JPH09266349A - 光半導体装置 - Google Patents
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- JPH09266349A JPH09266349A JP7369096A JP7369096A JPH09266349A JP H09266349 A JPH09266349 A JP H09266349A JP 7369096 A JP7369096 A JP 7369096A JP 7369096 A JP7369096 A JP 7369096A JP H09266349 A JPH09266349 A JP H09266349A
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- H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
- H01S5/22—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure
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Abstract
(57)【要約】
【課題】選択成長によるpnpnサイリスタ構造を有す
る半導体レーザにおいて、内部損失が増えるデメリット
のないように、ターンオン防止のキャリア再結合層を挿
入し、閾値の低減、温度特性の向上、最大光出力の向上
を実現する。 【解決手段】バッファー層付p型InP基板の上に、p
−クラッド層4、SCH−歪MQW層5、n−クラッド
層10の台形形状の選択成長部があり、1.3μm光の
導波部となっている。その左右には、下から順に、p−
InP埋込層12、n−InP部層13が0.4μm、
p−InP部層14が1.2μm、1.3μm組成4元
ウェル/1.05μm組成4元バリアのSCH−MQW
キャリア再結合層15が0.1μmある。これら全体を
埋め込む形で、n−InPクラッド埋込層17と、その
上部にn−InGaAsPコンタクト層18が0.4μ
mある。
る半導体レーザにおいて、内部損失が増えるデメリット
のないように、ターンオン防止のキャリア再結合層を挿
入し、閾値の低減、温度特性の向上、最大光出力の向上
を実現する。 【解決手段】バッファー層付p型InP基板の上に、p
−クラッド層4、SCH−歪MQW層5、n−クラッド
層10の台形形状の選択成長部があり、1.3μm光の
導波部となっている。その左右には、下から順に、p−
InP埋込層12、n−InP部層13が0.4μm、
p−InP部層14が1.2μm、1.3μm組成4元
ウェル/1.05μm組成4元バリアのSCH−MQW
キャリア再結合層15が0.1μmある。これら全体を
埋め込む形で、n−InPクラッド埋込層17と、その
上部にn−InGaAsPコンタクト層18が0.4μ
mある。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、光半導体装置に関
し、特にpnpnのサイリスタ構造による電流ブロック
構造を、有機金属気相成長法により結晶成長する、半導
体レーザ、光変調器などや、これらを集積化した光半導
体装置に関する。
し、特にpnpnのサイリスタ構造による電流ブロック
構造を、有機金属気相成長法により結晶成長する、半導
体レーザ、光変調器などや、これらを集積化した光半導
体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】加入者系の光通信では、低コスト化のた
めに、ペルチェ素子等による温度調節や、Auto P
ower Control(通常、APCという。)の
不要な半導体レーザが望まれている。このような用途
や、高光出力の半導体レーザを得るためには、サイリス
タ構造のpnpn電流ブロック層が、高温時や、高電流
注入時に、ターンオンしにくい構造が望まれる。ブロッ
ク層でのチャージアップによるターンオンを防ぐ為に
は、ブロック層にキャリア再結合層を挿入するRIB−
PBH(Recombination layer I
nserted Blocking−Planar B
uried Heterostructure)レーザ
が研究されており、この例として、第14回レーザ コ
ンファレンスの論文番号PD9、T.Terakad
o,et al.,“ExtremelyLow Th
resholds 1.3μm Strained M
QW Lasers with Novel P−su
bstrate Buried−Heterostru
cture(RIBPBH)Grown by MOV
PEUsing TBA and TBP”,(14t
h Laser Conference,paper
PD9(1994))がある。
めに、ペルチェ素子等による温度調節や、Auto P
ower Control(通常、APCという。)の
不要な半導体レーザが望まれている。このような用途
や、高光出力の半導体レーザを得るためには、サイリス
タ構造のpnpn電流ブロック層が、高温時や、高電流
注入時に、ターンオンしにくい構造が望まれる。ブロッ
ク層でのチャージアップによるターンオンを防ぐ為に
は、ブロック層にキャリア再結合層を挿入するRIB−
PBH(Recombination layer I
nserted Blocking−Planar B
uried Heterostructure)レーザ
が研究されており、この例として、第14回レーザ コ
ンファレンスの論文番号PD9、T.Terakad
o,et al.,“ExtremelyLow Th
resholds 1.3μm Strained M
QW Lasers with Novel P−su
bstrate Buried−Heterostru
cture(RIBPBH)Grown by MOV
PEUsing TBA and TBP”,(14t
h Laser Conference,paper
PD9(1994))がある。
【0003】更に、低コスト化のために、均一性、再現
性を向上させる半導体エッチング工程不要のASM(A
ll Selective MOVPE grown)
レーザが研究されており、これらの2つの設計を合わせ
たASM−RIB−PBHレーザが特願平7−7510
3「光半導体装置とその製造方法」に述べられている。
以下、このASM−RIB−PBH−LDについて、図
面を参照して詳細に説明する。この種の従来の半導体レ
ーザは、横断面図で図5のようになっている。この製造
において、InP、InGaAsPのエピタキシャル成
長は、有機金属結晶成長(以下、MO−VPEとよ
ぶ。)法で行う。MO−VPEの原料ガスは、トリメチ
ルインジウム(以下、TMIと呼ぶ。)、トリメチルガ
リウム(以下、TMGという。)、アルシン(以下、A
sH3という。)、フォスフィン(以下、PH3とい
う。)を用い、有機金属は、水素のバブリングにより供
給する。ドーピングについては、適宜、ジシラン(以
下、Si2H6という。)、ジメチルジンク(以下、D
MZnという。)を水素で希釈したガスを用いる。
性を向上させる半導体エッチング工程不要のASM(A
ll Selective MOVPE grown)
レーザが研究されており、これらの2つの設計を合わせ
たASM−RIB−PBHレーザが特願平7−7510
3「光半導体装置とその製造方法」に述べられている。
以下、このASM−RIB−PBH−LDについて、図
面を参照して詳細に説明する。この種の従来の半導体レ
ーザは、横断面図で図5のようになっている。この製造
において、InP、InGaAsPのエピタキシャル成
長は、有機金属結晶成長(以下、MO−VPEとよ
ぶ。)法で行う。MO−VPEの原料ガスは、トリメチ
ルインジウム(以下、TMIと呼ぶ。)、トリメチルガ
リウム(以下、TMGという。)、アルシン(以下、A
sH3という。)、フォスフィン(以下、PH3とい
う。)を用い、有機金属は、水素のバブリングにより供
給する。ドーピングについては、適宜、ジシラン(以
下、Si2H6という。)、ジメチルジンク(以下、D
MZnという。)を水素で希釈したガスを用いる。
【0004】まず、最初に、表面の面方位が(100)
面のp型InP基板1上に、p−InPバッファー層2
を2μm成長した後、[011]方向の1.5μm幅ス
トライプで開口した二酸化シリコン膜を形成する。この
二酸化シリコン膜を成長素子マスクとして、p−InP
クラッド層4を50nm、SCH−歪MQW層5を16
0nm、n−InPクラッド層10を200nm選択成
長する。SCH−歪MQW層5のバンドダイアグラム
は、図4に示す。SCHとは、SeparateCon
finement Heterostructure
(分離閉じ込めヘテロ構造)のことであり、歪MQW層
をはさんで、バンドギャップ波長が1.05μmのn−
In0.9 Ga0.1 As0.22P0.78ガイド層6と、In
0.9 Ga0.1As0.22P0.78ガイド層9が、50nmづ
つあることにより、導波光を閉じ込める機能を有してい
る。MQWとは、多重量子井戸(Multi−Quan
tumWell)のことであり、この例では、4.5n
mの厚さの1%圧縮歪In0.9 Ga0.1 As0.52P0.48
ウェル層7を5層有し、その間にバンドギャップ波長が
1.05μmの無歪のIn0.9 Ga0.1 As0.22P0.78
バリア層8を10nmづつ配している。このSCH−歪
MQW層5は1.3μmの波長で発振する活性層とな
る。
面のp型InP基板1上に、p−InPバッファー層2
を2μm成長した後、[011]方向の1.5μm幅ス
トライプで開口した二酸化シリコン膜を形成する。この
二酸化シリコン膜を成長素子マスクとして、p−InP
クラッド層4を50nm、SCH−歪MQW層5を16
0nm、n−InPクラッド層10を200nm選択成
長する。SCH−歪MQW層5のバンドダイアグラム
は、図4に示す。SCHとは、SeparateCon
finement Heterostructure
(分離閉じ込めヘテロ構造)のことであり、歪MQW層
をはさんで、バンドギャップ波長が1.05μmのn−
In0.9 Ga0.1 As0.22P0.78ガイド層6と、In
0.9 Ga0.1As0.22P0.78ガイド層9が、50nmづ
つあることにより、導波光を閉じ込める機能を有してい
る。MQWとは、多重量子井戸(Multi−Quan
tumWell)のことであり、この例では、4.5n
mの厚さの1%圧縮歪In0.9 Ga0.1 As0.52P0.48
ウェル層7を5層有し、その間にバンドギャップ波長が
1.05μmの無歪のIn0.9 Ga0.1 As0.22P0.78
バリア層8を10nmづつ配している。このSCH−歪
MQW層5は1.3μmの波長で発振する活性層とな
る。
【0005】この選択成長部は、(100)面と(11
1)B面で囲まれた台形形状になっており、この上全面
に、二酸化シリコン膜を450nm堆積させる。この
時、選択成長部の(111)B面上では二酸化シリコン
膜の厚さは360nmとなる。これを希釈したバッファ
ード弗酸によりエッチングし、斜面上では、二酸化シリ
コン膜が完全に除去され、台形の上部には40nm二酸
化シリコン膜が残るようにする。次に、選択成長部をま
たぐ形で、5μm幅で、ポジレジストをフォトリソグラ
フィにより形成し、バッファード弗酸により、二酸化シ
リコン膜をエッチングする。このエッチングにより、選
択成長部以外の(100)面上の二酸化シリコン膜は、
サイドエッチングにより完全に除去されるが、選択成長
部の上の(100)面上の二酸化シリコン膜は、(11
1)B面で二酸化シリコン膜がとぎれているため、サイ
ドエッチングされることなく残すことができる。
1)B面で囲まれた台形形状になっており、この上全面
に、二酸化シリコン膜を450nm堆積させる。この
時、選択成長部の(111)B面上では二酸化シリコン
膜の厚さは360nmとなる。これを希釈したバッファ
ード弗酸によりエッチングし、斜面上では、二酸化シリ
コン膜が完全に除去され、台形の上部には40nm二酸
化シリコン膜が残るようにする。次に、選択成長部をま
たぐ形で、5μm幅で、ポジレジストをフォトリソグラ
フィにより形成し、バッファード弗酸により、二酸化シ
リコン膜をエッチングする。このエッチングにより、選
択成長部以外の(100)面上の二酸化シリコン膜は、
サイドエッチングにより完全に除去されるが、選択成長
部の上の(100)面上の二酸化シリコン膜は、(11
1)B面で二酸化シリコン膜がとぎれているため、サイ
ドエッチングされることなく残すことができる。
【0006】この後、p−InP埋込層12を0.15
μm、n−InPブロック層13を0.4μm、p−I
nPブロック層14を1.2μm、InGaAsPバル
クキャリア再結合層115を0.1μm、n−InP層
を0.2μm成長する。さらに、最初の選択成長部の上
にある二酸化シリコン膜を除去後、n−InPクラッド
埋込層17を、n−InPクラッド層10からみて上へ
2μm成長し、続けて、n+ −InGaAsPコンタク
ト層18を0.4μm成長する。次に、表面電極19を
蒸着法やスパッタ法で形成する。続いて、ウェハーの厚
さを100μmとする裏面研磨を行い、裏面電極20を
全面形成する。
μm、n−InPブロック層13を0.4μm、p−I
nPブロック層14を1.2μm、InGaAsPバル
クキャリア再結合層115を0.1μm、n−InP層
を0.2μm成長する。さらに、最初の選択成長部の上
にある二酸化シリコン膜を除去後、n−InPクラッド
埋込層17を、n−InPクラッド層10からみて上へ
2μm成長し、続けて、n+ −InGaAsPコンタク
ト層18を0.4μm成長する。次に、表面電極19を
蒸着法やスパッタ法で形成する。続いて、ウェハーの厚
さを100μmとする裏面研磨を行い、裏面電極20を
全面形成する。
【0007】このウェハーを共振器長300μm長に劈
開し、30%の反射率の前端面コーティング膜を施し、
75%の反射率の後端面コーティング膜を形成すれば、
閾値電流7mA.スロープ効率0.42W/Aの半導体
レーザ素子が得られる。スロープ効率とは、発振後の注
入電流に対する前端面から光出力の増加率で定義する。
また、内部損失は、13cm−1であった。以上の例に
おいて、半導体材料はInGaAlAs系を用いてもよ
く、一般にIII−V族半導体でも同様に実施すること
ができる。
開し、30%の反射率の前端面コーティング膜を施し、
75%の反射率の後端面コーティング膜を形成すれば、
閾値電流7mA.スロープ効率0.42W/Aの半導体
レーザ素子が得られる。スロープ効率とは、発振後の注
入電流に対する前端面から光出力の増加率で定義する。
また、内部損失は、13cm−1であった。以上の例に
おいて、半導体材料はInGaAlAs系を用いてもよ
く、一般にIII−V族半導体でも同様に実施すること
ができる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】第1の問題点は、従来
の技術において、InGaAsPバルクキャリア再結合
層115を成長する際、p−InPブロック層14の上
の(100)面上のみならず、(111)B面上にも2
0nmのInGaAsPが成長し、光導波路の内部損失
が増大し、閾値電流の上昇、スロープ効率の低下を招く
ことである。のそ理由は、(111)B面上のInGa
AsPが活性層から0.2μmの距離にまでせまるた
め、光のフィールドが斜面上のInGaAsPにひっか
かる為である。
の技術において、InGaAsPバルクキャリア再結合
層115を成長する際、p−InPブロック層14の上
の(100)面上のみならず、(111)B面上にも2
0nmのInGaAsPが成長し、光導波路の内部損失
が増大し、閾値電流の上昇、スロープ効率の低下を招く
ことである。のそ理由は、(111)B面上のInGa
AsPが活性層から0.2μmの距離にまでせまるた
め、光のフィールドが斜面上のInGaAsPにひっか
かる為である。
【0009】第2の問題点は、キャリア再結合層におい
て、十分なキャリア再結合効率が得られないために、高
電流注入時に電流ブロック層が十分な機能を果たさず、
高出力飽和をひきおこすことである。その理由は、バル
クの再結合効率が悪いからである。
て、十分なキャリア再結合効率が得られないために、高
電流注入時に電流ブロック層が十分な機能を果たさず、
高出力飽和をひきおこすことである。その理由は、バル
クの再結合効率が悪いからである。
【0010】本発明は、ASM−RIB−PBH−LD
において、キャリア再結合層の機能を生かしつつ、キャ
リア再結合層が内部損失の原因とならないようにして、
低閾値電流化、光スロープ効率化を実現することを目的
とする。
において、キャリア再結合層の機能を生かしつつ、キャ
リア再結合層が内部損失の原因とならないようにして、
低閾値電流化、光スロープ効率化を実現することを目的
とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明の光半導体装置
は、p型の半導体結晶上に選択成長で形成した活性層を
有する光導波路が形成されており、この光導波路の左右
にp−n−pブロック層が形成され、さらに光導波路お
よびp−n−pブロック層の上部にn−クラッド層が形
成された構造で、p−n−pブロック層とn−クラッド
層の間に、多重量子井戸あるいは歪多重量子井戸キャリ
ア再結合層が挿入したことを特徴とする。なお、多重量
子井戸あるいは歪多重量子井戸は分離閉じ込めヘテロ構
造を有していてもよい。また、光導波路内の活性層は、
多重量子井戸あるいは歪多重量子井戸である。また、キ
ャリア再結合層と活性層がこれらより薄い多重量子井戸
あるいは歪多重量子井戸でつながっている。半導体結晶
基板の表面の面方位は(100)であり、光導波路の方
向は[011]方向である。半導体としてはIII−V
族化合物半導体を用いる。
は、p型の半導体結晶上に選択成長で形成した活性層を
有する光導波路が形成されており、この光導波路の左右
にp−n−pブロック層が形成され、さらに光導波路お
よびp−n−pブロック層の上部にn−クラッド層が形
成された構造で、p−n−pブロック層とn−クラッド
層の間に、多重量子井戸あるいは歪多重量子井戸キャリ
ア再結合層が挿入したことを特徴とする。なお、多重量
子井戸あるいは歪多重量子井戸は分離閉じ込めヘテロ構
造を有していてもよい。また、光導波路内の活性層は、
多重量子井戸あるいは歪多重量子井戸である。また、キ
ャリア再結合層と活性層がこれらより薄い多重量子井戸
あるいは歪多重量子井戸でつながっている。半導体結晶
基板の表面の面方位は(100)であり、光導波路の方
向は[011]方向である。半導体としてはIII−V
族化合物半導体を用いる。
【0012】
【発明の実施の形態】次に本発明について図面を参照し
て詳細に説明する。図1は本発明の第1の実施の形態を
示す断面図である。(100)面のp型InP基板1の
上に、全面にp−InPバッファー層2が0.4μmあ
り、その上に、[011]方向のストライプ状に、p−
InPクラッド層4を50nm、SCH−歪MQW層5
を160nm、n−InPクラッド層10を200n
m、順次成長した選択成長部がある。この選択成長部
は、底辺が1.5μm幅で、側面が(111)B面の台
形形状をしている。この中のSCH−歪MQW層5のバ
ンドダイアグラムを図4に示す。歪MQW層をはさん
で、バンドギャップ波長が1.05μmのn−In0.9
Ga0.1 As0.22P0.78ガイド層6と、n−In0.9 G
a0.1 As0.22P0.78ガイド層9が、50nmづつあ
り、導波光を閉じ込める機能を有している。歪MQW層
は、4.5nmの厚さの1%圧縮歪In0.9 Ga0.1 A
s0.52P0.48ウェル層7を5層有し、その間にはバンド
ギャップ波長が1.05μmの無歪のIn0.9 Ga0.1
As0.22P0.78バリア層8が10nmづつ配置されてい
る。
て詳細に説明する。図1は本発明の第1の実施の形態を
示す断面図である。(100)面のp型InP基板1の
上に、全面にp−InPバッファー層2が0.4μmあ
り、その上に、[011]方向のストライプ状に、p−
InPクラッド層4を50nm、SCH−歪MQW層5
を160nm、n−InPクラッド層10を200n
m、順次成長した選択成長部がある。この選択成長部
は、底辺が1.5μm幅で、側面が(111)B面の台
形形状をしている。この中のSCH−歪MQW層5のバ
ンドダイアグラムを図4に示す。歪MQW層をはさん
で、バンドギャップ波長が1.05μmのn−In0.9
Ga0.1 As0.22P0.78ガイド層6と、n−In0.9 G
a0.1 As0.22P0.78ガイド層9が、50nmづつあ
り、導波光を閉じ込める機能を有している。歪MQW層
は、4.5nmの厚さの1%圧縮歪In0.9 Ga0.1 A
s0.52P0.48ウェル層7を5層有し、その間にはバンド
ギャップ波長が1.05μmの無歪のIn0.9 Ga0.1
As0.22P0.78バリア層8が10nmづつ配置されてい
る。
【0013】最初の選択成長部の両サイドには、この選
択成長部の上面のみを成長阻止するようにして選択成長
した成長層があり、下から順次、p−InP埋込層12
が0.15μm、n−InPブロック層13が0.4μ
m、p−InPブロック層14が1.2μm、SCH−
MQWキャリア再結合層15が0.1μmとなってい
る。
択成長部の上面のみを成長阻止するようにして選択成長
した成長層があり、下から順次、p−InP埋込層12
が0.15μm、n−InPブロック層13が0.4μ
m、p−InPブロック層14が1.2μm、SCH−
MQWキャリア再結合層15が0.1μmとなってい
る。
【0014】これらの2回の選択成長の上部を埋め込む
形で、n−InPクラッド埋込層17が、n−InPク
ラッド層10からみて上に2μmあり、その上部にn−
InGaAsPコンタクト層18が0.4μmある。更
に、上面を全面おおう表面電極19と、p型InP基板
1の下に、裏面電極20がある構成となっている。
形で、n−InPクラッド埋込層17が、n−InPク
ラッド層10からみて上に2μmあり、その上部にn−
InGaAsPコンタクト層18が0.4μmある。更
に、上面を全面おおう表面電極19と、p型InP基板
1の下に、裏面電極20がある構成となっている。
【0015】次に、本発明の実施の形態の製造方法につ
いて、図2(a)〜(c)を参照して詳細に説明する。
まず、最初に、表面の面方位が(100)面のp型In
P基板1上全面に、MO−VPE法により、p−InP
バッファー層2を2μmを成長する。III族の原料ガ
スは、TMI、TMGである。V族の原料ガスは、As
H3とPH3である。ドーピングについては、適宜、S
i2H6、DMZnガスを用いる。最初のMO−VPE
成長の後、二酸化シリコン膜を100nmの厚さで全面
形成し、フォトリソグラフィとドライエッチングによ
り、[011]方向の1.5μm幅ストライプ開口部を
形成する。この二酸化シリコン膜3を成長阻止マスクと
して、図2(a)のように、p−InPクラッド層4を
50nm、発光波長が1.3μmのSCH−歪MQW層
5を160nm、n−InPクラッド層10を200n
m選択成長する。SCH−歪MQW層5の成長は、図4
のバンドダイアグラム図に示すように、バンドギャップ
波長が1.05μmのn−In0.9 Ga0.1 As0.22P
0.78ガイド層6を50nm成長し、次に、4.5nmの
厚さの1%圧縮歪In0.9 Ga0.1 As0.52P0.48ウェ
ル層7が5層でバンドギャップ波長が1.05μmの無
歪のIn0.9 Aa0.1 As0.22P0.78バリア層8が10
nmの歪MQW層を成長し、さらに、バンドギャップ波
長が1.05μmのIn0.9 Ga0.1 As0.22P0.78ガ
イド層9を50nm成長する。
いて、図2(a)〜(c)を参照して詳細に説明する。
まず、最初に、表面の面方位が(100)面のp型In
P基板1上全面に、MO−VPE法により、p−InP
バッファー層2を2μmを成長する。III族の原料ガ
スは、TMI、TMGである。V族の原料ガスは、As
H3とPH3である。ドーピングについては、適宜、S
i2H6、DMZnガスを用いる。最初のMO−VPE
成長の後、二酸化シリコン膜を100nmの厚さで全面
形成し、フォトリソグラフィとドライエッチングによ
り、[011]方向の1.5μm幅ストライプ開口部を
形成する。この二酸化シリコン膜3を成長阻止マスクと
して、図2(a)のように、p−InPクラッド層4を
50nm、発光波長が1.3μmのSCH−歪MQW層
5を160nm、n−InPクラッド層10を200n
m選択成長する。SCH−歪MQW層5の成長は、図4
のバンドダイアグラム図に示すように、バンドギャップ
波長が1.05μmのn−In0.9 Ga0.1 As0.22P
0.78ガイド層6を50nm成長し、次に、4.5nmの
厚さの1%圧縮歪In0.9 Ga0.1 As0.52P0.48ウェ
ル層7が5層でバンドギャップ波長が1.05μmの無
歪のIn0.9 Aa0.1 As0.22P0.78バリア層8が10
nmの歪MQW層を成長し、さらに、バンドギャップ波
長が1.05μmのIn0.9 Ga0.1 As0.22P0.78ガ
イド層9を50nm成長する。
【0016】2回目のMO−VPE成長で形成した選択
成長部は、(100)面と(111)B面で囲まれた台
形形状になっている。この上全面に、二酸化シリコン膜
を450nm堆積させる。この時、選択成長部の(11
1)B面上では二酸化シリコン膜の厚さは360nmと
なる。これを希釈したバッファード弗酸により全面エッ
チングし、斜面上では、二酸化シリコン膜が完全に除去
され、台形の上部には40nm二酸化シリコン膜が残る
ようにする。次に、選択成長部をまたぐ形で、5μm幅
で、ポジレジストをフォトリソグラフィにより形成し、
バッファード弗酸により、二酸化シリコン膜をエッチン
グする。このエッチングにより、p−InPバッファー
層2の上の(100)面上の二酸化シリコン膜は、サイ
ドエッチングにより完全に除去されるが、(111)B
面で二酸化シリコン膜がとぎれているため、選択成長部
の上の(100)面上の二酸化シリコン膜は、サイドエ
ッチングされることなく残すことができる。サイドエッ
チング後、レジスト除去すると、図2(b)のように、
セルフアライン的に、リッジトップに二酸化シリコン膜
11が40nm残ることになる。
成長部は、(100)面と(111)B面で囲まれた台
形形状になっている。この上全面に、二酸化シリコン膜
を450nm堆積させる。この時、選択成長部の(11
1)B面上では二酸化シリコン膜の厚さは360nmと
なる。これを希釈したバッファード弗酸により全面エッ
チングし、斜面上では、二酸化シリコン膜が完全に除去
され、台形の上部には40nm二酸化シリコン膜が残る
ようにする。次に、選択成長部をまたぐ形で、5μm幅
で、ポジレジストをフォトリソグラフィにより形成し、
バッファード弗酸により、二酸化シリコン膜をエッチン
グする。このエッチングにより、p−InPバッファー
層2の上の(100)面上の二酸化シリコン膜は、サイ
ドエッチングにより完全に除去されるが、(111)B
面で二酸化シリコン膜がとぎれているため、選択成長部
の上の(100)面上の二酸化シリコン膜は、サイドエ
ッチングされることなく残すことができる。サイドエッ
チング後、レジスト除去すると、図2(b)のように、
セルフアライン的に、リッジトップに二酸化シリコン膜
11が40nm残ることになる。
【0017】この後、二酸化シリコン膜11を成長阻止
マスクとして、p−InP埋込層12を0.15μm、
n−InPブロック層13を0.4μm、p−InPブ
ロック層14を1.2μm、SCH−MQWキャリア再
結合層15を0.1μm、n−InP層16を0.2μ
m成長し、図2(c)のような形状とする。SCH−M
QWキャリア再結合層15は、上下がバンドキャップ波
長1.05μmで30nm層厚のInGaAsPではさ
まれた、3nm厚さの1.3μmバンドキャップ波長の
InGaAsPウェル、10nm厚さの1.05μmバ
ンドキャップ波長のInGaAsPバリアのMQWであ
り、ウェル層数は4層とする。ここで述べた厚さは、p
−InPブロック層14上の(100)面上での厚さで
あり、n−InPクラッド層10に向かって伸びている
(111)B面上においては、厚さが1/5になる。こ
のため、SCH−MQWキャリア再結合層15は、(1
00)面上においては、1.2μmの遷移波長をもつ
が、(111)B面上では1.07μmの遷移波長とな
る。しかも、(111)B面上においては、電子はウェ
ルの中に準位ができず、SCH−MQWキャリア再結合
層15全体に広がった波動関数となるが、正孔はウェル
の中に閉じ込められた波動関数となる。このため、(1
11)B面上のSCH−MQWキャリア再結合層15の
遷移確率は著しく低減する。
マスクとして、p−InP埋込層12を0.15μm、
n−InPブロック層13を0.4μm、p−InPブ
ロック層14を1.2μm、SCH−MQWキャリア再
結合層15を0.1μm、n−InP層16を0.2μ
m成長し、図2(c)のような形状とする。SCH−M
QWキャリア再結合層15は、上下がバンドキャップ波
長1.05μmで30nm層厚のInGaAsPではさ
まれた、3nm厚さの1.3μmバンドキャップ波長の
InGaAsPウェル、10nm厚さの1.05μmバ
ンドキャップ波長のInGaAsPバリアのMQWであ
り、ウェル層数は4層とする。ここで述べた厚さは、p
−InPブロック層14上の(100)面上での厚さで
あり、n−InPクラッド層10に向かって伸びている
(111)B面上においては、厚さが1/5になる。こ
のため、SCH−MQWキャリア再結合層15は、(1
00)面上においては、1.2μmの遷移波長をもつ
が、(111)B面上では1.07μmの遷移波長とな
る。しかも、(111)B面上においては、電子はウェ
ルの中に準位ができず、SCH−MQWキャリア再結合
層15全体に広がった波動関数となるが、正孔はウェル
の中に閉じ込められた波動関数となる。このため、(1
11)B面上のSCH−MQWキャリア再結合層15の
遷移確率は著しく低減する。
【0018】次に、最初の選択成長部上にある二酸化シ
リコン膜11を除去後、n−InPクラッド埋込層17
をn−InPクラッド層10の上2μm成長し、続け
て、n+−InGaAsPコンタクト層18を0.4μ
m成長する。次に、表面電極19を蒸着法やスパッタ法
で形成して、100μm厚さに裏面研磨を行い、裏面電
極20を全面形成して図1に示すASM−RIB−PB
Hレーザが得られる。
リコン膜11を除去後、n−InPクラッド埋込層17
をn−InPクラッド層10の上2μm成長し、続け
て、n+−InGaAsPコンタクト層18を0.4μ
m成長する。次に、表面電極19を蒸着法やスパッタ法
で形成して、100μm厚さに裏面研磨を行い、裏面電
極20を全面形成して図1に示すASM−RIB−PB
Hレーザが得られる。
【0019】このようにして得られたASM−RIB−
PBHレーザの作用を詳しく説明しよう。ASM−RI
B−PBHレーザにおいて、キャリア再結合層をSCH
−MQW層とすることにより、ウェル厚は(100)面
上に対して厚く(111)B面上で薄くなるため、遷移
エネルギーを(100)面に対して、(111)B面で
大きくとることができる。このため、(100)面で
は、遷移波長を活性層の発光波長1.3μmに近づけ
て、有効にキャリア再結合を行わせることができつつ、
位置的に活性層に使い(111)B面上では、遷移波長
を小さくして、活性層の導波光の吸収を無視できるほど
小さくすることができる。
PBHレーザの作用を詳しく説明しよう。ASM−RI
B−PBHレーザにおいて、キャリア再結合層をSCH
−MQW層とすることにより、ウェル厚は(100)面
上に対して厚く(111)B面上で薄くなるため、遷移
エネルギーを(100)面に対して、(111)B面で
大きくとることができる。このため、(100)面で
は、遷移波長を活性層の発光波長1.3μmに近づけ
て、有効にキャリア再結合を行わせることができつつ、
位置的に活性層に使い(111)B面上では、遷移波長
を小さくして、活性層の導波光の吸収を無視できるほど
小さくすることができる。
【0020】たとえば、SCH−MQWのSCH層とバ
リア層を1.05μmのバンドキャップ波長のInGa
AsPとし、ウェルを1.3μmのバンドキャップ波長
のInGaAsPとする。ここで、(100)面上でウ
ェル厚が3nmのとき、(111)B面上では0.6n
mの厚さとなるため、(100)面上でMQWの遷移波
長は1.2μmとなるが、(111)B面上ではウェル
内に電子準位ができなくなる。従って、(100)面上
では、実効的にバンドキャップ波長が1.2μmと、活
性層の発光波長の1.3μmに近く、キャリア再結合層
として有効に機能させることができるのに対し、(11
1)B面上では、光吸収が、主に、SCH、バリアの
1.05μmのバンドキャップ波長のところで発生する
ため、1.3μm発振光の吸収は無視できるほど小さく
なる。従って、キャリア再結合層によるpnpnサイリ
スタ構造のターンオンの防止は、(100)面上の層に
おいて達成されつつ、同時に、導波光の内部損失を著る
しく低減できる。
リア層を1.05μmのバンドキャップ波長のInGa
AsPとし、ウェルを1.3μmのバンドキャップ波長
のInGaAsPとする。ここで、(100)面上でウ
ェル厚が3nmのとき、(111)B面上では0.6n
mの厚さとなるため、(100)面上でMQWの遷移波
長は1.2μmとなるが、(111)B面上ではウェル
内に電子準位ができなくなる。従って、(100)面上
では、実効的にバンドキャップ波長が1.2μmと、活
性層の発光波長の1.3μmに近く、キャリア再結合層
として有効に機能させることができるのに対し、(11
1)B面上では、光吸収が、主に、SCH、バリアの
1.05μmのバンドキャップ波長のところで発生する
ため、1.3μm発振光の吸収は無視できるほど小さく
なる。従って、キャリア再結合層によるpnpnサイリ
スタ構造のターンオンの防止は、(100)面上の層に
おいて達成されつつ、同時に、導波光の内部損失を著る
しく低減できる。
【0021】また、(111)B面上で、電子準位は、
ウェルから追い出されるが、ホール準位は、まだ、ウェ
ル内にあるため、電子とホールの波動関数の重なりが小
さくなることにより、キャリアの再結合確率が小さくな
る。このため、活性層のそばの、(111)B面のキャ
リア再結合層において、キャリア再結合が過度に進行し
てリーク電流が増大するというようなことが、防止でき
る。以上により、閾値電流の低減、スロープ効率の向
上、最大光出力の向上、温度特性の向上が達成される。
ウェルから追い出されるが、ホール準位は、まだ、ウェ
ル内にあるため、電子とホールの波動関数の重なりが小
さくなることにより、キャリアの再結合確率が小さくな
る。このため、活性層のそばの、(111)B面のキャ
リア再結合層において、キャリア再結合が過度に進行し
てリーク電流が増大するというようなことが、防止でき
る。以上により、閾値電流の低減、スロープ効率の向
上、最大光出力の向上、温度特性の向上が達成される。
【0022】このウェハーを共振器長300μm長に劈
開し、30%の反射率の前端面コーティング膜を施し、
75%の反射率の後端面コーティング膜を形成して、高
出力特性を評価すると、閾値電流5mA、スロープ効率
0.5W/Aの半導体レーザが得られた。また、150
μm長に劈開し、前方80%、後方95%の反射膜をつ
けて評価すると、−40℃から80℃の間で、注入電流
30mA時の光出力変動が2bB以下であった。
開し、30%の反射率の前端面コーティング膜を施し、
75%の反射率の後端面コーティング膜を形成して、高
出力特性を評価すると、閾値電流5mA、スロープ効率
0.5W/Aの半導体レーザが得られた。また、150
μm長に劈開し、前方80%、後方95%の反射膜をつ
けて評価すると、−40℃から80℃の間で、注入電流
30mA時の光出力変動が2bB以下であった。
【0023】さらに第1の実施の形態の変形例として、
SCH−MQWキャリア再結合層15のSCHを無く
し、バリア層をInPとすることもできる。このとき、
ウェル組成を1.2μmとすれば、(111)B面上で
電子の量子準位がなくなり、InPにあふれるため、実
効的に(111)B面上から、キャリア再結合層を無く
すことができる。このため、この変形例では、キャリア
再結合層による内部損失が全く無くなるという利点があ
る。ただし、(100)面上のキャリア再結合層もバン
ドキャップが大きくなるため、キャリア再結合結果を確
保するため、ウェル層数は10層とする必要がある。
SCH−MQWキャリア再結合層15のSCHを無く
し、バリア層をInPとすることもできる。このとき、
ウェル組成を1.2μmとすれば、(111)B面上で
電子の量子準位がなくなり、InPにあふれるため、実
効的に(111)B面上から、キャリア再結合層を無く
すことができる。このため、この変形例では、キャリア
再結合層による内部損失が全く無くなるという利点があ
る。ただし、(100)面上のキャリア再結合層もバン
ドキャップが大きくなるため、キャリア再結合結果を確
保するため、ウェル層数は10層とする必要がある。
【0024】次に、本発明の第2の実施の形態について
図3を参照して説明する。第1の実施の形態では最初の
選択成長で、最上部をn−InPクラッド層10を成長
しているが、本実施の形態では、図3のように、これを
成長しない。また、第1の実施の形態のSCH−MQW
キャリア再結合層15のかわりに、SCH−歪MQWキ
ャリア再結合層215を挿入する。あとは、第1の実施
の形態と全く同様である。
図3を参照して説明する。第1の実施の形態では最初の
選択成長で、最上部をn−InPクラッド層10を成長
しているが、本実施の形態では、図3のように、これを
成長しない。また、第1の実施の形態のSCH−MQW
キャリア再結合層15のかわりに、SCH−歪MQWキ
ャリア再結合層215を挿入する。あとは、第1の実施
の形態と全く同様である。
【0025】本実施の形態では、キャリア再結合層とし
て歪MQWを用いるため、キャリア再結合効率を更に向
上する利点がある。また、SCH−歪MQW層5上のn
−InPクラッド層がないため、(111)B面上のS
CH−歪MQWキャリア再結合層215と活性層である
SCH−歪MQW層5が接続し、注入されたキャリア
が、(111)B面上のSCH−歪MQWキャリア再結
合層215を通って、漏れずに活性層に注入される利点
がある。
て歪MQWを用いるため、キャリア再結合効率を更に向
上する利点がある。また、SCH−歪MQW層5上のn
−InPクラッド層がないため、(111)B面上のS
CH−歪MQWキャリア再結合層215と活性層である
SCH−歪MQW層5が接続し、注入されたキャリア
が、(111)B面上のSCH−歪MQWキャリア再結
合層215を通って、漏れずに活性層に注入される利点
がある。
【0026】以上の実施の形態では、InGaAsP/
InP系の半導体材料について述べたが、InGaAs
Pなど、その他の化合物半導体にも適用できる。また、
以上のような構造は、選択成長技術を用いているため、
容易にスポットサイズ変換素子や、変調集積型DFB−
LDに応用することができる。
InP系の半導体材料について述べたが、InGaAs
Pなど、その他の化合物半導体にも適用できる。また、
以上のような構造は、選択成長技術を用いているため、
容易にスポットサイズ変換素子や、変調集積型DFB−
LDに応用することができる。
【0027】
【発明の効果】本発明の第1の効果は、導波光の内部損
失を低減でき、従来の13cm−1に対し、8cm−1
にできたことである。これに付随して、閾値電流の低
減、スロープ効率の向上が達成できた。その理由は、従
来の活性層の近くまで、キャリア再結合層のバンドキャ
ップの小さい層が伸びており、光の内部損失の原因にな
っていたのに対し、MQWにすることにより、活性層の
近くの(111)B面上のキャリア再結合層のバンドキ
ャップが大きいため、内部損失として無視できるように
なるからである。
失を低減でき、従来の13cm−1に対し、8cm−1
にできたことである。これに付随して、閾値電流の低
減、スロープ効率の向上が達成できた。その理由は、従
来の活性層の近くまで、キャリア再結合層のバンドキャ
ップの小さい層が伸びており、光の内部損失の原因にな
っていたのに対し、MQWにすることにより、活性層の
近くの(111)B面上のキャリア再結合層のバンドキ
ャップが大きいため、内部損失として無視できるように
なるからである。
【0028】第2の効果は、キャリア再結合層の再結合
効率を向上させることができたため、ブロック層におけ
るチャージアップを無くすことができ、pnpnサイリ
スタ構造のブロック層のターンオンを完全に防止できる
ようになった。この結果、漏れ電流を無くすことがで
き、高温特性、高出力特性を向上することができた。飽
和電流は、従来例に対して、10%から20%向上させ
ることができた。その理由は、キャリア再結合層とし
て、バルクのかわりに、MQWもしくは歪MQWを用い
ているため、キャリア再結合層の遷移確率、状態密度が
向上するためである。
効率を向上させることができたため、ブロック層におけ
るチャージアップを無くすことができ、pnpnサイリ
スタ構造のブロック層のターンオンを完全に防止できる
ようになった。この結果、漏れ電流を無くすことがで
き、高温特性、高出力特性を向上することができた。飽
和電流は、従来例に対して、10%から20%向上させ
ることができた。その理由は、キャリア再結合層とし
て、バルクのかわりに、MQWもしくは歪MQWを用い
ているため、キャリア再結合層の遷移確率、状態密度が
向上するためである。
【図1】本発明の半導体レーザの第1の実施の形態を示
す断面図である。
す断面図である。
【図2】(a)〜(c)は本発明の半導体レーザの第1
の実施の形態の製造工程を示す断面図である。
の実施の形態の製造工程を示す断面図である。
【図3】本発明の第2の実施の形態を示す断面図であ
る。
る。
【図4】半導体レーザのバンドダイアグラム図である。
【図5】従来の半導体レーザを示す断面図である。
1 p型InP基板 2 p−InPバッファー層 3,11 二酸化シリコン膜 4 p−InPクラッド層 5 SCH−歪MQW層 6 n−In0.9 Ga0.1 As0.22P0.78ガイド層 7 圧縮歪In0.9 Ga0.1 As0.52P0.48ウェル層 8 In0.9 Ga0.1 As0.22P0.78バリア層 9 In0.9 Ga0.1 As0.22P0.78ガイド層 10 n−InPクラッド層 12 p−InP埋込層 13 n−InPブロック層 14 p−InPブロック層 15 SCH−MQWキャリア再結合層 16 n−InP層 17 n−InPクラッド埋込層 18 n+−InGaAsPコンタクト層 19 表面電極 20 裏面電極 115 InGaAsPバルクキャリア再結合層 215 SCH−歪MQWキャリア再結合層
Claims (6)
- 【請求項1】 p型の半導体結晶上に選択成長で形成し
た活性層を有する光導波路が形成されており、この光導
波路の左右にp−n−pブロック層が形成され、また前
記光導波路とp−n−pブロック層の上部にn−クラッ
ド層が形成された構造で、前記p−n−pブロック層と
n−クラッド層の間に、多重量子井戸あるいは歪多重量
子井戸キャリア再結合層が挿入されていることを特徴と
する光半導体装置。 - 【請求項2】 p型の半導体結晶上に選択成長で形成し
た活性層を有する光導波路が形成されており、この光導
波路の左右にp−n−pブロック層が形成され、また前
記光導波路とp−n−pブロック層の上部にn−クラッ
ド層が形成された構造で、前記p−n−pブロック層と
n−クラッド層の間に、分離閉じ込めヘテロ構造の多重
量子井戸あるいは歪多重量子井戸キャリア再結合層が挿
入されていることを特徴とする光半導体装置。 - 【請求項3】 前記光導波路内の活性層が、多重量子井
戸あるいは歪多重量子井戸であることを特徴とする請求
項1または2記載の光半導体装置。 - 【請求項4】 前記キャリア再結合層と前記活性層がつ
ながっていることを特徴とする請求項1,請求項2また
は請求項3記載の光半導体装置。 - 【請求項5】 前記半導体がIII−V族化合物半導体
であることを特徴とする請求項1,請求項2,請求項3
または請求項4記載の光半導体装置。 - 【請求項6】 前記半導体結晶基板の表面の面方位が
(100)であり、前記光導波路のストライプ方向が
[011]方向であることを特徴とする請求項1,請求
項2,請求項3,請求項4または請求項5記載の光半導
体装置。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP7369096A JP2982685B2 (ja) | 1996-03-28 | 1996-03-28 | 光半導体装置 |
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