JPH10270787A

JPH10270787A - 多重量子井戸構造光半導体装置およびその製造方法

Info

Publication number: JPH10270787A
Application number: JP6863197A
Authority: JP
Inventors: Takuo Morimoto; 卓夫森本
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1997-03-21
Filing date: 1997-03-21
Publication date: 1998-10-09
Anticipated expiration: 2017-03-21
Also published as: JP2933051B2

Abstract

(57)【要約】【課題】歪補償ＭＱＷにおいて、大きな歪量において
も結晶性を向上し、かつホールキャリアの均一注入を実
現し得る光半導体装置を提供する。【解決手段】ｎ型ＩｎＰ基板上にｎ−ＩｎＧａＡｓＰ
ガイド層、歪ＭＱＷ層、ＩｎＧａＡｓＰガイド層がある
半導体レーザ用の活性層において、圧縮歪ＩｎＡｓ_yＰ
_1-yウェル層６と引っ張り歪Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓＰバリア
層７との間に薄膜の無歪Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓ_yＰ_1-y中間層
８を挿入し、ウェル層６と中間層８の組成ｙを等しくす
るとともに、バリア層７と中間層８の組成ｘを等しくす
る。これにより、ＭＯ−ＶＰＥ成長時の界面切り換えが
単純になり、結晶性が向上する。また、圧縮歪ウェルと
引っ張り歪バリアのライトホールバンド端を等しくし、
歪ＭＱＷ層内のライトホール準位を単一にしてライトホ
ールがバルクライクに振る舞うようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば半導体レー
ザ等に代表される、多重量子井戸構造を有する光半導体
装置とその製造方法に関し、特に、井戸層と障壁層に互
いに逆方向の歪が掛かった歪多重量子井戸構造を有する
光半導体装置とその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】多重量子井戸構造（Multi-Quantum Wel
l, 以下、ＭＱＷ構造という）を活性層とする半導体レ
ーザでは、井戸層（以下、ウェル層という）に基板の格
子定数と異なる格子定数を持つ結晶を用いることにより
活性層に歪応力を加えると、光出力特性が大幅に向上す
ることが知られている。この時、障壁層（以下、バリア
層という）に井戸層の歪と逆方向の歪を加えて歪応力の
蓄積を防止し、結晶欠陥が導入されないようにする試み
が最近よく行われている。この技術を一般に歪補償と呼
んでいる。

【０００３】歪補償の例としては、ＧａＡｓ基板上のＩ
ｎＧａＡｓ圧縮歪ウェル層、ＧａＡｓＰ引っ張り歪バリ
ア層を有する「半導体光素子」が特開平３−３３８４号
公報に開示されている。また、１９９５年、ジャーナル
・オブ・アプライド・フィジックス、第１５巻、H.Ooha
shi,et al,"1.3μm InAsP compressively strained mul
tiple-quantum-well lasers for high-temperature ope
ration",(J.Appl.Phys.,15,p.4119(1995))には、ＩｎＡ
ｓ_0.52Ｐ_0.48圧縮歪ウェル層と、−０．６％歪で１．１
μｍのバンドギャップに対応するＩｎＧａＡｓＰバリア
層の組み合わせによる歪補償ＭＱＷが提示されている。
また、これと同様の歪ＭＱＷを用いたものとして、１９
９５年電子情報通信学会予稿集、大橋他、「高温動作用
ＩｎＰ系圧縮歪ＭＱＷレーザ」では、優れた高温特性が
報告されている。

【０００４】ウェル層に圧縮歪を加えた場合、バリア層
に引っ張り歪を加えることは、単に歪補償の効果だけで
はなく、バンドラインナップの変化によりキャリア注入
の振る舞いを向上させるという効果も持つ。引っ張り歪
バリア層は電子の障壁を高くするので、有効質量の軽い
電子のオーバーフローを防止し、また、正孔（以下、ホ
ールという）の障壁を低くするので、有効質量の重いホ
ールが各ウェル層に均一に注入されるようになる。

【０００５】ところが、このような歪補償においては、
ウェル層／バリア層界面において大きな格子定数の違い
が生じ、この界面から結晶欠陥が入りやすいという欠点
がある。そこで、この問題を回避するために、ウェル層
とバリア層の間に格子定数が両者の中間にある層を挿入
することによって格子定数の急激な変化をなくす試みが
行われている。１９９５年発行、エレクトロニクス・レ
ターズ、第３１巻、A.Ougazzaden, A.Mircea and C.Kaz
mierski,"High temperature characteristic To and lo
w threshold current density of 1.3μm InAsP/InGaP/
InP compensated strain multiquantum well structure
lasers",(Electronics Letters,31,p.803(1995)) で
は、１．７％の圧縮歪ＩｎＡｓＰウェル層と−１．４％
の引っ張り歪ＩｎＧａＰバリア層の間に２原子層のＩｎ
Ｐ層を挿入することにより、結晶の品質を向上させてい
る。ここで用いられている歪ＭＱＷとその周囲の断面構
造は図１６に示す通りであり、圧縮歪ＩｎＡｓ_yＰ_1-yウ
ェル層６と引っ張り歪ＩｎＧａＰバリア層２０７の間に
ＩｎＰ挿入層１０８が挿入されている。

【０００６】そして、この歪ＭＱＷで用いられている材
料の組成を示したものが図１７である。この材料系の場
合、圧縮歪ＩｎＡｓ_yＰ_1-yウェル層６とＩｎＰ挿入層１
０８の間ではＡｓが有るか無いかだけの違いであり、Ｉ
ｎＰ挿入層１０８と引っ張り歪ＩｎＧａＰバリア層２０
７の間ではＧａの有無の違いしかなく、結晶成長時の界
面切り換えが容易である。また、この歪ＭＱＷのバンド
ダイアグラム図を図１８に示す。この構造では引っ張り
歪ＩｎＧａＰバリア層２０７という高いバリアを用いて
いるため、有効質量の重いホールが各ウェル層に均一に
注入されない。このため、この構造は良好な結晶性を有
しているにもかかわらず、半導体レーザを構成したと
き、発振閾値が充分下がらず、内部微分量子効率も今一
つ大きな値が得られない。

【０００７】このように、ＩｎＧａＰ／ＩｎＰ／ＩｎＡ
ｓＰ系ではバリアが高すぎるという問題があったが、特
開平８−１１６１２９号公報に開示された「多重量子井
戸構造半導体レーザ」では、この種の問題が生じない方
法を提案している。以下、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における歪ＭＱＷとそ
の周辺は、図１３に示すような断面構造となっている。

【０００８】なお、その製造工程において、ＩｎＰ／Ｉ
ｎＧａＡｓＰのエピタキシャル成長は有機金属気相結晶
成長（Metal Organic Vapor Phase Epitaxy,以下、ＭＯ
−ＶＰＥと記す）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と記す）、ト
リメチルガリウム（以下、ＴＭＧと記す）、トリメチル
アルミニウム（以下、ＴＭＡｌと記す）、アルシン（以
下、ＡｓＨ₃と記す）、フォスフィン（以下、ＰＨ₃と
記す）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と記す）、ジメチルジンク（以下、ＤＭＺｎと
記す）を水素で希釈したガスを用いる。

【０００９】まず最初に、表面の面方位が（１００）面
のｎ型ＩｎＰ基板１上に、ｎ−ＩｎＰバッファー層２を
０．５μｍ成長させた後、組成がＩｎ_0.84Ｇａ_0.16Ａｓ
_0.35Ｐ_0.65の無歪のｎ−ＩｎＧａＡｓＰガイド層３を５
０〜１００ｎｍ、歪ＭＱＷ層５を順次成長させる。歪Ｍ
ＱＷ層５は、５層の圧縮歪Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓ_yＰ_1-yウェ
ル層２０６と、その間に無歪Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓ_yＰ_1-y中
間層８で挟まれた引っ張り歪Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓ_yＰ_1-yバ
リア層１０７が配置されたものである。具体的には、圧
縮歪Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓ_yＰ_1-yウェル層２０６は、４ｎｍ
の厚さで１．４％歪のアンドープＩｎ_0.96Ｇａ_0.04Ａｓ
_0.54Ｐ_0.46である。引っ張り歪Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓ_yＰ
_1-yバリア層１０７は、６ｎｍの厚さで−０．６％歪の
アンドープＩｎ_0.71Ｇａ_0.29Ａｓ_0.46Ｐ_0.54である。無
歪Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓ_yＰ_1-y中間層８は、２ｎｍの厚さの
Ｉｎ_0.84Ｇａ_0.16Ａｓ_0.35Ｐ_0.65である。

【００１０】そして、この歪ＭＱＷ層５の上に、組成が
ｎ−ＩｎＧａＡｓＰガイド層３と等しいＩｎＧａＡｓＰ
ガイド層１０を成長させる。さらに、ｐ−ＩｎＰクラッ
ド層１１を成長させる。

【００１１】この歪ＭＱＷ構造を用いて、共振器長３０
０μｍで、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施した半
導体レーザを作成すると、閾値電流６ｍＡ、スロープ効
率０．６Ｗ／Ａの半導体レーザ素子が得られる。なお、
スロープ効率とは、発振後の注入電流に対する前端面か
らの光出力の増加率として定義される。

【００１２】上記の歪ＭＱＷでは、応力補償が可能であ
り、かつ、界面での大きな格子定数の変化がないため、
１．４％といった大きな歪量も可能となる。しかしなが
ら、例えばＩｎ_0.96Ｇａ_0.04Ａｓ_0.54Ｐ_0.46のウェル
層２０６、Ｉｎ_0.84Ｇａ_0.16Ａｓ_0.35Ｐ_0.65の中間層
８、Ｉｎ_0.71Ｇａ_0.29Ａｓ_0.46Ｐ_0.54のバリア層１０７
と順次形成していく際に全ての原子種の組成を切り換え
なければならず、その前に述べたＩｎＧａＰ／ＩｎＰ／
ＩｎＡｓＰ系のようには界面で切り換える原子種が少な
くない。そのため、界面での荒れ、偏析の影響が出やす
い。したがって、ＩｎＡｓＰウェルのように大きな歪量
を実現しようとすると、ＭＯ−ＶＰＥでは安定して製造
することが困難となる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】つまり、従来の歪ＭＱ
Ｗ構造を有する光半導体装置には、以下のような問題点
があった。第１の問題点は、応力歪補償型ＭＱＷのウェ
ル層／バリア層界面での格子定数の違いを緩和する目的
で中間層を挿入した場合、結晶成長における切り換え界
面が増加し、界面の悪影響を受けやすいということであ
る。ＩｎＧａＰ／ＩｎＰ／ＩｎＡｓＰのような系では界
面の切り換えが単純になるため、界面の問題は無視でき
るが、バリア障壁が高すぎるため、キャリア注入が均一
性良くできないという欠点がある。すなわち、従来の技
術においては、キャリア注入を阻害しないという点と界
面の切り換えを複雑にしないという点を両立させること
ができなかった。その結果、この構造を半導体レーザに
応用したとき、充分な光特性が得られなかった。その理
由は、界面の切り換えの問題では、ＭＯ−ＶＰＥにおけ
る原料供給の切り換え時にふらつきがあるため、界面で
の偏析が起きやすく、また、キャリア注入の問題では、
バリア障壁が高いと有効質量の重いホールはウェル間を
移動できず、ｐ側のウェル層に偏って不均一に注入され
るからである。

【００１４】第２の問題点は、ウェル層とバリア層の間
に中間層があることにより、キャリアの注入が充分均一
にならないということである。その理由は、一般に、中
間層のない圧縮歪ウェル／引っ張り歪バリアでは、ウェ
ル層内のヘビーホール準位とバリア層内のライトホール
バンド端のエネルギー差が小さくなるため、ホールが各
ウェル層間を動きやすくなり、ホールの注入が均一にな
るが、中間層がある場合にはその流れが阻害されるから
である。特に、ＩｎＧａＡｓＰ系の材料は、価電子帯の
バンド不連続が大きいため、ホールのキャリア注入の不
均一性がデバイス特性に大きな影響を及ぼしてしまう。

【００１５】本発明は、上記の課題を解決するためにな
されたものであって、ウェル層とバリア層の間に中間層
を挿入する応力歪補償型ＭＱＷ構造において、キャリア
注入を損なうことなく、界面の偏析、乱れ等の問題を解
消することを目的とする。また、他の目的は、歪ＭＱＷ
へのホール注入を均一にすることにある。そして、以上
の点に基づいて、歪ＭＱＷ半導体レーザの閾値電流の低
減、スロープ効率の向上、高出力、高温特性の向上を実
現し得る光半導体装置およびその製造方法を提供するこ
とを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明のＭＱＷ構造光半導体装置は、（１）基板
上に、III −Ｖ族化合物半導体からなるウェル層および
バリア層を有するＭＱＷ構造が設けられた光半導体装置
において、ウェル層とバリア層の間に中間層が設けら
れ、ウェル層と中間層はこれらの層を構成するIII −Ｖ
族化合物半導体のＶ族組成比が等しく、バリア層と中間
層はこれらの層を構成するIII −Ｖ族化合物半導体のII
I 族組成比が等しい、（２）前記中間層とIII −Ｖ族化
合物半導体からなる前記基板は、格子定数が等しい、
（３）前記基板がＩｎＰであり、前記バリア層がＩｎＧ
ａＡｓＰである、ことをそれぞれ特徴とするものであ
る。

【００１７】そして、本発明のＭＱＷ構造光半導体装置
の製造方法は、基板上にIII −Ｖ族化合物半導体からな
るウェル層およびバリア層を有するＭＱＷ構造を形成す
る光半導体装置の製造方法において、ウェル層とバリア
層の間に中間層を形成し、ウェル層と中間層を結晶成長
する間は、一定量のＶ族原料を供給するとともにIII族
原料の供給量のみを変化させ、中間層とバリア層を結晶
成長する間は、一定量のIII 族原料を供給するとともに
Ｖ族原料の供給量のみを変化させる、ことを特徴とする
ものである。

【００１８】また、本発明の他のＭＱＷ構造光半導体装
置は、（１）圧縮歪が掛かったウェル層と引っ張り歪が
掛かったバリア層が設けられた歪ＭＱＷ構造を有する光
半導体装置において、ウェル層のライトホールバンド端
とバリア層のライトホールバンド端が等しい、（２）引
っ張り歪が掛かったウェル層と圧縮歪が掛かったバリア
層が設けられた歪ＭＱＷ構造を有する光半導体装置にお
いて、ウェル層のヘビーホールバンド端とバリア層のヘ
ビーホールバンド端が等しい、（３）（１）、（２）に
おいて、ウェル層とバリア層の間に無歪で薄膜の中間層
が設けられた、ことをそれぞれ特徴とするものである。

【００１９】III −Ｖ族化合物半導体からなるＭＱＷ構
造においては、ウェル層／バリア層界面でIII 族とＶ族
の元素の供給源となる原料ガスを切り換える必要があ
る。この切り換えのタイミングの問題で界面での偏析と
いう問題が起こる。特に、ウェル層とバリア層の間に中
間層を設ける場合には、界面の数が増えるので、微弱な
界面でのストレスが歪ＭＱＷ全体に無視できない悪影響
を及ぼすことになる。これに対して、本発明のようにウ
ェル層と中間層の間ではIII 族のみ、中間層とバリア層
の間ではＶ族のみを切り換えるようにすると、ガス切り
換え回数を増やすことなく中間層を挿入することができ
るため、歪ＭＱＷの結晶性を良好に保つことができる。

【００２０】また、圧縮歪ＭＱＷ内において、ライトホ
ールの準位をバルク化し、ｐ側のＳＣＨ層を引っ張り歪
にすることにより、ホールの注入が均一化できる。これ
は、ｐ側のＳＣＨが引っ張り歪になっていると、注入さ
れてきたホールはＳＣＨに入った時点でライトホールと
なってＭＱＷ内に入ってくる。なお、ＳＣＨとは、Sepa
rate Confinement Heterostructure（分離閉じ込めヘテ
ロ構造）のことであり、導波光を閉じ込める機能を有し
ている。ここで、ＭＱＷ内のライトホール準位が一つに
なっていれば、ライトホールはポテンシャル障壁を感じ
ることなく、ＭＱＷ内に広がることができる。そして、
広がったライトホールは各ウェルのヘビーホール準位に
均等に落ちる。また、ウェルのヘビーホール準位にある
ホールが熱放出されるときも、バルクとしてのライトホ
ールへ放出されるため、より遠くのウェルへ移ることが
できる。したがって、ホールの注入は、各ウェル間で容
易に均一化されることになる。

【００２１】以上により、この歪ＭＱＷを活性層とした
半導体レーザは、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、信頼性の向上
が達成される。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第１の実施の形態
を図１〜図４を参照して説明する。図１は本実施の形態
の半導体レーザ（光半導体装置）のＭＱＷ構造を示す断
面図である。

【００２３】図１に示すように、本実施の形態の半導体
レーザの場合、（１００）の面方位を持つｎ型ＩｎＰ基
板１上に、ｎ−ＩｎＰバッファー層２が０．１〜１μ
ｍ、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰガイド層３が３０〜１００ｎ
ｍ、引っ張り歪Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓＰ−ＳＣＨ層４が４〜
２０ｎｍ、歪ＭＱＷ層５、引っ張り歪Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓ
Ｐ−ＳＣＨ層９が４〜２０ｎｍ、ＩｎＧａＡｓＰガイド
層１０が３０〜１００ｎｍ、ｐ−ＩｎＰクラッド層１１
が順次積層されている。

【００２４】上記の積層構造のうち、歪ＭＱＷ層５は、
無歪Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓ_yＰ_1-y中間層８で挟まれた圧縮歪
ＩｎＡｓ_yＰ_1-yウェル層６が３層から１５層設けられ、
それらの間に引っ張り歪Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓＰバリア層７
が配置されたものである。そして、圧縮歪ＩｎＡｓ_yＰ
_1-yウェル層６と無歪Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓ_yＰ_1-y中間層８
を見ると、組成比ｙの値が等しくなっている。また、引
っ張り歪Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓＰバリア層７と無歪Ｉｎ_1-x
Ｇａ_xＡｓ_yＰ_1-y中間層８を見ると、組成比ｘの値が等
しくなっている。さらに、引っ張り歪Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓ
Ｐ−ＳＣＨ層４と引っ張り歪Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓＰ−ＳＣ
Ｈ層９は、引っ張り歪Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓＰバリア層７と
組成を等しくするものである。

【００２５】圧縮歪ＩｎＡｓ_yＰ_1-yウェル層６は、歪量
１．３〜１．７％であり、組成ｙは０．４３〜０．５３
である。厚さは７ｎｍ〜３ｎｍの範囲で調整すれば、
１．３μｍ帯用の半導体レーザの活性層となる。引っ張
り歪Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓＰバリア層７は、厚さを１５ｎｍ
〜３ｎｍとし、引っ張り歪量は、ウェル層の圧縮歪との
層厚で加重した平均値が極力０になるように設定する。
無歪Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓ_yＰ_1-y中間層８の厚さは、０．３
ｎｍ〜２．４ｎｍ程度あればよい。

【００２６】図２はこの半導体レーザにおけるＭＱＷ構
造のバンドダイアグラム図である。この図に示すよう
に、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰガイド層３とＩｎＧａＡｓＰガ
イド層１０の伝導帯端は、引っ張り歪Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓ
Ｐ−ＳＣＨ層４および引っ張り歪Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓＰ−
ＳＣＨ層９の伝導帯端よりも高くし、電子キャリアがオ
ーバーフローしないようにする。また、圧縮歪ＩｎＡｓ
_yＰ_1-yウェル層６と引っ張り歪Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓＰバリ
ア層７のライトホールバンド端は極力等しくなるように
組成を選択する。さらに、無歪Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓ_yＰ_1-y
中間層８の厚さを充分薄くして、歪ＭＱＷ層５内にライ
トホールの量子準位が一切できないようにするのが好ま
しい。この時、歪ＭＱＷ層５内でのライトホールキャリ
アはバルクの中のように振る舞う。

【００２７】図３は本実施の形態の変形例である半導体
レーザの断面図である。この例では上記実施の形態の圧
縮歪ＩｎＡｓ_yＰ_1-yウェル層６に代えて、圧縮歪ＩｎＧ
ａＡｓ_yＰ_1-yウェル層１０６を用いている。このように
すると、１．４〜１．６５μｍ帯の半導体レーザに適す
るものとなる。また、図４はこの場合のバンドダイアグ
ラム図である。

【００２８】次に、本実施の形態におけるＭＱＷ構造の
形成方法について図１、図３を参照して詳細に説明す
る。結晶成長はＭＯ−ＶＰＥを用いて行う。まず、成長
炉内でＰＨ₃雰囲気の中、（１００）面方位のｎ型Ｉｎ
Ｐ基板１を６５０℃に加熱する。次に、ＴＭＩ、ＴＭ
Ｇ、ＡｓＨ₃、ＰＨ₃を供給して、ｎ−ＩｎＰバッファー
層２、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰガイド層３、引っ張り歪Ｉｎ
_1-xＧａ_xＡｓＰ−ＳＣＨ層４、歪ＭＱＷ層５、引っ張り
歪Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓＰ−ＳＣＨ層９、ＩｎＧａＡｓＰガ
イド層１０、ｐ−ＩｎＰクラッド層１１を順次成長させ
る。ＡｓＨ₃、ＰＨ₃に代えて、ターシャリブチルアルシ
ン、ターシャリブチルフォスフィンを用いてもよい。ド
ーピングについては、適宜、Ｓｉ₂Ｈ₆、ＤＭＺｎガスを
用いる。

【００２９】歪ＭＱＷ層５の中で、圧縮歪ＩｎＡｓ_yＰ
_1-yウェル層６または圧縮歪ＩｎＧａＡｓ_yＰ_1-yウェル
層１０６／無歪Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓ_yＰ_1-y中間層８／引っ
張り歪Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓＰバリア層７を成長させるとき
の界面切り換え方法は以下の通りである。ウェル層６、
１０６と中間層８の成長の切り換え時にはＴＭＩ（III
族原料）、ＡｓＨ₃（Ｖ族原料）、ＰＨ₃（Ｖ族原料）の
供給を止めずに一定流量で流し続け、ＴＭＧ（III 族原
料）の供給のみを切り換える。また、中間層８とバリア
層７との界面切り換えは、ＴＭＩ（III 族原料）、ＴＭ
Ｇ（III 族原料）、ＰＨ₃（Ｖ族原料）の供給を止めず
に一定流量で流し続け、ＡｓＨ₃（Ｖ族原料）流量値の
みを変化させるようにする。

【００３０】なお、上記実施の形態における歪ＭＱＷ層
５の構成に代えて、ＩｎＰ基板上のＩｎＡｓＰウェル層
／ＩｎＧａＡｌＡｓＰ中間層／ＩｎＧａＡｌＡｓＰバリ
ア層を用いることもできる。つまり、中間層に無歪のＩ
ｎＧａＡｌＡｓＰを用い、ウェル層に中間層からＡｌを
除いたＩｎＧａＡｓＰを用い、バリア層に中間層からＡ
ｓ／Ｖ比（組成比ｙ）のみを変えた引っ張り歪ＩｎＧａ
ＡｌＡｓＰを用いればよい。この歪ＭＱＷ構造を結晶成
長する際には、ウェル層／中間層のガス切り換えはＴＭ
ＡｌのＯＮ／ＯＦＦだけであり、中間層／バリア層のガ
ス切り換えはＡｓＨ₃の流量切り換えのみである。

【００３１】また、上記の構造をＧａＡｓ基板上の歪Ｍ
ＱＷ層に適用できることも勿論である。さらに、中間層
とバリア層の間でＶ族比を連続的、あるいは段階的に切
り換える構造を採ってもよい。その場合、格子定数の変
化がより緩やかになり、転移の導入の可能性がより一層
低減されるという効果がある。

【００３２】以下、本発明の第２の実施の形態を図６〜
図１２を参照して説明する。図６は本実施の形態の半導
体レーザ（光半導体装置）のＭＱＷ構造を示す断面図で
ある。

【００３３】図６に示す本実施の形態の半導体レーザ
は、圧縮歪ＩｎＡｓ_yＰ_1-yウェル層６、無歪Ｉｎ_1-xＧ
ａ_xＡｓ_yＰ_1-y中間層８、引っ張り歪Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓ_y
Ｐ_1-yバリア層１０７の組成について、ｙ対ｘを直線状
に変化させたものである。そして、引っ張り歪Ｉｎ_1-x
Ｇａ_xＡｓ_yＰ_1-yＳＣＨ層１０４と引っ張り歪Ｉｎ_1-xＧ
ａ_xＡｓ_yＰ_1-yＳＣＨ層１０９の組成は、引っ張り歪Ｉ
ｎ_1-xＧａ_xＡｓ_yＰ_1-yバリア層１０７の組成と等しくす
る。

【００３４】また、図７は、本実施の形態の半導体レー
ザにおけるバンドダイアグラム図である。圧縮歪ＩｎＡ
ｓ_yＰ_1-yウェル層６と無歪Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓ_yＰ_1-y中間
層８と引っ張り歪Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓ_yＰ_1-yバリア層１０
７のライトホールバンド端が全て等しくなるように、各
組成を決定する。

【００３５】さらに、本実施の形態の変形例として、図
８に示すような、１．４μｍ〜１．６５μｍ帯半導体レ
ーザ用の歪ＭＱＷが挙げられる。この構造では、図６に
おける３元の圧縮歪ＩｎＡｓ_yＰ_1-yウェル層６に代え
て、４元の圧縮歪Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓ_yＰ_1-yウェル層２０
６を用いる。図９は、その場合のバンドダイアグラム図
である。

【００３６】図１０は組成図である。第１の実施の形態
のようにはガス切り換えを単純化できないが、組成図の
中で直線状になるようにガスを切り換えていくため、ガ
スの切り換え量は最低限に抑えられている。しかも、こ
の直線は、ただの直線ではなく、ＩｎＰ上の歪エピタキ
シャル結晶の、ライトホールバンド端が一定となる直線
である。したがって、この歪ＭＱＷは、ガス切り換えの
量を最小限に抑えつつ、図７、図９に示したように、歪
ＭＱＷ内のライトホールバンド端を一定にそろえること
ができる。また、本実施の形態では、歪ＭＱＷ層５およ
びその両サイドの引っ張り歪Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓ_yＰ_1-yＳ
ＣＨ層１０４、引っ張り歪Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓ_yＰ_1-yＳＣ
Ｈ層１０９の中で、ライトホールに全く何の障害もなく
なるため、各ウェルへのホールの均一注入がより向上す
るという利点がある。

【００３７】以上、ここでは、ＩｎＰ基板上のＩｎＧａ
ＡｓＰ系について述べたが、これにＡｌを加えたＩｎＰ
基板上のＩｎＧａＡｌＡｓＰ系にも同様に適用すること
ができる。

【００３８】さらに、ここまで、圧縮歪ウェル／引っ張
り歪バリアについて述べたが、６３０ｎｍ帯の可視レー
ザのように、ＩｎＧａＡｌＰ系で、引っ張り歪ウェル／
圧縮歪バリアを使うような場合に、ヘビーホールバンド
端を一定にするということもできる。この場合は、歪Ｍ
ＱＷ内でヘビーホールが自由に動き、各ウェル内のライ
トホール準位に均一に注入されることになる。

【００３９】この結晶成長方法は、図１１に示すよう
に、まず最初に、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上にｎ−Ｇａ
Ａｓバッファー層１０２を０．５μｍ、ｎ−ＩｎＧａＡ
ｌＰクラッド層１０３を１μｍ成長させる。次に、圧縮
歪ＩｎＡｌＰガイド層３０４、歪ＭＱＷ層５、圧縮歪Ｉ
ｎＡｌＰガイド層３０９を成長させる。歪ＭＱＷ層５
は、無歪ＩｎＧａＡｌＰ中間層２０８によって挟まれた
引っ張り歪ＩｎＧａＰウェル層３０６が４層とその間に
介在する圧縮歪ＩｎＡｌＰバリア層３０７からなってい
る。引っ張り歪ＩｎＧａＰウェル層３０６の組成は、−
０．６％歪Ｉｎ_0.4Ｇａ_0.6Ｐであり、８ｎｍの厚さとす
る。圧縮歪ＩｎＡｌＰガイド層３０４と圧縮歪ＩｎＡｌ
Ｐバリア層３０７と圧縮歪ＩｎＡｌＰガイド層３０９
は、＋１．２％歪Ｉｎ_0.64Ａｌ_0.36Ｐであり、４ｎｍの
厚さとする。無歪ＩｎＧａＡｌＰ中間層２０８の組成
は、Ｉｎ_0.48Ｇａ_0.4Ａｌ_0.12Ｐである。最後に、ｐ−
ＩｎＧａＡｌＰクラッド層１１０とｐ−ＧａＡｓキャッ
プ層１１１を成長させる。ｎ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド
層１０３とｐ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層１１０の組成
は、Ｉｎ_0.47Ｇａ_0.17Ａｌ_0.36Ｐである。

【００４０】この可視レーザ用の歪補償ＭＱＷの場合、
図１２のバンドダイアグラム図で示すように、ウェルと
バリアでヘビーホールバンド端が異なるが、このエネル
ギー差がわずかであるため、歪ＭＱＷ層５内でヘビーホ
ールがバルクライクに振る舞うようにすることができ
る。

【００４１】

【実施例】以下、本発明の効果を実証するために作成し
た実施例の半導体レーザについて説明する。本実施例の
半導体レーザは上記実施の形態の構成に基づくものであ
って、図５に示すように、無歪Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓ_yＰ_1-y
中間層８としてバンドギャップ波長が１．２２μｍの４
元組成を用いた。圧縮歪ＩｎＡｓ_yＰ_1-yウェル層６は、
１．２２μｍ組成の無歪Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓ_yＰ_1-y中間層
８の組成からＡｓ／Ｖ比（ｙ）を一定としてＧａ／III
比（ｘ）のみを変化させていき、１．５％歪とした。一
方、引っ張り歪Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓＰバリア層７は、無歪
Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓ_yＰ₁ _-y中間層８の組成からＧａ／III
比（ｘ）を一定としてＡｓ／Ｖ比（ｙ）のみを変化さ
せ、−０．５％の歪量とした。別の言い方をすると、引
っ張り歪Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓＰバリア層７は、１．１μｍ
組成のＩｎＧａＡｓＰをＡｓ／Ｖ比を一定でＧａ／III
比のみ変化させて−０．５％の歪を掛けたものとも言え
る。

【００４２】また、圧縮歪ＩｎＡｓ_yＰ_1-yウェル層６の
厚さは４．５ｎｍとし、引っ張り歪Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓＰ
バリア層７の厚さは１０ｎｍとした。この時、層厚によ
る加重平均を用いて計算すると、歪ＭＱＷ層５の平均的
な歪量はほとんど０に近いため、応力の蓄積が小さく、
ウェル層数を５層としてもミスフィット転移は入らない
ことがわかった。

【００４３】また、無歪Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓ_yＰ_1-y中間層
８の厚さは０．６ｎｍの厚さとした。このような薄膜と
することにより、バンドダイアグラム図の図２におい
て、無歪Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓ_yＰ_1-y中間層８の中からライ
トホールの量子準位が追い出される。上に述べた組成
で、圧縮歪ＩｎＡｓ_yＰ_1-yウェル層６と引っ張り歪Ｉｎ
_1- _xＧａ_xＡｓＰバリア層７のライトホールバンド端はお
およそ等しくなっているので、歪ＭＱＷ層５内でライト
ホールはバルクライク化する。

【００４４】次に、引っ張り歪Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓＰ−Ｓ
ＣＨ層４と引っ張り歪Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓＰ−ＳＣＨ層９
については、引っ張り歪Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓＰバリア層７
と等しい組成とし、厚さはそれぞれ１０ｎｍとした。ｎ
−ＩｎＧａＡｓＰガイド層３とＩｎＧａＡｓＰガイド層
１０は、伝導帯端が引っ張り歪Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓＰバリ
ア層７より高くなるように、１．０μｍ組成とし、厚さ
はそれぞれ５０ｎｍとした。

【００４５】この歪ＭＱＷ層を活性層とした半導体レー
ザを実際に作成したところ、共振器長３００μｍで３０
％の反射率の前端面コーティング膜と７５％の反射率の
後端面コーティング膜を施した構造において、閾値電流
５ｍＡ、スロープ効率０．７Ｗ／Ａの半導体レーザを得
ることができた。

【００４６】一方、１．５５μｍ帯半導体レーザ用とし
ては、無歪Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓ_yＰ_1-y中間層８として１．
４５μｍ組成を用い、圧縮歪ＩｎＡｓ_yＰ_1-yウェル層１
０６は、１．４５μｍ組成のＩｎＧａＡｓＰから、Ａｓ
／Ｖ比を一定とし、Ｇａ／III比のみを変化させて、
１．５％歪としたものを用いる。また、引っ張り歪Ｉｎ
₁ _-xＧａ_xＡｓＰバリア層７は、無歪Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓ_y
Ｐ_1-y中間層８から、Ｇａ／III比を一定とし、Ａｓ／Ｖ
比のみを変化させて、−０．７％の歪量としたものであ
る。あるいは、引っ張り歪Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓＰバリア層
７は、１．２７μｍ組成のＩｎＧａＡｓＰを、Ａｓ／Ｖ
比を一定で、Ｇａ／III比のみ変化させて、−０．７％
の歪をかけたものとも言える。ｎ−ＩｎＧａＡｓＰガイ
ド層３とＩｎＧａＡｓＰガイド層１０は、図４のよう
に、１．１μｍ組成とする。

【００４７】また、圧縮歪ＩｎＡｓ_yＰ_1-yウェル層１０
６の厚さは３．７ｎｍとし、引っ張り歪Ｉｎ_1-xＧａ_xＡ
ｓＰバリア層７の厚さは７ｎｍとする。この時、歪ＭＱ
Ｗ層５の平均的な歪量はほとんど０に近く、いわゆるゼ
ロネットストレインとなり、応力蓄積による結晶悪化は
なくなる。

【００４８】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、次のような効果を得ることができる。第１の効
果は、歪ＭＱＷにおいて、結晶性を損なうことなく、よ
り大きな歪をかけられるようになり、半導体レーザにお
ける良好な光出力特性が得られるようになることであ
る。例えば、閾値電流やスロープ効率の特性は１０〜２
０％向上した。その理由は、ウェル層／バリア層界面に
中間層を入れる応力歪補償ＭＱＷにおいて、結晶成長時
のガス切り換えを必要最低限度に抑えたためである。

【００４９】第２の効果は、ホール注入の均一性が高ま
るということである。これにより、半導体レーザの特性
をより一層向上させることができる。その理由は、圧縮
歪ウェルの歪ＭＱＷにおいて、歪ＭＱＷ内、あるいは加
えてｐ側のＳＣＨ層のライトホールの準位を一定とする
ことで、ライトホールが歪ＭＱＷ内を自由に動けるよう
になり、注入されてきたホールまたはウェルから熱放出
されたホールがより遠くのウェルまで動けるため、各ウ
ェルでのホール密度の均一化が達成され、利得の向上、
発振閾値キャリア密度の向上が達成されるためである。
これは、引っ張り歪の歪ＭＱＷにおいて、ヘビーホール
の準位を一定としたときも同様である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態であるＭＱＷ構造
を有する半導体レーザを示す断面図である。

【図２】同、半導体レーザのバンドダイアグラムを示
す図である。

【図３】同、半導体レーザの変形例を示す断面図であ
る。

【図４】同、変形例におけるバンドダイアグラムを示
す図である。

【図５】本発明の実施例の半導体レーザにおける組成
図である。

【図６】本発明の第２の実施の形態であるＭＱＷ構造
を有する半導体レーザを示す断面図である。

【図７】同、半導体レーザのバンドダイアグラムを示
す図である。

【図８】同、半導体レーザの変形例を示す断面図であ
る。

【図９】同、変形例におけるバンドダイアグラムを示
す図である。

【図１０】同、半導体レーザにおける組成図である。

【図１１】本発明の他の実施の形態である半導体レー
ザを示す断面図である。

【図１２】同、半導体レーザのバンドダイアグラムを
示す図である。

【図１３】従来のＭＱＷ構造を有する半導体レーザを
示す断面図である。

【図１４】同、半導体レーザにおける組成図である。

【図１５】同、半導体レーザのバンドダイアグラムを
示す図である。

【図１６】従来の他のＭＱＷ構造を有する半導体レー
ザを示す断面図である。

【図１７】同、半導体レーザにおける組成図である。

【図１８】同、半導体レーザのバンドダイアグラムを
示す図である。

【符号の説明】

１ｎ型ＩｎＰ基板２ｎ−ＩｎＰバッファー層３ｎ−ＩｎＧａＡｓＰガイド層４，９引っ張り歪Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓＰ−ＳＣＨ層５歪ＭＱＷ層６圧縮歪ＩｎＡｓ_yＰ_1-yウェル層７引っ張り歪Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓＰバリア層８無歪Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓ_yＰ_1-y中間層１０ＩｎＧａＡｓＰガイド層１１ｐ−ＩｎＰクラッド層１０１ｎ型ＧａＡｓ基板１０２ｎ−ＧａＡｓバッファー層１０３ｎ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層１０４，１０９引っ張り歪Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓ_yＰ_1-yＳ
ＣＨ層１０６圧縮歪ＩｎＧａＡｓ_yＰ_1-yウェル層１０７引っ張り歪Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓ_yＰ_1-yバリア層１０８ＩｎＰ挿入層１１０ｐ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層１１１ｐ−ＧａＡｓキャップ層２０４，２０９引っ張り歪ＩｎＧａＰＳＣＨ層２０６圧縮歪Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓ_yＰ_1-yウェル層２０７引っ張り歪ＩｎＧａＰバリア層２０８無歪ＩｎＧａＡｌＰ中間層３０４圧縮歪ＩｎＡｌＰガイド層３０６引っ張り歪ＩｎＧａＰウェル層３０７圧縮歪ＩｎＡｌＰバリア層３０９圧縮歪ＩｎＡｌＰガイド層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に、III −Ｖ族化合物半導体から
なる井戸層および障壁層を有する多重量子井戸構造が設
けられた光半導体装置において、前記井戸層と障壁層の間に中間層が設けられ、前記井戸
層と前記中間層はこれらの層を構成するIII −Ｖ族化合
物半導体のＶ族組成比が等しく、前記障壁層と前記中間
層はこれらの層を構成するIII −Ｖ族化合物半導体のII
I 族組成比が等しいことを特徴とする多重量子井戸構造
光半導体装置。
【請求項２】請求項１に記載の多重量子井戸構造光半
導体装置において、前記中間層とIII −Ｖ族化合物半導体からなる前記基板
は、格子定数が等しいことを特徴とする多重量子井戸構
造光半導体装置。
【請求項３】請求項１または２に記載の多重量子井戸
構造光半導体装置において、前記基板がＩｎＰであり、前記障壁層がＩｎＧａＡｓＰ
であることを特徴とする多重量子井戸構造光半導体装
置。
【請求項４】基板上に、III−Ｖ族化合物半導体から
なる井戸層および障壁層を有する多重量子井戸構造を形
成する光半導体装置の製造方法において、前記井戸層と前記障壁層の間に中間層を形成し、前記井
戸層と前記中間層を結晶成長する間は、一定量のＶ族原
料を供給するとともにIII 族原料の供給量のみを変化さ
せ、前記中間層と前記障壁層を結晶成長する間は、一定
量のIII 族原料を供給するとともにＶ族原料の供給量の
みを変化させることを特徴とする多重量子井戸構造光半
導体装置の製造方法。
【請求項５】圧縮歪が掛かった井戸層と引っ張り歪が
掛かった障壁層が設けられた歪多重量子井戸構造を有す
る光半導体装置において、前記井戸層のライトホールバンド端と前記障壁層のライ
トホールバンド端が等しいことを特徴とする多重量子井
戸構造光半導体装置。
【請求項６】引っ張り歪が掛かった井戸層と圧縮歪が
掛かった障壁層が設けられた歪多重量子井戸構造を有す
る光半導体装置において、前記井戸層のヘビーホールバンド端と前記障壁層のヘビ
ーホールバンド端が等しいことを特徴とする多重量子井
戸構造光半導体装置。
【請求項７】請求項５または６に記載の多重量子井戸
構造光半導体装置において、前記井戸層と前記障壁層の間に無歪で薄膜の中間層が設
けられたことを特徴とする多重量子井戸構造光半導体装
置。