JP2009283801A - Optical semiconductor device - Google Patents

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Takeshi Fujisawa
剛 藤澤
Takayuki Yamanaka
孝之 山中
Hiroshi Yasaka
洋 八坂
Masakazu Arai
昌和 荒井
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical semiconductor device having high-quality quantum well layer (active layer) crystal, exhibiting good high-temperature operating characteristics. <P>SOLUTION: The optical semiconductor device includes a substrate 1 where a metamorphic buffer layer of InGaAs is formed on an InGaAs substrate or a GaAs substrate, a lower cladding layer 5 formed on the substrate where the metamorphic buffer layer is grown, a single-layer or multiple-layer quantum well structure 7 formed on the lower cladding layer and consisting of a barrier layer and a quantum well layer 2 of GaInNAs, and an upper cladding layer 6 formed on the quantum well structure 7. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、光半導体装置に関する。   The present invention relates to an optical semiconductor device.

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以上の光が得られ、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。そして、これまでに、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。   Due to the current spread of FTTH (Fiber To The Home), there is a strong demand for high-performance optical devices in subscriber systems, and the semiconductor laser that is the light source can obtain light of 1.3 μm or more, and it is in a severe temperature environment It is required to operate below (85 ° C. or higher) and have low power consumption. In the past, strained quantum well semiconductor lasers have been researched and developed as optical semiconductor devices having low power consumption and high efficiency and good temperature characteristics.

光通信に用いられる半導体レーザ及び半導体光増幅器等の光半導体装置は、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。   An optical semiconductor device such as a semiconductor laser and a semiconductor optical amplifier used for optical communication is formed using an InP substrate, and is completed through a process of growing a crystal on the substrate. In the crystal growth, a material whose lattice constant matches with the substrate material is often selected, but a strained quantum well layer made of a material having a different lattice constant is also used. The strained quantum well layer has a condition that the composition of the multi-component material is not lattice-matched with the barrier layer or the substrate, and the film thickness is reduced so as to force the lattice constant to be the same as that of the substrate.

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として適用されており、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、複数の量子井戸層を積み重ねた多重量子井戸構造とすることにより、しきい値電流を低減することや、出力パワーを増大することが可能である。   Such a strained quantum well layer is applied, for example, as an active layer of a semiconductor laser. When strain is applied, the state density of the energy band structure changes, and the characteristics of the semiconductor laser are improved. Further, by using a multiple quantum well structure in which a plurality of quantum well layers are stacked, it is possible to reduce the threshold current and increase the output power.

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。１．３μｍ帯のＩｎＰ系量子井戸層（たとえば、ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層）では、量子井戸層の歪量が最大でも１．６％程度であり、この程度の歪ならば１０層以上の多重量子井戸構造も作製可能である。しかしながら、電子に対して、量子井戸層とバリア層の間の深さ（伝導帯バンドオフセット：ΔＥc）が小さいために、高温では電子が量子井戸層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。 By using the strained quantum well layer formed on the InP substrate, it is possible to obtain light having a wavelength of about 1.3 μm used in subscriber optical communication. In an InP-based quantum well layer (for example, an InGaAsP quantum well layer) of 1.3 μm band, the strain amount of the quantum well layer is about 1.6% at the maximum. Structures can also be made. However, since the depth (conduction band offset: ΔE c ) between the quantum well layer and the barrier layer is small with respect to electrons, the electrons easily jump out of the quantum well layer at a high temperature, and the performance is significantly deteriorated. It has been known.

この問題を回避するための方法として、ＧａＡｓ基板又はＩｎＧａＡｓ基板を用いる方法がある。ＧａＡｓ系の基板を用いることで、大きなΔＥcが得られ、温度特性を向上することができる。このとき、量子井戸層には通常ＩｎＧａＡｓが用いられ、ＩｎＡｓの割合を多くしていくほど、長波長の光を得ることができる。 As a method for avoiding this problem, there is a method using a GaAs substrate or an InGaAs substrate. By using a GaAs-based substrate, a large ΔE c can be obtained and the temperature characteristics can be improved. At this time, InGaAs is usually used for the quantum well layer, and as the proportion of InAs increases, light having a longer wavelength can be obtained.

しかし、ＩｎＡｓの割合を大きくしていくと、ＩｎＡｓとＧａＡｓの格子定数の違いから、基板に対する歪が大きくなってしまう。ＩｎＧａＡｓ基板を用いると、格子定数がＩｎＡｓのそれに近くなり、波長を保ったまま、歪を小さくすることも可能である。このとき、基板のＩｎ組成比が大きいほど必要な歪量は小さくなるが、大きなＩｎ組成比をもつ高品質なＩｎＧａＡｓ基板を作製することは困難である。   However, when the InAs ratio is increased, the strain on the substrate increases due to the difference in lattice constant between InAs and GaAs. When an InGaAs substrate is used, the lattice constant becomes close to that of InAs, and the strain can be reduced while keeping the wavelength. At this time, the larger the In composition ratio of the substrate, the smaller the required strain amount, but it is difficult to produce a high-quality InGaAs substrate having a large In composition ratio.

Ｍａｓａｈｉｋｏ．Ｋｏｎｄｏｗ、外７名、”ＧａＩｎＮＡｓ：Ａ Ｎｏｖｅｌ Ｍａｔｅｒｉａｌ ｆｏｒ Ｌｏｎｇ‐Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｌａｓｅｒｓ”、ＩＥＥＥ ＪＯＵＭＡＬ ＯＦ ＳＥＬＥＣＴＥＤ ＴＯＰＩＣＳ ＩＮ ＱＵＡＮＴＵＭ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＥ、１９９７年６月、ＶＯＬ．３、ＮＯ，３、ｐ．７１９−７３０Masahiko. Kondo, 7 others, “GaInNAs: A Novel Material for Long-Wavelength Semiconductor Lasers”, IEEE JOUMAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONIC. 3, NO, 3, p. 719-730 Ｍａｓａｋａｚｕ．Ａｒａｉ、外５名、“Ｈｉｇｈ‐Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｉｃ‐Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ １．３‐μｍ‐Ｂａｎｄ Ｌａｓｅｒ ｏｎ ａｎ ＩｎＧａＡｓ Ｔｅｒｎａｒｙ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ Ｇｒｏｗｎ ｂｙ ｔｈｅ Ｔｒａｖｅｌｉｎｇ Ｌｉｑｕｉｄｕｓ‐Ｚｏｎｅ Ｍｅｔｈｏｄ”、ＩＥＥＥ ＪＯＵＭＡＬ ＯＦ ＳＥＬＥＣＴＥＤ ＴＯＰＩＣＳ ＩＮ ＱＵＡＮＴＵＭ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ、２００７年９月／１０月、ＶＯＬ．１３、ＮＯ．５、ｐ．１２９５−１３０１Masakazu. Arai, 5 others, “High-Characteristic-Temperature 1.3-μm-Band Laser on an InGaAs Tertiary Substrate Grown by the TED EZE ED Month, VOL. 13, NO. 5, p. 1295-1301 Ｌ．Ａ．Ｃｏｌｄｒｅｎ、Ｓ．Ｗ．Ｃｏｒｚｉｎｅ、“Ｄｉｏｄｅ ｌａｓｅｒｓ ａｎｄ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔｓ”、Ｗｉｌｅｙ Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ、１９９５年、ｐ．２０２L. A. Coldren, S.M. W. Corzine, “Diode lasers and photonic integrated circuits”, Wiley New York, 1995, p. 202

ＧａＡｓ基板上で量子井戸層にＩｎＧａＡｓを用いた場合には、波長１．３μｍの光を得るためには３％以上の圧縮歪が必要であり、実現には至っていない。また、量子井戸層にＧａＩｎＮＡｓを用いることで歪を大幅に減少することが可能であることが報告されているが、１．３μｍの半導体レーザの実現には至っていない。   When InGaAs is used for a quantum well layer on a GaAs substrate, a compressive strain of 3% or more is required to obtain light having a wavelength of 1.3 μm, and this has not been realized. Although it has been reported that the strain can be significantly reduced by using GaInNAs in the quantum well layer, a 1.3 μm semiconductor laser has not been realized yet.

ＩｎＧａＡｓ基板を用いた場合には、例えば、基板のＩｎ組成比が１０％のＩｎＧａＡｓ基板上で波長１．２８μｍの半導体レーザが実現されたが、必要な歪は２％以上であり、信頼性に関して問題がある。   When an InGaAs substrate is used, for example, a semiconductor laser having a wavelength of 1.28 μm is realized on an InGaAs substrate having an In composition ratio of 10%. However, the required strain is 2% or more, and the reliability is high. There's a problem.

また、ＧａＡｓ基板及びＩｎＧａＡｓ基板上のどちらの半導体レーザに対しても、量子井戸層に必要な歪が非常に大きいため、多重量子井戸構造とする場合に、臨界膜厚の関係から量子井戸層の数は最大でも３層程度であり、多重量子井戸構造を十分に生かした特性改良を行うことができない。   In addition, since the strain required for the quantum well layer is very large for both semiconductor lasers on the GaAs substrate and the InGaAs substrate, the quantum well layer has a critical quantum film thickness due to the critical film thickness. The maximum number is about three layers, and it is not possible to improve the characteristics by making full use of the multiple quantum well structure.

さらに、バリア層の材料にアルミを含んだ混晶（例えば、ＩｎＡｌＧａＡｓ）を用いることで、より大きなΔＥcを得ることができ、温度特性を向上することが可能であるが、量子井戸層の歪が大きいためにアルミ系材料の結晶成長が困難である。 Further, by using a mixed crystal containing aluminum as the material of the barrier layer (for example, InAlGaAs), a larger ΔE c can be obtained and the temperature characteristics can be improved. Therefore, it is difficult to grow an aluminum material crystal.

以上のことから、本発明は、高品質の量子井戸層（活性層）結晶を有し良好な高温動作特性を有する光半導体装置を提供することを目的とする。   In view of the above, an object of the present invention is to provide an optical semiconductor device having high-quality quantum well layer (active layer) crystals and good high-temperature operating characteristics.

上記の課題を解決する第１の発明に係る光半導体装置は、
ＩｎＧａＡｓ基板又はＧａＡｓ基板の上にＩｎＧａＡｓからなるメタモルフィックバッファ層を形成した基板と、
前記メタモルフィックバッファ層を成長した基板の上に形成される下部クラッド層と、
前記下部クラッド層の上に形成され、バリア層とＧａＩｎＮＡｓからなる量子井戸層とからなる１層又は多層の量子井戸構造と、
前記量子井戸構造の上に形成される上部クラッド層と
を備える
ことを特徴とする。 An optical semiconductor device according to a first invention for solving the above-mentioned problems is as follows.
A substrate in which a metamorphic buffer layer made of InGaAs is formed on an InGaAs substrate or a GaAs substrate;
A lower cladding layer formed on a substrate on which the metamorphic buffer layer is grown;
A one-layer or multi-layer quantum well structure formed on the lower cladding layer and comprising a barrier layer and a quantum well layer made of GaInNAs;
And an upper clad layer formed on the quantum well structure.

上記の課題を解決する第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、
前記基板におけるＩｎの組成比は０．０５以上０．２以下であり、
前記量子井戸層におけるＮの組成比は０より大きく０．０２５以下である
ことを特徴とする。 An optical semiconductor device according to a second invention for solving the above problem is the optical semiconductor device according to the first invention.
The composition ratio of In in the substrate is 0.05 or more and 0.2 or less,
The composition ratio of N in the quantum well layer is greater than 0 and 0.025 or less.

上記の課題を解決する第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、
前記量子井戸層の歪量は０．５％以上３．０％以下である
ことを特徴とする。 An optical semiconductor device according to a third invention for solving the above-described problems is the optical semiconductor device according to the first invention or the second invention.
The amount of strain in the quantum well layer is 0.5% to 3.0%.

上記の課題を解決する第４の発明に係る光半導体装置は、第１の発明から第３の発明のいずれかひとつに係る光半導体装置において、
前記バリア層はＩｎＡｌＧａＡｓであり、該バリア層のＡｌ含有量は２．３％以上１７％以下である
ことを特徴とする。 An optical semiconductor device according to a fourth invention for solving the above-described problems is the optical semiconductor device according to any one of the first invention to the third invention,
The barrier layer is InAlGaAs, and the Al content of the barrier layer is 2.3% to 17%.

上記の課題を解決する第５の発明に係る光半導体装置は、第１の発明から第４の発明のいずれかひとつに係る光半導体装置において、
前記量子井戸層における利得が最大となる波長は１．２５μｍ以上１．３５μｍ以下である
ことを特徴とする。 An optical semiconductor device according to a fifth invention for solving the above-mentioned problems is the optical semiconductor device according to any one of the first invention to the fourth invention.
The wavelength at which the gain in the quantum well layer is maximum is 1.25 μm or more and 1.35 μm or less.

上記の課題を解決する第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、
前記下部クラッド層、前記量子井戸構造、前記上部クラッド層を有するメサ構造の両脇はルテニウムをドープした半絶縁性化合物半導体が埋め込まれる
ことを特徴とする。 An optical semiconductor device according to a sixth invention for solving the above problem is the optical semiconductor device according to any one of the first invention to the fifth invention,
Both sides of the lower cladding layer, the quantum well structure, and the mesa structure having the upper cladding layer are embedded with a semi-insulating compound semiconductor doped with ruthenium.

本発明によれば、高品質の量子井戸層（活性層）結晶を有し良好な高温動作特性を有する光半導体装置を実現することができる。   According to the present invention, it is possible to realize an optical semiconductor device having a high-quality quantum well layer (active layer) crystal and excellent high-temperature operating characteristics.

以下、本発明に係る光半導体装置の実施例について図を用いて説明する。
はじめに、本発明に係る光半導体装置の基本的な構造について説明する。
図１は、本発明に係る光半導体装置の基本的な構造を示した断面図である。
図１に示すように、本発明に係る光半導体装置は、下から順に、ＩｎＧａＡｓ基板又はＧａＡｓ基板上にＩｎＧａＡｓメタモルフィックバッファ層を成長したＩｎＧａＡｓ基板１、下部ＩｎＧａＰクラッド層５、下部ＩｎＡｌＧａＡｓバリア層３、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層２、上部ＩｎＡｌＧａＡｓバリア層４、ＩｎＧａＰクラッド層６から構成されている。 Embodiments of an optical semiconductor device according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
First, the basic structure of the optical semiconductor device according to the present invention will be described.
FIG. 1 is a sectional view showing the basic structure of an optical semiconductor device according to the present invention.
As shown in FIG. 1, an optical semiconductor device according to the present invention includes an InGaAs substrate 1 in which an InGaAs metamorphic buffer layer is grown on an InGaAs substrate or a GaAs substrate, a lower InGaP cladding layer 5, and a lower InAlGaAs barrier layer 3 in order from the bottom. , A GaInNAs quantum well layer 2, an upper InAlGaAs barrier layer 4, and an InGaP cladding layer 6.

なお、以下の説明においては、ＩｎＧａＡｓ基板上にＩｎＧａＡｓメタモルフィックバッファ層を成長した基板と、ＧａＡｓ基板上にＩｎＧａＡｓメタモルフィックバッファ層を成長した基板とを区別せず、共にＩｎＧａＡｓ基板１と呼ぶことにする。また、図１で用いた符号は以下の実施例の説明においても使用するものとする。   In the following description, the substrate in which the InGaAs metamorphic buffer layer is grown on the InGaAs substrate and the substrate in which the InGaAs metamorphic buffer layer is grown on the GaAs substrate are not distinguished, and both are referred to as the InGaAs substrate 1. To do. The reference numerals used in FIG. 1 are also used in the description of the following embodiments.

図２は、本発明の第１の実施例に係る光半導体装置の構造を示した斜視図である。
図２に示すように、ｎ型のＩｎＧａＡｓ基板１上にｎ‐ＩｎＧａＰクラッド５、ＩｎＧａＡｓバリア層３，４及びＧａＩｎＮＡｓ単一量子井戸層２（活性層）からなる量子井戸構造７、エッチングによりリッジ構造としたｐ型のＩｎＧａＰクラッド６から構成されている。ここで、量子井戸層２の歪、厚さは利得が最大となる波長を１．２５から１．３５μｍとするように設定する。なお、量子井戸層２の幅は７ｎｍとする。 FIG. 2 is a perspective view showing the structure of the optical semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 2, a quantum well structure 7 comprising an n-InGaP cladding 5, InGaAs barrier layers 3 and 4, and a GaInNAs single quantum well layer 2 (active layer) on an n-type InGaAs substrate 1, and a ridge structure by etching. P-type InGaP cladding 6. Here, the strain and thickness of the quantum well layer 2 are set so that the wavelength at which the gain is maximized is 1.25 to 1.35 μm. The width of the quantum well layer 2 is 7 nm.

量子井戸層２に歪がある場合、臨界膜厚の関係から量子井戸層２の層数と量子井戸層２の厚さには制限が加わる。なぜなら、歪が大きくなるほど、量子井戸層２の厚さが厚くなるほど格子緩和が生じて結晶品質が劣化するからである。上記非特許文献１によれば、ｘsub（基板１のＩｎ組成比）＝０．１の基板１上に、ＰＬピークが１．２８μｍとなる（歪量２．２％程度に相当）厚さ１０ｎｍのＩｎＧａＡｓ三重量子井戸構造７を成長可能である。 When the quantum well layer 2 is distorted, restrictions are imposed on the number of quantum well layers 2 and the thickness of the quantum well layers 2 because of the critical film thickness. This is because as the strain increases, the thickness of the quantum well layer 2 increases, so that lattice relaxation occurs and the crystal quality deteriorates. According to Non-Patent Document 1, the PL peak is 1.28 μm (corresponding to a strain amount of about 2.2%) on the substrate 1 where x sub (In composition ratio of the substrate 1) = 0.1. A 10 nm InGaAs triple quantum well structure 7 can be grown.

よって、ｘsub＝０．１の基板１の場合、量子井戸層２が１層ならば、例えば、歪量が０．５％のとき、量子井戸層２の厚さは１３２ｎｍであり、歪量が２．２％のときに量子井戸層２の厚さは３０ｎｍが上限になる。又は、量子井戸層２が３層ならば、歪量が０．５％のとき、量子井戸層２の厚さは最大４４ｎｍであり、歪量が２．２％ならば１０ｎｍが上限となる。本実施例においては、例として、量子井戸層２の歪量は０．５％以上３．０％以下の範囲内に設定した。 Therefore, in the case of the substrate 1 with x sub = 0.1, if the quantum well layer 2 is one layer, for example, when the strain amount is 0.5%, the thickness of the quantum well layer 2 is 132 nm, and the strain amount When the thickness is 2.2%, the upper limit of the thickness of the quantum well layer 2 is 30 nm. Alternatively, if the quantum well layer 2 is three layers, the thickness of the quantum well layer 2 is 44 nm at the maximum when the strain amount is 0.5%, and 10 nm is the upper limit when the strain amount is 2.2%. In the present embodiment, as an example, the strain amount of the quantum well layer 2 is set in a range of 0.5% to 3.0%.

一方、量子井戸層２の特性から考えてみると、量子井戸層２の厚さがあまりに厚いと状態密度が増加し、しきい値の増加を招く。逆に、量子井戸層２の厚さがあまりに薄いと、量子閉じ込め効果が弱くなり量子化準位間波長が短くなることから、１．３μｍの光を得るために必要な歪量が増大する。   On the other hand, considering the characteristics of the quantum well layer 2, if the thickness of the quantum well layer 2 is too thick, the density of states increases and the threshold value increases. On the other hand, if the quantum well layer 2 is too thin, the quantum confinement effect is weakened and the wavelength between the quantization levels is shortened, so that the amount of strain necessary to obtain 1.3 μm light increases.

こうした理由から、この波長帯での典型的な量子井戸層２の厚さは１〜１０ｎｍ以下であり、この場合、量子井戸層２の層数については、ｘsub＝０．１の基板１の場合、歪量が２．２％ならば、量子井戸層２の厚さ５ｎｍで、６層程度が上限となる。歪量が０．５％ならば、量子井戸層２の厚さ５ｎｍで２６層程度、１０ｎｍで１３層程度が上限となる。 For these reasons, the thickness of a typical quantum well layer 2 in this wavelength band is 1 to 10 nm or less. In this case, the number of quantum well layers 2 is that of the substrate 1 with x sub = 0.1. In this case, if the strain amount is 2.2%, the upper limit is about 6 layers when the quantum well layer 2 has a thickness of 5 nm. If the strain amount is 0.5%, the upper limit is about 26 layers when the thickness of the quantum well layer 2 is 5 nm and about 13 layers when the thickness is 10 nm.

また、歪量に関しては基板１の格子定数を基準とし、全て圧縮歪を表す。バリア層４，５の材料の組成はＩｎＧａＡｓ基板１に格子整合するものとする。基板１（半導体混晶）の組成比は、歪量、量子井戸層２の幅、第一量子化準位間波長によって特定するものとする。なお、本実施例に係る量子井戸層２の特性は、半導体量子井戸層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。   In addition, the strain amount is all expressed as compressive strain based on the lattice constant of the substrate 1 as a reference. The composition of the material of the barrier layers 4 and 5 is assumed to lattice match with the InGaAs substrate 1. The composition ratio of the substrate 1 (semiconductor mixed crystal) is specified by the amount of strain, the width of the quantum well layer 2, and the wavelength between the first quantization levels. Note that the characteristics of the quantum well layer 2 according to this example are calculated using k · p perturbation theory that predicts the characteristics of the semiconductor quantum well layer very well.

ここで、本実施例に係る量子井戸層の特性の具体的な算出手順について説明する。
図３は、本発明の第１の実施例に係る光半導体装置における量子井戸層の特性の具体的な算出手順を示した図である。
図３に示すように、まず、ステップＳ１において、入カパラメータとして、基板１のＩｎ組成比、量子井戸層２、バリア層３，４それぞれの厚さ、歪量、バンドギャップ波長、そして環境温度を設定する。 Here, a specific calculation procedure of the characteristics of the quantum well layer according to the present embodiment will be described.
FIG. 3 is a diagram showing a specific calculation procedure of the characteristics of the quantum well layer in the optical semiconductor device according to the first example of the present invention.
As shown in FIG. 3, first, in step S1, as input parameters, the In composition ratio of the substrate 1, the thickness of each of the quantum well layer 2, the barrier layers 3 and 4, the strain amount, the band gap wavelength, and the environmental temperature Set.

次に、ステップＳ２において、与えられた基板１の組成比に対して基板１の格子定数を算出し、その格子定数に対して、設定した歪量、バンドギャップ波長をもつ基板１（半導体混晶）の組成比を決定する。さらに、決定した組成比からその半導体混晶の有効質量、弾性ポテンシャルなど、シミュレーションに必要な物性定数を求める。その際、物性定数のボウイングを考慮する。   Next, in step S2, the lattice constant of the substrate 1 is calculated with respect to the given composition ratio of the substrate 1, and the substrate 1 (semiconductor mixed crystal) having the set strain amount and band gap wavelength with respect to the lattice constant. ) Is determined. Further, physical constants necessary for the simulation such as effective mass of the semiconductor mixed crystal and elastic potential are obtained from the determined composition ratio. At that time, the bowing of the physical property constant is considered.

次に、ステップＳ３において、この量子井戸層２のバンド構造をｋ・ｐ摂動理論によって求める。
最後に、ステップＳ４において、与えられたキャリア密度に対して利得を算出する。また、量子井戸層２の共振周波数の２乗を微分利得から算出する（上記非特許文献３参照）。 Next, in step S3, the band structure of the quantum well layer 2 is obtained by k · p perturbation theory.
Finally, in step S4, a gain is calculated for the given carrier density. Further, the square of the resonance frequency of the quantum well layer 2 is calculated from the differential gain (see Non-Patent Document 3 above).

次に、本実施例に係る半導体レーザの製造方法について説明する。
まず、ｎ型のＩｎＧａＡｓ基板１上に、ｎ‐ＩｎＧａＡｓメタモルフィックバッファ層を３００ｍ成長させ、その上にｎ‐ＩｎＧａＰクラッド層５を２μｍ成長する。次に、ＩｎＧａＡｓバリア層３，４及びＧａＩｎＮＡ量子井戸層２（活性層）からなる三重量子井戸構造７を成長させる。 Next, a method for manufacturing the semiconductor laser according to the present embodiment will be described.
First, an n-InGaAs metamorphic buffer layer is grown by 300 m on an n-type InGaAs substrate 1, and an n-InGaP cladding layer 5 is grown by 2 μm thereon. Next, a triple quantum well structure 7 composed of InGaAs barrier layers 3 and 4 and a GaInNA quantum well layer 2 (active layer) is grown.

最後に、三重量子井戸構造７上にｐ‐ＩｎＧａＰクラッド層６を２μｍ成長し、さらに、ｐ‐ＩｎＧａＡｓのコンタクト層を成長させることで、半導体レーザを作り込むウエハーが完成する。完成したウエハーに幅が２μｍのメサ形成プロセス及び電極形成プロセスを施した後、劈開により長さ４００〜１０００μｍのレーザ共振器を作製して完成となる。   Finally, a p-InGaP cladding layer 6 is grown on the triple quantum well structure 7 by 2 μm, and a p-InGaAs contact layer is further grown, thereby completing a wafer for forming a semiconductor laser. The completed wafer is subjected to a mesa formation process and an electrode formation process having a width of 2 μm, and then a laser resonator having a length of 400 to 1000 μm is fabricated by cleavage to complete the process.

図４は、本発明の第１の実施例に係るＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層において第一量子化準位間波長が１．３μｍとなるための量子井戸層歪量の窒素含有量依存性を示した図である。
図４中、ｘsubは基板１のＩｎ組成比を示す。図４における歪量と窒素含有量の関係式は以下のように導出される。 FIG. 4 is a graph showing the dependency of the quantum well layer strain on the nitrogen content for the wavelength between the first quantization levels to be 1.3 μm in the GaInNAs quantum well layer according to the first embodiment of the present invention. It is.
In FIG. 4, x sub represents the In composition ratio of the substrate 1. The relational expression between the strain amount and the nitrogen content in FIG. 4 is derived as follows.

まず、基板１のＩｎ組成比、量子井戸層２の歪量を決定する。ここで、バルクの場合のバンドギャップ波長を決定すると量子井戸層２の窒素含有量が決定し、ｋ・ｐ摂動法を用いて第一量子化準位間波長が求まる。その波長が決定した歪量に対して１．３μｍとなるようなバルクのバンドギャップ波長を探索し、そのときの基板１（半導体混晶）の組成比が決定した歪量に対する窒素含有量となる。   First, the In composition ratio of the substrate 1 and the strain amount of the quantum well layer 2 are determined. Here, when the band gap wavelength in the case of the bulk is determined, the nitrogen content of the quantum well layer 2 is determined, and the wavelength between the first quantization levels is determined using the k · p perturbation method. The bulk bandgap wavelength is searched such that the wavelength is 1.3 μm with respect to the determined strain amount, and the composition ratio of the substrate 1 (semiconductor mixed crystal) at that time becomes the nitrogen content with respect to the determined strain amount. .

そして、図４に示すように、量子井戸層２の窒素量を増加させると、１．３μｍの波長の光を得るために必要な歪量は単調に減少する。例えば、ｘsub＝０．１５の場合には、窒素を１％加えることで、量子井戸層２に必要な歪量は２．１８％から１．５％に減少する。なお、窒素含有量がある程度より多くなると、ＧａＩｎＮＡｓ結晶が閃亜鉛構造から、六方晶構造へと変化してしまうため、ここでは窒素含有量の最大値を２．５％としている。 As shown in FIG. 4, when the amount of nitrogen in the quantum well layer 2 is increased, the amount of strain necessary to obtain light having a wavelength of 1.3 μm monotonously decreases. For example, when x sub = 0.15, the amount of strain required for the quantum well layer 2 is reduced from 2.18% to 1.5% by adding 1% of nitrogen. Note that when the nitrogen content exceeds a certain level, the GaInNAs crystal changes from a zinc flash structure to a hexagonal crystal structure, so the maximum value of the nitrogen content is 2.5% here.

図５は、本発明の第１の実施例に係るＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層の量子井戸利得の量子井戸層窒素含有量依存性を示した図である。
図５においては、図４に示す構造に対する量子井戸層利得の井戸層窒素含有量依存性を示している。図５に示すように、量子井戸層２の窒素含有量を増加させると、利得が減少していくのがわかる。つまり、量子井戸層２の歪と利得は窒素含有量に関して、トレードオフの関係にある。 FIG. 5 is a diagram showing the quantum well layer nitrogen content dependence of the quantum well gain of the GaInNAs quantum well layer according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 shows the dependence of the quantum well layer gain on the well layer nitrogen content with respect to the structure shown in FIG. As can be seen from FIG. 5, the gain decreases as the nitrogen content of the quantum well layer 2 is increased. That is, the strain and gain of the quantum well layer 2 are in a trade-off relationship with respect to the nitrogen content.

図６は、本発明の第１の実施例に係るＩｎＧａＡｓ基板上ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層において第一量子化準位間波長が１．３μｍとなるための量子井戸層歪量の基板Ｉｎ組成比依存性を示した図である。
図６中の破線は、量子井戸層２の窒素含有量が０の場合の、第一量子化準位間波長が１．３μｍとなるｘsubの井戸層歪量依存性を示している。 FIG. 6 shows the dependency of the quantum well layer strain amount on the substrate In composition ratio for the wavelength between the first quantization levels to be 1.3 μm in the GaInNAs quantum well layer on the InGaAs substrate according to the first embodiment of the present invention. FIG.
The broken line in FIG. 6 shows the dependence of the x sub on the well layer strain amount where the wavelength between the first quantization levels is 1.3 μm when the nitrogen content of the quantum well layer 2 is zero.

一般に、量子井戸層２の歪量が大きくなるほど利得が大きくなりしきい値電流が減少するが、あまりに大きな歪量をもつ層は結晶成長が困難で、信頼性にも問題がある。現在は、ｘsub＝０．１の場合に２．１８％程度の歪量をもつ量子井戸層２が実現されている（上記非特許文献１参照）ので、それを歪の上限とする。 Generally, as the strain amount of the quantum well layer 2 increases, the gain increases and the threshold current decreases. However, a layer having an excessively large strain amount has difficulty in crystal growth and has a problem in reliability. At present, when x sub = 0.1, the quantum well layer 2 having a strain amount of about 2.18% is realized (see Non-Patent Document 1 above), and this is set as the upper limit of the strain.

また、ＩｎＰ系の量子井戸層２では、歪量は最大でも１．６％程度であるので、そこを歪量の下限とすると、実際に量子井戸層２の成長が可能で、なおかつ、ＩｎＰ系の量子井戸層２よりも歪に関して性能が良い範囲は、図６中の点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄで囲まれた範囲になる。この範囲の中で、線ＡＤの部分は窒素の含有量が０で、その他の部分は窒素の含有量が０ではない。   Further, in the InP-based quantum well layer 2, the strain amount is about 1.6% at the maximum. Therefore, if the strain amount is set as the lower limit of the strain amount, the quantum well layer 2 can actually be grown, and the InP-based quantum well layer 2 can be grown. The range in which the performance with respect to the strain is better than that of the quantum well layer 2 is a range surrounded by points A, B, C, and D in FIG. Within this range, the portion of line AD has a nitrogen content of 0, and the other portions have a non-zero nitrogen content.

図７は、本発明の第１の実施例に係るＩｎＧａＡｓ基板上ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層の共振周波数の２乗の基板Ｉｎ組成比依存性を示した図である。
図７においては、微分利得から算出した、共振周波数の２乗のｘsub依存性を示している。
共振周波数は半導体レーザの変調特性と深く結びついており、大きいほど、高速な変調が可能となる。また、点Ｄでの値で規格化を行っている。図７中、線ＡＢ，ＣＤはそれぞれ、量子井戸層２の歪量が１．６％、２．１８％の場合であり、図６中の線ＡＢ，ＣＤに対応している。また、それぞれの線の右端が窒素含有量０の場合に対応している。 FIG. 7 is a diagram showing the dependence of the square of the resonance frequency of the GaInNAs quantum well layer on the InGaAs substrate according to the first embodiment of the present invention on the substrate In composition ratio.
FIG. 7 shows the x sub dependence of the square of the resonance frequency calculated from the differential gain.
The resonance frequency is deeply related to the modulation characteristics of the semiconductor laser. The larger the resonance frequency, the faster the modulation. Also, normalization is performed with the value at point D. In FIG. 7, lines AB and CD correspond to the cases where the strain amount of the quantum well layer 2 is 1.6% and 2.18%, respectively, and correspond to the lines AB and CD in FIG. Further, the right end of each line corresponds to the case where the nitrogen content is zero.

図７に示すように、窒素の含有量を増加させると共振周波数も増加するが、ある点を境に減少しはじめ、共振周波数は最大値をもつ。つまり、量子井戸層２に窒素を加えることで、半導体レーザの変調特性を向上させ、なおかつ、より高品質なＩｎ組成比の小さい基板を用いることが可能となる。この効果に関して、共振周波数が最大となるときのｘsubはともに０．１程度であり、０．０５〜０．１５の範囲でその値はほとんど変化しないことから、ｘsubが０．０５〜０．１５の範囲で特に大きな効果がある。本実施例においては、例として、基板１におけるＩｎの組成比は０．０５以上０．２以下とし、量子井戸層２におけるＮの組成比は０より大きく０．０２５（２．５％）以下の範囲内に設定した。 As shown in FIG. 7, when the nitrogen content is increased, the resonance frequency also increases. However, the resonance frequency starts to decrease at a certain point and has a maximum value. That is, by adding nitrogen to the quantum well layer 2, it is possible to improve the modulation characteristics of the semiconductor laser and to use a higher quality substrate with a small In composition ratio. Regarding this effect, x sub when the resonance frequency is maximum is about 0.1, and since the value hardly changes in the range of 0.05 to 0.15, x sub is 0.05 to 0. Particularly effective in the range of .15. In this embodiment, as an example, the In composition ratio in the substrate 1 is 0.05 or more and 0.2 or less, and the N composition ratio in the quantum well layer 2 is greater than 0 and 0.025 (2.5%) or less. Set within the range.

これらの結果から、ｘsubと量子井戸層歪量の範囲をそれぞれ、０．０５〜０．１５、１．６〜２．１８％とすることで、実際に作製が可能で、従来のＩｎＰ系のレーザよりも歪に関して特性が良く、歪量一定の場合に共振周波数が窒素を添加しない場合よりも向上するような半導体レーザを構成することが可能となる。 From these results, the x sub and the quantum well layer strain amount ranges from 0.05 to 0.15 and 1.6 to 2.18%, respectively. Therefore, it is possible to construct a semiconductor laser that has better characteristics with respect to the strain than the above laser, and that the resonance frequency is improved when nitrogen is not added when the strain amount is constant.

図８、本発明の第１の実施例に係るＤ点に比べてしきい値電流が１０％、２０％増大する場合の量子井戸層歪量の基板Ｉｎ組成比依存性を示した図である。
上述したｘsubと量子井戸層歪量の範囲の中でどの点を選ぶかは、半導体レーザの用途に応じて決めれば良い。 FIG. 8 is a graph showing the dependency of the quantum well layer strain amount on the substrate In composition ratio when the threshold current is increased by 10% and 20% compared to the point D according to the first embodiment of the present invention. .
Which point should be selected within the above-described range of x sub and quantum well layer strain may be determined according to the application of the semiconductor laser.

図８中の実線は、しきい値電流が点Ｄの値から、１０％、２０％増加するときの量子井戸層歪量とｘsubの関係をプロットしたものである。しきい値電流が点Ｄの値から１０％以内の範囲（図８中、点Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｉで囲む範囲）では、点Ｅは点Ｄに比べて、歪量を０．３％少なくすることが可能である。点Ｆでは、歪量が０．１％程度小さく、なおかつ、基板１のＩｎ組成比を１０％減らすことが可能である。 The solid line in FIG. 8 plots the relationship between the quantum well layer strain amount and x sub when the threshold current increases by 10% and 20% from the value of point D. In the range where the threshold current is within 10% from the value of point D (the range surrounded by points D, E, F, and I in FIG. 8), point E has a distortion amount of 0.3% compared to point D. It can be reduced. At the point F, the strain amount is small by about 0.1%, and the In composition ratio of the substrate 1 can be reduced by 10%.

また、図７に示す結果から微分利得もほとんど変化しない。しきい値電流が点Ｄの値から２０％以内の範囲（図８中、点Ｄ，Ｇ，Ｈ，Ｉで囲む範囲）では、点Ｇは点Ｄに比べて、０．６％もの歪量の減少が可能である。点Ｈでは、歪量は０．３％程度小さく、なおかつ、基板１のＩｎ組成比を１０％減らすことが可能である。つまり、量子井戸層２の歪を少なく、また、高品質の基板１を用いたいときには、図８中、点Ｄ，Ｇ，Ｊ，Ｉで囲む範囲中の左下の点を用いることで、歪量、基板１のＩｎ組成比をそれぞれ、最大０．６％、１０％改善することが可能である。   Further, the differential gain hardly changes from the result shown in FIG. In the range where the threshold current is within 20% from the value of point D (the range surrounded by points D, G, H, and I in FIG. 8), point G has a distortion amount of 0.6% compared to point D. Can be reduced. At the point H, the amount of strain is as small as about 0.3%, and the In composition ratio of the substrate 1 can be reduced by 10%. That is, when the strain of the quantum well layer 2 is reduced and a high-quality substrate 1 is desired, the lower left point in the range surrounded by the points D, G, J, and I in FIG. The In composition ratio of the substrate 1 can be improved by up to 0.6% and 10%, respectively.

図２は、本発明の第２の実施例に係る光半導体装置の構造を示した斜視図である。
図２に示すように、ｎ型のＩｎＧａＡｓ基板１上にｎ‐ＩｎＧａＰクラッド５、ＩｎＡｌＧａＡｓバリア層３，４及び３層のＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層（活性層）２からなる量子井戸構造７、エッチングによりリッジ構造としたｐ型のＩｎＧａＰクラッド６から構成されている。なお、量子井戸層幅は７ｎｍとする。 FIG. 2 is a perspective view showing the structure of an optical semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 2, a quantum well structure 7 comprising an n-InGaP clad 5, InAlGaAs barrier layers 3 and 4 and three GaInNAs quantum well layers (active layers) 2 on an n-type InGaAs substrate 1, and a ridge formed by etching. The p-type InGaP clad 6 is structured. The quantum well layer width is 7 nm.

図９は、本発明の第２の実施例に係るＩｎＧａＡｓ基板上ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層及びＩｎＡｌＧａＡｓバリア層からなる量子井戸層のポテンシャル分布を示した図である。
図９（ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞれ、バリア層３，４の材料がＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＧａＡｓ（バンドギャップ波長０９５μｍ、Ａｌ含有量６４％）、ＩｎＡｌＧａＡｓ（バンドギャップ波長０．８５μｍ、Ａｌ含有量１７％）の場合の量子井戸層２のポテンシャル分布を示す。なお、ここでは説明のため簡略化して、量子井戸層２が１層の場合のポテンシャル分布とした。 FIG. 9 is a diagram showing a potential distribution of a quantum well layer including a GaInNAs quantum well layer and an InAlGaAs barrier layer on an InGaAs substrate according to a second embodiment of the present invention.
9A, 9B, and 9C, the materials of the barrier layers 3 and 4 are InGaAs, InAlGaAs (band gap wavelength 095 μm, Al content 64%), InAlGaAs (band gap wavelength 0.85 μm, Al The potential distribution of the quantum well layer 2 in the case of a content of 17%) is shown. Here, for simplification, the potential distribution in the case where the quantum well layer 2 is one layer is used for simplification.

バリア層３，４の材料のＡｌ含有量を増加させると、ΔＥcが大きくなってゆくのが分かる。しかし、Ａｌ含有量１７％の場合には、伝導帯バンドの高さが、ＩｎＧａＰクラッド５，６の高さと略同じになってしまい、これ以上Ａｌ含有量を増やすと、バリア層３，４の伝導帯ポテンシャルが、ＩｎＧａＰクラッド５，６よりも高くなってしまい、キャリアの効率的な注入を妨げることになる。つまり、バリア層３，４に添加するＡｌの上限は１７％ということになる。 It can be seen that ΔE c increases as the Al content of the material of the barrier layers 3 and 4 is increased. However, when the Al content is 17%, the height of the conduction band becomes substantially the same as the height of the InGaP claddings 5 and 6, and when the Al content is further increased, the barrier layers 3 and 4 The conduction band potential becomes higher than that of the InGaP claddings 5 and 6, which prevents efficient carrier injection. That is, the upper limit of Al added to the barrier layers 3 and 4 is 17%.

図１０は、本発明の第２の実施例に係るＩｎＧａＡｓ基板上ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層及びＩｎＡｌＧａＡｓバリア層からなる量子井戸層の共振周波数の２乗の井戸層歪量依存性を示した図である。
図１０にいくつかのバリア波長に対する、ｘsub＝０．１５、利得が７５０ｃｍ-1のときの、微分利得から算出した共振周波数の２乗の量子井戸層歪量依存性を示している。各プロットの右端は窒素含有量０（量子井戸層がＩｎＧａＡｓ）の場合に対応している。また、共振周波数の値は、量子井戸層２、バリア層３，４にＩｎＧａＡｓを用いたときの値で規格化してある。 FIG. 10 is a diagram showing the well layer strain dependence of the square of the resonance frequency of a quantum well layer composed of a GaInNAs quantum well layer and an InAlGaAs barrier layer on an InGaAs substrate according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 10 shows the quantum well layer strain dependence of the square of the resonance frequency calculated from the differential gain when x sub = 0.15 and the gain is 750 cm −1 for several barrier wavelengths. The right end of each plot corresponds to the case where the nitrogen content is 0 (quantum well layer is InGaAs). The value of the resonance frequency is normalized with the value when InGaAs is used for the quantum well layer 2 and the barrier layers 3 and 4.

図１０から、バリア層３，４の波長を短くすることで（Ａｌの含有量を増やすことで）、共振周波数を増大できることがわかる。量子井戸層２に窒素を添加すると、必要な歪量は小さくなるが、共振周波数は減少する。   FIG. 10 shows that the resonance frequency can be increased by shortening the wavelengths of the barrier layers 3 and 4 (increasing the Al content). When nitrogen is added to the quantum well layer 2, the required strain is reduced, but the resonance frequency is reduced.

Ａｌを含んだ材料は結晶成長を高温で行わなければならないため、歪量２％以上の層の成長は実現困難である。そのため、図１０における歪量の上限は実質２％となる。歪量２％のとき、量子井戸層２、バリア層３，４に窒素、Ａｌを含まない場合と同じ共振周波数を得るためには、図１０に示すように、バリア層３，４の材料の波長が１μｍ以下（Ａｌ含有量２．３％以上）でなければならないことがわかる。   Since a material containing Al must be crystal-grown at a high temperature, it is difficult to realize a layer having a strain of 2% or more. Therefore, the upper limit of the distortion amount in FIG. 10 is substantially 2%. In order to obtain the same resonance frequency as that when the quantum well layer 2 and the barrier layers 3 and 4 do not contain nitrogen and Al when the strain amount is 2%, as shown in FIG. It can be seen that the wavelength must be 1 μm or less (Al content 2.3% or more).

また、Ａｌ含有量が最大の１７％（バンドギャップ波長０、８５μｍ）のとき、量子井戸層２、バリア層３，４に窒素、Ａｌを含まない場合と同じ共振周波数を得るためには、量子井戸層２の歪量が１．６％以上あれば良い。これは、量子井戸層２にＧａＩｎＮＡｓ、バリア層３，４にＩｎＡｌＧａＡｓを用いることで、量子井戸層２の性能を変えることなく、歪量を０．６％低くすることが可能であることを示している。   In order to obtain the same resonance frequency as in the case where the quantum well layer 2 and the barrier layers 3 and 4 do not contain nitrogen and Al when the Al content is 17% (band gap wavelength 0, 85 μm) at the maximum, The strain amount of the well layer 2 may be 1.6% or more. This indicates that by using GaInNAs for the quantum well layer 2 and InAlGaAs for the barrier layers 3 and 4, the strain amount can be reduced by 0.6% without changing the performance of the quantum well layer 2. ing.

これらの結果から、バリア層３，４のＡｌ含有量を２．３〜１７％、量子井戸層２の歪量を１．６〜２％（図１０中、網かけした領域）とすることで、量子井戸層２、バリア層３，４に窒素、Ａｌを含まない場合と比べて、共振周波数を増大（最大１０％増大）し、なおかつ、必要な歪量を減少（最大０．６％減少）させることが可能となる。なお、本実施例では、ｘsubを０．１５としたが、他のｘsubの値に対しても全く同様の効果を得ることができる。 From these results, the Al content of the barrier layers 3 and 4 is 2.3 to 17%, and the strain amount of the quantum well layer 2 is 1.6 to 2% (the shaded region in FIG. 10). Compared with the case where the quantum well layer 2 and the barrier layers 3 and 4 do not contain nitrogen and Al, the resonance frequency is increased (maximum 10% increase) and the required strain is decreased (maximum 0.6% decrease). ). In this embodiment, x sub is set to 0.15, but the same effect can be obtained for other values of x sub .

図１１は、本発明の第３の実施例に係る光半導体装置の構造を示した斜視図である。
図１１に示すように、ｎ型のＩｎＧａＡｓ基板１上にｎ‐ＩｎＧａＰクラッド５、ＩｎＧａＡｓ又はＩｎＡｌＧａＡｓバリア層３，４及び６層のＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層（活性層）２からなる量子井戸構造７、エッチングによりリッジ構造としたｐ型のＩｎＧａＰクラッド６の積層構造を１．５ｍｍ幅のメサ構造に加工した後、メサ構造の両脇をルテニウムをドープした半絶縁性ＩｎＧａＰ埋め込み層８により埋め込んだものである。なお、量子井戸層２の幅は７ｎｍとする。 FIG. 11 is a perspective view showing the structure of an optical semiconductor device according to the third embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 11, an n-InGaP clad 5, an InGaAs or InAlGaAs barrier layer 3, 4 and a six-layered GaInNAs quantum well layer (active layer) 2 on an n-type InGaAs substrate 1 are etched. After the p-type InGaP clad 6 laminated structure having a ridge structure is processed into a mesa structure having a width of 1.5 mm, both sides of the mesa structure are embedded with a semi-insulating InGaP buried layer 8 doped with ruthenium. . The width of the quantum well layer 2 is 7 nm.

本実施例では、埋め込み層８としてルテニウムをドープする化合物半導体にＩｎＧａＰを用いたが、化合物半導体であればＩｎＡｌＡｓでもよい。なお、ＩｎＰ及びＧａＡｓでも可能だがＩｎＧａＡｓ基板１に格子整合しないので結晶品質が劣化するおそれがある。ドープする不純物はルテニウム以外ではＦｅでも可能であるが、ルテニウムを用いるほうがｐ型不純物のＺｎと相互拡散を抑制でき量子井戸層７の光損失を低減することができるので素子特性が向上する。   In this embodiment, InGaP is used for the compound semiconductor doped with ruthenium as the buried layer 8, but InAlAs may be used as long as it is a compound semiconductor. Although InP and GaAs are possible, the lattice quality is not matched with the InGaAs substrate 1, so that the crystal quality may be deteriorated. The impurity to be doped may be Fe other than ruthenium. However, the use of ruthenium can suppress the interdiffusion with the p-type impurity Zn and can reduce the optical loss of the quantum well layer 7, thereby improving the device characteristics.

図２は、本発明の第４の実施例に係る光半導体装置の構造を示した斜視図である。
図２に示すように、ｎ型のＩｎＧａＡｓ基板１上にｎ‐ＩｎＧａＰクラッド５、ＩｎＡｌＧａＡｓバリア層３，４及び１０層のＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層（活性層）２からなる量子井戸構造７、エッチングによりリッジ構造としたｐ型のＩｎＧａＰクラッド６からなる。なお、量子井戸層２の幅は７ｎｍとする。 FIG. 2 is a perspective view showing the structure of an optical semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 2, a quantum well structure 7 comprising an n-InGaP cladding 5, InAlGaAs barrier layers 3, 4 and 10 GaInNAs quantum well layers (active layers) 2 on an n-type InGaAs substrate 1, and a ridge formed by etching. The p-type InGaP clad 6 is structured. The width of the quantum well layer 2 is 7 nm.

図１２は、本発明の第４の実施例に係る半導体光増幅器の増幅特性を示した図である。
図１２はｘsub＝０．１５、また、量子井戸層歪量が２％、注入キャリア密度が２×１０18ｃｍ3の場合の、バリア層３，４がＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＧａＡｓ（バンドギャップ波長０．８５μｍ）の場合の利得スペクトルを示したものである。図１２に示すように、強い量子閉じ込めにより、利得が増加しており、半導体光増幅器の増幅性能が改良される。 FIG. 12 is a diagram showing amplification characteristics of the semiconductor optical amplifier according to the fourth example of the present invention.
FIG. 12 shows that when x sub = 0.15, the quantum well layer strain is 2%, and the injected carrier density is 2 × 10 18 cm 3 , the barrier layers 3 and 4 are InGaAs, InAlGaAs (band gap wavelength 0. The gain spectrum in the case of 85 μm) is shown. As shown in FIG. 12, the gain is increased by the strong quantum confinement, and the amplification performance of the semiconductor optical amplifier is improved.

これらの結果から、バリア層３，４のＡｌ含有量を２．３〜１７％、量子井戸層２の歪量を１．６〜２％（図１０中、網かけした領域）とすることで、量子井戸層２、バリア層３，４に窒素、Ａｌを含まない場合と比べて、増幅性能を増加（最大１０％増加）し、なおかつ、必要な歪量を減少（最大０．６％減少）させることが可能となる。本実施例では、ｘsubを０．１５としたが、他のｘsubの値に対しても全く同様の効果を得ることができる。 From these results, the Al content of the barrier layers 3 and 4 is 2.3 to 17%, and the strain amount of the quantum well layer 2 is 1.6 to 2% (the shaded region in FIG. 10). Compared to the case where the quantum well layer 2 and the barrier layers 3 and 4 do not contain nitrogen or Al, the amplification performance is increased (up to 10% increase) and the required strain is reduced (up to 0.6% reduction). ). In this embodiment, x sub is 0.15, but the same effect can be obtained for other values of x sub .

以上のように、本発明に係る光半導体装置によれば、ＩｎＧａＡｓメタモルフィックバッファ層を有するＩｎＧａＡｓ基板１上の量子井戸層２にＧａＩｎＮＡｓを用いることで、従来のＧａＡｓ及びＩｎＧａＡｓのみの基板を用いた半導体レーザで問題となっていた、量子井戸層２の大きな歪量を低減し、なおかつ、Ｉｎ組成比の小さい高品質なＩｎＧａＡｓ基板１を用いて１．３μｍの半導体レーザを実現することができる。   As described above, according to the optical semiconductor device of the present invention, by using GaInNAs for the quantum well layer 2 on the InGaAs substrate 1 having the InGaAs metamorphic buffer layer, a conventional GaAs and InGaAs only substrate is used. A semiconductor laser having a thickness of 1.3 μm can be realized by using a high-quality InGaAs substrate 1 having a small In composition ratio while reducing a large strain amount of the quantum well layer 2 which has been a problem with the semiconductor laser.

このとき、量子井戸層２の幅が７ｎｍの場合には、ｘsubと量子井戸層歪量の範囲をそれぞれ、０．０５〜０．１５、１．６〜２．１８％とすることで、実際に作製が可能で、従来のＩｎＰ系の半導体レーザよりも歪に関して特性が良く、歪量一定の場合に共振周波数が窒素を添加しない場合よりも向上するような半導体レーザを構成することができる。 At this time, when the width of the quantum well layer 2 is 7 nm, the range of the strain amount of x sub and the quantum well layer is 0.05 to 0.15 and 1.6 to 2.18%, respectively. A semiconductor laser that can be actually manufactured, has better distortion characteristics than conventional InP-based semiconductor lasers, and can improve the resonance frequency when the strain amount is constant as compared with the case where nitrogen is not added. .

また、Ａｌ含有量２．３〜１７％のＩｎＡｌＧａＡｓをバリア層３，４に用いることで、量子井戸層２、バリア層３，４に窒素、Ａｌを含まない場合と比べて、共振周波数を増大し、なおかつ、必要な歪量を減少させることが可能となり、最大で、量子井戸層歪量を０．６％減少させることが可能となる。
なお、第１〜第４の実施例においては量子井戸層２の幅を全て７ｎｍに固定したが、他の幅に対しても全く同様の効果を得ることができる。 In addition, the use of InAlGaAs having an Al content of 2.3 to 17% for the barrier layers 3 and 4 increases the resonance frequency as compared with the case where the quantum well layer 2 and the barrier layers 3 and 4 do not contain nitrogen or Al. In addition, the required strain amount can be reduced, and the quantum well layer strain amount can be reduced by 0.6% at the maximum.
In the first to fourth embodiments, the width of the quantum well layer 2 is all fixed at 7 nm, but the same effect can be obtained for other widths.

本発明は、光半導体装置、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のような光半導体装置に利用することが可能である。   The present invention can be used for an optical semiconductor device, more specifically, an optical semiconductor device such as a semiconductor laser or a semiconductor optical amplifier having a strained quantum well layer.

本発明に係る光半導体装置の基本的な構造を示した断面図である。1 is a cross-sectional view showing a basic structure of an optical semiconductor device according to the present invention. 本発明の第１，２，４の実施例に係る光半導体装置の構造を示した斜視図である。It is the perspective view which showed the structure of the optical semiconductor device which concerns on the 1st, 2nd, 4th Example of this invention. 本発明の第１の実施例に係る光半導体装置における量子井戸層の特性の具体的な算出手順を示した図である。It is the figure which showed the specific calculation procedure of the characteristic of the quantum well layer in the optical semiconductor device which concerns on 1st Example of this invention. 本発明の第１の実施例に係るＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層において第一量子化準位間波長が１．３μｍとなるための量子井戸層歪量の窒素含有量依存性を示した図である。It is the figure which showed the nitrogen content dependence of the quantum well layer distortion amount for the wavelength between 1st quantization levels to be 1.3 micrometers in the GaInNAs quantum well layer which concerns on 1st Example of this invention. 本発明の第１の実施例に係るＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層の量子井戸利得の量子井戸層窒素含有量依存性を示した図である。It is the figure which showed the quantum well layer nitrogen content dependence of the quantum well gain of the GaInNAs quantum well layer which concerns on 1st Example of this invention. 本発明の第１の実施例に係るＩｎＧａＡｓ基板上ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層において第一量子化準位間波長が１．３μｍとなるための量子井戸層歪量の基板Ｉｎ組成比依存性を示した図である。The figure which showed the substrate In composition ratio dependence of the quantum well layer distortion amount for the wavelength between 1st quantization levels to be 1.3 micrometers in the GaInNAs quantum well layer on the InGaAs substrate which concerns on 1st Example of this invention. It is. 本発明の第１の実施例に係るＩｎＧａＡｓ基板上ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層の共振周波数の２乗の基板Ｉｎ組成比依存性を示した図である。It is the figure which showed the board | substrate In composition ratio dependence of the square of the resonant frequency of the GaInNAs quantum well layer on the InGaAs substrate which concerns on 1st Example of this invention. 本発明の第１の実施例に係るＤ点に比べてしきい値電流が１０％、２０％増大する場合の量子井戸層歪量の基板Ｉｎ組成比依存性を示した図である。It is the figure which showed the board | substrate In composition ratio dependence of the quantum well layer distortion amount when a threshold current increases 10% and 20% compared with D point which concerns on 1st Example of this invention. 本発明の第２の実施例に係るＩｎＧａＡｓ基板上ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層及びＩｎＡｌＧａＡｓバリア層からなる量子井戸層のポテンシャル分布を示した図である。It is the figure which showed the potential distribution of the quantum well layer which consists of a GaInNAs quantum well layer and InAlGaAs barrier layer on the InGaAs substrate which concerns on 2nd Example of this invention. 本発明の第２の実施例に係るＩｎＧａＡｓ基板上ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層及びＩｎＡｌＧａＡｓバリア層からなる量子井戸層の共振周波数の２乗の井戸層歪量依存性を示した図である。It is the figure which showed the well layer distortion dependence of the square of the resonant frequency of the quantum well layer which consists of a GaInNAs quantum well layer and InAlGaAs barrier layer on the InGaAs substrate which concerns on 2nd Example of this invention. 本発明の第３の実施例に係る光半導体装置の構造を示した斜視図である。It is the perspective view which showed the structure of the optical semiconductor device which concerns on the 3rd Example of this invention. 本発明の第４の実施例に係る半導体光増幅器の増幅特性を示した図である。It is the figure which showed the amplification characteristic of the semiconductor optical amplifier based on the 4th Example of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

１ ＩｎＧａＡｓ基板又はＧａＡｓ基板上にＩｎＧａＡｓメタモルフィックバッファ層を成長した基板
２ 量子井戸層（活性層）
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 量子井戸層及びバリア層からなる量子井戸構造
８ 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 1 InGaAs substrate or substrate with an InGaAs metamorphic buffer layer grown on a GaAs substrate 2 Quantum well layer (active layer)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 3 Lower barrier layer 4 Upper barrier layer 5 Lower clad layer 6 Upper clad layer 7 Quantum well structure consisting of quantum well layer and barrier layer 8 Buried layer by semi-insulating crystal doped with ruthenium or the like

Claims (6)

ＩｎＧａＡｓ基板又はＧａＡｓ基板の上にＩｎＧａＡｓからなるメタモルフィックバッファ層を形成した基板と、
前記メタモルフィックバッファ層を成長した基板の上に形成される下部クラッド層と、
前記下部クラッド層の上に形成され、バリア層とＧａＩｎＮＡｓからなる量子井戸層とからなる１層又は多層の量子井戸構造と、
前記量子井戸構造の上に形成される上部クラッド層と
を備える
ことを特徴とする光半導体装置。 A substrate in which a metamorphic buffer layer made of InGaAs is formed on an InGaAs substrate or a GaAs substrate;
A lower cladding layer formed on a substrate on which the metamorphic buffer layer is grown;
A one-layer or multi-layer quantum well structure formed on the lower cladding layer and comprising a barrier layer and a quantum well layer made of GaInNAs;
An optical semiconductor device comprising: an upper clad layer formed on the quantum well structure. 前記基板におけるＩｎの組成比は０．０５以上０．２以下であり、
前記量子井戸層におけるＮの組成比は０より大きく０．０２５以下である
ことを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。 The composition ratio of In in the substrate is 0.05 or more and 0.2 or less,
The optical semiconductor device according to claim 1, wherein a composition ratio of N in the quantum well layer is greater than 0 and equal to or less than 0.025. 前記量子井戸層の歪量は０．５％以上３．０％以下である
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。 3. The optical semiconductor device according to claim 1, wherein a strain amount of the quantum well layer is not less than 0.5% and not more than 3.0%. 前記バリア層はＩｎＡｌＧａＡｓであり、該バリア層のＡｌ含有量は２．３％以上１７％以下である
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の光半導体装置。 4. The optical semiconductor device according to claim 1, wherein the barrier layer is InAlGaAs, and the Al content of the barrier layer is 2.3% or more and 17% or less. 前記量子井戸層における利得が最大となる波長は１．２５μｍ以上１．３５μｍ以下である
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の光半導体装置。 5. The optical semiconductor device according to claim 1, wherein a wavelength at which a gain in the quantum well layer is maximum is 1.25 μm or more and 1.35 μm or less. 前記下部クラッド層、前記量子井戸構造、前記上部クラッド層を有するメサ構造の両脇はルテニウムをドープした半絶縁性化合物半導体が埋め込まれる
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。 6. The semi-insulating compound semiconductor doped with ruthenium is buried on both sides of the lower cladding layer, the quantum well structure, and the mesa structure having the upper cladding layer. An optical semiconductor device according to item.
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