JPH11274635A - 半導体発光装置 - Google Patents

半導体発光装置

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JPH11274635A
JPH11274635A JP10069726A JP6972698A JPH11274635A JP H11274635 A JPH11274635 A JP H11274635A JP 10069726 A JP10069726 A JP 10069726A JP 6972698 A JP6972698 A JP 6972698A JP H11274635 A JPH11274635 A JP H11274635A
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layer
semiconductor
light emitting
emitting device
quantum well
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Toshiaki Tanaka
俊明 田中
Takeyuki Hiruma
健之 比留間
Hiroshi Hamada
博 濱田
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Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、光情報処理或いは光通信システム
用途において、高出力特性と同時に低閾値高効率動作を
確保できる半導体発光装置を提供することが課題であ
る。 【解決手段】 半導体結晶の均質性を向上させるために
使用する傾角基板上に、さらに超格子構造を導入するこ
とにより量子井戸構造の平坦性や界面急峻性を改善させ
た活性層構造とする。また、量子井戸構造の設計裕度を
もたせることにより、キャリア閉じ込め及び光閉じ込め
を向上させた構成とする。 【効果】 本発明の実施例によると、本手法を適用しな
い素子に比べて閾値電流及びスロープ効率ともに２０〜
３０％改善でき、窓構造を設けない素子に比べて最高光
出力を２.５から４倍にまで向上した高出力特性を達成
した半導体レーザ素子を実現した。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光情報処理や光通
信用光源に適する半導体発光装置とそれを応用したシス
テムに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来技術では、例えば書き換え可能な光
ディスクのシステム応用を目的として、高出力半導体レ
ーザとその素子構造に関する形成手法が公知例アイイイ
イ・ジャーナル・クァンタム・エレクトロニクス1993年
29巻6号1874-1879頁(IEEE J. Quantum Electron.1993,
vol.29, No.6, pp.1874-1879)やアイイイイ・フォトニ
クス・テクノロジー・レタース1997年9巻4号413-415頁
(IEEE Photnics Technol.Lett. 1997, vol.9, No.4, p
p.413-415)において示されている。
【０００３】一方、半導体レーザの光出力を高める上
で、所定の強度のレーザ光発振に要する活性層への注入
電流（又は、電子、正孔等のキャリアの注入量）を低減
することが要請される。そして、半導体レーザのしきい
値電流の低減は、この要請を満たす技術の一つである。
活性層に注入したキャリアがレーザ発振に寄与すること
なく活性層から漏れる、所謂キャリア・オーバーフロー
の問題を解決する技術として、活性層とクラッド層との
間に歪超格子構造を有する障壁領域を設ける技術が特開
平５-7051号公報に、多重量子井戸構造に類似した多重
量子障壁構造（ＭＱＢ：Multi Quantum Barrier）を設
ける技術が特開平６-244509号に開示されている。これ
らの技術においては、上記障壁領域又は多重量子障壁構
造により活性層から漏れたキャリアを障壁領域又は多重
量子障壁構造がその構造上形成するポテンシャル障壁で
上記活性層に戻すというものである。さらに、上記技術
を多重量子井戸構造を有する活性層に適合させるため、
上記多重量子障壁構造を多重量子井戸型活性層の光ガイ
ド層として採用する構成が特開平６-334265号公報に開
示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上記論文誌に開示され
る従来例では、素子特性上高出力特性を達成するために
必要な窓構造の形成手法については述べているが、活性
層構造を変更する以外に、低閾値動作を同時に兼ね備え
る手法については言及していない。
【０００５】また、上記3件の特許公報は、多重量子構
造又は超格子構造の障壁領域で活性層からのキャリア・
オーバフローを抑止して半導体レーザの低閾値動作を実
現する技術を開示するが、これが例えばAlGaInP系の半
導体レーザで発振波長を650nm又はそれ以下に短波長化
するために導入せざるを得ない傾角基板上での素子構造
作製に適用できるかは教示していない。即ち、傾角基板
上に結晶を成長させる場合、その成長表面が通常の基板
（閃亜鉛鉱型結晶構造にして面方位(100)の表面）上に
成長された結晶とは異なる形状を呈することがある。そ
して、傾斜角度θを大きく設定するに従い、この形状に
因る光導波の障害も現れてくる。
【０００６】本発明では、光情報処理や光通信システム
用途のレーザ光源において、高出力特性を得るための活
性層構造設計の上に、低閾値高効率動作を兼ね備えるこ
とができる素子構造を新たに導入することを課題とす
る。本手法により、特に傾角基板上に形成した短波長レ
ーザ素子に対して、高出力特性と同時に低閾値高効率動
作を達成した半導体レーザ素子を提供し、それを光源と
するシステム装置を実現する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明では、光情報処理
或いは光通信システムの光源として要求されている、半
導体レーザ素子の低閾値高効率動作と高出力高出力特性
を同時に兼ね備えるために、下記の手法を用いることを
考案採用した。
【０００８】本素子は、半導体基板として(100)面方位
から傾斜角θにして０°＜θ≦54.7°の範囲でオフした
傾角基板を用いて形成しており、半導体超格子周期薄膜
層を導入して以下のような工夫を施すことにより、該傾
角基板上に設ける半導体結晶層の品質向上と素子特性の
改善を図った。
【０００９】第一に、超格子周期薄膜層を導入すること
により、多重量子井戸構造活性層の平坦性や界面急峻性
を向上させた。半導体傾角基板を用いると、その上に設
ける結晶層の均質性は向上するが、結晶表面における(1
00)面のテラスと原子層オーダの周期的ステップにおけ
る結晶成長速度の違いにより非周期的な段差を生じるス
テップバンチングが原因となって、特に量子井戸構造に
おける薄膜層では膜厚の揺らぎが原子層オーダでおきる
ことが問題となる。即ち、傾角基板の表面は、(100)面
が或る方向に向けて階段状（又は段々畑状）に配列して
おり、(100)面のテラスの幅とテラス間の段差（落差）
により上記傾斜角θが決まる。そして、このような基板
表面の微視的な凹凸が、この上に成長する半導体層の成
長表面に継承され、上記ステップバンチングという段差
を形成する。
【００１０】傾角基板上に成長した半導体表面に現れる
ステップバンチングは、量子井戸層に形成される量子準
位をブロードにしたり量子井戸層内に閉じ込められるキ
ャリア密度の不均一性をもたらすので、これらを防止す
るための対策が要求される。
【００１１】図１に示すように、半導体レーザの基本構
造である、光導波層とそれに挟まれる発光活性層により
構成される異種二重接合構造を半導体傾角基板上に設け
ておき、これに対して多周期超格子薄膜層を少なくとも
該発光活性層の下側に形成しておく。多周期超格子薄膜
層を発光活性層に対して下側のガイド層に導入すると、
図２に示すエネルギーバンド構造のように形成される。
多周期超格子薄膜層の主な役割は、組成の異なる半導体
薄膜層を周期的に繰り返すことにより、ステップバンチ
ングに起因するステップ方向の膜厚の揺動を抑制軽減で
きることである。換言すれば、多周期超格子薄膜層は、
この上部に形成される多重量子井戸型活性層の井戸層と
障壁層との界面のモフォロジを改善する一種のバッファ
となる。傾角基板表面上のステップを踏襲して光導波層
表面や活性層下の薄膜ガイド層表面に生じたステップバ
ンチングは、多周期超格子薄膜層を導入すると、そのま
ま多重量子井戸構造活性層の第一量子井戸層へは残留せ
ず、平坦性や界面急峻性は格段に改善される。特に、マ
イグレーションが遅いAl元素が光導波層やガイド層や量
子障壁層等に含まれる半導体材料系では、多周期超格子
薄膜層の導入効果は大きい。
【００１２】例えば、赤色のレーザ光発振に好適なAlGa
InP系半導体結晶からなる発光装置では、傾角基板上に
設けると、III族元素の秩序配列構造が抑さえられて結
晶の均質性が顕著に向上するが、特にクラッド層はAl元
素を含む四元結晶で構成されるので傾角基板上ではステ
ップバンチングが起きやすい。そこで、Al元素を含まな
い三元結晶であるGaInP混晶との多周期超格子薄膜層GaI
nP/AlGaInP系を形成し上記のように発光活性層の近傍下
側に設けると、ステップバンチングの抑制効果が得られ
る。
【００１３】図３では、GaInP/AlGaInP系材料からなる
半導体発光装置において、一例として実施例１に示した
多重量子井戸構造活性層と多周期超格子薄膜層を図１と
２に記述したように設けることにより、活性層の結晶性
が改善できることを示すために、活性層からの発光特性
を調べた結果を示す。 ここで、GaInP/AlGaInP系半導体
発光装置とは、活性層又は量子井戸層をGaInPで、これ
にキャリア及び光を閉じ込めるクラッド層や量子障壁層
をAlGaInPで構成する半導体発光装置のことを簡略して
表記するものである。図3の発光スペクトルを測定した
結果、多周期超格子薄膜層を導入しない場合のスペクト
ルIに比べて、導入した試料からは図３にスペクトルII
が得られ、その発光強度は4〜5倍に増大し、半値幅は20
〜30%減少していた。試料の断面から透過電子顕微鏡像
の観察による結果、多周期超格子薄膜層上ではステップ
バンチングは抑制されており、不規則な２原子層オーダ
の段差は見られていないため、量子井戸層の平坦性や界
面急峻性が格段に改善されていた。これらにより、多周
期超格子薄膜層を導入した場合の多重量子井戸構造に関
して、結晶品質の改善と発光特性の向上を明らかにし、
レーザ素子の低閾値高効率動作に貢献する要素を築くこ
とができた。
【００１４】第二に、多周期超格子薄膜層を活性層の設
計に活かしながら、レーザ素子の低閾値高効率動作を図
ることができる。多周期超格子薄膜層は屈折率が大きく
禁制帯幅が小さな超格子井戸層により構成されるので、
光閉じ込め係数を大きくできさらに電子キャリアの活性
層内における輸送を調節することもできる。図４では、
一例としてGaInP/AlGaInP多重量子井戸構造において、
光閉じ込め係数を計算して比較した結果を示してある。
例えば、膜厚5nmの量子井戸層が３層である構造に対し
て、膜厚1nmのAlGaInP超格子障壁層１１層と膜厚0.5nm
のGaInP超格子井戸層１０層を設けた多周期超格子薄膜
層を付加させることにより、光閉じ込め係数を0.0051大
きくできる。これは、量子井戸層が３層だけの場合にお
いて、量子井戸層の膜厚を約0.5nm増やした場合に相当
する。また、量子井戸層の膜厚を約4nm以下にした場合
量子井戸層を４層にした構造とほぼ同じ光閉じ込め係数
が得られる。多周期超格子薄膜層を設けると、疑似的に
量子井戸層一層分に匹敵させて、量子井戸層を増やした
ときの活性層構造に設計できる。活性層の光密度を低減
して高出力特性を向上させる活性層設計では、光閉じ込
め係数が比較的小さい領域に設定するが、多周期超格子
薄膜層を設けることにより光閉じ込め係数を相対的に大
きくできることは素子の低閾値高効率動作に有利とな
る。また、量子井戸層単位あたりに閉じ込められるキャ
リア数を増やせるので、素子の低閾値動作に有効であ
る。さらに、多周期超格子薄膜層を活性層の下側でｎ型
光導波層の上側に設けることによって、ｎ型光導波層か
ら活性層へと注入される電子キャリアの輸送を調整でき
ることになる。即ち、電子キャリアは有効質量が正孔キ
ャリアに比べて小さく移動度が大きいため、活性層内に
おける輸送速度は速い。このため、活性層内では電子キ
ャリアが過剰に注入されので、正孔キャリアの注入に誘
導放出光の基になる再結合発光過程は律速された状態と
なる。ｎ型光導波層側に設けた多周期超格子薄膜層で
は、禁制帯幅の小さい超格子井戸層において電子キャリ
アが落ち込みトラップされる状態になるので、電子キャ
リアの輸送量が相対的に少なくなり輸送時間が相対的に
長くかかることになる。活性層内では、正孔キャリアの
注入に律速されていた再結合発光過程が緩和され、電子
及び正孔キャリアの注入量に対する光学利得の発生量が
高くなる。これは、微分利得が相対的に増大することに
つながるので、素子の低閾値や高効率の動作が可能とな
る。
【００１５】第三に、多周期超格子薄膜層を用いると、
不純物拡散領域を形成する際に、不純物の拡散フロント
を抑制し停止させることにより、不純物拡散領域の境界
を明確に設けることができる。半導体レーザ素子では、
光密度が高くなると、共振器端面部が破壊して最大光出
力が制限される現象が生ずるので、これを回避するため
に、共振器端面近傍領域にレーザ光が透明となる窓構造
を形成する。こ窓構造を形成する方法には、不純物を拡
散させることにより共振器端面近傍の多重量子井戸構造
活性層を混晶化させる手法がある。この不純物を拡散さ
せる手法を用いた場合、活性層における拡散不純物量や
拡散フロントの位置を制御することが重要となる。多周
期超格子薄膜層を導入して、特にV族元素にAs系を有す
る超格子薄膜層を用いることにより、不純物の拡散停止
層として作用させる。V族元素が主にP系により光導波層
や活性層が構成される素子では、拡散係数の違いを利用
して非常に有効に多周期超格子薄膜層の効果を発揮させ
ることができる。多周期超格子薄膜層は活性層の下側に
設けておくことにょり、活性層の混晶化を起こさせた後
に拡散フロントを制御できることになる。不純物が多周
期超格子薄膜層に達した時点で、拡散処理を完了するこ
とによって、活性層に拡散する過剰な不純物量やそれに
起因する素子の内部光損失の増大を避けることができ
る。また、不純物拡散領域では、従来はｎ型光導波層内
にｐｎホモ接合が形成されるので、このｐｎ接合を介し
たリーク電流を生じていたが、本手法では活性層内をア
ンドープ層としたｐiｎのダイオード特性を保つことが
できるので、回り込みのリーク電流を抑制することが可
能である。これにより、従来の窓構造を形成した素子よ
りも、リーク電流を抑さえた低閾値電流や低動作電流で
ある素子を得ることができた。即ち、窓構造による高出
力特性と低閾値低電流動作を両立させることが可能とな
った。
【００１６】以上のような多周期超格子薄膜層の役割を
十分発揮させる工夫や設計を行うことにより、光情報処
理装置や光通信システム装置の光源に適する、低閾値高
効率動作と高出力特性を兼ね備えた半導体レーザ素子を
含む発光装置を達成した。
【００１７】そして、以上の議論に基づき、記録媒体に
光を照射する光源と記録媒体からの反射光を検出する検
出器とを少なくとも有し且つ当該記録媒体の一部の状態
変化を読み取る機能を有する光情報処理装置や、光を信
号として光ファイバを通して送信する光源と光ファイバ
からの信号を受信する検出器を少なくとも有した光通信
用送信受信システム装置の光源として、本発明は次の半
導体発光装置を提供する。
【００１８】この半導体発光装置の基本構造は、表面に
原子層オーダのステップを有する半導体基板（傾角基
板）と、その上部に形成された原子層オーダの膜厚を有
する周期的な半導体超格子薄膜層とを含み、上記半導体
超格子薄膜層上（上部）に形成した半導体結晶膜の成長
表面（光源の完成時には接合界面となる）に生じるステ
ップ状の非周期的な段差（原子層オーダの値として現れ
るステップバンチングと呼ばれるもの）が、半導体超格
子薄膜層の下側に形成された半導体結晶膜のそれに比べ
て、抑制され又は緩和されている形状に特徴を有し、且
つ上記半導体超格子薄膜層上部に形成された半導体結晶
膜には発光層が形成され、更に半導体超格子薄膜層上部
の半導体結晶膜に光情報処理又は光通信に適したレーザ
ビームを発振するための導波路構造が形成されているも
のである。ここで、原子層オーダとは、具体的には、20
Å以下の所謂量子井戸層又は量子障壁層より薄い厚さ及
びこれに等価な寸法を指し、本発明に望ましい範囲とし
ては、10Å以下で且つ10原子層以上となる。
【００１９】上述の半導体発光装置に於いて、本発明の
効果が現れる一例としては、上記半導体傾角基板を、階
段状に且つ周期的に配列された(100)面のテラスからな
る原子層オーダの周期的なステップが現れた主面を有し
且つこの主面の巨視的な(100)面からの傾き（オフ角）
が0°より大きく且つ54.7°以下の範囲にある基板材料
とする場合である。この場合、上記オフ角の範囲を5°
以上且つ25°以下の範囲とし、また基板材料をGaAs又は
InPとすると、GaInP／AlGaInP系の半導体発光装置に於
いて、所望の赤色領域（600〜680nm）の光を放出する上
で本発明の効果を活用できる。
【００２０】本発明の効果が現れる別の例としては、半
導体超格子薄膜層上部に、禁制帯幅の小さな発光活性層
とその上下両側を挟む禁制帯幅の大きな光導波層を設け
ておき、この光導波路層に上記半導体発光装置の用途に
応じた導波路構造を設ける所謂量子井戸型活性層を採用
した構成にある。この場合、上記半導体超格子周期薄膜
層に形成される量子準位間エネルギーは上記量子井戸構
造活性層（上記光導波層を含む）内の量子準位間エネル
ギーよりも大きく設定することが望ましい。
【００２１】上記半導体超格子周期薄膜層を構成する超
格子井戸層とこれより禁制帯幅の大きい超格子障壁層と
の組み合わせは、GaAs/AlGaAs、GaAsP/AlGaInAs、GaInA
s/AlGaInAs, GaInAs/AlInAs、GaInAs/AlGaAsP、GaInP/A
lGaInP、AlGaInP/AlGaInP、GaInAsP/AlGaInP、GaInAsP/
GaInP、GaInAsP/GaInAsP、GaInAsP/InP、GaInAs/InPの
群から選ぶことを推奨する。
【００２２】更に、上記半導体発光装置の発光活性層又
は光導波層に形成されるストライプ状の導波路構造（以
下、ストライプ領域）に関し、共振器端面近傍における
ストライプ領域下部の発光活性層領域へ不純物を拡散導
入することにより、当該不純物拡散領域の禁制帯幅を、
不純物を拡散していない領域よりも大きくし且つ不純物
を拡散していない共振器内部で発生したレーザ光のエネ
ルギーよりも大きくして、所謂レーザ光放出のための窓
構造を形成するとよい。そして、不純物を導入した領域
の禁制帯幅と共振器内部で発生したレーザ光のエネルギ
ーとの差は、少なくとも50meV以上に設定することが望
ましい。また、共振器端面近傍におけるストライプ下部
の窓構造領域に対して、その上部或いは下部に電流非注
入領域を、当該窓構造領域よりも共振器内部へ長く延伸
して設けるとよい。
【００２３】
【発明の実施の形態】本発明の具体的な実施の形態につ
いて、以下の実施例１乃至８と夫々の関連図面を参照し
て説明する。
【００２４】＜実施例１＞本発明の一実施例について、
図５と６を用いて示す。図５において、 (100)面方位か
ら10°オフしたｎ型GaAs傾角基板１上に、膜厚0.5μmの
ｎ型GaAsバッファ層２、膜厚2μmのｎ型AlGaInP光導波
層３、膜厚1nmのアンドープAlGaInP超格子障壁層１１層
と膜厚0.5nmのアンドープGaInP超格子井戸層１０層を設
けた超格子周期薄膜層４、膜厚5nmのアンドープ圧縮歪G
aInP量子井戸層３層と膜厚4nmの引張歪AlGaInP量子障壁
層４層及び膜厚10nmの無歪AlGaInP光分離閉じ込め層か
らなる多重量子井戸構造活性層５、膜厚0.3μmのｐ型Al
GaInP光導波層６、 膜厚0.05μmのｐ型AlGaInPエッチン
グ停止層７、膜厚1.3μmのｐ型AlGaInP光導波層８、膜
厚0.05μmのｐ型GaInP層９を順次有機金属気相成長（MO
VPE）法によりエピタキシャル成長させる。超格子周期
薄膜層４や多重量子井戸構造活性層５の構成は、例とし
て図２に示したようなエネルギーバンド構造をとる。次
に、ホトリソグラフィー工程を用いて拡散マスク形成後
ZnO固体拡散源を蒸着して、温度５００〜６００℃で熱
処理を行うことにより、図６の共振器両端面部に相当す
る領域にZn不純物拡散領域１０を設ける。
【００２５】不純物拡散領域１０を形成し拡散源を除去
した後、共振器内部と端面部に共通なリッジストライプ
構造を設ける。ホトリソグラフィー工程とエッチング工
程を経ることにより、層７に到るまで層８と９をエッチ
ング除去して、図５及び６に示すストライプを形成す
る。次に図５及び６において、膜厚1.3μmのｎ型GaAs電
流狭窄層１１をMOVPE法により選択成長させる。この
際、共振器端面部の不純物拡散領域には、ホトリソグラ
フィー工程とエッチング工程を行うことにより、図６に
示すようにリッジストライプ上部に被せる層１１を残
す。不純物拡散領域１０の共振器方向の長さよりも層１
１を共振器方向に長く設けておき、共振器端面部不純物
拡散領域１０には電流注入されない非注入領域として設
定しておく。レーザ光の内部光損失を顕著に増大させず
に窓構造の効果を十分得るためには、不純物拡散領域１
０の長さを５〜４０μm、好ましくは１０〜３０μの最
適範囲に設定することが必要であった。共振器端面部の
不純物拡散領域１０を非注入領域とするため、層１１の
長さは不純物拡散領域１０の共振器方向の長さより５〜
３０μm、好ましくは１０〜２０μm長くするように設定
した。次に、MOVPE法により膜厚3μmのｐ型GaAsコンタ
クト層１２を埋め込んだ後、ホトリソグラフィー工程と
エッチング工程により、ストライプ両側に素子容量を低
減するための溝を図５及び６に示すように形成する。そ
の後、絶縁膜マスク１３を形成し、ｐ側電極１４とｎ側
電極１５を蒸着して劈開スクライブによって素子を切り
出すことにより、共振器内部と共振器端面部にそれぞれ
相当する図５と６の素子断面図を得る。
【００２６】本実施例によると、超格子周期薄膜層を少
なくとも活性層の下側に設けることにより、傾角基板上
においてステップバンチングを抑制して、量子井戸層の
平坦性や界面急峻性を改善することができた。活性層か
らの発光スペクトルを測定すると、超格子薄膜層を導入
しない場合に比べて、発光強度は4〜5倍に増大し、半値
幅は20〜30%減少した。これにより、素子の低閾値高効
率動作が可能になった。素子の閾値電流は20〜30%低減
でき、量子効率は20〜30%向上できた。
【００２７】また端面破壊を避けるために、不純物を拡
散した活性層領域では禁制帯幅を60〜120meV共振器内部
より大きくさせた窓構造を形成できた。この窓構造の効
果により、端面破壊現象を抑さえて熱による光出力飽和
が見られるまで最大光出力を向上した。窓構造を設けな
い場合に比べて、最大光出力を２.５から４倍まで確保
した安定な高出力特性を実現した。
【００２８】本素子は波長650〜660nmで発振し、室温の
閾値電流は30〜40mAであり、最大光出力は200〜300mWを
達成し、温度８０℃でも70mWの高出力安定動作が可能で
あり5000時間以上にわたり継続した。
【００２９】＜実施例２＞本発明の他実施例について説
明する。実施例１と同様に素子を作製するが、層４に対
してアンドープAlGaInP超格子障壁層１０層とAs元素を
含むアンドープGaInAsP超格子井戸層１１層を設けた超
格子周期薄膜層を導入して素子を作製する。他は実施励
１と全く同様にして、素子を作製する。
【００３０】本実施例によると、実施例１と同様に、多
重量子井戸構造活性層における量子井戸層の平坦性や界
面急峻性を改善して活性層の品質を向上させた結果、低
閾値高効率動作が可能となった。また、不純物拡散を行
うことにより、実施励１に示すような窓構造を作製した
が、上記の超格子周期薄膜層により不純物Znの拡散フロ
ントを抑制しｎ型光導波層３にまで到達しないように処
理条件を設定した。これにより、窓構造構造を設けた共
振器端面部において、拡散フロントがｎ型光導波層に形
成されてｐｎホモ接合となることを避けられる。このた
め、ダイオード特性を示さないｐｎホモ接合からのリー
ク電流を防止できる。その結果、本素子では、窓構造領
域の禁制帯幅増大により、端面破壊現象を全く抑さえて
熱飽和レベルまで最大光出力を引き出すとともに、上記
リーク電流を抑えて低動作電流も達成した。実施例１に
比べて、本素子の動作電流は5〜10%低減可能であった。
【００３１】素子は波長650〜660nmで発振し、室温の閾
値電流は25〜35mAであり、最大光出力は200〜250mWを達
成し、温度８０℃でも60mWの高出力安定動作が可能であ
り10000時間以上にわたり継続した。
【００３２】＜実施例３＞本発明の他実施例について説
明する。実施例２と同様に素子を作製するが、層５に対
して膜厚10nmのアンドープ引張歪GaInP量子井戸層 ２層
と膜厚4nmの圧縮歪AlGaInP量子障壁層３層及び膜厚10nm
の無歪AlGaInP光分離閉じ込め層からなる多重量子井戸
構造活性層を導入して素子を作製する。他は実施励２と
全く同様にして、素子を作製する。
【００３３】本実施例によると、実施例１や２と同様な
効果により、低閾値高効率動作や高出力特性を達成する
ことができた。素子は波長630〜640nmで発振し、室温の
閾値電流は40〜50mAであり、最大光出力は150〜200 mW
を達成し、温度８０℃でも50mWの高出力安定動作が可能
であり5000時間以上にわたり継続した。
【００３４】＜実施例４＞本発明の他実施例について、
図７と８を用いて示す。素子の作製工程は実施例１から
３と同様であり、図７において、(100)面方位から５°
オフしたｎ型GaAs傾角基板１６上に、膜厚0.5μmのｎ型
GaAsバッファ層１７、膜厚2μmのｎ型GaInP光導波層１
８、膜厚1nmのアンドープGaInAsP超格子障壁層１１層と
膜厚0.5nmのアンドープGaInAs超格子井戸層１０層を設
けた超格子周期薄膜層１９、膜厚7nmのアンドープ圧縮
歪GaInAs量子井戸層１層と膜厚10nmの引張歪GaInAsP量
子障壁層２層及び膜厚20nmの無歪GaAs光分離閉じ込め層
からなる多重量子井戸構造活性層２０、膜厚0.3μmのｐ
型GaInP光導波層２１、 膜厚0.05μmのｐ型GaAsエッチ
ング停止層２２、膜厚1.6μmのｐ型GaInP光導波層２
３、膜厚0.05μmのｐ型GaInAsP層２４を順次MOVPE法に
よりエピタキシャル成長させる。次に、実施例１から３
と同様にして、図８における不純物拡散領域２５を共振
器両端面部に形成した後、図７と８に示すストライプ形
成を行う。その後、膜厚1.6μmのｎ型GaInP電流狭窄層
２６をMOVPE法により選択成長させ、膜厚3μmのｐ型GaA
sコンタクト層２７を埋め込む。その後実施例１から３
と全く同様にして、共振器内部と共振器端面部にそれぞ
れ相当する図７と８の素子断面図を得る。
【００３５】本実施例によると、実施例１から３と同様
な効果により、低閾値高効率動作や高出力特性を達成す
ることができた。素子は波長975〜985nmで発振し、室温
の閾値電流は15〜25mAであり、最大光出力は850〜 950m
Wを達成し、温度９０℃でも300mWの高出力安定動作が可
能であり10000時間以上にわたり継続した。
【００３６】＜実施例５＞本発明の他実施例について、
図９と１０を用いて説明する。図９において、(100)面
方位から25°オフしたｎ型InP傾角基板２８上に、膜厚
0.5μmのｎ型InPバッファ層２９、膜厚2μmのｎ型InP光
導波層３０、膜厚1nmのアンドープGaInAsP超格子障壁層
１１層と膜厚0.5nmのアンドープGaInAs超格子井戸層１
０層を設けた超格子周期薄膜層３１、膜厚 6nmのアンド
ープ圧縮歪GaInAsP量子井戸層３層と膜厚4nmの引張歪Ga
InAsP量子障壁層４層及び膜厚30nmの無歪GaInAsP光分離
閉じ込め層からなる多重量子井戸構造活性層３２、膜厚
0.3μmのｐ型InP光導波層３３、 膜厚0.05μmのｐ型GaI
nAsPエッチング停止層３４、膜厚1.5μmのｐ型InP光導
波層３５、膜厚0.05μmのｐ型GaInAsP層３６を順次MOVP
E法によりエピタキシャル成長させる。
【００３７】次に、実施例１から４と同様にして、図１
０における不純物拡散領域３７を共振器両端面部に形成
した後、図９と１０に示すストライプ形成を行う。その
後、図９と１０に示す膜厚1.5μmのｎ型InP電流狭窄層
３８をMOVPE法により選択成長させ、膜厚1μmのｐ型GaI
nAsPコンタクト層３９を埋め込む。その後実施例１から
４と全く同様にして、共振器内部と共振器端面部にそれ
ぞれ相当する図９と１０の素子断面図を得る。
【００３８】本実施例によると、実施例１から４と同様
な効果により、低閾値高効率動作や高出力特性を達成す
ることができた。素子は波長1310〜1330nmで発振し、室
温の閾値電流は15〜25mAであり、最大光出力は90〜 150
mWを達成し、温度９０℃でも50mWの高出力安定動作が可
能であり10000時間以上にわたり継続した。
【００３９】＜実施例６＞本発明における実施例１から
３のレーザ素子を光源として光ディスクドライブ装置に
搭載して、書き換え可能な光デイスクの動作信頼性試験
を評価した結果、８０℃の動作温度でも１０６回以上の
書き換え回数を達成し、１万時間以上の連続動作にも安
定継続した。
【００４０】＜実施例７＞本発明における実施例５のレ
ーザ素子を光源として送信システム装置の光増幅器を構
成して評価した結果、本素子を光源とする光増幅器装置
のファイバ出射端において、９０℃の動作温度で１００
ｍＷ以上の光出力を達成した。
【００４１】＜実施例８＞本発明における実施例６のレ
ーザ素子を光源として光加入者用送信システム装置を構
成して評価した結果、送信モジュールファイバ出射端に
おいて９０℃の動作温度で２０ｍＷ以上の光出力を達成
した。
【００４２】
【発明の効果】本発明によると、超格子周期薄膜層を設
けることによりステップバンチングを抑制して、傾角基
板上に形成した量子井戸層の平坦性や界面急峻性を改善
することができた。活性層からの発光スペクトルでは、
本手法を適用しない場合に比べて、発光強度は4〜5倍に
増大し、半値幅は20〜30%減少した。これにより、レー
ザ素子の閾値電流を20〜30%低減し、量子効率を20〜30%
向上した低閾値高効率動作が可能になった。
【００４３】さらに、不純物を拡散した活性層領域を共
振器両端面部に形成することにより、共振器内部に比べ
て禁制帯幅を60〜120meV大きくさせた窓構造を形成した
結果、端面破壊を避けることができ、熱による光出力飽
和が見られるまで最大光出力を向上させた。窓構造を設
けない場合に比べて、最大光出力を２.５から４倍まで
増大させた高出力特性を達成し、低閾値高効率動作と両
立させることが可能となった。
【００４４】本素子を光源として搭載した書き換え可能
な光ディスクドライブ装置は、８０℃の動作温度でも１
０６回以上の書き換え回数を達成し、１万時間以上の連
続動作にも安定継続した。また、本素子を光源とする送
信システム装置の光増幅器では、９０℃の動作温度でフ
ァイバ出射端における１００ｍＷ以上の光出力を達成
し、本素子を光源とする光加入者用システム装置では、
９０℃の動作温度でファイバ出射端における２０ｍＷ以
上の光出力を達成した。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明一実施例の結晶成長工程における積層結
晶を示す図。
【図２】本発明における多重量子井戸構造活性層のエネ
ルギーバンド構造を示す概略図。
【図３】本発明における活性層に対して測定した発光ス
ペクトルを示す図。
【図４】本発明における多重量子井戸構造活性層の光閉
じ込め係数と量子井戸層厚の関係を示す図。
【図５】本発明一実施例における共振器内部の素子構造
断面図。
【図６】本発明一実施例における共振器端面部の素子構
造断面図。
【図７】本発明他実施例における共振器内部の素子構造
断面図。
【図８】本発明他実施例における共振器端面部の素子構
造断面図。
【図９】本発明他実施例における共振器内部の素子構造
断面図。
【図１０】本発明他実施例における共振器端面部の素子
構造断面図。
【符号の説明】
１. ｎ型GaAs傾角基板、２. ｎ型 GaAsバッファ層、３.
ｎ型AlGaInP光導波層、４. GaInP/AlGaInP超格子周期
薄膜層、５. GaInP/AlGaInP歪補償多重量子井戸構造活
性層、６. ｐ型AlGaInP光導波層、７. ｐ型AlGaInPエッ
チング停止層、８. ｐ型AlGaInP光導波層、９. ｐ型GaI
nP層、１０. Zn不純物拡散領域、１１. ｎ型GaAs光吸収
電流狭窄層、１２. ｐ型GaAsコンタクト層、１３. 絶縁
膜マスク、１４. ｐ側電極、１５. ｎ側電極、１６. ｎ
型GaAs傾角基板、１７. ｎ型 GaAsバッファ層、１８.
ｎ型GaInP光導波層、１９. GaInAsP/GaInP超格子周期薄
膜層、２０. GaInAs/GaInAsP圧縮歪多重量子井戸構造活
性層、２１. ｐ型GaInP光導波層、２２. ｐ型GaInAsPエ
ッチング停止層、２３. ｐ型GaInP光導波層、２４.ｐ型
GaInAsP層、２５. Zn不純物拡散領域、２６. ｎ型GaInP
電流狭窄層、２７.ｐ型GaAsコンタクト層、２８. ｎ型I
nP傾角基板、２９. ｐ型InPバッファ層、３０. ｐ型InP
光導波層、３１. GaInAs/GaInAsP超格子周期薄膜層、３
２. GaInAsP/GaInAsP圧縮歪多重量子井戸構造活性層、
３３. ｐ型InP光導波層、３４. ｐ型GaInAsPエッチング
停止層、３５. ｐ型InP光導波層、３６. ｐ型GaInAsP
層、３７. Zn不純物拡散領域、３８. ｎ型InP電流狭窄
層、３９. ｐ型GaInAsコンタクト層。

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】記録媒体に光を照射する光源と記録媒体か
    らの反射光を検出する検出器とを少なくとも有し、当該
    記録媒体の一部の状態変化を読み取る機能を有する光情
    報処理装置において、或いは光を信号として光ファイバ
    を通して送信する光源と光ファイバからの信号を受信す
    る検出器を少なくとも有した光通信用送信受信システム
    装置において、該光源は表面に原子層オーダのステップ
    を有する半導体傾角基板上に構成されており、原子層オ
    ーダの膜厚を有する周期的な半導体超格子薄膜層を形成
    してあることにより、半導体傾角基板上に設ける半導体
    結晶層の膜厚がステップの近傍において厚くなって非周
    期的な原子層オーダの段差を生じるステップバンチング
    を抑制してあるか或いは緩和してあり、半導体結晶層か
    らなる発光層を少なくとも該半導体超格子薄膜層上に設
    けてあることによって、光情報処理用或いは光通信用の
    光源に適した導波路構造を構成していることを特徴とす
    る半導体発光装置。
  2. 【請求項２】請求項１記載の半導体発光装置において、
    該半導体傾角基板は原子層オーダの周期的なステップを
    もって階段状にかつ周期的に(100)面のテラスを有して
    おり、原子層オーダのステップをもって傾斜している平
    均的な傾角は0°より大きく且つ54.7°以下の範囲でオ
    フした角度を有し、表面は(100)面から0°より大きく且
    つ54.7°以下の範囲の角度でオフした面方位で有り、好
    ましく5°以上且つ25°以下の範囲でオフした面方位を
    有したGaAs或いはInP基板である該単結晶基板上に、半
    導体超格子周期薄膜層と導波路構造を設けてあることを
    特徴とする半導体発光装置。
  3. 【請求項３】請求項２記載の半導体発光装置において、
    該半導体傾角基板上には禁制帯幅の小さな発光活性層と
    その上下両側を挟む禁制帯幅の大きな光導波層を設けて
    おき、該半導体超格子周期薄膜層は少なくとも該発光活
    性層の下側に設けることにより、半導体レーザ光源の導
    波路構造を設けてあることを特徴とする半導体発光装
    置。
  4. 【請求項４】請求項３記載の半導体発光装置において、
    該半導体傾角基板上には禁制帯幅の小さな発光活性層と
    その上下両側を挟む禁制帯幅の大きな光導波層を設けて
    おき、該発光活性層の下側に形成した光導波層の上側に
    該半導体超格子周期薄膜層を設けかつ該発光活性層の下
    側に位置するように設けてあることにより、半導体レー
    ザ光源の導波路構造を設けてあることを特徴とする半導
    体発光装置。
  5. 【請求項５】請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体
    発光装置において、該発光活性層は多重量子井戸構造を
    形成してあり、該多重量子井戸構造活性層の最初に設け
    る量子井戸層に近接して該半導体超格子周期薄膜層を該
    半導体傾角基板側に設けた導波路構造を構成してあるこ
    とを特徴とする半導体発光装置。
  6. 【請求項６】請求項５記載の半導体発光装置において、
    該半導体超格子周期薄膜層に形成される量子準位間エネ
    ルギーは該多重量子井戸構造活性層内の量子準位間エネ
    ルギーよりも大きく設けてある導波路構造を構成してあ
    ることを特徴とする半導体発光装置。
  7. 【請求項７】請求項５記載の半導体発光装置において、
    該半導体超格子周期薄膜層を該多重量子井戸構造活性層
    の量子井戸層一層分の光閉じ込め係数に相当する周期数
    だけ導入し、該半導体超格子周期薄膜層を設けた導波路
    構造では、該半導体超格子周期薄膜層を設けないときに
    比べて、該多重量子井戸構造活性層の量子井戸層を一層
    減らした場合の光閉じ込め係数と同等である導波路構造
    を構成してあることを特徴とする半導体発光装置。
  8. 【請求項８】請求項５又は６記載の半導体発光装置にお
    いて、該多重量子井戸構造には少なくとも量子井戸層に
    格子歪を導入した歪多重量子井戸構造としてある導波路
    構造を構成してあることを特徴とする半導体発光装置。
  9. 【請求項９】請求項５記載の半導体レーザ素子におい
    て、該歪多重量子井戸構造には少なくとも量子井戸層に
    格子歪を導入した歪多重量子井戸構造としてあり、かつ
    量子障壁層には量子井戸層とは反対の符号をもつ格子歪
    を導入した歪補償多重量子井戸構造としてある導波路構
    造を構成してあることを特徴とする半導体発光装置。
  10. 【請求項１０】請求項１乃至６のいずれかに記載の半導
    体発光装置において、該半導体超格子周期薄膜層の超格
    子井戸層と超格子障壁層の組み合わせは、GaAs/AlGaAs,
    GaAsP/AlGaInAs, GaInAs/AlGaInAs, GaInAs/AlInAs, G
    aInAs/AlGaAsP, GaInP/AlGaInP, AlGaInP/AlGaInP, GaI
    nAsP/AlGaInP, GaInAsP/GaInP, GainAsP/GaInAsP, GaIn
    AsP/InP, GaInAs/InPのいずれかであることによって、
    導波路構造を構成してあることを特徴とする半導体発光
    装置。
  11. 【請求項１１】請求項１０記載の半導体発光装置におい
    て、該半導体超格子周期薄膜層の超格子井戸層或いは超
    格子障壁層には少なくともどちらか一方にAs元素が含有
    されて形成されていることにより、導波路構造を構成し
    てあることを特徴とする半導体発光装置。
  12. 【請求項１２】請求項１乃至１１のいずれかに記載の半
    導体発光装置において、該単結晶基板上に設けた発光活
    性層と光導波層により構成されるストライプ領域に形成
    しておき、共振器端面近傍におけるストライプ下部の発
    光活性層領域へ不純物を拡散導入することにより、当該
    発光活性層領域の禁制帯幅が不純物を拡散していない領
    域よりも大きくなっており、かつ不純物を拡散していな
    い共振器内部で発生したレーザ光のエネルギーよりも少
    なくとも大きくなっているレーザ光にとっての窓構造が
    形成してあり、共振器端面近傍に設けた不純物拡散窓構
    造領域から外部へ出射する導波路構造を構成してあるこ
    とを特徴とする半導体発光装置。
  13. 【請求項１３】請求項１２記載の半導体発光装置におい
    て、該導波構造の不純物を導入した共振器端面近傍にお
    けるストライプ下部の発光活性層領域での禁制帯幅は、
    発生したレーザ光のエネルギーよりも少なくとも50meV
    以上の大きさがある窓構造領域を設けた導波路構造が構
    成してあることを特徴とする半導体発光装置。
  14. 【請求項１４】請求項１２又は１３記載の半導体発光装
    置において、共振器端面近傍におけるストライプ下部の
    発光活性層領域が構成する窓構造領域に対して、その上
    部或いは下部に電流非注入領域を設けてあり、窓構造領
    域の長さよりも電流非注入領域が長く設けた導波路構造
    が構成してあることを特徴とする半導体発光装置。
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