(57)【要約】  【課題】  InGaPあるいはAlGaInPに代わる良質な活性層を備えて、経時に及ぶ活性層の劣化を抑制できる、信頼性の高い半導体発光装置を得る。  【解決手段】  第１導電型GaAs基板１上に、少なくとも第１導電型AlGaInPクラッド層２、AlGaInP光ガイド層、量子井戸活性層、AlGaInP光ガイド層、第２導電型AlGaInPクラッド層４を有してなる半導体発光装置において、量子井戸活性層をInGaAsyP1-yもしくはAlGaInAsyP1-yから構成し、そのInGaAsyP1-yもしくはAlGaInAsyP1-yにおけるＶ族元素中のAsの含有割合ｙを、０＜ｙ≦0.1の範囲に設定する。【選択図】          図１
2006100626.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型GaAs基板上に、少なくとも第１導電型AlGaInPクラッド層、AlGaInP光ガイド層、量子井戸活性層、AlGaInP光ガイド層、第２導電型AlGaInPクラッド層を有してなる半導体発光装置において、
前記活性層がInGaAsyP1-yもしくはAlGaInAsyP1-yから構成され、
該InGaAsyP1-yもしくはAlGaInAsyP1-yにおけるＶ族元素中のAsの含有割合ｙが、０＜ｙ≦0.1の範囲にあることを特徴とする半導体発光装置。
【請求項２】
前記Asの含有割合ｙが、0.03≦ｙ≦0.07の範囲にあることを特徴とする請求項１記載の半導体発光装置。
【請求項３】
前記Asの含有割合ｙが、0.04≦ｙ≦0.06の範囲にあることを特徴とする請求項１記載の半導体発光装置。
【請求項４】
前記第２クラッド層内に、電流狭窄のための１対の第１導電型電流ブロック層が設けられ、
この電流ブロック層の各々に、発光部ストライプとほぼ平行に延びる溝が形成され、
前記基板の上に積層された半導体層の上に形成された電極が、素子面積よりも小さい面積のパッド電極で構成されていることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の半導体発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体発光装置、特に詳細には、活性層がInGaAsyP1-yもしくはAlGaInAsyP1-yから構成されてなる半導体発光装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、光ファイバを家庭まで接続した光ネットワーク（FTTH）が普及し始めており、ますます情報化社会が進展してきている。現状実用化されている光ファイバ通信は100Ｍｂｐｓ（ビット／秒）程度の通信速度であるが、今後はより高速性を高め、伝送情報量を増やすことが期待されている。
【０００３】
このような光ファイバ通信の普及に伴い、現在主流である石英ファイバからコストの安いプラスチックファイバが注目を浴びている。その理由はファイバの値段が安い上に、コア径が太いことから半導体レーザとの結合が容易で、実装コストが低く抑えられるからである。
【０００４】
プラスチックファイバで使用される光源としては、現在入手できる半導体レーザの中で最も損失の小さい波長650ｎｍ帯の赤色半導体レーザが有望とされている。しかし赤色半導体レーザは信頼性が低く、長距離の光通信で多く用いられている赤外半導体レーザが数十万時間の寿命を有しているのに対し、寿命がせいぜい数万時間であり、長寿命のものが存在しないのが実情である。
【０００５】
赤色半導体レーザの信頼性が低い原因としては、使用する材料であるAlGaInP系の結晶成長が難しくて結晶品質が低い、ドーピング制御が困難、等が考えられている。また、元々この波長帯の半導体レーザでは、量子井戸活性層にGaInP、障壁層にAlGaInPが用いられていることから伝導帯の電位障壁の高さΔＥcが小さく、電子がオーバーフローし易いこと、AlGaInPの熱抵抗が大きいために発熱し易いこと、等も信頼性低下の原因と考えられている。
【０００６】
そこで、上に示した電位障壁の高さΔＥcが小さいという欠点を改善するために、特許文献１には、活性層にInGaAsP、クラッド層にAlGaInPを用いたダブルヘテロ構造の半導体レーザが提案されている。この半導体レーザは、活性層をInGaAsPとすることでΔＥcを大きくして、電子のオーバーフローを抑制するというものである。
【特許文献１】特開平４−３９９８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、上述した特許文献１の中で提案されている構造の半導体レーザ、具体的にはAl0.35Ga0.15In0.5P0.5クラッドとIn0.4Ga0.6As0.2P0.8活性層を備えた半導体レーザを本発明者が実際に作製してその特性を評価したところ、発振しきい値が比較的高くなり、結果的には通常のGaInP活性層を有する半導体レーザよりも特性が悪くなることが判った。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、一般的な赤色半導体レーザで使用されているInGaPあるいはAlGaInPに代わる良質な活性層を備えて、活性層の経時劣化を抑制できる、信頼性の高い半導体発光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】
【０００９】
本発明による半導体発光装置は、
第１導電型GaAs基板上に、少なくとも第１導電型AlGaInPクラッド層、AlGaInP光ガイド層、量子井戸活性層、AlGaInP光ガイド層、第２導電型AlGaInPクラッド層を有してなる半導体発光装置において、
前記活性層が、InGaAsyP1-yもしくはAlGaInAsyP1-yから構成され、
該InGaAsyP1-yもしくはAlGaInAsyP1-yにおけるＶ族元素中のAsの含有割合ｙが、０＜ｙ≦0.1の範囲にあることを特徴とするものである。
【００１０】
なお本発明の半導体発光装置において、上記Asの含有割合ｙは、より好ましくは0.03≦ｙ≦0.07、さらに好ましくは0.04≦ｙ≦0.06の範囲に設定される。
【００１１】
また、本発明の半導体発光装置においては、
前記第２クラッド層内に、電流狭窄のための１対の第１導電型電流ブロック層が設けられ、
この電流ブロック層の各々に、発光部ストライプとほぼ平行に延びる溝が形成され、
前記基板の上に積層された半導体層の上に形成された電極が、素子面積よりも小さい面積のパッド電極で構成されていることが望ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明者の研究によると、第１導電型GaAs基板上に、少なくとも第１導電型AlGaInPクラッド層、AlGaInP光ガイド層、量子井戸活性層、AlGaInP光ガイド層、第２導電型AlGaInPクラッド層を有してなる半導体発光装置において、活性層材料にInGaAsPもしくはAlGaInAsPを採用し、該InGaAsPもしくはAlGaInAsPのＶ族元素中に占めるAsの含有割合を10％以下（ただしAsは必ず含むものとする。つまり０＜ｙ≦0.1）に制御することによって良好な結晶品質が得られ、信頼性が格段に向上することが判明した。
【００１３】
前述した特許文献１において具体的に提案されている実施例では、活性層を構成するInGaAsPのＶ族元素中でのAs含有割合は20％となっている。しかしこの組成のInGaAsPをGaAs基板上に作製すると、結晶組成がミシビリティ・ギャップと呼ばれる領域内となるため、各元素が固相内で均一に分散した混晶が得られにくく、結晶品質が低下する。これが原因で、特許文献１に示された半導体レーザでは良好な特性が得られなかったものと考えられる。それに対して、活性層を構成するInGaAsPもしくはAlGaInAsPのＶ族元素中に占めるAsの含有割合を10％以下にすると、結晶組成がミシビリティ・ギャップ領域から離れるために結晶品質の劣化が抑制されて、活性層に採用しても十分な信頼性が得られると考えられる。
【００１４】
以下、上記「10％」という数値の根拠について説明する。図３は、In0.6Ga0.4AsyP1-y歪量子井戸層からなる活性層を、そのAsの割合を種々に変えて作製した半導体レーザについて、各々の劣化率を測定した結果を示すものである。これらの半導体レーザにおいては基本的にクラッド層を(AlxGa1-x)0.5In0.5P(x=0.7)、光ガイド層を(AlxGa1-x)0.5In0.5P(x=0.5)から形成し、量子井戸数は３とした。また共振器長は300μｍ、端面反射率は前面30％、後面70％とし、ジャンクションアップ方式でSiヒートシンク、直径5.6ｍｍの小型パッケージに順に実装した。なお発振波長は、25℃−１ｍＷ出力時に660ｎｍとなるようにした。また通電試験条件は50℃−５ｍＷのAPC（Automatic Power Control）駆動とした。なお同図における縦軸の劣化率は、APC駆動による電流増加の割合を駆動時間で割ったものである。またここでは、劣化特性の傾向を把握するために上記Asの割合が０％の半導体レーザも作製し、それについても測定を行ったが、その半導体レーザは勿論本発明に含まれない。
【００１５】
本発明者は、この図３に示される通り、Asの含有割合を10％以下にすることで、現在実用化されているInGaPを活性層に用いた赤色半導体レーザ（劣化率はほぼ1.0×10-5／ｈ）よりも劣化率が低減することを発見した。これにより本発明においては、Asの含有割合を最大でも10％とするものである。これは、Asの含有割合を大きくし過ぎないことで、前述したミシビリティ・ギャップの問題から逃れられているためと考えられる。また、前述した特許文献１に提案されたものと同様に、基本的にはAsを混入することで活性層が熱的に安定化し、成長中のリン抜けが抑制される効果、及びP系材料が持つ材料としての脆弱性が改善される効果も得られていると考えられる。
【００１６】
また図３から判る通り、劣化率はAsの含有割合が５％近辺のときに最小となり、Asの含有割合がそれより小さくなると大きくなる傾向にある。これは、Asの含有量が余りに少ないと、Asによって伝導帯の電位障壁の高さΔＥcを下げる効果が薄れるためであると考えられる。
【００１７】
一般に光通信用に必要な寿命は10万時間以上と言われており、半導体レーザの寿命を動作電流が初期値の1.2倍になる時点と定義した場合、10万時間以上の寿命を得るために劣化率としては、２×10-6／ｈ｛＝（1.2−１）／（１×105ｈ）｝が必要である。図３よりこの劣化率を実現するためには、Asの含有割合を３〜７％とすればよいことが解る。また、Asの含有割合を４〜６％の範囲に設定すれば、さらに高い信頼性が得られるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本発明の第１の実施形態による半導体レーザの概略立断面形状を示すものであり、また図２にはこの半導体レーザの発光層近傍のバンドダイアグラムを示す。図１に示されている通り本実施形態の半導体レーザは、例えば (100)から(011)方向に15°傾けたオフ基板であるn-GaAs基板１の上に、厚さ1μｍのn- (AlxGa1-x)0.5In0.5P(x=0.7)クラッド層２、発光層３、厚さ0.2μｍのp-(AlxGa1-x)0.5In0.5P(x=0.7)第１クラッド層４、厚さ10ｎｍのp-InGaPエッチングストップ層５、厚さ0.8μｍのp-(AlxGa1-x)0.5In0.5P(x=0.7)第２クラッド層６、厚さ10ｎｍのp-InGaPヘテロバリヤ層７、厚さ1μｍのp-GaAsコンタクト層10がこの順に積層されてなる発光領域を有する。なお以上の通り本実施形態では、第１導電型がｎ型、第２導電型がｐ型である。
【００２０】
上記の発光層３は図２にも示されている通り、厚さ100ｎｍの(AlxGa1-x)0.5In0.5P(x=0.5)光ガイド層110、厚さ6ｎｍのIn0.6Ga0.4As0.05P0.95歪量子井戸層111並びに厚さ５ｎｍの(AlxGa1-x)0.5In0.5P(x=0.5)障壁層112で構成される多重量子井戸活性層、および厚さ100ｎｍの(AlxGa1-x)0.5In0.5P(x=0.5)光ガイド層113から構成されている。つまり本実施形態において、InGaAsP歪量子井戸層におけるＶ族元素中のAsの含有割合ｙは５％である。
【００２１】
また、上記発光領域の両脇に存在する電流狭窄領域は、n-GaAs基板１上に前記発光領域を構成するn- (AlxGa1-x)0.5In0.5P(x=0.7)クラッド層２〜p-InGaPエッチングストップ層５が同じ層構成で積層され、その上に厚さ0.8μｍのn-GaAs電流ブロック層９および厚さ1μｍのp-GaAsコンタクト層10がこの順に積層された構造となっている。
【００２２】
なお、InGaAsP歪量子井戸活性層の層数は３である。そして共振器長は300μｍ、端面反射率は前面30％、後面70％である。
【００２３】
また電流狭窄領域内には、２本の溝Ｖがリッジ状ストライプと平行に形成されている。これらの溝Ｖは電流ブロック層９のｐｎ接合界面における寄生容量を電気的に分離・低減するためのもので、n-GaAs基板１にまで到達する深さを有している。それらの溝Ｖどうしの間隔は20μｍである。また溝Ｖの表面には絶縁膜11が形成され、その上にｐ電極12が形成されている。このｐ電極12は、素子面積つまりn-GaAs基板１上に積層された半導体層の面積よりも小さいパッド電極として、p-GaAsコンタクト層10〜絶縁膜11〜ｐ電極12における寄生容量も低減できる構造とされている。
【００２４】
本素子はSiヒートシンク上にジャンクションアップ方式で実装され、パッド電極12上に配置したワイヤから給電されて駆動する。
【００２５】
本実施形態の半導体レーザの特性は、しきい値電流24ｍＡ、スロープ効率0.5Ｗ／Ａと良好であった。また、プラスチックファイバを用いた光通信に必要な光出力１ｍＷにおける動作電流は約26ｍＡであり、この時の発振波長は25℃下で660ｎｍであった。本素子を50℃、１ｍＷにおける通電試験にかけた結果、推定寿命として約20万時間の良好な特性が見積もられた。
【００２６】
なお、本実施形態ではn-GaAs基板１として、(100)から(011)方向に15°傾けたオフ基板を使用したが、この傾斜角度に関しては５°、７°、９°、11°、13°、15°、20°とした基板を用いて同様な半導体レーザを作製しており、この範囲内であれば同様な結果が得られている。
【００２７】
またエッチングストップ層５の材料として使用したp-InGaPには、導波損失を低減する目的から引張歪のInGaPを用いる方がより望ましい。
【００２８】
さらに本実施形態では、リッジ形成後にn-GaAsで埋め込む構造を採用したが、横モード制御方法としては他の方法を採用しても構わない。例えば埋め込む材料をn-AlInPにすることにより共振器損失が低減し、それにより優れた特性が得られる。あるいはリッジ構造を採用しても同様の効果が得られる。
【００２９】
以上、光ガイド層におけるIII族元素中のAl組成を0.25とした実施形態について説明したが、その他にこのAl組成を0.4、0.45、0.55、0.6と変えても、各組成において量子井戸活性層の幅を微調整することにより、25℃において良好な特性を得ることができる。
【００３０】
次に、本発明の第２の実施形態による半導体レーザについて説明する。この半導体レーザの基本的な構造は第１実施形態のものと同じであるが、発光層の構造が異なり、ここでは、ｎクラッド層２に続けて、厚さ0.1μｍの(AlxGa1-x)InAsyP1-y (x=0.5、y=0.03)光ガイド層、Al0.05Ga0.35In0.6As0.05P0.95歪量子井戸層と(AlxGa1-x)InAsy P1-y (x=0.5、y=0.03)障壁層とで構成される多重量子井戸活性層、および厚さ0.1μｍの(AlxGa1-x)InAsyP1-y (x=0.5、y=0.03)光ガイド層が積層された構造となっている。
【００３１】
本実施形態では量子井戸活性層にAlが含まれているために、発振波長を短波長化することができ、プラスチックファイバの損失が低くなる波長付近で発振可能となる。なお本実施形態において共振器長は250μｍ、端面反射率は前面70％、後面90％である。
【００３２】
本実施形態の半導体レーザの特性は、しきい値電流18ｍＡ、スロープ効率0.2Ｗ／Ａであった。また、プラスチックファイバを用いた光通信に必要な光出力１ｍＷにおける動作電流は約23ｍＡであった。本素子を50℃、１ｍＷにおける通電試験にかけた結果、推定寿命として約10万時間の良好な特性が見積もられた。
【００３３】
なお本実施形態では、活性層に圧縮歪性のAlGaInAsPを用いたが、引張歪性の材料を用いても構わない。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の第１実施形態による半導体レーザ装置の断面模式図
【図２】上記半導体レーザにおける活性領域のバンドダイアグラム
【図３】InGaAsP活性層中のAs割合と半導体レーザの劣化率との関係を示すグラフ
【符号の説明】
【００３５】
１    n-GaAs基板
２    n-(AlxGa1-x)0.5In0.5P(x=0.7)クラッド層
３    発光層（光ガイド層＋活性層）
４    p-(AlxGa1-x)0.5In0.5P(x=0.7)第１クラッド層
５    p-InGaPエッチングストップ層
６    p-(AlxGa1-x)0.5In0.5P(x=0.7)第２クラッド層
７    p-InGaPヘテロバリヤ層
9    n-GaAsブロック層
10    p-GaAsコンタクト層
11    絶縁膜
12    ｐ電極
13    ｎ電極
110    (AlxGa1-x)0.5In0.5P(x=0.5)光ガイド層
111    In0.6Ga0.4As0.05P0.95歪量子井戸層
112    (AlxGa1-x)0.5In0.5P(x=0.5)障壁層
113    (AlxGa1-x)0.5In0.5P(x=0.5)光ガイド層
【図１】
2006100626.tif 000003
【図２】
2006100626.tif 000004
【図３】
2006100626.tif 000005