元GaInNPAsからなり前記GaAs基板上に設けられたIII−V族化合物半導体層であり、前記III−V族化合物半導体層において、InPとInNとの混晶比(InP/InN)は0.1以上4以下であり、前記 III −V族化合物半導体層におけるInAs X NP 3−X クラスタ(X=1〜3)においては一又は複数のAs原子がP原子で置換されている。
また、本発明に係る半導体光素子は、GaAs基板と、前記GaAs基板上に設けられた第1のp型半導体層と、前記GaAs基板上に設けられた第1のn型半導体層と、前記第1のp型半導体層と前記第1のn型半導体層との間に設けられた第1の活性層とを備え、前記第1の活性層は、1.25マイクロメートルを超える波長領域にPLピーク波長を有するように設けられ五元GaInNPAsからなるIII−V族化合物半導体層と、III族元素としてガリウムを含むと共にV族元素として砒素を含む別のIII−V族化合物半導体層とを含み、前記III−V族化合物半導体層は井戸層であり、前記別のIII−V族化合物半導体層は障壁層であり、前記III−V族化合物半導体層において、InPとInNとの混晶比(InP/InN)は0.1以上4以下であり、前記 III −V族化合物半導体層におけるInAs X NP 3−X クラスタ(X=1〜3)においては一又は複数のAs原子がP原子で置換されている。前記III−V族化合物半導体層と前記別のIII−V族化合物半導体層とは量子井戸構造を構成する。
さらに、本発明に係る半導体光素子は、前記GaAs基板上に設けられた第2のp型半導体層と、前記GaAs基板上に設けられた第2のn型半導体層と、前記第2のp型半導体層と前記第2のn型半導体層との間に設けられた第2の活性層とを更に備え、前記第2の活性層は、 III 族元素としてガリウム及びインジウムを含むと共にV族元素として砒素、燐及び窒素を含み前記GaAs基板上に設けられた III −V族化合物半導体層を含み、前記第1の活性層は、半導体発光素子及び半導体変調素子の一方のために設けられており、前記第2の活性層は、半導体発光素子及び半導体変調素子の他方のために設けられており、前記第1及び第2の活性層は、互いに光学的に結合されている。
さらにまた、本発明に係る半導体光素子は、前記第2の活性層の前記III−V族化合物半導体層において、InPとInNとの混晶比(InP/InN)は0.1以上4以下であり、前記 III −V族化合物半導体層におけるInAs X NP 3−X クラスタ(X=1〜3)においては一又は複数のAs原子がP原子で置換されていることができる。
【0007】
本発明の一側面は、半導体膜を形成する方法に係わる。この方法は、 ( a ) 有機金属気相成長装置内に基板を置く工程と、 ( b ) ガリウムソース原料、インジウムソース原料、砒素ソース原料、窒素ソース原料、及び燐ソース原料を有機金属気相成長装置に供給して、 III −V族化合物半導体膜を形成する工程とを備える。 III −V族化合物半導体膜は III 族元素としてガリウム及びインジウムを含むと共に、V族元素として砒素、燐及び窒素を含む。
III族元素としてガリウム及びインジウムを含むと共にV族元素として砒素、燐及び窒素を含む五元III−V族化合物半導体膜を有機金属成長装置において形成することにより、原子半径が相対的に小さい窒素と原子半径が相対的に大きい燐を母材GaInAs半導体膜に添加できる。発明者は、燐及び窒素の両方を母材半導体に加えるために有機金属気相成長法が有利であることを発見した。
【0008】
この方法では、ガリウムソース原料はトリエチルガリウムを含み、インジウムソース原料はトリメチルインジウムを含み、砒素ソース原料はターシャリブチルアルシンを含み、燐ソース原料はターシャリブチルホスフィンを含み、窒素ソース原料はジメチルヒドラジンを含むことができる。これらの原料を、ガリウム、インジウム及び砒素に加えて燐及び窒素の両方を含む半導体膜に形成するために利用できる。
【0009】
この方法では、基板は、GaAs基板及びシリコン基板の少なくともいずれかであることができる。これらの基板上に、五元III−V族化合物半導体を形成できる。
【0010】
この方法では、III−V族化合物半導体膜において、InPとInNとの混晶比は0より大きいことが好ましい。また、InPとInNとの混晶比は0より大きく4以下であることが好ましい。
【0011】
InとPとの結合およびInとNとの結合を該III−V族化合物半導体膜内に提供できる。InとPとの原子間距離はGaとAsとの原子間距離より大きく、InとNとの原子間距離はGaとAsとの原子間距離より小さい。InPとInNとを組み合わせた混晶により、この組み合わせ混晶における平均原子間距離をGaとAsとの原子間距離に近づけることができる。
【0012】
この方法では、III−V族化合物半導体膜は、単一の窒素原子及び一又は複数の燐原子と結合するインジウム原子を含む。InとPとの結合およびInとNとの結合を該III−V族化合物半導体膜に提供できる。InとPとの原子間距離はGaとAsとの原子間距離より大きく、InとNとの原子間距離はGaとAsとの原子間距離より小さい。故に、インジウム原子、砒素原子および窒素原子からなるクラスタにおいてAs原子を一または複数のP原子に置換することにより、この置換により生成される別種のクラスタの平均原子間距離をGaとAsとの原子間距離に近づけることができる。
【0013】
本発明の別の側面は、III族元素としてガリウム及びインジウムとV族元素として砒素、燐及び窒素とを含み基板上に設けられたIII−V族化合物半導体膜である。このIII−V族化合物半導体膜では、InPとInNとの混晶比は0より大きい。InP半導体とInN半導体との混晶により、この混晶における平均原子間距離はGaとAsとの原子間距離に近くなる。これにより、III−V族化合物半導体膜の結晶性が向上される。
【0014】
あるいは、III−V族化合物半導体膜では、InPとInNとの混晶比は0より大きく4以下である。
【0015】
あるいは、III−V族化合物半導体膜は、単一の窒素原子及び一又は複数の燐原子と結合するインジウム原子を含む。III−V族化合物半導体膜では、In原子、As原子および窒素原子からなるクラスタにおいてAs原子を一または複数のP原子に置換することにより生成されるクラスタの平均原子間距離がGaとAsとの原子間距離に近くなる。
【0016】
III−V族化合物半導体膜は、GaAs基板及びシリコン基板の少なくともいずれかである基板上に設けられることができる。これらの基板上に、五元III−V族化合物半導体を形成できる。
【0017】
本発明の更なる別の側面は、半導体光素子である。半導体光素子は、基板と、第1のp型III−V族化合物半導体層と、第1のn型III−V族化合物半導体層と、第1の活性層とを備える。第1のp型III−V族化合物半導体層は、基板上に設けられている。第1のn型III−V族化合物半導体層は、基板上に設けられている。この活性層は、第1のp型III−V族化合物半導体層と第1のn型III−V族化合物半導体層との間に設けられている。第1の活性層は、III族元素としてガリウム及びインジウムを含むと共に、V族元素として砒素、燐及び窒素を含み前記基板上に設けられたIII−V族化合物半導体層を含む。
【0018】
この半導体光素子のIII−V族化合物半導体層において、InP半導体とInN半導体との混晶比は0より大きい。InP半導体とInN半導体との組み合わせにより得られる混晶の平均原子間距離をGaとAsとの原子間距離に近づけることができる。これにより、III−V族化合物半導体膜の結晶性が向上される。また、InP半導体とInN半導体との混晶比は0より大きく4以下であることができる。
【0019】
あるいは、III−V族化合物半導体層は、単一の窒素原子及び一又は複数の燐原子と結合するインジウム原子を含む。III−V族化合物半導体層では、In原子、As原子および窒素原子からなるクラスタにおいてAs原子を一または複数のP原子に置換することにより生成されるクラスタの平均原子間距離をGaとAsとの原子間距離に近づけることができる。
【0020】
当該III−V族化合物半導体光素子は、半導体発光素子及び半導体変調素子の少なくともいずれかを含むことができる。
【0021】
この半導体光素子では、活性層は、別のIII−V族化合物半導体層を更に備えることができる。別のIII−V族化合物半導体層の各々は、III族元素としてガリウムとV族元素として砒素とを含む。III−V族化合物半導体層と複数の別のIII−V族化合物半導体層とは量子井戸構造を構成する。五元III−V族化合物半導体を用いるので、量子井戸構造を構成する半導体層の結晶性が向上できる。量子井戸構造としては、SQW構造及びMQW構造が例示される。
【0022】
この半導体光素子では、基板は、GaAs基板及びシリコン基板の少なくともいずれかであることができる。これらの基板上に、上記の五元III−V族化合物半導体を形成できる。
【0023】
この半導体光素子は、第2のp型半導体層と、第2のn型半導体層と、第2の活性層とを更に備えることができる。第2のp型半導体層は、基板上に設けられている。第2のn型半導体層は、基板上に設けられている。第2の活性層は、第2のp型半導体層と第2のn型半導体層との間に設けられている。第2の活性層は、III−V族化合物半導体層を含む。このIII−V族化合物半導体層は、基板上に設けられており、III族元素としてガリウム及びインジウムを含むと共に、V族元素として砒素、燐及び窒素を含む。第1の活性層は、半導体発光素子及び半導体変調素子の一方のために設けられており、第2の活性層は、半導体発光素子及び半導体変調素子の他方のために設けられている。第1及び第2の活性層は、互いに光学的に結合されている。
【0024】
半導体発光素子としては、DFB半導体レーザ素子及びファブリペロー半導体レーザ素子が例示される。半導体変調素子としては、電界吸収型変調素子が例示される。
【0025】
この半導体光素子では、第2の活性層のIII−V族化合物半導体層において、InPとInNとの混晶比は0より大きく、またInPとInNとの混晶比が4以下であればさらに好ましい。あるいは、第2の活性層のIII−V族化合物半導体層は、窒素原子及び燐原子と結合するインジウム原子を含む。
【0026】
本発明のまた更なる別の側面は、半導体光デバイスを製造する方法である。この方法は、(c)有機金属気相成長装置に基板を置く工程と、(d)第1導電型III−V族化合物半導体層を基板上に形成する工程と、(e)ガリウムソース材料、インジウムソース材料、砒素ソース材料、窒素ソース材料、及び燐ソース材料を有機金属気相成長装置に供給して、III族元素としてガリウム及びインジウムとV族元素として砒素、燐及び窒素とを含むIII−V族化合物半導体層を基板上に形成する工程と、(f)第2導電型III−V族化合物半導体層を基板上に形成する工程とを備える。III−V族化合物半導体層は、第1導電型III−V族化合物半導体層と第2導電型III−V族化合物半導体層との間に設けられている。
【0027】
III−V族化合物半導体層が、III族元素としてガリウム及びインジウムを含むと共にV族元素として砒素、燐及び窒素を含むIII−V族半導体から構成されるので、結晶性の良い活性層を得ることができる。III−V族化合物半導体層が第1導電型III−V族化合物半導体層と第2導電型III−V族化合物半導体層との間に設けられているので、電子及び正孔が、第1及び第2導電型III−V族化合物半導体層からIII−V族化合物半導体層に提供される。
【0028】
半導体光デバイスを製造する方法では、(g)有機金属気相成長装置において、III族元素としてガリウムを含むと共にV族元素として砒素を含む別のIII−V族化合物半導体層を基板上に形成する工程と、(h)III−V族化合物半導体層を基板上に形成する工程及び別のIII−V族化合物半導体層を基板上に形成する工程の少なくともいずれかを、III−V族化合物半導体層と別のIII−V族化合物半導体層とが量子井戸構造を構成するように行う工程とを更に備えるようにしてもよい。五元III−V族化合物半導体を含む量子井戸構造を実現できる。量子井戸構造としては、SQW構造及びMQW構造が実現できる。
【0029】
半導体光デバイスを製造する方法では、ガリウムソース材料はトリエチルガリウムを含み、インジウムソース材料はトリメチルインジウムを含み、砒素ソース材料はターシャリブチルアルシンを含み、燐ソース材料はターシャリブチルホスフィンを含み、窒素ソース材料は、ジメチルヒドラジン及びアンモニアの少なくともいずれか一つを含むことができる。これらの材料を、燐及び窒素の両方を母材GaInAs半導体に加えるために利用できる。
【0030】
半導体光デバイスを製造する方法では、基板は、GaAs基板及びシリコン基板の少なくともいずれかであることができる。これらの基板上に、五元III−V族化合物半導体を形成できる。
【0031】
当該半導体光デバイスは、半導体発光素子及び半導体変調素子の少なくともいずれかを含むことができる。半導体光デバイスでは、半導体変調素子は半導体発光素子に光学的に結合されている。
【0032】
半導体装置を製造する方法では、III−V族化合物半導体膜において、InP半導体とInN半導体との混晶比は0より大きいことが好ましく、また4以下であればさらに好ましい。あるいは、III−V族化合物半導体膜において、燐と窒素とのモル比(P/N)は0より大きいことが好ましく、また4以下であればさらに好ましい。
【0033】
このようにInPとInNとの混晶を組み合わせることにより、この組み合わせから得られる混晶の平均原子間距離をGaとAsとの原子間距離に近づけることができる。
【0034】
半導体装置を製造する方法では、III−V族化合物半導体膜は、単一の窒素原子及び一又は複数の燐原子と結合するインジウム原子を含むことが好ましい。In原子、As原子および窒素原子からなるクラスタにおいてAs原子を一または複数のP原子に置換することにより、この置換により生成されるクラスタの平均原子間距離をGaとAsとの原子間距離に近づけることができる。
【0035】
本発明の上記の目的及び他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述からより容易に明らかになる。
【0036】
【発明の実施の形態】
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明のいくつかの実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
【0037】
(第1の実施の形態)
図1は、本実施の形態に係わる五元III−V族化合物半導体膜を成長するための有機金属気相成長装置を示す模式図である。有機金属気相成長装置1は、減圧チャンバ2と、減圧ポンプ4と、ガスミクサ6と、ガスボックス8とを備える。減圧チャンバ2は、基板Wを搭載できるように設けられたステージ10と、ステージ10を回転させるために回転機構12と、ステージ10上に搭載された基板W上にプロセスガスを導く石英製チューブ14とを有する。ステージ10内には、ステージ温度を調整するためのヒータ10aを備えている。石英製チューブ14は一端14a及び他端14bを有する。一端14aは、プロセスガスを供給するための供給ライン16を介してガスミクサ6に接続されている。他端14bは、反応生成物および原料ガスを排気する減圧ポンプ4に接続されている。ガスミクサ6は、ガスライン18を介してガスボックス8に接続されている。ガスボックス8は、H2ガスソース20、V族ガスソースユニット22、III族ガスソースユニット24、ドーパントガスソースユニット26、及びマスフローコントローラ(MFC)28a〜28jを備える。H2ガスソース20は、それぞれ、V族ガスソースユニット22のガス入力22a、III族ガスソースユニット24のガス入力24a、及びドーパントガスソースユニット26のガス入力26aに接続されている。V族ガスソースユニット22のガス出力22b、III族ガスソースユニット24のガス出力24b、及びドーパントガスソースユニット26のガス出力26bは、それぞれ、ガスミクサ6に接続されている。
【0038】
V族ガスソースユニット22は、ジメチルヒドラジン(DMHy)を貯蔵する容器30a、ターシャリブチルアルシン(TBAs)を貯蔵する容器30b及びターシャリブチルホスフィン(TBP)を貯蔵する容器30cを有する。容器30aを例示的に説明すれば、容器30aは、H2ガスをバブリングすることによりDMHyガスを生成可能なように設けられた入力管30d及び出力管30eを有する。入力管30dはバルブ30gを介してガス入力22aに接続されている。バルブ30gとガス入力22aとの間には、MFC28aが設けられている。出力管30eはバルブ30fを介してガスミクサ6に接続されている。ガス入力22aとガスミクサ6との間には、バルブ30hが設けられている。バルブ30hとガス入力22aとの間には、MFC28bが設けられている。
【0039】
III族ガスソースユニット24は、テトラエチルガリウム(TEGa) を貯蔵する容器32a及びテトラメチルインジウム(TMIn) を貯蔵する容器32bを有する。容器32aを例示的に説明すれば、容器32aは、H2ガスをバブリングすることによりTEGaガスを生成可能なように設けられた入力管32c及び出力管32dを有する。入力管32cは、バルブ32fを介してガス入力24aに接続されている。バルブ32fとガス入力24aとの間には、MFC28cが設けられている。出力管32fは、バルブ32eを介してガスミクサ6に接続されている。ガス入力24aとガスミクサ6との間には、バルブ32gが設けられている。バルブ32gとガス入力24aとの間には、MFC28dが設けられている。
【0040】
ドーパントガスソースユニット26は、ジエチルジンク(DEZn) を貯蔵する容器34a及びテトラエチルシリコン(TeESi) を貯蔵する容器34bを有する。DEZnを利用するとp型ドーパントとしてZnを添加できる。TeESiを利用するとn型ドーパントとしてSiを添加できる。容器34aを例示的に説明すれば、容器34aは、H2ガスをバブリングすることによりDEZnガスを生成可能なように設けられた入力管34c及び出力管34dを有する。入力管34cは、バルブ34fを介してガス入力26aに接続されている。バルブ34fとガス入力26aとの間には、MFC28eが設けられている。出力管34dは、バルブ34eを介してガスミクサ6に接続されている。ガス入力26aとガスミクサ6との間にはバルブ34gが設けられている。バルブ34gとガス入力26aとの間には、MFC28fが設けられている。
【0041】
次いで、有機金属気相成長装置1を用いて基板W上にIII−V族化合物半導体多層膜を成長する。図2は、図1に示された有機金属気相成長装置を用いて成長された半導体多層膜を有する半導体装置を示す図面である。半導体装置35は、基板36と、アンドープGaAs層37と、アンドープGaInNAsP層38と、アンドープGaAs層39とを備える。アンドープGaAs層37と、アンドープGaInNAsP層38と、アンドープGaAs層39は、GaAs半導体基板36上に形成されている。発明者らは、図2に示されるような構造のサンプルをいくつか作製している。また、発明者は、参照用に、アンドープGaInNAsP層38に替えてアンドープGaInNAs層を備える半導体装置を作製している。各層の膜厚は、
基板36:350マイクロメートル
層37:0.2マイクロメートル
層38:0.01マイクロメートル
層39:0.1マイクロメートル
である。
【0042】
基板36として、2インチサイズの(100)面GaAs半導体基板を用いている。成長温度は500℃であり、成長圧力10132.5Pa(76Torr)であり、DMHyの供給量は一定であり、[DMHyモル比]/([TBAsモル比]+[DMHyモル比])=0.978である。TBPの供給量を0.26sccm以上0.26sccm以下の範囲内で変化させている。成膜後に、各サンプルには665℃において10分の熱処理を行っている。In組成は28パーセントであり、N組成は1パーセント未満である。
【0043】
発明者らは、これらサンプルのフォトルミネッセンス(PL)測定を行っている。図3は、室温(25℃)におけるフォトルミネッセンススペクトル(以下、PLスペクトルと記す)を示す図面である。特性曲線C1は、アンドープGaInNAs半導体のPLスペクトルを示しており、特性曲線C2は、混晶比(InP/InN)=0.1であるアンドープGaInNAsP半導体のPLスペクトルを示している。両特性曲線を比較すると、(a)特性曲線C2において、ピークの両サイドにおいて裾引きが少なくなっており、(b)特性曲線C2の半値幅が特性曲線C1の半値幅より小さくなっている。この比較によれば、GaInNAs半導体に燐(P)を加えると、PLスペクトルの半値幅が小さくことを示している。したがって、混晶比(InP/InN)>0であれば、半導体層の結晶性が向上する。
【0044】
図4は、PLスペクトルのピーク強度(任意単位)と燐(P)濃度(単位:atoms/cm3)との関係を示すグラフである。このグラフにおいて、測定データP1は、GaInNAs半導体のPLスペクトルのピーク強度を示しており、測定データP2は、TBP流量0.26sccm(standard centimeter cubic per minute)の条件で作製されたサンプルにおけるGaInNAsP半導体のPLスペクトルのピーク強度を示しており、測定データP3は、TBP流量1.3sccmの条件で作製されたサンプルにおけるGaInNAsP半導体のPLスペクトルのピーク強度を示している。したがって、混晶比(InP/InN)>0であれば、半導体層の結晶性が向上する。また、混晶比(InP/InN) ≧0.1であれば、本実験結果よりも優れたPLスペクトルの強度が達成される。
【0045】
図5は、PLスペクトルピーク強度(任意単位)とピーク波長 (単位:nm)との関係を示すグラフである。特性線L1はGaInNAs半導体のPLスペクトルのピーク強度を示しており、特性線L2は、混晶比(InP/InN)=0.1の下で様々な組成のGaInNAsP半導体のPLスペクトルピーク強度を示している。両特性線を比較すると、ピーク波長が1.25マイクロメートルを越える結晶組成において、GaInNAsP半導体のPLスペクトルピーク強度(特性線L2)は、GaInNAs半導体のPLスペクトルピーク強度(特性線L1)より大きい。つまり、GaInNAs半導体に燐(P)加えることにより、1.25マイクロメートルを越える波長領域(長波長領域)における結晶性が改善される。
【0046】
(第2の実施の形態)
図6は、図1に示された有機金属気相成長装置を用いて成長された半導体多層膜を有する半導体装置を示す図面である。半導体装置40は、半導体基板42と、バッファ層44と、第1のクラッド層46と、第1の光ガイド層48と、活性層50と、第2の光ガイド層52と、第2のクラッド層54と、キャップ層56とを備える。
【0047】
図7は、図6に示された半導体装置に含まれる多層半導体膜を形成する方法を表すフローチャートである。フローチャート120は、以下の工程を備える。配置工程S122では、有機金属気相成長装置1の石英製チューブ14内にn型GaAs基板を配置する。バッファ層44を形成する工程S124は、Gaソースのバルブ、AsソースのバルブおよびSiソースのバルブを開いて、GaAs基板上にn型GaAs半導体膜を形成する。n型GaInP半導体膜46を形成する工程S126では、Gaソースのバルブ、Inソースのバルブ、PソースのバルブおよびSiソースのバルブを開いて、GaAsバッファ層44上にn型GaInP半導体膜を形成する。第1の光ガイド層を形成する工程S128では、GaソースのバルブおよびAsソースのバルブを開いて、n型GaInP半導体膜46上にアンドープGaAs半導体膜を形成する。活性層48を形成する工程S130では、Gaソースのバルブ、Asソースのバルブ、Inソースのバルブ、PソースのバルブおよびNソースバルブを開いて、アンドープGaAs半導体膜上にアンドープGaInNAsP半導体膜を形成する。第2の光ガイド層52を形成する工程S132では、GaソースのバルブおよびAsソースのバルブを開いて、活性層上にアンドープGaAs半導体膜を形成する。p型GaInP半導体膜を形成する工程S134では、Gaソースのバルブ、Inソースのバルブ、PソースのバルブおよびZnソースのバルブを開いて、第2の光ガイド層52上にp型GaInP半導体膜を形成する。キャップ層を形成する工程S136は、Gaソースのバルブ、AsソースのバルブおよびZnソースのバルブを開いて、p型GaInP半導体膜上にp型GaAs半導体膜56を形成する。上記の半導体膜は、GaAs基板上にエピタキシャル成長される。また、格子不整として±2%程度の範囲であれば、結晶成長可能である。
【0048】
本実験では、半導体基板としてGaAs基板を用いたが、シリコン基板を用いることもできる。発明者らは、有機金属気相成長装置1を用いて下記の3条件の半導体多層膜を形成した。
第1の実験
基板: GaAs
((100)面、電子濃度n=2×1018cm-3)
バッファ層: GaAs
(200nm、電子濃度n=1.5×1018cm-3)
第1のクラッド層:GaInP
(200nm、電子濃度n=7×1017cm-3)
第1の光ガイド層:GaAs
(140nm、アンドープ)
活性層: Ga0.65In0.35NAsP
(10nm、アンドープ)
第2の光ガイド層:GaAs
(140nm、アンドープ)
第2のクラッド層:GaInP
(500nm、正孔濃度p=7×1017cm-3)
キャップ層: GaAs
(100nm、正孔濃度p=3×1018cm-3)。
第2の実験
活性層 : Ga0.65In0.35NP
(10nm、アンドープ)
他の半導体膜は、第1の実験と同一である。
第3の実験
活性層 : Ga0.65In0.35NAs
(10nm、アンドープ)
他の半導体膜は、第1の実験と同一である。
【0049】
成膜条件の詳細を説明すると、Ga0.65In0.35NAsPを成長するときステージ温度530℃に設定している。他の半導体膜を成長するとき、このステージ温度より高い温度、例えば575℃に設定している。成長炉内の圧力P=10132.5Pa(76Torr)に設定している。
【0050】
Ga0.65In0.35NAsP半導体膜を形成するとき、たとえば、次の流量比を用いている:
[TMInモル比]/([TMInモル比]+[TMGaモル比])=0.35
[TBAsモル比]/([TMInモル比]+[TMGaモル比])=5
[DMHyモル比]/([TBAsモル比]+[DMHyモル比])=0.97
[TBPモル比]/([TBPモル比]+[TBAsモル比])=0.41
成長速度は約1マイクロメートル/時間である。
【0051】
発明者らは、得られた多層膜の特性を測定した。この結果、発明者らは、燐(P)および窒素(N)の両方をGaInAsに加えることにより、GaInNAsの特性に比べて、Ga0.65In0.35NAsPの結晶性が良好であることを発見した。
【0052】
発明者らは、有機金属気相成長法を用いてGaInNAsPの成長を行った。有機金属気相成長法によれば、原料ガス量を制御することがMBE法に比べて容易である。例えば、燐ソースとしてはPH3及びTBPを用いることができる。例えば、窒素ソースとしてはNH3及びDMHyを使用できる。燐元素の蒸気圧は高いので、MBE法では燐原料の供給量を制御することは容易ではない。有機金属気相成長装置を用いると、燐ソース及び窒素ソースの両方の供給量を原料ガスの流量比として関連づけることができる。故に、有機金属気相成長法を用いれば、燐ソース及び窒素ソースの供給量を制御できる。
【0053】
発明者らは、五元III−V族化合物半導体の結晶性が四元III−V族化合物半導体の結晶性より良質になることについて検討を行う。更なる考察のために、実用的な半導体光デバイス及び実験の成膜条件が反映されたいくつかの現実的な仮定を置く。
【0054】
(1)結晶中において、窒素の原子数はIn原子数に比べて非常に少ない。実用的な光半導体デバイスを念頭に置くと、Ga1-XInXNYAs1-Y-ZPZ半導体において、組成比でInはX=0.35であり、NはY=0より大きく0.05以下である。
【0055】
(2)このGa1-XInXNYAs1-Y-ZPZ半導体では、インジウムと窒素とが直接結合する(In−N結合)結合が、窒素と他のIII族元素との結合よりも安定である。
【0056】
(3)窒素原子の原子半径は、他の元素の原子半径に比べて非常に小さい。一方、In原子の原子半径は、他の元素の原子半径に比べて大きい。故に、GaInNAs半導体では、ミクロな描像では、窒素原子が存在する領域では局所的に大きな歪みが生じている。窒素とIII族原子(In)との結合距離が小さいので、この局所的な歪みが、結晶格子を乱すように作用しており、また結晶欠陥を生じさせている。
【0057】
これらの仮定の下に、GaAs結晶、InP結晶、及びInN結晶の原子間距離を求めると、
GaAs結晶:0.245ナノメートル(2.45オングストローム)
InN結晶: 0.215ナノメートル(2.15オングストローム)
InP結晶: 0.254ナノメートル(2.54オングストローム)
という値になる。
【0058】
Ga1-XInXNYAs1-Y-ZPZ半導体において、結晶中に大量に存在する元素は、Ga、In及びAsである。Ga1-XInXNYAs1-Y半導体膜は、多数のGa−As結合を含む一方で、非常に少数のIn−N結合を含む。このGa1-XInXNYAs1-Y結晶に微量のPを加えると、In−P結合が生成される。In−P結合の原子間距離は、Ga−As結合の原子間距離より大きい。故に、In−P結合は、In−N結合により生じる局所的な歪みの一部を相殺して、歪みを低減する。
【0059】
図8は、III族元素InとV族元素As及びNとの結合、並びにIII族元素GaとV族元素Asとの結合を模式的に示す図面である。図8を参照すると、InAs3Nクラスタ60、InAs2NPクラスタ62、InAsNP2クラスタ64、InNP3クラスタ66、GaAs3クラスタ68、InP4クラスタ69が示されている。これらのクラスタにおいて、As原子がP原子により置換されるにつれて、クラスタのサイズが順に小さくなっている。
【0060】
構成原子の平均原子間距離という指標を用いてクラスタのサイズの変化を見積もると、
GaAs3クラスタ: 0.245ナノメートル(2.45オングストローム) InAs4クラスタ: 0.260ナノメートル(2.60オングストローム) InAs3Nクラスタ: 0.249ナノメートル(2.49オングストローム) InAs2NPクラスタ:0.247ナノメートル(2.47オングストローム) InAsNP2クラスタ:0.246ナノメートル(2.46オングストローム) InNP3クラスタ: 0.244ナノメートル(2.44オングストローム) InP4クラスタ: 0.254ナノメートル(2.54オングストローム) となる。
【0061】
つまり、InAsXNP3-Xクラスタにおいて一または複数のAs原子がP原子により置換されるにつれて、置換原子を含むクラスタの平均原子間距離がGaAs3クラスタにおける平均原子間距離に近づいていく。図8から、窒素により引き起こされていた局所的な歪みは、構成元素としてPを加えることにより小さくなることが視覚的に理解される。また、燐元素は、III−V族化合物半導体の構成元素でありp型及びn型不純物ではないので、電気的な性質には影響を与えない。また、燐原子の添加量は少ないので、ホスト結晶のバンド構造に大きな影響を与えることはない。
【0062】
図9は、InAsXNP3-X(X=1〜3)クラスタにおける窒素原子の結合エネルギと、このクラスタ中のP原子の数との関係を示す図面である。図9に示された特性曲線は、燐原子に置換された砒素原子の数が増加すると、窒素とインジウムとの結合エネルギが増加することを示している。結合エネルギの増加は、窒素とインジウムとの結合が強固になることを意味する。つまり、III族元素としてガリウム及びインジウムとV族元素として砒素、燐及び窒素とを含むIII−V族化合物半導体膜において、InPとInNとの混晶比は0より大きければ、InP半導体とInN半導体との混晶の組み合わせにより得られるクラスタの平均原子間距離をGaとAsとの原子間距離に近づけることができる。これにより、III−V族化合物半導体膜の結晶性が向上される。III−V族化合物半導体膜では、InPとInNとの混晶比は3以下であれば、窒素とインジウムとの結合を強固にできる。InPとInNとの混晶比が4以下であれば、結晶欠陥が発生しない程度に結晶歪みを小さくできる。混晶比が4程度以下であれば、発光波長の燐濃度依存性が十分に小さい。混晶比が5以上になると、発光波長の燐濃度依存性が大きくなり、発光波長が短波長領域にシフトする。さらに、InP4クラスタもGaInNAsP半導体中においては、結晶歪みを補償するように作用する。
【0063】
さらに、III−V族化合物半導体膜は、単一の窒素原子及び一又は複数の燐原子と結合するインジウム原子を含む。III−V族化合物半導体膜では、In原子、As原子および窒素原子からなるクラスタにおいてAs原子を一または複数のP原子に置換することにより生成されるクラスタの平均原子間距離をGaとAsとの原子間距離に近づけることができる。インジウムと窒素との結合は、InNP3クラスタにおいてもっとも強固になる。窒素と燐との組成比の最適値は1:3である。故に、窒素と燐との組成比(モル比)の好適な範囲は、0より大きいことであり、また4以下であることである。窒素と燐との組成比が4以下であれば、結晶欠陥が生じない程度に結晶歪みを小さくできる。
【0064】
これまでの説明から理解されるように、窒素と燐との組合せてInPとInNとの混晶を形成することは、結晶の歪みを低減するために有効であることを示している。図3〜図5に示されたPLスペクトルの結果は、混晶比InP/InN=0.1程度と小さくても、燐(P)の添加は結晶性の向上に役立つことを示している。また、発明者の検討結果は、この混晶比が更に大きな領域でも結晶歪みを低減することを示している。
【0065】
(第3の実施の形態)
発明者らは、第1の実施の形態において実現されたIII−V族化合物半導体膜を引き続いて説明する半導体光デバイスに使用できると考えている。
【0066】
図10は、DFB型半導体レーザ素子を含む半導体光集積素子を示す図面である。半導体光集積素子70は、所定の軸に沿って配置された発光素子部70a、素子分離部70b及び変調素子部70cを含む。素子分離部70bは、発光素子部70aと変調素子部70cとの間に設けられている。発光素子部70aは、DFB型半導体レーザ素子の構造を備える。変調素子部70cは、素子分離部70bを介して発光素子部70aに光学的に結合され、EA型変調素子の構造を備える。変調素子部70cは、駆動信号に応答して発光素子部70aからの光を変調する。
【0067】
発光素子部70aは、n型III−V族半導体層74aと、第1の光ガイド層76aと、GaInNAsP活性層78aと、第2の光ガイド層80aと、p型III−V族半導体層82aと、p型III−V族半導体層84と、p型III−V族半導体コンタクト層86aとを備える。これらの半導体層は、基板72上に順に設けられている。発光素子部70aは、p型III−V族半導体コンタクト層86a上に設けられたアノード電極88aと、基板72の裏面の設けられたカソード電極90とを備える。発光素子部70aにおいて、n型III−V族半導体層74aおよびp型III−V族半導体層82aの屈折率は、第1の光ガイド層76a、活性層78a及び第2の光ガイド層80aの屈折率より小さい。第1及び第2の光ガイド層76a、80aのフォトルミネッセンス波長の各々は、活性層78aのフォトルミネッセンス波長よりも短い。発光素子部70aにおいて、光ガイド層とクラッド層との間(本実施例では、第2の光ガイド層80aとp型III−V族半導体層82aとの間) に回折格子92を備える。
【0068】
変調素子部70cは、n型III−V族半導体層74bと、第1の光ガイド層76bと、GaInNAsP活性層78bと、第2の光ガイド層80bと、p型III−V族半導体層82bと、p型III−V族半導体層84と、p型III−V族半導体コンタクト層86bとを備える。これらの半導体層は、基板72上に設けられている。変調素子部70cは、p型III−V族半導体コンタクト層86b上に設けられたアノード電極88bと、基板72の裏面の設けられたカソード電極90とを備える。カソード電極90は、発光素子部70a及び変調素子部70bに共用している。変調素子部70cにおいて、n型III−V族半導体層74bおよびp型III−V族半導体層82bの屈折率は、第1の光ガイド層76b、活性層78b及び第2の光ガイド層80bの屈折率より小さい。第1及び第2の光ガイド層76b、80bのフォトルミネッセンス波長の各々は、活性層78bのフォトルミネッセンス波長よりも短い。
【0069】
図11は、ファブリペロー型半導体レーザ素子を含む半導体光集積素子を示す図面である。半導体光集積素子100は、所定の軸に沿って配置された発光素子部100a、素子分離部100bおよび変調素子部100cを含む。素子分離部100bは、発光素子部100aと変調素子部100cとの間に設けられている。発光素子部100aは、ファブリペロー型半導体レーザ素子の構造を備える。変調素子部100cは、素子分離部100bを介して発光素子部100aに光学的に結合されており、EA型変調素子の構造を備える。
【0070】
発光素子部100aは、n型III−V族半導体層104a、第1の光ガイド層106a、GaInNAsP活性層108a、第2の光ガイド層110a、p型III−V族半導体層112a、p型III−V族半導体層114、及びp型III−V族半導体コンタクト層116aを備える。これらの半導体層は、基板102上に設けられている。発光素子部100aは、p型III−V族半導体コンタクト層106a上に設けられたアノード電極118aと、基板102の裏面の設けられたカソード電極120とを備える。発光素子部100aにおいて、n型III−V族半導体層104aおよびp型III−V族半導体層112aの屈折率は、第1の光ガイド層106a、活性層108a及び第2の光ガイド層110aの屈折率より小さい。第1及び第2の光ガイド層106a、110aのフォトルミネッセンス波長の各々は、活性層108aのフォトルミネッセンス波長よりも短い。
【0071】
変調素子部100cは、n型III−V族半導体層104b、第1の光ガイド層106b、GaInNAsP活性層108b、第2の光ガイド層110b、p型III−V族半導体層112b、p型III−V族半導体層114、及びp型III−V族半導体コンタクト層116bを備える。これらの半導体層は、基板102上に設けられている。変調素子部100cは、p型III−V族半導体コンタクト層116b上に設けられたアノード電極118bと、基板102の裏面の設けられたカソード電極120とを備える。カソード電極120は、発光素子部100a及び変調素子部100cに共通に設けられている。変調素子部100cでは、n型III−V族半導体層104bおよびp型III−V族半導体層112bの屈折率は、第1の光ガイド層106b、活性層108b及び第2の光ガイド層110bの屈折率より小さい。第1及び第2の光ガイド層106b、110bのフォトルミネッセンス波長の各々は、活性層108bのフォトルミネッセンス波長よりも短い。
【0072】
図10及び図11の半導体光集積素子においては、発光素子部及び変調素子部の材料の組成は、発光素子部の活性層のフォトルミネッセンス波長が変調素子部のフォトルミネッセンス波長よりも長くなるように決定されている。また、分離素子部においては、コンタクト層が設けられていない。故に、分離素子部は、発光素子部と変調素子部との分離抵抗を大きくするために役立っている。
【0073】
図10及び図11では光集積素子が記載されているけれども、単独の半導体レーザ素子および単独の半導体変調素子といった半導体光素子にもGaInNAsP半導体層を使用できる。
【0074】
図10及び図11に示された半導体光集積素子は、図1に示された有機金属気相成長装置1を用いて製造できる。この半導体光集積素子の発光素子部および変調素子部は、図6に示された半導体装置と類似の構造を備えている。故に、発光素子部および変調素子部の構造は、成膜条件を示すレシピを所望のように変更することにより得ることができる。
【0075】
図12(a)は、半導体光集積素子の構造を示す図面である。図12(b)は、半導体光集積素子の層構造により得られるバンドダイアグラムを示す図面である。バンドダイアグラムは、伝導帯のエッジを表すEc及び価電子帯のエッジを表すEvを示している。図12(b)に示されるように、半導体光集積素子122の活性層は量子井戸構造を有する。活性層124は、n型クラッド層130とp型クラッド層132との間に設けられている。活性層124とn型クラッド層130との間には、光ガイド層126が設けられている。活性層124とp型クラッド層132との間には、光ガイド層128が設けられている。活性層124は、いくつかの井戸層124aと、いくつかの障壁層124とを備える。各障壁層124は、井戸層124aの間に位置している。本実施の形態では、井戸層124aはGaInNAsP半導体からなり、障壁層124bはGaAs半導体からなる。
【0076】
井戸層にGaInNAsP層を用いると共に障壁層にGaAs層を用いることにより、量子井戸構造において組成及び膜厚の均一性向上される。故に、量子井戸構造の周期性のゆらぎを小さくできる。また、障壁層と井戸層との界面の平坦性も改善される。GaInNAsP膜を半導体発光素子に適用すれば、発振波長の温度変化が低減される。GaInNAsP膜を半導体変調素子に適用すれば、消光比が改善される。
【0077】
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、当業者は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において本発明を変更できることを認識できる。例えば、半導体膜を成長する原料ガスは、実施の形態に記載したものに限定されず、III族原料としてトリメチルガリウム等、V族原料としてトリメチル砒素、アルシン(AsH3)及びヒドラジン等を使用できる。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
【0078】
【発明の効果】
以上説明したように、良好な結晶性を有する五元III−V族化合物半導体膜、この半導体膜を含む半導体光素子、III−V族化合物半導体膜を形成する方法が提供された。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本実施の形態に係わる五元III−V族化合物半導体膜を成長するための有機金属気相成長装置を示す模式図である。
【図2】図2は、図1に示された有機金属気相成長装置を用いて成長された半導体多層膜を有する半導体装置を示す図面である。
【図3】図3は、フォトルミネッセンススペクトルを示すグラフである。
【図4】図4は、PLスペクトルピーク強度と燐濃度との関係を示すグラフである。
【図5】図5は、PLスペクトルピーク強度とピーク波長との関係を示すグラフである。
【図6】図6は、図1に示された有機金属気相成長装置を用いて成長された半導体多層膜を有する半導体装置を示す図面である。
【図7】図7は、図6に示された半導体装置に含まれる多層半導体膜を形成する方法を表すフローチャートである。
【図8】図8は、III族元素InとV族元素As及びNとの結合、並びにIII族元素GaとV族元素Asとの結合を模式的に示す図面である。
【図9】図9は、InAsXNP3-X(X=1〜3)クラスタにおける窒素原子の結合エネルギと、このクラスタ中のP原子の数との関係を示す図面である。
【図10】図10は、DFB半導体レーザ素子を含む半導体光集積素子を示す図面である。
【図11】図11は、ファブリペロー半導体レーザ素子を含む半導体光集積素子を示す図面である。
【図12】図12(a)は、半導体光集積素子の層構造を示す図面である。図12(b)は、半導体光集積素子の層構造により得られるバンドダイアグラムを示す図面である。
【符号の説明】
1…有機金属気相成長装置、35、40…半導体装置、36…基板、37…アンドープGaAs層、38…アンドープGaInNAsP層、39…アンドープGaAs層、42…半導体基板、44…バッファ層、46…第1のクラッド層、48…第1の光ガイド層、50…活性層、52…第2の光ガイド層、54…第2のクラッド層、56…キャップ層、70…半導体光集積素子、70a…発光素子部、70b…素子分離部、70c…変調素子部、100…半導体光集積素子、100a…発光素子部、100b…素子分離部、100c…変調素子部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a III-V compound semiconductor film, a semiconductor optical device, and a method for forming a semiconductor film.
[0002]
[Prior art]
The optical communication module includes a semiconductor laser element. This semiconductor laser element includes an InP substrate, an InP semiconductor layer, and a GaInAsP semiconductor layer. In the optical communication module, in order to stabilize the oscillation wavelength of the laser light with respect to temperature change, the semiconductor laser light element is disposed on the Peltier element.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
It is known that a semiconductor laser element using a GaInAsP semiconductor as an active layer has a relatively large temperature change when the temperature changes. This is because the temperature coefficient of the band gap of the GaInAsP semiconductor is large.
[0004]
The inventors have studied a GaInNAs semiconductor as a candidate for a semiconductor material that is superior in temperature characteristics of a semiconductor laser device than a GaInAsP semiconductor. Although the solidity of nitrogen in the base material GaInAs semiconductor is small, the inventors' research has shown that as a quaternary semiconductor containing nitrogen, Ga0.65In0.35N0.1As0.9The composition of a semiconductor has been realized. The inventors have also produced semiconductor laser elements. However, the inventors believe that further research is necessary to use GaInNAs semiconductors as practical semiconductor materials. That is, what is needed is to provide a semiconductor material with good crystallinity.
[0005]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a ternary III-V compound semiconductor film having good crystallinity, a semiconductor optical device including the semiconductor film, and a method for forming a III-V compound semiconductor film. .
[0006]
[Means for Solving the Problems]
A semiconductor optical device according to the present invention includes a GaAs substrate, a first p-type semiconductor layer provided on the GaAs substrate, a first n-type semiconductor layer provided on the GaAs substrate, and the first A first active layer provided between the p-type semiconductor layer and the first n-type semiconductor layer, wherein the first active layer comprises:It is provided to have a PL peak wavelength in a wavelength region exceeding 1.25 micrometers.It is a III-V group compound semiconductor layer made of GaInNPAs and provided on the GaAs substrate. In the III-V group compound semiconductor layer, the mixed crystal ratio (InP / InN) of InP and InN is0.1 or more4 or less,Above III -InAs in group V compound semiconductor layers X NP 3-X In the cluster (X = 1 to 3), one or more As atoms are substituted with P atoms.
A semiconductor optical device according to the present invention includes a GaAs substrate, a first p-type semiconductor layer provided on the GaAs substrate, a first n-type semiconductor layer provided on the GaAs substrate, A first active layer provided between the first p-type semiconductor layer and the first n-type semiconductor layer, wherein the first active layer comprises:It is provided to have a PL peak wavelength in a wavelength region exceeding 1.25 micrometers.A group III-V compound semiconductor layer made of GaInNPAs and another group III-V compound semiconductor layer containing gallium as a group III element and arsenic as a group V element, and the group III-V compound semiconductor layer is a well The other group III-V compound semiconductor layer is a barrier layer, and in the group III-V compound semiconductor layer, the mixed crystal ratio (InP / InN) of InP and InN is0.1 or more4 or less,Above III -InAs in group V compound semiconductor layers X NP 3-X In the cluster (X = 1 to 3), one or more As atoms are substituted with P atoms.The III-V compound semiconductor layer and the another III-V compound semiconductor layer constitute a quantum well structure.
Furthermore, the semiconductor optical device according to the present invention includes a second p-type semiconductor layer provided on the GaAs substrate, a second n-type semiconductor layer provided on the GaAs substrate, and the second p-type semiconductor layer. A second active layer provided between the type semiconductor layer and the second n-type semiconductor layer, wherein the second active layer comprises: III Gallium and indium as group elements and arsenic, phosphorus and nitrogen as group V elements provided on the GaAs substrate III -V group compound semiconductor layer, the first active layer is provided for one of the semiconductor light emitting device and the semiconductor modulation device, and the second active layer is formed of the semiconductor light emitting device and the semiconductor modulation device. Provided for the other, the first and second active layers are optically coupled to each other.
Furthermore, the semiconductor optical device according to the present invention is:In the III-V group compound semiconductor layer of the second active layer, the mixed crystal ratio (InP / InN) of InP and InN is0.1 or moreLess than 4Yes, said III -InAs in group V compound semiconductor layers X NP 3-X In the cluster (X = 1 to 3), one or more As atoms are substituted with P atoms.be able to.
[0007]
One aspect of the present invention relates to a method for forming a semiconductor film. This method ( a ) Placing the substrate in a metal organic vapor phase growth apparatus; ( b ) Supplying a gallium source material, an indium source material, an arsenic source material, a nitrogen source material, and a phosphorus source material to a metal organic chemical vapor deposition apparatus; III And -V group compound semiconductor film forming step. III -V group compound semiconductor film III The group elements include gallium and indium, and the group V elements include arsenic, phosphorus, and nitrogen.
By forming a ternary group III-V compound semiconductor film containing gallium and indium as group III elements and arsenic, phosphorus and nitrogen as group V elements in an organic metal growth apparatus, nitrogen having a relatively small atomic radius can be obtained. Phosphorus having a relatively large atomic radius can be added to the base material GaInAs semiconductor film. The inventor has discovered that metalorganic vapor phase epitaxy is advantageous for adding both phosphorus and nitrogen to the parent semiconductor.
[0008]
In this method, the gallium source material includes triethylgallium, the indium source material includes trimethylindium, the arsenic source material includes tertiary butylarsine, the phosphorus source material includes tertiary butylphosphine, and the nitrogen source material includes dimethylhydrazine. Can be included. These raw materials can be used for forming a semiconductor film containing both phosphorus and nitrogen in addition to gallium, indium and arsenic.
[0009]
In this method, the substrate can be a GaAs substrate and / or a silicon substrate. A quinary III-V group compound semiconductor can be formed on these substrates.
[0010]
In this method, the mixed crystal ratio of InP and InN is preferably larger than 0 in the III-V group compound semiconductor film. The mixed crystal ratio of InP and InN is preferably greater than 0 and 4 or less.
[0011]
Bonds of In and P and bonds of In and N can be provided in the group III-V compound semiconductor film. The interatomic distance between In and P is larger than the interatomic distance between Ga and As, and the interatomic distance between In and N is smaller than the interatomic distance between Ga and As. With the mixed crystal combining InP and InN, the average interatomic distance in this combined mixed crystal can be made closer to the interatomic distance between Ga and As.
[0012]
In this method, the III-V compound semiconductor film includes indium atoms bonded to a single nitrogen atom and one or more phosphorus atoms. A bond between In and P and a bond between In and N can be provided to the group III-V compound semiconductor film. The interatomic distance between In and P is larger than the interatomic distance between Ga and As, and the interatomic distance between In and N is smaller than the interatomic distance between Ga and As. Therefore, by replacing the As atom with one or more P atoms in the cluster composed of indium atom, arsenic atom and nitrogen atom, the average interatomic distance of another type of cluster generated by this substitution is changed between the atoms of Ga and As. It can be close to the distance.
[0013]
Another aspect of the present invention is a III-V compound semiconductor film provided on a substrate containing gallium and indium as group III elements and arsenic, phosphorus and nitrogen as group V elements. In this III-V compound semiconductor film, the mixed crystal ratio of InP and InN is larger than zero. Due to the mixed crystal of InP semiconductor and InN semiconductor, the average interatomic distance in this mixed crystal is close to the interatomic distance between Ga and As. Thereby, the crystallinity of the III-V compound semiconductor film is improved.
[0014]
Alternatively, in the group III-V compound semiconductor film, the mixed crystal ratio of InP and InN is greater than 0 and 4 or less.
[0015]
Alternatively, the III-V compound semiconductor film includes an indium atom bonded to a single nitrogen atom and one or more phosphorus atoms. In the group III-V compound semiconductor film, the average interatomic distance of clusters generated by substituting As atoms with one or more P atoms in a cluster composed of In atoms, As atoms, and nitrogen atoms is Ga and As. Close to the interatomic distance.
[0016]
The III-V compound semiconductor film can be provided on a substrate that is at least one of a GaAs substrate and a silicon substrate. A quinary III-V group compound semiconductor can be formed on these substrates.
[0017]
Yet another aspect of the present invention is a semiconductor optical device. The semiconductor optical device includes a substrate, a first p-type group III-V compound semiconductor layer, a first n-type group III-V compound semiconductor layer, and a first active layer. The first p-type III-V compound semiconductor layer is provided on the substrate. The first n-type group III-V compound semiconductor layer is provided on the substrate. This active layer is provided between the first p-type group III-V compound semiconductor layer and the first n-type group III-V compound semiconductor layer. The first active layer includes gallium and indium as group III elements, and includes a group III-V compound semiconductor layer provided on the substrate including arsenic, phosphorus, and nitrogen as group V elements.
[0018]
In the group III-V compound semiconductor layer of this semiconductor optical device, the mixed crystal ratio of InP semiconductor and InN semiconductor is larger than zero. The average interatomic distance of the mixed crystal obtained by combining the InP semiconductor and the InN semiconductor can be made closer to the interatomic distance between Ga and As. Thereby, the crystallinity of the III-V compound semiconductor film is improved. The mixed crystal ratio of the InP semiconductor and the InN semiconductor can be greater than 0 and 4 or less.
[0019]
Alternatively, the III-V compound semiconductor layer includes an indium atom bonded to a single nitrogen atom and one or more phosphorus atoms. In the group III-V compound semiconductor layer, the average interatomic distance of clusters generated by substituting As atoms with one or more P atoms in a cluster composed of In atoms, As atoms, and nitrogen atoms is expressed as Ga and As. It can be close to the interatomic distance.
[0020]
The III-V compound semiconductor optical device can include at least one of a semiconductor light emitting device and a semiconductor modulation device.
[0021]
In this semiconductor optical device, the active layer can further include another group III-V compound semiconductor layer. Each of the other group III-V compound semiconductor layers includes gallium as a group III element and arsenic as a group V element. The group III-V compound semiconductor layer and the plurality of other group III-V compound semiconductor layers constitute a quantum well structure. Since the ternary III-V group compound semiconductor is used, the crystallinity of the semiconductor layer constituting the quantum well structure can be improved. Examples of the quantum well structure include an SQW structure and an MQW structure.
[0022]
In this semiconductor optical device, the substrate can be at least one of a GaAs substrate and a silicon substrate. On these substrates, the above ternary III-V compound semiconductor can be formed.
[0023]
The semiconductor optical device can further include a second p-type semiconductor layer, a second n-type semiconductor layer, and a second active layer. The second p-type semiconductor layer is provided on the substrate. The second n-type semiconductor layer is provided on the substrate. The second active layer is provided between the second p-type semiconductor layer and the second n-type semiconductor layer. The second active layer includes a III-V group compound semiconductor layer. This group III-V compound semiconductor layer is provided on the substrate, and contains gallium and indium as group III elements and arsenic, phosphorus and nitrogen as group V elements. The first active layer is provided for one of the semiconductor light emitting element and the semiconductor modulation element, and the second active layer is provided for the other of the semiconductor light emitting element and the semiconductor modulation element. The first and second active layers are optically coupled to each other.
[0024]
Examples of the semiconductor light emitting element include a DFB semiconductor laser element and a Fabry-Perot semiconductor laser element. An example of the semiconductor modulation element is an electroabsorption modulation element.
[0025]
In this semiconductor optical device, if the mixed crystal ratio of InP and InN is larger than 0 and the mixed crystal ratio of InP and InN is 4 or less in the III-V group compound semiconductor layer of the second active layer, preferable. Alternatively, the group III-V compound semiconductor layer of the second active layer includes indium atoms bonded to nitrogen atoms and phosphorus atoms.
[0026]
Yet another aspect of the present invention is a method of manufacturing a semiconductor optical device. The method includes (c) a step of placing a substrate on a metal organic vapor phase epitaxy apparatus, (d) a step of forming a first conductivity type III-V compound semiconductor layer on the substrate, (e) a gallium source material, An indium source material, an arsenic source material, a nitrogen source material, and a phosphorus source material are supplied to a metal organic vapor phase growth apparatus, and gallium and indium are included as group III elements, and arsenic, phosphorus, and nitrogen are included as group III elements. Forming a group V compound semiconductor layer on the substrate; and (f) forming a second conductivity type III-V group compound semiconductor layer on the substrate. The III-V compound semiconductor layer is provided between the first conductivity type III-V compound semiconductor layer and the second conductivity type III-V compound semiconductor layer.
[0027]
Since the group III-V compound semiconductor layer is composed of a group III-V semiconductor containing gallium and indium as group III elements and arsenic, phosphorus and nitrogen as group V elements, an active layer with good crystallinity is obtained. Can do. Since the III-V compound semiconductor layer is provided between the first conductivity type III-V group compound semiconductor layer and the second conductivity type III-V group compound semiconductor layer, the electrons and holes are The second conductivity type III-V compound semiconductor layer is provided to the III-V compound semiconductor layer.
[0028]
In the method of manufacturing a semiconductor optical device, (g) another III-V compound semiconductor layer containing gallium as a group III element and arsenic as a group V element is formed on a substrate in a metal organic vapor phase growth apparatus. And (h) at least one of a step of forming a group III-V compound semiconductor layer on the substrate and a step of forming another group III-V compound semiconductor layer on the substrate. And a step of performing another III-V compound semiconductor layer so as to constitute a quantum well structure. A quantum well structure including a ternary III-V compound semiconductor can be realized. As the quantum well structure, an SQW structure and an MQW structure can be realized.
[0029]
In a method of manufacturing a semiconductor optical device, the gallium source material includes triethylgallium, the indium source material includes trimethylindium, the arsenic source material includes tertiary butylarsine, the phosphorus source material includes tertiary butylphosphine, nitrogen The source material can include at least one of dimethylhydrazine and ammonia. These materials can be used to add both phosphorus and nitrogen to the matrix GaInAs semiconductor.
[0030]
In the method of manufacturing a semiconductor optical device, the substrate can be at least one of a GaAs substrate and a silicon substrate. A quinary III-V group compound semiconductor can be formed on these substrates.
[0031]
The semiconductor optical device can include at least one of a semiconductor light emitting element and a semiconductor modulation element. In the semiconductor optical device, the semiconductor modulation element is optically coupled to the semiconductor light emitting element.
[0032]
In the method of manufacturing a semiconductor device, in the III-V compound semiconductor film, the mixed crystal ratio of the InP semiconductor and the InN semiconductor is preferably larger than 0, and more preferably 4 or smaller. Alternatively, in the III-V group compound semiconductor film, the molar ratio (P / N) of phosphorus to nitrogen is preferably greater than 0, and more preferably 4 or less.
[0033]
Thus, by combining InP and InN mixed crystals, the average interatomic distance of mixed crystals obtained from this combination can be made closer to the interatomic distance between Ga and As.
[0034]
In the method for manufacturing a semiconductor device, the III-V compound semiconductor film preferably includes an indium atom bonded to a single nitrogen atom and one or more phosphorus atoms. By replacing the As atom with one or a plurality of P atoms in a cluster composed of In atom, As atom and nitrogen atom, the average interatomic distance of the cluster generated by this substitution is made closer to the interatomic distance between Ga and As. be able to.
[0035]
The above and other objects, features, and advantages of the present invention will become more readily apparent from the following detailed description of preferred embodiments of the present invention, which proceeds with reference to the accompanying drawings.
[0036]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The knowledge of the present invention can be easily understood by considering the following detailed description with reference to the accompanying drawings shown as examples. Subsequently, several embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. Where possible, the same parts are denoted by the same reference numerals.
[0037]
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic diagram showing a metal organic vapor phase growth apparatus for growing a ternary III-V group compound semiconductor film according to the present embodiment. The metal organic chemical
[0038]
The group V
[0039]
The group III
[0040]
The dopant
[0041]
Next, a III-V compound semiconductor multilayer film is grown on the substrate W using the metal organic vapor
Substrate 36: 350 micrometers
Layer 37: 0.2 micrometers
Layer 38: 0.01 micrometer
Layer 39: 0.1 micrometer
It is.
[0042]
As the
[0043]
The inventors have performed photoluminescence (PL) measurement of these samples. FIG. 3 is a drawing showing a photoluminescence spectrum (hereinafter referred to as a PL spectrum) at room temperature (25 ° C.). The characteristic curve C1 shows the PL spectrum of the undoped GaInNAs semiconductor, and the characteristic curve C2 shows the PL spectrum of the undoped GaInNAsP semiconductor with the mixed crystal ratio (InP / InN) = 0.1. When the two characteristic curves are compared, (a) the characteristic curve C2 has less tailing on both sides of the peak, and (b) the half width of the characteristic curve C2 is smaller than the half width of the characteristic curve C1. This comparison shows that the half width of the PL spectrum is small when phosphorus (P) is added to the GaInNAs semiconductor. Therefore, if the mixed crystal ratio (InP / InN)> 0, the crystallinity of the semiconductor layer is improved.
[0044]
FIG. 4 shows the PL spectrum peak intensity (arbitrary unit) and phosphorus (P) concentration (unit: atoms / cm).ThreeIt is a graph which shows the relationship between these. In this graph, the measurement data P1 indicates the peak intensity of the PL spectrum of the GaInNAs semiconductor, and the measurement data P2 indicates the GaInNAsP semiconductor in the sample prepared under the TBP flow rate of 0.26 sccm (standard centimeter cubic per minute). The peak intensity of the PL spectrum is shown, and the measurement data P3 shows the peak intensity of the PL spectrum of the GaInNAsP semiconductor in the sample manufactured under the condition of a TBP flow rate of 1.3 sccm. Therefore, if the mixed crystal ratio (InP / InN)> 0, the crystallinity of the semiconductor layer is improved. Further, if the mixed crystal ratio (InP / InN) ≧ 0.1, the PL spectrum intensity superior to the experimental result is achieved.
[0045]
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the PL spectrum peak intensity (arbitrary unit) and the peak wavelength (unit: nm). The characteristic line L1 shows the peak intensity of the PL spectrum of the GaInNAs semiconductor, and the characteristic line L2 shows the PL spectrum peak intensity of the GaInNAsP semiconductor of various compositions under the mixed crystal ratio (InP / InN) = 0.1. ing. Comparing both characteristic lines, the PL spectral peak intensity (characteristic line L2) of the GaInNAsP semiconductor is larger than the PL spectral peak intensity (characteristic line L1) of the GaInNAs semiconductor in a crystal composition having a peak wavelength exceeding 1.25 micrometers. That is, by adding phosphorus (P) to a GaInNAs semiconductor, crystallinity in a wavelength region (long wavelength region) exceeding 1.25 micrometers is improved.
[0046]
(Second embodiment)
FIG. 6 is a drawing showing a semiconductor device having a semiconductor multilayer film grown using the metal organic vapor phase growth apparatus shown in FIG. The
[0047]
FIG. 7 is a flowchart showing a method of forming a multilayer semiconductor film included in the semiconductor device shown in FIG. The
[0048]
In this experiment, a GaAs substrate was used as the semiconductor substrate, but a silicon substrate can also be used. The inventors formed a semiconductor multilayer film under the following three conditions using the metal organic vapor
First experiment
Substrate: GaAs
((100) plane, electron concentration n = 2 × 1018cm-3)
Buffer layer: GaAs
(200 nm, electron concentration n = 1.5 × 1018cm-3)
First cladding layer: GaInP
(200 nm, electron concentration n = 7 × 1017cm-3)
First light guide layer: GaAs
(140 nm, undoped)
Active layer: Ga0.65In0.35NAsP
(10nm, undoped)
Second light guide layer: GaAs
(140 nm, undoped)
Second cladding layer: GaInP
(500 nm, hole concentration p = 7 × 1017cm-3)
Cap layer: GaAs
(100 nm, hole concentration p = 3 × 1018cm-3).
Second experiment
Active layer: Ga0.65In0.35NP
(10nm, undoped)
Other semiconductor films are the same as those in the first experiment.
Third experiment
Active layer: Ga0.65In0.35NAs
(10nm, undoped)
Other semiconductor films are the same as those in the first experiment.
[0049]
The details of the film forming conditions will be described.0.65In0.35The stage temperature is set to 530 ° C. when growing NAsP. When growing other semiconductor films, the temperature is set higher than the stage temperature, for example, 575 ° C. The pressure P in the growth furnace is set to 10132.5 Pa (76 Torr).
[0050]
Ga0.65In0.35When forming a NAsP semiconductor film, for example, the following flow ratio is used:
[TMIn molar ratio] / ([TMIn molar ratio] + [TMGa molar ratio]) = 0.35
[TBAs molar ratio] / ([TMIn molar ratio] + [TMGa molar ratio]) = 5
[DMHy molar ratio] / ([TBAs molar ratio] + [DMHy molar ratio]) = 0.97
[TBP molar ratio] / ([TBP molar ratio] + [TBAs molar ratio]) = 0.41
The growth rate is about 1 micrometer / hour.
[0051]
The inventors measured the characteristics of the obtained multilayer film. As a result, the inventors added both phosphorus (P) and nitrogen (N) to GaInAs, compared to the characteristics of GaInNAs.0.65In0.35It has been found that the crystallinity of NAsP is good.
[0052]
The inventors have grown GaInNAsP using metal organic vapor phase epitaxy. According to the metal organic vapor phase epitaxy method, it is easier to control the amount of source gas than the MBE method. For example, as a phosphorus source, PHThreeAnd TBP can be used. For example, the nitrogen source is NHThreeAnd DMHy can be used. Since the vapor pressure of elemental phosphorus is high, it is not easy to control the supply amount of the phosphorus raw material in the MBE method. When the metal organic vapor phase epitaxy apparatus is used, the supply amount of both the phosphorus source and the nitrogen source can be related as the flow rate ratio of the source gas. Therefore, the amount of phosphorus source and nitrogen source supplied can be controlled by using metal organic vapor phase epitaxy.
[0053]
The inventors investigate that the crystallinity of the quaternary III-V compound semiconductor is better than the crystallinity of the quaternary III-V compound semiconductor. For further discussion, some practical assumptions are made that reflect practical semiconductor optical devices and experimental deposition conditions.
[0054]
(1) In the crystal, the number of nitrogen atoms is very small compared to the number of In atoms. With practical optical semiconductor devices in mind, Ga1-XInXNYAs1-YZPZIn the semiconductor, In is X = 0.35 by composition ratio, and N is larger than Y = 0 and not larger than 0.05.
[0055]
(2) This Ga1-XInXNYAs1-YZPZIn a semiconductor, a bond in which indium and nitrogen are directly bonded (In—N bond) is more stable than a bond between nitrogen and another group III element.
[0056]
(3) The atomic radius of the nitrogen atom is very small compared to the atomic radius of other elements. On the other hand, the atomic radius of In atoms is larger than the atomic radius of other elements. Therefore, in a GaInNAs semiconductor, in a micro picture, a large strain is locally generated in a region where nitrogen atoms are present. Since the bond distance between nitrogen and the group III atom (In) is small, this local strain acts to disturb the crystal lattice and causes crystal defects.
[0057]
Under these assumptions, the interatomic distances of the GaAs crystal, InP crystal, and InN crystal are obtained.
GaAs crystal: 0.245 nanometers (2.45 angstroms)
InN crystal: 0.215 nanometers (2.15 angstroms)
InP crystal: 0.254 nanometers (2.54 angstroms)
It becomes the value.
[0058]
Ga1-XInXNYAs1-YZPZIn a semiconductor, elements present in large amounts in a crystal are Ga, In, and As. Ga1-XInXNYAs1-YThe semiconductor film includes a large number of Ga—As bonds, but a very small number of In—N bonds. This Ga1-XInXNYAs1-YWhen a small amount of P is added to the crystal, an In-P bond is generated. The interatomic distance of the In—P bond is larger than the interatomic distance of the Ga—As bond. Therefore, the In—P bond cancels a part of the local distortion caused by the In—N bond and reduces the distortion.
[0059]
FIG. 8 is a drawing schematically showing the bond between the group III element In and the group V elements As and N and the bond between the group III element Ga and the group V element As. Referring to FIG. 8, InAsThreeN cluster 60, InAs2NP cluster 62, InAsNP2Cluster 64, InNPThreeCluster 66, GaAsThreeCluster 68, InPFourA
[0060]
Using the index of the average interatomic distance of constituent atoms to estimate the change in cluster size,
GaAsThreeCluster: 0.245 nanometers (2.45 angstroms) InAsFourCluster: 0.260 nanometers (2.60 angstroms) InAsThreeN cluster: 0.249 nanometer (2.49 angstrom) InAs2NP cluster: 0.247 nanometers (2.47 angstroms) InAsNP2Cluster: 0.246 nanometers (2.46 angstroms) InNPThreeCluster: 0.244 nanometers (2.44 angstroms) InPFourCluster: 0.254 nanometers (2.54 angstroms).
[0061]
That is, InAsXNP3-XAs one or more As atoms are replaced by P atoms in the cluster, the average interatomic distance of the cluster containing the substituted atoms becomes GaAs.ThreeIt approaches the average interatomic distance in the cluster. From FIG. 8, it is visually understood that the local distortion caused by nitrogen is reduced by adding P as a constituent element. In addition, since the phosphorus element is a constituent element of the group III-V compound semiconductor and is not a p-type or n-type impurity, the electrical property is not affected. Further, since the amount of phosphorus atoms added is small, the band structure of the host crystal is not greatly affected.
[0062]
FIG. 9 shows InAsXNP3-X(X = 1-3) It is drawing which shows the relationship between the binding energy of the nitrogen atom in a cluster, and the number of P atoms in this cluster. The characteristic curve shown in FIG. 9 indicates that the binding energy between nitrogen and indium increases as the number of arsenic atoms substituted with phosphorus atoms increases. An increase in binding energy means that the bond between nitrogen and indium becomes stronger. That is, in a III-V group compound semiconductor film containing gallium and indium as group III elements and arsenic, phosphorus and nitrogen as group V elements, if the mixed crystal ratio of InP and InN is larger than 0, the InP semiconductor and InN semiconductor The average interatomic distance of the cluster obtained by the combination of the mixed crystals with can be made closer to the interatomic distance between Ga and As. Thereby, the crystallinity of the III-V compound semiconductor film is improved. In the group III-V compound semiconductor film, if the mixed crystal ratio of InP and InN is 3 or less, the bond between nitrogen and indium can be strengthened. If the mixed crystal ratio of InP and InN is 4 or less, the crystal distortion can be reduced to such an extent that no crystal defect occurs. If the mixed crystal ratio is about 4 or less, the phosphor concentration dependency of the emission wavelength is sufficiently small. When the mixed crystal ratio is 5 or more, the phosphorous concentration dependency of the emission wavelength increases, and the emission wavelength shifts to a short wavelength region. InPFourThe cluster also acts to compensate for crystal distortion in the GaInNAsP semiconductor.
[0063]
Further, the III-V compound semiconductor film includes a single nitrogen atom and an indium atom bonded to one or more phosphorus atoms. In the group III-V compound semiconductor film, the average interatomic distance of clusters generated by substituting As atoms with one or a plurality of P atoms in a cluster composed of In atoms, As atoms, and nitrogen atoms is expressed as Ga and As. It can be close to the interatomic distance. The bond between indium and nitrogen is InNP.ThreeStrongest in the cluster. The optimum value of the composition ratio of nitrogen and phosphorus is 1: 3. Therefore, a preferable range of the composition ratio (molar ratio) of nitrogen and phosphorus is greater than 0 and 4 or less. If the composition ratio of nitrogen and phosphorus is 4 or less, crystal distortion can be reduced to such an extent that crystal defects do not occur.
[0064]
As can be understood from the above description, it has been shown that forming a mixed crystal of InP and InN in combination with nitrogen and phosphorus is effective in reducing crystal distortion. The results of the PL spectra shown in FIGS. 3 to 5 indicate that the addition of phosphorus (P) is useful for improving crystallinity even when the mixed crystal ratio InP / InN is as small as about 0.1. In addition, the results of investigations by the inventors indicate that crystal distortion is reduced even in a region where the mixed crystal ratio is larger.
[0065]
(Third embodiment)
The inventors believe that the group III-V compound semiconductor film realized in the first embodiment can be used for a semiconductor optical device to be described subsequently.
[0066]
FIG. 10 is a drawing showing a semiconductor optical integrated device including a DFB type semiconductor laser device. The semiconductor optical
[0067]
The light emitting
[0068]
The
[0069]
FIG. 11 is a drawing showing a semiconductor optical integrated device including a Fabry-Perot type semiconductor laser device. The semiconductor optical
[0070]
The light emitting
[0071]
The
[0072]
In the semiconductor optical integrated device of FIGS. 10 and 11, the material composition of the light emitting element portion and the modulation element portion is such that the photoluminescence wavelength of the active layer of the light emitting element portion is longer than the photoluminescence wavelength of the modulation element portion. It has been decided. Further, no contact layer is provided in the separation element portion. Therefore, the separation element portion is useful for increasing the separation resistance between the light emitting element portion and the modulation element portion.
[0073]
Although FIG. 10 and FIG. 11 show the optical integrated device, the GaInNAsP semiconductor layer can also be used for semiconductor optical devices such as a single semiconductor laser device and a single semiconductor modulation device.
[0074]
The semiconductor optical integrated device shown in FIGS. 10 and 11 can be manufactured by using the metal organic vapor
[0075]
FIG. 12A shows the structure of a semiconductor optical integrated device. FIG. 12B is a diagram showing a band diagram obtained by the layer structure of the semiconductor optical integrated device. The band diagram shows Ec representing the edge of the conduction band and Ev representing the edge of the valence band. As shown in FIG. 12B, the active layer of the semiconductor optical
[0076]
By using a GaInNAsP layer for the well layer and a GaAs layer for the barrier layer, the uniformity of composition and film thickness can be improved in the quantum well structure. Therefore, the fluctuation of the periodicity of the quantum well structure can be reduced. Also, the flatness of the interface between the barrier layer and the well layer is improved. If the GaInNAsP film is applied to a semiconductor light emitting device, the temperature change of the oscillation wavelength is reduced. If the GaInNAsP film is applied to a semiconductor modulation element, the extinction ratio is improved.
[0077]
While the principles of the invention have been illustrated and described in the preferred embodiment, those skilled in the art will recognize that the invention can be modified in arrangement and detail without departing from such principles. For example, the source gas for growing the semiconductor film is not limited to those described in the embodiment, and trimethyl gallium as the group III source, trimethyl arsenic, arsine (AsH) as the group V source.Three) And hydrazine can be used. We therefore claim all modifications and changes that come within the scope and spirit of the following claims.
[0078]
【The invention's effect】
As described above, a ternary III-V compound semiconductor film having good crystallinity, a semiconductor optical device including this semiconductor film, and a method for forming a III-V compound semiconductor film have been provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view showing a metal organic vapor phase growth apparatus for growing a ternary III-V compound semiconductor film according to the present embodiment.
2 is a drawing showing a semiconductor device having a semiconductor multilayer film grown using the metal organic vapor phase epitaxy apparatus shown in FIG. 1. FIG.
FIG. 3 is a graph showing a photoluminescence spectrum.
FIG. 4 is a graph showing the relationship between PL spectrum peak intensity and phosphorus concentration.
FIG. 5 is a graph showing the relationship between PL spectrum peak intensity and peak wavelength.
6 is a drawing showing a semiconductor device having a semiconductor multilayer film grown by using the metal organic vapor phase growth apparatus shown in FIG. 1; FIG.
FIG. 7 is a flowchart showing a method for forming a multilayer semiconductor film included in the semiconductor device shown in FIG. 6;
FIG. 8 is a drawing schematically showing the bond between the group III element In and the group V elements As and N, and the bond between the group III element Ga and the group V element As.
FIG. 9 shows InAsXNP3-X(X = 1-3) It is drawing which shows the relationship between the binding energy of the nitrogen atom in a cluster, and the number of P atoms in this cluster.
FIG. 10 is a drawing showing a semiconductor optical integrated device including a DFB semiconductor laser device.
FIG. 11 is a drawing showing a semiconductor optical integrated device including a Fabry-Perot semiconductor laser device.
FIG. 12 (a) is a drawing showing a layer structure of a semiconductor optical integrated device. FIG. 12B is a diagram showing a band diagram obtained by the layer structure of the semiconductor optical integrated device.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記GaAs基板上に設けられた第1のp型半導体層と、
前記GaAs基板上に設けられた第1のn型半導体層と、
前記第1のp型半導体層と前記第1のn型半導体層との間に設けられた第1の活性層と
を備え、
前記第1の活性層は、1.25マイクロメートルを超える波長領域にPLピーク波長を有するように設けられ五元GaInNPAsからなり前記GaAs基板上に設けられたIII−V族化合物半導体層であり、
前記III−V族化合物半導体層においてInPとInNとの混晶比(InP/InN)が0.1以上4以下であり、前記 III −V族化合物半導体層のInAs X NP 3−X クラスタ(X=1〜3)においては一又は複数のAs原子がP原子で置換されている、半導体光素子。A GaAs substrate;
A first p-type semiconductor layer provided on the GaAs substrate;
A first n-type semiconductor layer provided on the GaAs substrate;
A first active layer provided between the first p-type semiconductor layer and the first n-type semiconductor layer;
The first active layer is a group III-V compound semiconductor layer provided on the GaAs substrate made of quinary GaInNPAs and provided with a PL peak wavelength in a wavelength region exceeding 1.25 micrometers .
The mixed crystal ratio of InP and InN in group III-V compound semiconductor layer (InP / InN) is 0.1 to 4, InAs X NP 3-X clusters of the III -V compound semiconductor layer (X = 1 to 3) A semiconductor optical device in which one or more As atoms are substituted with P atoms .
前記GaAs基板上に設けられた第1のp型半導体層と、
前記GaAs基板上に設けられた第1のn型半導体層と、
前記第1のp型半導体層と前記第1のn型半導体層との間に設けられた第1の活性層と
を備え、
前記第1の活性層は、1.25マイクロメートルを超える波長領域にPLピーク波長を有するように設けられ五元GaInNPAsからなるIII−V族化合物半導体層と、III族元素としてガリウムを含むと共にV族元素として砒素を含む別のIII−V族化合物半導体層とを含み、
前記III−V族化合物半導体層は井戸層であり、前記別のIII−V族化合物半導体層は障壁層であり、
前記III−V族化合物半導体層において、InPとInNとの混晶比(InP/InN)は0.1以上4以下であり、前記 III −V族化合物半導体層のInAs X NP 3−X クラスタ(X=1〜3)においては一又は複数のAs原子がP原子で置換されており、
前記III−V族化合物半導体層と前記別のIII−V族化合物半導体層とは量子井戸構造を構成する、半導体光素子。A GaAs substrate;
A first p-type semiconductor layer provided on the GaAs substrate;
A first n-type semiconductor layer provided on the GaAs substrate;
A first active layer provided between the first p-type semiconductor layer and the first n-type semiconductor layer;
The first active layer includes a III-V group compound semiconductor layer made of quinary GaInNPAs and having a PL peak wavelength in a wavelength region exceeding 1.25 micrometers , and includes gallium as a group III element and V Another III-V compound semiconductor layer containing arsenic as a group element,
The group III-V compound semiconductor layer is a well layer, and the other group III-V compound semiconductor layer is a barrier layer.
In the group III-V compound semiconductor layer, the mixed crystal ratio of InP and InN (InP / InN) is 0.1 to 4, InAs X NP 3-X clusters of the III -V compound semiconductor layer ( In X = 1 to 3), one or more As atoms are substituted with P atoms,
The said III-V group compound semiconductor layer and said another III-V group compound semiconductor layer are semiconductor optical elements which comprise a quantum well structure.
前記GaAs基板上に設けられた第2のn型半導体層と、
前記第2のp型半導体層と前記第2のn型半導体層との間に設けられた第2の活性層と
を更に備え、
前記第2の活性層は、III族元素としてガリウム及びインジウムを含むと共にV族元素として砒素、燐及び窒素を含み前記GaAs基板上に設けられた五元のIII−V族化合物半導体層を含み、
前記第1の活性層は、半導体発光素子及び半導体変調素子の一方のために設けられており、
前記第2の活性層は、半導体発光素子及び半導体変調素子の他方のために設けられており、
前記第1及び第2の活性層は、互いに光学的に結合されている、請求項1または2に記載の半導体光素子。A second p-type semiconductor layer provided on the GaAs substrate;
A second n-type semiconductor layer provided on the GaAs substrate;
A second active layer provided between the second p-type semiconductor layer and the second n-type semiconductor layer;
The second active layer includes a ternary III-V compound semiconductor layer provided on the GaAs substrate including gallium and indium as group III elements and arsenic, phosphorus and nitrogen as group V elements,
The first active layer is provided for one of a semiconductor light emitting device and a semiconductor modulation device,
The second active layer is provided for the other of the semiconductor light emitting device and the semiconductor modulation device,
The semiconductor optical device according to claim 1, wherein the first and second active layers are optically coupled to each other.
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