JP5653609B2 - 光半導体装置、光ファイバ増幅器用励起光源及び光半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、埋め込みヘテロ構造を有する光半導体装置およびこれを用いた光ファイバ増
幅器用励起光源に関するものである。

電流注入型の半導体装置は、発光領域である活性層へ電流を効率的に注入するために電
流狭窄機能を有する構造が採用されている。該電流狭窄構造の一つに活性層を含むメサス
トライプの両側に埋め込み型の電流阻止領域を有する構造が用いられている。この電流阻
止領域として、一般には、逆バイアスのｐｎ接合を含む構造が用いられている。なお、こ
の埋め込み型の電流阻止領域を有する半導体装置では、前記電流阻止領域と前記活性層の
間で屈折率差が生じ、発生した光を活性層に閉じ込めるための水平方向の光導波機能も有
する。この光導波機能により、発生する光（レーザビーム）の形状はほぼ円形となり、レ
ンズなどの光学部品を介して、高い結合効率で光ファイバ結合できるという特長を有する
。

図５は、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ；Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｒ
Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）により成長された電流素子層を有する、いわゆる埋め込み
（ＢＨ；Ｂｕｒｉｅｄ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）構造を有する公知ないし、周
知の半導体装置の共振器方向に対して垂直方向の断面形状の模式図である。図５に示した
半導体装置は、ｎ型ＩｎＰ基板１上にｎ型ＩｎＰクラッド層２、ＧａＩｎＡｓＰ活性層３
、ｐ型ＩｎＰクラッド層４によってメサストライプが形成され、その両側面部にｐ型Ｉｎ
Ｐ電流阻止層５およびｎ型ＩｎＰ電流阻止層６で構成される電流阻止領域が埋め込み成長
により形成され、更に前記メサストライプ及び前記電流阻止領域の上部にｐ型ＩｎＰクラ
ッド層７、ｐ型ＧａＩｎＡｓＰコンタクト層８が所定の位置に形成されている。そして、
電流を注入するために、ｎ型ＩｎＰ基板１の下面にｎ型電極９、コンタクト層８の上面に
ｐ型電極１０が形成されている。

図５の半導体装置は、活性層３を含むｐｎダブルヘテロ接合と同様に、ｐ型ＩｎＰ電流
素子層５とｎ型ＩｎＰクラッド層２とのｐｎ接合がに半導体装置の動作時に順バイアスが
かかり、また、ｐ型ＩｎＰクラッド層７、ｎ型ＩｎＰ電流阻止層６、ｐ型ＩｎＰ電流阻止
層５、ｎ型ＩｎＰ基板１がｐｎｐｎ型のサイリスタ構造１１を構成している。

このような構造の半導体装置に対して、ｐ型電極１０に正、ｎ型電極９に負の電圧を印
加すると、ｐｎ接合のビルトイン電圧の差により、注入電流のほとんどが活性層３へ注入
される。しかしながら、図５の経路Ｉ−ＩＩは順バイアスとなるために、ｐ型ＩｎＰ電流
阻止層５とｎ型ＩｎＰクラッド層２のｐｎ接合を介して、リーク電流が発生する。このリ
ーク電流は、サイリスタ構造１１のゲート電流になるため、アノード電流に相当する経路
ＩＩＩ−ＩＶにリーク電流が流れる。従来、前記リーク電流を低減することを目的とした
技術が、特許文献１〜５に開示されている。

特開２００８−１９８６６２号公報 特開平８−１２７２５１号公報 特開平５−１３８６９号公報 特開平５−１２９７２３号公報 特開平５−７５２０９号公報

しかしながら、埋め込みヘテロ（ＢＨ）構造の半導体装置の電流阻止領域で発生するリ
ーク電流は、しきい値電流の増加や光出力の熱飽和や光−電流出力特性における不連続点
（キンク）を誘発する原因となる。特に、該不連続点（キンク）は半導体装置の高出力動
作、高温動作を著しく低下させるといった問題がある。

本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであって、電流阻止領域のリーク電流が
小さく、高出力動作や高温動作が可能な半導体装置を、該半導体装置の作製工程に困難を
生じさせることなく提供することを目的とする。

上述した課題を解決し前記目的を達成するために、本発明に係る半導体装置は、ｎ型基
板上に、ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層に挟まれた活性層を含むダブルへテロ構造を有
するメサストライプと、該ダブルへテロ構造のメサ側面部に一の材料で構成されるｐｎ接
合からなる電流阻止領域を有する半導体装置において、前記電流阻止領域を構成するｎ型
電流阻止層間の距離Ｗ１が、該ｎ型電流阻止層と接触している前記ｐ型クラッド層の幅Ｗ
２よりも狭いことを特徴とする。

また、本発明に係る半導体装置は、上記の発明において、前記ｎ型電流阻止層間の距離
Ｗ１と、該ｎ型電流阻止層と接触している前記ｐ型クラッド層の幅Ｗ２との差であるＷ１
−Ｗ２が、−０．５μｍ以上０μｍ未満であることを特徴とする。

また、本発明に係る半導体装置は、上記の発明において、前記ｐ型電流阻止層のｐ型不
純物濃度が１×１０^１８ｃｍ^-３乃至１．２×１０^１８ｃｍ^-３であることを特徴とする。

また、本発明に係る半導体装置は、上記の発明において、ｎ型基板を構成する材料が、
ＩｎＰであることを特徴とする。

また、本発明に係る半導体装置は、上記の発明において、前記活性層は、量子井戸構造
または歪超格子量子井戸構造であることを特徴とする。

また、本発明に係る半導体装置は、上記の発明において、前記活性層の幅は、光の導波
方向にわたり、単一横モード動作を満足するように選択されていることを特徴とする。

また、本発明に係る半導体装置は、上記の発明において、前記半導体装置の共振器方向
の両端面は、反射率の異なる膜が形成されていることを特徴とする。

また、本発明に係る半導体装置は、上記の発明において、前記活性層はＧａＩｎＡｓＰ
で構成されていることを特徴とする。

また、本発明に係る半導体装置は、上記の発明において、前記活性層は井戸層厚６ｎｍ
以上の活性層を含むことを特徴とする。

また、本発明に係る半導体装置は、上記の発明において、前記活性層はＡｌＧａＩｎＡ
ｓで構成されていることを特徴とする。

また、上記の発明において、本発明に係る半導体装置と、前記半導体レーザ装置の温度
を制御する温調モジュールと、前記半導体レーザ装置から出射されたレーザ光を外部に導
波する光ファイバと、前記半導体レーザ装置と前記光ファイバとを光結合する光結合レン
ズ系と、を備えたことを特徴とするファイバ端光出力が４００ｍＷ以上の光ファイバ増幅
器用励起光源であることを特徴とする。

また、本発明に係る半導体装置は、上記の発明において、前記半導体レーザ装置の光出
力を測定する光検出器と、アイソレータと、をさらに備えたことを特徴とする請求項１０
に記載の光ファイバ増幅器用励起光源であることを特徴とする。

本発明に係る半導体装置は、前記電流阻止領域を構成するｎ型電流阻止層間の距離Ｗ１
が、該ｎ型電流阻止層と接触している前記ｐ型クラッド層の幅Ｗ２よりも狭いため、ｐ型
クラッド層とｐ型電流阻止層の接触領域を低減し、サイリスタ構造のアノード電流を低減
した半導体装置を実現することができる。さらに、該アノード電流の低減により、ターン
オン電流が生じにくい電流狭窄性の向上した電流阻止領域を有する光半導体装置を実現す
ることができる。

また、本発明に係る半導体装置は、上記の発明において、前記ｎ型電流阻止層間の距離
Ｗ１と、該ｎ型電流阻止層と接触している前記ｐ型クラッド層の幅Ｗ２との差であるＷ１
−Ｗ２が、−０．５μｍ以上０μｍ未満であるため、製造工程で生じるｐ型クラッド層の
不純物拡散による素子抵抗の上昇による光出力の熱飽和の影響のない高信頼性かつ高出力
動作可能な光半導体装置を実現することが出来る。

また、本発明に係る半導体装置は、前記ｐ型電流阻止層のｐ型不純物濃度が１×１０^１
８ｃｍ^-３乃至１．２×１０^１８ｃｍ^-３であるため、電流素子層でのアノード電流の低減
、且つ、ｐ型不純物による光の吸収を低減するため、高電流駆動でも高出力動作が可能な
光半導体装置を実現することができる。

また、本発明に係る半導体装置は、ｎ型基板を構成する材料が、ＩｎＰであるため通信
波長帯に最適な光半導体装置を低しきい値電流、高効率で実現することができる。

また、本発明に係る半導体装置は、活性層が、量子井戸構造であるため、低しきい値電
流、高効率動作の半導体装置を実現することができる。また、活性層が、歪超格子量子井
戸構造とすることにより、より低しきい値電流、高効率動作の光半導体装置を実現するこ
とができる。

また、本発明に係る半導体装置は、活性層の幅が、光の導波方向にわたり、単一横モー
ド動作を満足するように選択されていることにより、光通信システムに最適な低しきい値
、高出力動作可能な光半導体装置を実現することができる。

また、本発明に係る半導体装置は、共振器方向の両端面に、反射率の異なる膜が形成さ
れていることにより、反射率の低い端面から効率的に光を取り出すことができる。さらに
、反射率の高い端面からの光を受光素子で受けることにより、当該半導体装置の出力を制
御するモニタ光として利用することができる。

また、本発明に係る半導体装置は、前記活性層はＧａＩｎＡｓＰで構成されているので
光通信システムに最適な低しきい値、高出力動作可能な高信頼性の光半導体装置を実現す
ることができる。

また、本発明に係る半導体装置は、前記活性層はＧａＩｎＡｓＰからなる井戸層厚６ｎ
ｍ以上の活性層で構成されているので熱工程による短波長シフトの影響が小さく、低しき
い値、高効率の光半導体装置を実現することができる。

また、本発明に係る半導体装置は、前記活性層はＡｌＧａＩｎＡｓで構成されているの
で熱工程による短波長シフトが殆ど発生しない低しきい値、高効率の光半導体装置を実現
することができる。

また、本発明に係る半導体装置と、前記半導体レーザ装置の温度を制御する温調モジュ
ールと、前記半導体レーザ装置から出射されたレーザ光を外部に導波する光ファイバと、
前記半導体レーザ装置と前記光ファイバとを光結合する光結合レンズ系と、を備えたこと
を特徴とするファイバ端光出力が４００ｍＷ以上の光ファイバ増幅器用励起光源を実現で
きるため、より大容量の光通信システムを支える光ファイバ増幅器を実現することができ
る。

また、本発明に係る半導体装置と、前記半導体レーザ装置の光出力を測定する光検出器と
、アイソレータと、をさらに備えたことを特徴とする光ファイバ増幅器を実現できるため
、エルビウムドープファイバ増幅器を用いた通信システムの大容量化を実現することが出
来る。

（ａ）乃至（ｃ）は本発明の実施形態の半導体装置を示した模式的な断面図である。 本発明の実施形態の半導体装置と比較例の半導体装置の光出力−電流特性を示すグラフである。 本発明の実施形態の半導体装置と比較例の短波長シフト量のヒストグラムを示すグラフである。 本発明の実施形態の半導体装置を用いたレーザモジュール構造を示す側面断面図である。 従来構造の半導体装置を示した模式的な断面図である。

以下に、図面を参照して本発明に係る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。なお、各図面において、同
一の構成要素には同一の符号を付している。

図１の（ａ）乃至（ｃ）は、本発明の実施形態であるｎ型ＩｎＰ基板上に電流阻止領域
を構成する電流阻止層を有機金属気相成長により埋め込み成長させた半導体装置の作製工
程を示したものである。なお、ｎ型ＩｎＰ基板上に高品質の結晶を成長するためには、基
板の転位密度が小さい硫黄（Ｓ）を不純物としてドーピングしたｎ型ＩｎＰ基板を用いる
と良い。

図１（ａ）に示すように、まず、ｎ型ＩｎＰ基板１上にｎ型ＩｎＰクラッド層２、Ｇａ
ＩｎＡｓＰ活性層３、ｐ型ＩｎＰクラッド層４、ｐ型ＧａＩｎＡｓＰキャップ層１２を、
順次成長させた後、ｐ型ＧａＩｎＡｓＰキャップ層１２の上にＳｉＮ_ｘ誘電体膜からなる
エッチングマスク１３をストライプ上に形成し、ウェットエッチング法を用いてメサスト
ライプを形成する。メサストライプを形成する際に、特定の面方位が出現しない曲面形状
をもつメサの形成を行うと良い。これにより光学顕微鏡で確認しながら、ＳｉＮ_ｘ誘電体
膜直下のメサ幅を制御することで、単一横モードを満足する活性層幅を制御性よく実現す
ることが可能となる。なお、ドライエッチングとウェットエッチングを組み合わせて形成
しても問題はない。

ここで、結晶成長方法として、有機金属気相成長の他に分子線エピタキシー（ＭＢＥ;
Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法や化学線エピタキシー（ＣＢＥ; Ｃｈ
ｅｍｉｃａｌ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法を用いても良い。また、エッチングマスクと
してＳｉＯ_２などを用いても良い。

ＧａＩｎＡｓＰ活性層３は、例えば、格子不整合度１％程度の５層のＧａＩｎＡｓＰ圧
縮歪量子井戸層（厚さ４ｎｍ）と組成波長が１．２μｍであるＧａＩｎＡｓＰバリア層（
厚さ１０ｎｍ）からなる多重量子井戸構造と、組成波長が０．９５μｍから１．２μｍま
で変化した各層の厚さが４０ｎｍであるＧａＩｎＡｓＰからなる６層の多段光閉じ込め（
ＳＣＨ；Ｓｅｐａｒａｔｅ−Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
）層で構成することができる。また、前記活性層の格子不整合度を大きくする場合には、
バリア層に引張り歪みとなる格子不整合度を有するＧａＩｎＡｓＰを用いて、量子井戸層
の正味の歪み量を小さくした歪補償構造を用いることができる。

次に、図１（ｂ）に示すように、誘電体からなるエッチングマスク１３上には結晶成長
しないという有機金属気相成長法の特色を生かして、メサストライプの上面以外の領域に
ｐ型ＩｎＰ電流阻止層５およびｎ型ＩｎＰ電流阻止層６からなる電流阻止領域を形成し、
メサストライプ側面部の前記電流阻止領域をエッチングマスク１３にほぼ水平になるよう
に成長する。

ｐ型ＩｎＰ電流阻止層５は、ｐ型ドーパントに亜鉛（Ｚｎ）を０．８×１０^１８ｃｍ^-
３以上１.４×１０^１８ｃｍ^-３以下添加すると良い。ｐ型ＩｎＰ電流阻止層５の亜鉛濃度
が０．８×１０^１８ｃｍ^-３より少ない場合は、図１（ｃ）に示すIIIからIVに流れる無効
電流が高電流駆動時に発生し、光出力が低減する。一方、亜鉛濃度が１.４×１０^１８ｃ
ｍ^-３を超える場合は、電流阻止領域に分布する光の吸収が大きくなり、発振しきい値の
増大と効率が低下する。半導体励起レーザのように高出力動作を実現するには、電流阻止
領域での光吸収を低減させることが重要であり、ｐ型不純物濃度をなるべく低くすること
が要求される。従って、電流阻止領域のリーク電流低減と光吸収の低減を両立する観点か
ら、ｐ型ＩｎＰ電流阻止層の亜鉛濃度は１×１０^１８ｃｍ^-３以上１．２×１０^１８ｃｍ^-
３以下がより望ましい。

ｎ型ＩｎＰ電流阻止層６はｐ型ＩｎＰクラッド層４の内側に入り込む、すなわちｎ型電
流阻止層がｐ型ＩｎＰクラッド層の上部に乗り上げて、前記電流阻止領域を構成するｎ型
ＩｎＰ電流阻止層６間の距離Ｗ１が、該ｎ型ＩｎＰ電流阻止層６と接触している前記ｐ型
クラッド層４の幅Ｗ２よりも狭くなる構造となっている。

本発明の発明者らは、鋭意研究の結果、上記ｎ型ＩｎＰ電流阻止層６の構造を、電流阻
止領域の成長温度を最適化することで得ることができることを見出した。これは、電流阻
止領域を構成するｐ型電流阻止層５及びｎ型ＩｎＰ電流阻止層６を埋め込み成長する際に
、ｐ型ＩｎＰクラッド層４およびｐ型ＧａＩｎＡｓＰキャップ層１２のメサストライプの
側面部の一部が、ＩＩＩ族原子が拡散するマストランスポート現象で、形状が変化するた
めと考えられる。

より具体的には、６７２℃以上の成長温度で実現可能であることを実験から確認を行っ
た。温度の１次関数で近似すると以下の式（１）となる。

なお、Ｔは成長温度を示し、放射温度計（パイロメータ）で測定した際のウェハを搭載す
るトレーの温度である。従って、成長温度Ｔを大きくするほど、よりＷ１をＷ２よりも狭
くすることが可能である。

ｎ型ＩｎＰ電流阻止層６間の距離Ｗ１と該ｎ型ＩｎＰ電流阻止層６と接触している前記
ｐ型クラッド層４の幅Ｗ２の差であるＷ１−Ｗ２は、小さい方がリーク電流を低減させる
ことができるが、小さすぎても光出力が低下するため、−０．５μｍ以上であることが望
ましい。これは、ｎ型ＩｎＰ電流阻止層６と接触しているｐ型クラッド層中の不純物であ
る亜鉛（Ｚｎ）が電流阻止層成長時の熱で拡散し、ｐ型クラッド層のＺｎ濃度が低減し、
素子の電気抵抗が大きくなり、光出力の熱飽和が支配的になったためと考えられる。従っ
て、熱飽和による光出力飽和を抑え、高信頼性を実現するには、Ｗ１−Ｗ２は、−０．２
μｍ以上から０μｍ未満であることがさらに望ましい。また、Ｗ１が狭くなるに従い、レ
ーザ発振状態を決定する利得スペクトルが短波長側にシフトし、発振波長が短波長化する
といった新たな問題が生じる。

ここで、発光波長の短波長シフトは、例えば、半導体レーザ素子の製造工程において、
製造バッチごとに成長温度のばらつきがある場合、また、成長温度による基板の面内分布
がある場合、所望の波長を実現することが困難になり、製造歩留りの低下をもたらすとい
った問題があることを示している。特に活性層近傍に回折格子を有するＤＦＢレーザや活
性層周辺の光導波路に回折格子を備えたＤＢＲレーザでは、利得波長と回折格子波長の差
がばらつくことになり、レーザの発振しきい値の上昇、効率低下といった特性劣化の問題
も生じることになる。短波長シフトは、埋め込みヘテロ構造を有するレーザなど複数回の
結晶成長工程を含む場合、２回目以降の再成長時の成長温度による熱の影響で、活性層を
構成する量子井戸と障壁層の界面で異なる原子の拡散により発生すると考えられる。特に
ＧａＩｎＡｓＰ材料を用いた時は、異なるＶ族原子、すなわち、Ａｓ原子とＰ原子の相互
拡散により短波長シフトが発生することが知られている。

そこで、電流阻止領域を流れるリーク電流が低減する効果を有し、且つ、電流阻止層の
成長温度による短波長シフトの影響が小さくするためには、ＧａＩｎＡｓＰ活性層３の井
戸層の厚さを６ｎｍ以上とすると良い。なお、原理的には、井戸層の厚さが厚くなるに従
い、井戸層と障壁層の界面でのＶ族の相互拡散の影響が小さくなるため、本発明では、こ
の検証を進めてきたが、井戸層厚が６ｎｍ以上では、短波長シフト量に差異がないことを
実験的に確認した。また、活性層に１％程度の圧縮歪超格子からなる量子井戸層を適用し
た場合、井戸層が厚くなるに従い、格子不整合による欠陥の発生による結晶品質の劣化が
懸念されるので、井戸層は１０ｎｍ以下が望ましい。なお、活性層を構成する材料として
ＧａＩｎＡｓＰではなく、ＡｌＧａＩｎＡｓを用いれば、短波長シフトは生じない。これ
は、活性層を構成するＶ族原子がＡｓ原子だけになったことで、短波長シフトの原因であ
るＡｓ原子とＰ原子の相互拡散が量子井戸層と障壁層との界面で発生しないためであると
考えられる。

図１（ｃ）に示すように、その後、エッチングマスク１３及びｐ型ＧａＩｎＡｓＰキャ
ップ層１２をエッチングにより除去し、有機金属気相成長法を用いて、ｐ型ＩｎＰクラッ
ド層７、及び組成波長が１．２μｍであるｐ型ＧａＩｎＡｓＰコンタクト層８を成長させ
る。その後、基板の厚さ調整のため、ｎ型ＩｎＰ基板１の下面（上述した各半導体層を形
成した面とは反対側の面）を厚さ１３０μｍ程度にまで研磨により薄膜化し、図１（ｃ）
に示すように、前記基板１の下面にｎ型電極９、コンタクト層８の上面にｐ型電極１０を
それぞれ形成する。なお、この工程での結晶成長方法として、分子線エピタキシー法や化
学線エピタキシー法を用いても良い。

上述したように作製した本実施例の半導体装置（図１（ｃ））は、ｎ型ＩｎＰ電流阻止
層６の一部がｐ型ＩｎＰクラッド層７の内側まで入りこむことで、図５に示す従来の半導
体装置と比較して、ｐ型ＩｎＰ電流阻止層５とメサ領域のｐ型ＩｎＰクラッド層７の接触
が低減する。このため、経路Ｉ−ＩＩを経由するリーク電流を低減することができる。

次に本発明による半導体装置を用いてバタフライパッケージに組立てたレーザモジュー
ルについて説明する。図４は、半導体レーザモジュールの構成を示す側面断面図である。
半導体レーザ装置２９は、ｐ側電極がレーザマウント２５に接合されるジャンクションダ
ウン構成としている。半導体レーザモジュールの筐体として、セラミックなどによって形
成されたパッケージ２８の内部底面上に、温度制御装置としての温調モジュール２７が配
置される。

温調モジュール２７上にはベース２４が配置され、このベース２４上にはレーザマウン
ト２５が配置される。温調モジュール２７には、図示しない電流が与えられ、その極性に
よって冷却および加熱を行なうが、半導体レーザ装置２９の温度上昇による発振波長ずれ
を防止するため、主として冷却器として機能する。なわち、温調モジュール２７は、レー
ザ光が所望の波長に比して長い波長である場合には、冷却して低い温度に制御し、レーザ
光が所望の波長に比して短い波長である場合には、加熱して高い温度に制御する。

この温度制御は、具体的に、レーザマウント２５上であって、半導体レーザ装置２９の
近傍に配置されたサーミスタ２６の検出値をもとに制御され、図示しない制御装置は、通
常、レーザマウント２５の温度が一定に保たれるように温調モジュール２７を制御する。
また、図示しない制御装置は、半導体レーザ装置２９の駆動電流を上昇させるに従って、
レーザマウント２５の温度が下がるように温調モジュール２７を制御する。このような温
度制御を行なうことによって、半導体レーザ装置２９の出力安定性を向上させることがで
き、歩留まりの向上にも有効となる。なお、レーザマウント２５は、たとえばダイヤモン
ドなどの高熱伝導率をもつ材質によって形成することが望ましい。これは、レーザマウン
ト２５がダイヤモンドで形成されると、高電流印加時の発熱が抑制されるからである。

ベース２４上には、半導体レーザ装置２９およびサーミスタ２６を配置したレーザマウ
ント２５、第１レンズ２１、および光モニタ用受光素子２３が配置される。半導体レーザ
装置２９から出射されたレーザ光は、第１レンズ２１、アイソレータ３１、および第２レ
ンズ３０を介し、光ファイバ２２上に導波される。第２レンズ３０は、レーザ光の光軸上
であって、パッケージ２８上に設けられ、外部接続される光ファイバ２２に光結合される
。なお、光モニタ用受光素子２３は、半導体レーザ装置２９の高反射膜側から漏れた光を
モニタ検出する。

ここで、この半導体レーザモジュールでは、他の光学部品などによる反射戻り光が共振
器内に戻らないように、半導体レーザ装置２９と光ファイバ２２との間にアイソレータ３
１を介在させている。なお、ここでは消光比−２０ｄＢのアイソレータを用いたが、モジ
ュールまたは、システムを構成する部品からの反射を抑制するには、−２０ｄＢ以下のア
イソレータを用いることが好ましい。

（実施例１）
次に本発明に係る実施例について説明する。硫黄（Ｓ）を不純物としてドーピングした
ｎ型ＩｎＰ基板１上にｎ型ＩｎＰクラッド層２を１μｍ、ＧａＩｎＡｓＰ活性層３、ｐ型
ＩｎＰクラッド層４を０．５μｍ、組成波長が１．２μｍであるｐ型ＧａＩｎＡｓＰキャ
ップ層１２を０．０５μｍ、６７０℃で順次成長させた後、ｐ型ＧａＩｎＡｓＰキャップ
層１２の上にＳｉＮ_ｘ誘電体膜からなるエッチングマスク１３をストライプ上に形成し、
ウェットエッチング法を用いてメサストライプを形成した。メサストライプを形成する際
に、特定の面方位が出現しない曲面形状をもつメサの形成を行った。ＧａＩｎＡｓＰ活性
層３は、格子不整合度１％程度の５層のＧａＩｎＡｓＰ圧縮歪量子井戸層（厚さ４ｎｍ）
と組成波長が１．２μｍであるＧａＩｎＡｓＰバリア層（厚さ１０ｎｍ）からなる多重量
子井戸構造と、組成波長が０．９５μｍから１．２μｍまで変化した各層の厚さが４０ｎ
ｍであるＧａＩｎＡｓＰからなる６層の多段光閉じ込め層で構成した。量子井戸層の組成
は、発振波長が１４８０nmになるように決定した。

次に、エッチングマスク１３を用いてメサストライプの上面以外の領域に、厚さを０．
９μｍ、亜鉛（Ｚｎ）を１×１０^１８ｃｍ^-３添加したｐ型ＩｎＰ電流阻止層５および硫
黄（Ｓ）を１×１０^１８ｃｍ^-３添加したｎ型ＩｎＰ電流阻止層６からなる電流阻止領域
を形成し、メサストライプ側面部の前記電流阻止領域をエッチングマスク１３にほぼ水平
になるように成長させた。このときの成長温度は、６９４℃で実施した。

その後、エッチングマスク１３及びｐ型ＧａＩｎＡｓＰキャップ層１２をエッチングに
より除去し、有機金属気相成長法を用いて成長温度６７０℃の下、ｐ型ＩｎＰクラッド層
７、及び組成波長が１．２μｍであるｐ型ＧａＩｎＡｓＰコンタクト層８を約３μｍ成長
させる。その後、ｎ型ＩｎＰ基板１の下面を厚さ１３０μｍ程度にまで研磨により薄膜化
し、図１（ｃ）に示すように、前記基板１の下面にｎ型電極９、コンタクト層８の上面に
ｐ型電極１０をそれぞれ形成し、本実施例の半導体装置を得た。この半導体装置のｎ型Ｉ
ｎＰ電流阻止層６間の距離Ｗ１と該ｎ型ＩｎＰ電流阻止層６と接触しているｐ型クラッド
層４の幅Ｗ２を断面ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）観察で確認した結果、本実施例では、Ｗ
１は、Ｗ２よりも０．２μｍ狭かった。

上述したように作製した本実施例の半導体装置のレーザ特性を評価するために、電極形
成後のウェハを共振器長１５００μｍのバーに壁開し、一方の端面に反射率１．５％の誘
電体反射膜を成膜し、他方の端面に、反射率９８％の誘電体反射膜を成膜した。その後、
素子分離を行って、個別素子とした。なお、共振器長はここでは１５００μｍとしたが、
放熱性や活性層温度の上昇を抑制し、素子の信頼性を確保するには、１５００μｍ以上の
共振器長が望ましいが、共振器長が長いほどスロープ効率が低減するため、レーザの内部
損失を低減し、レーザ光の出射端面の反射率を最適化することにより、高出力化と高信頼
性を両立することが実現可能となる。

一層の高出力特性を実現するためには、ＩｎＰの屈折率とレーザを構成する積層構造の
等価屈折率の差を出来るだけ小さくし、単一横モードのカットオフ幅を広くすることが有
効である。これを実現するためには、本実施例で採用しているｎ-ＩｎＰクラッド層の代
わりに厚さ４μｍ以上のＧａＩｎＡｓＰで構成されるｎ型クラッド層にすることでカット
オフ幅を５μｍ以上にすることが可能となる。

なお、レーザ光の反射端面を９８％としたが、この端面からのレーザ光は、出力安定化
のためのモニター光として利用される。従って、適用されるシステムに応じて反射率が決
定されるが、高出力レーザ素子としては、９０％以上の反射率があれば、特性に問題はな
い。

本実施例の半導体装置のレーザ特性として、光出力−電流特性の測定を行った。その結
果を図２に示す。また、しきい値電流、しきい値近傍のスロープ効率、１．５Ａ駆動時の
光出力の測定を行なった。その結果を表１に示す。

（比較例１）
本発明の半導体装置とのレーザ特性の比較を行なうために、図５に示す従来構造の半導
体装置を比較例１として作製した。なお、埋め込み構造の違いによるレーザ特性の比較を
行なうため、埋め込み形状以外の構造、すなわち、レーザの積層構造や共振器長、端面に
設ける誘電体反射膜の反射率等は、実施例と同一とした。この比較例に係る半導体装置の
ｎ型ＩｎＰ電流阻止層６間の距離Ｗ１と該ｎ型ＩｎＰ電流阻止層６と接触しているｐ型ク
ラッド層４の幅Ｗ２を断面SEM観察で確認した結果、Ｗ１は、Ｗ２よりも０．４μｍ広か
った。この比較例の半導体装置について、本実施例の半導体装置と同様にレーザ特性とし
て、光出力−電流特性、しきい値電流、しきい値近傍のスロープ効率、１５００ｍＡ時の
光出力の測定を行なった。その結果を表１に示す。

図２、表１により比較例１の半導体装置に対して、本実施例１の半導体装置は低しきい
値電流、高スロープ効率、高出力動作を実現していることがわかる。

なお、本実施例１とメサストライプの幅のみを変えた半導体装置を作製したところ、メ
サストライプの幅、すなわち活性層の幅が３μｍまでは単一横モードを維持した光−電流
特性において光−電流出力特性における不連続点（キンク）が発生しないことを確認した
。なお、本実施例では活性層の幅が光の伝搬方向に対して、等しい直線状のメサストライ
プ構造であるが、光の伝搬方向に対してストライプ幅は変化している単一横モードを維持
するテーパーストライプ構造であっても問題はない。

また、電流阻止層を形成する際の成長温度を７３０℃に上げて本実施例１と同様に半導
体装置を形成し、ｎ型ＩｎＰ電流阻止層６間の距離Ｗ１が、該ｎ型ＩｎＰ電流阻止層６と
接触している前記ｐ型クラッド層４の幅Ｗ２よりも０．５μｍ狭い実施例２に係る半導体
装置を得た。実施例２に係る半導体装置は、前述の実施例１の半導体装置と比較して光出
力は同等であった。一方、光出力が飽和する電流値は、実施例１では、１７００ｍＡであ
ったのに対し、実施例２では、１５００ｍＡであった。これは、成長温度を７３０℃で成
長することで実施例１よりもｐ型クラッド層の亜鉛の拡散が大きくなり、素子抵抗の上昇
による光出力の熱飽和の影響が大きくなったためと考えられる。

また、本実施例１および比較例１の半導体装置を用いて、バタフライパッケージに組立
てた図４に示すレーザモジュールを用いて特性比較を行った。

本実施例１及び比較素子１で構成されるモジュールの特性をお互いに比較した結果、１
．５Ａの直流動作で比較例が３６８ｍWに対し、実施例１では４００ｍＷとモジュールに
おいても高出力動作に有効であることを確認した。また、このときレーザ発振後４００ｍ
Ｗまでの広い出力範囲において光出力-電流特性に、キンクが発生しないことが確認され
、少ない信号数から多くの信号数まで増幅できる励起光源として有効であることを確認し
た。なお、ラマン増幅器用励起光源として、アイソレータを使用しない構成で、光ファイ
バの一部に回折格子が形成されているファイバグレーティング付きレーザモジュールでも
同様に比較例１に対して高出力動作が確認され、レーザ発振後、４００ｍＷまでの出力に
おいて波長安定性が確認できた。

次に、上記実施例１と同様の成長条件および構造であるが、量子井戸をそれぞれ表２に
示す層厚および井戸数とした実施例３，４係る半導体装置を作成した。表２に示す比較例
２は、上記実施例１と同一の活性層構造である。なお、回折格子層はＧａＩｎＡｓＰで構
成し、実施例１に前述したＧａＩｎＡｓＰ活性層３、ｐ型ＩｎＰクラッド層４の間に配置
したが、ＧａＩｎＡｓＰ活性層３に形成されていても問題はない。

電流阻止層形成前後のフォトルミネッセンス測定による短波長シフト量（＝電流阻止層
形成前-電流阻止層形成後）のヒストグラムを各々の構造で比較した結果を図３に記す。
なお、測定箇所は、２インチウェハから抜取で行い、短波長シフト量は、エネルギー（ｍ
ｅＶ）表示で記している。なお、各々の構造の測定数、メジアン値、標準偏差を以下の表
３に記す。

図４から本発明の実施例３，４ともに比較例２に対して、短波長シフト量が低減し、分
布も小さくなっていることがわかる。このことから、電流阻止層のリーク電流の低減と短
波長シフトの低減を両立するには本実施例３，４のように量子井戸の井戸層厚が厚くする
ことが有効である。一方、表３から本実施例の構造Ａ、Ｂともに短波長シフト量が９ｍｅ
Ｖ程度低減し、標準偏差も井戸層の厚さが６ｎｍ，７ｎｍと厚くなるに従い、比較例２よ
りも著しく標準偏差が小さくなることがわかる。

また、素子のレーザ出射端面に０．１％の反射率、レーザの反射端面に９８％の反射率
を有する誘電体多層膜を成膜し、レーザ（ＤＦＢレーザ）の特性評価を行った。その結果
、しきい値電流の低減効果とスロープ効率の改善効果が本実施例３，４において確認され
た。また、しきい値電流が９ｍＡ以下でスロープ効率が０．３Ｗ／Ａ以上の歩留りが、比
較例２では４０％程度であったが本実施例３，４では６０％程度と飛躍的に改善した。以
上のことから、本発明の実施例では短波長シフト量を抑制するだけでなく、面内均一性の
向上に有効であり、レーザ素子の歩留り向上、低コスト化にも効果を奏する。

なお、活性層を構成する材料をＡｌＧａＩｎＡｓである点を除き、他の構造および成長
条件は前述の実施例１（比較例２）と同一の半導体装置を作成し、電流阻止層形成前後の
フォトルミネッセンス測定による短波長シフト量を実施例３，４および比較例２と同様に
評価した結果、実施例２の比較例２が１５．５ｍｅＶであったのに対し、１ｍｅＶ程度と
著しい短波長シフトの抑制効果が得られた。さらに、レーザ（ＤＦＢレーザ）の特性評価
を行ったところ、同一デチューニング量での特性は同等であり、比較例２では８５℃まで
しか動作しなかったが、比較例２と同等の特性が９５℃においても実現することが出来た
。なお、デチューニング量は、回折格子波長とレーザ利得スペクトルのピーク波長の差で
定義される。従って、活性層にＡｌＧａＩｎＡｓ材料を導入することで、短波長シフトを
抑制するだけでなく、高温動作特性も改善できるといった効果を奏することがわかる。な
お、ここではＤＦＢレーザを例に挙げて説明を行ったが、ＡｌＧａＩｎＡｓを活性層材料
に用いた光ファイバ増幅器用励起光源においても同様の効果を奏することは言うまでもな
い。特に、ＡｌＧａＩｎＡｓを活性層材料に用いることで、従来のＧａＩｎＡｓＰ活性層
材料よりも高温動作が可能となるので、素子を高温動作させることで、ペルチェ素子を用
いた電子冷却器の消費電力をでき、さらに高信頼性の非冷却の高出力レーザを通信波長帯
１２００−１６５０ｎｍ帯で実現できるといった効果も得られる。

以上説明したように、本発明の半導体装置は、電流阻止領域を流れるリーク電流が低減
する効果を有し、さらに、電流阻止層の成長温度による短波長シフトの影響が小さい素子
を実現できるという効果を有する。このため、低しきい値電流、高効率、高出力動作を実
現することができる。また、電流阻止領域を成長する際のメサ形成時に複雑な工程を経ず
に電流阻止領域の成長温度で本発明の構造を簡便に実現できるといった効果を奏する。

特に、活性層を構成する材料がＧａＩｎＡｓＰである半導体装置では、半導体装置から発
生する光の発振波長が長波長になるほど、オージェ吸収により高出力動作が困難になると
いった課題を抱えているが、本発明による高出力の半導体装置は、１４６０ｎｍ以上のエ
ルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ；Ｅｒｂｉｕｍ Ｄｏｐｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ａｍ
ｐｌｉｆｉｅｒ）用励起光源や３００ｍＷ以上の高出力が要求されるラマン増幅器用励起
光源の半導体装置として有効である。特に同じ光出力で比較した場合、駆動電流の低減に
よる活性層温度上昇の抑制により、高信頼性の点から有利となる。さらに、本発明の半導
体装置は、従来構造の半導体装置の作製工程よりも工程数が増えることなく、高性能の半
導体装置を実現することができる。

また、上述の光ファイバ増幅器用励起光源は、１４ピンのバタフライパッケージ内に配
置された電子冷却装置上に半導体装置、レンズなどの光学系、アイソレータ、出力制御用
モニタ受光素子が配置され、光学系を介して光ファイバに光を結合する構造になっている
。本発明の半導体装置を用いることで、従来構造の半導体装置と比較して、低しきい値、
高効率動作が可能となるため、消費電力が低減できるので、電子冷却の消費電力が低減で
きる。さらに活性層の温度を低減することができるため、レーザモジュールの長期信頼性
を向上することができる効果を有する。更に、光通信システムで使用した場合に、増幅す
る信号数に応じて、光ファイバ増幅器への励起光強度を変化させる必要があるが、従来よ
りも高出力動作が可能となるために増幅する信号数を多くすることが出来るといった効果
を奏する。

また、本発明の誘電体反射膜は、化学気層成長（ＣＶＤ；Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏ
ｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法やスパッタ（ｓｐｕｔｔｅｒ）法を用いて成膜することが
できる。なお、本実施例では、低反射率の誘電体反射膜として１．５％の反射率を有する
誘電体膜を用いたが、外部反射鏡と組み合わせた複合共振器を有する半導体装置の場合に
は、該半導体装置におけるファブリペロー共振を抑制するために０．１％以下の低反射率
を有する誘電体多層膜を用いることが好適である。

また、本発明の半導体装置の活性層を構成する材料は、ＧａＩｎＡｓＰの他、ＡｌＧａ
ＩｎＡｓＰ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＡｌＧａＩｎＮでも良く、用途や目的に応じて適宜選択さ
れる。また、それぞれの材料に適した基板（ＩｎＰ基板、ＧａＡｓ基板、ＧａＩｎＡｓ基
板など）が適宜用いられる。

また、本発明の半導体装置における活性層は、歪み量子井戸構造であって、量子ドット
や量子細線、量子ダッシュ構造を伴うものであってもよい。さらに、光閉じ込め構造は一
段ＳＣＨ層やＧＲＩＮ−ＳＣＨ構造（ＧＲＩＮ− ＳＣＨ；Ｇｒａｄｅｄ−Ｉｎｄｅｘ Ｓ
ｅｐａｒａｔｅ−Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ）でも良い
。

また、本発明の半導体装置における構成は、同一基板上に複数の機能を集積した変調器集
積レーザ、波長可変レーザといった光機能集積素子に適用しても問題はない。

１ ｎ型ＩｎＰ基板
２ ｎ型ＩｎＰクラッド層
３ ＧａＩｎＡｓＰ活性層
４ ｐ型ＩｎＰクラッド層
５ ｐ型ＩｎＰ電流阻止層
６ ｎ型ＩｎＰ電流阻止層
７ ｐ型ＩｎＰクラッド層
８ ｐ型ＧａＩｎＡｓＰコンタクト層
９ ｎ型電極
１０ ｐ型電極
１１ サイリスタ構造
１２ ｐ型ＧａＩｎＡｓＰキャップ層
１３ エッチングマスク
２１ 第２レンズ
２２ 光ファイバ
２３ 光モニタ用受光素子
２４ ベース
２５ レーザマウント
２６ サーミスタ
２７ 温調モジュール
２８ パッケージ
２９ 半導体レーザ装置
３０ 第１レンズ
３１ アイソレータ

Claims (13)

1. 半導体基板と、
   前記半導体基板の一方の平坦面に形成された第１クラッド層と、
   前記第１クラッド層に形成された活性層と、
   前記活性層に形成された第２クラッド層と
   を有し、
   前記第１クラッド層、前記活性層及び前記第２クラッド層が、側面が曲面の傾斜面であるメサ型構造に形成されており、
   前記メサ型構造の両側面部の前記第１クラッド層、前記活性層及び前記第２クラッド層の一部に形成された第１導電型の第１電流阻止層と、
   前記第１電流阻止層を覆って形成され、前記第１電流阻止層とｐｎ接合またはｎｐ接合を確立する、第２導電型の第２電流阻止層と
   をさらに有し、
   前記メサ型構造は、前記メサ型構造の頂部の幅より広い幅を有するマスクにより、前記マスクが庇部を有する構造となるように形成されたものであり、前記第２電流阻止層の上面は、前記第２クラッド層の上面と同じまたは実質的に同じであって前記庇部よりも下方となり、略水平面をなし、
   前記第２電流阻止層間の距離Ｗ１と、前記第２電流阻止層と接触している前記第２クラッド層の幅Ｗ２に対して、前記第２電流阻止層が、前記第２電流阻止層の成長温度Ｔに係る下記式（１）が負となる成長温度Ｔで成長した膜であり、マストランスポート現象により、前記第２電流阻止層の上面の端部が、前記第１電流阻止層の上に伸びて前記第２電流阻止層の先端は楔状をなし、かつ、前記楔状の部分が前記第２クラッド層の上部に乗り上げ、前記第２クラッド層の内側に入り込んでいる構造となっている
   光半導体装置。
   Ｗ１−Ｗ２（μｍ）＝−０．００９２×Ｔ＋６．１８ （１）
2. 前記第２電流阻止層間の距離Ｗ１と、前記第２電流阻止層と接触している前記第２クラッド層の幅Ｗ２との差である（Ｗ１−Ｗ２）が、−０．５μｍ≦（Ｗ１−Ｗ２）＜０μｍである
   請求項１記載の光半導体装置。
3. 前記第１電流阻止層の第１導電型不純物濃度が０．８×１０^１８ｃｍ^−３〜１．４×１０^１８ｃｍ^−３である
   請求項１または２に記載の光半導体装置。
4. 前記半導体基板を構成する材料がＩｎＰである
   請求項１〜３のいずれかに記載の光半導体装置。
5. 前記活性層は、量子井戸構造または歪超格子量子井戸構造である
   請求項４に記載の光半導体装置。
6. 前記活性層の幅は、光の導波方向にわたり、単一横モード動作を満足するように選択されている
   請求項５に記載の光半導体装置。
7. 前記光半導体装置の対向する２つの側面が共振器を構成しており、
   前記２つの両端面に、反射率の異なる膜が形成されている
   請求項１〜６のいずれかに記載の光半導体装置。
8. 前記活性層はＧａＩｎＡｓＰで構成されている
   請求項５に記載の光半導体装置。
9. 前記活性層はＡｌＧａＩｎＡｓで構成されている
   請求項５に記載の光半導体装置。
10. 前記活性層は井戸層厚６ｎｍ以上の活性層を含む
    請求項６に記載の光半導体装置。
11. 半導体基板と、前記半導体基板の一方の平坦面に形成された第１クラッド層と、前記第１クラッド層に形成された活性層と、前記活性層に形成された第２クラッド層とを有し、前記第１クラッド層、前記活性層及び前記第２クラッド層が、側面が曲面の傾斜面であるメサ型構造に形成されており、前記メサ型構造の両側面部の前記第１クラッド層、前記活性層及び前記第２クラッド層の一部に形成された第１導電型の第１電流阻止層と、前記第１電流阻止層を覆って形成された、前記第１電流阻止層とｐｎ接合またはｎｐ接合を確立する、第２導電型の第２電流阻止層とをさらに有し、前記メサ型構造は、前記メサ型構造の頂部の幅より広い幅を有するマスクにより、前記マスクが庇部を有する構造となるように形成されたものであり、前記第２電流阻止層の上面は、前記第２クラッド層の上面と同じまたは実質的に同じであって前記庇部よりも下方となり、略水平面をなし、前記第２電流阻止層間の距離Ｗ１と、前記第２電流阻止層と接触している前記第２クラッド層の幅Ｗ２に対して、前記第２電流阻止層が、前記第２電流阻止層の成長温度Ｔに係る下記式（２）が負となる成長温度Ｔで成長した膜であり、マストランスポート現象により、前記第２電流阻止層の上面の端部が、前記第１電流阻止層の上に伸びて前記第２電流阻止層の先端は楔状をなし、かつ、前記楔状の部分が前記第２クラッド層の上部に乗り上げ、前記第２クラッド層の内側に入り込んでいる構造となっている光半導体装置を含む半導体レーザ装置と、
    前記半導体レーザ装置の光出力を測定する光検出器と、
    アイソレータと、
    前記光検出器の出力に応じて前記半導体レーザ装置の温度を制御する温調モジュールと、
    前記半導体レーザ装置から出射されたレーザ光を外部に導波する光ファイバと、
    前記半導体レーザ装置と前記光ファイバを光結合する光結合レンズ系と
    を有する
    光ファイバ増幅器用励起光源。
    Ｗ１−Ｗ２（μｍ）＝−０．００９２×Ｔ＋６．１８ （２）
12. ファイバ端光出力が４００ｍＷ以上である
    請求項１１に記載の光ファイバ増幅器用励起光源。
13. 半導体基板の一方の平坦面に第１クラッド層を形成する工程と、
    前記第１クラッド層に活性層を形成する工程と、
    前記活性層に第２クラッド層を形成すると
    前記第１クラッド層、前記活性層及び前記第２クラッド層を、側面が曲面の傾斜面であるメサ型構造に形成する工程と、
    前記メサ型構造の両側面部の前記第１クラッド層、前記活性層及び前記第２クラッド層の一部に第１導電型の第１電流阻止層を形成する工程と、
    前記第１電流阻止層を覆って、前記第１電流阻止層とｐｎ接合またはｎｐ接合を確立する、第２導電型の第２電流阻止層を形成する工程と
    を有し、
    前記第１クラッド層、前記活性層及び前記第２クラッド層をメサ型構造に形成する工程において、前記メサ型構造の頂部の幅より広い幅を有するマスクにより、前記マスクが庇部を有する構造となるように形成し、
    前記第２電流阻止層を形成する工程において、前記第２電流阻止層の上面は、前記第２クラッド層の上面と同じまたは実質的に同じであって前記庇部よりも下方となり、略水平面をなすように形成し、
    前記第２電流阻止層を形成する工程において、前記第２電流阻止層の上面は、前記第２クラッド層の上面と同じであり、前記第２電流阻止層間の距離Ｗ１と、前記第２電流阻止層と接触している前記第２クラッド層の幅Ｗ２に対して、前記第２電流阻止層が、前記第２電流阻止層の成長温度Ｔに係る下記式（３）が負となる成長温度Ｔで成長した膜であり、マストランスポート現象により、前記第２電流阻止層の上面の端部が、前記第１電流阻止層の上に伸びて前記第２電流阻止層の先端は楔状をなし、かつ、前記楔状の部分が前記第２クラッド層の上部に乗り上げ、前記第２クラッド層の内側に入り込んでいる構造となるように形成する
    光半導体装置の製造方法。
    Ｗ１−Ｗ２（μｍ）＝−０．００９２×Ｔ＋６．１８ （３）

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