(57)【要約】【課題】長波長帯半導体レーザに利用可能な、膜厚が薄く熱抵抗の小さい半導体緩衝層を提供する。【解決手段】ＧａＡｓ基板１０２上に、ＧａＡｓよりも格子定数の大きなＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ緩衝層１０４を形成し、前記ＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ緩衝層上にＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（０＜ｘ＜ｙ）擬似基板層１０６を積層する構造において、擬似基板層を無歪（フリースタンディング）に成長させるために、成長中に基板の反り（曲率）についてその場観察を行い、観察結果に基づいて擬似基板層の成長中における基板の反りの変化量が０となる緩衝層の最適膜厚を決定する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体緩衝層であるＩｎＧａＡｓ緩衝層<104>と、格子緩和を利用して作製されるＩｎＧａＡｓ擬似基板層<106>とを含む基板<100>であり前記格子緩和の量の過不足は前記ＩｎＧａＡｓ緩衝層のＩｎ組成及び膜厚によって決定される前記基板における前記半導体緩衝層の構造を決定する方法であって、前記方法は、前記ＩｎＧａＡｓ緩衝層の所定のＩｎ組成について、
異なる膜厚を有するＩｎＧａＡｓ緩衝層毎にＩｎＧａＡｓ擬似基板層の成長中の基板の反りの時間変化率を測定することと、
前記異なる膜厚のＩｎＧａＡｓ緩衝層毎に測定された前記ＩｎＧａＡｓ擬似基板層の成長中の基板の反りの時間変化率に基づいて、前記ＩｎＧａＡｓ擬似基板層の成長中の基板の反りの時間変化率が０となるＩｎＧａＡｓ緩衝層の膜厚を、前記所定のＩｎ組成についての最適膜厚として決定することと
を含むことを特徴とする半導体緩衝層の構造決定方法。
【請求項２】
前記ＩｎＧａＡｓ緩衝層及び前記擬似基板層はＧａＡｓ基板上に順次形成され、前記ＩｎＧａＡｓ緩衝層のＩｎ組成が５％よりも高く３０％以下の範囲であり、前記ＩｎＧａＡｓ擬似基板層のＩｎ組成が前記ＩｎＧａＡｓ緩衝層のＩｎ組成よりも低いことを特徴とする請求項１に記載の半導体緩衝層の構造決定方法。
【請求項３】
前記ＩｎＧａＡｓ擬似基板層のＩｎ組成が５％以上２５％以下の範囲であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体緩衝層の構造決定方法。
【請求項４】
前記ＩｎＧａＡｓ緩衝層は、ＧａＡｓ基板より格子定数が大きく、格子歪緩和していることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体緩衝層の構造決定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体緩衝層及び半導体光素子に関し、より詳細には、ＧａＡｓ基板上のＩｎＧａＡｓ量子井戸を用いたレーザにおける半導体緩衝層の構造決定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、１．３μｍ帯や１．５５μｍ帯のレーザ光は、光ファイバ中の伝搬損失が少ないことから、高速通信に向けて光源の開発が行われている。
【０００３】
通信用レーザ光源のうち、アクセスネットワークに利用されるレーザ光源は、低コスト化を図るため半導体レーザが用いられ、１．３μｍ帯半導体レーザの直接変調などによって通信が実現される。
【０００４】
また、良好な温度特性が得られるレーザとして、ＧａＡｓ基板上のＩｎＧａＡｓ量子井戸を用いたレーザが知られている。ＧａＡｓ基板上のＩｎＧａＡｓ量子井戸を用いたレーザでは、障壁層やクラッド層に大きなバンドギャップの層を用いることができるため、深いポテンシャルを形成することができ、良好な温度特性が得られる。ＧａＡｓ基板は、短波長の領域に適した材料系を成膜しやすい特徴を有する。
【０００５】
しかし、従来利用されてきたＧａＡｓ基板上のＩｎＧａＡｓ量子井戸を用いたレーザではＧａＡｓ基板上での量子井戸の歪が大きくなりすぎてしまい１．３μｍまで長波長化できない(例えば、非特許文献１参照)。ＧａＡｓ基板上に、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸を用いるものもあるが、微量でも窒素が添加されることで結晶性が悪くなるという問題がある(例えば、非特許文献２参照)。ＩｎＡｓ量子ドットを活性媒質とすることもできるが、変調特性が従来半導体レーザに比べて劣る（例えば、非特許文献３参照）。
【０００６】
長波長帯レーザはＩｎＰ基板上に作製されることもあるが、ＧａＡｓ基板上に作製したものに比べて温度特性が劣る問題がある（例えば、非特許文献４参照）。
【０００７】
そのため、長波長の半導体レーザではＩｎＧａＡｓ基板を利用し、これに格子緩和しない条件でレーザ構造が作製される。しかし、３元混晶の基板を利用することで、熱抵抗が大きい問題がある（例えば、非特許文献５参照）。
【０００８】
さらに、ＩｎＧａＡｓ基板は、基板の品質、生産性が問題となる（例えば、非特許文献６参照）。
【０００９】
そこで、ＧａＡｓ基板上に、格子緩和する条件でＩｎＧａＡｓ緩衝層を作製し、転位を緩衝層内にとどまらせることで、緩衝層上にＩｎＧａＡｓ擬似基板層を作製する方法がある（非特許文献７）。
【００１０】
この方法では緩衝層の組成や膜厚を精密に制御する事が重要であるが、従来は緩衝層及び擬似基板層を作製後にＸ線回折を用いて評価を行なっていたため、緩衝層の厚膜化が必要であり、時間コストがかかる問題がある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】岡安 他，“0.98μm帯InGaAs/GaAsひずみ量子井戸リッジ導波形レーザ”，電子情報通信学会論文誌 C-1, J73-C-1, No. 7, pp. 506-511, 1990年7月
【非特許文献２】F. Ishikawa et al., “Direct observation of N-(group V) bonding defects in dilute nitride semiconductors using hard x-ray photoelectron spectroscopy”, Applied Physics Letters, Vol. 98, No.12, pp. 121915-1-121915-3, 2011年3月
【非特許文献３】K. Takada et al., “Wide-temperature-range 10.3 Gbit/s operations of 1.3 μm high-density quantum-dot DFB lasers”, Electronics. Letters, Vol. 47, No. 3, pp.206-208, 2011年2月3日
【非特許文献４】H. Ishikawa et al., “Analysis of  Temperature Dependent Optical Gain of  Strained Quantum Well Taking Account of  Carriers in the  SCH Layer”, Photonics Technology Letters, IEEE, Vol. 6, No. 3, pp. 344-347, 1994年3月
【非特許文献５】S. Adachi, “Lattice thermal resistivity of III-V compound alloys”, Journal of Applied Physics, Vol. 54, No. 4, pp. 1844-1848, 1983年4月
【非特許文献６】K. Otsubo et al., “Long-wavelength Semiconductor Lasers on InGaAs Ternary Substrates with Excellent Temperature Characteristics”, FUJITSU Scientific & Technical Journal, Vol. 34, No. 2, pp. 212-222, 1998年12月
【非特許文献７】M. Arai et al., “High-Temperature Operation of 1.26-μm Ridge Waveguide Laser With InGaAs Metamorphic Bufferon GaAs Substrate”, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 15, No. 3, pp. 724-730, 2009年5月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
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、温度特性が悪い問題がある。
【００１３】
従来技術では、ＩｎＧａＡｓ擬似基板を作製するためのＩｎＧａＡｓ緩衝層の最適化は、結晶成長後のＸ線回折で行われてきたため、測定精度が悪く時間コストがかかる問題があった。
【００１４】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、無歪（フリースタンディング）のＩｎＧａＡｓ擬似基板層を作製し、かつ短時間で高精度の緩衝層最適化を実現する技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、上記目的を達成するため、本発明に係る方法は、ＩｎＧａＡｓ緩衝層及びＩｎＧａＡｓ擬似基盤層の成長中の基板反り（曲率）をその場観察することを含む。一実施形態では、その場観察は、異なる膜厚を有するＩｎＧａＡｓ緩衝層毎にＩｎＧａＡｓ擬似基板層の成長中の基板の反りの時間変化率を測定することを含み、前記異なる膜厚のＩｎＧａＡｓ緩衝層毎に測定された前記ＩｎＧａＡｓ擬似基板層の成長中の基板の反りの時間変化率に基づいて、前記ＩｎＧａＡｓ擬似基板層の成長中の基板の反りの時間変化率が０となるＩｎＧａＡｓ緩衝層の膜厚を、前記所定のＩｎ組成についての最適膜厚として決定する。
【００１６】
一実施形態では、前記ＩｎＧａＡｓ緩衝層は、Ｉｎ組成が５％よりも高く３０％以下の範囲であり、ＧａＡｓ基板より格子定数が大きいため、圧縮性の歪を有し、成長時に基板反りを生じるものである。
【００１７】
一実施形態では、前記ＩｎＧａＡｓ緩衝層は、臨界膜厚以上に成長させ、格子歪を５０％以上緩和することを特徴とする。
【００１８】
一実施形態では、前記ＩｎＧａＡｓ擬似基板層は、前記ＩｎＧａＡｓ緩衝層よりも少ないＩｎ組成を有し、格子緩和したＩｎＧａＡｓ緩衝層上に積層されるものである。例えば、前記ＩｎＧａＡｓ擬似基板層のＩｎ組成が５％以上２５％以下の範囲である。
【００１９】
一実施形態では、前記ＩｎＧａＡｓ擬似基板層の成長中の基板の反りは、ＩｎＧａＡｓ緩衝層のＩｎ組成及び膜厚に依存するものであり、ＩｎＧａＡｓ擬似基板層の成長中に基板の反りが変化しないＩｎＧａＡｓ緩衝層のＩｎ組成及び膜厚を、ＩｎＧａＡｓ擬似基板層の成長中の基板の反りの観測結果に基づいて導出する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係る半導体緩衝層によれば、緩衝層のＩｎ組成と膜厚とを最適化でき、低熱抵抗なバッファ層及びフリースタンディングなＩｎＧａＡｓ擬似基板層の作製することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態にかかる半導体緩衝層及び当該緩衝層を利用して積層される擬似基板層を有する基板の構造を示す構成図である。
【図２】緩衝層の膜厚と、基板の反りの時間変化との関係を示す図である。
【図３】緩衝層の膜厚と、擬似基板層の成長中における基板の反りの変化量との関係を示す図である。
【図４】擬似基板層の結晶成長時の基板の反り（曲率）を測定する系の概略構成を示す図である。
【図５】ＣＣＤによって観測される２つの反射光と基板の反りとの関係を示す図であり、（ａ）は基板に凹状（concave）の反りが生じる場合を、（ｂ）は基板に反りが生じない（flat）の場合を、（ｃ）は基板に凸状（convex）の反りが生じる場合をそれぞれ示す図である。
【図６】緩衝層の膜厚を決定する方法を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１に実施の形態に係る半導体緩衝層１０４及び該緩衝層を利用して積層される擬似基板層１０６を有する基板１００の構造を示す。
【００２３】
ＭＯＶＰＥ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法により、ＧａＡｓ基板１０２の上にＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ緩衝層１０４、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ擬似基板層１０６が積層されている。緩衝層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ている。図１に示す基板の構造では、擬似基板層１０６の組成をｘ＝０．１としているが、この組成は一例であり、これに限定されない。
【００２４】
本実施の形態の方法では、レーザの発光波長を１．３μｍ帯以上に長波長化するために、ＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ緩衝層１０４のＩｎ組成を５％よりも大きくとしている。また、ＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ緩衝層１０４の結晶性すなわち結晶品質の観点や制御性の観点から、ＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ緩衝層１０４のＩｎ組成を３０％以下としている。したがって、緩衝層１０４は、Ｉｎ組成yが５＜y≦３０（％）であり、ＧａＡｓ基板より格子定数が大きいため、圧縮性の歪を有する。また、本実施の形態の方法では、緩衝層１０４を臨界膜厚以上に成長させ、５０％以上格子歪緩和する（１００％まで格子歪緩和しない）ようにしている。
【００２５】
格子緩和したＩｎＧａＡｓ緩衝層１０４上に積層されるＩｎＧａＡｓ擬似基板層１０６のＩｎ組成ｘは、緩衝層のＩｎ組成ｙよりも少ない（すなわち、０＜ｘ＜ｙである）。これにより、ＩｎＧａＡｓ擬似基板層１０６は、応力の影響を受けずにＩｎＧａＡｓ緩衝層１０４上に結晶成長することができる。ＩｎＧａＡｓ擬似基板層１０６のＩｎ組成ｘは、５％以上２５％以下の範囲とすることができる。
【００２６】
したがって、ＩｎＧａＡｓ擬似基板層１０６の成長中の基板１００の反りは、ＩｎＧａＡｓ緩衝層１０４のＩｎ組成及び膜厚に依存する。本実施の形態の方法は、ＩｎＧａＡｓ擬似基板層１０６の成長中の基板１００の反りをその場観測し、観測結果に基づいて、ＩｎＧａＡｓ擬似基板層１０６の成長中に基板１００の反りが変化しないＩｎＧａＡｓ緩衝層１０４のＩｎ組成及び膜厚を導出するものである。
【００２７】
結晶成長時の基板１００の反り（曲率）は、基板に対し垂直に入射される２つのレーザ光の反射像をＣＣＤカメラで撮影し、２つの反射光の間隔により観測される。詳細については後述する。
【００２８】
緩衝層１０４をＩｎ０１２Ｇａ０．８８Ａｓとした場合の、緩衝層の膜厚を変化させた場合の基板１００の反りの時間変化を図２に示す。
【００２９】
半導体層の成長中に成長している層に歪が生じていない場合は基板１００の反り量は変化せず、歪が生じている場合はその応力により基板の反りが変化する。
【００３０】
図２から、緩衝層１０４の膜厚によって、擬似基板層１０６の成長中の基板１００の反りの時間変化率が異なることがわかる。各膜厚における時間変化率が異なるのは、膜厚によって緩衝層１０４の緩和量が変化するためである。
【００３１】
緩衝層１０４の膜厚が１０００ｎｍの時は、緩衝層の緩和が不十分であり擬似基板層１０６の成長中に基板１００の反りがマイナス方向へ変化し、図５（ｃ）に示すように結晶成長面が凸状に変化する。一方、緩衝層１０４の膜厚が１６００ｎｍの時は緩衝層が緩和し過ぎるため、擬似基板層１０６の成長中に基板１００の反りがプラス方向へ変化し、図５（ａ）に示すように結晶成長面が凹状に変化する。
【００３２】
緩衝層１０６の膜厚を調整し１２５０ｎｍとした場合、基板１００の反りの時間変化がほぼ０となり、歪のないフリースタンディングな成長ができている（図５（ｂ））。
【００３３】
図３は、緩衝層１０４のＩｎ組成を０．１２及び０．１５とした場合について、緩衝層の膜厚を変化させた際の擬似基板層１０６の成長中の基板１０２反りの変化量をプロットした図である。
【００３４】
擬似基板層１０６の成長中の基板１００の反りの変化量が０の時、擬似基板層１０６がフリースタンディングに成長できていると判断できる。図３のようにマッピングすることで、高精度に緩衝層１０４のＩｎ組成及び膜厚を決定することができる。すなわち、各Ｉｎ組成においてバッファ層の厚さを変化させ，その際の擬似基板層１０６の成長中の基盤１００の反り変化量をプロットする（数点）。プロットした点を補間し、基板１００の反りの変化量が０となる組成毎に緩衝層１０４の膜厚を決定する。これにより、半導体光素子デバイスの高品質性や高信頼性に寄与する。本実施の形態においては、線形補間によりプロット間を補間することにより、組成毎に基板１００の反りの変化量が０となる緩衝層１０４の膜厚を決定している。しかしながら、補間方法は線形補間に限定されるものではない。
【００３５】
ここで、図４を参照して、結晶成長時の基板１００の反り（曲率）の測定方法（その場観察する方法）を説明する。基板１００を構成する各層の成長中に基板に対し垂直に２つのレーザ光を入射し、反射像をＣＣＤカメラで撮影し、２つの反射光の間隔を観測する。観測結果に基づいて結晶成長時の基板１００の反り（曲率）を求める。
【００３６】
成長表面におけるレーザ光の入射点の座標を（Ｘ’，Ｙ’）とし、原点（０，０）からの距離をＲとすると、入射点の接線は、式１で表わすことができる。  
Ｘ’Ｘ＋Ｙ’Ｙ＝Ｒ２    （式１）
Ｘ’２＋Ｙ’２＝Ｒ２
【００３７】
簡単のために、原点を（Ｘ’，Ｙ’）に移動する（新しい原点という。）と、入射点の接線は、式２となる。  
Ｙ＝−（Ｘ’／Ｙ’）Ｘ    （式２）
【００３８】
入射点の接線に垂直で、新しい原点を通る直線は、式（３）で表される  
Ｙ＝（Ｙ’／Ｘ’）Ｘ    （式３）
【００３９】
ここで、レーザ光の入射点とＣＣＤとの距離をｄとし、入射光と反射光のなす角をθとすると、レーザ光が垂直反射したときにＣＣＤに入射する位置と反射光がＣＣＤで観測される位置との距離をΔｗとする。入射点の接線に垂直で新しい原点を通る直線（式３）とＣＣＤ面の交点は（ｄｓｉｎ（θ／２），ｄ）で表され、これを（式３）に代入すると、θは（式４）で表される。
【００４０】
【数１】
2014165394.tif 000003
【００４１】
また、基板１００とＣＣＤ面との間の距離ｄはΔｗに比べて十分に大きいことから、Δｗ＝ｄｓｉｎθと近似することができることから、（式５）が得られる。
【００４２】
【数２】
2014165394.tif 000004
【００４３】
これにより、反射光がＣＣＤで観測される位置のずれの量（距離）ΔｗとＣＣＤの距離ｄとから曲率半径Ｒ及びＲの逆数である曲率Ｋ＝１／Ｒを求めことができる。
【００４４】
図５（ａ）に示すように、ＣＣＤによって観測される２つの反射光の間隔が入射間隔よりも小さい場合には基板が凹状（concave）に反る。また、図５（ｃ）に示すように、ＣＣＤによって観測される２つの反射光の間隔が入射間隔よりも大きい場合には基板が凸状（convex）に反る。また、図５（ｂ）に示すように、ＣＣＤによって観測される２つの反射光の間隔が入射間隔と等しい場合には基板に反りが生じない。
【００４５】
次に、図６を参照して、緩衝層１０４の膜厚を決定する方法を説明する。図６（ａ）に示すように、あるＩｎ組成で膜厚が異なる緩衝層１０４に各々擬似基板層１０６を成長させ、成長中における基板の反り変化率をプロットする。すなわち、図４を参照して上述した方法により結晶成長時の基板１００の反り（曲率）の変化を観測して変化率を求める。次いで、図６（ｂ）に示すように、プロットした基板１００の反り変化率について補間を実行する。最後に、図６（ｃ）に示すように、補間して得られた緩衝層１０４の膜厚と結晶成長時の基板１００の反り（曲率）の変化率との関係から、基板１００の反り（曲率）の変化率が０となる緩衝層１０４の膜厚を当該ある組成の最適な膜厚として決定する。複数のＩｎ組成で同様の工程を行うことで、緩衝層１０４のＩｎ組成と最適膜厚の組み合わせをシステマチックに決定することが可能となる。
【００４６】
以上説明したように、本実施形態の構造決定方法によれば、無歪（フリースタンディング）のＩｎＧａＡｓ擬似基板層を作製することが可能な半導体緩衝層の最適化が短時間で高精度に実現することが可能になる。
【符号の説明】
【００４７】
１０２  ＧａＡｓ基板
１０４  ＩｎＧａＡｓ緩衝層
１０６  ＩｎＧａＡｓ擬似基板層
【図１】
2014165394.tif 000005
【図２】
2014165394.tif 000006
【図３】
2014165394.tif 000007
【図４】
2014165394.tif 000008
【図５】
2014165394.tif 000009
【図６】
2014165394.tif 000010