JP5182363B2 - 半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
また、基板(例えばGaAs基板)上に、ひずみ領域を有するスペーサ層(例えばGaAs)を形成し、スペーサ層のひずみ領域上に量子ドット(例えばInAs量子ドット)を形成し、量子ドットの表面全体をキャッピング層(例えばGaAs,GaInNAs)で覆う技術がある(第2の構造)。
そこで、量子ドットへのキャリアの注入効率を高めるとともに、量子ドットの歪みを緩和することで、量子ドットの品質を向上させ、量子ドットの多層化を容易にしたい。
1A p型GaAs基板
1B 高抵抗GaAs基板
2 n型AlGaAs下部クラッド層
2A p型AlGaAs下部クラッド層
3,3A 量子ドット活性層
4 p型AlGaAs上部クラッド層
4A n型AlGaAs上部クラッド層
5 p型GaAsコンタクト層
5A n型GaAsコンタクト層
6,6A リッジ構造
7 SiO2膜
8 上部電極(p側電極)
9 下部電極(n側電極)
10 回折格子
11 絶縁体
12,13 無反射膜
15 下部半導体多層膜反射鏡(n型GaAs/AlAs多層膜反射鏡)
16 電流狭窄層(p型AlAs電流狭窄層)
17 上部半導体多層膜反射鏡(p型GaAs/AlGaAs多層膜反射鏡)
18 メサ構造
19 絶縁体
20 回折格子層
21 p−GaAsコンタクト層
30 量子ドット層
31 i−GaAs下部障壁層
32 i−InAs量子ドット
33 i−InGaAs歪緩和層
34 i−GaInNAs上部障壁層
34A p型GaInNAs上部障壁層
35 i−GaAs障壁層
40 半導体発光素子
41 レンズ
42 光モジュール
43 光ファイバ
44 駆動回路
45 送信装置
46 受信装置
47 光通信システム
48 光伝送路
49,50 制御装置
[第1実施形態]
まず、第1実施形態にかかる半導体発光素子及びその製造方法について、図1(A)〜図3(A),図3(B)を参照しながら説明する。
そして、図1(A)に示すように、活性層3は、GaAs基板1と格子整合した下部障壁層31と、下部障壁層31上に形成されたInAs量子ドット32と、InAs量子ドット32の側面を覆う歪緩和層33と、InAs量子ドット32の上部に接する上部障壁層34とを備える。
本実施形態では、上部障壁層34を、バンドギャップが下部障壁層31よりも小さい半導体材料によって形成している。
また、図3(A)に示すように、p型AlGaAs上部クラッド層4の途中までをエッチングして形成されたリッジ構造(リッジ導波路構造)6を有し、リッジ構造6の側面及びリッジ構造6の両側に露出したp型AlGaAs上部クラッド層4の表面をSiO2パッシベーション膜7で覆い、p型GaAsコンタクト層5上に上部電極(p側電極)8、n型GaAs基板1の裏面側に下部電極(n側電極)9を設け、図示していないが素子両端面に高反射膜を設けた構造(ファブリペロー型レーザ)になっている。
ここで、GaAs下部障壁層31は、図3(A)に示すように、AlGaAs下部クラッド層2上に形成される。
InGaAs歪緩和層33は、図3(A)に示すように、InAs量子ドット32の側面に接してInAs量子ドット32の歪みを緩和する層であり、GaAs基板1よりも格子定数が大きく、圧縮歪を有する。このInGaAs歪緩和層33は、InAs量子ドット32の高さと同程度の厚さを有し、InAs量子ドット32の側壁を覆っている。なお、InGaAs歪緩和層33は、所望の発光波長を得るために量子ドット32のバンドギャップを調整する機能を有する。
本実施形態では、上部障壁層34は、GaAs基板1と格子整合するGaInNAsを用いている。なお、本実施形態では、このGaInNAs上部障壁層34上に、さらにGaAs障壁層35を設けている。この場合、GaInNAs上部障壁層34及びGaAs障壁層35の全体の厚さは、量子ドット32の歪みによってこれらの層に生じる歪みを緩和しうる厚さを有するものとする。これにより、量子ドット32の品質を向上させることができる。
次に、本実施形態にかかる半導体発光素子の製造方法について、図3(A),図3(B)を参照しながら説明する。
本半導体発光素子の製造方法は、GaAs基板1上に下部クラッド層2を形成する工程と、下部クラッド層2上に下部障壁層31を形成する工程と、下部障壁層31上に量子ドット32を形成する工程と、量子ドット32の側面を覆うように、量子ドット32の高さと同程度の厚さを有する歪緩和層33を形成する工程と、量子ドット32及び歪緩和層33上に、GaAs基板1と格子整合し、かつ、バンドギャップが量子ドット32よりも大きく、GaAsよりも小さい上部障壁層34を形成する工程と、上部障壁層34上に上部クラッド層4を形成する工程とを含む[図3(A),図3(B)参照]。
以下、本半導体発光素子の製造方法について、より具体的に説明する。
なお、各半導体層の成長には、分子ビームエピタキシャル成長(MBE;molecular beam epitaxy)法を用いる。
次に、i−GaAs下部障壁層31上に、自己形成法によって、InAs量子ドット32(例えば面密度4×1010cm−2程度)を形成した後、i−InGaAs歪緩和層33(例えばIn0.2Ga0.8As歪緩和層)をInAs量子ドット32の側面を覆うように形成する[図3(A)参照]。ここでは、i−InGaAs歪緩和層33の厚さは、量子ドット32の高さよりも薄くなるようにする。
このようにして、AlGaAs下部クラッド層2上に、GaAs下部障壁層31、InAs量子ドット32、InGaAs歪緩和層33、GaInNAs上部障壁層34及びGaAs障壁層35を備える活性層(量子ドット活性層)3が形成される[図3(A)参照]。この量子ドット活性層3では、GaInNAs上部障壁層34がInAs量子ドット32の上部に接しており、InGaAs歪緩和層33がInAs量子ドット32の側部に接している[図3(A)参照]。
その後、レーザ構造に加工する。つまり、SiO2膜を成膜し、例えばフォトリソグラフ技術を用いてSiO2膜上にリッジ導波路パターンを形成する。
その後、SiO2マスク(導波路パターン形成用SiO2膜)を除去し、リッジ構造6の側面及びAlGaAs上部クラッド層4の表面が覆われるようにSiO2パッシベーション膜7を形成する[図3(A)参照]。次いで、上部及び下部に電流注入用の電極8,9を形成する[図3(A)参照]。また、アレー状にへき開後、素子両端面に必要に応じて高反射膜を形成する。
なお、上述の実施形態では、GaInNAs上部障壁層34の上側にGaAs障壁層35を設けているが、上部障壁層34の少なくとも量子ドット32の上部に接する部分が、バンドギャップが量子ドット32よりも大きく、下部障壁層31よりも小さくなっていれば良い[図3(B)参照]。
また、例えば、GaInNAs上部障壁層34の組成は一様でなくても良い。つまり、InAs量子ドット32の上部に接する部分でバンドギャップが最も小さくなるように組成が変化していても良い。この場合、組成の変化によるバンドギャップの変化は連続的(例えば線形)であっても良いし、階段状であっても良い。
また、上述の実施形態では、上部障壁層34にGaInNAsを用いているが、これに限られるものではなく、例えば、GaAs基板1よりも格子定数が小さいGaNAsを用いても良い。この場合も、上述の実施形態の場合と同様に、上部障壁層34は、バンドギャップが、InAs量子ドット32よりも大きく、GaAsよりも小さくなり、同様の効果が得られる。また、この場合も、上述の実施形態の場合と同様に、上部障壁層34は、バンドギャップが下部障壁層31よりも小さくなる。
また、上述の実施形態では、上部クラッド層4及び下部クラッド層2をAlGaAsによって形成しているが、これに限られるものではなく、例えば、InGaPによって形成しても良い。
また、上述の実施形態では、リッジ導波路型半導体発光素子を例に挙げて説明しているが、これに限られるものではなく、例えば、ストライプ状のメサ構造(ストライプ構造)を有し、pn埋込構造や高抵抗埋込構造などの埋込構造を備える埋込型半導体発光素子にも本発明を適用することができる。
また、上述の実施形態では、半導体層の成長方法としてMBE法を挙げているが、これに限られるものではなく、例えば有機金属気相成長法(MOVPE法)であっても良い。
[第2実施形態]
次に、第2実施形態にかかる半導体発光素子及びその製造方法について、図4を参照しながら説明する。
つまり、本実施形態では、活性層(量子ドット活性層)3が、図4に示すように、i−GaAs下部障壁層31、i−InAs量子ドット(ウェッティング層を含む)32、i−InGaAs歪緩和層33(例えばIn0.2Ga0.8As歪緩和層)及びi−GaInNAs上部障壁層34を繰り返し積層した構造(ここでは10個の量子ドット32を含む構造)になっている。なお、図4では、上述の第1実施形態のもの[図3(A),図3(B)参照]と同一のものには同一の符号を付している。
次に、本実施形態にかかる半導体発光素子の製造方法について、図4を参照しながら説明する。
本半導体発光素子の製造方法は、上部障壁層34を形成した後、上部クラッド層4を形成する前に、下部障壁層31を形成する工程、量子ドット32を形成する工程、歪緩和層33を形成する工程及び上部障壁層34を形成する工程を少なくとも1回繰り返すようにしている(図4参照)。
なお、各半導体層の成長には、上述の第1実施形態の場合と同様に、分子ビームエピタキシャル成長(MBE;molecular beam epitaxy)法を用いる。
まず、n−GaAs基板1上に、n−AlGaAs下部クラッド層2(例えば厚さ1.4μm)、i−GaAs下部障壁層31(例えば厚さ33nm)を形成する(図4参照)。
以後、上述のGaAs下部障壁層31を形成する工程、InAs量子ドット32を形成する工程、InGaAs歪緩和層33を形成する工程及びGaInNAs上部障壁層34を形成する工程を、例えば、9回繰り返し、10層の量子ドット層を有する多層積層構造の活性層3を形成する(図4参照)。
したがって、本実施形態にかかる半導体発光素子及びその製造方法によれば、量子ドット32へのキャリアの注入効率を高めるとともに、量子ドット32の歪みを緩和することで、量子ドット32の品質を向上させることができるという利点がある。
[第3実施形態]
次に、第3実施形態にかかる半導体発光素子及びその製造方法について、図5を参照しながら説明する。
つまり、本半導体発光素子は、図5に示すように、上述の第2実施形態のもの(図4参照)と同一の層構造を有し、リッジ構造6の側壁に垂直に回折格子10が施された垂直回折格子DFBレーザ(分布帰還型半導体レーザ;屈折率結合型量子ドットDFBレーザ)である。なお、図5では、上述の第2実施形態のもの(図4参照)と同一のものには同一の符号を付している。また、本実施形態では、リッジ構造6は、図5に示すように、例えば紫外線硬化樹脂などの絶縁体11で埋め込まれている。また、素子両端面に無反射膜12,13が施されている。
次に、本実施形態にかかる半導体発光素子の製造方法について、図5を参照しながら説明する。
まず、リッジ構造6を形成する前までの工程は、上述の第2実施形態の場合と同様である。
そして、このリッジ導波路パターン及び回折格子パターンを形成されたSiO2膜をマスクとして用い、例えばドライエッチングによって、p−GaAsコンタクト層5及びp−AlGaAs上部クラッド層4にパターンを転写して(即ち、SiO2マスクで覆われていない部分のGaAsコンタクト層5及びAlGaAs上部クラッド層4の一部を除去して)、AlGaAs上部クラッド層4を露出させる。これにより、GaAsコンタクト層5及びAlGaAs上部クラッド層4を含み、側壁に回折格子10を有するリッジ構造6が形成される。
その後、SiO2マスク(導波路パターン形成用SiO2膜)を除去し、リッジ構造6を、例えば紫外線硬化樹脂などの絶縁体11で埋め込んだ後、上述の第2実施形態の場合と同様に、上部及び下部に電流注入用の電極8,9を形成し、アレー状にへき開後、素子両端面に必要に応じて無反射膜又は高反射膜(ここでは両端面とも無反射膜12,13)を形成する。
したがって、本実施形態にかかる半導体発光素子及びその製造方法によれば、上述の第2実施形態のものと同様に、量子ドット32へのキャリアの注入効率を高めるとともに、量子ドット32の歪みを緩和することで、量子ドット32の品質を向上させることができるという利点がある。
[第4実施形態]
次に、第4実施形態にかかる半導体発光素子及びその製造方法について、図6を参照しながら説明する。
本面発光レーザは、図6に示すように、n型GaAs基板1上に、基板1側から順に、下部半導体多層膜反射鏡15(ここではn型GaAs/AlAs多層膜反射鏡)、上述の第2実施形態及びその変形例のものと同一の層構造を有する活性層(量子ドット活性層)3、電流狭窄層16[ここではAlAs層を酸化させたAlAs酸化膜(AlxOy)からなる電流狭窄部を有するp型AlAs電流狭窄層]、上部半導体多層膜反射鏡17(ここではp型GaAs/AlGaAs多層膜反射鏡)、p型コンタクト層5(ここではp型GaAsコンタクト層)を積層させた構造になっている。なお、図6では、上述の第2実施形態のもの(図4参照)と同一のものには同一の符号を付している。
さらに、p型AlAs電流狭窄層16、p型GaAs/AlGaAs多層膜反射鏡17及びp型GaAsコンタクト層5を含むメサ構造18が、例えば紫外線硬化樹脂などの絶縁体19で埋め込まれている。
そして、p型GaAsコンタクト層5上に、上部電極(p側電極)8が形成されており、n型GaAs基板1の裏面側に下部電極(n側電極)9が形成されている。
また、活性層3を上下で挟み込むように、n型GaAs/AlAs多層膜反射鏡15及びp型GaAs/AlGaAs多層膜反射鏡17が設けられており、これにより、共振器構造が形成されている。
次に、本実施形態にかかる半導体発光素子(面発光レーザ)の製造方法について、図6を参照しながら説明する。
まず、n−GaAs基板1上にn型GaAs/AlAs多層膜反射鏡15を形成する(図6参照)。
次いで、n−GaAs/AlAs多層膜反射鏡15上に、上述の第2実施形態の場合と同様に、活性層(量子ドット活性層)3を形成する(図6参照)。
次に、GaAs下部障壁層31上に、InAs量子ドット32を形成した後、i−InGaAs歪緩和層33をInAs量子ドット32の側面を覆うように形成する(図6参照)。次いで、成長炉内の温度を上昇させ、フラッシング法によってInAs量子ドット32の頂上部を再蒸発させ、InAs量子ドット32の高さがInGaAs歪緩和層33の厚さと同程度になるようにして、均一で大きさがそろったInAs量子ドット32を形成する。そして、InAs量子ドット32及びInGaAs歪緩和層33を覆うように、これらの上にi−GaInNAs上部障壁層34を形成する(図6参照)。
以後、上述のGaAs下部障壁層31を形成する工程、InAs量子ドット32を形成する工程、InGaAs歪緩和層33を形成する工程及びGaInNAs上部障壁層34を形成する工程を、例えば、9回繰り返し、10層の量子ドット層を有する多層積層構造の活性層3を形成する(図6参照)。
なお、このようにして活性層3を形成する際に、活性層3の中心に定在波の腹がくるように、活性層3に含まれる最上層のGaAs層31又は最下層のGaAs層35の厚さを調節したり、活性層3の上側又は下側に別にAlGaAs層を入れて調整したりするのが好ましい。
次いで、AlAs電流狭窄層16に電流狭窄構造を形成する。ここでは、例えば自然酸化法によって、AlAsを酸化させて、メサ構造18の側面近傍にAlAs酸化膜(AlxOy)からなる電流狭窄部16Aを有するp型AlAs電流狭窄層16を形成する。
なお、その他の詳細は、上述の第2実施形態及びその変形例のものと同じであるため、ここでは説明を省略する。
したがって、本実施形態にかかる半導体発光素子及びその製造方法によれば、上述の第2実施形態のものと同様に、量子ドット32へのキャリアの注入効率を高めるとともに、量子ドット32の歪みを緩和することで、量子ドット32の品質を向上させることができるという利点がある。
[第5実施形態]
次に、第5実施形態にかかる半導体発光素子及びその製造方法について、図7(A),図7(B)を参照しながら説明する。
つまり、本半導体発光素子は、半導体積層構造の内部に回折格子20を含む屈折率結合型量子ドット半導体発光素子(ここでは屈折率結合型量子ドットDFBレーザ)であって、図7(A),図7(B)に示すように、p型GaAs基板1A(p型導電性基板)上に、p型AlGaAs下部クラッド層2A、上述の第2実施形態及びその変形例のものとp型GaInNAs上部障壁層34Aを用いている点を除いて同一の層構造を有する活性層(量子ドット活性層)3A、回折格子層20(例えばn型InGaP回折格子を含むn型GaAsガイド層)、n型AlGaAs上部クラッド層4A、n型GaAsコンタクト層5Aを順に積層させた構造になっている。なお、図7(A),図7(B)では、上述の第2実施形態のもの(図4参照)と同一のものには同一の符号を付している。
また、リッジ構造6Aの両側方(両脇)で活性層3Aの上面が露出した構造になっている。つまり、活性層3Aは、p型GaAs基板1Aの端面まで延びている。
ここで、活性層3Aは、一部にp型不純物が含まれており、発光波長が1.3μmであるInAs量子ドット活性層である。つまり、活性層3Aは、図7(B)に示すように、i−GaAs下部障壁層31(バリア層)、InAs量子ドット32(ウェッティング層を含む)、InAs量子ドット32の側面が覆われるように形成されたi−InGaAs歪緩和層33(サイドバリア層)、及び、一部にp型不純物がドープされたGaInNAs上部障壁層34(バリア層;p型ドープ層)を、複数回(ここでは10回)繰り返した積層構造になっている。なお、活性層3Aにおける積層数は、これに限られるものではなく、例えば半導体発光素子の使用目的によって積層数を変えることもできる。
また、素子の共振器構造としては設計によって種々の構造をとりうるが、例えば前端面に無反射コーティング、後端面に高反射コーティングを施した構造にすれば良い。
次に、本実施形態にかかる半導体発光素子の製造方法について、図7(A),図7(B)を参照しながら説明する。
なお、各半導体層の成長には、上述の第2実施形態の場合と同様に、分子ビームエピタキシャル成長(MBE;molecular beam epitaxy)法を用いる。
次いで、AlGaAs下部クラッド層2A上に、一部にp型不純物がドープされたGaInNAs上部障壁層34Aを形成する点を除いて上述の第2実施形態及びその変形例の場合と同様に、活性層(量子ドット活性層)3Aを形成する。
次に、回折格子層20上に、n−AlGaAs上部クラッド層4A、n−GaAsコンタクト層5Aを順に積層させる。
そして、このリッジ導波路パターンを形成されたSiO2膜をマスクとして用い、例えば塩素系ドライエッチングによって、GaAsコンタクト層5A、AlGaAs上部クラッド層4A、及び、回折格子層20にパターンを転写して(即ち、GaAsコンタクト層5A、AlGaAs上部クラッド層4A、及び、回折格子層20のSiO2マスクで覆われていない部分を除去して)、活性層3Aを露出させる。これにより、GaAsコンタクト層5A、AlGaAs上部クラッド層4A、及び、回折格子層20を含むリッジ構造6Aが形成される。
なお、その他の詳細は、上述の第2実施形態及びその変形例のものと同じであるため、ここでは説明を省略する。
また、活性層3Aを、量子ドット32を積層した多層構造にすることで、量子ドット活性層3Aのモード利得を増大させることができるという利点がある。これにより、例えば高速直接変調レーザのような高モード利得が必要な応用に適用できる素子を実現できる。例えば量子ドットレーザにおいて、上述のような多層構造を適用することで、高速直接変調動作が可能となる。
また、上述の実施形態では、回折格子を有する分布帰還形レーザ[DFB(Distributed Feed-Back)レーザ]として構成する場合を例に挙げて説明しているが、これに限られるものではなく、回折格子を有する分布反射形レーザ[DBR(Distributed BraggReflector)レーザ]として構成することもできる。
ここで、横電流注入型半導体発光素子は、例えば図8に示すように、高抵抗GaAs基板1B上に、p−AlGaAs下部クラッド層2A、p−GaAsコンタクト層21、量子ドット活性層3A、回折格子層20、n−AlGaAs上部クラッド層4A、n−GaAsコンタクト層5Aを順に積層した構造を備え、回折格子層20、n−AlGaAs上部クラッド層4A及びn−GaAsコンタクト層5Aを含むリッジ構造6Aを有し、素子の表面にSiO2からなる絶縁層(SiO2膜)7、n側電極8、p側電極9が形成されている。なお、図8では、上述の実施形態のもの[図7(A),図7(B)参照]と同一のものには同一の符号を付している。
[その他]
なお、上述の各実施形態及びその変形例では、半導体発光素子として、半導体レーザを例に挙げて説明しているが、例えば半導体光増幅器などの半導体発光素子に本発明を適用することもできる。
このような光モジュール42には、光軸上に配置されたレンズ41を介して外部へ光を取り出すことができるように、例えば光ファイバ43が接続される。なお、光モジュール42は、光ファイバ43が実装されたものとして構成しても良いし、光ファイバ接続のためのコネクタが実装されたものとして構成しても良い。
Claims (10)
- GaAs基板と、
前記GaAs基板上に設けられた活性層とを備え、
前記活性層は、
前記GaAs基板と格子整合した下部障壁層と、
前記下部障壁層上に形成された量子ドットと、
前記量子ドットの側面を覆う歪緩和層と、
前記量子ドットの上部に接する上部障壁層とを備え、
前記上部障壁層は、少なくとも前記量子ドットの上部に接する部分が、前記GaAs基板と格子整合し、かつ、バンドギャップが、前記量子ドットよりも大きく、GaAsよりも小さいことを特徴とする半導体発光素子。 - GaAs基板と、
前記GaAs基板上に設けられた活性層とを備え、
前記活性層は、
前記GaAs基板と格子整合した下部障壁層と、
前記下部障壁層上に形成された量子ドットと、
前記量子ドットの側面を覆う歪緩和層と、
前記量子ドットの上部に接する上部障壁層とを備え、
前記上部障壁層は、少なくとも前記量子ドットの上部に接する部分が、前記GaAs基板よりも格子定数が小さく、かつ、バンドギャップが、前記量子ドットよりも大きく、GaAsよりも小さいことを特徴とする半導体発光素子。 - 前記活性層は、前記下部障壁層、前記量子ドット、前記歪緩和層及び前記上部障壁層を繰り返し積層した構造になっていることを特徴とする、請求項1又は2に記載の半導体発光素子。
- 前記上部障壁層の少なくとも前記量子ドットの上部に接する部分は、GaInNAsであることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
- 前記上部障壁層の少なくとも前記量子ドットの上部に接する部分は、GaNAsであることを特徴とする、請求項2又は3に記載の半導体発光素子。
- 請求項1〜5のいずれか1項に記載の半導体発光素子を備えることを特徴とする光モジュール。
- 請求項6記載の光モジュールを備えることを特徴とする送信装置。
- 請求項7記載の送信装置と、
前記送信装置に光伝送路を介して接続された受信装置とを備えることを特徴とする光通信システム。 - GaAs基板上に下部クラッド層を形成し、
前記下部クラッド層上に下部障壁層を形成し、
前記下部障壁層上に量子ドットを形成し、
前記量子ドットの側面を覆うように歪緩和層を形成し、
前記量子ドット及び前記歪緩和層上に、前記GaAs基板と格子整合し、かつ、バンドギャップが前記量子ドットよりも大きく、GaAsよりも小さい上部障壁層を形成し、
前記上部障壁層上に上部クラッド層を形成することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。 - GaAs基板上に下部クラッド層を形成し、
前記下部クラッド層上に下部障壁層を形成し、
前記下部障壁層上に量子ドットを形成し、
前記量子ドットの側面を覆うように歪緩和層を形成し、
前記量子ドット及び前記歪緩和層上に、前記GaAs基板よりも格子定数が小さく、かつ、バンドギャップが前記量子ドットよりも大きく、GaAsよりも小さい上部障壁層を形成し、
前記上部障壁層上に上部クラッド層を形成することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
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