JP2005197755A - 二重障壁層を備える量子井戸構造体を含む半導体素子とそれを採用した半導体レーザ、及びその製造方法 - Google Patents

二重障壁層を備える量子井戸構造体を含む半導体素子とそれを採用した半導体レーザ、及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】二重障壁層を備える量子井戸構造体を含む半導体素子とそれを採用した半導体レーザ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】ＧａＡｓ系の基板１０４と、ＧａＡｓ系の基板上に形成された活性領域１１０、活性領域１１０に隣接して形成された第１障壁層１１６Ａ，１１６Ｂ及び第１障壁層１１６Ａ，１１６Ｂに隣接するように形成された第２障壁層１１８Ａ，１１８Ｂを備える量子井戸構造体と、量子井戸構造体を取り囲むクラッド層１０６Ａ，１０６Ｂ及び活性領域１１０を励起させるための一対の電極１０２，１２６と、を含む半導体レーザである。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体素子に係り、さらに詳細には、複数の障壁層を形成して各層の厚さ及び組成を変更して発振波長を調節できる量子井戸構造を含む半導体素子とそれを採用した半導体レーザ及びその製造方法に関する。
近年、光学はレーザプリンタ、光学イメージ保存、地下光ケーブルシステム、及び光通信を含む広範囲な技術領域で高速データ通信を開発するために活発に研究されてきた。例えば、光通信と関連して、このような開発は、地上の無線電波の送信を行うための大きなアンテナを、光信号の形態で多くの情報量を伝達する通信中継線として地下光ケーブルに置き代えるようになった。
さらに、速く動作しつつもコストが低い通信システムに対する要求が高まるにつれて、光ファイバは、さらに長い波長で光伝送帯域を有するために開発されており、現在１．３μｍないし１．５μｍ以上の範囲を有する波長帯域で使われるように開発されている。光ファイバを利用した高速データ情報の伝送のために情報を光信号に適切に変換させるためには、光ファイバの光伝送帯域と符合する波長を有するレーザ発振信号を確保しなければならない。したがって、相応する波長帯域でこのような変換を行うためのレーザ信号を発振できるようにレーザダイオードを改善するための努力が進められつつある。
このような努力は、低いコスト、最適の素子性能を向上させると同時に、サイズの縮小、熱の発生及び電力消耗を減少させつつ製造できるように素子を変調するために各層の内部組成及び多様な界面を変更することを含む。このような努力の一環として、低いコストと光ファイバとの結合の容易性に起因して、高いデータリンクを行うためのトランスミッタで非常に重要な役割を果たしたガリウム砒素（ＧａＡｓ）系の垂直共振器表面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）ダイオードを開発した。
また、このようなＧａＡｓ系のＶＣＳＥＬに窒素を添加することによって長波長のレーザ発振を具現できるという研究の結果が、非特許文献１に開示された。
ＩｎＧａＡｓ物質に少量の窒素を添加することによって長波長を実現したＫｏｎｄｏｗの研究論文の発表後、ＭＡＮ（Ｍｅｔｒｏ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ：メトロ（都市圏）ネットワーク）で使われる光通信部品の必要性でＧａＩｎＮＡｓを利用した１．３μｍ波長帯の半導体レーザの開発が活発になった。しかし、ＧａＡｓを障壁として使用し、ＧａＩｎＮＡｓを量子井戸層として使用する場合の最も一般的な問題点は、量子井戸構造内での窒素濃度の上昇によって発振波長が長波長帯域に移動するが、これにより、光特性が急に低下するということである。したがって、このようなＧａＡｓ／ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸構造では、事実上１．２５μｍ波長領域でも発光効率が優秀な量子井戸を得ることができなくなる。
前述した問題を解決するための方案の一つであって、従来のＧａＡｓよりなる量子井戸障壁をＧａＮＡｓとして使用するＧａＮＡｓ／ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸構造の半導体レーザが非特許文献２に開示された。Ｈａｒｒｉｓによって発表された半導体レーザは、ＧａＮＡｓを障壁として使用することによって量子井戸とのエネルギーギャップを減らして、量子井戸から発生する発振波長がさらに長波長に移動することができた。このような構造では、ＧａＮＡｓが厚くなるほどＧａＩｎＮＡｓよりなる量子井戸の発振波長が長波長帯域に移動される。
しかし、量子井戸障壁をＧａＮＡｓより構成することも、ＧａＮＡｓ／ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸構造と同様に、窒素濃度が向上するか、または厚くなるほど結晶品質が急に低下する問題点を生ずる。
最近、このような問題点を解決するために、引張応力を有するＧａＰを障壁として導入した１．３μｍ波長帯域のレーザを発振させうる半導体レーザが非特許文献３に開示された。
III族半導体材料をＧａＡｓ半導体基板上に成長させる時、Ａｓ／Ｐによってバンドギャップを調節するだけでなく、応力を容易に調節できる。しかし、金属有機化学蒸着法（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）で同じ反応槽を利用してＡｓソースとＰソースとを共に使用することによって、反応槽の内部が容易に汚染され、再現性を確保し難くなる。
Ｍ．Ｋｏｎｄｏｗら、「ＧａＩｎＮＡｓ：Ａ Ｎｏｖｅｌ Ｍａｔｅｒｉａｌ ｆｏｒ Ｌｏｎｇ−Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ−Ｒａｎｇｅ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅｓ ｗｉｔｈ Ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ Ｈｉｇｈ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ」、「Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．」、１９９６年２月２８日、第３５巻、第１部、第２Ｂ号、ｐ．１２７３〜１２７５ Ｊ．Ｈａｒｒｉｓら、「Ｌｏｎｇ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ＧａＩｎＮａＡｓ ｒｉｄｇｅ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｌａｓｅｒｓ ｗｉｔｈ ＧａＮＡｓ ｂａｒｒｉｅｒｓ」、「ＩＥＥＥ ＬＥＯＳ２００１ Ａｎｎｕａｌ ｍｅｅｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ」、ｐ．１２〜１３ Ｎ．Ｔａｎｓｕら、「Ｈｉｇｈ−ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ ｈｉｇｈ−ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ−ｗａｖｅ−ｏｐｅｒａｔｉｏｎ １３００ｎｍ ＩｎＧａＡｓＮ ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ ｌａｓｅｒｓ ｂｙ ｏｒｇａｎｏｍｅｔａｌｌｉｃ ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔａｘｙ」、「ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ」、（米国）、第８３巻、第１号
本発明が解決しようとする目的は、１．３μｍ以上の長波長を発振させうる量子井戸構造体を有する半導体素子及びその製造方法を提供することである。
本発明が解決しようとする他の目的は、１．３μｍ以上の長波長を発振させうる垂直共振器型表面発光レーザ及びその製造方法を提供することである。
本発明が解決しようとするさらに他の目的は、１．３μｍ以上の長波長を発振させうる側面発光半導体レーザ及びその製造方法を提供することである。
上記目的を解決するための本発明の一類型によれば、ＧａＡｓ系の基板と、ＧａＡｓ系の基板上に形成され、活性構造、活性構造に隣接した第１障壁層、及び第１障壁層に隣接した第２障壁層を備える量子井戸構造体と、を含む半導体素子が提供される。
本発明の他の類型によれば、側面発光半導体レーザにおいて、ＧａＡｓ系の基板と、ＧａＡｓ系の基板上に形成された活性構造、活性構造に隣接して形成された第１障壁層、及び第１障壁層に隣接するように形成された第２障壁層を備える量子井戸構造体と、量子井戸構造体を取り囲むクラッド層及びクラッド層に電気的に連結された一対の電極と、を含む半導体レーザが提供される。
本発明のさらに他の類型によれば、ＶＣＳＥＬにおいて、ＧａＡｓ系の基板と、ＧａＡｓ系の基板上に形成された第１ＤＢＲ（分布ブラッグ反射）領域と、第１ＤＢＲ領域上に形成された活性構造、活性構造に隣接して形成された第１障壁層及び第１障壁層に隣接するように形成された第２障壁層を備える量子井戸構造体と、量子井戸構造体上に形成された第２ＤＢＲ領域と、第１及び第２ＤＢＲ領域に電気的に連結された一対の電極と、を含む半導体レーザが提供される。
本発明のさらに他の類型によれば、ＧａＡｓ系の基板を提供する段階と、ＧａＡｓ系の基板上に第２下部障壁層を形成する段階と、第２下部障壁層上に第１下部障壁層を形成する段階と、第１下部障壁層上に量子井戸構造体を形成する段階と、量子井戸構造体上に第１上部障壁層を形成する段階と、第１上部障壁層上に第２上部障壁層を形成する段階と、を含む半導体素子の製造方法が提供される。
本発明のさらに他の類型によれば、ＧａＡｓ系の基板と、前記ＧａＡｓ系の基板上に形成された下部クラッド領域及び前記ＧａＡｓ系の基板に結合されたｎ型電極と、を備える側面発光半導体レーザを製造する方法において、下部クラッティング領域上に第２下部障壁層を形成する段階と、第２下部障壁層上に第１下部障壁層を形成する段階と、第１下部障壁層上に量子井戸構造体を形成する段階と、量子井戸構造体上に第１上部障壁層を形成する段階と、第１上部障壁層上に第２上部障壁層を形成する段階と、第２上部障壁層上に上部クラッド、コンタクト層、及びｐ型電極を順次に形成する段階と、を含む半導体レーザを形成する方法が提供される。
本発明のさらに他の類型によれば、ＧａＡｓ系の基板と、ＧａＡｓ系の基板上に形成された下部ＤＢＲ領域及びＧａＡｓ系の基板に結合されたｎ型電極と、を備えるＶＣＳＥＬを製造する方法において、下部ＤＢＲ領域上に第２下部障壁層を形成する段階と、第２下部障壁層上に第１下部障壁層を形成する段階と、第１下部障壁層上に量子井戸構造体を形成する段階と、量子井戸構造体上に第１上部障壁層を形成する段階と、第１上部障壁層上に第２上部障壁層を形成する段階と、第２上部障壁層上に上部ＤＢＲ領域及びｐ型電極を順次的に形成する段階と、を含む半導体レーザの形成方法が提供される。
本発明の望ましい実施例によれば、量子井戸に複数の障壁層を形成して各層の厚さ及び組成を調節することによって、従来のＧａＩｎＮＡｓ量子井戸構造から発生する長波長の実現による光品質の低下を根本的に解決できる。
また、本発明の望ましい実施例によれば、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸構造を熱処理する場合に発生する量子井戸の発振波長の短波長化を画期的に防止できる。
また、本発明の望ましい実施例によれば、ＧａＡｓ系の量子井戸構造を利用して１．３μｍ以上の波長を容易に発振させうる。
また、本発明の望ましい実施例によれば、第１障壁層として使われるＩｎＧａＡｓ層が量子井戸構造に主に圧縮応力を印加するため、光学利得の側面で有利である。
また、本発明の望ましい実施例によれば、少ない窒素ＭＯソースで長波長を具現できるので、経済的である。
以下、添付された図面を参照しつつ本発明による望ましい実施例として二重障壁層を備える量子井戸構造を含む半導体素子とそれを採用した半導体レーザ及びその製造方法を詳細に説明する。以下の図面で、同じ参照符号は同じ構成要素を表す。
（第１実施例）
図１は、本発明の望ましい一実施例による側面発光半導体レーザを説明するための断面図である。
図１に示したように、本発明の望ましい第１実施例による側面発光半導体レーザ１００は、半導体基板１０４、半導体基板１０４の一面に形成されたｎ型電極１０２、半導体基板１０４の他面に形成された下部クラッド層１０６Ａ、下部クラッド層１０６Ａ上に形成された活性領域１１０、活性領域１１０上に形成された上部クラッド層１０６Ｂ、上部クラッド層１０６Ｂ上に形成されたコンタクト層１２０、及びコンタクト層１２０上に形成されたｐ型電極１２６を含む。
また、活性領域１１０は、中央にＧａＡｓ（ガリウム砒素）よりなる中心障壁層１１２、中心障壁層１１２と下部クラッド層１０６Ａとの間に順次に形成される第２下部障壁層１１８Ａ、第１下部障壁層１１６Ａ、及び下部井戸層１１４Ａ、中心障壁層１１２と上部クラッド層１０６Ｂとの間に順次に形成される上部井戸層１１４Ｂ、第１上部障壁層１１６Ｂ、及び第２上部障壁層１１８Ｂを含む。
半導体基板１０４は、ｎ型のＧａＡｓ系の半導体物質よりなり、多様な層を成長させてＧａＡｓ系の量子井戸を容易に形成するように製作されることが望ましい。下部クラッド層１０６Ａはｎ型であって、例えば、ＡｌＧａＡｓ（アルミニウムガリウム砒素）を利用して１８，０００Åの厚さに形成し、上部クラッド層１０６Ｂはｐ型であって、例えば、ＡｌＧａＡｓを利用して１８，０００Åの厚さに形成した。
また、コンタクト層１２０はｐ型であって、例えば、ＧａＡｓを利用して８００Åの厚さに形成した。活性領域１１０を励起させるために一対のｎ型電極１０２及びｐ型電極１２６を備え、ｎ型電極１０２はＡｕＧｅ（金ゲルマニウム）より形成し、ｐ型電極１２６はＴｉ（チタン）より形成した。
本発明の望ましい第１実施例による側面発光半導体レーザ１００は、ストライプ型であって、ｐ型電極１２６が活性領域１１０に電流をストライプ状に注入させるためにコンタクト層１２０上にＳｉＯ２（酸化シリコン）よりなる絶縁層１２４を形成した後、絶縁層１２４をストライプ状にパターニングした。
ｐ型電極１２６とｐ型コンタクト層１２０との間のオーム接触を改善させるためにＴｉまたはＰｔ（白金）よりなるか、またはこれらの積層よりなる金属コンタクト層（図示せず）をさらに形成できる。また、ｎ型電極１０２と半導体基板１０４との間に、やはりオーム接触を改善させるためにＮｉ（ニッケル）またはＡｕ（金）よりなるか、またはこれらの積層よりなる金属コンタクト層をさらに含みうる。
本発明の望ましい第１実施例では、側面発光半導体レーザを構成するためにｐ型電極１２６がストライプ状に電流を注入するように設計されたが、ｐ型電極１２６は、活性領域１１０の全体に電流を注入するように設計されても良い。また、図面で活性領域１１０がストライプ状になされていないが、絶縁膜１２４の開放された部分に形成されたｐ型電極１２６の形態と一致するように形成された活性領域１１０を備える側面発光半導体レーザを構成して本発明の望ましい実施例による量子井戸構造を適用することもある。
図２は、本発明の望ましい第１実施例による側面発光半導体レーザを説明するためのエネルギーバンドの概略図である。図２中のエネルギーギャップの符号は、図１中の同じ符号の層のエネルギーギャップに対応する。
図２に示したように、エネルギーギャップは、第２下部及び第２上部障壁層１１８Ａ，１１８Ｂ、第１下部及び第１上部障壁層１１６Ａ，１１６Ｂ、そして、下部及び上部量子井戸層１１４Ａ，１１４Ｂの順で小さくなる。
本発明の望ましい第１実施例による側面発光半導体レーザ１００の活性領域１１０に使われた下部及び上部量子井戸層１１４Ａ，１１４Ｂは、ＧａｘＩｎ１−ｘＮｙＡｓ１−ｙで、発振波長の長波長化および発光効率の見地から、２ｎｍないし１０ｎｍの範囲の厚さに形成した。ここで、ｘとｙとは０より大きく、１より小さな数であることを特徴とする。本発明の望ましい第１実施例で、ｘは０．６５であり、ｙは０．０１より構成した。
一方、第１下部及び第１上部障壁層１１６Ａ，１１６Ｂは、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓで、発振波長の長波長化および発光効率の見地から、０．１ｎｍないし５０ｎｍ範囲の厚さを有するように形成した。ここで、ｘは０より大きく、１より小さいことを特徴とする。本発明の望ましい第１実施例では、ｘを０．３５とした。
また、第２下部及び第２上部障壁層１１８Ａ，１１８Ｂは、ＧａＮｘＡｓ１−ｘで、発振波長の長波長化および発光効率の見地から、０．１ｎｍないし５０ｎｍ範囲の厚さを有するように形成し、ｘが０より大きく、１より小さいことを特徴とする。本発明の望ましい第１実施例では、ｘを０．０２とした。
また、中心障壁層１１２は、ＧａＡｓで０ｎｍないし５０ｎｍ範囲の厚さを有するように形成した。
本発明の望ましい第１実施例によれば、第１障壁層と第２障壁層の組成及び厚さを組み合わせて変更することによって、活性領域１１０内の下部及び上部井戸層１１４Ａ，１１４Ｂで発振されるレーザビームの波長を１．２μｍ以上に調節した。また、第１下部及び上部障壁層１１６Ａ，１１６Ｂの組成のうちＩｎ（インジウム）の組成比を調節して下部及び上部量子井戸層１１４Ａ，１１４Ｂに印加される圧縮応力の量と種類とを調節した。
また、第２下部及び上部障壁層１１８Ａ，１１８Ｂの組成のうちＮ（窒素）の組成比を調節して上部及び下部量子井戸層１１４Ａ，１１４Ｂに印加される引張応力の量と種類とを調節した。なお、基板面に垂直な方向において、量子井戸層に作用する力が引っ張る向きの内部応力を引張応力と呼び、押す向きの内部応力を圧縮応力と呼ぶ。
また、第１障壁層または第２障壁層が形成された厚さを変更して下部及び上部量子井戸層１１４Ａ，１１４Ｂに印加される圧縮応力または引張応力の量と種類とを調節できる。
また、本発明の望ましい第１実施例によれば、第１障壁層及び第２障壁層の組成比または厚さの組み合わせを変更して量子井戸層で発振されるレーザビームの波長を調節できる。したがって、たとえ第１障壁層によって量子井戸層の結晶状態が低下するとしても、第２障壁層に変形を加えることによって低下した量子井戸層が大きく改善されうるという点を特徴とする。
したがって、本発明の望ましい第１実施例によれば、同じ構造の量子井戸層に対して第１及び第２障壁層の組成及び厚さを変更して、光学的特性を低下させずとも量子井戸層で発振されるレーザビームの波長を１００ｎｍ以上に調節できる。
本発明の望ましい第１実施例では、量子井戸を二重形成したが、下部クラッド層１０６Ａと上部クラッド層１０６Ｂとの間に２以上の複数の量子井戸層（井戸層）を形成して、当該複数の量子井戸層と交互に形成される複数の障壁層を含む多重量子井戸層の量子井戸構造体を有する側面発光半導体レーザを構成することもある。
（第２実施例）
図３及び図４は、本発明の望ましい第２実施例による量子井戸構造を説明するための断面図及びエネルギーバンドの概略図である。図４中のエネルギーギャップの符号は、図３中の同じ符号の層のエネルギーギャップに対応する。
本発明の望ましい第２実施例は、活性領域を除外した残りの構成の構造及び機能は、本発明の望ましい第１実施例と同じであるので説明は省略する。
本発明の望ましい第２実施例に使われた活性領域１６０は、多重量子井戸の構造ではない単一量子井戸の構造であって、中心に形成された量子井戸層１６２は、ＧａｘＩｎ１−ｘＮｙＡｓ１−ｙで、発振波長の長波長化および発光効率の見地から、２ｎｍないし１０ｎｍの範囲の厚さに形成し、ｘとｙとは０より大きく、１より小さな数であることを特徴とする。本発明の望ましい第２実施例で、ｘは０．６５であり、ｙは０．０１より構成した。
一方、第１下部及び第１上部障壁層１６４Ａ，１６４Ｂは、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓで、発振波長の長波長化および発光効率の見地から、０．１ｎｍないし５０ｎｍ範囲の厚さを有するように形成し、ｘが０より大きく、１より小さいことを特徴とする。本発明の望ましい第２実施例では、ｘを０．３５とした。
また、第２下部及び第２上部障壁層１６６Ａ，１６６Ｂは、ＧａＮｘＡｓ１−ｘで、発振波長の長波長化および発光効率の見地から、０．１ｎｍないし５０ｎｍ範囲の厚さを有するように形成し、ｘが０より大きく、１より小さいことを特徴とする。本発明の望ましい第２実施例では、ｘを０．０２とした。
（第３実施例）
図５及び図６は、本発明の望ましい第３実施例による量子井戸構造を説明するための断面図及びエネルギーバンドの概略図である。図６中のエネルギーギャップの符号は、図５中の同じ符号の層のエネルギーギャップに対応する。
本発明の望ましい第３実施例に使われた活性領域１７０は、第１及び第２障壁層を量子井戸層１７４に対して対称的に形成していない構造であって、量子井戸層１７４は、ＧａｘＩｎ１−ｘＮｙＡｓ１−ｙで、発振波長の長波長化および発光効率の見地から、２ｎｍないし１０ｎｍの範囲の厚さに形成し、ｘとｙとは０より大きく、１より小さな数であることを特徴とする。本発明の望ましい第３実施例で、ｘは０．６５であり、ｙは０．０１より構成した。
本発明の望ましい第３実施例によれば、下部クラッド層上にＧａＡｓを補助障壁層１７２として０ｎｍないし５００ｎｍ範囲の厚さを有するように形成した。
一方、第１障壁層１７６は、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓで、発振波長の長波長化および発光効率の見地から、０．１ｎｍないし５０ｎｍ範囲の厚さを有するように形成し、ｘが０より大きく、１より小さいことを特徴とする。本発明の望ましい第３実施例では、ｘを０．３５とした。
また、第２障壁層１７８は、第１上部障壁層１７６上にのみ形成し、ＧａＮｘＡｓ１−ｘで、発振波長の長波長化および発光効率の見地から、０．１ｎｍないし５０ｎｍ範囲の厚さを有するように形成し、ｘが０より大きく、１より小さいことを特徴とする。本発明の望ましい第３実施例では、ｘを０．０２とした。
（第４実施例）
図７及び図８は、本発明の望ましい第４実施例による量子井戸構造を説明するための断面図及びエネルギーバンドの概略図である。図８中のエネルギーギャップの符号は、図７中の同じ符号の層のエネルギーギャップに対応する。
本発明の望ましい第４実施例による側面発光半導体レーザに使われた活性領域１８０に使われた量子井戸層１８４は、ＧａｘＩｎ１−ｘＮｙＡｓ１−ｙで、発振波長の長波長化および発光効率の見地から、２ｎｍないし１０ｎｍの範囲の厚さに形成し、ｘとｙとは０より大きく、１より小さな数であることを特徴とする。本発明の望ましい第４実施例で、ｘは０．６５であり、ｙは０．０１より構成した。
一方、第１下部及び第１上部障壁層１８６Ａ，１８６Ｂは、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓで０．１ｎｍないし５０ｎｍ範囲の厚さを有するように形成し、ｘが０より大きく、１より小さいことを特徴とする。本発明の望ましい第４実施例では、ｘを０．３５とした。
また、第２下部障壁層１８２は、ＧａＡｓで０ｎｍないし５００ｎｍ範囲の厚さを有するように形成した。
また、第２上部障壁層１８８は、ＧａＮｘＡｓ１−ｘで０．１ｎｍないし５０ｎｍ範囲の厚さを有するように形成し、ｘが０より大きく、１より小さいことを特徴とする。本発明の望ましい第４実施例では、ｘを０．０２とした。
本発明の望ましい第４実施例によれば、量子井戸層１８４に圧縮応力を印加するために第１下部及び第１上部障壁層１８６Ａ，１８６Ｂの組成及び厚さを調節したが、引張応力を印加するためには、第２上部障壁層１８８のみを利用したという点で本発明の望ましい第１実施例と相異なる。
（第５実施例）
図９は、本発明の望ましい第５実施例による垂直共振器型表面発光半導体レーザを説明するための断面図である。
図９に示したように、本発明の望ましい実施例による表面発光半導体レーザ２００は、半導体基板２０４、半導体基板２０４の一面に形成されたｎ型電極２０２、半導体基板２０４の他面に形成されたｎ型分布ブラッグ反射層（以下、ｎ型ＤＢＲ層と称する）２４０、ｎ型ＤＢＲ層２４０上に形成された活性領域２１０、活性領域２１０上に形成されたｐ型分布ブラッグ反射層（以下、ｐ型ＤＢＲ層と称する）２３０、ｐ型ＤＢＲ層２３０上に形成されたコンタクト層２２０、及びコンタクト層２２０上に形成されたｐ型電極２２６を含む。
また、活性領域２１０は、中央にＧａＡｓよりなる中心障壁層２１２、中心障壁層２１２とｎ型ＤＢＲ層２４０との間に順次に形成される第２下部障壁層２１８Ａ、第１下部障壁層２１６Ａ、及び下部井戸層２１４Ａ、中心障壁層２１２とｐ型ＤＢＲ層２３０との間に順次に形成される上部井戸層２１４Ｂ、第１上部障壁層２１６Ｂ及び、第２上部障壁層２１８Ｂを含む。
本発明の望ましい第５実施例によれば、半導体基板２０４は、ｎ型のＧａＡｓ系の半導体物質よりなり、多様な層を成長させてＧａＡｓ系の量子井戸を容易に形成するように製作されることが望ましい。ｎ型ＤＢＲ層２４０は、複数のＧａＡｓ層２４２及び複数のＡｌＧａＡｓ層２４４を交互に積層して形成した。ｐ型ＤＢＲ層２３０は、複数のＧａＡｓ層２３２及び複数のＡｌＧａＡｓ層２３４を交互に積層して形成した。
また、コンタクト層２２０はｐ型であって、例えば、ＧａＡｓを利用して８００Åの厚さに形成した。活性領域２１０を励起させるために、ｎ型電極２０２はＡｕＧｅより形成し、ｐ型電極２２６はＴｉより形成した。
本発明の望ましい第５実施例による垂直共振器型表面発光半導体レーザ２００は、ストライプ型であって、ｐ型電極２２６が活性領域２１０にストライプ状に電流を注入させるために、コンタクト層２２０上にＳｉＯ２よりなる絶縁層２２４を形成した後、絶縁層２２４をストライプ状にパターニングした。
ｐ型電極２２６とｐ型コンタクト層２２０との間にオーム接触を改善させるために、ＴｉまたはＰｔよりなるか、またはこれらの積層で形成された金属コンタクト層（図示せず）をさらに形成できる。また、ｎ型電極２０２と半導体基板２０４との間にやはりオーム接触を改善させるために、ＮｉまたはＡｕよりなるか、またはこれらの積層で形成された金属コンタクト層をさらに含みうる。
図１０に示した、活性領域２１０は、本発明の望ましい第１実施例で採用した活性領域とその構造及び機能が同じであるので、ここで詳細な説明は省略する。
たとえ、本発明の望ましい第５実施例である表面発光半導体レーザを説明するために活性領域２１０を例として説明するとしても、本発明の望ましい第２ないし４実施例による活性領域を利用して表面発光半導体レーザを具現でき、かつその他の類型の光電半導体素子にも適用できる。
図１１は、本発明の望ましい実施例において、ＩｎＧａＡｓ層の厚さは固定し、ＧａＮＡｓの厚さを変化させる場合、量子井戸で発振される波長の変化を表すグラフである。
図１１に示したように、本発明の望ましい実施例で、第１障壁層として使われたＩｎＧａＡｓ層の厚さは固定し、第２障壁層として使われたＧａＮＡｓ層の厚さを変化させつつ、量子井戸層で発振される波長の変化を観察した。ここで、波長は室温で光ルミネセンス（ＰＬ）検出器を利用して測定された。
図１１に示したグラフによれば、ＧａＮＡｓ層の厚さを減少させるほど量子井戸層で発振される波長が赤色遷移したことが分かり、従来のＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層にＧａＡｓ障壁層を使用した半導体レーザに比べて最大２５ｎｍほど赤色遷移がなされたことが分かる。
図１２は、ＧａＮＡｓ層の厚さを固定させ、ＩｎＧａＡｓ層の厚さを変化させる時、本発明の他の実施例による量子井戸で発振される波長の変化を表すグラフである。
図１２のグラフを参照すれば、ＩｎＧａＡｓの厚さを減少させるほど量子井戸層発振される波長が長波長に遷移することが分かり、最大６０ｎｍまで波長を遷移させうることが分かる。
図１３は、ＩｎＧａＡｓ層のＩｎ組成変化によるＧａＩｎＮＡｓの波長の変化を表すグラフである。図１３に示された結果は、Ｇａ０．０１５Ａｓ０．９８５を使用し、ＧａＮＡｓとＩｎＧａＡｓとの厚さは固定した後に実験して得た。図１３に示されるとおり、Ｉｎの含有量が２０％の場合、ＰＬ検出器で検出される波長は最短となった。
図１４は、ＧａＮＡｓ層のＮ組成変化によるＧａＩｎＮＡｓの波長の変化を表すグラフである。図１４に示した結果は、Ｉｎ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓを使用し、ＧａＮＡｓとＩｎＧａＡｓとの厚さは固定した後に実際にＮ原料であるジメチルヒドラジン（ＤＭＨＹ）流量を変化させつつ実験して得た。
本発明は、量子井戸構造を含む半導体素子の発振波長の制御に利用されうる。
本発明の望ましい一実施例による側面発光半導体レーザを説明するための断面図である。 図１に示す側面発光半導体レーザを説明するためのエネルギーバンドの概略図である。 本発明の望ましい他の実施例による量子井戸構造を説明するための断面図である。 図３に示す量子井戸構造を説明するためのエネルギーバンドの概略図である。 本発明の望ましいさらに他の実施例による量子井戸構造を説明するための断面図である。 図５に示す量子井戸構造を説明するためのエネルギーバンドの概略図である。 本発明の望ましいさらに他の実施例による量子井戸構造を説明するための断面図である。 図７に示す量子井戸構造を説明するためのエネルギーバンドの概略図である。 本発明の望ましいさらに他の実施例による垂直共振器型表面発光半導体レーザを説明するための断面図である。 図９に示す垂直共振器型表面発光半導体レーザの活性領域を説明するための断面図である。 本発明の望ましい実施例によってＩｎＧａＡｓ層の厚さは固定し、ＧａＮＡｓの厚さを変化させる時、量子井戸で発振される波長の変化を表すグラフである。 ＧａＮＡｓ層の厚さを固定させ、ＩｎＧａＡｓ層の厚さを変化させる時、本発明の他の実施例による量子井戸で発振される波長の変化を表すグラフである。 ＩｎＧａＡｓ層のＩｎ組成変化によるＧａＩｎＮＡｓの波長の変化を表すグラフである。 ＧａＮＡｓ層のＮ組成変化によるＧａＩｎＮＡｓの波長の変化を表すグラフである。
符号の説明
１００ 側面発光半導体レーザ、
１０２ ｎ型電極、
１０４ 半導体基板、
１０６Ａ，１０６Ｂ クラッド層、
１１０ 活性領域、
１１２ 障壁層、
１１４Ａ，１１４Ｂ 井戸層、
１１６Ａ，１１６Ｂ 第１障壁層、
１１８Ａ，１１８Ｂ 第２障壁層、
１２０ コンタクト層、
１２４ 絶縁層、
１２６ ｐ型電極。

Claims (34)

  1. ＧａＡｓ系の基板と、
    前記ＧａＡｓ系の基板上に形成された量子井戸構造体と、を含み、
    前記量子井戸構造体は、量子井戸層、当該量子井戸層を中心に互いに対向するように形成された一対の第１障壁層、及び当該一対の第１障壁層にそれぞれ隣接して形成された一対の第２障壁層を備えることを特徴とする半導体素子。
  2. 前記第１障壁層と前記第２障壁層の厚さ及び組成を変更することによって、前記量子井戸構造体において発生される光の波長が調節されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
  3. 前記第１障壁層は、０．１ｎｍないし５０ｎｍ範囲の厚さを有することを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
  4. 前記第２障壁層は、０．１ｎｍないし５０ｎｍ範囲の厚さを有することを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
  5. 前記量子井戸層は、ＧａｘＩｎ１−ｘＮｙＡｓ１−ｙを含み、当該ｘ及びｙは０より大きく、１より小さな数であることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
  6. 前記第１障壁層は、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓを含み、当該ｘが０より大きく、１より小さいことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
  7. 前記第２障壁層は、ＧａＮｘＡｓ１−ｘを含み、当該ｘが０より大きく、１より小さいことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
  8. 前記量子井戸層は、ＧａＩｎＮＡｓよりなる複数の井戸層と、当該複数の井戸層と交互に形成される複数の障壁層と、を含む多重量子井戸層であることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
  9. 前記複数の井戸層は、それぞれ２ｎｍないし１０ｎｍ範囲の厚さを有することを特徴とする請求項８に記載の半導体素子。
  10. 前記複数の障壁層は、ＧａＡｓを含むことを特徴とする請求項８に記載の半導体素子。
  11. 前記複数の障壁層は、ＧａＮＡｓを含むことを特徴とする請求項８に記載の半導体素子。
  12. 前記第１障壁層は、前記量子井戸層に圧縮応力を提供することを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
  13. 前記第２障壁層は、前記量子井戸層に引張応力を提供することを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
  14. 前記量子井戸層は、ＧａｘＩｎ１−ｘＮｙＡｓ１−ｙを含み、当該ｘ及びｙは０より大きく、１より小さな数であり、前記第１障壁層は、Ｉｎの組成を調節して圧縮応力が調節され、前記第２障壁層は、Ｎの組成を調節して引張応力が調節されることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
  15. ＧａＡｓ系の基板と、
    前記ＧａＡｓ系の基板上に形成された量子井戸構造体と、
    前記量子井戸構造体を取り囲むクラッド層と、
    前記クラッド層に電気的に連結された一対の電極と、を含み、
    前記量子井戸構造体は、量子井戸層、当該量子井戸層を中心に互いに対向するように形成された一対の第１障壁層、及び当該一対の第１障壁層にそれぞれ隣接して形成された一対の第２障壁層を備えることを特徴とする側面発光半導体レーザ。
  16. ＧａＡｓ系の基板と、
    前記ＧａＡｓ系の基板上に形成された第１分布ブラッグ反射領域と、
    前記第１分布ブラッグ反射領域上に形成された量子井戸構造体と、
    前記量子井戸構造体上に形成された第２分布ブラッグ反射領域と、
    前記第１及び第２分布ブラッグ反射領域に電気的に連結された一対の電極と、を含み、
    前記量子井戸構造体は、量子井戸層、当該量子井戸層を中心に互いに対向するように形成された一対の第１障壁層、及び当該一対の第１障壁層にそれぞれ隣接して形成された一対の第２障壁層を備えることを特徴とする垂直共振器型の表面発光半導体レーザ。
  17. 前記量子井戸層は、ＧａｘＩｎ１−ｘＮｙＡｓ１−ｙを含み、当該ｘ及びｙは０より大きく、１より小さな数であることを特徴とする請求項１６に記載の垂直共振器型の表面発光半導体レーザ。
  18. 前記第１障壁層は、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓを含み、当該ｘが０より大きく、１より小さいことを特徴とする請求項１６に記載の垂直共振器型の表面発光半導体レーザ。
  19. 前記第２障壁層は、ＧａＮｘＡｓ１−ｘを含み、当該ｘが０より大きく、１より小さいことを特徴とする請求項１６に記載の垂直共振器型の表面発光半導体レーザ。
  20. 前記量子井戸層は、ＧａＩｎＮＡｓよりなる複数の井戸層と、当該複数の井戸層と交互に形成される複数の障壁層と、を含む多重量子井戸層であることを特徴とする請求項１６に記載の垂直共振器型の表面発光半導体レーザ。
  21. 前記複数の井戸層は、それぞれ２ｎｍないし１０ｎｍ範囲の厚さを有することを特徴とする請求項２０に記載の垂直共振器型の表面発光半導体レーザ。
  22. 前記第１障壁層は、前記量子井戸層に圧縮応力を提供することを特徴とする請求項１６に記載の垂直共振器型の表面発光半導体レーザ。
  23. 前記第２障壁層は、前記量子井戸層に引張応力を提供することを特徴とする請求項１６に記載の垂直共振器型の表面発光半導体レーザ。
  24. 前記第１障壁層は、０．１ｎｍないし５０ｎｍ範囲の厚さを有することを特徴とする請求項１６に記載の垂直共振器型の表面発光半導体レーザ。
  25. 前記第２障壁層は、０．１ｎｍないし５０ｎｍ範囲の厚さを有することを特徴とする請求項１６に記載の垂直共振器型の表面発光半導体レーザ。
  26. ＧａＡｓ系の基板を提供する段階と、
    前記ＧａＡｓ系の基板上に第２下部障壁層を形成する段階と、
    前記第２下部障壁層上に第１下部障壁層を形成する段階と、
    前記第１下部障壁層上に量子井戸層を形成する段階と、
    前記量子井戸層上に第１上部障壁層を形成する段階と、
    前記第１上部障壁層上に第２上部障壁層を形成する段階と、を含むことを特徴とする半導体素子の製造方法。
  27. 前記量子井戸層は、ＧａｘＩｎ１−ｘＮｙＡｓ１−ｙを含み、当該ｘ及びｙは０より大きく、１より小さな数であることを特徴とする請求項２６に記載の半導体素子の製造方法。
  28. 前記第１下部及び第１上部障壁層は、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓを含み、当該ｘが０より大きく、１より小さいことを特徴とする請求項２６に記載の半導体素子の製造方法。
  29. 前記第２下部及び第２上部障壁層は、ＧａＮｘＡｓ１−ｘを含み、当該ｘが０より大きく、１より小さいことを特徴とする請求項２６に記載の半導体素子の製造方法。
  30. 前記量子井戸層は、２ｎｍないし１０ｎｍ範囲の厚さを有することを特徴とする請求項２６に記載の半導体素子の製造方法。
  31. 前記第１下部及び第１上部障壁層は、前記量子井戸層に圧縮応力を提供することを特徴とする請求項２６に記載の半導体素子の製造方法。
  32. 前記第２下部及び第２上部障壁層は、前記量子井戸層に引張応力を提供することを特徴とする請求項２６に記載の半導体素子の製造方法。
  33. 前記第１下部及び第１上部障壁層は、０．１ｎｍないし５０ｎｍ範囲の厚さを有することを特徴とする請求項２６に記載の半導体素子の製造方法。
  34. 前記第２下部及び第２上部障壁層は、０．１ｎｍないし５０ｎｍ範囲の厚さを有することを特徴とする請求項２６に記載の半導体素子の製造方法。
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