(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
III-Ｖ族化合物半導体基板上にIII-Ｖ族化合物半導体混晶を設けた光半導体素子において、基板の格子定数よりも大きな面内格子定数を有すると共にＩｎを構成元素とする活性層の少なくとも一方の主面に接するように、Ｉｎの拡散を防止するスペーサ層として２０Å以上の厚さのＧａＡｓ層を設けたことを特徴とする光半導体素子。
【請求項２】
上記スペーサ層を上記活性層の両方の主面に接して設けた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】
上記スペーサ層とクラッド層との間に光ガイド層を設けたことを特徴とする請求項１又は２記載の光半導体素子。
【請求項４】
上記半導体基板がＩｎx Ｇａ1-x Ａｓ（０≦ｘ＜１）であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光半導体素子。
【請求項５】
上記活性層の発光波長が１μｍ帯域であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光半導体素子。
【請求項６】
上記活性層がＩｎy Ｇａ1-y Ａｓ混晶（０＜ｙ＜１）であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光半導体素子。
【請求項７】
上記活性層がＩｎＡｓ層とＧａＡｓ層とを交互に堆積させた短周期超格子成長層であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光半導体素子。
【請求項８】
上記交互に設けるＩｎＡｓ層とＧａＡｓ層の一層の厚さが各１モノレイヤーであることを特徴とする請求項７記載の光半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は光半導体素子に関するものであり、特に、発光効率が高く、且つ、広い温度範囲で発振しきい値等の初期値が保たれる温度特性の優れた格子歪を有する活性層を用いた１μｍ帯光通信用に用いられる半導体レーザに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光通信のためには主に１μｍ帯の光半導体素子が使用されており、格子歪を有する活性層を用いることにより狭スペクトル線幅で低しきい値動作する半導体レーザが得られている。
【０００３】
近年では更に、発光効率が高く、且つ、大きな温度変化にも追従できて温度条件の管理が不要な半導体レーザ、即ち、広い温度範囲で発振しきい値等の初期値が保たれる温度特性の優れた半導体レーザが要求されている。
【０００４】
半導体レーザの発光効率を高めるためには活性層の結晶性を改善する必要があり、また、半導体レーザの温度特性を向上させるためには、温度の上昇に伴い増加する発光に関与しないリーク電流を低減させる必要があり、これを実現するために半導体基板としてＧａＡｓを用いて１μｍ帯の半導体レーザを作成することが提案されている。
【０００５】
ＧａＡｓは、従来の１μｍ帯の半導体レーザの基板として用いられていたＩｎＰに比べて小さな格子定数を持っており、又、小さな格子定数の半導体材料は一般的にはより大きな禁制帯幅を有しているので、ＧａＡｓを基板として用いることにより、より大きな禁制帯幅を有する半導体材料をクラッド層として使用できるため、このクラッド層が発光に寄与せずに活性層から漏れ出るキャリアに対する障壁となり、リーク電流が低減する。
【０００６】
また、他の提案としては、基板としてＧａＡｓの代わりにＩｎＧａＡｓを用いるものがあり、この場合、ＩｎＧａＡｓの格子定数はＧａＡｓよりも大きいため活性層にかかる歪量が低減されることになり、活性層の結晶性が向上する。
【０００７】
図８は、ＧａＡｓ基板或いはＩｎＧａＡｓ基板を用いた従来提案されている１μｍ帯の半導体レーザを示したものであり、ＧａＡｓ或いはＩｎＧａＡｓ基板１ｄ上にｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層３ｄ、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層４ｃ、ＩｎＧａＡｓ活性層６ｄ、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層８ｃ、及び、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層９ｄを成長させた積層構造からなる。
【０００８】
この場合、ＡｌＧａＡｓクラッド層３ｄ，９ｄは１μｍ帯のＩｎＧａＡｓ活性層６ｄに比べて禁制帯幅が十分に大きいためリーク電流が低減し、比較的大きな温度変化にも追従できる優れた温度特性が期待される。
【０００９】
さらに、基板としてＧａＡｓを用いる際の他の提案としては、活性層としてＩｎＡｓとＧａＡｓを数モノレイヤーずつ交互に結晶成長させた短周期超格子成長層を用いるものがあり、ＩｎＧａＡｓ混晶の弾性限界を短周期超格子構造を用いて越えることにより結晶性を改善しＩｎＧａＡｓ混晶では得られなかった１．３μｍのレーザ発振の実現が期待されるものである。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、基板にＧａＡｓを用いた場合には、基板と活性層との格子定数の差に基づき活性層に極めて大きな応力がかかり高歪の活性層になるが、高歪の層の結晶成長は困難であるため結晶性の優れた活性層を得ることができず、期待された特性が得られなかった。
【００１１】
また、基板としてＩｎＧａＡｓを用いて歪を小さくしようとしても、十分に大きな格子定数を有する基板（即ち、Ｉｎ比が０．２以上のＩｎＧａＡｓ基板）で結晶性の優れたものが作成されていないため、結晶性の優れた活性層を得ることができなかった。
【００１２】
さらに、活性層にＩｎＡｓ／ＧａＡｓ短周期超格子成長層を用いた場合には活性層周辺の結晶性が十分でないためレーザ発振に必要な発光強度が未だ得られていない。
【００１３】
これらの場合に共通する欠点は、温度特性を改善するためにクラッド層として大きな禁制帯幅を有する半導体を用いた場合に、得られた活性層における組成、特に、Ｉｎの分布が均一ではなく全体として均一な組成を有するＩｎＧａＡｓ活性層が得られず、これがＧａＡｓ基板或いはＩｎＧａＡｓ基板を用いて１μｍ帯の半導体レーザを実現することの障害になっていた。
【００１４】
したがって、本発明は活性層の組成が不均一になる原因である活性層中のＩｎ成分の拡散を防止することにより、小さな格子定数を有し且つ大きな禁制帯幅を有するクラッド層に対して、結晶性の優れた均一な組成を有する活性層を成長させ、それにより発光効率が高く、且つ、温度特性の優れた１μｍ帯の半導体レーザを得ることを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、III-Ｖ族化合物半導体基板上にIII-Ｖ族化合物半導体混晶を設けた光半導体素子において、基板の格子定数よりも大きな面内格子定数を有すると共にＩｎを構成元素とする活性層の少なくとも一方の主面に接するように、Ｉｎの拡散を防止するスペーサ層として２０Å以上の厚さのＧａＡｓ層を設けたことを特徴とする。
【００１６】
また、本発明は、ＩｎＧａＡｓ活性層、或いは、ＩｎＡｓ層とＧａＡｓ層とを交互に堆積させた短周期超格子成長層活性層に対して、半導体基板としてＩｎＧａＡｓ混晶を用いたことを特徴とするものである。
【００１７】
【作用】
本発明のスペーサ層の作用及びＩｎＧａＡｓ混晶半導体基板の作用を図１乃至図５を用いて説明する。図１及び図２（Ａ）〜（Ｄ）はＧａＡｓスペーサ層の効果及びＩｎＧａＡｓ基板の効果を確認するために作成した試料１〜５の断面図であり、各試料における活性層はＩｎＡｓ層とＧａＡｓ層のモノレイヤーを交互に１２回結晶成長させた短周期超格子成長層にしている。
【００１８】
図２（Ａ）及び（Ｂ）は従来のＧａＡｓ基板を用いた半導体レーザに対応するものであり、（Ａ）はＧａＡｓ基板１ｂ上に設けたＧａＡｓクラッド層３ｂ、活性層６ａ、ＧａＡｓクラッド層９ｂからなり（試料１）、（Ｂ）はＧａＡｓクラッド層３ｂ，９ｂの代わりにバッファ効果を有するＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ａｓ層３ａ，９ａをクラッド層として用いたものである（試料２）。
【００１９】
図２（Ｃ）及び（Ｄ）は従来のＩｎＧａＡｓ基板を用いた半導体レーザに対応するものであり、（Ｃ）はＩｎＧａＡｓ基板１ａ上に設けたＧａＡｓクラッド層３ｂ、活性層６ａ、ＧａＡｓクラッド層９ｂからなり（試料３）、（Ｄ）はＧａＡｓクラッド層３ｂ，９ｂの代わりにＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ａｓ層３ａ，９ａをクラッド層として用いたものである（試料４）。
【００２０】
図１は本発明の半導体レーザに対応する原理的構成を示すものであり、ＩｎＧａＡｓ基板１ａ上に設けたＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ａｓクラッド層３ａ，９ａと活性層６ａとの間に４０ÅのＧａＡｓスペーサ層５ａ，７ａを設けている（試料５）。図では活性層の上下にスペーサを設けているが、どちらか一方のみに設けても十分な効果があるものである。
【００２１】
なお、上記試料１〜５においては基板側のクラッド層、活性層、及び、基板とは反対側のクラッド層の厚さは、それぞれ０．５μｍ、７５Å、及び、５００Åであり、フォトルミネッセンス強度を調べるために、実際の半導体レーザに比べて基板とは反対側の上部クラッド層の厚さを薄く形成している。
【００２２】
図３は図１及び図２に示した試料１乃至５についてＸ線回折測定によって明らかになった（２２４）面での逆格子マッピングであり、別々に測定した５つの試料の結果を重ねて表示してある。
【００２３】
図３において、横軸はＸ−Ｙ方向、即ち、（ｈｈ０）方向の格子定数の逆数を表し、縦軸はＺ軸方向、即ち、（００ｈ）方向の格子定数の逆数を表しており、ＩｎＧａＡｓの場合にはＩｎ含有量が多い方が格子定数は大きいので、縦軸の小さい領域、即ち、Ｚ軸方向の格子定数の大きな領域はＩｎ含有量が多いことを示している。
【００２４】
一方、試料１〜３においては基板或いはクラッド層はＧａＡｓかＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ａｓからなり、Ｉｎ含有量は少ないので、結局、図３の下部の領域は活性層のＩｎ含有量を表していることになる。
【００２５】
試料１と試料２、或いは、試料３と試料４とを比較すると、それぞれ試料１と試料３の方がＺ軸の小さい側にあるので、同じ基板を用いた場合には、クラッド層としてＧａＡｓを用いた方が、即ち、活性層とＧａＡｓ層とが接していた方が活性層のＩｎの含有量が多いことが分かり、また、試料４と試料５とを比較することにより同様にＧａＡｓスペーサ層がある場合の方が活性層のＩｎの含有量が多いことが分かる。
【００２６】
また、図４は試料１乃至５について図３の逆格子マッピングから明らかになった活性層のＸ−Ｙ平面の面内格子定数と室温におけるフォトルミネッセンスの強度との相関関係をプロットしたものであり、試料４と試料５との比較からは、ＧａＡｓスペーサ層を用いることにより、フォトルミネッセンスの強度が向上する効果があることが明らかである。
【００２７】
さらに、図５は、ＧａＡｓ基板に対してＩｎＧａＡｓクラッド層を用いた場合のクラッド層の組成の効果、即ち、基板とクラッド層との格子不整合量に基づく緩和量とフォトルミネッセンス強度との関係、及び、ＧａＡｓスペーサ層の厚さとフォトルミネッセンス強度の相関関係を表すものであり、いずれのバッファ層に関してもスペーサ層の厚さを２０Å以上にした場合にフォトルミネッセンス強度が向上する。
【００２８】
なお、この場合、スペーサ層を厚くしすぎるとフォトルミネッセンス強度が減少する。これは、クラッド層等において光により励起されたキャリアに対してスペーサ層が障壁として作用するためキャリアが活性層まで到達しないためであると考えられるが、レーザ動作には格別の支障がないものである。
【００２９】
したがって、上記の実験の結果からは、活性層に接するように設けられたスペーサ層の作用によりＩｎの拡散が防止され、Ｉｎ含有量の多い良質で、且つ、光学的特性の優れた活性層が得られることが分かる。
【００３０】
次に、ＩｎＧａＡｓ混晶半導体基板の作用を説明すると、図３において、試料３のＩｎＧａＡｓ混晶半導体基板上に設けたＧａＡｓクラッド層は図示してあるＧａＡｓ基板より横軸方向が小さな方向にあるので、Ｘ−Ｙ平面の面内格子定数が大きくなっていること、即ち、緩和を起こしていることを示している。
【００３１】
また、図４を参照すると、試料１と試料３との対比からはＩｎＧａＡｓ基板を用いることにより、フォトルミネッセンスの強度が向上することが分かる。したがって、ＩｎＧａＡｓ混晶半導体基板を用いることによって、大きな禁制帯幅を有するクラッド層を用いた場合にも、緩和効果により結晶性の優れた活性層、即ち、光学的特性の優れた活性層が得られる。
【００３２】
【実施例】
図６は、図１に示した原理的構成を光ガイド層を有する半導体レーザに適用した本発明の第１の実施例であり、ｎ型ＩｎＧａＡｓ基板１ａ上にｎ型ＩｎＧａＡｓバッファ層２、ｎ型ＩｎＧａＰクラッド層３ｃ、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層４ｃ、ノン・ドープＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層４ｄ、ＧａＡｓスペーサ層５ａ、短周期超格子活性層６ａ、ＧａＡｓスペーサ層７ａ、ノン・ドープＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層８ｄ、及び、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層８ｃ、ｐ型ＩｎＧａＰクラッド層９ｃを順次堆積させたものである。
【００３３】
図６の第１の実施例においては、基板はＩｎＧａＡｓであるものの、ＧａＡｓ基板を用いても良く、又、活性層としてＩｎＡｓ層とＧａＡｓ層とを交互に複数層堆積させた短周期超格子成長層を用いているが、ＩｎＧａＡｓ混晶を用いても良い。
【００３４】
図７は本発明の第２の実施例であり、ＩｎＧａＡｓ或いはＧａＡｓ基板１ｄ上にＡｌＧａＡｓクラッド層３ｄ、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層４ｃ、ＧａＡｓスペーサ層５ａ、ＩｎＧａＡｓ活性層６ｄ、ＧａＡｓスペーサ層７ａ、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層８ｃ、及び、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層９ｄを順次堆積させたものである。
【００３５】
図７の第２の実施例においては、活性層としてＩｎＧａＡｓ混晶を用いているが、ＩｎＡｓ層とＧａＡｓ層とを交互に複数層堆積させた短周期超格子成長層を用いても良い。
【００３６】
なお、上記第１及び第２の実施例においては、スペーサ層として最も好適なＧａＡｓ層を用いて説明しているが、活性層の成分であるＩｎの拡散を防止するものであれば何でも良い。このＧａＡｓスペーサ層がＩｎの拡散を防止する理由は、相互拡散が同族原子間で生じることを考慮するならば、Ｉｎと同じＩＩＩ  族原子であるＧａの原子半径がＩｎより小さいため、延いては、ＩｎＡｓよりＧａＡｓの方が格子定数が小さいためであるものと考えられる。
【００３７】
即ち、ＩｎがＧａＡｓスペーサ層を通過するためには、今までＧａの占めていた小さいＩＩＩ  族サイトを原子半径の大きなＩｎが押し拡げる必要があり、そのために拡散に際しては格子歪分の過剰なエネルギーを必要とし、拡散が抑えられるものと考えられる。
【００３９】
さらに、上記第１及び第２の実施例においては図示していないが、本発明は、基板とは反対側のクラッド層上に電極のオーミック性を改善するキャップ層を設けた半導体レーザも包含するものである。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、禁制帯幅の大きなクラッドを用いることにより温度特性を改善する際に、スペーサ層を挿入することにより活性層中のＩｎ成分の拡散を防止し、結晶性の優れた均一な組成の活性層を得ることにより、発光効率が高く温度特性が優れた１μｍ帯の半導体レーザの実用化に大きく寄与するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理的構成を示すスペーサ層を有する光半導体素子の断面図である。
【図２】本発明の作用効果を確認するための比較参考試料の素子断面図である。
【図３】活性層の結晶面内格子定数の、基板の組成、バッファ層の存在、及び、スペーサ層の存在に対する依存性を表す相関図である。
【図４】フォトルミネッセンス強度の、活性層結晶面内格子定数依存性及びスペーサ層の存在依存性を表す相関図である。
【図５】フォトルミネッセンス強度の、基板組成依存性、及び、スペーサ層厚依存性を表す相関図である。
【図６】本発明の第１の実施例であるクラッド層にＩｎＧａＰ層を用いた１μｍ帯域の半導体レーザの断面図である。
【図７】本発明の第２の実施例であるクラッド層にＡｌＧａＡｓ層を用いた１μｍ帯域の半導体レーザの断面図である。
【図８】ＧａＡｓ基板或いはＩｎＧａＡｓ基板を用いた従来の１μｍ帯域の半導体レーザの断面図である。
【符号の説明】
１ａ  Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ａｓ基板
１ｂ  ＧａＡｓ基板
１ｄ  ＩｎＧａＡｓ（ＧａＡｓ）基板
２    ｎ型ＩｎＧａＡｓバッファ層
３ａ  Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ａｓクラッド層
３ｂ  ＧａＡｓクラッド層
３ｃ  ｎ型ＩｎＧａＰクラッド層
３ｄ  ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層
４ｃ  ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層
４ｄ  ｉ型ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層
５ａ  ＧａＡｓスペーサ層
６ａ  ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ短周期超格子活性層
６ｄ  ＩｎＧａＡｓ活性層
７ａ  ＧａＡｓスペーサ層
８ｃ  ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層
８ｄ  ｉ型ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層
９ａ  Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ａｓクラッド層
９ｂ  ＧａＡｓクラッド層
９ｃ  ｐ型ＩｎＧａＰクラッド層
９ｄ  ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層
【図１】
0003582021.tif 000002
【図２】
0003582021.tif 000003
【図３】
0003582021.tif 000004
【図４】
0003582021.tif 000005
【図５】
0003582021.tif 000006
【図６】
0003582021.tif 000007
【図７】
0003582021.tif 000008
【図８】
0003582021.tif 000009