JP2004179640A - 半導体レーザおよび光送信用モジュールおよび光通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】 酸化狭窄構造を有する半導体レーザにおいて、素子の劣化を防止し、信頼性を向上させる。
【解決手段】 ＧａＡｓ基板上に成長し、量子井戸活性層と、Ａｌ_{（１−ｘ）}Ｇａ_ｘＡｓ（０≦ｘ＜１）からなる層を選択酸化により酸化狭窄層として電流を狭窄する構造とを有する半導体レーザにおいて、前記酸化狭窄層の上下に隣接して、圧縮歪を有しＩｎ原子を含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層からなる歪補償層を有している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、酸化狭窄構造を有する半導体レーザおよび光送信用モジュールおよび光通信システムに関する。

面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）は、端面発光型半導体レーザに比べて、製造コストが低く、アレイによる集積化が容易なこと等の多くの利点を有していることから、光通信，光インターコネクション，光記録などの多くの分野で用いられることが期待されている。

このような面発光型半導体レーザの中で、しきい電流値，消費電力等、レーザ特性の観点から最も有望視されているものに、選択酸化型ＶＣＳＥＬと呼ばれるものがある。これは、結晶成長の際にＡｌＡｓ層（あるいはＡｌ組成が極めて１に近いＡｌＧａＡｓ層）を分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）の一部として成長し、このＡｌＡｓ層を選択酸化することで電流狭窄構造をＶＣＳＥＬ構造の中に作りこんだものである。選択酸化型ＶＣＳＥＬは、結晶成長後にＡｌＡｓあるいはＡｌＧａＡｓの選択酸化プロセスを用いて電流狭窄構造を作りこむので、インプラ型で電流狭窄構造を作製した場合に発生しやすい活性層に与えるダメージの心配はない。

例えば酸化されずに残ったＡｌＡｓの開口部（アパーチャ）の径が数μｍ程度である場合、面発光型半導体レーザに両面の電極を通して電流を注入すると、注入された電流は、酸化されなかったメサ形状の中心数μｍだけに狭窄され、低しきい電流値を示すなど、選択酸化型ＶＣＳＥＬは優れたレーザ特性を有している。

しかしながら、ＶＣＳＥＬに限らず、選択酸化型の半導体レーザを作製した場合、連続動作中にしきい電流値の上昇などの劣化が見られることがある。例えば特許文献１においては、アパーチャのエッジ部すなわちＡｌＡｓの酸化部分と非酸化部分の境界部周辺で歪が集中し、その歪が活性層に対して悪影響を与えるとされている。また、例えば非特許文献１での報告によると、劣化した選択酸化型ＶＣＳＥＬ素子のＴＥＭによる観察の結果、ＶＣＳＥＬにおける酸化狭窄層から活性領域にかけてはその内部に多数の転位が確認されている。この非特許文献１の報告においては、選択酸化により酸化狭窄を行なう場合、ＡｌＡｓからＡｌ_ｘＯへと酸化される時に体積の大きな収縮が起き、この体積収縮が大きな歪を結晶に引き起こし、転位の発生する要因の一つとなるのではないかと考察されている。以上のような従来からの報告から、選択酸化型の半導体レーザにおいては、レーザー駆動中に酸化狭窄層の歪により活性層を含む活性領域において転位などの欠陥が生じ、増殖する危険性は非常に高いと考えられる。

また、混晶半導体を活性層として用いる際には、歪を有する量子井戸構造を用いることで特性の向上を図ることがある。そのような歪活性層は格子緩和などで転位などの欠陥が入りやすく、良質な活性層を得ることが困難であり、このような欠陥や転位が酸化層の歪による転位と共に素子の劣化を引き起こす要因となる。

以上のような理由により、酸化狭窄層による歪の影響で転移などの欠陥が増殖しやすいため、選択酸化型レーザの連続駆動の際に転位の増殖を促進したりすることで欠陥が増殖し、劣化のスピードが上昇しやすいと考えられる。
特開２０００−２２２０４号公報 ＣＬＥＯ（Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｌａｓｅｒ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃｓ） ２００２ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｄｉｇｅｓｔ （ＣＴｈＡ４， ｐ４３７）

本発明は、酸化狭窄構造を有する半導体レーザにおいて、素子の劣化を防止し、信頼性を向上させることの可能な半導体レーザおよび光送信用モジュールおよび光通信システムを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、ＧａＡｓ基板上に成長し、量子井戸活性層と、Ａｌ_{（１−ｘ）}Ｇａ_ｘＡｓ（０≦ｘ＜１）からなる層を選択酸化により酸化狭窄層として電流を狭窄する構造とを有する半導体レーザにおいて、前記酸化狭窄層の上下に隣接して、圧縮歪を有しＩｎ原子を含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層からなる歪補償層を有していることを特徴としている。

また、請求項２記載の発明は、ＧａＡｓ基板上に成長し、量子井戸活性層と、Ａｌ_{（１−ｘ）}Ｇａ_ｘＡｓ（０≦ｘ＜１）からなる層を選択酸化により酸化狭窄層として電流を狭窄する構造とを有する半導体レーザにおいて、前記酸化狭窄層と活性層との間にＩｎ原子を含む歪を有する層が設けられていることを特徴としている。

また、請求項３記載の発明は、ＧａＡｓ基板上に成長し、量子井戸活性層と、Ａｌ_{（１−ｘ）}Ｇａ_ｘＡｓ（０≦ｘ＜１）からなる層を選択酸化により酸化狭窄層として電流を狭窄する構造とを有する半導体レーザにおいて、前記酸化狭窄層の上下に隣接して、圧縮歪を有しＩｎ原子を含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層からなる歪補償層を有し、かつ、前記酸化狭窄層と活性層との間に、Ｉｎ原子を含む歪を有する層が設けられていることを特徴としている。

また、請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の半導体レーザにおいて、量子井戸活性層はＧａＡｓ基板に対して歪を有していることを特徴としている。

また、請求項５記載の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の半導体レーザにおいて、量子井戸活性層に隣接してＩｎ原子を含む層が設けられていることを特徴としている。

また、請求項６記載の発明は、請求項５記載の半導体レーザにおいて、量子井戸活性層に隣接して設けられているＩｎ原子を含む層は、歪を有する活性層に対しての歪補償層であることを特徴としている。

また、請求項７記載の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の半導体レーザにおいて、量子井戸活性層は、Ｎとその他のＶ族元素を含む混晶半導体であることを特徴としている。

また、請求項８記載の発明は、請求項７記載の半導体レーザにおいて、活性層はＧａＩｎＮＡｓであることを特徴としている。

また、請求項９記載の発明は、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の半導体レーザにおいて、該半導体レーザは、面発光型の半導体レーザであることを特徴としている。

また、請求項１０記載の発明は、ＧａＡｓ基板上に成長し、量子井戸活性層と、Ａｌ_{（１−ｘ）}Ｇａ_ｘＡｓ（０≦ｘ＜１）からなる層を選択酸化により酸化狭窄層として電流を狭窄する構造とを有し、前記酸化狭窄層と活性層との間にＩｎ原子を含む歪を有する層が設けられている面発光型の半導体レーザであって、前記Ｉｎ原子を含む歪を有する層は、ＤＢＲ（分布ブラッグ反射鏡）の一部であることを特徴としている。

また、請求項１１記載の発明は、面発光型の半導体レーザを用いた光送信用モジュールにおいて、光送信用光源として請求項９または請求項１０に記載の半導体レーザを用いたことを特徴とする光送信用モジュールである。

また、請求項１２記載の発明は、面発光型の半導体レーザを用いた光通信システムにおいて、光送信用モジュールとして請求項１１記載の光送信用モジュールを用いたことを特徴とする光通信システムである。

請求項１記載の発明によれば、ＧａＡｓ基板上に成長し、量子井戸活性層と、Ａｌ_{（１−ｘ）}Ｇａ_ｘＡｓ（０≦ｘ＜１）からなる層を選択酸化により酸化狭窄層として電流を狭窄する構造とを有する半導体レーザにおいて、前記酸化狭窄層の上下に隣接して、圧縮歪を有しＩｎ原子を含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層からなる歪補償層を有しているので、酸化狭窄層の応力を緩和して欠陥の発生を低減し、かつ酸化狭窄層近傍で欠陥が発生した場合にも、欠陥の移動，増殖を妨げる効果が得られ、高信頼性の半導体レーザを得ることができる。

また、請求項２記載の発明によれば、ＧａＡｓ基板上に成長し、量子井戸活性層と、Ａｌ_{（１−ｘ）}Ｇａ_ｘＡｓ（０≦ｘ＜１）からなる層を選択酸化により酸化狭窄層として電流を狭窄する構造とを有する半導体レーザにおいて、前記酸化狭窄層と活性層との間に、Ｉｎ原子を含む歪を有する層が設けられているので、酸化狭窄層近傍で欠陥，転位が発生した場合にも、活性層側への伝播を妨げる効果が得られ、高信頼性の半導体レーザを得る事ができる。

また、請求項３記載の発明によれば、ＧａＡｓ基板上に成長し、量子井戸活性層と、Ａｌ_{（１−ｘ）}Ｇａ_ｘＡｓ（０≦ｘ＜１）からなる層を選択酸化により酸化狭窄層として電流を狭窄する構造とを有する半導体レーザにおいて、前記酸化狭窄層の上下に隣接して、圧縮歪を有しＩｎ原子を含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層からなる歪補償層を有し、かつ前記酸化狭窄層と活性層との間に、Ｉｎ原子を含む歪を有する層が設けられているので、酸化狭窄層の応力を緩和して欠陥の発生を低減し、かつ酸化狭窄層近傍で欠陥が発生した場合にも、欠陥の移動，増殖を妨げる効果が得られ、かつ酸化狭窄層近傍で欠陥，転位が発生した場合にも活性層側への伝播を妨げる効果がより一層大きく得られ、高信頼性の半導体レーザを得る事ができる。

また、請求項４記載の発明では、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の半導体レーザにおいて、量子井戸活性層はＧａＡｓ基板に対して歪を有しているので、酸化狭窄層の応力の影響を受けやすい量子井戸活性層に対して酸化狭窄層の応力を緩和して欠陥の発生を低減し、かつ酸化狭窄層近傍で欠陥が発生した場合にも欠陥の移動，増殖を妨げる効果が得られ、高信頼性の半導体レーザを得ることができる。

また、請求項５記載の発明では、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の半導体レーザにおいて、量子井戸活性層に隣接してＩｎ原子を含む層が設けられているので、Ｉｎを含む層によって、量子井戸において転位，欠陥が移動増殖するのを妨げる働きを得ることができ、高信頼性の半導体レーザを得ることができる。

また、請求項６記載の発明では、請求項５記載の半導体レーザにおいて、量子井戸活性層に隣接して設けられているＩｎ原子を含む層は、歪を有する活性層に対しての歪補償層であるので、より一層、転位や欠陥の移動，増殖を妨げる働きがあり、さらには活性層近傍のトータルの歪が低減されることで、活性層を含む領域全体として転位や欠陥の発生を低減できて、高信頼性の半導体レーザを得ることができる。

また、請求項７記載の発明では、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の半導体レーザにおいて、量子井戸活性層は、Ｎとその他のＶ族元素を含む混晶半導体であるので、光通信に好適な１．３μｍ帯で発振する活性層に対して、酸化狭窄層の応力を緩和して欠陥の発生を低減し、かつ酸化狭窄層近傍で欠陥が発生した場合にも欠陥の移動，増殖を妨げる効果が得られ、高信頼性の半導体レーザを得ることができる。

また、請求項８記載の発明では、請求項７記載の半導体レーザにおいて、活性層はＧａＩｎＮＡｓであるので、光通信用光源として好適な波長で発振し、高信頼性の半導体レーザを得ることができる。

また、請求項９記載の発明では、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の半導体レーザにおいて、該半導体レーザは面発光型半導体レーザであるので、安価でかつ小型の高信頼性の半導体レーザを得ることができる。

また、請求項１０記載の発明によれば、ＧａＡｓ基板上に成長し、量子井戸活性層と、Ａｌ_{（１−ｘ）}Ｇａ_ｘＡｓ（０≦ｘ＜１）からなる層を選択酸化により酸化狭窄層として電流を狭窄する構造とを有し、前記酸化狭窄層と活性層との間にＩｎ原子を含む歪を有する層が設けられている面発光型の半導体レーザであって、前記Ｉｎ原子を含む歪を有する層は、ＤＢＲ（分布ブラッグ反射鏡）の一部であるので、Ｉｎ原子を含む歪を有する層をより厚く設けることが可能になり、酸化狭窄層近傍で欠陥，転位が発生した場合にも、活性層側への伝播を妨げる効果がより一層大きく得られ、高信頼性の半導体レーザを得る事ができる。

また、請求項１１記載の発明によれば、面発光型の半導体レーザを用いた光送信用モジュールにおいて、光送信用光源として請求項９または請求項１０に記載の半導体レーザを用いたことにより、安価な高信頼性の光通信モジュールを得ることができる。

また、請求項１２記載の発明によれば、面発光型の半導体レーザを用いた光通信システムにおいて、光送信用モジュールとして請求項１１に記載の光送信用モジュールを用いたことにより、安価な高信頼性の光通信システムを構築することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１は本発明に係る半導体レーザの一構成例を示す図である。図１の半導体レーザは、端面発光型半導体レーザとなっており、基板側から、ｎ−ＧａＡｓ基板、ｎ−Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓクラッド層（厚さ２μｍ）、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓガイド層（厚さ１００ｎｍ）、ＧａＡｓ ＤＱＷ量子井戸活性層（厚さ８ｎｍ×２）、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓガイド層（厚さ１００ｎｍ）、ｐ−ＧａＩｎＰ層（厚さ１００ｎｍ）、Ａｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓ酸化狭窄層（厚さ２０ｎｍ）、ｐ−ＧａＩｎＰ層（厚さ１００ｎｍ）、ｐ−Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓクラッド層（厚さ２μｍ）、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層（厚さ０．１μｍ）からなっている。

ここで、酸化狭窄層は、Ａｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓを酸化することによって電流狭窄構造として形成されている。また、基板の裏面と上部コンタクト層上には、それぞれ対応する電極（ｎ−電極，ｐ−電極）が設けられている。また、ＧａＩｎＰは、圧縮歪を有するように（例えば＋５００ｐｐｍ）組成が調整されている。ここでは、Ｉｎを含む圧縮歪を有する層としてＧａＩｎＰを用いているが、Ｉｎを含む圧縮歪を有する層であれば、その材料はＧａＩｎＰに限定されない。例えば、ＧａＩｎＡｓＰ，ＡｌＩｎＡｓ，ＡｌＧａＩｎＡｓ，ＩｎＧａＡｓなどの材料を用い、適度な圧縮歪で酸化狭窄層の歪を補償できる層であれば利用できる。

図１の構成例では、電流は狭窄構造によって活性層に注入され、発生した光が端面で反射されながら注入領域のガイド層内を往復し光が増幅されることでレーザ発振を得る。

図１の半導体レーザの作製工程は以下の様になる。まず、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により、ｎ型ＧａＡｓ基板上にｎ−Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓクラッド層を成長する。有機金属材料としては、例えば、トリメチルガリウム（ＴＭＧ），トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ），トリメチルインジウム（ＴＭＩ）などを用いる。また、ｎ型とするためには、Ｈ_２Ｓｅを導入し、Ｓｅをドーピングするようにし、また、ｐ型とするためには、ジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）を用いてＺｎをドーピングするようにした。有機金属原料は、基板上に導入され、Ｖ族原料、例えばＡｓＨ_３，ＰＨ_３などとともに基板近傍で熱分解等の手段で分解され、基板上に目的の半導体をエピタキシャル成長させることができる。クラッドの成長後は、順次、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓガイド層、ＧａＡｓ ＤＱＷ量子井戸活性層、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓガイド層、ｐ−ＧａＩｎＰ層、Ａｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓ酸化狭窄層、ｐ−ＧａＩｎＰ層、ｐ−Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓクラッド層、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層をエピタキシャル成長で形成する。

基板の成長後、酸化狭窄を行なうために、リッジ状に基板をエッチングする。この時、エッチングは、例えば反応性プラズマエッチングなどにより、酸化層より下の部分まで行なうようにする。その後、水蒸気中，４００℃で酸化を行ない、電流狭窄構造を形成する。酸化狭窄の終了後、上下の電極を形成して、図１のレーザ構造を作製できる。

ここで、Ａｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓ酸化狭窄層は、その上下をＧａＩｎＰ層によって挟まれる構造を取っている。通常、選択酸化によってＡｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓが酸化されると、その体積は大きく収縮して歪を生じ、その歪の影響で、周囲に転位などの欠陥が発生しやすく、またその欠陥が伝播しやすくなっている。仮に欠陥，転位が移動し、増殖すると、非発光再結合を引き起こし、しきい電流が上昇し、最終的にはレーザー駆動が不可能になってしまう恐れがある。図１の構成例では、圧縮歪（例えば＋５００ｐｐｍ）を持つＧａＩｎＰ歪補償層がＡｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓ酸化狭窄層の上下にあることで、酸化狭窄層の応力をある程度緩和し、かつ酸化狭窄層の近傍で欠陥が発生した場合にも、欠陥の移動，増殖を妨げる効果を得ている。

転位などの欠陥の増殖を抑えるための方法の１つとして、Ｉｎを含む層を用いる方法が一般に知られている。メカニズムは完全には理解されていないが、一般的にはＩｎは原子半径が大きいため結晶の内部を欠陥が運動する際の抵抗になり、欠陥の移動を抑える働きがあると考えられている。また、歪補償層は、酸化膜が引っ張り応力を有するのに対して逆の圧縮応力を有していることで、界面において大きな格子の歪を有することになる。このような歪場は転位や欠陥の移動に際しては大きな抵抗になることが知られており、転位，欠陥の増殖や移動を妨げる効果を有する。当然、歪補償によりＧａＩｎＰ層と酸化層でのトータルの歪は軽減されるため周辺への歪の影響は軽減される。よって例えば活性層への歪の影響で転位が発生するのを防止する効果がある。

以上のように、圧縮歪を持つＧａＩｎＰ歪補償層がＡｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓ酸化狭窄層の上下にあることで、酸化狭窄層の応力を緩和して欠陥の発生を低減し、かつ酸化狭窄層近傍で欠陥が発生した場合にも欠陥の移動，増殖を妨げる効果がある。

図２は図１の半導体レーザの変形例を示す図である。図２の半導体レーザは、基板側から、ｎ−ＧａＡｓ基板、ｎ−ＧａＩｎＰクラッド層（厚さ２μｍ）、ＧａＡｓガイド層（厚さ１００ｎｍ）、Ｉｎ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ ＤＱＷ量子井戸活性層（厚さ８ｎｍ×２）、ＧａＡｓガイド層（厚さ１００ｎｍ）、ｐ−ＧａＩｎＰ層（厚さ１００ｎｍ）、Ａｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓ酸化狭窄層（厚さ２０ｎｍ）、ｐ−ＧａＩｎＰ層（厚さ２μｍ）、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層（厚さ０．１μｍ）からなっている。

ここで、酸化狭窄層は、Ａｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓを酸化することによって電流狭窄構造として形成されている。また、基板の裏面と上部コンタクト層上には、それぞれ対応する電極（ｎ−電極，ｐ−電極）が設けられている。また、ＧａＩｎＰは、圧縮歪を有するように（例えば＋５００ｐｐｍ）組成が調整されている。

図２の例では、活性層として、ＧａＡｓに対して圧縮歪を有するＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層を用いている。このような圧縮歪を有する形で活性層として利用する材料においては、その歪のためにレーザ駆動時に欠陥が入りやすく劣化しやすいという傾向がある。そのため、通常の歪の無い活性層に比較すると、酸化狭窄層の歪による影響で劣化が生じやすいといえる。

よって、この図２の例のように圧縮歪を持つＧａＩｎＰ歪補償層がＡｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓ酸化狭窄層の上下にあることで、歪を有する活性層に対して酸化狭窄層の歪が及ぼす悪影響を低減することができ、レーザの信頼性を向上させることができる。

図８は図２の半導体レーザの変形例を示す図である。図８の半導体レーザは、図２の半導体レーザと、活性層および酸化狭窄層などの構成は同一であるが、圧縮歪（＋５００ｐｐｍ）を有するＧａＩｎＰ層（厚さ１０ｎｍ）の位置が活性層と酸化狭窄層との間にある点が図２の半導体レーザと異なっている。このＧａＩｎＰ層は、ＧａＡｓに対して歪を有しているため歪場を形成し、なおかつ、Ｉｎ原子を含んでいるため転位や欠陥の伝播を妨げる効果をもつ。そのため、酸化狭窄層の歪により、その近傍に発生する転移や欠陥が活性層側へ移動して悪影響を及ぼすことを妨げる効果がある。

なお、図２の例では、Ｉｎを含み歪を有する層としてＧａＩｎＰを用いているが、本発明はＧａＩｎＰに限定されるものではない。例えば、ＧａＩｎＮＡｓやＧａＩｎＮＡｓＰ，ＩｎＧａＡｓなどの層を組成を調整することで歪を調整し、活性層よりもワイドギャップになるようにすれば、吸収の問題も無く、容易に用いることができる。よって、図８のようにＩｎを含み歪を有する層を活性層と酸化狭窄層との間に入れることで、酸化狭窄層の歪によりその近傍に発生する転移や欠陥が活性層側へ移動して及ぼす悪影響を低減でき、レーザの信頼性の向上を図れる。

また、図９は図８の半導体レーザの変形例を示す図である。図９の半導体レーザは、図８の半導体レーザと基本的な構成はまったく同じであるが、ＧａＩｎＰ層を２層にしている点で相違している。図９の半導体レーザでは、転位や欠陥の移動を妨げる層が２層になることで、より一層の効果を見込めるため、好ましいと考えられる。

また、図１０は図８の半導体レーザの変形例を示す図である。図１０の半導体レーザは、図８の半導体レーザに対して、さらに図２の半導体レーザのように酸化狭窄層に隣接して圧縮歪を有するＧａＩｎＰ層が歪補償層として設けられていることを特徴としている。

このように圧縮歪を持つＧａＩｎＰ歪補償層がＡｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓ酸化狭窄層の上下にあり、かつ歪を有するＩｎを含む層が活性層と酸化狭窄層との間に設けられることで、歪を有する活性層に対して酸化狭窄層の歪が及ぼす悪影響を低減することができ、かつ酸化狭窄層の歪によりその近傍に発生する転位や欠陥の活性層側への伝播を妨げることができ、レーザの信頼性を向上させることができる。

図３は図２の半導体レーザの変形例を示す図である。図３の半導体レーザは、基板側から、ｎ−ＧａＡｓ基板、ｎ−ＧａＩｎＰクラッド層（厚さ２μｍ）、ＧａＡｓガイド層（厚さ１００ｎｍ）、Ｇａ_０．９７Ｉｎ_０．０３Ａｓ_０．８Ｐ_０．２層（厚さ１０ｎｍ）、Ｇａ_０．９７Ｉｎ_０．０３Ａｓ_０．８Ｐ_０．２層（厚さ１５ｎｍ）をバリア層としたＩｎ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ ＤＱＷ量子井戸活性層（厚さ８ｎｍ×２）、Ｇａ_０．９７Ｉｎ_０．０３Ａｓ_０．８Ｐ_０．２層（厚さ１０ｎｍ）、ＧａＡｓガイド層（厚さ１００ｎｍ）、ｐ−ＧａＩｎＰ層（厚さ１００ｎｍ）、Ａｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓ酸化狭窄層（厚さ２０ｎｍ）、ｐ−ＧａＩｎＰ層（厚さ２μｍ）、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層（厚さ０．１μｍ）からなっている。

図３の例では、Ｇａ_０．９７Ｉｎ_０．０３Ａｓ_０．８Ｐ_０．２層（歪−０．５％）を活性層に隣接させ、歪補償層として利用している。量子井戸活性層に隣接したＩｎ原子を含む層を設けることで、Ｉｎを含むことにより、量子井戸において転位，欠陥が移動増殖するのを妨げる働きを得ることができる。

また、Ｇａ_０．９７Ｉｎ_０．０３Ａｓ_０．８Ｐ_０．２層が活性層の圧縮歪に対して引っ張り歪を有するため、その界面での格子の歪が転移や欠陥の運動を妨げる働きを有し、より一層、転位や欠陥の移動，増殖を妨げる働きがある。さらには、活性層近傍のトータルの歪が低減されることで、活性層を含む領域全体として転位や欠陥の発生を低減する効果も期待できる。

また、図１１は図３の半導体レーザの変形例を示す図である。図１１の半導体レーザの構成は、図３の半導体レーザとほとんど同じであるが、酸化層と活性層との間に圧縮歪（５００ｐｐｍ）を有するＧａＩｎＰが１０ｎｍの厚さで設けられている点で相違している。

図１１の半導体レーザでは、図３の例の効果に加えて、歪を有するＩｎを含む層が活性層と酸化狭窄層との間に設けられることで、歪を有する活性層に対して酸化狭窄層の歪が及ぼす悪影響を低減することができ、かつ酸化狭窄層の歪によりその近傍に発生する転位や欠陥の活性層側への伝播を妨げることができ、レーザの信頼性を向上させることができる。

図４は本発明に係る半導体レーザの他の構成例を示す図である。図４の半導体レーザは、面発光型半導体レーザとなっており、ｎ型ＧａＡｓ基板上に、ｎ型半導体多層膜反射鏡（ｎ−ＤＢＲ）、ＧａＡｓ下部スペーサ層、Ｇａ_０．７Ｉｎ_０．３Ｎ_０．０１Ａｓ_０．９９／ＧａＡｓ ＤＱＷ量子井戸活性層、ＧａＡｓ上部スペーサ層、ＧａＩｎＰ歪補償層、Ａｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓ酸化狭窄層、ＧａＩｎＰ歪補償層、ｐ型半導体多層膜反射鏡（ｐ−ＤＢＲ）が順次形成されている。

ここで、ＧａＩｎＰ歪補償層，Ａｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓ酸化狭窄層，ＧａＩｎＰ歪補償層の３層は、全体で光学長で３／４λとなる低屈折率層として設計されている。この低屈折率層の厚さは、１／４λの奇数倍であれば良く、必ずしも３／４λでなければならないわけではない。Ａｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓ層は例えば３０ｎｍ厚になっている。Ａｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓ層を含む低屈折率層の上部には、１／４λのＧａＡｓ高屈折率層から始まる積層構造を成長し、全体で上部の反射鏡として働くｐ−ＤＢＲが形成される。

図４の面発光型半導体レーザを作製する工程は以下のようになる。まず、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により、ｎ型ＧａＡｓ基板上に、ＧａＡｓとＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓをそれぞれレーザの発振波長に対して光学長が１／４λとなるような厚さで交互に積層（例えば３５周期）して下部ＤＢＲ（ｎ−ＤＢＲ）とし、その上部にＧａＩｎＮＡｓ層からなる量子井戸活性層（厚さ８ｎｍ×２）をＧａＡｓスペーサ層で挟んだ光学長λの共振器構造を成長する。さらにその上に、ＧａＩｎＰ層，Ａｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓ酸化狭窄層，ＧａＩｎＰ層の３層で形成した低屈折率層から始まる上部ＤＢＲ（ｐ−ＤＢＲ）を（例えば２５周期）成長する。ＧａＩｎＰ歪補償層は、ＧａＡｓ基板に対して格子緩和をしない程度に圧縮歪を有するように組成が調整されている。

次に、上記積層構造を反応性イオンエッチングにより活性層下までエッチングし、例えば約５０μｍφのポスト状のメサに加工する。そして、エッチングして表面が露出した側面からＡｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓ層を選択的に酸化し、酸化物による絶縁領域を形成することにより、電流狭窄構造を形成している。電流は、絶縁領域によって例えばおよそ５μｍφの酸化開口領域に集中して活性層に注入される。

また、ｐ−ＤＢＲの表面にはリング状のｐ側電極が形成され、ｎ型ＧａＡｓ基板裏面にはｎ側電極が形成されている。

図４の半導体レーザでは、ＤＱＷ量子井戸活性層で発光した光は、上下の半導体多層膜反射鏡（ＤＢＲ）で反射して増幅され、基板と垂直方向にレーザ光として放射される。

近年、Ｎとその他のＶ族元素を含む混晶半導体が半導体発光素子の材料として注目されている。特にＧａＩｎＮＡｓは、現在の光通信システムで用いられる光ファイバーに対して低損失の波長域である１．３μｍ帯でのレーザ発振が可能であるため盛んに研究開発が行なわれている材料である。ＧａＩｎＮＡｓは、ＧａＡｓＮとＧａＩｎＡｓとの混晶であり、伝導帯準位はＮ組成に対する依存性に大きなボーイングパラメータを有するため、圧縮歪を加えたＧａＩｎＮＡｓはＧａＡｓとの組み合わせでタイプＩ型のヘテロ接合を形成できる。ＧａＩｎＮＡｓとＧａＡｓとの組み合わせで構成する量子井戸活性層においては、伝導帯のバンドギャップ不連続量が大きく、キャリアのオーバーフローが起きにくいため、良好な温度特性を有する半導体発光素子を作ることができる。また、ＧａＩｎＮＡｓは圧縮歪を加えて用いるため、しきい電流の低減および発振波長の長波長化に対しても有利である。そのため、ＧａＩｎＮＡｓはＶＣＳＥＬに用いることで光通信分野での大きなアドバンテージを有すると考えられている。

また、前述のように酸化狭窄型ＶＣＳＥＬは多くの利点を有しており、その構成を利用しつつ、酸化狭窄層の歪による悪影響を低減することは非常に好ましい。

以上のように圧縮歪を持つＧａＩｎＰ歪補償層がＡｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓ酸化狭窄層の上下にあることで酸化狭窄層の応力を緩和して欠陥の発生を低減し、かつ酸化狭窄層近傍で欠陥が発生した場合にも欠陥の移動，増殖を妨げる効果を得たＶＣＳＥＬを作製できる。

図５は図４の半導体レーザの変形例を示す図である。図５の半導体レーザの構成は、図４の半導体レーザとほぼ同じ構成となっているが、図５の半導体レーザでは、Ｇａ_０．７Ｉｎ_０．３Ｎ_０．０１Ａｓ_０．９９ＤＱＷ量子井戸活性層（厚さ８ｎｍ×２）に隣接した層をＧａ_０．９５Ｉｎ_０．０５Ｎ_{０．０１７}Ａｓ_{０．９８３}（歪がほぼ０で、ＧａＡｓに格子整合）としていることを特徴としている。

この構成では、Ｉｎを含むＧａ_０．９５Ｉｎ_０．０５Ｎ_{０．０１７}Ａｓ_{０．９８３}層がＤＱＷ量子井戸活性層に隣接しており、活性層において転位，欠陥が発生し、移動増殖するのを妨げる働きがある。すなわち、図１の例でも述べたとおり、Ｉｎが欠陥の運動を妨げる効果がある。そのため、図４の例の効果に加えて、さらに活性層における転位，欠陥の移動増殖をより妨げる働きがある。このように、図５の例では、図４の例の効果に加えて、量子井戸活性層に隣接したＩｎ原子を含む層を設けることで、Ｉｎを含むことにより、転位，欠陥が移動増殖するのを妨げる働きを得ることができる。

図６は図５の半導体レーザの変形例を示す図である。図６の半導体レーザの構成は、図５の半導体レーザとほぼ同じ構成となっているが、図６の半導体レーザでは、Ｇａ_０．７Ｉｎ_０．３Ｎ_０．０１Ａｓ_０．９９ＤＱＷ量子井戸活性層（厚さ８ｎｍ×２）に隣接した層をＧａ_０．９８Ｉｎ_０．０２Ｎ_{０．０１７}Ａｓ_{０．９８３}（約−０．２％の歪）としていることを特徴としている。

この構成では、Ｉｎを含むＧａ_０．９８Ｉｎ_０．０２Ｎ_{０．０１７}Ａｓ_{０．９８３}層（量子井戸間の障壁層１５ｎｍ、スペーサ層側に１０ｎｍ）がＤＱＷ量子井戸活性層に隣接しており、活性層において転位，欠陥が発生し、移動増殖するのを妨げる働きがある。すなわち、図６の例では、Ｇａ_０．９８Ｉｎ_０．０２Ｎ_{０．０１７}Ａｓ_{０．９８３}層が活性層の圧縮歪に対して引っ張り歪を有するため、その界面での格子の歪が転移や欠陥の運動を妨げる働きを有し、より一層、転位や欠陥の移動，増殖を妨げる働きがある。さらには、活性層近傍のトータルの歪が低減されることで、活性層を含む領域全体として転位や欠陥の発生を低減する効果も期待できる。

よって、図６の例では、図５の例の効果に加えて、量子井戸活性層に隣接したＩｎ原子を含む層として、引っ張り歪を有する活性層に対しての歪補償層を設けることで、Ｉｎを含むことにより、転位，欠陥の移動増殖を妨げる働きと、トータルの歪が低減することによる欠陥発生の低減の効果を得ることができる。

また、図１２は図６の半導体レーザの変形例を示す図である。図１２の半導体レーザは図６の構成とほぼ同じであるが、活性層と酸化狭窄層との間のスペーサ層の部分に厚さ１０ｎｍの圧縮歪を有するＧａＩｎＰ（歪＋５００ｐｐｍ）層が設けられている。なお、図１２の例では、ＧａＩｎＰを用いているが、当然ＧａＩｎＡｓＰなどの他の材料を用いても、歪を有してかつＩｎ原子を含む層であれば転位や欠陥の伝播を妨げる効果を得ることができる。

よって、図１２の半導体レーザでは、図６の例の効果に加えて、歪を有するＩｎを含む層が活性層と酸化狭窄層との間に設けられていることで、酸化狭窄層の歪によりその近傍に発生する転位や欠陥の活性層側への伝播を妨げることができ、レーザの信頼性を向上させることができる。

また、図１３は図１２の半導体レーザの変形例を示す図である。図１３の半導体レーザは、図１２において酸化狭窄層と活性層との間の歪を有するＩｎ原子を含む層として、ＧａＩｎＰ（歪＋５００ｐｐｍ）を１／４λの光学長で形成し、上側のＤＢＲの一部としている。図１３の例では、酸化狭窄層は活性層側から見てＤＢＲの２ペア目に設けられている。例えば１．３μｍ帯の発振波長を有するＶＣＳＥＬにおいては、ＤＢＲの低屈折率層をＧａＩｎＰにした場合、１／４λの光学長はおよそ１００ｎｍ程度になる。よって、このような構成では、歪を有するＩｎ原子を含む層を比較的厚く積むことが容易になり、酸化狭窄層の歪によってその近傍に発生した転位や歪が活性層側に伝播することを防ぐ効果をより高くすることが容易になっている。結果として、レーザの信頼性を大きく向上できる。

また、図１４は図１２の半導体レーザの他の変形例を示す図である。図１４の半導体レーザは、図１２において酸化狭窄層と活性層との間の歪を有するＩｎ原子を含む層としてＩｎＧａＡｓ（Ｉｎ０．２５：歪＋１．８％）を用いている。このＩｎＧａＡｓ層は、厚さ１０ｎｍであり、活性層からみてＤＢＲ１ペア目のＧａＡｓ層の中に設けられている。この活性層から見て１ペア目のＧａＡｓは、光学長が３／４λで設計されており、その下から１／４λの位置にＩｎＧａＡｓ層が設けられている。この位置は、面発光レーザの発振の際、定在波の節の位置になるので、吸収の影響が最小限に抑えられる。また、このＩｎＧａＡｓの組成においては活性層よりもワイドギャップな材料を用いているので、吸収の問題を避けることができている。このような構成では、ＩｎＧａＡｓ以外の材料でもＩｎを含み活性層よりもワイドギャップな材料である程度大きな歪を有するものであればよく、図１４の例の組成に限定されるわけではなく、ＩｎＧａＡｓＰなどでも当然かまわない。

このように活性層よりもワイドギャップの材料であればＤＢＲの一部としてＩｎを含む歪を有する層を設けて酸化狭窄層の歪によってその近傍に発生した転位や歪が活性層側に伝播することを防ぐ効果をより高くすることが可能になっている。結果として、レーザの信頼性を大きく向上できる。

図７は本発明に係る光送受信モジュールの構成例を示す図である。図７の例の光送受信モジュールは、図６の面発光型半導体レーザ素子と、受信用フォトダイオードと、光ファイバーとを組み合わせたものとして構成されている。

本発明による面発光型半導体レーザ素子を光通信システムに用いる場合、面発光型半導体レーザ素子は低コストであるので、図７に示すような送信用の面発光型半導体レーザ素子（例えば１．３μｍ帯ＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子）と、受信用フォトダイオードと、光ファイバーとを組み合わせた光送信モジュールを安価に得られる。

ＧａＩｎＮＡｓを用いた面発光型半導体レーザは、１．３−１．５μｍ帯での発振を得られる素子であり、これらの波長では石英系の光ファイバに対しての損失が少ないなどの理由により、通信用の光源として好適であるとされている。さらには、特に１．３μｍ等の長波長帯で低損失となるフッ素添加ＰＯＦ（プラスチックファイバ）とＧａＩｎＮＡｓを活性層に用いた面発光型半導体レーザとを組み合わせると、ファイバが低コストであること、ファイバの径が大きくてファイバとのカップリングが容易で実装コストを低減できることから、極めて低コストのモジュールを実現できる。また、ＧａＩｎＮＡｓは、その優れた温度特性から、強力な冷却用の構成を必要としない。そのため、冷却用のコストが削減でき、安価な光通信モジュールを得られる。

光通信用光源として考えた場合、面発光型半導体レーザの信頼性は非常に重要である。本発明では、酸化狭窄層の上下に隣接して、圧縮歪を有しＩｎ原子を含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層からなる歪補償層を設け、かつ量子井戸活性層にＩｎ原子を含む引っ張り歪を有する歪補償層を隣接させたことで、高品質，高信頼性の面発光型半導体レーザ素子を製造することがより容易に行なえるようになり、高性能の通信用長波長帯面発光型半導体レーザ素子を実現でき、さらにこれらの素子を用いることで、低コストの光ファイバー通信システム，光インターコネクションシステムなどの光通信システムを実現することができる。

すなわち、本発明の半導体レーザは、ＧａＡｓ基板上に成長し、量子井戸活性層と、Ａｌ_{（１−ｘ）}Ｇａ_ｘＡｓ（０≦ｘ＜１）からなる層を選択酸化により酸化狭窄層として電流を狭窄する構造とを有し、前記酸化狭窄層の上下に隣接して、圧縮歪を有しＩｎ原子を含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層からなる歪補償層を有していることを特徴としている。

ここで、量子井戸活性層はＧａＡｓ基板に対して歪を有している。

また、上記本発明の半導体レーザにおいて、量子井戸活性層に隣接してＩｎ原子を含む層が設けられている。ここで、量子井戸活性層に隣接して設けられているＩｎ原子を含む層は、歪を有する活性層に対しての歪補償層である。

また、上記本発明の半導体レーザにおいて、量子井戸活性層は、例えば、Ｎとその他のＶ族元素を含む混晶半導体とにより構成されている。具体的に、活性層はＧａＩｎＮＡｓである。

また、上記本発明の半導体レーザは、面発光型半導体レーザとして構成されている。

また、本発明の光送信用モジュールは、光送信用光源として上述した本発明の半導体レーザ（面発光型半導体レーザ）を用いたことを特徴としている。

また、本発明の光通信システムは、光送信用モジュールとして、上記本発明の光送信用モジュールを用いたことを特徴としている。

本発明に係る半導体レーザの一構成例を示す図である。 図１の半導体レーザの変形例を示す図である。 図２の半導体レーザの変形例を示す図である。 本発明に係る半導体レーザの他の構成例を示す図である。 図４の半導体レーザの変形例を示す図である。 図５の半導体レーザの変形例を示す図である。 本発明に係る光送受信モジュールの構成例を示す図である。 図２の半導体レーザの変形例を示す図である。 図８の半導体レーザの変形例を示す図である。 図８の半導体レーザの変形例を示す図である。 図３の半導体レーザの変形例を示す図である。 図６の半導体レーザの変形例を示す図である。 図１２の半導体レーザの変形例を示す図である。 図１２の半導体レーザの変形例を示す図である。

Claims (12)

1. ＧａＡｓ基板上に成長し、量子井戸活性層と、Ａｌ_{（１−ｘ）}Ｇａ_ｘＡｓ（０≦ｘ＜１）からなる層を選択酸化により酸化狭窄層として電流を狭窄する構造とを有する半導体レーザにおいて、前記酸化狭窄層の上下に隣接して、圧縮歪を有しＩｎ原子を含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層からなる歪補償層を有していることを特徴とする半導体レーザ。
2. ＧａＡｓ基板上に成長し、量子井戸活性層と、Ａｌ_{（１−ｘ）}Ｇａ_ｘＡｓ（０≦ｘ＜１）からなる層を選択酸化により酸化狭窄層として電流を狭窄する構造とを有する半導体レーザにおいて、前記酸化狭窄層と活性層との間に、Ｉｎ原子を含む歪を有する層が設けられていることを特徴とする半導体レーザ。
3. ＧａＡｓ基板上に成長し、量子井戸活性層と、Ａｌ_{（１−ｘ）}Ｇａ_ｘＡｓ（０≦ｘ＜１）からなる層を選択酸化により酸化狭窄層として電流を狭窄する構造とを有する半導体レーザにおいて、前記酸化狭窄層の上下に隣接して、圧縮歪を有しＩｎ原子を含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層からなる歪補償層を有し、かつ、前記酸化狭窄層と活性層との間に、Ｉｎ原子を含む歪を有する層が設けられていることを特徴とする半導体レーザ。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の半導体レーザにおいて、量子井戸活性層はＧａＡｓ基板に対して歪を有していることを特徴とする半導体レーザ。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の半導体レーザにおいて、量子井戸活性層に隣接してＩｎ原子を含む層が設けられていることを特徴とする半導体レーザ。
6. 請求項５記載の半導体レーザにおいて、量子井戸活性層に隣接して設けられているＩｎ原子を含む層は、歪を有する活性層に対しての歪補償層であることを特徴とする半導体レーザ。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の半導体レーザにおいて、量子井戸活性層は、Ｎとその他のＶ族元素を含む混晶半導体であることを特徴とする半導体レーザ。
8. 請求項７記載の半導体レーザにおいて、活性層はＧａＩｎＮＡｓであることを特徴とする半導体レーザ。
9. 請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の半導体レーザにおいて、該半導体レーザは、面発光型の半導体レーザであることを特徴とする半導体レーザ。
10. ＧａＡｓ基板上に成長し、量子井戸活性層と、Ａｌ_{（１−ｘ）}Ｇａ_ｘＡｓ（０≦ｘ＜１）からなる層を選択酸化により酸化狭窄層として電流を狭窄する構造とを有し、前記酸化狭窄層と活性層との間にＩｎ原子を含む歪を有する層が設けられている面発光型の半導体レーザであって、前記Ｉｎ原子を含む歪を有する層は、ＤＢＲ（分布ブラッグ反射鏡）の一部であることを特徴とする半導体レーザ。
11. 面発光型の半導体レーザを用いた光送信用モジュールにおいて、光送信用光源として請求項９または請求項１０に記載の半導体レーザを用いたことを特徴とする光送信用モジュール。
12. 面発光型の半導体レーザを用いた光通信システムにおいて、光送信用モジュールとして請求項１１記載の光送信用モジュールを用いたことを特徴とする光通信システム。

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