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JP3582021B2 - Optical semiconductor device - Google Patents

Optical semiconductor device Download PDF

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JP3582021B2
JP3582021B2 JP18316094A JP18316094A JP3582021B2 JP 3582021 B2 JP3582021 B2 JP 3582021B2 JP 18316094 A JP18316094 A JP 18316094A JP 18316094 A JP18316094 A JP 18316094A JP 3582021 B2 JP3582021 B2 JP 3582021B2
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JP
Japan
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layer
gaas
active layer
substrate
semiconductor device
Prior art date
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JP18316094A
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Japanese (ja)
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JPH0846290A (en
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剛輝 向井
信幸 大塚
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Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Publication date
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  • Semiconductor Lasers (AREA)

Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は光半導体素子に関するものであり、特に、発光効率が高く、且つ、広い温度範囲で発振しきい値等の初期値が保たれる温度特性の優れた格子歪を有する活性層を用いた1μm帯光通信用に用いられる半導体レーザに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、光通信のためには主に1μm帯の光半導体素子が使用されており、格子歪を有する活性層を用いることにより狭スペクトル線幅で低しきい値動作する半導体レーザが得られている。
【0003】
近年では更に、発光効率が高く、且つ、大きな温度変化にも追従できて温度条件の管理が不要な半導体レーザ、即ち、広い温度範囲で発振しきい値等の初期値が保たれる温度特性の優れた半導体レーザが要求されている。
【0004】
半導体レーザの発光効率を高めるためには活性層の結晶性を改善する必要があり、また、半導体レーザの温度特性を向上させるためには、温度の上昇に伴い増加する発光に関与しないリーク電流を低減させる必要があり、これを実現するために半導体基板としてGaAsを用いて1μm帯の半導体レーザを作成することが提案されている。
【0005】
GaAsは、従来の1μm帯の半導体レーザの基板として用いられていたInPに比べて小さな格子定数を持っており、又、小さな格子定数の半導体材料は一般的にはより大きな禁制帯幅を有しているので、GaAsを基板として用いることにより、より大きな禁制帯幅を有する半導体材料をクラッド層として使用できるため、このクラッド層が発光に寄与せずに活性層から漏れ出るキャリアに対する障壁となり、リーク電流が低減する。
【0006】
また、他の提案としては、基板としてGaAsの代わりにInGaAsを用いるものがあり、この場合、InGaAsの格子定数はGaAsよりも大きいため活性層にかかる歪量が低減されることになり、活性層の結晶性が向上する。
【0007】
図8は、GaAs基板或いはInGaAs基板を用いた従来提案されている1μm帯の半導体レーザを示したものであり、GaAs或いはInGaAs基板1d上にn型AlGaAsクラッド層3d、n型InGaAsP光ガイド層4c、InGaAs活性層6d、p型InGaAsP光ガイド層8c、及び、p型AlGaAsクラッド層9dを成長させた積層構造からなる。
【0008】
この場合、AlGaAsクラッド層3d,9dは1μm帯のInGaAs活性層6dに比べて禁制帯幅が十分に大きいためリーク電流が低減し、比較的大きな温度変化にも追従できる優れた温度特性が期待される。
【0009】
さらに、基板としてGaAsを用いる際の他の提案としては、活性層としてInAsとGaAsを数モノレイヤーずつ交互に結晶成長させた短周期超格子成長層を用いるものがあり、InGaAs混晶の弾性限界を短周期超格子構造を用いて越えることにより結晶性を改善しInGaAs混晶では得られなかった1.3μmのレーザ発振の実現が期待されるものである。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、基板にGaAsを用いた場合には、基板と活性層との格子定数の差に基づき活性層に極めて大きな応力がかかり高歪の活性層になるが、高歪の層の結晶成長は困難であるため結晶性の優れた活性層を得ることができず、期待された特性が得られなかった。
【0011】
また、基板としてInGaAsを用いて歪を小さくしようとしても、十分に大きな格子定数を有する基板(即ち、In比が0.2以上のInGaAs基板)で結晶性の優れたものが作成されていないため、結晶性の優れた活性層を得ることができなかった。
【0012】
さらに、活性層にInAs/GaAs短周期超格子成長層を用いた場合には活性層周辺の結晶性が十分でないためレーザ発振に必要な発光強度が未だ得られていない。
【0013】
これらの場合に共通する欠点は、温度特性を改善するためにクラッド層として大きな禁制帯幅を有する半導体を用いた場合に、得られた活性層における組成、特に、Inの分布が均一ではなく全体として均一な組成を有するInGaAs活性層が得られず、これがGaAs基板或いはInGaAs基板を用いて1μm帯の半導体レーザを実現することの障害になっていた。
【0014】
したがって、本発明は活性層の組成が不均一になる原因である活性層中のIn成分の拡散を防止することにより、小さな格子定数を有し且つ大きな禁制帯幅を有するクラッド層に対して、結晶性の優れた均一な組成を有する活性層を成長させ、それにより発光効率が高く、且つ、温度特性の優れた1μm帯の半導体レーザを得ることを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明は、III-V族化合物半導体基板上にIII- V族化合物半導体混晶を設けた光半導体素子において、基板の格子定数よりも大きな面内格子定数を有すると共にInを構成元素とする活性層の少なくとも一方の主面に接するように、Inの拡散を防止するスペーサ層として20Å以上の厚さのGaAs層を設けたことを特徴とする。
【0016】
また、本発明は、InGaAs活性層、或いは、InAs層とGaAs層とを交互に堆積させた短周期超格子成長層活性層に対して、半導体基板としてInGaAs混晶を用いたことを特徴とするものである。
【0017】
【作用】
本発明のスペーサ層の作用及びInGaAs混晶半導体基板の作用を図1乃至図5を用いて説明する。図1及び図2(A)〜(D)はGaAsスペーサ層の効果及びInGaAs基板の効果を確認するために作成した試料1〜5の断面図であり、各試料における活性層はInAs層とGaAs層のモノレイヤーを交互に12回結晶成長させた短周期超格子成長層にしている。
【0018】
図2(A)及び(B)は従来のGaAs基板を用いた半導体レーザに対応するものであり、(A)はGaAs基板1b上に設けたGaAsクラッド層3b、活性層6a、GaAsクラッド層9bからなり(試料1)、(B)はGaAsクラッド層3b,9bの代わりにバッファ効果を有するIn0.05Ga0.95As層3a,9aをクラッド層として用いたものである(試料2)。
【0019】
図2(C)及び(D)は従来のInGaAs基板を用いた半導体レーザに対応するものであり、(C)はInGaAs基板1a上に設けたGaAsクラッド層3b、活性層6a、GaAsクラッド層9bからなり(試料3)、(D)はGaAsクラッド層3b,9bの代わりにIn0.05Ga0.95As層3a,9aをクラッド層として用いたものである(試料4)。
【0020】
図1は本発明の半導体レーザに対応する原理的構成を示すものであり、InGaAs基板1a上に設けたIn0.05Ga0.95Asクラッド層3a,9aと活性層6aとの間に40ÅのGaAsスペーサ層5a,7aを設けている(試料5)。図では活性層の上下にスペーサを設けているが、どちらか一方のみに設けても十分な効果があるものである。
【0021】
なお、上記試料1〜5においては基板側のクラッド層、活性層、及び、基板とは反対側のクラッド層の厚さは、それぞれ0.5μm、75Å、及び、500Åであり、フォトルミネッセンス強度を調べるために、実際の半導体レーザに比べて基板とは反対側の上部クラッド層の厚さを薄く形成している。
【0022】
図3は図1及び図2に示した試料1乃至5についてX線回折測定によって明らかになった(224)面での逆格子マッピングであり、別々に測定した5つの試料の結果を重ねて表示してある。
【0023】
図3において、横軸はX−Y方向、即ち、(hh0)方向の格子定数の逆数を表し、縦軸はZ軸方向、即ち、(00h)方向の格子定数の逆数を表しており、InGaAsの場合にはIn含有量が多い方が格子定数は大きいので、縦軸の小さい領域、即ち、Z軸方向の格子定数の大きな領域はIn含有量が多いことを示している。
【0024】
一方、試料1〜3においては基板或いはクラッド層はGaAsかIn0.05Ga0.95Asからなり、In含有量は少ないので、結局、図3の下部の領域は活性層のIn含有量を表していることになる。
【0025】
試料1と試料2、或いは、試料3と試料4とを比較すると、それぞれ試料1と試料3の方がZ軸の小さい側にあるので、同じ基板を用いた場合には、クラッド層としてGaAsを用いた方が、即ち、活性層とGaAs層とが接していた方が活性層のInの含有量が多いことが分かり、また、試料4と試料5とを比較することにより同様にGaAsスペーサ層がある場合の方が活性層のInの含有量が多いことが分かる。
【0026】
また、図4は試料1乃至5について図3の逆格子マッピングから明らかになった活性層のX−Y平面の面内格子定数と室温におけるフォトルミネッセンスの強度との相関関係をプロットしたものであり、試料4と試料5との比較からは、GaAsスペーサ層を用いることにより、フォトルミネッセンスの強度が向上する効果があることが明らかである。
【0027】
さらに、図5は、GaAs基板に対してInGaAsクラッド層を用いた場合のクラッド層の組成の効果、即ち、基板とクラッド層との格子不整合量に基づく緩和量とフォトルミネッセンス強度との関係、及び、GaAsスペーサ層の厚さとフォトルミネッセンス強度の相関関係を表すものであり、いずれのバッファ層に関してもスペーサ層の厚さを20Å以上にした場合にフォトルミネッセンス強度が向上する。
【0028】
なお、この場合、スペーサ層を厚くしすぎるとフォトルミネッセンス強度が減少する。これは、クラッド層等において光により励起されたキャリアに対してスペーサ層が障壁として作用するためキャリアが活性層まで到達しないためであると考えられるが、レーザ動作には格別の支障がないものである。
【0029】
したがって、上記の実験の結果からは、活性層に接するように設けられたスペーサ層の作用によりInの拡散が防止され、In含有量の多い良質で、且つ、光学的特性の優れた活性層が得られることが分かる。
【0030】
次に、InGaAs混晶半導体基板の作用を説明すると、図3において、試料3のInGaAs混晶半導体基板上に設けたGaAsクラッド層は図示してあるGaAs基板より横軸方向が小さな方向にあるので、X−Y平面の面内格子定数が大きくなっていること、即ち、緩和を起こしていることを示している。
【0031】
また、図4を参照すると、試料1と試料3との対比からはInGaAs基板を用いることにより、フォトルミネッセンスの強度が向上することが分かる。したがって、InGaAs混晶半導体基板を用いることによって、大きな禁制帯幅を有するクラッド層を用いた場合にも、緩和効果により結晶性の優れた活性層、即ち、光学的特性の優れた活性層が得られる。
【0032】
【実施例】
図6は、図1に示した原理的構成を光ガイド層を有する半導体レーザに適用した本発明の第1の実施例であり、n型InGaAs基板1a上にn型InGaAsバッファ層2、n型InGaPクラッド層3c、n型InGaAsP光ガイド層4c、ノン・ドープInGaAsP光ガイド層4d、GaAsスペーサ層5a、短周期超格子活性層6a、GaAsスペーサ層7a、ノン・ドープInGaAsP光ガイド層8d、及び、p型InGaAsP光ガイド層8c、p型InGaPクラッド層9cを順次堆積させたものである。
【0033】
図6の第1の実施例においては、基板はInGaAsであるものの、GaAs基板を用いても良く、又、活性層としてInAs層とGaAs層とを交互に複数層堆積させた短周期超格子成長層を用いているが、InGaAs混晶を用いても良い。
【0034】
図7は本発明の第2の実施例であり、InGaAs或いはGaAs基板1d上にAlGaAsクラッド層3d、n型InGaAsP光ガイド層4c、GaAsスペーサ層5a、InGaAs活性層6d、GaAsスペーサ層7a、p型InGaAsP光ガイド層8c、及び、p型AlGaAsクラッド層9dを順次堆積させたものである。
【0035】
図7の第2の実施例においては、活性層としてInGaAs混晶を用いているが、InAs層とGaAs層とを交互に複数層堆積させた短周期超格子成長層を用いても良い。
【0036】
なお、上記第1及び第2の実施例においては、スペーサ層として最も好適なGaAs層を用いて説明しているが、活性層の成分であるInの拡散を防止するものであれば何でも良い。このGaAsスペーサ層がInの拡散を防止する理由は、相互拡散が同族原子間で生じることを考慮するならば、Inと同じIII 族原子であるGaの原子半径がInより小さいため、延いては、InAsよりGaAsの方が格子定数が小さいためであるものと考えられる。
【0037】
即ち、InがGaAsスペーサ層を通過するためには、今までGaの占めていた小さいIII 族サイトを原子半径の大きなInが押し拡げる必要があり、そのために拡散に際しては格子歪分の過剰なエネルギーを必要とし、拡散が抑えられるものと考えられる。
【0039】
さらに、上記第1及び第2の実施例においては図示していないが、本発明は、基板とは反対側のクラッド層上に電極のオーミック性を改善するキャップ層を設けた半導体レーザも包含するものである。
【0040】
【発明の効果】
本発明によれば、禁制帯幅の大きなクラッドを用いることにより温度特性を改善する際に、スペーサ層を挿入することにより活性層中のIn成分の拡散を防止し、結晶性の優れた均一な組成の活性層を得ることにより、発光効率が高く温度特性が優れた1μm帯の半導体レーザの実用化に大きく寄与するものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の原理的構成を示すスペーサ層を有する光半導体素子の断面図である。
【図2】本発明の作用効果を確認するための比較参考試料の素子断面図である。
【図3】活性層の結晶面内格子定数の、基板の組成、バッファ層の存在、及び、スペーサ層の存在に対する依存性を表す相関図である。
【図4】フォトルミネッセンス強度の、活性層結晶面内格子定数依存性及びスペーサ層の存在依存性を表す相関図である。
【図5】フォトルミネッセンス強度の、基板組成依存性、及び、スペーサ層厚依存性を表す相関図である。
【図6】本発明の第1の実施例であるクラッド層にInGaP層を用いた1μm帯域の半導体レーザの断面図である。
【図7】本発明の第2の実施例であるクラッド層にAlGaAs層を用いた1μm帯域の半導体レーザの断面図である。
【図8】GaAs基板或いはInGaAs基板を用いた従来の1μm帯域の半導体レーザの断面図である。
【符号の説明】
1a In0.05Ga0.95As基板
1b GaAs基板
1d InGaAs(GaAs)基板
2 n型InGaAsバッファ層
3a In0.05Ga0.95Asクラッド層
3b GaAsクラッド層
3c n型InGaPクラッド層
3d n型AlGaAsクラッド層
4c n型InGaAsP光ガイド層
4d i型InGaAsP光ガイド層
5a GaAsスペーサ層
6a InAs/GaAs短周期超格子活性層
6d InGaAs活性層
7a GaAsスペーサ層
8c p型InGaAsP光ガイド層
8d i型InGaAsP光ガイド層
9a In0.05Ga0.95Asクラッド層
9b GaAsクラッド層
9c p型InGaPクラッド層
9d p型AlGaAsクラッド層
[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to an optical semiconductor element, and particularly, to an active layer having high luminous efficiency and having lattice distortion with excellent temperature characteristics in which an initial value such as an oscillation threshold is maintained over a wide temperature range. The present invention relates to a semiconductor laser used for 1 μm band optical communication.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, an optical semiconductor device in the 1 μm band has been mainly used for optical communication, and a semiconductor laser which operates with a narrow spectral line width and a low threshold has been obtained by using an active layer having lattice distortion. .
[0003]
In recent years, semiconductor lasers having higher luminous efficiency and capable of following large temperature changes and requiring no management of temperature conditions, that is, a temperature characteristic in which an initial value such as an oscillation threshold value is maintained in a wide temperature range. An excellent semiconductor laser is required.
[0004]
It is necessary to improve the crystallinity of the active layer in order to increase the luminous efficiency of the semiconductor laser. In order to improve the temperature characteristics of the semiconductor laser, a leakage current that does not contribute to light emission that increases with an increase in temperature is required. In order to achieve this, it has been proposed to produce a 1 μm band semiconductor laser using GaAs as a semiconductor substrate.
[0005]
GaAs has a smaller lattice constant than InP which has been used as a substrate of a conventional 1 μm semiconductor laser, and a semiconductor material having a small lattice constant generally has a larger forbidden band width. Therefore, by using GaAs as a substrate, a semiconductor material having a larger forbidden band width can be used as a cladding layer. This cladding layer serves as a barrier to carriers leaking from the active layer without contributing to light emission. The current is reduced.
[0006]
Another proposal is to use InGaAs instead of GaAs as the substrate. In this case, since the lattice constant of InGaAs is larger than that of GaAs, the amount of strain applied to the active layer is reduced. Crystallinity is improved.
[0007]
FIG. 8 shows a conventionally proposed 1 μm band semiconductor laser using a GaAs substrate or an InGaAs substrate. An n-type AlGaAs cladding layer 3d and an n-type InGaAsP optical guide layer 4c are formed on a GaAs or InGaAs substrate 1d. , An InGaAs active layer 6d, a p-type InGaAsP light guide layer 8c, and a p-type AlGaAs cladding layer 9d.
[0008]
In this case, since the AlGaAs cladding layers 3d and 9d have a sufficiently large forbidden band width as compared with the InGaAs active layer 6d in the 1 μm band, the leakage current is reduced, and excellent temperature characteristics that can follow a relatively large temperature change are expected. You.
[0009]
Another proposal for using GaAs as a substrate is to use a short-period superlattice growth layer in which several monolayers of InAs and GaAs are alternately grown as an active layer. Is improved by using a short-period superlattice structure to improve crystallinity and realize a laser oscillation of 1.3 μm which cannot be obtained by the InGaAs mixed crystal.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, when GaAs is used for the substrate, an extremely large stress is applied to the active layer based on the difference in lattice constant between the substrate and the active layer, and the active layer becomes a high-strain active layer. However, crystal growth of the high-strain layer is difficult. Therefore, an active layer having excellent crystallinity could not be obtained, and expected characteristics could not be obtained.
[0011]
Further, even if the strain is reduced by using InGaAs as a substrate, a substrate having a sufficiently large lattice constant (that is, an InGaAs substrate having an In ratio of 0.2 or more) having excellent crystallinity has not been prepared. Thus, an active layer having excellent crystallinity could not be obtained.
[0012]
Furthermore, when an InAs / GaAs short-period superlattice growth layer is used for the active layer, the light emission intensity required for laser oscillation has not yet been obtained because of insufficient crystallinity around the active layer.
[0013]
A drawback common to these cases is that when a semiconductor having a large band gap is used as the cladding layer to improve the temperature characteristics, the composition in the obtained active layer, in particular, the distribution of In is not uniform and the whole is not uniform. As a result, an InGaAs active layer having a uniform composition cannot be obtained, which has been an obstacle to realizing a 1 μm band semiconductor laser using a GaAs substrate or an InGaAs substrate.
[0014]
Therefore, the present invention prevents the diffusion of the In component in the active layer, which causes the composition of the active layer to be non-uniform, so that the cladding layer having a small lattice constant and a large forbidden band width can be used. An object of the present invention is to grow an active layer having a uniform composition having excellent crystallinity, thereby obtaining a semiconductor laser having a high luminous efficiency and excellent temperature characteristics in a 1 μm band.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
The present invention provides an optical semiconductor device provided with III-V group compound semiconductor mixed crystal III-V compound semiconductor substrate, it shall be the constituent element In and has a large in-plane lattice constant than the lattice constant of the substrate so as to be in contact with at least one main surface of the active layer, characterized in that a GaAs layer of 20Å or more thickness as a spacer layer for preventing the diffusion of in.
[0016]
Further, the present invention is characterized in that an InGaAs mixed crystal is used as a semiconductor substrate for an InGaAs active layer, or a short-period superlattice growth layer active layer in which an InAs layer and a GaAs layer are alternately deposited. Things.
[0017]
[Action]
The function of the spacer layer and the function of the InGaAs mixed crystal semiconductor substrate of the present invention will be described with reference to FIGS. FIGS. 1 and 2 (A) to 2 (D) are cross-sectional views of Samples 1 to 5 prepared to confirm the effect of the GaAs spacer layer and the effect of the InGaAs substrate. In each sample, the active layers are an InAs layer and a GaAs. The layer monolayer is a short-period superlattice growth layer in which crystals are alternately grown 12 times.
[0018]
2A and 2B correspond to a conventional semiconductor laser using a GaAs substrate. FIG. 2A shows a GaAs cladding layer 3b, an active layer 6a, and a GaAs cladding layer 9b provided on a GaAs substrate 1b. (Sample 1), and (B) uses In 0.05 Ga 0.95 As layers 3a and 9a having a buffer effect as cladding layers instead of the GaAs cladding layers 3b and 9b (sample 2). .
[0019]
2C and 2D correspond to a conventional semiconductor laser using an InGaAs substrate, and FIG. 2C shows a GaAs cladding layer 3b, an active layer 6a, and a GaAs cladding layer 9b provided on an InGaAs substrate 1a. (Sample 3), and (D) uses In 0.05 Ga 0.95 As layers 3a and 9a as cladding layers instead of GaAs cladding layers 3b and 9b (sample 4).
[0020]
FIG. 1 shows a principle configuration corresponding to the semiconductor laser of the present invention, in which 40 ° is provided between the In 0.05 Ga 0.95 As clad layers 3 a and 9 a provided on the InGaAs substrate 1 a and the active layer 6 a. GaAs spacer layers 5a and 7a are provided (sample 5). In the figure, spacers are provided above and below the active layer, but providing them on only one of them has a sufficient effect.
[0021]
In Samples 1 to 5, the thicknesses of the cladding layer on the substrate side, the active layer, and the cladding layer on the side opposite to the substrate were 0.5 μm, 75 °, and 500 °, respectively, and the photoluminescence intensity was In order to investigate, the thickness of the upper clad layer on the side opposite to the substrate is made smaller than that of the actual semiconductor laser.
[0022]
FIG. 3 shows reciprocal lattice mapping on the (224) plane revealed by X-ray diffraction measurement for the samples 1 to 5 shown in FIGS. 1 and 2, and the results of five separately measured samples are displayed in an overlapping manner. I have.
[0023]
In FIG. 3, the horizontal axis represents the reciprocal of the lattice constant in the XY direction, that is, the (hh0) direction, and the vertical axis represents the reciprocal of the lattice constant in the Z-axis direction, that is, the (00h) direction. In the case of (1), since the lattice constant increases as the In content increases, the region with a small vertical axis, that is, the region with a large lattice constant in the Z-axis direction indicates a high In content.
[0024]
On the other hand, in Samples 1 to 3, the substrate or the cladding layer is made of GaAs or In 0.05 Ga 0.95 As, and the In content is small, so that the lower region of FIG. It will represent.
[0025]
Comparing Sample 1 and Sample 2, or Sample 3 and Sample 4, Sample 1 and Sample 3 are on the smaller side of the Z-axis respectively. Therefore, when the same substrate is used, GaAs is used as the cladding layer. It was found that the use of the active layer, that is, the contact between the active layer and the GaAs layer, resulted in a higher content of In in the active layer. It can be seen that when there is, the In content of the active layer is higher.
[0026]
FIG. 4 is a plot of the correlation between the in-plane lattice constant of the active layer in the XY plane and the photoluminescence intensity at room temperature, which were revealed from the reciprocal lattice mapping of FIG. From the comparison between Sample 4 and Sample 5, it is clear that the use of the GaAs spacer layer has the effect of improving the intensity of photoluminescence.
[0027]
Further, FIG. 5 shows the effect of the composition of the cladding layer when the InGaAs cladding layer is used for the GaAs substrate, that is, the relationship between the amount of relaxation based on the amount of lattice mismatch between the substrate and the cladding layer and the photoluminescence intensity, Also, it shows the correlation between the thickness of the GaAs spacer layer and the photoluminescence intensity. For any of the buffer layers, the photoluminescence intensity is improved when the thickness of the spacer layer is set to 20 ° or more.
[0028]
In this case, if the thickness of the spacer layer is too large, the photoluminescence intensity decreases. This is considered to be because the spacer layer acts as a barrier for carriers excited by light in the cladding layer or the like, so that the carriers do not reach the active layer, but there is no particular hindrance to the laser operation. is there.
[0029]
Therefore, from the results of the above experiments, it can be seen that the diffusion of In is prevented by the action of the spacer layer provided so as to be in contact with the active layer, and a high-quality active layer having a high In content and excellent optical characteristics is obtained. It can be seen that it can be obtained.
[0030]
Next, the operation of the InGaAs mixed crystal semiconductor substrate will be described. In FIG. 3, since the GaAs cladding layer provided on the InGaAs mixed crystal semiconductor substrate of Sample 3 has a smaller horizontal axis direction than the illustrated GaAs substrate. , XY plane is large, that is, relaxation is occurring.
[0031]
Referring to FIG. 4, it can be seen from the comparison between Sample 1 and Sample 3 that the use of an InGaAs substrate improves the intensity of photoluminescence. Therefore, by using the InGaAs mixed crystal semiconductor substrate, even when a cladding layer having a large band gap is used, an active layer having excellent crystallinity, that is, an active layer having excellent optical characteristics can be obtained by the relaxation effect. It is.
[0032]
【Example】
FIG. 6 shows a first embodiment of the present invention in which the principle configuration shown in FIG. 1 is applied to a semiconductor laser having an optical guide layer, and an n-type InGaAs buffer layer 2 and an n-type InGaP clad layer 3c, n-type InGaAsP light guide layer 4c, non-doped InGaAsP light guide layer 4d, GaAs spacer layer 5a, short-period superlattice active layer 6a, GaAs spacer layer 7a, non-doped InGaAsP light guide layer 8d, and , A p-type InGaAsP light guide layer 8c and a p-type InGaP cladding layer 9c.
[0033]
In the first embodiment shown in FIG. 6, although the substrate is InGaAs, a GaAs substrate may be used, and a short-period superlattice growth in which a plurality of InAs layers and GaAs layers are alternately deposited as active layers. Although a layer is used, an InGaAs mixed crystal may be used.
[0034]
FIG. 7 shows a second embodiment of the present invention, in which an AlGaAs cladding layer 3d, an n-type InGaAsP optical guide layer 4c, a GaAs spacer layer 5a, an InGaAs active layer 6d, a GaAs spacer layer 7a, p InGaAsP light guide layer 8c and p-type AlGaAs cladding layer 9d are sequentially deposited.
[0035]
Although the InGaAs mixed crystal is used as the active layer in the second embodiment shown in FIG. 7, a short-period superlattice growth layer in which a plurality of InAs layers and GaAs layers are alternately deposited may be used.
[0036]
In the first and second embodiments, the GaAs layer, which is the most suitable as the spacer layer, has been described. However, any material may be used as long as it prevents diffusion of In, which is a component of the active layer. The reason why the GaAs spacer layer prevents the diffusion of In is that, considering that interdiffusion occurs between homologous atoms, Ga, which is the same Group III atom as In, has a smaller atomic radius than In. This is because GaAs has a smaller lattice constant than InAs.
[0037]
In other words, in order for In to pass through the GaAs spacer layer, it is necessary for In having a large atomic radius to spread the small group III site occupied by Ga so far, and therefore, when diffusing, excessive energy of the lattice strain is required. It is thought that diffusion is suppressed.
[0039]
Further, although not shown in the first and second embodiments, the present invention also includes a semiconductor laser in which a cap layer for improving the ohmic property of an electrode is provided on a clad layer opposite to a substrate. Things.
[0040]
【The invention's effect】
According to the present invention, when the temperature characteristics are improved by using a clad having a large forbidden band width, the diffusion of the In component in the active layer is prevented by inserting a spacer layer, and a uniform crystal having excellent crystallinity is obtained. Obtaining an active layer having a composition greatly contributes to the practical use of a 1 μm band semiconductor laser having high luminous efficiency and excellent temperature characteristics.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of an optical semiconductor device having a spacer layer showing a basic configuration of the present invention.
FIG. 2 is an element cross-sectional view of a comparative reference sample for confirming the operation and effect of the present invention.
FIG. 3 is a correlation diagram showing the dependence of the in-plane lattice constant of the active layer on the composition of the substrate, the presence of a buffer layer, and the presence of a spacer layer.
FIG. 4 is a correlation diagram showing the dependence of photoluminescence intensity on the lattice constant in the crystal plane of the active layer and the presence of a spacer layer.
FIG. 5 is a correlation diagram showing the dependence of the photoluminescence intensity on the substrate composition and the thickness of the spacer layer.
FIG. 6 is a sectional view of a 1 μm band semiconductor laser using an InGaP layer as a cladding layer according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a sectional view of a 1 μm band semiconductor laser using an AlGaAs layer as a cladding layer according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a cross-sectional view of a conventional 1 μm band semiconductor laser using a GaAs substrate or an InGaAs substrate.
[Explanation of symbols]
1a In 0.05 Ga 0.95 As substrate 1b GaAs substrate 1d InGaAs (GaAs) substrate 2 n-type InGaAs buffer layer 3a In 0.05 Ga 0.95 As cladding layer 3b GaAs cladding layer 3cn n-type InGaP cladding layer 3dn AlGaAs cladding layer 4c n-type InGaAsP optical guide layer 4di i-type InGaAsP optical guide layer 5a GaAs spacer layer 6a InAs / GaAs short-period superlattice active layer 6d InGaAs active layer 7a GaAs spacer layer 8c p-type InGaAsP optical guide layer 8di InGaAsP optical guide layer 9a In 0.05 Ga 0.95 As clad layer 9b GaAs clad layer 9cp p-type InGaP clad layer 9d p-type AlGaAs clad layer

Claims (8)

III-V族化合物半導体基板上にIII- V族化合物半導体混晶を設けた光半導体素子において、基板の格子定数よりも大きな面内格子定数を有すると共にInを構成元素とする活性層の少なくとも一方の主面に接するように、Inの拡散を防止するスペーサ層として20Å以上の厚さのGaAs層を設けたことを特徴とする光半導体素子。 In the optical semiconductor device provided with group III-V compound semiconductor substrate III-V group compound semiconductor mixed crystal, the active layer shall be the constituent element In and has a large in-plane lattice constant than the lattice constant of the substrate An optical semiconductor device comprising a GaAs layer having a thickness of 20 ° or more provided as a spacer layer for preventing diffusion of In so as to be in contact with at least one main surface. 上記スペーサ層を上記活性層の両方の主面に接して設けたことを特徴とする請求項1記載の光半導体素子。2. The optical semiconductor device according to claim 1, wherein said spacer layer is provided in contact with both main surfaces of said active layer. 上記スペーサ層とクラッド層との間に光ガイド層を設けたことを特徴とする請求項1又は2記載の光半導体素子。3. The optical semiconductor device according to claim 1, wherein an optical guide layer is provided between the spacer layer and the clad layer. 上記半導体基板がInx Ga1-x As(0≦x<1)であることを特徴とする請求項1乃至のいずれか1項に記載の光半導体素子。The semiconductor substrate is In x Ga 1-x As ( 0 ≦ x <1) The optical semiconductor device according to any one of claims 1 to 3, characterized in that a. 上記活性層の発光波長が1μm帯域であることを特徴とする請求項1乃至のいずれか1項に記載の光半導体素子。The optical semiconductor device according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the emission wavelength of the active layer is 1μm band. 上記活性層がIny Ga1-y As混晶(0<y<1)であることを特徴とする請求項1乃至のいずれか1項に記載の光半導体素子。The optical semiconductor device according to any one of claims 1 to 5 the active layer is characterized in that it is a In y Ga 1-y As mixed crystal (0 <y <1). 上記活性層がInAs層とGaAs層とを交互に堆積させた短周期超格子成長層であることを特徴とする請求項1乃至のいずれか1項に記載の光半導体素子。The optical semiconductor device according to any one of claims 1 to 5 , wherein the active layer is a short-period superlattice growth layer in which InAs layers and GaAs layers are alternately deposited. 上記交互に設けるInAs層とGaAs層の一層の厚さが各1モノレイヤーであることを特徴とする請求項記載の光半導体素子。8. The optical semiconductor device according to claim 7 , wherein each of the alternately provided InAs layer and GaAs layer has a thickness of one monolayer.
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