JP5894548B2

JP5894548B2 - 半導体多層膜反射鏡構造

Info

Publication number: JP5894548B2
Application number: JP2013039466A
Authority: JP
Inventors: 亮中尾; 昌和荒井; 神徳　正樹; 正樹神徳
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2013-02-28
Filing date: 2013-02-28
Publication date: 2016-03-30
Anticipated expiration: 2033-02-28
Also published as: JP2014167993A

Description

本発明は、面発光レーザの基板および半導体多層膜反射鏡からなる半導体多層膜反射鏡構造に関する。

面型半導体光デバイスのうち、垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）は、端面発光型レーザに比べて、製造コストが安い、２次元アレイ化が容易である、しきい値電流が小さいなど、多くの利点を有しており、開発が進められている。

ＶＣＳＥＬは、活性層とそれを上下で挟む一対の多層膜ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）から構成される。ＤＢＲ層は、低屈折率層と高屈折率層の周期構造を有する誘電体多層膜や半導体多層膜、及びこれらの組み合わせで構成される。

ＤＢＲ層を半導体多層膜で構成する場合、不純物をドーピングすることで電流注入が行える。また、一般に誘電体多層膜に対して半導体多層膜は熱抵抗が小さいため、放熱性に優れるとう利点を有している。電流注入を行い発光させる場合には、転位が活性層まで届かないように半導体多層膜をエピタキシャル成長させる必要がある。

ＤＢＲ層は、低屈折率層と高屈折率層の屈折率差が大きくなるほど高反射率となるが、誘電体多層膜に比べて半導体多層膜は屈折率差が小さいため、所望の反射率を得るためには、多層膜のペア数を大きくする必要がある。

ＤＢＲ層を構成する低屈折率層及び高屈折率層の膜厚ｄは、ｄ＝λ／４ｎ（λは波長、ｎは屈折率）と表されるため、長波長のＶＣＳＥＬを作製するためには、各層の膜厚が大きくなる。

このように、半導体多層膜で構成されたＶＣＳＥＬは、ペア数の増加と膜厚の増加のため、長波長に対応するＤＢＲの総膜厚は厚くなり、より短い波長に対応する８５０ｎｍＶＣＳＥＬに比べると大きくなる。そのため、対応する波長が長くなるにしたがって、熱抵抗の増加や基板の反りがより大きく現れる。

ウエハは反ることにより、蓄積された歪エネルギーを低減し、安定化している。基板の厚さが厚いと基板の反りは抑制されるが、ＶＣＳＥＬを形成した後に、基板裏面を研磨し薄くすると、反りは大きくなってしまう。大きな反りを持った基板をプロセス時に無理に反りを無くそうとすると、結晶中に転位が生じ、素子の信頼性に悪影響を及ぼす。

また、光通信において重要となる１．３μｍ帯などの長波長帯のレーザは、ＧａＡｓ基板上に作製したＩｎＧａＡｓ量子井戸では歪の関係で１．３μｍまで長波長化できない。但し、長波長化はＩｎＧａＡｓ量子井戸をＩｎＰ基板上に作製することで可能になるが、ＧａＡｓ基板上に作製したものに比べて温度特性が劣るという課題がある。また、ＧａＡｓ基板上の活性層にＧａＩｎＮＡｓ量子井戸を用いることでも長波長化が可能であるが、微量でもＮが添加されることで、結晶品質が悪くなるという課題がある。

そのため、長波長のＶＣＳＥＬではＩｎＧａＡｓ基板を利用し、これに完全に格子整合するＩｎＡｌＡｓとＩｎＧａＡｓの半導体多層膜をＤＢＲとして利用することで、この問題を解決してきた。しかし、この方法では、３元混晶であるため熱抵抗が大きいという課題がある。

さらに、ＩｎＧａＡｓ基板は、基板の品質、生産性、熱伝導性に課題がある。そこで、ＩｎＧａＡｓ基板を用いない方法として、ＧａＡｓ基板上にメタモルフィックバッファ層と呼ばれるＩｎＧａＡｓ層を成長させ、このＩｎＧａＡｓ層上に半導体多層膜を成長させる、ＩｎＧａＡｓ層を擬似基板として用いる方法が開発されてきた。

しかし、この方法では、ＩｎＧａＡｓ擬似基板層に格子整合する半導体多層膜を積層してＤＢＲとして利用しても、ＩｎＧａＡｓバッファ層を成長させる際に基板に大きな反りが生じるため、素子全体としての反りを抑制できない課題がある。

ShaoJun Ma, et al., "Strain-compensation measurement and simulation of InGaAs/GaAsP multiple quantum wells by metal organic vapor phase epitaxy using wafercurvature", J. Appl. Phys. 110, 113501, 1 December 2011, internet <URL: http://dx.doi.org/10.1063/1.3663309>

従来利用されてきたＧａＡｓ基板上のＩｎＧａＡｓ量子井戸では、歪の関係で１．３μｍ帯まで長波長化することができない。ＧａＡｓ基板上のＧａＩｎＮＡｓでは、長波長化できるものの品質の劣化が避けられず、ＩｎＡｓ量子ドットを活性媒質とする場合には、変調特性が優れない。また、ＩｎＰ基板上の量子井戸では、温度特性が悪い問題がある。

このように、従来技術では、ＩｎＧａＡｓ擬似基板上に高反射率、低熱抵抗な高品質なＤＢＲを有し、かつＤＢＲ作製後のウエハの反りが小さい良好な多層膜反射鏡を実現することは困難であった。特に、光通信で重要となる１３００ｎｍや１５５０ｎｍといった長波長のＶＣＳＥＬをＩｎＧａＡｓ擬似基板上に形成するときに顕著な問題である。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、高反射率、低熱抵抗なＤＢＲ特性を有し、かつ反りの小さいウエハを実現した半導体多層膜反射鏡構造を提供することにある。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、半導体多層膜反射鏡構造であって、ＧａＡｓ基板と、前記ＧａＡｓ基板上に積層されたＩｎ組成が５から１５％の範囲であるＩｎＧａＡｓバッファ層と、前記ＩｎＧａＡｓバッファ層上に積層された、前記ＩｎＧａＡｓバッファ層よりＩｎ組成が１から５％低いＩｎＧａＡｓ擬似基板層と、前記ＩｎＧａＡｓ擬似基板層上に積層された、前記ＩｎＧａＡｓ擬似基板層よりもＩｎ組成が高いＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ半導体多層膜反射鏡と、前記ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ半導体多層膜反射鏡上に積層された、前記ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ半導体多層膜反射鏡とＩｎ組成が同じＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ半導体多層膜反射鏡とを備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の半導体多層膜反射鏡構造において、前記ＩｎＧａＡｓ擬似基板層は、前記ＩｎＧａＡｓバッファ層と格子整合することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の半導体多層膜反射鏡構造において、前記ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ半導体多層膜反射鏡は、前記ＩｎＧａＡｓ擬似基板層と格子整合することを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体多層膜反射鏡構造において、前記ＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ半導体多層膜反射鏡は、平均格子定数が前記ＧａＡｓ基板の格子定数と前記ＩｎＧａＡｓ擬似基板層の格子定数の中間の値を有することを特徴とする。

本発明は、半導体多層膜反射鏡構造において、高反射率、低熱抵抗な高品質なＤＢＲ特性を有し、かつ反りの小さいウエハを実現し、素子の歩留まり向上や素子の高信頼性に寄与する効果を奏する。

本発明の実施形態１に係る半導体多層膜反射鏡構造を示す図である。ＧａＡｓ基板の反りのin-situモニタでの測定結果に基づく曲率のシミュレーション結果を示す図である。本発明の実施形態２に係る半導体多層膜反射鏡構造を示す図である。本発明の実施形態２に係る半導体多層膜反射鏡構造の反りのin-situモニタでの測定結果に基づく曲率のシミュレーション結果を示す図である。

本発明の半導体多層膜反射鏡構造は、ＧａＡｓ基板上にＩｎ_ｚＧａ_１−ｚＡｓバッファ層、Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ擬似基板層とＡｌＡｓ／Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ半導体多層膜反射鏡及びＩｎＡｌＡｓ／Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ半導体多層膜反射鏡を積層したものである。

Ｉｎ_ｚＧａ_１−ｚＡｓバッファ層は、Ｉｎ組成が５〜１５％であり、１００ｎｍ以上の膜厚を有し、５０〜９０％格子緩和している。Ｉｎ_ｚＧａ_１−ｚＡｓバッファ層は、ＧａＡｓ基板より格子定数が大きいため、圧縮性の歪を有し、成長時に反りを生じるものである。但し、格子緩和が、５０％より小さいとＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ擬似基板層にさらに大きな圧縮歪が加わり、９０％より大きいとＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ擬似基板層に引張歪が加わるため、フリースタンディングなＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ擬似基板層の形成が困難になる。

Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ擬似基板層は、Ｉｎ_ｚＧａ_１−ｚＡｓバッファ層よりもＩｎ組成が１〜５％低く、格子緩和したＩｎ_ｚＧａ_１−ｚＡｓバッファ層と等しい格子定数であり、成長時に反りが増加しないことを特徴とする。

尚、Ｉｎ_ｚＧａ_１−ｚＡｓバッファ層およびＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ擬似基板層のＩｎ組成は、上記数値よりも大きい場合、高品質なミラーを作製できなくなることや、上記数値よりも小さい場合、半導体多層膜反射鏡の格子歪量が大きくなりすぎるため、半導体多層膜反射鏡構造が困難になる。

ＩｎＡｌＡｓ／Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ半導体多層膜反射鏡は、ＩｎＡｌＡｓ及びＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓがＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ擬似基板層と等しい格子定数となるようにＩｎ組成をそれぞれ決定したものであり、成長時に反りが増加しないことを特徴とする。

ＡｌＡｓ／Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ半導体多層膜反射鏡は、ＡｌＡｓ層がＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ擬似基板層より小さな格子定数であるため引張性の歪を生じるものであり、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層は、全体の反りを調整するためにそのＩｎ組成を決定するものである。

具体的には、成長前のＧａＡｓ基板に対して、Ｉｎ_ｚＧａ_１−ｚＡｓバッファ層成長時に圧縮性の歪が生じるため、ＡｌＡｓ／Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ半導体多層膜反射鏡成長時に、この圧縮性の歪と絶対値の等しい量の引張性の歪を与えることでウエハ全体の歪量を０としてウエハの反りを解消するように、ＡｌＡｓ／Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ半導体多層膜反射鏡のＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層のＩｎ組成を決定する。

尚、ＡｌＡｓ／Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ半導体多層膜反射鏡の平均格子定数は、ＧａＡｓ基板の格子定数とＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ擬似基板層の格子定数との中間の値であるものとする。

ＶＣＳＥＬを作製する場合には、活性層に近い側へＡｌＡｓ／Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ半導体多層膜反射鏡を作製することで、熱抵抗を減少させることができる。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

（実施形態１）
図１に、本発明の実施形態１に係る半導体多層膜反射鏡構造を示す。ＧａＡｓ基板１０１の上にＩｎ_０．１２Ｇａ_０．８８Ａｓバッファ層１０２、Ｉｎ_０．１０Ｇａ_０．９０Ａｓ擬似基板層１０３及びＡｌＡｓ／Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ半導体多層膜反射鏡１０４が積層されている。Ｉｎ_０．１２Ｇａ_０．８８Ａｓバッファ層１０２は臨界膜厚以上成長することで、転位をＧａＡｓ基板１０１との界面のみに局在化させている。

歪補償を行わず、ｘ＝ｙ（＝０．１０）とした場合と、歪補償を行い、ｘ＝０．１８とした場合を比較する。

図２に、ＧａＡｓ基板の反りのin-situモニタでの測定結果に基づく曲率のシミュレーション結果を示す。実線で示したものがシミュレーション結果であり、△、○でプロットしたものが測定結果である。曲率は、

で表されるものとしてシミュレーションを行った（非特許文献１参照）。

本発明は、歪補償を行うことで、歪補償を行わなかった場合と比較して基板の反りの大幅な減少が可能となる。また、ＩｎＧａＡｓ層のＩｎ組成を調整することで、反り量を大きく変化させることができる。

（実施形態２）
図３に、本発明の実施形態２に係る半導体多層膜反射鏡構造を示す。ＧａＡｓ基板１０１の上にＩｎ_０．１２Ｇａ_０．８８Ａｓバッファ層１０２、Ｉｎ_０．１０Ｇａ_０．９０Ａｓ擬似基板層１０３及びＩｎＡｌＡｓ／Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ半導体多層膜反射鏡１０５及びＡｌＡｓ／Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ半導体多層膜反射鏡１０４が積層されている。Ｉｎ_０．１２Ｇａ_０．８８Ａｓバッファ層１０２は臨界膜厚以上成長することで、転位をＧａＡｓ基板１０１との界面のみに局在化させている。

図４に、本発明の実施形態２に係る半導体多層膜反射鏡構造の反りのin-situモニタでの測定結果に基づく曲率のシミュレーション結果を示す。Ｉｎ_０．１２Ｇａ_０．８８Ａｓバッファ層１０２を１６００ｎｍ成長させた場合、ＧａＡｓ基板１０１に対する圧縮歪の影響で基板が反ってしまう。ＩｎＧａＡｓ擬似基板１０３に対して格子整合系であるＩｎＡｌＡｓ／Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ半導体多層膜反射鏡１０５のみではこの反りを解消できないのに対し、ＡｌＡｓ／Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ半導体多層膜反射鏡１０４をＩｎＡｌＡｓ／Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ半導体多層膜反射鏡１０５上に積層することにより、ＩｎＧａＡｓ擬似基板１０３に対して多層膜全体として引張歪を有するため、ＧａＡｓ基板１０１をＩｎ_０．１２Ｇａ_０．８８Ａｓバッファ層１０２成長時とは反対方向へ反らせる効果があり、実施形態１と同様に、全体としての反り量を減少させる事が可能である。

１０１ＧａＡｓ基板
１０２Ｉｎ_ｚＧａ_１−ｚＡｓバッファ層
１０３Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ擬似基板層
１０４ＡｌＡｓ／Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ半導体多層膜反射鏡
１０５ＩｎＡｌＡｓ／Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ半導体多層膜反射鏡

Claims

ＧａＡｓ基板と、
前記ＧａＡｓ基板上に積層されたＩｎ組成が５から１５％の範囲であるＩｎＧａＡｓバッファ層と、
前記ＩｎＧａＡｓバッファ層上に積層された、前記ＩｎＧａＡｓバッファ層よりＩｎ組成が１から５％低いＩｎＧａＡｓ擬似基板層と、
前記ＩｎＧａＡｓ擬似基板層上に積層された、前記ＩｎＧａＡｓ擬似基板層よりもＩｎ組成が高いＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ半導体多層膜反射鏡と、
前記ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ半導体多層膜反射鏡上に積層された、前記ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ半導体多層膜反射鏡とＩｎ組成が同じＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ半導体多層膜反射鏡と
を備えたことを特徴とする半導体多層膜反射鏡構造。
前記ＩｎＧａＡｓ擬似基板層は、前記ＩｎＧａＡｓバッファ層と格子整合することを特徴とする請求項１に記載の半導体多層膜反射鏡構造。
前記ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ半導体多層膜反射鏡は、前記ＩｎＧａＡｓ擬似基板層と格子整合することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体多層膜反射鏡構造。
前記ＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ半導体多層膜反射鏡は、平均格子定数が前記ＧａＡｓ基板の格子定数と前記ＩｎＧａＡｓ擬似基板層の格子定数の中間の値を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体多層膜反射鏡構造。