JP2013008862A - 光半導体素子 - Google Patents

Abstract

【課題】量子ドット層の多段積層とＰＬ波長の長波化を両立しうる光半導体素子を提供する。
【解決手段】半導体基板上に形成され、圧縮歪みを有する複数の量子ドット層が互いに電子的に結合されるようにバリア層を介して積層されたコラムナ量子ドット層を有する。複数の量子ドット層間に形成されたそれぞれのバリア層は、引張り歪みを有する第１バリア層と、第１バリア層上に形成され、引張り歪みを有する第２バリア層と、第２バリア層上に形成され、引張り歪みを有する第３バリア層とを有する。第１バリア層及び前記第３バリア層の引張り歪量は、第２バリア層の引張り歪量よりも小さくなっている。
【選択図】図４

Description

本発明は、光半導体素子に関する。

光半導体素子の高速動作化のためには、熱励起による発振準位からのキャリアの漏出を防ぐことが重要である。そのためには、離散的なエネルギー準位を有する量子ドットにより活性層を形成することが有効であるとされている。

また、バリア層を介して量子ドットを近接積層したコラムナ量子ドットは、量子ドットとしての特性を有しながら、その高さ（層数）やバリア層の歪量といった構造パラメータを変えることによって偏向特性や光閉じ込め係数などを自在に制御することが可能である。このためコラムナ量子ドットは、特に半導体光増幅器への適用が期待されている。

コラムナ量子ドットを利用した例としては、複数のコラムナ量子ドットを中間層を介して積層し、各段におけるコラムナ量子ドットの層数、バリア層の歪量等の構造パラメータを変えることにより、各段の発光波長をそれぞれ調整する方法が提案されている。この方法によれば、周囲温度の変化による動作波長における利得の変化を防止することができる。

一方、光半導体素子、特に半導体レーザや半導体光増幅器では、高い光利得を有することが素子の特性上求められており、同じ発光波長を有するコラムナ量子ドットを多段積層してコラムナ量子ドットの密度を上げることが提案されている。

特開２００７−１５７９７５号公報 特開２００７−２４２７４８号公報 特開２００８−２４４２３５号公報 特開２００９−０６５１４１号公報

安岡奈美ほか、２００９年春季第５６回応用物理学関係連合講演会予稿集、２ａ−Ｇ−２

光半導体素子の偏向特性（偏波無依存性）や光閉じ込め性を向上するためには、良好な結晶を維持した状態で量子ドット層を多段積層することが有効である。バリア層を含む量子ドット層全体の平均歪量を小さくすることにより、良好な結晶を維持した状態で量子ドット層の多段積層を実現することができる。しかしながら、量子ドット層の平均歪量を小さくすると、ＰＬ波長が短波長側にずれてしまい、所望のＰＬ波長が得られなくなることがあった。

本発明の目的は、ＰＬ波長の短波長化を抑制しつつ量子ドット層の平均歪量を小さくして量子ドット層の多段積層を可能とし得る光半導体素子を提供することにある。

実施形態の一観点によれば、半導体基板上に形成され、圧縮歪みを有する第１量子ドット層と、前記第１量子ドット層上に形成され、引張り歪みを有する第１バリア層と、前記第１バリア層上に形成され、引張り歪みを有する第２バリア層と、前記第２バリア層上に形成され、引張り歪みを有する第３バリア層と、前記第３バリア層上に形成され、圧縮歪みを有し、前記第１量子ドット層と電子的に結合された第２量子ドット層とを有し、前記第１バリア層及び前記第３バリア層の引張り歪量は、前記第２バリア層の引張り歪量よりも小さい光半導体素子が提供される。

また、実施形態の他の観点によれば、半導体基板上に形成され、圧縮歪みを有する複数の量子ドット層が互いに電子的に結合されるようにバリア層を介して積層されたコラムナ量子ドット層を有し、複数の前記量子ドット層間に形成されたそれぞれの前記バリア層は、引張り歪みを有する第１バリア層と、前記第１バリア層上に形成され、引張り歪みを有する第２バリア層と、前記第２バリア層上に形成され、引張り歪みを有する第３バリア層とを有し、前記第１バリア層及び前記第３バリア層の引張り歪量は、前記第２バリア層の引張り歪量よりも小さい光半導体素子が提供される。

開示の光半導体素子によれば、引張り歪みの小さい第１バリア層及び第３バリア層によってＰＬ波長を長波化するとともに、引張り歪みの大きい第２バリア層によって量子ドット層の圧縮歪みを補償して平均歪量を小さくすることができる。これにより、量子ドット層の多段積層が容易になり、高い光利得を有する光半導体素子を実現することができる。

図１は、第１実施形態による光半導体素子の構造を示す概略断面図（その１）である。 図２は、第１実施形態による光半導体素子の構造を示す概略断面図（その２）である。 図３は、第１実施形態による光半導体素子の構造を示す概略断面図（その３）である。 図４は、第１実施形態による光半導体素子の構造を示す概略断面図（その４）である。 図５は、ＰＬ波長とコラムナ量子ドット層の平均歪み量との関係を示すグラフ（その１）である。 図６は、ＰＬ波長とコラムナ量子ドット層の平均歪み量との関係を示すグラフ（その２）である。 図７は、第１実施形態による光半導体素子の製造方法を示す工程断面図（その１）である。 図８は、第１実施形態による光半導体素子の製造方法を示す工程断面図（その２）である。 図９は、第１実施形態による光半導体素子の製造方法を示す工程断面図（その３）である。 図１０は、第２実施形態による光半導体素子の構造を示す概略断面図（その１）である。

［第１実施形態］
第１実施形態による光半導体素子及びその製造方法について図１乃至図９を用いて説明する。

図１乃至図４は、本実施形態による光半導体素子の構造を示す概略断面図である。図５及び図６は、ＰＬ波長とコラムナ量子ドット層の平均歪み量との関係を示すグラフである。図７乃至図９は、本実施形態による光半導体素子の製造方法を示す工程断面図である。

はじめに、本実施形態による光半導体素子の構造について図１乃至図４を用いて説明する。なお、図１は、ストライプメサの延伸方向と垂直な方向の断面図である。図２は、ストライプメサの延伸方向と平行な方向の断面図であり、図１のＡ−Ａ′線断面図に相当する。図３は、活性領域の具体的な構造を示す概略断面図である。図４は、量子ドット層及びバリア層の構造を示す概略断面図である。

本実施形態による光半導体素子は、図１乃至図４に示すように、量子ドットを用いた半導体光増幅器（ＳＯＡ：Semiconductor Optical Amplifier）である。

図１に示すように、面方位が（００１）のｎ−ＩｎＰ基板１０上には、ｎ−ＩｎＰバッファ層１２が形成されている。ｎ−ＩｎＰバッファ層１２上には、活性層１４が形成されている。活性層１４上には、ｐ−ＩｎＰクラッド層１６が形成されている。ｐ−ＩｎＰクラッド層１６、活性層１４、及びｎ−ＩｎＰバッファ層１２は、ストライプメサ形状に加工されている。メサストライプの側壁部分には、ｐ−ＩｎＰ埋め込み層１８と、ｎ−ＩｎＰブロック層２０と、ｐ−ＩｎＰ層２２とが埋め込まれ、電流狭窄構造が形成されている。ｐ−ＩｎＰクラッド層１６及びｐ−ＩｎＰ層２２上には、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２４が形成されている。ｎ−ＩｎＰ基板１０の下面には、Ｎ側電極２６が形成されている。ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２４上には、Ｐ側電極２８が形成されている。図２に示すように、ストライプメサの両端面には、反射防止膜３０が形成されている。

活性層１４は、図３に示すように、ｎ−ＩｎＰバッファ層１２上に順次積層された、ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層（光閉じ込め層：Separate Confinement Hetero-structure）３２と、コラムナ量子ドット層４０Ａと、ＩｎＧａＡｓＰ中間層４２Ａと、コラムナ量子ドット層４０Ｂと、ＩｎＧａＡｓＰ中間層４２Ｂと、コラムナ量子ドット層４０Ｃと、ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層４４とを有している。コラムナ量子ドット層４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃのそれぞれは、ＩｎＡｓ量子ドット層３４とＩｎＧａＡｓＰバリア層３６とが交互に多重積層されたものである。ＩｎＧａＡｓＰバリア層３６を介して積層されたＩｎＡｓ量子ドットは、互いに波動関数が重なり合い電子的に結合されたコラムナ量子ドット３８を形成している。

なお、図３ではコラムナ量子ドット層４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃにそれぞれ１つのコラムナ量子ドット３８のみを示しているが、コラムナ量子ドット層４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃには面内に複数のコラムナ量子ドット３８がそれぞれ形成されている。また、図３ではＩｎＧａＡｓＰバリア層３６を介して１２層のＩｎＡｓ量子ドット層３４を多重積層することによりコラムナ量子ドット層４０を形成しているが、ＩｎＡｓ量子ドット層３４の積層数は、これに限定されるものではない。また、図３ではＩｎＧａＡｓＰ中間層４２Ａ，４２Ｂを介して３層のコラムナ量子ドット層４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃを多段積層しているが、コラムナ量子ドット層４０の積層数は、これに限定されるものではない。

各コラムナ量子ドット層４０Ａ，４０Ｂ，４０ＣのＩｎＧａＡｓＰバリア層３６は、図４に示すように、ＩｎＡｓ量子ドット層３４上に形成された第１バリア層３６ａと、第１バリア層３６ａ上に形成された第２バリア層３６ｂと、第２バリア層３６ｂ上に形成された第３バリア層３６ｃとを有している。第３バリア層３６ｃ上には、上層のＩｎＡｓ量子ドット層３４が形成される。

ここで、ＩｎＡｓ量子ドット層３４に接する第１バリア層３６ａ及び第３バリア層３６ｃの引張り歪量は、ＩｎＡｓ量子ドット層３４に接していない第２バリア層３６ｂの引張り歪量よりも小さくなっている。例えば、第１バリア層３６ａ及び第３バリア層３６ｃは、組成波長が１．０μｍ、引張り歪量が０．４％のＩｎ_０．８５Ｇａ_０．１５Ａｓ_０．２０Ｐ_０．８０により形成することができる。また、第２バリア層３６ｂは、組成波長が１．０μｍ、引張り歪量が２．４％のＩｎ_０．４８Ｇａ_０．５２Ａｓ_０．４０Ｐ_０．６０により形成することができる。

このように、本実施形態による光半導体素子は、ＩｎＡｓ量子ドット層３４間に設けられたＩｎＧａＡｓＰバリア層３６が、第１バリア層３６ａ、第２バリア層３６ｂ、及び第３バリア層３６ｃを有している。また、第１バリア層３６ａ及び第３バリア層３６ｃの引張り歪量が、第２バリア層３６ｂの引張り歪量よりも小さくなっている。

次に、ＩｎＧａＡｓＰバリア層３６をこのような積層構造体により形成する理由について、図５及び図６を用いて説明する。

まず、本実施形態による光半導体素子のＩｎＧａＡｓＰバリア層３６について説明する前に、量子ドット層間に設けられたバリア層が単層構造の場合の特性について検討した結果を説明する。

単層構造のバリア層を介して量子ドット層を積層したコラムナ量子ドット層の検討にあたり、次のような評価試料を作製した。

面方位（００１）のＩｎＰ基板上に、量子ドットの材料としてＩｎＡｓを、バリア層の材料として組成波長が１．０μｍのＩｎＧａＡｓＰを用い、１２層の量子ドット層が１１層のバリア層を介して積層されたコラムナ量子ドット層を形成した。量子ドット層は、第１層目が供給量で２．５ＭＬ相当の膜厚、第２層目以降が供給量で１．２ＭＬ相当の膜厚とした。また、バリア層は、供給量で２．５ＭＬ相当の膜厚とした。また、バリア層の引張り歪量を０．７％（Ｉｎ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ_０．２２Ｐ_０．７８）、０．６％（Ｉｎ_０．８２Ｇａ_０．１８Ａｓ_０．２１Ｐ_０．７９）、０．４％（Ｉｎ_０．８５Ｇａ_０．１５Ａｓ_０．２０Ｐ_０．８０）と変化した３種類の試料を用意した。

図５は、このように形成したコラムナ量子ドット層のＰＬ波長とコラムナ量子ドット層の平均歪量との関係を示すグラフである。

ここで、横軸に示すコラムナ量子ドット層の平均歪量とは、ＩｎＡｓ量子ドット層及びＩｎＧａＡｓＰバリア層の正味の厚さ（供給量）と各層の歪量を元にして、下記式（１）により算出したものである。

式中、ε_ａは、コラムナ量子ドット層の平均歪量［％］である。ε_ＱＤは、ＩｎＡｓ量子ドット層の歪量［％］である。ε_ＳＢは、ＩｎＧａＡｓＰバリア層の歪量［％］である。ｄ_ＱＤは、ＩｎＡｓ量子ドット層の厚さ［ＭＬ］である。ｄ_ＳＢは、ＩｎＧａＡｓＰバリア層の厚さ［ＭＬ］である。ＩｎＡｓ量子ドット層及びＩｎＧａＡｓＰバリア層の厚さは場所によって異なるため、原料の供給量に対応する正味の厚さに換算した。「ＭＬ」はモノレイヤを意味し、原子層数を表している。

図５に示すように、コラムナ量子ドット層のＰＬ波長は、コラムナ量子ドット層の平均歪量に対して比例的な関係にあり、平均歪量（圧縮歪量）が増加するに従ってＰＬ波長が長波化する傾向を示している。これは、バリア層の引張り歪量を小さくするに従ってコラムナ量子ドットの受ける歪みが静水圧から二軸性に近づくことと、伝導帯バンドオフセットが小さくなることに起因している。

例えば、コラムナ量子ドット層の平均歪量が０．７８７％、すなわちバリア層の引張り歪量が０．５９０％の条件では、Ｃバンド内に位置する１．５４１μｍのＰＬ波長が得られている。そこで、この条件を各コラムナ量子ドット層に適用し、中間層厚さ４０ｎｍで３段の積層を試みた。

しかしながら、コラムナ量子ドット層を積層すると、上段のコラムナ量子ドット層が下段のコラムナ量子ドット層からの圧縮歪の伝搬を受け、上段のコラムナ量子ドットのサイズが大きくなった。また、ある領域では転位が発生し、良好な結晶を保持した状態での成長が困難であった。

一方、コラムナ量子ドット層の平均歪量が０．７１７％、すなわちバリア層の引張り歪量が０．８００％の条件を各コラムナ量子ドット層に適用し、中間層厚さ４０ｎｍで３段の積層を試みたところ、良好な結晶状態を保持したままで上段までの積層が可能であった。

しかしながら、平均歪量が小さくなることで良好な多段積層が実現できる一方、ＰＬ波長が１．５２８μｍと短波長化してＣバンドから外れてしまい、所望の発光波長が得られなかった。

このように、多段積層するためにはコラムナ量子ドット層の平均歪量を小さくすることが求められるが、コラムナ量子ドット層の平均歪量を小さくするとＰＬ波長が短波長側にシフトしてしまい、所望の発光波長が得られなくなる。

このような観点から、本実施形態による光半導体素子では、ＩｎＧａＡｓＰバリア層３６を、第１バリア層３６ａ、第２バリア層３６ｂ、及び第３バリア層３６ｃの３層構造としている。そして、第１バリア層３６ａ及び第３バリア層３６ｃの引張り歪量を、第２バリア層３６ｂの引張り歪量よりも小さくしている。

ＩｎＡｓ量子ドット層３４に接する第１バリア層３６ａ及び第３バリア層３６ｃの引張り歪量を小さくすることにより、ＰＬ波長の短波長化を抑制することができる。また、引張り歪量の大きい第２バリア層３６ｂを設けることにより、コラムナ量子ドット層４０の全体としては平均歪量を小さくすることができ、多段積層が容易となる。コラムナ量子ドット層４０の平均歪み量を小さくできることは、中間層４２の膜厚を薄くできることにも繋がる。

例えば、第１バリア層３６ａ及び第３バリア層３６ｃとしては、供給量で１．０ＭＬ相当の膜厚を有し、組成波長が１．０μｍ、引張り歪量が０．４％のＩｎ_０．８５Ｇａ_０．１５Ａｓ_０．２０Ｐ_０．８０を適用することができる。また、第２バリア層３６ｂとしては、供給量で０．５ＭＬ相当の膜厚を有し、組成波長が１．０μｍ、引張り歪量が２．４％のＩｎ_０．４８Ｇａ_０．５２Ａｓ_０．４０Ｐ_０．６０を適用することができる。

このＩｎＧａＡｓＰバリア層３６を介して１２層のＩｎＡｓ量子ドット層３４を積層したコラムナ量子ドット層４０を、歪量０％、組成波長１．１μｍ、厚さ４０ｎｍのＩｎ_０．８５Ｇａ_０．１５Ａｓ_０．３３Ｐ_０．６７組成のＩｎＧａＡｓＰ中間層４２を介して３段積層した。その結果、コラムナ量子ドット層４０の平均歪量は０．６５４％であり、ＰＬ波長は１．５３４μｍであった。

図６は、３層構造のバリア層を介して量子ドット層を積層したコラムナ量子ドット層における上記測定結果を、図５のデータに重ねてプロットしたものである。この結果から、３層構造のＩｎＧａＡｓＰバリア層とすることにより、単層構造のＩｎＧａＡｓＰバリア層を用いた場合と比較して、コラムナ量子ドット層の平均歪量を低減しつつ、Ｃバンド内のＰＬ波長を得られることが検証できた。

コラムナ量子ドット層に好適な平均歪量は、ＩｎＡｓ量子ドット層３４の膜厚等によっても変わるため一概に規定することはできないが、例えば、０％よりも大きく、２．０％以下の範囲であることが望ましい。

第１バリア層３６ａ及び第３バリア層３６ｃと第２バリア層３６ｂとの関係は、第１バリア層３６ａ及び第３バリア層３６ｃの歪量をε_ＳＢ１、厚さをｄ_ＳＢ１、第２バリア層３６ｂの歪量をε_ＳＢ２、厚さをｄ_ＳＢ２として、下記式（２）の関係を満たすことが望ましい。

ε_ＳＢ２×ｄ_ＳＢ２≧ ３×ε_ＳＢ１×ｄ_ＳＢ１ …（２）
第１バリア層３６ａ及び第３バリア層３６ｃの歪量及び厚さは、必ずしも同じである必要はない。

ある所望のＰＬ波長を得るためのコラムナ量子ドット層の平均歪量を低減できる理由は、以下のように説明することができる。

量子ドットは、基板よりも格子定数が大きいため、圧縮歪みを受ける。そのとき、基板に対して垂直方向（横方向）には基板の格子定数に合わせるように、成長方向（縦方向）には格子が延びた状態、すなわち２軸性の圧縮歪みを受けた状態で、成長が進行する。この２軸性の圧縮歪みを受け縦方向に延びた量子ドットは、基板より小さい格子定数を有するバリア層から縦方向に圧縮歪みを受ける。その結果、バリア層の引張り歪量が大きくなるに従い量子ドットの受ける歪みは２軸性から静水圧に移行し、量子ドットからの発光波長は短波長化する。

そこで、量子ドットに接する第１バリア層３６ａ及び第３バリア層３６ｃの引張り歪みを小さく設定することにより、量子ドットの歪みを２軸性に保ち、ＰＬ波長を長波化する。そして、第１バリア層３６ａと第３バリア層３６ｃとに挟まれた第２バリア層３６ｂの引張り歪量を大きくすることで横方向に蓄積された圧縮歪みを補償する。このとき、第２バリア層３６ｂの大きな引張り応力は、第１バリア層３６ａ及び第３バリア層３６ｃに蓄積された面内の圧縮歪みの補償に主に作用し、量子ドットに対して縦方向に圧縮歪みを与えるようには作用しない。その結果、コラムナ量子ドット層の平均歪量が小さい状態でも、量子ドットの２軸性の歪み状態は保たれ、長波長でのＰＬ発光が実現する。

次に、本実施形態による光半導体素子の製造方法について図７乃至図９を用いて説明する。

なお、以下に説明する製造方法において、各半導体層の結晶成長には、例えば、ＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長：Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy）法を用いることができる。この場合、III族有機金属原料としては、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）を用いることができる。Ｖ族ガス原料としては、アルシン（ＡｓＨ_３）、フォスフィン（ＰＨ_３）を用いることができる。ドーパント原料としては、モノシラン（ＳｉＨ_４）、ジエチルジンク（ＤＥＺｎ）を用いることができる。キャリアガスとしては、水素（Ｈ_２）を用いることができる。成膜圧力は、例えば５０Ｔｏｒｒとすることができる。

まず、面方位が（００１）のｎ−ＩｎＰ基板１０を、ＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長：Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy）成長炉に装備し、ＰＨ_３雰囲気下にて成長温度を６３０℃まで昇温する。

次いで、ＴＭＩｎ及びＳｉＨ_４を更に供給し、ドーピング濃度が例えば５×１０^１７ｃｍ^−３、膜厚が例えば５００ｎｍのｎ−ＩｎＰバッファ層１２を形成する（図７（ａ）参照）。

次いで、ＴＭＩｎの供給を停止し、ＰＨ_３雰囲気下で成長温度を４３０℃まで降温する。

次いで、Ｖ族ガスをＰＨ_３及びＡｓＨ_３に切り替えて、続いてＴＭＩｎ及びＴＥＧａを供給し、ｎ−ＩｎＰバッファ層１２上に、組成波長１．１μｍ、歪量０％のノンドープＩｎ_０．８５Ｇａ_０．１５Ａｓ_０．３３Ｐ_０．６７を成長し、膜厚４０ｎｍのＳＣＨ層３２を形成する（図３参照）。

次いで、ＰＨ_３及びＴＥＧａの供給を停止し、ＴＭＩｎ及びＡｓＨ_３を供給し、ＩｎＡｓ量子ドット層３４を形成する（図３参照）。ここでは、供給量が２．５ＭＬ相当、成長速度が０．０４５μｍ／ｈ、Ｖ／III比が３０の条件で成長する。この条件により、ラテラルサイズが［１１０］方向に２０ｎｍ程度、［−１１０］方向に３０ｎｍ程度で、密度が７．５×１０^１０ｃｍ^−２程度のＳ−Ｋ量子ドットが形成される。

次いで、ＴＭＩｎ及びＡｓＨ_３に加えてＰＨ_３及びＴＥＧａを供給し、ＩｎＡｓ量子ドット層３４上に、組成波長１．０μｍ、引張り歪量０．４％のＩｎ_０．８５Ｇａ_０．１５Ａｓ_０．２０Ｐ_０．８０を成長し、第１バリア層３６ａを形成する（図４参照）。ここでは、供給量が１．０ＭＬ相当、成長速度が０．１μｍ／ｈ、Ｖ／III比が１６００の条件で成長する。

次いで、第１バリア層３６ａ上に、組成波長１．０μｍ、引張り歪量２．４％のＩｎ_０．４８Ｇａ_０．５２Ａｓ_０．４０Ｐ_０．６０を成長し、第２バリア層３６ｂを形成する（図４参照）。ここでは、供給量が０．５ＭＬ相当、成長速度が０．１μｍ／ｈ、Ｖ／III比が１６００の条件で成長する。

次いで、第２バリア層３６ｂ上に、組成波長１．０μｍ、引張り歪量０．４％のＩｎ_０．８５Ｇａ_０．１５Ａｓ_０．２０Ｐ_０．８０を成長し、第３バリア層３６ｃを形成する（図４参照）。ここでは、供給量が１．０ＭＬ相当、成長速度が０．１μｍ／ｈ、Ｖ／III比が１６００の条件で成長する。

こうして、ＩｎＡｓ量子ドット層３４上に、第１バリア層３６ａ、第２バリア層３６ｂ、及び第３バリア層３６ｃにより、トータル厚さが２．５ＭＬ相当のＩｎＧａＡｓＰバリア層３６を形成する（図３参照）。

次いで、ＰＨ_３及びＴＥＧａの供給を停止し、ＴＭＩｎ及びＡｓＨ_３を供給し、ＩｎＧａＡｓＰバリア層３６上に、ＩｎＡｓ量子ドット層３４を形成する（図３参照）。ここでは、供給量が１．２ＭＬ相当、成長速度が０．０４５μｍ／ｈ、Ｖ／III比が３０の条件で成長する。このとき、最初に形成したＩｎＡｓ量子ドットの圧縮歪みの影響を受け、上層のＩｎＡｓ量子ドットは下層のＩｎＡｓ量子ドット上に優先的に形成される。

次いで、上記と同様にして、トータル厚さが２．５ＭＬ相当のＩｎＧａＡｓＰバリア層３６と、厚さが１．２ＭＬ相当のＩｎＡｓ量子ドット層３４とを１０周期繰り返して行う。

こうして、ＩｎＧａＡｓＰバリア層３６を介して１２層のＩｎＡｓ量子ドット層３４を積層し、コラムナ量子ドット層４０Ａを形成する。各ＩｎＡｓ量子ドット層３４のＩｎＡｓ量子ドットは膜厚方向に整合して形成され、コラムナ量子ドット３８となる（図３参照）。

次いで、ＴＭＩｎ及びＡｓＨ_３に加えてＰＨ_３及びＴＥＧａを供給し、コラムナ量子ドット層４０Ａ上に、組成波長１．１μｍ、歪量０％のノンドープＩｎ_０．８５Ｇａ_０．１５Ａｓ_０．３３Ｐ_０．６７を成長し、膜厚４０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ中間層４２Ａを形成する（図３参照）。

次いで、ＩｎＧａＡｓＰ中間層４２Ａ上に、コラムナ量子ドット層４０Ａと同様にして、コラムナ量子ドット層４０Ｂを形成する（図３参照）。

次いで、コラムナ量子ドット層４０Ｂ上に、ＩｎＧａＡｓＰ中間層４２Ａと同様にして、ＩｎＧａＡｓＰ中間層４２Ｂを形成する（図３参照）。

次いで、ＩｎＧａＡｓＰ中間層４２Ｂ上に、コラムナ量子ドット層４０Ａと同様にして、コラムナ量子ドット層４０Ｃを形成する（図３参照）。

こうして、所望の層数（ここでは３層）のコラムナ量子ドット層４０を、ＩｎＧａＡｓＰ中間層４２を介して積層する（図３参照）。

次いで、コラムナ量子ドット層４０Ｃ上に、ＳＣＨ層３２と同様にして、ＳＣＨ層４４を形成する（図３参照）。

こうして、ｎ−ＩｎＰバッファ層１２上に、ＳＣＨ層３２、コラムナ量子ドット層４０Ａ、ＩｎＧａＡｓＰ中間層４２Ａ、コラムナ量子ドット層４０Ｂ、ＩｎＧａＡｓＰ中間層４２Ｂ、コラムナ量子ドット層４０Ｃ、及びＳＣＨ層４４を有する活性層１４を形成する（図７（ａ）参照）。

次いで、ＰＨ_３雰囲気下で成長温度を６３０℃まで昇温した後、ＴＭＩｎ及びＤＥＺｎを更に供給し、ドーピング濃度が例えば５×１０^１７ｃｍ^−３、膜厚が例えば２００ｎｍのｐ−ＩｎＰクラッド層１６を形成する（図７（ａ）参照）。

次いで、ｐ−ＩｎＰクラッド層１６上に、シリコン酸化膜４６を形成する。

次いで、フォトリソグラフィ及びエッチングにより、シリコン酸化膜４６を、例えば、［１１０］方向に延伸する長さが１００μｍで幅が１．５μｍのストライプメサ形状にパターニングする（図７（ｂ）参照）。

次いで、パターニングしたシリコン酸化膜４６をマスクとして、ｐ−ＩｎＰクラッド層１６、活性層及びｎ−ＩｎＰバッファ層１２をドライエッチングし、ストライプメサ形状に加工する（図８（ａ）参照）。

次いで、シリコン酸化膜４６をマスクとして、ストライプメサの側壁部分に、ｐ−ＩｎＰ埋め込み層１８、ｎ−ＩｎＰブロック層２０、ｐ−ＩｎＰ層２２を選択成長し、ストライプメサの両脇に電流狭窄構造を形成する（図８（ｂ）参照）。

次いで、例えばウェットエッチングにより、シリコン酸化膜４６を除去する。

次いで、ｐ−ＩｎＰクラッド層１６上及びｐ−ＩｎＰ層２２上に、ｐ−ＩｎＧａＡｓを成長し、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２４を形成する（図９（ａ）参照）。

この後、ｎ−ＩｎＰ基板１０の下面にＮ側電極２６を形成し、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２４上にＰ側電極２８を形成し、ストライプメサの両端面に反射防止膜３０を形成する（図９（ｂ）参照）。

こうして、本実施形態による光半導体素子を完成する。

このように、本実施形態によれば、引張り歪みの小さい第１バリア層及び第３バリア層によってＰＬ波長を長波化するとともに、引張り歪みの大きい第２バリア層によってコラムナ量子ドット層の圧縮歪みを補償して平均歪量を小さくすることができる。これにより、コラムナ量子ドット層の多段積層が容易になり、高い光利得を有する光半導体素子を実現することができる。

［第２実施形態］
第２実施形態による光半導体素子及びその製造方法について図１０を用いて説明する。図１乃至図９に示す第１実施形態による光半導体素子及びその製造方法と同一の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し又は簡潔にする。

図１０は、本実施形態による光半導体素子の構造を示す概略断面図である。

第１実施形態では、中間層４２を介して積層した複数のコラムナ量子ドット層４０を有する活性層１４を用いたが、必ずしも複数のコラムナ量子ドット層４０を積層する必要はない。

例えば、図１０に示すように、活性層１４を、ＳＣＨ層３２と、ＳＣＨ層３２上に形成されたコラムナ量子ドット層４０と、コラムナ量子ドット層４０上に形成されたＳＣＨ層４４とにより形成することもできる。

第１実施形態に示したように、ＩｎＧａＡｓＰバリア層３６を第１バリア層３６ａ、第２バリア層３６ｂ、及び第３バリア層３６ｃの３層構造で形成することにより、コラムナ量子ドット層４０の平均歪み量を低減することができる。このことは、一のコラムナ量子ドット層４０に含まれるＩｎＡｓ量子ドット層３４の層数を増加できることを意味している。ＩｎＡｓ量子ドット層３４の層数を増やすことにより、偏波依存性の小さい光半導体素子を形成することが可能となる。

このように、本実施形態によれば、引張り歪みの小さい第１バリア層及び第３バリア層によってＰＬ波長を長波化するとともに、引張り歪みの大きい第２バリア層によって量子ドット層の圧縮歪みを補償して平均歪量を小さくすることができる。これにより、量子ドット層の多段積層が容易になり、高い光利得を有する光半導体素子を実現することができる。

［変形実施形態］
上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。

例えば、上記実施形態に記載した光半導体素子の構造、構造パラメータ、構成材料、製造条件等は、一例を示したものにすぎず、当業者の技術常識等に応じて適宜修正や変更が可能である。

例えば、ＩｎＡｓ量子ドットの供給量、ＩｎＧａＡｓＰバリア層の組成波長、厚さ、歪み量等は、上記実施形態に記載の値に限定されるものではない。また、中間層の厚さ、歪み量等も、上記実施形態に記載の値に限定されるものではない。

また、第１実施形態では、ＩｎＧａＡｓＰバリア層３６を３層構造としたが、４層以上の積層構造により形成してもよい。ＩｎＧａＡｓＰバリア層３６は、少なくともＩｎＡｓ量子ドット層３４に接する部分で引張り歪み量が最小となり中央部で最大となる膜構成であれば、３層構造に限定されるものではない。

また、上記実施形態では、バリア層の材料としてＩｎＧａＡｓＰを適用しているが、例えばＡｌＧａＩｎＰ等の他の材料を適用することもできる。ただし、ＩｎＡｓ量子ドットの成長温度が低温のため、結晶性の観点からはＩｎＧａＡｓＰがより好ましい。

また、上記実施形態では、量子ドットの材料としてＩｎＡｓを適用しているが、例えばＩｎＳｂ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＳｂ等の他の材料を適用することもできる。ただし、量子ドットの面内の対称性が高いという観点からはＩｎＡｓがより好ましい。

また、上記実施形態では、光半導体素子として半導体光増幅器を示したが、半導体レーザに適用することもできる。

半導体レーザの場合、上記実施形態に記載の光半導体素子及びその製造方法において、反射防止膜３０を形成せずに劈開面によってストライプメサの端面を形成し、又は反射防止膜３０の代わりに高反射膜を形成し、共振器を形成すればよい。

また、上記実施形態では、ｎ−ＩｎＰ（００１）基板を用いたが、ｐ−ＩｎＰ（００１）基板、高抵抗（ＳＩ）ＩｎＰ（００１）基板等を適用してもよい。その場合は上述の埋め込み構造等は適宜変更が可能である。

また、上記実施形態では、ｎ−ＩｎＰ基板を用いたが、基板材料はこれに限定されるものではない。例えば、ｎ−ＩｎＰ基板の代わりにｎ−ＧａＡｓ基板を用いてもよい。その場合は、量子ドットの材料として例えばＩｎＡｓを、バリア層の材料として例えばＩｎＧａＡｓＰ又はＡｌＧａＩｎＰを、中間層としてＧａＡｓを適用することができる。

また、上記第１実施形態では、高い光利得を必要とする半導体レーザや半導体光増幅器を想定し、同じＰＬ波長を有するコラムナ量子ドットを多段積層したが、ＰＬ波長が異なるコラムナ量子ドットを多段積層するようにしてもよい。

１０…ｎ−ＩｎＰ基板
１２…ｎ−ＩｎＰバッファ層
１４…活性層
１６…ｐ−ＩｎＰクラッド層
１８…ｐ−ＩｎＰ埋め込み層
２０…ｎ−ＩｎＰブロック層
２２…ｐ−ＩｎＰ層
２４…ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層
２６…Ｎ側電極
２８…Ｐ側電極
３０…反射防止膜
３２，４４…ＳＣＨ層
３４…ＩｎＡｓ量子ドット層
３６…ＩｎＧａＡｓＰバリア層
３６ａ…第１バリア層
３６ｂ…第２バリア層
３６ｃ…第３バリア層
３８…コラムナ量子ドット
４０，４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ…コラムナ量子ドット層
４２，４２Ａ，４２Ｂ…ＩｎＧａＡｓＰ中間層
４６…シリコン酸化膜

Claims (8)

1. 半導体基板上に形成され、圧縮歪みを有する第１量子ドット層と、
   前記第１量子ドット層上に形成され、引張り歪みを有する第１バリア層と、
   前記第１バリア層上に形成され、引張り歪みを有する第２バリア層と、
   前記第２バリア層上に形成され、引張り歪みを有する第３バリア層と、
   前記第３バリア層上に形成され、圧縮歪みを有し、前記第１量子ドット層と電子的に結合された第２量子ドット層とを有し、
   前記第１バリア層及び前記第３バリア層の引張り歪量は、前記第２バリア層の引張り歪量よりも小さい
   ことを特徴とする光半導体素子。
2. 半導体基板上に形成され、圧縮歪みを有する複数の量子ドット層が互いに電子的に結合されるようにバリア層を介して積層されたコラムナ量子ドット層を有し、
   複数の前記量子ドット層間に形成されたそれぞれの前記バリア層は、引張り歪みを有する第１バリア層と、前記第１バリア層上に形成され、引張り歪みを有する第２バリア層と、前記第２バリア層上に形成され、引張り歪みを有する第３バリア層とを有し、
   前記第１バリア層及び前記第３バリア層の引張り歪量は、前記第２バリア層の引張り歪量よりも小さい
   ことを特徴とする光半導体素子。
3. 請求項２記載の光半導体素子において、
   中間層を介して積層された複数の前記コラムナ量子ドット層を有する
   ことを特徴とする光半導体素子。
4. 請求項２又は３記載の光半導体素子において、
   前記コラムナ量子ドット層を含む活性層を有する
   ことを特徴とする光半導体素子。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光半導体素子において、
   前記第１バリア層の引張り歪量と前記第３バリア層の引張り歪量が等しい
   ことを特徴とする光半導体素子。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光半導体素子において、
   前記半導体基板は、ＩｎＰにより形成され、
   前記量子ドット層は、ＩｎＡｓにより形成され、
   前記第１バリア層、前記第２バリア層、及び前記第３バリア層は、ＩｎＧａＡｓＰにより形成されている
   ことを特徴とする光半導体素子。
7. 請求項６記載の光半導体素子において、
   前記第１バリア層及び前記第３バリア層を形成するＩｎＧａＡｓＰと、前記第２バリア層を形成するＩｎＧａＡｓＰとは、組成比が異なっている
   ことを特徴とする光半導体素子。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光半導体素子において、
   前記第１バリア層及び前記第３バリア層は、前記量子ドット層に接している
   ことを特徴とする光半導体素子。

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