(57)【要約】【課題】温度依存性の低い半導体素子、半導体レーザ及び半導体素子の製造方法を提供する。【解決手段】基板２と、前記基板２上に形成したSb系半導体薄膜からなる活性層４とを備える半導体素子１において、前記活性層４は、結晶方位が(111)である前記基板２の表面上に形成した。前記活性層４が、GaSb，AlGaSb，AlSb，InGaSb，及びInSbのうちいずれか１種又は２種以上で形成されるSb系半導体薄膜であり、量子井戸構造を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、前記基板上に形成したSb系半導体薄膜からなる活性層とを備える半導体素子において、前記活性層は、結晶方位が(111)である前記基板の表面上に形成したことを特徴とする半導体素子。
【請求項２】
前記活性層が、GaSb，AlGaSb，AlSb，InGaSb，及びInSbのうちいずれか１種又は２種以上で形成されるSb系半導体薄膜であり、量子井戸構造を有することを特徴とする請求項１記載の半導体素子。
【請求項３】
前記活性層が、GaSb薄膜で形成した井戸層と、AlGaSb薄膜で形成した障壁層とを有し、前記Al組成が0.3〜0.4であって、前記井戸層の厚さが8〜9nm、前記障壁層の厚さが40〜50nmであることを特徴とする請求項１記載の半導体素子。
【請求項４】
基板と、前記基板上に形成したSb系半導体薄膜からなる活性層と、前記活性層を挟むように形成された一対のクラッド層とを備える半導体素子において、前記活性層は、結晶方位が(111)である前記基板の表面上に形成した半導体素子を備えたことを特徴とする半導体レーザ。
【請求項５】
基板上にSb系半導体薄膜からなる活性層を形成する工程を備える半導体素子の製造方法において、前記活性層は、結晶方位が(111)である前記基板の表面上にエピタキシャル成長させて形成することを特徴とする半導体素子の製造方法。
【請求項６】
エピタキシャル成長温度が400℃から500℃であることを特徴とする請求項５記載の半導体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子、半導体レーザ及び半導体素子の製造方法に関し、特に、多重量子井戸構造を有する半導体素子に適用して好適のものである。
【背景技術】
【０００２】
現在光通信には1.3-1.55μｍ帯の赤外領域半導体レーザが用いられている。この波長領域では主にInP(001)面方位を有する基板を用いて半導体レーザが製造されている（例えば特許文献１）。ところで、InP基板の代わりにSi基板を用いることができれば、非常に安価な赤外領域の半導体レーザが実現できることが予想される。
【０００３】
一方、シリコン集積回路においては微細化が進み、更なる集積化および高機能化のため、光電子集積化の必要性が求められる。例えば、光インターコネクトでは、従来から光通信で採用されている1.3-1.5μｍ帯の赤外波長領域が適していると考えられる。通常このような技術的な背景から、Si基板上に化合物半導体をエピタキシャル成長させる研究・開発が進められているが、その候補としてSb系半導体がある。
【特許文献１】特開平６−６９５８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来のSb系半導体では、使用温度領域によって発光波長が変化してしまうという問題があった。
【０００５】
そこで本発明は上記した問題点に鑑み、温度依存性の低い半導体素子、半導体レーザ及び半導体素子の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、基板と、前記基板上に形成したSb系半導体薄膜からなる活性層とを備える半導体素子において、前記活性層は、結晶方位が(111)である前記基板の表面上に形成したことを特徴とする。
【０００７】
また、請求項２に係る発明は、前記活性層が、GaSb，AlGaSb，AlSb，InGaSb，及びInSbのうちいずれか１種又は２種以上で形成されるSb系半導体薄膜であり、量子井戸構造を有することを特徴とする。
【０００８】
また、請求項３に係る発明は、前記活性層が、GaSb薄膜で形成した井戸層と、AlGaSb薄膜で形成した障壁層とを有し、前記Al組成が0.3〜0.4であって、前記井戸層の厚さが8〜9nm、前記障壁層の厚さが40〜50nmであることを特徴とする。
【０００９】
また、請求項４に係る発明は、基板と、前記基板上に形成したSb系半導体薄膜からなる活性層と、前記活性層を挟むように形成された一対のクラッド層とを備える半導体素子において、前記活性層は、結晶方位が(111)である前記基板の表面上に形成した半導体素子を備えたことを特徴とする。
【００１０】
また、請求項５に係る発明は、基板上にSb系半導体薄膜からなる活性層を形成する工程を備える半導体素子の製造方法において、前記活性層は、結晶方位が(111)である前記基板の表面上にエピタキシャル成長させて形成することを特徴とする。
【００１１】
また、請求項６に係る発明は、エピタキシャル成長温度が400℃から500℃であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、温度依存性の低い半導体素子を得ることができるので、安定的に使用可能な信頼性の高い半導体レーザを安価に形成することができる。このようなSi(111)基板を採用した低価格化光デバイス技術が実現されれば、例えば、自動車等の輸送機器に搭載することができ、夜間走行時におけるドライバーの安全性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
（１）全体構成
以下図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。図１に示す半導体素子１は、基板２、第１のクラッド層（ｎ型）３、活性層４、及び第２のクラッド層（ｐ型）５を有し、前記第１のクラッド層３、前記活性層４、及び前記第２のクラッド層５はいずれもSb系半導体薄膜からなり、基板２上に順次積層してなる。このように構成された半導体素子１について検討した結果、使用温度領域によって発光波長が変化することが問題となることを確認した。
【００１４】
そこで、温度依存性の低い半導体素子、半導体レーザ及び半導体素子の製造方法を検討した結果、前記活性層４を積層する基板表面２の結晶方位を制御することにより、温度依存性を改善できることを確認した。
【００１５】
すなわち、基板２、第１のクラッド層３、活性層４、及び第２のクラッド層５を有し、前記第１のクラッド層３、前記活性層４、及び前記第２のクラッド層５はいずれもSb系半導体薄膜からなり、基板２上に順次積層してなる半導体素子において、前記第１のクラッド層３を積層する基板２表面の結晶方位を(111)とすることが望ましい。
【００１６】
本実施形態では、基板２は、Si(111)で構成される。第１のクラッド層３は、AlSb層3a及びGaSb層3bをSi基板２表面上に順次積層してなる。また、活性層４は、GaSb，AlGaSb，AlSb，InGaSb，及びInSbのうちいずれか１種又は２種以上で形成される。この活性層４は、図示しないが、特に、GaSb薄膜で形成した井戸層と、AlGaSb薄膜で形成した障壁層とを交互に複数積層した多重量子井戸構造（ＭＱＷ；Multiple-Quantum Well)が好ましい。
【００１７】
温度依存性が低下するメカニズムについて説明する。従来のSi(001)などによる発光は、バンドギャップの温度依存性を反映しているものと考えられる。これに対し、本発明に係る結晶方位が（111）のSiからなる基板については、バンドギャップの温度変化とあわせて、基板から受けるひずみに起因したバンドギャップへの影響が考えられ、温度変化とひずみによる影響が相殺して温度依存性を小さくしているものと考えられる。
【００１８】
次に、本発明に係るSb系半導体薄膜の形成方法について説明する。本実施形態では、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法;Molecular Beam Epitaxy）によって形成する場合について説明する。
【００１９】
本実施例では、結晶方位が（111）のSiの基板２上に第１のクラッド層３を形成する。第１のクラッド層３を形成するには、まずAlSb層3aを形成する。このAlSb層3aの形成が確認された後にGaSb層3bをエピタキシャル成長させる。その際、GaSb層3bは２次元成長をすることによって平坦な結晶表面が実現できる。
【００２０】
このように第１のクラッド層３を形成した後に、本実施例ではGaSb薄膜で形成した井戸層と、AlGaSb薄膜で形成した障壁層とからなる多重量子井戸構造からなる活性層４を作製する。次いで、図２は、上記したように結晶方位が（111）のSiの基板２を用いて、半導体素子としての面発光レーザ（VCSEL；Vertical Cavity Surface Emitting Laser）10を作製した場合の構造図である。面発光レーザ10は、基板２、第１のクラッド層としての第１ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflection；分布ブラッグ反射）層11、活性層12、及び第２のクラッド層としての第２ＤＢＲ層13を備え、基板２上に第１ＤＢＲ層11、活性層12、及び第２ＤＢＲ層13を順次積層してなる。基板２は、ｎ型不純物を含む結晶方位が（111）のSiからなる。第１ＤＢＲ層11は、前記基板２上に形成され、前記基板２と同型の不純物を含有するAlGaSb層及びGaSb層からなる。活性層12は、図示しないがGaSb薄膜で形成した井戸層と、AlGaSb薄膜で形成した障壁層とからなる多重量子井戸構造からなる。第２ＤＢＲ層13は、前記第１ＤＢＲ層11と反対型の不純物、すなわちｐ型のGaSb層からなる。さらに、基板２の下面に第１電極15を、第２ＤＢＲ層13及びポリイミド16上に窓17を有する第２電極14をそれぞれ備える。
【００２１】
このような構造の面発光レーザ10は、活性層12の両側にそれぞれ設けた第１ＤＢＲ層11及び第２ＤＢＲ層12により、基板２と垂直方向に共振器を形成する。これにより、面発光レーザ10は、基板２表面から光を出射することができる。このようにして、本実施形態では、活性層11を結晶方位が（111）のSiの基板２上に形成することにより、温度依存性の低い面発光レーザ10を提供することができる。本実施例では、基板２は結晶方位が（111）のSiを用いて形成したが、ここで示した構造は、Sb系半導体多重量子井戸構造をGaSb基板と異なる半導体基板上、たとえばGaAs(111)やInP(111)基板上に作製した場合にも同様な効果が期待されることはいうまでもない。
（２）実施例
以下、実施例について説明する。基板には、結晶方位が（111）のSiを用い、まずAlSb層を厚さ10nm形成する。その形成が確認された後にGaSb層を厚さ500nmエピタキシャル成長させる。
【００２２】
次いで、上記のように第１のクラッド層を形成した結晶方位が（111）のSiの基板上に活性層を形成する。形成条件は、図３に示す通りである。すなわち、結晶方位が（111）のSiの基板を背圧が10-8Torr以下の薄膜成長室内にセットする。その後、300℃で表面のデガス（degas）を行い、結晶方位が（111）のSiの基板を750℃で表面の自然酸化膜を除去する。その後、アンチモン分子線ビームを照射しながら基板温度を500℃まで降温し、AlSb層およびGaSb層形成後、GaSb薄膜で形成した井戸層と、AlGaSb薄膜で形成した障壁層とから構成される多重量子井戸構造を作製する。本実施例の多重量子井戸構造はAl組成0.35として10量子井戸である。次いで第２のクラッド層を厚さ5nm形成する。
【００２３】
このように形成したエピタキシャル層のＸ線回折測定結果を図４に示す。結晶方位が（111）のSiの基板上に形成されたGaSb層の(111)面がエピタキシャル成長していることが確認できた。さらに、この多重量子井戸構造についてフォトルミネッセンスを測定した結果を図５に示す。1５Ｋから３００Ｋまでの測定を行った。上記図５の結果を改めて図６のグラフにまとめた。この測定結果から、従来報告されている結晶方位が（100）のSiの表面上に成長した多重量子井戸構造（図中Ａ）では、発光波長が長波長側にシフトしているが、結晶方位が（111）のSiの表面上に成長させた多重量子井戸構造（図中Ｂ）では強い温度依存性が現れないことが確認できた。これにより、結晶方位が（111）のSiの表面上に成長させた多重量子井戸構造（図中Ｂ）は、光デバイスを作製するSiの面指数として最適であることが確認できた。このように、Si(111)面上に半導体レーザを作成した場合には、温度依存性に優れた半導体レーザを実現することが可能になった。
【００２４】
本発明は、本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。
【００２５】
本研究の将来の産業応用として、Si基板上に制作される低価格な赤外領域の発光・受光デバイスによる集積技術の実現、たとえば赤外受光素子アレイなどにより夜間の自動車走行時の歩行者認識などへの応用が期待され、安全走行の実現が図れると予想される。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本実施形態に係る半導体素子の構成を模式的に示す断面図である。
【図２】本実施形態に係る面発光レーザの構成を模式的に示す斜視断面図である。
【図３】半導体素子の製造条件を示す基板温度と時間との関係を示す図である。
【図４】半導体素子のＸ線回折結晶構造解析の結果を示す図である。
【図５】半導体素子のフォトルミネッセンスの測定結果を示す図である。
【図６】図５の結果から、新たに温度とピークエネルギー、及び温度とピーク波長との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００２７】
１    半導体素子
２    基板
３    第１のクラッド層
４    活性層
５    第２のクラッド層    
【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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