JP3242958B2 - Optical semiconductor device - Google Patents

Optical semiconductor device

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JP3242958B2
JP3242958B2 JP27854391A JP27854391A JP3242958B2 JP 3242958 B2 JP3242958 B2 JP 3242958B2 JP 27854391 A JP27854391 A JP 27854391A JP 27854391 A JP27854391 A JP 27854391A JP 3242958 B2 JP3242958 B2 JP 3242958B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、埋め込み量子井戸構造
を有する光半導体素子に係わり、特に多重量子井戸構造
のレーザ等の特性向上をはかった光半導体素子に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical semiconductor device having a buried quantum well structure, and more particularly to an optical semiconductor device having improved characteristics such as a laser having a multiple quantum well structure.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、電子のドゥ・ブロイ波長以下の層
厚を有する井戸層を該井戸層よりも禁制帯幅が広い障壁
層で挟んだ量子井戸構造を少なくとも一つ有する、いわ
ゆる量子井戸半導体レーザが開発されている。この量子
井戸半導体レーザは、量子井戸を活性層に持たないダブ
ルヘテロ構造半導体レーザと比べて、発振しきい値を下
げられる、変調帯域を広げられる、発振スペクトル幅を
挟められる、温度特性を改善できる、高出力が得られる
など様々な利点を有する。
2. Description of the Related Art In recent years, a so-called quantum well semiconductor having at least one quantum well structure in which a well layer having a layer thickness less than the de Broglie wavelength of electrons is sandwiched between barrier layers having a wider bandgap than the well layer. Lasers are being developed. This quantum well semiconductor laser can lower the oscillation threshold value, extend the modulation band, sandwich the oscillation spectrum width, and improve the temperature characteristics as compared with a double heterostructure semiconductor laser having no quantum well in the active layer. It has various advantages such as high output.

【0003】また最近では、量子井戸に基板と格子整合
しない材料を用いることにより、発振波長の自由度を広
げたり、更なる特性向上をはかったりできるようになっ
てきた。一般的には、活性層近傍に基板と格子整合しな
い材料があると大量の結晶欠陥が発生し、レーザの特性
や信頼性の劣化が顕著になる。しかし、基板と格子整合
しない材料を活性層に用いても、その層厚がある臨界厚
より薄い場合には活性層が弾性的に歪み、レーザの特性
や信頼性を劣化させる結晶欠陥は発生しない。この臨界
厚の一つの目安としては、Matthews and Blakesleeのモ
デルによる計算結果を使うことができる。
Recently, by using a material that does not lattice-match with the substrate for the quantum well, it has become possible to increase the degree of freedom of the oscillation wavelength and further improve the characteristics. Generally, if there is a material near the active layer that does not lattice match with the substrate, a large amount of crystal defects occur, and the characteristics and reliability of the laser deteriorate significantly. However, even if a material that does not lattice-match with the substrate is used for the active layer, if the layer thickness is smaller than a certain critical thickness, the active layer is elastically distorted, and no crystal defects that deteriorate the characteristics and reliability of the laser are generated. . As a measure of the critical thickness, a calculation result by the Matthews and Blakeslee model can be used.

【0004】このような歪量子井戸構造を採用した0.98
μm帯GaAs基板上のInGaAs/AlGaAs半
導体レーザで、信頼性の高い高出力レーザや超低しきい
値のレーザなどが実現されている。半導体レーザ増幅
器,光スイッチ,光変調器など、半導体レーザ以外の光
半導体素子においても、歪光導波層の導入により、TE
/TMモード特性を変えたり、スイッチング特性や吸収
特性を変えたりすることができるなど、様々な可能性の
広がりが考えられる。
[0004] 0.98 employing such a strained quantum well structure
As an InGaAs / AlGaAs semiconductor laser on a μm-band GaAs substrate, a highly reliable high-output laser, an ultra-low threshold laser, and the like have been realized. In optical semiconductor devices other than semiconductor lasers, such as semiconductor laser amplifiers, optical switches, and optical modulators, the introduction of a strained optical waveguide layer allows TE
Various possibilities can be considered, such as changing the / TM mode characteristics, changing the switching characteristics and the absorption characteristics, and the like.

【0005】ところで、光ファイバ通信で主に用いられ
るInP基板上のInGaAs/InGaAsP系半導
体レーザの場合、低しきい値の単一横モード発振を得る
ために、一般に活性層の左右を活性層より禁制帯幅の大
きな材料で埋め込んだいわゆる埋め込み構造を用いるこ
とが多い。この場合、歪量子井戸層は側面に歪みヘテロ
界面を持つことにより、その近傍で大きな歪みと応力が
発生する。
In the case of an InGaAs / InGaAsP semiconductor laser on an InP substrate mainly used for optical fiber communication, in order to obtain a low threshold single transverse mode oscillation, generally, the left and right sides of the active layer are separated from the active layer. A so-called buried structure in which a material having a large forbidden band width is buried is often used. In this case, since the strained quantum well layer has a strained heterointerface on the side surface, large strain and stress are generated in the vicinity thereof.

【0006】以下、図15に示す(001)InP基板
上のIn0.7 Ga0.3 As歪量子井戸構造レーザを例に
とって具体的に説明する。この半導体レーザは、n型I
nP基板1(クラッド層を兼ねる)の上に、厚さ 4.2n
mのアンドープIn0.7 Ga0.3 As井戸層2をInP
に格子整合するアンドープInGaAsP(1.2 μm組
成)障壁層3で挟んだ歪み量子井戸4層からなる活性層
(光導波路層)4と、厚さ 1.5μmのp型InPクラッ
ド層5、厚さ 0.8μmのp型InGaAsP(1.2 μm
組成)コンタクト層6からなる積層構造を成長し、この
積層構造をFeドープ半絶縁InP層7で埋め込んだ構
造を有する。
[0006] will be specifically described below as an example In 0.7 Ga 0.3 As strained quantum well structure laser on (001) InP substrate shown in FIG. 15. This semiconductor laser has an n-type
4.2n thickness on nP substrate 1 (also serving as cladding layer)
m undoped In 0.7 Ga 0.3 As well layer 2
An active layer (optical waveguide layer) 4 composed of four strained quantum wells sandwiched between undoped InGaAsP (1.2 μm composition) barrier layers 3 lattice-matched with a p-type InP cladding layer 5 having a thickness of 1.5 μm and a thickness of 0.8 μm P-type InGaAsP (1.2 μm
Composition) A laminated structure composed of a contact layer 6 is grown, and the laminated structure is embedded with an Fe-doped semi-insulating InP layer 7.

【0007】障壁層3は、各井戸層2の間に12nmず
つ、両端の井戸層2の上下にそれぞれ20nm、合計厚
さ76nm積層されている。従って、活性層4の合計層
厚は92.8nmとなる。また、埋め込まれた活性層4の幅
は2μmである。なお、素子基板の上下には電流注入の
ための電極11,12が形成されている。また、へき開
により長さ1mmのレーザ共振器を構成している。
[0007] The barrier layers 3 are stacked between the well layers 2 by 12 nm, 20 nm above and below the well layers 2 at both ends, and a total thickness of 76 nm. Therefore, the total layer thickness of the active layer 4 is 92.8 nm. The width of the buried active layer 4 is 2 μm. Note that electrodes 11 and 12 for current injection are formed above and below the element substrate. Further, a laser resonator having a length of 1 mm is formed by cleavage.

【0008】InP基板の格子定数は 0.58688nmである
のに対して、In0.7 Ga0.3 Asの格子定数は 0.593
81nmである。ここで、側面のない無限平面を仮定すれ
ば、井戸層2は 4.2nmと薄いので弾性的に歪む。歪み
の大きさは、εxx=εyy=-0.01167、εzz=−2(C12
/C11)εxx=0.011974、εyz=εzx=εxy=0とな
る。但し、C12/C11=0.504 はIn0.7 Ga0.3 As
のポアソン比である。この結果、歪んだIn0.7 Ga
0.3 As井戸層2の格子定数は、xy面内でInPに等
しくなり、z方向の格子定数は 0.60092nmとなる。
The lattice constant of the InP substrate is 0.58688 nm, whereas the lattice constant of In 0.7 Ga 0.3 As is 0.593.
81 nm. Here, assuming an infinite plane without side surfaces, the well layer 2 is elastically distorted because it is as thin as 4.2 nm. The magnitude of the strain is ε xx = ε yy = −0.01167, ε zz = −2 (C 12
/ C 11 ) ε xx = 0.011974, ε yz = ε zx = ε xy = 0. However, C 12 / C 11 = 0.504 is In 0.7 Ga 0.3 As
Is the Poisson's ratio. As a result, the distorted In 0.7 Ga
The lattice constant of the 0.3 As well layer 2 is equal to InP in the xy plane, and the lattice constant in the z direction is 0.60092 nm.

【0009】しかし、実際には活性層4は、Feドープ
InP埋め込み層7により幅2μmのストライプに埋め
込まれている。従って、井戸層2と埋め込み層7との境
界に格子不整合が起きることになる。井戸層2は厚さ
4.2nmなので、平均して約 6.99 単位格子層からなる
ことになる。なお、面心立方系の閃亜鉛鉱構造では〈0
01〉方向に格子間隔aの間に位置をずらして原子層が
4層存在するが、ここでは位置の合った4層(格子定数
a)毎に単位格子層と数えている。
However, in practice, the active layer 4 is buried in a stripe having a width of 2 μm by the Fe-doped InP burying layer 7. Therefore, a lattice mismatch occurs at the boundary between the well layer 2 and the buried layer 7. Well layer 2 is thick
Since it is 4.2 nm, it will consist of about 6.99 unit cell layers on average. In the face-centered cubic zinc blende structure, <0
In the <01> direction, there are four atomic layers whose positions are shifted between lattice intervals a. Here, each of the four aligned layers (lattice constant a) is counted as a unit lattice layer.

【0010】一方、この厚さをInPの格子定数で割る
と 7.16 単位格子層からなることになる。井戸層2は4
層あるから、活性層4の側面にトータル 0.68 単位格子
層分の格子不整合が生じることになる。活性層4の幅は
2μmと厚いから、活性層全体が弾性的に圧縮されるこ
とはない。この結果、活性層4の側面近傍に転位などの
格子欠陥が起こりやすくなる。
On the other hand, when this thickness is divided by the lattice constant of InP, it consists of 7.16 unit lattice layers. Well layer 2 is 4
Since there are layers, lattice mismatch of a total of 0.68 unit lattice layers occurs on the side surface of the active layer 4. Since the width of the active layer 4 is as thick as 2 μm, the entire active layer is not elastically compressed. As a result, lattice defects such as dislocations are likely to occur near the side surface of the active layer 4.

【0011】この上部の歪量子井戸層側面の格子不整合
は 0.5単位格子層より大きいので、歪量子井戸層の格子
面は側面で埋め込み層の一つ上の格子面とつながる方が
距離的に近く、転位のできる確率が高い。このような格
子欠陥があると、不純物の偏析も起こりやすい。また、
このような欠陥により、発光効率の低下,発振しきい値
上昇,微分利得の低下などのレーザ特性の劣化、或いは
著しい信頼性の低下などが生じる。
Since the lattice mismatch on the side surface of the upper strained quantum well layer is larger than 0.5 unit lattice layer, it is better to connect the lattice surface of the strained quantum well layer to the lattice surface immediately above the buried layer on the side surface. Close, the probability of dislocation is high. When such lattice defects are present, segregation of impurities is likely to occur. Also,
Such defects cause deterioration of laser characteristics such as a decrease in luminous efficiency, an increase in oscillation threshold, and a decrease in differential gain, or a significant decrease in reliability.

【0012】半導体レーザ以外の光半導体素子において
も、埋め込み歪量子井戸光導波層側面に格子不整合によ
る欠陥が生じることにより、様々なデメリットが生じ
る。例えば、埋め込み歪量子井戸光導波路においては、
この欠陥により吸収係数の増加や光散乱の増加が生じ
る。また、埋め込み歪量子井戸光吸収層を有する光検出
素子においては、この側面の欠陥からの発生再結合暗電
流の増加,欠陥に偏析した不純物による内部電界の不均
一,欠陥での再結合による量子効率の低下,信頼性の低
下など、様々な問題が生じる。
In optical semiconductor devices other than semiconductor lasers, various disadvantages arise because defects due to lattice mismatch occur on the side surfaces of the buried strain quantum well optical waveguide layer. For example, in a buried strain quantum well optical waveguide,
This defect causes an increase in absorption coefficient and an increase in light scattering. Also, in a photodetector having a buried strain quantum well light absorption layer, the recombination dark current generated from the defect on this side surface increases, the internal electric field becomes nonuniform due to impurities segregated in the defect, and the quantum recombination due to the defect causes a defect. Various problems such as a decrease in efficiency and a decrease in reliability occur.

【0013】また、光半導体素子以外の半導体素子にお
いても、例えば pseudomorphicHEMTの歪チャネル
層,歪In(Ga)Asオーミックコンタクト層など、
歪半導体層が特性改善のために使われている。この歪半
導体層を基板全面ではなく一部分に埋め込み形成する場
合には、側面の格子不整合により生じる格子欠陥や不純
物の偏析に起因して、キャリア寿命の低下、散乱中心の
増加による電子輸送特性の劣化、雑音の増加、信頼性の
低下など、種々の問題が生じる。
In semiconductor devices other than the optical semiconductor device, for example, a strain channel layer of a pseudomorphic HEMT, a strained In (Ga) As ohmic contact layer, etc.
A strained semiconductor layer is used for improving characteristics. When this strained semiconductor layer is embedded in a part of the substrate instead of the entire surface, the carrier lifetime is reduced due to lattice defects and segregation of impurities caused by lattice mismatch on the side surface, and the electron transport characteristics are increased due to an increase in scattering centers. Various problems such as deterioration, increase in noise, and decrease in reliability occur.

【0014】一方、光通信に広く利用されているInG
aAsPやInGaAsを井戸層に持つ量子井戸レーザ
では、伝導帯の井戸障壁が低く価電子帯の井戸障壁が高
いことから、電子の障壁層や光導波層へのオーバーフロ
ーが起こり易く、また正孔の井戸層への注入効率が低い
という問題があった。このため、キャリアの利用効率が
悪く、同じ発振波長のバルク型ダブルヘテロ半導体レー
ザと比べて、発振しきい値の低減や変調帯域の拡大の効
果は顕著でなかった。
On the other hand, InG widely used in optical communications
In a quantum well laser having a well layer of aAsP or InGaAs, since the well barrier in the conduction band is low and the well barrier in the valence band is high, overflow to the electron barrier layer and the optical waveguide layer is likely to occur, and holes There is a problem that the efficiency of injection into the well layer is low. For this reason, the carrier utilization efficiency is poor, and the effect of reducing the oscillation threshold and expanding the modulation band is not remarkable as compared with a bulk type double hetero semiconductor laser having the same oscillation wavelength.

【0015】また、誘導放出が大きくなりキャリアの不
足が生じたときに正孔の井戸層への注入効率が低いこと
から、井戸間での正孔密度に差が生じ、光に対する利得
飽和εも大きいという問題もあった。このことは、量子
井戸の効果による微分利得の増大にもかかわらず、ダン
ピングが大きくなり周波数帯域が伸びないということを
意味する。高出力レーザは長共振器で井戸数が多めのと
きに良好な特性が得られるが、このような問題があるた
め、井戸数をあまり増やすことができないのが現状であ
った。
Further, when stimulated emission becomes large and carriers are insufficient, the efficiency of hole injection into the well layer is low, so that the hole density differs between wells, and the gain saturation ε for light also decreases. There was also the problem of being large. This means that, despite the increase in differential gain due to the quantum well effect, damping increases and the frequency band does not extend. Although a high-power laser can provide good characteristics when the number of wells is large in a long cavity, the number of wells cannot be increased so much due to such a problem.

【0016】一般に、量子井戸レーザではキャリアに対
する利得Gの飽和が顕著なので、発振しきいキャリア密
度が高くなると、微分利得が急激に悪化する。従って、
高速応答特性の観点からも、発振しきい値の低減が重要
である。発振条件はΓG=αで表されるから、発振しき
い値を下げるためには、光学的なトータルロスαを小さ
くして発振に必要な利得を下げてやる必要がある。
In general, in a quantum well laser, the saturation of the gain G with respect to the carrier is remarkable. Therefore, when the oscillation threshold carrier density increases, the differential gain rapidly deteriorates. Therefore,
From the viewpoint of high-speed response characteristics, it is important to reduce the oscillation threshold. Since the oscillation condition is represented by ΔG = α, in order to lower the oscillation threshold, it is necessary to reduce the optical total loss α to lower the gain required for oscillation.

【0017】量子井戸レーザ、特に井戸層に歪を導入し
た歪量子井戸レーザでは活性層の導波損失を極めて小さ
くできるが、p−クラッド層のアクセプタ密度が高いと
損失が大きくなる。量子井戸レーザは光閉じ込め係数Γ
が小さいので、クラッド層の吸収の影響は極めて大き
い。従って、低しきい値の量子井戸レーザを得るために
は、p−クラッド層のアクセプタ密度を下げてやる必要
がある。
In a quantum well laser, particularly in a strained quantum well laser in which strain is introduced into a well layer, the waveguide loss in the active layer can be extremely reduced, but the loss increases when the acceptor density of the p-cladding layer is high. The quantum well laser has an optical confinement coefficient Γ
Is small, the influence of the absorption of the cladding layer is extremely large. Therefore, in order to obtain a low threshold quantum well laser, it is necessary to lower the acceptor density of the p-clad layer.

【0018】しかしこの場合、p−クラッド層と活性層
とのヘテロ接合部に大きなバンド障壁ができるため、正
孔の量子井戸活性層への注入効率が低くなってしまうと
いう問題があった。このことは、低しきい値でかつ高速
応答可能な量子井戸レーザを作ることは困難であること
を意味する。このヘテロ界面の障壁の問題を解決するた
めに、GRIN(graded index)構造の採用も提案され
ているが、この場合は結晶成長に精密制御が必要にな
り、工程が複雑になる問題がある。
However, in this case, a large band barrier is formed at the heterojunction between the p-cladding layer and the active layer, which causes a problem that the efficiency of injecting holes into the quantum well active layer is reduced. This means that it is difficult to produce a quantum well laser with a low threshold value and a fast response. In order to solve the problem of the barrier at the hetero interface, adoption of a GRIN (graded index) structure has been proposed. However, in this case, precise control is required for crystal growth, and there is a problem that the process becomes complicated.

【0019】この他、埋込み構造歪量子井戸レーザで
は、活性層の側面に格子不整合による転位欠陥が発生し
やすいという問題があった。特に、側面にFeなどの遷
移金属をドープした層がある場合、不純物である遷移金
属と転位の複合欠陥がレーザ特性を劣化させることが懸
念されていた。
In addition, the buried-structure strained quantum well laser has a problem that dislocation defects are likely to occur due to lattice mismatch on the side surface of the active layer. In particular, when there is a layer doped with a transition metal such as Fe on the side surface, there has been a concern that a composite defect of a transition metal and a dislocation, which is an impurity, deteriorates laser characteristics.

【0020】[0020]

【発明が解決しようとする課題】このように、従来の埋
め込み構造の歪半導体層を有する半導体素子では、歪半
導体層側面の格子不整合に起因して格子欠陥や不純物偏
析などの欠陥が生じ、特性や信頼性の著しい劣化が生じ
るという問題があった。
As described above, in a conventional semiconductor device having a strained semiconductor layer having a buried structure, defects such as lattice defects and impurity segregation occur due to lattice mismatch on the side surface of the strained semiconductor layer. There has been a problem that characteristics and reliability are significantly deteriorated.

【0021】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、歪半導体層側面の格子
不整合を緩和することにより、特性や信頼性の優れた埋
め込み歪量子井戸構造の光半導体素子を提供することに
ある。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and has as its object to reduce the lattice mismatch on the side surface of a strained semiconductor layer to thereby provide a buried strained quantum well having excellent characteristics and reliability. An optical semiconductor device having a structure is provided.

【0022】[0022]

【課題を解決するための手段】本発明は、歪み量子井戸
層の側面の格子不整合を緩和するものである。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a strained quantum well.
It is intended to reduce lattice mismatch on the side surface of the layer .

【0023】第の発明の光半導体素子では、クラッド
層のうち歪量子井戸層の左右に延びる基板に平行な面内
の部分の半導体層に、その平均格子定数が基板と歪量子
井戸層の中間の値になるような材料が使われている。こ
こでいう平均格子定数とは、クラッド層のうち歪量子井
戸層の左右に延びる基板に平行な面内の部分の半導体層
に多層構造が用いられている場合、その活性層厚さに対
応する多層構造にわたって格子定数の平均をとった値を
指すものとする。
In the optical semiconductor device according to the first aspect of the present invention, the average lattice constant of the semiconductor layer in a portion of the clad layer in a plane parallel to the substrate extending to the left and right of the strained quantum well layer has an average lattice constant between the substrate and the strained quantum well layer. Materials with intermediate values are used. The average lattice constant here corresponds to the thickness of the active layer when a multilayer structure is used for a part of the semiconductor layer in a plane parallel to the substrate extending to the left and right of the strained quantum well layer in the cladding layer. It means the value obtained by taking the average of the lattice constant over the multilayer structure.

【0024】第の発明の光半導体素子では、クラッド
層のうち歪量子井戸層の左右に延びる基板に平行な面内
の部分の半導体層の一部に、そのc軸が基板法線方向を
向いた正方晶系の半導体層が使われており、そのa軸の
格子定数は半導体基板よりも小さい。
In the optical semiconductor device according to the second aspect of the present invention, the c-axis of the clad layer in a part of the semiconductor layer in a plane parallel to the substrate extending to the left and right of the strained quantum well layer has its c-axis pointing in the direction normal to the substrate. An oriented tetragonal semiconductor layer is used, and its a-axis lattice constant is smaller than that of the semiconductor substrate.

【0025】これらいずれの発明においても、ストライ
プ状の光導波路層(半導体レーザでは活性層、光検出素
子では光吸収層に相当)は、その上下左右を歪量子井戸
の障壁層よりも禁制帯幅が広いクラッド層で囲まれてい
ることを想定している。ここで、歪量子井戸層の側面が
基板法線方向に対して45度以上のテーパ状になるよう
に構成されるのが望ましい。の発明の骨子は、第2
の領域に埋め込まれた第1の領域の歪半導体層側面に生
じる格子不整合を、格子定数が連続的に変化する組成変
化領域を設けて緩和し、転位の発生確率を減らそうとす
るものである。
In any of these inventions, the stripe-shaped optical waveguide layer (corresponding to an active layer in a semiconductor laser and a light absorption layer in a photodetector) has a bandgap at the top, bottom, left and right sides of the barrier layer of the strained quantum well. Is surrounded by a wide cladding layer. Here, the side of the strained quantum well layer is
Be tapered at least 45 degrees to the substrate normal direction
It is desirable to be constituted. The gist of the third invention is the second invention.
Is to reduce the lattice mismatch that occurs on the side surface of the strained semiconductor layer in the first region embedded in the region by providing a composition change region in which the lattice constant changes continuously to reduce the probability of dislocation occurrence. is there.

【0026】ここで、歪半導体層といっているのは、故
意に格子定数の異なる組成の半導体層を1層当たりの膜
厚を臨界膜厚以下に積層して弾性的に歪を導入した半導
体層のことであって、結晶成長の組成制御が不完全であ
るために入ってしまう歪を想定したものではない。一般
に、GaAsやInP基板の上に成長する半導体層の場
合、結晶成長の組成制御が不完全であるために入ってし
まう歪は大きく見積もっても0.2%以下であり、それ
以上の格子不整合を有する場合には故意に作成した歪半
導体層と考えることができる。
Here, the term “strained semiconductor layer” refers to a semiconductor layer in which a semiconductor layer having a composition different from the lattice constant is intentionally laminated to a thickness equal to or less than the critical thickness to elastically introduce strain. This is not an assumption of the strain introduced due to imperfect composition control of crystal growth. In general, in the case of a semiconductor layer grown on a GaAs or InP substrate, the distortion introduced due to imperfect control of the composition of crystal growth is 0.2% or less at the most, and a lattice mismatch larger than that is required. If there is a match, it can be considered as a strained semiconductor layer intentionally created.

【0027】歪半導体層をその一部分とする埋め込み光
導波路を用いた光半導体素子においては、光導波路の形
成されている部分を第1の領域、光導波路の側面に隣接
する埋め込み部を第2の領域と考えることができる。
In an optical semiconductor device using a buried optical waveguide having a strained semiconductor layer as a part thereof, a portion where the optical waveguide is formed is a first region, and a buried portion adjacent to a side surface of the optical waveguide is a second region. It can be considered as an area.

【0028】組成変化領域は、例えば不純物の拡散によ
り境界部の原子の相互拡散を促進することで形成でき
る。また、第1の領域と第2の領域の一方を選択成長に
より形成する際に、他方の領域の上に形成されたマスク
からの距離に応じてその結晶組成が変化することを利用
しても形成できる。
The composition change region can be formed, for example, by promoting the mutual diffusion of atoms at the boundary by diffusion of impurities. Also, when one of the first region and the second region is formed by selective growth, the fact that the crystal composition changes depending on the distance from a mask formed on the other region is also used. Can be formed.

【0029】第の発明の骨子は、埋め込み歪半導体層
側面の格子不整合を単位格子間隔の半分より小さくする
ことによって、転位の発生する確率を減らそうとするも
のである。ここで、歪半導体層といっているのは、先に
述べたように、格子定数の異なる組成の半導体層を1層
当たりの膜厚を臨界膜厚以下に積層して弾性的に歪を導
入した半導体層のことである。
The gist of the fourth invention is to reduce the probability of occurrence of dislocations by making the lattice mismatch on the side surface of the buried strained semiconductor layer smaller than half of the unit cell spacing. Here, the term “strained semiconductor layer” means that, as described above, a semiconductor layer having a composition different from the lattice constant is stacked with a thickness per layer of less than the critical thickness and elastically introduces strain. It is a semiconductor layer.

【0030】本発明は第1の領域に歪半導体層が埋め込
まれている半導体素子において、最も下部にある歪半導
体層の下部主面を基準格子面として、その法線方向上向
きに座標系Zをとり、第1の領域が無限に広がっている
と仮定したときの第1の領域の基準格子面からn番目の
単位格子面の座標Z1(n)、第1の領域に隣接する第
2の領域が無限に広がっていると仮定したときの第2の
領域の基準格子面からn番目の単位格子面の座標をZ2
(n)とし、 Z2(n+1)−Z2(n) Z2(n)−Z2(n−1) Z1(n+1)−Z1(n) Z1(n)−Z1(n−1) の4つの値のうち最小のものをδmin (n)とすると
き、任意のnに対して、 ABS{Z2(n)−Z1(n)}<δmin (n)/2 …(1) を満たすようにしたものである。ここで、ABS(x)
はxの絶対値を表すものとする。これを言いかえれば、
第1の領域と第2の領域の境界の格子不整合を最大でも
単位格子層の1/2よりも小さくなるように抑えるよう
にするということである。なお、ここでは単位格子層と
いう用語をZ方向の結晶構造の周期として定義してい
る。例えば閃亜鉛鉱構造の場合、Z方向を〈001〉
向に取ると格子定数aが一単位格子層となるし、Z方向
〈111〉方向に取ると31/2 aが一単位格子層とな
る。なお、基準面が低指数面でない場合、例えばオフ基
板の場合には、一番近い低指数面の法線方向をZ方向と
することで、上記の議論を準用することができる。
According to the present invention, in a semiconductor device in which a strained semiconductor layer is embedded in a first region, a coordinate system Z is set upward in a direction normal to the lower principal surface of the lowest strained semiconductor layer as a reference lattice plane. The coordinates Z1 (n) of the n-th unit lattice plane from the reference lattice plane of the first area when the first area is assumed to be infinitely wide, the second area adjacent to the first area Is assumed to extend infinitely, the coordinates of the n-th unit lattice plane from the reference lattice plane of the second area are Z2
(N), Z2 (n + 1) -Z2 (n) Z2 (n) -Z2 (n-1) Z1 (n + 1) -Z1 (n) Z1 (n) -Z1 (n-1) When the smallest one is δ min (n), ABS {Z2 (n) −Z1 (n)} <δ min (n) / 2 (1) is satisfied for an arbitrary n. Things. Where ABS (x)
Represents the absolute value of x. In other words,
That is, the lattice mismatch at the boundary between the first region and the second region is suppressed so as to be smaller than at most 単 位 of the unit lattice layer. Here, the term unit lattice layer is defined as the period of the crystal structure in the Z direction. For example, in the case of a zinc blende structure, when the Z direction is taken in the <001> direction, the lattice constant a becomes one unit lattice layer, and when the Z direction is taken in the <111> direction, 3 1/2 a becomes one unit lattice layer. Becomes When the reference plane is not a low index plane, for example, in the case of an off-substrate, the above discussion can be applied mutatis mutandis by setting the normal direction of the nearest low index plane to the Z direction.

【0031】式(1)を満たすための一つの形態とし
て、半導体基板よりも格子定数が大きい第1の歪半導体
層と、半導体基板よりも格子定数の小さい第2の歪半導
体層とをそれぞれ一層以上積層し、一方による側面の格
子不整合を他方の格子不整合で相殺する方法が考えられ
る。この方法は、特に一方の歪半導体層だけではその合
計膜厚が厚くなり過ぎて式(1)を満たすようにできな
い場合に効果がある。
As one mode for satisfying the expression (1), a first strained semiconductor layer having a larger lattice constant than the semiconductor substrate and a second strained semiconductor layer having a smaller lattice constant than the semiconductor substrate are respectively formed as one layer. A method is considered in which the layers are stacked as described above, and the lattice mismatch on one side is canceled by the lattice mismatch on the other side. This method is particularly effective when the total thickness of one strained semiconductor layer alone is too large to satisfy the expression (1).

【0032】Z方向の一単位格子にm個の同族原子面が
存在する場合がある。例えば、閃亜鉛鉱構造の III−V
族化合物半導体の〈001〉方向にはZ=0の基準格子
面がIII族原子面とすると、a/2にも III族原子面が
存在するのでm=2となる。(110)面の場合は III
族原子とV族原子が同一面上に混在するので、単位格子
層21/2 aの中にm=4の同族原子面が存在することに
なる。このような場合には、横ずれも伴って、単位格子
層の中の異なる同族原子面との転位が発生する可能性が
ある。この場合、任意のnに対して、 ABS{Z2(n)−Z1(n)}<δmin (n)/(2m) …(2) を満たすようにするのが好ましい。
In some cases, there are m homologous atomic planes in one unit cell in the Z direction. For example, III-V of sphalerite structure
Assuming that the reference lattice plane of Z = 0 in the <001> direction of the group III compound semiconductor is a group III atom plane, m = 2 since a / 2 also has a group III atom plane. III for (110) plane
Since the group atoms and the group V atoms coexist on the same plane, there is a homo atom plane of m = 4 in the unit lattice layer 2 1 / 2a. In such a case, there is a possibility that dislocations with different homologous atomic planes in the unit lattice layer may occur together with lateral displacement. In this case, it is preferable to satisfy ABS {Z2 (n) −Z1 (n)} <δ min (n) / (2m) (2) for an arbitrary n.

【0033】歪半導体層をその一部分とする埋め込み光
導波路を用いた光半導体素子においては、光導波路の形
成されている部分を第1の領域、光導波路に隣接する埋
め込み部を第2の領域と考えることができる。
In an optical semiconductor device using an embedded optical waveguide having a strained semiconductor layer as a part thereof, a portion where the optical waveguide is formed is defined as a first region, and an embedded portion adjacent to the optical waveguide is defined as a second region. You can think.

【0034】歪量子細線ないし歪量子箱の場合、歪量子
細線や歪量子箱を構成する半導体を第1の領域、その側
面の障壁層を構成している半導体を第2の領域と考える
ことができる。勿論、上記の実施態様については、複数
組み合わせて使うこともできる。
In the case of a strained quantum wire or a strained quantum box, a semiconductor forming a strained quantum wire or a strained quantum box may be considered as a first region, and a semiconductor forming a barrier layer on a side surface thereof may be considered as a second region. it can. Of course, the embodiments described above can be used in combination.

【0035】[0035]

【作用】第の発明の光半導体素子では、ストライプ状
の光導波路層を含む基板と平行な面内の平均格子定数が
基板の格子定数と歪量子井戸層の格子定数の中間の値を
持つので、光導波路層側面の格子不整合が緩和される。
その結果、転位などの格子欠陥や不純物の偏析が防げ、
特性や信頼性の優れた光半導体素子を実現することがで
きる。
In the optical semiconductor device according to the first aspect of the invention, the average lattice constant in a plane parallel to the substrate including the stripe-shaped optical waveguide layer has an intermediate value between the lattice constant of the substrate and the lattice constant of the strained quantum well layer. Therefore, the lattice mismatch on the side surface of the optical waveguide layer is reduced.
As a result, lattice defects such as dislocations and segregation of impurities can be prevented,
An optical semiconductor element having excellent characteristics and reliability can be realized.

【0036】第の発明の光半導体素子では、ストライ
プ状の光導波路層を含む基板と平行な面内に正方晶系材
料(カルコパイライト構造半導体)が使われており、そ
の正方晶系材料格子定数aが基板の格子定数よりも小さ
い値を持つ。このカルコパイライト構造半導体混晶のc
軸方向の格子定数を2で除した値c/2は一般にa軸方
向の格子定数aより小さい。従って、その厚みを適当に
選ぶことにより、歪量子井戸層の格子定数が基板より小
さい埋め込み歪量子井戸光導波路層を有する光半導体素
子においては、埋め込み層と活性層の基板法線方向の平
均の格子定数を概略整合させることが可能になる。従っ
て、半導体基板との格子不整合を起こすことなしに光導
波路層側面の格子不整合を緩和することができる。その
結果、転位などの格子欠陥や不純物の偏析が防げ、特性
や信頼性の優れた光半導体素子を実現できる。
In the optical semiconductor device of the second invention, a tetragonal material (chalcopyrite structure semiconductor) is used in a plane parallel to the substrate including the stripe-shaped optical waveguide layer, and the tetragonal material lattice is used. The constant a has a value smaller than the lattice constant of the substrate. C of this chalcopyrite structure semiconductor mixed crystal
The value c / 2 obtained by dividing the axial lattice constant by 2 is generally smaller than the lattice constant a in the a-axis direction. Therefore, by appropriately selecting the thickness, in an optical semiconductor device having a buried strain quantum well optical waveguide layer in which the lattice constant of the strain quantum well layer is smaller than the substrate, the average of the buried layer and the active layer in the normal direction of the substrate is obtained. The lattice constant can be roughly matched. Therefore, the lattice mismatch on the side surface of the optical waveguide layer can be reduced without causing the lattice mismatch with the semiconductor substrate. As a result, segregation of lattice defects such as dislocations and impurities can be prevented, and an optical semiconductor device having excellent characteristics and reliability can be realized.

【0037】第の発明では、第1の領域と第2の領域
の間の格子不整合により発生した応力は、その間に形成
された組成変化領域全体に分散される。従って、境界面
への応力集中による転位の発生が抑制でき、転位による
特性や信頼性の低下のない半導体素子が実現できる。
In the third aspect , the stress generated by the lattice mismatch between the first region and the second region is dispersed throughout the composition change region formed therebetween. Therefore, generation of dislocation due to stress concentration on the boundary surface can be suppressed, and a semiconductor element without deterioration in characteristics and reliability due to the dislocation can be realized.

【0038】第2の領域に不純物が高濃度にドープされ
ている場合、境界部から第1の領域への不純物拡散が起
こると、拡散領域では母体原子の相互拡散も促進され
る。このため、第1の領域と第2の領域の境界部では、
歪量子井戸の無秩序化と並行して領域間の母体原子の相
互拡散が進み、組成変化領域が形成される。
In the case where the second region is heavily doped with impurities, if impurity diffusion from the boundary to the first region occurs, mutual diffusion of base atoms is promoted in the diffusion region. Therefore, at the boundary between the first area and the second area,
In parallel with the disordering of the strained quantum well, interdiffusion of host atoms between regions proceeds, and a composition change region is formed.

【0039】半導体混晶を選択成長を行う場合、混晶の
組成,膜厚,歪量は、マスクからの距離,開口比などに
依存する。この事実を利用して、境界部に格子定数を変
化させた領域を作ることができる。この変化の方向を他
方の領域に近付くにつれて他方の領域の平均の格子定数
に近付くように設定することで、上述の組成変化領域を
形成できる。
When a semiconductor mixed crystal is selectively grown, the composition, film thickness, and strain amount of the mixed crystal depend on the distance from the mask, the aperture ratio, and the like. By utilizing this fact, a region where the lattice constant is changed can be created at the boundary. The above composition change region can be formed by setting the direction of this change so as to approach the average lattice constant of the other region as it approaches the other region.

【0040】第の発明では、式(1)を満たすように
して第1の領域と第2の領域の境界の格子不整合を最大
でも単位格子層の1/2よりも小さくなるように抑える
と、一つずれた単位格子面よりずれていない単位格子面
の方が距離的に近いので、第1の領域と第2の領域の境
界の転位の発生を効率的に防止することができる。
According to the fourth aspect of the present invention, the lattice mismatch at the boundary between the first region and the second region is suppressed so as to be smaller than at most 1 / of the unit lattice layer by satisfying the expression (1). Since the unit lattice plane that is not displaced is closer in distance than the unit lattice plane that is displaced by one, the occurrence of dislocation at the boundary between the first region and the second region can be efficiently prevented.

【0041】半導体基板よりも格子定数が大きい第1の
歪半導体層と、半導体基板よりも格子定数の小さい第2
の歪半導体層とをそれぞれ1層以上積層し、一方による
側面の格子不整合を他方の格子不整合で相殺することに
より、式(1)を満たす歪半導体層の膜厚や層数を増や
すことができる。
A first strained semiconductor layer having a larger lattice constant than the semiconductor substrate, and a second strained semiconductor layer having a smaller lattice constant than the semiconductor substrate.
By stacking one or more strained semiconductor layers with each other, the lattice mismatch on one side is canceled by the other, thereby increasing the thickness and the number of strained semiconductor layers satisfying the expression (1). Can be.

【0042】Z方向の一単位格子にm個の同族原子面が
存在する場合には、式(2)も満たすようにして第1の
領域と第2の領域の境界のZ方向の格子不整合を最大で
も同族原子面間隔の1/2よりも小さくなるように抑え
ることで、隣接する領域の一つずれた同族原子面よりも
ずれていない同族原子面の方を距離的に近くでき、横ず
れも伴う同族原子面との転位の発生も効率的に防止する
ことができる。
When m homologous atomic planes exist in one unit cell in the Z direction, the lattice mismatch in the Z direction at the boundary between the first region and the second region is satisfied so as to satisfy Expression (2). Is set to be at most smaller than half of the distance between the homologous atomic planes, so that the homologous atomic planes that are not shifted from the adjacent homologous atomic planes in the adjacent region can be closer in distance, and the lateral shift The generation of dislocations with the homologous atomic planes can also be efficiently prevented.

【0043】いずれの場合においても、第1の領域と第
2の領域の境界付近における転位などの格子欠陥の発生
が防げ、特性や信頼性の優れた半導体素子を実現するこ
とができる。
In any case, generation of lattice defects such as dislocation near the boundary between the first region and the second region can be prevented, and a semiconductor device having excellent characteristics and reliability can be realized.

【0044】[0044]

【実施例】以下、本発明の詳細を図示の実施例によって
説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The details of the present invention will be described below with reference to the illustrated embodiments.

【0045】まず、第1及び第2の発明の実施例につい
て説明する。
First, embodiments of the first and second inventions will be described.

【0046】図1は、本発明の第1の実施例に係わる半
導体レーザの概略構造を示す断面図である。n型InP
基板1a上にn型InPバッファ層(クラッド層)1b
が形成されている。バッファ層1bの上には、InGa
As歪量子井戸層2とInGaAsP障壁層3を交互に
積層してなる多重量子井戸活性層4がストライプ状に形
成されている。活性層4の側面には、p型InAlAs
層18とp型InP層17を交互に積層した埋込み層8
が形成されている。そして、活性層4及び埋込み層8の
上には、p型InPクラッド層5及びp型InGaAs
Pコンタクト層6が形成されている。そして、コンタク
ト層6上にp側電極11が形成され、基板1aの下面に
n側電極12が形成されている。
FIG. 1 is a sectional view showing a schematic structure of a semiconductor laser according to a first embodiment of the present invention. n-type InP
N-type InP buffer layer (cladding layer) 1b on substrate 1a
Are formed. On the buffer layer 1b, InGa
A multiple quantum well active layer 4 formed by alternately stacking As strained quantum well layers 2 and InGaAsP barrier layers 3 is formed in a stripe shape. On the side surface of the active layer 4, p-type InAlAs
Embedded layer 8 in which layers 18 and p-type InP layers 17 are alternately stacked
Are formed. Then, on the active layer 4 and the buried layer 8, the p-type InP cladding layer 5 and the p-type InGaAs
A P contact layer 6 is formed. Then, a p-side electrode 11 is formed on the contact layer 6, and an n-side electrode 12 is formed on the lower surface of the substrate 1a.

【0047】この半導体レーザは、次のようにして製造
される。まず、図2(a)に示すように、(001)主
面を持つn型InP半導体基板1a上に有機金属気相成
長(MOCVD)法により、厚さ2μmのn型InPバ
ッファ層1bを成長し、その上に、アンドープInGa
As/InGaAsP多重量子井戸活性層4と厚さ10
nmの薄いアンドープInPダミー層14を成長する。
活性層4は、厚さ 4.2nmのアンドープIn0.7 Ga
0.3 As歪量子井戸層2を4層、厚さ12nm(両端の
み20nm)のアンドープInGaAsP(波長 1.2μ
m組成)障壁層3を5層、交互に積層したものである。
This semiconductor laser is manufactured as follows. First, as shown in FIG. 2A, a 2 μm-thick n-type InP buffer layer 1b is grown on a (001) n-type InP semiconductor substrate 1a by a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method. And undoped InGa
As / InGaAsP multiple quantum well active layer 4 and thickness 10
A thin undoped InP dummy layer 14 having a thickness of nm is grown.
The active layer 4 is made of undoped In 0.7 Ga having a thickness of 4.2 nm.
Four 0.3 As strained quantum well layers 2 and an undoped InGaAsP (wavelength: 1.2 μm) having a thickness of 12 nm (only 20 nm at both ends)
m composition) Five barrier layers 3 are alternately stacked.

【0048】この積層構造の上にSiO2 膜15を堆積
し、通常のPEP技術によりパターニングを行い、活性
領域となる幅2μmのストライプの両サイド16を幅1
μmずつエッチングで除去する。このとき、薄いInP
ダミー層14のエッチングには塩酸系のエッチング液
を、活性層4のエッチングにはSH系(硫酸、過酸化水
素水、水の混合液)のエッチング液を用いる。フォトレ
ジストはSiO2 膜15のエッチング後に除去してお
く。SiO2 膜15とInPダミー層14をマスクとし
たSH系エッチングにより、図2(a)に示すような形
状の中央部が凹んだ活性層断面が得られる。テーパ部の
幅は片側 0.4μmであり、中央部の活性層幅は1μmで
ある。
An SiO 2 film 15 is deposited on this laminated structure, and is patterned by a usual PEP technique.
It is removed by etching in units of μm. At this time, the thin InP
A hydrochloric acid-based etchant is used for etching the dummy layer 14, and an SH-based (a mixture of sulfuric acid, hydrogen peroxide, and water) is used for etching the active layer 4. The photoresist is removed after the etching of the SiO 2 film 15. By SH-based etching using the SiO 2 film 15 and the InP dummy layer 14 as a mask, a cross section of the active layer having a concave central portion as shown in FIG. 2A is obtained. The width of the tapered portion is 0.4 μm on one side, and the width of the active layer at the center is 1 μm.

【0049】次いで、図2(b)に示すように、SiO
2 膜15を残したまま、MOCVD法により活性層4の
両サイドの部分16に歪み埋め込み層8を積層する。こ
の歪み埋め込み層8は、厚さ 4.2nmのp型In0.7
0.3 As層18を4層、p型InP層17で挟むよう
に積層したもので、その合計膜厚は活性層厚(92.8n
m)と概略等しい。
Next, as shown in FIG.
With the two films 15 remaining, the strain buried layers 8 are laminated on the portions 16 on both sides of the active layer 4 by MOCVD. The strain buried layer 8 is made of p-type In 0.7 A having a thickness of 4.2 nm.
1 0.3 As layer 18 is laminated so as to be sandwiched between four p-type InP layers 17, and the total film thickness is the active layer thickness (92.8 n
m).

【0050】次いで、図2(c)に示すように、SiO
2 膜15を除去した後、この上にMOCVD法により厚
さ2μmのp型InPクラッド層5、厚さ 0.8μmのp
型InGaAsPコンタクト層6を順次成長する。そし
て、コンタクト層6の上にはp型オーミック電極(Ti
/Pt/Au)11、基板1の下部にはn型オーミック
電極(Au/Ge)12を形成する。
Next, as shown in FIG.
2 After removing the film 15, a p-type InP cladding layer 5 having a thickness of 2 μm and a p-type InP cladding layer 5 having a thickness of 0.8 μm are formed thereon by MOCVD.
A type InGaAsP contact layer 6 is sequentially grown. Then, on the contact layer 6, a p-type ohmic electrode (Ti
/ Pt / Au) 11, and an n-type ohmic electrode (Au / Ge) 12 is formed below the substrate 1.

【0051】次いで、コンタクト層6とp型クラッド層
5を選択エッチングにより活性層4を含む幅10μmの
メサに形成する。さらに、SH系のエッチング液により
外側の活性層4bを除去することにより、図1に示した
ようなマッシュルーム型の断面形状を持つ自己整合挟搾
メサ(SACM)構造の半導体レーザになる。このウエ
ハは長さ1mmのバー状にへき開された後、幅300μ
mのチップに切り出され、モジュールに実装される(図
では省略)。発振波長はおおよそ1.55μmである。
Next, the contact layer 6 and the p-type cladding layer 5 are formed into a 10 μm-wide mesa including the active layer 4 by selective etching. Further, by removing the outer active layer 4b with an SH-based etchant, a semiconductor laser having a mushroom-shaped cross-sectional shape as shown in FIG. 1 and having a self-aligned pinched mesa (SACM) structure is obtained. This wafer is cleaved into a bar shape with a length of 1 mm and then a width of 300 μm.
It is cut out into m chips and mounted on a module (not shown in the figure). The oscillation wavelength is approximately 1.55 μm.

【0052】このような構成において、In0.7 Al
0.3 As層18及びInP層17は、活性層4よりもそ
の禁制帯幅が広い。In0.7 Al0.3 As層18は、I
0.7Ga0.3 As歪量子井戸層2と格子定数がほぼ等
しい。従って、埋め込み層8は活性層4と格子定数が概
略等しい構造をしており、平均の格子定数(0.58813 n
m)はInP基板1の格子定数とIn0.7 Ga0.3 As
歪量子井戸層2の格子定数との中間の値になる。歪量子
井戸層2とIn0.7 Al0.3 As層18の位置を完全に
合わせるのが理想であるが、結晶成長上ずれが生じるこ
とがある。しかし、歪量子井戸層2とIn0.7 Al0.3
As層18の位置ずれがあっても、活性層4の側面がテ
ーパ状になっているので格子不整合の影響はテーパ部に
分散され、極端に大きな歪みや応力の発生は防止でき
る。従って、転位などの格子欠陥や不純物の偏析が防止
でき、特性や信頼性の劣化がない埋め込み構造歪量子井
戸レーザが実現できる。
In such a configuration, In 0.7 Al
The 0.3 As layer 18 and the InP layer 17 have wider forbidden bands than the active layer 4. The In 0.7 Al 0.3 As layer 18 is made of I
The lattice constant is substantially equal to that of the n 0.7 Ga 0.3 As strained quantum well layer 2. Therefore, the buried layer 8 has a structure in which the lattice constant is substantially equal to that of the active layer 4, and the average lattice constant (0.58813 n
m) is the lattice constant of InP substrate 1 and In 0.7 Ga 0.3 As
The value becomes an intermediate value between the lattice constant of the strained quantum well layer 2 and the lattice constant. Ideally, the positions of the strained quantum well layer 2 and the In 0.7 Al 0.3 As layer 18 are perfectly matched, but a shift may occur in crystal growth. However, the strained quantum well layer 2 and In 0.7 Al 0.3
Even if the As layer 18 is displaced, the influence of the lattice mismatch is dispersed to the tapered portion because the side surface of the active layer 4 is tapered, and generation of extremely large distortion and stress can be prevented. Therefore, lattice defects such as dislocations and segregation of impurities can be prevented, and a buried-structure strained quantum well laser without deterioration in characteristics and reliability can be realized.

【0053】この構造の採用により、線幅増大係数(α
パラメータ)〜2の歪量子井戸の優れた特性が安定して
得られ、その結果10Gb/s変調時(しきい値バイア
ス、変調電流40mApp)のチャーピング(−20dB
平均スペクトル幅)が 0.3nm以下の優れた特性の半導
体レーザが実現できる。また、信頼性が高くチャーピン
グの小さい本発明の半導体レーザにより、外部変調器を
使わない10Gb/s直接強度変調−直接検波方式の数
百km光ファイバ伝送システムの実用化が可能になる。
By adopting this structure, the line width increase coefficient (α
Excellent characteristics of the strained quantum well having a parameter of ~ 2 are stably obtained, and as a result, chirping (-20 dB) at the time of 10 Gb / s modulation (threshold bias, modulation current of 40 mApp).
A semiconductor laser having excellent characteristics with an average spectral width of 0.3 nm or less can be realized. In addition, the semiconductor laser of the present invention, which has high reliability and low chirping, makes it possible to commercialize a 10 Gb / s direct intensity modulation- direct detection optical fiber transmission system of several hundred km without using an external modulator.

【0054】この実施例の変形として、埋め込み層8を
多層ではなく単層のIn0.667 Al0.333 Asで構成し
てもよい。この場合も、活性層4と埋め込み層8の平均
の格子定数(0.58813 nm)は概略等しく、その値は基
板の格子定数とIn0.7 Ga0.3 As歪量子井戸層2の
格子定数の中間の値になる。ミクロには活性層4の側面
に格子不整合があるが、活性層側面がテーパ状に形成さ
れているので、歪みと応力はテーパ部に分散され、上記
の例と同様格子欠陥や不純物の偏析が防止できる。な
お、活性層4と埋め込み層8の平均の格子定数が完全に
一致していない場合においても、その値をInP基板1
と歪量子井戸層2の中間の値にすることにより、活性層
側面に発生する格子不整合の緩和に効果がある。
As a modification of this embodiment, the buried layer 8 may be formed of a single layer of In 0.667 Al 0.333 As instead of a multilayer. Also in this case, the average lattice constant (0.58813 nm) of the active layer 4 and the buried layer 8 is substantially equal, and the value is an intermediate value between the lattice constant of the substrate and the lattice constant of the In 0.7 Ga 0.3 As strained quantum well layer 2. Become. In the micro, there is a lattice mismatch on the side surface of the active layer 4, but since the side surface of the active layer is formed in a tapered shape, strain and stress are dispersed in the tapered portion, and lattice defects and impurity segregation as in the above example. Can be prevented. Even when the average lattice constant of the active layer 4 and the average lattice constant of the buried layer 8 do not completely coincide with each other, the value is taken as the InP substrate 1
And the strain quantum well layer 2 have an effect of reducing lattice mismatch generated on the side surface of the active layer.

【0055】図3は、本発明の第2の実施例に係わる半
導体レーザの概略構造を示す断面図である。この実施例
の半導体レーザの構造と製法は第1の実施例の半導体レ
ーザとほぼ同じであるが、歪量子井戸層2がIn0.48
0.52Asであり、InP埋め込み層17の内部にIn
AlAs層の代わりに厚さ1.56nmのカルコパイライト
構造(正方晶系)のAg0.65Cu0.35GaSe2 の埋め
込み層9が一層挿入されている点で異なっている。発振
波長は光ファイバアンプ励起に適した1.48μmである。
FIG. 3 is a sectional view showing a schematic structure of a semiconductor laser according to a second embodiment of the present invention. The structure and manufacturing method of the semiconductor laser of this embodiment are almost the same as those of the semiconductor laser of the first embodiment, but the strained quantum well layer 2 is made of In 0.48 G
a 0.52 As and the InP buried layer 17 has In
The difference is that a buried layer 9 of Ag 0.65 Cu 0.35 GaSe 2 having a chalcopyrite structure (tetragonal system) with a thickness of 1.56 nm is inserted instead of the AlAs layer. The oscillation wavelength is 1.48 μm suitable for pumping the optical fiber amplifier.

【0056】In0.48Ga0.52As歪量子井戸層2の格
子定数は 0.58485nmで、先の実施例と反対にInP基
板の格子定数 0.58688nmよりも小さい。歪量子井戸層
2が無限に広がっているものと仮定した場合の歪量子井
戸層2の歪みの大きさは、εxx=εyy 0.003471、ε
zz=−2(C12/C11)εxx-0.003422、εyx=εzx
=εxy=0となる。ここで、In0.48Ga0.52Asのポ
アソン比はC12/C11=0.493 を仮定した。歪んだ後の
基板法線方向の歪量子井戸層2の格子間隔は 0.58284n
mとなる。一方、Ag0.65Cu0.35GaSe2 層9の格
子定数はa=0.5845nm,c= 1.092nmであり、その
厚さを1.56nmとすると、そのa軸方向の歪みを無視し
た場合歪んだ状態での歪量子井戸活性層とマクロに基板
法線方向の格子整合がとれる。実際にはAg0.65Cu
0.35GaSe2 層9の歪みもあるので、さらに組成や厚
さを微調整しないと完全な整合はとれない。
The lattice constant of the In 0.48 Ga 0.52 As strained quantum well layer 2 is 0.58485 nm, which is smaller than the lattice constant of the InP substrate, 0.58688 nm, contrary to the previous embodiment. Assuming that the strained quantum well layer 2 extends infinitely, the magnitude of the strain in the strained quantum well layer 2 is ε xx = ε yy = 0.003471 , ε
zz = −2 (C 12 / C 11 ) ε xx = −0.003422 , ε yx = ε zx
= Ε xy = 0. Here, the Poisson's ratio of In 0.48 Ga 0.52 As was assumed to be C 12 / C 11 = 0.493. The lattice spacing of the strained quantum well layer 2 in the normal direction of the substrate after the strain is 0.58284 n
m. On the other hand, the lattice constants of the Ag 0.65 Cu 0.35 GaSe 2 layer 9 are a = 0.5845 nm and c = 1.092 nm, and when the thickness is 1.56 nm, the distortion in the distorted state when the distortion in the a-axis direction is neglected. Lattice matching in the normal direction of the substrate can be obtained between the strained quantum well active layer and the macro. Actually Ag 0.65 Cu
Since there is also distortion in the 0.35 GaSe 2 layer 9, perfect matching cannot be achieved unless the composition and thickness are further fine-tuned.

【0057】また、膜厚平均の格子整合を完全にとって
もミクロには活性層4の側面に格子不整合が存在する。
しかし、このように格子整合が不完全であっても、先の
実施例と同様に活性層4の側面はテーパ状になっている
ため、格子不整合の影響はテーパ部全体に分散され、格
子欠陥や不純物の偏析が防止できる。また、Ag0.65
0.35GaSe2 層9の禁制帯幅はおよそ1.77eVとI
nP基板と比べて大きな値を持つので、電流狭搾や光の
閉じ込めには好ましい方向に働く。カルコパイライト材
料には他にも様々なものがあるので、格子定数、禁制帯
幅などの観点で選択の自由度が大きい。よって、この方
法により、高出力で信頼性の高い埋め込み構造歪量子井
戸半導体レーザが実現できる。
Further, even if the lattice matching of the film thickness average is completely achieved, there is a lattice mismatch on the side surface of the active layer 4 microscopically.
However, even if the lattice matching is imperfect, the side surface of the active layer 4 is tapered similarly to the previous embodiment, so that the influence of the lattice mismatch is dispersed throughout the tapered portion, Defects and segregation of impurities can be prevented. Ag 0.65 C
The forbidden band width of u 0.35 GaSe 2 layer 9 is about 1.77 eV and I
Since it has a larger value than the nP substrate, it works in a preferable direction for current constriction and light confinement. Since there are various other chalcopyrite materials, the degree of freedom of selection is great in terms of lattice constant, forbidden band width, and the like. Therefore, this method can realize a buried structure strained quantum well semiconductor laser with high output and high reliability.

【0058】なお、本発明は上記の実施例に限らず、種
々の変形が可能である。障壁層は必ずしも一定組成であ
る必要はなく、活性層側からクラッド層へ向けて屈折率
が連続的に或いは階段状に小さくなる(禁制帯幅は大き
くなる)GRIN構造であってもよい。量子井戸層も二
重量子井戸であったり、ダブルバリア構造であってもよ
い。活性層材料も、InGaAs,InGaAsP,I
nGaAlAs,InGaAsSb,GaAlAsS
b,GaAlPSb,InAlSb,InGaAlSb
など、種々の組み合わせが可能である。
The present invention is not limited to the above embodiment, but can be variously modified. The barrier layer does not necessarily need to have a constant composition, and may have a GRIN structure in which the refractive index decreases continuously or stepwise from the active layer side toward the cladding layer (the forbidden band width increases). The quantum well layer may also be a double quantum well or a double barrier structure. The active layer material is also InGaAs, InGaAsP, I
nGaAlAs, InGaAsSb, GaAlAsS
b, GaAlPSb, InAlSb, InGaAlSb
For example, various combinations are possible.

【0059】光導波路層の横方向光(及び電流)閉じ込
め構造は上記のSACM構造の他、埋込みヘテロ構造、
半絶縁性InP埋込み構造など様々なタイプが可能であ
る。半導体レーザ場合、分布帰還型(DFB)レーザ,
分布反射型(DBR)レーザ,複数の電極を持つ波長可
変レーザ,複合共振器レーザ,モニタ集積レーザ,光導
波路集積レーザ,双安定レーザなどであってもよい。勿
論、半導体レーザの他、半導体光導波路,半導体光検出
素子(ホトダイオード),半導体スイッチ,半導体方
向性光結合器,半導体光変調器、これらを集積化したフ
ォトニックICなど、さまざまな光半導体素子に本発明
を適用することができる。半導体光導波路などの場合、
ストライプは直線に限られるものでなく、曲がり光導波
路,全反射型光導波路,Y分岐,クロス(X),テーパ
など、側面を持つ様々な光導波路に適用できる。断面テ
ーパ形状も中央部が凹状になっているものに限定される
ものではない。
The lateral light (and current) confinement structure of the optical waveguide layer is, in addition to the above SACM structure, a buried heterostructure,
Various types such as a semi-insulating InP buried structure are possible. For a semiconductor laser, a distributed feedback (DFB) laser,
A distributed reflection (DBR) laser, a tunable laser having a plurality of electrodes, a composite resonator laser, a monitor integrated laser, an optical waveguide integrated laser, a bistable laser, or the like may be used. Of course, other semiconductor laser, a semiconductor optical waveguide, semiconductor photodetecting element (photo diode), semiconductor optical switch, semiconductor optical directional coupler, a semiconductor optical modulator, etc. These photonic IC obtained by integrating a variety of optical semiconductor The present invention can be applied to an element. In the case of a semiconductor optical waveguide,
The stripe is not limited to a straight line, but can be applied to various optical waveguides having side surfaces, such as a bent optical waveguide, a total reflection optical waveguide, a Y-branch, a cross (X), and a taper. The cross-sectional taper shape is not limited to one having a concave central portion.

【0060】次に、第の発明の実施例について説明す
る。
Next, an embodiment of the third invention will be described.

【0061】図4は、本発明の第3の実施例に係わる半
導体レーザの概略構造を示す断面図である。図5はその
製造工程を示す断面図である。この半導体レーザは下記
のようにして作製される。まず、図5(a)に示すよう
に、(001)主面をもつn型InP半導体基板1a上
に有機金属気相成長(MOCVD)法により、厚さ2μ
mのn型InPバッファ層(クラッド)1bを介して、
アンドープInGaAs/InGaAsP多重量子井戸
活性層4を堆積する。活性層4は図5(b)に示すよう
に、厚さ3nmのアンドープIn0.7 Ga0.3 As歪量
子井戸層2を7層、厚さ10nm(但し下端の層3aは
30nm、上端の層3bは100nm)のInPに格子
整合する波長 1.2μm組成のアンドープInGaAsP
層3を挟んだ構造をしている。
FIG. 4 is a sectional view showing a schematic structure of a semiconductor laser according to a third embodiment of the present invention. FIG. 5 is a sectional view showing the manufacturing process. This semiconductor laser is manufactured as follows. First, as shown in FIG. 5A, a 2 .mu.m thick metal film is grown on an n-type InP semiconductor substrate 1a having a (001) main surface by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD).
m n-type InP buffer layer (cladding) 1b,
An undoped InGaAs / InGaAsP multiple quantum well active layer 4 is deposited. As shown in FIG. 5B, the active layer 4 has seven undoped In 0.7 Ga 0.3 As strained quantum well layers 2 having a thickness of 3 nm and a thickness of 10 nm (however, the lower layer 3a is 30 nm, and the upper layer 3b is Undoped InGaAsP having a wavelength of 1.2 μm and lattice-matched to InP (100 nm)
It has a structure sandwiching the layer 3.

【0062】この上端のInGaAsP層3bの上に回
析格子を形成した後、図5(c)に示すように、その上
にSiO2 膜15を堆積し、通常のPEP技術によりパ
ターニングを行い、活性領域となる幅2μmのストライ
プの両サイドを幅1μmずつエッチングで除去する。こ
のとき、活性層4のエッチングにSH系のエッチング液
(硫酸,過酸化水素水,水の混合液)を用いると、図5
(c)に示すような中央部が凹んだテーパ状の活性層断
面が得られる。テーパ部の幅は片側 0.4μmであり、中
央部の活性層幅は1μmである。
After forming a diffraction grating on the InGaAsP layer 3b at the upper end, as shown in FIG. 5C, an SiO 2 film 15 is deposited thereon and patterned by a usual PEP technique. Both sides of the stripe having a width of 2 μm to be active regions are removed by etching at a width of 1 μm. At this time, if an SH-based etchant (a mixture of sulfuric acid, hydrogen peroxide and water) is used for etching the active layer 4, FIG.
As shown in (c), a tapered active layer cross section with a concave central portion is obtained. The width of the tapered portion is 0.4 μm on one side, and the width of the active layer at the center is 1 μm.

【0063】次いで、図5(d)に示すように、SiO
2 膜15を除去した後、MOCVD法により全体を厚さ
2μm、アクセプタ濃度2×1018cm-3のp型InP
クラッド層5と、厚さ 0.8μmのp型InGaAsPコ
ンタクト層6で埋め込む。この埋込み成長の間に、再成
長界面から活性層4へp型ドーパントである亜鉛が拡散
する。良く知られているように、半導体超格子に亜鉛な
どの不純物を拡散すると III族原子の相互拡散が促進さ
れ、無秩序化が起こる。その結果、活性層4の側面の亜
鉛拡散領域は歪量子井戸層2と無歪みの障壁層3の中間
組成の領域となる。
Next, as shown in FIG.
2 After removing the film 15, a p-type InP having a thickness of 2 μm and an acceptor concentration of 2 × 10 18 cm -3 is entirely formed by MOCVD.
The cladding layer 5 and a 0.8 μm thick p-type InGaAsP contact layer 6 are embedded. During the burying growth, zinc as a p-type dopant diffuses from the regrowth interface into the active layer 4. As is well known, diffusion of impurities such as zinc into a semiconductor superlattice promotes interdiffusion of group III atoms, resulting in disorder. As a result, the zinc diffusion region on the side surface of the active layer 4 is a region having an intermediate composition between the strained quantum well layer 2 and the unstrained barrier layer 3.

【0064】この混晶化はp型InPクラッド層5と活
性層4の間にも起こるが、側面の形状がテーパ状になっ
ていることも作用して、活性層側面の中間組成の領域は
外側ほどInPの組成に近い組成変化領域27となる。
側面の格子不整合は、この組成変化領域27全体に分散
されるので、応力の極端な集中が緩和され、転位などの
欠陥の発生が防止される。なお、上部からの亜鉛の活性
層4への拡散はInGaAsP層3bにより阻止され
る。
Although this mixed crystal formation also occurs between the p-type InP cladding layer 5 and the active layer 4, the region of the intermediate composition on the side surface of the active layer is affected by the tapered side surface. The more outward, the composition change region 27 closer to the composition of InP.
Since the lattice mismatch on the side surface is dispersed throughout the composition change region 27, extreme concentration of stress is reduced, and defects such as dislocations are prevented from occurring. The diffusion of zinc from above into the active layer 4 is prevented by the InGaAsP layer 3b.

【0065】その後、コンタクト層6の上にp型オーミ
ック電極(Ti/Pt/Au)11を、基板1の下部に
n型オーミック電極(Au/Ge)12を形成し、コン
タクト層6とp型クラッド層5を順次選択エッチングに
より活性層4を含む幅10μmのメサに形成する。さら
にSH系のエッチング液により外側の活性層を除去する
ことにより、図4に示すようなマッシュルーム型の断面
形状を持つ自己整合挟搾メサ(SACM)構造の半導体
レーザ・ウェハができる。
Thereafter, a p-type ohmic electrode (Ti / Pt / Au) 11 is formed on the contact layer 6, and an n-type ohmic electrode (Au / Ge) 12 is formed below the substrate 1. The clad layer 5 is sequentially formed into a 10 μm wide mesa including the active layer 4 by selective etching. Further, by removing the outer active layer with an SH-based etchant, a semiconductor laser wafer having a self-aligned pinching mesa (SACM) structure having a mushroom-shaped cross-sectional shape as shown in FIG. 4 can be obtained.

【0066】このウェハは長さ1mmのバー状にへき開
された後、幅300μmのチップに切り出され、モジュ
ールに実装される(図では省略)。発振波長はおよそ1.
55μmである。上記のように活性層側面の格子不整合に
もかかわらず転位の発生が抑制されているので、低しき
い値,高出力,高速,低チャープ,狭スペクトル線幅で
信頼性の高い歪量子井戸分布帰還型半導体レーザが実現
される。
This wafer is cleaved into a bar having a length of 1 mm, cut into chips having a width of 300 μm, and mounted on a module (not shown). The oscillation wavelength is about 1.
55 μm. As described above, the occurrence of dislocations is suppressed in spite of the lattice mismatch on the side of the active layer, so that a low threshold, high output, high speed, low chirp, narrow spectral line width and highly reliable strained quantum wells are used. A distributed feedback semiconductor laser is realized.

【0067】この実施例では亜鉛の拡散はオーバークロ
ース工程の中で行われているが、オーバーグロースとは
別の独立の工程として拡散を行ってもよい。また、拡散
される不純物は亜鉛に限られるものではなく、例えばカ
ドミウム,マグネシウム,ベリリウム,炭素,シリコン
など、他の不純物であってもよい。
In this embodiment, the diffusion of zinc is carried out in the over-closing step, but the diffusion may be carried out as an independent step separate from the over-growth step. Further, the impurity to be diffused is not limited to zinc, but may be other impurities such as cadmium, magnesium, beryllium, carbon, and silicon.

【0068】次に、図6を用いて第4の実施例の半導体
レーザの製造方法を説明する。最初の結晶成長から活性
層のパターニングまでの工程は図5(a)〜(c)と同
じである。その後、図6(a)に示すように、活性層の
パターニングに用いたSiO2 膜15を残したまま、活
性層を除去した部分にIn0.52Al0.48As層26aと
InP層26bの多層構造からなる埋込み層26を選択
成長する。この埋込み層26は活性層4よりも禁制帯幅
が大きいので、活性層4を介さない電流リークを防止す
る役割を担う。
Next, a method of manufacturing the semiconductor laser according to the fourth embodiment will be described with reference to FIG. The steps from the initial crystal growth to the patterning of the active layer are the same as those shown in FIGS. Then, as shown in FIG. 6 (a), while the SiO 2 film 15 used for patterning the active layer is left, the portion where the active layer is removed has a multilayer structure of In 0.52 Al 0.48 As layer 26a and InP layer 26b. Buried layer 26 is selectively grown. Since the buried layer 26 has a larger forbidden band width than the active layer 4, the buried layer 26 has a role of preventing a current leak without passing through the active layer 4.

【0069】このとき、SiO2 膜15の上ではInの
方がAlより拡散距離が長いので、In0.52Al0.48
s層26aの成長時に、SiO2 膜15に近い部分には
AlよりもInが過剰に供給される。この結果、In
0.52Al0.48As層26aはSiO2 膜15に近い部分
28でIn/(In+Al)比が0.52より大きくなって
いる。活性層4に近づくにつれてIn/(In+Al)
比が0.52より大きくなり、格子定数も大きくなるので、
埋込み層26の平均の格子定数は活性層4の平均の格子
定数に近づく。即ち、この組成変化領域28は、側面が
テーパになっている効果と合わせて、活性層側面の格子
不整合の影響を分散させる方向に働く。この結果、応力
の集中が緩和され転位などの欠陥の発生を抑制できる。
活性層4に近い部分の埋め込み層26の平均の格子定数
は、結晶成長条件、In0.52Al0.48As層26aの厚
さ、層数などにより調整することができる。
At this time, since the diffusion distance of In is longer than that of Al on the SiO 2 film 15, In 0.52 Al 0.48 A
During the growth of the s layer 26a, the portion near the SiO 2 film 15 is supplied with In more than Al. As a result, In
The In / (In + Al) ratio of the 0.52 Al 0.48 As layer 26a in the portion 28 near the SiO 2 film 15 is larger than 0.52. In / (In + Al) as approaching the active layer 4
Since the ratio becomes larger than 0.52 and the lattice constant also becomes larger,
The average lattice constant of the buried layer 26 approaches the average lattice constant of the active layer 4. That is, the composition change region 28 works in a direction to disperse the influence of the lattice mismatch on the side surface of the active layer, in addition to the effect that the side surface is tapered. As a result, the concentration of stress is reduced, and the occurrence of defects such as dislocations can be suppressed.
The average lattice constant of the buried layer 26 near the active layer 4 can be adjusted by the crystal growth conditions, the thickness of the In 0.52 Al 0.48 As layer 26a, the number of layers, and the like.

【0070】その後、前の実施例と同様にSiO2 膜1
5を除去してp−InPクラッド層5、p−InGaA
sPコンタクト層6を成長し、電極形成やメサの形成を
行うことで、図6(b)に示すような半導体レーザが完
成する。この実施例でも、活性層側面の格子不整合に起
因する転位の発生が有効に抑制されることから、高性能
で信頼性の高い半導体レーザが実現される。また、逆
に、活性層の方を埋込み層の後から選択成長で形成する
組合せも考えられる。
Thereafter, the SiO 2 film 1 is formed in the same manner as in the previous embodiment.
5 to remove the p-InP cladding layer 5, p-InGaAs
By growing the sP contact layer 6 and forming an electrode and a mesa, a semiconductor laser as shown in FIG. 6B is completed. Also in this embodiment, since the generation of dislocations due to lattice mismatch on the side of the active layer is effectively suppressed, a semiconductor laser with high performance and high reliability is realized. Conversely, a combination in which the active layer is formed by selective growth after the buried layer is also conceivable.

【0071】量子井戸レーザの特性は、量子井戸層の数
に依存する。図7にIn0.7 Ga0.3 As/InGaA
sP系の歪量子井戸レーザの微分利得の井戸層数依存性
の計算例を示す。良好な特性を得るためにはある程度の
層数が必要であるが、本実施例のような側面の格子不整
合の影響を緩和する手段を講じないと、層数の多い(合
計膜厚が厚い)場合には側面近傍に深刻な転位を生じる
ことになる。本実施例の方法によれば、活性層側面の転
位の発生なしに、さらに合計膜厚を厚くすることも可能
である。この実施例の構造の採用より、しきい値が低
く、線幅増大係数(αパラメータ)が小さく、微分利得
が大きく、信頼性の高い半導体レーザが安定して得られ
る。この優れた特性の歪量子井戸半導体レーザは、例え
ば、超高速光通信やコヒーレント光通信の光源として、
或いは光増幅器励起用高出力光源として使われる。
The characteristics of the quantum well laser depend on the number of quantum well layers. FIG. 7 shows In 0.7 Ga 0.3 As / InGaAs.
4 shows a calculation example of the dependence of the differential gain of an sP-based strained quantum well laser on the number of well layers. To obtain good characteristics, a certain number of layers is required. However, unless measures are taken to alleviate the influence of the lattice mismatch on the side as in this embodiment, the number of layers is large (the total film thickness is large). In this case, serious dislocation occurs near the side surface. According to the method of this embodiment, it is possible to further increase the total film thickness without occurrence of dislocation on the side surface of the active layer. By adopting the structure of this embodiment, a highly reliable semiconductor laser having a low threshold value, a small line width increase coefficient (α parameter), a large differential gain, and a high reliability can be obtained. This strained quantum well semiconductor laser with excellent characteristics, for example, as a light source for ultra-high-speed optical communication and coherent optical communication,
Alternatively, it is used as a high-power light source for exciting an optical amplifier.

【0072】なお、本発明は上記の実施例に限らず、種
々の変形が可能である。各半導体層は必ずしも一定組成
である必要はなく、例えば光導波層は活性層側からクラ
ッド層へ向けて屈折率が連続的に、或いは階段状に小さ
くなる(禁制帯幅は大きくなる)GRIN構造であって
もよい。光導波路層の横方向光(及び電流)閉じ込め構
造は上記のSACM構造の他、埋込みヘテロ構造、半絶
縁性InP埋込み構造など様々なタイプが可能である。
側面の形状も上記の実施例のような中央部のくびれたテ
ーパ形状に限られるものでなく、垂直でも、上部の狭い
台形でも、下部の狭い逆台形でも、その他の形状でもか
まわない。
The present invention is not limited to the above embodiment, but can be variously modified. Each semiconductor layer does not necessarily have to have a fixed composition. For example, the optical waveguide layer has a GRIN structure in which the refractive index decreases continuously or stepwise from the active layer side toward the cladding layer (the forbidden band width increases). It may be. As the lateral light (and current) confinement structure of the optical waveguide layer, various types such as a buried hetero structure and a semi-insulating InP buried structure are possible in addition to the SACM structure described above.
The shape of the side surface is not limited to the constricted tapered shape of the central portion as in the above embodiment, and may be vertical, a trapezoid having a narrow upper portion, an inverted trapezoid having a narrow lower portion, or other shapes.

【0073】半導体レーザの場合、分布帰還型(DF
B)レーザのほかに、ファブリペロ(FP)レーザ、分
布反射型(DBR)レーザ、複数の電極を持つ波長可変
レーザ、複合共振器レーザ、モニタ集積レーザ、光導波
路集積レーザ、双安定レーザなどであってもよい。もち
ろん、半導体レーザの他、半導体レーザ光増幅器,半導
体光導波路,半導体光検出素子(ホトダイオード),半
導体光スイッチ,半導体方向性光結合器,半導体光変調
器、これらを集積化したフォトニックICなど、さまざ
まな光半導体素子、或いはpseudomorphic HEMTやヘテロ
接合バイポーラトランジスタなどの電子デバイスに本発
明を適用することができる。
In the case of a semiconductor laser, a distributed feedback type (DF
B) In addition to lasers, Fabry-Perot (FP) lasers, distributed reflection (DBR) lasers, tunable lasers with multiple electrodes, composite resonator lasers, monitor integrated lasers, optical waveguide integrated lasers, bistable lasers, etc. You may. Of course, in addition to semiconductor lasers, semiconductor laser optical amplifiers, semiconductor optical waveguides, semiconductor photodetectors (photodiodes), semiconductor optical switches, semiconductor directional optical couplers, semiconductor optical modulators, photonic ICs integrating these, etc. The present invention can be applied to various optical semiconductor elements or electronic devices such as pseudomorphic HEMTs and heterojunction bipolar transistors.

【0074】第1の領域の形状は直線ストライプに限ら
れるものではなく、例えば矩形、多角形、円形、櫛形、
Y分岐、クロス(X)、曲線など、任意の形状の領域に
適用することができる。第1の領域が他の領域に完全に
囲まれていない場合、第2の領域にも歪半導体層が存在
する場合、第3の領域がある場合などであっても、歪半
導体層を含む各領域の側面に組成傾斜領域を作ること
で、本発明の作用効果が得られることは明らかであろ
う。作製方法もMOCVD法に限定されるものではな
い。例えばALE(原子層エピタキシ)など他の成長方
法であっても構わないし、各領域の作成順序はどちらが
先であっても構わない。
The shape of the first region is not limited to a linear stripe, and may be, for example, a rectangle, a polygon, a circle, a comb,
The present invention can be applied to a region having an arbitrary shape such as a Y-branch, a cross (X), and a curve. Even when the first region is not completely surrounded by other regions, when the strained semiconductor layer also exists in the second region, or when the third region is present, each of the regions including the strained semiconductor layer is included. It will be apparent that the effect of the present invention can be obtained by forming the composition gradient region on the side surface of the region. The manufacturing method is not limited to the MOCVD method. For example, another growth method such as ALE (atomic layer epitaxy) may be used, and the formation order of each region may be any one.

【0075】材料もInGaAs,GaAlAs,In
GaAsP,InGaAlAs,InGaAlP,In
GaAsSb,GaAlAsP,GaAlAsSb,G
aAlPSb,InAlPSb,InGaAlSb,A
lGaNなどのIII −V族半導体混晶のほか、SiG
e,SiC,ZnSSe,CdSSe,HgCdTe,
カルコパイライト材料など、種々の材料の組み合わせが
可能である。
The material is also InGaAs, GaAlAs, In
GaAsP, InGaAlAs, InGaAlP, In
GaAsSb, GaAlAsP, GaAlAsSb, G
aAlPSb, InAlPSb, InGaAlSb, A
In addition to III-V semiconductor mixed crystals such as lGaN, SiG
e, SiC, ZnSSe, CdSSe, HgCdTe,
Various material combinations such as chalcopyrite materials are possible.

【0076】次に、第の発明の実施例について説明す
る。
Next, an embodiment of the fourth invention will be described.

【0077】図8は、本発明の第5の実施例に係わる半
導体レーザの概略構造を示す断面図である。この半導体
レーザは下記のようにして作製される。(001)主面
をもつn型InP半導体基板1a上に有機金属気相成長
(MOCVD)法により、厚さ2μmのn型InPバッ
ファ層(クラッド)1bを介して、アンドープInGa
As/InGaAsP多重量子井戸活性層4を積層す
る。
FIG. 8 is a sectional view showing a schematic structure of a semiconductor laser according to a fifth embodiment of the present invention. This semiconductor laser is manufactured as follows. An undoped InGa film is formed on a (001) n-type InP semiconductor substrate 1a having a main surface by a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method via an n-type InP buffer layer (cladding) 1b having a thickness of 2 μm.
An As / InGaAsP multiple quantum well active layer 4 is laminated.

【0078】活性層4は図9に示すように、厚さ 4.206
nmのアンドープIn0.7 Ga0.3As歪み量子井戸層
2の上下を、厚さ 2.005nmのアンドープIn0.48Ga
0.52As0.780.22歪障壁層3aで挟んだ積層構造を7
層、厚さ10nm(但し下端の層は30nm、上端の層
70nm)のInPに格子整合する波長 1.2μm組成
のアンドープInGaAsP層3bで挟んだ構造をして
いる。この上端のInGaAsP層3bの上に回析格子
を形成した後、上にSiO2 膜を堆積し、通常のPEP
技術によりパターニングを行い、活性領域となる幅2μ
mのストライプの両サイドを幅1μmずつエッチングで
除去する。このとき、活性層4のエッチングにSH系の
エッチング液(硫酸、過酸化水素水、水の混合液)を用
いると、図8に示すような中央部が凹んだテーパ状の活
性層断面が得られる。テーパ部の幅は片側 0.4μmであ
り、中央部の活性層幅は1μmである。
The active layer 4 has a thickness of 4.206 as shown in FIG.
The upper and lower sides of the undoped In 0.7 Ga 0.3 As strained quantum well layer 2 with a thickness of 2.005 nm are undoped In 0.48 Ga
The laminated structure sandwiched between the 0.52 As 0.78 P 0.22 strain barrier layers 3a is
The layer has a structure of being sandwiched between undoped InGaAsP layers 3b having a wavelength of 1.2 μm and lattice-matched to InP having a thickness of 10 nm (the lower layer is 30 nm and the upper layer is 70 nm). After forming a diffraction grating on the InGaAsP layer 3b at the upper end, an SiO 2 film is deposited thereon, and a normal PEP is formed.
Patterned by technology, width 2μ to be active area
Both sides of the m-th stripe are removed by etching at a width of 1 μm. At this time, when an SH-based etchant (a mixture of sulfuric acid, hydrogen peroxide, and water) is used for etching the active layer 4, a tapered active layer cross section having a concave central portion as shown in FIG. 8 is obtained. Can be The width of the tapered portion is 0.4 μm on one side, and the width of the active layer at the center is 1 μm.

【0079】次いで、SiO2 膜を除去した後、MOC
VD法により全体を厚さ2μmのp型InPクラッド層
5、厚さ 0.8μmのp型InGaAsPコンタクト層6
で埋め込む。コンタクト層6の上にはp型オーミック電
極(Ti/Pt/Au)11を、基板1の下部にはn型
オーミック電極(Au/Ge)12を形成する。コンタ
クト層6とp型クラッド層5を順次選択エッチングによ
り活性層4を含む幅10μmのメサに形成する。さら
に、SH系のエッチング液により外側の活性層を除去す
ると、図8に示すようなマッシュルーム型の断面形状を
持つ自己整合挟搾メサ(SACM)構造の半導体レーザ
になる。このウェハは長さ1mmのバー状にへき開され
た後、幅300μmのチップに切り出され、モジュール
に実装される(図では省略)。発振波長はおよそ1.55μ
mである。
Next, after removing the SiO 2 film, the MOC
A p-type InP cladding layer 5 having a thickness of 2 μm and a p-type InGaAsP contact layer 6 having a thickness of 0.8 μm by the VD method.
Embed with A p-type ohmic electrode (Ti / Pt / Au) 11 is formed on the contact layer 6, and an n-type ohmic electrode (Au / Ge) 12 is formed below the substrate 1. The contact layer 6 and the p-type cladding layer 5 are sequentially formed into a 10 μm-wide mesa including the active layer 4 by selective etching. Further, when the outer active layer is removed with an SH-based etchant, a semiconductor laser having a self-aligned pinching mesa (SACM) structure having a mushroom-shaped cross-sectional shape as shown in FIG. 8 is obtained. The wafer is cleaved into a bar having a length of 1 mm, cut into chips having a width of 300 μm, and mounted on a module (not shown). Oscillation wavelength is about 1.55μ
m.

【0080】InP基板1の格子定数は 0.58688nmで
あるのに対して、In0.7 Ga0.3As歪量子井戸層2
の格子定数は 0.59381nm、In0.48Ga0.52As0.78
0.22歪障壁層3aの格子定数は 0.57986nmである。
ここで、側面のない無限平面を仮定すれば、歪量子井戸
層2と歪障壁3aはそれぞれ 4.206nm、 2.005nmと
薄いので弾性的に歪む。歪量子井戸層2の歪みの大きさ
は、εxx=εyy=-0.01167、εzz=−2(C12/C11
εxx=0.011974、εyz=εzx=εxy=0となる。ここ
で、C12/C11=0.504 はIn0.7 Ga0.3 Asのポア
ソン比である。
While the lattice constant of the InP substrate 1 is 0.58688 nm, the In 0.7 Ga 0.3 As strained quantum well layer 2
Has a lattice constant of 0.59381 nm, In 0.48 Ga 0.52 As 0.78
The lattice constant of the P 0.22 strain barrier layer 3a is 0.57986 nm.
Here, assuming an infinite plane without side surfaces, the strained quantum well layer 2 and the strain barrier 3a are elastically distorted because they are as thin as 4.206 nm and 2.005 nm, respectively. The magnitude of the strain in the strained quantum well layer 2 is as follows: ε xx = ε yy = −0.01167, ε zz = −2 (C 12 / C 11 )
ε xx = 0.011974 and ε yz = ε zx = ε xy = 0. Here, C 12 / C 11 = 0.504 is the Poisson's ratio of In 0.7 Ga 0.3 As.

【0081】一方、歪み障壁層3aの歪み大きさは、ε
xx=εyy 0.012106 、εzz=−2(C12/C11)εxx
=-0.012106 、εyz=εzx=εxy=0となる。ここで、
In0.7 Ga0.52As0.780.22のポアソン比は正確に
求められていないので、C12/C11=0.5 を仮定した。
この結果、歪んだIn0.7 Ga0.3 As歪量子井戸層2
の格子定数は、xy面内でInPに等しくなり、z方向
の格子定数は 0.60092nmとなる。厚さ 4.206nmは7
単位格子層に相当する。一方、歪んだIn0.48Ga0.52
As0.780.22歪障壁層3aの格子定数は、xy面内で
InPに等しくなり、z方向の格子定数は 0.57284nm
となる。厚さ 2.005nmは 3.5単位格子層に相当する。
On the other hand, the strain magnitude of the strain barrier layer 3a is ε
xx = ε yy = 0.012106 , ε zz = −2 (C 12 / C 11 ) ε xx
= −0.012106, ε yz = ε zx = ε xy = 0. here,
Since the Poisson's ratio of In 0.7 Ga 0.52 As 0.78 P 0.22 has not been determined accurately, it was assumed that C 12 / C 11 = 0.5.
As a result, the strained In 0.7 Ga 0.3 As strained quantum well layer 2
Is equal to InP in the xy plane, and the lattice constant in the z direction is 0.60092 nm. The thickness 4.206nm is 7
It corresponds to a unit lattice layer. On the other hand, distorted In 0.48 Ga 0.52
The lattice constant of the As 0.78 P 0.22 strain barrier layer 3a is equal to InP in the xy plane, and the lattice constant in the z direction is 0.57284 nm.
Becomes A thickness of 2.005 nm corresponds to a 3.5 unit lattice layer.

【0082】このときの活性層4の側面の〈001〉
向(Z)方向の格子面のずれの大きさを、図10に示
す。格子面のずれは最大 0.04914nmで、δmin =0.57
284 nmの1/4の 0.14321nmより十分に小さく、式
(2)を満たす。従って、横ずれを伴う(001)同族
原子面のずれによる転位を防止することができる。勿
論、ALE(原子層エピタキシ)モードでない通常のM
OCVDでは層厚や組成を完全に制御することは困難な
ので、各歪半導体層の厚さに若干のずれが生じることも
考えられる
FIG. 10 shows the magnitude of the shift of the lattice plane in the <001> direction (Z) direction on the side surface of the active layer 4 at this time. The maximum deviation of the lattice plane is 0.04914 nm, and δ min = 0.57
It is sufficiently smaller than 0.14321 nm, which is 1/4 of 284 nm, and satisfies the expression (2). Therefore, it is possible to prevent the dislocation due to the displacement of the (001) homologous atomic plane accompanied by the lateral displacement. Of course, the normal M which is not the ALE (atomic layer epitaxy) mode
Since it is difficult to completely control the layer thickness and the composition by OCVD, it is conceivable that a slight shift occurs in the thickness of each strained semiconductor layer.

【0083】また、上記の格子定数やC12/C11の値が
正確でない場合もある。しかし、いずれの場合において
も7層累積のZ方向格子面のずれの大きさが 0.28642n
mを越えないように、即ち式(1)を満たすように制御
できれば、単位格子面のずれに相当する転位の発生を防
止することができる。ミクロには活性層4の面に小さな
格子不整合が残るが、活性層側面がテーパ状に形成され
ているので、歪みと応力はテーパ部に分散され緩和さ
れ、各半導体層は側面の境界部においても弾性的に歪む
ことができる。従って、歪半導体層2,3aの側面でも
転位などの格子欠陥や不純物の偏析が防止でき、特性や
信頼性の劣化がない埋め込み構造歪量子井戸レーザが実
現できる。
In some cases, the values of the lattice constants and C 12 / C 11 are not accurate. However, in any case, the magnitude of the deviation of the Z-direction lattice plane in the seven layers is 0.28642n.
If the control is performed so as not to exceed m, that is, to satisfy the expression (1), it is possible to prevent the occurrence of dislocations corresponding to the displacement of the unit lattice plane. Microscopically, a small lattice mismatch remains on the surface of the active layer 4, but since the side surface of the active layer is formed in a tapered shape, strain and stress are dispersed and relaxed in the tapered portion, and each semiconductor layer is connected to the boundary portion of the side surface. Can also be elastically distorted. Therefore, lattice defects such as dislocations and segregation of impurities can be prevented also on the side surfaces of the strained semiconductor layers 2 and 3a, and a buried structure strained quantum well laser without deterioration in characteristics and reliability can be realized.

【0084】量子井戸レーザの特性は、量子井戸層の数
に依存する。図7にIn0.7 Ga0.3 As/InGaA
sP系の歪量子井戸レーザの微分利得の井戸層数依存性
の計算例を示す。良好な特性を得るためにはある程度の
層数が必要であるが、本実施例のような側面の格子不整
合の影響を緩和する手段を講じないと、層数の多い(合
計膜厚が厚い)場合には側面近傍に深刻な転位を生じる
ことになる。例えば図8の例でもIn0.48Ga0.52As
0.780.22歪障壁層3aが無かったと仮定すると、側面
の計算上の累積不整合量は 0.68796nmとなり一単位格
子層の大きさを越えるから、まず確実に側面に転位が発
生することになる。本発明の方法によれば、活性層側面
の転位の発生なしに、さらに合計膜厚を厚くすることも
可能である。
The characteristics of the quantum well laser depend on the number of quantum well layers. FIG. 7 shows In 0.7 Ga 0.3 As / InGaAs.
4 shows a calculation example of the dependence of the differential gain of an sP-based strained quantum well laser on the number of well layers. To obtain good characteristics, a certain number of layers is required. However, unless measures are taken to alleviate the influence of the lattice mismatch on the side as in this embodiment, the number of layers is large (the total film thickness is large). In this case, serious dislocation occurs near the side surface. For example, in the example of FIG. 8, In 0.48 Ga 0.52 As
Assuming that there is no 0.78 P 0.22 strain barrier layer 3a, the calculated cumulative mismatch on the side surface is 0.68796 nm, which exceeds the size of one unit lattice layer, so that dislocations are surely generated on the side surface first. According to the method of the present invention, it is possible to further increase the total film thickness without occurrence of dislocation on the side of the active layer.

【0085】この実施例の構造の採用より、しきい値が
低く、線幅増大係数(αパラメータ)〜2の歪量子井戸
の優れた特性が安定して得られ、その結果、10Gb/
s変調時(しきい値バイアス、変調電流40mApp)の
チャーピング(−20dB平均スペクトル幅)が 0.3n
m以下の優れた特性の半導体レーザが実現できる。信頼
性が高くチャーピングの小さい本発明の半導体レーザに
より、外部変調器を使わない10Gb/s直接強度変調
−直接検波方式の数百km光ファイバ伝送システムの実
用化が可能になる。
With the adoption of the structure of this embodiment, excellent characteristics of a strained quantum well having a lower threshold value and a line width enhancement factor (α parameter) of 22 can be obtained stably, and as a result, 10 Gb /
Chirping (-20 dB average spectral width) during s modulation (threshold bias, modulation current 40 mApp) is 0.3 n
m can be realized. The semiconductor laser of the present invention, which has high reliability and low chirping, enables the practical application of a 10 Gb / s direct intensity modulation-direct detection type several hundred km optical fiber transmission system without using an external modulator.

【0086】この実施例の変形として、上下両端を除く
障壁層を歪層3aと無歪層3bの多層構造ではなく単層
の歪InGaAsP層で構成してもよい。この場合も歪
InGaAsP障壁層の組成とxy面上で基板に格子整
合した状態での厚さを式(1)ないし(2)を満たすよ
うに設定することで同様の効果を得ることができる。
As a modification of this embodiment, the barrier layer except for the upper and lower ends may be formed of a single-layer strained InGaAsP layer instead of the multilayer structure of the strained layer 3a and the non-strained layer 3b. Also in this case, the same effect can be obtained by setting the composition of the strained InGaAsP barrier layer and the thickness on the xy plane in a lattice-matched state with the substrate so as to satisfy the equations (1) and (2).

【0087】なお、本発明は上記の実施例に限らず、第
の発明の変形例で説明したような種々の変形が可能で
ある。また、第1の領域が他の領域に完全に囲まれてい
ない場合、第2の領域にも歪半導体層が存在する場合、
第3の領域がある場合などであっても、歪半導体層を含
む各領域の側面において格子面のずれが式(1)を満た
すように各層のずみ量、厚さ、位置を設定することで、
本発明の作用効果が得られることは明らかであろう。こ
のほか、歪を含む量子細線や量子箱の側面の格子不整合
の影響を緩和するのに応用することができる。
The present invention is not limited to the above embodiment, but
Various modifications as described in the modification of the third invention are possible. Further, when the first region is not completely surrounded by other regions, when the strained semiconductor layer also exists in the second region,
Even when there is a third region, the amount, thickness, and position of each layer are set so that the displacement of the lattice plane satisfies Expression (1) on the side surface of each region including the strained semiconductor layer. ,
It will be apparent that the operation and effect of the present invention can be obtained. In addition, it can be applied to alleviate the influence of lattice mismatch on the side of a quantum wire or quantum box containing strain.

【0088】図11は、本発明の第6の実施例に係わる
半導体レーザの概略構造を示す断面図である。この半導
体レーザ下記のようにして作製される。(001)主面
を持つn型InP半導体基板1a上に有機金属気相成長
(MOCVD)法により、厚さ2μmのn型InPバッ
ファ層(クラッド)1bを介して、アンドープInGa
AsP層光導波層3a、アンドープInAs/InGa
AsP多重量子井戸活性層4、アンドープInGaAs
P層光導波層3bを順に積層する。活性層4は、図12
に示すように、厚さ2nmのアンドープInAs歪量子
井戸層2を12層、厚さ5nmのアンドープInGaA
sP障壁層3を挟んで積層したものである。InGaA
sP層光導波層3bの上に回析格子を形成した後、上に
SiO2膜を堆積し、通常のPEP技術によりパターニ
ングを行い、活性領域となる幅2μmのストライプの両
サイドを幅1μmづつエッチングで除去する。
FIG. 11 is a sectional view showing a schematic structure of a semiconductor laser according to a sixth embodiment of the present invention. This semiconductor laser is manufactured as described below. Undoped InGa is deposited on a (001) n-type InP semiconductor substrate 1a having a main surface by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) via an n-type InP buffer layer (cladding) 1b having a thickness of 2 μm.
AsP layer optical waveguide layer 3a, undoped InAs / InGa
AsP multiple quantum well active layer 4, undoped In Ga As
The P-layer optical waveguide layer 3b is sequentially laminated. Active layer 4, FIG. 12
As shown in FIG. 3, 12 undoped InAs strained quantum well layers 2 each having a thickness of 2 nm and undoped InGaAs having a thickness of 5 nm are provided.
The sP barrier layer 3 is interposed therebetween. InGaAs
After forming a diffraction grating on the sP layer optical waveguide layer 3b, an SiO 2 film is deposited thereon and patterned by a usual PEP technique, and both sides of a stripe having a width of 2 μm to be an active region are each 1 μm wide. Remove by etching.

【0089】次いで、SiO2 膜を除去した後、MOC
VD法により全体を厚さ2μmのp型InPクラッド層
5、厚さ 0.8μmのp型InGaAsPコンタクト層6
で埋め込む。コンタクト層6の上にp型オーミック電極
(Ti/Pt/Au)11、基板1の下部にはn型オー
ミック電極(Au/Ge)12を形成する。そして、コ
ンタクト層6とp型クラッド層5を選択エッチングによ
り活性層4を含む幅10μmのメサに形成する。さら
に、SH系のエッチング液により外側の活性層を除去す
ることにより、図11に示すようなマッシュルーム型の
断面形状を持つ自己整合挟搾メサ(SACM)構造の半
導体レーザになる。このウェハは長さ1mmのバー状に
へき開された後、幅300μmのチップに切り出され、
モジュールに実装される(図では省略)。
Next, after removing the SiO 2 film, the MOC
A p-type InP cladding layer 5 having a thickness of 2 μm and a p-type InGaAsP contact layer 6 having a thickness of 0.8 μm by the VD method.
Embed with A p-type ohmic electrode (Ti / Pt / Au) 11 is formed on the contact layer 6, and an n-type ohmic electrode (Au / Ge) 12 is formed below the substrate 1. Then, the contact layer 6 and the p-type clad layer 5 are formed into a 10 μm-wide mesa including the active layer 4 by selective etching. Further, by removing the outer active layer with an SH-based etchant, a semiconductor laser having a self-aligned pinching mesa (SACM) structure having a mushroom-shaped cross section as shown in FIG. 11 is obtained. This wafer is cleaved into a bar with a length of 1 mm, and then cut into chips having a width of 300 μm.
Mounted on the module (omitted in the figure).

【0090】ここで、InGaAsP障壁層3の組成
は、図12に示すように、その禁制帯端が歪InAs層
2の軽い正孔に対する禁制帯端ELHとおおむね一致する
ように選ぶものとする。現状ではまだInP基板上の歪
In1-u Gau Asv 1-v (0≦x≦1,0≦y≦
1)のバンドアライメントは完全には知られていない。
しかし、InPに挟まれた歪InAs層は軽い正孔に対
してInPに挟まれたIn0.53Ga0.47As層の場合よ
りも浅い量子井戸を形成することが分かっているので、
上記の条件を満たす無歪みのIn1-x Gax Asy
1-y 組成(0<x<0.47,0<y<1)が必ず存在す
る。
[0090] Here, the composition of InGaAsP barrier layer 3, as shown in FIG. 12, it is assumed that selected so that the forbidden band edge is generally coincident with the forbidden band edge E LH for light holes distortion InAs layer 2 . Distortion still on the InP substrate at present In 1-u Ga u As v P 1-v (0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦
The band alignment of 1) is not completely known.
However, since the strain InAs layer sandwiched InP have been found to form a shallow quantum wells than for the In 0.53 Ga 0.47 As layer sandwiched InP against light holes,
In the above condition is satisfied unstrained 1-x Ga x As y P
There is always a 1-y composition (0 <x <0.47, 0 <y <1).

【0091】このようにすると、軽い正孔に対しては障
壁ができないため、軽い正孔は各井戸層2と障壁層3を
自由に移動することができる。しかも、軽い正孔は井戸
層内部で重い正孔と波動関数の重なり積分が0でないた
め、部分的に結合している。従って、p−クラッド層か
ら離れた井戸に対しても効率良く井戸へ正孔注入がはか
れ、また井戸間の結合も良くなる。この結果、低しきい
値で高速特性の優れた歪多重量子井戸レーザが実現され
る。
In this way, since a barrier cannot be formed for light holes, the light holes can move freely in each well layer 2 and barrier layer 3. Moreover, light holes are partially coupled with heavy holes inside the well layer because the overlap integral of the wave function is not zero. Accordingly, holes can be efficiently injected into wells far from the p-cladding layer, and coupling between the wells is improved. As a result, a strained multiple quantum well laser having a low threshold and excellent high-speed characteristics is realized.

【0092】軽い正孔に対して障壁ができていないこと
は、例えばフォトルミネセンスなどの測定により、確か
めることができる。即ち、重い正孔と電子の再結合によ
る発光は井戸層に平行な偏波成分のみ許容されるのに対
して、軽い正孔と電子の再結合による発光は井戸に垂直
な成分と平行な成分の両者に対して許容されるので、そ
の区別が可能であり、軽い正孔による発光が量子化され
た準位によるものかどうか調べることで、軽い正孔に対
する価電子帯端ELHが概略一致しているかどうかの判断
を下すことができる。
The fact that no barrier is formed for light holes can be confirmed by measurement of, for example, photoluminescence. That is, light emission due to heavy hole and electron recombination is allowed only in the polarization component parallel to the well layer, whereas light emission due to light hole and electron recombination is a component parallel to the component perpendicular to the well. Can be distinguished from each other, and it can be distinguished. By examining whether or not the light emission from the light hole is due to the quantized level, the valence band edge E LH for the light hole is approximately one. You can decide whether you are doing it.

【0093】なお、本発明は上記の実施例に限るもので
はなく、種々の変形が可能である。例えば、InGaA
sP障壁層3をInPよりも格子定数の小さな材料で構
成してもよい。この場合のバンド構造の概念図を図13
に示す。このようにすると、活性層が埋め込まれた歪多
重量子井戸レーザにおいて、側面の格子不整合の影響を
正負の歪みで相殺することができるので、歪井戸層の多
層化を計る際に格子欠陥の発生を抑制することができ
る。
The present invention is not limited to the embodiment described above, and various modifications are possible. For example, InGaAs
The sP barrier layer 3 may be made of a material having a smaller lattice constant than InP. FIG. 13 is a conceptual diagram of the band structure in this case.
Shown in In this way, in the strained multiple quantum well laser in which the active layer is buried, the effect of the lattice mismatch on the side surface can be offset by positive and negative strains. Generation can be suppressed.

【0094】また、基板より格子定数の小さな半導体層
を井戸層とする場合には、逆に歪井戸層と障壁層の重い
正孔に対する価電子帯端E HH を概略一致させることで、
軽い正孔に対する量子井戸に関しても同様に、正孔の注
入効率向上と井戸間の結合効率の改善を計ることができ
る。この場合のバンド構造図を図14に示す。
When the well layer is a semiconductor layer having a lattice constant smaller than that of the substrate, on the contrary, the valence band edge E HH for heavy holes in the strained well layer and the barrier layer is substantially matched.
Similarly, for a quantum well for light holes, it is possible to improve the injection efficiency of holes and the coupling efficiency between wells. FIG. 14 shows a band structure diagram in this case.

【0095】光導波層の横方向光(および電流)閉じ込
め構造は上記のSACM構造の他、埋込みヘテロ構造、
半絶縁性InP埋込み構造など様々なタイプが可能であ
る。分布帰還型(DFB)レーザのほかに、ファブリペ
ロ(FP)レーザ、分布反射型(DBR)レーザ、複数
の電極を持つ波長可変レーザ、複合共振器レーザ、モニ
タ集積レーザ、光導波路集積レーザ、双安定レーザなど
であってもよい。もちろん、半導体レーザ光増幅器、キ
ャリア注入型光スイッチ、半導体光変調器、これらを集
積化したフォトニックICなどにも本発明を適用するこ
とができる。もちろん、材料もInAsやInGaAs
Pに限定されるものではない。
The lateral light (and current) confinement structure of the optical waveguide layer may be a buried heterostructure,
Various types such as a semi-insulating InP embedded structure are possible. In addition to distributed feedback (DFB) lasers, Fabry-Perot (FP) lasers, distributed reflection (DBR) lasers, tunable lasers with multiple electrodes, composite resonator lasers, monitor integrated lasers, optical waveguide integrated lasers, bistable A laser or the like may be used. Of course, the present invention can be applied to a semiconductor laser optical amplifier, a carrier injection type optical switch, a semiconductor optical modulator, and a photonic IC in which these are integrated. Of course, the material is InAs or InGaAs.
It is not limited to P.

【0096】[0096]

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、埋
め込まれた歪み半導体層側面の格子不整合が緩和される
ため、歪半導体層側面近傍への格子欠陥や不純物の偏析
の発生を防止することができ、特性や信頼性の優れた光
半導体素子を実現することが可能となる。
As described above in detail, according to the present invention, since the lattice mismatch on the side surface of the buried strained semiconductor layer is reduced, the occurrence of lattice defects and segregation of impurities near the side surface of the strained semiconductor layer is reduced. Thus, an optical semiconductor device having excellent characteristics and reliability can be realized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】第1の実施例に係わる半導体レーザの概略構造
を示す断面図、
FIG. 1 is a sectional view showing a schematic structure of a semiconductor laser according to a first embodiment;

【図2】第1の実施例レーザの製造工程を示す断面図、FIG. 2 is a sectional view showing a manufacturing process of the laser according to the first embodiment;

【図3】第2の実施例に係わる半導体レーザの概略構成
を示す断面図、
FIG. 3 is a sectional view showing a schematic configuration of a semiconductor laser according to a second embodiment;

【図4】第3の実施例に係わる半導体レーザの概略構成
を示す断面図、
FIG. 4 is a sectional view showing a schematic configuration of a semiconductor laser according to a third embodiment;

【図5】第3の実施例レーザの製造工程を示す断面図、FIG. 5 is a sectional view showing a manufacturing process of the laser according to the third embodiment;

【図6】第4の実施例に係わる半導体半導体レーザの製
造工程を示す断面図、
FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of a semiconductor semiconductor laser according to a fourth embodiment;

【図7】第4の実施例におけるレーザ微分利得の井戸層
数依存性を示す特性図、
FIG. 7 is a characteristic diagram showing the dependence of the laser differential gain on the number of well layers in the fourth embodiment.

【図8】第5の実施例に係わる半導体レーザの概略構造
を示す断面図、
FIG. 8 is a sectional view showing a schematic structure of a semiconductor laser according to a fifth embodiment;

【図9】第5の実施例レーザの要部構成を示す断面図、FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a main part of a laser according to a fifth embodiment;

【図10】第5の実施例における活性層側面のZ方向の
格子面のずれを示す模式図、
FIG. 10 is a schematic diagram showing a shift of the lattice plane in the Z direction on the side surface of the active layer in the fifth embodiment;

【図11】第6の実施例に係わる半導体レーザの概略構
造を示す断面図、
FIG. 11 is a schematic configuration of a semiconductor laser according to a sixth embodiment.
Sectional view showing the structure,

【図12】第6の実施例レーザの活性層のバンド構造を
示す模式図、
FIG. 12 shows a band structure of an active layer of a laser according to a sixth embodiment.
Schematic diagram,

【図13】第6の実施例における活性層のバンド構造の
他の例を示す模式図、
FIG. 13 shows the band structure of the active layer in the sixth embodiment.
Schematic diagram showing another example,

【図14】第6の実施例における活性層のバンド構造の
他の例を示す模式図、
FIG. 14 shows the band structure of the active layer in the sixth embodiment .
Schematic diagram showing another example,

【図15】従来の多重量子井戸半導体レーザの概略構成
を示す断面図。
FIG. 15 is a schematic configuration of a conventional multiple quantum well semiconductor laser.
FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1a…n型InP基板、1b…n型InPバッファ層
(クラッド層)、2…InGaAs歪量子井戸層、3…
InGaAsP障壁層、4…多重量子井戸活性層、5…
p型InPクラッド層、6…p型InGaAsPコンタ
クト層、8…埋込み層、27,28…組成変化領域
1a ... n-type InP substrate, 1b ... n-type InP buffer layer (cladding layer), 2 ... InGaAs strained quantum well layer, 3 ...
InGaAsP barrier layers, 4... Multiple quantum well active layers, 5.
p-type InP cladding layer, 6: p-type InGaAsP contact layer, 8: buried layer, 27, 28: composition change region .

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平3−292789(JP,A) 特開 平2−36585(JP,A) IEEE J.Quantum El ectron,Vol.QE−22 N o.6(1986),p.833−844 IEEE J.Quantum El ectron,Vol.25 No.6 (1989),p.1320−1323 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01S 5/00 - 5/50 G02F 1/35 - 1/39 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-3-292789 (JP, A) JP-A-2-36585 (JP, A) IEEE J.I. Quantum Electron, Vol. QE-22 No. 6 (1986), p. 833-844 IEEE J.C. Quantum Electron, Vol. 25 No. 6 (1989), p. 1320-1323 (58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H01S 5/00-5/50 G02F 1/35-1/39

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】半導体基板上に形成され、電子のドゥ・ブ
ロイ波長以下の層厚を有し半導体基板と格子整合しない
第1の半導体層を該第1の半導体層よりも禁制帯幅が広
い第2の半導体層で挟んだ歪量子井戸を少なくとも一つ
有するストライプ状の光導波路層を有し、この光導波路
層の周囲を第2の半導体層より禁制帯幅の広い半導体か
らなるクラッド層で囲んだ構造を有する光半導体素子に
おいて、 前記光導波路層と同じ基板平行面内にあるクラッド領域
の平均格子定数が、半導体基板と第1の半導体層との中
間の大きさを持つことを特徴とする光半導体素子。
A first semiconductor layer formed on a semiconductor substrate and having a layer thickness equal to or less than the electron de Broglie wavelength and having no lattice matching with the semiconductor substrate has a wider bandgap than the first semiconductor layer. A striped optical waveguide layer having at least one strained quantum well sandwiched between the second semiconductor layers; a cladding layer formed of a semiconductor having a wider bandgap than the second semiconductor layer around the optical waveguide layer; An optical semiconductor device having an enclosed structure, wherein the average lattice constant of a cladding region in the same substrate parallel plane as the optical waveguide layer has an intermediate size between the semiconductor substrate and the first semiconductor layer. Semiconductor device.
【請求項2】半導体基板上に形成され、電子のドゥ・ブ
ロイ波長以下の層厚を有し半導体基板より格子定数が小
さな第1の半導体層を該第1の半導体層よりも禁制帯幅
が広い第2の半導体層で挟んだ歪量子井戸を少なくとも
一つ有するストライプ状の光導波路層を有し、この光導
波路層の周囲を第2の半導体層より禁制帯幅の広い半導
体からなるクラッド層で囲んだ構造を有する光半導体素
子において、 前記光導波路層と同じ基板平行面内にあるクラッド領域
の内部にはc軸が基板法線方向に向いた正方晶構造の半
導体層を有しており、その正方晶構造の半導体層のa軸
の格子定数が半導体基板の格子定数より小さいことを特
徴とする光半導体素子。
2. A semiconductor device comprising: a first semiconductor layer formed on a semiconductor substrate, having a layer thickness equal to or less than the de Broglie wavelength of electrons and having a smaller lattice constant than the semiconductor substrate, having a forbidden band width smaller than that of the first semiconductor layer. A striped optical waveguide layer having at least one strained quantum well sandwiched between wide second semiconductor layers, and a cladding layer formed of a semiconductor having a wider forbidden band width than the second semiconductor layer around the optical waveguide layer In the optical semiconductor device having a structure surrounded by, a semiconductor layer having a tetragonal structure in which the c-axis is oriented in the normal direction of the substrate is provided in a cladding region in the same plane as the optical waveguide layer. An optical semiconductor device, wherein the lattice constant of the a-axis of the semiconductor layer having a tetragonal structure is smaller than the lattice constant of the semiconductor substrate.
【請求項3】半導体基板とは格子定数が異なる歪半導体
層を少なくとも一層含む歪量子井戸が形成された第1の
領域と、この第1の領域の外側の前記歪量子井戸に隣接
する部分に該歪量子井戸と平均格子定数が異なる第2の
半導体層が形成された第2の領域とを、同一半導体基板
上に含んでなる光半導体素子において、 第1の領域と第2の領域の境界部に、平均の格子定数が
第1の半導体層のそれから第2の半導体層のそれの間で
連続的に、或いは断続的に変化する組成変化領域が形成
されていることを特徴とする光半導体素子。
3. A first region in which a strained quantum well including at least one strained semiconductor layer having a different lattice constant from a semiconductor substrate is formed, and a portion outside the first region and adjacent to the strained quantum well is formed. In an optical semiconductor device including the strained quantum well and a second region on which a second semiconductor layer having a different average lattice constant is formed on the same semiconductor substrate, a boundary between the first region and the second region is provided. An optical semiconductor, wherein a composition change region in which an average lattice constant changes continuously or intermittently between that of the first semiconductor layer and that of the second semiconductor layer is formed in the portion element.
【請求項4】半導体基板とは格子定数が異なる歪半導体
層を少なくとも一層含む歪量子井戸が形成された第1の
領域と、この第1の領域の外側の前記歪量子井戸に隣接
する部分に該歪量子井戸と平均格子定数が異なる第2の
半導体層が形成された第2の領域とを、同一半導体基板
上に含んでなる光半導体素子において、 第1の領域の歪量子井戸の最も下部にある歪半導体層の
下部主面を基準面として、その基準面に最も近い低指数
面の法線方向上向きに座標系Zをとり、第1の領域が無
限に広がっていると仮定したときの第1の領域の基準面
からn番目の単位格子面の座標Z1(n)、第1の領域
に隣接する第2の領域が無限に広がっていると仮定した
ときの第2の領域の基準面からn番目の単位格子面の座
標をZ2(n)とし、また、 Z2(n+1)−Z2(n) Z2(n)−Z2(n−1) Z1(n+1)−Z1(n) Z1(n)−Z1(n−1) の4つの値のうち最小のものをδmin (n)とすると
き、任意のnに対して、 ABS{Z2(n)−Z1(n)}<δmin (n)/2 の関係を満たすことを特徴とする光半導体素子。
4. A first region in which a strained quantum well including at least one strained semiconductor layer having a different lattice constant from a semiconductor substrate is formed, and a portion outside the first region and adjacent to the strained quantum well is formed. In an optical semiconductor device including the strained quantum well and a second region on which a second semiconductor layer having a different average lattice constant is formed on the same semiconductor substrate, a lowermost portion of the strained quantum well in the first region is provided. When the lower principal surface of the strained semiconductor layer at the reference plane is taken as a reference plane, the coordinate system Z is taken upward in the normal direction of the low index plane closest to the reference plane, and the first region is assumed to be infinitely wide. Coordinates Z1 (n) of the n-th unit lattice plane from the reference plane of the first area, the reference plane of the second area when the second area adjacent to the first area is assumed to be infinitely wide Let Z2 (n) be the coordinate of the n-th unit cell plane from (N + 1) -Z2 (n) Z2 (n) -Z2 (n-1) Z1 (n + 1) -Z1 (n) Z1 (n) -Z1 those smallest of the four values of (n-1) δ An optical semiconductor device characterized by satisfying a relation of ABS {Z2 (n) -Z1 (n)} <δ min (n) / 2, where min (n) is an arbitrary n.
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