JP3982940B2 - 光半導体素子の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ある層の上に形成された凹凸を埋め込んで作製される回折格子、特にGaAs表面に作製される回折格子を有する光半導体素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザにおいて動的単一縦モード発振を実現する構造として、分布帰還（ＤＦＢ：Distributed Feedback）型半導体レーザあるいは分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）型半導体レーザなどがよく知られている。これらの構造の内部には、いずれも波長選択機能をもつ回折格子が作りこまれている。
【０００３】
このような回折格子の作成法としては、GaAs/AlGaAs材料系半導体レーザにおけるＤＦＢ型半導体レーザを例として、Journal of Crystal Growth, Vol.77, p637-642, 1986. "AlGaAs/GaAs Distributed Feedback Laser Diodes Grown by MOCVD" T.Ohata et al.に開示されている。この例では、回折格子は第１のAlGaAs層と第２のAlGaAs層の界面に形成されており、まず第１のAlGaAs層の表面にエッチングにより周期的な凹凸を形成し、この上にAl組成比の異なる第２のAlGaAs層を成長させて、凹凸を第２のAlGaAs層で埋め込むことにより作製されている。同文献には、GaAs表面に形成された凹凸の上にＭＯＣＶＤ法によりAl組成0.3のAlGaAsを結晶再成長させるとGaAs/AlGaAs界面は平坦になり回折格子が形成できないこと、およびAl組成0.3のAlGaAs表面上では凹凸形状が保存されAl組成0.5のAlGaAsで埋め込むことにより回折格子が形成されることが開示されている。
【０００４】
上記文献によると、GaAs表面での凹凸形状の消失は結晶再成長過程で表面に吸着したIII族原子あるいはIII族原料の分解生成物が表面でのマイグレーションを加速することによるものと推定されている。また、AlGaAs表面では凹凸形状が保存されることについては、下地となる結晶表面に存在するGaとAlのマイグレーション活性の違いで説明できるとしている。このような表面凹凸の消失を防ぐため、上記文献をはじめとする従来提案されている回折格子においては、回折格子を構成するための凹凸を形成する下地となる材料としてAlGaAsが広く採用されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、AlGaAs表面を空気中に取り出してエッチングなどの加工を行うと強固な表面酸化膜が速やかに形成されるため、その上に再成長される結晶の結晶性が損なわれたり、形成される界面に高濃度の不純物が蓄積される。上述したような従来技術では加工された表面全面にAlGaAsが露出しているため良好な結晶再成長を行うことは非常に困難であった。したがってこのような凹凸により構成される回折格子を有する光半導体素子の特性が十分に引き出せないという問題があった。特に半導体レーザの場合、注入電流の障害となったり素子の歩留まりや信頼性を低下させる原因となる恐れがあった。
【０００６】
本発明の目的は、GaAs表面に形成されたサブミクロンオーダーの微細な凹凸形状を維持したまま別の半導体層で埋め込むことにより形成される回折格子を有する光半導体素子を高性能、高信頼性、高歩留まりで提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、凹凸構造の凸部がGaAs層/ InGaAs中間層/GaAs層から成る積層構造で構成され、上記凹凸構造が半導体層により埋め込まれて成る回折格子を有することを特徴とする光半導体素子の製造方法であって、前記GaAs層/ InGaAs中間層/GaAs層で構成される積層構造において下側GaAs層に達する深さの凹部を持つ凹凸を形成する工程と、結晶再成長を行い凹凸形状を半導体材料からなる別の層で埋め込み回折格子を製造する工程とを有する回折格子の製造方法によって、上記回折格子を形成することを特徴とする、光半導体素子の製造方法である。
【０００９】
本発明において上記InGaAs中間層のIn組成が0.2以下であることが望ましい。このような組成範囲にあることで、GaAsとInGaAsとの格子定数の違いに起因する歪みの影響を小さくして良好な結晶性の積層構造が得られる。
【００１０】
また、本発明において上記中間層の厚さは2〜40ｎｍの範囲にあることが望ましい。この範囲にあることで、凸部側面に露出する中間層が結晶再成長に与える影響を小さくして結晶性のよい埋込み層が得られる。
【００１１】
また、本発明において上記凹凸構造を埋め込む半導体層はAlGaAsから成ることが望ましい。こうすることで、埋込み層の屈折率を正確に制御して所望の結合効率を有する回折格子が容易に得られる。
【００１２】
またこのような回折格子を構成する積層構造および埋込み層を製造する方法としては、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相法）法やＭＢＥ法（分子線エピタキシャル法）などの気相成長法が望ましい。
【００１３】
このような回折格子を備えた光半導体素子としては、半導体レーザ、光導波路、光結合器、光合分波器などが挙げられる。なかでも半導体レーザが好適である。
【００１４】
【作用】
本発明者らの実験によると、GaAs表面に形成された凹凸は結晶成長温度に至るまでの熱サイクルおよびV族原料の供給に対しては安定であるものの、III族原料の供給により速やかに消失することが確認された。本発明者らは、AlGaAsあるいはInGaAs表面ではGaの平均マイグレーション長が顕著に小さくなるとの仮説、およびAlGaAsあるいはInGaAsが表面に露出している幅がGaの平均マイグレーション長よりも大きければGaのマイグレーションを効果的に抑制できるとの仮説に基づき、AlGaAsあるいはInGaAsの層厚に関する実験を行った結果、50nm以下の層厚で凹凸形状を保ったまま埋込み層を形成できることが明らかになった。この知見により本発明にいたった。
【００１５】
本発明に従えば、中間層がInGaAsからなっていて、GaAs層/ InGaAs中間層/GaAs層で構成される積層構造において、下側GaAs層に達する深さの凹部を持つ凹凸を形成することにより、凹部の側壁には中間層の断面が露出する。これにより結晶再成長過程でのIII族原料を気相から供給する時に起こる表面原子のマイグレーションを抑制し、凹凸形状を保ったまま半導体材料からなる別の層で埋め込むことが可能になる。加工された凹部の側壁にごくわずかのInGaAsが露出するものの、ほぼ全面がGaAsであるため、従来のAlGaAs表面に作製される回折格子に比べて表面酸化膜の形成が大幅に抑制され、良好な品質の再成長結晶と不純物蓄積のない界面が得られる。従ってこのような方法で作製された光半導体素子では特性が安定し、素子の歩留まりや信頼性を向上させることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の第一の実施例を図１に示す。下地となる下側GaAs層１の上にIn _0.1 Ga _0.9 Asからなる中間層２（厚さ10nm）と上側GaAs層３（厚さ10nm）を積層する(図１(a))。この上にフォトレジスト４を塗布し（図１(b)）、通常の二光束干渉露光工程により周期がおよそ0.28μｍのレジストパターンを形成する(図１(c))。この場合、凹部となる部分の周期方向の長さは0.05〜0.2μｍの範囲が適当である。次にウェットエッチング工程によってパターンを上記積層構造に転写する。この時にエッチングは下側GaAs層１が10nmの深さまでエッチングされるまで行い、したがってエッチングされてできる凹部の底は下側GaAs層１まで達している(図１ (d))。なお GaAs 層と In _0.1 Ga _0.9 As 中間層は周知のエッチャントで一度にエッチングできる。
【００１７】
次にフォトレジストを剥離した後、ＭＯＣＶＤ法によりAl_0.2Ga_0.8Asからなる半導体層５を結晶再成長して凹凸形状を埋め込む(図１（e)）。このようにしてAl_0.2Ga_0.8As再成長層である半導体層５と上記積層構造の界面に凹凸形状が保存され、屈折率変調による回折格子が形成される。
【００１９】
なお、上述した実施例ではAlGaAs再成長層のAl組成を0.2としたが、本発明の実施においてAlGaAs再成長層のAl組成は任意の値を採用することができ、上記の実施例に限定されない。また、回折格子の周期は導波モードの実効屈折率と所望のブラッグ波長から決定されるものである。また凹部の周期方向の長さは、実施例の数値範囲に限定されず回折格子の結合係数の選択により適宜決められる。
【００２０】
次にこのような回折格子を内部に備えたＤＦＢ型半導体レーザの断面斜視図を図に示す。この半導体レーザは、ｎ型GaAs基板６の上にｎ−AlGaAsクラッド層７／ｎ-GaAs導波層８／InGaAs活性層９／ｐ-GaAs導波層１０／ｐ-In _0.1Ga_0.9As中間層（厚さ10nm）１１／ｐ-GaAsキャップ層１２（厚さ10nm）／ｐ-AlGaAsクラッド層１３／ｐ-GaAsコンタクト層１4がこの順に形成され、ｎ-GaAsからなる電流狭窄層１５が埋め込まれた構造である。ｐ-GaAsキャップ層１２まで形成したところで表面にｐ-GaAs導波層１０にまで達する凹凸を形成し、ｐ-AlGaAsクラッド層１３で凹凸形状を埋め込むことにより回折格子が形成されている。
【００２１】
【発明の効果】
GaAs表面に形成されたサブミクロンオーダーの微細な凹凸形状の変形を防止し、形状を維持したまま結晶再成長により埋め込むことができるため、動的単一モード半導体レーザなど回折格子を有する光半導体素子を高い信頼性および高い歩留まりで作製できるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す断面図である。
【図２】本発明による光半導体素子の一例であるＤＦＢ型半導体レーザの断面斜視図である。
【符号の説明】
１ ・・下側GaAs層、 ２ ・・中間層、 ３ ・・上側GaAs層、
４ ・・フォトレジスト、 ５ ・・半導体層、 ６ ・・GaAs基板、
７ ・・n-AlGaAsクラッド層、 ８ ・・n-GaAs導波層、 ９ ・・InGaAs活性層、
１０ ・・p-GaAs導波層、 １１ ・・ｐ-In _0.1Ga_0.9As中間層、
１２ ・・ｐ-GaAsキャップ層、 １３ ・・ｐ-AlGaAsクラッド層、
１４ ・・ｐ-GaAsコンタクト層、 １５ ・・電流狭窄層

Claims (4)

1. 回折格子を備えた光半導体素子であって、回折格子を構成する凹凸構造の凸部がGaAs層/InGaAs中間層/GaAs層からなる積層構造であり、前記凹凸構造が半導体層により埋め込まれている光半導体素子の製造方法であって、前記GaAs層/ InGaAs中間層/GaAs層で構成される積層構造において下側GaAs層に達する深さの凹部を持つ凹凸を形成する工程と、結晶再成長を行い凹凸形状を半導体材料からなる別の層で埋め込み回折格子を製造する工程とを有する回折格子の製造方法によって、上記回折格子を形成することを特徴とする、光半導体素子の製造方法。
2. 前記InGaAsからなる中間層のIn組成が0.2以下であることを特徴とする請求項１に記載の光半導体素子の製造方法。
3. 前記中間層の厚さが2〜40ｎｍの範囲にあることを特徴とする請求項１乃至２に記載の光半導体素子の製造方法。
4. 前記凹凸構造を埋め込む半導体材料からなる別の層がAlGaAsからなることを特徴とする請求項１乃至３に記載の光半導体素子の製造方法。

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