(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に形成された光を発生する活性層を少なくとも１層有し、
前記活性層は、第1の半導体層であるGaInNAs層を含み、前記第１の半導体層の両側あるいは前記第１の半導体層のどちらか一方の側に前記第1の半導体層よりバンドギャップエネルギーの大きい第２の半導体層であるGaInAs層が隣接して積層された量子井戸層と、前記量子井戸層の両側に積層され前記量子井戸層内の第２の半導体層よりも大きいバンドギャップエネルギーを有する半導体障壁層とからなり、
前記量子井戸層の第１量子準位が、前記第２の半導体層の伝導帯バンド端より高エネルギー側に存在することを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体発光素子において、前記半導体障壁層が、GaAs、GaPAs、GaNAs、GaNPAsのいずれか一つから選択された材料からなることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項３】
請求項１に記載の半導体発光素子において、前記GaInAs層にSbを含むことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項４】
請求項３に記載の半導体発光素子において、前記半導体障壁層が、GaAs、GaPAs、GaNAs、 GaNPAsのいずれか一つから選択された材料からなることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項５】
請求項１に記載の半導体発光素子において、前記GaInＮAs層にSbを含むことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項６】
請求項５に記載の半導体発光素子において、前記半導体障壁層が、GaAs、GaPAs、GaNAs、 GaNPAsのいずれか一つから選択された材料からなることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項７】
請求項１に記載の半導体発光素子を具備してなる面発光型または端面発光型レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子に係り、特に半導体レーザや半導体光増幅素子、半導体光変調素子、あるいはそれらを集積化した半導体発光素子に適用して有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
インターネットの普及に伴って情報ネットワークの利用が急増し、光通信システムでの伝送容量拡大が現在急務となってきている。都市間幹線網の長距離通信だけでなく、都市圏内のメトロ網の中短距離通信においても高速大容量化が重要な課題となっている。今後10Gbit/sのLRM(伝送距離300m)にて大規模な市場が展開される見通しである。また、40Gbit/sの市場は現在の予測ではまだ小規模であるものの将来的なインターネットトラフィックの増大に向けた低コスト送受信光源の開発が必要である。これに伴い、メトロ網の局内あるいは局間のルータ間光接続に使用する高速で安価な光モジュールが求められている。このキーデバイスとなる半導 体送受信光源としてシリカファイバーでの伝送ロスの小さい1.3μm帯、1.55μm帯の半導体レーザが必要となる。
【０００３】
1.3μm帯や1.55μm帯の波長帯ではInP基板上の材料が一般的である。しかし、この従来の長波長帯レーザは温度特性が悪いという欠点を持っており冷却素子を必要とするため、低消費電力、低コスト化のためには温度特性の良好な長波長帯レーザの開発がきわめて重要である。温度特性が悪い主たる原因は伝導帯のバンド不連続が小さいためキャリアのオーバーフローが起こるためである。 
近年、GaAs基板上に1.3μm帯の半導体レーザを作製可能な材料としてGaInNAsが注目されている。
GaInNAsはNと他のＶ族を含んだIII−Ｖ族混晶半導体であり、GaAsよりも格子定数の大きいGaInAsにNを添加することで格子定数をGaAsに整合させることが可能な材料である。また、N添加により伸張歪みが加わるため、バンドギャップが減少し1.3、および1.55μm帯での発光が可能である。非特許文献１（Japanese Journal of Applied Physic Vol.35 (1996)pp. 1273-1275）には近藤らによりGaInNAsのバンドラインナップが計算されている。N添加により、バンドギャップが減少すると同時に伝導帯、価電子帯共にバンドが下がるため伝導帯のバンド不連続が大きくなり温度特性が大幅に改善できると予想されている。
【０００４】
長波長化の観点からはGaInNAsのN、In組成は共に増加することが望ましい。例えば特許文献１（特開平10-270798号公報）ではGaAs基板に整合しPL波長1.3μmのGa0.9In0.1N0.03As0.97を活性層とする半導体発光素子が開示されている。しかし、N組成を増大させるとしきい電流密度が急激に増大するという問題がある。例えば、特許文献２（特開2004-200647号公報）にはIn組成10%のGa0.9In0.1NyAs1-yレーザにてyが1.5%から2.5%へ増加する時しきい電流密度がおよそ５倍に増加するという実験結果が開示されている。このため、一般的にはIn組成を増加してN組成を低減する方法が取られており、基板に対して２%程度以上と高圧縮歪みを有したGaInNAs系量子井戸が活性層として用いられている。このような 高歪みの量子井戸では、臨界膜厚が数nmと薄く長波長化が困難であることや量子井戸数の制限があるなどデバイス設計の制限が生じる。特に10Gbit/sや40Gbit/sに向けた高速化に対応するためには多重量子井戸(MQW)が必要となるが一般に量子井戸数が多いほど臨界膜厚は薄くなるため高速化と長波長化の両立が困難である。
【０００５】
このため、従来、様々な歪み補償技術が提案されている。例えば、特許文献３（特開平10-126004号公報）では歪み補償層ととして基板より格子定数が小さくAlを含まないGaInNPAs系材料障壁層を用いてGaInNAs系量子井戸活性層の歪みを補償し、また活性層と障壁層の界面制御を容易にする方法が開示されている。また、特開平10-145003では歪み補償層にGaNPAsまたはGaNAs材料を用いてレーザ発振に十分な電子と正孔の閉じ込めポテンシャルを確保したまま活性層の歪みを緩和する方法が開示されている。また、特許文献２（特開2004-200647号公報）では歪み補償層のN組成をGaInNAs系量子井戸活性層よりも小さくすることで、伝導体のバンド不連続を大きくして温度特性の向上を図ると共に、活性層の下地となる障壁層の結晶性を向上させ高品質な活性層を成長する方法を開示されている。
【０００６】
また、歪み補償技術はGaInNAs系量子井戸以外の活性層を有する半導体量子井戸レーザにおいても一般的である。例えば、11th International Conference on Indium Phosphide and Related Materials 1999 MoPO2には、GaInAsP量子井戸の両側に隣接してInAsPの歪み補償中間層を導入する方法が開示されている。
【０００７】
歪みを補償せずに、GaInNAs量子井戸層を臨界膜厚以下に保ったまま長波長化を行う方法が非特許文献２（IEEE、Photonics technology letter vol.9 No.11(1997) pp1448-1450）や非特許文献３（IEEE Photonics technology letter vol.14 No.7(2002) pp896-898）で開示されている。これらの例ではGaInNAs量子井戸層とその両側に積層されたGaAs障壁層の間にGaInNAs量子井戸層とIn組成が異なりGaAsに格子整合するGaInNAs系中間層を積層することで実効的な量子井戸層厚を増加して長波長化を行っている。
【０００８】
しかし、上記構造ではレーザの高速性が著しく低下することが有効質量近似を用いた量子力学計算から分かっているので以下で詳細に説明する。図９は、上記の非特許文献１に開示されているGaInNAs量子井戸のエネルギー構造の典型例である。図９の量子井戸はGaInNAs層3とGaInNAs層3の両側に積層されたGaAs障壁層2および6とGaInNAs層3とGaAs障壁層2、GaInNAs層3とGaAs障壁層6の間にそれぞれ積層されたGaInNAs中間層7とからなる。
【０００９】
また、GaInNAs中間層7はGaInNAs層3よりもバンドギャップエネルギーが大きくなるようなIn組成を有する。該公知例では伝導帯の第１量子準位はGaInNAs中間層7の伝導帯端よりも下に存在する。このような場合、第１量子準位がGaInNAs中間層7の伝導帯端よりも上に存在する場合と比較してこの第１量子準位でのキャリア密度が40から50％程度低下することが有効質量近似を用いた量子力学計算より分かっている。キャリア密度が減少すると高速性に関わる微分利得も減少する。従って、高速性が著しく低下する。
【００１０】
また、中間層を導入し且つ伝導帯、価電子帯の第１量子準位がそれぞれ中間層のバンド端より高エネルギー側に存在する例がIEEE,Journal of Quantum Electronics vol.39,No.8(2003)に開示されている。しかし、この例では中間層は電界吸収型の光変調器の特性改善のために適用されており、また歪みを補償するために導入されている。
【００１１】
【特許文献１】特開平10-270798号公報
【特許文献２】特開2004-200647号公報
【特許文献３】特開平10-126004号公報
【非特許文献１】Japanese Journal of Applied Physic Vol.35 (1996)pp. 1273-1275
【非特許文献２】IEEE,Photonics technology letter vol.9 No.11(1997) pp1448-1450
【非特許文献３】IEEE, Photonics technology letter vol.14 No.7(2002) pp896-898
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
GaInNAsにはIn組成が同じGaInAsと比較すると歪みが小さいにも関わらず臨界膜厚が薄いという問題がある。この問題について以下で詳細に検討する。図１は本願の発明者らが実験的に求めたGaInNAs及びGaInAs三重量子井戸(TQW)レーザの井戸層厚としきい電流密度の関係である。図１から井戸層厚が5から7nmに増加するときGaInNAsレーザのしきい電流密度はおよそ３倍と急激に上昇している。このことからこのGaInNAs-TQWの臨界膜厚は5nm以下程度であると推定される。一方、GaInAsレーザは同じ範囲で井戸層厚を増加させても、しきい電流密度はほとんど変化せず、臨界膜厚は7nm以上であると推定される。GaInAsはGaAsに対して圧縮歪みを有する。このため伸張歪みを与えるNをGaInAsに添加して得られるGaInNAsはGaInAsより歪みが小さい。従って、GaInAsと比較してGaInNAsは歪みが小さく臨界膜厚が薄い。図１におけるGaInNAsとGaInAsはIn組成は共に31％程度と同じであることから、これら２つの材料の臨界膜厚の差はNに起因すると考えられる。また、歪みの小さいGaInNAsの方が臨界膜厚が薄いことから臨界膜厚に対する耐性低下への寄与は歪みよりもN添加の方が大きい。
【００１３】
そこで、本発明は、GaInNAs量子井戸におけるN添加に起因する臨界膜厚の制限を緩和し、光通信に適した長波長化を低しきい電流にて実現する構造のGaInNAs系量子井戸半導体発光素子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】
【００１４】
上記目的は、半導体基板上に光を発生する活性層を少なくとも1層有する半導体発光素子において、該活性層が、第1の半導体層の両側あるいはどちらか一方の側に第1の半導体層よりバンドギャップエネルギーの大きい第２の半導体層が隣接して積層された量子井戸層と、該量子井戸層の両側に積層する該量子井戸層よりもバンドギャップエネルギーの大きい半導体障壁層からなり、該量子井戸層の量子準位が第２の半導体層のバンド端より高エネルギー側に存在することを特徴とする半導体発光素子により達成される。
【発明の効果】
【００１５】
GaInAsはGaInNAsより臨界膜厚耐性が良好であるためGaInNAs量子井戸層にGaInAs層を積層することで正味の厚さがGaInNAsの臨界膜厚を越えるGaInNAs/GaInAs多層量子井戸を作製でき、低しきい電流での長波長化を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に、本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。
【実施例１】
【００１７】
実施例１は本発明をナローストライプの端面発光型レーザに適用した例である。図２にナローストライプの端面発光型レーザの素子構造を示す。図２おいて、101はn-GaAs基板、102はキャリア濃度1×1018cm-3のn型GaInPクラッド層、103は活性層であり、104はキャリア濃度1×1018cm-3のp型GaInPクラッド層、106はポリイミド絶縁層、105はSiO2保護膜、107はp型電極層である。共振器長は200μmであり、素子の前後端面にはそれぞれ、反射率70%、90%のコーティングを施した。図２に示されるレーザ構造のエピタキシャル構造は例えば、Nラジカルを用いるガスソース複合分子線エピタキシー装置により順次成長することができる。また、同様の構造は有機金属気相成長法によっても得られる。実施例1は図２の活性層103が図３に示す活性層を３層積層した３重量子井戸(TQW)構造であることを特徴とする。
【００１８】
図３は図２の活性層103の量子井戸のエネルギー構造を示す図である。図３において本発明の量子井戸は、量子井戸層1と量子井戸層1の両側に積層されたGaAs障壁層2および6からなる。なお、GaAs障壁層2および6は、GaAsの代わりに、GaPAsまたはGaNAsを用いてもよい。量子井戸層1はGaInNAs層3とGaInAs層4を順次積層して構成される。なお、GaInNAs層3は、GaInNAsの代わりに、GaInNAsSbを用いてもよく、また、GaInAs層4はGaInAsの代わりに、GaInAsSbを用いてもよい。GaInNAs層3の層厚をL1とし、GaInAs層4の層厚をL2とする。また、量子井戸層1の層厚をLwとし、L1とL2の和はLwに等しいとする。ここで、本発明で長波長化としきい電流低減が両立できる理由を説明する。本発明では長波長化を実現するためにGaInNAs量子井戸層にGaInAs層を追加して積層することで量子井戸の正味の層厚を厚くする。GaInAsはGaInNAsからNを除去した材料である。このため、GaInAs層を積層することはGaInNAs層の層厚を増加して所定の厚さ以上の層からNを除去することと同義である。臨界膜厚耐性の低下はN添加に大きく起因しているためNを除去した層は臨界膜厚耐性が向上する。
【００１９】
従って、上記所定の厚さをGaInNAs層の臨界膜厚以下としこのGaInNAs層にGaInAs層を積層して正味の量子井戸層厚がGaInNAsの臨界膜厚よりも厚くかつそれ自身は臨界膜厚以下である多層の量子井戸層を作製することができる。従って、しきい電流を小さく抑え、且つGaInNAsの臨界膜厚よりも正味の量子井戸層厚が厚いためGaInNAsのみでは実現できない範囲への長波長化を達成できる。従って、本発明の目的である長波長化としきい電流の低減を実現できる。さらに図３において伝導帯の第1量子準位がGaInAs層4の伝導帯端より上に存在するようにGaInNAs層3およびGaInAs層4の層厚を制御することでキャリア密度の減少に起因した高速性の劣化も起こらない。
【００２０】
図２の素子構造において、有効質量近似を用いた量子力学計算により量子井戸層の量子準位エネルギーを求め長波長化について検討した。
【００２１】
例として図３においてGaInNAs層3がGa0.65In0.33N0.01As0.99、GaInAs層4がGa0.65In0.35Asの場合を用いた。また、GaInNAs-TQWの臨界膜厚は実験的に5nm以下程度であるためGaInNAs層3の層厚L1を5nmとした。まず、伝導帯の第1量子準位がGaInAs層4の伝導帯端より上に存在する条件は0nm≦L2≦2nmであった。
【００２２】
図４は量子井戸層1の層厚Lwと発振波長の関係である。同図には参考としてGaInNAs層のみからなる量子井戸の層厚と発振波長の関係も併記してある。同図L1=5nmの曲線において5nm≦Lw≦7nmの領域がGaInAs層4を厚膜化した時の波長を示している。この結果からGaInAs層4を厚くすることでGaInNAs層のみで実現できる最長波長(Lw=5nmの時)よりも発振波長がおよそ30nm長波長化されたことが分かる。また、GaInAsの臨界膜厚は実験的に7nm以上であることから5nm≦Lw≦7nmの領域では、本発明の量子井戸は臨界膜厚以下である。しきい電流は室温で7mA程度、85℃で15mA程度を実現でき、30Gbit/sでの動作を実現した。以上より本発明の目的である低しきい電流での長波長化が達成された。
【００２３】
次にGaInNAs層の層厚L1が5nm以下の場合に長波長化としきい値低減を両立するのに適当なGaInNAs層3の層厚L1とGaInAs層4の層厚L2の範囲を検討した。
【００２４】
図５の黒点を結ぶ曲線は、伝導帯の第1量子準位の位置が図３のGaInAs層4の伝導帯端の位置と等しくなる時、すなわちGaInNAs層3のInが33%でGaInAs層4のInが35%の時のGaInNAs層3の層厚L1とGaInAs層3の層厚L2の関係である。尚、図５には、GaInNAs層3のIn組成が33%でGaInAs層のIn組成が33%の時の結果を併せてプロットしてある（×印を結ぶ曲線を参照）。図５において、各々の曲線上の点は、波長が最も長波長化される時のL1とL2の組合せである。また、図５に示される２つの曲線に挟まれる領域、すなわちGaInAsのIn組成が33%の曲線より上であり、GaInAsのＩｎ組成が35%よりも下の領域は、GaInAsのIn組成が(Inx)が33%≦Inx≦35%の曲線上の点の集まりであることは容易にわかる。
【００２５】
ここで、GaInAsのIn組成(Inx)が33%≦Inx≦35%の場合を考える。GaInNAsのIn組成が33%程度である時、GaInAsのIn組成は長波長化の観点から33%以上であることが望ましく、歪の観点からは35%程度以下であることが望ましい。次に、GaInNAs層3の膜厚L1は臨界膜厚の観点から3〜5nmであることが望ましい。また、GaInAs-TQWの臨界膜厚は実験的に7nm以上程度であることからGaInAs層の層厚L2はL2≦7nm程度であることが望ましい。また、高速化の観点からは、33%≦Inx≦35%の各In組成(Inx)において、33%≦Inx≦35%の各曲線のうち対応するIn組成(Inx)の曲線より下の領域であることが望ましい。
【実施例２】
【００２６】
実施例２は本発明をナローストライプの端面発光型レーザに適用した例である。図２にナローストライプの端面発光型レーザの素子構造を示す。実施例２は図２の活性層103が図６に示す活性層を３層積層した３重量子井戸構造であることを特徴とする。
図６は図２の活性層103の量子井戸のエネルギー構造を示す図である。図６において本発明の量子井戸は、量子井戸層1と量子井戸層1の両側に積層されたGaAs障壁層2および6からなる。量子井戸層1はGaInAs層4とGaInNAs層3とGaInAs層5を順次積層して構成される。GaInNAs層3の層厚をL1とし、GaInAs層4の層厚をL2とし、GaInAs層5の層厚をL3とする。また、量子井戸層1の層厚をLwとし、L1とL2とL3の和はLwに等しい。
図７はGaInAs層4と5をGa0.65In0.33Asとし、GaInNAs層3をGa0.65In0.35N0.01As0.99とし、GaInAs層4の層厚L2とGaInAs層5の層厚L3を等しくし変化させた場合の発振波長と井戸層厚Lwの関係である。また、各々の層厚L1に対して図７に計算されたLwの範囲内では伝導帯の第1量子準位はGaInAs層4および5の伝導帯端よりも上にある。図７のL1=5nm、L1=4nm、L1=3nmの各々の曲線においてそれぞれ、5nm≦Lw≦7nm、4nm≦Ｌw≦7nm、3nm≦Lw≦7nmの領域がGaInAs層4と5を厚膜化した時の波長を示している。実験的に求められたGaInNAs-TQWの臨界膜厚が5nm以下程度であることから、図７よりGaInNAs層3が臨界膜厚程度である時、本発明によってGaInNAsのみで実現できる最長の波長（図４より、1265nm）よりも80〜50nm程度長波長化が達成された。また、GaInAs層4およびGaInAs層5の層厚はL1=5nm、L1=4nm、L1=3nmのときそれぞれ、0nm≦L2、L3≦1nm、0nm≦L2、L3≦1.5nm、3nm≦L2、L3≦2nmであることから本発明の量子井戸は臨界膜厚以下である。しきい電流は室温で7mA程度、８５℃で15mA程度を実現できた。以上より本発明の目的である低しきい電流での長波長化が達成された。
【実施例３】
【００２７】
実施例３は本発明を面発光型レーザに適用した例である。図８は面発光型レーザの構造図である。201は厚さ1.5μmのn型GaAs基板、202は厚さ4μmのn 型GaAa/AlGaAsのDBR反射鏡、203は活性層、204はAlAs酸化電流狭窄層、205は厚さ3.5μm のp型GaAs/AlGaAsのDBR反射鏡、206はp電極である。活性層203は図３又は図６に示す活性層を３層積層した３重量子井戸構造であることを特徴とする。面発光型レーザにおいても本発明を適用することにより、GaInNAsのN添加による臨界膜厚耐性の低下を緩和することができるので、図４に示すように従来よりおよそ30nm程度長波長化が達成された。また、しきい電流は室温で2mA、85℃で2.5mA程度であり、10Gbit/sでの動作を実現した。以上より本発明により低しきい電流にて長波長化を実現できた。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】GaInNAs-TQWとGaInAs-TQWにおける量子井戸幅としきい電流密度の関係を表す図である。
【図２】ナローストライプの端面発光型レーザの構造図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態の半導体レーザ素子の量子井戸のエネルギー構造を表す図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態によるGaInNAs層の厚さを固定した場合の、量子井戸幅と発振波長の関係である。
【図５】伝導帯の第一量子準位エネルギーがGaInAs層の伝導帯端のエネルギーに等しい時のL1とL2の関係である。
【図６】本発明の第２の実施の形態の半導体レーザ素子の量子井戸のエネルギー構造を表す図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態によるGaInNAs層の厚さを固定した場合の量子井戸幅と発振波長の関係である。
【図８】面発光型レーザの構造を表す図である。
【図９】従来例の量子井戸層と半導体障壁層の間に中間層を設けて長波長化を行う量子井戸構造を示す図である。
【符号の説明】
【００２９】
1…量子井戸層、
2…GaAs層、
3…GaInNAs層、
4…GaInAs層、
5…GaInAs層、
6…GaAs層、
101…n-GaAs基板、
102…n-GaInPクラッド層、
103…活性層、
104…p-GaInPクラッド層、
105…SiO2保護膜、
106…ポリイミド絶縁層、
107…p-電極、
201…n-GaAs基板、
202…n-GaAs/AlGaAs 反射鏡、
203…活性層、
204…酸化狭搾層、
205…p-GaAs/AlGaAs 反射鏡、
206…p-電極。
【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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