JP2009260093A - 光半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】３元混晶の半導体結晶ＩｎＧａＡｓからなる基板に、選択酸化狭窄構造を導入した光半導体装置を提供する。
【解決手段】Ｉｎ組成比ｘが低い３元混晶の半導体結晶Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓからなる基板１１と、基板１１に低温で結晶成長された、ＩｎＧａＡｓ歪量子井戸構造からなる活性層１３と、活性層１３上に結晶成長されたＡｌＡｓ層１４とを有し、ＡｌＡｓ１４の一部を選択的に酸化して、選択酸化層１４’を形成し、選択酸化狭窄構造とした光半導体装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザ、半導体変調器等の光半導体装置に関する。

面発光半導体レーザは、基板に垂直に共振することを特徴とする半導体レーザであり、通常、屈折率差の大きな２種類の材料を多層膜に積層した反射鏡が用いられる。エピタキシャル成長で、半導体多層膜反射鏡を積層する際には、基板に格子整合する材料、又は、格子定数差が０．１％以下になるような材料を選ぶ。又、この反射鏡を構成する材料同士の屈折率差が大きいほど少ない積層数で高い反射鏡が得られ、広いストップバンド幅をもつ反射鏡が形成される。そのため、面発光半導体レーザのレーザ発振に必要な９９％以上の反射率を得るには、２種類の材料の屈折率差が０．５以上になる材料が要求される。この大きな屈折率差の２種類の材料を、同じ格子定数の材料の中から選ぶという制限があるために、面発光半導体レーザの反射鏡の材料としては、ＧａＡｓ基板上のＧａＡｓとＡｌＧａＡｓが多く用いられてきた。

ＧａＡｓ基板上では、半導体レーザの発振波長を決める活性層の材料として、ＧａＡｓやＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓなどを組み合わせた多重量子井戸構造が用いられる。多重量子井戸構造では、各層の厚さが１０ｎｍ以下と薄いために、通常２％程度以下の歪が生じるような組み合わせにおいても、エピタキシャル成長が可能である。ＧａＡｓに対して、Ａｌを入れるほどバンドギャップは大きくなり、Ｉｎを入れるほどバンドギャップは小さく、つまり、長波長側に利得を持つようになる。ＧａＡｓ基板上では、比較的短波長の８５０ｎｍ、９８０ｎｍ帯の半導体レーザが実用化されており、特性温度１００Ｋを超える優れた温度特性を示している。これは、伝導帯側の大きなバンドオフセットによるものである。しかしながら、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ歪量子井戸構造によって、１．３μｍでの発光を得るためには、Ｉｎ組成を５０％程度に高める必要がある。Ｉｎ組成の増加と共に、ＧａＡｓ基板との格子不整合が大きくなり、３次元成長やミスフィット転位が生じるため、１．３μｍ以上の波長帯での高品質な量子井戸の形成は困難である。

一方、１．３μｍ〜１．５５μｍを用いた光ファイバ通信用光源としては、バンドギャップ、格子定数の関係上、作製しやすいＩｎＰ基板上のＩｎＧａＡｓＰ系量子井戸構造の半導体レーザが用いられてきた。構成材料としては、ＩｎＰ基板との格子定数差を考慮して、井戸層には、１％前後の圧縮歪となるＩｎＧａＡｓＰを用い、障壁層には、ＩｎＰ基板と格子整合した組成となるＩｎＧａＡｓＰを用いることが一般的である。このような従来のＩｎＰ基板上の半導体レーザでは、伝導帯側の量子井戸と障壁層間のバンド不連続が小さいために、高温条件下にすると、電子のオーバーフローによる光学利得の低下が生じ、閾値電流の増加、効率の低下を引き起こす。閾値電流の温度依存性を示す特性温度は５０Ｋ程度と低く、温度調整器の使用が不可欠であった。更に、面発光半導体レーザに必要な高い屈折率差をもつ材料は、ＩｎＰ基板に格子整合する材料の中には少ないという問題がある。このような格子定数とバンドギャップ波長の問題を改善する手段として、ＧａＡｓより格子定数が大きく、１．３μｍ帯のレーザ発振と高い温度特性が期待できるＩｎＧａＡｓ基板上の半導体レーザの提案がなされ、初期的な検討もなされてきた。

又、面発光半導体レーザのモード制御、閾値電流低減に有効な技術として、ＡｌＡｓ選択酸化がある。これは、ＧａＡｓ基板上の面発光半導体レーザの反射鏡として用いられるＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓの一部分にＡｌＡｓ層を導入し、加工プロセスのエッチング後に高温の水蒸気雰囲気にて酸化することで、一部分をアルミナＡｌ_xＯ_yに変化させる技術である。これにより、横方向の屈折率差による光閉じ込めやアルミナが絶縁体であることによる電流狭窄が可能となる。従って、現在、単一モードの面発光半導体レーザに不可欠な技術となっている。しかしながら、ＩｎＰ基板やＩｎＧａＡｓ基板においては、ＡｌＡｓとの格子定数差が大きいため、この技術は使えないという問題があった。そのため、これらの基板上においては、低閾値動作や単一モード動作が困難であった。

特開２００７−０６６９３０号公報

以上のように、ＧａＡｓ基板上の半導体レーザの高性能化には、ＡｌＡｓ選択酸化狭窄構造が有効であるが、ＧａＡｓ基板上では、格子定数とエネルギーバンドギャップの関係から、通信波長帯である１．３μｍ帯でのレーザ発振が困難である。一方、１．３μｍ帯の半導体レーザが実現可能なＩｎＰ基板やＩｎＧａＡｓ基板上では、格子定数の差が大きいため、ＡｌＡｓ層自体のエピタキシャル成長が困難であり、選択酸化狭窄構造を用いた半導体レーザの実現が困難という課題がある。

本発明は上記課題に鑑みなされたもので、３元混晶の半導体結晶ＩｎＧａＡｓからなる基板に、選択酸化狭窄構造を導入した光半導体装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する第１の発明に係る光半導体装置は、
Ｉｎ組成比ｘが低い３元混晶の半導体結晶Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓからなる基板と、
前記基板に低温で結晶成長された、ＩｎＧａＡｓ歪量子井戸構造からなる活性層と、
前記活性層上に結晶成長された、Ａｌを含む半導体からなるＡｌ含有半導体層とを有し、
前記Ａｌ含有半導体層の一部を選択的に酸化して、選択酸化狭窄構造としたことを特徴とする。

上記課題を解決する第２の発明に係る光半導体装置は、
上記第１の発明に記載の光半導体装置において、
前記基板のＩｎ組成比ｘを、０．１≦ｘ≦０．２の範囲としたことを特徴とする。

上記課題を解決する第３の発明に係る光半導体装置は、
上記第１、第２の発明に記載の光半導体装置において、
前記Ａｌ含有半導体層を、ＡｌＡｓとしたことを特徴とする。

上記課題を解決する第４の発明に係る光半導体装置は、
上記第１〜第３のいずれか１つの発明に記載の光半導体装置において、
前記基板、前記歪量子井戸構造を、１．１μｍ以上１．４μｍ以下の範囲の波長域に利得を有する組成から構成すると共に、前記歪量子井戸構造の量子井戸層を、当該波長域を達成する厚みとしたことを特徴とする。

上記課題を解決する第５の発明に係る光半導体装置は、
上記第１〜第４のいずれか１つの発明に記載の光半導体装置において、
更に、半導体多層膜反射鏡を設け、
前記半導体多層膜反射鏡を、前記基板に格子整合するＩｎＧａＡｓとＩｎＡｌＡｓの周期構造から構成したことを特徴とする。

本発明によれば、Ｉｎ組成比が低いＩｎＧａＡｓ基板に、ＩｎＧａＡｓ歪量子井戸構造の活性層を低温で結晶成長させ、その上に、Ａｌ含有半導体層を結晶成長させると共に一部を選択的に酸化して、選択酸化狭窄構造としたので、つまり、波長１．３μｍ帯において優れた温度特性が期待されるＩｎＧａＡｓ基板上に、半導体レーザの低閾値化と単一モード化が可能な選択酸化狭窄構造を設けたので、通信波長帯の発振波長を有し、温度特性に優れ、低閾値電流かつ単一モード動作する高性能な半導体レーザの実現が可能となる。

加えて、Ｉｎ組成比ｘが低いＩｎＧａＡｓ基板に格子整合するＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓの周期構造からなる半導体多層膜反射鏡を更に設けることで、通信波長帯の発振波長を有し、温度特性に優れ、低閾値電流かつ単一モード動作する高性能な面発光半導体レーザの実現も可能となる。

なお、本発明は、半導体レーザと略同等の構成の半導体変調器へも適用可能であり、その場合、通信波長帯に利得を有し、温度特性に優れ、低閾値電流かつ単一モード動作する高性能な半導体変調器の実現が可能となる。

本発明は、半導体レーザ等の光半導体装置に用いる基板として、Ｉｎ組成を低くした３元混晶のＩｎＧａＡｓ基板（Ｉｎ組成比：０．１以上０．２以下）を用い、その基板に、低温で結晶成長したＩｎＧａＡｓ歪量子井戸構造の活性層を導入すると共に、Ａｌを含む薄い半導体層を選択酸化した選択酸化狭窄構造を導入するものであり、又、面発光半導体レーザとする場合には、更に、その基板に格子整合するＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓの半導体多層膜反射鏡を導入するという新たな発想をもとにしたものである。

従来、ＩｎＧａＡｓ基板上に１．３μｍ帯の半導体レーザを作製する場合には、用いられるＩｎＧａＡｓ基板のＩｎ組成が０．３程度であった。これは、活性層に用いるＩｎＧａＡｓ歪量子井戸構造とＩｎＧａＡｓ基板の組成の差で決まる格子定数差により制限されてきた。この傾向は、後述する図２に示すように、通常用いられる結晶成長温度では、１％以上の歪みを持つＩｎＧａＡｓ歪量子井戸構造を成長するのは困難とされていたからである。

そこで、本発明では、従来よりも低温でＩｎＧａＡｓ歪量子井戸構造の活性層を結晶成長させることにより、Ｉｎ組成が０．１程度のＩｎＧａＡｓ基板においても、１．３μｍ帯での利得を持つ半導体レーザを実現している。そして、従来よりもＩｎ組成の低いＩｎＧａＡｓ基板を用いることにより、Ａｌを含む半導体、例えば、ＡｌＡｓとの格子定数差が０．６％程度と小さくなるため、基板上にＡｌＡｓ層をエピタキシャル成長することが可能となり、低閾値電流かつ単一モード動作に有効な選択酸化狭窄構造を構成して、低閾値電流かつ単一モード動作の半導体レーザの実現が可能となる。加えて、従来よりもＩｎ組成の低いＩｎＧａＡｓ基板を用いることにより、この基板に格子整合するＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓも結晶成長することが可能となり、材料の屈折率差が０．５程度と大きいＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓを用いて半導体多層膜反射鏡を構成して、高い屈折率の反射鏡を用いた低閾値の半導体レーザの実現も可能となる。

以下、本発明に係る光半導体装置の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

＜面発光半導体レーザ＞
図１は、本発明に係る光半導体装置の実施形態の一例を示す要部断面図である。具体的には、波長１．３μｍでのレーザ発振を実現するため、３元混晶の半導体結晶ＩｎＧａＡｓの基板上に、ＡｌＡｓを選択酸化した選択酸化狭窄構造を設け、更に、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓの半導体多層膜反射鏡を設けた面発光半導体レーザの断面構造を示すものである。

本実施例の光半導体装置の概略は、図１に示すように、３元混晶の半導体結晶ＩｎＧａＡｓからなる基板１１と、基板１１上に形成され、ｎ−ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓの周期構造からなる半導体多層膜反射鏡１２と、半導体多層膜反射鏡１２上に形成され、低温で結晶成長されたＩｎＧａＡｓからなる多重歪量子井戸構造の活性層１３と、活性層１３上に形成されたＡｌ含有半導体層となるＡｌＡｓ層１４と、ＡｌＡｓ層１４上に形成され、ｐ−ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓの周期構造からなる半導体多層膜反射鏡１５と、半導体多層膜反射鏡１５上に形成されたｐ−ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層１６と、活性層１３、ＡｌＡｓ層１４、半導体多層膜反射鏡１５及びコンタクト層１６の周囲を埋め込むポリイミドからなる埋込層１７と、コンタクト層１６上に形成されたｐ電極１８と、基板１１の裏面側に形成されたｎ電極１９とを有し、ＡｌＡｓ層１４の一部を選択的に酸化してＡｌＡｓ選択酸化層１４’を形成することにより、選択酸化狭窄構造としたものである。

又、活性層１３の多重歪量子井戸構造は、基板１１より高いＩｎ組成をもつＩｎＧａＡｓからなる量子井戸層２２、２４、２６と、基板１１と同じＩｎ組成をもつＩｎＧａＡｓからなる障壁層２１、２３、２５、２７から構成され、両者を複数回成長したものである。

なお、選択酸化を行うＡｌ含有半導体層は、Ａｌの酸化作用を用いているので、酸化して絶縁性を有する程度の高濃度のＡｌが含まれていればよい。従って、Ａｌ含有半導体層としては、ＡｌＡｓに限らず、例えば、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＧａＡｓ等が適用可能である。但し、このＡｌ含有半導体層は、歪量が大きすぎると、格子緩和等の結晶品質の劣化が生じるので、結晶品質の劣化が生じない程度の歪量を有する組成であることが望ましい。

本発明において、ＩｎＧａＡｓ量子井戸層のＩｎ組成とＩｎＧａＡｓ基板のＩｎ組成は、以下のような検討により決定する。

ＩｎＧａＡｓのエネルギーバンドギャップは、Ｉｎ組成の増大とともに小さくなり、これに伴い、バンドギャップの逆数に比例する発光波長は長波長化する。又、ＩｎＧａＡｓの格子定数はＩｎ組成の増大とともに大きくなる。そのため、ＩｎＧａＡｓ量子井戸層からの発光波長を決めると、一意に格子定数が決まる。これにより、ＩｎＧａＡｓ基板との格子定数差、つまり、歪量が一意に決まる。そこで、計算により求めたＩｎＧａＡｓ基板上のＩｎＧａＡｓ量子井戸層の発光波長とその歪量との関係を図２に示す。なお、比較のため、Ｉｎ組成がゼロのときのＩｎＧａＡｓ基板の場合、つまり、ＧａＡｓ基板の場合も併記した。

図２に示すように、波長１．３μｍでの発光を得るには、Ｉｎ組成０．１のＩｎＧａＡｓ基板では２．５％の歪み、Ｉｎ組成０．２のＩｎＧａＡｓ基板では１．８％の歪みがかかることがわかる。この歪量の結晶構造を、通常用いる有機金属気相成長法で作製すると、歪みによる格子緩和や３次元成長がおこり、結晶性が悪化する。このような現象を抑え、高い歪みの結晶を成長するには、成長温度を下げた低温成長が有効とされている。成長温度を下げるほどこの抑制効果は大きく、高い歪みの結晶でも成長できるようになるが、これまでの半導体レーザのための結晶成長による実験的検討により、ＩｎＧａＡｓ基板のＩｎ組成０．１の場合には、成長温度が４５０℃以上６００℃以下の範囲がよく、ＩｎＧａＡｓ基板のＩｎ組成０．２の場合には、成長温度４５０℃以上７００℃以下の範囲がよい。中でも、成長温度が５５０℃のとき、良好な特性の半導体レーザを実現できることを確認している。この場合、５５０℃で成長できる最大の歪量が、結晶成長できる最大の歪量となる。

そこで、成長温度５５０℃において、ＩｎＧａＡｓ量子井戸層の歪量、つまり、Ｉｎ組成を変えて成長検討を行った。図３は、Ｉｎ組成０．１のＩｎＧａＡｓ基板上に成長させたＩｎＧａＡｓ量子井戸層のＩｎ組成と、そのフォトルミネッセンススペクトルの関係である。３種類の試料において、ＩｎＧａＡｓ量子井戸層はＩｎ組成を０．２４、０．３８、０．４と変化させた。なお、試料の構造は、Ｉｎ組成０．１のＩｎＧａＡｓ基板上に、ＩｎＧａＡｓバッファー層１００ｎｍ成長後、歪量子井戸構造を成長させたものであり、歪量子井戸構造におけるＩｎＧａＡｓ量子井戸層の両側は２０ｎｍのＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ障壁層としている。

図３に示すように、Ｉｎ組成０．１のＩｎＧａＡｓ基板上においても、低温成長を行うことにより、１．３μｍまでのフォトルミネッセンス発光を得られた。最大波長のフォトルミネッセンススペクトルの試料では、スペクトルの半値全幅の増大、発光強度の減少など、劣化の兆候がみられていた。そのため、１．３μｍで発光させるための成長条件から考えて、ＩｎＧａＡｓ基板のＩｎ組成の下限は０．１であることがわかった。

次に、ＩｎＧａＡｓ基板のＩｎ組成とＡｌＡｓ層の歪量との関係を検討してみると、図４に示すようになっている。具体的には、ＩｎＧａＡｓ基板のＩｎ組成０．１のときは、ＡｌＡｓ層の歪量は０．４％となり、Ｉｎ組成０．２のときは、ＡｌＡｓ層の歪量は１．１％程度必要となる。つまり、Ｉｎ組成０．１から０．２のＩｎＧａＡｓ基板では、ＡｌＡｓ層の歪量は０．４から１．１％と十分低い値となることがわかる。

このＡｌＡｓ層は、その一部を選択的に酸化したＡｌＡｓ選択酸化層を設けることにより、選択酸化狭窄構造とされており、この選択酸化狭窄構造は、光閉じ込めと電流狭窄という２つの機能を果たす。

光閉じ込めについては、酸化により外側に形成されるアルミナと酸化されずに内側に残ったＡｌＡｓ層との屈折率差から等価的に光の導波路とみなされることから、その機能を果たしている。この残ったＡｌＡｓ層の幅を小さくしてゆくと、あるところで、光のモードのうち、基本モードのみしか伝播できなくなる。このモードのカットオフとなる酸化狭窄領域幅は、ＡｌＡｓ層の膜厚も含めて計算される等価屈折率により決まる。ＡｌＡｓ層の膜厚が厚いほど光閉じ込めが強くなるため、酸化領域幅を小さくしないと、単一モード動作しない。

一方、電流狭窄については、酸化したアルミナが絶縁体になり、中心のＡｌＡｓ層の領域にのみ電流が注入されることから、その機能を果たしている。酸化狭窄領域が小さくなると、電流注入領域、つまり、発光領域が小さくなるため、光出力あたりの発熱の影響が大きくなり、光出力を制限してしまう。そのため、単一モードの光出力を大きくするには、薄いＡｌＡｓ層が必要となる。

しかしながら、この酸化したアルミナは誘電体であり、電気的にはコンデンサーとみなされる。高速直接変調時には、このコンデンサー成分によるＣＲ時定数による電気的な制限により、変調帯域が制限されてしまうという問題がある。そのため、このＣＲ時定数を考えると、厚いほどよいということになり、前述の単一モード光出力とのトレードオフが生じる。これまでの数多くの実験的検討から、ＡｌＡｓ層の膜厚は２０から３０ｎｍ程度が最適とされている。

そこで、ＩｎＧａＡｓ基板のＩｎ組成とＡｌＡｓ層の臨界膜厚との関係を計算してみると、図５に示すような結果になっている。図５からわかるように、ＩｎＧａＡｓ基板のＩｎ組成０．２が上限であることがわかる。

以上の検討内容から、半導体レーザにおいて、１．３μｍ帯で発光させると共に、低閾値かつ単一モード動作させるには、Ｉｎ組成０．１以上０．２以下の範囲のＩｎＧａＡｓ基板を用いると共に、選択酸化狭窄構造を用いることが必要であることがわかる。

又、上記検討内容から、Ｉｎ組成０．１以上０．２以下の範囲のＩｎＧａＡｓ基板において、低温成長によりＩｎＧａＡｓ量子井戸層の組成を適宜に設定することで、１．１μｍ以上１．４μｍ以下の範囲の波長域に利得を有する構成とすることができる。このとき、ＩｎＧａＡｓ量子井戸層は、当該波長域を達成する厚みとしている。

ここで、上述した検討内容を踏まえた本実施例の光半導体装置の構成の一例を、図１を参照しながら、具体的に説明する。

基板１１は、バルク結晶から切り出して、研磨を行ったｎ−Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ基板であり、そのＩｎ組成ｘは０．１を用いる。

その基板１１上に、Ｓｉをドープしたｎ−Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓバッファー層（図示省略）を成長し、更に、Ｓｉを５×１０¹⁷ドープした１／４周期のｎ−Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ／Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ（３５ペア）の半導体多層膜反射鏡１２を成長する。その上に、光閉じ込め層として、ドーピングしないＡｌ_0.2Ｇａ_0.72Ｉｎ_0.08Ａｓ層（図示省略）を成長し、その上に、活性層１３を成長する。

この活性層１３は、レーザ発振に必要な１．３μｍでの利得を持つような歪量子井戸構造を用いる。具体的には、１０ｎｍのＩｎ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓからなる量子井戸層２２、２４、２６の両側を、２０ｎｍのＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓの障壁層２１、２３、２５、２７としており、量子井戸層／障壁層を３周期とした３層歪量子井戸構造の活性層であり、成長温度５５０℃で成長した。

更に、活性層１３上に、Ａｌ_0.2Ｇａ_0.72Ｉｎ_0.08Ａｓ層からなる光閉じ込め層（図示省略）を成長し、その上に、亜鉛をドープしたｐ−Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ／Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ（２１ペア）の半導体多層膜反射鏡１５を成長するが、この半導体多層膜反射鏡１５の最下部、つまり、活性層１３と半導体多層膜反射鏡１５の間には、３０ｎｍのＡｌＡｓ層１４（Ａｌ含有半導体）を成長している。ＡｌＡｓ層１４は、面発光半導体レーザの光の定在波の節になるような位置に配置され、光の吸収、散乱を防ぐために、定在波の節に薄く導入されている。

このようにして結晶成長した後、フォトリソグラフィ技術を用いてマスクパターンを形成し、その後、ドライエッチングにより正方形メサを形成する。マスクを有機洗浄により剥離後、４５０℃に加熱した炉の中に入れ、水蒸気を導入し、水蒸気雰囲気でメサ周囲から酸化させる。この酸化温度は通常４００℃から５００℃で行われる。この際、ＡｌＡｓ層１４のみメサ中心方向に向かって、アルミナに変化し、選択酸化層１４’が形成される。酸化領域幅は、炉から取り出した後に光学顕微鏡により測定を行う。酸化が足りない場合は再度炉に入れ、昇温後再度酸化する。酸化されていないＡｌＡｓ層１４の領域が５μｍ角になったところで酸化を停止する。その後、ポリイミドを塗布して、埋込層１７を形成し、基板裏面を研磨後に金属蒸着によりｐ電極１８、ｎ電極１９を形成する。

このように作製した面発光半導体レーザは、波長が１．２５μｍであり、最高光出力は室温で０．１ｍＷであった。

＜インナーストライプ型ファブリペローレーザ＞
図６は、本発明に係る光半導体装置の実施形態の他の一例を示す要部断面図である。具体的には、波長１．３μｍでのレーザ発振を実現するため、３元混晶の半導体結晶ＩｎＧａＡｓの基板上に、ＡｌＡｓを選択酸化した選択酸化狭窄構造を設けた端面発光半導体レーザの断面構造を示すものである。

本実施例の光半導体装置の概略は、図６に示すように、３元混晶の半導体結晶ＩｎＧａＡｓからなる基板３１と、基板３１上に形成され、ｎ−ＩｎＧａＰからなるクラッド層３２と、クラッド層３２上に形成され、低温で結晶成長されたＩｎＧａＡｓからなる多重歪量子井戸構造の活性層３３と、活性層３３上に形成されたＡｌ含有半導体層となるＡｌＡｓ層３４と、ＡｌＡｓ層３４上に形成され、ｐ−ＩｎＧａＰからなるクラッド層３５と、クラッド層３５上に形成されたｐ−ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層３６と、活性層３３、ＡｌＡｓ層３４、クラッド層３５及びコンタクト層３６の側面を埋め込むポリイミドからなる埋込層３７と、コンタクト層３６上に形成されたｐ電極３８と、基板３１に裏面側に形成されたｎ電極３９とを有し、ＡｌＡｓ層３４の一部を選択的に酸化してＡｌＡｓ選択酸化層３４’を形成することにより、選択酸化狭窄構造としたものである。

更に、実施例１で説明した検討内容を踏まえた本実施例の光半導体装置の構成の一例を、図６を参照しながら、具体的に説明する。なお、成長は有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）を用いて行った。

基板３１は、バルク結晶から切り出して、研磨を行ったＩｎ組成０．１のｎ−Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ基板である。

この基板３１上に、成長温度７００℃、成長圧力７６ＴｏｒｒにてＳｉをドープしたｎ−Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓバッファー層（図示省略）を成長し、更に、Ｓｉを５×１０¹⁷ドープしたｎ−Ｉｎ_0.58Ｇａ_0.42ＡｓＰのクラッド層３２を１．５μｍの厚さに成長した。

そのクラッド層３２上に、活性層３３として、圧縮歪みとなる量子井戸層４２、４４、４６の両側に、引張り歪みとなるＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ歪補償障壁層４１、４３、４５、４７を配し、これらを３周期とした３層歪量子井戸構造を、成長温度５５０℃で成長した。

更に、詳細には、１．３μｍ発光が可能となる組成であるＩｎ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓを用いた厚さ１０ｎｍの量子井戸層４２、４４、４６の両側に、厚さ５ｎｍのＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ障壁層を配し、更に、ＧａＡｓ歪補償障壁層を配する。ＧａＡｓ歪補償障壁層は厚さが１５ｎｍであり、Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ障壁層の間に配する。

この活性層３３上に、ｐ−ＡｌＡｓ層３４を３０ｎｍ導入する。更に、この上に亜鉛を５×１０¹⁷（ｃｍ^-3）ドープしたＰ−Ｉｎ_0.58Ｇａ_0.42Ｐのクラッド層３５を１．５μｍの厚さに成長し、その上に、２×１０¹⁹（ｃｍ^-3）ドープした厚さ１００ｎｍのｐ−Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓのコンタクト層３６を成長する。

成長後、幅２０μｍのストライプ状のＳｉＯ₂マスクを、スパッタリングとフォトリソグラフィにより形成し、ウェットエッチングによりストライプメサ構造を形成する。その後、４５０℃に加熱した炉の中に入れ、水蒸気を導入し、水蒸気雰囲気でストライプメサの側面から酸化させる。この際、ＡｌＡｓ層３４のみストライプメサの中心方向に向かって、アルミナに変化し、選択酸化層３４’が形成される。この酸化領域幅は、炉から取り出した後に光学顕微鏡により測定を行う。酸化が足りない場合は再度炉に入れ、昇温後再度酸化する。酸化されて無い領域が３μｍ幅になったところで酸化を停止する。その後、ポリイミドを塗布して、埋込層３７を形成し、裏面研磨後、ｐ電極３８、ｎ電極３９を形成し、インナーストライプ型ファブリペローレーザへ加工した。

このように作製した端面発光半導体レーザは、発振波長が１．３μｍであり、単峰性の遠視野像が得られた。又、閾値電流密度は１ｋＡ／ｃｍ²で８５℃までのレーザ発振が得られた。

なお、選択酸化を行うＡｌ含有半導体層は、実施例１と同様に、ＡｌＡｓに限らず、例えば、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＧａＡｓ等が適用可能である。

本発明に係る光半導体装置は、半導体レーザに好適であり、発振特性を向上する選択酸化狭窄構造を実現して、低い駆動電流で単一モード動作を可能とする。又、半導体レーザと略同等の構成の半導体変調器へも適用可能である。

本発明に係る光半導体装置の実施形態の一例（実施例１）を示す要部断面図である。 ＩｎＧａＡｓ基板、ＧａＡｓ基板上の量子井戸層の波長と歪量の関係を示すグラフである。 Ｉｎ組成０．１のＩｎＧａＡｓ基板上のＩｎＧａＡｓ量子井戸層からのフォトルミネッセンススペクトルの歪量依存性を示すグラフである。 ＩｎＧａＡｓ基板のＩｎ組成とＡｌＡｓの歪量の関係を示すグラフである。 ＩｎＧａＡｓ基板のＩｎ組成とＡｌＡｓの臨界膜厚の関係を示すグラフである。 本発明に係る光半導体装置の実施形態の他の一例（実施例２）を示す要部断面図である。

符号の説明

１１、３１ 基板（ＩｎＧａＡｓ）
１２ 多層膜反射鏡（ｎ−ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ）
１３、３３ 活性層（ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ）
１４、３４ Ａｌ含有半導体層（ＡｌＡｓ）
１４’、３４’ 選択酸化層
１５ 多層膜反射鏡（ｐ−ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ）
１６、３６ コンタクト層（ｐ−ＩｎＧａＡｓ）
１７、３７ 埋込層
１８、３８ ｐ電極
１９、３９ ｎ電極
２１、２３、２５、２７ 障壁層（ＩｎＧａＡｓ）
２２、２４、２６ 量子井戸層（ＩｎＧａＡｓ）
３１ クラッド層（ｎ−ＩｎＧａＰ）
３５ クラッド層（ｐ−ＩｎＧａＰ）
４１、４３、４５、４７ 障壁層（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ）
４２、４４、４６ 量子井戸層（ＩｎＧａＡｓ）

Claims (5)

1. Ｉｎ組成比ｘが低い３元混晶の半導体結晶Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓからなる基板と、
   前記基板に低温で結晶成長された、ＩｎＧａＡｓ歪量子井戸構造からなる活性層と、
   前記活性層上に結晶成長された、Ａｌを含む半導体からなるＡｌ含有半導体層とを有し、
   前記Ａｌ含有半導体層の一部を選択的に酸化して、選択酸化狭窄構造としたことを特徴とする光半導体装置。
2. 請求項１に記載の光半導体装置において、
   前記基板のＩｎ組成比ｘを、０．１≦ｘ≦０．２の範囲としたことを特徴とする光半導体装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の光半導体装置において、
   前記Ａｌ含有半導体層を、ＡｌＡｓとしたことを特徴とする光半導体装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の光半導体装置において、
   前記基板、前記歪量子井戸構造を、１．１μｍ以上１．４μｍ以下の範囲の波長域に利得を有する組成から構成すると共に、前記歪量子井戸構造の量子井戸層を、当該波長域を達成する厚みとしたことを特徴とする光半導体装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の光半導体装置において、
   更に、半導体多層膜反射鏡を設け、
   前記半導体多層膜反射鏡を、前記基板に格子整合するＩｎＧａＡｓとＩｎＡｌＡｓの周期構造から構成したことを特徴とする光半導体装置。

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