JP2004273562A - 発光素子およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】シリコン基板上に形成された新規な構造を有する発光素子およびその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の発光素子１００は、シリコン基板１１０と、前記シリコン基板１１０上に形成され、希土類金属およびアルカリ土類金属の少なくとも一方を含む酸化物からなるバッファ層１２０と、前記バッファ層１２０の上に形成された化合物半導体からなる発光部と、を含み、前記発光部は、少なくとも下部クラッド層１２４、上部クラッド層１４２、および下部クラッド層１２４と上部クラッド層１４２との間に配置される活性領域１３０を含む。
【選択図】 図１
【解決手段】本発明の発光素子１００は、シリコン基板１１０と、前記シリコン基板１１０上に形成され、希土類金属およびアルカリ土類金属の少なくとも一方を含む酸化物からなるバッファ層１２０と、前記バッファ層１２０の上に形成された化合物半導体からなる発光部と、を含み、前記発光部は、少なくとも下部クラッド層１２４、上部クラッド層１４２、および下部クラッド層１２４と上部クラッド層１４２との間に配置される活性領域１３０を含む。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光素子およびその製造方法に関し、特にシリコン基板上に化合物半導体を用いて形成した発光素子およびその製造方法に関する。
【０００２】
【背景技術】
半導体レーザーに代表される発光素子は、近年、光通信、光記憶装置、光センサなど多くの分野で使用されている。それらの多くは、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体あるいはＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を材料として作製されている。
【０００３】
しかし、発光素子の作製に際しては、結晶基板とその上に形成される化合物半導体結晶との格子定数の整合性が重要であり、一般に格子不整合率が２％を超えるようであると格子歪みなどにより十分な特性を得ることができない。このため、従来の発光素子においては、基板材料の選択性に大きな制限があり、例えば、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料を用いる場合においては、基板としてＧａＡｓ基板、ＩｎＰ基板やサファイア基板など一定の格子定数を有する基板を用いることしかできなかった。
【０００４】
また、例えば、ＧａＡｓなどの化合物半導体材料からなる結晶基板は、良質で大口径のウェハを得ることが難しく、量産性に乏しい。このため、従来から半導体集積回路の分野で実績があり、大口径のウェハを得ることができるシリコン基板上に化合物半導体材料を用いて形成した発光素子の実現が望まれている。
【０００５】
【非特許文献１】
栖原敏明著、半導体レーザーの基礎、第１版、日本国、共立出版株式会社、１９９８年３月２５日発行
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、シリコン基板上に形成された新規な構造を有する発光素子およびその製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
（１）本発明の発光素子は、シリコン基板と、前記シリコン基板上に形成され、希土類金属およびアルカリ土類金属の少なくとも一方を含む酸化物からなるバッファ層と、前記バッファ層の上に形成された化合物半導体からなる発光部と、を含み、前記発光部は、少なくとも下部クラッド層、上部クラッド層、および下部クラッド層と上部クラッド層との間に配置される活性領域を含む。
【０００８】
本発明によれば、発光素子の基板をシリコン基板とすることで、従来から一般的に用いられてきた化合物半導体基板よりも大口径のウェハを採用することができるようになり、生産性を向上させることができる。
【０００９】
また、本発明によれば、希土類金属およびアルカリ土類金属の少なくとも一方を含む酸化物をバッファ層として、基板材料であるシリコンと発光部の材料となる化合物半導体との結晶の格子定数の差を緩和することにより、発光部において歪みの少ない良質な結晶構造を有する新規な構造の発光素子を実現することができる。
【００１０】
また、本発明によれば、希土類金属およびアルカリ土類金属の少なくとも一方を含む酸化物の材料を変更することで、所望の格子定数の結晶構造を有するバッファ層を得ることができ、かかるバッファ層を構成する酸化物結晶の格子定数に合わせて発光部を構成する化合物半導体の組成を決定することで、従来においては成しえなかった発光波長帯の発光素子を実現することができるようになる。
【００１１】
ここで、前記化合物半導体としては、ＩＩＩ族元素としてＧａ、Ｉｎ、およびＡｌの少なくともひとつを含み、かつＶ族元素としてＡｓ、ＮおよびＰの少なくとも１つを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であることができる。
【００１２】
かかる態様によれば、これらのＩＩＩ族元素とＶ族元素との組合せからなる化合物半導体は、特に、３元系以上の化合物半導体の場合、組成の組合せにより５．４〜６．１の広範囲な格子定数を有する結晶を得ることができる。この格子定数は、化合物半導体結晶の有するバンドギャップエネルギーと密接に関係し、このバンドギャップエネルギーに対応して発光素子の発光波長帯が決定される。このため、かかる格子定数が５．４〜６．１の範囲のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶にあっては、２００ｎｍという短波長帯から２μｍ以上の長波長帯までの広範囲にわたる発光波長帯の発光素子の実現が可能である。従って、このＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶の格子定数に合うバッファ層の材料を選択することで、所望の発光波長帯を有する発光素子を得ることができる。
【００１３】
そして、前記酸化物としては、Ｚｒ、Ｋ、Ｔａ、およびＴｉの少なくとも一つを構成元素に含む３元系以上の複合酸化物であることができる。かかる複合酸化物は、例えば、ＳｒＺｒＯ３、ＢａＴｉＯ３、ＣａＺｒＯ３、ＢａＺｒＯ３、およびこれらの固溶体の少なくとも一つであることができる。かかる酸化物結晶は所定の結晶軸において、５．４〜６．１Åの範囲内の格子定数（格子点間距離）を有するため、本発明の発光素子のバッファ層の材料として好適である。
【００１４】
さらに、本発明の発光素子では、前記発光部が、下部クラッド層の下に配置される下部ミラー層と、上部クラッド層の上に配置される上部ミラー層と、を含むことができる。かかる態様によれば、発光素子として所望の発光波長帯を有する面発光型レーザーを実現することができる。
【００１５】
（２）本発明の発光素子の製造方法は、シリコン基板上に希土類金属およびアルカリ土類金属の少なくとも一方を含む酸化物からなるバッファ層を形成すること、前記バッファ層の上に化合物半導体を結晶成長することにより下部クラッド層、活性領域、および上部クラッド層を順次積層して発光部を形成すること、を含む。
【００１６】
また、本発明の発光素子の製造方法は、シリコン基板上に希土類金属およびアルカリ土類金属の少なくとも一方を含む酸化物からなるバッファ層を形成すること、前記バッファ層の上に化合物半導体を結晶成長することにより下部ミラー層、下部クラッド層、活性領域、上部クラッド層、および上部ミラー層を順次積層して発光部を形成すること、を含む。
【００１７】
かかる本発明の発光素子の製造方法によれば、所与の格子定数を有する希土類金属あるいはアルカリ土類金属を含む酸化物材料を選択してバッファ層を形成することで、その上に形成する化合物半導体の組成を多種多様に選択することができ、所望の発光波長帯を有する発光素子を得ることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に好適な実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１９】
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係るストライプレーザー１００を模式的に示す断面図である。
【００２０】
本実施の形態に係るストライプレーザー１００は、シリコン基板１１０上に、酸化物からなるバッファ層１２０、導電型がｎ型の化合物半導体からなるｎ型コンタクト層１２２、導電型がｎ型の化合物半導体からなる下部クラッド層１２４、ノンドープの化合物半導体からなるバリア層１３２、井戸層１３４、およびバリア層１３６により構成された量子井戸構造を有する活性領域１３０、導電型がｐ型の化合物半導体からなる上部クラッド層１４２、および導電型がｐ型の化合物半導体からなるｐ型コンタクト層１４４が順次積層されて構成されている。さらに、ストライプレーザー１００は、上述した化合物半導体からなる層を被覆するように形成され、かつｐ型コンタクト層１４４の上部がストライプパターニングされた絶縁層１５０が形成され、ｐ型コンタクト層１４４の上に金属薄膜からなるｐ型電極層１６２が形成されており、ｎ型コンタクト層１２２の上に金属薄膜からなるｎ型電極層１６４が形成されて構成される。
【００２１】
本実施の形態に係るストライプレーザー１００は、ｐ型電極層１６２からｎ型電極層１６４にかけて順方向電流が通電されることにより、活性領域１３０で発生した光が下部クラッド層１２４と上部クラッド層１４２との間に閉じ込められて活性領域１３０の端面の間で共振することにより、かかる端面からレーザー光を出射するものである。
【００２２】
また、本実施の形態のストライプレーザー１００は、以下のような製造工程により形成することができる。
【００２３】
図２は、本実施の形態に係るストライプレーザー１００の製造工程を模式的に示す断面図である。
【００２４】
まず、図２（Ａ）に示すように、シリコン基板１１０上に例えば、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法やプラズマＣＶＤ法などを用いて、酸化物材料からなるバッファ層１２０を形成する。
【００２５】
シリコン基板１１０は、その結晶面が（１００）配向していることが好ましい。
【００２６】
また、バッファ層１２０は、例えば、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｙなどの希土類金属、および、例えば、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａなどのアルカリ土類金属のなかから少なくともひとつを構成元素として含む酸化物あるいはその固溶体から形成することができる。かかる酸化物は、バッファ層１２０の上に形成される化合物半導体の組成を考慮して、所定の結晶軸における格子点間距離（格子定数）が例えば、５．４〜６．１Åの範囲にある結晶構造を有するものを材料として用いることができる。また、バッファ層１２０の材料としては、上述した希土類金属あるいはアルカリ土類金属に加えて、例えば、Ｚｒ、Ｋ、Ｔａ、およびＴｉなどの他の金属元素を構成元素として含む３元系以上の複合酸化物を用いることもできる。
【００２７】
次に、図２（Ｂ）に示すように、バッファ層１２０の上に、ｎ型コンタクト層１２２、下部クラッド層１２４、バリア層１３２、井戸層１３４、バリア層１３６、上部クラッド層１４２、およびｐ型クラッド層１４４を例えば、ＭＢＥ法や有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を用いて所与の化合物半導体を順次結晶成長することにより形成する。
【００２８】
次に、図２（Ｃ）に示すように、結晶成長した化合物半導体の層に対して例えば、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などの公知のエッチング手法を用いてエッチングを行うことによりｎ型コンタクト層１２２を露出させ、その後、素子全体を被覆するように例えば、ＳｉＯ２などの酸化膜からなる絶縁層１５０を形成して、かかる絶縁層１５０のｐ型コンタクト層１４４の上部をストライプ形状にパターニングするともに、ｎ型コンタクト層１２２を露出させる。
【００２９】
最終的には、ｐ型コンタクト層１４４の上部に例えば、Ｃｒ膜、ＡｕＺｎ膜、Ａｕ膜が順次積層された構造を有するｐ型電極層１６２を形成するとともにｎ型コンタクト層１２２の上に例えば、Ｃｒ膜、ＡｕＧｅ膜、Ｎｉ膜、Ａｕ膜が順次積層された構造を有するｎ型電極層１６４を形成することにより、図１に示すようなストライプレーザー１００を得ることができる。かかる工程において、ｐ型電極層１６２およびｎ型電極層１６４は、例えば、蒸着法やスパッタ法などの公知の成膜方法を用いて形成することができる。
【００３０】
このようにして得られる本実施の形態のストライプレーザー１００は、上述した酸化物材料からなるバッファ層１２０を有することで、格子歪みがない状態で良好な化合物半導体結晶から構成され、様々な発光波長を有する発光素子を実現することができる。また、良質な大口径ウェハを得ることができるシリコン基板１１０上に素子を形成することができるため、生産性の向上を図ることができるようになる。
【００３１】
ここで、バッファ層１２０の材料によるストライプレーザー１００の発光波長の制御について、以下に詳細に説明する。
【００３２】
まず、化合物半導体材料の格子定数と、バンドギャップエネルギー（禁制帯幅）との関係を図３に示す。本実施の形態のストライプレーザー１００などの発光素子においては、活性領域１３０（特に、量子井戸構造の場合は井戸層１３４）の材料組成が素子の発光波長を決める要因のひとつとなっている。
【００３３】
そして、図３においては、３元系混晶であるＡｌＸＧａ１−ＸＡｓであれば、組成Ｘの変調によりバンドギャップエネルギーの変化があるが、その格子定数については、組成Ｘの値にかかわらず、ほとんど影響がないことがわかる。一方で、同じ３元系混晶であるＩｎＸＧａ１−ＸＡｓやＧａＸＮ１−ＸＡｓの場合、組成Ｘが変調されると、約０．１Åの範囲で格子定数の変動が生じ、それに伴いバンドギャップエネルギーもＡｌＸＧａ１−ＸＡｓに比べて大きく変動する。また、４元系混晶であるＩｎＸＧａ１−ＸＡｓＹＰ１−ＹやＧａＸＩｎ１−ＸＮＹＡｓ１−Ｙの場合は、組成Ｘおよび組成Ｙの変動により、格子定数およびバンドギャップエネルギーがともに広範囲で変化することが分かる。
【００３４】
さらに、このように組成によって変化するバンドギャップエネルギーとこれにより決定される発光波長との関係を図４に示す。
【００３５】
かかる図４によれば、３元系以上の混晶からなる化合物半導体において組成が変調されると材料の選択により広範囲な波長帯における発光波長の発光素子が得られることが分かる。
【００３６】
しかし、従来、化合物半導体材料を用いて発光素子を作製するためには、基板材料とその上に形成される化合物半導体層の格子定数との整合性を考慮する必要があり、一般に格子不整合率が２％（代表値）を超えると発光素子として十分な機能を発揮させることが困難であるといわれている。このため、発光素子の基板材料としては、上述したような化合物半導体と格子整合性のよいＧａＡｓ基板（格子定数：約５．６５Å）やＩｎＰ基板（格子定数：約５．８７Å）が用いられてきた。このため、これらの基板を用いて発光素子を作製する場合、例えば、ＧａＩｎＮＡｓのように格子定数によらずとも、その組成のみでバンドギャップエネルギーを大きく変化させることができる材料系では、ある一定の範囲で発光波長帯を変化させた発光素子を得ることができたが、ＧａＩｎＮＡｓを材料として用いる場合、結晶中へのＮ元素の導入が難しく、組成を大きく変動させることが難しいため、実際には任意に発光波長を選択することは難しい。また、例えば、ＩｎＧａＡｓＰなどのように、格子定数の変動に伴いバンドギャップエネルギーが大きく変化する材料系においては、その組成を変化させても基板材料の格子定数の制限により、狭い範囲内でしか発光波長を選択することができなかった。この基板材料の格子定数による発光波長の制限は、図３に示すように、例えば、ＧａＮＡｓやＩｎＧａＡｓなどの３元系混晶の場合において特に顕著である。
【００３７】
また、一般に用いられているＧａＡｓ基板やＩｎＰ基板などでは、良質で大口径のウェハを得ることが難しいため、大口径ウェハを得ることが可能なＳｉ基板を用いたヘテロエピタキシー技術が試みられている。しかしながら、Ｓｉ基板上に例えば、ＧａＡｓを結晶成長しようとしてもＧａＡｓとＳｉの格子不整合率は、５％以上もあり、良質なＧａＡｓ結晶をＳｉ基板上に直接得ることは困難であった。
【００３８】
そこで、本実施の形態に係るストライプレーザー１００では、バッファ層１２０の材料として、希土類金属あるいはアルカリ土類金属の少なくとも一方を構成元素に含む酸化物を採用し、これによりＳｉ基板と化合物半導体との格子不整合を緩和することができる。また、このことにより、バッファ層１２０を構成する酸化物結晶の所定の結晶軸における格子点間距離（格子定数）を所与の材料を選択することにより変更することができるため、従来では特定の材料を用いなければ成しえなかった発光波長、あるいは基板材料の格子定数の制限により実現不可能であった発光波長を有する発光素子を種々の化合物半導体材料を用いて実現することができるようになる。すなわち、本実施の形態によれば、希土類金属の酸化物あるいはアルカリ土類金属酸化物をバッファ層１２０とすることで、その材料選択による格子定数の制御により、ストライプレーザー１００における発光波長の制御が可能となる。さらに、本実施の形態によれば、上述したようなＳｉ基板上に所望の化合物半導体材料からなるストライプレーザー１００を形成することができるため、大口径ウェハを用いた発光素子の大量生産が可能となる。
【００３９】
以下では、本発明を適用した下記の表１に示す実施例１〜５に沿って、上述したバッファ層１２０を有する本実施の形態のストライプレーザー１００の効果を説明する。なお、下記の実施例においてはいずれの場合も基板１１０は、（１００）配向のＳｉ基板を用いるものとする。
【００４０】
【表１】
（実施例１）
本例では、バッファ層１２０を構成する酸化物として、ＳｒＺｒＯ３（ａ＝５．８１０６Å）を用いる場合について説明する。本例において、下部クラッド層１２２および上部クラッド層１４２については、表１に示すように、ＩｎＸＧａ１−ＸＡｓＹＰ１−ＹまたはＩｎＸＧａ１−ＸＡｓを用いることができる。また、本例において活性領域は、表１に示すように、バリア層１２４，１４０としてＩｎＸＧａ１−ＸＡｓＹＰ１−ＹまたはＩｎＸＧａ１−ＸＡｓを用い、井戸層１３０としてＧａＸＩｎ１−ＸＮＹＡｓ１−ＹまたはＩｎＸＧａ１−ＸＡｓＹＰ１ −Ｙを用いた量子井戸構造とすることができる。
【００４１】
このような実施例１の構造のストライプレーザーでは、図３に示すように、バッファ層１２０の格子定数がＧａＡｓとＩｎＰの間の値となる。このため、井戸層１３０としてＩｎＸＧａ１−ＸＡｓＹＰ１−Ｙを用いた場合においては、従来のようにＩｎＰ基板上に素子を形成していた場合に比べて発光波長を短波長側にシフトさせた発光素子を得ることができる。また、井戸層１３０としてＧａＸＩｎ１−ＸＮＹＡｓ１−Ｙを用いた場合においては、従来のようにＧａＡｓ基板上に素子を形成していた場合に比べて結晶構造の中に導入しにくいＮ元素の組成比を低減しても長距離通信に適した１．５５μｍ帯の発光波長を有する発光素子を容易に得ることができるようになる。また、井戸層１３０としていずれの材料を用いた場合においても、Ｓｉ基板上に格子歪みの少ない状態で素子を形成することができるため、大口径ウェハを用いた大量生産が可能である。
【００４２】
（実施例２）
本例では、バッファ層１２０を構成する酸化物として、ＢａＴｉＯ３（√２ａ＝５．６４６Å）を用いる場合について説明する。本例において、下部クラッド層１２２および上部クラッド層１４２については、表１に示すように、ＡｌＸＧａ１−ＸＡｓを用いることができる。また、本例において活性領域は、表１に示すように、バリア層１２４，１４０としてＡｌＸＧａ１−ＸＡｓを用い、井戸層１３０としてＧａＡｓを用いた量子井戸構造とすることができる。
【００４３】
このような実施例２の構造のストライプレーザーでは、図３に示すように、バッファ層１２０の格子定数がＧａＡｓ（５．６５Å）とほぼ同一の値となる。このため、従来ＧａＡｓ基板上に素子を形成していた材料系を用いてＳｉ基板上に格子歪みの少ない状態で素子を形成することができるため、大口径ウェハを用いた大量生産が可能である。
【００４４】
（実施例３）
本例では、バッファ層１２０を構成する酸化物として、ＣａＺｒＯ３（ａ＝５．５８７Å）を用いる場合について説明する。本例において、下部クラッド層１２２および上部クラッド層１４２については、表１に示すように、ＧａＸＮ１−ＸＡｓを用いることができる。また、本例において活性領域は、表１に示すように、バリア層１２４，１４０としてＧａＸＮ１−ＸＡｓを用い、井戸層１３０としてＧａＸＩｎ１−ＸＮＹＡｓ１−ＹまたはＧａＸＮ１−ＸＡｓを用いた量子井戸構造とすることができる。
【００４５】
このような実施例３の構造のストライプレーザーでは、図３に示すように、バッファ層１２０の格子定数がＧａＡｓよりも小さな値となる。このため、従来のようにＧａＡｓ基板上に素子を形成していた場合に比べて、結晶構造の中に導入しにくいＮ元素の組成比を低減しても１．５５μｍ帯を超える長波長の発光波長を有する発光素子を容易に得ることができるようになる。また、本実施例においても、Ｓｉ基板上に格子歪みの少ない状態で素子を形成することができるため、大口径ウェハを用いた大量生産が可能である。
【００４６】
（実施例４）
本例では、バッファ層１２０を構成する酸化物として、ＢａＺｒＯ３（√２ａ＝５．９２８Å）を用いる場合について説明する。本例において、下部クラッド層１２２および上部クラッド層１４２については、表１に示すように、ＩｎＸＧａ１−ＸＡｓＹＰ１−ＹまたはＩｎＸＧａ１−ＸＡｓを用いることができる。また、本例において活性領域は、表１に示すように、バリア層１２４，１４０としてＩｎＸＧａ１−ＸＡｓＹＰ１−ＹまたはＩｎＸＧａ１−ＸＡｓを用い、井戸層１３０としてＧａＸＩｎ１−ＸＮＹＡｓ１−ＹまたはＩｎＸＧａ１−ＸＡｓＹＰ１−Ｙを用いた量子井戸構造とすることができる。
【００４７】
このような実施例４の構造のストライプレーザーでは、図３に示すように、バッファ層１２０の格子定数がＩｎＰより大きな値となる。このため、井戸層１３０としてＩｎＸＧａ１−ＸＡｓＹＰ１−Ｙを用いた場合においては、従来のようにＩｎＰ基板上に素子を形成していた場合に比べて発光波長を長波長側にシフトさせた発光素子を得ることができる。また、井戸層１３０としてＧａＸＩｎ１−ＸＮＹＡｓ１−Ｙを用いた場合においては、従来のようにＧａＡｓ基板上に素子を形成していた場合に比べて結晶構造の中に導入しにくいＮ元素の組成比を低減しても１．５５μｍ帯を超える長波長帯の発光波長を有する発光素子を容易に得ることができるようになる。また、井戸層１３０としていずれの材料を用いた場合においても、Ｓｉ基板上に格子歪みの少ない状態で素子を形成することができるため、大口径ウェハを用いた大量生産が可能である。
【００４８】
［第２の実施形態］
図５は、本発明の第１の実施形態に係る面発光型レーザー２００を模式的に示す断面図である。
【００４９】
本実施の形態に係るストライプレーザー２００は、シリコン基板２１０上に、酸化物からなるバッファ層２２０、導電型がｎ型の化合物半導体からなるｎ型コンタクト層２２２、導電型がｎ型の化合物半導体からなるｎ型ＤＢＲミラー層（下部ミラー層）２２４、導電型がｎ型の下部クラッド層２２６、ノンドープの化合物半導体からなるバリア層２３２、井戸層２３４、およびバリア層２３６により構成された量子井戸構造を有する活性領域２３０、導電型がｐ型の化合物半導体からなる上部クラッド層２４２、導電型がｐ型の化合物半導体からなるｐ型ＤＢＲミラー層（上部ミラー層）２４４、および導電型がｐ型の化合物半導体からなるｐ型コンタクト層２４６が順次積層されて構成されている。さらに、面発光型レーザー２００は、上述した化合物半導体からなる層を被覆する絶縁層１５０を有し、かつｐ型コンタクト層２４６の上部から光を出射するための開口部を有する金属薄膜からなるｐ型電極層２６２と、ｎ型コンタクト層２２２の上に金属薄膜からなるｎ型電極層２６４とを含んで構成される。
【００５０】
本実施の形態に係る面発光型レーザー２００は、ｐ型電極層２６２からｎ型電極層２６４にかけて順方向電流が通電されることにより、活性領域２３０で発生した光がｐ型ＤＢＲミラー層２４４とｎ型ＤＢＲミラー層２２４との間で分布ブラッグ反射を繰り返しながら共振することにより単一モード発振したレーザー光をｐ型コンタクト層２４６の上部から出射するものである。
【００５１】
また、本実施の形態の面発光型レーザー２００は、以下のような製造工程により形成することができる。
【００５２】
図６、７は、本実施の形態に係る面発光型レーザー２００の製造工程を模式的に示す断面図である。
【００５３】
まず、図６（Ａ）に示すように、シリコン基板２１０上に例えば、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法やプラズマＣＶＤ法などを用いて、酸化物材料からなるバッファ層２２０を形成する。
【００５４】
本実施の形態に係る面発光型レーザー２００においても、第１の実施形態の場合と同様に、シリコン基板２１０は、その結晶面が（１００）配向していることが好ましい。
【００５５】
また、バッファ層２２０についても、第１の実施形態の場合と同様に、例えば、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｙなどの希土類金属、および、例えば、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａなどのアルカリ土類金属のなかから少なくともひとつを構成元素として含む酸化物あるいはその固溶体から形成することができる。かかる酸化物は、バッファ層１２０の上に形成される化合物半導体の組成を考慮して、所定の結晶軸における格子点間距離（格子定数）が例えば、５．４〜６．１Åの範囲にある結晶構造を有するものを材料として用いることができる。また、バッファ層１２０の材料としては、上述した希土類金属あるいはアルカリ土類金属に加えて、例えば、Ｚｒ、Ｋ、Ｔａ、およびＴｉなどの他の金属元素を構成元素として含む３元系以上の複合酸化物を用いることもできる。
【００５６】
次に、図６（Ｂ）に示すように、バッファ層２２０の上に、ｎ型コンタクト層２２２、ｎ型ＤＢＲミラー層２２４、下部クラッド層２２６、バリア層２３２、井戸層２３４、バリア層２３６、上部クラッド層２４２、ｐ型ＤＢＲミラー層２４４およびｐ型クラッド層２４６を例えば、ＭＢＥ法や有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を用いて所与の化合物半導体を順次結晶成長することにより形成する。
【００５７】
次に、図７（Ａ）に示すように、結晶成長した化合物半導体の層に対して例えば、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などの公知のエッチング手法を用いてエッチングを行うことによりｎ型コンタクト層２２２を露出させ、その後、必要に応じてｐ型ＤＢＲミラー層２４４およびｐ型コンタクト層２４６を柱状にエッチングして電流狭窄構造とすることができる。そして、素子全体を被覆するように例えば、ＳｉＯ２などの酸化膜からなる絶縁層２５０を形成して、その後ｐ型コンタクト層２４６およびｎ型コンタクト層１２２を露出させる。
【００５８】
最終的には、ｐ型コンタクト層２４６の上に例えば、Ｃｒ膜、ＡｕＺｎ膜、Ａｕ膜が順次積層された構造を有するｐ型電極層２６２を形成するとともにｎ型コンタクト層２２２の上に例えば、Ｃｒ膜、ＡｕＧｅ膜、Ｎｉ膜、Ａｕ膜が順次積層された構造を有するｎ型電極層２６４を形成することにより、図１に示すような面発光型レーザー２００を得ることができる。かかる工程において、ｐ型電極層１６２およびｎ型電極層１６４は、例えば、蒸着法やスパッタ法などの公知の成膜方法を用いて形成することができる。
【００５９】
このようにして得られる本実施の形態の面発光型レーザー２００は、上述した酸化物材料からなるバッファ層２２０を有することで、格子歪みがない状態で良好な化合物半導体結晶から構成され、様々な発光波長を有する発光素子を実現することができる。また、良質な大口径ウェハを得ることができるシリコン基板２１０上に素子を形成することができるため、生産性の向上を図ることができるようになる。
【００６０】
そして、本実施の形態においても、上述した第１の実施形態の場合と同様の実施例を採用することができるため、希土類金属の酸化物あるいはアルカリ土類金属酸化物をバッファ層２２０とすることで、その材料選択による格子定数の制御により、面発光型レーザー２００における発光波長の制御が可能となる。
【００６１】
以上に本発明に好適な実施の形態について説明したが、本発明は、上述したものに限られず、発明の要旨の範囲内で種々の変形態様により実施することができる。
【００６２】
例えば、上述した各実施形態では、バッファ層の材料により格子整合系の発光素子を実現する場合を例に説明したが、本発明では、逆に化合物半導体の層に格子歪みを積極的に導入する格子不整合系の発光素子を実現することもできる。かかる技術は、特に、ＧａＡｓを活性領域（井戸層）の材料として用いる場合に有用である。これは、図２にも示されるように、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系の量子井戸構造では、組成を変更しても一義的に結晶の格子定数が定まってしまうため、従来はかかる量子井戸構造に発光素子としての機能を破壊しない程度の格子歪みを導入することが困難であったからである。しかし、上記実施形態でも述べたように、バッファ層に用いられる酸化物材料の選択により格子定数をＧａＡｓの格子定数（５．６５Å）から小さいまたは大きいバッファ層を形成することで、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系の量子井戸構造においても歪みを導入して、発光波長がシフトした発光素子を実現することが可能となる。このような歪みの導入態様としては、ＧａＡｓより格子定数の小さな酸化物材料によりバッファ層を形成することにより圧縮歪みを導入する場合と、ＧａＡｓより格子定数の大きな酸化物材料によりバッファ層を形成することにより引張り歪みを導入する場合とがあるが、上述したアルカリ土類金属あるいは希土類金属の酸化物を用いることにより、いずれの態様をも実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係るストライプレーザーを示す断面図。
【図２】第１の実施形態に係るストライプレーザーの製造工程を示す断面図。
【図３】化合物半導体結晶の格子定数とバンドギャップエネルギーとの関係を示す図。
【図４】バンドギャップエネルギーと発光波長との関係を示す図。
【図５】第２の実施形態に係る面発光型レーザーを示す断面図。
【図６】第２の実施形態に係る面発光型レーザーの製造工程を示す断面図。
【図７】第２の実施形態に係る面発光型レーザーの製造工程を示す断面図。
【符号の説明】
１１０ シリコン基板、１２０ バッファ層、１２２ ｎ型コンタクト層、１２４ 下部クラッド層、１３０ 活性領域、１３２，１３６ バリア層、１３４ 井戸層、１４２ 上部クラッド層、１４４ ｐ型コンタクト層
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光素子およびその製造方法に関し、特にシリコン基板上に化合物半導体を用いて形成した発光素子およびその製造方法に関する。
【０００２】
【背景技術】
半導体レーザーに代表される発光素子は、近年、光通信、光記憶装置、光センサなど多くの分野で使用されている。それらの多くは、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体あるいはＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を材料として作製されている。
【０００３】
しかし、発光素子の作製に際しては、結晶基板とその上に形成される化合物半導体結晶との格子定数の整合性が重要であり、一般に格子不整合率が２％を超えるようであると格子歪みなどにより十分な特性を得ることができない。このため、従来の発光素子においては、基板材料の選択性に大きな制限があり、例えば、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料を用いる場合においては、基板としてＧａＡｓ基板、ＩｎＰ基板やサファイア基板など一定の格子定数を有する基板を用いることしかできなかった。
【０００４】
また、例えば、ＧａＡｓなどの化合物半導体材料からなる結晶基板は、良質で大口径のウェハを得ることが難しく、量産性に乏しい。このため、従来から半導体集積回路の分野で実績があり、大口径のウェハを得ることができるシリコン基板上に化合物半導体材料を用いて形成した発光素子の実現が望まれている。
【０００５】
【非特許文献１】
栖原敏明著、半導体レーザーの基礎、第１版、日本国、共立出版株式会社、１９９８年３月２５日発行
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、シリコン基板上に形成された新規な構造を有する発光素子およびその製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
（１）本発明の発光素子は、シリコン基板と、前記シリコン基板上に形成され、希土類金属およびアルカリ土類金属の少なくとも一方を含む酸化物からなるバッファ層と、前記バッファ層の上に形成された化合物半導体からなる発光部と、を含み、前記発光部は、少なくとも下部クラッド層、上部クラッド層、および下部クラッド層と上部クラッド層との間に配置される活性領域を含む。
【０００８】
本発明によれば、発光素子の基板をシリコン基板とすることで、従来から一般的に用いられてきた化合物半導体基板よりも大口径のウェハを採用することができるようになり、生産性を向上させることができる。
【０００９】
また、本発明によれば、希土類金属およびアルカリ土類金属の少なくとも一方を含む酸化物をバッファ層として、基板材料であるシリコンと発光部の材料となる化合物半導体との結晶の格子定数の差を緩和することにより、発光部において歪みの少ない良質な結晶構造を有する新規な構造の発光素子を実現することができる。
【００１０】
また、本発明によれば、希土類金属およびアルカリ土類金属の少なくとも一方を含む酸化物の材料を変更することで、所望の格子定数の結晶構造を有するバッファ層を得ることができ、かかるバッファ層を構成する酸化物結晶の格子定数に合わせて発光部を構成する化合物半導体の組成を決定することで、従来においては成しえなかった発光波長帯の発光素子を実現することができるようになる。
【００１１】
ここで、前記化合物半導体としては、ＩＩＩ族元素としてＧａ、Ｉｎ、およびＡｌの少なくともひとつを含み、かつＶ族元素としてＡｓ、ＮおよびＰの少なくとも１つを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であることができる。
【００１２】
かかる態様によれば、これらのＩＩＩ族元素とＶ族元素との組合せからなる化合物半導体は、特に、３元系以上の化合物半導体の場合、組成の組合せにより５．４〜６．１の広範囲な格子定数を有する結晶を得ることができる。この格子定数は、化合物半導体結晶の有するバンドギャップエネルギーと密接に関係し、このバンドギャップエネルギーに対応して発光素子の発光波長帯が決定される。このため、かかる格子定数が５．４〜６．１の範囲のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶にあっては、２００ｎｍという短波長帯から２μｍ以上の長波長帯までの広範囲にわたる発光波長帯の発光素子の実現が可能である。従って、このＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶の格子定数に合うバッファ層の材料を選択することで、所望の発光波長帯を有する発光素子を得ることができる。
【００１３】
そして、前記酸化物としては、Ｚｒ、Ｋ、Ｔａ、およびＴｉの少なくとも一つを構成元素に含む３元系以上の複合酸化物であることができる。かかる複合酸化物は、例えば、ＳｒＺｒＯ３、ＢａＴｉＯ３、ＣａＺｒＯ３、ＢａＺｒＯ３、およびこれらの固溶体の少なくとも一つであることができる。かかる酸化物結晶は所定の結晶軸において、５．４〜６．１Åの範囲内の格子定数（格子点間距離）を有するため、本発明の発光素子のバッファ層の材料として好適である。
【００１４】
さらに、本発明の発光素子では、前記発光部が、下部クラッド層の下に配置される下部ミラー層と、上部クラッド層の上に配置される上部ミラー層と、を含むことができる。かかる態様によれば、発光素子として所望の発光波長帯を有する面発光型レーザーを実現することができる。
【００１５】
（２）本発明の発光素子の製造方法は、シリコン基板上に希土類金属およびアルカリ土類金属の少なくとも一方を含む酸化物からなるバッファ層を形成すること、前記バッファ層の上に化合物半導体を結晶成長することにより下部クラッド層、活性領域、および上部クラッド層を順次積層して発光部を形成すること、を含む。
【００１６】
また、本発明の発光素子の製造方法は、シリコン基板上に希土類金属およびアルカリ土類金属の少なくとも一方を含む酸化物からなるバッファ層を形成すること、前記バッファ層の上に化合物半導体を結晶成長することにより下部ミラー層、下部クラッド層、活性領域、上部クラッド層、および上部ミラー層を順次積層して発光部を形成すること、を含む。
【００１７】
かかる本発明の発光素子の製造方法によれば、所与の格子定数を有する希土類金属あるいはアルカリ土類金属を含む酸化物材料を選択してバッファ層を形成することで、その上に形成する化合物半導体の組成を多種多様に選択することができ、所望の発光波長帯を有する発光素子を得ることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に好適な実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１９】
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係るストライプレーザー１００を模式的に示す断面図である。
【００２０】
本実施の形態に係るストライプレーザー１００は、シリコン基板１１０上に、酸化物からなるバッファ層１２０、導電型がｎ型の化合物半導体からなるｎ型コンタクト層１２２、導電型がｎ型の化合物半導体からなる下部クラッド層１２４、ノンドープの化合物半導体からなるバリア層１３２、井戸層１３４、およびバリア層１３６により構成された量子井戸構造を有する活性領域１３０、導電型がｐ型の化合物半導体からなる上部クラッド層１４２、および導電型がｐ型の化合物半導体からなるｐ型コンタクト層１４４が順次積層されて構成されている。さらに、ストライプレーザー１００は、上述した化合物半導体からなる層を被覆するように形成され、かつｐ型コンタクト層１４４の上部がストライプパターニングされた絶縁層１５０が形成され、ｐ型コンタクト層１４４の上に金属薄膜からなるｐ型電極層１６２が形成されており、ｎ型コンタクト層１２２の上に金属薄膜からなるｎ型電極層１６４が形成されて構成される。
【００２１】
本実施の形態に係るストライプレーザー１００は、ｐ型電極層１６２からｎ型電極層１６４にかけて順方向電流が通電されることにより、活性領域１３０で発生した光が下部クラッド層１２４と上部クラッド層１４２との間に閉じ込められて活性領域１３０の端面の間で共振することにより、かかる端面からレーザー光を出射するものである。
【００２２】
また、本実施の形態のストライプレーザー１００は、以下のような製造工程により形成することができる。
【００２３】
図２は、本実施の形態に係るストライプレーザー１００の製造工程を模式的に示す断面図である。
【００２４】
まず、図２（Ａ）に示すように、シリコン基板１１０上に例えば、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法やプラズマＣＶＤ法などを用いて、酸化物材料からなるバッファ層１２０を形成する。
【００２５】
シリコン基板１１０は、その結晶面が（１００）配向していることが好ましい。
【００２６】
また、バッファ層１２０は、例えば、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｙなどの希土類金属、および、例えば、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａなどのアルカリ土類金属のなかから少なくともひとつを構成元素として含む酸化物あるいはその固溶体から形成することができる。かかる酸化物は、バッファ層１２０の上に形成される化合物半導体の組成を考慮して、所定の結晶軸における格子点間距離（格子定数）が例えば、５．４〜６．１Åの範囲にある結晶構造を有するものを材料として用いることができる。また、バッファ層１２０の材料としては、上述した希土類金属あるいはアルカリ土類金属に加えて、例えば、Ｚｒ、Ｋ、Ｔａ、およびＴｉなどの他の金属元素を構成元素として含む３元系以上の複合酸化物を用いることもできる。
【００２７】
次に、図２（Ｂ）に示すように、バッファ層１２０の上に、ｎ型コンタクト層１２２、下部クラッド層１２４、バリア層１３２、井戸層１３４、バリア層１３６、上部クラッド層１４２、およびｐ型クラッド層１４４を例えば、ＭＢＥ法や有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を用いて所与の化合物半導体を順次結晶成長することにより形成する。
【００２８】
次に、図２（Ｃ）に示すように、結晶成長した化合物半導体の層に対して例えば、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などの公知のエッチング手法を用いてエッチングを行うことによりｎ型コンタクト層１２２を露出させ、その後、素子全体を被覆するように例えば、ＳｉＯ２などの酸化膜からなる絶縁層１５０を形成して、かかる絶縁層１５０のｐ型コンタクト層１４４の上部をストライプ形状にパターニングするともに、ｎ型コンタクト層１２２を露出させる。
【００２９】
最終的には、ｐ型コンタクト層１４４の上部に例えば、Ｃｒ膜、ＡｕＺｎ膜、Ａｕ膜が順次積層された構造を有するｐ型電極層１６２を形成するとともにｎ型コンタクト層１２２の上に例えば、Ｃｒ膜、ＡｕＧｅ膜、Ｎｉ膜、Ａｕ膜が順次積層された構造を有するｎ型電極層１６４を形成することにより、図１に示すようなストライプレーザー１００を得ることができる。かかる工程において、ｐ型電極層１６２およびｎ型電極層１６４は、例えば、蒸着法やスパッタ法などの公知の成膜方法を用いて形成することができる。
【００３０】
このようにして得られる本実施の形態のストライプレーザー１００は、上述した酸化物材料からなるバッファ層１２０を有することで、格子歪みがない状態で良好な化合物半導体結晶から構成され、様々な発光波長を有する発光素子を実現することができる。また、良質な大口径ウェハを得ることができるシリコン基板１１０上に素子を形成することができるため、生産性の向上を図ることができるようになる。
【００３１】
ここで、バッファ層１２０の材料によるストライプレーザー１００の発光波長の制御について、以下に詳細に説明する。
【００３２】
まず、化合物半導体材料の格子定数と、バンドギャップエネルギー（禁制帯幅）との関係を図３に示す。本実施の形態のストライプレーザー１００などの発光素子においては、活性領域１３０（特に、量子井戸構造の場合は井戸層１３４）の材料組成が素子の発光波長を決める要因のひとつとなっている。
【００３３】
そして、図３においては、３元系混晶であるＡｌＸＧａ１−ＸＡｓであれば、組成Ｘの変調によりバンドギャップエネルギーの変化があるが、その格子定数については、組成Ｘの値にかかわらず、ほとんど影響がないことがわかる。一方で、同じ３元系混晶であるＩｎＸＧａ１−ＸＡｓやＧａＸＮ１−ＸＡｓの場合、組成Ｘが変調されると、約０．１Åの範囲で格子定数の変動が生じ、それに伴いバンドギャップエネルギーもＡｌＸＧａ１−ＸＡｓに比べて大きく変動する。また、４元系混晶であるＩｎＸＧａ１−ＸＡｓＹＰ１−ＹやＧａＸＩｎ１−ＸＮＹＡｓ１−Ｙの場合は、組成Ｘおよび組成Ｙの変動により、格子定数およびバンドギャップエネルギーがともに広範囲で変化することが分かる。
【００３４】
さらに、このように組成によって変化するバンドギャップエネルギーとこれにより決定される発光波長との関係を図４に示す。
【００３５】
かかる図４によれば、３元系以上の混晶からなる化合物半導体において組成が変調されると材料の選択により広範囲な波長帯における発光波長の発光素子が得られることが分かる。
【００３６】
しかし、従来、化合物半導体材料を用いて発光素子を作製するためには、基板材料とその上に形成される化合物半導体層の格子定数との整合性を考慮する必要があり、一般に格子不整合率が２％（代表値）を超えると発光素子として十分な機能を発揮させることが困難であるといわれている。このため、発光素子の基板材料としては、上述したような化合物半導体と格子整合性のよいＧａＡｓ基板（格子定数：約５．６５Å）やＩｎＰ基板（格子定数：約５．８７Å）が用いられてきた。このため、これらの基板を用いて発光素子を作製する場合、例えば、ＧａＩｎＮＡｓのように格子定数によらずとも、その組成のみでバンドギャップエネルギーを大きく変化させることができる材料系では、ある一定の範囲で発光波長帯を変化させた発光素子を得ることができたが、ＧａＩｎＮＡｓを材料として用いる場合、結晶中へのＮ元素の導入が難しく、組成を大きく変動させることが難しいため、実際には任意に発光波長を選択することは難しい。また、例えば、ＩｎＧａＡｓＰなどのように、格子定数の変動に伴いバンドギャップエネルギーが大きく変化する材料系においては、その組成を変化させても基板材料の格子定数の制限により、狭い範囲内でしか発光波長を選択することができなかった。この基板材料の格子定数による発光波長の制限は、図３に示すように、例えば、ＧａＮＡｓやＩｎＧａＡｓなどの３元系混晶の場合において特に顕著である。
【００３７】
また、一般に用いられているＧａＡｓ基板やＩｎＰ基板などでは、良質で大口径のウェハを得ることが難しいため、大口径ウェハを得ることが可能なＳｉ基板を用いたヘテロエピタキシー技術が試みられている。しかしながら、Ｓｉ基板上に例えば、ＧａＡｓを結晶成長しようとしてもＧａＡｓとＳｉの格子不整合率は、５％以上もあり、良質なＧａＡｓ結晶をＳｉ基板上に直接得ることは困難であった。
【００３８】
そこで、本実施の形態に係るストライプレーザー１００では、バッファ層１２０の材料として、希土類金属あるいはアルカリ土類金属の少なくとも一方を構成元素に含む酸化物を採用し、これによりＳｉ基板と化合物半導体との格子不整合を緩和することができる。また、このことにより、バッファ層１２０を構成する酸化物結晶の所定の結晶軸における格子点間距離（格子定数）を所与の材料を選択することにより変更することができるため、従来では特定の材料を用いなければ成しえなかった発光波長、あるいは基板材料の格子定数の制限により実現不可能であった発光波長を有する発光素子を種々の化合物半導体材料を用いて実現することができるようになる。すなわち、本実施の形態によれば、希土類金属の酸化物あるいはアルカリ土類金属酸化物をバッファ層１２０とすることで、その材料選択による格子定数の制御により、ストライプレーザー１００における発光波長の制御が可能となる。さらに、本実施の形態によれば、上述したようなＳｉ基板上に所望の化合物半導体材料からなるストライプレーザー１００を形成することができるため、大口径ウェハを用いた発光素子の大量生産が可能となる。
【００３９】
以下では、本発明を適用した下記の表１に示す実施例１〜５に沿って、上述したバッファ層１２０を有する本実施の形態のストライプレーザー１００の効果を説明する。なお、下記の実施例においてはいずれの場合も基板１１０は、（１００）配向のＳｉ基板を用いるものとする。
【００４０】
【表１】
本例では、バッファ層１２０を構成する酸化物として、ＳｒＺｒＯ３（ａ＝５．８１０６Å）を用いる場合について説明する。本例において、下部クラッド層１２２および上部クラッド層１４２については、表１に示すように、ＩｎＸＧａ１−ＸＡｓＹＰ１−ＹまたはＩｎＸＧａ１−ＸＡｓを用いることができる。また、本例において活性領域は、表１に示すように、バリア層１２４，１４０としてＩｎＸＧａ１−ＸＡｓＹＰ１−ＹまたはＩｎＸＧａ１−ＸＡｓを用い、井戸層１３０としてＧａＸＩｎ１−ＸＮＹＡｓ１−ＹまたはＩｎＸＧａ１−ＸＡｓＹＰ１ −Ｙを用いた量子井戸構造とすることができる。
【００４１】
このような実施例１の構造のストライプレーザーでは、図３に示すように、バッファ層１２０の格子定数がＧａＡｓとＩｎＰの間の値となる。このため、井戸層１３０としてＩｎＸＧａ１−ＸＡｓＹＰ１−Ｙを用いた場合においては、従来のようにＩｎＰ基板上に素子を形成していた場合に比べて発光波長を短波長側にシフトさせた発光素子を得ることができる。また、井戸層１３０としてＧａＸＩｎ１−ＸＮＹＡｓ１−Ｙを用いた場合においては、従来のようにＧａＡｓ基板上に素子を形成していた場合に比べて結晶構造の中に導入しにくいＮ元素の組成比を低減しても長距離通信に適した１．５５μｍ帯の発光波長を有する発光素子を容易に得ることができるようになる。また、井戸層１３０としていずれの材料を用いた場合においても、Ｓｉ基板上に格子歪みの少ない状態で素子を形成することができるため、大口径ウェハを用いた大量生産が可能である。
【００４２】
（実施例２）
本例では、バッファ層１２０を構成する酸化物として、ＢａＴｉＯ３（√２ａ＝５．６４６Å）を用いる場合について説明する。本例において、下部クラッド層１２２および上部クラッド層１４２については、表１に示すように、ＡｌＸＧａ１−ＸＡｓを用いることができる。また、本例において活性領域は、表１に示すように、バリア層１２４，１４０としてＡｌＸＧａ１−ＸＡｓを用い、井戸層１３０としてＧａＡｓを用いた量子井戸構造とすることができる。
【００４３】
このような実施例２の構造のストライプレーザーでは、図３に示すように、バッファ層１２０の格子定数がＧａＡｓ（５．６５Å）とほぼ同一の値となる。このため、従来ＧａＡｓ基板上に素子を形成していた材料系を用いてＳｉ基板上に格子歪みの少ない状態で素子を形成することができるため、大口径ウェハを用いた大量生産が可能である。
【００４４】
（実施例３）
本例では、バッファ層１２０を構成する酸化物として、ＣａＺｒＯ３（ａ＝５．５８７Å）を用いる場合について説明する。本例において、下部クラッド層１２２および上部クラッド層１４２については、表１に示すように、ＧａＸＮ１−ＸＡｓを用いることができる。また、本例において活性領域は、表１に示すように、バリア層１２４，１４０としてＧａＸＮ１−ＸＡｓを用い、井戸層１３０としてＧａＸＩｎ１−ＸＮＹＡｓ１−ＹまたはＧａＸＮ１−ＸＡｓを用いた量子井戸構造とすることができる。
【００４５】
このような実施例３の構造のストライプレーザーでは、図３に示すように、バッファ層１２０の格子定数がＧａＡｓよりも小さな値となる。このため、従来のようにＧａＡｓ基板上に素子を形成していた場合に比べて、結晶構造の中に導入しにくいＮ元素の組成比を低減しても１．５５μｍ帯を超える長波長の発光波長を有する発光素子を容易に得ることができるようになる。また、本実施例においても、Ｓｉ基板上に格子歪みの少ない状態で素子を形成することができるため、大口径ウェハを用いた大量生産が可能である。
【００４６】
（実施例４）
本例では、バッファ層１２０を構成する酸化物として、ＢａＺｒＯ３（√２ａ＝５．９２８Å）を用いる場合について説明する。本例において、下部クラッド層１２２および上部クラッド層１４２については、表１に示すように、ＩｎＸＧａ１−ＸＡｓＹＰ１−ＹまたはＩｎＸＧａ１−ＸＡｓを用いることができる。また、本例において活性領域は、表１に示すように、バリア層１２４，１４０としてＩｎＸＧａ１−ＸＡｓＹＰ１−ＹまたはＩｎＸＧａ１−ＸＡｓを用い、井戸層１３０としてＧａＸＩｎ１−ＸＮＹＡｓ１−ＹまたはＩｎＸＧａ１−ＸＡｓＹＰ１−Ｙを用いた量子井戸構造とすることができる。
【００４７】
このような実施例４の構造のストライプレーザーでは、図３に示すように、バッファ層１２０の格子定数がＩｎＰより大きな値となる。このため、井戸層１３０としてＩｎＸＧａ１−ＸＡｓＹＰ１−Ｙを用いた場合においては、従来のようにＩｎＰ基板上に素子を形成していた場合に比べて発光波長を長波長側にシフトさせた発光素子を得ることができる。また、井戸層１３０としてＧａＸＩｎ１−ＸＮＹＡｓ１−Ｙを用いた場合においては、従来のようにＧａＡｓ基板上に素子を形成していた場合に比べて結晶構造の中に導入しにくいＮ元素の組成比を低減しても１．５５μｍ帯を超える長波長帯の発光波長を有する発光素子を容易に得ることができるようになる。また、井戸層１３０としていずれの材料を用いた場合においても、Ｓｉ基板上に格子歪みの少ない状態で素子を形成することができるため、大口径ウェハを用いた大量生産が可能である。
【００４８】
［第２の実施形態］
図５は、本発明の第１の実施形態に係る面発光型レーザー２００を模式的に示す断面図である。
【００４９】
本実施の形態に係るストライプレーザー２００は、シリコン基板２１０上に、酸化物からなるバッファ層２２０、導電型がｎ型の化合物半導体からなるｎ型コンタクト層２２２、導電型がｎ型の化合物半導体からなるｎ型ＤＢＲミラー層（下部ミラー層）２２４、導電型がｎ型の下部クラッド層２２６、ノンドープの化合物半導体からなるバリア層２３２、井戸層２３４、およびバリア層２３６により構成された量子井戸構造を有する活性領域２３０、導電型がｐ型の化合物半導体からなる上部クラッド層２４２、導電型がｐ型の化合物半導体からなるｐ型ＤＢＲミラー層（上部ミラー層）２４４、および導電型がｐ型の化合物半導体からなるｐ型コンタクト層２４６が順次積層されて構成されている。さらに、面発光型レーザー２００は、上述した化合物半導体からなる層を被覆する絶縁層１５０を有し、かつｐ型コンタクト層２４６の上部から光を出射するための開口部を有する金属薄膜からなるｐ型電極層２６２と、ｎ型コンタクト層２２２の上に金属薄膜からなるｎ型電極層２６４とを含んで構成される。
【００５０】
本実施の形態に係る面発光型レーザー２００は、ｐ型電極層２６２からｎ型電極層２６４にかけて順方向電流が通電されることにより、活性領域２３０で発生した光がｐ型ＤＢＲミラー層２４４とｎ型ＤＢＲミラー層２２４との間で分布ブラッグ反射を繰り返しながら共振することにより単一モード発振したレーザー光をｐ型コンタクト層２４６の上部から出射するものである。
【００５１】
また、本実施の形態の面発光型レーザー２００は、以下のような製造工程により形成することができる。
【００５２】
図６、７は、本実施の形態に係る面発光型レーザー２００の製造工程を模式的に示す断面図である。
【００５３】
まず、図６（Ａ）に示すように、シリコン基板２１０上に例えば、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法やプラズマＣＶＤ法などを用いて、酸化物材料からなるバッファ層２２０を形成する。
【００５４】
本実施の形態に係る面発光型レーザー２００においても、第１の実施形態の場合と同様に、シリコン基板２１０は、その結晶面が（１００）配向していることが好ましい。
【００５５】
また、バッファ層２２０についても、第１の実施形態の場合と同様に、例えば、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｙなどの希土類金属、および、例えば、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａなどのアルカリ土類金属のなかから少なくともひとつを構成元素として含む酸化物あるいはその固溶体から形成することができる。かかる酸化物は、バッファ層１２０の上に形成される化合物半導体の組成を考慮して、所定の結晶軸における格子点間距離（格子定数）が例えば、５．４〜６．１Åの範囲にある結晶構造を有するものを材料として用いることができる。また、バッファ層１２０の材料としては、上述した希土類金属あるいはアルカリ土類金属に加えて、例えば、Ｚｒ、Ｋ、Ｔａ、およびＴｉなどの他の金属元素を構成元素として含む３元系以上の複合酸化物を用いることもできる。
【００５６】
次に、図６（Ｂ）に示すように、バッファ層２２０の上に、ｎ型コンタクト層２２２、ｎ型ＤＢＲミラー層２２４、下部クラッド層２２６、バリア層２３２、井戸層２３４、バリア層２３６、上部クラッド層２４２、ｐ型ＤＢＲミラー層２４４およびｐ型クラッド層２４６を例えば、ＭＢＥ法や有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を用いて所与の化合物半導体を順次結晶成長することにより形成する。
【００５７】
次に、図７（Ａ）に示すように、結晶成長した化合物半導体の層に対して例えば、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などの公知のエッチング手法を用いてエッチングを行うことによりｎ型コンタクト層２２２を露出させ、その後、必要に応じてｐ型ＤＢＲミラー層２４４およびｐ型コンタクト層２４６を柱状にエッチングして電流狭窄構造とすることができる。そして、素子全体を被覆するように例えば、ＳｉＯ２などの酸化膜からなる絶縁層２５０を形成して、その後ｐ型コンタクト層２４６およびｎ型コンタクト層１２２を露出させる。
【００５８】
最終的には、ｐ型コンタクト層２４６の上に例えば、Ｃｒ膜、ＡｕＺｎ膜、Ａｕ膜が順次積層された構造を有するｐ型電極層２６２を形成するとともにｎ型コンタクト層２２２の上に例えば、Ｃｒ膜、ＡｕＧｅ膜、Ｎｉ膜、Ａｕ膜が順次積層された構造を有するｎ型電極層２６４を形成することにより、図１に示すような面発光型レーザー２００を得ることができる。かかる工程において、ｐ型電極層１６２およびｎ型電極層１６４は、例えば、蒸着法やスパッタ法などの公知の成膜方法を用いて形成することができる。
【００５９】
このようにして得られる本実施の形態の面発光型レーザー２００は、上述した酸化物材料からなるバッファ層２２０を有することで、格子歪みがない状態で良好な化合物半導体結晶から構成され、様々な発光波長を有する発光素子を実現することができる。また、良質な大口径ウェハを得ることができるシリコン基板２１０上に素子を形成することができるため、生産性の向上を図ることができるようになる。
【００６０】
そして、本実施の形態においても、上述した第１の実施形態の場合と同様の実施例を採用することができるため、希土類金属の酸化物あるいはアルカリ土類金属酸化物をバッファ層２２０とすることで、その材料選択による格子定数の制御により、面発光型レーザー２００における発光波長の制御が可能となる。
【００６１】
以上に本発明に好適な実施の形態について説明したが、本発明は、上述したものに限られず、発明の要旨の範囲内で種々の変形態様により実施することができる。
【００６２】
例えば、上述した各実施形態では、バッファ層の材料により格子整合系の発光素子を実現する場合を例に説明したが、本発明では、逆に化合物半導体の層に格子歪みを積極的に導入する格子不整合系の発光素子を実現することもできる。かかる技術は、特に、ＧａＡｓを活性領域（井戸層）の材料として用いる場合に有用である。これは、図２にも示されるように、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系の量子井戸構造では、組成を変更しても一義的に結晶の格子定数が定まってしまうため、従来はかかる量子井戸構造に発光素子としての機能を破壊しない程度の格子歪みを導入することが困難であったからである。しかし、上記実施形態でも述べたように、バッファ層に用いられる酸化物材料の選択により格子定数をＧａＡｓの格子定数（５．６５Å）から小さいまたは大きいバッファ層を形成することで、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系の量子井戸構造においても歪みを導入して、発光波長がシフトした発光素子を実現することが可能となる。このような歪みの導入態様としては、ＧａＡｓより格子定数の小さな酸化物材料によりバッファ層を形成することにより圧縮歪みを導入する場合と、ＧａＡｓより格子定数の大きな酸化物材料によりバッファ層を形成することにより引張り歪みを導入する場合とがあるが、上述したアルカリ土類金属あるいは希土類金属の酸化物を用いることにより、いずれの態様をも実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係るストライプレーザーを示す断面図。
【図２】第１の実施形態に係るストライプレーザーの製造工程を示す断面図。
【図３】化合物半導体結晶の格子定数とバンドギャップエネルギーとの関係を示す図。
【図４】バンドギャップエネルギーと発光波長との関係を示す図。
【図５】第２の実施形態に係る面発光型レーザーを示す断面図。
【図６】第２の実施形態に係る面発光型レーザーの製造工程を示す断面図。
【図７】第２の実施形態に係る面発光型レーザーの製造工程を示す断面図。
【符号の説明】
１１０ シリコン基板、１２０ バッファ層、１２２ ｎ型コンタクト層、１２４ 下部クラッド層、１３０ 活性領域、１３２，１３６ バリア層、１３４ 井戸層、１４２ 上部クラッド層、１４４ ｐ型コンタクト層
Claims (10)
- シリコン基板と、
前記シリコン基板上に形成され、希土類金属およびアルカリ土類金属の少なくとも一方を含む酸化物からなるバッファ層と、
前記バッファ層の上に形成された化合物半導体からなる発光部と、
を含み、
前記発光部は、
少なくとも下部クラッド層、上部クラッド層、および下部クラッド層と上部クラッド層との間に配置される活性領域を含む、発光素子。 - 請求項１において、
前記化合物半導体は、ＩＩＩ族元素としてＧａ、Ｉｎ、およびＡｌの少なくともひとつを含み、かつＶ族元素としてＡｓ、ＮおよびＰの少なくとも１つを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体である、発光素子。 - 請求項１または２において、
前記酸化物は、Ｚｒ、Ｋ、Ｔａ、およびＴｉの少なくとも一つを構成元素に含む３元系以上の複合酸化物である、発光素子。 - 請求項１〜３のいずれかにおいて、
前記複合酸化物は、ＳｒＺｒＯ３、ＢａＴｉＯ３、ＣａＺｒＯ３、ＢａＺｒＯ３、およびこれらの固溶体の少なくとも一つである、発光素子。 - 請求項１又は２において、
前記酸化物は、ＳｒＺｒＯ３またはＢａＺｒＯ３であり、
前記クラッド層は、ＩｎＧａＡｓＰまたはＩｎＧａＡｓからなり、
前記活性領域は、バリア層と井戸層とからなる量子井戸構造を有し、
前記バリア層は、ＩｎＧａＡｓＰまたはＩｎＧａＡｓからなり、
前記井戸層は、ＧａＩｎＮＡｓまたはＩｎＧａＡｓＰからなる、発光素子。 - 請求項１又は２において、
前記酸化物は、ＢａＴｉＯ３であり、
前記クラッド層は、ＡｌＧａＡｓからなり、
前記活性領域は、バリア層と井戸層とからなる量子井戸構造を有し、
前記バリア層は、ＡｌＧａＡｓからなり、
前記井戸層は、ＧａＡｓからなる、発光素子。 - 請求項１又は２において、
前記酸化物は、ＣａＺｒＯ３であり、
前記クラッド層は、ＧａＮＡｓからなり、
前記活性領域は、バリア層と井戸層とからなる量子井戸構造を有し、
前記バリア層は、ＧａＮＡｓからなり、
前記井戸層は、ＧａＩｎＮＡｓまたはＧａＮＡｓからなる、発光素子。 - 請求項１〜７のいずれかにおいて、
前記発光部は、
さらに、下部クラッド層の下に配置される下部ミラー層と、上部クラッド層の上に配置される上部ミラー層と、を含む、発光素子。 - シリコン基板上に希土類金属およびアルカリ土類金属の少なくとも一方を含む酸化物からなるバッファ層を形成すること、
前記バッファ層の上に化合物半導体を結晶成長することにより下部クラッド層、活性領域、および上部クラッド層を順次積層して発光部を形成すること、
を含む、発光素子の製造方法。 - シリコン基板上に希土類金属およびアルカリ土類金属の少なくとも一方を含む酸化物からなるバッファ層を形成すること、
前記バッファ層の上に化合物半導体を結晶成長することにより下部ミラー層、下部クラッド層、活性領域、上部クラッド層、および上部ミラー層を順次積層して発光部を形成すること、
を含む、発光素子の製造方法。
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