JP5307972B2

JP5307972B2 - 光半導体素子

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Publication number: JP5307972B2
Application number: JP2006021761A
Authority: JP
Inventors: 健北谷; 淳一葛西
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2006-01-31
Filing date: 2006-01-31
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2026-01-31
Also published as: JP2007207804A

Description

本発明は、光半導体素子に係り、特に半導体レーザや半導体光増幅素子、半導体変調器、或いはそれらを集積化した光半導体素子に関する。

近年のインターネット人口の爆発的増大により、情報伝送の急速な高速化および大容量化が求められており、今後も光通信が重要な役割を果たすと考えられている。光通信で光源となる半導体レーザは、性能面での要求に加えて低コストで提供することが重要であり、特に伝送距離の短いアクセス系、LAN系光リンクでは低コスト化が必須となっている。例えば、近年開発されたGaInNAs系材料を活性層に用いるGaInNAs系半導体レーザは、InP基板結晶上に形成される従来の通信用レーザとは異なり、安価で大口径のGaAs基板上に形成されるので低コスト化に有利である。

なお、GaAs基板上にGaInNAs系材料を活性層に用いたGaInNAs系半導体レーザに関する先行技術としては、特許文献１（特開2004-111881号公報）、あるいは特許文献２（特開2005-166921号公報）に記載がある。前者は、GaInNAs層と隣接した基板側の界面にGaAsSb層を導入することにより、窒素（N）が添加されたGaInNAsの結晶性を改善する例が開示されている。また、後者は、基板側とその逆側界面の両方にGaAsSbを導入することにより、活性層に発生する応力を緩和する例が開示されている。

特開２００４―１１１８８１号公報特開２００５―１６６９２１号公報「ジャーナルオブクリスタルグロース」、２００５年、２７８巻、p.３

GaInNAs系材料は、窒素（N）を添加することにより光通信に適した発光波長を有する活性層材料をGaAs基板上に形成できる様になる。しかし、従来のIII-V族半導体に化学的性質が大きく異なる窒素（N）を添加しているので、母体のIII-V族半導体の結晶性を一般に低下させる。添加される窒素の量は、光通信波長を実現できる範囲で可能な限り低減され、通常１％前後である。その為、活性層のInの組成は３０％以上が必要となる。すなわち、In濃度が非常に高くなっているのが特徴である。

一方、Inは非常に偏析しやすい性質を有することが知られている。偏析とは、膜中のエネルギーを安定化させるために、原子が表面側に析出する現象である。その起源については未だ不明確な部分が多いが、原子半径や性質の大きく異なる原子同士は分離した方がエネルギー的に安定になるためであると考えられている。高歪なGaInNAs、或いはGaInAs層においては、前述したようにIn濃度を非常に高くしているために、原子半径が大きいInが、原子半径の小さいGa、As、Nに対して表面側に偏析し、井戸層上側のIn濃度が高くなる現象が顕著に起こる。これは、例えば非特許文献１（「ジャーナルオブクリスタルグロース」２７８巻、３頁、２００５年）の図５に記載されている。

ここで、GaInNAs、及びGaInAs活性層においては、障壁層としてGaAs、GaNAs、GaPAs、GaNPAsなどIII族元素としてはGaのみを有する材料が一般的に用いられていることから、先記と同様の理由で障壁層との上側界面に到達した高濃度なInが容易に上側障壁層内に拡散してしまう。特にGaInNAs系材料は、結晶性改善のための熱アニールが必須の工程であり、それによって、Inの拡散をさらに促進させてしまう。その結果、特に上側障壁層との間でのGa/Inの相互拡散が顕著に生じ、井戸層と障壁層の界面特性の劣化により活性層の品質が低下し、曳いてはレーザ素子の特性を低下させてしまう。

よって、本発明の目的は、Inの偏析を主要因とするGaInNAs、およびGaInAs量子井戸層の品質の低下の問題を解決し、高品質な量子井戸活性層を形成し、高性能なGaInNAs系半導体レーザを提供することにある。

GaInNAs井戸層と障壁層との上側界面に、Sbを含む中間層を挿入することにより、量子井戸の上側界面に偏析したInの障壁層への拡散を抑制し、上記の目的を達成することができる。中間層の材料としては、GaAsSb、GaNAsSbが良い。Sbの原子番号は51であり、Inの原子番号(49)と近く、そのため原子半径も非常に近い。よって、Sbの導入により、In偏析の一因となる原子半径の相違を低減することが出来る。InとSbはIII族とV族原子で結合を形成するため、その効果は大きい。その結果、偏析したIn原子の上側障壁層への拡散を低減することができ、井戸層と中間層の界面の急峻性を改善できる。

図２に、本発明を適用したGaInNAs/GaAs単一量子井戸層の室温フォトルミネッセンス（PL）の結果を示す。Sb組成１％のGaAsSb層を、単一量子井戸層の上側界面に挿入することにより、明瞭なPL強度の改善効果が得られていることが判る。これは、Ga/Inの相互拡散低減や井戸層/中間層界面の急峻性の改善により、活性層の品質が向上したことを示すものである。

一方、中間層として導入するGaAsSb層は、井戸層同様に、GaAsに対して圧縮歪を有することから、Sb組成が高すぎると、界面に歪を蓄積させてしまう。また、Sb組成の増大は、同時に価電子帯のエネルギー(E_v)の大幅な上昇を引き起こすため、GaAsSb層のE_vが、GaInNAs井戸層のE_vよりも低くなる範囲にSb組成を設定する必要がある。すなわち、量子井戸構造の発光特性を阻害しないように、Sb組成を設定する必要がある。以上の制限を鑑みると、中間層におけるSb組成の最適値は、5%以下であると考えられる。ここまではGaInNAsについてのみ、本発明の効果を記述したが、Nの添加されていない高歪GaInAs井戸層に対しても、同様の効果が得られることは言うまでも無い。また、導入する中間層としては、Nを含むGaNAsSbでも同様の効果が得られる。

本発明によれば、高歪GaInNAs、或いはGaInAs井戸層と、上側障壁層の界面に、GaAsSbからなる中間層を導入することにより上側界面に偏析したInが、障壁層中に拡散するのを低減でき、界面の品質を改善し、良質な高歪MQW活性層を形成できる。その結果、光素子の特性、及び信頼性の向上効果が得られる。

以下、本発明の実施例を図１、図３、図４を用いて説明する。

第１の実施例は、本発明を1.3μm帯GaInNAs端面発光型半導体レーザに適用したものである。成長方法としては、固体ソース分子線エピタキシー法を用いた。III族元素の原料は、金属アルミニウム、金属ガリウム、及び、金属インジウムを用いた。V族元素の原料には、RFプラズマで活性化した窒素と金属ヒ素を用いた。また、n型ドーパントとしてはSiを、p型ドーパントとしてはBeを用いた。

図１（a）は、素子の断面構造を、図１（b）は活性層の拡大図を示している。n-GaAs基板102上に、n-GaAsバッファ層103、n-Ga_0.5In_0.5P下側クラッド層（層厚1500nm）104を形成した。続いて、下側GaAs光ガイド層（層厚150nm）111、GaN_0.02As_0.98障壁層（層厚5nm）112、Ga_0.65In_0.35N_0.01As_0.99井戸層(層厚5nm)113、GaAs_0.99Sb_0.01中間層(層厚2nm)114の順に積層し、GaNAs応力補償層（層厚5nm）112、Ga_0.65In_0.35N_0.01As_0.99井戸層(層厚5nm)113、GaAs_0.99Sb_0.01中間層(層厚2nm)114の積層を２回繰り返した。

さらに、GaAs上側光ガイド層（層厚150nm）115を積層し、GaInNAs歪補償量子井戸活性層105を形成した。GaInNAs歪補償量子井戸活性層105の詳細は、(b)に示されている。続いて、p-Ga_0.5In_0.5P上側クラッド層（層厚1500nm）106、p-GaAsコンタクト層(層厚200nm)109を順次結晶成長し、多層構造を作製した。尚、活性層105は、相分離を抑制するために450℃と低温で結晶成長した。図１(a)に示す如く、作製した多層構造をメサストライプ形状に加工した後に、SiN_x窒化膜110を堆積し、その後、ポリイミド107で平坦化した。p側電極108、n側電極101を形成した後、劈開法により共振器長約200μmのレーザ素子を得た。

ストライプ幅は2μmとした。素子の前面にλ/4(λ:発振波長)の厚みのSiO₂による低反射膜を、素子の後面にSiO₂とアモルファスSiからなる４層膜による高反射膜を形成した。その後、p-n接合面を下にして素子をヒートシンク上にボンディングした。本レーザは、閾値電流密度が5mAで室温連続発振し、発振波長は1.3μmであった。本レーザは、10万時間以上の長い素子寿命を有した。

なお、Sb原子の偏析の性質を利用し、GaInNAs井戸層成長時にSbを同時供給して同様の構造を作製する方法もある。また、構造の変形として、上述の光ガイド層が障壁層を兼ねる場合も有る。

本実施例は、本発明を1.3μm帯GaInNAs面発光型半導体レーザに適用したものである。成長方法としては、有機金属気相成長(MOVPE: Metal-organic vapor phase epitaxy)法を用いた。III族元素の原料は、トリエチルガリウム、トリメチルインジウム、及びトリメチルアルミニウムを用いた。V族元素の原料には、アルシンとジメチルヒドラジンを用いた。また、n型ドーパントとしてはジシランを、p型ドーパントとしてはジメチル亜鉛を用いた。

図３(a)は素子の断面構造を、図３(b)は活性層の拡大図を示している。成長方法としては、有機金属気相成長法を用いた。III族元素の原料は、トリエチルガリウム、トリメチルインジウム、及びトリメチルアルミニウムを用いた。V族元素の原料には、アルシンとジメチルヒドラジンを用いた。また、n型ドーパントとしてはジシランを、p型ドーパントとしてはジメチル亜鉛を用いた。n-GaAs基板302上に、n-GaAsバッファ層303を積層した後、GaAs/Al_0.95Ga_0.05Asから成る30周期のn型半導体多層膜反射鏡304を形成した。膜厚は、それぞれ半導体中で、1/4波長厚になるようにした。続いて、1/2波長厚の下側GaAs障壁層305、GaInNAs量子井戸活性層306、1/2波長厚の上側GaAs障壁層307の順に形成した。GaInNAs量子井戸活性層306は、(b)に示すように、Ga_0.6In_0.4N_0.005As_0.995井戸層(層厚6 nm)315、GaAs_0.99Sb_0.01中間層（層厚2nm）316が、GaAs障壁層(層厚10nm)317を挟んで繰り返された二重量子井戸活性層構造とした。

次に、酸化狭窄層形成の為に、1/4波長厚のAl_0.99Ga_0.01As 層313を形成した。その後、GaAs/Al_0.95Ga_0.05Asから成る24周期のp型半導体多層膜反射鏡312を形成した。最後に、p-GaAsコンタクト層(層厚200nm)311を結晶成長し、多層構造を作製した。次に、ホト工程によって、直径40μmφの円形のメサ形状に加工した後、選択酸化を行った。この工程により、Al_0.99Ga_0.01As 層314の両側が、Al(Ga)O層313に変化し、3μmφの開口部を有するアパーチャーが形成された。SiO₂膜308でメサ側面を保護し、ポリイミド309で平坦化した後、リフトオフ法により、表面側にリング状のp側電極310、裏面側にn側電極301を蒸着して面発光レーザ素子を完成させた。本面発光レーザに電流を注入したところ、85℃の高温まで連続動作に成功した。レーザ光はウエハ上部から出射され、波長は約1.3μmであった。また、本レーザは、活性層の結晶性が良好なので面発光レーザの実用化では十分な１万時間以上の長い素子寿命を有した。また、素子作製時の歩留まりも高く、大幅な低コスト化を達成できた。

第３の実施例は、本発明を1.2μm帯GaInAs端面発光型半導体レーザに適用したものである。成長方法としては、MOVPE法を用いた。III族元素の原料は、トリエチルガリウム、及びトリメチルインジウムを用いた。V族元素の原料には、アルシン、フォスフィンを用いた。また、n型ドーパントとしてはジシランを、p型ドーパントとしてはジメチル亜鉛を用いた。

図４（a）は、素子の断面構造を、図４（b）は活性層の拡大図を示している。n-GaAs基板402上に、n-GaAsバッファ層403、n-Ga_0.5In_0.5P下側クラッド層（層厚1500nm）404を形成した。続いて、GaInAsP下側光ガイド層（層厚150nm）411、GaAs_0.96P_0.14障壁層（層厚5nm）410、Ga_0.6In_0.38As井戸層(層厚7nm)412、GaAs_0.99Sb_0.01中間層(層厚2nm)413の順に積層し、GaAsP障壁層（層厚5nm）410、Ga_0.65In_0.38As井戸層(層厚7nm)412、GaAs_0.99Sb_0.01中間層(層厚2nm)413の積層を繰り返した。さらに、GaInAsP上側光ガイド層（層厚150nm）414を積層し、GaInAs歪補償量子井戸活性層405を形成した。GaInAs歪補償量子井戸活性層405の詳細は、(b)に示されている。続いて、p-Ga_0.5In_0.5P上側クラッド層（層厚1500nm）406、p-GaAsコンタクト層(層厚200nm)409を順次結晶成長し、多層構造を作製した。尚、活性層405は、460℃と低温で結晶成長した。表面に絶縁膜を形成した後、ホト工程を得て、ICPドライエッチングにより、幅約2μm、深さ約3μmのメサ構造を形成した。

その後、再びウエハをMOVPE炉内に導入し、アンドープGaInP埋込層407により埋込成長を行った。図４(a)に示す如く、作製した多層構造に対して、p側電極408、n側電極401を形成した後、劈開法により共振器長約200μmのレーザ素子を得た。素子の前面にλ/4(λ:発振波長)の厚みのSiO₂による低反射膜を、素子の後面にSiO₂とアモルファスSiからなる４層膜による高反射膜を形成した。その後、p-n接合面を下にして素子をヒートシンク上にボンディングした。本レーザは、閾値電流密度が3mAで室温連続発振し、発振波長は1.25μmであった。

本発明によるGaInNAs端面発光レーザの構造図である。本発明を適用したGaInNAs単一量子井戸構造の室温ホトルミネッセンスである。本発明による面発光レーザの構造図である。本発明によるGaInAs端面発光レーザの構造図である。

符号の説明

101…n側電極、
102…n-GaAs基板、
103…n-GaAsバッファ層、
104…n-Ga_0.5In_0.5P下側クラッド層、
105…GaInNAs歪補償量子井戸活性層、
106…p-Ga_0.5In_0.5P上側クラッド層、
107…ポリイミド、
108…p側電極、
109…p-GaAsコンタクト層、
110…SiN_x窒化膜、
111…下側GaAs光ガイド層、
112…GaNAs障壁層、
113…Ga_0.65In_0.35N_0.01As_0.99井戸層、
114…GaAs_0.99Sb_0.01中間層、
115…上側GaAs光ガイド層、
301…n側電極、
302…n-GaAs基板、
303…n-GaAsバッファ層、
304…n型半導体多層膜反射鏡、
305…下側GaAsバリア層
306…GaInNAs量子井戸活性層
307…上側GaAs障壁層、
308…SiO₂膜、
309…ポリイミド、
310…p側電極、
311…p-GaAsコンタクト層、
312…p型半導体多層膜反射鏡、
313…Al(Ga)O層
314…Al_0.99Ga_0.01As 層
315…Ga_0.6In_0.4N_0.005As_0.995井戸層
316…GaAs_0.99Sb_0.01中間層、
317…GaAs障壁層、
401…n側電極、
402…n-GaAs基板、
403…n-GaAsバッファ層、
404…n-Ga_0.5In_0.5P下側クラッド層、
405…GaInAs歪補償量子井戸活性層、
406…p-Ga_0.5In_0.5P上側クラッド層、
407…Ga_0.5In_0.5P埋込層、
408…p側電極、
409…p-GaAsコンタクト層、
410…GaAsP障壁層、
411…下側GaInAsP光ガイド層、
412…Ga_0.6In_0.4As井戸層、
413…GaAs_0.99Sb_0.01中間層、
…上側GaInAsP光ガイド層。

Claims

GaAs基板と、該基板上に形成された半導体多層構造を備え、
前記半導体多層構造は、光を発生する活性層と、前記活性層の一主面と他主面とを挟むように形成され発生した光を閉じ込めるクラッド層と、前記活性層で発生した光からレーザ光を得るための共振器構造とを有し、
前記活性層は、前記基板上に障壁層と量子井戸層とが交互に積層された量子井戸多層膜と、前記量子井戸層から見て、前記基板の反対側にのみ前記障壁層と前記量子井戸層の間に設けられた中間層とを有し、
前記量子井戸層は少なくともGa、In、およびAsを含みSbを含まず、前記中間層は少なくともGa、As、およびSbを含みInを含まないことを特徴とする光半導体素子。
請求項１において、
前記量子井戸層が、GaInAsあるいはGaInNAsのいずれかの半導体からなり、前記中間層がGaAsSbあるいはGaNAsSbのいずれかの半導体からなることを特徴とする光半導体素子。
請求項２において、
前記中間層におけるSb組成が、５％以下であることを特徴とする光半導体素子。
GaAs基板と、該基板上に形成された半導体多層構造を備え、
前記半導体多層構造は、光を発生する活性層と、前記活性層で発生した光からレーザ光を得るために前記活性層の一主面側と他主面側のそれぞれに形成された多層反射膜とを有し、
前記活性層は、前記基板上に障壁層と量子井戸層とが交互に積層された量子井戸多層膜と、前記量子井戸層から見て、前記基板の反対側にのみ前記障壁層と前記量子井戸層の間に設けられた中間層とを有し、
前記量子井戸層は少なくともGa、In、およびAsを含みSbを含まず、前記中間層は少なくともGa、As、およびSbを含みInを含まないことを特徴とする光半導体素子。
請求項４において、
前記量子井戸層が、GaInAsあるいはGaInNAsのいずれかの半導体からなり、前記中間層がGaAsSbあるいはGaNAsSbのいずれかの半導体からなることを特徴とする光半導体素子。
請求項５において、
前記中間層におけるSb組成が、５％以下であることを特徴とする光半導体素子。