JP4641230B2 - 光半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体レーザ装置における発振特性を向上するため、歪量子井戸構造の高品質化を実現する技術であって、広い環境温度範囲で安定して動作する光半導体装置に関するものである。

光源波長が１．３μｍ〜１．５５μｍである光ファイバ通信では、従来、バンドギャップ、格子定数の関係上作製しやすい、ＩｎＰ基板上のＩｎＧａＡｓＰ系レーザが用いられてきた。通常、発振特性の改善のために、活性層に歪量子井戸構造を採用している。一般に、歪量を増大させれば、微分利得が向上するため、レーザ特性が改善することが知られている。しかし、大きすぎる歪は結晶性の劣化を招くので、その構成材料としては、ＩｎＰ基板との格子定数差を考慮して、量子井戸層には１％前後の圧縮歪となるＩｎＧａＡｓＰを用い、障壁層にはＩｎＰ基板と格子整合した組成となるＩｎＧａＡｓＰを用いることが一般的である。

このような従来のＩｎＰ基板上レーザでは、伝導帯側の量子井戸層と障壁層間のバンドオフセットが小さいために、高温条件下にすると電子のオーバーフローによる光学利得の低下が生じ、しきい値電流の増加、効率の低下が引き起こされる。しきい値電流の温度依存性を示す特性温度は５０Ｋ程度と低く、ペルチェクーラー等の温度調整器の使用が不可欠であった。

また同じＩｎＰ基板上において、ＩｎＧａＡｓＰ系より大きなバンドオフセットを持つといわれるＡｌＧａＩｎＡｓ系レーザも開発されているが、ＧａＡｓ基板上の短波長ＩｎＧａＡｓレーザに比べると、温度特性は劣っている。さらに、Ａｌを含んだ材料固有の酸化による信頼性劣化が懸念される。

ＧａＡｓ基板上では、比較的短波長の０．７８μｍ、０．８５μｍ、０．９８μｍ、１．０６μｍ帯レーザが実用化されており、特性温度が１５０Ｋを超える優れた温度特性が示されている。これは伝導帯側の大きなバンドオフセットによるものである。しかしながら、ＧａＡｓ基板上のＩｎＧａＡｓ歪量子井戸構造によって１．３μｍでの発光を得るためには、Ｉｎ組成を５０％程度に高める必要がある。Ｉｎ組成の増加とともに、ＧａＡｓ基板との格子不整合が大きくなり、３次元成長やミスフィット転位が生じる。そのため、１．３μｍ以上の波長帯での高品質な量子井戸層の形成は困難である。

この格子不整合とバンドオフセットの問題を改善する手段として、ＧａＡｓより格子定数が大きいＩｎＧａＡｓ３元基板上の歪量子井戸構造が提案された。（K.Otsubo, et al.,IEEE Photonics Technology Letter, Vol.10, No.8, pp.1073-1075, 1998.）

図６は、ＩｎＧａＡｓ歪量子井戸層の歪と発光波長との関係である。量子井戸層の厚さは１０ｎｍとしている。ここで、ＩｎＧａＡｓ障壁層は基板に格子整合する組成を用いた。
１．３μｍの発光を得るための量子井戸層の歪量は、ＧａＡｓ基板上では３．２％、Ｉｎ組成０．１のＩｎＧａＡｓ基板では２．３％、Ｉｎ組成０．２のＩｎＧａＡｓ基板では１．８％となる。
この構造では、量子井戸層と障壁層のＩｎ組成の差を大きくするほどバンド不連続も大きくなるためキャリアオーバーフローの抑制が可能となり、温度特性が向上する。しかしながら、量子井戸層の歪量が大きくなるため、結晶性の劣化が起こる。そのため３元基板上高歪量子井戸の結晶性向上技術が必要となる。

また、半導体レーザの高温動作特性に影響が大きいものとして、素子の熱抵抗の問題がある。ＩｎＧａＡｓ３元基板を半導体レーザ構造へ用いた場合、結晶の混晶化により、組成に対して物性値が比例せず、非線形因子が存在する。そのため、２元に比べ３元や４元混晶の物性値は２次関数的な振る舞いを示す。例えばＩｎＧａＡｓは、そのもとになるＩｎＡｓやＧａＡｓに比べ、材料の熱抵抗が上昇する問題がある。図７は、ＩｎＧａＡｓの熱伝導率のＩｎ組成依存性である。これによるとＩｎ_0.3Ｇａ_0.7ＡｓではＧａＡｓの熱伝導率２．３に比べ８倍程度高いことがわかる。クラッド層や活性層の熱抵抗が上昇することにより、活性層で発生した熱がヒートシンクへ逃げる効率が低下し、活性層の温度上昇につながる。

特に垂直共振面発光レーザ型では、半導体多層膜反射鏡に混晶を用いること、および電流注入が小さい活性領域に集中する構造のために、この影響が端面出射型のレーザに比べ大きくなる。

K.Otsubo, et al.,IEEE Photonics Technology Letter, Vol.10, No.8, pp.1073-1075, 1998.

以上のように、通信用半導体レーザ光源の温度特性向上のためには３元基板上歪量子井戸レーザが有効であるが、発振波長を通信波長帯である１．３μｍ以上にするためには量子井戸層の高歪化が必要であり、そのためミスフィット転位の発生等による結晶性の劣化が問題であった。また、高温動作特性の向上のためには、３元結晶を用いた場合の熱抵抗上昇も問題であった。本発明は以上のような点に鑑みてなされたもので、その目的とするところは優れた温度特性が期待されるＩｎＧａＡｓ３元基板上の高歪量子井戸構造の結晶性の向上と熱抵抗の低減にある。

上記課題を解決する本発明の構成は、
３元混晶の半導体結晶Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓからなる基板の上に、活性層として形成される多重量子井戸構造を備えた光半導体装置において、
前記多重量子井戸構造は、圧縮歪量子井戸層と障壁層とから成り、前記障壁層は前記多重量子井戸構造の熱抵抗を低減するためにＧａＡｓを含むことを特徴とする。

また本発明の構成は、
前記多重量子井戸構造は、圧縮歪量子井戸層とＧａＡｓから成る障壁層との間に、ＩｎＧａＡｓ障壁層が挿入されていることを特徴とする。

また本発明の構成は、
半導体結晶Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓからなる前記基板の組成比ｘは、０＜ｘ≦０．２の範囲にあることを特徴とする。

また本発明の構成は、
前記多重量子井戸構造の発光波長が１．１〜１．６μｍであることを特徴とする。

また本発明の構成は、
前記圧縮歪量子井戸層の材料は、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ，ＡｌＧａＩｎＡｓ，ＩｎＧａＡｓＰのいずれかであることを特徴とする。

［作用］
本発明によれば、ＩｎＧａＡｓ３元基板上圧縮歪量子井戸において、障壁層またはその一部に引っ張り歪となるＧａＡｓ層を導入し、障壁層に、基板に対して格子定数の小さい引っ張り歪層を導入することにより歪補償構造になり、量子井戸を多層化した際の歪による転位、欠陥の発生が緩和される。

さらに結晶的に安定した２元結晶は３元、４元の材料で問題となる相分離などが無いため、結晶性向上が可能となる。

また３元材料に比べ熱抵抗が低いため、放熱性が向上し、素子全体の発熱を抑えた高温度特性動作が可能となる。

本発明によれば、通信波長帯発振波長を有し、高性能であり、特に温度特性に優れた量子井戸半導体レーザが実現できる。

以下に本発明を実施するための最良の形態を説明する。

高歪量子井戸の結晶性を向上させる手法として歪補償構造が知られている。これは圧縮歪の量子井戸層に対して、引張り歪の障壁層を導入することにより平均歪を低減させ、量子井戸層を多層化した際にミスフィット転位や欠陥を減少させ結晶性を向上させる方法である。

本発明では、この歪補償構造において障壁層の一部に２元のＧａＡｓ結晶を用いることを提案する。ＧａＡｓ障壁層はＩｎＧａＡｓに対して引張り歪となるだけでなく、結晶的に安定した２元結晶を用いることになり、高歪量子井戸層上に結晶成長しても相分離など３元、４元混晶で発生しやすい劣化要因を抑制できる。さらに前述のように２元結晶は３元結晶に比べ熱抵抗が小さいという利点も持ち合わせているため、素子の温度上昇を抑える効果を持っている。

例えば３元基板としてｎ型にドープしたＩｎ_xＧａ_1-xＡｓ（ｘ＝０．１）を用いた基板の上にｎ−ＩｎＧａＰクラッド層を１．５μｍ以上の厚さに成長する。さらにＡｌＧａＩｎＡｓまたはＩｎＧａＡｓからなる光閉じ込め層を成長し、その上に活性層を形成し、その上にｐ−ＩｎＧａＰクラッド層を１．５μｍ以上の厚さに成長し、その上にｐ型に高ドープしたＩｎ_xＧａ_1-xＡｓ層を形成する。

活性層は量子井戸層と障壁層からなり、井戸型ポテンシャルはＩｎＧａＡｓのＩｎ組成を変化させることで形成する。障壁層の一部には引張り歪となる２元のＧａＡｓ層を導入する。Ｉｎ組成０．１のＩｎＧａＡｓ基板上ではＧａＡｓは０．７％の引張り歪となる。圧縮歪となる量子井戸層に対して、障壁層に、基板に対して格子定数の小さい引張り歪層を導入することにより歪補償構造になり、歪によるミスフィット転位や欠陥の発生が緩和される。さらに結晶的に安定した２元結晶は３元、４元の材料で低温成長時に問題となる相分離などが無いため、劣化要因を排除できる。

３元基板に対して２元のＧａＡｓ層を用いることで最も温度が上昇する活性層での基板の垂直方向、面内方向への熱伝導性を向上させる効果も生じる。そのため、垂直共振面発光レーザや端面出射型レーザの活性層温度の上昇が抑えられ、温度調整器が不要な低コストモジュールを実現することが可能となる。

このように本発明は、ＩｎＧａＡｓ３元基板上圧縮歪量子井戸において、２元のＧａＡｓを導入することによる歪補償、結晶性向上と熱伝導率改善という新たな発想をもとにしたものである。障壁層の一部に引っ張り歪となるＧａＡｓ層を導入し、圧縮歪となる量子井戸に対して、障壁層に、基板に対して格子定数の小さい引っ張り歪層を導入することにより、歪補償構造になり、歪による転位の発生が緩和される。また高歪量子井戸成長には低温成長が必要であるが、そのような条件においても２元結晶は３元で見られるような相分離が原理的に生じないため、結晶性は向上できる。さらに３元基板に対して２元のＧａＡｓ層を用いることで最も温度が上昇する活性層での基板の垂直方向、面内方向への熱伝導性を向上させる効果も生じる。そのため、垂直共振面発光レーザや端面出射型レーザの活性層温度の上昇が抑えられ、温度調整器が不要な低コストモジュールを実現することが可能となる。

ここで、本発明の実施例１を図１に基づいて説明する。
実施例１は、図１に示すような３元基板上ＩｎＧａＡｓレーザ構造において、波長１．３μｍでのレーザ発振を実現するための構造である。

図１に示すように、基板１は、バルク結晶から切り出して、研磨を行ったＩｎ組成０．１のｎ−Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓである。その上にＳｉをドープしたｎ−Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓバッファー層を成長し、さらにＳｉを５×１０¹⁷ドープしたｎ−Ｉｎ_0.58Ｇａ_0.42Ｐクラッド層２を１．５μｍの厚さに成長し、その上に活性層構造を成長する。

活性層は、図１に示すように、圧縮歪量子井戸層４，６，８の両側に、引張歪となるＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ障壁層３，５，７，９を配した歪量子井戸構造αである。
更に詳述すると、図２に示すように、量子井戸層４，６，８の両側に、厚さ５ｎｍのＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ障壁層配し、更に、ＧａＡｓ歪補償層を配する。ＧａＡｓ歪補償層は厚さが１５ｎｍであり、Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ障壁層の間に配する。Ｉｎ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ量子井戸層の厚さは１０ｎｍとした。活性層は３層の量子井戸層４，６，８を持つ。

図１に戻り説明を続けると、歪量子井戸構造αの上に亜鉛を５×１０¹⁷ドープしたｐ−Ｉｎ_0.58Ｇａ_0.42Ｐクラッド層１０を１．５μｍの厚さに成長し、その上にｐ型に２×１０¹⁹ドープした厚さ１００ｎｍのＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓコンタクト層１１を成長する。この成長後のウェハをリッジレーザ型あるいは埋め込みレーザ型、ブロードコンタクト型へ加工することにより、高品質な波長１．３μｍ帯レーザを作製した。
なお、図１において、１２はｐ電極、１３はｎ電極である。

図２のように障壁層のうち１５ｎｍの厚さを２元のＧａＡｓにした構造を実際に有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）で作製し、その歪補償効果を調べた。
成長温度５５０℃、成長圧力７６TorrにてＩｎＧａＡｓ基板上に同組成のＩｎＧａＡｓバッファー層を０．１μｍの厚さに成長し、その上に障壁層と量子井戸層を３層繰り返し成長した３層量子井戸構造で評価を行った。

図３に障壁層の構造を変えた２種類の量子井戸構造のフォトルミネッセンス測定結果を示す。波長１２８０ｎｍのピークを持つ２つのスペクトルを比べると、ＧａＡｓ歪補償層を導入したものが、無いものの約３倍の強度をもっていた。これはＧａＡｓ歪補償層が、３層量子井戸構造の平均歪量を低減させたため、結晶性向上を達成したためと考えられる。

なお、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ障壁層３，５，７，９における、ＧａＡｓ障壁層とＩｎＧａＡｓ障壁層の積層状態は、図２に示すものに限らず、他の積層状態にすることもできる。即ち、ＩｎＧａＡｓ量子井戸層とＧａＡｓ障壁層の間にＩｎＧａＡＳ障壁層を挿入した積層構成のみならず、他の積層構成としてもよい。
また障壁層として、ＩｎＧａＡｓを用いずに、障壁層の全てをＧａＡｓのみで構成するようにしてもよい。要は、障壁層にＧａＡｓを含んでいればよい。
更に、通常の半導体レーザ構造と同様に、クラッド層と量子井戸構造の間に光閉じ込め層として、１００ｎｍ程度のＡｌＧａＩｎＡｓやＩｎＧａＡｓＰ層などを導入することで、より効率的に光増幅が行われ閾値低減が可能となる。

また、半導体結晶Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓからなる基板１の組成比ｘは、０＜ｘ≦０．２の範囲にあればよい。

また歪量子井戸構造の発光波長が１．１〜１．６μｍであれば、本実施例を良好に適用することができる。

次に本発明の実施例２について説明する。
上記の実施例１では、端面出射型について説明したが、以下に垂直共振面発光レーザ構造を採用した装置について説明する。

図４はＩｎＧａＡｓ基板上に高屈折率材料であるＩｎＧａＡｓ層１４と低屈折率材料であるＩｎＡｌＡｓ層１５を波長の１／４周期毎に積層した半導体多層膜反射鏡を用いた構造を示している。基板のＩｎ組成を０．１と小さく抑えることで、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ間の屈折率差はＧａＡｓ／ＡｌＡｓの屈折率差である０．５程度に近づくため、反射率９９％以上の良質な反射鏡の形成が可能となる。
なお、図４において、図１に示す実施例と同じ機能を果たす構成部材には、同じ符号を付し、重複する説明は省略する。

図５はＩｎＧａＡｓ基板上面発光レーザ構造の熱伝導計算結果である。活性層は４μｍ角とし、バイアス電流８ｍＡ、電圧４Ｖ、光出力は３ｍＷを仮定し、計算を行った。第１の実施例と同様に障壁層の一部分に２元のＧａＡｓ歪補償層を導入した場合と、そうでなく基板と同じ組成の一様なＩｎＧａＡｓ障壁層の場合の活性層付近の温度分布を示している。この結果、熱伝導性の高い２元のＧａＡｓ歪補償層を導入したことにより、活性層温度の１０Ｋの低減が見積もられた。この結果は３元基板上面発光レーザの障壁層への２元ＧａＡｓ歪補償層の有効性を実証しており、高品質な波長１．３μｍ帯面発光レーザの実現が可能になる。

なお、実施例１及び実施例２において、量子井戸層の材料としては、上述のＩｎＧａＡｓの外に、ＧａＩｎＮＡｓ，ＡｌＧａＩｎＡｓ，ＩｎＧａＡｓＰのうちの何れかを用いることができる。

本発明の実施例１の要部を示す断面図である。 実施例１に対応する量子井戸活性層のＩｎ組成変化を示す特性図である。 Ｉｎ組成０．１のＩｎＧａＡｓ基板上のＩｎＧａＡｓ量子井戸のフォトルミネッセンススペクトルの歪補償有無の比較図である。 本発明の実施例２の要部を示す断面図である。 活性層周辺の温度分布のバリア構造による違いを比較して示す説明図である。 ＩｎＧａＡｓ基板上歪量子井戸の波長と歪の関係を示す説明図である。 ＩｎＧａＡｓ３元混晶の熱抵抗のＩｎ組成依存性を示す特性図である。

符号の説明

１ ｎ−Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ基板
２ ｎ−Ｉｎ_0.58Ｇａ_0.42Ｐクラッド層
３，５，７，９ ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ障壁層
４，６，８ Ｉｎ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ量子井戸層
１０ ｐ−Ｉｎ_0.58Ｇａ_0.42Ｐクラッド層
１１ コンタクト層
１２ ｐ電極
１３ ｎ電極
１４ ＩｎＧａＡｓ層
１５ ＩｎＡｌＡｓ層
α 歪量子井戸構造

Claims (5)

1. ３元混晶の半導体結晶Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓからなる基板の上に、活性層として形成される多重量子井戸構造を備えた光半導体装置において、
   前記多重量子井戸構造は、圧縮歪量子井戸層と障壁層とから成り、前記障壁層は前記多重量子井戸構造の熱抵抗を低減するためにＧａＡｓを含むことを特徴とする光半導体装置。
2. 前記多重量子井戸構造は、圧縮歪量子井戸層とＧａＡｓから成る障壁層との間に、ＩｎＧａＡｓ障壁層が挿入されていることを特徴とする請求項１の光半導体装置。
3. 半導体結晶Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓからなる前記基板の組成比ｘは、０＜ｘ≦０．２の範囲にあることを特徴とする請求項１または請求項２の光半導体装置。
4. 前記多重量子井戸構造の発光波長が１．１〜１．６μｍであることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項の光半導体装置。
5. 前記圧縮歪量子井戸層の材料は、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ， ＡｌＧａＩｎＡｓ，ＩｎＧａＡｓＰのいずれかであることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか一項の光半導体装置。

Images