JP6940866B2 - 半導体光デバイス、半導体光源、光集積回路、及び半導体光デバイスの製造方法 - Google Patents

半導体光デバイス、半導体光源、光集積回路、及び半導体光デバイスの製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、半導体光デバイス、半導体光源、光集積回路、及び半導体光デバイスの製造方法に関する。
近年、スマートフォンやタブレット端末等のモバイル端末の普及に伴い、モバイル通信の高速化や様々なモバイル端末用のサービスの多様化が進み、必要とされる通信容量が著しく増大している。ネットワークシステムにおいては、ビッグデータを用いたネットワーク・クラウドサービスが次第に普及する一方で、産業においては、産業機械同士で情報を共有するＭ２Ｍ（Machine to Machine）技術、産業機器・装置やセンサ等の全ての機器に対してインターネットを介して効率的に運用するようなＩｏＴ（Internet of Things）技術、ＩｏＴ機器をエッジルータでリアルタイム（瞬時）に情報処理を行うエッジコンピューティング技術等が、非常に重要な技術として注目されている。
このような技術の確立及び発展には、アクセスネットワークにおける光・無線通信やデータセンタでの近距離通信ネットワークのさらなる高速大容量化が不可欠となる。このような観点から、データセンタ内、データセンタ間近距離通信、アクセス系ネットワークの光インタコネクト化、光・無線通信における通信速度の高速化及び大容量化の研究が世界的に行われており、それを実現するような低消費電力、トラフィックの低遅延性や、通信機器のサイズ・コスト等の要求を満たすＩＣＴ（Information and Communication Technology）ハードウェアを用いた高速大容量通信技術が必要不可欠と考えられている。
上記分野において特に注目されている研究として、Ｓｉフォトニクス等を用いた半導体光デバイスの研究や、上記半導体光デバイスを用いたレーザ等を集積した光集積回路の研究がある。上述した半導体光デバイス等の研究は、ＬＳＩの微細配線に用いられるＣＭＯＳ（Complementary metal oxide semiconductor）ラインと相互互換性が高く、極めて効率良く低コスト化が可能であると考えられている。また、半導体光デバイス等は、ＬＳＩとの集積を可能とすることから、電気・光通信を融合した光集積回路を実現し、超小型化及び低消費電力化が可能となる点で、世界的に重要な研究テーマと認識されている。
しかしながら、上述した半導体光デバイスをＬＳＩの集積回路の一部に実装する場合、ＬＳＩに起因する大きな発熱が問題となり得る。ＬＳＩ周辺のボードの温度は、ＬＳＩの発熱により８０℃程度に達するため、半導体光デバイスの特性を低下させる恐れがある。そこで、高い温度環境下においても、安定に動作し、高い性能を発揮する半導体光デバイスの実現が課題として挙げられる。
これに対し、例えば特許文献１では、特に室温近傍でのしきい値電流を低減できる半導体レーザ素子に関する技術が開示されている。このほか、例えば非特許文献１では、ｐ型不純物を活性層近傍にドープ（注入）し、結晶成長させた構造のウェハを用いて半導体レーザ等の発光素子を形成することにより、温度特性を改善させる技術が開示されている。また、例えば非特許文献２では、ペルチェ素子等のＴＥＣ（Thermo-Electric Cooler）により、半導体レーザ等の発光素子や、その他光集積回路から生じる熱を強制的に冷却させる方法に関する技術が開示されている。
特許文献１に開示された半導体レーザでは、複数の量子井戸層を有し、量子井戸層とバリア層とを交互に形成した活性層を備える。活性層内のバリア層のうちの量子井戸層によって挟まれたバリア層と量子井戸層との伝導帯側のバンド不連続量は、２６ｍｅＶ以上、３００ｍｅＶ未満に設定される。これによって、量子井戸層間での熱励起によるキャリアのオーバーフローを意図的に行うようにし、量子井戸層間でキャリア密度を均一化する。
特開２００７−１６５７９８号公報
ＯＫＩテクニカルレビュー 第211号、Vol. 74, No.3, pp. 82, 2007. Z. Mi, et al., Electronics letters, Vol. 41, No. 13, pp. 742, 2005.
しかしながら、上述したような従来技術による半導体レーザ等の半導体光源では、温度特性を示す指標である特性温度Ｔ0の値が、室温近傍において非常に改善されるものの、高温において改善が不十分な傾向があり、高温における閾値電流の増加を抑制することが難しい。このため、高い温度環境下においても、安定に動作し、高い性能を発揮する半導体光デバイス等の実現が望まれている。
そこで本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、高い温度環境下においても、安定に動作し、高い性能を発揮する半導体光デバイス、半導体光源、光集積回路、及び半導体光デバイスの製造方法を提供することにある。
本発明者らは、上述した問題点を解決するために、基板の上に設けられた活性層と、活性層の上に設けられたクラッド層とを備え、クラッド層の上に設けられ、第１不純物及び第１不純物とは異なる第２不純物を含むコンタクト層を備え、第１不純物は、ベリリウム又は亜鉛であり、第２不純物は、アルゴン、リン、又はホウ素であり、第２不純物の濃度は、１．０×１０ １２ ｃｍ −２ 以上１．０×１０ １５ ｃｍ −２ 以下であり、コンタクト層は、ＩｎＧａＡｓ又はＧａＡｓであることを特徴とする半導体光デバイス、半導体光源、半導体光デバイスを備える光集積回路、及び半導体光デバイスの製造方法を発明した。
請求項１に記載の半導体光デバイスは、基板の上に設けられた活性層と、前記活性層の上に設けられたクラッド層とを備える半導体光デバイスであって、前記クラッド層の上に設けられ、第１不純物及び前記第１不純物とは異なる第２不純物を含むコンタクト層を備え、前記第１不純物は、ベリリウム又は亜鉛であり、前記第２不純物は、アルゴン、リン、又はホウ素であり、前記第２不純物の濃度は、１．０×１０ １２ ｃｍ −２ 以上１．０×１０ １５ ｃｍ −２ 以下であり、前記コンタクト層は、ＩｎＧａＡｓ又はＧａＡｓであることを特徴とする。
請求項２に記載の半導体光デバイスは、請求項１記載の発明において、前記２不純物はアルゴン又はホウ素であり、前記クラッド層に含まれる前記第２不純物の濃度は、前記コンタクト層に接する側から前記活性層に接する側に向かって濃度が低下し、前記活性層は、前記第２不純物を含まない、又は、前記クラッド層よりも低い濃度で前記第２不純物を含むことを特徴とする。
請求項３に記載の半導体光源は、基板の上に設けられた活性層と、前記活性層の上に設けられたクラッド層とを備える半導体光源であって、前記クラッド層の上に設けられ、第１不純物及び前記第１不純物とは異なる第２不純物を含むコンタクト層を備え、前記第１不純物は、ベリリウム又は亜鉛であり、前記第２不純物は、アルゴン、リン、又はホウ素であり、前記第２不純物の濃度は、１．０×１０ １２ ｃｍ −２ 以上１．０×１０ １５ ｃｍ −２ 以下であり、前記コンタクト層は、ＩｎＧａＡｓ又はＧａＡｓであることを特徴とする。
請求項４に記載の光集積回路は、基板の上に設けられた活性層と、前記活性層の上に設けられたクラッド層とを備えた半導体光デバイスを備える光集積回路であって、前記半導体光デバイスは、前記クラッド層の上に設けられ、第１不純物及び前記第１不純物とは異なる第２不純物を含むコンタクト層を備え、前記第１不純物は、ベリリウム又は亜鉛であり、前記第２不純物は、アルゴン、リン、又はホウ素であり、前記第２不純物の濃度は、１．０×１０ １２ ｃｍ −２ 以上１．０×１０ １５ ｃｍ −２ 以下であり、前記コンタクト層は、ＩｎＧａＡｓ又はＧａＡｓであることを特徴とする。
請求項５に記載の半導体光デバイスの製造方法は、基板の上に活性層を形成する工程と、前記活性層の上にクラッド層を形成する工程とを備える半導体光デバイスの製造方法であって、前記クラッド層の上に第１不純物を含むコンタクト層を形成する工程と、前記コンタクト層に前記第１不純物とは異なる第２不純物を注入する工程と、前記コンタクト層を加熱する工程と、を備え、前記第１不純物は、ベリリウム又は亜鉛であり、前記第２不純物は、アルゴン、リン、又はホウ素であり、前記第２不純物の濃度は、１．０×１０ １２ ｃｍ −２ 以上１．０×１０ １５ ｃｍ −２ 以下であり、前記コンタクト層は、ＩｎＧａＡｓ又はＧａＡｓであることを特徴とする。
請求項６に記載の半導体光デバイスの製造方法は、請求項５記載の発明において、前記コンタクト層を形成する工程として、前記第１不純物を含むＩｎＧａＡｓが形成され、前記コンタクト層を加熱する工程は、６００℃以上７２０℃以下、及び、３０秒以上１８０秒以下で加熱することを特徴とする。
上述した構成からなる本発明によれば、コンタクト層は、第１不純物及び第２不純物を含む。このため、室温環境下からの温度上昇に伴う閾値電流の上昇を、抑制することができる。これにより、高い温度環境下においても、安定に動作し、高い性能を発揮することが可能となる。
また、上述した構成からなる本発明によれば、室温環境下からの温度上昇に伴い、放出される光の波長のピークシフト量を抑制することができる。これにより、高い温度環境下においても、安定に動作し、高い性能を発揮することができる。
また、上述した構成からなる本発明によれば、超小型化及び低消費電力化された光集積回路を可能とするとともに、高速及び大容量通信を実現することが可能となる。
また、上述した構成からなる本発明によれば、コンタクト層に第２不純物を注入し、コンタクト層を加熱する。このため、コンタクト層に注入された第２不純物が加熱に伴い拡散する範囲を、コンタクト層及びクラッド層に留めることができ、活性層に第２不純物が拡散することを抑制することができる。これにより、活性層の発光特性の低下を抑制することが可能となる。
図１（ａ）は、本実施形態における半導体光デバイスの一例を示す模式斜視図であり、図１（ｂ）は、活性層の一例を示す拡大模式断面図である。 図２（ａ）は、本実施形態における半導体レーザの一例を示す模式断面図であり、図２（ｂ）は、本実施形態における半導体光増幅器の一例を示す模式断面図であり、図２（ｃ）は、本実施形態における光集積回路の一例を示す模式平面図である。 本実施形態における半導体光デバイスの製造方法の一例を示すフローチャートである。 実施例１において作成した評価サンプルの模式断面図である。 設定温度における各評価サンプルの閾値電流密度を測定した結果を示すグラフである。 設定温度において各評価サンプルから放出されるレーザのピーク波長を測定した結果を示すグラフである。
実施形態
（半導体光デバイス１）
以下、本発明の実施形態における半導体光デバイス１について説明する。図１（ａ）は、本実施形態における半導体光デバイス１の一例を示す模式斜視図であり、図１（ｂ）は、活性層４の一例を示す拡大模式断面図である。なお、各図において基板２の主面に平行な方向をＸ方向及びＹ方向とし、Ｘ方向及びＹ方向に交わる方向をＺ方向とする。
図１（ａ）に示すように、半導体光デバイス１は、基板２と、活性層４と、クラッド層５と、コンタクト層７とを備える。半導体光デバイス１は、例えば下層クラッド層３と、絶縁層６と、電極８とを備えてもよい。
半導体光デバイス１は、主に半導体レーザ、半導体光増幅器（ＳＯＡ：Semiconductor Optical Amplifier）等の半導体光源の構成として用いられる。半導体光デバイス１は、半導体光源のほか、例えばフォトダイオード、半導体受光素子等の構成として用いられ、例えばＬＳＩを備える光集積回路の構成として用いられる。
＜基板２＞
基板２は、ｎ型不純物を含み、例えばＰ（リン）、Ｓ（硫黄）、又はＡｓ（ヒ素）を含む。基板２として、例えばＩｎＰ（３１１）Ｂが用いられるほか、例えばＩｎＰ（００１）、ＧａＡｓ（砒化ガリウム）、又はＳｉ（ケイ素）が用いられる。
＜下層クラッド層３＞
下層クラッド層３は、例えば基板２の上に設けられる。下層クラッド層３は、ｎ形不純物を含み、例えばＰ、Ｓ、Ａｓ、又はＳｉを含む。下層クラッド層３として、例えばＩｎＡｌＡｓが用いられるほか、例えばＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、又はＡｌＧａＡｓ等が用いられる。なお、各材料の組成比は任意のため省略し、以下の説明においても同様である。
＜活性層４＞
活性層４は、基板２の上に設けられ、例えば基板２との間に下層クラッド層３を挟む。活性層４は、図１（ｂ）に示すように、交互に積層された複数のバリア層４１と、複数の量子層４２とを有する。各量子層４２として、例えば量子ドット構造を有する複数の量子ドット４２ａが用いられてもよい。この場合、各量子ドット４２ａ間の隙間には、バリア層４１が設けられてもよい。各量子層４２として、例えば量子井戸構造を有する量子井戸層、又は量子細線構造を有する量子細線層が用いられてもよい。なお、バリア層４１及び量子層４２の積層数は、任意である。
バリア層４１として、例えばＩｎＧａＡｌＡｓが用いられるほか、例えばＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＡｓ、ＧａＮＡｓ、ＧａＮＡｓＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、又はＧａＮＡｓＳｂ等が用いられてもよい。量子層４２又は量子ドット４２ａとして、例えばＩｎＡｓが用いられるほか、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＩｎＡｓＳｂ、又はＧａＩｎＡｓ等が用いられてもよい。なお、バリア層４１及び量子層４２の少なくとも何れかは、例えば不純物を含んでもよい。
バリア層４１の厚さは、例えば５ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。量子層４２の厚さは、例えば１ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。ここで「厚さ」とは、Ｚ方向の厚さを示し、以下の説明においても同様である。
＜クラッド層５＞
クラッド層５は、活性層４の上に設けられる。クラッド層５は、例えばメサ状に形成され、ＸＹ平面上に広がる平面部と、平面部からＺ方向に延在する突出部とを有し、突出部が絶縁層６に挟まれてもよい。
クラッド層５は、ｐ型不純物を含み、例えばＢ（ホウ素）、Ｚｎ（亜鉛）、Ｂｅ（ベリリウム）、Ｍｇ（マグネシウム）、又はＣｄ（カドミウム）を含む。クラッド層５として、例えばＩｎＡｌＡｓが用いられるほか、例えばＩｎＰ、又はＡｌＧａＡｓ等が用いられる。
＜コンタクト層７＞
コンタクト層７は、クラッド層５の上に設けられる。コンタクト層７は、例えばクラッド層５の突起部の上に設けられ、絶縁層６に挟まれる。コンタクト層７の厚さは、クラッド層５の厚さよりも薄い。
コンタクト層７は、第１不純物及び第２不純物を含む。第１不純物は、ｐ型不純物のＢｅであるほか、例えばＺｎ、Ｍｇ、又はＣｄでもよい。第２不純物は、例えばｐ型不純物のＡｒ（アルゴン）である。第１不純物及び第２不純物の何れかは、例えばＢでもよい。なお、第２不純物は、例えばｎ型不純物のＰでもよい。
第２不純物の濃度は、１．０×１０12ｃｍ-2以上１．０×１０15ｃｍ-2以下であり、好ましくは１．０×１０13ｃｍ-2以上５．０×１０14ｃｍ-2以下である。コンタクト層７として、ＩｎＧａＡｓが用いられるほか、例えばＧａＡｓが用いられてもよい。第２不純物がｐ型不純物の場合、コンタクト層７に含まれるｐ型不純物の濃度は、クラッド層５に含まれるｐ形不純物の濃度よりも高い。
＜電極８＞
電極８は、コンタクト層７と接する上層電極８１と、基板２と接する下層電極８２とを有する。電極８は、活性層４に電圧を印可するために用いられる。各電極８１、８２として、例えばＴｉ、Ｐｔ、及びＡｕの積層体が用いられる。
＜絶縁層６＞
絶縁層６は、クラッド層５上に設けられるほか、例えばコンタクト層７上に設けられてもよい。絶縁層６は、クラッド層５、コンタクト層７、及び上層電極８１の少なくとも何れかを挟んで設けられる。絶縁層６として、例えばベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）、又はシリコン酸化物（ＳｉＯ2）が用いられる。
本実施形態における半導体光デバイス１によれば、コンタクト層７は、第１不純物及び第２不純物を含む。このとき、例えば活性層４は、バリア層４１と量子層４２との間の境界近傍において混晶された状態を示し、抵抗が増加する。このため、高い温度環境下においても、安定に動作し、高い性能を発揮することが可能となる。
また、本実施形態における半導体光デバイス１によれば、第２不純物は、例えばコンタクト層７に加えてクラッド層５に含まれてもよい。この場合、クラッド層５に含まれる第２不純物の濃度は、コンタクト層７に接する側から活性層４に接する側に向かって濃度が低下する。また、第２不純物は、活性層４には含まれない、又は、クラッド層５よりも低い濃度で含まれる。このため、第２不純物の拡散に伴う活性層４の発光特性の低下を抑制することが可能となる。これにより、高い温度環境下においても、安定に動作し、高い性能を容易に発揮することが可能となる。
（半導体光源、光集積回路３０）
次に、本実施形態における半導体光源（例えば半導体レーザ１０、半導体光増幅器２０）及び光集積回路３０について説明する。半導体光源及び光集積回路３０は、半導体光デバイス１を備えることができる。図２（ａ）は、本実施形態における半導体レーザ１０の一例を示す模式断面図であり、図２（ｂ）は、本実施形態における半導体光増幅器２０の一例を示す模式断面図であり、図２（ｃ）は、本実施形態における光集積回路３０の一例を示す模式平面図である。
＜半導体レーザ１０＞
半導体レーザ１０は、例えば図２（ａ）に示すように、半導体光デバイス１を備える。半導体レーザ１０は、例えば電極８１、８２に電圧を印可することで、活性層４から所定の波長帯域のレーザ光を放出する（図の矢印方向）。半導体レーザ１０は、例えば基板２とコンタクト層７との間に図示しない一対の反射層を有してもよい。この場合、レーザ光は、Ｚ方向に放出される。
半導体レーザ１０の上層電極８１は、例えばＹ方向に延在するストライプ構造を有する。このとき、上層電極８１は、例えばＹ方向に６００μｍ程度の長さＬを有し、Ｘ方向に５０μｍ程度の幅Ｗを有する。
＜半導体光増幅器２０＞
半導体光増幅器２０は、例えば図２（ｂ）に示すように、半導体光デバイス１を備える。この場合、半導体光増幅器２０は、Ｙ方向の両側面に反射防止膜９を有する。反射防止膜９として、例えばシリコン酸化物と酸化チタンとの多層膜が用いられる。
＜光集積回路３０＞
光集積回路３０は、例えば図２（ｃ）に示すように、半導体光デバイス１を備える。この場合、半導体光デバイス１は、光集積回路３０の有する制御部４０により制御される。半導体光デバイス１は、例えば制御部４０から送信された信号に基づいてレーザ光を放出する半導体光源として用いられるほか、例えば外部から受光した光の情報を制御部４０に送信する半導体受光素子として用いられてもよい。
本実施形態における半導体光源及び光集積回路３０の少なくとも何れかによれば、半導体光デバイス１を備えることで、室温環境下からの温度上昇に伴う閾値電流の上昇を、抑制することができる。これにより、高い温度環境下においても、安定に動作し、高い性能を発揮することが可能となる。
また、本実施形態における半導体光源及び光集積回路３０の少なくとも何れかによれば、室温環境下からの温度上昇に伴い、放出される光の波長のピークシフト量を抑制することができる。これにより、高い温度環境下においても、安定に動作し、高い性能を発揮することができる。
上記に加え、本実施形態における光集積回路３０によれば、ＬＳＩに起因する大きな発熱が発生した場合においても、安定に動作し、高い性能を発揮することができる。これにより、超小型化及び低消費電力化を可能とするとともに、高速及び大容量通信を実現することが可能となる。
（半導体光デバイス１の製造方法）
次に、本実施形態における半導体光デバイス１の製造方法の一例について説明する。図３は、本実施形態における半導体光デバイス１の製造方法の一例を示すフローチャートである。
＜活性層４を形成：ステップＳ１１０＞
先ず、基板２の上に活性層４を形成する（ステップＳ１１０）。このとき、例えば基板２と活性層４との間に、下層クラッド層３のほか、図示しないバッファ層等を形成してもよい。活性層４を形成する方法として、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法が用いられるほか、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法等が用いられてもよい。
基板２として、例えばｎ形不純物のＰ、Ｓ、又はＡｓを含むＩｎＰ（３１１）Ｂ基板が用いられ、下層クラッド層３として、例えばｎ型不純物のＰ、Ｓｉ、又はＡｓを含むＩｎＡｌＡｓが用いられる。活性層４は、バリア層４１と量子層４２とを交互に複数積層して形成される。バリア層４１として、例えばＩｎＧａＡｌＡｓが用いられ、量子層４２として量子ドット構造を有するＩｎＡｓが用いられる。
このとき、例えばバリア層４１及び量子層４２には不純物が注入されない場合がある。この場合、後述する加熱工程に伴い活性層４内に不純物が拡散しない。これにより、活性層４の発光特性の低下を抑制することが可能となる。
＜クラッド層５を形成：ステップＳ１２０＞
次に、活性層４の上にクラッド層５を形成する（ステップＳ１２０）。クラッド層５を形成する方法として、ＭＢＥ法が用いられるほか、例えばＭＯＣＶＤ法等が用いられてもよい。クラッド層５は、例えば１．５μｍから２μｍ程度の厚さで形成される。
クラッド層５として、例えばｐ形不純物のＢｅを含むＩｎＡｌＡｓが用いられる。クラッド層５は、例えば後述する第２不純物を含んでもよい。
＜コンタクト層７を形成：ステップＳ１３０＞
次に、クラッド層５の上にコンタクト層７を形成する（ステップＳ１３０）。コンタクト層７を形成する方法として、ＭＢＥ法が用いられるほか、例えばＭＯＣＶＤ法等が用いられてもよい。コンタクト層７は、例えば１００ｎｍ程度の厚さで形成される。
コンタクト層７として、例えば第１不純物のＢｅを含むＩｎＧａＡｓが用いられる。例えばＩｎＧａＡｓを形成した後、イオン注入法等によりＢｅを注入してもよい。
＜第２不純物を注入：ステップＳ１４０＞
次に、コンタクト層７に第２不純物を注入する（ステップＳ１４０）。第２不純物を注入する方法として、例えばイオン注入法が用いられる。
第２不純物として、例えばＡｒが用いられる。第２不純物を注入する際のドーズ量は、１．０×１０12ｃｍ-2以上１．０×１０15ｃｍ-2以下である。
例えば第２不純物のドーズ量が１．０×１０12ｃｍ-2以下の場合、第２不純物の濃度が低いため、不純物の注入に伴う閾値電流の変化を得難い。このため、室温環境下からの温度上昇に伴う閾値電流の上昇を抑制できない。また、例えば第２不純物のドーズ量の濃度が１．０×１０15ｃｍ-2を超える場合、不純物注入に伴うコンタクト層７の結晶性の劣化度合いが大きくなり、抵抗が大きくなり得る。このため、室温環境下からの温度上昇に伴う閾値電流の上昇を抑制できない。
このため、本実施形態によれば、第２不純物を注入する際のドーズ量は、１．０×１０12ｃｍ-2以上１．０×１０15ｃｍ-2以下とすることで、室温環境下からの温度上昇に伴う閾値電流の上昇を抑制できる。なお、第２不純物を注入する際のドーズ量は、１．０×１０13ｃｍ-2以上５．０×１０14ｃｍ-2以下が望ましく、これにより室温環境下からの温度上昇に伴う閾値電流の上昇をさらに抑制できる。
また、第２不純物を注入する際の加速電圧は、６０ｋｅＶ以上が望ましい。加速電圧が６０ｋｅＶ未満の場合、第２不純物がコンタクト層７内に注入され難くなり、閾値電流の変化を得難い。このため、第２不純物を注入する際の加速電圧は、６０ｋｅＶ以上が望ましく、１２０ｋｅＶ以上１５０ｋｅＶ以下がより望ましい。
＜コンタクト層７を加熱：ステップＳ１５０＞
次に、コンタクト層７を加熱する（ステップＳ１５０）。コンタクト層７を加熱する方法として、例えばＲＴＡ（Rapid thermal annealing）法が用いられる。なお、コンタクト層７を加熱するとき、基板２からクラッド層５までの構成も加熱される。
コンタクト層７は、加熱温度が６００℃以上７２０℃以下、及び、加熱時間が３０秒以上１８０秒以下で加熱される。コンタクト層７を加熱することで、第２不純物をコンタクト層７内に拡散できるとともに、第２不純物の注入に伴い劣化したコンタクト層７の結晶性を修復（再結晶化）させることができる。また、コンタクト層７の加熱に伴い、活性層４における組成混晶化が発生する。
例えば、加熱温度が６００℃未満、又は、加熱時間が３０秒未満の場合、第２不純物の拡散、又は、コンタクト層７の結晶性の修復が不十分な状態となる。このため、形成された半導体光デバイス１において、発光強度が低下する傾向を示す。また、例えば加熱温度が７２０℃を超える、又は、加熱時間が１８０秒を超える場合、活性層４等の他の構成の劣化を促進させる可能性がある。このため、形成された半導体光デバイス１において、発光強度が低下する傾向を示す。
このため、本実施形態によれば、コンタクト層７を加熱する際、加熱温度が６００℃以上７２０℃以下、及び、加熱時間が３０秒以上１８０秒以下とすることで、形成された半導体光デバイス１において、良好な発光強度を保つことが可能となる。これにより、高い温度環境下においても、高い性能を維持することが可能となる。
なお、コンタクト層７を加熱する際、加熱温度が６００℃以上６８０℃以下、及び、加熱時間が４５秒以上１８０秒以下とすることが望ましい。これにより発光強度の高い半導体光デバイス１を形成することが可能となる。
＜電極８を形成：ステップＳ１６０＞
次に、電極８を形成する（ステップＳ１６０）。電極８を形成する方法として、例えば蒸着法等が用いられる。電極８は、コンタクト層７の上に形成された上層電極８１と、基板２の下に形成された下層電極８２とを有する。なお、ステップＳ１５０の後に電極８を形成することで、電極８の劣化を防ぐことができる。これにより、電極８の特性の低下を抑制することが可能となる。
上層電極８１及び下層電極８２として、例えばＴｉ、Ｐｔ、及びＡｕの積層体が用いられる。上層電極８１のＴｉ層は、例えばコンタクト層７と接するように形成される。下層電極８２のＴｉ層は、例えば基板２と接するように形成される。
なお、例えば電極８を形成する前に、絶縁層６を形成してもよい。絶縁層６を形成する方法として、例えばＣＶＤ法が用いられる。絶縁層６として、ベンゾシクロブテン、又はシリコン酸化物が用いられる。
例えば、図１（ａ）に示すように絶縁層６を形成する場合、コンタクト層７を形成した後、例えばフォトリソグラフィ法によりコンタクト層７にパターンを形成し、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法等によりコンタクト層７及びクラッド層５を選択的に除去する。その後、コンタクト層７及びクラッド層５を除去した部分に絶縁層６を形成する。
上記のほか、例えば図４に示すように絶縁層６を形成する場合、コンタクト層７の上に絶縁層６を形成した後、例えばフォトリソグラフィ法により絶縁層６にパターンを形成し、ＲＩＥ法等により絶縁層６を選択的に除去する。その後、絶縁層６を除去した部分及び絶縁層６の上に上層電極８１を形成する。
上述した各工程（ステップ）を経ることにより、本実施形態における半導体光デバイス１が形成される。なお、本実施形態における半導体光源及び光集積回路３０を製造する場合においても、上述した各工程を備える。
本実施形態における半導体光デバイス１の製造方法によれば、第１不純物を含むコンタクト層７に、第２不純物を注入し、コンタクト層７を加熱する。この工程を経て形成された半導体光デバイス１では、温度変化に伴う閾値電流の変化が小さくなる。このため、室温環境下からの温度上昇に伴う閾値電流の上昇を、抑制することができる。これにより、高い温度環境下においても、安定に動作し、高い性能を発揮することが可能となる。
また、本実施形態における半導体光デバイス１の製造方法によれば、コンタクト層７に注入された第２不純物が加熱に伴い拡散する範囲を、コンタクト層７及びクラッド層５に留めることができ、活性層４に第２不純物が拡散することを抑制することができる。これにより、活性層４の発光特性の低下を抑制することが可能となる。
実施例１
次に、本実施形態における半導体光デバイス１の実施例１について説明する。実施例１では、図４に示すような半導体光デバイス１を備えた半導体レーザを評価サンプル１００として作成し、特性を評価した。
実施例１では、ＩｎＧａＡｓにより形成されたコンタクト層７に、Ａｒを注入するか否かと、コンタクト層７の加熱を実施するか否かとの条件を変更して、３つの評価サンプル１００（参考例１−１、参考例１−２、実施例１−１）を作成した。評価サンプル１００では、活性層４としてバリア層４１と量子層４２とを合計３０層形成し、量子層４２として量子ドット４２ａを用いた。コンタクト層７に接する上層電極８１を、絶縁層６に挟まれ、Ｘ方向に５０μｍ幅となるように形成した。なお、その他の主な構成は、上述した半導体光デバイス１と同様のため、説明を省略する。
評価方法は、各設定温度（２８８Ｋ〜３５３Ｋ）における評価サンプル１００の閾値電流密度（ｋＡ／ｃｍ2）を測定し、特性温度Ｔ0を算出し、閾値電流の温度依存性を評価した。特性温度Ｔ0は、温度特性を示す指標であり、公知の方法で算出した。一般に、特性温度Ｔ0の値が大きいほど、閾値電流の温度依存性が小さいと評価することができる。また、各設定温度（３０℃、５０℃、７０℃）において評価サンプル１００から放出されるレーザのピーク波長を測定し、温度依存性を評価した。一般に、温度変化に伴うピーク波長のシフト量が小さいほど、半導体レーザの温度依存性が小さいと評価することができる。
Figure 0006940866
 表１は、各評価サンプル１００の作成条件、及び評価結果を示す表である。図５は、設定温度における各評価サンプル１００の閾値電流密度を測定した結果を示すグラフである。横軸は温度（Temperature（Ｋ））を示し、縦軸は閾値電流密度（Current density（ｋＡ／ｃｍ2））を示す。表１の特性温度Ｔ0は、図５に示す閾値電流密度の測定値に基づき算出した。
参考例１−１は、コンタクト層７にＡｒを注入せず、また、コンタクト層７の加熱を実施しないで形成された評価サンプルである。このとき、常温領域（２８８Ｋ〜３２３Ｋ）における特性温度Ｔ0は１１８Ｋであり、高温領域（３２３Ｋ〜３５３Ｋ）における特性温度Ｔ0は６４であった。参考例１−２は、コンタクト層７にＡｒを注入せず、また、コンタクト層７の加熱を実施して形成されたサンプルである。このとき、常温領域（２８８Ｋ〜３１３Ｋ）における特性温度Ｔ0は２０１Ｋであり、高温領域（３２３Ｋ〜３５３Ｋ）における特性温度Ｔ0は７７であった。
実施例１−１は、コンタクト層７にＡｒを注入し、また、コンタクト層７の加熱を実施して形成されたサンプルである。このとき、常温領域（２８８Ｋ〜３０３Ｋ）における特性温度Ｔ0は１３４Ｋであり、高温領域（３０３Ｋ〜３５３Ｋ）における特性温度Ｔ0は５７５であった。すなわち、実施例１−１は、参考例１−１及び参考例１−２に比べて、高温領域における特性温度Ｔ0が明らかに高いことを確認した。また、図５に示すように、実施例１−１は、参考例１−１及び参考例１−２に比べて、常温領域からの温度上昇に伴う閾値電流密度の上昇が明らかに低いことを確認した。
図６は、設定温度（３０℃、５０℃、７０℃）において各評価サンプル１００から放出されるレーザのピーク波長を測定した結果を示すグラフである。横軸は波長（Wavelength（ｎｍ））を示し、縦軸は出力（Power（ｄＢｍ））を示す。表１のピーク波長は、図６から読み取れる値であり、３０℃において評価サンプル１００から放出されるレーザのピーク波長を示し、ピークシフト量は、温度変化に伴うピーク波長のシフト量を示す。
参考例１−１は、ピーク波長が１５２８ｎｍであり、ピークシフト量が０．５２ｎｍ／℃であった。参考例１−２は、ピーク波長が１４８３ｎｍであり、ピークシフト量が０．４５ｎｍ／℃であった。
実施例１−１は、ピーク波長が１４１２ｎｍであり、ピークシフト量が０．１１〜０．１５ｎｍ／℃であった。すなわち、実施例１−１は、参考例１−１及び参考例１−２に比べて、温度変化に伴うピークシフト量が明らかに小さいことを確認した。
上記より、実施例１−１は、参考例１−１及び参考例１−２に比べて、高温領域において特性温度Ｔ0の値が大きく、閾値電流の温度依存性が小さいと評価できることを確認した。また、実施例１−１は、参考例１−１及び参考例１−２に比べて、温度変化に伴うピーク波長のシフト量が小さく、半導体レーザの温度依存性が小さいと評価できることを確認した。
実施例２
次に、本実施形態における半導体光デバイス１の実施例２について説明する。実施例２では、半導体光デバイス１を評価サンプルとして作成し、特性を評価した。
実施例２では、ＩｎＧａＡｓにより形成されたコンタクト層７を加熱する際の加熱温度と、加熱時間との条件を変更した１４つの評価サンプル（参考例２−１〜参考例２−５、実施例２−１〜２−９）を作成した。各評価サンプルを作成する際、イオン注入法を用いて１．０×１０14ｃｍ-2のドーズ量の条件で、Ａｒをコンタクト層７に注入した。
評価方法は、各評価サンプルに５５０ｎｍ付近の光を照射し、発光強度を評価した。発光強度の高い順番に「◎」、「○」、「△」、「×」の４段階で評価し、規定値を満たさないサンプルを「×」とした。
Figure 0006940866
 表２は、評価サンプルの作成条件、及び評価結果を示す表である。参考例２−１及び参考例２−２は加熱時間が３０秒未満で形成された評価サンプルである。このとき、参考例２−１及び参考例２−２は、低い発光強度を示し、規定値を満たさなかった。また、参考例２−４及び参考例２−５は加熱時間が１８０秒を超え、参考例２−３は加熱温度が７２０℃を超えて形成された評価サンプルである。このとき、参考例２−３〜参考例２−５は、低い発光強度を示し、規定値を満たさなかった。
これに対し、実施例２−１〜実施例２−９は、加熱温度が６００℃以上７２０℃以下、及び、加熱温度が３０秒以上１８０秒以下で形成されたサンプルである。このとき、実施例２−１〜参考例２−９は、高い発光強度を示し、規定値を満たした。特に、実施例２−２〜実施例２−４、実施例２−７、及び実施例２−８は、加熱温度が６００℃以上６８０℃以下、及び、加熱温度が４５秒以上１８０秒以下で形成されたサンプルである。このとき、実施例２−２〜実施例２−４、実施例２−７、及び実施例２−８は、特に高い発光強度を示した。
上記より、実施例２−１〜実施例２−９は、参考例２−１〜参考例２−５に比べて、規定値を満たす発光強度を示すと評価できることを確認した。また、実施例２−２〜実施例２−４、実施例２−７、及び実施例２−８は、特に高い発光強度を示すと評価できることを確認した。
なお、上述した説明における「上」又は「下」の記載は、各構成が接している場合のほか、Ｚ方向に離間して設けられる場合も示す。
１ ：半導体光デバイス
２ ：基板
３ ：下層クラッド層
４ ：活性層
５ ：クラッド層
６ ：絶縁層
７ ：コンタクト層
８ ：電極
９ ：反射防止膜
１０ ：半導体レーザ
２０ ：半導体光増幅器
３０ ：光集積回路
４０ ：制御部
４１ ：バリア層
４２ ：量子層
４２ａ ：量子ドット
８１ ：上層電極
８２ ：下層電極
１００ ：評価サンプル

Claims (6)

  1. 基板の上に設けられた活性層と、前記活性層の上に設けられたクラッド層とを備える半導体光デバイスであって、
    前記クラッド層の上に設けられ、第１不純物及び前記第１不純物とは異なる第２不純物を含むコンタクト層を備え、
    前記第１不純物は、ベリリウム又は亜鉛であり、
    前記第２不純物は、アルゴン、リン、又はホウ素であり、
    前記第２不純物の濃度は、１．０×１０ １２ ｃｍ −２ 以上１．０×１０ １５ ｃｍ −２ 以下であり、
    前記コンタクト層は、ＩｎＧａＡｓ又はＧａＡｓであること
    を特徴とする半導体光デバイス。
  2. 前記２不純物はアルゴン又はホウ素であり、
    前記クラッド層に含まれる前記第２不純物の濃度は、前記コンタクト層に接する側から前記活性層に接する側に向かって濃度が低下し、
    前記活性層は、前記第２不純物を含まない、又は、前記クラッド層よりも低い濃度で前記第２不純物を含むこと
    を特徴とする請求項１記載の半導体光デバイス。
  3. 基板の上に設けられた活性層と、前記活性層の上に設けられたクラッド層とを備える半導体光源であって、
    前記クラッド層の上に設けられ、第１不純物及び前記第１不純物とは異なる第２不純物を含むコンタクト層を備え、
    前記第１不純物は、ベリリウム又は亜鉛であり、
    前記第２不純物は、アルゴン、リン、又はホウ素であり、
    前記第２不純物の濃度は、１．０×１０ １２ ｃｍ −２ 以上１．０×１０ １５ ｃｍ −２ 以下であり、
    前記コンタクト層は、ＩｎＧａＡｓ又はＧａＡｓであること
    を特徴とする半導体光源。
  4. 基板の上に設けられた活性層と、前記活性層の上に設けられたクラッド層とを備えた半導体光デバイスを備える光集積回路であって、
    前記半導体光デバイスは、前記クラッド層の上に設けられ、第１不純物及び前記第１不純物とは異なる第２不純物を含むコンタクト層を備え、
    前記第１不純物は、ベリリウム又は亜鉛であり、
    前記第２不純物は、アルゴン、リン、又はホウ素であり、
    前記第２不純物の濃度は、１．０×１０ １２ ｃｍ −２ 以上１．０×１０ １５ ｃｍ −２ 以下であり、
    前記コンタクト層は、ＩｎＧａＡｓ又はＧａＡｓであること
    を特徴とする光集積回路。
  5. 基板の上に活性層を形成する工程と、前記活性層の上にクラッド層を形成する工程とを備える半導体光デバイスの製造方法であって、
    前記クラッド層の上に第１不純物を含むコンタクト層を形成する工程と、
    前記コンタクト層に前記第１不純物とは異なる第２不純物を注入する工程と、
    前記コンタクト層を加熱する工程と、
    を備え、
    前記第１不純物は、ベリリウム又は亜鉛であり、
    前記第２不純物は、アルゴン、リン、又はホウ素であり、
    前記第２不純物の濃度は、１．０×１０ １２ ｃｍ −２ 以上１．０×１０ １５ ｃｍ −２ 以下であり、
    前記コンタクト層は、ＩｎＧａＡｓ又はＧａＡｓであること
    を特徴とする半導体光デバイスの製造方法。
  6. 前記コンタクト層を形成する工程として、前記第１不純物を含むＩｎＧａＡｓが形成され、
    前記コンタクト層を加熱する工程は、６００℃以上７２０℃以下、及び、３０秒以上１８０秒以下で加熱すること
    を特徴とする請求項５記載の半導体光デバイスの製造方法。
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