JP2002118329A - 半導体レーザ素子及びその作製方法 - Google Patents
半導体レーザ素子及びその作製方法Info
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Abstract
帯半導体レーザを提供する。 【解決手段】 本半導体レーザ素子10は、活性層が高
歪のGaxIn1-xAs1- ySby井戸層(但し、0.00
3≦y≦0.008)を有する単一又は多重量子井戸構
造として形成されている。本半導体レーザ素子は、例え
ばn−GaAs(100)面基板12上に、順次、成膜
された、n−GaAs(n=1×1018cm-3)バッフ
ァ層14、n−In0.49Ga0.51P(n=1×1018c
m-3)クラッド層16、GaAs光閉じ込め層18、G
aInAsSb単一量子井戸層を有するSQW活性層2
0、GaAs光閉じ込め層22、及びp−In0.49Ga
0.51P(p=1×1018cm-3)クラッド層24、p−
GaAs(p=3×1019cm-3)コンタクト層26の
積層構造を有する。SQW活性層は、圧縮歪2.82%
のGa0.61In0.39As0.9968Sb0.0032量子井戸層の
一層と、GaAs障壁層とから構成され、井戸は7.3
nmである。
Description
に関し、更に詳細には、低しきい値で、温度特性に優れ
た、主として発光波長0.9μmから1.65μmの半
導体レーザ素子、特に、波長1.2μmから1.3μm
帯の長波長帯の半導体レーザ素子に関するものである。
体レーザ素子が、光通信加入者用のデバイスの光源とし
て注目されている。従来、発光波長1.3μm帯の半導
体レーザ素子として、InP基板上に形成されたGaI
nAsP系半導体レーザ素子が開発されているものの、
この材料系は、しきい値の特性温度が50K〜70Kと
低く、温度特性が悪いことが問題になっている。半導体
レーザをデバイスの光源として各家庭に配置するために
は、レーザ送信モジュールの低価格化が必要であって、
冷却素子を必要としない、温度特性に優れた長波長帯半
導体レーザが強く求められている。
レーザの開発が鋭意進められていて、その一つとして、
活性層として波長1.25μmから1.3μm帯のGa
InNAsを用いた共振器構造をGaAs基板上に形成
することにより、特性温度を180K程度まで上げるこ
とができると報告されている〔1〕。そして、実験的に
も、130K〜270K程度の高温度特性が確認されて
いる。 〔1〕M.Kondow et al.,Jpn.J.Appl.Phys.,vol.35(199
6)pp.1273-1275
nAs半導体レーザ素子により、140K〜170K程
度の高特性温度を実現したと報告されている〔2〕。
尚、波長1.2μm帯半導体レーザは、市販のSM光フ
ァイバーのシングルモードに対するカットオフ波長が
1.2μmであることから、LAN用光源としても注目
されている。 〔2〕F.Koyama et al.,IEEE Photon.Technol.Lett.,vo
l.12(2000)pp.125-127
μm帯の従来の高歪GaInAs半導体レーザ素子の構
成を説明する。図3は発光波長1.2μm帯の従来の高
歪GaInAs半導体レーザ素子のエピタキシャル構造
の断面図である。発光波長1.2μm帯の従来の高歪G
aInAs半導体レーザ素子40は、例えば、図3に示
すように、n−GaAs(100)面基板42上に、順
次、成膜された、膜厚0.2μmのn−GaAsバッフ
ァ層44、膜厚1.5μmのn−InGaPクラッド層
46、膜厚0.13μmのGaAs光閉じ込め層48、
GaInAs活性層50、膜厚0.13μmのGaAs
光閉じ込め層52、膜厚1.5μmのp−InGaPク
ラッド層54、及び膜厚0.35μmのp−GaAsコ
ンタクト層56の積層構造を備えている。
1.2μm帯の高歪GalnAs半導体レーザ素子で
は、圧縮歪量2.8%程度という高歪系半導体層を活性
層として用いる必要があり、3次元成長が始まる臨界膜
厚が4nm程度と薄く、実用的なプロセス条件では、波
長1.12μm程度以上に長波長化することは難しい。
特に、分子線エピタキシー(MBE)成長では、マイグ
レーション長が大きいので難しい。ここで、「高歪」と
は、歪み量が1.5%以上の場合を指す。
は、波長1.3μm帯で低しきい値化を実現するには、
高歪GalnAs(In組成40%程度)にNをV族比
で0.6%程度添加し、全体の歪量としては、2.7%
程度の歪量が必要である。大きな歪量の問題に加えて、
GalnNAs系は、原子半径の小さいNを構成元素と
して含むために、他のV族元素とうまく混合しないとい
う問題があって、成長温度を低くして非平衡状態に近い
状態で成長しないと、3次元成長してしまうという問題
がある。低温成長させると、結晶欠陥が多数発生し、光
学的品質の悪い結晶になってしまう。
高歪GalnAs系、及びGalnAsN系の化合物半
導体層の光学的及び結晶学的品質を向上させ、低しきい
値で、且つ、特性温度の高い長波長帯半導体レーザを提
供することである。
をエピタキシャル成長させるには、成長温度を低くす
る、V/III比を高くする、成長速度を高くする、サ
ーフアクタントを用いる等の方法がある。サーフアクタ
ント〔3〕とは、Sb、Te、Sn等の、表面に偏析し
易い元素を用いて、表面エネルギーを下げ、表面拡散距
離を小さくして3次元成長を抑制しようという方法であ
る。成長方式はMBE、MOCVD法で行われる。 〔3〕 M.Copel et al.,Phys.Rev.Lett.vol.63(1989)p
p.632-635 サーフアクタントを用いる通常の成長方式では、高歪層
を成長させる前に成長中断を行い、サーフアクタントを
1ML程度下地層上に積層する。続いて、高歪層を成長
させる。高歪層の成長の際にはサーフアクタントを添加
せず、高歪層のみの材料で成長させる。つまり、高歪層
の成長の際、サーフアクタントは、最表面に偏析して、
高歪層のエピタキシャル成長層には取り込まれない。
タントを下地層上に積層するのではなく、高歪層を成長
する際に、III族と共に、V族比0.2%〜2.5%
程度の微小量のSbを添加すること、つまり、1.2μ
m帯のGalnAs系半導体レーザ素子ではGalnA
sSb層を、1.3μm帯のGalnNAs系半導体レ
ーザ素子ではGalnNAsSb層を成長させることを
考え、以下に述べる実験により、この有効性を実証し
て、本発明を発明するに到った。
レーザ素子を作製するに当たり、高歪GaIn0.39As
/GaAs単一量子井戸(SQW)活性層を形成するた
めに、GaIn0.39AsにSbを添加する実験を行っ
た。本実験では、図4に示すように、n−GaAs(1
00)面基板62上に、MBE法によって、順次、膜厚
0.2μmのn−GaAs(n=2×1017cm-3)バ
ッファ層64、膜厚0.25μmのn−In0.484 Ga
0.516 P(n=3×1017cm-3)クラッド層66、膜
厚0.13μmのGaAs光閉じ込め層68、GaIn
0.39AsSb/GaAs単一量子井戸活性層70、膜厚
0.13μmのGaAs光閉じ込め層72、及び膜厚
0.25μmのp−In0.484 Ga0.51 6 P(p=5×
1017cm-3)クラッド層74を成膜し、テスト積層構
造体60を形成した。尚、MBE法に代えて、MOCV
D法でも良い。
歪2.8%という非常に高歪の材料である。ここでは、
長波長化を考慮して、量子井戸層の設計膜厚を7.3n
mとした。尚、GaInAs/GaAs系について、J.
W.Matthews及びA.E.Blakesleeの臨界膜厚とIn組成と
の関係を計算したところ、臨界膜厚は4nmであった。
本実験では、以下の条件でGaIn0.39As単一量子井
戸活性層にのみSbを添加してGaInAsSb単一量
子井戸層を形成した。そして、Sbのフラックス(Tor
r)を種々変えて、Sbのフラックス量のフォトルミネ
ッセンス(PL)依存性を調べ、図5に示す結果を得
た。尚、フラックス(Torr)は、基板に入射する分子線
強度を基板位置での分圧で表示したものである。以下
も、同様である。 GaInAsSb層の成長条件は、 成膜チャンバ内の圧力 :9.0×10-5Torr 成長温度 :440℃ クラッキング後のAsH3 のフラックス:8.5×10-5Torr GaInAsSb井戸層の成長速度 :2.1μm/hr ここで、AsH3 及びPH3 は、基板に到達する前に1
000℃で熱分解(クラッキング)して供給している。
度及びPL波長のSbフラックス量依存性を示してい
る。図5から、Sbは高歪GaInAs層の成長に有効
であり、最も高いPL強度を得るためには、2×10-7
Torr以上5×10-7Torr以下程度のフラックスでSbを
添加することが必要であると判った。
み量を調べるために、Sbのフラックスを種々に変えて
GaAsSb層をエピタキシャル成長させ、GaAsS
b膜中のSbの含有率(%)を調べ、図6にその結果を
示した。実験例2での成長速度、AsH3 のフラック
ス、及び成長温度は、実験例1のGaInAsSb井戸
層のエピタキシャル成長条件とほぼ同一に設定した。S
bは、図6に示すように、5×10-6Torrのフラックス
まで線形関係でGaAs膜に取り込まれた。このSb組
成が、InGaAsSb中のSb組成と同一であると仮
定して、GaInAsSbの量子準位を計算した結果を
図5中に示す。この際、ΔEc=0.7ΔEgとして計
算した。Sbのフラックス量が2×10-6Torrまでは、
計算と比較的良い一致を示した。PL強度が最も強くな
る2×10-7Torr(実験例1参照)では、GaInAs
Sb膜の組成はGa0.61In0.39As0.9968Sb0.0032
であって、微量のSbが膜に取り込まれることになる。
従って、Sbは、サーフアクタントして働くのではな
く、GaInAs膜中に取り込まれ、サーフアクタント
ライク(like)に振る舞うと言える。PL強度が強
い領域は、3次元成長が抑制され、2次元成長が助長さ
れていると推測される。つまり、Sbは、表面エネルギ
ーを下げ、拡散長の拡張を抑制し、3次元成長を抑制す
る効果があると考えられる。図6から、Sbのフラック
スが2×10-7Torrの時に、Sb組成はV族組成比で
0.32%であるので、高いPL強度を得るためには、
図5からSbフラックスが2×10-7Torr から5×1
0-7Torr 、すなわち、0.3%以上0.8%以下の範
囲のSbの添加量が最適な量であると言える。
(Torr)を種々変えて、GaInNAsSb層の成長実
験を行い、図7に示す結果を得た。テスト構造は、単一
量子井戸層をGaIn0.39AsN0.0044Sbで構成する
ことを除いて、実験例1の積層構造と同じである。 GaInAsNSb層の成長条件は、 成膜チャンバ内の圧力 :9.5×10-5Torr 成長温度 :460℃ クラッキング後のAsH3 のフラックス:8.5×10-5Torr GaInAsNSb井戸層の成長速度 :2.1μm/h
縮歪が2.7%(GaIn0.39AsN0.0044)であり、
設計膜厚は7.3nmとした。また、RFにより励起し
た窒素ラジカルを窒素原料とした。更に、結晶性を回復
させるために、GaInNAsSb層の成長後に、窒素
雰囲気中で半絶縁性GaAsウエハをP抜け防止キャッ
プとしてエピタキシャル成長層側に面接触(Face to Fa
ce)させて載せ、650℃で10分間アニールしてい
る。
クス量依存性を示す。図7から、5×10-7Torr以上1
×10-6Torr以下程度のSbのフラックスが、高いPL
強度を得る上で最適量であることがわかる。実験例2で
述べた様に、同条件のGaAsSb層の成長から、Sb
のフラックスが1×10-6Torrの時に、Sb組成はV族
比1.6%であり、N添加によるas−grownエピ
タキシャル成長層の波長シフトから、N組成はV族比
0.44%と求まる。実験例2と実験例3の結果から、
組成に換算して、0.8%〜1.6%のSbを添加する
ことにより、GaInNAs層の光学特性が向上する。
を更に調べるために、透過電子顕微鏡(TEM)でSb
の量を変化させたサンプルを観察した。図8(a)及び
(b)は、それぞれ、2×10-7Torr及び1×10-6To
rrのSbフラックス量で成長させたGaInNAsSb
のTEM像写真の写しである。2×10-7TorrのSbフ
ラックスで成長したSQW層は、図8(a)に示すよう
に、3次元成長し、1×10-6TorrのSbフラックス量
で成長したSQWは、図8(b)に示すように、綺麗に
2次元成長している。図8(a)と(b)との比較か
ら、Sbは、GaInNAs/GaAs系において、サ
ーフアクタントに類似した効果を有し、2次元成長から
3次元成長へ変化する臨界膜厚を大きくできることが判
る。
るためには、更にNを若干増加する必要があるが、その
場合、Sb量を多少増加する必要が有る。組成によって
最適なSb量は異なるが、N組成が多いほど最適Sb量
は多くなる。実験例3では、N組成は0.44%で熱処
理後のPL波長は、Sb=1×10 -6Torrで1.24μ
mであったが、今後の1.3μm帯へのWDMの展開を
考えると、波長は1.35μm程度まで長波長化する必
要がある。その際には、In組成にもよるが、N組成を
1.5%程度まで増加する必要がある。
5%(波長1.35μmまでに必要なN量)/0.44
%(実験例3のN量)≒6% である。
長波長化を狙う場合に、N組成は0.1%程度で良いの
で、 0.8%(実験例3のSb量の最適値の最小値)×0.
1%(1.3μm帯を実現するのに必要な最小のN量)
/0.44%(実験例3のN量)≒0.2% である。つまり、1.3μm帯をカバーする為には、S
bは、0.2%〜6%必要となる。
て波長を1.3μmまで長くする研究を行い、次の実験
例4を行った。GaInNAsSb井戸層とGaAs障
壁層とを用いた場合は、図9のグラフ(1)から(5)
に示すように、波長1.2μm近傍に比較して、波長
1.3μm近傍では、PL強度が20分の1に減少して
しまうという問題があった。図9では、GaInNAs
SbのIn組成とN組成を変えて井戸層を構成し、実験
を種々行った結果を示しているが、障壁層がGaAs層
である限り、井戸層の組成を変化しても、PL強度はあ
る一定の曲線に沿って減少する傾向があった。
は、先ず、n−GaAs(100)面基板上にn−Ga
Asバッファ層を0.2μm、n−In0.47Ga0.53P
クラッド層を0.25μm、GaAs光閉じ込め層を
0.1μm、GaAsバリア層を0.03μm、SQW
活性層を7.3nm、GaAsバリア層を0.03μ
m、GaAs光閉じ込め層を0.1μm、及びp−In
0.47Ga0.53Pクラッド層を0.25μmを、この順序
で、順次、成長させ、共振器構造を構成する積層構造を
形成した。SQW層は、Gax In1-x N1-y-0.016 A
sy Sb0.016 で構成されている。
し、GaInNAs(Sb)井戸層のIn組成を37%
とし、N流量を0.05ccm、0.10ccm、及び
0.15ccmに変えて、また、In組成を39%と
し、N流量を0.05ccm、及び0.10ccmに変
えて、それぞれ、井戸層を形成し、積層構造の成長後、
結晶性を向上させるために、N2 雰囲気中で500〜7
00℃で10分間熱処理を施した。そして、それら井戸
層を有するレーザ構造のPL波長及びPL強度を測定
し、測定結果を図9のグラフ(1)から(5)に示し
た。 図9は、横軸にPL波長(μm)を取り、縦軸に
PL強度(%)を取っていて、PL強度の波長依存性を
示している。尚、図9の縦軸のPL強度は、相対強度比
較で表されている。図9のグラフ(1)から(5)の各
点の数値は、それぞれ、表1から表5に示されている。
ミネッセンス(PL)強度は、高温の熱処理を施さない
エピタキシャル成長させたまま(as-grown)のエピタキ
シャル成長層に比べて、数倍増大する。但し、その際
に、GaInNAs(Sb)井戸層のバンドギャップは
短波長化する。例えば、In組成37%、N=0.05
ccmのときの量子井戸の波長と強度との関係は、グラ
フ(1)に示してある。グラフ(1)から判る通り、as
-grownでの波長は、1.222μm、550℃の熱処理
で1.21μm、650℃の熱処理で1.18μmとな
る。
構造は、井戸層の組成にかかわらず、波長1.3μmの
PL波長のレーザ構造のPL強度は、PL波長1.2μ
mのGaInNAs(Sb)井戸層に比べて著しく低下
し、特に井戸層のIn組成が37%、N流量が0.15
ccmの場合、グラフ(3)に示すように、PL強度は
20分の1に減少してしまう。PL強度の減少は、これ
らの結晶性が悪いことに起因している。
のような構造を採用することによって、PL強度減少問
題を解決することを検討した。n−GaAs(100)
面基板上にn−GaAsバッファ層を0.2μm、n−
In0.47Ga0.53Pクラッド層を0.25μm、GaA
s光閉じ込め層を0.1μm、GaN1-y Asy バリア
層を0.03μm、SQW活性層を7.3nm、GaN
1-y Asy バリア層を0.03μm、GaAs光閉じ込
め層を0.1μm、及びp−In0.47Ga0.53Pクラッ
ド層を0.25μmを、この順序で、順次、成長させ、
共振器構造を構成する積層構造を形成した。
同様に、Gax In1-x N1-y-0.01 6 Asy Sb0.016
で構成されている。In組成(1−x)を35%から3
9%まで、変化させて、種々のSQW層を構成し、Ga
N1-y Asy バリア層のN組成もそれに応じて0.66
%から1.8%まで(N2 流量で言うと0.05ccm
から0.15ccmまで)変化させて、バリア層を構成
している。
を37%とし、N組成を0.33%から1.8%まで
(N2 流量で言うとN流量を0.05ccm、0.10
ccm、及び0.15ccm)に変えて、また、In組
成を39%としN流量を0.05ccmで、井戸層を形
成し、熱処理前後で、それぞれの試料レーザ構造のPL
波長とPL強度を測定し、図9のグラフ(6)から
(9)に示した。図9のグラフ(6)から(9)の各点
の数値は、それぞれ、表6から表9に示されている。
タキシャル成長層のPL強度は低いが、650℃以上で
熱処理を施すと、PL強度が大幅に増大する。例えば、
井戸層の組成がGa0.63In0.37N0.009 As0.975 S
b0.016 で、障壁層の組成がGaN0.018 As0.982 の
量子井戸構造を成長させた後、650℃で熱処理するこ
とにより、図9のグラフ(8)に示すように、PL波長
は1.30μmが得られ、PL強度も波長1.20μm
付近のGaAsバリアレーザ構造とほぼ同程度のPL強
度が得られた。図9のグラフ(8)では、この組成の活
性層において、右から、550℃、600℃、650
℃、及び700℃の熱処理後のデータを順に示してい
る。
0.37N0.009 As0.975 Sb0.016で構成し、バリア層
の組成をGaN0.018 As0.982 (λg=1.08μ
m)で構成し、成長後650℃で熱処理するとこによ
り、図9のグラフ(8)に示すように、PL波長は1.
30μmが得られ、波長1.30μmでのPL強度も波
長1.20μm付近のGaAsバリアレーザとほぼ、同
程度のPL強度が得られる。
する理由は、障壁層及び井戸層の双方にNが含まれてい
ることにより、ホモエピタキシャルに近づくので、結晶
性が向上しているからであると考えられる。そして、G
a0.63In0.37N0.009 As0.975 Sb0.016 /GaN
0.018 As 0.982 −SQWレーザにより、ブロードコン
タクトレーザを作製したところ、共振器長900μmで
570A/cm2 という低しきい値電流密度が得られ
た。
を整理して、In組成が37%で、N組成が、それぞ
れ、0.35%、0.63%、及び0.90%のGax
In1-xAs1-y1-y2Ny1Sby2井戸層とGaAsバリア
層との組み合わせについて、それぞれ、熱処理温度をパ
ラメータにして、PL波長とPL強度との関係を求めた
ところ、図10を得た。また、In組成37%で、N組
成が、それぞれ、0.35%及び0.90%のGaxI
n1-xAs1-y1-y2Ny1Sby2井戸層とGaNAsバリア
層の組み合わせについて、それぞれ、熱処理温度をパラ
メータにして、PL波長とPL強度との関係を求めたと
ころ、図11を得た。
層を用いたとき、高いPL強度を得るための好適な熱処
理温度は、図10及び図11から、以下の範囲であるこ
とが判る。 (1)GaAsバリア層のとき、井戸層のN組成が0.
7%未満のとき、600℃±25℃で熱処理する。 (2)GaAsバリア層のとき、井戸層のN組成が0.
7%以上3%以下のとき、700℃±25℃で熱処理す
る。 (3)GaNAsバリア層のとき、井戸層のN組成に関
係なく、700℃±25℃で熱処理する。
波長1.2μm帯のIII 族比In組成30%以上のGa
InAs系では、V族組成比0.3%以上0.8%以下
の範囲でSbを構成元素としてGaInAs層の成長の
際に添加し、GaInNAs系では、V族組成比0.2
%以上2.5%以下の範囲のSbを構成元素としてGa
InNAs層の成長の際に添加することにより、光学的
品質を大幅に改善できることが判った。ここで、N組成
を上げると、結晶性が悪くなるので、実用上の限界とし
て、NのV族組成比は、3%未満である。図9の実験で
述べたように、障壁層をGaNAsとすることで、波長
1.3μmでの低しきい値発振が更に容易となる。この
際、GaNAsはGaNy As1- y (y<0.05)を
用いる。
の知見に基づいて、本発明に係る半導体レーザ素子(以
下、第1の発明と言う)は、GaAs基板上に、光を発
生する活性層と、光を閉じ込めるクラッド層とを有し、
発生した光からレーザ光を得る共振器構造を備えて、基
板に平行な方向にレーザ光を放射する端面出射型半導体
レーザ素子、又は基板上に、一対の半導体多層膜反射鏡
と、一対の半導体多層膜反射鏡の間に配置され、光を発
生する活性層とを有し、発生した光からレーザ光を得る
共振器構造を備えて、基板に直交する方向にレーザ光を
放射する面発光型半導体レーザ素子において、上記活性
層が、III 族中のIn組成が30%以上のGaxIn1-x
As1-ySby井戸層(0.003≦y≦0.008)を
有する単一又は多重量子井戸構造として形成されている
ことを特徴としている。本発明の好適な実施態様では、
発光波長が1.18μm以上である。
下、第2の発明と言う)は、GaAs基板上に、光を発
生する活性層と、光を閉じ込めるクラッド層とを有し、
発生した光からレーザ光を得る共振器構造を備えて、基
板に平行な方向にレーザ光を放射する端面出射型半導体
レーザ素子、又は基板上に、一対の半導体多層膜反射鏡
と、一対の半導体多層膜反射鏡の間に配置され、光を発
生する活性層とを有し、発生した光からレーザ光を得る
共振器構造を備えて、基板に直交する方向にレーザ光を
放射する面発光型半導体レーザ素子において、上記活性
層が、III 族中のIn組成が30%以上のGaxIn1-x
As1-y1-y2Ny1Sby2井戸層(但し、0<y1<0.
03、0.002≦y2≦0.06)を有する単一又は
多重量子井戸構造として形成されていることを特徴とし
ている。第2の発明では、GaInNAsSb井戸層
と、GaNy As(y<0.05)障壁層とを用いるこ
とにより、低しきい値で1.3μm以上のレーザ光を発
振させることが可能となる。
(以下、第3の発明と言う)は、GaAs基板上に、光
を発生する活性層と、光を閉じ込めるクラッド層とを有
し、発生した光からレーザ光を得る共振器構造を備え
て、基板に平行な方向にレーザ光を放射する端面出射型
半導体レーザ素子、又は基板上に、一対の半導体多層膜
反射鏡と、一対の半導体多層膜反射鏡の間に配置され、
光を発生する活性層とを有し、発生した光からレーザ光
を得る共振器構造を備えて、基板に直交する方向にレー
ザ光を放射する面発光型半導体レーザ素子において、上
記活性層が、III 族中のIn組成が30%以上のGax
In1-xAs1-y1-y2Ny1Sby2井戸層(但し、0<y1
<0.03)を有する単一又は多重量子井戸構造として
形成され、障壁層が、GaNyAs1-y(0<y<0.0
5)層として形成されていることを特徴としている。
製方法は、III 族中のIn組成が30%以上のGaxI
n1-xAs1-ySby井戸層(但し、0.003≦y≦
0.008)を有する単一又は多重量子井戸構造の活性
層を備える半導体レーザ素子の作製方法であって、各化
合物半導体層を分子線エピタキシー法によりエピタキシ
ャル成長させて、共振器構造を構成する化合物半導体層
の積層構造を形成することを特徴としている。
子の作製方法は、III 族中のIn組成が30%以上のG
axIn1-xAs1-y1-y2Ny1Sby2井戸層(但し、y1
<0.03、0.002≦y2≦0.06)を有する単
一又は多重量子井戸構造の活性層を備える半導体レーザ
素子の作製方法であって、各化合物半導体層を分子線エ
ピタキシー法によりエピタキシャル成長させて、共振器
構造を構成する化合物半導体層の積層構造を形成するこ
とを特徴としている。
素子の作製方法は、III 族中のIn組成が30%以上の
GaxIn1-xAs1-y1-y2Ny1Sby2井戸層(但し、y
1<0.03、0.002≦y2≦0.06)を有する
単一又は多重量子井戸構造の活性層を備える半導体レー
ザ素子の作製方法であって、共振器構造を構成する化合
物半導体層の積層構造を形成した後、GaxIn1-xAs
1-y1-y2Ny1Sby2井戸層のy1が、0<y1<0.0
07のとき、積層構造に570℃以上630℃以下の範
囲の温度で熱処理を施し、0.007≦y1<0.03
のとき、積層構造に670℃以上730℃以下の範囲の
温度で熱処理を施すことを特徴としている。
作製方法は、III 族中のIn組成が30%以上のGax
In1-xAs1-y1-y2Ny1Sby2井戸層(但し、y1<
0.03、0.002≦y2≦0.06)及びGaNy
As1-y(0<y<0.05)障壁層を有する単一又は
多重量子井戸構造の活性層を備える半導体レーザ素子の
作製方法であって、共振器構造を構成する化合物半導体
層の積層構造を形成した後、積層構造に675℃以上7
25℃以下の範囲の温度で熱処理を施すことを特徴とし
ている。
いて、PL強度が波長1.2μm付近のGaAsバリア
レーザ構造とほぼ同じ数値が得られる。本発明に係る半
導体レーザ素子の作製方法は、端面出射型半導体レーザ
素子の作製にも、また面発光型半導体レーザ素子の作製
にも適用できる。
Ga1-X Asを用いたGRIN(Graded Refactive Ind
ex)−SCH構造のいずれの光閉じ込め構造にも適用で
き、また、導波路構造では、リッジ導波路型半導体レー
ザ素子、及び埋め込み型ヘテロ構造(BH)半導体レー
ザ素子のいずれにも適用できる。また、N、Sbの量を
調整することにより、波長980nm帯、1480nm
帯、1550nm帯、1650nm帯の半導体レーザ素
子にも適用できる。
施形態例に基づいて本発明をより詳細に説明する。半導体レーザ素子の実施形態例1 本実施形態例は、第1の発明に係る半導体レーザ素子を
発光波長1.2μm帯GaInAsSb半導体レーザ素
子に適用した実施形態の一例であって、図1は本実施形
態例の半導体レーザ素子のエピタキシャル構造を示す断
面図である。本実施形態例の半導体レーザ素子10は、
図1に示すように、板厚100μm程度のn−GaAs
(100)面基板12上に、順次、成膜された、膜厚
0.5μmのn−GaAs(n=1×1018cm-3)バ
ッファ層14、膜厚1.5μmのn−In0.49Ga0.51
P(n=1×1018cm-3)クラッド層16、膜厚0.
1μmのGaAs光閉じ込め層18、GaInAsSb
単一量子井戸層を有するSQW活性層20、膜厚0.1
μmのGaAs光閉じ込め層22、及び膜厚1.5μm
のp−In0.49Ga0.51P(p=1×1018cm-3)ク
ラッド層24、膜厚0.3μmのp−GaAs(p=3
×1019cm-3)コンタクト層26の積層構造を有す
る。
Ga0.61In0.39As0.9968Sb0. 0032量子井戸層一層
から構成され、井戸膜厚は7.3nmである。GaInAsSbの条件 チャンバー圧力 :9.0×10-5Torr 成長温度 :460℃ クラッキング後のAsH3 のフラックス:8.5×10-5Torr GaInAsSbの成長速度 :2.1μm/h Sbのフラックス :2.0×10-7Torr 各層は、ガスソースMBE法、MBE法、CBE法、M
OCVD法のいずれかによってエピタキシャル成長す
る。
ザ素子は、上述の積層構造をフォトリソグラフィ処理及
びメサエッチング加工によって、活性層幅3μmのリッ
ジ導波路型半導体レーザ素子として形成されている。そ
して、コンタクト層26上には、p側電極としてAu−
ZnまたはTi/Pt/Au等の積層金属膜からなるオ
ーミック性電極が形成され、またn−GaAs基板12
の裏面には、n側電極としてAu−Ge/Ni/Auの
積層金属膜からなるオーミック性電極が形成されてい
る。本実施形態例では、共振器長を200μmとし、前
端面反射率78%、後端面反射率95%のHRコーティ
ングが施されている。
イングして、光出力−注入電流特性を調べたところ、2
0℃の電流しきい値は6mA、20℃から70℃のしき
い値の特性温度は256K、また、CW発振波長は室温
で1.20μmであった。即ち、試作品の電流しきい値
は、現在までに報告されている高歪GaInAs系半導
体レーザの報告例中で最も低く、かつ、特性温度も従来
のものに比べて著しく高いことが確認された。
発光波長1.25〜1.3μm帯GaInAsN半導体
レーザ素子に適用した実施形態の一例であって、図2は
本実施形態例の半導体レーザ素子のエピタキシャル構造
を示す断面図である。本実施形態例の半導体レーザ素子
30は、図2に示すように、実施形態例1の半導体レー
ザ素子10のGaInAsSb単一量子井戸層を有する
SQW活性層20に代えて、GaInAsNSb単一量
子井戸層を有するSQW活性層32を備えていることを
除いて、実施形態例1の半導体レーザ素子10と同じ構
成を備えている。SQW活性層32は、圧縮歪2.75
%のGa0.61In0.39As0.9796N0.00 44Sb0.016 量
子井戸層一層から構成され、井戸膜厚は7.3nmであ
る。
積層構造に熱処理を10分間施した。
じ構成の試作品を作製した。そして、半導体レーザ素子
試作品をボンデイングして、光出力−注入電流特性を調
べたところ、20℃の電流しきい値は10mA、20℃
から85℃のしきい値の特性温度は157K、また、C
W発振波長は室温で1.26μmであった。即ち、試作
品の電流しきい値は、現在までに報告されているGaI
nNAs系半導体レーザの報告例中で最も低く、かつ、
特性温度も著しく高いことが確認された。
6μmであったが、実施形態例で、N組成及びSb組成
を微調整し、更にGaNy As1-y (N<0.05)バ
リアを用いることで、波長1.3μmの半導体レーザ素
子を作製することができる。実施形態例1、2では、単
一量子井戸構造を例として本発明を説明しているが、多
重量子井戸(MQW)構造でも良い。また、実施形態例
1及び2では、活性層として、In組成が39%のもの
を用いたが、このIn組成は15%から45%程度であ
ることが好ましい。
バリア層としてGaAs又GaNAsは層を用いている
が、歪系も含めたGaInAsPでも良い。また、光閉
じ込め層としてGaAs層を用いているが、SCH構造
の代わりにAlX Ga1-X Asを用いたGRIN(Grad
ed Refactive Index)−SCH構造でも良い。クラッド
層はAlGaAsでも良い。実施形態例1及び2では、
ストライプ半導体レーザ素子の構造として、リッジ導波
路型半導体レーザ素子を例に示したが、埋め込み型ヘテ
ロ構造(BH)ストライプ型半導体レーザ素子等でも構
わない。
光型半導体レーザ素子に適用した実施形態の一例であっ
て、図12は本実施形態例の面発光型半導体レーザ素子
の構成を示す斜視図、及び図13は本実施形態例の面発
光型半導体レーザ素子の要部の層構造図である。本実施
形態例の面発光型半導体レーザ素子80は、1.3μm
帯GaInNAsSb/GaNAsを活性層とする面発
光型半導体レーザ素子であって、図12に示すように、
n−GaAs基板82の(100)面基板面上に、膜厚
0.5μmのn−GaAsバッファ層(n=1×1018
cm-3)84、それぞれの層の厚さがλ/4n(λは発
振波長、nは屈折率)のn−GaAs/n−Al0.9 G
a 0.1 Asの30ペアからなる下部DBRミラー86、
膜厚150nmのノンドープGaAs下部クラッド層8
8、量子井戸活性層90、膜厚150nmのノンドープ
GaAs上部クラッド層92、それぞれの層の厚さがλ
/4n(λは発振波長、nは屈折率)のp−Al0.9G
a0.1 As/p−GaAsの25ペアからなる上部DB
Rミラー94、及び膜厚10nmのp−GaAsキャッ
プ層96の積層構造を備えている。
部DBRミラー86の一ペアは、膜厚94nmのn−G
aAsと、膜厚110nmのn−Al0.9 Ga0.1 As
で構成されている。
は、それぞれ、膜厚7nmのGa0.63In0.37N0.009
As0.975 Sb0.016 層、及び膜厚20nmのGaN
0.018 As0.982 層で構成され、井戸数は2である。GaInNAsSb井戸層のエピタキシャル成長条件 チャンバー圧力 :9.5×10-5Torr 成長温度 :460℃ クラッキング後のAsH3 のフラックス:8.5×10-5Torr GaInAsNSbの成長速度 :2.1μm/h N2 のフラックス :6×10-6Torr また、熱処理温度700℃でエピタキシャル成長させた
積層構造に熱処理を10分間施した。
厚110nmのAl0.9Ga0.1 Asと膜厚94nmの
p−GaAsで構成されている。そして、p−上部DB
Rミラー94の最下層は、膜厚110nmのAl0.9G
a0.1 Asに代えて、20nmのAlAs層98と、膜
厚90nmのAl0.9Ga0.1 As層とで構成されてい
て、後述するように、非酸化のAlAs層98からなる
電流注入領域と、電流注入領域以外の領域のAlAs層
98のAlが選択的に酸化されて転化したAl酸化層1
00からなる電流狭窄領域とを構成している。
は、AlAs層98を露出させるように、フォトリソグ
ラフィー処理及びエッチング加工により、溝幅が例えば
50μmの円形溝102が形成され、これにより、中央
部が例えば直径20μmの円形のメサポストに加工され
ている。メサポストの外側からAlAs層98のAlを
選択的に酸化させることにより、直径8μmの未酸化の
AlAs層98からなる電流注入領域と、Al酸化層1
00からなる電流狭窄層とが形成されている。
積層構造上面全面に、SiNX 膜104が保護膜として
成膜されている。また、メサポスト上を除きSiNX 膜
104上には、p−GaAsキャップ層96に接触する
リング状電極がp側電極106として設けられ、更に、
電極引き出し用にTi/Pt/Auパッド108がp側
電極106に接続するように形成されている。基板裏面
を研磨して基板厚さを例えば100μm厚に調整した
後、n−GaAs基板82の裏面にn側電極110が形
成されている。
ことにより、しきい値電流2mA、100℃以上でのC
W発振が得られた。
0nm、波長1250〜1300nm帯の半導体レーザ
素子を例として示したが、N、Sbの量を調整すること
により、波長980nm帯、1480nm帯、1550
nm帯、1650nm帯の半導体レーザ素子及びVCS
ELにも適用できる。
層や高歪GaInNAs井戸層にSbを少量構成元素と
して添加することにより3次元成長を開始する膜厚を大
きくできるので、井戸層の光学特性を向上させることが
できる。また、GaNAsを障壁層とすることにより、
1.3μm以上での低しきい値発振も可能となる。これ
により、発光波長0.9μm〜1.65μm帯の半導体
レーザ素子であって、低しきい値電流密度で、且つ、高
温度特性を有するペルチエフリーのアクセス向け半導体
レーザ素子及び面発光レーザ素子を提供することができ
る。
ャル構造を示す断面図である。
ャル構造を示す断面図である。
s半導体レーザ素子のエピタキシャル構造の断面図であ
る。
断面図である。
As/InGaP−SQWのPL特性のSbフラックス
量依存性を示すグラフである。
とSbフラックス量の関係を示すグラフである。
aAs/InGaP−SQWのPL特性のSbフラック
ス量依存性を示すグラフである。
-7TorrのSbフラックス量及び1×10-6TorrのSbフ
ラックス量で成長させたGaInNAsSbのTEM像
写真の写しである。
度(%)を取っていて、PL強度の波長依存性を示して
いる。
長(μm)を取り、縦軸にPL強度(%)を取ってい
て、障壁層をGaAsとしたときのPL強度の波長及び
熱処理温度依存性を示している。
長(μm)を取り、縦軸にPL強度(%)を取ってい
て、障壁層をGaNAsとしたときのPL強度の波長及
び熱処理温度依存性を示している。
構成を示す斜視図である。
要部の層構造図である。
ル構造 12 n−GaAs(100)面基板 14 膜厚0.5μmのn−GaAs(n=1×1018
cm-3)バッファ層 16 膜厚1.5μmのn−In0.49Ga0.51P(n=
1×1018cm-3)クラッド層 18 膜厚0.1μmのGaAs光閉じ込め層 20 圧縮歪2.82%のGa0.61In0.39As0.9968
Sb0.0032単一量子井戸層を有するSQW活性層 22 膜厚0.1μmのGaAs光閉じ込め層 24 膜厚1.5μmのp−In0.49Ga0.51P(p=
1×1018cm-3)クラッド層 26 膜厚0.3μmのp−GaAs(p=3×1019
cm-3)コンタクト層 30 実施形態例2の半導体レーザ素子のエピタキシャ
ル構造 32 圧縮歪2.81%の圧縮歪2.81%のGa0.61
In0.39As0.9796N 0.0044Sb0.016 単一量子井戸層
を有するSQW活性層 40 発光波長1.2μmの従来の高歪GaInAs半
導体レーザ素子のエピタキシャル構造 42 n−GaAs(100)面基板 44 膜厚0.2μmのn−GaAsバッファ層 46 膜厚1.5μmのn−InGaPクラッド層 48 膜厚0.13μmのGaAs光閉じ込め層 50 GaInAs活性層 52 膜厚0.13μmのGaAs光閉じ込め層 54 膜厚1.5μmのp−InGaPクラッド層 56 膜厚0.35μmのp−GaAsコンタクト層 60 テスト積層構造体 62 n−GaAs(100)面基板 64 膜厚0.2μmのn−GaAs(n=2×1017
cm-3)バッファ層 66 膜厚0.25μmのn−In0.47Ga0.53P(n
=3×1017cm-3)クラッド層 68 膜厚0.13μmのGaAs光閉じ込め層 70 GaIn0.39AsSb/GaAs/InGaP単
一量子井戸活性層 72 膜厚0.13μmのGaAs光閉じ込め層 74 膜厚0.25μmのp−In0.47Ga0.53P(p
=5×1017cm-3)クラッド層 80 実施形態例3の面発光型半導体レーザ素子 82 n−GaAs基板 84 n−GaAsバッファ層 86 n−Al0.5 Ga0.5 As/n−Al0.7 Ga
0.3 Asの30ペアからなる下部DBRミラー 88 GaAs下部クラッド層 90 量子井戸活性層(Ga0.63In0.37N0.009 As
0.975 Sb0.016 井戸層、GaN0.018 As0.982 障壁
層) 92 GaAs上部クラッド層 94 p−Al0.9Ga0.1 As/p−GaAsの25
ペアからなる上部DBRミラー 96 p−GaAsキャップ層 98 AlAs層 100 Al酸化層 102 円形溝 104 保護膜 106 p側電極 108 電極パッド 110 n側電極
Claims (10)
- 【請求項1】 GaAs基板上に、光を発生する活性層
と、光を閉じ込めるクラッド層とを有し、発生した光か
らレーザ光を得る共振器構造を備えて、基板に平行な方
向にレーザ光を放射する端面出射型半導体レーザ素子、
又は基板上に、一対の半導体多層膜反射鏡と、一対の半
導体多層膜反射鏡の間に配置され、光を発生する活性層
とを有し、発生した光からレーザ光を得る共振器構造を
備えて、基板に直交する方向にレーザ光を放射する面発
光型半導体レーザ素子において、 上記活性層が、III 族中のIn組成が30%以上のGa
xIn1-xAs1-ySby井戸層(0.003≦y≦0.0
08)を有する単一又は多重量子井戸構造として形成さ
れていることを特徴とする半導体レーザ素子。 - 【請求項2】 発光波長が1.18μm以上であること
を特徴とする請求項1に記載の半導体レーザ素子。 - 【請求項3】 GaAs基板上に、光を発生する活性層
と、光を閉じ込めるクラッド層とを有し、発生した光か
らレーザ光を得る共振器構造を備えて、基板に平行な方
向にレーザ光を放射する端面出射型半導体レーザ素子、
又は基板上に、一対の半導体多層膜反射鏡と、一対の半
導体多層膜反射鏡の間に配置され、光を発生する活性層
とを有し、発生した光からレーザ光を得る共振器構造を
備えて、基板に直交する方向にレーザ光を放射する面発
光型半導体レーザ素子において、 上記活性層が、III 族中のIn組成が30%以上のGa
xIn1-xAs1-y1-y2Ny1Sby2井戸層(但し、0<y
1<0.03、0.002≦y2≦0.06)を有する
単一又は多重量子井戸構造として形成されていることを
特徴とする半導体レーザ素子。 - 【請求項4】 障壁層が、GaNyAs1-y(0<y<
0.05)層として形成されていることを特徴とする請
求項3に記載の半導体レーザ素子。 - 【請求項5】 GaAs基板上に、光を発生する活性層
と、光を閉じ込めるクラッド層とを有し、発生した光か
らレーザ光を得る共振器構造を備えて、基板に平行な方
向にレーザ光を放射する端面出射型半導体レーザ素子、
又は基板上に、一対の半導体多層膜反射鏡と、一対の半
導体多層膜反射鏡の間に配置され、光を発生する活性層
とを有し、発生した光からレーザ光を得る共振器構造を
備えて、基板に直交する方向にレーザ光を放射する面発
光型半導体レーザ素子において、 上記活性層が、III 族中のIn組成が30%以上のGa
xIn1-xAs1-y1-y2Ny1Sby2井戸層(但し、0<y
1<0.03)を有する単一又は多重量子井戸構造とし
て形成され、 障壁層が、GaNyAs1-y(0<y<0.05)層とし
て形成されていることを特徴とする半導体レーザ素子。 - 【請求項6】 発光波長が1.24μm以上であること
を特徴とする請求項3から5のうちのいずれか1項に記
載の半導体レーザ素子。 - 【請求項7】 III 族中のIn組成が30%以上のGa
xIn1-xAs1-ySby井戸層(但し、0.003≦y≦
0.008)を有する単一又は多重量子井戸構造の活性
層を備える半導体レーザ素子の作製方法であって、 各化合物半導体層を分子線エピタキシー法によりエピタ
キシャル成長させて、共振器構造を構成する化合物半導
体層の積層構造を形成することを特徴とする半導体レー
ザ素子の作製方法。 - 【請求項8】 III 族中のIn組成が30%以上のGa
xIn1-xAs1-y1-y 2Ny1Sby2井戸層(但し、y1<
0.03、0.002≦y2≦0.06)を有する単一
又は多重量子井戸構造の活性層を備える半導体レーザ素
子の作製方法であって、 各化合物半導体層を分子線エピタキシー法によりエピタ
キシャル成長させて、共振器構造を構成する化合物半導
体層の積層構造を形成することを特徴とする半導体レー
ザ素子の作製方法。 - 【請求項9】 III 族中のIn組成が30%以上のGa
xIn1-xAs1-y1-y 2Ny1Sby2井戸層(但し、y1<
0.03、0.002≦y2≦0.06)及びGaAs
障壁層を有する単一又は多重量子井戸構造の活性層を備
える半導体レーザ素子の作製方法であって、 共振器構造を構成する化合物半導体層の積層構造を形成
した後、GaxIn1-xAs1-y1-y2Ny1Sby2井戸層の
y1が、0<y1<0.007のとき、積層構造に57
0℃以上630℃以下の範囲の温度で熱処理を施し、
0.007≦y1<0.03のとき、積層構造に670
℃以上730℃以下の範囲の温度で熱処理を施すことを
特徴とする半導体レーザ素子の作製方法。 - 【請求項10】 III 族中のIn組成が30%以上のG
axIn1-xAs1-y1 -y2Ny1Sby2井戸層(但し、y1
<0.03、0.002≦y2≦0.06)及びGaN
yAs1-y(0<y<0.05)障壁層を有する単一又は
多重量子井戸構造の活性層を備える半導体レーザ素子の
作製方法であって、 共振器構造を構成する化合物半導体層の積層構造を形成
した後、積層構造に675℃以上725℃以下の範囲の
温度で熱処理を施すことを特徴とする半導体レーザ素子
の作製方法。
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