半導体装置およびその製造方法、集積基板、光モジュール、光通信装置
【課題】Ｉｎを含まないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層と基板のＳｉ面とを接合させる構造において、Ｉｎを含まないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層と基板とに剥がれが生じることを抑制すること。
【解決手段】本発明は、ＧａＡｓ基板３２の主面上に形成された光を発振する活性層３８を含む積層半導体層４６のうちの最表面の層である、Ｉｎを含まないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であるＧａＡｓからなるコンタクト層４４の表面に、ＩｎＡｓの複数の量子ドットからなる接合層２２を形成する工程と、コンタクト層４４の表面を、接合層２２を介して、基板１０に含まれるＳｉ薄膜層１６のＳｉ面に接合させる工程と、を有する半導体装置の製造方法である。
【解決手段】本発明は、ＧａＡｓ基板３２の主面上に形成された光を発振する活性層３８を含む積層半導体層４６のうちの最表面の層である、Ｉｎを含まないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であるＧａＡｓからなるコンタクト層４４の表面に、ＩｎＡｓの複数の量子ドットからなる接合層２２を形成する工程と、コンタクト層４４の表面を、接合層２２を介して、基板１０に含まれるＳｉ薄膜層１６のＳｉ面に接合させる工程と、を有する半導体装置の製造方法である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、特に、Ｉｎを含まないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層の表面と基板のＳｉ面とを接合させる半導体装置およびその製造方法、並びに、その半導体装置を含む集積基板、光モジュール、光通信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板の表面に、化合物半導体からなる発光素子を貼り合わせ、発光素子が発振した光を、ＳＯＩ基板に形成された導波路内を導波させる半導体装置が知られている。例えば、非特許文献１には、ＳＯＩ基板の表面にＩｎＰ（インジウムリン）系発光素子が貼り合わされた構造の半導体装置が開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】アレクサンダー・Ｗ・ファン（Alexander W. Fang）、他５名、「エレクトリカリ・パンプド・ハイブリッド・アルミニウムガリウムインジウムヒ素−シリコン・エバネセント・レーザ（Electrically pumped hybrid AlGaInAs-silicon evanescent laser）」、オプティクス・エクスプレス（OPTICS EXPRESS）、２００６年１０月２日、Ｎｏ．２０、Ｖｏｌ．１４、ｐ．９２０３−９２１０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
発光素子には、ＩｎＰ系発光素子の他、ＧａＡｓ（ガリウムヒ素）系発光素子のような、Ｉｎ（インジウム）を含まないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる発光素子がある。例えば、Ｉｎを含まないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる発光素子をＳＯＩ基板に貼り合わせる場合、ＳＯＩ基板のＳｉ面とＩｎを含まないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層面とが接合することになるが、この場合、ＳＯＩ基板とＩｎを含まないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層とが剥がれてしまうことがある。
【０００５】
このように、Ｉｎを含まないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層の表面と基板のＳｉ面とを接合させる場合、Ｉｎを含まないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層と基板とに剥がれが生じてしまうという課題がある。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、Ｉｎを含まないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層の表面と基板のＳｉ面とを接合させる構造において、Ｉｎを含まないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層と基板との剥がれを抑制することが可能な半導体装置およびその製造方法、並びにその半導体装置を含む集積基板、光モジュール、および光通信装置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】
【０００７】
本発明は、Ｉｎを含まないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層の表面に、Ｉｎを含む接合層を形成する工程と、前記半導体層の表面を、前記接合層を介して、基板のＳｉ面に接合させる工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法である。本発明によれば、Ｉｎを含まないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と基板とが剥がれることを抑制できる。
【０００８】
上記構成において、前記半導体層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板の主面上に形成された光を発振する活性層を含む積層半導体層のうちの最表面の半導体層であり、前記基板は、前記活性層が発振する光を導波する導波路を有する構成とすることができる。この構成によれば、活性層が発振する光を、基板に設けられた導波路で導波することができる。
【０００９】
上記構成において、前記接合層を形成する工程は、前記半導体層の表面と前記基板のＳｉ面とを接合させた後において、前記活性層が発振する光のエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有するような前記接合層を形成する構成とすることができる。この構成によれば、活性層が発振する光が、接合層で吸収されることを抑制できるため、光強度の強い光が、基板に設けられた導波路を導波することができる。
【００１０】
上記構成において、前記接合層を形成する工程は、Ｉｎを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体である複数の量子ドットからなる前記接合層を形成する構成とすることができる。この構成によれば、Ｉｎを含まないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層の表面と基板のＳｉ面とを接合させた後において、接合層が、活性層が発振する光のエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有することを容易に実現できる。
【００１１】
上記構成において、前記接合層を形成する工程は、ＩｎＡｓの複数の量子ドットからなる前記接合層を形成する構成とすることができる。
【００１２】
上記構成において、前記接合層を形成する工程は、前記活性層が発振する光の波長が１．３μｍ帯である場合に、前記半導体層の表面と前記基板のＳｉ面とを接合させた後において、前記接合層の厚みが５原子層厚以下となるような量のＩｎＡｓを供給することで、前記接合層を形成する構成とすることができる。この構成によれば、活性層が発振する１．３μｍ帯の波長の光の吸収が抑制された接合層を得ることができる。
【００１３】
本発明は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板の主面上に設けられた光を発振する活性層を含む積層半導体層のうちの最表面の層であり、Ｉｎを含まないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層と、前記半導体層の表面に設けられ、前記活性層が発振する光のエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有する、Ｉｎを含む接合層と、前記活性層が発振する光を導波する導波路を有し、前記接合層を介して、前記半導体層の表面にＳｉ面が接合した基板と、を具備することを特徴とする半導体装置である。本発明によれば、Ｉｎを含まないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と基板とが剥がれることを抑制できる。また、活性層が発振する光が、接合層で吸収されることを抑制できるため、光強度の強い光が、基板に設けられた導波路を導波することができる。
【００１４】
上記構成において、前記接合層はＩｎＡｓ薄膜層であり、前記活性層が発振する光の波長は１．３μｍ帯であり、前記接合層の厚みは５原子層厚以下である構成とすることができる。この構成によれば、接合層が、活性層で発振された１．３μｍ帯の波長の光を吸収することを抑制できる。
【００１５】
本発明は、前記半導体装置を含むことを特徴とする集積基板である。また、本発明は、前記半導体装置を含むことを特徴とする光モジュールである。さらに、本発明は、前記半導体装置を含むことを特徴とする光通信装置である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、Ｉｎを含まないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層の表面と基板のＳｉ面とを接合させる構造において、Ｉｎを含まないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と基板とが剥がれることを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、実施例１に係る半導体装置の断面模式図の例である。
【図２】図２は、活性層の１層分のドット層を示す断面模式図の例である。
【図３】図３は、実施例１に係る半導体装置における、ｐ型ＧａＡｓ基板からＳｉ層にかけてのエネルギーバンド図の例である。
【図４】図４（ａ）から図４（ｃ）は、実施例１に係る半導体装置の製造方法を説明する断面模式図の例である。
【図５】図５（ａ）は、ＩｎＡｓ薄膜層がＧａＡｓ層に挟まれた構造におけるエネルギーバンド図の例であり、図５（ｂ）は、ＩｎＡｓ薄膜層の厚さに対するバンドギャップエネルギーの計算結果を示す図である。
【図６】図６は、実施例２に係る集積基板の斜視模式図の例である。
【図７】図７は、実施例３に係る光モジュールのブロック図の例である。
【図８】図８（ａ）は、実施例４に係る光通信装置のブロック図の例であり、図８（ｂ）は、実施例４に係る光通信装置を備えた光通信システムのブロック図の例である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
まず、本発明が解決しようとする課題について詳しく説明する。非特許文献１に開示された半導体装置のように、ＳＯＩ基板表面に、ＩｎＰ系発光素子を貼り合わせる構造の場合、ＳＯＩ基板のＳｉ面とＩｎを含む半導体層面とが接合することになる。この場合、Ｓｉ面に含まれるＳｉ原子と、Ｉｎを含む半導体層に含まれるＩｎ原子とが結合すると考えられる。Ｓｉ原子とＩｎ原子との結合は、結合強度が強く、例えば温度が上昇したとしても、結合は切れ難い。したがって、ＳＯＩ基板とＩｎを含む半導体層とが剥がれることは生じ難い。
【００１９】
一方、ＳＯＩ基板表面に、Ｉｎを含まないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる発光素子を貼り合わせる構造の場合、ＳＯＩ基板のＳｉ面とＩｎを含まないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層面とが接合することになる。例えば、Ｉｎを含まないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる発光素子の例としてＧａＡｓ系発光素子を用いる場合、ＳＯＩ基板のＳｉ面とＧａＡｓ半導体層面とが接合することになる。この場合、Ｓｉ面に含まれるＳｉ原子と、ＧａＡｓ半導体層に含まれるＧａ原子とが結合すると考えられる。しかしながら、Ｓｉ原子とＧａ原子との結合強度は弱いため、例えば温度が上昇すると、結合が容易に切れてしまう。このように、ＳＯＩ基板表面にＧａＡｓ系発光素子を貼り合わせる構造の場合は、ＳＯＩ基板とＧａＡｓ半導体層とが剥がれ易いという課題がある。そこで、このような課題を解決することが可能な実施例を以下に示す。
【実施例１】
【００２０】
図１は、実施例１に係る半導体装置の断面模式図の例である。図１のように、実施例１に係る半導体装置１００は、基板１０の表面に、発光素子３０が貼り合わされた構造をしている。基板１０は、例えばＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板であり、Ｓｉ支持基板１２上に、埋め込みＳｉＯ２（酸化シリコン）膜１４、Ｓｉ薄膜層１６が順次形成された構造を有する。即ち、基板１０の表面は、Ｓｉ薄膜層１６のＳｉ表面が露出している。Ｓｉ薄膜層１６には、埋め込みＳｉＯ２膜１４が露出するまで除去された空洞部１８が形成されていて、Ｓｉ薄膜層１６の一部分は、空洞部１８で挟まれている。即ち、Ｓｉ薄膜層１６の一部分は、空洞部１８と埋め込みＳｉＯ２膜１４とによって周囲が囲まれている。光通信に一般的に用いられる１．３μｍ帯や１．５５μｍ帯の光の波長に対して、Ｓｉは、ＳｉＯ２や空気に比べて大きな屈折率を有する。このため、空洞部１８と埋め込みＳｉＯ２膜１４とによって囲まれたＳｉ薄膜層１６の一部分は、光を導波する機能を有する導波路２０として用いることが可能となる。
【００２１】
発光素子３０は、例えば１．３μｍ帯の波長の光を発振する量子ドット活性層を有するＧａＡｓ系発光素子である。発光素子３０は、例えばｐ型ＧａＡｓ基板３２の主面上に、ｐ型ＡｌＧａＡｓからなる下部クラッド層３４、アンドープＧａＡｓからなるスペーサ層３６、複数の量子ドットを有する活性層３８、アンドープＧａＡｓからなるスペーサ層４０、ｎ型ＡｌＧａＡｓからなる上部クラッド層４２、およびｎ型ＧａＡｓからなるコンタクト層４４が、順次積層された積層半導体層４６を有する構造である。即ち、積層半導体層４６の最表面の層は、コンタクト層４４となっている。ｐ型ＧａＡｓ基板３２の主面と反対側の面には、ｐ電極４８が形成されている。コンタクト層４４に接してｎ電極５０が形成されている。
【００２２】
ここで、活性層３８についてより詳細に説明する。図２は、活性層３８の１層分のドット層５２を示す断面模式図の例である。図２のように、量子ドット５４はＩｎＡｓにより形成される。量子ドット５４間にＩｎＧａＡｓ層５６が形成される。量子ドット５４およびＩｎＧａＡｓ層５６を覆うように、アンドープＧａＡｓ層５８が形成される。アンドープＧａＡｓ層５８の表面にｐ型ＧａＡｓ層６０とアンドープＧａＡｓ層６２とが順次形成される。アンドープＧａＡｓ層５８、ｐ型ＧａＡｓ層６０、およびアンドープＧａＡｓ層６２は、バリア層６４を構成する。
【００２３】
図１に戻り、基板１０と発光素子３０との間には、例えばＩｎＡｓの薄膜層からなり、２原子層厚の厚さを有する接合層２２が介在している。即ち、接合層２２は、Ｓｉ薄膜層１６とコンタクト層４４との間に設けられている。Ｓｉ薄膜層１６のＳｉ面とコンタクト層４４のＧａＡｓ面とを、ＩｎＡｓからなる接合層２２を間に介在させ接合することで、Ｓｉ薄膜層１６と接合層２２とは、結合強度の強いＳｉ原子とＩｎ原子との結合構造になるため、Ｓｉ薄膜層１６とコンタクト層４４とに剥がれは生じ難くなる。
【００２４】
実施例１に係る半導体装置１００は、図１のように、基板１０の表面に、発光素子３０が貼り合わされた構造をしている。このため、活性層３８で発振された光が、基板１０に伝搬し、基板１０に設けられた導波路２０内を導波することが可能となる。したがって、半導体装置１００は、光回路として使用することができ、例えば、光の変調器、合波器、または分波器として用いることができる。
【００２５】
図３は、実施例１に係る半導体装置１００における、ｐ型ＧａＡｓ基板３２からＳｉ薄膜層１６にかけてのエネルギーバンド図の例である。図３のように、ＩｎＡｓからなる接合層２２のバンドギャップエネルギーＥｇａは、活性層３８のバンドギャップエネルギーＥｇｂよりも大きい。このため、活性層３８で発振される光が、接合層２２で吸収されることを抑制することができる。即ち、活性層３８が発振する光は、接合層２２でほとんど吸収されずに、基板１０に伝搬されて、導波路２０内を導波することが可能となる。
【００２６】
次に、実施例１に係る半導体装置１００の製造方法について説明する。図４（ａ）から図４（ｃ）は、実施例１に係る半導体装置１００の製造方法を説明する断面模式図の例である。図４（ａ）のように、まず、ｐ型ＧａＡｓ基板３２の主面上に、例えばＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法を用い、下部クラッド層３４、スペーサ層３６、複数の量子ドットを有する活性層３８、スペーサ層４０、上部クラッド層４２、およびコンタクト層４４を順次積層し、積層半導体層４６を形成する。
【００２７】
続いて、積層半導体層４６の最表面の層であるコンタクト層４４の表面に、ＩｎＡｓの複数の量子ドットからなる接合層２２を形成する。接合層２２の形成は、コンタクト層４４の表面とＳｉ薄膜層１６のＳｉ面とを接合させた後において、活性層３８が発振する光のエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有するような接合層２２を形成する。接合層２２の形成は、例えば２．５分子層厚の成長に相当する量のＩｎＡｓを供給することで行い、例えば高さが１０ｎｍのＩｎＡｓの量子ドットからなる接合層２２を形成する。
【００２８】
図４（ｂ）のように、導波路２０を有する基板１０を準備する。導波路２０は、例えばドライエッチング法により、Ｓｉ薄膜層１６を選択的にエッチングすることで形成する。そして、Ｓｉ薄膜層１６のＳｉ表面を、例えばフッ酸を用いて洗浄した後、例えば２５０℃の温度下で、１０ｋＰａの圧力を加えて、コンタクト層４４の表面とＳｉ薄膜層１６のＳｉ表面とを、接合層２２を介在させて接合させる。これにより、量子ドットであった接合層２２は、例えば２原子層厚のＩｎＡｓの薄膜層となる。なお、図４（ａ）において、２．５分子層厚の成長に相当する量のＩｎＡｓを供給してＩｎＡｓの量子ドットからなる接合層２２を形成したのに対し、コンタクト層４４の表面とＳｉ薄膜層１６のＳｉ面とを接合させた後での接合層２２は、２原子層厚のＩｎＡｓ薄膜層になったのは、Ｉｎがコンタクト層４４等に拡散したためである。
【００２９】
図４（ｃ）のように、コンタクト層４４の一部が露出するよう、例えばドライエッチング法により、ｐ型ＧａＡｓ基板３２、下部クラッド層３４、スペーサ層３６、活性層３８、スペーサ層４０、および上部クラッド層４２を選択的にエッチングする。その後、ｐ電極４８とｎ電極５０とを形成する。これにより、実施例１に係る半導体装置１００が完成する。
【００３０】
このように、実施例１によれば、図４（ａ）のように、ｎ型ＧａＡｓ層からなるコンタクト層４４の表面に、ＩｎＡｓの複数の量子ドットからなる接合層２２を形成する。そして、図４（ｂ）のように、コンタクト層４４の表面を、接合層２２を介して、Ｓｉ薄膜層１６のＳｉ表面に接合させる。コンタクト層４４のＧａＡｓ面とＳｉ薄膜層１６のＳｉ面とを直接接合させる場合は、Ｓｉ原子とＧａ原子との結合強度が弱いことから、容易に剥がれてしまう。しかしながら、実施例１のように、コンタクト層４４のＧａＡｓ面とＳｉ薄膜層１６のＳｉ面とを、ＩｎＡｓの接合層２２を介して接合させることで、Ｓｉ原子とＩｎ原子との結合強度は強いことから、コンタクト層４４とＳｉ薄膜層１６との接合力が強まり、剥がれが生じ難くなる。つまり、結合強度の強いＳｉ原子とＩｎ原子との結合構造となることで、コンタクト層４４と基板１０とが剥がれることを抑制できる。
【００３１】
また、半導体装置１００は、ｐ型ＧａＡｓ基板３２の主面上に形成された光を発振する活性層３８を含む積層半導体層４６のうちの最表面の層であるコンタクト層４４が、コンタクト層４４の表面に形成された接合層２２を介して、光を導波する導波路２０を有する基板１０の表面に接合した構造をしている。これにより、活性層３８で発振された光が、基板１０に伝搬され、基板１０に設けられた導波路２０内を導波することが可能となる。このことから、図３および図４（ａ）で説明したように、接合層２２は、コンタクト層４４の表面とＳｉ薄膜層１６のＳｉ面とが接合した後において、活性層３８が発振する光のエネルギーよりも大きいバンドギャップを有するような接合層２２であることが好ましい。これにより、活性層３８が発振する光が、接合層２２で吸収されることを抑制でき、光強度の強い光が、基板１０に設けられた導波路２０内を導波することが可能となる。
【００３２】
ここで、図５（ａ）および図５（ｂ）を用いて、ＩｎＡｓの薄膜層である接合層２２の厚さとバンドギャップエネルギーとの関係について説明する。図５（ａ）は、ＩｎＡｓ薄膜層がＧａＡｓ層に挟まれたＩｎＡｓ量子井戸構造の場合でのエネルギーバンド図の例である。図５（ｂ）は、図５（ａ）のＩｎＡｓ量子井戸構造において、ＩｎＡｓ薄膜層の厚さに対する基底準位でのバンドギャップエネルギーの計算結果を示す図であり、横軸はＩｎＡｓ薄膜層の厚さを原子層厚で表し、縦軸はＩｎＡｓ薄膜層のバンドギャップエネルギーを表している。図５（ａ）のように、量子井戸に閉じ込められた電子は量子化され、そのエネルギーレベルが上昇して、実効的なバンドギャップエネルギーが大きくなる。図５（ｂ）のように、ＩｎＡｓ薄膜層の厚さが薄くなるほど、基底準位でのバンドギャップエネルギーが増大していく。バンドギャップエネルギーが大きい程、ＩｎＡｓ薄膜層で吸収される光の波長範囲が狭くなるため、ＩｎＡｓ薄膜層での光の吸収を抑える観点からは、ＩｎＡｓ薄膜層の厚さは薄い方が好ましいことになる。図５（ｂ）は、ＩｎＡｓ薄膜層がＧａＡｓ層に挟まれたＩｎＡｓ量子井戸構造でのＩｎＡｓ薄膜層の厚さに対するバンドギャップエネルギーを示しているが、実施例１に係る半導体装置１００のように、ＩｎＡｓの薄膜層（接合層２２）がＧａＡｓ層（コンタクト層４４）とＳｉ層（Ｓｉ薄膜層１６）とに挟まれたＩｎＡｓ量子井戸構造であっても、図５（ｂ）と同様の関係が得られると考えられる。
【００３３】
したがって、実施例１に係る半導体装置１００において、活性層３８で発振される光が、接合層２２で吸収されることを抑制するには、接合層２２は、厚さの薄いＩｎＡｓの薄膜層である場合が好ましい。例えば、活性層３８が、一般的な光通信に用いられる１．３μｍ帯の波長の光を発振する場合、１．３μｍ帯の波長の光のエネルギーは０．９７ｅＶ程度であることから、図５（ｂ）のように、ＩｎＡｓの薄膜層である接合層２２の厚さは、５原子層厚以下となる場合が好ましく、３原子層厚以下の場合がより好ましく、２原子層厚以下の場合がさらに好ましい。即ち、活性層３８が発振する光の波長が１．３μｍ帯である場合に、図４（ａ）で説明した、接合層２２の形成において、コンタクト層４４の表面とＳｉ薄膜層１６のＳｉ面とを接合させた後に、接合層２２の厚みが５原子層厚以下となるような量のＩｎＡｓを供給して接合層２２を形成する場合が好ましく、３原子層厚以下となるような量のＩｎＡｓを供給して接合層２２を形成する場合がより好ましく、２原子層厚以下となるような量のＩｎＡｓを供給して接合層２２を形成する場合がさらに好ましい。これにより、活性層３８が発振する１．３μｍ帯の波長の光が、接合層２２で吸収されることを抑制できる。
【００３４】
図４（ａ）のように、コンタクト層４４の表面に形成する接合層２２は、ＩｎＡｓの複数の量子ドットである場合が好ましい。これにより、図４（ｂ）のように、コンタクト層４４の表面をＳｉ薄膜層１６のＳｉ面に接合させる際の温度および圧力の調整により、コンタクト層４４の表面とＳｉ薄膜層１６のＳｉ面とを接合させた後において、接合層２２が、活性層３８が発振する光のエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有するような、厚さの薄いＩｎＡｓの薄膜層となることを容易に実現できる。
【００３５】
図４（ａ）のように、コンタクト層４４の表面に形成する接合層２２は、ＩｎＡｓの量子ドットからなる層である場合を例に説明したが、例えばＩｎＡｓの薄膜層やＩｎＧａＡｓの薄膜層など、Ｉｎを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の薄膜層である場合でもよい。この場合でも、コンタクト層４４の表面とＳｉ薄膜層１６のＳｉ面とを接合させた場合に、コンタクト層４４とＳｉ薄膜層１６とが剥がれることを抑制できると共に、活性層３８が発振する光の吸収の抑制もできる。しかしながら、コンタクト層４４の表面に形成する接合層２２をＩｎＡｓやＩｎＧａＡｓ等の薄膜層とすると、薄膜層の表面が凸凹してしまい、コンタクト層４４とＳｉ薄膜層１６との接合が難しくなる場合がある。このため、コンタクト層４４の表面に形成する接合層２２は、ＩｎＡｓやＩｎＧａＡｓなどのＩｎを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の複数の量子ドットからなる場合が好ましい。
【００３６】
活性層３８は１．３μｍ帯の波長の光を発振する場合を例に示したが、例えば１．５５μｍ帯の波長の光を発振する場合等、Ｓｉでの吸収係数が低い波長帯であれば、他の波長帯の光を発振する場合でもよい。活性層３８が１．５５μｍ帯の波長の光を発振する場合、活性層３８で発振する１．５５μｍ帯の波長の光が接合層２２で吸収されることを抑制するためには、１．５５μｍ帯の波長の光のエネルギーは０．８ｅＶ程度であることから、図５（ｂ）のように、接合層２２の厚さは、７原子層厚以下である場合が好ましく、５原子層厚以下である場合がより好ましく、３原子層厚以下である場合がさらに好ましい。
【００３７】
活性層３８は量子ドット構造である場合を例に示したが、例えば量子井戸構造である場合でもよい。しかしながら、ＩｎＡｓの量子ドット構造を有する活性層３８の場合は、例えば４５０℃の温度に曝されると特性劣化が生じてしまう。このため、活性層３８がＩｎＡｓの量子ドット構造である場合に、実施例１のように、Ｉｎを含む接合層２２を介在させる場合がより好ましい。これにより、Ｉｎの融点が比較的低いことから、低い温度を用いても、コンタクト層４４とＳｉ薄膜層１６とを強い力で接合させることが可能となり、剥がれの抑制に加えて、特性劣化の抑制も実現できる。
【００３８】
発光素子３０は、ＧａＡｓ系発光素子である場合を例に示したが、これに限られる訳ではない。Ｉｎを含まないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる発光素子であればその他の構造を有する発光素子の場合でもよい。この場合でも、実施例１の発明を適用することで、Ｉｎを含まないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層と基板とが剥がれることを抑制できる。
【００３９】
また、実施例１では、ＧａＡｓ系発光素子である発光素子３０がＳＯＩ基板である基板１０に貼り合わされる構造の場合を例に説明したが、これに限られる訳ではない。Ｉｎを含まないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層の表面と基板のＳｉ面とを接合させる構造であれば、実施例１に係る発明を適用することで、Ｉｎを含まないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層と基板との剥がれを抑制できる。
【実施例２】
【００４０】
実施例２は、実施例１に係る半導体装置１００を備える集積基板の例である。図６は、実施例２に係る集積基板の斜視模式図の例である。図６のように、実施例２に係る集積基板２００には、Ｓｉによるトランジスタを含む電子回路（不図示）が集積されており、さらに、実施例１に係る半導体装置１００が集積されている。これにより、半導体装置１００による光回路とトランジスタなどによる電子回路との融合がなされている。
【実施例３】
【００４１】
実施例３は、実施例１に係る半導体装置１００を備える光モジュールの例である。図７は、実施例３に係る光モジュールのブロック図の例である。図７のように、実施例３に係る光モジュール３００は、実施例１に係る半導体装置１００、光導波部３１０、光変調部３２０を有する。半導体装置１００から出射された光は、光導波部３１０を通して光変調部３２０に導かれる。光変調部３２０では、入射された光を変調する。変調された光は、光導波部３１０を通して、光ファイバ結合部３３０で光結合したシングルモードファイバに入射され、シングルモードファイバ内を伝送する。
【実施例４】
【００４２】
実施例４は、実施例３に係る光モジュール３００を備えた光通信装置の例である。図８（ａ）は、実施例４に係る光通信装置のブロック図の例である。図８（ａ）のように、実施例４に係る光通信装置４００は、送信部として機能する実施例３に係る光モジュール３００、受信部４１０、制御部４２０を有する。光モジュール３００は、制御部４２０からの送信データ信号を光に変換して出射する。出射された光はシングルモードファイバに入射され、シングルモードファイバ内を伝送する。受信部４１０は、シングルモードファイバ内を伝送してきた光を受光し、受信データとして制御部４２０に出力する。
【００４３】
図８（ｂ）は、実施例４に係る光通信装置４００を備えた光通信システムのブロック図の例である。図８（ｂ）のように、光通信システム５００は、第１の光通信装置４００ａと第２の光通信装置４００ｂを有する。第１の光通信装置４００ａは、光モジュール３００ａ、受信部４１０ａ、制御部４２０ａを有する。第２の光通信装置４００ｂは、光モジュール３００ｂ、受信部４１０ｂ、制御部４２０ｂを有する。例えば、第１の光通信装置４００ａの光モジュール３００ａが、制御部４２０ａからの送信データ信号を光に変換して出射すると、出射された光はシングルモードファイバ５１０内を伝送し、第２の光通信装置４００ｂの受信部４１０ｂで受光される。受信部４１０ｂで光を受光すると、受信データが制御部４２０ｂに出力される。同様に、第２の光通信装置４００ｂの光モジュール３００ｂが、制御部４２０ｂからの送信データ信号を光に変換して出射すると、出射された光はシングルモードファイバ５１０内を伝送し、第１の光通信装置４００ａの受信部４１０ａで受光される。受信部４１０ａで光を受光すると、受信データが制御部４２０ａに出力される。これにより、第１の光通信装置４００ａと第２の光通信装置４００ｂとの間でデータ通信を行うことができる。
【００４４】
図８（ｂ）のように、第１の光通信装置４００ａと第２の光通信装置４００ｂとの間でシングルモードファイバ５１０を用いてデータ通信を行う光通信システム５００は、ＦＴＴＨ（Fiber To The Home）や光通信基幹網に用いられる場合が好ましい。また、シングルモードファイバ５１０を用いずに、第１の光通信装置４００ａと第２の光通信装置４００ｂとが、空間に出射した光を受光することでデータ通信を行う場合でもよい。この場合、第１の光通信装置４００ａと第２の光通信装置４００ｂとは、例えばパーソナルコンピュータとすることができ、また、第１の光通信装置４００ａおよび第２の光通信装置４００ｂの一方はパーソナルコンピュータとし、他方は携帯電話、デジタルカメラ、ビデオカメラ等の電子機器やプロジェクタとしてもよい。
【００４５】
以上、発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００４６】
１０ 基板
１２ Ｓｉ支持基板
１４ 埋め込みＳｉＯ２膜
１６ Ｓｉ薄膜層
１８ 空洞部
２０ 導波路
２２ 接合層
３０ 発光素子
３２ ｐ型ＧａＡｓ基板
３４ 下部クラッド層
３６ スペーサ層
３８ 活性層
４０ スペーサ層
４２ 上部クラッド層
４４ コンタクト層
４６ 積層半導体層
４８ ｐ電極
５０ ｎ電極
５２ ドット層
５４ 量子ドット
５６ ＩｎＧａＡｓ層
５８ アンドープＧａＡｓ層
６０ ｐ型ＧａＡｓ層
６２ アンドープＧａＡｓ層
６４ バリア層
１００ 半導体装置
２００ 集積基板
３００ 光モジュール
３１０ 光導波部
３２０ 光変調部
３３０ 光ファイバ結合部
４００ 光通信装置
４１０ 受信部
４２０ 制御部
５００ 光通信システム
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、特に、Ｉｎを含まないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層の表面と基板のＳｉ面とを接合させる半導体装置およびその製造方法、並びに、その半導体装置を含む集積基板、光モジュール、光通信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板の表面に、化合物半導体からなる発光素子を貼り合わせ、発光素子が発振した光を、ＳＯＩ基板に形成された導波路内を導波させる半導体装置が知られている。例えば、非特許文献１には、ＳＯＩ基板の表面にＩｎＰ（インジウムリン）系発光素子が貼り合わされた構造の半導体装置が開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】アレクサンダー・Ｗ・ファン（Alexander W. Fang）、他５名、「エレクトリカリ・パンプド・ハイブリッド・アルミニウムガリウムインジウムヒ素−シリコン・エバネセント・レーザ（Electrically pumped hybrid AlGaInAs-silicon evanescent laser）」、オプティクス・エクスプレス（OPTICS EXPRESS）、２００６年１０月２日、Ｎｏ．２０、Ｖｏｌ．１４、ｐ．９２０３−９２１０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
発光素子には、ＩｎＰ系発光素子の他、ＧａＡｓ（ガリウムヒ素）系発光素子のような、Ｉｎ（インジウム）を含まないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる発光素子がある。例えば、Ｉｎを含まないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる発光素子をＳＯＩ基板に貼り合わせる場合、ＳＯＩ基板のＳｉ面とＩｎを含まないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層面とが接合することになるが、この場合、ＳＯＩ基板とＩｎを含まないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層とが剥がれてしまうことがある。
【０００５】
このように、Ｉｎを含まないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層の表面と基板のＳｉ面とを接合させる場合、Ｉｎを含まないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層と基板とに剥がれが生じてしまうという課題がある。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、Ｉｎを含まないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層の表面と基板のＳｉ面とを接合させる構造において、Ｉｎを含まないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層と基板との剥がれを抑制することが可能な半導体装置およびその製造方法、並びにその半導体装置を含む集積基板、光モジュール、および光通信装置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】
【０００７】
本発明は、Ｉｎを含まないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層の表面に、Ｉｎを含む接合層を形成する工程と、前記半導体層の表面を、前記接合層を介して、基板のＳｉ面に接合させる工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法である。本発明によれば、Ｉｎを含まないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と基板とが剥がれることを抑制できる。
【０００８】
上記構成において、前記半導体層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板の主面上に形成された光を発振する活性層を含む積層半導体層のうちの最表面の半導体層であり、前記基板は、前記活性層が発振する光を導波する導波路を有する構成とすることができる。この構成によれば、活性層が発振する光を、基板に設けられた導波路で導波することができる。
【０００９】
上記構成において、前記接合層を形成する工程は、前記半導体層の表面と前記基板のＳｉ面とを接合させた後において、前記活性層が発振する光のエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有するような前記接合層を形成する構成とすることができる。この構成によれば、活性層が発振する光が、接合層で吸収されることを抑制できるため、光強度の強い光が、基板に設けられた導波路を導波することができる。
【００１０】
上記構成において、前記接合層を形成する工程は、Ｉｎを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体である複数の量子ドットからなる前記接合層を形成する構成とすることができる。この構成によれば、Ｉｎを含まないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層の表面と基板のＳｉ面とを接合させた後において、接合層が、活性層が発振する光のエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有することを容易に実現できる。
【００１１】
上記構成において、前記接合層を形成する工程は、ＩｎＡｓの複数の量子ドットからなる前記接合層を形成する構成とすることができる。
【００１２】
上記構成において、前記接合層を形成する工程は、前記活性層が発振する光の波長が１．３μｍ帯である場合に、前記半導体層の表面と前記基板のＳｉ面とを接合させた後において、前記接合層の厚みが５原子層厚以下となるような量のＩｎＡｓを供給することで、前記接合層を形成する構成とすることができる。この構成によれば、活性層が発振する１．３μｍ帯の波長の光の吸収が抑制された接合層を得ることができる。
【００１３】
本発明は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板の主面上に設けられた光を発振する活性層を含む積層半導体層のうちの最表面の層であり、Ｉｎを含まないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層と、前記半導体層の表面に設けられ、前記活性層が発振する光のエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有する、Ｉｎを含む接合層と、前記活性層が発振する光を導波する導波路を有し、前記接合層を介して、前記半導体層の表面にＳｉ面が接合した基板と、を具備することを特徴とする半導体装置である。本発明によれば、Ｉｎを含まないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と基板とが剥がれることを抑制できる。また、活性層が発振する光が、接合層で吸収されることを抑制できるため、光強度の強い光が、基板に設けられた導波路を導波することができる。
【００１４】
上記構成において、前記接合層はＩｎＡｓ薄膜層であり、前記活性層が発振する光の波長は１．３μｍ帯であり、前記接合層の厚みは５原子層厚以下である構成とすることができる。この構成によれば、接合層が、活性層で発振された１．３μｍ帯の波長の光を吸収することを抑制できる。
【００１５】
本発明は、前記半導体装置を含むことを特徴とする集積基板である。また、本発明は、前記半導体装置を含むことを特徴とする光モジュールである。さらに、本発明は、前記半導体装置を含むことを特徴とする光通信装置である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、Ｉｎを含まないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層の表面と基板のＳｉ面とを接合させる構造において、Ｉｎを含まないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と基板とが剥がれることを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、実施例１に係る半導体装置の断面模式図の例である。
【図２】図２は、活性層の１層分のドット層を示す断面模式図の例である。
【図３】図３は、実施例１に係る半導体装置における、ｐ型ＧａＡｓ基板からＳｉ層にかけてのエネルギーバンド図の例である。
【図４】図４（ａ）から図４（ｃ）は、実施例１に係る半導体装置の製造方法を説明する断面模式図の例である。
【図５】図５（ａ）は、ＩｎＡｓ薄膜層がＧａＡｓ層に挟まれた構造におけるエネルギーバンド図の例であり、図５（ｂ）は、ＩｎＡｓ薄膜層の厚さに対するバンドギャップエネルギーの計算結果を示す図である。
【図６】図６は、実施例２に係る集積基板の斜視模式図の例である。
【図７】図７は、実施例３に係る光モジュールのブロック図の例である。
【図８】図８（ａ）は、実施例４に係る光通信装置のブロック図の例であり、図８（ｂ）は、実施例４に係る光通信装置を備えた光通信システムのブロック図の例である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
まず、本発明が解決しようとする課題について詳しく説明する。非特許文献１に開示された半導体装置のように、ＳＯＩ基板表面に、ＩｎＰ系発光素子を貼り合わせる構造の場合、ＳＯＩ基板のＳｉ面とＩｎを含む半導体層面とが接合することになる。この場合、Ｓｉ面に含まれるＳｉ原子と、Ｉｎを含む半導体層に含まれるＩｎ原子とが結合すると考えられる。Ｓｉ原子とＩｎ原子との結合は、結合強度が強く、例えば温度が上昇したとしても、結合は切れ難い。したがって、ＳＯＩ基板とＩｎを含む半導体層とが剥がれることは生じ難い。
【００１９】
一方、ＳＯＩ基板表面に、Ｉｎを含まないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる発光素子を貼り合わせる構造の場合、ＳＯＩ基板のＳｉ面とＩｎを含まないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層面とが接合することになる。例えば、Ｉｎを含まないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる発光素子の例としてＧａＡｓ系発光素子を用いる場合、ＳＯＩ基板のＳｉ面とＧａＡｓ半導体層面とが接合することになる。この場合、Ｓｉ面に含まれるＳｉ原子と、ＧａＡｓ半導体層に含まれるＧａ原子とが結合すると考えられる。しかしながら、Ｓｉ原子とＧａ原子との結合強度は弱いため、例えば温度が上昇すると、結合が容易に切れてしまう。このように、ＳＯＩ基板表面にＧａＡｓ系発光素子を貼り合わせる構造の場合は、ＳＯＩ基板とＧａＡｓ半導体層とが剥がれ易いという課題がある。そこで、このような課題を解決することが可能な実施例を以下に示す。
【実施例１】
【００２０】
図１は、実施例１に係る半導体装置の断面模式図の例である。図１のように、実施例１に係る半導体装置１００は、基板１０の表面に、発光素子３０が貼り合わされた構造をしている。基板１０は、例えばＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板であり、Ｓｉ支持基板１２上に、埋め込みＳｉＯ２（酸化シリコン）膜１４、Ｓｉ薄膜層１６が順次形成された構造を有する。即ち、基板１０の表面は、Ｓｉ薄膜層１６のＳｉ表面が露出している。Ｓｉ薄膜層１６には、埋め込みＳｉＯ２膜１４が露出するまで除去された空洞部１８が形成されていて、Ｓｉ薄膜層１６の一部分は、空洞部１８で挟まれている。即ち、Ｓｉ薄膜層１６の一部分は、空洞部１８と埋め込みＳｉＯ２膜１４とによって周囲が囲まれている。光通信に一般的に用いられる１．３μｍ帯や１．５５μｍ帯の光の波長に対して、Ｓｉは、ＳｉＯ２や空気に比べて大きな屈折率を有する。このため、空洞部１８と埋め込みＳｉＯ２膜１４とによって囲まれたＳｉ薄膜層１６の一部分は、光を導波する機能を有する導波路２０として用いることが可能となる。
【００２１】
発光素子３０は、例えば１．３μｍ帯の波長の光を発振する量子ドット活性層を有するＧａＡｓ系発光素子である。発光素子３０は、例えばｐ型ＧａＡｓ基板３２の主面上に、ｐ型ＡｌＧａＡｓからなる下部クラッド層３４、アンドープＧａＡｓからなるスペーサ層３６、複数の量子ドットを有する活性層３８、アンドープＧａＡｓからなるスペーサ層４０、ｎ型ＡｌＧａＡｓからなる上部クラッド層４２、およびｎ型ＧａＡｓからなるコンタクト層４４が、順次積層された積層半導体層４６を有する構造である。即ち、積層半導体層４６の最表面の層は、コンタクト層４４となっている。ｐ型ＧａＡｓ基板３２の主面と反対側の面には、ｐ電極４８が形成されている。コンタクト層４４に接してｎ電極５０が形成されている。
【００２２】
ここで、活性層３８についてより詳細に説明する。図２は、活性層３８の１層分のドット層５２を示す断面模式図の例である。図２のように、量子ドット５４はＩｎＡｓにより形成される。量子ドット５４間にＩｎＧａＡｓ層５６が形成される。量子ドット５４およびＩｎＧａＡｓ層５６を覆うように、アンドープＧａＡｓ層５８が形成される。アンドープＧａＡｓ層５８の表面にｐ型ＧａＡｓ層６０とアンドープＧａＡｓ層６２とが順次形成される。アンドープＧａＡｓ層５８、ｐ型ＧａＡｓ層６０、およびアンドープＧａＡｓ層６２は、バリア層６４を構成する。
【００２３】
図１に戻り、基板１０と発光素子３０との間には、例えばＩｎＡｓの薄膜層からなり、２原子層厚の厚さを有する接合層２２が介在している。即ち、接合層２２は、Ｓｉ薄膜層１６とコンタクト層４４との間に設けられている。Ｓｉ薄膜層１６のＳｉ面とコンタクト層４４のＧａＡｓ面とを、ＩｎＡｓからなる接合層２２を間に介在させ接合することで、Ｓｉ薄膜層１６と接合層２２とは、結合強度の強いＳｉ原子とＩｎ原子との結合構造になるため、Ｓｉ薄膜層１６とコンタクト層４４とに剥がれは生じ難くなる。
【００２４】
実施例１に係る半導体装置１００は、図１のように、基板１０の表面に、発光素子３０が貼り合わされた構造をしている。このため、活性層３８で発振された光が、基板１０に伝搬し、基板１０に設けられた導波路２０内を導波することが可能となる。したがって、半導体装置１００は、光回路として使用することができ、例えば、光の変調器、合波器、または分波器として用いることができる。
【００２５】
図３は、実施例１に係る半導体装置１００における、ｐ型ＧａＡｓ基板３２からＳｉ薄膜層１６にかけてのエネルギーバンド図の例である。図３のように、ＩｎＡｓからなる接合層２２のバンドギャップエネルギーＥｇａは、活性層３８のバンドギャップエネルギーＥｇｂよりも大きい。このため、活性層３８で発振される光が、接合層２２で吸収されることを抑制することができる。即ち、活性層３８が発振する光は、接合層２２でほとんど吸収されずに、基板１０に伝搬されて、導波路２０内を導波することが可能となる。
【００２６】
次に、実施例１に係る半導体装置１００の製造方法について説明する。図４（ａ）から図４（ｃ）は、実施例１に係る半導体装置１００の製造方法を説明する断面模式図の例である。図４（ａ）のように、まず、ｐ型ＧａＡｓ基板３２の主面上に、例えばＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法を用い、下部クラッド層３４、スペーサ層３６、複数の量子ドットを有する活性層３８、スペーサ層４０、上部クラッド層４２、およびコンタクト層４４を順次積層し、積層半導体層４６を形成する。
【００２７】
続いて、積層半導体層４６の最表面の層であるコンタクト層４４の表面に、ＩｎＡｓの複数の量子ドットからなる接合層２２を形成する。接合層２２の形成は、コンタクト層４４の表面とＳｉ薄膜層１６のＳｉ面とを接合させた後において、活性層３８が発振する光のエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有するような接合層２２を形成する。接合層２２の形成は、例えば２．５分子層厚の成長に相当する量のＩｎＡｓを供給することで行い、例えば高さが１０ｎｍのＩｎＡｓの量子ドットからなる接合層２２を形成する。
【００２８】
図４（ｂ）のように、導波路２０を有する基板１０を準備する。導波路２０は、例えばドライエッチング法により、Ｓｉ薄膜層１６を選択的にエッチングすることで形成する。そして、Ｓｉ薄膜層１６のＳｉ表面を、例えばフッ酸を用いて洗浄した後、例えば２５０℃の温度下で、１０ｋＰａの圧力を加えて、コンタクト層４４の表面とＳｉ薄膜層１６のＳｉ表面とを、接合層２２を介在させて接合させる。これにより、量子ドットであった接合層２２は、例えば２原子層厚のＩｎＡｓの薄膜層となる。なお、図４（ａ）において、２．５分子層厚の成長に相当する量のＩｎＡｓを供給してＩｎＡｓの量子ドットからなる接合層２２を形成したのに対し、コンタクト層４４の表面とＳｉ薄膜層１６のＳｉ面とを接合させた後での接合層２２は、２原子層厚のＩｎＡｓ薄膜層になったのは、Ｉｎがコンタクト層４４等に拡散したためである。
【００２９】
図４（ｃ）のように、コンタクト層４４の一部が露出するよう、例えばドライエッチング法により、ｐ型ＧａＡｓ基板３２、下部クラッド層３４、スペーサ層３６、活性層３８、スペーサ層４０、および上部クラッド層４２を選択的にエッチングする。その後、ｐ電極４８とｎ電極５０とを形成する。これにより、実施例１に係る半導体装置１００が完成する。
【００３０】
このように、実施例１によれば、図４（ａ）のように、ｎ型ＧａＡｓ層からなるコンタクト層４４の表面に、ＩｎＡｓの複数の量子ドットからなる接合層２２を形成する。そして、図４（ｂ）のように、コンタクト層４４の表面を、接合層２２を介して、Ｓｉ薄膜層１６のＳｉ表面に接合させる。コンタクト層４４のＧａＡｓ面とＳｉ薄膜層１６のＳｉ面とを直接接合させる場合は、Ｓｉ原子とＧａ原子との結合強度が弱いことから、容易に剥がれてしまう。しかしながら、実施例１のように、コンタクト層４４のＧａＡｓ面とＳｉ薄膜層１６のＳｉ面とを、ＩｎＡｓの接合層２２を介して接合させることで、Ｓｉ原子とＩｎ原子との結合強度は強いことから、コンタクト層４４とＳｉ薄膜層１６との接合力が強まり、剥がれが生じ難くなる。つまり、結合強度の強いＳｉ原子とＩｎ原子との結合構造となることで、コンタクト層４４と基板１０とが剥がれることを抑制できる。
【００３１】
また、半導体装置１００は、ｐ型ＧａＡｓ基板３２の主面上に形成された光を発振する活性層３８を含む積層半導体層４６のうちの最表面の層であるコンタクト層４４が、コンタクト層４４の表面に形成された接合層２２を介して、光を導波する導波路２０を有する基板１０の表面に接合した構造をしている。これにより、活性層３８で発振された光が、基板１０に伝搬され、基板１０に設けられた導波路２０内を導波することが可能となる。このことから、図３および図４（ａ）で説明したように、接合層２２は、コンタクト層４４の表面とＳｉ薄膜層１６のＳｉ面とが接合した後において、活性層３８が発振する光のエネルギーよりも大きいバンドギャップを有するような接合層２２であることが好ましい。これにより、活性層３８が発振する光が、接合層２２で吸収されることを抑制でき、光強度の強い光が、基板１０に設けられた導波路２０内を導波することが可能となる。
【００３２】
ここで、図５（ａ）および図５（ｂ）を用いて、ＩｎＡｓの薄膜層である接合層２２の厚さとバンドギャップエネルギーとの関係について説明する。図５（ａ）は、ＩｎＡｓ薄膜層がＧａＡｓ層に挟まれたＩｎＡｓ量子井戸構造の場合でのエネルギーバンド図の例である。図５（ｂ）は、図５（ａ）のＩｎＡｓ量子井戸構造において、ＩｎＡｓ薄膜層の厚さに対する基底準位でのバンドギャップエネルギーの計算結果を示す図であり、横軸はＩｎＡｓ薄膜層の厚さを原子層厚で表し、縦軸はＩｎＡｓ薄膜層のバンドギャップエネルギーを表している。図５（ａ）のように、量子井戸に閉じ込められた電子は量子化され、そのエネルギーレベルが上昇して、実効的なバンドギャップエネルギーが大きくなる。図５（ｂ）のように、ＩｎＡｓ薄膜層の厚さが薄くなるほど、基底準位でのバンドギャップエネルギーが増大していく。バンドギャップエネルギーが大きい程、ＩｎＡｓ薄膜層で吸収される光の波長範囲が狭くなるため、ＩｎＡｓ薄膜層での光の吸収を抑える観点からは、ＩｎＡｓ薄膜層の厚さは薄い方が好ましいことになる。図５（ｂ）は、ＩｎＡｓ薄膜層がＧａＡｓ層に挟まれたＩｎＡｓ量子井戸構造でのＩｎＡｓ薄膜層の厚さに対するバンドギャップエネルギーを示しているが、実施例１に係る半導体装置１００のように、ＩｎＡｓの薄膜層（接合層２２）がＧａＡｓ層（コンタクト層４４）とＳｉ層（Ｓｉ薄膜層１６）とに挟まれたＩｎＡｓ量子井戸構造であっても、図５（ｂ）と同様の関係が得られると考えられる。
【００３３】
したがって、実施例１に係る半導体装置１００において、活性層３８で発振される光が、接合層２２で吸収されることを抑制するには、接合層２２は、厚さの薄いＩｎＡｓの薄膜層である場合が好ましい。例えば、活性層３８が、一般的な光通信に用いられる１．３μｍ帯の波長の光を発振する場合、１．３μｍ帯の波長の光のエネルギーは０．９７ｅＶ程度であることから、図５（ｂ）のように、ＩｎＡｓの薄膜層である接合層２２の厚さは、５原子層厚以下となる場合が好ましく、３原子層厚以下の場合がより好ましく、２原子層厚以下の場合がさらに好ましい。即ち、活性層３８が発振する光の波長が１．３μｍ帯である場合に、図４（ａ）で説明した、接合層２２の形成において、コンタクト層４４の表面とＳｉ薄膜層１６のＳｉ面とを接合させた後に、接合層２２の厚みが５原子層厚以下となるような量のＩｎＡｓを供給して接合層２２を形成する場合が好ましく、３原子層厚以下となるような量のＩｎＡｓを供給して接合層２２を形成する場合がより好ましく、２原子層厚以下となるような量のＩｎＡｓを供給して接合層２２を形成する場合がさらに好ましい。これにより、活性層３８が発振する１．３μｍ帯の波長の光が、接合層２２で吸収されることを抑制できる。
【００３４】
図４（ａ）のように、コンタクト層４４の表面に形成する接合層２２は、ＩｎＡｓの複数の量子ドットである場合が好ましい。これにより、図４（ｂ）のように、コンタクト層４４の表面をＳｉ薄膜層１６のＳｉ面に接合させる際の温度および圧力の調整により、コンタクト層４４の表面とＳｉ薄膜層１６のＳｉ面とを接合させた後において、接合層２２が、活性層３８が発振する光のエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有するような、厚さの薄いＩｎＡｓの薄膜層となることを容易に実現できる。
【００３５】
図４（ａ）のように、コンタクト層４４の表面に形成する接合層２２は、ＩｎＡｓの量子ドットからなる層である場合を例に説明したが、例えばＩｎＡｓの薄膜層やＩｎＧａＡｓの薄膜層など、Ｉｎを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の薄膜層である場合でもよい。この場合でも、コンタクト層４４の表面とＳｉ薄膜層１６のＳｉ面とを接合させた場合に、コンタクト層４４とＳｉ薄膜層１６とが剥がれることを抑制できると共に、活性層３８が発振する光の吸収の抑制もできる。しかしながら、コンタクト層４４の表面に形成する接合層２２をＩｎＡｓやＩｎＧａＡｓ等の薄膜層とすると、薄膜層の表面が凸凹してしまい、コンタクト層４４とＳｉ薄膜層１６との接合が難しくなる場合がある。このため、コンタクト層４４の表面に形成する接合層２２は、ＩｎＡｓやＩｎＧａＡｓなどのＩｎを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の複数の量子ドットからなる場合が好ましい。
【００３６】
活性層３８は１．３μｍ帯の波長の光を発振する場合を例に示したが、例えば１．５５μｍ帯の波長の光を発振する場合等、Ｓｉでの吸収係数が低い波長帯であれば、他の波長帯の光を発振する場合でもよい。活性層３８が１．５５μｍ帯の波長の光を発振する場合、活性層３８で発振する１．５５μｍ帯の波長の光が接合層２２で吸収されることを抑制するためには、１．５５μｍ帯の波長の光のエネルギーは０．８ｅＶ程度であることから、図５（ｂ）のように、接合層２２の厚さは、７原子層厚以下である場合が好ましく、５原子層厚以下である場合がより好ましく、３原子層厚以下である場合がさらに好ましい。
【００３７】
活性層３８は量子ドット構造である場合を例に示したが、例えば量子井戸構造である場合でもよい。しかしながら、ＩｎＡｓの量子ドット構造を有する活性層３８の場合は、例えば４５０℃の温度に曝されると特性劣化が生じてしまう。このため、活性層３８がＩｎＡｓの量子ドット構造である場合に、実施例１のように、Ｉｎを含む接合層２２を介在させる場合がより好ましい。これにより、Ｉｎの融点が比較的低いことから、低い温度を用いても、コンタクト層４４とＳｉ薄膜層１６とを強い力で接合させることが可能となり、剥がれの抑制に加えて、特性劣化の抑制も実現できる。
【００３８】
発光素子３０は、ＧａＡｓ系発光素子である場合を例に示したが、これに限られる訳ではない。Ｉｎを含まないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる発光素子であればその他の構造を有する発光素子の場合でもよい。この場合でも、実施例１の発明を適用することで、Ｉｎを含まないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層と基板とが剥がれることを抑制できる。
【００３９】
また、実施例１では、ＧａＡｓ系発光素子である発光素子３０がＳＯＩ基板である基板１０に貼り合わされる構造の場合を例に説明したが、これに限られる訳ではない。Ｉｎを含まないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層の表面と基板のＳｉ面とを接合させる構造であれば、実施例１に係る発明を適用することで、Ｉｎを含まないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層と基板との剥がれを抑制できる。
【実施例２】
【００４０】
実施例２は、実施例１に係る半導体装置１００を備える集積基板の例である。図６は、実施例２に係る集積基板の斜視模式図の例である。図６のように、実施例２に係る集積基板２００には、Ｓｉによるトランジスタを含む電子回路（不図示）が集積されており、さらに、実施例１に係る半導体装置１００が集積されている。これにより、半導体装置１００による光回路とトランジスタなどによる電子回路との融合がなされている。
【実施例３】
【００４１】
実施例３は、実施例１に係る半導体装置１００を備える光モジュールの例である。図７は、実施例３に係る光モジュールのブロック図の例である。図７のように、実施例３に係る光モジュール３００は、実施例１に係る半導体装置１００、光導波部３１０、光変調部３２０を有する。半導体装置１００から出射された光は、光導波部３１０を通して光変調部３２０に導かれる。光変調部３２０では、入射された光を変調する。変調された光は、光導波部３１０を通して、光ファイバ結合部３３０で光結合したシングルモードファイバに入射され、シングルモードファイバ内を伝送する。
【実施例４】
【００４２】
実施例４は、実施例３に係る光モジュール３００を備えた光通信装置の例である。図８（ａ）は、実施例４に係る光通信装置のブロック図の例である。図８（ａ）のように、実施例４に係る光通信装置４００は、送信部として機能する実施例３に係る光モジュール３００、受信部４１０、制御部４２０を有する。光モジュール３００は、制御部４２０からの送信データ信号を光に変換して出射する。出射された光はシングルモードファイバに入射され、シングルモードファイバ内を伝送する。受信部４１０は、シングルモードファイバ内を伝送してきた光を受光し、受信データとして制御部４２０に出力する。
【００４３】
図８（ｂ）は、実施例４に係る光通信装置４００を備えた光通信システムのブロック図の例である。図８（ｂ）のように、光通信システム５００は、第１の光通信装置４００ａと第２の光通信装置４００ｂを有する。第１の光通信装置４００ａは、光モジュール３００ａ、受信部４１０ａ、制御部４２０ａを有する。第２の光通信装置４００ｂは、光モジュール３００ｂ、受信部４１０ｂ、制御部４２０ｂを有する。例えば、第１の光通信装置４００ａの光モジュール３００ａが、制御部４２０ａからの送信データ信号を光に変換して出射すると、出射された光はシングルモードファイバ５１０内を伝送し、第２の光通信装置４００ｂの受信部４１０ｂで受光される。受信部４１０ｂで光を受光すると、受信データが制御部４２０ｂに出力される。同様に、第２の光通信装置４００ｂの光モジュール３００ｂが、制御部４２０ｂからの送信データ信号を光に変換して出射すると、出射された光はシングルモードファイバ５１０内を伝送し、第１の光通信装置４００ａの受信部４１０ａで受光される。受信部４１０ａで光を受光すると、受信データが制御部４２０ａに出力される。これにより、第１の光通信装置４００ａと第２の光通信装置４００ｂとの間でデータ通信を行うことができる。
【００４４】
図８（ｂ）のように、第１の光通信装置４００ａと第２の光通信装置４００ｂとの間でシングルモードファイバ５１０を用いてデータ通信を行う光通信システム５００は、ＦＴＴＨ（Fiber To The Home）や光通信基幹網に用いられる場合が好ましい。また、シングルモードファイバ５１０を用いずに、第１の光通信装置４００ａと第２の光通信装置４００ｂとが、空間に出射した光を受光することでデータ通信を行う場合でもよい。この場合、第１の光通信装置４００ａと第２の光通信装置４００ｂとは、例えばパーソナルコンピュータとすることができ、また、第１の光通信装置４００ａおよび第２の光通信装置４００ｂの一方はパーソナルコンピュータとし、他方は携帯電話、デジタルカメラ、ビデオカメラ等の電子機器やプロジェクタとしてもよい。
【００４５】
以上、発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００４６】
１０ 基板
１２ Ｓｉ支持基板
１４ 埋め込みＳｉＯ２膜
１６ Ｓｉ薄膜層
１８ 空洞部
２０ 導波路
２２ 接合層
３０ 発光素子
３２ ｐ型ＧａＡｓ基板
３４ 下部クラッド層
３６ スペーサ層
３８ 活性層
４０ スペーサ層
４２ 上部クラッド層
４４ コンタクト層
４６ 積層半導体層
４８ ｐ電極
５０ ｎ電極
５２ ドット層
５４ 量子ドット
５６ ＩｎＧａＡｓ層
５８ アンドープＧａＡｓ層
６０ ｐ型ＧａＡｓ層
６２ アンドープＧａＡｓ層
６４ バリア層
１００ 半導体装置
２００ 集積基板
３００ 光モジュール
３１０ 光導波部
３２０ 光変調部
３３０ 光ファイバ結合部
４００ 光通信装置
４１０ 受信部
４２０ 制御部
５００ 光通信システム
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｉｎを含まないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層の表面に、Ｉｎを含む接合層を形成する工程と、
前記半導体層の表面を、前記接合層を介して、基板のＳｉ面に接合させる工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記半導体層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板の主面上に形成された光を発振する活性層を含む積層半導体層のうちの最表面の半導体層であり、
前記基板は、前記活性層が発振する光を導波する導波路を有することを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記接合層を形成する工程は、前記半導体層の表面と前記基板のＳｉ面とを接合させた後において、前記活性層が発振する光のエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有するような前記接合層を形成することを特徴とする請求項２記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記接合層を形成する工程は、Ｉｎを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の複数の量子ドットからなる前記接合層を形成することを特徴とする請求項２または３記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記接合層を形成する工程は、ＩｎＡｓの複数の量子ドットからなる前記接合層を形成することを特徴とする請求項４記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記接合層を形成する工程は、前記活性層が発振する光の波長が１．３μｍ帯である場合に、前記半導体層の表面と前記基板のＳｉ面とを接合させた後において、前記接合層の厚みが５原子層厚以下となるような量のＩｎＡｓを供給することで、前記接合層を形成することを特徴とする請求項５記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板の主面上に設けられた光を発振する活性層を含む積層半導体層のうちの最表面の層であり、Ｉｎを含まないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層と、
前記半導体層の表面に設けられ、前記活性層が発振する光のエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有する、Ｉｎを含む接合層と、
前記活性層が発振する光を導波する導波路を有し、前記接合層を介して、前記半導体層の表面にＳｉ面が接合した基板と、を具備することを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
前記接合層はＩｎＡｓ薄膜層であり、前記活性層が発振する光の波長は１．３μｍ帯であり、前記接合層の厚みは５原子層厚以下であることを特徴とする請求項７記載の半導体装置。
【請求項９】
請求項７または８記載の半導体装置を含むことを特徴とする集積基板。
【請求項１０】
請求項７または８記載の半導体装置を含むことを特徴とする光モジュール。
【請求項１１】
請求項７または８記載の半導体装置を含むことを特徴とする光通信装置。
【請求項１】
Ｉｎを含まないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層の表面に、Ｉｎを含む接合層を形成する工程と、
前記半導体層の表面を、前記接合層を介して、基板のＳｉ面に接合させる工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記半導体層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板の主面上に形成された光を発振する活性層を含む積層半導体層のうちの最表面の半導体層であり、
前記基板は、前記活性層が発振する光を導波する導波路を有することを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記接合層を形成する工程は、前記半導体層の表面と前記基板のＳｉ面とを接合させた後において、前記活性層が発振する光のエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有するような前記接合層を形成することを特徴とする請求項２記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記接合層を形成する工程は、Ｉｎを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の複数の量子ドットからなる前記接合層を形成することを特徴とする請求項２または３記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記接合層を形成する工程は、ＩｎＡｓの複数の量子ドットからなる前記接合層を形成することを特徴とする請求項４記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記接合層を形成する工程は、前記活性層が発振する光の波長が１．３μｍ帯である場合に、前記半導体層の表面と前記基板のＳｉ面とを接合させた後において、前記接合層の厚みが５原子層厚以下となるような量のＩｎＡｓを供給することで、前記接合層を形成することを特徴とする請求項５記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板の主面上に設けられた光を発振する活性層を含む積層半導体層のうちの最表面の層であり、Ｉｎを含まないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層と、
前記半導体層の表面に設けられ、前記活性層が発振する光のエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有する、Ｉｎを含む接合層と、
前記活性層が発振する光を導波する導波路を有し、前記接合層を介して、前記半導体層の表面にＳｉ面が接合した基板と、を具備することを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
前記接合層はＩｎＡｓ薄膜層であり、前記活性層が発振する光の波長は１．３μｍ帯であり、前記接合層の厚みは５原子層厚以下であることを特徴とする請求項７記載の半導体装置。
【請求項９】
請求項７または８記載の半導体装置を含むことを特徴とする集積基板。
【請求項１０】
請求項７または８記載の半導体装置を含むことを特徴とする光モジュール。
【請求項１１】
請求項７または８記載の半導体装置を含むことを特徴とする光通信装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１４００２（Ｐ２０１２−１４００２Ａ）
【公開日】平成２４年１月１９日（２０１２．１．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１５１２４４（Ｐ２０１０−１５１２４４）
【出願日】平成２２年７月１日（２０１０．７．１）
【出願人】（５０６４２３０５１）株式会社ＱＤレーザ (26)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月１９日（２０１２．１．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月１日（２０１０．７．１）
【出願人】（５０６４２３０５１）株式会社ＱＤレーザ (26)
【Ｆターム（参考）】
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