JP2001320133A

JP2001320133A - 光半導体素子

Info

Publication number: JP2001320133A
Application number: JP2001141804A
Authority: JP
Inventors: Nobuo Suzuki; 信夫鈴木; Yuzo Hirayama; 雄三平山; Masaaki Onomura; 正明小野村
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-11-29
Filing date: 2001-05-11
Publication date: 2001-11-16

Abstract

(57)【要約】【課題】活性層への注入効率を高めることができ、低
しきい値でかつ高速特性の優れた多重量子井戸構造の半
導体レーザを提供すること。【解決手段】Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ（０＜ｘ≦１）を井
戸層とする多重量子井戸活性層１２と、この活性層１２
の上に形成されたＩｎＰに格子整合する第１のｐ型クラ
ッド層１３と、活性層１２の側面に形成された、ｐ型ク
ラッド層１３よりもアクセプタ濃度の高い第２のｐ型ク
ラッド層１７とを備えた多重量子井戸構造の半導体レー
ザであり、第１のｐ型クラッド層１３のアクセプタ濃度
を活性層１２から０．２５μｍの範囲で２×１０¹⁷ｃｍ
^-3以下に設定し、第２のｐ型クラッド層１７のアクセプ
タ濃度を１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上に設定し、活性層１２の
井戸層をＩｎ_xＧａ_1-xＡｓ（０．５３＜ｘ≦１）から
形成したことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、埋め込み量子井戸
構造を有する光半導体素子に係わり、特に多重量子井戸
構造のレーザ等の特性向上をはかった光半導体素子に関
する。

【０００２】

【従来の技術】近年、電子のドゥ・ブロイ波長以下の層
厚を有する井戸層を該井戸層よりも禁制帯幅が広い障壁
層で挟んだ量子井戸構造を少なくとも一つ有する、いわ
ゆる量子井戸半導体レーザが開発されている。この量子
井戸半導体レーザは、量子井戸を活性層に持たないダブ
ルヘテロ構造半導体レーザと比べて、発振しきい値を下
げられる、変調帯域を広げられる、発振スペクトル幅を
挟められる、温度特性を改善できる、高出力が得られる
など様々な利点を有する。

【０００３】また最近では、量子井戸に基板と格子整合
しない材料を用いることにより、発振波長の自由度を広
げたり、更なる特性向上をはかったりできるようになっ
てきた。一般的には、活性層近傍に基板と格子整合しな
い材料があると大量の結晶欠陥が発生し、レーザの特性
や信頼性の劣化が顕著になる。しかし、基板と格子整合
しない材料を活性層に用いても、その層厚がある臨界厚
より薄い場合には活性層が弾性的に歪み、レーザの特性
や信頼性を劣化させる結晶欠陥は発生しない。この臨界
厚の一つの目安としては、Matthews and Blakesleeのモ
デルによる計算結果を使うことができる。

【０００４】このような歪量子井戸構造を採用した０．
９８μｍ帯ＧａＡｓ基板上のＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡ
ｓ半導体レーザで、信頼性の高い高出力レーザや超低し
きい値のレーザなどが実現されている。半導体レーザ増
幅器，光スイッチ，光変調器など、半導体レーザ以外の
光半導体素子においても、歪光導波層の導入により、Ｔ
Ｅ／ＴＭモード特性を変えたり、スイッチング特性や吸
収特性を変えたりすることができるなど、様々な可能性
の広がりが考えられる。

【０００５】ところで、光ファイバ通信で主に用いられ
るＩｎＰ基板上のＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ系半導
体レーザの場合、低しきい値の単一横モード発振を得る
ために、一般に活性層の左右を活性層より禁制帯幅の大
きな材料で埋め込んだいわゆる埋め込み構造を用いるこ
とが多い。この場合、歪量子井戸層は側面に歪みヘテロ
界面を持つことにより、その近傍で大きな歪みと応力が
発生する。

【０００６】以下、図１３に示す（００１）ＩｎＰ基板
上のＩｎ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓ歪量子井戸構造レーザを例に
とって具体的に説明する。この半導体レーザは、ｎ型Ｉ
ｎＰ基板１（クラッド層を兼ねる）の上に、厚さ４．２
ｎｍのアンドープＩｎ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓ井戸層２をＩｎ
Ｐに格子整合するアンドープＩｎＧａＡｓＰ（１．２μ
ｍ組成）障壁層３で挟んだ歪み量子井戸４層からなる活
性層（光導波路層）４と、厚さ１．５μｍのｐ型ＩｎＰ
クラッド層５、厚さ０．８μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓＰ
（１．２μｍ組成）コンタクト層６からなる積層構造を
成長し、この積層構造をＦｅドープ半絶縁ＩｎＰ層７で
埋め込んだ構造を有する。

【０００７】障壁層３は、各井戸層２の間に１２ｎｍず
つ、両端の井戸層２の上下にそれぞれ２０ｎｍ、合計厚
さ７６ｎｍ積層されている。従って、活性層４の合計層
厚は９２．８ｎｍとなる。また、埋め込まれた活性層４
の幅は２μｍである。なお、素子基板の上下には電流注
入のための電極１１，１２が形成されている。また、へ
き開により長さ１ｍｍのレーザ共振器を構成している。

【０００８】ＩｎＰ基板の格子定数は 0.58688nmである
のに対して、Ｉｎ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓの格子定数は 0.593
81ｎｍである。ここで、側面のない無限平面を仮定すれ
ば、井戸層２は４．２ｎｍと薄いので弾性的に歪む。歪
みの大きさは、ε_xx＝ε_yy＝-0.01167、ε_zz＝−２（Ｃ
₁₂／Ｃ₁₁）ε_xx＝0.011974、ε_yz＝ε_zx＝ε_xy＝０とな
る。但し、Ｃ₁₂／Ｃ₁₁＝0.504 はＩｎ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓ
のポアソン比である。この結果、歪んだＩｎ_0.7Ｇａ
_0.3Ａｓ井戸層２の格子定数は、ｘｙ面内でＩｎＰに等
しくなり、ｚ方向の格子定数は 0.60092ｎｍとなる。

【０００９】しかし、実際には活性層４は、Ｆｅドープ
ＩｎＰ埋め込み層７により幅２μｍのストライプに埋め
込まれている。従って、井戸層２と埋め込み層７との境
界に格子不整合が起きることになる。井戸層２は厚さ
４．２ｎｍなので、平均して約６．９９単位格子層から
なることになる。なお、面心立方系の閃亜鉛鉱構造では
〈００１〉方向に格子間隔ａの間に位置をずらして原子
層が４層存在するが、ここでは位置の合った４層（格子
定数ａ）毎に単位格子層と数えている。

【００１０】一方、この厚さをＩｎＰの格子定数で割る
と７．１６単位格子層からなることになる。井戸層２は
４層あるから、活性層４の側面にトータル０．６８単位
格子層分の格子不整合が生じることになる。活性層４の
幅は２μｍと厚いから、活性層全体が弾性的に圧縮され
ることはない。この結果、活性層４の側面近傍に転位な
どの格子欠陥が起こりやすくなる。

【００１１】この上部の歪量子井戸層側面の格子不整合
は０．５単位格子層より大きいので、歪量子井戸層の格
子面は側面で埋め込み層の一つ上の格子面とつながる方
が距離的に近く、転位のできる確率が高い。このような
格子欠陥があると、不純物の偏析も起こりやすい。ま
た、このような欠陥により、発光効率の低下，発振しき
い値上昇，微分利得の低下などのレーザ特性の劣化、或
いは著しい信頼性の低下などが生じる。

【００１２】半導体レーザ以外の光半導体素子において
も、埋め込み歪量子井戸光導波層側面に格子不整合によ
る欠陥が生じることにより、様々なデメリットが生じ
る。例えば、埋め込み歪量子井戸光導波路においては、
この欠陥により吸収係数の増加や光散乱の増加が生じ
る。また、埋め込み歪量子井戸光吸収層を有する光検出
素子においては、この側面の欠陥からの発生再結合暗電
流の増加，欠陥に偏析した不純物による内部電界の不均
一，欠陥での再結合による量子効率の低下，信頼性の低
下など、様々な問題が生じる。

【００１３】また、光半導体素子以外の半導体素子にお
いても、例えば pseudomorphic ＨＥＭＴの歪チャネル
層，歪Ｉｎ（Ｇａ）Ａｓオーミックコンタクト層など、
歪半導体層が特性改善のために使われている。この歪半
導体層を基板全面ではなく一部分に埋め込み形成する場
合には、側面の格子不整合により生じる格子欠陥や不純
物の偏析に起因して、キャリア寿命の低下、散乱中心の
増加による電子輸送特性の劣化、雑音の増加、信頼性の
低下など、種々の問題が生じる。

【００１４】一方、光通信に広く利用されているＩｎＧ
ａＡｓＰやＩｎＧａＡｓを井戸層に持つ量子井戸レーザ
では、伝導帯の井戸障壁が低く価電子帯の井戸障壁が高
いことから、電子の障壁層や光導波層へのオーバーフロ
ーが起こり易く、また正孔の井戸層への注入効率が低い
という問題があった。このため、キャリアの利用効率が
悪く、同じ発振波長のバルク型ダブルヘテロ半導体レー
ザと比べて、発振しきい値の低減や変調帯域の拡大の効
果は顕著でなかった。

【００１５】また、誘導放出が大きくなりキャリアの不
足が生じたときに正孔の井戸層への注入効率が低いこと
から、井戸間での正孔密度に差が生じ、光に対する利得
飽和εも大きいという問題もあった。このことは、量子
井戸の効果による微分利得の増大にもかかわらず、ダン
ピングが大きくなり周波数帯域が伸びないということを
意味する。高出力レーザは長共振器で井戸数が多めのと
きに良好な特性が得られるが、このような問題があるた
め、井戸数をあまり増やすことができないのが現状であ
った。

【００１６】一般に、量子井戸レーザではキャリアに対
する利得Ｇの飽和が顕著なので、発振しきいキャリア密
度が高くなると、微分利得が急激に悪化する。従って、
高速応答特性の観点からも、発振しきい値の低減が重要
である。発振条件はΓＧ＝αで表されるから、発振しき
い値を下げるためには、光学的なトータルロスαを小さ
くして発振に必要な利得を下げてやる必要がある。

【００１７】量子井戸レーザ、特に井戸層に歪を導入し
た歪量子井戸レーザでは活性層の導波損失を極めて小さ
くできるが、ｐ−クラッド層のアクセプタ密度が高いと
損失が大きくなる。量子井戸レーザは光閉じ込め係数Γ
が小さいので、クラッド層の吸収の影響は極めて大き
い。従って、低しきい値の量子井戸レーザを得るために
は、ｐ−クラッド層のアクセプタ密度を下げてやる必要
がある。

【００１８】しかしこの場合、ｐ−クラッド層と活性層
とのヘテロ接合部に大きなバンド障壁ができるため、正
孔の量子井戸活性層への注入効率が低くなってしまうと
いう問題があった。このことは、低しきい値でかつ高速
応答可能な量子井戸レーザを作ることは困難であること
を意味する。このヘテロ界面の障壁の問題を解決するた
めに、ＧＲＩＮ（graded index）構造の採用も提案され
ているが、この場合は結晶成長に精密制御が必要にな
り、工程が複雑になる問題がある。

【００１９】この他、埋込み構造歪量子井戸レーザで
は、活性層の側面に格子不整合による転位欠陥が発生し
やすいという問題があった。特に、側面にＦｅなどの遷
移金属をドープした層がある場合、不純物である遷移金
属と転位の複合欠陥がレーザ特性を劣化させることが懸
念されていた。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】このように従来、Ｉｎ
ＧａＡｓ系やＩｎＧａＡｓＰ系の多重量子井戸レーザで
は、正孔の井戸層への注入効率が悪く、井戸間での正孔
密度に差が生じ易く、従って井戸数を増やすことが困難
であった。さらに、吸収損失が小さく正孔の注入効率が
高いレーザを実現することも困難であり、発振しきい値
の低減や高速応答特性の向上が思うようにはかれなかっ
た。

【００２１】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、量子井戸活性層へのキ
ャリアの注入効率を高めることができ、低しきい値でか
つ高速特性の優れた光半導体素子を提供することにあ
る。

【００２２】

【課題を解決するための手段】（構成）本発明（請求項
１）の骨子は、量子井戸活性層への注入効率を上げるた
めに、量子井戸活性層の側面から電流注入を行うことに
ある。

【００２３】即ち本発明は、Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ（０＜
ｘ≦１）を井戸層とする多重量子井戸活性層と、この活
性層の主面に形成されたＩｎＰに格子整合する第１のｐ
型クラッド層とを備えた半導体レーザにおいて、活性層
の側面に第１のｐ型クラッド層よりもアクセプタ濃度の
高い第２のｐ型クラッド層を形成するようにしたもので
ある。

【００２４】また本発明は、より望ましくは、第１のｐ
型クラッド層のアクセプタ濃度を活性層から０．２５μ
ｍの範囲で２×１０¹⁷ｃｍ^-3以下に設定し、第２のｐ型
クラッド層のアクセプタ濃度を１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上に
設定し、さらに井戸層をＩｎ _xＧａ_1-xＡｓ（0.53＜ｘ
≦１）で形成するようにしたものである。

【００２５】また本発明（請求項４，５）は、本来の格
子定数が半導体基板の格子定数より大きい（又は小さ
い）井戸層と、本来の格子定数が半導体基板の格子定数
と等しい又はそれより小さく（又は大きく）且つ井戸層
よりも禁制帯幅の広い障壁層とを、交互に積層した多重
量子井戸構造の光半導体素子において、井戸層の軽い
（又は重い）正孔帯の禁制帯端と障壁層の軽い（又は重
い）正孔帯の禁制帯端を実質一致させるようにしたもの
である。

【００２６】（作用）本発明（請求項１〜３）によれ
ば、正孔の注入は主として量子井戸活性層の側面から行
われる。活性層側面の第２のｐ型クラッド層は各井戸層
や障壁層と直接接しているから、第２のｐ型クラッド層
から井戸層への直接或いは障壁層を介しての正孔注入効
率が高く、正孔密度の井戸間でのばらつきも抑制され
る。この効果は、第２のｐ型クラッド層の正孔濃度を１
×１０¹⁸ｃｍ^-3以上と高くした場合に顕著である。従っ
て、注入効率の向上による微分利得の増大，しきい値の
低下，光に対する利得飽和の抑制、ひいては高速応答の
実現が図れる。また、性能を落とさずに量子井戸数を増
やすことが可能になり、高出力化にも効果がある。

【００２７】また、第１のｐ型クラッド層のアクセプタ
濃度を活性層から０．２５μｍの範囲で２×１０¹⁷ｃｍ
^-3以下に設定することにより、第１のｐ型クラッド層に
よる光吸収が抑制され、より一層のしきい値の低減が可
能になる。このしきい値の低減により利得の非線形性の
小さな領域で使用できるようになるため、微分利得の向
上も図れる。この効果は、価電子帯間の吸収が小さいＩ
ｎ_xＧａ_1-xＡｓ（0.53＜ｘ≦１）歪多重量子井戸半導
体レーザにおいて著しい。

【００２８】また本発明（請求項４）では、重い正孔に
対しては多重量子井戸が形成されるが、軽い正孔に対し
ては実質量子井戸が形成されず、各井戸は軽い正孔によ
りカップリングしているので、ｐ型クラッド層から離れ
た井戸層へも効率良く正孔注入を行うことができる。こ
の結果、井戸数を増やして特性向上をはかることができ
る。

【００２９】また本発明（請求項５）は、請求項４の発
明の軽い正孔と重い正孔の役割を逆にしたもので、各井
戸は重い正孔によりカップリングしているので、ｐ型ク
ラッド層から離れた井戸層へも効率良く正孔注入を行う
ことができる。この結果、井戸数を増やして特性向上を
はかることができる。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の詳細を図示の実施
形態によって説明する。

【００３１】（第１の実施形態）図１は、本発明の第１
の実施形態に係わる多重量子井戸半導体レーザの概略構
造を示す断面図である。ｎ−ＩｎＰ基板３１上に、幅１
μｍのストライプ状の活性層３２が成長形成され、この
活性層３２の上にアクセプタ濃度１×１０¹⁷ｃｍ ^-3の第
１のｐ−ＩｎＰクラッド層３３が成長形成されている。

【００３２】活性層３２は、図２に示すように、Ｉｎ
_0.7Ｇａ_0.3Ａｓ井戸層３５が８層、ＩｎＰに格子整合
する波長１．３μｍ組成のＩｎＧａＡｓＰ障壁層３６に
挟まれて形成されている。ＩｎＧａＡｓＰ障壁層３６の
うち、最下部の層３６₁は厚さ３０ｎｍ、最上部の層３
６₉は厚さ７０ｎｍであり、他の層３６₂〜３６₈は厚
さ１０ｎｍである。Ｉｎ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓ井戸層３５
は、基板３１と面内の原子間隔が合うように成長するた
めに、約１．１６％の圧縮歪が入っている。井戸層３５
の厚さは４ｎｍであり、転位を発生させないための臨界
膜厚より十分に薄い。

【００３３】ｐ−クラッド層３３の上には、活性領域ス
トライプ３４の側面も覆うように、アクセプタ濃度１×
１０¹⁸ｃｍ^-3の第２のｐ−ＩｎＰクラッド層３７が成長
形成され、その上にｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層３
８が成長形成されている。ｐ型ドーバンドはいずれもＺ
ｎである。ｐ−クラッド層３７は、寄生容量を低減する
ために活性層付近でのメサ幅５μｍの狭窄メサ形状に加
工されている。

【００３４】また、基板３１の下部にはｎ型オーミック
電極３９が、ｐ−コンタクト層３８の上にはｐ型のオー
ミック電極４０が形成されており、これらの電極３９，
４０を介して外部からレーザに電流が注入される。共振
器長は１ｍｍである。

【００３５】なお、図１に示す構造は次のようにして製
造される。まず、図３（ａ）に示すように、基板３１上
に活性層３２及びｐ−クラッド層３３を成長し、これを
選択的にエッチングして活性領域ストライプ３４を形成
する。次いで、図３（ｂ）に示すように、ｐ−クラッド
層３７及びｐ−コンタクト層３８を成長する。次いで、
図３（ｃ）に示すように、ｐ−コンタクト層３８，ｐ−
クラッド層３７，ｐ−クラッド層３３及び活性層３２
を、活性領域ストライプ３４を含むメサ幅１０μｍのメ
サ形状に加工する。その後、メサの両側に露出した活性
層３２ａを除去することにより、図１に示す狭窄メサ構
造が得られる。

【００３６】このような構成であれば、活性層３２の各
井戸層３５の側面はｐ−ＩｎＰクラッド層３７に接して
いるため、各井戸層３５に均一かつ効率的に正孔の注入
が行える。活性層３２にはｐ−クラッド層３３からも正
孔が注入されるし、井戸層３５面内でのキャリアの移動
は容易な上、活性層幅１μｍと狭いので、井戸層３５面
内のキャリア不均一は小さい。従って、厚さ方向にも幅
方向にも空間ホールバーニングによる利得飽和は起こり
難く、ダンピングの小さな高周波応答が可能になる。さ
らに、活性層３２上部のｐ−クラッド層３３のアクセプ
タ濃度が低いため、ｐ−クラッド層３３へしみ出した光
の吸収損失も小さい。従って、発振しきい値が低く、微
分利得の高い領域での動作が可能になる。

【００３７】また、本実施形態の歪量子井戸活性層３２
の側面において、アクセプタの拡散に起因して井戸層と
バリア層の混晶化が起こり易い。その結果、活性層側面
の格子不整合による応力が混晶化領域に分散し、転位の
発生を抑制できる効果も期待できる。仮に転位の発生が
あっても、転位は活性層３２の内部よりもｐ−ＩｎＰク
ラッド層３７、ないしは活性層３２とｐ−ＩｎＰクラッ
ド層３７の間にあるｐ型混晶化領域の中にあって、この
部分の電子濃度は低いから、レーザ発光への直接的な影
響は小さいものと考えられる。

【００３８】この実施形態の歪多重量子井戸レーザの導
波損失は４ｃｍ^-1であり、発振しきい値は８ｍＡであっ
た。微分利得は７．５×１０^-12 ｍ³／ｓであり、３ｄ
Ｂ帯域は１８ＧＨｚである。一方、活性層上部のｐ−ク
ラッド層３３のアクセプタ濃度を１×１０¹⁸ｃｍ^-3とし
たレーザの導波損失は２０ｃｍ^-1、発振しきい値は１５
ｍＡ、微分利得は５×１０^-12ｍ³／ｓ、３ｄＢ帯域は
１４ＧＨｚであった。これらのレーザの特性は満足なも
のである。活性層側面からの正孔注入効率が高いため、
ＧＲＩＮ構造のような成長工程の複雑な構造を使わなく
てもしきい値の低域が図れている。

【００３９】なお、井戸の側面を直接Ｆｅドープ半絶縁
性ＩｎＰで埋めた従来構造のＧＲＩＮ歪量子井戸レーザ
では、しきい値は９ｍＡと低いものの、微分利得は３．
８×１０^-12ｍ³／ｓに止まった。周波数応答特性には
活性層へ拡散してきたＦｅに起因すると見られる低周波
でのロールオフ構造が見られ、ダンピングも大きく、３
ｄＢ帯域は６ＧＨｚしかなかった。また、ＧＲＩＮ構造
を実現するための多段階に組成を変化させる結晶成長プ
ロセスも、本実施形態の半導体レーザと比べて複雑であ
る。

【００４０】このように本実施形態によれば、多重量子
井戸活性層３２の側面を、活性層３２上のｐ−クラッド
層３３よりもキャリア濃度の高いｐ−クラッド層３７で
埋め込んでいるので、このｐ−クラッド層３７から活性
層３２に正孔を注入することができ、注入効率の向上、
さらに正孔密度の井戸間でのばらつきを抑制することが
できる。従って、注入効率の向上による微分利得の増
大，しきい値の低下，光に対する利得飽和の抑制、ひい
ては高速応答の実現が図れる。また、性能を落とさずに
量子井戸数を増やすことが可能になり、高出力化にも効
果がある。

【００４１】なお、本発明は上述した実施形態に限定さ
れるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、種々
変形して実施することができる。例えば、超高速光通信
用ＤＦＢレーザ，多電極波長可変レーザ，高出力レー
ザ，半導体レーザ増幅器などへの応用も考えられる。他
の材料系でも、価電子帯の障壁が高く正孔の均一な注入
が困難な場合に応用できる。この他、ファセット面に種
々のコーティングが施されていてもよいし、他の素子と
集積化されていてもよい。本発明の効果は、井戸数が大
きいときやバリア層厚が比較的厚い場合に特に有効であ
る。また、本発明は多重量子細線レーザへの応用も可能
である。細線が共振器ストライプの幅の方向と平行に形
成され、厚さ方向と長さ方向に多重形成されている場合
に、上記の実施形態と同様の効果が期待できる。

【００４２】（第２の実施形態）次に、本発明の第２の
実施形態について説明する。この実施形態は、歪量子井
戸レーザに負のデチューニング（利得ピーク波長より少
しずれた波長に発振波長を設定すること）をかけて、高
速応答性の向上をはかったものである。

【００４３】図４は、第２の実施形態に係わるＤＦＢ半
導体レーザの概略構造を一部切欠して示す斜視図であ
る。ｎ−ＩｎＰ基板４１上に、ストライプ状の活性層４
２が成長形成され、この活性層４２の上に該活性層４２
の側面も覆うようにｐ−ＩｎＰクラッド層４３が成長形
成され、さらにクラッド層４３上にｐ−ＩｎＧａＡｓＰ
コンタクト層４４が形成されている。

【００４４】活性層４２は、図５に示すように、Ｉｎ
_0.7Ｇａ_0.3Ａｓ井戸層４５が４層、ＩｎＰに格子整合
する波長１．３μｍ組成のＩｎＧａＡｓＰ障壁層４６に
挟まれている。ＩｎＧａＡｓＰ障壁層４６の内、最下部
の層４６₁は厚さ３０ｎｍ、最上部の層４６₅は厚さ７
０ｎｍであり、他の層４６₂〜４６₄は厚さ１０ｎｍで
ある。最上部の障壁層４６₅は光導波層を兼ねており、
ここに周期約２４５ｎｍの一次の回折格子４７が形成さ
れている。Ｉｎ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓ井戸層４５は、基板４
１と面内の原子間隔が一致するように成長するために、
約１．１６％の圧縮歪が入っている。井戸層４５の厚さ
は４ｎｍであり、転位を発生させないための臨界膜厚よ
り十分に薄い。活性層４２は故意にはドーピングされて
いないが、ｐ−ＩｎＰクラッド層を成長する際にドーパ
ントのＺｎが拡散するため、５×１０¹⁷ｃｍ^-3〜１×１
０¹⁸ｃｍ^-3のｐ型になっている。

【００４５】ｐ−クラッド層４３は寄生容量を低減する
ために活性層付近でのメサ幅５μｍの狭窄メサ形状に加
工されている。基板４１の下部にはｎ型オーミック電極
５１が、ｐ−コンタクト層４４の上にはｐ型のオーミッ
ク電極５２が形成されており、これらの電極５１，５２
を介して外部からレーザに電流が注入される。共振器長
は３００μｍであり、共振器方向中央の回折格子には四
分の一波長の位相シフト領域４８が形成されている。ま
た、へき開により形成されたファセット面には、反射率
１％以下の無反射コーティングが形成されている。

【００４６】この半導体レーザの発振しきい値は２２ｍ
Ａであり、波長１．５２μｍで副モード抑圧比４０ｄＢ
以上の単一モード発振する。発振しきい値での利得ピー
ク波長は１．５７μｍであり、発振波長は５０ｎｍ負に
デチューニングされている。大きな負のデチューニング
にもかかわらず、発振しきい値の上昇は小さい。狭窄メ
サ構造により、寄生容量と直列抵抗で決まる時定数は８
ｐｓであり、これはＣＲ周波数帯域は２０ＧＨｚに相当
する。

【００４７】半導体レーザの注入電流Ｉb 、共振周波数
ｆr 、ダンピング係数γの間には、ｆr＝（１／２π）（ξＡ／ｑＶa）^1/2（Ｉb−Ｉth）^1/2 …(1) γ＝Ｋｆr²＋１／τs …(2) の関係がある。ここで、ξは光閉じ込め係数、Ａは微分
利得、ｑは電子の電荷、Ｖa は活性層体積、Ｉthは発振
しきい値、ＫはＫファクターと呼ばれる係数、τs は微
分キャリア寿命である。Ｋファクターは非線形利得εと
微分利得Ａの比ε／Ａに比例する非線形項と、光子寿命
τp に比例する線形項の和で表される。非線形項はＡに
反比例して小さくなるが、εに比例して大きくなる。Ｋ
ファクターとダンピングにより決まる理論上の最大３ｄ
Ｂ帯域ｆmax の間には、ｆmax ＝２^3/2π／Ｋ …(3) の関係がある。

【００４８】図６は、本実施形態の半導体レーザのｆr
の（Ｉb −Ｉth）^1/2依存性である。式(1) から、微分
利得は６．８×１０^-12ｍ³／ｓと求められる。図７
は、この半導体レーザのγとｆr ²の関係を示す図であ
る。式(2) からＫファクターは０．１３ｎｓと求められ
た。式(3) より、このレーザのｆmax として６８ＧＨｚ
が得られる。これは、歪量子井戸構造の導入による微分
利得の増大に加えて、デチューニングとアクセプタ・ド
ーピングにより非線形利得εが小さく抑えられたために
実現されたものである。また、デチューニングに関して
言えば、歪量子井戸構造の導入によって初めて、これほ
ど大きな負のデチューニングが可能になったとも言え
る。もちろん、負のデチューニングとアクセプタ・ドー
ピングそのものも微分利得の増大に寄与している。

【００４９】なお、本実施形態の場合、アクセプタ・ド
ーピングによる導波ロスの増加でτp が小さくなってい
ることも、線形項を介してＫファクターの低域に寄与し
ていることを付記しておく。実際の３ｄＢ帯域はＣＲ時
定数によるロールオフと出力パワーの飽和により１７Ｇ
Ｈｚであったが、これはレーザ構造の改良で改善できる
ので本質的な制限要因ではない。

【００５０】図８は、微分利得対Ｋファクターの相関図
である。この実施形態のレーザのデータを従来の半導体
レーザの特性、負のデチューニングとドーピングを行っ
ていない歪量子井戸レーザの特性、及び２０ｎｍ負のデ
チューニングをかけた歪量子井戸レーザの特性と比較し
てある。歪量子井戸レーザでは従来の半導体レーザと比
べて微分利得が大きくできるが、本実施形態のようなデ
チューニングやドーピングを行わない場合は非線形利得
εが大きくなるため、Ｋファクターがかえって大きくな
ってしまい、ｆmax はかえって小さくなってしまった。
これに対して本実施形態のレーザではＫファクターが従
来のレーザより大きくなく、特に４０ｎｍ以上のデチュ
ーニングをかけた場合は従来のレーザよりもかなり小さ
くなり、従来の半導体レーザにはない超高速の応答が得
られることが分かる。

【００５１】（第３の実施形態）図９は、本発明の第３
の実施形態に係わる半導体レーザの概略構造を示す断面
図である。この半導体レーザ下記のようにして作製され
る。（００１）主面を持つｎ型ＩｎＰ半導体基板１ａ上
に有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により、厚さ２μ
ｍのｎ型ＩｎＰバッファ層（クラッド）１ｂを介して、
アンドープＩｎＧａＡｓＰ層光導波層３ａ、アンドープ
ＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層４、アン
ドープＩｎＧａＡｓＰ層光導波層３ｂを順に積層する。
活性層４は、図１０に示すように、厚さ２ｎｍのアンド
ープＩｎＡｓ歪量子井戸層２を１２層、厚さ５ｎｍのア
ンドープＩｎＧａＡｓＰ障壁層３を挟んで積層したもの
である。ＩｎＧａＡｓＰ層光導波層３ｂの上に回析格子
を形成した後、上にＳｉＯ₂膜を堆積し、通常のＰＥＰ
技術によりパターニングを行い、活性領域となる幅２μ
ｍのストライプの両サイドを幅１μｍづつエッチングで
除去する。

【００５２】次いで、ＳｉＯ₂膜を除去した後、ＭＯＣ
ＶＤ法により全体を厚さ２μｍのｐ型ＩｎＰクラッド層
５、厚さ０．８μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層
６で埋め込む。コンタクト層６の上にｐ型オーミック電
極（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）１１、基板１の下部にはｎ型オ
ーミック電極（Ａｕ／Ｇｅ）１２を形成する。そして、
コンタクト層６とｐ型クラッド層５を選択エッチングに
より活性層４を含む幅１０μｍのメサに形成する。さら
に、ＳＨ系のエッチング液により外側の活性層を除去す
ることにより、図９に示すようなマッシュルーム型の断
面形状を持つ自己整合挟搾メサ（ＳＡＣＭ）構造の半導
体レーザになる。このウェハは長さ１ｍｍのバー状にへ
き開された後、幅３００μｍのチップに切り出され、モ
ジュールに実装される（図では省略）。

【００５３】ここで、ＩｎＧａＡｓＰ障壁層３の組成
は、図１０に示すように、その禁制帯端が歪ＩｎＡｓ層
２の軽い正孔に対する禁制帯端Ｅ_LHとおおむね一致する
ように選ぶものとする。現状ではまだＩｎＰ基板上の歪
Ｉｎ_1-uＧａ_uＡｓ_vＰ_1-v（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦
１）のバンドアライメントは完全には知られていない。
しかし、ＩｎＰに挟まれた歪ＩｎＡｓ層は軽い正孔に対
してＩｎＰに挟まれたＩｎ _0.53Ｇａ_0.47Ａｓ層の場合よ
りも浅い量子井戸を形成することが分かっているので、
上記の条件を満たす無歪みのＩｎ_1-xＧａ_xＡｓ_yＰ
_1-y組成（０＜ｘ＜0.47，０＜ｙ＜１）が必ず存在す
る。

【００５４】このようにすると、軽い正孔に対しては障
壁ができないため、軽い正孔は各井戸層２と障壁層３を
自由に移動することができる。しかも、軽い正孔は井戸
層内部で重い正孔と波動関数の重なり積分が０でないた
め、部分的に結合している。従って、ｐ−クラッド層か
ら離れた井戸に対しても効率良く井戸へ正孔注入がはか
れ、また井戸間の結合も良くなる。この結果、低しきい
値で高速特性の優れた歪多重量子井戸レーザが実現され
る。

【００５５】軽い正孔に対して障壁ができていないこと
は、例えばフォトルミネセンスなどの測定により、確か
めることができる。即ち、重い正孔と電子の再結合によ
る発光は井戸層に平行な偏波成分のみ許容されるのに対
して、軽い正孔と電子の再結合による発光は井戸に垂直
な成分と平行な成分の両者に対して許容されるので、そ
の区別が可能であり、軽い正孔による発光が量子化され
た準位によるものかどうか調べることで、軽い正孔に対
する価電子帯端Ｅ_LHが概略一致しているかどうかの判断
を下すことができる。

【００５６】なお、本発明は上記の実施形態に限らず、
種々の変形が可能である。例えば、ＩｎＧａＡｓＰ障壁
層３をＩｎＰよりも格子定数の小さな材料で構成しても
よい。この場合のバンド構造の概念図を図１１に示す。
このようにすると、活性層が埋め込まれた歪多重量子井
戸レーザにおいて、側面の格子不整合の影響を正負の歪
みで相殺することができるので、歪井戸層の多層化を計
る際に格子欠陥の発生を抑制することができる。

【００５７】また、基板より格子定数の小さな半導体層
を井戸層とする場合には、逆に歪井戸層と障壁層の重い
正孔に対する価電子帯端Ｅ_HHを概略一致させることで、
軽い正孔に対する量子井戸に関しても同様に、正孔の注
入効率向上と井戸間の結合効率の改善を計ることができ
る。この場合のバンド構造図を図１２に示す。

【００５８】光導波層の横方向光（および電流）閉じ込
め構造は上記のＳＡＣＭ構造の他、埋込みヘテロ構造、
半絶縁性ＩｎＰ埋込み構造など様々なタイプが可能であ
る。分布帰還型（ＤＦＢ）レーザのほかに、ファブリペ
ロ（ＦＰ）レーザ、分布反射型（ＤＢＲ）レーザ、複数
の電極を持つ波長可変レーザ、複合共振器レーザ、モニ
タ集積レーザ、光導波路集積レーザ、双安定レーザなど
であってもよい。もちろん、半導体レーザ光増幅器、キ
ャリア注入型光スイッチ、半導体光変調器、これらを集
積化したフォトニックＩＣなどにも本発明を適用するこ
とができる。もちろん、材料もＩｎＡｓやＩｎＧａＡｓ
Ｐに限定されるものではない。

【００５９】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、量
子井戸活性層へのキャリア注入効率を上げることがで
き、発振しきい値が低く、かつ高速応答可能な光半導体
素子を実現することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施形態に係わる多重量子井戸半導体レ
ーザの概略構造を示す断面図

【図２】第１の実施形態の要部構成を拡大して示す断面
図

【図３】第１の実施形態レーザの製造工程を示す断面図

【図４】第２の実施形態に係わる半導体レーザの概略構
造を一部切欠して示す斜視図

【図５】第２の実施形態の要部構成を示す断面図

【図６】第２の実施形態のｆr の（Ｉb −Ｉth）^1/2依
存性を示す図

【図７】第２の実施形態のダンピング係数γとｆr ²と
の関係を示す図

【図８】第２の実施形態におけるレーザ微分利得とＫフ
ァクターとの相関を示す模式図

【図９】第３の実施形態に係わる半導体レーザの概略構
造を示す断面図

【図１０】第３の実施形態レーザの活性層のバンド構造
を示す模式図

【図１１】第３の実施形態における活性層のバンド構造
の他の例を示す模式図

【図１２】第３の実施形態における活性層のバンド構造
の他の例を示す模式図

【図１３】従来の多重量子井戸半導体レーザの概略構成
を示す断面図

【符号の説明】

１ａ…ｎ型ＩｎＰ基板１ｂ…ｎ型ＩｎＰバッファ層（クラッド層）２…ＩｎＧａＡｓ歪量子井戸層３…ＩｎＧａＡｓＰ障壁層４…多重量子井戸活性層５…ｐ型ＩｎＰクラッド層６…ｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層８…埋込み層３１…基板３２…歪量子井戸活性層３３…第１のｐ−クラッド層３４…活性領域ストライプ３５…歪量子井戸層３６…障壁層３７…第２のｐ−クラッド層３８…コンタクト層３９，４０…電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小野村正明神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝総合研究所内Ｆターム(参考） 5F073 AA22 AA64 AA74 AA83 CA07 CB17 CB22 DA05 DA23 EA14 EA23

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】多重量子井戸活性層と、この活性層の主面
に形成された第１のｐ型クラッド層と、前記活性層の側
面に形成された、第１のｐ型クラッド層よりもアクセプ
タ濃度の高い第２のｐ型クラッド層とを具備してなるこ
とを特徴とする光半導体素子。
【請求項２】第１のｐ型クラッド層のアクセプタ濃度
を、前記活性層から０．２５μｍの範囲で２×１０¹⁷ｃ
ｍ^-3以下に設定し、且つ第２のｐ型クラッド層のアクセ
プタ濃度を１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上に設定したことを特徴
とする請求項１記載の光半導体素子。
【請求項３】前記井戸層は、Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ（0.53
＜ｘ≦１）からなることを特徴とする請求項１記載の光
半導体素子。
【請求項４】本来の格子定数が半導体基板の格子定数よ
り大きい井戸層と、本来の格子定数が半導体基板の格子
定数と等しい又はそれより小さく且つ前記井戸層よりも
禁制帯幅の広い障壁層とを、交互に積層した多重量子井
戸構造の光半導体素子において、前記井戸層の軽い正孔帯の禁制帯端と前記障壁層の軽い
正孔帯の禁制帯端を、略一致させてなることを特徴とす
る光半導体素子。
【請求項５】本来の格子定数が半導体基板の格子定数よ
り小さい井戸層と、本来の格子定数が半導体基板の格子
定数と等しい又はそれより大きく且つ前記井戸層よりも
禁制帯幅の広い障壁層とを、交互に積層した多重量子井
戸構造の光半導体素子において、前記井戸層の重い正孔帯の禁制帯端と前記障壁層の重い
正孔帯の禁制帯端を、略一致させてなることを特徴とす
る光半導体素子。