(57)【要約】【課題】ＩｎＧａＡｌＡｓＰ系多重量子井戸構造埋込みヘテロ構造において、両側面ヘテロ界面における電子キャリアリーク電流を解消し、光出力が飽和しない光半導体装置を提供する。【解決手段】光半導体装置のｎ−ＩｎＧａＡｌＡｓＰ光閉じ込め層２、（Ｉｎ０．９１Ｇａ０．０９）０．８２Ａｌ０．１８ＡｓｚＰ１−ｚバリア層５の伝導帯端位置を、ＩｎＰよりも高くても＋５０ｍｅＶとし、両側面に接触するｐ−ＩｎＰブロック層１１のヘテロ接合ノッチに電子キャリアリーク電流が流れないようにする。同時にウェルの伝導帯端を深くするために、ウェルには圧縮歪Ｉｎ０．９１Ｇａ０．０９ＡｓｚＰ１−ｚウェル層４を採用する。【選択図】図１
2008205094.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウェル層がＩｎＧａＡｓＰでバリア層がＩｎＧａＡｌＡｓＰである多重量子井戸構造の活性層と、
該活性層の負電極側に位置するｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓＰ層と、
該活性層の正電極側に位置するＩｎＧａＡｌＡｓＰまたはＩｎＡｌＡｓＰまたはＩｎＡｌＡｓよりなり、前記バリア層の伝導帯端と等しいあるいは前記バリア層の伝導帯端よりも高い伝導帯端を有するｐ型半導体層と、
該活性層と該ｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓＰ層と該ｐ型半導体層の両側面に位置し、ＩｎＰからなる電流ブロック層とを有し、
該バリア層の伝導帯端が、ＩｎＰの伝導帯端の＋５０ｍｅＶ以下であることを特徴とする光半導体装置。
【請求項２】
前記活性層の負電極側に位置するｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓＰ層の伝導帯端が、ＩｎＰの伝導帯端の＋５０ｍｅＶ以下であることを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
【請求項３】
前記バリア層の伝導帯端が、ＩｎＰの伝導帯端の＋３０ｍｅＶ以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光半導体装置。
【請求項４】
前記バリア層の伝導帯端は、ＩｎＰの伝導帯端の−５０ｍｅＶ以上であることを特徴とする請求項１、請求項２、又は請求項３に記載の光半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバー通信用の光半導体装置に関し、特に埋込みヘテロ構造多重量子井戸光半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバー通信には、大きく分けて基幹系とアクセス系とがあるが、特にアクセス系においては、低コスト化、低消費電力化が強く要求される。半導体レーザダイオード（ＬＤ）をペルチェ素子などで温調すると、消費電力が大幅に増加するため、アクセス系においては、非温調のシステムが採用される場合が多い。また、外部変調器を必要としない、より単純な直接変調方式であることが望ましい。近年では、１．３μｍ帯で非温調、直接変調１０Ｇｂ／ｓの高速通信が実用化されている。このように半導体レーザダイオードを高速に直接変調するために必要となる性能は、緩和振動周波数が十分に高いことである。このような性能を得るための条件は、活性層の微分利得が十分高いことである。光ファイバー通信用途の１．３〜１．５５μｍ帯の長波長帯においては、活性層として、ウェル層、バリア層ともＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体四元混晶であるＩｎＧａＡｓＰを用いた（以下、ＩｎＧａＡｓＰ系という）多重量子井戸構造（ＭＱＷ）が広く使われているが、非温調で１０Ｇｂ／ｓ直接変調を実現するには、高温における微分利得が必ずしも十分ではない。ＩｎＧａＡｓＰ系に対し同じく四元混晶であるＩｎＧａＡｌＡｓ系の方が微分利得が高いため、１０Ｇｂ／ｓ直接変調システムでは、ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＭＱＷ−ＬＤが広く使われるようになってきている。
【０００３】
材料系によるＭＱＷの微分利得の違いは、伝導帯端のバンド不連続（ΔＥｃ）と価電子帯端のバンド不連続（ΔＥｖ）の比（ΔＥｃ／ΔＥｖ）の違いに起因している。高い微分利得を得るための最適条件は、ΔＥｃ／ΔＥｖ＞１にあるが、ＩｎＧａＡｓＰ系ではΔＥｃ／（ΔＥｃ＋ΔＥｖ）＝０．３３〜０．４であるのに対し、ＩｎＧａＡｌＡｓ系ではΔＥｃ／（ΔＥｃ＋ΔＥｖ）〜０．７２であるため、ＩｎＧａＡｌＡｓ系の方が微分利得に優れている。
【０００４】
ΔＥｃが大きいことが望まれる理由は、電子はホールに比べ有効質量が小さいため、量子効果を十分に発揮するためには、なるべく高い障壁によって閉じ込められることが望ましいからである。一方、ホールは、有効質量が大きいため、複数のウェル層に均一に分布するために、障壁高さが低い方が望まれる。
【０００５】
このようなＭＱＷの横方向光閉じ込め構造には、リッジ導波路型構造や、埋込みヘテロ構造（Ｂｕｒｉｅｄ  Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ、略して、ＢＨ）などがある。ＢＨ−ＬＤは、リッジＬＤなどと比べると、活性層の横幅が狭く、活性層の両サイドに配置したブロック層により電流狭窄されるため、活性層のキャリア密度を高くすることができる。このため、発振閾値電流が低く、微分利得も高いという利点が得られる。しかしながら、ＩｎＧａＡｌＡｓ系をＢＨ−ＬＤに適用する場合は、電子キャリアの横方向閉じ込めに注意しなければならない。ＩｎＧａＡｌＡｓ系では、基板材料がＩｎＰであるため、ＩｎＰを電流ブロック層（電流阻止層とも呼ばれる。以下、略してブロック層という。）として用いるが、ＩｎＧａＡｌＡｓバリア層の伝導帯端がＩｎＰブロック層の伝導帯端より高いため、電子がＩｎＰブロック層へ漏れやすく、光出力の低下を招くという問題を生じる。
【０００６】
この問題は以前より知られており、解決手段として、ブロック層に伝導帯端の高い半導体を使うという提案がなされている。この例として特許文献１や特許文献２が挙げられる。これらはブロック層にＩｎＡｌＡｓ層またはＩｎＧａＡｌＡｓ層を用いている。しかし、ブロック層の結晶成長は平坦成長ではないため、結晶方位により組成変動が生じやすい。このため、格子不整による結晶欠陥を発生させ、半導体レーザダイオードの特性においては、リーク電流が増大する問題や、信頼性の悪化が生じる。結晶欠陥を生じさせないように、ＩｎＡｌＡｓ層またはＩｎＧａＡｌＡｓ層の層厚を薄く抑え、残りのブロック層厚をＩｎＰで補う構造とした場合も、Ｉｎ（Ｇａ）ＡｌＡｓ層を相当薄くする必要があるため、結局のところその効果が失われてしまうという問題がある。このような理由により、この提案は商用レベルで実用化されていない。
【０００７】
ＢＨ構造において、バリア層からＩｎＰブロック層へ電子が漏れるという問題は、ＩｎＧａＡｓＰウェル／ＩｎＧａＡｌＡｓＰバリアを用いたＭＱＷ−ＬＤにも共通した問題であると考えられる。特許文献３、４、５が相当するが、この問題について、ＩｎＧａＡｌＡｓ系以上のことは論じられていないからである。ＩｎＧａＡｌＡｓ系に対して、ＩｎＧａＡｓＰウェル／ＩｎＧａＡｌＡｓＰバリアが提案されたのは、Ａｌの酸化の問題を抑制するためである。特に、ＢＨ構造においては、製造工程中にＡｌ系材料がいったん大気露出するという問題がある。Ａｌは極めて酸化しやすく、半導体レーザダイオードの劣化の原因となる。この問題を解決するため、ウェル層をＩｎＧａＡｓＰとして、Ａｌを無くし、バリア層をＩｎＧａＡｌＡｓＰとしてＡｌの比率を減らしているが、ＭＱＷのΔＥｃ／ΔＥｖが高いという特徴においてはＩｎＧａＡｌＡｓ系と共通である。
【０００８】
ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｌＡｓＰ系においても、ＢＨ構造特有のブロック層への電子キャリア漏れの問題を解決していないということを具体的に示す。特許文献３は、ＢＨ構造におけるＩｎＰブロック層との伝導帯端不連続に対して何ら言及していない。また、ＩｎＧａＡｌＡｓＰの組成にしても、バンドラインナップの改善や埋込成長の点からＡｌの比率を０．０５から０．４とだけ非常に広く言及しているのみであり、具体的な組成値と伝導帯端不連続の対応について言及していない。このようなことから、バリア層とＩｎＰブロック層の伝導帯端の関係に伴う、ＢＨ構造特有のキャリア漏れの観点において、その従来技術としているＩｎＧａＡｌＡｓ系以上の知見が付け加えられていないことは明白である。
【０００９】
特許文献４は、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｌＡｓＰ系ＭＱＷ−ＬＤであり、ＢＨ構造特有の設計については述べられていない。具体例として述べられているのはリッジＬＤであり、特に特許文献４の図２では、ｎ−ＩｎＰ基板とＭＱＷの間に、伝導帯端が高いクラッド層を挿入している。このような構造は、リッジＬＤでは問題ないが、ＢＨ構造では不適切な設計である。このようなことから判るように、特許文献４は、ＢＨ構造に対しては何ら示唆するものではない。
【００１０】
特許文献５は、バリア層をＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｌＡｓＰとした基本的な特許である。特許文献５の図１にＢＨ構造が描かれてはいるが、ＢＨ構造特有の電子キャリア漏れの問題については何ら言及されていない。また、ＩｎＧａＡｌＡｓＰに関する具体的な記述は無く、ＩｎＧａＡｌＡｓとＩｎＧａＡｌＡｓＰの違いも全く言及されていない。
【００１１】
以上のことから、ＩｎＧａＡｌＡｓ系、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｌＡｓＰ系にかかわらず、ＢＨ構造において、バリア層とＩｎＰブロック層の伝導帯端不連続に起因した電子のブロック層への漏れの問題は、未だ解決されていないのが現状である。
【００１２】
このようなＩｎＧａＡｌＡｓ系ＢＨ−ＬＤの例を、図２、図７に示す。図２は横断面図であり、図７は、図２のｎ−ＩｎＰ基板１からｐ−ＩｎＰクラッド層９に至る部分のバンドダイアグラム図である。図２に示すように、電流が注入される経路は、ｎ電極側から順に、裏面電極１７、ｎ−ＩｎＰ基板１、ＭＱＷ層３、ｐ−ＩｎＰクラッド層９、ｐ−ＩｎＰ埋込み層１３、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層１４、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１５、表面電極１６から構成されている。ＭＱＷ層３の両側は、下から、ｎ−ＩｎＰ基板１、ｐ−ＩｎＰブロック層１１、ｎ−ＩｎＰブロック層１２、ｐ−ＩｎＰ埋込み層１３となっており、サイリスタ構造が構成されていて、電流注入が阻止される構造となっている。ｐ−ＩｎＰブロック層１１は、鉄やルテニウムなどをドーピングした半絶縁性ＩｎＰとしてもよい。半絶縁性とすれば、素子容量を低減できるので、変調速度が高い用途に適した半導体レーザダイオードを構成できる。
【００１３】
ｎ−ＩｎＰ基板１とｐ−ＩｎＰブロック層１１の間には、ＭＱＷ層３から５μｍ離れた位置に再結合層１０が挿入されている。これは、ブロック層にリークしたキャリアを再結合させて、ブロック層耐圧を向上させる機能を有している。再結合層１０は、ＭＱＷ層３と同じウェル層数のＭＱＷで構成されており、遷移波長はＭＱＷ層３と同等か短波長である。
【００１４】
ｎ−ＩｎＰ基板１からｐ−ＩｎＰクラッド層９に至る詳細な構造を図７に示す。ｎ側から順に、ｎ−ＩｎＰ基板１、ｎ−ＩｎＧａＡｌＡｓ光閉じ込め層２０２、ＭＱＷ層３、ＩｎＧａＡｌＡｓ光閉じ込め層２０６、ｐ−ＩｎＧａＡｌＡｓ光閉じ込め層２０７、ｐ−ＩｎＡｌＡｓクラッド層２０８、ｐ−ＩｎＰクラッド層９から構成されている。ＭＱＷ層３は、１０層で層厚が４．５ｎｍの圧縮歪ＩｎＧａＡｌＡｓウェル層２０４と、層厚７．５ｎｍの引っ張り歪ＩｎＧａＡｌＡｓバリア層２０５から構成されている。ＭＱＷ層３の遷移波長は１．３１μｍである。
【００１５】
ＭＱＷ層３からｐ−ＩｎＰブロック層１１へ電子が漏れやすいかどうかは、ＩｎＰの伝導帯端に対して、引っ張り歪ＩｎＧａＡｌＡｓバリア層２０５の伝導帯端がどれだけ高いかによる。特許文献５の実施例では、発光波長１．５５μｍの例が述べられているが、バリア組成はＩｎ０．４４Ｇａ０．２１Ａｌ０．３５Ａｓであり、ＩｎＰに対して伝導帯端が約１７５ｍｅＶ高い。このため、ｐ−ＩｎＰブロック層１１への電子キャリア漏れが無視できない。また、ｎ−ＩｎＧａＡｌＡｓ光閉じ込め層２０２の組成はＩｎ０．５３Ｇａ０．１７Ａｌ０．３Ａｓでバンドギャップ波長は１．０６μｍであり、ＩｎＰに対して伝導帯端が約９０ｍｅＶ高い。このような場合、ｎ−ＩｎＰ基板１から注入される電子キャリアは、ｎ−ＩｎＧａＡｌＡｓ光閉じ込め層２０２のみならず、伝導帯端の低いｐ−ＩｎＰブロック層１１へも流れ、ＭＱＷ層３への電子キャリア注入が減少するという現象が発生する。
【００１６】
また、特許文献６が述べるところによると、従来、バリア層の組成波長は１．０〜１．０５μｍを中心に検討されていたが、さらに短波長組成がより良いとしている。これらは、上に述べた組成波長１．０６μｍよりバンドギャップが大きいので、ＩｎＰに対するバリア層の伝導帯端の位置は、９０ｍｅＶより高い場合に相当する。
【００１７】
図２、図７に示すように、従来のＩｎＧａＡｌＡｓ系ＢＨ−ＬＤは、次のように製造している。面方位（００１）のｎ−ＩｎＰ基板１上に、［１  −１  ０］方向のストライプ状の選択成長阻止膜を形成し、有機金属気相成長法（以下、ＭＯ−ＶＰＥ）により選択成長を行う。選択成長により形成する層構造は、下から順に、ｎ−ＩｎＧａＡｌＡｓ光閉じ込め層２０２、ＭＱＷ層３、ＩｎＧａＡｌＡｓ光閉じ込め層２０６、ｐ−ＩｎＧａＡｌＡｓ光閉じ込め層２０７、ｐ−ＩｎＡｌＡｓクラッド層２０８、ｐ−ＩｎＰクラッド層９である。ＭＱＷ層３は、１０層で層厚が４．５ｎｍの圧縮歪ＩｎＧａＡｌＡｓウェル層２０４と、層厚７．５ｎｍの引っ張り歪ＩｎＧａＡｌＡｓバリア層２０５から構成されている。再結合層１０は、ＭＱＷ層３と同時に成長されるが、ＭＱＷ層３より短波長組成になる。選択成長の形状は、側面の面方位が（１１１）Ｂ面の台形形状となる。
【００１８】
選択成長後、選択成長部上辺にのみ、誘電体の選択成長阻止膜を形成し、ＭＯ−ＶＰＥにより、ｐ−ＩｎＰブロック層１１、ｎ−ＩｎＰブロック層１２を結晶成長する。その後、誘電体膜を除去して、ｐ−ＩｎＰ埋込み層１３、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層１４、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１５を、ＭＯ−ＶＰＥにより結晶成長する。次に、表面電極１６、裏面電極１７を形成し、最後に、２５０μｍの長さに劈開して共振器を構成し、その前端面と後端面にコーティング膜を施して、半導体レーザダイオードを得ている。
【特許文献１】特開平０９−１２９９６９号公報
【特許文献２】特開２００１−６８７２５号公報
【特許文献３】特許掲載公報第２６６３８８０号
【特許文献４】特許掲載公報第２９１４２１０号
【特許文献５】特開平０８−１７２２４１号公報
【特許文献６】特開２００６−１８６４００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
以上述べた、ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＢＨ−ＬＤでは、ブロック層に電流がリークし、光出力が飽和しやすいという問題がある。半導体レーザダイオードは、高温ほど飽和出力が低下するから、ペルチェ素子などを用いない温調フリー動作において、この問題は重大な律速要因となる。電流リークの原因は、ＭＱＷ層のバリア層の伝導帯端が、ブロック層のＩｎＰの伝導帯端よりかなり高く、電子キャリアがリークしやすいからである。ブロック層をｐ型とすれば、伝導帯端は上がるが、図８に示すように、伝導帯端不連続によるノッチは解消されることがない。このノッチを通って電子キャリアが流れると、ｎ−ＩｎＰブロック層１２に電子キャリアが蓄積していき、ｎ−ＩｎＰブロック層１２のホールに対するブロック機能も低下して、サイリスタ構造を電流が流れるようになる。
【００２０】
バリア層のバンドギャップを小さくし、伝導帯端を下げれば、この問題は解消に向かうが、ＭＱＷ層のウェル／バリア間伝導帯端不連続が小さくなるため、緩和振動周波数が低下し、高速変調が不可能になるという別の問題が発生する。
【００２１】
これまで、ＩｎＧａＡｌＡｓ系、ＩｎＧａＡｌＡｓＰ系にかかわらず、この問題の解決策としては、ブロック層をＩｎＡｌＡｓまたはＩｎＧａＡｌＡｓとして伝導帯端を上げるという解決策が提案されているが、平坦面成長でないため、組成ばらつきによる格子不整が発生し、このため結晶欠陥が生じるという問題を有している。現在に至るまで、このような手法で、実使用に耐える信頼性を有した半導体レーザダイオードは得られていない。
【００２２】
ブロック層をＩｎＰとしたままで、この問題を解決する設計論を展開した例はこれまで存在しない。
【００２３】
また、別の問題点は、ウェル層の両側面の障壁であるＩｎＰブロック層の伝導帯端が低いため、ウェルの横方向の電子キャリア閉じ込めが弱いということである。これも光出力の低下を招く。
【００２４】
本発明の目的は、高速変調可能で、電流対光出力特性の飽和が小さく、高温まで低電流で動作させることができる光半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
本発明の光半導体装置は、
ウェル層がＩｎＧａＡｓＰでバリア層がＩｎＧａＡｌＡｓＰである多重量子井戸構造の活性層と、
該活性層の負電極側に位置するｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓＰ層と、
前記活性層の正電極側に位置するＩｎＧａＡｌＡｓＰまたはＩｎＡｌＡｓＰまたはＩｎＡｌＡｓよりなり、前記バリア層の伝導帯端と等しいあるいは前記バリア層の伝導帯端よりも高い伝導帯端を有するｐ型半導体層と、
前記活性層と前記ｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓＰ層と前記ｐ型半導体層の両側面に位置し、ＩｎＰからなるブロック層とを有し、
前記バリア層（図１の（Ｉｎ０．９１Ｇａ０．０９）０．８２Ａｌ０．１８ＡｓｚＰ１−ｚバリア層５）の伝導帯端が、ＩｎＰ（図２のｐ−ＩｎＰブロック層１１）の伝導帯端の＋５０ｍｅＶ以下であることを特徴とする。
【００２６】
また、前記活性層の負電極側に位置するｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓＰ層（図１のｎ−ＩｎＧａＡｌＡｓＰ光閉じ込め層２）の伝導帯端も、ＩｎＰの伝導帯端の＋５０ｍｅＶ以下である。
【００２７】
より好ましくは、前記バリア層の伝導帯端は、ＩｎＰの伝導帯端の＋３０ｍｅＶ以下であり、また、前記バリア層の伝導帯端が、ＩｎＰの伝導帯端の−５０ｍｅＶ以上である。
【発明の効果】
【００２８】
第１の効果は、バリア層の伝導帯端、ｎ側光閉じ込め層の伝導帯端をＩｎＰブロック層の伝導帯端よりも、高くても＋５０ｍｅＶ、あるいはそれよりも低くすることで、電子キャリアの漏れを防止し、光出力特性の向上を実現した光半導体装置を提供することができる。
【００２９】
第２の効果は、上記に付随して、ウェル層の横方向の障壁が高くなることから、ウェルの電子キャリア閉じ込め効果が良好となり、微分利得の向上、緩和振動周波数の向上、変調速度の向上を実現した光半導体装置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】
【００３０】
［作用］
本発明の伝導帯端の斜視図を図４−１に、従来の伝導帯端の斜視図を図４−２、図４−３に示す。図４−１は、ウェル層がＩｎＧａＡｓＰで、バリア層がＩｎＧａＡｌＡｓＰ層である。図４−２は、光閉じ込め層、バリア層、ウェル層がすべてＩｎＧａＡｓＰの場合である。図４−３は、光閉じ込め層、バリア層、ウェル層がすべてＩｎＧａＡｌＡｓの場合である。ウェル層の伝導帯端は、図４−１と図４−２でほぼ等しく、図４−３では高くなっている。同じバンドギャップのＩｎＧａＡｓＰとＩｎＧａＡｌＡｓを比べると、ＩｎＧａＡｌＡｓの方が伝導帯端が高いからである。バリア層の高さは、図４−３、図４−１、図４−２の順で低くなっている。バリア層とウェル層の伝導帯端の差は、図４−３と図４−１でほぼ等しく、図４−２は小さい。
【００３１】
ＭＱＷからＩｎＰブロック層への電子キャリア漏れの観点では、バリア層の伝導帯端は低ければ低いほど良い。しかし、図８に示すようなノッチが解消されれば、ブロック層の伝導帯端はドーピングによりある程度制御可能なので、バリア層の伝導帯端は、ＩｎＰの伝導帯端程度までに下がれば十分である。一方、緩和振動周波数の観点では、ウェル／バリア間の伝導帯端不連続は大きいほどよい。このためには、ウェル層の伝導帯端位置はなるべく低く、バリア層の伝導帯端位置は、なるべく高いことが望ましい。
【００３２】
上記２つの観点の要請を満たすためには、ウェル層の伝導帯端をなるべく低く、バリア層の伝導帯端をＩｎＰの伝導帯端程度とすればよい。図４−１、図４−２、図４−３を比較して、この条件に合致するのが、図４−１である。本発明は、ウェル／バリア間の伝導帯端バンド不連続を高くとりつつ、バリア層からＩｎＰブロック層への電子キャリアの漏れを防止することができる唯一の構成である。
【００３３】
このように、本発明で、ウェルとしてＩｎＧａＡｌＡｓの代わりにＩｎＧａＡｓＰを採用しているのは、ウェルが深くなるからであるが、ウェルをＩｎＧａＡｓＰとした時、バリアにＩｎＧａＡｌＡｓＰを採用してＩｎＧａＡｌＡｓを採用しない理由について述べる。それは、バリアにＩｎＧａＡｌＡｓを用いてＩｎＧａＡｓＰウェルと組み合わせると、ウェル／バリア間の価電子対端不連続が小さくなりすぎて、今度はホールのウェル閉じ込めが十分でなくなるからである。ＩｎＧａＡｌＡｓの伝導帯端をＩｎＰまで下げようとすると、バンドギャップ波長を１．１μｍ以上に長くする必要があり、このために、ＩｎＧａＡｓＰウェルとの価電子帯不連続が小さくなる。また、バリア層のバンドギャップ波長が長いと、バリア層での光吸収損失が増加し、光出力が低下するという不利益も被る。これに対しＩｎＧａＡｌＡｓＰバリアでは、バンドギャップ波長は１．０５μｍ程度の短波長となるため、バリアにおける光吸収損失は無視できる上に、ＩｎＧａＡｓＰウェルと組み合わせた時の価電子帯端不連続は、ＩｎＧａＡｓＰのように深くなく、ＩｎＧａＡｌＡｓのように浅過ぎない、適切なレベルの深さに設計することができる。
【００３４】
ＩｎＧａＡｓＰ系の図４−２について補足する。バリア層をバンドギャップの大きい組成にすれば、ウェル／バリア間の伝導帯端不連続ΔＥｃを大きくとれる。しかしこの場合、同時に価電子帯端不連続ΔＥｖも大きくなるので、ＩｎＧａＡｓＰ系は、バリア層のバンドギャップをある程度以上大きくできないという制限がある。この制限に沿って、図４−２は描かれている。この制限の起源は、ＩｎＧａＡｓＰ系のΔＥｃ／ΔＥｖが、ＩｎＧａＡｌＡｓ系やＩｎＧａＡｌＡｓＰ系に対して小さいということにある。つまり、ＩｎＧａＡｓＰ系に対して、ＩｎＧａＡｌＡｓ系やＩｎＧａＡｌＡｓＰ系は、ΔＥｃ／ΔＥｖが大きいので、ΔＥｃを大きくすることができるのである。
【００３５】
以上、ＩｎＧａＡｓＰウェル／ＩｎＧａＡｌＡｓＰバリアの構成が優れており、バリア層の伝導帯端は、ＩｎＰの伝導帯端と同程度であればよいことを述べた。次に、どの程度バリアとＩｎＰの伝導帯端を近くすればよいかについて述べる。
【００３６】
バリア層の伝導帯端がＩｎＰの伝導帯端より高い時、図８に示すようなノッチが発生するが、その深さが十分浅く、ノッチ中の電子量子準位がバリア層の伝導帯端位置まで上がれば、キャリア漏れは相当解消される。ノッチを三角ポテンシャルで近似すると、電子準位はノッチにかかる電界強度によって決定される。ノッチにかかる電界は、バリア層のドナーが正に帯電し、ブロック層のアクセプターが負に帯電することによって発生する。ブロック層が鉄やルテニウムのドーピングによる半絶縁性のＩｎＰである場合は、バリア層近傍の電子トラップ準位に電子が捕獲されていることによって、ブロック層側が負に帯電する。このような機構により発生する電界強度は、典型的には５０ｋＶ／ｃｍ程度のオーダーであり、このような電界強度の三角ポテンシャルの最も低い量子準位は５０ｍｅＶ程度である。したがって、バリア層の伝導帯端がＩｎＰの伝導帯端より高くても、＋５０ｍｅＶであればよい。先に述べたように、バリア層の伝導帯端は低すぎても良くない。低すぎるとウェル／バリア間のΔＥｃが悪化するからである。総合すると、バリア層の伝導帯端は、ＩｎＰの伝導帯端に対して±５０ｍｅＶの位置にあるのが望ましい。
【００３７】
さらに望ましくは、バリア層の伝導帯端は、ＩｎＰの伝導帯端に対して高くても＋３０ｍｅＶに抑えられるのが好ましい。ノッチにかかる電界強度がかなり弱い場合でも、室温の熱エネルギーｋＴ〜３０ｍｅＶ（ｋ：ボルツマン定数、Ｔ：温度〜３００Ｋ）程度であれば、ノッチの電子は容易に熱放出されて、バリア層に注入されるからである。
【００３８】
以上、バリア層について述べたことが、ｎ側の光閉じ込め層２に対しても、同様のことが成り立っていることが望ましい。ｎ側光閉じ込め層の側面にリークパスがあると、そこを通過した電子が、ある程度の割合でそのままＭＱＷ層側面を通過してリークしてしまうためである。
【００３９】
図５と図９は、ＩｎＰに対する光閉じ込め層、ＭＱＷ層のバンド不連続を変化させた時の、光出力特性、微分光出力特性の計算結果である。計算は、量子状態を解く波動方程式と、キャリア輸送の方程式と、Ｍａｘｗｅｌｌ方程式に基づく光の導波モードの方程式を自己無撞着に解いている。図５は、ｎ側光閉じ込め層とバリア層の伝導帯端が、ＩｎＰの伝導帯端にほぼ等しい場合の計算であり、図９は、１００ｍｅＶ高い場合の計算結果である。図５の方が光出力特性が良好である。特に微分特性（ｄＰｏ／ｄＩ）に注目すればその違いがよく分かる。また、７５℃から１００℃における２００ｍＡの光出力値は、図９に対し図５は、約１３％の向上を達成している。
【００４０】
この向上の要因を明らかにするために、垂直方向の電子キャリアの電流密度分布をプロットしたのが図６、図１０である。バリア層とＩｎＰ層の伝導帯端がほぼ等しい図６の場合においては、ノッチが発生しないため、活性層脇のリーク電流が存在しない。一方、バリア層の伝導帯端がＩｎＰに対して約１００ｍｅＶ高い図１０の場合においては、活性層脇に電子キャリアのリーク電流が発生していることが分かる。これが原因となって、光出力特性が飽和するようになる。
【００４１】
［構造］
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００４２】
図２は本発明の第１の実施の形態である光半導体装置の横断面図である。図１は、図２のｎ−ＩｎＰ基板１からｐ−ＩｎＰクラッド層９までの位置に相当するバンドダイアグラム図である。
【００４３】
本光半導体装置は、裏面電極１７に対し表面電極１６に正の電圧を印加して動作させる半導体レーザダイオードの例である。図２に示すように、電流が流れる経路には、負電極側から、裏面電極１７、ｎ−ＩｎＰ基板１、ＭＱＷ層３、ｐ−ＩｎＰクラッド層９、ｐ−ＩｎＰ埋込み層１３、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層１４、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１５、表面電極１６が設けられ、ｎ−ＩｎＰ基板１からＭＱＷ層３へ電子キャリアが、ｐ−ＩｎＰクラッド層９からＭＱＷ層３へホールキャリアが注入される構造となっている。ＭＱＷ層３の両横には、下からｎ−ＩｎＰ基板１、ｐ−ＩｎＰブロック層１１、ｎ−ＩｎＰブロック層１２、ｐ−ＩｎＰ埋込み層１３が形成されている。これはサイリスタ構造であり、電流が流れるのを阻止する構造となっている。ＭＱＷ層３から５μｍ程度離れたｎ−ＩｎＰ基板１とｐ−ＩｎＰブロック層１１の間には、再結合層１０が形成されており、リークしたキャリアを再結合させて、ブロック耐圧を向上させる機能を有している。再結合層１０のウェル層数は、ＭＱＷ層３と等しく、遷移波長はＭＱＷ層３と同程度か短波長となっている。
【００４４】
ｎ−ＩｎＰ基板１からＭＱＷ層３を経てｐ−ＩｎＰクラッド層９に至る部分は、図１に詳しく示すように、下から順に、ｎ−ＩｎＰ基板１、ｎ−ＩｎＧａＡｌＡｓＰ光閉じ込め層２、ＭＱＷ層３、ＩｎＧａＡｌＡｓＰ光閉じ込め層６、ｐ−ＩｎＧａＡｌＡｓＰ光閉じ込め層７、ｐ−ＩｎＡｌＡｓＰクラッド層８、ｐ−ＩｎＰクラッド層９が形成されている。ｎ−ＩｎＧａＡｌＡｓＰ光閉じ込め層２からｐ−ＩｎＡｌＡｓＰクラッド層８までは、Ｖ族にしめるＡｓの比率ｚは一定値０．５４とする。ＭＱＷ層３はウェル層数が１０で、層厚４．５ｎｍの圧縮歪Ｉｎ０．９１Ｇａ０．０９ＡｓｚＰ１−ｚウェル層４と、層厚７．５ｎｍでバンドギャップ波長が１．０５μｍの（Ｉｎ０．９１Ｇａ０．０９）０．８２Ａｌ０．１８ＡｓｚＰ１−ｚバリア層５からなる。ＭＱＷ層３の遷移波長は１．３１μｍである。ｎ−ＩｎＧａＡｌＡｓＰ光閉じ込め層２とＩｎＧａＡｌＡｓＰ光閉じ込め層６の組成は（Ｉｎ０．９１Ｇａ０．０９）０．８２Ａｌ０．１８ＡｓｚＰ１−ｚバリア層５と等しくし、ｐ−ＩｎＧａＡｌＡｓＰ光閉じ込め層７の組成は、無歪Ｉｎ０．７４６Ｇａ０．０３４Ａｌ０．２２ＡｓｚＰ１−ｚとする。また、ｐ−ＩｎＡｌＡｓＰクラッド層８の組成は、無歪Ｉｎ０．７４６Ａｌ０．２５４ＡｓｚＰ１−ｚとして、伝導帯端を（Ｉｎ０．９１Ｇａ０．０９）０．８２Ａｌ０．１８ＡｓｚＰ１−ｚバリア層５より高くし、電子キャリアがｐ−ＩｎＰクラッド層９にオーバーフローしない機能を果たすようにする。
【００４５】
かかる構造においては、ｎ−ＩｎＧａＡｌＡｓＰ光閉じ込め層２、（Ｉｎ０．９１Ｇａ０．０９）０．８２Ａｌ０．１８ＡｓｚＰ１−ｚバリア層５、ＩｎＧａＡｌＡｓＰ光閉じ込め層６の伝導帯端が、ＩｎＰより約１５ｍｅＶ高くなっているので、ｐ−ＩｎＰブロック層１１とのヘテロ接合にノッチが生じる。しかし、伝導帯端不連続が十分小さいため、ノッチの中には電子の量子準位が存在せず、電子キャリアのリークパスが発生しない構成となっている。したがって、光出力特性が向上するという効果がもたらされる。しかも、本実施の形態では、圧縮歪Ｉｎ０．９１Ｇａ０．０９ＡｓｚＰ１−ｚウェル層４の側面の障壁であるｐ−ＩｎＰブロック層１１の障壁高さが十分高くとれるので、ウェル内の電子キャリア閉じ込め効果が高く、量子遷移確率を向上させるという効果ももたらされる。
【００４６】
なお、ＩｎＰに対するＩｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＡｓｚＰ１−ｚの伝導帯端の高さは、おおよそ、次の式で求められる。単位はｅＶである。
【００４７】
ΔＥｃ（ＩｎＧａＡｌＡｓＰ／ＩｎＰ）
＝０．２７３６７ｘｚ＋１．４０９６７ｙｚ−０．５３２（１−ｘ−ｙ）ｚ
＋１．２４４５ｘ（１−ｚ）＋１．３７１１７ｙ（１−ｚ）
−０．３７ｘｙｚ−０．３７５６（１−ｘ−ｙ）ｙｚ
−０．２２２（１−ｘ−ｙ）ｘｚ−０．６７２（１−ｘ−ｙ）ｘ（１−ｚ）
−０．１５０８４ｘ（１−ｚ）ｚ−０．１０１（１−ｘ−ｙ）（１−ｚ）ｚ
さらに、歪がある時は、補正が必要である。Ｉｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＡｓｚＰ１−ｚの格子定数ａは、オングストローム単位で、
ａ＝５．６５３２５ｘｚ＋５．６６０５ｙｚ−６．０５８３（１−ｘ−ｙ）ｚ
＋５．４５０５２ｘ（１−ｚ）＋５．４６３５４ｙ（１−ｚ）
＋５．８６８８（１−ｘ−ｙ）（１−ｚ）
であり、ＩｎＰの格子定数が５．８６８８オングストロームであるので、歪量は、
ε＝（５．８６８８−ａ）／ａ
である。この歪量に対して、伝導帯端の補正項は、ｅＶ単位で、おおよそ
δＥｃ＝（５〜６）×ε
である。
【００４８】
先に、バリア層の伝導帯端はＩｎＰの伝導帯端に対し高くても＋５０ｍｅＶが良い、さらに望ましくは＋３０ｍｅＶ以下が好ましいと述べたが、これをＩｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＡｓｚＰ１−ｚバリア層の組成ｘ、ｙ、ｚに対する条件で言うなら、上記のｘ、ｙ、ｚの関数ΔＥｃ（ＩｎＧａＡｌＡｓＰ／ＩｎＰ）、δＥｃに対して、ΔＥｃ（ＩｎＧａＡｌＡｓＰ／ＩｎＰ）＋δＥｃが０．０５もしくは０．０３以下であるという条件である。
【００４９】
以上述べた半導体構造を２５０μｍの長さに劈開し、劈開端面に高反射コーティング膜を形成すれば、半導体レーザダイオードが得られる。０％反射膜を形成すれば、半導体光アンプが得られる。
【００５０】
さらに本実施の形態のｐ−ＩｎＰブロック層１１は、鉄やルテニウムのドーピングによる半絶縁性ＩｎＰ層に変更してもよい。半絶縁性にすることにより、素子容量を低減でき、高速変調用途に適した半導体レーザダイオードとすることができる。さらに、高速性を追求する場合は、再結合層１０を形成しない方法もある。また、本実施の形態に回折格子を付加して、分布帰還型半導体レーザダイオードに適用してもよい。
【００５１】
なお、本実施の形態は、変調器、合波器、分波器、光導波路、モニタ用受光素子などとモノリシックに集積してもよい。
【００５２】
また、本実施の形態を、変調器自身に適用してもよい。この場合も、ノッチによる電子のリークパスが無いため、リーク電流を減少させる効果が得られる。
【００５３】
［製法］ 
次に、図２、図１を参照して第１の実施の形態の製造方法を説明する。
【００５４】
始めに、表面面方位（００１）のｎ−ＩｎＰ基板１上に、誘電体膜を形成し、［１  −１  ０］方向に伸びるストライプ状のパターニングを行う。この基板を用い、中央の活性層となる部分と、再結合層１０となる部分を同時に、ＭＯ−ＶＰＥにより結晶成長する。この最初の選択成長で形成する層構造は、中央の選択成長部について図１に詳しく示すように、ｎ−ＩｎＰ基板１から順に、ｎ−ＩｎＧａＡｌＡｓＰ光閉じ込め層２、ＭＱＷ層３、ＩｎＧａＡｌＡｓＰ光閉じ込め層６、ｐ−ＩｎＧａＡｌＡｓＰ光閉じ込め層７、ｐ−ＩｎＡｌＡｓＰクラッド層８、ｐ−ＩｎＰクラッド層９である。ｎ−ＩｎＧａＡｌＡｓＰ光閉じ込め層２からｐ−ＩｎＡｌＡｓＰクラッド層８までは、Ｖ族原料であるアルシン（ＡｓＨ３）、フォスフィン（ＰＨ３）の供給流量を一定とする。その結果、固相比Ａｓ／（Ａｓ＋Ｐ）＝ｚが０．５４一定になるようにする。Ｖ族原料流量の切り換えが無い方法を採用することで、組成ずれなどの問題を防ぐことができる。ＭＱＷ層３は、１０層の層厚４．５ｎｍの圧縮歪Ｉｎ０．９１Ｇａ０．０９ＡｓｚＰ１−ｚウェル層４と、層厚７．５ｎｍでバンドギャップ波長が１．０５μｍの（Ｉｎ０．９１Ｇａ０．０９）０．８２Ａｌ０．１８ＡｓｚＰ１−ｚバリア層５を交互に成長する。ｎ−ＩｎＧａＡｌＡｓＰ光閉じ込め層２とＭＱＷ層３とＩｎＧａＡｌＡｓＰ光閉じ込め層６の成長の間、ＩｎとＧａの有機金属原料ガスは一定流量で流し続け、Ａｌの有機金属原料ガスの供給をＯＮ／ＯＦＦするだけで層構造を形成する。本実施の形態では、このような成長方法を採用しているので、ウェル／バリア界面を急峻に切り換えることができる。したがって、ＭＱＷ層３の発光効率が向上するという利点が得られる。
【００５５】
以上の最初の選択成長の後、中央の選択成長部の上辺部にのみ誘電体膜を形成して、ＭＯ−ＶＰＥにより、ｐ−ＩｎＰブロック層１１、ｎ−ＩｎＰブロック層１２を結晶成長する。次に、誘電体膜を除去して、ｐ−ＩｎＰ埋込み層１３、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層１４、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１５を、ＭＯ−ＶＰＥにより結晶成長する。その後、表面電極１６、裏面電極１７を形成する。最後に、２５０μｍの長さに劈開して、両端面にコーティング膜を形成して光半導体装置を得る。
【００５６】
［発明の他の実施の形態］
上記実施の形態において、１．３１μｍ帯のＭＱＷ層３を用いたが、これを１．５５μｍ帯ＭＱＷで構成することもできる。
【００５７】
そのための構成を、第２の実施の形態として図３に示す。
【００５８】
本第２の実施の形態では、一連の層構造、ｎ−ＩｎＧａＡｌＡｓＰ光閉じ込め層２、ＭＱＷ層３、ＩｎＧａＡｌＡｓＰ光閉じ込め層６、ｐ−ＩｎＧａＡｌＡｓＰ光閉じ込め層７、ｐ−ＩｎＡｌＡｓＰクラッド層８のＡｓ／（Ａｓ＋Ｐ）固相比ｚを一定値０．８５とする。ＭＱＷ層３は、圧縮歪Ｉｎ０．７８Ｇａ０．２２ＡｓｚＰ１−ｚウェル層１０４と、バンドギャップ波長が１．１７μｍのＩｎ０．５９Ｇａ０．２２Ａｌ０．１９ＡｓｚＰ１−ｚバリア層１０５からなる。ＭＱＷ層３の遷移波長は１．５５μｍである。
【００５９】
ｎ−ＩｎＧａＡｌＡｓＰ光閉じ込め層２、Ｉｎ０．５９Ｇａ０．２２Ａｌ０．１９ＡｓｚＰ１−ｚバリア層１０５、ＩｎＧａＡｌＡｓＰ光閉じ込め層６の伝導帯端は、ＩｎＰの伝導帯端より約１２ｍｅＶ低くなっているので、ｐ−ＩｎＰブロック層１１とのヘテロ接合にはノッチが生じない。したがって、ノッチ起因の電子キャリアリーク電流は、完全に抑えられるという格別な効果を奏する。このため、良好な光出力特性が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の半導体レーザダイオードの第１の実施の形態を示すバンドダイアグラム図。
【図２】半導体レーザダイオードの横断面図。
【図３】本発明の半導体レーザダイオードの第２の実施の形態を示すバンドダイアグラム図。
【図４−１】本発明の半導体レーザダイオードの第１の実施の形態を示す伝導帯端斜視図。
【図４−２】従来の半導体レーザダイオードの伝導帯端斜視図。
【図４−３】従来の半導体レーザダイオードの伝導帯端斜視図。
【図５】本発明の半導体レーザダイオードの電流対光出力とその微分を示す特性図。
【図６】本発明の半導体レーザダイオードの垂直方向電流の横方向分布を示す特性図。
【図７】従来の半導体レーザダイオードを示すバンドダイアグラム図。
【図８】半導体レーザダイオードの横方向の伝導帯端を示す図。
【図９】従来の電流対光出力とその微分を示す特性図。
【図１０】従来の半導体レーザダイオードの垂直方向電流の横方向分布を示す特性図。
【符号の説明】
【００６１】
１  ｎ−ＩｎＰ基板
２  ｎ−ＩｎＧａＡｌＡｓＰ光閉じ込め層
３  ＭＱＷ層
４  圧縮歪Ｉｎ０．９１Ｇａ０．０９ＡｓｚＰ１−ｚウェル層
５  （Ｉｎ０．９１Ｇａ０．０９）０．８２Ａｌ０．１８ＡｓｚＰ１−ｚバリア層
６  ＩｎＧａＡｌＡｓＰ光閉じ込め層
７  ｐ−ＩｎＧａＡｌＡｓＰ光閉じ込め層
８  ｐ−ＩｎＡｌＡｓＰクラッド層
９  ｐ−ＩｎＰクラッド層
１０  再結合層
１１  ｐ−ＩｎＰブロック層
１２  ｎ−ＩｎＰブロック層
１３  ｐ−ＩｎＰ埋込み層
１４  ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層
１５  ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層
１６  表面電極
１７  裏面電極
１０４  圧縮歪Ｉｎ０．７８Ｇａ０．２２ＡｓｚＰ１−ｚウェル層
１０５  Ｉｎ０．５９Ｇａ０．２２Ａｌ０．１９ＡｓｚＰ１−ｚバリア層
２０２  ｎ−ＩｎＧａＡｌＡｓ光閉じ込め層
２０４  圧縮歪ＩｎＧａＡｌＡｓウェル層
２０５  引っ張り歪ＩｎＧａＡｌＡｓバリア層
２０６  ＩｎＧａＡｌＡｓ光閉じ込め層
２０７  ｐ−ＩｎＧａＡｌＡｓ光閉じ込め層
２０８  ｐ−ＩｎＡｌＡｓクラッド層
【図２】
2008205094.tif 000003
【図４−１】
2008205094.tif 000004
【図４−２】
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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１】
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【図３】
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【図４−３】
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