JP5534877B2 - 光半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＩＩＩ／Ｖ族化合物半導体からなる井戸層と障壁層とが積層した多重量子井戸構造を有する光半導体装置に関するものである。

ＩＩＩ／Ｖ族化合物半導体であるＧａＩｎＡｓＰ系材料からなり、障壁層の間に井戸層が介挿された量子井戸構造を有する光半導体装置では、たとえば発光層となる井戸層に結晶歪み（以下、歪みと称する）を導入した構造が用いられている。井戸層への歪みの導入は、そのバンド構造を変化させるので、格子整合系では不可能な利得波長特性等を利用できるという利点がある。また、光半導体装置の一種であり、量子井戸構造を複数有する多重量子井戸構造を用いた半導体レーザにおいて、歪みの導入によって効率よくレーザ発振を行えるという利点がある。例えば、井戸層に圧縮歪みを導入した場合、レーザ発振時の閾値電流の低減や、それに伴う温度特性の改善が得られることが知られている。また、井戸層に引っ張り歪みを導入した場合、圧縮歪みを導入した場合と同様、閾値電流の低減効果や、半導体レーザの変調速度を決定する微分利得を大きく取ることが出来ることが知られている。

このように、半導体レーザにおいて、井戸層に歪みを導入することで、より広帯域な利得波長や、半導体レーザの性能の向上を実現することができる。しかしながら、その一方で、格子緩和による結晶中欠陥の発生が問題となる。

すなわち、井戸層や障壁層などの結晶層は、本来の格子定数とは異なる歪んだ状態で成長を進行させた場合、その層厚が、与えた歪み量に応じた臨界膜厚を超えると、格子緩和が発生し、結晶中に多数の転位・欠陥が入り込む。格子緩和による転位・欠陥の発生は、発光素子における非発光再結合の原因となり、発光素子としての特性に悪影響を与える。

これに対して、井戸層が臨界膜厚を超えた場合の格子緩和の発生を抑制するため、井戸層に導入した歪みと逆方向の歪みを障壁層に導入し、多重量子井戸構造全体での歪みを補償することで、結晶層を格子緩和させずに歪み導入の利点を得る技術が開示されている。このような構造を歪み補償量子井戸構造と呼び、現在の多くの半導体レーザではこの歪み補償量子井戸構造が用いられている。以下、この歪み補償量子井戸構造を従来例１とする。

図１６は、この種の多重量子井戸構造を含む光半導体装置の一例としてのＧａＩｎＡｓＰ系半導体レーザの構造を示す模式的な断面図である。図１６に示すように、この半導体レーザは、ｎ−ＩｎＰからなる基板５１上に順次積層した、厚さ１μｍのｎ−ＩｎＰからなる下部クラッド層５２、厚さ１００ｎｍのＧａＩｎＡｓＰからなる分離閉じ込め層としての下部ＳＣＨ(separate-confinement heterostructure)層５３ｂ、およびＧａＩｎＡｓＰからなる多重量子井戸層５３ａ、更に、下部クラッド層５２側と対象の形で積層した厚さ１００ｎｍのＧａＩｎＡｓＰからなる上部ＳＣＨ層５３ｃ、および厚さ０．５μｍのｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層５４からなる。なお、多重量子井戸層５３ａ、下部ＳＣＨ層５３ｂ、および上部ＳＣＨ層５３ｃは活性層５３を形成している。

ここで、ＧａＩｎＡｓＰ系半導体レーザでは、このような従来例１の歪み補償量子井戸構造を用いた素子も含め、その製造過程におけるピーク波長の短波長シフト現象が知られている。この短波長シフト現象とは、レーザ活性層の利得波長が、レーザ構造の製造過程において設計値より短波長側にシフトする現象をいう。この利得波長のシフト量は通常、再現性なくばらつくため、製造した半導体レーザの利得波長もばらつくこととなり、半導体レーザの製造歩留停滞の一因となる。

この利得波長の短波長シフトの原因として、多重量子井戸層の構成元素、特にＶ族元素(Ａｓ元素およびＰ元素)の相互拡散が考えられている。図１７は、図１６に示す多重量子井戸層の一部の模式的断面、ならびにこの断面に対応するＶ族(Ａｓ)元素の組成の分布およびバンドギャップエネルギーのエネルギー構造を示す図である。図１７に示すように、多重量子井戸層５３ａの成長直後の障壁層５３ａａと井戸層５３ａｂとの界面（障壁界面Ｉ５１、Ｉ５２）におけるＶ族組成の分布は、実線Ｌ５１で示すように急峻な形状を有しており、これに伴ってバンドギャップエネルギーも、実線Ｌ５２で示すように急峻な形状を示している。しかしながら、その後の半導体レーザの製造過程において施される熱処理によって、障壁層/井戸層間で特に組成差の大きいＶ族元素が、障壁界面Ｉ５１、Ｉ５２において相互拡散する。その結果、Ｖ族組成の分布は破線Ｌ５３で示すような形状となり、障壁界面Ｉ５１、Ｉ５２付近における組成が設計値からずれてしまう。これに対応して、バンドギャップエネルギーも破線Ｌ５４が示すように設計からずれてしまうので、製造された半導体レーザにおいて利得波長の短波長シフトが発生するのだと考えられている。

このような多重量子井戸層における構成元素の相互拡散による利得波長の短波長シフトは、半導体レーザの静特性(発振しきい値、量子効率、出力光強度)、動特性(変調速度)の変化の一因となるだけでなく、モノリシック光集積回路や光電子集積回路の実現においてより大きな影響を与える。ここで、半導体基板上に、光源、導波路、変調器、光検出器の全ての光部品を集積した回路をモノリシック光集積回路と呼ぶ。また、同一半導体基板上に光デバイスと電子デバイスを集積化し、両機能を融合させることで高性能素子の実現を図る素子を光電子集積回路と呼ぶ。

これら集積回路を作製する際には、半導体レーザのような個別素子を作製する場合に比べて、多重量子井戸構造を含む半導体結晶層の組成・層厚に、より一層高い均一性が要求される。その理由は、集積回路を作製する場合は、従来の半導体レーザの個別素子を作製する場合と比較して工程数が増大するため、元素の相互拡散の影響が大きくなること、かつ特性のばらつきは光源の利得波長特性のみならず、導波路、変調器等の、他の素子特性にも影響するためである。したがって、元素の相互拡散が集積回路全体の特性に与える影響は、個別素子の場合と比較して増大することが予想され、相互拡散の問題は利得波長の短波長シフトだけの問題から広がり、より重要になることが予想できる。

このような元素の相互拡散による利得波長の短波長シフト化を抑制するための技術が開示されている（たとえば非特許文献１参照）。非特許文献１では、障壁層/井戸層界面での元素の相互拡散、特に障壁層/井戸層間での組成差の大きなＶ族元素の相互拡散の影響を低減させるため、障壁層と井戸層とのＶ族組成を等しくした多重量子井戸構造を採用する技術（以下、従来例２とする）が開示されている。非特許文献１では、この従来例２によって、利得波長の短波長シフト量が４６ｎｍから４ｎｍへと１０分の１程度に抑制できたと報告されている。

また、多重量子井戸構造の歪み量制御と発光特性の向上の目的で、多重量子井戸構造に無歪みの障壁層を導入する技術が開示されている(たとえば特許文献１参照)。特許文献１では、障壁層/井戸層の界面で発生するＶ族元素の相互拡散の原因は、Ｖ族元素の組成差だけでなく、歪み量子井戸構造の結晶成長時において、障壁層/井戸層の界面において歪み量の差が最大となることが原因であり、この大きな歪み量の差を低減する方向へ、Ｖ族元素の相互拡散が起きやすいのだと説明している。特許文献１では、これを解決するため、井戸層と障壁層との間に無歪みの障壁層を導入することで、相互拡散を抑制している。

なお、特許文献１では、結晶成長時の相互拡散の抑制により、界面準位からの発光の抑制を目的としており、障壁層/井戸層界面におけるＶ族組成差自体は大きいため、利得波長の短波長シフトの抑制効果は小さいと考えられる。

特開平７−２３５７３０号公報

S. D. Perrion, et al., J. Elect. Mat. 23(1994) 81. C. Silfvenius et al., J. Crystal Growth 195(1998) 700.

しかしながら、利得波長の短波長シフトを抑制するために、従来技術２のように障壁層と井戸層とのＶ族組成を等しくすることは、本来ＧａＩｎＡｓＰ系材料が有する、基板との格子整合を保ったまま(歪み量子井戸構造では格子緩和が発生しない範囲で)、多重量子井戸層の組成を変えることによって、より広範囲での自由度の高いエネルギーバンド構造の設計が可能である、という利点に大きな制限を与えることが知られている(たとえば、非特許文献２参照)。また、従来例２は、この利得波長の観点のみならず、歪み補償が難しいという観点からも、多重量子井戸構造の設計に大きな制限を与えるという問題がある。

図１８は、従来例１の多重量子井戸層における利得波長の井戸層厚、障壁層組成依存性を示す図である。図１８に示す従来例１においては、障壁層は、歪み量が−０．３％であり、かつその組成を、障壁層のバンドギャップエネルギーの波長（以下、障壁層波長とする）が１．２５μｍとなる組成(Ｇａ_{０．３０６}Ｉｎ_{０．６９４}Ａｓ_{０．５７１}Ｐ_{０．４２９})から１．４μｍとなる組成(Ｇａ_{０．４０２}Ｉｎ_{０．５９８}Ａｓ_{０．７７２}Ｐ_{０．２２８})まで変化させている。なお、図１８において、１．２５Ｑとは、バンドギャップエネルギーの波長が１．２５μｍとなる組成であることを意味する。一方、井戸層は、歪み量を＋１．０％とし、井戸層厚が３．９ｎｍにて利得波長１．５５μｍが得られるような組成に設計している。なお、歪み量は、いずれもＩｎＰからなる基板に対する歪み量である。

また、図１９は、従来例２の多重量子井戸層における利得波長の井戸層厚、障壁層組成依存性を示す図である。図１９に示す従来例２においては、障壁層は、従来例１と同様に歪み量が−０．３％であり、その組成を障壁層波長が１．２５μｍとなる組成(Ｇａ_{０．３０６}Ｉｎ_{０．６９４}Ａｓ_{０．５７１}Ｐ_{０．４２９})から１．４μｍとなる組成(Ｇａ_{０．４０２}Ｉｎ_{０．５９８}Ａｓ_{０．７７２}Ｐ_{０．２２８})まで変化させている。一方、井戸層は、障壁層とＶ族組成（Ａｓ組成およびＰ組成）を、それぞれ等しくした上で、歪み量が＋１．０％となるような組成に設計している。

図１８に示す従来例１では、障壁層と井戸層とで、格子緩和が発生しない範囲で自由度の高いＧａＩｎＡｓＰの混晶組成を選択できるため、所望の利得波長(ここでは１．５５μｍ)を得るための障壁層、井戸層の組成や井戸層厚の制限が小さい。このため、たとえば同じ井戸層の組成、井戸層厚であっても、障壁層の組成として、１．２５Ｑから１．４Ｑのものまで幅広く選択することができる。

これに対して、図１９に示す従来例２では、障壁層と井戸層とでＶ族組成を等しくするという制限のため、所望の利得波長を得るための組成の自由度が減少しており、たとえば図１９では、利得波長が１．５５μｍの井戸層に対して、障壁層の組成としては１．４Ｑのものしか選択できず、設計の自由度としては、主に井戸層厚による制御しか残されていない。

つぎに、歪み補償の制限の一例を説明する。図２０は、従来例１、２の多重量子井戸構造における、総歪み量の総層厚依存性を示す図である。なお、総歪み量は、歪み量ε％を単位膜厚当たりの歪み量(ε％/ｎｍ)と定義し直し、層厚（ｎｍ）との積(単位は％)として定義している。また、総層厚とは、多重量子井戸層の下端を基準とした多重量子井戸層の厚さである。また、図２０では、従来例１の障壁層波長、井戸層厚はそれぞれ１．４μｍ(Ｇａ_{０．４０２}Ｉｎ_{０．５９８}Ａｓ_{０．７７２}Ｐ_{０．２２８})、６．５ｎｍであり、従来例２の障壁層波長、井戸層厚はそれぞれ１．２５μｍ(Ｇａ_{０．３０６}Ｉｎ_{０．６９４}Ａｓ_{０．５７１}Ｐ_{０．４２９})、６．０ｎｍである。また、各層の歪み量は図１８、１９で用いた値(障壁層の歪み量が−０．３％、井戸層の歪み量が＋１．０％)であり、井戸層の利得波長は１．５５μｍとしている。また、図２０において、総層厚に対して総歪み量が負の傾きを有する領域が、歪み量が負である障壁層の領域であり、正の傾きを有する領域が、歪み量が正である井戸層の領域である。図２０に示す総層厚１５０ｎｍ内での井戸層と障壁層との繰り返し周期は、従来例１では約１０周期、従来例２では約９周期となっている。

図２０に示すように、従来例２の場合は、従来例１の場合と比較して総層厚に対する総歪み量が大きい。ここで、従来例１については、図２０に太線Ｌで示した多重量子井戸層の総層厚（〜１００ｎｍ、総歪み量〜５％）を越えると、歪みの蓄積によって障壁層／井戸層界面に、発光効率の低下の原因となる揺らぎが発生することが実験的に確認されている。したがって、従来例２においては、総歪み量が同程度の〜５％となる層厚〜３０ｎｍが、障壁層／井戸層界面に揺らぎが発生しない上限であると考えられる。

このように、従来例２では、所望の利得波長を得るための井戸層の層厚に制限があるため、総層厚に対する総歪み量は従来例１と比較して大きい。その結果、障壁層／井戸層界面の揺らぎが発生しない範囲の総層厚とする場合に、井戸層と障壁層との繰返し周期も小さくならざるをえない。このような現象は、利得波長の制限と同様に、障壁層と井戸層とのＶ族組成を等しくしていることに起因する。このように、従来例２は、利得波長の短波長シフトの抑制に効果的だが、その設計(利得波長、繰返し周期)に大きな制限を与えるという問題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、利得波長の短波長シフトを抑制できるとともに、多重量子井戸構造の設計の自由度が高い光半導体装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る光半導体装置は、ＩＩＩ／Ｖ族化合物半導体からなり、主障壁層の間に井戸層が介挿された量子井戸構造を複数有する多重量子井戸構造を備えた光半導体装置において、前記主障壁層と前記井戸層との間に、前記主障壁層と略同一のバンドギャップエネルギーと、前記井戸層と同じＶ族組成とを有する組成で成長させた極薄障壁層を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る光半導体装置は、ＩＩＩ／Ｖ族化合物半導体からなり、主障壁層の間に井戸層が介挿された量子井戸構造を複数有する多重量子井戸構造を備えた光半導体装置において、前記主障壁層と前記井戸層との間に、前記井戸層との界面において前記主障壁層と略同一のバンドギャップエネルギーおよび前記井戸層と同じＶ族組成を有し、かつ前記主障壁層との界面において該主障壁層との間でのＶ族元素の相互拡散により形成されたＶ族元素の組成分布を有する極薄障壁層を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る光半導体装置は、ＩＩＩ／Ｖ族化合物半導体からなり、主障壁層の間に井戸層が介挿された量子井戸構造を複数有する多重量子井戸構造を備えた光半導体装置において、前記主障壁層と前記井戸層との間に、前記井戸層との界面において前記主障壁層と略同一のバンドギャップエネルギーを有し、かつ前記主障壁層から前記井戸層へのＶ族元素の相互拡散を抑止する極薄障壁層を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る光半導体装置は、上記の発明において、前記極薄障壁層は、前記井戸層とは逆向きの結晶歪みを有することを特徴とする。

また、本発明に係る光半導体装置は、上記の発明において、前記多重量子井戸構造の総歪み量が、該多重量子井戸構造内の格子緩和もしくは界面揺らぎが抑制される量になるように、前記主障壁層、前記井戸層、および前記極薄障壁層の組成および層厚が設定されていることを特徴とする。

また、本発明に係る光半導体装置は、上記の発明において、前記多重量子井戸構造の総歪み量が零となるように、前記主障壁層、前記井戸層、および前記極薄障壁層の組成および層厚が設定されていることを特徴とする。

また、本発明に係る光半導体装置は、上記の発明において、前記極薄障壁層は、前記主障壁層との界面で発生するＶ族元素の相互拡散の相互拡散長と同一以上の厚さを有することを特徴とする。

また、本発明に係る光半導体装置は、上記の発明において、前記極薄障壁層の厚さは基板材料の１原子層以上であることを特徴とする。

本発明によれば、利得波長の短波長シフトを抑制できるとともに、多重量子井戸構造の設計の自由度が高い光半導体装置を実現できるという効果を奏する。

図１は、実施の形態１に係る光半導体装置の模式的な一部破断斜視図である。 図２は、図１に示す光半導体装置の構造を示す模式的な断面図である。 図３は、図２の多重量子井戸層の一部の模式的断面、ならびにこの断面に対応するＶ族(Ａｓ)元素の組成の分布およびバンドギャップエネルギーのエネルギー構造を示す図である。 図４は、図１に示す光半導体装置における多重量子井戸層の総歪み量の総層厚依存性を示す図である。 図５は、図４の一部を拡大して示す図である。 図６は、図１に示す光半導体装置の多重量子井戸層における利得波長の井戸層厚、主障壁層組成依存性を示す図である。 図７は、利得波長を１．５５μｍとする場合の多重量子井戸層の特性の一例を示す図である。 図８は、利得波長を１．３μｍとする場合の多重量子井戸層の特性の一例を示す図である。 図９は、実施の形態２に係る光半導体装置における多重量子井戸層の一部の模式的断面、ならびにこの断面に対応するＶ族(Ａｓ)元素の組成の分布およびバンドギャップエネルギーのエネルギー構造を示す図である。 図１０は、図９に示す多重量子井戸層の総歪み量の総層厚依存性を示す図である。 図１１は、図１０の一部を拡大して示す図である。 図１２は、実施の形態３に係る光半導体装置における多重量子井戸層の一部の模式的断面、ならびにこの断面に対応するＶ族(Ａｓ)元素の組成の分布およびバンドギャップエネルギーのエネルギー構造を示す図である。 図１３は、図１２に示す多重量子井戸層の総歪み量の総層厚依存性を示す図である。 図１４は、図１３の一部を拡大して示す図である。 図１５は、その他の実施の形態に係る光半導体装置における多重量子井戸層の一部の模式的断面、ならびにこの断面に対応するバンドギャップエネルギーのエネルギー構造を示す図である。 図１６は、この種の多重量子井戸構造を含む光半導体装置の一例としてのＧａＩｎＡｓＰ系半導体レーザの構造を示す模式的な断面図である。 図１７は、図１６に示す多重量子井戸層の一部の模式的断面、ならびにこの断面に対応するＶ族(Ａｓ)元素の組成の分布およびバンドギャップエネルギーのエネルギー構造を示す図である。 図１８は、従来例１の多重量子井戸層における利得波長の井戸層厚、障壁層組成依存性を示す図である。 図１９は、従来例２の多重量子井戸層における利得波長の井戸層厚、障壁層組成依存性を示す図である。 図２０は、従来例１、２の多重量子井戸層における、総歪み量の総層厚依存性を示す図である。

以下に、図面を参照して本発明に係る光半導体装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する構成要素には適宜同一の符号を付している。

（実施の形態１）
はじめに、本発明の実施の形態１に係る光半導体装置について説明する。本実施の形態１に係る光半導体装置は、分布帰還型（Distributed-FeedBack：ＤＦＢ）半導体レーザである。

図１は、本実施の形態１に係る光半導体装置の模式的な一部破断斜視図である。また、図２は、図１に示す光半導体装置１００の要部断面図である。図１に示すように、この光半導体装置１００は、ｎ−ＩｎＰからなる基板１の（１００）面上に、順次、ｎ−ＩｎＰからなり、バッファ層を兼ねた下部クラッド層２、活性層３、ｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層４、５、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰからなるコンタクト層６が積層された構造を有する。なお、上部クラッド層４には、紙面奥行き方向である長手方向において、活性層３に沿って回折格子４ａが形成されている。回折格子４ａの周期はレーザ発振波長に応じて設定され、レーザ発振波長が１．５５μｍの場合は２４０ｎｍである。これらの下部クラッド層２からコンタクト層６は、たとえばＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）法等の公知の結晶成長方法によって成長したものである。

上部クラッド層４、活性層３、および下部クラッド層２の上部は、メサストライプ状に加工され、メサストライプの両側は、電流ブロッキング層として形成されたｐ−ＩｎＰからなる下部ブロッキング層７とｎ−ＩｎＰからなる上部ブロッキング層８によって埋め込まれている。なお、これらの下部ブロッキング層７および上部ブロッキング層８は、メサストライプの成形加工の後に、公知の結晶成長方法を用いた埋め込み再成長によって形成されたものである。また、コンタクト層６の上面には、ｐ側電極９が形成され、基板１の裏面には、ｎ側電極１０が形成される。

光半導体装置１００の長手方向の一端面である光反射端面には、反射率８０％以上の高光反射率をもつ高反射膜１１が形成され、他端面である光出射端面には、反射率が１〜５％の低光反射率をもつ低反射膜が形成される。高反射膜１１と低反射膜とによって形成された光共振器の活性層３内に発生した光は、光共振器の作用、回折格子４ａの分布帰還作用、および活性層３の光増幅作用によって、回折格子４ａにより選択された波長においてレーザ発振し、単一縦モードのレーザ光ＬＬとして出射される。

また、図２に示すように、この光半導体装置１００において、活性層３は、下部ＳＣＨ層３ｂと、多重量子井戸層３ａと、上部ＳＣＨ層３ｃからなる。

つぎに、図３は、図２に示す多重量子井戸層の一部の模式的断面、ならびにこの断面に対応するＶ族(Ａｓ)元素の組成の分布およびバンドギャップエネルギーのエネルギー構造を示す図である。図３に示すように、本実施の形態１においては、多重量子井戸層３ａは、主障壁層３ａａの間に井戸層３ａｂが介挿されるとともに、主障壁層３ａａと井戸層３ａｂとの間に極薄障壁層３aｃを備えている。

この極薄障壁層３aｃは、主障壁層３ａａと略同一のバンドギャップエネルギーを有し、かつ井戸層３ａｂと同じＶ族組成とを有するように成長させたものである。なお、図３では、Ａｓ組成について示しているが、この極薄障壁層３aｃと井戸層３ａｂとは、Ｖ族元素であるＡｓとＰのいずれの組成も、同じとなっている。したがって、多重量子井戸層３ａの成長直後の主障壁層３ａａと極薄障壁層３ａｃとの界面（以下、拡散界面Ｉ１とする）におけるＶ族組成の分布は、実線Ｌ１で示すように急峻な形状を有しており、極薄障壁層３ａｃと井戸層３ａｂとの界面（以下、障壁界面Ｉ２とする）におけるエネルギー構造も、実線Ｌ２で示すように急峻な形状を示している。

なお、主障壁層３ａａのＶ族組成については、井戸層３ａｂと同じＶ族組成でなくてもよく、井戸層３ａｂに対して適切なバンドギャップエネルギー差（エネルギー障壁）を実現するような組成とされている。

ここで、この多重量子井戸層３ａの成長後に、電流ブロッキング層の再成長等などの工程において熱処理が施されると、拡散界面Ｉ１間で特に組成差の大きいＶ族元素が、拡散界面Ｉ１において相互拡散し、Ｖ族組成の分布は、破線Ｌ３で示すような、相互拡散によって形成された分布形状となる。しかしながら、この相互拡散は障壁界面Ｉ２にはほとんど及ばない。そのため、極薄障壁層３ａｃは、障壁界面Ｉ２において、主障壁層３ａａと略同一のバンドギャップエネルギーと、井戸層３ａｂと同じＶ族組成とを有するように保たれる。

すなわち、この多重量子井戸層３においては、Ｖ族元素の相互拡散の界面を、障壁界面Ｉ２ではなく、拡散界面Ｉ１に移動させている。その結果、主障壁層３ａａから井戸層３ａｂへのＶ族元素の相互拡散は抑止される。したがって、障壁界面Ｉ２におけるエネルギー構造は、実線Ｌ２で示すように急峻な形状に保たれる。したがって、多重量子井戸層３ａのエネルギー構造における設計からのずれがほとんど発生しないため、製造された光半導体装置１００において利得波長の短波長シフトが抑制されるのである。

なお、極薄障壁層３ａｃの厚さは、拡散界面Ｉ１で発生するＶ族元素の相互拡散の相互拡散長と同一以上の厚さであることが好ましい。なお、この相互拡散長は、ＧａＩｎＡｓＰ系材料からなる量子井戸構造において一般的に採用される井戸層と障壁層とのバンドギャップエネルギー差を実現する際の、井戸層と障壁層とにおけるＶ族組成の差、相互拡散を促進する熱処理温度・時間を考慮すると、基板材料の約１〜６ＭＬ(ＭＬはＭｏｎｏＬａｙｅｒすなわち１原子層分の厚さであり、たとえば基板材料がＩｎＰの場合では約０．３ｎｍである)である。したがって、極薄障壁層３ａｃの厚さは基板材料の１ＭＬ以上が好ましい。また、極薄障壁層３ａｃの厚さの上限については特に制限がないが、たとえば主障壁層３ａａの組成の選択に影響を与えない程度の厚さとすることができる。

また、この多重量子井戸層３ａは、極薄障壁層３ａｃを備えることによって、多重量子井戸層３ａ全体の設計の自由度が高くなる。つぎに、この自由度の高さを利用して、多重量子井戸層３ａの総歪み量を抑制できることについて説明する。

図４は、図１に示す光半導体装置１００の多重量子井戸層３ａにおける、総歪み量の総層厚依存性を示す図である。また、図５は、図４の一部を拡大して示す図である。また、総層厚とは、多重量子井戸層３ａの下端を基準とした多重量子井戸層３ａの厚さである。また、図４、５では、井戸層３ａｂ、極薄障壁層３ａｃの歪み量はそれぞれ−１．５％、＋１．０％であり、極薄障壁層３ａｃは、井戸層３ａｂとは、逆向きの歪みを有するものである。また、極薄障壁層３ａｃの層厚は１．２ｎｍ、井戸層３ａｂの利得波長は１．５５μｍ、層厚は２．３ｎｍ、主障壁層３ａａは障壁層波長が１．３５μｍとなる組成としている。また、図５において、領域Ａ１ａが井戸層３ａｂの領域、領域Ａ１ｂが主障壁層３ａａの領域、領域Ａ１ｃが極薄障壁層３ａｃの領域である。

図４、５に示すように、この多重量子井戸層３ａの総歪み量は２％以下に抑制されており、たとえば図２０に示す従来例２の場合と比較しても、多重量子井戸層３ａの総層厚を厚くしても総歪み量が一定の低い範囲内に留まるため、結晶の格子緩和を抑制できる。その結果、この光半導体装置１００は、多重量子井戸層３ａの結晶性が良質となるため非発光再結合が抑制され、かつ井戸層３ａｂの数も多くできるので、高出力かつ高効率の光半導体装置となる。

つぎに、利得波長を１．５５２μｍ、または１．３μｍとする場合の、多重量子井戸層３ａの特性について説明する。図６は、光半導体装置１００の多重量子井戸層３ａにおける利得波長の井戸層厚、主障壁層組成依存性を示す図である。なお、図６においては、極薄障壁層３ａｃの層厚を１．２ｎｍ、すなわち４ＭＬとし、歪み量を−１．５％としている、また、井戸層３ａｂは、歪み量を＋１．０％としている。また、主障壁層３ａａは、障壁層波長が１．１５μｍとなる組成(Ｇａ_{０．２３８}Ｉｎ_{０．７６２}Ａｓ_{０．４２４}Ｐ_{０．５７６})から１．３５μｍとなる組成(Ｇａ_{０．３７１}Ｉｎ_{０．６２９}Ａｓ_{０．７０７}Ｐ_{０．２９３})まで変化させている。

図６に示すように、多重量子井戸層３ａでは、設計の自由度が高くなるため、たとえば１．５５μｍの利得波長を得るための主障壁層３ａａ、井戸層３ａｂの組成や井戸層厚の制限が小さい。このため、たとえば図６に示す井戸層厚において、極薄障壁層の組成として、１．２Ｑから１．３５Ｑのものまで幅広く選択することができる。

また、図７、８は、それぞれ利得波長を１．５５２μｍ、１．３μｍとする場合の多重量子井戸層３ａの組成、層厚、歪み量、繰り返し周期の設計の一例を示す図である。なお、図７、８において、繰り返し周期とは、極薄障壁層３ａｃ、井戸層３ａｂ、極薄障壁層３ａｃ、および主障壁層３ａａの構造を１周期としている。なお、図７、８においては、Ｇａ組成、Ａｓ組成のみを示しており、井戸層３ａｂと極薄障壁層３ａｃとでＡｓ組成が同一であることが示されているが、Ｐ組成についても、井戸層３ａｂと極薄障壁層３ａｃとで同一になっている。

図７、８に示すように、この多重量子井戸層３ａは、いずれの利得波長においても、繰り返し周期を８として、０．０２８％または０．６８８％という、きわめて低い総歪み量を実現できる。

以上説明したように、本実施の形態１に係る光半導体装置１００は、利得波長の短波長シフトが抑制されている。また、多重量子井戸層３ａ全体の設計の自由度が高いので、たとえば多重量子井戸層３ａの総歪み量を抑制できるため、高出力、高効率の特性を実現できる。

（実施の形態２）
つぎに、本発明の実施の形態２に係る光半導体装置について説明する。本実施の形態２に係る光半導体装置は、実施の形態１に係る光半導体装置とは、その多重量子井戸層の構造のみが相違するので、以下では主にこの相違点について説明する。

図９は、本実施の形態２に係る光半導体装置における多重量子井戸層の一部の模式的断面、ならびにこの断面に対応するＶ族(Ａｓ)元素の組成の分布およびバンドギャップエネルギーのエネルギー構造を示す図である。図９に示すように、この多重量子井戸層１３ａは、主障壁層１３ａａの間に井戸層１３ａｂが介挿されるとともに、主障壁層１３ａａと井戸層１３ａｂとの間に極薄障壁層１３aｃを備えている。

主障壁層１３ａａは、組成が１．４Ｑ、歪み量が＋０．２７％、層厚が８．２ｎｍである。井戸層１３ａｂは、利得波長が１．５５μｍになるような組成としており、歪み量は＋１．０％、層厚は２．３ｎｍである。また、極薄障壁層１３aｃは、井戸層１３ａｂと同じＶ族組成を有し、かつ組成を１．３５Ｑとし、主障壁層１３ａａと略同一であるがやや高いバンドギャップエネルギーを有するように成長させたものである。また、極薄障壁層１３aｃの歪み量は−１．５％、層厚は１．５ｎｍである。また、なお、図９においても、Ａｓ組成について示しているが、この極薄障壁層１３aｃと井戸層１３ａｂとは、ＡｓとＰのいずれの組成も同じとなっている。

したがって、多重量子井戸層１３ａの成長直後の主障壁層１３ａａと極薄障壁層１３ａｃとの拡散界面Ｉ１１におけるＶ族組成の分布は、実線Ｌ１１で示すように急峻な形状を有しており、極薄障壁層１３ａｃと井戸層１３ａｂとの障壁界面Ｉ１２におけるエネルギー構造も、実線Ｌ１２で示すように急峻な形状を示している。なお、極薄障壁層１３ａｃは、実線Ｌ１４に示すように主障壁層１３ａａよりもやや高いバンドギャップエネルギーを有する。

そして、この多重量子井戸層１３ａは、成長後の熱処理の後には、相互拡散によってＶ族組成の分布が破線Ｌ１３で示すような形状となる。しかしながら、極薄障壁層１３ａｃは、障壁界面Ｉ１２において、主障壁層１３ａａと略同一のバンドギャップエネルギーと、井戸層１３ａｂと同じＶ族組成とを有するように保たれる。その結果、障壁界面Ｉ１２におけるエネルギー構造は、実線Ｌ１２で示すように急峻な形状に保たれるので、製造された光半導体装置において利得波長の短波長シフトが抑制される。

また、この多重量子井戸層１３ａは、総歪み量の制御が容易であるため、各層の層厚、歪み量を上記のように設定したことによって、総歪み量がきわめて抑制されたものとなる。図１０は、図９に示す多重量子井戸層１３ａの総歪み量の総層厚依存性を示す図である。また、図１１は、図１０の一部を拡大して示す図である。なお、図１０、１１における総層厚は、極薄障壁層１３ａｃの下端を基準とした多重量子井戸層１３ａ内の厚さを意味している。また、図１１において、領域Ａ２ａが主障壁層１３ａａの領域、領域Ａ２ｂが井戸層１３ａｂの領域、領域Ａ２ｃが極薄障壁層１３ａｃの領域である。

図１０、１１に示すように、この多重量子井戸層１３ａの総歪み量は、最大で０％に抑制されており、多重量子井戸層１３ａの総層厚を厚くしても総歪み量が増大しないものとなる。その結果、本実施の形態２に係る光半導体装置は、多重量子井戸層１３ａの結晶性が良質となるため非発光再結合が抑制され、かつ井戸層１３ａｂの数も多くできるので、高出力かつ高効率の光半導体装置となる。

（実施の形態３）
つぎに、本発明の実施の形態３に係る光半導体装置について説明する。本実施の形態３に係る光半導体装置は、実施の形態１、２に係る光半導体装置とは、その多重量子井戸層の構造のみが相違するので、以下では主にこの相違点について説明する。

図１２は、本実施の形態３に係る光半導体装置における多重量子井戸層の一部の模式的断面、ならびにこの断面に対応するＶ族(Ａｓ)元素の組成の分布およびバンドギャップエネルギーのエネルギー構造を示す図である。図１２に示すように、この多重量子井戸層２３ａは、主障壁層２３ａａの間に井戸層２３ａｂが介挿されるとともに、主障壁層２３ａａと井戸層２３ａｂとの間に極薄障壁層２３aｃを備えている。

そして、この多重量子井戸層２３ａにおいては、主障壁層２３ａａが３層構造を有している。主障壁層２３ａａの３層構造の特性は、極薄障壁層２３aｃに近い側から、組成１．３７５Ｑ、歪み量＋０．４％、層厚１．５ｎｍ、および、組成１．４００Ｑ、歪み量＋０．３％、層厚１．５ｎｍ、および、組成１．４２５Ｑ、歪み量＋０．１％、層厚１．５ｎｍ、である。

また、井戸層２３ａｂは、実施の形態２の場合と同様に、利得波長が１．５５μｍになるような組成としており、歪み量は＋１．０％、層厚は２．３ｎｍである。また、極薄障壁層２３aｃは、実施の形態２の場合と同様に、井戸層２３ａｂと同じＶ族組成を有し、かつ組成を１．３５Ｑとし、主障壁層２３ａａの平均のバンドギャップエネルギーよりもやや高いバンドギャップエネルギーを有するように成長させたものである。また、極薄障壁層２３aｃの歪み量は−１．５％、層厚は１．５ｎｍである。なお、図１２においても、Ｖ族組成はＡｓ組成について示しているが、この極薄障壁層２３aｃと井戸層２３ａｂとは、ＡｓとＰのいずれの組成も同じとなっている。

したがって、多重量子井戸層２３ａの成長直後の主障壁層２３ａａと極薄障壁層２３ａｃとの拡散界面Ｉ２１におけるＶ族組成の分布は、実線Ｌ２１で示すように急峻な形状を有しており、極薄障壁層２３ａｃと井戸層２３ａｂとの障壁界面Ｉ２２におけるエネルギー構造も、実線Ｌ２２で示すように急峻な形状を示している。なお、主障壁層２３ａａについては、エネルギー構造およびＶ族組成のいずれも、実線Ｌ２４、Ｌ２５で示すようにステップ状の形状をしている。

そして、この多重量子井戸層２３ａは、成長後の熱処理の後には、相互拡散によってＶ族組成の分布が破線Ｌ２３で示すような形状となる。しかしながら、障壁界面Ｉ２２におけるエネルギー構造は、実線Ｌ２２で示すように急峻な形状に保たれるので、製造された光半導体装置において利得波長の短波長シフトが抑制される。

また、この多重量子井戸層２３ａは、実施の形態２の場合と同様に、総歪み量がきわめて抑制されたものとなる。図１３は、図１２に示す多重量子井戸層２３ａの総歪み量の総層厚依存性を示す図である。また、図１４は、図１３の一部を拡大して示す図である。なお、図１３、１４における総層厚は、極薄障壁層２３ａｃの下端を基準とした多重量子井戸層２３ａ内の厚さを意味している。また、図１４において、領域Ａ３ａが主障壁層２３ａａの領域、領域Ａ３ｂが井戸層２３ａｂの領域、領域Ａ３ｃが極薄障壁層２３ａｃの領域である。

図１３、１４に示すように、この多重量子井戸層２３ａの総歪み量は、実施の形態２の場合と同様に最大で０％に抑制されている。その結果、本実施の形態３に係る光半導体装置は、多重量子井戸層２３ａの格子緩和が抑制されるため、結晶性が良質となるため非発光再結合が抑制され、かつ井戸層２３ａｂの数も多くできるので、高出力かつ高効率の光半導体装置となる。

また、図１５は、その他の実施の形態に係る光半導体装置における多重量子井戸層の一部の模式的断面、ならびにこの断面に対応するバンドギャップエネルギー（Ｅ）のエネルギー構造を示す図である。図１５に示すように、多重量子井戸層３３ａの主障壁層３３ａａおよび極薄障壁層３３ａｃのエネルギー構造、またはこれを実現するための組成は、井戸層３３ａｂの利得波長を変えず、かつ結晶の格子緩和・歪みの発生しない範囲で設計することができる。

なお、上記実施の形態では、多重量子井戸層がＧａＩｎＡｓＰ系の半導体材料からなるものであるが、多重量子井戸層の構成材料はＩＩＩ／Ｖ族化合物半導体であれば特に限定されない。

また、上記実施の形態では、主障壁層と前記井戸層との間に備える極薄障壁層をそれぞれ１層としているが、複数の極薄障壁層を備えるようにしてもよい。

また、上記実施の形態では、光半導体装置はＤＦＢ型の半導体レーザであるが、本発明はこれに限らず、ファブリーペロー型や面発光レーザ等の他の構造の半導体レーザや、多重量子井戸構造を採用する他の発光素子、受光素子、光変調素子等の他の光半導体装置に適用できるものである。

また、上記各実施形態の各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。

１、５１ 基板
２、５２ 下部クラッド層
３、５３ 活性層
３ａ、１３ａ、２３ａ、５３ａ 多重量子井戸層
３ａａ、１３ａａ、２３ａａ 主障壁層
３ａｂ、１３ａｂ、２３ａｂ、５３ａｂ 井戸層
３ａｃ、１３aｃ、２３ａｃ 極薄障壁層
３ｂ、５３ｂ 下部ＳＣＨ層
３ｃ、５３ｃ 上部ＳＣＨ層
４、５ 上部クラッド層
４ａ 回折格子
６ コンタクト層
７ 下部ブロッキング層
８ 上部ブロッキング層
９ ｐ側電極
１０ ｎ側電極
１１ 高反射膜
５３ａａ 障壁層
１００ 光半導体装置
Ａ１ａ〜Ａ１ｃ、Ａ２ａ〜Ａ２ｃ 領域
Ｉ１、Ｉ１１、Ｉ２１ 拡散界面
Ｉ２、Ｉ１２、Ｉ２２、Ｉ５１、Ｉ５２ 障壁界面
Ｌ 太線
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ１４、Ｌ２１、Ｌ２２、Ｌ２４、Ｌ２５、Ｌ５１、Ｌ５２ 実線
Ｌ３、Ｌ１３、Ｌ２３、Ｌ５３、Ｌ５４ 破線
ＬＬ レーザ光

Claims (8)

1. ＩＩＩ／Ｖ族化合物半導体からなり、主障壁層の間に井戸層が介挿された量子井戸構造を複数有する多重量子井戸構造を備えた光半導体装置において、
   前記主障壁層と前記井戸層との間に、前記主障壁層と同一のバンドギャップエネルギーと、前記井戸層と同じＶ族組成とを有する組成で成長させた極薄障壁層を備え、
   前記極薄障壁層と、前記井戸層とがＶ族元素としてＡｓ及びＰを含有するとともに、前記極薄障壁層と前記井戸層とのＡｓ及びＰの組成が同一であることを特徴とする光半導体装置。
2. ＩＩＩ／Ｖ族化合物半導体からなり、主障壁層の間に井戸層が介挿された量子井戸構造を複数有する多重量子井戸構造を備えた光半導体装置において、
   前記主障壁層と前記井戸層との間に、前記井戸層との界面において前記主障壁層と同一のバンドギャップエネルギーおよび前記井戸層と同じＶ族組成を有し、かつ前記主障壁層との界面において該主障壁層との間でのＶ族元素の相互拡散により形成されたＶ族元素の組成分布を有する極薄障壁層を備え、
   前記極薄障壁層と、前記井戸層とがＶ族元素としてＡｓ及びＰを含有するとともに、前記極薄障壁層と前記井戸層とのＡｓ及びＰの組成が同一であることを特徴とする光半導体装置。
3. ＩＩＩ／Ｖ族化合物半導体からなり、主障壁層の間に井戸層が介挿された量子井戸構造を複数有する多重量子井戸構造を備えた光半導体装置において、
   前記主障壁層と前記井戸層との間に、前記井戸層との界面において前記主障壁層と同一のバンドギャップエネルギーを有し、かつ前記主障壁層から前記井戸層へのＶ族元素の相互拡散を抑止する極薄障壁層を備え、
   前記極薄障壁層と、前記井戸層とがＶ族元素としてＡｓ及びＰを含有するとともに、前記極薄障壁層と前記井戸層とのＡｓ及びＰの組成が同一であることを特徴とする光半導体装置。
4. 前記極薄障壁層は、前記井戸層とは逆向きの結晶歪みを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の光半導体装置。
5. 前記多重量子井戸構造の総歪み量が、該多重量子井戸構造内の格子緩和もしくは界面揺らぎが抑制される量になるように、前記主障壁層、前記井戸層、および前記極薄障壁層の組成および層厚が設定されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の光半導体装置。
6. 前記多重量子井戸構造の総歪み量が零となるように、前記主障壁層、前記井戸層、および前記極薄障壁層の組成および層厚が設定されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の光半導体装置。
7. 前記極薄障壁層は、前記主障壁層との界面で発生するＶ族元素の相互拡散の相互拡散長と同一以上の厚さを有し、
   前記Ｖ族元素の相互拡散が、前記井戸層と前記極薄障壁層との界面に対して前記極薄障壁層側までとされていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の光半導体装置。
8. 前記極薄障壁層の厚さは基板材料の１原子層以上であることを特徴とする請求項７に記載の光半導体装置。

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