JP3385985B2

JP3385985B2 - 歪量子井戸結晶の製造方法

Info

Publication number: JP3385985B2
Application number: JP35358098A
Authority: JP
Inventors: 信之大塚; 雅弘鬼頭; 正人石野; 康松井
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1994-08-29
Filing date: 1998-12-11
Publication date: 2003-03-10
Anticipated expiration: 2015-08-28
Also published as: JPH11261175A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザ及び
その製造方法ならびに歪量子井戸結晶及びその製造方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１５（ａ）及び（ｂ）を参照して、従
来の歪量子井戸型半導体レーザを説明する。このような
歪量子井戸型半導体レーザは、例えば、テムキン他、シ゛ャーナル
オフ゛クリスタルク゛ロース J. Cryst. Growth,93,353(1988)に開
示されている。

【０００３】図１５（ｂ）に示されるように、この半導
体レーザは、ＩｎＰ単結晶基板１と、基板１上に設けら
れたストライプ状の積層構造と、積層構造の両側面を覆
うＦｅ−ＩｎＰ電流ブロック層７とを備えている。半導
体レーザの底面にはｎ側電極９が、上面にはｐ側電極８
が設けられ、半導体レーザの端面にはＳｉＯ₂及びＳｉ
の両方または一方を含む誘電体膜が設けられている。

【０００４】ストライプ状積層構造は、第１の光導波路
層２、歪井戸層３とバリア層４よりなる多重量子井戸部
５、及び第２の光導波路層６を含んでいる。この部分の
エネルギーバンドギャップは、図１５（ａ）に示されて
いる。

【０００５】電流をｐ側電極８からｎ側電極９へ流す
と、多重量子井戸部５にホールと電子が閉じ込められ、
そこでホールと電子とは再結合し発光する。その結果、
レーザ発振が生ずる。この従来例においては、歪井戸層
３は、Ｉｎ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓの混晶組成を持ち、１％の圧
縮歪を有するように形成されている。井戸層３に圧縮歪
を導入することで、ホールのバンド構造を電子のバンド
構造と同様にしている。その結果、キャリア注入量が低
くとも、レーザ発振が生じる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな半導体レーザでは、半導体レーザの温度が上昇する
に従ってレーザ発振波長が長波長側にシフトする。この
ため、環境温度の変化によって発振波長が変動するとい
う問題がある。

【０００７】また、半導体レーザに注入する電流を大き
くすると半導体レーザの温度が上昇するために、レーザ
発振波長が注入電流に依存して大きく変動するという問
題点もある。

【０００８】さらに、この歪量子井戸構造をＤＦＢ（分
布帰還型）レーザに適用した場合には、半導体レーザの
環境温度が変化することにより単一モード性が劣化す
る。つまり、サイドモードが出現し、発振波長のピーク
とサイドモードとの抑圧比がとれないといった問題点を
有していた。この現象は歪量子井戸レーザにおいて特に
顕著に観測された。原因としては、格子歪を導入するこ
とで閾値キャリア密度が低下するためにレーザの利得が
急峻になるためである。

【０００９】図１２（ａ）は、無歪多重量子井戸（ＭＱ
Ｗ）構造の半導体レーザにおける利得プロファイルの温
度依存性を示し、図１２（ｂ）は、歪ＭＱＷ構造の半導
体レーザにおける利得プロファイルの温度依存性を示
す。図１２（ａ）及び（ｂ）のグラフの縦軸は利得で、
横軸は波長である。

【００１０】図１２（ａ）に示されるように、無歪ＭＱ
Ｗの場合には、利得が大きくないために、広い波長領域
においてほぼフラットな利得分布が存在する。この利得
分布のピーク波長はレーザの温度（Ｔ）を、高温にする
ほど（Ｔ大）長波長側にシフトする。ただし、無歪ＭＱ
Ｗの場合には利得分布が平坦であるために、温度が変化
して利得のピーク波長とＤＦＢ発振波長が離れても、Ｄ
ＦＢ発振波長において利得を有しているためにＤＦＢ波
長において優先的にレーザ発振し、サイドモード抑圧比
は大きくなる。したがって、単一モード性は高くなる。

【００１１】一方、歪ＭＱＷの場合には、図１２（ｂ）
に示されるように、歪を導入することにより利得が特定
範囲の波長領域で局所的に大きくなる。温度が低いとき
（Ｔ小）、利得ピークとＤＦＢ発振波長が多少ずれた場
合、ＤＦＢ発振してサイドモード抑圧比は大きくなるし
かしながら、温度が高くなると（Ｔ大）、利得ピークは
無歪ＭＱＷの場合と同様に長波長側にシフトするため
に、ＤＦＢ発振波長における利得は殆どなくなる。その
結果、ＤＦＢ発振波長における利得が減少するととも
に、利得ピークにおいてもレーザ発振するようになり、
単一モード抑圧比が減少して単一モード性が劣化するこ
ととなる。すなわち、歪量子井戸レーザの場合は特に利
得が急峻であるためにＤＦＢ発振波長と利得ピーク波長
の差（ディチューニング）が小さくてもサイドモード抑
圧比が減少して単一モード性は劣化することになる。従
って、歪量子井戸レーザは無歪量子井戸レーザに比べ
て、小さいディチューニング量であっても単一モード性
が劣化するため利得波長の温度依存性が小さいことが強
く望まれる。

【００１２】本発明は、発振波長の温度変動や注入電流
依存性が小さく、広い温度範囲や注入電流範囲で高い単
一モード特性を有する半導体レーザおよびその製造方
法、並びに半導体結晶を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体レーザ
は、井戸層及び障壁層を含む歪量子井戸構造と、該歪量
子井戸構造を支持する半導体基板とを備えた半導体レー
ザであって、該井戸層及び該障壁層のうちの少なくとも
一方が、オーダリングしている混晶から形成されてお
り、そのことにより上記目的が達成される。

【００１４】前記歪量子井戸構造を挟む第１の光導波路
層と第２の光導波路層とを更に備えていてもよい。

【００１５】ある実施形態では、前記半導体基板は、Ｉ
ｎＰから形成されており、前記井戸層及び前記障壁層の
各々は、エネルギバンドギャップの異なるＩｎＧａＡｓ
Ｐ結晶から形成されている。

【００１６】本発明の半導体レーザの製造方法は、井戸
層及び障壁層を含む歪量子井戸構造を備えた半導体レー
ザの製造方法であって、該歪量子井戸構造を形成する工
程は、該井戸層及び該障壁層のうちの少なくとも一方
を、オーダリングしている混晶から形成する工程を含ん
でおり、そのことにより上記目的が達成される。

【００１７】ある実施形態では、前記井戸層を形成する
工程は、歪量（％）＝１．０−０．１０×（井戸層数）
で示される歪量以上の格子歪を該井戸層に導入し、５８
０度以下で結晶成長を行う。

【００１８】前記井戸層を形成する工程は、歪量（％）
＝１．２−０．０２×（井戸層数）で示される歪量以上
の格子歪を導入し、６００度以下で結晶成長を行っても
よい。

【００１９】前記井戸層を形成する工程は、歪量（％）
＝１．６−０．０２×（井戸層数）で示される歪量以上
の格子歪を導入し、７００度以下で結晶成長を行っても
よい。

【００２０】本発明の歪量子井戸結晶は、半導体結晶
と、該半導体結晶の格子定数とは異なる格子定数を持つ
ＩｎＧａＡｓＰ結晶とを備えた歪量子井戸結晶であっ
て、該ＩｎＧａＡｓＰ結晶がオーダリングしており、そ
のことにより上記目的が達成される。

【００２１】本発明の歪量子井戸結晶の製造方法は、半
導体結晶と、該半導体結晶の格子定数とは異なる格子定
数を持つＩｎＧａＡｓＰ結晶とを備えた歪量子井戸結晶
の製造方法であって、前記井戸層を形成する工程は、該
井戸層に１％以上の歪みを与え、６２０度以上で結晶成
長を行い、そのことにより上記目的が達成される。

【００２２】

【発明の実施の形態】本発明は、井戸層及び障壁層のう
ちの少なくとも一方にオーダリングを導入することで、
利得ピーク波長の温度変動依存性の小さい半導体レーザ
等の発光素子に適した歪量子井戸結晶を提供する。

【００２３】一般に、ＡＣで表現される２原子化合物と
ＢＣで表現される２原子化合物の混晶を作成した場合に
は、Ａ原子とＢ原子とが均一に混合した（ＡＢ）Ｃ₂と
いう混晶が得られる。しかしながら、低温で混晶を作成
した場合、Ａ原子とＢ原子とが均一に混合されず、ＡＣ
化合物とＢＣ化合物が層状に積層された混晶が得られる
場合がある。その結果、ＡＣ化合物の格子面とＢＣ化合
物の格子面が交互に配列された超格子構造が観察され
る。また、低温の結晶成長では、超格子が自動的に作成
されるため、量子井戸構造などの人工超格子と区別し
て、自然超格子と呼ばれている。このような自然超格子
が部分的にでも形成されることを、本願明細書では、
「オーダリングを有する」あるいは「オーダリングが生
じた」と称することとする。以下に、本発明をＩｎＧａ
ＡｓＰ結晶について説明する。６２０℃以上で成長した
ＩｎＧａＡｓＰ結晶は、無歪ではオーダリングを生じな
かった。今回、この結晶において、歪量、井戸層数及び
成長温度を変えて実験していくうちに、ある条件下でオ
ーダリングが生じることがわかった。

【００２４】具体的には、(1)ＩｎＧａＡｓＰ結晶の歪
量が大きいとき、(2)井戸層数が多いとき、(3)成長温度
が低いとき、にオーダリングをおこしやすいことを実験
により確認した。上記(1)〜(3)のいずれかの条件下でオ
ーダリングが発生しやすいことがわかったが、初めは結
晶中に転位が入っているのではないかと考えられた。透
過型電子顕微鏡による観察で、結晶中には転位は観測さ
れず、ＩｎＧａＡｓＰ結晶にオーダリングが生じている
ことがわかった。また、この結晶のＰＬ発光強度の温度
依存性は、図１（ｂ）のグラフに示されるように、室温
でのＰＬ強度のピークと７７Ｋでのピークとの差が小さ
いこともわかった。オーダリングの無い場合は、図１
（ａ）に示されるように、室温でのＰＬ強度のピークと
７７Ｋでのピークとの差は大きい。従来、図１（ｂ）の
グラフに基づき、歪量子井戸構造体にオーダリングが発
生するとＰＬ特性が劣化すると考えられていた。これに
対して、本発明者は、オーダリング現象を積極的に利用
することによって、発振波長の温度変動や注入電流依存
性が小さい半導体レーザを提供できることを見いだし
た。

【００２５】以下に、図面を参照しながら、ＩｎＧａＡ
ｓＰ結晶を用いた実施例について、本発明を説明する。

【００２６】（実施例１）図２（ａ）及び（ｂ）を参照
しながら、本発明による歪量子井戸結晶の実施例を説明
する。

【００２７】図２（ａ）は、ＳｎドープＩｎＰ半導体単
結晶基板１と、ＳｎドープＩｎＰ半導体単結晶基板１上
に設けられた積層構造体とを備えた歪量子井戸結晶の断
面を模式的に示している。この積層構造体は、ＩｎＧａ
ＡｓＰ（λｇ＝１．０５μｍ）第１の光導波路層２、多
重量子井戸構造５、及びＩｎＧａＡｓＰ（λｇ＝１．０
５μｍ）第２の光導波路層６が、この順序でＩｎＰ半導
体単結晶基板１上に成長させられたものである。多重量
子井戸構造５は、交互に積層された７層のＩｎＧａＡｓ
Ｐ歪井戸層（０．８％圧縮歪）３とオーダリングしたＩ
ｎＧａＡｓＰ（λｇ＝１．１５μｍ）障壁層４とを含ん
でいる。多重量子井戸構造５のフォトルミネッセンス
（ＰＬ）発光波長は、１．３μｍであった。本実施例で
は、歪井戸層３に０．８％の圧縮歪を導入するととも
に、その結晶成長温度を５８０度とすることで、障壁層
４にオーダリングを発生させた。なお、前記積層構造体
のエネルギバンドギャップは、図２（ｂ）に模式的に示
されている。

【００２８】本発明者は、オーダリングが障壁層４に存
在していることを透過型電子顕微鏡観察によって確認し
た。しかし、井戸層３内にもオーダリングの影響が及ん
でいることが十分に考えられる。この実施例では、圧縮
歪を井戸層３に導入したために、障壁層４には引っ張り
歪が発生している。したがって、オーダリングは引っ張
り歪のほうが発生しやすいと考えられる。井戸層３内に
優先的にオーダリングを発生させるためには、井戸層の
組成を調整して、井戸層に引っ張り歪を発生させればよ
いと考えられる。

【００２９】上記歪量子井戸結晶のＰＬ発光スペクトル
を測定した。図３（ａ）は、オーダリングの無い歪量子
井戸結晶のＰＬ発光ピークを示し、図３（ｂ）は、オー
ダリングを有する歪量子井戸結晶のＰＬピークを示す。
オーダリングの無い場合には、温度を室温（Ｔ＝３００
Ｋ）から７７Ｋへ低下させることで６０ｍｅＶの短波長
シフトを生じているが、オーダリングがある場合には１
０ｍｅＶ程度と短波長シフトは殆ど認められない。ま
た、室温の場合はオーダリングがあってもオーダリング
が無い場合に対して発光強度が低下していないことが分
かる。このように、オーダリングのある歪量子井戸結晶
は、温度依存性の低い発光特性を示す。

【００３０】図４は、ＰＬ発光ピーク波長の温度依存性
を示す。オーダリングがある場合は、オーダリングの無
い場合に比べて、ＰＬ発光ピーク波長の温度依存性が１
／５以下に低減していることが分かる。

【００３１】このように結晶に歪を与え、結晶成長温度
Ｔを低下させることにより、オーダリングが生じやすく
なる理由について、発明者の見解は以下の通りである。

【００３２】例えばＩｎＧａＡｓＰ歪量子井戸層に圧縮
歪を導入した場合には、歪のエネルギーの分だけ結晶の
内部エネルギーが上昇する。しかしながら、格子定数の
大きいＩｎ−Ａｓの結合が結晶成長方向に自然に配向
し、オーダリングが生じると、歪量子井戸層の持つ歪エ
ネルギーは小さくなる。

【００３３】結晶の内部エネルギーＵは、一般に、次式
で示される。

【００３４】Ｕ＝Ｈ−ＴＳＨはエンタルピー、Ｔは温
度、Ｓはエントロピー（Ｓ＜０）である。内部エネルギ
ーＵが小さいほど結晶は安定である。結晶に歪を導入す
ると、エンタルピーＨが大きくなるため、エントロピー
Ｓを小さくして、それによつて内部エネルギＵを低下さ
せる傾向を持つと考えられる。言い換えると、大きな歪
を量子井戸に導入して、エンタルピＨを大きくしてＳを
小さくする必要があることがわかる。一方、結晶の成長
温度とオーダリングの関係は次のように考えられる。Ｕ
とＨがＴの２乗に比例して変化するために、結晶の成長
温度Ｔが減少した場合にはＳもＴに比例して変化して減
少することとなり、Ｓの減少すなわちオーダリングを発
生し易くなる。

【００３５】また、オーダリングを起こした方が温度依
存性が小さくなる理由としては、発明者は次のように考
える。オーダリングを起こしてエントロピーＳが小さく
なると、内部エネルギーＵの温度依存性が小さくなる。
発振波長を決めるエネルギーバンドギャップＥｇは内部
エネルギーＵによって変わるため、内部エネルギーＵの
温度依存性を小さくすることによってバンドギャップＥ
ｇの温度変動を小さくすることができる。こうして、オ
ーダリングによって波長の温度変動を小さくすることが
できる。

【００３６】図５は、成長温度Ｔgを５８０、６００、
及び７００℃とした場合に、オーダリングを発生させる
歪量と量子井戸層数の関係を示している。歪量を大きく
し、かつ、井戸層数を大きくすると、オーダリングが発
生し易くなることがわかる。この実験から、成長温度Ｔ
gが５８０℃のとき、オーダリングが起こる歪量₅₈₀は、
井戸層数を用いて以下の式１で表現される。

【００３７】歪量₅₈₀（％）＝１．０−０．１０×井戸層数・・・式１つまり、式１で求められる歪量₅₈₀よりも大きな歪量を
与えると、オーダリングが起こり、式１で求められる歪
量₅₈₀よりも小さな歪量を与えると、オーダリングがお
こらないといえる。

【００３８】図５に示されるように、成長温度Ｔgを大
きくしていくと、オーダリングが起こりにくくなる傾向
がある。したがって、成長温度Ｔgが５８０℃未満の場
合でも、歪量（％）≧１．０−０．１０×井戸層数の不
等式で示される領域では、オーダリングが起こると考え
られる。

【００３９】同様に、成長温度Ｔgが６００℃、７００
℃のときは、それぞれ、以下の式２、式３で示される領
域で、オーダリングが生じる。

【００４０】歪量（％）≧１．２−０．０２×井戸層数・・・式２、Ｔg＝６００℃ 歪量（％）≧１．６−０．０２×井戸層数・・・式３、Ｔg＝７００℃ 実際に半導体レーザを製造するとき、結晶成長は６００
℃程度以上の温度で実行されることが多く、また、半導
体レーザの光出力を低下させない最適条件の範囲として
は、井戸層数を１０層以下にする必要がある。このた
め、６００℃程度で結晶成長を行う場合にオーダリング
を発生させるには、１％程度の圧縮歪を形成することが
必要となる。他方、結晶成長温度を５８０℃に低下させ
た場合には、井戸層数を７層とすれば、０．７％程度の
圧縮歪を与えることでオーダリングを発生させることが
できる。

【００４１】なお、歪みの量は、成長させる結晶の組成
を調整することにより、所望の格子定数を持つ結晶を成
長させればよい。

【００４２】本発明の歪量子井戸結晶構造体は、ファイ
バアンプの励起用光源などに使用される半導体レーザの
発光領域に特に適している。ファイバアンプで充分な利
得を得るには、特定の波長を持つレーザ光を用いる必要
がある。しかしながら、半導体レーザに５００ｍＡ以上
の大きな駆動電流を印加する場合、駆動電流の大きさを
変調することによって半導体レーザの発熱量が大きく変
化するため、レーザ発振波長が変化してしまうという問
題がある。本発明の半導体レーザによれば、発振波長の
温度依存性が小さい。このため、駆動電流を増加しても
発振波長をファイバアンプの要求する所定範囲内に維持
することが容易である。

【００４３】また、半導体レーザの活性層幅等が素子毎
に変化し、それによって同じ駆動電流（注入電流）に対
する発熱量が個々のレーザで異なったとしても、発振波
長は一定に維持される。このため、本発明によれば、所
望の仕様を満たす半導体レーザの製造歩留まりを著しく
向上させることができる。

【００４４】図６は、ＩｎＧａＡｓＰ歪量子井戸層数が
１０の場合のオーダリングを起こす歪量（％）と結晶成
長温度（℃）との関係を示すグラフである。図６のグラ
フ中の曲線が示す歪よりも大きな歪みを示す領域では、
オーダリングが発生する。ＩｎＧａＡｓＰ歪量子井戸層
の結晶成長は、約６００から６２０℃までの範囲で行わ
れるのが通常である。このため、オーダリングを起こさ
ないようにするためには、領域Ａの条件で結晶成長を行
う必要があった。これに対して、ＩｎＧａＡｓＰ歪量子
井戸層の結晶成長を６２０℃以上で行う場合、グラフの
領域Ｂで示される条件を採用すれば、オーダリングは起
きない。

【００４５】本発明は、オーダリングを意図的に引き起
こすことによって、温度に依存して変化しにくい発光特
性を持つ歪量子井戸結晶を提供することを目的としてい
る。しかしながら、オーダリングを引き起こす条件を見
いだす過程で、逆にオーダリングを引き起こさない条件
を明確化した。大きな歪を量子井戸層に与えながら、図
１（ａ）のＰＬ特性を発揮させようとする場合、図６の
グラフの領域Ｂの条件で結晶成長を行えばよいことがわ
かる。

【００４６】（実施例２）図７（ａ）及び（ｂ）を参照
しながら、本発明による歪量子井戸半導体レーザの実施
例を説明する。図７（ａ）は、ストライプ状リッジ
（幅：１．２〜１．５μｍ、高さ：１．５〜２．５μ
ｍ）を有するＳｎドープＩｎＰ半導体単結晶基板１と、
ＳｎドープＩｎＰ半導体単結晶基板１のリッジ上に設け
られたストライプ状積層構造体とを備えた半導体レーザ
の構造を模式的に示している。このストライプ状積層構
造体は、ＩｎＧａＡｓＰ（λｇ＝１．０５μｍ）第１の
光導波路層２、多重量子井戸構造５、及びＩｎＧａＡｓ
Ｐ（λｇ＝１．０５μｍ）第２の光導波路層６が、この
順序でＩｎＰ半導体単結晶基板１上に成長させられたも
のである。第１の光導波路層２及び第２の光導波路層６
の厚さは、それぞれ、３０及び１５０ｎｍに設定され
る。

【００４７】多重量子井戸構造５は、７層のＩｎＧａＡ
ｓＰ歪井戸層（０．８％圧縮歪）３と、オーダリングし
たＩｎＧａＡｓＰ（λｇ＝１．１５μｍ）障壁層４とが
交互に積層されたものである。ＩｎＧａＡｓＰ歪井戸層
３の厚さは、３〜６ｎｍに、ＩｎＧａＡｓＰ障壁層４の
厚さは、５〜２０ｎｍに設定される。この多重量子井戸
構造５から得られるフォトルミネッセンス（ＰＬ）発光
波長は、１．３μｍであった。本実施例では、歪井戸層
３に０．８％の圧縮歪を導入するとともに、その結晶成
長温度を５８０度とすることで、障壁層４にオーダリン
グを発生させた。なお、図７（ｂ）は、積層構造体のエ
ネルギバンド構造を示している。

【００４８】図７（ｂ）に示されるように、ストライプ
状積層構造の両側には、厚さが３〜６μｍのｐ−ＩｎＧ
ａＡｓＰ／ｐ−ＩｎＰ／ｎ−ＩｎＰ／ｐ−ＩｎＰ電流狭
窄構造７が設けられており、その電流狭窄層７の一部に
は、溝が設けられている。溝の表面は、ＳｉＯ₂層で覆
われている。半導体レーザの上部には、ｐ側電極８が設
けられ、下部にはｎ側電極９が設けられている。

【００４９】次に、図８（ａ）から図８（ｄ）を参照し
ながら、図７（ａ）の歪量子井戸レーザの製造方法を説
明する。まず、図８（ａ）に示すように、ＩｎＰ基板１
上に、第１のＩｎＧａＡｓＰ光導波路層２、ＩｎＧａＡ
ｓＰ歪井戸層３、ＩｎＧａＡｓＰ障壁層４、多重量子井
戸構造５、第２のＩｎＧａＡｓＰ光導波路層６を成長す
る第１の結晶成長工程を行う。次に、図８（ｂ）に示す
ように、これらの層をストライプ状にエッチングするエ
ッチング工程を行う。

【００５０】この後、図８（ｃ）に示すように、電流狭
窄構造７を成長する第２の結晶成長工程を行った後、図
８（ｄ）に示すように、ｐ側電極８及びｎ側電極９を形
成する電極形成工程を行う。

【００５１】オーダリングを起こすためには、井戸層３
に０．８％の歪を導入するとともに、成長温度を５８０
℃とし、Ｖ族およびIII族ガスの供給比Ｖ／IIIを２５０
とした。この結晶成長条件は、図５のグラフ上では、点
Ａで示される。このように、本実施例の半導体レーザ
は、ストライプ状積層構造体中に実施例１の歪量子井戸
結晶と同様の結晶を含んでいる。このような歪み量子井
戸結晶は、実施例１について説明した条件で作成され
る。

【００５２】オーダリングを有する歪量子井戸結晶を有
する半導体レーザの発振波長は１．３μｍで、最高光出
力は３００ｍＷを示した。これは、オーダリングの無い
半導体レーザのレーザ出力と同レベルであり、また、同
程度のしきい値電流でレーザ発振が生じた。

【００５３】図９は、レーザ発振波長の温度依存性を示
す。半導体レーザの温度を−４０℃から１００℃に変化
させた場合、オーダリングの無い歪量子井戸型半導体レ
ーザの発振波長が１．２６μｍから１．４４μｍに変化
するのに対して、オーダリングを有する歪量子井戸型半
導体レーザの発振波長は１．２９μｍから１．３１μｍ
に変化する。このように、オーダリングによって、波長
変動量が１／５以下に低減した。温度に対する発振波長
の変化量が低減したことで、半導体レーザの温度を特に
コントロールしなくとも、−４０℃から１００℃までの
温度範囲で安定してレーザ発振する半導体レーザを提供
することができる。

【００５４】さらに、発振波長の注入電流依存性を図１
０に示す。通常、半導体レーザへの注入電流が増大する
ことにより、半導体レーザの内部抵抗によってジュール
熱が発生して半導体レーザの温度が上昇する。このため
に発振波長が変動する。しかしながら、本実施例の半導
体レーザによれば、発振波長の温度依存性が小さいため
に、注入電流を変化させても殆ど発振波長が変化してい
ない。特に、大電流を注入する高出力半導体レーザに
は、発振波長の変化が小さいことが要望されている。ま
た、高出力時の発振波長をＰＬ発光波長から容易に推定
できるという利点もある。

【００５５】このように、本実施例によれば、発振波長
の温度依存性や注入電流依存性が小さい半導体レーザが
提供される。

【００５６】（実施例３）図１１（ａ）及び（ｂ）を参
照しながら、本発明による他の歪量子井戸半導体レーザ
の実施例を説明する。図１１（ａ）は、ストライプ状リ
ッジを有するＳｎドープＩｎＰ半導体単結晶基板１と、
ＳｎドープＩｎＰ半導体単結晶基板１のリッジ上に設け
られたストライプ状積層構造体とを備えた半導体レーザ
の構造を模式的に示している。ストライプ状リッジの上
面には、ピッチが１８０ｎｍの回折格子１０が形成され
ている。ストライプ状積層構造体は、ＩｎＧａＡｓＰ
（λｇ＝１．０５μｍ）第１の光導波路層２、多重量子
井戸構造５、及びＩｎＧａＡｓＰ（λｇ＝１．０５μ
ｍ）第２の光導波路層６が、この順序でＩｎＰ半導体単
結晶基板１上に成長させられたものである。多重量子井
戸構造５は、７層のＩｎＧａＡｓＰ歪井戸層（０．８％
圧縮歪）３とオーダリングしたＩｎＧａＡｓＰ（λｇ＝
１．１５μｍ）障壁層４とを含んでいる。各半導体層の
厚さは、実施例３について説明した厚さの範囲内にあれ
ばよい。多重量子井戸構造５のフォトルミネッセンス
（ＰＬ）発光波長は、１．３μｍであった。本実施例で
は、歪井戸層３に０．８％の圧縮歪を導入するととも
に、その結晶成長温度を５８０度とすることで、障壁層
４にオーダリングを発生させた。なお、図１１（ｂ）
は、積層構造体のエネルギバンド構造を示している。

【００５７】図１１（ｂ）に示されるように、ストライ
プ状積層構造の両側には、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ／ｐ−Ｉ
ｎＰ／ｎ−ＩｎＰ／ｐ−ＩｎＰ電流狭窄構造７が設けら
れており、その電流狭窄構造７の一部には、溝が設けら
れている。溝の表面は、ＳｉＯ₂層で覆われている。半
導体レーザの上部には、ｐ側電極８が設けられ、下部に
はｎ側電極９が設けられている。

【００５８】本半導体レーザは、回折格子１０のピッチ
によって決められた発振波長で発振することを特徴とし
ており、分布帰還型レーザ（ＤＦＢレーザ）と呼ばれて
いる。

【００５９】本半導体レーザの利得ピーク波長の温度ま
たは注入電流依存性は、実施例２の半導体レーザと同様
である。

【００６０】理想的には、ＤＦＢレーザは単一モードで
発振する。しかし、図１２（ｂ）に示したように、回折
格子のピッチで決まる「ＤＦＢ発振波長」と「利得ピー
ク波長」との差が２０ｎｍより大きい場合には、レーザ
の単一モード発振の確率は急激に低下する。図１３は、
単一モード特性の出現率の温度依存性を示す。オーダリ
ングの無い半導体レーザを温度コントロールしないで駆
動した場合、単一モード発振が実現できる温度範囲は０
℃から４０℃になる。他方、オーダリングを有する歪量
子井戸結晶を用いて半導体レーザを試作した場合、−８
０℃から１２０℃までの範囲内で半導体レーザの温度を
変化させても、単一モード発振が維持される。この結
果、温度コントロール用のペルチェ素子を使用する必要
がなくなり、レーザモジュールの価格を大きく低減でき
る。

【００６１】さらに、ＤＦＢレーザの高出力駆動も可能
となる。図１４に示すように、オーダリングが無い場合
には３００ｍＡ以上で単一モードの出現率が減少する
が、オーダリングを有する場合には、６００ｍＡ以上で
も単一モード性が維持されており、低い光出力から高い
光出力まで単一モード発振を示す高出力ＤＦＢレーザを
高歩留まりで実現することができる。

【００６２】このように、本実施例によれば、単一モー
ド特性が周囲温度や注入電流に影響されにくいＤＦＢレ
ーザを提供することができるとともに、ペルチェ素子を
必要としない安価なレーザモジュールを提供することが
できる。

【００６３】なお、上記各実施例の説明では、障壁層１
４をＩｎＧａＡｓＰ（λｇ＝１．１５μｍ）から形成し
たが、ＩｎＧａＡｓＰ（λｇ＝１．０５μｍ）から形成
すれば、よりオーダリングが発生しやすくなるために、
更に効果的にオーダリングを障壁層内に発生させること
ができる。また、ＳＣＨ（spectrum confinment hetero
structure)構造を持つ半導体レーザを説明してきたが、
その他の半導体レーザにも本発明は適用される。また、
ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系以外にも、ＡｌＧａＡｓ／Ｇ
ａＡｓおよびＩｎＧａＰ／ＡｌＧａＩｎＰ、ＺｎＳｅ
系、ＧａＮ系でも同様な効果が実現される。

【００６４】半導体レーザのタイプは、ファブリペロタ
イプやＤＦＢタイプに限定されず、ＤＢＲタイプなどの
高い付加価値を持つ半導体レーザであってもよい。さら
に、半導体レーザ等の発光素子のみならず、受光素子
や、ＨＦＥＴなど高速電子素子に本発明の歪量子井戸結
晶を応用しても、それらの素子の温度変動特性が向上す
る。

【００６５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
歪量子井戸層にオーダリングを発生させることで環境温
度や注入電流によって発振波長が影響されない半導体レ
ーザを提供するとともに、ペルチェ素子等の温度制御素
子が不要な低価格ＤＦＢレーザモジュールを提供するこ
とができ、その実用的効果はきわめて大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は、オーダリングの無い場合のＰＬ発光
の温度によるシフトを示すグラフ、（ｂ）は、オーダリ
ングのある場合のＰＬ発光の温度によるシフトを示すグ
ラフ。

【図２】（ａ）は、本発明による歪量子井戸結晶構造体
の実施例の構造断面図、（ｂ）は、歪量子井戸構造体の
エネルギーバンドダイヤグラム。

【図３】（ａ）及び（ｂ）は、オーダリングの有無によ
るＰＬ発光強度の差異を説明するグラフ。

【図４】オーダリングの有無による利得ピーク波長シフ
ト量の差異を説明するグラフ。

【図５】成長温度をパラメータとした場合の、オーダリ
ングの有無と井戸層数及び格子歪の量との関係を示すグ
ラフ。

【図６】ＩｎＧａＡｓＰ歪量子井戸層数が１０の場合の
オーダリングを起こす歪量（％）と結晶成長温度（℃）
との関係を示すグラフである。

【図７】（ａ）は、本発明による歪量子井戸半導体レー
ザの実施例の構造断面図、（ｂ）は、歪量子井戸構造の
エネルギーバンドダイヤグラム。

【図８】（ａ）から（ｄ）は、本発明による歪量子井戸
レーザの製造方法を示す工程断面図。

【図９】オーダリングの有無による利得ピーク波長の差
異を説明するグラフ。

【図１０】本発明と従来例とについて、発振波長の注入
電流依存性を示すグラフ。

【図１１】（ａ）は、本発明による歪量子井戸半導体レ
ーザの他の実施例の構造断面図、（ｂ）は、歪量子井戸
構造のエネルギーバンドダイヤグラム。

【図１２】（ａ）及び（ｂ）は、歪の有無による多重量
子井戸構造の発光強度の差異を説明するグラフ。

【図１３】オーダリングの有無による単一モード発振の
出現率の温度依存性の差異を説明するグラフ。

【図１４】オーダリングの有無による単一モード発振の
出現率の注入電流依存性の差異を説明するグラフ。

【図１５】（ａ）は、従来の歪量子井戸型半導体レーザ
の歪量子井戸構造のエネルギーバンドダイヤグラム、
（ｂ）は、その半導体レーザの斜視図。

【符号の説明】

１単結晶基板２第１の導波路層３歪井戸層４障壁層５歪量子井戸構造６第２の導波路層７電流狭窄層８ｐ側電極９ｎ側電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者松井康大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (56)参考文献特開平５−55699（ＪＰ，Ａ) 特開平７−7217（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ＩｎＰによって構成された半導体結晶
と、該半導体結晶とは異なる格子定数を有するＩｎＧａ
ＡｓＰ結晶と、を備えた歪量子井戸結晶の製造方法であ
って、該歪量子井戸結晶は井戸層及び障壁層を含んでおり、該井戸層を形成する工程では、該井戸層に１％を超える
量の歪を与えて６２０度以上の温度で結晶成長を行うこ
とにより、該井戸層及び該障壁層のそれぞれをオーダリ
ングさせないことを特徴とする歪量子井戸結晶の製造方
法。
【請求項２】前記井戸層の数は１０層である、請求項
１に記載の歪量子井戸結晶の製造方法。
【請求項３】前記井戸層の歪量が、歪量（％）＝（１．０３４５×１０^-6）×（成長温度）
³ −０．００２１２５２×（成長温度）² ＋１．４５７５×（成長温度）一３３２．２７なる関数で与えられる値以下である、請求項１に記載の
歪量子井戸結晶の製造方法。
【請求項４】ＩｎＰによって構成された半導体結晶
と、該半導体結晶とは異なる格子定数を有するＩｎＧａ
ＡｓＰ結晶と、を備えた歪量子井戸結晶の製造方法であ
って、該歪量子井戸結晶は井戸層及び障壁層を含んでおり、該井戸層の数は１０層以下であり、該井戸層を形成する工程では、該井戸層に、歪量（％）
＝１．２−０．０２×（井戸層数）で示される歪量より
も大きく、且つ歪量（％）＝１．６−０．０２×（井戸
層数）で示される歪量よりも小さな歪を与えて、６２０
度〜７００度の範囲の温度で結晶成長を行うことによ
り、該井戸層及び該障壁層の各々をオーダリングさせな
いことを特徴とする歪量子井戸結晶の製造方法。