JP3362356B2 - 光半導体装置 - Google Patents

光半導体装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光半導体装置に関し、
より詳しくは、歪量子井戸層を有する半導体レーザや半
導体光増幅器のような光半導体装置に関する。光伝送シ
ステムは高度に発展しつつあり、今後光加入者系等の分
野で広く使われるようになると予測される。その場合、
光源である半導体レーザは、厳しい温度環境下で使用さ
れ、当然ながら低消費電力であることが要求される。
【０００２】低消費電力で高い効率を有し、さらに温度
特性の良い光半導体装置として歪量子井戸半導体レーザ
が研究開発されている。
【０００３】
【従来の技術】半導体レーザ、半導体光増幅器等の光半
導体装置は、InP 又はGaAsからなる基板を用いて形成さ
れ、その基板上に結晶を成長する工程などを経て完成さ
れる。その結晶成長の際には、基板材料と格子定数が整
合する材料を選択することが多いが、格子定数が異なっ
た材料からなる歪量子井戸も使用されている。
【０００４】歪量子井戸層は、多元系材料の組成をバリ
ア層や基板と格子整合しない条件にするとともに、その
膜厚を薄くして強制的に基板と同じ格子定数になるよう
にしたものである。このような歪量子井戸は、例えば半
導体レーザの活性層に適用されており、歪を加える効果
によってエネルギーバンド構造の状態密度が変化し、半
導体レーザの特性が向上する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかし、基板の材料は
InP 又はGaAsに限られているために、歪量子井戸層を挟
むバリア層の材料としては、GaAs基板に格子整合するAl
GaAsや、InP 基板と同じ材料のInP 或いはこれに格子整
合する組成のInAlAsに限定されていた。そのような歪量
子井戸構造の半導体レーザの発振波長は、GaAsを基板と
する場合には格子定数と歪量の関係から１．０μｍまで
に制限され、光通信で重要な波長である１．２〜１．６
μｍ帯のレーザは作られていない。一方、InP を基板と
する場合には１．２〜１．６μｍ帯のレーザを実現でき
るが、InP 等のバリア層に対する井戸の深さは浅いの
で、温度特性の面で充分な性能が得られていなかった。
【０００６】このように、従来では歪量子井戸構造の材
料の選択の幅は狭く、その発振波長やポテンシャル井戸
の深さはおのずと制限されるという問題がある。ポテン
シャル井戸の深さは歪量子井戸半導体レーザでは高い性
能を得るために重要であり、さらに深い歪量子井戸が要
求される。InP 基板を使用した発振波長１．３μｍの半
導体レーザにおける量子井戸の深さの一例を示すと図７
のようになる。図７(A) は、InP 量子井戸層とInGaAsP
バリア層からなるダブルヘテロ（ＤＨ）構造のエネルギ
ーバンドを示し、同図(B)は、InP バリア層とInGaAsP
量子井戸層の間に、組成の異なるInGaAsP 光閉じ込め層
を形成してなるＳＣＨ（separate confinement heteros
tructure）構造のエネルギーバンドを示している。
【０００７】そのＳＣＨ構造の歪量子井戸層の価電子帯
側のサブバンドを図８に示す。図８では、歪による静水
圧のバンドギャップの変化を取り込んだ縦軸のエネルギ
ーを目盛っている。この図からヘビーホールバンド（重
い正孔バンド）HH-1〜HH-4とライトホールバンド（軽い
正孔）LH-1が接近していることがわかる。また、ＤＨ構
造とＳＣＨ構造の各々のキャリア密度と利得の関係を示
すと図９のようになり、実線はＳＣＨ構造の特性を示し
ている。
【０００８】本発明はこのような問題に鑑みてなされた
ものであって、歪量子井戸構造のポテンシャル井戸を深
くし、さらに温度特性も向上できる光半導体装置を提供
することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記した課題は、図２に
例示するように、Inx Ga1-x As（０＜ｘ＜１）の３元の
混晶の半導体結晶からなる基板と、前記基板の上に形成
され、前記Inx Ga1-xAsに格子定数が整合したIII-V 族
化合物であって、InP 基板に格子定数が整合したIII-V
族化合物をバリア層として用いた場合に対して深いポテ
ンシャル井戸を形成する材料からなる第１、第２のバリ
ア層と、前記第１のバリア層と前記第２のバリア層の間
に形成され且つIny Ga1-y As（０＜ｙ＜１）またはInGa
AsP の材料からなる歪量子井戸層をもつ歪量子井戸構造
の活性層とを有し、前記基板および前記歪量子井戸構造
は、利得が最大となる波長を１．２〜１．６μｍとする
材料からなることを特徴とする光半導体装置によって解
決される。前記第１、第２のバリア層の材料は、InGaP
、InGaAsP 、InAlAs、AlInAsP 、AlGaInAsP のいずれ
かであることを特徴とする。
【００１０】前記光半導体装置において、図４に例示す
るように、前記第１のバリア層、前記第２のバリア層と
前記活性層とのそれぞれの間に挟まれ、前記第１のバリ
ア層と前記第２のバリア層と実質的に同じ格子定数をも
ち、且つ前記第１及び第２のバリア層のエネルギーバン
ドギャップよりも相対的に小さいエネルギーバンドギャ
ップを有する材料よりなる第３、第４のバリア層をさら
に有することを特徴とする。
【００１１】
【作 用】本発明は、歪量子井戸を有する光半導体装置
の性能がそのポテンシャル井戸を深くすることにより大
幅に向上するという、新たな理論的知見と、井戸のポテ
ンシャルを深くするためには、結晶成長の基板となる材
料として３元結晶、例えばInGaAsを用いれば良いという
新たな発想をベースにしたものである。
【００１２】次に、量子井戸のポテンシャルを深くする
ことにより、歪量子井戸の性能が向上することを説明す
る。歪量子井戸のポテンシャルを深くするためには、こ
れを囲むバリア層のポテンシャルを高くすればよい。し
かし、InP 基板やGaAs基板を使用する従来の光半導体装
置では、その基板の格子定数の大きさにより活性層及び
バリア層として選択できる材料が制限される。
【００１３】しかし、３元混晶の半導体を基板材料とし
て適用すれば、活性層及びバリア層となる材料の選択範
囲が広がり、発振波長の選択や、最適なバンドギャップ
となるヘテロ接合材料を選択できるようになる。例え
ば、波長λを１．３μｍとするためにIn0.46Ga0.54Asを
歪量子井戸層として用い、かつ、その歪量を１．４％と
して歪量子井戸層を挟むバリア層の材料をInGaP にする
と、InGaP バリア層と格子整合する基板材料は、図１か
らも明らかなようにGaAsやInP でなく、例えば３元のIn
GaAsからなる基板である。これによれば、InP 基板を使
用する場合（図７）に比べて図２に例示するようにバリ
ア層と歪量子井戸層のバンドギャップの差を大きくして
量子井戸を深くできる。
【００１４】このように、最適な組成の３元材料の基板
を選択して深いポテンシャルの歪量子井戸を形成する
と、価電子帯の歪量子井戸においては重い正孔のバンド
同士の間隔、或いは重い正孔バンドと軽い正孔バンドの
間隔が広がる。この結果、ヘビーホールバンドの有効質
量が小さくなり、状態密度が小さくなって少ないキャリ
ア密度で発振が可能になる。また、その結果、温度の変
化によるキャリア密度への影響が少なくなる。なお、量
子井戸層を歪ませたことによるサブバンドへの影響は、
伝導帯よりも価電子帯の方が大きい。
【００１５】以上のように、３元材料基板を使用する半
導体レーザによれば利得が増大し、また、温度特性が良
くなる。なお図１に、III-Ｖ族半導体の格子定数とエネ
ルギーギャップの関係を示す。GaAsとInAsを結ぶ線がIn
x Ga1-x Asのｘの値を変えた場合の線であり、組成比ｘ
は０＜ｘ＜１の関係にある。例えば、その線上の組成の
Inx Ga1-x As基板を用いて半導体レーザを形成する場合
に、量子井戸のポテンシャルを深くするバリア層材料を
選択して、温度特性の良い波長帯の１．２〜１．６μｍ
帯の歪量子井戸半導体レーザを実現する。
【００１６】
【実施例】そこで、以下に本発明の実施例を図面に基づ
いて説明する。 （ａ）本発明の第１実施例の説明 図２(A) は、本発明の第１実施例の半導体レーザを示す
断面図で、同図(B) はそのエネルギーバンド図である。
光通信で最も重要な波長帯である１．３μｍの発振波長
で深い量子井戸が得られる構造を示している。
【００１７】図中符号１は、３元材料としてInx Ga1-x
As（ｘ＝０．２６）を用いたｎ型の基板であり、その上
には、n-In0.73Ga0.27P クラッド層２、ノンドープIn
0.46Ga 0.54As活性層３、p-In0.73Ga0.27P クラッド層
４、及びｐ+ −In0.26Ga0.74Asコンタクト層５が順に成
長されている。また、コンタクト層５の上にはｐ電極６
が、基板１の下にはｎ電極７がそれぞれ形成されてい
る。
【００１８】この場合のバンド構造は、活性層３が量子
井戸層になり、クラッド層２，４がバリア層となる。こ
のような材料によれば、図１からも明らかなように、基
板１とクラッド層２，４とは格子定数が整合し、また、
活性層３の格子定数はクラッド層２，４のそれとは一致
せず、活性層３には圧縮歪が加わって歪量子井戸となっ
ており、その歪量を格子定数の比で表すと１．４％にな
る。そして、活性層３の厚みＬz を８nm程度に設定する
と、波長１．３μｍ付近で最大の利得が得られる。
【００１９】このＤＨ構造の量子井戸のポテンシャルの
計算例を示すと図２(B) のようになり、図７(A) に示す
従来に比べて、深い井戸が伝導帯（４３６meV ）、価電
子帯（２９７meV ）の双方で得られていることがわか
る。井戸が深くなると量子サイズ効果によってサブバン
ド間のエネルギー差が大きくなる。これらの深い井戸の
効果によるバンド構造によれば、キャリアが効率良く最
低位のバンドに分布し、これにより利得が増大する。
【００２０】また、その活性層３におけるキャリア密度
と利得の関係を調べると、図３の破線に示すような特性
が得られ、InP 基板の上に形成されるＤＨ構造の図９の
破線で示す特性と比較すると、利得が大きくなっている
のがわかる。このような高い利得を持つ歪量子井戸構造
を用いれば、低い閾値、高い効率、高出力の半導体レー
ザが得られる。しかも、サブバンド間が広がることによ
り、温度を変えた場合の特性の変化も極めて小さくな
る。
【００２１】（ｂ）本発明の第２実施例の説明 上記した第１実施例では、ダブルヘテロ（ＤＨ）構造の
半導体レーザについて説明したが、以下にＳＣＨ構造を
採用した装置について説明する。図４(A) は、本発明の
第２実施例の半導体レーザを示す断面図で、同図(B) は
そのエネルギーバンド図である。
【００２２】図４(A) において符号１１は、３元材料と
してInx Ga1-x As（ｘ＝０．２６）を用いた基板であ
り、その上には、n-In0.736Ga0.264P クラッド層１２、
n-In0. 7Ga0.3As0.078P0.922 光閉じ込め層兼バリア層１
３、ノンドープIn0.46Ga0.54As活性層１４、p-In0.7Ga
0.3As0.078P0.922 光閉じ込め層兼バリア層１５、p-In
0. 736Ga0.264P クラッド層１６、およびｐ+ −In0.26Ga
0.74Asコンタクト層１７が順に形成されている。また、
コンタクト層１７の上にはｐ電極１８が設けられ、基板
１１の下にはｎ電極１９が形成されている。
【００２３】この場合のバンド構造は、活性層１４が歪
量子井戸層になり、光閉じ込め層兼バリア層１３，１５
とクラッド層１２，１６がそのバリア層となる。この場
合の格子定数とエネルギーの関係は、図１を見ると、バ
リア層に対して歪量子井戸層のポテンシャルが深くなる
ことがわかる。その歪量子井戸の深さを計算してみる
と、図４(B) のようになり、価電子帯の井戸の深さは３
６３meV 、伝導帯は１７４meV と大きくなる。この井戸
のポテンシャルについて価電子帯で分散されるバンド構
造を計算した結果を図５に示す。図５の縦軸のエネルギ
ーは、歪による静水圧のバンドギャップの変化を取り込
んで目盛られている。
【００２４】本実施例の井戸におけるサブバンド（図
５）とInP 基板上の歪量子井戸構造におけるサブバンド
（図８）を比較すると、本実施例の方がｋ＝０における
サブバンドのエネルギー差が大きくなり、ヘビーホール
バンドＨＨにおけるキャリア密度も大きくなる。しか
も、エネルギー間隔が開くことにより、ライトホールバ
ンドとヘビーホールバンドＬＨが離れ、ヘビーホールバ
ンドＨＨの有効質量が小さくなる。
【００２５】本実施例のバンド構造を採用した半導体レ
ーザの利得を計算した結果が図３の実線であり、図９に
示す従来よりも利得が増大していることが確認できる。
また、量子井戸が深い場合には、温度を変えても利得の
変化は小さくなり、温度特性の良い半導体レーザが作れ
る。このように、井戸の深さを深くすることにより、利
得が増大するということが理論的に示すことができた。
【００２６】なお、InP 基板を使用する場合、最も井戸
を深くできるバリア層はInP 若しくはInAlAsであって、
深い量子井戸を作るのには限界があり、特性も限界があ
る。本実施例によれば、基板としてInGaAsを用いること
により、InP やGaAsを基板とする場合に比べて深い量子
井戸が形成され、高い利得を実現して、温度依存性の極
めて小さい高性能半導体レーザが実現される。
【００２７】（ｃ）本発明の第３実施例の説明 上記した実施例では、バリア層としてInGaAsを用いてい
るが、InAlAsを適用してもよく、その構造を図６に示し
ている。図６において、n-In0.26Ga0.74As基板２１の上
には、n-Iny Al1-y As（ｙ＝0.２５）クラッド層２２、
ノンドープIn0.46Ga0.54As活性層２３、p-Iny Al1-y As
クラッド層２４、及びｐ+ −Iny Al1-y Asコンタクト層
２５が形成されている。また、コンタクト層２５の上に
はｐ電極２６が形成され、基板２１の下にはｎ電極２７
が形成されている。
【００２８】この場合、活性層２３が歪量子井戸層、ク
ラッド層２２，２４がバリア層となる。これによれば、
図１から明らかなように、バリア層と歪量子井戸層のエ
ネルギー差が上記した２つの実施例よりも大きくなり、
量子井戸がさらに深くなり、高利得が得られ、温度依存
性も小さくなる。
【００２９】（ｄ）本発明のその他の実施例の説明 上記した実施例では、基板材料としてIn0.26Ga0.74Asを
適用しているが、その他の組成の３元混晶を基板に用い
ることにより、従来の基板の格子定数で制限された枠を
越えて量子井戸のバリアを深くする全ての材料を選択し
てもよい。上記実施例の量子井戸層は圧縮歪としたが、
引っ張り歪としてもよい。また、上記実施例では、単一
の量子井戸であるが、量子井戸を複数有する多重量子井
戸にも適用できる。さらに、単一量子井戸の場合、バリ
ア層として最も井戸が深くなる組成の材料を用いずに中
間の組成の材料を用いて、光の閉じ込め係数を大きくし
てもよい。
【００３０】なお、InP よりも大きなバンドギャップの
InGaAsP 層は３元の混晶基板上でなければ実現できな
い。
【００３１】
【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、３元
混晶基板を使用してその上に歪量子井戸構造を形成する
ようにしたので、従来の２元混晶基板では実現できない
深い量子井戸を形成し、井戸におけるサブバンド間のエ
ネルギー差を大きくして光半導体装置の性能を大幅に向
上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】III-Ｖ族半導体の格子定数とエネルギーギャッ
プの関係を示す図である。
【図２】本発明の第１実施例の装置を示す断面図とエネ
ルギーバンド図である。
【図３】本発明の第１実施例、第２実施例の装置におけ
る量子井戸層のキャリア密度と利得の関係を示す図であ
る。
【図４】本発明の第２実施例の装置を示す断面図とエネ
ルギーバンド図である。
【図５】本発明の第２実施例における量子井戸層の価電
子帯におけるエネルギーサブバンド図である。
【図６】本発明の第３実施例の装置を示す断面図であ
る。
【図７】InP 基板上に形成されたＤＨ構造とＳＣＨ構造
のエネルギーバンドを示す図である。
【図８】InP 基板上に形成されたＳＣＨ構造の歪量子井
戸における価電子帯のサブバンドを示す図である。
【図９】InP 基板に形成される半導体レーザのキャリア
密度と利得の関係を示す図である。
【符号の説明】
１ In0.26Ga0.74As基板 ２、４ In0.73Ga0.27Asクラッド層（バリア層） ３ In0.46Ga0.54P 活性層（量子井戸層） ５ コンタクト層 ６ ｐ電極 ７ ｎ電極 １１ In0.26Ga0.74As基板 １２、１６ In0.736Ga0.264Asクラッド層（バリア層） １４ In0.46Ga0.54As活性層（量子井戸層） １３、１５ In0.7Ga0.3As0.078P0.992 光閉じ込め層兼
バリア層 １７ コンタクト層 １８ ｐ電極 １９ ｎ電極 ２１ In0.26Ga0.74As基板 ２２、２４ Iny Al1-y Asクラッド層（バリア層） ２３ In0.46Ga0.74As活性層（量子井戸層） ２５ コンタクト層 ２６ ｐ電極 ２７ ｎ電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−372188（ＪＰ，Ａ) Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｇａｉｎ ｏｆ ｓｔｒａｉｎｅｄ ｑｕａｎｔｕ ｍ ｗｅｌｌ ｇｒｏｗｎ ｏｎ ａｎ ＩｎＧａＡｓ ｔｅｒｎａｒｙ Ｓｕ ｂｓｔｒａｔｅ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ. Ｌｅｔｔ．，1993年８月９日，63／６, 712−714 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01S 5/00 - 5/50

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】Inx Ga1-x As（０＜ｘ＜１）の３元の混晶
    の半導体結晶からなる基板と、 前記基板の上に形成され、前記Inx Ga1-x Asに格子定数
    が整合したIII-V 族化合物であって、InP 基板に格子定
    数が整合したIII-V 族化合物をバリア層として用いた場
    合に対して深いポテンシャル井戸を形成する材料からな
    る第１、第２のバリア層と、 前記第１のバリア層と前記第２のバリア層の間に形成さ
    れ且つIny Ga1-y As（０＜ｙ＜１）またはInGaAsP の材
    料からなる歪量子井戸層をもつ歪量子井戸構造の活性層
    とを有し、 前記基板および前記歪量子井戸構造は、利得が最大とな
    る波長を１．２〜１．６μｍとする材料からなることを
    特徴とする光半導体装置。
  2. 【請求項２】前記第１、第２のバリア層の材料は、InGa
    P 、InGaAsP 、InAlAs、AlInAsP 、AlGaInAsP のいずれ
    かであることを特徴とする請求項１に記載の光半導体装
    置。
  3. 【請求項３】前記第１のバリア層、前記第２のバリア層
    と前記活性層とのそれぞれの間に挟まれ、前記第１のバ
    リア層と前記第２のバリア層と実質的に同じ格子定数を
    もち、且つ前記第１及び第２のバリア層のエネルギーバ
    ンドギャップよりも相対的に小さいエネルギーバンドギ
    ャップを有する材料よりなる第３、第４のバリア層をさ
    らに有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記
    載の光半導体装置。
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