(57)【要約】【課題】本発明は、高品質の量子井戸層（活性層）結晶を有し良好な高温動作特性を有する光半導体装置を提供する。【解決手段】光半導体装置において、ＩｎＧａＡｓ基板又はＧａＡｓ基板の上にＩｎＧａＡｓからなるメタモルフィックバッファ層を形成した基板１と、前記メタモルフィックバッファ層を成長した基板の上に形成される下部クラッド層５と、前記下部クラッド層の上に形成され、バリア層とＧａＩｎＮＡｓからなる量子井戸層２とからなる１層又は多層の量子井戸構造７と、前記量子井戸構造７の上に形成される上部クラッド層６とを備えた。【選択図】図２
2009283801.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩｎＧａＡｓ基板又はＧａＡｓ基板の上にＩｎＧａＡｓからなるメタモルフィックバッファ層を形成した基板と、
前記メタモルフィックバッファ層を成長した基板の上に形成される下部クラッド層と、
前記下部クラッド層の上に形成され、バリア層とＧａＩｎＮＡｓからなる量子井戸層とからなる１層又は多層の量子井戸構造と、
前記量子井戸構造の上に形成される上部クラッド層と
を備える
ことを特徴とする光半導体装置。
【請求項２】
前記基板におけるＩｎの組成比は０．０５以上０．２以下であり、
前記量子井戸層におけるＮの組成比は０より大きく０．０２５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】
前記量子井戸層の歪量は０．５％以上３．０％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】
前記バリア層はＩｎＡｌＧａＡｓであり、該バリア層のＡｌ含有量は２．３％以上１７％以下である
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の光半導体装置。
【請求項５】
前記量子井戸層における利得が最大となる波長は１．２５μｍ以上１．３５μｍ以下である
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の光半導体装置。
【請求項６】
前記下部クラッド層、前記量子井戸構造、前記上部クラッド層を有するメサ構造の両脇はルテニウムをドープした半絶縁性化合物半導体が埋め込まれる
ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項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、光半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在のＦＴＴＨ（Ｆｉｂｅｒ  Ｔｏ  Ｔｈｅ  Ｈｏｍｅ）の広がりから、加入者系での高性能な光デバイスが強く求められており、光源である半導体レーザは、１．３μｍ以上の光が得られ、厳しい温度環境下で動作し（８５℃以上）、なおかつ、低消費電力であることが求められている。そして、これまでに、低消費電力で高い効率を有し、さらに、温度特性の良い光半導体装置として、歪量子井戸半導体レーザが研究開発されている。
【０００３】
光通信に用いられる半導体レーザ及び半導体光増幅器等の光半導体装置は、ＩｎＰ基板を用いて形成され、その基板上に結晶を成長する工程などを経て完成される。その結晶成長の際には、基板材料と格子定数が整合する材料を選択することが多いが、格子定数が異なった材料からなる歪量子井戸層も使用されている。歪量子井戸層は、多元系材料の組成をバリア層や基板と格子整合しない条件にするとともに、その膜厚を薄くして、強制的に基板と同じ格子定数になるようにしたものである。
【０００４】
このような歪量子井戸層は、例えば、半導体レーザの活性層として適用されており、歪を加えることによってエネルギーバンド構造の状態密度が変化し、半導体レーザの特性が向上する。また、複数の量子井戸層を積み重ねた多重量子井戸構造とすることにより、しきい値電流を低減することや、出力パワーを増大することが可能である。
【０００５】
ＩｎＰ基板上に形成された歪量子井戸層を用いることで、加入者系光通信で用いられる波長１．３μｍ付近の光を得ることができる。１．３μｍ帯のＩｎＰ系量子井戸層（たとえば、ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層）では、量子井戸層の歪量が最大でも１．６％程度であり、この程度の歪ならば１０層以上の多重量子井戸構造も作製可能である。しかしながら、電子に対して、量子井戸層とバリア層の間の深さ（伝導帯バンドオフセット：ΔＥc）が小さいために、高温では電子が量子井戸層から飛び出しやすくなり、性能が著しく劣化することが知られている。
【０００６】
この問題を回避するための方法として、ＧａＡｓ基板又はＩｎＧａＡｓ基板を用いる方法がある。ＧａＡｓ系の基板を用いることで、大きなΔＥcが得られ、温度特性を向上することができる。このとき、量子井戸層には通常ＩｎＧａＡｓが用いられ、ＩｎＡｓの割合を多くしていくほど、長波長の光を得ることができる。
【０００７】
しかし、ＩｎＡｓの割合を大きくしていくと、ＩｎＡｓとＧａＡｓの格子定数の違いから、基板に対する歪が大きくなってしまう。ＩｎＧａＡｓ基板を用いると、格子定数がＩｎＡｓのそれに近くなり、波長を保ったまま、歪を小さくすることも可能である。このとき、基板のＩｎ組成比が大きいほど必要な歪量は小さくなるが、大きなＩｎ組成比をもつ高品質なＩｎＧａＡｓ基板を作製することは困難である。
【０００８】
【非特許文献１】Ｍａｓａｈｉｋｏ．Ｋｏｎｄｏｗ、外７名、”ＧａＩｎＮＡｓ：Ａ  Ｎｏｖｅｌ  Ｍａｔｅｒｉａｌ  ｆｏｒ  Ｌｏｎｇ‐Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｌａｓｅｒｓ”、ＩＥＥＥ  ＪＯＵＭＡＬ  ＯＦ  ＳＥＬＥＣＴＥＤ  ＴＯＰＩＣＳ  ＩＮ  ＱＵＡＮＴＵＭ  ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＥ、１９９７年６月、ＶＯＬ．３、ＮＯ，３、ｐ．７１９−７３０
【非特許文献２】Ｍａｓａｋａｚｕ．Ａｒａｉ、外５名、“Ｈｉｇｈ‐Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｉｃ‐Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  １．３‐μｍ‐Ｂａｎｄ  Ｌａｓｅｒ  ｏｎ  ａｎ  ＩｎＧａＡｓ  Ｔｅｒｎａｒｙ  Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ  Ｇｒｏｗｎ  ｂｙ  ｔｈｅ  Ｔｒａｖｅｌｉｎｇ  Ｌｉｑｕｉｄｕｓ‐Ｚｏｎｅ  Ｍｅｔｈｏｄ”、ＩＥＥＥ  ＪＯＵＭＡＬ  ＯＦ  ＳＥＬＥＣＴＥＤ  ＴＯＰＩＣＳ  ＩＮ  ＱＵＡＮＴＵＭ  ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ、２００７年９月／１０月、ＶＯＬ．１３、ＮＯ．５、ｐ．１２９５−１３０１
【非特許文献３】Ｌ．Ａ．Ｃｏｌｄｒｅｎ、Ｓ．Ｗ．Ｃｏｒｚｉｎｅ、“Ｄｉｏｄｅ  ｌａｓｅｒｓ  ａｎｄ  ｐｈｏｔｏｎｉｃ  ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｃｉｒｃｕｉｔｓ”、Ｗｉｌｅｙ  Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ、１９９５年、ｐ．２０２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ＧａＡｓ基板上で量子井戸層にＩｎＧａＡｓを用いた場合には、波長１．３μｍの光を得るためには３％以上の圧縮歪が必要であり、実現には至っていない。また、量子井戸層にＧａＩｎＮＡｓを用いることで歪を大幅に減少することが可能であることが報告されているが、１．３μｍの半導体レーザの実現には至っていない。
【００１０】
ＩｎＧａＡｓ基板を用いた場合には、例えば、基板のＩｎ組成比が１０％のＩｎＧａＡｓ基板上で波長１．２８μｍの半導体レーザが実現されたが、必要な歪は２％以上であり、信頼性に関して問題がある。
【００１１】
また、ＧａＡｓ基板及びＩｎＧａＡｓ基板上のどちらの半導体レーザに対しても、量子井戸層に必要な歪が非常に大きいため、多重量子井戸構造とする場合に、臨界膜厚の関係から量子井戸層の数は最大でも３層程度であり、多重量子井戸構造を十分に生かした特性改良を行うことができない。
【００１２】
さらに、バリア層の材料にアルミを含んだ混晶（例えば、ＩｎＡｌＧａＡｓ）を用いることで、より大きなΔＥcを得ることができ、温度特性を向上することが可能であるが、量子井戸層の歪が大きいためにアルミ系材料の結晶成長が困難である。
【００１３】
以上のことから、本発明は、高品質の量子井戸層（活性層）結晶を有し良好な高温動作特性を有する光半導体装置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】
上記の課題を解決する第１の発明に係る光半導体装置は、
ＩｎＧａＡｓ基板又はＧａＡｓ基板の上にＩｎＧａＡｓからなるメタモルフィックバッファ層を形成した基板と、
前記メタモルフィックバッファ層を成長した基板の上に形成される下部クラッド層と、
前記下部クラッド層の上に形成され、バリア層とＧａＩｎＮＡｓからなる量子井戸層とからなる１層又は多層の量子井戸構造と、
前記量子井戸構造の上に形成される上部クラッド層と
を備える
ことを特徴とする。
【００１５】
上記の課題を解決する第２の発明に係る光半導体装置は、第１の発明に係る光半導体装置において、
前記基板におけるＩｎの組成比は０．０５以上０．２以下であり、
前記量子井戸層におけるＮの組成比は０より大きく０．０２５以下である
ことを特徴とする。
【００１６】
上記の課題を解決する第３の発明に係る光半導体装置は、第１の発明又は第２の発明に係る光半導体装置において、
前記量子井戸層の歪量は０．５％以上３．０％以下である
ことを特徴とする。
【００１７】
上記の課題を解決する第４の発明に係る光半導体装置は、第１の発明から第３の発明のいずれかひとつに係る光半導体装置において、
前記バリア層はＩｎＡｌＧａＡｓであり、該バリア層のＡｌ含有量は２．３％以上１７％以下である
ことを特徴とする。
【００１８】
上記の課題を解決する第５の発明に係る光半導体装置は、第１の発明から第４の発明のいずれかひとつに係る光半導体装置において、
前記量子井戸層における利得が最大となる波長は１．２５μｍ以上１．３５μｍ以下である
ことを特徴とする。
【００１９】
上記の課題を解決する第６の発明に係る光半導体装置は、第１の発明から第５の発明のいずれかひとつに係る光半導体装置において、
前記下部クラッド層、前記量子井戸構造、前記上部クラッド層を有するメサ構造の両脇はルテニウムをドープした半絶縁性化合物半導体が埋め込まれる
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、高品質の量子井戸層（活性層）結晶を有し良好な高温動作特性を有する光半導体装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明に係る光半導体装置の実施例について図を用いて説明する。
はじめに、本発明に係る光半導体装置の基本的な構造について説明する。
図１は、本発明に係る光半導体装置の基本的な構造を示した断面図である。
図１に示すように、本発明に係る光半導体装置は、下から順に、ＩｎＧａＡｓ基板又はＧａＡｓ基板上にＩｎＧａＡｓメタモルフィックバッファ層を成長したＩｎＧａＡｓ基板１、下部ＩｎＧａＰクラッド層５、下部ＩｎＡｌＧａＡｓバリア層３、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層２、上部ＩｎＡｌＧａＡｓバリア層４、ＩｎＧａＰクラッド層６から構成されている。
【００２２】
なお、以下の説明においては、ＩｎＧａＡｓ基板上にＩｎＧａＡｓメタモルフィックバッファ層を成長した基板と、ＧａＡｓ基板上にＩｎＧａＡｓメタモルフィックバッファ層を成長した基板とを区別せず、共にＩｎＧａＡｓ基板１と呼ぶことにする。また、図１で用いた符号は以下の実施例の説明においても使用するものとする。
【実施例１】
【００２３】
図２は、本発明の第１の実施例に係る光半導体装置の構造を示した斜視図である。
図２に示すように、ｎ型のＩｎＧａＡｓ基板１上にｎ‐ＩｎＧａＰクラッド５、ＩｎＧａＡｓバリア層３，４及びＧａＩｎＮＡｓ単一量子井戸層２（活性層）からなる量子井戸構造７、エッチングによりリッジ構造としたｐ型のＩｎＧａＰクラッド６から構成されている。ここで、量子井戸層２の歪、厚さは利得が最大となる波長を１．２５から１．３５μｍとするように設定する。なお、量子井戸層２の幅は７ｎｍとする。
【００２４】
量子井戸層２に歪がある場合、臨界膜厚の関係から量子井戸層２の層数と量子井戸層２の厚さには制限が加わる。なぜなら、歪が大きくなるほど、量子井戸層２の厚さが厚くなるほど格子緩和が生じて結晶品質が劣化するからである。上記非特許文献１によれば、ｘsub（基板１のＩｎ組成比）＝０．１の基板１上に、ＰＬピークが１．２８μｍとなる（歪量２．２％程度に相当）厚さ１０ｎｍのＩｎＧａＡｓ三重量子井戸構造７を成長可能である。
【００２５】
よって、ｘsub＝０．１の基板１の場合、量子井戸層２が１層ならば、例えば、歪量が０．５％のとき、量子井戸層２の厚さは１３２ｎｍであり、歪量が２．２％のときに量子井戸層２の厚さは３０ｎｍが上限になる。又は、量子井戸層２が３層ならば、歪量が０．５％のとき、量子井戸層２の厚さは最大４４ｎｍであり、歪量が２．２％ならば１０ｎｍが上限となる。本実施例においては、例として、量子井戸層２の歪量は０．５％以上３．０％以下の範囲内に設定した。
【００２６】
一方、量子井戸層２の特性から考えてみると、量子井戸層２の厚さがあまりに厚いと状態密度が増加し、しきい値の増加を招く。逆に、量子井戸層２の厚さがあまりに薄いと、量子閉じ込め効果が弱くなり量子化準位間波長が短くなることから、１．３μｍの光を得るために必要な歪量が増大する。
【００２７】
こうした理由から、この波長帯での典型的な量子井戸層２の厚さは１〜１０ｎｍ以下であり、この場合、量子井戸層２の層数については、ｘsub＝０．１の基板１の場合、歪量が２．２％ならば、量子井戸層２の厚さ５ｎｍで、６層程度が上限となる。歪量が０．５％ならば、量子井戸層２の厚さ５ｎｍで２６層程度、１０ｎｍで１３層程度が上限となる。
【００２８】
また、歪量に関しては基板１の格子定数を基準とし、全て圧縮歪を表す。バリア層４，５の材料の組成はＩｎＧａＡｓ基板１に格子整合するものとする。基板１（半導体混晶）の組成比は、歪量、量子井戸層２の幅、第一量子化準位間波長によって特定するものとする。なお、本実施例に係る量子井戸層２の特性は、半導体量子井戸層の特性を極めて良く予測するｋ・ｐ摂動理論を用いて算出している。
【００２９】
ここで、本実施例に係る量子井戸層の特性の具体的な算出手順について説明する。
図３は、本発明の第１の実施例に係る光半導体装置における量子井戸層の特性の具体的な算出手順を示した図である。
図３に示すように、まず、ステップＳ１において、入カパラメータとして、基板１のＩｎ組成比、量子井戸層２、バリア層３，４それぞれの厚さ、歪量、バンドギャップ波長、そして環境温度を設定する。
【００３０】
次に、ステップＳ２において、与えられた基板１の組成比に対して基板１の格子定数を算出し、その格子定数に対して、設定した歪量、バンドギャップ波長をもつ基板１（半導体混晶）の組成比を決定する。さらに、決定した組成比からその半導体混晶の有効質量、弾性ポテンシャルなど、シミュレーションに必要な物性定数を求める。その際、物性定数のボウイングを考慮する。
【００３１】
次に、ステップＳ３において、この量子井戸層２のバンド構造をｋ・ｐ摂動理論によって求める。
最後に、ステップＳ４において、与えられたキャリア密度に対して利得を算出する。また、量子井戸層２の共振周波数の２乗を微分利得から算出する（上記非特許文献３参照）。
【００３２】
次に、本実施例に係る半導体レーザの製造方法について説明する。
まず、ｎ型のＩｎＧａＡｓ基板１上に、ｎ‐ＩｎＧａＡｓメタモルフィックバッファ層を３００ｍ成長させ、その上にｎ‐ＩｎＧａＰクラッド層５を２μｍ成長する。次に、ＩｎＧａＡｓバリア層３，４及びＧａＩｎＮＡ量子井戸層２（活性層）からなる三重量子井戸構造７を成長させる。
【００３３】
最後に、三重量子井戸構造７上にｐ‐ＩｎＧａＰクラッド層６を２μｍ成長し、さらに、ｐ‐ＩｎＧａＡｓのコンタクト層を成長させることで、半導体レーザを作り込むウエハーが完成する。完成したウエハーに幅が２μｍのメサ形成プロセス及び電極形成プロセスを施した後、劈開により長さ４００〜１０００μｍのレーザ共振器を作製して完成となる。
【００３４】
図４は、本発明の第１の実施例に係るＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層において第一量子化準位間波長が１．３μｍとなるための量子井戸層歪量の窒素含有量依存性を示した図である。
図４中、ｘsubは基板１のＩｎ組成比を示す。図４における歪量と窒素含有量の関係式は以下のように導出される。
【００３５】
まず、基板１のＩｎ組成比、量子井戸層２の歪量を決定する。ここで、バルクの場合のバンドギャップ波長を決定すると量子井戸層２の窒素含有量が決定し、ｋ・ｐ摂動法を用いて第一量子化準位間波長が求まる。その波長が決定した歪量に対して１．３μｍとなるようなバルクのバンドギャップ波長を探索し、そのときの基板１（半導体混晶）の組成比が決定した歪量に対する窒素含有量となる。
【００３６】
そして、図４に示すように、量子井戸層２の窒素量を増加させると、１．３μｍの波長の光を得るために必要な歪量は単調に減少する。例えば、ｘsub＝０．１５の場合には、窒素を１％加えることで、量子井戸層２に必要な歪量は２．１８％から１．５％に減少する。なお、窒素含有量がある程度より多くなると、ＧａＩｎＮＡｓ結晶が閃亜鉛構造から、六方晶構造へと変化してしまうため、ここでは窒素含有量の最大値を２．５％としている。
【００３７】
図５は、本発明の第１の実施例に係るＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層の量子井戸利得の量子井戸層窒素含有量依存性を示した図である。
図５においては、図４に示す構造に対する量子井戸層利得の井戸層窒素含有量依存性を示している。図５に示すように、量子井戸層２の窒素含有量を増加させると、利得が減少していくのがわかる。つまり、量子井戸層２の歪と利得は窒素含有量に関して、トレードオフの関係にある。
【００３８】
図６は、本発明の第１の実施例に係るＩｎＧａＡｓ基板上ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層において第一量子化準位間波長が１．３μｍとなるための量子井戸層歪量の基板Ｉｎ組成比依存性を示した図である。
図６中の破線は、量子井戸層２の窒素含有量が０の場合の、第一量子化準位間波長が１．３μｍとなるｘsubの井戸層歪量依存性を示している。
【００３９】
一般に、量子井戸層２の歪量が大きくなるほど利得が大きくなりしきい値電流が減少するが、あまりに大きな歪量をもつ層は結晶成長が困難で、信頼性にも問題がある。現在は、ｘsub＝０．１の場合に２．１８％程度の歪量をもつ量子井戸層２が実現されている（上記非特許文献１参照）ので、それを歪の上限とする。
【００４０】
また、ＩｎＰ系の量子井戸層２では、歪量は最大でも１．６％程度であるので、そこを歪量の下限とすると、実際に量子井戸層２の成長が可能で、なおかつ、ＩｎＰ系の量子井戸層２よりも歪に関して性能が良い範囲は、図６中の点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄで囲まれた範囲になる。この範囲の中で、線ＡＤの部分は窒素の含有量が０で、その他の部分は窒素の含有量が０ではない。
【００４１】
図７は、本発明の第１の実施例に係るＩｎＧａＡｓ基板上ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層の共振周波数の２乗の基板Ｉｎ組成比依存性を示した図である。
図７においては、微分利得から算出した、共振周波数の２乗のｘsub依存性を示している。
共振周波数は半導体レーザの変調特性と深く結びついており、大きいほど、高速な変調が可能となる。また、点Ｄでの値で規格化を行っている。図７中、線ＡＢ，ＣＤはそれぞれ、量子井戸層２の歪量が１．６％、２．１８％の場合であり、図６中の線ＡＢ，ＣＤに対応している。また、それぞれの線の右端が窒素含有量０の場合に対応している。
【００４２】
図７に示すように、窒素の含有量を増加させると共振周波数も増加するが、ある点を境に減少しはじめ、共振周波数は最大値をもつ。つまり、量子井戸層２に窒素を加えることで、半導体レーザの変調特性を向上させ、なおかつ、より高品質なＩｎ組成比の小さい基板を用いることが可能となる。この効果に関して、共振周波数が最大となるときのｘsubはともに０．１程度であり、０．０５〜０．１５の範囲でその値はほとんど変化しないことから、ｘsubが０．０５〜０．１５の範囲で特に大きな効果がある。本実施例においては、例として、基板１におけるＩｎの組成比は０．０５以上０．２以下とし、量子井戸層２におけるＮの組成比は０より大きく０．０２５（２．５％）以下の範囲内に設定した。
【００４３】
これらの結果から、ｘsubと量子井戸層歪量の範囲をそれぞれ、０．０５〜０．１５、１．６〜２．１８％とすることで、実際に作製が可能で、従来のＩｎＰ系のレーザよりも歪に関して特性が良く、歪量一定の場合に共振周波数が窒素を添加しない場合よりも向上するような半導体レーザを構成することが可能となる。
【００４４】
図８、本発明の第１の実施例に係るＤ点に比べてしきい値電流が１０％、２０％増大する場合の量子井戸層歪量の基板Ｉｎ組成比依存性を示した図である。
上述したｘsubと量子井戸層歪量の範囲の中でどの点を選ぶかは、半導体レーザの用途に応じて決めれば良い。
【００４５】
図８中の実線は、しきい値電流が点Ｄの値から、１０％、２０％増加するときの量子井戸層歪量とｘsubの関係をプロットしたものである。しきい値電流が点Ｄの値から１０％以内の範囲（図８中、点Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｉで囲む範囲）では、点Ｅは点Ｄに比べて、歪量を０．３％少なくすることが可能である。点Ｆでは、歪量が０．１％程度小さく、なおかつ、基板１のＩｎ組成比を１０％減らすことが可能である。
【００４６】
また、図７に示す結果から微分利得もほとんど変化しない。しきい値電流が点Ｄの値から２０％以内の範囲（図８中、点Ｄ，Ｇ，Ｈ，Ｉで囲む範囲）では、点Ｇは点Ｄに比べて、０．６％もの歪量の減少が可能である。点Ｈでは、歪量は０．３％程度小さく、なおかつ、基板１のＩｎ組成比を１０％減らすことが可能である。つまり、量子井戸層２の歪を少なく、また、高品質の基板１を用いたいときには、図８中、点Ｄ，Ｇ，Ｊ，Ｉで囲む範囲中の左下の点を用いることで、歪量、基板１のＩｎ組成比をそれぞれ、最大０．６％、１０％改善することが可能である。
【実施例２】
【００４７】
図２は、本発明の第２の実施例に係る光半導体装置の構造を示した斜視図である。
図２に示すように、ｎ型のＩｎＧａＡｓ基板１上にｎ‐ＩｎＧａＰクラッド５、ＩｎＡｌＧａＡｓバリア層３，４及び３層のＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層（活性層）２からなる量子井戸構造７、エッチングによりリッジ構造としたｐ型のＩｎＧａＰクラッド６から構成されている。なお、量子井戸層幅は７ｎｍとする。
【００４８】
図９は、本発明の第２の実施例に係るＩｎＧａＡｓ基板上ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層及びＩｎＡｌＧａＡｓバリア層からなる量子井戸層のポテンシャル分布を示した図である。
図９（ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞれ、バリア層３，４の材料がＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＧａＡｓ（バンドギャップ波長０９５μｍ、Ａｌ含有量６４％）、ＩｎＡｌＧａＡｓ（バンドギャップ波長０．８５μｍ、Ａｌ含有量１７％）の場合の量子井戸層２のポテンシャル分布を示す。なお、ここでは説明のため簡略化して、量子井戸層２が１層の場合のポテンシャル分布とした。
【００４９】
バリア層３，４の材料のＡｌ含有量を増加させると、ΔＥcが大きくなってゆくのが分かる。しかし、Ａｌ含有量１７％の場合には、伝導帯バンドの高さが、ＩｎＧａＰクラッド５，６の高さと略同じになってしまい、これ以上Ａｌ含有量を増やすと、バリア層３，４の伝導帯ポテンシャルが、ＩｎＧａＰクラッド５，６よりも高くなってしまい、キャリアの効率的な注入を妨げることになる。つまり、バリア層３，４に添加するＡｌの上限は１７％ということになる。
【００５０】
図１０は、本発明の第２の実施例に係るＩｎＧａＡｓ基板上ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層及びＩｎＡｌＧａＡｓバリア層からなる量子井戸層の共振周波数の２乗の井戸層歪量依存性を示した図である。
図１０にいくつかのバリア波長に対する、ｘsub＝０．１５、利得が７５０ｃｍ-1のときの、微分利得から算出した共振周波数の２乗の量子井戸層歪量依存性を示している。各プロットの右端は窒素含有量０（量子井戸層がＩｎＧａＡｓ）の場合に対応している。また、共振周波数の値は、量子井戸層２、バリア層３，４にＩｎＧａＡｓを用いたときの値で規格化してある。
【００５１】
図１０から、バリア層３，４の波長を短くすることで（Ａｌの含有量を増やすことで）、共振周波数を増大できることがわかる。量子井戸層２に窒素を添加すると、必要な歪量は小さくなるが、共振周波数は減少する。
【００５２】
Ａｌを含んだ材料は結晶成長を高温で行わなければならないため、歪量２％以上の層の成長は実現困難である。そのため、図１０における歪量の上限は実質２％となる。歪量２％のとき、量子井戸層２、バリア層３，４に窒素、Ａｌを含まない場合と同じ共振周波数を得るためには、図１０に示すように、バリア層３，４の材料の波長が１μｍ以下（Ａｌ含有量２．３％以上）でなければならないことがわかる。
【００５３】
また、Ａｌ含有量が最大の１７％（バンドギャップ波長０、８５μｍ）のとき、量子井戸層２、バリア層３，４に窒素、Ａｌを含まない場合と同じ共振周波数を得るためには、量子井戸層２の歪量が１．６％以上あれば良い。これは、量子井戸層２にＧａＩｎＮＡｓ、バリア層３，４にＩｎＡｌＧａＡｓを用いることで、量子井戸層２の性能を変えることなく、歪量を０．６％低くすることが可能であることを示している。
【００５４】
これらの結果から、バリア層３，４のＡｌ含有量を２．３〜１７％、量子井戸層２の歪量を１．６〜２％（図１０中、網かけした領域）とすることで、量子井戸層２、バリア層３，４に窒素、Ａｌを含まない場合と比べて、共振周波数を増大（最大１０％増大）し、なおかつ、必要な歪量を減少（最大０．６％減少）させることが可能となる。なお、本実施例では、ｘsubを０．１５としたが、他のｘsubの値に対しても全く同様の効果を得ることができる。
【実施例３】
【００５５】
図１１は、本発明の第３の実施例に係る光半導体装置の構造を示した斜視図である。
図１１に示すように、ｎ型のＩｎＧａＡｓ基板１上にｎ‐ＩｎＧａＰクラッド５、ＩｎＧａＡｓ又はＩｎＡｌＧａＡｓバリア層３，４及び６層のＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層（活性層）２からなる量子井戸構造７、エッチングによりリッジ構造としたｐ型のＩｎＧａＰクラッド６の積層構造を１．５ｍｍ幅のメサ構造に加工した後、メサ構造の両脇をルテニウムをドープした半絶縁性ＩｎＧａＰ埋め込み層８により埋め込んだものである。なお、量子井戸層２の幅は７ｎｍとする。
【００５６】
本実施例では、埋め込み層８としてルテニウムをドープする化合物半導体にＩｎＧａＰを用いたが、化合物半導体であればＩｎＡｌＡｓでもよい。なお、ＩｎＰ及びＧａＡｓでも可能だがＩｎＧａＡｓ基板１に格子整合しないので結晶品質が劣化するおそれがある。ドープする不純物はルテニウム以外ではＦｅでも可能であるが、ルテニウムを用いるほうがｐ型不純物のＺｎと相互拡散を抑制でき量子井戸層７の光損失を低減することができるので素子特性が向上する。
【実施例４】
【００５７】
図２は、本発明の第４の実施例に係る光半導体装置の構造を示した斜視図である。
図２に示すように、ｎ型のＩｎＧａＡｓ基板１上にｎ‐ＩｎＧａＰクラッド５、ＩｎＡｌＧａＡｓバリア層３，４及び１０層のＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層（活性層）２からなる量子井戸構造７、エッチングによりリッジ構造としたｐ型のＩｎＧａＰクラッド６からなる。なお、量子井戸層２の幅は７ｎｍとする。
【００５８】
図１２は、本発明の第４の実施例に係る半導体光増幅器の増幅特性を示した図である。
図１２はｘsub＝０．１５、また、量子井戸層歪量が２％、注入キャリア密度が２×１０18ｃｍ3の場合の、バリア層３，４がＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＧａＡｓ（バンドギャップ波長０．８５μｍ）の場合の利得スペクトルを示したものである。図１２に示すように、強い量子閉じ込めにより、利得が増加しており、半導体光増幅器の増幅性能が改良される。
【００５９】
これらの結果から、バリア層３，４のＡｌ含有量を２．３〜１７％、量子井戸層２の歪量を１．６〜２％（図１０中、網かけした領域）とすることで、量子井戸層２、バリア層３，４に窒素、Ａｌを含まない場合と比べて、増幅性能を増加（最大１０％増加）し、なおかつ、必要な歪量を減少（最大０．６％減少）させることが可能となる。本実施例では、ｘsubを０．１５としたが、他のｘsubの値に対しても全く同様の効果を得ることができる。
【００６０】
以上のように、本発明に係る光半導体装置によれば、ＩｎＧａＡｓメタモルフィックバッファ層を有するＩｎＧａＡｓ基板１上の量子井戸層２にＧａＩｎＮＡｓを用いることで、従来のＧａＡｓ及びＩｎＧａＡｓのみの基板を用いた半導体レーザで問題となっていた、量子井戸層２の大きな歪量を低減し、なおかつ、Ｉｎ組成比の小さい高品質なＩｎＧａＡｓ基板１を用いて１．３μｍの半導体レーザを実現することができる。
【００６１】
このとき、量子井戸層２の幅が７ｎｍの場合には、ｘsubと量子井戸層歪量の範囲をそれぞれ、０．０５〜０．１５、１．６〜２．１８％とすることで、実際に作製が可能で、従来のＩｎＰ系の半導体レーザよりも歪に関して特性が良く、歪量一定の場合に共振周波数が窒素を添加しない場合よりも向上するような半導体レーザを構成することができる。
【００６２】
また、Ａｌ含有量２．３〜１７％のＩｎＡｌＧａＡｓをバリア層３，４に用いることで、量子井戸層２、バリア層３，４に窒素、Ａｌを含まない場合と比べて、共振周波数を増大し、なおかつ、必要な歪量を減少させることが可能となり、最大で、量子井戸層歪量を０．６％減少させることが可能となる。
なお、第１〜第４の実施例においては量子井戸層２の幅を全て７ｎｍに固定したが、他の幅に対しても全く同様の効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明は、光半導体装置、より詳しくは、歪量子井戸層を有する半導体レーザや半導体光増幅器のような光半導体装置に利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明に係る光半導体装置の基本的な構造を示した断面図である。
【図２】本発明の第１，２，４の実施例に係る光半導体装置の構造を示した斜視図である。
【図３】本発明の第１の実施例に係る光半導体装置における量子井戸層の特性の具体的な算出手順を示した図である。
【図４】本発明の第１の実施例に係るＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層において第一量子化準位間波長が１．３μｍとなるための量子井戸層歪量の窒素含有量依存性を示した図である。
【図５】本発明の第１の実施例に係るＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層の量子井戸利得の量子井戸層窒素含有量依存性を示した図である。
【図６】本発明の第１の実施例に係るＩｎＧａＡｓ基板上ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層において第一量子化準位間波長が１．３μｍとなるための量子井戸層歪量の基板Ｉｎ組成比依存性を示した図である。
【図７】本発明の第１の実施例に係るＩｎＧａＡｓ基板上ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層の共振周波数の２乗の基板Ｉｎ組成比依存性を示した図である。
【図８】本発明の第１の実施例に係るＤ点に比べてしきい値電流が１０％、２０％増大する場合の量子井戸層歪量の基板Ｉｎ組成比依存性を示した図である。
【図９】本発明の第２の実施例に係るＩｎＧａＡｓ基板上ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層及びＩｎＡｌＧａＡｓバリア層からなる量子井戸層のポテンシャル分布を示した図である。
【図１０】本発明の第２の実施例に係るＩｎＧａＡｓ基板上ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層及びＩｎＡｌＧａＡｓバリア層からなる量子井戸層の共振周波数の２乗の井戸層歪量依存性を示した図である。
【図１１】本発明の第３の実施例に係る光半導体装置の構造を示した斜視図である。
【図１２】本発明の第４の実施例に係る半導体光増幅器の増幅特性を示した図である。
【符号の説明】
【００６５】
１  ＩｎＧａＡｓ基板又はＧａＡｓ基板上にＩｎＧａＡｓメタモルフィックバッファ層を成長した基板
２  量子井戸層（活性層）
３  下部バリア層
４  上部バリア層
５  下部クラッド層
６  上部クラッド層
７  量子井戸層及びバリア層からなる量子井戸構造
８  ルテニウム等をドープした半絶縁性結晶による埋め込み層
【図１】
2009283801.tif 000003
【図２】
2009283801.tif 000004
【図３】
2009283801.tif 000005
【図４】
2009283801.tif 000006
【図５】
2009283801.tif 000007
【図６】
2009283801.tif 000008
【図７】
2009283801.tif 000009
【図８】
2009283801.tif 000010
【図９】
2009283801.tif 000011
【図１０】
2009283801.tif 000012
【図１１】
2009283801.tif 000013
【図１２】
2009283801.tif 000014