JP3171324B2 - 半導体レーザ及びその製造方法 - Google Patents

半導体レーザ及びその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、高速・長距離通信
用の光源となる、1.3μm〜1.55μm長波長帯の
半導体レーザ及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】InGaAs半導体はIn組成を0から
1に変化させるとバンドギャップ波長が0.87μmか
ら3.44μmまで連続的に変化する。したがって、I
nGaAsを活性層とすることによって、1.3または
1.55μmの長波長帯半導体レーザが製造される。た
だし、In組成を変化させると材料の格子定数も変化す
るため、基板材料としては、たとえばIn0.53Ga0.47
Asの活性層に対して、これと格子整合するInPを使
用していた。これに対して、近年格子不整合の大きい材
料を島状(ドット状)に成長する方法により、たとえ
ば、GaAs基板上に格子不整合3.5%のIn0.5
0.5 As結晶を成長して、これを活性層とする半導体
レーザが実現された。これは量子ドットを活性層とした
レーザとして、エレクトロニクス・レター(Elect
ronics Letter)30巻17号1416〜
1417ページに記載されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、GaA
s基板上のInGaAsドットをGaAs結晶で埋め込
んだ場合、InGaAsドットがGaAsで囲まれるた
め、格子定数の大きなInGaAsには、まわりから強
い圧縮応力が加わる。この結果、InGaAsのバンド
ギャップエネルギーが大きくなり、InGaAsの発光
波長が短波長化する。GaAsで埋め込まれたInGa
Asドットの発光波長は最大で1.1μmである。した
がって、GaAs基板を使って1.3μmあるいは1.
55μmの長波長帯レーザを作ることは困難であるとい
う問題があった。本発明はこのような問題点を解決した
半導体レーザ及びその製造方法を提供することを目的と
する。
【0004】
【課題を解決するための手段】前記の目的は以下の手段
によって達成される。
【0005】すなわち、本発明は、半導体基板と格子整
合しない半導体材料からなるドット状結晶を活性領域に
持つ半導体レーザにおいて、前記半導体基板とドット状
結晶との間の格子定数を持つ半導体材料でドット状結晶
を埋め込んだ構造を有することを特徴とする半導体レー
ザを提案するものであり、前記の半導体基板がGaAs
であり、ドット状結晶の半導体材料がInx Ga1-x
sであり、埋め込み材料がIny Ga1-y As(x>y
>0)であることを含む。
【0006】また本発明は、半導体基板と格子整合しな
い半導体材料からなるドット状結晶を活性領域に持つ半
導体レーザの製造方法において、半導体基板上にドット
状結晶を成長させ、前記半導体基板とドット状結晶との
間の格子定数を持つ半導体材料でドット状結晶を埋め込
んだ構造を形成させることを特徴とする半導体レーザの
製造方法を提案するものであり、前記ドット状結晶をM
BE成長装置を使用して成長させることを含む。
【0007】GaAs基板上にこれより格子定数が大き
いInGaAs(In組成0.5)を成長すると、In
GaAsにかかる歪み応力を緩和するためにInGaA
sは島状に成長する。このInGaAs結晶は一般にド
ット構造と呼ばれる。特にそのサイズが量子閉じ込め効
果が生じる20nm以下の場合、量子ドットと称され、
その状態密度が先鋭化することから、半導体レーザの活
性層にした場合に発振電流しきい値の低下などの優れた
特性が期待される。
【0008】形成されたドットには基板側以外から圧縮
応力が加わらないため、そのバンドギャップ波長はおよ
そ1.6μmである。このドットをGaAsで埋め込ん
だ場合、ドット上側、側面からも圧縮応力が加わるた
め、バンドギャップ波長が1.1μmまで短波長化して
しまう。そこで、GaAsとIn0.5 Ga0.5 Asドッ
トとの間のIn組成であるIn0.2 Ga0.8 Asを埋め
込み層として用いると、In0.5 Ga0.5 Asドットに
加わる圧縮応力がGaAs埋め込み層と比べて低減する
ため、バンドギャップ波長は1.3μmとなる。これに
より、1.3μm帯長波長レーザが製造できる。
【0009】
【発明の実施の形態】
【0010】
【実施例】次に本発明の実施例について図面を参照にし
て詳細に説明する。 (実施例1)図1は本発明の第1実施例の半導体レーザ
の構造断面図である。MBE成長装置を使ってn型Ga
As基板上1に、n型GaAsバッファ層2(厚さ0.
5μm、キャリア濃度1×1018cm-3)、n型AlG
aAsクラッド層3(Al組成0.25、厚さ3μm、
キャリア濃度1×1018cm-3)、アンドープGaAs
層4(厚さ0.05μm)を成長する。これらの材料の
格子定数は0.565nmである。続いてアンドープI
nGaAs5(In組成0.5、格子定数0.587n
m)を成長する。この時、InGaAsはその下までの
層と格子が整合しないため、ドット状に成長する。ドッ
ト5の大きさは直径30nmで厚さは5nmである。こ
の上に、In組成0.2のInGaAs埋め込み層6
(格子定数0.574nm)を10nm成長する。さら
にアンドープGaAs層7(厚さ0.03μm)、p型
AlGaAsクラッド層8(Al組成0.25、厚さ2
μm、キャリア濃度5×1017cm-3)、p型AlGa
Asキャップ層9(Al組成0.15、厚さ1μm、キ
ャリア濃度5×1017cm-3)をMBE成長装置で順次
成長する。
【0011】InGaAs層6で埋め込まれたInGa
Asドット5は、InGaAs埋め込み層6でその上に
あるGaAs層7からの応力を吸収するため、直接Ga
As層で埋め込まれる場合と比べてドットに加わる応力
が小さくなる。これによって、InGaAsドットのバ
ンドギャップ波長は1.3μmとなる。このドットの活
性領域に電流を注入した場合、1.3μmの発光が生
じ、基板両端面の劈開ミラーで構成される共振器でレー
ザ発振が行われる。
【0012】従来、1.3μm帯レーザはInP基板を
使い、これと格子整合するIn0.75Ga0.25As0.55
0.45の4元混晶の活性層を用いた。本発明では、GaA
s基板上レーザ構造の活性層としてInGaAsドット
の3元混晶を使うため、成長が簡易になる。また、In
PよりもGaAs(あるいはAlGaAs)材料の方が
バンドギャップが大きいため、レーザへの注入キャリア
のクラッド層へのオーバーフローが少なく、レーザの高
温度動作が可能となる。
【0013】本発明では、埋め込み層6をInGaAs
としたが、これをInAlAsとしても良い。この場
合、InGaAsとInAlAsの格子定数がほぼ同じ
となるので、ドットへの同様の圧縮応力緩和効果が実現
する。また、InGaAsよりもInAlAsの方がバ
ンドギャップエネルギーが大きいため、ドットへのキャ
リア閉じ込め効果が増大し、高い電流注入時にレーザの
安定した光出力が得られる。
【0014】さらに、InGaAsドット5のIn組成
を0.5より大きくすることによっって発光波長は長波
長化でき、1.55μm帯長波長レーザも製造できる。 (実施例2)図2は本発明にかかわる、第2の実施例を
説明する半導体レーザ構造の断面図である。半導体レー
ザの中で、基板と垂直方向に共振器を構成して、レーザ
光を基板と垂直方向に放射する面発光レーザがある。こ
の面発光レーザは、基板上に2次元で集積でき、またレ
ーザ素子サイズが小さく低消費電力で使用できる。この
面発光レーザの活性領域にInGaAsドットとInG
aAs埋め込み層を用いて、1.3μm帯の長波長面発
光レーザを製造する。n型GaAs基板13上に、n型
のGaAs層とAlGaAs層(Al組成0.95)の
18対からなる多層反射膜14を成長する。各層の光学
膜厚は発振波長のλ/4n(nは屈折率)である。次に
垂直共振器を形成するための中間層を半分形成するため
に、光学膜厚が発振波長のλ/2nからなるn型AlG
aAs層15(Al組成0.25)を形成する。続い
て、アンドープのInGaAs16(In組成0.5)
をドット形状(直径30nm、厚さ5nm)で成長す
る。このドットをIn組成0.2のInGaAs層17
(アンドープ)10nmで埋め込む。引き続いて、残り
の中間層半分を形成するために、光学膜厚が発振波長の
λ/2nからなるp型AlGaAs層18(Al組成
0.25)を形成する。さらに、上側の反射膜19とし
てp型のGaAs層/AlGaAs層(Al組成0.
9)を15対成長する。下側の反射膜14と同じく、各
層の光学膜厚は発振波長のλ/4nである。
【0015】活性領域のInGaAsドット16は上側
にInGaAs埋め込み層17による圧縮応力の吸収が
あるため、GaAsを埋め込み層とした場合と比べて、
バンドギャップ波長が短波長化せずに1.3μmで発光
する。そこで、反射膜14、19と中間層15、18の
設定波長(共振波長)を1.3μmとすることにより、
1.3μmで発振する長波長面発光レーザが製造でき
る。
【0016】従来より製造が試みられている1.3μm
長波長面発光レーザはInP基板を用いており、反射膜
はInGaAsPとInPからなる多層膜であった。こ
のInGaAsPとInPの屈折率差が小さいため、反
射膜には活性層を含む中間層の上下にそれぞれ30対以
上の多層化が必要であった。本発明では、上記のように
屈折率差の大きいAlGaAsとGaAsからなる多層
反射膜が使えるため、上下それぞれ15対と18対です
む。これにより、成長膜厚が薄く、また多層反射膜での
抵抗の低減などの利点を有する。
【0017】
【発明の効果】本発明によれば、GaAs基板を使った
半導体レーザの構造で、活性領域であるInGaAsド
ット構造をこれよりIn組成の小さいInGaAs層で
埋め込むことによって、ドットに直接加わる圧縮応力を
低減する。これにより、GaAs基板上を使って1.3
μm以上の長波長で発振するレーザが製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例を説明する半導体レーザ
の構造断面図である。
【図2】本発明の第2の実施例を説明する半導体レーザ
の構造断面図である。
【符号の説明】
1 n型GaAs基板 2 n型GaAsバッファ層 3 n型Al0.25Ga0.75Asクラッド層 4 アンドープGaAs層 5 アンドープIn0.5 Ga0.5 Asドット 6 アンドープIn0.2 Ga0.8 As埋め込み層 7 アンドープGaAs層 8 p型Al0.25Ga0.75Asクラッド層 9 p型Al0.15Ga0.85Asキャップ層 10 SiO2 絶縁膜 11 p型電極 12 n型電極 13 n型GaAs基板 14 下側多層反射膜(n型) 15 n型AlGaAs中間層 16 アンドープIn0.5 Ga0.5 Asドット 17 アンドープIn0.2 Ga0.8 As埋め込み層 18 p型AlGaAs中間層 19 上側多層反射膜(p型) 20 p型電極 21 n型電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平9−64476(JP,A) Applied Physics L etters,63[23](1993),p. 3203−3205 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01S 5/343

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板と格子整合しない半導体材料
    からなるドット状結晶を活性領域に持つ半導体レーザに
    おいて、前記半導体基板とドット状結晶との間の格子定
    数を持つ半導体材料でドット状結晶を埋め込んだ構造を
    有し、前記埋め込み構造は前記ドット結晶よりも層厚が
    厚いことを特徴とする半導体レーザ。
  2. 【請求項2】 前記半導体基板がGaAsであり、ド
    ット状結晶の半導体材料がInx Ga1-x Asであり、
    埋め込み材料がIny Ga1-y As(x>y>0)であ
    ることを特徴とする請求項1記載の半導体レーザ。
  3. 【請求項3】 半導体基板と格子整合しない半導体材料
    からなるドット状結晶を活性領域に持つ半導体レーザの
    製造方法において、半導体基板上にドット状結晶を成長
    させ、その上に前記半導体基板とドット状結晶との間の
    格子定数を持つ半導体材料を成長させて前記ドット状結
    晶を埋め込んだ構造を形成させることを特徴とする半導
    体レーザの製造方法。
  4. 【請求項4】 前記ドット状結晶をMBE成長装置を使
    用して成長させる請求項3に記載の半導体レーザの製造
    方法。
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