JPH10145003A - 半導体レーザおよび該半導体レーザを用いた光通信システム - Google Patents
半導体レーザおよび該半導体レーザを用いた光通信システムInfo
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- JPH10145003A JPH10145003A JP30441496A JP30441496A JPH10145003A JP H10145003 A JPH10145003 A JP H10145003A JP 30441496 A JP30441496 A JP 30441496A JP 30441496 A JP30441496 A JP 30441496A JP H10145003 A JPH10145003 A JP H10145003A
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- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES 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
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
- H01S5/32—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures
- H01S5/323—Structure 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
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
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- H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 長波長帯半導体レーザにおいて、電子と正孔
の閉じ込めエネルギーを十分に確保したまま、量子井戸
活性層の歪を軽減することにより、高性能な半導体レー
ザを提供すること。 【解決手段】 活性層７を量子井戸構造とし、井戸層６
にＧａＩｎＮＡｓ等の窒素系５族混晶半導体を用い、障
壁層（光ガイド層）４，５に伸張歪の半導体を用いる。
伸張歪の半導体は、ＧａＮＡｓまたはＧａＮＰＡｓであ
ることが好ましい。井戸層と障壁層との両方に窒素系５
族混晶半導体を用いることで、電子と正孔の閉じ込めエ
ネルギーを共に十分に確保できる。また、井戸層と障壁
層とで応力補償することにより、量子井戸活性層の各層
の歪と全体の歪を共に低減できる。これにより、高性能
な半導体レーザを提供することが可能になる。１はＧａ
Ａｓ基板、３，８，１０はクラッド層、１４，１５は電
極。
の閉じ込めエネルギーを十分に確保したまま、量子井戸
活性層の歪を軽減することにより、高性能な半導体レー
ザを提供すること。 【解決手段】 活性層７を量子井戸構造とし、井戸層６
にＧａＩｎＮＡｓ等の窒素系５族混晶半導体を用い、障
壁層（光ガイド層）４，５に伸張歪の半導体を用いる。
伸張歪の半導体は、ＧａＮＡｓまたはＧａＮＰＡｓであ
ることが好ましい。井戸層と障壁層との両方に窒素系５
族混晶半導体を用いることで、電子と正孔の閉じ込めエ
ネルギーを共に十分に確保できる。また、井戸層と障壁
層とで応力補償することにより、量子井戸活性層の各層
の歪と全体の歪を共に低減できる。これにより、高性能
な半導体レーザを提供することが可能になる。１はＧａ
Ａｓ基板、３，８，１０はクラッド層、１４，１５は電
極。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザ技術
に関し、特に、長波長帯半導体レーザの設計の許容度を
高めた高性能な半導体レーザおよびそれを用いた光通信
システムに関する。
に関し、特に、長波長帯半導体レーザの設計の許容度を
高めた高性能な半導体レーザおよびそれを用いた光通信
システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】現在実用化されている光通信システム用
半導体レーザは、全てＩｎＰ基板上に作製され、活性層
にＧａＩｎＰＡｓまたはＡｌＧａＩｎＡｓ混晶半導体を
用いている。量子井戸構造および屈折率導波型構造の採
用により非常に高性能になっている。しかし、高温動作
時に特性が大きく劣化する大きな欠点を持っている。幹
線系光ファイバ通信では半導体レーザをペルチェ電熱素
子で冷却しながら使用しているが、光ファイバ通信が各
家庭・オフィスへ、各コンピュータへと導入される今後
の加入者系光ファイバ通信では半導体レーザ送信モジュ
ールの低価格化と低消費電力化が必須であり、冷却素子
を必要としない温度特性に非常に優れる光通信システム
用半導体レーザが強く求められている。
半導体レーザは、全てＩｎＰ基板上に作製され、活性層
にＧａＩｎＰＡｓまたはＡｌＧａＩｎＡｓ混晶半導体を
用いている。量子井戸構造および屈折率導波型構造の採
用により非常に高性能になっている。しかし、高温動作
時に特性が大きく劣化する大きな欠点を持っている。幹
線系光ファイバ通信では半導体レーザをペルチェ電熱素
子で冷却しながら使用しているが、光ファイバ通信が各
家庭・オフィスへ、各コンピュータへと導入される今後
の加入者系光ファイバ通信では半導体レーザ送信モジュ
ールの低価格化と低消費電力化が必須であり、冷却素子
を必要としない温度特性に非常に優れる光通信システム
用半導体レーザが強く求められている。
【０００３】最近、光通信システム用半導体レーザの温
度特性の大幅な改善が期待できる新材料ＧａＩｎＮＡｓ
を使用した半導体レーザが報告された（近藤等、第４３
回応用物理学関係連合講演会予稿集 第１,０４６頁参
照）。また、Ｎを含むIII-V族混晶半導体は、III族元素
の組成を一定としてＮ組成を変化させたとき、その禁制
帯幅がいったん減少してから再び増加するボーイングを
示すことが明らかになってきた。Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐ
ｌ．Ｐｈｙｓ．ｖｏｌ．３５（１９９６）ｐｐ．１２７
３には、このような物性を有するガリウムインジウム窒
素砒素（ＧａＩｎＮＡｓ）を半導体レーザの活性層に用
いることにより、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板上に温
度特性に優れた光通信用半導体レーザが実現できると記
載されている。ここでＧａＡｓ基板上に作成可能である
ことは、半導体多層膜反射鏡形成の容易さから、面発光
レーザ作成に有利であることを意味する。なお、ここで
いう光通信システムは、長距離通信のみを指すものでは
なく、光インターコネクトション等の短距離伝送も含
む。
度特性の大幅な改善が期待できる新材料ＧａＩｎＮＡｓ
を使用した半導体レーザが報告された（近藤等、第４３
回応用物理学関係連合講演会予稿集 第１,０４６頁参
照）。また、Ｎを含むIII-V族混晶半導体は、III族元素
の組成を一定としてＮ組成を変化させたとき、その禁制
帯幅がいったん減少してから再び増加するボーイングを
示すことが明らかになってきた。Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐ
ｌ．Ｐｈｙｓ．ｖｏｌ．３５（１９９６）ｐｐ．１２７
３には、このような物性を有するガリウムインジウム窒
素砒素（ＧａＩｎＮＡｓ）を半導体レーザの活性層に用
いることにより、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板上に温
度特性に優れた光通信用半導体レーザが実現できると記
載されている。ここでＧａＡｓ基板上に作成可能である
ことは、半導体多層膜反射鏡形成の容易さから、面発光
レーザ作成に有利であることを意味する。なお、ここで
いう光通信システムは、長距離通信のみを指すものでは
なく、光インターコネクトション等の短距離伝送も含
む。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上記報告された半導体
レーザは、ＧａＩｎＮＡｓを量子井戸層に、ＧａＡｓを
障壁層（光ガイド層）に用いた量子井戸活性層を有して
いる。ＧａＩｎＮＡｓとＧａＡｓのバンドラインナップ
について図２を用いて説明する。図２の右半分にＧａＩ
ｎＡｓのバンドラインナップを、左半分にＧａＮＡｓの
バンドラインナップを示す。ＧａＩｎＡｓとＧａＮＡｓ
のバンドラインナップを同じ図中に示すため、横軸を格
子の歪量で目盛った。従って、ＧａＡｓがｙ軸上にく
る。同図より、ＧａＡｓへＩｎを加えてＧａＩｎＡｓ混
晶半導体とすると、つまり＋歪（圧縮歪）を増大させる
と、伝導帯は下降し価電子帯は上昇することがわかる。
一方、ＧａＡｓへＮを加えてＧａＮＡｓ混晶半導体とす
ると、つまり−歪（伸張歪）を増大させると、伝導帯、
価電子帯の両方とも下降することがわかる。ＧａＮＡｓ
の場合、伝導帯が下降する割合が価電子帯が下降する割
合より大きいので、Ｎを加えて伸張歪を増大させるとバ
ンドギャップは減少する。
レーザは、ＧａＩｎＮＡｓを量子井戸層に、ＧａＡｓを
障壁層（光ガイド層）に用いた量子井戸活性層を有して
いる。ＧａＩｎＮＡｓとＧａＡｓのバンドラインナップ
について図２を用いて説明する。図２の右半分にＧａＩ
ｎＡｓのバンドラインナップを、左半分にＧａＮＡｓの
バンドラインナップを示す。ＧａＩｎＡｓとＧａＮＡｓ
のバンドラインナップを同じ図中に示すため、横軸を格
子の歪量で目盛った。従って、ＧａＡｓがｙ軸上にく
る。同図より、ＧａＡｓへＩｎを加えてＧａＩｎＡｓ混
晶半導体とすると、つまり＋歪（圧縮歪）を増大させる
と、伝導帯は下降し価電子帯は上昇することがわかる。
一方、ＧａＡｓへＮを加えてＧａＮＡｓ混晶半導体とす
ると、つまり−歪（伸張歪）を増大させると、伝導帯、
価電子帯の両方とも下降することがわかる。ＧａＮＡｓ
の場合、伝導帯が下降する割合が価電子帯が下降する割
合より大きいので、Ｎを加えて伸張歪を増大させるとバ
ンドギャップは減少する。
【０００５】今、ＧａＩｎＡｓにＮを加えてＧａＩｎＮ
Ａｓ混晶半導体とする場合を考える。図２において伝導
帯はＡ点からＢ点，Ｃ点へと下降する。同様に、価電子
帯はＤ点からＥ点，Ｆ点へと下降する。歪量に対する価
電子帯の上昇／下降の割合がＧａＩｎＡｓとＧａＮＡｓ
で同一なため、ＧａＡｓと格子整合するＧａＩｎＮＡｓ
の価電子帯、つまりＦ点は、ＧａＡｓの価電子帯のレベ
ルと一致する。従って、量子井戸層にＧａＡｓに格子整
合したＧａＩｎＮＡｓを障壁層にＧａＡｓを使用する量
子井戸構造では、電子は閉じ込めることができても、正
孔を閉じ込めることができない。
Ａｓ混晶半導体とする場合を考える。図２において伝導
帯はＡ点からＢ点，Ｃ点へと下降する。同様に、価電子
帯はＤ点からＥ点，Ｆ点へと下降する。歪量に対する価
電子帯の上昇／下降の割合がＧａＩｎＡｓとＧａＮＡｓ
で同一なため、ＧａＡｓと格子整合するＧａＩｎＮＡｓ
の価電子帯、つまりＦ点は、ＧａＡｓの価電子帯のレベ
ルと一致する。従って、量子井戸層にＧａＡｓに格子整
合したＧａＩｎＮＡｓを障壁層にＧａＡｓを使用する量
子井戸構造では、電子は閉じ込めることができても、正
孔を閉じ込めることができない。
【０００６】この問題に対して、上記報告ではＧａＩｎ
ＮＡｓの価電子帯を図２のＥ点へ移動させることによっ
て対処している。つまり、ＧａＩｎＮＡｓを圧縮歪層と
することで価電子帯を持ち上げ、ＧａＡｓの価電子帯と
エネルギー差を作っている。レーザ発振に必要な正孔の
閉じ込めエネルギー（５０ｍｅＶ以上）を得るために
は、ＧａＩｎＮＡｓを＋１．５％以上歪まさなければな
らない。高歪下のＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層で結晶欠陥
の発生を抑制するためにはＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層の
層厚や層数が大きく制限され、レーザを設計するうえで
障害となっている。そこで、本発明の第１の目的は、電
子と正孔の閉じ込めエネルギーを十分に確保し、なおか
つ、量子井戸層の歪を軽減させる構造を提供することに
より、長波長帯半導体レーザの設計の許容度を高めた高
性能な半導体レーザ、および該半導体レーザを用いた光
通信システムを提供することである。
ＮＡｓの価電子帯を図２のＥ点へ移動させることによっ
て対処している。つまり、ＧａＩｎＮＡｓを圧縮歪層と
することで価電子帯を持ち上げ、ＧａＡｓの価電子帯と
エネルギー差を作っている。レーザ発振に必要な正孔の
閉じ込めエネルギー（５０ｍｅＶ以上）を得るために
は、ＧａＩｎＮＡｓを＋１．５％以上歪まさなければな
らない。高歪下のＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層で結晶欠陥
の発生を抑制するためにはＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層の
層厚や層数が大きく制限され、レーザを設計するうえで
障害となっている。そこで、本発明の第１の目的は、電
子と正孔の閉じ込めエネルギーを十分に確保し、なおか
つ、量子井戸層の歪を軽減させる構造を提供することに
より、長波長帯半導体レーザの設計の許容度を高めた高
性能な半導体レーザ、および該半導体レーザを用いた光
通信システムを提供することである。
【０００７】さらに前述した報告では、ＧａＩｎＮＡｓ
を活性層に用いた光通信用半導体レーザにおいて室温で
のレーザ発振が報告されている。そこでの活性領域は光
ガイド層をＧａＡｓ、井戸層をＧａＩｎＮＡｓとする単
一量子井戸構造を有している。発光領域である井戸層に
は、厚さ７ｎｍのＧａＩｎＮＡｓ単膜が用いられてい
る。本報告におけるＧａＩｎＮＡｓのＮ組成は１％以下
である。このような活性層構造で、発振波長が１．３μ
ｍ帯あるいは１．５５μｍ帯に適合した高性能なレーザ
を作製するには、Ｎ組成が１〜４％程度必要である。
を活性層に用いた光通信用半導体レーザにおいて室温で
のレーザ発振が報告されている。そこでの活性領域は光
ガイド層をＧａＡｓ、井戸層をＧａＩｎＮＡｓとする単
一量子井戸構造を有している。発光領域である井戸層に
は、厚さ７ｎｍのＧａＩｎＮＡｓ単膜が用いられてい
る。本報告におけるＧａＩｎＮＡｓのＮ組成は１％以下
である。このような活性層構造で、発振波長が１．３μ
ｍ帯あるいは１．５５μｍ帯に適合した高性能なレーザ
を作製するには、Ｎ組成が１〜４％程度必要である。
【０００８】Ｎは、その原子半径が従来から用いられて
きたIII-V族半導体材料よりも非常に小さいため、Ｇａ
ＩｎＮＡｓを構成する他の元素とうまく混合させること
が難しい。よって、従来構造と同様に井戸層をＧａＩｎ
ＮＡｓ単膜とした場合、Ｎ組成の増大につれ、結晶性の
低下が起き、レーザの性能が劣化する可能性がある。実
際に、ＧａＩｎＮＡｓを井戸層に用いた量子井戸におい
て、窒素組成の増大に伴うフォトルミネッセンス特性の
劣下が観測されている。特に、３％以上のＮ組成が要求
される１．５５μｍ帯半導体レーザにおいては、この問
題が顕著となる。そこで、本発明の第２の目的は、Ｇａ
ＩｎＮＡｓを活性層に用いた温度特性に優れる光通信用
長波長半導体レーザにおいて、Ｎ組成を１％以下として
も、１．５５μｍを超える長波長で発振する活性層構造
を提供することにある。
きたIII-V族半導体材料よりも非常に小さいため、Ｇａ
ＩｎＮＡｓを構成する他の元素とうまく混合させること
が難しい。よって、従来構造と同様に井戸層をＧａＩｎ
ＮＡｓ単膜とした場合、Ｎ組成の増大につれ、結晶性の
低下が起き、レーザの性能が劣化する可能性がある。実
際に、ＧａＩｎＮＡｓを井戸層に用いた量子井戸におい
て、窒素組成の増大に伴うフォトルミネッセンス特性の
劣下が観測されている。特に、３％以上のＮ組成が要求
される１．５５μｍ帯半導体レーザにおいては、この問
題が顕著となる。そこで、本発明の第２の目的は、Ｇａ
ＩｎＮＡｓを活性層に用いた温度特性に優れる光通信用
長波長半導体レーザにおいて、Ｎ組成を１％以下として
も、１．５５μｍを超える長波長で発振する活性層構造
を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明の上記第１の目的
は、長波長帯半導体レーザの活性層を量子井戸構造と
し、井戸層に圧縮歪みの半導体を用い、障壁層（光ガイ
ド層）に伸張歪の半導体を用い、これらをＧａＡｓ基板
上に設けることにより達成される。上記圧縮歪みの半導
体として窒素系５族混晶半導体を用い、上記伸張歪の半
導体としてＧａＮＡｓまたはＧａＮＰＡｓを用いること
が好ましい。
は、長波長帯半導体レーザの活性層を量子井戸構造と
し、井戸層に圧縮歪みの半導体を用い、障壁層（光ガイ
ド層）に伸張歪の半導体を用い、これらをＧａＡｓ基板
上に設けることにより達成される。上記圧縮歪みの半導
体として窒素系５族混晶半導体を用い、上記伸張歪の半
導体としてＧａＮＡｓまたはＧａＮＰＡｓを用いること
が好ましい。
【００１０】図３を用いて、井戸層がＧａＩｎＮＡｓ、
障壁層がＧａＮＡｓの場合について説明する。ＧａＮＡ
ｓの伝導帯はＳ点、価電子帯はＴ点となる。今５０ｍｅ
Ｖの正孔の閉じ込めエネルギーを得ることを考える。障
壁層がＧａＡｓの場合はＧａＩｎＮＡｓの価電子帯はＥ
点でなければならないが、障壁層がＧａＮＡｓの場合は
Ｙ点でよい。よって、ＧａＩｎＮＡｓの歪を低減でき
る。また、その場合、ＧａＮＡｓ障壁層の伸張歪でＧａ
ＩｎＮＡｓ井戸層の圧縮歪を相殺（補償）でき、量子井
戸構造全体の歪を大幅に低減できる。電子は、Ｓ点とＸ
点のエネルギー差によって閉じ込められる。ＧａＩｎＮ
Ａｓレーザの良好な温度特性を維持するためには、その
差を１５０ｍｅＶ以上保つことが重要である。例えば、
電子の閉じ込めエネルギーを１５０ｍｅＶ以上とし、正
孔の閉じ込めエネルギーを５０ｍｅＶ以上とする。
障壁層がＧａＮＡｓの場合について説明する。ＧａＮＡ
ｓの伝導帯はＳ点、価電子帯はＴ点となる。今５０ｍｅ
Ｖの正孔の閉じ込めエネルギーを得ることを考える。障
壁層がＧａＡｓの場合はＧａＩｎＮＡｓの価電子帯はＥ
点でなければならないが、障壁層がＧａＮＡｓの場合は
Ｙ点でよい。よって、ＧａＩｎＮＡｓの歪を低減でき
る。また、その場合、ＧａＮＡｓ障壁層の伸張歪でＧａ
ＩｎＮＡｓ井戸層の圧縮歪を相殺（補償）でき、量子井
戸構造全体の歪を大幅に低減できる。電子は、Ｓ点とＸ
点のエネルギー差によって閉じ込められる。ＧａＩｎＮ
Ａｓレーザの良好な温度特性を維持するためには、その
差を１５０ｍｅＶ以上保つことが重要である。例えば、
電子の閉じ込めエネルギーを１５０ｍｅＶ以上とし、正
孔の閉じ込めエネルギーを５０ｍｅＶ以上とする。
【００１１】障壁層にＧａＮＰＡｓを用いる場合は、Ｐ
の混晶組成を調節することで、電子と正孔の閉じ込めエ
ネルギーを大きく保ったまま、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層の
歪量をより低減することができる。井戸層は、ＧａＩｎ
ＮＡｓに、Ａｌ，Ｐ，またはＳｂを多少含ませたもので
もよい。５族元素に窒素と他の５族原子を同時に含む窒
素系５族混晶半導体であれば、上述した本発明の目的が
達成される。
の混晶組成を調節することで、電子と正孔の閉じ込めエ
ネルギーを大きく保ったまま、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層の
歪量をより低減することができる。井戸層は、ＧａＩｎ
ＮＡｓに、Ａｌ，Ｐ，またはＳｂを多少含ませたもので
もよい。５族元素に窒素と他の５族原子を同時に含む窒
素系５族混晶半導体であれば、上述した本発明の目的が
達成される。
【００１２】また、本発明の上記第２の目的は、半導体
基板上に光を発生する活性層と、光を閉じこめるクラッ
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、活性層が障壁層と井
戸層から形成される量子井戸型構造から構成され、井戸
層に窒素を含むIII-V族混晶半導体による第一の半導体
層と窒素を含むIII-V族混晶半導体による第二の半導体
層を各々１原子層づつ交互に積層した超格子構造を用い
ることによって達成される。
基板上に光を発生する活性層と、光を閉じこめるクラッ
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、活性層が障壁層と井
戸層から形成される量子井戸型構造から構成され、井戸
層に窒素を含むIII-V族混晶半導体による第一の半導体
層と窒素を含むIII-V族混晶半導体による第二の半導体
層を各々１原子層づつ交互に積層した超格子構造を用い
ることによって達成される。
【００１３】さらに詳しく述べると、図５に示すよう
に、活性層を量子井戸型構造とする半導体レーザの井戸
層に、ガリウム窒素砒素：ＧａＮ(0.0085)Ａｓ(0.9915)
１／インジウム窒素砒素：ＩｎＮ(0.0085)Ａｓ(0.9915)
１超格子を用いる。このとき、各層におけるＮの組成比
を０．００８５とすることにより、素子の発振波長を
１．５５μｍに適合させることができる。つまり、１％
以下の低いＮ組成においても、波長１．５５μｍで発光
する活性層を形成することができる。
に、活性層を量子井戸型構造とする半導体レーザの井戸
層に、ガリウム窒素砒素：ＧａＮ(0.0085)Ａｓ(0.9915)
１／インジウム窒素砒素：ＩｎＮ(0.0085)Ａｓ(0.9915)
１超格子を用いる。このとき、各層におけるＮの組成比
を０．００８５とすることにより、素子の発振波長を
１．５５μｍに適合させることができる。つまり、１％
以下の低いＮ組成においても、波長１．５５μｍで発光
する活性層を形成することができる。
【００１４】また、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．ｖ
ｏｌ．５９（１９９１）ｐｐ．２６８８に、（ＧａＡ
ｓ）１／（インジウム砒素：ＩｎＡｓ）１超格子を井戸
層に用いたＧａＡｓを障壁層とする歪量子井戸におい
て、室温で波長１．３μｍを超える１．３４μｍでのフ
ォトルミネッセンスが観測されたと記載されている。上
記報告に記載されているように、（ＧａＡｓ）１／（Ｉ
ｎＡｓ）１超格子が、同様にＧａＡｓ基板上に形成した
無秩序状態のＧａ(0.5)Ｉｎ(0.5)Ａｓ単膜よりも長波長
の発光を示す理由は、人工的に導入された周期構造によ
り無秩序状態のＧａ(0.5)Ｉｎ(0.5)Ａｓのバンド構造に
変化が起こり、実質的な禁制帯幅の減少（バンドギャッ
プナロウイング）が起こることにより説明される。
ｏｌ．５９（１９９１）ｐｐ．２６８８に、（ＧａＡ
ｓ）１／（インジウム砒素：ＩｎＡｓ）１超格子を井戸
層に用いたＧａＡｓを障壁層とする歪量子井戸におい
て、室温で波長１．３μｍを超える１．３４μｍでのフ
ォトルミネッセンスが観測されたと記載されている。上
記報告に記載されているように、（ＧａＡｓ）１／（Ｉ
ｎＡｓ）１超格子が、同様にＧａＡｓ基板上に形成した
無秩序状態のＧａ(0.5)Ｉｎ(0.5)Ａｓ単膜よりも長波長
の発光を示す理由は、人工的に導入された周期構造によ
り無秩序状態のＧａ(0.5)Ｉｎ(0.5)Ａｓのバンド構造に
変化が起こり、実質的な禁制帯幅の減少（バンドギャッ
プナロウイング）が起こることにより説明される。
【００１５】このような周期構造によるバンドギャップ
ナロウイングはガリウムインジウム燐Ｇａ(0.5)Ｉｎ(0.
5)Ｐにおける自然超格子形成の際にも観測されている。
また、超格子構造を、無秩序状態のＧａ(0.5)Ｉｎ(0.5)
Ａｓの臨界膜厚より厚く積層しても、結晶性が低下しな
いことがフォトルミネッセンス測定により確認されてい
る。これまで記述してきたと同様の効果が、（ＧａＮＡ
ｓ）１／（ＩｎＮＡｓ）１超格子を井戸層に用いた場合
にも利用できるため、Ｎ導入量を１％以下にしたまま、
波長１．５５μmを超える長波長での発光を実現でき
る。以上により、本発明構造を用いることで、Ｎ組成を
１％以下に低下させた状態でも、波長１．５５μｍ帯で
発振する温度特性に優れた光通信用半導体レーザの作製
が可能となる。尚、同様の効果は、ＧａＮＡｓ、ＩｎＮ
Ａｓ以外に、ＡｌＮＡｓ、ＧａＮＰ、ＩｎＮＰ、ＡｌＮ
Ｐ、ＧａＮＳｂ、ＩｎＮＳｂ、ＡｌＮＳｂを用いて超格
子構造を作製した場合にも得られる。
ナロウイングはガリウムインジウム燐Ｇａ(0.5)Ｉｎ(0.
5)Ｐにおける自然超格子形成の際にも観測されている。
また、超格子構造を、無秩序状態のＧａ(0.5)Ｉｎ(0.5)
Ａｓの臨界膜厚より厚く積層しても、結晶性が低下しな
いことがフォトルミネッセンス測定により確認されてい
る。これまで記述してきたと同様の効果が、（ＧａＮＡ
ｓ）１／（ＩｎＮＡｓ）１超格子を井戸層に用いた場合
にも利用できるため、Ｎ導入量を１％以下にしたまま、
波長１．５５μmを超える長波長での発光を実現でき
る。以上により、本発明構造を用いることで、Ｎ組成を
１％以下に低下させた状態でも、波長１．５５μｍ帯で
発振する温度特性に優れた光通信用半導体レーザの作製
が可能となる。尚、同様の効果は、ＧａＮＡｓ、ＩｎＮ
Ａｓ以外に、ＡｌＮＡｓ、ＧａＮＰ、ＩｎＮＰ、ＡｌＮ
Ｐ、ＧａＮＳｂ、ＩｎＮＳｂ、ＡｌＮＳｂを用いて超格
子構造を作製した場合にも得られる。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面を用
いて詳細に説明する。本発明の上記第１の目的を達成す
るための実施例として、図１に示した第１実施例および
図４に示した第２実施例がある。 （第１実施例）第１実施例は、本発明を逆メサ構造を有
する端面発光型半導体レーザに適用したものである。以
下、図１を用いて本実施例を詳細に説明する。図１
（ａ）は、本実施例の半導体レーザの断面構造を、図１
（ｂ）は本実施例の活性層の拡大図を示している。
いて詳細に説明する。本発明の上記第１の目的を達成す
るための実施例として、図１に示した第１実施例および
図４に示した第２実施例がある。 （第１実施例）第１実施例は、本発明を逆メサ構造を有
する端面発光型半導体レーザに適用したものである。以
下、図１を用いて本実施例を詳細に説明する。図１
（ａ）は、本実施例の半導体レーザの断面構造を、図１
（ｂ）は本実施例の活性層の拡大図を示している。
【００１７】次に、図１（ａ）を参照して素子の作製方
法を詳細に説明する。まず、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、
ｎ型ＧａＡｓバッファ層２、ｎ型Ａｌ(0.4)Ｇａ(0.6)Ａ
ｓクラッド層３、応力補償型歪量子井戸活性層７、ｐ型
Ａｌ(0.4)Ｇａ(0.6)Ａｓクラッド層８、ｐ型Ｇａ(0.5)
Ｉｎ(0.5)Ｐエッチング停止層９、ｐ型Ａｌ(0.4)Ｇａ
(0.6)Ａｓクラッド層１０、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１
１を化学線エピタキシー法により順次形成する。この時
の、ＧａＩｎＮＡｓ歪量子井戸層の歪量は＋１％であ
る。
法を詳細に説明する。まず、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、
ｎ型ＧａＡｓバッファ層２、ｎ型Ａｌ(0.4)Ｇａ(0.6)Ａ
ｓクラッド層３、応力補償型歪量子井戸活性層７、ｐ型
Ａｌ(0.4)Ｇａ(0.6)Ａｓクラッド層８、ｐ型Ｇａ(0.5)
Ｉｎ(0.5)Ｐエッチング停止層９、ｐ型Ａｌ(0.4)Ｇａ
(0.6)Ａｓクラッド層１０、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１
１を化学線エピタキシー法により順次形成する。この時
の、ＧａＩｎＮＡｓ歪量子井戸層の歪量は＋１％であ
る。
【００１８】なお、応力補償型歪量子井戸活性層７は、
その拡大図を図１（ａ）に示すように、ＧａＮ(0.02)Ａ
ｓ(0.98)障壁層（光ガイド層）（層厚１５０ｎｍ）４お
よび５と、Ｇａ(0.80)Ｉｎ(0.20)Ｎ(0.02)Ａｓ(0.98)井
戸層（層厚７ｎｍ）６とから構成される。
その拡大図を図１（ａ）に示すように、ＧａＮ(0.02)Ａ
ｓ(0.98)障壁層（光ガイド層）（層厚１５０ｎｍ）４お
よび５と、Ｇａ(0.80)Ｉｎ(0.20)Ｎ(0.02)Ａｓ(0.98)井
戸層（層厚７ｎｍ）６とから構成される。
【００１９】次に、酸化膜をマスクとしてホトエッチン
グ工程により、図１（ａ）に示すようなリッジをウエッ
トエッチングにより形成する。エッチングはｐ型Ｇａ
(0.5)Ｉｎ(0.5)Ｐエッチング停止層９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（ａ）に示すようにｎ型Ａｌ(0.4)Ｇａ
(0.6)Ａｓ電流狭窄層１２を選択成長する。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型
ＧａＡｓコンタクト層１３を形成する。
グ工程により、図１（ａ）に示すようなリッジをウエッ
トエッチングにより形成する。エッチングはｐ型Ｇａ
(0.5)Ｉｎ(0.5)Ｐエッチング停止層９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（ａ）に示すようにｎ型Ａｌ(0.4)Ｇａ
(0.6)Ａｓ電流狭窄層１２を選択成長する。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型
ＧａＡｓコンタクト層１３を形成する。
【００２０】最後に、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１３に
ｐ側電極１４を、ｎ型ＧａＡｓ基板１にｎ側電極１５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、このレーザ素子の前面に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とアモルファスＳｉからなる４層
膜による高反射膜を形成した。その後、該レーザ素子を
接合面を下にして、ヒートシンク上にボンディングし
た。
ｐ側電極１４を、ｎ型ＧａＡｓ基板１にｎ側電極１５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、このレーザ素子の前面に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とアモルファスＳｉからなる４層
膜による高反射膜を形成した。その後、該レーザ素子を
接合面を下にして、ヒートシンク上にボンディングし
た。
【００２１】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
範囲における特性温度Ｔ0は１５０Ｋであった。また、
本レーザは、活性層の歪量が小さいので、１０万時間以
上の長い素子寿命を有した。
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
範囲における特性温度Ｔ0は１５０Ｋであった。また、
本レーザは、活性層の歪量が小さいので、１０万時間以
上の長い素子寿命を有した。
【００２２】（第２実施例）第２実施例は、本発明を面
発光型半導体レーザに適用したものである。以下、本実
施例を図４を用いて詳細に説明する。図４（ａ）は本実
施例の断面構造を、図４（ｂ）は本実施例の活性層の拡
大図を示している。次に、図４（ａ）を参照して素子の
作製方法を詳細に説明する。まず、ｎ型ＧａＡｓ基板１
上に、ｎ型半導体多層膜反射鏡２０、ＧａＡｓスペーサ
層２１、３重量子井戸活性層２４、ＧａＡｓスペーサ層
２５、ＧａＡｓ基板に格子整合したｐ型Ｇａ(0.5)Ｉｎ
(0.5)Ｐクラッド層２６、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層２
７を有機金属気相エピタキシー法により順次形成する。
発光型半導体レーザに適用したものである。以下、本実
施例を図４を用いて詳細に説明する。図４（ａ）は本実
施例の断面構造を、図４（ｂ）は本実施例の活性層の拡
大図を示している。次に、図４（ａ）を参照して素子の
作製方法を詳細に説明する。まず、ｎ型ＧａＡｓ基板１
上に、ｎ型半導体多層膜反射鏡２０、ＧａＡｓスペーサ
層２１、３重量子井戸活性層２４、ＧａＡｓスペーサ層
２５、ＧａＡｓ基板に格子整合したｐ型Ｇａ(0.5)Ｉｎ
(0.5)Ｐクラッド層２６、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層２
７を有機金属気相エピタキシー法により順次形成する。
【００２３】なお、３重量子井戸活性層２４は、その拡
大図を図４（ｂ）に示すように、ＧａＮ(0.02)Ａｓ(0.9
8)障壁層（層厚５ｎｍ）２２とＧａ(0.80)Ｉｎ(0.20)Ｎ
(0.02)Ａｓ(0.98)井戸層（層厚５ｎｍ）２３から構成さ
れる。３重量子井戸活性層２４は、応力補償型量子井戸
構造を有している。
大図を図４（ｂ）に示すように、ＧａＮ(0.02)Ａｓ(0.9
8)障壁層（層厚５ｎｍ）２２とＧａ(0.80)Ｉｎ(0.20)Ｎ
(0.02)Ａｓ(0.98)井戸層（層厚５ｎｍ）２３から構成さ
れる。３重量子井戸活性層２４は、応力補償型量子井戸
構造を有している。
【００２４】半導体多層膜反射鏡２０は、半導体中で１
／４波長厚の高屈折率のＧａＡｓ層と半導体中で１／４
波長厚の低屈折率のＡｌＩｎＰ層を交互に積層したもの
であり、反射率を９９％以上にするために反射鏡層の積
層数を１５対とした。なお、半導体多層膜反射鏡２０は
高屈折率層と低屈折率層が交互に積層されていればよい
ので、例えば、ＧａＡｓとＡｌＡｓ、ＧａＡｓとＧａＩ
ｎＰ、或いはＧａＩｎＮＡｓとＡｌＡｓ等の他の材料系
を用いてもよい。
／４波長厚の高屈折率のＧａＡｓ層と半導体中で１／４
波長厚の低屈折率のＡｌＩｎＰ層を交互に積層したもの
であり、反射率を９９％以上にするために反射鏡層の積
層数を１５対とした。なお、半導体多層膜反射鏡２０は
高屈折率層と低屈折率層が交互に積層されていればよい
ので、例えば、ＧａＡｓとＡｌＡｓ、ＧａＡｓとＧａＩ
ｎＰ、或いはＧａＩｎＮＡｓとＡｌＡｓ等の他の材料系
を用いてもよい。
【００２５】次に、化学気相堆積工程とホトレジスト工
程により直径１０μｍの円形のＳｉＯ２膜（後の工程で
除去するため同図には示していない）を形成し、これを
マスクとしてｎ型の半導体多層膜反射鏡２０の途中まで
ウエットエッチングしてメサ状にする。その後、マスク
になるＳｉＯ2膜を残したまま化学気相堆積工程により
ＳｉＯ2保護層２８を形成し、その上にポリイミド２９
を塗布して硬化させる。次に、反応性イオンビームエッ
チングによりＳｉＯ2マスクが露出するまでポリイミド
２９をエッチングし、メサの上部のＳｉＯ2マスクを図
に示したように除去することで平坦な面が得られる。
程により直径１０μｍの円形のＳｉＯ２膜（後の工程で
除去するため同図には示していない）を形成し、これを
マスクとしてｎ型の半導体多層膜反射鏡２０の途中まで
ウエットエッチングしてメサ状にする。その後、マスク
になるＳｉＯ2膜を残したまま化学気相堆積工程により
ＳｉＯ2保護層２８を形成し、その上にポリイミド２９
を塗布して硬化させる。次に、反応性イオンビームエッ
チングによりＳｉＯ2マスクが露出するまでポリイミド
２９をエッチングし、メサの上部のＳｉＯ2マスクを図
に示したように除去することで平坦な面が得られる。
【００２６】この後、リフトオフ法によりリング状のｐ
側電極１３を形成した後、スッパタ蒸着法により誘電体
多層膜反射鏡３０を形成し、さらにｎ型ＧａＡｓ基板面
にｎ側電極１４を形成した。誘電体多層膜反射鏡３０
は、誘電体中で１／４波長厚さの高屈折率アモルファス
Ｓｉ層と誘電体中で１／４波長厚さの低屈折率ＳｉＯ2
層を交互に積層して作製した。反射率を９９％以上にす
るために積層数を４対とした。なお、誘電体多層膜反射
鏡３０は高屈折率層と低屈折率層が交互に積層されてい
ればよいので、例えば、ＳｉＮとＳｉＯ2、アモルファ
スＳｉとＳｉＮ、或いはＴｉＯ2とＳｉＯ2等の他の材料
系を用いてもよい。
側電極１３を形成した後、スッパタ蒸着法により誘電体
多層膜反射鏡３０を形成し、さらにｎ型ＧａＡｓ基板面
にｎ側電極１４を形成した。誘電体多層膜反射鏡３０
は、誘電体中で１／４波長厚さの高屈折率アモルファス
Ｓｉ層と誘電体中で１／４波長厚さの低屈折率ＳｉＯ2
層を交互に積層して作製した。反射率を９９％以上にす
るために積層数を４対とした。なお、誘電体多層膜反射
鏡３０は高屈折率層と低屈折率層が交互に積層されてい
ればよいので、例えば、ＳｉＮとＳｉＯ2、アモルファ
スＳｉとＳｉＮ、或いはＴｉＯ2とＳｉＯ2等の他の材料
系を用いてもよい。
【００２７】以上のようにして製作した面発光レーザに
電流を注入したところ、室温連続発振した。レーザ光は
誘電体多層膜反射鏡３０側から出射された。発振波長は
１．３μｍであった。本実施例の面発光レーザは、活性
層の歪量が小さいので、１０万時間以上の長い素子寿命
を有した。
電流を注入したところ、室温連続発振した。レーザ光は
誘電体多層膜反射鏡３０側から出射された。発振波長は
１．３μｍであった。本実施例の面発光レーザは、活性
層の歪量が小さいので、１０万時間以上の長い素子寿命
を有した。
【００２８】本発明の実施態様の一つであるＧａＮＡｓ
なる３元系またはＧａＮＰＡｓなる４元系の化合物半導
体から構成される障壁層は、特にＧａＩｎＮＡｓの４元
系の化合物半導体からなる量子井戸層に正孔及び電子を
閉じこめる上で効果を奏する。
なる３元系またはＧａＮＰＡｓなる４元系の化合物半導
体から構成される障壁層は、特にＧａＩｎＮＡｓの４元
系の化合物半導体からなる量子井戸層に正孔及び電子を
閉じこめる上で効果を奏する。
【００２９】次に、本発明の上記第２の目的を達成する
ための実施例として、図５に示した第３実施例および図
６に示した第４実施例がある。 （第３実施例）第３実施例は、本発明を端面発光型半導
体レーザに適用したものである。以下、図５を用いて本
実施例を詳細に説明する。図５（ａ）は、本実施例の半
導体レーザの断面構造を、図５（ｂ）は本実施例の活性
層の拡大図を示している。本素子構造の作製には精密な
膜厚制御や材料の瞬時の切り替えが必要であり、また、
窒素（Ｎ）の導入には非平衡状態での成長法が適してい
るという点で分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法や有機金
属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法等が適している。ここ
では成長方法をガスソースＭＢＥ（ＧＳ−ＭＢＥ）法と
する。これはV族の供給に気体原料を用いる方法であ
る。本形態例ではV族元素の供給源として、砒素（Ａ
ｓ）に関してはアルシン（ＡｓＨ3）を熱クラッキング
して用い、ＮについてはＮ2ガスをＲＦプラズマ励起し
て使用する。作製する半導体基板はｎ型のＧａＡｓ基板
５１を用いる。ＡｓＨ3供給下のＡｓ雰囲気において、
基板表面の酸化膜を１０分間の熱クリーニングにより除
去した後、基板５１上にシリコン（Ｓｉ）をドープした
ｎ型ＧａＡｓバッファ層５２を成長する。
ための実施例として、図５に示した第３実施例および図
６に示した第４実施例がある。 （第３実施例）第３実施例は、本発明を端面発光型半導
体レーザに適用したものである。以下、図５を用いて本
実施例を詳細に説明する。図５（ａ）は、本実施例の半
導体レーザの断面構造を、図５（ｂ）は本実施例の活性
層の拡大図を示している。本素子構造の作製には精密な
膜厚制御や材料の瞬時の切り替えが必要であり、また、
窒素（Ｎ）の導入には非平衡状態での成長法が適してい
るという点で分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法や有機金
属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法等が適している。ここ
では成長方法をガスソースＭＢＥ（ＧＳ−ＭＢＥ）法と
する。これはV族の供給に気体原料を用いる方法であ
る。本形態例ではV族元素の供給源として、砒素（Ａ
ｓ）に関してはアルシン（ＡｓＨ3）を熱クラッキング
して用い、ＮについてはＮ2ガスをＲＦプラズマ励起し
て使用する。作製する半導体基板はｎ型のＧａＡｓ基板
５１を用いる。ＡｓＨ3供給下のＡｓ雰囲気において、
基板表面の酸化膜を１０分間の熱クリーニングにより除
去した後、基板５１上にシリコン（Ｓｉ）をドープした
ｎ型ＧａＡｓバッファ層５２を成長する。
【００３０】この後、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５
３、ノンドープＧａＡｓ障壁層（光ガイド層）５４の順
に成長する。次に、ＮプラズマとＡｓＨ3を供給しなが
らＧａとＩｎのシヤッターを交互に開閉して、ＧａＮ
(0.0085)Ａｓ(0.9915)１／ＩｎＮ(0.0085)Ａｓ(0.9915)
１超格子層５５を各々１原子層づつ１５周期成長する。
このとき合計の膜厚は約９ｎｍである。その後、Ｎプラ
ズマの供給を止め、ノンドープＧａＡｓ障壁層（光ガイ
ド層）５４、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５６の順に形
成する。最後にｐ型ＧａＡｓキャップ層５７を成長す
る。このようにして作製された膜に酸化膜５８を形成
し、それをマスクにしてフォトエッチング工程により酸
化膜を除去した後、ｐ型電極５９を形成する。続いて、
ｎ型電極６０を形成した後、劈開工程を経て、共振器長
４００μｍのレーザ素子を得た。続いて、素子前面に低
反射膜を、後面に高反射膜を形成した。試作した素子は
ストライプ幅を５μmとし、閾値電流値約５０ｍＡで室
温連続発振した。発振波長は１．５５μｍであった。ま
た、２５℃から８０℃の範囲における特性温度（Ｔ0）
は１４０Ｋであった。
３、ノンドープＧａＡｓ障壁層（光ガイド層）５４の順
に成長する。次に、ＮプラズマとＡｓＨ3を供給しなが
らＧａとＩｎのシヤッターを交互に開閉して、ＧａＮ
(0.0085)Ａｓ(0.9915)１／ＩｎＮ(0.0085)Ａｓ(0.9915)
１超格子層５５を各々１原子層づつ１５周期成長する。
このとき合計の膜厚は約９ｎｍである。その後、Ｎプラ
ズマの供給を止め、ノンドープＧａＡｓ障壁層（光ガイ
ド層）５４、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５６の順に形
成する。最後にｐ型ＧａＡｓキャップ層５７を成長す
る。このようにして作製された膜に酸化膜５８を形成
し、それをマスクにしてフォトエッチング工程により酸
化膜を除去した後、ｐ型電極５９を形成する。続いて、
ｎ型電極６０を形成した後、劈開工程を経て、共振器長
４００μｍのレーザ素子を得た。続いて、素子前面に低
反射膜を、後面に高反射膜を形成した。試作した素子は
ストライプ幅を５μmとし、閾値電流値約５０ｍＡで室
温連続発振した。発振波長は１．５５μｍであった。ま
た、２５℃から８０℃の範囲における特性温度（Ｔ0）
は１４０Ｋであった。
【００３１】（第４実施例）次に、本発明の第４実施例
を図６を用いて説明する。本実施例は、本発明の構造を
面発光型半導体レーザに適用した実施例である。ここで
も成長方法はガスソースＭＢＥ（ＧＳ−ＭＢＥ）法とし
た。作製する半導体基板はｎ型のＧａＡｓ基板６１を用
いる。ＡｓＨ3供給下のＡｓ雰囲気において、基板表面
の酸化膜を１０分間の熱クリーニングにより除去した
後、基板６１上にｎ型ＡｌＡｓ／ｎ型ＧａＡｓによる下
部多層膜反射鏡６２を２５周期積層した。その膜厚は、
それぞれ半導体中で１／４波長厚になるようにした。そ
の後、ノンドープＧａＡｓ障壁層（スペーサ層）６３を
成長する。次に、井戸層として、ＮプラズマとＡｓＨ3
を供給しながらＧａとＩｎのシヤッターを交互に開閉
し、ＧａＮ(0.0085)Ａｓ(0.9915)１／ＩｎＮ(0.0085)Ａ
ｓ(0.9915)１超格子層６４を各々１原子層づつ１５周期
成長する。このとき合計の膜厚は約９ｎｍである。その
後、Ｎプラズマの供給を止め、ノンドープＧａＡｓ障壁
層（スペーサ層）１３、ｐ型ＧａＩｎＰクラッド層６５
の順に形成する。
を図６を用いて説明する。本実施例は、本発明の構造を
面発光型半導体レーザに適用した実施例である。ここで
も成長方法はガスソースＭＢＥ（ＧＳ−ＭＢＥ）法とし
た。作製する半導体基板はｎ型のＧａＡｓ基板６１を用
いる。ＡｓＨ3供給下のＡｓ雰囲気において、基板表面
の酸化膜を１０分間の熱クリーニングにより除去した
後、基板６１上にｎ型ＡｌＡｓ／ｎ型ＧａＡｓによる下
部多層膜反射鏡６２を２５周期積層した。その膜厚は、
それぞれ半導体中で１／４波長厚になるようにした。そ
の後、ノンドープＧａＡｓ障壁層（スペーサ層）６３を
成長する。次に、井戸層として、ＮプラズマとＡｓＨ3
を供給しながらＧａとＩｎのシヤッターを交互に開閉
し、ＧａＮ(0.0085)Ａｓ(0.9915)１／ＩｎＮ(0.0085)Ａ
ｓ(0.9915)１超格子層６４を各々１原子層づつ１５周期
成長する。このとき合計の膜厚は約９ｎｍである。その
後、Ｎプラズマの供給を止め、ノンドープＧａＡｓ障壁
層（スペーサ層）１３、ｐ型ＧａＩｎＰクラッド層６５
の順に形成する。
【００３２】最後にｐ型ＧａＡｓコンタクト層６６を成
長する。このようにして作製された膜に直径１０μｍの
円形の酸化膜を形成し、それをマスクにしてメサエッチ
を行う。続いて、酸化膜保護層６７を形成した後、 ポ
リイミド６８を塗布し硬化する。次に、ポリイミドをエ
ッチングし、メサ上部の酸化膜を除去し、平坦化する。
リング状のｐ側電極６９を上部に形成した後、ＳｉＯ2
／ＴｉＯ2による誘電体多層膜反射鏡７０を形成する。
膜厚は、それぞれ半導体中で１／４波長厚になるように
した。最後にｎ側電極７１を裏面に形成し、素子として
完成した。試作した素子は、電流注入により室温連続発
振した。発振波長は１．５５μｍであった。
長する。このようにして作製された膜に直径１０μｍの
円形の酸化膜を形成し、それをマスクにしてメサエッチ
を行う。続いて、酸化膜保護層６７を形成した後、 ポ
リイミド６８を塗布し硬化する。次に、ポリイミドをエ
ッチングし、メサ上部の酸化膜を除去し、平坦化する。
リング状のｐ側電極６９を上部に形成した後、ＳｉＯ2
／ＴｉＯ2による誘電体多層膜反射鏡７０を形成する。
膜厚は、それぞれ半導体中で１／４波長厚になるように
した。最後にｎ側電極７１を裏面に形成し、素子として
完成した。試作した素子は、電流注入により室温連続発
振した。発振波長は１．５５μｍであった。
【００３３】第３実施例および第４実施例では、量子井
戸型構造から構成される半導体レーザの井戸層に、窒素
を含むIII-V族混晶半導体による第一の半導体層（Ｇａ
ＮＡｓ）と窒素を含むIII-V族混晶半導体による第二の
半導体層（ＩｎＮＡｓ）を各々１原子層づつ交互に積層
した超格子構造を用いることにより、周期構造導入によ
るバンドギャップナロウイングの効果で、１％以下のＮ
組成でも、波長１．５５μｍ帯で発振する温度特性に優
れた光通信用半導体レーザを得ることができる。
戸型構造から構成される半導体レーザの井戸層に、窒素
を含むIII-V族混晶半導体による第一の半導体層（Ｇａ
ＮＡｓ）と窒素を含むIII-V族混晶半導体による第二の
半導体層（ＩｎＮＡｓ）を各々１原子層づつ交互に積層
した超格子構造を用いることにより、周期構造導入によ
るバンドギャップナロウイングの効果で、１％以下のＮ
組成でも、波長１．５５μｍ帯で発振する温度特性に優
れた光通信用半導体レーザを得ることができる。
【００３４】以上、第１実施例〜第４実施例の説明から
明らかなように、本発明の半導体レーザは活性層の構造
に特徴を有するものであって、それ以外の、例えば端面
発光型か面発光型か等の構造や、化学線エピタキシー法
で作成するか有機金属気相エピタキシー法で作成するか
等の作製方法に依存しない。
明らかなように、本発明の半導体レーザは活性層の構造
に特徴を有するものであって、それ以外の、例えば端面
発光型か面発光型か等の構造や、化学線エピタキシー法
で作成するか有機金属気相エピタキシー法で作成するか
等の作製方法に依存しない。
【００３５】
【発明の効果】本発明によれば、井戸層と障壁層との両
方に窒素系５族混晶半導体を用いることで、電子と正孔
の閉じ込めエネルギーを共に十分に確保できる。また、
井戸層と障壁層とで応力補償することにより、量子井戸
活性層の各層の歪と全体の歪を共に低減できる。本発明
は半導体レーザの構造および作製方法に依存しないの
で、長波長帯半導体レーザの設計の許容度を非常に高め
ることができ、より高性能な半導体レーザを提供するこ
とが可能となる。
方に窒素系５族混晶半導体を用いることで、電子と正孔
の閉じ込めエネルギーを共に十分に確保できる。また、
井戸層と障壁層とで応力補償することにより、量子井戸
活性層の各層の歪と全体の歪を共に低減できる。本発明
は半導体レーザの構造および作製方法に依存しないの
で、長波長帯半導体レーザの設計の許容度を非常に高め
ることができ、より高性能な半導体レーザを提供するこ
とが可能となる。
【００３６】また、本発明によれば、量子井戸型構造か
ら構成される半導体レーザの井戸層に、窒素を含むIII-
V族混晶半導体による第一の半導体層と窒素を含むIII-V
族混晶半導体による第二の半導体層を各々１原子層づつ
交互に積層した超格子構造を用いることにより、周期構
造導入によるバンドギャップナロウイングの効果で、１
％以下のＮ組成でも、波長１．５５μｍ帯で発振する温
度特性に優れた光通信用半導体レーザを得ることができ
る。
ら構成される半導体レーザの井戸層に、窒素を含むIII-
V族混晶半導体による第一の半導体層と窒素を含むIII-V
族混晶半導体による第二の半導体層を各々１原子層づつ
交互に積層した超格子構造を用いることにより、周期構
造導入によるバンドギャップナロウイングの効果で、１
％以下のＮ組成でも、波長１．５５μｍ帯で発振する温
度特性に優れた光通信用半導体レーザを得ることができ
る。
【図１】本発明の第１実施例の半導体レーザの素子構造
を示した図である。
を示した図である。
【図２】ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓのバンドラインナッ
プを説明する図である。
プを説明する図である。
【図３】ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＮＡｓのバンドラインナ
ップを説明する図である。
ップを説明する図である。
【図４】本発明の第２実施例の半導体レーザの素子構造
を示した図である。
を示した図である。
【図５】本発明の第３実施例の半導体レーザの素子構造
を示した図である。
を示した図である。
【図６】本発明の第４実施例の半導体レーザの素子構造
を示した図である。
を示した図である。
１：ｎ型ＧａＡｓ基板、２：ｎ型ＧａＡｓバッファ層、
３：ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層、４，５：ＧａＮＡｓ
光ガイド層、６：ＧａＩｎＮＡｓ井戸層、７：応力補償
型歪量子井戸活性層、８：ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド
層、９：ｐ型ＧａＩｎＰエッチング停止層、１０：ｐ型
ＡｌＧａＡｓクラッド層、１１：ｐ型ＧａＡｓキャップ
層、１２：ｎ型ＡｌＧａＡｓ電流狭窄層、１３：ｐ型Ｇ
ａＡｓコンタクト層、１４：ｐ側電極、１５：ｎ側電
極、２０：ｎ型半導体多層膜反射鏡、２１：ＧａＡｓス
ペーサ層、２２：ＧａＮＡｓ障壁層、２３：ＧａＩｎＮ
Ａｓ井戸層、２４：３重量子井戸活性層、２５：ＧａＡ
ｓスペーサ層、２６：ｐ型ＧａＩｎＰクラッド層、２
７：ｐ型ＧａＡｓコンタクト層、２８：ＳｉＯ2保護
層、２９：ポリイミド、３０：誘電体多層膜反射鏡、５
１：ｎ型ＧａＡｓ基板、５２：ｎ型ＧａＡｓバッファ
層、５３：ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層、５４：ノンド
ープＧａＡｓ障壁層、５５：超格子層、５６：ｐ型Ａｌ
ＧａＡｓクラッド層、５７：ｐ型ＧａＡｓキャップ層、
５８：酸化膜絶縁層、５９：ｐ型電極、６０：ｎ型電
極、６１：ｎ型ＧａＡｓ基板、６２：下部多層膜反射
鏡、６３：ノンドープＧａＡｓ障壁層、６４：超格子
層、６５：ｐ型ＧａＩｎＰクラッド層、６６：ｐ型Ｇａ
Ａｓコンタクト層、６７：酸化膜保護層、６８：ポリイ
ミド、６９：ｐ側電極、７０：誘電体多層膜反射鏡、７
１：ｎ側電極
３：ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層、４，５：ＧａＮＡｓ
光ガイド層、６：ＧａＩｎＮＡｓ井戸層、７：応力補償
型歪量子井戸活性層、８：ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド
層、９：ｐ型ＧａＩｎＰエッチング停止層、１０：ｐ型
ＡｌＧａＡｓクラッド層、１１：ｐ型ＧａＡｓキャップ
層、１２：ｎ型ＡｌＧａＡｓ電流狭窄層、１３：ｐ型Ｇ
ａＡｓコンタクト層、１４：ｐ側電極、１５：ｎ側電
極、２０：ｎ型半導体多層膜反射鏡、２１：ＧａＡｓス
ペーサ層、２２：ＧａＮＡｓ障壁層、２３：ＧａＩｎＮ
Ａｓ井戸層、２４：３重量子井戸活性層、２５：ＧａＡ
ｓスペーサ層、２６：ｐ型ＧａＩｎＰクラッド層、２
７：ｐ型ＧａＡｓコンタクト層、２８：ＳｉＯ2保護
層、２９：ポリイミド、３０：誘電体多層膜反射鏡、５
１：ｎ型ＧａＡｓ基板、５２：ｎ型ＧａＡｓバッファ
層、５３：ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層、５４：ノンド
ープＧａＡｓ障壁層、５５：超格子層、５６：ｐ型Ａｌ
ＧａＡｓクラッド層、５７：ｐ型ＧａＡｓキャップ層、
５８：酸化膜絶縁層、５９：ｐ型電極、６０：ｎ型電
極、６１：ｎ型ＧａＡｓ基板、６２：下部多層膜反射
鏡、６３：ノンドープＧａＡｓ障壁層、６４：超格子
層、６５：ｐ型ＧａＩｎＰクラッド層、６６：ｐ型Ｇａ
Ａｓコンタクト層、６７：酸化膜保護層、６８：ポリイ
ミド、６９：ｐ側電極、７０：誘電体多層膜反射鏡、７
１：ｎ側電極
フロントページの続き (72)発明者 北谷 健 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 中塚 慎一 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内
Claims (11)
- 【請求項１】 ＧａＡｓ基板結晶上に光を発生する活性
層と、光を閉じ込めるクラッド層（またはスペーサ層）
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、 上記活性層が井戸層と障壁層とで構成される量子井戸構
造であり、 井戸層と障壁層の歪の種類が異なる応力補償型壁であ
り、 井戸層に窒素系５族混晶半導体を用いることを特徴とす
る半導体レーザ。 - 【請求項２】 請求項１に記載の半導体レーザにおい
て、 上記井戸層の歪の種類が圧縮歪であり、 上記障壁層の歪の種類が伸張歪であることを特徴とする
半導体レーザ。 - 【請求項３】 請求項１または２に記載の半導体レーザ
において、 上記障壁層がＧａＮＡｓまたはＧａＮＰＡｓであること
を特徴とする半導体レーザ。 - 【請求項４】 請求項１または２に記載の半導体レーザ
において、 上記井戸層がＧａＩｎＮＡｓであることを特徴とする半
導体レーザ。 - 【請求項５】 請求項１ないし４のいずれか１項に記載
の半導体レーザにおいて、 電子の閉じ込めエネルギーが１５０ｍｅＶ以上あり、な
おかつ、正孔の閉じ込めエネルギーが５０ｍｅＶ以上あ
ることを特徴とする半導体レーザ。 - 【請求項６】 半導体基板上に、光を発生する活性層
と、光を閉じこめるクラッド層（またはスペーサ層）
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、活性層が障壁層と井戸層
から形成される量子井戸型構造から構成され、井戸層に
窒素を含むIII-V族混晶半導体による第一の半導体層と
窒素を含むIII-V族混晶半導体による第二の半導体層を
各々１原子層づつ交互に繰り返し積層した超格子構造が
用いられていることを特徴とする半導体レーザ。 - 【請求項７】 請求項６に記載の半導体レーザにおい
て、上記超格子構造を形成する半導体材料が、ＧａＮＡ
ｓ、ＩｎＮＡｓ、ＡｌＮＡｓ、ＧａＮＰ、ＩｎＮＰ、Ａ
ｌＮＰ、ＧａＮＳｂ、ＩｎＮＳｂ、ＡｌＮＳｂの中から
選ばれることを特徴とする半導体レーザ。 - 【請求項８】 請求項６または７に記載の半導体レーザ
において、発振波長が１．５５μm帯であり、かつ、上
記半導体レーザの井戸層に用いられる窒素を含むIII-V
族混晶半導体の窒素の組成比が、全V族元素に対して１
％以下であることを特徴とする半導体レーザ。 - 【請求項９】 請求項１ないし８のいずれか１項に記載
の半導体レーザにおいて、 上記半導体レーザが端面発光型であることを特徴とする
半導体レーザ。 - 【請求項１０】 請求項１ないし８のいずれか１項に記
載の半導体レーザにおいて、 上記半導体レーザが面発光型であることを特徴とする半
導体レーザ。 - 【請求項１１】 請求項１ないし１０のいずれか１項に
記載の半導体レーザを用いた光通信システム。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30441496A JPH10145003A (ja) | 1996-11-15 | 1996-11-15 | 半導体レーザおよび該半導体レーザを用いた光通信システム |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30441496A JPH10145003A (ja) | 1996-11-15 | 1996-11-15 | 半導体レーザおよび該半導体レーザを用いた光通信システム |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10145003A true JPH10145003A (ja) | 1998-05-29 |
Family
ID=17932721
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP30441496A Pending JPH10145003A (ja) | 1996-11-15 | 1996-11-15 | 半導体レーザおよび該半導体レーザを用いた光通信システム |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH10145003A (ja) |
Cited By (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH1174607A (ja) * | 1997-06-23 | 1999-03-16 | Sharp Corp | 半導体レーザ装置 |
| JPH11112096A (ja) * | 1997-08-08 | 1999-04-23 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 半導体レーザ装置およびこれを用いた光通信システム |
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| US6233264B1 (en) | 1996-08-27 | 2001-05-15 | Ricoh Company, Ltd. | Optical semiconductor device having an active layer containing N |
| JP2001320134A (ja) * | 2000-05-01 | 2001-11-16 | Ricoh Co Ltd | 半導体発光素子およびその製造方法並びに光送信モジュールおよび光送受信モジュールおよび光通信システムおよびコンピュータシステムおよびネットワークシステム |
| WO2001093388A1 (en) * | 2000-05-29 | 2001-12-06 | Sharp Kabushiki Kaisha | Nitride semiconductor light-emitting device and optical apparatus including the same |
| WO2002049171A1 (en) * | 2000-12-15 | 2002-06-20 | Stanford University | Laser diode with nitrogen incorporating barrier |
| JP2003017812A (ja) * | 2001-04-25 | 2003-01-17 | Furukawa Electric Co Ltd:The | 半導体レーザ素子 |
| JP2004296845A (ja) * | 2003-03-27 | 2004-10-21 | Ricoh Co Ltd | 量子井戸構造および半導体発光素子および光送信モジュールおよび光伝送システム |
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| EP4254521A4 (en) * | 2020-11-25 | 2024-08-07 | LG Electronics Inc. | ELECTROLUMINESCENT ELEMENT AND DISPLAY DEVICE COMPRISING SAME |
-
1996
- 1996-11-15 JP JP30441496A patent/JPH10145003A/ja active Pending
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| US6798809B1 (en) | 2000-12-15 | 2004-09-28 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | GaInNAsSb quantum well semiconductor devices |
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