JP2013179187A

JP2013179187A - 半導体素子

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Publication number: JP2013179187A
Application number: JP2012042305A
Authority: JP
Inventors: Masakazu Arai; 昌和荒井; Masaki Kamitoku; 正樹神徳; Ryuzo Iga; 龍三伊賀
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2012-02-28
Filing date: 2012-02-28
Publication date: 2013-09-09

Abstract

【課題】本発明は、高温環境下での光半導体素子の高性能化を可能にする半導体素子に関する。
【解決手段】本発明の半導体素子は、ＧａＡｓ基板上に形成されたバッファ層と、前記バッファ層上に形成され、５から３０％の範囲のＩｎ組成を有する格子緩和層と、前記格子緩和層上に形成された下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に形成された量子井戸活性層と、前記量子井戸活性層上に形成されたＩｎＡｌＧａＡｓからなるキャリアストッパー層と、ＩｎＧａＰからなる上部クラッド層とを備え、前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層は前記量子井戸活性層の屈折率よりも低い屈折率を有し、前記上部クラッド層は前記量子井戸活性層及び前記上部クラッド層により前記キャリアストッパー層を挟み込むように形成されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、特に高温環境下での光半導体素子の高性能化を可能にする半導体素子に関する。

１．３μｍ〜１．５５μｍの波長を有する光源を用いた従来の光ファイバ通信は、バンドギャップ及び格子定数の関係上作製しやすいＩｎＰ基板上ＩｎＧａＡｓＰ系レーザが用いられてきた。ＩｎＰ基板上ＩｎＧａＡｓＰ系レーザにおいては、通常、発振特性の改善のために活性層に歪量子井戸構造を採用している。

一般的に、ＩｎＰ基板上ＩｎＧａＡｓＰ系レーザにおいて、量子井戸活性層の歪量を増大させれば微分利得の向上によりレーザ特性が改善することが知られているが、大きすぎる歪は結晶性の劣化を招く。そのため、レーザの構成材料としては、ＩｎＰ基板との格子定数差を考慮して、量子井戸層として１％前後の圧縮歪となるＩｎＧａＡｓＰを用い、障壁層としてＩｎＰ基板と格子整合した組成となるＩｎＧａＡｓＰを用いることが一般的である。

このような従来のＩｎＰ基板上ＩｎＧａＡｓＰ系レーザでは、伝導帯側の量子井戸層と障壁層との間のバンド不連続が小さいため、高温条件下にすると電子のオーバーフローによる光学利得の低下が生じ、閾値電流の増加及び効率の低下を引き起こす。そのため、閾値電流の温度依存性を示す特性温度が５０Ｋ程度と低く、温度調整器の使用が不可欠であった。

また、ＩｎＰ基板上において、ＩｎＧａＡｓＰ系レーザより大きなバンド不連続を有するとされるＩｎＡｌＧａＡｓ系レーザも開発されている。ＩｎＡｌＧａＡｓ系レーザは、ＩｎＧａＡｓＰ系レーザと比較して温度特性は改善されているが、ＧａＡｓ基板上の短波長のＩｎＧａＡｓ系レーザに比べると、その温度特性はまだ劣っている。さらに、ＩｎＡｌＧａＡｓ系レーザでは、Ａｌを含む材料固有の酸化による信頼性劣化が懸念される（例えば、非特許文献１参照）。

ＧａＡｓ基板上では、比較的短波長の０．７８μｍ、０．８５μｍ、０．９８μｍ、１．０６μｍ帯レーザが実用化されており、特性温度１５０Ｋを超える優れた温度特性を示している。これは、伝導帯側の大きなバンドオフセットによるものである。上記の０．９８μｍや１．０６μｍ帯レーザで用いられるＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ歪量子井戸構造によって１．３μｍでの発光を得るためには、Ｉｎ組成を５０％程度に高める必要がある（例えば、非特許文献２、３参照）。

Tsutomu Munakata, Keizo Takemasa, Masao Kabayashi, Hiroshi Wada, "High−temperature operation of 1.3−μｍ AIGalnAs/lnP strained multiple quantum well lasers with an AllnAs electron stopper layer", 1998年5月6日, p. 293. H. Fukano, Y. Noguchi, S. Kondo, "1.5μｍ InGaAlAs−strained MQW ridge−waveguide laser diodes with hot−carrier injection suppression structure", ELECTRONICS LETTERS, 1999年1月7日, Vol. 35 No. 1. H. Kurakake, T. Uchida, T. Higashi, S, Ogita, M. Kobayashi, "1.3μｍ high To strained MQW laser with AlGaInAs SCH layers on a hetero−epitaxial InGaAs buffer layer", 1994年9月19日, p. 71−72.

しかしながら、Ｉｎ組成の増加とともにＩｎＧａＡｓ量子井戸層とＧａＡｓ基板との格子不整合が大きくなり、３次元成長やミスフィット転位が生じるため、ＧａＡｓ基板上ＩｎＧａＡｓレーザにおいて１．３μｍ以上の波長帯での高品質な量子井戸の形成は困難であった。

特に、ＧａＡｓ基板上にＩｎＧａＡｓ又はＩｎＡｌＡｓからなるバッファ層を成長し、格子定数を変化させ、通信波長帯である１．３μｍ以上の波長を有するレーザにおいて、ＧａＡｓ基板側の下部クラッド層に平坦性の高いＩｎＡｌＧａＡｓを用い、その反対側の上部クラッド層にＩｎＧａＰを用いる場合がある。通常、ＩｎＡｌＧａＡｓからなる下部クラッド層はｎ型にドーピングされ、ＩｎＧａＰからなる上部クラッド層はｐ型にドーピングされる。そのような場合、ｎ型の下部クラッド層のバンドギャップがｐ型の上部クラッド層のバンドギャップよりも大きくなるため、高温時にｎ型の下部クラッド層から注入されるエネルギーの高い電子が、活性層を抜けてｐ型の上部クラッド層に入り、非発光再結合する割合が高くなり、レーザ特性の悪化を引き起こしていた。この現象は、ＩｎＰ基板及びＩｎＧａＡｓ系材料でも起こるため、解決が必要とされていた。

本発明は、高温環境下や半導体レーザに大電流を流して使用する際の自己発熱により内部の活性層が高温になる環境下において、電子が活性層の量子井戸からクラッド層にあふれだし、そこで発光に寄与せずに再結合し、特性が劣化する課題を解決するものである。

上述のような問題を解決するために、本発明の請求項１に記載の半導体素子は、ＧａＡｓ基板と、前記ＧａＡｓ基板上に形成されたバッファ層と、前記バッファ層上に形成され、前記ＧａＡｓ基板より格子定数が大きく格子緩和し、５から３０％の範囲のＩｎ組成を有する格子緩和層と、前記格子緩和層上に形成され、ｎ型にドーピングされた下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に形成された、量子井戸構造を有する量子井戸活性層と、前記量子井戸活性層上に形成され、ｐ型にドーピングされたＩｎＡｌＧａＡｓからなるキャリアストッパー層と、ｐ型にドーピングされたＩｎＧａＰからなる上部クラッド層とを備え、前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層は、前記量子井戸活性層の屈折率よりも低い屈折率を有し、前記上部クラッド層は、前記量子井戸活性層及び前記上部クラッド層により前記キャリアストッパー層を挟み込むように形成されていることを特徴とする。

本発明の請求項２に記載の半導体素子は、本発明の請求項１に記載の半導体素子であって、前記下部クラッド層は、ＩｎＡｌＧａＡｓまたはＩｎＧａＰからなることを特徴とする。

本発明の請求項３に記載の半導体素子は、本発明の請求項１又は２に記載の半導体素子であって、前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層は、前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層の格子定数が等しくなるような組成を有することを特徴とする。

本発明の請求項４に記載の半導体素子は、本発明の請求項１から３のいずれかに記載の半導体素子であって、前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層は、前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層の屈折率が等しくなるような組成を有することを特徴とする。

本発明の請求項５に記載の半導体素子は、本発明の請求項１から４のいずれかに記載の半導体素子であって、前記バッファ層及び前記格子緩和層は、ＩｎＧａＡｓ又はＩｎＡｌＡｓからなることを特徴とする。

本発明の請求項６に記載の半導体素子は、本発明の請求項１から４のいずれかに記載の半導体素子であって、前記キャリアストッパー層上に形成されたエッチングストッパー層と、前記上部クラッド層上に形成されたコンタクト層と、前記エッチングストッパー層上に形成された前記上部クラッド層と前記コンタクト層とを挟み込むように、前記エッチングストッパー層上に形成された埋め込み層とをさらに備えることを特徴とする。

本発明の請求項７に記載の半導体素子は、本発明の請求項６に記載の半導体素子であって、前記バッファ層が形成されていない側の前記ＧａＡｓ基板上に形成されたｎ型電極と、前記コンタクト層上に形成されたｐ型電極とをさらに備えることを特徴とする。

本発明の請求項８に記載の半導体素子は、本発明の請求項１から７のいずれかに記載の半導体素子であって、前記量子井戸活性層の利得を有する波長が１．１〜１．４μｍであることを特徴とする。

本発明に係る半導体素子は、ＧａＡｓ基板上に格子定数を変化させたＩｎＧａＡｓ又はＩｎＡｌＡｓからなるバッファ層を有する通信波長帯半導体レーザにおいて、下部クラッド層と上部クラッド層との間にｐ型のＩｎＡｌＧａＡｓからなるキャリアストッパー層を備える。それにより、高温環境下においても下部クラッド層から活性層を超えて上部クラッド層に電子がオーバーフローする非発光成分を抑えることができ、特性の変化の小さい温度調整器が不要な高性能な半導体レーザの実現が可能となる。

本発明に係る半導体素子の層構造を示す図である。半導体レーザの閾値電流の温度依存性を示す図である。

上記課題を解決するため、数多くの実験的検討を行った結果、本発明者らは、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）を用いて基板上にバッファ層及び格子緩和層を成長した後、この上に下部クラッド層及び上部クラッド層を成長する際に、下部クラッド層上にある量子井戸活性層と上部クラッド層との間にキャリアストッパー層を導入した場合、半導体レーザの閾値電流の温度依存性が著しく小さくなること、すなわち温度特性が著しく向上することを見出し、この知見に基づいて本発明に至ったものである。

図１は、本発明に係る半導体素子１００の層構造を示す。図１には、ｎ型電極１０１、ＧａＡｓ基板１０２、ｎ型Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓからなるバッファ層１０３、ｎ型Ｉｎ_yＧａ_1-yＡｓからなる格子緩和層１０４、下部クラッド層１０５、量子井戸活性層１０６、キャリアストッパー層１０７及びエッチングストッパー層１０８が順次積層され、エッチングストッパー層１０８上に埋め込み層１０９及び上部クラッド層１１０が形成され、上部クラッド層１１０上にコンタクト層１１１が形成され、埋め込み層１０９及びコンタクト層１１１上にｐ型電極１１２が形成された半導体レーザ１００が示されている。埋め込み層１０９は、エッチングストッパー層１０８上で、上部クラッド層１１０及びコンタクト層１１１を挟み込むように形成されている。

以下、本発明に係る半導体素子１００の構成及び作製方法を例示する。本発明に係る半導体素子１００の作製する際の各層の成長は、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）を用いて行った。ここで、以下に記載された数値等は例示であり、本発明を限定することを意図したものではない。

まず、Ｓｉを５×１０¹⁷（ｃｍ^-3）ドープした厚さ１００ｎｍのＧａＡｓ基板１０２上に、Ｓｉを１×１０¹⁸（ｃｍ^-3）ドープしたｎ型Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓからなるバッファ層１０３を１６００ｎｍ成長する。ｎ型Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓからなるバッファ層１０３のＩｎ組成は、１２％（ｘ＝０．１２）とすることができる。

次に、バッファ層１０３上に、Ｓｉを５×１０¹⁷（ｃｍ^-3）ドープしたｎ型Ｉｎ_yＧａ_1-yＡｓからなる格子緩和層１０４を３００ｎｍ成長する。格子緩和層１０４は、ＧａＡｓ基板１０２より格子定数が大きく格子緩和している。ｎ型Ｉｎ_yＧａ_1-yＡｓからなる格子緩和層１０４のＩｎ組成は、１０％（ｙ＝０．１）とすることができる。光ファイバ通信波長帯での発光を実現するには、量子井戸の歪と格子定数との関係から、格子緩和層１０４のＩｎ組成は５％から３０％（ｙ＝０．０５〜０．３０）の範囲であればよい。このようなＩｎ組成を有する格子緩和層１０４はほぼ格子緩和されているため、ＧａＡｓ基板１０２から格子緩和層１０４までの層を擬似的なＩｎＧａＡｓ基板とみなすことができる。

次に、格子緩和層１０４上に、Ｓｉを１×１０¹⁸（ｃｍ^-3）ドープした厚さ１．５μｍのｎ型ＩｎＡｌＧａＡｓからなる下部クラッド層１０５を成長する。次に、下部クラッド層１０５上に、圧縮歪量子井戸層の両側にＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ障壁層を配した歪量子井戸構造で構成され、例えば１．３μｍ帯の利得を有する量子井戸活性層１０６を成長する。量子井戸活性層１０６の利得を有する波長は、１．１〜１．４μｍとすることができる。

次に、量子井戸活性層１０６上に、ｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓからなるキャリアストッパー層１０７を３０ｎｍ成長し、さらにｐ型ＩｎＧａＡｓからなるエッチングストッパー層１０８を３０ｎｍ成長する。量子井戸活性層１０６を挟んだダブルへテロレーザ構造を作製する。

次に、エッチングストッパー層１０８上に、ｐ型ＩｎＧａＰからなる上部クラッド層１１０を１５００ｎｍ成長する。下部クラッド層１０５及び上部クラッド層１１０は、量子井戸活性層１０６の屈折率よりも低い屈折率を有する。上部クラッド層１１０はメサ加工されるため、酸化しにくいＩｎＧａＰが適している。次に、上部クラッド層１１０上に、ｐ型に２×１０¹⁹（ｃｍ^-3）ドープしたＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓからなるコンタクト層１１１を１００ｎｍ成長する。

次に、コンタクト層１１１上にスパッタリングでＳｉＯ₂層を堆積し、さらにフォトリソグラフィによってＳｉＯ₂層上にストライプ状のマスクを形成する。次に、ドライエッチングにより幅１．７μｍのメサストライプを形成し、メサ型に形成された上部クラッド層１１０及びコンタクト層１１１の両脇をＳｉＯ₂とポリイミドとで埋め込むことにより上部クラッド層１１０及びコンタクト層１１１を挟み込むように埋め込み層１０９を形成する。次に、ＧａＡｓ基板１０２を研磨後に、バッファ層１０３が形成されていない側のＧａＡｓ基板１０２上にｎ型電極１０１を形成し、コンタクト層１１１上にｐ型電極１１２を形成して、リッジレーザへ加工する。光出射する側は、へき開面がそのままで、反対側の面には９０％程度の高反射率が得られる多層膜反射鏡を積層している。作製したレーザは、発振波長が１．３μｍであった。

このように、本発明に係る半導体素子１００では、量子井戸活性層１０６と上部クラッド層１１０との間にバンドギャップの大きなｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓからなるキャリアストッパー層１０７が形成されている。それにより、高温環境下や自己発熱が顕著になる高電流動作時の高エネルギーな電子の上部クラッド層１１０への漏れを抑制し、温度調整器が不要な高性能な半導体レーザを作製することが可能となる。

図２は、半導体レーザの閾値電流の温度依存性を示す。図２では、共振器長が１２００ミクロンであり、ｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓからなるキャリアストッパー層を有する本発明の半導体素子及びキャリアストッパー層の無い従来技術の半導体素子の閾値電流の温度依存性を同じグラフ上にプロットした。図２に示されるように、キャリアストッパー層を有する本発明の半導体素子は、キャリアストッパー層の無い従来技術の半導体素子に比べ、温度上昇時の閾値電流の上昇が抑えられており、この構造の効果を明確に確認することができた。

ここで、本発明に係る半導体素子１００においては、バッファ層１０３としてｎ型Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓを使用し、格子緩和層１０４としてｎ型Ｉｎ_yＧａ_1-yＡｓを使用したが、バッファ層１０３としてｎ型Ｉｎ_xＡｌ_1-xＡｓを使用し、格子緩和層１０４としてｎ型Ｉｎ_yＡｌ_1-yＡｓを使用することもできる（Ｉｎ組成も上記と同様である）。また、本発明に係る半導体素子１００においては、下部クラッド層１０５として、ｎ型ＩｎＡｌＧａＡｓを使用したが、ｎ型ＩｎＧａＰを使用することも可能である。

また、下部クラッド層１０５及び上部クラッド層１１０は、下部クラッド層１０５及び上部クラッド層１１０の格子定数が等しくなるような組成とすることが好ましい。さらに、下部クラッド層１０５及び上部クラッド層１１０は、下部クラッド層１０５及び上部クラッド層１１０の屈折率が等しくなるような組成とすることが好ましい。下部クラッド層１０５及び上部クラッド層１１０の格子定数及び屈折率が等しくなる組成として、例えば、下部クラッド層１０５をＩｎ_0.09Ａｌ_0.61Ｇａ_0.3Ａｓで構成し、上部クラッド層１１０をＩｎ_0.58Ｇａ_0.42Ｐで構成することできる。

１００半導体素子
１０１ｎ型電極
１０２ＧａＡｓ基板
１０３バッファ層
１０４格子緩和層
１０５下部クラッド層
１０６量子井戸活性層
１０７キャリアストッパー層
１０８エッチングストッパー層
１０９埋め込み層
１１０上部クラッド層
１１１コンタクト層
１１２ｐ型電極

Claims

ＧａＡｓ基板と、
前記ＧａＡｓ基板上に形成されたバッファ層と、
前記バッファ層上に形成され、前記ＧａＡｓ基板より格子定数が大きく格子緩和し、５から３０％の範囲のＩｎ組成を有する格子緩和層と、
前記格子緩和層上に形成され、ｎ型にドーピングされた下部クラッド層と、
前記下部クラッド層上に形成された、量子井戸構造を有する量子井戸活性層と、
前記量子井戸活性層上に形成され、ｐ型にドーピングされたＩｎＡｌＧａＡｓからなるキャリアストッパー層と、
ｐ型にドーピングされたＩｎＧａＰからなる上部クラッド層とを備え、
前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層は、前記量子井戸活性層の屈折率よりも低い屈折率を有し、前記上部クラッド層は、前記量子井戸活性層及び前記上部クラッド層により前記キャリアストッパー層を挟み込むように形成されていることを特徴とする半導体素子。
前記下部クラッド層は、ＩｎＡｌＧａＡｓまたはＩｎＧａＰからなることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層は、前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層の格子定数が等しくなるような組成を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体素子
前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層は、前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層の屈折率が等しくなるような組成を有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の半導体素子。
前記バッファ層及び前記格子緩和層は、ＩｎＧａＡｓ又はＩｎＡｌＡｓからなることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の半導体素子。
前記キャリアストッパー層上に形成されたエッチングストッパー層と、
前記上部クラッド層上に形成されたコンタクト層と、
前記エッチングストッパー層上に形成された前記上部クラッド層と前記コンタクト層とを挟み込むように、前記エッチングストッパー層上に形成された埋め込み層と
をさらに備えることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の半導体素子。
前記バッファ層が形成されていない側の前記ＧａＡｓ基板上に形成されたｎ型電極と、
前記コンタクト層上に形成されたｐ型電極と
をさらに備えることを特徴とする請求項６に記載の半導体素子。
前記量子井戸活性層の利得を有する波長が１．１〜１．４μｍであることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の半導体素子。