JP4662345B2

JP4662345B2 - 多重歪量子井戸構造及びその製造方法

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Publication number: JP4662345B2
Application number: JP2005090872A
Authority: JP
Inventors: 具就佐藤; 学満原; 康洋近藤
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2005-03-28
Filing date: 2005-03-28
Publication date: 2011-03-30
Anticipated expiration: 2025-03-28
Also published as: JP2006278397A

Description

本発明は、圧縮歪の大きな井戸層を有する良質な歪量子井戸構造及びその製造方法に関し、特に、半導体レーザ、光変調器および光増幅器などの活性層に用いて好適な歪量子井戸構造及びその製造方法に関する。

従来、圧縮歪を加えた井戸層を有する歪量子井戸構造を、半導体レーザの活性層として用いることによって、発振しきい値電流の低減、発振スペクトル線幅の狭線幅化および変調周波数の高速化など、レーザ特性が著しく改善されることが、数多く報告されている。

井戸層の圧縮歪量をさらに増大させることができれば、オージェ再結合による非発光再結合の低減効果や微分利得の増大効果によって、発振しきい値電流や変調周波数等におけるレーザ特性がさらに向上することが知られている（例えば、非特許文献１、および非特許文献２を参照）。

基板上に、井戸層（例えば、ＩｎＧａＡｓ、又はＩｎＧａＡｓＰなど）を成長させる場合、結晶成長が層状に進行する、いわゆる２次元成長することがデバイス形成のための結晶成長の前提になっているが、基板と成長層との格子定数の差、すなわち歪量が大きい場合、結晶成長が島状に進行する、いわゆる３次元成長することが知られている。成長層の圧縮歪を増加させたときに、結晶成長が２次元成長から３次元成長に変わる圧縮歪量は、インジウムを含むＩＩＩ−Ｖ族混晶の場合、１．５％程度であることが知られている（非特許文献３を参照）。

また、上記圧縮歪を有するインジウムを含むＩＩＩ−Ｖ族混晶の３次元成長には、ＩＩＩ族元素であるインジウムの表面拡散（マイグレーション）が大きく影響していることが知られている（例えば、非特許文献４を参照）。

通常、井戸層を成長させる場合、良質な結晶性を得るために、インジウムの表面拡散を促し、表面拡散長を長くすることが望ましい。しかし、成長させる井戸層が基板に対し大きな圧縮歪を有する場合、インジウムの拡散長が長いと、３次元成長の起点となる膜中の欠陥や転位に到達するインジウム数が増加するため、３次元成長が起こりやすい。

圧縮歪を有するＩｎＧａＡｓ、又はＩｎＧａＡｓＰ、又はＩｎＧａＡｓＮを井戸層とする歪量子井戸構造を成長させる場合においても、井戸層が上記のように大きな圧縮歪を有すると、上記３次元成長の影響によって、非発光再結合中心となる欠陥が発生するなどの問題が生ずる。

これらの問題に対し、良質な歪半導体結晶を得るために、サーファクタントを用いた製法が検討されており、Ｂｉ（ビスマス）やＳｂ（アンチモン）を加えることにより３次元成長が抑制されたとの報告がある。しかしながら、従来報告されている方法では、サーファクタントを結晶中に混入させないことを前提としており、サーファクタントの不本意な混入などにより結晶性が劣化してしまうという問題があった。特に、１．５％以上の圧縮歪を有する歪量子井戸構造においては、３次元成長を抑制した場合でも、サーファクタントの混入に起因した結晶性の劣化によるフォルトルミネッセンス発光強度の低下など、デバイスとして十分な特性が得られないという問題があった。

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上述するように、歪量子井戸構造における１．５％以上の圧縮歪を加えたＩｎＧａＡｓ、又はＩｎＧａＡｓＰ、又はＩｎＧａＡｓＮから形成される井戸層においては、３次元的な島状成長が発生し、これに起因して欠陥が発生するという問題があった。さらに、従来のサーファクタントを用いた圧縮歪を有する井戸層の３次元成長を抑制する方法では、３次元成長を抑制した場合でも、サーファクタントの不必要な混入などにより結晶性が劣化し、デバイスとして十分な特性が得られないという問題があった。

したがって、歪量子井戸構造を有する半導体レーザ、光変調器、光増幅器などの活性層に用いられる半導体光素子の素子特性を向上させるために、井戸層の３次元成長及びこれに起因した欠陥の発生が抑制され、デバイスとして十分な特性が得られる良質な結晶となるサーファクタントの混入量を明らかにし、またその結晶を得ることができる製法が強く求められていた。

そこで、本発明は、上記状況に鑑みてなされたものであり、従来技術の問題を解決し、良質な結晶から形成される歪量子井戸構造及びその製法を提供することを目的とする。具体的には、基板と１．５％以上の圧縮歪量を有する井戸層（例えば、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓＮなどで形成）に、Ｓｂ組成を井戸層中の全Ｖ族元素に対して０．０１％〜０．２％含ませることにより、３次元成長および３次元成長に起因した結晶欠陥の発生を抑えると共に、デバイスとして十分な特性を得ることができる良質な歪量子井戸構造及びその製法を提供することを目的とする。

一般には、前述のように、ＩｎＧａＡｓ、又はＩｎＧａＡｓＰ、又はＩｎＧａＡｓＮからなる井戸層の圧縮歪量が１．５％以上になると３次元的な島状成長が起こり、さらに結晶欠陥が発生するためにデバイスへの応用が困難であった。

しかし、第１の実施例に詳細を記載するように、１．５％以上の圧縮歪を有する井戸層に、井戸層中の全Ｖ族元素に対するＳｂ組成が０．０１％〜０．２％となるようにＳｂまたはＳｂ化合物を加えることにより、Ｓｂのサーファクタント効果が有効に作用し、３次元成長を促進させる原因となるインジウムの表面拡散を抑制することができ、ＩｎＧａＡｓ、又はＩｎＧａＡｓＰ、又はＩｎＧａＡｓＮからなる井戸層の３次元成長を抑制することができる。その結果、圧縮歪量が増加しても平坦な井戸層と障壁層との界面を有する良質な歪量子井戸構造を得ることができる。

さらに、井戸層中の全Ｖ族元素に対するＳｂ組成が０．０１％〜０．２％となるようにＳｂまたはＳｂ化合物を井戸層に加えることにより、３次元成長に起因した結晶欠陥の発生を抑制することができ、１．５％以上の圧縮歪を有した井戸層からなる歪量子井戸構造の発光強度の低下を抑制することができる。

すなわち、上述した課題を解決する第１の発明に係る多重歪量子井戸構造は、ＩｎＰからなる基板上に形成され、上記基板の格子定数に対して１．５％以上１．８５％以下の圧縮歪を有するＩｎＧａＡｓＳｂの井戸層と、上記井戸層とは異なる格子定数を有し引張歪を有するＩｎＧａＡｓの障壁層とを交互に積層した多重歪量子井戸構造であって、上記井戸層のＳｂをサーファクタントとして作用させ、かつサーファクタント混入に起因した結晶性劣化がないものとするために、上記井戸層のＳｂの組成を該井戸層中の全Ｖ族元素に対して０．０１％〜０．２％としたことを特徴とする。

従来、圧縮歪を有する井戸層の３次元成長を抑制するためにサーファクタントを用いた製法は提案されているが、３次元成長を抑制した場合においても、混入させるべきではないサーファクタントが不本意に混入してしまうことなどによって結晶性が劣化し、フォトルミネッセンス発光強度が低下するなど、デバイスとして十分な特性が得られないという問題があった。

これに対して本発明では、サーファクタントとして作用するＳｂを積極的に取り込んでその組成を制御し、井戸層中の全Ｖ族元素に対して０．０１％〜０．２％の範囲でＳｂを井戸層に含ませることにより、圧縮歪量が１．５％以上の井戸層を有する歪量子井戸構造においても、平坦な井戸層と障壁層との界面を有する（３次元成長が抑制された）結晶を得ることが可能となる。さらに、３次元成長に起因した欠陥も抑制できることで、大きなフォトルミネッセンス発光強度が得られ、デバイスとして十分な特性が得られる歪量子井戸構造を得ることが可能となる。その上、従来作製が困難であった１．５％以上という大きな圧縮歪を有し、かつ３次元成長及びこれに起因した結晶欠陥の発生が抑制された井戸層を有する歪量子井戸構造を容易に作製することができ、当該構造に適用したレーザの発振しきい値電流の低減、変調周波数の高速化などデバイス特性の向上実現に極めて有用となる。

すなわち、上述した課題を解決する第２の発明に係る多重歪量子井戸構造の製造方法は、ＩｎＰからなる基板上に形成され、上記基板の格子定数に対して１．５％以上１．８５％以下の圧縮歪を有するＩｎＧａＡｓＳｂの井戸層と、上記井戸層とは異なる格子定数を有し引張歪を有するＩｎＧａＡｓの障壁層とを交互に積層した多重歪量子井戸構造の製造方法であって、上記井戸層および上記障壁層の結晶成長を、有機金属気相エピタキシー法によって行い、上記井戸層を結晶成長させるときに、上記井戸層中のＳｂ組成が該井戸層中の全Ｖ族元素に対して０．０１％〜０．２％となるように、トリスジメチルアミノアンチモンまたはトリメチルアンチモンまたはトリエチルアンチモンをサーファクタントとして供給したことを特徴とする。

上述した課題を解決する第３の発明に係る歪量子井戸構造の製造方法は、
第２の発明に記載された歪量子井戸構造の製造方法であって、
上記井戸層および上記障壁層の結晶成長を、有機金属気相エピタキシー法によって行う
ことを特徴とする。

本発明によれば、従来作製が困難であった１．５％以上という大きい圧縮歪を有し、かつ３次元成長及びそれに起因した結晶欠陥の発生が抑制された井戸層を有する歪量子井戸構造を容易に作製することができ、当該歪量子井戸構造を適用したレーザの発振しきい値電流の低減、変調周波数の高速化などデバイス特性の向上実現に極めて有用である。

以下に、本発明に係る歪量子井戸構造およびその製造方法を実施するための最良の形態を実施例に基づき具体的に説明する。

以下に、本発明の第１の実施例に係る歪量子井戸構造について図面を用いて、具体的に説明する。
図１は、本発明の第１の実施例に係る歪量子井戸構造を示す概略断面図である。同図では、井戸層として圧縮歪を有するＩｎＧａＡｓＳｂを用い、障壁層としてＩｎＧａＡｓを用いた。

図１に示すように、本発明の第１の実施例に係る歪量子井戸構造１０は、ＩＩＩ−Ｖ族混晶からなり、ＩｎＧａＡｓ障壁層４とＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層５とを交互に積層し、且つその両側にはＩｎＧａＡｓ障壁層４が配置されてなる。歪量子井戸構造１０の一方には、ＩｎＰ基板１とＩｎＰバッファ層（膜厚２００ｎｍ）２とＩｎＰ基板１に格子整合するＩｎＧａＡｓＰガイド層（バンドギャップ波長１．３μｍ、膜厚１００ｎｍ）３とが形成され、他方にはＩｎＰ基板１に格子整合するＩｎＧａＡｓＰガイド層（バンドギャップ波長１．３μｍ、膜厚１００ｎｍ）６とＩｎＰキャップ層（膜厚１００ｎｍ）７とが形成される。すなわち、ＩｎＰ基板１上に、ＩｎＰバッファ層２、ＩｎＧａＡｓＰガイド層３、歪量子井戸構造１０、ＩｎＧａＡｓＰガイド層６、ＩｎＰキャップ層７が順次積層される。ここでは、ＩｎＧａＡｓ障壁層４を４層とし、ＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層５を３層とする。

ＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層５としては圧縮歪１．８５％を有する膜厚１０ｎｍのＩｎＧａＡｓＳｂ層を用い、ＩｎＧａＡｓ障壁層４としては引張歪０．１％、膜厚１８．５ｎｍのＩｎＧａＡｓ層を用いた。すなわち、ＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層５は、ＩｎＰ基板１の格子定数に対して１．５％以上の圧縮歪を有する。ＩｎＧａＡｓ障壁層４は、ＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層５とは異なる格子定数を有する。

歪量子井戸構造１０における井戸層５及び障壁層４の結晶成長は有機金属気相エピタキシー法によって行われ、その成長温度は６２０℃である。また、歪量子井戸構造１０における井戸層５において、ＩＩＩ族原料としてはトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）及びトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）を用い、Ｖ族原料としてはアルシン（ＡｓＨ₃）、ホスフィン（ＰＨ₃）及びＳｂ化合物であるトリスジメチルアミノアンチモン（ＴＤＭＡＳｂ）を用いた。

一般に、レーザウエハにおけるフォトルミネッセンス（ＰＬ）発光強度は、発振しきい値電流密度と密接な関係があり、フォトルミネッセンス発光強度が低下すると、半導体レーザの発振しきい値電流密度が上昇することが知られている（非特許文献５を参照）。そのため、良好なデバイス特性を得るためには、大きなフォトルミネッセンス発光強度を得る必要がある。

図２は、本発明の第１の実施例に係る歪量子井戸構造におけるＰＬ発光強度と井戸層中の全Ｖ族元素に対するＳｂ組成との関係の一例を示す図である。ただし、図２中の横軸を井戸層中の全Ｖ族元素に対するＳｂ組成（％）とし、同図の縦軸を歪量子井戸構造のＰＬ発光強度（対数任意目盛）とした。

図２から明らかなように、フォトルミネッセンス発光強度は、井戸層中の全Ｖ族元素に対するＳｂ組成が０．０１％及び０．２％を境に急激に変化し、上記Ｓｂ組成が０．０１％未満及び０．２％より大きい範囲では、小さい発光強度であるのに対し、上記Ｓｂ組成が０．０１％以上０．２％以下の範囲では大きい発光強度が得られる。この傾向は、井戸層の歪が１．８５％の場合だけでなく、井戸層の歪が１．５％以上で顕著に現れることを確認している。したがって、井戸層を結晶成長させるときにサーファクタントとしてＳｂまたはＳｂ化合物を供給し、その供給量を井戸層中の全Ｖ族元素に対するＳｂ組成が０．０１％〜０．２％となるように限定すれば、従来、発光強度が著しく減少してしまう圧縮歪１．５％以上を有する井戸層においても、フォトルミネッセンス発光強度の低下を防ぎ、大きな発光強度が得られることが確認された。

さらに、０．０１％〜０．２％の範囲内である井戸層中の全Ｖ族元素に対するＳｂ組成０．０６％のＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層を有する歪量子井戸構造を、エックス線回折法（ＸＲＤ）及び透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて観察した結果、大きな圧縮歪を有するにもかかわらず、３次元成長することなく、良質な歪量子井戸構造を得られることが確認された。

また、井戸層中の全Ｖ族元素に対して、０．０１％〜０．２％のＳｂを含むＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層の圧縮歪量は、Ｓｂ組成が非常に小さいことから、Ｓｂを含まないＩｎＧａＡｓ井戸層の圧縮歪量とほとんど差が無いことが、エックス線回折法を用いた観察により確認された。すなわち、上述する井戸層中の全Ｖ族元素に対するＳｂ組成範囲では、Ｓｂは井戸層の格子定数にほとんど影響を与えないことが確認された。また、この場合のＳｂ組成は、導電型を制御するために添加するシリコンや亜鉛などのドーパントの濃度より一桁以上高濃度であるが、ＳｂはＶ族元素であるため導電特性にほとんど影響が無い。この様に、上記全Ｖ族元素に対するＳｂ組成（０．０１％〜０．２％）は、井戸層の格子定数やバンドギャップに影響を与えない程度の濃度、すなわち、Ｓｂ混晶としての性質を発現する濃度よりも少なく、導電型を制御するために添加する濃度よりも一桁以上高濃度である。

一方、Ｓｂを含まない（Ｓｂ組成０％）ＩｎＧａＡｓ層を井戸層とした場合、井戸層が３次元成長してしまうことにより、ＩｎＧａＡｓ井戸層とＩｎＧａＡｓ障壁層における界面が悪化することは、エックス線回折法及び透過型電子顕微鏡による観察から確認された。さらに図２より、フォトルミネッセンス発光強度が非常に小さいことがわかる。前述のように、ＩｎＰ基板に対して、１．５％以上の圧縮歪を有する井戸層では、井戸層が３次元成長し、非発光再結合中心となる欠陥が発生し、フォトルミネッセンスにおける発光強度が著しく低下してしまうため、十分な発光強度を得ることは困難となる。

しかし、本実施例に示すように、井戸層中のＳｂ組成を該井戸層中の全Ｖ族元素に対して０．０１％〜０．２％としたことにより、大きな圧縮歪を有する井戸層における３次元成長を抑制でき、その結果として結晶欠陥の発生を抑制することができるため、半導体レーザ、光変調器および光増幅器などのデバイス応用に十分なフォトルミネッセンス発光強度の結晶を得ることができる。

したがって、本発明の第１の実施例に係る歪量子井戸構造１０によれば、サーファクタントとして作用するＳｂを井戸層に積極的に取り込み、その組成を井戸層中のＶ族元素に対して０．０１〜０．２％の範囲にしたことで、Ｓｂのサーファクタントとしての効果を有効に作用させ、３次元成長を促進させる原因となるインジウムの表面拡散を抑制することができ、ＩｎＧａＡｓから形成される井戸層の３次元成長を抑制することができ、この３次元成長に起因した結晶欠陥の発生を抑制することができる。その結果、圧縮歪量が増加しても平坦な井戸層と障壁層との界面を有する良質な歪量子井戸構造を得ることができる。

また、１．５％以上の圧縮歪を有した井戸層からなる歪量子井戸構造の発光強度の低下を抑制することができる。さらに、大きなフォトルミネッセンス発光強度が得られるので、半導体レーザ、光変調器、光増幅器などの活性層に適用した際に、デバイスとして十分な特性を得ることができる。

その上、従来作製が困難であった１．５％以上という大きい圧縮歪を持つ井戸層を有する歪井戸構造を容易に作製することができ、歪量子井戸構造を適用したレーザの発振しきい値電流の低減、変調周波数の高速化などデバイス特性の向上実現に極めて有用である。

本実施例おける検討では、井戸層としてＩｎＧａＡｓＳｂを用いたが、Ｓｂは井戸層の圧縮歪量が大きな場合の成長表面におけるインジウムの拡散長の抑制に寄与するものであるため、ＩｎＧａＡｓと同様に３次元成長が問題となるＩｎＧａＡｓＰやＩｎＧａＡｓＮに、井戸層中の全Ｖ族元素に対するＳｂ組成が同程度となるように、Ｓｂ化合物またはＳｂを供給した場合も同様の効果が得られる。また、本実施例では、障壁層としてＩｎＧａＡｓ層を用いたが、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｓ、Ｎ、Ｐ、Ｓｂの何れかからなる混晶を障壁層として用いても、本実施例と同様の効果が得られる。

また、本実施例で用いた各構成元素の原料については、実施例に記述した特定の原料、あるいはそれぞれの原料の特定の組み合わせに限定されるものではなく、井戸層内のＳｂ組成さえ実施例の範囲に設定できれば、任意の原料を任意の組み合わせで用いることができる。例えば、上述したトリスジメチルアミノアンチモンの代わりに、トリメチルアンチモン及びトリエチルアンチモンなどの他のアンチモン化合物、又はＳｂ単体を用いても良い。

本発明は、圧縮歪の大きな井戸層を有する良質な歪量子井戸構造及びその製造方法、例えば、半導体レーザ、光変調器および光増幅器などの活性層に用いられる歪量子井戸構造及びその製造方法に利用することが可能である。

本発明の第１の実施例に係る歪量子井戸構造を示す概略断面図である。本発明の第１の実施例に係る歪量子井戸構造におけるフォトルミネッセンス発光強度と井戸層中の全Ｖ族元素に対するＳｂ組成との関係の一例を示す図である。

符号の説明

１ＩｎＰ基板
２ＩｎＰバッファ層
３ＩｎＧａＡｓＰガイド層
４ＩｎＧａＡｓ障壁層
５ＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層
６ＩｎＧａＡｓＰガイド層
７ＩｎＰキャップ層
１０歪量子井戸構造

Claims

ＩｎＰからなる基板上に形成され、上記基板の格子定数に対して１．５％以上１．８５％以下の圧縮歪を有するＩｎＧａＡｓＳｂの井戸層と、上記井戸層とは異なる格子定数を有し引張歪を有するＩｎＧａＡｓの障壁層とを交互に積層した多重歪量子井戸構造であって、
上記井戸層のＳｂをサーファクタントとして作用させ、かつサーファクタント混入に起因した結晶性劣化がないものとするために、上記井戸層のＳｂの組成を該井戸層中の全Ｖ族元素に対して０．０１％〜０．２％とした
ことを特徴とする多重歪量子井戸構造。
ＩｎＰからなる基板上に形成され、上記基板の格子定数に対して１．５％以上１．８５％以下の圧縮歪を有するＩｎＧａＡｓＳｂの井戸層と、上記井戸層とは異なる格子定数を有し引張歪を有するＩｎＧａＡｓの障壁層とを交互に積層した多重歪量子井戸構造の製造方法であって、
上記井戸層および上記障壁層の結晶成長を、有機金属気相エピタキシー法によって行い、上記井戸層を結晶成長させるときに、上記井戸層中のＳｂ組成が該井戸層中の全Ｖ族元素に対して０．０１％〜０．２％となるように、トリスジメチルアミノアンチモンまたはトリメチルアンチモンまたはトリエチルアンチモンをサーファクタントとして供給した
ことを特徴とする多重歪量子井戸構造の製造方法。