JP6783569B2

JP6783569B2 - 光半導体素子

Info

Publication number: JP6783569B2
Application number: JP2016134024A
Authority: JP
Inventors: 亮中尾; 硴塚　孝明; 孝明硴塚; 松尾　慎治; 慎治松尾
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2016-07-06
Filing date: 2016-07-06
Publication date: 2020-11-11
Anticipated expiration: 2036-07-06
Also published as: JP2018006638A

Description

本発明は、光送信器用光源などに利用される光半導体素子に関する。

半導体素子は、小型低消費電力な素子として広く普及している。特に、シリコン（Ｓｉ）基板上に形成される電子素子は、エレクトロニクスを支える非常に重要な素子である。一方で、Ｓｉは間接遷移型の半導体であるため、直接遷移型の半導体に比べて発光効率が低い。このため、発光素子をはじめとする光素子の多くは、直接遷移型の化合物半導体により作製される。

光通信用の光素子としては、直接遷移型の半導体基板としてＩｎＰ基板が多く用いられる。しかしながら、ＩｎＰ基板は、Ｓｉ基板に比べて大口径の基板作製が困難で基板が高価であり、またＳｉ基板上で行われるＣＭＯＳ作製プロセスに比べ加工精度や加工コストが劣る。

上記の問題を解決するため、近年ではＳｉ基板上へ化合物光半導体素子を集積する技術が開発されてきている（非特許文献１，非特許文献２，非特許文献３参照）。特に、ＣＭＯＳ互換プロセスで光素子を作製し、製造コストを削減するためには、平面的に電極構造が作製され、基板面内方向に電流を注入するＳｉ基板に貼り付けられた薄膜型の光素子が有望である（非特許文献２，非特許文献３）。

A. Y. Liu et al., "High performance continuous wave 1.3m quantum dot lasers on silicon", Applied Physics Letters, vol.104, no.4, 041104, 2014. T. Fujii et al., "Epitaxial growth of InP to bury directly bonded thin active layer on SiO2/Si substrate for fabricating distributed feedback lasers on silicon", IET Optoelectron., vol.9, no.4, pp.151-157, 2015. T. Shindo et al., "Lateral-Current-Injection Type Membrane DFB Laser With Surface Grating", IEEE Photonics Technology Letters, vol.25, no.13, pp.1282-1285, 2013.

ところで、上述した光素子は、ＳｉとＩｎＰ系半導体との間の屈折率差の関係から、光素子をＳｉ基板上に直接貼り付けた場合、Ｓｉ基板側に大きく光が漏れ出し、素子として機能しない問題がある。このため、これらの技術では、Ｓｉ基板の上にＳｉＯ₂やベンゾシクロブテンなどの材料による層を挿入してＳｉ基板から光素子を離間させ、光閉じ込めを確保することが行われている。

しかし、このようなＳｉＯ₂やベンゾシクロブテンなどの材料による層は、大きな熱抵抗率を有するために放熱効率が悪く、光素子の高電流注入動作領域においては、発熱により素子特性が大きく劣化するという問題があった。このため、光閉じ込めと高い放熱を両立する構造はこれまでに実現されていなかった。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、Ｓｉ基板上に配置されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる光素子における光閉じ込めおよび高い放熱が両立できるようにすることを目的とする。

本発明に係る光半導体素子は、シリコンからなる基板と、基板の上に形成されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる光導波路型の光素子と、光素子と基板との間に形成されて光素子を構成するコアより屈折率が低く、かつ熱伝導率が絶縁体より大きい中間層とを備え、コアは、コア層とコア層に埋め込まれた活性層とを有し、光素子は、活性層が形成されている部分において、基板面内方向にコア層を挟む状態に配置されたｐ型半導体層およびｎ型半導体層を有し、中間層は、光素子を導波する光のモードが基板にかからない厚さとされ、絶縁体は、酸化シリコン，窒化シリコン，ベンゾシクロブテンのいずれかである。

上記光半導体素子において、中間層は、ＧａＰ_xＮ_1-x（０＜ｘ≦１）またはＡｌＰ_xＮ_1-x（０＜ｘ≦１）から構成されていればよい。

上記光半導体素子において、中間層と光素子との間に形成された絶縁層を備え、絶縁層は、光素子が中間層に接して形成されている場合に比較して光素子から基板への熱伝導が変化しない範囲の厚さとされていてもよい。絶縁層は、酸化シリコンから構成され、厚さが１００ｎｍ以下とされていればよい。

以上説明したように、本発明によれば、光素子と基板との間に形成されて光素子を構成するコアより屈折率が低く、かつ熱伝導率が絶縁体より大きい中間層とを備えるようにしたので、Ｓｉ基板上に配置されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる光素子における光閉じ込めおよび高い放熱が両立できるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態における光半導体素子の構成を示す構成図である。図２は、本発明の実施の形態における光半導体素子のより詳細な構成を示す斜視図である。図３Ａは、基板２０１の上に、厚さ２μｍのＧａＰからなる中間層２０２を配置し、中間層２０２の上に、厚さ０．３０１μｍのＩｎＰからなるコア層２０４を配置し、コア層２０４の中に、幅１μｍの活性層２０３を配置した実施例１構成を示す構成図である。図３Ｂは、基板２０１の上に、厚さ０．３０１μｍのＩｎＰからなるコア層２０４を配置し、コア層２０４の中に、幅１μｍの活性層２０３を配置した比較例１の構成を示す構成図である。図３Ｃは、基板２０１の上に、厚さ１μｍのＳｉＯ₂からなる中間層２０２ａを配置し、中間層２０２ａの上に、厚さ０．３０１μｍのＩｎＰからなるコア層２０４を配置し、コア層２０４の中に、幅１μｍの活性層２０３を配置した比較例２の構成を示す構成図である。図４は、比較例１の光強度の分布（ａ）および温度分布（ｂ）のシミュレーション結果を示す説明図である。図５は、比較例２の光強度の分布（ａ）および温度分布（ｂ）のシミュレーション結果を示す説明図である。図６は、実施例１の光強度の分布（ａ）および温度分布（ｂ）のシミュレーション結果を示す説明図である。図７は、絶縁層の厚さと活性層における温度上昇との関係を示す特性図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における光半導体素子の構成を示す構成図である。この光半導体素子は、シリコン（Ｓｉ）からなる基板１０１と、基板１０１の上に形成された光導波路型の光素子１０２と、光素子１０２と基板１０１との間に形成された中間層１０３とを備える。

光素子１０２は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されている。中間層１０３は、光素子１０２を構成するコアより屈折率が低く、かつ熱伝導率が、酸化シリコン，窒化シリコン，ベンゾシクロブテンなどの絶縁材料（絶縁体）より大きい材料から構成されている。また、中間層１０３は、光素子１０２を導波する光のモードが基板１０１にかからない厚さとされている。光素子１０２を導波する光もモードが、基板１０１にかからない状態に、中間層１０３の層厚が設定されていればよい。

中間層１０３は、例えば、単結晶シリコンからなる基板１０１の上に、直接エピタキシャル成長させることが可能なＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されているとよい。このような材料として、例えば、ＧａＰ_xＮ_1-x（０＜ｘ≦１）またはＡｌＰ_xＮ_1-x（０＜ｘ≦１）がある。これらの材料は、単結晶シリコンと格子定数がほぼ一致している（擬似格子整合している）。言い換えると、中間層１０３は、基板１０１に擬似格子整合または格子整合する材料から構成すればよい。特に、ＧａＰは、単結晶シリコンとの間の格子定数差が０．３５％と小さく、中間層１０３の材料として好適である。

光半導体素子は、例えば、図２に示すような素子である。この素子は、シリコンからなる基板２０１の上に、ＧａＰから構成された中間層２０２を備える。また、中間層２０２の上に、例えばＩｎＧａＡｓＰなどのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる多重量子井戸構造の活性層２０３を備えている。活性層２０３は、例えば、ＩｎＰなどのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるコア層２０４に埋め込まれている。

また、活性層２０３が形成されている部分においては、コア層２０４を挟む状態に、ＩｎＰなどのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるｐ型半導体層２０５およびｎ型半導体層２０６が形成されている。また、ｐ型半導体層２０５の上には、ｐ型電極２０７が形成され、ｎ型半導体層２０６の上には、ｎ型電極２０８が形成されている。各電極は、コンタクト層（不図示）を介して形成されている。

例えば、まず、高抵抗ＩｎＰ基板などの半導体基板の上に、活性層２０３、コア層２０４、ｐ型半導体層２０５およびｎ型半導体層２０６などの素子部を形成する。一方で、基板２０１の上に、ＧａＰを直接成長することで中間層２０２を形成する。なお、直接成長に限らず、他の方法で中間層２０２を形成してもよい。次に、素子部と中間層２０２とを貼り合わせ、この後、素子部から半導体基板を除去する。次に、上述した各電極を形成すれば、光半導体素子が得られる。このような光半導体素子において、活性層２０３、コア層２０４より屈折率が低い材料から中間層２０２が構成されていればよい。また、中間層２０２は、酸化シリコン，窒化シリコン，ベンゾシクロブテンなどの絶縁材料より熱伝導率が大きい材料から構成されていればよい。

図２を用いて説明した光半導体素子について解析して効果を検証した。効果の検証では、実施例１として、図３Ａに示すように、基板２０１の上に、厚さ２μｍのＧａＰからなる中間層２０２を配置し、中間層２０２の上に、厚さ０．３０１μｍのＩｎＰからなるコア層２０４を配置し、コア層２０４の中に、幅１μｍの活性層２０３を配置した。また、比較例１として、図３Ｂに示すように、中間層を設けずに、基板２０１の上にコア層２０４を直接配置した。また、比較例２として、図３Ｃに示すように、厚さ１μｍのＳｉＯ₂からなる中間層２０２ａを配置した。

また、効果検証では、光強度の分布、および活性層２０３の片側直横に０．５Ｗ／μｍ³の熱源が配置された場合の温度分布をシミュレーションした。

なお、ＩｎＰの熱伝導率は６２×１０^-16Ｗ／ｍ、波長１．３μｍにおける屈折率は３．１６７９である。Ｓｉの熱伝導率は１３０×１０^-16Ｗ／ｍ、波長１．３μｍにおける屈折率は３．５０１６である。ＧａＰの熱伝導率は１０１×１０^-16Ｗ／ｍ、波長１．３μｍにおける屈折率は３．０７４５である。活性層２０３における熱伝導率は４×１０^-16Ｗ／ｍ、波長１．３μｍにおける屈折率は３．４ある。酸化シリコンの熱伝導率は１×１０^-16Ｗ／ｍ、波長１．３μｍにおける屈折率は１．４４６９ある。空気の熱伝導率は０．０２４×１０^-16Ｗ／ｍ、波長１．３μｍにおける屈折率は１である。

まず、図４に、比較例１の結果を示す。図４の（ａ）に示すように、光は基板２０１の側へ漏れ出し、活性層２０３に光を閉じ込めることができていない。なお、図４の（ｂ）に示すように、温度上昇は１１Ｋ程度と比較的小さい。

次に、図５に、比較例２の結果を示す。図５の（ａ）に示すように、光は、活性層２０３に強く閉じ込められている。一方、図５の（ｂ）に示すように、温度上昇がおよそ４７Ｋと非常に大きくなってしまう。

次に、図６に、実施例１の結果を示す。図６の（ａ）に示すように、光は、活性層２０３に強く閉じ込められている。加えて、図６の（ｂ）に示すように、温度上昇もおよそ１２Ｋと、比較例１の場合と遜色が無い。

上述したように、本発明の実施の形態によれば、Ｓｉ基板上に配置されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる光素子における光閉じ込めおよび高い放熱が両立できるようになる。

ところで、前述したように、光半導体素子の作製において、活性層２０３、コア層２０４、ｐ型半導体層２０５およびｎ型半導体層２０６などの素子部を中間層２０２に貼り付ける場合、これらの間に絶縁層を備えるようにしてもよい。例えば、ＳｉＯ₂からなる絶縁層を貼り付けそうとして用いることで、接着性を向上させることができる。

ただし、絶縁層は、光素子が中間層に接して形成されている場合に比較して光素子から基板への熱伝導が変化しない範囲の厚さとされていることが重要である。例えば、ＳｉＯ₂から絶縁層を構成した場合、図７に示すように、絶縁層の厚さが１００ｎｍを越えると、絶縁層を用いない場合に比較し、温度上昇が２倍以上となる。このため、放熱性を悪化させないためには、ＳｉＯ₂からなる絶縁層を介して貼り付ける場合、絶縁層の厚さは１００ｎｍ以下であることが望ましい。

上述では、ＳｉＯ₂の熱伝導率を１×１０^-6Ｋ／ｍと仮定しており、ＳｉＯ₂からなる絶縁層の厚さを熱伝導率で割った値が１００×１０^-3ｍ²／Ｋ以下であれば、放熱性が確保されることを意味する。従って、ＳｉＯ₂以外の材料から絶縁層を構成する場合においても、絶縁層の厚さを熱伝導率で割った値が１００×１０^-3ｍ²／Ｋ以下とすることが重要である。

なお、上述では、中間層をＧａＰから構成する場合を例に説明したが、これに限るものではなく、単結晶Ｓｉと完全に格子整合するＧａＰＮなどをはじめ、他の材料から中間層を構成してもよい。

以上に説明したように、本発明によれば、シリコンからなる基板の上に、光素子を構成するコアより屈折率が低くかつ熱伝導率が絶縁体より大きい中間層を介して光導波路型の光素子を配置したので、Ｓｉ基板上に配置されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる光素子における光閉じ込めおよび高い放熱が両立できるようになる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、各層の厚さや活性層の断面寸法などは上述した数値に限るものではない。

１０１…基板、１０２…光素子、１０３…中間層。

Claims

シリコンからなる基板と、
前記基板の上に形成されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる光導波路型の光素子と、
前記光素子と前記基板との間に形成されて前記光素子を構成するコアより屈折率が低く、かつ熱伝導率が絶縁体より大きい中間層と
を備え、
前記コアは、コア層と前記コア層に埋め込まれた活性層とを有し、
前記光素子は、前記活性層が形成されている部分において、基板面内方向に前記コア層を挟む状態に配置されたｐ型半導体層およびｎ型半導体層を有し、
前記中間層は、前記光素子を導波する光のモードが前記基板にかからない厚さとされ、
前記絶縁体は、酸化シリコン，窒化シリコン，ベンゾシクロブテンのいずれかである
ことを特徴とする光半導体素子。
請求項１記載の光半導体素子において、
前記中間層は、ＧａＰ_xＮ_1-x（０＜ｘ≦１）またはＡｌＰ_xＮ_1-x（０＜ｘ≦１）から構成されていることを特徴とする光半導体素子。
請求項１または２記載の光半導体素子において、
前記中間層と前記光素子との間に形成された絶縁層を備え、
前記絶縁層は、前記光素子が前記中間層に接して形成されている場合に比較して前記光素子から前記基板への熱伝導が変化しない範囲の厚さとされている
ことを特徴とする光半導体素子。
請求項３記載の光半導体素子において、
前記絶縁層は、酸化シリコンから構成され、厚さが１００ｎｍ以下とされていることを特徴とする光半導体素子。