JP2013179187A - Semiconductor element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、特に高温環境下での光半導体素子の高性能化を可能にする半導体素子に関する。 The present invention relates to a semiconductor device that enables high performance of an optical semiconductor device, particularly in a high temperature environment.
1.3μm〜1.55μmの波長を有する光源を用いた従来の光ファイバ通信は、バンドギャップ及び格子定数の関係上作製しやすいInP基板上InGaAsP系レーザが用いられてきた。InP基板上InGaAsP系レーザにおいては、通常、発振特性の改善のために活性層に歪量子井戸構造を採用している。 In conventional optical fiber communication using a light source having a wavelength of 1.3 μm to 1.55 μm, an InGaAsP-based laser on an InP substrate, which is easy to produce because of the band gap and lattice constant, has been used. In an InGaAsP-based laser on an InP substrate, usually, a strained quantum well structure is adopted as an active layer in order to improve oscillation characteristics.
一般的に、InP基板上InGaAsP系レーザにおいて、量子井戸活性層の歪量を増大させれば微分利得の向上によりレーザ特性が改善することが知られているが、大きすぎる歪は結晶性の劣化を招く。そのため、レーザの構成材料としては、InP基板との格子定数差を考慮して、量子井戸層として1%前後の圧縮歪となるInGaAsPを用い、障壁層としてInP基板と格子整合した組成となるInGaAsPを用いることが一般的である。 In general, in InGaAsP lasers on InP substrates, it is known that increasing the amount of strain in the quantum well active layer will improve the laser characteristics by improving the differential gain. Invite. Therefore, in consideration of the lattice constant difference with the InP substrate, InGaAsP having a compressive strain of about 1% is used as the quantum well layer and the InGaAsP has a lattice-matched composition with the InP substrate as the barrier layer. Is generally used.
このような従来のInP基板上InGaAsP系レーザでは、伝導帯側の量子井戸層と障壁層との間のバンド不連続が小さいため、高温条件下にすると電子のオーバーフローによる光学利得の低下が生じ、閾値電流の増加及び効率の低下を引き起こす。そのため、閾値電流の温度依存性を示す特性温度が50K程度と低く、温度調整器の使用が不可欠であった。 In such a conventional InGaAsP-based laser on an InP substrate, since the band discontinuity between the quantum well layer on the conduction band side and the barrier layer is small, the optical gain is reduced due to the overflow of electrons under high temperature conditions. It causes an increase in threshold current and a decrease in efficiency. For this reason, the characteristic temperature indicating the temperature dependence of the threshold current is as low as about 50 K, and the use of a temperature regulator has been indispensable.
また、InP基板上において、InGaAsP系レーザより大きなバンド不連続を有するとされるInAlGaAs系レーザも開発されている。InAlGaAs系レーザは、InGaAsP系レーザと比較して温度特性は改善されているが、GaAs基板上の短波長のInGaAs系レーザに比べると、その温度特性はまだ劣っている。さらに、InAlGaAs系レーザでは、Alを含む材料固有の酸化による信頼性劣化が懸念される(例えば、非特許文献1参照)。 Further, an InAlGaAs-based laser that has a band discontinuity larger than that of an InGaAsP-based laser on an InP substrate has been developed. InAlGaAs-based lasers have improved temperature characteristics compared to InGaAsP-based lasers, but their temperature characteristics are still inferior to short-wavelength InGaAs-based lasers on GaAs substrates. Furthermore, in the InAlGaAs-based laser, there is a concern about reliability deterioration due to oxidation inherent to a material containing Al (see, for example, Non-Patent Document 1).
GaAs基板上では、比較的短波長の0.78μm、0.85μm、0.98μm、1.06μm帯レーザが実用化されており、特性温度150Kを超える優れた温度特性を示している。これは、伝導帯側の大きなバンドオフセットによるものである。上記の0.98μmや1.06μm帯レーザで用いられるInGaAs/GaAs歪量子井戸構造によって1.3μmでの発光を得るためには、In組成を50%程度に高める必要がある(例えば、非特許文献2、3参照)。 On the GaAs substrate, 0.78 [mu] m, 0.85 [mu] m, 0.98 [mu] m, and 1.06 [mu] m band lasers having relatively short wavelengths have been put into practical use and show excellent temperature characteristics exceeding a characteristic temperature of 150K. This is due to a large band offset on the conduction band side. In order to obtain light emission at 1.3 μm by the InGaAs / GaAs strained quantum well structure used in the above 0.98 μm and 1.06 μm band lasers, it is necessary to increase the In composition to about 50% (for example, non-patent References 2 and 3).
しかしながら、In組成の増加とともにInGaAs量子井戸層とGaAs基板との格子不整合が大きくなり、3次元成長やミスフィット転位が生じるため、GaAs基板上InGaAsレーザにおいて1.3μm以上の波長帯での高品質な量子井戸の形成は困難であった。 However, as the In composition increases, the lattice mismatch between the InGaAs quantum well layer and the GaAs substrate increases, resulting in three-dimensional growth and misfit dislocations. Therefore, in an InGaAs laser on a GaAs substrate, a high wavelength band of 1.3 μm or higher Formation of quality quantum wells has been difficult.
特に、GaAs基板上にInGaAs又はInAlAsからなるバッファ層を成長し、格子定数を変化させ、通信波長帯である1.3μm以上の波長を有するレーザにおいて、GaAs基板側の下部クラッド層に平坦性の高いInAlGaAsを用い、その反対側の上部クラッド層にInGaPを用いる場合がある。通常、InAlGaAsからなる下部クラッド層はn型にドーピングされ、InGaPからなる上部クラッド層はp型にドーピングされる。そのような場合、n型の下部クラッド層のバンドギャップがp型の上部クラッド層のバンドギャップよりも大きくなるため、高温時にn型の下部クラッド層から注入されるエネルギーの高い電子が、活性層を抜けてp型の上部クラッド層に入り、非発光再結合する割合が高くなり、レーザ特性の悪化を引き起こしていた。この現象は、InP基板及びInGaAs系材料でも起こるため、解決が必要とされていた。 In particular, a buffer layer made of InGaAs or InAlAs is grown on a GaAs substrate, the lattice constant is changed, and in a laser having a wavelength of 1.3 μm or more, which is the communication wavelength band, the lower cladding layer on the GaAs substrate side is flat. In some cases, high InAlGaAs is used, and InGaP is used for the upper clad layer on the opposite side. Usually, the lower cladding layer made of InAlGaAs is doped n-type, and the upper cladding layer made of InGaP is doped p-type. In such a case, since the band gap of the n-type lower cladding layer is larger than the band gap of the p-type upper cladding layer, high-energy electrons injected from the n-type lower cladding layer at high temperatures are generated by the active layer. The rate of non-radiative recombination increases after entering the p-type upper clad layer, causing deterioration of the laser characteristics. Since this phenomenon also occurs in InP substrates and InGaAs-based materials, a solution has been required.
本発明は、高温環境下や半導体レーザに大電流を流して使用する際の自己発熱により内部の活性層が高温になる環境下において、電子が活性層の量子井戸からクラッド層にあふれだし、そこで発光に寄与せずに再結合し、特性が劣化する課題を解決するものである。 In the present invention, electrons overflow from the quantum well of the active layer to the cladding layer in a high-temperature environment or in an environment where the internal active layer becomes hot due to self-heating when a large current is applied to the semiconductor laser. It solves the problem of recombination without contributing to light emission and deterioration of characteristics.
上述のような問題を解決するために、本発明の請求項1に記載の半導体素子は、GaAs基板と、前記GaAs基板上に形成されたバッファ層と、前記バッファ層上に形成され、前記GaAs基板より格子定数が大きく格子緩和し、5から30%の範囲のIn組成を有する格子緩和層と、前記格子緩和層上に形成され、n型にドーピングされた下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に形成された、量子井戸構造を有する量子井戸活性層と、前記量子井戸活性層上に形成され、p型にドーピングされたInAlGaAsからなるキャリアストッパー層と、p型にドーピングされたInGaPからなる上部クラッド層とを備え、前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層は、前記量子井戸活性層の屈折率よりも低い屈折率を有し、前記上部クラッド層は、前記量子井戸活性層及び前記上部クラッド層により前記キャリアストッパー層を挟み込むように形成されていることを特徴とする。
In order to solve the above-described problem, a semiconductor device according to
本発明の請求項2に記載の半導体素子は、本発明の請求項1に記載の半導体素子であって、前記下部クラッド層は、InAlGaAsまたはInGaPからなることを特徴とする。
A semiconductor device according to claim 2 of the present invention is the semiconductor device according to
本発明の請求項3に記載の半導体素子は、本発明の請求項1又は2に記載の半導体素子であって、前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層は、前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層の格子定数が等しくなるような組成を有することを特徴とする。 A semiconductor device according to a third aspect of the present invention is the semiconductor device according to the first or second aspect of the present invention, wherein the lower cladding layer and the upper cladding layer are the lower cladding layer and the upper cladding layer, respectively. It has the composition which becomes equal to the lattice constant.
本発明の請求項4に記載の半導体素子は、本発明の請求項1から3のいずれかに記載の半導体素子であって、前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層は、前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層の屈折率が等しくなるような組成を有することを特徴とする。 A semiconductor element according to a fourth aspect of the present invention is the semiconductor element according to any one of the first to third aspects of the present invention, wherein the lower cladding layer and the upper cladding layer are the lower cladding layer and the semiconductor element. The upper clad layer has a composition such that the refractive indexes of the upper clad layers are equal.
本発明の請求項5に記載の半導体素子は、本発明の請求項1から4のいずれかに記載の半導体素子であって、前記バッファ層及び前記格子緩和層は、InGaAs又はInAlAsからなることを特徴とする。 A semiconductor device according to a fifth aspect of the present invention is the semiconductor device according to any one of the first to fourth aspects of the present invention, wherein the buffer layer and the lattice relaxation layer are made of InGaAs or InAlAs. Features.
本発明の請求項6に記載の半導体素子は、本発明の請求項1から4のいずれかに記載の半導体素子であって、前記キャリアストッパー層上に形成されたエッチングストッパー層と、前記上部クラッド層上に形成されたコンタクト層と、前記エッチングストッパー層上に形成された前記上部クラッド層と前記コンタクト層とを挟み込むように、前記エッチングストッパー層上に形成された埋め込み層とをさらに備えることを特徴とする。 A semiconductor element according to a sixth aspect of the present invention is the semiconductor element according to any one of the first to fourth aspects of the present invention, wherein the etching stopper layer formed on the carrier stopper layer and the upper cladding A contact layer formed on the layer; and a buried layer formed on the etching stopper layer so as to sandwich the upper cladding layer formed on the etching stopper layer and the contact layer. Features.
本発明の請求項7に記載の半導体素子は、本発明の請求項6に記載の半導体素子であって、前記バッファ層が形成されていない側の前記GaAs基板上に形成されたn型電極と、前記コンタクト層上に形成されたp型電極とをさらに備えることを特徴とする。 A semiconductor element according to a seventh aspect of the present invention is the semiconductor element according to the sixth aspect of the present invention, wherein the n-type electrode is formed on the GaAs substrate on the side where the buffer layer is not formed. And a p-type electrode formed on the contact layer.
本発明の請求項8に記載の半導体素子は、本発明の請求項1から7のいずれかに記載の半導体素子であって、前記量子井戸活性層の利得を有する波長が1.1〜1.4μmであることを特徴とする。 A semiconductor element according to an eighth aspect of the present invention is the semiconductor element according to any one of the first to seventh aspects of the present invention, wherein a wavelength having a gain of the quantum well active layer is 1.1 to 1. It is characterized by being 4 μm.
本発明に係る半導体素子は、GaAs基板上に格子定数を変化させたInGaAs又はInAlAsからなるバッファ層を有する通信波長帯半導体レーザにおいて、下部クラッド層と上部クラッド層との間にp型のInAlGaAsからなるキャリアストッパー層を備える。それにより、高温環境下においても下部クラッド層から活性層を超えて上部クラッド層に電子がオーバーフローする非発光成分を抑えることができ、特性の変化の小さい温度調整器が不要な高性能な半導体レーザの実現が可能となる。 The semiconductor device according to the present invention is a communication wavelength band semiconductor laser having a buffer layer made of InGaAs or InAlAs having a changed lattice constant on a GaAs substrate, and includes p-type InAlGaAs between a lower cladding layer and an upper cladding layer. A carrier stopper layer. As a result, high-performance semiconductor lasers that can suppress non-light-emitting components that cause electrons to overflow from the lower cladding layer to the upper cladding layer even in a high-temperature environment and do not require a temperature regulator with little change in characteristics. Can be realized.
上記課題を解決するため、数多くの実験的検討を行った結果、本発明者らは、有機金属気相成長法(MOVPE法)を用いて基板上にバッファ層及び格子緩和層を成長した後、この上に下部クラッド層及び上部クラッド層を成長する際に、下部クラッド層上にある量子井戸活性層と上部クラッド層との間にキャリアストッパー層を導入した場合、半導体レーザの閾値電流の温度依存性が著しく小さくなること、すなわち温度特性が著しく向上することを見出し、この知見に基づいて本発明に至ったものである。 As a result of conducting numerous experimental studies to solve the above problems, the present inventors have grown a buffer layer and a lattice relaxation layer on a substrate using a metal organic vapor phase epitaxy method (MOVPE method). When a carrier stopper layer is introduced between the quantum well active layer and the upper clad layer on the lower clad layer when the lower clad layer and the upper clad layer are grown thereon, the temperature dependence of the threshold current of the semiconductor laser It has been found that the properties are remarkably reduced, that is, the temperature characteristics are remarkably improved, and the present invention has been achieved based on this finding.
図1は、本発明に係る半導体素子100の層構造を示す。図1には、n型電極101、GaAs基板102、n型InxGa1-xAsからなるバッファ層103、n型InyGa1-yAsからなる格子緩和層104、下部クラッド層105、量子井戸活性層106、キャリアストッパー層107及びエッチングストッパー層108が順次積層され、エッチングストッパー層108上に埋め込み層109及び上部クラッド層110が形成され、上部クラッド層110上にコンタクト層111が形成され、埋め込み層109及びコンタクト層111上にp型電極112が形成された半導体レーザ100が示されている。埋め込み層109は、エッチングストッパー層108上で、上部クラッド層110及びコンタクト層111を挟み込むように形成されている。
FIG. 1 shows a layer structure of a
以下、本発明に係る半導体素子100の構成及び作製方法を例示する。本発明に係る半導体素子100の作製する際の各層の成長は、有機金属気相成長法(MOVPE法)を用いて行った。ここで、以下に記載された数値等は例示であり、本発明を限定することを意図したものではない。
Hereinafter, the configuration and manufacturing method of the
まず、Siを5×1017(cm-3)ドープした厚さ100nmのGaAs基板102上に、Siを1×1018(cm-3)ドープしたn型InxGa1-xAsからなるバッファ層103を1600nm成長する。n型InxGa1-xAsからなるバッファ層103のIn組成は、12%(x=0.12)とすることができる。
First, a buffer made of n-type In x Ga 1-x As doped with 1 × 10 18 (cm −3 ) Si on a 100 nm-
次に、バッファ層103上に、Siを5×1017(cm-3)ドープしたn型InyGa1-yAsからなる格子緩和層104を300nm成長する。格子緩和層104は、GaAs基板102より格子定数が大きく格子緩和している。n型InyGa1-yAsからなる格子緩和層104のIn組成は、10%(y=0.1)とすることができる。光ファイバ通信波長帯での発光を実現するには、量子井戸の歪と格子定数との関係から、格子緩和層104のIn組成は5%から30%(y=0.05〜0.30)の範囲であればよい。このようなIn組成を有する格子緩和層104はほぼ格子緩和されているため、GaAs基板102から格子緩和層104までの層を擬似的なInGaAs基板とみなすことができる。
Next, the
次に、格子緩和層104上に、Siを1×1018(cm-3)ドープした厚さ1.5μmのn型InAlGaAsからなる下部クラッド層105を成長する。次に、下部クラッド層105上に、圧縮歪量子井戸層の両側にIn0.1Ga0.9As障壁層を配した歪量子井戸構造で構成され、例えば1.3μm帯の利得を有する量子井戸活性層106を成長する。量子井戸活性層106の利得を有する波長は、1.1〜1.4μmとすることができる。
Next, a
次に、量子井戸活性層106上に、p型InAlGaAsからなるキャリアストッパー層107を30nm成長し、さらにp型InGaAsからなるエッチングストッパー層108を30nm成長する。量子井戸活性層106を挟んだダブルへテロレーザ構造を作製する。
Next, a
次に、エッチングストッパー層108上に、p型InGaPからなる上部クラッド層110を1500nm成長する。下部クラッド層105及び上部クラッド層110は、量子井戸活性層106の屈折率よりも低い屈折率を有する。上部クラッド層110はメサ加工されるため、酸化しにくいInGaPが適している。次に、上部クラッド層110上に、p型に2×1019(cm-3)ドープしたIn0.1Ga0.9Asからなるコンタクト層111を100nm成長する。
Next, an
次に、コンタクト層111上にスパッタリングでSiO2層を堆積し、さらにフォトリソグラフィによってSiO2層上にストライプ状のマスクを形成する。次に、ドライエッチングにより幅1.7μmのメサストライプを形成し、メサ型に形成された上部クラッド層110及びコンタクト層111の両脇をSiO2とポリイミドとで埋め込むことにより上部クラッド層110及びコンタクト層111を挟み込むように埋め込み層109を形成する。次に、GaAs基板102を研磨後に、バッファ層103が形成されていない側のGaAs基板102上にn型電極101を形成し、コンタクト層111上にp型電極112を形成して、リッジレーザへ加工する。光出射する側は、へき開面がそのままで、反対側の面には90%程度の高反射率が得られる多層膜反射鏡を積層している。作製したレーザは、発振波長が1.3μmであった。
Next, a SiO 2 layer is deposited on the
このように、本発明に係る半導体素子100では、量子井戸活性層106と上部クラッド層110との間にバンドギャップの大きなp型InAlGaAsからなるキャリアストッパー層107が形成されている。それにより、高温環境下や自己発熱が顕著になる高電流動作時の高エネルギーな電子の上部クラッド層110への漏れを抑制し、温度調整器が不要な高性能な半導体レーザを作製することが可能となる。
As described above, in the
図2は、半導体レーザの閾値電流の温度依存性を示す。図2では、共振器長が1200ミクロンであり、p型InAlGaAsからなるキャリアストッパー層を有する本発明の半導体素子及びキャリアストッパー層の無い従来技術の半導体素子の閾値電流の温度依存性を同じグラフ上にプロットした。図2に示されるように、キャリアストッパー層を有する本発明の半導体素子は、キャリアストッパー層の無い従来技術の半導体素子に比べ、温度上昇時の閾値電流の上昇が抑えられており、この構造の効果を明確に確認することができた。 FIG. 2 shows the temperature dependence of the threshold current of the semiconductor laser. In FIG. 2, the temperature dependence of the threshold current of the semiconductor element of the present invention having a cavity length of 1200 microns and having a carrier stopper layer made of p-type InAlGaAs and the prior art semiconductor element having no carrier stopper layer is shown on the same graph. Plot to As shown in FIG. 2, the semiconductor element of the present invention having a carrier stopper layer suppresses an increase in threshold current when the temperature rises as compared with a conventional semiconductor element without a carrier stopper layer. The effect was clearly confirmed.
ここで、本発明に係る半導体素子100においては、バッファ層103としてn型InxGa1-xAsを使用し、格子緩和層104としてn型InyGa1-yAsを使用したが、バッファ層103としてn型InxAl1-xAsを使用し、格子緩和層104としてn型InyAl1-yAsを使用することもできる(In組成も上記と同様である)。また、本発明に係る半導体素子100においては、下部クラッド層105として、n型InAlGaAsを使用したが、n型InGaPを使用することも可能である。
Here, in the
また、下部クラッド層105及び上部クラッド層110は、下部クラッド層105及び上部クラッド層110の格子定数が等しくなるような組成とすることが好ましい。さらに、下部クラッド層105及び上部クラッド層110は、下部クラッド層105及び上部クラッド層110の屈折率が等しくなるような組成とすることが好ましい。下部クラッド層105及び上部クラッド層110の格子定数及び屈折率が等しくなる組成として、例えば、下部クラッド層105をIn0.09Al0.61Ga0.3Asで構成し、上部クラッド層110をIn0.58Ga0.42Pで構成することできる。
Further, the
100 半導体素子
101 n型電極
102 GaAs基板
103 バッファ層
104 格子緩和層
105 下部クラッド層
106 量子井戸活性層
107 キャリアストッパー層
108 エッチングストッパー層
109 埋め込み層
110 上部クラッド層
111 コンタクト層
112 p型電極
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記GaAs基板上に形成されたバッファ層と、
前記バッファ層上に形成され、前記GaAs基板より格子定数が大きく格子緩和し、5から30%の範囲のIn組成を有する格子緩和層と、
前記格子緩和層上に形成され、n型にドーピングされた下部クラッド層と、
前記下部クラッド層上に形成された、量子井戸構造を有する量子井戸活性層と、
前記量子井戸活性層上に形成され、p型にドーピングされたInAlGaAsからなるキャリアストッパー層と、
p型にドーピングされたInGaPからなる上部クラッド層とを備え、
前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層は、前記量子井戸活性層の屈折率よりも低い屈折率を有し、前記上部クラッド層は、前記量子井戸活性層及び前記上部クラッド層により前記キャリアストッパー層を挟み込むように形成されていることを特徴とする半導体素子。 A GaAs substrate;
A buffer layer formed on the GaAs substrate;
A lattice relaxation layer formed on the buffer layer, having a lattice constant larger than that of the GaAs substrate and having an In composition in the range of 5 to 30%;
A lower cladding layer formed on the lattice relaxation layer and doped n-type;
A quantum well active layer having a quantum well structure formed on the lower cladding layer;
A carrier stopper layer formed on the quantum well active layer and made of p-type doped InAlGaAs;
an upper cladding layer made of p-type doped InGaP,
The lower cladding layer and the upper cladding layer have a refractive index lower than that of the quantum well active layer, and the upper cladding layer includes the carrier stopper layer formed by the quantum well active layer and the upper cladding layer. A semiconductor element characterized by being sandwiched.
前記上部クラッド層上に形成されたコンタクト層と、
前記エッチングストッパー層上に形成された前記上部クラッド層と前記コンタクト層とを挟み込むように、前記エッチングストッパー層上に形成された埋め込み層と
をさらに備えることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の半導体素子。 An etching stopper layer formed on the carrier stopper layer;
A contact layer formed on the upper cladding layer;
6. The semiconductor device according to claim 1, further comprising: a buried layer formed on the etching stopper layer so as to sandwich the upper clad layer formed on the etching stopper layer and the contact layer. A semiconductor device according to claim 1.
前記コンタクト層上に形成されたp型電極と
をさらに備えることを特徴とする請求項6に記載の半導体素子。 An n-type electrode formed on the GaAs substrate on the side where the buffer layer is not formed;
The semiconductor device according to claim 6, further comprising a p-type electrode formed on the contact layer.
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