JP6437869B2 - 半導体レーザ - Google Patents

Description

本発明は、ＩｎＰ基板の上に形成され、ＩｎＧａＡｓＳｂからなる井戸層による量子井戸構造の活性層から構成された半導体レーザに関する。

光を用いたガス計測システムは、環境分野や医療応用において重要であり、リアルタイムで高精度な濃度計測が可能なガス計測システムや、ピロリ菌の検出システムなどが実用化されている。これらのシステムでは、ガスの吸収線による光吸収という物理現象を応用したものがほとんどである。ガスの光吸収は、ガスの分子を構成する原子間の結合力に起因した振動や回転のエネルギーに対応した光の吸収により起きる。このガスの吸収線は、個々のガス種に対応した固有の波長を持ち、線幅も０．１ｎｍ程度と極めて細いために、光吸収を用いればガス種の同位体さえ特定できるという特徴がある。

光を用いたガス計測システムにおいて、２μｍ付近の波長領域は特に重要な波長領域である。これは、環境汚染や地球温暖化に関係するＣＯ₂、Ｎ₂Ｏ、ＨＣｌ、ＮＨ₃、ＣＯなどのガスに関して、強度の大きな吸収線がこの波長領域に存在するためである。図１１は、１．８μｍから２．４μｍの波長領域に存在するガス種と、各ガスにおける吸収線の波長を示した特性図である。図１１では、吸収線が存在する波長領域を帯状に示してあるが、実際の吸収線は前述したように極めて狭い線幅を持ち、吸収線はこの帯状の波長領域に密集して存在する。

ガス計測で用いる一般的な光源としては、室温付近において単一波長で連続発振し、数ｎｍ程度の波長走査が可能であり、さらに１〜１０ｍＷ程度の光出力を有するなどの素子特性を持つことが望まれる。この要求を満たす光源としては、小型でありかつ消費電力がガスレーザや固体レーザに比べて小さい半導体レーザが用いられることが多い。

２μｍ付近の波長領域で動作するガス計測に適した半導体レーザとしては、ＩｎＰ基板上のＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰやＩｎＧａＡｓなどの半導体材料から構成した分布帰還型（Distributed Feedback Laser：ＤＦＢ）レーザがある。ここで、このような半導体レーザでの実使用においては、素子を埋め込む構造とすることになり、再成長による埋め込み構造の形成が重要となる。この技術は、ＩｎＰの場合については技術が確立されているが、ＧａＡｓなどの他の系では確立されていない。このため、このような半導体レーザでは、Ｉｎ基板が用いられている。

上述した半導体レーザの活性層には、Ｉｎ組成比が大きなＩｎＧａＡｓを井戸層とする多重量子井戸（Multiple Quantum Well：ＭＱＷ）構造を用いることが多い。この場合、ＩｎＧａＡｓ井戸層の格子定数はＩｎＰよりも大きくなるため、井戸層には大きな圧縮歪みが加わることになる。具体的には、２μｍを超える発振波長を得るためには、１．５％以上の大きな圧縮歪みが加わったＩｎＧａＡｓ井戸層が必要となる（非特許文献１参照）。

さらに、この井戸層は、大きな圧縮歪みが加わっているにも関わらず、薄くすることができない。これは、井戸層を薄くすると、量子サイズ効果により発振波長が短波長化してしまうためである。このように井戸層を薄くできない状況下では、井戸層の大きな圧縮歪みに起因した結晶欠陥が発生し易い。

ＩｎＰ基板を用いて作製された２μｍ付近の発振波長を持つレーザの多重量子井戸構造の活性層に関し、井戸層の大きな圧縮歪みに起因した結晶欠陥の発生を抑制するため、様々な方法が検討されている。例えば、ＩｎＧａＡｓ井戸層の成長時に、Ｓｂをサーファクタントに用いて格子緩和を抑制する方法や、ＩｎＡｓ井戸層を４８０℃以下の低温で成長させるなどの方法により、結晶欠陥の発生を抑制する方法などが検討されている。これらの方法を用いることにより、２μｍを大きく超える波長で、単一モード発振するＤＦＢレーザが実現されている（非特許文献２、非特許文献３参照）。

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上述したようにＩｎＰ基板を用いて作製された２μｍ付近の発振波長を持つレーザでは、ＩｎＧａＡｓやＩｎＡｓなどから井戸層を構成し、この結晶成長を工夫することによりレーザに応用することが可能な良好な結晶性を持つ活性層が実現されている。しかしながら、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｓのいずれかより井戸層を構成した場合も、下記のような課題がある。

井戸層をＩｎＧａＡｓから構成した場合、２μｍを超える発振波長を得るためには、前述のように井戸層に＋１．５％を超える圧縮歪みを加える必要がある。一方、光ファイバー通信などに用いられるＩｎＰ基板上の多重量子井戸構造レーザで、井戸層に加えられる圧縮歪みはほとんどの場合が１％以下である。これは、井戸層の圧縮歪みが大きくなることにより、結晶欠陥が発生し易いためである。２μｍ付近に発振波長を持つレーザであっても、結晶欠陥の発生を抑制するためには、井戸層に加わる圧縮歪みは小さい方が好ましい。

しかしながら、１％程度の圧縮歪みのＩｎＧａＡｓ井戸層から活性層を構成しても、２μｍ付近に発振波長を持つレーザを実現することは不可能である。さらに、ＩｎＧａＡｓ井戸層から構成した多重量子井戸構造レーザでは、井戸層に加える圧縮歪みおよび厚さが、結晶欠陥が発生しない限界値近くにあり、これ以上発振波長を長くすることは困難である。具体的には、２％の圧縮歪みを加えたＩｎＧａＡｓ井戸層で結晶欠陥が発生しない厚さは、１０ｎｍ程度であり（非特許文献２参照）、この場合の発振波長は約２．１μｍである。この発振波長は、ＩｎＧａＡｓ井戸層を用いたレーザでは素子特性を劣化させないで作製できる限界に近い波長であり、発振波長が２．１５μｍよりも長いような多重量子井戸構造レーザの作製は極めて困難である。

一方、ＩｎＡｓは、二元混晶のために、三元混晶であるＩｎＧａＡｓよりは組成的に安定であり、大きな圧縮歪みが加わった状態でも結晶欠陥の発生を抑制することができる。このため、井戸層をＩｎＡｓから構成した多重量子井戸構造レーザでは、ＩｎＧａＡｓから構成した場合に比べて長い発振波長を得ることが容易である。しかしながら、ＩｎＰ基板上でＩｎＡｓを成長した場合、ＩｎＡｓには３．２％もの圧縮歪みが加わるため、格子歪に起因した結晶欠陥の発生を抑制するにはより薄くする必要がある。具体的には、ＩｎＰ基板上の多重量子井戸構造を構成するＩｎＡｓ井戸層の層厚は５ｎｍ程度が限界であり、この井戸層とＩｎＧａＡｓ障壁層を用いた多重量子井戸構造における発光ピーク波長は２．３μｍ程度である。このため、井戸層をＩｎＡｓから構成した多重量子井戸構造レーザでも、２．３５μｍより長い発振波長を得ることは難しい。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、ＩｎＰ基板の上に形成した多重量子井戸構造の活性層による半導体レーザで、より長い発振波長が実現できるようにすることを目的とする。

本発明に係る半導体レーザは、ＩｎＰからなる基板の上に形成された半導体レーザであって、ＩｎＧａＡｓＳｂからなる井戸層およびＡｓとＳｂを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる障壁層から構成された多重量子井戸構造の活性層を備える。

上記半導体レーザにおいて、障壁層のＶ族元素に占めるＳｂの組成比は０．０３以上とされている。また、井戸層のＶ族元素に占めるＳｂの組成比は０．０３以上、０．３以下とされ、発振波長が２μｍ以上とされている。

上記半導体レーザにおいて、井戸層は、１％以上、３％以下の圧縮歪みが印加され、層厚が５ｎｍ以上、２０ｎｍ以下とされていればよい。

以上説明したことにより、本発明によれば、ＩｎＰ基板の上に形成した多重量子井戸構造の活性層による半導体レーザで、より長い発振波長が実現できるという優れた効果が得られるようになる。

図１は、本発明の実施の形態１における半導体レーザの一部構成を示す構成図である。 図２は、実施の形態１において実際に作製した素子のＸ線回折パターンの実験結果（上）とシミュレーション結果（下）を比較した図である。 図３は、実施の形態１において実際に作製した素子より得られる室温でのホトルミネセンス発光のスペクトルを示した特性図である。 図４は、量子井戸ではないバルクのＩｎＧａＡｓＳｂをＩｎＰ基板の上に形成した場合について、バンドギャップ波長のＳｂ組成比による変化を計算により求めた特性図ある。 図５は、ＩｎＧａＡｓＳｂについて組成分離が起こり易い組成領域（バイノーダル曲線）を計算した例を示す特性図である。 図６は、１％の圧縮歪みの加わったＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層について、井戸層の層厚による量子井戸構造からの発光ピーク波長の変化を計算により求めた結果を示す特性図である。 図７は、２％の圧縮歪みの加わったＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層について、井戸層の層厚による量子井戸構造からの発光ピーク波長の変化を計算により求めた結果を示す特性図である。 図８は、３％の圧縮歪みの加わったＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層について、井戸層の層厚による量子井戸構造からの発光ピーク波長の変化を計算により求めた結果を示す特性図である。 図９は、ＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層の組成領域と図５で示した組成分離が起こり易いＩｎＧａＡｓＳｂの組成領域とを比較した説明図である。 図１０は、本発明の実施の形態２における半導体レーザの構成を示す構成図である。 図１１は、１．８μｍから２．４μｍの波長領域に存在するガス種と、各ガスにおける吸収線の波長を示した特性図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について図１を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態１における半導体レーザの一部構成を示す構成図である。図１では、半導体レーザの一部断面を模式的に示している。

この半導体レーザは、ｎ型のＩｎＰからなる基板１０１の上に形成されたＩｎＰからなる半導体層１０２と、半導体層１０２の上に形成され、ＩｎＧａＡｓＳｂからなる井戸層１０３、およびＡｓとＳｂを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる障壁層１０４から構成された多重量子井戸構造の活性層１０５を備える。活性層１０５の上には、ＩｎＰからなる半導体層１０６を備える。なお、図１では、活性層１０５を含む要部を示しており、活性層１０５を上下に挟む光閉じ込め層や回折格子などの共振器構造などは省略している。

製造方法について簡単に説明すると、ＩＩＩ族原料ガスにトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、Ｖ族原料ガスにホスフィン（ＰＨ₃）、アルシン（ＡｓＨ₃）、トリスジメチルアミノアンチモン（ＴＤＭＡＳｂ）を用いた有機金属分子線エピタキシー法を用いる。まず、基板１０１の上に膜厚０．２μｍのアンドープＩｎＰを成長させて半導体層１０２を形成する。引き続き、ＩｎＧａＡｓＳｂからなる障壁層１０４およびＩｎＧａＡｓＳｂからなる井戸層１０３を交互に成長させて多重量子井戸構造の活性層１０５を形成する。この後、膜厚０．１μｍのアンドープＩｎＰを成長して半導体層１０６を形成する。

活性層１０５を構成する多重量子井戸構造における井戸層１０３の数は６である。成長時の基板温度は、多重量子井戸構造の形成では５００℃とし、ＩｎＰからなる半導体層１０２，１０６の形成では５０５℃とすればよい。また、Ｓｂ組成比は、井戸層１０３では０．１０とし、障壁層１０４では０．１５とすればよい。

次に、井戸層１０３における歪みについて説明する。図２は、作製した素子のＸ線回折パターンの実験結果（上）とシミュレーション結果（下）を比較した図である。この比較の結果、井戸層１０３は、圧縮歪みが２．０５％、層厚が１０．５ｎｍであり、障壁層１０４は、引っ張り歪みが０．４０％、層厚が１９．８ｎｍであることが分かった。

多重量子井戸構造において組成分離が発生した場合、井戸層と障壁層の間の界面の平坦性が悪化するため、一般的にＸ線回折パターンのピークはブロードニングを起こす。一方、図２に示す結果では、ＩｎＧａＡｓＳｂから構成した井戸層、ＩｎＧａＡｓＳｂから構成した障壁層に用いた多重量子井戸構造では、シミュレーションとピーク形状がほぼ一致しており、ブロードニングは起こっていないことが分かる。したがって、ＩｎＧａＡｓＳｂを用いても組成分離の影響が少ない多重量子井戸構造が作製できていることが分かる。

図３は、実際に作製した素子より得られる室温でのホトルミネセンス発光のスペクトルを示した特性図である。発光ピーク波長は２２３０ｎｍである。この発光ピーク波長は、ＩｎＧａＡｓから井戸層を構成した多重量子井戸構造では、実現が困難な波長である。図３に示すように、井戸層をＩｎＧａＡｓＳｂから構成した多重量子井戸構造の発光ピーク強度とピークの半値全幅は、発光ピーク波長が２μｍ程度となるＩｎＧａＡｓ井戸層を用いた多重量子井戸構造と遜色ないものであり、特に劣化は見られなかった。

以上に示した結果より明らかなように、実施の形態１におけるＩｎＧａＡｓＳｂから井戸層を構成した多重量子井戸構造によれば、Ｓｂの表面偏析やＩｎＧａＡｓＳｂにおける組成分離の影響を小さくできる。さらに、実施の形態１によれば、ＩｎＧａＡｓから構成した井戸層による多重量子井戸構造では実現が困難な長い発光ピーク波長が得られることが分かる。なお、上述では、有機金属分子線エピタキシー法を用いた場合について説明したが、これに限るものではなく、有機金属気相成長法など、他の結晶成長方法を用いても同様である。

以下、本発明について、より詳細に説明する。ＩｎＧａＡｓやＩｎＡｓから井戸層を構成した場合では、より長い発振波長が得られないという問題は、ＩｎＧａＡｓやＩｎＡｓより小さな圧縮歪みでバンドギャップ波長を長くできる（バンドギャップエネルギーを小さくできる）材料から、多重量子井戸構造による活性層の井戸層を構成することで解決できる。この要求を満たす材料が、ＩｎＧａＡｓＳｂである。

図４は、量子井戸ではないバルクのＩｎＧａＡｓＳｂをＩｎＰ基板の上に形成した場合について、バンドギャップ波長のＳｂ組成比による変化を計算により求めた特性図ある。図４では、ＩｎＧａＡｓＳｂのＩｎＰに対する圧縮歪みが０％、０．２％、０．５％、１．０％、１．５％の場合について計算してあり、格子歪によるバンド端のシフトを考慮してある。この図において、Ｓｂ組成比が０の場合がＩｎＧａＡｓの場合である。

図４に示すように、ＩｎＧａＡｓＳｂは結晶に加わる圧縮歪みが小さくても、Ｓｂ組成比を増加させることでバンドギャップ波長を長くできることが分かる。ここで、Ｓｂ組成比の増加によるバンドギャップ波長の長波長化は、Ｓｂ組成比が０．３程度まであり、０．３を超えてＳｂ組成比を増加させていくと逆にバンドギャップ波長は短くなることに注意する必要がある。このため、ＩｎＧａＡｓＳｂを用い、Ｓｂ組成比を増加させることでバンドギャップ波長を長くするには、０．３程度までのＳｂ組成比を用いることが好ましい。図４に示すバンドギャップ波長は、バルクのＩｎＧａＡｓＳｂについての計算結果であるが、ＩｎＧａＡｓＳｂを量子井戸構造にした場合でも量子サイズ効果による短波長化が起こるだけで、Ｓｂ組成比によるバンドギャップ波長の長波長化は、傾向的には図４のバルクの場合と同じである。

以上説明したようにＩｎＧａＡｓＳｂでは、ＩｎＧａＡｓよりも小さい圧縮歪みでも長いバンドギャップ波長を得ることが可能なため、このＩｎＧａＡｓＳｂを多重量子井戸構造による活性層の井戸層に用いれば、ＩｎＰ基板上で２μｍ付近に発振波長を持つレーザの作製が容易になると考えられる。しかしながら、現在までに、ＩｎＰ基板上でＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層を持つ多重量子井戸構造をレーザの活性層に応用し、２μｍ付近の発振波長を得るという検討はほとんどされてこなかった。この理由としては、下記の２つを上げることができる。

まず、１つめの理由は、ＩｎＰ基板上でＳｂを含む材料を結晶成長する場合、成長中にＳｂを供給していなくてもＳｂが結晶表面に残留し続けることが上げられる。この現象は、Ｓｂの表面偏析として知られている（非特許文献４参照）。この状態においては、表面に残留したＳｂは、他の原子の取り込み等にも影響を与える。このため、Ｓｂを含んだＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層の上に障壁層を成長する場合、障壁層の成長表面にもＳｂが残留して結晶成長に影響を与え、この結果として障壁層を設計通りに作製することが困難になる。

２つめの理由としては、ＩｎＧａＡｓＳｂでは均一な組成の膜を得ることが困難なことが上げられる。これは、半導体多元混晶における組成分離として知られる現象であり、ＩｎＧａＡｓＰなどのＩｎＰ基板上のレーザで一般的に用いられる材料と比べてＩｎＧａＡｓＳｂではさらに組成分離が起こり易いことによる（非特許文献５参照）。半導体多元混晶における組成分離は、半導体混晶の熱力学的エネルギーを計算することで調べることができる。この計算では、熱力学的な平衡状態を仮定して行われるが、熱的に非平衡状態下で結晶成長が進行する分子線エピタキシー（Molecular Beam Epitaxy：ＭＢＥ）や有機金属気相エピタキシー（Metalorganic Vapor Phase Epitaxy：ＭＯＶＰＥ）で成長した半導体混晶でも適用できることが知られている（非特許文献５参照）。

図５は、ＩｎＧａＡｓＳｂについて組成分離が起こり易い組成領域（バイノーダル曲線）を計算した例を示す特性図である（非特許文献６参照）。組成分離が起こる領域は、組成だけでなく成長温度にも依存する。図５では、５００℃、５５０℃および６００℃の場合について計算してある。各温度とも右側の黒塗りされた領域が組成分離の影響が大きくなる組成範囲であり、成長温度が低くなるにつれて組成分離が起こり易い領域は広くなる。図５には、ＩｎＰに格子整合するＩｎＧａＡｓＳｂの組成を破線で示してある。

ＩｎＰに格子整合するＩｎＧａＡｓＳｂの場合、Ｓｂ組成が大きいほど組成分離の影響が大きいことが分かる。ＩｎＧａＡｓＳｂに組成分離が起きた場合、表面粗れが大きくなり、Ｘ線回折ピークがブロードになるなどの結晶劣化が起こる（非参照文献７参照）。この結晶劣化は、レーザの素子特性を悪化させる要因となるため、ＩｎＧａＡｓＳｂのレーザへの応用を困難にする。

以上、説明したようにＩｎＧａＡｓＳｂは、Ｓｂの成長表面における表面偏析と組成分離が大きいという課題がある。ＩｎＰ基板上の半導体材料には、ＩｎＧａＡｓＰという成長技術がほぼ確立した材料が有るため、敢えて上記の課題があるＩｎＧａＡｓＳｂを用い、ＩｎＰ基板上でレーザを作製しようとする検討はほとんど行われてこなかった。

これに対し、発明者らは、量子井戸にＩｎＧａＡｓＳｂを用いることについて鋭意に検討した結果、ＩｎＰ基板の上にＩｎＧａＡｓＳｂから構成した量子井戸による量子井戸構造を形成し、これを活性層とした半導体レーザで、より長い発振波長が得られることを見出した。

まず、ＩｎＧａＡｓＳｂを井戸層に用いることが、発振波長が２μｍを超える多重量子井戸構造レーザに有用であることを数値計算の結果を用いて説明する。Ｔｙｐｅ−Ｉの量子井戸構造を持つ多重量子井戸構造において、量子井戸構造からの発光ピーク波長はファブリペローレーザの発振波長とほぼ一致する。このため、ＩｎＧａＡｓＳｂを井戸層に用いた量子井戸構造からの発光ピーク波長を求めることでレーザの発振波長を知ることができる。

まず、圧縮歪み１％のＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層を用いた多重量子井戸構造を活性層とする半導体レーザで、圧縮歪み１％のＩｎＧａＡｓ井戸層を用いた場合には実現できない２μｍよりも長い発振波長が得られることを示す。図６は、１％の圧縮歪みの加わったＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層について、井戸層の層厚による量子井戸構造からの発光ピーク波長の変化を計算により求めた結果を示す特性図である。ＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層のＳｂ組成としては、０、０．０３、０．１、０．２、０．３の場合を考えて発光ピーク波長を求めてある。障壁層には、０．４％の引っ張り歪みが加わったＩｎＧａＡｓＳｂを用いており、Ｓｂ組成は井戸層と等しくしてある。

図６において、Ｓｂ組成が０の場合がＩｎＧａＡｓ井戸層を用いた場合の発光ピーク波長となる。いずれの層厚の場合でも、井戸層としてＩｎＧａＡｓに代えてＩｎＧａＡｓＳｂを用いることで量子井戸構造からの発光ピーク波長を長くすることができる。具体的には、ＩｎＧａＡｓＳｂのＳｂ組成比を０．０３にすることで発光ピーク波長はＩｎＧａＡｓに比べて約２０ｎｍだけ長くなり、さらにＳｂ組成比を０．１、０．２、０．３と増やすことにより、それぞれ約８０ｎｍ、約１４０ｎｍ、約１６０ｎｍだけ長くすることができる。図６に示すように、ＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層のＳｂ組成比を０．２〜０．３にし、層厚を１０ｎｍ程度にすれば、発光ピーク波長として２μｍよりも長い波長が得られることが分かる。

前述したようにこの発光ピーク波長とレーザの発振ピーク波長はほぼ一致するため、Ｓｂ組成比が０．２〜０．３、層厚が１０ｎｍ以上のＩｎＧａＡｓＳｂを井戸層とする多重量子井戸構造による活性層を用いることで、井戸層に加わる圧縮歪みが１％程度であっても発振波長が２μｍよりも長いレーザを得ることができる。

図６では、障壁層のＳｂ組成比として井戸層と等しいＳｂ組成比を用いているが、障壁層のＳｂ組成比はサーファクタントとしてではなく、０．０３以上のＶ族組成として含まれていれば良く、Ｓｂ組成比を井戸層と等しくする必要はない。これは、障壁層にＳｂがＶ族組成として供給されている場合、原料供給により表面に存在するＳｂの量は、ＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層からサーファクタントとして表面偏析してくるＳｂの量に比べて多いため、井戸層から表面偏析してくるＳｂの障壁層への影響を小さくできるためである。

また、図６では障壁層にＩｎＧａＡｓＳｂを用いているが、ＩｎＧａＡｓＳｂにＡｌを加えたＩｎＧａＡｌＡｓＳｂやＩｎを含まないＧａＡｓＳｂを障壁層として用いた場合でも、障壁層にＳｂがＶ族組成として０．０３以上含まれていれば、２μｍ近い発振波長のレーザを得ることできる。これは、上述したように障壁層の成長時にも多くのＳｂが原料供給されるため、井戸層から表面偏析してくるＳｂの影響が小さくなることに加えて、井戸層の層厚が１０ｎｍを超えるような量子井戸構造の場合、量子サイズ効果が小さく、量子井戸構造からの発光ピーク波長へ与える障壁層のバンドギャップの影響が小さいためである。

次に、圧縮歪み２％のＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層を用いた多重量子井戸構造レーザであれば、ＩｎＧａＡｓ井戸層を用いた場合は実現することが困難な長い発光ピーク波長が得られることを示す。図７は、２％の圧縮歪みの加わったＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層について、井戸層の層厚による量子井戸構造からの発光ピーク波長の変化を計算により求めた結果を示す特性図である。ＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層のＳｂ組成としては、０、０．０３、０．１、０．２、０．３の場合を考えて発光ピーク波長を求めてある。障壁層は、図６の場合と同様に０．４％の引っ張り歪みが加わったＩｎＧａＡｓＳｂを用いており、Ｓｂ組成は井戸層と等しくしてある。

図７のＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層を用いた量子井戸構造からの発光ピーク波長は、図６の井戸層の圧縮歪みが１％の場合と傾向は同じであるが、図７では井戸層の圧縮歪みが２％と大きいためにさらに長い発光ピーク波長を得ることができる。図７より、ＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層のＳｂ組成が０．０３の場合でも、井戸層の層厚を１０ｎｍ程度に設定することで、発光波長は２．１５μｍよりも長くできることが分かる。さらに、ＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層のＳｂ組成比を増やして０．１以上にし、層厚を８ｎｍ以上にすれば、発光波長は２．２μｍよりも長くできる。このように、ＩｎＧａＡｓに代えてＩｎＧａＡｓＳｂを井戸層に用いた多重量子井戸構造を活性層に用いることで、これまでＩｎＧａＡｓを井戸層とした多重量子井戸構造レーザでは実現することが困難だった２．１５μｍよりも長い発振波長が可能となる。

次に、ＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層を用いれば、ＩｎＡｓ井戸層を用いたレーザよりさらに長い発振波長を実現できることを示す。図８は、３％の圧縮歪みの加わったＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層について、井戸層の層厚による量子井戸構造からの発光ピーク波長の変化を計算により求めた結果を示す特性図である。ＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層のＳｂ組成としては、０、０．０３、０．１、０．２、０．３の場合を考えて発光ピーク波長を求めてある。障壁層の条件は、図６、図７の場合と同じである。

図８のＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層を用いた量子井戸構造からの発光ピーク波長は、図６、図７の場合よりも井戸層の圧縮歪みが大きいため、さらに長波長になる。前述したようにＩｎＡｓから構成した井戸層を用いた多重量子井戸構造レーザの場合、井戸層の圧縮歪みは３．２％、層厚は５ｎｍ程度が限界で、この場合のレーザの発振波長は２．３μｍ程度である。図８の圧縮歪み３％のＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層を用いた場合、ＩｎＡｓ井戸層よりも圧縮歪みが小さいにも関わらず、層厚５ｎｍにおける発光ピーク波長は、Ｓｂ組成比が０．１の場合で２．３５μｍより長く、さらにＳｂ組成比が０．２以上の場合には２．４５μｍよりも長くなる。したがって、ＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層を用いた多重量子井戸構造レーザでは、ＩｎＡｓ井戸層を用いた多重量子井戸構造レーザよりもさらに長い発振波長を得ることができる。

図９は、以上説明してきた結果のまとめとして、ＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層の組成領域と図５で示した組成分離が起こり易いＩｎＧａＡｓＳｂの組成領域とを比較した説明図である。ＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層の組成領域は、Ｓｂ組成比が０．０３と０．３の２つの水平なラインと、結晶に加わる圧縮歪みが１％と３％の２つの斜めのラインに囲まれた領域となる。

図９において、Ｓｂ組成比が同じ場合、ＩｎＰに格子整合するラインよりも左側では、図中の矢印のように左側にいくほどＩｎＧａＡｓＳｂに加わる圧縮歪みが大きくなる。一方、この図中の矢印の方向に組成が変化する場合、組成分離が起こり易い領域の外側に向かうため、ＩｎＧａＡｓＳｂの組成分離は起こり難くなる。言い換えると、ＩｎＧａＡｓＳｂでは、圧縮歪みが大きいほど組成分離の影響が小さくなる。従って、圧縮歪みの加わったＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層を用い、組成分離の影響を抑制しつつ、井戸層の層厚を格子緩和が起こらない範囲に設定すればよい。

具体的には、ＩｎＧａＡｓＳｂの圧縮歪みが１％と３％の場合、ＩｎＰ上に成長した際に格子緩和を回避できる層厚は、各々２０ｎｍ程度と５ｎｍ程度である。このため、ＩｎＧａＡｓＳｂを井戸層にした多重量子井戸構造レーザにおいても、井戸層の層厚として５ｎｍ以上、２０ｎｍ以下の層厚を用いればよい。

ところで、ＩｎＧａＡｓ井戸層の成長時にＳｂを使ったものとしては、Ｓｂをサーファクタントに用いた例がある。サーファクタントとは、もともと結晶中にはほとんど取り込まれず表面に残留することにより、成長表面の状態に変化を与える原子のことである（非特許文献８参照）。Ｓｂのサーファクタント効果は、Ｓｂの供給量が多過ぎると逆に得られないことがあり、Ｓｂが組成として膜中に取り込まれることがあってもＶ族組成比で０．０２（２％）以下で用いる場合がほとんどである（非特許文献９参照）。一方、本発明におけるＳｂはＶ族組成比で０．０３（３％）以上であり、結晶に取り込まれるＳｂがサーファクタントとして用いる場合に比べて多く、さらにその大きな目的はバンドギャップの制御にある。このため、本発明は、Ｓｂをサーファクタントに用いた従来技術の延長線上にあるものではない。

［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について図１０を用いて説明する。図１０は、本発明の実施の形態２における半導体レーザの構成を示す構成図である。図１０では、断面を模式的に示している。

この半導体レーザは、ｎ型のＩｎＰから構成した基板２０１、基板２０１の上に形成されたｎ型のＩｎＰからなる層厚０．５μｍのバッファ層２０２、バッファ層２０２の上に形成されたＩｎＧａＡｓＰからなる層厚０．１μｍの光閉じ込め層２０３、光閉じ込め層２０３の上に形成されたＩｎＧａＡｓＰからなる層厚０．１μｍの光閉じ込め層２０４を備える。光閉じ込め層２０３は、バンドギャップ波長が１．１μｍとなる組成とされ、光閉じ込め層２０４は、バンドギャップ波長が１．３μｍとなる組成とされている。

また、光閉じ込め層２０４の上には、ＩｎＧａＡｓＳｂからなる３層の井戸層２０５と、ＩｎＧａＡｓＳｂからなる４層の障壁層２０６とによる多重量子井戸構造の活性層２０７が形成されている。井戸層２０５は層厚５ｎｍとされ、障壁層２０６は、層厚２０ｎｍとされている。井戸層２０５は、Ｖ族元素に占めるＳｂ組成比が０．２とされ、障壁層２０６は、Ｖ族元素に占めるＳｂ組成比が０．０５とされている。井戸層２０５における圧縮歪みは、２．３％である。活性層２０７の発光ピーク波長は２．４μｍである。

また、活性層２０７の上には、ＩｎＧａＡｓＰからなる層厚０．１μｍの光閉じ込め層２０８，ＩｎＧａＡｓＰからなる層厚０．１μｍの光閉じ込め層２０９が形成されている。光閉じ込め層２０８は、バンドギャップ波長が１．３μｍとなる組成とされ、光閉じ込め層２０９は、バンドギャップ波長が１．１μｍとなる組成とされている。

また、光閉じ込め層２０９の上には、ｐ型のＩｎＰからなる層厚１．８μｍのクラッド層２１０、ｐ型のＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層２１１が形成されている。また、コンタクト層２１１の上には、ｐ型電極２１２が接続し、基板２０１の裏面には、ｎ型電極２１３が接続している。

各半導体層は、ＩＩＩ族原料ガスにトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、Ｖ族原料ガスにホスフィン（ＰＨ₃）、アルシン（ＡｓＨ₃）、トリスジメチルアミノアンチモン（ＴＤＭＡＳｂ）を用いた有機金属分子線エピタキシー法により、成長時の基板温度条件を５００℃としてエピタキシャル成長することで形成すれば良い。

また、ｐ型電極２１２は、コンタクト層２１１の上に酸化シリコンを蒸着して絶縁層を形成した後、公知のリソグラフィー技術およびエッチング術により幅４０μｍのストライプ状領域を除去し、この除去領域に露出したコンタクト層２１１に電極金属材料を蒸着した後、熱処理することで形成する。また、各半導体層を形成した後で、基板２０１の裏面を研磨することで薄層化した後、基板２０１の裏面に電極金属材料を蒸着した後、熱処理することで形成する。

また、へき開により共振器を形成してファブリペローレーザとした。共振器長は６００μｍである。このようにして形成した、実施の形態２におけるファブリペローレーザの動作温度１５℃での発振ピーク波長は、２．３８μｍであり、井戸層をＩｎＡｓから構成した多重量子井戸構造によるレーザよりも長波長での発振ピークが得られた。

なお、上述では、ファブリペローレーザとしたが、これに限るものではなく、分布帰還型レーザ、埋め込み構造を持つレーザ、リッジ導波路型レーザなどに適用しても同様であり、多重量子井戸構造の活性層の利得ピーク波長は大きく変化しないため、発振波長の長波長化に有用なことは言うまでもない。

以上に説明したように、本発明によれば、ＩｎＰ基板の上に、ＩｎＧａＡｓＳｂからなる井戸層およびＡｓとＳｂを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる障壁層から構成された多重量子井戸構造の活性層を備えるようにしたので、ＩｎＰ基板の上に形成した多重量子井戸構造の活性層による半導体レーザで、より長い発振波長が実現できるようになる。

この構成によれば、井戸層および障壁層におけるＳｂ組成比、井戸層の圧縮歪みなどを調整することにより、ＩｎＧａＡｓを井戸層に用いた場合は困難な小さい圧縮歪みの井戸層を用いても２μｍ以上の発振波長を得ることが可能になる。また、ＩｎＧａＡｓＳｂから構成した井戸層を、従来のＩｎＧａＡｓ井戸層やＩｎＡｓ井戸層と同程度の圧縮歪みとする状態としても、従来に比較して発光ピーク波長が長くなるため、レーザにした場合に長い発振ピークが得られる。これらのように、本発明によれば、２μｍ以上の発振波長を持つ半導体レーザの性能向上、あるいは発振波長の長波長化を容易にし、光吸収を用いたガス計測システムの高感度化や高精度化を実現できるようになる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

１０１…基板、１０２…半導体層、１０３…井戸層、１０４…障壁層、１０５…活性層、１０６…半導体層。

Claims (2)

1. ＩｎＰからなる基板の上に形成された半導体レーザであって、
   ＩｎＧａＡｓＳｂからなる井戸層およびＡｓとＳｂを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる障壁層から構成された多重量子井戸構造の活性層を備え、
   前記障壁層のＶ族元素に占めるＳｂの組成比は０．０３以上とされ、
   前記井戸層のＶ族元素に占めるＳｂの組成比は０．０３以上、０．３以下とされ、
   発振波長が２μｍ以上とされている
   ことを特徴とする半導体レーザ。
2. 請求項１記載の半導体レーザにおいて、
   前記井戸層は、
   １％以上、３％以下の圧縮歪みが印加され、
   層厚が５ｎｍ以上、２０ｎｍ以下とされている
   ことを特徴とする半導体レーザ。