JP2001251021A - ＧａＩｎＮＡｓ半導体素子及びその製造方法 - Google Patents
ＧａＩｎＮＡｓ半導体素子及びその製造方法Info
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- JP2001251021A JP2001251021A JP2000060513A JP2000060513A JP2001251021A JP 2001251021 A JP2001251021 A JP 2001251021A JP 2000060513 A JP2000060513 A JP 2000060513A JP 2000060513 A JP2000060513 A JP 2000060513A JP 2001251021 A JP2001251021 A JP 2001251021A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 ＧａＩｎＮＡｓ系半導体を量子井戸構造とし
て用いた半導体素子及びその製造方法に関するもので、
特に長波長帯レーザにおいて、室温でのしきい値電流密
度が低く、しきい値電流密度の温度特性に優れた半導体
レーザを提供する。 【解決手段】 量子井戸構造中のＧａＩｎＡｓＮ井戸層
１２のＩＩＩ族（ＧａとＩｎ）組成とＧａＩｎＡｓＰ障
壁層１１のＩＩＩ族組成が、ほぼ等しくなるように設定
する。こうして井戸層１２と障壁層１１の間で、熱処理
中にＩＩＩ族元素が拡散が抑制されるため、７００℃〜
８００℃の温度雰囲気下で熱処理することが可能にな
り、高品質な半導体レーザを得ることができる。
て用いた半導体素子及びその製造方法に関するもので、
特に長波長帯レーザにおいて、室温でのしきい値電流密
度が低く、しきい値電流密度の温度特性に優れた半導体
レーザを提供する。 【解決手段】 量子井戸構造中のＧａＩｎＡｓＮ井戸層
１２のＩＩＩ族（ＧａとＩｎ）組成とＧａＩｎＡｓＰ障
壁層１１のＩＩＩ族組成が、ほぼ等しくなるように設定
する。こうして井戸層１２と障壁層１１の間で、熱処理
中にＩＩＩ族元素が拡散が抑制されるため、７００℃〜
８００℃の温度雰囲気下で熱処理することが可能にな
り、高品質な半導体レーザを得ることができる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ＧａＩｎＮＡｓ系
半導体を量子井戸構造として用いた半導体素子及びその
製造方法に関するもので、主として上記半導体素子を用
いた波長０．９μｍ〜１．６５μｍの長波長帯を発光す
る半導体レーザ及びその製造方法に関する。
半導体を量子井戸構造として用いた半導体素子及びその
製造方法に関するもので、主として上記半導体素子を用
いた波長０．９μｍ〜１．６５μｍの長波長帯を発光す
る半導体レーザ及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】光通信においては、光ファイバの特性よ
り発光波長１．３μｍ〜１．６μｍの領域の半導体レー
ザが、光源として用いられている。該半導体レーザとし
ては、一般にＩｎＰ基板上にＧａＩｎＡｓＰ系半導体層
を活性層等として積層した半導体レーザが用いられ、し
きい値電流が小さい等の良好な特性が得られている。前
記半導体レーザの残された課題は、しきい値電流密度の
温度依存性が大きいことである。すなわち前記半導体レ
ーザを取り巻く環境温度が上昇すると、前記半導体レー
ザのしきい値電流密度も大きく上昇してしまう。
り発光波長１．３μｍ〜１．６μｍの領域の半導体レー
ザが、光源として用いられている。該半導体レーザとし
ては、一般にＩｎＰ基板上にＧａＩｎＡｓＰ系半導体層
を活性層等として積層した半導体レーザが用いられ、し
きい値電流が小さい等の良好な特性が得られている。前
記半導体レーザの残された課題は、しきい値電流密度の
温度依存性が大きいことである。すなわち前記半導体レ
ーザを取り巻く環境温度が上昇すると、前記半導体レー
ザのしきい値電流密度も大きく上昇してしまう。
【０００３】このように環境温度により前記半導体レー
ザのしきい値電流密度が大きく変化するという課題の対
策としては、半導体レーザの温度を一定に保つ装置（例
としてペルチェ素子がある）を半導体レーザに組合わせ
て使用している。しかし今後、光ファイバが各家庭、オ
フィス、各コンピュータへと導入される予定の長波長帯
加入者系光ファイバ通信システムでは、半導体レーザ送
信モジュールの低価格化、小型化および低消費電力化が
必須となる。したがって、冷却装置などの半導体レーザ
の温度を一定に保つ装置を必要としない温度特性の優れ
た長波長帯半導体レーザが強く求められている。
ザのしきい値電流密度が大きく変化するという課題の対
策としては、半導体レーザの温度を一定に保つ装置（例
としてペルチェ素子がある）を半導体レーザに組合わせ
て使用している。しかし今後、光ファイバが各家庭、オ
フィス、各コンピュータへと導入される予定の長波長帯
加入者系光ファイバ通信システムでは、半導体レーザ送
信モジュールの低価格化、小型化および低消費電力化が
必須となる。したがって、冷却装置などの半導体レーザ
の温度を一定に保つ装置を必要としない温度特性の優れ
た長波長帯半導体レーザが強く求められている。
【０００４】このような要望に対して、日立の近藤ら
は、ＧａＡｓ基板上にＧａＩｎＮＡｓ系半導体を活性層
として積層した半導体レーザ（以下、ＧａＩｎＮＡｓ半
導体レーザという）を用いることで、温度特性を示すＴ
0が１８０Ｋ程度まで向上することを提案した。さらに
彼らは実験的にもＴ0が１３０Ｋ程度となった結果を報
告している。（Ｍ．Ｋｏｎｄｏｗ ｅｔ．ａｌ． Ｊｐ
ｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３５（１９９
６）Ｐｔ．１、Ｎｏ．１１、ｐ．５７１１）
は、ＧａＡｓ基板上にＧａＩｎＮＡｓ系半導体を活性層
として積層した半導体レーザ（以下、ＧａＩｎＮＡｓ半
導体レーザという）を用いることで、温度特性を示すＴ
0が１８０Ｋ程度まで向上することを提案した。さらに
彼らは実験的にもＴ0が１３０Ｋ程度となった結果を報
告している。（Ｍ．Ｋｏｎｄｏｗ ｅｔ．ａｌ． Ｊｐ
ｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３５（１９９
６）Ｐｔ．１、Ｎｏ．１１、ｐ．５７１１）
【０００５】ところがこのＧａＩｎＮＡｓ半導体レーザ
は、Ｎ−Ｈ結合や低温成長に関連した点欠陥が多数含ま
れ、結晶性が悪いという問題がある。そのため、ＧａＩ
ｎＮＡｓ半導体レーザは通常のＩｎＰ基板上にＧａＩｎ
ＡｓＰ系半導体を活性層として積層した半導体レーザに
比べて、室温でのしきい値電流密度が高いという問題が
あった。そこで、結晶性の改善を行うために、ＭＯＣＶ
Ｄ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ
Ｖａｐｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法またはガスソー
スＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａ
ｘｙ）法で所望の半導体層を成長させた後に熱処理を施
している。高品質な結晶を得るには、活性層およびクラ
ッド層の非発光再結合センターを消滅させる必要があ
り、そのためには、熱処理の温度をある程度高温（７０
０℃以上）とする必要がある。
は、Ｎ−Ｈ結合や低温成長に関連した点欠陥が多数含ま
れ、結晶性が悪いという問題がある。そのため、ＧａＩ
ｎＮＡｓ半導体レーザは通常のＩｎＰ基板上にＧａＩｎ
ＡｓＰ系半導体を活性層として積層した半導体レーザに
比べて、室温でのしきい値電流密度が高いという問題が
あった。そこで、結晶性の改善を行うために、ＭＯＣＶ
Ｄ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ
Ｖａｐｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法またはガスソー
スＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａ
ｘｙ）法で所望の半導体層を成長させた後に熱処理を施
している。高品質な結晶を得るには、活性層およびクラ
ッド層の非発光再結合センターを消滅させる必要があ
り、そのためには、熱処理の温度をある程度高温（７０
０℃以上）とする必要がある。
【０００６】ＧａＩｎＮＡｓ半導体レーザは、低しきい
値電流密度化、高出力化のためその活性層構造を量子井
戸としている。以下、ＧａＩｎＮＡｓ半導体レーザは、
通常、障壁層としてＧａＡｓ層が用いられる。このよう
なＧａＩｎＮＡｓ半導体レーザは、半導体積層の成長後
に熱処理を施すことにより、熱処理をしないウエハに比
べて、フォトルミネッセンスの強度が約７０倍増大する
ことが報告されている（Ｔ．Ｋａｇｅｙａｍａ ｅｔ．
ａｌ． Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３
８（１９９９）ｐｐ．Ｌ２９８）。
値電流密度化、高出力化のためその活性層構造を量子井
戸としている。以下、ＧａＩｎＮＡｓ半導体レーザは、
通常、障壁層としてＧａＡｓ層が用いられる。このよう
なＧａＩｎＮＡｓ半導体レーザは、半導体積層の成長後
に熱処理を施すことにより、熱処理をしないウエハに比
べて、フォトルミネッセンスの強度が約７０倍増大する
ことが報告されている（Ｔ．Ｋａｇｅｙａｍａ ｅｔ．
ａｌ． Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３
８（１９９９）ｐｐ．Ｌ２９８）。
【０００７】図２には、従来の多重量子井戸構造を含む
エピタキシャル構造を示す。該エピタキシャル構造は、
ｎ型ＧａＡｓ（１００）面基板２０上に、順次、膜厚
０．５μｍのＧａＡｓバッファ層１（キャリア濃度＝１
×１０18ｃｍ-3 ）、厚さ１．５μｍのｎ型ＩｎＧａＰ
クラッド層２（キャリア濃度＝5×１０17ｃｍ-3 ）、厚
さ１２０ｎｍのＧａＡｓ光閉じ込め層３、厚さ８ｎｍの
Ｇａ0.63Ｉｎ0.37Ｎ0.01Ａｓ0.99井戸層４、厚さ１５ｎ
ｍのＧａＡｓ障壁層５，厚さ１２０ｎｍのＧａＡｓ光閉
じ込め層３、厚さ１．５μｍのｐ型ＩｎＧａＰクラッド
層６（キャリア濃度＝１×１０18ｃｍ-3 ）、厚さ０．
２μｍのｐ型ＧａＡｓキャップ層７（キャリア濃度＝３
×１０19ｃｍ-3 ）からなる。
エピタキシャル構造を示す。該エピタキシャル構造は、
ｎ型ＧａＡｓ（１００）面基板２０上に、順次、膜厚
０．５μｍのＧａＡｓバッファ層１（キャリア濃度＝１
×１０18ｃｍ-3 ）、厚さ１．５μｍのｎ型ＩｎＧａＰ
クラッド層２（キャリア濃度＝5×１０17ｃｍ-3 ）、厚
さ１２０ｎｍのＧａＡｓ光閉じ込め層３、厚さ８ｎｍの
Ｇａ0.63Ｉｎ0.37Ｎ0.01Ａｓ0.99井戸層４、厚さ１５ｎ
ｍのＧａＡｓ障壁層５，厚さ１２０ｎｍのＧａＡｓ光閉
じ込め層３、厚さ１．５μｍのｐ型ＩｎＧａＰクラッド
層６（キャリア濃度＝１×１０18ｃｍ-3 ）、厚さ０．
２μｍのｐ型ＧａＡｓキャップ層７（キャリア濃度＝３
×１０19ｃｍ-3 ）からなる。
【０００８】図３にはフォトルミネッセンス（Ｐｈｏｔ
ｏ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ：ＰＬ）特性の熱処理温
度依存性を示しており、ＰＬ強度が最大となる最適熱処
理温度は６４０〜６８０℃である。またＦＷＨＭ（Ｆｕ
ｌｌ Ｗｉｄｔｈ ａｔ Ｈａｌｆ Ｍａｘｉｍｕｍ）
はこの最適熱処理温度領域で最小となる。これより、６
００℃以下の低温では熱処理を施してもその効果がな
く、結晶欠陥による非発光再結合センターが活性層中や
クラッド中に多く存在し、ＰＬ強度は低く、また、ＦＷ
ＨＭは大きいことがわかる。それに対し、最適熱処理温
度領域では熱処理により結晶性が向上し、ＰＬ強度は増
加し、ＦＷＨＭは小さくなる。しかし、この最適熱処理
温度領域よりも高温域で熱処理を施すと、ＰＬ強度は低
下し、ＦＷＨＭは大きくなる。またＰＬ波長は、熱処理
温度が上昇とともに小さくなる。
ｏ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ：ＰＬ）特性の熱処理温
度依存性を示しており、ＰＬ強度が最大となる最適熱処
理温度は６４０〜６８０℃である。またＦＷＨＭ（Ｆｕ
ｌｌ Ｗｉｄｔｈ ａｔ Ｈａｌｆ Ｍａｘｉｍｕｍ）
はこの最適熱処理温度領域で最小となる。これより、６
００℃以下の低温では熱処理を施してもその効果がな
く、結晶欠陥による非発光再結合センターが活性層中や
クラッド中に多く存在し、ＰＬ強度は低く、また、ＦＷ
ＨＭは大きいことがわかる。それに対し、最適熱処理温
度領域では熱処理により結晶性が向上し、ＰＬ強度は増
加し、ＦＷＨＭは小さくなる。しかし、この最適熱処理
温度領域よりも高温域で熱処理を施すと、ＰＬ強度は低
下し、ＦＷＨＭは大きくなる。またＰＬ波長は、熱処理
温度が上昇とともに小さくなる。
【０００９】したがって、理論的には一層結晶性が向上
すると考えられる熱処理温度領域である７００℃以上の
温度で熱処理することができないという問題点があっ
た。
すると考えられる熱処理温度領域である７００℃以上の
温度で熱処理することができないという問題点があっ
た。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
実情に鑑み、７００℃以上で熱処理して、結晶性を向上
することが可能な半導体素子を提供し、特に長波長帯レ
ーザにおいてＴ0が高く、なおかつ、室温でのしきい値
電流密度が低い半導体レーザを提供するものである。
実情に鑑み、７００℃以上で熱処理して、結晶性を向上
することが可能な半導体素子を提供し、特に長波長帯レ
ーザにおいてＴ0が高く、なおかつ、室温でのしきい値
電流密度が低い半導体レーザを提供するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】我々は、鋭意研究の結
果、７００℃以上の熱処理でＰＬ強度が低下してしまう
原因を以下のように結論した。すなわち、従来のエピタ
キシャル構造では、活性層中の井戸層Ｇａx1Ｉｎ1-x1Ａ
ｓy1Ｎ1-y1（０＜ｘ１≦１、０＜ｙ１＜１）と障壁層Ｇ
ａＡｓ間で、熱処理中に障壁層中のＧａは井戸層へ、井
戸層中のＩｎは障壁層へ拡散することで混晶化してしま
うためと考えた。よって以下のことを解決手段とした。
すなわち、井戸層Ｇａx1Ｉｎ1-x1Ａｓy1Ｎ1-y1（０＜ｘ
１≦１、０＜ｙ１＜１）と障壁層Ｇａx2Ｉｎ1-x2Ａｓy2
Ｐ1-y2（０≦ｘ２≦１、０≦ｙ２≦１）のＩＩＩ族組成
が、下記の式を満足する量子井戸構造とした半導体素子
とする。 ０＜ｘ１≦０．５のとき ０．５×ｘ１≦ｘ２≦１．５×ｘ１ ０．５＜ｘ１≦１のとき ０．５×（１−ｘ１）≦１−ｘ２≦１．５×（１−ｘ
１） 本発明は、前記障壁層のＧａ組成ｘ２が上式の範囲であ
ること、または前記障壁層のＩｎ組成１−ｘ２が上式の
範囲であることを特徴とするが、前記井戸層のＧａ組成
ｘ１と前記障壁層のＧａ組成ｘ２が等しい（この場合は
前記井戸層のＩｎ組成（１−ｘ１）と前記障壁層のＩｎ
組成（１−ｘ２）も等しくなる）ことがもっとも望まし
い。こうして井戸層と障壁層間でＧａ、Ｉｎの濃度勾配
を小さくし、拡散による混晶化を防止する。
果、７００℃以上の熱処理でＰＬ強度が低下してしまう
原因を以下のように結論した。すなわち、従来のエピタ
キシャル構造では、活性層中の井戸層Ｇａx1Ｉｎ1-x1Ａ
ｓy1Ｎ1-y1（０＜ｘ１≦１、０＜ｙ１＜１）と障壁層Ｇ
ａＡｓ間で、熱処理中に障壁層中のＧａは井戸層へ、井
戸層中のＩｎは障壁層へ拡散することで混晶化してしま
うためと考えた。よって以下のことを解決手段とした。
すなわち、井戸層Ｇａx1Ｉｎ1-x1Ａｓy1Ｎ1-y1（０＜ｘ
１≦１、０＜ｙ１＜１）と障壁層Ｇａx2Ｉｎ1-x2Ａｓy2
Ｐ1-y2（０≦ｘ２≦１、０≦ｙ２≦１）のＩＩＩ族組成
が、下記の式を満足する量子井戸構造とした半導体素子
とする。 ０＜ｘ１≦０．５のとき ０．５×ｘ１≦ｘ２≦１．５×ｘ１ ０．５＜ｘ１≦１のとき ０．５×（１−ｘ１）≦１−ｘ２≦１．５×（１−ｘ
１） 本発明は、前記障壁層のＧａ組成ｘ２が上式の範囲であ
ること、または前記障壁層のＩｎ組成１−ｘ２が上式の
範囲であることを特徴とするが、前記井戸層のＧａ組成
ｘ１と前記障壁層のＧａ組成ｘ２が等しい（この場合は
前記井戸層のＩｎ組成（１−ｘ１）と前記障壁層のＩｎ
組成（１−ｘ２）も等しくなる）ことがもっとも望まし
い。こうして井戸層と障壁層間でＧａ、Ｉｎの濃度勾配
を小さくし、拡散による混晶化を防止する。
【００１２】 図４に、本発明の構造によるＰＬ強度の熱
処理温度依存性を示している。ＰＬ強度が最大となる最
適熱処理温度は７４０〜７８０℃である。ＧａＩｎＮＡ
ｓ半導体レーザの活性層を上述したような量子井戸構造
にすることで、６８０℃よりも高温で熱処理しても井戸
層と障壁層間でＩＩＩ族原子の混晶化が起こらないため
である。従来の熱処理温度（６４０〜６８０℃）でのＰ
Ｌ強度と比べて２〜３倍強度が増大した。しかしなが
ら、８００℃より高温になると熱処理温度が高すぎて、
結晶性が悪化して、ＰＬ強度は低下してしまうため熱処
理温度は７００〜８００℃とすることが望ましい。この
様に、本発明に係る半導体素子は従来よりも高温である
７００〜８００℃で熱処理することが可能であるため、
活性層とクラッド層の結晶品質を改善できる。従って、
本発明にかかる半導体素子を用いると、室温でのしきい
値電流密度が低い高品質なレーザを提供することができ
る。
処理温度依存性を示している。ＰＬ強度が最大となる最
適熱処理温度は７４０〜７８０℃である。ＧａＩｎＮＡ
ｓ半導体レーザの活性層を上述したような量子井戸構造
にすることで、６８０℃よりも高温で熱処理しても井戸
層と障壁層間でＩＩＩ族原子の混晶化が起こらないため
である。従来の熱処理温度（６４０〜６８０℃）でのＰ
Ｌ強度と比べて２〜３倍強度が増大した。しかしなが
ら、８００℃より高温になると熱処理温度が高すぎて、
結晶性が悪化して、ＰＬ強度は低下してしまうため熱処
理温度は７００〜８００℃とすることが望ましい。この
様に、本発明に係る半導体素子は従来よりも高温である
７００〜８００℃で熱処理することが可能であるため、
活性層とクラッド層の結晶品質を改善できる。従って、
本発明にかかる半導体素子を用いると、室温でのしきい
値電流密度が低い高品質なレーザを提供することができ
る。
【００１３】また本発明に係る半導体素子は、半導体受
光素子や電子デバイス等のＧａＩｎＮＡｓ量子井戸構造
を用いた半導体素子全般に適用しても、高品質な半導体
素子を提供することができる。
光素子や電子デバイス等のＧａＩｎＮＡｓ量子井戸構造
を用いた半導体素子全般に適用しても、高品質な半導体
素子を提供することができる。
【００１４】
【実施例】［実施例１］図１に、本発明に係るＧａＩｎ
ＮＡｓ半導体レーザを１．３μｍ帯レーザに適用した際
のエピタキシャル構造を示す。ｎ型ＧａＡｓ （１０
０）面基板２０上にｎ型ＧａＡｓバッファ層１（キャリ
ア濃度＝１×１０18ｃｍ-3）を０．５μｍ、n型Ｉｎ
0.49Ｇａ0.51Ｐクラッド層２（キャリア濃度＝５×１０
17ｃｍ-3）を１．５μm 、ＧａＡｓ光閉じ込め層３を１
２０ｎｍ、圧縮歪２．５％のＧａ0.63Ｉｎ0.37Ｎ0.01Ａ
ｓ0.99井戸層１２（厚さ８ｎｍ）とＧａ0.63Ｉｎ0. 37Ａ
ｓ0.23Ｐ0.77障壁層１１（厚さ１０ｎｍ）からなる多重
量子井戸活性層、ＧａＡｓ光閉じ込め層３を１２０ｎ
ｍ、ｐ型Ｉｎ0.49Ｇａ0.51Ｐクラッド層６（キャリア濃
度＝１×１０18ｃｍ-3）を１．５μｍ、ｐ型ＧａＡｓコ
ンタクト層７（キャリア濃度＝３×１０19ｃｍ-3）を
０．２μｍ、順次成長させる。前記障壁層１１は、ほぼ
ＧａＡｓ基板に格子整合し、バンドギャップ波長は約
０．７μｍである。前記エピタキシャル構造の成長は、
ガスソースＭＢＥ法で行ったが、ＭＢＥ法、ＣＢＥ（Ｃ
ｈｅｍｉｃａｌ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法、ＭＯ
ＣＶＤ法等の方法を用いてもよい。
ＮＡｓ半導体レーザを１．３μｍ帯レーザに適用した際
のエピタキシャル構造を示す。ｎ型ＧａＡｓ （１０
０）面基板２０上にｎ型ＧａＡｓバッファ層１（キャリ
ア濃度＝１×１０18ｃｍ-3）を０．５μｍ、n型Ｉｎ
0.49Ｇａ0.51Ｐクラッド層２（キャリア濃度＝５×１０
17ｃｍ-3）を１．５μm 、ＧａＡｓ光閉じ込め層３を１
２０ｎｍ、圧縮歪２．５％のＧａ0.63Ｉｎ0.37Ｎ0.01Ａ
ｓ0.99井戸層１２（厚さ８ｎｍ）とＧａ0.63Ｉｎ0. 37Ａ
ｓ0.23Ｐ0.77障壁層１１（厚さ１０ｎｍ）からなる多重
量子井戸活性層、ＧａＡｓ光閉じ込め層３を１２０ｎ
ｍ、ｐ型Ｉｎ0.49Ｇａ0.51Ｐクラッド層６（キャリア濃
度＝１×１０18ｃｍ-3）を１．５μｍ、ｐ型ＧａＡｓコ
ンタクト層７（キャリア濃度＝３×１０19ｃｍ-3）を
０．２μｍ、順次成長させる。前記障壁層１１は、ほぼ
ＧａＡｓ基板に格子整合し、バンドギャップ波長は約
０．７μｍである。前記エピタキシャル構造の成長は、
ガスソースＭＢＥ法で行ったが、ＭＢＥ法、ＣＢＥ（Ｃ
ｈｅｍｉｃａｌ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法、ＭＯ
ＣＶＤ法等の方法を用いてもよい。
【００１５】成長後、窒素雰囲気で７５０℃で１０分間
熱処理を行う。その後、フォトリソグラフィとメサエッ
チングを行ない、活性層幅３μｍのリッジ導波路型レー
ザを作製する。ｐ側にはＡｕ−ＺｎまたはＴｉ／Ｐｔ／
Ａｕ等のｐ型オーミック電極を形成する。また、ｎ型Ｇ
ａＡｓ基板２０を研磨により厚さを１００μｍ程度に
し、Ａｕ−Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕのｎ型オーミック電極を形
成する。実施例では、共振器長を３００μｍとし、半導
体レーザ素子の前面（出射面）はへき開面のまま、後面
はへき開後に反射率８０％の高反射膜ＨＲコーテイング
を施した。この半導体レーザ素子の光出力ー注入電流特
性を調べた結果、室温（２５℃）のしきい値電流密度は
５００Ａ／ｃｍ2と十分小さく、２５℃から８５℃の環
境温度範囲でのＴ0は、１６０Ｋという高い値が得られ
た。従来構造であるＧａＩｎＮＡｓ井戸層とＧａＡｓ障
壁層からなる多重量子井戸構造レーザでは２５℃のしき
い値電流密度は１〜２ｋＡ／ｃｍ2であったので、２５
％〜５０％に低減した。また１．３μｍ帯レーザに適用
した本実施例１では、井戸層１２のＩｎ組成を０．３７
としたが、１．３μｍ帯レーザに適用する場合は、前記
井戸層のＩｎ組成は０〜０．５の範囲で実施できる。
熱処理を行う。その後、フォトリソグラフィとメサエッ
チングを行ない、活性層幅３μｍのリッジ導波路型レー
ザを作製する。ｐ側にはＡｕ−ＺｎまたはＴｉ／Ｐｔ／
Ａｕ等のｐ型オーミック電極を形成する。また、ｎ型Ｇ
ａＡｓ基板２０を研磨により厚さを１００μｍ程度に
し、Ａｕ−Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕのｎ型オーミック電極を形
成する。実施例では、共振器長を３００μｍとし、半導
体レーザ素子の前面（出射面）はへき開面のまま、後面
はへき開後に反射率８０％の高反射膜ＨＲコーテイング
を施した。この半導体レーザ素子の光出力ー注入電流特
性を調べた結果、室温（２５℃）のしきい値電流密度は
５００Ａ／ｃｍ2と十分小さく、２５℃から８５℃の環
境温度範囲でのＴ0は、１６０Ｋという高い値が得られ
た。従来構造であるＧａＩｎＮＡｓ井戸層とＧａＡｓ障
壁層からなる多重量子井戸構造レーザでは２５℃のしき
い値電流密度は１〜２ｋＡ／ｃｍ2であったので、２５
％〜５０％に低減した。また１．３μｍ帯レーザに適用
した本実施例１では、井戸層１２のＩｎ組成を０．３７
としたが、１．３μｍ帯レーザに適用する場合は、前記
井戸層のＩｎ組成は０〜０．５の範囲で実施できる。
【００１６】また、障壁層Ｇａx2Ｉｎ1-x2Ａｓy2Ｐ1-y2
において、Ｖ族元素であるＡｓ組成ｙ２とＰ組成（１−
ｙ２）は０〜１の範囲で実施できる。このような実施例
を下記実施例２と下記実施例３に示す。
において、Ｖ族元素であるＡｓ組成ｙ２とＰ組成（１−
ｙ２）は０〜１の範囲で実施できる。このような実施例
を下記実施例２と下記実施例３に示す。
【００１７】［実施例２］本発明の実施例２を図５に示
す。実施例１の量子井戸構造では、障壁層１１のＩＩＩ
族組成は井戸層１２のＩＩＩ族組成と同一で、かつ、Ｇ
ａＡｓ基板２０に格子整合するＧａ0.63Ｉｎ0.37Ａｓ
0.23Ｐ0.77を用いたが、実施例２では、障壁層１１とし
てＧａ0.63Ｉｎ0.37Ｐを用いた。この障壁層１１は０．
８４％の引張り歪を有し、バンドギャップ波長は約０．
６１５μｍである。
す。実施例１の量子井戸構造では、障壁層１１のＩＩＩ
族組成は井戸層１２のＩＩＩ族組成と同一で、かつ、Ｇ
ａＡｓ基板２０に格子整合するＧａ0.63Ｉｎ0.37Ａｓ
0.23Ｐ0.77を用いたが、実施例２では、障壁層１１とし
てＧａ0.63Ｉｎ0.37Ｐを用いた。この障壁層１１は０．
８４％の引張り歪を有し、バンドギャップ波長は約０．
６１５μｍである。
【００１８】［実施例３］本発明の実施例３を図６に示
す。実施例３では、障壁層１１としてＧａ0.63Ｉｎ0.37
Ａｓを用いた。この障壁層１１は２．６％の圧縮歪を有
し、バンドギャップ波長は約１．１５μｍである。
す。実施例３では、障壁層１１としてＧａ0.63Ｉｎ0.37
Ａｓを用いた。この障壁層１１は２．６％の圧縮歪を有
し、バンドギャップ波長は約１．１５μｍである。
【００１９】また、井戸層Ｇａx1Ｉｎ1-x1Ａｓy1Ｎ1-y1
のＧａ組成ｘ１が、０＜ｘ１≦０．５のとき、障壁層Ｇ
ａx2Ｉｎ1-x2Ａｓy2Ｐ1-y2のＧａ組成ｘ２は、ｘ１の５
０〜１５０％で実施できる。たとえば、井戸層としてＧ
ａ0.3Ｉｎ0.7Ｎ0.01Ａｓ0.99を用いる場合、障壁層Ｇａ
x2Ｉｎ1-x2Ａｓy2Ｐ1-y2のＧａ組成ｘ２は、０．１５〜
０．４５の範囲で実施できる。このような実施例を下記
実施例４と下記実施例５に示す。
のＧａ組成ｘ１が、０＜ｘ１≦０．５のとき、障壁層Ｇ
ａx2Ｉｎ1-x2Ａｓy2Ｐ1-y2のＧａ組成ｘ２は、ｘ１の５
０〜１５０％で実施できる。たとえば、井戸層としてＧ
ａ0.3Ｉｎ0.7Ｎ0.01Ａｓ0.99を用いる場合、障壁層Ｇａ
x2Ｉｎ1-x2Ａｓy2Ｐ1-y2のＧａ組成ｘ２は、０．１５〜
０．４５の範囲で実施できる。このような実施例を下記
実施例４と下記実施例５に示す。
【００２０】［実施例４］本発明の実施例４を図７に示
す。実施例４では、井戸層１２はＧａ 0.3Ｉｎ0.7Ｎ0.01
Ａｓ0.99を用い、障壁層１１はＧａ0.15Ｉｎ0.85Ａｓ
0.23Ｐ0. 77を用いた。障壁層１１のＧａ組成は、井戸層
１２のＧａ組成の０．５倍である。
す。実施例４では、井戸層１２はＧａ 0.3Ｉｎ0.7Ｎ0.01
Ａｓ0.99を用い、障壁層１１はＧａ0.15Ｉｎ0.85Ａｓ
0.23Ｐ0. 77を用いた。障壁層１１のＧａ組成は、井戸層
１２のＧａ組成の０．５倍である。
【００２１】［実施例５］本発明の実施例５を図８に示
す。実施例５では、井戸層１２はＧａ 0.3Ｉｎ0.7Ｎ0.01
Ａｓ0.99を用い、障壁層１１はＧａ0.45Ｉｎ0.55Ａｓ
0.23Ｐ0. 77を用いた。障壁層１１のＧａ組成は、井戸層
１２のＧａ組成の１．５倍である。
す。実施例５では、井戸層１２はＧａ 0.3Ｉｎ0.7Ｎ0.01
Ａｓ0.99を用い、障壁層１１はＧａ0.45Ｉｎ0.55Ａｓ
0.23Ｐ0. 77を用いた。障壁層１１のＧａ組成は、井戸層
１２のＧａ組成の１．５倍である。
【００２２】また、井戸層Ｇａx1Ｉｎ1-x1Ａｓy1Ｎ1-y1
のＧａ組成ｘ１が、０．５＜ｘ１≦１のとき、障壁層Ｇ
ａx2Ｉｎ1-x2Ａｓy2Ｐ1-y2のＩｎ組成（１−ｘ２）は、
（１−ｘ１）の５０〜１５０％で実施できる。たとえ
ば、実施例１のように、井戸層としてＧａ0.63Ｉｎ0.37
Ｎ0.01Ａｓ0.99を用いた場合、障壁層Ｇａx2Ｉｎ1- x2Ａ
ｓy2Ｐ1-y2のＩｎ組成（１−ｘ２）は、０．１８５〜
０．５５５の範囲で実施できる。このような実施例を下
記実施例６と下記実施例７に示す。
のＧａ組成ｘ１が、０．５＜ｘ１≦１のとき、障壁層Ｇ
ａx2Ｉｎ1-x2Ａｓy2Ｐ1-y2のＩｎ組成（１−ｘ２）は、
（１−ｘ１）の５０〜１５０％で実施できる。たとえ
ば、実施例１のように、井戸層としてＧａ0.63Ｉｎ0.37
Ｎ0.01Ａｓ0.99を用いた場合、障壁層Ｇａx2Ｉｎ1- x2Ａ
ｓy2Ｐ1-y2のＩｎ組成（１−ｘ２）は、０．１８５〜
０．５５５の範囲で実施できる。このような実施例を下
記実施例６と下記実施例７に示す。
【００２３】［実施例６］本発明の実施例６を図９に示
す。実施例６では、井戸層１２はＧａ 0.63Ｉｎ0.37Ｎ
0.01Ａｓ0.99を用い、障壁層１１はＧａ0.815Ｉｎ0.185
Ａｓ0.23Ｐ0.77を用いた。障壁層１１のＩｎ組成は、井
戸層１２のＩｎ組成の０．５倍である。
す。実施例６では、井戸層１２はＧａ 0.63Ｉｎ0.37Ｎ
0.01Ａｓ0.99を用い、障壁層１１はＧａ0.815Ｉｎ0.185
Ａｓ0.23Ｐ0.77を用いた。障壁層１１のＩｎ組成は、井
戸層１２のＩｎ組成の０．５倍である。
【００２４】［実施例７］本発明の実施例７を図１０に
示す。実施例７では、井戸層１２はＧａ0.63Ｉｎ0.37Ｎ
0.01Ａｓ0.99、を用い、障壁層１１はＧａ0.445Ｉｎ
0.555Ａｓ 0.23Ｐ0.77を用いた。障壁層１１のＩｎ組成
は、井戸層１２のＩｎ組成の１．５倍である。
示す。実施例７では、井戸層１２はＧａ0.63Ｉｎ0.37Ｎ
0.01Ａｓ0.99、を用い、障壁層１１はＧａ0.445Ｉｎ
0.555Ａｓ 0.23Ｐ0.77を用いた。障壁層１１のＩｎ組成
は、井戸層１２のＩｎ組成の１．５倍である。
【００２５】また、実施例１〜実施例７では、量子井戸
層の数を２としたが、本発明は前記量子井戸数を１〜１
５の範囲で適宜変更することができる。
層の数を２としたが、本発明は前記量子井戸数を１〜１
５の範囲で適宜変更することができる。
【００２６】また、光閉じ込め層３はＧａＡｓを用いた
ＳＣＨ（Separate-Confinement Heterostructure）構造
の代わりにＡｌxＧａ1-xＡｓを用いたＧＲＩＮ-ＳＣＨ
（Graded Refractive Index ＳＣＨ）構造でも良い。
本発明は上記実施例において、ストライプレーザの素子
構造として、リッジ導波路型レーザを実施例に示した
が、埋め込み型ヘテロ構造（Buried Heterostructure:
ＢＨ）ストライプレーザでもＴＪＳ(Transverse Juncti
on Stripe)レーザ等でも構わない。また、本発明は波長
１．３μｍ帯のレーザを実施例で示したが、波長１．４
８μｍ帯、１．５５μｍ帯、１．６５μｍ帯のレーザに
も適用でき、さらに、面発光レーザにも適用できる。本
発明によるとペルチェ素子などの冷却装置を使う必要は
なくなるが、特に使用してもかまわない。本発明は半導
体受光素子や電子デバイス等のＧａＩｎＮＡｓ量子井戸
構造を用いた半導体素子全般に適用できる。
ＳＣＨ（Separate-Confinement Heterostructure）構造
の代わりにＡｌxＧａ1-xＡｓを用いたＧＲＩＮ-ＳＣＨ
（Graded Refractive Index ＳＣＨ）構造でも良い。
本発明は上記実施例において、ストライプレーザの素子
構造として、リッジ導波路型レーザを実施例に示した
が、埋め込み型ヘテロ構造（Buried Heterostructure:
ＢＨ）ストライプレーザでもＴＪＳ(Transverse Juncti
on Stripe)レーザ等でも構わない。また、本発明は波長
１．３μｍ帯のレーザを実施例で示したが、波長１．４
８μｍ帯、１．５５μｍ帯、１．６５μｍ帯のレーザに
も適用でき、さらに、面発光レーザにも適用できる。本
発明によるとペルチェ素子などの冷却装置を使う必要は
なくなるが、特に使用してもかまわない。本発明は半導
体受光素子や電子デバイス等のＧａＩｎＮＡｓ量子井戸
構造を用いた半導体素子全般に適用できる。
【００２７】
【発明の効果】本発明は、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸構造
の井戸層のＩＩＩ族組成と障壁層のＩＩＩ族組成を同一
またはほぼ同一にすることにより、熱処理の温度を高く
することができ、高品質な半導体素子を提供できる。特
に、活性層とクラッド層を有する半導体レーザにおい
て、結晶品質を改善できるので、高品質なレーザを提供
できる。これにより、１．２μｍ〜１．６５μｍ帯の低
しきい値電流密度且つ、高いＴ 0を有するアクセス向け
半導体レーザを提供できる。
の井戸層のＩＩＩ族組成と障壁層のＩＩＩ族組成を同一
またはほぼ同一にすることにより、熱処理の温度を高く
することができ、高品質な半導体素子を提供できる。特
に、活性層とクラッド層を有する半導体レーザにおい
て、結晶品質を改善できるので、高品質なレーザを提供
できる。これにより、１．２μｍ〜１．６５μｍ帯の低
しきい値電流密度且つ、高いＴ 0を有するアクセス向け
半導体レーザを提供できる。
【図１】本発明のエピタキシャル構造を示す構成図
【図２】従来のエピタキシャル構造を示す構成図
【図３】（ａ）は、従来のエピタキシャル構造における
ＰＬ強度とＦＷＨＭの熱処理温度依存性を示す図（ｂ）
は、従来のエピタキシャル構造におけるＰＬ波長の熱処
理温度依存性を示す図
ＰＬ強度とＦＷＨＭの熱処理温度依存性を示す図（ｂ）
は、従来のエピタキシャル構造におけるＰＬ波長の熱処
理温度依存性を示す図
【図４】本発明のエピタキシャル構造におけるフォトル
ミネッセンス特性の熱処理温度依存性を示す図
ミネッセンス特性の熱処理温度依存性を示す図
【図５】実施例２のエピタキシャル構造を示す構成図
【図６】実施例３のエピタキシャル構造を示す構成図
【図７】実施例４のエピタキシャル構造を示す構成図
【図８】実施例５のエピタキシャル構造を示す構成図
【図９】実施例６のエピタキシャル構造を示す構成図
【図１０】実施例７のエピタキシャル構造を示す構成図
１ ＧａＡｓバッファ層 ２ ｎ型ＩｎＧａＰクラッド層 ３ ＧａＡｓ光閉じ込め層 ４ ＧａＩｎＮＡｓ井戸層 ５ ＧａＡｓ障壁層 ６ ｐ型ＩｎＧａＰクラッド層 ７ ｐ型ＧａＡｓキャップ層 １１ ＧａＩｎＡｓＰ障壁層 １２ ＧａＩｎＮＡｓ井戸層 ２０ ＧａＡｓ基板
Claims (3)
- 【請求項１】ＧａＡｓ基板上に、量子井戸層と障壁層を
有する量子井戸構造を含むＩＩＩ―Ｖ族化合物半導体層
を有する量子井戸半導体素子において、量子井戸構造中
の井戸層Ｇａx1Ｉｎ1-x1Ａｓy1Ｎ1-y1（０＜ｘ１≦１、
０＜ｙ１＜１）と障壁層Ｇａx2Ｉｎ1-x2Ａｓy2Ｐ
1-y2（０≦ｘ２≦１、０≦ｙ２≦１）のそれぞれのＩＩ
Ｉ族組成が、下記の式を満足することを特徴とするＧａ
ＩｎＮＡｓ半導体素子。 ０＜ｘ１≦０．５のとき ０．５×ｘ１≦ｘ２≦１．５×ｘ１ ０．５＜ｘ１≦１のとき ０．５×（１−ｘ１）≦１−ｘ２≦１．５×（１−ｘ
１） - 【請求項２】請求項１に記載のＧａＩｎＮＡｓ半導体素
子において、前記量子井戸構造中の井戸層Ｇａx1Ｉｎ
1-x1Ａｓy1Ｎ1-y1（０＜ｘ１≦１、０＜ｙ１＜１）と前
記障壁層Ｇａx2Ｉｎ1-x2Ａｓy2Ｐ1-y2（０≦ｘ２≦１、
０≦ｙ２≦１）のＩＩＩ族組成が等しいことを特徴とす
るＧａＩｎＮＡｓ半導体素子。 - 【請求項３】請求項１、２に記載のＧａＩｎＮＡｓ半導
体素子を製造する製造方法において、量子井戸構造を７
００℃〜８００℃の温度雰囲気下で熱処理することを特
徴とするＧａＩｎＮＡｓ半導体素子の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000060513A JP2001251021A (ja) | 2000-03-06 | 2000-03-06 | ＧａＩｎＮＡｓ半導体素子及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000060513A JP2001251021A (ja) | 2000-03-06 | 2000-03-06 | ＧａＩｎＮＡｓ半導体素子及びその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001251021A true JP2001251021A (ja) | 2001-09-14 |
Family
ID=18580814
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000060513A Pending JP2001251021A (ja) | 2000-03-06 | 2000-03-06 | ＧａＩｎＮＡｓ半導体素子及びその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001251021A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004273587A (ja) * | 2003-03-06 | 2004-09-30 | Sony Corp | 半導体発光素子 |
| 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 |
| US6927412B2 (en) | 2002-11-21 | 2005-08-09 | Ricoh Company, Ltd. | Semiconductor light emitter |
| CN100382343C (zh) * | 2003-10-28 | 2008-04-16 | 夏普株式会社 | 半导体器件的制造 |
-
2000
- 2000-03-06 JP JP2000060513A patent/JP2001251021A/ja active Pending
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6927412B2 (en) | 2002-11-21 | 2005-08-09 | Ricoh Company, Ltd. | Semiconductor light emitter |
| US7235816B2 (en) | 2002-11-21 | 2007-06-26 | Ricoh Company, Ltd. | Semiconductor light emitter |
| US7714338B2 (en) | 2002-11-21 | 2010-05-11 | Ricoh Company, Ltd. | Semiconductor light emitter |
| US7872270B2 (en) | 2002-11-21 | 2011-01-18 | Ricoh Company, Ltd. | Semiconductor light emitter |
| JP2004273587A (ja) * | 2003-03-06 | 2004-09-30 | Sony Corp | 半導体発光素子 |
| 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 |
| CN100382343C (zh) * | 2003-10-28 | 2008-04-16 | 夏普株式会社 | 半导体器件的制造 |
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