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JP2553731B2 - 半導体光素子 - Google Patents

半導体光素子

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JP2553731B2
JP2553731B2 JP2098628A JP9862890A JP2553731B2 JP 2553731 B2 JP2553731 B2 JP 2553731B2 JP 2098628 A JP2098628 A JP 2098628A JP 9862890 A JP9862890 A JP 9862890A JP 2553731 B2 JP2553731 B2 JP 2553731B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、半導体レーザ，導波路，変調器等の半導
体光素子に関し、特に無秩序化領域を有する量子井戸構
造を持つ半導体光素子に関するものである。
〔従来の技術〕 半導体量子井戸構造は、これを半導体レーザの活性層
として用いた場合には低しきい値動作等の優れた特性を
有するレーザを実現でき、また導波路として用いた場合
には低損失性を有する導波路を実現できる。さらには、
その室温励起子に伴う光非線形性や励起子吸収の電界効
果を利用して種々の光機能素子や変調器への応用等、非
常に幅広い可能性を有している。
また、量子井戸構造の材質として、不純物拡散や熱処
理によって量子井戸構造が無秩序化され平均的組成の層
になる現象が知られている。この量子井戸の無秩序化を
利用するとプレーナでしかも作りつけの導波路を簡単に
形成することができる。
波長が１μｍ以下のいわゆる短波長帯のAlGaAs/GaAs
系の量子井戸を用いた半導体レーザや導波路では、無秩
序化を用いた例が数多く報告されている。AlxGa1-xAsの
格子定数はAlの組成ｘによって、ほとんど変化しないた
めに無秩序化によって量子井戸構造が平均的組成の層に
なっても格子不整合が生じない。
一方、波長が１μｍ帯のいわゆる長波長光素子では通
常InGaAsP/InP系の材料が用いられる。In1-xGaxAsyP1-y
は組成すなわちｘおよびｙの値によって格子定数が変化
する。通常用いられる長波長帯の量子井戸構造の例とし
てIn0.53Ｇ0.47As/InP量子井戸構造を第５図に、そのエ
ネルギーバンド図を第６図に示す。図において、51はIn
0.53Ga0.47As井戸層、52はInP障壁層、53,54はInPクラ
ッド層、61は伝導帯端、62は価電子帯端である。In0.53
Ga0.47As層51の格子定数はInP層52,53,54の格子定数と
ほぼ一致している。
第５図の量子井戸構造において例えば不純物Siを斜線
で示した領域56に拡散するとIn0.53Ga0.47As井戸層51,
及びInP障壁層52からなる量子井戸層のうちSiが拡散さ
れた部分は無秩序化され平均的組成のIn1-xGaxAsyP1-y
層57となり、元のIn0.53Ga0.47As井戸層51やInP障壁層5
2とは異なった格子定数を持つようになる。その結果、
量子井戸層の無秩序化された部分と、無秩序化されない
部分との境界55において格子不整合による歪が生じる。
この歪が原因となって境界において転位が発生する。例
えば上記のような量子井戸構造の活性層を有する量子井
戸レーザを考えた場合、無秩序化によって活性領域を形
成すると、境界で発生した転位がレーザ動作中に増殖し
てレーザを劣化させるため、信頼性に非常な悪影響を及
ぼす。また、格子不整合による歪は原子の入れ代りを抑
制して無秩序化を妨げるため均一な組成の層が得られな
い。
〔発明が解決しようとする課題〕
従来の波長が１μｍ帯の長波長光用の半導体光素子
は、以上のような組成の材料により量子井戸層を構成し
ているので、上述のように無秩序化を行なった場合に、
無秩序化された部分と、無秩序化されない部分との境界
において格子不整合による歪が生じ素子特性に非常な悪
影響を及ぼすという問題点があり、このため１μｍ帯の
長波長光素子においては量子井戸構造の無秩序化を利用
したデバイスは実現されていなかった。
この発明は上記のような問題点を解消するためになさ
れたもので、量子井戸構造の無秩序化を用いた、かつ格
子不整合の無い長波長光素子を得ることを目的とする。
〔課題を解決するための手段〕
この発明に係る半導体光素子は、井戸層を（AlxG
a1-x）0.47In0.53PyAs1-y（０≦ｘ＜1,0＜ｙ＜１）、障
壁層を（Alｘ′Ga１−ｘ′）0.47In0.53PyAs1-y（ｘ＜
ｘ′≦１）とする量子井戸構造を有し、上記量子井戸構
造の一部を不純物の拡散等に依って無秩序化し均一な組
成の層としたものである。
〔作用〕
この発明においては、量子井戸構造を（AlxGa1-x）
0.47In0.53PyAs1-y（０≦ｘ＜1,0＜ｙ＜１）からなる井
戸層と、（Alｘ′Ga１−ｘ′）0.47In0.53PyAs1-y（ｘ
＜ｘ′≦１）からなる障壁層で構成し、この量子井戸構
造の一部を不純物の拡散等に依って無秩序化するように
しており、かかる半導体光素子では量子井戸構造の井戸
層と障壁層のAs,In,及びＰの濃度は等しいので無秩序化
した場合、AlとGaのみが入れ替わり均一な組成の（AlyG
a1-y）0.47In0.53As層となる。（AlyGa1-y）0.47In0.53
AsはAlの割合ｙによって格子定数がほとんど変化しない
ため、元の量子井戸層とほぼ格子定数が一致し、無秩序
化によって境界で格子不整合を生じることはない。
〔実施例〕
以下、この発明の一実施例を図について説明する。
第１図はこの発明の一実施例による半導体光素子であ
る半導体レーザを示す断面図である。図において、１は
半絶縁性InP基板、２はIn0.53Ga0.47As/（Al0.3Ga0.7）
0.47In0.53As量子井戸層、３はｐ形の（以下ｐ−と記
す）（Al0.8Ga0.2）0.47In0.53Asクラッド層、４はｎ形
の（以下ｎ−と記す）（Al0.8Ga0.2）0.47In0.53Asクラ
ッド層、５はIn0.53Ga0.47Asコンタクト層、６はSi拡散
領域、７はZn拡散領域、８はｎ側電極、９はｐ側電極で
ある。
また、第２図は第１図の量子井戸層２とその近傍の一
部を拡大して示した図、第３図は量子井戸層のエネルギ
ーバンド図であり、図において、21はIn0.53Ga0.47As井
戸層、22は（Al0.3Ga0.7）0.47In0.53As障壁層、23は無
秩序化された平均的組成の（AlyGa1-y 0.47In0.53As層、
24は無秩序化された領域とされない領域の境界、31は伝
導帯端、32は価電子帯端である。
この半導体レーザは以下のような手順で作製される。
まず、半絶縁性InP基板１上にｐ−（Al0.8Ga0.2）0.47I
n0.53Asクラッド層3,In0.53Ga0.47As/（Al0.3Ga0.7）
0.47In0.53As量子井戸層2,n−（Al0.8Ga0.2）0.47In
0.53Asクラッド層4,In0.53Ga0.47As5の各層を順にMOCVD
法、あるいはMBE法によって成長する。次に幅２μｍ程
度の活性領域となるストライプ状の領域を残して、その
片側にSiをもう一方の側にZnをそれぞれ選択的に拡散し
てSi拡散領域６及びZn拡散領域７を形成する。最後にIn
0.53Ga0.47Asコンタクト層５中に形成されたpn接合の部
分をエッチングによって除去し、Si拡散領域６の表面に
ｎ側電極８を、Zn拡散領域７の表面にｐ側電極９を形成
する。上記の作製プロセスのうち、Si拡散あるいはZn拡
散を行った際、量子井戸層２中のIn0.53Ga0.47As井戸層
21と（Al0.3Ga0.7）0.47In0.53As障壁層22の間でAlとGa
の移動が起こって均一な濃度となる。一方、In,Asは21
と22の両層でもともと濃度が同じであるので濃度の変化
は起きない。したがって、不純物拡散によって無秩序化
された結果、量子井戸層２は均一な組成の（AlyGa1-y）
0.47In0.53As層23となる。
第４図はAlGaInAs結晶の格子定数とバンドギャップを
示したものである。第４図において（AlxGa1-x）0.47In
0.53As（０≦ｘ≦１）で表される組成の結晶は破線で描
かれた線上にあり、ｘがどのような値であっても、ほぼ
InPの格子定数と等しい格子定数を有する。このことか
ら無秩序化の結果できた（AlyGa1-y）0.47In0.53As層
は、元の量子井戸層のIn0.53Ga0.47As井戸層21や（Al
0.3Ga0.7）0.47In0.53As障壁層22とほぼ同じ格子定数を
有することになり第２図に示した境界24において格子不
整合を生じることは無い。したがって、転位の発生によ
る活性領域の劣化等が無く、信頼性の高い素子が得られ
る。また、格子不整合が生じないので無秩序化が妨げら
れることなく完全に均一な組成の層が得られる。
なお、この半導体レーザでは、電流はpn接合のポテン
シャル障壁の差によってストライプ状の活性領域に集中
して流れレーザ発振を生じる。また、無秩序化によって
できた（AlyGa1-y）0.47In0.53As層は活性層のIn0.53Ga
0.47As井戸層21よりもバンドギャップが大きく、In0.53
Ga0.47As/（Al0.3Ga0.7）0.47In0.53As量子井戸層２よ
りも屈折率が小さいので注入キャリアの閉じ込め、光の
閉じ込めが有効に行われる。すなわち、量子井戸の無秩
序化を利用すると、活性領域や導波路をプレーナで非常
に簡単に作製することが可能となる。なお、この半導体
レーザでは1.3〜1.6μｍ程度の範囲の波長のレーザ光が
得られる。
上記実施例では、p,n型の不純物拡散を用いたプレー
ナ型レーザの例を示したが、レーザの構造は量子井戸層
の無秩序化を利用した構造であればどの様な構造であっ
てもよい。
また、上記実施例では井戸層がIn0.53Ga0.47As層であ
る場合について述べたが、井戸層が（AlxGa1-x）0.47GA
0.53As層（ただし、ｘの値はバンドギャップが障壁層よ
りも小さくなるように選ぶ）であってもよく、その場合
には上記実施例よりも、さらに短波長のレーザが実現で
きる。
また、上記実施例では半導体レーザの場合について述
べたが、導波路や光変調器、光増幅器、光スイッチ、光
双安定素子等の他の光素子であってもよい。
また、上記実施例では不純物の拡散によって量子井戸
構造の無秩序化を行ったが、他の方法、すなわち、イオ
ン注入アニール、レーザ照射等で無秩序化してもよい。
また、上記実施例では量子井戸構造の結晶がリン
（Ｐ）を含まない場合について述べたが、Ｐを含む組成
の結晶を用いてもよく、例えば、井戸層をIn0.65Ga0.35
As0.79Ｐ0.21、障壁層を（Al0.3Ga0.7）0.35In0.65As
0.79Ｐ0.21としてもよい。上記の組成の層はいずれもIn
Pに格子整合する。上記の層からなる量子井戸構造を無
秩序化すると平均的組成の（AlxGa1-x）0.35In0.65As
0.79Ｐ0.21（ｘ＜0.3）となるが格子定数は元の井戸層
と障壁層の格子定数とほぼ一致し、格子不整合は生じな
い。
〔発明の効果〕
以上のように、この発明によれば量子井戸構造を（Al
xGa1-x）0.47In0.53PyAs1-y（０≦ｘ＜1,0＜ｙ＜１）か
らなる井戸層と、（Alｘ′Ga１−ｘ′）0.47In0.53PyAs
1-y（ｘ＜ｘ′≦１）からなる障壁層で構成し、この量
子井戸構造の一部を不純物の拡散等に依って無秩序化す
るようにしたので、埋め込み構造の長波長量子井戸光素
子が容易に得られ、かつ、格子不整合を生じずに高信頼
性が実現できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
第１図は、この発明の一実施例による半導体レーザの断
面図、第２図は第１図の量子井戸層とその近傍の一部を
拡大して示した図、第３図はこの発明の一実施例の量子
井戸層のエネルギーバンド図、第４図はAlGaInAs結晶の
格子定数とバンドギャップを示した図、第５図は従来の
In0.53Ga0.47As/InP量子井戸構造を示した図、第６図は
従来のIn0.53Ga0.47As/InP量子井戸構造のエネルギーバ
ンド図である。 図において、１は半絶縁性InP基板、２はIn0.53Ga0.47A
s/（Al0.3Ga0.7）0.47In0.53As量子井戸層、３はｐ−
（Al0.8Ga0.2）0.47In0.53Asクラッド層、４はｎ−（Al
0.8Ga0.2）0.47In0.53Asクラッド層、５はIn0.53Ga0.47
Asコンタクト層、６はSi拡散領域、７はZn拡散領域、８
はｎ側電極、９はｐ側電極、21はIn0.53Ga0.47As井戸
層、22は（Al0.3Ga0.7）0.47In0.53As障壁層、23は無秩
序化された平均的組成の（AlyGa1-y）0.47In0.53As層で
ある。 なお図中同一符号は同一又は相当部分を示す。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】（AlxGa1-x）0.47In0.53PyAs1-y（０≦ｘ
    ＜1,0＜ｙ＜１）で表される組成の結晶からなる井戸層
    と、 （Alｘ′Ga１−ｘ′）0.47In0.53PyAs1-y（ｘ＜ｘ′≦
    １）で表される組成の結晶からなる障壁層とから構成さ
    れる量子井戸構造を有し、 上記量子井戸構造の少なくとも一部を無秩序化したこと
    を特徴とする半導体光素子。
JP2098628A 1990-04-13 1990-04-13 半導体光素子 Expired - Lifetime JP2553731B2 (ja)

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