(57)【要約】【課題】ＩｎＧａＡｓ基板上の歪量子井戸構造における、歪補償をすると共に、結晶性の向上と熱抵抗を低減する。【解決手段】  ＩｎＧａＡｓ基板１の上に、歪量子井戸構造αを構成する。この歪量子井戸構造αの量子井戸層４，６，８は、圧縮歪となっている。この圧縮歪を歪補償するため、引っ張り歪となるＧａＡｓ層を含むＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ障壁層３，５，７，９を、量子井戸層４，６，８の間に積層形成する。これにより、歪によるミスフィット転位や欠陥の発生が緩和される。また２元結晶であるＧａＡｓは熱抵抗が低減し温度上昇を抑制することができる。なお、引っ張り歪となるＧａＡｓの代わりに、ＡｌＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、またはＩｎＧａＡｓを用いることもできる。【選択図】図１
2008211142.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３元混晶の半導体結晶In(x)Ga(1-x)Asからなる基板の上に、活性層として形成される歪量子井戸構造において、
前記歪量子井戸構造は、圧縮歪量子井戸層と、障壁層とからなり、
前記障壁層は、引っ張り歪障壁層であって、前記引張り歪量が０より大きく１．５％以下であることを特徴とする光半導体装置。
【請求項２】
３元混晶の半導体結晶In(x)Ga(1-x)Asからなる基板の上に、活性層として形成される歪量子井戸構造において、
前記歪量子井戸構造は、圧縮歪量子井戸層と、GaAs又はAlAs又はAlGaAsを含む障壁層とからなることを特徴とする光半導体装置。
【請求項３】
３元混晶の半導体結晶In(x)Ga(1-x)Asからなる基板の上に、活性層として形成される歪量子井戸構造において、
前記歪量子井戸構造は、圧縮歪量子井戸層と、GaAs又はAlAsを含む障壁層とからなることを特徴とする光半導体装置。
【請求項４】
３元混晶の半導体結晶In(x)Ga(1-x)Asからなる基板の上に、活性層として形成される歪量子井戸構造において、
前記歪量子井戸構造は、圧縮歪量子井戸層と、In(y)Ga(1-y)Asを含む障壁層とからなることを特徴とする光半導体装置。
【請求項５】
前記障壁層に含まれるIn(y)Ga(1-y)AsのIn組成比yが0＜y≦0.05の範囲にあることを特徴とする請求項４の光半導体装置。
【請求項６】
前記障壁層が、前記圧縮歪量子井戸層との界面側にIn(z)Ga(1-z)As層を有することを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか一項の光半導体装置。
【請求項７】
半導体結晶In(x)Ga(1-x)Asからなる前記基板の組成比ｘは、０＜ｘ≦０．２の範囲にあることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか一項の光半導体装置。
【請求項８】
前記歪量子井戸構造の発光波長が１．１〜１．６μｍであることを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか一項の光半導体装置。
【請求項９】
前記圧縮歪量子井戸層の材料が、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰのいずれかであることを特徴とする請求項１乃至請求項８の何れか一項の光半導体装置。
【請求項１０】
前記歪量子井戸構造がメサストライプ状に加工されており前記歪量子井戸構造の両側を半導体結晶により埋め込まれたことを特徴とする請求項１乃至請求項９の何れか一項の光半導体装置。
【請求項１１】
前記歪量子井戸構造の両側を埋め込む半導体結晶がRuドープ半絶縁性半導体結晶であることを特徴とする請求項１乃至請求項１０の何れか一項の光半導体装置。
【請求項１２】
請求項１乃至請求項１１の何れか一項の光半導体装置において、
前記基板側と反対側の前記積層構造側の面がヒートシンクに接していることを特徴とする光半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光半導体装置に関し、歪量子井戸構造における歪補償を良好に行うと共に、結晶性向上と熱伝導率改善を図るように工夫したものである。
なお、光半導体装置とは、レーザや光アンプや光変調器等を含む装置である。
【背景技術】
【０００２】
光源波長が１．３μｍ〜１．５５μｍである光ファイバ通信では、従来、バンドギャップ、格子定数の関係上作製しやすい、ＩｎＰ基板上のＩｎＧａＡｓＰ系レーザが用いられてきた。通常、発振特性の改善のために、活性層に歪量子井戸構造を採用している。一般に、歪量を増大させれば、微分利得が向上するため、レーザ特性が改善することが知られている。しかし、大きすぎる歪は結晶性の劣化を招くので、その構成材料としては、ＩｎＰ基板との格子定数差を考慮して、量子井戸層には１％前後の圧縮歪となるＩｎＧａＡｓＰを用い、障壁層にはＩｎＰ基板と格子整合した組成となるＩｎＧａＡｓＰを用いることが一般的である。
【０００３】
このような従来のＩｎＰ基板上レーザでは、伝導帯側の量子井戸層と障壁層間のバンドオフセットが小さいために、高温条件下にすると電子のオーバーフローによる光学利得の低下が生じ、しきい値電流の増加、効率の低下が引き起こされる。しきい値電流の温度依存性を示す特性温度は５０Ｋ程度と低く、ペルチェクーラー等の温度調整器の使用が不可欠であった。
【０００４】
また同じＩｎＰ基板上において、ＩｎＧａＡｓＰ系より大きなバンドオフセットを持つといわれるＡｌＧａＩｎＡｓ系レーザも開発されているが、ＧａＡｓ基板上の短波長ＩｎＧａＡｓレーザに比べると、温度特性は劣っている。さらに、Ａｌを含んだ材料固有の酸化による信頼性劣化が懸念される。
【０００５】
ＧａＡｓ基板上では、比較的短波長の０．７８μｍ、０．８５μｍ、０．９８μｍ、１．０６μｍ帯レーザが実用化されており、特性温度が１５０Ｋを超える優れた温度特性が示されている。これは伝導帯側の大きなバンドオフセットによるものである。しかしながら、ＧａＡｓ基板上のＩｎＧａＡｓ歪量子井戸構造によって１．３μｍでの発光を得るためには、Ｉｎ組成を５０％程度に高める必要がある。Ｉｎ組成の増加とともに、ＧａＡｓ基板との格子不整合が大きくなり、３次元成長やミスフィット転位が生じる。そのため、１．３μｍ以上の波長帯での高品質な量子井戸層の形成は困難である。
【０００６】
この格子不整合とバンドオフセットの問題を改善する手段として、ＧａＡｓより格子定数が大きいＩｎＧａＡｓ３元基板上の歪量子井戸構造が提案された。（K.Otsubo, et al.,IEEE Photonics Technology Letter, Vol.10, No.8, pp.1073-1075, 1998.）
【０００７】
図１５は、ＩｎＧａＡｓ歪量子井戸層の歪と発光波長との関係である。量子井戸層の厚さは１０ｎｍとしている。ここで、ＩｎＧａＡｓ障壁層は基板に格子整合する組成を用いた。
１．３μｍの発光を得るための量子井戸層の歪量は、ＧａＡｓ基板上では３．２％、Ｉｎ組成０．１のＩｎＧａＡｓ基板では２．３％、Ｉｎ組成０．２のＩｎＧａＡｓ基板では１．８％となる。
この構造では、量子井戸層と障壁層のＩｎ組成の差を大きくするほどバンド不連続も大きくなるためキャリアオーバーフローの抑制が可能となり、温度特性が向上する。しかしながら、量子井戸層の歪量が大きくなるため、結晶性の劣化が起こる。そのため３元基板上高歪量子井戸の結晶性向上技術が必要となる。
【０００８】
また、半導体レーザの高温動作特性に影響が大きいものとして、素子の熱抵抗の問題がある。ＩｎＧａＡｓ３元基板を半導体レーザ構造へ用いた場合、結晶の混晶化により、組成に対して物性値が比例せず、非線形因子が存在する。そのため、２元に比べ３元や４元混晶の物性値は２次関数的な振る舞いを示す。例えばＩｎＧａＡｓは、そのもとになるＩｎＡｓやＧａＡｓに比べ、材料の熱抵抗が上昇する問題がある。図１６は、ＩｎＧａＡｓの熱伝導率のＩｎ組成依存性である。これによるとＩｎ0.3Ｇａ0.7ＡｓではＧａＡｓの熱伝導率２．３に比べ８倍程度高いことがわかる。クラッド層や活性層の熱抵抗が上昇することにより、活性層で発生した熱がヒートシンクへ逃げる効率が低下し、活性層の温度上昇につながる。
【０００９】
特に垂直共振面発光レーザ型では、半導体多層膜反射鏡に混晶を用いること、および電流注入が小さい活性領域に集中する構造のために、この影響が端面出射型のレーザに比べ大きくなる。
【００１０】
【非特許文献１】K.Otsubo, et al.,IEEE Photonics Technology Letter, Vol.10, No.8, pp.1073-1075, 1998.
【非特許文献２】著者：Peter S.Zory.Jr、書名「Quantum Well Lasers」、発行所：Academic Press、発行年月日：1993/5/19、p.379、
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
以上のように、通信用半導体レーザ光源の温度特性向上のためには３元基板上歪量子井戸レーザが有効であるが、発振波長を通信波長帯である１．３μｍ以上にするためには量子井戸層の高歪化が必要であり、そのためミスフィット転位の発生等による結晶性の劣化が問題であった。また、高温動作特性の向上のためには、３元結晶を用いた場合の熱抵抗上昇も問題であった。本発明は以上のような点に鑑みてなされたもので、その目的とするところは優れた温度特性が期待されるＩｎＧａＡｓ３元基板上の高歪量子井戸構造の結晶性の向上と熱抵抗の低減にある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決する本発明の光半導体装置の構成は、
３元混晶の半導体結晶In(x)Ga(1-x)Asからなる基板の上に、活性層として形成される歪量子井戸構造において、
前記歪量子井戸構造は、圧縮歪量子井戸層と、障壁層とからなり、
前記障壁層は、引っ張り歪障壁層であって、前記引張り歪量が０より大きく１．５％以下であることを特徴とする。
【００１３】
また本発明の光半導体装置の構成は、
３元混晶の半導体結晶In(x)Ga(1-x)Asからなる基板の上に、活性層として形成される歪量子井戸構造において、
前記歪量子井戸構造は、圧縮歪量子井戸層と、GaAs又はAlAs又はAlGaAsを含む障壁層とからなることを特徴とする。
【００１４】
また本発明の光半導体装置の構成は、
３元混晶の半導体結晶In(x)Ga(1-x)Asからなる基板の上に、活性層として形成される歪量子井戸構造において、
前記歪量子井戸構造は、圧縮歪量子井戸層と、GaAs又はAlAsを含む障壁層とからなることを特徴とする。
【００１５】
また本発明の光半導体装置の構成は、
３元混晶の半導体結晶In(x)Ga(1-x)Asからなる基板の上に、活性層として形成される歪量子井戸構造において、
前記歪量子井戸構造は、圧縮歪量子井戸層と、In(y)Ga(1-y)Asを含む障壁層とからなることを特徴とする。
【００１６】
また本発明の光半導体装置の構成は、
前記障壁層に含まれるIn(y)Ga(1-y)AsのIn組成比yが0＜y≦0.05の範囲にあることを特徴とする。
【００１７】
また本発明の光半導体装置の構成は、
前記障壁層が、前記圧縮歪量子井戸層との界面側にIn(z)Ga(1-z)As層を有することを特徴とする。
【００１８】
また本発明の光半導体装置の構成は、
半導体結晶In(x)Ga(1-x)Asからなる前記基板の組成比ｘは、０＜ｘ≦０．２の範囲にあることを特徴とする。
【００１９】
また本発明の光半導体装置の構成は、
前記歪量子井戸構造の発光波長が１．１〜１．６μｍであることを特徴とする。
【００２０】
また本発明の光半導体装置の構成は、
前記圧縮歪量子井戸層の材料が、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰのいずれかであることを特徴とする。
【００２１】
また本発明の光半導体装置の構成は、
前記歪量子井戸構造がメサストライプ状に加工されており前記歪量子井戸構造の両側を半導体結晶により埋め込まれたことを特徴とする。
【００２２】
また本発明の光半導体装置の構成は、
前記歪量子井戸構造の両側を埋め込む半導体結晶がRuドープ半絶縁性半導体結晶であることを特徴とする。
【００２３】
また本発明の光半導体モジュールの構成は、
上記の光半導体装置において、
前記基板側と反対側の前記積層構造側の面がヒートシンクに接していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、良好な歪補正ができると共に、結晶性向上と熱伝導率改善をした、光半導体装置を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下に本発明を実施するための最良の形態を説明する。
本発明はInGaAsからなる3元基板上に形成される圧縮歪量子井戸において、2元のGaAsまたはAlAsを導入することによる歪補償、結晶性向上と熱伝導率改善という新たな発想をもとにしたものである。
【００２６】
基板に対して、圧縮歪となる量子井戸に対して、障壁層の全部または一部に、基板に対して格子定数の小さい引張り歪のGaAsまたはAlAs層を導入することにより、歪補償構造になり、歪による転位の発生が緩和される。また高歪量子井戸成長には低温成長が必要であるが、そのような条件においても2元結晶は3元で見られるような相分離が原理的に生じないため、結晶性は向上できる。さらに3元混晶に変えて、2元のGaAsまたはAlAs層を用いることで最も温度が上昇する活性層での基板の垂直方向、面内方向への熱伝導性を向上させる効果も生じる。そのため、レーザの活性層温度の上昇が抑えられ、高温環境下でも温度調整器が不要な低コストモジュールを実現することが可能となる。
【実施例１】
【００２７】
ここで、本発明の実施例１を図１に基づいて説明する。
実施例１は図１に示すような3元基板上InGaAsレーザ構造において、波長1.3μｍでのレーザ発振を実現するための構造である。成長は有機金属気相成長法（MOVPE）を用いて行った。基板１はバルク結晶から切り出して、研磨を行ったIn組成0.1のn-In0.1Ga0.9As 基板である。この基板の上に成長温度700℃、成長圧力76TorrにてSiをドープしたn-In0.1Ga0.9Asバッファー層を成長し、さらにSiを5x1017ドープしたn-In0.58Ga0.42Pクラッド層２を1.5μmの厚さに成長した。その上に活性層として、図１に示すような、圧縮歪量子井戸層４，６，８の両側に、引張り歪となるInGaAs/GaAs歪補償障壁層3,5,7,9を配した歪量子井戸構造αを成長温度550℃で成長した。
【００２８】
さらに詳述すると、図２に示すように、厚さ10nmの量子井戸層４，６，８の両側に、厚さ5nmのIn0.1Ga0.9As障壁層を配し、更に、GaAs歪補償障壁層を配する。GaAs歪補償障壁層は厚さが15nmであり、In0.1Ga0.9As障壁層の間に配する。これらを3周期とした３層量子井戸活性層である。量子井戸層には1.3 μm発光が可能となる組成であるIn0.5Ga0.5Asを用いた。
【００２９】
ここでInGaAs基板のIn組成とGaAsの臨界膜厚の関係を計算した結果を図３に示す。通常半導体レーザや変調器などに用いる多重量子井戸構造では光のモードに対する利得を大きくするために、障壁層の厚さは10nm以上にする。この図の中ではGaAsの臨界膜厚15nmとなるIn組成は0.2であるため、InGaAs基板のIn組成は0.2を上限にする必要がある。
InGaAsのバンドギャップ（Eg）の組成依存性は以下のようになる。
InxGa1-xAs  Eg = 1.424-1.62x+0.56x2 (eV) 
ただしIn組成の大きい領域では歪によるバンドギャップの変化が現れる。その効果を取り入れるとIn0.5Ga0.5As のバンドギャップは0.88 eV となる。（非特許文献２：Quantum Well Lasers, p.379）
【００３０】
また、伝導帯のバンドオフセットとバンドギャップのオフセット比：ΔEc／ΔEgは 0.65とした。
GaAs ／In0.5Ga0.5As では 354 meVとInP基板上に比べ大きなバンドオフセットができる。さらにこれは歪補償を用いないIn0.1Ga0.9As ／In0.5Ga0.5As量子井戸の伝導帯バンドオフセットの252meVと比較しても大きな値となる。
【００３１】
ここで2元のGaAsにした構造の有無を比較し、その歪補償効果を調べた。構造は図２に示すようなGaAs歪補償障壁層を導入したものと、従来の技術である基板と同じ組成のInGaAs障壁層を比較した。
図４に障壁層の構造を変えた2種類の量子井戸構造のフォトルミネッセンス測定結果を示す。波長1280nmのピークを持つ２つのスペクトルを比べると、GaAs歪補償構造を導入したものが、無いものの約３倍の強度をもっていた。これは歪補償効果が３層量子井戸の平均歪量を低減させ、結晶性向上を可能にしたためと考えられる。
【００３２】
図１に戻り説明を続けると、歪量子井戸構造αの上に亜鉛を5x1017 (cm-3)ドープしたｐ−In0.58Ga0.42P クラッド層10を1.5μｍの厚さに成長し、その上にp型に2x1019 (cm-3)ドープした厚さ100nmの In0.1Ga0.9Asコンタクト層１１を成長する。
【００３３】
この上にスパッタリングでSiO2層を堆積し、さらにフォトリソグラフィによって幅２μm程度のストライプ状のマスクを形成する。ドライエッチングおよびウェットエッチングにより幅2μｍ、高さ1.6μｍのメサストライプを形成する。この両脇をポリイミドで埋め込み、基板を研磨後に上下に電極１２，１３を形成し、リッジレーザへ加工した。
【００３４】
作製したレーザは、発振波長が1.3μｍであり、閾値電流密度400A/cm2、光出力は室温で20mW、85℃で10mWを実現した。また閾値電流の温度依存性を示す特性温度は130Kと優れた温度特性を示した。
また、障壁層として、InGaAsを用いずに、障壁層の全てをGaAsのみで構成するようにしてもよい。要は、障壁層にGaAsを含んでいればよい。
ここで、障壁層におけるInGaAsの層厚は５ｎｍでなくてもよく、GaAs層の層厚も１５ｎｍでなくてもよい。また、障壁層におけるInGaAsのIn組成は０よりも大きく量子井戸層のInGaAsのIn組成未満であることが望ましい。ただし、GaAsの層厚が厚すぎる場合、InGaAs層のIn組成が小さく層厚が厚すぎる場合等に障壁層の引っ張り歪が大きすぎると結晶が劣化する。
【実施例２】
【００３５】
次に本発明の実施例２について説明する。
上記の実施例１では、端面出射型について説明したが、以下に垂直共振面発光レーザ構造を採用した装置について説明する。図５はInGaAs基板１上に高屈折率材料であるInGaAs層１４と低屈折率材料であるInAlAs層１５を波長の1／４周期毎に積層した半導体多層膜反射鏡を用いた垂直共振面発光レーザ構造を示している。基板のIn組成を0.1と小さく抑えることで、InGaAs／InAlAs間の屈折率差はGaAs／AlAsの屈折率差である0.5程度に近づくため、反射率９９％以上の良質な反射鏡の形成が可能となる。
なお、図５において、図１に示す実施例と同じ機能を果たす構成部材には、同じ符号を付し、重複する説明は省略する。
【００３６】
図６はInGaAs基板上面発光レーザ構造の熱伝導計算結果である。活性層は４μｍ角とし、バイアス電流8mA、電圧4V、光出力は3mWを仮定し、計算を行った。実施例１と同様に障壁層の一部分に２元のGaAs層を導入した場合と、そうでなく基板と同じ組成の一様なInGaAs障壁層の場合の活性層付近の温度分布を示している。この結果、熱伝導性の高い２元のGaAsを導入したことにより、活性層温度の１０Kの低減が見積もられた。この結果は3元基板上面発光レーザの障壁層への2元GaAs歪補償構造の有効性を実証しており、85℃まで動作する波長1.3μm帯面発光レーザを実現した。
【実施例３】
【００３７】
（障壁層にAlAsを用いた場合の実施例）
実施例１，２では歪補償障壁層に導入する材料として、GaAsを用いたが、2元のAlAsを用いることも可能である。GaAsとAlAsは格子定数がそれぞれ5.6533Å、5.6611Åと近いため、両者の格子定数差は0.1％と非常に小さい。したがって、AlAsにおいてもGaAsと同様の歪補償効果を持っている。
【００３８】
図７に示すように、n-In0.1Ga0.9As 基板１上にSiをドープしたn-In0.1Ga0.9Asバッファー層を成長し、さらにSiを5x1017(cm-3)ドープしたn-In0.1Al0.9Asクラッド層２′を1.5μmの厚さに成長し、その上に活性層構造を成長する。活性層は、圧縮歪量子井戸層４，６，８の両側に、引張り歪となるInGaAs/AlAs障壁層３′，５′，７′，９′を配した歪量子井戸構造αである。
【００３９】
さらに詳述すると、図８に示すように、AlAs歪補償障壁層を配する。AlAs歪補償障壁層は厚さが10nmであ。In0.18Ga0.82As量子井戸層は8nmとした。活性層αは4層の量子井戸層を持ち、発光波長は0.98 μmである。
【００４０】
歪量子井戸構造αの上に亜鉛を5x1017(cm-3)ドープしたｐ−In0.1Al0.9As クラッド層１０′を1.5μｍの厚さに成長し、その上にp型に2x1019(cm-3)ドープした厚さ100nmの In0.1Ga0.9Asコンタクト層１１を成長する。この成長後のウェハを幅40μｍのブロードコンタクト型へ加工することにより、波長0.98μm帯レーザを作製した。
【００４１】
AlAsのバンドギャップは2.16 eVと大きいため、GaAsを障壁層に用いた場合に比べ、InGaAs量子井戸と障壁層の間のバンドギャップの差は大きくなる。高温下では有効質量の小さい電子が高エネルギー側への分布が増えるために量子井戸からあふれ出すキャリアオーバーフローにより、レーザの特性が劣化する。これを抑制し、高温下でもレーザ動作させるためには伝導帯のバンドオフセットΔEcを大きくすることが有効である。このような場合に、障壁層へAlを含んだAlAs材料を用いると、実施例１で述べたGaAsと同様の歪補償効果に加え、バンドギャップが大きくなるために、キャリアオーバーフローを効果的に抑制することができる。GaAs ／In0.18Ga0.82As量子井戸では 165 meVと見積もられた伝導帯のバンドオフセットがAlAs ／In0.18Ga0.82As量子井戸では644 meVであり、さらに高温下においても安定したレーザ動作が可能となる。作製したレーザは、発振波長が0.98μｍであり、閾値電流密度500A/cm2、光出力は室温で50mW、85℃で30mWを実現した。また閾値電流の温度依存性を示す特性温度は150Kと優れた温度特性を示した。
【実施例４】
【００４２】
（障壁層にAlGaAsを用いた場合の実施例）
実施例１、３では障壁層にGaAsおよびAlAsを用いた場合を示したが、それらの混晶であるAlGaAsにおいてもGaAsおよびAlAsと同様の歪補償効果を持っている。
またGaAsよりもバンドギャップが大きくなるために、キャリアオーバーフローを効果的に抑制することができる。
AlGaAsのバンドギャップの組成依存性は以下のようになる。
AlxGa1-xAs  Eg = 1.424+1.247x  (eV)   (0<x<0.45)
したがってAl0.2Ga0.8As / In0.3Ga0.7As量子井戸では伝導帯のバンドオフセットは403 meVと見積もられる。これは歪補償を用いないIn0.1Ga0.9As ／In0.3Ga0.7As量子井戸の伝導帯バンドオフセットの142meVと比較すると大きな値となることを確認した。
【００４３】
AlGaAsを歪補償層に用いた例としては、図９に示すように、n-In0.1Ga0.9As 基板１上にSiをドープしたn-In0.1Ga0.9Asバッファー層を成長し、さらにSiを5x1017(cm-3)ドープしたn-In0.58Ga0.42Pクラッド層２を1μmの厚さに成長し、その上に活性層構造を成長する。活性層は、図９に示すように、圧縮歪量子井戸層４，６，８の両側に、引張り歪となるAlGaAs障壁層３′′，５′′，７′′，９′′を配した歪量子井戸構造αである。
【００４４】
さらに詳述すると、図１０に示すように、Al0.2Ga0.8As歪補償層を配する。Al0.2Ga0.8As歪補償層は厚さが20nmである。In0.5Ga0.5As量子井戸層は8nmとした。活性層は3層の量子井戸層を持つ。これらを3周期とした３層量子井戸活性層である。量子井戸層には1.1 μm発光が可能となる組成であるIn0.3Ga0.7Asを用いた。
【００４５】
歪量子井戸構造αの上に亜鉛を5x1017(cm-3)ドープしたｐ−In0.58Ga0.42P クラッド層１０を1μｍの厚さに成長し、その上にp型に2x1019(cm-3)ドープした厚さ100nmの In0.1Ga0.9Asコンタクト層１１を成長する。スパッタリングによりSiO2を堆積し、フォトリソグラフィ技術によりストライプ状のマスクを形成し、これをマスクとしてRIE(反応性イオンエッチング)により、幅２μｍで高さ1μｍのメサストライプを形成した。引き続き、メサストライプの両側の基板上に、MOVPE法により電流ブロック層として、RuドープのInGaP層を層厚２μｍ成長させた。Ruの原料として、ビスエチルシクロペンタディエニルルテニウムbis(ethylcyclopentadienyl) ruthenium(II) を用いた。更に、SiO2からなるマスクをHFにより除去し、層厚２μｍでZnドーピング濃度が5x1017 (cm-3)  であるｐ−In0.58Ga0.42P オーバークラッド層１０を成長した。その上にp型に2x1019 (cm-3)ドープした厚さ100nmの In0.1Ga0.9Asコンタクト層１１を成長した。
【００４６】
作製したレーザは、発振波長が1.1μｍであり、閾値電流密度500A/cm2、光出力は室温で20mW、85℃で15mWを実現した。また閾値電流の温度依存性を示す特性温度は135Kと優れた温度特性を示した。
【実施例５】
【００４７】
（障壁層にInGaAsを用いた場合の実施例）
実施例１では障壁層にGaAsを用いた場合を示したが、インジウムを少量導入したInGaAsにおいても、障壁層のIn組成が基板のIn組成より少なければ、歪補償構造としての効果を持っている。
また低温で結晶成長を行う際に3元の結晶ではしばしば問題となる相分離の問題があるが、In組成が0.1より小さいInGaAsであれば、ミシビリティギャップの影響をほとんど受けないため、2元のGaAsと同様に、安定した結晶成長が可能となる。またGaAsに少量のInを添加することによる転位の混入抑制という効果もある。また、障壁層のIn組成が基板のIn組成より少なければ少ないほど、InGaAsのバンドギャップは大きくなるため、伝導帯のバンドオフセットは大きくなり、量子井戸の伝導帯における電子の閉じ込め効果は大きくなる。この効果は実施例１，３，４と同様に、キャリアオーバーフローを抑制し、レーザの温度特性の向上に効果がある。例えばIn組成が0.1のInGaAs基板上の量子井戸に障壁層として、In組成が0.02のInGaAsを用い、量子井戸には波長1.3μｍの発光を実現するIn組成が0.5のInGaAsを用いたIn0.02Ga0.98As ／In0.5Ga0.5As量子井戸では伝導帯のバンドオフセットは333 meVとなる。これは格子整合の障壁層を用いたIn0.1Ga0.9As ／In0.5Ga0.5As量子井戸の伝導帯バンドオフセットの252meVと比較すると大きな値となる。ここでＩｎ組成0.02を用いたが、In組成0.05以下であればバンドオフセットも十分大きく有効である。
【００４８】
この実施例の構造図を図１１に示す。n-In0.1Ga0.9As 基板１上に成長温度700℃、成長圧力76TorrにてSiをドープしたn-In0.1Ga0.9Asバッファー層を成長し、さらにSiを5x1017ドープしたn-In0.58Ga0.42Pクラッド層２を1.5μmの厚さに成長した。その上に活性層として、InGaAs歪補償障壁層を配した歪量子井戸構造αを成長温度550℃で成長した。厚さ10nmの量子井戸層４，６，８の両側に、In0.02Ga0.98As 歪補償障壁層３′′′，５′′′，７′′′，９′′′を配する。In0.02Ga0.98As歪補償障壁層３′′′，５′′′，７′′′，９′′′は厚さがそれぞれ15nmである。これらを3周期とした３層量子井戸活性層である。量子井戸層には1.3 μm発光が可能となる組成であるIn0.5Ga0.5Asを用いた。
【００４９】
歪量子井戸構造の上に40nmの厚さのノンドープのInGaAsP光閉じ込め層を成長し、回折格子を形成し、その上に亜鉛を1x1018 (cm-3)ドープしたp-InGaPを成長する。ここで、スパッタリングによりSiO2を堆積し、フォトリソグラフィ技術によりストライプ状のマスクを形成し、これをマスクとしてRIE(反応性イオンエッチング)により、幅２μｍで高さ1.5μｍ程度のメサストライプを形成した。引き続き、メサストライプの両側の基板上に、MOVPE法により電流ブロック層として、RuドープのInGaP層を層厚３μｍ成長させた。Ruの原料として、ビスエチルシクロペンタディエニルルテニウムbis(ethylcyclopentadienyl) ruthenium(II) を用いた。更に、SiO2からなるマスクをHFにより除去し、層厚２μｍでZnドーピング濃度が5x1017 (cm-3)  であるｐ−In0.58Ga0.42P オーバークラッド層１０を成長した。その上にp型に2x1019 (cm-3)ドープした厚さ100nmの In0.1Ga0.9Asコンタクト層１１を成長した。
【００５０】
作製したレーザは、発振波長が1.3μｍであり、閾値電流密度300A/cm2、光出力は室温で20mW、85℃で15mWを実現した。また閾値電流の温度依存性を示す特性温度は140Kと優れた温度特性を示した。
【実施例６】
【００５１】
（EA変調器への適用例）
電界吸収変調器にこの歪補償構造は適用できる。電界吸収変調器に量子井戸構造を用いると量子閉じ込めシュタルク効果が利用できる。この効果は量子井戸に垂直に電界を印加することにより、電子と正孔が対になった励起子による光吸収ピークが変化し、小さい印加電圧においても大きな吸収係数変化をもたらすものである。
【００５２】
図１２に示すように、InGaAs基板２１上に電界吸収型光変調器を作製した。n-In0.1Ga0.9As 基板２１上にSiをドープしたn-In0.1Ga0.9Asバッファー層を成長し、さらにSiを5x1017(cm-3)ドープしたn-In0.58Ga0.42Pクラッド層２２を1.5μmの厚さに成長し、その上に光吸収層構造を成長する。活性層は、InGaAs圧縮歪量子井戸層の両側に、引張り歪となるAlAs障壁層を配した歪量子井戸構造（量子井戸層）２３である。AlAs歪補償層は厚さが10nmである。これらを6周期とした6層量子井戸光吸収層である。量子井戸層２３は波長1.3 μmの光の吸収係数を制御するのに最適な離調量を持った利得波長をもつ組成であるIn0.4Ga0.6Asを用いた。量子井戸の厚さは10nmとし、歪量子井戸構造の上に亜鉛を5x1017(cm-3)ドープしたｐ−In0.58Ga0.42P クラッド層２４を1.5μｍの厚さに成長し、その上にp型に2x1019(cm-3)ドープした厚さ100nmの In0.1Ga0.9Asコンタクト層２５を成長する。この成長後のウェハをリッジ型へ加工することにより、波長1.3μmの光を制御する電界吸収型変調器を作製した。
なお、図１２において、２６はポリイミド埋め込み層、２７はｎ電極、２８はｐ電極である。
【００５３】
InGaAsPを用いた電界吸収型変調器では、伝導帯と価電子帯のバンドオフセットが４：６であるため、伝導帯のバンドオフセットが小さく、キャリアの閉じ込めを十分に確保することができず、高温の環境下において十分な消光比を得ることができず、結果として変調時の印加電圧を増大させる問題があった。この実施例の変調器では伝導帯と価電子帯のバンドオフセット比が6.5：3.5であり、またAlAsとInGaAsのバンドギャップ差が大きいという特徴があり、伝導帯のバンドオフセットは730meVと大きな値となる。これによりキャリア閉じ込めを十分に確保することが可能となり、駆動電圧の低減と、環境温度にも左右されにくい変調器を実現した。この例では波長1.3μｍ用の電界吸収型変調器を示したが、基板のIn組成を増やしたIn0.3Ga0.7As 基板を用いることで、波長1.55μｍ用の電界吸収型変調器を作製することも可能である。
【実施例７】
【００５４】
（EA-DFBへの適用例）
実施例６では電界吸収型光変調器についての例を述べたが、この変調器と分布帰還型半導体レーザ（DFB-LD）をモノリシック集積したEA-DFBレーザにも適用することができる。
【００５５】
図１３は、電界吸収型（ＥＡ）光変調器２０と分布帰還型半導体レーザ（DFB-LD）をモノリシック集積したEA-DFBレーザである。
【００５６】
まず分布帰還形半導体レーザ部の構成はn-In0.1Ga0.9As 基板２１上にSiをドープしたn-In0.1Ga0.9Asバッファー層を成長し、さらにSiを5x1017(cm-3)ドープしたn-In0.58Ga0.42Pクラッド層３２を1.5μmの厚さに成長し、その上に40nmの厚さのノンドープのInGaAsPガイド層３１を導入する。その上に活性層構造を成長する。活性層は、InGaAs圧縮歪量子井戸層の両側に、引張り歪となるGaAs障壁層を配した歪量子井戸構造（量子井戸層）３３である。GaAs歪補償層は厚さが15nmである。これらを3周期とした３層量子井戸活性層である。量子井戸層３３は波長1.3 μmで発振させるためIn0.5Ga0.5Asを用いた。量子井戸層の厚さは10nmとした。この上に40nmの厚さのノンドープのInGaAsPガイド層３９を成長し、回折格子を形成し、その上をInGaPクラッド層３４で埋め込む。
なお、３５はIn0.1Ga0.9Asコンタクト層、３８はｐ電極である。
【００５７】
この半導体レーザ３０の部分と、後述するＥＡ光変調器２０の部分を結合させるため、バットジョイント技術を用いる。このレーザ構造成長層の上にマスクをつけ、ドライエッチングおよびウェットエッチングにより幅15μｍ、長さ400μｍの領域のみ量子井戸活性層を有する島形状を形成する。その状態で変調器構造を成長することにより、レーザのメサ部分の周りに変調器構造が成長され、集積化される。
【００５８】
電界吸収型光変調器２０の部分の構成はInGaAs圧縮歪量子井戸層の両側に、引張り歪となるAl0.8Ga0.2As障壁層を配した歪量子井戸構造（量子井戸層）２３である。Al0.8Ga0.2As歪補償層は厚さが10nmである。これらを6周期とした6層量子井戸光吸収層である。
【００５９】
量子井戸層は波長1.3 μmの光の吸収係数を制御するのに最適な離調量を持った利得波長をもつ組成であるIn0.4Ga0.6Asを用い、厚さは10nmとした。バットジョイント成長の後に、マスクを除去し、亜鉛を5x1017(cm-3)ドープしたｐ−In0.58Ga0.42P クラッド層２４を1.5μｍの厚さに成長し、その上にp型に2x1019(cm-3)ドープした厚さ100nmの In0.1Ga0.9Asコンタクト層２５を成長する。この上に幅２μm程度のマスクを形成し、ドライエッチングおよびウェットエッチングにより幅2μｍ、高さ3μｍ程度のメサストライプを形成する。この両脇をポリイミドで埋め込み、基板を研磨後に上下に電極２７，２８を形成する。また、電気的な絶縁を行うため、レーザ部と変調器部の間のInGaAsコンタクト層は除去する。
【００６０】
このEA-DFBレーザは閾値電流20mA、特性温度100K、消光比は30dB以上で高温下においても、レーザの閾値電流の変動が小さく、安定した動作を実現した。
【実施例８】
【００６１】
(フェースダウン実装半導体レーザ)
本実施例では半導体レーザを実装したモジュールについて説明する。本実施例では、図１４に示すように、実施例１で作製した半導体レーザを成長面を下にしたジャンクションダウンでヒートシンク４０上にダイボンディングした。これにより2元のGaAs基板やInP基板に比べ放熱の悪い3元基板を用いた場合において、成長面側からヒートシンク側への効率よく、放熱させることができる。このようにマウントしたジャンクションダウン型レーザでは、従来のジャンクションアップ型に比べて、最高発振温度が20℃上昇した。
【実施例９】
【００６２】
以上全ての実施例において、以下に述べる構成を採用することもできる。
【００６３】
まず、電界吸収型光変調器およびレーザの量子井戸には上記のInGaAsの他に、GaInNAsやInGaAsP、InGaAlAsなどを用いることができる。
【００６４】
また、障壁層においては、基板であるInGaAsのIn組成が0.1の時に障壁層としてGaAsを用いる場合にGaAsの引っ張り歪の歪量は0.7%程度であり、基板であるInGaAsのIn組成が0.2の時に障壁層としてGaAsを用いる場合にGaAsの引っ張り歪の歪量は1.5%程度であり、障壁層としては歪量が1.5%以下である場合が有効である。
また障壁層の材料は上記の他に、InGaAlAs,GaNAs,GaInNAs,GaAsPなどを用いることができる。
【００６５】
クラッド層に用いる材料としては、InGaPのほかに、大きなバンドギャップを有するInAlAs、InGaAlAs、InAlP、InGaAlPなどを用いることも可能である。
【００６６】
半導体結晶InxGa1-xAsからなる基板１の組成比ｘは0<x≦0.2の範囲にあればよい。
【００６７】
また通常の半導体レーザ構造と同様に、クラッド層と量子井戸構造の間に光閉じ込め層として、１００ｎｍ程度のAlGaInAs層やInGaAsP層を導入することで、より効率的に光増幅が行われ閾値低減が可能となる。
【００６８】
また実施例６では絶縁体のポリイミドで埋め込んだが、BCBでの埋め込みやFeやRuをドーピングしたInGaPやInAlAsなどの半絶縁の半導体で埋め込むこともできる。
【００６９】
また歪量子井戸構造の発光波長を、１．１〜１．６μｍとすれば、各実施例を良好に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明にかかる実施例１の要部を示す断面図である。
【図２】図１に対応する量子井戸活性層のIn組成変化を示す図である。
【図３】InGaAs基板上歪量子井戸の波長と歪の関係を示す特性図である。
【図４】In組成0.1のInGaAs基板上のInGaAs量子井戸のフォトルミネッセンススペクトルの歪補償有無の比較図である。
【図５】実施例２のInGaAs基板上垂直共振面発光レーザを示す構造図である。
【図６】活性層周辺の温度分布のバリア構造による違いの比較説明図である。
【図７】本発明にかかる実施例３の要部を示す断面図である。
【図８】図７に対応する量子井戸活性層のIn組成変化を示す図である。
【図９】本発明にかかる実施例４の要部を示す断面図である。
【図１０】図９に対応する量子井戸活性層のIn組成変化を示す図である。
【図１１】本発明にかかる実施例５の要部を示す断面図である。
【図１２】本発明の実施例６に係るＥＡ変調器を示す構成図である。
【図１３】本発明の実施例７に係るＥＡ−ＤＦＢレーザを示す構成図である。
【図１４】本発明の実施例８に係るフェースダウン実装半導体レーザを示す構成図である。
【図１５】ＩｎＧａＡｓ基板上歪量子井戸の波長と歪の関係を示す説明図である。
【図１６】ＩｎＧａＡｓ３元混晶の熱抵抗のＩｎ組成依存性を示す特性図である。
【符号の説明】
【００７１】
１  n-InGaAs基板
２  n-InGaPクラッド層
３，５，７，９  InGaAs/GaAs障壁層
４，６，８  InGaAs量子井戸層
10  ｐ−InGaP クラッド層
１１  コンタクト層
１２  ｐ電極
１３  ｎ電極
１４  ＩｎＧａＡｓ層
１５  ＩｎＡｌＡｓ層
２０  ＥＡ光変調器
２１  InGaAs基板
２２，３２  n-InGaPクラッド層
２３，３３  InGaAs/AlAs量子井戸層
２４，３４  p-InGaPクラッド層
２５，３５  p-InGaAsコンタクト層
２６  ポリイミド埋め込み層
２７  n電極
２８，３８  p電極
３０  分布帰還型半導体レーザ
３１  InGaAsPガイド層
４０  ヒートシンク
α  歪量子井戸構造
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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