(57)【要約】【課題】  活性層への光閉じ込めが十分に大きな半導体レーザを提供することを主要な目的とする。【解決手段】  半導体レーザ素子１００は、少なくとも一種類以上の窒素以外のＶ族元素と窒素とをＶ族組成として含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層から成る第一の層１０７を有する。第一の層１０７に、ＧａＡｓ1-h-kＳｂhＮk（ここで、０＜ｋ≦０．０１５、０＜ｈ＜１）を組成とするＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層から成る第二の層１０６が隣接している。第二の層１０６に、ＧａＡｓを組成とするＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層から成る第三の層１０５が隣接している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一種類以上の窒素以外のＶ族元素と窒素とをＶ族組成として含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層から成る第一の層を有し、
前記第一の層に隣接する、ＧａＡｓ1-h-kＳｂhＮk（ここで、０＜ｋ≦０．０１５、０＜ｈ＜１）を組成とするＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層から成る第二の層を有し、
前記第二の層に隣接する、ＧａＡｓを組成とするＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層から成る第三の層を有する層構造を含む半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記第一の層には組成としてアンチモンが含まれることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記第一の層は、前記第二の層に上下から挟まれ、更に前記第三の層に上下から挟まれた構造を含む請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記第二の層の組成比ｈ，ｋは、ｈ＝２．６×ｋを概ね満たすことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記第二の層のうち、前記第一の層に隣接する界面付近は引っ張り歪を有し、前記第三の層に隣接する界面付近はＧａＡｓに格子整合していることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項６】
前記第三の層は、前記第一の層と第二の層を含む層を挟むように上下に設けられており、
前記第一の層と第二の層には不純物がドーピングされておらず、前記上下に設けられた第三の層の何れか一方がｐ型に、他方がｎ型になるように不純物がドーピングされていることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項７】
前記第一の層は量子井戸構造における井戸層として、第二の層は光ガイド層として、第三の層はクラッド層として機能することを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項８】
上記の第一の層と第二の層、及び第二の層と第三の層は、タイプＩ型へテロ接合を形成することを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項９】
当該半導体レーザ素子はメサ構造を有し、光を発生する領域の、光の進行方向に交差する両側に設けられたＧａＡｓからなる電流狭窄層を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項１０】
当該半導体レーザ素子は、埋め込みヘテロ型の構成であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項１１】
前記第一の層は２層以上の複数層あり、その複数層の間はＧａＡｓＳｂＮを組成とするＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第四の層によって隔てられている構成を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項１２】
前記複数の第一の層は圧縮歪を有し、それらを隔てる前記第四の層は引っ張り歪を有することを特徴とする請求項１１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項１３】
前記複数の第一の層は多重量子井戸構造における井戸層として、前記第四の層は障壁層として機能することを特徴とする請求項１１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項１４】
前記第一の層は、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂの何れかであることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項１５】
請求項１から１４に記載の何れかの半導体レーザが用いられた応用システム。
【請求項１６】
少なくとも一種類以上の窒素以外のＶ族元素と窒素とをＶ族組成として含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層から成る層Ａを、
ＧａＡｓＳｂＮを組成とするＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層から成る層Ｂの上に結晶成長することを特徴とする結晶成長方法。
【請求項１７】
前記層Ａには組成としてアンチモンが含まれることを特徴とする請求項１６に記載の結晶成長方法。
【請求項１８】
少なくとも一種類以上の窒素以外のＶ族元素と窒素とをＶ族組成として含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層から成る層αを有し、
前記第一の層に隣接してＧａＡｓ1-h-kＳｂhＮk（ここで、０＜ｋ≦０．０１５、０＜ｈ＜１）を組成とするＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層から成る層βを有する層構造を含む化合物半導体素子。
【請求項１９】
前記層αには組成としてアンチモンが含まれることを特徴とする請求項１８に記載の化合物半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に半導体レーザ素子に関するものであり、より特定的には、活性層への光閉じ込めが十分に大きくなるように改良された半導体レーザ素子に関する。この発明はまたそのような半導体レーザ素子を用いた応用システムに関する。この発明はさらにそのような半導体レーザ素子が得られるように改良された結晶成長方法に関する。この発明はまた優れた特性が得られるように改良された化合物半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の家庭におけるインターネットのブロードバンド化の拡がりは著しく、特に波長１．３１μｍ帯の光を用いた光ファイバー通信は急速に普及しつつある。光ファイバー通信における光源として用いられる半導体レーザ素子（ＬＤ：Laser Diodes）は、現代の情報化社会を支えるキーデバイスであると言える。
【０００３】
従来は、この波長域での半導体レーザはＩｎＰ基板上のＩｎＧａＡｓＰなる材料系によって構築されていた。
【０００４】
それに対し、図１０に示すような半導体レーザが提案されている（例えば特許文献１参照）。図１０を参照して、この素子の活性層領域４は、井戸層６にＧａ０.７５Ｉｎ０.２５Ｎ０.０１Ａｓ０.９９を用い、光ガイド(障壁)層５をＧａ０.９４Ｉｎ０.０６Ｎ０.０２Ａｓ０.９８とする単一量子井戸構造である。基板はｎ型のＧａＡｓ基板２である。ＧａＡｓ基板２の上にＮ型ＧａＡｓによる下部クラッド層３が設けられ、その上に活性層領域４が設けられている。
活性層領域４は、ノンドープＧａ０.９４Ｉｎ０.０６Ｎ０.０２Ａｓ０.９８光ガイド(障壁)層５を下部クラッド層３の上に成長させ、次にノンドープＧａ０.７５Ｉｎ０.２５Ｎ０.０１Ａｓ０.９９井戸層６を形成し、続いて、ノンドープＧａ０.９４Ｉｎ０.０６Ｎ０.０２Ａｓ０.９８光ガイド(障壁)層５を成長させ、さらに、ｐ型ＧａＡｓによる上部クラッド層７、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層８の順に成長させ、活性層下部までメサエッチングを行うことにより形成される。そして、第１のｐ型ＧａＡｓ埋め込み層１１、第２のｎ型ＧａＡｓ埋め込み層１２を順に成長させ、ＳｉＯ２マスク１０による電極パターン開孔を形成し、その上に、ｐ型電極９を形成し、基板研磨工程後、裏面にｎ型電極１を形成し、さらに劈開工程を経るとＢＨ（Buried  Heterostructure）型レーザ素子が完成する。
【０００５】
このような活性層を用いた場合、活性層に電子・ホールといったキャリアを効率よく閉じこめることができるようになり、ＩｎＰ基板上のＬＤに対して環境温度の変化に強い半導体レーザが得られる。
【０００６】
上述のように、特許文献１には、ＧａＡｓを埋め込み層として用いた埋め込みヘテロ構造による半導体レーザの構成が開示され、その実施例として、上下クラッド層としてＧａＡｓを用い、アルミニウム（Ａｌ）を含まない半導体材料で構成された半導体素子が開示されている。それにより、Ａｌを含む半導体材料に生じる酸化の問題が回避されており、半導体レーザ素子の長寿命化に極めて有利な構成となっている。
【特許文献１】特開２００１−２２３４３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に開示された半導体レーザは、ＧａＡｓによるクラッド層と埋め込み層とを用い、Ａｌを含まない半導体材料によるＢＨ構造を構成しているが、本願発明者の検討によると、この開示された技術だけでは必ずしも良好な特性の半導体レーザが得られないことがわかってきた。
【０００８】
特許文献１に開示された半導体レーザにおいては、光ガイド層５としてＧａ0.9Ｉｎ0.1ＡｓあるいはＧａ0.94Ｉｎ0.06Ｎ0.02Ａｓ0.98を用いた単一量子井戸構造が記述されているが、本願発明者の検討によると、これらの材料は光ガイド層として用いることが出来ないことが判明した。
【０００９】
光ガイド層５は、レーザ内部の光分布を活性層付近に集中させる役割がある為に、十分に大きな屈折率と適切な厚さが必要である。しかし、ＧａＩｎＡｓはＧａＡｓに対して格子不整合が大きくなる為にＩｎ組成比をある程度までしか大きくすることが出来ず、その為にＧａＡｓよりも十分に屈折率を大きくすることが出来ない。また、格子不整合がある為にある程度までしか層厚を厚くすることが出来ない。その為、光ガイド層として用いるのに適した屈折率と層厚を得ることが出来ないことが判明した。
【００１０】
一方、光ガイド層としてＧａＩｎＮＡｓを用いた場合には、更にＮを混晶化している効果によってＧａＡｓと格子整合させることが出来、かつＧａＡｓよりも十分に大きな屈折率を得ることが出来る為に活性層への光閉じ込めが十分に行えることがわかったが、この混晶材料をＧａＡｓに格子整合させるとＧａＡｓとのヘテロ接合がＴｙｐｅ−ＩＩとなり、ホールの注入効率が大幅に低下し、レーザの発振しきい値電流が大幅に上昇する欠点があることが判明した。
【００１１】
このように、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層に対する光ガイド層として最適な半導体材料に関する知見はこれまでに無かったと言える。また、特に、ＧａＡｓによるクラッド層と埋め込み層を用いてＡｌを含まない半導体材料によるＢＨ構造を構成しようとした場合に、ＧａＡｓとの格子整合が可能で、ＧａＡｓとの屈折率差が十分に大きく、各層間でのヘテロ接合がタイプＩ型のヘテロ接合であることが必須となるが、そのような視点での材料の選択に関する検討は行われてこなかった。
【００１２】
本願発明は、このような状況を鑑み、ＧａＡｓをクラッド層に選んだ場合のＧａＩｎＮＡｓ井戸層に対する光ガイド層として最適な半導体材料を提供するものである。
【００１３】
それゆえに、この発明の目的は、光ガイド層として最適な半導体材料を選び、活性層への光閉じ込めが十分に大きくなるように改良された半導体レーザ素子を提供することにある。
【００１４】
この発明の他の目的は、そのような半導体レーザ素子を用いた応用システムを提供することにある。
【００１５】
この発明のさらに他の目的は、そのような半導体レーザ素子が得られるように改良された結晶成長方法を提供することにある。
【００１６】
この発明のさらに他の目的は、優れた特性が得られるように改良された化合物半導体素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
この発明の第１の局面に従う半導体レーザ素子は、少なくとも一種類以上の窒素以外のＶ族元素と窒素とをＶ族組成として含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層から成る第一の層を有する。上記第一の層に、ＧａＡｓ1-h-kＳｂhＮk（ここで、０＜ｋ≦０．０１５、０＜ｈ＜１）を組成とするＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層から成る第二の層が隣接している。上記第二の層に、ＧａＡｓを組成とするＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層から成る第三の層が隣接している。
このように構成することにより、第一の層を量子井戸構造における井戸層として、第二の層を光ガイド層として、第三の層をクラッド層として機能させると、クラッド層と光ガイド層との屈折率差を十分に大きくすることが出来、かつガイド層をＧａＡｓに格子整合させることが出来るので、活性層への光閉じ込めが十分に大きな半導体レーザの層構造を得ることが出来る。
【００１８】
上記第一の層には組成としてアンチモンが含まれるのが好ましい。
【００１９】
好ましくは、上記第一の層は、上記第二の層に上下から挟まれ、更に上記第三の層に上下から挟まれた構造を含む。
【００２０】
上記第二の層の組成比ｈ，ｋは、ｈ＝２．６×ｋを概ね満たすことが好ましい。
【００２１】
また、上記第二の層のうち、上記第一の層に隣接する界面付近は引っ張り歪を有し、上記第三の層に隣接する界面付近はＧａＡｓに格子整合しているのが好ましい。
【００２２】
さらに、上記第三の層は、上記第一の層と第二の層を含む層を挟むように上下に設けられており、上記第一の層と第二の層には不純物がドーピングされておらず、上記上下に設けられた第三の層の何れか一方がｐ型に、他方がｎ型になるように不純物がドーピングされているように構成されてもよい。
【００２３】
上記第一の層は量子井戸構造における井戸層として、第二の層は光ガイド層として、第三の層はクラッド層として機能させてもよい。
【００２４】
好ましくは、上記の第一の層と第二の層、及び第二の層と第三の層は、タイプＩ型へテロ接合で形成される。各層間のヘテロ接合のバンドラインナップを理想的なタイプＩ型とすることにより、キャリアの注入と閉じ込めを十分に行うことが出来、発振閾値電流が非常に小さな良好な半導体レーザ素子が得られるようになる。
【００２５】
好ましくは、当該半導体レーザ素子はメサ構造を有し、光を発生する領域の、光の進行方向に交差する両側に設けられたＧａＡｓからなる電流狭窄層を含む。
【００２６】
また、当該半導体レーザ素子は、埋め込みヘテロ型の構成であることが好ましい。埋め込みヘテロ構造とすることにより、デバイスの駆動電流の大幅な低下とレーザ発振時の効率の大幅な上昇を実現することが出来る。
【００２７】
好ましくは、上記第一の層は２層以上の複数層あり、その複数層の間はＧａＡｓＳｂＮを組成とするＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第四の層によって隔てられている構成を有する。この場合、上記複数の第一の層は圧縮歪を有し、それらを隔てる前記第四の層は引っ張り歪を有するのが好ましい。また、上記複数の第一の層は多重量子井戸構造における井戸層として、前記第四の層は障壁層として機能させてもよい。
【００２８】
上記第一の層は、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂの何れかであることが好ましい。
【００２９】
この発明の第２の局面は、請求項１から１４に記載の何れかの半導体レーザが用いられた応用システムにかかる。活性層への光閉じ込めが十分に大きく、発振閾値電流が非常に小さな良好な半導体レーザ素子を用いるので、システム全体の特性を向上させることが出来る。
【００３０】
この発明の第３の局面は、少なくとも一種類以上の窒素以外のＶ族元素と窒素とをＶ族組成として含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層から成る層Ａを、ＧａＡｓＳｂＮを組成とするＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層から成る層Ｂの上に結晶成長することを特徴とする結晶成長方法にかかる。この結晶成長方法によると、ＧａＩｎＮＡｓやＧａＩｎＮＡｓＳｂやＧａＩｎＡｓＳｂといった発光層の発光特性が格段に向上し、かつ平坦な結晶膜が得られるようになる。
【００３１】
上記層Ａには組成としてアンチモンが含まれるのが好ましい。
【００３２】
この発明の第４の局面に従う化合物半導体素子は、少なくとも一種類以上の窒素以外のＶ族元素と窒素とをＶ族組成として含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層から成る層αを有し、上記第一の層に隣接してＧａＡｓ1-h-kＳｂhＮk（ここで、０＜ｋ≦０．０１５、０＜ｈ＜１）を組成とするＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層から成る層βを有する層構造を含む。このように構成することにより、ＧａＩｎＮＡｓやＧａＩｎＮＡｓＳｂやＧａＩｎＡｓＳｂといった結晶層を有する素子の特性が格段に向上する。
【００３３】
上記層αには組成としてアンチモンが含まれるのが好ましい。
【発明の効果】
【００３４】
本願発明にかかる半導体レーザ素子によると、クラッド層と光ガイド層との屈折率差を十分に大きくすることが出来、かつガイド層をＧａＡｓに格子整合させることが出来るので、活性層への光閉じ込めが十分に大きな半導体レーザの層構造を得ることが出来るようになる。また、各層間のヘテロ接合のバンドラインナップを理想的なタイプＩ型とすることが出来るので、キャリアの注入と閉じ込めを十分に行うことが出来、発振閾値電流が非常に小さな良好な半導体レーザ素子が得られるようになる。
【００３５】
また、光ガイド層については、量子井戸の設計からの要求によって歪みの入った結晶が必要な場合にも、引張り歪から圧縮歪に至るまで混晶組成を所定の値に設定することによって自由に設定することも可能となる。
【００３６】
更に、Ａｌを含まないＧａＡｓをクラッド層に用いることが出来るようになる為、良好な埋め込みヘテロ構造を実現することが出来るようになり、デバイスの駆動電流の大幅な低減とレーザ発振時の効率の大幅な上昇を実現することが出来るようになる。
【００３７】
また、本願の半導体素子を応用システムに用いることにより、システム全体の特性を向上させることが出来る。
【００３８】
また、本願の結晶成長方法によると、ＧａＩｎＮＡｓやＧａＩｎＮＡｓＳｂやＧａＩｎＡｓＳｂといった発光層の発光特性が格段に向上し、かつ平坦な結晶膜が得られるようになる。
【００３９】
また、本願の化合物半導体素子により、ＧａＩｎＮＡｓやＧａＩｎＮＡｓＳｂやＧａＩｎＡｓＳｂといった結晶層を有する素子の特性が格段に向上するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
以下、この発明の実施例を図を用いて説明する。
【実施例１】
【００４１】
実施例１では、ＧａＡｓから成る基板の上に構築した、光ガイド層及び障壁層をＧａＡｓＳｂＮ、井戸層をＧａＩｎＮＡｓとした二重量子井戸構造を活性層として有する半導体レーザ素子の構造について示す。本実施例では、光ガイド層及び障壁層としてＧａＡｓに概ね格子整合するＧａＡｓＳｂＮを用いた点に特徴がある。
【００４２】
図１は、実施例１にかかる半導体レーザ素子１００の構造の斜視図である。
【００４３】
図１を参照して、半導体レーザ素子１００は、ｎ型ＧａＡｓからなる基板１１１を備える。基板１１１の上に、ｎ型ＧａＡｓからなる１μｍ厚みの下クラッド層１１０と、ｉ（真性）−ＧａＡｓ0.978Ｓｂ0.016Ｎ0.006からなる０．１２μｍ厚みの下光ガイド層１０９と、ｉ−Ｇａ0.64Ｉｎ0.36Ｎ0.006Ａｓ0.994からなる７ｎｍ厚みの井戸層１０７と、ｉ−ＧａＡｓ0.978Ｓｂ0.016Ｎ0.006からなる０．０５μｍ厚みの障壁層１０８と、ｉ−Ｇａ0.64Ｉｎ0.36Ｎ0.006Ａｓ0.994からなる７ｎｍ厚みの井戸層１０７と、ｉ−ＧａＡｓ0.978Ｓｂ0.016Ｎ0.00６からなる０．１２μｍ厚みの上光ガイド層１０６と、ｐ型ＧａＡｓからなる１μｍ厚みの上クラッド層１０５と、ｐ+型ＧａＡｓからなる０．５μｍ厚みのコンタクト層１０４が積層されている。
【００４４】
コンタクト層１０４、上クラッド層１０５、上光ガイド層１０６、井戸層１０７、障壁層１０８、下光ガイド層１０９、下クラッド層１１０および基板１１１は、基板１１１の表面に至るまでメサエッチングされている。そして、ｐ型ＧａＡｓからなる第二電流狭窄層１０３、ｎ型ＧａＡｓからなる第一電流狭窄層１０２を順に成長させている。コンタクト層１０４に接触するようにＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるｐ型側電極金属１０１を形成し、基板１１１の裏面にＡｕＧｅ／Ｎｉからなるｎ型側電極金属１１２を設けている。
【００４５】
共振器長１０００μｍにへき開し、上下の電極１０１，１１２を通して電流を流すと、量子井戸一つ当りの発振しきい値電流密度４００［Ａ／ｃｍ2／ｗｅｌｌ］にて、波長１．３１μmでレーザ発振を生じた。
【００４６】
特許文献１に開示された半導体レーザにおいて光ガイド(障壁)層として使用されているＧａ0.9Ｉｎ0.1Ａｓの場合、この材料の臨界膜厚は高々０．０３３μｍ程度と薄く、また、クラッド層であるＧａＡｓとの屈折率差が極めて小さい（ｎ（ＧａＩｎＡｓ）−ｎ（ＧａＡｓ）＝０．０４）為、この材料では半導体レーザ内の光分布を井戸層付近に集中させる光ガイド構造を設計することが出来ない。
【００４７】
ところで、ＧａＡｓやＧａＩｎＡｓにＮを混晶化させた場合には、他の元素を混晶化させた場合よりも著しく屈折率が大きくなることがＪａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ,ｖｏｌ.３７,１９９８,Ｎｏ.３Ａ,ｐ.７５３に報告されている。このことから、光ガイド層にＮを混晶化させることにより、クラッド層とガイド層との屈折率差を著しく大きくすることが出来、活性層への光閉じ込めを十分に大きくすることが出来る構造を作ることが出来ると予想される。つまり、Ｎを混晶化した材料は光ガイド層の材料として好ましい材料であると考えられる。背景技術として示した特許文献１に開示された半導体レーザにおいても、光ガイド(障壁)層としてＧａ0.94Ｉｎ0.06Ｎ0.02Ａｓ0.98なる材料が開示されており、この場合、Ｎを混晶化している効果によってＧａＡｓよりも十分に大きな屈折率を得ることが出来る設定となっていることがわかった。また、ＧａＡｓと概ね格子整合する組成である為に厚い膜を得ることが出来、活性層への光閉じ込めがより十分に行えるようになる。
【００４８】
反面、この混晶材料をガイド層とし、ＧａＡｓから成るクラッド層に格子整合させると、そのガイド層とクラッド層との間のヘテロ接合のバンドラインナップは、図２（ａ）に示すようなタイプＩＩ型ヘテロ接合となる。この場合、クラッド層がｐ型の場合にはクラッド層から光ガイド層へのホールの注入効率の低下が、クラッド層がｎ型の場合にはクラッド層へのホールのリークが生じる欠点があることが判明した。特に価電子帯におけるヘテロ障壁は、有効質量が大きくヘテロ障壁を乗り越えにくいホールに対しては注入効率を下げる大きな要因となっている。この、Ｎを混晶化することによってＧａＡｓとのヘテロ接合におけるバンドラインナップがタイプＩＩ型となる問題は、Ｎの混晶化に伴う価電子帯のバンド端エネルギーレベルの低下に起因するものである。よって、光ガイド層としてＧａＡｓＮ混晶を用いた場合も同様である。
【００４９】
一方本願発明のＧａＡｓＳｂＮを用いた構成の場合、Ｎが混晶化されている為に屈折率が著しく大きくなる為、クラッド層と光ガイド層との屈折率差を著しく大きくすることが出来（ｎ（ＧａＡｓＳｂＮ）−ｎ（ＧａＡｓ）＝０．１７）、活性層への光閉じ込めを十分に大きくすることが出来る構造を作ることが出来る点は上記の背景技術の後者の場合と同様であるが、その上、Ｓｂを混晶化していることによって価電子帯のバンド端エネルギーレベルを上昇させることが出来る。この時、この材料をガイド層とし、ＧａＡｓをクラッド層とすると、ガイド層とクラッド層とのヘテロ接合は図２（ｂ）に示す様なタイプＩ型のバンドラインナップが得られるようになることを見出した。
【００５０】
この点を図３を参照しながら説明する。図３は、本実施例にて光ガイド層として用いたＧａＡｓＳｂＮ層において、Ｓｂ混晶比を変化させた場合のＧａＡｓクラッド層と光ガイド層との間の価電子帯のバンド不連続（ΔＥv）の変化の様子を図示したものである。Ｓｂを混晶化しない場合にはΔＥvが負の値、つまりタイプＩＩ型へテロ接合（図２（ａ））であったのに対し、Ｓｂを混晶化することによって価電子帯のエネルギー端は上昇し、ΔＥvが正の値、つまりタイプＩ型へテロ接合（図２（ｂ））へと変化する。この場合、従来のＧａＩｎＮＡｓを光ガイド層として用いた場合に比べて、ｐ型クラッド層からのホールの注入効率が大きく向上するとともに、ｎ型クラッド層へのホールのリークが大幅に低減する。特に本願の特徴であるＧａＡｓＳｂＮ混晶の場合、価電子帯のエネルギー端はＳｂ混晶比のみにより独立に制御することが出来る一方、伝導帯のエネルギー端はＮ混晶比のみにより独立に制御することが出来るといった、この混晶材料特有の性質により、バンドラインナップの設定の自由度と制御性が極めて高いという特徴を持つ。
【００５１】
また、Ｓｂの混晶化によってＮの混晶化に伴う格子定数の縮小化を補償することが出来る様になり、基板のＧａＡｓに概ね格子整合させることが出来るようになった。
【００５２】
この点を図４を参照しながら説明する。図４は、本実施例にて光ガイド層として用いたＧａＡｓＳｂＮ層においてＳｂ混晶比を変化させた場合の光ガイド層の格子定数の変化の様子を図示したものである。Ｓｂを混晶化しない場合には格子定数がＧａＡｓよりも小さく、格子が歪んだ状態であり、この場合、臨界膜厚２５０ｎｍ程度以上の厚さにすると格子緩和により結晶欠陥が生じるようになる。それに対し、本願のように光ガイド層にＳｂを混晶化することによって格子定数は大きくなり、ＧａＡｓに完全に一致させることが可能となる。ＧａＡｓ1-h-kＳｂhＮk混晶の格子定数をＧａＡｓに一致させる為には、Ｓｂの混晶化による格子定数の拡大とＮの混晶化による格子定数の縮小とをバランスさせれば良い。その為には、ＳｂとＮのそれぞれの原子半径を考慮すると、組成比ｈ，ｋがｈ＝２．６×ｋを概ね満たせば良いことがわかった。
【００５３】
また、量子井戸の設計からの要求によって歪みの入った結晶が必要な場合にも、引張り歪から圧縮歪に渡るまで混晶組成を所定の値に設定することによって自由に設定することも可能である。
【００５４】
以上のように、本願の構成においては、特にＡｌを含まないＧａＡｓをクラッド層に用いた場合において理想的な屈折率分布と、格子定数と、バンドラインナップとを実現することが出来るようになる著しい効果を奏することが明らかになった。
【００５５】
ここで、光ガイド層の屈折率がＧａＡｓよりも十分に大きくなることから、クラッド層材料としてＡｌを含まないＧａＡｓを用いることが出来るようになった利点について説明する。Ａｌを混晶組成として含む層をクラッド層などに用い、メサ形状にエッチングした場合、エッチング側面が酸化されて非発光中心などを発生する悪影響が大きいが、本願のようにＡｌを組成として含まないＧａＡｓをクラッド層に用いた場合にはその様な問題はなく、良好な埋め込みヘテロ構造を実現することが出来る。埋め込みヘテロ構造とすることにより、デバイスの駆動電流の大幅な低下とレーザ発振時の効率の大幅な上昇を実現することが出来るようになった。
【００５６】
更に、本願に示すようにＧａＡｓＳｂＮを光ガイド層・障壁層として用い、その上にＧａＩｎＮＡｓからなる発光層（井戸層）を結晶成長させた場合、ＧａＩｎＡｓやＧａＩｎＮＡｓあるいはＧａＡｓＮなどの上に結晶成長させた場合よりも著しく発光特性に優れ、かつ平坦な結晶膜が得られることがわかった。これは、井戸層であるＧａＩｎＮＡｓ層とその下地となるＧａＡｓＳｂＮ層の表面エネルギーとヘテロ界面の界面エネルギーの組み合わせにおいて、井戸層の成長モードが層状成長するモードとなっている為に井戸層の結晶成長がより平坦に進行し、界面の平坦性と結晶性が向上したものであると考えられる。  また、複数のＧａＩｎＮＡｓ井戸層の間にＧａＡｓＳｂＮからなる障壁層を挟んだ場合、下部のＧａＩｎＮＡｓ井戸層の上にＧａＡｓＳｂＮからなる障壁層を結晶成長している間に結晶成長中の最表面の平坦性が大きく回復することから、その上に更にＧａＩｎＮＡｓ井戸層を積層して多重量子井戸とする場合においても、井戸層間の結晶性の差が生じず、狭いスペクトル線幅での発光が生じるようになった。このように、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層に対する下地層あるいは複数の井戸層の間に設ける障壁層としてＧａＡｓＳｂＮ結晶を用いることは結晶成長の観点からも効果的であることがわかった。
【００５７】
本願発明者の検討の結果、このように井戸層であるＧａＩｎＮＡｓの結晶性が向上して発光特性が良好になるのは、下地層がＳｂを組成として含んでいる場合であることが判明した。なお、井戸層であるＧａＩｎＮＡｓに少量のＳｂが含まれている場合も同様に下地層がＳｂを組成として含んでいる場合に特に発光特性に優れることがわかった。なお、下地層とするＧａＡｓ1-h-kＳｂhＮkにおいては、Ｎ混晶比ｋが０．０１５よりも大きい場合にはＧａＡｓ1-h-kＳｂhＮkの結晶性が大幅に悪化することがわかり、ｋ≦０．０１５としなければ本願発明を実施することが出来なかった。
【００５８】
図１の半導体レーザは以下のように製造した。まずｎ型ＧａＡｓ基板の上に下クラッド層１１０からコンタクト層１０４に至る各層を、窒素源としてＮ2プラズマを用い、他の原料には固体ソースを用いた分子線エピタキシャル成長（ＭＢＥ）法にて結晶成長し、フォトリソグラフィーとウエットエッチング技術を用いて幅３μｍのメサ状に加工し、そのメサの両側に第二電流狭窄層１０３と第一電流狭窄層１０２とを有機金属化学気相成長（ＭＯ−ＣＶＤ）法にて再成長し、基板１１１を厚さ１００μｍにまで薄層化した後、上下に電極１０１，１１２を蒸着し、ヘキ開により所定のサイズに分割して素子を完成させた。
【実施例２】
【００５９】
実施例１の構成において、井戸層をＧａＩｎＮＡｓＳｂに置き換え、井戸数を３つとした三重量子井戸構造を活性層として有する半導体レーザ素子の構造について示す。本実施例では、光ガイド層及び障壁層としてＧａＡｓに概ね格子整合するＧａＡｓＳｂＮを用いた点に特徴がある。
【００６０】
図５は、実施例２の半導体レーザ素子２００の構造を示す。
【００６１】
図５を参照して、半導体レーザ素子２００は、ｎ型ＧａＡｓからなる基板２１１を備える。基板２１１の上にｎ型ＧａＡｓからなる厚み１μｍの下クラッド層２１０と、ｉ（真性）−ＧａＡｓ0.978Ｓｂ0.016Ｎ0.006からなる０．１２μｍ厚みの下光ガイド層２０９とが順に設けられている。下光ガイド層２０９の上に、ｉ−Ｇａ0.72Ｉｎ0.28Ｎ0.004Ａｓ0.926Ｓｂ0.07からなる７ｎｍ厚みの井戸層２０７とｉ−ＧａＡｓ0.989Ｓｂ0.005Ｎ0.0066からなる２０ｎｍ厚みの障壁層２０８とが、井戸層２０７が３層になるように交互に形成されている。その上に、ｉ（真性）−ＧａＡｓ0.978Ｓｂ0.016Ｎ0.006からなる０．１μｍ厚みの上光ガイド層２０６と、１μｍ厚みのｐ型ＧａＡｓからなる上クラッド層２０５と、０．５μｍ厚みのｐ+型ＧａＡｓからなるコンタクト層２０４が積層されている。
【００６２】
コンタクト層２０４、上クラッド層２０５、上光ガイド層２０６、井戸層２０７、障壁層２０８、下光ガイド層２０９、下クラッド層２１０および基板２１１は、基板１１１の表面に至るまでメサエッチングされている。そして、メサエッチングされた部分に、ｐ型ＧａＡｓからなる第二電流狭窄層２０３、ｎ型ＧａＡｓからなる第一電流狭窄層２０２を順に成長させている。コンタクト層１０４に接触するようにＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるｐ型側電極金属２０１を形成し、基板２１１の裏面にＡｕＧｅ／Ｎｉからなるｎ型側電極金属２１２を設けている。
【００６３】
共振器長５００μｍにへき開し、上下の電極２０１，２１２を通して電流を流すと、量子井戸一つ当りの３００［Ａ／ｃｍ2／ｗｅｌｌ］の低い発振しきい値電流密度にて、波長１．３１μmでレーザ発振を生じた。
【００６４】
この実施例では、実施例１とは井戸数、井戸層の組成及び組成比が異なるが、実施例１の場合と同様に各層間のヘテロ接合のバンドラインナップはタイプＩ型を実現している。またクラッド層にＧａＡｓを用いつつ良好な特性の半導体レーザを得ることが出来ており、またＡｌを含まない材料から構成されている為にＡｌを含む層の酸化などの問題もなく半導体レーザを製造することが出来ている。また、井戸層であるＧａＩｎＮＡｓＳｂ混晶の結晶性についても、実施例１と同様に、ＧａＡｓＳｂＮ層の上に結晶成長することによって井戸層がより平坦に、かつ結晶性良く結晶成長出来るようになっており、半導体レーザの特性の向上につながっている。
【００６５】
特にこの実施例では井戸層間の障壁層２０８には引っ張り歪組成となるＧａＡｓＳｂＮ層を用いており、圧縮歪を有する井戸層の歪の影響を緩和することが出来ている。このように井戸層に隣接してＧａＡｓＳｂＮ層を配した場合、その組成を圧縮歪・格子整合・引っ張り歪と任意に設定することが出来、制御の自由度が極めて高い点が特徴である。
【実施例３】
【００６６】
本実施例では、井戸層を、Ｓｂを微量に含むＧａＩｎＮＡｓ（Ｓｂ）とし、井戸数を１つとした単一量子井戸構造を活性層として有する半導体レーザ素子の構造について示す。本実施例では、光ガイド層としてＧａＡｓに概ね格子整合するＧａＡｓＳｂＮを用い、また井戸層に隣接する障壁層として引っ張り歪を有するＧａＡｓＳｂＮを用いた点に特徴がある。
【００６７】
図６は、実施例３にかかる半導体レーザ素子３００の構造の斜視図である。
【００６８】
ｎ型ＧａＡｓからなる基板３１１の上に、ｐ型ＧａＡｓからなる第二電流狭窄層３０３、ｎ型ＧａＡｓからなる第一電流狭窄層３０２が設けられている。第一電流狭窄層３０２と第二電流狭窄層３０３は、基板３１１の表面に至るまで貫通する溝が形成されている。溝の中に、ｎ型ＧａＡｓからなる１μｍ厚みの下クラッド層３１０、ｉ−ＧａＡｓ0.978Ｓｂ0.016Ｎ0.006からなる０．１３μｍ厚みの下光ガイド層３０９、ｉ−Ｇａ0.64Ｉｎ0.36Ｎ0.006Ａｓ0.989Ｓｂ0.005からなる６ｎｍ厚みの井戸層３０７、ｉ−ＧａＡｓ0.978Ｓｂ0.016Ｎ0.006からなる０．１３μｍ厚みの上光ガイド層３０６、ｐ型ＧａＡｓからなる１μｍ厚みの上クラッド層３０５が設けられている。下光ガイド層３０９および上光ガイド層３０６のそれぞれの、井戸層３０７に隣接する部分にだけ、ｉ−ＧａＡｓ0.989Ｓｂ0.005Ｎ0.006からなる２２０ｎｍ厚みの障壁層３０８が設けられている。上クラッド層３０５に接触するように、ｐ+型ＧａＡｓからなる０．５μｍ厚みのコンタクト層３０４が設けられ、その上にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるｐ型電極金属３０１が設けられている。基板３１１の裏面には、ＡｕＧｅ／Ｎｉからなるｎ型側電極金属３１２が設けられている。
【００６９】
共振器長２５０μｍにへき開し、上下の電極３０１，３１２を通して電流を流すと、発振しきい値電流密度３５０［Ａ／ｃｍ2／ｗｅｌｌ］にて、波長１．２９μmでレーザ発振を生じた。
【００７０】
この実施例では、実施例１，２とは井戸数、井戸層の組成及び組成比、埋め込みヘテロ構造の形状が異なるが、各層間ではタイプＩ型のヘテロ接合となっている。実施例１，２の場合と同様にクラッド層にＧａＡｓを用いつつ良好な特性の半導体レーザを得ることが出来ており、またＡｌを含まない材料から構成されている為にＡｌを含む層の酸化などの問題もなく半導体レーザを製造することが出来ている。
【００７１】
また、この実施例においては、光ガイド層３０６，３０９には格子整合組成のＧａＡｓＳｂＮを用い、井戸層３０７に隣接する部分にだけ薄膜の引っ張り歪を有するＧａＡｓＳｂＮ層３０８を配している。これにより、圧縮歪を有する井戸層３０７の歪が相殺され、内包される歪量の低減がなされている。
【００７２】
図６の半導体レーザは以下のように製造される。まずｎ型ＧａＡｓ基板３１１の上に第二電流狭窄層３０３と第一電流狭窄層３０２とを化学分子線エピタキシャル成長（ＣＢＥ）法にて結晶成長し、フォトリソグラフィーとウエットエッチング技術を用いて幅２μｍの溝を形成する。その溝の中に下クラッド層３１０から上クラッド層３０５に至る各層を二度目のＣＢＥ法にて再成長し、その上に全面にコンタクト層３０４を三度目のＣＢＥ法にて再成長し、基板３１１を厚さ１００μｍにまで薄層化した後、上下に電極３０１，３１２を蒸着し、ヘキ開により所定のサイズに分割して素子を完成させた。実施例３では、実施例１，２とは埋め込みヘテロ構造の製造工程や形状が異なるが、同様の効果が得られている。
【実施例４】
【００７３】
本実施例では、光ガイド層を、Ｎ組成及びＳｂ組成が少しずつ変化させることによってＧＲＩＮ−ＳＣＨ（Graded Index-Separate Confinement Heterostructure）構造とした埋め込みヘテロ型半導体レーザ素子の構造について示す。本実施例では、光ガイド層として組成が徐々に変化するＧａＡｓＳｂＮを用いた点に特徴がある。
【００７４】
図７は、実施例４の半導体レーザ素子４００の構造を示す。
【００７５】
図７を参照して、ｎ型ＧａＡｓからなる基板４１１の上に、ｎ型ＧａＡｓからなる１μｍ厚みの下クラッド層４１０、ｉ−ＧａＡｓＳｂＮからなる０．１５μｍ厚みの下光ガイド層４０９、ｉ−Ｇａ0.72Ｉｎ0.28Ａｓ0.93Ｓｂ0.07からなる８ｎｍ厚みの井戸層４０７、ｉ−ＧａＡｓＳｂＮからなる０．１５μｍ厚みの上光ガイド層４０６、ｐ型ＧａＡｓからなる１μｍ厚みの上クラッド層４０５、ｐ+型ＧａＡｓからなる０．５μｍ厚みのコンタクト層４０４が設けられている。下クラッド層４１０、下光ガイド層４０９、井戸層４０７、上光ガイド層４０６、上クラッド層４０５およびコンタクト層４０４は、基板４１１の表面に至るまで、メサエッチングされている。メサエッチングされた部分に、ｎ型ＧａＡｓからなる第一電流狭窄層４０２とｐ型ＧａＡｓからなる第二電流狭窄層４０３が設けられている。コンタクト層４０４に接触するように、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるｐ型側電極金属４０１が設けられている。基板４１１の裏面に、ＡｕＧｅ／Ｎｉからなるｎ型側電極金属４１２が設けられている。
【００７６】
共振器長８００μｍにへき開し、上下の電極４０１，４１２を通して電流を流すと、発振しきい値電流密度２５０［Ａ／ｃｍ2／ｗｅｌｌ］にて、波長１．２μmでレーザ発振を生じた。
【００７７】
この実施例では、上下光ガイド層のＮ混晶比およびＳｂ混晶比を調節し、図８（ａ）にバンドラインナップを示すようにクラッド層から井戸層の端部に至る光ガイド層の禁制帯幅が放物線状に徐々に変化するように、かつＧａＡｓ1-h-kＳｂhＮk混晶が常にＧａＡｓに概ね格子整合するように組成比ｈ，ｋがｈ＝２．６×ｋを概ね満たすように設定した。このようにすることにより、井戸層への光閉じ込めがより効率的に行われるようになり、より低閾値電流でのレーザ発振が生じるようになった。特に材料の屈折率を大幅に変化させることが出来るＮ組成の設定によりこのような屈折率分布を作り込むことは、レーザ素子内部の光分布の制御の観点からは特に有利となる。なお、光ガイド層のバンドラインナップとしては必ずしもこの実施形態で示した放物線状でなくても良く、図８（ｂ）に示した直線状、あるいは図８（ｃ）に示した階段状であってもよい。
【００７８】
本実施例においても、他の実施例の場合と同様に各層間のヘテロ接合はタイプＩ型が実現されている。またクラッド層にＧａＡｓを用いつつ良好な特性の半導体レーザを得ることが出来ており、またＡｌを含まない材料から構成されている為にＡｌを含む層の酸化などの問題もなく半導体レーザを製造することが出来ている。
【００７９】
また、ＧａＡｓＳｂＮ光ガイド層の上に井戸層であるＧａＩｎＡｓＳｂ混晶を結晶成長しており、他の実施例と同様に、井戸層がより平坦に、かつ結晶性良く結晶成長出来るようになっており、半導体レーザの特性の向上につながっている。
【００８０】
この実施例では、他の実施例よりも、より短波長でレーザ発振するレーザについて実例を示している。本願半導体レーザの構成は、ガイド層であるＧａＡｓＳｂＮで光吸収が生じない任意の波長（波長約９００ｎｍ以上）に対して適用することが可能である。
【実施例５】
【００８１】
図９は、本願半導体レーザ素子を用いた応用システムの一例であり、半導体レーザを送信光源として用いる光ファイバー通信システムにおける光送信用ユニット５００を構成したものである。
【００８２】
半導体レーザ５０１は、実施例１において詳細を説明した半導体レーザであり、入力電気信号に従って半導体レーザを制御する為の電気回路５０２によって駆動され、このシステムへの入力電気信号は光信号として半導体レーザ５０１から発せられる。半導体レーザ５０１からの光信号は集光用レンズ５０３を介して光ファイバー５０４に集光され、光ファイバーから光信号が出力される。半導体レーザ５０１は、放熱の為のサブマウント５０５に固定される。５０６は電気端子、５０７は基板である。
【００８３】
半導体レーザ５０１として本願実施例１に示した、閾値電流が従来よりも低い素子を用いたことから、伝送速度として２．５Ｇｂ／ｓを得ることができ、優れた特性を示した。
このように本願発明の半導体レーザは半導体レーザ単独で用いる場合のみならず、この実施形態のようにシステムの一部として用いることにより、システム全体の特性を向上させることが出来るようになる。また半導体レーザは上記の光ファイバー通信システムのみならず、光の空間伝送システム、測距等のセンサーシステムなど、種々のシステムに用いることが出来ることは言うまでもない。
【００８４】
なお、半導体素子としては必ずしも半導体レーザに限定されるものではなく、類似の構造に作製された発光ダイオード、受光素子、光導波路素子、光増幅器、太陽電池などの任意の光デバイスへ適用することが可能であることは言うまでもなく、本願発明の実施例にて示した基本構成にて優れた特性のデバイスを作製することが出来るようになる。
【００８５】
また、本願に示した各実施例における各層として使用されるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体混晶については、実施形態において詳細を説明した以外のＩＩＩ族元素（ボロン等）やＶ族元素（Ｂｉ）が適宜混晶化されていてもよいし、不純物元素（Ｚｎ，Ｂｅ，Ｍｇ，Ｔｅ，Ｓ，Ｓｅ，Ｓｉ等）が適宜含まれていてもよい。また、基板についても実施形態に示したものに限定されるものではなく、別の基板を用いても同様の効果が得られる。例えば、ＧａＡｓに格子定数が比較的近いＺｎＳｅ基板などのＩＩ−ＶＩ族化合物半導体基板、Ｇｅ基板などのＩＶ族半導体基板を用いることが出来る。また、ガラス・プラスチック・セラミックス等の任意の基板の上に作製した結晶を利用することもできる。
【００８６】
また、結晶成長に用いる各構成元素の原料については、実施形態に記述した特定の原料、あるいはそれぞれの原料の特定の組み合わせに限定されるものではなく、任意の原料を任意の組み合わせで用いることができることは言うまでもない。
また、何れも量子井戸構造における井戸層に本願の混晶を適用した場合について示してきたが、その際における井戸数、歪量、井戸層厚に関して制限はない。また、バリア層にも圧縮または引っ張りの歪を導入してもよい。
【００８７】
なお、これまでの記述の中で「上」と示された方向は基板から離れる方向を示しており、「下」は基板へ近づく方向を示している。結晶成長は「下」から「上」の方向へ向かって進行する。
【００８８】
また、各実施例中に示したｐ型半導体部とｎ型半導体部は、ｐとｎとが逆転していても良い。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
本発明にかかる半導体レーザ素子は、活性層への光閉じ込めが十分に大きいので、光通信システムに有効に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】実施例１にかかる半導体レーザ装置の斜視図である。
【図２】ヘテロ接合のバンドラインナップを示す図である。
【図３】ＧａＡｓＳｂＮ層とＧａＡｓとの価電子帯バンド不連続のＳｂ組成による変化の様子を示す図である。
【図４】ＧａＡｓＳｂＮ層の格子定数のＳｂ組成による変化の様子を示す図である。
【図５】実施例２にかかる半導体レーザ装置の斜視図である。
【図６】実施例３にかかる半導体レーザ装置の斜視図である。
【図７】実施例４にかかる半導体レーザ装置の斜視図である。
【図８】ヘテロ接合のバンドラインナップを示す図である。
【図９】半導体レーザ素子を用いた応用システムを示す図である。
【図１０】従来の半導体素子の断面図である。
【符号の説明】
【００９１】
１０１  p型側電極金属
１０２  第一電流狭窄層
１０３  第二電流狭窄層
１０４  コンタクト層
１０５  上クラッド層
１０６  上光ガイド層
１０７  井戸層
１０８  障壁層
１０９  下光ガイド層
１１０  下クラッド層
１１１  基板
１１２  ｎ型側電極金属
【図１】
2005223110.tif 000003
【図２】
2005223110.tif 000004
【図３】
2005223110.tif 000005
【図４】
2005223110.tif 000006
【図５】
2005223110.tif 000007
【図６】
2005223110.tif 000008
【図７】
2005223110.tif 000009
【図８】
2005223110.tif 000010
【図９】
2005223110.tif 000011
【図１０】
2005223110.tif 000012