JP2001036195A

JP2001036195A - 半導体光素子

Info

Publication number: JP2001036195A
Application number: JP11204017A
Authority: JP
Inventors: Tomonobu Tsuchiya; 朋信土屋; Akira Oya; 彰大家; Masaaki Komori; 正明古森; Hiroshi Sato; 宏佐藤; Masahiro Aoki; 雅博青木
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-07-19
Filing date: 1999-07-19
Publication date: 2001-02-09
Anticipated expiration: 2019-07-19
Also published as: JP4087020B2

Abstract

(57)【要約】【課題】本願発明は、半導体光素子の諸特性を確保し
つつ、長寿命なる半導体光素子を提供せんとするもので
ある。この為の技術的課題は化合物半導体材料、わけて
も活性層への亜鉛（Ｚｎ）の拡散の制御にある。より具
体的には、過剰なＺｎがＩｎＰクラッド層やコンタクト
層から活性層に拡散を阻止ないしは減少させることであ
る。【解決手段】本願発明は、Ａｌを実質的に含有しない
活性層と亜鉛を含有する化合物半導体層とを有する化合
物半導体積層体の、前記Ａｌを実質的に含有しない活性
層と前記亜鉛を含有する化合物半導体層との間に亜鉛の
拡散を抑制する化合物半導体層を少なくとも有せしめ
る。亜鉛の拡散を抑制する化合物半導体層の具体例はＩ
ｎＧａＡｌＡｓ層である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本願発明はＩｎＰ系の半導体
光素子に関するものである。又、本願発明は光通信など
に用いるに好適な半導体光素子に関するものである。更
には、本願発明は光システムに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ＩｎＰ系の半導体光素子では従来からｐ
型のドーパントとしてＺｎを用いている。この為、半導
体光素子の活性層への過剰な亜鉛（Ｚｎ、以下単にＺｎ
を略記する）拡散により、当該光素子の諸特性や信頼性
の劣化に難点を残していた。このＺｎ拡散は、具体的に
は、ＺｎドープのＩｎＧａＡｓコンタクト層やＩｎＰク
ラッド層からアンドープのＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ
Ｐ活性層への拡散である。このＺｎ拡散を抑制する方法
としては、活性層近傍のＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層やＩ
ｎＰクラッド層のＺｎ濃度を低減する方法が有効である
が、この方法も別な素子特性の観点の新たな難点を生ず
る。即ち、それは低不純物濃度の光ガイド層やクラッド
層が厚すぎる場合には抵抗が増大し、高温でのレーザ特
性が劣化する点である。このため、現実的には活性層へ
のＺｎ拡散を抑制しながら、活性層近傍まではＺｎドー
プする必要が有り、Ｚｎ濃度や膜厚の微妙な制御が必要
とされていた。この様なＺｎ濃度とレーザ特性との関係
については、例えばジューナルオブクオンタムエ
レクトロニクス（Ｊｏｕｒｎａｌｏｆｑｕａｎｔｕ
ｍｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）１９９６年第３
２号ｐｐ１４５０等で検討されている。この論文で
は、アンドープのＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層と低濃度の
ＩｎＰクラッド層を用いている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本願発明は、半導体光
素子の基本的諸特性、例えば電流―光出力特性等を確保
しつつ、長寿命なる半導体光素子を提供せんとするもの
である。わけても高温雰囲気での半導体光素子の諸特性
を確保することが出来る。この為の技術的課題は化合物
半導体材料、わけても活性層へのＺｎの拡散の制御にあ
る。

【０００４】初めに、本願発明の技術的背景を詳細に説
明する。上記従来技術は、ＺｎドープのＩｎＰクラッド
層からアンドープＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ活性層
へのＺｎ拡散を低減するための方法である。この拡散の
原因は主にＩｎＰ中でのＺｎの飽和濃度が低く、容易に
拡散しやすいことに起因している。

【０００５】一般に、ＩｎＰ系の化合物半導体材料であ
るＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓ中でのＺｎの
拡散速度は、ＩｎＰ＞ＩｎＧａＡｓＰ＞ＩｎＧａＡｓの
順に速く、一方、飽和濃度はＩｎＧａＡｓ＞ＩｎＧａＡ
ｓＰ＞ＩｎＰの順に高い。特に、ＩｎＰ中での飽和濃度
は約１×１０¹⁸ｃｍ^-3程度と低く、この濃度以上では急
速に拡散する。また、コンタクト層に用いるＩｎＧａＡ
ｓ中のＺｎ濃度は１〜２×１０¹⁹ｃｍ^-3と非常に高い。
このため、クラッド層にはｐ−ＩｎＰ成長時のＺｎとコ
ンタクト層からの拡散によるＺｎが存在し、これらが容
易に拡散するため、微妙なドーピング・プロファイルの
制御が難点となる。

【０００６】この様な難点に対し、拡散速度が遅いＩｎ
ＧａＡｓやＩｎＧａＡｓに近いＩｎＧａＡｓＰ層をＺｎ
拡散のストッパー層として用いる場合には、拡散は低減
されるが、バンドギャップ波長が長いことからストッパ
ー層が新たな発光層になってしまう不都合が生じる。

【０００７】本願発明の技術的課題は、半導体発光装置
としての諸要求を満足させつつ、活性層へのＺｎ拡散を
低減せんとするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本願発明の骨子は、拡散
速度が遅い化合物半導体層によりＺｎ拡散を止めること
にある。更には本願発明は、拡散速度が遅く且つバンド
ギャップ波長の短い化合物半導体層によりＺｎ拡散を止
めることにある。更には、本願発明は、拡散源と活性層
との間に拡散速度が遅い化合物半導体層によりＺｎ拡散
を止めることにある。その具体例は、ＩｎＧａＡｌＡｓ
層をＺｎ拡散のストッパー層として新たに設け、活性層
へのＺｎ拡散を低減するものである。

【０００９】尚、本願発明の活性層はＡｌを含有しない
ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰの混晶からなる活性層を
用いることが肝要である。

【００１０】本願発明の主な形態を列挙すれば次の通り
である。

【００１１】第１は、Ａｌを実質的に含有しない活性層
と亜鉛を含有する化合物半導体層とを有する化合物半導
体積層体の、前記Ａｌを実質的に含有しない活性層と前
記亜鉛を含有する化合物半導体層との間に亜鉛の拡散を
抑制する化合物半導体層を少なくとも有することを特徴
とする半導体光素子である。

【００１２】第２は、Ａｌを実質的に含有しないＩｎＧ
ａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰの混晶からなる活性層と亜鉛を
含有する化合物半導体層とを有する化合物半導体積層体
の、前記Ａｌを実質的に含有しないＩｎＧａＡｓ、Ｉｎ
ＧａＡｓＰの混晶から活性層と前記亜鉛を含有する化合
物半導体層との間に亜鉛の拡散を抑制する化合物半導体
層を少なくとも有することを特徴とする半導体光素子で
ある。

【００１３】第３は、Ａｌを実質的に含有しないＩｎＧ
ａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰの混晶からなる活性層と亜鉛を
含有する化合物半導体層とを有する化合物半導体積層体
の、前記Ａｌを実質的に含有しないＩｎＧａＡｓ、Ｉｎ
ＧａＡｓＰの混晶から活性層と前記亜鉛を含有する化合
物半導体層との間にＩｎＧａＡｌＡｓ層を少なくとも有
することを特徴とする半導体光素子である。

【００１４】第４は、ｎ型ＩｎＰ基板に、Ａｌを実質的
に含有しないＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰの混晶から
なる活性層と亜鉛を含有する化合物半導体層を有する化
合物半導体積層体の、前記Ａｌを実質的に含有しないＩ
ｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰの混晶からなる活性層と前
記亜鉛を含有する化合物半導体層との間にＩｎＧａＡｌ
Ａｓ層を少なくとも有することを特徴とする半導体光素
子である。

【００１５】第５は、亜鉛を含有するＩｎＰ基板に、Ａ
ｌを実質的に含有しないＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ
の混晶からなる活性層を有する化合物半導体積層体の、
前記亜鉛を含有するＩｎＰ基板と前記Ａｌを実質的に含
有しないＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰの混晶からなる
活性層との間にＩｎＧａＡｌＡｓ層を少なくとも有する
ことを特徴とする半導体光素子である。

【００１６】尚、前記した第１から第５の本願発明の諸
形態の各構成要素の、各種組み合わせの形態も当然可能
である。例えば、その例は、亜鉛を含有するＩｎＰ基板
に、Ａｌを実質的に含有しないＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａ
ＡｓＰの混晶からなる活性層と、亜鉛を含有する化合物
半導体層を有する化合物半導体積層体の、前記亜鉛を含
有するＩｎＰ基板と前記Ａｌを実質的に含有しないＩｎ
ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰの混晶からなる活性層との間
およびＡｌを実質的に含有しないＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧ
ａＡｓＰの混晶からなる活性層と亜鉛を含有する化合物
半導体層との間にＩｎＧａＡｌＡｓ層を少なくとも有す
ることを特徴とする半導体光素子である。その全ての組
み合わせを例示しないが、各基板、活性層、亜鉛を含有
する化合物半導体層、亜鉛の拡散を抑制する化合物半導
体層、ＩｎＧａＡｌＡｓ層など各種要素の組み合わせ
で、当該半導体発光素子を構成することが出来る。

【００１７】Ｚｎをドープした化合物半導体各層のアニ
ール前とアニール後でのＺｎ濃度のプロファイルを図８
および図９に各々示す。各層は有機金属気相成長法によ
り形成された。

【００１８】図８は、３μｍ膜厚の各半導体層の上側約
１μｍを１〜２×１０¹⁸ｃｍ^-3にドープした時のＺｎ濃
度プロファイルである。前記各半導体層は、ＩｎＰ層、
ＩｎＧａＡｓＰ層（バンドギャップ波長：１１００ｎ
ｍ、この層はＩｎＰ基板に格子整合される）、ＩｎＧａ
Ａｓ層（この層は、ＩｎＰ基板に格子整合される）、Ｉ
ｎＧａＡｌＡｓ層（バンドギャップ波長：１１００ｎ
ｍ、この層はＩｎＰ基板に格子整合される）である。

【００１９】図９は、図８の特性測定に用いた前記ウエ
ハーを摂氏７００度で１０時間アニールした後のＺｎ濃
度プロファイルである。図６および図７の結果は、Ｚｎ
ドープ層からノンドープ層への拡散距離はＩｎＰ＞Ｉｎ
ＧａＡｓＰ＞ＩｎＧａＡｓ＞ＩｎＧａＡｌＡｓの順に短
くなっている。そして、ＩｎＧａＡｌＡｓは最も拡散距
離の少ないとされるＩｎＧａＡｓと同等か、それ以下で
ある。このように、ＩｎＧａＡｌＡｓ中でのＺｎ拡散は
非常に遅いことを示している。

【００２０】以上の結果を踏まえ、前述した通り、本願
発明は、Ａｌを含有しないＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ
Ｐの混晶からなる活性層とＺｎを含有する半導体層との
間にＩｎＧａＡｌＡｓ層を介在させるのである。

【００２１】また、ＩｎＧａＡｌＡｓはＩｎＰ基板（バ
ンドギャップ波長：９２０ｎｍ）に格子整合しながら、
且つＩｎＧａＡｓ（バンドギャップ波長：１６７０ｎ
ｍ）からＩｎＡｌＡｓ（バンドギャップ波長：８６０ｎ
ｍ）までの発光波長制御が可能である。従って、通例の
ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ活性層の発光波長範囲の
１３００ｎｍ〜１５５０ｎｍより十分に短くすることが
可能である。このように、本願発明はこれまでより短波
長のＺｎ拡散を抑制する化合物半導体層を提供すること
が出来る。

【００２２】尚、本願発明の半導体光素子の活性層は、
バルク層、量子井戸層、多重量子井戸層、歪多重量子井
戸層等各種のものを用いることが出来る。尚、本願明細
書において、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰの混晶か
らなる活性層は、これらの材料による超格子構造にて構
成された層をも含むものである。具体的にはそれはＩｎ
ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰを用いて構成された量子井戸
構造、あるいは多重量子井戸構造である。又、クラッド
層等は半導体レーザ分野の通例の考え方に従って用いれ
ば良い。

【００２３】また、共振器の構成は、ファブリ・ペロー
共振器、分布帰還型（ＤＦＢ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ
Ｆｅｅｄｂａｃｋ）共振器、ブラッグ反射型（ＤＢ
Ｒ：ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＢｒａｇｇＲｅｓｏｎ
ａｔｏｒ）共振器等を用いることが出来る。又、面発光
型半導体レーザ装置に用いても十分である。

【００２４】

【発明の実施の形態】前述した様に、本願発明の活性層
は、Ａｌを含有しないＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰの
混晶からなる活性層を用いることが肝要である。活性層
にＡｌを含んだ、ＡｌＧａＩｎＡｓ系の半導体レーザ装
置では、結晶成長の側面や電気的光学的特性の観点から
クラッド層にも例えばＡｌＩｎＡｓを用いる必要が生じ
る。従って、Ｚｎの拡散問題は重要ではない。しかし、
半導体レーザ装置としては、活性層およびクラッド層に
もＡｌを含有するが故に実用的な問題を残している。

【００２５】この為、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰや
ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰを用いた多重量子井戸
構造を活性層に用いた半導体レーザ装置が実用化されて
いる。本願発明はこうした実質的にＡｌを含有しないＩ
ｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰやＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧ
ａＡｓＰを用いた多重量子井戸構造を活性層に用いた半
導体レーザ装置での難点を解消せんとするものである。
従って、本願発明は活性層にＡｌを含まない多重量子井
戸構造において、Ｚｎの拡散を抑制するために、活性層
以外のＺｎ拡散層、Ｚｎ含有層と当該活性層との間に、
Ｚｎの拡散の抑制層、具体例としてはＩｎＧａＡｌＡｓ
やＩｎＡｌＡｓの層を介在させることに要点がある。こ
のＺｎの拡散の抑制層の厚さは、例えば図８および図９
に例示するＺｎのプロフィールに基づいて具体的に決め
れば良い。

【００２６】尚、本願発明の半導体光素子のＺｎ濃度プ
ロファイルにおいて、Ｚｎドープ層から活性層方向への
Ｚｎ濃度が、前記Ｚｎの拡散の抑制層、例えばＩｎＧ
ａＡｌＡｓ層を境界層として減少しているのが通例であ
る。

【００２７】又、半導体光素子の半導体レーザ構造自体
は各種のものを採用することが出来る。それらは、例え
ば、メサ型構造や、あるいは電流狭窄構造がリッジ構造
であるものである。その他、本願発明において、半導体
レーザ装置のパッシベーション、結晶性の改善のための
バッファ層など各種手段、長寿命化の為の例えば端面保
護の手段等は通例のものを用いて十分である。

【００２８】図１は本願発明の第１の実施の形態を示す
断面図である。図はレーザ光の進行方向に交差する面で
の断面図である。

【００２９】ｎ−ＩｎＰ基板１上に、ｎ−ＩｎＰバッフ
ァ層２（キャリア濃度：１×１０¹⁸ｃｍ^-3、膜厚：３０
０ｎｍ）、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層３（キャリア
濃度：１×１０¹⁸ｃｍ^-3、膜厚：１００ｎｍ、波長：１
１７０ｎｍ）、歪多重量子井戸活性層４、、アンドープ
ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層７（膜厚：５０ｎｍ、波長：
１１７０ｎｍ）、アンドープＩｎＧａＡｌＡｓ層８（膜
厚：１０ｎｍ、波長：９２０ｎｍ、この層はＩｎＰ基板
に格子整合される）、ｐ−ＩｎＰクラッド層９（キャリ
ア濃度：４×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ：３００ｎｍ）、ｐ−
ＩｎＰクラッド層１０（キャリア濃度：９×１０¹⁷ｃｍ
^-3、厚さ：２０００ｎｍ）、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタク
ト層１１（キャリア濃度：２×１０¹⁹ｃｍ^-3 、厚さ：
３００ｎｍ）を順次成長した。結晶成長は通例の有機金
属気相成長法によった。

【００３０】尚、前記歪多重量子井戸活性層４は、Ｉｎ
ＧａＡｓＰ障壁層５（膜厚：１０ｎｍ、波長：１２００
ｎｍ）と歪ＩｎＧａＡｓ量子井戸層６（発光波長：１５
５０ｎｍ、膜厚：６ｎｍ、歪量：＋０．５％）で構成さ
れ、その周期は７周期とした。

【００３１】こうして準備した半導体積層体（８、９、
１０、１１）を通例のウエットエッチグにより逆メサを
形成し、ｐ型電極１２、ｎ型電極１３を蒸着した。図２
のこの状態の断面図を示す。次いで、劈開によりファブ
リペロー共振器の反射面を形成した。通例のパッシベー
ション１４を施し、素子化を図った。

【００３２】以下、本実施の形態の効果を説明する。前
記Ｚｎのストッパー層８の無い構造では、活性層に５×
１０¹⁷ｃｍ^-3程度のＺｎが拡散する。従って、この構造
では寄生容量が増大し、変調帯域が６ＧＨｚ程度であ
る。一方、本実施の形態では活性層へのＺｎ拡散を５×
１０¹⁶ｃｍ^-3以下に低減できる。従って、寄生容量の増
大を抑制し、変調帯域を９ＧＨｚにまで増大できた。

【００３３】また、ｐ−ＩｎＰクラッド層の活性層近傍
をアンドープにする従来方法では高温におけるレーザ特
性の劣化が認められる。一方、本実施の形態ではクラッ
ド層のドーピング濃度を維持したまま、活性層へのＺｎ
拡散を低減できた。従って、高温におけるレーザ特性、
例えば摂氏８５度における電流ー光出力の効率を約３割
向上できた。

【００３４】尚、本実施の形態ではＺｎのストッパー層
としてＩｎＰと同じ発光波長のＩｎＧａＡｌＡｓ組成を
用いたが、ＩｎＡｌＡｓ層等の活性層の発光波長よりも
短い他のＩｎＧａＡｌＡｓ組成も可能である。この場
合、波長が短すぎる場合には膜厚を薄くしたり、ドーピ
ング濃度を上げる等の配慮が必要である。従って、Ｚｎ
のストッパー層は、望ましくは、前記光ガイド層の波長
もしくはＩｎＰから光ガイド層までの波長に対応する組
成を用いるのが良い。

【００３５】図３は本願発明の第２の実施の形態を示す
断面図である。図はレーザ光の進行方向に交差する面で
の断面図である。この例はＩｎＧａＡｌＡｓ層を活性層
と光ガイド層の間に挿入し、上側光ガイド層から低濃度
ＩｎＰクラッド層までのＺｎ濃度を増加させた例であ
る。

【００３６】結晶成長は前記第１の実施の形態と同様に
有機金属気相成長法によった。ｎ−ＩｎＰ基板１上に、
前述の通り歪多重量子井戸活性層４まで成長した後、
本例では、更にＩｎＧａＡｌＡｓ層１４（膜厚：１０ｎ
ｍ、波長：１２００ｎｍ、ＩｎＰ基板に格子整合す
る）、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層１５（キャリア濃
度：４×１０¹⁷ｃｍ^-3、膜厚：５０ｎｍ、波長：１１７
０ｎｍ）、ｐ−ＩｎＰクラッド層１６（キャリア濃度：
７×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ：３００ｎｍ）、ｐ−ＩｎＰク
ラッド層１０（キャリア濃度：９×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚
さ：２０００ｎｍ）、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１
１（キャリア濃度：２×１０¹⁹ｃｍ^-3、厚さ：３００ｎ
ｍ）を順次成長した。

【００３７】この後は第１の実施の形態の場合と同様に
して素子化を図った。

【００３８】本実施例では、活性層へのＺｎ拡散濃度を
２×１０¹⁶ｃｍ^-3とわずかに止めつつ、光ガイド層をｐ
型にドーピングし、ｐ−ＩｎＰクラッド層の濃度を上げ
ることが可能となった。こうして、本半導体レーザ素子
の、特に高温でのレーザ特性をさらに向上させることが
できた。例えば８５℃における電流ー光出力の効率を約
５割向上できた。

【００３９】尚、本実施例でもＺｎのストッパー層とし
てＩｎＧａＡｓＰ障壁層と同じ発光波長のＩｎＧａＡｌ
Ａｓ組成を用いたが、光ガイド層の波長もしくは障壁層
から光ガイド層までの波長に対応する組成なら他の組成
でも良い。また、光ガイド層の波長より短い波長の組成
を用いる場合には、波長が短すぎたり、膜厚が厚すぎる
と注入効率が低下するため、この場合には、Ｚｎのスト
ッパー層は数１０ｎｍ以下の膜厚が望ましい。

【００４０】図４は本願発明の第３の実施の形態を示す
断面図である。図はレーザ光の進行方向に交差する面で
の断面図である。この実施例はＩｎＧａＡｌＡｓ層をク
ラッド層とコンタクト層の間に挿入し、コンタクト層か
らクラッド層への過剰なＺｎ拡散を低減した例である。

【００４１】結晶成長は前記第１の実施の形態と同様に
有機金属気相成長法によった。ｎ−ＩｎＰ基板１上に、
前記第１の実施の形態と同様に、ｎ−ＩｎＰバッファ層
２（キャリア濃度：１×１０¹⁸ｃｍ^-3、膜厚：３００ｎ
ｍ）、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層３（キャリア濃
度：１×１０¹⁸ｃｍ^-3、膜厚：１００ｎｍ、波長：１１
７０ｎｍ）、歪多重量子井戸活性層４、アンドープＩｎ
ＧａＡｓＰ光ガイド層７（膜厚：５０ｎｍ、波長：１１
７０ｎｍ）、アンドープＩｎＧａＡｌＡｓ層８（膜厚：
１０ｎｍ、波長：９２０ｎｍ、この層はＩｎＰ基板に格
子整合される）、ｐ−ＩｎＰクラッド層９（キャリア濃
度：４×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ：３００ｎｍ）、ｐ−Ｉｎ
Ｐクラッド層１０（キャリア濃度：９×１０¹⁷ｃｍ^-3、
厚さ：３０００ｎｍ）を順次成長した。尚、前記歪多重
量子井戸活性層４は、ＩｎＧａＡｓＰ障壁層５（膜厚：
１０ｎｍ、波長：１２００ｎｍ）と歪ＩｎＧａＡｓ量子
井戸層６（発光波長：１５５０ｎｍ、膜厚：６ｎｍ、歪
量：０．５％）で構成され、その周期は７周期とした。

【００４２】ｐ−ＩｎＰクラッド層１０まで成長した
後、更に、ｐ−ＩｎＧａＡｌＡｓ層１７（キャリア濃
度：２×１０¹⁸ｃｍ^-3、膜厚：３０ｎｍ、波長：１３０
０ｎｍ、ＩｎＰ基板に格子整合）、ｐ−ＩｎＧａＡｓコ
ンタクト層１１（キャリア濃度：２×１０¹⁹ｃｍ^-3、厚
さ：３００ｎｍ）を順次成長した。この後、半導体積層
体９、１０、１７、１１の各層を、通例のウエットエッ
チングにより、メサ形状１８に加工する。図の例では、
半導体基板側の幅がその上部の幅より狭くなった逆メサ
形状の例である。こうして形成したメサ形状部の両側を
ＦｅドープのＩｎＰ層１９で埋め込む。この構成はいわ
ゆる埋め込み型メサ構造である。その後の半導体光素子
の形成は前述の実施の形態１と同様である。

【００４３】本例では、コンタクト層１１からの過剰な
ＺｎはＩｎＧａＡｌＡｓ層で止められる。従って、Ｉｎ
Ｐクラッド層９、１０にはＺｎは実施的に拡散しておら
ず、ＩｎＰ中での異常拡散の原因となるＺｎは少ない。
このため、前述のメサ形状の両側を埋めるＦｅドープの
ＩｎＰ層を結晶成長させる時、Ｚｎ−Ｆｅの相互拡散が
少ない。従って、本半導体光素子の寄生容量を大幅に低
減することができ、当該半導体光素子の変調帯域を約１
２ＧＨｚにまで向上することができた。

【００４４】尚、本実施例ではＩｎＧａＡｌＡｓ層のキ
ャリア濃度を２×１０¹⁸ｃｍ^-3とした。ＩｎＧａＡｌＡ
ｓ層のＺｎ濃度はＩｎＧａＡｓと同様に２×１０¹⁹ｃｍ
^-3までドープ可能であり、原理的にこの濃度以下なら他
の濃度でも可能である。しかし、Ｚｎ濃度が低すぎる場
合や逆に高すぎる場合に素子抵抗の増加やＺｎ拡散を停
止する効果が低減する。この観点から、ＩｎＧａＡｌＡ
ｓ層のキャリア濃度は１×１０¹⁸ｃｍ^-3から８×１０¹⁸
ｃｍ^-3程度が望ましい。

【００４５】また、本実施例ではＩｎＧａＡｌＡｓ層を
コンタクト層とＩｎＰクラッド層の間に設けたが、さら
に活性層近傍やクラッド層中にも追加させることが可能
である。例えば、ＩｎＧａＡｌＡｓ層をコンタクト層と
ＩｎＰクラッド層の間、およびＩｎＰクラッド層と光ガ
イド層との間に設けた場合には、Ｆｅ−Ｚｎの相互拡散
をさらに低減でき、当該半導体光素子の変調帯域を１４
ＧＨｚにまで向上することができた。

【００４６】図５は本願発明の第４の実施の形態を示す
断面図である。図はレーザ光の進行方向に交差する面で
の断面図である。この例はＺｎドープＩｎＰ基板からの
Ｚｎ拡散をＩｎＧａＡｌＡｓ層により低減し、Ｚｎドー
プＩｎＰバッファ層の膜厚を大幅に低減するものであ
る。

【００４７】結晶成長は前記第１の実施の形態と同様に
有機金属気相成長法によった。ｐ−ＩｎＰ基板２０上に
ｐ−ＩｎＧａＡｌＡｓ層２１（キャリア濃度：１×１０
¹⁸ｃｍ^-3、膜厚：１００ｎｍ、波長：９２０ｎｍ、Ｉｎ
Ｐ基板に格子整合）、ｐ−ＩｎＰバッファ層２２（キャ
リア濃度：３×１０¹⁷ｃｍ^-3、膜厚：３００ｎｍ）、ア
ンドープ−ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド２３（膜厚：５０ｎ
ｍ、波長：１１５０ｎｍ）、歪多重量子井戸活性層２
４、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層２７（キャリア濃度
１×１０¹⁸ｃｍ^-3、膜厚２００ｎｍ、波長１１５０ｎ
ｍ）、ｎ−ＩｎＰクラッド層２８（キャリア濃度１×１
０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ２０００ｎｍ）、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ
コンタクト層２９（キャリア濃度１×１０¹⁹ｃｍ^-3、厚
さ３００ｎｍ、波長１３００ｎｍ）を順次成長した。
尚、歪多重量子井戸活性層２４は、ＩｎＧａＡｓＰ障壁
層２５（膜厚：１０ｎｍ、波長：１１５０ｎｍ）と歪Ｉ
ｎＧａＡｓ量子井戸層２６（発光波長：１３００ｎｍ、
膜厚：６ｎｍ、歪量：１．４％）とで構成され、その周
期は５周期とした。

【００４８】こうして準備した半導体積層体（２８、２
９）を通例のウエットエッチグにより逆メサを形成し、
ｐ型電極１２、ｎ型電極１３を蒸着した。次いで、劈開
によりファブリペロー共振器の反射面を形成した。通例
のパッシベーションを施し、素子化を図った。本例の出
来上がり断面は前述の図２と同様のメサ構造である。

【００４９】本実施例では、ｐ−ＩｎＰ基板から活性層
へのＺｎ拡散をＩｎＧａＡｌＡｓ層で停止することがで
きることから、通常３０００ｎｍと厚膜のバッファ層を
３００ｎｍと薄くすることができ、且つ結晶成長の時間
を本例を用いない場合に比較して約２時間短縮すること
ができた。

【００５０】図６は本願発明の第５の実施の形態を示す
断面図である。図６はレーザ光の進行方向に交差する面
での断面図である。この実施の形態は前述の第１の実施
の形態を特にリッジ型の半導体レーザに適用した例であ
る。

【００５１】結晶成長は前記第１の実施の形態と同様に
有機金属気相成長法によった。ｎ−ＩｎＰ基板１上に前
記第１の実施の形態と同様にｎ−ＩｎＰバッファ層２、
ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層３、歪多重量子井戸活性
層４、、アンドープＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層７、アン
ドープＩｎＧａＡｌＡｓ層８、ｐ−ＩｎＰクラッド層
９、ｐ−ＩｎＰクラッド層１０、ｐ−ＩｎＧａＡｓコン
タクト層１１（キャリア濃度：２×１０¹⁹ｃｍ^-3、厚
さ：３００ｎｍ）を順次成長した。尚、前記第１の実施
の形態と同様に前記歪多重量子井戸活性層４は、ＩｎＧ
ａＡｓＰ障壁層５（膜厚：１０ｎｍ、波長：１２００ｎ
ｍ）と歪ＩｎＧａＡｓ量子井戸層６（発光波長：１５５
０ｎｍ、膜厚：６ｎｍ、歪量：０．５％）で構成され、
その周期は７周期とした。

【００５２】ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１１（キャ
リア濃度：２×１０¹⁹ｃｍ^-3、厚さ：３００ｎｍ）まで
を順次成長した後、ウエットエッチグにより逆メサ形状
３０を形成した。そして、この逆メサ形状３０の表面に
薄いＳｉＯ₂絶縁膜３１を形成する。更に、このＳｉＯ₂
絶縁膜３１上にポリイミド樹脂層３２を形成し、いわゆ
るリッジ型の電流狭窄構造を作製した。

【００５３】次いで、ｐ型電極１２、およびｎ型電極１
３を蒸着し、次いで、劈開によりファブリペロー共振器
の反射面を形成した。通例のパッシベーションを施し、
素子化を図った。

【００５４】本実施の形態ではＩｎＧａＡｌＡｓ層８が
Ｚｎ拡散のストッパー層として働く以外に、ウエットエ
ッチング時のエッチングストッパー層としても有効であ
る。従って、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層がエッチン
グされない。この為、本構造を採用することによってよ
り高信頼な素子が作製可能となる。これは、従来のＩｎ
ＧａＡｓＰのみによる上側光ガイド層に比べ、Ｖ族がＡ
ｓのみになることから、リン（Ｐ）系のエッチング液に
対してはよりエッチングされなくなることによる。具体
的には従来のＩｎＧａＡｓＰ層光ガイド層７のみの場合
には部分的に約２５ｎｍほどエッチングされていたが、
ＩｎＧａＡｌＡｓ層８を用いた場合には光ガイド層のエ
ッチングが無くなる。この為、本素子の信頼性を、本例
を用いない場合に比較して約３割向上できた。

【００５５】尚、上記第１より第５の実施の形態でのＩ
ｎＧａＡｌＡｓの格子定数についてはＩｎＰ基板に格子
整合としたが、格子不整合であっても膜厚が転移や欠陥
の発生しない臨界膜厚以内であれば良い。

【００５６】また、上記第１より第５の実施の形態は全
て単体の半導体レーザ装置であるが、レーザをアレイ状
になっていても良い。特に第５の実施の形態のｐ−Ｉｎ
Ｐ基板上の素子をレーザアレイにした場合には、成長時
間を半減できる。従って、素子の製造工程中でのゴミ等
の落下物が少なくなり、例えば１０チャンネルのレーザ
アレイにおける素子の歩留まりを約３割向上できた。

【００５７】以上、実施の諸形態をもって説明したよう
に、各成長層でのＺｎ濃度の微妙な制御が可能となり、
活性層へのＺｎ拡散を大幅に低減できた。この結果、摂
氏８５度程度での高温特性や高速応答性に優れた光素子
の作製が可能となった。またＺｎドープＩｎＰ基板上の
光素子では成長時間を大幅に短縮できた。

【００５８】本願の第６の例は、本願発明における第２
の実施の形態の半導体レーザ装置を光源とした光伝送シ
ステムの光増幅器部分の例である。

【００５９】図７は、光伝送、送信、受信システムの概
要を示す図である。光入力４１（この例では、波長１．
５５μｍの光である）は、一般には多重伝送されている
ので、分波器４２により所定の波長の光が分波される。
そして、半導体レーザ装置４６よりのファイバ増幅器４
４を増幅する為のレーザ光と入力された光とを混合器４
３で混合し、ファイバ増幅器に入力する。半導体レーザ
装置４６は一般に冷却装置４７にて冷却され、又これら
の各要素は自動制御装置４８にて制御されている。符号
４９は当該光増幅器部分よりの波長１．５５μｍの光信
号出力を示している。

【００６０】一般に送信側では各チャネルを周波数軸上
で原情報によって変調された搬送波を割り当て順序に従
って並べ、光合波器によって送信信号を合成している。
一方、受信側では、光分波器で周波数分離された信号を
各チャネルごとに設けられた光検波・復調回路を通すこ
とにより原信号を再生している。一本のファイバでの双
方向伝送が行われる。

【００６１】本例では、光諸特性を満足しつつ、これま
での光システムに見られない長寿命なる光システムを実
現することが出来る。更に、わけても、光システムの高
温雰囲気での諸特性、高速応答に優れる。

【００６２】尚、光システムの構成に前述の台の実施の
形態以外の形態を、そのシステムの要求する諸特性に応
じて用いて良いことは言うまでもない。

【００６３】

【発明の効果】本願発明は、半導体光素子の諸特性を確
保しつつ、長寿命なる半導体光素子を提供することが出
来る。わけても、本願発明は、高温雰囲気での諸特性、
高速応答に優れる。

【００６４】更には、本願発明は、半導体光素子の諸特
性を確保しつつ、長寿命且つこれまで以上の短波長の発
振波長なる半導体光素子を提供することが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本願発明を実施する為の半導体積層体の
例を示す断面図である。

【図２】図２は本願の第１の実施の形態を示す断面図で
ある。

【図３】図３は本願発明を第２の実施の形態を示す断面
図である。

【図４】図４は本願発明を第３の実施の形態を示す断面
図である。

【図５】図５は本願発明を第４の実施の形態を示す断面
図である。

【図６】図６は本願発明を第５の実施の形態を示す断面
図である。

【図７】図７は各種化合物半導体材料に対する亜鉛のド
ープ後、アニール前の濃度分布を示す図である。

【図８】図８は各種化合物半導体材料に対する亜鉛のア
ニール後の濃度分布を示す図である。

【図９】図９は光伝送システムの光増幅器部分の例を示
す図である。

【符号の説明】

１：ｎ−ＩｎＰ基板、２：ｎ−ＩｎＰバッファ層、３：
ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層、４：歪多重量子井戸活
性層、５：ＩｎＧａＡｓＰ障壁層、６：歪ＩｎＧａＡｓ
量子井戸層、７：アンドープＩｎＧａＡｓＰ光ガイド
層、８：アンドープＩｎＧａＡｌＡｓ層、９：ｐ−Ｉｎ
Ｐクラッド層、１０：ｐ−ＩｎＰクラッド層、１１：ｐ
−ＩｎＧａＡｓコンタクト層、１２：ｐ型電極、１３：
ｎ型電極、１４：ＩｎＧａＡｌＡｓ層、１５：ｐ−Ｉｎ
ＧａＡｓＰ光ガイド層、１６：ｐ−ＩｎＰクラッド層、
１７：ｐ−ＩｎＧａＡｌＡｓ層、１８：メサ形状、１
９：ＦｅドープＩｎＰ層、２０：ｐ−ＩｎＰ基板、２
１：ｐ−ＩｎＧａＡｌＡｓ層、２２：ｐ−ＩｎＰバッフ
ァ層、２３：アンドープ−ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層、
２４：歪多重量子井戸活性層、２５：ＩｎＧａＡｓＰ障
壁層、２６：歪ＩｎＧａＡｓ量子井戸層、２７：ｎ−Ｉ
ｎＧａＡｓＰ光ガイド層、２８：ｎ−ＩｎＰクラッド
層、２９：ｎ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト、３０：逆メ
サ形状３１：ＳｉＯ₂絶縁膜、３２：ポリイミド樹脂である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者古森正明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)発明者佐藤宏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)発明者青木雅博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 AA45 AA51 AA74 BA02 CA07 CA12 EA14 EA28 EA29

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ａｌを実質的に含有しない活性層と亜鉛
を含有する化合物半導体層とを有する化合物半導体積層
体の、前記Ａｌを実質的に含有しない活性層と前記亜鉛
を含有する化合物半導体層との間に亜鉛の拡散を抑制す
る化合物半導体層を少なくとも有することを特徴とする
半導体光素子。
【請求項２】Ａｌを実質的に含有しないＩｎＧａＡ
ｓ、ＩｎＧａＡｓＰの混晶からなる活性層と亜鉛を含有
する化合物半導体層とを有する化合物半導体積層体の、
前記Ａｌを実質的に含有しないＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａ
ＡｓＰの混晶から活性層と前記亜鉛を含有する化合物半
導体層との間に亜鉛の拡散を抑制する化合物半導体層を
少なくとも有することを特徴とする半導体光素子。
【請求項３】Ａｌを実質的に含有しないＩｎＧａＡ
ｓ、ＩｎＧａＡｓＰの混晶からなる活性層と亜鉛を含有
する化合物半導体層とを有する化合物半導体積層体の、
前記Ａｌを実質的に含有しないＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａ
ＡｓＰの混晶から活性層と前記亜鉛を含有する化合物半
導体層との間にＩｎＧａＡｌＡｓ層を少なくとも有する
ことを特徴とする半導体光素子。
【請求項４】ｎ型ＩｎＰ基板に、Ａｌを実質的に含有
しないＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰの混晶からなる活
性層と亜鉛を含有する化合物半導体層を有する化合物半
導体積層体の、前記Ａｌを実質的に含有しないＩｎＧａ
Ａｓ、ＩｎＧａＡｓＰの混晶からなる活性層と前記亜鉛
を含有する化合物半導体層との間にＩｎＧａＡｌＡｓ層
を少なくとも有することを特徴とする半導体光素子。
【請求項５】亜鉛を含有するＩｎＰ基板に、Ａｌを実
質的に含有しないＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰの混晶
からなる活性層を有する化合物半導体積層体の、前記亜
鉛を含有するＩｎＰ基板と前記Ａｌを実質的に含有しな
いＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰの混晶からなる活性層
との間にＩｎＧａＡｌＡｓ層を少なくとも有することを
特徴とする半導体光素子。
【請求項６】前記ＩｎＧａＡｌＡｓ層のバンドギャッ
プ波長が前記ＩｎＧａＡｓとＩｎＧａＡｓＰの混晶から
なる活性層の発光波長よりも短いことを特徴とする請求
項第３、第４、および第５項のいずれかに記載の半導体
光素子。
【請求項７】活性層へ電流を注入する為の電流狭窄構
造がリッジ構造であることを特徴とする請求項第１、第
２、第３、第４、第５および第６項のいずれかに記載の
半導体光素子。