JP2630264B2 - 歪量子井戸半導体レーザ - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は歪量子井戸半導体レーザ
に関し、特に活性層がＩｎＧａＡｓである歪量子井戸半
導体レーザに関する。
に関し、特に活性層がＩｎＧａＡｓである歪量子井戸半
導体レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、ＧａＡｓ基板上にダブルヘテロ構
造を成長することにより得られる半導体レーザにおい
て、活性層内あるいは活性層とその上層との界面におけ
る欠陥の増殖速度の低減や量子井戸層が圧縮歪を受ける
効果による低閾値化を目的に、基板のＧａＡｓよりも大
きな格子定数をもつＩｎＧａＡｓ歪量子井戸活性層が用
いられている。例えば、１９９３年４月、アプライド・
フィジックス・レターズ（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉ
ｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ）、第６２巻、第１６号、１８６
９〜１８７１頁の報告には、有機金属気相成長法により
（１００）ＧａＡｓ基板にＩｎＧａＡｓ歪量子井戸層を
含むダブルヘテロ構造を成長することにより得られた半
導体レーザが示されている。
造を成長することにより得られる半導体レーザにおい
て、活性層内あるいは活性層とその上層との界面におけ
る欠陥の増殖速度の低減や量子井戸層が圧縮歪を受ける
効果による低閾値化を目的に、基板のＧａＡｓよりも大
きな格子定数をもつＩｎＧａＡｓ歪量子井戸活性層が用
いられている。例えば、１９９３年４月、アプライド・
フィジックス・レターズ（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉ
ｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ）、第６２巻、第１６号、１８６
９〜１８７１頁の報告には、有機金属気相成長法により
（１００）ＧａＡｓ基板にＩｎＧａＡｓ歪量子井戸層を
含むダブルヘテロ構造を成長することにより得られた半
導体レーザが示されている。
【０００３】図２１は、従来の歪量子井戸レーザの断面
層構造を示す図である。ｎ型（１００）ＧａＡｓ基板３
１上に、０．１μm のｎ型ＧａＡｓバッファ層３２、
２．５μm のｎ型Ａｌ0.6 Ｇａ0.4 Ａｓクラッド層３
３、０．１μm のＡｌ0.35Ｇａ0. 65Ａｓ光ガイド層３
４、３８および６nmのＧａＡｓバリア層３５、３７には
さまれた６nmのＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ歪量子井戸活性層
３６、２．５μm のｐ型Ａｌ0.6 Ｇａ0.4 Ａｓクラッド
層３９、０．２５μm のｐ型ＧａＡｓキャップ層４０か
らなるダブルヘテロ構造を成長させることにより、歪量
子井戸半導体レーザウェハが得られる。このウェハにリ
ッジ型導波路を形成することにより得られたレーザは、
波長０．９８μm で発振し、初期光出力１００ｍＷとし
た２５℃、定電流エージング試験において、電流増加率
４×１０-6ｈ-1に相当する安定度で動作することが報告
されている。
層構造を示す図である。ｎ型（１００）ＧａＡｓ基板３
１上に、０．１μm のｎ型ＧａＡｓバッファ層３２、
２．５μm のｎ型Ａｌ0.6 Ｇａ0.4 Ａｓクラッド層３
３、０．１μm のＡｌ0.35Ｇａ0. 65Ａｓ光ガイド層３
４、３８および６nmのＧａＡｓバリア層３５、３７には
さまれた６nmのＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ歪量子井戸活性層
３６、２．５μm のｐ型Ａｌ0.6 Ｇａ0.4 Ａｓクラッド
層３９、０．２５μm のｐ型ＧａＡｓキャップ層４０か
らなるダブルヘテロ構造を成長させることにより、歪量
子井戸半導体レーザウェハが得られる。このウェハにリ
ッジ型導波路を形成することにより得られたレーザは、
波長０．９８μm で発振し、初期光出力１００ｍＷとし
た２５℃、定電流エージング試験において、電流増加率
４×１０-6ｈ-1に相当する安定度で動作することが報告
されている。
【０００４】また、例えば、１９９１年のアイ・イー・
イー・イー・フォトニクス・テクノロジー・レターズ
（ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇ
ｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ）、第３巻、第５号、４０６〜４０
８頁の報告によれば、有機金属気相成長法により（１０
０）から傾斜したＧａＡｓ基板にＩｎＧａＡｓ歪量子井
戸層を含むダブルヘテロ構造を成長することにより得ら
れた半導体レーザが示されている。図２２は、他の従来
の歪量子井戸レーザの断面層構造を示す図である。（１
００）から［０１１］方位に２°傾斜したｎ型ＧａＡｓ
基板４１上に、０．５μｍのｎ型ＧａＡｓバッファ層４
２、１μm のＡｌ0.4 Ｇａ0.6 Ａｓのｎ型クラッド層４
３、ｐ型クラッド層４７、０．１５μm のＡｌX Ｇａ
1-X Ａｓ組成傾斜光閉じこめ層４４、４６、１２nmのＧ
ａＡｓバリア４層とそれらの間に挟まれる７nmのＩｎ
0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ歪量子井戸層３層からなる活性領域４
５、ｐ型ＧａＡｓキャップ層４８からなるダブルヘテロ
構造を成長させることにより、歪量子井戸半導体レーザ
ウェハが得られる。このウェハにリッジ型導波路を形成
することにより得られたレーザは、波長０．９８μm で
発振する。
イー・イー・フォトニクス・テクノロジー・レターズ
（ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇ
ｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ）、第３巻、第５号、４０６〜４０
８頁の報告によれば、有機金属気相成長法により（１０
０）から傾斜したＧａＡｓ基板にＩｎＧａＡｓ歪量子井
戸層を含むダブルヘテロ構造を成長することにより得ら
れた半導体レーザが示されている。図２２は、他の従来
の歪量子井戸レーザの断面層構造を示す図である。（１
００）から［０１１］方位に２°傾斜したｎ型ＧａＡｓ
基板４１上に、０．５μｍのｎ型ＧａＡｓバッファ層４
２、１μm のＡｌ0.4 Ｇａ0.6 Ａｓのｎ型クラッド層４
３、ｐ型クラッド層４７、０．１５μm のＡｌX Ｇａ
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ａＡｓバリア４層とそれらの間に挟まれる７nmのＩｎ
0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ歪量子井戸層３層からなる活性領域４
５、ｐ型ＧａＡｓキャップ層４８からなるダブルヘテロ
構造を成長させることにより、歪量子井戸半導体レーザ
ウェハが得られる。このウェハにリッジ型導波路を形成
することにより得られたレーザは、波長０．９８μm で
発振する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】成長基板として（１０
０）ＧａＡｓが用いられている歪量子井戸半導体レーザ
においては、成長基板の面方位の（１００）面からの傾
斜角度は通常０．２°以下である。このとき、ＧａＡｓ
成長界面に現れる段差は単原子層のステップのみであ
り、平坦性良く成長する。臨界膜厚以下のＩｎＧａＡｓ
歪量子井戸活性層の成長界面においても、平坦性は保た
れる。
０）ＧａＡｓが用いられている歪量子井戸半導体レーザ
においては、成長基板の面方位の（１００）面からの傾
斜角度は通常０．２°以下である。このとき、ＧａＡｓ
成長界面に現れる段差は単原子層のステップのみであ
り、平坦性良く成長する。臨界膜厚以下のＩｎＧａＡｓ
歪量子井戸活性層の成長界面においても、平坦性は保た
れる。
【０００６】図９は、ＩｎＧａＡｓ歪層の表面の凹凸構
造のＧａＡｓ基板の傾斜角度（以下オフ角度と呼ぶ）依
存性を調べるために作製した試料の構造の断面図であ
る。（１００）ＧａＡｓ基板２２上には、フォトリソグ
ラフィ技術とウェットエッチング技術により球面状の表
面加工がなされており、球面の頂点からの距離が０μm
から４０μm に変わる間に、（１００）面からのオフ角
度が０°から約２°まで連続的に変化している。この球
面状曲面を持つ基板２２上に、常圧有機金属気相成長法
（以下ＭＯＶＰＥ法と呼ぶ）を用いて０．５μm のノン
ドープＧａＡｓバッファ層２３、２μm のノンドープＡ
ｌ0.4 Ｇａ0.6 Ａｓクラッド層２４を成長温度を７６０
℃に、Ｖ族原料とＩＩＩ族原料の分圧比（以下Ｖ／ＩＩ
Ｉ比と呼ぶ）を８０に保って成長し、次に４０nmのＡｌ
0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ光ガイド層２５を成長する間に成長温
度を６１０℃まで低下させる。次に２０nmのＧａＡｓバ
リア層２６、４．５nmのＩｎ0.24Ｇａ0.76Ａｓ歪層２７
をＶ／ＩＩＩ比２０で成長した後、成長基板温度を３分
以内に４００℃以下に降下させる。
造のＧａＡｓ基板の傾斜角度（以下オフ角度と呼ぶ）依
存性を調べるために作製した試料の構造の断面図であ
る。（１００）ＧａＡｓ基板２２上には、フォトリソグ
ラフィ技術とウェットエッチング技術により球面状の表
面加工がなされており、球面の頂点からの距離が０μm
から４０μm に変わる間に、（１００）面からのオフ角
度が０°から約２°まで連続的に変化している。この球
面状曲面を持つ基板２２上に、常圧有機金属気相成長法
（以下ＭＯＶＰＥ法と呼ぶ）を用いて０．５μm のノン
ドープＧａＡｓバッファ層２３、２μm のノンドープＡ
ｌ0.4 Ｇａ0.6 Ａｓクラッド層２４を成長温度を７６０
℃に、Ｖ族原料とＩＩＩ族原料の分圧比（以下Ｖ／ＩＩ
Ｉ比と呼ぶ）を８０に保って成長し、次に４０nmのＡｌ
0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ光ガイド層２５を成長する間に成長温
度を６１０℃まで低下させる。次に２０nmのＧａＡｓバ
リア層２６、４．５nmのＩｎ0.24Ｇａ0.76Ａｓ歪層２７
をＶ／ＩＩＩ比２０で成長した後、成長基板温度を３分
以内に４００℃以下に降下させる。
【０００７】図１１は、図９の試料において［０１−
１］方向に０．１°傾斜した表面に成長した４．５nmの
Ｉｎ0.24Ｇａ0.76Ａｓ歪層２７の表面の原子間力顕微鏡
で観測された凹凸構造図である。図１１にみられる段差
線は、単原子層のステップであり、レイヤー・バイ・レ
イヤーのステップフロー成長が起こっていることを示
す。この成長モードにおいては隣あうステップの間隔が
適度に広く保たれ、歪層圧の面内均一性が高く保たれな
がら成長が進む。このとき最表面近傍の格子は面内方向
にほぼ一様に歪んで下地であるＧａＡｓ結晶に格子整合
している。そのため、表面に現れるどのステップにおい
ても、成長種の取り込まれやすさはほぼ一様である。こ
のことがさらにレイヤー・バイ・レイヤーの成長が進む
助けとなる。
１］方向に０．１°傾斜した表面に成長した４．５nmの
Ｉｎ0.24Ｇａ0.76Ａｓ歪層２７の表面の原子間力顕微鏡
で観測された凹凸構造図である。図１１にみられる段差
線は、単原子層のステップであり、レイヤー・バイ・レ
イヤーのステップフロー成長が起こっていることを示
す。この成長モードにおいては隣あうステップの間隔が
適度に広く保たれ、歪層圧の面内均一性が高く保たれな
がら成長が進む。このとき最表面近傍の格子は面内方向
にほぼ一様に歪んで下地であるＧａＡｓ結晶に格子整合
している。そのため、表面に現れるどのステップにおい
ても、成長種の取り込まれやすさはほぼ一様である。こ
のことがさらにレイヤー・バイ・レイヤーの成長が進む
助けとなる。
【０００８】しかしながら、歪層の成長において、ステ
ップ密度が小さく平坦に成長が進むときは欠陥が取り込
まれやすいことを以下に示す。図１４は、（１００）面
に極めて近い基板上に成長するＩｎＧａＡｓ歪層の表面
の模式図である。図１４中の小さな矢印はＩｎＧａＡｓ
層の歪が局所的に緩和されていて、矢印の方向に格子定
数がＧａＡｓのそれよりもわずかに大きくなっているこ
とを示す。図１４に示すように、広いテラス上で一旦原
子抜けが生じるとまわりは一様に強い歪みを受けている
のでその原子抜けの近傍で局所的に歪が緩和され、抜け
た部分に再び原子が戻ることは困難となり、欠陥が残留
したまま成長がすすみやすい。また、テラスエッジ近傍
は常に格子が局所的に緩和した状態であるため、テラス
エッジ同士がぶつかると、空格子の列が残留しやすくな
り、長時間の通電信頼性が得られない可能性があった。
ップ密度が小さく平坦に成長が進むときは欠陥が取り込
まれやすいことを以下に示す。図１４は、（１００）面
に極めて近い基板上に成長するＩｎＧａＡｓ歪層の表面
の模式図である。図１４中の小さな矢印はＩｎＧａＡｓ
層の歪が局所的に緩和されていて、矢印の方向に格子定
数がＧａＡｓのそれよりもわずかに大きくなっているこ
とを示す。図１４に示すように、広いテラス上で一旦原
子抜けが生じるとまわりは一様に強い歪みを受けている
のでその原子抜けの近傍で局所的に歪が緩和され、抜け
た部分に再び原子が戻ることは困難となり、欠陥が残留
したまま成長がすすみやすい。また、テラスエッジ近傍
は常に格子が局所的に緩和した状態であるため、テラス
エッジ同士がぶつかると、空格子の列が残留しやすくな
り、長時間の通電信頼性が得られない可能性があった。
【０００９】また、成長基板として（１００）方位から
２°以上傾斜したものを用いている第２の従来例に類す
る歪量子井戸半導体レーザにおいては、ＩｎＧａＡｓ歪
層の成長表面には、（１００）テラスと（１００）面か
ら基板傾斜と同じ方位に傾斜するマルチステップ面から
なる三角波型単位構造が連続して並ぶ凹凸構造が形成さ
れる。図１３は、図９の試料において［０１−１］方向
に２．５°傾斜した表面に成長した４．５nmのＩｎ0.24
Ｇａ0.76Ａｓ歪層２７の表面の原子間力顕微鏡で観測さ
れた凹凸構造図である。図１３にみられるように、２．
５°オフ基板上には単原子層のレイヤー・バイ・レイヤ
ーの成長は起こっておらず、ステップバンチングにより
（１００）面と平行なテラスと基板傾斜と同じ方位に傾
斜するマルチステップ面が交互に並ぶ３角波的な構造が
生じる。
２°以上傾斜したものを用いている第２の従来例に類す
る歪量子井戸半導体レーザにおいては、ＩｎＧａＡｓ歪
層の成長表面には、（１００）テラスと（１００）面か
ら基板傾斜と同じ方位に傾斜するマルチステップ面から
なる三角波型単位構造が連続して並ぶ凹凸構造が形成さ
れる。図１３は、図９の試料において［０１−１］方向
に２．５°傾斜した表面に成長した４．５nmのＩｎ0.24
Ｇａ0.76Ａｓ歪層２７の表面の原子間力顕微鏡で観測さ
れた凹凸構造図である。図１３にみられるように、２．
５°オフ基板上には単原子層のレイヤー・バイ・レイヤ
ーの成長は起こっておらず、ステップバンチングにより
（１００）面と平行なテラスと基板傾斜と同じ方位に傾
斜するマルチステップ面が交互に並ぶ３角波的な構造が
生じる。
【００１０】この構造が形成される理由を図１６を用い
て以下に説明する。基板の傾斜角度が２．５°の時に
は、表面には平均６nm間隔で単原子層ステップが存在す
る。成長種の拡散距離は５０nm以上で平均ステップ間隔
よりはるかに大きいので、成長種の拡散距離のスケール
でステップ密度の揺らぎが生じうる。歪層の成長中にお
いてステップの粗密構造が生じたとすると、ステップの
高密度部の前方に歪層厚の極小部が、後方に層歪厚の極
大部が生じる。この層厚揺らぎ構造の形成によって、相
対的に歪層が厚い部分での圧縮歪は相対的に薄い部分で
の圧縮歪よりも小さく緩和されることにより、結晶欠陥
の導入がなくても表面の層厚揺らぎ構造に応じて歪分布
の揺らぎが生じる。ＩｎＧａＡｓ層は単独ではＧａＡｓ
の格子定数よりも大きく歪が緩和された部分で優先的に
成長するため、歪層が相対的に厚いステップの高密度部
分の後方のステップフロー速度が歪層が薄いステップの
高密度部の前方に比して速くなり、ステップバンチング
が促進される。成長が進むにつれ、ステップの高密度部
はより密度を増し、急俊なマルチステップ面を形成し
て、図１６のような三角波型の凹凸構造が自発的に形成
される。しかしながら、マルチステップ面の形成が進ん
でくるとレイヤー・バイ・レイヤーのステップフロー成
長は起こらなくなり、主にマルチステップ面に厚みを増
していき三角波型表面が保たれながら成長が進む。この
成長モードにおいては、格子歪が相対的に大きいマルチ
ステップ面の下端部に成長してはじめて格子歪が相対的
に小さいマルチステップの上端部が成長するため、もは
や歪がより小さい部分に優先的に成長が進むわけではな
く、歪が相対的に大きいマルチステップ面の下端部に空
格子が残留しやすいという問題が生じる。また、この成
長モードにおいては、三角波型の縞状凹凸構造の量子細
線化による発光ピーク波長の短波長化と同時に、歪層成
長により自発的に発生した凹凸パターンの間隔の不規則
性を反映してフォトルミネッセンススペクトルの半値全
幅が広がりやすい。
て以下に説明する。基板の傾斜角度が２．５°の時に
は、表面には平均６nm間隔で単原子層ステップが存在す
る。成長種の拡散距離は５０nm以上で平均ステップ間隔
よりはるかに大きいので、成長種の拡散距離のスケール
でステップ密度の揺らぎが生じうる。歪層の成長中にお
いてステップの粗密構造が生じたとすると、ステップの
高密度部の前方に歪層厚の極小部が、後方に層歪厚の極
大部が生じる。この層厚揺らぎ構造の形成によって、相
対的に歪層が厚い部分での圧縮歪は相対的に薄い部分で
の圧縮歪よりも小さく緩和されることにより、結晶欠陥
の導入がなくても表面の層厚揺らぎ構造に応じて歪分布
の揺らぎが生じる。ＩｎＧａＡｓ層は単独ではＧａＡｓ
の格子定数よりも大きく歪が緩和された部分で優先的に
成長するため、歪層が相対的に厚いステップの高密度部
分の後方のステップフロー速度が歪層が薄いステップの
高密度部の前方に比して速くなり、ステップバンチング
が促進される。成長が進むにつれ、ステップの高密度部
はより密度を増し、急俊なマルチステップ面を形成し
て、図１６のような三角波型の凹凸構造が自発的に形成
される。しかしながら、マルチステップ面の形成が進ん
でくるとレイヤー・バイ・レイヤーのステップフロー成
長は起こらなくなり、主にマルチステップ面に厚みを増
していき三角波型表面が保たれながら成長が進む。この
成長モードにおいては、格子歪が相対的に大きいマルチ
ステップ面の下端部に成長してはじめて格子歪が相対的
に小さいマルチステップの上端部が成長するため、もは
や歪がより小さい部分に優先的に成長が進むわけではな
く、歪が相対的に大きいマルチステップ面の下端部に空
格子が残留しやすいという問題が生じる。また、この成
長モードにおいては、三角波型の縞状凹凸構造の量子細
線化による発光ピーク波長の短波長化と同時に、歪層成
長により自発的に発生した凹凸パターンの間隔の不規則
性を反映してフォトルミネッセンススペクトルの半値全
幅が広がりやすい。
【００１１】図１０は、ＩｎＧａＡｓ歪層のフォトルミ
ネッセンススペクトルの成長基板オフ角度依存性を調べ
るために作製した試料の構造図である。４．５nmのＩｎ
0.24Ｇａ0.76Ａｓ歪層２７までは図９の構造と全く同じ
であり、さらに２０nmのＧａＡｓバリア層２８、４０nm
のＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ光ガイド層２９をＶ／ＩＩＩ比
２０で成長し、０．３μmのノンドープＡｌ0.4 Ｇａ
0.6 Ａｓクラッド層３０をＶ／ＩＩＩ比８０で成長した
後、成長基板温度を３分以内に４００℃以下に降下させ
る。この試料において、［０１１］方向に２°オフした
表面に成長したＩｎＧａＡｓ歪層のフォトルミネッセン
ススペクトルの半値幅は、３８ｍｅＶであり、（１０
０）上に成長したＩｎＧａＡｓ層の２９ｍｅＶに比べ大
きい。そのため、通常この条件で作製された半導体レー
ザの発振閾値電流は（１００）面に成長したものよりも
高いという問題があった。
ネッセンススペクトルの成長基板オフ角度依存性を調べ
るために作製した試料の構造図である。４．５nmのＩｎ
0.24Ｇａ0.76Ａｓ歪層２７までは図９の構造と全く同じ
であり、さらに２０nmのＧａＡｓバリア層２８、４０nm
のＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ光ガイド層２９をＶ／ＩＩＩ比
２０で成長し、０．３μmのノンドープＡｌ0.4 Ｇａ
0.6 Ａｓクラッド層３０をＶ／ＩＩＩ比８０で成長した
後、成長基板温度を３分以内に４００℃以下に降下させ
る。この試料において、［０１１］方向に２°オフした
表面に成長したＩｎＧａＡｓ歪層のフォトルミネッセン
ススペクトルの半値幅は、３８ｍｅＶであり、（１０
０）上に成長したＩｎＧａＡｓ層の２９ｍｅＶに比べ大
きい。そのため、通常この条件で作製された半導体レー
ザの発振閾値電流は（１００）面に成長したものよりも
高いという問題があった。
【００１２】本発明の目的は、ＩｎＧａＡｓ歪層の成長
時に結晶欠陥が導入されにくく、長時間の通電信頼性が
得られ、かつ発振閾値電流が低い歪量子井戸半導体レー
ザを提供することにある。
時に結晶欠陥が導入されにくく、長時間の通電信頼性が
得られ、かつ発振閾値電流が低い歪量子井戸半導体レー
ザを提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明の歪量子井戸半導
体レーザは、面方位が（１００）面から微傾斜したＧａ
Ａｓ基板上にＩｎＧａＡｓ歪量子井戸活性層を含むダブ
ルヘテロ構造を形成した歪量子井戸半導体レーザであっ
て、ＩｎＧａＡｓ歪量子井戸層とその上層との界面が基
板傾斜方向に沿って周期的な縞状凹凸構造をもち、その
縞状凹凸構造は、面方位が（１００）方向である面（以
後（１００）テラスと呼ぶ）と、面方位が（１００）方
向から基板傾斜と同じ方位に傾斜した順方向マルチステ
ップ面と、面方位が（１００）方向から基板傾斜と反対
の方位に傾斜した逆方向マルチステップ面から形成され
てなり、上記縞状凹凸構造はすべて２種類の単位構造、
すなわち（１００）テラス、逆方向マルチステップ面、
（１００）テラス、順方向マルチステップ面の計４面が
基板傾斜方位に向かってこの順に連なる矩形波型単位構
造、および（１００）テラス、順方向マルチステップ面
の計２面が基板傾斜方位に向かってこの順に連なる三角
波型単位構造の組み合わせによってなり、基板傾斜方位
に沿う任意の縞状凹凸構造を形成する単位構造のうち矩
形波型単位構造の占める割合が１／２以上であることを
特徴とする。
体レーザは、面方位が（１００）面から微傾斜したＧａ
Ａｓ基板上にＩｎＧａＡｓ歪量子井戸活性層を含むダブ
ルヘテロ構造を形成した歪量子井戸半導体レーザであっ
て、ＩｎＧａＡｓ歪量子井戸層とその上層との界面が基
板傾斜方向に沿って周期的な縞状凹凸構造をもち、その
縞状凹凸構造は、面方位が（１００）方向である面（以
後（１００）テラスと呼ぶ）と、面方位が（１００）方
向から基板傾斜と同じ方位に傾斜した順方向マルチステ
ップ面と、面方位が（１００）方向から基板傾斜と反対
の方位に傾斜した逆方向マルチステップ面から形成され
てなり、上記縞状凹凸構造はすべて２種類の単位構造、
すなわち（１００）テラス、逆方向マルチステップ面、
（１００）テラス、順方向マルチステップ面の計４面が
基板傾斜方位に向かってこの順に連なる矩形波型単位構
造、および（１００）テラス、順方向マルチステップ面
の計２面が基板傾斜方位に向かってこの順に連なる三角
波型単位構造の組み合わせによってなり、基板傾斜方位
に沿う任意の縞状凹凸構造を形成する単位構造のうち矩
形波型単位構造の占める割合が１／２以上であることを
特徴とする。
【００１４】
【実施例】本発明の半導体レーザの実施例を図１〜図６
を用いて説明する。まず、図１から図４を用いて、本発
明の半導体レーザウェハの作製方法および構造を説明す
る。図１は本発明の歪量子井戸半導体レーザウェハの層
構造、図２は、図１の層構造のうち２重量子井戸活性層
構造の詳細な層構造を示したものである。図３は、基板
傾斜方向に平行な面で切った歪量子井戸半導体レーザウ
ェハの断面におけるＩｎＧａＡｓ歪量子井戸活性層とそ
の上層であるＧａＡｓバリア層との界面を中心に拡大し
た図である。図４は図３の一部をさらに拡大した図であ
る。
を用いて説明する。まず、図１から図４を用いて、本発
明の半導体レーザウェハの作製方法および構造を説明す
る。図１は本発明の歪量子井戸半導体レーザウェハの層
構造、図２は、図１の層構造のうち２重量子井戸活性層
構造の詳細な層構造を示したものである。図３は、基板
傾斜方向に平行な面で切った歪量子井戸半導体レーザウ
ェハの断面におけるＩｎＧａＡｓ歪量子井戸活性層とそ
の上層であるＧａＡｓバリア層との界面を中心に拡大し
た図である。図４は図３の一部をさらに拡大した図であ
る。
【００１５】図１の構造の歪量子井戸半導体レーザウェ
ハは、常圧ＭＯＶＰＥ装置を用いて、（１００）面から
［０１−１］方位に０．５°傾斜した面方位をもつＳｉ
ドープＧａＡｓ基板１上に０．５μm のＳｉドープ（不
純物濃度１×１０18cm-3）ＧａＡｓバッファ層２、２μ
m のＳｉドープ（不純物濃度１×１０17cm-3）Ａｌ0. 4
Ｇａ0.6 Ａｓクラッド層３を成長温度７６０℃、Ｖ／Ｉ
ＩＩ比８０で成長し、次に４０nmのＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａ
ｓ光ガイド層４を成長する間に成長温度を６１０℃まで
低下させる。次に２重歪量子井戸活性層構造５（図２に
示すとおり、２０nmのＧａＡｓバリア層９／４．５nmの
Ｉｎ0.24Ｇａ0.76Ａｓ歪層１０／５nmのＧａＡｓバリア
層１１／４．５nmのＩｎ0.24Ｇａ0.76Ａｓ歪層１２／２
０nmのＧａＡｓバリア層１３からなる）をＶ／ＩＩＩ比
２０で成長する。次に４０nmのＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ光
ガイド層６、１．５μm のＭｇドープ（不純物濃度１×
１０18cm-3）Ａｌ0.4 Ｇａ0.6 Ａｓクラッド層７、１．
０μm のＭｇドープ（不純物濃度１×１０19cm-3）Ｇａ
Ａｓキャップ層８を順次気相エピタキシャル成長させる
ことにより得られる。
ハは、常圧ＭＯＶＰＥ装置を用いて、（１００）面から
［０１−１］方位に０．５°傾斜した面方位をもつＳｉ
ドープＧａＡｓ基板１上に０．５μm のＳｉドープ（不
純物濃度１×１０18cm-3）ＧａＡｓバッファ層２、２μ
m のＳｉドープ（不純物濃度１×１０17cm-3）Ａｌ0. 4
Ｇａ0.6 Ａｓクラッド層３を成長温度７６０℃、Ｖ／Ｉ
ＩＩ比８０で成長し、次に４０nmのＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａ
ｓ光ガイド層４を成長する間に成長温度を６１０℃まで
低下させる。次に２重歪量子井戸活性層構造５（図２に
示すとおり、２０nmのＧａＡｓバリア層９／４．５nmの
Ｉｎ0.24Ｇａ0.76Ａｓ歪層１０／５nmのＧａＡｓバリア
層１１／４．５nmのＩｎ0.24Ｇａ0.76Ａｓ歪層１２／２
０nmのＧａＡｓバリア層１３からなる）をＶ／ＩＩＩ比
２０で成長する。次に４０nmのＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ光
ガイド層６、１．５μm のＭｇドープ（不純物濃度１×
１０18cm-3）Ａｌ0.4 Ｇａ0.6 Ａｓクラッド層７、１．
０μm のＭｇドープ（不純物濃度１×１０19cm-3）Ｇａ
Ａｓキャップ層８を順次気相エピタキシャル成長させる
ことにより得られる。
【００１６】図３に示すように、この方法により得られ
た歪量子井戸半導体レーザウェハの基板傾斜方向に平行
な面で切った断面におけるＩｎＧａＡｓ歪量子井戸活性
層１０（または１２）とその上面であるＧａＡｓバリア
層１１（または１３）の界面は周期的な凹凸構造をも
ち、その凹凸構造は、面方位が（１００）テラスと、面
方位が（１００）方向から基板傾斜と同じ［０１−１］
方位に傾斜した順方向マルチステップ面と、面方位が
（１００）方向から基板傾斜と反対の［０−１１］方位
に傾斜した逆方向マルチステップ面から形成されてい
る。上記凹凸構造はすべて２種類の単位構造、すなわち
図４の拡大図に示すように（１００）テラス１４、逆方
向マルチステップ面１６、（１００）テラス１４、順方
向マルチステップ面１５の計４面が基板傾斜方位に向か
ってこの順に連なる矩形波型単位構造、および（１０
０）テラス１４、順方向マルチステップ面１５の計２面
が基板傾斜方位に向かってこの順に連なる三角波型単位
構造の組み合わせによってなり、基板傾斜方位に沿う任
意の縞状凹凸構造を形成する単位構造のうち矩形波型単
位構造の占める割合が１／２以上である。
た歪量子井戸半導体レーザウェハの基板傾斜方向に平行
な面で切った断面におけるＩｎＧａＡｓ歪量子井戸活性
層１０（または１２）とその上面であるＧａＡｓバリア
層１１（または１３）の界面は周期的な凹凸構造をも
ち、その凹凸構造は、面方位が（１００）テラスと、面
方位が（１００）方向から基板傾斜と同じ［０１−１］
方位に傾斜した順方向マルチステップ面と、面方位が
（１００）方向から基板傾斜と反対の［０−１１］方位
に傾斜した逆方向マルチステップ面から形成されてい
る。上記凹凸構造はすべて２種類の単位構造、すなわち
図４の拡大図に示すように（１００）テラス１４、逆方
向マルチステップ面１６、（１００）テラス１４、順方
向マルチステップ面１５の計４面が基板傾斜方位に向か
ってこの順に連なる矩形波型単位構造、および（１０
０）テラス１４、順方向マルチステップ面１５の計２面
が基板傾斜方位に向かってこの順に連なる三角波型単位
構造の組み合わせによってなり、基板傾斜方位に沿う任
意の縞状凹凸構造を形成する単位構造のうち矩形波型単
位構造の占める割合が１／２以上である。
【００１７】次に、図５および図６を用いて上述の半導
体レーザウェハを横モード制御レーザに加工する工程を
示す。図５は、［０１−１］方向のメサストライプが形
成された後の半導体レーザウェハの（０１−１）断面を
示す。図６は、横モード制御型半導体レーザの完成品の
（０１−１）断面を示す。まず、図１に示す半導体レー
ザウェハの最上層のＧａＡｓキャップ層８に、ＳｉＯ2
を成膜し、フォトグラフィ技術により図５に示すように
［０１−１］方向の幅４μm のＳｉＯ2 ストライプ１７
を形成する。次に、ＳｉＯ2 ストライプ１７をマスクと
する選択エッチング技術により、ＭｇドープＡｌ0.4 Ｇ
ａ0.6 Ａｓクラッド層７が０．３μm 残る深さまでエッ
チングすることにより、図５の断面図に示すメサストラ
イプが形成される。次に、ＳｉＯ2 ストライプ１７をマ
スクとした選択成長技術により、図６に示すようにメサ
ストライプの側部を０．８μm のＳｉドープ（不純物濃
度１×１０18cm-3）Ａｌ0.6 Ｇａ0.4 Ａｓ電流ブロック
層１８、０．８μm のＳｉドープ（不純物濃度１×１０
18cm-3）ＧａＡｓ電流ブロック層１９で順次埋め込む。
さらに、ＳｉＯ2 マスク１７を除去したのち、ｐ側電極
２０、ｎ側電極２１を形成することにより、図６に示す
横モード制御型半導体レーザを得る。さらに共振器長７
００μm の横モード制御型半導体レーザの前面、後面の
共振器端面に発振波長０．９８μm に対し反射率が３％
と９０％の絶縁膜薄膜コーティングを施し、ヒートシン
クにマウントすることにより本発明の半導体レーザ装置
は完成する。
体レーザウェハを横モード制御レーザに加工する工程を
示す。図５は、［０１−１］方向のメサストライプが形
成された後の半導体レーザウェハの（０１−１）断面を
示す。図６は、横モード制御型半導体レーザの完成品の
（０１−１）断面を示す。まず、図１に示す半導体レー
ザウェハの最上層のＧａＡｓキャップ層８に、ＳｉＯ2
を成膜し、フォトグラフィ技術により図５に示すように
［０１−１］方向の幅４μm のＳｉＯ2 ストライプ１７
を形成する。次に、ＳｉＯ2 ストライプ１７をマスクと
する選択エッチング技術により、ＭｇドープＡｌ0.4 Ｇ
ａ0.6 Ａｓクラッド層７が０．３μm 残る深さまでエッ
チングすることにより、図５の断面図に示すメサストラ
イプが形成される。次に、ＳｉＯ2 ストライプ１７をマ
スクとした選択成長技術により、図６に示すようにメサ
ストライプの側部を０．８μm のＳｉドープ（不純物濃
度１×１０18cm-3）Ａｌ0.6 Ｇａ0.4 Ａｓ電流ブロック
層１８、０．８μm のＳｉドープ（不純物濃度１×１０
18cm-3）ＧａＡｓ電流ブロック層１９で順次埋め込む。
さらに、ＳｉＯ2 マスク１７を除去したのち、ｐ側電極
２０、ｎ側電極２１を形成することにより、図６に示す
横モード制御型半導体レーザを得る。さらに共振器長７
００μm の横モード制御型半導体レーザの前面、後面の
共振器端面に発振波長０．９８μm に対し反射率が３％
と９０％の絶縁膜薄膜コーティングを施し、ヒートシン
クにマウントすることにより本発明の半導体レーザ装置
は完成する。
【００１８】また、比較例として上記半導体レーザ装置
の作製方法において、成長基板に（１００）ＧａＡｓ基
板を用いたものを作製した。この比較例の半導体レーザ
は、従来例に含まれるものである。
の作製方法において、成長基板に（１００）ＧａＡｓ基
板を用いたものを作製した。この比較例の半導体レーザ
は、従来例に含まれるものである。
【００１９】次に、図７、図８および表１を用いて、本
発明の実施例および比較例の半導体レーザの信頼性試験
の結果について説明する。図７は、本発明の半導体レー
ザの定光出力エージング試験における駆動電流の時間変
化を示したものである。図８は、比較例の半導体レーザ
を定光出力エージング試験における駆動電流の時間変化
を示したものである。
発明の実施例および比較例の半導体レーザの信頼性試験
の結果について説明する。図７は、本発明の半導体レー
ザの定光出力エージング試験における駆動電流の時間変
化を示したものである。図８は、比較例の半導体レーザ
を定光出力エージング試験における駆動電流の時間変化
を示したものである。
【００２０】
【表１】
【００２１】表１は、定光出力エージングに先立って行
ったスクリーニング試験における歩留まりと定光出力エ
ージング試験における駆動電流の変化率の平均値を示し
たものである。この信頼試験において、１５０℃、１５
０ｍＡ，１００時間のスクリーニング通電の前後におい
て、２５℃、１００ｍＷ駆動に必要な電流値の増加が２
ｍＡ以下の素子を、スクリーニング通過と見なした。こ
の条件を満たした素子を用いて、９０℃、１００ｍＷの
定光出力エージングを行ったところ、本発明の半導体レ
ーザにおいては図７、比較例においては図８に示す結果
が得られた。表１に示すように、スクリーニング歩留ま
りにおいて、本発明の半導体レーザは、従来の４１％に
比べ７７％に改善され、９０℃、１００ｍＷの駆動電流
増加率において、従来の４×１０-5ｈ-1に比べ約１／１
０の３×１０-6ｈ-1に改善されたことがわかる。また、
２５℃の駆動電流増加率の推定値は、通電による劣化の
活性化エネルギーを０．４ｅＶと仮定して求めると、比
較例の２．６×１０-6ｈ-1 （従来技術の項で述べた従来
例の駆動電流増加率４×１０-6ｈ-1とほぼ同等の値）に
対して本発明の半導体レーザは２×１０-7ｈ-1である。
ったスクリーニング試験における歩留まりと定光出力エ
ージング試験における駆動電流の変化率の平均値を示し
たものである。この信頼試験において、１５０℃、１５
０ｍＡ，１００時間のスクリーニング通電の前後におい
て、２５℃、１００ｍＷ駆動に必要な電流値の増加が２
ｍＡ以下の素子を、スクリーニング通過と見なした。こ
の条件を満たした素子を用いて、９０℃、１００ｍＷの
定光出力エージングを行ったところ、本発明の半導体レ
ーザにおいては図７、比較例においては図８に示す結果
が得られた。表１に示すように、スクリーニング歩留ま
りにおいて、本発明の半導体レーザは、従来の４１％に
比べ７７％に改善され、９０℃、１００ｍＷの駆動電流
増加率において、従来の４×１０-5ｈ-1に比べ約１／１
０の３×１０-6ｈ-1に改善されたことがわかる。また、
２５℃の駆動電流増加率の推定値は、通電による劣化の
活性化エネルギーを０．４ｅＶと仮定して求めると、比
較例の２．６×１０-6ｈ-1 （従来技術の項で述べた従来
例の駆動電流増加率４×１０-6ｈ-1とほぼ同等の値）に
対して本発明の半導体レーザは２×１０-7ｈ-1である。
【００２２】以下に図１２を用いて、本実施例の半導体
レーザの歪量子井戸層とその上層のＧａＡｓバリア層の
間に図４にような矩形波型単位構造を含む界面が得られ
る根拠となる観測結果について述べる。図１２は、図９
の試料において、［０１−１］方位に０．７°オフした
表面に成長した４．５nmのＩｎ0.24Ｇａ0.76Ａｓ歪層２
７の原子間力顕微鏡で観測したときの模式図である。
［０１１］方向に伸びる島構造が［０１−１］方向に周
期的に並び、島の大半は、（１００）テラスおよびその
片側に基板傾斜方位と同じ［０１−１］方位に傾斜した
順方向マルチステップ面と、もう片方の基板傾斜方位と
反対の［０−１１］方位に傾斜した逆方向マルチステッ
プ面により形成された矩形波型構造を成している。本発
明の実施例における半導体レーザは、［０１−１］方位
に０．５°オフした表面に成長することにより得られる
ので、ＩｎＧａＡｓ歪層とその上層のＧａＡｓバリア層
の界面に上記観測例とほぼ同様の凹凸構造を持つ。
レーザの歪量子井戸層とその上層のＧａＡｓバリア層の
間に図４にような矩形波型単位構造を含む界面が得られ
る根拠となる観測結果について述べる。図１２は、図９
の試料において、［０１−１］方位に０．７°オフした
表面に成長した４．５nmのＩｎ0.24Ｇａ0.76Ａｓ歪層２
７の原子間力顕微鏡で観測したときの模式図である。
［０１１］方向に伸びる島構造が［０１−１］方向に周
期的に並び、島の大半は、（１００）テラスおよびその
片側に基板傾斜方位と同じ［０１−１］方位に傾斜した
順方向マルチステップ面と、もう片方の基板傾斜方位と
反対の［０−１１］方位に傾斜した逆方向マルチステッ
プ面により形成された矩形波型構造を成している。本発
明の実施例における半導体レーザは、［０１−１］方位
に０．５°オフした表面に成長することにより得られる
ので、ＩｎＧａＡｓ歪層とその上層のＧａＡｓバリア層
の界面に上記観測例とほぼ同様の凹凸構造を持つ。
【００２３】次に図１５を用いて、図１２のような矩形
波型凹凸構造をもつことにより高い通電信頼性が得られ
る理由を説明する。図１５は、（１００）面から［０１
−１］方位に０．７°オフした基板状に成長するＩｎＧ
ａＡｓ歪層の表面の模式図である。オフ角度が小さめの
時には、ステップ密度が小さいためにオフ方向の原料の
拡散距離はステップ密度が大きい時と比べ長くなる。そ
のため、ステップバンチングとそれによる凹凸構造の形
成過程において凹凸構造の周期は長くなり、比較的広い
（１００）テラスが生じ、テラスの比較的歪層の厚い部
分に限定的にステップフロー成長し、３次元島状の（１
００）テラスが形成される成長モードが現れる。３次元
島状成長する理由は、一旦他の部分より厚く成長すると
図１５に示すように島の上の歪層は、島の両脇に束縛す
る層が存在しないので小さい矢印で示すようにオフ方向
に格子定数が緩んで、ＧａＡｓよりも格子定数が大きい
ＩｎＧａＡｓがより成長しやすくなるからである。凹凸
の形状効果により凸部は実効的に歪が小さくなるので、
原子抜けやステップフローするモノレーヤ同士の衝突の
際に生じる格子抜けが欠陥となって残留する確率が低減
され、欠陥密度の小さい結晶が得られるようになる。
波型凹凸構造をもつことにより高い通電信頼性が得られ
る理由を説明する。図１５は、（１００）面から［０１
−１］方位に０．７°オフした基板状に成長するＩｎＧ
ａＡｓ歪層の表面の模式図である。オフ角度が小さめの
時には、ステップ密度が小さいためにオフ方向の原料の
拡散距離はステップ密度が大きい時と比べ長くなる。そ
のため、ステップバンチングとそれによる凹凸構造の形
成過程において凹凸構造の周期は長くなり、比較的広い
（１００）テラスが生じ、テラスの比較的歪層の厚い部
分に限定的にステップフロー成長し、３次元島状の（１
００）テラスが形成される成長モードが現れる。３次元
島状成長する理由は、一旦他の部分より厚く成長すると
図１５に示すように島の上の歪層は、島の両脇に束縛す
る層が存在しないので小さい矢印で示すようにオフ方向
に格子定数が緩んで、ＧａＡｓよりも格子定数が大きい
ＩｎＧａＡｓがより成長しやすくなるからである。凹凸
の形状効果により凸部は実効的に歪が小さくなるので、
原子抜けやステップフローするモノレーヤ同士の衝突の
際に生じる格子抜けが欠陥となって残留する確率が低減
され、欠陥密度の小さい結晶が得られるようになる。
【００２４】次に、図１２のような矩形波型凹凸構造が
形成されるオフ角度の条件について、図１７、図１８を
用いて説明する。図９の球面状曲面が形成された（１０
０）基板状に成長されたＩｎＧａＡｓ歪層の表面の原子
間力顕微鏡での観察において、［０１−１］方位のオフ
角度と表面の凹凸構造のラフネスの関係を示したものが
図１７で、［０１−１］方位のオフ角度と表面の凹凸構
造の周期の関係を示したものが図１８である。図１７に
よると、オフ角度が０．４°より小さい時、ＩｎＧａＡ
ｓ歪層はレイヤー・バイ・レイヤーのステップフロー成
長が起こり、ラフネスは１nmに保たれる。オフ角度０．
４°以上でステップバンチングが起こり、オフ角度０．
５°の時のラフネス２．２nmからオフ角度が増すにつれ
てラフネスが増加し、オフ角度２°以上でラフネスは４
nmに飽和する。図１８によると、レイヤー・バイ・レイ
ヤーのステップフロー成長が起こるオフ角度が０．４°
より小さい時は凹凸構造がないため周期は無限大であ
る。オフ角度が０．５°から１°の間に、凹凸の周期は
３００nmから１００nmに急俊に減少し、オフ角度１°か
ら３°までは、周期は１００nmから５０nmに緩やかに減
少する。比較的に長周期の凹凸構造が得られる０．５°
から１°の範囲において、［０１−１］方向に沿った凹
凸構造の凸部の過半数が、（１００）テラスおよびその
片側に基板傾斜方位と同じ［０１−１］方位に傾斜した
順方向マルチステップ面と、もう片側に基板傾斜方位と
反対の［０−１１］方位に傾斜した逆方向マルチステッ
プ面により形成されている。オフ角度が１°以上のとき
には、凹凸構造の凸部の過半数が、（１００）テラスお
よび基板傾斜方位と同じ［０１−１］方位に傾斜した順
方向マルチステップ面で形成された三角波の凸部であ
り、オフ角度が増すに従いその割合は１に近づいてゆ
き、ラフネスは飽和傾向を示す。
形成されるオフ角度の条件について、図１７、図１８を
用いて説明する。図９の球面状曲面が形成された（１０
０）基板状に成長されたＩｎＧａＡｓ歪層の表面の原子
間力顕微鏡での観察において、［０１−１］方位のオフ
角度と表面の凹凸構造のラフネスの関係を示したものが
図１７で、［０１−１］方位のオフ角度と表面の凹凸構
造の周期の関係を示したものが図１８である。図１７に
よると、オフ角度が０．４°より小さい時、ＩｎＧａＡ
ｓ歪層はレイヤー・バイ・レイヤーのステップフロー成
長が起こり、ラフネスは１nmに保たれる。オフ角度０．
４°以上でステップバンチングが起こり、オフ角度０．
５°の時のラフネス２．２nmからオフ角度が増すにつれ
てラフネスが増加し、オフ角度２°以上でラフネスは４
nmに飽和する。図１８によると、レイヤー・バイ・レイ
ヤーのステップフロー成長が起こるオフ角度が０．４°
より小さい時は凹凸構造がないため周期は無限大であ
る。オフ角度が０．５°から１°の間に、凹凸の周期は
３００nmから１００nmに急俊に減少し、オフ角度１°か
ら３°までは、周期は１００nmから５０nmに緩やかに減
少する。比較的に長周期の凹凸構造が得られる０．５°
から１°の範囲において、［０１−１］方向に沿った凹
凸構造の凸部の過半数が、（１００）テラスおよびその
片側に基板傾斜方位と同じ［０１−１］方位に傾斜した
順方向マルチステップ面と、もう片側に基板傾斜方位と
反対の［０−１１］方位に傾斜した逆方向マルチステッ
プ面により形成されている。オフ角度が１°以上のとき
には、凹凸構造の凸部の過半数が、（１００）テラスお
よび基板傾斜方位と同じ［０１−１］方位に傾斜した順
方向マルチステップ面で形成された三角波の凸部であ
り、オフ角度が増すに従いその割合は１に近づいてゆ
き、ラフネスは飽和傾向を示す。
【００２５】次に、図１２のような凹凸構造の形成が、
フォトルミネッセンススペクトルに与える影響につい
て、図１９、図２０を用いて説明する。図１０の球面状
曲面が形成された（１００）基板上に成長されたＩｎＧ
ａＡｓ歪層を含んだ試料のフォトルミネッセンス（Ｐ
Ｌ）測定において、ＰＬ半値全幅の基板オフ角度依存性
を示したのが図１９で、ＰＬピーク波長の基板オフ角度
依存性を示したのが図２０である。図１９によると、図
１２のような矩形波型凹凸構造が主として現れるオフ角
度０．５°〜１°の範囲の中心である０．７５°でＰＬ
半値全幅が極小値をとっており、矩形波型構造の形成は
ＰＬの半値全幅を狭くする効果があることが分かる。つ
まり、異なる矩形波型凸部同士の間の層厚の均質性が優
れていることを示す。図２０によると、矩形波型凹凸構
造が少しでも含まれる０．５°から１３°の範囲でＰＬ
ピーク波長が９７４nm近傍で安定である。これは、異な
る傾斜角に形成されていても矩形波型凸部同士の層厚は
揃っていることを示す。
フォトルミネッセンススペクトルに与える影響につい
て、図１９、図２０を用いて説明する。図１０の球面状
曲面が形成された（１００）基板上に成長されたＩｎＧ
ａＡｓ歪層を含んだ試料のフォトルミネッセンス（Ｐ
Ｌ）測定において、ＰＬ半値全幅の基板オフ角度依存性
を示したのが図１９で、ＰＬピーク波長の基板オフ角度
依存性を示したのが図２０である。図１９によると、図
１２のような矩形波型凹凸構造が主として現れるオフ角
度０．５°〜１°の範囲の中心である０．７５°でＰＬ
半値全幅が極小値をとっており、矩形波型構造の形成は
ＰＬの半値全幅を狭くする効果があることが分かる。つ
まり、異なる矩形波型凸部同士の間の層厚の均質性が優
れていることを示す。図２０によると、矩形波型凹凸構
造が少しでも含まれる０．５°から１３°の範囲でＰＬ
ピーク波長が９７４nm近傍で安定である。これは、異な
る傾斜角に形成されていても矩形波型凸部同士の層厚は
揃っていることを示す。
【００２６】
【発明の効果】以上説明したように、本発明による歪量
子井戸半導体レーザは、面方位が（１００）面から微傾
斜したＧａＡｓ基板上にＩｎＧａＡｓ歪量子井戸活性層
を含むダブルヘテロ構造を形成した歪量子井戸半導体レ
ーザであって、ＩｎＧａＡｓ歪量子井戸層とその上層と
の界面が基板傾斜方向に沿って周期的な縞状凹凸構造を
もち、その縞状凹凸構造は、面方位が（１００）方向で
ある面（以後（１００）テラスと呼ぶ）と、面方位が
（１００）方向から基板傾斜と同じ方位に傾斜した順方
向マルチステップ面と、面方位が（１００）方向から基
板傾斜と反対の方位に傾斜した逆方向マルチステップ面
から形成されており、上記縞状凹凸構造はすべて２種類
の単位構造、すなわち（１００）テラス、逆方向マルチ
ステップ面、（１００）テラス、順方向マルチステップ
面の計４面が基板傾斜方位に向かってこの順に連なる矩
形波型単位構造、および（１００）テラス、順方向マル
チステップ面の計２面が基板傾斜方位に向かってこの順
に連なる三角波型単位構造の組み合わせによってなり、
基板傾斜方位に沿う任意の縞状凹凸構造を形成する単位
構造のうち矩形波型単位構造の占める割合が１／２以上
であることを特徴としているため、ＩｎＧａＡｓ歪層の
成長時に結晶欠陥が導入されにくく、長時間の通電信頼
性が得られ、かつ発振閾値電流が低い歪量子井戸半導体
レーザを実現できるという効果を有する。
子井戸半導体レーザは、面方位が（１００）面から微傾
斜したＧａＡｓ基板上にＩｎＧａＡｓ歪量子井戸活性層
を含むダブルヘテロ構造を形成した歪量子井戸半導体レ
ーザであって、ＩｎＧａＡｓ歪量子井戸層とその上層と
の界面が基板傾斜方向に沿って周期的な縞状凹凸構造を
もち、その縞状凹凸構造は、面方位が（１００）方向で
ある面（以後（１００）テラスと呼ぶ）と、面方位が
（１００）方向から基板傾斜と同じ方位に傾斜した順方
向マルチステップ面と、面方位が（１００）方向から基
板傾斜と反対の方位に傾斜した逆方向マルチステップ面
から形成されており、上記縞状凹凸構造はすべて２種類
の単位構造、すなわち（１００）テラス、逆方向マルチ
ステップ面、（１００）テラス、順方向マルチステップ
面の計４面が基板傾斜方位に向かってこの順に連なる矩
形波型単位構造、および（１００）テラス、順方向マル
チステップ面の計２面が基板傾斜方位に向かってこの順
に連なる三角波型単位構造の組み合わせによってなり、
基板傾斜方位に沿う任意の縞状凹凸構造を形成する単位
構造のうち矩形波型単位構造の占める割合が１／２以上
であることを特徴としているため、ＩｎＧａＡｓ歪層の
成長時に結晶欠陥が導入されにくく、長時間の通電信頼
性が得られ、かつ発振閾値電流が低い歪量子井戸半導体
レーザを実現できるという効果を有する。
【図１】本発明の歪量子井戸半導体レーザウェハの層構
造を示した図である。
造を示した図である。
【図２】図１の層構造のうち２重量子井戸活性層構造の
詳細な層構造を示したものである。
詳細な層構造を示したものである。
【図３】基板傾斜方向に平行な面で切った歪量子井戸半
導体レーザウェハの断面におけるＩｎＧａＡｓ歪量子井
戸活性層とその上層であるＧａＡｓバリア層との界面を
中心に拡大した図である。
導体レーザウェハの断面におけるＩｎＧａＡｓ歪量子井
戸活性層とその上層であるＧａＡｓバリア層との界面を
中心に拡大した図である。
【図４】図３の一部をさらに拡大した図である。
【図５】［０１−１］方向のメサストライプが形成され
た後の半導体レーザウェハの（０１−１）断面を示す。
た後の半導体レーザウェハの（０１−１）断面を示す。
【図６】横モード制御型半導体レーザの完成品の（０１
−１）断面を示す。
−１）断面を示す。
【図７】本発明の半導体レーザの定光出力エージング試
験における駆動電流の時間変化を示したものである。
験における駆動電流の時間変化を示したものである。
【図８】比較例の半導体レーザの定光出力エージング試
験における駆動電流の時間変化を示したものである。
験における駆動電流の時間変化を示したものである。
【図９】ＩｎＧａＡｓ歪層の表面の凹凸構造のＧａＡｓ
基板の傾斜角度依存性を調べるために作製した試料の構
造図である。
基板の傾斜角度依存性を調べるために作製した試料の構
造図である。
【図１０】ＩｎＧａＡｓ歪層のフォトルミネッセンスス
ペクトルの成長基板オフ角度依存性を調べるために作製
した試料の構造図である。
ペクトルの成長基板オフ角度依存性を調べるために作製
した試料の構造図である。
【図１１】図９の試料において［０１−１］方向に０．
１°傾斜した表面に成長した４．５nmのＩｎ0.24Ｇａ
0.76Ａｓ歪層２７の表面の模式図である。
１°傾斜した表面に成長した４．５nmのＩｎ0.24Ｇａ
0.76Ａｓ歪層２７の表面の模式図である。
【図１２】図９の試料において、［０１−１］方位に
０．７°オフした表面に成長した４．５nmのＩｎ0.24Ｇ
ａ0.76Ａｓ歪層２７の模式図である。
０．７°オフした表面に成長した４．５nmのＩｎ0.24Ｇ
ａ0.76Ａｓ歪層２７の模式図である。
【図１３】図９の試料において［０１−１］方向に２．
５°傾斜した表面に成長した４．５nmのＩｎ0.24Ｇａ
0.76Ａｓ歪層２７の表面の模式図である。
５°傾斜した表面に成長した４．５nmのＩｎ0.24Ｇａ
0.76Ａｓ歪層２７の表面の模式図である。
【図１４】（１００）面に極めて近い基板上に成長する
ＩｎＧａＡｓ歪層の表面の模式図である。
ＩｎＧａＡｓ歪層の表面の模式図である。
【図１５】（１００）面から［０１−１］方位に０．７
°オフした基板上に成長するＩｎＧａＡｓ歪層の表面の
模式図である。
°オフした基板上に成長するＩｎＧａＡｓ歪層の表面の
模式図である。
【図１６】（１００）面から［０１−１］方位に２．５
°オフした基板上に成長するＩｎＧａＡｓ歪層の表面の
模式図である。
°オフした基板上に成長するＩｎＧａＡｓ歪層の表面の
模式図である。
【図１７】図９の球面状曲面が形成された（１００）基
板上に成長されたＩｎＧａＡｓ歪層の表面の［０１−
１］方位のオフ角度と表面の凹凸構造のラフネスの関係
を示したものである。
板上に成長されたＩｎＧａＡｓ歪層の表面の［０１−
１］方位のオフ角度と表面の凹凸構造のラフネスの関係
を示したものである。
【図１８】図９の球面状曲面が形成された（１００）基
板状に成長されたＩｎＧａＡｓ歪層の表面の［０１−
１］方位のオフ角度と表面の凹凸構造の周期の関係を示
したものである。
板状に成長されたＩｎＧａＡｓ歪層の表面の［０１−
１］方位のオフ角度と表面の凹凸構造の周期の関係を示
したものである。
【図１９】図１０の球面状曲面が形成された（１００）
基板上に成長されたＩｎＧａＡｓ歪層を含んだ試料のフ
ォトルミネッセンス（ＰＬ）測定におけるＰＬ半値全幅
の基板オフ角度依存性を示す図である。
基板上に成長されたＩｎＧａＡｓ歪層を含んだ試料のフ
ォトルミネッセンス（ＰＬ）測定におけるＰＬ半値全幅
の基板オフ角度依存性を示す図である。
【図２０】図１０の球面状曲面が形成された（１００）
基板上に成長されたＩｎＧａＡｓ歪層を含んだ試料のフ
ォトルミネッセンス（ＰＬ）測定において、ＰＬピーク
波長の基板オフ角度依存性を示す図である。
基板上に成長されたＩｎＧａＡｓ歪層を含んだ試料のフ
ォトルミネッセンス（ＰＬ）測定において、ＰＬピーク
波長の基板オフ角度依存性を示す図である。
【図２１】従来の歪量子井戸レーザの１例の断面層構造
を示す図である。
を示す図である。
【図２２】従来の歪量子井戸レーザの１例の断面層構造
を示す図である。
を示す図である。
１ ＳｉドープＧａＡｓ基板 ２ ０．５μm のＳｉドープ（不純物濃度１×１０18cm
-3）ＧａＡｓバッファ層 ３ ２μm のＳｉドープ（不純物濃度１×１０17cm-3）
Ａｌ0.4 Ｇａ0.6 Ａｓクラッド層 ４ ４０nmのＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ光ガイド層 ５ ２重歪量子井戸活性層構造 ６ ４０nmのＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ光ガイド層 ７ １．５μm のＭｇドープ（不純物濃度１×１０18cm
-3）Ａｌ0.4 Ｇａ0.6Ａｓクラッド層 ８ １．０μm のＭｇドープ（不純物濃度１×１０19cm
-3）ＧａＡｓキャップ層 ９ ２０nmのＧａＡｓバリア層 １０ ４．５nmのＩｎ0.24Ｇａ0.76Ａｓ歪層 １１ ５nmのＧａＡｓバリア層 １２ ４．５nmのＩｎ0.24Ｇａ0.76Ａｓ歪層 １３ ２０nmのＧａＡｓバリア層 １４ （１００）テラス １５ 順方向マルチステップ面 １６ 逆方向マルチステップ面 １７ ＳｉＯ2 ストライプ １８ ０．８μm のＳｉドープ（不純物濃度１×１０18
cm-3）Ａｌ0.6 Ｇａ0. 4 Ａｓ電流ブロック層 １９ ０．８μm のＳｉドープ（不純物濃度１×１０18
cm-3）ＧａＡｓ電流ブロック層 ２０ ｐ側電極 ２１ ｎ側電極 ２２ （１００）ＧａＡｓ基板 ２３ ０．５μm のノンドープＧａＡｓバッファ層 ２４ ２μm のノンドープＡｌ0.4 Ｇａ0.6 Ａｓクラッ
ド層 ２５ ４０nmのＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ光ガイド層 ２６ ２０nmのＧａＡｓバリア層 ２７ ４．５nmのＩｎ0.24Ｇａ0.76Ａｓ歪層 ２８ ２０nmのＧａＡｓバリア層 ２９ ４０nmのＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ光ガイド層 ３０ ０．３μmのノンドープＡｌ0.4 Ｇａ0.6 Ａｓク
ラッド層 ３１ ｎ型（１００）ＧａＡｓ基板 ３２ ０．１μm のｎ型ＧａＡｓバッファ層 ３３ ２．５μm のｎ型Ａｌ0.6 Ｇａ0.4 Ａｓクラッド
層 ３４ ０．１μm のＡｌ0.35Ｇａ0.65Ａｓ光ガイド層 ３５ ６nmのＧａＡｓバリア層 ３６ ６nmのＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ歪量子井戸活性層 ３７ ６nmのＧａＡｓバリア層 ３８ ０．１μm のＡｌ0.35Ｇａ0.65Ａｓ光ガイド層 ３９ ２．５μm のｐ型Ａｌ0.6 Ｇａ0.4 Ａｓクラッド
層 ４０ ０．２５μm のｐ型ＧａＡｓキャップ層 ４１ （１００）から［０１１］方位に２°傾斜したｎ
型ＧａＡｓ基板 ４２ ０．５μm のｎ型ＧａＡｓバッファ層 ４３ １μm のＡｌ0.4 Ｇａ0.6 Ａｓのｎ型クラッド層 ４４ ０．１５μm のＡｌX Ｇａ1-X Ａｓ組成傾斜光閉
じ込め層 ４５ １２nmのＧａＡｓバリア層４とそれらの間に挟ま
れる７nmのＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ歪量子井戸層３層から
なる活性領域 ４６ ０．１５μm のＡｌX Ｇａ1-X Ａｓ組成傾斜光閉
じ込め層 ４７ １μm のＡｌ0.4 Ｇａ0.6 Ａｓのｐ型クラッド層 ４８ ｐ型ＧａＡｓキャップ層
-3）ＧａＡｓバッファ層 ３ ２μm のＳｉドープ（不純物濃度１×１０17cm-3）
Ａｌ0.4 Ｇａ0.6 Ａｓクラッド層 ４ ４０nmのＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ光ガイド層 ５ ２重歪量子井戸活性層構造 ６ ４０nmのＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ光ガイド層 ７ １．５μm のＭｇドープ（不純物濃度１×１０18cm
-3）Ａｌ0.4 Ｇａ0.6Ａｓクラッド層 ８ １．０μm のＭｇドープ（不純物濃度１×１０19cm
-3）ＧａＡｓキャップ層 ９ ２０nmのＧａＡｓバリア層 １０ ４．５nmのＩｎ0.24Ｇａ0.76Ａｓ歪層 １１ ５nmのＧａＡｓバリア層 １２ ４．５nmのＩｎ0.24Ｇａ0.76Ａｓ歪層 １３ ２０nmのＧａＡｓバリア層 １４ （１００）テラス １５ 順方向マルチステップ面 １６ 逆方向マルチステップ面 １７ ＳｉＯ2 ストライプ １８ ０．８μm のＳｉドープ（不純物濃度１×１０18
cm-3）Ａｌ0.6 Ｇａ0. 4 Ａｓ電流ブロック層 １９ ０．８μm のＳｉドープ（不純物濃度１×１０18
cm-3）ＧａＡｓ電流ブロック層 ２０ ｐ側電極 ２１ ｎ側電極 ２２ （１００）ＧａＡｓ基板 ２３ ０．５μm のノンドープＧａＡｓバッファ層 ２４ ２μm のノンドープＡｌ0.4 Ｇａ0.6 Ａｓクラッ
ド層 ２５ ４０nmのＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ光ガイド層 ２６ ２０nmのＧａＡｓバリア層 ２７ ４．５nmのＩｎ0.24Ｇａ0.76Ａｓ歪層 ２８ ２０nmのＧａＡｓバリア層 ２９ ４０nmのＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ光ガイド層 ３０ ０．３μmのノンドープＡｌ0.4 Ｇａ0.6 Ａｓク
ラッド層 ３１ ｎ型（１００）ＧａＡｓ基板 ３２ ０．１μm のｎ型ＧａＡｓバッファ層 ３３ ２．５μm のｎ型Ａｌ0.6 Ｇａ0.4 Ａｓクラッド
層 ３４ ０．１μm のＡｌ0.35Ｇａ0.65Ａｓ光ガイド層 ３５ ６nmのＧａＡｓバリア層 ３６ ６nmのＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ歪量子井戸活性層 ３７ ６nmのＧａＡｓバリア層 ３８ ０．１μm のＡｌ0.35Ｇａ0.65Ａｓ光ガイド層 ３９ ２．５μm のｐ型Ａｌ0.6 Ｇａ0.4 Ａｓクラッド
層 ４０ ０．２５μm のｐ型ＧａＡｓキャップ層 ４１ （１００）から［０１１］方位に２°傾斜したｎ
型ＧａＡｓ基板 ４２ ０．５μm のｎ型ＧａＡｓバッファ層 ４３ １μm のＡｌ0.4 Ｇａ0.6 Ａｓのｎ型クラッド層 ４４ ０．１５μm のＡｌX Ｇａ1-X Ａｓ組成傾斜光閉
じ込め層 ４５ １２nmのＧａＡｓバリア層４とそれらの間に挟ま
れる７nmのＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ歪量子井戸層３層から
なる活性領域 ４６ ０．１５μm のＡｌX Ｇａ1-X Ａｓ組成傾斜光閉
じ込め層 ４７ １μm のＡｌ0.4 Ｇａ0.6 Ａｓのｐ型クラッド層 ４８ ｐ型ＧａＡｓキャップ層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 1994年（平成６年）秋季 第55回応用 物理学会学術講演会予稿集 第１分冊20 ｐ−ＭＧ−５「微小オフＧＡＡＳ基板上 にＭＯＶＰＥ成長したＩＮＧＡＡＳ表面 の異常ステップバンチング」Ｐ．239 ＪＰＮ．Ｊ．ＡＰＰＬ．ＰＨＹＳ．33 （1994）Ｐ．721 ＡＰＰＬ．ＰＨＹＳ．ＬＥＴＴ．66〜 15！（1995）Ｐ．1936−1938
Claims (1)
- 【請求項１】面方位が（１００）面から微傾斜したＧａ
Ａｓ基板上にＩｎＧａＡｓ歪量子井戸活性層を含むダブ
ルヘテロ構造を形成した歪量子井戸半導体レーザであっ
て、ＩｎＧａＡｓ歪量子井戸層とその上層との界面が基
板傾斜方向に沿って周期的な縞状凹凸構造をもち、その
縞状凹凸構造は、面方位が（１００）方向である面（以
後（１００）テラスと呼ぶ）と、面方位が（１００）方
向から基板傾斜と同じ方位に傾斜した順方向マルチステ
ップ面と、面方位が（１００）方向から基板傾斜と反対
の方位に傾斜した逆方向マルチステップ面から形成され
てなり、上記縞状凹凸構造はすべて２種類の単位構造、
すなわち（１００）テラス、逆方向マルチステップ面、
（１００）テラス、順方向マルチステップ面の計４面が
基板傾斜方位に向かってこの順に連なる矩形波型単位構
造、および（１００）テラス、順方向マルチステップ面
の計２面が基板傾斜方位に向かってこの順に連なる三角
波型単位構造の組み合わせによってなり、基板傾斜方位
に沿う任意の縞状凹凸構造を形成する単位構造のうち矩
形波型単位構造の占める割合が１／２以上であることを
特徴とする歪量子井戸半導体レーザ。
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