JP2016197616A - Semiconductor laser - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ＩｎＰ基板の上に形成され、ＩｎＧａＡｓＳｂからなる井戸層による量子井戸構造の活性層から構成された半導体レーザに関する。 The present invention relates to a semiconductor laser formed on an InP substrate and composed of an active layer having a quantum well structure composed of a well layer made of InGaAsSb.
光を用いたガス計測システムは、環境分野や医療応用において重要であり、リアルタイムで高精度な濃度計測が可能なガス計測システムや、ピロリ菌の検出システムなどが実用化されている。これらのシステムでは、ガスの吸収線による光吸収という物理現象を応用したものがほとんどである。ガスの光吸収は、ガスの分子を構成する原子間の結合力に起因した振動や回転のエネルギーに対応した光の吸収により起きる。このガスの吸収線は、個々のガス種に対応した固有の波長を持ち、線幅も０．１ｎｍ程度と極めて細いために、光吸収を用いればガス種の同位体さえ特定できるという特徴がある。 Gas measurement systems using light are important in the environmental field and medical applications, and gas measurement systems capable of measuring concentrations with high accuracy in real time, detection systems for H. pylori, and the like have been put into practical use. Most of these systems apply the physical phenomenon of light absorption by gas absorption lines. The light absorption of gas occurs by absorption of light corresponding to vibration and rotation energy caused by the bonding force between atoms constituting the gas molecule. The absorption line of this gas has a characteristic wavelength corresponding to each gas type, and the line width is as thin as about 0.1 nm, so that it is possible to identify even an isotope of the gas type by using light absorption. .
光を用いたガス計測システムにおいて、２μｍ付近の波長領域は特に重要な波長領域である。これは、環境汚染や地球温暖化に関係するＣＯ2、Ｎ2Ｏ、ＨＣｌ、ＮＨ3、ＣＯなどのガスに関して、強度の大きな吸収線がこの波長領域に存在するためである。図１１は、１．８μｍから２．４μｍの波長領域に存在するガス種と、各ガスにおける吸収線の波長を示した特性図である。図１１では、吸収線が存在する波長領域を帯状に示してあるが、実際の吸収線は前述したように極めて狭い線幅を持ち、吸収線はこの帯状の波長領域に密集して存在する。 In a gas measurement system using light, the wavelength region near 2 μm is a particularly important wavelength region. This is because strong absorption lines exist in this wavelength region for gases such as CO 2 , N 2 O, HCl, NH 3 , and CO related to environmental pollution and global warming. FIG. 11 is a characteristic diagram showing the types of gas existing in the wavelength region of 1.8 μm to 2.4 μm and the wavelength of the absorption line in each gas. In FIG. 11, the wavelength region where the absorption line exists is shown in a band shape, but the actual absorption line has an extremely narrow line width as described above, and the absorption lines are concentrated in this band-like wavelength region.
ガス計測で用いる一般的な光源としては、室温付近において単一波長で連続発振し、数ｎｍ程度の波長走査が可能であり、さらに１〜１０ｍＷ程度の光出力を有するなどの素子特性を持つことが望まれる。この要求を満たす光源としては、小型でありかつ消費電力がガスレーザや固体レーザに比べて小さい半導体レーザが用いられることが多い。 As a general light source used for gas measurement, it has a device characteristic such that it continuously oscillates at a single wavelength near room temperature, can scan a wavelength of about several nm, and has a light output of about 1 to 10 mW. Is desired. As a light source that satisfies this requirement, a semiconductor laser that is small and consumes less power than a gas laser or a solid-state laser is often used.
２μｍ付近の波長領域で動作するガス計測に適した半導体レーザとしては、ＩｎＰ基板上のＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰやＩｎＧａＡｓなどの半導体材料から構成した分布帰還型（Distributed Feedback Laser：ＤＦＢ）レーザがある。ここで、このような半導体レーザでの実使用においては、素子を埋め込む構造とすることになり、再成長による埋め込み構造の形成が重要となる。この技術は、ＩｎＰの場合については技術が確立されているが、ＧａＡｓなどの他の系では確立されていない。このため、このような半導体レーザでは、Ｉｎ基板が用いられている。 As a semiconductor laser suitable for gas measurement operating in a wavelength region near 2 μm, there is a distributed feedback laser (DFB) laser composed of a semiconductor material such as InP, InGaAsP, or InGaAs on an InP substrate. Here, in actual use in such a semiconductor laser, a structure in which an element is embedded is formed, and formation of an embedded structure by regrowth is important. This technique has been established in the case of InP, but has not been established in other systems such as GaAs. For this reason, an In substrate is used in such a semiconductor laser.
上述した半導体レーザの活性層には、Ｉｎ組成比が大きなＩｎＧａＡｓを井戸層とする多重量子井戸（Multiple Quantum Well：ＭＱＷ）構造を用いることが多い。この場合、ＩｎＧａＡｓ井戸層の格子定数はＩｎＰよりも大きくなるため、井戸層には大きな圧縮歪みが加わることになる。具体的には、２μｍを超える発振波長を得るためには、１．５％以上の大きな圧縮歪みが加わったＩｎＧａＡｓ井戸層が必要となる（非特許文献１参照）。 The active layer of the semiconductor laser described above often uses a multiple quantum well (MQW) structure in which InGaAs having a large In composition ratio is used as a well layer. In this case, since the lattice constant of the InGaAs well layer is larger than that of InP, a large compressive strain is applied to the well layer. Specifically, in order to obtain an oscillation wavelength exceeding 2 μm, an InGaAs well layer to which a large compressive strain of 1.5% or more is applied (see Non-Patent Document 1).
さらに、この井戸層は、大きな圧縮歪みが加わっているにも関わらず、薄くすることができない。これは、井戸層を薄くすると、量子サイズ効果により発振波長が短波長化してしまうためである。このように井戸層を薄くできない状況下では、井戸層の大きな圧縮歪みに起因した結晶欠陥が発生し易い。 Furthermore, the well layer cannot be made thin despite the large compressive strain. This is because if the well layer is thinned, the oscillation wavelength is shortened due to the quantum size effect. In such a situation where the well layer cannot be made thin, crystal defects due to the large compressive strain of the well layer are likely to occur.
ＩｎＰ基板を用いて作製された２μｍ付近の発振波長を持つレーザの多重量子井戸構造の活性層に関し、井戸層の大きな圧縮歪みに起因した結晶欠陥の発生を抑制するため、様々な方法が検討されている。例えば、ＩｎＧａＡｓ井戸層の成長時に、Ｓｂをサーファクタントに用いて格子緩和を抑制する方法や、ＩｎＡｓ井戸層を４８０℃以下の低温で成長させるなどの方法により、結晶欠陥の発生を抑制する方法などが検討されている。これらの方法を用いることにより、２μｍを大きく超える波長で、単一モード発振するＤＦＢレーザが実現されている（非特許文献２、非特許文献３参照）。 In order to suppress the generation of crystal defects due to the large compressive strain of the well layer, various methods have been investigated for the active layer of the multiple quantum well structure of a laser having an oscillation wavelength of about 2 μm fabricated using an InP substrate. ing. For example, when growing an InGaAs well layer, there are a method of suppressing lattice relaxation by using Sb as a surfactant, a method of suppressing the generation of crystal defects by a method of growing an InAs well layer at a low temperature of 480 ° C. or lower, and the like. It is being considered. By using these methods, a DFB laser that oscillates in a single mode at a wavelength greatly exceeding 2 μm is realized (see Non-Patent Document 2 and Non-Patent Document 3).
上述したようにＩｎＰ基板を用いて作製された２μｍ付近の発振波長を持つレーザでは、ＩｎＧａＡｓやＩｎＡｓなどから井戸層を構成し、この結晶成長を工夫することによりレーザに応用することが可能な良好な結晶性を持つ活性層が実現されている。しかしながら、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｓのいずれかより井戸層を構成した場合も、下記のような課題がある。 As described above, a laser having an oscillation wavelength of about 2 μm manufactured using an InP substrate can be applied to a laser by constructing a well layer from InGaAs, InAs, etc., and devising this crystal growth. An active layer having excellent crystallinity has been realized. However, when the well layer is composed of either InGaAs or InAs, there are the following problems.
井戸層をＩｎＧａＡｓから構成した場合、２μｍを超える発振波長を得るためには、前述のように井戸層に＋１．５％を超える圧縮歪みを加える必要がある。一方、光ファイバー通信などに用いられるＩｎＰ基板上の多重量子井戸構造レーザで、井戸層に加えられる圧縮歪みはほとんどの場合が１％以下である。これは、井戸層の圧縮歪みが大きくなることにより、結晶欠陥が発生し易いためである。２μｍ付近に発振波長を持つレーザであっても、結晶欠陥の発生を抑制するためには、井戸層に加わる圧縮歪みは小さい方が好ましい。 When the well layer is made of InGaAs, in order to obtain an oscillation wavelength exceeding 2 μm, it is necessary to apply a compressive strain exceeding + 1.5% to the well layer as described above. On the other hand, in a multiple quantum well structure laser on an InP substrate used for optical fiber communication or the like, the compressive strain applied to the well layer is almost 1% or less in most cases. This is because crystal defects are likely to occur due to an increase in the compressive strain of the well layer. Even in the case of a laser having an oscillation wavelength near 2 μm, it is preferable that the compressive strain applied to the well layer is small in order to suppress the generation of crystal defects.
しかしながら、１％程度の圧縮歪みのＩｎＧａＡｓ井戸層から活性層を構成しても、２μｍ付近に発振波長を持つレーザを実現することは不可能である。さらに、ＩｎＧａＡｓ井戸層から構成した多重量子井戸構造レーザでは、井戸層に加える圧縮歪みおよび厚さが、結晶欠陥が発生しない限界値近くにあり、これ以上発振波長を長くすることは困難である。具体的には、２％の圧縮歪みを加えたＩｎＧａＡｓ井戸層で結晶欠陥が発生しない厚さは、１０ｎｍ程度であり（非特許文献２参照）、この場合の発振波長は約２．１μｍである。この発振波長は、ＩｎＧａＡｓ井戸層を用いたレーザでは素子特性を劣化させないで作製できる限界に近い波長であり、発振波長が２．１５μｍよりも長いような多重量子井戸構造レーザの作製は極めて困難である。 However, even if the active layer is composed of an InGaAs well layer having a compressive strain of about 1%, it is impossible to realize a laser having an oscillation wavelength near 2 μm. Furthermore, in a multiple quantum well structure laser composed of InGaAs well layers, the compressive strain and thickness applied to the well layers are close to the limit values at which crystal defects do not occur, and it is difficult to increase the oscillation wavelength beyond this. Specifically, the thickness at which no crystal defect occurs in the InGaAs well layer to which 2% compressive strain is applied is about 10 nm (see Non-Patent Document 2), and the oscillation wavelength in this case is about 2.1 μm. . This oscillation wavelength is a wavelength close to the limit that can be produced without degrading element characteristics with a laser using an InGaAs well layer, and it is extremely difficult to produce a multiple quantum well laser having an oscillation wavelength longer than 2.15 μm. is there.
一方、ＩｎＡｓは、二元混晶のために、三元混晶であるＩｎＧａＡｓよりは組成的に安定であり、大きな圧縮歪みが加わった状態でも結晶欠陥の発生を抑制することができる。このため、井戸層をＩｎＡｓから構成した多重量子井戸構造レーザでは、ＩｎＧａＡｓから構成した場合に比べて長い発振波長を得ることが容易である。しかしながら、ＩｎＰ基板上でＩｎＡｓを成長した場合、ＩｎＡｓには３．２％もの圧縮歪みが加わるため、格子歪に起因した結晶欠陥の発生を抑制するにはより薄くする必要がある。具体的には、ＩｎＰ基板上の多重量子井戸構造を構成するＩｎＡｓ井戸層の層厚は５ｎｍ程度が限界であり、この井戸層とＩｎＧａＡｓ障壁層を用いた多重量子井戸構造における発光ピーク波長は２．３μｍ程度である。このため、井戸層をＩｎＡｓから構成した多重量子井戸構造レーザでも、２．３５μｍより長い発振波長を得ることは難しい。 On the other hand, since InAs is a binary mixed crystal, it is more compositionally stable than InGaAs, which is a ternary mixed crystal, and can suppress the generation of crystal defects even in a state where a large compressive strain is applied. For this reason, in a multiple quantum well structure laser in which the well layer is made of InAs, it is easy to obtain a longer oscillation wavelength than in the case of being made of InGaAs. However, when InAs is grown on an InP substrate, a compressive strain of 3.2% is applied to InAs. Therefore, it is necessary to reduce the thickness to suppress the generation of crystal defects due to lattice strain. Specifically, the thickness of the InAs well layer constituting the multiple quantum well structure on the InP substrate is limited to about 5 nm, and the emission peak wavelength in the multiple quantum well structure using this well layer and the InGaAs barrier layer is 2 About 3 μm. For this reason, it is difficult to obtain an oscillation wavelength longer than 2.35 μm even with a multiple quantum well laser having a well layer made of InAs.
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、ＩｎＰ基板の上に形成した多重量子井戸構造の活性層による半導体レーザで、より長い発振波長が実現できるようにすることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and enables a longer oscillation wavelength to be realized by a semiconductor laser having an active layer having a multiple quantum well structure formed on an InP substrate. For the purpose.
本発明に係る半導体レーザは、ＩｎＰからなる基板の上に形成された半導体レーザであって、ＩｎＧａＡｓＳｂからなる井戸層およびＡｓとＳｂを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる障壁層から構成された多重量子井戸構造の活性層を備える。 The semiconductor laser according to the present invention is a semiconductor laser formed on a substrate made of InP, and includes a multiple layer composed of a well layer made of InGaAsSb and a barrier layer made of a III-V group compound semiconductor containing As and Sb. An active layer having a quantum well structure is provided.
上記半導体レーザにおいて、障壁層のＶ族元素に占めるＳｂの組成比は０．０３以上とされていれば良い。また、井戸層のＶ族元素に占めるＳｂの組成比は０．０３以上、０．３以下とされ、発振波長が２μｍ以上とされていればよい。 In the semiconductor laser, the composition ratio of Sb in the V group element of the barrier layer may be 0.03 or more. Further, the composition ratio of Sb in the V group element in the well layer may be 0.03 or more and 0.3 or less, and the oscillation wavelength may be 2 μm or more.
上記半導体レーザにおいて、井戸層は、１％以上、３％以下の圧縮歪みが印加され、層厚が５ｎｍ以上、２０ｎｍ以下とされていればよい。 In the semiconductor laser, a compressive strain of 1% or more and 3% or less may be applied to the well layer, and the layer thickness may be 5 nm or more and 20 nm or less.
以上説明したことにより、本発明によれば、ＩｎＰ基板の上に形成した多重量子井戸構造の活性層による半導体レーザで、より長い発振波長が実現できるという優れた効果が得られるようになる。 As described above, according to the present invention, it is possible to obtain an excellent effect that a longer oscillation wavelength can be realized by a semiconductor laser using an active layer having a multiple quantum well structure formed on an InP substrate.
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について図１を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態１における半導体レーザの一部構成を示す構成図である。図１では、半導体レーザの一部断面を模式的に示している。
[Embodiment 1]
First, Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a configuration diagram showing a partial configuration of the semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention. FIG. 1 schematically shows a partial cross section of a semiconductor laser.
この半導体レーザは、ｎ型のＩｎＰからなる基板１０１の上に形成されたＩｎＰからなる半導体層１０２と、半導体層１０２の上に形成され、ＩｎＧａＡｓＳｂからなる井戸層１０３、およびＡｓとＳｂを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる障壁層１０４から構成された多重量子井戸構造の活性層１０５を備える。活性層１０５の上には、ＩｎＰからなる半導体層１０６を備える。なお、図１では、活性層１０５を含む要部を示しており、活性層１０５を上下に挟む光閉じ込め層や回折格子などの共振器構造などは省略している。 This semiconductor laser includes a semiconductor layer 102 made of InP formed on a substrate 101 made of n-type InP, a well layer 103 formed on the semiconductor layer 102 and made of InGaAsSb, and III containing As and Sb. An active layer 105 having a multiple quantum well structure composed of a barrier layer 104 made of a group V compound semiconductor is provided. A semiconductor layer 106 made of InP is provided on the active layer 105. In FIG. 1, the main part including the active layer 105 is shown, and a resonator structure such as an optical confinement layer and a diffraction grating sandwiching the active layer 105 in the upper and lower sides is omitted.
製造方法について簡単に説明すると、ＩＩＩ族原料ガスにトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、Ｖ族原料ガスにホスフィン（ＰＨ3）、アルシン（ＡｓＨ3）、トリスジメチルアミノアンチモン（ＴＤＭＡＳｂ）を用いた有機金属分子線エピタキシー法を用いる。まず、基板１０１の上に膜厚０．２μｍのアンドープＩｎＰを成長させて半導体層１０２を形成する。引き続き、ＩｎＧａＡｓＳｂからなる障壁層１０４およびＩｎＧａＡｓＳｂからなる井戸層１０３を交互に成長させて多重量子井戸構造の活性層１０５を形成する。この後、膜厚０．１μｍのアンドープＩｎＰを成長して半導体層１０６を形成する。 Briefly describing the production method, trimethylindium (TMIn), triethylgallium (TEGa) are used as the group III source gas, phosphine (PH 3 ), arsine (AsH 3 ), and trisdimethylaminoantimony (TDMASb) are used as the group V source gas. The organometallic molecular beam epitaxy method used is used. First, an undoped InP film having a thickness of 0.2 μm is grown on the substrate 101 to form the semiconductor layer 102. Subsequently, barrier layers 104 made of InGaAsSb and well layers 103 made of InGaAsSb are grown alternately to form an active layer 105 having a multiple quantum well structure. Thereafter, undoped InP having a thickness of 0.1 μm is grown to form the semiconductor layer 106.
活性層１０５を構成する多重量子井戸構造における井戸層１０３の数は６である。成長時の基板温度は、多重量子井戸構造の形成では５００℃とし、ＩｎＰからなる半導体層１０２，１０６の形成では５０５℃とすればよい。また、Ｓｂ組成比は、井戸層１０３では０．１０とし、障壁層１０４では０．１５とすればよい。 The number of well layers 103 in the multiple quantum well structure constituting the active layer 105 is six. The substrate temperature during growth may be 500 ° C. in the formation of the multiple quantum well structure and 505 ° C. in the formation of the semiconductor layers 102 and 106 made of InP. The Sb composition ratio may be 0.10 for the well layer 103 and 0.15 for the barrier layer 104.
次に、井戸層１０３における歪みについて説明する。図２は、作製した素子のＸ線回折パターンの実験結果（上）とシミュレーション結果（下）を比較した図である。この比較の結果、井戸層１０３は、圧縮歪みが２．０５％、層厚が１０．５ｎｍであり、障壁層１０４は、引っ張り歪みが０．４０％、層厚が１９．８ｎｍであることが分かった。 Next, the strain in the well layer 103 will be described. FIG. 2 is a diagram comparing experimental results (upper) and simulation results (lower) of the X-ray diffraction patterns of the fabricated elements. As a result of this comparison, the well layer 103 has a compressive strain of 2.05% and a layer thickness of 10.5 nm, and the barrier layer 104 has a tensile strain of 0.40% and a layer thickness of 19.8 nm. I understood.
多重量子井戸構造において組成分離が発生した場合、井戸層と障壁層の間の界面の平坦性が悪化するため、一般的にＸ線回折パターンのピークはブロードニングを起こす。一方、図２に示す結果では、ＩｎＧａＡｓＳｂから構成した井戸層、ＩｎＧａＡｓＳｂから構成した障壁層に用いた多重量子井戸構造では、シミュレーションとピーク形状がほぼ一致しており、ブロードニングは起こっていないことが分かる。したがって、ＩｎＧａＡｓＳｂを用いても組成分離の影響が少ない多重量子井戸構造が作製できていることが分かる。 When composition separation occurs in a multi-quantum well structure, the flatness of the interface between the well layer and the barrier layer is deteriorated, so that the peak of the X-ray diffraction pattern generally causes broadening. On the other hand, in the results shown in FIG. 2, in the multiple quantum well structure used for the well layer made of InGaAsSb and the barrier layer made of InGaAsSb, the simulation and the peak shape are almost the same, and no broadening occurs. I understand. Therefore, it can be seen that a multi-quantum well structure with little influence of composition separation can be produced even when InGaAsSb is used.
図３は、実際に作製した素子より得られる室温でのホトルミネセンス発光のスペクトルを示した特性図である。発光ピーク波長は２２３０ｎｍである。この発光ピーク波長は、ＩｎＧａＡｓから井戸層を構成した多重量子井戸構造では、実現が困難な波長である。図３に示すように、井戸層をＩｎＧａＡｓＳｂから構成した多重量子井戸構造の発光ピーク強度とピークの半値全幅は、発光ピーク波長が２μｍ程度となるＩｎＧａＡｓ井戸層を用いた多重量子井戸構造と遜色ないものであり、特に劣化は見られなかった。 FIG. 3 is a characteristic diagram showing a spectrum of photoluminescence emission at room temperature obtained from an actually produced device. The emission peak wavelength is 2230 nm. This emission peak wavelength is difficult to realize in a multiple quantum well structure in which a well layer is made of InGaAs. As shown in FIG. 3, the emission peak intensity and full width at half maximum of the multiple quantum well structure in which the well layer is made of InGaAsSb is comparable to the multiple quantum well structure using the InGaAs well layer having an emission peak wavelength of about 2 μm. There was no particular deterioration.
以上に示した結果より明らかなように、実施の形態１におけるＩｎＧａＡｓＳｂから井戸層を構成した多重量子井戸構造によれば、Ｓｂの表面偏析やＩｎＧａＡｓＳｂにおける組成分離の影響を小さくできる。さらに、実施の形態１によれば、ＩｎＧａＡｓから構成した井戸層による多重量子井戸構造では実現が困難な長い発光ピーク波長が得られることが分かる。なお、上述では、有機金属分子線エピタキシー法を用いた場合について説明したが、これに限るものではなく、有機金属気相成長法など、他の結晶成長方法を用いても同様である。 As is clear from the results shown above, according to the multiple quantum well structure in which the well layer is composed of InGaAsSb in the first embodiment, the influence of surface segregation of Sb and composition separation in InGaAsSb can be reduced. Furthermore, according to the first embodiment, it can be seen that a long emission peak wavelength that is difficult to realize with a multiple quantum well structure including a well layer made of InGaAs can be obtained. In addition, although the case where the organometallic molecular beam epitaxy method was used was demonstrated above, it is not restricted to this, It is the same even if it uses other crystal growth methods, such as a metal organic vapor phase epitaxy method.
以下、本発明について、より詳細に説明する。ＩｎＧａＡｓやＩｎＡｓから井戸層を構成した場合では、より長い発振波長が得られないという問題は、ＩｎＧａＡｓやＩｎＡｓより小さな圧縮歪みでバンドギャップ波長を長くできる（バンドギャップエネルギーを小さくできる）材料から、多重量子井戸構造による活性層の井戸層を構成することで解決できる。この要求を満たす材料が、ＩｎＧａＡｓＳｂである。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail. In the case where the well layer is composed of InGaAs or InAs, the problem that a longer oscillation wavelength cannot be obtained is that the band gap wavelength can be increased with a smaller compressive strain than InGaAs or InAs (the band gap energy can be reduced). This can be solved by forming a well layer of an active layer having a quantum well structure. A material that satisfies this requirement is InGaAsSb.
図４は、量子井戸ではないバルクのＩｎＧａＡｓＳｂをＩｎＰ基板の上に形成した場合について、バンドギャップ波長のＳｂ組成比による変化を計算により求めた特性図ある。図４では、ＩｎＧａＡｓＳｂのＩｎＰに対する圧縮歪みが０％、０．２％、０．５％、１．０％、１．５％の場合について計算してあり、格子歪によるバンド端のシフトを考慮してある。この図において、Ｓｂ組成比が０の場合がＩｎＧａＡｓの場合である。 FIG. 4 is a characteristic diagram in which a change in the band gap wavelength depending on the Sb composition ratio is obtained by calculation when bulk InGaAsSb that is not a quantum well is formed on an InP substrate. In FIG. 4, calculation is performed for cases where the compressive strain of InGaAsSb with respect to InP is 0%, 0.2%, 0.5%, 1.0%, and 1.5%, and the band edge shift due to lattice strain is taken into consideration It is. In this figure, the case where the Sb composition ratio is 0 is the case of InGaAs.
図４に示すように、ＩｎＧａＡｓＳｂは結晶に加わる圧縮歪みが小さくても、Ｓｂ組成比を増加させることでバンドギャップ波長を長くできることが分かる。ここで、Ｓｂ組成比の増加によるバンドギャップ波長の長波長化は、Ｓｂ組成比が０．３程度まであり、０．３を超えてＳｂ組成比を増加させていくと逆にバンドギャップ波長は短くなることに注意する必要がある。このため、ＩｎＧａＡｓＳｂを用い、Ｓｂ組成比を増加させることでバンドギャップ波長を長くするには、０．３程度までのＳｂ組成比を用いることが好ましい。図４に示すバンドギャップ波長は、バルクのＩｎＧａＡｓＳｂについての計算結果であるが、ＩｎＧａＡｓＳｂを量子井戸構造にした場合でも量子サイズ効果による短波長化が起こるだけで、Ｓｂ組成比によるバンドギャップ波長の長波長化は、傾向的には図４のバルクの場合と同じである。 As shown in FIG. 4, it can be seen that InGaAsSb can increase the band gap wavelength by increasing the Sb composition ratio even if the compressive strain applied to the crystal is small. Here, the bandgap wavelength is increased by increasing the Sb composition ratio. The Sb composition ratio is about 0.3. If the Sb composition ratio is increased beyond 0.3, the bandgap wavelength is Note that it will be shorter. For this reason, in order to lengthen the band gap wavelength by using InGaAsSb and increasing the Sb composition ratio, it is preferable to use an Sb composition ratio of up to about 0.3. The bandgap wavelength shown in FIG. 4 is a calculation result for bulk InGaAsSb, but even when InGaAsSb has a quantum well structure, only the shortening of the wavelength due to the quantum size effect occurs, and the length of the bandgap wavelength due to the Sb composition ratio is increased. Wavelength trending is the same as in the bulk case of FIG.
以上説明したようにＩｎＧａＡｓＳｂでは、ＩｎＧａＡｓよりも小さい圧縮歪みでも長いバンドギャップ波長を得ることが可能なため、このＩｎＧａＡｓＳｂを多重量子井戸構造による活性層の井戸層に用いれば、ＩｎＰ基板上で２μｍ付近に発振波長を持つレーザの作製が容易になると考えられる。しかしながら、現在までに、ＩｎＰ基板上でＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層を持つ多重量子井戸構造をレーザの活性層に応用し、２μｍ付近の発振波長を得るという検討はほとんどされてこなかった。この理由としては、下記の２つを上げることができる。 As described above, InGaAsSb can obtain a long bandgap wavelength even with a compressive strain smaller than that of InGaAs. If this InGaAsSb is used as a well layer of an active layer having a multiple quantum well structure, it is about 2 μm on the InP substrate. It is considered that it becomes easy to manufacture a laser having an oscillation wavelength. However, until now, few studies have been made to apply a multiple quantum well structure having an InGaAsSb well layer on an InP substrate to an active layer of a laser to obtain an oscillation wavelength near 2 μm. There are two reasons for this.
まず、１つめの理由は、ＩｎＰ基板上でＳｂを含む材料を結晶成長する場合、成長中にＳｂを供給していなくてもＳｂが結晶表面に残留し続けることが上げられる。この現象は、Ｓｂの表面偏析として知られている（非特許文献４参照）。この状態においては、表面に残留したＳｂは、他の原子の取り込み等にも影響を与える。このため、Ｓｂを含んだＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層の上に障壁層を成長する場合、障壁層の成長表面にもＳｂが残留して結晶成長に影響を与え、この結果として障壁層を設計通りに作製することが困難になる。 The first reason is that when a material containing Sb is grown on an InP substrate, Sb continues to remain on the crystal surface even if Sb is not supplied during the growth. This phenomenon is known as surface segregation of Sb (see Non-Patent Document 4). In this state, Sb remaining on the surface also affects the uptake of other atoms. For this reason, when a barrier layer is grown on an InGaAsSb well layer containing Sb, Sb remains on the growth surface of the barrier layer to affect crystal growth, and as a result, the barrier layer is fabricated as designed. It becomes difficult.
２つめの理由としては、ＩｎＧａＡｓＳｂでは均一な組成の膜を得ることが困難なことが上げられる。これは、半導体多元混晶における組成分離として知られる現象であり、ＩｎＧａＡｓＰなどのＩｎＰ基板上のレーザで一般的に用いられる材料と比べてＩｎＧａＡｓＳｂではさらに組成分離が起こり易いことによる（非特許文献５参照）。半導体多元混晶における組成分離は、半導体混晶の熱力学的エネルギーを計算することで調べることができる。この計算では、熱力学的な平衡状態を仮定して行われるが、熱的に非平衡状態下で結晶成長が進行する分子線エピタキシー（Molecular Beam Epitaxy：ＭＢＥ）や有機金属気相エピタキシー（Metalorganic Vapor Phase Epitaxy：ＭＯＶＰＥ）で成長した半導体混晶でも適用できることが知られている（非特許文献５参照）。 The second reason is that it is difficult to obtain a film having a uniform composition with InGaAsSb. This is a phenomenon known as composition separation in a semiconductor multi-element mixed crystal, and composition separation is more likely to occur in InGaAsSb than materials generally used in lasers on InP substrates such as InGaAsP (Non-patent Document 5). reference). Compositional separation in a semiconductor multi-element mixed crystal can be examined by calculating the thermodynamic energy of the semiconductor mixed crystal. This calculation is performed assuming a thermodynamic equilibrium state, but molecular beam epitaxy (MBE) or metalorganic vapor phase epitaxy (Metalorganic Vapor) where crystal growth proceeds under a thermally non-equilibrium state. It is known that it can also be applied to semiconductor mixed crystals grown by Phase Epitaxy (MOVPE) (see Non-Patent Document 5).
図５は、ＩｎＧａＡｓＳｂについて組成分離が起こり易い組成領域（バイノーダル曲線）を計算した例を示す特性図である（非特許文献６参照）。組成分離が起こる領域は、組成だけでなく成長温度にも依存する。図５では、５００℃、５５０℃および６００℃の場合について計算してある。各温度とも右側の黒塗りされた領域が組成分離の影響が大きくなる組成範囲であり、成長温度が低くなるにつれて組成分離が起こり易い領域は広くなる。図５には、ＩｎＰに格子整合するＩｎＧａＡｓＳｂの組成を破線で示してある。 FIG. 5 is a characteristic diagram showing an example in which a composition region (binodal curve) where composition separation is likely to occur in InGaAsSb is calculated (see Non-Patent Document 6). The region where composition separation occurs depends not only on the composition but also on the growth temperature. In FIG. 5, the calculation is performed for the cases of 500 ° C., 550 ° C., and 600 ° C. The blackened area on the right side at each temperature is a composition range in which the influence of composition separation increases, and the area where composition separation is likely to occur becomes wider as the growth temperature is lowered. In FIG. 5, the composition of InGaAsSb lattice-matched to InP is indicated by a broken line.
ＩｎＰに格子整合するＩｎＧａＡｓＳｂの場合、Ｓｂ組成が大きいほど組成分離の影響が大きいことが分かる。ＩｎＧａＡｓＳｂに組成分離が起きた場合、表面粗れが大きくなり、Ｘ線回折ピークがブロードになるなどの結晶劣化が起こる（非参照文献７参照）。この結晶劣化は、レーザの素子特性を悪化させる要因となるため、ＩｎＧａＡｓＳｂのレーザへの応用を困難にする。 In InGaAsSb lattice-matched to InP, it can be seen that the larger the Sb composition, the greater the effect of composition separation. When composition separation occurs in InGaAsSb, surface roughness increases and crystal degradation such as broadening of the X-ray diffraction peak occurs (see Non-Reference Document 7). This crystal deterioration becomes a factor of deteriorating the element characteristics of the laser, making it difficult to apply InGaAsSb to a laser.
以上、説明したようにＩｎＧａＡｓＳｂは、Ｓｂの成長表面における表面偏析と組成分離が大きいという課題がある。ＩｎＰ基板上の半導体材料には、ＩｎＧａＡｓＰという成長技術がほぼ確立した材料が有るため、敢えて上記の課題があるＩｎＧａＡｓＳｂを用い、ＩｎＰ基板上でレーザを作製しようとする検討はほとんど行われてこなかった。 As described above, InGaAsSb has a problem of large surface segregation and composition separation on the growth surface of Sb. There is a semiconductor material on the InP substrate that is a material for which growth technology called InGaAsP has been almost established, so there has been almost no investigation to make a laser on the InP substrate using InGaAsSb having the above-mentioned problems. .
これに対し、発明者らは、量子井戸にＩｎＧａＡｓＳｂを用いることについて鋭意に検討した結果、ＩｎＰ基板の上にＩｎＧａＡｓＳｂから構成した量子井戸による量子井戸構造を形成し、これを活性層とした半導体レーザで、より長い発振波長が得られることを見出した。 On the other hand, the inventors have intensively studied the use of InGaAsSb for the quantum well, and as a result, formed a quantum well structure composed of InGaAsSb on the InP substrate and used this as a semiconductor laser. Thus, it has been found that a longer oscillation wavelength can be obtained.
まず、ＩｎＧａＡｓＳｂを井戸層に用いることが、発振波長が２μｍを超える多重量子井戸構造レーザに有用であることを数値計算の結果を用いて説明する。Ｔｙｐｅ−Ｉの量子井戸構造を持つ多重量子井戸構造において、量子井戸構造からの発光ピーク波長はファブリペローレーザの発振波長とほぼ一致する。このため、ＩｎＧａＡｓＳｂを井戸層に用いた量子井戸構造からの発光ピーク波長を求めることでレーザの発振波長を知ることができる。 First, the use of InGaAsSb for the well layer is useful for a multiple quantum well structure laser having an oscillation wavelength exceeding 2 μm, using numerical calculation results. In a multiple quantum well structure having a Type-I quantum well structure, the emission peak wavelength from the quantum well structure substantially coincides with the oscillation wavelength of the Fabry-Perot laser. Therefore, the oscillation wavelength of the laser can be known by obtaining the emission peak wavelength from the quantum well structure using InGaAsSb for the well layer.
まず、圧縮歪み１％のＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層を用いた多重量子井戸構造を活性層とする半導体レーザで、圧縮歪み１％のＩｎＧａＡｓ井戸層を用いた場合には実現できない２μｍよりも長い発振波長が得られることを示す。図６は、１％の圧縮歪みの加わったＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層について、井戸層の層厚による量子井戸構造からの発光ピーク波長の変化を計算により求めた結果を示す特性図である。ＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層のＳｂ組成としては、０、０．０３、０．１、０．２、０．３の場合を考えて発光ピーク波長を求めてある。障壁層には、０．４％の引っ張り歪みが加わったＩｎＧａＡｓＳｂを用いており、Ｓｂ組成は井戸層と等しくしてある。 First, in a semiconductor laser having an active layer having a multiple quantum well structure using an InGaAsSb well layer with a compressive strain of 1%, an oscillation wavelength longer than 2 μm, which cannot be realized when using an InGaAs well layer with a compressive strain of 1%, is obtained. Indicates that FIG. 6 is a characteristic diagram showing a result obtained by calculating a change in the emission peak wavelength from the quantum well structure depending on the thickness of the well layer for an InGaAsSb well layer to which a compressive strain of 1% is applied. As the Sb composition of the InGaAsSb well layer, the emission peak wavelength is obtained considering the cases of 0, 0.03, 0.1, 0.2, and 0.3. The barrier layer is made of InGaAsSb with 0.4% tensile strain, and the Sb composition is equal to that of the well layer.
図６において、Ｓｂ組成が０の場合がＩｎＧａＡｓ井戸層を用いた場合の発光ピーク波長となる。いずれの層厚の場合でも、井戸層としてＩｎＧａＡｓに代えてＩｎＧａＡｓＳｂを用いることで量子井戸構造からの発光ピーク波長を長くすることができる。具体的には、ＩｎＧａＡｓＳｂのＳｂ組成比を０．０３にすることで発光ピーク波長はＩｎＧａＡｓに比べて約２０ｎｍだけ長くなり、さらにＳｂ組成比を０．１、０．２、０．３と増やすことにより、それぞれ約８０ｎｍ、約１４０ｎｍ、約１６０ｎｍだけ長くすることができる。図６に示すように、ＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層のＳｂ組成比を０．２〜０．３にし、層厚を１０ｎｍ程度にすれば、発光ピーク波長として２μｍよりも長い波長が得られることが分かる。 In FIG. 6, the case where the Sb composition is 0 is the emission peak wavelength when the InGaAs well layer is used. Regardless of the layer thickness, the peak emission wavelength from the quantum well structure can be increased by using InGaAsSb instead of InGaAs as the well layer. Specifically, by setting the Sb composition ratio of InGaAsSb to 0.03, the emission peak wavelength becomes longer by about 20 nm than that of InGaAs, and the Sb composition ratio is further increased to 0.1, 0.2, and 0.3. Accordingly, the length can be increased by about 80 nm, about 140 nm, and about 160 nm, respectively. As shown in FIG. 6, it can be seen that if the Sb composition ratio of the InGaAsSb well layer is 0.2 to 0.3 and the layer thickness is about 10 nm, a wavelength longer than 2 μm can be obtained as the emission peak wavelength.
前述したようにこの発光ピーク波長とレーザの発振ピーク波長はほぼ一致するため、Ｓｂ組成比が０．２〜０．３、層厚が１０ｎｍ以上のＩｎＧａＡｓＳｂを井戸層とする多重量子井戸構造による活性層を用いることで、井戸層に加わる圧縮歪みが１％程度であっても発振波長が２μｍよりも長いレーザを得ることができる。 As described above, since the emission peak wavelength and the laser oscillation peak wavelength are substantially the same, the activity of the multiple quantum well structure in which the well layer is InGaAsSb having an Sb composition ratio of 0.2 to 0.3 and a layer thickness of 10 nm or more. By using the layer, a laser having an oscillation wavelength longer than 2 μm can be obtained even if the compressive strain applied to the well layer is about 1%.
図６では、障壁層のＳｂ組成比として井戸層と等しいＳｂ組成比を用いているが、障壁層のＳｂ組成比はサーファクタントとしてではなく、０．０３以上のＶ族組成として含まれていれば良く、Ｓｂ組成比を井戸層と等しくする必要はない。これは、障壁層にＳｂがＶ族組成として供給されている場合、原料供給により表面に存在するＳｂの量は、ＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層からサーファクタントとして表面偏析してくるＳｂの量に比べて多いため、井戸層から表面偏析してくるＳｂの障壁層への影響を小さくできるためである。 In FIG. 6, the Sb composition ratio equal to that of the well layer is used as the Sb composition ratio of the barrier layer. However, if the Sb composition ratio of the barrier layer is not a surfactant but is included as a V group composition of 0.03 or more. Good, it is not necessary to make the Sb composition ratio equal to that of the well layer. This is because when Sb is supplied to the barrier layer as a group V composition, the amount of Sb present on the surface by supplying the raw material is larger than the amount of Sb segregated as a surfactant from the InGaAsSb well layer. This is because the influence of the Sb segregated from the well layer on the barrier layer can be reduced.
また、図６では障壁層にＩｎＧａＡｓＳｂを用いているが、ＩｎＧａＡｓＳｂにＡｌを加えたＩｎＧａＡｌＡｓＳｂやＩｎを含まないＧａＡｓＳｂを障壁層として用いた場合でも、障壁層にＳｂがＶ族組成として０．０３以上含まれていれば、２μｍ近い発振波長のレーザを得ることできる。これは、上述したように障壁層の成長時にも多くのＳｂが原料供給されるため、井戸層から表面偏析してくるＳｂの影響が小さくなることに加えて、井戸層の層厚が１０ｎｍを超えるような量子井戸構造の場合、量子サイズ効果が小さく、量子井戸構造からの発光ピーク波長へ与える障壁層のバンドギャップの影響が小さいためである。 Further, although InGaAsSb is used for the barrier layer in FIG. 6, even when InGaAlAsSb obtained by adding Al to InGaAsSb or GaAsSb not containing In is used as the barrier layer, Sb is 0.03 or more in the barrier layer as a V group composition. If included, a laser having an oscillation wavelength of approximately 2 μm can be obtained. This is because, as described above, since a large amount of Sb is supplied during the growth of the barrier layer, the influence of Sb that is segregated from the surface of the well layer is reduced, and the layer thickness of the well layer is 10 nm. This is because, in the case of the quantum well structure exceeding this, the quantum size effect is small, and the influence of the band gap of the barrier layer on the emission peak wavelength from the quantum well structure is small.
次に、圧縮歪み２％のＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層を用いた多重量子井戸構造レーザであれば、ＩｎＧａＡｓ井戸層を用いた場合は実現することが困難な長い発光ピーク波長が得られることを示す。図７は、２％の圧縮歪みの加わったＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層について、井戸層の層厚による量子井戸構造からの発光ピーク波長の変化を計算により求めた結果を示す特性図である。ＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層のＳｂ組成としては、０、０．０３、０．１、０．２、０．３の場合を考えて発光ピーク波長を求めてある。障壁層は、図６の場合と同様に０．４％の引っ張り歪みが加わったＩｎＧａＡｓＳｂを用いており、Ｓｂ組成は井戸層と等しくしてある。 Next, it is shown that a long emission peak wavelength that is difficult to be realized when using an InGaAs well layer is obtained with a multiple quantum well structure laser using an InGaAsSb well layer with a compressive strain of 2%. FIG. 7 is a characteristic diagram showing a result obtained by calculating the change in the emission peak wavelength from the quantum well structure depending on the thickness of the well layer for the InGaAsSb well layer to which the compressive strain of 2% is applied. As the Sb composition of the InGaAsSb well layer, the emission peak wavelength is obtained considering the cases of 0, 0.03, 0.1, 0.2, and 0.3. As in the case of FIG. 6, the barrier layer uses InGaAsSb to which a tensile strain of 0.4% is applied, and the Sb composition is equal to that of the well layer.
図７のＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層を用いた量子井戸構造からの発光ピーク波長は、図６の井戸層の圧縮歪みが１％の場合と傾向は同じであるが、図７では井戸層の圧縮歪みが２％と大きいためにさらに長い発光ピーク波長を得ることができる。図７より、ＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層のＳｂ組成が０．０３の場合でも、井戸層の層厚を１０ｎｍ程度に設定することで、発光波長は２．１５μｍよりも長くできることが分かる。さらに、ＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層のＳｂ組成比を増やして０．１以上にし、層厚を８ｎｍ以上にすれば、発光波長は２．２μｍよりも長くできる。このように、ＩｎＧａＡｓに代えてＩｎＧａＡｓＳｂを井戸層に用いた多重量子井戸構造を活性層に用いることで、これまでＩｎＧａＡｓを井戸層とした多重量子井戸構造レーザでは実現することが困難だった２．１５μｍよりも長い発振波長が可能となる。 The emission peak wavelength from the quantum well structure using the InGaAsSb well layer in FIG. 7 has the same tendency as that in the case where the compressive strain of the well layer in FIG. 6 is 1%, but in FIG. Therefore, a longer emission peak wavelength can be obtained. FIG. 7 shows that even when the Sb composition of the InGaAsSb well layer is 0.03, the emission wavelength can be made longer than 2.15 μm by setting the thickness of the well layer to about 10 nm. Furthermore, if the Sb composition ratio of the InGaAsSb well layer is increased to 0.1 or more and the layer thickness is set to 8 nm or more, the emission wavelength can be made longer than 2.2 μm. Thus, using a multiple quantum well structure using InGaAsSb as a well layer instead of InGaAs as an active layer, it has been difficult to realize with a multiple quantum well structure laser using InGaAs as a well layer. An oscillation wavelength longer than 15 μm is possible.
次に、ＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層を用いれば、ＩｎＡｓ井戸層を用いたレーザよりさらに長い発振波長を実現できることを示す。図８は、３％の圧縮歪みの加わったＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層について、井戸層の層厚による量子井戸構造からの発光ピーク波長の変化を計算により求めた結果を示す特性図である。ＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層のＳｂ組成としては、０、０．０３、０．１、０．２、０．３の場合を考えて発光ピーク波長を求めてある。障壁層の条件は、図６、図７の場合と同じである。 Next, it is shown that if an InGaAsSb well layer is used, an oscillation wavelength longer than that of a laser using an InAs well layer can be realized. FIG. 8 is a characteristic diagram showing the result of calculating the change in the emission peak wavelength from the quantum well structure depending on the thickness of the well layer for the InGaAsSb well layer to which 3% compressive strain is applied. As the Sb composition of the InGaAsSb well layer, the emission peak wavelength is obtained considering the cases of 0, 0.03, 0.1, 0.2, and 0.3. The conditions for the barrier layer are the same as those in FIGS.
図８のＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層を用いた量子井戸構造からの発光ピーク波長は、図６、図７の場合よりも井戸層の圧縮歪みが大きいため、さらに長波長になる。前述したようにＩｎＡｓから構成した井戸層を用いた多重量子井戸構造レーザの場合、井戸層の圧縮歪みは３．２％、層厚は５ｎｍ程度が限界で、この場合のレーザの発振波長は２．３μｍ程度である。図８の圧縮歪み３％のＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層を用いた場合、ＩｎＡｓ井戸層よりも圧縮歪みが小さいにも関わらず、層厚５ｎｍにおける発光ピーク波長は、Ｓｂ組成比が０．１の場合で２．３５μｍより長く、さらにＳｂ組成比が０．２以上の場合には２．４５μｍよりも長くなる。したがって、ＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層を用いた多重量子井戸構造レーザでは、ＩｎＡｓ井戸層を用いた多重量子井戸構造レーザよりもさらに長い発振波長を得ることができる。 The light emission peak wavelength from the quantum well structure using the InGaAsSb well layer in FIG. 8 is longer than that in the case of FIGS. As described above, in the case of a multiple quantum well structure laser using a well layer composed of InAs, the compressive strain of the well layer is limited to 3.2% and the layer thickness is limited to about 5 nm. In this case, the oscillation wavelength of the laser is 2 About 3 μm. When the InGaAsSb well layer having a compressive strain of 3% in FIG. 8 is used, the emission peak wavelength at a layer thickness of 5 nm is 2 when the Sb composition ratio is 0.1, although the compressive strain is smaller than that of the InAs well layer. When the Sb composition ratio is 0.2 or more, it is longer than 2.45 μm. Therefore, a multiple quantum well structure laser using an InGaAsSb well layer can obtain a longer oscillation wavelength than a multiple quantum well structure laser using an InAs well layer.
図９は、以上説明してきた結果のまとめとして、ＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層の組成領域と図５で示した組成分離が起こり易いＩｎＧａＡｓＳｂの組成領域とを比較した説明図である。ＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層の組成領域は、Ｓｂ組成比が０．０３と０．３の２つの水平なラインと、結晶に加わる圧縮歪みが１％と３％の２つの斜めのラインに囲まれた領域となる。 FIG. 9 is an explanatory diagram comparing the composition region of the InGaAsSb well layer and the composition region of InGaAsSb that easily undergoes composition separation shown in FIG. 5 as a summary of the results described above. The composition region of the InGaAsSb well layer includes two horizontal lines with Sb composition ratios of 0.03 and 0.3, and a region surrounded by two oblique lines with compressive strains applied to the crystals of 1% and 3%. Become.
図９において、Ｓｂ組成比が同じ場合、ＩｎＰに格子整合するラインよりも左側では、図中の矢印のように左側にいくほどＩｎＧａＡｓＳｂに加わる圧縮歪みが大きくなる。一方、この図中の矢印の方向に組成が変化する場合、組成分離が起こり易い領域の外側に向かうため、ＩｎＧａＡｓＳｂの組成分離は起こり難くなる。言い換えると、ＩｎＧａＡｓＳｂでは、圧縮歪みが大きいほど組成分離の影響が小さくなる。従って、圧縮歪みの加わったＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層を用い、組成分離の影響を抑制しつつ、井戸層の層厚を格子緩和が起こらない範囲に設定すればよい。 In FIG. 9, when the Sb composition ratio is the same, the compressive strain applied to InGaAsSb increases on the left side of the line lattice-matched to InP as it goes to the left side as indicated by the arrow in the figure. On the other hand, when the composition changes in the direction of the arrow in this figure, the composition separation of InGaAsSb is unlikely to occur because it goes to the outside of the region where composition separation is likely to occur. In other words, in InGaAsSb, the effect of composition separation decreases as the compressive strain increases. Therefore, an InGaAsSb well layer to which compressive strain is applied may be used, and the layer thickness of the well layer may be set within a range in which lattice relaxation does not occur while suppressing the influence of composition separation.
具体的には、ＩｎＧａＡｓＳｂの圧縮歪みが１％と３％の場合、ＩｎＰ上に成長した際に格子緩和を回避できる層厚は、各々２０ｎｍ程度と５ｎｍ程度である。このため、ＩｎＧａＡｓＳｂを井戸層にした多重量子井戸構造レーザにおいても、井戸層の層厚として５ｎｍ以上、２０ｎｍ以下の層厚を用いればよい。 Specifically, when the compressive strain of InGaAsSb is 1% and 3%, the layer thicknesses that can avoid lattice relaxation when grown on InP are about 20 nm and about 5 nm, respectively. Therefore, even in a multiple quantum well structure laser using InGaAsSb as a well layer, the layer thickness of the well layer may be 5 nm or more and 20 nm or less.
ところで、ＩｎＧａＡｓ井戸層の成長時にＳｂを使ったものとしては、Ｓｂをサーファクタントに用いた例がある。サーファクタントとは、もともと結晶中にはほとんど取り込まれず表面に残留することにより、成長表面の状態に変化を与える原子のことである（非特許文献８参照）。Ｓｂのサーファクタント効果は、Ｓｂの供給量が多過ぎると逆に得られないことがあり、Ｓｂが組成として膜中に取り込まれることがあってもＶ族組成比で０．０２（２％）以下で用いる場合がほとんどである（非特許文献９参照）。一方、本発明におけるＳｂはＶ族組成比で０．０３（３％）以上であり、結晶に取り込まれるＳｂがサーファクタントとして用いる場合に比べて多く、さらにその大きな目的はバンドギャップの制御にある。このため、本発明は、Ｓｂをサーファクタントに用いた従来技術の延長線上にあるものではない。 By the way, as an example of using Sb during the growth of an InGaAs well layer, there is an example using Sb as a surfactant. Surfactant is an atom that changes the state of the growth surface by being hardly taken into the crystal and remaining on the surface from the beginning (see Non-Patent Document 8). The surfactant effect of Sb may not be obtained if the amount of Sb supplied is too large. Even if Sb is incorporated into the film as a composition, the V group composition ratio is 0.02 (2%) or less. Is used in most cases (see Non-Patent Document 9). On the other hand, Sb in the present invention has a group V composition ratio of 0.03 (3%) or more, and the amount of Sb taken into the crystal is larger than that used as a surfactant, and the larger purpose is to control the band gap. For this reason, the present invention is not an extension of the prior art using Sb as a surfactant.
［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について図１０を用いて説明する。図１０は、本発明の実施の形態２における半導体レーザの構成を示す構成図である。図１０では、断面を模式的に示している。
[Embodiment 2]
Next, Embodiment 2 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 10 is a configuration diagram showing the configuration of the semiconductor laser according to the second embodiment of the present invention. FIG. 10 schematically shows a cross section.
この半導体レーザは、ｎ型のＩｎＰから構成した基板２０１、基板２０１の上に形成されたｎ型のＩｎＰからなる層厚０．５μｍのバッファ層２０２、バッファ層２０２の上に形成されたＩｎＧａＡｓＰからなる層厚０．１μｍの光閉じ込め層２０３、光閉じ込め層２０３の上に形成されたＩｎＧａＡｓＰからなる層厚０．１μｍの光閉じ込め層２０４を備える。光閉じ込め層２０３は、バンドギャップ波長が１．１μｍとなる組成とされ、光閉じ込め層２０４は、バンドギャップ波長が１．３μｍとなる組成とされている。 The semiconductor laser includes a substrate 201 made of n-type InP, a buffer layer 202 made of n-type InP formed on the substrate 201 and having a layer thickness of 0.5 μm, and InGaAsP formed on the buffer layer 202. The optical confinement layer 203 with a layer thickness of 0.1 μm and the optical confinement layer 204 with a layer thickness of 0.1 μm made of InGaAsP formed on the optical confinement layer 203 are provided. The optical confinement layer 203 has a composition with a band gap wavelength of 1.1 μm, and the optical confinement layer 204 has a composition with a band gap wavelength of 1.3 μm.
また、光閉じ込め層２０４の上には、ＩｎＧａＡｓＳｂからなる３層の井戸層２０５と、ＩｎＧａＡｓＳｂからなる４層の障壁層２０６とによる多重量子井戸構造の活性層２０７が形成されている。井戸層２０５は層厚５ｎｍとされ、障壁層２０６は、層厚２０ｎｍとされている。井戸層２０５は、Ｖ族元素に占めるＳｂ組成比が０．２とされ、障壁層２０６は、Ｖ族元素に占めるＳｂ組成比が０．０５とされている。井戸層２０５における圧縮歪みは、２．３％である。活性層２０７の発光ピーク波長は２．４μｍである。 On the optical confinement layer 204, an active layer 207 having a multiple quantum well structure is formed by three well layers 205 made of InGaAsSb and four barrier layers 206 made of InGaAsSb. The well layer 205 has a thickness of 5 nm, and the barrier layer 206 has a thickness of 20 nm. The well layer 205 has an Sb composition ratio in the group V element of 0.2, and the barrier layer 206 has an Sb composition ratio in the group V element of 0.05. The compressive strain in the well layer 205 is 2.3%. The emission peak wavelength of the active layer 207 is 2.4 μm.
また、活性層２０７の上には、ＩｎＧａＡｓＰからなる層厚０．１μｍの光閉じ込め層２０８，ＩｎＧａＡｓＰからなる層厚０．１μｍの光閉じ込め層２０９が形成されている。光閉じ込め層２０８は、バンドギャップ波長が１．３μｍとなる組成とされ、光閉じ込め層２０９は、バンドギャップ波長が１．１μｍとなる組成とされている。 On the active layer 207, an optical confinement layer 208 made of InGaAsP having a thickness of 0.1 μm and an optical confinement layer 209 made of InGaAsP having a thickness of 0.1 μm are formed. The optical confinement layer 208 has a composition with a band gap wavelength of 1.3 μm, and the optical confinement layer 209 has a composition with a band gap wavelength of 1.1 μm.
また、光閉じ込め層２０９の上には、ｐ型のＩｎＰからなる層厚１．８μｍのクラッド層２１０、ｐ型のＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層２１１が形成されている。また、コンタクト層２１１の上には、ｐ型電極２１２が接続し、基板２０１の裏面には、ｎ型電極２１３が接続している。 On the optical confinement layer 209, a clad layer 210 made of p-type InP and having a thickness of 1.8 μm and a contact layer 211 made of p-type InGaAs are formed. A p-type electrode 212 is connected on the contact layer 211, and an n-type electrode 213 is connected to the back surface of the substrate 201.
各半導体層は、ＩＩＩ族原料ガスにトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、Ｖ族原料ガスにホスフィン（ＰＨ3）、アルシン（ＡｓＨ3）、トリスジメチルアミノアンチモン（ＴＤＭＡＳｂ）を用いた有機金属分子線エピタキシー法により、成長時の基板温度条件を５００℃としてエピタキシャル成長することで形成すれば良い。 Each semiconductor layer is organic using trimethylindium (TMIn), triethylgallium (TEGa) as a group III source gas, and phosphine (PH 3 ), arsine (AsH 3 ), trisdimethylaminoantimony (TDMASb) as a group V source gas. What is necessary is just to form by the metal molecular beam epitaxy method by carrying out the epitaxial growth by making the substrate temperature conditions at the time of growth into 500 degreeC.
また、ｐ型電極２１２は、コンタクト層２１１の上に酸化シリコンを蒸着して絶縁層を形成した後、公知のリソグラフィー技術およびエッチング術により幅４０μｍのストライプ状領域を除去し、この除去領域に露出したコンタクト層２１１に電極金属材料を蒸着した後、熱処理することで形成する。また、各半導体層を形成した後で、基板２０１の裏面を研磨することで薄層化した後、基板２０１の裏面に電極金属材料を蒸着した後、熱処理することで形成する。 Further, the p-type electrode 212 is formed by depositing silicon oxide on the contact layer 211 to form an insulating layer, and then removing a stripe-shaped region having a width of 40 μm by a known lithography technique and etching technique. An electrode metal material is deposited on the contact layer 211 and then heat-treated. Further, after each semiconductor layer is formed, the back surface of the substrate 201 is thinned to be thinned, and then an electrode metal material is deposited on the back surface of the substrate 201 and then heat-treated.
また、へき開により共振器を形成してファブリペローレーザとした。共振器長は６００μｍである。このようにして形成した、実施の形態２におけるファブリペローレーザの動作温度１５℃での発振ピーク波長は、２．３８μｍであり、井戸層をＩｎＡｓから構成した多重量子井戸構造によるレーザよりも長波長での発振ピークが得られた。 Further, a resonator was formed by cleavage to obtain a Fabry-Perot laser. The resonator length is 600 μm. The oscillation peak wavelength at the operating temperature of 15 ° C. of the Fabry-Perot laser in the second embodiment formed in this way is 2.38 μm, which is longer than that of the laser having a multiple quantum well structure in which the well layer is made of InAs. An oscillation peak at was obtained.
なお、上述では、ファブリペローレーザとしたが、これに限るものではなく、分布帰還型レーザ、埋め込み構造を持つレーザ、リッジ導波路型レーザなどに適用しても同様であり、多重量子井戸構造の活性層の利得ピーク波長は大きく変化しないため、発振波長の長波長化に有用なことは言うまでもない。 In the above description, the Fabry-Perot laser is used. However, the present invention is not limited to this, and the same applies when applied to a distributed feedback laser, a laser having a buried structure, a ridge waveguide laser, and the like. It goes without saying that the gain peak wavelength of the active layer does not change greatly, and is useful for increasing the oscillation wavelength.
以上に説明したように、本発明によれば、ＩｎＰ基板の上に、ＩｎＧａＡｓＳｂからなる井戸層およびＡｓとＳｂを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる障壁層から構成された多重量子井戸構造の活性層を備えるようにしたので、ＩｎＰ基板の上に形成した多重量子井戸構造の活性層による半導体レーザで、より長い発振波長が実現できるようになる。 As described above, according to the present invention, on the InP substrate, the activity of the multiple quantum well structure constituted by the well layer made of InGaAsSb and the barrier layer made of a III-V group compound semiconductor containing As and Sb. Since a layer is provided, a longer oscillation wavelength can be realized by a semiconductor laser using an active layer having a multiple quantum well structure formed on an InP substrate.
この構成によれば、井戸層および障壁層におけるＳｂ組成比、井戸層の圧縮歪みなどを調整することにより、ＩｎＧａＡｓを井戸層に用いた場合は困難な小さい圧縮歪みの井戸層を用いても２μｍ以上の発振波長を得ることが可能になる。また、ＩｎＧａＡｓＳｂから構成した井戸層を、従来のＩｎＧａＡｓ井戸層やＩｎＡｓ井戸層と同程度の圧縮歪みとする状態としても、従来に比較して発光ピーク波長が長くなるため、レーザにした場合に長い発振ピークが得られる。これらのように、本発明によれば、２μｍ以上の発振波長を持つ半導体レーザの性能向上、あるいは発振波長の長波長化を容易にし、光吸収を用いたガス計測システムの高感度化や高精度化を実現できるようになる。 According to this configuration, by adjusting the Sb composition ratio in the well layer and the barrier layer, the compressive strain of the well layer, etc., even if a well layer with a small compressive strain is used, which is difficult when InGaAs is used for the well layer, 2 μm The above oscillation wavelength can be obtained. Even if the well layer composed of InGaAsSb has a compressive strain comparable to that of the conventional InGaAs well layer or InAs well layer, the emission peak wavelength is longer than in the conventional case, so that it is longer when a laser is used. An oscillation peak is obtained. As described above, according to the present invention, it is possible to easily improve the performance of a semiconductor laser having an oscillation wavelength of 2 μm or more, or to make the oscillation wavelength longer, and to improve the sensitivity and accuracy of the gas measurement system using light absorption. Can be realized.
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。 The present invention is not limited to the embodiment described above, and many modifications and combinations can be implemented by those having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention. It is obvious.
１０１…基板、１０２…半導体層、１０３…井戸層、１０４…障壁層、１０５…活性層、１０６…半導体層。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Substrate, 102 ... Semiconductor layer, 103 ... Well layer, 104 ... Barrier layer, 105 ... Active layer, 106 ... Semiconductor layer.
Claims (4)
ＩｎＧａＡｓＳｂからなる井戸層およびＡｓとＳｂを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる障壁層から構成された多重量子井戸構造の活性層を備える
ことを特徴とする半導体レーザ。 A semiconductor laser formed on a substrate made of InP,
A semiconductor laser comprising an active layer having a multiple quantum well structure composed of a well layer made of InGaAsSb and a barrier layer made of a III-V group compound semiconductor containing As and Sb.
前記障壁層のＶ族元素に占めるＳｂの組成比は０．０３以上とされている
ことを特徴とする半導体レーザ。 The semiconductor laser according to claim 1, wherein
The composition ratio of Sb in the V group element of the barrier layer is 0.03 or more.
前記井戸層のＶ族元素に占めるＳｂの組成比は０．０３以上、０．３以下とされ、
発振波長が２μｍ以上とされている
ことを特徴とする半導体レーザ。 The semiconductor laser according to claim 1 or 2,
The composition ratio of Sb in the V group element of the well layer is 0.03 or more and 0.3 or less,
A semiconductor laser having an oscillation wavelength of 2 μm or more.
前記井戸層は、
１％以上、３％以下の圧縮歪みが印加され、
層厚が５ｎｍ以上、２０ｎｍ以下とされている
ことを特徴とする半導体レーザ。 The semiconductor laser according to any one of claims 1 to 3,
The well layer is
A compression strain of 1% or more and 3% or less is applied,
A semiconductor laser having a layer thickness of 5 nm or more and 20 nm or less.
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