JP3723129B2 - 半導体レーザ装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザ装置に関し、特にGaAs基板上に形成されたGaAsよりも格子定数が大きいAlGaInAsNPを活性層として備えた半導体レーザ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、長波長光通信用の波長域において発振する半導体レーザ装置を形成するための新たな結晶として、GaAs基板上に成長させたGaInAsN結晶が提案されている。しかし、GaInAsN結晶に高濃度の窒素(N)を添加することは難しく、光通信に用いられる波長1.2〜1.6μmの光に相当するバンドギャップを実現することは容易ではない。これに対して、低い成長温度を用いることにより、窒素濃度の高いGaInAsN結晶を成長することが行われている。
【0003】
しかし、低温で形成された窒素濃度の高いGaInAsN結晶は、高温で成長された窒素組成の低いGaInAsN結晶と比べて発光効率等の特性が大幅に劣っている。そこで、低温成長の結晶の結晶性を改善するために、成長後に高温でアニールするプロセスが試みられている。しかし,このような試みを行っても、高温で成長した結晶ほどの品質を得ることは難しい。特に、窒素濃度が数パーセントを越える場合には良質な結晶を得ることが難しい。
【0004】
そこで、窒素の添加量を増やす代わりに、インジウム(In)の添加量を増やしてバンドギャップを小さくすることも試みられている。しかし、インジウムの濃度を上げるとGaInAsN層の格子定数が増加することによりGaAs基板の格子定数との格子定数差が大きくなる。このため、例えば特開2000−332363号公報に開示されているように、歪のために良質で厚いGaInAsN層を形成できなくなる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したように、GaAs基板上に形成したGaInAsNを用いた半導体レーザ装置においては、窒素(N)を高濃度に添加すると結晶の品質が低下してしまうという問題があった。一方、インジウム(In)添加量を多くするとGaAs基板との格子不整合が大きくなり、良質で厚いGaInAsN層を成長できないという問題があった。
【0006】
これらの結晶を用いて半導体レーザ装置を作成すると、所望の発振波長のレーザが得られなかったり、光出力が上がらず、温度上昇とともに出力が急激に低下するなどという問題があった。
【0007】
本発明は、かかる課題の認識に基づいてなされたものであり、その目的は、良質のGaInAsN活性層を形成することにより、光通信用の波長1.2μm〜1.6μm帯において発光効率が高く、温度変化に対して出力変動の小さな半導体レーザ装置を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の第1の半導体レーザ装置は、
GaAs基板と、
前記GaAs基板の上に設けられ、光の波長換算で0.92μm以上1.65μm以下のエネルギーバンドギャップを有し、前記GaAsよりも格子定数の大きなAlx1Ga1−x1−y1Iny1Asp1Np1P1−p1−q1(0≦x1≦1、0≦1−x1−y1≦1、0<y1≦1、0<p1≦1、0<q1≦1)(0≦x1≦1、0≦1−x1−y1≦1、0.07<y1<0.53、0<p1≦1、0<q1≦1)よりなる発光層と、
を備え、
前記発光層は、炭素(C)とn型不純物とを含有し、前記n型不純物の含有量が前記炭素(C)の含有量よりも大なることを特徴とする。
【0009】
上記構成によれば、GaAs基板との格子不整合を緩和しつつ所定のバンドギャップを有し結晶性が良好な発光層を得ることができる。しかも、炭素(C)の深い準位による特性の低下も抑制できる。
【0010】
ここで、前記炭素(C)の前記含有量が2×1018cm−3以上であるものとすれば、格子不整合を緩和しつつインジウム(In)の濃度を上げることができ、発光特性を良好に維持しつつ長波長の発光が得られる。
【0011】
また、本発明の第2の半導体レーザ装置は、GaAs基板と、
前記GaAs基板の上に設けられ、II族元素がドープされたp型の半導体層と、
前記GaAs基板の上に設けられ、光の波長換算で0.92μm以上1.65μm以下のエネルギーバンドギャップを有し、Alx2Ga1−x2−y2Iny2Asp2Np2P1−p2−q2(0≦x2≦1、0≦1−x2−y2≦1、0<y2≦1、0<p2≦1、0<q2≦1)よりなる発光層と、
前記p型の半導体層と前記発光層との間に設けられたAlx3Ga1−x3−y3Iny3Asp3Np3P1−p3−q3(0≦x3≦1、0≦1−x3−y3≦1、0<y3≦1、0<p3≦1、0<q3≦1)よりなる光ガイド層と、
を備え、
前記発光層は、炭素(C)及びこの炭素(C)よりも高濃度のn型不純物を含有し、
前記光ガイド層は、炭素(C)及びこの炭素(C)よりも高濃度のn型不純物を含有し、
前記発光層が含有する前記炭素(C)の含有量は、前記光ガイド層が含有する前記炭素(C)の含有量よりも小なることを特徴とする。
【0012】
上記構成によれば、p型の半導体層からのII族元素の発光層への拡散を阻止することができ、発光特性を良好に維持できる。またさらに、光ガイド層側へのキャリアのオーバーフローも抑制し、発光効率を向上させることができる。
【0013】
特に、前記発光層が含有する前記炭素(C)の濃度と前記n型不純物の濃度との合計値は、5×1015cm−3以上であるものとすると、p型の半導体層にドープされたII族元素による、いわゆる「キックオフ型」の拡散を効果的に阻止できる。
【0014】
ここで、前記n型不純物は、シリコン(Si)、硫黄(S)及びセレン(Se)よりなる群から選択された少なくともいずれかを用いることが望ましい。
【0015】
また、これらの半導体レーザ装置は、特に、1.2μm以上1.6μm以下の波長を有するレーザ光を放出させるものとした時に、顕著な効果が得られる。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【0017】
図1は、本発明の半導体レーザの要部を表す概念図である。すなわち、同図は、半導体レーザ装置の共振器に対して平行方向の断面図である。
【0018】
本発明の半導体レーザ装置の第1の特徴は、GaAs基板Sの上にGaAs基板よりも格子定数の大きなAlxGa1−x−yInyAspNpP1−p−q(0≦x,1−x−y≦1、0<y、p,q≦1)よりなる発光層Eが設けられ、この発光層Eに、炭素(C)とそれよりも高濃度のn型不純物とが含有されていることにある。
【0019】
ここで、発光層Eに含有されるn型不純物としてはシリコン(Si)が最も望ましいが、すず(Sn)、セレン(Se)や硫黄(S)あるいはあるいは塩素(Cl)を用いることもできる。
【0020】
このようにすると、波長0.92μm〜1.65μmの波長帯、特に、長波長光通信用などの用途に用いられる波長1.2μm〜1.6μmのレーザ光LをGaAs基板Sの上に形成した発光層Eにより実現することができる。
【0021】
すなわち、AlGaInAsNP系の化合物半導体をGaAs基板上にエピタキシャル成長させる場合、そのエネルギーバンドギャップを光の波長換算で0.92μmとするためには、インジウム(In)組成(III族元素の合計に占める割合)を0.09以上に増やす必要がある。しかし、インジウム組成を0.09以上とすると、AlGaInAsNPの結晶性が急激に低下してX線回折によるピーク半値幅も急激に大きくなる。
【0022】
図2は、GaAs基板の上にエピタキシャル成長させたGaInAsN結晶のインジウム濃度と、X線回折ピークの半値幅との関係を表すグラフ図である。
【0023】
同図から分かるように、インジウム組成が0.09を超えると、GaInAsN結晶の半値幅が急激に増加する。
【0024】
これに対して、本発明によれば、バンドギャップ0.92μm以上とする場合に、窒素を添加することにより、インジウムの添加量を低減して結晶性の低下を緩和する。またこのとき、この窒素の添加による発光特性の低下をn型不純物により抑制する。またさらに、炭素を添加することより、格子不整合を緩和する効果も得られる。このようにして、所定のバンドギャップを有する良好な結晶を得ることが可能となる。
【0025】
一方、AlGaInAsNPのエネルギーバンドギャップが波長換算で1.65μmを超える場合には、基板としてGaAsの代わりにInPを用い、インジウム組成が0.53のInGaAsをエピタキシャル成長させれば、格子整合させた良好な結晶が得られる。
【0026】
従って、本発明においては、これらの間の範囲、すなわち、波長換算で0.92μm以上1.65μm以下となる範囲において特に顕著な効果が得られ、GaAs基板の上に、良好な発光特性を有するAlGaInAsNPエピタキシャル成長層を得ることができる。
【0027】
また、図2から、インジウム組成が0.2から0.35までの間にあるときは、結晶の質の変化が比較的小さいことが分かる。従って、この範囲の組成を用いることにより、組成のばらつきなどに対して許容度が大きい半導体レーザ装置が得られる点で特に有利であるといえる。
【0028】
換言すると、本発明においては、発光層Eに含有されるインジウムは、GaAs基板Sとの格子不整合が致命的とならない範囲で、発光層Eのバンドギャップを、小さくする役割を有する。そして、さらに発光層Eのバンドギャップを小さくして所定の発振波長を得るために、窒素を添加する。ただし、窒素を添加すると、炭素が結晶中に取り込まれやすくなり、発光特性の低下が生ずる。そこで、Si(シリコン)などのn型不純物を炭素よりも高い濃度で添加することにより、炭素の影響を抑制する。
【0029】
発光層Eに含有される窒素と炭素との結合エネルギーは、窒素以外のV族元素と炭素との結合エネルギーと比べて極めて大きい。このため、窒素を含む系においては炭素と窒素との結合が優先的に起こる。炭素と窒素とが結合すると、炭素が置換型不純物としてV族元素のサイト入らなくなる。この場合、炭素は結晶中で深いレベルを形成する。このため、窒素を含む系では、他のIII−V族化合物半導体と異なり、炭素が深いレベルを形成する傾向が強くなる。その結果として、発光特性の低下が生ずることが判明した。
【0030】
これに対して、本発明においては、発光層Eにおいて炭素よりも高濃度にn型の不純物を添加することにより、半導体がn型となる。このため、炭素による深いレベルがフェルミレベルよりも深い位置にきて活性化しにくくなり、影響が小さくなる。
【0031】
本発明において用いるn型不純物としては、上記した各種のものを用いることができるが、これらのうちで、特に、シリコン(Si)を用いることが望ましい。これらの元素は、炭素との結合エネルギーが大きいため、炭素よりも高濃度に添加することにより、炭素を高い効率で不活性化することができる。
【0032】
また、シリコン(Si)は、窒素(N)との結合エネルギーも大きく、窒素とも効率よく結合する。その結果として、これらのドーパントがIII族元素のサイトにおいてn型ドーパントとして作用し、同時に、窒素と炭素との結合を防ぐことにより、炭素の深い準位の形成を阻止する。
【0033】
これらの作用により、炭素由来の深いレベルの発生を抑制して、良質のGaInAsNP発光層を形成でき、発光効率の低下を低減して、発光効率が高く、温度変化に対して出力変動の小さな半導体レーザ装置を提供することができる。
【0034】
なおここで、AlxGa1−x−yInyAspNpP1−p−q(0≦x,1−x−y≦1、0<y,p,q≦1)からなる発光層とは、AlxGa1−x−yInyAspNpP1−p−q(0≦x≦1、0≦1−x−y≦1、0<y≦1、0<p≦1、0<q≦1)からなる単層の発光層に限定されず、AlxGa1−x−yInyAspNpP1−p−q(0≦x≦1、0≦1−x−y≦1、0<y≦1、0<p≦1、0<q≦1)からなる井戸層を有するSCH(Single Confined Heterostructure)構造や、SQW(Single Quantum Well)構造あるいはMQW(Multiple-Quantum Well)構造における井戸層も含むものとする。
【0035】
また、本発明において、発光層Eに添加するn型不純物として硫黄(S)やセレン(Se)を用いた場合、シリコン(Si)ほどは、窒素(N)や炭素(C)と強く結合する効果は得られないが、原子半径が砒素(As)と窒素(N)との中間の値を取るので、結晶の内部でのローカルな歪を小さくする効果がある。このため、同じAlGaInAsNPでも良質な結晶が得られる。
【0036】
一方、シリコン(Si)に関しては、Gaよりも原子半径が小さいので平均格子定数を小さくする効果があり、同じAlGaInAsNP組成でもGaAs基板との格子歪を小さくする効果がある。すず(Sn)の場合は、ガリウム(Ga)とインジウム(In)の中間の原子半径を有するので、ローカルな歪を小さくする効果がある。
【0037】
塩素(Cl)の場合はいわゆる「ダブルドナー」なので、炭素の深いレベルからn型のキャリアが出て活性化するのを抑制する。また、窒素(N)と砒素(As)の中間の原子半径を有するので、結晶内のローカルな歪を緩和する効果がある。このため、同じAlGaInAsNPでも良質な結晶が得られる。
【0038】
本発明の半導体レーザ装置の第2の特徴は、上述した第1の特徴を有する半導体レーザ装置であって、さらに、発光層Eの炭素(C)の濃度が2×1018cm−3を越えることにある。
【0039】
本発明の第2の特徴によれば、発光層Eに高濃度に炭素(C)を添加することにより、発光層Eの格子定数を小さくして、GaAs基板Sとの格子不整合を緩和できる。そして、この場合にも、この炭素(C)の濃度を上回るn型不純物を同時に添加することにより、深いレベルの形成を抑制し、発光特性の低下を防ぐことができる。
【0040】
AlxGa1−x−yInyAspNpP1−p−q(0≦x,1−x−y≦1、0<y,p,q≦1)からなる発光層Eの格子定数を決定する場合、X線回折による測定が最も正確である。しかし、この材料系においては、通常、X線回折の線幅は5秒以下にはならない。一方、炭素(C)の濃度を2×1018cm−3以上とすると、炭素が無添加の場合と比較してX線回折角度に換算して約4秒程度、発光層Eの格子定数が小さくなる。このため、歪量を増加させずに、格子定数の縮小分に相当するだけのインジウム(In)を添加できる。その結果として、窒素(N)の濃度を上げずに、発光層Eのバンドキャップを小さくして発光波長の長波長化をはかることができる。
【0041】
図3は、本発明の第3の特徴を説明するための概念図である。すなわち、同図も、半導体レーザ装置の共振器に対して平行方向の断面図である。
【0042】
本発明の第3の特徴は、GaAs基板S上に形成された半導体レーザ装置であり、p型クラッド層CにII族不純物が含まれており、活性層Aが少なくともAlxGa1−x−yInyAspNpP1−p−q(0≦x,1−x−y≦1、0<y、p,q≦1)含む発光層Eと、発光層Eよりもインジウム(In)組成の低いAlxGa1−x−yInyAspNpP1−p−q(0≦x,1−x−y≦1、0<y、p,q≦1)からなる光ガイド層Gを有し、この光ガイド層Gは発光層Eよりもp型クラッド層Cの側に存在し、光ガイド層Gには、炭素(C)と、炭素よりも高濃度のシリコン(Si)が添加されており、発光層Eには光ガイド層Gよりも低濃度の炭素(C)と炭素よりも高濃度のシリコン(Si)が添加されている、ということである。
【0043】
本発明の第3の特徴によれば、まず、p型クラッド層Cに、亜鉛(Zn)などのII族不純物が含まれている。これらII族不純物は、本発明において用いるAlGaInAsNP系の化合物半導体において、p型ドーパントとして極めて有効に作用する。
【0044】
しかし、II族不純物は、III−V族化合物半導体の中で拡散係数が大きいという問題がある。特に、拡散領域の先端付近の濃度分布はいわゆる「2段構造」を有し、低濃度側の拡散フロントは拡散係数が大きい。このため、クラッド層Cに導入されたII族不純物は、活性層Aに対して拡散して発光特性を低下させる場合がある。
【0045】
これに対して、本発明の第3の特徴によれば、p型クラッド層C側の光ガイド層Gに、シリコン(Si)と炭素(C)とを添加する。炭素(C)は、一部がn型であり、一部がp型として作用する。しかし、シリコン(Si)が炭素(C)より高濃度に添加されているので、光ガイド層Gはn型となる。光ガイド層Gにおいて、n型のキャリアを発生させている炭素(C)あるいはシリコン(Si)があると、p型クラッド層C側から拡散してきた亜鉛(Zn)などのII族元素の拡散速度を大幅に下げる。このため、p型不純物の拡散を抑制して活性層A内への不純物の侵入を防ぐことができる。
【0046】
ここで、p型クラッドC側の光ガイド層Gに関しては、本来p型となることが望ましく、n型の場合にもキャリア濃度が低いことが望ましい。これに対して、本発明においては、II族不純物の侵入を防ぐために炭素(C)も添加することにより、シリコン(Si)のみでII族不純物の侵入を防ぐ場合と比べて、n型のキャリア量を下げることができる。
【0047】
また一方、発光層Eの発光効率を上げるためには、非発光センターを形成する恐れの有る炭素(C)の濃度は発光層Eでは低くし、光ガイド層GではII族元素の拡散を抑制するために炭素(C)の濃度を高くする。こうすることで、炭素(C)の深いレベルによる発光層Eの発光効率の低下を防ぎつつ、p型不純物の発光層Eへの侵入を防ぎ、さらにp型クラッド側の光ガイド層Gでn型のキャリア濃度を下げることができる。
【0048】
またさらに、発光層Eのシリコン(Si)濃度を光ガイド層Gのシリコン(Si)濃度よりも高濃度とすると、発光層Eからp側光ガイド層Cに向けてあふれ出るn型キャリアに対してフェルミレベルの差に相当するバリアを形成でき、p型クラッドCの側の光ガイド層Gにn型のキャリアがオーバーフローするという問題を抑制できる。その結果として、半導体レーザ装置の発光効率を向上させることができる。
【0049】
以上説明したように、本発明の第3の特徴によれば、レーザの光出力を向上させ、周囲の動作温度変化に対する光出力の変動も小さくできる。
【0050】
【実施例】
以下、実施例を参照しつつ、本発明の本発明の実施の形態についてさらに詳細に説明する。
【0051】
(実施例1)
図4は、本発明の第1の実施例にかかる半導体レーザ装置を表す概略断面図である。すなわち、このレーザ装置は、GaAs基板1の上に半導体層を積層させた構造を有する。GaAs基板1の側から順に各層の材料及び層厚を列挙すると、以下の如くである。
【0052】
GaAs基板1
n型AlGaAsクラッド層(1000nm)2
n型GaAsスペーサー層(25nm)3
n側Ga0.95In0.05As0.98N0.02光ガイド層(10nm)4
Ga0.75In0.25As0.99N0.01量子井戸層(7nm)5
Ga0.95In0.05As0.98N0.02バリア層(10nm)6
Ga0.75In0.25As0.99N0.01量子井戸層(7nm)7
p側Ga0.95In0.05As0.98N0.02光ガイド層(10nm)8
p型GaA層(10nm)9
p型AlGaAs酸化層10
p型GaAs層11
p型AlGaAsクラッド層12
p型GaAsヘテロバリア低減層13
p型GaInAsNコンタクト層14
【0053】
すなわち、この半導体レーザにおいては、光ガイド層4乃至8が活性層として作用し、量子井戸層5及び7を発光層とした多重量子井戸構造が形成されている。この活性層に対する電流狭窄は、p型AlGaAs酸化層10により行われる。
【0054】
そして、本実施例においては、GaInAsN量子井戸層5、7には、シリコン(Si)を5×1017cm−3、炭素(C)を5×1015cm−3添加している。また、p側GaInAsN光ガイド層8には、シリコン(Si)を1×1017cm−3、炭素(C)を1×1016cm−3添加し、GaInAsNバリア層6には、シリコン(Si)を3×1017cm−3、炭素(C)を1×1016cm−3、n側GaInAsN光ガイド層4には、シリコン(Si)を5×1017cm−3、炭素(C)を1×1016cm−3添加している。
【0055】
これら3つの層は、いずれも波長換算で0.98μmのバンドギャップを有している。レーザの活性層は、前述したように、GaInAsN量子井戸層5、7、p側GaInAsN光ガイド層8、GaInAsNバリア層6、n側GaInAsN光ガイド層4からなり、活性層は全体で波長1.3μmの光を発光する。
【0056】
また、p型GaAs層9には、亜鉛(Zn)を5×1017cm−3ドープしている。また、AlGaAs酸化層10のAl組成は0.98であり、亜鉛(Zn)を1×1018cm−3ドープしており、p型GaAs層11の亜鉛(Zn)濃度は2×1018cm−3であり、p型AlGaAsクラッド層12の亜鉛(Zn)濃度は1×1018cm−3、p型GaAsへテロバリア低減層の亜鉛(Zn)濃度は5×1018cm−3、p型GaInAsNコンタクト層14の亜鉛(Zn)濃度は7×1018cm−3である。
【0057】
ここで、GaInAsN量子井戸層5及び7には、シリコン(Si)を5×1017cm−3、炭素(C)を5×1015cm−3、p側GaInAsN光ガイド層8には、シリコン(Si)を1×1017cm−3、炭素(C)を1×1016cm−3、GaInAsNバリア層6にはシリコン(Si)を3×1017cm−3、炭素(C)を1×1016cm−3、n側GaInAsN光ガイド層4にはシリコン(Si)を5×1017cm−3、炭素(C)を1×1016cm−3添加しており、いずれの場合も炭素(C)濃度よりもシリコン(Si)濃度が高いためにn型の導電性を示す。
【0058】
また、炭素(C)が深いレベルを形成する場合にも、フェルミレベルがシリコン(Si)の不純物レベル付近にあり、かつシリコン(Si)の濃度が高いために炭素(C)の深いレベルを介した遷移の確率は極めて低くなる。このため、この半導体レーザ装置をレーザ発振させた場合、炭素(C)による特性の低下は実質的に表れなくなる。
【0059】
p型クラッド側の各層には、亜鉛(Zn)が添加されており、そのドープ量は、p型GaAs層9には5×1017cm−3、AlGaAs酸化層10には1×1018cm−3、p型GaAs層11は2×1018cm−3、p型AlGaAsクラッド層12には1×1018cm−3である。
【0060】
亜鉛(Zn)の拡散は2段拡散であり、濃度の高い部分は通常の置換型不純物の拡散であり、濃度の低い部分は、いわゆる「キックオフ型」の拡散と考えられる。キックオフオフ型の拡散の場合、亜鉛(Zn)濃度は通常略5×1015cm−3よりも低い。このため、活性層を構成する各層内で炭素(C)の濃度とシリコン(Si)の濃度との合計値が、この値以上であれば、亜鉛(Zn)の拡散を実質的に阻止できる。
【0061】
実際、本実施例においては、GaInAsN量子井戸層5及び7には、シリコン(Si)を5×1017cm−3、炭素(C)を5×1015cm−3、p側GaInAsN光ガイド層8にはシリコン(Si)を1×1017cm−3、炭素(C)を1×1016cm−3、GaInAsNバリア層6にはシリコン(Si)を3×1017cm−3、炭素(C)を1×1016cm−3、n側GaInAsN光ガイド層4にはシリコン(Si)を5×1017cm−3、炭素(C)を1×1016cm−3添加することにより、p型クラッド層側からの亜鉛(Zn)の拡散を防ぐことができた。
【0062】
以下、本実施例の半導体レーザ装置の作成手順について説明する。
【0063】
まず、GaAs基板1の上にn型AlGaAsクラッド層2をMOCVD(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)法により670℃で成長した後、成長温度を620℃まで下げてn型GaAsスペーサー層3を成長し、更に成長温度を520℃まで下げて、n側Ga0.95In0.05As0.98N0.02光ガイド層4、Ga0.75In0.25As0.99N0.01量子井戸層5、Ga0.95In0.05As0.98N0.02バリア層6、Ga0.75In0.25As0.99N0.01量子井戸層7、p側Ga0.95In0.05As0.98N0.02光ガイド層8、p型GaAs層9を順次積層した。
【0064】
この後、成長温度を640℃まで上げてp型AlGaAs層17、p型GaAs層11、p型AlGaAsクラッド層12を形成した。その後、成長温度を再度520℃まで下げてp型GaAsヘテロバリア低減層13とp型GaInAsNコンタクト層14を形成した。
【0065】
ここで、成長温度を上げるのは結晶性を上げるためであり、温度を下げるのはGaInAsNの相分離を防ぐためである。なお、p型GaAsヘテロバリア低減層13とp型GaInAsNコンタクト層14に関しては成長温度を下げることで亜鉛(Zn)の添加効率を上げられるとともに、亜鉛(Zn)の活性層への拡散を防ぐこともできる。
【0066】
MOCVDの原料としては、TMG(トリメチル・ガリウム)、TMAl(トリメチル・アルミニウム)、TMI(トリメチル・インジウム)、SiH4(シラン)、AsH3(アルシン)、DMHy(ジメチルヒドラジン)を用いた。
【0067】
III族有機金属としては、エチル系、クロライド系等をもちいてもよい。窒素(N)の原料としては、ジメチルヒドラジンを用いてもよく、アンモニア、ヒドラジンあるいはモノメチルヒドラジンを用いてもよい。炭素(C)の原料としてはTMG、TMAl、DMHy等を用いてもよく、CBr4(4臭化炭素)を用いてもよい。硫黄(S),セレン(Se)を用いる場合には、原料としてこれらの水素化物を用いてもよく、または有機金属系原料を用いてもよい。
【0068】
結晶成長が終わった後、メサ構造を形成し、酸化プロセスによって未酸化導通領域17を残してp型AlGaAs層を酸化させることにより、p型AlGaAs酸化層10を形成した。
【0069】
p型AlGaAs酸化層10を形成後にパッシベーション膜15を形成し、ポリイミド埋め込み16を行った。この後、電極メタルを蒸着したのち劈開してレーザを作成し、評価を行った。
【0070】
本実施例の半導体レーザは、共振器の端面に(波長/2)のコーティングを施した状態で、室温で波長1.3μm、しきい電流値3mA、効率0.35W/Aが得られた。また、最大発振温度は150℃を超え、温度特性も良好であることが分かった。
【0071】
これに対して、活性層に炭素(C)及びシリコン(Si)の添加をおこなわなかった比較例においてはレーザの光出力が周囲温度とともに急激に低下し、最大発振温度は80℃以下に低下した。これは、活性層内にp型の各層から亜鉛(Zn)が拡散したためであると考えられる。
【0072】
(第2の実施例)
次に、本発明の第2の実施例について説明する。本実施例においては、前述した第1実施例と同様の積層構造を有する半導体レーザ装置を形成した。ただし、GaInAsN量子井戸層5およびGaInAsN量子井戸層7のシリコン(Si)の濃度は2×1020cm−3とし、炭素(C)の濃度は1.5×1019cm−3とした。
【0073】
この構造でシリコン(Si)と炭素(C)の添加を行わない場合、GaInAsNの組成をGa0.67In0.33As0.995N0.005とすると1.3μmで発振する。この時、格子不整合は2.3%である。
【0074】
一方、シリコン(Si)及び炭素(C)を添加すると、この組成の結晶の格子不整合は2.1%となる。格子不整合が2.3%であると臨界膜厚(ミスフィット欠陥が生じない上限の膜厚)はおよそ8nmとなる。本実施例においては2重量子井戸構造を用いているので、量子井戸によるエネルギーの上昇はおよそ180meVとなる。
【0075】
一方、格子不整合が2.1%の場合は、臨界膜厚はおよそ10nmとなる。この時の量子井戸によるエネルギーの上昇はおよそ120meVとなる。そこで同じ発振波長を選るためにはこのエネルギーに相当するだけインジウム(In)を減らすことができ、格子不整合は0.2%小さくなる。格子不整合の減少により臨界膜厚が厚くなるので、量子井戸の幅を広くすることができる。このため遷移波長が長くなり更にインジウム(In)組成を減らすことができる。
【0076】
このような相乗効果により、最終的な組成は、Ga0.72In0.28As0.995N0.005となり格子不整が1.9%となり臨界膜厚は13nmとなる。
【0077】
図5は、本実施例における発光層の格子不整合(ミスマッチ)と臨界膜厚との関係を表すグラフ図である。
【0078】
このように、シリコン(Si)と炭素(C)とを添加することにより、臨界膜厚を厚くすることができる。その結果として、レーザの活性層体積が50%以上大きくできるので光出力を大きくすることができる。実際には、不純物の添加により転位などの結晶欠陥の増殖効果も押さえられるので、同じ臨界膜厚の場合でも結晶欠陥の広がりが少なく、発光効率が高く信頼性の高い半導体レーザ装置が実現できた。
【0079】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。
【0080】
例えば、本発明は、端面発光型の半導体レーザ装置に限らず、面発光型の半導体レーザ装置、あるいは発光ダイオード、ベース層およびコレクター層に歪みGaInAsNを用いたHBT(Hetero-Bipolar Transistor)、歪みGaInAsNをチャンネル層に用いたHEMT(High-Electron Mobility Transistor)、歪みGaInAsNを吸収層に用いた光電圧変換装置、光電流変換装置などについても同様に適用して、同様の作用効果を得ることができる。
【0081】
その他、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することができ、これらの実施例も本発明の範囲に包含される。
【0082】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、長波長光通信に用いて好適な波長1.2〜1.6μm帯において、炭素(C)に基づく深いレベルの影響を抑制し、同じGaInAsN組成であるのにもかかわらず格子歪が少なく、p型クラッド層から活性層にp型不純物の拡散の起こりにくい温度の上昇に対して光出力の変動の小さな半導体レーザ装置を実現することができ、産業上のメリットは多大である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の半導体レーザの要部を表す概念図である。
【図2】GaAs基板の上にエピタキシャル成長させたGaInAsN結晶のインジウム濃度と、X線回折ピークの半値幅との関係を表すグラフ図である。
【図3】本発明の第3の特徴を説明するための概念図である。
【図4】本発明の第1の実施例にかかる半導体レーザ装置を表す概略断面図である。
【図5】本発明の第2実施例における発光層の格子不整合(ミスマッチ)と臨界膜厚との関係を表すグラフ図である。
【符号の説明】
1 GaAs基板
2 n型AlGaAsクラッド層(1000nm)
3 n型GaAsスペーサー層(25nm)
4 n側Ga0.95In0.05As0.98N0.02光ガイド層(10nm)
5 Ga0.75In0.25As0.99N0.01量子井戸層(7nm)
6 Ga0.95In0.05As0.98N0.02バリア層(10nm)
7 Ga0.75In0.25As0.99N0.01量子井戸層(7nm)
8 p側Ga0.95In0.05As0.98N0.02光ガイド層(10nm)
9 p型GaA層(10nm)
10 p型AlGaAs酸化層
11 p型GaAs層
12 p型AlGaAsクラッド層
13 p型GaAsヘテロバリア低減層
14 p型GaInAsNコンタクト層
15 パッシベーション膜
16 ポリイミド
17 未酸化導通領域
A 活性層
C クラッド層
E 発光層
G 光ガイド層
L レーザ光
S 基板
Claims (6)
- GaAs基板と、
前記GaAs基板の上に設けられ、光の波長換算で0.92μm以上1.65μm以下のエネルギーバンドギャップを有し、前記GaAsよりも格子定数の大きなAlx1Ga1−x1−y1Iny1Asp1Np1P1−p1−q1(0≦x1≦1、0≦1−x1−y1≦1、0<y1≦1、0<p1≦1、0<q1≦1)よりなる発光層と、
を備え、
前記発光層は、炭素(C)とn型不純物とを含有し、前記n型不純物の含有量が前記炭素(C)の含有量よりも大なることを特徴とする半導体レーザ装置。 - 前記炭素(C)の前記含有量が2×1018cm−3以上であることを特徴とする請求項1記載の半導体レーザ装置。
- GaAs基板と、
前記GaAs基板の上に設けられ、II族元素がドープされたp型の半導体層と、
前記GaAs基板の上に設けられ、光の波長換算で0.92μm以上1.65μm以下のエネルギーバンドギャップを有し、Alx2Ga1−x2−y2Iny2Asp2Np2P1−p2−q2(0≦x2≦1、0≦1−x2−y2≦1、0<y2≦1、0<p2≦1、0<q2≦1)よりなる発光層と、
前記p型の半導体層と前記発光層との間に設けられたAlx3Ga1−x3−y3Iny3Asp3Np3P1−p3−q3(0≦x3≦1、0≦1−x3−y3≦1、0<y3≦1、0<p3≦1、0<q3≦1)よりなる光ガイド層と、
を備え、
前記発光層は、炭素(C)及びこの炭素(C)よりも高濃度のn型不純物を含有し、
前記光ガイド層は、炭素(C)及びこの炭素(C)よりも高濃度のn型不純物を含有し、
前記発光層が含有する前記炭素(C)の含有量は、前記光ガイド層が含有する前記炭素(C)の含有量よりも小なることを特徴とする半導体レーザ装置。 - 前記発光層が含有する前記炭素(C)の濃度と前記n型不純物の濃度との合計値は、5×1015cm−3以上であることを特徴とする請求項3記載の半導体レーザ装置。
- 前記n型不純物は、シリコン(Si)、硫黄(S)及びセレン(Se)よりなる群から選択された少なくともいずれかであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載の半導体レーザ装置。
- 1.2μm以上1.6μm以下の波長を有するレーザ光を放出することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つに記載の半導体レーザ装置。
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