光デバイス／半導体レーザ

３４．ＩｎＰ系埋め込みヘテロ構造

　ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ系を用いた長波長帯（1.3μｍ帯や1.55μｍ帯）の半導体レーザではＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系とちがって格子整合というやっかいな問題があることを前項で説明しましたが、この問題が解決されれば、半導体レーザの構造は基本的にはＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系と同様なものが使えます。

　例えば埋め込みヘテロ（ＢＨ）構造は特性が良く信頼性も高いので、ＧａＡｓ系よりもむしろ光通信用のＩｎＰ系で多用されてきました。開発が本格化し具体的にものが作られるようになったのは1980年頃からです(1)。

　基本的な素子構造は図３４－１に断面図に示すように２７項で説明したＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系ＢＨ構造と同様です。発光波長1.3μｍの場合の活性層は、ＩｎＰに格子整合するＧａ_0.27Ｉｎ_0.73Ａｓ_0.58Ｐ_0.42とします(1)。クラッド層はｎ型とｐ型のＩｎＰです。ＩｎＰは上記のＧａＩｎＡｓＰよりバンドギャップエネルギーが大きく、屈折率は小さいので、光とキャリアを活性層に閉じ込めるはたらきをします。両側の埋め込み層もクラッド層と同じＩｎＰ（ただしノンドープ）で形成され、電流の広がりを抑え、光も横方向に閉じ込めるはたらきをします。

　なおｐ型ＩｎＰクラッド層の上にｐ型ＧａＩｎＡｓＰキャップ層がさらに形成されています。これはＩｎＰ系固有の理由によるものです。ｐ型ＩｎＰに対しては接触抵抗の低い電極を形成するのが難しいという問題がありますが、ｐ型ＧａＩｎＡｓＰならば抵抗の低い電極が形成できるため、このキャップ層を設けます。

　ＧａＡｓ系について説明したように埋め込まれる活性層部分はエッチングで作りますが、通常は図のように側面が成長面に垂直にはならず、基板側が広がったいわゆるメサ構造になるか、または逆に表面側が広がった逆メサ構造になる場合が多いです。どちらになるかはエッチング液によります。一方、イオンエッチングのような気相で行うエッチングの場合は垂直な側面を得ることができる場合があります。

　このようなＢＨ構造半導体レーザは印加電圧が大きくなると、埋め込み層側に電流が流れてしまい、光出力が急に低下するという問題が発生することがあります。図３４－２はこの問題を改善するための構造を示しています。

　図３４－１の例との違いは埋め込み層が２層になっている点です。上側の層がｎ型ＩｎＰ、下側の層がｐ型ＩｎＰとなっています。埋め込み層がｐｎ接合になっているので、発光のための電流を流すとき、上側電極をプラスにすると、埋め込み層は逆バイアス状態になるので、無駄な電流が流れるのを防ぐことができます。

　さらに埋め込み層を高抵抗の材料にする方法もあります(3)。ＩｎＰは鉄（Ｆｅ）やチタン（Ｔｉ）などをドープすると高抵抗（半絶縁性と言うこともあります）になることが知られています。ＩｎＰ中のＦｅやＴｉはバンドギャップの中央付近に準位を作り、ここに電子を捕獲してしまうので、ノンドープのときより抵抗が高くなります。この半絶縁性ＩｎＰを埋め込み層に利用することができます。

　さらには埋め込み層を半導体でなく誘電体にすることもできます(4)。樹脂は屈折率が低いので、電流閉じ込め、光閉じ込めの機能をもたせることができます。

　このＢＨ構造は電流閉じ込め、光閉じ込めの両方の機能をもち、特性のよい半導体レーザが得られます。しかしＧａＡｓ系のところでも述べたように、平坦な埋め込み層を成長するには液相成長が適しており、気相成長では難しいと考えられています。しかし新しいタイプの半導体レーザは量子井戸を用いるなど、薄い半導体層を用いることも多くなっています。薄い層の成長には気相成長が適していて、液相成長では困難です。

　このため、ＢＨ構造を有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法などの気相成長法で作りたいという要求はかなり強く、いくつかの方法が検討されています。

　一つの方法は成長と加工を組み合わせた方法です(5)。ＭＯＣＶＤなどの気相成長法でメサ構造部の埋め込み層を成長すると、メサ部側方だけでなくメサ部の上部にも成長が起きます。そこでメサ部が完全に埋め込まれる前に成長を止め、メサ部の上部を除去することにより素子上面を平坦にすることでＢＨ構造を作るという方法です。

　もう一つは液相成長に近い成長を示す原料を選ぶ方法です。ＩｎＰ埋め込み層を成長する際にモノクロロエタンなどハロゲンを含む材料を原料ガスに添加すると、液相成長に似た平坦な成長が可能とされています(6)。

(1)特開昭55-145385号

(2)特開昭56-049587号

(3)特開昭63-133587号

(4)特開昭61-194889号

(5)特開昭63-177493号

(6)特開平08-097509号

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