JP3226069B2 - 半導体積層構造および半導体光素子 - Google Patents
半導体積層構造および半導体光素子Info
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- B82—NANOTECHNOLOGY
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体積層構造およ
び、それを用いた半導体光素子に関するものである。
び、それを用いた半導体光素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来より、格子定数の異なる複数種の半
導体層を、層内に内部応力を残すように積層して出来た
構造は、歪格子（または歪超格子）と呼ばれ、広く用い
られている。特に、歪格子を半導体レーザ、半導体光増
幅器などの光素子に利用する技術としては、素子の性能
向上のための各種の構成例が示されている。
導体層を、層内に内部応力を残すように積層して出来た
構造は、歪格子（または歪超格子）と呼ばれ、広く用い
られている。特に、歪格子を半導体レーザ、半導体光増
幅器などの光素子に利用する技術としては、素子の性能
向上のための各種の構成例が示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとしている課題】しかし、歪格子と
して半導体層に歪みを導入するためには、格子欠陥を引
き起こさないことが必要である。そのために、歪格子を
積層できる膜厚は限られている。これは臨界膜厚と呼ば
れる。例えば、Ｍａｔｔｈｅｗｓら（Ｊ．Ｃｒｙｓｔａ
ｌ，Ｇｒｏｗｔｈ，２７（１９７４）ｐ１１８）あるい
は、Ｆｏｘら（Ｊ．Ｃｒｙｓｔａｌ，Ｇｒｏｗｔｈ，１
０９（１９９１）ｐ２５２）によって理論的あるいは実
験的に求められている。
して半導体層に歪みを導入するためには、格子欠陥を引
き起こさないことが必要である。そのために、歪格子を
積層できる膜厚は限られている。これは臨界膜厚と呼ば
れる。例えば、Ｍａｔｔｈｅｗｓら（Ｊ．Ｃｒｙｓｔａ
ｌ，Ｇｒｏｗｔｈ，２７（１９７４）ｐ１１８）あるい
は、Ｆｏｘら（Ｊ．Ｃｒｙｓｔａｌ，Ｇｒｏｗｔｈ，１
０９（１９９１）ｐ２５２）によって理論的あるいは実
験的に求められている。
【０００４】上記臨界膜厚を越えて歪格子を積層する
と、格子欠陥の導入により、歪みは部分的に緩和されは
じめる。さらに厚くすると、歪みは完全に緩和され、積
層された半導体層独自の格子定数となり、歪みはなくな
る。
と、格子欠陥の導入により、歪みは部分的に緩和されは
じめる。さらに厚くすると、歪みは完全に緩和され、積
層された半導体層独自の格子定数となり、歪みはなくな
る。
【０００５】従って、歪みを積極的に利用する分野で
は、歪みのはいった半導体層は臨界膜厚未満の薄膜で用
いられる。また、層間の格子不整合が大きく、歪み量が
大きいほど臨界膜厚は小さくなるため、利用分野はかな
り限定される。従って、歪格子は量子井戸構造と組み合
わせて用いられるのが一般的である。即ち、井戸層や障
壁層として利用されたり、あるいは、それらを交互に積
層させた多層膜として利用される。
は、歪みのはいった半導体層は臨界膜厚未満の薄膜で用
いられる。また、層間の格子不整合が大きく、歪み量が
大きいほど臨界膜厚は小さくなるため、利用分野はかな
り限定される。従って、歪格子は量子井戸構造と組み合
わせて用いられるのが一般的である。即ち、井戸層や障
壁層として利用されたり、あるいは、それらを交互に積
層させた多層膜として利用される。
【０００６】以上述べた様に、歪みを内在させたまま厚
い膜を積層することはあまり行われず、また、そのよう
な利用も考えられない。
い膜を積層することはあまり行われず、また、そのよう
な利用も考えられない。
【０００７】従って、本発明の目的は、歪みを導入した
比較的に厚膜な積層構造を提案するものであり、また、
その積層構造を半導体光素子に利用し、それらの特性向
上をはかるものである。
比較的に厚膜な積層構造を提案するものであり、また、
その積層構造を半導体光素子に利用し、それらの特性向
上をはかるものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成する半導
体積層構造では、積層方向に一定の格子定数を有する第
１の半導体層と、積層方向に格子定数の分布を有する第
２の半導体層とが積層される半導体積層構造において、
該第２の半導体層は、該第１の半導体層との格子定数の
差に応じて面内応力による歪みを受け、該歪みが、該第
１の半導体層との境界で歪み量が最も大きく、境界より
離れるに従い歪み量が線形に減少し、且つ該第２の半導
体層全域にわたって結晶欠陥を引き起こさないような分
布を有していることを特徴としたり、 該第２の半導体層
は、該第１の半導体層との格子定数の差に応じて面内応
力による歪みを受け、該歪みが、該第１の半導体層との
境界で歪み量が最も大きく、境界より離れるに従い、歪
みが２次関数もしくはさらに高次の関数で減少し、且つ
該第２の半導体層全域にわたって結晶欠陥を引き起こさ
ないような分布を有していることを特徴としたり、 該第
２の半導体層は、該第１の半導体層との格子定数の差に
応じて面内応力による結晶欠陥を引き起こさないような
歪みを受けており、該第２の半導体層は、該第１の半導
体層とほぼ同じ格子定数を有する組成の第１の領域と、
格子定数がステップ状に変化している他の第２の領域と
を含み構成され、該第１の領域が該第２の領域における
歪みの影響を受け、面内応力による歪みを残留している
ことを特徴としたりする。
体積層構造では、積層方向に一定の格子定数を有する第
１の半導体層と、積層方向に格子定数の分布を有する第
２の半導体層とが積層される半導体積層構造において、
該第２の半導体層は、該第１の半導体層との格子定数の
差に応じて面内応力による歪みを受け、該歪みが、該第
１の半導体層との境界で歪み量が最も大きく、境界より
離れるに従い歪み量が線形に減少し、且つ該第２の半導
体層全域にわたって結晶欠陥を引き起こさないような分
布を有していることを特徴としたり、 該第２の半導体層
は、該第１の半導体層との格子定数の差に応じて面内応
力による歪みを受け、該歪みが、該第１の半導体層との
境界で歪み量が最も大きく、境界より離れるに従い、歪
みが２次関数もしくはさらに高次の関数で減少し、且つ
該第２の半導体層全域にわたって結晶欠陥を引き起こさ
ないような分布を有していることを特徴としたり、 該第
２の半導体層は、該第１の半導体層との格子定数の差に
応じて面内応力による結晶欠陥を引き起こさないような
歪みを受けており、該第２の半導体層は、該第１の半導
体層とほぼ同じ格子定数を有する組成の第１の領域と、
格子定数がステップ状に変化している他の第２の領域と
を含み構成され、該第１の領域が該第２の領域における
歪みの影響を受け、面内応力による歪みを残留している
ことを特徴としたりする。
【０００９】また、上記目的を達成する半導体レーザ
は、積層方向に一定の格子定数を有す第１の半導体層
と、積層方向に格子定数の分布を有する第２の半導体層
とが積層される半導体積層構造を備え、該第２の半導体
層は、該第１の半導体層との格子定数の差に応じて面内
の引っぱり応力による歪みを受け、該第２の半導体層の
歪みが、該第２の半導体層全域にわたって結晶欠陥を引
き起こさないような分布を有し、更に該第２の半導体層
を光閉じ込めのためのＧＲＩＮ・ＳＣＨ構造としている
ことを特徴とする。
は、積層方向に一定の格子定数を有す第１の半導体層
と、積層方向に格子定数の分布を有する第２の半導体層
とが積層される半導体積層構造を備え、該第２の半導体
層は、該第１の半導体層との格子定数の差に応じて面内
の引っぱり応力による歪みを受け、該第２の半導体層の
歪みが、該第２の半導体層全域にわたって結晶欠陥を引
き起こさないような分布を有し、更に該第２の半導体層
を光閉じ込めのためのＧＲＩＮ・ＳＣＨ構造としている
ことを特徴とする。
【００１０】更に、上記目的を達成する半導体光増幅器
は、積層方向に一定の格子定数を有す第１の半導体層
と、積層方向に格子定数の分布を有する第２の半導体層
とが積層される半導体積層構造を備え、該第２の半導体
層は、該第１の半導体層との格子定数の差に応じて面内
の圧縮応力による歪みを受け、該第２の半導体層の歪み
が、該第２の半導体層全域にわたって結晶欠陥を引き起
こさないような分布を有し、更に該第２の半導体層を光
閉じ込めのためのＧＲＩＮ・ＳＣＨ構造としていること
を特徴とする。
は、積層方向に一定の格子定数を有す第１の半導体層
と、積層方向に格子定数の分布を有する第２の半導体層
とが積層される半導体積層構造を備え、該第２の半導体
層は、該第１の半導体層との格子定数の差に応じて面内
の圧縮応力による歪みを受け、該第２の半導体層の歪み
が、該第２の半導体層全域にわたって結晶欠陥を引き起
こさないような分布を有し、更に該第２の半導体層を光
閉じ込めのためのＧＲＩＮ・ＳＣＨ構造としていること
を特徴とする。
【００１１】
【実施例】本発明の第１及び第２実施例の積層構造の概
念図を夫々図１、図２に示す。図１及び図２において、
１は第１の半導体層、２は第２の半導体層である。第２
の半導体層２は、図１では厚み方向に次第に歪み量が減
少している。図２では厚み方向にステップ状に歪み量が
変化している。
念図を夫々図１、図２に示す。図１及び図２において、
１は第１の半導体層、２は第２の半導体層である。第２
の半導体層２は、図１では厚み方向に次第に歪み量が減
少している。図２では厚み方向にステップ状に歪み量が
変化している。
【００１２】このような構成により、欠陥のない歪みの
内在した比較的に厚い層が形成できる。
内在した比較的に厚い層が形成できる。
【００１３】これらの積層構造の実施例を光素子に適用
した例を以下に示す。
した例を以下に示す。
【００１４】本発明の第３実施例を図３から図５に示
す。本実施例は、本発明の積層構造を利用して半導体レ
ーザを構成した例であり、本発明の積層構造を光閉じ込
め層としている。
す。本実施例は、本発明の積層構造を利用して半導体レ
ーザを構成した例であり、本発明の積層構造を光閉じ込
め層としている。
【００１５】図３には半導体レーザの層構成を、図４に
は本実施例における光閉じ込めの様子とバンド構造を、
図５にはＧＲＩＮ層における歪みの分布を示した。
は本実施例における光閉じ込めの様子とバンド構造を、
図５にはＧＲＩＮ層における歪みの分布を示した。
【００１６】第３実施例では、ｎ−ＧａＡｓである（１
００）ジャスト基板３の上に、厚さ１μｍのｎ−ＧａＡ
ｓバッファ層４、厚さ１．５μｍのｎ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5
Ａｓクラッド層５、厚さ３０ｎｍのＡｌxＧａ1-xＡｓ
1-yＰy（ｘ＝０．５， ｙ＝０→ｘ＝０．１８， ｙ＝
０．２５）ＧＲＩＮ層６、厚さ１２ｎｍのＡｌ0.18Ｇａ
0.82Ａｓ障壁層７、厚さ６ｎｍのＧａＡｓ井戸層８、厚
さ１２ｎｍのＡｌ0.18Ｇａ0.82Ａｓ障壁層９、厚さ３０
ｎｍのＡｌxＧａ1-xＡｓ1-yＰy（ｘ＝０．１８，ｙ＝
０．２５→ｘ＝０．５， ｙ＝０）ＧＲＩＮ層１０、厚
さ１．５μｍのｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド層１
１、厚さ０．５ｎｍのｐ−ＧａＡｓキャップ層１２をＭ
ＯＣＶＤ法を用いて順次積層させる。
００）ジャスト基板３の上に、厚さ１μｍのｎ−ＧａＡ
ｓバッファ層４、厚さ１．５μｍのｎ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5
Ａｓクラッド層５、厚さ３０ｎｍのＡｌxＧａ1-xＡｓ
1-yＰy（ｘ＝０．５， ｙ＝０→ｘ＝０．１８， ｙ＝
０．２５）ＧＲＩＮ層６、厚さ１２ｎｍのＡｌ0.18Ｇａ
0.82Ａｓ障壁層７、厚さ６ｎｍのＧａＡｓ井戸層８、厚
さ１２ｎｍのＡｌ0.18Ｇａ0.82Ａｓ障壁層９、厚さ３０
ｎｍのＡｌxＧａ1-xＡｓ1-yＰy（ｘ＝０．１８，ｙ＝
０．２５→ｘ＝０．５， ｙ＝０）ＧＲＩＮ層１０、厚
さ１．５μｍのｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド層１
１、厚さ０．５ｎｍのｐ−ＧａＡｓキャップ層１２をＭ
ＯＣＶＤ法を用いて順次積層させる。
【００１７】次に、３μｍ幅のストライプ部分（図３で
は右半分が示される）を残してエッチングによりｐ−Ａ
ｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド層１１の途中までとり除く。
さらに窒化シリコンからなる絶縁層１３をいったん全面
に形成した後、ストライプ上方のみ絶縁層をとり除く。
さらにＡｕ−Ｇｒの上部電極１４を蒸着し、基板３の底
部にＡｕ−Ｇｅの下部電極１５を蒸着する。
は右半分が示される）を残してエッチングによりｐ−Ａ
ｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド層１１の途中までとり除く。
さらに窒化シリコンからなる絶縁層１３をいったん全面
に形成した後、ストライプ上方のみ絶縁層をとり除く。
さらにＡｕ−Ｇｒの上部電極１４を蒸着し、基板３の底
部にＡｕ−Ｇｅの下部電極１５を蒸着する。
【００１８】これをストライプと垂直な方向に３００μ
ｍの長さでへき開し、チップとすることで半導体レーザ
が完成される。
ｍの長さでへき開し、チップとすることで半導体レーザ
が完成される。
【００１９】本素子の発振モードについて説明する。本
素子のバンド構造と光閉じ込めを示す図４から分かる様
に、本素子は量子井戸構造７、８、９を有しており、価
電子帯では、重い正孔（ＨＨ）と軽い正孔（ＬＨ）のエ
ネルギの縮退がとけ、ＨＨの準位がＬＨの準位より上に
くる。そのため、ｌｅ−ＩＨＨ間のバンド間遷移が発振
に最も有利に寄与している。従って、ＴＥ光の利得係数
（ｇTE）がＴＭ光のそれ（ｇTM）に比べ大きくなってい
る。
素子のバンド構造と光閉じ込めを示す図４から分かる様
に、本素子は量子井戸構造７、８、９を有しており、価
電子帯では、重い正孔（ＨＨ）と軽い正孔（ＬＨ）のエ
ネルギの縮退がとけ、ＨＨの準位がＬＨの準位より上に
くる。そのため、ｌｅ−ＩＨＨ間のバンド間遷移が発振
に最も有利に寄与している。従って、ＴＥ光の利得係数
（ｇTE）がＴＭ光のそれ（ｇTM）に比べ大きくなってい
る。
【００２０】また、本実施例の特徴である歪みＧＲＩＮ
−ＳＣＨ構造６、１０によって、光閉じ込め係数Γにお
いても、ＴＥ光に対し、有利となっている。即ち、ＨＨ
に対するエネルギ分布は２軸性引っ張り応力のためにバ
ンドギャップが広がっている、従って、活性領域８をと
り囲む屈折率が低くなり、ＴＥ光の光閉じ込めに対する
屈折率差を大きくとれるようになっている。逆に、ＬＨ
に対するバンドギャップは狭まり、ＴＭ光の光閉じ込め
に対する屈折率差は小さくなっている。よって、歪みを
用いない従来のＧＲＩＮ−ＳＣＨ構造でも、若干ГTE＞
ГTMの関係は成立していたが、本構成により両者の差は
さらに広げることができる。
−ＳＣＨ構造６、１０によって、光閉じ込め係数Γにお
いても、ＴＥ光に対し、有利となっている。即ち、ＨＨ
に対するエネルギ分布は２軸性引っ張り応力のためにバ
ンドギャップが広がっている、従って、活性領域８をと
り囲む屈折率が低くなり、ＴＥ光の光閉じ込めに対する
屈折率差を大きくとれるようになっている。逆に、ＬＨ
に対するバンドギャップは狭まり、ＴＭ光の光閉じ込め
に対する屈折率差は小さくなっている。よって、歪みを
用いない従来のＧＲＩＮ−ＳＣＨ構造でも、若干ГTE＞
ГTMの関係は成立していたが、本構成により両者の差は
さらに広げることができる。
【００２１】発振利得Ｇは主に、利得係数ｇと光閉じ込
め係数Гの積に依存することから、本素子ではГTEｇTE
≫ГTMｇTMとなる。こうして、発振においては低しきい
値がはかられ、また、ＴＭ光のＡＳＥ（自然放射増幅
光）成分が抑制されるため変調特性等の改善もみられ良
好な発振特性が得られる。
め係数Гの積に依存することから、本素子ではГTEｇTE
≫ГTMｇTMとなる。こうして、発振においては低しきい
値がはかられ、また、ＴＭ光のＡＳＥ（自然放射増幅
光）成分が抑制されるため変調特性等の改善もみられ良
好な発振特性が得られる。
【００２２】さらに、本素子の歪みＧＲＩＮ−ＳＣＨ構
造６、１０について詳しく説明する。図４（ｂ）のエネ
ルギバンドをとるための歪みの構造を図５に示した。実
線が障壁層７、９との境界からクラッド層５、１１まで
の膜厚における歪み量を示している。即ち、障壁層境界
では、歪みは最も大きく、徐々に歪み量は減少し、３０
ｎｍ厚の後には、歪みは０になっている。このような歪
み量はＰ組成比を変化させることで実現できる。この場
合、Ｐ組成は０．２５から０まで線形に減少させればよ
い。一方、Ｐを減らすとバンドギャップが縮まってしま
うため、Ｐ組成のかわりにＡｌ組成をふやすことで、歪
み量は所望のままで図４（ｂ）に示すバンドが得られ
る。
造６、１０について詳しく説明する。図４（ｂ）のエネ
ルギバンドをとるための歪みの構造を図５に示した。実
線が障壁層７、９との境界からクラッド層５、１１まで
の膜厚における歪み量を示している。即ち、障壁層境界
では、歪みは最も大きく、徐々に歪み量は減少し、３０
ｎｍ厚の後には、歪みは０になっている。このような歪
み量はＰ組成比を変化させることで実現できる。この場
合、Ｐ組成は０．２５から０まで線形に減少させればよ
い。一方、Ｐを減らすとバンドギャップが縮まってしま
うため、Ｐ組成のかわりにＡｌ組成をふやすことで、歪
み量は所望のままで図４（ｂ）に示すバンドが得られ
る。
【００２３】本実施例の示す積層構造が有効なのは、Ｇ
ＲＩＮ層６、１０全域にわたって結晶欠陥を起こさない
構造となっているからである。参考として、単一歪み量
の単層膜の臨界膜厚を示すグラフを図６に示す。このグ
ラフはＦｏｘら（Ｊ．Ｇｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ，
１０９ ｐ２５２（１９９１））の理論曲線（実線）で
ある（破線はフィッティング関数）。このグラフからわ
かるように、臨界膜厚は、歪み量が大きいほど薄く、歪
み量が小さければ厚い。これを利用すれば、ある歪み量
で臨界膜厚に達する前にさらに小さい歪み量のものに変
えれば、先ほどの膜厚よりわずかに大きい膜厚が臨界膜
厚になることになる。この考えを押し進めれば、歪み量
を適当に分布させることで臨界膜厚に達しない半導体層
が積層できることになる。図５で示した歪みの分布は、
そのような条件を満足する一例である。
ＲＩＮ層６、１０全域にわたって結晶欠陥を起こさない
構造となっているからである。参考として、単一歪み量
の単層膜の臨界膜厚を示すグラフを図６に示す。このグ
ラフはＦｏｘら（Ｊ．Ｇｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ，
１０９ ｐ２５２（１９９１））の理論曲線（実線）で
ある（破線はフィッティング関数）。このグラフからわ
かるように、臨界膜厚は、歪み量が大きいほど薄く、歪
み量が小さければ厚い。これを利用すれば、ある歪み量
で臨界膜厚に達する前にさらに小さい歪み量のものに変
えれば、先ほどの膜厚よりわずかに大きい膜厚が臨界膜
厚になることになる。この考えを押し進めれば、歪み量
を適当に分布させることで臨界膜厚に達しない半導体層
が積層できることになる。図５で示した歪みの分布は、
そのような条件を満足する一例である。
【００２４】さらに、欠陥のない比較的に厚い膜を作製
できる歪み分布の実例を図７、図８に示す。
できる歪み分布の実例を図７、図８に示す。
【００２５】図７は歪みの分布を２次関数で近似した例
である。歪みが大きな領域では急激に歪みを減らし、歪
みの小さい領域ではゆっくりと歪みを減らしている。こ
れにより、境界部分で、より大きな歪みを内在させるこ
とができるとともに、歪みの内在する総膜厚も大きくと
ることができる。さらに高次の関数を用いることもでき
る。
である。歪みが大きな領域では急激に歪みを減らし、歪
みの小さい領域ではゆっくりと歪みを減らしている。こ
れにより、境界部分で、より大きな歪みを内在させるこ
とができるとともに、歪みの内在する総膜厚も大きくと
ることができる。さらに高次の関数を用いることもでき
る。
【００２６】図８は歪みの分布をステップ状にしたもの
であり、図２で示した積層構造である第２実施例の概念
図に相当する。格子定数が基板と同一な領域が存在する
が、その領域の膜厚が小さいために歪みのある領域に歪
みを閉じこめることができない。そのために、歪みはい
ったん小さくはなるものの、次の格子定数の異なる組成
によって再び歪みが蓄積される。おおまかにみれば、図
５で示した連続的な歪み分布とほぼ同様の効果を奏す
る。
であり、図２で示した積層構造である第２実施例の概念
図に相当する。格子定数が基板と同一な領域が存在する
が、その領域の膜厚が小さいために歪みのある領域に歪
みを閉じこめることができない。そのために、歪みはい
ったん小さくはなるものの、次の格子定数の異なる組成
によって再び歪みが蓄積される。おおまかにみれば、図
５で示した連続的な歪み分布とほぼ同様の効果を奏す
る。
【００２７】これらの欠陥のない歪み分布の構成法につ
いてさらに述べる。前述の図６のＦｏｘらの臨界膜厚を
満たすグラフは解析的に求められた曲線であるが、膜厚
をｙ、歪み量をｘとするとｙ＝１２．２×ｘ-1.7の曲線
に近似される（フィッティング関数参照）。さらに近似
するとｙ・ｘ2＝一定とおおまかに考えることができ
る。この関係から、膜厚方向に歪みが分布している場合
の臨界膜厚の条件が類推できる。歪み分布は次式の関係
をほぼ満たせばよいと推測される。
いてさらに述べる。前述の図６のＦｏｘらの臨界膜厚を
満たすグラフは解析的に求められた曲線であるが、膜厚
をｙ、歪み量をｘとするとｙ＝１２．２×ｘ-1.7の曲線
に近似される（フィッティング関数参照）。さらに近似
するとｙ・ｘ2＝一定とおおまかに考えることができ
る。この関係から、膜厚方向に歪みが分布している場合
の臨界膜厚の条件が類推できる。歪み分布は次式の関係
をほぼ満たせばよいと推測される。
【００２８】
【数２】 定数１２．２の値は、積層する材料によって異なる。従
って、一般組成に適用するには、別の条件で規定する。
例えば、平均歪み量を〈ｘ〉、〈ｘ〉なる歪みを単一膜
で積層した時の臨界膜厚を〈ｄ〉とすると、〈ｘ〉2・
〈ｄ〉が前記定数を満足すると考えられる。
って、一般組成に適用するには、別の条件で規定する。
例えば、平均歪み量を〈ｘ〉、〈ｘ〉なる歪みを単一膜
で積層した時の臨界膜厚を〈ｄ〉とすると、〈ｘ〉2・
〈ｄ〉が前記定数を満足すると考えられる。
【００２９】なお、歪みＧＲＩＮ層を光閉じ込めに用い
るには、歪みの分布した層を、量子井戸構造をはさんで
両側に設ける必要がある。従って、両側の歪みＧＲＩＮ
層がそれぞれ独立とみなすためには、量子井戸構造はあ
る特定の厚さが必要となる。第３実施例では量子井戸構
造の総膜厚３０ｎｍであり、上記条件を満たしていると
いえる。さらに、薄い量子井戸構造であれば、井戸構造
を含んだ層全体で臨界膜厚を考える必要があり、よって
歪み量はあまり大きくできないことに注意しなければい
けない。
るには、歪みの分布した層を、量子井戸構造をはさんで
両側に設ける必要がある。従って、両側の歪みＧＲＩＮ
層がそれぞれ独立とみなすためには、量子井戸構造はあ
る特定の厚さが必要となる。第３実施例では量子井戸構
造の総膜厚３０ｎｍであり、上記条件を満たしていると
いえる。さらに、薄い量子井戸構造であれば、井戸構造
を含んだ層全体で臨界膜厚を考える必要があり、よって
歪み量はあまり大きくできないことに注意しなければい
けない。
【００３０】以上のように、第３実施例においては、本
発明の積層膜をＧＲＩＮ−ＳＣＨ層として用いたことに
より、半導体レーザの低しきい値化がはかられ、また、
変調特性も改良できる効果が奏される。
発明の積層膜をＧＲＩＮ−ＳＣＨ層として用いたことに
より、半導体レーザの低しきい値化がはかられ、また、
変調特性も改良できる効果が奏される。
【００３１】また、以上は、端面を反射鏡として利用す
るいわゆるファブリ・ペロー（ＦＰ）タイプのレーザに
ついて説明したが、レーザ内部に回折格子による反射鏡
を持つＤＦＢタイプのレーザにも適用できる。しかし、
コラゲーションを回折格子とする場合では、コラゲーシ
ョンの位置に注意が必要である。活性層位置より離れた
場所にコラゲーションがあると、ＴＥ光の反射鏡はＴＭ
光より劣り、期待される効果は得られにくい。活性層近
くにコラゲーションがあり、ＴＥ光の光の分布に近けれ
ばＦＰタイプと同様に、ＴＥ光の発振モードを有利にす
る効果がある。また、コラゲーションによらない、例え
ば、利得結合型ＤＦＢレーザでは、本発明の効果が顕著
になる。
るいわゆるファブリ・ペロー（ＦＰ）タイプのレーザに
ついて説明したが、レーザ内部に回折格子による反射鏡
を持つＤＦＢタイプのレーザにも適用できる。しかし、
コラゲーションを回折格子とする場合では、コラゲーシ
ョンの位置に注意が必要である。活性層位置より離れた
場所にコラゲーションがあると、ＴＥ光の反射鏡はＴＭ
光より劣り、期待される効果は得られにくい。活性層近
くにコラゲーションがあり、ＴＥ光の光の分布に近けれ
ばＦＰタイプと同様に、ＴＥ光の発振モードを有利にす
る効果がある。また、コラゲーションによらない、例え
ば、利得結合型ＤＦＢレーザでは、本発明の効果が顕著
になる。
【００３２】次に、本発明の第４の実施例を図９から図
１１に示す。本実施例は、半導体光増幅器の例であり、
第３実施例とは逆に光閉じ込めの偏光特性をなくすよう
に工夫している。
１１に示す。本実施例は、半導体光増幅器の例であり、
第３実施例とは逆に光閉じ込めの偏光特性をなくすよう
に工夫している。
【００３３】図９に層構成を、図１０に使用例を示し
た。
た。
【００３４】ｎ−ＩｎＰである（１００）ジャスト基板
２１の上に、厚さ１μｍのｎ−ＩｎＰバッファ層２２、
厚さ１．５μｍのｎ−ＩｎＧａＡｓＰ（λg＝１．２μ
ｍ組成）クラッド層２３、厚さ１００ｎｍのＩｎＧａＡ
ｓＰ歪みＧＲＩＮ層２４、厚さ２０ｎｍのＩｎＧａＡｓ
Ｐ（λg＝１．３μｍ組成）障壁層２５、厚さ４ｎｍの
Ｉｎ0.4Ｇａ0.6Ａｓ歪み井戸層２６、厚さ２０ｎｍのＩ
ｎＧａＡｓＰ（λg＝１．３μｍ組成）障壁層２７、厚
さ１００ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ歪みＧＲＩＮ層２８、厚
さ１．５μｍのｐ−ＩｎＧａＡｓＰ（λg＝１．２μｍ
組成）クラッド層２９、厚さ０．５μｍのｐ−Ｉｎ0.53
Ｇａ0.47Ａｓキャップ層３０を減圧ＭＯＣＶＤ法を用い
て順次積層させる。
２１の上に、厚さ１μｍのｎ−ＩｎＰバッファ層２２、
厚さ１．５μｍのｎ−ＩｎＧａＡｓＰ（λg＝１．２μ
ｍ組成）クラッド層２３、厚さ１００ｎｍのＩｎＧａＡ
ｓＰ歪みＧＲＩＮ層２４、厚さ２０ｎｍのＩｎＧａＡｓ
Ｐ（λg＝１．３μｍ組成）障壁層２５、厚さ４ｎｍの
Ｉｎ0.4Ｇａ0.6Ａｓ歪み井戸層２６、厚さ２０ｎｍのＩ
ｎＧａＡｓＰ（λg＝１．３μｍ組成）障壁層２７、厚
さ１００ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ歪みＧＲＩＮ層２８、厚
さ１．５μｍのｐ−ＩｎＧａＡｓＰ（λg＝１．２μｍ
組成）クラッド層２９、厚さ０．５μｍのｐ−Ｉｎ0.53
Ｇａ0.47Ａｓキャップ層３０を減圧ＭＯＣＶＤ法を用い
て順次積層させる。
【００３５】以下、第３実施例と同様の手順で絶縁層３
１、上部電極３２を形成し、リッジ型半導体レーザ構造
３４を作製する。 さらに、端面に無反射コーティング
３５を施し、本素子に外部からの光を入出力させるため
の光ファイバ３６を配置し、本素子を半導体光増幅器と
して利用する。
１、上部電極３２を形成し、リッジ型半導体レーザ構造
３４を作製する。 さらに、端面に無反射コーティング
３５を施し、本素子に外部からの光を入出力させるため
の光ファイバ３６を配置し、本素子を半導体光増幅器と
して利用する。
【００３６】本素子の効果について説明する。
【００３７】本素子にしきい値以下のバイアス電流を与
えることで、半導体光増幅器は、外部からの入力光３７
に対し、増幅した後に外部へ出力することができる（出
力光３６）。しかし、従来の半導体光増幅器のような量
子井戸構造の活性層を用いると、利得の偏波依存性が生
じ、光ファイバ伝送中におこる偏波ゆらぎによって出力
パワー変動を引き起こす問題がある。
えることで、半導体光増幅器は、外部からの入力光３７
に対し、増幅した後に外部へ出力することができる（出
力光３６）。しかし、従来の半導体光増幅器のような量
子井戸構造の活性層を用いると、利得の偏波依存性が生
じ、光ファイバ伝送中におこる偏波ゆらぎによって出力
パワー変動を引き起こす問題がある。
【００３８】そこで、本実施例では、従来から用いられ
るように量子井戸構造の井戸層２６に歪みを導入し、図
１１（ｂ）に示す様にＨＨとＬＨの準位を接近させ光学
利得の偏波依存性をなくすとともに、光閉じ込めの工夫
により、偏波依存性を解消している。即ち、第３実施例
では、歪みＧＲＩＮ層に引っぱり応力を与えたが、本実
施例ではそれと逆に歪みＧＲＩＮ層２４、２８に圧縮応
力を与える。従って、光閉じ込めのための屈折率差はＴ
Ｍ光に対して大きくなる。歪みのない場合にはＴＥ光の
閉じ込めの方が強くなっているから、うまく歪み量を選
べば、ＴＥ光とＴＭ光の光閉じ込めを同等にすることが
できる（図１１参照）。
るように量子井戸構造の井戸層２６に歪みを導入し、図
１１（ｂ）に示す様にＨＨとＬＨの準位を接近させ光学
利得の偏波依存性をなくすとともに、光閉じ込めの工夫
により、偏波依存性を解消している。即ち、第３実施例
では、歪みＧＲＩＮ層に引っぱり応力を与えたが、本実
施例ではそれと逆に歪みＧＲＩＮ層２４、２８に圧縮応
力を与える。従って、光閉じ込めのための屈折率差はＴ
Ｍ光に対して大きくなる。歪みのない場合にはＴＥ光の
閉じ込めの方が強くなっているから、うまく歪み量を選
べば、ＴＥ光とＴＭ光の光閉じ込めを同等にすることが
できる（図１１参照）。
【００３９】以上は、利得の偏波依存性を解決する一構
成例であり、他のバリエーションも考えられる。即ち、
井戸層には歪みを用いず従来の量子井戸を用いるとＴＥ
光の光学利得が大きくなる。そして、本実施例よりさら
にＧＲＩＮ層の歪み量を大きくし、ＴＭ光の光閉じ込め
がＴＥ光を上まわるようにする。利得は、光学利得ｇと
光閉じ込めГの積に比例するから、Г ・ｇがＴＥ光とＴ
Ｍ光とで一定となるような条件にすれば、やはり偏波に
無依存となる構成になる。
成例であり、他のバリエーションも考えられる。即ち、
井戸層には歪みを用いず従来の量子井戸を用いるとＴＥ
光の光学利得が大きくなる。そして、本実施例よりさら
にＧＲＩＮ層の歪み量を大きくし、ＴＭ光の光閉じ込め
がＴＥ光を上まわるようにする。利得は、光学利得ｇと
光閉じ込めГの積に比例するから、Г ・ｇがＴＥ光とＴ
Ｍ光とで一定となるような条件にすれば、やはり偏波に
無依存となる構成になる。
【００４０】さらに第４実施例では、積層方向の設計を
図７で示した２次関数の歪み分布とした。第３実施例に
比べ、２次関数とした方が光閉じ込めが強くでき都合が
よい。また、量子井戸構造の井戸層２６にも歪み層を導
入していることより、障壁層２５、２７を厚めにとり、
両側の歪みＧＲＩＮ層２４、２８において独立して歪み
分布を設計できるようにした。
図７で示した２次関数の歪み分布とした。第３実施例に
比べ、２次関数とした方が光閉じ込めが強くでき都合が
よい。また、量子井戸構造の井戸層２６にも歪み層を導
入していることより、障壁層２５、２７を厚めにとり、
両側の歪みＧＲＩＮ層２４、２８において独立して歪み
分布を設計できるようにした。
【００４１】
【発明の効果】以上説明したように、本発明のような半
導体積層構造により、歪みが部分的に導入された比較的
に厚い膜の歪み層を作製することが可能となる。
導体積層構造により、歪みが部分的に導入された比較的
に厚い膜の歪み層を作製することが可能となる。
【００４２】さらに、その半導体積層構造を半導体光素
子に用いることで半導体光素子の特性の改善ができる。
子に用いることで半導体光素子の特性の改善ができる。
【００４３】例えば、光閉じ込め層、特にＧＲＩＮ−Ｓ
ＣＨ層に歪みを導入することにより、 １．半導体レーザの場合、発振モードの光閉じ込め係数
のみを増加させることができ、低しきい値化をはかるこ
とができる。 ２．半導体光増幅器の場合、ＴＥ、ＴＭ光の光閉じ込め
係数の差をなくし、利得の偏波依存性を解消できる。
ＣＨ層に歪みを導入することにより、 １．半導体レーザの場合、発振モードの光閉じ込め係数
のみを増加させることができ、低しきい値化をはかるこ
とができる。 ２．半導体光増幅器の場合、ＴＥ、ＴＭ光の光閉じ込め
係数の差をなくし、利得の偏波依存性を解消できる。
【図１】半導体積層構造である本発明の第１実施例を説
明する図である。
明する図である。
【図２】半導体積層構造である本発明の第２実施例を説
明する図である。
明する図である。
【図３】半導体レーザである本発明の第３実施例の右半
分の断面斜視図である。
分の断面斜視図である。
【図４】第３実施例の光閉じ込めの様子（ａ）とバンド
構造（ｂ）を示す図である。
構造（ｂ）を示す図である。
【図５】第３実施例のＧＲＩＮ−ＳＣＨ層の歪み分布の
一例を示す図である。
一例を示す図である。
【図６】単一歪み単層膜の臨界膜厚を示す図である。
【図７】第３実施例のＧＲＩＮ−ＳＣＨ層の歪み分布の
他の例を示す図である。
他の例を示す図である。
【図８】第３実施例のＧＲＩＮ−ＳＣＨ層の歪み分布の
更に他の例を示す図である。
更に他の例を示す図である。
【図９】半導体光増幅器である本発明の第４実施例の右
半分の断面図である。
半分の断面図である。
【図１０】第４実施例の使用例を示す図である。
【図１１】第４実施例の光閉じ込めの様子（ａ）とバン
ド構造（ｂ）を示す図である。
ド構造（ｂ）を示す図である。
１ 第１の半導体層 ２ 第２の半導体層 ３、２１ 基板 ４、２２ バッファ層 ５、１１、２３、２９ クラッド層 ６、１０、２４、２８ ＧＲＩＮ層 ７、９ 、２５、２７ 障壁層 ８、２６ 井戸層 １２、３０ キャップ層 １３、３１ 絶縁層 １４、１５、３２、３３ 電極 ３４ リッジ型半導体レーザ構造 ３５ 無反射コーティング ３６ 光ファイバ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−267773（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−350198（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−237049（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−69589（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−85387（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−326734（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−177487（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−164384（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01S 5/00 - 5/50
Claims (5)
- 【請求項１】積層方向に一定の格子定数を有する第１の
半導体層と、積層方向に格子定数の分布を有する第２の
半導体層とが積層される半導体積層構造において、 該第２の半導体層は、該第１の半導体層との格子定数の
差に応じて面内応力による歪みを受け、該歪みが、該第
１の半導体層との境界で歪み量が最も大きく、境界より
離れるに従い歪み量が線形に減少し、且つ該第２の半導
体層全域にわたって結晶欠陥を引き起こさないような分
布を有していることを特徴とする半導体積層構造。 - 【請求項２】積層方向に一定の格子定数を有する第１の
半導体層と、積層方向に格子定数の分布を有する第２の
半導体層とが積層される半導体積層構造において、 該第２の半導体層は、該第１の半導体層との格子定数の
差に応じて面内応力による歪みを受け、該歪みが、該第
１の半導体層との境界で歪み量が最も大きく、境界より
離れるに従い、歪みが２次関数もしくはさらに高次の関
数で減少し、且つ該第２の半導体層全域にわたって結晶
欠陥を引き起こさないような分布を有していることを特
徴とする半導体積層構造。 - 【請求項３】積層方向に一定の格子定数を有する第１の
半導体層と、積層方向に格子定数の分布を有する第２の
半導体層とが積層される半導体積層構造において、 該第２の半導体層は、該第１の半導体層との格子定数の
差に応じて面内応力による結晶欠陥を引き起こさないよ
うな歪みを受けており、 該第２の半導体層は、該第１の半導体層とほぼ同じ格子
定数を有する組成の第１の領域と、格子定数がステップ
状に変化している他の第２の領域とを含み構成され、 該第１の領域が該第２の領域における歪みの影響を受
け、面内応力による歪みを残留していることを特徴とす
る半導体積層構造。 - 【請求項４】積層方向に一定の格子定数を有す第１の半
導体層と、積層方向に格子定数の分布を有する第２の半
導体層とが積層される半導体積層構造を備え、該第２の
半導体層は、該第１の半導体層との格子定数の差に応じ
て面内の引っぱり応力による歪みを受け、該第２の半導
体層の歪みが、該第２の半導体層全域にわたって結晶欠
陥を引き起こさないような分布を有し、更に該第２の半
導体層を光閉じ込めのためのＧＲＩＮ・ＳＣＨ構造とし
ていることを特徴とする半導体レーザ。 - 【請求項５】積層方向に一定の格子定数を有す第１の半
導体層と、積層方向に格子定数の分布を有する第２の半
導体層とが積層される半導体積層構造を備え、該第２の
半導体層は、該第１の半導体層との格子定数の差に応じ
て面内の圧縮応力による歪みを受け、該第２の半導体層
の歪みが、該第２の半導体層全域にわたって結晶欠陥を
引き起こさないような分布を有し、更に該第２の半導体
層を光閉じ込めのためのＧＲＩＮ・ＳＣＨ構造としてい
ることを特徴とする半導体光増幅器。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP27132993A JP3226069B2 (ja) | 1993-10-04 | 1993-10-04 | 半導体積層構造および半導体光素子 |
| EP94115459A EP0646951B2 (en) | 1993-10-04 | 1994-09-30 | Semiconductor layer structure having distributed strain |
| DE69429701T DE69429701T3 (de) | 1993-10-04 | 1994-09-30 | Halbleiterschichtstruktur mit verteilter Verspannung |
| US08/316,451 US5550393A (en) | 1993-10-04 | 1994-10-03 | Semiconductor layer structure having distributed strain and optical semiconductor device including such strained layer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP27132993A JP3226069B2 (ja) | 1993-10-04 | 1993-10-04 | 半導体積層構造および半導体光素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07106711A JPH07106711A (ja) | 1995-04-21 |
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Family
ID=17498540
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|---|---|
| US (1) | US5550393A (ja) |
| EP (1) | EP0646951B2 (ja) |
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| DE (1) | DE69429701T3 (ja) |
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