JP4087020B2

JP4087020B2 - 半導体光素子

Info

Publication number: JP4087020B2
Application number: JP20401799A
Authority: JP
Inventors: 朋信土屋; 彰大家; 正明古森; 宏佐藤; 雅博青木
Original assignee: 日本オプネクスト株式会社
Priority date: 1999-07-19
Filing date: 1999-07-19
Publication date: 2008-05-14
Anticipated expiration: 2019-07-19
Also published as: JP2001036195A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明はＩｎＰ系の半導体光素子に関するものである。又、本願発明は光通信などに用いるに好適な半導体光素子に関するものである。更には、本願発明は光システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＩｎＰ系の半導体光素子では従来からｐ型のドーパントとしてＺｎを用いている。この為、半導体光素子の活性層への過剰な亜鉛（Ｚｎ、以下単にＺｎを略記する）拡散により、当該光素子の諸特性や信頼性の劣化に難点を残していた。このＺｎ拡散は、具体的には、ＺｎドープのＩｎＧａＡｓコンタクト層やＩｎＰクラッド層からアンドープのＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ活性層への拡散である。このＺｎ拡散を抑制する方法としては、活性層近傍のＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層やＩｎＰクラッド層のＺｎ濃度を低減する方法が有効であるが、この方法も別な素子特性の観点の新たな難点を生ずる。即ち、それは低不純物濃度の光ガイド層やクラッド層が厚すぎる場合には抵抗が増大し、高温でのレーザ特性が劣化する点である。このため、現実的には活性層へのＺｎ拡散を抑制しながら、活性層近傍まではＺｎドープする必要が有り、Ｚｎ濃度や膜厚の微妙な制御が必要とされていた。この様なＺｎ濃度とレーザ特性との関係については、例えばジューナルオブクオンタムエレクトロニクス（Ｊｏｕｒｎａｌｏｆｑｕａｎｔｕｍｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）１９９６年第３２号ｐｐ１４５０等で検討されている。この論文では、アンドープのＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層と低濃度のＩｎＰクラッド層を用いている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本願発明は、半導体光素子の基本的諸特性、例えば電流―光出力特性等を確保しつつ、長寿命なる半導体光素子を提供せんとするものである。わけても高温雰囲気での半導体光素子の諸特性を確保することが出来る。この為の技術的課題は化合物半導体材料、わけても活性層へのＺｎの拡散の制御にある。
【０００４】
初めに、本願発明の技術的背景を詳細に説明する。上記従来技術は、ＺｎドープのＩｎＰクラッド層からアンドープＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ活性層へのＺｎ拡散を低減するための方法である。この拡散の原因は主にＩｎＰ中でのＺｎの飽和濃度が低く、容易に拡散しやすいことに起因している。
【０００５】
一般に、ＩｎＰ系の化合物半導体材料であるＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓ中でのＺｎの拡散速度は、ＩｎＰ＞ＩｎＧａＡｓＰ＞ＩｎＧａＡｓの順に速く、一方、飽和濃度はＩｎＧａＡｓ＞ＩｎＧａＡｓＰ＞ＩｎＰの順に高い。特に、ＩｎＰ中での飽和濃度は約１×１０¹⁸ｃｍ^-3程度と低く、この濃度以上では急速に拡散する。また、コンタクト層に用いるＩｎＧａＡｓ中のＺｎ濃度は１〜２×１０¹⁹ｃｍ^-3と非常に高い。このため、クラッド層にはｐ−ＩｎＰ成長時のＺｎとコンタクト層からの拡散によるＺｎが存在し、これらが容易に拡散するため、微妙なドーピング・プロファイルの制御が難点となる。
【０００６】
この様な難点に対し、拡散速度が遅いＩｎＧａＡｓやＩｎＧａＡｓに近いＩｎＧａＡｓＰ層をＺｎ拡散のストッパー層として用いる場合には、拡散は低減されるが、バンドギャップ波長が長いことからストッパー層が新たな発光層になってしまう不都合が生じる。
【０００７】
本願発明の技術的課題は、半導体発光装置としての諸要求を満足させつつ、活性層へのＺｎ拡散を低減せんとするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本願発明の骨子は、拡散速度が遅い化合物半導体層によりＺｎ拡散を止めることにある。更には本願発明は、拡散速度が遅く且つバンドギャップ波長の短い化合物半導体層によりＺｎ拡散を止めることにある。更には、本願発明は、拡散源と活性層との間に拡散速度が遅い化合物半導体層によりＺｎ拡散を止めることにある。その具体例は、ＩｎＧａＡｌＡｓ層をＺｎ拡散のストッパー層として新たに設け、活性層へのＺｎ拡散を低減するものである。
【０００９】
尚、本願発明の活性層はＡｌを含有しないＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰの混晶からなる活性層を用いることが肝要である。
【００１０】
本願発明の主な形態を列挙すれば次の通りである。
【００１１】
第１は、Ａｌを実質的に含有しない活性層と亜鉛を含有する化合物半導体層とを有する化合物半導体積層体の、前記Ａｌを実質的に含有しない活性層と前記亜鉛を含有する化合物半導体層との間に亜鉛の拡散を抑制する化合物半導体層を少なくとも有することを特徴とする半導体光素子である。
【００１２】
第２は、Ａｌを実質的に含有しないＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰの混晶からなる活性層と亜鉛を含有する化合物半導体層とを有する化合物半導体積層体の、前記Ａｌを実質的に含有しないＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰの混晶から活性層と前記亜鉛を含有する化合物半導体層との間に亜鉛の拡散を抑制する化合物半導体層を少なくとも有することを特徴とする半導体光素子である。
【００１３】
第３は、Ａｌを実質的に含有しないＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰの混晶からなる活性層と亜鉛を含有する化合物半導体層とを有する化合物半導体積層体の、前記Ａｌを実質的に含有しないＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰの混晶から活性層と前記亜鉛を含有する化合物半導体層との間にＩｎＧａＡｌＡｓ層を少なくとも有することを特徴とする半導体光素子である。
【００１４】
第４は、ｎ型ＩｎＰ基板に、Ａｌを実質的に含有しないＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰの混晶からなる活性層と亜鉛を含有する化合物半導体層を有する化合物半導体積層体の、前記Ａｌを実質的に含有しないＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰの混晶からなる活性層と前記亜鉛を含有する化合物半導体層との間にＩｎＧａＡｌＡｓ層を少なくとも有することを特徴とする半導体光素子である。
【００１５】
第５は、亜鉛を含有するＩｎＰ基板に、Ａｌを実質的に含有しないＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰの混晶からなる活性層を有する化合物半導体積層体の、前記亜鉛を含有するＩｎＰ基板と前記Ａｌを実質的に含有しないＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰの混晶からなる活性層との間にＩｎＧａＡｌＡｓ層を少なくとも有することを特徴とする半導体光素子である。
【００１６】
尚、前記した第１から第５の本願発明の諸形態の各構成要素の、各種組み合わせの形態も当然可能である。例えば、その例は、亜鉛を含有するＩｎＰ基板に、Ａｌを実質的に含有しないＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰの混晶からなる活性層と、亜鉛を含有する化合物半導体層を有する化合物半導体積層体の、前記亜鉛を含有するＩｎＰ基板と前記Ａｌを実質的に含有しないＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰの混晶からなる活性層との間およびＡｌを実質的に含有しないＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰの混晶からなる活性層と亜鉛を含有する化合物半導体層との間にＩｎＧａＡｌＡｓ層を少なくとも有することを特徴とする半導体光素子である。その全ての組み合わせを例示しないが、各基板、活性層、亜鉛を含有する化合物半導体層、亜鉛の拡散を抑制する化合物半導体層、ＩｎＧａＡｌＡｓ層など各種要素の組み合わせで、当該半導体発光素子を構成することが出来る。
【００１７】
Ｚｎをドープした化合物半導体各層のアニール前とアニール後でのＺｎ濃度のプロファイルを図８および図９に各々示す。各層は有機金属気相成長法により形成された。
【００１８】
図８は、３μｍ膜厚の各半導体層の上側約１μｍを１〜２×１０¹⁸ｃｍ^-3にドープした時のＺｎ濃度プロファイルである。前記各半導体層は、ＩｎＰ層、ＩｎＧａＡｓＰ層（バンドギャップ波長：１１００ｎｍ、この層はＩｎＰ基板に格子整合される）、ＩｎＧａＡｓ層（この層は、ＩｎＰ基板に格子整合される）、ＩｎＧａＡｌＡｓ層（バンドギャップ波長：１１００ｎｍ、この層はＩｎＰ基板に格子整合される）である。
【００１９】
図９は、図８の特性測定に用いた前記ウエハーを摂氏７００度で１０時間アニールした後のＺｎ濃度プロファイルである。図６および図７の結果は、Ｚｎドープ層からノンドープ層への拡散距離はＩｎＰ＞ＩｎＧａＡｓＰ＞ＩｎＧａＡｓ＞ＩｎＧａＡｌＡｓの順に短くなっている。そして、ＩｎＧａＡｌＡｓは最も拡散距離の少ないとされるＩｎＧａＡｓと同等か、それ以下である。このように、ＩｎＧａＡｌＡｓ中でのＺｎ拡散は非常に遅いことを示している。
【００２０】
以上の結果を踏まえ、前述した通り、本願発明は、Ａｌを含有しないＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰの混晶からなる活性層とＺｎを含有する半導体層との間にＩｎＧａＡｌＡｓ層を介在させるのである。
【００２１】
また、ＩｎＧａＡｌＡｓはＩｎＰ基板（バンドギャップ波長：９２０ｎｍ）に格子整合しながら、且つＩｎＧａＡｓ（バンドギャップ波長：１６７０ｎｍ）からＩｎＡｌＡｓ（バンドギャップ波長：８６０ｎｍ）までの発光波長制御が可能である。従って、通例のＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ活性層の発光波長範囲の１３００ｎｍ〜１５５０ｎｍより十分に短くすることが可能である。このように、本願発明はこれまでより短波長のＺｎ拡散を抑制する化合物半導体層を提供することが出来る。
【００２２】
尚、本願発明の半導体光素子の活性層は、バルク層、量子井戸層、多重量子井戸層、歪多重量子井戸層等各種のものを用いることが出来る。尚、本願明細書において、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰの混晶からなる活性層は、これらの材料による超格子構造にて構成された層をも含むものである。具体的にはそれはＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰを用いて構成された量子井戸構造、あるいは多重量子井戸構造である。又、クラッド層等は半導体レーザ分野の通例の考え方に従って用いれば良い。
【００２３】
また、共振器の構成は、ファブリ・ペロー共振器、分布帰還型（ＤＦＢ：ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＦｅｅｄｂａｃｋ）共振器、ブラッグ反射型（ＤＢＲ：ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＢｒａｇｇＲｅｓｏｎａｔｏｒ）共振器等を用いることが出来る。又、面発光型半導体レーザ装置に用いても十分である。
【００２４】
【発明の実施の形態】
前述した様に、本願発明の活性層は、Ａｌを含有しないＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰの混晶からなる活性層を用いることが肝要である。活性層にＡｌを含んだ、ＡｌＧａＩｎＡｓ系の半導体レーザ装置では、結晶成長の側面や電気的光学的特性の観点からクラッド層にも例えばＡｌＩｎＡｓを用いる必要が生じる。従って、Ｚｎの拡散問題は重要ではない。しかし、半導体レーザ装置としては、活性層およびクラッド層にもＡｌを含有するが故に実用的な問題を残している。
【００２５】
この為、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰやＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰを用いた多重量子井戸構造を活性層に用いた半導体レーザ装置が実用化されている。本願発明はこうした実質的にＡｌを含有しないＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰやＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰを用いた多重量子井戸構造を活性層に用いた半導体レーザ装置での難点を解消せんとするものである。従って、本願発明は活性層にＡｌを含まない多重量子井戸構造において、Ｚｎの拡散を抑制するために、活性層以外のＺｎ拡散層、Ｚｎ含有層と当該活性層との間に、Ｚｎの拡散の抑制層、具体例としてはＩｎＧａＡｌＡｓやＩｎＡｌＡｓの層を介在させることに要点がある。このＺｎの拡散の抑制層の厚さは、例えば図８および図９に例示するＺｎのプロフィールに基づいて具体的に決めれば良い。
【００２６】
尚、本願発明の半導体光素子のＺｎ濃度プロファイルにおいて、Ｚｎドープ層から活性層方向へのＺｎ濃度が、前記Ｚｎの拡散の抑制層、例えばＩｎＧａＡｌＡｓ層を境界層として減少しているのが通例である。
【００２７】
又、半導体光素子の半導体レーザ構造自体は各種のものを採用することが出来る。それらは、例えば、メサ型構造や、あるいは電流狭窄構造がリッジ構造であるものである。その他、本願発明において、半導体レーザ装置のパッシベーション、結晶性の改善のためのバッファ層など各種手段、長寿命化の為の例えば端面保護の手段等は通例のものを用いて十分である。
【００２８】
図１は本願発明の第１の実施の形態を示す断面図である。図はレーザ光の進行方向に交差する面での断面図である。
【００２９】
ｎ−ＩｎＰ基板１上に、ｎ−ＩｎＰバッファ層２（キャリア濃度：１×１０¹⁸ｃｍ^-3、膜厚：３００ｎｍ）、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層３（キャリア濃度：１×１０¹⁸ｃｍ^-3、膜厚：１００ｎｍ、波長：１１７０ｎｍ）、歪多重量子井戸活性層４、、アンドープＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層７（膜厚：５０ｎｍ、波長：１１７０ｎｍ）、アンドープＩｎＧａＡｌＡｓ層８（膜厚：１０ｎｍ、波長：９２０ｎｍ、この層はＩｎＰ基板に格子整合される）、ｐ−ＩｎＰクラッド層９（キャリア濃度：４×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ：３００ｎｍ）、ｐ−ＩｎＰクラッド層１０（キャリア濃度：９×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ：２０００ｎｍ）、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１１（キャリア濃度：２×１０¹⁹ｃｍ^-3 、厚さ：３００ｎｍ）を順次成長した。結晶成長は通例の有機金属気相成長法によった。
【００３０】
尚、前記歪多重量子井戸活性層４は、ＩｎＧａＡｓＰ障壁層５（膜厚：１０ｎｍ、波長：１２００ｎｍ）と歪ＩｎＧａＡｓ量子井戸層６（発光波長：１５５０ｎｍ、膜厚：６ｎｍ、歪量：＋０．５％）で構成され、その周期は７周期とした。
【００３１】
こうして準備した半導体積層体（８、９、１０、１１）を通例のウエットエッチグにより逆メサを形成し、ｐ型電極１２、ｎ型電極１３を蒸着した。図２のこの状態の断面図を示す。次いで、劈開によりファブリペロー共振器の反射面を形成した。通例のパッシベーション１４を施し、素子化を図った。
【００３２】
以下、本実施の形態の効果を説明する。前記Ｚｎのストッパー層８の無い構造では、活性層に５×１０¹⁷ｃｍ^-3程度のＺｎが拡散する。従って、この構造では寄生容量が増大し、変調帯域が６ＧＨｚ程度である。一方、本実施の形態では活性層へのＺｎ拡散を５×１０¹⁶ｃｍ^-3以下に低減できる。従って、寄生容量の増大を抑制し、変調帯域を９ＧＨｚにまで増大できた。
【００３３】
また、ｐ−ＩｎＰクラッド層の活性層近傍をアンドープにする従来方法では高温におけるレーザ特性の劣化が認められる。一方、本実施の形態ではクラッド層のドーピング濃度を維持したまま、活性層へのＺｎ拡散を低減できた。従って、高温におけるレーザ特性、例えば摂氏８５度における電流ー光出力の効率を約３割向上できた。
【００３４】
尚、本実施の形態ではＺｎのストッパー層としてＩｎＰと同じ発光波長のＩｎＧａＡｌＡｓ組成を用いたが、ＩｎＡｌＡｓ層等の活性層の発光波長よりも短い他のＩｎＧａＡｌＡｓ組成も可能である。この場合、波長が短すぎる場合には膜厚を薄くしたり、ドーピング濃度を上げる等の配慮が必要である。従って、Ｚｎのストッパー層は、望ましくは、前記光ガイド層の波長もしくはＩｎＰから光ガイド層までの波長に対応する組成を用いるのが良い。
【００３５】
図３は本願発明の第２の実施の形態を示す断面図である。図はレーザ光の進行方向に交差する面での断面図である。この例はＩｎＧａＡｌＡｓ層を活性層と光ガイド層の間に挿入し、上側光ガイド層から低濃度ＩｎＰクラッド層までのＺｎ濃度を増加させた例である。
【００３６】
結晶成長は前記第１の実施の形態と同様に有機金属気相成長法によった。ｎ−ＩｎＰ基板１上に、前述の通り歪多重量子井戸活性層４まで成長した後、本例では、更にＩｎＧａＡｌＡｓ層１４（膜厚：１０ｎｍ、波長：１２００ｎｍ、ＩｎＰ基板に格子整合する）、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層１５（キャリア濃度：４×１０¹⁷ｃｍ^-3、膜厚：５０ｎｍ、波長：１１７０ｎｍ）、ｐ−ＩｎＰクラッド層１６（キャリア濃度：７×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ：３００ｎｍ）、ｐ−ＩｎＰクラッド層１０（キャリア濃度：９×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ：２０００ｎｍ）、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１１（キャリア濃度：２×１０¹⁹ｃｍ^-3、厚さ：３００ｎｍ）を順次成長した。
【００３７】
この後は第１の実施の形態の場合と同様にして素子化を図った。
【００３８】
本実施例では、活性層へのＺｎ拡散濃度を２×１０¹⁶ｃｍ^-3とわずかに止めつつ、光ガイド層をｐ型にドーピングし、ｐ−ＩｎＰクラッド層の濃度を上げることが可能となった。こうして、本半導体レーザ素子の、特に高温でのレーザ特性をさらに向上させることができた。例えば８５℃における電流ー光出力の効率を約５割向上できた。
【００３９】
尚、本実施例でもＺｎのストッパー層としてＩｎＧａＡｓＰ障壁層と同じ発光波長のＩｎＧａＡｌＡｓ組成を用いたが、光ガイド層の波長もしくは障壁層から光ガイド層までの波長に対応する組成なら他の組成でも良い。また、光ガイド層の波長より短い波長の組成を用いる場合には、波長が短すぎたり、膜厚が厚すぎると注入効率が低下するため、この場合には、Ｚｎのストッパー層は数１０ｎｍ以下の膜厚が望ましい。
【００４０】
図４は本願発明の第３の実施の形態を示す断面図である。図はレーザ光の進行方向に交差する面での断面図である。この実施例はＩｎＧａＡｌＡｓ層をクラッド層とコンタクト層の間に挿入し、コンタクト層からクラッド層への過剰なＺｎ拡散を低減した例である。
【００４１】
結晶成長は前記第１の実施の形態と同様に有機金属気相成長法によった。ｎ−ＩｎＰ基板１上に、前記第１の実施の形態と同様に、ｎ−ＩｎＰバッファ層２（キャリア濃度：１×１０¹⁸ｃｍ^-3、膜厚：３００ｎｍ）、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層３（キャリア濃度：１×１０¹⁸ｃｍ^-3、膜厚：１００ｎｍ、波長：１１７０ｎｍ）、歪多重量子井戸活性層４、アンドープＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層７（膜厚：５０ｎｍ、波長：１１７０ｎｍ）、アンドープＩｎＧａＡｌＡｓ層８（膜厚：１０ｎｍ、波長：９２０ｎｍ、この層はＩｎＰ基板に格子整合される）、ｐ−ＩｎＰクラッド層９（キャリア濃度：４×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ：３００ｎｍ）、ｐ−ＩｎＰクラッド層１０（キャリア濃度：９×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ：３０００ｎｍ）を順次成長した。尚、前記歪多重量子井戸活性層４は、ＩｎＧａＡｓＰ障壁層５（膜厚：１０ｎｍ、波長：１２００ｎｍ）と歪ＩｎＧａＡｓ量子井戸層６（発光波長：１５５０ｎｍ、膜厚：６ｎｍ、歪量：０．５％）で構成され、その周期は７周期とした。
【００４２】
ｐ−ＩｎＰクラッド層１０まで成長した後、更に、ｐ−ＩｎＧａＡｌＡｓ層１７（キャリア濃度：２×１０¹⁸ｃｍ^-3、膜厚：３０ｎｍ、波長：１３００ｎｍ、ＩｎＰ基板に格子整合）、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１１（キャリア濃度：２×１０¹⁹ｃｍ^-3、厚さ：３００ｎｍ）を順次成長した。この後、半導体積層体９、１０、１７、１１の各層を、通例のウエットエッチングにより、メサ形状１８に加工する。図の例では、半導体基板側の幅がその上部の幅より狭くなった逆メサ形状の例である。こうして形成したメサ形状部の両側をＦｅドープのＩｎＰ層１９で埋め込む。この構成はいわゆる埋め込み型メサ構造である。その後の半導体光素子の形成は前述の実施の形態１と同様である。
【００４３】
本例では、コンタクト層１１からの過剰なＺｎはＩｎＧａＡｌＡｓ層で止められる。従って、ＩｎＰクラッド層９、１０にはＺｎは実施的に拡散しておらず、ＩｎＰ中での異常拡散の原因となるＺｎは少ない。このため、前述のメサ形状の両側を埋めるＦｅドープのＩｎＰ層を結晶成長させる時、Ｚｎ−Ｆｅの相互拡散が少ない。従って、本半導体光素子の寄生容量を大幅に低減することができ、当該半導体光素子の変調帯域を約１２ＧＨｚにまで向上することができた。
【００４４】
尚、本実施例ではＩｎＧａＡｌＡｓ層のキャリア濃度を２×１０¹⁸ｃｍ^-3とした。ＩｎＧａＡｌＡｓ層のＺｎ濃度はＩｎＧａＡｓと同様に２×１０¹⁹ｃｍ^-3までドープ可能であり、原理的にこの濃度以下なら他の濃度でも可能である。しかし、Ｚｎ濃度が低すぎる場合や逆に高すぎる場合に素子抵抗の増加やＺｎ拡散を停止する効果が低減する。この観点から、ＩｎＧａＡｌＡｓ層のキャリア濃度は１×１０¹⁸ｃｍ^-3から８×１０¹⁸ｃｍ^-3程度が望ましい。
【００４５】
また、本実施例ではＩｎＧａＡｌＡｓ層をコンタクト層とＩｎＰクラッド層の間に設けたが、さらに活性層近傍やクラッド層中にも追加させることが可能である。例えば、ＩｎＧａＡｌＡｓ層をコンタクト層とＩｎＰクラッド層の間、およびＩｎＰクラッド層と光ガイド層との間に設けた場合には、Ｆｅ−Ｚｎの相互拡散をさらに低減でき、当該半導体光素子の変調帯域を１４ＧＨｚにまで向上することができた。
【００４６】
図５は本願発明の第４の実施の形態を示す断面図である。図はレーザ光の進行方向に交差する面での断面図である。この例はＺｎドープＩｎＰ基板からのＺｎ拡散をＩｎＧａＡｌＡｓ層により低減し、ＺｎドープＩｎＰバッファ層の膜厚を大幅に低減するものである。
【００４７】
結晶成長は前記第１の実施の形態と同様に有機金属気相成長法によった。ｐ−ＩｎＰ基板２０上にｐ−ＩｎＧａＡｌＡｓ層２１（キャリア濃度：１×１０¹⁸ｃｍ^-3、膜厚：１００ｎｍ、波長：９２０ｎｍ、ＩｎＰ基板に格子整合）、ｐ−ＩｎＰバッファ層２２（キャリア濃度：３×１０¹⁷ｃｍ^-3、膜厚：３００ｎｍ）、アンドープ−ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド２３（膜厚：５０ｎｍ、波長：１１５０ｎｍ）、歪多重量子井戸活性層２４、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層２７（キャリア濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3、膜厚２００ｎｍ、波長１１５０ｎｍ）、ｎ−ＩｎＰクラッド層２８（キャリア濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ２０００ｎｍ）、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層２９（キャリア濃度１×１０¹⁹ｃｍ^-3、厚さ３００ｎｍ、波長１３００ｎｍ）を順次成長した。尚、歪多重量子井戸活性層２４は、ＩｎＧａＡｓＰ障壁層２５（膜厚：１０ｎｍ、波長：１１５０ｎｍ）と歪ＩｎＧａＡｓ量子井戸層２６（発光波長：１３００ｎｍ、膜厚：６ｎｍ、歪量：１．４％）とで構成され、その周期は５周期とした。
【００４８】
こうして準備した半導体積層体（２８、２９）を通例のウエットエッチグにより逆メサを形成し、ｐ型電極１２、ｎ型電極１３を蒸着した。次いで、劈開によりファブリペロー共振器の反射面を形成した。通例のパッシベーションを施し、素子化を図った。本例の出来上がり断面は前述の図２と同様のメサ構造である。
【００４９】
本実施例では、ｐ−ＩｎＰ基板から活性層へのＺｎ拡散をＩｎＧａＡｌＡｓ層で停止することができることから、通常３０００ｎｍと厚膜のバッファ層を３００ｎｍと薄くすることができ、且つ結晶成長の時間を本例を用いない場合に比較して約２時間短縮することができた。
【００５０】
図６は本願発明の第５の実施の形態を示す断面図である。図６はレーザ光の進行方向に交差する面での断面図である。この実施の形態は前述の第１の実施の形態を特にリッジ型の半導体レーザに適用した例である。
【００５１】
結晶成長は前記第１の実施の形態と同様に有機金属気相成長法によった。ｎ−ＩｎＰ基板１上に前記第１の実施の形態と同様にｎ−ＩｎＰバッファ層２、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層３、歪多重量子井戸活性層４、、アンドープＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層７、アンドープＩｎＧａＡｌＡｓ層８、ｐ−ＩｎＰクラッド層９、ｐ−ＩｎＰクラッド層１０、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１１（キャリア濃度：２×１０¹⁹ｃｍ^-3、厚さ：３００ｎｍ）を順次成長した。尚、前記第１の実施の形態と同様に前記歪多重量子井戸活性層４は、ＩｎＧａＡｓＰ障壁層５（膜厚：１０ｎｍ、波長：１２００ｎｍ）と歪ＩｎＧａＡｓ量子井戸層６（発光波長：１５５０ｎｍ、膜厚：６ｎｍ、歪量：０．５％）で構成され、その周期は７周期とした。
【００５２】
ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１１（キャリア濃度：２×１０¹⁹ｃｍ^-3、厚さ：３００ｎｍ）までを順次成長した後、ウエットエッチグにより逆メサ形状３０を形成した。そして、この逆メサ形状３０の表面に薄いＳｉＯ₂絶縁膜３１を形成する。更に、このＳｉＯ₂絶縁膜３１上にポリイミド樹脂層３２を形成し、いわゆるリッジ型の電流狭窄構造を作製した。
【００５３】
次いで、ｐ型電極１２、およびｎ型電極１３を蒸着し、次いで、劈開によりファブリペロー共振器の反射面を形成した。通例のパッシベーションを施し、素子化を図った。
【００５４】
本実施の形態ではＩｎＧａＡｌＡｓ層８がＺｎ拡散のストッパー層として働く以外に、ウエットエッチング時のエッチングストッパー層としても有効である。従って、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層がエッチングされない。この為、本構造を採用することによってより高信頼な素子が作製可能となる。これは、従来のＩｎＧａＡｓＰのみによる上側光ガイド層に比べ、Ｖ族がＡｓのみになることから、リン（Ｐ）系のエッチング液に対してはよりエッチングされなくなることによる。具体的には従来のＩｎＧａＡｓＰ層光ガイド層７のみの場合には部分的に約２５ｎｍほどエッチングされていたが、ＩｎＧａＡｌＡｓ層８を用いた場合には光ガイド層のエッチングが無くなる。この為、本素子の信頼性を、本例を用いない場合に比較して約３割向上できた。
【００５５】
尚、上記第１より第５の実施の形態でのＩｎＧａＡｌＡｓの格子定数についてはＩｎＰ基板に格子整合としたが、格子不整合であっても膜厚が転移や欠陥の発生しない臨界膜厚以内であれば良い。
【００５６】
また、上記第１より第５の実施の形態は全て単体の半導体レーザ装置であるが、レーザをアレイ状になっていても良い。特に第５の実施の形態のｐ−ＩｎＰ基板上の素子をレーザアレイにした場合には、成長時間を半減できる。従って、素子の製造工程中でのゴミ等の落下物が少なくなり、例えば１０チャンネルのレーザアレイにおける素子の歩留まりを約３割向上できた。
【００５７】
以上、実施の諸形態をもって説明したように、各成長層でのＺｎ濃度の微妙な制御が可能となり、活性層へのＺｎ拡散を大幅に低減できた。この結果、摂氏８５度程度での高温特性や高速応答性に優れた光素子の作製が可能となった。またＺｎドープＩｎＰ基板上の光素子では成長時間を大幅に短縮できた。
【００５８】
本願の第６の例は、本願発明における第２の実施の形態の半導体レーザ装置を光源とした光伝送システムの光増幅器部分の例である。
【００５９】
図７は、光伝送、送信、受信システムの概要を示す図である。光入力４１（この例では、波長１．５５μｍの光である）は、一般には多重伝送されているので、分波器４２により所定の波長の光が分波される。そして、半導体レーザ装置４６よりのファイバ増幅器４４を増幅する為のレーザ光と入力された光とを混合器４３で混合し、ファイバ増幅器に入力する。半導体レーザ装置４６は一般に冷却装置４７にて冷却され、又これらの各要素は自動制御装置４８にて制御されている。符号４９は当該光増幅器部分よりの波長１．５５μｍの光信号出力を示している。
【００６０】
一般に送信側では各チャネルを周波数軸上で原情報によって変調された搬送波を割り当て順序に従って並べ、光合波器によって送信信号を合成している。一方、受信側では、光分波器で周波数分離された信号を各チャネルごとに設けられた光検波・復調回路を通すことにより原信号を再生している。一本のファイバでの双方向伝送が行われる。
【００６１】
本例では、光諸特性を満足しつつ、これまでの光システムに見られない長寿命なる光システムを実現することが出来る。更に、わけても、光システムの高温雰囲気での諸特性、高速応答に優れる。
【００６２】
尚、光システムの構成に前述の台の実施の形態以外の形態を、そのシステムの要求する諸特性に応じて用いて良いことは言うまでもない。
【００６３】
【発明の効果】
本願発明は、半導体光素子の諸特性を確保しつつ、長寿命なる半導体光素子を提供することが出来る。わけても、本願発明は、高温雰囲気での諸特性、高速応答に優れる。
【００６４】
更には、本願発明は、半導体光素子の諸特性を確保しつつ、長寿命且つこれまで以上の短波長の発振波長なる半導体光素子を提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本願発明を実施する為の半導体積層体の例を示す断面図である。
【図２】図２は本願の第１の実施の形態を示す断面図である。
【図３】図３は本願発明を第２の実施の形態を示す断面図である。
【図４】図４は本願発明を第３の実施の形態を示す断面図である。
【図５】図５は本願発明を第４の実施の形態を示す断面図である。
【図６】図６は本願発明を第５の実施の形態を示す断面図である。
【図７】図７は各種化合物半導体材料に対する亜鉛のドープ後、アニール前の濃度分布を示す図である。
【図８】図８は各種化合物半導体材料に対する亜鉛のアニール後の濃度分布を示す図である。
【図９】図９は光伝送システムの光増幅器部分の例を示す図である。
【符号の説明】
１：ｎ−ＩｎＰ基板、２：ｎ−ＩｎＰバッファ層、
３：ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層、４：歪多重量子井戸活性層、
５：ＩｎＧａＡｓＰ障壁層、６：歪ＩｎＧａＡｓ量子井戸層、
７：アンドープＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層、８：アンドープＩｎＧａＡｌＡｓ層、９：ｐ−ＩｎＰクラッド層、１０：ｐ−ＩｎＰクラッド層、
１１：ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層、１２：ｐ型電極、１３：ｎ型電極、
１４：ＩｎＧａＡｌＡｓ層、１５：ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層、
１６：ｐ−ＩｎＰクラッド層、１７：ｐ−ＩｎＧａＡｌＡｓ層、
１８：メサ形状、１９：ＦｅドープＩｎＰ層、２０：ｐ−ＩｎＰ基板、
２１：ｐ−ＩｎＧａＡｌＡｓ層、２２：ｐ−ＩｎＰバッファ層、
２３：アンドープ−ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層、２４：歪多重量子井戸活性層、
２５：ＩｎＧａＡｓＰ障壁層、２６：歪ＩｎＧａＡｓ量子井戸層、
２７：ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層、２８：ｎ−ＩｎＰクラッド層、
２９：ｎ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト、３０：逆メサ形状
３１：ＳｉＯ₂絶縁膜、３２：ポリイミド樹脂である。

Claims

Ａｌを実質的に含有しないＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰの混晶からなる活性層と亜鉛を含有する化合物半導体層とを有する化合物半導体積層体の、前記Ａｌを実質的に含有しないＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰの混晶からなる活性層と前記亜鉛を含有する化合物半導体層との間に、前記活性層側から順にＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層及び亜鉛の拡散を抑制するためのＩｎＧａＡｌＡｓ拡散停止層を少なくとも有しており、前記ＩｎＧａＡｌＡｓ拡散停止層と前記ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層とはその組成波長が等しいことを特徴とする半導体光素子。
ｎ型ＩｎＰ基板に、Ａｌを実質的に含有しないＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰの混晶からなる活性層と亜鉛を含有する化合物半導体層とを有する化合物半導体積層体の、前記Ａｌを実質的に含有しないＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰの混晶からなる活性層と前記亜鉛を含有する化合物半導体層との間に、前記活性層側から順にＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層及び亜鉛の拡散を抑制するためのＩｎＧａＡｌＡｓ拡散停止層を少なくとも有しており、前記ＩｎＧａＡｌＡｓ拡散停止層と前記ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層とはその組成波長が等しいことを特徴とする半導体光素子。
前記ＩｎＧａＡｌＡｓ層のバンドギャップ波長が前記ＩｎＧａＡｓとＩｎＧａＡｓＰの混晶からなる活性層の発光波長よりも短いことを特徴とする請求項１〜２のいずれかに記載の半導体光素子。
活性層へ電流を注入する為の電流狭窄構造がリッジ構造であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体光素子。