JPH07263791A

JPH07263791A - 半導体レーザ

Info

Publication number: JPH07263791A
Application number: JP4887094A
Authority: JP
Inventors: Toru Uchida; 徹内田
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1994-03-18
Filing date: 1994-03-18
Publication date: 1995-10-13

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】高い特性温度を実現することのできる１μｍ
帯半導体レーザを提供する、及び光変換効率の高い半導
体レーザを提供する。【構成】発光を行なう活性層５と、活性層を挟み、活
性層より大きなバンドギャップを有するガイド層６と、
ガイド層の両側を挟み、ガイド層よりも大きなバンドギ
ャップを有するクラッド層７とを含むレーザ構造を有
し、ＧａＡｓの格子定数をａ１、ＩｎＰの格子定数をａ
２とした時、ガイド層とクラッド層の格子定数がａ１よ
りも０．５％以上大きく、ａ２よりも０．５％以上小さ
く、活性層が、その他の層の格子定数と異なる格子定数
を有し、その膜厚が少なくとも単原子層の膜厚以上臨界
膜厚以下である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体レーザに関し、
特に優れた変換効率を有する半導体レーザに関する。

【０００２】

【従来の技術】光ファイバ通信は、大容量の幹線系から
加入者系へと普及しつつある。加入者系光ファイバ通信
では、システムの低コスト化が不可欠である。光源に
は、冷却器が不要なペルチエフリーシステムが要求され
る。

【０００３】このため、８５℃付近の高温でも低い駆動
電流で十分大きな光出力を発光することのできる半導体
レーザが望まれる。このためには、半導体レーザの温度
特性を支配する特性温度を十分高くすることが必要であ
る。

【０００４】半導体レーザは、ＧａＡｓ基板やＩｎＰ基
板を用いて作成されていた。光ファイバ通信において
は、ファイバ内の損失が少ない１．３μｍ帯、１．５５
μｍ帯（まとめて１μｍ帯と呼ぶ）の発光波長を有する
半導体レーザが要求される。

【０００５】ＧａＡｓ基板の上に格子整合したエピタキ
シャル層を用いて作成する半導体レーザでは、１μｍ帯
の発光を得ることができない。このため、１μｍ帯用の
半導体レーザとしては、ＩｎＰ基板が用いられてきた。

【０００６】典型的な１μｍ帯の半導体レーザは、Ｉｎ
Ｐ基板を用い、活性層としてＩｎＧａＡｓＰを用いたＩ
ｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系材料が用いられている。キャリ
アを活性層や活性層周辺に閉じ込めるためには、なるべ
く広いバンドギャップを有する層でクラッド層を形成す
ることが望まれる。ＩｎＰ基板に格子整合するＩＩＩ−
Ｖ族化合物半導体の中で最もバンドギャップの広い材料
としてＩｎＰが用いられている。

【０００７】また、活性層周辺に光を閉じ込めるための
ガイド層（光導波路層、バリア層）がクラッド層と活性
層の間に用いられる。このガイド層としては、活性層よ
りもバンドギャップの広いＩｎＧａＡｓＰが用いられて
いる。

【０００８】ところが、このようなＩｎＧａＡｓＰ／Ｉ
ｎＰ系半導体レーザの特性温度は、約６０Ｋ程度であ
り、高温下になると光出力が急激に低下してしまう。活
性層とバリア層との間にポテンシャルバリアを作成する
ために、比較的狭いバンドギャップの材料と比較的広い
バンドギャップの材料を用いる場合、伝導帯に生じるバ
ンドの不連続（ΔＥｃ）と、価電子帯に生じるバンド不
連続（ΔＥｖ）との比（ΔＥｃ／ΔＥｖ）は一定ではな
い。

【０００９】電子の有効質量は、正孔の有効質量よりも
軽いため、電子・正孔を効率良く活性層に閉じ込めるた
めには、ΔＥｃはΔＥｖよりも大きいことが望まれる。
しかしながら、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系材料で格子整
合してバンドギャップの異なる層を形成すると、ΔＥｖ
がΔＥｃよりもかなり大きくなってしまう。

【００１０】高温下での特性を改良した半導体レーザと
して、クラッド層およびガイド層にＡｌＩｎＧａＡｓ系
材料を用いた半導体レーザが提案されている。ＡｌＩｎ
ＧａＡｓ系材料を利用すると、ΔＥｃの大きさは大きく
なり、ある程度温度特性が改善される。

【００１１】しかし、ＡｌＩｎＧａＡｓ系材料を用いて
も、未だ充分な特性温度は実現できない。特性温度を十
分高くするためには、正孔の有効質量に対する電子の有
効質量に対応するように、ΔＥｃの値をΔＥｖの値に対
し、大きくすることが望まれる。

【００１２】また、活性層に歪を導入した歪導入活性層
を用いると、半導体レーザの発振閾値は低下することが
知られている。歪導入活性層を超格子構造とした歪ＭＱ
Ｗ（multi quantum well）型半導体レーザが用いられて
いる。この歪ＭＱＷ型半導体レーザにおいても、温度依
存性は改善されていない。

【００１３】高温においても低い発振閾値を実現するた
めに、半導体レーザのキャビティ両端の反射面を高反射
率とすることが提案されている。キャビティ内で往復す
る光の強度が増大するため、駆動電流を低減することが
できる。しかしながら、高反射率のキャビティを用いる
と、外部に取り出せる光出力は減少してしまう。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
従来の技術によれば、高い特性温度を有する１μｍ帯半
導体レーザを得ることは難しかった。

【００１５】本発明の目的は、高い特性温度を実現する
ことのできる１μｍ帯半導体レーザを提供することであ
る。本発明の他の目的は、光変換効率の高い半導体レー
ザを提供することである。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体レーザ
は、発光を行なう活性層と、活性層を挟み、活性層より
大きなバンドギャップを有するガイド層と、ガイド層の
両側を挟み、ガイド層よりも大きなバンドギャップを有
するクラッド層とを含むレーザ構造を有し、ＧａＡｓの
格子定数をａ１、ＩｎＰの格子定数をａ２とした時、ガ
イド層とクラッド層の格子定数がａ１よりも０．５％以
上大きく、ａ２よりも０．５％以上小さく、活性層が、
前記レーザ構造内のその他の層の格子定数と異なる格子
定数を有し、その膜厚が少なくとも単原子層の膜厚以上
臨界膜厚以下である。

【００１７】

【作用】現在、入手できるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を
用いて、１μｍ帯半導体レーザを作成しようとすると、
利用できる基板はＩｎＰである。

【００１８】しかしながら、ＩｎＰ基板を用い、ＩｎＰ
と格子整合するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いて１μ
ｍ帯半導体レーザを作成すると、活性層とガイド層との
間で伝導帯においては電子に対して良好な閉じ込め効果
を発揮し、価電子帯においては正孔に対して過度でない
良好な閉じ込め効果を発揮することのできるバンド不連
続を同時に作成することは困難であった。

【００１９】ＧａＡｓの格子定数とＩｎＰの格子定数の
中間領域の格子定数を有する結晶層を用いることによ
り、利用することのできるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材
料が拡がり、より良好なバンド不連続を実現することが
できる。

【００２０】活性層の両側をガイド層で挟み、ガイド層
の両側をクラッド層で挟んだレーザ構造においては、ガ
イド層、クラッド層は下地結晶層と格子整合させる必要
がある。

【００２１】下地結晶層の格子定数がＩｎＰの格子定数
よりも小さくなるようにすれば、ガイド層、活性層とし
てより好ましいバンド不連続を形成する材料を選択する
ことができる。

【００２２】また、活性層の厚さを臨界膜厚以下とする
ことにより、その両側のガイド層と格子整合しない場合
であっても欠陥の少ない高品質の薄膜を形成することが
できる。

【００２３】

【実施例】図１（Ａ）、（Ｂ）に、本発明の実施例によ
る半導体レーザの構造を示す。図１（Ａ）は半導体レー
ザの斜視図であり、図１（Ｂ）は半導体層の構成を概略
的に示すダイヤグラムである。

【００２４】ｎ型ＧａＡｓ基板１の上に、ｎ型Ｉｎ_0.2
Ｇａ_0.8Ａｓ歪バッファ層２が形成され、下地結晶層を
構成する。歪バッファ層２は、ＧａＡｓ基板１よりも大
きい格子定数を有する。歪バッファ層２を十分な厚さ成
長することにより、その最表面はＧａＡｓの格子定数よ
りも大きな面内格子定数を有するものとなる。すなわ
ち、下地結晶層１、２は、ＧａＡｓの格子定数よりも大
きく、ＩｎＰの格子定数よりも小さな格子定数を有する
最表面を構成する。

【００２５】下地結晶層の上には、アンドープＩｎ_0.4
Ｇａ_0.6Ａｓで形成された活性層５、活性層を挟むアン
ドープＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓで形成されたガイド層６、
ガイド層６の両側を挟むＩｎ_0.7Ｇａ_0.3Ｐのクラッド
層７で構成されるレーザ構造がエピタキシャルに成長さ
れる。なお、下側に配置されるクラッド層７ａはｎ型に
ドープされ、上側に配置されるクラッド層７ｂはｐ型に
ドープされている。

【００２６】レーザ構造の上には、ｐ型Ｉｎ_0.2Ｇａ
_0.8Ａｓで形成されたコンタクト層８がエピタキシャル
に成長されている。図１（Ａ）に示すように、コンタク
ト層８、ｐ側クラッド層７ｂの一部は、ストライプ状の
メサ型にエッチングされ、上にいくほど幅が狭くなる順
メサ構造を構成する。

【００２７】メサの上部表面を残し、上側表面上にはＳ
ｉＯ₂等で形成された絶縁層１０が形成されている。絶
縁層１０の上にはＴｉ層、Ｐｔ層、Ａｕ層の積層からな
るｐ側電極１２が形成されている。なお、基板１下側表
面には、ＡｕＧｅ層、Ａｕ層で形成されたｎ側電極１１
が形成されている。

【００２８】なお、歪バッファ層２の最表面の面内格子
定数は、ＧａＡｓの格子定数より０．５％以上大きく、
ＩｎＰの格子定数より０．５％以上小さくなるように選
ぶ。このような格子定数を用いることによりＩｎＰ基板
やＧａＡｓ基板を用いた時には得られなかった効果が得
易くなる。ＩｎＰの格子定数より０．５％以上小さな格
子定数とすることにより、小さな格子定数を用いる利点
が明確となる。ただし、ＧａＡｓの格子定数より０．５
％以上大きくないと１μｍ帯レーザを実現するのが困難
である。

【００２９】以下、本実施例の基礎となったデータや実
験結果について説明する。図３（Ａ）は、ＩＩＩ−Ｖ族
化合物半導体のバンドギャップと格子定数の関係を示す
グラフである。横軸に格子定数をÅで示し、縦軸にバン
ドギャップをｅＶで示す。

【００３０】ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体レーザの基板と
して最もよく用いられるＧａＡｓとＩｎＰは、バンドギ
ャップはＧａＡｓが僅かに広く、格子定数はＩｎＰの方
が約０．２Å大きい関係にある。一般的に知られている
物理定数は、ＧａＡｓの格子定数が５．６５３３Å、Ｉ
ｎＰの格子定数が５．８６８８Åである。

【００３１】ＧａＡｓ基板、ＩｎＰ基板上に格子整合す
るＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、図３（Ａ）においてＧ
ａＡｓのプロットおよびＩｎＰのプロットから横軸に垂
直に立てた垂線の上に載る材料である。

【００３２】図３（Ｂ）、（Ｃ）は、ＧａＡｓ基板上に
格子整合する材料を用いて活性層とガイド層にバンド不
連続を発生させた場合と、ＩｎＰ基板上に格子整合する
材料を用いて活性層、ガイド層にバンド不連続を発生さ
せた場合のバンド不連続の割合を示す概略図である。

【００３３】図３（Ｃ）に示すように、ＩｎＰ基板を用
い、その上に格子整合する材料を積層した半導体レーザ
を作成した場合、活性層とガイド層にバンド不連続を発
生させると、そのバンド不連続の多くは価電子帯のバン
ド不連続ΔＥｖとして現れ、伝導帯に生じるバンド不連
続ΔＥｃはΔＥｖと比べ、小さい。

【００３４】電子の有効質量は、正孔の有効質量よりも
軽いため、伝導帯のバンド不連続を大きくしないと、電
子は活性層に閉じ込められず、一旦活性層に入っても再
び活性層外に飛び出してしまう。伝導帯のバンド不連続
ΔＥｃを電子の閉じ込めに十分なほど深くすると、格子
不整合の程度は大きくなる。

【００３５】また、価電子帯のバンド不連続ΔＥｖが大
きくなりすぎてしまう。たとえば、図２（Ａ）に示すよ
うなＭＱＷ構造を採用した場合、ｐ側領域からガイド層
に注入させた正孔は、最もｐ側領域に近い活性層内に閉
じ込められ、ｎ型領域側の活性層には到達できなくなっ
てしまう。

【００３６】ＭＱＷ構造において、キャリアを十分均一
に注入するためには、バンド不連続の深さは深くしすぎ
てはならない。したがって、使用温度において適切なキ
ャリア閉じ込め効果を発揮させるためには、ΔＥｖとΔ
Ｅｃの比が重要となる。

【００３７】図３（Ｂ）に示すように、ＩｎＰよりも格
子定数の小さなＧａＡｓ基板上にレーザ構造を構成する
と、価電子帯のバンド不連続ΔＥｖに対する伝導帯のバ
ンド不連続ΔＥｃの比は増大し、１に近付く。この現象
は、格子定数が小さな材料を用いるほど、ΔＥｃ／ΔＥ
ｖの比を大きくできることを意味している。

【００３８】図３（Ａ）から明らかなように、ＧａＡｓ
基板を用い、格子整合する材料を用いると、１μｍ帯の
半導体レーザを形成することはできない。したがって、
１μｍ帯レーザ用としては、一般にＩｎＰ基板が用いら
れている。１μｍ帯の発光を実現するレーザ構造をＩｎ
Ｐ基板上に形成する場合、用いる材料はＩｎＧａＡｓＰ
系材料から選択することになる。

【００３９】図１（Ａ）、（Ｂ）において、歪バッファ
層２は、ＧａＡｓよりも大きな面内格子定数を実現する
ための層である。歪バッファ層２の上に形成されるクラ
ッド層７、ガイド層６は、歪バッファ層２の最表面の面
内格子定数と格子整合している。活性層５は、ガイド層
６よりも大きな格子定数を有し、圧縮歪を受けた歪活性
層となる。なお、活性層５は、無歪の状態で格子定数が
クラッド層の格子定数より０．５％以上大きいＩｎＧａ
Ａｓであることが望ましい。

【００４０】クラッド層を形成するＩｎＧａＰは、活性
層およびガイド層を形成するＩｎＧａＡｓよりも広いバ
ンドギャップを有する。したがって、図１（Ａ）、
（Ｂ）の構成において、下側のｎ型領域から注入される
電子は上側クラッド層において反射され、上側のｐ型領
域から注入される正孔は、下側クラッド層において反射
される。このように、広いバンドギャップを有するクラ
ッド層を用いることにより、電子・正孔に対する閉じ込
め効果が増大する。

【００４１】ところで、図１（Ｂ）に示すように、活性
層５としてガイド層６と異なる格子定数を有する材料を
用いると、格子不整合が発生する。格子不整合による結
晶性の悪化を防止するためには、活性層５の厚さを臨界
膜厚以下とし、必要に応じて２層以上に分割して、図２
（Ａ）に示すように多重量子井戸（ＭＱＷ）構造とする
ことが望ましい。

【００４２】図２（Ａ）において、活性層５は複数の層
に分割され、ガイド層６内に分散して配置される。活性
層５全体として十分な厚さを確保し、かつ格子不整合に
よる格子欠陥を防止するために、ＭＱＷ構造は有効であ
る。

【００４３】なお、下地結晶層上に格子不整合する層を
成長する場合、ある厚さまでは良好な結晶層を成長させ
ることができる。この厚さ限界を一般的に臨界膜厚と呼
ぶ。ここで、本明細書において臨界膜厚とは、具体的に
は下記の膜厚をいう。

【００４４】活性層を挟むガイド層でも電子正孔対を励
起させることのできるエネルギを有する励起光を照射
し、活性層からのＰＬ強度を測定する。活性層とガイド
層の全厚さをほぼ一定とした条件下で、活性層の膜厚が
ある値より大きくなると、活性層内部に生じる欠陥の数
が多くなりＰＬ強度が大きく減衰する。膜厚が十分薄い
ときは、例えば、活性層の膜厚を５０％程度増加しても
ＰＬ強度はほとんど減衰しない。活性層の膜厚を徐々に
増加し、膜厚を５０％増加したときに、ＰＬ強度が１／
２に減衰するような膜厚条件を見つける。この５０％増
加させた膜厚を臨界膜厚と定義する。

【００４５】本発明者は、活性層５の材料Ｉｎ_xＧａ
_1-xＡｓの組成ｘと、ガイド層６の材料Ｉｎ_yＧａ_1-y
Ａｓの組成ｙを種々に変更し、活性層からの発光波長を
算出した。

【００４６】図２（Ｂ）は、格子不整合の活性層とガイ
ド層を用いた場合、活性層から発する発光波長を示すグ
ラフである。図中横軸に活性層５のＩｎ組成ｘを示し、
縦軸に発光波長をμｍで示す。なお、活性層の厚さはMa
tthewsにより与えられた理論上の臨界膜厚とした。な
お、先に定義した臨界膜厚は実験上の値であり、理論上
の値に比べて一般的に小さい。図に示す３本の曲線は、
ガイド層６のＩｎ組成ｙが０、０．１、０．２の時、活
性層５のＩｎ組成ｘの変化に対する発光波長の変化を示
す。

【００４７】ｘ＝ｙの時は、格子整合されており、活性
層の厚さの制限はなくなる。組成ｘと組成ｙの差が大き
くなるほど、格子不整合が大きくなり、活性層の臨界膜
厚は減少する。

【００４８】図中、各曲線において、Ｉｎ組成の増大に
つれ、格子不整合の度合いは増大し、臨界膜厚は薄くな
る。図３（Ａ）に示すように、ＩｎＧａＡｓのＩｎ組成
を増大させることは、バンドギャップを減少させること
となる。図２（Ｂ）において、活性層５のＩｎ組成ｘが
増大すると共に、発光波長が長波長化する傾向は、この
バンドギャップ減少と対応している。

【００４９】ところで、活性層のＩｎ組成ｘとガイド層
のＩｎ組成ｙの差が大きくなると、活性層の臨界膜厚は
著しく減少する。したがって、薄い活性層を用いたＭＱ
Ｗ構造とする必要が生じる。

【００５０】活性層の厚さが薄くなると、量子効果によ
り活性層内の実効的バンドギャップは拡がる。この量子
効果により、図２（Ｂ）に示す発光波長は、活性層５の
Ｉｎ組成ｘの増大に拘らず、増加する傾向を緩め、飽和
し、やがて減少している。

【００５１】活性層の厚さを、臨界膜厚よりも薄くする
と、この発光波長の短波長化はより速やかに生じる。し
たがって、図２（Ｂ）に示す活性層５とガイド層６の組
成の組合せにおいて実現できる発光波長は、図に示す曲
線よりも下側に位置することになる。

【００５２】ガイド層６をＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓとした
場合、１．３μｍの発光を得ることはできないが、ガイ
ド層６の組成をＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓとすれば、１．３
μｍの発光波長を十分得ることができる。

【００５３】なお、活性層、ガイド層として必要とされ
るバンドギャップをＩｎＧａＡｓＰを用いて実現した場
合、Ｐの組成が少ないほど価電子帯のバンド不連続ΔＥ
ｖを基準とした伝導帯のバンド不連続ΔＥｃを大きくで
きることが判った。Ｐ組成を少なくして同じバンドギャ
ップにするためには、Ｐ組成の割合とほぼ同じだけＩｎ
組成を減らさなければならず、格子定数は小さくなる。

【００５４】結局、活性層、ガイド層の格子定数として
は、なるべく小さな格子定数を用いることがΔＥｃ／Δ
Ｅｖの比を増大するのに有効であることが判った。図２
（Ｂ）から明らかなように、波長１．３μｍ以上の発光
を得るためには、ガイド層６のＩｎ組成ｘを０．２以上
にする必要がある。この組成範囲の中でなるべく小さな
格子定数を得るためには、Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓとする
ことが好ましい。

【００５５】また、活性層５としてＩｎ組成の大きな圧
縮性歪を有する量子井戸を用いることで、より小さな格
子定数で発光波長１．３μｍの半導体レーザを実現でき
る。同時に歪み導入により、発光効率が向上するという
利点もある。歪み導入による十分な効率向上を得るため
には、クラッド層と活性層の格子定数の差は０．５％以
上であることが望ましい。

【００５６】図１（Ａ）、（Ｂ）に示す構成は、このよ
うな考察に基づいて設計されたものである。なお、ΔＥ
ｃ／ΔＥｖの比の増大による十分な効果を得るために
は、クラッド層の格子定数を従来のＩｎＰより１％以上
小さくすることが好ましい。このことから、クラッド層
の好ましい格子定数の上限が決まる。

【００５７】また、クラッド層と活性層との格子定数の
不整合が大きいと、臨界膜厚が薄くなるため、発光波長
が短波長化するとともに、製造が困難になる。ある程度
の厚さの臨界膜厚を確保する必要があることからクラッ
ド層の好ましい格子定数の下限が決まる。すなわち、ク
ラッド層の格子定数は、ＧａＡｓの格子定数よりも１．
５〜２．５％程度大きくなるように選択することが好ま
しい。

【００５８】波長１．５５μｍの発光を得るためには、
上記と同様の考察から、クラッド層の格子定数はＧａＡ
ｓの格子定数よりも２．０〜３．０％程度大きくなるよ
うに選択することが好ましい。

【００５９】ガイド層を用いたＳＣＨ（separated conf
inement hetero）構造の半導体レーザにおいては、活性
層はガイド層で囲まれ、ガイド層の外側にはクラッド層
が配置される。これらの中で活性層が最もバンドギャッ
プが狭く、ガイド層が活性層よりもバンドギャップが広
く、クラッド層は最もバンドギャップが広い。

【００６０】図４（Ａ）は、このようなＳＣＨ構造のレ
ーザ構造内におけるバンド構造を概略的に示すダイヤグ
ラムである。一方のクラッド層７ａはｎ型領域であり、
他のクラッド層７ｂはｐ型領域である。これら一対のク
ラッド層の間に、活性層５を挟んだガイド層６が挿入さ
れている。活性層５は、２つの層に分割され、ＭＱＷ構
造を構成している。

【００６１】ｎ型クラッド層７ａから注入された電子
は、活性層５に捕捉されない場合、ｐ型クラッド層７ｂ
まで進行してしまう。ここで、クラッド層７ｂがガイド
層６に対して形成する電位障壁が十分高ければ、電子は
クラッド層７ｂで反射され、再び活性層５に向かう。同
様、ｐ型クラッド層７ｂから注入された正孔は、活性層
５に捕捉されなかった場合、ｎ型クラッド層７ａまで進
行する。ここで、ｎ型クラッド層７ａの形成する電位障
壁が十分高ければ、正孔は反射され、再び活性層５に向
かう。

【００６２】クラッド層がガイド層に対して十分高い電
位障壁を形成すると、キャリアに対する閉じ込め効果は
増大する。なお、このようなバンドギャップの構成は、
屈折率分布にも反映され、キャリア閉じ込め効果と同時
に光閉じ込め効果も増大させることになる。このような
閉じ込め効果を大きくするためには、クラッド層として
なるべくバンドギャップの広い材料を用いることが望ま
しい。

【００６３】図３（Ａ）を参照すると、ガイド層として
ＩｎＧａＡｓＰ系混晶を用いる場合は、ＩｎＧａＰを用
いた時、そのバンドギャップは最大となる。基板がＩｎ
Ｐであれば、ＩｎＰと格子整合するバンドギャップが最
大のＩｎＧａＰ系混晶はＩｎＰであるため、従来技術に
よるレーザ構造においてクラッド層としてＩｎＰが用い
られている理由と符号する。下地結晶の格子定数が、Ｉ
ｎＰよりも小さい場合、クラッド層のバンドギャップは
さらに増大させることができる。

【００６４】図１（Ａ）、（Ｂ）の実施例において、ク
ラッド層としてＩｎ_0.7Ｇａ_0.3Ｐを用いたことは、Ｉ
ｎＧａＡｓＰ系材料内で最も広いバンドギャップを有す
るクラッド層を用い、閉じ込め効果を増大させたことを
意味する。

【００６５】ところで、図３（Ａ）から明らかなよう
に、ＩｎＧａＰと同じ格子定数でより広いバンドギャッ
プを有する材料が存在する。すなわち、ＧａＡｓの格子
定数とＩｎＰの格子定数の間の格子定数領域において、
ＩｎＧａＰの曲線とＡｌＩｎＰの曲線に挟まれた領域内
のＡｌＧａＩｎＡｓＰを用いると、同一の格子定数を有
するＩｎＧａＰよりも広いバンドギャップを実現するこ
とができる。

【００６６】図４（Ｂ）は、このような広いバンドギャ
ップを有する材料でクラッド層を形成した構成を示す。
活性層５、ガイド層６としては、図１（Ａ）、（Ｂ）に
示す実施例同様のＩｎＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓＰを
用い、その両側のクラッド層７として図３（Ａ）に示す
斜線領域のＡｌＧａＩｎＡｓＰを用いる。ｎ型領域にお
いては、ｎ型ＡｌＧａＩｎＡｓＰクラッド層７ａを用
い、ｐ型領域においてはｐ型ＡｌＧａＩｎＡｓＰクラッ
ド層７ｂを用いる。

【００６７】基板１としては、ｎ型ＩｎＰまたはｎ型Ｇ
ａＡｓを用い、クラッド層、ガイド層の格子定数に整合
させるため、面内格子定数を変化させるための歪バッフ
ァ層２を基板１上に成長する。歪バッファ層２の上に、
上述のレーザ構造５、６、７を成長し、さらにｐ型コン
タクト層８としてｐ⁺型ＩｎＧａＡｓ層を成長する。

【００６８】このような構成とすれば、ガイド層６とク
ラッド層７の間の電位障壁が高くなり、活性層に捕捉さ
れず、拡散したキャリアを効率良く反射し、再び活性層
に向かわせることが可能となる。

【００６９】基板上に格子定数の異なる層を成長すると
大きな歪が発生し、歪が緩和する時に転位が発生する。
この転位が活性層を貫通するのを抑制する構造が望まれ
る。また、歪を緩和させるためには十分厚い歪バッファ
層を成長させる必要がある。ここで、より薄い歪バッフ
ァ層を用いて、歪を有効に開放することが望まれる。

【００７０】図５（Ａ）、（Ｂ）は、基板とレーザ構造
の間にある格子不整合を速やかに緩和し、かつ歪を消滅
させ、その時生じる転位が活性層を貫通するのを抑制で
きるレーザ構造を示す。

【００７１】図５（Ａ）においては、ｎ型ＧａＡｓ基板
１の上に組成ｘを０から０．２５まで徐々に変化させた
ｎ型Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓの組成勾配層２ａをまず成長
し、その上に組成ｘが組成勾配層２ａの最大組成０．２
５より５％低く、均一なｎ型Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓの均
一組成層２ｂを成長する。

【００７２】すなわち、結晶の本来有する格子定数とし
ては、基板１から組成勾配層２ａに移ると、格子定数は
次第に増大し、均一組成層２ｂでは再び減少し、一定の
値となる。

【００７３】均一組成層２ｂの上には、図１（Ａ）、
（Ｂ）と同様のレーザ構造５、６、７、およびコンタク
ト層８をエピタキシャルに成長する。図６は、図５
（Ａ）に示すような組成勾配層２ａ、均一組成層２ｂを
用いた場合の格子の変化を概略的に示すダイヤグラムで
ある。組成勾配層２ａにおいては、物質本来の格子定数
は次第に増大する。

【００７４】しかしながら、基板上に形成された組成勾
配層２ａにおいては、基板の格子定数に制限され、面内
格子定数はそれほど増大することができない。したがっ
て、格子は面内方向では圧縮され、面に垂直な方向に長
くなる変形を示す。すなわち、組成勾配層２ａにおいて
は、面内格子定数も次第に増大するが、面内方向におい
ては、圧縮応力が働いている。組成勾配層２ａの上に、
均一組成層２ｂが成長されている。均一組成層２ｂの格
子定数は、組成勾配層２ａの最表面の面内格子定数と格
子整合するように選択される。すると、均一組成層２ｂ
においては、格子は変形せずにそのまま成長する。した
がって、均一組成層は無歪とすることができる。

【００７５】この歪緩和機構を検証するため、均一組成
層２ｂの厚さを１μｍとし、各クラッド層７の厚さを
０．１μｍ、各ガイド層６の厚さを０．０５μｍ、活性
層５の厚さを５ｎｍとし、組成勾配層２ａの厚さを１μ
ｍ、１．５μｍ、２．４μｍとしたサンプルを形成し
た。各サンプルにおいて、組成勾配層２ａ内の組成は、
連続的にリニアに変化させた。

【００７６】この３種類のサンプルを用い、活性層から
のホトルミネッセンスＰＬを測定した。ＰＬ強度は、組
成勾配層２ａを１．５μｍとしたサンプルにおいて最大
となった。３つのサンプルの内、組成勾配層２ａの厚さ
が１．５μｍのサンプルが、最もＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ
均一組成層の格子定数に近い面内格子定数を形成したも
のと考えられる。

【００７７】本実施例においては、組成勾配層において
積極的に組成を変化させることにより、厚さによる効果
と組成変化による効果が共に生じている。１．５μｍの
厚さを有する組成勾配層を用いた場合、最表面における
面内格子定数は均一組成層２ｂの組成Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8
Ａｓの格子定数に近くなっていることが判る。

【００７８】そして、同様な構造について透過型電子顕
微鏡によりその断面像を調べたところ、転位は組成勾配
層（２ａ）の中で生じ、その転位は組成勾配層に閉じ込
められ、活性層を貫通する転位はほとんどないことを発
見した。

【００７９】このように、組成勾配層を用いると、活性
層を貫通する転位を極力少なくすることができる。ま
た、組成勾配層と均一組成層の格子定数の組み合わせ方
でより薄い歪緩和層で無歪の結晶表面を得ることが可能
となる。

【００８０】上記実施例では、組成勾配層２ａの最表面
のＩｎ組成ｘが０．２５、その上の均一組成層のＩｎ組
成ｘが０．２である場合について説明したが、Ｉｎ組成
をその他の値としてもよい。例えば、組成勾配層２ａの
最表面のＩｎ組成ｘが０．２〜０．３５の範囲であり、
その上の均一組成層のＩｎ組成ｘが組成勾配層の最表面
のＩｎ組成ｘよりも小さくなり、その差が０．０５以下
になるような構成としてもよい。

【００８１】なお、歪バッファ層を用いると、結晶表面
に歪が残り、その上に成長するエピタキシャル層の表面
に凹凸が生じる。この凹凸は、〔１１０〕方向で少な
く、〔１１０〕方向に垂直な〔−１１０〕方向で大き
い。したがって、半導体レーザのキャビティ方向は〔１
１０〕方向とすることが望ましい。キャビティ方向を
〔１１０〕とすると、キャビティ方向において凹凸が少
なく、キャビティ内を往復する光の散乱が減少する。

【００８２】上述の組成勾配層と均一組成層の組合せに
よる歪バッファ層は、他の構成に適用することもでき
る。図５（Ｂ）は、組成勾配層と均一組成層の組合せに
よる歪バッファ層を用いた他の構成例を示す。ｎ型Ｇａ
Ａｓ基板１の上に、組成ｘが０から０．２５までリニア
にかつ徐々に変化し、不純物濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3を有
する組成勾配層２ａを厚さ約１．５μｍ成長する。

【００８３】組成勾配層２ａの上に、一定組成Ｉｎ_0.2
Ｇａ_0.8Ａｓを有する均一組成層２ｂを成長する。均一
組成層２ｂは、厚さ１．０μｍ、ｎ型不純物濃度１×１
０¹⁸ｃｍ^-3を有するｎ型層である。

【００８４】均一組成層２ｂの上に、厚さ１．０μｍ、
ｎ型不純物濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3を有するｎ型Ｉｎ_0.7
Ｇａ_0.3Ｐクラッド層７を成長する。クラッド層３の上
に、厚さ０．０２μｍのアンドープＩｎ_0.3Ｇａ_0.7Ａ
ｓ活性層と、活性層を挟む厚さ０．１μｍのアンドープ
Ｉｎ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ_0.8Ｐ_0.2ガイド層６を有するＳ
ＣＨ（separated confinement hetero）構造を形成す
る。ガイド層６を４元組成としたことにより大きなバン
ド不連続を得ることができる。

【００８５】このＳＣＨ構造の上に、厚さ１．０μｍ、
ｐ型不純物濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3のｐ型Ｉｎ_0.7Ｇａ
_0.3Ｐクラッド層７を成長し、さらにその上に厚さ０．
５μｍ、ｐ型不純物濃度３×１０¹⁹ｃｍ^-3のｐ型Ｉｎ
_0.2Ｇａ_0.8Ａｓコンタクト層８を成長する。

【００８６】図５（Ｂ）に示すエピタキシャル構造を採
用し、図１（Ａ）に示すようなリッジ型半導体レーザを
構成した時、キャビティ長９００μｍで発振波長１．１
５μｍ、電流密度５００Ａ／ｃｍ²で発振させることが
できた。

【００８７】次に、組成勾配層の膜厚と活性層の品質の
関係について説明する。図７は、組成勾配層と均一組成
層の組み合わせからなる歪バッファ層を用いた他の構成
例を示す。ｎ型ＧａＡｓ基板１の上に、組成ｘが０から
０．３までリニアにかつ徐々に変化させた組成Ｉｎ_xＧ
ａ_1-xＡｓを有する組成勾配層２ａを厚さ０．５〜２．
４μｍ成長させる。組成勾配層２ａは、不純物濃度１×
１０¹⁸ｃｍ^-3のｎ型層である。

【００８８】組成勾配層２ａの上に一定組成Ｉｎ_0.3Ｇ
ａ_0.7Ａｓを有する均一組成層２ｂを成長する。均一成
長層２ｂは、厚さ１．０μｍ、ｎ型不純物濃度１×１０
¹⁸ｃｍ^-3を有するｎ型層である。

【００８９】均一組成層２ｂの上に、厚さ１μｍ、ｎ型
不純物濃度１×１０¹⁹ｃｍ^-3を有するｎ型Ｉｎ_0.8Ｇａ
_0.2Ｐクラッド層３を成長する。クラッド層３の上に、
厚さ５ｎｍのアンドープＩｎ_0.45Ｇａ_0.55Ａｓ活性層５
と、活性層５を挟む厚さ０．１μｍのアンドープＩｎ
_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ_0.8Ｐ_O.2のガイド層６を有するＳＣ
Ｈ構造を形成する。このＳＣＨ構造の上に厚さ１μｍ、
ｐ型不純物濃度１×１０ ¹⁸ｃｍ^-3のｐ型Ｉｎ_0.8Ｇａ
_0.2Ｐクラッド層７を成長する。

【００９０】図８は、図７の積層構造における活性層５
からのフォトルミネッセンス（ＰＬ）強度を示す。励起
光としては、ガイド層６でも電子正孔対を励起できるエ
ネルギを有するものを使用した。従って、ガイド層６で
励起された電子正孔対も主に活性層５に注入され、活性
層５で再結合して発光する。

【００９１】横軸は、組成勾配層２ａの単位膜厚当たり
の格子定数の変化率、すなわち、組成勾配層２ａの基板
１側の面における組成の無歪時の格子定数をａ３、最表
面の格子定数をａ４、膜厚をｄ１としたとき、｜（ａ４
−ａ３）／ｄ１｜を表す。なお、基板としてＩｎＰを使
用する場合は、ａ３＞ａ４となり、（ａ４−ａ３）／ｄ
１が負になるため、絶対値符号を付している。縦軸は、
ＰＬ強度を任意目盛で表す。

【００９２】格子定数の変化率が２×１０^-5以上のと
き、発光はほとんど見られない。これは、組成勾配層２
ａ中の格子定数の変化率が急激なため、組成勾配層２ａ
内で発生した多数の転位が、活性層５まで及んでいるた
めと考えられる。

【００９３】格子定数の変化率が２×１０^-5よりも小さ
くなると徐々にＰＬ強度が増加する。変化率が１．６×
１０^-5になるとＰＬ強度の増加が大きくなり、１．２×
１０ ^-5になるとＰＬ強度は急激に増加し、０．９×１０
^-5でほぼ飽和する。これは、格子定数の変化率を小さく
すると活性層まで及ぶ転位が減少するためと考えられ
る。また、約０．９×１０^-5以下で活性層３の転位密度
は発光材料としてほとんど問題にならない密度にまで減
少しているものと考えられる。

【００９４】図８から、組成勾配層における格子定数の
変化率は、単位膜厚当たり１．６×１０^-5以下であるこ
とが好ましい。さらには、１．２×１０^-5以下であるこ
とが好ましく、０．９×１０^-5以下であることがより好
ましい。

【００９５】次に、活性層の歪量と膜厚が活性層の品質
に与える影響について説明する。図９は、組成勾配層と
均一組成層の組み合わせによる歪バッファ層を用いた他
の構成例を示す。組成勾配層２ａ、均一組成層２ｂ、ク
ラッド層７及びガイド層６の組成及び膜厚は、図７に示
す構成と同様である。なお、組成勾配層２ａの膜厚は２
μｍである。膜厚２μｍは、図７の構成例で十分良好な
ＰＬ強度を得ることができた範囲内の膜厚である。

【００９６】図１０は、図９に示す積層構造において、
活性層５の組成と膜厚を変化させたときの活性層のＰＬ
強度を示す。横軸は、活性層５が無歪状態で本来有する
格子定数をａ５、クラッド層７の格子定数をａ６とした
とき、（ａ５−ａ６）／ａ６を表す。活性層５がガイド
層６を通してクラッド層７上にエピタキシャルに成長す
ると、活性層５の膜厚が十分薄ければ格子定数はクラッ
ド層７の格子定数に整合する。すなわち、（ａ５−ａ
６）／ａ６は、活性層の歪量を表す。縦軸は、活性層５
の膜厚ｄ２を単位ｎｍで表す。

【００９７】図中○は良好なＰＬ強度が得られた試料
を、●は良好なＰＬ強度が得られた試料のＰＬ強度の半
分以下のＰＬ強度しか得られなかった試料を示す。すな
わち、図中の実線ｐは、活性層５の歪量に対する臨界膜
厚を示す。

【００９８】図１０の実線ｐよりも下の領域で良好なＰ
Ｌ強度が得られることがわかる。これは、活性層５の膜
厚が臨界膜厚以下であれば、活性層５はクラッド層７の
格子定数に整合してエピタキシャルに成長するが、膜厚
が大きくなると転位等の欠陥が増加するためと考えられ
る。

【００９９】図１０から、良好なＰＬ強度を得るために
は、ｄ２×｛（ａ５−ａ６）／ａ６｝²＜９×１０^-4 を満足するようにａ５、ａ６、ｄ２を選択すればよいこ
とがわかる。

【０１００】なお、歪活性層の導入により発光効率向上
の効果を得るためには、クラッド層と活性層の格子定数
の差は０．５％以上であることが好ましい。すなわち、（ａ５−ａ６）／ａ６＞５×１０^-3 であることが好ましい。

【０１０１】図９では、活性層として所定の組成のＩｎ
ＧａＡｓを用いた場合について説明したが、活性層をＩ
ｎＡｓとＧａＡｓを一層ずつ交互に積層した短周期超格
子構造としてもよい。短周期超格子構造とすることによ
り、歪による欠陥の発生を抑制することができる。な
お、ＩｎＡｓとＧａＡｓ層は、必ずしも一層ずつ積層す
る必要はなく、０．７〜１層程度を交互に積層しても同
様の効果を得ることができる。ここで、一層以下とは、
超格子が成長表面の全面に完全に成長せず、部分的に下
地の層が露出している場合をいう。

【０１０２】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。たとえば、
種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者
に自明であろう。

【０１０３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
温度特性の優れた１μｍ帯ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体レ
ーザを提供することができる。

【０１０４】また、発光効率の優れた１μｍ帯ＩＩＩ−
Ｖ族化合物半導体レーザを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す斜視図および概略断面図
である。

【図２】図１に示す実施例を説明するための概略断面図
およびグラフである。

【図３】ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体レーザの特性を説明
するためのグラフおよびダイヤグラムである。

【図４】本発明の他の実施例による半導体レーザを説明
するためのダイヤグラムおよび概略断面図である。

【図５】本発明の他の実施例による半導体レーザの積層
構造を説明するための概略断面図である。

【図６】図５に示す実施例の歪緩和効果を説明するため
の概略ダイヤグラムである。

【図７】本発明の他の実施例による半導体レーザの積層
構造を説明するための概略断面図である。

【図８】図７に示す半導体レーザの組成勾配層の格子定
数の変化率と活性層からのＰＬ強度の関係を示すグラフ
である。

【図９】本発明の他の実施例による半導体レーザの積層
構造を説明するための概略断面図である。

【図１０】図９に示す半導体レーザにおいて、良好なＰ
Ｌ強度を得ることができる活性層の歪量と膜厚の関係を
示すグラフである。

【符号の説明】

１基板２歪バッファ層２ａ組成勾配層２ｂ均一組成層５活性層６ガイド層７クラッド層８コンタクト層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】発光を行なう活性層（５）と、活性層を
挟み、活性層より大きなバンドギャップを有するガイド
層（６）と、ガイド層（６）の両側を挟み、ガイド層よ
りも大きなバンドギャップを有するクラッド層（７）と
を含むレーザ構造を有し、ＧａＡｓの格子定数をａ１、ＩｎＰの格子定数をａ２と
した時、ガイド層（６）とクラッド層（７）の格子定数
がａ１よりも０．５％以上大きく、ａ２よりも０．５％
以上小さく、活性層（５）が、前記レーザ構造内のその他の層の格子
定数と異なる格子定数を有し、その膜厚が少なくとも単
原子層の膜厚以上臨界膜厚以下である半導体レーザ。
【請求項２】前記レーザ構造において、前記活性層
（５）の組成における無歪時の格子定数をａ５、前記ク
ラッド層（７）の格子定数をａ６としたとき、ａ５、ａ
６の関係が、（ａ５−ａ６）／ａ６＞５×１０^-3 を満足する関係にある請求項１記載の半導体レーザ。
【請求項３】前記レーザ構造において、前記活性層
（５）の膜厚をｄ２〔ｎｍ〕、その組成における無歪時
の格子定数をａ５、前記クラッド層（７）の格子定数を
ａ６としたとき、ｄ２、ａ５、ａ６の関係が、ｄ２×｛（ａ５−ａ６）／ａ６｝²＜９×１０^-4 を満足する関係にある請求項１または２記載の半導体レ
ーザ。
【請求項４】さらに、基板（１）と、基板と格子整合
する組成近傍の組成から徐々に組成を変化させたＩＩＩ
−Ｖ族化合物半導体層からなる組成勾配層（２ａ）とを
含む下地結晶層（１、２）を有し、組成勾配層の最表面は、ａ１よりも０．５％以上大き
く、ａ２よりも０．５％以上小さい格子定数を示し、前記レーザ構造（５、６、７）が、前記下地結晶層上に
形成されており、前記組成勾配層（２ａ）は、その膜厚をｄ１、前記基板
と接する面の組成における無歪時の格子定数をａ３、最
表面の組成における無歪時の格子定数をａ４としたと
き、ｄ１、ａ３、ａ４の関係が、｜（ａ４−ａ３）／ｄ１｜＜１．６×１０^-5 を満足する請求項１記載の半導体レーザ。
【請求項５】前記組成勾配層は、ＩｎＧａＡｓである
請求項４記載の半導体レーザ。
【請求項６】前記組成勾配層は、組成が連続的に変化
する請求項５記載の半導体レーザ。
【請求項７】前記ｄ１、ａ３、ａ４の関係が、さら
に、｜（ａ４−ａ３）／ｄ１｜＜１．２×１０^-5 を満足する請求項５記載の半導体レーザ。
【請求項８】前記ｄ１、ａ３、ａ４の関係が、さら
に、｜（ａ４−ａ３）／ｄ１｜＜０．９×１０^-5 を満足する請求項７記載の半導体レーザ。
【請求項９】前記活性層は、ＩｎＡｓ層とＧａＡｓ層
とが交互に積層された超格子構造を有する請求項１〜８
のいずれかに記載の半導体レーザ。
【請求項１０】前記超格子構造は、０．７〜１層のＩ
ｎＡｓ層と、０．７〜１層のＧａＡｓ層とが交互に積層
された構造である請求項９記載の半導体レーザ。
【請求項１１】前記活性層は、波長１．３μｍ帯また
は１．５μｍ帯の発光を行う請求項１〜１０のいずれか
に記載の半導体レーザ。