JP2006005000A - Semiconductor light emitting element, its manufacturing method, and optical module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、長波長発光素子として好適な半導体発光素子およびその製造方法、並びにこの半導体発光素子を用いた光学モジュールに関する。 The present invention relates to a semiconductor light-emitting element suitable as a long-wavelength light-emitting element, a manufacturing method thereof, and an optical module using the semiconductor light-emitting element.
1.2μm以上の長波長で発光する半導体発光素子は、光通信システムやバイオセンシングなど多様な応用分野を有している。特に1.3μmまたは1.55μmの発振波長を有する半導体発光素子は、主に光通信用途に利用され、今後の通信技術の核となるものである。このような通信用長波長発光素子の活性層には現在様々な材料が用いられているが、中でもGaInNAs混晶は、低コストかつ大口径化が可能なGaAs基板上に作製することができる活性層材料として、近年有望視されている(例えば、非特許文献1参照。)。 Semiconductor light emitting devices that emit light with a long wavelength of 1.2 μm or more have various application fields such as optical communication systems and biosensing. In particular, a semiconductor light emitting device having an oscillation wavelength of 1.3 μm or 1.55 μm is mainly used for optical communication applications and will be the core of future communication technology. Various materials are currently used for the active layer of such a long-wavelength light emitting device for communication. Among them, GaInNAs mixed crystal is an active material that can be produced on a GaAs substrate that can be manufactured at a low cost and with a large diameter. In recent years, it has been regarded as promising as a layer material (for example, see Non-Patent Document 1).
GaAs基板上でGaInNAs活性層を用いて発振波長1.2μm以上の発光を得るためには、インジウム(In)組成を大きくするか、または窒素(N)組成を大きくする必要がある。しかし、窒素は他の構成元素に比べて原子半径が大きく異なること、また電気陰性度が異なることから、窒素組成をあまり大きくしないようにすることが望ましいと考えられている。そこで、インジウム組成をある程度大きく、例えば20%以上に増やす必要がある。
しかしながら、上述のようにGaAs基板上のGaInNAs活性層を用いた量子井戸レーザでは、インジウム組成を大きくした場合、活性層の基板に対する格子不整合性が2%以上と大きくなり、また、成長条件によってはインジウムが凝集しやすいので、井戸層内でインジウム濃度分布(偏析)が発生してしまうおそれがある。このようなインジウムの濃度分布は、活性層内の状態密度の分布に繋がり、そのため活性層内で利得が不均一となり、閾値電流密度が増大し、素子寿命が短縮されるなど信頼性に大きな影響が生じてくる。 However, in the quantum well laser using the GaInNAs active layer on the GaAs substrate as described above, when the indium composition is increased, the lattice mismatch of the active layer with respect to the substrate increases to 2% or more, and depending on the growth conditions. Since indium tends to aggregate, indium concentration distribution (segregation) may occur in the well layer. This concentration distribution of indium leads to a distribution of density of states in the active layer, so that the gain is not uniform in the active layer, the threshold current density is increased, and the device life is shortened. Will arise.
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、閾値電流密度の増大を防ぎ、素子寿命を長くすることができる、信頼性の向上した半導体発光素子およびその製造方法、並びに光学モジュールを提供することにある。 The present invention has been made in view of such a problem, and an object thereof is to prevent an increase in threshold current density and to increase the lifetime of the element, and to improve the reliability of the semiconductor light-emitting element, its manufacturing method, and optical To provide a module.
本発明による第1の半導体発光素子は、基板上に、前記基板に対する格子不整合性が2%以上の活性層を備えたものであって、活性層に不純物として炭素(C)を含有するものである。炭素の濃度は、5×1016(cm-3)以上2×1018(cm-3)以下の範囲とすることが望ましい。 A first semiconductor light emitting device according to the present invention has an active layer having a lattice mismatch with respect to the substrate of 2% or more on the substrate, and the active layer contains carbon (C) as an impurity. It is. The concentration of carbon is preferably in the range of 5 × 10 16 (cm −3 ) to 2 × 10 18 (cm −3 ).
本発明による第2の半導体発光素子は、基板上に、GaInNAs混晶よりなる活性層を備えたものであって、活性層に不純物として炭素(C)を含有するものである。炭素の濃度は、5×1016(cm-3)以上2×1018(cm-3)以下の範囲とすることが望ましい。 A second semiconductor light emitting device according to the present invention is provided with an active layer made of a GaInNAs mixed crystal on a substrate, and the active layer contains carbon (C) as an impurity. The concentration of carbon is preferably in the range of 5 × 10 16 (cm −3 ) to 2 × 10 18 (cm −3 ).
本発明による第1の半導体発光素子の製造方法は、基板上に、基板に対する格子不整合性が2%以上の活性層を備えた半導体発光素子を製造するものであって、活性層に不純物として炭素(C)を添加するようにするものである。 A first method for manufacturing a semiconductor light emitting device according to the present invention is a method for manufacturing a semiconductor light emitting device having an active layer having a lattice mismatch with respect to the substrate of 2% or more on the substrate. Carbon (C) is added.
本発明による第2の半導体発光素子の製造方法は、基板上に、GaInNAs混晶よりなる活性層を備えた半導体発光素子を製造するものであって、活性層に不純物として炭素(C)を添加するようにするものである。 A second method for manufacturing a semiconductor light emitting device according to the present invention is to manufacture a semiconductor light emitting device having an active layer made of a GaInNAs mixed crystal on a substrate, and adding carbon (C) as an impurity to the active layer It is what you want to do.
本発明による第1の光学モジュールは、上記第1の半導体発光素子、本発明による第2の光学モジュールは、上記第2の半導体発光素子をそれぞれ備えたものである。 The first optical module according to the present invention includes the first semiconductor light emitting element, and the second optical module according to the present invention includes the second semiconductor light emitting element.
本発明の第1の半導体発光素子またはその製造方法によれば、活性層に不純物として炭素(C)を含有させるようにしたので、この不純物としての炭素により、活性層の基板に対する格子不整合性が2%以上に大きくなっても、活性層内で濃度が局所的にばらつくことを抑制することができる。よって、活性層内に状態密度の分布が生じるのを抑えて均一な利得を得ることができ、電流密度を均一化することができる。これにより、閾値電流密度を低下させ、素子寿命を長くして信頼性を高めることができ、特に、基板をGaAs、活性層をGaInNAsにより構成した場合には、信頼性の向上した長波長発光素子を実現することができる。 According to the first semiconductor light emitting device of the present invention or the method for manufacturing the same, carbon (C) is contained as an impurity in the active layer. Therefore, the lattice mismatching with respect to the substrate of the active layer is caused by the carbon as the impurity. Even if it becomes 2% or more, it can suppress that the density | concentration varies locally in the active layer. Therefore, it is possible to suppress the occurrence of the state density distribution in the active layer, obtain a uniform gain, and make the current density uniform. As a result, the threshold current density can be reduced, the device life can be extended, and the reliability can be improved. Especially, when the substrate is made of GaAs and the active layer is made of GaInNAs, the long wavelength light emitting device with improved reliability. Can be realized.
本発明の第2の半導体発光素子またはその製造方法によれば、GaInNAs混晶よりなる活性層に不純物として炭素(C)を含有させるようにしたので、この不純物としての炭素により、活性層におけるインジウム(In)の偏析を抑制することができる。よって、活性層内に状態密度の分布が生じるのを抑えて均一な利得を得ることができ、電流密度を均一化することができる。これにより、閾値電流密度を低下させ、素子寿命を長くして信頼性の高い長波長発光素子を得ることができる。 According to the second semiconductor light emitting device of the present invention or the method for manufacturing the same, since the active layer made of GaInNAs mixed crystal contains carbon (C) as an impurity, the carbon as the impurity causes indium in the active layer. Segregation of (In) can be suppressed. Therefore, it is possible to suppress the occurrence of the state density distribution in the active layer, obtain a uniform gain, and make the current density uniform. Thereby, the threshold current density is lowered, the element lifetime is extended, and a highly reliable long wavelength light emitting element can be obtained.
本発明の第1または第2の光学モジュールによれば、本発明による第1または第2の半導体発光素子をそれぞれ備えているので、信頼性が向上する。 According to the first or second optical module of the present invention, since the first or second semiconductor light emitting device according to the present invention is provided, the reliability is improved.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(半導体レーザ)
図1は、本発明の一実施の形態に係る半導体レーザの断面構成を表すものである。この半導体レーザ10は、通信用などに用いられる発振波長1.2μm以上の長波長レーザであり、例えば、基板11の表側に、第1クラッド層12,第2クラッド層13,第3クラッド層14,第1光ガイド層15,活性層16,第2光ガイド層17,第4クラッド層18,第5クラッド層19,第6クラッド層20およびコンタクト層21が、基板11側から順に積層された構成を有している。第5クラッド層19,第6クラッド層20およびコンタクト層21は細い帯状の突条部(リッジ)となっており、その両側には二酸化シリコン(SiO2 )などよりなる絶縁層22が形成されている。
(Semiconductor laser)
FIG. 1 shows a cross-sectional configuration of a semiconductor laser according to an embodiment of the present invention. The
基板11は、例えば、積層方向における厚み(以下、単に厚みという)が450μm程度であり、ケイ素(Si)またはセレン(Se)などのn型不純物を添加したn型GaAsにより構成されている。
For example, the
第1クラッド層12は、例えば、1μm以上の十分な厚みを有し、ケイ素(Si)またはセレン(Se)などのn型不純物を添加したn型Al0.3 Ga0.7 As混晶により構成されている。第2クラッド層13は、例えば、厚みが100nm程度であり、ケイ素(Si)またはセレン(Se)などのn型不純物を添加したn型GaAsにより構成されている。第3クラッド層14は、例えば、厚みが200nm程度であり、ケイ素(Si)またはセレン(Se)などのn型不純物を添加したn型Al0.47Ga0.53As混晶により構成されている。
The
第1光ガイド層15は、例えば、厚みが100nm程度であり、不純物を含まないAlx Ga1-x As混晶(0≦x<1)、具体的には例えばGaAsにより構成されている。
The first
図2(A)は、活性層16のバンド構造を概略的に表したものである。活性層16は、例えば、井戸層16Aと障壁層16Bとの多重量子井戸(MQW;Multi Quantum Well)構造を有し、その合計厚みは例えば60nm程度である。井戸層16Aは、例えば、3B族元素のうちガリウム(Ga)およびインジウム(In)のうちの少なくとも1種と、5B族元素のうち窒素(N)およびヒ素(As)のうちの少なくとも1種とを含むIII−V族化合物半導体によって構成されるもので、本実施の形態では、例えばGa1-y1Iny1Nz1As1-z1混晶(0<y1≦1,0<z1≦1)により構成されている。障壁層16Bは、例えば、Ga1-y2Iny2Nz2As1-z2混晶(y1>y2もしくはz1>z2,0≦y2<1,0≦z2<1)、具体的には例えばGaAsにより構成されている。
FIG. 2A schematically shows the band structure of the
本実施の形態では、井戸層16Aを構成するGa1-y1Iny1Nz1As1-z1混晶(0<y1≦1,0<z1≦1)におけるインジウム組成y1がある程度高く(例えば、y1=0.20)なっており、そのため活性層16の井戸層16Aと基板11を構成するGaAsとの格子不整合性が2%以上に大きくなっている。なお、井戸層16Aの基板11に対する格子不整合性は、井戸層16Aの格子定数から基板11の格子定数を差し引き、その差を基板11の格子定数で割り、得られた値に100を乗じることにより求められる。
In the present embodiment, the indium composition y1 in the Ga 1 -y1 In y1 N z1 As 1 -z1 mixed crystal (0 <y1 ≦ 1, 0 <z1 ≦ 1) constituting the
活性層16の井戸層16Aおよび障壁層16Bは、不純物として炭素(C)を含有している。前述のように、活性層16の井戸層16A内においてインジウムが偏析すると、井戸層16Aの基板11に対する格子不整合性が井戸層16A内で局所的にばらつき、図2(B)の点線で示したように井戸層16A内に状態密度のゆらぎが生じ、その結果、閾値電流密度が増大して素子寿命が低下する。本実施の形態では、活性層16に不純物として炭素を添加することにより、このインジウムの偏析を抑制し、図2(B)の実線で示したように状態密度のゆらぎを抑えて、利得および電流密度を均一化することにより閾値電流密度を低下させ、素子寿命を伸ばして信頼性を高めるものである。
The well
不純物としての炭素の濃度は、例えば、5×1016(cm-3)以上2×1018(cm-3)以下であることが好ましい。5×1016(cm-3)よりも低いと井戸層16A内における格子不整合性のばらつきを十分に抑制することが難しいからである。また、2×1018(cm-3)よりも大きいと炭素の含有量が多すぎて結晶性の乱れが大きくなってしまうおそれがあるからである。また、p−n接合の位置が活性層16の位置と離れることにより効率的なキャリアの注入が阻害される可能性があるために誘導放出に必要な閾値電流量が増加する可能性があるからである。更に、不純物としての炭素の濃度は、例えば1×1017(cm-3)以上1×1018(cm-3)以下であればより好ましい。
The concentration of carbon as an impurity is preferably 5 × 10 16 (cm −3 ) or more and 2 × 10 18 (cm −3 ) or less, for example. This is because if it is lower than 5 × 10 16 (cm −3 ), it is difficult to sufficiently suppress the variation in lattice mismatch in the
なお、炭素は従来より活性層のp型不純物として高周波特性を向上させる等の目的で使用されているが、GaInNAs混晶よりなる活性層の場合にはp型不純物として炭素を含有させることは行われておらず、そのような記載を含む文献も本発明者の知り得るところでは開示されていない。むしろ、一般的には、GaInNAs混晶を形成する場合にはMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition ;有機金属化学気相成長)法ではメチル基(CH3 )からの炭素の混入を防止しきれないので望ましくないと考えられており、炭素を含まない系で成長可能なMBE(Molecular Beam Epitaxy;電子ビーム蒸着)法が広く採用されている。また、本実施の形態では活性層16の基板11に対する格子不整合性が2%以上と極めて大きいが、このように格子不整合性が大きくなる材料系はごく限られている。一般に格子不整合性が大きいと考えられているInGaAs混晶であっても、例えばYAG励起用の場合、インジウム組成は10%程度、格子不整合性は0.712%程度である。ZnCdSeの場合も、格子不整合性は2%には達しない。その他、AlGaAs混晶,GaInP混晶またはAlGaInP混晶などの格子不整合性はいずれも1%未満であり、格子の歪みはほとんどない。
Carbon is conventionally used as a p-type impurity in the active layer for the purpose of improving high-frequency characteristics. However, in the case of an active layer made of a GaInNAs mixed crystal, carbon is not included as a p-type impurity. Neither is it disclosed, nor is a document containing such a description disclosed by the inventor. Rather, in general, when GaInNAs mixed crystals are formed, the MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method does not prevent carbon contamination from the methyl group (CH 3 ). The MBE (Molecular Beam Epitaxy) method that can be grown in a carbon-free system is widely adopted. Further, in the present embodiment, the lattice mismatch of the
井戸層16Aは、実質的にアルミニウム(Al)を含まないことが好ましい。GaInNAs混晶よりなる井戸層16Aにアルミニウムが含まれていると劣化のおそれがあるからである。
The
第2光ガイド層17は、例えば、厚みが100nm程度であり、不純物を含まないAlx Ga1-x As混晶(0≦x<1)、具体的には例えばGaAsにより構成されている。
The second
第4クラッド層18は、例えば、厚みが200nm程度であり、亜鉛(Zn)などのp型不純物を添加したp型Al0.47Ga0.53As混晶により構成されている。第5クラッド層19は、例えば、厚みが100nm程度であり、亜鉛(Zn)などのp型不純物を添加したp型GaAsにより構成されている。第6クラッド層20は、例えば、1μm以上の十分な厚みを有し、亜鉛(Zn)などのp型不純物を添加したp型Al0.3 Ga0.7 As混晶により構成されている。
For example, the
なお、第1クラッド層12および第6クラッド層20は同じ屈折率n1を有し、第2クラッド層13および第5クラッド層19は同じ屈折率n2を有し、第3クラッド層14および第4クラッド層18は同じ屈折率n3を有している。屈折率n1,n2,n3は、n1,n3<n2の関係を満たすことが好ましい。
The
コンタクト層21は、後述するp側電極とのオーミック接合をとるためのものであり、例えば、厚みが100nm程度であり、亜鉛(Zn)などのp型不純物を高濃度に添加したp型GaAsにより構成されている。
The
また、この半導体レーザ10は、基板11の裏側に、n側電極31を有している。n側電極31は、例えば、金(Au)層,金(Au)とゲルマニウム(Ge)との合金層および金(Au)層を基板11の側から順に積層し、熱処理により合金化した構造を有しており、基板11を介して第1クラッド層12と電気的に接続されている。一方、コンタクト層21の上には、p側電極32が設けられている。p側電極32は、例えば、チタン(Ti)層,白金(Pt)層および金(Au)層をコンタクト層21の側から順に積層し、熱処理により合金化した構造を有しており、コンタクト層21と電気的に接続されている。
The
なお、この半導体レーザ10では、例えばコンタクト層21の長さ方向において対向する一対の側面が共振器端面となっており、この一対の共振器端面に図示しない一対の反射鏡膜がそれぞれ形成されている。これら一対の反射鏡膜のうち一方の反射鏡膜の反射率は低くなるように、他方の反射鏡膜の反射率は高くなるようにそれぞれ調整されている。これにより、活性層16において発生した光は一対の反射鏡膜の間を往復して増幅され、一方の反射鏡膜からレーザビームとして出射するようになっている。
In the
この半導体レーザ10は、例えば、次のようにして製造することができる。
This
まず、例えば、上述した厚みおよび材料よりなる基板11の表側に、例えばMOCVD法により、それぞれ上述した厚みおよび材料よりなる第1クラッド層12,第1ガイド層13,第3クラッド層14および第1光ガイド層15を順に積層する。
First, for example, the first clad
次いで、第1光ガイド層15の上に、同じくMOCVD法により、井戸層16Aおよび障壁層16Bの多重量子井戸構造を有する活性層16を形成する。このとき、活性層16の井戸層16Aに不純物として炭素(C)を添加する。その方法としては、例えば、MOCVD法による結晶成長の過程で、有機金属原料の分解に伴って生成されたメチル基(CH3 )によるオートドーピングを利用するという方法が挙げられる。その場合、成長温度を高くしたり、またはV/III比などを調節することにより井戸層16Aに含まれる炭素の濃度を変化させることが可能である。あるいは、MOCVD装置の炉内に四臭化炭素(CBr4 )または四塩化炭素(CCl4 )などを供給することにより、意図的に炭素を添加するようにしてもよい。特にCBr4 はCCl4 に比べて配管を損傷するおそれが少ないので好ましい。また、これらの方法を併用してもよい。
Next, the
続いて、活性層16の上に、同じくMOCVD法により、それぞれ上述した厚みおよび材料よりなる第2光ガイド層17,第4クラッド層18,第5クラッド層19,第6クラッド層20およびコンタクト層21を順に積層する。
Subsequently, the second
そののち、例えばエッチングにより、第5クラッド層19,第6クラッド層20およびコンタクト層21の一部を選択的に除去し、細い帯状の突条部(リッジ)とする。第5クラッド層19,第6クラッド層20およびコンタクト層21を細い帯状の突条部としたのち、その両側に、例えばCVD(Chemical Vapor Deposition ;化学気相成長)法により、上述した材料よりなる絶縁層22を形成する。
After that, a part of the fifth cladding layer 19, the
絶縁層22を形成したのち、例えば、基板11の裏側を研削して基板11の厚みを100μm程度とし、基板11の裏側にn側電極31を形成する。また、絶縁層22に、例えばエッチングにより、コンタクト層21に対応して開口を設け、コンタクト層21および絶縁層22の上に、p側電極32を形成する。n側電極31およびp側電極32を形成したのち、基板11を所定の大きさに整え、コンタクト層21の長さ方向において対向する一対の共振器端面に図示しない反射鏡膜を形成する。これにより、図1に示した半導体レーザ10が形成される。
After forming the insulating
この半導体レーザ10は、n側電極31とp側電極32との間に所定の電圧が印加されると、コンタクト層21,第6クラッド層20および第5クラッド層19により電流狭窄された電流が活性層16に注入され、電子−正孔再結合による発光が起こる。ここでは、活性層16が不純物として炭素を含有しているので、井戸層16Aにおいてインジウムの偏析が抑えられ、活性層16の基板11に対する格子不整合性が2%以上と大きくなっても、井戸層16A内でインジウム濃度が局所的にばらつくことが抑制される。よって、井戸層16A内の状態密度が均一化され、利得および電流密度が均一化される。これにより、閾値電流密度が低くなり、素子寿命が伸びて信頼性が向上する。
In the
(光学モジュール)
図3は、このような半導体レーザ10を備えた光学モジュールの構成を概略的に表したものである。この光学モジュール100は、高速光通信システムにおいて光信号と電気信号とを変換するFEM(フロントエンドモジュール)などとして用いられるものであり、基体101上に、送信部110と受信部120とを備えている。送信部110および受信部120には、図示しないコネクタを介してファイバ130,140がそれぞれ接続されている。
(Optical module)
FIG. 3 schematically shows the configuration of an optical module including such a
送信部110は、例えば、上述した半導体レーザ10およびこの半導体レーザ10を駆動するドライバ112を有している。ドライバ112としては、公知のドライバIC(Integrated Circuit;集積回路)を用いることができる。
The
受信部120は、例えば、光電変換素子(フォトダイオード)121およびTIA(トランスインピーダンスアンプリファイア)やLIA(リミティングインピーダンスアンプリファイア)等の増幅器122を備えた一般的なものである。
The receiving
この光学モジュール100では、送信部110において、外部から供給された電気信号S1に基づいてドライバ112により半導体レーザ10が駆動され、光信号P1がファイバ130を介して送信される。また、受信部120において、ファイバ140を介して供給された光信号P2が光電変換素子121に入射して電気信号に変換され、この電気信号が増幅器122により増幅され、必要な変換処理が加えられて電気信号S2として外部へ出力される。ここで、光学モジュール100は、本実施の形態による半導体レーザ10を備えているので、光の送受信により信号を伝播することによりGbps(ギガビット毎秒)以上の高速伝送が可能になると共に、半導体レーザ10の優れた信頼性により光学モジュール100の信頼性も向上する。
In the
以上のように本実施の形態の半導体レーザ10では、活性層16に不純物として炭素を添加するようにしたので、この不純物としての炭素により、井戸層16Aにおいてインジウムが偏析することを抑え、活性層16の井戸層16Aと基板11との格子不整合性が2%以上と大きくなっても、井戸層16A内で濃度が局所的にばらつくことを抑制することができる。よって、井戸層16A内に状態密度の分布が生じるのを抑えて均一な利得を得ることができ、電流密度を均一化することができる。これにより、閾値電流密度が低下し、素子寿命が伸びると共に信頼性が向上する。従って、この半導体レーザ10を用いた光学モジュール100においても、信頼性が向上する。
As described above, in the
なお、本実施の形態では、活性層16の井戸層16Aおよび障壁層16Bが不純物として炭素を含有している場合について説明したが、井戸層16Aおよび障壁層16Bのうち少なくとも一方が不純物として炭素を含有していればよい。例えば、障壁層16Bのみが不純物として炭素を含有していても拡散等により上述した効果を得ることが可能である。また、井戸層16Aおよび障壁層16Bの両方が不純物として炭素を含有していればより好ましく、井戸層16Aのみが不純物として炭素を含有していれば最も好ましい。より高い効果が得られるからである。
In the present embodiment, the case where the
また、本実施の形態では、半導体レーザ10の活性層16の井戸層16AがGaInNAs混晶により構成されている場合について説明したが、井戸層16AはGaInNAs混晶以外の他の材料により構成されていてもよい。井戸層16Aの他の構成材料としては、例えばGaInNAsSb混晶,GaNAs混晶またはGaNAsSb混晶が挙げられる。
In the present embodiment, the case where the
更に、本発明の具体的な実施例について説明する。 Furthermore, specific examples of the present invention will be described.
(実施例1〜6)
上記実施の形態と同様にして、図1に示した半導体レーザ10を作製した。その際、活性層16の井戸層16Aおよび障壁層16Bの成長工程において炭素原料としてCBr4 を供給することにより、活性層16の井戸層Aおよび障壁層16Bに不純物として炭素を添加した。炭素の濃度は、CBr4 の流量を制御することにより、実施例1では2.5×1016(cm-3)、実施例2では6.0×1016(cm-3)、実施例3では1.3×1017(cm-3)、実施例4では3.0×1017(cm-3)、実施例5では8.5×1017(cm-3)、実施例6では1.6×1018(cm-3)と変化させた。なお、各実施例1〜6における炭素の濃度は、SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry ;二次イオン質量分析)法により測定した。
(Examples 1-6)
The
得られた実施例1〜6の半導体レーザ10について、エージング試験を行った。そのうち、実施例1,2,4,6の結果を図4に示す。また、実施例1〜6の半導体レーザ10について、炭素の濃度と寿命との関係を図5に示す。
An aging test was performed on the obtained
図4から分かるように、実施例1,2,4では、炭素の濃度が高いほど動作電流量は低くなり、実施例4では動作電流量30mA以下、寿命は約103 h以上と極めて良好な結果が得られた。しかし、実施例4よりも更に炭素の濃度を高くした実施例6では、実施例2と略同等の値しか得られなかった。また、図5から分かるように、素子寿命は炭素の濃度が大きくなるほど長くなり、実施例4に相当する3.0×1017(cm-3)付近で極大値を示したのち再び短くなる傾向がみられた。炭素の濃度が5×1016(cm-3)以上2×1018(cm-3)以下の範囲では約102 h以上の長寿命が得られ、更に、1×1017(cm-3)以上1×1018(cm-3)以下の範囲では約6×102 h以上と、より長くすることができた。 As can be seen from FIG. 4, in Examples 1, 2, and 4, the higher the concentration of carbon, the lower the operating current amount. In Example 4, the operating current amount is 30 mA or less and the lifetime is about 10 3 h or more, which is extremely good. Results were obtained. However, in Example 6 in which the carbon concentration was higher than in Example 4, only a value substantially equivalent to that in Example 2 was obtained. Further, as can be seen from FIG. 5, the device lifetime becomes longer as the carbon concentration is increased, and after reaching the maximum value in the vicinity of 3.0 × 10 17 (cm −3 ) corresponding to Example 4, it tends to become shorter again. Was seen. When the carbon concentration is in the range of 5 × 10 16 (cm −3 ) or more and 2 × 10 18 (cm −3 ) or less, a long life of about 10 2 h or more is obtained, and further, 1 × 10 17 (cm −3 ). In the range of 1 × 10 18 (cm −3 ) or less, the length could be made longer than about 6 × 10 2 h.
このように不純物としての炭素の濃度を最適化することにより動作電流量および寿命を改善することができたのは、井戸層16Aにおいてインジウムの偏析が抑えられ、井戸層16Aの基板11に対する格子不整合性が大きくても、井戸層16A内で濃度がばらつくのを抑制することができたからであると推測される。これにより、井戸層16A内に状態密度の分布が生じるのを抑えて均一な利得を得ることができ、電流密度を均一化することができたものと考えられる。なお、不純物としての炭素によりインジウムの偏析が抑制される理由については、ラティスハードニング、すなわち炭素の添加により結晶格子が堅牢化されて転位が増殖しにくくなったこと、あるいはサーファクタント効果、すなわちインジウムの凝集が防止されて活性層16の結晶性が向上したこと等が考えられる。
By optimizing the concentration of carbon as an impurity as described above, the amount of operating current and the lifetime can be improved because segregation of indium is suppressed in the
すなわち、不純物としての炭素の濃度を5×1016(cm-3)以上2×1018(cm-3)以下の最適な範囲内とすれば、動作電流量を低減することができると共に、素子寿命を伸ばして信頼性をより向上させることができることが分かった。 That is, if the concentration of carbon as an impurity is within an optimal range of 5 × 10 16 (cm −3 ) to 2 × 10 18 (cm −3 ), the amount of operating current can be reduced, and the element It was found that the lifetime can be extended and the reliability can be further improved.
以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態および実施例に限定されるものではなく、種々変形が可能である。例えば、上記実施の形態および実施例において説明した各層の材料および厚み、または成膜方法および成膜条件などは限定されるものではなく、他の材料および厚みとしてもよく、または他の成膜方法および成膜条件としてもよい。 The present invention has been described with reference to the embodiments and examples. However, the present invention is not limited to the above embodiments and examples, and various modifications can be made. For example, the material and thickness of each layer described in the above embodiments and examples, or the film formation method and film formation conditions are not limited, and other materials and thicknesses may be used, or other film formation methods. Alternatively, film forming conditions may be used.
例えば、上記実施の形態および実施例においては、第1クラッド層12ないしコンタクト層21をMOCVD法により形成する場合について説明したが、MBE法などの真空系成長方法を用いてもよい。このようにMBE法を用いる場合、活性層16に不純物として炭素を添加する方法としては、例えば、K−cell内に配置した炭素を加熱するようにすればよい。
For example, in the above-described embodiments and examples, the case where the
また、上記実施の形態および実施例では、半導体レーザの構成を具体的に挙げて説明したが、全ての層を備える必要はなく、また、他の層を更に備えていてもよい。 In the above-described embodiments and examples, the configuration of the semiconductor laser is specifically described. However, it is not necessary to provide all layers, and other layers may be further provided.
更に、上記実施の形態および実施例では、n型の基板11上に、n型導電性を有する第1クラッド層12ないし第1光ガイド層15,活性層16,およびp型導電性を有する第2光ガイド層17ないしコンタクト層21が、基板11側から順に積層された場合について説明したが、p型または絶縁性の基板上に、p型導電性を有する第1クラッド層ないし第1光ガイド層,活性層,およびp型導電性を有する第2光ガイド層ないしコンタクト層が、基板側から順に積層された構成としてもよい。
Further, in the above-described embodiments and examples, the
加えて、上記実施の形態および実施例では、端面出射型半導体レーザの場合について説明したが、本発明はレーザ形態に依存するものではなく、例えば面発光レーザにも適用可能である。 In addition, although the case of the edge emitting semiconductor laser has been described in the above embodiments and examples, the present invention does not depend on the laser form and can be applied to, for example, a surface emitting laser.
更にまた、上記実施の形態および実施例では、半導体レーザを例として説明したが、本発明は半導体レーザ以外にも、受光素子あるいはHEMT(High Electron Mobility Transistor ;高電子移動度トランジスタ),FET(Field Effect Transisitor;電界効果トランジスタ)などの他の半導体素子にも適用可能である。 Furthermore, in the above-described embodiments and examples, the semiconductor laser has been described as an example. However, in addition to the semiconductor laser, the present invention is not limited to the light receiving element, HEMT (High Electron Mobility Transistor), FET (Field The present invention can also be applied to other semiconductor elements such as Effect Transisitor (field effect transistor).
本発明による半導体発光素子およびその製造方法は、例えば、光ファイバ通信あるいは光配線の光源などとして用いられる通信用レーザおよびその製造に好適である。また、本発明による光学モジュールは、画像情報をベースバンドで転送するシステムまたはLAN(Local Area Network)/SAN(Storage Area Network)などのシステムに利用することができる。 The semiconductor light emitting device and the manufacturing method thereof according to the present invention are suitable for, for example, a communication laser used as a light source for optical fiber communication or optical wiring and the manufacture thereof. The optical module according to the present invention can be used in a system for transferring image information in a baseband or a system such as a LAN (Local Area Network) / SAN (Storage Area Network).
11…基板、12…第1クラッド層、13…第2クラッド層、14…第3クラッド層、15…第1光ガイド層、16…活性層、16A…井戸層、16B…障壁層、17…第2光ガイド層、18…第4クラッド層、19…第5クラッド層、20…第6クラッド層、21…コンタクト層、22…絶縁層、31…p側電極、32…n側電極
DESCRIPTION OF
Claims (36)
前記活性層に不純物として炭素(C)を含有する
ことを特徴とする半導体発光素子。 A semiconductor light emitting device comprising an active layer having a lattice mismatch with respect to the substrate of 2% or more on the substrate,
The active layer contains carbon (C) as an impurity.
ことを特徴とする請求項1記載の半導体発光素子。 The active layer has a multiple quantum well structure including a well layer and a barrier layer, the lattice mismatch of the well layer with respect to the substrate is 2% or more, and at least one of the well layer and the barrier layer Carbon (C) is contained in one side, The semiconductor light-emitting device of Claim 1 characterized by the above-mentioned.
ことを特徴とする請求項1記載の半導体発光素子。 The semiconductor light emitting element according to claim 1, wherein the oscillation wavelength is 1.2 μm or more.
ことを特徴とする請求項1記載の半導体発光素子。 2. The semiconductor light emitting element according to claim 1, wherein the concentration of carbon as the impurity is 5 × 10 16 (cm −3 ) or more and 2 × 10 18 (cm −3 ) or less.
ことを特徴とする請求項2記載の半導体発光素子。 The well layer includes at least one of gallium (Ga) and indium (In) among group 3B elements and at least one of nitrogen (N) and arsenic (As) among group 5B elements. The semiconductor light-emitting device according to claim 2, comprising a compound semiconductor.
ことを特徴とする請求項5記載の半導体発光素子。 The semiconductor light emitting element according to claim 5, wherein the well layer is made of a GaInNAs mixed crystal.
ことを特徴とする請求項1記載の半導体発光素子。 The semiconductor light emitting element according to claim 1, wherein the substrate is made of gallium arsenide (GaAs).
前記活性層に不純物として炭素(C)を含有する
ことを特徴とする半導体発光素子。 A semiconductor light emitting device comprising an active layer made of a GaInNAs mixed crystal on a substrate,
The active layer contains carbon (C) as an impurity.
ことを特徴とする請求項8記載の半導体発光素子。 The active layer has a multiple quantum well structure including a well layer and a barrier layer, and carbon (C) is contained in at least one of the well layer and the barrier layer. Semiconductor light emitting device.
ことを特徴とする請求項8記載の半導体発光素子。 The concentration of carbon as the impurity is 5 × 10 16 (cm −3 ) or more and 2 × 10 18 (cm −3 ) or less. The semiconductor light-emitting element according to claim 8.
ことを特徴とする請求項9記載の半導体発光素子。 The semiconductor light emitting element according to claim 9, wherein the well layer is made of a GaInNAs mixed crystal.
ことを特徴とする請求項8記載の半導体発光素子。 The semiconductor light emitting element according to claim 8, wherein the substrate is made of gallium arsenide (GaAs).
前記活性層に不純物として炭素(C)を添加する
ことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor light emitting device comprising an active layer having a lattice mismatch with respect to the substrate of 2% or more on the substrate,
Carbon (C) is added as an impurity to the active layer. A method for manufacturing a semiconductor light emitting device.
ことを特徴とする請求項13記載の半導体発光素子の製造方法。 The active layer has a multiple quantum well structure including a well layer and a barrier layer, the lattice mismatch of the well layer to the substrate is 2% or more, and at least one of the well layer and the barrier layer Carbon (C) is added. The manufacturing method of the semiconductor light-emitting device according to claim 13.
ことを特徴とする請求項13記載の半導体発光素子の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor light-emitting element according to claim 13, wherein the oscillation wavelength is 1.2 μm or more.
ことを特徴とする請求項13記載の半導体発光素子の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor light emitting element according to claim 13, wherein a concentration of carbon as the impurity is 5 × 10 16 (cm −3 ) or more and 2 × 10 18 (cm −3 ) or less.
ことを特徴とする請求項14記載の半導体発光素子の製造方法。 The well layer includes at least one of gallium (Ga) and indium (In) among group 3B elements and at least one of nitrogen (N) and arsenic (As) among group 5B elements. It comprises a compound semiconductor. The manufacturing method of the semiconductor light-emitting device of Claim 14 characterized by the above-mentioned.
ことを特徴とする請求項17記載の半導体発光素子の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor light emitting element according to claim 17, wherein the well layer is made of a GaInNAs mixed crystal.
ことを特徴とする請求項13記載の半導体発光素子の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor light-emitting element according to claim 13, wherein the substrate is made of gallium arsenide (GaAs).
前記活性層に不純物として炭素(C)を添加する
ことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。 A method for manufacturing a semiconductor light emitting device comprising an active layer made of GaInNAs on a substrate,
Carbon (C) is added as an impurity to the active layer. A method for manufacturing a semiconductor light emitting device.
ことを特徴とする請求項20記載の半導体発光素子の製造方法。 21. The semiconductor light emitting device according to claim 20, wherein the active layer has a multiple quantum well structure including a well layer and a barrier layer, and carbon (C) is added to at least one of the well layer and the barrier layer. Device manufacturing method.
ことを特徴とする請求項20記載の半導体発光素子の製造方法。 21. The method of manufacturing a semiconductor light emitting element according to claim 20, wherein the concentration of carbon as the impurity is 5 × 10 16 (cm −3 ) or more and 2 × 10 18 (cm −3 ) or less.
ことを特徴とする請求項21記載の半導体発光素子の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor light emitting element according to claim 21, wherein the well layer is made of a GaInNAs mixed crystal.
ことを特徴とする請求項20記載の半導体発光素子の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor light emitting element according to claim 20, wherein the substrate is made of gallium arsenide (GaAs).
前記半導体発光素子は、前記基板に対する格子不整合性が2%以上の活性層を有すると共に、前記活性層に不純物として炭素(C)を含有する
ことを特徴とする光学モジュール。 An optical module comprising a semiconductor light emitting element on a substrate,
The semiconductor light-emitting element has an active layer having a lattice mismatch with respect to the substrate of 2% or more, and contains carbon (C) as an impurity in the active layer.
ことを特徴とする請求項25記載の光学モジュール。 The active layer has a multiple quantum well structure including a well layer and a barrier layer, the lattice mismatch of the well layer with respect to the substrate is 2% or more, and at least one of the well layer and the barrier layer 26. The optical module according to claim 25, wherein one side contains carbon (C).
ことを特徴とする請求項25記載の光学モジュール。 The optical module according to claim 25, wherein an oscillation wavelength of the semiconductor light emitting element is 1.2 µm or more.
ことを特徴とする請求項25記載の光学モジュール。 26. The optical module according to claim 25, wherein the concentration of carbon as the impurity is 5 × 10 16 (cm −3 ) or more and 2 × 10 18 (cm −3 ) or less.
ことを特徴とする請求項26記載の光学モジュール。 The well layer includes at least one of gallium (Ga) and indium (In) among group 3B elements and at least one of nitrogen (N) and arsenic (As) among group 5B elements. 27. The optical module according to claim 26, comprising a compound semiconductor.
ことを特徴とする請求項29記載の光学モジュール。 30. The optical module according to claim 29, wherein the well layer is made of a GaInNAs mixed crystal.
ことを特徴とする請求項25記載の光学モジュール。 The optical module according to claim 25, wherein the substrate is made of gallium arsenide (GaAs).
前記半導体発光素子は、基板上にGaInNAsよりなる活性層を有すると共に、前記活性層に不純物として炭素(C)を含有する
ことを特徴とする光学モジュール。 An optical module comprising a semiconductor light emitting element on a substrate,
The semiconductor light emitting element has an active layer made of GaInNAs on a substrate, and contains carbon (C) as an impurity in the active layer.
ことを特徴とする請求項32記載の光学モジュール。 The active layer has a multiple quantum well structure including a well layer and a barrier layer, and contains carbon (C) in at least one of the well layer and the barrier layer. Optical module.
ことを特徴とする請求項32記載の光学モジュール。 The optical module according to claim 32, wherein the concentration of carbon as the impurity is 5 × 10 16 (cm −3 ) or more and 2 × 10 18 (cm −3 ) or less.
ことを特徴とする請求項33記載の光学モジュール。 The optical module according to claim 33, wherein the well layer is made of a GaInNAs mixed crystal.
ことを特徴とする請求項32記載の光学モジュール。
The optical module according to claim 32, wherein the substrate is made of gallium arsenide (GaAs).
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Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH11340577A (en) * | 1998-05-21 | 1999-12-10 | Ricoh Co Ltd | Method for manufacturing semiconductor, semiconductor laminated structure, and semiconductor light-emitting element |
JP2003204120A (en) * | 2001-12-28 | 2003-07-18 | Toshiba Corp | Semiconductor laser device |
-
2004
- 2004-06-15 JP JP2004177043A patent/JP2006005000A/en active Pending
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH11340577A (en) * | 1998-05-21 | 1999-12-10 | Ricoh Co Ltd | Method for manufacturing semiconductor, semiconductor laminated structure, and semiconductor light-emitting element |
JP2003204120A (en) * | 2001-12-28 | 2003-07-18 | Toshiba Corp | Semiconductor laser device |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2019091846A (en) * | 2017-11-16 | 2019-06-13 | 住友電気工業株式会社 | Vertical resonance type surface emission laser, and method for manufacturing vertical resonance type surface emission laser |
JP7043802B2 (en) | 2017-11-16 | 2022-03-30 | 住友電気工業株式会社 | Method for manufacturing a vertical resonance type surface emitting laser and a vertical resonance type surface emitting laser |
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