JPH10229254A - 光半導体装置 - Google Patents
光半導体装置Info
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- JPH10229254A JPH10229254A JP34093697A JP34093697A JPH10229254A JP H10229254 A JPH10229254 A JP H10229254A JP 34093697 A JP34093697 A JP 34093697A JP 34093697 A JP34093697 A JP 34093697A JP H10229254 A JPH10229254 A JP H10229254A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 ＩｎＰ半導体基板上にＡｌＧａＩｎＡｓ系材
料の多重量子井戸構造が形成された光半導体装置に関
し、良好な温度特性を実現するデバイス構造のＡｌＧａ
ＩｎＡｓ／ＩｎＰ系の光半導体装置を提供する。 【解決手段】 ＩｎＰ半導体基板１０上にＡｌＧａＩｎ
Ａｓ系材料の多重量子井戸構造２２が形成された光半導
体装置である。多重量子井戸構造２２は、ＰＬ波長が
１．０μｍ以下の障壁層と、４．５ｎｍ以下の膜厚の活
性層とを交互に積層して構成する。活性層には０．５％
以上の圧縮歪みが加わっている。これにより、良好な温
度特性のＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ系の光半導体装置を
実現できる。
料の多重量子井戸構造が形成された光半導体装置に関
し、良好な温度特性を実現するデバイス構造のＡｌＧａ
ＩｎＡｓ／ＩｎＰ系の光半導体装置を提供する。 【解決手段】 ＩｎＰ半導体基板１０上にＡｌＧａＩｎ
Ａｓ系材料の多重量子井戸構造２２が形成された光半導
体装置である。多重量子井戸構造２２は、ＰＬ波長が
１．０μｍ以下の障壁層と、４．５ｎｍ以下の膜厚の活
性層とを交互に積層して構成する。活性層には０．５％
以上の圧縮歪みが加わっている。これにより、良好な温
度特性のＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ系の光半導体装置を
実現できる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ＩｎＰ半導体基板
上にＡｌＧａＩｎＡｓ系材料の多重量子井戸構造が形成
された光半導体装置に関する。
上にＡｌＧａＩｎＡｓ系材料の多重量子井戸構造が形成
された光半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】光ファイバ通信は、ケーブル１本当たり
の伝送情報量が多く、電波障害の影響を受けにくいう特
徴がある。現在、日米の国際電話回線や国内の主要基幹
回線は光ファイバ回線に置き換えられつつある。近年、
個々の加入者に対しても光ファイバ回線を利用しようと
する動きが高まっている。
の伝送情報量が多く、電波障害の影響を受けにくいう特
徴がある。現在、日米の国際電話回線や国内の主要基幹
回線は光ファイバ回線に置き換えられつつある。近年、
個々の加入者に対しても光ファイバ回線を利用しようと
する動きが高まっている。
【０００３】個々の加入者に対する光ファイバ通信を実
現するためには、光源である半導体レーザが低価格であ
ることが要求される。このため、温度制御装置や光アイ
ソレータ等の高価な光部品を用いることができず、環境
温度変動に対する安定性や、耐戻り光特性等が半導体レ
ーザに対して要求される。これまで、通信用の長波長の
光半導体レーザとしては、ＩｎＰ半導体基板上に格子整
合したＩｎＧａＡｓＰ系材料を堆積したＩｎＧａＡｓＰ
／ＩｎＰ系半導体レーザが用いられてきた。しかしなが
ら、このＩｎＧａＡｓＰ系材料を用いた半導体レーザ
は、環境温度が変動するとレーザ発振に必要とする電流
値が急激に上昇してしまい使用困難な状態になってしま
っていた。
現するためには、光源である半導体レーザが低価格であ
ることが要求される。このため、温度制御装置や光アイ
ソレータ等の高価な光部品を用いることができず、環境
温度変動に対する安定性や、耐戻り光特性等が半導体レ
ーザに対して要求される。これまで、通信用の長波長の
光半導体レーザとしては、ＩｎＰ半導体基板上に格子整
合したＩｎＧａＡｓＰ系材料を堆積したＩｎＧａＡｓＰ
／ＩｎＰ系半導体レーザが用いられてきた。しかしなが
ら、このＩｎＧａＡｓＰ系材料を用いた半導体レーザ
は、環境温度が変動するとレーザ発振に必要とする電流
値が急激に上昇してしまい使用困難な状態になってしま
っていた。
【０００４】これに対し、温度特性の改善が期待できる
長波長の半導体レーザの材料として、ＩｎＰ半導体基板
上にＡｌＧａＩｎＡｓ系材料を形成したＡｌＧａＩｎＡ
ｓ／ＩｎＰ系半導体レーザが注目され、C.E.Zah、Z.Wan
g、M.C.Wang等により、次のような報告がなされてい
る。 （１）C.E.Zah et al, "Low Threshold 1.3μm Straine
d-Layer ＡｌxＧａyＩｎ 1-x-yＡｓ／ＩｎＰ Quantum We
ll Lasers", IEE Electron. Lett., vol.28, No.25, p
p.2323-2325, Dec. 1992 （２）C.E.Zah et al, "Low Threshold 1.3μm Straine
d-Layer ＡｌxＧａyＩｎ 1-x-yＡｓ／ＩｎＰ Quantum We
ll Lasers", 13th International SemiconductorLaser
Conference, K-5, pp.202-203, 1992 （３）C.E.Zah et al, "High-performance uncooled 1.
3μm ＡｌxＧａyＩｎ1-x -yＡｓ／ＩｎＰ strained-laye
r quantum-well lasers for subscriber loop applicat
ions", IEEE J. Quantum Electron, vol.30, No.2, pp.
511-523, Feb. 1994 （４）Z.Wang et al, "High speed, ultralow noise, t
ensile strained InGaAlAs MQW lasers emitting at 13
00 nm for optical communication and microwave appl
ications", IEE Electron. Lett., vol.30, No.17, pp.
1413-1414, Aug.1994 （５）C.E.Zah et al, "High-performance uncooled 1.
3μm ＡｌxＧａyＩｎ1-x -yＡｓ／ＩｎＰ strained-laye
r quantum-well lasers for fiber-in-the-loopapplica
tions", 94 OFC, pp.204-205, 1994 （６）Z.Wang et al, "High-reliability, high-perfor
mance, low-cost coaxial laser module at 1.3μm for
local-loop applications", 94 OFC, pp.145-146, 199
4 （７）C.E.Zah et al, "High-temperature modulation
dynamics of 1.3μm ＡlｘＧａyＩｎ1-x-yＡｓ／ＩｎＰ
compressive-strained multipel-quantum welllaser
s", 14th International Semiconductor Laser Confere
nce, Th1.3, pp.215-216, 1994 （８）Z.Wang et al, "High speed, ultra low noise o
peration from -40℃ to100℃ tensile strained InGaA
lAs MQW lasers emitting at 1300 nm", 14th Internat
ional Semiconductor Laser Conference, PD10, pp.23-
24, Sept. 1994 （９）M.C.Wang et al, "Ultrahigh temperature and u
ltrahigh speed operation of 1.3 μm strain-compens
ated ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ uncooled laserdiode
s", IEE Electron. Lett., vol.31, No.18, pp.1584-15
85, Aug. 1995
長波長の半導体レーザの材料として、ＩｎＰ半導体基板
上にＡｌＧａＩｎＡｓ系材料を形成したＡｌＧａＩｎＡ
ｓ／ＩｎＰ系半導体レーザが注目され、C.E.Zah、Z.Wan
g、M.C.Wang等により、次のような報告がなされてい
る。 （１）C.E.Zah et al, "Low Threshold 1.3μm Straine
d-Layer ＡｌxＧａyＩｎ 1-x-yＡｓ／ＩｎＰ Quantum We
ll Lasers", IEE Electron. Lett., vol.28, No.25, p
p.2323-2325, Dec. 1992 （２）C.E.Zah et al, "Low Threshold 1.3μm Straine
d-Layer ＡｌxＧａyＩｎ 1-x-yＡｓ／ＩｎＰ Quantum We
ll Lasers", 13th International SemiconductorLaser
Conference, K-5, pp.202-203, 1992 （３）C.E.Zah et al, "High-performance uncooled 1.
3μm ＡｌxＧａyＩｎ1-x -yＡｓ／ＩｎＰ strained-laye
r quantum-well lasers for subscriber loop applicat
ions", IEEE J. Quantum Electron, vol.30, No.2, pp.
511-523, Feb. 1994 （４）Z.Wang et al, "High speed, ultralow noise, t
ensile strained InGaAlAs MQW lasers emitting at 13
00 nm for optical communication and microwave appl
ications", IEE Electron. Lett., vol.30, No.17, pp.
1413-1414, Aug.1994 （５）C.E.Zah et al, "High-performance uncooled 1.
3μm ＡｌxＧａyＩｎ1-x -yＡｓ／ＩｎＰ strained-laye
r quantum-well lasers for fiber-in-the-loopapplica
tions", 94 OFC, pp.204-205, 1994 （６）Z.Wang et al, "High-reliability, high-perfor
mance, low-cost coaxial laser module at 1.3μm for
local-loop applications", 94 OFC, pp.145-146, 199
4 （７）C.E.Zah et al, "High-temperature modulation
dynamics of 1.3μm ＡlｘＧａyＩｎ1-x-yＡｓ／ＩｎＰ
compressive-strained multipel-quantum welllaser
s", 14th International Semiconductor Laser Confere
nce, Th1.3, pp.215-216, 1994 （８）Z.Wang et al, "High speed, ultra low noise o
peration from -40℃ to100℃ tensile strained InGaA
lAs MQW lasers emitting at 1300 nm", 14th Internat
ional Semiconductor Laser Conference, PD10, pp.23-
24, Sept. 1994 （９）M.C.Wang et al, "Ultrahigh temperature and u
ltrahigh speed operation of 1.3 μm strain-compens
ated ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ uncooled laserdiode
s", IEE Electron. Lett., vol.31, No.18, pp.1584-15
85, Aug. 1995
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＡｌＧ
ａＩｎＡｓ／ＩｎＰ系半導体レーザにおいても、適切な
デバイス構造でないと、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系半導
体レーザと同様な温度特性しか得ることができない。こ
れまでの報告では、期待通りの良好な温度特性を有する
ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ系半導体レーザが得られてい
ない。
ａＩｎＡｓ／ＩｎＰ系半導体レーザにおいても、適切な
デバイス構造でないと、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系半導
体レーザと同様な温度特性しか得ることができない。こ
れまでの報告では、期待通りの良好な温度特性を有する
ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ系半導体レーザが得られてい
ない。
【０００６】本発明の目的は、良好な温度特性を実現す
るデバイス構造のＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ系の光半導
体装置を提供することにある。
るデバイス構造のＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ系の光半導
体装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的は、ＩｎＰ半導
体基板上にＡｌＧａＩｎＡｓ系材料の多重量子井戸構造
が形成された光半導体装置において、前記多重量子井戸
構造は、ＰＬ波長が１．０μｍ以下の障壁層と、４．５
ｎｍ以下の膜厚の活性層とを交互に積層して構成され、
前記活性層に０．５％以上の圧縮歪みが加わっているこ
とを特徴とする光半導体装置によって達成される。
体基板上にＡｌＧａＩｎＡｓ系材料の多重量子井戸構造
が形成された光半導体装置において、前記多重量子井戸
構造は、ＰＬ波長が１．０μｍ以下の障壁層と、４．５
ｎｍ以下の膜厚の活性層とを交互に積層して構成され、
前記活性層に０．５％以上の圧縮歪みが加わっているこ
とを特徴とする光半導体装置によって達成される。
【０００８】上記目的は、ＩｎＰ半導体基板上にＡｌＧ
ａＩｎＡｓ系材料の多重量子井戸構造が形成された光半
導体装置において、前記多重量子井戸構造は、ＰＬ波長
が１．０μｍ以下の障壁層と、４．５ｎｍ以下の膜厚の
活性層とを交互に積層して構成され、前記活性層をＡｌ
xＧａyＩｎ1-x-yＡｓ層としたとき、Ａｌの組成比ｘと
Ｇａの組成比ｙが次式 ｙ≦０．４−ｘ ｙ≦０．５５−２．７５ｘ ｘ≧０ ｙ≧０ を満足することを特徴とする光半導体装置によって達成
される。
ａＩｎＡｓ系材料の多重量子井戸構造が形成された光半
導体装置において、前記多重量子井戸構造は、ＰＬ波長
が１．０μｍ以下の障壁層と、４．５ｎｍ以下の膜厚の
活性層とを交互に積層して構成され、前記活性層をＡｌ
xＧａyＩｎ1-x-yＡｓ層としたとき、Ａｌの組成比ｘと
Ｇａの組成比ｙが次式 ｙ≦０．４−ｘ ｙ≦０．５５−２．７５ｘ ｘ≧０ ｙ≧０ を満足することを特徴とする光半導体装置によって達成
される。
【０００９】上述した光半導体装置において、前記多重
量子井戸構造が、ＡｌＩｎＡｓ系材料のクラッド層によ
り挟まれていてもよい。
量子井戸構造が、ＡｌＩｎＡｓ系材料のクラッド層によ
り挟まれていてもよい。
【００１０】
【発明の実施の形態】本願発明者は、良好な温度特性を
実現するデバイス構造を決定するために、半導体レーザ
における発振しきい値電流値の温度特性を決定している
メカニズムについて検討した。半導体レーザにおける発
振しきい値電流値の温度特性には、レーザ発振している
エネルギー準位から上位のエネルギー準位へのキャリア
のオーバーフローが大きく関与している。したがって、
レーザ発振しているエネルギー準位と次のエネルギー準
位とのエネルギー差を広くすることが温度特性の改善に
有効であると考えた。
実現するデバイス構造を決定するために、半導体レーザ
における発振しきい値電流値の温度特性を決定している
メカニズムについて検討した。半導体レーザにおける発
振しきい値電流値の温度特性には、レーザ発振している
エネルギー準位から上位のエネルギー準位へのキャリア
のオーバーフローが大きく関与している。したがって、
レーザ発振しているエネルギー準位と次のエネルギー準
位とのエネルギー差を広くすることが温度特性の改善に
有効であると考えた。
【００１１】そこで、ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ系半導
体レーザとして、ＩｎＰ基板上に、ＰＬ波長が１．０μ
ｍのＡｌＧａＩｎＡｓからなる障壁層と、ＰＬ波長が
１．０μｍ以上のＡｌＧａＩｎＡｓからなる活性層とを
交互に積層した多重量子井戸構造を形成したモデル素子
構造を採用し、そのような素子構造のＡｌＧａＩｎＡｓ
／ＩｎＰ系半導体レーザについてシミュレーションを行
い、最適な素子構造について検討した。ＩｎＰ基板と活
性層のＡｌＧａＩｎＡｓとの格子定数の相違により、活
性層には圧縮歪又は引張歪が加わる。
体レーザとして、ＩｎＰ基板上に、ＰＬ波長が１．０μ
ｍのＡｌＧａＩｎＡｓからなる障壁層と、ＰＬ波長が
１．０μｍ以上のＡｌＧａＩｎＡｓからなる活性層とを
交互に積層した多重量子井戸構造を形成したモデル素子
構造を採用し、そのような素子構造のＡｌＧａＩｎＡｓ
／ＩｎＰ系半導体レーザについてシミュレーションを行
い、最適な素子構造について検討した。ＩｎＰ基板と活
性層のＡｌＧａＩｎＡｓとの格子定数の相違により、活
性層には圧縮歪又は引張歪が加わる。
【００１２】図１〜図４に、シミュレーションによる計
算結果を示す。最初に、活性層の第１エネルギー準位と
障壁層との間でのエネルギー差について検討する。図１
に、伝導帯側での活性層の第１エネルギー準位と障壁層
との間でのエネルギー差ΔＥCの計算結果を示す。横軸
は活性層８に加わる歪量（％）であり、縦軸はエネルギ
ー差ΔＥC（ｅＶ）である。正の歪量が圧縮歪を示し、
負の歪量は引張歪を示す。活性層の膜厚ｄaが４ｎｍか
ら１６ｎｍの場合について計算結果が示されている。障
壁層のＰＬ波長λbは１．０μｍである。
算結果を示す。最初に、活性層の第１エネルギー準位と
障壁層との間でのエネルギー差について検討する。図１
に、伝導帯側での活性層の第１エネルギー準位と障壁層
との間でのエネルギー差ΔＥCの計算結果を示す。横軸
は活性層８に加わる歪量（％）であり、縦軸はエネルギ
ー差ΔＥC（ｅＶ）である。正の歪量が圧縮歪を示し、
負の歪量は引張歪を示す。活性層の膜厚ｄaが４ｎｍか
ら１６ｎｍの場合について計算結果が示されている。障
壁層のＰＬ波長λbは１．０μｍである。
【００１３】図１のグラフから、圧縮歪が加わっている
限り、１００ｍｅＶを大きく越える１５０ｍｅＶ以上の
大きなエネルギー差ΔＥCを得られることがわかる。図
２に、価電子帯側での活性層の第１エネルギー準位と障
壁層との間でのエネルギー差ΔＥVの計算結果を示す。
横軸は活性層に加わる歪量（％）であり、縦軸はエネル
ギー差ΔＥV（ｅＶ）である。正の歪量が圧縮歪を示
し、負の歪量は引張歪を示す。活性層の膜厚ｄaが４ｎ
ｍから１６ｎｍの場合について計算結果が示されてい
る。障壁層のＰＬ波長λbは１．０μｍである。
限り、１００ｍｅＶを大きく越える１５０ｍｅＶ以上の
大きなエネルギー差ΔＥCを得られることがわかる。図
２に、価電子帯側での活性層の第１エネルギー準位と障
壁層との間でのエネルギー差ΔＥVの計算結果を示す。
横軸は活性層に加わる歪量（％）であり、縦軸はエネル
ギー差ΔＥV（ｅＶ）である。正の歪量が圧縮歪を示
し、負の歪量は引張歪を示す。活性層の膜厚ｄaが４ｎ
ｍから１６ｎｍの場合について計算結果が示されてい
る。障壁層のＰＬ波長λbは１．０μｍである。
【００１４】図２のグラフから、引張歪が加わっている
方がエネルギー差ΔＥVが大きい傾向にあるが、圧縮歪
が加わっている場合でも、１００ｍｅＶを越える１２０
ｍｅＶ以上のエネルギー差ΔＥVを得られることがわか
る。伝導帯側に比べて価電子帯側では有効質量の重い正
孔がキャリアであるため、この程度のエネルギー差ΔＥ
Vでも十分であると考えられる。
方がエネルギー差ΔＥVが大きい傾向にあるが、圧縮歪
が加わっている場合でも、１００ｍｅＶを越える１２０
ｍｅＶ以上のエネルギー差ΔＥVを得られることがわか
る。伝導帯側に比べて価電子帯側では有効質量の重い正
孔がキャリアであるため、この程度のエネルギー差ΔＥ
Vでも十分であると考えられる。
【００１５】したがって、図１及び図２から、障壁層を
形成する材料のＰＬ波長を１．０μｍ以下として十分に
ワイドギャップにしておけば、活性層のエネルギー準位
と障壁層との間で十分なエネルギー差を確保できること
がわかる。次に、活性層における第１エネルギー準位と
第２エネルギー準位のエネルギー差について検討する。
形成する材料のＰＬ波長を１．０μｍ以下として十分に
ワイドギャップにしておけば、活性層のエネルギー準位
と障壁層との間で十分なエネルギー差を確保できること
がわかる。次に、活性層における第１エネルギー準位と
第２エネルギー準位のエネルギー差について検討する。
【００１６】伝導帯側では、キャリアである電子は有効
質量が小さいので、活性層における第１エネルギー準位
と第２エネルギー準位との間で十分なエネルギー差が確
保される。また、通常、伝導帯側ではバリア障壁がそれ
ほど大きくないので第２エネルギー準位が存在しない。
したがって、伝導帯側では、活性層における第１エネル
ギー準位と第２エネルギー準位のエネルギー差は問題と
ならない。
質量が小さいので、活性層における第１エネルギー準位
と第２エネルギー準位との間で十分なエネルギー差が確
保される。また、通常、伝導帯側ではバリア障壁がそれ
ほど大きくないので第２エネルギー準位が存在しない。
したがって、伝導帯側では、活性層における第１エネル
ギー準位と第２エネルギー準位のエネルギー差は問題と
ならない。
【００１７】価電子帯側では、キャリアである正孔の有
効質量が重いため、伝導帯側とは異なり、活性層におけ
る第１エネルギー準位と第２エネルギー準位のエネルギ
ー差を考慮する必要がある。また、正孔には重い正孔
（Ｈｅａｖｙ Ｈｏｌｅ）と軽い正孔（Ｌｉｇｈｔ Ｈ
ｏｌｅ）が存在するため、この点も考慮しなければなら
ない。
効質量が重いため、伝導帯側とは異なり、活性層におけ
る第１エネルギー準位と第２エネルギー準位のエネルギ
ー差を考慮する必要がある。また、正孔には重い正孔
（Ｈｅａｖｙ Ｈｏｌｅ）と軽い正孔（Ｌｉｇｈｔ Ｈ
ｏｌｅ）が存在するため、この点も考慮しなければなら
ない。
【００１８】図３に、価電子帯側での活性層の重い正孔
の第１エネルギー準位Ｅhhと軽い正孔の第１エネルギー
準位Ｅlhとの間のエネルギー差Ｅhh−Ｅlhの計算結果を
示す。横軸は活性層に加わる歪量（％）であり、縦軸は
エネルギー差Ｅhh−Ｅlh（ｅＶ）である。正の歪量が圧
縮歪を示し、負の歪量は引張歪を示す。活性層の膜厚ｄ
aが４ｎｍから１６ｎｍの場合について計算結果が示さ
れている。障壁層のＰＬ波長λbは１．０μｍである。
の第１エネルギー準位Ｅhhと軽い正孔の第１エネルギー
準位Ｅlhとの間のエネルギー差Ｅhh−Ｅlhの計算結果を
示す。横軸は活性層に加わる歪量（％）であり、縦軸は
エネルギー差Ｅhh−Ｅlh（ｅＶ）である。正の歪量が圧
縮歪を示し、負の歪量は引張歪を示す。活性層の膜厚ｄ
aが４ｎｍから１６ｎｍの場合について計算結果が示さ
れている。障壁層のＰＬ波長λbは１．０μｍである。
【００１９】図３のグラフから、引張歪と圧縮歪とで、
重い正孔の第１エネルギー準位Ｅhhと軽い正孔の第１エ
ネルギー準位Ｅlhとのエネルギー関係が逆転しているこ
とがわかる。引張歪の場合も圧縮歪の場合も、重い正孔
と軽い正孔のエネルギー差Ｅ hh−Ｅlhを十分に大きくと
るためには、歪量を所定値以上にする必要がある。エネ
ルギー差Ｅhh−Ｅlhの絶対値が１００ｍｅＶ以上となる
ためには、歪量を少なくとも−１．４％以下とするか、
歪量を少なくとも＋０．５％以上とする必要がある。こ
のエネルギー差Ｅhh−Ｅlhは、活性層の膜厚ｄaに対す
る依存性はそれほど顕著ではない。
重い正孔の第１エネルギー準位Ｅhhと軽い正孔の第１エ
ネルギー準位Ｅlhとのエネルギー関係が逆転しているこ
とがわかる。引張歪の場合も圧縮歪の場合も、重い正孔
と軽い正孔のエネルギー差Ｅ hh−Ｅlhを十分に大きくと
るためには、歪量を所定値以上にする必要がある。エネ
ルギー差Ｅhh−Ｅlhの絶対値が１００ｍｅＶ以上となる
ためには、歪量を少なくとも−１．４％以下とするか、
歪量を少なくとも＋０．５％以上とする必要がある。こ
のエネルギー差Ｅhh−Ｅlhは、活性層の膜厚ｄaに対す
る依存性はそれほど顕著ではない。
【００２０】図４に、価電子帯の第１エネルギー準位Ｅ
V1と第２エネルギー準位ＥV2との間のエネルギー差ＥV1
−ＥV2の計算結果を示す。横軸は活性層に加わる歪量
（％）であり、縦軸はエネルギー差ＥV1−ＥV2（ｅＶ）
である。正の歪量が圧縮歪を示し、負の歪量は引張歪を
示す。活性層の膜厚ｄaが４ｎｍから１６ｎｍの場合に
ついて計算結果が示されている。障壁層のＰＬ波長λb
は１．０μｍである。
V1と第２エネルギー準位ＥV2との間のエネルギー差ＥV1
−ＥV2の計算結果を示す。横軸は活性層に加わる歪量
（％）であり、縦軸はエネルギー差ＥV1−ＥV2（ｅＶ）
である。正の歪量が圧縮歪を示し、負の歪量は引張歪を
示す。活性層の膜厚ｄaが４ｎｍから１６ｎｍの場合に
ついて計算結果が示されている。障壁層のＰＬ波長λb
は１．０μｍである。
【００２１】図４において、歪量の変化に伴ってエネル
ギー差ＥV1−ＥV2の計算結果が不連続になっているの
は、価電子帯における活性層の第１エネルギー準位が重
い正孔の第１エネルギー準位Ｅhhから軽い正孔の第１エ
ネルギー準位Ｅlhに移り変わっているからである。図４
に示すように、引張歪の場合には活性層の膜厚ｄaが１
１ｎｍ以下にならないと十分なエネルギー差ＥV1−ＥV2
を確保することができない。また、圧縮歪の場合には活
性層の膜厚ｄaが４ｎｍ程度にならないと十分なエネル
ギー差ＥV1−ＥV2を確保することができない。
ギー差ＥV1−ＥV2の計算結果が不連続になっているの
は、価電子帯における活性層の第１エネルギー準位が重
い正孔の第１エネルギー準位Ｅhhから軽い正孔の第１エ
ネルギー準位Ｅlhに移り変わっているからである。図４
に示すように、引張歪の場合には活性層の膜厚ｄaが１
１ｎｍ以下にならないと十分なエネルギー差ＥV1−ＥV2
を確保することができない。また、圧縮歪の場合には活
性層の膜厚ｄaが４ｎｍ程度にならないと十分なエネル
ギー差ＥV1−ＥV2を確保することができない。
【００２２】このような解析結果から、良好な温度特性
を得るために必要なエネルギー差を確保するためには、
次の条件が必要である。 （１）障壁層として、ＰＬ波長λbが１．０μｍ以下の
十分なワイドギャップの材料を用いること。 （２）歪量として、引張歪が−１．４％以下、圧縮歪が
＋０．５％以上の十分に大きな値を用いること。 （３）活性層の膜厚ｄaは、引張歪の場合は約１１ｎｍ
以下が望ましく、圧縮歪の場合は約４．５ｎｍ以下が望
ましい。
を得るために必要なエネルギー差を確保するためには、
次の条件が必要である。 （１）障壁層として、ＰＬ波長λbが１．０μｍ以下の
十分なワイドギャップの材料を用いること。 （２）歪量として、引張歪が−１．４％以下、圧縮歪が
＋０．５％以上の十分に大きな値を用いること。 （３）活性層の膜厚ｄaは、引張歪の場合は約１１ｎｍ
以下が望ましく、圧縮歪の場合は約４．５ｎｍ以下が望
ましい。
【００２３】これら条件を満足する活性層の組成比の範
囲を図５に示す。図５は、障壁層のＰＬ波長λbを１．
０μｍとし、活性層のＰＬ波長λgを１．３１μｍとす
る多重量子井戸構造を有するＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ
系材料の光半導体装置に対する組成比の範囲を示してい
る。活性層をＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＡｓ層としたとき、
歪量が−３．０％から＋３．０％まで変化させた場合
と、活性層の膜厚ｄaを４ｎｍから１６ｎｍまで変化さ
せた場合について、Ａｌの組成比ｘとＧａの組成比ｙの
関係を示している。
囲を図５に示す。図５は、障壁層のＰＬ波長λbを１．
０μｍとし、活性層のＰＬ波長λgを１．３１μｍとす
る多重量子井戸構造を有するＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ
系材料の光半導体装置に対する組成比の範囲を示してい
る。活性層をＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＡｓ層としたとき、
歪量が−３．０％から＋３．０％まで変化させた場合
と、活性層の膜厚ｄaを４ｎｍから１６ｎｍまで変化さ
せた場合について、Ａｌの組成比ｘとＧａの組成比ｙの
関係を示している。
【００２４】図５から明らかなように、活性層の圧縮歪
が＋０．５％以上という条件は、次式 ｙ≦０．４−ｘ を満足する。活性層の膜厚ｄaが４．５ｎｍ以上という
条件は、次式 ｙ≦０．５５−２．７５ｘ を満足する。組成比ｘ、ｙは零又は正であるから、次式 ｘ≧０ ｙ≧０ を満足する。図５に上記４つの式を満足する範囲を、斜
めのハッチングで示す。
が＋０．５％以上という条件は、次式 ｙ≦０．４−ｘ を満足する。活性層の膜厚ｄaが４．５ｎｍ以上という
条件は、次式 ｙ≦０．５５−２．７５ｘ を満足する。組成比ｘ、ｙは零又は正であるから、次式 ｘ≧０ ｙ≧０ を満足する。図５に上記４つの式を満足する範囲を、斜
めのハッチングで示す。
【００２５】次に、本発明の一実施形態による半導体レ
ーザを図６及び図７を用いて説明する。本実施形態の半
導体レーザは上述した諸条件を満足するものである。図
６は本実施形態の半導体レーザの構造を示す図である。
約２７０μｍ厚で不純物濃度が２．０Ｅ＋１８ｃｍ-3の
ｎ−ＩｎＰ基板１０上に、約５０〜４００ｎｍ厚で不純
物濃度が約５．０Ｅ＋１７ｃｍー３のｎ−Ａｌ 0.477Ｉ
ｎ0.523Ａｓクラッド層１４が形成されている。
ーザを図６及び図７を用いて説明する。本実施形態の半
導体レーザは上述した諸条件を満足するものである。図
６は本実施形態の半導体レーザの構造を示す図である。
約２７０μｍ厚で不純物濃度が２．０Ｅ＋１８ｃｍ-3の
ｎ−ＩｎＰ基板１０上に、約５０〜４００ｎｍ厚で不純
物濃度が約５．０Ｅ＋１７ｃｍー３のｎ−Ａｌ 0.477Ｉ
ｎ0.523Ａｓクラッド層１４が形成されている。
【００２６】ｎ−ＡｌＩｎＡｓクラッド層１４上には、
必要に応じて、例えば、ｉ−Ａｌ0. 36Ｇａ0.12Ｉｎ0.52
Ａｓ ＳＣＨ（Separate Confinement Heterostructur
e）層（図示せず）を介して、多重量子井戸層２２が形
成されている。多重量子井戸層２２は、例えば、約１０
±５ｎｍ厚のｉ−Ａｌ0.36Ｇａ0.12Ｉｎ0.52Ａｓ障壁層
と、約４ｎｍ±１厚のｉ−Ａｌ0.13Ｇａ0.12Ｉｎ0.75Ａ
ｓ活性層とが交互に積層して形成されている。
必要に応じて、例えば、ｉ−Ａｌ0. 36Ｇａ0.12Ｉｎ0.52
Ａｓ ＳＣＨ（Separate Confinement Heterostructur
e）層（図示せず）を介して、多重量子井戸層２２が形
成されている。多重量子井戸層２２は、例えば、約１０
±５ｎｍ厚のｉ−Ａｌ0.36Ｇａ0.12Ｉｎ0.52Ａｓ障壁層
と、約４ｎｍ±１厚のｉ−Ａｌ0.13Ｇａ0.12Ｉｎ0.75Ａ
ｓ活性層とが交互に積層して形成されている。
【００２７】多重量子井戸層２２上には、必要に応じ
て、例えば、ｉ−Ａｌ0.36Ｇａ0.12Ｉｎ0.52Ａｓ ＳＣ
Ｈ（Separate Confinement Heterostructure）層（図示
せず）を介して、例えば、約５０〜４００ｎｍ厚で不純
物濃度が５．０Ｅ＋１７ｃｍー3のｐ−Ａｌ0.477Ｉｎ
0.523Ａｓクラッド層２６が形成されている。
て、例えば、ｉ−Ａｌ0.36Ｇａ0.12Ｉｎ0.52Ａｓ ＳＣ
Ｈ（Separate Confinement Heterostructure）層（図示
せず）を介して、例えば、約５０〜４００ｎｍ厚で不純
物濃度が５．０Ｅ＋１７ｃｍー3のｐ−Ａｌ0.477Ｉｎ
0.523Ａｓクラッド層２６が形成されている。
【００２８】ｐ−ＡｌＩｎＡｓクラッド層２６上には、
例えば、約１０００±１００ｎｍ厚で不純物濃度が１．
０Ｅ＋１８ｃｍ-3のｐ−ＩｎＰクラッド層３０が形成さ
れている。ｐ−ＩｎＰクラッド層３０上には、約６００
±１００ｎｍ厚で不純物濃度が２．０Ｅ＋１９ｃｍ-3の
ｐ+−Ｉｎ0.533Ｇａ0.467Ａｓコンタクト層３２が形成
されている。
例えば、約１０００±１００ｎｍ厚で不純物濃度が１．
０Ｅ＋１８ｃｍ-3のｐ−ＩｎＰクラッド層３０が形成さ
れている。ｐ−ＩｎＰクラッド層３０上には、約６００
±１００ｎｍ厚で不純物濃度が２．０Ｅ＋１９ｃｍ-3の
ｐ+−Ｉｎ0.533Ｇａ0.467Ａｓコンタクト層３２が形成
されている。
【００２９】ｐ−ＩｎＰクラッド層３０及びｐ+−Ｉｎ
ＧａＡｓコンタクト層３２は、図６に示すように、リッ
ジ構造となるように加工されている。このリッジ構造
は、中央の突出部分以外の領域はシリコン酸化膜３４に
より覆われている。シリコン酸化膜３４により覆われて
いないｐ+−ＩｎＧａＡｓコンタクト層３２の露出部分
には、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ層からなる上部電極３６が形成
されている。ｎ−ＩｎＰ基板１０を２７０μｍから１１
０μｍに薄くした後、ｎ−ＩｎＰ半導体基板１０の下面
に、ＡｕＧｅ／Ａｕ層からなる下部電極３８を形成す
る。
ＧａＡｓコンタクト層３２は、図６に示すように、リッ
ジ構造となるように加工されている。このリッジ構造
は、中央の突出部分以外の領域はシリコン酸化膜３４に
より覆われている。シリコン酸化膜３４により覆われて
いないｐ+−ＩｎＧａＡｓコンタクト層３２の露出部分
には、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ層からなる上部電極３６が形成
されている。ｎ−ＩｎＰ基板１０を２７０μｍから１１
０μｍに薄くした後、ｎ−ＩｎＰ半導体基板１０の下面
に、ＡｕＧｅ／Ａｕ層からなる下部電極３８を形成す
る。
【００３０】多重量子井戸層２２のｉ−ＡｌＧａＩｎＡ
ｓ障壁層、ｉ−ＡｌＧａＩｎＡｓＳＣＨ層のＰＬ波長は
１．０μｍである。多重量子井戸層２２のｉ−Ａｌ0.36
Ｇａ0.12Ｉｎ0.52Ａｓ障壁層は、ｎ−ＩｎＰ基板１０と
格子定数が整合していて無歪である。多重量子井戸層２
２のｉ−Ａｌ0.13Ｇａ0.12Ｉｎ0.75Ａｓ活性層は、ｎ−
ＩｎＰ基板１０より格子定数が大きく約１．５％の圧縮
歪が加わっている。
ｓ障壁層、ｉ−ＡｌＧａＩｎＡｓＳＣＨ層のＰＬ波長は
１．０μｍである。多重量子井戸層２２のｉ−Ａｌ0.36
Ｇａ0.12Ｉｎ0.52Ａｓ障壁層は、ｎ−ＩｎＰ基板１０と
格子定数が整合していて無歪である。多重量子井戸層２
２のｉ−Ａｌ0.13Ｇａ0.12Ｉｎ0.75Ａｓ活性層は、ｎ−
ＩｎＰ基板１０より格子定数が大きく約１．５％の圧縮
歪が加わっている。
【００３１】本実施形態による半導体レーザの温度特性
を評価するために特性温度Ｔoを測定し、従来の半導体
レーザの特性温度Ｔoと比較した。測定結果を図７に示
す。半導体レーザの場合、温度がＴ1度からＴ2度に上昇
すると、その閾値電流Ｉthは、次式に示すように指数関
数的に上昇することが知られている。 Ｉth＝Ｉ1 exp{(Ｔ2−Ｔ1)／Ｔo} ただし、Ｉ1はＴ１度のときの閾値電流である。特性温
度Ｔoは、閾値電流がｅ（自然対数の底：２．７１８２
８．．．）倍になるために必要な温度上昇値である。特
性温度Ｔoが大きいほど、温度による閾値電流の変動が
少なく、温度特性が良好であるといえる。
を評価するために特性温度Ｔoを測定し、従来の半導体
レーザの特性温度Ｔoと比較した。測定結果を図７に示
す。半導体レーザの場合、温度がＴ1度からＴ2度に上昇
すると、その閾値電流Ｉthは、次式に示すように指数関
数的に上昇することが知られている。 Ｉth＝Ｉ1 exp{(Ｔ2−Ｔ1)／Ｔo} ただし、Ｉ1はＴ１度のときの閾値電流である。特性温
度Ｔoは、閾値電流がｅ（自然対数の底：２．７１８２
８．．．）倍になるために必要な温度上昇値である。特
性温度Ｔoが大きいほど、温度による閾値電流の変動が
少なく、温度特性が良好であるといえる。
【００３２】図７に、本実施形態による半導体レーザの
特性温度Ｔoの測定結果を、従来の半導体レーザと比較
して示す。図７において、横軸は活性層２０の厚さ（ｎ
ｍ）であり、縦軸は特性温度Ｔo（Ｋ）であり、実施形
態を●で示し、比較例を○でしめす。本実施形態による
半導体レーザの特性温度Ｔoは約９７Ｋであった。比較
例１は、上述した文献（５）（C.E.Zah et al, 94 OFC,
pp.204-205, 1994）において、膜厚ｄaが５．０μｍの
場合の特性温度Ｔoの測定値８９Ｋである。比較例２、
３、４は、上述した文献（７）（C.E.Zah et al, 14th
ISLC, Th1.3, pp.215-216, 1994）において、膜厚ｄaが
５．２μｍ、６．２μｍ、７．１μｍの場合の特性温度
Ｔoの測定値８３Ｋ、７４Ｋ、４９Ｋである。
特性温度Ｔoの測定結果を、従来の半導体レーザと比較
して示す。図７において、横軸は活性層２０の厚さ（ｎ
ｍ）であり、縦軸は特性温度Ｔo（Ｋ）であり、実施形
態を●で示し、比較例を○でしめす。本実施形態による
半導体レーザの特性温度Ｔoは約９７Ｋであった。比較
例１は、上述した文献（５）（C.E.Zah et al, 94 OFC,
pp.204-205, 1994）において、膜厚ｄaが５．０μｍの
場合の特性温度Ｔoの測定値８９Ｋである。比較例２、
３、４は、上述した文献（７）（C.E.Zah et al, 14th
ISLC, Th1.3, pp.215-216, 1994）において、膜厚ｄaが
５．２μｍ、６．２μｍ、７．１μｍの場合の特性温度
Ｔoの測定値８３Ｋ、７４Ｋ、４９Ｋである。
【００３３】図７から明らかなように、比較例に比べて
本実施形態は特性温度Ｔoが大きく、温度による閾値電
流の変動が少なく、温度特性が良好であることがわか
る。本発明は上記実施形態に限らず種々の変形が可能で
ある。例えば、上記実施形態では、クラッド層としてＡ
ｌＩｎＡｓ系材料を用いたが、他の半導体材料を用いて
もよい。
本実施形態は特性温度Ｔoが大きく、温度による閾値電
流の変動が少なく、温度特性が良好であることがわか
る。本発明は上記実施形態に限らず種々の変形が可能で
ある。例えば、上記実施形態では、クラッド層としてＡ
ｌＩｎＡｓ系材料を用いたが、他の半導体材料を用いて
もよい。
【００３４】また、上記実施形態における素子構造はあ
くまで本発明を適用した一例であって、本発明が上記実
施形態の素子構造に限定されるものではない。さらに、
上記実施形態では、半導体レーザに本発明を適用した
が、半導体レーザ以外の他の光半導体装置に本発明を適
用してもよい。
くまで本発明を適用した一例であって、本発明が上記実
施形態の素子構造に限定されるものではない。さらに、
上記実施形態では、半導体レーザに本発明を適用した
が、半導体レーザ以外の他の光半導体装置に本発明を適
用してもよい。
【００３５】
【発明の効果】以上の通り、本発明によれば、多重量子
井戸構造を、ＰＬ波長が１．０μｍ以下の障壁層と、
４．５ｎｍ以下の膜厚の活性層とを交互に積層して構成
し、活性層に０．５％以上の圧縮歪みが加わるようにし
たので、良好な温度特性を実現するデバイス構造のＡｌ
ＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ系の光半導体装置を実現できる。
井戸構造を、ＰＬ波長が１．０μｍ以下の障壁層と、
４．５ｎｍ以下の膜厚の活性層とを交互に積層して構成
し、活性層に０．５％以上の圧縮歪みが加わるようにし
たので、良好な温度特性を実現するデバイス構造のＡｌ
ＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ系の光半導体装置を実現できる。
【図１】伝導帯側での活性層の第１エネルギー準位と障
壁層との間でのエネルギー差ΔＥCのシミュレーション
結果を示すグラフである。
壁層との間でのエネルギー差ΔＥCのシミュレーション
結果を示すグラフである。
【図２】価電子帯側での活性層の第１エネルギー準位と
障壁層との間でのエネルギー差ΔＥVのシミュレーショ
ン結果を示すグラフである。
障壁層との間でのエネルギー差ΔＥVのシミュレーショ
ン結果を示すグラフである。
【図３】価電子帯側での活性層の重い正孔の第１エネル
ギー準位Ｅhhと軽い正孔の第１エネルギー準位Ｅlhとの
間のエネルギー差Ｅhh−Ｅlhのシミュレーション結果を
示すグラフである。
ギー準位Ｅhhと軽い正孔の第１エネルギー準位Ｅlhとの
間のエネルギー差Ｅhh−Ｅlhのシミュレーション結果を
示すグラフである。
【図４】価電子帯側での第１エネルギー準位ＥV1と第２
エネルギー準位ＥV2との間のエネルギー差ＥV1−ＥV2の
シミュレーション結果を示すグラフである。
エネルギー準位ＥV2との間のエネルギー差ＥV1−ＥV2の
シミュレーション結果を示すグラフである。
【図５】本発明による条件を満足するＡｌxＧａyＩｎ
1-x-yＡｓ活性層におけるＡｌの組成比ｘとＧａの組成
比ｙの範囲を示すグラフである。
1-x-yＡｓ活性層におけるＡｌの組成比ｘとＧａの組成
比ｙの範囲を示すグラフである。
【図６】本発明の一実施形態による半導体レーザの構造
を示す図である。
を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態による半導体レーザの特性
温度の測定結果を示すグラフである。
温度の測定結果を示すグラフである。
１０…ｎ−ＩｎＰ基板 １４…ｎ−ＡｌＩｎＡｓクラッド層 ２２…多重量子井戸層 ２６…ｐ−ＡｌＩｎＡｓクラッド層 ３０…ｐ−ＩｎＰクラッド層 ３２…ｐ+−ＩｎＧａＡｓコンタクト層 ３４…シリコン酸化膜 ３６…上部電極 ３８…下部電極
Claims (3)
- 【請求項１】 ＩｎＰ半導体基板上にＡｌＧａＩｎＡｓ
系材料の多重量子井戸構造が形成された光半導体装置に
おいて、 前記多重量子井戸構造は、 ＰＬ波長が１．０μｍ以下の障壁層と、４．５ｎｍ以下
の膜厚の活性層とを交互に積層して構成され、 前記活性層に０．５％以上の圧縮歪みが加わっているこ
とを特徴とする光半導体装置。 - 【請求項２】 ＩｎＰ半導体基板上にＡｌＧａＩｎＡｓ
系材料の多重量子井戸構造が形成された光半導体装置に
おいて、 前記多重量子井戸構造は、 ＰＬ波長が１．０μｍ以下の障壁層と、４．５ｎｍ以下
の膜厚の活性層とを交互に積層して構成され、 前記活性層をＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＡｓ層としたとき、
Ａｌの組成比ｘとＧａの組成比ｙが次式 ｙ≦０．４−ｘ ｙ≦０．５５−２．７５ｘ ｘ≧０ ｙ≧０ を満足することを特徴とする光半導体装置。 - 【請求項３】 請求項１又は２記載の光半導体装置にお
いて、 前記多重量子井戸構造が、ＡｌＩｎＡｓ系材料のクラッ
ド層により挟まれていることを特徴とする光半導体装
置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP34093697A JPH10229254A (ja) | 1996-12-11 | 1997-12-11 | 光半導体装置 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8-330513 | 1996-12-11 | ||
| JP33051396 | 1996-12-11 | ||
| JP34093697A JPH10229254A (ja) | 1996-12-11 | 1997-12-11 | 光半導体装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10229254A true JPH10229254A (ja) | 1998-08-25 |
Family
ID=26573558
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP34093697A Pending JPH10229254A (ja) | 1996-12-11 | 1997-12-11 | 光半導体装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH10229254A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012119456A (ja) * | 2010-11-30 | 2012-06-21 | Opnext Japan Inc | 半導体発光素子 |
-
1997
- 1997-12-11 JP JP34093697A patent/JPH10229254A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012119456A (ja) * | 2010-11-30 | 2012-06-21 | Opnext Japan Inc | 半導体発光素子 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20060224 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20060307 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20060428 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20061205 |