JP4668529B2

JP4668529B2 - ＧａＩｎＮＡｓ系半導体レーザ

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Publication number: JP4668529B2
Application number: JP2003403176A
Authority: JP
Inventors: 正彦近藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-12-02
Filing date: 2003-12-02
Publication date: 2011-04-13
Anticipated expiration: 2023-12-02
Also published as: JP2005166921A

Description

本発明は、GaAs基板結晶上に光を発生するGaInNAs系歪活性層と活性層から発生した光からレーザ光を得る共振器構造をもち、活性層の近くに応力補償層が形成される構造のGaInNAs系半導体レーザに関するものである。

近年のインターネット人口の爆発的増大により情報伝送の急速な高速化および大容量化が求められており、今後も光通信が重要な役割を果たすと考えられている。光通信で光源となる半導体レーザは、性能面での要求に加えて低コストで提供することが重要であり、特に伝送距離の短いアクセス系、LAN系光リンクでは低コスト化が必須となっている。

近年開発されたGaInNAs系材料を活性層に用いるGaInNAs系半導体レーザは、InP基板結晶上に形成される従来の通信用レーザとは異なり、安価で大口径のGaAs基板上に形成されるので低コスト化に有利である。GaInNAs系材料は、従来のIII-V族半導体とは化学的性質が大きく異なる窒素が添加されていることが最大の特徴である。本発明でのGaInNAs系材料とは、GaInNAsを基本とし、燐やアンチモンやドーパントなどの他元素が微量添加されている物も含む。

Electronics Letters, vol. 36, No.16, pp.1381-1382

GaInNAs系材料は、従来のIII-V族半導体に化学的性質が大きく異なる窒素が添加されていることが特徴である。窒素添加により光通信に適した発光波長を有する活性層材料をGaAs基板上に形成できる様になるが、化学的性質が大きく異なる窒素の添加は母体のIII-V族半導体の結晶性を一般に低下させる。添加される窒素の量は、光通信波長を実現できる範囲で可能な限り低減され1%前後であることが殆どである。その為、活性層のInの組成は30〜40％になり、2％以上の圧縮歪が活性層にかかることになる。従来の半導体レーザの活性層の歪量は最大1.5％程度であり、GaInNAs系レーザの活性層の歪は非常に大きい。

大きな歪量は、一般に、素子寿命や歩留まりに悪影響を与える。それを低減させる為には、従来の半導体レーザと同様に、圧縮歪GaInNAs活性層の直近に伸張歪を有する層を配置し応力補償することが考えられる。GaAs基板上では、伸張歪を有する応力補償層の材料はGaPAsとGaNAsが基本となる。GaPAsの結晶成長では、砒素と燐の原料の切り替えが難しく、良質な結晶を得る事が困難である。他方、GaNAsの場合は、活性層と同様に少量の窒素をGaAsに添加すれば良いので結晶成長は比較的容易である。

Livshits等は、Electronics Letters, vol. 36, No.16, pp.1381-1382において、GaInNAs圧縮歪井戸層をGaNAs応力補償層で挟み込んだ量子井戸を活性層にするGaInNAs系レーザを報告し良好な結果を得ている。しかし、発明者らが追試したところ、素子寿命や歩留まりはあまり改善されなかった。報告者等がその原因を鋭意調査したところ、GaInNAs圧縮歪層とGaNAs伸張歪層との界面での歪量差の絶対値が大きすぎて、良好なヘテロ界面が形成できない場合が多い事が分かった。

本発明の目的は、GaInNAs系圧縮歪活性層と活性層の近くに形成されるGaNAs伸張歪層が共に良好なヘテロ界面を有する応力補償型GaInNAs系半導体レーザを提供することにある。

GaInNAs系圧縮歪活性層とGaNAs伸張歪応力補償層の間に中間の歪量を有する中間層を挿入することにより、ヘテロ界面での歪量差の絶対量を低減できるので良好なヘテロ界面が形成でき、上記の目的は達成できる。中間層の材料としては、GaAs、GaAsSb、GaInAsが良い。通例の如く圧縮歪を+歪と表すと、中間層の歪量は、+側であまり大きいと応力補償の目的に反するので、0から+0.5％の範囲が良い。中間層の厚みは、薄すぎると挿入の効果がなく、反対に増加させ過ぎても応力補償の効果が減少するので最適な範囲が存在する。

図２に、中間層厚と活性層からのフォトルミネセンス(PL)強度の関係を示す(実験例)。本例の場合の中間層の材料はGaAsである。同図に示す様に、中間層の厚みを増すとヘテロ界面が改善されてPL強度が増加する。また、中間層の厚みを増加させ過ぎてもPL強度が低下する。よって、中間層の厚みは、0.5〜2.5 nmが好適である事が分かる。

一般に、活性層の下に形成するヘテロ層の厚みが厚いほど活性層の結晶性を向上させる事が困難である。応力補償の効果はクラッド層が1.5μm程度の端面発光型レーザよりも多層膜反射鏡厚が5μm程度の面発光型レーザにおいて大きい。従って、本発明の効果も面発光型レーザにおいて顕著である。

尚、本発明でのGaNAs応力補償層とは、GaNAs材料を基本としアンチモンやドーパントなどの他元素が微量添加されている場合も含む。

本発明によれば、GaInNAs系圧縮歪活性層とGaNAs伸張歪層クラッド層の間に中間の歪量を有する中間層を挿入することによりヘテロ界面での歪量差の絶対量を低減できるので、良好なヘテロ界面を有する応力補償型GaInNAs系半導体レーザを提供することができる。

以下、本発明の実施例を図１および図３を用いて説明する。

第１の実施例は、本発明を1.3μm帯端面発光型半導体レーザに適用したものである。図1（a）は、断面構造を、図1（b）は活性層の拡大図を示している。n-GaAs基板1上に、GaAsバッファ層２、n-Al_0.3Ga_0.7Asクラッド層（層厚1500nm)3、GaAs光ガイド層（層厚150nm）10、GaN_0.01As_0.99応力補償層（層厚5nm）11、GaAs中間層（層厚2nm）12、及びGa_0.6In_0.4N_0.005As_0.995井戸層(層厚5nm)13から構成される歪補償量子井戸活性層4、p-Al_0.3Ga_0.7Asクラッド層（層厚1500nm)5、p-GaAsキャッフ゜層(層厚200nm)6を、GS-MBE（ガスソース分子線エピタキシー）法により順次結晶成長し多層構造を作製した。III族元素の原料は、金属アルミニュウム、金属ガリュウム、及び、金属インジュウムを用いた。V族元素の原料には、RFプラズマで活性化した窒素と金属ヒ素を用いた。通常の分子線セルに金属ヒ素を装着し、加熱昇華させてAs₄分子ビームとして供給した。n型ドーパントとしてはSiを、p型ドーパントとしてはBeを用いた。層2、3、5、6は、600℃で結晶成長した。一方、活性層4は、相分離を抑制するために480℃と低温で結晶成長した。

作製した多層構造に、図1(a)に示す如く、SiN_x窒化膜を堆積し、電流狭窄層7を形成した。p側電極8、n側電極9を形成した後、劈開法により共振器長約400μmのレーザ素子を得た。ストライプ幅は5μmとした。素子の前面にλ/4(λ:発振波長)の厚みのSiO₂による低反射膜を、素子の後面にSiO₂とアモルファスSiからなる4層膜による高反射膜を形成した。その後、p-n接合面を下にして素子をヒートシンク上にボンディングした。

本レーザは、閾値電流密度が0.5 kA/cm²で室温連続発振し、発振波長は1.3μmであった。本レーザは、中間層12によりGaInNAs井戸層13とGaNAs応力補償層11が共に良好なヘテロ界面を有するので活性層4の結晶性が良好であり、10万時間以上の長い素子寿命を有した。また、ウエハ内での分布が小さく、歩留まりも非常に良好であった。

本実施例は、本発明を1.3μm帯面発光型半導体レーザに適用したものである。以下、図3を用いて説明する。図3(a)は、断面構造を、図3(b)は活性層の拡大図を示している。n-GaAs基板1上に、n型半導体多層膜反射鏡20、GaAsスペーサ層21、GaN_0.01As_0.99応力補償層（層厚5nm）41、GaAs_0.99Sb_0.01中間層（層厚1.5nm）42、Ga_0.6In_0.4N_0.005As_0.995井戸層(層厚6nm)43、及びGaN_0.01As_0.99応力補償バリア層（層厚7nm）44から構成される二重量子井戸活性層24、GaAsスペーサ層25、GaAs基板に格子整合したp-Ga_0.5In_0.5Pクラッド層26、p-GaAsコンタクト層27をGSーMBE法により順次成長した。III族元素の原料は、金属アルミニュウム、金属ガリュウム、及び、金属インジュウムを用いた。V族元素の原料には、RFプラズマで活性化した窒素、ホスフィン、及び、金属ヒ素を用いた。金属ヒ素をバルブドクラッカー型の分子線セルに装着し、加熱昇華させて得たAs₄分子をさらに高温でクラッキングしてAs₂分子のビームとして供給した。また、n型ドーパントとしてはSiを、p型ドーパントとしてはC(カーボン)を用いた。

活性層24は、GaAsSb中間層42を有する応力補償型量子井戸構造とした。GaAsスペーサ層21、二重量子井戸活性層24、及び、GaAsスペーサ層25の厚みの合計が半導体中での波長と等しくなる様にGaAsスペーサ層の層厚を調整した。半導体多層膜反射鏡20は、半導体中で1/4波長厚の高屈折率のGaAs層と半導体中で1/4波長厚の低屈折率のAlAs層を交互に積層した。反射率を99%以上にする為に反射鏡層の積層数を22対とした。n型半導体多層膜反射鏡20は600℃、GaAsスペーサ層21、二重量子井戸活性層24、及び、GaAsスペーサ層25は450℃、p-Ga_0.5In_0.5Pクラッド層26、p-GaAsコンタクト層27は500℃で成長した。

次に、化学気相堆積工程とホトレジスト工程により直径10μmの円形のSiO₂膜(後の工程で除去する為同図では不指示）を形成し、これをマスクとしてn型の半導体多層膜反射鏡20の途中までウエットエッチングしてメサ状にする。その後、SiO₂マスクを残したまま化学気相堆積工程によりSiO₂保護層28を形成し、ポリイミド29を塗布し、硬化する。次に、反応性イオンビームエッチングによりSiO₂マスクが露出するまでポリイミド29をエッチングし、メサの上部のSiO₂マスクを図に示したように除去することで平坦な面が得られる。この後、リフトオフ法によりリング状のp側電極31を形成し、さらにスパッタ蒸着法により誘電体多層膜反射鏡30を形成し、n側電極32を形成した。誘電体多層膜反射鏡30は、誘電体中で1/4波長厚さの高屈折率TiO₂層と誘電体中で1/4波長厚さの低屈折率SiO₂層を交互に積層して作製した。反射率を99%以上にする為に積層数を5対とした。

本面発光レーザに電流を注入したところ、85℃の高温まで連続動作に成功した。レーザ光は誘電体多層膜反射鏡側から出射され、波長は約1.3μmであった。また、本レーザは、活性層の結晶性が良好なので面発光レーザの実用化では十分な１万時間以上の長い素子寿命を有した。また、素子作製時の歩留まりも高く、大幅な低コスト化を達成できた。

実施例１の半導体レーザの素子構造を示した図。中間層厚と活性層からのフォトルミネセンス(PL)強度の関係を示す図。実施例２の半導体レーザの素子構造を示した図。

符号の説明

1：n-GaAs基板、2：GaAsバッファ層、3：n-Al_0.3Ga_0.7Asクラッド層（層厚1500nm）、4：歪補償量子井戸活性層、5：p-Al_0.3Ga_0.7Asクラッド層（層厚1500nm）、6：p-GaAsキャッフ゜層(層厚200nm)、10：GaAs光ガイド層（層厚150nm）、11：GaN_0.01As_0.99応力補償層（層厚5nm）、12：GaAs中間層（層厚2nm）、13：Ga_0.6In_0.4N_0.005As_0.995井戸層(層厚5nm)。

Claims

GaAs基板上にGaInNAs系材料からなる圧縮歪活性層とGaNAs系材料からなる応力補償層とを有し、前記圧縮歪活性層と前記応力補償層との間に両者の中間の歪を有するGaAs、GaAsSb、又はGaInAsからなる中間層が挿入されていることを特徴とするGaInNAs系半導体レーザ。
請求項１に記載のGaInNAs系半導体レーザにおいて、前記中間層の歪は圧縮歪であり歪量が0から+0.5％の範囲にあることを特徴とするGaInNAs系半導体レーザ。
請求項１又は２記載のGaInNAs系半導体レーザにおいて、前記中間層の層厚が0.5nmから2.5nmの範囲にあることを特徴とするGaInNAs系半導体レーザ。
請求項１〜３のいずれか１項記載のGaInNAs系半導体レーザにおいて、前記圧縮歪活性層の下方及び上方に多層膜反射鏡を有することを特徴とするGaInNAs系半導体レーザ。