【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光半導体装置に関し、
より詳しくは、歪量子井戸層を有する半導体レーザや半導体光増幅器のような光半導体装置に関する。 光伝送システムは高度に発展しつつあり、今後光加入者系等の分野で広く使われるようになると予測される。 その場合、
光源である半導体レーザは、厳しい温度環境下で使用され、当然ながら低消費電力であることが要求される。

【０００２】低消費電力で高い効率を有し、さらに温度特性の良い光半導体装置として歪量子井戸半導体レーザが研究開発されている。

【０００３】

【従来の技術】半導体レーザ、半導体光増幅器等の光半導体装置は、InP 又はGaAsからなる基板を用いて形成され、その基板上に結晶を成長する工程などを経て完成される。 その結晶成長の際には、基板材料と格子定数が整合する材料を選択することが多いが、格子定数が異なった材料からなる歪量子井戸も使用されている。

【０００４】歪量子井戸層は、多元系材料の組成をバリア層や基板と格子整合しない条件にするとともに、その膜厚を薄くして強制的に基板と同じ格子定数になるようにしたものである。 このような歪量子井戸は、例えば半導体レーザの活性層に適用されており、歪を加える効果によってエネルギーバンド構造の状態密度が変化し、半導体レーザの特性が向上する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、基板の材料は
InP 又はGaAsに限られているために、歪量子井戸層を挟むバリア層の材料としては、GaAs基板に格子整合するAl
GaAsや、InP 基板と同じ材料のInP 或いはこれに格子整合する組成のInAlAsに限定されていた。 そのような歪量子井戸構造の半導体レーザの発振波長は、GaAsを基板とする場合には格子定数と歪量の関係から１．０μｍまでに制限され、光通信で重要な波長である１．２〜１．６
μｍ帯のレーザは作られていない。 一方、InP を基板とする場合には１．２〜１．６μｍ帯のレーザを実現できるが、InP 等のバリア層に対する井戸の深さは浅いので、温度特性の面で充分な性能が得られていなかった。

【０００６】このように、従来では歪量子井戸構造の材料の選択の幅は狭く、その発振波長やポテンシャル井戸の深さはおのずと制限されるという問題がある。 ポテンシャル井戸の深さは歪量子井戸半導体レーザでは高い性能を得るために重要であり、さらに深い歪量子井戸が要求される。 InP 基板を使用した発振波長１．３μｍの半導体レーザにおける量子井戸の深さの一例を示すと図７
のようになる。 図７(A) は、InP 量子井戸層とInGaAsP
バリア層からなるダブルヘテロ（ＤＨ）構造のエネルギーバンドを示し、同図(B)は、InP バリア層とInGaAsP
量子井戸層の間に、組成の異なるInGaAsP 光閉じ込め層を形成してなるＳＣＨ（separate confinement heteros
tructure）構造のエネルギーバンドを示している。

【０００７】そのＳＣＨ構造の歪量子井戸層の価電子帯側のサブバンドを図８に示す。 図８では、歪による静水圧のバンドギャップの変化を取り込んだ縦軸のエネルギーを目盛っている。 この図からヘビーホールバンド（重い正孔バンド）HH-1〜HH-4とライトホールバンド（軽い正孔）LH-1が接近していることがわかる。 また、ＤＨ構造とＳＣＨ構造の各々のキャリア密度と利得の関係を示すと図９のようになり、実線はＳＣＨ構造の特性を示している。

【０００８】本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであって、歪量子井戸構造のポテンシャル井戸を深くし、さらに温度特性も向上できる光半導体装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記した課題は、図２に例示するように、３元の混晶の半導体結晶からなる基板１と、前記基板１の上に形成される歪量子井戸構造２，
３，４の活性部とを有することを特徴とする光半導体装置により達成する。 または、前記基板１の半導体結晶は
In _x Ga _1-x Asであり、その組成比ｘは０＜ｘ＜１の範囲にあることを特徴とする光半導体装置により達成する。

【００１０】または、前記In _x Ga _1-x Asよりなる前記基板１の上に形成される前記歪量子井戸構造２，３，４の歪量子井戸層３の材料はIn _y Ga _1-y As又はInGaAsP であり、そのバリア層２，４の材料はInGaP 、InGaAsP 、In
AlAs、AlInAsP 、AlGaInAsPのいずれかであることを特徴とする光半導体装置により達成する。 または、前記基板１、前記歪量子井戸構造２，３，４は、利得が最大となる波長を１．２〜１．６μｍとする材料が選択され、
歪量子井戸層３はその波長を達成する厚みを有していることを特徴とする光半導体装置により達成する。

【００１１】

【作 用】本発明は、歪量子井戸を有する光半導体装置の性能がそのポテンシャル井戸を深くすることにより大幅に向上するという、新たな理論的知見と、井戸のポテンシャルを深くするためには、結晶成長の基板となる材料として３元結晶、例えばInGaAsを用いれば良いという新たな発想をベースにしたものである。

【００１２】次に、量子井戸のポテンシャルを深くすることにより、歪量子井戸の性能が向上することを説明する。 歪量子井戸のポテンシャルを深くするためには、これを囲むバリア層のポテンシャルを高くすればよい。 しかし、InP 基板やGaAs基板を使用する従来の光半導体装置では、その基板の格子定数の大きさにより活性層及びバリア層として選択できる材料が制限される。

【００１３】しかし、３元混晶の半導体を基板材料として適用すれば、活性層及びバリア層となる材料の選択範囲が広がり、発振波長の選択や、最適なバンドギャップとなるヘテロ接合材料を選択できるようになる。 例えば、波長λを１．３μｍとするためにIn _0.46 Ga _0.54 Asを歪量子井戸層として用い、かつ、その歪量を１．４％として歪量子井戸層を挟むバリア層の材料をInGaP にすると、InGaP バリア層と格子整合する基板材料は、図１からも明らかなようにGaAsやInP でなく、例えば３元のIn
GaAsからなる基板である。 これによれば、InP 基板を使用する場合（図７）に比べて図２に例示するようにバリア層と歪量子井戸層のバンドギャップの差を大きくして量子井戸を深くできる。

【００１４】このように、最適な組成の３元材料の基板を選択して深いポテンシャルの歪量子井戸を形成すると、価電子帯の歪量子井戸においては重い正孔のバンド同士の間隔、或いは重い正孔バンドと軽い正孔バンドの間隔が広がる。 この結果、ヘビーホールバンドの有効質量が小さくなり、状態密度が小さくなって少ないキャリア密度で発振が可能になる。 また、その結果、温度の変化によるキャリア密度への影響が少なくなる。 なお、量子井戸層を歪ませたことによるサブバンドへの影響は、
伝導帯よりも価電子帯の方が大きい。

【００１５】以上のように、３元材料基板を使用する半導体レーザによれば利得が増大し、また、温度特性が良くなる。 なお図１に、III-Ｖ族半導体の格子定数とエネルギーギャップの関係を示す。 GaAsとInAsを結ぶ線がIn
_x Ga _1-x Asのｘの値を変えた場合の線であり、組成比ｘ
は０＜ｘ＜１の関係にある。 例えば、その線上の組成の
In _x Ga _1-x As基板を用いて半導体レーザを形成する場合に、量子井戸のポテンシャルを深くするバリア層材料を選択して、温度特性の良い波長帯の１．２〜１．６μｍ
帯の歪量子井戸半導体レーザを実現する。

【００１６】

【実施例】そこで、以下に本発明の実施例を図面に基づいて説明する。 （ａ）本発明の第１実施例の説明 図２(A) は、本発明の第１実施例の半導体レーザを示す断面図で、同図(B) はそのエネルギーバンド図である。
光通信で最も重要な波長帯である１．３μｍの発振波長で深い量子井戸が得られる構造を示している。

【００１７】図中符号１は、３元材料としてIn _x Ga _1-x
As（ｘ＝０．２６）を用いたｎ型の基板であり、その上には、n-In _0.73 Ga _0.27 P クラッド層２、ノンドープIn
_0.46 Ga _0.54 As活性層３、p-In _0.73 Ga _0.27 P クラッド層４、及びｐ ⁺ −In _0.26 Ga _0.74 Asコンタクト層５が順に成長されている。 また、コンタクト層５の上にはｐ電極６
が、基板１の下にはｎ電極７がそれぞれ形成されている。

【００１８】この場合のバンド構造は、活性層３が量子井戸層になり、クラッド層２，４がバリア層となる。 このような材料によれば、図１からも明らかなように、基板１とクラッド層２，４とは格子定数が整合し、また、
活性層３の格子定数はクラッド層２，４のそれとは一致せず、活性層３には圧縮歪が加わって歪量子井戸となっており、その歪量を格子定数の比で表すと１．４％になる。 そして、活性層３の厚みＬ _zを８nm程度に設定すると、波長１．３μｍ付近で最大の利得が得られる。

【００１９】このＤＨ構造の量子井戸のポテンシャルの計算例を示すと図２(B) のようになり、図７(A) に示す従来に比べて、深い井戸が伝導帯（４３６meV ）、価電子帯（２９７meV ）の双方で得られていることがわかる。 井戸が深くなると量子サイズ効果によってサブバンド間のエネルギー差が大きくなる。 これらの深い井戸の効果によるバンド構造によれば、キャリアが効率良く最低位のバンドに分布し、これにより利得が増大する。

【００２０】また、その活性層３におけるキャリア密度と利得の関係を調べると、図３の破線に示すような特性が得られ、InP 基板の上に形成されるＤＨ構造の図９の破線で示す特性と比較すると、利得が大きくなっているのがわかる。 このような高い利得を持つ歪量子井戸構造を用いれば、低い閾値、高い効率、高出力の半導体レーザが得られる。 しかも、サブバンド間が広がることにより、温度を変えた場合の特性の変化も極めて小さくなる。

【００２１】（ｂ）本発明の第２実施例の説明 上記した第１実施例では、ダブルヘテロ（ＤＨ）構造の半導体レーザについて説明したが、以下にＳＣＨ構造を採用した装置について説明する。 図４(A) は、本発明の第２実施例の半導体レーザを示す断面図で、同図(B) はそのエネルギーバンド図である。

【００２２】図４(A) において符号１１は、３元材料としてIn _x Ga _1-x As（ｘ＝０．２６）を用いた基板であり、その上には、n-In _0.736 Ga _0.264 P クラッド層１２、
n-In _{0. 7} Ga _0.3 As _0.078 P _0.922光閉じ込め層兼バリア層１
３、ノンドープIn _0.46 Ga _0.54 As活性層１４、p-In _0.7 Ga
_0.3 As _0.078 P _0.922光閉じ込め層兼バリア層１５、p-In
_{0. 736} Ga _0.264 P クラッド層１６、およびｐ ⁺ −In _0.26 Ga
_0.74 Asコンタクト層１７が順に形成されている。 また、
コンタクト層１７の上にはｐ電極１８が設けられ、基板１１の下にはｎ電極１９が形成されている。

【００２３】この場合のバンド構造は、活性層１４が歪量子井戸層になり、光閉じ込め層兼バリア層１３，１５
とクラッド層１２，１６がそのバリア層となる。 この場合の格子定数とエネルギーの関係は、図１を見ると、バリア層に対して歪量子井戸層のポテンシャルが深くなることがわかる。 その歪量子井戸の深さを計算してみると、図４(B) のようになり、価電子帯の井戸の深さは３
６３meV 、伝導帯は１７４meV と大きくなる。 この井戸のポテンシャルについて価電子帯で分散されるバンド構造を計算した結果を図５に示す。 図５の縦軸のエネルギーは、歪による静水圧のバンドギャップの変化を取り込んで目盛られている。

【００２４】本実施例の井戸におけるサブバンド（図５）とInP 基板上の歪量子井戸構造におけるサブバンド（図８）を比較すると、本実施例の方がｋ＝０におけるサブバンドのエネルギー差が大きくなり、ヘビーホールバンドＨＨにおけるキャリア密度も大きくなる。 しかも、エネルギー間隔が開くことにより、ライトホールバンドとヘビーホールバンドＬＨが離れ、ヘビーホールバンドＨＨの有効質量が小さくなる。

【００２５】本実施例のバンド構造を採用した半導体レーザの利得を計算した結果が図３の実線であり、図９に示す従来よりも利得が増大していることが確認できる。
また、量子井戸が深い場合には、温度を変えても利得の変化は小さくなり、温度特性の良い半導体レーザが作れる。 このように、井戸の深さを深くすることにより、利得が増大するということが理論的に示すことができた。

【００２６】なお、InP 基板を使用する場合、最も井戸を深くできるバリア層はInP 若しくはInAlAsであって、
深い量子井戸を作るのには限界があり、特性も限界がある。 本実施例によれば、基板としてInGaAsを用いることにより、InP やGaAsを基板とする場合に比べて深い量子井戸が形成され、高い利得を実現して、温度依存性の極めて小さい高性能半導体レーザが実現される。

【００２７】（ｃ）本発明の第３実施例の説明 上記した実施例では、バリア層としてInGaAsを用いているが、InAlAsを適用してもよく、その構造を図６に示している。 図６において、n-In _0.26 Ga _0.74 As基板２１の上には、n-In _y Al _1-y As（ｙ＝0.２５）クラッド層２２、
ノンドープIn _0.46 Ga _0.54 As活性層２３、p-In _y Al _1-y As
クラッド層２４、及びｐ ⁺ −In _y Al _1-y Asコンタクト層２５が形成されている。 また、コンタクト層２５の上にはｐ電極２６が形成され、基板２１の下にはｎ電極２７
が形成されている。

【００２８】この場合、活性層２３が歪量子井戸層、クラッド層２２，２４がバリア層となる。 これによれば、
図１から明らかなように、バリア層と歪量子井戸層のエネルギー差が上記した２つの実施例よりも大きくなり、
量子井戸がさらに深くなり、高利得が得られ、温度依存性も小さくなる。

【００２９】（ｄ）本発明のその他の実施例の説明 上記した実施例では、基板材料としてIn _0.26 Ga _0.74 Asを適用しているが、その他の組成の３元混晶を基板に用いることにより、従来の基板の格子定数で制限された枠を越えて量子井戸のバリアを深くする全ての材料を選択してもよい。 上記実施例の量子井戸層は圧縮歪としたが、
引っ張り歪としてもよい。 また、上記実施例では、単一の量子井戸であるが、量子井戸を複数有する多重量子井戸にも適用できる。 さらに、単一量子井戸の場合、バリア層として最も井戸が深くなる組成の材料を用いずに中間の組成の材料を用いて、光の閉じ込め係数を大きくしてもよい。

【００３０】なお、InP よりも大きなバンドギャップの
InGaAsP 層は３元の混晶基板上でなければ実現できない。

【００３１】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、３元混晶基板を使用してその上に歪量子井戸構造を形成するようにしたので、従来の２元混晶基板では実現できない深い量子井戸を形成し、井戸におけるサブバンド間のエネルギー差を大きくして光半導体装置の性能を大幅に向上できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】III-Ｖ族半導体の格子定数とエネルギーギャップの関係を示す図である。

【図２】本発明の第２実施例の装置を示す断面図とエネルギーバンド図である。

【図３】本発明の第１実施例、第２実施例の装置における量子井戸層のキャリア密度と利得の関係を示す図である。

【図４】本発明の第１実施例の装置を示す断面図とエネルギーバンド図である。

【図５】本発明の第２実施例における量子井戸層の価電子帯におけるエネルギーサブバンド図である。

【図６】本発明の第３実施例の装置を示す断面図である。

【図７】InP 基板上に形成されたＤＨ構造とＳＣＨ構造のエネルギーバンドを示す図である。

【図８】InP 基板上に形成されたＳＣＨ構造の歪量子井戸における価電子帯のサブバンドを示す図である。

【図９】InP 基板に形成される半導体レーザのキャリア密度と利得の関係を示す図である。

【符号の説明】

１ In _0.26 Ga _0.74 As基板 ２、４ In _0.73 Ga _0.27 Asクラッド層（バリア層） ３ In _0.46 Ga _0.54 P 活性層（量子井戸層） ５ コンタクト層 ６ ｐ電極 ７ ｎ電極 １１ In _0.26 Ga _0.74 As基板 １２、１６ In _0.736 Ga _0.264 Asクラッド層（バリア層） １４ In _0.46 Ga _0.54 As活性層（量子井戸層） １３、１５ In _0.7 Ga _0.3 As _0.078 P _0.992光閉じ込め層兼バリア層 １７ コンタクト層 １８ ｐ電極 １９ ｎ電極 ２１ In _0.26 Ga _0.74 As基板 ２２、２４ In _y Al _1-y Asクラッド層（バリア層） ２３ In _0.46 Ga _0.74 As活性層（量子井戸層） ２５ コンタクト層 ２６ ｐ電極 ２７ ｎ電極