(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板結晶上に結晶成長されたＧaＩnＮＡsを有する半導体素子の作製方法において、
前記基板結晶を準備する工程を有し、
前記結晶成長は分子線エピタキシー法または化学線エピタキシー法によって行われ、窒素の原料としてプラズマで活性化した窒素ガスを用い、前記ＧaＩnＮＡsが３５０℃から４９０℃の温度範囲で結晶成長されることを特徴とするＧaＩnＮＡsを有する半導体素子の作製方法。
【請求項２】
請求項１に記載のＧaＩnＮＡsを有する半導体素子の作製方法において、前記半導体素子は、光を発生する活性層と光を閉じ込めるクラッド層またはスペーサ層と発生した光からレーザ光を得るための共振器構造を有する半導体レーザであることを特徴とするＧaＩnＮＡsを有する半導体素子の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＧaＩnＮＡsを用いた半導体素子技術に係り、特に、良好な結晶性を有するＧaＩnＮＡsを用いた半導体素子の作製方法、および該半導体素子の作製方法を用いて作製した半導体素子、ならびに該半導体素子を用いた光通信システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在実用化されている光通信システム用半導体レーザは、全て、ＩnＰ基板上に作製されたものであり、活性層としてＧaＩnＰＡsまたはＡlＧaＩnＡs混晶半導体を用いている。この種類の半導体レーザにおいては、量子井戸構造および屈折率導波型構造を採用することにより非常に高性能にすることが可能であるが、一方、高温動作時に特性が大きく劣化するという大きな欠点を持っている。
【０００３】
幹線系光ファイバ通信においては、半導体レーザをペルチェ電熱素子で冷却しながら使用することにより、上述した高温動作時の特性劣化を回避することができる。しかしながら、光ファイバ通信が各家庭・オフィスへ、各コンピュータへと導入されると考えられる今後の加入者系光ファイバ通信において、半導体レーザ冷却のために個々にペルチェ電熱素子を用いるのでは、そのためのコストと電力消費が増大してしまい、その普及にとって障害となる。半導体レーザ送信モジュールの低価格化と低消費電力化は、加入者系光ファイバ通信の普及にとって必須であり、冷却素子を必要としない温度特性が非常に優れる光通信システム用半導体レーザが強く求められる。
【０００４】
最近、新材料ＧaＩnＮＡsを使用することにより、光通信システム用半導体レーザの温度特性が大幅に改善できることが報告された（近藤等、第５７回応用物理学会講演会予稿集  第９５１頁参照）。尚、ここでいう光通信システムは、長距離通信のみを指すものではなく、光インターコネクトションなどの短距離伝送も含んでいる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記の新材料ＧaＩnＮＡsは、理論検討では光通信システム用半導体レーザの発光材料として理想的なことが分かっている。しかし、新材料ゆえ、その作製方法および作製条件は未だ確立していない。ＧaＩnＮＡsは、５族を構成する元素の原子半径がＮとＡsで大きく異なるため、熱力学的に準安定（不安定）な材料であり、その結晶成長は極めて困難である。
本発明の目的は、良好な結晶性を有するＧaＩnＮＡsを用いた半導体素子の作製方法、および該作製方法を用いて作製した半導体素子、ならびに該半導体素子を用いた光通信システムを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の半導体素子の作製方法では、基板結晶上にＧaＩnＮＡsを３５０℃から４９０℃の温度範囲で結晶成長させることを特徴としている。その結晶成長は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Ｍolecular ＢeamＥpitaxy）法または化学線エピタキシー（ＣＢＥ：Ｃhemical Ｂeam Ｅpitaxy）法によって行う。作製する半導体素子は半導体レーザであり、光を発生する活性層と光を閉じ込めるクラッド層（またはスペーサ層）と発生した光からレーザ光を得るための共振器構造を有する。
また、本発明の半導体素子は上記方法で作製された半導体素子であり、本発明の光通信システムは上記半導体素子を用いたことを特徴としている。
【０００７】
【発明の実施の形態】
筆者らは、良好な結晶性を有するＧaＩnＮＡsの結晶成長方法および成長条件を解析し検討した結果、ＧaＩnＮＡsの成長温度が高すぎる場合は供給された材料原子が結晶成長表面上で移動しすぎるために非混和性の影響で三次元成長が発生し結晶性が劣化すること、成長温度が低すぎる場合は供給された材料原子が結晶成長表面上であまり移動できないために結晶欠陥が発生し結晶性が劣化すること、そして、良質な結晶性を有するＧaＩnＮＡsは３５０℃から４９０℃の温度範囲で結晶成長を行う必要があることを見いだした。また、その温度範囲でＧaＩnＮＡsの結晶成長が可能な成長方法としては、熱非平衡度が非常に高い分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法および化学線エピタキシー（ＣＢＥ）法が適していることを見いだした。
【０００８】
以下、本発明の実施例を図１から図４を用いて説明する。
（第１の実施例）
本第１の実施例は、本発明を１．３μｍ帯端面発光型半導体レーザに適用したものである。以下、図１を用いて詳細に説明する。（ａ）は、端面発光型半導体レーザの断面構造を、（ｂ）はその活性層の拡大図を示している。
【０００９】
図１（ａ）に示すように、本端面発光型半導体レーザは、ｎ−ＧaＡs基板１上に、ＧaＡsバッファ層２、ｎ−Ａl(0.3)Ｇa(0.7)Ａsクラッド層(層厚1500nm)３、歪単一量子井戸活性層４、ｐ−Ａl(0.3)Ｇa(0.7)Ａsクラッド層(層厚1500nm)５、ｐ−ＧaＡsキャップ層(層厚200nm)６を、ガスソースＭＢＥ（分子線エピタキシー）法により順次形成した。なお、歪単一量子井戸活性層４は、同図（ｂ）に示すように、ＧaＡs障壁層(層厚150nm)１０および１２とＧa(0.7)Ｉn(0.3)Ｎ(0.01)Ａs(0.99)井戸層(層厚7nm)１１から構成される。
【００１０】
３族元素の原料は、金属のアルミニュム，ガリュウム，および，インジュムを用いた。５族元素の原料には、アルシンガスとＲＦ（ＲadioＦrequency）プラズマで活性化した窒素ガスを用いた。ｎ型ドーパントとしてはＳiを、ｐ型ドーパントとしてはＢｅを用いた。ＧaＡsバッファ層２，クラッド層３，クラッド層５，およびキャップ層６は、６００℃で結晶成長させた。一方、歪単一量子井戸活性層４の成長温度Ｔｓは、３００℃から６００℃の範囲で変化させ実験を行った。
【００１１】
図２（ａ），（ｂ）および（ｃ）に、成長温度Ｔｓが５５０℃，４２０℃，３００℃の場合のダブルヘテロ（ＤＨ：Ｄouble Ｈetero）ウエハの７７Ｋにおけるフォトルミネッセンス（ＰＬ:ＰhotoＬuminescence）をそれぞれ示す。測定は、キャップ層６をエッチングにより取り除いた後に行った。成長温度Ｔｓが５５０℃のフォトルミネッセンス（ＰＬ）は、半値幅が３５．３ｍｅＶと広くピーク波長も長波長化して異常である。一方、成長温度Ｔｓが３００℃のフォトルミネッセンス（ＰＬ）は、半値幅は１３．３８ｍｅＶと比較的狭いが、発光強度が非常に弱い。これに対して、成長温度Ｔｓが中間の４２０℃のフォトルミネッセンス（ＰＬ）は、半値幅が１０．８５ｍｅＶと非常に狭く発光強度も強いので、良質な結晶性を有するＧaＩnＮＡsが作製されていると思われる。
【００１２】
図３，４，５に、成長温度Ｔｓが５５０℃，４２０℃，３００℃それぞれの場合に、ＧaＩnＮＡs井戸層１１までで成長を中断したウエハの、図６に参照用のＧaＩnＡsウエハの原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Ａtomic Ｆorce Ｍicroscope）像の写真をそれぞれ示す。図３〜６において、１目盛は、縦横（ｘ，ｙ）方向については２００ｎｍ、高さ（ｚ）方向については３０ｎｍである。
【００１３】
図３に示すように、成長温度Ｔｓが５５０℃の試料では、直径が約３０ｎｍ，高さが約２ｎｍの起伏がびっしりと発生しており、三次元成長により表面が非常に荒れていることが分かる。一方、図５に示すように、成長温度Ｔｓが３００℃の試料では、高さが低いものの直径が約２０ｎｍの起伏（結晶欠陥）が発生しており表面が荒れていることが分かる。これに対して、図４に示すように、成長温度Ｔｓが４２０℃の試料の表面は、図６に示す参照用のＧaＩnＡsの表面とほぼ同等であり、起伏の発生もほとんどなく滑らかな表面が実現されている（直径が約１００ｎｍの起伏は、もともとＧaＡs基板に存在するものであり結晶性に問題がない）。
【００１４】
図２および図３〜６に示された結果より、成長温度Ｔｓが５５０℃では、温度が高すぎるために供給された材料原子が結晶成長表面上で移動しすぎ、非混和性の影響で三次元成長が発生してしまったと考えられる。一方、成長温度Ｔｓが３００℃では、温度が低すぎるために供給された材料原子が結晶成長表面上であまり移動できず、結晶欠陥が発生し、滑らかで良質な成長表面が形成されなかったと考えられる。成長温度Ｔｓが中間の４２０℃では、供給された材料原子が結晶成長表面上を適度に移動し、滑らかで良質な成長表面が形成されていると考えられる。
【００１５】
本発明の第１の実施例においては、成長温度Ｔｓが４２０℃のダブルヘテロ（ＤＨ）ウエハに、図１（ａ）に示す如く、ＳiＮｘ窒化膜を堆積し、電流狭窄層７を形成した。ｐ側電極８、ｎ側電極９を形成した後、劈開法により共振器長約４００μｍの半導体レーザ素子を得た。この後、素子の前面にλ／４（λ：発振波長）の厚みのＳiＯ2による低反射膜を、素子の後面にＳiＯ2とアモルファスＳiからなる４層膜による高反射膜を形成した。その後、素子を接合面を下にして、ヒートシンク上にボンディングした。
【００１６】
ストライプ幅が５μｍの素子で、しきい値電流が約５０ｍＡで室温連続発振し、発振波長は１．３μｍであった。また、２５℃から８５℃の範囲における特性温度Ｔoは、１４０Ｋと非常に良好であった。また、本半導体レーザ素子は、活性層の結晶性が良好なので１０万時間以上の長い素子寿命を有した。
なお、本発明の第１の実施例として、成長温度Ｔｓが４２０℃の場合を示したが、実験の結果、滑らかで良好な結晶成長を行うための成長温度Ｔｓは、上に示した４２０℃を中心にその前後の温度範囲、特に３５０℃から４９０℃の温度範囲が好適であることが分かった。
【００１７】
（第２の実施例）
本第２の実施例では、本発明を１．３μｍ帯面発光型半導体レーザに適用したものである。以下、図７を用いて詳細に説明する。
図７（ａ）は面発光型半導体レーザの断面構造を示す図であり、同（ｂ）はその活性層の拡大図を示す図である。
図７（ａ）に示すように、本面発光型半導体レーザは、ｎ−ＧaＡs基板１上に、ｎ型半導体多層膜反射鏡２０、ＧaＡsスペーサ層２１、三重量子井戸活性層２４、ＧaＡsスペーサ層２５、ＧaＡs基板に格子整合したｐ−Ｇa(0.5)Ｉn(0.5)Ｐクラッド層２６、ｐ−ＧaＡsコンタクト層２７をＣＢＥ法により順次形成した。なお、三重量子井戸活性層２４は、ＧaＮ(0.02)Ａs(0.98)障壁層(層厚5nm)２２とＧa(0.80)Ｉn(0.20)Ｎ(0.02)Ａs(0.98)井戸層(層厚5nm)２３から構成される。
【００１８】
３族元素の原料は、有機金属のトリメチルアルミニュム，トリメチルガリュウム，および，トリメチルインジュムを用いた。５族元素の原料には、アルシンガスとＥＣＲプラズマで活性化した窒素ガスを用いた。また、ｎ型ドーパントとしてはＳiを、ｐ型ドーパントとしてはＢｅを用いた。活性層２４は、応力補償型量子井戸構造とした。
【００１９】
ＧaＡsスペーサ層２１，三重量子井戸活性層２４，および，ＧaＡsスペーサ層２５の厚みの合計が半導体中での波長と等しくなるようにＧaＡsスペーサ層の層厚を調整した。半導体多層膜反射鏡２０は、半導体中で１／４波長厚の高屈折率のＧaＡs層と半導体中で１／４波長厚の低屈折率のＡlＡs層を交互に積層した。反射率を９９％以上にするために反射鏡層の積層数を２２対とした。尚、半導体多層膜反射鏡は高屈折率層と低屈折率層が交互に積層されていればよいので、ＧaＡsとＡlＩnＰ，ＧaＡsとＧaＩnＰ，或いはＧaＩnＮＡsとＡlＡsなどの他の材料系を用いてもよい。ｎ型半導体多層膜反射鏡２０は６００℃、ＧaＡsスペーサ層２１、三重量子井戸活性層２４、ＧaＡsスペーサ層２５は４００℃、ｐ−Ｇa(0.5)Ｉn(0.5)Ｐクラッド層２６、ｐ−ＧaＡsコンタクト層２７は５００℃で成長した。
【００２０】
次に、化学気相堆積工程とホトレジスト工程により直径１０μｍの円形のＳiＯ2膜（後の工程で除去するため同図では図示しない）を形成し、これをマスクとしてｎ型の半導体多層膜反射鏡２０の途中までウエットエッチングしてメサ状にする。その後、ＳiＯ2マスクを残したまま化学気相堆積工程によりＳiＯ2保護層２８を形成し、ポリイミド２９を塗布し、硬化する。次に、反応性イオンビームエッチングによりＳiＯ2マスクが露出するまでポリイミド２９をエッチングし、メサの上部のＳiＯ2マスクを図に示したように除去することで平坦な面が得られる。
【００２１】
この後、リフトオフ法によりリング状のｐ側電極３１を形成し、さらにスッパタ蒸着法により誘電体多層膜反射鏡３０を形成し、ｎ側電極３２を形成した。誘電体多層膜反射鏡３０は、誘電体中で１／４波長厚さの高屈折率アモルファスＳi層と誘電体中で１／４波長厚さの低屈折率ＳiＯ2層を交互に積層して作製した。反射率を９９％以上にするために積層数を４対とした。尚、誘電体多層膜反射鏡は高屈折率層と低屈折率層が交互に積層されていればよいので、ＳiＮとＳiＯ2、アモルファスＳiとＳiＮ、或いはＴiＯ2とＳiＯ2などの他の材料系を用いてもよい。
【００２２】
本面発光レーザに電流を注入したところ、８５℃の高温まで連続動作に成功した。レーザ光は誘電体多層膜反射鏡側から出射され、波長は約１．３μｍであった。また、本レーザは、活性層の結晶性が良好なので１０万時間以上の長い素子寿命を有した。
【００２３】
なお、上記第１および第２の実施例では、良質な結晶性を有するＧaＩnＮＡsの光通信システム用半導体レーザへの応用について説明したが、本発明が提供する作製方法はＧaＩnＮＡsを使用する他の一般の半導体素子へも適用できることは言うまでもない。
また、上記第１および第２の実施例によって作製された良質な結晶性を有するＧaＩnＮＡsを用いた半導体素子を用いることにより高性能の光通信システムを作製することができる。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、ＧaＩnＮＡsを３５０℃から４９０℃の温度範囲で結晶成長することにより、良好な結晶性を有するＧaＩnＮＡsを用いた半導体素子を作製できる。その結果、高性能な半導体素子、特に、温度特性に非常に優れる光通信システム用半導体レーザの提供が可能になる。また、それらを用いることにより高性能の光通信システムを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例の半導体レーザの素子構造を示す図である。
【図２】ＧaＩnＮＡsのフォトルミネッセンス（ＰＬ）スペクトルの成長温度依存性を示す図である。
【図３】成長温度が５５０℃の場合のＧaＩnＮＡsの原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：ＡtomicＦorce Ｍicroscope）像の写真である。
【図４】成長温度が４２０℃の場合のＧaＩnＮＡsの原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：ＡtomicＦorce Ｍicroscope）像の写真である。
【図５】成長温度が４２０℃の場合のＧaＩnＮＡsの原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：ＡtomicＦorce Ｍicroscope）像の写真である。
【図６】ＧaＩnＡsの原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Ａtomic Ｆorce Ｍicroscope）像の写真である。
【図７】本発明の第２の実施例の半導体レーザの素子構造を示す図である。
【符号の説明】
１  ｎ−ＧaＡs基板
２  ｎ−ＧaＡsバッファ層
３  ｎ−Ａl(0.3)Ｇa(0.7)Ａsクラッド層
４  歪単一量子井戸活性層
５  ｐ−Ａl(0.3)Ｇa(0.7)Ａsクラッド層
６  ｐ−ＧaＡsキャップ層
７  電流狭窄層
８  ｐ側電極
９  ｎ側電極
１０  ＧaＡs障壁層
１１  Ｇa(0.7)Ｉn(0.3)Ｎ(0.01)Ａs(0.99)井戸層
１２  ＧaＡs障壁層
【図１】
0003680283.tif 000002
【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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【図７】
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