JP7129359B2 - 半導体レーザ用ウェーハおよび半導体レーザ - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、半導体レーザ用ウェーハおよび半導体レーザに関する。

赤外線を放出する半導体レーザは、複数の多重量子井戸構造が積層された活性層を有する。

井戸層と障壁層を構成する化合物半導体の組成比および厚さは、エピタキシャル結晶成長プロセスにおける外乱（原料フラックスや真空度などの変動）の影響を受ける。また、単位多重量子井戸構造のカスケード接続段数が多くなると、活性層の結晶成長時間が長くなり、外乱の影響がますます大きくなる。

特開２００３－１２１３９１号公報

半導体レーザチップの生産性が高められ、赤外線を放出可能な半導体レーザを提供する。

半導体レーザ用ウェーハは、基板と、第１半導体層と、活性層と、第２半導体層と、第１膜と、第２膜と、を有する。前記第１半導体層は、前記基板上に設けられる。前記活性層は、前記第１半導体層の上に設けられ、組成式Ｉｎ _ｘ Ａｌ _１－ｘ Ａｓ（０＜ｘ＜１）で表される化合物半導体ＩｎＡｌＡｓを含む障壁層および組成式Ｉｎ _ｙ Ｇａ _１－ｙ Ａｓ（０＜ｙ＜１）で表される化合物半導体ＩｎＧａＡｓを含む量子井戸層からなる発光多重量子井戸領域と、前記ＩｎＡｌＡｓを含む別の障壁層および前記ＩｎＧａＡｓを含む別の量子井戸層からなる注入多重量子井戸領域と、のペアが複数段積層される。前記第１膜は、前記活性層の直上に設けられ、前記障壁層のＩｎＡｌＡｓと同じ組成ｘを有するＩｎＡｌＡｓを含み、第１の厚さを有する。前記第２膜は、前記第１膜上に設けられ、前記量子井戸層のＩｎＧａＡｓと同じ組成ｙを有するＩｎＧａＡｓを含み、第２の厚さを有する。前記第２半導体層は、前記第２膜上に設けられる。前記第１の厚さおよび前記第２の厚さは、前記障壁層の厚さおよび前記量子井戸層の厚さよりも厚い。

第１の実施形態にかかる半導体レーザ用ウェーハの模式断面図である。 第１の実施形態にかかる半導体レーザの模式断面図である。 活性層の縦方向の伝導帯エネルギー準位図である。 第１の実施形態にかかる半導体レーザ用ウェーハの評価工程のフロー図である。 図５(ａ）は第１の実施形態の測定Ｘ線回折プロファイルのグラフ図、図５（ｂ）は組成評価層をＩｎＰ基板に形成したサンプル構造のＸ線回折プロファイルをシミュレーションにより求めたグラフ図、である。 比較例にかかる半導体レーザ用ウェーハの模式断面図である。 図７（ａ）は第１の実施形態の測定Ｘ線回折プロファイルのグラフ図、図７（ｂ）は第１の実施形態の構造に対するＸ線回折プロファイルをシミュレーションにより求めたグラフ図、である。 第１の実施形態の変形例にかかる半導体レーザ用ウェーハの模式断面図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる半導体レーザ用ウェーハの１チップ分の模式断面図である。
半導体レーザ用ウェーハ１０は、基板２０と、第１半導体層３０と、活性層４０と、第２半導体層５０と、組成評価層６０と、を有する。

第１半導体層３０は、たとえば、第１コンタクト層３１、第１クラッド層３２、第１光ガイド層３３、などを基板２０上にこの順序に有することができる。また、第２半導体層５０は、たとえば、第２光ガイド層５１、第２クラッド層５２、第２コンタクト層５３、などを活性層４０上にこの順序で有することができる。

活性層４０は、第１半導体層の３０上に設けられる。活性層４０は、第１化合物半導体および第２化合物半導体からなる発光多重量子井戸領域と、第１化合物半導体および第２化合物半導体からなる注入多重量子井戸領域と、のペアが複数段積層されている。

組成評価層６０は、第２半導体層５０の上に設けられ、第１化合物半導体からなり第１の厚さを有する第１膜６１および第２化合物半導体の混晶からなり第２の厚さを有する第２膜６２を有する。第１化合物半導体および第２化合物半導体は、たとえば、３元化合物混晶とすることができる。

半導体レーザが電子をキャリアとする量子カスケードレーザ（ＱＣＬ：Quantum Cascade Laser）とするとき、第１半導体層３０および第２半導体層５０の極性は、ｎ形とされる。

図２は、第１の実施形態にかかる半導体レーザの模式断面図である。
基板２０上にエピタキシャル成長され、第１半導体層３０、活性層４０、第２半導体層５０、および組成評価層６０を含む積層体は、メサ状にパターニングされる。メサ状の積層体は、リッジ導波路を構成する。図２において、メサ掘り込みの深さは、第１半導体層３０のうち活性層４０に隣接して設けられる第１光ガイド層３３の途中まで到達するものとする。但し、メサ掘り込みの深さは図２に限定されず、第１光ガイド層３３の下方に設けられる第１クラッド層３２の途中まで到達してもよいし、活性層４０の下面まで到達してもよいし、第１半導体層３０の下面まで到達してもよい。

また、、リッジ導波路の側面およびリッジ導波路の両側に露出した底面にはシリコン酸化膜やシリコン窒化膜を含む絶縁膜７０が設けられる。また、リッジ導波路の上面（第２膜６２の表面）には、上部電極７２が設けられ、基板２０の裏面には下部電極７３が設けられる。リッジ導波路は、紙面に直交する方向に延在し、その２つの端面間が光共振器となる。なお、リッジ導波路を設けず、第１半導体層または第２半導体層内に２次元フォトニック結晶を設けた面発光構造にしてもよい。

図３は、活性層の縦方向の伝導帯エネルギー準位図である。
縦軸は相対伝導帯エネルギー（ｅＶ）、横軸は縦方向位置（μｍ）、である。活性層４０を構成する多重量子井戸構造８０の一段は、発光多重量子井戸領域８６と、注入多重量子井戸領域８８と、のペアからなる。発光多重量子井戸領域８６は、複数の井戸層と複数の障壁層とを有する。井戸層は第２の化合物半導体を含む。障壁層は第１の化合物半導体を含む。

活性層４０の上下間に電位差が与えられると、発光多重量子井戸領域８６において電子がサブバンド間遷移を生じて、遷移準位に対応した波長でレーザ発振をする。他方、サブバンド間遷移後の電子は、注入多重量子井戸領域８８内を輸送されつつエネルギーが緩和されて、下流の発光量子井戸領域８６に注入され、再びサブバンド間遷移に寄与する。

第１の実施形態では、半導体レーザ用ウェーハの表面に組成評価層６０が設けられる。第１膜６１は、たとえば、障壁層を構成する第１化合物半導体からなるものとする。また、第２膜６２は、井戸層を構成する第２化合物半導体からなるものとする。

たとえば、第１化合物半導体はＩｎ_ｘＡｌ_１－ｘＡｓ（０＜ｘ＜１）、第２化合物半導体はＩｎ_ｙＧａ_１－ｙＡｓ（０＜ｙ＜０）とすることができる。なお、第１膜６１が井戸層を構成する材料で、第２膜６２が障壁層を構成する材料でもよい。

（表１）は、活性層４０を構成する設定活性層構造の１段の構成例を表す。

１段は、発光多重量子井戸領域８６と、注入多重量子井戸領域８８と、のペアで構成される。たとえば、井戸層は第２化合物半導体であるＩｎ_{０．６６９}Ｇａ_{０．３３１}Ａｓを含み、障壁層は第１化合物半導体であるＩｎ_{０．３６２}Ａｌ_{０．６３８}Ａｓを含むものとする。発光多重量子井戸領域８６は４つの井戸層を含み、注入多重量子井戸層８８は、７つの井戸層を含むものとする。また、活性層４０は、量子井戸構造が、たとえば、３０－３００段などと積層される。

実際の結晶成長プロセスにおいては、外乱（原料フラックス、真空度、成長温度など）により組成比や膜厚（成長速度）が変動しやすい。このため、結晶成長後のウェーハに対して評価選別なしに、リッジ導波路形成、電極形成、端面反射膜などの形成プロセスを行うと、特性不良ウェーハが増加する。このため、半導体レーザチップの全体の歩留まりが低下する。すなわち、エピタキシャル結晶成長プロセスの変動により、チップ歩留まりが低下する。

図４は、第１の実施形態にかかる半導体レーザ用ウェーハの評価工程のフロー図である。
まず、半導体レーザ用ウェーハ１０に設けられた組成評価層６０の表面にＸ線（波長λは既知）を照射し、回折角に対する回折光強度を測定することによりＸ線回折プロファイルを求める（Ｓ１００）。

なお、回折光強度は、回折角が２θ（θ：ブラック角）となる位置でピークとなる。このため、式（１）から、混晶の格子定数ｄが求められる。

ｄ＝ｎλ／２sinθ （１）
但し、ｎ：自然数

この結果、三元化合物混晶の格子定数ｄと、組成比ｘ（またはｙ）との相関を利用して組成比ｘ、ｙが求められる。

図５(ａ）は第１の実施形態の測定Ｘ線回折プロファイルのグラフ図、図５（ｂ）は組成評価層をＩｎＰ基板に形成したサンプル構造のＸ線回折プロファイルをシミュレーションにより求めたグラフ図、である。
縦軸は相対回折光強度、横軸は回折角２θ（θ：ブラッグ角）、である。図５（ａ）において、約６３．３度の回折角にあらわれるピークは基板２０であるＩｎＰをあらわす。基板２０のピークの左側において、６１．８度近傍には、Ｉｎ_ｙＧａ_１－ｙＡｓ（０＜ｙ＜１）のサブピークがあらわれる。また、基板のピークの右側において、６４．８度近傍には、Ｉｎ_ｘＡｌ_１－ｘＡｓ（０＜ｘ＜１）のサブピークがあらわれる。

図５（ｂ）のサンプル構造は、ＩｎＰ基板上に、Ｉｎ_{０．３６２}Ａｌ_{０．６３８}Ａｓ膜（設定厚さ：２０ｎｍ厚）とＩｎ_{０．６６９}Ｇａ_{０．３３１}Ａｓ膜（設定厚さ：２０ｎｍ）とが、この順序に設けられた構造とする。シミュレーションによるＸ線回折プロファイルでは、約６１．８度の回折角にＩｎ_{０．６６９}Ｇａ_{０．３３１}Ａｓのサブピークがあらわれ、約６４．８度の回折角にＩｎ_{０．３６２}Ａｌ_{０．６３８}Ａｓのサブピークがあらわれる。

さらに、組成比ｘ、ｙを変数としたサンプル構造に対してシミュレーションを行う。このようにして得られたシミュレーションによるＸ線回折プロファイルが、図５（ａ）の測定Ｘ線回折プロファイルに合うように組成比ｘ、ｙを求めることができる（Ｓ１０２）。

図６は、比較例にかかる半導体レーザ用ウェーハの模式断面図である。
活性層１４０は、（表１）と同じ構造とするが、組成評価層は設けられていない。比較例のＸ線回折プロファイルには、組成評価層のＩｎ_ｘＡｌ_１－ｘＡｓの回折光強度に対するピークおよびＩｎ_ｙＧａ_１－ｙＡｓの回折光強度に対する回折光強度のピークは弱い。このため、組成比ｘ、ｙを測定Ｘ線回折プロファイルの測定から求めると組成比の精度が不十分となる。

また、第１膜６１および第２膜６２の膜厚を５ｎｍよりも小さくすると回折光強度が低下し検出感度が低下する。他方、膜厚を３０ｎｍよりも大きくすると臨界膜厚に近づくので、ウェーハ全体の結晶性が低下する。このため、第１膜６１および第２膜６２の膜厚は、５ｎｍ以上、３０ｎｍ以下とすることが好ましい。なお、組成評価層６０を活性層４０よりもウェーハの表面側に設けると、ウェーハ内部におけるＸ線の減衰が低減できる。

次に、求められた組成比ｘ、ｙと、（表１）に表した組成比の設定値との差がそれぞれ所定値以下であると組成比ｘ、ｙは許容範囲とされ（Ｓ１０４）、次の評価工程に進む。他方、測定された組成比ｘ、ｙと、（表１）に表した組成比の設定値との差が所定値よりも大きいと組成比ｘ、ｙは許容範囲を満たさないので不良ウェーハと判定する（Ｓ１０６）。基準となる所定値は、たとえば、求められた組成比と設定値（表１）との差の絶対値が、設定値に対して１０％などとすることができる。なお、以上に説明した組成比ｘ、ｙの評価工程を結晶成長プロセス後に行うことにより、チップ歩留まりを高めることができる。チップ歩留まりをさらに高めるには、膜厚の評価工程をさらに追加するとよい。

図７（ａ）は第１の実施形態の測定Ｘ線回折プロファイルのグラフ図、図７（ｂ）は第１の実施形態の構造に対するＸ線回折プロファイルをシミュレーションにより求めたグラフ図、である。
図７（ａ）は第１の実施形態の測定Ｘ線回折プロファイルであり、ステップＳ１００で得られたプロファイルである（図５（ａ）と同一）。

他方、Ｉｎの組成比をステップＳ１０２で求めた組成比ｘおよびｙとし、井戸層の膜厚および障壁層の膜厚を変数としてＸ線回折プロファイルをシミュレーションする（Ｓ１０８）。この場合、たとえば、（表１）のＭＱＷ設定値のうち、最後の２層（厚さ２．７ｎｍのＩｎＡｌＡｓ層および膜厚１．８ｎｍのＩｎＧａＡｓ層）に対応する膜厚を２つの変数とすることができる。なお、シミュレーションにおける仮定は、ＩｎＧａＡｓおよびＩｎＡｌＡｓの成長速度が活性層４０の全体においてそれぞれ一定であり、かつ組成比ｘ、ｙはステップＳ１０２で求めた値とする、ことである。

シミュレーションで得られたプロファイルが測定Ｘ線プロファイル（図７（ａ））に合うように膜厚２つをそれぞれフィッティングする（Ｓ１１０）。この場合、たとえば、サテライトピーク、サブピーク強度、回折角と膜厚との相関関係などを利用することができる。なお、変数とする２つの膜厚の位置は、（表１）の構成から選択することができる。

フィッティングにより得られたＸ線回折プロファイルの膜厚（２つ）と、（表１）の設定値の膜厚と、の差が所定値以下であると許容範囲とされ（Ｓ１１２）、良品ウェーハとh判定される。他方、膜厚差が所定値よりも大きいと不良ウェーハと判定される（Ｓ１１４）。所定値は、たとえば、膜厚差の絶対値が、設定値に対して１０％などとすることができる。

本実施形態の半導体レーザ用ウェーハ１０では、ウェーハの表面または、ウェーハ表面と活性層４０との間に組成評価層６０が設けられる。ウェーハ状態でのＸ線回折測定により、活性層４０を構成する井戸層のＩｎ組成比ｙおよび障壁層を構成する障壁層のＩｎ組成比ｘを求める。さらに、測定で求められた組成比ｘ、ｙを用い井戸層の膜厚および障壁層の膜厚を変数としてＸ線回折プロファイルをシミュレーションする。結晶成長プロセスで生じる外乱は、原料フラックスの変動の他に真空度の変動や成長温度の変動などがある。このため、４つの変数を用いてウェーハのＸ線回折プロファイルシミュレーションを行うことにより膜厚変動のシミュレーション精度を高めることができる。この結果、半導体レーザチップ歩留まりを高めることができる。

また、Ｘ線回折プロファイルのシミュレーションにおいて、クラッド層（たとえばＩｎＰ）３２、５２、光ガイド層（たとえばＩｎＧａＡｓ）３３、５１、コンタクト層（たとえばＩｎＧａＡｓ）３１、５３などの回折光強度がピークとなる回折角は、ＩｎＰの回折角に近接する。このため、Ｘ線回折プロファイルに与える影響を小さくできる。もちろん、これらの層の組成比を個別に求めることは可能である。

図８は、第１の実施形態の変形例にかかる半導体レーザ用ウェーハの模式断面図である。
組成評価層６０は、活性層４０と半導体レーザ用ウェーハ１０の表面との間に設けてもよい。もし、活性層４０よりも下方に設けると、Ｘ線の光路が長くなり減衰などを生じ検出感度が低下する。なお、第１の実施形態の変形例では、活性層４０と組成評価層６０との間に、ガイド層、クラッド層、コンタクト層などが設けられる。

クラッド層の厚さは、２～１０μｍなどと大きい。また、コンタクト層の不純物濃度は、クラッド層の不純物濃度よりも高い。このため、活性層４０の結晶成長プロセスと、組成評価層６０の結晶成長プロセスと、の間で成長条件が変化する可能性がある。これに対して、変形例では、活性層４０の結晶成長プロセスと、組成評価層６０の結晶成長プロセスと、の間で、成長条件の変化を小さくできる。このため、シミュレーション精度を高くできる。

また、半導体レーザは、インターバンドカスケードレーザ（ＩＣＬ：Interband Cascade Laser）であってもよい。この場合、活性層は、第１半導体層の上に設けられ、第１化合物半導体および第２化合物半導体からなる発光多重量子井戸領域と、第１化合物半導体および第２化合物半導体からなる注入多重量子井戸領域と、のペアを複数段含む。発光多重量子井戸領域には、上流側の注入多重量子井戸領域の電子注入層から電子が注入され、かつ下流側の注入多重量子井戸領域からホールが注入される。この結果発光多重量子井戸領域で電子とホールが再結合し、発光多重量子井戸領域で形成されたインターバンド間遷移準位に対応して赤外線レーザ光が放出される。

本実施形態によれば、半導体レーザチップの生産性が高められ、かつ赤外線を放出可能な半導体レーザが提供される。半導体レーザは、環境測定、赤外線検出、特定物質の検出などに利用される。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０ 半導体レーザ用ウェーハ, ２０ 基板、３０ 第１半導体層、４０ 活性層、５０ 第２半導体層、６０ 組成評価層、６１ 第１膜、６２ 第２膜、８０ 多重量子井戸構造、８６ 発光多重量子井戸領域、８８ 注入多重量子井戸領域

Claims (6)

1. 基板と、
   前記基板上に設けられた第１半導体層と、
   前記第１半導体層の上に設けられ、組成式Ｉｎ _ｘ Ａｌ _１－ｘ Ａｓ（０＜ｘ＜１）で表される化合物半導体ＩｎＡｌＡｓを含む障壁層および組成式Ｉｎ _ｙ Ｇａ _１－ｙ Ａｓ（０＜ｙ＜１）で表される化合物半導体ＩｎＧａＡｓを含む量子井戸層からなる発光多重量子井戸領域と、前記ＩｎＡｌＡｓを含む別の障壁層および前記ＩｎＧａＡｓを含む別の量子井戸層からなる注入多重量子井戸領域と、のペアが複数段積層された活性層と、
   前記活性層の直上に設けられ、前記障壁層のＩｎＡｌＡｓと同じ組成ｘを有するＩｎＡｌＡｓを含み、第１の厚さを有する第１膜と、
   前記第１膜上に設けられ、前記量子井戸層のＩｎＧａＡｓと同じ組成ｙを有するＩｎＧａＡｓを含み、第２の厚さを有する第２膜と、
   前記第２膜の上に設けられた第２半導体層と、
   を備え、
   前記第１の厚さおよび前記第２の厚さは、前記障壁層の厚さおよび前記量子井戸層の厚さよりも厚い半導体レーザ用ウェーハ。
2. 基板と、
   前記基板上に設けられた第１半導体層と、
   前記第１半導体層の上に設けられ、組成式Ｉｎ _ｘ Ａｌ _１－ｘ Ａｓ（０＜ｘ＜１）で表される化合物半導体ＩｎＡｌＡｓを含む障壁層および組成式Ｉｎ _ｙ Ｇａ _１－ｙ Ａｓ（０＜ｙ＜１）で表される化合物半導体ＩｎＧａＡｓを含む量子井戸層からなる発光多重量子井戸領域と、前記ＩｎＡｌＡｓを含む別の障壁層および前記ＩｎＧａＡｓを含む別の量子井戸層からなる注入多重量子井戸領域と、のペアが複数段積層された活性層と、
   前記活性層上に設けられ、複数の層を含む積層構造を有し、前記積層構造の最上層としてＩｎＧａＡｓ層を含む第２半導体層と、
   前記第２半導体層の前記ＩｎＧａＡｓ層の直上に設けられ、前記障壁層のＩｎＡｌＡｓと同じ組成ｘを有するＩｎＡｌＡｓを含み、第１の厚さを有する第１膜と、
   前記第１膜上に設けられる第２膜であって、前記第１半導体層と、前記活性層と、前記第２半導体層と、前記第１膜と、を含む積層体の最上層であり、前記量子井戸層のＩｎＧａＡｓと同じ組成ｙを有するＩｎＧａＡｓを含み、第２の厚さを有する第２膜と、
   を備える半導体レーザ用ウェーハ。
3. 前記第１の厚さが５ｎｍ以上かつ３０ｎｍ以下、前記第２の厚さが５ｎｍ以上かつ３０ｎｍ以下である請求項１または２に記載の半導体レーザ用ウェーハ。
4. 基板と、
   前記基板上に設けられた第１半導体層と、
   前記第１半導体層の上に設けられ、組成式Ｉｎ _ｘ Ａｌ _１－ｘ Ａｓ（０＜ｘ＜１）で表される化合物半導体ＩｎＡｌＡｓを含む障壁層および組成式Ｉｎ _ｙ Ｇａ _１－ｙ Ａｓ（０＜ｙ＜１）で表される化合物半導体ＩｎＧａＡｓを含む量子井戸層からなる発光多重量子井戸領域と、前記ＩｎＡｌＡｓを含む別の障壁層および前記ＩｎＧａＡｓを含む別の量子井戸層からなる注入多重量子井戸領域と、のペアが複数段積層された活性層と、
   前記活性層の直上に設けられ、前記障壁層のＩｎＡｌＡｓと同じ組成ｘを有するＩｎＡｌＡｓを含み、第１の厚さを有する第１膜と、
   前記第１膜上に設けられ、前記量子井戸層のＩｎＧａＡｓと同じ組成ｙを有するＩｎＧａＡｓを含み、第２の厚さを有する第２膜と、
   前記第２膜の上に設けられた第２半導体層と、
   を備え、
   前記第１の厚さおよび前記第２の厚さは、前記障壁層の厚さおよび前記量子井戸層の厚さよりも厚い半導体レーザ。
5. 基板と、
   前記基板上に設けられた第１半導体層と、
   前記第１半導体層の上に設けられ、組成式Ｉｎ _ｘ Ａｌ _１－ｘ Ａｓ（０＜ｘ＜１）で表される化合物半導体ＩｎＡｌＡｓを含む障壁層および組成式Ｉｎ _ｙ Ｇａ _１－ｙ Ａｓ（０＜ｙ＜１）で表される化合物半導体ＩｎＧａＡｓを含む量子井戸層からなる発光多重量子井戸領域と、前記ＩｎＡｌＡｓを含む別の障壁層および前記ＩｎＧａＡｓを含む別の量子井戸層からなる注入多重量子井戸領域と、のペアが複数段積層された活性層と、
   前記活性層上に設けられ、複数の層を含む積層構造を有し、前記積層構造の最上層としてＩｎＧａＡｓ層を含む第２半導体層と、
   前記第２半導体層の前記ＩｎＧａＡｓ層の直上に設けられ、前記障壁層のＩｎＡｌＡｓと同じ組成ｘを有するＩｎＡｌＡｓを含み、第１の厚さを有する第１膜と、
   前記第１膜上に設けられる第２膜であって、前記第１半導体層と、前記活性層と、前記第２半導体層と、前記第１膜と、を含む積層体の最上層であり、前記量子井戸層のＩｎＧａＡｓと同じ組成ｙを有するＩｎＧａＡｓを含み、第２の厚さを有する第２膜と、
   前記第２膜上に設けられ、前記第２膜に接する電極と、
   を備える半導体レーザ。
6. 前記第１の厚さが５ｎｍ以上かつ３０ｎｍ以下、前記第２の厚さが５ｎｍ以上かつ３０ｎｍ以下である請求項４または５に記載の半導体レーザ。

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