JPH0821748B2 - 半導体レ−ザ装置 - Google Patents

半導体レ−ザ装置

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JPH0821748B2
JPH0821748B2 JP60193739A JP19373985A JPH0821748B2 JP H0821748 B2 JPH0821748 B2 JP H0821748B2 JP 60193739 A JP60193739 A JP 60193739A JP 19373985 A JP19373985 A JP 19373985A JP H0821748 B2 JPH0821748 B2 JP H0821748B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は半導体レーザ装置に係わり、特に短波長発
振，長波長発振，低しきい値，高信頼性などの点に従来
にない秀れた特性を有する量子井戸レーザ装置に関す
る。
〔発明の背景〕
最近、GaAlAs超格子を用いた量子井戸型構造の半導体
レーザの開発が盛んに行われている（半導体超格子の物
理と応用、第83〜85頁、日本物理学会編、（株）培風館
刊、昭和59年11月10日発行 参照）。
また、光フアイバ通信により適した長波長半導体レー
ザとして、InP基板上にInGaAsP4元結晶層を活性層や光
ガイド層として設けたものや、光デイスク，レーザプリ
ンタ用に適した短波長半導体レーザとしてGaAs基板上に
InGaAsP4元結晶層を活性層や光ガイド層として設けたも
のが注目されている。しかし、このようにIII−Ｖ族基
板の上にIII1−III2−V1−V24元結晶層を格子整合した
状態で形成する技術は未だ制御性の点で多くの問題を有
している。（クレツセル他、“セミコンダクタ レーザ
とヘテロ接合発光ダイオード”第304〜318頁、アカデミ
ツク プレス社刊、1977年（H.Kressel et al,“Semico
nductor Lasers and Heterojunstion LEDs"Academic Pr
ess,1977）参照）。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、長波長領域もしくは短波長領域で安
定に発振する半導体レーザ装置を提供することにある。
〔発明の概要〕
本発明者は、III−Ｖ族結晶基板上に形成した、基板
と格子整合するIII1−V12元結晶層、及び、これも基板
と格子整合するIII1−III2−V23元結晶層からなる超格
子構造が、製造容易で、かつその平均的バンドギヤツプ
がIII1−III2−V1−V24元結晶層に相当し得ることに着
目した研究を推進するうちに、III1−V12元結晶層の膜
厚（LB）と、III1−III2−V23元結晶層の膜厚（LW）の
比、すなわち、L2/L3を後述の計算で決まる値にして形
成した超格子構造は、成長中に自然に生じる混晶化、又
はZn拡散やSi注入などで混晶化した後にも基板と格子整
合をしており、極めて安定であることを見出した。ここ
でローマ数字わきの上付数字のうち、“1"は基板材料の
元素と同じ元素の場合を、“2"は違う元素の場合をそれ
ぞれ示すものである。
すなわち、本発明の内容は、GaAsのようなIII−Ｖ族
の２元混晶基板（III1−V1）に格子整合した（III1−II
I2−V1−V2）４元混晶層の代りに、（III1−V1）２元及
び（III1−III2−V2）３元混晶（これも基板に格子整合
している）の超格子構造を用いることにある。ここで２
元層と３元層のうちバンドギヤツプEgの小さい方をwell
（井戸），大きい方をbarrier（障壁）とよび、各厚み
をLW,LBとすると、上記超格子構造が無秩序化したと仮
定してできる冶金学的平均組成の混晶も、また元の基板
結晶に格子整合がとれているよう、あらかじめLW/LB比
を調整しておくことが重要である。
この成長法による利点としては、２種類のＶ族元素が
同時に供給される場合に必要とされる、V1/V2元素比及
び基板温度の厳密な制御が著しく緩和されること、一般
に超格子の成長の間に２元層をはさみこむと、成長表面
のミクロな凹凸がならされて極めて平坦な表面モホロジ
ーにすぐれた結晶となり、界面準位の発生や界面に、基
板と格子整合しない多元混晶部分が成長したりすること
が防がれる。また、LW/LB比をうまく選んで、この超格
子が仮に素子作製プロセス中にまじりあつて無秩序化す
ることがあつても、格子整合のとれた４元混晶となるた
めに、大きな内部格子歪やミスフイツト転位の発生する
ことはない、ことなどがあげられる。
LW,LBはMBE法やOMVPE法ではÅオーダーまで制御可能
であり、LB25Å位の超格子では電子の自由なトンネリ
ングがおこり、クローニピペニー模型から知られるよう
に、この場合、電気的にはこの超格子は、冶金学的平均
組成の４元混晶とほぼ同じとみなしてよい。
具体的な例として、InP基板上に、InPとIn0.53Ga0.47
Asの超格子を成長する場合と、GaAs基板上にGaAsとIn
0.49Ga0.51Ｐの超格子を成長する場合について説明す
る。前者では、InGaAsがwell,InPがbarrierとなり、冶
金学的平均４元混晶InxGa1−xAsyP1−ｙがInPと格子整
合するためには、ｙ2.16（１−ｘ）でなければならな
い（“半導体レーザとヘテロ接合発光ダイオード”クレ
ツセル他著，アカデミツク プレス社刊第392頁,1977年
（“Semiconductor Lasers and Heterojunction LEDs"
H.Kressel,J,K,Butler Academic Press NewYork,1977 P
392）参照。）ことから、LW/LB0.392でなければなら
ない。この時平均４元混晶はIn0.87Ga0.13As0.28Ｐ0.72
となる。InP,In0.87Ga0.13As0.28Ｐ0.72,In0.53Ga0.47A
sのバンドギヤツプは各々1.35eV,1.14eV,0.75eVであ
り、（“ヘテロ構造レーザ、パートB"キヤセイ他著，ア
カデミツクプレス社刊，第40頁,1978年（“Heterostruc
ture Lasers,Part B"H.C.Casey,Jr.M.B.Panish Academi
s Press,NewYork,1978 P40）参照）、GaAlAs系の多重量
子井戸レーザの最適化構造（“ツアン，アプライド・フ
イジツクス・レター第39巻，第786頁,1981年（W.T.Tsan
g Appl Phys Lett 39（1981）P780）参照）にならつて
量子井戸型の長波長レーザを設計できる。
次に、後者の例では、GaAsがwell,InGaPがbarrierと
なり、冶金学的平均４元混晶InxGa1−xAsyP1−ｙがGaAs
と格子整合する条件ｙ１−2.04xを求めてみるとLW/LB
比が何であつてもほぼ満たされることがわかる。このこ
とは、LW,LBを適当にとることによりGaAsとIn0.49Ga
0.51Ｐの間の任意の平均組成４元層InxGa1−xAsyP1−ｙ を作製できることを意味する。また、MBEやOMVPE法で超
格子を成長する際に、GaAsとInGaPの膜厚比がわずかに
ずれても、格子整合の条件はみたされているから多少の
組成のズレを気にしない素子構造ならば、ミスフイツト
転位発生を気にすることなく容易に作製できることにな
る。また、膜厚比をゆつくりと変えてゆくと、エネルギ
ーレベルの傾斜したgraded層を作製できることになる。
さらに、４元成長層の代りに、（２元/3元）超格子を用
いることにより、いわゆるミシピリテイギヤツプの存在
による成長時の混合不安定性の問題（尾鍋，応用物理第
53巻（1984）P801参照）を回避でき、比較的低い成長温
度でも鏡面エピタキシヤル膜を得ることが可能となる。
〔発明の実施例〕
以下、本実施例に基づいて詳細に説明する。
第１図は、OMVPE法でn+−InP基板上に、ｎ−InPクラ
ツド層（ｎ〜１×1018,3μｍ），アンドープ量子井戸活
性層、Ｐ−InPクラツド層（Ｐ〜１×1018,2μｍ）を順
次成長した量子井戸型長波長レーザの活性層部分の伝導
帯エネルギー図を示す。ここで、量子井戸層はIn0.53Ga
0.47Asの厚さdW＝70Å〜120Åの単一層で、障壁層に、
本発明による（InP/In0.53Ga0.47As）超格子を用いてあ
る。InPの厚さLBは電子のトンネリングが十分におこる
ようLB25Åとし、LW/LB0.39の条件より（LW/LB）
（８Å/20Å）と（４Å/10Å）の２種類を作製した。障
壁層を構成する超格子の１グループの厚みdBは、多重量
子井戸の各井戸内の電子がトンネリングをおこさぬよう
dB84〜112Åとした。この結晶を通常のホトリソグラ
フイにより幅２μｍのメサ状にエツチングしたのち、液
相成長法によつて埋め込み型（BM）レーザを作製したと
ころ、波長1.3〜1.55μｍで、しきい電流値が通常の波
相成長法によるInGaAsP/InP系のレーザの約半分（10mA
以下）と小さく、温度特性のすぐれた素子が得られた。
MBE法で作製したものも同様のすぐれた特性が得られ
た。
第２図は、MBE法で、ｎ＋ −GaAs基板上に、ｎ−Inu
GavAl1−ｕ−vPクラツド相（ｎ−１×1018,3μｍ）、ア
ンドープ量子井戸活性層Ｐ−InuGavAl1−ｕ−vPクラツ
ド層（Ｐ−１×1018,2μｍ）、Ｐ−GaAsギヤツプ（１μ
ｍ）を順次成長した、量子井戸型可視レーザの活性層部
分の伝導帯エネルギー図を示す。ここで量子井戸層はGa
Asの厚さdW＝40Å〜100Åの単一層で、障壁層に本発明
による（GaAs/In0.49Ga0.51Ｐ）超格子を用いてある。I
nGaPの厚さLBは電子のトンネリングが十分におこるよう
にLB25Åとし、障壁層を構成する超格子の１グループ
の厚みdBは、各井戸内の電子がトンネリングしないよう
にdB60Å〜100Åとした。この場合、LW/LB比は、発振
波長により、LW,LB＜30Åの範囲で適当に調節した。ク
ラツド層のInuGavAl1−ｕ−vPは、In0.49Ga0.51Ｐ（Eg
〜1.88eV）から、In0.49Al0.51Ｐ（Eg〜2.25eV）までの
GaAsに格子整合したものを、発振波長に対して適当に選
んだ。この結晶から、SiO2膜を電流狭窄に用いたストラ
イプレーザを作製したところ、発振波長が0.75μｍ〜0.
65μｍで、しきい電流密度が1KA/cm2以下と小さく、温
度特性にすぐれた素子が得られた。光出力は20mWまで直
線性のよい電流対光出力特性を得た。第３図は、活性層
も超格子構造にしたもので、波長0.70〜0.65μｍの素子
が得られた。
ここでのべた内容は、他の化合物半導体の多元混晶に
も適用可能であることはいうまでもない。また、応用例
も半導体レーザにかぎらず、発光ダイオードその他の素
子にも全く同様に適用可能なことはいうまでもない。
〔発明の効果〕
以上のべてきたように、本発明の結晶構造により、長
波長及び短波長レーザの量子井戸型構造が容易に作製で
き、特性改善に著しい効果のあることがわかつた。
【図面の簡単な説明】
第１図は、InP基板上に成長した、InPをクラツド層と
し、量子井戸活性層の井戸層をIn0.53Ga0.47As、障壁層
を（InP/In0.53Ga0.47As）超格子（平均組成はIn0.87Ga
0.13As0.28Ｐ0.72４元混晶に同じ）とする量子井戸レー
ザを説明する図で、（ａ）は伝導帯のエネルギー模式
図、（ｂ）は電子のトンネル効果あるいは超格子の無秩
序化を考えた（ａ）に等価なモデルの図、第２図は、Ga
As基板上に成長した、InGaAlpをクラツド層とし、量子
井戸活性層の井戸層をGaAs、障壁層を（GaAs/In0.49Ga
0.41Ｐ）超格子（平均組成は両者の膜厚比により両者の
中間組成を自由にとれる）とする量子井戸レーザを説明
する図（（ａ），（ｂ）は第１図と同じ）、第３図は、
第２図において、井戸層も（GaAs/In0.49Ga0.51Ｐ）を
超格子として、より短波長化した量子井戸レーザを説明
する図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大石 昭夫 東京都国分寺市東恋ヶ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 松村 宏善 東京都国分寺市東恋ヶ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (56)参考文献 特開 昭60−7121（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−21084（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−31086（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−207684（ＪＰ，Ａ) Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅ ｔｔｅｒｓ，44［３］（1984）（米）Ｐ. 288−290

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】半導体結晶基板上に、該基板と格子整合す
    る第１の多元結晶層および第２の多元結晶層からなる超
    格子層で少なくとも活性層、光ガイド層、およびクラッ
    ド層のいずれかを形成した超格子構造を有する半導体レ
    ーザ装置において、該超格子構造の混晶化物が該基板と
    格子整合するように、該第１の多元結晶層と第２の多元
    結晶層の膜厚比が選定されていることを特徴とする半導
    体レーザ装置。
  2. 【請求項２】III族およびＶ族元素からなるIII1−V12元
    結晶基板上に、該基板と格子整合するIII1−V12元結晶
    層およびIII1−III2−V23元結晶層からなる超格子層で
    少なくとも活性層、光ガイド層、およびクラッド層のい
    ずれかを形成した超格子構造を有する半導体レーザ装置
    において、該超格子構造の混晶化物が該基板と格子整合
    するように、該III1−V12元結晶層とIII1−III2−V23元
    結晶層の膜厚比が選定されていることを特徴とする半導
    体レーザ装置。
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