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JP2003063896A - Method for growing semiconductor film, device used for the same, device for purifying nitrogen raw material, semiconductor laser and optical communication system - Google Patents

Method for growing semiconductor film, device used for the same, device for purifying nitrogen raw material, semiconductor laser and optical communication system

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JP2003063896A
JP2003063896A JP2001253382A JP2001253382A JP2003063896A JP 2003063896 A JP2003063896 A JP 2003063896A JP 2001253382 A JP2001253382 A JP 2001253382A JP 2001253382 A JP2001253382 A JP 2001253382A JP 2003063896 A JP2003063896 A JP 2003063896A
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JP
Japan
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nitrogen
semiconductor film
metal
growing
semiconductor laser
Prior art date
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JP2001253382A
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Japanese (ja)
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Inventor
Akihiro Ito
彰浩 伊藤
Shunichi Sato
俊一 佐藤
Takashi Takahashi
孝志 高橋
Morimasa Uenishi
盛聖 上西
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Ricoh Co Ltd
Original Assignee
Ricoh Co Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 不純物が少なく結晶品質の良い窒素(N)を
含むIII−V族化合物半導体膜を作製することの可能な
半導体膜成長方法及び窒素原料精製装置及び半導体膜成
長装置及び半導体レーザ及び光通信システムを提供す
る。 【解決手段】 精製装置5の精製室中に、金属Al又は
金属Alを含む合金が配置されており、精製装置5で
は、精製室に供給された窒素原料(窒素化合物からなる
窒素原料)を、金属Al又は金属Alを含む合金に接触
させて精製し(不純物を除去し)、反応室1に供給す
る。
PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor film growth method, a nitrogen source refining apparatus, and a semiconductor film growth apparatus capable of producing a group III-V compound semiconductor film containing nitrogen (N) containing few impurities and having good crystal quality. And a semiconductor laser and an optical communication system. SOLUTION: Metal Al or an alloy containing metal Al is arranged in a refining chamber of a refining device 5, and in the refining device 5, a nitrogen raw material (a nitrogen raw material composed of a nitrogen compound) supplied to the refining chamber is replaced It is purified by contacting with metal Al or an alloy containing metal Al (to remove impurities) and supplied to the reaction chamber 1.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体膜成長方法
及び窒素原料精製装置及び半導体膜成長装置及び半導体
レーザ及び光通信システムに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor film growth method, a nitrogen source refining apparatus, a semiconductor film growth apparatus, a semiconductor laser, and an optical communication system.

【0002】[0002]

【従来の技術】窒素(N)を含むIII−V族化合物半導
体は、バンドギャップエネルギーが紫外から赤外域まで
制御でき、多くが直接遷移型の光学遷移を示すため、特
に発光素子として近年開発の進展が著しい。
2. Description of the Related Art III-V group compound semiconductors containing nitrogen (N) have band gap energies that can be controlled from the ultraviolet region to the infrared region, and most of them show direct transition type optical transitions. The progress is remarkable.

【0003】最も注目されている窒素(N)を含むIII
−V族化合物半導体の材料系は、GaN系材料とGaN
As系材料である。以下に、これらの材料系の素子と作
製法について述べる。
Nitrogen (N) -containing III attracting the most attention III
The material system of the group V compound semiconductor is GaN-based material and GaN.
It is an As-based material. The elements and manufacturing methods of these materials will be described below.

【0004】先ず、GaN系材料について述べる。Ga
N系材料を発光層にもつ青色LED及び青色LDは、高
輝度青色発光LEDが実現されて以来、勢力的に研究開
発がなされ室温連続発振LDが実現され、現在市販され
るに至っている。これに伴い、フルカラーディスプレー
における青色光源,高精細レーザープリンタ用書き込み
光源,次世代高密度光記録用光源などへの適用が盛んに
検討されている。今後、より高性能,長寿命のGaN系
材料のLDが必要とされるので、素子の構成膜の結晶品
質の向上が必要とされると考えられる。
First, the GaN-based material will be described. Ga
Blue LEDs and blue LDs having an N-based material in the light emitting layer have been vigorously researched and developed since the realization of high-brightness blue light emitting LEDs, and room temperature continuous oscillation LDs have been realized. Along with this, application to a blue light source in a full-color display, a writing light source for a high-definition laser printer, a light source for next-generation high-density optical recording, etc. is being actively studied. In the future, LDs of GaN-based materials with higher performance and longer life will be required, so it is considered necessary to improve the crystal quality of the constituent films of the device.

【0005】これらのGaN系材料の素子の多くは、M
OCVD法で作製される。ここで、III族原料として
は、III族の有機金属や水素化物が用いられる。また、
窒素原料としては、多くは安価であるため、NH3ガス
が用いられる。NH3ガスは、分解温度が高いので、高
い基板温度を必要とする。そのため、成長膜からの構成
原子の脱離を引き起こしやすく、結晶品質が低下し高性
能の素子が得にくくなる。そのため、例えば特開平7−
230953号,特開平9−251957号には、窒素
原料として、より低温で分解するヒドラジンを用いる例
が示されている。
Many of these GaN-based material elements have M
It is produced by the OCVD method. Here, as the group III raw material, a group III organic metal or hydride is used. Also,
As the nitrogen raw material, NH 3 gas is used because most of them are inexpensive. Since NH 3 gas has a high decomposition temperature, it requires a high substrate temperature. Therefore, desorption of constituent atoms from the grown film is likely to occur, the crystal quality deteriorates, and it becomes difficult to obtain a high-performance element. Therefore, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 7-
No. 2,309,53 and JP-A No. 9-251957 disclose an example in which hydrazine, which decomposes at a lower temperature, is used as a nitrogen raw material.

【0006】次に、GaNAs系材料について述べる。
現在の光ファイバー通信には、石英系光ファイバーでの
分散と損失が小さい1.3μm,1 .55μm帯の長
波長帯の半導体レーザが用いられている。今後は各端末
へも光ファイバー化(Fiber To The Ho
me(FTTH) 等)が進み、更には各機器間,機器
内においても光による情報伝送が導入され、光による情
報伝送技術がますます重要になると予想される。これら
を実現するためには、光通信モジュールの「桁違い」の
低価格化が最重要課題の一つであり、消費電力が小さ
く、かつ冷却システムを必要としない良好な温度特性の
長波長帯半導体レーザが強く求められている。
Next, the GaNAs-based material will be described.
For the current optical fiber communication, the dispersion and loss in the silica optical fiber are small 1.3 μm, 1. A semiconductor laser having a long wavelength band of 55 μm is used. In the future, optical fiber will be used for each terminal (Fiber To The Ho
It is expected that optical information transmission technology will become more and more important as optical information transmission will be introduced between devices and within devices as well (me (FTTH)). In order to realize these, one of the most important issues is to reduce the cost of optical communication modules by "order of magnitude". They have a long-wavelength band with low power consumption and good temperature characteristics that do not require a cooling system. There is a strong demand for semiconductor lasers.

【0007】この波長に対応するバンドギャップを有す
るIII−V族半導体であるInP基板上のGaInPA
s系材料が現在市場を独占している。しかし、InP系
材料は、クラッド層(スペーサ層)と発光層との間の伝
導帯バンド不連続が小さく、発光層への注入電子の閉じ
込めが温度上昇とともに悪くなる。
GaInPA on an InP substrate which is a III-V group semiconductor having a bandgap corresponding to this wavelength
s-based materials currently dominate the market. However, the InP-based material has a small conduction band discontinuity between the cladding layer (spacer layer) and the light emitting layer, and the confinement of injected electrons in the light emitting layer deteriorates as the temperature rises.

【0008】これを解決できる材料として、特開平6−
37355号には、GaAs基板上のGaInNAs系
材料が提案されている。GaInNAsは、窒素(N)
と他のV族元素を含んだIII−V族混晶半導体である。
GaInNAsは、GaAsより格子定数が大きいGa
InAsにNを添加することで,格子定数をGaAsに
格子整合させることが可能となり、更にバンドギャップ
エネルギーが小さくなり、1.3μm,1.5μm帯で
の発光が可能な材料である。文献「Jpn .J .Ap
pl .Phys .Vol.35 (1996 )pp
.1273 −1275 」には、近藤らによりバンド
ラインナップが計算されている。GaInNAsは、G
aAs格子整合系なので、AlGaAs等をクラッド層
に用いることで、伝導帯のバンド不連続が大きくなる。
このため、高特性温度半導体レーザが実現できると予想
されている。
As a material capable of solving this problem, Japanese Patent Laid-Open No. 6-
No. 37355 proposes a GaInNAs-based material on a GaAs substrate. GaInNAs is nitrogen (N)
And a group III-V mixed crystal semiconductor containing other group V elements.
GaInNAs has a larger lattice constant than GaAs.
By adding N to InAs, the lattice constant can be lattice-matched to GaAs, the bandgap energy is further reduced, and light emission in the 1.3 μm and 1.5 μm bands is possible. The document “Jpn. J. Ap.
pl. Phys. Vol. 35 (1996) pp
. 1273-1275 ", the band lineup has been calculated by Kondo et al. GaInNAs is G
Since it is an aAs lattice matching system, the band discontinuity of the conduction band becomes large by using AlGaAs or the like for the cladding layer.
Therefore, it is expected that a high characteristic temperature semiconductor laser can be realized.

【0009】このGaInNAs系材料は、成長膜中に
Nを混和させるのが難しい。このため、N2ガスや窒素
化合物をプラズマにより活性化させ導入するMBE法
(例えば特開平6−334168号)やMOCVD法
(例えば特開平6−37355号)が用いられる。
In this GaInNAs material, it is difficult to mix N into the growth film. For this reason, the MBE method (for example, JP-A-6-334168) or the MOCVD method (for example, JP-A-6-37355) in which N 2 gas or a nitrogen compound is activated by plasma and introduced is used.

【0010】さらに、量産性に優れる結晶成長方法であ
るMOCVD法で、熱分解して活性化しやすい窒素化合
物であるジメチルヒドラジン(DMHy)を用いる方法
が特開平7−154023号,特開平9−283857
号に示されており、実験的にもNが混和することが実証
されている。
Further, in the MOCVD method which is a crystal growth method excellent in mass productivity, a method using dimethylhydrazine (DMHy) which is a nitrogen compound which is easily decomposed by heat and activated is disclosed in JP-A-7-154023 and JP-A-9-283857.
No. 3, which has been demonstrated experimentally that N is miscible.

【0011】しかし、このDMHyを用いたMOCVD
法で良好な発光特性をもつ素子を安定して得ることは難
しい。素子構成膜にAlを含む場合、特に低い発光特性
を示す場合が多い。そのため、GaInNAs系材料の
発光素子は、現時点で市販されるには至っていない。こ
れは、素子構成膜の結晶品質が十分でなく、非発光再結
合中心が多数存在しるためと考えられる。
However, MOCVD using this DMHy
It is difficult to stably obtain an element having good light emission characteristics by the method. When the element constituent film contains Al, it often exhibits particularly low light emission characteristics. Therefore, a light emitting element made of a GaInNAs material has not yet been put on the market. It is considered that this is because the crystal quality of the device constituent film is not sufficient and many non-radiative recombination centers are present.

【0012】上述のように、窒素(N)を含むIII−V
族化合物半導体の材料系を用いた素子は、MOCVD法
で作製されることが多く、その場合、窒素原料としては
NH 3とヒドラジン類が用いられる。今後は、素子構成
膜の結晶品質の向上が重要な課題である。
As mentioned above, III-V containing nitrogen (N)
An element using a group compound semiconductor material system is a MOCVD method.
In many cases, as a nitrogen source,
NH 3And hydrazines are used. From now on, the element configuration
Improving the crystal quality of the film is an important issue.

【0013】上記のような窒素原料は、水分,アルコー
ルを除去しにくい性質をもち、蒸留精製してもそれらを
十分には除去できないことが知られている。
It is known that the nitrogen raw materials as described above have a property that it is difficult to remove water and alcohol, and that they cannot be sufficiently removed even by distillation purification.

【0014】これらの窒素原料に含まれる不純物が、窒
素(N)を含むIII−V族化合物半導体の材料系を用い
た素子の構成膜の結晶品質を低下させていることが懸念
される。
It is feared that the impurities contained in these nitrogen raw materials deteriorate the crystal quality of the constituent film of the element using the material system of the III-V group compound semiconductor containing nitrogen (N).

【0015】[0015]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、不純物が少
なく結晶品質の良い窒素(N)を含むIII−V族化合物
半導体膜を作製することの可能な半導体膜成長方法及び
窒素原料精製装置及び半導体膜成長装置及び半導体レー
ザ及び光通信システムを提供することを目的としてい
る。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is directed to a method for growing a semiconductor film, a nitrogen source refining apparatus, and a method for growing a nitrogen source capable of producing a III-V group compound semiconductor film containing nitrogen (N) having few impurities and good crystal quality. An object is to provide a semiconductor film growth apparatus, a semiconductor laser, and an optical communication system.

【0016】[0016]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項1記載の発明は、窒素化合物からなる窒素原
料を金属Alまたは金属Alを含む合金に接触させた
後、反応室に輸送し、窒素(N)を含むIII−V族化合
物半導体膜を成長させることを特徴としている。
In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 is to transport a nitrogen raw material consisting of a nitrogen compound to a reaction chamber after contacting it with metal Al or an alloy containing metal Al. Then, a III-V group compound semiconductor film containing nitrogen (N) is grown.

【0017】また、請求項2記載の発明は、請求項1記
載の半導体膜成長方法において、前記窒素化合物には、
少なくともヒドラジン類が含まれていることを特徴とし
ている。
The invention according to claim 2 is the method for growing a semiconductor film according to claim 1, wherein the nitrogen compound is
It is characterized by containing at least hydrazines.

【0018】また、請求項3記載の発明は、請求項1ま
たは請求項2記載の半導体膜成長方法において、金属A
lまたは金属Alを含む合金は液相であり、該金属Al
又は金属Alを含む合金中に窒素化合物からなる窒素原
料ガスをバブリングさせ通過させた後に、反応室に輸送
し、窒素(N)を含むIII−V族化合物半導体膜を成長
させることを特徴としている。
The invention according to claim 3 is the method for growing a semiconductor film according to claim 1 or 2, wherein the metal A is used.
1 or an alloy containing metallic Al is in a liquid phase, and the metallic Al
Alternatively, a nitrogen source gas composed of a nitrogen compound is bubbled through an alloy containing metal Al and then passed through, and then transported to a reaction chamber to grow a III-V group compound semiconductor film containing nitrogen (N). .

【0019】また、請求項4記載の発明は、請求項1ま
たは請求項2記載の半導体膜成長方法において、金属A
lまたは金属Alを含む合金は固相であり、粒子状また
は微粒子状または膜状または多孔質であることを特徴と
している。
The invention according to claim 4 is the method for growing a semiconductor film according to claim 1 or 2, wherein the metal A
The alloy containing 1 or metallic Al is a solid phase, and is characterized by being in the form of particles, fine particles, films, or porosity.

【0020】また、請求項5記載の発明は、請求項1乃
至請求項4のいずれか一項に記載の半導体膜成長方法に
おいて、窒素(N)を含むIII−V族化合物半導体膜
は、GaN系材料であることを特徴としている。
According to a fifth aspect of the present invention, in the method for growing a semiconductor film according to any one of the first to fourth aspects, the III-V compound semiconductor film containing nitrogen (N) is GaN. It is characterized by being a material.

【0021】また、請求項6記載の発明は、請求項1乃
至請求項4のいずれか一項に記載の半導体膜成長方法に
おいて、窒素(N)を含むIII−V族化合物半導体膜
は、GaInNAs系材料であることを特徴としてい
る。
The invention according to claim 6 is the method for growing a semiconductor film according to any one of claims 1 to 4, wherein the III-V compound semiconductor film containing nitrogen (N) is GaInNAs. It is characterized by being a material.

【0022】また、請求項7記載の発明は、窒素化合物
からなる窒素原料を金属Alまたは金属Alを含む合金
に接触させて窒素原料を精製するようになっていること
を特徴とする窒素原料精製装置である。
Further, the invention according to claim 7 is characterized in that a nitrogen raw material consisting of a nitrogen compound is brought into contact with metal Al or an alloy containing metal Al to purify the nitrogen raw material. It is a device.

【0023】また、請求項8記載の発明は、窒素(N)
を含むIII−V族化合物半導体膜を成長させるための反
応室と、反応室にIII族原料を供給するためのIII族原料
源と、反応室にV族原料を供給するためのV族原料源
と、窒素原料源と、窒素原料源からの窒素化合物からな
る窒素原料から不純物を除去して反応室に供給する窒素
原料精製装置とを有し、前記窒素原料精製装置には、請
求項7記載の窒素原料精製装置が用いられることを特徴
とする半導体膜成長装置である。
The invention according to claim 8 is the nitrogen (N)
Reaction chamber for growing a III-V compound semiconductor film containing: a group III source for supplying a group III source to the reaction chamber; and a group V source for supplying a group V source to the reaction chamber 8. A nitrogen raw material purifying apparatus comprising: a nitrogen raw material source; and a nitrogen raw material purifying apparatus for removing impurities from a nitrogen raw material composed of a nitrogen compound from the nitrogen raw material source and supplying the nitrogen raw material to the reaction chamber. The apparatus for growing a semiconductor film is characterized in that the nitrogen raw material refining apparatus of 1.

【0024】また、請求項9記載の発明は、請求項5記
載の半導体膜成長方法を用いて作製され、活性層にGa
N系材料が含まれていることを特徴とする半導体レーザ
である。
The invention according to claim 9 is produced by using the method for growing a semiconductor film according to claim 5, and Ga is formed in the active layer.
The semiconductor laser is characterized by containing an N-based material.

【0025】また、請求項10記載の発明は、請求項6
記載の半導体膜成長方法を用いて作製され、活性層にG
aInNAs系材料が含まれていることを特徴とする半
導体レーザである。
The invention according to claim 10 is the same as claim 6
The active layer is formed by using the semiconductor film growth method described above.
The semiconductor laser is characterized by containing an aInNAs-based material.

【0026】また、請求項11記載の発明は、請求項1
0記載の半導体レーザにおいて、該半導体レーザは、A
xGa(1-x)As/AlyGa(1-y)As(0≦y<x≦
1)半導体多層膜反射鏡を少なくとも1つ含む面発光型
半導体レーザであることを特徴としている。
The invention described in claim 11 is the same as claim 1.
0. In the semiconductor laser described in 0, the semiconductor laser is A
l x Ga (1-x) As / Al y Ga (1-y) As (0 ≦ y <x ≦
1) A surface emitting semiconductor laser including at least one semiconductor multilayer film reflecting mirror.

【0027】また、請求項12記載の発明は、請求項1
0または請求項11記載の半導体レーザが光源として用
いられていることを特徴とする光通信システムである。
The invention according to claim 12 is the same as claim 1
An optical communication system characterized in that the semiconductor laser according to claim 0 or claim 11 is used as a light source.

【0028】[0028]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0029】本願の発明者は、前述したような窒素原料
に含まれる不純物の影響を、GaNAs系材料膜を活性
層として含む端面発光型のレーザ構成を用いた実験によ
り検討した。
The inventor of the present application examined the influence of the impurities contained in the nitrogen raw material as described above by an experiment using an edge emitting laser structure including a GaNAs-based material film as an active layer.

【0030】図1は、本願の発明者のMOCVD装置で
作製したGaInNAs量子井戸層とGaAsバリア層
とからなるGaInNAs/GaAs 2重量子井戸構
造からなる活性層からの室温フォトルミネッセンススペ
クトルを示す図である。図2は半導体発光素子の試料構
造を示す図である。図2を参照すると、試料構造は、G
aAs基板201上に、下部クラッド層202、中間層
203、窒素を含む活性層204、中間層203、上部
クラッド層205が順次積層されたものとなっている。
図1において、符号AはAlGaAsクラッド層202
上にGaAs中間層203をはさんで2重量子井戸構造
を形成した試料の活性層204からの室温フォトルミネ
ッセンススペクトルであり、符号BはGaInPクラッ
ド層202上にGaAs中間層203をはさんで2重量
子井戸構造を連続的に形成した試料の活性層204から
の室温フォトルミネッセンススペクトルである。
FIG. 1 is a diagram showing a room temperature photoluminescence spectrum from an active layer having a GaInNAs / GaAs double quantum well structure composed of a GaInNAs quantum well layer and a GaAs barrier layer, which was manufactured by the MOCVD apparatus of the present inventor. is there. FIG. 2 is a diagram showing a sample structure of a semiconductor light emitting device. Referring to FIG. 2, the sample structure is G
A lower clad layer 202, an intermediate layer 203, an active layer 204 containing nitrogen, an intermediate layer 203, and an upper clad layer 205 are sequentially laminated on an aAs substrate 201.
In FIG. 1, reference numeral A is an AlGaAs cladding layer 202.
2 is a room temperature photoluminescence spectrum from an active layer 204 of a sample in which a double quantum well structure is formed by sandwiching a GaAs intermediate layer 203 on the upper side, and a symbol B indicates a 2 by sandwiching a GaAs intermediate layer 203 on a GaInP clad layer 202. It is a room temperature photoluminescence spectrum from the active layer 204 of the sample which formed the quantum well structure continuously.

【0031】なお、導入したガスは、H2ガスをキャリ
アガスとして、Ga(CH33(TMG:トリメチルガ
リウム),Al(CH33:(TMA:トリメチルアル
ミニウム),In(CH33(TMI:トリメチルイン
ジウム)の有機金属と、AsH3(アルシン),P:P
3(フォスフィン)の水素化物と、DMHy(ジメチ
ルヒドラジン)の窒素化合物である。なお、DMHy
(ジメチルヒドラジン)は半導体材料メーカで精製した
ものを使用した。
The introduced gas was Ga (CH 3 ) 3 (TMG: trimethylgallium), Al (CH 3 ) 3 : (TMA: trimethylaluminum), In (CH 3 ) with H 2 gas as a carrier gas. 3 (TMI: trimethylindium) organometallic, AsH 3 (arsine), P: P
It is a hydride of H 3 (phosphine) and a nitrogen compound of DMHy (dimethylhydrazine). DMHy
(Dimethylhydrazine) used was purified by a semiconductor material manufacturer.

【0032】図1に示すように、試料Aでは試料Bに比
べてフォトルミネッセンス強度が半分以下に低下してい
る。従って、1台のMOCVD装置を用いてAlGaA
s等のAlを構成元素として含む半導体層上に、GaI
nNAs等の窒素を含む活性層を連続的に形成すると、
活性層の発光強度が劣化してしまうという問題が生じ
た。そのため、AlGaAsクラッド層上に形成したG
aInNAs系レーザの閾電流密度は、GaInPクラ
ッド層上に形成した場合に比べて2倍以上高くなってし
まう。
As shown in FIG. 1, the photoluminescence intensity of sample A is lower than half that of sample B. Therefore, using one MOCVD device, AlGaA
GaI is formed on the semiconductor layer containing Al such as s as a constituent element.
When an active layer containing nitrogen such as nNAs is continuously formed,
There was a problem that the emission intensity of the active layer deteriorates. Therefore, G formed on the AlGaAs cladding layer
The threshold current density of the aInNAs-based laser is twice or more higher than that when it is formed on the GaInP cladding layer.

【0033】本願の発明者は、さらに、この原因解明に
ついて検討した。図3は、図2に示した半導体発光素子
の一例として、クラッド層202,205をAlGaA
sとし、中間層203をGaAsとし、活性層204を
GaInNAs/GaAs2重量子井戸構造として構成
した素子を1台のエピタキシャル成長装置(MOCVD
装置)を用いて形成したときの、窒素(N)濃度と酸素
(O)濃度の深さ方向分布を示す図である。測定はSI
MSによって行った。次表(表1)に測定条件を示す。
The inventor of the present application further examined the elucidation of this cause. FIG. 3 shows an example of the semiconductor light emitting device shown in FIG. 2 in which the cladding layers 202 and 205 are made of AlGaA.
s, the intermediate layer 203 is GaAs, and the active layer 204 is a GaInNAs / GaAs double quantum well structure.
It is a figure which shows the depth direction distribution of nitrogen (N) density | concentration and oxygen (O) density | concentration when it forms using the (device). SI is measured
Performed by MS. The following table (Table 1) shows the measurement conditions.

【0034】[0034]

【表1】 [Table 1]

【0035】図3において、GaInNAs/GaAs
2重量子井戸構造に対応して、活性層204中に2つの
窒素(N)ピークが見られる。そして、活性層204に
おいて、酸素(O)のピークが検出されている。しか
し、NとAlを含まない中間層203における酸素濃度
は活性層204の酸素濃度よりも約1桁低い濃度となっ
ている。
In FIG. 3, GaInNAs / GaAs
Two nitrogen (N) peaks are seen in the active layer 204 corresponding to the double quantum well structure. Then, in the active layer 204, a peak of oxygen (O) is detected. However, the oxygen concentration in the intermediate layer 203 that does not contain N and Al is about one digit lower than the oxygen concentration in the active layer 204.

【0036】一方、クラッド層202,205をGaI
nPとし、中間層203をGaAsとし、活性層204
をGaInNAs/GaAs2重量子井戸構造として構
成した素子について、酸素(O)濃度の深さ方向分布を
測定した場合には、活性層204中の酸素(O)濃度は
バックグラウンドレベルであった。
On the other hand, the cladding layers 202 and 205 are made of GaI.
nP, the intermediate layer 203 is GaAs, and the active layer 204 is
When the depth direction distribution of the oxygen (O) concentration was measured with respect to the element having the GaInNAs / GaAs double quantum well structure as described above, the oxygen (O) concentration in the active layer 204 was at the background level.

【0037】すなわち、窒素化合物原料と有機金属Al
原料を用いて、エピタキシャル成長装置により、基板2
01と窒素を含む活性層204との間にAlを含む半導
体層を設けた半導体発光素子を連続的に結晶成長する
と、窒素を含む活性層204中に酸素が取り込まれるこ
とが本願の発明者の実験により明らかとなった。活性層
204に取り込まれた酸素は非発光再結合準位を形成す
るため、活性層204の発光効率を低下させてしまう。
この活性層204に取り込まれた酸素が、基板201と
窒素を含む活性層204との間にAlを含む半導体層を
設けた半導体発光素子における発光効率を低下させる原
因であることが新たに判明した。この酸素の起源は、装
置内に残留している酸素を含んだ物質、または、窒素化
合物原料中に不純物として含まれる酸素を含んだ物質と
考えられる。
That is, the nitrogen compound raw material and the organometallic Al
The substrate 2 is formed by using the raw material and using an epitaxial growth apparatus.
When the semiconductor light emitting device in which the semiconductor layer containing Al is provided between 01 and the active layer 204 containing nitrogen is continuously crystal-grown, oxygen is taken into the active layer 204 containing nitrogen. It became clear by the experiment. Oxygen taken into the active layer 204 forms a non-radiative recombination level, which reduces the luminous efficiency of the active layer 204.
It has been newly found that the oxygen taken into the active layer 204 is a cause of lowering the light emission efficiency in the semiconductor light emitting element in which the semiconductor layer containing Al is provided between the substrate 201 and the active layer 204 containing nitrogen. . The origin of this oxygen is considered to be a substance containing oxygen remaining in the apparatus or a substance containing oxygen contained as an impurity in the nitrogen compound raw material.

【0038】次に、酸素の取り込まれる原因について検
討した。図4は、図3と同じ試料のAl濃度の深さ方向
分布を示す図である。測定はSIMSによって行った。
次表(表2)に測定条件を示す。
Next, the cause of oxygen uptake was examined. FIG. 4 is a diagram showing the Al concentration distribution in the depth direction of the same sample as FIG. The measurement was performed by SIMS.
The following table (Table 2) shows the measurement conditions.

【0039】[0039]

【表2】 [Table 2]

【0040】図4から、本来Al原料を導入していない
活性層204において、Alが検出されている。しか
し、Alを含む半導体層(クラッド層202,205)
に隣接した中間層(GaAs層)203においては、A
l濃度は活性層よりも約1桁低い濃度となっている。こ
れは、活性層204中のAlがAlを含む半導体層(ク
ラッド層202,205)から拡散,置換して混入した
ものではないことを示している。
From FIG. 4, Al is detected in the active layer 204 which originally does not contain Al raw material. However, a semiconductor layer containing Al (cladding layers 202 and 205)
In the intermediate layer (GaAs layer) 203 adjacent to
The l concentration is about one digit lower than that of the active layer. This indicates that Al in the active layer 204 was not diffused, replaced, and mixed in from the semiconductor layer (cladding layers 202 and 205) containing Al.

【0041】一方、GaInPのようにAlを含まない
半導体層上に窒素を含む活性層を成長した場合には、活
性層中にAlは検出されなかった。
On the other hand, when an active layer containing nitrogen was grown on a semiconductor layer containing no Al such as GaInP, Al was not detected in the active layer.

【0042】従って、活性層204中に検出されたAl
は、成長室内またはガス供給ラインに残留したAl原
料、または、Al反応物、または、Al化合物、また
は、Alが、ヒドラジン中の不純物(水分,アルコー
ル)と結合して活性層204中に取り込まれたものと考
えられる。すなわち、ヒドラジンと有機金属Al原料を
用いて、基板201と窒素を含む活性層204との間に
Alを含む半導体層を設けた半導体発光素子を連続的に
結晶成長すると、窒素を含む活性層204中に自然にA
lが取り込まれてしまうことが新たにわかった。
Therefore, Al detected in the active layer 204
Is an Al raw material, an Al reactant, an Al compound, or Al that remains in the growth chamber or the gas supply line, and is combined with impurities (moisture, alcohol) in hydrazine and taken into the active layer 204. It is believed that That is, when a semiconductor light emitting device in which a semiconductor layer containing Al is provided between the substrate 201 and the active layer 204 containing nitrogen is continuously crystal-grown using hydrazine and an organic metal Al raw material, the active layer 204 containing nitrogen is obtained. Naturally in A
It was newly found that l was taken in.

【0043】図3に示した同じ素子における、窒素
(N)濃度と酸素(O)濃度の深さ方向分布と比較する
と、2重量子井戸活性層中の2つの酸素ピークプロファ
イルは、窒素濃度のピークプロファイルと対応しておら
ず、図4のAl濃度プロファイルと対応している。この
ことから、GaInNAs井戸層中の酸素不純物は、窒
素原料と共に取り込まれるというよりも、むしろ井戸層
中に取り込まれたAlと結合して一緒に取り込まれるこ
とがわかった。すなわち、成長室内に残留したAl原
料、または、Al反応物、または、Al化合物、また
は、Alが窒素化合物原料と接触すると、Alとヒドラ
ジン中に含まれる不純物(水分,アルコール)とが結合
して、活性層204中にAlと酸素が取り込まれ、この
活性層204に取り込まれた酸素が活性層204の発光
効率を低下させることが本願の発明者の実験により初め
て明らかとなった。
Comparing the depth distribution of nitrogen (N) concentration and oxygen (O) concentration in the same device shown in FIG. 3, two oxygen peak profiles in the double quantum well active layer show that It does not correspond to the peak profile, but corresponds to the Al concentration profile of FIG. From this, it was found that the oxygen impurities in the GaInNAs well layer were not incorporated together with the nitrogen source, but rather were combined with Al incorporated in the well layer and incorporated together. That is, when the Al raw material remaining in the growth chamber, the Al reaction product, the Al compound, or Al comes into contact with the nitrogen compound raw material, Al and impurities (water, alcohol) contained in hydrazine are combined with each other. For the first time, it was clarified by experiments conducted by the inventors of the present application that Al and oxygen are taken into the active layer 204, and the oxygen taken into the active layer 204 reduces the luminous efficiency of the active layer 204.

【0044】なお、特開平7−230953号,特開平
9−251957号には、ヒドラジンの精製法が示され
ている。
Incidentally, JP-A-7-230953 and JP-A-9-251957 disclose purification methods of hydrazine.

【0045】すなわち、特開平7−230953号に
は、ヒドラジンの水分が100重量ppm以下であるII
I−V族化合物半導体の気相成長方法が示されており、
市販のヒドラジンをカルシウムカーバイドで脱水した
後、窒素雰囲気中で蒸留し、MOVPE法でInGaA
lN膜を成長させる例が示されている。
That is, JP-A-7-230953 discloses that the water content of hydrazine is 100 ppm by weight or less.
A vapor phase growth method for a group IV compound semiconductor is shown,
Commercially available hydrazine was dehydrated with calcium carbide, then distilled in a nitrogen atmosphere, and InGaA was formed by the MOVPE method.
An example of growing an IN film is shown.

【0046】また、特開平9−251957号には、ヒ
ドラジンとアンモニアを窒素源とするMOCVD法によ
るInGaAlN膜の製造方法が示されており、市販の
ヒドラジンをカルシウムカーバイドで脱水した後、窒素
雰囲気中で蒸留し、MOVPE法でInGaAlN膜を
成長させる例が示されている。
Further, Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-251957 discloses a method for producing an InGaAlN film by MOCVD using hydrazine and ammonia as nitrogen sources. Commercially available hydrazine is dehydrated with calcium carbide and then in a nitrogen atmosphere. An example in which the InGaAlN film is grown by the MOVPE method after being distilled at.

【0047】しかしながら、窒素(N)を含むIII−V
族化合物半導体の材料系を用いた素子の構成膜の結晶品
質の向上のためには、特開平7−230953号,特開
平9−251957号に示されているような従来の方法
で精製しても、水分,アルコールの除去が十分でない。
従って、さらに、窒素原料から水分,アルコ−ルを除去
することが必要であることがわかった。
However, III-V containing nitrogen (N)
In order to improve the crystal quality of a constituent film of an element using a material system of a group compound semiconductor, it is purified by a conventional method as disclosed in JP-A-7-230953 and JP-A-9-251957. However, the removal of water and alcohol is not sufficient.
Therefore, it was further found that it is necessary to remove water and alcohol from the nitrogen raw material.

【0048】本発明は、窒素原料から不純物を十分に除
去して、不純物が少なく結晶品質の良い窒素(N)を含
むIII−V族化合物半導体膜を作製することを意図して
いる。
The present invention intends to sufficiently remove impurities from a nitrogen source to produce a III-V group compound semiconductor film containing nitrogen (N) with few impurities and good crystal quality.

【0049】図5は本発明に係る半導体膜成長装置の構
成例を示す図である。図5を参照すると、この半導体膜
成長装置は、窒素(N)を含むIII−V族化合物半導体
膜を基板上に成長させるための反応室1と、反応室1に
III族原料を供給するためのIII族原料源2と、反応室1
にV族原料を供給するためのV族原料源3と、窒素原料
源(N原料源)4と、N原料源4からの窒素化合物から
なる窒素(N)原料から不純物を除去して(窒素(N)
原料を精製して)反応室1に供給する精製装置(窒素原
料精製装置)5と、ガス排気部6とを有している。
FIG. 5 is a diagram showing a configuration example of a semiconductor film growth apparatus according to the present invention. Referring to FIG. 5, this semiconductor film growth apparatus includes a reaction chamber 1 for growing a III-V compound semiconductor film containing nitrogen (N) on a substrate, and a reaction chamber 1.
Group III source 2 for supplying Group III source and reaction chamber 1
To remove the impurities from the group V source material 3 for supplying the group V source, the nitrogen source (N source) 4, and the nitrogen (N) source composed of the nitrogen compound from the N source 4 (nitrogen (N)
It has a purifying device (nitrogen raw material purifying device) 5 for purifying the raw material and supplying it to the reaction chamber 1, and a gas exhaust unit 6.

【0050】このような成長装置の例としては、MOC
VD(metalorganic chemical vapordeposition)装置,
MOMBE(metalorganic molecular beam epitaxy)装
置,CBE(chemical beam epitaxy)装置等が挙げられ
る。すなわち、反応室1内において、成長法の形式とし
ては、MOCVD,MOMBE,CBE等を用いること
ができる。
An example of such a growth apparatus is MOC.
VD (metalorganic chemical vapor deposition) equipment,
A MONBE (metal organic molecular beam epitaxy) apparatus, a CBE (chemical beam epitaxy) apparatus, etc. are mentioned. That is, MOCVD, MOMBE, CBE, or the like can be used as the growth method in the reaction chamber 1.

【0051】また、図5において、III族元素(III族原
料)としては、B,Al,Ga,In,Tlを用いるこ
とができ、V族元素(V族原料)としては、Nを含むほ
かP,As,Sb,Biを用いることができる。また、
窒素化合物の窒素原料(N原料)としては、NH3,ヒ
ドラジン類のほか、NH2R,NHR2,NR3(Rはア
ルキル基又はアリール基)からなるアミン類を用いるこ
とができる。但し、窒素化合物には、少なくともヒドラ
ジン類が含まれているのが好ましい。
Further, in FIG. 5, B, Al, Ga, In, and Tl can be used as the group III element (group III raw material), and N is included as the group V element (group V raw material). P, As, Sb and Bi can be used. Also,
As the nitrogen raw material (N raw material) of the nitrogen compound, in addition to NH 3 and hydrazine, amines composed of NH 2 R, NHR 2 , and NR 3 (R is an alkyl group or an aryl group) can be used. However, the nitrogen compound preferably contains at least hydrazines.

【0052】すなわち、NH3及びアミン類は、分解温
度が高く、十分な濃度の活性種を生成させるには900
℃程度の温度条件で必要である。このため、成長膜から
構成元素の抜けがおこりやすくなる。InやNを含む成
長膜の場合は、特にこれらの原子の抜けが顕著になる。
これに対し、ヒドラジン類の分解温度は低く、500℃
付近で十分な濃度の活性種を生成させることができ、良
質な成長膜が得易くなる。
That is, NH 3 and amines have high decomposition temperatures, and 900 to generate a sufficient concentration of active species.
It is necessary under the temperature condition of about ℃. Therefore, the constituent elements are likely to escape from the growth film. In the case of a growth film containing In or N, the loss of these atoms becomes particularly noticeable.
On the other hand, the decomposition temperature of hydrazines is low, 500 ° C.
A sufficient concentration of active species can be generated in the vicinity, and it becomes easy to obtain a good quality growth film.

【0053】ここで、ヒドラジン類とは、ヒドラジン,
モノメチルヒドラジン,ジメチルヒドラジン,ブチルヒ
ドラジン,ヒドラゾベンゼンなどであり、NR2NR2
(Rは水素、又はアルキル基、アリール基)の化学式をと
る物質とする。
Here, hydrazines mean hydrazine,
Monomethylhydrazine, dimethylhydrazine, butylhydrazine, hydrazobenzene, etc., and NR 2 NR 2
(R is hydrogen, or an alkyl group or an aryl group).

【0054】また、図5の半導体成長装置では、精製装
置5の精製室中に、金属Al又は金属Alを含む合金が
配置されており、精製装置5では、精製室に供給された
窒素原料(窒素化合物からなる窒素原料)を、金属Al
又は金属Alを含む合金に接触させて精製し(不純物を
除去し)、反応室1に供給するようになっている。ここ
で、窒素原料ガスの輸送は、キャリアガスによる場合や
窒素原料ガスの蒸気圧による場合がある。
Further, in the semiconductor growth apparatus of FIG. 5, metal Al or an alloy containing metal Al is arranged in the refining chamber of the refining apparatus 5, and in the refining apparatus 5, the nitrogen raw material ( Nitrogen raw material consisting of nitrogen compound)
Alternatively, it is supplied to the reaction chamber 1 by bringing it into contact with an alloy containing metallic Al for purification (removing impurities). Here, the transportation of the nitrogen source gas may be by carrier gas or by vapor pressure of the nitrogen source gas.

【0055】ここで、金属Alを含む合金の例として
は、Al−In,Al−Ga,Al−In−Gaなどが
挙げられる。これらは、組成により融点を室温付近から
Alの融点(660℃)くらいまで変化させることがで
きる。例えは、GaInAlの重量比が100:10:
1.8のものは、室温で液体である。
Examples of the alloy containing metal Al include Al-In, Al-Ga, Al-In-Ga and the like. These can change the melting point from around room temperature to about the melting point of Al (660 ° C.) depending on the composition. For example, the weight ratio of GaInAl is 100: 10 :.
Those of 1.8 are liquid at room temperature.

【0056】図5の構成の半導体膜成長装置では、精製
装置5の精製室中に、金属Al又は金属Alを含む合金
を予め配置しておく。しかる後、窒素化合物からなる窒
素原料(窒素原料ガス)を、H2,He,Ar,N2など
をキャリアガスとするか、窒素原料自体の蒸気圧によ
り、精製装置5の精製室中に導入し、金属Alまたは金
属Alを含む合金に接触させて精製した後(不純物を除
去した後)、反応室1に輸送する。
In the semiconductor film growth apparatus configured as shown in FIG. 5, metal Al or an alloy containing metal Al is placed in advance in the refining chamber of the refining apparatus 5. Thereafter, the nitrogen raw material (nitrogen raw material gas) consisting of a nitrogen compound is introduced into the purification chamber of the purification device 5 by using H 2 , He, Ar, N 2 or the like as a carrier gas or by the vapor pressure of the nitrogen raw material itself. Then, it is brought into contact with metal Al or an alloy containing metal Al for purification (after removing impurities), and then transported to the reaction chamber 1.

【0057】同時に、反応室1に、窒素(N)を含むII
I−V族化合物半導体膜の構成元素の、有機金属化合
物,水素化物,単体の蒸気を導入し、基板上に窒素
(N)を含むIII−V族化合物半導体膜を得ることがで
きる。
At the same time, the reaction chamber 1 contains nitrogen (N) II
By introducing vapors of organometallic compounds, hydrides, and simple substances of the constituent elements of the IV compound semiconductor film, a III-V compound semiconductor film containing nitrogen (N) can be obtained on the substrate.

【0058】精製装置5において、金属Alは、酸化物
の生成エネルギーが大きく、負であるため、窒素化合物
からなる窒素原料ガスが接触すると、窒素原料中の水,
アルコールと容易に反応し、窒素原料の純度を高めるこ
とができる。
In the refining device 5, since the metal Al has a large oxide formation energy and is negative, when the nitrogen source gas composed of a nitrogen compound comes into contact with the water,
It can easily react with alcohol to increase the purity of the nitrogen raw material.

【0059】このように、本発明では、窒素化合物から
なる窒素原料を金属Alまたは金属Alを含む合金に接
触させた後、反応室1に輸送し、窒素(N)を含むIII
−V族化合物半導体膜を成長させるようにしており、窒
素原料を金属Alに接触させるので、窒素原料ガスから
水分とアルコールを除去することができ、水分とアルコ
ールが除去された窒素化合物の窒素原料ガス(十分に精
製された窒素原料)を反応室1に供給できて、不純物が
少なく結晶品質の良い窒素(N)を含むIII−V族化合
物半導体膜を得ることができる。
As described above, in the present invention, the nitrogen raw material composed of the nitrogen compound is brought into contact with the metal Al or the alloy containing the metal Al, and then transported to the reaction chamber 1 to contain nitrogen (N) -containing III.
Since the group V compound semiconductor film is grown and the nitrogen source is brought into contact with the metal Al, it is possible to remove water and alcohol from the nitrogen source gas, and the nitrogen source of the nitrogen compound from which the water and alcohol have been removed. A gas (fully purified nitrogen raw material) can be supplied to the reaction chamber 1, and a III-V group compound semiconductor film containing nitrogen (N) with few impurities and good crystal quality can be obtained.

【0060】また、上記窒素化合物に少なくともヒドラ
ジン類が含まれている場合には、より不純物が少なく、
より結晶品質の良い窒素(N)を含むIII−V族化合物
半導体膜を得ることができる。すなわち、反応性が高
く、良好な結晶品質のエピタキシャル成長膜が得易いヒ
ドラジン類を窒素原料として用いる場合には、本発明の
上述した精製方法により水分とアルコールが除去された
ヒドラジン類を反応室1に供給できるので、より不純物
が少なく、より結晶品質の良い窒素(N)を含むIII−
V族化合物半導体膜が得られる。
When the nitrogen compound contains at least hydrazines, the amount of impurities is smaller,
A III-V group compound semiconductor film containing nitrogen (N) with better crystal quality can be obtained. That is, when hydrazines having high reactivity and easily obtaining an epitaxially grown film of good crystal quality are used as the nitrogen raw material, the hydrazines from which water and alcohol have been removed by the above-described purification method of the present invention are placed in the reaction chamber 1. Since it can be supplied, it contains less impurities and contains nitrogen (N) with better crystal quality.
A Group V compound semiconductor film is obtained.

【0061】なお、上述した本発明の半導体膜成長方法
において、金属Alまたは金属Alを含む合金が液相の
ものである場合には、金属Alまたは金属Alを含む合
金中に窒素化合物からなる窒素原料ガスをバブリングさ
せ通過させた後に、反応室1に輸送し、窒素(N)を含
むIII−V族化合物半導体膜を成長させることができ
る。
In the above semiconductor film growth method of the present invention, when the metal Al or the alloy containing the metal Al is in a liquid phase, the nitrogen containing the nitrogen compound in the metal Al or the alloy containing the metal Al is used. After bubbling and passing the source gas, the source gas can be transported to the reaction chamber 1 to grow a III-V group compound semiconductor film containing nitrogen (N).

【0062】図6には、金属Alまたは金属Alを含む
合金が液相のものである場合、金属Alまたは金属Al
を含む合金中(容融Alまたは容融Al合金中)に窒素
化合物からなる窒素原料ガスをバブリングさせ通過させ
た後に、反応室1に輸送する精製装置5の構成例が示さ
れている。
In FIG. 6, when the metal Al or the alloy containing the metal Al is in the liquid phase, the metal Al or the metal Al is used.
A configuration example of a refining device 5 is shown in which a nitrogen source gas made of a nitrogen compound is bubbled through an alloy containing Al (in the molten Al or the molten Al alloy) and then passed to the reaction chamber 1.

【0063】金属Alまたは金属Alを含む合金が液体
のものである場合には、窒素原料ガスは、金属Alまた
は金属Alを含む合金の液体中をバブリングし通過する
ので、気液の接触面積が大きくとれ、窒素原料ガス中の
水分とアルコールを効率良く除去でき、より不純物が少
なく結晶品質の良い窒素(N)を含むIII−V族化合物
半導体膜を得ることができる。
When the metal Al or the alloy containing the metal Al is a liquid, the nitrogen source gas bubbling and passing through the liquid of the metal Al or the alloy containing the metal Al, the gas-liquid contact area is It is possible to obtain a III-V group compound semiconductor film containing nitrogen (N), which has a large size, can efficiently remove water and alcohol in the nitrogen source gas, has less impurities, and has good crystal quality.

【0064】また、上述した本発明の半導体膜成長方法
において、金属Alまたは金属Alを含む合金として固
相のものを用いることもできる。
In the semiconductor film growth method of the present invention described above, a solid phase alloy may be used as the metal Al or the alloy containing the metal Al.

【0065】金属Alまたは金属Alを含む合金が固相
(固体)の場合は、接触面積が大きくなるように、金属
Alまたは金属Alを含む合金は、粒子状又は微粒子状
又は膜状又は多孔質であることが好ましい。
When the metal Al or the alloy containing the metal Al is a solid phase (solid), the metal Al or the alloy containing the metal Al is in the form of particles, fine particles, a film or a porous material so that the contact area becomes large. Is preferred.

【0066】図7には、固体Alまたは固体Al合金の
ペレットまたは微粒子を用いた精製装置の一例が示され
ている。また、図8には、固体Alまたは固体Al合金
のペレットまたは微粒子を用いた精製装置の他の例が示
されている。
FIG. 7 shows an example of a refining apparatus using solid Al or solid Al alloy pellets or fine particles. Further, FIG. 8 shows another example of a refining apparatus using solid Al or solid Al alloy pellets or fine particles.

【0067】粒子状の金属Alまたは金属Alを含む合
金は、不活性気体中で溶融させた金属Alまたは金属A
lを含む合金を、冷却した金属板や冷却したフッ素化油
やシリコーン油などの不活性液体中に滴下するなどして
作製できる。また、微粒子状の金属Alまたは金属Al
を含む合金は、不活性ガス中にこれらの金属Al又は金
属Alを含む合金を蒸発させるなどして作製できる。ま
た、膜状の金属Alまたは金属Alを含む合金は、蒸着
法やスパッタ法で作製できる。また、ガラスやセラミッ
クの粒子を回転させながら蒸着法やスパッタ法で金属A
lまたは金属Alを含む合金の膜を作製することもでき
る。この場合、ガラスやセラミックが多孔質である場合
もある。
The particulate metal Al or the alloy containing the metal Al is the metal Al or the metal A melted in an inert gas.
It can be prepared by dropping an alloy containing 1 into a cooled metal plate or a cooled inert liquid such as fluorinated oil or silicone oil. In addition, fine particle metal Al or metal Al
The alloy containing can be produced by evaporating the metal Al or the alloy containing metal Al in an inert gas. Further, the film-shaped metal Al or the alloy containing the metal Al can be manufactured by a vapor deposition method or a sputtering method. In addition, the metal A can be deposited by a vapor deposition method or a sputtering method while rotating glass or ceramic particles.
It is also possible to prepare a film of an alloy containing 1 or metal Al. In this case, the glass or ceramic may be porous.

【0068】金属Alまたは金属Alを含む合金が固相
である場合にも、これが粒子状又は微粒子状又は膜状又
は多孔質である場合には、窒素原料ガスと金属Alまた
は金属Alを含む合金との接触面積が大きくとれ、窒素
原料ガス中の水分とアルコールを効率よく除去できるの
で、より不純物が少なく結晶品質の良い窒素(N)を含
むIII−V族化合物半導体膜を得ることができる。
Even when the metal Al or the alloy containing the metal Al is in the solid phase, if it is in the form of particles, fine particles, film or porous, the nitrogen source gas and the metal Al or the alloy containing the metal Al is used. Since a large contact area with nitrogen can be obtained and water and alcohol in the nitrogen source gas can be efficiently removed, it is possible to obtain a III-V group compound semiconductor film containing nitrogen (N) with less impurities and good crystal quality.

【0069】なお、図5の構成において、反応室1中
に、基板を加熱する加熱手段や、原料の反応を励起する
プラズマ発生手段や電子線発生手段等の反応励起手段が
設けられていても良い。また、原料が液体の場合は、不
活性ガスをキャリアガスとするバブリングにより反応室
1に導入するのが好ましい。また、原料が固体の場合
は、加熱し基板方向に蒸発,昇華させたり、昇華した原
料をキャリアガスにより反応室1に輸送することができ
る。また、減圧または真空中で膜成長を行う場合は、ガ
ス排気部6に真空ポンプが接続される。
In the structure shown in FIG. 5, the reaction chamber 1 may be provided with heating means for heating the substrate, reaction exciting means such as plasma generating means and electron beam generating means for exciting the reaction of the raw materials. good. When the raw material is a liquid, it is preferable to introduce it into the reaction chamber 1 by bubbling with an inert gas as a carrier gas. When the raw material is solid, it can be heated to evaporate and sublime in the direction of the substrate, or the sublimed raw material can be transported to the reaction chamber 1 by a carrier gas. Further, when performing film growth under reduced pressure or vacuum, a vacuum pump is connected to the gas exhaust unit 6.

【0070】図9,図10には、窒素原料源が液体であ
る場合に、窒素原料をバブリングによって供給する構成
例が示されている。
FIGS. 9 and 10 show an example of a structure in which the nitrogen raw material is supplied by bubbling when the nitrogen raw material source is a liquid.

【0071】図9の構成例では、窒素原料が入っている
第1のバブラ11を設け、この第1のバブラ11と反応
室1の間に、精製装置5を設け、H2ガス等をキャリア
ガスとして窒素原料ガスを反応室1に輸送するように構
成されている。
In the configuration example of FIG. 9, a first bubbler 11 containing a nitrogen raw material is provided, a purifying device 5 is provided between the first bubbler 11 and the reaction chamber 1, and H 2 gas or the like is used as a carrier. As a gas, a nitrogen source gas is transported to the reaction chamber 1.

【0072】また、図10の構成例では、第1のバブラ
21の上流に第2のバブラ22と精製装置5を連結して
設け、一旦、第2のバブラ22内の窒素原料(N原料)
の適量を精製しながら第1のバブラ21に溜めた後、第
1のバブラ21をバブリングして精製した窒素原料を反
応室1に輸送するように構成されている。
Further, in the configuration example of FIG. 10, the second bubbler 22 and the refining device 5 are provided upstream of the first bubbler 21 so that the nitrogen raw material (N raw material) in the second bubbler 22 is temporarily provided.
After being stored in the first bubbler 21 while purifying an appropriate amount thereof, the nitrogen source purified by bubbling the first bubbler 21 is transported to the reaction chamber 1.

【0073】なお、図9,図10の構成例において、マ
スフローコントローラやバルブや圧力計などの設置の有
無や配置の場所は限定されない。また、精製装置5中で
生成された酸化物がダストとなり反応室1に輸送される
のを防ぐため、精製装置5と反応室1との間の配管にダ
ストフィルタを設けることが望ましい。
In the configuration examples of FIGS. 9 and 10, the presence or absence of the mass flow controller, the valve, the pressure gauge, etc., and the location of the arrangement are not limited. Further, in order to prevent the oxide produced in the purifier 5 from becoming dust and transported to the reaction chamber 1, it is desirable to provide a dust filter in the pipe between the purifier 5 and the reaction chamber 1.

【0074】上述のように、本発明によれば、不純物が
少なく結晶品質の良い窒素(N)を含むIII−V族化合
物半導体膜を提供できる。そして、窒素(N)を含むII
I―V族化合物半導体膜を構成膜として含む素子の範囲
は、発光素子,受光素子,太陽電池に限らず、FET,
バイポーラトランジスタなどの電子デバイスも含む。
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a III-V compound semiconductor film containing nitrogen (N) with few impurities and good crystal quality. And II containing nitrogen (N)
The range of the element including the IV compound semiconductor film as the constituent film is not limited to the light emitting element, the light receiving element, and the solar cell, and the FET,
It also includes electronic devices such as bipolar transistors.

【0075】本発明において、窒素(N)を含むIII−
V族化合物半導体膜を、GaN系材料とすることができ
る。
In the present invention, III-containing nitrogen (N)
The group V compound semiconductor film may be a GaN-based material.

【0076】ここで、GaN系材料としては、GaN,
GaInN,AlGaInN,AlGaN,GaPN,
GaInPN,AlGaInPN,AlGaPN,BG
aN,BGaInN,BAlGaInN,BAlGa
N,GaNSb,GaInNSb,AlGaInNS
b,AlGaNSbなどが挙げられる。
Here, as the GaN-based material, GaN,
GaInN, AlGaInN, AlGaN, GaPN,
GaInPN, AlGaInPN, AlGaPN, BG
aN, BGaInN, BAlGaInN, BAlGa
N, GaNSb, GaInNSb, AlGaInNS
b, AlGaNSb and the like.

【0077】このGaN系材料は、紫外から可視領域の
バンドギャップエネルギーをもつ。特に、GaN,Ga
InN,AlGaInN,AlGaNは,α−Al
23,β−SiC,h−ZnOなどの単結晶膜の上のみ
ならず、選択成長GaN膜の上にエピタキシャル成長が
可能である。
This GaN-based material has bandgap energy in the ultraviolet to visible region. In particular, GaN, Ga
InN, AlGaInN, AlGaN are α-Al
Epitaxial growth is possible not only on a single crystal film of 2 O 3 , β-SiC, h-ZnO, etc., but also on a selectively grown GaN film.

【0078】この場合の作製例は次の通りである。すな
わち、Ga,In,Al,B,Pの水素化物、有機金属
化合物、ハロゲン化物と前述の精製装置5を通した窒素
原料とを反応させ、GaInNAs系材料膜を形成する
ことができる。
A manufacturing example in this case is as follows. That is, a GaInNAs-based material film can be formed by reacting a hydride of Ga, In, Al, B, P, an organometallic compound, or a halide with the nitrogen raw material that has passed through the above-mentioned purification device 5.

【0079】図11には、MOCVD装置でGaN系材
料のエピタキシャル成長膜を成長させる場合の装置構成
例が示されている。図11の構成例は、GaN,GaI
nN,AlGaInN,AlGaNのエピタキシャル成
長膜を積層できる構成になっている。すなわち、図11
の構成例では、真空ポンプにより減圧可能な反応室1中
に加熱可能なサセプタを設け、H2ガスをキャリアガス
として、Ga(CH3 3(TMG:トリメチルガリウ
ム),Al(CH33:(TMA:トリメチルアルミニ
ウム)、In(CH33(TMI:トリメチルインジウ
ム)などの有機金属と、AsH3(アルシン)、PH
3(ホスフィン)などの水素化物を反応室1に供給する
ラインを設けている。さらに、SiH4(シラン)及び
Zn(CH32(DMZn:ジメチルジンク)のライン
を設けている。これらは、それぞれ、n型、p型のドー
ピング用原料ガスラインである。さらに、NH3ガスの
ボンベ31を設け、このボンベ31と反応室1との間
に、前述した精製装置5を設けている。
FIG. 11 shows a GaN-based material in the MOCVD apparatus.
Equipment for growing epitaxial growth film
An example is shown. The configuration example of FIG. 11 includes GaN and GaI.
Epitaxial growth of nN, AlGaInN, AlGaN
It has a structure in which long films can be stacked. That is, FIG.
In the configuration example of, in the reaction chamber 1 in which the pressure can be reduced by a vacuum pump
A heatable susceptor is installed on the2Gas to carrier gas
As Ga (CH3) 3(TMG: Trimethylgaliu
), Al (CH3)3: (TMA: trimethylaluminium
Um), In (CH3)3(TMI: Trimethylindiu
Metal) and AsH3(Arsine), PH
3Supply hydride such as (phosphine) to the reaction chamber 1.
A line is provided. Furthermore, SiHFour(Silane) and
Zn (CH3)2(DMZn: dimethyl zinc) line
Is provided. These are n-type and p-type, respectively.
It is a raw material gas line for ping. Furthermore, NH3Of gas
A cylinder 31 is provided between the cylinder 31 and the reaction chamber 1.
In addition, the above-mentioned refining device 5 is provided.

【0080】図11のような構成の装置を用いれば、水
分とアルコールが除去された窒素原料ガスを反応室1に
供給できるので、不純物が少なく結晶品質の良いGaN
系材料膜(GaN系化合物半導体膜)を得ることができ
る。
By using the apparatus having the structure as shown in FIG. 11, it is possible to supply the nitrogen source gas from which water and alcohol have been removed to the reaction chamber 1, so that there are few impurities and the crystal quality is good.
A system material film (GaN-based compound semiconductor film) can be obtained.

【0081】なお、GaN系化合物半導体膜を構成膜と
して含む素子の範囲は、発光素子,受光素子,太陽電池
に限らず、FET,バイポーラトランジスタなどの電子
デバイスも含む。
The range of the element including the GaN compound semiconductor film as the constituent film is not limited to the light emitting element, the light receiving element, and the solar cell, and includes electronic devices such as FET and bipolar transistor.

【0082】また、本発明において、窒素(N)を含む
III−V族化合物半導体膜を、GaInNAs系材料と
することができる。
In the present invention, nitrogen (N) is included.
The III-V group compound semiconductor film can be made of a GaInNAs-based material.

【0083】ここで、GaInNAs系材料としては、
GaNAs,GaInNAs,GaInAsSb,Ga
InNP,GaNP,GaNAsSb,GaInNAs
Sb,InNAs,InNPAsなどが挙げられる。
Here, as the GaInNAs-based material,
GaNAs, GaInNAs, GaInAsSb, Ga
InNP, GaNP, GaNAsSb, GaInNAs
Sb, InNAs, InNPAs, etc. are mentioned.

【0084】このGaInNAs系材料を活性層に用い
た発光素子は、前述のように、温度特性に優れる上、発
光波長が1.1μm以上の長波長帯なので石英系ファイ
バとの整合性が良い。よって、光通信システムや、コン
ピューター間、チップ間、チップ内の光インターコネク
ションや、光コンピューティングにおいて、キーデバイ
スになると考えられる。
As described above, the light-emitting element using the GaInNAs-based material for the active layer has excellent temperature characteristics and, in addition, the emission wavelength is 1.1 μm or more in the long wavelength band, and therefore has good compatibility with the silica-based fiber. Therefore, it is considered to be a key device in optical communication systems, computers, chips, optical interconnections in chips, and optical computing.

【0085】GaInNAs系材料は、組成を調整しG
aAsと格子整合させることができ、GaAs基板上に
エピタキシャル成長させることができる。
For the GaInNAs-based material, the composition is adjusted so that G
It can be lattice-matched with aAs and can be epitaxially grown on a GaAs substrate.

【0086】この場合の作製例は次のとおりである。す
なわち、Ga,In,As,Sb,Pの水素化物、有機
金属化合物、ハロゲン化物と前述の精製装置5を通した
窒素原料とを反応させ、GaInNAs系材料膜を形成
することができる。
An example of fabrication in this case is as follows. That is, a GaInNAs-based material film can be formed by reacting a hydride of Ga, In, As, Sb, P, an organometallic compound, or a halide with the nitrogen raw material that has passed through the refining device 5.

【0087】図12には、MOCVD装置でGaInN
As系材料のエピタキシャル成長膜を成長させる場合の
装置構成例が示されている。図12の構成例は、GaA
lAs,AlAs,GaInPエピタキシャル成長膜も
積層できるようにAl原料とP原料の供給ラインも設け
られたものとなっている。図12の構成例では、真空ポ
ンプにより減圧可能な反応室1中に加熱可能なサセプタ
を設け、H2ガスをキャリアガスとして、TMG,TM
A,TMIの有機金属と、AsH3(アルシン),PH3
(フォスフィン)の水素化物を反応室1に供給するライ
ンを設けている。さらに、SeH2(水素化セレン)及
びZn(CH32(DMZn:ジメチルジンク)のライ
ンを設けている。これらは、それぞれn型、p型のドー
ピング用原料ガスラインである。さらに、窒素原料が入
っている第1のバブラ41を設け、この第1のバブラ4
1と反応室1との間に、本発明の窒素原料精製装置5を
設け、H2ガスをキャリアガスとして窒素原料ガスを反
応室1に輸送するようになっている。
In FIG. 12, GaInN is formed by MOCVD equipment.
An example of a device configuration for growing an epitaxial growth film of an As-based material is shown. The configuration example of FIG. 12 is GaA.
A supply line of Al raw material and P raw material is also provided so that 1As, AlAs, and GaInP epitaxial growth films can also be stacked. In the configuration example of FIG. 12, a susceptor that can be heated is provided in the reaction chamber 1 that can be decompressed by a vacuum pump, and H 2 gas is used as a carrier gas for TMG and TM.
A, TMI organometallic, AsH 3 (arsine), PH 3
A line for supplying a hydride of (phosphine) to the reaction chamber 1 is provided. Furthermore, SeH 2 (hydrogenated selenium) and Zn (CH 3) 2: is provided with a line of (DMZn dimethyl zinc). These are n-type and p-type source gas lines for doping, respectively. Further, a first bubbler 41 containing a nitrogen source is provided, and the first bubbler 4
1 and the reaction chamber 1 are provided with a nitrogen source refining apparatus 5 of the present invention, and the nitrogen source gas is transported to the reaction chamber 1 using H 2 gas as a carrier gas.

【0088】図12のような構成の装置を用いれば、水
分とアルコールが除去された窒素原料ガスを反応室1に
供給できるので、不純物が少なく結晶品質の良いGaI
nNAs系材料膜(GaInNAs系化合物半導体膜)
を得ることができる。
By using the apparatus having the structure shown in FIG. 12, the nitrogen source gas from which water and alcohol have been removed can be supplied to the reaction chamber 1, so that there are few impurities and the GaI has good crystal quality.
nNAs-based material film (GaInNAs-based compound semiconductor film)
Can be obtained.

【0089】なお、GaInNAs系化合物半導体膜を
構成膜として含む素子の範囲は、発光素子,受光素子,
太陽電池に限らず、FET,バイポーラトランジスタな
どの電子デバイスも含む。
The range of elements including a GaInNAs compound semiconductor film as a constituent film is a light emitting element, a light receiving element,
Not only solar cells but also electronic devices such as FETs and bipolar transistors are included.

【0090】具体的に、上記のような本発明の半導体膜
成長方法,半導体膜成長装置を用いて、素子として半導
体レーザを作製することができる。
Specifically, a semiconductor laser can be manufactured as an element using the semiconductor film growth method and semiconductor film growth apparatus of the present invention as described above.

【0091】すなわち、半導体レーザの一例として、窒
素(N)を含むIII−V族化合物半導体膜をGaN系材
料で構成し、活性層にGaN系材料を含む半導体レーザ
を構成することができる。
That is, as an example of a semiconductor laser, a III-V compound semiconductor film containing nitrogen (N) can be formed of a GaN-based material, and a semiconductor laser including an active layer of a GaN-based material can be formed.

【0092】このような半導体レーザは、例えば、Ga
N,GaInN,AlGaInN,AlGaN,GaP
N,GaInPN,AlGaInPN,AlGaPN,
BGaN,BGaInN,BAlGaInN,BAlG
aN,GaNSb,GaInNSb,AlGaInNS
b,AlGaNSbなどからなる成長膜を活性層に含む
半導体レーザである。
Such a semiconductor laser is, for example, Ga
N, GaInN, AlGaInN, AlGaN, GaP
N, GaInPN, AlGaInPN, AlGaPN,
BGaN, BGaInN, BAlGaInN, BAlG
aN, GaNSb, GaInNSb, AlGaInNS
b, a semiconductor laser including a growth film made of AlGaNSb or the like in an active layer.

【0093】半導体レーザの素子構成例としては、端面
発光型と面発光型とが挙げられる。端面発光型半導体レ
ーザの場合は、活性層の型により、シングルヘテロ接合
型,ダブルヘテロ接合型,分離閉じ込めヘテロ接合(S
CH)型,多重量子井戸構造(MQW)型が挙げられ、
また、共振器の形態により、ファブリペロー(FP)
型,分布帰還(DFB)型,分布ブラッグ反射器(DB
R)型が挙げられる。
As an example of the element structure of the semiconductor laser, an edge emitting type and a surface emitting type can be cited. In the case of the edge emitting semiconductor laser, depending on the type of the active layer, a single heterojunction type, a double heterojunction type, a separate confinement heterojunction (S
CH) type, multiple quantum well structure (MQW) type,
In addition, depending on the form of the resonator, Fabry-Perot (FP)
Type, distributed feedback (DFB) type, distributed Bragg reflector (DB
R) type.

【0094】また、面発光型半導体レーザは、基板と垂
直方向にレーザ共振器を構成し、光を基板と垂直に出射
する構成をとる。面発光型半導体レーザでは、基板の表
面に高反射率の半導体多層膜反射鏡や誘電体多層膜反射
鏡や金属反射鏡が設けられ、これらの反射鏡の間に活性
層が設けられ、活性層と2つの反射鏡の間に、スペーサ
層が設けられる。さらに、面発光型半導体レーザでは、
閾値電流を小さくするためと、単一モード発振をさせる
ためと、側壁での非発光再結合を防ぐために、活性層近
傍の領域の電流経路を狭める電流狭窄構造を含む場合が
多い。
The surface-emitting type semiconductor laser has a structure in which a laser resonator is formed in a direction perpendicular to the substrate and light is emitted perpendicularly to the substrate. In the surface-emitting type semiconductor laser, a semiconductor multilayer film reflecting mirror, a dielectric multilayer film reflecting mirror, or a metal reflecting mirror having a high reflectance is provided on the surface of the substrate, and an active layer is provided between these reflecting mirrors. And a spacer layer is provided between the two reflecting mirrors. Furthermore, in the surface emitting semiconductor laser,
In many cases, a current constriction structure that narrows the current path in the region near the active layer is included in order to reduce the threshold current, to cause single-mode oscillation, and to prevent non-radiative recombination on the side wall.

【0095】面発光型半導体レーザは、2次元並列集積
が可能であり、更に、その出力光の広がり角が比較的狭
い(10度前後である)ので、光ファイバとの結合が容
易である他、素子の検査が容易であるという特徴を有し
ている。そのため、特に、並列伝送型の光送信モジュー
ル(光インタコネクション装置)を構成するのに適した
素子と考えられている。光インタコネクション装置の当
面の応用対象は、コンピュータ等の筐体間やボード間の
並列接続のほか、短距離の光ファイバー通信であるが、
将来期待される応用として大規模なコンピュータ・ネッ
トワークが挙げられる。
The surface-emitting type semiconductor laser is capable of two-dimensional parallel integration and has a relatively narrow output light divergence angle (around 10 degrees), which facilitates coupling with an optical fiber. The feature is that the device can be easily inspected. Therefore, it is considered to be an element particularly suitable for forming a parallel transmission type optical transmission module (optical interconnection device). The current application of the optical interconnection device is parallel connection between cabinets of computers and boards and short-distance optical fiber communication.
A large-scale computer network can be cited as an application expected in the future.

【0096】図13には、InGaN膜を活性層とする
SCH型レーザー素子の場合で、端面発光型半導体レー
ザの構成例が示されている。図13を参照すると、この
端面発光型半導体レーザは、α−Al23,β−Si
C,h−ZnOなどの単結晶や選択成長GaN膜の基板
301上に、バッファGaN層302、下地n−GaN
層303、n−AlGaNクラッド層304、n−Ga
Nガイド層305、InGaN活性層306、p−Ga
Nガイド層307、p−AlGaNクラッド層308、
p−GaNコンタクト層309が順次に積層され、p−
GaNコンタクト層309上にp−電極310が形成さ
れ、下地n−GaN層303上に、n−電極311が形
成され、ドライエッチング等によりにより膜面に平行な
共振器が形成されている。
FIG. 13 shows a configuration example of an edge emitting semiconductor laser in the case of an SCH type laser device having an InGaN film as an active layer. With reference to FIG. 13, this edge-emitting type semiconductor laser includes α-Al 2 O 3 and β-Si.
A buffer GaN layer 302 and a base n-GaN are formed on a substrate 301 of a single crystal of C, h-ZnO or a selectively grown GaN film.
Layer 303, n-AlGaN cladding layer 304, n-Ga
N guide layer 305, InGaN active layer 306, p-Ga
N guide layer 307, p-AlGaN cladding layer 308,
A p-GaN contact layer 309 is sequentially stacked to form a p-
A p-electrode 310 is formed on the GaN contact layer 309, an n-electrode 311 is formed on the underlying n-GaN layer 303, and a resonator parallel to the film surface is formed by dry etching or the like.

【0097】図13の端面発光型半導体レーザは、p−
クラッド層308とn−クラッド層304に、それぞれ
正孔と電子を注入し、活性層306で発光させるように
なっている。
The edge-emitting type semiconductor laser shown in FIG.
Holes and electrons are injected into the clad layer 308 and the n-clad layer 304, respectively, and the active layer 306 emits light.

【0098】また、図14には、InGaN膜をウェル
層としAlGaNをバリア層とする量子井戸構造(Q
W)活性層の面発光型半導体レーザの構成例が示されて
いる。図14を参照すると、この面発光型半導体レーザ
は、α−Al23,β−SiC,h−ZnOなどの単結
晶や選択成長GaN膜の基板401上に、AlNバッフ
ァ層402、GaNバッファ層403、AlN/GaN
20ペア以上からなる半導体多層膜反射鏡(下部半導体
分布ブラッグ反射鏡)404、n−GaNコンタクト層
405、n−GaNスペーサ層406、InGaN/A
lGaN量子井戸(QW)活性層407、p−GaNス
ペーサ層408、p−GaNコンタクト層409、Al
N/GaN20ペア程度からなる半導体多層膜反射鏡
(上部半導体分布ブラッグ反射鏡)410が順次に設け
られている。さらに、図14の構成例では、活性層40
7の近傍にプロトンや酸素イオンのインプランテーショ
ン等の手法により絶縁領域を形成して電流狭窄部411
が設けられている。そして、p−コンタクト層409上
にp−電極412が形成され、n−コンタクト層405
上にn−電極413が形成され、膜面に垂直な共振器構
造をもつ面発光型のものとして構成されている。
FIG. 14 shows a quantum well structure (Q with InGaN film as a well layer and AlGaN as a barrier layer).
W) A structural example of a surface emitting semiconductor laser having an active layer is shown. Referring to FIG. 14, this surface-emitting type semiconductor laser includes an AlN buffer layer 402 and a GaN buffer on a substrate 401 of a single crystal of α-Al 2 O 3 , β-SiC, h-ZnO or a selectively grown GaN film. Layer 403, AlN / GaN
A semiconductor multilayer film reflecting mirror (lower semiconductor distributed Bragg reflecting mirror) 404 consisting of 20 pairs or more, an n-GaN contact layer 405, an n-GaN spacer layer 406, InGaN / A.
lGaN quantum well (QW) active layer 407, p-GaN spacer layer 408, p-GaN contact layer 409, Al
A semiconductor multilayer film reflecting mirror (upper semiconductor distributed Bragg reflecting mirror) 410 made up of about 20 pairs of N / GaN is sequentially provided. Further, in the configuration example of FIG. 14, the active layer 40
7, an insulating region is formed by a method such as implantation of protons and oxygen ions to form the current constriction portion 411.
Is provided. Then, the p-electrode 412 is formed on the p-contact layer 409, and the n-contact layer 405 is formed.
An n-electrode 413 is formed on the upper surface of the n-electrode 413, and the n-electrode 413 is formed as a surface emitting type having a resonator structure perpendicular to the film surface.

【0099】図14の面発光型半導体レーザでは、p-半
導体多層膜反射鏡410とn-半導体多層膜反射鏡404
に、それぞれ正孔と電子を注入し、活性層407で発光
させるようになっている。
In the surface-emitting type semiconductor laser of FIG. 14, a p-semiconductor multilayer film reflecting mirror 410 and an n-semiconductor multilayer film reflecting mirror 404.
Holes and electrons are respectively injected into the active layer 407, and the active layer 407 emits light.

【0100】このように、窒素(N)を含むIII−V族
化合物半導体膜をGaN系材料で構成し、活性層にGa
N系材料を含む半導体レーザを構成するときに、窒素化
合物からなる窒素原料を金属Alまたは金属Alを含む
合金に接触させて窒素原料を精製し、精製した窒素原料
を用いることで、良好な結晶品質を持つ半導体レーザ構
成膜が得られる。特に、GaN系材料を含む活性層の結
晶品質が向上する。さらに、活性層にGaN系材料を含
むので、広い応用展開が期待される可視-紫外領域の発
振波長が得られる。従って、低いしきい値電流と高い発
光効率と高い信頼性をもつ、長寿命の可視-紫外領域に
発振波長を持つ半導体レーザが得られる。
As described above, the III-V group compound semiconductor film containing nitrogen (N) is made of a GaN-based material, and Ga is formed in the active layer.
When a semiconductor laser including an N-based material is formed, a nitrogen raw material made of a nitrogen compound is brought into contact with metal Al or an alloy containing metal Al to purify the nitrogen raw material, and the purified nitrogen raw material is used to obtain a good crystal. A semiconductor laser component film having high quality can be obtained. In particular, the crystal quality of the active layer containing the GaN-based material is improved. Further, since the active layer contains a GaN-based material, it is possible to obtain an oscillation wavelength in the visible-ultraviolet region, which is expected to be widely applied. Therefore, a long-lived semiconductor laser having an oscillation wavelength in the visible-ultraviolet region, which has a low threshold current, high luminous efficiency, and high reliability, can be obtained.

【0101】また、半導体レーザの他の例として、窒素
(N)を含むIII−V族化合物半導体膜をGaN系材料
で構成し、活性層にGaInNAs系材料を含む半導体
レーザを構成することができる。
As another example of the semiconductor laser, a III-V group compound semiconductor film containing nitrogen (N) may be formed of a GaN-based material, and a semiconductor laser including an GaInNAs-based material in its active layer may be formed. .

【0102】このような半導体レーザは、例えば、Ga
NAs,GaInNAs,GaInAsSb,GaIn
NP,GaNP,GaNAsSb,GaInNAsS
b,InNAs,InNPAsなどからなる成長膜を活
性層に含む半導体レーザである。
Such a semiconductor laser is, for example, Ga
NAs, GaInNAs, GaInAsSb, GaIn
NP, GaNP, GaNAsSb, GaInNAsS
It is a semiconductor laser including a growth film made of b, InNAs, InNPAs or the like in an active layer.

【0103】図15には、GaInNAs膜を活性層と
するSCH型レーザー素子の場合で、端面発光型半導体
レーザの構成例が示されている。図15を参照すると、
この端面発光型半導体レーザは、GaAs単結晶基板5
01上に、n−AlGaAsやn−GaInPのn−ク
ラッド層502、GaAsやGaInPのガイド層50
3、GaInNAs活性層504、GaAsやGaIn
Pのガイド層505、p−AlGaAsやp−GaIn
Pのp−クラッド層506が順次に積層され、p−クラ
ッド層506上には、p−電極(ストライプ状電極)5
07が形成されまた、基板501の裏面には、n−電極
(下部電極膜)508が形成されている。そして、へき
開により膜面に平行な共振器が形成されて、端面発光型
の半導体レーザとして構成されている。
FIG. 15 shows an example of the structure of an edge emitting semiconductor laser in the case of a SCH type laser device using a GaInNAs film as an active layer. Referring to FIG.
This edge emitting semiconductor laser is composed of a GaAs single crystal substrate 5
01, n-AlGaAs or n-GaInP n-clad layer 502, GaAs or GaInP guide layer 50
3, GaInNAs active layer 504, GaAs or GaIn
P guide layer 505, p-AlGaAs or p-GaIn
P p-cladding layers 506 are sequentially stacked, and p-electrodes (striped electrodes) 5 are formed on the p-cladding layers 506.
07 is formed, and on the back surface of the substrate 501, an n-electrode (lower electrode film) 508 is formed. Then, a cavity parallel to the film surface is formed by cleavage to form an edge emitting semiconductor laser.

【0104】この端面発光型半導体レーザは、p−クラ
ッド層506とn−クラッド層502に、それぞれ正孔
と電子を注入し、活性層504で発光させる。
In this edge emitting semiconductor laser, holes and electrons are injected into the p-cladding layer 506 and the n-cladding layer 502, respectively, and the active layer 504 emits light.

【0105】また、図16には、GaInNAs膜をウ
ェル層としGaAsをバリア層とする量子井戸構造(Q
W)活性層の面発光型半導体レーザの構成例が示されて
いる。図16を参照すると、この面発光型半導体レーザ
は、n−GaAs単結晶基板601上に、n−GaIn
P/n−GaAsなどの25ペア以上からなるn−半導
体多層膜反射鏡602、n−GaAs,n−GaIn
P,n−AlGaAsなどのスペーサ層603、GaI
nNAs/GaAs量子井戸(QW)活性層604、p
−GaAs,p−GaInP,p−AlGaAsなどの
スペーサ層605、p−GaInP/p−GaAsなど
の20ペア以上からなるp−半導体多層膜反射鏡60
6、p−コンタクト層607が順次に積層されている。
ここで、活性層604は、GaInAs量子井戸活性層
604aとGaAsバリア層604bとにより構成され
ている。さらに、図16の例では、活性層604の近傍
にAlAs膜を酸化して絶縁性のAlxy膜を形成した
りこの活性層604の近傍にプロトンや酸素イオンのイ
ンプランテーション等により絶縁領域を形成して電流狭
窄部608が設けられている。また、p−コンタクト層
607上にはp側電極609が形成され、また、基板6
01の裏面にはn側電極610が形成され、膜面に垂直
な共振器構造をもつ面発光型半導体レーザとして構成さ
れている。
Further, FIG. 16 shows a quantum well structure (Q with a GaInNAs film as a well layer and GaAs as a barrier layer).
W) A structural example of a surface emitting semiconductor laser having an active layer is shown. Referring to FIG. 16, this surface-emitting type semiconductor laser has an n-GaIn single crystal substrate 601 and an n-GaIn substrate.
N-semiconductor multilayer film reflecting mirror 602, n-GaAs, n-GaIn composed of 25 pairs or more such as P / n-GaAs
Spacer layer 603 such as P, n-AlGaAs, GaI
nNAs / GaAs quantum well (QW) active layer 604, p
-GaAs, p-GaInP, p-AlGaAs or other spacer layer 605, p-GaInP / p-GaAs or other 20-pair or more p-semiconductor multilayer mirror 60
6, p-contact layer 607 is sequentially laminated.
Here, the active layer 604 is composed of a GaInAs quantum well active layer 604a and a GaAs barrier layer 604b. Further, in the example of FIG. 16, the AlAs film is oxidized in the vicinity of the active layer 604 to form an insulating Al x O y film, and the insulating region is formed in the vicinity of the active layer 604 by implantation of protons or oxygen ions. And a current constriction portion 608 is provided. A p-side electrode 609 is formed on the p-contact layer 607, and the substrate 6
An n-side electrode 610 is formed on the back surface of 01 to form a surface emitting semiconductor laser having a resonator structure perpendicular to the film surface.

【0106】このような構成の面発光型半導体レーザで
は、p−半導体多層膜反射鏡606とn−半導体多層膜
反射鏡602に、それぞれ正孔と電子を注入し、活性層
604で発光させる。
In the surface emitting semiconductor laser having such a structure, holes and electrons are injected into the p-semiconductor multilayer film reflecting mirror 606 and the n-semiconductor multilayer film reflecting mirror 602, respectively, and the active layer 604 emits light.

【0107】このように、窒素(N)を含むIII−V族
化合物半導体膜をGaInNAs系材料で構成し、活性
層にGaInNAs系材料を含む半導体レーザを構成す
るときに、窒素化合物からなる窒素原料を金属Alまた
は金属Alを含む合金に接触させて窒素原料を精製し、
精製した窒素原料を用いることで、良好な結晶品質を持
つ構成膜をもつ半導体レーザが得られる。特に、GaI
nNAs系材料を含む活性層の結晶品質が顕著に向上す
る。さらに、この半導体レーザは、活性層にGaInN
As系材料を含むので、光ファイバーとの整合性の高い
赤外領域で発光する。さらに、キャリアの閉じ込めが良
好なので温度の変化に対し発光特性の変化が少ない。従
って、低いしきい値電流と高い発光効率と良好な温度特
性と高い信頼性をもつ長寿命の、光通信への適用性がよ
い発振波長をもつ、赤外光半導体レーザが得られる。
As described above, when the III-V group compound semiconductor film containing nitrogen (N) is made of a GaInNAs-based material and the active layer is made of a semiconductor laser containing a GaInNAs-based material, a nitrogen source made of a nitrogen compound is used. Is contacted with metal Al or an alloy containing metal Al to purify the nitrogen raw material,
By using the purified nitrogen raw material, a semiconductor laser having a constituent film having good crystal quality can be obtained. In particular, GaI
The crystal quality of the active layer containing the nNAs-based material is significantly improved. Further, this semiconductor laser has GaInN in the active layer.
Since it contains an As-based material, it emits light in the infrared region, which is highly compatible with optical fibers. Further, since the carriers are well confined, the change in the light emitting characteristics is small with respect to the change in temperature. Therefore, it is possible to obtain an infrared optical semiconductor laser having a low threshold current, high luminous efficiency, good temperature characteristics, high reliability, a long lifetime, and an oscillation wavelength that is suitable for optical communication.

【0108】また、窒素(N)を含むIII−V族化合物
半導体膜がGaInNAs系材料であり、活性層にGa
InNAs系材料が含まれている半導体レーザにおい
て、該半導体レーザをAlxGa(1-x)As/AlyGa
(1-y)As(0≦y<x≦1)半導体多層膜反射鏡を少
なくとも1つ含む面発光半導体レーザとして構成するこ
とができる。
The III-V group compound semiconductor film containing nitrogen (N) is a GaInNAs-based material, and Ga is used as the active layer.
In the semiconductor laser InNAs based material is included, the semiconductor laser Al x Ga (1-x) As / Al y Ga
(1-y) As (0 ≦ y <x ≦ 1) A surface emitting semiconductor laser including at least one semiconductor multilayer film reflecting mirror can be formed.

【0109】面発光型半導体レーザの反射鏡としては、
活性層領域と一括で制御性良く形成できることと、レー
ザを駆動するキャリアも流せるので、低屈折率層と高屈
折率層を交互に積層した半導体分布ブラッグ反射鏡が広
く用いられている。半導体分布ブラッグ反射鏡の材料と
しては、活性層から発生する光を吸収しない材料(一般
に活性層よりワイドバンドギャップの材料)であって、
格子緩和を発生させないために基板に格子整合する材料
が用いられる。ここで、反射鏡の反射率は99%以上と
極めて高くする必要があり、反射率は積層数を増やすこ
とによって高くなる。しかし、積層数が増加すると、面
発光型半導体レーザの作製が困難になってしまう。この
ため、低屈折率層と高屈折率層の屈折率差が大きい方が
好ましい。AlGaAs系材料は、AlAsとGaAs
が終端物質であり、格子定数は基板であるGaAsとほ
ぼ同程度であり、組成により屈折率差が大きくとれ、少
ない積層数で高反射率を得ることができるので、Al
(Ga)As/GaAs、より広義には、AlxGa
(1-x)As/AlyGa(1-y)As(0≦y<x≦1)の
半導体多層膜を面発光型半導体レーザの反射鏡として用
いるのが好適である。
As the reflecting mirror of the surface emitting semiconductor laser,
A semiconductor distributed Bragg reflector in which a low refractive index layer and a high refractive index layer are alternately laminated is widely used because it can be formed together with an active layer region with good controllability and carriers for driving a laser can also flow. The material of the semiconductor distributed Bragg reflector is a material that does not absorb the light generated from the active layer (generally a material having a wider bandgap than the active layer),
A material that is lattice-matched to the substrate is used to prevent lattice relaxation. Here, the reflectance of the reflecting mirror needs to be extremely high at 99% or more, and the reflectance is increased by increasing the number of laminated layers. However, as the number of stacked layers increases, it becomes difficult to manufacture a surface-emitting type semiconductor laser. Therefore, it is preferable that the difference in refractive index between the low refractive index layer and the high refractive index layer is large. AlGaAs-based materials are AlAs and GaAs
Is a terminating material, the lattice constant is almost the same as that of GaAs which is a substrate, the difference in refractive index is large depending on the composition, and a high reflectance can be obtained with a small number of laminated layers.
(Ga) As / GaAs, or more broadly, Al x Ga
Is preferably used as the (1-x) As / Al y Ga (1-y) As (0 ≦ y <x ≦ 1) semiconductor multilayer reflecting mirror of the surface-emitting type semiconductor laser.

【0110】しかし、従来、Al(Ga)As/GaA
s半導体多層膜を面発光型半導体レーザの反射鏡として
用いると、十分な発光効率は得られなかった。これは、
前述の実験で検証したように、Alを含んだ材料は、化
学的に非常に活性であり、Alに起因する結晶欠陥を作
りやすく、GaInNAs系材料を含む活性層を成長中
に、反応室に残留しているAl原料又はAl原料反応物
がヒドラジン中の水分,アルコールと反応してこれらを
結晶中に取り込み、結晶欠陥となって非発光再結合が導
入され、発光効率を低下させていたためである。
However, conventionally, Al (Ga) As / GaA
When the s-semiconductor multilayer film was used as a reflecting mirror of a surface-emitting type semiconductor laser, sufficient luminous efficiency was not obtained. this is,
As verified by the above-described experiment, the material containing Al is chemically very active, and it is easy to form crystal defects due to Al, and the active layer containing GaInNAs-based material is grown in the reaction chamber during the growth. This is because the remaining Al raw material or Al raw material reaction product reacts with water and alcohol in hydrazine and takes them into the crystal, which becomes a crystal defect and non-radiative recombination is introduced, which lowers the luminous efficiency. is there.

【0111】このため、特開平08−340146号や
特開平07−307525号には、Alを含まないGa
InPとGaAs とから半導体分布ブラッグ反射鏡を
構成する提案がなされている。しかしながら、GaIn
PとGaAsとの屈折率差は、AlAsとGaAsとの
屈折率差に比べて約半分であり、反射鏡の積層数が非常
に増加してしまい、作製が困難になって、歩留まりが低
下し、素子抵抗が増加し、作製に時間がかかり、面発光
レーザの総厚が厚くなり、電気配線が困難になる等の問
題があった。
Therefore, in JP-A-08-340146 and JP-A-07-307525, Ga containing no Al is disclosed.
Proposals have been made to construct a semiconductor distributed Bragg reflector from InP and GaAs. However, GaIn
The difference in the refractive index between P and GaAs is about half the difference in the refractive index between AlAs and GaAs, and the number of laminated reflecting mirrors increases significantly, making fabrication difficult and reducing the yield. However, there is a problem that the element resistance increases, it takes time to manufacture, the total thickness of the surface emitting laser increases, and the electrical wiring becomes difficult.

【0112】これに対し、本発明では、窒素化合物から
なる窒素原料を金属Alまたは金属Alを含む合金に接
触させた後、反応室に輸送し、窒素(N)を含むIII−
V族化合物半導体膜を成長させるので、AlxGa(1-x)
As/AlyGa(1-y)As(0≦y<x≦1)半導体多
層膜を面発光型半導体レーザの反射鏡として用いても、
酸素元素の活性層への取り込みが低減できて、少ない層
数で高い反射率を得ることができる半導体多層膜をもち
ながら、欠陥の少ない良好な品質の活性層をもつ面発光
型半導体レーザの作製が可能になる。従って、高い歩留
まり,低いコストの工程,簡便な構成で作製でき、低い
素子抵抗,低いしきい値電流,高い発光効率,高い信頼
性をもち温度特性の良い面発光型半導体レーザを得るこ
とができる。
On the other hand, in the present invention, the nitrogen raw material composed of the nitrogen compound is brought into contact with the metal Al or the alloy containing the metal Al, and then transported to the reaction chamber to contain III-containing nitrogen (N).
Since a group V compound semiconductor film is grown, Al x Ga (1-x)
Be used as a As / Al y Ga (1- y) As (0 ≦ y <x ≦ 1) semiconductor multilayer film of a surface-emitting type semiconductor laser reflector,
Fabrication of surface-emitting type semiconductor laser with good quality active layer with few defects while having a semiconductor multilayer film that can reduce the incorporation of oxygen element into the active layer and obtain high reflectance with a small number of layers. Will be possible. Therefore, it is possible to obtain a surface-emitting type semiconductor laser having a high yield, a low-cost process, a simple structure, a low device resistance, a low threshold current, a high luminous efficiency, a high reliability, and a good temperature characteristic. .

【0113】また、本発明では、窒素(N)を含むIII
−V族化合物半導体膜をGaInNAs系材料で構成
し、活性層にGaInNAs系材料を含む半導体レーザ
(面発光型半導体レーザ)を光源として用いる光通信シ
ステムを構成することができる。
Further, in the present invention, III containing nitrogen (N) is used.
It is possible to configure an optical communication system in which the group V compound semiconductor film is composed of a GaInNAs-based material and a semiconductor laser (surface-emitting semiconductor laser) containing an GaInNAs-based material in the active layer is used as a light source.

【0114】図17は、上述した本発明の半導体レーザ
(面発光型半導体レーザ)を用いた並列伝送方式光通信
システム(光伝送システム)の一例を示す図である。図
17の光伝送システムでは、面発光半導体レーザからの
信号を複数のファイバを用い同時に伝送することができ
る。
FIG. 17 is a diagram showing an example of a parallel transmission type optical communication system (optical transmission system) using the above-described semiconductor laser (surface-emitting type semiconductor laser) of the present invention. In the optical transmission system shown in FIG. 17, signals from the surface emitting semiconductor laser can be transmitted simultaneously using a plurality of fibers.

【0115】また、図18は、上述した本発明の面発光
型半導体レーザを用いた多波長伝送方式光通信システム
(光伝送システム)の一例を示す図である。図18の光
伝送システムでは、発振波長の異なる複数の発光素子
(GaInNAs面発光レーザ)からの光信号は、それ
ぞれ光ファイバを介して光合波器(合波器)に導入さ
れ、波長の異なる複数の光信号は光合波器で合波され、
1本の光ファイバ中に導入され伝送される。伝送された
光信号は伝送先の機器に接続される光分波器(分波器)
を通って元の波長の異なる複数の光信号に分離され、そ
れぞれファイバを介して複数の受光素子に達する。
FIG. 18 is a diagram showing an example of a multi-wavelength transmission type optical communication system (optical transmission system) using the above-described surface emitting semiconductor laser of the present invention. In the optical transmission system of FIG. 18, optical signals from a plurality of light emitting elements (GaInNAs surface emitting lasers) having different oscillation wavelengths are respectively introduced into an optical multiplexer (combiner) via an optical fiber, and a plurality of optical signals having different wavelengths are introduced. The optical signal of is combined by the optical multiplexer,
It is introduced into one optical fiber and transmitted. The transmitted optical signal is an optical demultiplexer (demultiplexer) that is connected to the destination device.
To be separated into a plurality of optical signals having different original wavelengths and reach a plurality of light receiving elements via respective fibers.

【0116】前述したように、本発明では、AlxGa
(1-x)As/AlyGa(1-y)As(0≦y<x≦1)半
導体多層膜を面発光型半導体レーザの反射鏡として用い
ても、酸素元素の活性層への取り込みを低減できるの
で、少ない層数で高い反射率を得ることができるAlx
Ga(1-x)As/AlyGa(1-y)As(0≦y<x≦
1)半導体多層膜をもちながら、欠陥の少ない良好な品
質でGaInNAs系材料を含む活性層をもつ面発光型
半導体レーザの作製が可能になる。従って、高い歩留ま
り,低いコストの工程,簡便な構成で作製でき、低い素
子抵抗,低いしきい値電流,高い発光効率,高い信頼性
をもち、温度特性の良い面発光レーザを光通信システム
に搭載できるので、冷却装置を必要としない簡便な構成
で信頼性の高い高性能な光通信システムを得ることがで
きる。
As described above, in the present invention, Al x Ga is used.
(1-x) As / Al y Ga (1-y) As (0 ≦ y <x ≦ 1) be a semiconductor multilayer film as a reflecting mirror of the surface-emitting type semiconductor laser, the incorporation into the active layer of the oxygen element Al x, which can obtain high reflectance with a small number of layers, because
Ga (1-x) As / Al y Ga (1-y) As (0 ≦ y <x ≦
1) It becomes possible to fabricate a surface-emitting type semiconductor laser having an active layer containing a GaInNAs-based material with good quality and few defects while having a semiconductor multilayer film. Therefore, a high yield, low cost process, simple structure, low element resistance, low threshold current, high emission efficiency, high reliability, and surface emitting laser with good temperature characteristics can be mounted in an optical communication system. Therefore, a highly reliable and high-performance optical communication system can be obtained with a simple structure that does not require a cooling device.

【0117】[0117]

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。EXAMPLES Examples of the present invention will be described below.

【0118】実施例1 実施例1では、本発明の半導体膜成長装置(MOCVD
装置)で、選択成長させたGaN基板上にGaN系材料
のエピタキシャル成長膜を成長させ、半導体レーザを作
製した。使用したMOCVD装置は図11に示した構成
のものである。
Example 1 In Example 1, the semiconductor film growth apparatus (MOCVD of the present invention was used.
Device), an epitaxial growth film of a GaN-based material was grown on the selectively grown GaN substrate, and a semiconductor laser was produced. The MOCVD apparatus used has the structure shown in FIG.

【0119】すなわち、実施例1で使用したMOCVD
装置は、真空ポンプにより減圧可能な反応室1中に加熱
可能なサセプタが設けられ、H2ガスをキャリアガスと
して、TMG,TMA,TMIを反応室1に供給するラ
インが設けられている。さらに、SiH4(シラン)及
びZn(CH32(DMZn:ジメチルジンク)を反応
室1に供給するラインが設けられており、これらは、そ
れぞれn型,p型のドーピング用原料ガスラインであ
る。さらに、NH3ガスを供給するラインが設けられ、
このラインの途中に、シリンダ中にAlGaIn合金の
粒子を充填した窒素原料精製装置5が設けられている。
ここで、AlGaIn合金の粒子は次のようにして作製
した。すなわち、N2ガス雰囲気中でBNるつぼの中で
AlGaIn合金を溶融させた後、冷却したフッ素化油
(AUSIMONT S.p.A.製フォンブリンYL
−VAC14/6)の中に滴下し、直径1〜5mmのA
lGaIn合金の粒子が得られ、これをN2ガス雰囲気
中で上記のシリンダに充填した。このような構成では、
窒素原料ガスは、H2ガスをキャリアガスとしてこの精
製装置5を通して反応室1に輸送される。
That is, the MOCVD used in Example 1
The apparatus is provided with a susceptor that can be heated in the reaction chamber 1 that can be decompressed by a vacuum pump, and a line that supplies TMG, TMA, and TMI to the reaction chamber 1 using H 2 gas as a carrier gas. Further, lines for supplying SiH 4 (silane) and Zn (CH 3 ) 2 (DMZn: dimethylzinc) to the reaction chamber 1 are provided. These are n-type and p-type source gas lines for doping, respectively. is there. Furthermore, a line for supplying NH 3 gas is provided,
In the middle of this line, a nitrogen material refining device 5 in which AlGaIn alloy particles are filled in a cylinder is provided.
Here, the particles of the AlGaIn alloy were produced as follows. That is, after melting an AlGaIn alloy in a BN crucible in an N 2 gas atmosphere, the fluorinated oil (AUSIMONT SP manufactured by Fomblin YL manufactured by cooling) was cooled.
-VAC 14/6) and drop it into A with a diameter of 1-5 mm
Particles of 1GaIn alloy were obtained and filled in the above cylinder in N 2 gas atmosphere. In such a configuration,
The nitrogen source gas is transported to the reaction chamber 1 through the refining device 5 using H 2 gas as a carrier gas.

【0120】実施例1では、図11のMOCVD装置を
用いて、図19に示すような半導体レーザを作製した。
すなわち、c面サファイア単結晶基板701上に基板温
度550℃で200Åの厚さの非晶質のバッファGaN
層702を成長させた。続いて、基板温度1050℃で
2μmの厚さの下地GaN層703を成長させた。次
に、試料をMOCVD成長室から大気中に取り出し、C
VD法により0.1μmの厚さのSiO2膜704を成
長させ、このSiO2膜704をホトリソグラフィーと
ウェットエッチングにより加工し、4μm幅のストライ
プ状窓(マスクパターン)を11μm幅の周期で作製す
る。再び試料をMOCVD成長室に設置し、基板温度1
050℃でこのマスクパターン上に選択成長n−GaN
膜705を成長させる。この場合、バッファGaN層7
02から成長したGaN膜がマスクパターン上で横方向
に成長し、大面積で欠陥の少ない良質な単結晶膜705
が得られた。なお、このような成長膜は、選択成長膜や
ELOG基板(Epitaxially Laterally Overgrown Ga
N Substrate)と呼ばれる。続いて、n−GaNコンタ
クト層706、n−AlGaNクラッド層707、n−
GaNガイド層708、In0.02Ga0.98N/In0.15
Ga0.85Nの3重のMQW活性層709、p−GaNガ
イド層710、p−AlGaNクラッド層711、p−
GaNコンタクト層712をエピタキシャル成長させ
た。
In Example 1, a semiconductor laser as shown in FIG. 19 was produced by using the MOCVD apparatus shown in FIG.
That is, on the c-plane sapphire single crystal substrate 701, an amorphous buffer GaN having a thickness of 200 Å at a substrate temperature of 550 ° C.
Layer 702 was grown. Subsequently, a base GaN layer 703 having a thickness of 2 μm was grown at a substrate temperature of 1050 ° C. Next, the sample was taken out of the MOCVD growth chamber into the atmosphere, and C
VD method by growing the SiO 2 film 704 thickness of 0.1 [mu] m, making the SiO 2 film 704 is processed by photolithography and wet etching, striped window of 4μm width (mask pattern) with a period of 11μm width To do. The sample was placed in the MOCVD growth chamber again and the substrate temperature was set to 1
Selective growth n-GaN on this mask pattern at 050 ° C.
The film 705 is grown. In this case, the buffer GaN layer 7
The GaN film grown from No. 02 grows laterally on the mask pattern, has a large area and has few defects, and is a good quality single crystal film 705.
was gotten. In addition, such a growth film is a selective growth film or an ELOG substrate (Epitaxially Laterally Overgrown Ga).
N Substrate). Then, n-GaN contact layer 706, n-AlGaN cladding layer 707, n-
GaN guide layer 708, In 0.02 Ga 0.98 N / In 0.15
Ga 0.85 N triple MQW active layer 709, p-GaN guide layer 710, p-AlGaN cladding layer 711, p-
The GaN contact layer 712 was epitaxially grown.

【0121】次に、レーザー素子加工プロセスを行い、
図19に示すようなリッジストライプのものとし、p−
GaNコンタクト層712上にp型電極713を形成
し、n−GaNコンタクト層706上にn型電極714
を形成し、半導体レーザ(ブロードストライプレーザ)
を作製した。
Next, a laser element processing process is performed,
A ridge stripe as shown in FIG.
A p-type electrode 713 is formed on the GaN contact layer 712, and an n-type electrode 714 is formed on the n-GaN contact layer 706.
Forming a semiconductor laser (broad stripe laser)
Was produced.

【0122】この半導体レーザ素子(ブロードストライ
プレーザ)の閾値電流は、室温下、CWで50mAであ
った。比較例として、使用したMOCVD装置におい
て、窒素原料精製装置5を用いないで作製した同じ構成
のブロードストライプレーザでは、閾値電流は、室温
下、CWで80mAであった。
The threshold current of this semiconductor laser device (broad stripe laser) was 50 mA in CW at room temperature. As a comparative example, in the MOCVD apparatus used, in the broad stripe laser having the same structure produced without using the nitrogen source refining apparatus 5, the threshold current was 80 mA in CW at room temperature.

【0123】このことからわかるように、本発明では、
窒素原料(NH3)を窒素原料精製装置5に通すことに
より、水分とアルコールを除去したNH3を反応室1に
供給できて、不純物が少なく結晶品質の良いGaN系材
料膜が得られ、より低い閾電流で室温連続発振可能なリ
ッジストライプレーザを作製することが可能となった。
As can be seen from the above, according to the present invention,
By passing the nitrogen source (NH 3 ) through the nitrogen source refining apparatus 5, NH 3 from which water and alcohol have been removed can be supplied to the reaction chamber 1, and a GaN-based material film with few impurities and good crystal quality can be obtained. It became possible to fabricate a ridge stripe laser capable of continuous oscillation at room temperature with a low threshold current.

【0124】実施例2 実施例2では、図12に示したMOCVD装置を用い
て、半導体レーザを作製した。
Example 2 In Example 2, a semiconductor laser was manufactured using the MOCVD apparatus shown in FIG.

【0125】すなわち、実施例2で使用したMOCVD
装置は、真空ポンプにより減圧可能な反応室1中に加熱
可能なサセプタを有し、H2ガスをキャリアガスとし
て、TMG,TMA,TMI,AsH3,PH3,SeH
2,Zn(CH32を反応室1に供給するラインを有し
ている。さらに、ジメチルヒドラジンを入れたバブラ4
1を有し、このバブラ41と反応室1との間に、精製装
置(ヒドラジン精製装置)5を有している。精製装置5
における精製動作は次のようになる。すなわち、精製装
置5中にGaInAl(重量比100:10:1.8)
液を入れ、H2ガスをキャリアガスとして、この中にヒ
ドラジン類の蒸気をバブリングさせて精製し、後、反応
室1に輸送する。
That is, the MOCVD used in Example 2
The apparatus has a susceptor that can be heated in the reaction chamber 1 that can be decompressed by a vacuum pump, and uses H 2 gas as a carrier gas, TMG, TMA, TMI, AsH 3 , PH 3 , SeH.
2 has a line for supplying Zn (CH 3 ) 2 to the reaction chamber 1. Bubbler 4 with dimethylhydrazine
1, and a purifying device (hydrazine purifying device) 5 between the bubbler 41 and the reaction chamber 1. Purifier 5
The refining operation in is as follows. In other words, GaInAl (weight ratio 100: 10: 1.8) was used in the refining device 5.
A liquid is put therein, and H 2 gas is used as a carrier gas for bubbling a vapor of hydrazines therein for purification, and thereafter, it is transported to the reaction chamber 1.

【0126】実施例2では、図12に示したMOCVD
装置を用いて、図20に示すような半導体レーザを作製
した。すなわち、n−GaAs基板720上に、n−A
lGaAs下部クラッド層721、GaAs中間層72
2、GaInNAs/GaAs2重量子井戸構造からな
る活性層723、GaAs中間層724、p−AlGa
As上部クラッド層725を順次に積層し、p−クラッ
ド層725上にp型電極(ストライプ状電極)726を
形成し、基板720の裏面にn型電極727を形成し
て、ブロードストライプレーザを作製した。
In the second embodiment, the MOCVD shown in FIG.
A semiconductor laser as shown in FIG. 20 was produced using the apparatus. That is, on the n-GaAs substrate 720, n-A
lGaAs lower clad layer 721, GaAs intermediate layer 72
2, GaInNAs / GaAs double quantum well structure active layer 723, GaAs intermediate layer 724, p-AlGa
An As upper clad layer 725 is sequentially laminated, a p-type electrode (stripe electrode) 726 is formed on the p-clad layer 725, and an n-type electrode 727 is formed on the back surface of the substrate 720 to produce a broad stripe laser. did.

【0127】ここで、活性層723中のAl濃度は1×
1018cm-3以下であり、活性層723中の酸素(O)
濃度は2×1017cm-3以下であった。また、閾電流は
室温下、CWで25mAであった。
Here, the Al concentration in the active layer 723 is 1 ×.
10 18 cm −3 or less, and oxygen (O) in the active layer 723
The concentration was 2 × 10 17 cm -3 or less. Further, the threshold current was 25 mA CW at room temperature.

【0128】比較例として、使用したMOCVD装置に
おいて、精製装置5を用いないで作製した同じ構成のブ
ロードストライプレーザは、活性層中に2×1019cm
-3以上のAl及び1×1018cm-3以上の酸素が取り込
まれており、閾電流は、室温下、CWで250mA以上
と著しく高い値となった。
As a comparative example, in the MOCVD apparatus used, a broad stripe laser of the same structure produced without using the refining apparatus 5 was 2 × 10 19 cm in the active layer.
-3 or more Al and 1 × 10 18 cm -3 or more oxygen were incorporated, and the threshold current was a significantly high value of 250 mA or more in CW at room temperature.

【0129】このことからわかるように、本発明では、
窒素原料(ヒドラジン)を窒素原料精製装置5に通すこ
とにより、水分とアルコールを除去したヒドラジンを反
応室1に供給できて、不純物が少なく結晶品質の良いG
aInNAs系材料膜が得られ、より低い閾電流で室温
連続発振可能なブロードストライプレーザを作製するこ
とが可能となった。
As can be seen from the above, according to the present invention,
By passing the nitrogen raw material (hydrazine) through the nitrogen raw material purifying apparatus 5, hydrazine from which water and alcohol have been removed can be supplied to the reaction chamber 1, so that G having few impurities and good crystal quality can be obtained.
An aInNAs-based material film was obtained, and it became possible to fabricate a broad stripe laser capable of continuous oscillation at room temperature with a lower threshold current.

【0130】実施例3 実施例3では、図21に示したMOCVD装置を用い
て、面発光型半導体レーザ素子を作製した。
Example 3 In Example 3, a surface emitting semiconductor laser device was manufactured using the MOCVD apparatus shown in FIG.

【0131】図21のMOCVD装置は、真空ポンプに
より減圧可能な反応室1中に加熱可能なサセプタを有
し、H2ガスをキャリアガスとして、TMG,TMA,
TMI,AsH3,PH3,SeH2,Zn(CH32
反応室1に供給するラインを有している。
The MOCVD apparatus of FIG. 21 has a susceptor that can be heated in the reaction chamber 1 whose pressure can be reduced by a vacuum pump, and uses H 2 gas as a carrier gas for TMG, TMA,
It has a line for supplying TMI, AsH 3 , PH 3 , SeH 2 , and Zn (CH 3 ) 2 to the reaction chamber 1.

【0132】さらに、ジメチルヒドラジンを入れたバブ
ラ51を有し、このバブラ51と反応室1との間に、精
製装置(ヒドラジン精製装置)5を有している。この精
製装置(精製シリンダ)5は、第1真空引きバルブ52
を介して真空ポンプ53に連結されている。さらに、精
製装置(精製シリンダ)5中に抵抗加熱ボートを有し、
金属Alを対向するシリンダ内面に蒸着する構成になっ
ている。
Further, a bubbler 51 containing dimethylhydrazine is provided, and a purifying device (hydrazine purifying device) 5 is provided between the bubbler 51 and the reaction chamber 1. The refining device (refining cylinder) 5 includes a first vacuuming valve 52.
It is connected to the vacuum pump 53 via. Furthermore, the refining device (refining cylinder) 5 has a resistance heating boat,
The metal Al is vapor-deposited on the inner surface of the opposing cylinder.

【0133】このような構成の成長装置(MOCVD装
置)では、ヒドラジンを反応室1に導入する前に、精製
装置(精製シリンダ)5を供給ラインから第1ラインバ
ルブ,第2ラインバルブにより遮断し、ゲートバルブを
開け、真空ポンプ53で真空引きを行いながら、精製装
置(精製シリンダ)5の内面にAlを蒸着する。次に、
ゲートバルブを閉じ、第1ラインバルブ,第2ラインバ
ルブを開けて、H2ガスをキャリアガスとして、DMH
yの蒸気をAl蒸着面に接触させた後、反応室1に輸送
する。
In the growth apparatus (MOCVD apparatus) having such a structure, before introducing hydrazine into the reaction chamber 1, the purification apparatus (purification cylinder) 5 is shut off from the supply line by the first line valve and the second line valve. , The gate valve is opened, and while vacuuming with the vacuum pump 53, Al is vapor-deposited on the inner surface of the refining device (refining cylinder) 5. next,
The gate valve is closed, the first line valve and the second line valve are opened, and DM gas is used with H 2 gas as a carrier gas.
The y vapor is brought into contact with the Al vapor deposition surface and then transported to the reaction chamber 1.

【0134】実施例3では、図21の装置を用いて、図
22(a),(b)に示すような面発光型半導体レーザ
を作製した。なお、図22(b)は図22(a)の部分
拡大図である。図22(a),(b)の面発光型半導体
レーザの作製工程は、次のとおりである。すなわち、n
−GaAs(100)基板901上に、n−AlAs/
n−GaAsの28ペアからなる下部ミラー層902、
第1のGaAsスペーサ層903、3層のGaInNA
s活性層904aと2層のGaAsバリア層904bか
らなる多重量子井戸活性層904、第2のGaAsスペ
ーサ層905、AlAs選択酸化層906、p−AlG
aAs/p−GaAsの20ペアからなる上部ミラー層
907、p−GaAsコンタクト層908を形成する。
In Example 3, the surface emitting type semiconductor laser as shown in FIGS. 22A and 22B was manufactured by using the apparatus shown in FIG. 22 (b) is a partially enlarged view of FIG. 22 (a). The steps of manufacturing the surface-emitting type semiconductor laser of FIGS. 22 (a) and 22 (b) are as follows. That is, n
-On a GaAs (100) substrate 901, n-AlAs /
a lower mirror layer 902 consisting of 28 pairs of n-GaAs,
First GaAs spacer layer 903, three layers of GaInNA
s active layer 904a and two GaAs barrier layers 904b, multiple quantum well active layer 904, second GaAs spacer layer 905, AlAs selective oxidation layer 906, p-AlG.
An upper mirror layer 907 and a p-GaAs contact layer 908 made of 20 pairs of aAs / p-GaAs are formed.

【0135】次に、この積層構造の30μm×30μm
の領域のポスト形状のレーザ発振部の半導体柱が残るよ
うに、AlAs選択酸化層906に達する深さ以上まで
Cl 2ガスでECRエッチングする。このとき、半導体
柱の高さは、6.0μmである。
Next, the laminated structure of 30 μm × 30 μm
The semiconductor pillar of the post-shaped laser oscillator in the area
As deep as the depth of reaching the AlAs selective oxide layer 906.
Cl 2ECR etching with gas. At this time, the semiconductor
The height of the pillar is 6.0 μm.

【0136】次に、半導体柱の選択酸化AlAs膜の端
面から水蒸気を導入し約25μm2の断面の電流経路を
残し、絶縁性のAlxy膜(Alxy電流狭さく層)9
06bに変化させる。次に、非感光性ポリイミド910
をスピンコートにより塗布し、エッチングした底面から
の高さが4.0μmになるように、350℃で硬化させ
る。次に、レジストを塗布し、リソグラフィー,O2
スを用いたRIEエッチングにより、半導体柱の上面の
28μm×28μmの領域のポリイミド910を除去す
る。次に、このポリイミドを除去した半導体柱上面の光
出射部を除いた領域とポリイミド表面に、p側電極91
1及び配線部を電極膜蒸着とリフトオフ法で形成する。
また、基板901の裏面にn側電極912を形成する。
Next, water vapor was introduced from the end surface of the selectively oxidized AlAs film of the semiconductor pillar to leave a current path of a cross section of about 25 μm 2 , and an insulating Al x O y film (Al x O y current narrowing layer) 9 was formed.
Change to 06b. Next, non-photosensitive polyimide 910
Is applied by spin coating and cured at 350 ° C. so that the height from the etched bottom surface becomes 4.0 μm. Next, a resist is applied, and the polyimide 910 in the area of 28 μm × 28 μm on the upper surface of the semiconductor pillar is removed by lithography and RIE etching using O 2 gas. Next, the p-side electrode 91 is formed on a region of the upper surface of the semiconductor pillar from which the polyimide has been removed except the light emitting portion and on the polyimide surface.
1 and the wiring portion are formed by electrode film deposition and lift-off method.
Further, an n-side electrode 912 is formed on the back surface of the substrate 901.

【0137】このように作製した面発光型半導体レーザ
において、活性層904中の、Al濃度は1×1018
-3以下であり、酸素(O)濃度は2×1017cm-3
下であった。また、閾電流は室温下、CWで0.7mA
であった。
In the surface-emitting type semiconductor laser thus manufactured, the Al concentration in the active layer 904 is 1 × 10 18 c.
m −3 or less, and the oxygen (O) concentration was 2 × 10 17 cm −3 or less. In addition, the threshold current is 0.7 mA CW at room temperature.
Met.

【0138】比較例として、使用したMOCVD装置に
おいて、精製装置(精製シリンダ)5を用いないで作製
した同じ構成の面発光型半導体レーザは、活性層904
中に3×1019cm-3以上のAl及び2×1018cm-3
以上の酸素が取り込まれており、閾電流は室温下、CW
で4mA以上と著しく高い値となった。
As a comparative example, the surface-emitting type semiconductor laser of the same structure manufactured without using the refining device (refining cylinder) 5 in the MOCVD apparatus used has the active layer 904.
3 × 10 19 cm −3 or more of Al and 2 × 10 18 cm −3
The above oxygen is taken in, and the threshold current is CW at room temperature.
The value was significantly higher than 4 mA.

【0139】このことからわかるように、本発明では、
窒素原料(ヒドラジン)を窒素原料精製装置5に通すこ
とにより、水分とアルコールを除去したヒドラジンを反
応室1に供給できるので、不純物が少なく結晶品質の良
いGaInNAs系材料膜が得られ、より低い閾電流で
室温連続発振可能な面発光型半導体レーザを作製するこ
とが可能となった。
As can be seen from the above, according to the present invention,
By passing the nitrogen raw material (hydrazine) through the nitrogen raw material purifying apparatus 5, hydrazine from which water and alcohol have been removed can be supplied to the reaction chamber 1, so that a GaInNAs-based material film with few impurities and good crystal quality can be obtained, and the threshold value lower. It has become possible to fabricate a surface emitting semiconductor laser capable of continuous oscillation at room temperature with an electric current.

【0140】[0140]

【発明の効果】以上に説明したように、請求項1乃至請
求項6記載の発明によれば、窒素化合物からなる窒素原
料を金属Alまたは金属Alを含む合金に接触させた
後、反応室に輸送し、窒素(N)を含むIII−V族化合
物半導体膜を成長させるようになっており、窒素化合物
からなる窒素原料を金属Alまたは金属Alを含む合金
に接触させることで、水分とアルコールを除去した窒素
化合物からなる窒素原料を反応室に供給できるので、不
純物が少なく結晶品質の良い窒素(N)を含むIII−V
族化合物半導体膜を得ることができる。
As described above, according to the first to sixth aspects of the present invention, the nitrogen source made of the nitrogen compound is brought into contact with the metal Al or the alloy containing the metal Al, and then the reaction mixture is introduced into the reaction chamber. It is designed to transport and grow a group III-V compound semiconductor film containing nitrogen (N). By contacting a nitrogen source made of a nitrogen compound with metal Al or an alloy containing metal Al, water and alcohol are removed. Since the nitrogen raw material consisting of the removed nitrogen compound can be supplied to the reaction chamber, III-V containing nitrogen (N) with few impurities and good crystal quality
A group compound semiconductor film can be obtained.

【0141】特に、請求項2記載の発明によれば、請求
項1記載の半導体膜成長方法において、前記窒素化合物
には、少なくともヒドラジン類が含まれているので、よ
り不純物が少なくより結晶品質の良い窒素(N)を含む
III−V族化合物半導体膜を得ることができる。すなわ
ち、反応性が高く分解温度が低いことにより、良好な結
晶品質のエピタキシャル成長膜が得易いヒドラジン類を
窒素原料として用い、このヒドラジン類を請求項1の仕
方で精製することで、水分とアルコールを除去したヒド
ラジン類を反応室に供給できて、より不純物が少なくよ
り結晶品質の良い窒素(N)を含むIII−V族化合物半
導体膜を得ることができる。
In particular, according to the invention described in claim 2, in the method for growing a semiconductor film according to claim 1, since the nitrogen compound contains at least hydrazines, the nitrogen compound contains less impurities and has a higher crystal quality. Contains good nitrogen (N)
A III-V compound semiconductor film can be obtained. That is, hydrazines, which have a high reactivity and a low decomposition temperature, make it easy to obtain an epitaxially grown film of good crystal quality, are used as a nitrogen raw material, and the hydrazines are purified by the method of claim 1 to remove water and alcohol. The removed hydrazines can be supplied to the reaction chamber, and a group III-V compound semiconductor film containing nitrogen (N) with less impurities and better crystal quality can be obtained.

【0142】また、請求項3記載の発明によれば、請求
項1または請求項2記載の半導体膜成長方法において、
金属Alまたは金属Alを含む合金は液相であり、該金
属Al又は金属Alを含む合金中に窒素化合物からなる
窒素原料ガスをバブリングさせ通過させた後に、反応室
に輸送し、窒素(N)を含むIII−V族化合物半導体膜
を成長させるようになっており、金属Alまたは金属A
lを含む合金が液体で、この液体中を窒素原料ガスをバ
ブリングさせ通過させるので、気液の接触面積が大きく
とれ、窒素原料ガス中の水分とアルコールを効率よく除
去でき、より不純物が少なく結晶品質の良い窒素(N)
を含むIII−V族化合物半導体膜を得ることができる。
Further, according to the invention of claim 3, in the method of growing a semiconductor film according to claim 1 or 2,
The metal Al or the alloy containing the metal Al is in a liquid phase, and a nitrogen source gas made of a nitrogen compound is bubbled through the metal Al or the alloy containing the metal Al, and then the gas is transported to a reaction chamber to obtain nitrogen (N). A group III-V compound semiconductor film containing Al is grown.
Since the alloy containing 1 is a liquid and the nitrogen source gas is bubbled through this liquid to pass through it, a large contact area between the gas and liquid can be taken, water and alcohol in the nitrogen source gas can be removed efficiently, and the amount of impurities is reduced High quality nitrogen (N)
It is possible to obtain a III-V compound semiconductor film containing

【0143】また、請求項4記載の発明によれば、請求
項1または請求項2記載の半導体膜成長方法において、
金属Alまたは金属Alを含む合金は固相であり、粒子
状または微粒子状または膜状または多孔質であるので、
窒素原料ガスと金属Alまたは金属Alを含む合金との
接触面積が大きくとれ、窒素原料ガス中の水分とアルコ
ールを効率よく除去でき、より不純物が少なく結晶品質
の良い窒素(N)を含むIII−V族化合物半導体膜を得
ることができる。
Further, according to the invention of claim 4, in the method of growing a semiconductor film according to claim 1 or 2,
Since the metal Al or the alloy containing the metal Al is in a solid phase and is in the form of particles, fine particles, film or porous,
A large contact area between the nitrogen source gas and metallic Al or an alloy containing metallic Al enables efficient removal of water and alcohol in the nitrogen source gas, and nitrogen (N) containing less impurities and good crystal quality III- A group V compound semiconductor film can be obtained.

【0144】また、請求項5記載の発明によれば、請求
項1乃至請求項4のいずれか一項に記載の半導体膜成長
方法において、窒素(N)を含むIII−V族化合物半導
体膜は、GaN系材料であり、不純物が少なく結晶品質
のよいGaN系材料膜を得ることができる。
According to the invention of claim 5, in the method for growing a semiconductor film according to any one of claims 1 to 4, the III-V group compound semiconductor film containing nitrogen (N) is , Which is a GaN-based material, can obtain a GaN-based material film with few impurities and good crystal quality.

【0145】また、請求項6記載の発明によれば、請求
項1乃至請求項4のいずれか一項に記載の半導体膜成長
方法において、窒素(N)を含むIII−V族化合物半導
体膜は、GaInNAs系材料であり、不純物が少なく
結晶品質の良いGaInNAs系材料膜を得ることがで
きる。
According to the invention described in claim 6, in the method for growing a semiconductor film according to any one of claims 1 to 4, the III-V group compound semiconductor film containing nitrogen (N) is , A GaInNAs-based material, which has few impurities and has good crystal quality, can be obtained.

【0146】また、請求項7記載の発明によれば、窒素
化合物からなる窒素原料を金属Alまたは金属Alを含
む合金に接触させて窒素原料を精製するようになってい
るので、窒素原料から不純物(水分とアルコール)を除
去することができ、窒素原料を十分精製することができ
る。
According to the seventh aspect of the invention, the nitrogen source made of the nitrogen compound is brought into contact with the metal Al or the alloy containing the metal Al to purify the nitrogen source. (Water and alcohol) can be removed, and the nitrogen raw material can be sufficiently purified.

【0147】また、請求項8記載の発明によれば、窒素
(N)を含むIII−V族化合物半導体膜を成長させるた
めの反応室と、反応室にIII族原料を供給するためのIII
族原料源と、反応室にV族原料を供給するためのV族原
料源と、窒素原料源と、窒素原料源からの窒素化合物か
らなる窒素原料から不純物を除去して反応室に供給する
窒素原料精製装置とを有し、前記窒素原料精製装置に
は、請求項7記載の窒素原料精製装置が用いられるの
で、より不純物が少なく結晶品質の良い窒素(N)を含
むIII−V族化合物半導体膜の作製が可能になる。
According to the invention described in claim 8, a reaction chamber for growing a III-V group compound semiconductor film containing nitrogen (N) and a III group for supplying a group III source material to the reaction chamber.
Group source material, group V source source for supplying group V source to the reaction chamber, nitrogen source, and nitrogen supplied to the reaction chamber after removing impurities from the nitrogen source consisting of the nitrogen compound from the nitrogen source A raw material refining apparatus, and the nitrogen raw material refining apparatus according to claim 7 is used as the nitrogen raw material refining apparatus. Therefore, a III-V compound semiconductor containing nitrogen (N) with less impurities and good crystal quality is included. It enables the production of a film.

【0148】また、請求項9記載の発明によれば、請求
項5記載の半導体膜成長方法を用いて作製され、活性層
にGaN系材料が含まれている半導体レーザであるの
で、良好な結晶品質を持つ構成膜をもつ半導体レーザ構
成を得ることができる。特に、GaN系材料を含む活性
層の結晶品質が向上する。さらに、活性層にGaN系材
料を含むので、広い応用展開が期待される可視-紫外領
域の発振波長が得られる。従って、低いしきい値電流と
高い発光効率と高い信頼性をもつ長寿命の、可視-紫外
領域に発振波長を持つ半導体レーザを得ることができ
る。
Further, according to the invention described in claim 9, since it is a semiconductor laser which is manufactured by using the semiconductor film growth method described in claim 5 and the active layer contains a GaN-based material, a good crystal is obtained. A semiconductor laser structure having a quality constituent film can be obtained. In particular, the crystal quality of the active layer containing the GaN-based material is improved. Further, since the active layer contains a GaN-based material, it is possible to obtain an oscillation wavelength in the visible-ultraviolet region, which is expected to be widely applied. Therefore, it is possible to obtain a semiconductor laser having an oscillation wavelength in the visible-ultraviolet region, which has a low threshold current, high luminous efficiency, and high reliability, and has a long life.

【0149】また、請求項10記載の発明によれば、請
求項6記載の半導体膜成長方法を用いて作製され、活性
層にGaInNAs系材料が含まれている半導体レーザ
であるので、良好な結晶品質を持つ構成膜をもつ半導体
レーザを得ることができる。特に、GaInNAs系材
料を含む活性層の結晶品質が顕著に向上する。さらに、
この半導体レーザは活性層にGaInNAs系材料を含
むので、光ファイバーとの整合性の高い赤外領域で発光
する。さらに、キャリアの閉じ込めが良好なので、温度
の変化に対し発光特性の変化が少ない。よって、低いし
きい値電流と高い発光効率と良好な温度特性と高い信頼
性をもつ長寿命の、光通信への適用性がよい発振波長を
もつ、赤外光半導体レーザを得ることができる。
According to the tenth aspect of the invention, since the semiconductor laser is manufactured by using the semiconductor film growth method according to the sixth aspect and the GaInNAs-based material is contained in the active layer, a good crystal is obtained. It is possible to obtain a semiconductor laser having a quality constituent film. In particular, the crystal quality of the active layer containing the GaInNAs-based material is significantly improved. further,
Since this semiconductor laser contains a GaInNAs-based material in the active layer, it emits light in the infrared region, which is highly compatible with optical fibers. Further, since the carriers are well confined, the change in the light emission characteristics is small with respect to the change in temperature. Therefore, it is possible to obtain an infrared light semiconductor laser having a low threshold current, high emission efficiency, good temperature characteristics, high reliability, a long life, and an oscillation wavelength that is suitable for optical communication.

【0150】また、請求項11記載の発明によれば、請
求項10記載の半導体レーザにおいて、該半導体レーザ
は、AlxGa(1-x)As/AlyGa(1-y)As(0≦y
<x≦1)半導体多層膜反射鏡を少なくとも1つ含む面
発光型半導体レーザであり、AlxGa(1-x)As/Al
yGa(1-y)As(0≦y<x≦1)半導体多層膜を面発
光型半導体レーザの反射鏡として用いても、酸素元素の
活性層への取り込みが低減できるので、少ない層数で高
い反射率を得ることができる半導体多層膜をもちなが
ら、欠陥の少ない良好な品質の活性層をもつ面発光型半
導体レーザの作製が可能になる。よって、高い歩留ま
り,低いコストの工程,簡便な構成で作製できる、低い
素子抵抗,低いしきい値電流,高い発光効率,高い信頼
性をもち温度特性の良い面発光型半導体レーザを得るこ
とができる。
[0150] Also, according to the invention of claim 11, wherein, in the semiconductor laser according to claim 10, the semiconductor laser, Al x Ga (1-x ) As / Al y Ga (1-y) As (0 ≤ y
<X ≦ 1) A surface-emitting type semiconductor laser including at least one semiconductor multilayer film reflecting mirror, wherein Al x Ga (1-x) As / Al.
Even when a y Ga (1-y) As (0 ≦ y <x ≦ 1) semiconductor multilayer film is used as a reflecting mirror of a surface-emitting type semiconductor laser, incorporation of oxygen element into the active layer can be reduced, so that the number of layers is small. It becomes possible to fabricate a surface-emitting type semiconductor laser having an active layer of good quality with few defects, while having a semiconductor multilayer film capable of obtaining a high reflectance. Therefore, it is possible to obtain a surface-emitting type semiconductor laser having a high yield, a low cost process, and a simple structure, which has a low element resistance, a low threshold current, a high luminous efficiency, a high reliability, and a good temperature characteristic. .

【0151】また、請求項12記載の発明によれば、請
求項10または請求項11記載の半導体レーザが光源と
して用いられている光通信システムであるので、冷却装
置を必要としない簡便な構成で信頼性の高い高性能な光
通信システムを得ることができる。
According to the twelfth aspect of the invention, since the semiconductor laser of the tenth or eleventh aspect is an optical communication system that is used as a light source, a simple structure that does not require a cooling device is provided. A highly reliable and high performance optical communication system can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本願の発明者のMOCVD装置で作製したGa
InNAs量子井戸層とGaAsバリア層とからなるG
aInNAs/GaAs 2重量子井戸構造からなる活
性層からの室温フォトルミネッセンススペクトルを示す
図である。
FIG. 1 is a Ga produced by an MOCVD apparatus of the inventor of the present application.
G composed of InNAs quantum well layer and GaAs barrier layer
It is a figure which shows the room temperature photoluminescence spectrum from the active layer which consists of aInNAs / GaAs double quantum well structure.

【図2】半導体発光素子の試料構造を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a sample structure of a semiconductor light emitting device.

【図3】図2に示した半導体発光素子の一例として、ク
ラッド層をAlGaAsとし、中間層をGaAsとし、
活性層をGaInNAs/GaAs2重量子井戸構造と
して構成した素子を1台のエピタキシャル成長装置(M
OCVD装置)を用いて形成したときの、窒素(N)濃
度と酸素(O)濃度の深さ方向分布を示す図である。
3 is an example of the semiconductor light emitting device shown in FIG. 2, in which the clad layer is AlGaAs and the intermediate layer is GaAs,
An element in which the active layer has a GaInNAs / GaAs double quantum well structure is used as one epitaxial growth apparatus (M
It is a figure which shows the depth direction distribution of nitrogen (N) density | concentration and oxygen (O) density when it forms using an OCVD apparatus.

【図4】図3と同じ試料のAl濃度の深さ方向分布を示
す図である。
FIG. 4 is a diagram showing a distribution of Al concentration in the depth direction of the same sample as FIG.

【図5】本発明に係る半導体膜成長装置の構成例を示す
図である。
FIG. 5 is a diagram showing a configuration example of a semiconductor film growth apparatus according to the present invention.

【図6】金属Alまたは金属Alを含む合金が液相のも
のである場合、金属Alまたは金属Alを含む合金中を
窒素化合物からなる窒素原料ガスをバブリングさせ通過
させた後に、反応室に輸送する精製装置の構成例を示す
図である。
FIG. 6 shows a case where the metal Al or the alloy containing the metal Al is in a liquid phase, after bubbling a nitrogen source gas consisting of a nitrogen compound through the metal Al or the alloy containing the metal Al and passing the gas into the reaction chamber. It is a figure which shows the structural example of the refining apparatus which does.

【図7】固体Alまたは固体Al合金のペレットまたは
微粒子を用いた精製装置の一例を示す図である。
FIG. 7 is a diagram showing an example of a refining apparatus using solid Al or solid Al alloy pellets or fine particles.

【図8】固体Alまたは固体Al合金のペレットまたは
微粒子を用いた精製装置の他の例を示す図である。
FIG. 8 is a diagram showing another example of a refining apparatus using solid Al or solid Al alloy pellets or fine particles.

【図9】窒素原料源が液体である場合に、窒素原料をバ
ブリングによって供給する構成例を示す図である。
FIG. 9 is a diagram showing a configuration example in which a nitrogen raw material is supplied by bubbling when the nitrogen raw material source is a liquid.

【図10】窒素原料源が液体である場合に、窒素原料を
バブリングによって供給する構成例を示す図である。
FIG. 10 is a diagram showing a configuration example in which a nitrogen source is supplied by bubbling when the nitrogen source is a liquid.

【図11】MOCVD装置でGaN系材料のエピタキシ
ャル成長膜を成長させる場合の装置構成例を示す図であ
る。
FIG. 11 is a diagram showing an example of a device configuration in the case of growing an epitaxial growth film of a GaN-based material with a MOCVD device.

【図12】MOCVD装置でGaInNAs系材料のエ
ピタキシャル成長膜を成長させる場合の装置構成例を示
す図である。
FIG. 12 is a diagram showing a device configuration example in the case of growing an epitaxial growth film of a GaInNAs-based material with a MOCVD device.

【図13】InGaN膜を活性層とするSCH型レーザ
ー素子の場合で、端面発光型半導体レーザの構成例を示
す図である。
FIG. 13 is a diagram showing a configuration example of an edge emitting semiconductor laser in the case of an SCH type laser device having an InGaN film as an active layer.

【図14】InGaN膜をウェル層としAlGaNをバ
リア層とする量子井戸構造(QW)活性層の面発光型半
導体レーザの構成例を示す図である。
FIG. 14 is a diagram showing a configuration example of a surface-emitting type semiconductor laser having a quantum well structure (QW) active layer in which an InGaN film is a well layer and AlGaN is a barrier layer.

【図15】GaInNAs膜を活性層とするSCH型レ
ーザー素子の場合で、端面発光型半導体レーザの構成例
を示す図である。
FIG. 15 is a diagram showing a configuration example of an edge-emitting semiconductor laser in the case of a SCH laser device having a GaInNAs film as an active layer.

【図16】GaInNAs膜をウェル層としGaAsを
バリア層とする量子井戸構造(QW)活性層の面発光型
半導体レーザの構成例を示す図である。
FIG. 16 is a diagram showing a configuration example of a surface-emitting type semiconductor laser having a quantum well structure (QW) active layer in which a GaInNAs film is a well layer and GaAs is a barrier layer.

【図17】本発明の半導体レーザ(面発光型半導体レー
ザ)を用いた並列伝送方式光通信システム(光伝送シス
テム)の一例を示す図である。
FIG. 17 is a diagram showing an example of a parallel transmission type optical communication system (optical transmission system) using the semiconductor laser (surface-emitting type semiconductor laser) of the present invention.

【図18】本発明の面発光型半導体レーザを用いた多波
長伝送方式光通信システム(光伝送システム)の一例を
示す図である。
FIG. 18 is a diagram showing an example of a multi-wavelength transmission type optical communication system (optical transmission system) using the surface-emitting type semiconductor laser of the present invention.

【図19】図11のMOCVD装置を用いて作製した半
導体レーザを示す図である。
19 is a diagram showing a semiconductor laser manufactured using the MOCVD apparatus in FIG.

【図20】図12のMOCVD装置を用いて作製した半
導体レーザを示す図である。
FIG. 20 is a diagram showing a semiconductor laser manufactured using the MOCVD apparatus in FIG.

【図21】MOCVD装置の一例を示す図である。FIG. 21 is a diagram showing an example of a MOCVD apparatus.

【図22】実施例3の面発光型半導体レーザ素子を示す
図である。
22 is a diagram showing a surface-emitting type semiconductor laser device of Example 3. FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

201 GaAs基板 202 下部クラッド層 203 中間層 204 活性層 205 上部クラッド層 1 反応室 2 III族原料源 3 V族原料源 4 窒素原料源 5 精製装置 6 ガス排気部 11 第1のバブラ 21 第1のバブラ 22 第2のバブラ 31 NH3ガスのボンベ 41 第1のバブラ 301 選択成長GaN膜の基板 302 バッファGaN層 303 下地n−GaN層 304 n−AlGaNクラッド層 305 n−GaNガイド層 306 InGaN活性層 307 p−GaNガイド層 308 p−AlGaNクラッド層 309 p−GaNコンタクト層 310 p−電極 311 n−電極 401 選択成長GaN膜の基板 402 AlNバッファ層 403 GaNバッファ層 404 半導体多層膜反射鏡(下部半導体分布
ブラッグ反射鏡) 405 n−GaNコンタクト層 406 n−GaNスペーサ層 407 InGaN/AlGaN量子井戸(Q
W)活性層 408 p−GaNスペーサ層 409 p−GaNコンタクト層 410 半導体多層膜反射鏡(上部半導体分布
ブラッグ反射鏡) 411 電流狭窄部 412 p−電極 413 n−電極 501 GaAs単結晶基板 502 n−クラッド層 503 ガイド層 504 GaInNAs活性層 505 ガイド層 506 p−クラッド層 507 p−電極(ストライプ状電極) 508 n−電極(下部電極膜) 601 n−GaAs単結晶基板 602 n−半導体多層膜反射鏡 603 スペーサ層 604 GaInNAs/GaAs量子井戸
(QW)活性層 605 スペーサ層 606 p−半導体多層膜反射鏡 607 p−コンタクト層 608 電流狭窄部 609 p側電極 610 n側電極
201 GaAs substrate 202 Lower clad layer 203 Intermediate layer 204 Active layer 205 Upper clad layer 1 Reaction chamber 2 Group III source material 3 Group V source material 4 Nitrogen source source 5 Refining device 6 Gas exhaust section 11 First bubbler 21 First Bubbler 22 Second bubbler 31 NH 3 gas cylinder 41 First bubbler 301 Substrate of selectively grown GaN film 302 Buffer GaN layer 303 Base n-GaN layer 304 n-AlGaN cladding layer 305 n-GaN guide layer 306 InGaN active layer 307 p-GaN guide layer 308 p-AlGaN cladding layer 309 p-GaN contact layer 310 p-electrode 311 n-electrode 401 substrate for selective growth GaN film 402 AlN buffer layer 403 GaN buffer layer 404 semiconductor multilayer film mirror (lower semiconductor Distributed Bragg reflector) 405 n-GaN contact Layer 406 n-GaN spacer layer 407 InGaN / AlGaN quantum wells (Q
W) Active layer 408 p-GaN spacer layer 409 p-GaN contact layer 410 Semiconductor multilayer film reflection mirror (upper semiconductor distributed Bragg reflection mirror) 411 Current constriction portion 412 p-electrode 413 n-electrode 501 GaAs single crystal substrate 502 n- Cladding layer 503 Guide layer 504 GaInNAs active layer 505 Guide layer 506 p-cladding layer 507 p-electrode (striped electrode) 508 n-electrode (lower electrode film) 601 n-GaAs single crystal substrate 602 n-semiconductor multilayer film reflector 603 spacer layer 604 GaInNAs / GaAs quantum well (QW) active layer 605 spacer layer 606 p-semiconductor multilayer film reflecting mirror 607 p-contact layer 608 current constriction portion 609 p-side electrode 610 n-side electrode

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 21/205 H01L 21/205 5F102 21/338 H01S 5/183 5K002 29/812 5/323 610 H01S 5/183 H01L 29/80 B 5/323 610 H04B 9/00 W H04B 10/02 10/28 (72)発明者 高橋 孝志 東京都大田区中馬込1丁目3番6号 株式 会社リコー内 (72)発明者 上西 盛聖 東京都大田区中馬込1丁目3番6号 株式 会社リコー内 Fターム(参考) 4D020 AA08 AA10 BA06 BB01 BB02 CA05 CB01 4G075 AA24 BC04 CA51 CA54 CA57 DA02 FB02 4G077 AA03 BE11 BE15 DB08 EG22 TH02 5F045 AA04 AA05 AB09 AB14 AB17 AB18 AB19 AC19 BB16 CA01 CA06 CA09 CA13 DA52 DA63 5F073 AA04 AA45 AA65 AA74 AB17 CA07 CB05 CB07 DA05 EA29 5F102 GB01 GC01 GD01 GJ04 GL04 GM04 HC01 5K002 AA01 BA01 BA13 DA02 FA01─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI theme code (reference) H01L 21/205 H01L 21/205 5F102 21/338 H01S 5/183 5K002 29/812 5/323 610 H01S 5 / 183 H01L 29/80 B 5/323 610 H04B 9/00 W H04B 10/02 10/28 (72) Inventor Takashi Takahashi 1-3-6 Nakamagome, Ota-ku, Tokyo In-house of Ricoh Company (72) Kaminishi Seisei Nakamamagome 1-3-6, Ota-ku, Tokyo F-term in Ricoh Co., Ltd. (reference) 4D020 AA08 AA10 BA06 BB01 BB02 CA05 CB01 4G075 AA24 BC04 CA51 CA54 CA57 DA02 FB02 4G077 AA03 BE11 BE15 DB08 EG22 TH04 5F045 A0 AA05 AB09 AB14 AB17 AB18 AB19 AC19 BB16 CA01 CA06 CA09 CA13 DA52 DA63 5F073 AA04 AA45 AA65 AA74 AB17 CA07 CB05 CB07 DA05 EA29 5F102 GB01 GC01 GD01 GJ04 GL04 GM04 HC01 5K002 AA01 BA01 BA13 DA02 FA01

Claims (12)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 窒素化合物からなる窒素原料を金属Al
または金属Alを含む合金に接触させた後、反応室に輸
送し、窒素(N)を含むIII−V族化合物半導体膜を成
長させることを特徴とする半導体膜成長方法。
1. A nitrogen source made of a nitrogen compound is used as a metal Al.
Alternatively, a method for growing a semiconductor film, which comprises contacting with an alloy containing metal Al and then transporting the alloy to a reaction chamber to grow a III-V group compound semiconductor film containing nitrogen (N).
【請求項2】 請求項1記載の半導体膜成長方法におい
て、前記窒素化合物には、少なくともヒドラジン類が含
まれていることを特徴とする半導体膜成長方法。
2. The method for growing a semiconductor film according to claim 1, wherein the nitrogen compound contains at least hydrazines.
【請求項3】 請求項1または請求項2記載の半導体膜
成長方法において、金属Alまたは金属Alを含む合金
は液相であり、該金属Al又は金属Alを含む合金中に
窒素化合物からなる窒素原料ガスをバブリングさせ通過
させた後に、反応室に輸送し、窒素(N)を含むIII−
V族化合物半導体膜を成長させることを特徴とする半導
体膜成長方法。
3. The method for growing a semiconductor film according to claim 1, wherein the metal Al or the alloy containing the metal Al is in a liquid phase, and the metal Al or the alloy containing the metal Al contains nitrogen containing a nitrogen compound. After bubbling the raw material gas and passing it, the raw material gas is transported to a reaction chamber and contains nitrogen (N) III-
A method for growing a semiconductor film, which comprises growing a Group V compound semiconductor film.
【請求項4】 請求項1または請求項2記載の半導体膜
成長方法において、金属Alまたは金属Alを含む合金
は固相であり、粒子状または微粒子状または膜状または
多孔質であることを特徴とする半導体膜成長方法。
4. The method for growing a semiconductor film according to claim 1, wherein the metal Al or an alloy containing metal Al is a solid phase and is in the form of particles, fine particles, a film or a porous material. A method for growing a semiconductor film.
【請求項5】 請求項1乃至請求項4のいずれか一項に
記載の半導体膜成長方法において、窒素(N)を含むII
I−V族化合物半導体膜は、GaN系材料であることを
特徴とする半導体膜成長方法。
5. The method for growing a semiconductor film according to claim 1, wherein the film contains nitrogen (N) II.
A method for growing a semiconductor film, wherein the IV compound semiconductor film is a GaN-based material.
【請求項6】 請求項1乃至請求項4のいずれか一項に
記載の半導体膜成長方法において、窒素(N)を含むII
I−V族化合物半導体膜は、GaInNAs系材料であ
ることを特徴とする半導体膜成長方法。
6. The method of growing a semiconductor film according to claim 1, further comprising II containing nitrogen (N).
The semiconductor film growth method, wherein the IV compound semiconductor film is a GaInNAs-based material.
【請求項7】 窒素化合物からなる窒素原料を金属Al
または金属Alを含む合金に接触させて窒素原料を精製
するようになっていることを特徴とする窒素原料精製装
置。
7. A nitrogen source made of a nitrogen compound is used as a metal Al.
Alternatively, the nitrogen raw material refining apparatus is characterized in that the nitrogen raw material is refined by bringing it into contact with an alloy containing metallic Al.
【請求項8】 窒素(N)を含むIII−V族化合物半導
体膜を成長させるための反応室と、反応室にIII族原料
を供給するためのIII族原料源と、反応室にV族原料を
供給するためのV族原料源と、窒素原料源と、窒素原料
源からの窒素化合物からなる窒素原料から不純物を除去
して反応室に供給する窒素原料精製装置とを有し、前記
窒素原料精製装置には、請求項7記載の窒素原料精製装
置が用いられることを特徴とする半導体膜成長装置。
8. A reaction chamber for growing a group III-V compound semiconductor film containing nitrogen (N), a group III source material for supplying a group III source material to the reaction chamber, and a group V source material for the reaction chamber. A nitrogen source, a nitrogen source, and a nitrogen source refining device for removing impurities from the nitrogen source consisting of a nitrogen compound from the nitrogen source and supplying the nitrogen source to the reaction chamber. A semiconductor film growth apparatus, wherein the nitrogen source purification apparatus according to claim 7 is used as the purification apparatus.
【請求項9】 請求項5記載の半導体膜成長方法を用い
て作製され、活性層にGaN系材料が含まれていること
を特徴とする半導体レーザ。
9. A semiconductor laser produced by the method for growing a semiconductor film according to claim 5, wherein the active layer contains a GaN-based material.
【請求項10】 請求項6記載の半導体膜成長方法を用
いて作製され、活性層にGaInNAs系材料が含まれ
ていることを特徴とする半導体レーザ。
10. A semiconductor laser manufactured by the method for growing a semiconductor film according to claim 6, wherein the active layer contains a GaInNAs-based material.
【請求項11】 請求項10記載の半導体レーザにおい
て、該半導体レーザは、AlxGa(1-x)As/Aly
(1-y)As(0≦y<x≦1)半導体多層膜反射鏡を
少なくとも1つ含む面発光型半導体レーザであることを
特徴とする半導体レーザ。
11. The semiconductor laser of claim 10, the semiconductor laser, Al x Ga (1-x ) As / Al y G
a (1-y) As (0 ≦ y <x ≦ 1) A surface emitting semiconductor laser including at least one semiconductor multilayer film reflecting mirror.
【請求項12】 請求項10または請求項11記載の半
導体レーザが光源として用いられていることを特徴とす
る光通信システム。
12. An optical communication system, wherein the semiconductor laser according to claim 10 or 11 is used as a light source.
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