JPH04260377A - 化合物光半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、化合物半導体を用いて
作られる化合物半導体装置に関し、特に光を発光する、
変調する、受光する等光に関する機能を発揮できる化合
物半導体装置に関する。

【０００２】光通信、光信号処理の分野において、光半
導体装置の高性能化の要求が強くなっている。光を発光
、吸収、変調、導波などする活性層は、通常プレーナ状
の構造を有する。近年活性層の性能を向上するため、１
次元の自由度を束縛した量子井戸層を障壁層で挾んだ量
子井戸型活性層を用いた光半導体装置が開発されている
。さらに活性層の性能を向上するため、２次元方向の自
由度を束縛し、自由度を１次元とした量子細線構造を採
用した光半導体装置も開発されている。量子細線構造は
、その製造技術に起因して活性層全体の面積に占める量
子細線構造の面積が非常に小さい。このため、量子細線
構造に効率的に電流を注入する技術の開発が期待されて
いる。

【０００３】

【従来の技術】従来の技術による量子細線構造を有する
光半導体装置の例を図３を参照して説明する。

【０００４】図３（Ａ）は、従来の技術による量子細線
構造を有するレーザの構造を断面で示す。例えばｎ型Ｉ
ｎＰで形成された結晶基板５１の上に、ｎ型ＩｎＧａＡ
ｓＰで形成され、目的とする光のエネルギよりもバンド
ギャップエネルギが高く、屈折率が相対的に低い下方光
閉じ込め層５２が形成され、その表面に、光の進行方向
と直角に延び、幅および深さが数１０ｎｍ以下、ピッチ
約１００〜２００ｎｍ程度以上の縞状溝領域を形成し、
この溝内に例えばｉ型ＩｎＰ障壁層とｉ型ＩｎＧａＡｓ
等の量子井戸層の積層構造を選択成長して量子細線活性
層５３を形成する。

【０００５】このように量子細線構造を形成した表面上
に、例えばｐ型ＩｎＧａＡｓＰからなる上方光閉じ込め
層５４、ｐ型ＩｎＰで形成されたクラッド層５５、低抵
抗率のｐ型ＩｎＧａＡｓＰで形成されたコンタクト層５
６をエピタキシャルに成長する。このようにして形成し
た構造のｎ型領域上にｎ側電極５８、ｐ型領域上にｐ側
電極５９を形成する。図示の構造において、左右端面に
鏡面を形成し、キャビティを構成するとレーザが形成さ
れる。

【０００６】量子細線活性層５３内の量子井戸層は、図
中、横方向および縦方向の自由度が制限されており、１
次元自由度の領域となる。通常のプレーナ型活性層にお
いて、活性層内のキャリアは３次元方向の自由度を有し
、バルク結晶内のキャリアと同様に見なせる。

【０００７】図３（Ｂ）はバルク形結晶における状態密
度のエネルギに対する変化を示すグラフである。状態密
度の変化を示す曲線は、エネルギが状態密度の２乗に比
例する形状を有する。このような状態密度を有するバン
ドにキャリアが注入されると、図中破線領域で示すよう
な分布をとる。光半導体装置としては、所定波長の光に
対して鋭い応答をすることが望まれる。しかしながら、
図３（Ｂ）に示す分布は、エネルギの増大と共に徐々に
増大する形状を有する。このため、発光等によって消費
するキャリアの数が多いとキャリアの分布が変化し、信
号増幅などの線形性を失うこととなる。

【０００８】図３（Ｃ）は層の厚さを減少し、量子井戸
を構成した場合の状態密度のエネルギに対する変化を示
すグラフである。１次元方向の自由度を制限すると、キ
ャリアの自由度は２次元となる。このような２次元状態
の結晶における状態密度は、図に示すように階段的な変
化を示す。このような状態密度を有するバンドにキャリ
アを注入すると、斜線部分で示すようにキャリアは分布
する。２次元バンド構造においては、最も低いエネルギ
において、キャリア密度が最も高い。このため所定エネ
ルギに対して鋭い応答を示すようになる。

【０００９】図３（Ｄ）は、量子井戸層の平面内におい
てさらに１次元方向の制限を行い、キャリアの自由度を
１次元とした量子細線構造をとった場合の状態密度のエ
ネルギに対する変化を示すグラフである。１次元自由度
の量子細線構造においては、状態密度が図に示すように
あるエネルギで鋭く立ち上がり、エネルギの増大と共に
減少し、次の準位の位置において再び鋭く立ち上がり、
エネルギの増大と共に減少する。このような状態密度を
有するバンドにキャリアを注入すると、図中斜線領域で
示すように、キャリア分布も狭いエネルギ範囲内に鋭く
分布する。従って、量子細線形活性層は所定波長の光に
対して鋭い応答を示し、飽和しにくい特性を示す。

【００１０】図３（Ａ）の構造において、量子細線活性
層５３において、光を発光させるにはｐ側電極５９から
ｎ側電極５８に向かって電流を流す。電流が量子細線活
性層５３に注入されると、図３（Ｄ）に示すような、キ
ャリア分布を有するバンド間で電子・正孔の再結合が生
じ、発光が生じる。キャビティを構成して所定波長の光
を増大するとこにより、レーザ発光が生じる。なお供給
する電流を減少すると、光増幅作用が光吸収作用に変化
し、光変調器を形成することができる。また、注入する
電流を変化させることにより、屈折率を変化させ光吸収
、光導波などの機能を発揮させることもできる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】図３（Ａ）に示すよう
な量子細線構造を有するレーザに於いては、量子細線活
性層５３は、その幅が数１０ｎｍ程度以下でなければな
らない。この様に微細な構造を作成するには、通常干渉
露光法がまたは電子ビーム露光法が用いられる。露光す
る縞の間のピッチを１００〜２００ｎｍ程度よりも小さ
くすることは極めて困難である。従って、結晶面内で量
子細線活性層５３の占める面積は高々２０％程度となる
。

【００１２】このような構造において、電流を流した時
の電流の流れる経路の様子を図３（Ｅ）に示す。すなわ
ち、図中中央の矢印で示すように電流は量子細線活性層
５３を通って流れるのみでなく、両側の矢印で示すよう
にｐ型領域５４から直接ｎ型領域５２にも流れてしまう
。このようにｐ型領域から直接ｎ型領域に流れる電流は
、所望波長の発光等に寄与することができず無効電流と
なる。このように、量子細線活性層５３への電流の注入
効率は非常に悪かった。

【００１３】本発明の目的は、量子細線活性層への電流
注入効率を高めた化合物光半導体装置を提供することで
ある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】図１は本発明の原理説明
図である。図１（Ａ）は構成を斜視図で示し、図１（Ｂ
）は縦断面で示し、図１（Ｃ）は横断面で示す。

【００１５】図において、所定波長の光のエネルギより
大きなエネルギギャップを有する化合物半導体で形成さ
れ、一方の導電型を有する下方光閉じ込め層７の上に、
ストライプ状に活性光路領域５が形成されている。光路
領域５は，　所定幅以下の複数の１次元状間隙領域を除
いて電位障壁を形成する電位障壁領域１及びその間隙領
域に所定波長の光に関する機能を発揮できる量子細線構
造２を含む。この活性光路領域５の上には所定波長の光
のエネルギより大きなエネルギギャップを有する化合物
半導体で形成され、下方光閉じ込め領域と逆の導電型を
有する上方光閉じ込め領域６が形成されている。また、
活性光路領域５の側方には、所定波長の光のエネルギよ
り大きなエネルギギャップを有する化合物半導体で形成
され、電気的に不活性な側方光閉じ込め領域８が形成さ
れている。

【００１６】量子細線構造は、たとえばエネルギギャッ
プの狭い量子井戸層３とエネルギギャップの広い障壁層
４との交互積層で形成される。本発明の好ましい形態に
おいては、量子細線構造２は、図１（Ａ）、（Ｂ）に示
すように、光の進行する方向に関して所定ピッチで繰返
し形成されている。

【００１７】また、本発明の好ましい形態においては、
電位障壁領域は、図２（Ａ）に示すように、量子細線構
造２の実効的バンドギャップより広いバンドギャップを
有する化合物半導体の領域１１で形成されている。

【００１８】また、本発明の好ましい形態においては、
電位障壁領域は、図２（Ｂ）に示すように、少なくとも
１つのｐｎ接合（１４）を形成する領域（１２、１３）
を含む。たとえば、下方光閉じ込め領域７がｎ型である
として、電位障壁領域をｐ型領域１３、ｎ型領域１２の
積層で形成することができる。この構成の場合、ｐ型領
域１３とｎ型領域１２との間に形成されるｐｎ接合は、
ダイオード構造全体を順バイアスした時、逆バイアスさ
れ、電流を阻止する機能を発揮する。またこの場合、ｐ
ｎ接合は１４、１５、１６と３つ存在するが、作り付け
電位を利用する場合は１つであってもよい。また、他の
数であってもよい。

【００１９】

【作用】図１に示す構成の場合、上方光閉じ込め層６か
ら下方光閉じ込め層７に電流を流そうとすると、電位障
壁領域１には電流が流れ難いため、電流は選択的に量子
細線構造２を通って流れる。この様子を図１（Ｂ）、（
Ｃ）に矢印で示す。電流が量子細線構造を選択的に通る
ため、電流の利用効率が極めて高くなる。

【００２０】また、量子細線２を、光の進行方向に関し
て所定ピッチで繰り返し形成すると、その周期構造によ
り、回折格子の機能が生じる。目的とする光の波長と、
この回折格子の周期（格子定数）を調整することにより
、目的とする波長の光に対し選択的な光路が形成される
。

【００２１】電位障壁領域をバンドギャップの広い化合
物半導体の領域１１で形成すると、簡単な構成で有効に
電流を阻止することができる。また、電位障壁領域を少
なくとも１つのｐｎ接合（１４）を形成する領域（１２
、１３）で形成すると、電位障壁領域を形成できる材料
の種類が豊富になる。

【００２２】このように形成した活性光路領域５は、種
々の機能を有する。順バイアス電流を流し、量子細線構
造２内で発光性再結合を行わせることにより、化合物光
半導体装置を半導体レーザとして機能させることができ
る。また、順バイアス電流を流し、その電流値によって
量子細線構造内の吸収係数を変化させることにより、化
合物光半導体装置を変調装置として機能させることがで
きる。また、順バイアス電流により量子細線構造の屈折
率を変化させることにより、導波路の性質を変化させる
ことができる。たとえば、回折格子構造と組み合わせる
こと等により波長可変レーザとして機能させること、光
閉じ込め効果の変化する導波路を形成すること等ができ
る。

【００２３】以下実施例に沿って、本発明をより詳細に
説明する。

【００２４】

【実施例】図４は、本発明の実施例による化合物光半導
体装置を示す。図４（Ａ）は縦断面図を示し、図４（Ｂ
）は横断面図、図４（Ｃ）は一部拡大断面図を示す。

【００２５】ｎ型ＩｎＰ基板２１の上に、厚さ約１μｍ
のｎ型ＩｎＰで形成されたバッファ層２２が配置され、
その上に厚さ約０．２μｍのｎ型ＩｎＧａＡｓＰで形成
された下方光閉じ込め層２３が配置されている。この光
閉じ込め層２３は、好ましくはＩｎＰバッファ層２２か
ら上方に向かうに従って徐々にバンドギャップが小さく
なる組成傾斜層で形成する。このような組成傾斜層を用
いることにより、活性層への光閉じ込め効果が高くなる
。

【００２６】下方光閉じ込め層２３の上には、複数の量
子細線構造２５が電位障壁領域２４で挾まれた構造の活
性層３０が配置される。量子細線構造２５の周期は、露
光技術によって制限される。たとえば、光露光技術によ
れば約２００ｎｍ、電子ビーム露光技術によれば約１０
０ｎｍが下限とされる。量子細線構造２５の幅は、たと
えば１０〜３０ｎｍに選択される。この幅が数１０ｎｍ
以上になると、幅方向での閉じ込め効果が弱くなり、量
子細線としての特性を十分に発揮させることができなく
なる。約１．５５μｍで発光するレーザを作製する場合
は、量子細線構造２５のピッチは約２４０ｎｍとする。 また、電位障壁領域２４は、たとえばｉ型ＩｎＰで形成
できる。

【００２７】量子細線構造２５は、図４（Ｃ）に示すよ
うに量子井戸層３７と障壁層３８との交互積層で形成さ
れる。量子井戸層３７は、たとえば５〜２０ｎｍの厚さ
にされ、障壁層３８の厚さは厳密ではないが１０ｎｍ程
度にされる。波長約１．５５μｍの分布帰還型レーザを
構成する場合、量子井戸層３７をｉ型ＩｎＧａＡｓで形
成し、障壁層３８をｉ型ＩｎＧａＡｓＰで形成する。

【００２８】この場合、バンドギャップの大小関係は、
電位障壁領域２４＞光閉じ込め層２３、２６＞量子細線
構造２５となる。また、量子細線構造２５内では、障壁
層３８＞量子井戸層３７となる。

【００２９】このようにして、量子細線構造２５と電位
障壁領域２４の縞模様からなる活性層３０を形成した後
、その上に厚さ約０．２μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓＰから
なる上方光閉じ込め層２６、厚さ約１μｍのｐ型ＩｎＰ
からなる上クラッド層２７を形成する。

【００３０】上方光閉じ込め層２６は、好ましくは活性
層から上方に向かうに従ってバンドギャップが徐々に大
きくなる組成傾斜層を用いる。このような組成傾斜層を
用いることにより、活性層への光の閉じ込め効果が高く
なる。なお、バッファ層２２は下クラッド層として機能
する。上クラッド層２７の上に、オーミック電極を形成
するためのｐ型ＩｎＧａＡｓＰからなるコンタクト層２
８を形成する。

【００３１】なお、活性層側方は、図４（Ｂ）に示すよ
うに、たとえば半絶縁性ＩｎＰ等で形成されたバンドギ
ャップが広く、電気的に不活性な側方光閉じ込め領域３
５で埋め込む。

【００３２】結晶基板２１上にはｎ側電極３１を形成し
、コンタクト層２８上にはｐ側電極３２を形成してＤＦ
Ｂレーザ構造を形成する。なお、結晶基板上のエピタキ
シャル層は結晶基板に対して格子整合する組成を選択す
ることが好ましい。

【００３３】量子細線構造２５は、ＩｎＰと格子定数の
異なる歪量子井戸としてもよい。ｐ側電極３２と、ｎ側
電極３１との間に順バイアスを印加すると、活性層３０
を通って電流が流れる。

【００３４】活性層３０においては、電位障壁領域２４
は電流を阻止するため、量子細線構造２５に選択的に電
流が流れ、発光を生じる。量子細線構造２５が、上述の
ように回折格子を形成するように周期的に配置されてい
るので、この回折格子に適合する波長の光が選択的に増
幅されレーザ光となって出射する。

【００３５】なお、ＤＦＢレーザを構成する場合を説明
したが、量子細線構造２５のピッチを波長と無関係な値
に選ぶと、ＤＦＢ機能は失われる。この場合、単なる半
導体レーザとして機能する。また、ダイオード構造に流
す電流値がしきい値以下の場合、レーザ発振は生じず、
電流値に依存した光吸収が生じる。この性質を利用する
ことにより光吸収装置、光変調装置、光導波路等を構成
することができる。光吸収装置や光導波路を構成する場
合は、活性層への光閉じ込めを強くすることが好ましい
。そのためには、下方光閉じ込め層２３および上方光閉
じ込め層２６を組成傾斜層で形成することが望ましい。

【００３６】以上の構成においては、活性層３０内で量
子細線構造２５の占める面積が小さいにも拘らず、電流
は量子細線構造を選択的に流れるため、電流の利用効率
が極めて高くなる。

【００３７】電位障壁領域２４をバンドギャップの広い
半導体で形成する場合を説明したが、電流を阻止する機
能があれば、バンドギャップの広い半導体で形成しなく
てもよい。たとえば、図２（Ｂ）に示すように、ｐ型領
域とｎ型領域を積層し、逆バイアスされるｐｎ接合を形
成すると、この逆バイアスされたｐｎ接合によって電流
が阻止される。また、バンドギャップが同程度であって
も、量子細線構造においては、ｐｉｎ接合構造とし、電
位障壁領域においてはｐｎ構造とすることにより、作り
付け電位の差を生じさせ、電流をｐｉｎ構造に選択的に
流れるようにすることもできる。

【００３８】以下、図４の構成を作成するための製造方
法について説明する。図５（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、
図４の構造を製造するための１つの例を示す。先ず、図
５（Ａ）に示すように、結晶基板２１上にバッファ層２
２、下方光閉じ込め層２３、電位障壁領域２４を連続的
にエピタキシャル成長する。

【００３９】その後、図５（Ｂ）に示すように、電位障
壁領域２４上にホトレジスト層３５を形成し、量子細線
構造を形成すべき領域に開口を設ける。この開口を利用
して下の電位障壁領域２４をエッチングする。量子細線
構造への電流注入効率を上げるためには、電位障壁領域
２４の全厚さを除去することが好ましい。また、電位障
壁領域の幅を一定の値にするには、方向性のあるエッチ
ングを行うことが好ましい。たとえば、リアクティブイ
オンエッチングを行う。エッチング後ホトレジストマス
ク３５は除去する。

【００４０】なお、ホトレジストマスク３５の下に次の
エピタキシャル成長でマスクとして機能する酸化シリコ
ン膜を形成してもよい。この酸化シリコン膜は、ホトレ
ジストマスク３５を用いて選択エッチングされ、ホトレ
ジストマスク３５除去後も電位障壁領域２４上に残され
る。

【００４１】次に、図５（Ｃ）に示すように、電位障壁
領域２４間に形成された開口部へ量子細線構造２５をエ
ピタキシャル成長する。すなわち、所定厚さの障壁層、
量子井戸層を交互に積層する。電位障壁領域２４とほぼ
同一レベルの面を形成するようにして、量子細線構造２
５のエピタキシャル成長をおえる。

【００４２】その後、上方光閉じ込め層２６、上クラッ
ド層２７、コンタクト層２８等をエピタキシャル成長す
る。なお、途中の位置において、エピタキシャル成長を
一旦中断し、メサエッチングを行ってストライプ状の活
性領域を得る。このメサ領域側方に、図４（Ｂ）に示す
ような側光閉じ込め領域をエピタキシャルに成長し、さ
らにその上のエピタキシャル成長を続ける。このように
して、図４に示すような構造を形成することができる。

【００４３】図５に示すように、初めに電位障壁領域２
４を形成し、その後に量子細線構造２５を形成すると、
量子細線構造２５はエッチングの影響を受けずにすむ。 しかしながら、図５の製造方法によれば、量子細線構造
２５のエピタキシャル成長の際、成長は露出した結晶表
面で選択的に生じるため、量子細線構造内の各層の表面
が平面とならず湾曲しやすい。

【００４４】図６（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、図４の構
造を作成するための他の製造方法を示す。図６（Ａ）に
示すように、先ず結晶基板２１の上にバッファ層２２、
下方光閉じ込め層２３をエピタキシャルに成長した後、
量子細線構造を形成する積層構造２５をエピタキシャル
に成長する。この場合、量子細線構造２５を形成する各
層は良好な平面を有する。

【００４５】その後、図６に示すように、量子細線構造
用積層２５の上にホトレジスト層３６を形成し、選択露
光して量子細線構造となる部分を残し他を除去する。こ
のホトレジストマスク３６をマスクとして、エッチング
を行うことにより、露出した部分における量子細線構造
用積層を除去する。なお、積層上にマスク用のシリコン
酸化膜等を形成しておいてもよい。

【００４６】その後、図６（Ｃ）に示すように、電位障
壁領域２４を選択的にエピタキシャル成長する。上述の
方法によれば、量子細線構造２５内の各層は所望の平坦
な形状に形成される。

【００４７】その後、図５の製造方法と同様な工程によ
り、残りの構造を形成する。なお、上述の材料の組み合
わせ以外の材料を用いることもできる。たとえば、Ｉｎ
Ｐ基板を用いる場合も、光閉じ込め層にＩｎＰに格子整
合するＡｌＧａＩｎＡｓを用いてもよく、また電位障壁
領域としてＩｎＡｌＡｓを用いてもよい。また、結晶基
板をＧａＡｓとし、光閉じ込め層をＡｌＧａＡｓとし、
電位障壁領域を光閉じ込め層よりもＡｌ組成の大きなＡ
ｌＧａＡｓとして、量子井戸層をＧａＡｓで形成するこ
ともできる。その他の材料の組合せも可能である。

【００４８】ダイオード構造も上述のものに限らない。 導電型を反転したものも可能であり、種々の変更、置換
、組合せ等も可能である。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。たとえば、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。

【００４９】

【発明の効果】以上、説明したように、本発明によれば
、量子細線構造を活性層に有する化合物光半導体装置に
おいて、電流注入効率を改善することができ、高性能の
化合物光半導体装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理説明図である。図１（Ａ）は斜視
図、図（Ｂ）は縦断面図、図１（Ｃ）は横断面図である
。

【図２】本発明の原理説明図である。図２（Ａ）は形態
１を示す断面図、図２（Ｂ）は形態２を示す断面図であ
る。

【図３】従来の技術を示す。図３（Ａ）は量子細線構造
を有するレーザの断面図、図３（Ｂ）〜（Ｅ）は活性層
の性質を説明するためのグラフおよび略図である。

【図４】実施例を示す。図４（Ａ）は縦断面図、図４（
Ｂ）は横断面図、図４（Ｃ）は一部拡大断面図である。

【図５】図４の構造を作成するための製造方法を示す。 図５（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、製造方法の異なる工程
における半導体基板の断面図である。

【図６】図４の構造を作成するための他の製造方法を示
す。図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、製造方法の異なる工
程における半導体基板の断面図である。

【符号の説明】

１　　電位障壁領域 ２　　量子細線構造 ３　　量子井戸層 ４　　障壁層 ５　　活性光路領域 ６、７、８　　光閉じ込め層 ２１　　結晶基板 ２２　　バッファ層 ２３　　下方光閉じ込め層 ２４　　電位障壁領域 ２５　　量子細線構造 ２６　　上方光閉じ込め層 ２７　　上クラッド層 ２８　　コンタクト層 ３０　　活性層 ３１、３２　　電極 ３５　　側方光閉じ込め領域 ３７　　量子井戸層 ３８　　障壁層

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】所定波長の光のエネルギより大きなエネル
   ギギャプを有する化合物半導体で形成され、一方の導電
   型を有する下方光閉じ込め層（７）と、前記下方光閉じ
   込め層（７）上にストライプ状に形成された活性光路領
   域（５）であって、所定幅以下の複数の１次元状間隔領
   域を除いて形成され、荷電担体に対して電位障壁を形成
   する電位障壁領域（１）と、前記間隔領域に形成され、
   前記所定波長の光に関する機能を発揮できる量子細線構
   造（２）とを含む活性光路領域（５）と、前記活性光路
   領域（５）上に形成され、前記所定波長の光のエネルギ
   より大きなエネルギャップを有する化合物半導体で形成
   され、他方の導電型を有する上方光閉じ込め層（６）と
   、前記活性光路領域（５）の側方に形成され、前記所定
   波長の光のエネルギより大きなエネルギャップを有する
   化合物半導体で形成され、電気的に不活性な側方光閉じ
   込め領域（８）とを有する化合物光半導体装置。
2. 【請求項２】請求項１記載の化合物光半導体装置であっ
   て、前記量子細線構造（２）は光の進行する方向に関し
   て所定ピッチで繰返し形成されている化合物光半導体装
   置。
3. 【請求項３】請求項１ないし２記載の化合物光半導体装
   置であって、前記電位障壁領域（１）は前記量子細線構
   造（２）の実効的バンドギャップより広いバンドギャッ
   プを有する化合物半導体の領域（１１）で形成されてい
   る化合物光半導体装置。
4. 【請求項４】請求項１ないし２記載の化合物光半導体装
   置であって、前記電位障壁領域（１）は少なくとも１つ
   のｐｎ接合（１４）を形成する領域（１２、１３）を含
   む化合物光半導体装置。