JP2009124008A - 光半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】多重量子井戸層中の各量子井戸層のバリア層のバンドギャップ波長を不均一にすることで、各量子井戸層に分布するキャリアの量を均一化し、光出力及び変調特性を向上させた光半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体基板１、第一のクラッド層３、活性層及び第二のクラッド層４を備え、前記第一のクラッド層３と前記第二のクラッド層４のいずれか一方がｎ型、他方がｐ型であり、前記活性層は量子井戸層及びバリア層からなる多重量子井戸層２であり、前記多重量子井戸層２がＡｌを含む半導体であり、前記多重量子井戸層２において、少なくとも一部の前記バリア層のｐ側のバンドギャップ波長がｎ側のバンドギャップ波長より長くなるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、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）、高い変調周波数（微分利得）をもち（１０Ｇｂ／ｓ、４０Ｇｂ／ｓ）、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きた。

このような半導体レーザなどの光半導体装置は、半導体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層も使用されている。

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層は、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。

また、光出力の向上のために複数の歪量子井戸層を、バリア層を隔てて成長する多重量子井戸構造が多くの半導体レーザで採用されている。この多重量子井戸構造（多重量子井戸層）に電流を注入すると、伝導帯の各量子井戸層には電子が、価電子帯の各量子井戸層には正孔（ホール）が捕獲され、伝導帯、価電子帯間でキャリアの再結合が発生し、発光が起きる。

ＩｎＰ基板上に形成された歪量子井戸層を用いることで、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。しかし、量子井戸層の材料にＩｎ_1-xＧａ_xＡｓ_yＰ_1-yを用いると、バリア層、量子井戸層それぞれの伝導帯下端エネルギーの差（伝導帯バンドオフセット：ΔＥ_c）と価電子帯バンドオフセットΔＥ_vの比が４：６程度となり、ΔＥ_cが小さく、高温では電子が量子井戸層から飛び出しやすくなり、しきい値電流の増大、共振周波数（微分利得）の減少（変調特性の劣化）など、性能が著しく劣化することが知られており、ＩｎＧａＡｓＰ系の材料を用いて１０Ｇｂ／ｓ、４０Ｇｂ／ｓという通信速度を実現することは困難であった。

そのため、より大きなΔＥ_cをもつ材料系を用いて半導体レーザを作製するという試みがなされてきた。ΔＥ_cを大きくすることで、高温時の電子の飛び出しによる特性劣化を防ぐことができ、また、常温の場合でも量子井戸層の利得、微分利得が向上することが知られている。下記非特許文献１では、量子井戸層、バリアの材料にΔＥ_c：ΔＥ_vが７：３程度となるＩｎ_1-x-yＡｌ_xＧａ_yＡｓを用いて、温度特性を改善した半導体レーザを作製している。

下記非特許文献１では、バリア層のＩｎ_1-x-yＡｌ_xＧａ_yＡｓのバンドギャップ波長が１．１μｍである量子井戸層を活性層に用いているが、バリア層のバンドギャップ波長を短くすることでさらに大きなΔＥ_cを得ることができる。
その他、ＧａＡｓ基板に対してＧａ_xＩｎ_1-xＮ_yＡｓ_1-y、Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓ基板に対してＩｎ_1-xＧａ_xＡｓ_yＰ_1-y及びＩｎ_1-x-yＡｌ_xＧａ_yＡｓなどが大きなΔＥ_cをもつことが知られている。

Ｃｈｕｎｇ−Ｅｎ Ｚａｈ、外１３名、"Ｈｉｇｈ−Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｕｎｃｏｏｌｅｄ １．３μｍ ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＡｓ／ＩｎＰ Ｓｔｒａｉｎｅｄ−Ｌａｙｅｒ Ｑｕａｎｔｕｍ−ｗｅｌｌ Ｌａｓｅｒｓ ｆｏｒ Ｓｕｂｓｃｒｉｂｅｒ Ｌｏｏｐ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ"、ＩＥＥＥ Ｊｏｕｍａｌ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、１９９４年２月、Ｖｏｌ．３０、Ｎｏ．２、ｐ．５１１−５２３

しかしながら、あまりにΔＥ_cが大きくなると、注入されたキャリアが各量子井戸層に不均一に分布することが知られており、不均一の度合いはΔＥ_cの大きさに比例する。図１０は、従来構造での量子井戸層中のキャリア密度分布の概念図である。図１０（ａ）に示すように、ΔＥ_cが大きい量子井戸層に対しては、各量子井戸層に溜まる電子の密度は一定ではなく、ｎクラッド側の量子井戸層から線形に減少する。ここで、図１０（ｂ）に示すように３つの量子井戸層の場合を考え、各量子井戸層のもつキャリア密度がｎクラッド側の量子井戸層から順に、Ｎ₁、Ｎ₂及びＮ₃であるとする。

図１１は、従来構造での量子井戸層の利得とキャリア密度の関係を示した図である。ここで、Ｎ₁、Ｎ₂及びＮ₃に対する利得をＧ₁、Ｇ₂及びＧ₃とする。良く知られているように、量子井戸層の利得はキャリア密度に対して線形には増加せず、キャリア密度が高い状態では図１１のように飽和する。このとき、３つの量子井戸層の正味の利得はＧ₁＋Ｇ₂＋Ｇ₃となり、キャリアが均一に分布した場合の正味の利得３×Ｇ₂よりも小さくなる。

図１２は、従来構造における微分利得の伝導体バンドオフセット依存性を示した図である。このとき、共振周波数と比例関係にある微分利得も減少するため、図１２中に破線で示すように、微分利得はΔＥ_cに対して、キャリアが均一に分布したときのように単調に増加せず、図１２中に実線で示すように、ΔＥ_cが大きくなると飽和していく。そのため、ΔＥ_cを大きくしすぎると、キャリアの不均一な分布による量子井戸層の利得、微分利得の減少のため、量子井戸層が本来もっている性能と比較して、しきい値電流の増大や、変調特性の劣化を招くことになる。

以上のことから、本発明は、多重量子井戸層中の各量子井戸層のバリア層のバンドギャップ波長を不均一にすることで、各量子井戸層に分布するキャリアの量を均一化し、光出力及び変調特性を向上させた光半導体装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するための第１の発明に係る光半導体装置は、
半導体基板、第一のクラッド層、活性層及び第二のクラッド層を備え、
前記第一のクラッド層と前記第二のクラッド層のいずれか一方がｎ型、他方がｐ型であり、
前記活性層は量子井戸層及びバリア層からなる多重量子井戸層であり、
前記多重量子井戸層がＡｌを含む半導体であり、
前記多重量子井戸層において、少なくとも一部の前記バリア層のｐ側のバンドギャップ波長がｎ側のバンドギャップ波長より長い
ことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第２の発明に係る光半導体装置は、第１の発明に係る光半導体装置において、
前記バリア層はＩｎ_1-x-yＡｌ_xＧａ_yＡｓ（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）である
ことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第３の発明に係る光半導体装置は、第１の発明又は第２の発明に係る光半導体装置において、
前記半導体基板はＩｎＰ、第一のクラッド層、活性層及び第二のクラッド層はＩｎ_1-x-yＡｌ_xＧａ_yＡｓ（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）である
ことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第４の発明に係る光半導体装置は、第１の発明又は第２の発明に係る光半導体装置において、
前記半導体基板はＩｎ_1-xＧａ_xＡｓ（ここで、０≦ｘ≦１）、第一のクラッド層、活性層及び第二のクラッド層はＩｎ_1-xＧａ_xＡｓ_yＰ_1-y（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）又はＩｎ_1-x-yＡｌ_xＧａ_yＡｓ（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）であり、
前記活性層の量子井戸層数は２から２０である
ことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第５の発明に係る光半導体装置は、第１の発明又は第２の発明に係る光半導体装置において、
前記半導体基板はＧａＡｓ、活性層はＧａ_xＩｎ_1-xＮ_yＡｓ_1-y（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）、第一のクラッド層及び第二のクラッド層はＧａ_xＩｎ_1-xＮ_yＡｓ_1-y（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）、Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓ_yＰ_1-y（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）又はＩｎ_1-x-yＡｌ_xＧａ_yＡｓ（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）である
ことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第６の発明に係る光半導体装置は、第１の発明から第５の発明のいずれかひとつに係る光半導体装置において、
前記活性部の量子井戸層数が２から２０である
ことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第７の発明に係る光半導体装置は、第１の発明から第６の発明のいずれかひとつに係る光半導体装置において、
ギャップ波長差は１０から１００ｎｍである
ことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第８の発明に係る光半導体装置は、第１の発明から第７の発明のいずれかひとつに係る光半導体装置において、
前記多重量子井戸層中の前記量子井戸層には、利得が最大となる波長を１．２５から１．３５μｍとなるように、材料を選択して厚み及び歪を設定する
ことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第９の発明に係る光半導体装置は、第１の発明から第８の発明のいずれかひとつに係る光半導体装置において、
前記多重量子井戸層の両側を絶縁体で埋め込む場合に、ルテニウムをドーピングした埋め込み層を用いる
ことを特徴とする。

本発明によれば、光出力及び変調特性を向上させた光半導体装置を実現することができる。

以下、本発明に係る光半導体装置の実施形態について説明する。
図８は、本発明に係る光半導体装置における量子井戸層のポテンシャルエネルギー分布の概念図である。上述したキャリアの不均一分布による性能劣化を防ぐために、本発明では、図８に示すように、多重量子井戸層のポテンシャル分布を設定する。ここで、λ_wは量子井戸層のバンドギャップ波長、λ_Biはｎクラッド側からｉ番目のバリア層のバンドギャップ波長、Ｎは量子井戸層の数を意味する。

図９は、本発明に係る光半導体装置における量子井戸層中のキャリア密度分布を示した図である。従来構造ではλ_Biは全て等しいため、キャリアが不均一に分布することになる。そこで、本発明では、図９に示すように、ｎクラッド側のバリアバンドギャップ波長を小さく、ｐクラッド側のバリアバンドギャップ波長を大きくする。つまり、λ_B1＜λ_B2＜・・・＜λ_BN+1とする。ｎクラッドから注入されたキャリアはエネルギーの低いところへと向かうので、バリア層が均一な構造に比べて、ｎクラッドから遠い量子井戸層にもキャリアを捕獲させ、不均一分布を解消することが可能となる。

以下、本発明に係る光半導体装置の第１の実施例について説明する。
図１は、本発明に係る光半導体装置の第１の実施例における半導体層構造を示した図である。図１に示すように、半導体基板１、量子井戸層及びバリア層を含む多重量子井戸層２、クラッド層３，４からなっている。

図２は、本発明に係る光半導体装置の第１の実施例におけるファブリ・ペロ型半導体レーザを示した縦方向断面図である。図２に示すように、ｎ型のＩｎＰ基板１上に厚さ１．５μｍのｎ−ＩｎＰクラッド３、ＩｎＡｌＧａＡｓバリア及びＩｎＡｌＧａＡｓ量子井戸層からなる３層の多重量子井戸活性層２、厚さ１．５μｍのｐ−ＩｎＰクラッド４からなる。なお、本実施例では、量子井戸層数は３としたが、量子井戸層数は、２〜２０の範囲で設定してもよい。また、ｎ−ＩｎＡｌＧａＡｓクラッド３及びｐ−ＩｎＡｌＧａＡｓクラッド４としてもよい。

ｐ−クラッド４をエッチングによって削り、リッジ幅２μｍのリッジ構造としている。本実施例では、ＩｎＰクラッド、ＩｎＡｌＧａＡｓバリアに対しては、ＩｎＰ基板１との歪が０となるような組成とし、バリア厚は１０ｎｍとしている。ＩｎＡｌＧａＡｓ量子井戸層に対しては、発振波長が１．３μｍとなるように、厚さを６ｎｍとし、１％の圧縮歪が加えられる。なお、本実施例では、発振波長が１．３μｍとなるようにしたが、発振波長が１．２５〜１．３５μｍとなるように、材料を選択し、厚さ及び歪を設定してもよい。

図３は、従来構造の微分利得のバリアバンドギャップ波長依存性を示した図である。図３中、実線は均一量子井戸構造（λ_B1＝λ_B2＝λ_B3）でキャリアが均一に分布した場合の、しきい値利得を典型的な値である５００ｃｍ^-1としたときの、しきい値利得での微分利得のバリアバンドギャップ波長依存性を示している。ここに、縦軸の値はλ_B＝０．９μｍの場合の微分利得で規格化している。図３中、破線は従来構造（λ_B1＝１．１μｍ）での微分利得を示す。

バリアのバンドギャップ波長を小さくしていくと微分利得は大きくなっていき、λ_B＝０．９μｍの場合には従来構造に比べて１５％程度微分利得が増加するが、上述したようにキャリアの不均一な分布によりバンドギャップ波長が小さいところでは利得、微分利得が減少する。なお、本実施例に係る量子井戸層の特性は、半導体量子井戸の特性を極めて良く予測するｋ・ｐ摂動理論を用いて算出している。

図４は、本発明の第１の実施例に係るＩｎ_0.68Ａｌ_0.15Ｇａ_0.17Ａｓ量子井戸層をもつ３層多重量子井戸層のポテンシャルエネルギー分布を示した図である。図４に示すように、この組成に対して、量子井戸層のバンドギャップ波長はλ_w＝１．４７μｍとなっており、発振波長が１．３μｍとなるように組成を調整している。バリア層はｎ側から順に、Ｉｎ_0.52Ａｌ_0.44Ｇａ_0.04Ａｓ、Ｉｎ_0.53Ａｌ_0.42Ｇａ_0.05Ａｓ、Ｉｎ_0.53Ａｌ_0.4Ｇａ_0.07Ａｓ及びＩｎ_0.53Ａｌ_0.38Ｇａ_0.09Ａｓであり、対応するバンドギャップ波長はそれぞれ、０．９、０．９２、０．９４及び０．９６μｍである。

以後、半導体の組成比は歪とバンドギャップ波長によって特定することとし、組成比を直接には述べない。ここで、最大及び最小バンドギャップ波長をもつバリア層のバンドギャップ波長差をΔλ_Bと定義すると、この場合Δλ_B＝６０ｎｍとなる。Δλ_B＝６０ｎｍとすると、ｐクラッド側でΔＥ_cを約６０ｍｅＶ低くすることが可能である。

図５は、本発明の第１の実施例に係る量子井戸層の微分利得のλ_BとΔλ_B依存性を示した図である。図５中、１点鎖線は、本実施例に係る量子井戸層でλ_B1＝０．９μｍとした場合の、しきい値利得を典型的な値である５００ｃｍ^-1としたときの、しきい値利得での微分利得のΔλ_B依存性を示している。図５中、実線及び破線は図３のものと同じである。図５より、Δλ_B＝１２０ｎｍ程度までは、本実施例に係る量子井戸層は従来構造のものよりも微分利得を大きくすることができる。よって、キャリアの不均一な分布を解消し、なおかつ微分利得を高くするには、Δλ_Bは１０から１００ｍｍの間にとるのが良い。

以上のように、多重量子井戸層のバリア層のバンドギャップ波長を不均一とし、その変動量を１０から１００ｎｍとすることで、バリア層が均一な構造に対して利得、微分利得の劣化を３％以下に抑えつつ、キャリアの不均一な分布を緩和し、半導体レーザの性能を向上することが可能となる。

以下、本発明に係る光半導体装置の第２の実施例について説明する。
図６は、本発明に係る光半導体装置の第２の実施例における半導体レーザを示した断面図である。図６に示すように、ｎ型のＩｎＰ基板１上に厚さ１．５μｍのｎ−ＩｎＰクラッド３、ＩｎＡｌＧａＡｓバリア及びＩｎＡｌＧａＡｓ量子井戸層からなる３層の多重量子井戸活性層２、厚さ１．５μｍのｐ−ＩｎＰクラッド４、前記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を用いた埋め込み層５からなっている。

なお、バリア層及び量子井戸層の組成並びに厚さは第１の実施例と同様である。このデバイスに対しては、微分利得に関して第１の実施例と同様の効果を得ることができるとともに、ルテニウムのドーピングによって放熱性が改善し、第１の実施例よりも温度特性を改善することが可能である。

以下、本発明に係る光半導体装置の第３の実施例について説明する。
図２は、本発明に係る光半導体装置の第３の実施例におけるファブリ・ペロ型半導体レーザを示した縦方向断面図である。図２に示すように、ｎ型のＩｎＧａＡｓ基板１上に厚さ１．５μｍのｎ−ＩｎＧａＰクラッド３、ＩｎＡｌＧａＡｓバリア及びＩｎＧａＡｓ量子井戸層からなる３層の多重量子井戸活性層２、厚さ１．５μｍのｐ−ＩｎＧａＰクラッド４からなる。なお、本実施例では、量子井戸層数は３としたが、量子井戸層数は、２〜２０程度の範囲で設定してもよい。

ｐ−クラッド４をエッチングによって削り、リッジ幅２μｍのリッジ構造としている。ここで、基板のＩｎ組成は０．１５、量子井戸層の厚さ及び歪はそれぞれ１０ｎｍ及び２．０５％（圧縮）であり、発振波長は１．３μｍである。なお、本実施例では、発振波長が１．３μｍとなるようにしたが、発振波長が１．２５〜１．３５μｍとなるように、材料を選択して、厚さ及び歪を設定してもよい。

なお、第１の実施例と同様に、ｎクラッドからｐクラッドに向かってバリア層の組成比をＩｎ_0.15Ａｌ_0.11Ｇａ_0.74Ａｓ（０．９μｍ）、Ｉｎ_0.15Ａｌ_0.09Ｇａ_0.76Ａｓ（０．９２μｍ）、Ｉｎ_0.15Ａｌ_0.07Ｇａ_0.78Ａｓ（０．９４μｍ）及びＩｎ_0.15Ａｌ_0.05Ｇａ_0.8Ａｓ（０９６μｍ）とすることによって、第１の実施例と同様の効果を得ることができるとともに、ＩｎＧａＡｓ基板を用いることで、第１の実施例のＩｎＰ基板上の量子井戸層に比べて、ΔＥ_cを大きくして温度特性を改善することが可能である。

以下、本発明に係る光半導体装置の第４の実施例について説明する。
図６は、本発明に係る光半導体装置の第４の実施例における半導体レーザを示した断面図である。図６に示すように、ｎ型のＩｎＧａＡｓ基板１上に厚さ１．５μｍのｎ−ＩｎＧａＰクラッド３、ＩｎＡｌＧａＡｓバリア及びＩｎＧａＡｓ量子井戸層からなる３層の多重量子井戸活性層２、厚さ１．５μｍのｐ−ＩｎＧａＰクラッド４、前記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を用いた埋め込み層５からなっている。なお、本実施例では、量子井戸層数は３としたが、量子井戸層数は、２〜２０程度の範囲で設定してもよい。

ここで、基板のＩｎ組成は０．１５、量子井戸層の厚さ及び歪はそれぞれ１０ｎｍ及び２．０５％（圧縮）であり、発振波長は１．３μｍである。なお、本実施例では、発振波長が１．３μｍとなるようにしたが、発振波長が１．２５〜１．３５μｍとなるように、材料を選択して、厚さ及び歪を設定してもよい。

なお、第１の実施例と同様に、ｎクラッドからｐクラッドに向かってバリア層の組成比をＩｎ_0.15Ａｌ_0.11Ｇａ_0.74Ａｓ（０．９μｍ）、Ｉｎ_0.15Ａｌ_0.09Ｇａ_0.76Ａｓ（０．９２μｍ）、Ｉｎ_0.15Ａｌ_0.07Ｇａ_0.78Ａｓ（０．９４μｍ）、Ｉｎ_0.15Ａｌ_0.05Ｇａ_0.8Ａｓ（０．９６μｍ）とすることによって、第１の実施例と同様の効果を得ることができる。

このデバイスに対しては、微分利得に関して第１の実施例と同様の効果を得ることができるとともに、ＩｎＧａＡｓ基板を用いることで、第２の実施例のＩｎＰ基板上の量子井戸層に比べてΔＥ_cを大きくし、さらに、ルテニウムのドーピングによって放熱性が改善し、第３の実施例よりも温度特性を改善することが可能である。

以下、本発明に係る光半導体装置の第５の実施例について説明する。
図２は、本発明に係る光半導体装置の第５の実施例におけるファブリ・ペロ型半導体レーザを示した縦方向断面図である。図２に示すように、ｎ型のＧａＡｓ基板１上に厚さ１．５μｍのｎ−ＩｎＧａＰクラッド３、ＡｌＧａＡｓバリア及びＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層からなる３層の多重量子井戸活性層２、ｐ−ＩｎＧａＰクラッド４からなる。なお、本実施例では、量子井戸層数は３としたが、量子井戸層数は、２〜２０の範囲で設定してもよい。

ｐ−クラッド４をエッチングによって削り、リッジ幅２μｍのリッジ構造としている。ここで、量子井戸層の厚さ及び歪はそれぞれ７ｎｍ及び２．１９％（圧縮）であり、発振波長は１．３μｍである。なお、本実施例では、発振波長が１．３μｍとなるようにしたが、発振波長が１．２５〜１．３５μｍとなるように、材料を選択して、厚さ及び歪を設定してもよい。

なお、第１の実施例と同様に、ｎクラッドからｐクラッドに向かってバリア層の組成比をＡｌ_0.07Ｇａ_0.93Ａｓ（０．８μｍ）、Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ａｓ（０．８２μｍ）、Ａｌ_0.03Ｇａ_0.97Ａｓ（０．８４μｍ）、Ａｌ_0.01Ｇａ_0.99Ａｓ（０．８６μｍ）とすることによって、第１の実施例と同様の効果を得ることができるとともに、ＧａＡｓ基板を用いることで、第１の実施例のＩｎＰ基板上の量子井戸層に比べて、ΔＥ_cを大きくして温度特性を改善することが可能である。

以下、本発明に係る光半導体装置の第６の実施例について説明する。
図６は、本発明に係る光半導体装置の第６の実施例における半導体レーザを示した断面図である。図６に示すように、ｎ型のＧａＡｓ基板１上に厚さ１．５μｍのｎ−ＩｎＧａＰクラッド３、ＡｌＧａＡｓバリア及びＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層からなる３層の多重量子井戸活性層２、ｐ−ＩｎＧａＰクラッド４からなる。なお、本実施例では、量子井戸層数は３としたが、量子井戸層数は、２〜２０程度の範囲で設定してもよい。

ｐ−クラッド４前記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を用いた埋め込み層５からなっている。ここで、量子井戸層の厚さ及び歪はそれぞれ７ｎｍ及び２．１９％（圧縮）であり、発振波長は１．３μｍである。なお、本実施例では、発振波長が１．３μｍとなるようにしたが、発振波長が１．２５〜１．３５μｍとなるように、材料を選択し、厚さ及び歪を設定してもよい。

なお、第１の実施例と同様に、ｎクラッドからｐクラッドに向かってバリア層の組成比をＡｌ_0.07Ｇａ_0.93Ａｓ（０．８μｍ）、Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ａｓ（０．８２μｍ）、Ａｌ_0.03Ｇａ_0.97Ａｓ（０．８４μｍ）、Ａｌ_0.01Ｇａ_0.99Ａｓ（０．８６μｍ）とすることによって、第１の実施例と同様の効果を得ることができる。

このデバイスに対しては、微分利得に関して第１の実施例と同様の効果を得ることができるとともに、ＩｎＧａＡｓ基板を用いることで、第２の実施例のＩｎＰ基板上の量子井戸層に比べてΔＥ_cを大きくし、さらに、ルテニウムのドーピングによって放熱性が改善し、第５の実施例よりも温度特性を改善することが可能である。

以上のように、本発明によれば、多重量子井戸層のバリア層のバンドギャップ波長を不均一とし、その変動量を１０から１００ｎｍとすることで、バリア層が均一な構造に対して利得、微分利得の劣化を３％以下に抑えつつ、キャリアの不均一な分布を緩和し、半導体レーザの性能を向上することが可能となり、近い将来のアクセス系の通信などで需要の大きい１０Ｇｂ／ｓ、４０Ｇｂ／ｓの変調性能をもつ半導体レーザの実現が可能となる。

図７は、本発明に係る光半導体装置における、多重量子井戸層内のバリア波長の変化の付け方の概念図である。なお、以上では、多重量子井戸層内のバリア波長の変化の付け方に関して、図７（ａ）のような線形関数の場合の結果のみを示したが、図７（ｂ）及び（ｃ）のような２次曲線型や、図７（ｄ）のようなｔａｎｈ型など、どのようなバリア波長の変化のさせ方を用いても、同様の効果を得ることができる。また、バリア波長の変化は多重量子井戸層全体において変化させるだけでなく、図７（ｅ）、（ｆ）及び（ｇ）のように多重量子井戸層の一部において変化させても良い。

本発明は、例えば、光半導体装置、特に、歪量子井戸層を有する半導体レーザや半導体光増幅器に利用することが可能である。

本発明に係る光半導体装置の第１の実施例における半導体層構造を示した図である。 本発明に係る光半導体装置の第１、３及び５の実施例におけるファブリ・ペロ型半導体レーザを示した縦方向断面図である。 従来構造の微分利得のバリアバンドギャップ波長依存性を示した図である。 本発明の第１の実施例に係るＩｎ_0.68Ａｌ_0.15Ｇａ_0.17Ａｓ量子井戸層をもつ３層多重量子井戸層のポテンシャルエネルギー分布を示した図である。 本発明の第１の実施例に係る量子井戸層の微分利得のλ_BとΔλ_B依存性を示した図である。 本発明に係る光半導体装置の第２、４及び６の実施例における半導体レーザを示した断面図である。 本発明に係る光半導体装置における、多重量子井戸層内のバリア波長の変化の付け方の概念図である。 本発明に係る光半導体装置における量子井戸層のポテンシャルエネルギー分布の概念図である。 本発明に係る光半導体装置における量子井戸層中のキャリア密度分布を示した図である。 従来構造での量子井戸層中のキャリア密度分布の概念図である。 従来構造での量子井戸層の利得とキャリア密度の関係を示した図である。 従来構造における微分利得の伝導体バンドオフセット依存性を示した図である。

符号の説明

１ 半導体基板
２ 多重量子井戸層
３ 下部クラッド層
４ 上部クラッド層
５ 回折格子層
６ ルテニウム等をドープした半絶縁性結晶による埋め込み層

Claims (9)

1. 半導体基板、第一のクラッド層、活性層及び第二のクラッド層を備え、
   前記第一のクラッド層と前記第二のクラッド層のいずれか一方がｎ型、他方がｐ型であり、
   前記活性層は量子井戸層及びバリア層からなる多重量子井戸層であり、
   前記多重量子井戸層がＡｌを含む半導体であり、
   前記多重量子井戸層において、少なくとも一部の前記バリア層のｐ側のバンドギャップ波長がｎ側のバンドギャップ波長より長い
   ことを特徴とする光半導体装置。
2. 前記バリア層はＩｎ_1-x-yＡｌ_xＧａ_yＡｓ（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）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。
3. 前記半導体基板はＩｎＰ、第一のクラッド層、活性層及び第二のクラッド層はＩｎ_1-x-yＡｌ_xＧａ_yＡｓ（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）である
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光半導体装置。
4. 前記半導体基板はＩｎ_1-xＧａ_xＡｓ（ここで、０≦ｘ≦１）、第一のクラッド層、活性層及び第二のクラッド層はＩｎ_1-xＧａ_xＡｓ_yＰ_1-y（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）又はＩｎ_1-x-yＡｌ_xＧａ_yＡｓ（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）である
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光半導体装置。
5. 前記半導体基板はＧａＡｓ、活性層はＧａ_xＩｎ_1-xＮ_yＡｓ_1-y（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）、第一のクラッド層及び第二のクラッド層はＧａ_xＩｎ_1-xＮ_yＡｓ_1-y（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）、Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓ_yＰ_1-y（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）又はＩｎ_1-x-yＡｌ_xＧａ_yＡｓ（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）である
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光半導体装置。
6. 前記活性部の量子井戸層数が２から２０である
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の光半導体装置。
7. 前記多重量子井戸層中の最大及び最小バンドギャップ波長を持つ前記バリア層のバンドギャップ波長差は１０から１００ｎｍである
   ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の光半導体装置。
8. 前記多重量子井戸層中の前記量子井戸層は、利得が最大となる波長を１．２５から１．３５μｍとなるように、材料を選択して厚み及び歪を設定する
   ことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の光半導体装置。
9. 前記多重量子井戸層の両側を絶縁体で埋め込む場合に、ルテニウムをドーピングした埋め込み層を用いる
   ことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の光半導体装置。

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