JP2015015396A - Optical semiconductor element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光導波路の横方向を電流導通方向とする光半導体素子に関する。 The present invention relates to an optical semiconductor element in which a horizontal direction of an optical waveguide is a current conduction direction.
半導体レーザなどの半導体デバイスは一般に、半導体基板の表面および裏面のそれぞれに形成された電極から活性層に、電流を注入、もしくは電界を印加することにより、半導体基板に対して垂直方向に電流が導通して動作する。半導体基板の表面に2つの電極が形成される場合もあるが、その場合においても、垂直方向が電流導通方向となることが多い。 Semiconductor devices such as semiconductor lasers generally conduct current in a direction perpendicular to the semiconductor substrate by injecting current from the electrodes formed on the front and back surfaces of the semiconductor substrate to the active layer or applying an electric field. Works. In some cases, two electrodes are formed on the surface of the semiconductor substrate. Even in this case, the vertical direction is often the current conduction direction.
このような半導体デバイスの活性層は、二重ヘテロ接合と呼ばれる構造を利用するのが一般的である。二重ヘテロ構造は、屈折率が大きい活性層を、活性層よりも屈折率の小さい半導体材料で挟む構造であり、活性層に光を閉じ込めることが可能となる。 The active layer of such a semiconductor device generally uses a structure called a double heterojunction. The double heterostructure is a structure in which an active layer having a high refractive index is sandwiched between semiconductor materials having a refractive index lower than that of the active layer, and light can be confined in the active layer.
さらには、活性層の両側を、活性層よりも屈折率の小さい半導体材料で挟む埋込ヘテロ構造を有する半導体デバイスも知られている(非特許文献1参照)。この埋込ヘテロ構造により、半導体デバイスの特性が向上する。 Furthermore, a semiconductor device having a buried heterostructure in which both sides of an active layer are sandwiched between semiconductor materials having a refractive index smaller than that of the active layer is also known (see Non-Patent Document 1). This buried heterostructure improves the characteristics of the semiconductor device.
一方、上述した半導体デバイスと異なり、基板に対し水平方向に電流を注入、または電界を印加することにより動作する半導体デバイス、すなわち横方向デバイスの研究も行われている。 On the other hand, unlike the semiconductor devices described above, research has been conducted on a semiconductor device that operates by injecting a current in the horizontal direction or applying an electric field to the substrate, that is, a lateral device.
図8に、従来の横方向デバイスの構造を示す。横方向デバイスは一般に、半絶縁性基板801上に活性導波路層802が形成され、活性導波路層802の両側には、屈折率が小さい半導体材料からなるn型半導体層803、p型半導体層804が形成される。そして、n型半導体層803の上には、n型コンタクト層805とn型電極806とが形成され、p型半導体層804の上には、p型コンタクト層807とp型電極808とが形成される。
FIG. 8 shows the structure of a conventional lateral device. In the lateral device, an
従来の横方向デバイスでは、活性導波路層802の両側は、屈折率が小さい半導体材料で挟まれており、活性導波路層802の上面、または、活性導波路層802の上下の両面は、空気や誘電体などの屈折率の非常に小さい材料からなる層で形成されている。活性導波路層802、および屈折率が小さい半導体材料の各屈折率は3以上であり、両者の屈折率の差は5%程度である。これに対し、空気の屈折率は1であり、誘電体として例えばSiO2の屈折率は1.4程度であるから、両者の屈折率差は、上述した5%程度となる半導体材料の場合に比べて、非常に大きくなる。そのため、空気や誘電体に挟まれた活性導波路層802には、光が強く閉じ込められることになる。
In a conventional lateral device, both sides of the
活性導波路層802に光を強く閉じ込められると、半導体レーザの場合にはしきい値電流が低減し、光変調器の場合には小さい印加電圧での変調動作が可能となるなど、半導体デバイスの特性を向上させることができる。
When light is strongly confined in the
さらに、横方向デバイスにおいて2つの電極を同一面内に形成することで、CMOSなど、同一面内に電極が配置された電子デバイスと、電極同士を接合によりデバイスを集積したり、シリコンフォトニクスと呼ばれるシリコン細線で形成された光導波路などと積層型に集積したりすることが可能となる。このようなデバイス特性の向上や、大規模集積光回路への高い適合性などの観点から、横方向デバイスの研究が積極的に行われている。 Furthermore, by forming two electrodes in the same plane in a lateral device, the device can be integrated by bonding the electrodes together with an electronic device such as a CMOS, such as a CMOS, or called silicon photonics. It is possible to integrate with an optical waveguide or the like formed of silicon fine wires in a laminated form. From the viewpoints of such improvement of device characteristics and high compatibility with large-scale integrated optical circuits, research on lateral devices has been actively conducted.
しかしながら、上記のような横方向デバイスでは、従来の垂直型デバイスに比べ、活性層802への電流狭窄構造を形成することが困難であった。特に、半絶縁性基板801方向へのキャリアや電界の拡がりにより、リーク電流増大による活性層802へのキャリア注入効率の低下や、暗電流増大による、電界強度の低下に伴う変調効率の劣化などの課題があった。
However, in the lateral device as described above, it is difficult to form a current confinement structure in the
そこで本発明は、半導体基板上に形成された、光が閉じ込め可能な活性層に、半導体基板表面に対して水平方向に電流を注入、もしくは電圧を印加することが可能で、かつ、半導体基板方向への電流、もしくは電界の広がりが抑えられた光半導体素子を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention can inject current or apply voltage to the active layer formed on the semiconductor substrate, in which light can be confined, in the horizontal direction with respect to the surface of the semiconductor substrate. An object of the present invention is to provide an optical semiconductor element in which the spread of current or electric field is suppressed.
上記の課題を解決するために、本発明は、光半導体素子であって、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された電流拡散防止層と、前記電流拡散防止層上に形成された光導波路層と、前記光導波路層の第1の面と接するように前記電流拡散防止層上に形成されたn型半導体層と、前記第1の面と対向する前記光導波路層の第2の面と接するように前記電流拡散防止層上に形成されたp型半導体層と、を備え、前記電流拡散防止層は、前記n型半導体層および前記p型半導体層が有するバンドギャップエネルギー以上のバンドギャップエネルギーを有し、かつ前記n型半導体層および前記p型半導体層よりも抵抗率が大きいことを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, the present invention provides an optical semiconductor element, which is a semiconductor substrate, a current diffusion prevention layer formed on the semiconductor substrate, and an optical waveguide formed on the current diffusion prevention layer. A layer, an n-type semiconductor layer formed on the current diffusion preventing layer so as to be in contact with the first surface of the optical waveguide layer, and a second surface of the optical waveguide layer facing the first surface; A p-type semiconductor layer formed on the current diffusion prevention layer so as to be in contact with the current diffusion prevention layer, wherein the current diffusion prevention layer has a band gap energy greater than or equal to a band gap energy of the n type semiconductor layer and the p type semiconductor layer. And having a resistivity higher than that of the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer.
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の光半導体素子において、前記電流拡散防止層は、少なくともIn、Ga、Alのいずれかを含むIII族元素と、少なくともN、P、Asのいずれかを含むV族元素からなる化合物半導体であることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the optical semiconductor element of the first aspect, the current diffusion prevention layer includes a group III element including at least one of In, Ga, and Al, and at least N, P, and As. It is a compound semiconductor composed of a group V element containing any of them.
請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載の光半導体素子において、前記電流拡散防止層は、10nm以上臨界膜厚以下の半導体膜であることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the optical semiconductor device according to the first or second aspect, the current diffusion preventing layer is a semiconductor film having a critical thickness of 10 nm or more.
請求項4に記載の発明は、請求項1乃至3のいずれかに記載の光半導体素子において、前記電流拡散防止層と前記n型半導体層および前記p型半導体層との間に形成された犠牲層をさらに備え、前記電流拡散防止層と前記光導波路層との間に空気層が形成されたことを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the optical semiconductor device according to any one of the first to third aspects, the sacrifice formed between the current diffusion preventing layer, the n-type semiconductor layer, and the p-type semiconductor layer. It further has a layer, and an air layer is formed between the current diffusion preventing layer and the optical waveguide layer.
請求項5に記載の発明は、請求項1乃至4に記載の光半導体素子において、前記光導波路層は、第1のクラッド層と、前記第1のクラッド層上に形成された前記活性導波路層と、前記活性導波路層上に形成された第2のクラッド層と、を含み、前記活性導波路層は、前記n型半導体層および前記p型半導体層とそれぞれ接していることを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the optical semiconductor device according to the first to fourth aspects, the optical waveguide layer includes a first cladding layer and the active waveguide formed on the first cladding layer. And a second cladding layer formed on the active waveguide layer, wherein the active waveguide layer is in contact with the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer, respectively. To do.
本発明によれば、半導体基板上に形成された、光が閉じ込め可能な活性層に、半導体基板表面に対して水平方向に電流を注入、もしくは電圧を印加することが可能な半導体デバイスにおいて、半導体基板方向への電流、電界の広がりを抑制することができる。 According to the present invention, in a semiconductor device capable of injecting a current or applying a voltage in a horizontal direction to the surface of a semiconductor substrate into an active layer capable of confining light formed on the semiconductor substrate, The spread of current and electric field in the direction of the substrate can be suppressed.
<第1実施形態>
図1(a)に、本発明の第1実施形態に係る光半導体素子の斜視図を示し、図1(b)に、本発明の第1実施形態に係る光半導体素子の断面図を示す。第1実施形態に係る光半導体素子は、半導体レーザや光変調器等に用いられ、例えば1.5μm帯の光を利用するための素子である。
<First Embodiment>
FIG. 1A shows a perspective view of an optical semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 1B shows a cross-sectional view of the optical semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. The optical semiconductor device according to the first embodiment is used for a semiconductor laser, an optical modulator, or the like, and is an element for using, for example, 1.5 μm band light.
この光半導体素子は、InPからなる半絶縁性基板101と、この半絶縁性基板101上に形成された、半絶縁性GaxIn1−xPからなる電流拡散防止層102と、この電流拡散防止層102の上に形成された光導波路層Aと、光導波路層Aの両側で半絶縁性基板101と並行に形成されたn型InP層106と、p型InP層107とを備える。n型InP層106は、n型半導体層であって、バンドギャップエネルギーを1.35eVとすることができる。また、p型InP層107は、p型半導体層であって、バンドギャップエネルギーを1.35eVとすることができる。
The optical semiconductor element includes a
n型InP層106上には、n型GaInAsコンタクト層108およびn型電極109が積層されている。同様に、p型InP層107上には、p型GaInAsコンタクト層110およびp型電極111が積層されている。
An n-type
図1において、光導波路層Aは、半絶縁性基板101に近い方から順に、ノンドープのInGaPからなる下部光閉じ込め層103a、ノンドープのInPからなる下部クラッド層104a、多重量子井戸構造からなる活性導波路層105、ノンドープのInPからなる上部クラッド層104b、ノンドープのInGaPからなる上部光閉じ込め層103bが積層されて構成される。
In FIG. 1, an optical waveguide layer A includes, in order from the side closer to the
半絶縁性GaxIn1−xPからなる電流拡散防止層102では、Ga組成(x)は例えば0.1(バンドギャップエネルギーは1.53eV)、厚さは例えば30nm、Feドーピング濃度は例えば1×1017cm−3とすることができる。このとき、電流拡散防止層102の抵抗率は108Ω・cmとなる。電流拡散防止層102の抵抗率は、n型InP層106、p型InP層107よりも大きくするものとする。
In the current
n型コンタクト層108では、ドーピング濃度は例えば2×1018cm−3とすることができ、厚さは例えば100nmとすることができる。p型コンタクト層110では、ドーピング濃度は例えば2×1019cm−3とすることができ、厚さは例えば100nmとすることができる。
In the n-
n型電極109、p型電極111は、それぞれ図示しない電圧源と接続され、これにより、n型電極109、p型電極111には、電圧が印加され、光半導体素子が動作可能となっている。尚、電圧源に代わりに、各電極109、111にそれぞれ電流源を接続し、電流源から各電極109、111に電流を注入することによって、光半導体素子を動作させることも可能である。
The n-
第1実施形態では、光導波路層Aは、下部光閉じ込め層103a、下部クラッド層104a、多重量子井戸構造からなる活性導波路層105、上部クラッド層104bおよび上部光閉じ込め層103bによって構成される。下部光閉じ込め層103aおよび上部光閉じ込め層103bは、それぞれバンドギャップ波長が1.2μmのノンドープGaInAsPとすることができる。ここで、下部光閉じ込め層103aおよび上部光閉じ込め層103bの各膜厚は、それぞれ例えば30nmとすることができる。
In the first embodiment, the optical waveguide layer A includes a lower
活性導波路層105の多重量子井戸構造は、ノンドープGaInAsP量子井戸層(例えば、バンドギャップ波長1.55μm、膜厚6nm、井戸数7)と、ノンドープGaInAsP障壁層(例えば、バンドギャップ波長1.25μm、膜厚10nm)とによって構成することができる。
The multiple quantum well structure of the
活性導波路層105は、光半導体素子の用途に応じて、半導体レーザの発光層、光変調器の光吸収層または屈折率変化層などとして機能する。
The
上述したように、光導波路層A下に形成された電流拡散防止層102が半絶縁性を有すると共に、電流拡散防止層102のバンドギャップエネルギーがn型InP層106、p型InP層107よりも大きくなっているため、電流拡散防止層102側への電流広がりが抑制される。
As described above, the current
例えば、光導波路層Aに順方向バイアスを印加(電流駆動)した場合には、半絶縁性の電流拡散防止層102を電流が流れることは無いため、活性導波路層105へのキャリア注入の効率を増大させる効果が得られる。
For example, when a forward bias is applied (current drive) to the optical waveguide layer A, no current flows through the semi-insulating current
また、光導波路層Aに逆方向バイアスを印加した場合にも、電流拡散防止層102中を流れるリーク電流を削減することができるため、活性導波路層105に効率良く電圧を印加することができる。
Further, even when a reverse bias is applied to the optical waveguide layer A, the leakage current flowing in the current
ここでは、電流拡散防止層102がFeドープの半絶縁性GaxIn1−xPからなる例を説明したが、電流拡散防止層102は、例えばSiO2などの誘電体膜であってもよい。但し、電流拡散防止層102を半導体膜とした場合、従来の半導体プロセスの延長技術を流用して、従来よりも特性のよい横方向デバイスとして光半導体素子を提供することができる。
Here, an example in which the current
次に、光半導体素子の作製方法について図2を参照して説明する。図2(a)〜(k)に、本発明の第1実施形態に係る光半導体素子の作製過程を示す。 Next, a method for manufacturing an optical semiconductor element will be described with reference to FIGS. 2A to 2K show a manufacturing process of the optical semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
図2(a)において先ず、半絶縁性InPからなる半絶縁性基板101上に、Feドープ半絶縁性GaInPからなる電流拡散防止層102、光導波路層Aの積層構造を、例えば有機金属気相成長(MOVPE: Metalorganic Vapor Phase Epitaxy)法を用いて、結晶成長して形成する。一般的に、半絶縁性InPからなる半絶縁性基板101を用いた場合のMOVPE法では、600℃〜700℃程度の温度で結品成長が行われることが知られているから、図2(a)の例では、基板温度を例えば620℃とする。
2A, first, a laminated structure of a current
尚、図2(a)では、半絶縁性GaInPからなる電流拡散防止層102のドーピング濃度は、例えば1×1017cm−3、Ga組成(x)は0.1、厚さは30nmとすることができる。
In FIG. 2A, the doping concentration of the current
尚、結晶成長方法として、MOVPE法を例にとって説明するが、いずれもMOVPE法に替えて、分子線エピタキシー法などの結晶成長方法を採用することも可能である。 Although the MOVPE method will be described as an example of the crystal growth method, in any case, a crystal growth method such as a molecular beam epitaxy method may be employed instead of the MOVPE method.
次に、作製したウエハ表面に、厚さが例えば100nmのSiO2膜112−1を、例えばプラズマCVD法により成膜する(図2(b))。 Next, a SiO 2 film 112-1 having a thickness of, for example, 100 nm is formed on the surface of the manufactured wafer by, for example, a plasma CVD method (FIG. 2B).
その後、例えばフォトリソグラフィを用いて、SiO2膜112−1が成膜された領域のうち、n型InP層106が形成されることになる領域を除去する(図2(c))。
Thereafter, the region where the n-
SiO2膜112−1の一部を除去した後、例えばドライエッチングにより、n型InP層106を形成する領域に相当する光導波路層Aの一部を除去する(図2(d))。尚、光導波路層Aの除去では、ドライエッチングではなく、例えばウェットエッチングを用いてもよいが、エッチング面の垂直性はウェットエッチングよりもドライエッチングのほうが優れているため、第1実施形態ではドライエッチングを用いる。
After removing a part of the SiO 2 film 112-1, a part of the optical waveguide layer A corresponding to a region where the n-
次いで、ウエハに対し、MOVPE法を用いて、光導波路層Aを除去した領域に、例えばn型InP層106と、n型GaInAsコンタクト層108とを、順次、結晶成長により形成する(図2(e))。
Next, for example, an n-
n型InP層106とn型GaInAsコンタクト層108とを結晶成長させた後、ウエハ面上のSiO2膜112−1をすべて除去する(図2(f))。
After the n-
そして、再度、ウエハ全面に、厚さが例えば100nmのSiO2膜112−2を、例えばプラズマCVD法により成膜し、その後、例えばフォトリソグラフィを用いて、SiO2膜112−2が成膜された領域のうち、p型InP層107を形成することになる領域を除去する(図2(g))。
Then, again, a SiO 2 film 112-2 having a thickness of, for example, 100 nm is formed on the entire surface of the wafer by, for example, a plasma CVD method, and then the SiO 2 film 112-2 is formed by using, for example, photolithography. Among the regions, the region where the p-
SiO2膜112−2を除去した後、例えばドライエッチングにより、p型InP層107を形成する領域に相当する光導波路層Aの一部を除去する(図2(h))。
After removing the SiO 2 film 112-2, a part of the optical waveguide layer A corresponding to the region where the p-
次いで、ウエハに対し、MOVPE法を用いて、光導波路層Aを除去した領域に、例えばp型InP層107と、p型GaInAsコンタクト層110とを、順次、結晶成長により形成する(図2(i))。
Next, for example, a p-
p型InP層107とp型GaInAsコンタクト層110とを結晶成長させた後、ウエハ面上のSiO2膜112−2をすべて除去する(不図示)。
After the p-
その後、ウエハ全面に、フォトレジストを塗布し、例えばフォトリソグラフィを用いて、光導波路層Aの領域と、n型GaInAsコンタクト層108およびp型GaInAsコンタクト層110の領域のうち、電極を形成することになる領域とにのみフォトレジストを残す。その後、例えば硫酸、過酸化水素水、および水を混合したエッチャントを用いて、n型GaInAsコンタクト層108およびp型GaInAsコンタクト層110の不要な領域を、例えばウェットエッチングにより除去する(図2(j))。
Thereafter, a photoresist is applied to the entire surface of the wafer, and an electrode is formed out of the region of the optical waveguide layer A and the regions of the n-type
最後に、n型GaInAsコンタクト層108およびp型GaInAsコンタクト層110上にそれぞれn型電極109、p型電極111を形成し、所望の長さでへき開することにより、光半導体素子が完成する(図2(k))。例えば、光半導体素子が半導体レーザとして動作する場合には、上述したへき開面が共振器として用いられることになる。
Finally, an n-
以上説明したように、本実施形態の光半導体素子によれば、光導波路層A下部に位置する電流拡散防止層102が半絶縁性を有するとともに、バンドギャップエネルギーがn型InP層106、p型InP層107よりも大きくなっているため、電流拡散防止層102側への電流広がりが抑制される。よって、光半導体素子の特性が向上する。
As described above, according to the optical semiconductor device of this embodiment, the current
<第2実施形態>
図3(a)に、本発明の第2実施形態に係る光半導体素子の斜視図を示し、図3(b)に、本発明の第2実施形態に係る光半導体素子の断面図を示す。第2実施形態の光半導体素子が第1実施形態と異なるのは主に、光導波路層A下に半導体材料よりも屈折率の小さい層、例えば空気層を形成した点である。この第2実施形態の光半導体素子は、第1実施形態の光半導体素子と異なり、光導波路層Aの直下に空気層を形成することで、キャリアの再結合をさらに抑制させる点に特徴がある。
Second Embodiment
FIG. 3A shows a perspective view of an optical semiconductor element according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 3B shows a cross-sectional view of the optical semiconductor element according to the second embodiment of the present invention. The optical semiconductor element of the second embodiment is different from the first embodiment mainly in that a layer having a refractive index smaller than that of the semiconductor material, for example, an air layer, is formed under the optical waveguide layer A. Unlike the optical semiconductor element of the first embodiment, the optical semiconductor element of the second embodiment is characterized in that the recombination of carriers is further suppressed by forming an air layer directly under the optical waveguide layer A. .
第2実施形態の光半導体素子は、第1実施形態の場合と同様に、半絶縁性InPからなる半絶縁性基板201と、この半絶縁性基板201の上に形成された電流拡散防止層202と、GaInAsからなる犠牲層203a、203bと、光導波路層Aと、光導波路層Aの両側に形成されたn型InP層207(n型半導体層)と、p型InP層208(p型半導体層)とを備える。犠牲層203a、203bは、n型InP層207およびp型InP層208の領域にのみ存在し、電流拡散防止層202と光導波路層Aとの間に空気層を形成している。
As in the case of the first embodiment, the optical semiconductor element of the second embodiment includes a
次に、光半導体素子の作製方法について図4を参照して説明する。図4(a)〜(l)に、本発明の第2実施形態に係る光半導体素子の作製過程を示す。 Next, a method for manufacturing an optical semiconductor element will be described with reference to FIGS. 4A to 4L show a process for manufacturing an optical semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.
図4(a)において、InPからなる半絶縁性基板201上に、半絶縁GaInP電流拡散防止層202、GaInAsからなる犠牲層203、光導波路層Aの積層構造を順次、例えばMOVPE法を用いて、例えば620℃の基板温度で結晶成長して形成する。光導波路層Aの積層構造は、第1実施形態と同じである。
In FIG. 4A, a laminated structure of a semi-insulating GaInP current
次に、図2(b)−(k)に示したものと同様に、図4(b)−(k)の作製を行う。すなわち、作製したウエハの表面、すなわち上部光閉じ込め層204b上に、厚さが例えば100nmのSiO2膜213−1を、例えばプラズマCVD法により成膜する(図4(b))。
Next, as in the case shown in FIGS. 2B to 2K, the manufacture of FIGS. 4B to 4K is performed. That is, a SiO 2 film 213-1 having a thickness of, for example, 100 nm is formed on the surface of the manufactured wafer, that is, the upper
その後、例えばフォトリソグラフィを用いて、SiO2膜213−1の領域のうち、n型InP層207が形成されることになる領域を除去する(図4(c))。
Thereafter, the region where the n-
その後、例えばドライエッチングにより、n型InP層207を形成する領域に相当する光導波路層Aの一部を除去する(図4(d))。
Thereafter, a part of the optical waveguide layer A corresponding to the region where the n-
次いで、ウエハに対し、MOVPE法を用いて、光導波路層Aを除去した領域に、バンドギャップが例えば1.35eVとなるn型InP層207と、n型GaInAsコンタクト層209とを、順次、結晶成長により形成する(図4(e))。
Next, an n-
n型InP層207とn型GaInAsコンタクト層209とを結晶成長させた後、ウエハ面上のSiO2膜213−1をすべて除去する(図4(f))。そして、再度、ウエハ全面に、厚さが例えば100nmのSiO2膜213−2を、例えばプラズマCVD法により成膜し、その後、例えばフォトリソグラフィを用いて、SiO2膜213−2の領域のうち、p型InP層208を形成することになる領域を除去する(図4(g))。
After the n-
SiO2膜213−2を除去した後、例えばドライエッチングにより、p型InP層208を形成する領域に相当光導波路層Aの一部を除去する(図4(h))。
After removing the SiO 2 film 213-2, a part of the optical waveguide layer A corresponding to the region where the p-
次いで、ウエハに対し、MOVPE法を用いて、光導波路層Aを除去した領域に、バンドギャップエネルギーが例えば1.35eVとなるp型InP層208と、p型GaInAsコンタクト層211とを、順次、結晶成長により形成する(図4(i))。
Next, a p-
p型InP層208とp型GaInAsコンタクト層211とを結晶成長させた後、ウエハ面上のSiO2膜213−2をすべて除去する。
After the p-
その後、ウエハ全面に、フォトレジストを塗布し、例えばフォトリソグラフィを用いて、光導波路層Aの領域と、n型GaInAsコンタクト層209およびp型GaInAsコンタクト層211の領域のうち、電極を形成することになる領域とにのみにフォトレジストを残す。その後、例えば硫酸、過酸化水素水、および水を混合したエッチャントを用いて、n型GaInAsコンタクト層209およびp型GaInAsコンタクト層211の不要な領域を、例えばウェットエッチングにより除去する(図4(j))。
Thereafter, a photoresist is applied to the entire surface of the wafer, and an electrode is formed from the region of the optical waveguide layer A and the regions of the n-type
そして、n型GaInAsコンタクト層209およびp型GaInAsコンタクト層211上にそれぞれ電極を形成する(図4(k))。
Then, electrodes are formed on the n-type
図4(l)では、InP層の各領域のうち、光半導体素子の領域外となる領域にそれぞれGaInAs犠牲層まで到達する穴を、例えばドライエッチングにより形成する。そして、この穴から、GaInAs犠牲層を選択的にエッチング可能な溶液(例えば硫酸、過酸化水素水および水の混合溶液)を流し込むことで、光導波路層A直下の領域を含むGaInAs犠牲層203の一部を除去する。最後に、所望の長さでへき開することにより、図3に示した光半導体素子が完成する。
In FIG. 4L, holes that reach the GaInAs sacrificial layer are formed by dry etching, for example, in regions that are outside the region of the optical semiconductor element among the regions of the InP layer. Then, a solution capable of selectively etching the GaInAs sacrificial layer (for example, a mixed solution of sulfuric acid, hydrogen peroxide solution, and water) is poured from this hole, so that the GaInAs
以上説明したように、第2実施形態の光半導体素子によれば、光導波路層Aおよび犠牲層203a、203b下部に配置された電流拡散防止層202が半絶縁性を有するとともに、バンドギャップエネルギーがn型InP層207、p型InP層208よりも大きくなっているため、電流拡散防止層202側への電流広がりが抑制される。よって、光半導体素子の特性が向上する。
As described above, according to the optical semiconductor device of the second embodiment, the current
以上、本発明の各実施形態を詳述してきたが、具体的な構成は、各実施形態に限られるものではない。 As mentioned above, although each embodiment of this invention has been explained in full detail, a concrete structure is not restricted to each embodiment.
例えば、各実施形態において、バンドギャップエネルギーが1.53eVのGa0.1In0.9P電流拡散防止層を用いた場合について説明したが、電流拡散防止層は、バンドギャップエネルギーがn型半導体層およびp型半導体層の材料であるInPのバンドギャップエネルギー以上であり、その抵抗率がn型半導体層およびp型半導体層の材料であるInPの抵抗率よりも大きければ、これに限られない。 For example, in each embodiment, the case where a Ga 0.1 In 0.9 P current diffusion prevention layer having a band gap energy of 1.53 eV is used has been described. However, the current diffusion prevention layer has a band gap energy of n-type semiconductor. If it is more than the band gap energy of InP which is the material of the layer and the p-type semiconductor layer, and the resistivity is higher than the resistivity of InP which is the material of the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer, it is not limited to this. .
図5に、GaInPのGa組成とバンドギャップエネルギーの関係を示す。InPとの格子不整合による歪みの影響を考慮しない場合を実線で示し、その歪みの影響を考慮した場合を点線で示す。一点鎖線は、Gaを含まない場合のバンドギャップエネルギーを示す。このように、Ga組成に依らずGaInPはInPよりも大きなバンドギャップエネルギーを有するため、いかなるGa組成のGaInPを電流拡散防止層に用いることができる。 FIG. 5 shows the relationship between the Ga composition of GaInP and the band gap energy. A case where the influence of distortion due to lattice mismatch with InP is not considered is indicated by a solid line, and a case where the influence of distortion is taken into consideration is indicated by a dotted line. The alternate long and short dash line indicates the band gap energy when Ga is not included. Thus, since GaInP has a larger band gap energy than InP regardless of the Ga composition, GaInP having any Ga composition can be used for the current diffusion preventing layer.
ここで、図6に、InP基板上にエピタキシャル成長されたGaInPのGa組成と臨界膜厚の関係を示す。膜厚が10nm未満であるとトンネル効果が発現するため、GaInPからなる電流拡散防止層としては10nm以上の膜厚が望ましい。そのため、図6に示すInP基板上にエピタキシャル成長されたGaInPのGa組成と臨界膜厚の関係より、トンネル効果が発現しない10nm以上の膜厚でエピタキシャル成長が可能なGaInPのGa組成は、0.27以下であることから、Ga組成は0〜0.27(対応するバンドギャップエネルギー:1.35eV〜1.82eV)とするのがよい。電流拡散防止層の膜厚については、トンネル効果が発現しない10nm以上であればよい。但し、臨界膜厚以上では、結晶欠陥が発生するため、電流拡散防止層の膜厚は10nm以上臨界膜厚以下とするのがよい。つまり、InP基板上にGaInP電流拡散防止層を形成する場合に、良好に本発明の効果をもたらす電流拡散防止層のGa組成と膜厚の関係は、図6に示す実線上の組み合わせとなる。 Here, FIG. 6 shows the relationship between the Ga composition of GaInP epitaxially grown on the InP substrate and the critical film thickness. When the film thickness is less than 10 nm, a tunnel effect is exhibited. Therefore, a film thickness of 10 nm or more is desirable for the current diffusion prevention layer made of GaInP. Therefore, from the relationship between the Ga composition of GaInP epitaxially grown on the InP substrate shown in FIG. 6 and the critical film thickness, the Ga composition of GaInP capable of epitaxial growth with a film thickness of 10 nm or more that does not exhibit the tunnel effect is 0.27 or less. Therefore, the Ga composition is preferably 0 to 0.27 (corresponding band gap energy: 1.35 eV to 1.82 eV). The film thickness of the current diffusion preventing layer may be 10 nm or more so that the tunnel effect does not appear. However, since crystal defects occur above the critical film thickness, the film thickness of the current diffusion preventing layer is preferably 10 nm or more and the critical film thickness or less. That is, when the GaInP current diffusion prevention layer is formed on the InP substrate, the relationship between the Ga composition and the film thickness of the current diffusion prevention layer that brings about the effect of the present invention is a combination on the solid line shown in FIG.
電流拡散防止層のFeドーピング濃度については、エピタキシャル膜中の残留キャリア濃度(一般にエピタキシャル膜中の残留キャリア濃度は1×1016cm−3以下)以上であれば、高抵抗化することが可能であり、一般には、1×1016cm−3以上の濃度で活性化されたFe原子をドーピングすればよい。但し、Fe原子を2×1017cm−3以上の濃度でドーピングすると、表面にピットが発生するなど、構造的な劣化をもたらすことが知られている。そのため、活性化されたFe原子のドーピング濃度は、1×1016cm−3〜2×1017cm−3とするのがよい。また、ここでは半絶縁化に用いるドーパントとしてFeを用いたが、本発明の効果は、電流拡散防止層が半絶縁性を有していればよく、Feに限られるものではない。 If the Fe doping concentration of the current diffusion preventing layer is equal to or higher than the residual carrier concentration in the epitaxial film (generally, the residual carrier concentration in the epitaxial film is 1 × 10 16 cm −3 or less), the resistance can be increased. In general, it is only necessary to dope Fe atoms activated at a concentration of 1 × 10 16 cm −3 or more. However, it is known that doping Fe atoms at a concentration of 2 × 10 17 cm −3 or more causes structural deterioration such as pits generated on the surface. Therefore, the doping concentration of the activated Fe atoms is preferably 1 × 10 16 cm −3 to 2 × 10 17 cm −3 . Here, Fe is used as a dopant used for semi-insulation, but the effect of the present invention is not limited to Fe as long as the current diffusion preventing layer has semi-insulating properties.
各実施形態では、電流拡散防止層をGaInPとした場合で説明したが、光導波路層を挟むn型半導体層、p型半導体層よりも、大きなバンドギャップエネルギーを有していればよく、GaInPに制限されるものではない。そのため、電流拡散防止層は、In、Ga、Alのいずれかを含むIII族元素と、少なくともN、P、Asのいずれかを含むV族元素からなる化合物半導体であることが望ましい。例えば、InPを光導波路層を挟む半導体層に用いた場合には、InAlAs、InAlGaAsなどを電流拡散防止層に用いても、各実施形態で説明した効果が得られる。また、GaAsを光導波路層を挟む半導体層に用いた場合には、AlGaAsなどを用いても、各実施形態で説明した効果が得られる。 In each embodiment, the case where the current diffusion prevention layer is made of GaInP has been described. However, it is sufficient that the band gap energy is larger than that of the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer sandwiching the optical waveguide layer. It is not limited. Therefore, it is desirable that the current diffusion preventing layer is a compound semiconductor composed of a group III element including any one of In, Ga, and Al and a group V element including at least one of N, P, and As. For example, when InP is used for the semiconductor layer sandwiching the optical waveguide layer, the effects described in the embodiments can be obtained even if InAlAs, InAlGaAs, or the like is used for the current diffusion preventing layer. In addition, when GaAs is used for the semiconductor layer sandwiching the optical waveguide layer, the effects described in the embodiments can be obtained even if AlGaAs or the like is used.
但し、臨界膜厚は基板とエピタキシャル膜の格子不整合度に依存する。図7に、臨界膜厚は基板とエピタキシャル膜の格子不整合度の関係を示す。従って、電流拡散防止層と基板材料に格子不整合が生じる場合、その格子不整合度は臨界膜厚が10nm以上となる範囲内であることが望ましい。 However, the critical film thickness depends on the degree of lattice mismatch between the substrate and the epitaxial film. FIG. 7 shows the relationship between the critical film thickness and the degree of lattice mismatch between the substrate and the epitaxial film. Therefore, when a lattice mismatch occurs between the current diffusion preventing layer and the substrate material, it is desirable that the degree of the lattice mismatch is in a range where the critical film thickness is 10 nm or more.
101、201 半絶縁性基板
102、202 電流拡散防止層
103、204 光閉じ込め層
104、205 クラッド層
105、206 活性導波路層
203 犠牲層
106、207 n型InP層
107、208 p型InP層
108、209 n型GaInAsコンタクト層
109、210 n型電極
110、211 p型GaInAsコンタクト層
111、212 p型電極
112、213 SiO2膜
801 半絶縁性基板
802 活性導波路層
803 n型半導体層
804 p型半導体層
805 n型コンタクト層
806 n型電極
807 p型コンタクト層
808 p型電極
101, 201
請求項4に記載の発明は、請求項1乃至3のいずれかに記載の光半導体素子において、前記電流拡散防止層と前記n型半導体層および前記p型半導体層との間に形成された犠牲層と、前記犠牲層の一部を選択的に除去することにより前記電流拡散防止層と前記光導波路層との間に形成された空気層とをさらに備え、前記電流拡散防止層と前記光導波路層との間にある空気層、および前記光導波路層の上にある空気層によって、前記光導波路層の光を上下方向に関して閉じ込めることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the optical semiconductor device according to any one of the first to third aspects, the sacrifice formed between the current diffusion preventing layer, the n-type semiconductor layer, and the p-type semiconductor layer. And an air layer formed between the current diffusion preventing layer and the optical waveguide layer by selectively removing a part of the sacrificial layer, and the current diffusion preventing layer and the optical waveguide. The light of the optical waveguide layer is confined in the vertical direction by an air layer between the optical waveguide layer and an air layer above the optical waveguide layer .
Claims (5)
前記半導体基板上に形成された電流拡散防止層と、
前記電流拡散防止層上に形成された光導波路層と、
前記光導波路層の第1の面と接するように前記電流拡散防止層上に形成されたn型半導体層と、
前記第1の面と対向する前記光導波路層の第2の面と接するように前記電流拡散防止層上に形成されたp型半導体層と、
を備え、
前記電流拡散防止層は、前記n型半導体層および前記p型半導体層が有するバンドギャップエネルギー以上のバンドギャップエネルギーを有し、かつ前記n型半導体層および前記p型半導体層よりも抵抗率が大きいことを特徴とする光半導体素子。 A semiconductor substrate;
A current diffusion prevention layer formed on the semiconductor substrate;
An optical waveguide layer formed on the current diffusion preventing layer;
An n-type semiconductor layer formed on the current diffusion preventing layer so as to be in contact with the first surface of the optical waveguide layer;
A p-type semiconductor layer formed on the current diffusion preventing layer so as to be in contact with the second surface of the optical waveguide layer facing the first surface;
With
The current diffusion preventing layer has a band gap energy equal to or higher than that of the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer, and has a higher resistivity than the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer. An optical semiconductor element characterized by the above.
前記電流拡散防止層と前記光導波路層との間に空気層が形成されたことを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の光半導体素子。 A sacrificial layer formed between the current diffusion preventing layer and the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer;
4. The optical semiconductor element according to claim 1, wherein an air layer is formed between the current diffusion preventing layer and the optical waveguide layer.
第1のクラッド層と、
前記第1のクラッド層上に形成された前記活性導波路層と、
前記活性導波路層上に形成された第2のクラッド層と、
を含み、
前記活性導波路層は、前記n型半導体層および前記p型半導体層とそれぞれ接していることを特徴とする請求項1乃至4に記載の光半導体素子。 The optical waveguide layer is
A first cladding layer;
The active waveguide layer formed on the first cladding layer;
A second cladding layer formed on the active waveguide layer;
Including
5. The optical semiconductor device according to claim 1, wherein the active waveguide layer is in contact with the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer, respectively.
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