(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
GaAs基板上に、少なくとも第一導電型クラッド層、第一光導波層、第一障壁層、量子井戸活性層、第二障壁層、第二光導波層および第二導電型クラッド層が順次積層されてなる分離閉じ込めヘテロ構造のIII-Ｖ族半導体レーザにおいて、
前記量子井戸活性層が、Ｖ族組成としてAs，P 元素を含む、前記GaAs基板に対して引張り歪を有する組成からなり、
前記量子井戸活性層を挟む前記第一および第二障壁層が、In，Ga，Al，As，P の５元を含む、前記引張り歪を補償する圧縮歪を有する組成からなり、
前記第一および第二光導波層が、In，Ga，Al，As，P の５元を含む、前記GaAs基板に格子整合する組成からなり、
前記第一および第二導電型クラッド層が、前記GaAs基板に格子整合する組成からなり、
前記量子井戸活性層と、前記第一および第二障壁層と、前記第一および第二光導波層とのＶ族組成As, P が同じ組成比であることを特徴とするIII-Ｖ族半導体レーザ。
【請求項２】
前記GaAsの格子定数をａGaAsとしたとき、
前記量子井戸活性層の組成をInx1Ga1-x1As1-y1Py1 （0.0≦x1≦1.0，0.1 ≦y1≦0.9 ）、該Inx1Ga1-x1As1-y1Py1 のバルクにおける格子定数をａとしたとき、前記引張り歪の歪量＝(ａGaAs−ａ)/ａGaAs≧0.3％なる組成比とし、
前記第一および第二障壁層の組成をInx2(Ga1-z2Alz2)1-x2As1-y2Py2（0.0＜x2＜1.0，y2＝y1，0.0＜z2＜1.0）とし、
前記第一および第二光導波層の組成をInx3(Ga1-z3 Alz3)1-x3As1-y3Py3（0.0＜x3＜1.0，y3＝y1，0.0＜z3＜1.0）とし、
前記第一および第二導電型クラッド層の組成をInx4(Ga1-z4Alz4)1-x4As1-y4Py4（0.0≦x4≦1.0，0.0≦y4≦0.9，0.0≦z4≦1.0 ）とすることを特徴とする請求項１記載のIII-Ｖ族半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体レーザに関し、特に詳しくは半導体レーザを構成する半導体層の組成に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、0.6-0.7 μｍ 帯の半導体レーザとしてIEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol.1, No.2(1995)pp.712に示されるようなn-GaAs基板に、n-InGaAlP クラッド層、i-InGaAlP 光導波層、InGaAlP バリア層と引張り歪InGaP 井戸層からなる多重量子井戸活性層、i-InGaAlP 光導波層、p-InGaAlP クラッド層、p-GaAsキャップ層を積層してなる半導体レーザが一般的である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この構造はIEEE Journal of Quantum Electronics, QE-27(1991)pp.1483 に示すように、InGaP の成長が基板面方位や成長条件に大きく依存し、再現性よく良好な結晶を得ることができないという欠点がある。また、活性層が引張り歪を有しているために、高信頼性が得られないという欠点がある。
【０００４】
さらに、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法における結晶成長において、クラッド層−光導波層界面、障壁層−活性層界面、あるいはそれらの逆の成長過程において、Ｖ族水素化物ガス（PH3、AsH3） の切換時にP とAsの急激な置換が生じ結晶表面の状態を不安定にしてしまうため、各層間の界面を高品質で安定に再現性良くつくることができず、また、界面の上に成長する結晶の品質を落としてしまうという欠点がある。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、高出力発振下においても信頼性の高い0.6-0.8μm 帯の歪量子井戸半導体レーザを提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明のIII-Ｖ族半導体レーザは、GaAs基板上に、少なくとも第一導電型クラッド層、第一光導波層、第一障壁層、量子井戸活性層、第二障壁層、第二光導波層および第二導電型クラッド層が順次積層されてなる分離閉じ込めヘテロ構造のIII-Ｖ族半導体レーザにおいて、
前記量子井戸活性層が、Ｖ族組成としてAs，P 元素を含む、前記GaAs基板に対して引張り歪を有する組成からなり、
前記量子井戸活性層を挟む前記第一および第二障壁層が、In，Ga，Al，As，P の５元を含む、前記引張り歪を補償する圧縮歪を有する組成からなり、
前記第一および第二光導波層が、In，Ga，Al，As，P の５元を含む、前記GaAs基板に格子整合する組成からなり、
前記第一および第二導電型クラッド層が、前記GaAs基板に格子整合する組成からなり、
前記量子井戸活性層と、前記第一および第二障壁層と、前記第一および第二光導波層とのＶ族組成As, P が同じ組成比であることを特徴とするものである。
【０００７】
上記半導体レーザは、前記GaAsの格子定数をａGaAsとしたとき、
前記量子井戸活性層の組成をInx1Ga1-x1As1-y1Py1 （0.0≦x1≦1.0，0.1 ≦y1≦0.9 ）、該Inx1Ga1-x1As1-y1Py1 のバルクにおける格子定数をａとしたとき、前記引張り歪の歪量＝(ａGaAs−ａ)/ａGaAs≧0.3％なる組成比とし、前記第一および第二障壁層の組成をInx2(Ga1-z2Alz2)1-x2As1-y2Py2（0.0≦x2≦1.0，y2＝y1，0.0≦z2≦1.0）とし、前記第一および第二光導波層の組成をInx3(Ga1-z3Alz3)1-x3As1-y3Py3（0.0≦x3≦1.0，y3＝y1，0.0≦z3≦1.0 ）とし、前記第一および第二導電型クラッド層の組成をInx4(Ga1-z4Alz4)1-x4As1-y4Py4（0.0≦x4≦1.0，0.0≦y4≦0.9，0.0≦z3≦1.0）とすることが好ましい。
【０００８】
ここで、第一導電型および第二導電型という言葉は伝導機構の異なることを明らかにするために用いており、例えば第一導電型がｎ型に対応する場合は第二導電型はｐ型に対応するものである。
【０００９】
【発明の効果】
本発明のIII-Ｖ族半導体レーザは、活性層がAlを含まない組成であり、圧縮性歪を有する障壁層により量子井戸活性層の引張り歪が補償されるため信頼性を向上させることができる。
【００１０】
さらに、活性層、障壁層、光導波層のＶ族組成が同一であるため、ＭＯＣＶＤ法による成長の際、各層間でＶ族水素化物ガスの切換の必要がないために、界面および界面の上に成長する結晶の品質を向上することができ、また、光導波層と障壁層間の界面での成長中断時間を短縮して、界面に欠陥を発生させずにレーザ構造を作製することができる。これらの結果として、高出力発振時においても信頼性の高いレーザ素子を提供することができる。
【００１１】
なお、本発明の半導体レーザの好ましい組成域による半導体層構成により、圧縮歪障壁層のバンドギャップを光導波層のバンドギャップより高くすることができるので、発光効率および発振閾値電流の温度依存性を小さくすることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
【００１３】
図１は、本発明の第一の実施形態の半導体レーザの素子断面図を示すものである。有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）によりn-GaAs 基板１上に、n-Inx4(Ga1-z4Alz4)1-x4As1-y4Py4クラッド層２、Inx3(Ga1-z3Alz3)1-x3As1-yPy光導波層３、Inx2(Ga1-z2Alz2)1-x2As1-yPy圧縮歪障壁層４、Inx1Ga1-x1As1-yPy引張り歪量子井戸活性層５、Inx2(Ga1-z2Alz2)1-x2As1-yPy圧縮歪障壁層６、Inx3(Ga1-z3Alz3)1-x3As1-yPy 光導波層７、p-Inx4(Ga1-z4Alz4)1-x4As1-y4Py4クラッド層８、p-GaAsコンタクト層９を順次積層する。その後にコンタクト層、基板のそれぞれにｐ側電極10およびｎ側電極11を形成して完成する。
【００１４】
なお、クラッド層２、８および光導波層３、７はGaAs基板１に格子整合する組成とする。圧縮歪障壁層４、６の厚みは結晶成長中に転位等の欠陥を発生させない厚みに設定し、圧縮歪障壁層４、６の歪量は、活性層５を挟む２層で活性層５の引張り歪を補償するように設定する。この際、活性層５、光導波層３、７および圧縮歪障壁層４、６のＶ族組成As、P の組成比が同じであることから、ＭＯＣＶＤ成長においてそれぞれの原料とであるAsH3、PH3 のＶ族原料を切り換える必要がないために、安定にヘテロ界面を形成することが可能となる。
【００１５】
上記実施形態では、単純なダブルヘテロ構造の形成のみ記載しているが、これらの構成に絶縁膜ストライプを形成し利得導波ストライプレーザを形成したり、通常のフォトリソグラフィーやドライエッチングによる加工を行い屈折率導波機構付き半導体レーザ、回折格子付きの半導体レーザや光集積回路の作製にも用いることが可能である。
【００１６】
本発明の第二の実施形態の半導体レーザの素子断面概略図を図２に示す。有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）によりn-GaAs 基板21上に、n-Inx4(Ga1-z4Alz4)1-x4As1-y4Py4クラッド層22、Inx3(Ga1-z3Alz3)1-x3As1-yPy光導波層23、Inx2(Ga1-z2Alz2)1-x2As1-yPy圧縮歪障壁層24、Inx1Ga1-x1As1-yPy 引張り歪量子井戸活性層25、Inx2(Ga1-z2Alz2)1-x2As1-yPy圧縮歪障壁層26、Inx3(Ga1-z3Alz3)1-x3As1-yPy光導波層27、p-Inx4(Ga1-z4Alz4)1-x4As1-y4Py4上部第一クラッド層28、p-Inx4(Ga1-z4Alz4)1-x4Pエッチング阻止層29、p-Inx4(Ga1-z4Alz4)1-x4As1-y4Py4 上部第二クラッド層30、p-GaAsコンタクト層31を順次積層し、この上にSiO2等の絶縁膜32を形成する。
【００１７】
なお、クラッド層22，28，30および光導波層23，27はGaAs基板21に格子整合する組成とする。圧縮歪障壁層24，26の厚みは結晶成長中に転位等の欠陥を発生させない厚みに設定し、圧縮歪障壁層24，26の歪量は、活性層25を挟む２層で活性層25の引張り歪を補償するように設定する。
【００１８】
この後、通常のリソグラフィーにより、幅３μｍ程度のストライプで、これに連続する周辺部に平行な幅６μｍ程度のストライプ絶縁膜32を除去し、この絶縁膜32をマスクとしてウエットエッチングによりp-Inx4(Ga1-z4Alz4)1-x4P エッチング阻止層29上部まで除去してリッジストライプを形成する。エッチング液として硫酸と過酸化水素水系とを用いると、エッチングはp-Inx4(Ga1-z4Alz4)1-x4P エッチング阻止層29で自動的に停止する。p-Inx4(Ga1-z4Alz4)1-x4As1-y4Py4 第一上部クラッド層28の厚みは、共振器中央部のリッジ構造の幅の導波路で単一基本モードによる屈折率導波が高出力まで達成できるような厚みとする。
【００１９】
その後、絶縁膜33を形成し、通常のリソグラフィーによりリッジストライプ上の絶縁膜33を除去し、ｐ側電極34を形成する。また、基板の研磨を行いｎ側電極35を形成する。
【００２０】
その後、試料を劈開して形成した共振器面に高反射率コートおよび低反射率コートを行い、チップ化して半導体レーザ素子を形成する。上記構造により、単一横モードを保ったまま、高いレベルの光出力のレーザ光を発生させる。
【００２１】
上記第二の実施形態においては、上部第二クラッド層30をp-Inx4(Ga1-z4Alz4)1-x4As1-y4Py4としているが、エッチング阻止層29と同じ組成であるp-Inx4(Ga1-z4Alz4)1-x4Pとしてもよい。この場合、p-GaAsコンタクト層31を硫酸と過酸化水素水系を用いてエッチングし、p-Inx4(Ga1-z4Alz4)1-x4P 上部第二クラッド層30を塩素系でエッチングすれば、p-Inx4(Ga1-z4Alz4)1-x4As1-y4Py4 上部第一クラッド層28の上部で自動的にエッチングが停止する。その後、上記プロセスにより、リッジ構造の屈折率ストライプレーザを作製することができる。
【００２２】
また、上記エッチング停止機構を用いて、３回の成長により埋め込み構造の屈折率導波レーザを作製することが可能である。
【００２３】
上記第一および第二の実施形態では、特に量子井戸が単一で光導波層組成が一定のＳＱＷ−ＳＣＨと呼ばれる構造を示したが、ＳＱＷの代わりに量子井戸を複数とするＭＱＷであってもよい。
【００２４】
また、発振する波長帯に関しては、引張り歪（歪量0.3％以上）を有するInx1Ga1-x1As1-yPy量子井戸活性層（0.1≦y ≦0.9）により、630nm＜λ＜800nmの範囲までの制御が可能である。
【００２５】
なお、成長法として、固体あるいはガスを原料とする分子線エピタキシャル成長法を用いてもよい。
【００２６】
なお、本発明による半導体レーザは、高速な情報・画像処理および通信、計測、医療、および印刷等の分野において、光源として応用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第一の実施形態の半導体レーザ素子断面概略図
【図２】本発明に係る第二の実施形態の半導体レーザ素子断面概略図
【符号の説明】
１    n-GaAs基板
２    n-Inx4(Ga1-z4Alz4)1-x4As1-y4Py4 クラッド層
３    Inx3(Ga1-z3Alz3)1-x3As1-yPy 光導波層
４    Inx2(Ga1-z2Alz2)1-x2As1-yPy 圧縮歪障壁層
５    Inx1Ga1-x1As1-yPy 引張り歪量子井戸活性層
６    Inx2(Ga1-z2Alz2)1-x2As1-yPy 圧縮歪障壁層
７    Inx3(Ga1-z3Alz3)1-x3As1-yPy 光導波層
８    p-Inx4(Ga1-z4Alz4)1-x4As1-y4Py4 クラッド層
９    p-GaAs コンタクト層
10    ｐ側電極
11    ｎ側電極
21    n-GaAs基板
22    n-Inx4(Ga1-z4Alz4)1-x4As1-y4Py4 クラッド層
23    Inx3(Ga1-z3Alz3)1-x3As1-yPy 光導波層
24    Inx2(Ga1-z2Alz2)1-x2As1-yPy 圧縮歪障壁層
25    Inx1Ga1-x1As1-yPy 引張り歪量子井戸活性層
26    Inx2(Ga1-z2Alz2)1-x2As1-yPy 圧縮歪障壁層
27    Inx3(Ga1-z3Alz3)1-x3As1-yPy 光導波層
28    p-Inx4(Ga1-z4Alz4)1-x4As1-y4Py4 上部第一クラッド層
29    p-Inx4(Ga1-z4Alz4)1-x4P エッチング阻止層
30    p-Inx4(Ga1-z4Alz4)1-x4As1-y4Py4 上部第二クラッド層
31    p-GaAs コンタクト層
33    絶縁膜
34    ｐ側電極
35    ｎ側電極
【図１】
0004033930.tif 000002
【図２】
0004033930.tif 000003