JPH04206886A - 半導体レーザ装置又は光導波路およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は光フアイバー通信等に必要な高性能の半導体レ
ーザ装置と光導波路およびその製造方法に関するもので
ある。

従来の技術 従来より、半導体レーザの特性向上を実現するため（二
　半導体レーザの活性層を量子井戸構造とした単一量子
井戸（ＳＱＷ）　レーザや多重量子井戸（ＭＱＷ）　レ
ーザに関する研究がおこなわれている。この、量子井戸
活性層を有する半導体レーザは量子ザイズ効果により、
通常のバルク型活性層にない良好な特性が期待できる。

例えば微分ゲインの増大・ＴＭ光発光低減等により低し
きい値で高効率・大出力動作が可能となり、緩和振動周
波数の増大・線幅増大係数の減少により高速応答・低ヂ
ャーピング化か得られる。しかしながら、ＩｎＰ系半導
体レーザにおいてはオージェ効果により、期待されたほ
ど低しきい値化が図れないことが明かとなってき九　そ
こて　このオージェ効果を低減するために量子井戸活性
層領域に歪を導入し　エネルギーバンド構造を大きく変
化させて低しきい値化を図る、歪量子井戸半導体レーザ
の研究が活発に行なわれている。　［Ｅ、　Ｙａｂｌｏ
ｎｏｖｉｔｃｈａｎｄ　　Ｅ、０、Ｋａｎｅ、　　Ｊ、
Ｉ、ｉｇｈｔｗａｖｅ　　ＴｅＣ１１ｎｏｌ、（シ゛エ
イ　ライトウエイフ゛テクノロジ゛−）、　　ＬＴ−４
，５０４（１９８６）］第５図に従来例を示す（第３７
回応用物理学会関連連合講演会３０ａ−８Ａ−９）。３
］はＳｎドープＩｎＰ基楓　３２はｎ−１［ｎＰクラッ
ド胤３３は厚み１０００　Ａの１．３μｍ波長組成のノ
ンドープＩｎＧａＡｓＰバリア慰　３４は厚み４０Ａで
格子不整合率が０．　６％程度のノンドープＩ　ｎ　１
１．６２Ｇ　ａ［１，３８Ａ　Ｓ歪井戸慰　３５は井戸
数３の歪量子井へ　３６はｐ−ＩｎＰクラッド脈　３７
はｐ−ＩｎＧａＡｓコンタク１−Ｆｉ３８はｐ−ｎ−ｐ
電流ブロック慰　３９はメザ形状の活性層領域　４０は
Ａ　ｕ　／　Ｓ　ｎよりなるｎ側型板　４１はＡ　ｕ　
／　Ｚ　ｎよりなるｐ側電極である。

以上のように構成された従来の歪量子井戸半導体レーザ
装置において（戴　歪量子井戸層としてノンドープＴ　
ｎ　１１．１ｌ１２Ｇ　ａ　ｅ、３ｅＡ　ｓ歪井戸層３
５をもちいているた教　歪を導入してもその後のプロセ
スの熱処理で歪が緩和される結果　しぎい値電流密度は
３１５程度にしか改善されていない。オージェ効果の無
い場合、量子効果からは１／１０程度にしきい値電流密
度が改善されることが判っており、歪の効果が不十分で
あると考えられる。

発明が解決しようとする課題 従来より、歪量子井戸半導体１ノーザなどに用いている
量子井戸構造の作製は膜厚制御性のよい気相成長法を用
いて行なわれている。基板上に　バリア層として１．３
μｍ波長組成のＩ　ｎ　Ｇ　ａ　Ａ　ＳＰ層を１００Ｏ
Ａ積層する工程と井戸層として格子不整合率が０．　６
％程度のＩ　ｎｓ、ｅ２Ｇａ１１．ａｅＡＳ層を４ＯＡ
積層する工程よりなる。成長ガスとしてはＴＭＩとＴＩ
号Ｇを用いており、Ｖ　／　ＩＩＩ比は１００程度で成
長温度は６００℃程度と基板中へ炭素が混入し’ｔ４＃
い成長条件を用いている。井戸層成長時には不純物添加
は行なっていな（Ｘ。

また　従来より先導波路として光の減衰を抑えるために
　何も添加していない歪量子井戸を有する先導波路が作
製されている力＼　光の減衰量は１０ｄＢ／ｍｍ程度と
大きい。

前記の歪量子井戸半導体レーザ装置で（瓜　結晶成長中
および結晶成長後のデバイス作製のための各種プロセス
における熱処理などの影響で、導入した歪が緩和されて
期待されるほどしきい値の低下が望めていないという問
題点を有していた本発明はかかる点に鑑へ　結晶成長中
及び結晶成長後の各種熱処理プロセスにおいても活性層
に導入した歪が緩和されない歪量子井戸半導体レーザ装
置を提供することを目的とする。

また　前記の歪量子井戸作製方法では　不純物の添加を
行なっておらず容易に歪が緩和されるという問題を有し
ていに 本発明はかかる点に鑑へ　不活性な不純物でかっ導波損
失の少ないまたは光増幅作用のある元素を添加する製造
方法を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段 本発明（よ　不活性または光増幅作用のある不純物を添
加した歪井戸層を有することを特徴とする半導体レーザ
装置又は不活性または光増幅作用のある不純物を添加し
た歪井戸層を有することを特徴とする先導波路を提供す
る。また本発明（よ　不活性または光増幅イ′［用のあ
る不純物を添加した歪井戸層を気相成長する工程を有す
ることを特徴とする半導体レーザ装置の製造方法を提供
するものである。

作用 本発明の非導体レーザおよび光導波路は前記した構成に
より、活性層内に不活性な不純物を添加することで、歪
を緩和すべく移動する転位を固着し　固溶効果により歪
が緩和されにくい構造とする。

歪が存在している物体内部では内部応力か生じている万
丈　内部応力として物質内部に蓄積されているエネルギ
ーを緩和する方向に転位が移動し原子配列の内容を変化
させていく。

いま、不活性な原子を添加すると、原子の大きさが異な
るために添加原子の周りに応力場が形成される。物質内
部の内部応力を緩和する方向に移動中の転位がこの添加
元素の応力場を通過するには　転位は一度応力場の回り
に湾曲しながら移動し　応力場の回りに転位の輪をつく
るように切断され再び接合されなければならない。この
時に要するエネルギーがポテンシャルエネルギーとなり
、添加元素の周りの応力場を転位が通過するには非常に
大きなエネルギーを要することとなり、転位の移動は阻
害される。

さらに　添加元素の周りには転位が通過した結果同心円
状の転位の輪が新たに形成されるため、転位が通過する
に従って添加元素の周りの応力場に蓄積された転位網か
大きくなり、応力場自体が大きなエネルギーを持ってく
ることになる。その結果　物質内部の内部応力を緩和す
るための転位の移動がさらに阻害されることになる。

また　歪井戸層を形成する材料を規則化した混晶半導体
とすることで転位の移動が阻害される。

これは　規則化した混晶半導体の内部を転位が通過する
場合、通過後も結晶は規則化している必要があり、転位
が２本ペアで移動する必要があるためである。転位が２
本ペアを形成する確率は低く、転位の移動が阻害される
ことになる。まｔへ　転位の移動により、結晶が不規則
される場合、不規則化によるエンタルピーの増大が転位
固着エネルギーとじて作用する。

これらの理由により、不純物元素を添加したり規則化す
る混晶半導体を使用することで歪を緩和するための転位
の移動が阻害され　結晶成長時及びデバイス作製プロセ
スに於ての加熱によっても歪が緩和されにくく、量子井
戸構造を用いた半導体レーザの低しきい値化が可能とな
る。

さらに　大きな歪を導入してバンド構造を最適化し　導
波モードをＴＥ波のみとすることでさらに低歪のＭＱＷ
−ＤＦＢ−ＬＤの実現が可能となる。

また　歪量子井戸構造を先導波路に適応することにより
、バンドギャップの変化により導波モードが変化するた
めにＴＥ波のみの伝播が可能上なり伝送損失を著しく低
減できる。

本発明の歪増子井戸先導波路（友　歪を安定に存在させ
るためるミ　　光増幅作用のある元素としてエルビウム
などを添加することにより、光を増幅しながら伝播する
光導波路およびゲインが高く発振しきい値の低い半導体
レーザを作製することができる。

本発明の半導体レーザ又は先導波路の製造方法は歪井戸
層を成長中に不活性な不純物元素を添加するものである
。例えｌ′Ｌ　ＩｎＧａＡｓ層において炭素原子は不活
性な不純物原子として作用する。

炭素原子の添加法として（よ　例えばＴＥＧに換えてＴ
ＭＧを用いることにより成長ガス中に遊離炭素量が増大
する。また　成長温度を下げるまたはＶ　／　ＩＩＩ比
を低下させるなどにより通常に近い成長条件において結
晶中に炭素原子を過剰に供給することが出来る。また　
歪井戸層成長中に例えばエルビウムなどの光増幅作用の
ある希土類元素を添加することで、不純物による伝播損
失を補いながら歪の緩和を行な・うことができる。

実施例 第１図は本発明の第１の実施例における歪量子井戸半導
体レーザ装置の構造図を示すものである。

第１図において、　１はＳｎドープＩｎＰ基板、　２は
ｎ−ＩｎＰクラッド慰　３は厚み１００ＯＡの１．３μ
ｍ波長組成のノンドープ丁ｎＧａＡｓ　Ｐ−〇− バリア胤　４は厚み４ＯＡの格子不整合率が０゜５％程
度で炭素が１００００１）１１ｍ添加されたＩｎ　１１
．ｅ［ＩＧ　ａ　ｅ、４ａ　Ａ　ｓ歪井戸層　５は井戸
数３の歪量子井戸、　６はｐ−ＩｎＰクラッド層、　７
はｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト胤８はｐ−ｎ−ｐ電流ブ
ロック慰　９はメザ形状の活性要領ｆｆ１ｌＯはＡ、　
ｕ　／　Ｓ　ｎよりなるｎ制電ｔｉＫｌ］はＡ　ＩＪ　
／　Ｚ　ｎよりなるｐ側電極である。

以上のように構成されたこの実施例の歪量子井戸半導体
レーザ装置装置の構造を以下に説明する。

ｐ側電極ＩＩから導入された電流（よ　電流ブロック層
８で狭搾された後活性層領域９に集中さＡ上止量子井戸
５に注入される。歪量子井戸はバリア層３と井戸層４の
３層構造よりなり、井戸層４には炭素原子か］００００
ｐｐ’ｍ添加しである。その結果　歪の緩和を生じず大
きな歪の効果か得ら　−れ九　井戸層４の膜厚は井戸層
の組成において１゜５５μｍの発光波長が１１７られる
よう４０Ａに設定し島　歪量子井戸内部では歪効果によ
りオージェ効果か抑制されしきい値電流が低下する。

歪の安定化のメカニズムを第４図に示す。　（ａ）は転
嫁が不純物原子を通過する場合、　（ｂ）は規則的結晶
を通過する場合を不調　第４図（ａ）に示すように　炭
素原子よりなる不純物原子１００Ｌｔ、、Ｉｎ、Ｐいず
れの原子よりも小さいために炭素原子のまわりで引張り
応力が発生ずる。ここを転位２００が通過する場合、原
子の配列を乱さないためには転位の多角形の輪２０１を
残（７て行く。

転位２００が通過するにつれて多角形の輪の数が増加し
炭素原子１００のまわりの応力場がさらに大きくなって
ゆき転位の通過エネルギーが増大１−転位の固着エネル
ギーとして働く。

また　第４図（ｂ）のごとく、半導体混晶が規則化］７
ている場合転位の通過後も混晶は規則化している必要が
あり転位の移動が制限される。Ａ。

Ｂは混晶構造原子を不調　また　転位の通過により不規
則性が増大する場合これに伴うエンタルピーの増大が転
位固着エネルギーとして働く。

以−トのようにこの実施例によれば　歪量子井戸の井戸
層に炭素を過剰に添加した構造とすることにより、歪を
生じている井戸層に於て炭素原子の周辺の応力場により
転位が固着される。転位の固着により井戸層内部の歪が
緩和されにくくなる結果、歪によるバンドギャップの変
化の非常に大きい歪量子井戸半導体レーザの実現が可能
となり、発光波長１．５６μｍ、量子効率５６％、しき
い値電流密度３００Ａ／ｃｍ２と最小の値を実現できた 第２図は本発明の第２の実施例における歪量子井戸先導
波路の構造図を示すものである。第２図において、　２
１はＦｅドープＩ　ｎ　ｌ”基イ味　２２はノンドープ
ＩｎＰクラッド層、　２３は厚み＋００ＯＡの１　３μ
ｍ波長組成のノンドープＩ　ｎＧａＡｓＰバリア層、　
２４は厚み４０Ａの格１不整合率が０゜　５％程度でエ
ルビウムがｔｏｏｏｏｐｐｍ添加されたＩ　ｎ　ｕ、ｅ
９Ｇ　ａ、　［１，４９Ａ　Ｓ歪井戸層、　２５は井戸
数３の歪量子井戸よりなる光導波部分、２６はノンドー
プＩｎＰクラッド層である。

以上のように構成されたこの実施例の歪量子井戸先導波
路の構造を以下に説明する。　ＩｎＰ基板１１七に発光
素風　光スイッチ、受光素子などをモノリシックに集積
化した後これらのデバイスの間を光配線するために光増
幅作用の高い歪量子井戸先導波路を形成する。いま、エ
ルビウムを１１００００ｐｐ程度添加することでＴ　Ｅ
モードのみが伝播する歪井戸層２４に前記発光素子から
の信号光と励起光を入射する。光は両クラッド層２２．
２６とストライブにより閉じ込められる。Ｇａつ■ｎ１
−ｘＡＳの組成Ｘを変化して歪量を調整した結果ｘ＝０
．６のときに全モードがＴＥモードとなり２０ｄＢ／ｍ
ｍ程度の光導波路を得ることができへ 以上のようにこの実施例によれｉ′Ｌ　歪量子井戸の井
戸層に光増幅作用のある元素を過剰に添加した構造とす
ることにより、歪の緩和を生じずバンドギャップを大き
く変化できるた人　伝播モードを最適値に調整すること
かでき、かつ光増幅作用を持たせることができる。特に
　光導波路の場合、ＴＥ波の伝播の方がＴＭ波の伝播に
比べて損失が小さいため、伝播モードをすべてＴＥ波と
することて伝送損失を著しく低下した先導波路が実現で
きる。

第３図は本発明の第３の実施例における歪量子井戸半導
体レーザ装置の製造方法を示すものである。Ｓｎドープ
ＩｎＰ基板１上にＭＯＶＰＥ法を用いて膜厚０．５μｍ
のｎ−１ｎＰクラッド層２、膜厚１０００Ａで１．３μ
ｍ波長組成のノンドープＩｎＧａＡ、ｓＰバリア層３お
よび膜厚４０Ａの格子不整合率が０．５％程度で炭素が
１１００００ｐｐ添加されたＩ　ｎ　＋！、ｅｅＧ　ａ
　１１．４＋１Ａ　Ｓ歪井戸層４を繰り返し成長し井戸
数３とした歪量子井戸５、さらにｐ−ＩｎＰクラッド層
６を連続的に成長する結晶成長工程（第３図ａ）の後、
活性層領域９をメザ状にエツチングするメザエッチング
工程（第３図ｂ）、電流ブロック層８およびコンタクト
層７をＬ　Ｐ　Ｅ成長する埋め込み成長工程（第３図Ｃ
）、　ｎ側電極１０とｎ側電極１１を蒸着により形成す
る電極蒸着工程（第３図ｄ）よりなる。

以上のように作製されたこの実施例の歪量子井戸半導体
レーザ装置の歪井戸層４の結晶成長条件を以−Ｆに説明
する。

’ｆ”ＭＴ　　−２，０ｘｌＯ−’ｍｏｌ／ｍｉｎＴＭ
Ｇ　　＝１．　８ｘｌ（１’ｍｏｌ／ｍ１ｎＡｓ）−Ｔ
３＝１．　０ＸＩＯ−”ｍｏｌ／ｍｉｎ全流量　＝　５
９　／　ｍ　ｉ　ｎ 成長温度−４３０℃ この結果　炭素が１１００００ｐｐ添加された歪量子井
戸構造が得られる。炭素をｉｏ０００ｐｐｍ程度添加す
ることにより光の伝播損失を大きくしないで転位を固着
するに充分な状態とすることができる。

以−にのようにこの実施例によれ＋ｔ　　Ｖ／ＩＩＩ比
成長温度、ガス原料を最適化することで、歪量子井戸の
井戸層に容易に不活性かつ光の損失の少ない炭素を過剰
に添加できる。

なお、実施例で（友　炭素のドーピング方法としてＶ／
ＩＩＩＬ　　成長温度、ガス原料の最適化としたバ　タ
ーシャルブヂルアルシンなどの使用により炭素原１を過
剰に添加することができる。

また　以上の例では不活性の不純物原子を炭素１５一 原子としため丈　活性層内部に於て光増幅作用のあるエ
ルビウムなど希土類元素のような他の原子でも転位が固
着されて、歪の緩和を生じ一す゛ｔ　かっ歪の効果によ
りエルビウムなどの原子でも非発光再結合中心が不活性
化されるために有効である。

また　以−トの例では不活性の不純物原子の添加とした
力士　歪井戸層と（２てＡＩＧａＩｎｐなどの規則化す
る混晶半導体を用いてもよい。

また　実施例ではＩ　ｎ　Ｐ系化合物半導体とした力士
　他の半導体材料でもよい。

結晶成長方法はＭＯＶＰＥ法とした力＼　ガスソースＭ
ＢＥ、ＭＯＭＢＥ法のみなら咀　エルビウムなどの不純
物元素を添加する場合ハイドライドＶＰＥ法など他の成
長方法を用いてもよい。

また　実施例では半導体レーザの製造方法を示した力士
　同様な方法で先導波路を作製することができる。

発明の詳細 な説明したように　本発明によれ（Ｌ　光フアイバー通
信等に必要な低しきい値の半導体レーザ装置又は光増幅
作用の大きい先導波路を実現することができ、その実用
的効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例における歪量頂井戸半導
体レーザ装置の構造断面図　第２図は本発明の第２の実
施例における歪量子井戸先導波路の構造断面は　第３図
は本発明の第３の実施例における歪量子井戸半導体レー
ザ装置の製造方法の工程断面図、第４図は転移通過の説
明は　第５図は従来の歪量子井戸半導体レーザ装置の構
造断面図である。 １・−３ｎドープＩｎＰ基＋Ｊｉ−、２−ｎ−Ｉ　ｎ　
Ｐクラット恩２１・・・ＦｅドープＩｎＰ基板、２２・
・・ノンドープＩ　ｎ　Ｐクララ　ド層、　３．２３−
・・ノンドープＩ　ｎＧａＡｓＰバリア層、４・・・炭
素添加Ｉ　ｎＧａＡｓ歪井戸層、２４・・・エルビウム
添加Ｉ　ｎ　ｌ’Ｊ　ａ　Ａ　ｓ歪井戸！　　５．２５
・・・歪量１井戸、６・・・ｐ−Ｉ　ｎ　Ｉ）クラッド
＠２６・・・ノンドープ−ＩｎＰクラッド慰　７・＝ｐ
−ＩｎＧａＡｓコンタクト＠８・・・ｐ−ｎ−ｐ電流ブ
ロック胤９・・・メサ形状の活性要領ＶＡ１０・・・Ａ
ｕ／Ｓ　ｎよりな＝１７− るｎ側電鳳１１・・・Ａ　ＩＪ　／　Ｚ　ｎよりなるｐ
側電１婉代理人の氏名　弁理士　小鍜治　明　ほか２名
１−−−３ｈド一プ丁ｈ’Ｐ禾猛 ？−−−バーＬＩＩＰフラ・ソし層 ３−−−入ｖ￥−フーＸｒｌＣｒａＡｓＰバ）１ア噌斗
−礫［ｊＸ−加奈靜１ ’７−−−Ｐ＝工り昨Ａ５〕二ダク４ ｇ−ｐ−バーｐ’ｔ’ｓｔブｎ・ノフ４９−〜−ゾチｍ
閂欠り祐ｌ外１弱、 第３図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）不活性なまたは光増幅作用のある不純物を添加し
   た歪井戸層を有することを特徴とする半導体レーザ装置
   又は光導波路。
2. （２）規則化する半導体混晶による歪井戸層を有するこ
   とを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置又は光
   導波路。
3. （３）不活性なまたは光増幅作用のある不純物を添加し
   た歪井戸層を気相成長にて形成することを特徴とする半
   導体レーザ装置又は光導波路の製造方法。