(57)【要約】【課題】歪が導入された量子井戸層を活性層とする半導体レーザあるいは電界吸収型変調器においてバンド構造、特にΔEcとΔEvが独立に調整することができないため、レーザ特性、或いは変調特性の適正化に限界が生じていた。【解決手段】n型InP基板1上に、n型InGaAlAs-GRIN-SCH層3、MQW層4、p型InGaAlAs-GRIN-SCH層5、ｐ型InAlAs電子ストップ層6等を順次積層し、MQW層4がInGaAlAsの歪井戸層とInGaAlAsSbで構成され井戸層とは符号が逆の歪を有する障壁層から構成される。【選択図】図１
2006196484.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
InP半導体基板上に形成された第1の導電型を有する第1の半導体層と、
前記第1の半導体層上に形成された多重量子井戸構造と、
前記多重量子井戸構造上に形成された前記第1の導電型と異なる導電型である第２の導電型を有する第２の半導体層とを備え、
前記多重量子井戸構造は、前記InP半導体基板とは異なる格子定数を有するInGaAlAsからなる井戸層と、前記InP半導体基板および前記InGaAlAs層のそれぞれに対して異なる格子定数を有するInGaAlAsSbからなる障壁層とが交互に積層されてなり、
前記井戸層は前記InP半導体基板に対して第１の歪を有し、前記障壁層は前記InP半導体基板に対して第２の歪を有し、前記第１の歪の符号と前記第２の歪の符号とは異なることを特徴とする光半導体装置。
【請求項２】
InP半導体基板上に形成された多重量子井戸構造と、
前記多重量子井戸構造に電圧の印加、或いは電流の注入を行う第１の半導体層および第２の半導体層と、
前記第１の半導体層と電気的に接続された第１の電極と、
前記第２の半導体層と電気的に接続された第２の電極とを備え、
前記多重量子井戸構造は、前記InP半導体基板とは異なる格子定数を有するInGaAlAsからなる井戸層と、前記InP半導体基板および前記InGaAlAs層のそれぞれに対して異なる格子定数を有するInGaAlAsSbからなる障壁層とが交互に積層されてなり、
前記井戸層は前記InP半導体基板に対して第１の歪を有し、前記障壁層は前記InP半導体基板に対して第２の歪を有し、前記第１の歪の符号と前記第２の歪の符号とは異なることを特徴とする光半導体装置。
【請求項３】
前記第１の半導体層は、第１の導電型を有し少なくとも１層からなり、
前記第２の半導体層は、前記第１の導電型とは反対の導電型である第２の導電型を有し少なくとも１層からなることを特徴とする請求項２記載の光半導体装置。
【請求項４】
前記第１の半導体層は、第１のクラッド層と第１の光閉じ込め層が積層された積層構造を有し、
前記第２の半導体層は、第２のクラッド層と第２の光閉じ込め層が積層された積層構造を有し、
前記多重量子井戸構造は、前記第１の光閉じ込め層と前記第２の光閉じ込め層にそれぞれ隣接して設けられていることを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。
【請求項５】
前記障壁層は、前記第２の導電型を有する不純物がドープされた変調ドープ構造を有することを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。
【請求項６】
前記第１の電極は第１の導電型半導体層とオーミック接続で接続され、前記第２の電極は前記第１の導電型と異なる導電型である第２の導電型半導体層とオーミック接続で接続されていることを特徴とする請求項２記載の光半導体装置。
【請求項７】
前記第１の電極および前記第２の電極間に電圧を印加または電流を注入することにより、前記第１の電極および前記第２の電極間に流れる電流の経路方向に、前記多重量子井戸構造で発生する光が導波されることを特徴とする請求項２記載の光半導体装置。
【請求項８】
前記第１の電極および前記第２の電極間に電圧を印加または電流を注入することにより、前記第１の電極および前記第２の電極間に流れる電流の経路方向と異なる方向に、前記多重量子井戸構造で発生する光が導波されることを特徴とする請求項２記載の光半導体装置。
【請求項９】
請求項１に記載の光半導体装置が半導体レーザであることを特徴とする光半導体装置。
【請求項１０】
請求項１に記載の光半導体装置が電界吸収型光変調器であることを特徴とする光半導体装置。
【請求項１１】
InP半導体基板上に形成された第1の導電型を有する第1の半導体層と、
前記第1の半導体層上に形成された多重量子井戸構造と、
前記多重量子井戸構造上に形成された前記第1の導電型と異なる導電型である第２の導電型を有する第２の半導体層とを備え、
前記多重量子井戸構造は、前記InP半導体基板とは異なる格子定数を有するInGaAlAsからなる井戸層と、前記InP半導体基板および前記InGaAlAs層のそれぞれに対して異なる格子定数を有するInGaAlAsSbからなる第１の障壁層と、前記第１の障壁層を構成するInGaAlAsSbと異なる組成比を有する第１のInGaAlAsSbの中間層と、前記第１の障壁層と同一の組成比を有する第２の障壁層からなり、
前記第１の障壁層、井戸層、第１の中間層、第２の障壁層の順に積層されている量子井戸構造を少なくとも１層有し、
前記井戸層は前記InP半導体基板に対して第１の歪を有し、前記第１、２の障壁層は前記InP半導体基板に対して第２の歪を有し、
前記第１の歪の符号と前記第２の歪とは異なる符号を有することを特徴とする光半導体装置。
【請求項１２】
前記多重量子井戸構造において、伝導帯側の量子井戸層の幅と価電子帯側の量子井戸層の幅が異なることを特徴とする請求項１１に記載の光半導体装置。
【請求項１３】
前記多重量子井戸構造において、価電子帯側の量子井戸層の幅が伝導帯側に比べて広いことを特徴とする請求項１１に記載の光半導体装置。
【請求項１４】
請求項１０に記載の電界吸収型光変調器と請求項９に記載の半導体レーザとを集積化した光集積デバイスであることを特徴とする光半導体装置。
【請求項１５】
請求項１１に記載の電界吸収型光変調器および請求項９に記載の半導体レーザがInP半導体基板上に共に形成され、
前記電界吸収型光変調器に設けられた第１多重量子井戸構造の一端と前記半導体レーザに設けられた第２多重量子井戸構造の一端とが光学的に結合され、
前記第１多重量子井戸構造の他端と前記第２多重量子井戸構造の他端にはそれぞれ前端面反射板および後端面反射板が設けられてなることを特徴とする光半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光半導体装置に係り、特に、光ファイバーの送信光源として用いられる通信用半導体レーザ、変調器、及びそれらを集積化した集積化光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
世界規模でのインターネットの普及により光通信網のデータトラフィック量が年々増加している。このような増大に対して光ファイバー通信網でのキーデバイスである半導体送信光源及び変調器、あるいはそれを集積化した集積化光源はさらなる高速化、低消費電力化等の高性能化が求められている。近年、この高性能化の要求に伴い、従来のInGaAsP系に替わりInGaAlAs系を活性層にした光デバイスの開発が盛んである。InGaAlAs系を使用した多重量子井戸(MQW: Multi-quantum well)構造はInGaAsP系を用いたものより好ましい構造になる。すなわち、図４に示すように量子井戸層の井戸層と障壁層の伝導帯の不連続と価電子帯側に不連続の割合ΔEc：ΔEvが、InGaAsP-MQWが4:6なのに対してInGaAlAs-MQWでは7:3であるため、InGaAlAs-MQWの方が有効質量が小さい電子を量子井戸層内に閉じ込められやすく、有効質量が大きい正孔は多重量子井戸構造内の各井戸層に均一に分布しやすい。図４において15はInGaAlAs-MQWの井戸層で16はInGaAlAs-MQWの障壁層であり、17はInGaAsP-MQWの井戸層、18はInGaAsP-MQWの障壁層である。半導体の電子の有効質量は正孔の数分の１以下であるためInGaAlAs-MQWのほうが好ましいバンド構造であることが判る。
【０００３】
このバンド構造は井戸層、或いは障壁層に歪が印加されていない条件での値である。高速化には微分利得の向上が必要であり、微分利得の増大の１つの手法として井戸層への歪印加がある。半導体に歪を印加すると価電子帯構造が変形し縮退していた重い正孔と軽い正孔が分離するため、価電子帯混合の影響が少なくなり有効質量も小さくなるため井戸層へ適用すると光学利得及び微分利得が増大する。さらに量子井戸数を増やすと微分利得が向上する。井戸層のみに歪を印加した状態で量子井戸数を増やすと半導体結晶に転位等が発生してしまうため、障壁層に井戸層とは逆方向の歪をいれる歪補償構造が極めて有効である。（以降、基板に対して圧縮歪を＋、引っ張り歪を-の符号として表記する。）
しかし、歪を印加すると半導体のバンド端がシフトして無歪のΔEc：ΔEvとは異なる比となる。例えば、InP基板に対して1.5%歪の井戸層と-0.55%歪の障壁層を有する量子井戸構造では、ΔEc：ΔEvはほぼ5.9:4.1となる。また、-1.2%歪の井戸層と0.55%歪の障壁層を有する量子井戸構造では、ΔEc：ΔEvはほぼ6.4:3.6となる。このように、InGaAlAs系と言えども高性能化のために井戸層に歪を印加した量子構造ではバンド構造は好ましいとは言えない状態になる。伝導帯では電子のキャリアオーバーフローが起こり、価電子帯では多重量子井戸構造内で正孔が不均一に存在しやすくなる。これはバンド不連続のΔEc、ΔEvがInxGayAl(1-x-y)Asの組成比と歪量で決まってしまい、特に、ΔEcとΔEvを独立に変えることはほとんど不可能であることに起因する。よって、伝導帯側の電子のキャリアオーバーフローを抑制しようとして障壁層のバンドギャップを増大させる（組成波長を短くする）とΔEcと共にΔEvも大きくなるため、価電子帯側の正孔が不均一に存在しやすくなり、総合的には微分利得等のレーザ特性が向上しなくなる。
【０００４】
さらに、我々はInGaAlAs-MQWレーザにおいて、ΔEvの増加が素子抵抗の増大をもたらすことを明らかにした。図５は我々が測定したInGaAlAs-MQWリッジ型レーザにおけるしきい電(Ith)流とメサ幅(Wa)で規格化した素子抵抗の関係である。素子抵抗は同一の活性層を含む多層構造で同一の導波路構造でも端面反射率等の共振器損失を変えて、しきい電流を変化させると素子抵抗が変化する。図中の△は、障壁層のInGaAlAsの組成波長が0.92μm（バンドギャップ：1.348eV）で作成されたレーザで、○はInGaAlAsの障壁層の組成波長が1.0μm（バンドギャップ：1.239eV）で作成されたレーザである。障壁層の組成波長以外のレーザ構造は同一である。図から判るように組成波長が1.0μmのレーザの方が素子抵抗が低い。これは電子と正孔の有効質量比やΔEc、ΔEv比から価電子帯のΔEvの大きさに起因していると考えられる。すなわち、組成波長が0.92μmの障壁層の井戸層に対するΔEvは156meVであるのに対して組成波長が1.0μmの場合は123meVと小さい。この差が素子抵抗の違いに反映されている。
【０００５】
このように従来の技術では、ΔEcとΔEvを独立に制御できないために微分利得向上や素子抵抗低減等のレーザの特性向上を同時に満たす素子を実現するのは極めて困難であった。
【０００６】
同様に電界吸収型変調器においてもΔEcとΔEvによる問題が生じる。ΔEvが大きい場合には正孔を多重量子井戸構造内から引き抜けないパイルアップという現象が起こり、光信号のパターンにより光信号が劣化したりチャープと呼ばれる光波長の動的な変動により光ファイバーにおける長距離伝送が阻害される。障壁層のバンドギャップを減少（組成波長を増大）させるとΔEvは小さくなり、パイルアップ現象は低減される。しかし、同時にΔEcも小さくなるため伝導帯側の量子効果が小さくなり半導体バンドギャップの吸収端がぼける。このため、電圧をかけないとき、すなわち、‘1’レベルでも光を吸収してしまい、消光比が劣化するという問題がある。この場合もΔEcとΔEvを独立に制御できないことに起因している。
【０００７】
また、他の従来の技術としては、特許文献１に開示されている半導体多層構造およびこれを用いた光制御素子がある。この開示では、井戸層として膜厚1.8nmのIn0.8Ga0.2As、障壁層として膜厚5.5nmのAlAs0.55Sb0.45があるいはAlAs0.5Sb0.5使用されている。この素子は伝導帯側のΔEcが大きいことを利用して伝導帯側の第1準位と第２準位のサブバンド間遷移により高速の光スイッチを行うものである。しかし、ΔEvとΔEcが独立に調整できうる点については使用されておらず、本発明の目的である微分利得の向上については記述されていない。さらに信号の入力は光であるため素子抵抗の低減については一切記述されていない。尚、ΔEvは280meV以上であり、さらにその動作原理からクラッド層を含めて井戸層以外にはドーピングが施されていない。
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−３２９９８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明が解決しようとする第１の課題は、素子抵抗が低く、高温を含む広範囲な温度領域にて高速動作が可能な半導体レーザを提供することにある。
さらに本発明が解決しようとする第２の課題は、従来に比べるとより低電圧で動作し、チャープの小さく消光比の大きな光変調素子を提供する。また、さらに本発明が解決しようとする第３の課題は、素子抵抗が低く、高温を含む広範囲な温度領域にて高速動作が可能な半導体レーザと従来に比べるとより低電圧で動作しチャープの小さく消光比の大きな変調器を集積化した半導体レーザ光源を提供することにある。
また、本発明が解決しようとする第３の課題は通電劣化が極めて小さい、すなわち長期信頼性を有する半導体光デバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明において上記の第１、第２及び第３の課題は、InP半導体基板上の上部に形成された多重量子井戸構造と該多重量子井戸構造に電圧を印加、或いは電流を注入する手段を含めて構成され、該多重量子井戸構造の井戸層が該基板に対して格子定数の異なる歪を有するInGaAlAs層で構成され、該多重量子井戸構造の障壁層が該基板に対して異なる格子定数であり、かつ該井戸層の歪の符号とは反対の符号の歪を有するInGaAlAsSb層で構成されることを特徴とする光半導体装置により達成される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明では、InGaAlAs歪井戸層とInGaAlAsSb歪障壁層で構成された歪補償MQW構造により任意にΔEcとΔEvを設定することができるため、半導体レーザに関しては素子抵抗低減と微分利得向上を同時に達成できることに対して効果がある。さらに、障壁層へのSbの導入により信頼性向上に対して効果がある。さらに、電界吸収型変調器への適用により駆動電圧での低減、チャープの低減、消光比の増大、パターン効果の低減に対して効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下に、本発明の実施例を詳細に説明する。
【実施例１】
【００１３】
第１の実施例は本発明を光ファイバー通信用の1.3μｍ帯DFBレーザに適用した例である。活性層以外のレーザ構造は公知のもので良い。図１に本実施例のレーザ構造の鳥瞰図を示す。図１において1はn型InP基板で下部クラッド層としても働く。2は厚さ30nmでn型InAlAs層、3キャリア濃度1×1018cm-3で厚さ0.08μmのn型InGaAlAsのGRIN-SCH層、4は井戸層がIn0.733Ga0.132Al0.135As, 障壁層がIn0.36Ga0.32Al0.32As0.92Sb0.08で構成されるMQW層であり、井戸層は厚さ5nmでInP基板1に対して圧縮歪1.4%を有し、障壁層は厚さ8nmでInP基板に対して引っ張り歪-0.55%を有している。また、井戸層の層数は10でそれを挟み込む障壁層の総数は11である。5はキャリア濃度6×1017cm-3で厚さ0.04μmのｐ型InGaAlAsのGRIN-SCH層、6はキャリア濃度9×1017cm-3で厚さ0.04μmのｐ型InAlAsの電子ストップ層、7はキャリア濃度1.4×1018cm-3で厚さ0.07μmのｐ型InGaAsPの回折格子層である。7の回折格子層の組成波長は1.15μmとした。8はキャリア濃度1.2×1018cm-3で厚さ1.5μm のp型InPの第１上部クラッド層であり幅1.8μmのリッジ型のメサストライプとなっている。9は電極とオーミック接続を得るためのコンタクト層であり、InP基板に格子整合したｐ型InGaAsが使用される。
図２にはMQW構造のバンド構造を示す。13は歪1.4%のIn0.733Ga0.132Al0.135Asの井戸層で14は歪-0.55%のIn0.36Ga0.32Al0.32As0.92Sb0.08の障壁層であり組成波長は0.87μmである。本構造の伝導帯側のバンド不連続ΔECは413 meVと大きい。価電子帯側では縮退していた重い正孔と軽い正孔が歪により大きく分離し、図２のように圧縮歪がかかっている井戸層内では実線の重い正孔が上に点線の軽い正孔が下へシフトする。引っ張り歪がかかっている障壁層では逆に点線の軽い正孔が上に実線の重い正孔が下へシフトする。このため、実効的な価電子帯における量子井戸の深さ、すなわち従来例の項ではΔEvと記述したものは本実施例では井戸層内の重い正孔と障壁層の軽い正孔の差であるΔEV-HLとなる。本実施例でΔEV-HLは123 meVである。従来例では説明を省略したが微分利得の向上の観点からは価電子帯でのバンド不連続ΔEv（ΔEV-HL）は大きいほうが好ましく均一な正孔の存在および素子抵抗とはトレードオフ関係にある。本実施例では従来構造の組成波長1.0μmのInGaAlAs障壁層と同じΔEvとした。図３はΔEvが一定になるようにInｘGayAl1-x-yAs1-zSbzの組成を調整しながら、Sbの組成を増大したときの微分利得の計算結果である。微分利得の計算にはKaneのモデル及び４X４Luttinger-Kohnハミルトニアンから求めたバンド構造を使用しキャリアオーバーフローを考慮して２５℃、８５℃における検討を行った。図３において一番左のSbの組成が０であるのが従来構造である。図から判るように２５℃、８５℃の環境温度においてSb組成の増大と共に微分利得が増大しSb組成が約0.1付近で最大となり、従来構造より約20%から70%微分利得が増大することがわかった。この微分利得の増大は主にキャリアオーバーフローの低減に起因する。さらにSb組成を増加させると微分利得は減少する。この減少は図３に併せて示してあるIn組成の減少に伴う障壁層の正孔の有効質量の増大によるものと考えられる。よって本実施例においてSb組成zの望ましい範囲は85℃で0<z<=0.3と考えられる。また望ましいIn組成は図３から0.1以上である。
【００１４】
尚、本実施例ではΔEvが123meVになるようにInGaAlAsSbの組成を調整したが、SbおよびInとAlの組成の調整によりΔEcとΔEvは独立に調整することが可能であり、量子井戸層数などのパラメータと共にΔEc、ΔEvを最適化することができる。
【００１５】
本実施例では共振器長200μｍで前面0.4％の低反射膜、後面90％の反射鏡を施したＤＦＢレーザを作成し、素子抵抗は低いΔEvを反映して従来の0.92μｍ組成のInGaAlAs障壁層を使用したレーザより３割低い5.6Ωとなった。さらに、８５℃の微分利得は従来の1.0μｍ組成のInGaAlAs障壁層を使用したレーザより７割高い5.2×10-16cm2を得ることができた。従来例との比較を表１にまとめた。
【００１６】
【表１】
2006196484.tif 000003
【００１７】
表１から判るように本発明の素子は1.0μm組成のInGaAlAs障壁層と同等の低素子抵抗と0.92μm組成のInGaAlAs障壁層の微分利得と同等を併せ持つ特性を得ることができ、従来のトレードオフを打破することができた。尚、本実施例の素子は２５℃、８５℃において7.8mA, 17.5mAの低しきい電流を得ることができた。スロープ効率は25℃、85℃においてそれぞれ0.28W/A、0.21 W/Aと良好であった。また、回折格子はＥＢ描画で作製したシフト位置が8:2の後方にあるλ/4型の構造を有するものを作製したため単一モード歩留まりが６０％と良好であった。以上の特性を反映して８５℃において消光比７ｄＢで25Gb/s伝送において良好なアイ開口を得ることができた。
【００１８】
さらに本実施例では信頼性において従来構造のレーザより良好な結果を得た。図６に本実施例の半導体レーザと従来構造のInGaAlAsの障壁層を持つ半導体レーザの強制劣化試験の結果を示す。この試験は120mAの一定電流をある温度にて40時間流し、試験前とのしきい電流の変化により劣化したかの判別をするもので本試験ではしきい電流の変化が7%以下のものを合格とした。温度は80℃から130℃まで変化させて試験を行った。図６のように100℃以下では両素子共に100%の合格率が得られた。しかし、これ以上の温度では従来構造のInGaAlAsレーザの合格率の減少の度合いのほうが大きく、一方、本実施例のInGaAlAsSb障壁層の素子は120℃まで100%の合格率を得ることができた。これは障壁層中の結晶のV族の原子がAsとSbから構成されているため結晶欠陥が発生しても転位が進みにくいためと推測される。さらにSbは結晶成長時に２次元成長しやすいためにMQW層が原子層オーダにおいても平坦になっているためと推測される。
【００１９】
また、本実施例において信頼性の観点から歪補償が必須となることがわかった。図９は本実施例において障壁層の歪のみを変えた素子を作製し、強制劣化試験を行ったときの試験前後のしきい電流の変動を示したものである。強制劣化試験は110℃、 40時間、 110mAの通電を行った。図中のプロット（白丸）は10個の素子のしきい電流変動の割合の中央値（median値）である。図からわかるように障壁層の歪量が-0.1%より+側の範囲ではしきい電流の変動が著しく大きくなることがわかる。また、+0.05%の障壁層歪においてレーザは発振しなかった。この傾向は井戸層の歪量が+0.７%の素子でも同じであり、-0.1%より+側でしきい電流の変動が著しく増大した。これは歪補償を行わないと強制劣化試験等の外部ストレスにより多重量子井戸構造の結晶性が劣化してしまったためと考えられる。よって井戸層が圧縮歪の場合には障壁層には少なくとも-0.1%以下（歪量の絶対値は0.1%以上）である引っ張り歪を入れる必要がある。
【００２０】
本実施例ではMQW層の障壁層はアンドープであったが、障壁層のみをｐ型のドーピングを施したｐ型変調ドープ構造にするとさらに微分利得が向上する。また、本実施例の圧縮歪の井戸層に関しては微分利得を増大するために望ましい値は量子サイズ効果が十分にあらわれる4nm以上7nm以下である。また、障壁層においては隣り合う量子井戸層で形成される波動関数が互いに重なり合わないことが望ましい。一般的にはそれを実現するための幅は半導体レーザの場合は6nm以上である。しかし、障壁層が５元素からなるInGaAlAsSbで構成されており、実効的な電子の有効質量が大きくなるため、障壁層厚さは4nm以上が望ましい。
【実施例２】
【００２１】
第２の実施例は本発明を光ファイバー通信用の1.3μｍ帯DFBレーザに適用した例である。活性層以外のレーザ構造は公知のもので良く、本実施例では図７のようなp型InP基板上に作製した埋め込み型レーザを適用した。図７において19はp型InP基板で下部クラッド層としても働く。23はキャリア濃度9 ×1017cm-3で厚さ0.03μmのp型InAlAsの電子ストップ層、20はキャリア濃度8 ×1017cm-3、厚さ0.06μmで組成波長0.92μｍのp型InGaAlAsのSCH層、2１は井戸層がIn0.329Ga0.649Al0.022As, 障壁層がIn0.555Ga0.152Al0.293As0.96Sb0.04（組成波長1.06μm）で構成されるMQW層であり、井戸層は厚さ7nmでInP基板1に対して引っ張り歪-1.4%を有し、障壁層は厚さ8nmでInP基板に対して圧縮歪0.5%を有している。本構造の伝導帯側のバンド不連続ΔECは312 meVと大きい。また、井戸層の層数は8でそれを挟み込む障壁層の総数は9である。22はキャリア濃度1×1018cm-3で厚さ0.06μmで組成波長0.92μｍのn型InGaAlAsのSCH層、24はキャリア濃度1.0×1018cm-3で厚さ0.07μmで組成波長1.15μmのn型InGaAsPで、上部の厚さ0.03μmに凹凸形状がついている回折格子層である。25はキャリア濃度1.0×1018cm-3のn型InPクラッド層、26は電極とオーミック接続を得るためのコンタクト層であり、InP基板に格子整合したInGaAsPが使用される。27は電流が活性層のみ流れるようにするための半導体電流ブロック層である。また、10はSiO2保護膜、11はｐ側電極、12はn側電極である。
【００２２】
本実施例ではMQW層の井戸層が引っ張り歪であるので井戸層内では軽い正孔が上に重い正孔が下へシフトするため、軽い正孔と伝導帯側の電子でTMモードにてレーザ発振する。また、圧縮歪がかかっている障壁層では逆に軽い正孔が上に重い正孔が下へシフトする。本実施例においてΔEvに相当するのは井戸層内の軽い正孔と障壁層の重い正孔の差であるΔEV-LHとなる。本実施例でΔEV-HLは125 meVである。
本実施例では従来構造の組成波長1.08μmのInGaAlAs障壁層と同じΔEvとした。実施例１と同様にΔEvが一定になるようにInｘGayAl1-x-yAs1-zSbzの組成を調整しながら、Sbの組成を増大したときの微分利得を計算した結果、定性的にはほぼ実施例１と同様の傾向が得ることができた。すなわち、２５℃、８５℃の両環境温度においてSb組成の増大と共に微分利得が増大した。Sb組成が約0.06付近で最大となり、従来構造より25℃で約12%、85℃で約13%微分利得が増大することがわかった。実施例１に比べ微分利得向上の効果は小さい。しかし、元来引っ張り歪の量子井戸層の微分利得は高く、本実施例では25℃で9.1×10-16cm2, 85℃で7.5 x10-16cm2と圧縮歪比べて大きな微分利得が得られる。さらになるSb組成を増加させると実施例１と同様に微分利得は減少する。これらの傾向の原因は実施例１と同様である。Sb組成zの望ましい範囲は組成85℃で0<z<=0.15であった。また望ましいIn組成は0.5以上である。
【００２３】
さらに、本実施例においても実施例１と同じ強制劣化試験の検討を行ったところ図９と同様の傾向が得られた。すなわち、本実施例では井戸層が引っ張り歪であるので障壁層には0.1%以上の圧縮歪が導入された場合には強制劣化試験前後のしきい電流の増加は中央値で10%以下であった。障壁層の歪が0%の場合は42%のしきい電流増大が確認された。よって障壁層には0.1%以上の圧縮歪を入れることが望ましい。
尚、本実施例ではΔEvが126meVになるようにInGaAlAsSbの組成を調整したが、SbおよびInとAlの組成の調整によりΔEcとΔEvは独立に調整することが可能であり、量子井戸層数などのパラメータと共にΔEc,ΔEvを最適化することができる。
【００２４】
さらに、本実施例では共振器長200μｍで前面0.4％の低反射膜、後面90％の反射鏡を施したＤＦＢレーザを作成し、素子抵抗は低いΔEvを反映して従来のInGaAlAs障壁層を使用したレーザより2.3割低い4.8Ωとなった。さらに、８５℃の微分利得は従来組成のInGaAlAs障壁層を使用したレーザより1割高い7.3×10-16cm2を得ることができ、低素子抵抗と高微分利得併せ持つ半導体レーザを実現することができた。以上の良好な特性を反映して80℃において消光比6ｄＢで40Gb/s伝送において良好なアイ開口を得ることができた。
【００２５】
また、本実施例ではSCH層にInGaAlAsを用いていたがInGaAlAsSb或いはInAlAsSbを用いるとSCH層を含めて理想的なバンド構造が得られる。また、本実施例のような引っ張り歪の井戸層に関して微分利得が増大する望ましい井戸層の幅は4から9nmである。また、実施例１と同様に障壁層においては隣り合う量子井戸層で形成される波動関数が互いに重なり合わないことが望ましくそれを実現するための幅は4nm以上である。
【実施例３】
【００２６】
本実施例は本発明をInP基板上に作製した通信用1.55μｍ帯ＤＦＢリッジ型レーザに適用した例である。MQW層以外の構造は実施例１とほぼ同等である。MQW層は井戸層がIn0.734Ga0.210Al0.056As, 障壁層がIn0.368Ga0.399Al0.233As0.92Sb0.08（組成波長：984μm）で構成され、井戸層は厚さ5nmでInP基板1に対して圧縮歪1.4%を有し、障壁層は厚さ8nmでInP基板に対して引っ張り歪-0.5%を有している。また、井戸層の層数は12でそれを挟み込む障壁層の総数は13である。本構造の伝導帯側のバンド不連続ΔECは409 meVと大きい。価電子帯側も実施例１と同様に縮退していた重い正孔と軽い正孔が歪により大きく分離し井戸層内では重い正孔が上に、引っ張り歪がかかっている障壁層では逆に軽い正孔が上にシフトする。実効的な価電子帯における量子井戸の深さΔEV-HLは123 meVである。本実施例の1.55μm帯のMQW層も微分利得の向上の観点からは価電子帯でのバンド不連続ΔEV-HLが大きいほうが好ましく均一な正孔の存在および素子抵抗とはトレードオフ関係にある。本実施例では従来構造の組成波長1.15μmのInGaAlAs障壁層と同じΔEvとした。実施例１と同様にΔEvが一定になるようにInｘGayAl1-x-yAs1-zSbzの組成を調整しながら、Sbの組成を増大したときの微分利得を計算した結果、定性的にはほぼ実施例１と同様の傾向が得ることができた。すなわち、２５℃、８５℃の両環境温度においてSb組成の増大と共に微分利得が増大しSb組成が約0.1付近で最大となり、従来構造より25℃で約2７%、85℃で約１１６%まで微分利得が増大することがわかった。さらにSb組成を増加させると微分利得は減少する。これらの傾向の原因は実施例１と同様であり、Sb組成zの望ましい範囲は85℃で0<z<=0.3であった。また望ましいIn組成は0.14以上である。さらに、実施例１と同様に信頼性の観点から本実施例のように井戸層が圧縮歪の場合には障壁層には少なくとも-0.1%以下（歪量の絶対値は0.1%以上）である引っ張り歪を入れることが望ましい。
尚、本実施例ではΔEvが123meVになるようにInGaAlAsSbの組成を調整したが、SbおよびInとAlの組成の調整によりΔEcとΔEvは独立に調整することが可能であり、量子井戸層数などのパラメータと共にΔEc,ΔEvを最適化することができる。
【００２７】
本実施例では共振器長200μｍで前面0.4％の低反射膜、後面75％の反射鏡を施したＤＦＢレーザを作成し、素子抵抗は低いΔEvを反映して従来の1.0μｍ組成のInGaAlAs障壁層を使用したレーザより2.5割低い5.0Ωとなった。さらに、８５℃の微分利得は従来の1.15μｍ組成のInGaAlAs障壁層を使用したレーザより116%高い5.4×10-16cm2を得ることができた。このように本発明の素子は1.15μm組成のInGaAlAs障壁層と同等の低素子抵抗と1.0μm組成のInGaAlAs障壁層の微分利得と同等を併せ持つ特性を得ることができ、従来のトレードオフを打破することができた。尚、本実施例の素子は２５℃、８５℃において10.2mA, 21.5mAの低しきい電流を得ることができた。スロープ効率は25℃,85℃においてそれぞれ0.24W/A, 0.19 W/Aと良好であった。また、回折格子はＥＢ描画で作製したシフト位置が7:3の後方にあるλ/4型の構造を有するものを作製したため単一モード歩留まりが６２％と良好であった。以上の特性を反映して８５℃において消光比７ｄＢで20Gb/s伝送において良好なアイ開口を得ることができた。
【実施例４】
【００２８】
本実施例は本発明をInP基板上に作製した通信用1.55μｍ帯の電界吸収型変調器に適用した例である。
MQW吸収層以外の変調器の構造は公知のもので良い。図８に本実施例の変調器構造の鳥瞰図を示す。図８において1はn型InP基板で下部クラッド層としても働く。3はキャリア濃度1×1018cm-3で厚さ0.08μmのn型InGaAlAsのGRIN-SCH層、30は井戸層がIn0.654Ga0.290Al0.056As, 障壁層がIn0.386Ga0.526Al0.088As0.94Sb0.06で構成されるMQW層であり、井戸層は厚さ9nmでInP基板1に対して圧縮歪0.85%を有し、障壁層は厚さ6nmでInP基板に対して引っ張り歪-0.55%を有している。また、井戸層の層数は10でそれを挟み込む障壁層の総数は11である。5はキャリア濃度6×1017cm-3で厚さ0.04μmのｐ型InGaAlAsのGRIN-SCH層、6はキャリア濃度9×1017cm-3で厚さ0.04μmのｐ型InAlAsの電子ストップ層、7はキャリア濃度1.4×1018cm-3で厚さ0.07μmのｐ型InGaAsPの回折格子層である。7の回折格子層の組成波長は1.15μmとした。8はキャリア濃度1.2×1018cm-3で厚さ1.5μm のp型InPの第１上部クラッド層であり幅1.8μmのリッジ型のメサストライプとなっている。9は電極とオーミック接続を得るためのコンタクト層であり、InP基板に格子整合したｐ型InGaAsが使用される。
【００２９】
本実施例のΔEcは190meVと従来のInGaAsP系やInGaAlAs系の約100meV前後に比べて非常に大きい。さらに、ΔEv(ΔEV-HL)は25meVと従来の材料系における約70meV前後に比べると非常に小さい。よって従来に比較して'1'レベルでの光吸収が非常に少なく、パイルアップによるバターン依存性やチャープ劣化の無い良好な電界吸収型変調器を実現することができた。
【００３０】
本実施例の電界吸収型変調器は立ち下がり時間は15psときわめて小さく，38GHzの高周波応答特性と低チャーピングよる伝送速度毎秒20Gb/sでの通常分散ファイバへの最大伝送距離60kmを得ることができた。
尚、信頼性に関して吸収型変調器の場合にはレーザのような強制劣化試験及び長期信頼性の知見はあまり存在しない。しかし、実施例１では歪補償の有無により結晶性起因で素子劣化が起こっていることから、変調器においてもレーザと同じ歪補償を導入すれば長期信頼性を保障することができる。よって、障壁層には少なくとも-0.1%以下（歪量の絶対値は0.1%以上）である引っ張り歪を入れることが望ましい。
また、本実施例ではΔEvが25meVになるようにInGaAlAsSbの組成を調整したが、SbおよびInとAlの組成の調整によりΔEcとΔEvは独立に調整することが可能であり、量子井戸層数などのパラメータと共にΔEc,ΔEvを最適化することができる。
【００３１】
さらに、本実施例では井戸層を圧縮歪で実施したが、引っ張り歪でも良い。引っ張り歪の場合に1.55μm帯の吸収型変調器を形成するには井戸層がInGaAsとなるので圧縮歪のInGaAlAsSbの障壁層と組み合わせて本実施例と同様な構成を取ることができる。このとき、井戸層においてある引っ張り歪で光の偏波依存性が小さくなるので良好な吸収型変調器を作成することができる。この場合も信頼性の観点から、障壁層には少なくとも0.1%以上となる圧縮歪を入れることが望ましい。
本実施例ではSCH層にInGaAlAsを用いていたがInGaAlAsSb或いはInAlAsSbを用いるとSCH層を含めて理想的なバンド構造が得られる。また、本実施例のような電界吸収型変調器では量子シュタルク効果が井戸層の幅が広いほど顕著になるため望ましい井戸層の幅は6から15nmである。
【実施例５】
【００３２】
本発明による第5の実施例は半導体レーザとレーザ光を変調する電界吸収型変調器が集積化された光集積化デバイスに適用したものである。図10に光集積デバイスのリッジメサストライプに平行な方向の縦断面図を示す。図10において1はn型InP基板で50が光集積化デバイスのレーザ領域，51が電界吸収型変調器領域で54はキャリア濃度1 X1018cm-3で厚さ0.08μmで組成波長0.95μｍのｎ型InGaAlAsのSCH層、55はキャリア濃度0.5 X1017cm-3で厚さ0.08μmｐ型InGaAlAsのSCH層、56はキャリア濃度4 X1017cm-3で厚さ0.04μmのｐ型InAlAsの電子ストップ層、57はキャリア濃度1 X1018cm-3で厚さ0.05μmのｐ型InGaAsPの回折格子層、兼エッチングストップ層である。８はキャリア濃度8 X1017cm-3で厚さ1.5μm のp型InPクラッド層であり幅1.7μmのリッジ型のメサストライプとなっている。9はレーザ領域のp側電極58或いは変調器領域のp電極59とのオーミック接続を得るためのコンタクト層であり、InP基板に格子整合したInGaAsが使用される。60はｎ側電極で61は半導体レーザ部の後端面反射膜で反射率は90%ある。57のInGaAsPからなる回折格子構造にはλ/4構造が導入され高い単一発振モードを得ている。53はレーザ領域のMQW層で井戸層がIn0.734Ga0.210Al0.056As, 障壁層がIn0.368Ga0.399Al0.233As0.92Sb0.08（組成波長：984μm）で構成され、井戸層は厚さ5nmでInP基板1に対して圧縮歪1.4%を有し、障壁層は厚さ8nmでInP基板に対して引っ張り歪-0.5%を有している。また、井戸層の層数は8でそれを挟み込む障壁層の総数は9である。本構造の伝導帯側のバンド不連続ΔECは409 meVと大きい。実効的な価電子帯における量子井戸の深さΔEV-HLは123 meVである。52は電界吸収型変調器のMQW層で井戸層がIn0.661Ga0.268Al0.071As, 障壁層がIn0.385Ga0.511Al0.104As0.92Sb0.08で構成されるMQW層であり、井戸層は厚さ9nmでInP基板1に対して圧縮歪0.9%を有し、障壁層は厚さ6nmでInP基板に対して引っ張り歪-0.4%を有している。また、井戸層の層数は10でそれを挟み込む障壁層の総数は11である。ΔEcは214meVと大きく、ΔEvは21meVと小さく理想的なバンド構造となっている。また、62は反射率0.6%以下の反射防止膜でさらに実効的な反射率を低減するためInP層の窓構造63を設けている。
【００３３】
変調器集積化デバイスでは、レーザ部は常時レーザ発光させておき、その前にある電界吸収型変調器部でレーザ光を高速変調する。変調器内の多重量子井戸構造3bは変調器の電極59に逆電圧を加えると量子閉じ込めシュタルク効果によりレーザ光は変調器で吸収され、レーザ光は外部に出ない。変調器部上部電極59に電圧が小さいときにはレーザ光は変調器で吸収されずに外部にレーザ光が出力される。
【００３４】
この電界吸収型変調器集積化光デバイスは立ち下がり時間は18psときわめて小さく，24GHzの高周波応答特性と低チャーピングよる伝送速度毎秒24Gb/sでの通常分散ファイバへの最大伝送距離40kmを得ることができ,寿命も85℃、10mWにおいて2 X 106時間の高い信頼性を得ることができた。本実施例では電界吸収型光変調器光集積デバイスについて説明したが，マッハツェンダ型の光変調光集積デバイスなどにも同様に適用できることは言うまでもない。また，光のモードの大きさを変換する，モード拡大器光集積デバイスにも同様に適用することができる。さらに，レーザを横方向に集積化したレーザアレイ等に対しても適用できることは言うまでもない。また、本構造はリッジ型構造で集積化デバイスを説明したが、埋め込み型の集積化デバイスについても適用可能であることは言うまでもない。
【実施例６】
【００３５】
本実施例は本発明をInP基板上に作製した通信用1.55μｍ帯の電界吸収型変調器に適用した例である。MQW吸収層以外の変調器の構造は公知のもので良く、実施例4と同様の図８に示すような鳥瞰図の構造を適用した。MQW層30内の１つの量子井戸層を図１１に示す。図１１において70は0.85%歪で厚さ6nmのIn0.654Ga0.290Al0.056Asの井戸層、71は+0.85%歪で厚さ5nmのIn0.517Ga0.438Al0.046As0.881Sb0.129で構成される層で伝導帯側では電子に対して障壁層となっており、価電子帯側では井戸層として作用する。72は-0.5%歪で厚さ5nmのIn0.403Ga0.511Al0.086As0.995Sb0.005の障壁層である。71のInGaAlAsSb層は伝導帯側が72の障壁層の伝導帯端と同じ高さに、価電子帯側が70の井戸層の価電子帯端と同じ高さに組成比を調整した。障壁層72と井戸層71間のΔEcは169meV、 ΔEvは30meVである。尚、MQW層30は図１１の量子井戸層が8層積層され、図１１の量子井戸層の位置関係で左側にp型InGaAlAs GRIN-SCH層5が配置され、右側にn型InGaAlAs GRIN-SCH層3が配置される。
【００３６】
このような構造の電界吸収型変調器のｐ側電極に負の電圧を印加すると図１２のようにバンドが変化しMQWの吸収端のバンドギャップが減少する。このとき量子井戸層内の伝導帯と価電子帯の基底準位の波動関数は図中の点線のようになるため電子と正孔の分布確率の重なり積分は高電界時でも大きいままであり、良好な消光比を得ることができる。図１３は従来の量子井戸構造である。高電界時には電子と正孔の分布確率の重なり積分が小さくなるために消光比が劣化する。このように本実施例の構造では従来より高電界時にも消光比が大きな電界吸収型変調器を実現することができた。さらに従来例より大きなΔEcと小さなΔEvを実現できるため従来に比較して'1'レベルでの光吸収が非常に少なく、パイルアップによるバターン依存性やチャープ劣化の無い良好な電界吸収型変調器を実現することができた。
【００３７】
本実施例の電界吸収型変調器は立ち下がり時間は12psときわめて小さく，45GHzの高周波応答特性と消光比20dB, 低チャーピングよる伝送速度毎秒40Gb/sでの通常分散ファイバへの最大伝送距離20kmを得ることができた。
尚、実施例４と同様に変調器においてもレーザと同じ歪補償の構成すれば長期信頼性が得られると予想される。よって、障壁層には少なくとも-0.1%以下（歪量の絶対値は0.1%以上）である引っ張り歪を入れることが望ましい。
【００３８】
また、本実施例ではΔEvが30meVになるようにInGaAlAsSbの組成を調整したが、SbおよびInとAlの組成の調整によりΔEcとΔEvは独立に調整することが可能であり、量子井戸層数などのパラメータと共にΔEc、ΔEvを最適化することができる。
さらに、本実施例では井戸層およびInGaAlAsSb層71を圧縮歪で実施したが、引っ張り歪でも良い。引っ張り歪の場合に1.55μm帯の電界吸収型変調器を形成するには井戸層がInGaAsとなるので圧縮歪のInGaAlAsSbの障壁層と組み合わせて本実施例と同様な構成を取ることができる。71のInGaAlAsSb層も同様に引っ張り歪で実現することができる。このとき、井戸層においてある引っ張り歪で光の偏波依存性が小さくなるので良好な電界吸収型変調器を作成することができる。このとき、信頼性の観点から障壁層には少なくとも0.1%以上の圧縮歪を入れることが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施例を示す光半導体装置の構造図。
【図２】本発明の実施例を示す多重井戸層のエネルギーバンド図。
【図３】本発明の効果を示す微分利得あるいはＩｎ組成とバリア層のＳｂ組成との関係図。
【図４】従来例を示すエネルギーバンド図。
【図５】従来例による実験結果を示す図。
【図６】本発明の効果を示す素子良品率と試験温度との関係図。
【図７】本発明の実施例を示す光半導体装置の構造図。
【図８】本発明の実施例を示す光半導体装置の構造図。
【図９】本発明の効果を示す強制劣化試験後のしきい値電流の変動と障壁層の歪との関係図。
【図１０】本発明の実施例を示す光半導体装置の構造図。
【図１１】本発明の実施例を示すエネルギーバンド構造図。
【図１２】本発明の実施例を示すエネルギーバンド構造図。
【図１３】従来例を示すエネルギーバンド構造図。
【符号の説明】
【００４０】
１…ｎ型InP基板、
２…n型InAlAs層、
３…n型InGaAlAs GRIN-SCH層、
４…InGaAlAs/InGaAlAsSb-MQW層、
５…p型InGaAlAs GRIN-SCH層、
６…p型InAlAs電子ストップ層、
７…p型InGaAsP回折格子層、
８…p型InPクラッド層、
９…p型InGaAs層、
１０…SiO2保護膜、
１１…p側電極、
１２…n側電極、
１３…InGaAlAs井戸層、
１４…InGaAlAsSb障壁層、
１５…InGaAlAs井戸層（無歪）、
１６…InGaAlAs障壁層（無歪）、
１７…InGaAsP井戸層（無歪）、
１８…InGaAsP障壁層（無歪）、
１９…p型InP基板、
２０…p型InGaAlAs-SCH層、
２１…InGaAlAs/InGaAlAsSb-MQW層、
２２…n型InGaAlAs-SCH層、
２３…p型InAlAs電子ストップ層、
２４…InGaAsP回折格子層、
２５…n型InPクラッド層、
２６…n型InGaAsPコンタクト層、
２７…半導体電流ブロック層、
３０…InGaAlAs/InGaAlAsSb-MQW層、
３１…ポリイミド、
５０…集積化デバイスのレーザ領域、
５１…集積化デバイスの変調器領域、
５２…遷移領域、
５３…レーザ領域のMQW層、
５４…ｎ型SCH層、
５５…ｐ型SCH層、
５６…p型InAlAs電子ストップ層、
５７…p型InGaAsP回折格子層、
５８…レーザ領域のp側電極、
５９…変調器領域のｐ型電極、
６０…ｎ側電極、
６１…後端面反射膜、
６２…前端面反射膜、
６３…InP窓層、
７０…InGaAlAs井戸層、
７１…InGaAlAsSb層、
７２…InGaAlAsSb障壁層、
７３…InGaAlAs障壁層。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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