JP2009016590A

JP2009016590A - 光半導体装置

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Publication number: JP2009016590A
Application number: JP2007177011A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Fujisawa; 剛藤澤; Takayuki Yamanaka; 孝之山中; Hiroshi Yasaka; 洋八坂; Masakazu Arai; 昌和荒井
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2007-07-05
Filing date: 2007-07-05
Publication date: 2009-01-22

Abstract

【課題】混晶基板上の歪量子井戸構造のポテンシャル分布を深くし、温度特性を向上した光半導体装置を提供する。
【解決手段】３元の混晶の半導体結晶からなる基板１と、この基板１の上に形成された、活性部である歪量子井戸層２とバリア層３，４とからなる歪量子井戸構造およびクラッド部であるＩｎＧａＰクラッド層５，６とを有する光半導体装置において、基板１の半導体結晶はＩｎ_xＧａ_1-xＡｓであり、その組成比ｘを０．１から０．２の範囲とする。また、バリア層のＩｎＡｌＧａＡｓのＡｌの組成比を０．１５から０．３の範囲とする。
【選択図】図１

Description

本発明は光半導体装置に関し、より詳しくは、歪量子井戸層を有する半導体レーザや半導体光増幅器などのような光半導体装置に関する。

現在のＦＴＴＨ（Fiber To The Home)の広がりから、加入者系での高性能な光デバイスが強く求められており、光源である半導体レーザは、１．３μｍ付近の光が得られ、厳しい温度環境下で動作し（８５℃以上）、なおかつ低消費電力であることが求められている。これまで、低消費電力で高い効率を有し、さらに温度特性の良い光半導体装置として、歪量子井戸半導体レーザが研究開発されている。

光通信に用いられる半導体レーザ、半導体光増幅器などの光半導体装置は、ＩｎＰ基板を用いて形成され、その基板上に結晶を成長する工程などを経て完成される。その結晶成長の際には、基板材料と格子定数が整合する材料を選択することが多いが、格子定数が異なった材料からなる歪量子井戸も使用されている。歪量子井戸層は、多元系材料の組成をバリア層や基板と格子整合しない条件にするとともに、その膜厚を薄くして、強制的に基板と同じ格子定数になるようにしたものである。このような歪量子井戸は、例えば半導体レーザの活性層に適用されており、歪を加えることによってエネルギーバンド構造の状態密度が変化し、半導体レーザの特性が向上する。

ＩｎＰ基板上に形成された歪量子井戸を用いることで、加入者系光通信で用いられる波長１．３μｍ付近の光を得ることができるが、ＩｎＰなどのバリアに対する井戸の深さが浅いために、高温では電子が井戸から飛び出しやすくなり、性能が著しく劣化することが知られている。これを回避するための一つの方法として、混晶基板を用いる方法がある。３元の半導体混晶Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓを基板として用いることで、量子井戸の深さを深くし、温度特性を向上することができる。このとき、バリア層には、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＡｌＧａＡｓなどの材料が用いられる。これまで、Ｉｎ組成が０．０５あるいは０．２６程度の基板に対して、半導体レーザが試作されてきた。なお、３元混晶の半導体結晶からなる基板上に、活性層として歪量子井戸構造が形成された構造の半導体レーザが開示された先行技術文献としては、次のものがある。
特開２００７−６６９３０号公報

しかし、基板のＩｎ組成が０．０５程度のものでは、１．３μｍの光を得るためには、井戸層に３％以上の高歪が必要であり、１．３μｍの光を得るにはいたっておらず、基板のＩｎ組成が０．２６程度のものでは、基板のＩｎ組成が大きいために基板作製が難しく、基板のＩｎ組成が多いほど量子井戸の深さも浅くなってしまう。量子井戸の深さが浅いと、温度特性が劣化することはもちろん、利得が減少することから、微分利得の減少により高速変調動作も制限される。また、例えばＩｎＡｌＧａＡｓなどの４元素の材料をバリア層に用いる場合、基板との歪、材料のバンドギャップ波長を別々に設定可能なため、歪を０としても、バンドギャップ波長によって量子井戸の特性が大きく変化する可能性があるが、これまで基板のＩｎ組成や、バリア層の材料に対する量子井戸の詳細な特性は調査されておらず、混晶基板上の半導体装置の十分な特性を引き出すことはできていなかった。

本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであって、混晶基板上の歪量子井戸構造のポテンシャル分布を深くし、温度特性を向上した光半導体装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決する第１発明の光半導体装置は、３元の混晶の半導体結晶からなる基板と、前記基板の上に形成された歪量子井戸層とバリア層とからなる歪量子井戸構造の活性部およびクラッド部とを有する光半導体装置において、
前記基板の半導体結晶はＩｎ_xＧａ_1-xＡｓであり、その組成比ｘが、０．１から０．２の範囲にあることを特徴とする。

また、第２発明の光半導体装置は、第１発明の光半導体装置において、
前記歪量子井戸層の材料はＩｎＧａＡｓ又はＩｎＧａＡｓＰ、前記バリア層の材料はＩｎＡｌＧａＡｓ、前記クラッド部の材料はＩｎＧａＰであることを特徴とする。

また、第３発明の光半導体装置は、第２発明の光半導体装置において、
前記バリア層のＩｎＡｌＧａＡｓのＡｌの組成比が、０．１５から０．３の範囲にあることを特徴とする。

また、第４発明の光半導体装置は、３元の混晶の半導体結晶からなる基板と、前記基板の上に形成された歪量子井戸層とバリア層とからなる歪量子井戸構造の活性部およびクラッド部とを有する光半導体装置において、
前記基板、前記量子井戸構造の材料は利得が最大となる波長を１．２５から１．３５μｍとする材料が選択され、前記歪量子井戸層は、その波長を達成する厚みを有していることを特徴とする。

また、第５発明の光半導体装置は、第１〜第４発明の何れかの光半導体装置において、
前記量子井戸構造の両側をルテニウムをドーピングした絶縁体で埋め込んだ埋め込み層を有することを特徴とする。

本発明の光半導体装置によれば、Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ基板のＩｎ組成を０．１から０．２の範囲とすることで、１．３μｍの光を得るのに必要な量子井戸層の歪量を実現可能な値に抑えつつ、Ｉｎの組成が０．２６の基板よりも作製しやすい基板を使用して、なおかつ量子井戸の深さを深くし温度特性を向上することができる。また、ＩｎＡｌＧａＡｓバリア層のＡｌの組成を０．１５から０．３の範囲とすることで、キャリアの注入効率を下げることなく、Ａｌがない場合と比べて、例えば、同じ温度特性を得るのに必要な電流注入量を２０〜５０％低減し、高温での変調特性を１０％程度改善することが可能である。

以下、本発明の実施例を図面に基づき詳細に説明する。

図１は本発明の実施例で用いられる光半導体装置の半導体層構造を示したものである。この半導体層構造は、３元の混晶の半導体結晶からなる基板であるＩｎ_xＧａ_1-xＡｓ基板１と、この基板１上に形成された活性部であるＩｎＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓＰ井戸層２およびＩｎＡｌＧａＡｓバリア層３，４と、クラッド部であるＩｎＧａＰクラッド層５，６とからなっている。Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ基板１のＩｎ組成（組成比ｘ）は、０．１から０．２の範囲にある。Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ基板１のＩｎ組成が０．１，０．２の場合に、１．３μｍの光を得るために必要なＩｎＧａＡｓＰ井戸層２の歪量はそれぞれ、２．６５％、１．８％程度であり、近年の技術で十分に作製可能である。

（実施例１）
図２は本発明の実施例１の半導体レーザ（リッジ型ファブリ・ペロレーザ）の構造を示す断面図である。図２に示す本実施例１の半導体レーザは、３元の混晶の半導体結晶からなる基板であるｎ型のＩｎ_xＧａ_1-xＡｓ基板１と、このＩｎ_xＧａ_1-xＡｓ基板１上に形成された、活性部であるｎ−ＩｎＧａＰクラッド層５、活性部であるＩｎＡｌＧａＡｓバリア層とＩｎＧａＡｓ井戸層とからなる３層の多重量子井戸活性層７、および、エッチングによりリッジ構造としたクラッド部であるｐ−ＩｎＧａＰクラッド層６とからなる。本実施例１では、基板１のＩｎ組成を０．１、０．１５、０．２とし、ＩｎＧａＰクラッド層５，６、多重量子井戸活性層７のＩｎＡｌＧａＡｓバリア層に対しては、基板１との歪が０となるような組成とし、ＩｎＡｌＧａＡｓバリア層のバリア厚は２０ｎｍとしている。多重量子井戸活性層７のＩｎＧａＡｓ井戸層に対しては厚さを１０ｎｍとし、歪は基板１のそれぞれのＩｎ組成に対して、１．３μｍの光を得ることのできる組成とする。具体的に、多重量子井戸活性層７のＩｎＧａＡｓ井戸層には基板１のＩｎ組成０．１、０．１５、０．２に対して、それぞれ２．８％、２．３％、１．８％の圧縮歪が加えられる。

図３にＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ａｓ基板１上の３層多重量子井戸層７の伝導帯ポテンシャルエネルギー分布を示す。図３からわかるとおり、ＩｎＡｌＧａＡｓバリア層のＡｌの組成が増えるほど、伝導帯の量子井戸の深さが深くなっているのがわかる。このとき、井戸の底からバリアまでのエネルギー幅ΔＥ_Cは、Ａｌの組成が０％のとき２００ｍｅＶ、１４％のとき、３００ｍｅＶ、２６％のとき４１０ｍｅＶとなっており、Ａｌの組成を変えることで、２倍のΔＥ_Cを得ることができる。

図４に、２５℃、８５℃、１４５℃での、理論計算によって求めた、ＩｎＡｌＧａＡｓバリア層のＡｌ組成が０％、２６％の場合の量子井戸利得のキャリア密度依存性を示す。Ａｌの組成が多いと、伝導帯の井戸の深さが深くなるため、利得が増大しているのがわかる。２５℃では、Ａｌが０％のときに比べて、Ａｌが２６％の場合は３０％程度利得が大きくなっており、高温ではその差はさらに顕著になり、１４５℃では６０％もの違いがでる。図５は２５℃、８５℃、１４５℃での、理論によって求めた、ＩｎＡｌＧａＡｓバリア層のＡｌ組成が０％、２６％の場合の微分利得を示しており、全ての温度で、利得の立ち上がりの部分では、ＩｎＡｌＧａＡｓバリア層のＡｌ組成が２６％の場合、１０％程度微分利得が増大している。これらのことから、ＩｎＡｌＧａＡｓバリア層の半導体混晶にＡｌを含ませることで、ＩｎＧａＡｓ基板１上に形成された量子井戸層７の温度特性、高速変調特性を大幅に改善できることがわかる。

図６に基板１のＩｎ組成０．１、０．１５、０．２に対する、８５℃、１４５℃での、利得１０００ｃｍ^-1得るのに必要なキャリア密度から、２５℃で利得１０００ｃｍ^-1得るのに必要なキャリア密度の差をとった量ΔＮのバリア層Ａｌ組成依存性を示す。この値が大きいほど、高温時に室温（２５℃）に比べて特性の劣化が大きいことを示している。ＩｎＡｌＧａＡｓバリア層のＡｌの組成が増加するにつれ、高温での特性の劣化は減少し、ＩｎＡｌＧａＡｓバリア層のＡｌの組成が１５％以上では、Ａｌが入らないときに比べて、２０から３０％程度の注入キャリア量の削減が可能なことがわかる。なお、ＩｎＡｌＧａＡｓバリア層のＡｌの組成を３０％以上にすると、クラッド層５，６のＩｎＧａＰのポテンシャルエネルギーを超えてしまい、キャリアの注入効率が減少すると考えられるので、ここでは、ＩｎＡｌＧａＡｓバリア層のＡｌの組成の最大値を３０％としている。

図７に基板１のＩｎ組成０．１、０．１５、０．２に対する、８５℃、１４５℃での、リッジ幅２μｍ、活性層厚０．００５μｍ、共振器長４００μｍのファブリ・ペロレーザに対して見積もった、しきい値電流のバリア層のＡｌ組成依存性を示す。ここで、各しきい値電流はＡｌの組成が０％の場合の値で規格化してある。基板１のＩｎ組成が０．１の場合にはＡｌの組成１５％以上で２０％から３０％のしきい値電流の低減化が可能であり、基板１のＩｎ組成が０．２の場合では、５０％近くのしきい値電流の削減が可能なことがわかる。なお、図４〜図７の計算結果は、ｋ・ｐ摂動を用いた有限要素法により計算されたものである。

以上のように、基板１のＩｎ組成を０．１から０．２の範囲とすることで、１．３μｍの光を得るのに必要な量子井戸層７の歪量を実現可能な値に抑えつつ、Ｉｎの組成が０．２６の基板よりも作製しやすい基板１を使用して、なおかつ量子井戸の深さを深くし温度特性を向上することができる。また、ＩｎＡｌＧａＡｓバリア層のＡｌの組成を０．１５から０．３とすることで、キャリアの注入効率を下げることなく、Ａｌがない場合と比べて、同じ温度特性を得るのに必要な電流注入量を２０〜５０％低減し、高温での変調特性を１０％程度改善することが可能である。

（実施例２）
本発明の実施例２の半導体レーザの構造は上記実施例１（図２参照）のものと同じであるが、多重量子井戸活性層７においてバリア層のＩｎＡｌＧａＡｓ層に引張歪を加えることによって井戸層にかかる圧縮歪を補償していることを特徴とする。本実施例では、基板１のＩｎ組成を０．１５、０．２とし、バリア層のＩｎＡｌＧａＡｓ層には、井戸層との正味の歪量が０になるように、次式から得られる歪を加える。

ここに、Ｎ_W、Ｎ_Bは井戸層、バリア層の数、Ｌ_W、Ｌ_Bは井戸層、バリア層の厚さ、ε_W、ε_Bは井戸層、バリア層の歪量である。本実施例では、Ｌ_W＝１０ｎｍ、Ｌ_B＝２０ｎｍ、Ｎ_W＝３、Ｎ_B＝４、基板１のＩｎ組成０．１５、０．２に対して、ε_W＝２．３％、ε_B＝１．８％である。よって、バリア層には基板１のＩｎ組成０．１５、０．２に対して、０．８％、０．６％の引張歪を加える。

図８に基板１のＩｎ組成０．１５、０．２に対する、８５℃、１４５℃での、利得１０００ｃｍ^-1得るのに必要なキャリア密度から、２５℃で利得１０００ｃｍ^-1得るのに必要なキャリア密度の差をとった量ΔＮのバリア層Ａｌ組成依存性を示す。この値が大きいほど、高温時に室温（２５℃）に比べて特性の劣化が大きいことを示している。図８から、歪補償を加えた場合でも、歪補償を加えない場合と同様に、Ａｌ組成１５％以上で、２０％から３０％程度の注入キャリア量の削減が可能である。なお、図８の計算結果は、ｋ・ｐ摂動を用いた有限要素法により計算されたものである。

（実施例３）
図９は本発明の実施例３の半導体レーザ（埋め込み形レーザ）の構造を示す断面図である。図９に示す本実施例３の半導体レーザは、Ｉｎ組成が０．１から０．２の範囲のｎ型のＩｎ_xＧａ_1-xＡｓ基板１と、このｎ型のＩｎ_xＧａ_1-xＡｓ基板１上に形成された、クラッド部であるｎ−ＩｎＧａＰクラッド層５、活性部であるＩｎＡｌＧａＡｓバリア層とＩｎＧａＡｓ井戸層とからなる３層の多重量子井戸活性層７、および、クラッド部であるｐ−ＩｎＧａＰクラッド６からなる積層構造と、この積層構造の両側をルテニウムなどをドープした半絶縁性結晶で埋め込んだ埋め込み層８とからなっている。このデバイスに対する温度特性は実施例１の場合と同様となる。

なお、上記実施例の他、光半導体装置は、３元の混晶の半導体結晶からなる基板と、前記基板の上に形成された歪量子井戸層とバリア層とからなる歪量子井戸構造の活性部およびクラッド部とを有する光半導体装置において、前記基板、前記量子井戸構造の材料は利得が最大となる波長を１．２５から１．３５μｍとする材料が選択され、前記歪量子井戸層は、その波長を達成する厚みを有している構成とすることもできる。

本発明の実施例で用いられる光半導体装置の半導体層構造を示す図である。本発明の実施例１の半導体レーザ（リッジ型ファブリ・ペロレーザ）の構造を示す断面図である。実施例１で用いた半導体積層構造の伝導帯ポテンシャルエネルギー分布図を示す図である。実施例１で用いた半導体積層構造の量子井戸利得のキャリア密度依存性を示す図である。実施例１で用いた半導体積層構造の微分利得のキャリア密度依存性を示す図である。実施例１で用いた半導体積層構造の量子井戸利得１０００ｃｍ^-1得るのに必要なバリア層のＡｌ組成依存性である。実施例１で用いたリッジ型ファブリ・ペロレーザのしきい値電流のバリア層のＡｌ組成依存性を示す図である。実施例２で用いた半導体積層構造の量子井戸利得１０００ｃｍ^-1を得るのに必要なバリア層のＡｌ組成依存性を示す図である。本発明の実施例３の半導体レーザ（埋め込み形レーザ）の構造を示す断面図である。

符号の説明

１ＩｎＧａＡｓ基板
２量子井戸層
３下部バリア層
４上部バリア層
５下部クラッド層
６上部クラッド層
７井戸層２とバリア層３，４からなる活性層
８ルテニウムなどをドープした半絶縁性結晶による埋め込み層

Claims

３元の混晶の半導体結晶からなる基板と、前記基板の上に形成された少なくともＩｎとＧａとＡｓを含む歪量子井戸層と少なくともＡｌとＡｓを含むバリア層とからなる歪量子井戸構造の活性部およびクラッド部とを有する光半導体装置において、
前記基板の半導体結晶はＩｎ_xＧａ_1-xＡｓであり、その組成比ｘが、０．１から０．２の範囲にあることを特徴とする光半導体装置。
前記歪量子井戸層の材料はＩｎＧａＡｓ又はＩｎＧａＡｓＰ、前記バリア層の材料はＩｎＡｌＧａＡｓ、前記クラッド部の材料はＩｎＧａＰであることを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
前記バリア層のＩｎＡｌＧａＡｓのＡｌの組成比が、０．１５から０．３の範囲にあることを特徴とする請求項２に記載の光半導体装置。
３元の混晶の半導体結晶からなる基板と、前記基板の上に形成された歪量子井戸層とバリア層とからなる歪量子井戸構造の活性部およびクラッド部とを有する光半導体装置において、
前記基板、前記量子井戸構造の材料は利得が最大となる波長を１．２５から１．３５μｍとする材料が選択され、前記歪量子井戸層は、その波長を達成する厚みを有していることを特徴とする光半導体装置。
前記量子井戸構造の両側をルテニウムをドーピングした絶縁体で埋め込んだ埋め込み層を有することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の光半導体装置。