(57)【要約】【課題】優れた温度特性が期待されるＩｎＧａＡｓ３元基板上の歪量子井戸構造の結晶性の向上と熱抵抗の低減を図り、この歪量子井戸構造を適用した高温動作特性に優れる埋め込み型光半導体装置及び光半導体モジュールを提供する。【解決手段】例えば３元混晶の半導体結晶In(x)Ga(1-x)Asからなる基板１の上に活性層として成長された歪量子井戸構造αとｐ型半導体層であるp‐InGaPクラッド層１０を含む積層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αの両側を半導体結晶のRu‐InGaP埋め込み層１５により埋め込まれた半導体レーザなどの光半導体装置において、前記歪量子井戸構造αは、圧縮歪量子井戸層４，６，８と、歪量が０より大きく１．５％以下である引っ張り歪障壁層３，５，７，９とからなる構成とする。また、前記ｐ型半導体層のｐ型ドーパントとして炭素を用いる。また、前記積層構造側の面がヒートシンクに接する構造とする。【選択図】図５
2008211141.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成長された歪量子井戸構造とｐ型半導体層を含む積層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光半導体装置において、
前記歪量子井戸構造は、圧縮歪量子井戸層と、歪量が０より大きく１．５％以下である引っ張り歪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成長された歪量子井戸構造とｐ型半導体層を含む積層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光半導体装置において、
前記ｐ型半導体層が、ｐ型ドーパントとして炭素がドーピングされていることを特徴とする光半導体装置。
【請求項３】
前記ｐ型半導体層が、ｐ型ドーパントとして炭素がドーピングさ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４】
前記ｐ型半導体層の材料が、ＩｎＡｌＡｓであることを特徴とする請求項２又は請求項３記載の光半導体装置。
【請求項５】
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請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の光半導体装置。
【請求項６】
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請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の光半導体装置。
【請求項７】
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６記載の光半導体装置。
【請求項８】
前記In(z)Ga(1-z)Asの組成比zが、前記In(y)Ga(1-y)Asの組成比yよりも大きいことを特徴とする請求項７記載の光半導体装置。
【請求項９】
前記半導体結晶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８の何れか１項に記載の光半導体装置。
【請求項１０】
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９の何れか１項に記載の光半導体装置。
【請求項１１】
前記圧縮歪量子井戸層の材料が、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰの何れか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１項に記載の光半導体装置。
【請求項１２】
前記歪量子井戸構造の両側を埋め込む前記半導体結晶が、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１１の何れか一項の光半導体装置。
【請求項１３】
前記歪量子井戸構造の両側を埋め込む半導体結晶が、Ｒｕがドープされている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１２の何れか１項に記載の光半導体装置。
【請求項１４】
請求項１乃至請求項１３の何れか１項に記載の光半導体装置を有し、
この光半導体装置における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】
本発明は半導体レーザなどの光半導体装置及び光半導体モジュールに関する。
【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、閾値電流の増加、効率の低下が引き起こされる。閾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。（非特許文献１）
【０００７】
図１０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。
【０００８】
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。
【０００９】
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７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。
【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】Peter S,Zory,Jr、「Quantum Well Lasers」、Academic Press、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。
【００１２】
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元基板上の歪量子井戸構造の結晶性の向上と熱抵抗の低減を図り、この歪量子井戸構造を適用した高温動作特性に優れる埋め込み型光半導体装置及び光半導体モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成する第１発明の光半導体装置は、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成長された歪量子井戸構造とｐ型半導体層を含む積層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光半導体装置において、
前記歪量子井戸構造は、圧縮歪量子井戸層と、歪量が０より大きく１．５％以下である引っ張り歪障壁層とからなることを特徴とする。
【００１４】
また、第２発明の光半導体装置は、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成長された歪量子井戸構造とｐ型半導体層を含む積層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光半導体装置において、
前記ｐ型半導体層が、ｐ型ドーパントとして炭素がドーピングされていることを特徴とする。
【００１５】
また、第３発明の光半導体装置は、第１発明の光半導体装置において、
前記ｐ型半導体層が、ｐ型ドーパントとして炭素がドーピングされていることを特徴とする。
【００１６】
また、第４発明の光半導体装置は、第２又は第３発明の光半導体装置において、
前記ｐ型半導体層の材料が、ＩｎＡｌＡｓであることを特徴とする。
【００１７】
また、第５発明の光半導体装置は、第１発明乃至第４発明の何れかの光半導体装置において、
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。
【００１８】
また、第６発明の光半導体装置は、第１発明乃至第４発明の何れかの光半導体装置において、
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。
【００１９】
また、第７発明の光半導体装置は、第６発明の光半導体装置において、
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。
【００２０】
また、第８発明の光半導体装置は、第７発明の光半導体装置において、
前記In(z)Ga(1-z)Asの組成比zが、前記In(y)Ga(1-y)Asの組成比yよりも大きいことを特徴とする。
【００２１】
また、第９発明の光半導体装置は、第１発明乃至第８発明の何れかの光半導体装置において、
前記半導体結晶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。
【００２２】
また、第１０発明の光半導体装置は、第１発明乃至第９発明の何れかの光半導体装置において、
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。
【００２３】
また、第１１発明の光半導体装置は、第１発明乃至第１０発明の何れかの光半導体装置において、
前記圧縮歪量子井戸層の材料が、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰの何れかであることを特徴とする。
【００２４】
また、第１２発明の光半導体装置は、第１発明乃至第１１発明の何れかの光半導体装置において、
前記歪量子井戸構造の両側を埋め込む前記半導体結晶が、半絶縁性半導体結晶であることを特徴とする。
【００２５】
また、第１３発明の光半導体装置は、第１発明乃至第１２発明の何れかの光半導体装置において、
前記歪量子井戸構造の両側を埋め込む半導体結晶が、Ｒｕがドープされている半絶縁性半導体結晶であることを特徴とする。
【００２６】
また、第１４発明の光半導体モジュールは、第１発明乃至第１３発明の何れかの光半導体装置を有し、
この光半導体装置における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】
【００２７】
本発明の光半導体装置及び光半導体モジュールによれば、歪量子井戸構造が、圧縮歪量子井戸層と、歪量が０より大きく１．５％以下である引っ張り歪障壁層とからなることや、ｐ型半導体層のｐ型ドーパントとして炭素を用いること等により、高温動作特性に優れた埋め込み型の光半導体装置及び光半導体モジュールを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下では本発明の実施例を図面に基づき詳細に説明する。
［実施例１］
(Ru-InGaP埋め込みDFB-LD)
本発明の実施例１を図１〜図５に基づいて説明する。
【００２９】
実施例１は図１及び図５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での直接変調型の分布帰還形半導体レーザ（DFB-LD）を実現するための構造である。
層の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。
【００３０】
図１及び図５に示すように、この基板１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5×1017(cm-3)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、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。
【００３１】
更に詳述すると、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。即ち、In0.1Ga0.9As障壁層はInGaAs/GaAs歪補償障壁層３，５，７，９と圧縮歪量子井戸層４，６，８の界面側に配する。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。活性層は、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 m発光が可能となる組成であるIn0.5Ga0.5Asを用いた。
【００３２】
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３の中ではGaAsの臨界膜厚10nmとなるIn組成は0.2程度であるため、InGaAs基板のIn組成は0.2を上限にする必要がある。
【００３３】
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）
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。更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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
図１及び図５に基づいて更に説明を続けると、これらの図に示すように歪量子井戸構造αの上に40nmの厚さのノンドープのInGaAsPガイド層１４を成長し、回折格子を形成し、その上に亜鉛を1×1018 (cm-3)ドープしたp-InGaPクラッド層１０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1.6μｍ程度のメサストライプを形成した。
【００３７】
引き続き、メサストライプの両側の基板１上に、MOVPE法により電流ブロック層として、RuドープのInGaP埋め込み層１５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1.5μｍでZnドーピング濃度が5×1017 (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2×1019 (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。
【００３８】
活性層以外の化合物半導体は特に断らない限り、In0.1Ga0.9As基板１に格子整合する組成である。この成長後のウェハにｐ電極１２と、ｎ電極１３を形成した。
【００３９】
こうして作製した半導体レーザは、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150Kと優れた温度特性を示した。
【００４０】
［実施例２］
(Fe-InGaP埋め込みDFB-LD)
実施例２は３元基板上InGaAsレーザ構造において、波長1.3μｍでの直接変調型の分布帰還形半導体レーザ（DFB-LD）を実現するための構造である。図６に本実施例２の構造図を示す。
層の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。
【００４１】
図６に示すように、この基板１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、更にSiを5×1017(cm-3)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、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。
【００４２】
更に詳述すると、厚さ8nmの量子井戸層４，６，８の両側に、In0.1Ga0.9As障壁層を配し、更に、GaAs歪補償障壁層を配する。即ち、In0.1Ga0.9As障壁層はInGaAs/GaAs歪補償障壁層３，５，７，９と圧縮歪量子井戸層４，６，８の界面側に配する。GaAs歪補償障壁層は厚さが10nmであり、In0.1Ga0.9As障壁層の間に配する。活性層は、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 m発光が可能となる組成であるIn0.5Ga0.5Asを用いた。
【００４３】
図６に基づいて更に説明を続けると、歪量子井戸構造αの上に40nmの厚さのノンドープのInGaAsPガイド層１４を成長し、回折格子を形成し、その上に亜鉛を1×1018 (cm-3)ドープしたp-InGaPクラッド層１０を成長する。ここで、SiO2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2.5μｍ程度のメサストライプを形成した。
【００４４】
引き続き、メサストライプの両側の基板１上に、MOVPE法により電流ブロック層として、FeドープのInGaP埋め込み層２１を層厚2μｍ成長させ、更にSi を1×1018(cm-3)ドープしたn-InGaP層２２を層厚0.5 μｍ成長させた。更に、SiO2からなるマスクを除去し、層厚1.5μｍでZnドーピング濃度が5×1017 (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2×1019 (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。
【００４５】
活性層以外の化合物半導体は特に断らない限り、In0.1Ga0.9As基板１に格子整合する組成である。この成長後のウェハにｐ電極１２と、ｎ電極１３を形成した。
【００４６】
こうして作製した半導体レーザは、発振波長が1.29μｍであり、閾値電流密度500A/cm2、光出力は室温で15mW、85℃で8mW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。
【００４７】
［実施例３］
(Ru-InAlAs埋め込みDFB-LD)
実施例３は３元基板上InGaAsレーザ構造において、波長1.3μｍでの直接変調型の分布帰還形半導体レーザ（DFB-LD）を実現するための構造である。図７に本実施例３の構造図を示す。
層の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0.15のn-In0.15Ga0.85As 基板である。
【００４８】
図７に示すように、この基板１の上に成長温度700℃、成長圧力76TorrにてSiをドープしたn-In0.15Ga0.85Asバッファー層を成長し、更にSiを5×1017(cm-3)ドープしたn-InAlAsクラッド層３１を1.0μmの厚さに成長した。その上に活性層として、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。
【００４９】
更に詳述すると、厚さ10nmの量子井戸層４，６，８の両側に、厚さ5nmのIn0.15Ga0.85As 障壁層を配し、更にGaAs歪補償障壁層を配する（図２参照）。即ち、In0.15Ga0.85As障壁層はInGaAs/GaAs歪補償障壁層３，５，７，９と圧縮歪量子井戸層４，６，８の界面側に配する。GaAs歪補償障壁層は厚さが20nmであり、In0.15Ga0.85As障壁層の間に配する。活性層は、これらを3周期とした３層量子井戸活性層である。量子井戸層はIn0.51Ga0.49Asを用いた。
【００５０】
図７に基づいて更に説明を続けると、歪量子井戸構造αの上に40nmの厚さのノンドープのInGaAsPガイド層１４を成長し、回折格子を形成し、その上に亜鉛を1×1018 (cm-3)ドープしたp- InAlAsクラッド層３２を成長する。ここで、SiO2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。
【００５１】
引き続き、メサストライプの両側の基板１上に、MOVPE法により電流ブロック層として、RuドープのInAlAs埋め込み層３３を層厚2μｍ成長させた。更に、SiO2からなるマスクを除去し、層厚２μｍでZnドーピング濃度が5×1017 (cm-3)  であるｐ−InAlAsクラッド層３２を成長した。その上にp型に2×1019 (cm-3)ドープした厚さ100nmの In0.15Ga0.85Asコンタクト層１１を成長した。
【００５２】
活性層以外の化合物半導体は特に断らない限り、In0.15Ga0.85As基板１に格子整合する組成である。この成長後のウェハにｐ電極１２と、ｎ電極１３を形成した。
【００５３】
こうして作製した半導体レーザは、発振波長が1.32μｍであり、閾値電流密度600A/cm2、光出力は室温で10mW、85℃で5mW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95Kと優れた温度特性を示した。
【００５４】
この実施例３ではInAlAsへのドーピング材料としてRuを用いたがFeを用いることも可能である。
【００５５】
［実施例４］
(Znを使わない埋め込みDFB-LD)
実施例４は３元基板上InGaAsレーザ構造において、波長1.3μｍでの直接変調型の分布帰還形半導体レーザ（DFB-LD）を実現するための構造である。図８に本実施例４の構造図を示す。
層の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。
【００５６】
図８に示すように、この基板１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、更にSiを5×1017(cm-3)ドープしたn-InAlAsクラッド層４１を1.0μmの厚さに成長した。その上に活性層として、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。
【００５７】
更に詳述すると、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（図２参照）。即ち、In0.1Ga0.9As障壁層はInGaAs/GaAs歪補償障壁層３，５，７，９と圧縮歪量子井戸層４，６，８の界面側に配する。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。活性層は、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 m発光が可能となる組成であるIn0.5Ga0.5Asを用いた。
【００５８】
図８に基づいて更に説明を続けると、歪量子井戸構造αの上に40nmの厚さのノンドープのInGaAsPガイド層１４を成長し、回折格子を形成し、その上に炭素を5×1017 (cm-3)ドープしたp-InAlAsクラッド層４２を1.5μｍの層厚まで成長する。炭素ドーピングの材料として、四臭化炭素（CBｒ４）を用いた。ここで、SiO2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3μｍ程度のハイメサストライプを形成した。
【００５９】
引き続き、メサストライプの両側の基板１上に、MOVPE法により電流ブロック層として、FeドープのInAlAs埋め込み層４３を層厚４μｍ成長させた。その後、p-InAlAsクラッド層４２及びFe‐InAlAs層４３の上にp型に2×1019 (cm-3)ドープした厚さ100nmの In0.1Ga0.9Asコンタクト層を成長した。この成長後のウェハにｐ電極１２と、ｎ電極１３を形成した。
【００６０】
p-InAlAsクラッド層４２のドーパントとして、炭素を用いたことで、従来の亜鉛で起きたような拡散の影響が小さくなった。これにより活性層中の光吸収が小さくなり、効率が向上する。また、半絶縁InAlAs層４３中のドーパントである鉄とp-InAlAsクラッド層４２のドーパントである炭素の間では相互拡散が起きないため、従来の鉄と亜鉛で起きたような漏れ電流が少なく、低閾値電流動作を実現した。
【００６１】
活性層以外の化合物半導体は特に断らない限り、In0.1Ga0.9As基板１に格子整合する組成である。
【００６２】
こうして作製した半導体レーザは、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120Kと優れた温度特性を示した。
【００６３】
［実施例５］
(フェースダウン実装Ru-InGaP埋め込みDFB-LD)
実施例５は３元基板上InGaAsレーザ構造において、波長1.3μｍでの直接変調型の分布帰還形半導体レーザ（DFB-LD）を実現するための構造である。図９に本実施例５の構造図を示す。
層の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。
【００６４】
図９に示すように、この基板１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5×1017(cm-3)ドープしたn-In0.58Ga0.42Pクラッド層２を1.0μmの厚さに成長した。その上に活性層として、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。
【００６５】
更に詳述すると、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（図２参照）。即ち、In0.1Ga0.9As障壁層はInGaAs/GaAs歪補償障壁層３，５，７，９と圧縮歪量子井戸層４，６，８の界面側に配する。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。活性層は、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 m発光が可能となる組成であるIn0.5Ga0.5Asを用いた。
【００６６】
図９に基づいて更に説明を続けると、歪量子井戸構造αの上に40nmの厚さのノンドープのInGaAsPガイド層１４を成長し、回折格子を形成し、その上に亜鉛を1×1018 (cm-3)ドープしたp-InGaPクラッド層１０を成長する。ここで、SiO2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2.0μｍ程度のメサストライプを形成した。
【００６７】
引き続き、メサストライプの両側の基板１上に、MOVPE法により電流ブロック層として、RuドープのInGaP埋め込み層１５を層厚2μｍ成長させた。更に、SiO2からなるマスクを除去し、層厚２μｍでZnドーピング濃度が5×1017 (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2×1019 (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。この成長後のウェハにｐ電極１２と、ｎ電極１３を形成した。
【００６８】
活性層以外の化合物半導体は特に断らない限り、In0.1Ga0.9As基板１に格子整合する組成である。
【００６９】
このような方法でレーザ構造の表面を平坦に埋め込んで作製した埋め込みレーザを、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５１上にダイボンディングした。即ち、本光半導体レーザにおける基板１側と反対側の積層構造側の面が、ヒートシンク５１に接している光モジュールを作製した。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。
【００７０】
このように作製した半導体レーザモジュールは、発振波長が1.31μｍであり、閾値電流密度350A/cm2、光出力は室温で30mW、85℃で20mW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170Kと優れた温度特性を示した。
【００７１】
以上全ての実施例において、電界吸収型光変調器および半導体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。
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。
【００７２】
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。
また、クラッド層に用いる材料としては、InGaP、InAlAsのほかに、大きなバンドギャップを有するInGaAlAs、InAlP、InGaAlPなどを用いることも可能である。
また、半導体結晶InxGa1-xAsからなる基板１の組成比ｘは0<x=2の範囲にあればよい。
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。
【００７３】
また、歪量子井戸構造の発光波長が１．１〜１．６μｍであれば、本発明を良好に適用することができる。
また、上記実施例の障壁層は引張り歪みとなる歪補償障壁層としてGaAs歪補償障壁層含むものであるが（図２参照）、これに限定するものではく、GaAs歪補償障壁層に代えてAlAs歪補償障壁層又はAlGaAs歪補償障壁層を含む障壁層であってもよい。
また、InGaAs／GaAs障壁層におけるInGaAsはなくてもよく、GaAsのみからなるものであってもよい。また、InGaAs／GaAs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。但し、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。
また、InGaAs／GaAs障壁層においてGaAsに若干のInが含まれた場合、例えばInGaAs／GaAs障壁層におけるGaAsをIn組成ｙが０より大きく０．０５以下であるIn(y)Ga(1-y)Asに代えた場合でも同様の効果を奏する。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明は光半導体装置及び光半導体モジュールに関に関するものであり、電界吸収型光変調器および半導体レーザなどの光半導体装置や光半導体モジュールに適用して有用なものである。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明の実施例１のRu−InGaP埋め込み半導体レーザの要部断面図である。
【図２】実施例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基板のIn組成とGaAsの臨界膜厚の関係を示す図である。
【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】本発明の実施例１のRu−InGaP埋め込みレーザの構造図である。
【図６】本発明の実施例２のFe−InGaP埋め込みレーザの構造図である。
【図７】本発明の実施例３のRu−InAlAs埋め込みレーザの構造図である。
【図８】本発明の実施例４のFe−InAlAs埋め込みレーザの構造図である。
【図９】本発明の実施例５のRu-InGaP埋め込みレーザのジャンクションダウン実装構造図である。
【図１０】InGaAs基板上歪量子井戸の発光波長と歪量の関係を説明した図である。
【図１１】InGaAs3元混晶の熱抵抗のIn組成依存性の図である。
【符号の説明】
【００７６】
１  n-In0.1Ga0.9As基板，n-In0.15Ga0.85As基板
２  n-In0.58Ga0.42Pクラッド層
３，５，７，９  InGaAs/GaAs障壁層
４，６，８  In0.5Ga0.5As量子井戸層，In0.51Ga0.49As量子井戸層
１０  ｐ−In0.58Ga0.42P クラッド層
１１  コンタクト層
１２  ｐ電極
１３  ｎ電極
１４  InGaAsPガイド層
１５  Ru−InGaP埋め込み層
２１  Fe−InGaP埋め込み層
２２  n-InGaP層
３１  n-InAlAsクラッド層
３２  p- InAlAsクラッド層
３３  Ru−InAlAs埋め込み層
４１  n-InAlAsクラッド層
４２  p-InAlAsクラッド層（カーボンドープ）
４３  FeドープのInAlAs埋め込み層
５１  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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