JP6023611B2

JP6023611B2 - 半導体多層膜反射鏡構造

Info

Publication number: JP6023611B2
Application number: JP2013039467A
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: 2016-11-09
Anticipated expiration: 2033-02-28
Also published as: JP2014167994A

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。

また、ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓの半導体多層膜構造では、屈折率差が従来ＶＣＳＥＬなどに用いられてきたＡｌＡｓ／ＧａＡｓの半導体多層膜構造に比べて小さくなってしまうため、高反射率を得るためにはペア数を大きくする必要がある。

さらに、ＩｎＧａＡｓ基板は、基板の品質、生産性が問題となる。

Hiroshi Ishikawa et al., "Analysis of Temperature Dependent Optical Gain of Strained Quantum Well Taking Account of Carriers in the SCH Layer", IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 6, NO. 3, March 1994, p.344-347

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、温度特性が悪いという課題がある。

このように、これまでＩｎＧａＡｓ基板又はＩｎＧａＡｓ擬似基板が利用されてきたが、従来技術では、ＩｎＧａＡｓ基板又は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、前記ＩｎＧａＡｓ擬似基板層と接する層がＡｌＡｓ層である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。

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。

本発明の一実施形態に係る半導体多層膜反射鏡構造を示す図である。従来のＩｎＧａＡｓに格子整合するＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ半導体多層膜反射鏡を有する半導体多層膜反射鏡構造を示す図である。図１、２の構造おける周期数に対する反射率の変化を示す

本発明の半導体多層膜反射鏡構造は、ＧａＡｓ基板上にＩｎＧａＡｓバッファ層、ＩｎＧａＡｓ擬似基板層とＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ半導体多層膜反射鏡を積層したものである。

ＩｎＧａＡｓ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。ＩｎＧａＡｓ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ＩｎＧａＡｓ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ＩｎＧａＡｓ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ＩｎＧａＡｓ擬似基板層の形成が困難になる。

ＩｎＧａＡｓ擬似基板層は、ＩｎＧａＡｓバッファ層よりもＩｎ組成が１〜５％低く、格子緩和したＩｎＧａＡｓ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、ＩｎＧａＡｓバッファ層およびＩｎＧａＡｓ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。

ＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ半導体多層膜反射鏡は、ＡｌＡｓ層がＩｎＧａＡｓ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る。ＡｌＡｓは従来長波長帯に用いられてきたＩｎＡｌＡｓに対して屈折率が小さく、そのためＩｎＧａＡｓとの屈折率差が大きくなることから、少ないペア数でも高反射率を得ることができるものである。さらに、ＡｌＡｓは３元混晶であるＩｎＡｌＡｓに比べて熱抵抗が小さいことから、放熱特性が改善されるものである。

さらに、ＩｎＧａＡｓに格子整合するＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ半導体多層膜反射鏡に対し、ＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ半導体多層膜反射鏡は、Ｉｎ組成を調整することで、半導体多層膜全体として引張性の歪を与えるため、ＩｎＧａＡｓバッファ層をＧａＡｓ基板上に成長した際に生じる圧縮性の歪を緩和することを特徴とする。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

図１に、本発明の一実施形態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_ｚＧａ_１−ｚＡｓバッファ層１０２、Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ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_ｚＧａ_１−ｚＡｓバッファ層１０２とＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ擬似基板層１０３のＩｎ組成の間にはｙ＜ｚの関係がある。Ｉｎ_ｚＧａ_１−ｚＡｓバッファ層１０２は臨界膜厚以上成長することで、転位をＧａＡｓ基板との界面のみに局在化させる。

Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ擬似基板層の格子定数は、緩和したＩｎ_ｚＧａ_１−ｚＡｓバッファ層の平面方向の格子定数に整合するように、Ｉｎ組成を調整する。

図２に、従来のＩｎＧａＡｓに格子整合するＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ半導体多層膜反射鏡を有する半導体多層膜反射鏡構造を示す。ここでは、ＧａＡｓ基板２０１上に緩和したＩｎ_０．１２Ｇａ_０．８８Ａｓバッファ層２０２が積層され、その上にＩｎ_０．１２Ｇａ_０．８８Ａｓバッファ層２０２に格子整合するＩｎ_０．１０Ｇａ_０．９０Ａｓ擬似基板層２０３が積層されている。Ｉｎ_０．１０Ｇａ_０．９０Ａｓ擬似基板層２０３上には、Ｉｎ_０．１０Ｇａ_０．９０Ａｓ擬似基板層２０３に格子整合するＩｎ_{０．０８２}Ａｌ_{０．９１８}Ａｓ／Ｉｎ_０．１０Ｇａ_０．９０Ａｓ半導体多層膜２０４が複数周期積層されている。Ｉｎ_{０．０８２}Ａｌ_{０．９１８}Ａｓ／Ｉｎ_０．１０Ｇａ_０．９０Ａｓ半導体多層膜２０４のＩｎ_{０．０８２}Ａｌ_{０．９１８}Ａｓ層の屈折率は２．９７８であり、Ｉｎ_０．１０Ｇａ_０．９０Ａｓ層の屈折率は３．４５７であり、それらの屈折率差は０．４７９である。

ここで図１に戻り、本発明の一実施例に係る半導体多層膜反射鏡構造の組成比を示す。ここでは、図２の場合と同様に、Ｉｎ_０．１０Ｇａ_０．９０Ａｓ擬似基板層１０３までを作製する。半導体多層膜反射鏡１０４として、２元混晶材料であり、Ｉｎ_０．１０Ｇａ_０．９０Ａｓ擬似基板層１０３より格子定数の小さなＡｌＡｓと、Ｉｎ_０．１０Ｇａ_０．９０Ａｓ擬似基板層１０３より格子定数の大きなＩｎ_０．１８Ｇａ_０．８２Ａｓを複数周期積層する。ＡｌＡｓの屈折率は２．９３０であり、Ｉｎ_０．１８Ｇａ_０．８２Ａｓの屈折率は３．４６３であり、それらの屈折率差は０．５３３となる。

ＤＢＲの反射率Ｒは、

と表される。ここで、ｎ_０は空気の屈折率（＝１）、ｎ_１は低屈折率層の屈折率、ｎ_２は高屈折率層の屈折率、ｎ_ｓは基板の屈折率であり、Ｎは半導体多層膜の周期である。

図３に、図１、２の構造おける周期数に対する反射率の変化を示す。従来のＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓの半導体多層膜反射鏡構造に比べ、本発明のＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓの半導体多層膜反射鏡構造は屈折率差が大きいため、同一の周期数において大幅に反射率が向上している。９９．９％以上の反射率を得るためには、ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓの半導体多層膜反射鏡構造では２４周期必要であるのに対し、ＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓの半導体多層膜反射鏡構造では２２周期でよく、層数の減少が図れる。

また、従来のＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ半導体多層膜反射鏡２０４では、ＩｎＡｌＡｓ層を１０９．１ｎｍ、ＩｎＧａＡｓ層を９４．０ｎｍとする必要がある。ＩｎＡｌＡｓ層の熱抵抗は７．３３５Ｋ・ｃｍ／Ｗであり、Ｉｎ_０．１０Ｇａ_０．９０Ａｓの熱抵抗は９．５０８Ｋ・ｃｍ／Ｗであるので、各層の膜厚と熱抵抗を乗じて、さらに９９．９％以上の反射率を得るのに必要な周期２４を乗じた値は４０６１０である。

一方、本発明のＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ半導体多層膜反射鏡１０４では、ＡｌＡｓ層を１１０．９ｎｍ、ＩｎＧａＡｓ層を９３．８ｎｍとする必要がある。ＡｌＡｓ層の熱抵抗は１．０９８９Ｋ・ｃｍ／Ｗであり、Ｉｎ_０．１８Ｇａ_０．９０Ａｓの熱抵抗は１４．１６２Ｋ・ｃｍ／Ｗであるので、各層の膜厚と熱抵抗を乗じて、さらに９９．９％以上の反射率を得るのに必要な周期２２を乗じた値は３１９０６である。これは、従来のＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ半導体多層膜反射鏡の場合の値に比べて２１％程度も熱抵抗を減少させる効果があることを意味しており、大幅に温度特性の改善が行える。

さらに、Ｉｎ_０．１２Ｇａ_０．８８Ａｓバッファ層１０２、２０２を１６００ｎｍ成長させた場合、ＧａＡｓ基板１０１、２０１に対する圧縮歪が生じてしまう。ＩｎＧａＡｓ擬似基板層１０３、２０３に対して格子整合系であるＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ半導体多層膜反射鏡２０４ではこの歪を解消できず、残留歪が残ってしまう。これに対し、本発明のＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ半導体多層膜反射鏡１０４では、ＩｎＧａＡｓ擬似基板層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歪ませる効果があり、全体として残留歪を解消する。

１０１、２０１ＧａＡｓ基板
１０２、２０２Ｉｎ_ｚＧａ_１−ｚＡｓバッファ層
１０３、２０３Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ擬似基板層
１０４ＡｌＡｓ／Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ半導体多層膜反射鏡
２０４ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ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、前記ＩｎＧａＡｓ擬似基板層と接する層がＡｌＡｓ層である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。