JP3353802B2 - 半導体レーザ - Google Patents
半導体レーザInfo
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- JP3353802B2 JP3353802B2 JP22145594A JP22145594A JP3353802B2 JP 3353802 B2 JP3353802 B2 JP 3353802B2 JP 22145594 A JP22145594 A JP 22145594A JP 22145594 A JP22145594 A JP 22145594A JP 3353802 B2 JP3353802 B2 JP 3353802B2
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- semiconductor
- laser
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体レーザに関し、
特に低次元キャリヤ閉じ込め構造を活性層に持つ半導体
レーザに関するものである。
特に低次元キャリヤ閉じ込め構造を活性層に持つ半導体
レーザに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、半導体レーザの活性層として、厚
み３０ｎｍから４ｎｍ程度までの、いわゆる２次元的な
半導体量子井戸薄膜が特性改善の手法として種々検討さ
れてきた。膜の厚みが、半導体結晶中の電子の波長程度
になると、２次元的に閉じ込められた電子による量子効
果が現われ、このような量子井戸薄膜を半導体レーザの
活性層に用いることにより、しきい値が低減する等の現
象が観測されている。◎
み３０ｎｍから４ｎｍ程度までの、いわゆる２次元的な
半導体量子井戸薄膜が特性改善の手法として種々検討さ
れてきた。膜の厚みが、半導体結晶中の電子の波長程度
になると、２次元的に閉じ込められた電子による量子効
果が現われ、このような量子井戸薄膜を半導体レーザの
活性層に用いることにより、しきい値が低減する等の現
象が観測されている。◎
【０００３】最近、さらに、低次元化することにより、
即ち、量子細線並びに量子ドット中の量子効果を利用し
て、従来にない高性能な光デバイスの実現が期待されて
いる。
即ち、量子細線並びに量子ドット中の量子効果を利用し
て、従来にない高性能な光デバイスの実現が期待されて
いる。
【０００４】ところで、量子細線並びに量子ドットなど
の低次元量子構造の一般的作製法として、電子ビーム露
光法、あるいはＸ線露光法を用いて微細パタンを形成し
量子井戸層をエッチング法により加工する方法、集束イ
オンビームにより直接パタンを形成する方法などが知ら
れている。また、電子の閉じ込め領域を、予め半導体基
板上にＳｉＯ2 等の微細マスクを形成した半導体基板上
へのＭＯＶＰＥ法等による選択成長を利用して作製する
試みもなされている。
の低次元量子構造の一般的作製法として、電子ビーム露
光法、あるいはＸ線露光法を用いて微細パタンを形成し
量子井戸層をエッチング法により加工する方法、集束イ
オンビームにより直接パタンを形成する方法などが知ら
れている。また、電子の閉じ込め領域を、予め半導体基
板上にＳｉＯ2 等の微細マスクを形成した半導体基板上
へのＭＯＶＰＥ法等による選択成長を利用して作製する
試みもなされている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の低次元量子構造の作製法の場合、量子井戸層を
エッチング法により加工する方法においては、プロセス
が複雑であることに加え量子井戸層をドライエッチング
で加工する場合にはダメージがはいること、ウエットエ
ッチングではサイドエッチングが入るなど制御性が無
く、サイズ揺らぎ等が生じる欠点を有していた。
た従来の低次元量子構造の作製法の場合、量子井戸層を
エッチング法により加工する方法においては、プロセス
が複雑であることに加え量子井戸層をドライエッチング
で加工する場合にはダメージがはいること、ウエットエ
ッチングではサイドエッチングが入るなど制御性が無
く、サイズ揺らぎ等が生じる欠点を有していた。
【０００６】また予め半導体基板上にＳｉＯ2 等の微細
マスクを形成し、ＭＯＶＰＥ法等による選択成長を利用
して作製する方法においては、基板準備のプロセスが複
雑であることに加え、レーザへの応用の場合にはマスク
の除去、再成長の工程が必要であり、工程数が増え、ダ
メージが入りやすくさらには生産性に乏しい等の欠点を
有していた。これらの理由により、これまでの低次元量
子井戸レーザとしては、従来の２次元的な量子井戸レー
ザに比べ、特性的には十分なものはまだ得られていな
い。
マスクを形成し、ＭＯＶＰＥ法等による選択成長を利用
して作製する方法においては、基板準備のプロセスが複
雑であることに加え、レーザへの応用の場合にはマスク
の除去、再成長の工程が必要であり、工程数が増え、ダ
メージが入りやすくさらには生産性に乏しい等の欠点を
有していた。これらの理由により、これまでの低次元量
子井戸レーザとしては、従来の２次元的な量子井戸レー
ザに比べ、特性的には十分なものはまだ得られていな
い。
【０００７】本発明は、上記課題に鑑みてなされたもの
で、上述したような欠点を改善し、新規な低次元量子構
造、好適例としては０次元量子構造を活性層に有する半
導体レーザを提供することを目的とする。
で、上述したような欠点を改善し、新規な低次元量子構
造、好適例としては０次元量子構造を活性層に有する半
導体レーザを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本願第１の発明は、表面が（ｎ１１）Ｂ（ｎ＝２，３，
４，５，６，７）結晶面である半導体基板、例えば化合
物半導体基板と、この半導体基板上に形成された半導体
キャリヤ障壁層及び光ガイド層と、この半導体キャリヤ
障壁層及び光ガイド層に取り囲まれるように形成され、
歪みを有すると共にディスク形状を有する半導体キャリ
ヤ閉じ込め層と、この半導体キャリヤ閉じ込め層上に形
成された半導体キャリヤ障壁層及び光ガイド層とを有す
ることを要旨とする。
本願第１の発明は、表面が（ｎ１１）Ｂ（ｎ＝２，３，
４，５，６，７）結晶面である半導体基板、例えば化合
物半導体基板と、この半導体基板上に形成された半導体
キャリヤ障壁層及び光ガイド層と、この半導体キャリヤ
障壁層及び光ガイド層に取り囲まれるように形成され、
歪みを有すると共にディスク形状を有する半導体キャリ
ヤ閉じ込め層と、この半導体キャリヤ閉じ込め層上に形
成された半導体キャリヤ障壁層及び光ガイド層とを有す
ることを要旨とする。
【０００９】また、本願第２の発明は、前記請求項１記
載の半導体基板はＧａＡｓから構成され、また半導体キ
ャリヤ障壁層及び光ガイド層はＡｌx Ｇａ1-x Ａｓから
構成され、さらに半導体キャリヤ閉じ込め層はＩｎy Ｇ
ａ1-y Ａｓから構成されていることを要旨とする。
載の半導体基板はＧａＡｓから構成され、また半導体キ
ャリヤ障壁層及び光ガイド層はＡｌx Ｇａ1-x Ａｓから
構成され、さらに半導体キャリヤ閉じ込め層はＩｎy Ｇ
ａ1-y Ａｓから構成されていることを要旨とする。
【００１０】また、本願第３の発明は、前記請求項２記
載の半導体キャリヤ障壁層及び光ガイド層のＡｌ組成ｘ
に、ｘ＜０．４なる関係があることを要旨とする。
載の半導体キャリヤ障壁層及び光ガイド層のＡｌ組成ｘ
に、ｘ＜０．４なる関係があることを要旨とする。
【００１１】
【作用】本願第１の発明の半導体レーザは、結晶方位
が、ミクロに見ると、平坦なエピタキシャル成長が起き
やすい（１００）面と、Ｖ族安定化面で成長が著しく起
こりにくい（１１１）Ｂ面で構成されているので、この
上に気相成長法で歪み量子井戸層を形成した後、適当な
条件、例えば有機金属気相成長法により約７００℃以上
の温度で約３０秒〜１０分程度、熱処理を施すとマスト
ランスポートが起こり連続な歪み量子井戸層が島（斑、
若しくは円盤に近い多面体柱）状に凝集し、ディスク形
状となる。一例を挙げると、この「島」の大きさは幅３
０μｍ〜１５０μｍ（Ｉn 含有量で異なる）、厚さ２μ
ｍ〜７μｍであり、その間隔は「島」
が、ミクロに見ると、平坦なエピタキシャル成長が起き
やすい（１００）面と、Ｖ族安定化面で成長が著しく起
こりにくい（１１１）Ｂ面で構成されているので、この
上に気相成長法で歪み量子井戸層を形成した後、適当な
条件、例えば有機金属気相成長法により約７００℃以上
の温度で約３０秒〜１０分程度、熱処理を施すとマスト
ランスポートが起こり連続な歪み量子井戸層が島（斑、
若しくは円盤に近い多面体柱）状に凝集し、ディスク形
状となる。一例を挙げると、この「島」の大きさは幅３
０μｍ〜１５０μｍ（Ｉn 含有量で異なる）、厚さ２μ
ｍ〜７μｍであり、その間隔は「島」
【外１】 に整列したものとなる。
【００１２】同時に、その下の層に形成されている半導
体キャリヤ障壁層及び光ガイド層が、やはりマストラン
スポートにより、ディスク形状になった歪み量子井戸層
を取り囲む構造となる。
体キャリヤ障壁層及び光ガイド層が、やはりマストラン
スポートにより、ディスク形状になった歪み量子井戸層
を取り囲む構造となる。
【００１３】この半導体ディスク構造上に半導体キャリ
ヤ障壁層及び光ガイド層を成長する。このとき、表面エ
ネルギの高い材料系の半導体キャリヤ障壁層及び光ガイ
ド層を成長することによりディスク形状に起因した表面
の凹凸を効果的に平坦化する。ここで成長時の表面平坦
性は多元系化合物半導体の組成により変化する。通常の
レーザで見られる光ガイド層の厚さ５０〜２００ｎｍ程
度の成長でディスク形状になった歪み量子井戸層および
下部半導体バリヤ層に取り囲められたディスク構造の形
成で生じた表面の凹凸が平坦にできる半導体材料の組成
として、例えば本願第２の発明の半導体レーザは、Ａｌ
x Ｇａ1-x Ａｓからなる半導体キャリヤ障壁層及び光ガ
イド層を用い、さらに本願第３の発明の半導体レーザは
Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓからなる半導体キャリヤ障壁層及び
光ガイド層のＡｌ組成ｘに、ｘ＜０．４なる関係がある
ものを用いる。
ヤ障壁層及び光ガイド層を成長する。このとき、表面エ
ネルギの高い材料系の半導体キャリヤ障壁層及び光ガイ
ド層を成長することによりディスク形状に起因した表面
の凹凸を効果的に平坦化する。ここで成長時の表面平坦
性は多元系化合物半導体の組成により変化する。通常の
レーザで見られる光ガイド層の厚さ５０〜２００ｎｍ程
度の成長でディスク形状になった歪み量子井戸層および
下部半導体バリヤ層に取り囲められたディスク構造の形
成で生じた表面の凹凸が平坦にできる半導体材料の組成
として、例えば本願第２の発明の半導体レーザは、Ａｌ
x Ｇａ1-x Ａｓからなる半導体キャリヤ障壁層及び光ガ
イド層を用い、さらに本願第３の発明の半導体レーザは
Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓからなる半導体キャリヤ障壁層及び
光ガイド層のＡｌ組成ｘに、ｘ＜０．４なる関係がある
ものを用いる。
【００１４】
【実施例】以下、本発明に係る一実施例を図面を参照し
て説明する。図１は本発明に係る半導体レーザの一実施
例として、量子ディスク構造を有する半導体レーザエピ
タキシャル膜の断面構造を示す。
て説明する。図１は本発明に係る半導体レーザの一実施
例として、量子ディスク構造を有する半導体レーザエピ
タキシャル膜の断面構造を示す。
【００１５】この図１に示す断面構造を実現するため、
具体的に、結晶基板として、ｎ−ＧａＡｓ（３１１）Ｂ
基板を用いる。この方位は、ミクロ的にみると、ダング
リングボンドが２本あり、スムーズなエピタキシャル成
長が起きやすい（１００）面とＡｓ安定化面で成長が著
しく起りにくい（１１１）Ｂ面が１：１で構成されてい
る。
具体的に、結晶基板として、ｎ−ＧａＡｓ（３１１）Ｂ
基板を用いる。この方位は、ミクロ的にみると、ダング
リングボンドが２本あり、スムーズなエピタキシャル成
長が起きやすい（１００）面とＡｓ安定化面で成長が著
しく起りにくい（１１１）Ｂ面が１：１で構成されてい
る。
【００１６】適切な前処理を施したこの方位の基板１上
へ、有機金属気相成長法（Metal Organic Vapor Phase
Epitaxy:MOVPE ）を用いて、ｎ−ＧａＡｓバッファ層
３、続いて、下部ｎ−Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓクラッド層５
を成長し、さらに下部ｎ−Ａｌz Ｇａ1-z Ａｓガイド層
７を成長する。さらに、下部Ａｌs Ｇａ1-s Ａｓ半導体
キャリヤ障壁層及び光ガイド層９を成長後、ＧａＡｓと
格子不整合系であるＩｎy Ｇａ1-y Ａｓ量子薄膜層１１
を臨界膜厚の範囲内の厚さで成長し、必要に応じて、引
き続きＡｌb Ｇａ1-b Ａｓバリア層１３を成長する。
へ、有機金属気相成長法（Metal Organic Vapor Phase
Epitaxy:MOVPE ）を用いて、ｎ−ＧａＡｓバッファ層
３、続いて、下部ｎ−Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓクラッド層５
を成長し、さらに下部ｎ−Ａｌz Ｇａ1-z Ａｓガイド層
７を成長する。さらに、下部Ａｌs Ｇａ1-s Ａｓ半導体
キャリヤ障壁層及び光ガイド層９を成長後、ＧａＡｓと
格子不整合系であるＩｎy Ｇａ1-y Ａｓ量子薄膜層１１
を臨界膜厚の範囲内の厚さで成長し、必要に応じて、引
き続きＡｌb Ｇａ1-b Ａｓバリア層１３を成長する。
【００１７】必要に応じて、この歪量子薄膜層とバリア
層を繰り返し成長しｎ多重歪量子薄膜構造を形成し、次
に再び、上部Ａｌs Ｇａ1-s Ａｓ半導体キャリヤ障壁層
及び光ガイド層１５を成長し、引き続き上部ｐ−Ａｌz
Ｇａ1-z Ａｓガイド層１７、上部ｐ−Ａｌy Ｇａ1-y Ａ
ｓクラッド層１９を成長し、最後にｐ+ −ＧａＡｓコン
タクト層２１を成長する。この時、Ｉｎy Ｇａ1-y Ａｓ
層１１を成長後の成長中断時間は１０秒から５分程度と
する。
層を繰り返し成長しｎ多重歪量子薄膜構造を形成し、次
に再び、上部Ａｌs Ｇａ1-s Ａｓ半導体キャリヤ障壁層
及び光ガイド層１５を成長し、引き続き上部ｐ−Ａｌz
Ｇａ1-z Ａｓガイド層１７、上部ｐ−Ａｌy Ｇａ1-y Ａ
ｓクラッド層１９を成長し、最後にｐ+ −ＧａＡｓコン
タクト層２１を成長する。この時、Ｉｎy Ｇａ1-y Ａｓ
層１１を成長後の成長中断時間は１０秒から５分程度と
する。
【００１８】基板１の温度をおおよそ７５０度以上に保
ち、Ｉｎy Ｇａ1-y Ａｓ成長後、上記適切な成長中断時
間を保つと、一旦成長した２次元的ＩｎＧａＡｓ薄膜が
再構成され、エネルギ的により安定な単結晶Ｉｎy Ｇａ
1-y Ａｓアイランド状形状、即ちディスク構造となり安
定化し、引続き下地のＡｌＧａＡｓ膜がマストランスポ
ートによりファセット再成長しながら、Ｉｎy Ｇａ1-y
Ａｓアイランドをカバーする。ここで、Ｉｎ濃度ｙ並び
に供給量を適切に選び、特にＩｎ組成を２０％から５０
％に上げるとアイランドの大きさとその距離間隔を変え
ることができ、そのサイズは１５０ｎｍから約３０ｎｍ
になる。ここで、格子整合系ＧａＡｓ量子薄膜では、こ
のようなアイランド成長は起こらない事から、歪ＩｎＧ
ａＡｓ膜の歪エネルギがこの現象を支配していることが
わかる。
ち、Ｉｎy Ｇａ1-y Ａｓ成長後、上記適切な成長中断時
間を保つと、一旦成長した２次元的ＩｎＧａＡｓ薄膜が
再構成され、エネルギ的により安定な単結晶Ｉｎy Ｇａ
1-y Ａｓアイランド状形状、即ちディスク構造となり安
定化し、引続き下地のＡｌＧａＡｓ膜がマストランスポ
ートによりファセット再成長しながら、Ｉｎy Ｇａ1-y
Ａｓアイランドをカバーする。ここで、Ｉｎ濃度ｙ並び
に供給量を適切に選び、特にＩｎ組成を２０％から５０
％に上げるとアイランドの大きさとその距離間隔を変え
ることができ、そのサイズは１５０ｎｍから約３０ｎｍ
になる。ここで、格子整合系ＧａＡｓ量子薄膜では、こ
のようなアイランド成長は起こらない事から、歪ＩｎＧ
ａＡｓ膜の歪エネルギがこの現象を支配していることが
わかる。
【００１９】７５０度以上では、高温状態に保たれた基
板（３１１）Ｂ面のミクロな表面ラフネス等が核にな
り、エピタキシャル膜からエネルギ的により安定なファ
セット面を形成しながらのアイランド成長が促進され
る。ＡｌＧａＡｓのＩｎＧａＡｓ表面へのマストランス
ポートは高温状態で、原子が動ける場合、歪エネルギを
緩和する方向で働き、ＡｌＧａＡｓで覆うことにより、
よりエネルギ的に安定な状態に落ち着くために生じると
考えられる。
板（３１１）Ｂ面のミクロな表面ラフネス等が核にな
り、エピタキシャル膜からエネルギ的により安定なファ
セット面を形成しながらのアイランド成長が促進され
る。ＡｌＧａＡｓのＩｎＧａＡｓ表面へのマストランス
ポートは高温状態で、原子が動ける場合、歪エネルギを
緩和する方向で働き、ＡｌＧａＡｓで覆うことにより、
よりエネルギ的に安定な状態に落ち着くために生じると
考えられる。
【００２０】次に、この半導体ディスク構造上に半導体
キャリヤ障壁層及び光ガイド層１５を成長する。このと
き、表面エネルギの高い材料系の半導体キャリヤ障壁層
及び光ガイド層１５を成長することによりディスク形状
に起因した表面の凹凸を平坦化する。ここで成長時の表
面平坦性は多元系化合物半導体の組成により変化する。
通常のレーザで見られる光ガイド層の厚さ５０〜２００
ｎｍ程度の成長でディスク形状になった歪み量子井戸層
および下部半導体バリヤ層に取り囲められたディスク構
造の形成で生じた表面の凹凸が平坦にできる半導体材料
の組成として、Ａｌs Ｇａ1-s Ａｓ半導体キャリヤ障壁
層及び光ガイド層ではＡｌ組成ｓに、ｓ＜０．４なる関
係があるものである。
キャリヤ障壁層及び光ガイド層１５を成長する。このと
き、表面エネルギの高い材料系の半導体キャリヤ障壁層
及び光ガイド層１５を成長することによりディスク形状
に起因した表面の凹凸を平坦化する。ここで成長時の表
面平坦性は多元系化合物半導体の組成により変化する。
通常のレーザで見られる光ガイド層の厚さ５０〜２００
ｎｍ程度の成長でディスク形状になった歪み量子井戸層
および下部半導体バリヤ層に取り囲められたディスク構
造の形成で生じた表面の凹凸が平坦にできる半導体材料
の組成として、Ａｌs Ｇａ1-s Ａｓ半導体キャリヤ障壁
層及び光ガイド層ではＡｌ組成ｓに、ｓ＜０．４なる関
係があるものである。
【００２１】図２（ａ）は厚さ１００ｎｍの上部Ａｌs
Ｇａ1-s Ａｓ半導体キャリヤ障壁層及び光ガイド層１５
においてＡｌ組成ｓを０．５とした場合の断面形状を模
式的に示す図であり、図２（ｂ）は厚さ１００ｎｍの上
部Ａｌs Ｇａ1-s Ａｓ半導体キャリヤ障壁層及び光ガイ
ド層１５においてＡｌ組成ｓを０．３とした場合の断面
形状を模式的に示したものである。
Ｇａ1-s Ａｓ半導体キャリヤ障壁層及び光ガイド層１５
においてＡｌ組成ｓを０．５とした場合の断面形状を模
式的に示す図であり、図２（ｂ）は厚さ１００ｎｍの上
部Ａｌs Ｇａ1-s Ａｓ半導体キャリヤ障壁層及び光ガイ
ド層１５においてＡｌ組成ｓを０．３とした場合の断面
形状を模式的に示したものである。
【００２２】図２（ａ）では厚さ１００ｎｍの上部Ａｌ
s Ｇａ1-s Ａｓ半導体キャリヤ障壁層及び光ガイド層１
５の形成後も表面の凹凸は完全に平坦化されておらず、
この上に形成された光ガイド層との界面にコラゲーショ
ンが残り、導波路を形成した場合に損失の原因になって
いた。
s Ｇａ1-s Ａｓ半導体キャリヤ障壁層及び光ガイド層１
５の形成後も表面の凹凸は完全に平坦化されておらず、
この上に形成された光ガイド層との界面にコラゲーショ
ンが残り、導波路を形成した場合に損失の原因になって
いた。
【００２３】一方、図２（ｂ）では、厚さ１００ｎｍの
上部Ａｌs Ｇａ1-s Ａｓ半導体キャリヤ障壁層及び光ガ
イド層１５の形成後も表面の凹凸は完全に平坦化されて
おり、その上に形成された光ガイド層との界面も平坦な
ものであった。
上部Ａｌs Ｇａ1-s Ａｓ半導体キャリヤ障壁層及び光ガ
イド層１５の形成後も表面の凹凸は完全に平坦化されて
おり、その上に形成された光ガイド層との界面も平坦な
ものであった。
【００２４】ここで、レーザエピの典型的な値として下
部ｎ−Ａｌz Ｇａ1-z Ａｓガイド層７と上部ｐ−Ａｌz
Ｇａ1-z Ａｓガイド層１７の両ガイド層のＡｌ組成は
０．２−０．６、下部Ａｌs Ｇａ1-s Ａｓ半導体キャリ
ヤ障壁層及び光ガイド９および上部Ａｌs Ｇａ1-s Ａｓ
半導体キャリヤ障壁層及び光ガイド層１５の両半導体キ
ャリヤ障壁層及び光ガイド層のＡｌ組成は０．１−０．
４とし、下部ｎ−ＡｌzＧａ1-z Ａｓガイド層７にはｎ
ドーパントとしてＳｅ、Ｓｉ等を、上部ｐ−Ａｌz Ｇａ
1-z Ａｓガイド層１７にはｐドーパントとしてＺｎ、Ｍ
ｇ、Ｂｅ等を用いそれぞれ５ｘ１０17ｃｍ-3程度ドープ
する。下部ｎ−Ａｌz Ｇａ1-z Ａｓガイド層７と上部ｐ
−Ａｌz Ｇａ1-z Ａｓガイド層１７の両ガイド層はそれ
ぞれｎあるいはｐをドープするか、アンドープで用い
る。ｐ+ −ＧａＡｓコンタクト層２１はオーミック電極
のため５ｘ１０19ｃｍ-3以上のＺｎ等のｐドーパントの
高濃度ドープを行なう。
部ｎ−Ａｌz Ｇａ1-z Ａｓガイド層７と上部ｐ−Ａｌz
Ｇａ1-z Ａｓガイド層１７の両ガイド層のＡｌ組成は
０．２−０．６、下部Ａｌs Ｇａ1-s Ａｓ半導体キャリ
ヤ障壁層及び光ガイド９および上部Ａｌs Ｇａ1-s Ａｓ
半導体キャリヤ障壁層及び光ガイド層１５の両半導体キ
ャリヤ障壁層及び光ガイド層のＡｌ組成は０．１−０．
４とし、下部ｎ−ＡｌzＧａ1-z Ａｓガイド層７にはｎ
ドーパントとしてＳｅ、Ｓｉ等を、上部ｐ−Ａｌz Ｇａ
1-z Ａｓガイド層１７にはｐドーパントとしてＺｎ、Ｍ
ｇ、Ｂｅ等を用いそれぞれ５ｘ１０17ｃｍ-3程度ドープ
する。下部ｎ−Ａｌz Ｇａ1-z Ａｓガイド層７と上部ｐ
−Ａｌz Ｇａ1-z Ａｓガイド層１７の両ガイド層はそれ
ぞれｎあるいはｐをドープするか、アンドープで用い
る。ｐ+ −ＧａＡｓコンタクト層２１はオーミック電極
のため５ｘ１０19ｃｍ-3以上のＺｎ等のｐドーパントの
高濃度ドープを行なう。
【００２５】上述した実施例では、ＧａＡｓ（３１１）
Ｂ基板の場合を述べたが、（１００）面と（１１１）Ｂ
面が、異なった比率で混在する他方位（２１１）Ｂ、
（４１１）Ｂ、（５１１）Ｂ、（６１１）Ｂ、（７１
１）Ｂ面でも上述した量子ディスク構造の形成、その上
に形成された半導体キャリヤ障壁層及び光ガイド層によ
る平坦化は可能である。
Ｂ基板の場合を述べたが、（１００）面と（１１１）Ｂ
面が、異なった比率で混在する他方位（２１１）Ｂ、
（４１１）Ｂ、（５１１）Ｂ、（６１１）Ｂ、（７１
１）Ｂ面でも上述した量子ディスク構造の形成、その上
に形成された半導体キャリヤ障壁層及び光ガイド層によ
る平坦化は可能である。
【００２６】図３には、歪量子ディスク井戸レーザエピ
を用いたＧａＡｓ系屈折率導波型レーザの代表例として
リッジレーザ構造を示す。ｎ+ −ＧａＡｓ基板１、ｎ+
−ＧａＡｓバッファ層３、下部ｎ−Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓ
クラッド層５、Ａｌz Ｇａ1- z Ａｓガイド層７，１７、
Ａｌs Ｇａ1-s Ａｓキャリヤ障壁層及び光ガイド層９，
１５、Ｉｎy Ｇａ1-y Ａｓ量子ディスク活性層１１、上
部ｐ−Ａｌz Ｇａ1-zＡｓガイド層１７、上部ｐ−Ａｌ
x Ｇａ1-x Ａｓクラッド層１９、ｐ+ −ＧａＡｓコンタ
クト層２１、絶縁膜２３、ｐ電極２５、ｎ電極２７によ
り構成される。
を用いたＧａＡｓ系屈折率導波型レーザの代表例として
リッジレーザ構造を示す。ｎ+ −ＧａＡｓ基板１、ｎ+
−ＧａＡｓバッファ層３、下部ｎ−Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓ
クラッド層５、Ａｌz Ｇａ1- z Ａｓガイド層７，１７、
Ａｌs Ｇａ1-s Ａｓキャリヤ障壁層及び光ガイド層９，
１５、Ｉｎy Ｇａ1-y Ａｓ量子ディスク活性層１１、上
部ｐ−Ａｌz Ｇａ1-zＡｓガイド層１７、上部ｐ−Ａｌ
x Ｇａ1-x Ａｓクラッド層１９、ｐ+ −ＧａＡｓコンタ
クト層２１、絶縁膜２３、ｐ電極２５、ｎ電極２７によ
り構成される。
【００２７】結晶成長の後、ｐ+ −ＧａＡｓコンタクト
層２１並びに上部ｐ−Ａｌx Ｇａ1- x Ａｓクラッド層１
９を加工して、図３に示すような幅１．５〜３μｍ程度
のリッジを形成する。そのためにレジストをフォトリソ
グラフィでパターニングし、これをマスクとしウエット
あるいはドライエッチングでｐ+ −ＧａＡｓコンタクト
層２１並びに上部ｐ−Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓクラッド層１
９をエッチングする。深さは横モードを考慮して高次モ
ードが立たない範囲で決定し、上部ｐ−ＡｌzＧａ1-z
Ａｓガイド層１７までエッチングする場合もある。
層２１並びに上部ｐ−Ａｌx Ｇａ1- x Ａｓクラッド層１
９を加工して、図３に示すような幅１．５〜３μｍ程度
のリッジを形成する。そのためにレジストをフォトリソ
グラフィでパターニングし、これをマスクとしウエット
あるいはドライエッチングでｐ+ −ＧａＡｓコンタクト
層２１並びに上部ｐ−Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓクラッド層１
９をエッチングする。深さは横モードを考慮して高次モ
ードが立たない範囲で決定し、上部ｐ−ＡｌzＧａ1-z
Ａｓガイド層１７までエッチングする場合もある。
【００２８】リッジ形成後、レジストマスクを剥離し、
スパッタリング等でＳｉＯ2 等による絶縁膜２３を表面
全体に形成し、電極にあたるリッジ上部のＳｉＯ2 をエ
ッチオフした後、Ｃｒ／ＡｕあるいはＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ
等のｐ電極２５を形成する。基板薄層化の後、ＡｕＧｅ
Ｎｉ等のｎ電極２７を裏面へ形成する。その後、オーミ
ックシンタし、図３のリッジレーザ構造が完成する。
スパッタリング等でＳｉＯ2 等による絶縁膜２３を表面
全体に形成し、電極にあたるリッジ上部のＳｉＯ2 をエ
ッチオフした後、Ｃｒ／ＡｕあるいはＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ
等のｐ電極２５を形成する。基板薄層化の後、ＡｕＧｅ
Ｎｉ等のｎ電極２７を裏面へ形成する。その後、オーミ
ックシンタし、図３のリッジレーザ構造が完成する。
【００２９】上記量子ディスク構造では、光学的にも、
半値幅の狭い量子効果特有のＰＬ発光が得られる。適切
に成長した量子ディスク構造からの発光は、（１００）
基板上のそれに比べ、半値幅も１／２〜１／３と狭く、
またその発光強度も２〜５倍と強い。これは各アイラン
ド即ち、量子ディスクが極めて、均一に、高密度で自然
形成されていることがわかる。
半値幅の狭い量子効果特有のＰＬ発光が得られる。適切
に成長した量子ディスク構造からの発光は、（１００）
基板上のそれに比べ、半値幅も１／２〜１／３と狭く、
またその発光強度も２〜５倍と強い。これは各アイラン
ド即ち、量子ディスクが極めて、均一に、高密度で自然
形成されていることがわかる。
【００３０】また、従来の加工による低次元量子構造、
選択成長によるＰＬ発光に比べ強い。この結果として本
発明の半導体レーザは急峻なゲインスペクトルを示して
いた。図４に、従来のＩｎＧａＡｓ歪量子井戸レーザの
ゲインスペクトル（ａ）と本発明による歪量子ディスク
レーザのゲインスペクトル（ｂ）を示す。図から明らか
なように、本発明による歪量子ディスクレーザは従来例
と比較してスペクトル幅が急峻なゲインスペクトルを示
していることがわかる。
選択成長によるＰＬ発光に比べ強い。この結果として本
発明の半導体レーザは急峻なゲインスペクトルを示して
いた。図４に、従来のＩｎＧａＡｓ歪量子井戸レーザの
ゲインスペクトル（ａ）と本発明による歪量子ディスク
レーザのゲインスペクトル（ｂ）を示す。図から明らか
なように、本発明による歪量子ディスクレーザは従来例
と比較してスペクトル幅が急峻なゲインスペクトルを示
していることがわかる。
【００３１】このような優れた光学的特性を有する量子
ディスクレーザに置いて、発振しきい値等の改善が見ら
れた。図５に、従来のＩｎＧａＡｓ歪量子井戸レーザの
光出力特性Ａと本発明による歪量子ディスクレーザの光
出力特性Ｂを示す。この図５から明らかなように、発振
しきい値が改善されていることがわかる。
ディスクレーザに置いて、発振しきい値等の改善が見ら
れた。図５に、従来のＩｎＧａＡｓ歪量子井戸レーザの
光出力特性Ａと本発明による歪量子ディスクレーザの光
出力特性Ｂを示す。この図５から明らかなように、発振
しきい値が改善されていることがわかる。
【００３２】図６に、従来のＩｎＧａＡｓ歪量子井戸レ
ーザの発振波長の電流値依存性Ａと本発明による歪量子
ディスクレーザの発振波長の電流値依存性Ｂを示す。従
来のＩｎＧａＡｓ歪量子井戸レーザではモードの飛びが
見られる電流領域でマルチモード発振しているのに対し
て本発明による歪量子ディスクレーザでは観測した全電
流領域でシングルモード発振しており、優れた発光単色
性を示していた。以上述べた通り、本発明による新しい
量子ディスクレーザの有効性が確認された。
ーザの発振波長の電流値依存性Ａと本発明による歪量子
ディスクレーザの発振波長の電流値依存性Ｂを示す。従
来のＩｎＧａＡｓ歪量子井戸レーザではモードの飛びが
見られる電流領域でマルチモード発振しているのに対し
て本発明による歪量子ディスクレーザでは観測した全電
流領域でシングルモード発振しており、優れた発光単色
性を示していた。以上述べた通り、本発明による新しい
量子ディスクレーザの有効性が確認された。
【００３３】
【発明の効果】本発明による半導体レーザによれば、従
来の半導体低次元構造の作製法の場合、量子井戸層をエ
ッチング法により加工する手法における、プロセスが複
雑であることに加え、量子井戸層をドライエッチングで
加工する場合にはダメージがはいること、ウエットエッ
チングではサイドエッチングが入るなど制御性が無く、
サイズ揺らぎ等が生じるといった全ての欠点を解決する
ことが可能となる。
来の半導体低次元構造の作製法の場合、量子井戸層をエ
ッチング法により加工する手法における、プロセスが複
雑であることに加え、量子井戸層をドライエッチングで
加工する場合にはダメージがはいること、ウエットエッ
チングではサイドエッチングが入るなど制御性が無く、
サイズ揺らぎ等が生じるといった全ての欠点を解決する
ことが可能となる。
【００３４】また、本発明による半導体レーザによれ
ば、従来の予め半導体基板上にＳｉＯ2 等の微細マスク
を形成し、ＭＯＶＰＥ法等による選択成長を利用して作
製する方法における、基板準備のプロセスが複雑である
ことに加え、レーザへの応用の場合にはマスクの除去、
再成長の工程が必要であり、工程数が増え、ダメージが
入り易く、さらには生産性に乏しいといった全ての欠点
を解決することが可能となる。
ば、従来の予め半導体基板上にＳｉＯ2 等の微細マスク
を形成し、ＭＯＶＰＥ法等による選択成長を利用して作
製する方法における、基板準備のプロセスが複雑である
ことに加え、レーザへの応用の場合にはマスクの除去、
再成長の工程が必要であり、工程数が増え、ダメージが
入り易く、さらには生産性に乏しいといった全ての欠点
を解決することが可能となる。
【００３５】さらに、本発明による半導体レーザによれ
ば、従来の高指数結晶面を表面とする化合物半導体基板
上に量子構造を気相成長のみで形成する方法でみられ
た、同時に表面の平坦性も損なわれるため、この半導体
ディスク構造上にさらに光ガイド層、光クラッド層を形
成しレーザを作製する場合にはディスク形状に起因した
屈折率の分布が生じ、この散乱による損失の増加が懸念
されるといった全ての欠点を解決することが可能とな
り、低次元量子効果による半導体レーザの特性改善を実
現することが可能である。
ば、従来の高指数結晶面を表面とする化合物半導体基板
上に量子構造を気相成長のみで形成する方法でみられ
た、同時に表面の平坦性も損なわれるため、この半導体
ディスク構造上にさらに光ガイド層、光クラッド層を形
成しレーザを作製する場合にはディスク形状に起因した
屈折率の分布が生じ、この散乱による損失の増加が懸念
されるといった全ての欠点を解決することが可能とな
り、低次元量子効果による半導体レーザの特性改善を実
現することが可能である。
【図１】本発明に係る半導体レーザの一実施例であるレ
ーザエピタキシャル膜の構造図である。
ーザエピタキシャル膜の構造図である。
【図２】（ａ）厚さ１００ｎｍの上部Ａｌs Ｇａ1-s Ａ
ｓ半導体キャリヤ障壁層及び光ガイド層において、Ａｌ
組成ｓを０．５とした場合の断面形状を模式的に示す図
であり、（ｂ）厚さ１００ｎｍの上部Ａｌs Ｇａ1-s Ａ
ｓ半導体キャリヤ障壁層及び光ガイド層のＡｌ組成ｓを
０．３とした場合の断面形状を模式的に示す図である。
ｓ半導体キャリヤ障壁層及び光ガイド層において、Ａｌ
組成ｓを０．５とした場合の断面形状を模式的に示す図
であり、（ｂ）厚さ１００ｎｍの上部Ａｌs Ｇａ1-s Ａ
ｓ半導体キャリヤ障壁層及び光ガイド層のＡｌ組成ｓを
０．３とした場合の断面形状を模式的に示す図である。
【図３】本発明に係るリッジレーザの断面図である。
【図４】（ａ）従来のＩｎＧａＡｓ歪量子井戸レーザの
ゲインスペクトルを示す図であり、（ｂ）本発明に係る
ＩｎＧａＡｓ歪量子ディスクレーザのゲインスペクトル
を示す図である。
ゲインスペクトルを示す図であり、（ｂ）本発明に係る
ＩｎＧａＡｓ歪量子ディスクレーザのゲインスペクトル
を示す図である。
【図５】従来のＩｎＧａＡｓ歪量子井戸レーザの光出力
特性Ａと、本発明に係るＩｎＧａＡｓ歪量子ディスクレ
ーザの光出力特性Ｂをそれぞれ示す図である。
特性Ａと、本発明に係るＩｎＧａＡｓ歪量子ディスクレ
ーザの光出力特性Ｂをそれぞれ示す図である。
【図６】従来のＩｎＧａＡｓ歪量子井戸レーザの発振波
長の電流値依存性と、本発明に係るＩｎＧａＡｓ歪量子
ディスクレーザの発振波長の電流値依存性をそれぞれ示
す図である。
長の電流値依存性と、本発明に係るＩｎＧａＡｓ歪量子
ディスクレーザの発振波長の電流値依存性をそれぞれ示
す図である。
１ ｎ−ＧａＡｓ（３１１）Ｂ基板 ３ ｎ−ＧａＡｓバッファ層 ５ 下部ｎ−Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓクラッド層 ７ 下部ｎ−Ａｌz Ｇａ1-z Ａｓガイド層 ９ 下部Ａｌs Ｇａ1-s Ａｓキャリヤ障壁層及び光ガイ
ド層 １１ Ｉｎy Ｇａ1-y Ａｓ歪量子ディスク層 １３ Ａｌb Ｇａ1-b Ａｓバリア層 １５ 上部Ａｌs Ｇａ1-s Ａｓキャリヤ障壁層及び光ガ
イド層 １７ 上部ｐ−Ａｌz Ｇａ1-z Ａｓガイド層 １９ 上部ｐ−Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓクラッド層 ２１ ｐ+ −ＧａＡｓコンタクト層 ２３ 絶縁膜 ２５ ｐメタル ２７ ｎメタル
ド層 １１ Ｉｎy Ｇａ1-y Ａｓ歪量子ディスク層 １３ Ａｌb Ｇａ1-b Ａｓバリア層 １５ 上部Ａｌs Ｇａ1-s Ａｓキャリヤ障壁層及び光ガ
イド層 １７ 上部ｐ−Ａｌz Ｇａ1-z Ａｓガイド層 １９ 上部ｐ−Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓクラッド層 ２１ ｐ+ −ＧａＡｓコンタクト層 ２３ 絶縁膜 ２５ ｐメタル ２７ ｎメタル
フロントページの続き (72)発明者 倉持 栄一 東京都千代田区内幸町１丁目１番６号 日本電信電話株式会社内 (72)発明者 西谷 昭彦 東京都千代田区内幸町１丁目１番６号 日本電信電話株式会社内 (56)参考文献 特開 平６−53599（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−249822（ＪＰ，Ａ) 実開 平８−88438（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01S 5/00 - 5/50 H01L 33/00
Claims (3)
- 【請求項１】 表面が（ｎ１１）Ｂ（ｎ＝２，３，４，
５，６，７）結晶面である半導体基板と、 この半導体基板上に形成された半導体キャリヤ障壁層及
び光ガイド層と、 この半導体キャリヤ障壁層及び光ガイド層に取り囲まれ
るように形成され、歪みを有すると共にディスク形状を
有する半導体キャリヤ閉じ込め層と、 この半導体キャリヤ閉じ込め層上に形成された半導体キ
ャリヤ障壁層及び光ガイド層と、 を具備することを特徴とする半導体レーザ。 - 【請求項２】 前記半導体基板はＧａＡｓから構成さ
れ、前記半導体キャリヤ障壁層及び光ガイド層はＡｌx
Ｇａ1-x Ａｓから構成され、前記半導体キャリヤ閉じ込
め層はＩｎy Ｇａ1-y Ａｓから構成されていることを特
徴とする請求項１記載の半導体レーザ。 - 【請求項３】 前記半導体キャリヤ障壁層及び光ガイド
層のＡｌ組成ｘに、ｘ＜０．４なる関係があることを特
徴とする請求項２記載の半導体レーザ。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22145594A JP3353802B2 (ja) | 1994-09-16 | 1994-09-16 | 半導体レーザ |
| DE69429906T DE69429906T2 (de) | 1993-11-25 | 1994-11-25 | Halbleiterstruktur und Herstellungsverfahren |
| EP94118561A EP0665578B1 (en) | 1993-11-25 | 1994-11-25 | Semiconductor structure and method of fabricating the same |
| US08/347,778 US5543354A (en) | 1993-11-25 | 1994-11-30 | Method of fabricating a quantum dot structure on a (n11) substrate |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22145594A JP3353802B2 (ja) | 1994-09-16 | 1994-09-16 | 半導体レーザ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0888438A JPH0888438A (ja) | 1996-04-02 |
| JP3353802B2 true JP3353802B2 (ja) | 2002-12-03 |
Family
ID=16766999
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP22145594A Expired - Fee Related JP3353802B2 (ja) | 1993-11-25 | 1994-09-16 | 半導体レーザ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3353802B2 (ja) |
-
1994
- 1994-09-16 JP JP22145594A patent/JP3353802B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0888438A (ja) | 1996-04-02 |
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