JPH08195522A - 半導体レーザ - Google Patents

半導体レーザ

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JPH08195522A
JPH08195522A JP29621094A JP29621094A JPH08195522A JP H08195522 A JPH08195522 A JP H08195522A JP 29621094 A JP29621094 A JP 29621094A JP 29621094 A JP29621094 A JP 29621094A JP H08195522 A JPH08195522 A JP H08195522A
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semiconductor laser
layer
light
semiconductor
active layer
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JP29621094A
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Masahiko Kondo
正彦 近藤
Atsuko Niwa
敦子 丹羽
Kazuhisa Uomi
和久 魚見
Misuzu Sagawa
みすず 佐川
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/30Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/32Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures
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    • H01S5/32358Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser emitting light at a wavelength longer than 1000 nm, e.g. InP-based 1300 nm and 1500 nm lasers containing very small amounts, usually less than 1%, of an additional III or V compound to decrease the bandgap strongly in a non-linear way by the bowing effect
    • H01S5/32366(In)GaAs with small amount of N
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、ΔEcが十分に大きい材料系を使
用する事により、環境温度が変化しても特性がほとんど
変化しないの光通信用半導体レーザを提供することを目
的とする。 【構成】 n−GaP基板1、n−GaPクラッド層
2、光ガイド層3、5及びGaNAs量子井戸層4から
構成される単一量子井戸活性層6、p−GaPクラッド
層7により構成されている。 【効果】 本発明により、25℃から85℃の範囲にお
けるToが100Kを越える高温動作特性の優れた光通信
用半導体レーザを提供することができる。

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係り、特
に、光通信システムにおける光源に関する。
【0002】
【従来の技術】光通信システムでは、光ファイバーの特
性から発光波長が1.3μm帯または1.55μm帯の光
源が主として使用されている。それらの波長帯で実用化
されている半導体レーザは、InP基板上に作製された
ものであり、材料にInGaAsP混晶半導体が用いら
れている。それは、屈折率導波型構造及び量子井戸構造
の採用により、非常に高性能となっている。しかし、一
方で環境温度によりその特性が大きく変化する欠点を持
っている。
【0003】その対策として、半導体レーザと温度を一
定に保つ装置を組み合わせて使用している。しかし、こ
の方法では光通信用モジュールが大掛かりとなり、消費
電力も大きく、価格も高くなる。
【0004】最近、AlGaInAs混晶半導体を用い
ることにより高温温度特性を改善した光通信用半導体レ
ーザが、ZahらによりIEEE Journal o
fQuantum Electronics, Vo
l. 30, pp. 511−523, 1994に
報告された。環境温度が変化しても特性があまり変化し
ないので、温度を一定に保つ装置と組み合わせなくても
使用できると記載されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】半導体レーザの特性が
環境温度により大きく変化する主原因は、発光に寄与す
る電子の閉じ込めエネルギーが不十分な為である。伝導
帯のバンド不連続(ΔEc)即ち電子の閉じ込めエネル
ギーが小さいと、電子を発光部分に注入しても一部の電
子が熱エネルギーにより発光部分から閉じ止め部分に溢
れだし発光に寄与しなくなる。この発光に寄与しない電
子の割合が環境温度により大きく変化するので、半導体
レーザの特性も環境温度により大きく変化する。
【0006】上記のInGaAsP系半導体レーザでは
ΔEcが約100meVしかなく温度特性を示すToが
50K程度しかない。上記のAlGaInAs系半導体
レーザではΔEcが約150meVになりToが80K
程度まで改善されている。しかし、この改善されたTo
も150K以上のToを有するGaAs基板上半導体レ
ーザに比較すると不十分であり、更なる温度特性の改善
が望まれている。
【0007】本発明の目的は、ΔEcが十分に大きい材
料系を使用する事により、環境温度が変化しても特性が
ほとんど変化しないの半導体レーザを提供することであ
る。特に、25℃から85℃の範囲におけるToが10
0Kを越える高温動作特性の優れた光通信用半導体レー
ザを提供することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的は、光を発生す
る活性層と光を閉じ込めるクラッド層と発生した光から
レーザ光を得るための共振器構造を有する半導体レーザ
において、電子を活性層または活性層内の量子井戸層に
閉じ込めるエネルギー(ΔEc)を200meV以上に
することにより達成される。
【0009】詳言すれば、基板結晶にGaPまたはSi
を用い、クラッド層にGaP、GaNP、GaNAs
P、GaInNP及びAlGaPの群の中から選ばれる
ワイドギャップ半導体を用い、活性層の少なくとも一部
にNを含むナロウギャップIII-V族半導体を用いること
により達成される。上記Nを含むIII-V族半導体は、G
aNAs、GaNP、GaNAsP、及びGaInNP
の群の中から選ばれることが好ましい。上記活性層は、
井戸層にGaNAsを、障壁層にGaNP、GaNAs
P、GaInNP及びSiの群の中から選ばれる一つを
用いた量子井戸構造であることが好ましい。上記半導体
レーザには光ガイド層を設けることが望ましく、上記光
ガイド層は、GaNP、GaNAsP、GaInNP及
びSiの群の中から選ばれる一つであるか、又はGaN
PとGaNAsが交互に積層された超格子であることが
好ましい。
【0010】また、上記目的は、GaAs基板上に光を
発生する活性層と光を閉じ込めるクラッド層と発生した
光からレーザ光を得るための共振器構造を有する半導体
レーザにおいて、上記活性層の少なくとも一部にNを含
むIII-V族半導体を用いることによっても達成される。
上記Nを含むIII-V族半導体は、InGaNAs、Ga
NAsおよびGaNAsSbの群の中から選ばれること
が好ましく、N組成は0.5以下であることが好まし
い。更に、式Δa/a=[{(Nを含むIII-V族半導体
の格子定数)−(GaAsの格子定数)}/(GaAs
の格子定数)]×100(%)で定義される値が、−
0.5%から+1.5%の間であることが好ましい。上
記活性層では、AlGaAs、GaAs、InGaP、
及びInGaAsPの群の中から選ばれる一つ、もしく
はその群の中から選ばれる二つで構成される超格子が、
Nを含むIII-V族半導体と組合わされることが好まし
い。上記クラッド層としては、InGaP、InGaA
lP、及びAlGaAsの群の中から選ばれる一つが用
いられることが好ましい。
【0011】上記半導体レーザの構造として、共振器方
向に沿ってストライプ状に他の部分よりも屈折率の高い
領域を領域を有する屈折率導波型が望ましい。
【0012】上記半導体レーザは、OMVPE法、ガス
ソースMBE法、またはCBE法により作製できる。
【0013】上記半導体レーザは、光通信システムの光
源として使用されることが望ましい。レーザ光の波長は
1.2μmより長波長であることが好ましく、特に1.
3μm帯または1.55μm帯であることが好ましい。
【0014】
【作用】以下、本発明の作用について説明する。現在の
高性能な光通信用半導体レーザでは量子井戸構造の採用
が必須となっている。従来材料系と本発明の材料系で作
製した単一量子井戸構造のエネルギー準位の例を図2に
示す。図2(a)の量子井戸構造は、井戸層にInGa
AsP、障壁層にはクラッド層と同じInPを用いてI
nP基板上に作製される。他方図2(b)の量子井戸構
造は、井戸層にGaNAs、障壁層にはクラッド層と同
じGaPを用いてGaP基板上に作製される。ここで
は、井戸層の膜厚を7nmとし、量子準位間での発光が
波長1.3μmとなる様に井戸層の混晶組成を選んだ。
尚、GaNAsは圧縮応力下にあるが、その厚さは臨界
膜以下なので結晶欠陥は発生しない。
【0015】従来材料のInGaAsP系では、もとも
とバルクのΔEcが150meVと小さい。量子構造で
は電子の準位が上昇するので実質的ΔEcが126me
Vと更に小さくなる事が図2(a)より分かる。量子井
戸半導体レーザでは、量子井戸層の層厚が非常に薄いた
め井戸層だけではレーザ光を十分に閉じ込めることが出
来なく、光ガイド層を別に設けなければならない。(ク
ラッド層に隣接する障壁層の厚さを増大させてレーザ光
を閉じ込めることも可能であるが、この障壁層は光ガイ
ド層に他ならない。)障壁層のバンドギャップは光ガイ
ド層のバンドギャップと同等かそれ以下でなければなら
ないので、障壁層のバンドギャップはクラッド層のバン
ドギャップよりもかなり小さく設定せざるをえない。従
って、ΔEcはさらに小さくなり、上述したようにIn
GaAsP系では100meV程度まで低下してしま
う。
【0016】一方、図2(b)のGaPとGaNAsの
組み合わせは、量子井戸構造でも実質的ΔEcが100
0meV以上になる。たとえ、障壁層のバンドギャップ
をGaPとGaNAsの中間値としても、ΔEcは50
0meV以上になる。
【0017】ここまでの説明では、電子の閉じ込めにつ
いてのみ議論してきたが、半導体レーザでは正孔の閉じ
込めも重要である。しかし、従来材料系でも本発明の材
料系でも正孔の閉じ込めは十分であり、価電子帯のバン
ド不連続(ΔEv)は半導体レーザの特性にほとんど影
響しないることが図2より分かる。従って、今後も電子
の閉じ込めについてのみ議論する。
【0018】上述のとおり、ΔEcの不足は半導体レー
ザの温度特性を悪化させる。図3に、ΔEcとToの関
係を示す。同図より、ΔEcが300meV以上のと
き、Toの値が飽和し、電子を完全に閉じ込める事が可
能になることが分かる。その場合、180K程度のTo
が期待できる。本発明の材料系ではΔEcが200me
V以上になるので、100K以上のToが十分期待でき
る。一方、図3より、従来材料のInGaAsP系及び
AlGaInAs系では、100K以上のToは期待で
きないことも分かる。
【0019】本発明でこの様にΔEcを大きくできるの
は、材料にワイドギャップIII−V半導体とナロウギ
ャップN系V族混晶とを組み合わせたからである。陰元素
がNと他のV族元素の混合よりなるN系V族混晶のバン
ドギャップの非線形因子は非常に大きく、同じ格子定数
を有する従来のIII−V半導体とに比べて非常に小さ
なバンドギャップになる。本発明の活性層のバンドギャ
ップは、0から2.0eVまでの非常に大きな範囲を占
める。従って、発光波長は0.6μm以上の長波長を全
てカバーする。1.1μm以下の波長域ではGaAs基
板上の半導体レーザの温度特性が良い為、本発明は1.
2μm以上の長波長域の半導体レーザに於て効果が大き
い。即ち、本発明は、1.3μm帯及び1.55μm帯ま
たはそれ以上の超長波帯に於て効果が大きい。
【0020】本発明では、ワイドギャップIII-V半導体
を用いる事から、格子定数の小さいGaP、Siまたは
GaAsを基板結晶として用いる事が望ましい。 特
に、GaAsを基板結晶として用いる場合は、活性層の
材料としてInGaNAsを用いる事ができ基板結晶と
の格子不整合度を少なくできる。図4に、In(x)G
a(1−x)N(y)As(1−y)における混晶組成
と格子歪およびバンドギャップの関係を表す。
【0021】
【実施例】以下、本発明の実施例を図1及び図5〜10
を用いて説明する。
【0022】[実施例1]第1の実施例は、本発明をn
型GaP基板上1.3μm帯逆メサ構造屈折率導波型半
導体レーザに適用したものである。以下、図1を用いて
説明する。図1(a)は、断面構造を、図1(b)は活
性層の拡大図を示している。次に、素子の作製方法につ
いて述べる。n型(100)GaP基板1上に、n−G
aPクラッド層(d(層厚)=1μm、Eg(バンドギ
ャップ)=2.2eV)2、3nm厚のGa NPと1
nm厚のGaNAsを交互に25回積層した応力補償型
超格子光ガイド層(d=100nm、Eg=1.8e
V)3及び5とGaNAs井戸層(d=7nm、Eg=
0.8eV)4から構成される歪量子井戸活性層6、p
−GaPクラッド層(d=2μm、Eg=2.2eV)
7、p−GaPキャップ層8をCBE法により順次形成
する。n型ドーパントとしてはSiを、p型ドーパント
としてはCを用いた。本量子井戸活性層のΔEcは約6
00meVである。次に、酸化膜をマスクにホトエッチ
ング工程により、図1(a)に示すようなリッジを形成
する。このときのエッチングはウエット、RIE、RI
BE、イオンミリング等、方法を問わない。エッチング
はp−GaPクラッド層7の途中で止まるようにする。
このときのリッジ幅は1〜15μmとする。次に、エッ
チングマスクとして用いた酸化膜を選択成長のマスクと
して、図1に示すようにn−GaP電流狭窄層9をCB
E法により形成する。その後成長炉からウエファを取り
だし、エッチングにより選択成長マスクとして用いた酸
化膜を除去する。その後、p−GaPコンタクト層10
をCBE法により形成する。p側電極11、n側電極1
2を形成した後、劈開法により共振器長約900μmの
レーザ素子を得た。この後、素子の前面にλ/4(λ:
発振波長)の厚みのSiO2による低反射膜を、素子の
後面にSiO2とa−Siからなる4層膜による高反射
膜を形成した。その後、素子を接合面を下にして、ヒー
トシンク上にボンディングした。試作した素子はリッジ
幅3μmの素子で、しきい値電流約10mAで室温連続
発振し、その発振波長は約1.3μmであった。また、
25℃から85℃の範囲におけるToは180Kであっ
た。
【0023】なお、上述した超格子光ガイド層をGaN
PAs4元混晶層としてもよい。
【0024】[実施例2]第2の実施例は、本発明をn
型Si基板上1.55μm帯順メサ構造屈折率導波型半
導体レーザに適用したものである。以下、図5を用いて
説明する。図5(a)は、断面構造を、図5(b)は活
性層の拡大図を示している。次に、素子作製方法につい
て述べる。n型(511)Si基板13上に、Siバッ
ファ層14、Si基板に格子整合したn−GaNPクラ
ッド層(d=2μm、Eg=1.9eV)15、Si障
壁層(d=10nm、Eg=1.1eV)17、19、
21及び23とGaNAs井戸層(d=7nm、Eg=
0.7eV)18、20及び22、及びGaInNP光
ガイド層(d=40nm、Eg=1.5eV)16及び
24とから構成される歪多重量子井戸活性層25、Si
基板に格子整合したp−GaNPクラッド層(d=2μ
m、Eg=1.9eV)26、p−GaPキャップ層2
7をガスソースMBE法により順次形成する。n型ドー
パントとしてはSiを、p型ドーパントとしてはBeを
用いた。本量子井戸活性層のΔEcは約200meVで
ある。次に、酸化膜をマスクにホトエッチング工程によ
り、図5(a)に示すようなリッジを形成する。このと
きのエッチングはウエット、RIE、RIBE、イオン
ミリング等、方法を問わない。このときのリッジ幅は1
〜15μmとする。次に、エッチングマスクとして用い
た酸化膜を除去した後に、SiO2酸化膜の電流狭窄層
28を形成する。その後、p側電極11、n側電極12
を形成した後、劈開法により共振器長約900μmのレ
ーザ素子を得た。この後、素子の前面にλ/4(λ:発
振波長)の厚みのAl2O3(アルミナ)による低反射
膜を、素子の後面にSiO2とa−Siからなる4層膜
による高反射膜を形成した。その後、素子を接合面を上
にして、ヒートシンク上にボンディングした。試作した
素子はリッジ幅3μmの素子で、しきい値電流約10m
Aで室温連続発振し、その発振波長は約1.55μmで
あった。また、25℃から85℃の範囲におけるToは
130Kであった。
【0025】[実施例3]第3の実施例は、本発明をp
型Si基板上1.3μm帯分布帰還型半導体レーザに適
用したものである。
【0026】以下、図6を用いて説明する。図6(a)
は、断面構造を、図6(b)は(a)のA−A’線光軸
方向断面図を示している。次に、素子作製方法について
述べる。p型(111)Si基板29上に、p−GaN
Pクラッド層(d=2μm、Eg=1.9eV)30を
CBE法により成長した後、回折格子31を形成する。
その後、p−GaInNP光ガイド層(d=100n
m、Eg=1.6eV)31、GaNAs歪量子井戸活
性層(d=7nm、Eg=0.8eV)33、n−Ga
NPクラッド層(d=0.4μm、Eg=1.9eV)
34を、OMVPE法により順次形成する。n型ドーパ
ントとしてはSeを、p型ドーパントとしてはZnを用
いた。本量子井戸活性層のΔEcは約500meVであ
る。
【0027】CVD法によりSiO2 膜を被着しホトリ
ソ工程を経た後、SiO2 膜をマスクとしてウェットエ
ッチングにより図中に示されるような変曲点の無い滑ら
かな側面を有するメサストライプを形成する。また活性
層幅は1.3〜1.8μm、メサ深さは2.5〜3.7
μmである。次に、SiO2膜を被着したまま、OMVP
E法により、メサストライプの側面をp−GaNP埋込
層(層厚0.5〜1μm)35、n−GaNP埋込層(層厚
0.5〜1μm)36、p−GaNP埋込層(層厚1〜3
μm)37、n−GaNP層(層厚0.5μm)38で埋め
込む。以上のようにして埋め込んだ構造においては、リ
−ク電流の要因であるn-n接続の無い理想的なブロッ
ク層構造となる。また、n−GaNP層38はp-n接
合と再成長界面を分離するために設けたもので、本発明
においては特に挿入を限定されるものでは無い。
【0028】次に、SiO2膜を除去した後、OMVPE
成長法によりn−GaNP平坦化層(層厚2μm)39、
n−GaPキャップ層(層厚0.3μm)40で平坦に埋
め込む。SiNxの電流狭窄層41形成した後、n電極
12、p電極11を蒸着により形成し素子化を行った。
その後、共振器長150〜400μmに劈開し、前端面
に反射率1%の低反射率膜、後端面に反射率80%の高
反射率膜を施した。
【0029】その後、素子を接合面を上にして、ヒート
シンク上にボンディングした。試作した素子は、しきい
値電流約10mAで室温連続発振し、その発振波長は約
1.3μmであった。また、25℃から85℃の範囲に
おけるToは150Kであった。
【0030】[実施例4]第4の実施例は、本発明をn
型GaAs基板上1.3μm帯利得導波型半導体レーザ
に適用したものである。以下、図7を用いて説明する。
図7(a)は、断面構造を、図7(b)は活性層の拡大
図を示している。次に、素子の作製方法について述べ
る。n−GaAs基板101上に、GaAsバッファ層
102、n−Al(0.4)Ga(0.6)Asクラッ
ド層103、Al(0.2)Ga(0.8)As障壁層
(層厚100nm)110及び112とIn(0.0
8)Ga(0.92)N(0.03)As(0.97)
井戸層(層厚10nm)111から構成される無歪単一
量子井戸活性層104、p−Al(0.4)Ga(0.
6)Asクラッド層105、p−GaAsキャップ層1
06を、ガスソースMBE法により順次形成する。n型
ドーパントとしてはSiを、p型ドーパントとしてはB
eを用いた。次に、図7(a)に示すようにSiNx窒
化膜を堆積し、電流狭窄層107を形成する。p側電極
108、n側電極109を形成した後、劈開法により共
振器長約400μmのレーザ素子を得た。この後、素子
の前面にλ/4(λ:発振波長)の厚みのSiO2によ
る低反射膜を、素子の後面にSiO2とa−Siからな
る4層膜による高反射膜を形成した。その後、素子を接
合面を下にして、ヒートシンク上にボンディングした。
試作した素子はストライプ幅5μmの素子で、しきい値
電流約50mAで室温連続発振し、その発振波長は約
1.3μmであった。また、25℃から85℃の範囲に
おけるToは140Kであった。
【0031】[実施例5]第5の実施例は、本発明をn
型GaAs基板上1.3μm帯逆メサ構造屈折率導波型
半導体レーザに適用したものである。以下、図8を用い
て説明する。図8(a)は、断面構造を、図8(b)は
活性層の拡大図を示している。次に、素子の作製方法に
ついて述べる。n−GaAs基板101上に、GaAs
バッファ層102、GaAs基板に格子整合したn−I
nGaPクラッド層121、1nm厚のInGaPと1
nm厚のGaAsを交互に50回積層した超格子障壁層
(層厚100nm)128及び130とIn(0.2
0)Ga(0.80)N(0.02)As(0.98)
井戸層(層厚7nm)129から構成される歪量子井戸
活性層122、GaAs基板に格子整合したp−InG
aPクラッド層123、p−GaAs光導波路層12
4、GaAsに格子整合したp−InGaPクラッド層
125、p−GaAsキャップ層126をOMVPE法
により順次形成する。この時の、InGaNAs歪量子
井戸層の歪量は+1%である。n型ドーパントとしては
Seを、p型ドーパントとしてはZnを用いた。次に、
酸化膜をマスクにホトエッチング工程により、図8
(a)に示すようなリッジを形成する。このときのエッ
チングはウエット、RIE、RIBE、イオンミリング
等、方法を問わない。エッチングはp−GaAs光導波
路層124を完全に除去し、且つ歪量子井戸活性層12
2に達しないようにp−InGaPクラッド層123の
途中で止まるようにする。このときのリッジ幅は1〜1
5μmとする。次に、エッチングマスクとして用いた酸
化膜を選択成長のマスクとして、図8に示すようにn−
InGaP電流狭窄層127をOMVPE法により選択
成長する。その後成長炉からウエファを取りだし、エッ
チングにより選択成長マスクとして用いた酸化膜を除去
する。その後、p−GaAsコンタクト層106をOM
VPE法により形成する。p側電極108、n側電極1
09を形成した後、劈開法により共振器長約900μm
のレーザ素子を得た。この後、素子の前面にλ/4
(λ:発振波長)の厚みのSiO2による低反射膜を、
素子の後面にSiO2とa−Siからなる4層膜による
高反射膜を形成した。その後、素子を接合面を下にし
て、ヒートシンク上にボンディングした。試作した素子
はリッジ幅3μmの素子で、しきい値電流約10mAで
室温連続発振し、その発振波長は約1.3μmであっ
た。また、25℃から85℃の範囲におけるToは15
0Kであった。
【0032】なお、上述した超格子障壁層をInGaA
sP4元混晶層としてもよい。更に、InGaPクラッ
ド層をInGaAlPクラッド層としてもよい。
【0033】[実施例6]第6の実施例は、本発明をn
型GaAs基板上1.55μm帯順メサ構造屈折率導波
型半導体レーザに適用したものである。以下、図9を用
いて説明する。図9(a)は、断面構造を、図9(b)
は活性層の拡大図を示している。次に、素子作製方法に
ついて述べる。n−GaAs基板101上に、GaAs
バッファ層102、GaAs基板に格子整合したn−I
nGaPクラッド層121、GaAs障壁層(層厚10
nm)132、134、136及び138とIn(0.
15)Ga(0.85)N(0.03)As(0.9
7)井戸層(層厚7nm)133、135及び137、
及びAl(0.1)Ga(0.9)As光ガイド層(層
厚40nm)131及び139とから構成される歪多重
量子井戸活性層130、GaAs基板に格子整合したp
−InGaPクラッド層123、p−GaAsキャップ
層106をCBE法により順次形成する。この時の、I
nGaNAs歪量子井戸層の歪量は+0.5%である。
n型ドーパントとしてはSiを、p型ドーパントとして
はCを用いた。次に、酸化膜をマスクにホトエッチング
工程により、図9(a)に示すようなリッジを形成す
る。このときのエッチングはウエット、RIE、RIB
E、イオンミリング等、方法を問わない。このときのリ
ッジ幅は1〜15μmとする。次に、エッチングマスク
として用いた酸化膜を除去した後に、SiO2酸化膜の
電流狭窄層107を形成する。その後、p側電極10
8、n側電極109を形成した後、劈開法により共振器
長約900μmのレーザ素子を得た。この後、素子の前
面にλ/4(λ:発振波長)の厚みのAl2O3(アル
ミナ)による低反射膜を、素子の後面にSiO2とa−
Siからなる4層膜による高反射膜を形成した。その
後、素子を接合面を上にして、ヒートシンク上にボンデ
ィングした。試作した素子はリッジ幅3μmの素子で、
しきい値電流約10mAで室温連続発振し、その発振波
長は約1.55μmであった。また、25℃から85℃
の範囲におけるToは150Kであった。
【0034】なお、上述した実施例の光ガイド層の組成
を連続的もしくは段階的に変化させたGRIN(Gra
ded Index)構造としてもよい。
【0035】[実施例7]第7の実施例は、本発明をp
型GaAs基板上1.3μm帯分布帰還型半導体レーザ
に適用したものである。以下、図10を用いて説明す
る。図10(a)は、断面構造を、図10(b)は
(a)のA−A’線光軸方向断面図を示している。次
に、素子作製方法について述べる。p−GaAs基板1
41上に、p−Al(0.4)Ga(0.6)Asクラ
ッド層(層厚1.5μm)142をCBE法により成長
した後、回折格子143を形成する。その後、p−Al
(0.2)Ga(0.8)As光ガイド層(層厚100
nm)144、GaN(0.03)As(0.82)S
b(0.15)無歪活性層(層厚50nm)145、n
−Al(0.4)Ga(0.6)Asクラッド層(層厚
0.4μm)146を、CBE法により順次形成する。
【0036】CVD法によりSiO2 膜を被着しホトリ
ソ工程を経た後、SiO2 膜をマスクとしてウェットエ
ッチングにより図中に示されるような変曲点の無い滑ら
かな側面を有するメサストライプを形成する。また活性
層幅は1.3〜1.8μm、メサ深さは2.5〜3.7
μmである。次に、SiO2膜を被着したまま、OMVP
E法により、メサストライプの側面をp−Al(0.
4)Ga(0.6)As埋込層147(層厚0.5〜1μ
m)、n−Al(0.4)Ga(0.6)As埋込層1
48(層厚0.5〜1μm)、p−Al(0.4)Ga
(0.6)As埋込層149(層厚1〜3μm)、n−A
l(0.4)Ga(0.6)As層150(層厚0.5μ
m)で埋め込む。以上のようにして埋め込んだ構造にお
いては、リ−ク電流の要因であるn-n接続の無い理想
的なブロック層構造となる。また、n−AlGaAs層
150はp-n接合と再成長界面を分離するために設け
たもので、本発明においては特に挿入を限定されるもの
では無い。
【0037】次に、SiO2膜を除去した後、OMVPE
成長法によりn−Al(0.4)Ga(0.6)As平
坦化層151(層厚2μm)、n−GaAsキャップ層1
52(層厚0.3μm)で平坦に埋め込む。SiO2の電流
狭窄層107形成した後、n電極109、p電極108
を蒸着により形成し素子化を行った。その後、共振器長
150〜400μmに劈開し、前端面に反射率1%の低
反射率膜、後端面に反射率80%の高反射率膜を施し
た。
【0038】その後、素子を接合面を上にして、ヒート
シンク上にボンディングした。試作した素子は、しきい
値電流約10mAで室温連続発振し、その発振波長は約
1.3μmであった。また、25℃から85℃の範囲に
おけるToは120Kであった。
【0039】上記実施例1から7より、本発明は半導体
レーザの構造、基板の面方位、基板の伝導型、ドーパン
トの元素、及び結晶成長の方法に依存しないことが分か
る。
【0040】
【発明の効果】本発明により、25℃から85℃の範囲
におけるToが100Kを越える高温動作特性の非常に優
れた光通信用半導体レーザを提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による第1の実施例を示した図。
【図2】従来材料と本発明の材料のバンドラインナップ
を表した図。
【図3】ΔEcとToの関係を示した図。
【図4】In(x)Ga(1−x)N(y)As(1−
y)における混晶組成と格子歪およびバンドギャップの
関係を表した図。
【図5】本発明による第2の実施例を示した図。
【図6】本発明による第3の実施例を示した図。
【図7】本発明による第4の実施例を示した図。
【図8】本発明による第5の実施例を示した図。
【図9】本発明による第6の実施例を示した図。
【図10】本発明による第7の実施例を示した図。
【符号の説明】
1 n−GaP基板 2 n−GaPクラッド層 3、5 光ガイド層 4 GaNAs井戸層 6 単一量子井戸活性層 7 p−GaPクラッド層 8 p−GaPキャップ層 9 n−GaP電流狭窄層 10 p−GaPコンタクト層。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐川 みすず 東京都国分寺市東恋ケ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内

Claims (26)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】GaPまたはSi基板上に光を発生する活
    性層と光を閉じ込めるクラッド層と発生した光からレー
    ザ光を得るための共振器構造を有する半導体レーザにお
    いて、温度特性を示すToが100K以上であることを
    特徴とする半導体レーザ。
  2. 【請求項2】GaPまたはSi基板上に光を発生する活
    性層と光を閉じ込めるクラッド層と発生した光からレー
    ザ光を得るための共振器構造を有する半導体レーザにお
    いて、活性層が量子井戸構造であり、電子を井戸層に閉
    じ込めるエネルギー(ΔEc)が200meV以上であ
    ることを特徴とする半導体レーザ。
  3. 【請求項3】GaPまたはSi基板上に光を発生する活
    性層と光を閉じ込めるクラッド層と発生した光からレー
    ザ光を得るための共振器構造を有する半導体レーザにお
    いて、共振器方向に沿ってストライプ状に他の部分より
    も屈折率の高い領域を領域を有し、尚且つ上記活性層の
    少なくとも一部にNを含むIII-V族混晶半導体が用いら
    れていることを特徴とする半導体レーザ。
  4. 【請求項4】請求項1から3のいずれか一に記載されて
    いる半導体レーザにおいて、レーザ光の波長が1.2μ
    mより長波長であることを特徴とする半導体レーザ。
  5. 【請求項5】請求項1から3のいずれか一に記載されて
    いる半導体レーザにおいて、レーザ光の波長が1.3μ
    m帯または1.55μm帯にあることを特徴とする半導体
    レーザ。
  6. 【請求項6】請求項3から5のいずれか一に記載されて
    いる半導体レーザにおいて、上記Nを含むIII-V族混晶
    半導体が、GaNAs、GaNP、GaNAsP、及び
    GaInNPの群の中から選ばれる一つであることを特
    徴とする半導体レーザ。
  7. 【請求項7】請求項3から6のいずれか一に記載されて
    いる半導体レーザにおいて、活性層が量子井戸構造であ
    り、井戸層にGaNAsが、障壁層にGaNP、GaN
    AsP、GaInNP及びSiの群の中から選ばれる少
    なくとも一つが用いられていることを特徴とする半導体
    レーザ。
  8. 【請求項8】請求項1から7のいずれか一に記載されて
    いる半導体レーザにおいて、クラッド層にGaP、Ga
    NP、GaNAsP、GaInNP及びAlGaPの群
    の中から選ばれる一つが用いられていることを特徴とす
    る半導体レーザ。
  9. 【請求項9】請求項1から8のいずれか一に記載されて
    いる半導体レーザにおいて、光ガイド層を有しているこ
    とを特徴とする半導体レーザ。
  10. 【請求項10】請求項9に記載されている半導体レーザ
    において、上記光ガイド層に、GaNP、GaNAs
    P、GaInNP及びSiの群の中から選ばれる一つが
    用いられていることを特徴とする半導体レーザ。
  11. 【請求項11】請求項9に記載されている半導体レーザ
    において、上記光ガイド層が、GaNPとGaNAsが
    交互に積層された超格子であることを特徴とする半導体
    レーザ。
  12. 【請求項12】GaAs基板上に光を発生する活性層と
    光を閉じ込めるクラッド層と発生した光からレーザ光を
    得るための共振器構造を有する半導体レーザにおいて、
    上記共振器構造が上記基板上にエピタキシャル成長によ
    り形成されており、レーザ光の波長が1.2μmから
    1.6μmまでの範囲にあることを特徴とする半導体レ
    ーザ。
  13. 【請求項13】請求項12に記載されている半導体レー
    ザにおいて、レーザ光の波長が1.3μm帯または1.
    55μm帯にあることを特徴とする半導体レーザ。
  14. 【請求項14】GaAs基板上に光を発生する活性層と
    光を閉じ込めるクラッド層と発生した光からレーザ光を
    得るための共振器構造を有する半導体レーザにおいて、
    上記活性層の少なくとも一部にNを含むIII-V族半導体
    が用いられていることを特徴とする半導体レーザ。
  15. 【請求項15】請求項14に記載されている半導体レー
    ザにおいて、レーザ光の波長が1.2μmよりも長波長
    であることを特徴とする半導体レーザ。
  16. 【請求項16】請求項14に記載されている半導体レー
    ザにおいて、レーザ光の波長が1.3μm帯または1.
    55μm帯にあることを特徴とする半導体レーザ。
  17. 【請求項17】請求項12から16のいずれか一に記載
    されている半導体レーザにおいて、温度特性を示すTo
    が100K以上であることを特徴とする半導体レーザ。
  18. 【請求項18】請求項12から16のいずれか一に記載
    されている半導体レーザにおいて、電子を閉じ込めるエ
    ネルギー(ΔEc)が200meV以上であることを特
    徴とする半導体レーザ。
  19. 【請求項19】請求項14から18のいずれか一に記載
    されている半導体レーザにおいて、上記Nを含むIII-V
    族半導体が、InGaNAs、GaNAsおよびGaN
    AsSbの群の中から選ばれる一つであることを特徴と
    する半導体レーザ。
  20. 【請求項20】請求項14から19のいずれか一に記載
    されている半導体レーザにおいて、上記Nを含むIII-V
    族半導体のN組成が0.5以下であることを特徴とする
    半導体レーザ。
  21. 【請求項21】請求項12から20のいずれか一に記載
    されている半導体レーザにおいて、式Δa/a=
    [{(Nを含むIII-V族半導体の格子定数)−(GaA
    sの格子定数)}/(GaAsの格子定数)] ×10
    0(%)で定義される値が、−0.5%から+1.5%
    の間であることを特徴とする半導体レーザ。
  22. 【請求項22】請求項12から21のいずれか一に記載
    されている半導体レーザにおいて、上記活性層の少なく
    とも一部に、AlGaAs、GaAs、InGaP、及
    びInGaAsPの群の中から選ばれる一つが用いられ
    ていることを特徴とする半導体レーザ。
  23. 【請求項23】請求項12から22のいずれか一に記載
    されている半導体レーザにおいて、上記活性層の少なく
    とも一部に、AlGaAs、GaAs、InGaP、及
    びInGaAsPの群の中から選ばれる二つで構成され
    る超格子が用いられていることを特徴とする半導体レー
    ザ。
  24. 【請求項24】請求項12から23のいずれか一に記載
    されている半導体レーザにおいて、上記クラッド層に、
    InGaP、InGaAlP、及びAlGaAsの群の
    中から選ばれる一つが用いられていることを特徴とする
    半導体レーザ。
  25. 【請求項25】請求項1から24のいずれか一に記載さ
    れている半導体レーザが、OMVPE法、ガスソースM
    BE法、またはCBE法により作製されることを特徴と
    する半導体レーザ。
  26. 【請求項26】請求項1から25のいずれか一に記載さ
    れている半導体レーザにおいて、光通信システムの光源
    として使用されることを特徴とする半導体レーザ。
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