(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
化合物半導体基板と、
前記化合物半導体基板上に形成した、井戸層とバリア層とが交互に積層された量子井戸層とを備え、
前記バリア層は前記井戸層より大きなエネルギーギャップであり、
前記井戸層として、その組成ｘおよびｙを、０．０１≦ｘ≦０．１、かつ０＜ｙ≦０．８としたＧａxＩｎ1-xＡｓyＰ1-y混晶が用いられており、
前記バリア層として、ＧａＩｎＡｓＰ（λｇ＝１．１μｍ）混晶が用いられており、
オーダリングによる発光波長の半値幅の増大を抑制したことを特徴とする半導体レーザ。
【請求項２】
化合物半導体基板と、
前記基板上に形成した第１の導波路層と、
前記第１の導波路層上に形成した、井戸層とバリア層が交互に積層された量子井戸層と、
前記量子井戸層上に形成した第２の導波路層とを備え、
前記第１の導波路層は前記基板よりエネルギーギャップが同じか小さく、
前記井戸層は前記第１の導波路層よりエネルギーギャップが小さく、
前記バリア層は前記第１の導波路層と前記井戸層の中間のエネルギーギャップで、前記第２の導波路層は前記バリア層よりエネルギーギャップが同じか大きく、
前記井戸層として、その組成ｘおよびｙを、０．０１≦ｘ≦０．１、かつ０＜ｙ≦０．８としたＧａxＩｎ1-xＡｓyＰ1-y混晶が用いられており、
前記バリア層として、ＧａＩｎＡｓＰ（λｇ＝１．１μｍ）混晶が用いられており、
オーダリングによる発光波長の半値幅の増大を抑制したことを特徴とする半導体レーザ。
【請求項３】
ｘが略０．０１、かつ０＜ｙ≦０．８であることを特徴とする請求項１、２のいずれか１項に記載の半導体レーザ。
【請求項４】
０．０１≦ｘ≦０．１、かつｙが略０．５であることを特徴とする請求項１、２のいずれか１項に記載の半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は量子井戸結晶および光ファイバー通信等に必要な高性能の半導体レーザならびにその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、半導体レーザの特性向上を実現するために、半導体レーザの活性層を量子井戸構造とした単一量子井戸（ＳＱＷ）レーザや多重量子井戸（ＭＱＷ）レーザに関する研究がおこなわれている。この量子井戸活性層を有する半導体レーザは量子サイズ効果により、通常のバルク型活性層にない良好な特性が期待できる。例えば微分ゲインの増大・ＴＭ発光の低減等により低しきい値で高効率・大出力動作が可能となり、緩和振動周波数の増大・線幅増大係数の減少により高速応答・低チャーピング化が得られる。
【０００３】
しかしながら、さらに微分ゲインを増大するために歪量子井戸の適用が検討されている。とくに、大きな歪を導入できる結晶として、ＩｎＡｓＰ混晶を井戸層とした半導体レーザの開発が行われている。［粕川昭彦他、１９９２年秋期応用物理学学術講演会１８ｐ−Ｖ−２］
図８（ａ）に従来の半導体レーザを示す。３１はＩｎｐ基板、３２はｎ−ＩｎＰクラッド層、３３はＳＣＨ−ＤＱＷ(spectral confinment heterostructure-double quntum well)２重量子井戸層、３４はｐ−ＩｎＰクラッド層、３５はｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層、３６はＧａＩｎＡｓＰ導波路層（波長１．１μｍ）、３７はＩｎＡｓＰ井戸層、３８はＧａＩｎＡｓＰバリア層（波長１．１μｍ）である。
【０００４】
図８（ａ）のＩｎＡｓＰ歪量子井戸層のエネルギーバンド構造は図８（ｂ）のように、エネルギーの低いＩｎＡｓＰ井戸層３７と、エネルギーの高いＧａＩｎＡｓＰバリア層３８からなっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
以上のような構成の従来の歪量子井戸半導体レーザの特性を図９に示す。これよりば、共振器長が３００μｍあたりで短波長シフトを起こして、発振波長が１．２８μｍから１．２３μｍへと低下していることがわかる。通常に用いられる半導体レーザの共振器長は３００μｍ程度であり、このような発振波長の低下は半導体レーザの実用化の上では非常に障害となる。この原因は、別の励起準位の発光による発振波長の急激な短波長シフトを生じていると考えられる。つまり、歪量子井戸レーザの発振波長の急激な短波長シフトは、発光の準位が第１励起準位から第２励起準位へ遷移したと考えられるが、問題の本質はＩｎＡｓＰ混晶は、２種類の波長で発光するために短波長での発光がレーザの第２励起準位の発光を誘起することにある。
【０００６】
そこで本発明はＩｎＡｓＰ系を井戸層に用いた発振波長の急激なシフトが少ない歪量子井戸結晶およびそれを用いた半導体レーザならびにその製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために本発明は、化合物半導体基板と、前記化合物半導体基板上に形成した、井戸層とバリア層が交互に積層された量子井戸層とを備え、前記バリア層は前記井戸層より大きなエネルギーギャップであり、前記井戸層として、その組成ｘおよびｙを、０．０１≦ｘ≦０．１、かつ０＜ｙ≦０．８としたＧａxＩｎ1-xＡｓyＰ1-y混晶が用いられており、前記バリア層として、ＧａＩｎＡｓＰ（λｇ＝１．１μｍ）混晶が用いられており、オーダリングによる発光波長の半値幅の増大を抑制したことを特徴とする半導体レーザとする。
【００１０】
さらに化合物半導体基板と、前記基板上に形成した第１の導波路層と、前記第１の導波路層上に形成した、井戸層とバリア層が交互に積層された量子井戸層と、前記量子井戸層上に形成した第２の導波路層とを備え、前記第１の導波路層は前記基板よりエネルギーギャップが同じか小さく、前記井戸層は前記第１の導波路層よりエネルギーギャップが小さく、前記バリア層は前記第１の導波路層と前記井戸層の中間のエネルギーギャップで、前記第２の導波路層は前記バリア層よりエネルギーギャップが同じか大きく、前記井戸層として、その組成ｘおよびｙを、０．０１≦ｘ≦０．１、かつ０＜ｙ≦０．８としたＧａxＩｎ1-xＡｓyＰ1-y混晶が用いられており、前記バリア層として、ＧａＩｎＡｓＰ（λｇ＝１．１μｍ）混晶が用いられており、オーダリングによる発光波長の半値幅の増大を抑制した半導体レーザとする。
【００１２】
【作用】
半導体レーザの発振波長シフトを防止するためには、第２量子準位付近に発光の無い結晶を井戸層に用いる必要がある。
【００１３】
井戸層にＩｎＡｓｙＰ（１−ｙ）結晶を用いた場合には組成ｙ≧０．２で歪量子井戸層のフォトルミネッセンスピークが２波長に分離してしまうという問題点があることを図１で示した。この場合の歪量子井戸構造としては、井戸層厚６ｎｍ、バリア層厚１５ｎｍ、井戸層数５ペアとし、励起光の強度は０．２Ｗ／ｍｍ２とした。励起光強度を低下させてもフォトルミネッセンス発光の強度プロファイルには変化は認められなかった。
【００１４】
フォトルミネッセンス発光プロファイルを単一ピーク化するために、歪量子井戸の井戸層結晶を構成するＩｎＡｓＰ結晶にＧａを添加した。Ｇａの添加量０．０１≦ｘ≦０．１，０＜ｙ＜１の混晶ＧａｘＩｎ（１−ｘ）ＡｓｙＰ（１−ｙ）においてはフォトルミネッセンス発光波長は単一ピークをしめし、組成ｙとフォトルミネッセンス発光波長は連続した関係を示した。
【００１５】
本発明では、歪量子井戸結晶の井戸層として組成０．０１≦ｘ≦０．１，０＜ｙ＜１のＧａｘＩｎ（１−ｘ）ＡｓｙＰ（１−ｙ）混晶を用いることで、均一な組成の井戸層を有した歪量子井戸結晶を実現している。
【００１６】
また、この歪量子井戸結晶を活性層とした歪量子井戸レーザを作製することで第１励起準位で低閾値発振する歪量子井戸レーザを実現している。
【００１７】
【実施例】
本発明の実施例を説明する前に、従来の半導体レーザの井戸層に用いられていたＩｎＡｓyＰ1-yについての実験結果を説明する。
【００１８】
まず図１の横軸にＩｎＡｓyＰ1-yのｙ、縦軸にこの結晶のフォトルミネッセンスピーク波長をとった特性図を示す。この実験結果によれば、Ａｓの組成ｙが０．２から０．８の範囲でフォトルミネッセンスピークが２重になった２重ピーク領域になっていることがわかった。またｙが０．２以下の領域ではピークは単一になっている。ｙが０．８より大きな領域では実験をしていないので明確なことは言えないが、ピーク波長は長波長側に移った単一ピークであると考えられる。
【００１９】
この実験結果から、発振波長の低波長シフトは、発光の準位が第１励起準位から第２励起準位へ遷移し、２重ピーク領域が発生することに起因していると考えらる。そこで本発明でとったアプローチは、このＩｎＡｓyＰ1-y結晶の２重ピークを抑えるためにＧａを添加することである。Ｇａを添加した実験結果を図２に示す。
【００２０】
横軸はＩｎＡｓＰに添加したＧａの組成ｘ、つまり、ＧａxＩｎ1-xＡｓ0.5Ｐ0.5のｘである。ここでＡｓとＰの組成を0.5に規定しているのは、この結晶の発振波長を１．３μｍにするためであり、あとに述べるように、このＡｓ、Ｐの組成（それぞれｙ、１−ｙ）を変化させても、この実験結果の本質である、２重ピークは発生しなかった。
【００２１】
縦軸はＧａの組成ｘに対するフォトルミネッセンスピーク波長である。この実験結果から、Ｇａの添加量が０．０１〜０．１ではピーク波長が単一となるということが明らかとなった。なお、ｘが０．１より大きい領域では、現段階では実験をしていないので確かなことはいえない。このようにＩｎＡｓＰにＧａを０．０１〜０．１添加することで発光ピークが単一となることがわかった。
【００２２】
この実験ではＡｓの組成ｙが０．５である場合について説明したが、ｘが０．０１≦ｘ≦０．１の範囲では、Ａｓの組成ｙ（Ｐの組成は１−ｙ）が０．８以下であっても、図１で説明した２重ピークが発生しないことがわかった。
【００２３】
その具体例として、ｘが０．１のとき、ｙを０＜ｙ≦０．８まで変化させたときのフォトルミネッセンスピーク波長をとったものを図３に示す。この図からＡｓの組成ｙが０＜ｙ≦０．８の範囲で発光波長が単一ピークとなっていることがわかった。まとめると、図７に示した領域Ａ（０．０１≦ｘ≦０．１,０＜ｙ＜１）あるいは領域Ｂ（０．０１≦ｘ≦０．１,０＜ｙ≦０．８）の組成であれば、ＩｎＡｓＰ系の発光波長が単一になることを実験により確認した。
【００２４】
以下に示す実施例では、この２重ピークが発生しないように、ＩｎＡｓＰ系結晶にＧａを添加した量子井戸結晶構造およびそれを用いた半導体レーザならびにその製造方法について具体的に説明していく。
【００２５】
（実施例１）
以下、本発明の一実施例の歪量子井戸結晶構造について、図面を参照しながら説明する。
【００２６】
図４は本発明の実施例における歪量子井戸結晶の構造図を示すものである。図４（ａ）において、１はＳｎドープＩｎＰ基板、１２は厚み３００ｎｍアンドープＩｎＰバッファ層、３は厚み６ｎｍのＧａ0.1Ｉｎ0.9Ａｓ0.5Ｐ0.5井戸層（λｇ＝１．３μｍ）層、５は井戸層３とバリア層４からなる井戸数５の歪量子井戸層、１６は厚み３００ｎｍのＩｎＰ層である。
【００２７】
また図４（ｂ）に歪量子井戸層５のエネルギー状態図を示している。この図４（ｂ）のように、歪量子井戸層５はＧａ0.1Ｉｎ0.9Ａｓ0.5Ｐ0.5井戸層３と、アンドープＧａＩｎＡｓＰ層４（λｇ＝１．１μｍ）からできている。Ga0.1In0.9As0.5P0.5井戸層４を用いた歪量子井戸のフォトルミネッセンス発光プロファイルは図３のように、１．３μｍの単一発光であることを確認している。
【００２８】
このようにＩｎＡｓＰ結晶にＧａを０．１加えたＧａＩｎＡｓＰは、発光波長が単一となる。ここでＧａの組成ｘは実験により、０．０１≦ｘ≦０．１、Ａｓの組成ｙは０＜ｙ≦０．８の範囲で単一ピークとなっていることが明らかとなった。
【００２９】
（実施例２）
以下本発明の第２の実施例について図面を参照しながら説明する。
【００３０】
図５は本発明の実施例における歪量子井戸レーザの構造図を示すものである。このレーザは実施例１で説明した構造の活性層を用いている。
【００３１】
図５において、１はＳｎドープＩｎＰ基板、２は厚み５０ｎｍＧａＩｎＡｓＰ（λｇ＝１．１μｍ）第１の導波路層、３は厚み６ｎｍのGa0.1In0.9As0.5P0.5井戸層（λｇ＝１．３μｍ  ）、４は厚み１５ｎｍのＧａＩｎＡｓＰ（λｇ＝１．１μｍ）バリア層、５は井戸数５の歪量子井戸層、６は厚み５０ｎｍのＧａＩｎＡｓＰ（λｇ＝１．１μｍ）第２の導波路層、７はｐ−ｎ−ｐ電流ブロック層、８はｐ側電極とオーミックコンタクトをとるためのｐ−ＧａＩｎＡｓＰコンタクト層、１０はＡｕ／Ｓｎよりなるｎ側電極、９はＡｕ／Ｚｎよりなるｐ側電極である。
【００３２】
本実施例では、実施例１で示したGa0.1In0.9As0.5P0.5混晶を井戸層として使用することでオーダリングによる発光波長の半値幅の増大が抑制されるために発光効率の大きい半導体レーザを作製することができる。
【００３３】
以上のように構成されたこの実施例の半導体レーザの構造について、以下図５を用いてその動作を説明する。
【００３４】
ｐ側電極８から導入された電流は、電流ブロック層７で狭搾された後、歪量子井戸５に注入される。井戸層３の膜厚は井戸層の組成において１．３μｍの発光波長が得られるよう６ｎｍに設定した。
【００３５】
この実施例では、Ga0.1In0.9As0.5P0.5組成の井戸層を用いて歪量子井戸を構成しており、フォトルミネッセンスの発光プロファイルが図３に示すように単一であることを確認している。
【００３６】
さらに、レーザの発光波長においても井戸層の組成より計算されるバルク結晶の発光波長である１．４１μｍに歪によるエネルギーシフトと量子サイズ効果によるエネルギーシフトの和である７０ｍｅＶから計算される発振波長１．３０６μｍとほぼおなじ１．３０μｍでの発振を共振器長３００μｍのレーザにおいて確認した。
【００３７】
実際、本実施例に示したレーザを作製して諸特性を評価した結果、３００μｍの共振器長を持つ歪量子井戸レーザにおいて発振閾値１５ｍＡが得られた。これは、第２励起準位の発光が抑制されたためと考えられる。
【００３８】
（実施例３）
図６は本発明の第２の実施例にある半導体レーザの製造方法を示すものである。
【００３９】
ＳｎドープＩｎＰ基板１上にＭＯＶＰＥ法を用いて膜厚５０ｎｍのｎ−ＧａＩｎＡｓＰ（λｇ＝１．１μｍ）導波路層２を成長する。次に、膜厚６ｎｍのＧａ0.1Ｉｎ0.9Ａｓ0.5Ｐ0.5井戸層３（λｇ＝１．３μｍ）、厚み１５ｎｍのＧａＩｎＡｓＰ（λｇ＝１．１μｍ）バリア層４を１ペアとして、井戸層３とバリア層４を５層繰り返し成長し、ペア数５の歪量子井戸層５とする。
【００４０】
さらに第２の導波路層としてＧａＩｎＡｓＰ（λｇ＝１．１μｍ）層６を連続的に成長して結晶成長工程（図６（ａ））とする。つぎに、導波路層６からｎ−ＧａＩｎＡｓＰ導波路層２をメサ状にエッチングするメサエッチング工程（図６（ｂ））。そしてｐ−ＩｎＰ，ｎ−ＩｎＰ層７をＭＯＶＰＥ成長したのち，窒化珪素膜を除去してｐ−ＩｎＰ電流ブロック層７とｐ−ＧａＩｎＡｓＰコンタクト層８をＭＯＶＰＥ成長する埋め込み成長工程（図６（ｃ））。最後に、ｎ側電極１０とｐ側電極９を蒸着により形成する電極蒸着工程（図６（ｄ））を行いレーザ構造を得る。結晶成長工程におけるガスの全流量は５Ｌ／ｍｉｎ、成長温度６４０℃である。以上に示した半導体レーザの製造方法により第２の実施例の半導体レーザが実現される。
【００４１】
なお、以上の実施例において、ＩｎＰ系化合物半導体の結晶を用いたがその他の結晶例えばＳｉ系、ＧａＡｓ系、ＺｎＳｅＳ系、ＩｎＡ１Ａｓ系、Ａ１ＧａＡｓ系、ＧａＩｎＡ１ＡｓＰ系等の半導体材料でもよい。レーザ構造をＤＨレーザとしたが、ＤＦＢレーザ、ＤＢＲレーザなど付加価値の高いレーザへの適応が可能である。また、活性層の構造をＰＢＨタイプとしたが、その他の構造でもよい。さらに本実施例では歪量子井戸構造をレーザに適応したが、導波路、受光素子等への適応が可能である。また、導波路層としてＧａＩｎＡｓＰとしたが、グレーティッドな組成を持つＧａＩｎＡｓＰであってもよい。
【００４２】
なお、本実施例ではデバイスはレーザとしたが、歪量子井戸構造を用いるデバイスであれば電子デバイス（例えば、HEMT,HFET,HBT等）であってもよい。
【００４３】
結晶成長方法はＭＯＶＰＥ法としたが、ガスソースＭＢＥ、ＭＯＭＢＥ法のみならず、ハイドライドＶＰＥ法など他の成長方法を用いてもよい。また、実施例では半導体レーザの製造方法を示したが、同様な方法で光導波路を作製することができる。さらに、結晶基板の伝導性としてｎ型基板を使用したが、ｐ型でもよい。
【００４４】
【発明の効果】
以上のように本発明は、歪量子井戸の井戸層に０．０１〜０．１のＧａを添加したＩｎＡｓＰ結晶を用いることで、フォトルミネッセンス発光プロファイルを単一化すると共に歪量子井戸レーザの第２励起準位発光を抑圧することで発振波長の短波長化を防止し、発振閾値を低減し微分量子効率を上昇した量子井戸半導体レーザを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＩｎＡｓＰ混晶のフォトルミネッセンス発光特性図
【図２】ＧａＩｎＡｓＰ混晶のフォトルミネッセンス発光特性図
【図３】ＧａＩｎＡｓＰ混晶のフォトルミネッセンス発光特性図
【図４】本発明の第１の実施例における量子井戸結晶構造断面図およびエネルギー状態図
【図５】本発明の第２の実施例における歪量子井戸レーザの構造断面図
【図６】本発明の第３の実施例における歪量子井戸レーザの工程断面図
【図７】ＧａxＩｎ1-xＡｓyＰ1-y混晶の組成の範囲を示す図
【図８】従来の歪量子井戸レーザの概略図およびエネルギー状態図
【図９】従来の歪量子井戸レーザの共振器長に対する、しきい値電流密度および発振波長を示す特性図
【符号の説明】
１  ＳｎドープＩｎＰ基板
２  ＧａＩｎＡｓＰ導波路層
３  ＧａＩｎＡｓＰ歪井戸層
４  ＧａＩｎＡｓＰバリア層
５  歪量子井戸層
６  第２の導波路層
７  ｐ−ｎ−ｐ電流ブロック層
８  ｐ−ＧａＩｎＡｓＰコンタクト層
９  Ａｕ／Ｚｎよりなるｐ側電極
１０  Ａｕ／Ｓｎよりなるｎ側電極
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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