(57)【要約】【課題】伝導帯のバンドオフセットが大きな量子井戸を持った光半導体素子を実現する。【解決手段】ＧａＡｓ基板１２と、基板１２との格子定数差が１．５％以下であるＧａＡｓ層（半導体層）２２との間に、ＩｎＧａＡｓバッファ層２１を配置する。バッファ層２１の格子定数は、ＧａＡｓ層２２の格子定数よりも大きく、ＧａＡｓ層２２の格子定数に比べて３割大きい格子定数以下である。【選択図】図１
2010062401.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板より格子定数が大きく、かつ、前記半導体基板との格子定数差が１．５％以下である格子緩和した半導体層と、
前記半導体基板と前記半導体層の間に配置したバッファ層を持つことを特徴とする半導体構造。
【請求項２】
前記バッファ層の格子定数が、前記半導体層の格子定数よりも大きく、前記半導体層の格子定格に比べて３割大きい格子定数以下であることを特徴とする請求項１の半導体構造。
【請求項３】
前記バッファ層の層厚が２０ｎｍから２０００ｎｍの範囲であることを特徴とする請求項１または請求項２の半導体構造。
【請求項４】
前記半導体基板がＧａＡｓであることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項の半導体構造。
【請求項５】
前記半導体層がＩｎＧａＡｓまたはＩｎＡｌＡｓであることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか一項の半導体構造。
【請求項６】
前記ＩｎＧａＡｓまたは前記ＩｎＡｌＡｓのＩｎ組成ｘが０＜ｘ≦０．２の範囲にあることを特徴とする請求項５の半導体構造
【請求項７】
前記バッファ層がＩｎＧａＡｓまたはＩｎＡｌＡｓであって、そのＩｎ組成が０＜ｘ≦０．３の範囲にあることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか一項の半導体構造。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７の何れか一項の半導体構造の上に、前記半導体基板側のクラッド層と前記半導体基板と反対側のクラッド層で挟まれた半導体量子井戸活性層を有し、その発光波長が１．１〜１．４μｍであることを特徴とする光半導体素子。
【請求項９】
前記半導体基板と反対側のクラッド層を埋め込む埋め込み層が、Ｒｕドープ半絶縁性半導体結晶であることを特徴とする請求項８の光半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光半導体素子の高性能化を可能にするため、半導体基板上に基板と格子定数の異なる半導体を配置した構造及びそれを用いた光半導体素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光源波長として１．３μｍ〜１．５５μｍを用いた光ファイバ通信は、従来、バンドギャップ、格子定数の関係上作製しやすいＩｎＰ基板上ＩｎＧａＡｓＰ系のレーザが用いられてきた。
【０００３】
通常、発振特性の改善のために活性層に歪量井戸構造を採用している。一般的に歪量を増大させれば、微分利得の向上によりレーザ特性が改善することが知られているが、大きすぎる歪は結晶性の劣化を招くので、その構成材料としてはＩｎＰ基板との格子定数差を考慮して、井戸層には１％前後の圧縮歪となるＩｎＧａＡｓＰを用い、障壁層にはＩｎＰ基板と格子整合した組成となるＩｎＧａＡｓＰを用いることが一般的である。
【０００４】
このような従来のＩｎＰ基板上レーザでは伝導帯側の量子井戸と障壁層間のバンド不連続が小さいために高温条件下にすると電子のオーバーフローによる光学利得の低下が生じ、しきい値電流の増加、効率の低下を引き起こす。しきい値電流の温度依存性を示す特性温度は５０Ｋ程度と低く、温度調整器の使用が不可欠であった。
【０００５】
また同じＩｎＰ基板上において、ＩｎＧａＡｓＰ系より大きなバンド不連続を持つといわれるＩｎＡｌＧａＡｓ系レーザも開発されているが、ＧａＡｓ基板上の短波長のＩｎＧａＡｓレーザに比べると温度特性は劣っている。さらにＡｌを含んだ材料固有の酸化による信頼性劣化が懸念される。
【０００６】
ＧａＡｓ基板上では比較的短波長の０．７８μｍ、０．８５μｍ、０．９８μｍ、１．０６μｍ帯レーザが実用化されており、特性温度１５０Ｋを超える優れた温度特性を示している。これは伝導帯側の大きなバンドオフセットによるものである。
【０００７】
ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ歪量子井戸構造によって１．３μｍでの発光を得るためにはＩｎ組成を５０％程度に高める必要がある。しかしながら、Ｉｎ組成の増加とともにＧａＡｓ基板との格子不整合が大きくなり３次元成長やミスフィット転位が生じるため、１．３μｍ以上の波長帯での高品質な量子井戸の形成は困難である。
【０００８】
この格子定数とバンド構造の問題を改善する手段としてＧａＡｓより格子定数が大きくなるＩｎＧａＡｓ３元基板上レーザが提案された。(K.Otsubo, et. al., IEEE Photonics Technology Letter, Vol.10, No.8, pp.1073-1075, 1998.)
【０００９】
しかしながらＩｎＧａＡｓ３元基板は基板作製時にＩｎとＧａの物性定数差から組成ゆらぎや欠陥が入りやすく、更に大面積化が難しいために、大量生産が困難という問題があった。また基板そのものが３元混晶であるために、２元のＧａＡｓやＩｎＰに比べると熱伝導率が低いため、半導体レーザや、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）やヘテロバイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）などの電子デバイスなどにおいて、素子内部で発生した熱の放熱が悪く、素子温度を上昇させる問題があった。
【００１０】
またＧａＡｓ基板上にＩｎＧａＡｓやＩｎＡｌＡｓのバッファ層を成長し、擬似的にＩｎＧａＡｓ３元基板を作製する試みもなされてきた。これはＧａＡｓから徐々にＩｎ組成を増やし、転位の増殖を抑えながら、格子緩和させる方法である。この方法ではミスフィット転位や貫通転位を完全にバッファ層中に留めることが困難で、その上に形成した半導体レーザやＨＥＭＴなどの電子デバイスまで到達し、しきい値電流の上昇や漏れ電流の増加、信頼性の低下など特性を劣化させていた。
【００１１】
【非特許文献１】K.Otsubo, et. al., IEEE Photonics Technology Letter, Vol.10, No.8, pp.1073-1075, 1998.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
以上のように通信用の波長帯の光を出す半導体レーザの量子井戸の伝導帯のバンドオフセットを大きくし、温度特性を高めた構造を作製するために最適な構成材料は、２元のＧａＡｓやＩｎＰ基板上からは格子定数差が大きいという問題がある。また電子デバイスにおいても、所望のバンドギャップを持つ材料とその材料の格子定数が２元のＧａＡｓやＩｎＰ基板とは大きく異なる場合が生じる。そのために結晶成長時にミスフィット転位や貫通転位などの格子欠陥が発生し、高品質の結晶を得ることが困難となる。
【００１３】
一方ＩｎＧａＡｓなどの３元基板はその作製方法自体が困難で、良好な結晶の基板が得られない。また基板の放熱が悪いという問題がある。
【００１４】
また別の方法としてＧａＡｓ基板上にＩｎＧａＡｓやＩｎＡｌＡｓの組成を徐々に変化させたバッファ層なども検討されてきたが、ミスフィット転位や貫通転位がその上に形成した半導体レーザや、ＨＥＭＴなどの電子デバイスまで届き、特性の劣化や信頼性の低下などデバイスに悪影響を与えていた。
【００１５】
本発明ではこの問題を解決するために、基板上に適当なバッファ層を導入することで、所望の格子定数をもった高品質な化合物半導体層を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決する本発明の半導体構造の構成は、半導体基板と、
前記半導体基板より格子定数が大きく、かつ、前記半導体基板との格子定数差が１．５％以下である格子緩和した半導体層と、
前記半導体基板と前記半導体層の間に配置したバッファ層を持つことを特徴とする。
【００１７】
また本発明の半導体構造の構成は、前記バッファ層の格子定数が、前記半導体層の格子定数よりも大きく、前記半導体層の格子定格に比べて３割大きい格子定数以下であることを特徴とする。
【００１８】
また本発明の半導体構造の構成は、前記バッファ層の層厚が２０ｎｍから２０００ｎｍの範囲であることを特徴とする請求項１または請求項２の半導体構造。
【００１９】
また本発明の半導体構造の構成は、前記半導体基板がＧａＡｓであることを特徴とする。
【００２０】
また本発明の半導体構造の構成は、前記半導体層がＩｎＧａＡｓまたはＩｎＡｌＡｓであることを特徴とする。
【００２１】
また本発明の半導体構造の構成は、前記ＩｎＧａＡｓまたは前記ＩｎＡｌＡｓのＩｎ組成ｘが０＜ｘ≦０．２の範囲にあることを特徴とする。
【００２２】
また本発明の半導体構造の構成は、前記バッファ層がＩｎＧａＡｓまたはＩｎＡｌＡｓであって、そのＩｎ組成が０＜ｘ≦０．３の範囲にあることを特徴とする。
【００２３】
また本発明の光半導体素子の構成は、前記の半導体構造の上に、前記半導体基板側のクラッド層と前記半導体基板と反対側のクラッド層で挟まれた半導体量子井戸活性層を有し、その発光波長が１．１〜１．４μｍであることを特徴とする。
【００２４】
また本発明の光半導体素子の構成は、前記半導体基板と反対側のクラッド層を埋め込む埋め込み層が、Ｒｕドープ半絶縁性半導体結晶であることを特徴とする。
【００２５】
上記課題を解決するため、数多くの実験的検討を行った結果、本発明者らは、有機金属気相成長法を用いてＧａＡｓ基板上に、基板に対する歪量が１．５％以下となるような低いＩｎ組成、例えば０．２以下のＩｎ組成で、かつ層厚が２０ｎｍから２０００ｎｍの範囲のＩｎＧａＡｓ又はＩｎＡｌＡｓバッファ層を成長した後、このバッファ層上にＩｎＧａＡｓまたはＩｎＡｌＡｓなど所望の格子定数をもつ層を成長すると、表面の平坦性が高く、フォトルミネッセンス発光強度が増大することを見出し、この知見に基づいて本発明に至ったものである。
【００２６】
これは基板との格子定数差が小さいことで、発生する転位の発生確率が下がることと、バッファ層内において転位同士が基板に平行な面内において移動し、互いに結合し安定した状態の転位ネットワークが形成され、上層への貫通転位の発生を抑えるためである。この原理を用いて、ＧａＡｓ基板上にＩｎＧａＡｓバッファ層を成長する際に、ＧａＡｓから格子定数差が小さいＩｎＧａＡｓを成長させると、その界面付近に転位が集中し、上部の層への貫通転位などの欠陥が到達せずに、十分緩和したＩｎＧａＡｓやＩｎＡｌＡｓ層を成長することができる。
【００２７】
これらの十分に緩和したＩｎＧａＡｓやＩｎＡｌＡｓ層の上に、半導体レーザや光変調器、光増幅器など光半導体素子のクラッド層の材料として、ドーピングしたＩｎＧａＰやＩｎＡｌＧａＡｓ層等を成長し、活性層となる多重量子井戸層を成長する。その上に再度ドーピングしたＩｎＧａＰやＩｎＡｌＧａＡｓ層等を成長することで、通信波長帯で動作する半導体素子が実現できる。これにより伝導帯のバンドオフセットが大きな量子井戸を持った光半導体素子が実現できる。また３元基板で問題となっていた基板の放熱も問題とならないため、素子の温度上昇を抑えることができる。
【００２８】
本発明は基板（ＧａＡｓ）とＩｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓ層（格子定数差：１．５％以下）の間にＩｎＧａＡｓバッファ層を挿入することを特徴とする。
ここで、ＩｎＧａＡｓは熱伝導性が悪いので、Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓ層上の活性層での発熱を良好に放熱するためには、ＩｎＧａＡｓ層のＩｎ組成をなるべく小さくし、厚さを薄くする必要がある。
【００２９】
本発明のバッファ層には、上層のＩｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓ層よりもＩｎ組成が大きいＩｎ組成０．１２程度のＩｎＧａＡｓ層を用いる。これはＧａＡｓと格子定数差が小さいＩｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓ層では１０ミクロン成長しても、完全には緩和しないため、Ｉｎ組成０．１２の層で８割緩和させれば等価的にＩｎ組成０．１の層の１００％緩和の格子定数になると考えられるからである。バッファ層中のＩｎ組成は一定でなくてもよいが、ＧａＡｓとの界面付近は０．１以上に高める方がよい。
【００３０】
ここで、バッファ層の格子定数は、上層のＩｎＧａＡｓ層より大きく、ＩｎＧａＡｓ層の格子定数より３割程度大きい格子定数以下であることが望ましい。大きすぎると早く緩和するものの、貫通転位密度が増加するためである。そのため、上層のＩｎＧａＡｓ層のＩｎ組成が０より大きく０．２以下である場合に、バッファ層のＩｎ組成は０より大きく０．３以下の範囲が望ましい。
【００３１】
このような比較的高いＩｎ組成（０．１２程度）のＩｎＧａＡｓをＧａＡｓ基板上に直接積層すれば、基板界面での急激なＩｎ組成変化により多くのミスフィット転位が導入され急激に格子緩和が生じるため、比較的薄いバッファ層により効果的に格子緩和を生じさせることができる。このように、比較的薄いバッファ層により格子緩和が十分生じるので、この上に品質の良好なＩｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓ層を積層することができる。
【００３２】
一方、バッファ層の上にＩｎ組成の高い（０．３以上）ＩｎＧａＡｓ層をＧａＡｓ基板上に直接積層して格子緩和しようとすれば、貫通転位が増加しすぎてバッファ層の上には品質のよいＩｎＧａＡｓ層を積層することができない。
【００３３】
本発明においては、バッファ層上に積層するＩｎＧａＡｓ層のＩｎ組成が比較的低くても（０．１〜０．２程度）、長波長帯半導体素子に対応できることを考慮して、ＩｎＧａＡｓ層の組成を０．１〜０．２程度にしているため、上述の組成一定（０．１２程度）の薄いＩｎＧａＡｓバッファ層で十分格子緩和でき、かつ良好な放熱性を有する。
【発明の効果】
【００３４】
本発明によれば、基板上に基板と格子定数差の小さいＩｎＧａＡｓバッファ層を導入することで、その上にＩｎＧａＡｓやＩｎＡｌＡｓ層などの高品質の結晶を成長することができる。この擬似的な３元基板の上には伝導帯のバンドオフセットが大きな量子井戸を持った光半導体素子が実現でき、高温環境下においても特性の変化の小さい動作の実現が可能となる。ＨＥＭＴやＨＢＴなどの電子デバイスにおいても大きなバンドオフセットをもつ構造が可能で、高性能化が期待される。
【００３５】
またＩｎＧａＡｓ３元基板で問題となっていた基板の放熱性の悪さも改善されるため、素子全体の発熱を抑えた高温度特性動作が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下に、本発明を実施するための最良の形態を実施例に基づき詳細に説明する。
【実施例１】
【００３７】
本発明の実施例１は、ＩｎＧａＡｓバッファ上ＩｎＧａＡｓ量子井戸の半導体構造である。その構造を作製方法と共に以下に説明する。
【００３８】
図１は本発明による化合物半導体の一実施形態（実施例１）に係る半導体構造１０を示す層構造図である。成長は有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）を用いて行った。
図１に示すように、ＧａＡｓ基板１２上に厚さ１００ｎｍのＧａＡｓ層を成長し、その上に厚さ１６００ｎｍのＩｎＧａＡｓバッファ層２１を成長する。ＩｎＧａＡｓバッファ層２１はＩｎ組成０．１２の組成で一定としている。この上にＩｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓ層２２を１０００ｎｍ成長する。
【００３９】
ＩｎＧａＡｓバッファ層２１の成長条件は反応炉内の圧力が７６Ｔｏｒｒ、Ｖ族とIII族のモル比率(Ｖ／III比）は２０、成長速度は１．２μｍ／秒とする。バッファ層２１上に成長したＩｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓ層２２はほぼ格子緩和されており、擬似的なＩｎＧａＡｓ基板とみなすことができる。
【００４０】
この上に厚さ８ｎｍのＩｎＧａＡｓ量子井戸層３１ａを成長する。障壁層には厚さ１５ｎｍのＩｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓ層３１ｂを用い、３層量子井戸構造とする。
量子井戸のＩｎ組成はこの段階でフォトルミネッセンス測定を行ったところ、図２のように波長１．３μｍ付近での強い発光が得られることを確認した。
【実施例２】
【００４１】
本発明の実施例２は、ＩｎＧａＡｓバッファ上にＩｎＧａＡｓを積層したリッジＬＤである。その構造を作製方法と共に以下に述べる。
【００４２】
図３は本発明の実施例２に係るレーザダイオード１００を示す層構造図である。図３に示すように、ｐ型にドープしたＩｎＧａＰクラッド層１１３とｎ型にドープしたＩｎＡｌＧａＡｓクラッド層１１１で、実施例１と同様な構成となっている活性層（量子井戸層）１３１を挟んだダブルヘテロレーザ構造を作製する。
【００４３】
図３のようにｎ−ＧａＡｓ基板１０２上に成長圧力７６ＴｏｒｒにてＳｉを５×１０17（ｃｍ-3）ドープした厚さ１００ｎｍのＧａＡｓ層を成長し、その上にＳｉを１×１０18（ｃｍ-3）ドープした厚さ１６００ｎｍのＩｎＧａＡｓバッファ層１２１を成長する。ＩｎＧａＡｓバッファ層１２１はＩｎ組成０．１２とした。この上にＳｉを５×１０17（ｃｍ-3）ドープしたＩｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓ層１２２を２００ｎｍ成長する。
【００４４】
この上にＳｉを１×１０18（ｃｍ-3）ドープした厚さ１．５μｍのｎ−ＩｎＡｌＧａＡｓクラッド層１１１を成長する。ＩｎＡｌＧａＡｓクラッド層１１１の成長条件は反応炉内の圧力が７６Ｔｏｒｒ、Ｖ／III比は４０、成長速度は１．２μｍ／秒とする。
【００４５】
その上に活性層として、図１に示すような、圧縮歪量子井戸層の両側に、Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓ障壁層を配した歪量子井戸構造（量子井戸層）１３１を成長する。歪量子井戸構造１３１の上に成長温度６８０°Ｃにおいて亜鉛を５×１０17（ｃｍ-3）ドープしたｐ−Ｉｎ0.58Ｇａ0.42Ｐクラッド層１１３を１．５μｍの厚さに成長し、その上にｐ型に２×１０19（ｃｍ-3）ドープした厚さ１００ｎｍのＩｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓコンタクト層１０３を成長する。ＩｎＧａＰクラッド層１１３の成長条件は反応炉内の圧力が７６Ｔｏｒｒ、Ｖ／III比は２３０、成長速度は３．０μｍ／秒とする。
【００４６】
この上にスパッタリングでＳｉＯ2層を堆積し、さらにフォトリソグラフィによって幅２μｍ程度のストライプ状のマスクを形成する。ドライエッチングおよびウエットエッチングにより幅１．７μｍ、高さ１．６μｍのメサストライプを形成する。この両脇をポリイミド埋め込み層１１２で埋め込み、基板を研磨後に上下に電極１０１，１０４を形成し、リッジレーザへ加工する。
【００４７】
作製したレーザは、発振波長が１．３μｍであり、共振器長３００ミクロンの素子において閾値電流９．４ｍＡ、光出力は室温で１０ｍＷを実現した。また環境温度で１３０°Ｃまでの動作を達成した。
【００４８】
本実施例において、ＧａＡｓ基板１０２上のＩｎ0.12Ｇａ0.88Ａｓバッファ層１２１の層厚は１６００ｎｍとしたが他の層厚でもよく、２０ｎｍ−２μｍであることが望ましい。
【００４９】
この膜厚の下限はＧａＡｓ基板１０２上のＧａＡｓ層とＩｎＧａＡｓバッファ層１２１の界面にはミスフィット転位が集中しており、２０ｎｍ以下では緩和が不十分となることや、上部の層への転位の影響が生じるためである。
また、半導体レーザでは放熱性が重要となるが、このＩｎＧａＡｓバッファ層１２１はＧａＡｓに比べ熱伝導率が低いため、厚いとデバイスの温度上昇が問題となる。そのため膜厚の上限は２μｍとした。
【００５０】
本実施例では有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）法を用いたが、この他に分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）やガスソース分子線エピタキシー法、有機金属分子線エピタキシー法、ハイドライド気相エピタキシャル成長法、クロライド気相エピタキシャル成長法でも可能である。
【実施例３】
【００５１】
本発明の実施例３は、ＩｎＧａＡｓバッファ上Ｒｕ埋めＢＨ−ＬＤである。その構造を作製方法と共に以下に述べる。
【００５２】
図４は本発明による化合物半導体の一実施形態（実施例３）に係るＲｕ埋めＢＨ−ＬＤ２００を示す層構造図である。図４に示すように、ｐ型にドープしたＩｎＧａＰ上部クラッド層２１３とｎ型にドープしたＩｎＡｌＧａＡｓ下部クラッド層２１１で活性層（量子井戸層）２３１を挟んだダブルヘテロレーザ構造を作製する。成長は有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）を用いて行った。
【００５３】
ＧａＡｓ基板２０２上にＳｉを５×１０17（ｃｍ-3）ドープした厚さ１００ｎｍのＧａＡｓ層を成長し、その上に厚さ１６００ｎｍのＳｉを１×１０18（ｃｍ-3）ドープしたＩｎＧａＡｓバッファ層２２１を成長する。ＩｎＧａＡｓバッファ層２２１はＩｎ組成０．１２の組成で一定としている。この上にＳｉを５×１０17（ｃｍ-3）ドープしたＩｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓ層２２２を３００ｎｍ成長する。これらのＩｎＧａＡｓ層２２１，２２２の成長条件は反応炉内の圧力が７６Ｔｏｒｒ、Ｖ族とIII族のモル比率(Ｖ／III比）は２０、成長速度は１．２μｍ／秒とする。バッファ層２２１上に成長したＩｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓ層２２２はほぼ格子緩和されており、擬似的なＩｎＧａＡｓ基板とみなすことができる。
【００５４】
この上にＳｉを１×１０18（ｃｍ-3）ドープした厚さ１．５μｍのｎ−Ｉｎ0.09Ａｌ0.61Ｇａ0.3Ａｓクラッド層２１１を成長する。Ｉｎ0.09Ａｌ0.61Ｇａ0.3Ａｓクラッド層２１１の成長条件は反応炉内の圧力が７６Ｔｏｒｒ、Ｖ／III比は４０、成長速度は１．２μｍ／秒とする。
【００５５】
その上に活性層として、圧縮歪量子井戸層の両側に、Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓ障壁層を配した歪量子井戸構造（量子井戸層）２３１を成長する。量子井戸の歪は１．７％、膜厚は８ｎｍとし、フォトルミネッセンス発光波長は１．２５μｍであった。歪量子井戸構造２３１の上に成長温度６８０°Ｃにおいて亜鉛を５×１０17（ｃｍ-3）ドープしたｐ−Ｉｎ0.58Ｇａ0.42Ｐエッチング停止層２４１を５０ｎｍ導入する。この上にｐ−ＩｎＧａＡｓガイド層２４２を１００ｎｍ導入する。さらにこの上にｐ−Ｉｎ0.58Ｇａ0.42Ｐクラッド層２１３を５０ｎｍ導入する。
【００５６】
ここで、一旦成長を止め、ＳｉＯ2層を堆積し、フォトリソグラフィにてマスクをつける。その後ウエットエッチングでメサ形状を作製する。ＩｎＧａＡｓガイド層２４２は硫酸と過酸化水素水と水を混合した溶液によりエッチングを行う。ＩｎＧａＰエッチング停止層２４１は塩酸と燐酸を混合した溶液によりエッチングを行う。この際に、硫酸と過酸化水素水と水を混合した溶液はＩｎＧａＰエッチング停止層２４１を溶かすことができないので、エッチングをＩｎＧａＰエッチング停止層２４１に入ったところで止めることができる。
【００５７】
この後、レジストを除去し、Ｒｕをドープした高抵抗ＩｎＧａＰ埋め込み層２１２を成長する。その後、ＳｉＯ2層も除去し、ｐ−ＩｎＧａＰクラッド層２１３およびｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層を２０３成長する。基板を研磨後に上下に電極２０１，２０４を形成し、レーザへ加工する。
【００５８】
作製したレーザは、発振波長が１．２６μｍであり、共振器長３００ミクロンの素子において１０ｍＷの出力で８５°Ｃまでのレーザ発振を実現できる。
【００５９】
本実施例では埋め込み層を半絶縁化するためのドーパントとしてＲｕを用いたが、Ｆｅを用いてもよい。Ｒｕドープ半絶縁層は電流ブロック特性に優れ、本発明の半導体素子と組み合わせることにより、より優れた特性を実現できる。
【実施例４】
【００６０】
本発明の実施例４は、ＥＡ変調器への適用例であり、ＩｎＧａＡｓ量子井戸、１．３μｍ帯用のＥＡ変調器である。
実施例１から実施例３ではレーザを作製したが、量子井戸を用いた電界吸収型光変調器（ＥＡ変調器）の作製も可能である。その構造を作製方法と共に以下に述べる。
【００６１】
図５は、本発明の実施例４に係るＥＡ変調器３００を実現するための方法を示している。図５に示すように、ｎ−ＧａＡｓ基板３０２上に成長圧力７６Ｔｏｒｒ、Ｖ／III比１０にてＳｉを２×１０18（ｃｍ-3）ドープした厚さ１００ｎｍのＧａＡｓ層を成長し、その上にＳｉを１×１０18（ｃｍ-3）ドープした厚さ５００ｎｍのＩｎＧａＡｓバッファ層３２１を成長する。ＩｎＧａＡｓバッファ層３２１は、図６に示すように、Ｉｎ組成を０．１５から０．１へと変化させる構造とする。この上にＳｉを８×１０17（ｃｍ-3）ドープしたＩｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓ層３２２を３００ｎｍ成長する。
【００６２】
この上にＳｉを８×１０17（ｃｍ-3）ドープした厚さ１．５μｍのｎ−ＩｎＧａＰクラッド層３１１を成長し、その上に光吸収層として、圧縮歪量子井戸層の両側に、伸張歪となるＧａＡｓ障壁層を配した歪量子井戸構造（量子井戸光吸収層）３３１を成長する。この量子井戸は６層とした。歪量子井戸構造３３１の上に亜鉛を８×１０17（ｃｍ-3）ドープされたｐ−Ｉｎ0.58Ｇａ0.42Ｐクラッド層３１３を１．５μｍの厚さに成長し、その上にｐ型に２×１０19（ｃｍ-3）ドープされた厚さ１００ｎｍのＩｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓコンタクト層３０３を成長する。
【００６３】
この上にスパッタリングでＳｉＯ2層を堆積し、さらにフォトリソグラフィによって幅２μｍ程度のストライプ状のマスクを形成する。ドライエッチングにより幅２μｍ、高さ２．５μｍのメサストライプを形成する。この両脇をポリイミド埋め込み層３１２で埋め込み、基板を研磨後に上下に電極３０１，３０４を形成し、リッジ構造へ加工し、波長１．３μｍの光を制御する電界吸収型変調器３００を作製する。
【００６４】
このＥＡ変調器３００は、室温において波長１．３μｍの入射光に対して、１０ｄＢ以上の消光比が得られる。
【実施例５】
【００６５】
上述した実施例１〜実施例４において本発明の具体的な実施形態を説明したが、これらについて各種の変形をすることができる。
そこで、各主の変形をした実施形態をまとめて、実施例５として以下に説明する。
【００６６】
上記各本実施例ではバッファ層２１，１２１，２２１，３２１の層厚を１６００ｎｍとしたが、２０ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の層厚で有効である。２０ｎｍ未満では本発明の効果を十分に得ることができず、２０００ｎｍより厚い層厚では素子動作時に上層の活性層で生じる熱を十分に放熱することができない。
【００６７】
上記各実施例においてバッファ層２１，１２１，２２１，３２１にＩｎＧａＡｓを用いたが、ＩｎＡｌＡｓを用いてもよい。但し、ＩｎＧａＡｓを用いたほうがＩｎＡｌＡｓを用いた場合に比べて表面のラフネスが小さい。これは、成長表面でのＧａの反応性がＡｌに比べて低いため、表面のマイグレーションが大きいためと考えられる。
【００６８】
上記各実施例においては、半導体基板１２，１０２，２０２，３０２にＧａＡｓを用い、半導体層２２，１２２，２２２，３２２にＩｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓ用いたが、半導体層２２，１２２，２２２，３２２は半導体基板１２，１０２，２０２，３０２より格子定数が大きくかつその格子定数差が１．５％以下である格子緩和した半導体層であればよい。
例えば、ＧａＡｓ基板上でＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＡｌＧａＡｓでもよく、ＧａＡｓＳｂ、ＡｌＡｓＳｂ、ＡｌＧａＡｓＳｂ、ＩｎＧａＡｓＳｂ、ＩｎＡｌＡｓＳｂ、ＩｎＡｌＧａＡｓＳｂ、ＩｎＧａＡｓＮでもよい。この場合、バッファ層には格子定数が半導体層に対して２、３割大きいものを用いることが望ましく、ＩｎＡｌＡｓの半導体層に対してＩｎＧａＡｓのバッファ層を用いてもよく、ＩｎＧａＡｓの半導体層に対してＧａＡｓＳｂのバッファ層を用いてもよい。
【００６９】
また、ＩｎＰ基板上ではＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｓＰ、ＩｎＰＳｂ、ＧａＳｂ基板上では、ＩｎＧａＳｂ、ＧａＰ基板上ではＩｎＧａＰ、ＧａＰＳｂを半導体層に用いることができる。この場合も、バッファ層には格子定数が半導体層に対して２、３割大きいものを用いることが望ましく、ＩｎＰ基板上でＩｎＧａＡｓの半導体層に対してＩｎＰＳｂのバッファ層を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の実施例１に係るＩｎＧａＡｓバッファ上の量子井戸構造を示す断面図。
【図２】ＩｎＧａＡｓバッファ上に作製した量子井戸からのフォトルミネッセンス発光スペクトルを示す特性図。
【図３】本発明の実施例２に係るレーザダイオードを示す断面図。
【図４】本発明の実施例３に係るＢＨ−ＬＤを示す断面図。
【図５】本発明の実施例４に係るＥＡ変調器を示す断面図。
【図６】実施例４の組成傾斜を示す説明図。
【符号の説明】
【００７１】
１０  半導体構造
１００  レーザダイオード
２００  ＢＨ−ＬＤ
３００  ＥＡ変調器
１２，１０２，２０２，３０２  ＧａＡｓ基板
１１１，２１１，３１１  ＩｎＡｌＧａＡｓクラッド層
１１３，２１３，３１３  ＩｎＧａＰクラッド層
２１，１２１，２２１，３２１  ＧａＡｓバッファ層
２２，１２２，２２２，３２２  ＧａＡｓ層
１３１，２３１  量子井戸層
３３１  量子井戸光吸収層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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