JP4886634B2 - 量子井戸構造、光閉じ込め型量子井戸構造、半導体レーザ、分布帰還型半導体レーザ、及び量子井戸構造の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、量子井戸構造、光閉じ込め型量子井戸構造、半導体レーザ、分布帰還型半導体レーザ、及び量子井戸構造の製造方法に関する。

近年、中赤外領域のレーザ光を用いて医療診断、環境計測、食品検査、ガス濃度測定などを行う分光機器が注目されている。レーザ光源としては、小型、低消費電力で単色の光源が望ましく、半導体レーザはその有力な候補である。半導体レーザでは活性層に歪み量子井戸を導入することにより、発振波長の長波長化に加え、レーザ性能が大幅に改善されることがわかり、現在では、半導体結晶成長技術の進歩に伴って歪み量子井戸構造を半導体レーザに利用できるようになってきている。

特に、ＩｎＰ基板上に形成されるＩｎＧａＡｓＰを用いた半導体レーザは、光ファイバを用いた通信用光源として精力的に研究開発が行われ、成熟した加工技術と優れた性能が実現されている。ＩｎＰ基板上に形成される半導体レーザの対象となる波長域は、前記のように光通信用途のため、主として１．２５μｍから１．６μｍであった。

一方、近年になり、ＩｎＰに対し２％程度の圧縮歪みを有するＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ（Ｐ）量子井戸構造を活性層に用いることにより、波長２．０μｍ以上で発振する半導体レーザが実現できることが実験的に明らかになった。これにより、従来では光通信分野にほとんど限定されてきたＩｎＰ系材料を用いた半導体レーザの応用範囲が広げられることになった。

さらに、ＩｎＧａＡｓ中のＧａの量を減少させることにより、圧縮歪み量が大きくなり、Ｇａを０としたＩｎＡｓの場合においては、歪み量は３．２％となり、理論的には２μｍから３μｍの波長帯域のレーザ発光が可能になることがわかってきた。また、ＩｎＡｓにＶ族原子であるＮやＳｂを加えることによっても、レーザの発振波長が増加することが知られている。

Ｍ．Ｇｅｎｄｒｙ、Ｖ．Ｄｒｏｕｏｔ、Ｃ．ＳａｎｔｉｎｅＩＩＩ、ａｎｄ Ｇ．Ｈｏｌｌｉｎｇｅｒ、「Ｃｒｉｔｉｃａｌ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓｅｓ ｏｆ ｈｉｇｈｌｙ ｓｔｒａｉｎｅｄ ＩｎＧａＡｓ ｌａｙｅｒｓ ｇｒｏｗｎ ｏｎ ＩｎＰ ｂｙ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｅａｍ ｅｐｌｔａｘｙ」Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ、Ｖｏｌ．６０、Ｎｏ．１８、４ Ｍａｙ １９９２、ｐ．２２４９−２２５１

一般的に高歪み材料系の結晶成長においては、膜厚の増加に伴う歪み応力の増加により格子緩和が生じ結晶品質を劣化させることが問題となるので、格子緩和が生じない膜厚（臨界膜厚）未満の膜厚で成長する必要があった。また、膜厚の増加に伴う歪みの増加により三次元的な島状成長が誘発されることも問題となっていた。この島状成長は量子井戸構造の結晶品質を著しく悪化させる。ＩｎＰ基板上のＩｎＧａＡｓを量子井戸層とする量子井戸構造では、ＩｎＰに対して２％を超える圧縮歪みを有する場合、この三次元的な島状成長が顕著になる（上記非特許文献１参照）。

さらに、ＩｎＡｓやＩｎＡｓＮのようなＩｎの組成が大きい結晶では、成長中に表面からＩｎ原子が蒸発するために平坦且つ急峻な界面を有する量子井戸構造を形成することが難しい。このように膜厚の増加に伴う島状成長と、Ｉｎ原子の蒸発が顕著になる場合、Ｉｎ組成の大きな結晶（例えば、ＩｎＡｓ）の膜厚を大きくすることができず、２μｍ以上での発光が得られないという問題が生じる。

従来のＩｎ組成の大きな結晶を量子井戸層とした量子井戸構造の製造方法では、その成長温度に関して、島状成長やＩｎ原子の蒸発を抑制するための条件が明確でなく、そのため、良質な結晶を得ることが困難であった。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって、Ｉｎ組成の大きな結晶を形成する際に最適な成長温度且つ成長速度をとることにより、島状成長とＩｎ原子の蒸発を抑えることができ、その結果、従来より厚みの厚いＩｎ組成の大きな結晶を量子井戸層とした量子井戸構造を実現した、特性の高性能化を図ることができる量子井戸構造、光閉じ込め型量子井戸構造、半導体レーザ、分布帰還型半導体レーザ、及び量子井戸構造の製造方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するための第１の発明に係る量子井戸構造は、
ＩｎＰ基板上に有機金属気相成長法で形成され、該ＩｎＰ基板の格子定数に対して３．２％大きい格子定数を有するＩｎＡｓの量子井戸層とＩｎＧａＡｓの障壁層とを用いた量子井戸構造において、
前記量子井戸層は、成長温度が４４０℃以上５１０℃以下、かつ、成長速度が２．０μｍ／時以上で形成され、前記量子井戸層の厚さは２ｎｍから９ｎｍである
ことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第２の発明に係る量子井戸構造は、第１の発明に係る量子井戸構造において、
室温でのバンドギャップ波長は１．９μｍから２．６２μｍである
ことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第３の発明に係る量子井戸構造は、第１の発明又は第２の発明のいずれかひとつに係る量子井戸構造において、
前記量子井戸層の数は１層から７層である
ことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第４の発明に係る光閉じ込め型量子井戸構造は、第１の発明から第３の発明のいずれかひとつに係る量子井戸構造において、
前記量子井戸層の上下に光閉じ込め層を形成し、
該光閉じ込め層の成長温度は前記量子井戸層の成長温度よりも高い
こと特徴とする。

上記の課題を解決するための第５の発明に係る半導体レーザは、
第４の発明に係る光閉じ込め型量子井戸構造を用いた半導体レーザにおいて、
発振波長が１．９μｍから２．６μｍである
ことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第６の発明に係る分布帰還型半導体レーザは、
第４の発明に係る光閉じ込め型量子井戸構造を用いた半導体レーザにおいて、
前記光閉じ込め層に回折格子が形成されている
ことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第７の発明に係る分布帰還型半導体レーザは、第６の発明に係る分布帰還型半導体レーザにおいて、
クラッド層と前記量子井戸構造とからなる積層構造がメサストライプ状に加工されており、前記積層構造の両側をＲｕ又はＦｅをドーピングした半絶縁性半導体結晶で埋め込まれた
ことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第８の発明に係る分布帰還型半導体レーザは、第６の発明に係る分布帰還型半導体レーザにおいて、
クラッド層と前記量子井戸構造とからなる積層構造がメサストライプ状に加工されており、前記積層構造の両側をｐ型ＩｎＰ層とｎ型のＩｎＰ層とを交互に積層したｐｎ埋め込み層で埋め込まれた
ことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第９の発明に係る分布帰還型半導体レーザは、第６の発明から第８の発明のいずれかひとつに係る分布帰還型半導体レーザにおいて、
発振波長が１．９μｍから２．６μｍである
ことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第１０の発明に係る量子井戸構造の製造方法は、
ＩｎＰ基板上に第一の光閉じ込め層、量子井戸層と障壁層の量子井戸構造、第二の光閉じ込め層を有する積層構造を成長する量子井戸構造の製造方法において、
前記第一の光閉じ込め層を結晶成長する工程と、
前記量子井戸層として前記ＩｎＰ基板の格子定数に対して３．２％大きい格子定数を有するＩｎＡｓを、前記障壁層としてＩｎＧａＡｓを、有機金属気相成長法で結晶成長する工程と、
前記第二の光閉じ込め層を結晶成長する工程とを有し、
前記量子井戸層を結晶成長する温度が４４０℃以上５１０℃以下、かつ、成長速度が２．０μｍ／時以上であり、前記量子井戸層の厚さが２ｎｍから９ｎｍであって、前記第一の光閉じ込め層又は前記第二の光閉じ込め層を結晶成長する温度が前記量子井戸層を結晶成長する温度より高い
ことを特徴とする。
上記の課題を解決するための第１１の発明に係る量子井戸構造の製造方法は、
ＩｎＰ基板上に量子井戸層と障壁層の量子井戸構造を有する積層構造を成長する量子井戸構造の製造方法において、
前記量子井戸層として前記ＩｎＰ基板の格子定数に対して３．２％大きい格子定数を有するＩｎＡｓを、前記障壁層としてＩｎＧａＡｓを、有機金属気相成長法で結晶成長する工程を有し、
前記量子井戸層を結晶成長する温度が４４０℃以上５１０℃以下、かつ、成長速度が２．０μｍ／時以上であり、前記量子井戸層の厚さが２ｎｍから９ｎｍである
ことを特徴とする。

本発明によれば、従来作製が困難であった圧縮歪み量が大きく、かつ、厚みの厚いＩｎ組成の大きな結晶を量子井戸層とした量子井戸構造を容易に作製することができ、当該構造を適用したレーザの高性能化の実現に極めて有用である。

本発明に係る量子井戸構造、光閉じ込め型量子井戸構造、半導体レーザ、分布帰還型半導体レーザ、分光計測装置及び量子井戸構造の製造方法の実施例について、図１から図９を用いて説明する。図１は実施例１を説明する量子井戸構造を示す概略断面構造図、図２は成長速度とＰＬ発光ピーク強度の関係の一例を示す図、図３は成長温度と量子井戸層歪み量の関係の一例を示す図、図４はＩｎＡｓ量子井戸層膜厚とＰＬ発光ピーク波長の関係の一例を示す図、図５は量子井戸層数とＰＬ発光ピーク強度の関係の一例を示す図、図６は実施例４を説明する光閉じ込め型量子井戸構造を示す概略断面構造図、図７は実施例５を説明するブロードコンタクトレーザの構造を示す概略斜視図、図８は実施例６を説明するリッジ型ＤＦＢレーザの構造を示す概略斜視図、図９は実施例７を説明する埋め込み型ＤＦＢレーザの構造を示す概略斜視図である。

量子井戸層１０としてＩｎＰに対し３．２％の圧縮歪みを持つＩｎＡｓを、障壁層１１としてＩｎＰに格子整合（歪み量は０）したＩｎ_0.53Ｇａ_0.47Ａｓを用いた本発明の第１の実施例を、図１を用いて説明する。図１に示したように、本実施例の量子井戸構造１２は、ＩｎＰ（１００）基板１３の面上にＩｎＰバッファ層１４（膜厚２００ｎｍ）、ＩｎＡｓ量子井戸層１０とＩｎＧａＡｓ障壁層１１からなる量子井戸構造１２、ＩｎＰキャップ層１５（膜厚１００ｎｍ）から構成されており、量子井戸層１０の数は２、障壁層１１の数は３である。

上記ＩｎＡｓ量子井戸層１０としては５ｎｍのＩｎＡｓ層を用い、ＩｎＧａＡｓ障壁層１１としてはＩｎＰに格子整合した膜厚１６．５ｎｍのＩｎＧａＡｓ層を用いた。結晶成長は５０Ｔｏｒｒに減圧したＭＯＶＰＥ法によって行った。成長温度は、ＭＯＶＰＥ成長炉のサセプタに、熱電対を埋め込んだＳｉウエハを置いて測定した値である。全ての試料においてＩｎＰバッファ層１４の成長温度は６２０℃とし、ＩｎＡｓ量子井戸層１０、ＩｎＧａＡｓ障壁層１１、ＩｎＰキャップ層１５の成長温度は４２０℃から６２０℃まで変化させた。

また、III族原料としてはトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）及びトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）を用い、Ｖ族原料としてはアルシン（ＡｓＨ₃）及びホスフィン（ＰＨ₃）を使用した。ＩｎＡｓ量子井戸層１０の成長速度はＩｎＡｓ量子井戸層１０成長時のＴＭＩｎの流量を変化させることで制御した。具体的には、ＴＭＩｎの流量を２倍にすれば成長速度はおおよそ２倍となる。このような制御により、ＩｎＡｓ量子井戸層１０の成長速度を０．１μｍ／時から３．０μｍ／時まで変化させた。ＩｎＧａＡｓ障壁層１１の成長速度はいずれの試料においても２．０μｍ／時である。試料の構造的特性の評価にはＰｈｉｌｉｐｓ社製のエックス線回折装置を用いた。光学的特性の評価には波長５３２ｎｍのレーザを光源としたフォトルミネセンス（ＰＬ：ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）測定を室温（２５℃）で行った。

始めに、成長温度を５００℃として、５ｎｍのＩｎＡｓ量子井戸層１０の成長速度を０．１μｍ／時から３．０μｍ／時まで変化させた試料のＰＬ測定を行った。図２にＩｎＡｓ量子井戸層１０の成長速度とＰＬ発光ピーク強度の関係を示す。成長速度０．６μｍ／時では全く発光が得られないが、２．０μｍ／時程度まで成長速度を増加させることで発光強度が急激に増加している。２．２μｍ／時以上では発光強度はほぼ一定である。すなわち、成長温度５００℃ではＩｎＡｓ量子井戸層１０の成長速度を１．５μｍ／時、望ましくは２．０μｍ／時以上にすることで光学的特性の優れた量子井戸構造１２が得られることが確認された。

なお、ＩｎＡｓ量子井戸層１０の成長速度は１０μｍ／時以下であることが望ましい。これは、成長速度を増加させるために原料ガスの供給を増加させても供給された大量の原料ガスが完全に分解されないため、結局成長に必要な結晶原料（原子）が不足して高品質の結晶が得られないからである。

また、従来、ＩｎＰ基板１３上にＩｎＡｓ結晶を成長する場合は、ＩｎＡｓの歪が大きくなるため歪により格子緩和が起きない膜厚（臨界膜厚）未満で成長されていた。このため、薄い膜厚のＩｎＡｓ結晶の成長を制御するために、成長速度を低くしてＩｎＡｓ結晶を成長する必要があった。本実施例では、従来技術に比べて成長速度を高くして、ＩｎＰ基板１３上での成長原子の拡散長を低減して島状結晶の形成を抑制することにより、歪の大きなＩｎＡｓの成長できる膜厚の範囲を拡大した点で従来技術とは異なる。

次に、ＩｎＡｓ量子井戸層１０の成長速度及び膜厚をそれぞれ２．８μｍ／時、５ｎｍで固定し、成長温度のみ異なる試料について、エックス線回折測定を行った。図３に成長温度と作製した試料のＩｎＡｓ量子井戸層１０の歪み量の関係を示す。横軸に成長温度、縦軸にＸ線回折測定結果から導出されるＩｎＡｓ量子井戸層１０の歪み量をプロットした。ＩｎＡｓ量子井戸層１０がＩｎＡｓで劣化なく形成されているのであれば、３．２％の歪み量を示さなければならない。図３から明らかなように、成長温度４４０℃から５１０℃で作製した試料においては、３．２％の歪み量を示している。

しかしながら、４３０℃以下及び５２０℃以上においては、３．２％以下の歪み量となっている。これはＩｎＡｓが島状成長やＩｎ原子の蒸発により格子緩和が発生し、良好な量子井戸構造１２が得られていないことを明らかにしている。また、プロットしたマーカが○の試料はＰＬ発光が得られた試料で、×の試料はＰＬ発光が得られなかった試料を示している。

つまり、成長温度５２０℃以上では発光が得られていない。これは成長温度が高いためにＩｎ原子の蒸発が活発になり、量子井戸構造１２の界面を悪化させたためである。成長温度を４４０℃から５１０℃の範囲にすることでＩｎＡｓ層を量子井戸層１０とした良好な量子井戸構造１２が得られることが確認された。

なお、ここでは成長速度が２．８μｍ／時の場合について説明したが、１．５μｍ／時以上の成長速度の場合において同様の結果が得られた。また、この場合も前述の通り、成長速度は１０μｍ／時以下であることが望ましい。

また、成長温度が４４０℃未満のときは、原料ガスの熱分解が不十分で成長原子を十分供給できないこと、ＩｎＰ基板１３上の成長原子は拡散長が短すぎて結晶における原子位置を占有できないこと等により高品質の結晶を得ることができない。このことは、格子緩和が生じる原因にもなりうる。さらに、成長温度が低いとＩｎＡｓ結晶の下層となるＩｎＧａＡｓ結晶を成長した後に分解していないＧａ原子が成長雰囲気に残留する。このＧａ原子がＩｎＡｓ結晶の成長の際に取り込まれると、本来ＩｎＡｓ結晶が有する歪量（３．２％）が減少する。

また、成長温度が５１０℃より高いときは、結晶表面でのＩｎの再蒸発が活発になり表面が荒れ凹凸が増加する。この凹凸は島状結晶の核となるので島状結晶の形成が活性化する。さらに、ＩｎＰ基板１３上での成長原子の拡散長が増加するので、島状結晶の形成に寄与する成長原子が増加し、島状結晶の形成が活性化する。このことが格子緩和を生じさせる。

これらのことから、成長温度を４４０℃から５１０℃という比較的低い温度にすることによりＩｎ原子の蒸発を抑制して島状結晶の核の形成を抑制するという効果が、成長速度を高くすることによりＩｎＰ基板１３上の成長原子の拡散長を低減して島状結晶の形成に寄与する成長原子を低減するという効果に相乗して、島状結晶の形成の抑制においてさらなる効果を奏し、さらに高品質の結晶を成長できるようになる。

また、成長温度を４４０℃から５１０℃の範囲にすることによっても、ＩｎＰ基板１３上での成長原子の拡散長を低減して島状結晶の形成に寄与する成長原子を低減するという効果が得られる。したがって、成長原子の拡散長を低減するという点で、成長温度を４４０℃から５１０℃にするとともに成長速度を高くすることにより相乗効果が得られ、島状結晶の形成の抑制においてさらなる効果を奏し、さらに高品質の結晶を成長できるようになる。

以上のことから、ＩｎＡｓを量子井戸層１０とした量子井戸構造１２を作製する際には成長温度を４４０℃以上５１０℃以下に設定し、ＩｎＡｓ量子井戸層１０の成長速度を１．５μｍ／時、望ましくは成長温度５００℃で成長速度２．２μｍ／時以上とすることで良好な特性を有する量子井戸構造１２が得られることが確認された。

実施例１とＩｎＡｓ量子井戸層１０の膜厚が異なる実施例２について説明する。ＩｎＡｓ量子井戸層１０の成長温度及び成長速度は実施例１で示された範囲の条件である。図４にＩｎＡｓ量子井戸層１０の膜厚とＰＬ発光ピーク波長の関係を示す。横軸にＩｎＡｓ量子井戸層１０の膜厚、縦軸にＰＬ発光ピーク波長をプロットしている。●が測定点を示し、実線は計算結果である。

ＩｎＡｓ量子井戸層１０の膜厚を９ｎｍまで厚くしても発光が得られた。このときのＰＬ発光ピーク波長は２．６２μｍであった。また、量子井戸層１０の膜厚と発光波長の関係は計算結果と良く一致していることから、ＩｎＡｓを量子井戸層１０とする良好な量子井戸構造１２が得られていることが確認された。

実施例１とＩｎＡｓ量子井戸層１０の数の異なる実施例３について説明する。量子井戸層１０は５ｎｍのＩｎＡｓで、障壁層１１はＩｎＰに対し０．５％の引っ張り歪みを有する１６．５ｎｍもしくは２０．０ｎｍのＩｎ_0.46Ｇａ_0.54Ａｓとした。その他の条件は実施例１で示された範囲の条件である。

図５にＩｎＡｓ量子井戸層１０の数とＰＬ発光ピーク強度の関係を示す。横軸にＩｎＡｓ量子井戸層１０の数、縦軸にＰＬ発光ピーク強度をプロットしている。いずれの障壁層１１を用いた場合でも、ＩｎＡｓ量子井戸層１０の数は１０層まで発光が確認された。量子井戸層１０の数が増えると量子井戸構造１２内の歪み応力が蓄積するため、１６．５ｎｍのＩｎＧａＡｓ障壁層１１では量子井戸層１０の数を６層以上にすると単一の量子井戸構造１２に比べて発光強度が半分以下となる。

それに対し、２０．０ｎｍの障壁層１１を用いた場合では、ＩｎＡｓ量子井戸層１０の数が８層で半分以下となっている。障壁層１１を２０．０ｎｍとすることで、７層のＩｎＡｓ量子井戸層１０からなる量子井戸構造１２が得られることが確認された。

本実施例では障壁層１１の歪み量を引っ張り歪み０．５％としたが、引っ張り歪み２％もしくはＩｎＰに格子整合する場合でも同様の結果が得られることが確認された。

参考例１

実施例１と量子井戸層１０を構成する結晶が異なる参考例１について説明する。量子井戸層１０は５ｎｍのＩｎＡｓＮとした。Ｎの原料としてはジメチルヒドラジン（ＤＭＨｙ）もしくはターシャリーブチルヒドラジン（ＴＢＨｙ）を用いた。ＩｎＡｓＮのＮ組成は３％である。

その他は、実施例１で示された範囲の条件である。作製した量子井戸構造１２のＰＬ測定を行ったところ、２．８μｍにピーク波長を持つ発光が得られ、良好な量子井戸構造１２が得られることが確認された。

本参考例ではＩｎＡｓＮを量子井戸層１０としたが、ＩｎＡｓＳｂを用いた場合でも同様の結果が得られることが確認された。

図６に実施例４の光閉じ込め（ＳＣＨ：Ｓｅｐａｒａｔｅ Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）構造を有する量子井戸構造を示す。本実施例では量子井戸構造１２の上下にＳＣＨ層としてＩｎＰに格子整合したバンドギャップ波長が１．３μｍのＩｎＧａＡｓＰ層を用いた。本実施例のＳＣＨ構造は、量子井戸構造１２よりもＳＣＨ層の成長温度が高いことを特徴とする。量子井戸構造１２は実施例１から実施例３に示した構造である。

本実施例のＳＣＨ構造の製造方法を説明する。６２０℃でＩｎＰバッファ層１４を成長後、６２０℃で所定の膜厚の下部ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層１６を成長する。その後、ＩｎＧａＡｓ障壁層１１（図１参照）を１０ｎｍ成長し、ＡｓＨ₃雰囲気でＩｎＡｓ量子井戸層１０（図１参照）の成長温度（例えば５００℃）まで成長温度を下げる。

ＩｎＡｓ量子井戸層１０成長後、ＩｎＧａＡｓ障壁層１１を１０ｎｍ成長し、成長温度を６２０℃まで上げる。その後、上部ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層１６を成長する。その後、ＩｎＰキャップ層１５を成長する。このようなＳＣＨ構造においても実施例１から実施例３で示したものと同等な特性が得られることが確認された。

本実施例では、ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層１６を成長後、ＩｎＧａＡｓを１０ｎｍ成長した後に、ＡｓＨ₃雰囲気中で温度をＩｎＡｓ量子井戸層１０（図１参照）の成長温度まで下げたが、ＩｎＧａＡｓ障壁層１１を成長しながら成長温度を下げる、もしくは、ＩｎＧａＡｓ障壁層１１を成長後、ＡｓＨ₃雰囲気で成長温度を下げてＩｎＡｓ量子井戸層１０を成長するシーケンスでも同様の特性を有する量子井戸構造１２が得られることが確認された。

本実施例では、ＳＣＨ層としてバンドギャップ波長１．３μｍのＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層１６を用いたが、ＩｎＰに格子整合したその他のバンドギャップ波長のＩｎＧａＡｓＰ層もしくはＩｎＧａＡｓでも同様な特性が得られた。また、上下のＳＣＨ層の組み合わせにこれらのどの層を用いても、同様の特性が得られることが確認された。さらに、多層のＳＣＨ層や、ＧＲＩＮ（Ｇｒａｄｅｄ−ｉｎｄｅｘ）ＳＣＨ層を用いても同様の特性が得られることが確認された。

実施例５として実施例４で示したＳＣＨ構造を用いて作製したブロードコンタクトレーザについて図７を用いて説明する。ＩｎＰ基板１３（図１参照）上にＳｉを１×１０¹⁸ｃｍ³の濃度にドーピングしたｎ型ＩｎＰクラッド層１７を成長し、実施例４で示したＳＣＨ構造を作製する。その後、Ｚｎを１×１０¹⁸ｃｍ³の濃度でドーピングしたｐ型ＩｎＰクラッド層１８、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層１９を順次形成する。

本実施例で用いた量子井戸構造１２は、３層のＩｎＡｓ量子井戸層１０（図１参照）と、２０．０ｎｍのＩｎＰに格子整合したＩｎＧａＡｓ障壁層１１（図１参照）、１００ｎｍのバンドギャップ波長１．３μｍのＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層１６からなる。コンタクト層１９の成長後、ＳｉＯ₂をマスク２０として、４０μｍ幅のストライプ構造を形成し、ｐ型電極２１を蒸着する。その後、ＩｎＰ基板１３を研磨して、裏面にｎ型電極２２を蒸着する。最後に共振器長９００μｍの長さに劈開し、レーザ構造が作製される。

本実施例のレーザは量子井戸層１０（図１参照）の膜厚を変えることで、室温連続動作において波長１．９μｍから２．６μｍでのマルチモード発振が得られ、いずれもしきい値電流密度は１．５ｋＡ／ｃｍ²程度であり、３０ｍＷ程度の光出力が得られた。

実施例６として実施例４で示したＳＣＨ構造用いて作製したリッジ型分布帰還型レーザについて図８を用いて説明する。実施例４と同様にＳＣＨ構造を作製した後、上部ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層１６に回折格子を電子ビーム露光及びウェットエッチングを用いて形成し、分布帰還型（ＤＦＢ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ）構造を作製する。

その後、ｐ型ＩｎＰクラッド層１８、ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層１９を再成長する。コンタクト層１９成長後、ＳｉＯ₂をマスク２０としてドライエッチング及びウエットエッチングを併用して１．５μｍ幅のストライプ構造を作製する。その後、ストライプ脇にＳｉＯ₂２０を形成し、ｐ型電極２１を蒸着する。ｎ型電極２２形成後、共振器長９００μｍに劈開し、リッジ型ＤＦＢレーザ構造が作製される。

本実施例のレーザは、室温連続動作において波長１．９μｍから２．８μｍでの単一モード発振が得られ、しきい値電流は３０ｍＡ程度であり、５ｍＷ程度の光出力が得られた。また、いずれのレーザにおいても注入電流と動作温度の制御により、４ｎｍの波長変化が可能であった。

実施例７として実施例４で示したＳＣＨ構造用いて作製した埋め込み型ＤＦＢレーザについて図９を用いて説明する。実施例６と同様にＤＦＢ構造を作製後、ｐ型ＩｎＰクラッド層１８を再成長する。その後、ＳｉＯ₂をマスク２０（図７参照）としてドライエッチング及びウェットエッチングを用いて１．４μｍ幅のストライプ構造を作製する。

その後、ルテニウム（Ｒｕ）をドーピングした半絶縁性ＩｎＰによりストライプ脇を埋め込む。その後、ｐ型ＩｎＰクラッド層１８を積み増し成長し、さらにＩｎＧａＡｓＰコンタクト層１９を形成する。ｐ型、ｎ型電極を形成し、共振器長９００μｍに劈開し、埋め込み型ＤＦＢレーザが作製される。本実施例のレーザは実施例６と同等の特性が得られた。

本実施例では、ストライプ脇の埋め込み層２３としてＲｕをドーピングした半絶縁性ＩｎＰ層を用いたが、Ｆｅをドーピングした半絶縁性ＩｎＰ層、もしくはｎ型、Ｐ型ＩｎＰ層を交互に積層したｐｎ埋め込み層を用いた場合も同様の特性が得られることが確認された。

参考例２

参考例２として実施例６，７で示したＤＦＢレーザを用いた気体分子の分光計測装置について説明する。この分光計測装置は、気体分子の吸収線（例えば、ＣＯ₂：２．０５μｍ、Ｎ₂Ｏ：２．１３μｍ、ＣＯ：２．３３μｍ）と同一の発振波長の実施例６、実施例７記載のＤＦＢレーザを用いることで、従来の通信波長帯のレーザを用いた場合に比べ、２桁以上の感度で計測できた。

本発明は、例えば、圧縮歪みの大きい量子井戸層を有する良質な量子井戸構造、光閉じ込め型量子井戸構造、半導体レーザ、分布帰還型半導体レーザ、分光計測装置及び量子井戸構造の製造方法に適用することが可能である。

実施例１を説明する量子井戸構造を示す概略断面構造図である。 成長速度とＰＬ発光ピーク強度の関係の一例を示す図である。 成長温度と量子井戸層歪み量の関係の一例を示す図である。 ＩｎＡｓ量子井戸層膜厚とＰＬ発光ピーク波長の関係の一例を示す図である。 量子井戸層数とＰＬ発光ピーク強度の関係の一例を示す図である。 実施例４を説明する光閉じ込め型量子井戸構造を示す概略断面構造図である。 実施例５を説明するブロードコンタクトレーザの構造を示す概略斜視図である。 実施例６を説明するリッジ型ＤＦＢレーザの構造を示す概略斜視図である。 実施例７を説明する埋め込み型ＤＦＢレーザの構造を示す概略斜視図である。

１０ ＩｎＡｓ量子井戸層
１１ ＩｎＧａＡｓ障壁層
１２ 量子井戸構造
１３ ＩｎＰ基板
１４ ＩｎＰバッファ層
１５ ＩｎＰキャップ層
１６ ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層
１７ ｎ型ＩｎＰクラッド層
１８ ｐ型ＩｎＰクラッド層
１９ ｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層
２０ ＳｉＯ₂マスク
２１ ｐ型電極
２２ ｎ型電極

Claims (11)

1. ＩｎＰ基板上に有機金属気相成長法で形成され、該ＩｎＰ基板の格子定数に対して３．２％大きい格子定数を有するＩｎＡｓの量子井戸層とＩｎＧａＡｓの障壁層とを用いた量子井戸構造において、
   前記量子井戸層は、成長温度が４４０℃以上５１０℃以下、かつ、成長速度が２．０μｍ／時以上で形成され、前記量子井戸層の厚さは２ｎｍから９ｎｍである
   ことを特徴とする量子井戸構造。
2. 請求項１に記載の量子井戸構造において、
   室温でのバンドギャップ波長は１．９μｍから２．６２μｍである
   ことを特徴とする量子井戸構造。
3. 請求項１又は請求項２に記載の量子井戸構造において、
   前記量子井戸層の数は１層から７層である
   ことを特徴とする量子井戸構造。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の量子井戸構造において、
   前記量子井戸層の上下に光閉じ込め層を形成し、
   該光閉じ込め層の成長温度は前記量子井戸層の成長温度よりも高い
   こと特徴とする光閉じ込め型量子井戸構造。
5. 請求項４に記載の光閉じ込め型量子井戸構造を用いた半導体レーザであって、
   発振波長が１．９μｍから２．６μｍである
   ことを特徴とする半導体レーザ。
6. 請求項４に記載の光閉じ込め型量子井戸構造を用いた分布帰還型半導体レーザであって、
   前記光閉じ込め層に回折格子が形成されている
   ことを特徴とする分布帰還型半導体レーザ。
7. 請求項６に記載の分布帰還型半導体レーザにおいて、
   クラッド層と前記量子井戸構造とからなる積層構造がメサストライプ状に加工されており、前記積層構造の両側をＲｕ又はＦｅをドーピングした半絶縁性半導体結晶で埋め込まれた
   ことを特徴とする分布帰還型半導体レーザ。
8. 請求項６に記載の分布帰還型半導体レーザにおいて、
   クラッド層と前記量子井戸構造とからなる積層構造がメサストライプ状に加工されており、前記積層構造の両側をｐ型ＩｎＰ層とｎ型のＩｎＰ層とを交互に積層したｐｎ埋め込み層で埋め込まれた
   ことを特徴とする分布帰還型半導体レーザ。
9. 請求項６から請求項８のいずれか一項に記載の分布帰還型半導体レーザにおいて、
   発振波長が１．９μｍから２．６μｍである
   ことを特徴とする分布帰還型半導体レーザ。
10. ＩｎＰ基板上に第一の光閉じ込め層、量子井戸層と障壁層の量子井戸構造、第二の光閉じ込め層を有する積層構造を成長する量子井戸構造の製造方法において、
    前記第一の光閉じ込め層を結晶成長する工程と、
    前記量子井戸層として前記ＩｎＰ基板の格子定数に対して３．２％大きい格子定数を有するＩｎＡｓを、前記障壁層としてＩｎＧａＡｓを、有機金属気相成長法で結晶成長する工程と、
    前記第二の光閉じ込め層を結晶成長する工程とを有し、
    前記量子井戸層を結晶成長する温度が４４０℃以上５１０℃以下、かつ、成長速度が２．０μｍ／時以上であり、前記量子井戸層の厚さが２ｎｍから９ｎｍであって、前記第一の光閉じ込め層又は前記第二の光閉じ込め層を結晶成長する温度が前記量子井戸層を結晶成長する温度より高い
    ことを特徴とする量子井戸構造の製造方法。
11. ＩｎＰ基板上に量子井戸層と障壁層の量子井戸構造を有する積層構造を成長する量子井戸構造の製造方法において、
    前記量子井戸層として前記ＩｎＰ基板の格子定数に対して３．２％大きい格子定数を有するＩｎＡｓを、前記障壁層としてＩｎＧａＡｓを、有機金属気相成長法で結晶成長する工程を有し、
    前記量子井戸層を結晶成長する温度が４４０℃以上５１０℃以下、かつ、成長速度が２．０μｍ／時以上であり、前記量子井戸層の厚さが２ｎｍから９ｎｍである
    ことを特徴とする量子井戸構造の製造方法。

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