JP2005197755A - 二重障壁層を備える量子井戸構造体を含む半導体素子とそれを採用した半導体レーザ、及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】二重障壁層を備える量子井戸構造体を含む半導体素子とそれを採用した半導体レーザ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】GaAs系の基板104と、GaAs系の基板上に形成された活性領域110、活性領域110に隣接して形成された第1障壁層116A,116B及び第1障壁層116A,116Bに隣接するように形成された第2障壁層118A,118Bを備える量子井戸構造体と、量子井戸構造体を取り囲むクラッド層106A,106B及び活性領域110を励起させるための一対の電極102,126と、を含む半導体レーザである。
【選択図】図1
【解決手段】GaAs系の基板104と、GaAs系の基板上に形成された活性領域110、活性領域110に隣接して形成された第1障壁層116A,116B及び第1障壁層116A,116Bに隣接するように形成された第2障壁層118A,118Bを備える量子井戸構造体と、量子井戸構造体を取り囲むクラッド層106A,106B及び活性領域110を励起させるための一対の電極102,126と、を含む半導体レーザである。
【選択図】図1
Description
本発明は半導体素子に係り、さらに詳細には、複数の障壁層を形成して各層の厚さ及び組成を変更して発振波長を調節できる量子井戸構造を含む半導体素子とそれを採用した半導体レーザ及びその製造方法に関する。
近年、光学はレーザプリンタ、光学イメージ保存、地下光ケーブルシステム、及び光通信を含む広範囲な技術領域で高速データ通信を開発するために活発に研究されてきた。例えば、光通信と関連して、このような開発は、地上の無線電波の送信を行うための大きなアンテナを、光信号の形態で多くの情報量を伝達する通信中継線として地下光ケーブルに置き代えるようになった。
さらに、速く動作しつつもコストが低い通信システムに対する要求が高まるにつれて、光ファイバは、さらに長い波長で光伝送帯域を有するために開発されており、現在1.3μmないし1.5μm以上の範囲を有する波長帯域で使われるように開発されている。光ファイバを利用した高速データ情報の伝送のために情報を光信号に適切に変換させるためには、光ファイバの光伝送帯域と符合する波長を有するレーザ発振信号を確保しなければならない。したがって、相応する波長帯域でこのような変換を行うためのレーザ信号を発振できるようにレーザダイオードを改善するための努力が進められつつある。
このような努力は、低いコスト、最適の素子性能を向上させると同時に、サイズの縮小、熱の発生及び電力消耗を減少させつつ製造できるように素子を変調するために各層の内部組成及び多様な界面を変更することを含む。このような努力の一環として、低いコストと光ファイバとの結合の容易性に起因して、高いデータリンクを行うためのトランスミッタで非常に重要な役割を果たしたガリウム砒素(GaAs)系の垂直共振器表面発光レーザ(VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting Laser)ダイオードを開発した。
また、このようなGaAs系のVCSELに窒素を添加することによって長波長のレーザ発振を具現できるという研究の結果が、非特許文献1に開示された。
InGaAs物質に少量の窒素を添加することによって長波長を実現したKondowの研究論文の発表後、MAN(Metro Area Network:メトロ(都市圏)ネットワーク)で使われる光通信部品の必要性でGaInNAsを利用した1.3μm波長帯の半導体レーザの開発が活発になった。しかし、GaAsを障壁として使用し、GaInNAsを量子井戸層として使用する場合の最も一般的な問題点は、量子井戸構造内での窒素濃度の上昇によって発振波長が長波長帯域に移動するが、これにより、光特性が急に低下するということである。したがって、このようなGaAs/GaInNAs量子井戸構造では、事実上1.25μm波長領域でも発光効率が優秀な量子井戸を得ることができなくなる。
前述した問題を解決するための方案の一つであって、従来のGaAsよりなる量子井戸障壁をGaNAsとして使用するGaNAs/GaInNAs量子井戸構造の半導体レーザが非特許文献2に開示された。Harrisによって発表された半導体レーザは、GaNAsを障壁として使用することによって量子井戸とのエネルギーギャップを減らして、量子井戸から発生する発振波長がさらに長波長に移動することができた。このような構造では、GaNAsが厚くなるほどGaInNAsよりなる量子井戸の発振波長が長波長帯域に移動される。
しかし、量子井戸障壁をGaNAsより構成することも、GaNAs/GaInNAs量子井戸構造と同様に、窒素濃度が向上するか、または厚くなるほど結晶品質が急に低下する問題点を生ずる。
最近、このような問題点を解決するために、引張応力を有するGaPを障壁として導入した1.3μm波長帯域のレーザを発振させうる半導体レーザが非特許文献3に開示された。
III族半導体材料をGaAs半導体基板上に成長させる時、As/Pによってバンドギャップを調節するだけでなく、応力を容易に調節できる。しかし、金属有機化学蒸着法(MOCVD:Metal−Organic Chemical Vapor Deposition)で同じ反応槽を利用してAsソースとPソースとを共に使用することによって、反応槽の内部が容易に汚染され、再現性を確保し難くなる。
M.Kondowら、「GaInNAs:A Novel Material for Long−Wavelength−Range Laser Diodes with Excellent High−Temperature Performance」、「Jpn.J.Appl.Phys.」、1996年2月28日、第35巻、第1部、第2B号、p.1273〜1275 J.Harrisら、「Long wavelength GaInNaAs ridge waveguide lasers with GaNAs barriers」、「IEEE LEOS2001 Annual meeting proceeding」、p.12〜13 N.Tansuら、「High−performance and high−temperature continuous−wave−operation 1300nm InGaAsN quantum well lasers by organometallic vapor phase epitaxy」、「APPLIED PHYSICS LETTERS」、(米国)、第83巻、第1号
M.Kondowら、「GaInNAs:A Novel Material for Long−Wavelength−Range Laser Diodes with Excellent High−Temperature Performance」、「Jpn.J.Appl.Phys.」、1996年2月28日、第35巻、第1部、第2B号、p.1273〜1275 J.Harrisら、「Long wavelength GaInNaAs ridge waveguide lasers with GaNAs barriers」、「IEEE LEOS2001 Annual meeting proceeding」、p.12〜13 N.Tansuら、「High−performance and high−temperature continuous−wave−operation 1300nm InGaAsN quantum well lasers by organometallic vapor phase epitaxy」、「APPLIED PHYSICS LETTERS」、(米国)、第83巻、第1号
本発明が解決しようとする目的は、1.3μm以上の長波長を発振させうる量子井戸構造体を有する半導体素子及びその製造方法を提供することである。
本発明が解決しようとする他の目的は、1.3μm以上の長波長を発振させうる垂直共振器型表面発光レーザ及びその製造方法を提供することである。
本発明が解決しようとするさらに他の目的は、1.3μm以上の長波長を発振させうる側面発光半導体レーザ及びその製造方法を提供することである。
上記目的を解決するための本発明の一類型によれば、GaAs系の基板と、GaAs系の基板上に形成され、活性構造、活性構造に隣接した第1障壁層、及び第1障壁層に隣接した第2障壁層を備える量子井戸構造体と、を含む半導体素子が提供される。
本発明の他の類型によれば、側面発光半導体レーザにおいて、GaAs系の基板と、GaAs系の基板上に形成された活性構造、活性構造に隣接して形成された第1障壁層、及び第1障壁層に隣接するように形成された第2障壁層を備える量子井戸構造体と、量子井戸構造体を取り囲むクラッド層及びクラッド層に電気的に連結された一対の電極と、を含む半導体レーザが提供される。
本発明のさらに他の類型によれば、VCSELにおいて、GaAs系の基板と、GaAs系の基板上に形成された第1DBR(分布ブラッグ反射)領域と、第1DBR領域上に形成された活性構造、活性構造に隣接して形成された第1障壁層及び第1障壁層に隣接するように形成された第2障壁層を備える量子井戸構造体と、量子井戸構造体上に形成された第2DBR領域と、第1及び第2DBR領域に電気的に連結された一対の電極と、を含む半導体レーザが提供される。
本発明のさらに他の類型によれば、GaAs系の基板を提供する段階と、GaAs系の基板上に第2下部障壁層を形成する段階と、第2下部障壁層上に第1下部障壁層を形成する段階と、第1下部障壁層上に量子井戸構造体を形成する段階と、量子井戸構造体上に第1上部障壁層を形成する段階と、第1上部障壁層上に第2上部障壁層を形成する段階と、を含む半導体素子の製造方法が提供される。
本発明のさらに他の類型によれば、GaAs系の基板と、前記GaAs系の基板上に形成された下部クラッド領域及び前記GaAs系の基板に結合されたn型電極と、を備える側面発光半導体レーザを製造する方法において、下部クラッティング領域上に第2下部障壁層を形成する段階と、第2下部障壁層上に第1下部障壁層を形成する段階と、第1下部障壁層上に量子井戸構造体を形成する段階と、量子井戸構造体上に第1上部障壁層を形成する段階と、第1上部障壁層上に第2上部障壁層を形成する段階と、第2上部障壁層上に上部クラッド、コンタクト層、及びp型電極を順次に形成する段階と、を含む半導体レーザを形成する方法が提供される。
本発明のさらに他の類型によれば、GaAs系の基板と、GaAs系の基板上に形成された下部DBR領域及びGaAs系の基板に結合されたn型電極と、を備えるVCSELを製造する方法において、下部DBR領域上に第2下部障壁層を形成する段階と、第2下部障壁層上に第1下部障壁層を形成する段階と、第1下部障壁層上に量子井戸構造体を形成する段階と、量子井戸構造体上に第1上部障壁層を形成する段階と、第1上部障壁層上に第2上部障壁層を形成する段階と、第2上部障壁層上に上部DBR領域及びp型電極を順次的に形成する段階と、を含む半導体レーザの形成方法が提供される。
本発明の望ましい実施例によれば、量子井戸に複数の障壁層を形成して各層の厚さ及び組成を調節することによって、従来のGaInNAs量子井戸構造から発生する長波長の実現による光品質の低下を根本的に解決できる。
また、本発明の望ましい実施例によれば、GaInNAs量子井戸構造を熱処理する場合に発生する量子井戸の発振波長の短波長化を画期的に防止できる。
また、本発明の望ましい実施例によれば、GaAs系の量子井戸構造を利用して1.3μm以上の波長を容易に発振させうる。
また、本発明の望ましい実施例によれば、第1障壁層として使われるInGaAs層が量子井戸構造に主に圧縮応力を印加するため、光学利得の側面で有利である。
また、本発明の望ましい実施例によれば、少ない窒素MOソースで長波長を具現できるので、経済的である。
以下、添付された図面を参照しつつ本発明による望ましい実施例として二重障壁層を備える量子井戸構造を含む半導体素子とそれを採用した半導体レーザ及びその製造方法を詳細に説明する。以下の図面で、同じ参照符号は同じ構成要素を表す。
(第1実施例)
図1は、本発明の望ましい一実施例による側面発光半導体レーザを説明するための断面図である。
図1は、本発明の望ましい一実施例による側面発光半導体レーザを説明するための断面図である。
図1に示したように、本発明の望ましい第1実施例による側面発光半導体レーザ100は、半導体基板104、半導体基板104の一面に形成されたn型電極102、半導体基板104の他面に形成された下部クラッド層106A、下部クラッド層106A上に形成された活性領域110、活性領域110上に形成された上部クラッド層106B、上部クラッド層106B上に形成されたコンタクト層120、及びコンタクト層120上に形成されたp型電極126を含む。
また、活性領域110は、中央にGaAs(ガリウム砒素)よりなる中心障壁層112、中心障壁層112と下部クラッド層106Aとの間に順次に形成される第2下部障壁層118A、第1下部障壁層116A、及び下部井戸層114A、中心障壁層112と上部クラッド層106Bとの間に順次に形成される上部井戸層114B、第1上部障壁層116B、及び第2上部障壁層118Bを含む。
半導体基板104は、n型のGaAs系の半導体物質よりなり、多様な層を成長させてGaAs系の量子井戸を容易に形成するように製作されることが望ましい。下部クラッド層106Aはn型であって、例えば、AlGaAs(アルミニウムガリウム砒素)を利用して18,000Åの厚さに形成し、上部クラッド層106Bはp型であって、例えば、AlGaAsを利用して18,000Åの厚さに形成した。
また、コンタクト層120はp型であって、例えば、GaAsを利用して800Åの厚さに形成した。活性領域110を励起させるために一対のn型電極102及びp型電極126を備え、n型電極102はAuGe(金ゲルマニウム)より形成し、p型電極126はTi(チタン)より形成した。
本発明の望ましい第1実施例による側面発光半導体レーザ100は、ストライプ型であって、p型電極126が活性領域110に電流をストライプ状に注入させるためにコンタクト層120上にSiO2(酸化シリコン)よりなる絶縁層124を形成した後、絶縁層124をストライプ状にパターニングした。
p型電極126とp型コンタクト層120との間のオーム接触を改善させるためにTiまたはPt(白金)よりなるか、またはこれらの積層よりなる金属コンタクト層(図示せず)をさらに形成できる。また、n型電極102と半導体基板104との間に、やはりオーム接触を改善させるためにNi(ニッケル)またはAu(金)よりなるか、またはこれらの積層よりなる金属コンタクト層をさらに含みうる。
本発明の望ましい第1実施例では、側面発光半導体レーザを構成するためにp型電極126がストライプ状に電流を注入するように設計されたが、p型電極126は、活性領域110の全体に電流を注入するように設計されても良い。また、図面で活性領域110がストライプ状になされていないが、絶縁膜124の開放された部分に形成されたp型電極126の形態と一致するように形成された活性領域110を備える側面発光半導体レーザを構成して本発明の望ましい実施例による量子井戸構造を適用することもある。
図2は、本発明の望ましい第1実施例による側面発光半導体レーザを説明するためのエネルギーバンドの概略図である。図2中のエネルギーギャップの符号は、図1中の同じ符号の層のエネルギーギャップに対応する。
図2に示したように、エネルギーギャップは、第2下部及び第2上部障壁層118A,118B、第1下部及び第1上部障壁層116A,116B、そして、下部及び上部量子井戸層114A,114Bの順で小さくなる。
本発明の望ましい第1実施例による側面発光半導体レーザ100の活性領域110に使われた下部及び上部量子井戸層114A,114Bは、GaxIn1−xNyAs1−yで、発振波長の長波長化および発光効率の見地から、2nmないし10nmの範囲の厚さに形成した。ここで、xとyとは0より大きく、1より小さな数であることを特徴とする。本発明の望ましい第1実施例で、xは0.65であり、yは0.01より構成した。
一方、第1下部及び第1上部障壁層116A,116Bは、InxGa1−xAsで、発振波長の長波長化および発光効率の見地から、0.1nmないし50nm範囲の厚さを有するように形成した。ここで、xは0より大きく、1より小さいことを特徴とする。本発明の望ましい第1実施例では、xを0.35とした。
また、第2下部及び第2上部障壁層118A,118Bは、GaNxAs1−xで、発振波長の長波長化および発光効率の見地から、0.1nmないし50nm範囲の厚さを有するように形成し、xが0より大きく、1より小さいことを特徴とする。本発明の望ましい第1実施例では、xを0.02とした。
また、中心障壁層112は、GaAsで0nmないし50nm範囲の厚さを有するように形成した。
本発明の望ましい第1実施例によれば、第1障壁層と第2障壁層の組成及び厚さを組み合わせて変更することによって、活性領域110内の下部及び上部井戸層114A,114Bで発振されるレーザビームの波長を1.2μm以上に調節した。また、第1下部及び上部障壁層116A,116Bの組成のうちIn(インジウム)の組成比を調節して下部及び上部量子井戸層114A,114Bに印加される圧縮応力の量と種類とを調節した。
また、第2下部及び上部障壁層118A,118Bの組成のうちN(窒素)の組成比を調節して上部及び下部量子井戸層114A,114Bに印加される引張応力の量と種類とを調節した。なお、基板面に垂直な方向において、量子井戸層に作用する力が引っ張る向きの内部応力を引張応力と呼び、押す向きの内部応力を圧縮応力と呼ぶ。
また、第1障壁層または第2障壁層が形成された厚さを変更して下部及び上部量子井戸層114A,114Bに印加される圧縮応力または引張応力の量と種類とを調節できる。
また、本発明の望ましい第1実施例によれば、第1障壁層及び第2障壁層の組成比または厚さの組み合わせを変更して量子井戸層で発振されるレーザビームの波長を調節できる。したがって、たとえ第1障壁層によって量子井戸層の結晶状態が低下するとしても、第2障壁層に変形を加えることによって低下した量子井戸層が大きく改善されうるという点を特徴とする。
したがって、本発明の望ましい第1実施例によれば、同じ構造の量子井戸層に対して第1及び第2障壁層の組成及び厚さを変更して、光学的特性を低下させずとも量子井戸層で発振されるレーザビームの波長を100nm以上に調節できる。
本発明の望ましい第1実施例では、量子井戸を二重形成したが、下部クラッド層106Aと上部クラッド層106Bとの間に2以上の複数の量子井戸層(井戸層)を形成して、当該複数の量子井戸層と交互に形成される複数の障壁層を含む多重量子井戸層の量子井戸構造体を有する側面発光半導体レーザを構成することもある。
(第2実施例)
図3及び図4は、本発明の望ましい第2実施例による量子井戸構造を説明するための断面図及びエネルギーバンドの概略図である。図4中のエネルギーギャップの符号は、図3中の同じ符号の層のエネルギーギャップに対応する。
図3及び図4は、本発明の望ましい第2実施例による量子井戸構造を説明するための断面図及びエネルギーバンドの概略図である。図4中のエネルギーギャップの符号は、図3中の同じ符号の層のエネルギーギャップに対応する。
本発明の望ましい第2実施例は、活性領域を除外した残りの構成の構造及び機能は、本発明の望ましい第1実施例と同じであるので説明は省略する。
本発明の望ましい第2実施例に使われた活性領域160は、多重量子井戸の構造ではない単一量子井戸の構造であって、中心に形成された量子井戸層162は、GaxIn1−xNyAs1−yで、発振波長の長波長化および発光効率の見地から、2nmないし10nmの範囲の厚さに形成し、xとyとは0より大きく、1より小さな数であることを特徴とする。本発明の望ましい第2実施例で、xは0.65であり、yは0.01より構成した。
一方、第1下部及び第1上部障壁層164A,164Bは、InxGa1−xAsで、発振波長の長波長化および発光効率の見地から、0.1nmないし50nm範囲の厚さを有するように形成し、xが0より大きく、1より小さいことを特徴とする。本発明の望ましい第2実施例では、xを0.35とした。
また、第2下部及び第2上部障壁層166A,166Bは、GaNxAs1−xで、発振波長の長波長化および発光効率の見地から、0.1nmないし50nm範囲の厚さを有するように形成し、xが0より大きく、1より小さいことを特徴とする。本発明の望ましい第2実施例では、xを0.02とした。
(第3実施例)
図5及び図6は、本発明の望ましい第3実施例による量子井戸構造を説明するための断面図及びエネルギーバンドの概略図である。図6中のエネルギーギャップの符号は、図5中の同じ符号の層のエネルギーギャップに対応する。
図5及び図6は、本発明の望ましい第3実施例による量子井戸構造を説明するための断面図及びエネルギーバンドの概略図である。図6中のエネルギーギャップの符号は、図5中の同じ符号の層のエネルギーギャップに対応する。
本発明の望ましい第3実施例に使われた活性領域170は、第1及び第2障壁層を量子井戸層174に対して対称的に形成していない構造であって、量子井戸層174は、GaxIn1−xNyAs1−yで、発振波長の長波長化および発光効率の見地から、2nmないし10nmの範囲の厚さに形成し、xとyとは0より大きく、1より小さな数であることを特徴とする。本発明の望ましい第3実施例で、xは0.65であり、yは0.01より構成した。
本発明の望ましい第3実施例によれば、下部クラッド層上にGaAsを補助障壁層172として0nmないし500nm範囲の厚さを有するように形成した。
一方、第1障壁層176は、InxGa1−xAsで、発振波長の長波長化および発光効率の見地から、0.1nmないし50nm範囲の厚さを有するように形成し、xが0より大きく、1より小さいことを特徴とする。本発明の望ましい第3実施例では、xを0.35とした。
また、第2障壁層178は、第1上部障壁層176上にのみ形成し、GaNxAs1−xで、発振波長の長波長化および発光効率の見地から、0.1nmないし50nm範囲の厚さを有するように形成し、xが0より大きく、1より小さいことを特徴とする。本発明の望ましい第3実施例では、xを0.02とした。
(第4実施例)
図7及び図8は、本発明の望ましい第4実施例による量子井戸構造を説明するための断面図及びエネルギーバンドの概略図である。図8中のエネルギーギャップの符号は、図7中の同じ符号の層のエネルギーギャップに対応する。
図7及び図8は、本発明の望ましい第4実施例による量子井戸構造を説明するための断面図及びエネルギーバンドの概略図である。図8中のエネルギーギャップの符号は、図7中の同じ符号の層のエネルギーギャップに対応する。
本発明の望ましい第4実施例による側面発光半導体レーザに使われた活性領域180に使われた量子井戸層184は、GaxIn1−xNyAs1−yで、発振波長の長波長化および発光効率の見地から、2nmないし10nmの範囲の厚さに形成し、xとyとは0より大きく、1より小さな数であることを特徴とする。本発明の望ましい第4実施例で、xは0.65であり、yは0.01より構成した。
一方、第1下部及び第1上部障壁層186A,186Bは、InxGa1−xAsで0.1nmないし50nm範囲の厚さを有するように形成し、xが0より大きく、1より小さいことを特徴とする。本発明の望ましい第4実施例では、xを0.35とした。
また、第2下部障壁層182は、GaAsで0nmないし500nm範囲の厚さを有するように形成した。
また、第2上部障壁層188は、GaNxAs1−xで0.1nmないし50nm範囲の厚さを有するように形成し、xが0より大きく、1より小さいことを特徴とする。本発明の望ましい第4実施例では、xを0.02とした。
本発明の望ましい第4実施例によれば、量子井戸層184に圧縮応力を印加するために第1下部及び第1上部障壁層186A,186Bの組成及び厚さを調節したが、引張応力を印加するためには、第2上部障壁層188のみを利用したという点で本発明の望ましい第1実施例と相異なる。
(第5実施例)
図9は、本発明の望ましい第5実施例による垂直共振器型表面発光半導体レーザを説明するための断面図である。
図9は、本発明の望ましい第5実施例による垂直共振器型表面発光半導体レーザを説明するための断面図である。
図9に示したように、本発明の望ましい実施例による表面発光半導体レーザ200は、半導体基板204、半導体基板204の一面に形成されたn型電極202、半導体基板204の他面に形成されたn型分布ブラッグ反射層(以下、n型DBR層と称する)240、n型DBR層240上に形成された活性領域210、活性領域210上に形成されたp型分布ブラッグ反射層(以下、p型DBR層と称する)230、p型DBR層230上に形成されたコンタクト層220、及びコンタクト層220上に形成されたp型電極226を含む。
また、活性領域210は、中央にGaAsよりなる中心障壁層212、中心障壁層212とn型DBR層240との間に順次に形成される第2下部障壁層218A、第1下部障壁層216A、及び下部井戸層214A、中心障壁層212とp型DBR層230との間に順次に形成される上部井戸層214B、第1上部障壁層216B及び、第2上部障壁層218Bを含む。
本発明の望ましい第5実施例によれば、半導体基板204は、n型のGaAs系の半導体物質よりなり、多様な層を成長させてGaAs系の量子井戸を容易に形成するように製作されることが望ましい。n型DBR層240は、複数のGaAs層242及び複数のAlGaAs層244を交互に積層して形成した。p型DBR層230は、複数のGaAs層232及び複数のAlGaAs層234を交互に積層して形成した。
また、コンタクト層220はp型であって、例えば、GaAsを利用して800Åの厚さに形成した。活性領域210を励起させるために、n型電極202はAuGeより形成し、p型電極226はTiより形成した。
本発明の望ましい第5実施例による垂直共振器型表面発光半導体レーザ200は、ストライプ型であって、p型電極226が活性領域210にストライプ状に電流を注入させるために、コンタクト層220上にSiO2よりなる絶縁層224を形成した後、絶縁層224をストライプ状にパターニングした。
p型電極226とp型コンタクト層220との間にオーム接触を改善させるために、TiまたはPtよりなるか、またはこれらの積層で形成された金属コンタクト層(図示せず)をさらに形成できる。また、n型電極202と半導体基板204との間にやはりオーム接触を改善させるために、NiまたはAuよりなるか、またはこれらの積層で形成された金属コンタクト層をさらに含みうる。
図10に示した、活性領域210は、本発明の望ましい第1実施例で採用した活性領域とその構造及び機能が同じであるので、ここで詳細な説明は省略する。
たとえ、本発明の望ましい第5実施例である表面発光半導体レーザを説明するために活性領域210を例として説明するとしても、本発明の望ましい第2ないし4実施例による活性領域を利用して表面発光半導体レーザを具現でき、かつその他の類型の光電半導体素子にも適用できる。
図11は、本発明の望ましい実施例において、InGaAs層の厚さは固定し、GaNAsの厚さを変化させる場合、量子井戸で発振される波長の変化を表すグラフである。
図11に示したように、本発明の望ましい実施例で、第1障壁層として使われたInGaAs層の厚さは固定し、第2障壁層として使われたGaNAs層の厚さを変化させつつ、量子井戸層で発振される波長の変化を観察した。ここで、波長は室温で光ルミネセンス(PL)検出器を利用して測定された。
図11に示したグラフによれば、GaNAs層の厚さを減少させるほど量子井戸層で発振される波長が赤色遷移したことが分かり、従来のGaInNAs量子井戸層にGaAs障壁層を使用した半導体レーザに比べて最大25nmほど赤色遷移がなされたことが分かる。
図12は、GaNAs層の厚さを固定させ、InGaAs層の厚さを変化させる時、本発明の他の実施例による量子井戸で発振される波長の変化を表すグラフである。
図12のグラフを参照すれば、InGaAsの厚さを減少させるほど量子井戸層発振される波長が長波長に遷移することが分かり、最大60nmまで波長を遷移させうることが分かる。
図13は、InGaAs層のIn組成変化によるGaInNAsの波長の変化を表すグラフである。図13に示された結果は、Ga0.015As0.985を使用し、GaNAsとInGaAsとの厚さは固定した後に実験して得た。図13に示されるとおり、Inの含有量が20%の場合、PL検出器で検出される波長は最短となった。
図14は、GaNAs層のN組成変化によるGaInNAsの波長の変化を表すグラフである。図14に示した結果は、In0.35Ga0.65Asを使用し、GaNAsとInGaAsとの厚さは固定した後に実際にN原料であるジメチルヒドラジン(DMHY)流量を変化させつつ実験して得た。
本発明は、量子井戸構造を含む半導体素子の発振波長の制御に利用されうる。
100 側面発光半導体レーザ、
102 n型電極、
104 半導体基板、
106A,106B クラッド層、
110 活性領域、
112 障壁層、
114A,114B 井戸層、
116A,116B 第1障壁層、
118A,118B 第2障壁層、
120 コンタクト層、
124 絶縁層、
126 p型電極。
102 n型電極、
104 半導体基板、
106A,106B クラッド層、
110 活性領域、
112 障壁層、
114A,114B 井戸層、
116A,116B 第1障壁層、
118A,118B 第2障壁層、
120 コンタクト層、
124 絶縁層、
126 p型電極。
Claims (34)
- GaAs系の基板と、
前記GaAs系の基板上に形成された量子井戸構造体と、を含み、
前記量子井戸構造体は、量子井戸層、当該量子井戸層を中心に互いに対向するように形成された一対の第1障壁層、及び当該一対の第1障壁層にそれぞれ隣接して形成された一対の第2障壁層を備えることを特徴とする半導体素子。 - 前記第1障壁層と前記第2障壁層の厚さ及び組成を変更することによって、前記量子井戸構造体において発生される光の波長が調節されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体素子。
- 前記第1障壁層は、0.1nmないし50nm範囲の厚さを有することを特徴とする請求項1に記載の半導体素子。
- 前記第2障壁層は、0.1nmないし50nm範囲の厚さを有することを特徴とする請求項1に記載の半導体素子。
- 前記量子井戸層は、GaxIn1−xNyAs1−yを含み、当該x及びyは0より大きく、1より小さな数であることを特徴とする請求項1に記載の半導体素子。
- 前記第1障壁層は、InxGa1−xAsを含み、当該xが0より大きく、1より小さいことを特徴とする請求項1に記載の半導体素子。
- 前記第2障壁層は、GaNxAs1−xを含み、当該xが0より大きく、1より小さいことを特徴とする請求項1に記載の半導体素子。
- 前記量子井戸層は、GaInNAsよりなる複数の井戸層と、当該複数の井戸層と交互に形成される複数の障壁層と、を含む多重量子井戸層であることを特徴とする請求項1に記載の半導体素子。
- 前記複数の井戸層は、それぞれ2nmないし10nm範囲の厚さを有することを特徴とする請求項8に記載の半導体素子。
- 前記複数の障壁層は、GaAsを含むことを特徴とする請求項8に記載の半導体素子。
- 前記複数の障壁層は、GaNAsを含むことを特徴とする請求項8に記載の半導体素子。
- 前記第1障壁層は、前記量子井戸層に圧縮応力を提供することを特徴とする請求項1に記載の半導体素子。
- 前記第2障壁層は、前記量子井戸層に引張応力を提供することを特徴とする請求項1に記載の半導体素子。
- 前記量子井戸層は、GaxIn1−xNyAs1−yを含み、当該x及びyは0より大きく、1より小さな数であり、前記第1障壁層は、Inの組成を調節して圧縮応力が調節され、前記第2障壁層は、Nの組成を調節して引張応力が調節されることを特徴とする請求項1に記載の半導体素子。
- GaAs系の基板と、
前記GaAs系の基板上に形成された量子井戸構造体と、
前記量子井戸構造体を取り囲むクラッド層と、
前記クラッド層に電気的に連結された一対の電極と、を含み、
前記量子井戸構造体は、量子井戸層、当該量子井戸層を中心に互いに対向するように形成された一対の第1障壁層、及び当該一対の第1障壁層にそれぞれ隣接して形成された一対の第2障壁層を備えることを特徴とする側面発光半導体レーザ。 - GaAs系の基板と、
前記GaAs系の基板上に形成された第1分布ブラッグ反射領域と、
前記第1分布ブラッグ反射領域上に形成された量子井戸構造体と、
前記量子井戸構造体上に形成された第2分布ブラッグ反射領域と、
前記第1及び第2分布ブラッグ反射領域に電気的に連結された一対の電極と、を含み、
前記量子井戸構造体は、量子井戸層、当該量子井戸層を中心に互いに対向するように形成された一対の第1障壁層、及び当該一対の第1障壁層にそれぞれ隣接して形成された一対の第2障壁層を備えることを特徴とする垂直共振器型の表面発光半導体レーザ。 - 前記量子井戸層は、GaxIn1−xNyAs1−yを含み、当該x及びyは0より大きく、1より小さな数であることを特徴とする請求項16に記載の垂直共振器型の表面発光半導体レーザ。
- 前記第1障壁層は、InxGa1−xAsを含み、当該xが0より大きく、1より小さいことを特徴とする請求項16に記載の垂直共振器型の表面発光半導体レーザ。
- 前記第2障壁層は、GaNxAs1−xを含み、当該xが0より大きく、1より小さいことを特徴とする請求項16に記載の垂直共振器型の表面発光半導体レーザ。
- 前記量子井戸層は、GaInNAsよりなる複数の井戸層と、当該複数の井戸層と交互に形成される複数の障壁層と、を含む多重量子井戸層であることを特徴とする請求項16に記載の垂直共振器型の表面発光半導体レーザ。
- 前記複数の井戸層は、それぞれ2nmないし10nm範囲の厚さを有することを特徴とする請求項20に記載の垂直共振器型の表面発光半導体レーザ。
- 前記第1障壁層は、前記量子井戸層に圧縮応力を提供することを特徴とする請求項16に記載の垂直共振器型の表面発光半導体レーザ。
- 前記第2障壁層は、前記量子井戸層に引張応力を提供することを特徴とする請求項16に記載の垂直共振器型の表面発光半導体レーザ。
- 前記第1障壁層は、0.1nmないし50nm範囲の厚さを有することを特徴とする請求項16に記載の垂直共振器型の表面発光半導体レーザ。
- 前記第2障壁層は、0.1nmないし50nm範囲の厚さを有することを特徴とする請求項16に記載の垂直共振器型の表面発光半導体レーザ。
- GaAs系の基板を提供する段階と、
前記GaAs系の基板上に第2下部障壁層を形成する段階と、
前記第2下部障壁層上に第1下部障壁層を形成する段階と、
前記第1下部障壁層上に量子井戸層を形成する段階と、
前記量子井戸層上に第1上部障壁層を形成する段階と、
前記第1上部障壁層上に第2上部障壁層を形成する段階と、を含むことを特徴とする半導体素子の製造方法。 - 前記量子井戸層は、GaxIn1−xNyAs1−yを含み、当該x及びyは0より大きく、1より小さな数であることを特徴とする請求項26に記載の半導体素子の製造方法。
- 前記第1下部及び第1上部障壁層は、InxGa1−xAsを含み、当該xが0より大きく、1より小さいことを特徴とする請求項26に記載の半導体素子の製造方法。
- 前記第2下部及び第2上部障壁層は、GaNxAs1−xを含み、当該xが0より大きく、1より小さいことを特徴とする請求項26に記載の半導体素子の製造方法。
- 前記量子井戸層は、2nmないし10nm範囲の厚さを有することを特徴とする請求項26に記載の半導体素子の製造方法。
- 前記第1下部及び第1上部障壁層は、前記量子井戸層に圧縮応力を提供することを特徴とする請求項26に記載の半導体素子の製造方法。
- 前記第2下部及び第2上部障壁層は、前記量子井戸層に引張応力を提供することを特徴とする請求項26に記載の半導体素子の製造方法。
- 前記第1下部及び第1上部障壁層は、0.1nmないし50nm範囲の厚さを有することを特徴とする請求項26に記載の半導体素子の製造方法。
- 前記第2下部及び第2上部障壁層は、0.1nmないし50nm範囲の厚さを有することを特徴とする請求項26に記載の半導体素子の製造方法。
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