(57)【要約】【課題】所望の格子定数をもった高品質な光半導体素子を得る。【解決手段】ｎ−ＧａＡｓ基板１上にＩｎＧａＰバッファー層３を導入して擬似的に３元基板を作製し、該擬似３元基板上に成長温度５５０℃で成長したｎ−ＩｎＧａＡｓ層４、成長温度６８０℃で成長したｎ−ＩｎＧａＡｓ層５、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ量子井戸層６を形成した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１元基板または２元基板と、
前記基板上に形成されたＩｎＧａＰバッファー層と、
前記ＩｎＧａＰバッファー層上に形成された第一の化合物半導体と
を有することを特徴とする光半導体素子。
【請求項２】
前記基板が、前記第一の化合物半導体とは格子定数が異なる半導体であることを特徴とする請求項１記載の光半導体素子。
【請求項３】
前記基板が、化合物半導体であることを特徴とする請求項２記載の光半導体素子。
【請求項４】
前記基板が、ＧａＡｓであることを特徴とする請求項３記載の光半導体素子。
【請求項５】
前記ＩｎＧａＰバッファー層と前記第一の化合物半導体との間に、格子定数がＧａＡｓの格子定数より大きく且つＩｎＰの格子定数より小さい第二の化合物半導体を有することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の光半導体素子。
【請求項６】
前記化合物半導体が、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５のいずれかに記載の光半導体素子。
【請求項７】
前記ＩｎＧａＡｓまたは前記ＩｎＡｌＡｓのＩｎ組成ｘが、０＜ｘ≦０．５３であることを特徴とする請求項６記載の光半導体素子。
【請求項８】
前記ＩｎＧａＰバッファー層のＩｎ組成が、前記基板の格子定数から前記第一の化合物半導体の格子定数の範囲内にあることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の光半導体素子。
【請求項９】
前記ＩｎＧａＰバッファー層の成長温度が４５０℃以上６５０℃以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の光半導体素子。
【請求項１０】
前記第一の化合物半導体の発光波長が１．１μｍ〜１．６μｍであることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の光半導体素子。
【請求項１１】
前記第一の化合物半導体がｐ型ドーパントとして炭素を用いた半導体を有することを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載の光半導体素子。
【請求項１２】
前記半導体がメサストライプ状に加工されており前記半導体の両側を半導体結晶により埋め込まれたことを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載の光半導体素子。
【請求項１３】
前記半導体結晶が、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１２記載の光半導体素子。
【請求項１４】
請求項１乃至請求項１３のいずれかに記載の光半導体素子を有する半導体モジュールであって、該半導体素子の前記基板側とは反対側の面がヒートシンクに接していることを特徴とする半導体モジュール。
【請求項１５】
請求項１乃至請求項１３のいずれかに記載の光半導体素子を成長する方法であって、前記基板上に成長温度４５０℃以上６５０℃以下で前記ＩｎＧａＰバッファー層を成長し、前記ＩｎＧａＰバッファー層上に前記第一の化合物半導体を成長することを特徴とする光半導体素子の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光半導体素子及び光半導体素子の作製方法に関し、特に、基板上に基板とは格子定数が異なる化合物半導体層を形成する作製方法及びそれを用いた化合物半導体素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光源波長１．３μｍ〜１．５５μｍの光を用いた光ファイバ通信においては、従来、バンドギャップ、格子定数の関係上作製しやすい、ＩｎＰ基板上のＩｎＧａＡｓＰ系レーザが用いられてきた。このようなレーザは、通常、発振特性の改善のために活性層に歪量子井戸構造を採用している。
【０００３】
歪量子井戸構造においては、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、歪量子井戸構造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に行われている。
【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ＡｌＧａＩｎＡｓ系レーザも開発されているが、ＧａＡｓ基板上の短波長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】
一方、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、特性温度が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】
しかしながら、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、該歪量子井戸構造のＩｎ組成を５０％程度に高める必要がある。Ｉｎ組成を高めると、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。このため、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という問題があった。
【０００８】
このような格子不整合とバンドオフセットの問題を改善する手段として、ＧａＡｓに比較して格子定数が大きいＩｎＧａＡｓ３元基板上レーザが提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
【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、歩留まりが上がらないために大量生産が困難である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く、半導体レーザや高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）、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が放熱されにくく、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のバッファー層を成長し、擬似的にＩｎＧａＡｓ３元基板を作製する試みもなされてきた。これはバッファー層のＩｎ組成を、ＧａＡｓに格子整合する値から徐々に増やし、転位の増殖を抑えながら、ＧａＡｓ基板との格子不整合を緩和させる方法である。しかし、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ー層中にとどめることが困難で、ミスフィット転位や貫通転位が、バッファー層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、閾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】
上述した通信用の波長帯の光を出射する半導体レーザにおいては、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基板やＩｎＰ基板上に比較して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やその格子定数が、２元のＧａＡｓやＩｎＰ基板とは大きく異なる場合が生じる。そのような場合、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ことが考えられる。
【００１３】
また、ＩｎＧａＡｓなどの３元基板はその作製方法自体が困難で、良好な結晶の基板を得ることが難しい。また、基板の放熱が悪いという問題がある。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ー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、バッファー層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、該デバイスに特性の劣化や信頼性の低下などといった影響を与えていた。
【００１４】
本発明はこのような問題を解決するものであって、ＧａＡｓ基板上に適当なバッファー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素子を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記の課題を解決するための第１の発明に係る光半導体素子は、１元基板または２元基板と、前記基板上に形成されたＩｎＧａＰバッファー層と、前記ＩｎＧａＰバッファー層上に形成された第一の化合物半導体とを有することを特徴とする。
【００１６】
第２の発明に係る光半導体素子は、第１の発明において、前記基板が、前記第一の化合物半導体とは格子定数が異なる半導体であることを特徴とする。
【００１７】
第３の発明に係る光半導体素子は、第２の発明において、前記基板が、化合物半導体であることを特徴とする。
【００１８】
第４の発明に係る光半導体素子は、第３の発明において、前記基板が、ＧａＡｓであることを特徴とする。
【００１９】
第５の発明に係る光半導体素子は、第１乃至第４のいずれかの発明において、前記ＩｎＧａＰバッファー層と前記第一の化合物半導体との間に、格子定数がＧａＡｓの格子定数より大きく且つＩｎＰの格子定数より小さい第二の化合物半導体を有することを特徴とする。
【００２０】
第６の発明に係る光半導体素子は、第１乃至第５のいずれかの発明において、前記化合物半導体が、ＩｎＧａＡｓまたはＩｎＡｌＡｓであることを特徴とする。
【００２１】
第７の発明に係る光半導体素子は、第１乃至第６のいずれかの発明において、前記ＩｎＧａＡｓまたは前記ＩｎＡｌＡｓのＩｎ組成ｘが、０＜ｘ≦０．５３であることを特徴とする。
【００２２】
第８の発明に係る光半導体素子は、第１乃至第７のいずれかの発明において、前記ＩｎＧａＰバッファー層のＩｎ組成が、前記基板の格子定数から前記第一の化合物半導体の格子定数の範囲内にあることを特徴とする。
【００２３】
第９の発明に係る光半導体素子は、第１乃至第８のいずれかの発明において、前記ＩｎＧａＰバッファー層の成長温度が４５０℃以上６５０℃以下であることを特徴とする。
【００２４】
第１０の発明に係る光半導体素子は、第１乃至第９のいずれかの発明において、前記第一の化合物半導体の発光波長が１．１μｍ〜１．６μｍであることを特徴とする。
【００２５】
第１１の発明に係る光半導体素子は、第１乃至第１０のいずれかの発明において、前記第一の化合物半導体がｐ型ドーパントとして炭素を用いた半導体を有することを特徴とする。
【００２６】
第１２の発明に係る光半導体素子は、第１乃至第１１のいずれかの発明において、前記半導体がメサストライプ状に加工されており前記半導体の両側を半導体結晶により埋め込まれたことを特徴とする。
【００２７】
第１３の発明に係る光半導体素子は、第１乃至第１２のいずれかの発明において、前記半導体結晶が、Ｒｕドープ半絶縁性半導体結晶であることを特徴とする。
【００２８】
第１４の発明に係る半導体モジュールは、第１乃至第１３のいずれかの発明に係る光半導体素子を有する半導体モジュールであって、光半導体素子の前記基板側とは反対側の面がヒートシンクに接していることを特徴とする。
【００２９】
第１５の発明に係る光半導体素子の作製方法は、第１乃至第１３のいずれかの発明に係る光半導体素子を成長する方法であって、前記基板上に成長温度４５０℃以上６５０℃以下で前記ＩｎＧａＰバッファー層を成長し、前記ＩｎＧａＰバッファー層上に前記第一の化合物半導体を成長することを特徴とする。
【００３０】
本発明者らは、上記課題を解決するための数多くの実験的検討を行った結果、有機金属気相成長法を用いてＧａＡｓ基板上に層厚が５０ｎｍから１０００ｎｍの範囲のＩｎＧａＰバッファー層を成長した後、このバッファー層上にＩｎＧａＡｓまたはＩｎＡｌＡｓなど所望の格子定数をもつ層を成長すると、表面の欠陥が少なく、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た。これは、ＩｎＧａＡｓに比べ、ＩｎＧａＰにおける転位の伝播速度が小さいためと考えられる。このような知見に基づいて本発明に至った。
【００３１】
ＧａＡｓ基板上にＩｎＧａＰバッファー層を成長する際に、ＧａＡｓから格子定数が徐々に大きくなるようにＩｎＧａＰバッファー層の組成を変化させていくと、上部の層へミスフィット転位や貫通転位などの欠陥が到達せずに、十分格子緩和したＩｎＧａＡｓ層やＩｎＡｌＡｓ層を成長することができる。
【００３２】
これらの十分に格子緩和したＩｎＧａＡｓ層や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層やＩｎＡｌＡｓ層を成長し、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層やＩｎＡｌＡｓ層を成長して、通信波長帯で動作する光半導体素子を作製する。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。
【００３３】
なお、本発明においてバッファー層として用いるＩｎＧａＰは、格子定数を、ＩｎとＧａの組成比に応じてＩｎＰの格子定数からＧａＰの格子定数までの間で変化させることができる。このため、ＧａＡｓ基板のみならず、ＧａＰとほぼ同じ格子定数をもつＳｉ基板乃至ＩｎＰとほぼ同じ格子定数をもつ材料からなる基板のバッファー層として幅広く用いることができる。従って、この格子定数に対応するＩｎＧａＡｓ層のＩｎ組成ｘの範囲は０＜ｘ≦０．５３となる。
【発明の効果】
【００３４】
本発明によれば、基板上にＩｎＧａＰバッファー層を導入して擬似的に３元基板を作製することで、その上にＩｎＧａＡｓ層やＩｎＡｌＡｓ層、ＩｎＧａＰ層などの結晶を高品質に成長することができる。従って、前述した擬似的な３元基板の上には伝導帯のバンドオフセットが大きい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。さらに、ＨＥＭＴやＨＢＴなどの電子デバイスに適用した場合には、大きなバンドオフセットを持つ構造とすることが可能で、高性能化が期待される。
【００３５】
また、３元基板で課題となっていた基板の放熱も改善されるため、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】
以下に示す実施例において、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【実施例１】
【００３７】
図１乃至図４に基づいて、本発明の第１の実施例を詳細に説明する。図１は本実施例に係る光半導体素子の層構造を示す概略構造図、図２はＩｎＧａＰバッファー層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グラフ、図３は本実施例に係る半導体装置の概略構造図、図４は本実施例に対応するバッファー層のＩｎ組成変化を示す特性図である。
【００３８】
図１に示すように、本実施例においては、ＧａＡｓ基板１上に、ｎ−ＩｎＧａＰバッファー層としてのＩｎＧａＰ組成傾斜層３を成長して擬似的にＩｎＧａＡｓ３元基板を作製している。
【００３９】
図１に示す光半導体素子の成長は、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）を用いて行った。まず、ＧａＡｓ基板１上に成長温度５５０℃、成長圧力７６Torrにて厚さ１００ｎｍのＧａＡｓ層２を成長し、このＧａＡｓ層２の上に成長温度５５０℃で厚さ４００ｎｍのｎ−ＩｎＧａＰバッファー層としてＩｎＧａＰ組成傾斜層３を成長した。ＩｎＧａＰ組成傾斜層３は、図４に示すように、ＧａＡｓに格子整合するＩｎ組成０．４８から成長をはじめ、最後はＩｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓに格子整合するＩｎ組成０．５８までＩｎＧａＰの組成を線形に変化させた。
【００４０】
このＩｎＧａＰ組成傾斜層３の上に第二の化合物半導体としてのＩｎＧａＡｓ層４，５を成長する。具体的には、成長温度５５０℃でＩｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓ層４を２００ｎｍ成長する。Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓ層４の上にさらに成長温度６８０℃においてＩｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓ層５を１μｍ成長した。この段階で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。
【００４１】
そして、ＧａＡｓ基板１、ＧａＡｓ層２、ＩｎＧａＰ組成傾斜層３、Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓ層４、Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓ層５からなる擬似的なＩｎＧａＡｓ基板の上に、成長温度５２０℃において、第一の化合物半導体としての量子井戸構造６を成長した。量子井戸構造６は、厚さ８ｎｍのＩｎ0.5Ｇａ0.5Ａｓ量子井戸層６２，６４と、厚さ１５ｎｍのＩｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓ障壁層６１，６３，６５とを交互に配した２層量子井戸構造とした。
【００４２】
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での発光が得られることを確認した。このときの半値全幅および発光強度は、上述した２層量子井戸構造６をＩｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓ３元基板上に形成した場合に得られる発光と同レベルのものが得られた。
【００４３】
次に、図３に示すように、図１に示した活性層、即ち量子井戸構造６を、ドーピングしたＩｎＧａＰクラッド層１５，７で挟んだダブルへテロレーザ構造を作製した。なお、図３において、図１に示し上述した部材（物質）と実質的に同一のものには同一符号を付している。
【００４４】
以下に、図３に示すダブルへテロレーザ構造の作製方法を詳述する。まず、ＧａＡｓ基板１上に成長温度５５０℃、成長圧力７６TorrにてＳｉを５ｘ１０17（ｃｍ-3）ドープした厚さ１００ｎｍのＧａＡｓ層２を成長し、ＧａＡｓ層２の上にＳｉを５ｘ１０17（ｃｍ-3）ドープした厚さ４００ｎｍのＩｎＧａＰ組成傾斜層３を成長した。なお、ＩｎＧａＰ組成傾斜層３は、図４に示すようにＧａＡｓに格子整合するＩｎ組成０．４８から成長をはじめ、最後はＩｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓに格子整合するＩｎ組成０．５８までＩｎＧａＰの組成を線形に変化させた。このＩｎＧａＰ組成傾斜層３の上にＳｉを５ｘ１０17（ｃｍ-3）ドープしたＩｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓ層４を２００ｎｍ成長する。
【００４５】
そして、Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓ層４の上に成長温度６５０℃においてＳｉを５ｘ１０17（ｃｍ-3）ドープした厚さ１μｍのｎ−ＩｎＧａＰクラッド層１５を成長し、ｎ−ＩｎＧａＰクラッド層１５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６２，６４の両側にＩｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓ障壁層６１，６３，６５を配した歪量子井戸構造６を成長温度５２０℃で成長した。歪量子井戸構造６の上に成長温度６５０℃において亜鉛を５ｘ１０17（ｃｍ-3）ドープしたｐ−Ｉｎ0.58Ｇａ0.42Ｐクラッド層７を１μｍの厚さに成長し、ｐ−Ｉｎ0.58Ｇａ0.42Ｐクラッド層７の上にｐ型に２ｘ１０19（ｃｍ-3）ドープした厚さ１００ｎｍのＩｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓコンタクト層８を成長する。
【００４６】
このＩｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓコンタクト層８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ェットエッチングにより幅２μｍ、高さ１．６μｍのメサストライプを形成する。このメサストライプの両脇をポリイミドで埋め込み、ポリイミド埋め込み層９とする。ＧａＡｓ基板１を研磨後に上下にそれぞれｐ電極１０、ｎ電極１１を形成し、リッジレーザへ加工した。
【００４７】
作製したレーザは、発振波長が１．２６μｍであり、閾値電流密度２ｋＡ／ｃｍ2、光出力は室温で５ｍＷを実現した。
【００４８】
なお、本実施例においては、ＧａＡｓ基板１上に成長するＧａＡｓ層２の層厚を１００ｎｍ厚とする例を示したが、ＧａＡｓ層２の層厚は５００ｎｍ程度の厚さでもよく、また、零、即ち、ＧａＡｓ層を設けない構成としてもよい。
【００４９】
また、ＧａＡｓ層２上のＩｎＧａＰ組成傾斜層３のＩｎ組成を０．４８−０．５９の範囲で線形的に変化させる例を示したが、Ｉｎ組成の変化は、線形的でなくてもよく、図５に示すＩｎ組成変化としてもよい。例えば、図５（ａ）に示すように２次関数的でもよく、図５（ｂ）に示すように階段状に変化させてもよい。または、図５（ｃ）に示すように、組成を変化させることなく一定の組成のＩｎＧａＰを用いてもよい。また、図５（ｄ）、図５（ｅ）に示すように、Ｉｎ組成は０．４８−０．５８の範囲外であってもよい。
【００５０】
また、ＧａＡｓ層２上のＩｎＧａＰ組成傾斜層３の層厚は４００ｎｍとしたが他の層厚でもよく、１００ｎｍ−１μｍであることが望ましく、２００−８００ｎｍであればさらに有効である。また、ＩｎＧａＰ組成傾斜層３上に成長されるＩｎＧａＡｓ層４は、２００ｎｍ厚としたが、５００ｎｍ程度の厚さでもよく、なくてもよい。また、ＩｎＧａＡｓ層４上のＩｎＧａＰクラッド層１５は１μｍ厚としたが、他の膜厚でもよく、０．５−２．０μｍであることが望ましい。
【００５１】
ＧａＡｓ層２上のＩｎＧａＰ組成傾斜層３の上にＩｎＧａＡｓ層４を成長する例を示したが、これは、ＩｎＧａＡｓでなくてもよい。ただし、ＧａＡｓより格子定数が大きいものが望ましい。さらに、長波長帯の光素子に適用することを考慮すればＩｎＰより格子定数が小さいことが望ましい。また、ＩｎＧａＰ組成傾斜層３の上にＩｎＧａＡｓ層４などを成長せずに、ＧａＡｓ層２上のＩｎＧａＰ組成傾斜層３の上に連続してＩｎＧａＰを成長しても構わない。
【００５２】
さらに、ＧａＡｓ基板１上のＧａＡｓ層２、ＩｎＧａＰ組成傾斜層３、ＩｎＧａＡｓ層４を５５０℃で成長する例を示したが、これらの成長温度は他の温度でもよく、４５０−６００℃であることが望ましい。また、ＧａＡｓ層２、ＩｎＧａＰ組成傾斜層３、ＩｎＧａＡｓ層４上のＩｎＧａＰクラッド層１５を６５０℃で成長する例を示したが、ＩｎＧａＰクラッド層１５の成長温度は他の温度でもよく、５５０−７００℃であることが望ましい。また、活性層を５２０℃で成長する例を示したが、活性層の成長温度は他の温度でもよく、４５０−５５０℃であることが望ましい。
【００５３】
また、基板にはＧａＡｓ基板１を用いたが、Ｓｉ基板、ＳｉＣ基板、ＧａＰ基板を用いることもできる。また、サファイア基板など半導体以外の基板でも適用できる。
【００５４】
また、本実施例では素子の作製に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２】
【００５５】
図６に基づいて、本発明の第２の実施例を詳細に説明する。図６は本実施例に係る光半導体素子の構造図である。
【００５６】
図１に示す光半導体素子は、波長１．３μｍでの埋め込み型の分布帰還形半導体レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）である。図１に示すように、本実施例に係る分布帰還形半導体レーザにあっては、ＧａＡｓ基板１０１上にＩｎＧａＰバッファー層１０３を成長して擬似的にＩｎＧａＡｓ３元基板を作製している。
【００５７】
以下、図１に示す分布帰還形半導体レーザの作製方法を説明する。まず、ＧａＡｓ基板１０１上に成長温度６００℃、成長圧力７６Torrにて、Ｓｉを５ｘ１０17（ｃｍ-3）ドープした厚さ１．０μｍのＩｎＧａＰバッファー層１０３を成長した。ＩｎＧａＰバッファー層１０３のＩｎ組成は、図５（ｂ）に示すように、ＧａＡｓに格子整合するＩｎ組成０．４８からＩｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓに格子整合するＩｎ組成０．５８までを階段状に、０．４８、０．５０、０．５２、０．５４、０．５６、０．５８と変化させた。なお、本実施例においては、上述した実施例１と異なりＧａＡｓ基板１０１上にＧａＡｓ層を成長しないものとする。
【００５８】
さらに、ＩｎＧａＰバッファー層１０３の上に成長温度６５０℃においてＳｉを５ｘ１０17（ｃｍ-3）ドープしたＩｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓ層１０４を５００ｎｍ成長する。この上に成長温度６５０℃においてＳｉを５ｘ１０17（ｃｍ-3）ドープした厚さ２μｍのｎ−ＩｎＧａＰクラッド層１０５を成長し、その上に４０ｎｍの厚さのノンドープのＩｎＧａＡｓＰガイド層１１２を導入する。その上に活性層として、Ｉｎ0.45Ｇａ0.55Ａｓ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１０６を成長温度５２０℃で成長した。
【００５９】
この後、成長温度６５０℃において、歪量子井戸構造１０６の上に４０ｎｍの厚さのノンドープのＩｎＧａＡｓＰガイド層１１３を成長し、回折格子を形成し、その上に亜鉛を１ｘ１０18（ｃｍ-3）ドープしたｐ−ＩｎＧａＰクラッド層１０７の一部を成長する。ここで、スパッタリングによりＳｉO2を堆積し、フォトリソグラフィ技術によりストライプ状のマスクを形成し、これをマスクとしてＲＩＥ（反応性イオンエッチング）により、幅２μｍで高さ１．６μｍ程度のメサストライプを形成した。
【００６０】
引き続き、メサストライプの両側の基板上に、ＭＯＶＰＥ法により、電流ブロック層としてＲｕドープのＩｎＧａＰ層１０９を層厚３μｍ成長させた。Ｒｕの原料として、ビスエチルシクロペンタディエニルルテニウム（bis（ethylcycloPentadienyl）ruthenium（II））を用いた。
【００６１】
更に、ＳｉO2からなるマスクをHＦにより除去し、層厚１．５μｍでZｎドーピング濃度が５ｘ１０17（ｃｍ-3）であるｐ−Ｉｎ0.58Ｇａ0.42Ｐオーバークラッド層１０７を成長した。その上にｐ型に２ｘ１０19（ｃｍ-3）ドープした厚さ１００ｎｍのＩｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓコンタクト層１０８を成長した。活性層以外の化合物半導体は特に断らない限り、Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓ基板に格子整合する組成である。この成長後のウェハにｐ電極１１０、ｎ電極１１１を形成した。
【００６２】
作製したレーザは、発振波長が１．２７μｍであり、閾値電流密度３ｋＡ／ｃｍ2、光出力は室温で１ｍＷを実現した。
【００６３】
なお、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。
【００６４】
また、クラッド層１０５，７に用いる材料としては、ＩｎＧａＰ、ＩｎＡｌＡｓのほかに、大きなバンドギャップを有するＩｎＧａＡｌＡｓ、ＩｎＡｌＰ、ＩｎＧａＡｌＰなどを用いることも可能である。
【００６５】
このように、本実施例によれば、ＧａＡｓ基板１０１上にＩｎＧａＰの組成を変化させたバッファー層１０３を導入することで、上部の層へミスフィット転位や貫通転位などの欠陥が到達せずに、十分格子緩和したＩｎＧａＡｓやＩｎＡｌＡｓ層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持つ構造が可能で、高性能化が期待される。
【００６６】
また、３元基板で問題となっていた基板の放熱も改善されるため、素子全体の発熱を抑えた高温度特性動作が可能となる。
【実施例３】
【００６７】
図７に基づいて、本発明の第３の実施例を詳細に説明する。図７は本実施例に係る光半導体素子の構造図である。本実施例においては、光半導体素子として波長１．３μｍでの直接変調型の分布帰還形半導体レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）を実現するための構造について説明する。
【００６８】
図７に示すように、本実施例に係る分布帰還形半導体レーザにあっては、ＧａＡｓ基板２０１上にＩｎＧａＰバッファー層２０３を成長して擬似的にＩｎＧａＡｓ３元基板を作製している。
【００６９】
以下、図７に示す分布帰還形半導体レーザの作製方法を説明する。まず、ｎ−ＧａＡｓ基板２０１上に成長温度５２０℃、成長圧力７６TorrにてＳｉを５ｘ１０17（ｃｍ-3）ドープした厚さ５００ｎｍのＧａＡｓ層２０２を成長し、該ＧａＡｓ層２０２上にＳｉを５ｘ１０17（ｃｍ-3）ドープした厚さ５００ｎｍのＩｎＧａＰバッファー層２０３を成長した。ＩｎＧａＰバッファー層２０３のＩｎ組成は、図５（ｃ）に示すように、０．５４とする。なお、本実施例においてＩｎＧａＰバッファー層２０３のＩｎ組成は一定であるが、ＧａＡｓに格子整合する組成０．４８とＩｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓに格子整合するＩｎ組成０．５８の中間であるＩｎ組成０．５４を用いる構成であるために、上部の層であるｎ−Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓ層へのミスフィット転位や貫通転位などの欠陥の到達を防止することができる。
【００７０】
このＩｎＧａＰバッファー層２０３の上に成長温度６５０℃、成長圧力７６TorrにてＳｉをドープしたｎ−Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓ層２０４を１００ｎｍ成長し、その上に４０ｎｍの厚さのノンドープのＩｎＧａＡｓＰガイド層２１２を導入する。さらにＳｉを５ｘ１０17（ｃｍ-3）ドープしたｎ−Ｉｎ0.58Ｇａ0.42Ｐクラッド層２０５を５００ｎｍの厚さに成長した。
【００７１】
このｎ−Ｉｎ0.58Ｇａ0.42Ｐクラッド層２０５の上に、活性層として、圧縮歪量子井戸層の両側に、引張り歪となるＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ歪補償障壁層を配した歪量子井戸構造２０６を成長温度５２０℃で成長した。
【００７２】
詳述すると、厚さ８ｎｍの量子井戸層の両側に、厚さ５ｎｍのＩｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓ障壁層を配し、さらに、ＧａＡｓ歪補償障壁層を配する。ＧａＡｓ歪補償障壁層の厚さは１５ｎｍであり、相互に隣接する量子井戸層の間であって、Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓ障壁層の間に配する。これらを３周期とした３層量子井戸活性層である。量子井戸層には１．３μｍ発光が可能となる組成であるＩｎ0.5Ｇａ0.5Ａｓを用いた。歪量子井戸構造２０６の上に４０ｎｍの厚さのノンドープのＩｎＧａＡｓＰガイド層２１３を成長し、回折格子を形成し、その上に亜鉛を１ｘ１０18（ｃｍ-3）ドープしたｐ−ＩｎＧａＰクラッド層２０７を成長温度６５０℃において成長する。
【００７３】
ここで、ＳｉＯ2をマスクとしてＲＩＥ（反応性イオンエッチング）により、幅２μｍで高さ２．０μｍ程度のメサストライプを形成した。引き続き、メサストライプの両側の基板２０１上に、ＭＯＶＰＥ法により電流ブロック層として、ＲｕドープのＩｎＧａＰ埋め込み層２０９を層厚２μｍ成長させた。更に、ＳｉO2からなるマスクを除去し、層厚２μｍでZｎドーピング濃度が５ｘ１０17（ｃｍ-3）であるｐ−Ｉｎ0.58Ｇａ0.42Ｐオーバークラッド層２０７を成長した。その上にｐ型に２ｘ１０19（ｃｍ-3）ドープした厚さ１００ｎｍのＩｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓコンタクト層２０８を成長した。活性層以外の化合物半導体は特に断らない限り、Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓ基板に格子整合する組成である。この成長後のウェハにｐ電極２１０、ｎ電極２１１を形成した。
【００７４】
このような方法でレーザ構造の表面を平坦に埋め込んで作製した埋め込みレーザの成長面を下にしてジャンクションダウンでヒートシンク２１５上にダイボンディングした。これにより成長面側からヒートシンク２１５側へと効率よく放熱させることができる。このようにマウントしたジャンクションダウン型レーザでは、従来のジャンクションアップ型に比べて、最高発振温度が１０℃上昇した。
【００７５】
作製したレーザは、発振波長が１．３μｍであり、閾値電流密度２．５ｋＡ／ｃｍ2、光出力は室温で５ｍＷを実現した。
【実施例４】
【００７６】
図８に基づいて、本発明の第４の実施例を詳細に説明する。図８は本実施例に係る光半導体素子の構造図である。本実施例においては、光半導体素子として、電界吸収型光変調器（ＥＡ変調器）を例に説明する。上述した実施例１乃至実施例３においては、光半導体素子として、Ｉｎ組成０．１のＩｎＧａＡｓ層の上に波長１．３μｍ帯用のレーザを作製する例を示したが、基板のＩｎ組成を高めることで、１．５５μｍ帯用の光半導体素子の作製が可能となる。
【００７７】
図８に示すように、本実施例に係る光半導体素子にあっては、ＧａＡｓ基板３０１上にＩｎＧａＰバッファー層としてＩｎＧａＰ組成傾斜層３０３を成長して擬似的にＩｎＧａＡｓ３元基板を作製している。
【００７８】
以下、図８に示す電界吸収型光変調器の作製方法を説明する。まず、ｎ−ＧａＡｓ基板３０１上に成長温度５８０℃、成長圧力７６TorrにてＳｉを５ｘ１０17（ｃｍ-3）ドープした厚さ１００ｎｍのＧａＡｓ層３０２を成長し、該ＧａＡｓ層３０２の上にＳｉを５ｘ１０17（ｃｍ-3）ドープした厚さ２００ｎｍのＩｎＧａＰ組成傾斜層３０３を成長した。ＩｎＧａＰ組成傾斜層３０３のＩｎ組成は、ＧａＡｓに格子整合するＩｎ組成０．４８から成長をはじめ、最後はＩｎ0.3Ｇａ0.7Ａｓに格子整合するＩｎ組成０．７８までＩｎ組成を線形に変化させた。
【００７９】
このＩｎＧａＰ組成傾斜層３０３の上に成長温度６５０℃においてＳｉをドープしたｎ−Ｉｎ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層３０４を１．０μｍの厚さに成長し、さらにＳｉを５ｘ１０17（ｃｍ-3）ドープしたｎ−Ｉｎ0.78Ｇａ0.22Ｐクラッド層３０５を１．５μｍの厚さに成長し、その上に成長温度５５０℃において光吸収層構造を成長する。光吸収層構造は、ＩｎＧａＡｓ圧縮歪量子井戸層の両側に、引張り歪となるＩｎＡｌＡｓ障壁層を配した歪量子井戸構造３０６である。ＩｎＡｌＡｓ歪補償層は厚さが１０ｎｍである。これらを６周期とした６層量子井戸光吸収層である。量子井戸層はＩｎ0.6Ｇａ0.4Ａｓを用いた。量子井戸の厚さは１０ｎｍとする。
【００８０】
歪量子井戸構造３０６の上に成長温度６５０℃において亜鉛を５ｘ１０17（ｃｍ-3）ドープしたｐ−Ｉｎ0.78Ｇａ0.22Ｐクラッド層３０７を１．５μｍの厚さに成長し、その上にｐ型に２ｘ１０19（ｃｍ-3）ドープした厚さ１００ｎｍのＩｎ0.3Ｇａ0.7Ａｓコンタクト層３０８を成長する。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ェットエッチングにより幅２μｍ、高さ３μｍのメサストライプを形成する。この両脇をポリイミドで埋め込み、ポリイミド埋め込み層３０９とする。基板３０１を研磨後に上下にそれぞれｐ電極３１０、ｎ電極３１１を形成し、リッジ構造へ加工し、波長１．５５μｍの光を制御する電界吸収型変調器を作製した。
【００８１】
この電界吸収型変調器は、室温において消光比は２Ｖ変化時に１０ｄＢ以上の消光比が得られた。
【実施例５】
【００８２】
図９に基づいて、本発明の第５の実施例を詳細に説明する。図９は本実施例に係る光半導体素子の構造図である。本実施例においては、光半導体素子として電界吸収型変調器と分布帰還形半導体レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）をモノリシック集積したＥＡ−ＤＦＢレーザの一例を説明する。
【００８３】
図９に示すように、本実施例に係るＥＡ−ＤＦＢレーザは、ＥＡ変調器（図９中、左側部分）と分布帰還形半導体レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ、図中右側部分）をモノリシック集積したものであり、ＧａＡｓ基板４０１上にＩｎＧａＰバッファー層としてＩｎＧａＰ組成傾斜層４０３を成長して擬似的にＩｎＧａＡｓ３元基板を作製している。
【００８４】
以下、図９に示すＥＡ−ＤＦＢレーザの作製方法を説明する。まず、成長温度６２０℃においてｎ−ＧａＡｓ基板４０１上に成長圧力７６TorrにてＳｉを５ｘ１０17（ｃｍ-3）ドープした厚さ１００ｎｍのＧａＡｓ層４０２を成長し、その上にＳｉを５ｘ１０17（ｃｍ-3）ドープした厚さ４００ｎｍのＩｎＧａＰ組成傾斜層４０３を成長した。ＩｎＧａＰ組成傾斜層４０３は、ＧａＡｓに格子整合するＩｎ組成０．４８から成長をはじめ、最後はＩｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓに格子整合するＩｎ組成０．５８までＩｎ組成を線形に変化させた。このＩｎＧａＰ組成傾斜層４０３の上にＳｉを５ｘ１０17（ｃｍ-3）ドープしたＩｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓ層４０４を２００ｎｍ成長する。
【００８５】
分布帰還形半導体レーザ部の構成は、Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓ層４０４上に、Ｓｉをドープしたｎ−Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓバッファー層を成長し、さらに成長温度６５０℃においてＳｉを５ｘ１０17（ｃｍ-3）ドープしたｎ−Ｉｎ0.58Ｇａ0.42Ｐクラッド層４０５を１．５μｍの厚さに成長し、その上に４０ｎｍの厚さのノンドープのＩｎＧａＡｓＰガイド層４１２を導入する。そして、その上に成長温度５２０℃において活性層構造を成長する。
【００８６】
活性層は、ＩｎＧａＡｓ圧縮歪量子井戸層の両側に、引張り歪となるＧａＡｓ障壁層を配した歪量子井戸構造４０６である。ＧａＡｓ歪補償層は厚さが１５ｎｍである。これらを３周期とした３層量子井戸活性層である。量子井戸層は波長１．３μｍで発振させるためＩｎ0.5Ｇａ0.5Ａｓを用いた。量子井戸層の厚さは８ｎｍとした。この上に４０ｎｍの厚さのノンドープのＩｎＧａＡｓＰガイド層４１３を成長し、回折格子を形成し、その上をＩｎＧａＰクラッド層４０７で埋め込む。
【００８７】
その後、このレーザ部分と後述する変調器部分を結合させるため、バットジョイント技術を用いる。即ち、レーザ構造成長層の上にスパッタリングでＳｉＯ2マスクをつけ、ウェットエッチングにより幅１５μｍ、長さ４００μｍの領域のみ量子井戸活性層を有する島形状を形成する。その状態で変調器構造を成長することにより、レーザのメサ部分の周りに変調器構造が成長され、集積化される。
【００８８】
電界吸収型光変調器部分の構成は、ＩｎＧａＡｓ圧縮歪量子井戸層の両側に、引張り歪となるＡｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ障壁層を配したＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ歪量子井戸構造４１４である。Ａｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ歪補償層は厚さが１０ｎｍである。歪量子井戸構造４１４は、６層のＩｎＧａＡｓ圧縮歪量子井戸層と７層のＡｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ障壁層を交互に設けた６層量子井戸光吸収層である。量子井戸層は波長１．３μｍの光の吸収係数を制御するのに最適な離調量を持った吸収波長をもつ組成であるＩｎ0.4Ｇａ0.6Ａｓを用い、厚さは１０ｎｍとした。
【００８９】
バットジョイント成長の後にマスクを除去し、層厚１．５μｍでＺｎドーピング濃度が５ｘ１０17（ｃｍ-3）であるｐ−Ｉｎ0.58Ｇａ0.42Ｐオーバークラッド層４０７を成長した。その上にｐ型に２ｘ１０19（ｃｍ-3）ドープした厚さ１００ｎｍのＩｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓコンタクト層４０８を成長した。
【００９０】
さらに再度ＳｉＯ2を堆積し、フォトリソグラフィ技術によりストライプ状のマスクを新しく形成する。これをマスクとしてＲＩＥ（反応性イオンエッチング）により、幅２μｍで高さ１．６μｍ程度のメサストライプを形成した。引き続き、メサストライプの両側の基板４０１上に、ＭＯＶＰＥ法により電流ブロック層として、Ｒｕドープの図示しないＩｎＧａＰ層を層厚３μｍ成長させた。Ｒｕの原料として、ビスエチルシクロペンタディエニルルテニウム（bis（ethylcycloPentadienyl）ruthenium（II））を用いた。また、電気的な絶縁を行うため、レーザ部と変調器部の間のＩｎＧａＡｓコンタクト層は除去する。この成長後のウェハにｐ電極４１０、ｎ電極４１１を形成した。
【００９１】
本実施例によれば、ＥＡ−ＤＦＢレーザは閾値電流３５ｍＡ、特性温度７０Ｋ、消光比は１０ｄＢ以上で高温化においても、レーザの閾値電流の変動が小さく、安定した動作を実現した。
【実施例６】
【００９２】
図１０に基づいて、本発明の第６の実施例を詳細に説明する。図１０は本実施例に係る光半導体素子の構造図である。本実施例においては、光半導体素子としての分布帰還形半導体レーザの一例について説明する。
【００９３】
本実施例は、通常の長波長帯光デバイスで用いられるＩｎＰ系結晶ではｎ型ドーパントとして振舞う炭素が、ＧａＡｓ系結晶ではｐ型ドーパントとして振舞うことに着目したものである。ＺｎがＩｎＰ系結晶でｐ型ドーパントとして用いられると熱拡散しやすいのに対し、炭素は熱拡散しにくいという特徴がある。このことを利用すればＺｎが活性層等に拡散することにより生じていた素子特性の劣化等の従来の問題を解消することができる。
【００９４】
図１０に示すように、本実施例に係る光半導体素子にあっては、Ｓｉ基板５０１上にＩｎＧａＰバッファー層５０３を成長して擬似的にＩｎＧａＡｓ３元基板を作製している。
【００９５】
以下、本実施例に係る光半導体素子の作製方法を説明する。まず、成長温度５５０℃においてｎ−Ｓｉ基板５０１上に成長圧力７６TorrにてＳｉを５ｘ１０17（ｃｍ-3）ドープした厚さ１００ｎｍのＧａＡｓ層５０２を成長し、その上にＳｉを５ｘ１０17（ｃｍ-3）ドープした厚さ２００ｎｍのＩｎＧａＰバッファー層５０３を成長した。図５（ｄ）に示すように、ＩｎＧａＰバッファー層５０３のＩｎ組成は０．６２とする。この場合、Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓに格子整合するＩｎ組成０．５８より大きいＩｎ組成を用いることとなるが、上層である後述するｎ−Ｉｎ0.58Ｇａ0.42Ｐクラッド層５０５へのミスフィット転位や貫通転位などの欠陥の到達を十分に防止することができる。
【００９６】
ＩｎＧａＰバッファー層５０３の上に、成長温度６５０℃においてＳｉを５ｘ１０17（ｃｍ-3）ドープしたｎ−Ｉｎ0.58Ｇａ0.42Ｐクラッド層５０５を１．５μｍの厚さに成長し、その上に４０ｎｍの厚さのノンドープのＩｎＧａＡｓＰガイド層５１２を導入する。その上に成長温度５２０℃において活性層構造を成長する。
【００９７】
活性層構造は、圧縮歪量子井戸層の両側に、引張り歪となるＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ歪補償障壁層を配した歪量子井戸構造５０６を成長温度５５０℃で成長した。さらに詳述すると、厚さ１０ｎｍの量子井戸層の両側に、厚さ５ｎｍのＩｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓ障壁層を配し、さらに、ＧａＡｓ歪補償障壁層を配する。ＧａＡｓ歪補償層は厚さが１５ｎｍであり、相互に隣接する圧縮歪量子井戸層間であって、Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓ障壁層の間に配する。これらを３周期とした３層量子井戸活性層である。量子井戸層には１．３μｍ発光が可能となる組成であるＩｎ0.5Ｇａ0.5Ａｓを用いた。
【００９８】
歪量子井戸構造５０６の上に４０ｎｍの厚さのノンドープのＩｎＧａＡｓＰガイド層５１３を成長し、回折格子を形成し、その上に炭素を５ｘ１０17（ｃｍ-3）ドープしたｐ−ＩｎＡｌＡｓクラッド層５０７を１．５μｍの層厚まで成長する。その上にｐ型に２ｘ１０19（ｃｍ-3）ドープした厚さ１００ｎｍのＩｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓコンタクト層５０８を成長した。炭素ドーピングの材料としては、四臭化炭素（ＣＢｒ4）を用いた。
【００９９】
そして、ＳｉＯ2をマスクとしてＲＩＥ（反応性イオンエッチング）により、幅２μｍで高さ３μｍ程度のハイメサストライプを形成した。引き続き、メサストライプの両側の基板５０１上に、ＭＯＶＰＥ法により電流ブロック層として、ＦｅドープのＩｎＡｌＡｓ埋め込み層５０９を層厚４μｍ成長させた。この成長後のウェハにｐ電極５１０、ｎ電極５１１を形成した。
【０１００】
ｐ−ＩｎＡｌＡｓクラッド層５０７のドーパントとして、炭素を用いたことで、従来の亜鉛で起きたような熱拡散の影響を低減できる。これにより活性層中の光吸収が小さくなり、効率が向上する。また、半絶縁ＩｎＡｌＡｓ埋め込み層５０９中のドーパントである鉄とｐ−ＩｎＡｌＡｓクラッド層５０７のドーパントである炭素の間では相互拡散が起きないため、従来の鉄と亜鉛を用いた場合に比較して漏れ電流が少なく、低閾値電流動作を実現した。なお、活性層以外の化合物半導体は特に断らない限り、Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓ基板に格子整合する組成である。
【０１０１】
作製したレーザは、発振波長が１．３μｍであり、閾値電流密度１ｋＡ／ｃｍ2、光出力は室温で５ｍＷを実現した。
【０１０２】
なお、本実施例ではバッファー層としてＩｎ組成０．６２のＩｎＧａＰ層５０３を用いたが、図５（ｅ）に示すようにＩｎＧａＰ層のＩｎ組成をＧａＡｓに格子整合する０．４８以下の０．４２からＩｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓに格子整合する０．５８以上の０．６６まで変化させても十分に上層であるｎ−Ｉｎ0.58Ｇａ0.42Ｐクラッド層５０５へのミスフィット転位や貫通転位などの欠陥の到達を防止することができる。また、Ｉｎ組成がＧａＡｓに格子整合する組成０．４８以下の０．４２であるＩｎＧａＰ層を用いても、十分に上層であるｎ−Ｉｎ0.58Ｇａ0.42Ｐクラッド層５０５へのミスフィット転位や貫通転位などの欠陥の到達を防止することができる。
【０１０３】
以上全ての実施例において、電界吸収型光変調器およびレーザの量子井戸には上記のＩｎＧａＡｓの他に、ＧａＩｎＮＡｓやＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｌＡｓなどを用いることができる。
【０１０４】
また障壁層の材料は上記の他に、ＩｎＧａＡｌＡｓ、ＧａＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＡｓＰなどを用いることができる。
【０１０５】
クラッド層に用いる材料としては、ＩｎＧａＰのほかに、大きなバンドギャップを有するＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｌＡｓ、ＩｎＡｌＰ、ＩｎＧａＡｌＰなどを用いることも可能である。
【０１０６】
またこれらの実施例ではリッジを絶縁体のポリイミドで埋め込んだが、ＢＣＢでの埋め込みやＦｅやＲｕをドーピングしたＩｎＧａＰやＩｎＡｌＡｓなどの半絶縁の半導体で埋め込むこともできる。
【０１０７】
さらに、歪量子井戸構造の発光波長が１．１μｍ〜１．６μｍであれば、上述した実施例を良好に適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１０８】
本発明は、光半導体素子及び光半導体素子の作製方法に関し、とくに基板上に基板と格子定数の異なる半導体層を形成する作製方法及びそれを用いた化合物半導体素子に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】本発明の実施例１に係る化合物半導体の層構造を示す概略構造図である。
【図２】ＩｎＧａＰバッファー層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グラフである。
【図３】本発明の実施例１に係る光半導体素子の概略構造図である。
【図４】本発明の実施例１に対応するバッファー層のＩｎ組成変化を示す特性図である。
【図５】本発明に対応するバッファー層のＩｎ組成の他の例を示す特性図である。
【図６】本発明の実施例２に係る光半導体素子の概略構造図である。
【図７】本発明の実施例３に係る光半導体素子の概略構造図である。
【図８】本発明の実施例４に係る光半導体素子の概略構造図である。
【図９】本発明の実施例５に係る光半導体素子の概略構造図である。
【図１０】本発明の実施例６に係る光半導体素子の概略構造図である。
【符号の説明】
【０１１０】
１，１０１，２０１，３０１，４０１，５０１  ｎ−ＧａＡｓ基板
２，２０２，３０２，４０２，５０２  ｎ−ＧａＡｓ層
３，１０３，２０３，３０３，４０３，５０３  ｎ−ＩｎＧａＰバッファー層
４，５，１０４，２０４，３０４，４０４，５０４  ｎ−ＩｎＧａＡｓ層
１５，１０５，２０５，３０５，４０５，５０５  ｎ−ＩｎＧａＰクラッド層
６，１０６，２０６，３０６，４０６，５０６  ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ量子井戸層
７，１０７，２０７，３０７，４０７，５０７  ｐ−ＩｎＧａＰクラッド層
８，１０８，２０８，３０８，４０８，５０８  ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層
９，１０９，２０９，３０９，５０９  埋め込み層
１０，１１０，２１０，３１０，４１０，５１０  ｐ電極
１１，１１１，２１１，３１１，４１１，５１１  ｎ電極
２１２，２１３，３１２，３１３，４１２，４１３，５１２，５１３  ガイド層
２１５  ヒートシンク
【図１】
2008235519.tif 000003
【図２】
2008235519.tif 000004
【図３】
2008235519.tif 000005
【図４】
2008235519.tif 000006
【図５】
2008235519.tif 000007
【図６】
2008235519.tif 000008
【図７】
2008235519.tif 000009
【図８】
2008235519.tif 000010
【図９】
2008235519.tif 000011
【図１０】
2008235519.tif 000012