【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体レーザ、特に約７
７０ｎｍから１１００ｎｍの範囲に発振波長を有する半導体レーザよびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年における光通信技術や光情報処理技術は各種の分野において中心的な役割を果たすようになっており、例えば光ファイバを用いたデジタル光通信はデータ通信密度の飛躍的な増大を可能とし、また光ディスクやレーザプリンターは光情報処理の応用範囲を著しく拡大している。 このような光通信技術や光情報処理技術の発展は光源である半導体レーザ（レーザダイオード）の進歩に負うところが大きく、小型かつ高効率という優れた特徴を利用してコンパクトディスクやビデオディスク、光通信網などの光源として幅広く応用されている。 周知のごとく、半導体レーザはＰＮ接合を用いて、
活性層に多数のキャリアを注入することにより励起状態を実現させレーザ発振を行うものである。 そして、最近の半導体技術の進歩、特に分子線エピタキシー（ＭＢ
Ｅ）法や有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法の進歩により１０Å程度以下の原子オーダに至る極薄膜のエピタキシャル成長層の制御が可能になった。 それに伴い、２０
０Å程度以下の量子井戸を活性領域とする半導体レーザが実現され、高効率・低駆動電流化が進んだ（参考文献：WTTsang,in Semiconductors and Semimetals vo
l.24,"pp.397 edited by R.Dingle,Academic Press,San
Diego(1987) ）。

【０００３】最近では周囲の半導体と格子定数の異なる歪量子井戸を用いた半導体レーザが注目されている。 これは臨界膜厚以内であれば格子欠陥を生じることなく結晶を積層できるという点においてＭＢＥ法やＭＯＣＶＤ
法の利点を生かしたデバイスということができる。 特に９８０ｎｍに発振波長をもつＩｎＧａＡｓを量子井戸活性層とする歪量子井戸レーザは光ファイバ増幅器の励起用光源として重要視されている。 従来この種の半導体レーザにおいてはＡｌを含まないＧａＡｓを障壁層として用いることが多くなされてきた。 これはＩｎＧａＡｓが蒸気圧の高いＩｎを含むため比較的低い温度で量子井戸層を成長する必要があり、低温で良好な結晶性を得ることができるＧａＡｓで量子井戸を挟み込むことにより、
高品質のヘテロ構造を作製できるためである。

【０００４】一方、Ａｌを含むＡｌＧａＡｓを障壁層に用いた場合には発光効率が著しく低下するなどの欠点が報告されている（参考文献：B.Pezeshki,SMLord,and
JSHarris,Jr.,in Proceedings of International Sym
posium on Gallium Arsenideand Related Compounds,Se
attle,1991;Inst.Phys.Conf.Ser.No.120(IOP,London)p.
437.) 。

【０００５】つまり、ＭＢＥ法によりＡｌＧａＡｓをクラッド層として、ＩｎＧａＡｓあるいはＩｎＧａＡｌＡ
ｓのようにＩｎを含む量子井戸を活性層とした半導体レーザを製造する場合、それぞれに最適成長温度が異なるため、クラッド層は７００℃以上の高温で、量子井戸層は５５０℃以下の低温で成長する必要がある。 この時の最適成長温度を実現する方法として、結晶成長を休止して、温度を変えることもできるが、成長の中断を行った界面には非発光再結合中心が高密度に存在するため、デバイスの効率や信頼性を損なうため通常は採用されていない。 このように、Ｉｎを含む混晶を量子井戸活性層とする場合には低温でＡｌＧａＡｓ障壁層を成長するかあるいはＡｌＧａＡｓ障壁層の成長中に温度を変える必要があった。 そのため、レーザ特性を満足するほど高品質のヘテロ構造を製造することができなかった。

【０００６】しかし、Ｉｎ _0.2 Ｇａ _0.8 Ａｓの単一量子井戸（６ｎｍ）をＡｌ _x Ｇａ _1-x Ａｓ障壁層（ｘはＡｌ
の混晶比）で挟んだ試料をＭＢＥ法により５２０℃で作製し、室温３００Ｋにおいてフォトルミネッセンスの発光強度を測定した結果、図３に示すように発光強度は障壁層のＡｌ混晶比ｘと共に指数関数的に増大することが分かった。 従って、ＧａＡｓを障壁層として用いるかわりにＡｌＧａＡｓを障壁層に用いることにより、閾値電流の低下や温度特性の改善を行うことができる。 ところが、前述したように、ＭＢＥ法においては、約６４０
〜７００℃の温度範囲においてＡｌＧａＡｓが鏡面状に成長しない温度領域が存在する（参考文献：T.Hayakaw
a,M.Morishima,M.Nagai,H.Horie,and K.Matsumoto,Appl
ied Physics Letters vol.59,No.19,pp.2415(1991))。
そこで、ＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層とＡｌＧａＡｓの間に薄いＧａＡｓの障壁層を設けて、この層の成長中に温度を変化させることが必要であった。

【０００７】従来の歪量子井戸レーザの形成手順を図４
を用いて説明する。

【０００８】（１００）方位を有するｎ−ＧａＡｓ基板４１上にｎ−ＧａＡｓバッファ層４２、ｎ−Ａｌ _0.6 Ｇ
ａ _0.4 Ａｓクラッド層４３を設け、該クラッド層４３からＡｌ混晶比を後述するＩｎＧａＡｓ量子井戸４６に近づくに従って徐々に０．６から０．０５に減少させるＧ
ＲＩＮ（graded index）光ガイド層４４、さらに比較的薄いＧａＡｓ障壁層４５を形成した後、ＩｎＧａＡｓ量子井戸４６を形成する。 以下、該ＩｎＧａＡｓ量子井戸４６を挟むように、ＧａＡｓ障壁層４７、ＧＲＩＮ光ガイド層４８、ｐ−Ａｌ _0.6 Ｇａ _0.4 Ａｓクラッド層４
９、ｐ−ＧａＡｓキャップ層５０をＭＢＥ法を用いて連続的に形成する。 前記ＭＢＥ法による結晶成長の後、プラズマＣＶＤにより、ＳｉＮ _x膜５１を形成し、フォトリソグラフィー法と希釈したＨＦによる化学エッチングにより、一部のＳｉＮ _x膜を除去して幅５０μｍのストライブ状の窓５４を形成する。 最後に、ｐ−ＧａＡｓキャップ層４９側にＭｏ／Ａｕ５２、ｎ−ＧａＡｓ基板４
１側にＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ５３を真空蒸着後、４６０
℃でアニールしてオーミック電極を形成する。 このように、歪量子井戸レーザを形成し、ＧＲＩＮ光ガイド層４
４、４８によってクラッド層へのキャリア漏れを低減するとともに量子井戸への光の閉じ込めを増大させている。 また、量子井戸４６を比較的薄いＧａＡｓ障壁層４
５，４７で挟んで、これらのＧａＡｓ層成長中に温度を変化させることによって、結晶の最適成長温度を実現し、組成による温度不整合を解消すると共に、結晶性の劣化を防止している。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の歪量子井戸レーザは余分なＧａＡｓ障壁層を有するため全体として光ガイド層の厚み（４４〜４８層の合計）が大きくなりｐｎ接合に垂直方向のレーザ光のビーム広がりが大きくなって光学系との結合効率が小さくなる欠点があった。 更にＧａＡｓを障壁層として用いる場合には、ヘテロ障壁が十分にとれないためＧａＡｓに近いエネルギーギャップをもつ低Ｉｎ混晶比のＩｎＧａＡｓや更にエネルギーギャップの大きなＩｎＧａＡｌＡｓを量子井戸活性層としたレーザを実現できなかった。

【００１０】また、ＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ法を用いて結晶成長を行う場合に最適成長温度が混晶の種類により狭い範囲に限定されるため条件の選定が困難であった。

【００１１】そこで本発明は、ＩｎＧａＡｓやＩｎＧａ
ＡｌＡｓを量子井戸活性層とし、低閾値電流かつ温度特性が安定し高信頼性を有した高性能の半導体レーザを容易に提供することを目的としたものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記問題点を解決するため、活性層が少なくとも１層の量子井戸層より成り、かつ該量子井戸層が少なくともＩｎ，Ｇａ，Ａ
ｓを含む半導体より成る半導体レーザにおいて、該量子井戸層に隣接する障壁層の少なくとも一つがＧａＡｓおよびＡｌＧａＡｓあるいはＡｌＡｓを交互に積層した超格子層より成ることを特徴とするものであり、前記半導体レーザの製造の時に前記超格子層の少なくとも一つの成長中に成長温度を変化させることを特徴とするものである。

【００１３】

【作用】本発明においては、少なくともＩｎ，Ｇａ，Ａ
ｓを含む量子井戸を活性層とする半導体レーザにおいて、単一または多重の量子井戸活性層を挟む障壁層としてＧａＡｓおよびＡｌＧａＡｓあるいはＡｌＡｓを交互に積層した超格子層を用いることにより等価的に高品質のＡｌＧａＡｓ障壁層を有する量子井戸半導体レーザと同等の高効率高信頼性を得る。 また、この超格子障壁層の成長中に成長温度を変化させる方法をとることにより障壁層の結晶性を損なうことなく成長温度が比較的低温が適したＩｎ，Ｇａ，Ａｓを含む量子井戸と比較的高温が適したＡｌＧａＡｓクラッド層と共に最適な温度において製造できる。

【００１４】

【実施例】本発明の良好な実施例を図面を利用して説明する。 図１に本発明の第１実施例であるＩｎＧａＡｓ／
ＡｌＧａＡｓ量子井戸レーザの断面を模式的に示す。

【００１５】（１００）方位を有するｎ−ＧａＡｓ基板１（Ｓｉ＝２×１０ ¹⁸ ｃｍ ^-3 ）上にｎ−ＧａＡｓバッファ層２（Ｓｉ＝１×１０ ¹⁸ ｃｍ ^-3 ，０．５μｍ）、ｎ−
Ａｌ _0.6 Ｇａ _0.4 Ａｓクラッド層３（Ｓｉ＝１×１０ ¹⁸
ｃｍ ^-3 ，１．５μｍ）、ノンドープ超格子光ガイド層４、ノンドープＩｎ _0.2 Ｇａ _0.8 Ａｓ量子井戸層５
（０．００６μｍ）、ノンドープ超格子光ガイド層６、
ｐ−Ａｌ _0.6 Ｇａ _0.4 Ａｓクラッド層７（Ｂｅ＝１×１
０ ¹⁸ ｃｍ ^-3 ，１．５μｍ）、ｐ−ＧａＡｓキャップ８
（Ｂｅ＝１×１０ ¹⁹ ｃｍ ^-3 ，０．５μｍ）をＭＢＥ法を用いて連続的に形成する。 ここで、ノンドープ超格子光ガイド層４および６はＧａＡｓ３分子層Ａｌ _0.6 Ｇａ
_0.4 Ａｓ２分子層を交互に５０周期積層したものである。 この時、平均のＡｌ混晶比は０．２４である。 また、成長温度はｎ−Ａｌ _0.6 Ｇａ _0.4 Ａｓクラッド層３
を７２０℃で成長後、ノンドープ超格子光ガイド層４の成長開始と同時に温度を下げノンドープ超格子光ガイド層４の成長中に５２０℃に安定させノンドープＩｎ _0.2
Ｇａ _0.8 Ａｓ量子井戸層５は５２０℃で成長を行う。 次にノンドープ超格子光ガイド層６の成長開始と同時に温度を上げノンドープ超格子光ガイド層６成長中に７２０
℃に安定させ、その後の成長は７２０℃において行う。
このようにＧａＡｓを含む超格子中で成長温度を変化させても完全に鏡面の成長が可能であり素子特性を劣化させることなくＭＢＥ法による結晶成長が可能である。 ここでノンドープＩｎ _0.2 Ｇａ _0.8 Ａｓ量子井戸層は成長温度が±２０℃程度変化しても大きな特性劣化とならないが、Ａｌ _0.6 Ｇａ _0.4 Ａｓクラッド層３および７は結晶性が成長温度に敏感なため±５℃以内に温度を安定させる必要がある。 ＭＢＥ成長の後、プラズマＣＶＤにより、ＳｉＮ _x膜９（３０００Å）を形成し、フォトリソグラフィー法と希釈したＨＦによる化学エッチングにより、一部のＳｉＮx 膜を除去して幅５０μｍのストライブ状の窓１２を形成する。 最後に、ｐ−ＧａＡｓキャップ層側にＭｏ／Ａｕ１０、ｎ−ＧａＡｓ基板側にＡｕＧ
ｅ／Ｎｉ／Ａｕ１１を真空蒸着後、４６０℃で５分間アニールしてオーミック電極を形成する。

【００１６】このようにして製造したウエハを、共振器長５００μｍに劈開し、前端面に反射率１０％のＡｌ ₂
Ｏ ₃膜、後端面に反射率９５％のＡｌ ₂ Ｏ ₃とアモルファスＳｉを交互に二周期積層した多層膜のコーティングを電子ビーム蒸着により施した後、幅５００μｍのチップに切り出し、Ｉｎはんだを用いて銅ヒートシンク上にマウントする。 このようにして製造した歪量子井戸レーザの特性を測定すると、２５℃において閾値電流５５ｍ
Ａで発振し、前端面より１Ｗ以上の光出力を得ることができる。 また、この時の発振波長は約９８０ｎｍである。 さらに、この歪量子井戸レーザは、温度特性にすぐれ、閾値電流をＡｅｘｐ（Ｔ／Ｔ ₀ ）［Ａは定数、Ｔは温度］で表した時の特性温度Ｔ ₀の値は従来のＧａＡｓ
を光ガイド層に用いた場合の１２０度程度に比べて１８
０度以上に向上した。 これは量子井戸から障壁層（光ガイド層）へのキャリア、主として電子の漏れが低減できたためである。

【００１７】図２に本発明の第２実施例であるＩｎＧａ
ＡｌＡｓ／ＡｌＧａＡｓ歪多重量子井戸レーザの断面を模式的に示す。

【００１８】（１００）方位を有するｎ−ＧａＡｓ基板２１（Ｓｉ＝２×１０ ¹⁸ ｃｍ ^-3 ）上にｎ−ＧａＡｓバッファ層２２（Ｓｉ＝１×１０ ¹⁸ ｃｍ ^-3 ，０．５μｍ）、
ｎ−Ａｌ _0.7 Ｇａ _0.3 Ａｓクラッド層２３（Ｓｉ＝１×
１０ ¹⁸ ｃｍ ^-3 ，１．４μｍ）、ノンドープ超格子光ガイド層２４、ノンドープＩｎ _0.1 （Ｇａ _0.85 Ａｌ _0.15 ）
_0.9 Ａｓ歪多重量子井戸活性層２５、ノンドープ超格子光ガイド層２６、ｐ−Ａｌ _0.7 Ｇａ _0.3 Ａｓクラッド層２７（Ｂｅ＝１×１０ ¹⁸ ｃｍ ^-3 ，１．４μｍ）、ｐ−Ｇ
ａＡｓキャップ２８（Ｂｅ＝１×１０ ¹⁹ ｃｍ ^-3 ，０．７
μｍ）をＭＢＥ法を用いて連続的に形成する。 ここで、
ノンドープ超格子光ガイド層２４および２６はＧａＡｓ
２分子層Ａｌ _0.7 Ｇａ _0.3 Ａｓ２分子層を交互に６１周期積層したもので、平均のＡｌ混晶比は０．３５である。 歪多重量子井戸活性層２５は３つのＩｎ _0.1 （Ｇａ
_0.85 Ａｌ _0.15 ） _0.9 Ａｓ歪量子井戸（０．００６μｍ）
をＧａＡｓ２分子層Ａｌ _0.7 Ｇａ _0.3 Ａｓ２分子層を交互に８周期（Ａｌ _0.7 Ｇａ _0.3 Ａｓは量端で９層）積層した超格子障壁層で隔てられている。 本実施例においても第１の実施例と同様に成長温度はＡｌＧａＡｓクラッド層２３、２７を７２０℃で成長、ノンドープ超格子光ガイド層２４，２６の成長中に温度を変化させて歪多重量子井戸活性層２５は５２０℃で成長した。 ＭＢＥ成長の後第１の実施例と同様の５０μｍ幅ＳｉＮ _xストライプレーザ３２を作製する。

【００１９】このようにして作製したウエハを、共振器長５００μｍに劈開し、前端面に反射率１０％のＡｌ ₂
Ｏ ₃膜、後端面に反射率９５％のＡｌ ₂ Ｏ ₃とアモルファスＳｉを交互に二周期積層した多層膜のコーティングを電子ビーム蒸着により施した後、幅５００μｍのチップに切り出し、Ｉｎはんだを用いて銅ヒートシンク上にマウントする。 この様にして製造した歪量子レーザの特性を測定すると、２５℃において閾値電流７５ｍＡで発振し、前端面より１Ｗ以上の光出力を得ることができる。 この時の発振波長は約８３０ｎｍである。 Ｉｎを含む歪量子井戸を用いているため同じ発振波長を有するＡ
ｌＧａＡｓ無歪量子井戸のレーザより低閾値電流および高信頼性を得ることができる。

【００２０】このようにＧａＡｓとＡｌＧａＡｓの短周期超格子を障壁層として用いることによって従来のＩｎ
を含まないＡｌＧａＡｓレーザがカバーしていた７５０
〜８８０ｎｍの波長範囲の半導体レーザの特性を改善することが可能である。 また、従来カバーできていなかった、約８８０〜９４０ｎｍの波長範囲の半導体レーザも特性の劣化なく実現することが可能になる。

【００２１】上記実施例はひとつの素子中で同一構造の超格子障壁層を有する半導体レーザについて示したが、
それぞれの超格子障壁層の組成や周期を変えたり、ひとつの超格子障壁層中で周期や組成を変化させる、あるいは周期や組成の異なる複数の超格子層により超格子障壁層を構成することが可能である。

【００２２】また、上記実施例においては最も簡単な電極ストライプ構造の素子についてのみ詳述したが、その他各種の屈折率導波構造を含む種々のストライプ構造を有する半導体レーザに適応できることは言うまでもない。

【００２３】更に製造方法としてはＭＢＥ法を用いる必要はなく、金属材料のかわりに気体原料を用いたＭＢＥ
法やさらにＭＯＣＶＤ法を用いる場合にも一般にＡｌＧ
ａＡｓとＩｎを含む化合物半導体では最適な製造温度が大きく異なるためこれらの層の間で成長を休止することなく温度を変えることを可能ならしめることによって高品質の半導体レーザを実現できる。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る半導体レーザによれば、ＩｎＧａＡｌＡｓあるいはＩｎＧａ
Ａｓ歪量子井戸を活性層とする場合に量子井戸のヘテロ障壁のエネルギーを従来より高くとることが可能になり低電流・高効率で温度特性にすぐれた素子を実現できる。 また、ＩｎＧａＡｌＡｓ歪量子井戸はＡｌＧａＡｓ
の無歪量子井戸より低閾値などの特性向上が実現できるばかりでなく信頼性を向上することができる。 さらに本発明の製造方法を用いることによりクラッド層と活性層がそれぞれ最適な条件で製造可能となるため、結晶性を損ねることなく高信頼性を有する素子を再現性良く製造することが可能となる。 特にＭＢＥ法やそれに類する製造方法を用いる場合、これまではＡｌＧａＡｓが非鏡面成長となる温度領域の存在のため製造が極めて困難であったＡｌＧａＡｓを障壁層とするＩｎＧａＡｓあるいはＩｎＧａＡｌＡｓの歪量子井戸を活性層とする低閾値電流かつ温度特性が安定し高信頼性を有した高性能の半導体レーザを容易に得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る歪量子井戸レーザの第１実施例の断面模式図である。

【図２】本発明に係る歪量子井戸レーザの第２実施例の断面模式図である。

【図３】Ｉｎ _0.2 Ｇａ _0.8 Ａｓ／Ａｌ _x Ｇａ _1-x Ａｓ単一歪量子井戸構造の３００Ｋにおけるフォトルミネセンス発光強度のＡｌ混晶比ｘ依存性を示す説明図である。

【図４】従来の歪量子井戸レーザの断面模式図である。

【符号の説明】

１ ｎ−ＧａＡｓ基板 ２ ｎ−ＧａＡｓバッファ層 ３ ｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層 ４ アンドープ超格子光ガイド層 ５ ノンドープＩｎＧａＡｓ量子井戸層 ６ ノンドープ超格子光ガイド層 ７ ｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層 ８ ｐ−ＧａＡｓキャップ層 ９ ＳｉＮ _x膜 １０ ｐ−電極 １１ ｎ−電極