JP2004235628A - ＩｎＡｓＰ量子井戸層とＧａｘ（ＡｌＩｎ）ｌ−ｘＰ障壁層とを有するＩｎＰベースの高温レーザー - Google Patents

Abstract

【課題】
閾値電流が小さく高温で良好に動作するレーザ発信器を提供すること。
【解決手段】
本発明は波長１．３μｍで高温で動作するレーザー構造(100)とその製造方法を提供する。このレーザー構造(100)はＩｎＡｓＰの量子井戸層を有する。量子井戸層(32)は第１の障壁層(33)と第２の障壁層(34)の間に挟まれる。障壁層(33)(34)は量子井戸層(32)よりも高いバンドギャップエネルギーを有する。また、各障壁層(33)(34)はＧａ_x（ＡｌＩｎ）_1-xＰ（ｘ＝０）を含む。この物質はＩｎＧａＰ等の従来の障壁層物質よりもバンドギャップエネルギーが大きい。そのため、伝導帯の不連続性が大きくなり、レーザ構造(100)の閾値電流を増大させることなく、高温性能を向上させることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は概して発光素子に関し、詳しくは半導体レーザーに関する。

波長１．３μｍで動作する半導体レーザーの主な製造方法では、ＩｎＰ基板上に形成され複数のＩｎＡｓＰ歪み量子井戸が用いられる。いずれの半導体レーザーにとっても、デバイスの性能を決定する要因の１つは閾値電流が受ける温度の影響である。

ＩｎＰ基板上に設けられた従来のレーザーの閾値電流および放射効率は、動作温度に強く依存する。具体的には、閾値電流Ｉ_thは次の式で定義される。

Ｉ_th＝Ｉ_Oｅｘｐ（Ｔ／Ｔ_O） （式１）

ただし、Ｉ_Oは定数、Ｔは動作温度、Ｔ_Oは特性温度である。式１に示すように、閾値電流Ｉ_thは温度比Ｔ／Ｔ_Oが増大するのにつれて指数関数的に増大する。従って、Ｔ_Oを非常に大きな値にすれば、閾値電流Ｉ_thは温度Ｔの変化の影響をほとんど受けなくなる。従って、優れた高温特性をレーザーで実現するためには、特性温度Ｔ_Oを大きくすることより、温度の影響を受けにくい特性にすることが望ましい。

従来のＩｎＡｓＰ活性領域の場合、量子井戸層のＩｎＡｓＰと障壁層の物質との間の伝導帯バンドオフセットが小さいことが原因で電子閉じ込め能力が低いため、温度性能に制約がある。従ってそれらのレーザーの高温時の性能は満足できるものではない。

例えば、活性領域がＩｎＡｓＰである場合、障壁層物質として用いられる一般的な物質を２つをあげると、ＩｎＧａＰとＡｌＩｎＧａＡｓがあげられる。ＩｎＡｓＰ量子井戸層とＩｎＧａＰ障壁層とを有するレーザーは閾値電流が小さいが、これらのレーザーは温度が高くなると劣悪な性能しか示さない。ＩｎＡｓＰとＩｎＧａＰとの間の伝導帯の不連続性に関しては、科学界においてかなり大きな意見の相違がある点に注意する必要がある。

ＩｎＡｓＰ量子井戸層とＡｌＩｎＧａＡｓ障壁層とを有するレーザーは、ＩｎＡｓＰ量子井戸層とＩｎＧａＰ障壁層とを有するレーザーよりも閾値電流が大きいが、高温での特性は優れている。その理由は、ＩｎＡｓＰ／ＡｌＩｎＧａＡｓ界面における欠陥の存在である。例えば、それらの欠陥は、量子井戸層または障壁層において無放射部の中心として作用し、閾値電流を増大させ、Ｔ_Oを大きくする場合がある。

また、エピタキシャル成長によって形成されるＩｎＡｓＰの層の品質は、一般に成膜温度が低くなるほど向上する。従って、ＩｎＡｓＰ量子井戸層を有する活性領域は、比較的低温度で形成される。しかしながら、障壁層物質ＡｌＩｎＧａＡｓの結晶品質を向上させるためには高い成膜温度が必要であり、低い成膜温度では、量子井戸層物質ＩｎＡｓＰの上に高品質のＡｌＩｎＧａＡｓ障壁層を作成することが出来ない。

従って、量子井戸層がＩｎＡｓＰである場合、障壁層物質にＩｎＧａＰやＡｌＩｎＧａＡｓを使用しても、所望の低い閾値電流や、高温でのレーザー性能を得ることは出来ない。そのため、上述のような欠点を解決したいという産業上の需要がある。

本発明は、高温において波長１．３μｍで動作するレーザー構造と、そのようなレーザー構造を製造する方法を提供する。このレーザー構造はＩｎＡｓＰの量子井戸層を含む。量子井戸層は第１の障壁層と第２の障壁層の間に挟まれる。各障壁層の物質は、量子井戸層の物質よりも高いバンドギャップエネルギーを有する。各障壁層は、Ｇａ_x（ＡｌＩｎ）_1-xＰを含む。ただしｘ＝０である。この物質は、ＩｎＧａＰ等の従来の障壁層物質よりも高いバンドギャップエネルギーを有する。そのため、伝導帯の不連続性が大きくなり、レーザー構造の閾値電流を増大させることなく高温での性能を向上させることができる。

本発明、高温において波長１．３μｍで動作するレーザー構造を製造方法も提供する。この方法は、ＩｎＰの基板を設けるステップと、該基板上に下部クラッド層を形成するステップと、下部クラッド層上にＧａ_x（ＡｌＩｎ）_1-xＰ（ｘ＝０）の第１の障壁層を形成するステップと、第１の障壁層上にＩｎＡｓＰの量子井戸層を形成するステップと、量子井戸層上にＧａ_x（ＡｌＩｎ）_1-xＰ（ｘ＝０）の第２の障壁層を形成するステップと、第２の障壁層上に上部クラッド層を形成するステップとを含む。

本発明の他の特徴及び／又は利点は、当業者であれば下記の詳細な説明及び添付の図面を参照することにより明らかになるだろう。説明に含まれるそれらの更なる特徴及び利点は、特許請求の範囲によって保護される。

本発明の多数の実施形態は、添付の図面を参照することでより深く理解することが出来る。図面中の要素は必ずしも寸法通りに描いたものでなく、本発明の原理を分かりやすく説明するために強調して描いてある。また、複数の図を通じて、対応する要素には同じ符号を図面に付した。

本発明は、高温下で且つ長波長において良好なレーザー性能を有する改良型レーザー構造を提供する。このレーザー構造は、Ｇａ_x（ＡｌＩｎ）_1-xＰの障壁層（ｘ＝０）を有するＩｎＡｓＰの量子井戸層が配置された活性領域を有する。本発明は、温度の影響を受けない特性を持つ１．３μｍレーザーの生成に使用することが可能な、ＩｎＡｓＰ量子井戸とＧａ_x（ＡｌＩｎ）_1-xＰ障壁層とを有するレーザー構造を提供する。

図１に示すように、レーザー構造１００の第１の実施例はＩｎＰ基板１０を含む。該基板上には、エピタキシャル成長によりｎ−ＩｎＰクラッド層２０、活性領域３０、ｐ−ＩｎＰクラッド層４０、及びｐ−ＩｎＧａＡｓキャップ層６０が形成される。活性領域３０は、単一量子井戸構造を含む。単一量子井戸構造は、ＩｎＡｓＰの歪み量子井戸へテロ構造活性層３２を含む。ＩｎＡｓＰ量子井戸層３２は、脇から障壁層３３と３４で挟まれる。障壁層はＧａ_x（ＡｌＩｎ）_1-xＰ（ｘ≧０）から成る。代替実施形態では、活性領域３０がｎ層のＩｎＡｓＰ量子井戸層と（ｎ＋１）層のＧａ_x（ＡｌＩｎ）_1-xＰ障壁層（ｘ≧０）とから成る多重量子井戸構造を含む場合もある点に注意して欲しい。

ＩｎＧａＰ中のＧａの一部又は全てをＡｌに置換することにより、量子井戸層３２の物質と障壁層３３、３４の物質との間における伝導帯及び価電子帯の不連続性が大きくなる。例えば、図２は、歪みＩｎＧａＰのバンドエネルギーのＧａモル分率に対する依存度と、ＡｌＩｎＰ（すなわちｘ＝０としたときのＧａ_x（ＡｌＩｎ）_1-xＰ）のＡｌモル分率に対する依存度とを示したグラフである。図２は、ＡｌＩｎＰ障壁層物質がＩｎＧａＰ障壁層物質よりも高いバンドギャップエネルギーを有することを顕著に示している。障壁層３３、３４の物質ＡｌＩｎＰ中の所定のモル分率のＡｌは、ＩｎＧａＰ中の同じモル分率のＧａよりも高いバンドギャップエネルギーを作り出すという点に、着目して欲しい。従って、量子井戸層３２の物質ＩｎＡｓＰと障壁層３３、３４の物質ＡｌＩｎＰとの間のバンドオフセットが大きくなる。バンドオフセットを大きくすることにより、レーザーの閾値電流を著しく増大させることなく高温性能を向上させることが可能になる。

図３は、Ｇａモル分率の関数としての無歪みＩｎＧａＰとＡｌモル分率の関数としてのＡｌＩｎＰとの間の伝導帯の不連続性を示すグラフである。詳しくは、この不連続性は、障壁層３３、３４を所与のＧａモル分率を有するＩｎＧａＰに替えて同じＡｌモル分率を有するＡｌＩｎＰで構成したときの、ＩｎＡｓＰ量子井戸層３２中の電子に対する増加分の障壁を表している。障壁層３３、３４の物質であるＩｎＧａＰ中のＧａをＡｌで置換することにより、障壁層のバンドエネルギーは図４に示すように増大する。バンドエネルギーを増大させることにより、ＩｎＡｓＰ量子井戸３２中の障壁層によって得られるキャリア閉じ込め能力が向上し、高温性能が改善される。従って、レーザー構造１００は従来の長波長光源に比べて優れた温度特性を有する。

更に、本発明の障壁層３３、３４の物質ＡｌＩｎＰは、従来の障壁層物質ＡｌＩｎＧａＡｓと異なり、燐（Ｐ）とアルミニウム（Ａｌ）を含む。これらの成分により、本発明の障壁層物質は、Ａｌと砒素（Ａｓ）を含む物質よりも、低い成膜温度で良好な結晶品質に作成することが可能になる。この特性は、Ｐ（ＰはＡｓよりも小さい原子である）が反応性のＡｌに対して強い結合特性を有することから得られる。そのため、Ｐを成分に含むＡｌ化合物は、Ａｓを成分に含むＡｌ化合物よりも結晶品質が優れている（成膜温度とＡｌモル分率を一定に維持した場合）。従って、活性領域３０の障壁層３３、３４の物質として、ＡｌＩｎＧａＡｓに替えてＡｌＩｎＰを用いることにより、量子井戸層の障壁層との界面を良好なものにすることができ、一般的には障壁層物質も良好なものになる。結晶品質の向上により、閾値電流も小さくなる。

これに対応して、特定のレーザー用途では、障壁層物質にＡｌＧａＩｎＰ（すなわちｘ＝１としたときのＧａ_x（ＡｌＩｎ）_1-xＰ）を用いるのが好ましい場合がある。なぜなら、ＡｌＧａＩｎＰの伝導帯エネルギーは、ＡｌＩｎＰの伝導体エネルギーとＩｎＧａＰの伝導帯エネルギーの間にあるからである。こうすることにより、量子井戸層３２の物質に対してバンドオフセットが低くなり、活性領域３０中のキャリア分布が良好になる。

図５Ａ〜図５Ｄは、本発明のレーザー構造を製造するプロセス５００の一実施形態を示す図である。図５Ａに示すように、ＩｎＰの単結晶から成る基板１０を用意する。図５Ｂにおいて、この基板１０上に、ｎ−ＩｎＰ（通常、Ｓｉ、Ｓｅ又はＴｅがドープされている）から成る３μｍのクラッド層を６００℃でエピタキシャル成長させる。次に図５Ｃにおいて、クラッド層２０の上に活性領域３０を形成する。この活性領域３０は、ｘを０としたＧａ_x（ＡｌＩｎ）_1-xＰの障壁層３３と、ＩｎＡｓＰの量子井戸層３２と、ｘを０としたＧａ_x（ＡｌＩｎ）_1-xＰのもう１つの障壁層３４とを成膜することにより形成される。ＩｎＡｓＰ量子井戸層とＧａ_x（ＡｌＩｎ）_1-xＰ障壁層は、通常約５５０℃で成膜され、それぞれ約１０ｎｍの厚さに形成される。次に図５Ｄに示すように、活性領域３０の上にｐ−ＩｎＰのクラッド層４０を成膜する。このｐ−ＩｎＰクラッド層４０の厚さは通常３μｍであり、約６００℃で成膜される。ｐ−ＩｎＰクラッド層４０には通常、ドーパントとしてＺｎが用いられる。最後にｐ−ＩｎＧａＡｓ（Ｚｎをドープしたもの）のキャップ層６０を成膜する。

代替実施形態において、このレーザー構造は、活性領域の反対側に配置された導波路層を含む場合がある。導波路層はＩｎＧａＡｓＰまたはＡｌＩｎＧａＡｓから形成することができる。

あるいは、活性領域３０は、更なる量子井戸層とそれに対応する数の障壁層とから成る複数の量子井戸構造を含んでもよい。通常、ＩｎＡｓＰ量子井戸層は、ＩｎＰ基板上に成膜された場合、圧縮歪みを有する。ＩｎＡｓＰの量子井戸層を有するレーザーでは、この圧縮歪みにより、透明度が低下し、微分利得が大きくなる。このことは、効率が高く高速なデバイスが得られるという重要な可能性を示唆するものである。しかしながら、ＩｎＡｓＰ量子井戸層における圧縮歪みの大きさ（典型的には、ＩｎＡｓＰ中のＡｓが４０％のとき約１．２５％の歪みが生じる）は、量子井戸層の物質ＩｎＡｓＰが歪み限界に到達するまでに追加し得るＩｎＡｓＰ量子井戸層の数に制限を与える。従って、この圧縮歪みを相殺するため、障壁層３３、３４に使用されるＧａ_x（ＡｌＩｎ）_1-xＰに引張歪みが加えられる場合がある。この引張歪みの大きさは、Ｇａ_x（ＡｌＩｎ）_1-xＰ中のＩｎとＧａの相対的な組成を変えることにより容易に変化させることができる。障壁層３２、３４のＧａ_x（ＡｌＩｎ）_1-xＰにおいてｘ＝０．１５としたとき、通常１％の引張歪みが得られる。

本発明の上記の実施形態は、考え得る実施形態の例を説明しただけであり、本発明を分かりやすく理解する目的で提示したものに過ぎない。本発明の上記の実施形態には、本発明の原理から実質的に外れることなく、多数の変更や修正を加えることが可能である。例えば、レーザー構造のＩｎＡｓＰ／Ｇａ_x（ＡｌＩｎ）_1-xＰ活性領域３０の外にある層は、数や構成が例示したものと異なっていてもよいと考えられる。エッチングや層順序の入れ替え等、追加の製造工程を実施することも可能である。その結果、本発明に従い、多種のデバイスを形成することが出来る。そのような変更形態や修正形態もすべて本発明の開示範囲に含まれ、特許請求の範囲によって保護されるものとする。

本発明のレーザー構造の第１の実施形態を示す断面図である。 図１に示すレーザーの障壁層物質の部分組成のバンドエネルギーの依存度を従来の障壁層物質ＩｎＧａＰと比較したグラフである。 図１に示したレーザーの障壁層物質の部分組成に対する伝導帯不連続性の依存度を従来の障壁層物質ＩｎＧａＰと比較したグラフである。 図１のシステムの一実施形態における障壁層物質ＡｌＩｎＧａＰのエネルギーレベルを従来の障壁層物質ＩｎＧａＰと比較したグラフである。 Ａ〜Ｄは、図１に示す第１の実施形態のレーザー構造を製造するためのプロセスを示す斜視図である。

符号の説明

１０ 基板
２０ 第１のクラッド層
３２ 量子井戸層
３３ 第１の障壁層
３４ 第２の障壁層
４０ 第２のクラッド層
６０ キャップ層
１００ レーザー構造

Claims (10)

1. 高温で動作可能なレーザー構造(100)であって、第１の障壁層(33)と第２の障壁層(34)との間に挟まれたＩｎＡｓＰの量子井戸層(32)を含み、前記第１の障壁層(33)及び第２の障壁層(34)がＧａ_x（ＡｌＩｎ）_1-xＰ（ｘ≧０）を含み、前記第１および第２の障壁層がそれぞれ前記量子井戸層(32)よりも大きいバンドギャップエネルギーを有する、レーザ構造。
2. ｘ＞０である、請求項１のレーザー構造(100)。
3. 前記第１の障壁層(33)の下に配置された第１のクラッド層(20)と、前記第２の障壁層(34)の上に配置された第２のクラッド層(40)とを更に含む、請求項１のレーザー構造(100)。
4. 前記第１のクラッド層(20)の下に配置された基板(10)を更に含む、請求項２のレーザー構造(100)。
5. 前記基板がＩｎＰを含む、請求項４のレーザー構造(100)。
6. 前記第２のクラッド層(40)の上に配置されたキャップ層(60)を更に含む、請求項４のレーザー構造(100)。
7. 高温で動作可能なレーザー構造(100)を製造する方法(500)であって、
   基板(10)を設けるステップと、
   前記基板(10)上に第１のクラッド層(20)を形成するステップと、
   前記第１のクラッド層(20)の上に、Ｇａ_x（ＡｌＩｎ）_1-xＰ（ｘ≧０）を含む第１の障壁層(33)を形成するステップと、
   前記第１の障壁層(33)の上に、前記第１の障壁層(33)よりも低いバンドギャップエネルギーを有するＩｎＡｓＰ量子井戸層(32)を形成するステップと、
   前記量子井戸層(32)の上に、前記量子井戸層（３２）よりも高いバンドギャップエネルギーを有し、Ｇａ_x（ＡｌＩｎ）_1-xＰ（ｘ≧０）を含む第２の障壁層(34)を形成するステップと、
   前記第２の障壁層(34)の上に第２のクラッド層(40)を形成するステップと、
   からなる方法。
8. ｘ＞０である、請求項７の方法(500)。
9. 前記基板(10)がＩｎＰを含む、請求項７の方法(500)。
10. 前記第２の障壁層(34)の上に、前記第２の障壁層(34)よりも低いバンドギャップエネルギーを有するＩｎＡｓＰから成る第２の量子井戸層を形成するステップと、
    前記第２の量子井戸層の上且つ前記第２のクラッド層(40)の下に、前記第２の量子井戸層よりも高いバンドギャップエネルギーを有するＧａ_x（ＡｌＩｎ）_1-xＰ（ｘ≧０）の第３の障壁層を形成するステップと、
    を更に含む、請求項７の方法(500)。
    

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