(57)【要約】【課題】  ストレイン補償多重量子井戸を用いる単一モード型レーザダイオード及びその製造方法を提供する。【解決手段】  基板、基板上に形成される、発生させる光の損失を防止するｎ型の被覆層と、ｎ型の被覆層上に形成される、発生させる光を閉じ込めるｎ型のＳＣＨ層と、ｎ型のＳＣＨ層上に形成される、光を発生させる多重量子井戸と、多重量子井戸上に形成される、発生させる光を閉じ込めるｐ型のＳＣＨ層と、ｐ型のＳＣＨ層上に形成される、発生させる光の損失を防止するｐ型の被覆層と、ｐ型の被覆層上に形成されてオーミック接触を調節するオーミック層と、及び光を発生させる電流を多重量子井戸に注入するための電極とを備え、多重量子井戸はあらかじめ設定された積層周期で交互に形成された複数の圧縮ストレイン井戸層及び複数の引張りストレインバリア層によりストレイン補償される単一モード型レーザダイオード及びその製造方法を提供する。【選択図】      図３
2005136371.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一モード型レーザダイオードにおいて、
基板と、
前記基板上に形成される、発生させる光の損失を防止するｎ型の被覆層と、
前記ｎ型の被覆層上に形成される、発生させる光を閉じ込めるｎ型のＳＣＨ層と、
前記ｎ型のＳＣＨ層上に形成される、光を発生させる多重量子井戸と、
前記多重量子井戸上に形成される、発生させる光を閉じ込めるｐ型のＳＣＨ層と、
前記ｐ型のＳＣＨ層上に形成される、発生させる光の損失を防止するｐ型の被覆層と、
前記ｐ型の被覆層上に形成される、オーミック接触を調節するオーミック層と、
前記多重量子井戸に、光を発生させる電流を注入する電極と、を備え、
前記多重量子井戸が、あらかじめ設定された積層周期で交互に形成された複数の圧縮ストレイン井戸層及び複数の引張りストレインバリア層によりストレイン補償されること
を特徴とする単一モード型レーザダイオード。
【請求項２】
前記多重量子井戸において、複数の前記圧縮ストレイン井戸層及び複数の前記引張りストレインバリア層をそれぞれ構成する各半導体物質の組成を変更することによって、ストレイン補償の程度を調節することを特徴とする、請求項１に記載の単一モード型レーザダイオード。
【請求項３】
前記ｎ型のＳＣＨ層及びｐ型のＳＣＨ層が、それぞれ、第１のＳＣＨ層及び第２のＳＣＨ層を含み、前記第１のＳＣＨ層及び第２のＳＣＨ層が、相違する光波長を発生するバンドギャップエネルギーを有する半導体物質で構成され、
前記ｎ型の第１のＳＣＨ層が、前記多重量子井戸の一方の側に形成され、
前記ｐ型の第１のＳＣＨ層が、前記ｎ型の第１のＳＣＨ層が形成された側と対向する、前記多重量子井戸の他方の側に形成され、
前記ｎ型の第２のＳＣＨ層及びｐ型の第２のＳＣＨ層は、前記ｎ型の第１のＳＣＨ層及びｐ型の第１のＳＣＨ層をそれぞれ囲むように形成して、前記ｎ型のＳＣＨ層及びｐ型のＳＣＨ層が、前記多重量子井戸から発生される光が単一モード発振するように閉じ込めること
を特徴とする、請求項１に記載の単一モード型レーザダイオード。
【請求項４】
前記ｐ型の第２のＳＣＨ層を構成する前記半導体物質をドーピングする不純物について、不純物のドーピング位置及び不純物のドーピング濃度を変更することによって、前記多重量子井戸のリーク電流を調節すること
を特徴とする、請求項３に記載の単一モード型レーザダイオード。
【請求項５】
前記電極を、前記多重量子井戸から発生する光が単一モード発振するリッジ領域と、単一モード光を増幅させるためのテーパー利得領域と、に設けること
を特徴とする、請求項１に記載の単一モード型レーザダイオード。
【請求項６】
単一モード型レーザダイオード製造方法において、
基板を設ける工程と、
前記基板上に、発生させる光の損失を防止するｎ型の被覆層を形成する工程と、
前記ｎ型の被覆層上に、発生させる光を閉じ込めるｎ型のＳＣＨ層を形成する工程と、
前記ｎ型のＳＣＨ層上に光を発生させる多重量子井戸を形成する工程と、
前記多重量子井戸上に、発生させる光を閉じ込めるｐ型のＳＣＨ層を形成する工程と、
前記ｐ型のＳＣＨ層上に、発生させる光の損失を防止するｐ型の被覆層を形成する工程と、
前記ｐ型の被覆層上に、オーミック接触を調節するオーミック層を形成する工程と、
光を発生させ、かつ前記多重量子井戸に電流を注入する電極を形成する工程と、を備え、
前記多重量子井戸が、あらかじめ設定された積層周期で交互に形成された複数の圧縮ストレイン井戸層及び複数の引張りストレインバリア層によりストレイン補償されること
を特徴とする単一モード型レーザダイオード製造方法。
【請求項７】
前記多重量子井戸形成工程において、複数の前記圧縮ストレイン井戸層及び複数の前記引張りストレインバリア層をそれぞれ構成する各半導体物質の組成を変更することによって、ストレイン補償の程度を調節することを特徴とする、請求項６に記載の単一モード型レーザダイオード製造方法。
【請求項８】
前記ｎ型のＳＣＨ層及びｐ型のＳＣＨ層をそれぞれ形成する工程が、第１のＳＣＨ層及び第２のＳＣＨ層を形成する工程を含み、前記第１のＳＣＨ層及び第２のＳＣＨ層は、相違する光波長を発生するバンドギャップエネルギーを有する半導体物質で構成され、
前記ｎ型の第１のＳＣＨ層は、前記多重量子井戸の一方の側に形成され、
前記ｐ型の第１のＳＣＨ層は、前記ｎ型の第１のＳＣＨ層が形成された側と対向する、前記多重量子井戸の他方の側に形成され、
前記ｎ型の第２のＳＣＨ層及びｐ型の第２のＳＣＨ層は、前記ｎ型の第１のＳＣＨ層及びｐ型の第１のＳＣＨ層をそれぞれ囲むように形成して、前記ｎ型のＳＣＨ層及びｐ型のＳＣＨ層は、前記多重量子井戸から発生させる光が単一モード発振するように閉じ込める
ことを特徴とする、請求項６に記載の単一モード型レーザダイオードの製造方法。
【請求項９】
前記ｐ型の第２のＳＣＨ層を構成する各前記半導体物質にドーピングされる不純物について、不純物のドーピング位置及び不純物のドーピング濃度を変更することによって、前記多重量子井戸のリーク電流が調節されることを特徴とする、請求項８に記載の単一モード型レーザダイオードの製造方法。
【請求項１０】
前記電極形成工程が、
前記多重量子井戸から発生させる光が単一モード発振するリッジ領域を形成する工程と、
前記単一モード光を増幅させるテーパー利得領域を形成する工程と、を含むこと
を特徴とする、請求項６に記載の単一モード型レーザダイオードの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザダイオードに関し、特に複数の圧縮ストレイン井戸層と複数の引張りストレインバリア層からなるストレイン補償多重量子井戸を用いる単一モード型レーザダイオード及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザダイオードは、相互に接合されたｐ型半導体とｎ型半導体に電流を注入することによって、バンドエネルギーの伝導帯に存在するｎ型半導体の電子と、価電子帯に存在するｐ型半導体の正孔とが、接合領域（活性領域）において再結合することにより、バンドギャップエネルギーに該当するエネルギーを光の形態で放出する半導体発光素子である。特に、レーザダイオードは、バンドギャップエネルギーの大きな半導体物質の間に形成されるバンドギャップエネルギーの低い薄膜層である活性層内から誘導放出された光を用いる。このため、光のコヒーレント性を増大させるようなレーザー発振が発生すれば、活性層から放出されたすべての光は、同一の方向と位相を有し、増幅されることになる。
【０００３】
一般に、レーザダイオードの活性層には、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ又はＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰなどの各半導体物質から形成された量子井戸構造が用いられる。レーザダイオードにおける量子井戸構造の活性層においては、伝導帯の電子と価電子帯の正孔が量子井戸に閉じ込められている。その結果、量子井戸内のキャリアの状態密度が高められて、電子と正孔の発光再結合効率が効果的に増大する。また、量子井戸の屈折率は、量子井戸を取り囲む外側の半導体物質の屈折率より大きいため、量子井戸から発生した光子等も量子井戸の近くに空間的に閉じ込められるという効果も発生する。特に、レーザダイオードにおける活性層に用いられる多重量子井戸の構造は、キャリアと光子を同時に光導波路の中心部に閉じ込めることによって、レーザダイオードのしきい値電流を数十分の一程度に減らすことができるとともに、レーザダイオードを常温で連続的に動作させることができる温度安定性を改善する。
【０００４】
一方、高出力レーザダイオードは、発生する波長及び光出力に応じて、その応用分野は多岐に渡る。例えば、１．５μmの波長帯域の高出力レーザダイオードは、エルビウム添加光ファイバー増幅器、ラマン増幅器、自由空間通信用光源、レーザレーダーなどの分野に用いられている。１．５μmの波長帯域において商用化された単一モード型高出力レーザダイオードとしては、日本古河電気工業社及び米国ＳＤＬ社で開発された５００mW程度の光出力を供給するリッジ型レーザダイオード（ridge laser diode）（以下、「リッジ型レーザダイオード」という）が挙げられる。しかし、リッジ型レーザダイオードでは、１Ｗ級以上の高出力を供給することができないという問題点があった。また、大面積レーザダイオード（large area laser diode）は、数Ｗ級の光出力を供給することはできるが、フィラメンテーション（filamentation）現象が発生するため、ガウス分布形態の単一モードの光出力特性を発揮することができないという問題点があった。
【０００５】
高出力の光出力及び単一モードの光出力を供給するレーザーを製作するために、テーパー化されたレーザダイオード（tapered laser diode）（以下、「テーパー化レーザダイオード」という）、ＭＯＰＡ（Master Oscillator Power Amplifier）、アングル・グレーティング分布帰還型レーザー（Angled-Grating Distributed Feedback Lasers）などが開発されている。これらの中では、製造工程の容易さと価格の低廉化を考慮して、テーパー化レーザダイオードが主に用いられている。
【０００６】
図１に、代表的なテーパー化レーザダイオードの構造を示す。図１に示すように、テーパー化レーザダイオード１は、単一モード特性の光を発生させるためのリッジ領域３と、十分な光利得を得るためのテーパー利得領域５と、に分かれる。リッジ領域３から発生した光がテーパー利得領域５において増幅されることによって、テーパー化レーザダイオードは、高出力の単一モード光を供給する（非特許文献１）。
【０００７】
米国ＳＤＬ社は、図１に示すようなテーパー化レーザダイオードの構造において、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ基板の圧縮ストレイン多重量子井戸（compressively strained multiple quantum well）を用いることによって、連続発振（Continuous Wave）（以下、「ＣＷ」と略す）の際に、２．３５Ｗの最大光出力及びＣＷ１．８Ｗの単一モードの光出力を供給する１．５μmの波長帯域の単一モード型テーパー化レーザダイオードを開発した（非特許文献２）。
【０００８】
そして、フランスのアルカテル（Alcatel）社は、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ基板の圧縮ストレイン多重量子井戸を用いることによって、ＣＷ１．５Ｗの最大光出力及びＣＷ１．２Ｗの単一モードの光出力を供給する１．５μmの波長帯域の単一モード型テーパー化レーザダイオードを開発した（非特許文献３）。
【０００９】
また、米国ＭＩＴ大学のリンカーン研究所は、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ基板の圧縮ストレイン多重量子井戸を用いることによって、ＣＷ１．０Ｗの最大光出力及びＣＷ０．８Ｗの単一モードの光出力を供給する１．５μmの波長帯域の単一モード型テーパー化レーザダイオードを開発した（非特許文献４）。
【００１０】
さらに、韓国では、ＫＩＳＴが、高濃度のｐ型ドーピング及びＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ基板の圧縮ストレイン多重量子井戸を用いることによって、ＣＷ０．８Ｗの最大光出力及びＣＷ０．５６Ｗの単一モードの光出力を供給する１．５μmの波長帯域の単一モード型テーパー化レーザダイオードを開発した（非特許文献５）。
【００１１】
しかし、単一モード型テーパー化レーザダイオードの圧縮ストレイン多重量子井戸の構造においては、正孔が多重量子井戸内において不均一に分布するため、正孔の濃度の高いエネルギー帯における電子又は正孔の個数の３乗に比例する非放射性（non-radiative）再結合であるオージュ再結合（Auger recombination）が発生する確率が高いという短所がある。オージュ再結合が増大すると、多重量子井戸内の熱エネルギーの増大のため、レーザダイオードの量子効率及び光出力が減少するという問題点がある。
【非特許文献１】D. F. Welch et al., Electron. Lett., vol.28, p. 2011, 1992
【非特許文献２】A. Mathur et al., Electron. Lett., vol.35, p. 83, 1999
【非特許文献３】S. Delepine et al., Electron. Lett., vol.36, p. 221, 2000
【非特許文献４】J. P. Donnelly et al., IEEE Photon. Technol. Lett., vol.10, p. 1377, 1998
【非特許文献５】I. K. Han et al., J. Kor. Phys. Soc. vol.38, p. 177, 2001
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、前述した問題点を解消するためのものであり、オージュ再結合の発生率を減少させるとともに、多重量子井戸の温度安定性をより改善することによって、最大光出力及び単一モードの光出力を増大させることができる単一モード型レーザダイオード及びその製造方法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】
【００１３】
本発明は、複数の圧縮ストレイン井戸層（compressibly strained well layer）と複数の引張りストレインバリア層（tensile strain barrier layer）からなるストレイン補償多重量子井戸（strain compensated multiple quantum well）を有するエピ構造を用いることにより、多重量子井戸におけるオージュ再結合の発生率を減少させるとともに、多重量子井戸の温度安定性をより改善することによって、最大光出力及び単一モードの光出力を増大させることができる単一モード型レーザダイオード及びその製造方法を提供する。
【００１４】
本発明は、  単一モード型レーザダイオードにおいて、
基板と、
前記基板上に形成される、発生させる光の損失を防止するｎ型の被覆層（cladding layer）と、
前記ｎ型の被覆層上に形成される、発生させる光を閉じ込めるｎ型のＳＣＨ層（分離閉じ込めヘテロ構造層：Separate Confinement Heterostructure layer）と、
前記ｎ型のＳＣＨ層上に形成される、光を発生させる多重量子井戸と、
前記多重量子井戸上に形成される、発生させる光を閉じ込めるｐ型のＳＣＨ層と、
前記ｐ型のＳＣＨ層上に形成される、発生させる光の損失を防止するｐ型の被覆層と、
前記ｐ型の被覆層上に形成される、オーミック接触を調節するオーミック層（ohmic layer）と、
前記多重量子井戸に、光を発生させる電流を注入する電極と、を備え、
前記多重量子井戸が、あらかじめ設定された積層周期で交互に形成された複数の圧縮ストレイン井戸層及び複数の引張りストレインバリア層によりストレイン補償される単一モード型レーザダイオードに関する。
ここで、前記多量子井戸から発生させる光は、あらかじめ設定された波長帯域の光であることが好ましい。
【００１５】
本発明は、単一モード型レーザダイオード製造方法において、
基板を設ける工程と、
前記基板上に、発生させる光の損失を防止するｎ型の被覆層を形成する工程と、
前記ｎ型の被覆層上に、発生させる光を閉じ込めるｎ型のＳＣＨ層を形成する工程と、
前記ｎ型のＳＣＨ層上に光を発生させる多重量子井戸を形成する工程と、
前記多重量子井戸上に、発生させる光を閉じ込めるｐ型のＳＣＨ層を形成する工程と、
前記ｐ型のＳＣＨ層上に、発生させる光の損失を防止するｐ型の被覆層を形成する工程と、
前記ｐ型の被覆層上に、オーミック接触を調節するオーミック層を形成する工程と、
光を発生させ、かつ前記多重量子井戸に電流を注入する電極を形成する工程と、を備え、
前記多重量子井戸が、あらかじめ設定された積層周期で交互に形成された複数の圧縮ストレイン井戸層及び複数の引張りストレインバリア層によりストレイン補償されること単一モード型レーザダイオード製造方法に関する。
ここで、前記多量子井戸から発生させる光は、あらかじめ設定された波長帯域の光であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明は、複数の圧縮ストレイン井戸層と複数の引張りストレインバリア層からなるストレイン補償多重量子井戸を用いる単一モード型レーザダイオード及びその製造方法に関するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明によれば、多重量子井戸において、複数の圧縮ストレイン井戸層及び複数の引張りストレインバリア層をそれぞれ構成する各半導体物質の組成を変更することによって、ストレイン補償の程度を調節することができる。
【００１８】
本発明によれば、ｎ型のＳＣＨ層及びｐ型のＳＣＨ層が、それぞれ、第１のＳＣＨ層及び第２のＳＣＨ層を含み、第１のＳＣＨ層及び第２のＳＣＨ層が、相違する光波長を発生するバンドギャップエネルギーを有する半導体物質で構成されることができる。
また、ｎ型の第１のＳＣＨ層が、多重量子井戸の一方の側に形成され、ｐ型の第１のＳＣＨ層が、ｎ型の第１のＳＣＨ層が形成された側と対向する、多重量子井戸の他方の側に形成されることができる。
そして、ｎ型の第２のＳＣＨ層及びｐ型の第２のＳＣＨ層は、ｎ型の第１のＳＣＨ層及びｐ型の第１のＳＣＨ層をそれぞれ囲むように形成して、ｎ型のＳＣＨ層及びｐ型のＳＣＨ層が、多重量子井戸から発生させる光が単一モード発振するように閉じ込めることができる。
【００１９】
本発明によれば、ｐ型の第２のＳＣＨ層を構成する半導体物質をドーピングする不純物について、不純物のドーピング位置及び不純物のドーピング濃度を変更することによって、多重量子井戸のリーク電流を調節することができる。
【００２０】
本発明によれば、電極を、多重量子井戸から発生させる光が単一モード発振するリッジ領域と、単一モード光を増幅させるためのテーパー利得領域と、に設けることができる。
【００２１】
本発明によれば、基板として、ＩｎＰを用いることができる。基板は、ｎ+型であることが好ましい。厚さは３００〜４００μmであることが好ましい。
【００２２】
本発明によれば、ｎ型の被覆層として、ＩｎＰを用いることができる。厚さは０．５〜１．５μmであることが好ましい。ドーピングはＳｉで行うことが好ましい。ドーピング濃度は、４×１０17/cm3〜６×１０17/cm3であることが好ましい。
【００２３】
本発明によれば、ｎ型のＳＣＨ層として、ＩｎＧａＡｓＰを用いることができる。ｎ型のＳＣＨ層は、厚さの相違する第１のＳＣＨ層と第２のＳＣＨ層とを含むことが好ましい。
第１のＳＣＨ層の厚さは５〜３０nmであることが好ましい。第１のＳＣＨ層は、１．２５μmの光を放出させることができることが好ましい。
第２のＳＣＨ層の厚さは７００nm以上であることが好ましい。第２のＳＣＨ層は、１．１μmの光を放出させることができることが好ましい。
【００２４】
本発明によれば、ｐ型のＳＣＨ層として、ＩｎＧａＡｓＰを用いることができる。ｐ型のＳＣＨ層は、厚さの相違する第１のＳＣＨ層と第２のＳＣＨ層とを含むことが好ましい。
第１のＳＣＨ層の厚さは５〜３０nmであることが好ましい。第１のＳＣＨ層は、１．２５μmの光を放出させることができることが好ましい。
第２のＳＣＨ層の厚さは７００nm以上であることが好ましい。第２のＳＣＨ層は、１．１μmの光を放出させることができることが好ましい。第２のＳＣＨ層は、ドーピングをＺｎで行うことが好ましく、異なるドーピング濃度で複数回ドーピングされていることが好ましい。第一回のドーピング濃度は、１×１０18/cm3〜３×１０18/cm3であることが好ましく、厚さは１５〜２５nmであることが好ましい。第二回のドーピング濃度は、９×１０16/cm3〜２×１０17/cm3であることが好ましく、厚さは６７０nm〜６９０nmであることが好ましい。ｐ型の第２のＳＣＨ層に不純物がドーピングされる位置及びドーピング濃度を変更して多重量子井戸３４のリーク電流を抑止させることによって、単一モード型テーパー化レーザダイオードのしきい値電流及び量子効率などが調節される。
【００２５】
本発明によれば、ｐ型の被覆層として、ＩｎＰを用いることができる。ｐ型の被覆層のドーピングをＺｎで行うことが好ましく、異なるドーピング濃度で複数回ドーピングされていることが好ましい。第一回のドーピング濃度は、１×１０18/cm3〜３×１０18/cm3であることが好ましく、厚さは１５〜２５nmであることが好ましい。第二回のドーピング濃度は、４×１０17/cm3〜２×１０18/cm3であることが好ましく、厚さは１．０μm〜１．５μmであることが好ましい。
【００２６】
本発明によれば、オーミック層として、ＧａＩｎＡｓをを用いることができる。オーミック層のドーピングをＺｎで行うことが好ましい。オーミック層のドーピング濃度は、１．５×１０19/cm3以上であることが好ましい。オーミック層の厚さは、１９０〜２１０nmであることが好ましい。
【００２７】
本発明によれば、電極として、電極に用い得る金属を電極として用い得る厚さに形成すれば、特に限定されることなく用いることができる。例えば、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕ、ＡｕＧｅ、Ｎｉ又はこれらの組み合わせを用いることができる。例えば、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕを、順に３００／６００／３０００Åの厚さに重ねてｐ型電極として用い、ＡｕＧｅ、Ｎｉ、Ａｕを、順に３００／６００／３０００Åの厚さに重ねてｎ型電極として用いることができる。
【００２８】
本発明によれば、圧縮ストレイン井戸層（以下、「井戸層」という）として、ＩｎＧａＡｓＰを用いることができる。井戸層の厚さは６〜７nmであることが好ましい。井戸層は、１．６μmの光を放出させることができるバンドギャップエネルギーを有することが好ましい。
【００２９】
本発明によれば、引張りストレインバリア層（以下、「バリア層」という）として、ＩｎＧａＡｓＰを用いることができる。バリア層の厚さは５〜１５nmであることが好ましい。バリア層は、１．２５μmの光を放出させることができるバンドギャップエネルギーを有することが好ましい。
【００３０】
以下、図２〜図７により、本発明の実施態様の一例について詳細に説明する。なお、本発明の単一モード型テーパー化レーザダイオードの代表的な構造は、上記の図１に示した単一モード型テーパー化レーザダイオード構造と同様であるため、省略する。
【００３１】
以下に、本発明の、単一モード型テーパー化レーザダイオードに用いられるストレイン補償多重量子井戸を有するエピ構造を中心に説明する。図１に、本発明の実施態様の一例による単一モード型テーパー化レーザダイオードを示し、これに用いるストレイン補償多重量子井戸を有するエピ構造を図２に示す。
【００３２】
本発明の実施態様の一例である単一モード型テーパー化レーザダイオードのストレイン補償多重量子井戸を有するエピ構造を、図２を参照して、詳細に説明する。
図２の（ａ）及び（ｂ）に、本発明の実施態様の一例による単一モード型テーパー化レーザダイオードに用いられるストレイン補償多重量子井戸を有するエピ構造のバンドエネルギー及びドーピング濃度を示す。図２の（ａ）及び（ｂ）に示すように、本発明のエピ構造は、５×１０17/cm3のドーピング濃度を有するｎ型の被覆層３２、ｎ型のＳＣＨ層３３、多重量子井戸３４、１×１０17/cm3〜２×１０18/cm3のドーピング濃度を有するｐ型のＳＣＨ層３７、及び５×１０17/cm3〜２×１０18/cm3のドーピング濃度を有するｐ型の被覆層３８を含んでいる。このエピ構造については、図３を参照して、下記により詳細に説明する。
【００３３】
本発明の単一モード型テーパー化レーザダイオードのストレイン補償多重量子井戸を有するエピ構造及びその製造方法を、図３を参照して、詳細に説明する。
図３に示すように、本発明の実施態様の一例に用いられるエピ構造３０は、基板３１、ｎ型の被覆層３２、ｎ型のＳＣＨ層３３、井戸層３５ａ〜３５ｆ、バリア層３６ａ〜３６ｅ、ｐ型のＳＣＨ層３７、ｐ型の被覆層３８、及びオーミック層３９を含む。本発明の実施態様の一例であるエピ構造は、有機金属気相成長法ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）、ガス源分子線エポタキシーＧＳＭＢＥ（Gas Source Molecular Beam Epitaxy）、化学線エポタキシーＣＢＥ（Chemical Beam Epitaxy）などの通常の半導体エピタキシャル成長法により形成することができる。なお、エピ構造３０は、ＩｎＰ基板のエピ構造形成に用いられる通常のＭＯＣＶＤ法により形成することもできる。
【００３４】
まず、ｎ+型基板３１として、３５０μmの厚さに成長させたＩｎＰを用いる。ｎ+型基板３１上には、Ｓｉを５×１０17/cm3の濃度にドーピングしたＩｎＰを１μmの厚さに成長させて、ｎ型の被覆層３２を形成する。ｎ型の被覆層３２は、後述するように、ｐ型の被覆層３８とともに厚さの薄い多重量子井戸３４内から発生させる光の損失を防止する役割を果たす。なお、多重量子井戸３４は、井戸層３５ａ〜３５ｆ、バリア層３６ａ〜３６ｅ、後述するｎ型の第１のＳＣＨ層３３ａ及びｐ型の第１のＳＣＨ層３７ａで構成され、光を発生（放出）させる活性層として機能する。
【００３５】
ｎ型のＳＣＨ層３３は、構成物質の組成によりｎ型の第１及び第２のＳＣＨ層３３ａ，３３ｂに分かれる。ｎ型の第２のＳＣＨ層３３ｂは、ＩｎＧａＡｓＰをｎ型の被覆層３２上に７００nmの厚さに成長させることによって形成される。このｎ型の第２のＳＣＨ層３３ｂ及び後述するｐ型の第２のＳＣＨ層３７ｂは、多重量子井戸３４から放出される特定波長帯域の光を閉じ込めて単一モード発振を発生させるための光導波路の役割を果たす。一般に、ｎ型及びｐ型のＳＣＨ層は、１４０nm程度の厚さに成長するが、本発明の実施態様の一例においては、７００nm以上の厚さに成長させるため、多重量子井戸３４から放出される光をより効果的に閉じ込めることができる。このように、ｎ型及びｐ型のＳＣＨ層３３、３７を形成する各物質の組成、ならびにｎ型及びｐ型のＳＣＨ層３３、３７の成長の厚さなどを変更させることによって、多重量子井戸３４から放出される光の分布を制御できる。
【００３６】
ｎ型の第１のＳＣＨ層３３ａは、１．２５μmの光を放出させることができるバンドギャップエネルギーを有するＩｎＧａＡｓＰをｎ型の第２のＳＣＨ層３３ｂ上に１０nmの厚さに成長させることによって形成される。なお、ｎ型の第１のＳＣＨ層３３ａは、後述するｐ型の第１のＳＣＨ層３７ａとともにストレイン補償多重量子井戸３４を構成するバリア層の役割を果たす。
【００３７】
多重量子井戸３４を構成する第１の井戸層３５ａは、ｎ型の第１のＳＣＨ層３３ａ上に１．６μmの光を放出させることができるバンドギャップエネルギーを有するＩｎＧａＡｓＰを６．５nmの厚さに成長させることによって形成される。また、多重量子井戸３４を構成する第１のバリア層３６ａは、第１の井戸層３５ａ上に１．２５μmの光を放出させることができるバンドギャップエネルギーを有するＩｎＧａＡｓＰを１０nmの厚さに成長させることによって形成される。なお、図３に示すように、第２〜第６井戸層３５ｂ〜３５ｆ及び第２〜第５バリア層３６ｂ〜３６ｅは、あらかじめ設定された積層周期で交互に成長させる。第２〜第６井戸層３５ｂ〜３５ｆは、第１井戸層３５ａと同様にして形成される。また、第２〜第５バリア層３６ｂ〜３６ｅは、第１バリア層３６ａと同様にして形成される。
【００３８】
前述したように、多重量子井戸３４は、ｎ型の第１のＳＣＨ層３３ａ、井戸層３５ａ〜３５ｆ、バリア層３６ａ〜３６ｅ、及び後述するｐ型の第１のＳＣＨ層３７ａで構成され、１．５μmの波長帯域の光を放出する。この際に、井戸層及びバリア層を形成するＩｎＧａＡｓＰ物質の組成変化により、井戸層３５ａ〜３５ｆの厚さは０．８％程度圧縮され（compress）、バリア層３６ａ〜３６ｅの厚さは０．５％程度引っ張られること（tensile）によって、多重量子井戸３４のストレインが補償される。その結果、多重量子井戸３４の価電子帯において井戸層３５ａ〜３５ｆとバリア層３６ａ〜３６ｅの間のエネルギーの差であるバンドギャップオフセット（bandgap offset）が減少して多重量子井戸３４の内部において正孔が均一に分布することによって、オージュ再結合が発生する確率が減少するとともに多重量子井戸３４内部における熱エネルギーの発生が効果的に抑止され、量子効率が改善する。このストレイン補償多重量子井戸３４は、井戸層３５ａ〜３５ｆ及びバリア層３６ａ〜３６ｅを形成する各物質の組成を変更することによって、ストレイン補償の程度を制御できる。
【００３９】
ｐ型のＳＣＨ層３７は、構成物質の組成によりｐ型の第１及び第２のＳＣＨ層３７ａ、３７ｂに分けられる。まず、ｐ型の第１のＳＣＨ層３７ａは、多重量子井戸３４を形成する第６井戸層３５ｆ上に１．２５μmの光を発生させることができるバンドギャップエネルギーを有するＩｎＧａＡｓＰを１０nmの厚さに成長させることによって形成され、ｎ型の第１のＳＣＨ層３３ａとともにストレイン補償多重量子井戸３４を構成するバリア層の役割を果たす。
【００４０】
ｐ型の第２のＳＣＨ層３７ｂは、ｐ型の第１のＳＣＨ層３７ａ上にＺｎがドーピングされたＩｎＧａＡｓＰを成長させることによって形成される。この際に、Ｚｎが２×１０18/cm3の濃度でドーピングされたＩｎＧａＡｓＰを２０nmの厚さに成長させ、Ｚｎが１×１０17/cm3の濃度でドーピングされたＩｎＧａＡｓＰを６８０nmの厚さにさらに成長させることによって、ｐ型の第２のＳＣＨ層３７ｂが形成される。特に、ｐ型の第２のＳＣＨ層３７ｂにドーピングされた２×１０18/cm3の濃度のＺｎは、多重量子井戸３４の伝導帯において電子によるリーク電流を抑制させる役割を果たす。本発明の実施態様の一例においては、ｐ型の第１のＳＣＨ層３７ａ直上に成長する物質に高濃度のＺｎをドーピングしたが、これに限定されずに、Ｚｎのドーピング位置及びドーピング濃度が変更できる。このように、ｐ型の第２のＳＣＨ層３７ｂに不純物がドーピングされる位置及びドーピング濃度を変更して多重量子井戸３４のリーク電流を抑止させることによって、単一モード型テーパー化レーザダイオードのしきい値電流及び量子効率などが調節される。
【００４１】
ｐ型の被覆層３８は、ｐ型の第２のＳＣＨ層３７ｂ上にＺｎを２×１０18/cm3の濃度でドーピングしたＩｎＰを２０nmの厚さに成長させ、Ｚｎを５×１０17/cm3〜１×１０18/cm3の濃度でドーピングしたＩｎＰを１．２μmの厚さにさらに成長させることによって形成される。また、ｐ型の被覆層３８上にＺｎを１．５×１０19/cm3以上の濃度でドーピングしたＧａ0.47Ｉｎ0.53Ａｓを２００nmの厚さに成長させることによってオーミック接触を調節できるｐ＋型オーミック層３９が形成される。
【００４２】
以下に、本発明の単一モード型テーパー化レーザダイオードのストレイン補償多重量子井戸を有するエピ構造の上に形成される電極及びその製造方法を、図４を参照して、詳細に説明する。
図４の（ａ）〜（ｆ）に、図３に示すエピ構造３０の上に、単一モード型テーパー化レーザダイオードの電極を形成するための工程を簡略に示す。
まず、Ｈ3ＰＯ4、Ｈ2Ｏ2及びＨ2Ｏを１：１：８の割合で混合して、図３に示すエピ構造３０の最上部にあたるオーミック層３９を、図４の（ａ）に示す構造が形成されるように、所定の領域を上述の混合液を用いてエッチングして、ｐ型の被覆層３８を露出させる。
次に、図４の（ｂ）において点線で表示した形状のマスク４０を形成させた後、ＨＣｌ及びＨ3ＰＯ4を１：１の割合で混合して、ｐ型の被覆層３８をエッチングし、反応性イオンエッチングＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法を用いて、単一モードの発振条件を満たすまでｐ型の第２のＳＣＨ層３７ｂを約３００nmの深さにエッチングすることによって、単一モード型テーパー化レーザダイオードのリッジの部分を形成する（図４の（ｃ））。
その次に、マスクを除去して深い溝（deep groove）４１ａ、４１ｂをエッチングして形成する（図４の（ｄ））。スピン・オン・ガラスＳＯＧ（spin-on-glass）を用いて、それらの上面に絶縁膜４３を形成する（図４の（ｅ））。その後、ホトリソグラフィー法を用いて、テーパー部分及びリッジ部分を開口させた後、ＲＩＥ法を用いて開口されたＳＯＧ４５、４６をエッチングする（図４の（ｆ））。そして、開口工程（図４の（ｆ））に続いてテーパー部分及びリッジ部分にｐ型の金属（例えば、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕ、ＡｕＧｅ、Ｎｉ）を蒸着して熱処理することによって、半導体物質に電流を注入できる電極を形成する。その後、基板細密化（thinning）工程、ｎ型金属蒸着及び熱処理工程が連続的に行うことができるが、開口工程以後の製造工程は、通常のレーザダイオードの電極形成工程と同様であるため、これについての詳細な説明を省略する。
【００４３】
本発明によれば、単一モード型テーパー化レーザダイオードの電極形成工程を単純化するために溝エッチング工程（図４の（ｄ））を省略することもできる。この場合においては、リッジの部分を形成（図４の（ｃ））した後、窒化ケイ素膜（ＳｉＮx）をプラズマ強化型化学蒸着法ＰＥＣＶＤ（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）法で約０．３μmの厚さに蒸着して絶縁膜を形成する。次に、ホトリソグラフィー法でテーパーとリッジの部分を開口した後、緩衝フッ酸溶液で開口された窒化ケイ素膜をエッチングする。なお、それ以後の製造工程は、前述したところと同様である。
【００４４】
以下に、本発明の単一モード型テーパー化レーザダイオードの実施態様の一例において、得られた電流注入に対する光出力を、図５を参照して、詳細に説明する。
ここで、単一モード型テーパー化レーザダイオードは、長さ３．２mm×幅５００μmであり、リッジ領域は、長さ１．５mm×幅５μmであり、テーパー領域は、長さ１．７mm×最大幅２００μmである。
また、測定は、レーザーダイオードドライバーとしてNewport Corporation社製型番５６００−ＯＰＴ−４０、温度制御器としてNewport Corporation社製型番３１５０、検出器としてNewport Corporation社製型番８１８Ｔ−３０／ＣＭを用いて行った。
【００４５】
図５は、本発明の実施態様の一例による単一モード型テーパー化レーザダイオードの電流注入に対する光出力を示すグラフである。
図５に示すように、１５℃の室温でストレイン補償多重量子井戸を用いた単一モード型テーパー化レーザダイオードの最大光出力４８は、ＣＷ２．４５Ｗと測定された。
一方、非特許文献５に相当する圧縮ストレイン多重量子井戸の構造を用いた単一モード型テーパー化レーザダイオードの最大光出力４９であるＣＷ０．８Ｗである。
【００４６】
したがって、本発明の実施態様の一例による単一モード型テーパー化レーザダイオードは、従来の圧縮ストレイン多重量子井戸の構造を用いた単一モード型テーパー化レーザダイオードと比較して、３倍程度光出力が増大していることを示す。また、単一モード型テーパー化レーザダイオードに注入される電流の変化に対する光出力の変化を意味する傾き効率（slope efficiency）は、従来の１８％から、本発明においては３４％と、約２倍に増大したことが測定された。
【００４７】
以下に、本発明の単一モード型テーパー化レーザダイオードの実施態様の一例において、得られた遠視野（far-field）における光強度を、図６を参照して、詳細に説明する。
ここで用いた単一モード型テーパー化レーザダイオードは、図５と同様である。また、測定機器は、レーザダイオードドライバー及び温度制御器は図５と同様である。空間ビームプロファイラとして、SensorPhysics Incorporation社製型番ＬＳ−２０００を用いた。
【００４８】
図６は、本発明の実施態様の一例による単一モード型テーパー化レーザダイオードの遠視野における光強度の分布を示すグラフである。
図６に示す実線は、単一モード型テーパー化レーザダイオードに３Ａの電流を印加して測定した遠視野における光強度の分布であり、点線は測定された遠視野における光強度の分布をガウス分布の形態で近似化したものである。ここで、全体の面積の約９０％に該当する点線内部の面積５０は、単一モードの光出力を意味し、全体の面積の約１０％に該当する点線及び実線の間の面積６０は、フィラメンテーション現象による光出力に対応する。一般に、フィラメンテーション現象による光出力は、レンズまたはピンホール等によりフィルタリングされる。
【００４９】
以下に、本発明の単一モード型テーパー化レーザダイオードの実施態様の一例において、得られた注入電流変化に対する光出力の傾向を、図７を参照して、詳細に説明する。
ここで用いた単一モード型テーパー化レーザダイオードは、図５と同様である。また、測定機器も図６と同様である。
【００５０】
図７は、本発明の実施態様の一例による単一モード型テーパー化レーザダイオードに注入される電流の増大に対する単一モードの光出力を示すグラフである。
図７に示すように、注入電流の増大による遠視野における光出力を測定した後、単一モードの光出力のみを抽出して測定した結果、本発明の実施態様の一例による単一モード型テーパー化レーザダイオードでは、５Ａの注入電流に対してＣＷ１Ｗ以上の最大単一モードの光出力を得ることができた。
一方、非特許文献５に相当する圧縮ストレイン多重量子井戸を用いた単一モード型テーパー化レーザダイオードでは、最大単一モードの光出力は、ＣＷ０．５６Ｗである。
【００５１】
したがって、本発明の実施態様の一例による単一モード型テーパー化レーザダイオードは、非特許文献５に相当する圧縮ストレイン多重量子井戸を用いた単一モード型テーパー化レーザダイオードと比較して、最大単一モードの光出力は、約２倍に増大したことが分かる。
【００５２】
以上、本発明の好適な実施態様の一例について説明したが、本発明の特許請求の範囲を逸脱することなく、当業者は種々の改変をなし得るであろう。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明は、複数の圧縮ストレイン井戸層及び複数の引張りストレインバリア層からなるストレイン補償多重量子井戸を有するエピ構造を単一モード型テーパー化レーザダイオードに用いることによって、多重量子井戸におけるオージュ再結合の発生率を減少させ、多重量子井戸の温度安定性をより改善して量子効率を増大させ、単一モード型テーパー化レーザダイオードの最大光出力及び単一モードの光出力を増大させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】代表的なテーパー化レーザダイオードの構造を示す図面である。
【図２】ストレイン補償多重量子井戸を有するエピ構造のバンドエネルギー及びドーピング濃度を示す図面である。
【図３】本発明の実施態様の一例による単一モード型テーパー化レーザダイオードのストレイン補償多重量子井戸を有するエピ構造を示す図面である。
【図４】本発明の実施態様の一例による単一モード型テーパー化レーザダイオードの電極を形成するための工程を概略的に説明するための図面である。
【図５】本発明の実施態様の一例による単一モード型テーパー化レーザダイオードの光出力を示すグラフである。
【図６】本発明の実施態様の一例による単一モード型テーパー化レーザダイオードの遠視野における光強度の分布をガウス分布の形態で近似化したグラフである。
【図７】本発明の実施態様の一例による単一モード型テーパー化レーザダイオードの単一モードの光出力を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５５】
３１  基板
３２  ｎ型の被覆層
３３  ｎ型のＳＣＨ層
３４  ストレイン補償多重量子井戸
３５ａ〜３５ｆ  井戸層
３６ａ〜３６ｅ  バリア層
３７  ｐ型のＳＣＨ層
３８  ｐ型の被覆層
３９  オーミック層
【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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