JPH10200189A - 半導体光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 素子特性を劣化させることなく、酸化されや
すいＡｌが含まれた化合物半導体を用いた半導体光素子
を提供することを目的とする。 【解決手段】 活性層１０３上には、Ａｌを含まないＩ
ｎＧａＡｓＰからなる組成波長１．１μｍで膜厚１００
ｎｍの上部ガイド層１０４が配置された状態とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、化合物半導体を
用いた電流狭窄層を有する、光半導体素子に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】長波長帯発光素子、例えば、発振波長
１．５５μｍ程度の半導体レーザは、図４に示すよう
に、ｐ形のＩｎＰからなる基板４０１上に、下部ガイド
層４０２，活性層４０３，上部ガイド層４０４およびｎ
形のＩｎＰからなるクラッド層４０５で構成されたメサ
ストライプが形成され、その両脇に電流狭窄のための埋
め込み層４０６が形成されている。

【０００３】ここで、下部ガイド層４０２および上部ガ
イド層４０４は、基板４０１と格子整合し、活性層４０
３よりバンドギャップエネルギーの大きい、例えばＩｎ
ＧａＡｓＰから構成されている。また、活性層４０３
は、多重量子井戸構造を有している。この多重量子井戸
構造は、下部ガイド層４０２，上部ガイド層４０４より
バンドギャップエネルギーの小さいＩｎＧａＡｓＰもし
くはＩｎＧａＡｓから構成された井戸層と、バンドギャ
ップエネルギーが大きいＩｎＧａＡｓＰからなる障壁層
とが交互に積層された構成となっている。そして、下部
ガイド層４０２および上部ガイド層４０４は、活性層４
０２より屈折率が低くなるため、光閉じ込めの機能を発
揮するとともに、バンド不連続によりキャリア閉じ込め
の機能も有するものとなっている。

【０００４】以上の構成において、基板４０１より電流
を注入することで、活性層４０３よりレーザ発振が得ら
れることになる。このとき、キャリアとしての電子は、
方向４０７に移動していくことになる。しかし、ガイド
層にＩｎＧａＡｓＰを用いた場合、図４（ｂ）に示すよ
うに、活性層４０３と下部ガイド層４０２、および上部
ガイド層４０４の間の伝導体バンド不連続が、あまり大
きくない。このため、電流注入量が多くなっていくと、
図４（ｃ）に示すように、活性層４０３より下部ガイド
層４０２に電子の漏れ４０８が発生し始める。そして、
このように、下部ガイド層４０２に電子が漏れれば、活
性層４０３においてレーザ発振に寄与する電子の量が減
少することになり、素子の特性劣化の原因となる。

【０００５】ここで、基板に格子整合して活性層とのバ
ンド不連続を大きくとれるようにするために、Ａｌを含
む化合物半導体をガイド層に用いるようにすれば、上述
したキャリアとしての電子の漏れを防ぐことが可能とな
る。すなわち、図５に示すように、ｐ形のＩｎＰからな
る基板５０１上に、まず、ＡｌＩｎＧａＡｓからなる下
部ガイド層５０２を形成し、その上に多重量子井戸構造
の活性層５０３を形成する。ついで、活性層５０３上
に、やはりＡｌＩｎＧａＡｓからなる上部ガイド層５０
４を形成する。そして、上部ガイド層５０４上に、ｎ形
のＩｎＰからなるクラッド層５０５を形成し、それらで
構成されたメサストライプの両脇を電流狭窄のための埋
め込み層５０６で埋め込むようにする。

【０００６】なお、活性層とその上下の層との界面で
は、それぞれの屈折率差が等しくなるようにしておく必
要がある。このため、一般的には、活性層５０３は、同
じ材料で挾むようにする。すなわち、下部ガイド層５０
２と上部ガイド層５０３とは、同一材料で構成する。以
上の構成とすることにより、図５（ｂ）に示すように、
活性層５０３と下部ガイド層５０２および上部ガイド層
５０３との伝導体バンド不連続が大きくなり、レーザ発
振時の下部ガイド層への電子の漏れは解消される（図５
（ｃ））。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、Ａｌを
含む化合物半導体層の表面には、酸化膜が形成されやす
いため、上述した構成では以下に示すような問題が発生
していた。すなわち、従来の構成を製造するときには、
下部ガイド層５０２，活性層５０３，上部ガイド層５０
４，および，クラッド層５０５からなるメサ構造を形成
するので、それらの側面が露出されることになる。この
とき、Ａｌを含む下部ガイド層５０２，上部ガイド層５
０４の側面は酸化され、変成層５０２ａ，５０４ａが形
成される。

【０００８】この変成層５０２ａ，５０４ａでは、結晶
の品質が低下して欠陥が発生している。このため、この
状態で埋め込み層５０６が形成されると、その界面領域
において、変成層５０４ａから変成層５０２ａへと電子
が流れやすい領域が形成されてしまう。加えて、活性層
５０３は非常に薄いため、すなわち、変成層５０４ａと
変成層５０２ａとは非常に近いため、上部ガイド層５０
４から活性層５０３に注入されるべき電子の一部が、そ
の電子が流れやすい領域を通って下部ガイド層５０２へ
とリークしてしまう。そして、そのリーク発生は、半導
体光素子の動作電流を増加させるなどして、素子特性を
劣化させてしまう。

【０００９】この発明は、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、素子特性を劣化させるこ
となく、酸化されやすいＡｌが含まれた化合物半導体を
用いた半導体光素子を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明の半導体光素子
は、ｐ形の不純物が導入された化合物半導体からなる第
１の半導体層と、ｎ形の不純物が導入された化合物半導
体からなる第２の半導体層と、第１および第２の半導体
層に挾まれてその両脇を電流狭窄層で埋め込まれたメサ
構造とを備え、そのメサ構造は、第１の半導体層上に形
成されたＡｌを含む化合物半導体からなるキャリア閉じ
込め層と、キャリア閉じ込め層上に形成された活性層
と、活性層を挾むように活性層に接して形成された活性
層より屈折率の低い第１および第２のガイド層とから構
成するようにした。したがって、キャリア閉じ込め層を
配置しない場合に比較して、活性層のｐ型不純物が導入
された側では、伝導体バンド不連続がより大きくなる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下この発明の実施の形態を図を
参照して説明する。 実施の形態１ 図１は、この発明の第１の実施の形態における半導体光
素子の一部構成を示す断面図である。図１（ａ）に示す
ように、この実施の形態１における半導体光素子は、ｐ
形のＩｎＰからなる基板１０１上に、まず、ＡｌＩｎＧ
ａＡｓからなる膜厚５０ｎｍの下部ガイド層１０２（第
１のガイド層，キャリア閉じ込め層）が形成されてい
る。また、その上に、多重量子井戸構造とした発振波長
が１．５μｍの活性層１０３が形成されている。この多
重量子井戸構造は、バンドギャップエネルギーの小さい
ＩｎＧａＡｓＰもしくはＩｎＧａＡｓから構成された井
戸層と、バンドギャップエネルギーが大きいＩｎＧａＡ
ｓＰからなる障壁層とが交互に積層された構成となって
いる。

【００１２】そして、この実施の形態１では、その活性
層１０３上には、Ａｌを含まないＩｎＧａＡｓＰからな
る組成波長１．１μｍで膜厚１００ｎｍの上部ガイド層
１０４が形成されている。このように、下部ガイド層１
０２は膜厚５０ｎｍとし、上部ガイド層１０４は膜厚１
００ｎｍとすることで、活性層１０３上下における屈折
率差を等しくするようにしている。また、上部ガイド層
１０４上に、ｎ形のＩｎＰからなるクラッド層１０５が
形成され、それらで構成されたメサストライプの両脇
が、電流狭窄のためのＦｅがドープされた半絶縁性のＩ
ｎＰからなる埋め込み層１０６で埋め込まれている。

【００１３】以上の構成とすることにより、図１（ｂ）
に示すように、活性層１０３と下部ガイド層１０２との
伝導体バンド不連続は大きいものとなる。この結果、図
１（ｃ）に示すように、レーザ発振状態において上部ガ
イド層１０４より活性層１０３に供給される電子が、下
部ガイド層１０２側に漏れることがなく、キャリアとし
ての電子が良好に活性層１０３の量子井戸内に閉じ込め
られていることがわかる。また、下部ガイド層１０２は
Ａｌを含んでおり、素子形成過程でその側面が酸化され
変成層が形成されるが、その変成層を通って基板１０１
に流れる電子があっても、それは活性層１０３における
電子の損失とはならない。

【００１４】図２に、この実施の形態１による図１の光
半導体素子（ａ）と、従来よりある光半導体素子（ｂ）
の光出力特性を示す。図２から明らかなように、従来の
光半導体素子では、注入する電流量が増加しても光出力
があまり増加していかない。これは、ガイド層に電子が
漏れるなど活性層においてキャリアとしての電子が有効
に用いられていないためである。これに対して、この実
施の形態１による光半導体素子によれば、注入する電流
量が増加すれば、それに伴って光出力も大きく増加して
いく。すなわち、この実施の形態１によれば、光半導体
素子のしきい値電流の低減や、効率の向上などが図れた
ことになる。

【００１５】なお、上記実施の形態１では、ｐ形の基板
を用いるようにしたが、これに限るものではなく、ｎ形
の基板を用いるようにしてもよい。この場合、電子の流
れは、下部ガイド層→活性層→上部ガイド層となるの
で、上部ガイド層に、Ａｌを含んだ材料、例えば、Ａｌ
ＩｎＧａＡｓを用いるようにすればよい。そして、この
場合、クラッド層にはｐ形のＩｎＰを用いるようにす
る。

【００１６】実施の形態２ 以下、この発明の第２の実施の形態について、図３を用
いて説明する。図３は、この実施の形態２における半導
体光素子の一部構成を示す断面図である。この実施の形
態２における半導体光素子は、まず、ｐ形のＩｎＰから
なる基板３０１上に、ＩｎＧａＡｓＰからなる組成波長
１．１μｍで膜厚３０ｎｍのガイド層３０２が形成され
ている。その上に、ＡｌＩｎＧａＡｓからなる膜厚２０
ｎｍのキャリア閉じ込め層３０３が形成され、さらにこ
の上に、ＩｎＧａＡｓＰからなる組成波長１．１μｍで
膜厚３０ｎｍのガイド層３０４（第１のガイド層）が形
成されている。

【００１７】また、このガイド層３０４上に、発光波長
が１．５μｍの多重量子井戸構造の活性層３０５が形成
され、この上に、組成波長が１．１μｍのＩｎＧａＡｓ
Ｐからなる膜厚１００ｎｍの上部ガイド層３０６が形成
されている。そして、その上に、ｎ形のＩｎＰからなる
クラッド層３０７が形成され、それらで構成されたメサ
ストライプの両脇が、電流狭窄のためのＦｅがドープさ
れた半絶縁性のＩｎＰからなる埋め込み層３０８で埋め
込まれている。以上に示したこの実施の形態２における
半導体光素子は、ガイド層３０２，キャリア閉じ込め層
３０３，ガイド層３０４で前述した実施の形態１におけ
る下部ガイド層を構成するようにした。

【００１８】そして、このように構成しても、図３
（ｂ）に示すように、活性層３０５と下部ガイド層との
間では、伝導体バンド不連続を大きくすることが可能と
なる。したがって、図３（ｃ）に示すように、レーザ発
振状態において上部ガイド層３０６より活性層３０５に
供給された電子が、下部ガイド層側に漏れることがな
く、キャリアとしての電子が良好に活性層３０６の量子
井戸内に閉じ込められていることがわかる。また、この
実施の形態２においても、Ａｌを含むキャリア閉じ込め
層３０３側面には変成層が形成されているが、そこから
基板３０１へのリークがあっても、活性層３０５に供給
される電子に影響はない。

【００１９】また、この実施の形態２では、ｐ形の基板
を用いるようにしたが、これに限るものではなく、上記
実施の形態１と同様に、ｎ形の基板を用いるようにして
もよい。この場合、キャリアとしての電子の流れは基板
側から活性層へと流れるようになるので、活性層上のガ
イド層を、「ガイド層，キャリア閉じ込め層，ガイド
層」とした３層構造とする。そして、そのキャリア閉じ
込め層に、ＡｌＩｎＧａＡｓを用いるようにすればよ
い。そして、この場合、クラッド層にはｐ形のＩｎＰを
用いるようにする。

【００２０】なお、上記実施の形態１，２では、活性層
を含むメサをＦｅがドープされた半絶縁性のＩｎＰで埋
め込むようにしているが、これに限るものではなく、Ｚ
ｎなどをドープしたｐ形ＩｎＰとＳｅやＳｉなどをドー
プしたｎ形のＩｎＰとによるｐｎ接合により電流狭窄の
構造とするようにしてもよい。また、上記実施の形態で
は、発振波長が１．５μｍ波長帯の半導体レーザの場合
に関して説明したが、１．３μｍ波長帯の半導体レーザ
など他の発振波長帯を有する素子構造についても同様で
ある。

【００２１】また、上記実施の形態１，２においては、
多重量子井戸構造の活性層を用いるようにしているが、
この井戸層数や障壁層数に制限はない。また、多重量子
井戸構造を持たない単一の組成のＩｎＧａＡｓＰからな
るダブルへテロ構造を、活性層として用いるようにして
もよい。また、上記実施の形態１，２においては、Ａｌ
を含む材料としてＡｌＩｎＧａＡｓを用いるようにした
が、これに限るものではなく、例えばＡｌＧａＩｎＡｓ
Ｐなど他のＡｌを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用い
るようにしてもよい。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように、この発明では、ｐ
形の不純物が導入された化合物半導体からなる第１の半
導体層と、ｎ形の不純物が導入された化合物半導体から
なる第２の半導体層と、第１および第２の半導体層に挾
まれてその両脇を電流狭窄層で埋め込まれたメサ構造と
を備え、そのメサ構造は、第１の半導体層上に形成され
たＡｌを含む化合物半導体からなるキャリア閉じ込め層
と、キャリア閉じ込め層上に形成された活性層と、活性
層を挾むように活性層に接して形成された活性層より屈
折率の低い第１および第２のガイド層とから構成するよ
うにした。したがって、キャリア閉じ込め層を配置しな
い場合に比較して、活性層のｐ型不純物が導入された側
では、伝導体バンド不連続がより大きくなる。

【００２３】この結果、半導体光素子が動作する時に
は、第２の半導体層側から活性層に供給されるキャリア
としての電子が、Ａｌを含む化合物半導体からなるキャ
リア閉じ込め層の存在により活性層内により効果的に閉
じ込められるようになる。そして、この発明によれば、
活性層の第１の半導体層が配置された側にキャリア閉じ
込め層を備えるようにしたので、キャリア閉じ込め層と
電流狭窄層との界面に、そこより第１の半導体層側へ電
子がリークするような状態が発生しても、活性層のキャ
リア閉じ込めには何ら影響しない。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の第１の実施の形態における半導体
光素子の一部構成を示す断面図である。

【図２】 実施の形態１による図１の光半導体素子
（ａ）と、従来よりある光半導体素子（ｂ）の光出力特
性を示す説明図である。

【図３】 この発明の第２の実施の形態における半導体
光素子の一部構成を示す断面図である。

【図４】 従来よりある半導体光素子の一部構成を示す
断面図である。

【図５】 従来よりある半導体光素子の一部構成を示す
断面図である。

【符号の説明】

１０１…基板、１０２…下部ガイド層、１０３…活性
層、１０４…上部ガイド層、１０５…クラッド層、１０
６…埋め込み層。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ｐ形の不純物が導入された化合物半導体
   からなる第１の半導体層と、 ｎ形の不純物が導入された化合物半導体からなる第２の
   半導体層と、 前記第１および第２の半導体層に挾まれ、その両脇を電
   流狭窄層で埋め込まれたメサ構造とを備え、 前記メサ構造は、 前記第１の半導体層上に形成されたＡｌを含む化合物半
   導体からなるキャリア閉じ込め層と、 前記キャリア閉じ込め層上に形成された活性層と、 前記活性層を挾むように前記活性層に接して形成された
   前記活性層より屈折率の低い第１および第２のガイド層
   と、 から構成されていることを特徴とする半導体光素子。