JP5206368B2

JP5206368B2 - 光半導体素子

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Publication number: JP5206368B2
Application number: JP2008302215A
Authority: JP
Inventors: 孝二大坪
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2008-11-27
Filing date: 2008-11-27
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2028-11-27
Also published as: JP2010129743A

Description

本発明は、ストライプ状のメサ構造体の両側を半導体埋込層で埋め込んだ光半導体素子に関する。

近年、光信号を高速変調して生成することができる光源や、多数の光素子をアレイ状に集積した光半導体素子が求められている。活性層を含むストライプ状のメサ構造体の両脇を、高抵抗または半絶縁性の半導体埋込層で埋め込んだ半絶縁性埋込ヘテロ（ＳＩ−ＢＨ）構造の光半導体素子は、寄生容量の低減や、アレイ状に集積化された光素子の分離抵抗の確保の点で有利である。

ＳＩ−ＢＨ構造を持つ光半導体素子は、高温動作時や大電流駆動時に、特性が劣化することが知られている。特性劣化の原因として、メサ構造体から半絶縁性埋込層へ電子や正孔が漏れることによるリーク電流が上げられる。

ＩｎＰ基板を用いたＳＩ−ＢＨ構造の光半導体素子のメサ構造体と、半絶縁性埋込層との間に、ＩｎＰよりもエネルギバンドギャップの大きなＩｎＧａＰからなるバリア層を配置することにより、リーク電流を抑制することができる。

ＩｎＰ基板を用いたＳＩ−ＢＨ構造の光半導体素子において、半絶縁性埋込層にＦｅドープのＩｎＰが一般的に用いられる。メサ構造体内のｐ型またはｎ型ドーパントと、半絶縁性埋込層内のＦｅとが相互拡散すると、半絶縁性埋込層の抵抗率が低下してしまう。この相互拡散を防止するために、メサ構造体と半絶縁性埋込層との間に、ＡｌＧａＩｎＡｓまたはＡｌＩｎＡｓからなる拡散防止層を挿入することが有効である。

特開平１−３０２７９１号公報特開平８−２５５９５０号公報

ＩｎＰ基板を用い、メサ構造体と半絶縁性埋込層との間に、ＩｎＧａＰからなるバリア層を挿入したＳＩ−ＢＨ構造において、Ｇａの組成比が大きくなると、伝導帯のポテンシャル障壁を高くすることができるが、その反面ＩｎＰとＩｎＧａＰとの格子不整合が大きくなる。このため、伝導帯に十分な高さのポテンシャル障壁を確保することが困難である。

拡散防止層として用いるＡｌＧａＩｎＡｓは、価電子帯にポテンシャル障壁を形成しないため、正孔のリークを防止することができない。

上記課題を解決する光半導体素子は、
第１導電型の表層部を有する半導体基板の上に形成され、一方向に長い平面形状を持ち、活性層と、その上に配置された上部クラッド層とを含み、該上部クラッド層は、前記第１導電型とは反対の第２導電型であるメサ構造体と、
前記メサ構造体の両側の前記半導体基板の上に形成された半導体埋込層と、
前記メサ構造体の側面と、前記半導体埋込層との間に配置され、半導体で形成された障壁層と
を有し、
前記障壁層は、第１の層と第２の層とを含み、前記第１の層の価電子帯上端の正孔のエネルギ準位が、前記上部クラッド層の価電子帯上端の正孔のエネルギ準位、及び前記第２の層の価電子帯上端の正孔のエネルギ準位のいずれよりも高く、前記第２の層の伝導帯下端の電子のエネルギ準位が、前記上部クラッド層の伝導帯下端の電子のエネルギ準位、及び前記第１の層の伝導帯下端の電子のエネルギ準位のいずれよりも高く、前記第１の層が単独で正孔に対するポテンシャル障壁を形成し、前記第２の層が単独で電子に対するポテンシャル障壁を形成する。

第１の層が、正孔に対するポテンシャル障壁を形成し、第２の層が、電子に対するポテンシャル障壁を形成する。このため、電子と正孔とが半導体埋込層へ流入することに起因するリーク電流を抑制することができる。

図１Ａ〜図１Ｇを参照して、ＡｌＧａＩｎＡｓ系活性層を持つ波長１．３μｍ帯の分布帰還型（ＤＦＢ）レーザ素子を例にとって、実施例による光半導体素子の製造方法について説明する。

図１Ａに示すように、ｎ型ＩｎＰからなる半導体基板１０の表面に、回折格子１１を形成する。回折格子１１は導波方向（図１Ａにおいて横方向）に周期的な凹凸を持ち、ブラッグ波長は１．３μｍである。回折格子１１を構成する凹凸の高低差は６０ｎｍである。回折格子１１は、例えば電子ビーム露光を用いたリソグラフィにより形成される。なお、半導体基板１０の上に、ｎ型ＩｎＰからなるバッファ層を形成し、バッファ層の表面に回折格子を形成してもよい。

図１Ｂに示すように、回折格子１１が形成された半導体基板１０の上に、ノンドープのＩｎＧａＡｓＰからなる厚さ１００ｎｍのガイド層１２を形成する。ガイド層１２の組成は、例えば遷移波長が０．９５μｍになるように設定される。ガイド層１２は回折格子１１の凹凸を埋め込み、その表面はほぼ平坦になる。ガイド層１２は、有機金属気相エピタキシャル成長（ＭＯＶＰＥ）により形成される。なお、後の化合物半導体層の成長にも、ＭＯＶＰＥが適用される。

ガイド層１２の上に、多重歪量子井戸構造を有する活性層１５を形成する。活性層１５は、ノンドープのＡｌＧａＩｎＡｓからなる圧縮歪量子井戸層と、ノンドープのＡｌＧａＩｎＡｓからなるバリア層とが交互に積層された構造を有する。積層数は、例えば１５周期とする。量子井戸層の厚さは６ｎｍである。バリア層の厚さは１０ｎｍであり、その組成は、量子井戸層よりもバンドギャップが大きくなるように設定される。活性層１５の発光波長は１．３μｍである。

活性層１５の上に、ｐ型ＩｎＰからなる上部クラッド層１６を形成する。上部クラッド層１６の厚さは、例えば１５００ｎｍとする。上部クラッド層１６の上に、ｐ型ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層１７を形成する。コンタクト層１７の厚さは、例えば５００ｎｍとする。半導体基板１０が、下部クラッド層としての役割を有する。

図１Ｃに、図１Ｂの一点鎖線１Ｃ−１Ｃにおける断面図を示す。図１Ｃの一点鎖線１Ｂ−１Ｂにおける断面図が、図１Ｂに相当する。図１Ｃにおいては、紙面に垂直な方向が導波方向に相当する。

図１Ｄに示すように、コンタクト層１７の上に、導波方向に延在するメサ用マスクパターン２０を形成する。メサ用マスクパターン２０には、例えば酸化シリコンが用いられ、その厚さは３００ｎｍであり、その幅は２．５μｍである。

図１Ｅに示すように、メサ用マスクパターン２０をエッチングマスクとして、コンタクト層１７から、少なくとも活性層１５の底面までエッチングすることにより、活性層１５、上部クラッド層１６、及びコンタクト層１７を含むメサ構造体２３を形成する。実施例においては、ガイド層１２及び半導体基板１０の表層部までエッチングしている。これらの層のエッチングには、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）が用いられる。メサ構造体２３は、一方向に長いストライプ状の平面形状を有し、その高さは、例えば３０００ｎｍである。

図１Ｆに示すように、メサ用マスクパターン２３を選択成長用のマスクとして、メサ構造体２３の側面、及びその両側の半導体基板１０の上面に、障壁層３２を選択成長させる。障壁層３２は、ノンドープのＩｎ_０．７Ｇａ_０．３Ｐからなる厚さ２．５ｎｍの第１の層３０と、その上に選択成長したノンドープのＡｌ_０．２９Ｇａ_０．７１Ａｓ_０．５Ｓｂ_０．５からなる厚さ５０ｎｍの第２の層３１とを含む。

障壁層３２の上にＦｅドープの半絶縁性ＩｎＰからなる半絶縁性埋込層３３を選択成長させる。半絶縁性埋込層３３には、Ｆｅに代えて、室温におけるＩｎＰの抵抗率を高める不純物、例えばＲｕ等をドープしてもよい。半絶縁性埋込層３３の抵抗率は、半導体基板１０及び上部クラッド層１６のいずれの抵抗率よりも高い。半絶縁性埋込層３３の厚さは、その上面がコンタクト層１７の上面とほぼ同じ高さになるように調節される。

第１の層３０はＩｎＰに格子整合しないため、転位等の格子欠陥が発生しない膜厚（臨界膜厚）以下とすることが好ましい。臨界膜厚を与える式として、以下のMatthewsの式が知られている。

ここで、ｈ_ｃは臨界膜厚、ｆは格子不整合度、νはポアッソン比、ｂは転位のバーガースベクトル、αは界面でのバーガースベクトルと転位線の線の線分とのなす角（ｃｏｓα＝１／２）、λはすべり面と界面との交差線に垂直な界面内での方向とバーガースベクトルとのなす角（ｃｏｓλ＝１／２）、ａは基板の格子定数、Δａは格子定数の差である。本実施例においては、上記式から算出された第１の層３０の臨界膜厚は約３ｎｍである。第１の層３０の厚さが３ｎｍ以下であれば、転位はほとんど生じない。

図１Ｇに示すように、半絶縁性埋込層３３を選択成長させた後、メサ用マスクパターン２０を除去し、その下のコンタクト層１７を露出させる。

図１Ｈに示すように、コンタクト層１７及び半絶縁性埋込層３３の上に、上部電極３５を形成し、半導体基板３６の背面に下部電極３６を形成する。上部電極３５は、ＡｕＺｎ層とＡｕ層とを積層することにより形成される。下部電極３６は、ＡｕＧｅ層とＡｕ層とを積層することにより形成される。電極形成後、半導体基板１０をへき開し、一方の端面を無反射コーティングし、他方の端面を高反射コーティングすることによりＤＦＢレーザ素子が得られる。

図２Ａに、ＩｎＰに格子整合するＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ_０．５Ｓｂ_０．５のＡｌ組成比とエネルギバンドギャップとの関係を示す。Ａｌ組成比ｘが０．２９のときにＡｌＧａＡｓＳｂのエネルギバンドギャップがＩｎＰのエネルギバンドギャップと同じ１．３５ｅＶになる。

図２Ｂに、ＩｎＰに格子整合するＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ_０．５Ｓｂ_０．５のＡｌ組成比と、ＩｎＰの伝導帯下端の電子のエネルギ準位を基準とした伝導帯オフセットとの関係を示す。ＩｎＰのエネルギバンドギャップに等しくなるようにＡｌ組成比を選択したＡｌＧａＡｓＳｂの伝導帯オフセットは０．５８ｅＶである。

図３Ａに、ＩｎＰからなる上部クラッド層１６、ＩｎＧａＰからなる第１の層３０、ＡｌＧａＡｓＳｂからなる第２の層３１、及びＩｎＰからなる半絶縁性埋込層３３を含む積層体のエネルギバンド構造を示す。

第１の層３０の価電子帯上端の正孔のエネルギ準位Ｅｖ１が、上部クラッド層１６の価電子帯上端の正孔のエネルギ準位Ｅｖ０、及び前記第２の層の価電子帯上端の正孔のエネルギ準位Ｅｖ２のいずれよりも高い。第２の層３１の伝導帯下端の電子のエネルギ準位Ｅｃ２が、上部クラッド層１６の伝導帯下端の電子のエネルギ準位Ｅｃ０、及び第１の層３０の伝導帯下端の電子のエネルギ準位Ｅｃ１のいずれよりも高い。

上部クラッド層１６の伝導帯下端のエネルギ準位を基準とした第１の層３０の伝導帯オフセットＥｃ１−Ｅｃ０は、上部クラッド層１６内の電子に対するポテンシャル障壁として十分な大きさではない。この積層構造では、第２の層３１が、上部クラッド層１６内の電子に対するポテンシャル障壁として作用する。このため、上部クラッド層１６から半絶縁性埋込層３３への電子の流入を抑制することができる。

上部クラッド層１６の価電子帯上端の正孔のエネルギを基準とした第２の層３１の価電子帯オフセットＥｖ２−Ｅｖ０は−０．５８ｅＶである。本明細書において、「価電子帯オフセット」は、正孔のエネルギが高くなる向きを正と定義する。このため、第２の層３１は、上部クラッド層１６内の正孔に対してポテンシャル障壁を形成しない。

第１の層３０の価電子帯オフセットＥｖ１−Ｅｖ０は正であり、第２の層３１の価電子帯オフセットよりも大きい。なお、価電子帯オフセットの大小関係は、絶対値ではなく、符号を考慮して判断している。第１の層３０は、上部クラッド層１６内の正孔に対してポテンシャル障壁を形成する。このため、上部クラッド層１６から半絶縁性埋込層３３への正孔の流入を抑制することができる。

図３Ｂに、参考として、上部クラッド層１６と半絶縁性埋込層３３との間に、ＡｌＩｎＡｓ層またはＡｌＧａＩｎＡｓ層を挿入した場合のエネルギバンド構造を示す。ＩｎＰの伝導帯下端の電子のエネルギ準位を基準としたＡｌＩｎＡｓまたはＡｌＧａＩｎＡｓの伝導帯オフセットΔＥｃ３は正であるため、ＡｌＩｎＡｓ層及びＡｌＧａＩｎＡｓ層は電子に対してポテンシャル障壁として作用する。ところが、ＩｎＰの価電子帯上端の正孔のエネルギ準位を基準としたＡｌＧａＩｎＡｓの価電子帯オフセットΔＥｖ３は負である。このため、ＡｌＩｎＡｓ層及びＡｌＧａＩｎＡｓ層は、上部クラッド層内の正孔に対してポテンシャル障壁として作用しない。

図３Ｃに、参考として、上部クラッド層１６と半絶縁性埋込層３３との間に、ＩｎＧａＰ層を挿入した場合のエネルギバンド構造を示す。ＩｎＰの伝導帯下端の電子のエネルギ準位を基準としたＩｎＧａＰの伝導帯オフセットΔＥｃ４は正である。ただし、電子に対する十分なポテンシャル障壁を形成するためには、Ｇａ組成比を大きくしなければならない。ＩｎＧａＰのＧａ組成比を大きくすると、ＩｎＰとの格子不整合が大きくなるため、臨界膜厚が薄くなってしまう。このため、ポテンシャル障壁層として十分な厚さを確保することが困難である。

実施例においては、ＩｎＧａＰからなる第１の層３０が電子に対してポテンシャル障壁として機能しなくてもよいため、Ｇａ組成を少なくして、ＩｎＰとの格子不整合が小さい条件で第１の層３０を形成することができる。

図３Ａに示したように、第２の層３１の価電子帯上端の正孔のエネルギ準位Ｅｖ２は、上部クラッド層１６の価電子帯上端の正孔のエネルギ準位Ｅｖ０よりも低い。このため、上部クラッド層１６に第２の層３１を直接接触させると、上部クラッド層１６内の正孔が第２の層３１内に流入してしまう。第２の層３１内への正孔の流入を防止するために、上部クラッド層１６と第２の層３１との間に、第１の層３０を配置することが好ましい。

図４Ａ〜図４Ｃに、電圧電流特性のシミュレーションを行った積層構造の断面図を示す。図４Ａに示した試料は、ｎ型ＩｎＰ層とｐ型ＩｎＰ層との間に、厚さ１０００ｎｍのノンドープＩｎＰ層が配置されたｐｉｎ接合構造を有する。図４Ｂに示した試料においては、ｎ型ＩｎＰ層とｉ型ＩｎＰ層との間、及びｐ型ＩｎＰ層とｉ型ＩｎＰ層との間に、厚さ１０ｎｍのノンドープＩｎ_０．７Ｇａ_０．３Ｐ層が配置されている。図４Ｃに示した試料においては、ｎ型ＩｎＰ層とＩｎ_０．７Ｇａ_０．３Ｐ層との間、及びｐ型ＩｎＰ層とＩｎ_０．７Ｇａ_０．３Ｐ層との間に、さらに、厚さ５０ｎｍのノンドープＡｌ_０．２９Ｇａ_０．７１Ａｓ_０．５Ｓｂ_０．５層が配置されている。

図４Ｄに、図４Ａ〜図４Ｃに示した試料の電流電圧特性のシミュレーション結果を示す。横軸は順方向電圧を単位「Ｖ」で表し、縦軸は電流を単位「ｍＡ」で表す。図４Ｄの曲線４Ａ、４Ｂ、及び４Ｃが、それぞれ図４Ａ、図４Ｂ、及び図４Ｃの試料の電流電圧特性を示す。図４Ｂに示した構造では、電流抑制の顕著な効果は見られないが、図４Ｃに示した構造にすることにより、顕著な電流抑制効果が得られていることが分かる。

図４Ｃに示したノンドープＩｎＧａＰ層及びノンドープＡｌＧａＡｓＳｂ層が、それぞれ図１Ｈに示した第１の層３０及び第２の層３１に相当する。障壁層３２を、第１の層３０と第２の層３１との２層で構成することにより、リーク電流抑制効果が高まることが確認された。

上記実施例では、ＡｌＧａＡｓＳｂからなる第２の層３１を、ＩｎＰからなる上部クラッド層１６のエネルギバンドギャップと等しいエネルギバンドギャップを持つ組成比とした。第２の層３１の組成比を、ＩｎＰと格子整合する条件下で、ＩｎＰのエネルギバンドギャップ以上のバンドギャップとなる組成比としてもよい。図２Ａに示したように、Ａｌの組成比が０．２９以上であれば、ＡｌＧａＡｓＳｂのエネルギバンドギャップがＩｎＰのエネルギバンドギャップ以上になる。Ａｌの組成比を１としてもよい。この場合、第２の層３１は、Ｇａを含まないＡｌＡｓＳｂで形成される。

図２Ｂに示したように、第２の層３１のＡｌの組成比を大きくすると、ＩｎＰの伝導帯下端の電子のエネルギ準位を基準とした第２の層３１の伝導帯オフセットが大きくなる。例えば第２の層３１をＡｌＡｓＳｂで形成した場合の伝導帯オフセットは１．５９ｅＶになる。このように、Ａｌ組成比を大きくすることにより、電子に対するポテンシャル障壁をより高くし、リーク電流抑制効果を高めることができる。

第２の層３１をＩｎＰに格子整合させなくてもよい。格子不整合度が小さければ、ポテンシャル障壁層として十分な厚さのＡｌＧａＡｓＳｂ層を、転位を生じさせることなく成長させることができる。

上記実施例では、第１の層３０にＩｎＧａＰを用いたが、ＩｎＰ内の正孔に対してポテンシャル障壁を形成する他の半導体材料、例えばＩｎＡｌＰを用いてもよい。また、第２の層３１にＡｌＩｎＡｓまたはＡｌＧａＩｎＡｓを用いてもよい。ＡｌＩｎＡｓ及びＡｌＧａＩｎＡｓは、図３Ｂに示したように、ＩｎＰ内の電子に対して、ポテンシャル障壁を形成する。

また、上記実施例では、ＡｌＧａＩｎＡｓ系活性層を持つ波長１．３μｍ帯のＤＦＢレーザ素子について説明したが、他の発振波長や他の材料系の光半導体素子にも、上記実施例の構成を適用可能である。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

（１Ａ）〜（１Ｄ）は、実施例による光半導体素子の製造途中段階における断面図（その１）である。（１Ｅ）〜（１Ｇ）は、実施例による光半導体素子の製造途中段階における断面図（その２）であり、（１Ｈ）は、実施例による光半導体素子の断面図である。（２Ａ）は、ＩｎＰに格子整合する条件下で、ＡｌＧａＡｓＳｂのＡｌ組成比とエネルギバンドギャップとの関係を示すグラフであり、（２Ｂ）は、ＩｎＰの伝導帯下端の電子のエネルギ準位を基準としたときの伝導帯オフセットと、Ａｌ組成比との関係を示すグラフである。（３Ａ）は、ＩｎＰ、ＩｎＧａＰ、ＡｌＧａＡｓＳｂ、ＩｎＰの積層体のエネルギバンド構造を示す線図であり、（３Ｂ）は、ＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＩｎＰの積層体のエネルギバンド構造を示す線図であり、（３Ｃ）は、ＩｎＰ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＰの積層体のエネルギバンド構造を示す線図である。（４Ａ）〜（４Ｃ）は、試料の断面図であり、（４Ｄ）は、試料の電流電圧特性を示すグラフである。

符号の説明

１０半導体基板
１１回折格子
１２ガイド層
１５活性層
１６上部クラッド層
１７コンタクト層
２０メサ用マスクパターン
２３メサ構造体
３０第１の層
３１第２の層
３２障壁層
３５上部電極
３６下部電極

Claims

第１導電型の表層部を有する半導体基板の上に形成され、一方向に長い平面形状を持ち、活性層と、その上に配置された上部クラッド層とを含み、該上部クラッド層は、前記第１導電型とは反対の第２導電型であるメサ構造体と、
前記メサ構造体の両側の前記半導体基板の上に形成された半導体埋込層と、
前記メサ構造体の側面と、前記半導体埋込層との間に配置され、半導体で形成された障壁層と
を有し、
前記障壁層は、第１の層と第２の層とを含み、前記第１の層の価電子帯上端の正孔のエネルギ準位が、前記上部クラッド層の価電子帯上端の正孔のエネルギ準位、及び前記第２の層の価電子帯上端の正孔のエネルギ準位のいずれよりも高く、前記第２の層の伝導帯下端の電子のエネルギ準位が、前記上部クラッド層の伝導帯下端の電子のエネルギ準位、及び前記第１の層の伝導帯下端の電子のエネルギ準位のいずれよりも高く、前記第１の層が単独で正孔に対するポテンシャル障壁を形成し、前記第２の層が単独で電子に対するポテンシャル障壁を形成する光半導体素子。
前記第１の層が、前記第２の層と前記メサ構造体との間に配置され、該第２の層の価電子帯上端の正孔のエネルギ準位が、前記上部クラッド層の価電子帯上端の正孔のエネルギ準位よりも低い請求項１に記載の光半導体素子。
前記第１の層は、前記上部クラッド層に格子整合しておらず、該第１の層の厚さは臨界膜厚以下であり、前記第２の層は、前記上部クラッド層に格子整合している請求項１または２に記載の光半導体素子。
前記半導体基板の表層部、前記上部クラッド層、及び前記半導体埋込層がＩｎＰで形成されており、前記第１の層が、ＩｎＧａＰを含み、前記第２の層が、ＡｌＡｓＳｂまたはＡｌＧａＡｓＳｂを含む請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光半導体素子。
前記半導体基板の表層部、前記上部クラッド層、及び前記半導体埋込層がＩｎＰで形成されており、前記第１の層が、ＩｎＧａＰを含み、前記第２の層が、ＡｌＩｎＡｓまたはＡｌＧａＩｎＡｓを含む請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光半導体素子。