JPH10242571A

JPH10242571A - 歪多重量子井戸構造およびその製造方法

Info

Publication number: JPH10242571A
Application number: JP3888297A
Authority: JP
Inventors: Manabu Mitsuhara; 学満原; Matsuyuki Ogasawara; 松幸小笠原; Hideo Sugiura; 英雄杉浦; Mamoru Oishi; 護大石
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 1997-02-24
Filing date: 1997-02-24
Publication date: 1998-09-11

Abstract

(57)【要約】【課題】井戸層に圧縮歪を有するＩｎＧａＡｓ、障壁層
にＩｎＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓＰを用いる歪多重量
子井戸構造において、＋１.２％よりも大きな歪量の井
戸層を用いた場合においても良質な結晶が得られる素子
構造とその製造方法を提供する。【解決手段】ＩｎＰ基板上に、基板の格子定数に対し＋
１.２％以上の圧縮歪を有するＩｎＧａＡｓからなる井
戸層と、基板の格子定数に対する歪量が±０.２％以内
で、膜厚が１５ｎｍ以上のＩｎＧａＡｓもしくはＩｎＧ
ａＡｓＰからなる障壁層とを少なくとも積層した歪多重
量子井戸構造とする。薄膜の成長温度を４８０℃以上、
５４０℃以下の範囲となし、障壁層を成長する際のＶ族
原料ガスの総供給量を、井戸層を成長させる際のＶ族原
料ガスの総供給量の２倍以上とする工程を含む歪多重量
子井戸構造の製造方法とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザ、光
増幅素子、光変調素子などの活性層に用いられる歪多重
量子井戸構造およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、半導体レーザの活性層に圧縮
歪を加えた井戸層を有する歪多重量子井戸構造を用いる
ことにより、発振しきい電流の低減、発振線幅の狭線幅
化、変調周波数の高速化など、レーザ特性が著しく改善
されることが数多く報告されている。さらに、井戸層の
圧縮歪量を増大させることができれば、オージェ再結合
による非発光再結合の低減効果や微分利得の増大効果の
ため、さらに発振しきい電流や変調周波数等においてレ
ーザ特性が向上する（アイイーイーイージャーナル
オブカンタムエレクトロニクス29巻1544頁〔Ｗ.Ｗ.
Ｌui et al.,ＩＥＥＥＪ.Ｑuantum Ｅlectron.,29(199
3)1544.〕、アイイーイーイージャーナルオブカ
ンタムエレクトロニクス30巻500頁〔Ｓ.Ｓeki et al.,
ＩＥＥＥＪ.Ｑuantum Ｅlectron.,30(1994)500.〕）。
また、ＩｎＰ基板上のＩｎＧａＡｓを井戸層とする多重
量子井戸レーザでは、井戸層の歪量を増加させることに
より、波長１.７μｍ以上でのレーザ発振も可能とな
る。歪多重量子井戸構造において、井戸層の圧縮歪量を
増加させる場合、歪多重量子井戸構造の膜厚が一定値
（臨界膜厚）を超えると、歪応力の増大によりミスフィ
ット転移が発生し、これに伴い非発光中心となる欠陥が
発生することが知られている。ミスフィット転移の発生
を抑制するために、歪補償多重量子井戸構造が提案され
た。これは、井戸層の圧縮歪に対し、障壁層に引張歪を
掛け、多重量子井戸構造全体としての歪応力を低減し、
これによりミスフィット転移の発生を抑えようとするも
のである。このミスフィット転移による格子緩和では、
結晶成長が層状に進行する、いわゆる２次元成長が前提
になっているが、基板となる層と成長層との格子定数の
差が大きい場合、結晶成長は３次元的な島状に進行（３
次元成長）することが知られている（アプライドフィ
ジックスレター60巻2249頁〔M.Ｇendry et al.,Ａppl.
Ｐhys.Ｌett.60(1992)2249.〕）。このため、歪量子井
戸構造において、井戸層の歪量を大きくした場合、井戸
層と障壁層の格子定数の差も大きくなるため、ミスフィ
ット転移の他に３次元成長による積層欠陥の発生が起き
る。歪補償多重量子井戸構造では、井戸層と障壁層の格
子定数の差がさらに大きくなるため、歪量の大きな井戸
層に対して用いることは困難である。実際、ＩｎＧａＡ
ｓ井戸層とＩｎＧａＡｓ障壁層を用いた歪補償多重量子
井戸構造では、井戸層および障壁層の歪量の絶対値を＋
１.２５％以上にするとホトルミネセンス発光強度の劣
化が起きることが知られている（ジャーナルオブクリ
スタルグロース 145巻371頁〔Ｔ.Ｔsuchiya et al.,
Ｊ.Ｃryst.Ｇrowth 145(1994)371.〕）。上記３次元成
長による積層欠陥の発生に関して、ＩｎＰ基板上のＩｎ
ＧａＡｓおよびＩｎＧａＡｓＰからなる歪多重量子井戸
構造では、井戸層の歪量を増加させた場合、井戸層と障
壁層間において、障壁層の組成分離に基づく界面の揺ら
ぎが起こり、これにより非発光中心となる欠陥が発生す
るため、ホトルミネセンス発光強度低下などの光学特性
の劣化が起きることが知られている。（ジャーナルオブ
クリスタルグロース 132巻231頁〔Ｕ.Ｂangert et a
l.,Ｊ.Ｃryst.Ｇrowth 132(1993)231.〕）。特に、Ｉｎ
ＧａＡｓを多重量子井戸構造の構成層に用いた場合に
は、この界面の揺らぎが顕著になる。この界面の揺らぎ
を抑制するには、成長温度の低減が有効であることが知
られている（ジャーナルオブクリスタルグロース153
巻71頁〔Ａ.Ｐonchet et al.,Ｊ.Ｃryst.Ｇrowth 153(1
995)71.〕）。これまで、ＩｎＰ基板上のＩｎＧａＡｓ
およびＩｎＧａＡｓＰの成長には、有機金属気相成長法
（ＭＯＶＰＥ法）、有機金属分子線エピタキシー法（Ｍ
ＯＭＢＥ法）、およびガスソース分子線エピタキシー法
（ＧＳＭＢＥ法）が主に用いられてきた。有機金属分子
線エピタキシー法、ガスソース分子線エピタキシー法の
良質な結晶が得られる成長温度は、有機金属気相成長法
に対し、約１００℃低いため、上述した歪ＩｎＧａＡｓ
層を含む多重量子井戸構造における界面の揺らぎの抑制
に適した成長法である。上記のように、大きな歪量の井
戸層を有する多重量子井戸構造において、良質の結晶を
得るためには、界面の揺らぎの原因となる組成分離を抑
制する必要がある。ＩｎＰ基板上のＩｎＧａＡｓＰ層に
おいて、成長温度の低減によって組成分離を抑制しよう
とすると、４７０℃以下の成長温度が必要となる（ジャ
ーナルオブクリスタルグロース 155巻1頁〔Ｒ.Ｒ.Ｌa
pierre et al.,Ｊ.Ｃryst.Ｇrowth 155(1995)1.〕）。
ホトルミネセンス発光の強度の大きさ、あるいは故意に
不純物ドーピングを行わない場合のホール測定における
移動度の大きさなどで評価される膜質は、ＩｎＧａＡｓ
Ｐではその組成および成長温度により異なる。上述した
ように、有機金属分子線エピタキシー法およびガスソー
ス分子線エピタキシー法では、有機金属気相成長法に対
し、約１００℃低い成長温度で良質の結晶成長が可能で
ある。しかし、有機金属分子線エピタキシー法あるいは
ガスソース分子線エピタキシー法を用いても、ＩｎＧａ
Ａｓについて良質の結晶を得るためには、４８０〜５４
０℃の成長温度が必要である（アプライドフィジック
スレター 67巻3676頁〔Ｐ.Ｔhiagarajan et al.,Ａpp
l.Ｐhys.Ｌett.67(1995)3676.〕）。このため、井戸層
にＩｎＧａＡｓを用いた歪多重量子井戸構造において、
成長温度を４７０℃以下にすることで界面の揺らぎを抑
制した結晶を得ることはできるが、成長温度が４７０℃
以下ではＩｎＧａＡｓ層の結晶性が劣化するため、良好
なホトルミネセンス発光強度のＩｎＧａＡｓ井戸層を有
する歪多重量子井戸構造は、４７０℃以下の成長温度で
は作製することは困難である。このため、ＩｎＧａＡｓ
の結晶性向上のためには４８０℃以上の成長温度が必要
であるが、上述したように歪ＩｎＧａＡｓ井戸層を有す
る多重量子井戸構造において、界面の揺らぎを抑制する
ためには成長温度を下げる必要がある。これまで、この
２つの要因の妥協点として、ＩｎＧａＡｓ井戸層の歪量
が決定されてきた。これまで、報告されている圧縮歪Ｉ
ｎＧａＡｓ井戸層を有する多重量子井戸構造を活性層と
する半導体レーザは、井戸層数４の場合、井戸層の歪量
＋１.２％以下のものがほとんどである。ＩｎＰ基板上
のＩｎＧａＡｓＰにおける組成分離は、成長時のＶ族供
給量を増大させることにより抑制されることが知られて
いる（ジャーナルオブクリスタルグロース 155巻1頁
〔Ｒ.Ｒ.Ｌapierre et al.,Ｊ.Ｃryst.Ｇrowth 155(199
5)1.〕）。しかしながら、ＩｎＧａＡｓＰでは成長時の
Ｖ族供給量を増加させると、膜中に取り込まれる不純物
が増加するなどの膜質の劣化が起きる。有機金属分子線
エピタキシー法によるＩｎＰ成長の例では、成長時のＶ
族原料ガスであるホスフィンの供給量を２倍にすること
で、膜中の炭素濃度が３倍以上になることが報告されて
いる（ジャーナルオブクリスタルグロース 105巻135
頁〔Ｊ.Ｌ.Ｂenchimol et al.,Ｊ.Ｃryst.Ｇrowth 105
(1990)135.〕）。ＩｎＧａＡｓにおいても成長時のＶ族
供給量増加により、取り込まれる不純物濃度が増加する
ことが容易に推測される。このため、ＩｎＧａＡｓ井戸
層を用いた歪多重量子井戸構造において、井戸層と障壁
層間の界面の揺らぎを抑制するために、成長時のＶ族供
給量を増加させても、ＩｎＧａＡｓ井戸層が劣化するた
め、良質の歪多重量子井戸構造は得られない。上述した
ように、現在報告されているＩｎＰ基板上の圧縮歪Ｉｎ
ＧａＡｓを井戸層とする歪多重量子井戸構造を用いた半
導体レーザでは、井戸層数４の場合、井戸層の歪量が＋
１.２％以下のものがほとんどであり、井戸層歪量が＋
１.２％以上で低い発振しきい値電流、長いレーザ素子
寿命となるような歪多重量子井戸構造の活性層を得るこ
とは困難であった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記した従来技術にお
いては、井戸層に圧縮歪を有するＩｎＧａＡｓ、障壁層
にＩｎＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓＰを用いる歪多重量
子井戸構造では、＋１.２％以上の井戸層歪量で、良質
の結晶を得られないという問題があった。また、これま
で歪量＋１.２％以上のＩｎＧａＡｓを井戸層に用いた
場合に、良質な結晶が得られる障壁層の歪量および膜厚
についても明らかにされていなかった。半導体レーザ等
の光半導体装置の性能向上および機能向上のためには、
圧縮歪を有するＩｎＧａＡｓを井戸層に用いた歪多重量
子井戸構造において、＋１.２％よりも大きな歪量の井
戸層が必要であり、この場合に良質な結晶が得られる素
子構造およびその製造方法が求められていた。

【０００４】本発明の目的は、上記従来技術における問
題点を解消し、井戸層に圧縮歪を有するＩｎＧａＡｓ、
障壁層にＩｎＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓＰを用いる歪
多重量子井戸構造において、＋１.２％よりも大きな歪
量の井戸層を用いた場合においても良質な結晶が得られ
る素子構造およびその製造方法を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記本発明の目的を達成
するために、本発明は特許請求の範囲に記載のような構
成とするものである。すなわち、本発明は請求項１に記
載のように、ＩｎＰ基板上に、該基板の格子定数に対し
＋１.２％以上の圧縮歪を有するＩｎＧａＡｓからなる
井戸層と、上記基板の格子定数に対する歪量が±０.２
％以内で、膜厚が１５ｎｍ以上のＩｎＧａＡｓもしくは
ＩｎＧａＡｓＰからなる障壁層とを少なくとも積層して
構成した歪多重量子井戸構造とするものである。また、
本発明は請求項２に記載のように、請求項１に記載の歪
多重量子井戸構造を作製する方法であって、Ｖ族原料と
して水素化合物を用いる有機金属分子線エピタキシー
法、もしくはガスソース分子線エピタキシー法を用い
て、ＩｎＰ基板上に、該基板の格子定数に対し圧縮歪を
有するＩｎＧａＡｓからなる井戸層と、ＩｎＧａＡｓも
しくはＩｎＧａＡｓＰからなる障壁層とを交互に結晶成
長させて多重量子井戸構造を作製する際に、該多重量子
井戸構造を構成している上記障壁層を成長させる際のＶ
族原料ガスの総供給量を、上記井戸層を成長させる際の
Ｖ族原料ガスの総供給量の２倍以上とする工程を含む歪
多重量子井戸構造の製造方法とするものである。また、
本発明は請求項３に記載のように、請求項２に記載の歪
多重量子井戸構造の製造方法において、該歪多重量子井
戸構造を構成する薄膜の成長温度を４８０℃以上、５４
０℃以下とする歪多重量子井戸構造の製造方法とするも
のである。

【０００６】本発明の歪多重量子井戸構造は、請求項１
に記載のように、ＩｎＰ基板上の圧縮歪＋１.２％以上
のＩｎＧａＡｓ井戸層を用いる歪多重量子井戸構造にお
いて、ＩｎＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓＰからなる障壁
層の歪量を±０.２％以内、膜厚を１５ｎｍ以上とする
ものである。従来の圧縮歪＋１.２％以上のＩｎＧａＡ
ｓ井戸層を用いた歪多重量子井戸構造においては、障壁
層の歪量および膜厚に関する制約はなかったが、本発明
では障壁層の歪量および膜厚を制約することにより、ミ
スフィット転位と３次元成長が共に発生しない範囲に設
定することが可能となり、良質な結晶の歪多重量子井戸
構造を実現することができ、良好なホトルミネセンス発
光が得られる効果がある。また、本発明の歪多重量子井
戸構造の製造方法は、請求項２に記載のように、Ｖ族原
料に水素化合物を用いる有機金属分子線エピタキシー
法、またはガスソース分子線エピタキシー法を用いて、
ＩｎＰ基板上に、歪ＩｎＧａＡｓを井戸層とする歪多重
量子井戸構造を成長させる場合において、ＩｎＧａＡｓ
またはＩｎＧａＡｓＰからなる障壁層を成長させる際の
Ｖ族原料ガスの総供給量を、ＩｎＧａＡｓ井戸層を成長
させる際のＶ族原料ガスの総供給量の２倍以上とするこ
とにより、組成分離を抑制して、井戸層と障壁層間の界
面の揺らぎがなく、良好なホトルミネセンス特性が得ら
れる効果がある。さらに、請求項３に記載のように、本
発明の歪多重量子井戸構造の成長温度として、４８０℃
以上、５４０℃以下の範囲に調整することにより、歪Ｉ
ｎＧａＡｓ層を含む多重量子井戸構造における界面の揺
らぎの制御に適した結晶成長を行うことができ、ホトル
ミネセンス特性に優れた歪多重量子井戸構造を作製でき
る効果がある。本発明の歪ＩｎＧａＡｓ井戸層を用いた
歪多重量子井戸構造において、障壁層の歪量および膜厚
をミスフィット転移と３次元成長がともに発生しない範
囲に設定することにより、良質の歪多重量子井戸構造を
得ようとするものである。また、本発明は有機金属分子
線エピタキシー法またはガスソース分子線エピタキシー
法を用いてＩｎＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓＰを成長す
る際に、Ｖ族原料の供給量を増加させることにより組成
分離が抑制できるという性質を利用して、圧縮歪ＩｎＧ
ａＡｓを井戸層、ＩｎＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓＰを
障壁層とする歪多重量子井戸構造を、井戸層と障壁層間
の界面の揺らぎがなく、良好なホトルミネセンス特性が
得られるように、４８０℃〜５４０℃の温度範囲で薄膜
の成長を行う歪多重量子井戸構造の製造方法である。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態を例
示し、さらに詳細に説明する。〈実施の形態１〉図１は、本実施の形態に係る歪多重量
子井戸構造の基本構造を示す模式図である。図におい
て、ｎ型ＩｎＰ（ｎ−ＩｎＰ）基板１０上に、ｎ−Ｉｎ
Ｐバッファ層１１（膜厚２００ｎｍ）、基板に格子整合
するＩｎＧａＡｓＰガイド層１２（バンドギャップ波長
１.３μｍ、膜厚１００ｎｍ）、ＩｎＧａＡｓ井戸層１
４とＩｎＧａＡｓ障壁層１３からなる歪多重量子井戸構
造、基板に格子整合するＩｎＧａＡｓＰガイド層１５
（バンドギャップ波長１.３μｍ、膜厚１００ｎｍ）お
よびＩｎＰキャップ層１６（膜厚１００ｎｍ）から構成
されている。図１では、井戸層の数が４、障壁層の数が
５の場合の歪多重量子井戸構造を示している。請求項１
に関する実施の形態として、２μｍ帯の発光波長を有す
る歪多重量子井戸構造に適用した例について、図１を引
用して説明する。井戸層として、圧縮歪＋１.６５％、
膜厚１１.５ｎｍのＩｎＧａＡｓ、障壁層として膜厚が
１８.５ｎｍのＩｎＧａＡｓを用いた。結晶成長は、有
機金属分子線エピタキシー法で行い、成長温度は５１０
℃である。この歪多重量子井戸構造における発光波長
は、２.０５μｍであった。図２は、本実施の形態の歪
多重量子井戸構造のホトルミネセンス発光強度の障壁層
歪量に対する変化を示す図である。横軸に、障壁層歪量
（％）をとり、縦軸に歪多重量子井戸構造のホトルミネ
センス（ＰＬ）発光強度（任意目盛）をとった。引張歪
をマイナス（−）に、圧縮歪をプラス（＋）にとってあ
る。まず、引張歪の場合、ホトルミネセンス発光強度
は、障壁層の歪量が０（格子整合）から−０.２％ま
で、ほぼ一定である。しかし、歪量が−０.２％よりさ
らに小さくなると、ホトルミネセンス発光強度は急激に
減少し、歪量が−０.２３％で、ほとんど発光が見られ
なくなる。一方、圧縮歪（＋）の場合、ホトルミネセン
ス発光強度は障壁層の歪量が０（格子整合）から大きく
なるにしたがい減少するが、＋０.２％までは５０％程
度の緩やかな減少を示す。しかし、歪量が＋０.２％よ
り、さらに大きくなると、ホトルミネセンス発光強度は
急激に減少し、歪量が＋０.２７％では、ほとんど発光
が見られなくなる。つまり、良好なホトルミネセンス発
光を得るためには、障壁層歪量を−０.２％から＋０.２
％の範囲にする必要がある。障壁層歪量が−０.２％よ
り小さい場合に、ホトルミネセンス発光強度が減少する
のは、井戸層と障壁層間の大きな歪量の差に起因する３
次元成長が起きたためであると考えられる。また、障壁
層の歪量が＋０.２％より大きい場合、ホトルミネセン
ス発光強度が減少するのは、多重量子井戸構造全体の圧
縮歪応力の増大により、ミスフィット転移が発生したた
めであると考えられる。図３は、本実施の形態における
歪多重量子井戸構造のホトルミネセンス発光強度の障壁
層膜厚に対する変化を示す図である。横軸に障壁層の膜
厚（ｎｍ）をとり、縦軸に歪多重量子井戸構造のホトル
ミネセンス（ＰＬ）発光強度（任意目盛）をとった。障
壁層の歪量は、すべての試料において−０.０４％であ
る。ホトルミネセンス発光は、障壁層の膜厚が１０ｎｍ
の場合は、ほとんど見られない。ホトルミネセンス発光
強度は、障壁層の膜厚を大きくするにしたがい増大する
が、１５ｎｍ以上では一定となる。つまり、良好なホト
ルミネセンス発光を得るためには、障壁層膜厚を１５ｎ
ｍ以上とする必要がある。障壁層の膜厚が小さい場合
に、ホトルミネセンス発光強度が劣化するのは、次の
（数１）式で表わされる歪多重量子井戸構造における平
均の歪量が増大することにより、ミスフィット転移が発
生するためであると考えられる。

【０００８】

【数１】

【０００９】〔式中、ε(well)は井戸層の歪量、ε(bar
rier)は障壁層の歪量、ｈは井戸層の膜厚、Ｈは障壁層
の膜厚を表わす〕。一方、障壁層膜厚が大きい場合に
は、上記（数１）式で表わされる歪多重量子井戸構造に
おける平均の歪量を小さくすることができるため、ミス
フィット転移の発生を抑制することができ、良好なホト
ルミネセンス発光が得られるものと考えられる。しか
し、多重量子井戸構造を半導体光デバイスに用いる場
合、障壁層膜厚には上限が存在する。このことを、半導
体レーザを例にとり説明する。多重量子井戸構造を用い
た半導体レーザの発振しきい値電流は、井戸層における
光強度分布（光閉じ込め係数）を大きくすることにより
低減することができる。ところが、障壁層膜厚が大きい
場合には、井戸層における光閉じ込め係数が低下するた
めに発振しきい値電流の増大が起こる。このため、一般
に半導体レーザに用いられる多重量子井戸構造の障壁層
膜厚の上限は２５ｎｍ程度である。

【００１０】〈実施の形態２〉図１に示す歪多重量子井
戸構造を用いて、請求項２および請求項３に記載の歪多
重量子井戸構造の作製方法について説明する。以下の説
明は、Ｖ族原料にアルシン（ＡｓＨ₃）、ホスフィン
（ＰＨ₃）等の水素化合物、III族原料にトリメチルイン
ジウム(ＴＭＩｎ）トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）等
の有機金属を原料とする有機金属分子線エピタキシー法
（ＭＯＭＢＥ法）を用いた場合を示す。図４は、図１の
歪多重量子井戸構造において、ＩｎＧａＡｓ井戸層１４
成長時のＶ族原料（アルシン）供給量を１.２×１０~⁴
Ｔorr（mmHg）で一定にして、ＩｎＧａＡｓ障壁層１３
成長時のＶ族原料（アルシン）供給量を変えたときの歪
多重量子井戸構造のホトルミネセンス発光強度の変化を
示したものである。ここで示すＶ族原料供給量とは、Ｖ
族原料ガスを成長室に導入した際の真空度を、基板成長
位置にある真空ゲージにより測定した値である。井戸層
の歪量は＋１.６５％、障壁層の歪量は−０.０５％で一
定である。歪多重量子井戸構造の成長温度は５１０℃で
ある。図４に示すように、障壁層を井戸層と同じＶ族原
料供給量１.２×１０~⁴Ｔorrで成長したときは、全くホ
トルミネセンス発光が見られなかった。これに対し、障
壁層成長時のＶ族原料供給量を井戸層成長時の２倍以上
の２.７×１０~⁴Ｔorrに増加させた場合は、ホトルミネ
センス発光が見られ、さらに、４.０×１０~⁴Ｔorrまで
増加させると、著しいホトルミネセンス発光強度の増大
が見られた。これに対し、井戸層成長時のＶ族原料供給
量を障壁層と同様に増大させた場合、ホトルミネセンス
発光強度の著しい減少が確かめられた。例えば、障壁層
成長時のＶ族原料供給量を４.０×１０~⁴Ｔorrに固定し
て、井戸層成長時のＶ族原料供給量を１.２×１０~⁴Ｔo
rrから１.５倍の１.８×１０~⁴Ｔorrにした場合、ＰＬ
強度は１／１５となった。このように、井戸層と障壁層
成長時のＶ族原料供給量を共に増大させても、良好なホ
トルミネセンス発光の歪多重量子井戸構造は得られな
い。本実施の形態で示すように、良好なホトルミネセン
ス発光の歪多重量子井戸構造を得るためには、障壁層成
長時のＶ族原料供給量を井戸層成長時の少なくとも、２
倍以上にする必要がある。本実施の形態では、障壁層と
してＩｎＧａＡｓ、成長法として有機金属分子線エピタ
キシー法を用いた場合について述べたが、障壁層として
はＩｎＧａＡｓに限られる訳ではなく、ＩｎＧａＡｓＰ
についても上記と同様の効果があることを確認してい
る。また、有機金属分子線エピタキシー法と同様の成長
温度領域を有し、III族原料が固体金属からなるガスソ
ース分子線エピタキシー法を用いた場合においても、上
記と同様の効果が得られることは明らかである。また、
本実施の形態では、有機金属分子線エピタキシー法を用
いて、成長温度が５１０℃で歪多重量子井戸構造の製造
を行った場合を示したが、有機金属分子線エピタキシー
法、またはガスソース分子線エピタキシー法のいずれの
成長法を用いた場合も、４８０℃未満の成長温度ではＩ
ｎＧａＡｓ井戸層の膜質は劣化する。また、５４０℃を
超えた高い成長温度では表面からＶ族抜けが起きるた
め、良質の歪多重量子井戸構造を形成することはできな
い。

【００１１】〈実施の形態３〉次に、図５に示す構造の
半導体レーザを作製した具体例を挙げる。図５におい
て、２×１０¹⁸／ｃｍ³なるｎ−ＩｎＰ基板５０に、有
機金属分子線エピタキシー法により、Ｓｎをドープした
ｎ−ＩｎＰバッファ層５１、基板に格子整合するノンド
ープＩｎＧａＡｓＰガイド層５２（バンドギャップ波長
１.３μｍ、膜厚１００ｎｍ）、４層のＩｎＧａＡｓ井
戸層５４（膜厚１１.５ｎｍ）と、５層のＩｎＧａＡｓ
障壁層５３（膜厚１９ｎｍ）からなる多重量子井戸層、
基板に格子整合するノンドープＩｎＧａＡｓＰガイド層
５５（バンドギャップ波長１.３μｍ、膜厚１００ｎ
ｍ）、ＢｅをドープしたＩｎＰキャップ層５６（膜厚
１.５μｍ）、およびＢｅをドープしたＩｎＧａＡｓコ
ンタクト層５７（膜厚３００ｎｍ）を順次積層した。Ｉ
ｎＧａＡｓ井戸層５４は、歪量＋１.６５％、成長時の
Ｖ族原料（アルシン）供給量は１.２×１０~⁴Ｔorrであ
り、ＩｎＧａＡｓ障壁層５３は、歪量−０.０５％で、
成長時のＶ族原料（アルシン）供給量は、井戸層５４成
長時の３.３倍の４.０×１０~⁴Ｔorrである。また、成
長温度は５１０℃とした。上記図５に示す構造の半導体
レーザを、活性層幅１.５μｍ、共振器長６００μｍの
電流ブロック型埋込レーザにした場合、これまで４層の
ＩｎＧａＡｓ井戸層を用いた多重量子井戸構造では報告
されていない２.０５μｍという長波長での発振波長
を、しきい値電流４５ｍＡで得られた。このように、歪
量＋１.６５％、膜厚１１.５ｎｍのＩｎＧａＡｓ井戸層
を用いて、長波長でのレーザ発振を実現できたのは、本
発明による良好な結晶性の歪多重量子井戸構造を作製で
きたためであると考えられる。

【００１２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の歪多重量
子井戸構造を用いれば、従来、作製が困難だった歪量が
＋１.２％以上のＩｎＧａＡｓを井戸層とする歪多重量
子井戸構造を容易に作製することが可能となり、高圧縮
歪のＩｎＧａＡｓ井戸層を有する歪多重量子井戸構造を
適用した半導体光素子の長波長化、半導体レーザの発振
電流の低しきい値化を実現できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１で例示した歪多重量子井
戸構造を示す模式図。

【図２】本発明の実施の形態１で例示した歪多重量子井
戸構造のホトルミネセンス発光強度の障壁層歪量に対す
る変化を示す図。

【図３】本発明の実施の形態１で例示した歪多重量子井
戸構造のホトルミネセンス発光強度の障壁層膜厚に対す
る変化を示す図。

【図４】本発明の実施の形態２で例示した歪多重量子井
戸構造のホトルミネセンス発光強度の障壁層成長時時の
Ｖ族供給量に対する変化を示す図。

【図５】本発明の実施の形態３で例示した歪多重量子井
戸構造を適用した半導体レーザの構成を示す模式図。

【符号の説明】

１０…ｎ−ＩｎＰ基板１１…ｎ−ＩｎＰバッファ層１２…ＩｎＧａＡｓＰガイド層１３…ＩｎＧａＡｓ障壁層１４…ＩｎＧａＡｓ井戸層１５…ＩｎＧａＡｓＰガイド層１６…ＩｎＰキャップ層５０…ｎ−ＩｎＰ基板５１…ｎ−ＩｎＰバッファ層５２…ＩｎＧａＡｓＰガイド層５３…ＩｎＧａＡｓ障壁層５４…ＩｎＧａＡｓ井戸層５５…ＩｎＧａＡｓＰガイド層５６…ＩｎＰキャップ層５７…ＩｎＧａＡｓコンタクト層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大石護東京都新宿区西新宿三丁目19番２号日本電信電話株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＩｎＰ基板上に、該基板の格子定数に対し
＋１.２％以上の圧縮歪を有するＩｎＧａＡｓからなる
井戸層と、上記基板の格子定数に対する歪量が±０.２
％以内で、膜厚が１５ｎｍ以上のＩｎＧａＡｓもしくは
ＩｎＧａＡｓＰからなる障壁層とを少なくとも積層して
なることを特徴とする歪多重量子井戸構造。
【請求項２】請求項１に記載の歪多重量子井戸構造を作
製する方法であって、Ｖ族原料として水素化合物を用い
る有機金属分子線エピタキシー法、もしくはガスソース
分子線エピタキシー法を用いて、ＩｎＰ基板上に、該基
板の格子定数に対し圧縮歪を有するＩｎＧａＡｓからな
る井戸層と、ＩｎＧａＡｓもしくはＩｎＧａＡｓＰから
なる障壁層とを交互に結晶成長させて多重量子井戸構造
を作製する際に、該多重量子井戸構造を構成している上
記障壁層を成長させる際のＶ族原料ガスの総供給量を、
上記井戸層を成長させる際のＶ族原料ガスの総供給量の
２倍以上とする工程を含むことを特徴とする歪多重量子
井戸構造の製造方法。
【請求項３】請求項２に記載の歪多重量子井戸構造の製
造方法において、該歪多重量子井戸構造を構成する薄膜
の成長温度を４８０℃以上、５４０℃以下とすることを
特徴とする歪多重量子井戸構造の製造方法。