JPH0529716A - 光半導体素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 活性層への注入効率を高めることができ、低
しきい値でかつ高速特性の優れた多重量子井戸構造の半
導体レーザを提供すること。 【構成】 Ｉｎ_x Ｇａ_1-x Ａｓ（０＜ｘ≦１）を井戸層
とする多重量子井戸活性層３２と、この活性層３２の上
に形成されたＩｎＰに格子整合する第１のｐ型クラッド
層３３と、活性層３２の側面に形成された、ｐ型クラッ
ド層３３よりもアクセプタ濃度の高い第２のｐ型クラッ
ド層３７とを備えた多重量子井戸構造の半導体レーザで
あり、第１のｐ型クラッド層３３のアクセプタ濃度を活
性層３２から０．２５μｍの範囲で２×１０¹⁷ｃｍ^-3以
下に設定し、第２のｐ型クラッド層３７のアクセプタ濃
度を１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上に設定し、活性層３２の井戸
層をＩｎ_x Ｇａ_1-x Ａｓ（０．５３＜ｘ≦１）から形成
したことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、埋め込み量子井戸構造
を有する光半導体素子に係わり、特に多重量子井戸構造
のレーザ等の特性向上をはかった光半導体素子に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、電子のドゥ・ブロイ波長以下の層
厚を有する井戸層を該井戸層よりも禁制帯幅が広い障壁
層で挟んだ量子井戸構造を少なくとも一つ有する、いわ
ゆる量子井戸半導体レーザが開発されている。この量子
井戸半導体レーザは、量子井戸を活性層に持たないダブ
ルヘテロ構造半導体レーザと比べて、発振しきい値を下
げられる、変調帯域を広げられる、発振スペクトル幅を
挟められる、温度特性を改善できる、高出力が得られる
など様々な利点を有する。

【０００３】また最近では、量子井戸に基板と格子整合
しない材料を用いることにより、発振波長の自由度を広
げたり、更なる特性向上をはかったりできるようになっ
てきた。一般的には、活性層近傍に基板と格子整合しな
い材料があると大量の結晶欠陥が発生し、レーザの特性
や信頼性の劣化が顕著になる。しかし、基板と格子整合
しない材料を活性層に用いても、その層厚がある臨界厚
より薄い場合には活性層が弾性的に歪み、レーザの特性
や信頼性を劣化させる結晶欠陥は発生しない。この臨界
厚の一つの目安としては、Matthews and Blakesleeのモ
デルによる計算結果を使うことができる。

【０００４】このような歪量子井戸構造を採用した0.98
μｍ帯ＧａＡｓ基板上のＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ半
導体レーザで、信頼性の高い高出力レーザや超低しきい
値のレーザなどが実現されている。半導体レーザ増幅
器，光スイッチ，光変調器など、半導体レーザ以外の光
半導体素子においても、歪光導波層の導入により、ＴＥ
／ＴＭモード特性を変えたり、スイッチング特性や吸収
特性を変えたりすることができるなど、様々な可能性の
広がりが考えられる。

【０００５】ところで、光ファイバ通信で主に用いられ
るＩｎＰ基板上のＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ系半導
体レーザの場合、低しきい値の単一横モード発振を得る
ために、一般に活性層の左右を活性層より禁制帯幅の大
きな材料で埋め込んだいわゆる埋め込み構造を用いるこ
とが多い。この場合、歪量子井戸層は側面に歪みヘテロ
界面を持つことにより、その近傍で大きな歪みと応力が
発生する。

【０００６】以下、図２３に示す（００１）ＩｎＰ基板
上のＩｎ_0.7 、Ｇａ_0.3 Ａｓ歪量子井戸構造レーザを例
にとって具体的に説明する。この半導体レーザは、ｎ型 ＩｎＰ基板１（クラッド層を兼ねる）の上に、厚さ 4.2
ｎｍのアンドープ Ｉｎ_0.7 Ｇａ_0.3 Ａｓ井戸層２をＩｎＰに格子整合する
アンドープ ＩｎＧａＡｓＰ（1.2 μｍ組成）障壁層３で挟んだ歪み
量子井戸４層からなる活性層（光導波路層）４と、厚さ
1.5μｍのｐ型ＩｎＰクラッド層５、さらに厚さ0.8 μ
ｍのｐ型ＩｎＧａＡｓＰ（1.2 μｍ組成）コンタクト層
６からなる積層構造を成長し、この積層構造をＦｅドー
プ半絶縁ＩｎＰ層７で埋め込んだ構造を有する。

【０００７】障壁層３は、各井戸層２の間に１２ｎｍず
つ、両端の井戸層２の上下にそれぞれ２０ｎｍ、合計厚
さ７６ｎｍ積層されている。従って、活性層４の合計層
厚は92.8ｎｍとなる。また、埋め込まれた活性層４の幅
は２μｍである。なお、素子基板の上下には電流注入の
ための電極１１，１２が形成されている。また、へき開
により長さ１ｍｍのレーザ共振器を構成している。

【０００８】ＩｎＰ基板の格子定数は 0.58688nmである
のに対して、Ｉｎ_0.7 Ｇａ_0.3 Ａｓの格子定数は 0.593
81ｎｍである。ここで、側面のない無限平面を仮定すれ
ば、井戸層２は 4.2ｎｍと薄いので弾性的に歪む。歪み
の大きさは、ε_xx＝ε_yy＝-0.01167、ε_zz＝−２（Ｃ₁₂
／Ｃ₁₁）ε_xx＝0.011974、ε_yz＝ε_ZX＝ε_xy＝０とな
る。但し、Ｃ₁₂／Ｃ₁₁＝0.504 はＩｎ_0.7 Ｇａ_0.3 Ａｓ
のポアソン比である。この結果、歪んだＩｎ_0.7 Ｇａ
_0.3 Ａｓ井戸層２の格子定数は、ｘｙ面内でＩｎＰに等
しくなり、ｚ方向の格子定数は 0.60092ｎｍとなる。

【０００９】しかし、実際には活性層４は、Ｆｅドープ
ＩｎＰ埋め込み層７により幅２μｍのストライプに埋め
込まれている。従って、井戸層２と埋め込み層７との境
界に格子不整合が起きることになる。井戸層２は厚さ
4.2ｎｍなので、平均して約6.99 単位格子層からなるこ
とになる。なお、面心立方系の閃亜鉛鉱構造では（００
１）方向に格子間隔ａの間に位置をずらして原子層が４
層存在するが、ここでは位置の合った４層（格子定数
ａ）毎に単位格子層と数えている。

【００１０】一方、この厚さをＩｎＰの格子定数で割る
と 7.16 単位格子層からなることになる。井戸層２は４
層あるから、活性層４の側面にトータル 0.68 単位格子
層分の格子不整合が生じることになる。活性層４の幅は
２μｍと厚いから、活性層全体が弾性的に圧縮されるこ
とはない。この結果、活性層４の側面近傍に転位などの
格子欠陥が起こりやすくなる。

【００１１】この上部の歪量子井戸層側面の格子不整合
は 0.5単位格子層より大きいので、歪量子井戸層の格子
面は側面で埋め込み層の一つ上の格子面とつながる方が
距離的に近く、転位のできる確率が高い。このような格
子欠陥があると、不純物の偏析も起こりやすい。また、
このような欠陥により、発光効率の低下，発振しきい値
上昇，微分利得の低下などのレーザ特性の劣化、或いは
著しい信頼性の低下などが生じる。

【００１２】半導体レーザ以外の光半導体素子において
も、埋め込み歪量子井戸光導波層側面に格子不整合によ
る欠陥が生じることにより、様々なデメリットが生じ
る。例えば、埋め込み歪量子井戸光導波路においては、
この欠陥により吸収係数の増加や光散乱の増加が生じ
る。また、埋め込み歪量子井戸光吸収層を有する光検出
素子においては、この側面の欠陥からの発生再結合暗電
流の増加，欠陥に偏析した不純物による内部電界の不均
一，欠陥での再結合による量子効率の低下，信頼性の低
下など、様々な問題が生じる。

【００１３】また、光半導体素子以外の半導体素子にお
いても、例えば pseudomorphicＨＥＭＴの歪チャネル
層，歪Ｉｎ（Ｇａ）Ａｓオーミックコンタクト層など、
歪半導体層が特性改善のために使われている。この歪半
導体層を基板全面ではなく一部分に埋め込み形成する場
合には、側面の格子不整合により生じる格子欠陥や不純
物の偏析に起因して、キャリア寿命の低下、散乱中心の
増加による電子輸送特性の劣化、雑音の増加、信頼性の
低下など、種々の問題が生じる。

【００１４】一方、光通信に広く利用されているＩｎＧ
ａＡｓＰやＩｎＧａＡｓを井戸層に持つ量子井戸レーザ
では、伝導帯の井戸障壁が低く価電子帯の井戸障壁が高
いことから、電子の障壁層や光導波層へのオーバーフロ
ーが起こり易く、また正孔の井戸層への注入効率が低い
という問題があった。このため、キャリアの利用効率が
悪く、同じ発振波長のバルク型ダブルヘテロ半導体レー
ザと比べて、発振しきい値の低減や変調帯域の拡大の効
果は顕著でなかった。

【００１５】また、誘導放出が大きくなりキャリアの不
足が生じたときに正孔の井戸層への注入効率が低いこと
から、井戸間での正孔密度に差が生じ、光に対する利得
飽和εも大きいという問題もあった。このことは、量子
井戸の効果による微分利得の増大にもかかわらず、ダン
ピングが大きくなり周波数帯域が伸びないということを
意味する。高出力レーザは長共振器で井戸数が多めのと
きに良好な特性が得られるが、このような問題があるた
め、井戸数をあまり増やすことができないのが現状であ
った。

【００１６】一般に、量子井戸レーザではキャリアに対
する利得Ｇの飽和が顕著なので、発振しきいキャリア密
度が高くなると、微分利得が急激に悪化する。従って、
高速応答特性の観点からも、発振しきい値の低減が重要
である。発振条件はΓＧ＝αで表されるから、発振しき
い値を下げるためには、光学的なトータルロスαを小さ
くして発振に必要な利得を下げてやる必要がある。

【００１７】量子井戸レーザ、特に井戸層に歪を導入し
た歪量子井戸レーザでは活性層の導波損失を極めて小さ
くできるが、ｐ−クラッド層のアクセプタ密度が高いと
損失が大きくなる。量子井戸レーザは光閉じ込め係数Γ
が小さいので、クラッド層の吸収の影響は極めて大き
い。従って、低しきい値の量子井戸レーザを得るために
は、ｐ−クラッド層のアクセプタ密度を下げてやる必要
がある。

【００１８】しかしこの場合、ｐ−クラッド層と活性層
とのヘテロ接合部に大きなバンド障壁ができるため、正
孔の量子井戸活性層への注入効率が低くなってしまうと
いう問題があった。このことは、低しきい値でかつ高速
応答可能な量子井戸レーザを作ることは困難であること
を意味する。このヘテロ界面の障壁の問題を解決するた
めに、ＧＲＩＮ（graded index）構造の採用も提案され
ているが、この場合は結晶成長に精密制御が必要にな
り、工程が複雑になる問題がある。

【００１９】この他、埋込み構造歪量子井戸レーザで
は、活性層の側面に格子不整合による転位欠陥が発生し
やすいという問題があった。特に、側面にＦｅなどの遷
移金属をドープした層がある場合、不純物である遷移金
属と転位の複合欠陥がレーザ特性を劣化させることが懸
念されていた。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来の埋
め込み構造の歪半導体層を有する半導体素子では、歪半
導体層側面の格子不整合に起因して格子欠陥や不純物偏
析などの欠陥が生じ、特性や信頼性の著しい劣化が生じ
るという問題があった。

【００２１】また、ＩｎＧａＡｓ系やＩｎＧａＡｓＰ系
の多重量子井戸レーザでは、正孔の井戸層への注入効率
が悪く、井戸間での正孔密度に差が生じ易く、従って井
戸数を増やすことが困難であった。さらに、吸収損失が
小さく正孔の注入効率が高いレーザを実現することも困
難であり、発振しきい値の低減や高速応答特性の向上が
思うようにはかれなかった。

【００２２】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、歪半導体層側面の格子
不整合を緩和することにより、特性や信頼性の優れた埋
め込み歪量子井戸構造の光半導体素子を提供することに
ある。

【００２３】また、本発明の他の目的は、量子井戸活性
層へのキャリアの注入効率を高めることができ、低しき
い値でかつ高速特性の優れた光半導体素子を提供するこ
とにある。

【００２４】

【課題を解決するための手段】本発明は、大きく分けて
次の２つに分類される。即ち、第１乃至第５の発明は歪
み量子井戸層の側面の格子不整合を緩和するものであ
り、第６乃至第１０の発明は注入効率の向上をはかるも
のである。

【００２５】第１の発明の光半導体素子では、歪量子井
戸層の側面が基板法線方向に対して４５度上のテーパ状
になるように構成されている。

【００２６】第２の発明の光半導体素子では、クラッド
層のうち歪量子井戸層の左右に延びる基板に平行な面内
の部分の半導体層に、その平均格子定数が基板と歪量子
井戸層の中間の値になるような材料が使われている。こ
こでいう平均格子定数とは、クラッド層のうち歪量子井
戸層の左右に延びる基板に平行な面内の部分の半導体層
に多層構造が用いられている場合、その活性層厚さに対
応する多層構造にわたって格子定数の平均をとった値を
指すものとする。

【００２７】第３の発明の光半導体素子では、クラッド
層のうち歪量子井戸層の左右に延びる基板に平行な面内
の部分の半導体層の一部に、そのｃ軸が基板法線方向を
向いた正方晶系の半導体層が使われており、そのａ軸の
格子定数は半導体基板よりも小さい。

【００２８】これらいずれの発明においても、ストライ
プ状の光導波路層（半導体レーザでは活性層、光検出素
子では光吸収層に相当）は、その上下左右を歪量子井戸
の障壁層よりも禁制帯幅が広いクラッド層で囲まれてい
ることを想定している。もちろん、第１の発明を他の二
つの発明と併用して使うことも可能である。

【００２９】第４の発明の骨子は、第２の領域に埋め込
まれた第１の領域の歪半導体層側面に生じる格子不整合
を、格子定数が連続的に変化する組成変化領域を設けて
緩和し、転位の発生確率を減らそうとするものである。

【００３０】ここで、歪半導体層といっているのは、故
意に格子定数の異なる組成の半導体層を１層当たりの膜
厚を臨界膜厚以下に積層して弾性的に歪を導入した半導
体層のことであって、結晶成長の組成制御が不完全であ
るために入ってしまう歪を想定したものではない。一般
に、ＧａＡｓやＩｎＰ基板の上に成長する半導体層の場
合、結晶成長の組成制御が不完全であるために入ってし
まう歪は大きく見積もっても０．２％以下であり、それ
以上の格子不整合を有する場合には故意に作成した歪半
導体層と考えることができる。

【００３１】歪半導体層をその一部分とする埋め込み光
導波路を用いた光半導体素子においては、光導波路の形
成されている部分を第１の領域、光導波路の側面に隣接
する埋め込み部を第２の領域と考えることができる。

【００３２】組成変化領域は、例えば不純物の拡散によ
り境界部の原子の相互拡散を促進することで形成でき
る。また、第１の領域と第２の領域の一方を選択成長に
より形成する際に、他方の領域の上に形成されたマスク
からの距離に応じてその結晶組成が変化することを利用
しても形成できる。

【００３３】第５の発明の骨子は、埋め込み歪半導体層
側面の格子不整合を単位格子間隔の半分より小さくする
ことによって、転位の発生する確率を減らそうとするも
のである。ここで、歪半導体層といっているのは、先に
述べたように、格子定数の異なる組成の半導体層を１層
当たりの膜厚を臨界膜厚以下に積層して弾性的に歪を導
入した半導体層のことである。

【００３４】本発明は第１の領域に歪半導体層が埋め込
まれている半導体素子において、最も下部にある歪半導
体層の下部主面を基準格子面として、その法線方向上向
きに座標系Ｚをとり、第１の領域が無限に広がっている
と仮定したときの第１の領域の基準格子面からｎ番目の
単位格子面の座標Ｚ１（ｎ）、第１の領域に隣接する第
２の領域が無限に広がっていると仮定したときの第２の
領域の基準格子面からｎ番目の単位格子面の座標をＺ２
（ｎ）とし、 Ｚ２（ｎ＋１）−Ｚ２（ｎ） Ｚ２（ｎ）−Ｚ２（ｎ−１） Ｚ１（ｎ＋１）−Ｚ１（ｎ） Ｚ１（ｎ）−Ｚ１（ｎ−１） の４つの値のうち最小のものをδ_min （ｎ）とすると
き、任意のｎに対して、 ＡＢＳ｛Ｚ２（ｎ）−Ｚ１（ｎ）｝＜δ_min （ｎ）／２ …（１） を満たすようにしたものである。ここで、ＡＢＳ（ｘ）
はｘの絶対値を表すものとする。これを言いかえれば、
第１の領域と第２の領域の境界の格子不整合を最大でも
単位格子層の１／２よりも小さくなるように抑えるよう
にするということである。なお、ここでは単位格子層と
いう用語をＺ方向の結晶構造の周期として定義してい
る。例えば閃亜鉛鉱構造の場合、Ｚ方向を（００１）方
向に取ると格子定数ａが一単位格子層となるし、Ｚ方向
を（１１１）方向に取ると３^1/2 ａが一単位格子層とな
る。なお、基準面が低指数面でない場合、例えばオフ基
板の場合には、一番近い低指数面の法線方向をＺ方向と
することで、上記の議論を準用することができる。

【００３５】式（１）を満たすための一つの形態とし
て、半導体基板よりも格子定数が大きい第１の歪半導体
層と、半導体基板よりも格子定数の小さい第２の歪半導
体層とをそれぞれ一層以上積層し、一方による側面の格
子不整合を他方の格子不整合で相殺する方法が考えられ
る。この方法は、特に一方の歪半導体層だけではその合
計膜厚が厚くなり過ぎて式（１）を満たすようにできな
い場合に効果がある。

【００３６】Ｚ方向の一単位格子にｍ個の同族原子面が
存在する場合がある。例えば、閃亜鉛鉱構造の III−Ｖ
族化合物半導体の（００１）方向にはＺ＝０の基準格子
面がIII 族原子面とすると、ａ／２にも III族原子面が
存在するのでｍ＝２となる。（１１０）面の場合は III
族原子とＶ族原子が同一面上に混在するので、単位格子
層２^1/2 ａの中にｍ＝４の同族原子面が存在することに
なる。このような場合には、横ずれも伴って、単位格子
層の中の異なる同族原子面との転位が発生する可能性が
ある。この場合、任意のｎに対して、 ＡＢＳ｛Ｚ２（ｎ）−Ｚ１（ｎ）｝＜δ_min （ｎ）／（２ｍ） …（２） を満たすようにするのが好ましい。

【００３７】歪半導体層をその一部分とする埋め込み光
導波路を用いた光半導体素子においては、光導波路の形
成されている部分を第１の領域、光導波路に隣接する埋
め込み部を第２の領域と考えることができる。

【００３８】歪量子細線ないし歪量子箱の場合、歪量子
細線や歪量子箱を構成する半導体を第１の領域、その側
面の障壁層を構成している半導体を第２の領域と考える
ことができる。勿論、上記の実施態様については、複数
組み合わせて使うこともできる。

【００３９】第６の発明の骨子は、量子井戸活性層への
注入効率を上げるために、量子井戸活性層の側面から電
流注入を行うことにある。

【００４０】即ち本発明は、Ｉｎ_x Ｇａ_1-x Ａｓ（０＜
ｘ≦１）を井戸層とする多重量子井戸活性層と、この活
性層の主面に形成されたＩｎＰに格子整合する第１のｐ
型クラッド層とを備えた半導体レーザにおいて、活性層
の側面に第１のｐ型クラッド層よりもアクセプタ濃度の
高い第２のｐ型クラッド層を形成するようにしたもので
ある。

【００４１】また本発明は、より望ましくは、第１のｐ
型クラッド層のアクセプタ濃度を活性層から0.25μｍの
範囲で２×１０¹⁷ｃｍ^-3以下に設定し、第２のｐ型クラ
ッド層のアクセプタ濃度を１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上に設定
し、さらに井戸層をＩｎ_x Ｇａ_1-x Ａｓ（0.53＜ｘ≦
１）で形成するようにしたものである。

【００４２】第９及び第１０の発明は、本来の格子定数
が半導体基板の格子定数より大きい（又は小さい）井戸
層と、本来の格子定数が半導体基板の格子定数と等しい
又はそれより小さく（又は大きく）且つ井戸層よりも禁
制帯幅の広い障壁層とを、交互に積層した多重量子井戸
構造の光半導体素子において、井戸層の軽い（又は重
い）正孔帯の禁制帯端と障壁層の軽い（又は重い）正孔
帯の禁制帯端を実質一致させるようにしたものである。

【００４３】

【作用】第１の発明の光半導体素子では、光導波路層側
面の格子不整合がテーパ面内に分散するので、格子の変
形がテーパ幅に渡って緩やかに起こり、大きな歪や応力
の発生が防止される。その結果、転位などの格子欠陥や
不純物の偏析が防げ、特性や信頼性の優れた光半導体素
子を実現できる。

【００４４】第２の発明の光半導体素子では、ストライ
プ状の光導波路層を含む基板と平行な面内の平均格子定
数が基板の格子定数と歪量子井戸層の格子定数の中間の
値を持つので、光導波路層側面の格子不整合が緩和され
る。その結果、転位などの格子欠陥や不純物の偏析が防
げ、特性や信頼性の優れた光半導体素子を実現すること
ができる。

【００４５】第３の発明の光半導体素子では、ストライ
プ状の光導波路層を含む基板と平行な面内に正方晶系材
料（カルコパイライト構造半導体）が使われており、そ
の正方晶系材料格子定数ａが基板の格子定数よりも小さ
い値を持つ。このカルコパイライト構造半導体混晶のｃ
軸方向の格子定数を２で除した値ｃ／２は一般にａ軸方
向の格子定数ａより小さい。従って、その厚みを適当に
選ぶことにより、歪量子井戸層の格子定数が基板より小
さい埋め込み歪量子井戸光導波路層を有する光半導体素
子においては、埋め込み層と活性層の基板法線方向の平
均の格子定数を概略整合させることが可能になる。従っ
て、半導体基板との格子不整合を起こすことなしに光導
波路層側面の格子不整合を緩和することができる。その
結果、転位などの格子欠陥や不純物の偏析が防げ、特性
や信頼性の優れた光半導体素子を実現できる。

【００４６】第４の発明では、第１の領域と第２の領域
の間の格子不整合により発生した応力は、その間に形成
された組成変化領域全体に分散される。従って、境界面
への応力集中による転位の発生が抑制でき、転位による
特性や信頼性の低下のない半導体素子が実現できる。

【００４７】第２の領域に不純物が高濃度にドープされ
ている場合、境界部から第１の領域への不純物拡散が起
こると、拡散領域では母体原子の相互拡散も促進され
る。このため、第１の領域と第２の領域の境界部では、
歪量子井戸の無秩序化と並行して領域間の母体原子の相
互拡散が進み、組成変化領域が形成される。

【００４８】半導体混晶を選択成長を行う場合、混晶の
組成，膜厚，歪量は、マスクからの距離，開口比などに
依存する。この事実を利用して、境界部に格子定数を変
化させた領域を作ることができる。この変化の方向を他
方の領域に近付くにつれて他方の領域の平均の格子定数
に近付くように設定することで、上述の組成変化領域を
形成できる。

【００４９】第５の発明では、式（１）を満たすように
して第１の領域と第２の領域の境界の格子不整合を最大
でも単位格子層の１／２よりも小さくなるように抑える
と、一つずれた単位格子面よりずれていない単位格子面
の方が距離的に近いので、第１の領域と第２の領域の境
界の転位の発生を効率的に防止することができる。

【００５０】半導体基板よりも格子定数が大きい第１の
歪半導体層と、半導体基板よりも格子定数の小さい第２
の歪半導体層とをそれぞれ１層以上積層し、一方による
側面の格子不整合を他方の格子不整合で相殺することに
より、式（１）を満たす歪半導体層の膜厚や層数を増や
すことができる。

【００５１】Ｚ方向の一単位格子にｍ個の同族原子面が
存在する場合には、式（２）も満たすようにして第１の
領域と第２の領域の境界のＺ方向の格子不整合を最大で
も同族原子面間隔の１／２よりも小さくなるように抑え
ることで、隣接する領域の一つずれた同族原子面よりも
ずれていない同族原子面の方を距離的に近くでき、横ず
れも伴う同族原子面との転位の発生も効率的に防止する
ことができる。

【００５２】いずれの場合においても、第１の領域と第
２の領域の境界付近における転位などの格子欠陥の発生
が防げ、特性や信頼性の優れた半導体素子を実現するこ
とができる。

【００５３】第６乃至第８の発明によれば、正孔の注入
は主として量子井戸活性層の側面から行われる。活性層
側面の第２のｐ型クラッド層は各井戸層や障壁層と直接
接しているから、第２のｐ型クラッド層から井戸層への
直接或いは障壁層を介しての正孔注入効率が高く、正孔
密度の井戸間でのばらつきも抑制される。この効果は特
に、第２のｐ型クラッド層の正孔濃度を１×１０¹⁸ｃｍ
^-3以上と高くした場合に顕著である。従って、注入効率
向上による微分利得の増大，しきい値の低下，光に対す
る利得飽和の抑制、ひいては高速応答の実現が図れる。
また、性能を落とさずに量子井戸数を増やすことが可能
になり、高出力化にも効果がある。

【００５４】また、第１のｐ型クラッド層のアクセプタ
濃度を活性層から0.25μｍの範囲で２×１０¹⁷ｃｍ^-3以
下に設定することにより、第１のｐ型クラッド層による
光吸収が抑制され、より一層のしきい値の低減が可能に
なる。このしきい値の低減により利得の非線形性の小さ
な領域で使用できるようになるため、微分利得の向上も
図れる。この効果は、価電子帯間の吸収が小さいＩｎ_x
Ｇａ_1-x Ａｓ（0.53＜ｘ≦１）歪多重量子井戸半導体レ
ーザにおいて著しい。

【００５５】第９の発明では、重い正孔に対しては多重
量子井戸が形成されるが、軽い正孔に対しては実質量子
井戸が形成されず、各井戸は軽い正孔によりカップリン
グしているので、ｐ型クラッド層から離れた井戸層へも
効率良く正孔注入を行うことができる。この結果、井戸
数を増やして特性向上をはかることができる。

【００５６】第１０の発明は、第９の発明の軽い正孔と
重い正孔の役割を逆にしたもので、各井戸は重い正孔に
よりカップリングしているので、ｐ型クラッド層から離
れた井戸層へも効率良く正孔注入を行うことができる。
この結果、井戸数を増やして特性向上をはかることがで
きる。

【００５７】

【実施例】以下、本発明の詳細を図示の実施例によって
説明する。

【００５８】まず、第１乃至第３の発明の実施例につい
て説明する。

【００５９】図１は、本発明の第１の実施例に係わる半
導体レーザの概略構造を示す断面図である。ｎ型ＩｎＰ
基板１ａ上にｎ型ＩｎＰバッファ層（クラッド層）１ｂ
が形成されている。バッファ層１ｂの上には、ＩｎＧａ
Ａｓ歪量子井戸層２とＩｎＧａＡｓＰ障壁層３を交互に
積層してなる多重量子井戸活性層４がストライプ状に形
成されている。活性層４の側面には、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ
層１８とｐ型ＩｎＰ層１７を交互に積層した埋込み層８
が形成されている。そして、活性層４及び埋込み層８の
上には、ｐ型ＩｎＰクラッド層５及びｐ型ＩｎＧａＡｓ
Ｐコンタクト層６が形成されている。そして、コンタク
ト層６上にｐ側電極１１が形成され、基板１ａの下面に
ｎ側電極１２が形成されている。

【００６０】この半導体レーザは、次のようにして製造
される。まず、図２（ａ）に示すように、（００１）主
面を持つｎ型ＩｎＰ半導体基板１ａ上に有機金属気相成
長（ＭＯＣＶＤ）法により、厚さ２μｍのｎ型ＩｎＰバ
ッファ層１ｂを成長し、その上に、アンドープＩｎＧａ
Ａｓ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層４と厚さ１０
ｎｍの薄いアンドープＩｎＰダミー層１４を成長する。
活性層４は、厚さ4.2ｎｍのアンドープＩｎ_0.7 Ｇａ0.3
Ａｓ歪量子井戸層２を４層、厚さ１２nm（両端のみ２
０ｎｍ）のアンドープＩｎＧａＡｓＰ（波長 1.2μｍ組
成）障壁層３を５層、交互に積層したものである。

【００６１】この積層構造の上にＳｉＯ₂ 膜１５を堆積
し、通常のＰＥＰ技術によりパターニングを行い、活性
領域となる幅２μｍのストライプの両サイド１６を幅１
μｍずつエッチングで除去する。このとき、薄いＩｎＰ
ダミー層１４のエッチングには塩酸系のエッチング液
を、活性層４のエッチングにはＳＨ系（硫酸、過酸化水
素水、水の混合液）のエッチング液を用いる。フォトレ
ジストはＳｉＯ₂ 膜１５のエッチング後に除去してお
く。ＳｉＯ₂膜１５とＩｎＰダミー層１４をマスクとし
たＳＨ系エッチングにより、図２（ａ）に示すような形
状の中央部が凹んだ活性層断面が得られる。テーパ部の
幅は片側 0.4μｍであり、中央部の活性層幅は１μｍで
ある。

【００６２】次いで、図２（ｂ）に示すように、ＳｉＯ
₂ 膜１５を残したまま、ＭＯＣＶＤ法により活性層４の
両サイドの部分１６に歪埋込み層８を積層する。この歪
埋込み層８は、厚さ 4.2ｎｍのｐ型Ｉｎ_0.7 Ａｌ_0.3 Ａ
ｓ層１８を４層、ｐ型ＩｎＰ層１７で挟むように積層し
たもので、その合計膜厚は活性層厚（92.8ｎｍ）と概略
等しい。

【００６３】次いで、図２（ｃ）に示すように、ＳｉＯ
₂ 膜１５を除去した後、この上にＭＯＣＶＤ法により厚
さ２μｍのｐ型ＩｎＰクラッド層５、厚さ 0.8μｍのｐ
型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層６を順次成長する。そし
て、コンタクト層６の上にはｐ型オーミック電極（Ｔｉ
／Ｐｔ／Ａｕ）１１、基板１の下部にはｎ型オーミック
電極（Ａｕ／Ｇｅ）１２を形成する。

【００６４】次いで、コンタクト層６とｐ型クラッド層
５を選択エッチングにより活性層４を含む幅１０μｍの
メサに形成する。さらに、ＳＨ系のエッチング液により
外側の活性層４ｂを除去することにより、図１に示した
ようなマッシュルーム型の断面形状を持つ自己整合挟搾
メサ（ＳＡＣＭ）構造の半導体レーザになる。このウエ
ハは長さ１ｍｍのバー状にへき開された後、幅３００μ
ｍのチップに切り出され、モジュールに実装される（図
では省略）。発振波長はおおよそ1.55μｍである。

【００６５】このような構成において、Ｉｎ_0.7 Ａｌ
_0.3 Ａｓ層１８及びＩｎＰ層１７は、活性層４よりもそ
の禁制帯幅が広い。Ｉｎ_0.7 Ａｌ_0.3 Ａｓ層１８は、Ｉ
ｎ_0.7 Ｇａ_0.3 Ａｓ歪量子井戸層２と格子定数がほぼ等
しい。従って、埋め込み層８は活性層４と格子定数が概
略等しい構造をしており、平均の格子定数（0.58813 ｎ
ｍ）はＩｎＰ基板１の格子定数とＩｎ_0.7 Ｇａ_0.3 Ａｓ
歪量子井戸層２の格子定数との中間の値になる。歪量子
井戸層２とＩｎ_0.7 Ａｌ_0.3 Ａｓ層１８の位置を完全に
合わせるのが理想であるが、結晶成長上ずれが生じるこ
とがある。しかし、歪量子井戸層２とＩｎ_0.7 Ａｌ_0.3
Ａｓ層１８の位置ずれがあっても、活性層４の側面がテ
ーパ状になっているので格子不整合の影響はテーパ部に
分散され、極端に大きな歪みや応力の発生は防止でき
る。従って、転位などの格子欠陥や不純物の偏析が防止
でき、特性や信頼性の劣化がない埋め込み構造歪量子井
戸レーザが実現できる。

【００６６】この構造の採用により、線幅増大係数（α
パラメータ）〜２の歪量子井戸の優れた特性が安定して
得られ、その結果１０Ｇｂ／ｓ変調時（しきい値バイア
ス、変調電流４０ｍＡ_pp）のチャーピング（−２０ｄＢ
平均スペクトル幅）が 0.3nm以下の優れた特性の半導体
レーザが実現できる。また、信頼性が高くチャーピング
の小さい本発明の半導体レーザにより、外部変調器を使
わない１０Ｇｄ／ｓ直接強度変調ー直線検波方式の数百
ｋｍ光ファイバ伝送システムの実用化が可能になる。

【００６７】この実施例の変形として、埋め込み層８を
多層ではなく単層のＩｎ_0.667 Ａｌ_0.333 Ａｓで構成し
てもよい。この場合も、活性層４と埋め込み層８の平均
の格子定数（0.58813 ｎｍ）は概略等しく、その値は基
板の格子定数とＩｎ_0.7 Ｇａ_0.3Ａｓ歪量子井戸層２の
格子定数の中間の値になる。ミクロには活性層４の側面
に格子不整合があるが、活性層側面がテーパ状に形成さ
れているので、歪みと応力はテーパ部に分散され、上記
の例と同様格子欠陥や不純物の偏析が防止できる。な
お、活性層４と埋め込み層８の平均の格子定数が完全に
一致していない場合においても、その値をＩｎＰ基板１
と歪量子井戸層２の中間の値にすることにより、活性層
側面に発生する格子不整合の緩和に効果がある。

【００６８】図３は、本発明の第２の実施例に係わる半
導体レーザの概略構造を示す断面図である。この実施例
の半導体レーザの構造と製法は第１の実施例の半導体レ
ーザとほぼ同じであるが、歪量子井戸層２がＩｎ_0.48Ｇ
ａ_0.52Ａｓであり、ＩｎＰ埋め込み層１７の内部にＩｎ
ＡｌＡｓ層の代わりに厚さ1.56ｎｍのカルコパイライト
構造（正方晶系）のＡｇ_0.65Ｃｕ_0.35ＧａＳｅ₂ の埋め
込み層９が一層挿入されている点で異なっている。発振
波長は光ファイバアンプ励起に適した1.48μｍである。

【００６９】Ｉｎ_0.48Ｇａ_0.52Ａｓ歪量子井戸層２の格
子定数は 0.58485ｎｍで、先の実施例と反対にＩｎＰ基
板の格子定数 0.58688ｎｍよりも小さい。歪量子井戸層
２が無限に広がっているものと仮定した場合の歪量子井
戸層２の歪みの大きさは、ε_xx＝ε_yy＝ -0.003471、ε
_zz＝−２（Ｃ₁₂／Ｃ₁₁）ε_xx＝0.003422、ε_yx＝ε_zx＝
ε_xy＝０となる。ここで、Ｉｎ_0.48Ｇａ_0.52Ａｓのポア
ソン比はＣ₁₂／Ｃ₁₁＝0.493 を仮定した。歪んだ後の基
板法線方向の歪量子井戸層２の格子間隔は 0.58284ｎｍ
となる。一方、Ａｇ_0.65Ｃｕ_0.35ＧａＳｅ₂ 層９の格子
定数はａ＝0.5845ｎｍ，ｃ＝ 1.092ｎｍであり、その厚
さを1.56ｎｍとすると、そのａ軸方向の歪みを無視した
場合歪んだ状態での歪量子井戸活性層とマクロに基板法
線方向の格子整合がとれる。実際にはＡｇ_0.65Ｃｕ_0.35
ＧａＳｅ₂ 層９の歪みもあるので、さらに組成や厚さを
微調整しないと完全な整合はとれない。

【００７０】また、膜厚平均の格子整合を完全にとって
もミクロには活性層４の側面に格子不整合が存在する。
しかし、このように格子整合が不完全であっても、先の
実施例と同様に活性層４の側面はテーパ状になっている
ため、格子不整合の影響はテーパ部全体に分散され、格
子欠陥や不純物の偏析が防止できる。また、Ａｇ_0.65Ｃ
ｕ_0.35ＧａＳｅ₂ 層９の禁制帯幅はおよそ1.77ｅＶとＩ
ｎＰ基板と比べて大きな値を持つので、電流狭搾や光の
閉じ込めには好ましい方向に働く。カルコパイライト材
料には他にも様々なものがあるので、格子定数、禁制帯
幅などの観点で選択の自由度が大きい。よって、この方
法により、高出力で信頼性の高い埋め込み構造歪量子井
戸半導体レーザが実現できる。

【００７１】なお、本発明は上記の実施例に限らず、種
々の変形が可能である。障壁層は必ずしも一定組成であ
る必要はなく、活性層側からクラッド層へ向けて屈折率
が連続的に或いは階段状に小さくなる（禁制帯幅は大き
くなる）ＧＲＩＮ構造であってもよい。量子井戸層も二
重量子井戸であったり、ダブルバリア構造であってもよ
い。活性層材料も、ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓＰ，Ｉ
ｎＧａＡｌＡｓ，ＩｎＧａＡｓＳｂ，ＧａＡｌＡｓＳ
ｂ，ＧａＡｌＰＳｂ，ＩｎＡｌＳｂ，ＩｎＧａＡｌＳｂ
など、種々の組み合わせが可能である。

【００７２】光導波路層の横方向光（及び電流）閉じ込
め構造は、上記のＳＡＣＭ構造の他に、埋込みヘテロ構
造、半絶縁性ＩｎＰ埋込み構造など様々なタイプが可能
である。半導体レーザ場合は、分布帰還型（ＤＦＢ）レ
ーザ，分布反射型（ＤＢＲ）レーザ，複数の電極を持つ
波長可変レーザ，複合共振器レーザ，モニタ集積レー
ザ，光導波路集積レーザ，双安定レーザなどであっても
よい。勿論、半導体レーザの他、半導体光導波路，半導
体光検出素子（ホストダイオード），半導体スイッチ，
半導体方向性光結合器，半導体光変調器、これらを集積
化したフォトニックＩＣなど、様々な光半導体素子に本
発明を適用することができる。半導体光導波路などの場
合、ストライプは直線に限られるものでなく、曲がり光
導波路，全反射型光導波路，Ｙ分岐，クロス（Ｘ），テ
ーパなど、側面を持つ様々な光導波路に適用できる。断
面テーパ形状も中央部が凹状になっているものに限定さ
れるものではない。

【００７３】次に、第４の発明の実施例について説明す
る。

【００７４】図４は、本発明の第３の実施例に係わる半
導体レーザの概略構造を示す断面図である。図５はその
製造工程を示す断面図である。この半導体レーザは下記
のようにして作製される。まず、図５（ａ）に示すよう
に、（００１）主面をもつｎ型ＩｎＰ半導体基板１ａ上
に有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により、厚さ２μ
ｍのｎ型ＩｎＰバッファ層（クラッド）１ｂを介して、
アンドープ ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層４を
堆積する。活性層４は図５（ｂ）に示すように、厚さ３
ｎｍのアンドープＩｎ_0.7 Ｇａ_0.3 Ａｓ歪量子井戸層２
を７層、厚さ１０ｎｍ（但し下端の層３ａは30nm、上端
の層３ｂは100nm)のＩｎＰに格子整合する波長 1.2μｍ
組成のアンドープＩｎＧａＡｓＰ層３を挟んだ構造をし
ている。

【００７５】この上端のＩｎＧａＡｓＰ層３ｂの上に回
析格子を形成した後、図５（ｃ）に示すように、その上
にＳｉＯ₂ 膜１５を堆積し、通常のＰＥＰ技術によりパ
ターニングを行い、活性領域となる幅２μｍのストライ
プの両サイドを幅１μｍずつエッチングで除去する。こ
のとき、活性層４のエッチングにＳＨ系のエッチング液
（硫酸，過酸化水素水，水の混合液）を用いると、図５
（ｃ）に示すような中央部が凹んだテーパ状の活性層断
面が得られる。テーパ部の幅は片側 0.4μｍであり、中
央部の活性層幅は１μｍである。

【００７６】次いで、図５（ｄ）に示すように、ＳｉＯ
₂ 膜１５を除去した後、ＭＯＣＶＤ法により全体を厚さ
２μｍ、アクセプタ濃度２×１０¹⁸ｃｍ^-3のｐ型ＩｎＰ
クラッド層５と、厚さ 0.8μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓＰコ
ンタクト層６で埋め込む。この埋込み成長の間に、再成
長界面から活性層４へｐ型ドーパントである亜鉛が拡散
する。良く知られているように、半導体超格子に亜鉛な
どの不純物を拡散すると III族原子の相互拡散が促進さ
れ、無秩序化が起こる。その結果、活性層４の側面の亜
鉛拡散領域は歪量子井戸層２と無歪みの障壁層３の中間
組成の領域となる。

【００７７】この混晶化はｐ型ＩｎＰクラッド層５と活
性層４の間にも起こるが、側面の形状がテーパ状になっ
ていることも作用して、活性層側面の中間組成の領域は
外側ほどＩｎＰの組成に近い組成変化領域２７となる。
側面の格子不整合は、この組成変化領域２７全体に分散
されるので、応力の極端な集中が緩和され、転位などの
欠陥の発生が防止される。なお、上部からの亜鉛の活性
層４への拡散はＩｎＧａＡｓＰ層３ｂにより阻止され
る。

【００７８】その後、コンタクト層６の上にｐ型オーミ
ック電極（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）１１を、基板１の下部に
ｎ型オーミック電極（Ａｕ／Ｇｅ）１２を形成し、コン
タクト層６とｐ型クラッド層５を順次選択エッチングに
より活性層４を含む幅１０μｍのメサに形成する。さら
にＳＨ系のエッチング液により外側の活性層を除去する
ことにより、図４に示すようなマッシュルーム型の断面
形状を持つ自己整合挟搾メサ（ＳＡＣＭ）構造の半導体
レーザ・ウェハができる。

【００７９】このウェハは長さ１ｍｍのバー状にへき開
された後、幅３００μｍのチップに切り出され、モジュ
ールに実装される（図では省略）。発振波長はおよそ1.
55μｍである。上記のように活性層側面の格子不整合に
もかかわらず転位の発生が抑制されているので、低しき
い値，高出力，高速，低チャープ，狭スペクトル線幅で
信頼性の高い歪量子井戸分布帰還型半導体レーザが実現
される。

【００８０】この実施例では亜鉛の拡散はオーバークロ
ース工程の中で行われているが、オーバーグロースとは
別の独立の工程として拡散を行ってもよい。また、拡散
される不純物は亜鉛に限られるものではなく、例えばカ
ドミウム，マグネシウム，ベリリウム，炭素，シリコン
など、他の不純物であってもよい。

【００８１】次に、図６を用いて第４の実施例の半導体
レーザの製造方法を説明する。最初の結晶成長から活性
層のパターニングまでの工程は図５（ａ）〜（ｃ）と同
じである。その後、図６（ａ）に示すように、活性層の
パターニングに用いたＳｉＯ₂ 膜１５を残したまま、活
性層を除去した部分にＩｎ_0.52Ａｌ_0.48Ａｓ層２６ａと
ＩｎＰ層２６ｂの多層構造からなる埋込み層２６を選択
成長する。この埋込み層２６は活性層４よりも禁制帯幅
が大きいので、活性層４を介さない電流リークを防止す
る役割を担う。

【００８２】このとき、ＳｉＯ₂ 膜１５の上ではＩｎの
方がＡｌより拡散距離が長いので、Ｉｎ_0.52Ａｌ_0.48Ａ
ｓ層２６ａの成長時に、ＳｉＯ₂ 膜１５に近い部分には
ＡｌよりもＩｎが過剰に供給される。この結果、Ｉｎ
_0.52Ａｌ_0.48Ａｓ層２６ａはＳｉＯ₂ 膜１５に近い部分
２８でＩｎ／（Ｉｎ＋Ａｌ）比が0.52より大きくなって
いる。活性層４に近づくにつれてＩｎ／（Ｉｎ＋Ａｌ）
比が0.52より大きくなり、格子定数も大きくなるので、
埋込み層２６の平均の格子定数は活性層４の平均の格子
定数に近づく。即ち、この組成変化領域２８は、側面が
テーパになっている効果と合わせて、活性層側面の格子
不整合の影響を分散させる方向に働く。この結果、応力
の集中が緩和され転位などの欠陥の発生を抑制できる。
活性層４に近い部分の埋め込み層２６の平均の格子定数
は、結晶成長条件、Ｉｎ_0.52Ａｌ_0.48Ａｓ層２６ａの厚
さ、層数などにより調整することができる。

【００８３】その後、前の実施例と同様にＳｉＯ₂ 膜１
５を除去してｐ−ＩｎＰクラッド層５、ｐ−ＩｎＧａＡ
ｓＰコンタクト層６を成長し、電極形成やメサの形成を
行うことで、図６（ｂ）に示すような半導体レーザが完
成する。この実施例でも、活性層側面の格子不整合に起
因する転位の発生が有効に抑制されることから、高性能
で信頼性の高い半導体レーザが実現される。また、逆
に、活性層の方を埋込み層の後から選択成長で形成する
組合せも考えられる。

【００８４】量子井戸レーザの特性は、量子井戸層の数
に依存する。図７にＩｎ_0.7 Ｇａ_0.3 Ａｓ／ＩｎＧａＡ
ｓＰ系の歪量子井戸レーザの微分利得の井戸層数依存性
の計算例を示す。良好な特性を得るためには、ある程度
の層数が必要であるが、本実施例のような側面の格子不
整合の影響を緩和する手段を講じないと、層数の多い
（合計膜厚が厚い）場合には側面近傍に深刻な転位を生
じることになる。本実施例の方法によれば、活性層側面
の転位の発生なしに、さらに合計膜厚を厚くすることも
可能である。この実施例の構造の採用より、しきい値が
低く、線幅増大係数（αパラメータ）が小さく、微分利
得が大きく、且つ信頼性の高い半導体レーザが安定して
得られる。この優れた特性の歪量子井戸半導体レーザ
は、例えば、超高速光通信やコヒーレント光通信の光源
として、或いは光増幅器励起用高出力光源として使われ
る。

【００８５】なお、本発明は上記の実施例に限らず、種
々の変形が可能である。各半導体層は必ずしも一定組成
である必要はなく、例えば光導波層は活性層側からクラ
ッド層へ向けて屈折率が連続的に、或いは階段状に小さ
くなる（禁制帯幅は大きくなる）ＧＲＩＮ構造であって
もよい。光導波路層の横方向光（及び電流）閉じ込め構
造は上記のＳＡＣＭ構造の他、埋込みヘテロ構造、半絶
縁性ＩｎＰ埋込み構造など様々なタイプが可能である。
側面の形状も上記の実施例のような中央部のくびれたテ
ーパ形状に限られるものでなく、垂直でも、上部の狭い
台形でも、下部の狭い逆台形でも、その他の形状でもか
まわない。

【００８６】半導体レーザの場合、分布帰還型（ＤＦ
Ｂ）レーザのほかに、ファブリペロー（ＦＰ）レーザ、
分布反射型（ＤＢＲ）レーザ、複数の電極を持つ波長可
変レーザ、複合共振器レーザ、モニタ集積レーザ、光導
波路集積レーザ、双安定レーザなどであってもよい。勿
論、半導体レーザの他、半導体レーザ光増幅器，半導体
光導波路，半導体光検出素子（ホトダイオード），半導
体光スイッチ，半導体方向性光結合器，半導体光変調
器、これらを集積化したフォトニックＩＣなど、様々な
光半導体素子、或いはpseudomorphic HEMTやヘテロ接合
バイポーラトランジスタなどの電子デバイスに本発明を
適用することができる。

【００８７】第１の領域の形状は直線ストライプに限ら
れるものではなく、例えば矩形、多角形、円形、櫛形、
Ｙ分岐、クロス（Ｘ）、曲線など、任意の形状の領域に
適用することができる。第１の領域が他の領域に完全に
囲まれていない場合、第２の領域にも歪半導体層が存在
する場合、第３の領域がある場合などであっても、歪半
導体層を含む各領域の側面に組成傾斜領域を作ること
で、本発明の作用効果が得られることは明らかであろ
う。作製方法もＭＯＣＶＤ法に限定されるものではな
い。例えばＡＬＥ（原子層エピタキシ）など他の成長方
法であっても構わないし、各領域の作成順序はどちらが
先であっても構わない。

【００８８】材料もＩｎＧａＡｓ，ＧａＡｌＡｓ，Ｉｎ
ＧａＡｓＰ，ＩｎＧａＡｌＡｓ，ＩｎＧａＡｌＰ，Ｉｎ
ＧａＡｓＳｂ，ＧａＡｌＡｓＰ，ＧａＡｌＡｓＳｂ，Ｇ
ａＡｌＰＳｂ，ＩｎＡｌＰＳｂ，ＩｎＧａＡｌＳｂ，Ａ
ｌＧａＮなどのIII−Ｖ族半導体混晶のほか、ＳｉＧ
ｅ，ＳｉＣ，ＺｎＳＳｅ，ＣｄＳＳｅ，ＨｇＣｄＴｅ，
カルコパイライト材料など、種々の材料の組み合わせが
可能である。

【００８９】次に、第５の発明の実施例について説明す
る。

【００９０】図８は、本発明の第５の実施例に係わる半
導体レーザの概略構造を示す断面図である。この半導体
レーザは下記のようにして作製される。（００１）主面
をもつｎ型ＩｎＰ半導体基板１ａ上に有機金属気相成長
（ＭＯＣＶＤ）法により、厚さ２μｍのｎ型ＩｎＰバッ
ファ層（クラッド）１ｂを介して、アンドープ ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層４を
積層する。

【００９１】活性層４は図９に示すように、厚さ 4.206
ｎｍのアンドープ Ｉｎ_0.7 Ｇａ_0.3 Ａｓ歪み量子井戸層２の上下を、厚さ
2.005ｎｍのアンドープＩｎ_0.48Ｇａ_0.52Ａｓ_0.78Ｐ
_0.22歪障壁層３ａで挟んだ積層構造を７層、厚さ１０ｎ
ｍ（但し下端の層は３０ｎｍ、上端の層は７００ｎｍ）
のＩｎＰに格子整合する波長 1.2μｍ組成のアンドープ
ＩｎＧａＡｓＰ層３ｂで挟んだ構造をしている。この上
端のＩｎＧａＡｓＰ層３ｂの上に回析格子を形成した
後、その上にＳｉＯ₂ 膜を堆積し、通常のＰＥＰ技術に
よりパターニングを行い、活性領域となる幅２μｍのス
トライプの両サイドを幅１μｍずつエッチングで除去す
る。このとき、活性層４のエッチングにＳＨ系のエッチ
ング液（硫酸、過酸化水素水、水の混合液）を用いる
と、図８に示すような中央部が凹んだテーパ状の活性層
断面が得られる。テーパ部の幅は片側 0.4μｍであり、
中央部の活性層幅は１μｍである。

【００９２】次いで、ＳｉＯ₂ 膜を除去した後、ＭＯＣ
ＶＤ法により全体を厚さ２μｍのｐ型ＩｎＰクラッド層
５、厚さ 0.8μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層６
で埋め込む。コンタクト層６の上にはｐ型オーミック電
極（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）１１を、基板１の下部にはｎ型
オーミック電極（Ａｕ／Ｇｅ）１２を形成する。コンタ
クト層６とｐ型クラッド層５を順次選択エッチングによ
り活性層４を含む幅１０μｍのメサに形成する。さら
に、ＳＨ系のエッチング液により外側の活性層を除去す
ると、図８に示すようなマッシュルーム型の断面形状を
持つ自己整合挟搾メサ（ＳＡＣＭ）構造の半導体レーザ
になる。このウェハは長さ１ｍｍのバー状にへき開され
た後、幅３００μｍのチップに切り出され、モジュール
に実装される（図では省略）。発振波長はおよそ1.55μ
ｍである。

【００９３】ＩｎＰ基板１の格子定数は 0.58688ｎｍで
あるのに対して、Ｉｎ_0.7 Ｇａ_0.3 Ａｓ歪量子井戸層２
の格子定数は 0.59381ｎｍ、Ｉｎ_0.48Ｇａ_0.52Ａｓ0.₇₈
Ｐ_0.22歪障壁層３ａの格子定数は 0.57986nmである。こ
こで、側面のない無限平面を仮定すれば、歪量子井戸層
２と歪障壁３ａはそれぞれ 4.206ｎｍ、 2.005ｎｍと薄
いので弾性的に歪む。歪量子井戸層２の歪みの大きさ
は、ε_xx＝ε_yy＝-0.01167、ε_zz＝−２（Ｃ₁₂／Ｃ₁₁）
ε_xx＝0.011974、ε_yz＝ε_zx＝ε_xy＝０となる。Ｃ₁₂／
Ｃ₁₁＝0.504 はＩｎ_0.7 Ｇａ_0.3 Ａｓのポアソン比であ
る。

【００９４】一方、歪み障壁層３ａの歪み大きさは、ε
_xx＝ε_yy＝-0.012106 、ε_zz＝−２（Ｃ₁₂／Ｃ₁₁）ε_xx
＝-0.012106 、ε_yz＝ε_zx＝ε_xy＝０となる。ここで、
Ｉｎ_0.7 Ｇａ_0.52Ａｓ_0.78Ｐ_0.22のポアソン比は正確に
求められていないので、Ｃ₁₂／Ｃ₁₁＝0.5 を仮定した。
この結果、歪んだＩｎ_0.7 Ｇａ_0.3 Ａｓ歪量子井戸層２
の格子定数は、ｘｙ面内でＩｎＰに等しくなり、ｚ方向
の格子定数は0.60092ｎｍとなる。厚さ 4.206ｎｍは７
単位格子層に相当する。一方、歪んだＩｎ_0.48Ｇａ_0.52
Ａｓ_0.78Ｐ_0.22歪障壁層３ａの格子定数は、ｘｙ面内で
ＩｎＰに等しくなり、ｚ方向の格子定数は 0.57284ｎｍ
となる。厚さ 2.005ｎｍは 3.5単位格子層に相当する。

【００９５】このときの活性層４の側面の（００１）方
向（Ｚ）方向の格子面のずれの大きさを、図１０に示
す。格子面のずれは最大 0.04914ｎｍで、δ_min ＝ 0.5
7284nmの１／４の 0.14321ｎｍより十分に小さく、式
（２）を満たす。従って、横ずれを伴う（００１）同族
原子面のずれによる転位を防止することができる。勿
論、ＡＬＥ（原子層エピタキシ）モードでない通常のＭ
ＯＣＶＤでは層厚や組成を完全に制御することは困難な
ので、各歪半導体層の厚さに若干のずれが生じることも
考えにれる。

【００９６】また、上記の格子定数やＣ₁₂／Ｃ₁₁の値が
正確でない場合もある。しかし、いずれの場合において
も７層累積のＺ方向格子面のずれの大きさが 0.28642ｎ
ｍを越えないように、即ち式（１）を満たすように制御
できれば、単位格子面のずれに相当する転位の発生を防
止することができる。ミクロには活性層４の面に小さな
格子不整合が残るが、活性層側面がテーパ状に形成され
ているので、歪みと応力はテーパ部に分散され緩和さ
れ、各半導体層は側面の境界部においても弾性的に歪む
ことができる。従って、歪半導体層２，３ａの側面でも
転位などの格子欠陥や不純物の偏析が防止でき、特性や
信頼性の劣化がない埋め込み構造歪量子井戸レーザが実
現できる。

【００９７】量子井戸レーザの特性は、量子井戸層の数
に依存する。図７にＩｎ_0.7 Ｇａ_0.3 Ａｓ／ＩｎＧａＡ
ｓＰ系の歪量子井戸レーザの微分利得の井戸層数依存性
の計算例を示す。良好な特性を得るためには、ある程度
の層数が必要であるが、本実施例のような側面の格子不
整合の影響を緩和する手段を講じないと、層数の多い
（合計膜厚が厚い）場合には側面近傍に深刻な転位を生
じることになる。例えば図８の例でもＩｎ_0.48Ｇａ_0.52
Ａｓ_0.78Ｐ_0.22歪障壁層３ａが無かったと仮定すると、
側面の計算上の累積不整合量は 0.68796ｎｍとなり一単
位格子層の大きさを越えるから、まず確実に側面に転位
が発生することになる。本発明の方法によれば、活性層
側面の転位の発生なしに、さらに合計膜厚を厚くするこ
とも可能である。

【００９８】この実施例の構造の採用より、しきい値が
低く、線幅増大係数（αパラメータ）〜２の歪量子井戸
の優れた特性が安定して得られ、その結果、１０Ｇｂ／
ｓ変調時（しきい値バイアス、変調電流４０ｍＡ_pp）の
チャーピング（−２０ｄＢ平均スペクトル幅）が 0.3ｎ
ｍ以下の優れた特性の半導体レーザが実現できる。信頼
性が高くチャーピングの小さい本発明の半導体レーザに
より、外部変調器を使わない１０Ｇｂ／ｓ直接強度変調
−直接検波方式の数百ｋｍ光ファイバ伝送システムの実
用化が可能になる。

【００９９】この実施例の変形として、上下両端を除く
障壁層を歪層３ａと無歪層３ｂの多層構造ではなく単層
の歪ＩｎＧａＡｓＰ層で構成してもよい。この場合も歪
ＩｎＧａＡｓＰ障壁層の組成とｘｙ面上で基板に格子整
合した状態での厚さを式（１）ないし（２）を満たすよ
うに設定することで同様の効果を得ることができる。

【０１００】なお、本発明は上記の実施例に限らず、第
４の発明の変形例で説明したような種々の変形が可能で
ある。また、第１の領域が他の領域に完全に囲まれてい
ない場合、第２の領域にも歪半導体層が存在する場合、
第３の領域がある場合などであっても、歪半導体層を含
む各領域の側面において格子面のずれが式（１）を満た
すように各層のずみ量、厚さ、位置を設定することで、
本発明の作用効果が得られることは明らかであろう。こ
のほか、歪を含む量子細線や量子箱の側面の格子不整合
の影響を緩和するのに応用することができる。

【０１０１】次に、第６〜第８の発明の実施例について
説明する。

【０１０２】図１１は、本発明の第６の実施例に係わる
多重量子井戸半導体レーザの概略構造を示す断面図であ
る。ｎ−ＩｎＰ基板３１上に、幅１μｍのストライプ状
の活性層３２が成長形成され、この活性層３２の上にア
クセプタ濃度１×１０¹⁷cm^-3の第１のｐ−ＩｎＰクラッ
ド層３３が成長形成されている。

【０１０３】活性層３２は図１２に示すように、Ｉｎ
_0.7 Ｇａ_0.3 Ａｓ井戸層３５が８層、ＩｎＰに格子整合
する波長 1.3μｍ組成のＩｎＧａＡｓＰ障壁層３６に挟
まれて形成されている。ＩｎＧａＡｓＰ障壁層３６のう
ち、最下部の層３６₁ は厚さ３０ｎｍ、最上部の層３６
₉ は厚さ７０ｎｍであり、他の層３６₂ 〜３６₈ は厚さ
１０ｎｍである。Ｉｎ_0.7 Ｇａ_0.3 Ａｓ井戸層３５は、
基板３１と面内の原子間隔が合うように成長するため
に、約1.16％の圧縮歪が入っている。井戸層３５の厚さ
は４ｎｍであり、転位を発生させないための臨界膜厚よ
り十分に薄い。

【０１０４】ｐ−クラッド層３３の上には、活性領域ス
トライプ３４の側面も覆うように、アクセプタ濃度１×
１０¹⁸ｃｍ^-3の第２のｐ−ＩｎＰクラッド層３７が成長
形成され、その上にｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層３
８が成長形成されている。ｐ型ドーバンドはいずれもＺ
ｎである。ｐ−クラッド層３７は、寄生容量を低減する
ために活性層付近でのメサ幅５μｍの狭窄メサ形状に加
工されている。

【０１０５】また、基板３１の下部にはｎ型オーミック
電極３９が、ｐ−コンタクト層３８の上にはｐ型のオー
ミック電極４０が形成されており、これらの電極３９，
４０を介して外部からレーザに電流が注入される。共振
器長は１ｍｍである。

【０１０６】なお、図１１に示す構造は次のようにして
製造される。まず、図１３（ａ）に示すように、基板３
１上に活性層３２及びｐ−クラッド層３３を成長し、こ
れを選択的にエッチングして活性領域ストライプ３４を
形成する。次いで、図１３（ｂ）に示すようにｐ−クラ
ッド層３７及びｐ−コンタクト層３８を成長する。次い
で、図１３（ｃ）に示すように、ｐ−コンタクト層３
８，ｐ−クラッド層３７，ｐ−クラッド層３３及び活性
層３２を、活性領域ストライプ３４を含むメサ幅１０μ
ｍのメサ形状に加工する。その後、メサの両側に露出し
た活性層32aを除去することにより、図１１に示す狭窄
メサ構造が得られる。

【０１０７】このような構成であれば、活性層３２の各
井戸層３５の側面はｐ−ＩｎＰクラッド層３７に接して
いるため、各井戸層３５に均一かつ効率的に正孔の注入
が行える。活性層３２にはｐ−クラッド層３３からも正
孔が注入されるし、井戸層３５面内でのキャリアの移動
は容易な上、活性層幅１μｍと狭いので、井戸層３５面
内のキャリア不均一は小さい。従って、厚さ方向にも幅
方向にも空間ホールバーニングによる利得飽和は起こり
難く、ダンピングの小さな高周波応答が可能になる。さ
らに、活性層３２上部のｐ−クラッド層３３のアクセプ
タ濃度が低いため、ｐ−クラッド層３３へしみ出した光
の吸収損失も小さい。従って、発振しきい値が低く、微
分利得の高い領域での動作が可能になる。

【０１０８】また、本実施例の歪量子井戸活性層３２の
側面において、アクセプタの拡散に起因して井戸層とバ
リア層の混晶化が起こり易い。その結果、活性層側面の
格子不整合による応力が混晶化領域に分散し、転位の発
生を抑制できる効果も期待できる。仮に転位の発生があ
っても、転位は活性層３２の内部よりもｐ−ＩｎＰクラ
ッド層３７、ないしは活性層３２とｐ−ＩｎＰクラッド
層３７の間にあるｐ型混晶化領域の中にあって、この部
分の電子濃度は低いから、レーザ発光への直接的な影響
は小さいものと考えられる。

【０１０９】この実施例の歪多重量子井戸レーザの導波
損失は４ｃｍ^-1であり、発振しきい値は８ｍＡであっ
た。微分利得は 7.5×１０^-12 ｍ³ ／ｓであり、３ｄＢ
帯域は１８ＧＨｚである。一方、活性層上部のｐ−クラ
ッド層３３のアクセプタ濃度を１×１０¹⁸ｃｍ^-3とした
レーザの導波損失は２０ｃｍ^-1、発振しきい値は１５ｍ
Ａ、微分利得は５×１０^-12 ｍ³ ／ｓ、３ｄＢ帯域は１
４ＧＨｚであった。これらのレーザの特性は満足なもの
である。活性層側面からの正孔注入効率が高いため、Ｇ
ＲＩＮ構造のような成長工程の複雑な構造を使わなくて
もしきい値の低域が図れている。

【０１１０】なお、井戸の側面を直接Ｆｅドープ半絶縁
性ＩｎＰで埋めた従来構造のＧＲＩＮ歪量子井戸レーザ
では、しきい値は９ｍＡと低いものの、微分利得は3.8
×１０^-12 ｍ³ ／ｓに止まった。周波数応答特性には活
性層へ拡散してきたＦｅに起因すると見られる低周波で
のロールオフ構造が見られ、ダンピングも大きく、３ｄ
Ｂ帯域は６ＧＨｚしかなかった。また、ＧＲＩＮ構造を
実現するための多段階に組成を変化させる結晶成長プロ
セスも、本実施例の半導体レーザと比べて複雑である。

【０１１１】このように本実施例によれば、多重量子井
戸活性層３２の側面を、活性層３２上のｐ−クラッド層
３３よりもキャリア濃度の高いｐ−クラッド層３７で埋
め込んでいるので、このｐ−クラッド層３７から活性層
３２に正孔を注入することができ、注入効率の向上、さ
らに正孔密度の井戸間でのばらつきを抑制することがで
きる。従って、注入効率の向上による微分利得の増大，
しきい値の低下，光に対する利得飽和の抑制、ひいては
高速応答の実現が図れる。また、性能を落とさずに量子
井戸数を増やすことが可能になり、高出力化にも効果が
ある。

【０１１２】なお、本発明は上述した実施例に限定され
るものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、種々変
形して実施することができる。例えば、超高速光通信用
ＤＦＢレーザ，多電極波長可変レーザ，高出力レーザ，
半導体レーザ増幅器などへの応用も考えられる。他の材
料系でも、価電子帯の障壁が高く正孔の均一な注入が困
難な場合に応用できる。この他、ファセット面に種々の
コーティングが施されていてもよいし、他の素子と集積
化されていてもよい。本発明の効果は、井戸数が大きい
ときやバリア層厚が比較的厚い場合に特に有効である。
また、本発明は多重量子細線レーザへの応用も可能であ
る。細線が共振器ストライプの幅の方向と平行に形成さ
れ、厚さ方向と長さ方向に多重形成されている場合に、
上記の実施例と同様の効果が期待できる。

【０１１３】次に、本発明の第７の実施例について説明
する。この実施例は、歪量子井戸レーザに負のデチュー
ニング（利得ピーク波長より少しずれた波長に発振波長
を設定すること）をかけて、高速応答性の向上をはかっ
たものである。

【０１１４】図１４は、第７の実施例に係わるＤＦＢ半
導体レーザの概略構造を一部切欠して示す斜視図であ
る。ｎ−ＩｎＰ基板４１上に、ストライプ状の活性層４
２が成長形成され、この活性層４２の上に該活性層４２
の側面も覆うようにｐ−ＩｎＰクラッド層４３が成長形
成され、さらにクラッド層４３上にｐ−ＩｎＧａＡｓＰ
コンタクト層４４が形成されている。

【０１１５】活性層４２は図１５に示すように、Ｉｎ
_0.7 Ｇａ_0.3 Ａｓ井戸層４５が４層、ＩｎＰに格子整合
する波長 1.3μｍ組成のＩｎＧａＡｓＰ障壁層４６に挟
まれている。ＩｎＧａＡｓＰ障壁層４６の内、最下部の
層４６₁ は厚さ３０ｎｍ、最上部の層４６₅ は厚さ７０
ｎｍであり、他の層４６₂ 〜４６₄ は厚さ１０ｎｍであ
る。最上部の障壁層４６₅ は光導波層を兼ねており、こ
こに周期約２４５ｎｍの一次の回折格子４７が形成され
ている。Ｉｎ_0.7 Ｇａ_0.3 Ａｓ井戸層４５は、基板４１
と面内の原子間隔が一致するように成長するために、約
1.16％の圧縮歪が入っている。井戸層４５の厚さは４ｎ
ｍであり、転位を発生させないための臨界膜厚より十分
に薄い。活性層４２は故意にはドーピングされていない
が、ｐ−ＩｎＰクラッド層を成長する際にドーパントの
Ｚｎが拡散するため、５×１０¹⁷ｃｍ^-3〜１×１０¹⁸ｃ
ｍ^-3のｐ型になっている。

【０１１６】ｐ−クラッド層４３は、寄生容量を低減す
るために活性層付近でのメサ幅５μｍの狭窄メサ形状に
加工されている。基板４１の下部にはｎ型オーミック電
極５１が、ｐ−コンタクト層４４の上にはｐ型のオーミ
ック電極５２が形成されており、これらの電極５１，５
２を介して外部からレーザに電流が注入される。共振器
長は３００μｍであり、共振器方向中央の回折格子には
四分の一波長の位相シフト領域４８が形成されている。
また、へき開により形成されたファセット面には、反射
率１％以下の無反射コーティングが形成されている。

【０１１７】この半導体レーザの発振しきい値は２２ｍ
Ａであり、波長1.52μｍで副モード抑圧比４０ｄＢ以上
の単一モード発振する。発振しきい値での利得ピーク波
長は1.57μｍであり、発振波長は５０ｎｍ負にデチュー
ニングされている。大きな負のデチューニングにもかか
わらず、発振しきい値の上昇は小さい。狭窄メサ構造に
より、寄生容量と直列抵抗で決まる時定数は８ｐｓであ
り、これはＣＲ周波数帯域は２０ＧＨｚに相当する。

【０１１８】半導体レーザの注入電流Ｉb 、共振周波数
ｆr 、ダンピング係数γの間には、 ｆr ＝（１／２π）（ξＡ／ｑＶa ）^1/2 （Ｉb −Ｉth）^1/2 …(3) γ＝Ｋｆr ² ＋１／τs …(4) の関係がある。ここで、ξは光閉じ込め係数、Ａは微分
利得、ｑは電子の電荷、Ｖa は活性層体積、Ｉthは発振
しきい値、ＫはＫファクターと呼ばれる係数、τs は微
分キャリア寿命である。Ｋファクターは非線形利得εと
微分利得Ａの比ε／Ａに比例する非線形項と、光子寿命
τp に比例する線形項の和で表される。非線形項はＡに
反比例して小さくなるが、εに比例して大きくなる。Ｋ
ファクターとダンピングにより決まる理論上の最大３ｄ
Ｂ帯域ｆmax の間には、 ｆmax ＝２^3/2 π／Ｋ …(5) の関係がある。

【０１１９】図１６は本実施例の半導体レーザのｆr の
（Ｉb −Ｉth）^1/2 依存性である。式(3) から、微分利
得は 6.8×１０^-12 ｍ³ ／ｓと求められる。図１７は、
この半導体レーザのγとｆr ² の関係を示す図である。
式(4) からＫファクターは0.13ｎｓと求められた。式
(5)より、このレーザのｆmax として６８ＧＨｚが得ら
れる。これは、歪量子井戸構造の導入による微分利得の
増大に加えて、デチューニングとアクセプタ・ドーピン
グにより非線形利得εが小さく抑えられたために実現さ
れたものである。また、デチューニングに関して言え
ば、歪量子井戸構造の導入によって初めて、これほど大
きな負のデチューニングが可能になったとも言える。も
ちろん、負のデチューニングとアクセプタ・ドーピング
そのものも微分利得の増大に寄与している。

【０１２０】なお、本実施例の場合、アクセプタ・ドー
ピングによる導波ロスの増加でτpが小さくなっている
ことも、線形項を介してＫファクターの低域に寄与して
いることを付記しておく。実際の３ｄＢ帯域はＣＲ時定
数によるロールオフと出力パワーの飽和により１７ＧＨ
ｚであったが、これはレーザ構造の改良で改善できるの
で本質的な制限要因ではない。

【０１２１】図１８は、微分利得対Ｋファクターの相関
図である。この実施例のレーザのデータを従来の半導体
レーザの特性、負のデチューニングとドーピングを行っ
ていない歪量子井戸レーザの特性、及び２０ｎｍ負のデ
チューニングをかけた歪量子井戸レーザの特性と比較し
てある。歪量子井戸レーザでは従来の半導体レーザと比
べて微分利得が大きくできるが、本実施例のようなデチ
ューニングやドーピングを行わない場合は非線形利得ε
が大きくなるため、Ｋファクターがかえって大きくなっ
てしまい、ｆmax はかえって小さくなってしまった。こ
れに対して本実施例のレーザではＫファクターが従来の
レーザより大きくなく、特に４０ｎｍ以上のデチューニ
ングをかけた場合は従来のレーザよりもかなり小さくな
り、従来の半導体レーザにはない超高速の応答が得られ
ることが分かる。

【０１２２】次に、第９及び第１０の発明の実施例につ
いて説明する。

【０１２３】図１９は、本発明の第８の実施例に係わる
半導体レーザの概略構造を示す断面図である。この半導
体レーザ下記のようにして作製される。（００１）主面
を持つｎ型ＩｎＰ半導体基板１ａ上に有機金属気相成長
（ＭＯＣＶＤ）法により、厚さ２μｍのｎ型ＩｎＰバッ
ファ層（クラッド）１ｂを介して、アンドープＩｎＧａ
ＡｓＰ層光導波層３ａ、アンドープＩｎＡｓ／ＩｎＧａ
ＡｓＰ多重量子井戸活性層４、アンドープＩｎＧＡｓＰ
層光導波層３ｂを順に積層する。活性層４は、図２０に
示すように、厚さ２ｎｍのアンドープＩｎＡｓ歪量子井
戸層２を１２層、厚さ５ｎｍのアンドープＩｎＧａＡｓ
Ｐ障壁層３を挟んで積層したものである。ＩｎＧａＡｓ
Ｐ層光導波層３ｂの上に回析格子を形成した後、上にＳ
ｉＯ₂ 膜を堆積し、通常のＰＥＰ技術によりパターニン
グを行い、活性領域となる幅２μｍのストライプの両サ
イドを幅１μｍづつエッチングで除去する。

【０１２４】次いで、ＳｉＯ₂ 膜を除去した後、ＭＯＣ
ＶＤ法により全体を厚さ２μｍのｐ型ＩｎＰクラッド層
５、厚さ 0.8μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層６
で埋め込む。コンタクト層６の上にｐ型オーミック電極
（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）１１、基板１の下部にはｎ型オー
ミック電極（Ａｕ／Ｇｅ）１２を形成する。そして、コ
ンタクト層６とｐ型クラッド層５を選択エッチングによ
り活性層４を含む幅１０μｍのメサに形成する。さら
に、ＳＨ系のエッチング液により外側の活性層を除去す
ることにより、図１９に示すようなマッシュルーム型の
断面形状を持つ自己整合挟搾メサ（ＳＡＣＭ）構造の半
導体レーザになる。このウェハは長さ１ｍｍのバー状に
へき開された後、幅３００μｍのチップに切り出され、
モジュールに実装される（図では省略）。

【０１２５】ここで、ＩｎＧａＡｓＰ障壁層３の組成
は、図２０に示すように、その禁制帯端が歪ＩｎＡｓ層
２の軽い正孔に対する禁制帯端Ｅ_LHとおおむね一致する
ように選ぶものとする。現状ではまだＩｎＰ基板上の歪
Ｉｎ_1-u Ｇａ_u Ａｓ_v Ｐ_1-v （０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦
１）のバンドアライメントは完全には知られていない。
しかし、ＩｎＰに挟まれた歪ＩｎＡｓ層は軽い正孔に対
してＩｎＰに挟まれたＩｎ_0.53Ｇａ_0.47Ａｓ層の場合よ
りも浅い量子井戸を形成することが分かっているので、
上記の条件を満たす無歪みのＩｎ_1-x Ｇａ_x Ａｓ_y Ｐ
_1-y 組成（０＜ｘ＜0.47，０＜ｙ＜１）が必ず存在す
る。

【０１２６】このようにすると、軽い正孔に対しては障
壁ができないため、軽い正孔は各井戸層２と障壁層３を
自由に移動することができる。しかも、軽い正孔は井戸
層内部で重い正孔と波動関数の重なり積分が０でないた
め、部分的に結合している。従って、ｐ−クラッド層か
ら離れた井戸に対しても効率良く井戸へ正孔注入がはか
れ、また井戸間の結合も良くなる。この結果、低しきい
値で高速特性の優れた歪多重量子井戸レーザが実現され
る。

【０１２７】軽い正孔に対して障壁ができていないこと
は、例えばフォトルミネセンスなどの測定により、確か
めることができる。即ち、重い正孔と電子の再結合によ
る発光は井戸層に平行な偏波成分のみ許容されるのに対
して、軽い正孔と電子の再結合による発光は井戸に垂直
な成分と平行な成分の両者に対して許容されるので、そ
の区別が可能であり、軽い正孔による発光が量子化され
た準位によるものかどうか調べることで、軽い正孔に対
する価電子帯端Ｅ_LHが概略一致しているかどうかの判断
を下すことができる。

【０１２８】なお、本発明は上記の実施例に限るもので
はなく、種々の変形が可能である。例えば、ＩｎＧａＡ
ｓＰ障壁層３をＩｎＰよりも格子定数の小さな材料で構
成してもよい。この場合のバンド構造の概念図を図２１
に示す。このようにすると、活性層が埋め込まれた歪多
重量子井戸レーザにおいて、側面の格子不整合の影響を
正負の歪みで相殺することができるので、歪井戸層の多
層化を計る際に格子欠陥の発生を抑制することができ
る。

【０１２９】また、基板より格子定数の小さな半導体層
を井戸層とする場合には、逆に歪井戸層と障壁層の重い
正孔に対する価電子帯端Ｅ_LHを概略一致させることで、
軽い正孔に対する量子井戸に関しても同様に、正孔の注
入効率向上と井戸間の結合効率の改善を計ることができ
る。この場合のバンド構造図を図２２に示す。

【０１３０】光導波層の横方向光（および電流）閉じ込
め構造は上記のＳＡＣＭ構造の他、埋込みヘテロ構造、
半絶縁性ＩｎＰ埋込み構造など様々なタイプが可能であ
る。分布帰還型（ＤＦＢ）レーザのほかに、ファブリペ
ロ（ＦＰ）レーザ、分布反射型（ＤＢＲ）レーザ、複数
の電極を持つ波長可変レーザ、複合共振器レーザ、モニ
タ集積レーザ、光導波路集積レーザ、双安定レーザなど
であってもよい。もちろん、半導体レーザ光増幅器、キ
ャリア注入型光スイッチ、半導体光変調器、これらを集
積化したフォトニックＩＣなどにも本発明を適用するこ
とができる。もちろん、材料もＩｎＡｓやＩｎＧａＡｓ
Ｐに限定されるものではない。

【０１３１】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、埋
め込まれた歪み半導体層側面の格子不整合が緩和される
ため、歪半導体層側面近傍への格子欠陥や不純物の偏析
の発生を防止することができ、特性や信頼性の優れた光
半導体素子を実現することが可能となる。

【０１３２】また本発明によれば、量子井戸活性層への
キャリア注入効率を上げることができ、発振しきい値が
低く、かつ高速応答可能な光半導体素子を実現すること
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例に係わる半導体レーザの概略構造
を示す断面図、

【図２】第１の実施例レーザの製造工程を示す断面図、

【図３】第２の実施例に係わる半導体レーザの概略構成
を示す断面図、

【図４】第３の実施例に係わる半導体レーザの概略構成
を示す断面図、

【図５】第３の実施例レーザの製造工程を示す断面図、

【図６】第４の実施例に係わる半導体半導体レーザの製
造工程を示す断面図、

【図７】第４の実施例におけるレーザ微分利得の井戸層
数依存性を示す特性図、

【図８】第５の実施例に係わる半導体レーザの概略構造
を示す断面図、

【図９】第５の実施例レーザの要部構成を示す断面図、

【図１０】第５の実施例における活性層側面のＺ方向の
格子面のずれを示す模式図、

【図１１】第６の実施例に係わる多重量子井戸半導体レ
ーザの概略構造を示す断面図、

【図１２】第６の実施例の要部構成を拡大して示す断面
図、

【図１３】第６の実施例レーザの製造工程を示す断面
図、

【図１４】第７の実施例に係わる半導体レーザの概略構
造を一部切欠して示す斜視図、

【図１５】第７の実施例の要部構成を示す断面図、

【図１６】第７の実施例のｆr の（Ｉb −Ｉth）^1/2 依
存性を示す図、

【図１７】第７の実施例のダンピング係数γとｆr ² と
の関係を示す図、

【図１８】第７の実施例におけるレーザ微分利得とＫフ
ァクターとの相関を示す模式図、

【図１９】第８の実施例に係わる半導体レーザの概略構
造を示す断面図、

【図２０】第８の実施例レーザの活性層のバンド構造を
示す模式図、

【図２１】第８の実施例における活性層のバンド構造の
他の例を示す模式図、

【図２２】第８の実施例における活性層のバンド構造の
他の例を示す模式図、

【図２３】従来の多重量子井戸半導体レーザの概略構成
を示す断面図。

【符号の説明】

１ａ…ｎ型ＩｎＰ基板、 １ｂ…ｎ型ＩｎＰバッファ層（クラッド層）、 ２…ＩｎＧａＡｓ歪量子井戸層、 ３…ＩｎＧａＡｓＰ障壁層、 ４…多重量子井戸活性層、 ５…ｐ型ＩｎＰクラッド層、 ６…ｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層、 ８…埋込み層、 ２７，２８…組成変化領域、 ３１…基板、 ３２…歪量子井戸活性層、 ３３…第１のｐ−クラッド層、 ３４…活性領域ストライプ、 ３５…歪量子井戸層、 ３６…障壁層、 ３７…第２のｐ−クラッド層、 ３８…コンタクト層、 ３９，４０…電極。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体基板上に形成され、電子のドゥ・ブ
   ロイ波長以下の層厚を有し半導体基板と格子整合しない
   第１の半導体層を該第１の半導体層よりも禁制帯幅が広
   い第２の半導体層で挟んだ歪量子井戸を少なくとも一つ
   有するストライプ状の光導波路層を有し、この光導波路
   層の周囲を第２の半導体層より禁制帯幅の広い半導体か
   らなるクラッド層で囲んだ構造を有する光半導体素子に
   おいて、 第１の半導体層の基板面と平行でない界面が基板法線方
   向に対して４５度以上の角度を有する面により構成され
   ていることを特徴とする光半導体素子。
2. 【請求項２】半導体基板上に形成され、電子のドゥ・ブ
   ロイ波長以下の層厚を有し半導体基板と格子整合しない
   第１の半導体層を該第１の半導体層よりも禁制帯幅が広
   い第２の半導体層で挟んだ歪量子井戸を少なくとも一つ
   有するストライプ状の光導波路層を有し、この光導波路
   層の周囲を第２の半導体層より禁制帯幅の広い半導体か
   らなるクラッド層で囲んだ構造を有する光半導体素子に
   おいて、 前記光導波路層と同じ基板並行面内にあるクラッド領域
   の平均格子定数が、半導体基板と第１の半導体層との中
   間の大きさを持つことを特徴とする光半導体素子。
3. 【請求項３】半導体基板上に形成され、電子のドゥ・ブ
   ロイ波長以下の層厚を有し半導体基板より格子定数が小
   さな第１の半導体層を該第１の半導体層よりも禁制帯幅
   が広い第２の半導体層で挟んだ歪量子井戸を少なくとも
   一つ有するストライプ状の光導波路層を有し、この光導
   波路層の周囲を第２の半導体層より禁制帯幅の広い半導
   体からなるクラッド層で囲んだ構造を有する光半導体素
   子において、 前記光導波路層と同じ基板平行面内にあるクラッド領域
   の内部にはｃ軸が基板法線方向に向いた正方晶構造の半
   導体層を有しており、その正方晶構造の半導体層のａ軸
   の格子定数が半導体基板の格子定数より小さいことを特
   徴とする光半導体素子。
4. 【請求項４】半導体基板とは格子定数が異なる歪半導体
   層を少なくとも一層含む歪量子井戸が形成された第１の
   領域と、この第１の領域の外側の前記歪量子井戸に隣接
   する部分に該歪量子井戸と平均格子定数が異なる第２の
   半導体層が形成された第２の領域とを、同一半導体基板
   上に含んでなる光半導体素子において、 第１の領域と第２の領域の境界部に、平均の格子定数が
   第１の半導体層のそれから第２の半導体層のそれの間で
   連続的に、或いは断続的に変化する組成変化領域が形成
   されていることを特徴とする光半導体素子。
5. 【請求項５】半導体基板とは格子定数が異なる歪半導体
   層を少なくとも一層含む歪量子井戸が形成された第１の
   領域と、この第１の領域の外側の前記歪量子井戸に隣接
   する部分に該歪量子井戸と平均格子定数が異なる第２の
   半導体層が形成された第２の領域とを、同一半導体基板
   上に含んでなる光半導体素子において、 第１の領域の歪量子井戸の最も下部にある歪半導体層の
   下部主面を基準面として、その基準面に最も近い低指数
   面の法線方向上向きに座標系Ｚをとり、第１の領域が無
   限に広がっていると仮定したときの第１の領域の基準面
   からｎ番目の単位格子面の座標Ｚ１（ｎ）、第１の領域
   に隣接する第２の領域が無限に広がっていると仮定した
   ときの第２の領域の基準面からｎ番目の単位格子面の座
   標をＺ２（ｎ）とし、また、 Ｚ２（ｎ＋１）−Ｚ２（ｎ） Ｚ２（ｎ）−Ｚ２（ｎ−１） Ｚ１（ｎ＋１）−Ｚ１（ｎ） Ｚ１（ｎ）−Ｚ１（ｎ−１） の４つの値のうち最小のものをδ_min （ｎ）とすると
   き、任意のｎに対して、ＡＢＳ｛Ｚ２（ｎ）−Ｚ１
   （ｎ）｝＜δ_min （ｎ）／２ の関係を満たすことを特徴とする光半導体素子。
6. 【請求項６】多重量子井戸活性層と、この活性層の主面
   に格子整合する第１のｐ型クラッド層と、前記活性層の
   側面に形成された、第１のｐ型クラッド層よりもアクセ
   プタ濃度の高い第２のｐ型クラッド層とを具備してなる
   ことを特徴とする光半導体素子。
7. 【請求項７】第１のｐ型クラッド層のアクセプタ濃度
   を、前記活性層から 0.25 μｍの範囲で２×１０¹⁷ｃｍ
   ^-3以下に設定し、且つ第２のｐ型クラッド層のアクセプ
   タ濃度を１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上に設定したことを特徴と
   する請求項６記載の光半導体素子。
8. 【請求項８】前記井戸層は、Ｉｎ_x Ｇａ_1-x Ａｓ（0.53
   ＜ｘ≦１）からなることを特徴とする請求項６記載の光
   半導体素子。
9. 【請求項９】本来の格子定数が半導体基板の格子定数よ
   り大きい井戸層と、本来の格子定数が半導体基板の格子
   定数と等しい又はそれより小さく且つ前記井戸層よりも
   禁制帯幅の広い障壁層とを、交互に積層した多重量子井
   戸構造の光半導体素子において、 前記井戸層の軽い正孔帯の禁制帯端と前記障壁層の軽い
   正孔帯の禁制帯端を、略一致させてなることを特徴とす
   る光半導体素子。
10. 【請求項１０】本来の格子定数が半導体基板の格子定数
    より小さい井戸層と、本来の格子定数が半導体基板の格
    子定数と等しい又はそれより大きく且つ前記井戸層より
    も禁制帯幅の広い障壁層とを、交互に積層した多重量子
    井戸構造の光半導体素子において、 前記井戸層の重い正孔帯の禁制帯端と前記障壁層の重い
    正孔帯の禁制帯端を、略一致させてなることを特徴とす
    る光半導体素子。