JP2000277867A - 半導体レーザ装置 - Google Patents
半導体レーザ装置Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】ＧａＩｎＮＡｓ半導体レーザにおけるＧａＩｎ
ＮＡｓ井戸層のN組成の最適値は、歪量と相分離のトレ
ードオフの関係により、Ｎ組成の３％以下の領域である
と考えられる。しかしながら、本領域では、ＧａＩｎＮ
Ａｓ井戸層の歪量は大きい。これにより、長期的には、
転位の発生、相分離の誘起等がおこり、ＧａＩｎＮＡｓ
半導体レーザの信頼性を確保することが困難である。 【解決手段】 本願発明は、ガリウム砒素化合物半導体
基板の上部に、第１のクラッド層と、発光活性層と、第
２のクラッド層とを少なくとも有する光共振器を有し、
当該活性層は量子井戸構造を有し、前記量子井戸構造は
少なくとも一対の障壁層と井戸層を有し、前記井戸層が
窒素（Ｎ）の含有量が３％以下のＧａＩｎＮＡｓを用
い、障壁層は、ＧａＡｓに対してマイナス（−）歪みを
有するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料が用いた半導体レ
ーザ装置である。更に、活性層に用いられる井戸層と障
壁層とのエネルギー差が、伝導帯において３００ｍｅＶ
以上、価電子帯において５０ｍｅＶ以上２００ｍｅＶ以
下となすことが望ましい。
ＮＡｓ井戸層のN組成の最適値は、歪量と相分離のトレ
ードオフの関係により、Ｎ組成の３％以下の領域である
と考えられる。しかしながら、本領域では、ＧａＩｎＮ
Ａｓ井戸層の歪量は大きい。これにより、長期的には、
転位の発生、相分離の誘起等がおこり、ＧａＩｎＮＡｓ
半導体レーザの信頼性を確保することが困難である。 【解決手段】 本願発明は、ガリウム砒素化合物半導体
基板の上部に、第１のクラッド層と、発光活性層と、第
２のクラッド層とを少なくとも有する光共振器を有し、
当該活性層は量子井戸構造を有し、前記量子井戸構造は
少なくとも一対の障壁層と井戸層を有し、前記井戸層が
窒素（Ｎ）の含有量が３％以下のＧａＩｎＮＡｓを用
い、障壁層は、ＧａＡｓに対してマイナス（−）歪みを
有するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料が用いた半導体レ
ーザ装置である。更に、活性層に用いられる井戸層と障
壁層とのエネルギー差が、伝導帯において３００ｍｅＶ
以上、価電子帯において５０ｍｅＶ以上２００ｍｅＶ以
下となすことが望ましい。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本願発明は化合物半導体材料
であるＧａＩｎＮＡｓを活性層に用いた半導体レーザに
関するものである。
であるＧａＩｎＮＡｓを活性層に用いた半導体レーザに
関するものである。
【０００２】
【従来の技術】現在の光通信には、石英系光ファイバー
の損失が低いという点から、1.3μmおよび1.55μm帯の
光が主として利用され、その光源にはＧａＩｎＡｓＰ/
ＩｎＰ系の半導体レーザ装置が用いられている。 Ｇａ
ＩｎＡｓＰ/ＩｎＰ系の半導体レーザ装置は、高温動作
時にその特性が大幅に劣下する。これは、活性層に用い
られているＧａＩｎＡｓＰの伝導帯におけるバンドオフ
セット（ΔＥｃ）が小さいため、高温時に電子を十分に
活性層内に閉じ込められなくなることによる。
の損失が低いという点から、1.3μmおよび1.55μm帯の
光が主として利用され、その光源にはＧａＩｎＡｓＰ/
ＩｎＰ系の半導体レーザ装置が用いられている。 Ｇａ
ＩｎＡｓＰ/ＩｎＰ系の半導体レーザ装置は、高温動作
時にその特性が大幅に劣下する。これは、活性層に用い
られているＧａＩｎＡｓＰの伝導帯におけるバンドオフ
セット（ΔＥｃ）が小さいため、高温時に電子を十分に
活性層内に閉じ込められなくなることによる。
【０００３】ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプラ
イド・フィジックス １９９６年第３５巻 １２７３頁
誌（記事１）上に、半導体レーザ装置の活性層に新材料
ＧａＩｎＮＡｓを用いることで、非常に大きなΔＥｃを
実現でき、光通信用半導体レーザの高温動作特性を画期
的に改善できる可能性があることが示されている。その
後、 フォトニック・テクノロジー・レターズ １９９８
年 第１０巻 ４８７頁誌（記事２）上に、本材料を用
いた１．３μｍ帯での室温連続でのレーザ発振が報告さ
れるに至っている。
イド・フィジックス １９９６年第３５巻 １２７３頁
誌（記事１）上に、半導体レーザ装置の活性層に新材料
ＧａＩｎＮＡｓを用いることで、非常に大きなΔＥｃを
実現でき、光通信用半導体レーザの高温動作特性を画期
的に改善できる可能性があることが示されている。その
後、 フォトニック・テクノロジー・レターズ １９９８
年 第１０巻 ４８７頁誌（記事２）上に、本材料を用
いた１．３μｍ帯での室温連続でのレーザ発振が報告さ
れるに至っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上記記事２の報告によ
ると、上記１．３μm-ＧａＩｎＮＡｓ半導体レーザ装置
の連続発振時のしきい値電流密度は１０８ ｍＡであ
り、リファレンスとして作製されたＧａＩｎＮＡｓ半導
体レーザの２８ ｍＡに比べて極めて大きい。このレー
ザ装置の活性層は、量子井戸構造を有し、障壁層にＧａ
Ａｓ、井戸層にN組成約０．７％のＧａＩｎＮＡｓが用
いられている。従って、その格子歪は約＋２％（ＧａＡ
ｓに対して格子定数が大きい方をプラス（＋）とす
る。）と見積もられる。井戸層の膜厚は７ｎｍであり、
高品質の薄膜を形成できる限界値である臨界膜厚に近
い。よって、 活性層ＧａＩｎＮＡｓにおいて歪に起因
する転移が発生している可能性が高い。さらに、 Ｇａ
ＩｎＮＡｓは、熱力学的に不安定で非常に相分離しやす
い材料であることから、この大きな歪により、相分離が
誘起されている可能性も高い。これらの要因が、相まっ
てＧａＩｎＮＡｓの結晶品質を低下させ、レーザ特性を
大幅に低下させていると考えられる。
ると、上記１．３μm-ＧａＩｎＮＡｓ半導体レーザ装置
の連続発振時のしきい値電流密度は１０８ ｍＡであ
り、リファレンスとして作製されたＧａＩｎＮＡｓ半導
体レーザの２８ ｍＡに比べて極めて大きい。このレー
ザ装置の活性層は、量子井戸構造を有し、障壁層にＧａ
Ａｓ、井戸層にN組成約０．７％のＧａＩｎＮＡｓが用
いられている。従って、その格子歪は約＋２％（ＧａＡ
ｓに対して格子定数が大きい方をプラス（＋）とす
る。）と見積もられる。井戸層の膜厚は７ｎｍであり、
高品質の薄膜を形成できる限界値である臨界膜厚に近
い。よって、 活性層ＧａＩｎＮＡｓにおいて歪に起因
する転移が発生している可能性が高い。さらに、 Ｇａ
ＩｎＮＡｓは、熱力学的に不安定で非常に相分離しやす
い材料であることから、この大きな歪により、相分離が
誘起されている可能性も高い。これらの要因が、相まっ
てＧａＩｎＮＡｓの結晶品質を低下させ、レーザ特性を
大幅に低下させていると考えられる。
【０００５】以上の考察から、ＧａＩｎＮＡｓの結晶品
質を向上させるためには、格子歪を適正な範囲まで低減
させることが重要であることが判る。ＧａＩｎＮＡｓ
は、窒素（Ｎ）の導入によって格子定数が減少するのに
も関わらず、禁制帯幅（Ｅｇ）も低下する特異な材料で
ある。そのため、 Ｎ組成を増大させる一方で、Ｉｎ組
成を減少させ、Ｅｇを１．３μm帯に適合させながら、
格子歪を低減することが可能である。しかしながら、最
近の実験により、Ｎの導入量の増加に伴い、その結晶品
質が顕著に劣下することがみられる。これは、先述のよ
うにＧａＩｎＮＡｓが相分離しやすい材料であることに
よると考えられている。このように、ＧａＩｎＮＡｓの
結晶品質において、歪量と相分離はトレードオフの関係
にある。我々が鋭意検討した結果、光通信に用いられる
１．３μm帯のＧａＩｎＮＡｓ半導体レーザの最適なN組
成は、１〜３％付近であると見積もられた。このとき、
障壁層にＧａＡｓを用いたと仮定して見積もった歪量
は、＋１．５％付近となる。本歪量は、実際に実用化さ
れている半導体レーザ装置に比べてやや大きい値であ
る。また、先述したように、ＧａＩｎＮＡｓが、元来相
分離しやすい 不安定な材料であることを考慮すると、
ＧａＩｎＮＡｓ半導体レーザの長期的な信頼性を確保す
るために、何らかの方法で活性層の平均歪量を低減する
ことが必要である。
質を向上させるためには、格子歪を適正な範囲まで低減
させることが重要であることが判る。ＧａＩｎＮＡｓ
は、窒素（Ｎ）の導入によって格子定数が減少するのに
も関わらず、禁制帯幅（Ｅｇ）も低下する特異な材料で
ある。そのため、 Ｎ組成を増大させる一方で、Ｉｎ組
成を減少させ、Ｅｇを１．３μm帯に適合させながら、
格子歪を低減することが可能である。しかしながら、最
近の実験により、Ｎの導入量の増加に伴い、その結晶品
質が顕著に劣下することがみられる。これは、先述のよ
うにＧａＩｎＮＡｓが相分離しやすい材料であることに
よると考えられている。このように、ＧａＩｎＮＡｓの
結晶品質において、歪量と相分離はトレードオフの関係
にある。我々が鋭意検討した結果、光通信に用いられる
１．３μm帯のＧａＩｎＮＡｓ半導体レーザの最適なN組
成は、１〜３％付近であると見積もられた。このとき、
障壁層にＧａＡｓを用いたと仮定して見積もった歪量
は、＋１．５％付近となる。本歪量は、実際に実用化さ
れている半導体レーザ装置に比べてやや大きい値であ
る。また、先述したように、ＧａＩｎＮＡｓが、元来相
分離しやすい 不安定な材料であることを考慮すると、
ＧａＩｎＮＡｓ半導体レーザの長期的な信頼性を確保す
るために、何らかの方法で活性層の平均歪量を低減する
ことが必要である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本願発明の目的は、高信
頼性なる ＧａＩｎＮＡｓ半導体レーザ装置を提供する
ことである。本願発明の別な目的は、低しきい電流値を
有する１．１μｍより１．３μｍの範囲の発振波長を有
する半導体レーザ装置を提供することである。
頼性なる ＧａＩｎＮＡｓ半導体レーザ装置を提供する
ことである。本願発明の別な目的は、低しきい電流値を
有する１．１μｍより１．３μｍの範囲の発振波長を有
する半導体レーザ装置を提供することである。
【０００７】本願発明の半導体レーザ装置の代表的な形
態は、ガリウム砒素化合物半導体基板の上部に、第１の
クラッド層と、発光活性層と、第２のクラッド層とを少
なくとも有する光共振器を有し、当該活性層は量子井戸
構造を有し、前記量子井戸構造は少なくとも一対の障壁
層と井戸層を有し、前記井戸層が窒素（Ｎ）の含有量が
３％以下のＧａＩｎＮＡｓである。
態は、ガリウム砒素化合物半導体基板の上部に、第１の
クラッド層と、発光活性層と、第２のクラッド層とを少
なくとも有する光共振器を有し、当該活性層は量子井戸
構造を有し、前記量子井戸構造は少なくとも一対の障壁
層と井戸層を有し、前記井戸層が窒素（Ｎ）の含有量が
３％以下のＧａＩｎＮＡｓである。
【０００８】窒素の含有量が３％以上になるとＧａＩｎ
ＮＡｓの結晶性の低下が顕著となる。この為、こうした
化合物半導体材料を用いて、半導体レーザ装置を製造す
ると、例えばレーザ特性のしきい電流値の上昇が大きく
なったり、あるいは装置の寿命に大幅な低下が生ずるこ
ととなる。又、窒素の含有量は、本レーザ装置を光通信
用ファイバに適合する波長となすに、０．５％以上が実
際的である。光通信用ファイバに適合させるに波長は
１．１μｍより１．３μｍの範囲が好ましい。光通信系
の目的に応じて発振波長が選択されることは言うまでも
ない。
ＮＡｓの結晶性の低下が顕著となる。この為、こうした
化合物半導体材料を用いて、半導体レーザ装置を製造す
ると、例えばレーザ特性のしきい電流値の上昇が大きく
なったり、あるいは装置の寿命に大幅な低下が生ずるこ
ととなる。又、窒素の含有量は、本レーザ装置を光通信
用ファイバに適合する波長となすに、０．５％以上が実
際的である。光通信用ファイバに適合させるに波長は
１．１μｍより１．３μｍの範囲が好ましい。光通信系
の目的に応じて発振波長が選択されることは言うまでも
ない。
【０００９】前記化合物半導体基板はガリウム砒素（Ｇ
ａＡｓ）が用いられるが、この基板上に、必要に応じ
て、結晶性改善の為、通例のバッファ層が形成される。
又、本願明細書では単にガリウム砒素と称するが必要に
応じて不純物を含有することは、一般の半導体レーザ装
置の技術に従って十分である。
ａＡｓ）が用いられるが、この基板上に、必要に応じ
て、結晶性改善の為、通例のバッファ層が形成される。
又、本願明細書では単にガリウム砒素と称するが必要に
応じて不純物を含有することは、一般の半導体レーザ装
置の技術に従って十分である。
【００１０】前記量子井戸構造の井戸層は含有量が３％
以下のＧａＩｎＮＡｓであるが、これに対して障壁層
は、ＧａＡｓに対してマイナス（−）歪みを有するＩＩ
Ｉ−Ｖ族化合物半導体材料が用いられる。この目的に
は、このＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料は、ＩＩＩ族元
素としてアルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、イ
ンジウム（Ｉｎ）の群から選ばれた少なくとも一者とＶ
族元素として砒素（Ａｓ）、燐（Ｐ）、窒素（Ｎ）の群
から選ばれた少なくとも一者を含有するものが好まし
い。具体的な例を例示すれば、例えば、ＧａＡｓＰ、Ｇ
ａＮＡｓ、ＡｌＮＡｓ，ＧａＩｎＰ，ＡｌＩｎＰおよび
これらの混晶、例えばＧａＡｓＮＰなどを挙げることが
出来る。わけても、ＧａＡｓＰ、ＧａＮＡｓおよびこれ
らの混晶ＧａＡｓＮＰが実際的である。尚、ここで、マ
イナス歪みとは基板（例えばＧａＡｓ）の格子定数に対
して小さい場合を称する。即ち、この場合、当該井戸層
には引っ張り歪みの状態となっている。
以下のＧａＩｎＮＡｓであるが、これに対して障壁層
は、ＧａＡｓに対してマイナス（−）歪みを有するＩＩ
Ｉ−Ｖ族化合物半導体材料が用いられる。この目的に
は、このＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料は、ＩＩＩ族元
素としてアルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、イ
ンジウム（Ｉｎ）の群から選ばれた少なくとも一者とＶ
族元素として砒素（Ａｓ）、燐（Ｐ）、窒素（Ｎ）の群
から選ばれた少なくとも一者を含有するものが好まし
い。具体的な例を例示すれば、例えば、ＧａＡｓＰ、Ｇ
ａＮＡｓ、ＡｌＮＡｓ，ＧａＩｎＰ，ＡｌＩｎＰおよび
これらの混晶、例えばＧａＡｓＮＰなどを挙げることが
出来る。わけても、ＧａＡｓＰ、ＧａＮＡｓおよびこれ
らの混晶ＧａＡｓＮＰが実際的である。尚、ここで、マ
イナス歪みとは基板（例えばＧａＡｓ）の格子定数に対
して小さい場合を称する。即ち、この場合、当該井戸層
には引っ張り歪みの状態となっている。
【００１１】図１は化合物半導体諸材料の格子定数
（ａ）と禁制帯幅（Ｅｇ）との関係を示した図である。
横軸は格子定数、縦軸は禁制帯幅を示す。尚、図の上段
の百分率表示は、基板をＧａＡｓとした時の歪みの程度
を示している。
（ａ）と禁制帯幅（Ｅｇ）との関係を示した図である。
横軸は格子定数、縦軸は禁制帯幅を示す。尚、図の上段
の百分率表示は、基板をＧａＡｓとした時の歪みの程度
を示している。
【００１２】上記の本願発明の思想によれば、障壁層材
料においては次の構成を必要とする。
料においては次の構成を必要とする。
【００１３】第１は、本願発明の前提として、光通信用
ファイバのに適合させる為、波長は１．１μｍより１．
３μｍの範囲を用いることである。
ファイバのに適合させる為、波長は１．１μｍより１．
３μｍの範囲を用いることである。
【００１４】第２は、結晶成長用基板に対してマイナス
歪みを有することが重要な構成となる。
歪みを有することが重要な構成となる。
【００１５】図１を参酌すれば、この第１の波長範囲の
前提より禁制帯幅が０．９５ｅＶの点線より上部の範
囲、上記第２のマイナス歪みの構成より０％以下の範囲
で、本願発明の化合物半導体諸材料を選択する。
前提より禁制帯幅が０．９５ｅＶの点線より上部の範
囲、上記第２のマイナス歪みの構成より０％以下の範囲
で、本願発明の化合物半導体諸材料を選択する。
【００１６】更に、活性層に用いられる井戸層と障壁層
とのエネルギー差が、伝導帯において３００ｍｅＶ以
上、価電子帯において５０ｍｅＶ以上２００ｍｅＶ以下
となすことが望ましい。この問題については、後に詳細
に説明する。
とのエネルギー差が、伝導帯において３００ｍｅＶ以
上、価電子帯において５０ｍｅＶ以上２００ｍｅＶ以下
となすことが望ましい。この問題については、後に詳細
に説明する。
【００１７】尚、当該量子井戸構造の井戸層と障壁層の
厚さやその層数は通例の技術に従って良く、又、その目
的に応じて選択されるが、通例、井戸層は３ｎｍより１
５ｎｍ、障壁層は３ｎｍより３０ｎｍ、井戸層と障壁層
との組は１から５０程度から選択される。
厚さやその層数は通例の技術に従って良く、又、その目
的に応じて選択されるが、通例、井戸層は３ｎｍより１
５ｎｍ、障壁層は３ｎｍより３０ｎｍ、井戸層と障壁層
との組は１から５０程度から選択される。
【００１８】又、前記活性層全体の平均歪みは−０．５
％より＋１．５％の範囲にある。半導体レーザ装置にお
ける障壁層の少なくとも一部に、ガリウム砒素より格子
定数が小さく、−側の歪を有する半導体材料を用いるこ
とが好ましい。
％より＋１．５％の範囲にある。半導体レーザ装置にお
ける障壁層の少なくとも一部に、ガリウム砒素より格子
定数が小さく、−側の歪を有する半導体材料を用いるこ
とが好ましい。
【００１９】更に、障壁層と井戸層との間のΔＥｃおよ
びΔＥｖが前述した好ましい条件を満たさない場合も、
当該活性層とクラッド層の間にキャリア閉じ込めのため
の第２の障壁層を挿入することによって本願発明の目的
を達成することが出来る。この新たな第２の障壁層は、
活性層領域内にキャリアを本願の目的に応じて閉じ込め
るためのものである。この第２の障壁層とこれに隣接す
る井戸層との間に前記のΔＥｃおよびΔＥｖ の条件を
満足させれば良い。従って、障壁層と井戸層との間のΔ
ＥｃおよびΔＥｖが前述した好ましい条件を満たさない
場合も、当該活性層へのキャリアの閉じ込めを満足さ
せ、本願発明の目的を達成することが出来る。
びΔＥｖが前述した好ましい条件を満たさない場合も、
当該活性層とクラッド層の間にキャリア閉じ込めのため
の第２の障壁層を挿入することによって本願発明の目的
を達成することが出来る。この新たな第２の障壁層は、
活性層領域内にキャリアを本願の目的に応じて閉じ込め
るためのものである。この第２の障壁層とこれに隣接す
る井戸層との間に前記のΔＥｃおよびΔＥｖ の条件を
満足させれば良い。従って、障壁層と井戸層との間のΔ
ＥｃおよびΔＥｖが前述した好ましい条件を満たさない
場合も、当該活性層へのキャリアの閉じ込めを満足さ
せ、本願発明の目的を達成することが出来る。
【００２０】本願発明の主な形態を説明したが、以下、
上述した諸事項について詳細に説明する。
上述した諸事項について詳細に説明する。
【００２１】本願発明の目的は、活性層が、障壁層と井
戸層から形成される量子井戸型構造から構成され、井戸
層にプラス（＋）歪を有するＧａＩｎＮＡｓを用いた半
導体レーザの障壁層の少なくとも一部に、マイナス
（−）歪を有する材料を用いて、所謂、歪補償型活性層
を形成することにより達成されることは前述した。
戸層から形成される量子井戸型構造から構成され、井戸
層にプラス（＋）歪を有するＧａＩｎＮＡｓを用いた半
導体レーザの障壁層の少なくとも一部に、マイナス
（−）歪を有する材料を用いて、所謂、歪補償型活性層
を形成することにより達成されることは前述した。
【００２２】良く知られているように、歪補償型の活性
層構造における平均歪量（Ｅｅｆｆ）は、以下の式で定
義される。
層構造における平均歪量（Ｅｅｆｆ）は、以下の式で定
義される。
【００２３】 Eeff＝（dw × tw × Nw＋db × tb × Nb）／t （１） ここで、di（i＝w、b）は井戸層（w）、および、障壁層
（b）における歪量であり、以下の式で定義される。以
下、パラメータｗは井戸層、ｂは障壁層の各諸量を表わ
す。
（b）における歪量であり、以下の式で定義される。以
下、パラメータｗは井戸層、ｂは障壁層の各諸量を表わ
す。
【００２４】 di＝（ai − as）／as （２） ここで、 ai（i＝w、b）は、井戸層（w）、および、障
壁層（b）の格子定数である。また、ti（i＝w、b）は、
井戸層（w）、および、障壁層（b）における膜厚であ
る。また、Ni（i＝w、b）は、井戸層（w）、および、障
壁層（b）の層数であり、tは以下の式で定義される量子
井戸全体の膜厚である。 t＝ tw × Nw＋tb × Nb （３） よって、例えば、井戸層に＋１．５％の歪のＧａＩｎＮ
Ａｓを用いた場合においても、障壁層材料の少なくとも
一部に、適正な膜厚の−歪を有する半導体材料を用いる
ことにより、活性層全体の歪量を低減することが可能と
なる。これにより、格子歪により誘起されるＧａＩｎＮ
Ａｓの相分離を抑制することができ、ＧａＩｎＮＡｓ半
導体レーザの長期的信頼性を向上できる。
壁層（b）の格子定数である。また、ti（i＝w、b）は、
井戸層（w）、および、障壁層（b）における膜厚であ
る。また、Ni（i＝w、b）は、井戸層（w）、および、障
壁層（b）の層数であり、tは以下の式で定義される量子
井戸全体の膜厚である。 t＝ tw × Nw＋tb × Nb （３） よって、例えば、井戸層に＋１．５％の歪のＧａＩｎＮ
Ａｓを用いた場合においても、障壁層材料の少なくとも
一部に、適正な膜厚の−歪を有する半導体材料を用いる
ことにより、活性層全体の歪量を低減することが可能と
なる。これにより、格子歪により誘起されるＧａＩｎＮ
Ａｓの相分離を抑制することができ、ＧａＩｎＮＡｓ半
導体レーザの長期的信頼性を向上できる。
【００２５】上述したように、本条件を満たす半導体材
料は、ＧａＡｓに対して−歪を有する材料に限られるの
で、III族原料としてアルミニウム（Ａｌ）、ガリウム
（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、Ｖ族原料として砒素
（Ａｓ）、燐（Ｐ）、窒素（Ｎ）の適正な組合わせによ
り構成されたIII−Ｖ族化合物半導体が適する。
料は、ＧａＡｓに対して−歪を有する材料に限られるの
で、III族原料としてアルミニウム（Ａｌ）、ガリウム
（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、Ｖ族原料として砒素
（Ａｓ）、燐（Ｐ）、窒素（Ｎ）の適正な組合わせによ
り構成されたIII−Ｖ族化合物半導体が適する。
【００２６】ここで、障壁層に用いられる材料には、井
戸層ＧａＩｎＮＡｓとのバンドオフセットが、伝導帯
（ΔＥｃ）において３００ｍｅＶ以上、価電子帯（ΔＥ
ｖ）において５０ｍｅＶ以上２００ｍｅＶ以下であるこ
とが望ましい。これらの値は、井戸が浅すぎる場合のキ
ャリアのオーバーフロー、および、井戸が深すぎる場合
の、多重量子井戸におけるキャリア分布不均一による光
通信時の高速応答特性の低下等を考慮して決定されたも
のである。
戸層ＧａＩｎＮＡｓとのバンドオフセットが、伝導帯
（ΔＥｃ）において３００ｍｅＶ以上、価電子帯（ΔＥ
ｖ）において５０ｍｅＶ以上２００ｍｅＶ以下であるこ
とが望ましい。これらの値は、井戸が浅すぎる場合のキ
ャリアのオーバーフロー、および、井戸が深すぎる場合
の、多重量子井戸におけるキャリア分布不均一による光
通信時の高速応答特性の低下等を考慮して決定されたも
のである。
【００２７】次に、具体的な障壁層材料の検討例を示
す。ここでは、井戸層として＋１．５％歪のＧａ0.75Ｉ
ｎIn0.25Ｎ0.01Ａｓ0.99を採用した。尚、ＧａＩｎＮＡ
ｓのバンドラインナップは、Ｎ導入によるＧａＮＡｓの
Ｅｃ、および、Ｅｖの低下量が、それぞれ１７５ｍｅＶ
／Ｎ％、１９ｍｅＶ／Ｎ％であるという報告を適用して
計算した。
す。ここでは、井戸層として＋１．５％歪のＧａ0.75Ｉ
ｎIn0.25Ｎ0.01Ａｓ0.99を採用した。尚、ＧａＩｎＮＡ
ｓのバンドラインナップは、Ｎ導入によるＧａＮＡｓの
Ｅｃ、および、Ｅｖの低下量が、それぞれ１７５ｍｅＶ
／Ｎ％、１９ｍｅＶ／Ｎ％であるという報告を適用して
計算した。
【００２８】図２は障壁層としてガリウム砒素燐（Ｇａ
ＡｓＰ）を用いた場合のＰ含有量とバンドギャップの関
係を示す図である。図の横軸はＧａＡｓ1-yＰyにおける
リン（Ｐ）組成ｙ、および、そのときの歪量であり、縦
軸はバンドエネルギーである。Ｐ組成ｙの増大により、
ＧａＡｓ1-yＰyの伝導帯のエネルギー（Ｅｃ）、およ
び、価電子帯のエネルギー（Ｅｖ）は共に増大すること
がわかる。 図より、本材料系では、Ｐ組成が４０％以
下の範囲で、上述のΔＥｃ、および、ΔＥｖ共に必要な
条件を満たし、 そのとき、歪量を約−１．４％までの
範囲内で自由に変化させることが可能であることがわか
る。即ち、図中、「Ｅｃ ｉｎ ＧａＩｎＮＡｓ」はＧａ
ＩｎＮＡｓでのＥｃのレベル、「Ｅｖ ｉｎ ＧａＩｎＮ
Ａｓ」はＧａＩｎＮＡｓでのＥｖのレベルを示す。「Ｅ
ｃ ｉｎ ＧａＡｓＰ」はＧａＡｓＰでのＥｃのレベル、
「Ｅｖ ｉｎ ＧａＡｓＰ」はＧａＡｓＰでのＥｖのレベ
ルを示す。従って、当該範囲において、ΔＥｃは６１０
ｍｅＶ、ΔＥｖは２００ｍｅＶである。図中、斜線で示
した領域が歪量を＋１．５％を実現し、且つΔＥｃおよ
びΔＥｖの条件を満たす範囲を示している。
ＡｓＰ）を用いた場合のＰ含有量とバンドギャップの関
係を示す図である。図の横軸はＧａＡｓ1-yＰyにおける
リン（Ｐ）組成ｙ、および、そのときの歪量であり、縦
軸はバンドエネルギーである。Ｐ組成ｙの増大により、
ＧａＡｓ1-yＰyの伝導帯のエネルギー（Ｅｃ）、およ
び、価電子帯のエネルギー（Ｅｖ）は共に増大すること
がわかる。 図より、本材料系では、Ｐ組成が４０％以
下の範囲で、上述のΔＥｃ、および、ΔＥｖ共に必要な
条件を満たし、 そのとき、歪量を約−１．４％までの
範囲内で自由に変化させることが可能であることがわか
る。即ち、図中、「Ｅｃ ｉｎ ＧａＩｎＮＡｓ」はＧａ
ＩｎＮＡｓでのＥｃのレベル、「Ｅｖ ｉｎ ＧａＩｎＮ
Ａｓ」はＧａＩｎＮＡｓでのＥｖのレベルを示す。「Ｅ
ｃ ｉｎ ＧａＡｓＰ」はＧａＡｓＰでのＥｃのレベル、
「Ｅｖ ｉｎ ＧａＡｓＰ」はＧａＡｓＰでのＥｖのレベ
ルを示す。従って、当該範囲において、ΔＥｃは６１０
ｍｅＶ、ΔＥｖは２００ｍｅＶである。図中、斜線で示
した領域が歪量を＋１．５％を実現し、且つΔＥｃおよ
びΔＥｖの条件を満たす範囲を示している。
【００２９】ここで、例えば、 障壁層としてＧａＡｓ
0.9Ｐ0.1を用い、活性層における井戸層の膜厚を７ｎ
ｍ、障壁層の膜厚を１０ｎｍ、井戸層の総数を５、障壁
層の総数を６とすれば、（３）式により、平均歪量を＋
０．３３％まで低減できる。
0.9Ｐ0.1を用い、活性層における井戸層の膜厚を７ｎ
ｍ、障壁層の膜厚を１０ｎｍ、井戸層の総数を５、障壁
層の総数を６とすれば、（３）式により、平均歪量を＋
０．３３％まで低減できる。
【００３０】図３に、このときの活性層におけるバンド
エネルギー図を示す。即ち、当該活性層は、障壁層がＧ
ａＡｓ0.9Ｐ0.1と井戸層がＧａ0.75Ｉｎ0.25Ｎ0.01Ａｓ
0.99とによって構成されている。この例で、ΔＥｃは４
２０ｍｅＶ、ΔＥｖは１４９ｍｅＶである。この例に見
られるように、活性層の平均歪量を低減しつつ、良好な
キャリア閉じ込めが可能となり、高性能、高信頼性を有
するＧａＩｎＮＡｓ半導体レーザ装置が可能となる。
エネルギー図を示す。即ち、当該活性層は、障壁層がＧ
ａＡｓ0.9Ｐ0.1と井戸層がＧａ0.75Ｉｎ0.25Ｎ0.01Ａｓ
0.99とによって構成されている。この例で、ΔＥｃは４
２０ｍｅＶ、ΔＥｖは１４９ｍｅＶである。この例に見
られるように、活性層の平均歪量を低減しつつ、良好な
キャリア閉じ込めが可能となり、高性能、高信頼性を有
するＧａＩｎＮＡｓ半導体レーザ装置が可能となる。
【００３１】図４に、ガリウム窒素砒素（ＧａＮＡｓ）
を障壁層材料として用いた場合の検討結果を示した。図
の構成は図２と同様であるので、詳細説明は省略する。
この図４より、Ｎ組成１．５％までの範囲で、歪量を−
０．３％まで変化できることがわかる。
を障壁層材料として用いた場合の検討結果を示した。図
の構成は図２と同様であるので、詳細説明は省略する。
この図４より、Ｎ組成１．５％までの範囲で、歪量を−
０．３％まで変化できることがわかる。
【００３２】図５に、このときの活性層におけるバンド
エネルギー図を示す。図からも判るように、本材料と、
井戸層Ｇａ0.75Ｉｎ0.25Ｎ0.01Ａｓ0.99との間のΔＥｃ
は先述した好ましい条件を満たさない。
エネルギー図を示す。図からも判るように、本材料と、
井戸層Ｇａ0.75Ｉｎ0.25Ｎ0.01Ａｓ0.99との間のΔＥｃ
は先述した好ましい条件を満たさない。
【００３３】しかしながら、キャリア閉じ込めのための
障壁層としてＧａＡｓを組み合わせることで、キャリア
を有効に量子井戸内に閉じ込めることができる。こうし
て、前述の例と同様に、本発明の効果を得ることが出来
る。この例において、活性層における井戸層の膜厚を７
ｎｍ、障壁層の膜厚を１０ｎｍ、井戸層の総数３、障壁
層の総数を２とすれば、上記（３）式により、平均歪量
を＋０．６１％まで低減できる。これにより、活性層の
平均歪量を低減しつつ、良好なキャリア閉じ込めが可能
となり、高性能、高信頼性を有するＧａＩｎＮＡｓ半導
体レーザ装置が可能となる。
障壁層としてＧａＡｓを組み合わせることで、キャリア
を有効に量子井戸内に閉じ込めることができる。こうし
て、前述の例と同様に、本発明の効果を得ることが出来
る。この例において、活性層における井戸層の膜厚を７
ｎｍ、障壁層の膜厚を１０ｎｍ、井戸層の総数３、障壁
層の総数を２とすれば、上記（３）式により、平均歪量
を＋０．６１％まで低減できる。これにより、活性層の
平均歪量を低減しつつ、良好なキャリア閉じ込めが可能
となり、高性能、高信頼性を有するＧａＩｎＮＡｓ半導
体レーザ装置が可能となる。
【００３４】図４および図５を用いて説明した例は、障
壁層と井戸層との間のΔＥｃおよびΔＥｖが前述した好
ましい条件を満たさない場合での、本願発明の実施の形
態を示す例である。本例は、当該活性層とクラッド層の
間にキャリア閉じ込めのための第２の障壁層ＧａＡｓが
挿入されている。この例では、活性層の両側に当該第２
の障壁層が設けられている。図５において、ΔＥｃ＝３
６０ｍｅＶの表示はＧａＡｓの伝導帯下端の準位、ΔＥ
ｃ＝９８ｍｅＶは井戸層の電子に対する量子化準位、Δ
Ｅｖは井戸層の正孔に対する量子化準位を示している。
この第２の障壁層ＧａＡｓとこれに隣接する井戸層Ｇａ
0.75Ｉｎ0.25Ｎ0.01Ａｓ0.99との間では前記のΔＥｃが
２６２ｅＶ（３６０−９８（ｅＶ））およびΔＥｖが１
３０ｅＶであり、本願発明の好ましい条件を満たしてい
る。
壁層と井戸層との間のΔＥｃおよびΔＥｖが前述した好
ましい条件を満たさない場合での、本願発明の実施の形
態を示す例である。本例は、当該活性層とクラッド層の
間にキャリア閉じ込めのための第２の障壁層ＧａＡｓが
挿入されている。この例では、活性層の両側に当該第２
の障壁層が設けられている。図５において、ΔＥｃ＝３
６０ｍｅＶの表示はＧａＡｓの伝導帯下端の準位、ΔＥ
ｃ＝９８ｍｅＶは井戸層の電子に対する量子化準位、Δ
Ｅｖは井戸層の正孔に対する量子化準位を示している。
この第２の障壁層ＧａＡｓとこれに隣接する井戸層Ｇａ
0.75Ｉｎ0.25Ｎ0.01Ａｓ0.99との間では前記のΔＥｃが
２６２ｅＶ（３６０−９８（ｅＶ））およびΔＥｖが１
３０ｅＶであり、本願発明の好ましい条件を満たしてい
る。
【００３５】このように、本発明を用いることで信頼性
の高いＧａＩｎＮＡｓ半導体レーザ装置の作製が可能と
なる。
の高いＧａＩｎＮＡｓ半導体レーザ装置の作製が可能と
なる。
【００３６】
【発明の実施の形態】［発明の実施の形態１］発明の実
施の形態の例として、本発明構造を、端面発光型で発振
波長が１．３μｍのＧａＩｎＮＡｓ半導体レーザ構造に
応用した例について具体的に記述する。以下、このよう
な仕様の半導体レーザ装置を、単に端面発光型１．３μ
ｍＧａＩｎＮＡｓ半導体レーザ装置と略記する。
施の形態の例として、本発明構造を、端面発光型で発振
波長が１．３μｍのＧａＩｎＮＡｓ半導体レーザ構造に
応用した例について具体的に記述する。以下、このよう
な仕様の半導体レーザ装置を、単に端面発光型１．３μ
ｍＧａＩｎＮＡｓ半導体レーザ装置と略記する。
【００３７】図５は本例の半導体レーザ装置の断面図で
ある。図５の上段は本例の光の進行方向と交差する面で
の断面図、下段は活性層を拡大した断面図である。
ある。図５の上段は本例の光の進行方向と交差する面で
の断面図、下段は活性層を拡大した断面図である。
【００３８】本素子構造の作製には、精密な膜厚制御や
材料の瞬時の切り替えが必要であること、また、ＧａＩ
ｎＮＡｓにおける窒素（Ｎ）の導入には、非平衡状態で
の成長法が適しているという点で分子線エピタキシー
（ＭＢＥ）法や有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法
等が適している。
材料の瞬時の切り替えが必要であること、また、ＧａＩ
ｎＮＡｓにおける窒素（Ｎ）の導入には、非平衡状態で
の成長法が適しているという点で分子線エピタキシー
（ＭＢＥ）法や有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法
等が適している。
【００３９】本素子の活性層は、井戸層５にＧａ0.75Ｉ
ｎ0.25Ｎ0.01Ａｓ0.99（歪量：＋１．５％、膜厚：７ｎ
ｍ）、障壁層６にＧａＡｓ0.9Ｐ0.1（歪量：−０．３６
％、膜厚：１０ｎｍ）を用いた周期数５の歪補償型多重
量子井戸構造とした。このときの、活性層における平均
歪量は＋０．３３％と計算された。
ｎ0.25Ｎ0.01Ａｓ0.99（歪量：＋１．５％、膜厚：７ｎ
ｍ）、障壁層６にＧａＡｓ0.9Ｐ0.1（歪量：−０．３６
％、膜厚：１０ｎｍ）を用いた周期数５の歪補償型多重
量子井戸構造とした。このときの、活性層における平均
歪量は＋０．３３％と計算された。
【００４０】本素子構造の作製にはＭＯＣＶＤ法を用い
る。ここで、III族元素であるＧａ、Ｉｎ、Ａｌの供給
源として、それぞれ有機金属のトリメチルガリウム（Ｔ
ＥＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）そしてトリメ
チルアルミニウム（ＴＭＡ）を用いた。Ｖ族元素の供給
源として、ＡｓＨ3、ＰＨ3を用いた。また、ｎ型不純物
としてシラン（ＳｉＨ4）、ｐ型不純物としてジエチル
ジンク（ＤＥＺｎ）を用いた。Nについてはジメチルヒ
ドラジン（ＤＭＨｙ）を使用した。
る。ここで、III族元素であるＧａ、Ｉｎ、Ａｌの供給
源として、それぞれ有機金属のトリメチルガリウム（Ｔ
ＥＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）そしてトリメ
チルアルミニウム（ＴＭＡ）を用いた。Ｖ族元素の供給
源として、ＡｓＨ3、ＰＨ3を用いた。また、ｎ型不純物
としてシラン（ＳｉＨ4）、ｐ型不純物としてジエチル
ジンク（ＤＥＺｎ）を用いた。Nについてはジメチルヒ
ドラジン（ＤＭＨｙ）を使用した。
【００４１】作製する半導体基板はｎ型のＧａＡｓ基板
２（ｎ型不純物濃度＝１×１０18ｃｍ-3）を用いる。Ａ
ｓＨ3の供給下のＡｓ雰囲気において、基板を昇温し、
最初に厚さ０．５μｍのｎ型ＧａＡｓバッファー層３
（ｎ型不純物濃度＝１×１０18ｃｍ-3）を成長する。続
いて、厚さ１．５μｍのｎ型ガリウムインジウム燐（Ｇ
ａ0.5Ｉｎ0.49Ｐ0.01）による下部クラッド層４を形成
した。
２（ｎ型不純物濃度＝１×１０18ｃｍ-3）を用いる。Ａ
ｓＨ3の供給下のＡｓ雰囲気において、基板を昇温し、
最初に厚さ０．５μｍのｎ型ＧａＡｓバッファー層３
（ｎ型不純物濃度＝１×１０18ｃｍ-3）を成長する。続
いて、厚さ１．５μｍのｎ型ガリウムインジウム燐（Ｇ
ａ0.5Ｉｎ0.49Ｐ0.01）による下部クラッド層４を形成
した。
【００４２】次に、活性層３０を成長する。活性層の細
部構造は拡大図に示される。最初にＡｓＨ3とＰＨ3を供
給しながらＴＥＧとＴＭＩを供給し、厚さ１０ｎｍのノ
ンドープＧａＡｓ0.9Ｐ0.1なる障壁層１０を成長する。
次に、ＤＭＨｙとＡｓＨ3を供給しながらＧａとＩｎを
供給し、膜厚７ｎｍのノンドープＧａ0.75Ｉｎ0.25Ｎ
0.01Ａｓ0.99井戸層９を形成する。続いて、厚さ１０ｎ
ｍのノンドープＧａＡｓ0.9Ｐ0.1障壁層１０を成長す
る。こうしてＧａ0.75Ｉｎ0.25Ｎ0.01Ａｓ0.99／ＧａＡ
ｓ0.9Ｐ0.1の積層をさらに４回繰り返し、井戸数５の歪
補償型多重量子井戸活性層を作製した。
部構造は拡大図に示される。最初にＡｓＨ3とＰＨ3を供
給しながらＴＥＧとＴＭＩを供給し、厚さ１０ｎｍのノ
ンドープＧａＡｓ0.9Ｐ0.1なる障壁層１０を成長する。
次に、ＤＭＨｙとＡｓＨ3を供給しながらＧａとＩｎを
供給し、膜厚７ｎｍのノンドープＧａ0.75Ｉｎ0.25Ｎ
0.01Ａｓ0.99井戸層９を形成する。続いて、厚さ１０ｎ
ｍのノンドープＧａＡｓ0.9Ｐ0.1障壁層１０を成長す
る。こうしてＧａ0.75Ｉｎ0.25Ｎ0.01Ａｓ0.99／ＧａＡ
ｓ0.9Ｐ0.1の積層をさらに４回繰り返し、井戸数５の歪
補償型多重量子井戸活性層を作製した。
【００４３】さらに、厚さ１．５μｍのｐ型Ｇａ0.5Ｉ
ｎ0.49Ｐ0.01による上部クラッド層５の順に形成する。
最後にｐ型ＧａＡｓコンタクト層６（ｐ型不純物濃度＝
５×１０19ｃｍ-3）を成長した。
ｎ0.49Ｐ0.01による上部クラッド層５の順に形成する。
最後にｐ型ＧａＡｓコンタクト層６（ｐ型不純物濃度＝
５×１０19ｃｍ-3）を成長した。
【００４４】このようにして作製した膜に酸化膜７を形
成し、この領域をマスクにしてフォトエッチング工程に
より酸化膜の所望領域を除去した後、ｐ型電極８を通例
の技術によって形成する。続いて、基板の裏面にｎ型電
極１を形成する。こうして準備された半導体ウエハを劈
開によって、共振器長４００μｍのレーザ装置を得た。
続いて、素子前面に低反射膜を、後面に高反射膜を形成
した。こうした出力面の保護膜等は通例を適用して十分
である。
成し、この領域をマスクにしてフォトエッチング工程に
より酸化膜の所望領域を除去した後、ｐ型電極８を通例
の技術によって形成する。続いて、基板の裏面にｎ型電
極１を形成する。こうして準備された半導体ウエハを劈
開によって、共振器長４００μｍのレーザ装置を得た。
続いて、素子前面に低反射膜を、後面に高反射膜を形成
した。こうした出力面の保護膜等は通例を適用して十分
である。
【００４５】試作した素子はストライプ幅を５μｍと
し、閾値電流値約５０ｍＡで室温連続発振した。発振波
長は１．３μｍであった。また、摂氏２５度から８０度
の範囲における特性温度（Ｔ０）は１４０Ｋであった。
本素子の波長は、光ファイバー通信で用いられる波長帯
と一致する。よって、本単体の素子を光ファイバ通信シ
ステムの光源として用いることが出来た。
し、閾値電流値約５０ｍＡで室温連続発振した。発振波
長は１．３μｍであった。また、摂氏２５度から８０度
の範囲における特性温度（Ｔ０）は１４０Ｋであった。
本素子の波長は、光ファイバー通信で用いられる波長帯
と一致する。よって、本単体の素子を光ファイバ通信シ
ステムの光源として用いることが出来た。
【００４６】［発明の実施の形態２］発明の実施の形態
の別な例として、本構造を端面発光型で発振波長が１．
３μｍのリング状電極型面発光半導体レーザ構造に応用
した例について具体的に記述する。
の別な例として、本構造を端面発光型で発振波長が１．
３μｍのリング状電極型面発光半導体レーザ構造に応用
した例について具体的に記述する。
【００４７】図７は本例の半導体レーザ装置の断面図で
ある。図７の上段は本例の光の進行方向と交差する面で
の断面図、下段は活性層を拡大した断面図である。
ある。図７の上段は本例の光の進行方向と交差する面で
の断面図、下段は活性層を拡大した断面図である。
【００４８】活性層は、井戸層にＧａ0.75Ｉｎ0.25Ｎ
0.01Ａｓ0.99（歪量：＋１．５％、膜厚：７ｎｍ）、障
壁層にＧａＮ0.025Ａｓ0.975（歪量：−０．３１％、膜
厚：１０ｎｍ）を用いた歪補償型多重量子井戸構造とし
た。周期数は２である。このときの、活性層全体におけ
る平均歪量は＋０．６１％である。
0.01Ａｓ0.99（歪量：＋１．５％、膜厚：７ｎｍ）、障
壁層にＧａＮ0.025Ａｓ0.975（歪量：−０．３１％、膜
厚：１０ｎｍ）を用いた歪補償型多重量子井戸構造とし
た。周期数は２である。このときの、活性層全体におけ
る平均歪量は＋０．６１％である。
【００４９】ここでは成長方法をガスソースＭＢＥ（Ｇ
Ｓ−ＭＢＥ）法とする。本形態例ではIII族元素の供給
源として、金属ガリウム（Ｇａ）、金属インジウム（Ｉ
ｎ）、金属アルミニウム（Ａｌ）を用いた。Ｖ族元素の
供給源として、砒素（Ａｓ）に関してはアルシン（Ａｓ
Ｈ3）、燐（Ｐ）に関してはフォスフィン（ＰＨ3）を用
いた。また、ｎ型不純物としてシリコン（Ｓｉ）、ｐ型
不純物として四臭化炭素（ＣＢｒ4）を用いた。なお、
ｐ型不純物としてベリリウム（Ｂｅ）を用いても良い。
ＮについてはＮ2ガスをＲＦプラズマ励起したＮラジカ
ルを使用した。なお、窒素プラズマの励起は、その他に
ＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｒｏｔｒｏｎ Ｒｅｓ
ｏｎａｎｃｅ： 電子サイクロトロン共鳴）プラズマ等
を用いても行うことができる。
Ｓ−ＭＢＥ）法とする。本形態例ではIII族元素の供給
源として、金属ガリウム（Ｇａ）、金属インジウム（Ｉ
ｎ）、金属アルミニウム（Ａｌ）を用いた。Ｖ族元素の
供給源として、砒素（Ａｓ）に関してはアルシン（Ａｓ
Ｈ3）、燐（Ｐ）に関してはフォスフィン（ＰＨ3）を用
いた。また、ｎ型不純物としてシリコン（Ｓｉ）、ｐ型
不純物として四臭化炭素（ＣＢｒ4）を用いた。なお、
ｐ型不純物としてベリリウム（Ｂｅ）を用いても良い。
ＮについてはＮ2ガスをＲＦプラズマ励起したＮラジカ
ルを使用した。なお、窒素プラズマの励起は、その他に
ＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｒｏｔｒｏｎ Ｒｅｓ
ｏｎａｎｃｅ： 電子サイクロトロン共鳴）プラズマ等
を用いても行うことができる。
【００５０】半導体基板はｎ型のＧａＡｓ基板１１（ｎ
型不純物濃度＝１×１０18ｃｍ-3）を用いる。本例は面
発光型であるので、いわゆる面状の反射膜を必要とす
る。これら面発光に関する諸技術は通例のものを用いて
十分である。ＡｓＨ3の供給下のＡｓ雰囲気において、
基板を昇温した後、基板上にｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡ
ｓ（ｎ型不純物濃度＝１×１０18ｃｍ-3）からなる下部
の多層膜反射鏡１２を２５周期積層した。その膜厚は、
それぞれ半導体中で１／４波長厚になるようにした。そ
の後、下部ノンドープＧａＡｓスペーサー層１３を形成
した。続いて活性層４０を成長する。活性層の詳細構造
は下部の拡大図に示される。まず初めに、膜厚７ｎｍの
ノンドープＧａ0.75Ｉｎ0.25Ｎ0.01Ａｓ0.99井戸層２４
を形成した。次に、膜厚７ｎｍのノンドープＧａＮ
0.015Ａｓ0.985の障壁層２５を形成した後、Ｇａ0.75Ｉ
ｎ0.25Ｎ0.01Ａｓ0.99、ＧａＮ0.015Ａｓ0.985、および
Ｇａ0.75Ｉｎ0.25Ｎ0.01Ａｓ0.99の順に積層した。次
に、上部ノンドープＧａＡｓ障壁層１４を形成し、井戸
数３の歪補償型多重量子井戸活性層を作製した。量子井
戸活性層の厚みは、合計で１波長になるようにした。さ
らに、ＡｌＡｓ 電流狭窄層１７、ＧａＡｓスペーサー
層１６を形成した。 ここで、電流狭窄層とスペーサー
層の厚みはそれぞれ４分の１波長とした。
型不純物濃度＝１×１０18ｃｍ-3）を用いる。本例は面
発光型であるので、いわゆる面状の反射膜を必要とす
る。これら面発光に関する諸技術は通例のものを用いて
十分である。ＡｓＨ3の供給下のＡｓ雰囲気において、
基板を昇温した後、基板上にｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡ
ｓ（ｎ型不純物濃度＝１×１０18ｃｍ-3）からなる下部
の多層膜反射鏡１２を２５周期積層した。その膜厚は、
それぞれ半導体中で１／４波長厚になるようにした。そ
の後、下部ノンドープＧａＡｓスペーサー層１３を形成
した。続いて活性層４０を成長する。活性層の詳細構造
は下部の拡大図に示される。まず初めに、膜厚７ｎｍの
ノンドープＧａ0.75Ｉｎ0.25Ｎ0.01Ａｓ0.99井戸層２４
を形成した。次に、膜厚７ｎｍのノンドープＧａＮ
0.015Ａｓ0.985の障壁層２５を形成した後、Ｇａ0.75Ｉ
ｎ0.25Ｎ0.01Ａｓ0.99、ＧａＮ0.015Ａｓ0.985、および
Ｇａ0.75Ｉｎ0.25Ｎ0.01Ａｓ0.99の順に積層した。次
に、上部ノンドープＧａＡｓ障壁層１４を形成し、井戸
数３の歪補償型多重量子井戸活性層を作製した。量子井
戸活性層の厚みは、合計で１波長になるようにした。さ
らに、ＡｌＡｓ 電流狭窄層１７、ＧａＡｓスペーサー
層１６を形成した。 ここで、電流狭窄層とスペーサー
層の厚みはそれぞれ４分の１波長とした。
【００５１】その後、ｐ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ（ｐ
型不純物濃度＝５×１０17ｃｍ-3）からなる上部多層膜
反射鏡１８を積層した後、１／４波長厚のｐ型ＧａＡｓ
コンタクト層１９（ｐ型不純物濃度＝２×１０18ｃ
ｍ-3）を形成した。
型不純物濃度＝５×１０17ｃｍ-3）からなる上部多層膜
反射鏡１８を積層した後、１／４波長厚のｐ型ＧａＡｓ
コンタクト層１９（ｐ型不純物濃度＝２×１０18ｃ
ｍ-3）を形成した。
【００５２】次に、埋め込み構造を製造する。前述のよ
うにして準備された半導体基体に、ＳｉＯ2及びレジス
トをマスクに用いたＲＩＥ法によるドライエッチング
と、Ｈ2ＳＯ4：Ｈ2Ｏ2：Ｈ2Ｏを混合した液を用いたウ
エットエッチングとを組み合わせて、下部の多層膜反射
鏡１２の上部までメサエッチングを施した。続いて選択
酸化を行った。ＡｌＡｓ電流狭窄層１７は、この工程に
より側面部がＡｌxＯy絶縁層１５に変化した。その後
は、ＳｉＯ2保護層２１、ポリイミド２２の順に形成す
る。この後、ポリイミドをＲＩＥ法により、コンタクト
層１９までエッチングして平坦化し、メサ上部のＳｉＯ
2マスクを除去した後、ｐ側表面電極２０を形成した。
最後に基板に裏面電極２３を形成して、素子として完成
した。試作した素子は波長１．３μｍで室温連続発振し
た。
うにして準備された半導体基体に、ＳｉＯ2及びレジス
トをマスクに用いたＲＩＥ法によるドライエッチング
と、Ｈ2ＳＯ4：Ｈ2Ｏ2：Ｈ2Ｏを混合した液を用いたウ
エットエッチングとを組み合わせて、下部の多層膜反射
鏡１２の上部までメサエッチングを施した。続いて選択
酸化を行った。ＡｌＡｓ電流狭窄層１７は、この工程に
より側面部がＡｌxＯy絶縁層１５に変化した。その後
は、ＳｉＯ2保護層２１、ポリイミド２２の順に形成す
る。この後、ポリイミドをＲＩＥ法により、コンタクト
層１９までエッチングして平坦化し、メサ上部のＳｉＯ
2マスクを除去した後、ｐ側表面電極２０を形成した。
最後に基板に裏面電極２３を形成して、素子として完成
した。試作した素子は波長１．３μｍで室温連続発振し
た。
【００５３】以上の面発光型半導体レーザ２１を４×４
の２次元に並列集積化し、アレイ素子とし、このアレイ
素子と、各レーザ素子を駆動する回路を集積したチップ
を形成した。そして、このチップと光ファイバー束とを
組み合わせて光送信モジュールを形成した。各面発光型
半導体レーザは２００Ｍｂ／秒の信号を伝送する。よっ
て、モジュール全体では３．２Ｇｂ／秒（２００Ｍｂ／
秒×１６（個））の信号を伝送することができる。
の２次元に並列集積化し、アレイ素子とし、このアレイ
素子と、各レーザ素子を駆動する回路を集積したチップ
を形成した。そして、このチップと光ファイバー束とを
組み合わせて光送信モジュールを形成した。各面発光型
半導体レーザは２００Ｍｂ／秒の信号を伝送する。よっ
て、モジュール全体では３．２Ｇｂ／秒（２００Ｍｂ／
秒×１６（個））の信号を伝送することができる。
【００５４】以上、発明の実施の形態の諸例をもって、
本願発明を説明した。
本願発明を説明した。
【００５５】本発明によれば、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層を
用いる半導体レーザの障壁層として、マイナス歪を有す
る障壁層を用いて歪補償型多重量子井戸型（ＭＱＷ）活
性層を形成し、活性層におけるトータルの歪量を低減
し、 ＧａＩｎＮＡｓ井戸層の転位低減、相分離抑制を
図り、ＧａＩｎＮＡｓ半導体レーザの長期的信頼性を確
保することが出来る。
用いる半導体レーザの障壁層として、マイナス歪を有す
る障壁層を用いて歪補償型多重量子井戸型（ＭＱＷ）活
性層を形成し、活性層におけるトータルの歪量を低減
し、 ＧａＩｎＮＡｓ井戸層の転位低減、相分離抑制を
図り、ＧａＩｎＮＡｓ半導体レーザの長期的信頼性を確
保することが出来る。
【００５６】
【発明の効果】本願発明によれば、高信頼性なる Ｇａ
ＩｎＮＡｓ半導体レーザ装置を提供することが出来る。
本願発明は、閾値を低閾値に保持した１．１μｍより
１．３μｍの範囲の発振波長を有する半導体レーザ装置
を提供することが出来る。
ＩｎＮＡｓ半導体レーザ装置を提供することが出来る。
本願発明は、閾値を低閾値に保持した１．１μｍより
１．３μｍの範囲の発振波長を有する半導体レーザ装置
を提供することが出来る。
【図１】図１は化合物半導体諸材料の格子定数（ａ）と
禁制帯幅（Ｅｇ）との関係を示した図である。
禁制帯幅（Ｅｇ）との関係を示した図である。
【図２】図２は障壁層としてガリウム砒素燐（ＧａＡｓ
Ｐ）を用いた場合のＰ含有量とバンドギャップの関係を
示す図である。
Ｐ）を用いた場合のＰ含有量とバンドギャップの関係を
示す図である。
【図３】図３は図２の構成における活性層のバンドエネ
ルギー図を示す。
ルギー図を示す。
【図４】図４は障壁層としてガリウム窒素砒素（ＧａＮ
Ａｓ）を用いた場合のＮ含有量とバンドギャップの関係
を示す図である。
Ａｓ）を用いた場合のＮ含有量とバンドギャップの関係
を示す図である。
【図５】図５は図４の構成における活性層のバンドエネ
ルギー図を示す。
ルギー図を示す。
【図６】図６は、本発明に係る活性層に用いた端面発光
型半導体レーザの断面構造を示す図である。
型半導体レーザの断面構造を示す図である。
【図７】図７は、本発明構造を活性層に用いて形成した
面発光型半導体レーザの断面構造を示す図である。
面発光型半導体レーザの断面構造を示す図である。
１はＧａＡｓ基板、２はＧａＡｓ基板、３はＧａＡｓバ
ッファは層、４は下部クラッド層、５は上部クラッド
層、６はＧａＡｓコンタクト層、７は酸化膜、８は表面
電極、９はＧａＩｎＮＡｓ井戸層、１０は障壁層、１１
はＧａＡｓ基板、１２は下部多層膜反射鏡、１３は下部
ＧａＡｓスペーサは層、１４は上部ＧａＡｓ障壁層、１
５はＡｌｘＯｙ絶縁層、１６はＧａＡｓスペーサー層、
１７はＡｌＡｓ電流狭窄層、１８は上部多層膜反射鏡、
１９はＧａＡｓコンタクト層、２０は表面電極、２１は
ＳｉＯ2保護層、２２はポリイミド、２３は裏面電極、
２４はＧａＩｎＮＡｓ井戸層、２５は障壁層、３０は活
性層、４０は活性層である。
ッファは層、４は下部クラッド層、５は上部クラッド
層、６はＧａＡｓコンタクト層、７は酸化膜、８は表面
電極、９はＧａＩｎＮＡｓ井戸層、１０は障壁層、１１
はＧａＡｓ基板、１２は下部多層膜反射鏡、１３は下部
ＧａＡｓスペーサは層、１４は上部ＧａＡｓ障壁層、１
５はＡｌｘＯｙ絶縁層、１６はＧａＡｓスペーサー層、
１７はＡｌＡｓ電流狭窄層、１８は上部多層膜反射鏡、
１９はＧａＡｓコンタクト層、２０は表面電極、２１は
ＳｉＯ2保護層、２２はポリイミド、２３は裏面電極、
２４はＧａＩｎＮＡｓ井戸層、２５は障壁層、３０は活
性層、４０は活性層である。
フロントページの続き (72)発明者 近藤 正彦 東京都国分寺市東恋ヶ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 中原 宏治 東京都国分寺市東恋ヶ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 Ｆターム(参考） 5F073 AA04 AA74 AB17 BA02 CA17 DA05 DA27 EA23 EA28
Claims (7)
- 【請求項１】 ガリウム砒素基板の上部に、化合物半導
体材料よりなる第１のクラッド層と発光の為の活性層と
第２のクラッド層とを少なくとも有する光共振器を有
し、当該活性層は量子井戸構造を有し、前記量子井戸構
造は少なくとも一対の障壁層と井戸層とを有し、前記井
戸層が窒素の含有量が３％以下のＧａＩｎＮＡｓであ
り、且つ前記障壁層は前記ガリウム砒素基板に対してマ
イナスの歪を有するごとく設けられていることを特徴と
する半導体レーザ装置。 - 【請求項２】 前記活性層の平均歪量が−０．５％から
＋１．５％の範囲内にあることを特徴とする請求項第１
項に記載の半導体レーザ装置。 - 【請求項３】 前記活性層に用いられる前記井戸層と前
記障壁層とのエネルギー差が、伝導帯において３００ｍ
ｅＶ以上、価電子帯において５０ｍｅＶ以上２００ｍｅ
Ｖ以下であることを特徴とする請求項第１項又は第２項
のいずれかに記載の半導体レーザ装置。 - 【請求項４】 前記障壁層の少なくとも一部に、ガリウ
ム砒素より格子定数が小さく、−側の歪を有する半導体
材料を用いたことを特徴とする請求項第１項より第３項
のいずれかに記載の半導体レーザ装置。 - 【請求項５】 前記障壁層の少なくとも一部に、III族元
素としてアルミニウム、ガリウム、インジウムの群より
選らばれた少なくとも一者、Ｖ族元素として砒素、燐、
窒素の群より選らばれた少なくとも一者を少なくとも有
するIII-Ｖ族化合物半導体を用いたことを特徴とする請
求項第１項より第４項のいずれかに記載の半導体レーザ
装置。 - 【請求項６】 前記障壁層少なくとも一部に用いられる
半導体材料が、燐組成比４０％以下のガリウム砒素燐で
あることを特徴とする請求項第１項より第５項のいずれ
かに記載の半導体レーザ装置。 - 【請求項７】 前記障壁層に用いられる半導体材料が、
窒素組成比２％以下のガリウム窒素砒素であることを特
徴とする請求項第１項より第６項のいずれかに記載の半
導体レーザ装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11079340A JP2000277867A (ja) | 1999-03-24 | 1999-03-24 | 半導体レーザ装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11079340A JP2000277867A (ja) | 1999-03-24 | 1999-03-24 | 半導体レーザ装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000277867A true JP2000277867A (ja) | 2000-10-06 |
Family
ID=13687181
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11079340A Pending JP2000277867A (ja) | 1999-03-24 | 1999-03-24 | 半導体レーザ装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000277867A (ja) |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2002049171A1 (en) * | 2000-12-15 | 2002-06-20 | Stanford University | Laser diode with nitrogen incorporating barrier |
| JP2002280666A (ja) * | 2001-03-22 | 2002-09-27 | Ricoh Co Ltd | 面発光型半導体レーザ |
| JP2003017812A (ja) * | 2001-04-25 | 2003-01-17 | Furukawa Electric Co Ltd:The | 半導体レーザ素子 |
| JP2004289112A (ja) * | 2003-03-06 | 2004-10-14 | Ricoh Co Ltd | 半導体発光素子およびその製造方法および光送信モジュールおよび光送受信モジュールおよび光通信システム |
| JP2004296845A (ja) * | 2003-03-27 | 2004-10-21 | Ricoh Co Ltd | 量子井戸構造および半導体発光素子および光送信モジュールおよび光伝送システム |
| JP2007165798A (ja) * | 2005-12-16 | 2007-06-28 | Furukawa Electric Co Ltd:The | 半導体レーザ素子 |
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| JP2012514870A (ja) * | 2009-01-08 | 2012-06-28 | ザ ボード オブ トラスティース オブ ザ ユニバーシティ オブ イリノイ | 発光並びにレーザ半導体素子および方法 |
| CN115172551A (zh) * | 2022-06-27 | 2022-10-11 | 广东中民工业技术创新研究院有限公司 | 一种外延片和外延片制造方法 |
-
1999
- 1999-03-24 JP JP11079340A patent/JP2000277867A/ja active Pending
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| US7872270B2 (en) | 2002-11-21 | 2011-01-18 | Ricoh Company, Ltd. | Semiconductor light emitter |
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