JP2000156546A - 調整可能なゲインスペクトルを有する半導体レ―ザ - Google Patents
調整可能なゲインスペクトルを有する半導体レ―ザInfo
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 製造容易かつ安価であり、応答時間が短く、
波長調整可能なレーザを提案する。 【解決手段】 半導体ヘテロ構造からなる可調整レーザ
であって、ヘテロ構造が、活性量子井戸と呼ばれ電荷キ
ャリアの導入時にレーザ放射を行う少なくとも１つの量
子井戸ＡＱＷと、その両側に配されて導入された電荷キ
ャリアの一部を収集して閉じ込める収集量子井戸と呼ば
れる少なくとも１つの他の量子井戸ＣＱＷ １，ＣＱＷ２
とを有する活性領域と、電気光学的効果によって活性量
子井戸のゲインスペクトルを変更することにより、レー
ザ放射を行う間に活性量子井戸に作用する空間電荷電界
を生成するように収集量子井戸内の電荷キャリアを分散
させる手段とからレーザを構成する。
波長調整可能なレーザを提案する。 【解決手段】 半導体ヘテロ構造からなる可調整レーザ
であって、ヘテロ構造が、活性量子井戸と呼ばれ電荷キ
ャリアの導入時にレーザ放射を行う少なくとも１つの量
子井戸ＡＱＷと、その両側に配されて導入された電荷キ
ャリアの一部を収集して閉じ込める収集量子井戸と呼ば
れる少なくとも１つの他の量子井戸ＣＱＷ １，ＣＱＷ２
とを有する活性領域と、電気光学的効果によって活性量
子井戸のゲインスペクトルを変更することにより、レー
ザ放射を行う間に活性量子井戸に作用する空間電荷電界
を生成するように収集量子井戸内の電荷キャリアを分散
させる手段とからレーザを構成する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、可調整ゲインス
ペクトルを有する半導体レーザに関する。この発明は、
周波数を調整可能なレーザ源または光学的ゲイン切換装
置として使用することができ、例えば、光遠距離通信、
ライダー、分光学のような種々の分野に適用可能であ
る。この明細書では、「レーザ」の語句は、空洞共振器
による光増幅、または空洞共振器によらない光増幅とし
て広い意味に使用される。
ペクトルを有する半導体レーザに関する。この発明は、
周波数を調整可能なレーザ源または光学的ゲイン切換装
置として使用することができ、例えば、光遠距離通信、
ライダー、分光学のような種々の分野に適用可能であ
る。この明細書では、「レーザ」の語句は、空洞共振器
による光増幅、または空洞共振器によらない光増幅とし
て広い意味に使用される。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】文献
［１］は、温度変化調節可能なレーザダイオードを開示
している。この文献は、以下に引用される他の文献と同
様に、この明細書の最後にリストアップされている。こ
の文献のダイオードは、約１秒の応答時間を有してい
る。
［１］は、温度変化調節可能なレーザダイオードを開示
している。この文献は、以下に引用される他の文献と同
様に、この明細書の最後にリストアップされている。こ
の文献のダイオードは、約１秒の応答時間を有してい
る。
【０００３】文献［２］は、外部回折格子によって調節
可能なレーザダイオードを開示している。このダイオー
ドは、約１ミリ秒の応答時間を有し、扱いにくく、非常
に高価である。
可能なレーザダイオードを開示している。このダイオー
ドは、約１ミリ秒の応答時間を有し、扱いにくく、非常
に高価である。
【０００４】文献［３］は、活性領域と、可変屈折率領
域と、分散されたブラッグ反射体を形成する領域とを有
し、これらの領域が、基板上にモノリシックに集積され
ている調節可能なレーザダイオードを開示している。そ
のようなダイオードは、約１ナノ秒の応答時間を有する
が、製造することが困難であり、したがって高価である
一方、３つの電流（すなわち、上記領域の各々に対して
１つの電流）が必要であるために、発せられるレーザ放
射の波長を制御するための複雑な電子手段が必要であ
る。
域と、分散されたブラッグ反射体を形成する領域とを有
し、これらの領域が、基板上にモノリシックに集積され
ている調節可能なレーザダイオードを開示している。そ
のようなダイオードは、約１ナノ秒の応答時間を有する
が、製造することが困難であり、したがって高価である
一方、３つの電流（すなわち、上記領域の各々に対して
１つの電流）が必要であるために、発せられるレーザ放
射の波長を制御するための複雑な電子手段が必要であ
る。
【０００５】文献［４］は、量子閉じ込めシュタルク効
果による、レーザ放射中のゲインスペクトルの調節可能
性を開示している。この文献に開示されたレーザ装置に
おいては、量子井戸活性領域が、逆バイアスをかけられ
たＰ−Ｉ−Ｎ接合における固有領域に形成され、量子井
戸のゲインが光学的に得られている。したがって、その
ようなレーザ装置は不便である。
果による、レーザ放射中のゲインスペクトルの調節可能
性を開示している。この文献に開示されたレーザ装置に
おいては、量子井戸活性領域が、逆バイアスをかけられ
たＰ−Ｉ−Ｎ接合における固有領域に形成され、量子井
戸のゲインが光学的に得られている。したがって、その
ようなレーザ装置は不便である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】この発明は、（単一の制
御電流しか必要とせず、）製造容易であって、そのため
に、文献［３］のレーザダイオードよりも安価であり、
その応答時間、すなわち、その波長切換時間が約１ナノ
秒以下である、エッジ照射による波長調整可能なレーザ
ダイオードを提案することにより、上述した不都合を未
然に防止することを目的としている。
御電流しか必要とせず、）製造容易であって、そのため
に、文献［３］のレーザダイオードよりも安価であり、
その応答時間、すなわち、その波長切換時間が約１ナノ
秒以下である、エッジ照射による波長調整可能なレーザ
ダイオードを提案することにより、上述した不都合を未
然に防止することを目的としている。
【０００７】このレーザダイオードの調整原理は、レー
ザ放射中におけるダイオードのゲインスペクトルの量子
閉じ込めシュタルク効果のような電気光学的効果によっ
て調節することに基づいている。前記レーザダイオード
の活性領域は、単一の射出電流が、活性層におけるゲイ
ンおよびレーザ放射の波長の調節を許容する空間電荷電
界を確実に同時に生成するように構成されている。
ザ放射中におけるダイオードのゲインスペクトルの量子
閉じ込めシュタルク効果のような電気光学的効果によっ
て調節することに基づいている。前記レーザダイオード
の活性領域は、単一の射出電流が、活性層におけるゲイ
ンおよびレーザ放射の波長の調節を許容する空間電荷電
界を確実に同時に生成するように構成されている。
【０００８】この発明の全ての好ましい実施形態におい
て、前記波長はレーザダイオード内に印加された電流に
よって直接制御される。しかしながら、一定の特殊な実
施形態においては、前記波長を補助のレーザビームによ
って制御することができる。
て、前記波長はレーザダイオード内に印加された電流に
よって直接制御される。しかしながら、一定の特殊な実
施形態においては、前記波長を補助のレーザビームによ
って制御することができる。
【０００９】他の特別な実施形態において、この発明に
係るレーザは、完全に光学的に作動することができる。
この場合には、ゲインおよび波長の調節のいずれもが、
ポンピングされたレーザビームによって行われるか、ま
たは、ゲインの調節が、ポンピングされたレーザビーム
によって行われ、波長調節が補助のレーザビームによっ
て行われるかのいずれかである。
係るレーザは、完全に光学的に作動することができる。
この場合には、ゲインおよび波長の調節のいずれもが、
ポンピングされたレーザビームによって行われるか、ま
たは、ゲインの調節が、ポンピングされたレーザビーム
によって行われ、波長調節が補助のレーザビームによっ
て行われるかのいずれかである。
【００１０】さらに一般的には、この発明は、約１ｎｓ
以下の非常に短い切換時間で、波長を非常に迅速に変更
することができる、調整可能なレーザを提案している。
以下の非常に短い切換時間で、波長を非常に迅速に変更
することができる、調整可能なレーザを提案している。
【００１１】さらに詳細には、この発明は、ヘテロ構造
の半導体を具備する調整可能なレーザに関し、前記ヘテ
ロ構造が、電荷キャリアの導入時にレーザ放射を行う、
活性量子井戸と呼ばれる少なくとも１つの量子井戸と、
前記活性量子井戸のいずれかの側に配される、導入され
た電荷キャリアの一部を収集して閉じ込めるために提供
された、収集量子井戸と呼ばれる少なくとも１つの他の
量子井戸とを具備する活性領域と、前記活性量子井戸の
ゲインスペクトルを、電気光学的効果によって変更する
ことによりレーザ放射中に活性量子井戸に作用する空間
電荷電界を生成するように、前記収集量子井戸内の電荷
キャリアを分散する手段とを具備している。
の半導体を具備する調整可能なレーザに関し、前記ヘテ
ロ構造が、電荷キャリアの導入時にレーザ放射を行う、
活性量子井戸と呼ばれる少なくとも１つの量子井戸と、
前記活性量子井戸のいずれかの側に配される、導入され
た電荷キャリアの一部を収集して閉じ込めるために提供
された、収集量子井戸と呼ばれる少なくとも１つの他の
量子井戸とを具備する活性領域と、前記活性量子井戸の
ゲインスペクトルを、電気光学的効果によって変更する
ことによりレーザ放射中に活性量子井戸に作用する空間
電荷電界を生成するように、前記収集量子井戸内の電荷
キャリアを分散する手段とを具備している。
【００１２】このように、導入された電荷キャリアの数
の変動は、前記空間電荷電界を変化させ、それによっ
て、レーザ放射の波長を変更することができる。
の変動は、前記空間電荷電界を変化させ、それによっ
て、レーザ放射の波長を変更することができる。
【００１３】各収集量子井戸の最も低い光学的遷移は、
活性量子井戸のものより高いエネルギにおけるものであ
ることが好ましい。ヘテロ構造の価電子帯および伝導帯
の基本状態は、活性量子井戸内にあることが好ましい。
活性量子井戸のものより高いエネルギにおけるものであ
ることが好ましい。ヘテロ構造の価電子帯および伝導帯
の基本状態は、活性量子井戸内にあることが好ましい。
【００１４】この発明に係るレーザの第１の特別な態様
によれば、前記レーザはレーザダイオードを形成し、前
記ヘテロ構造は、フォワードバイアスされかつＰ型領域
とＮ型領域との間に固有領域を有するＰ−Ｉ−Ｎ接合を
形成し、前記活性領域が前記固有領域内に形成され、レ
ーザー放射が、前記活性領域内への電荷キャリアの流れ
の入射中に発せられる。
によれば、前記レーザはレーザダイオードを形成し、前
記ヘテロ構造は、フォワードバイアスされかつＰ型領域
とＮ型領域との間に固有領域を有するＰ−Ｉ−Ｎ接合を
形成し、前記活性領域が前記固有領域内に形成され、レ
ーザー放射が、前記活性領域内への電荷キャリアの流れ
の入射中に発せられる。
【００１５】この場合に、電荷キャリア分散手段が、Ｐ
−Ｉ−Ｎ接合のフォワードバイアスのための手段を具備
し、活性領域内の入射電流の不均等性が電荷キャリアの
分離の原因となる。
−Ｉ−Ｎ接合のフォワードバイアスのための手段を具備
し、活性領域内の入射電流の不均等性が電荷キャリアの
分離の原因となる。
【００１６】第２の特別な態様によれば、電荷キャリア
分散手段が、活性量子井戸の両側にそれぞれ配置された
２つの圧電障壁からなり、該圧電障壁の圧電場によっ
て、活性量子井戸の両側への電子およびホールの蓄積が
生じる。
分散手段が、活性量子井戸の両側にそれぞれ配置された
２つの圧電障壁からなり、該圧電障壁の圧電場によっ
て、活性量子井戸の両側への電子およびホールの蓄積が
生じる。
【００１７】前記第２の態様において、活性量子井戸
は、圧電場を有していなくてもよく、圧電障壁によって
生成されたものと反対方向に圧電場を有していてもよ
く、または、圧電障壁によって生成されたものと同じ方
向に圧電場を有することもできる。
は、圧電場を有していなくてもよく、圧電障壁によって
生成されたものと反対方向に圧電場を有していてもよ
く、または、圧電障壁によって生成されたものと同じ方
向に圧電場を有することもできる。
【００１８】さらに、前記第２の態様において、収集量
子井戸は、前記電荷キャリアが該収集量子井戸から逃れ
るのに約１ナノ秒かかるように設計してもよい。
子井戸は、前記電荷キャリアが該収集量子井戸から逃れ
るのに約１ナノ秒かかるように設計してもよい。
【００１９】この発明に係るレーザダイオードの第３の
特別な態様によれば、活性領域が、少なくとも２つの圧
電障壁と、少なくとも２つの収集量子井戸とを活性量子
井戸の両側に有し、前記電荷キャリア分散手段が、前記
圧電障壁を具備している。
特別な態様によれば、活性領域が、少なくとも２つの圧
電障壁と、少なくとも２つの収集量子井戸とを活性量子
井戸の両側に有し、前記電荷キャリア分散手段が、前記
圧電障壁を具備している。
【００２０】この場合に、各々が前記活性量子井戸から
最も離れた各収集量子井戸の禁制帯の幅は、キャリアが
トンネル効果によって通過することができるように、他
の各収集量子井戸の禁制帯の幅より大きいことが好まし
い。
最も離れた各収集量子井戸の禁制帯の幅は、キャリアが
トンネル効果によって通過することができるように、他
の各収集量子井戸の禁制帯の幅より大きいことが好まし
い。
【００２１】第２および第３の態様の場合には、導入さ
れた電荷キャリアの数は一定に保持され、したがって、
レーザ放射の波長は、その光子が各圧電障壁の禁制帯の
幅より大きなエネルギを有しかつその強度がヘテロ構造
の帯電を光学的に誘導するのに十分に高い補助のレーザ
ビームによって制御される。
れた電荷キャリアの数は一定に保持され、したがって、
レーザ放射の波長は、その光子が各圧電障壁の禁制帯の
幅より大きなエネルギを有しかつその強度がヘテロ構造
の帯電を光学的に誘導するのに十分に高い補助のレーザ
ビームによって制御される。
【００２２】この場合に、電荷キャリアは、活性領域を
励起するためにレーザビームによって導入される。活性
領域を励起するためのこのレーザビームは、（波長を制
御するために）補助のレーザビームを構成することもで
きる。
励起するためにレーザビームによって導入される。活性
領域を励起するためのこのレーザビームは、（波長を制
御するために）補助のレーザビームを構成することもで
きる。
【００２３】上述したように、この発明のある特別な態
様において、活性量子井戸の両側における電荷キャリア
の分離は、レーザの活性領域への圧電層の導入に起因し
ている。閃亜鉛鉱形式の結晶半導体のために、前記圧電
層は、基板（１１１），（２１１）のように、ｎ×ｌ×
ｍ≠０となる高い結晶学的指数（ｎ，ｌ，ｍ）を有する
ヘテロ構造の基板の表面にエピタクシーによって成長し
た応力層であることが好ましい。
様において、活性量子井戸の両側における電荷キャリア
の分離は、レーザの活性領域への圧電層の導入に起因し
ている。閃亜鉛鉱形式の結晶半導体のために、前記圧電
層は、基板（１１１），（２１１）のように、ｎ×ｌ×
ｍ≠０となる高い結晶学的指数（ｎ，ｌ，ｍ）を有する
ヘテロ構造の基板の表面にエピタクシーによって成長し
た応力層であることが好ましい。
【００２４】関連する文献としては、例えば、文献
［５］が参照できる。この文献は、層内に存在する二軸
の応力が、成長軸に添って強い圧電場を生起することを
示している。
［５］が参照できる。この文献は、層内に存在する二軸
の応力が、成長軸に添って強い圧電場を生起することを
示している。
【００２５】そのような閃亜鉛鉱形式の半導体におい
て、圧電場は、約ε＝０．７％の結晶格子の比較的穏や
かにミックスマッチした応力に対して、１００ｋＶ／ｃ
ｍを越える値に容易に達することができ、これに関連す
る文献として文献［６］を参照できる。
て、圧電場は、約ε＝０．７％の結晶格子の比較的穏や
かにミックスマッチした応力に対して、１００ｋＶ／ｃ
ｍを越える値に容易に達することができ、これに関連す
る文献として文献［６］を参照できる。
【００２６】この発明において使用される電気光学的効
果は、量子閉じ込めシュタルク効果であることが好まし
い。しかしながら、例えば、フランツケルディッシュ効
果または、ワニアシュタルク効果のような他の効果を用
いることもできる。
果は、量子閉じ込めシュタルク効果であることが好まし
い。しかしながら、例えば、フランツケルディッシュ効
果または、ワニアシュタルク効果のような他の効果を用
いることもできる。
【００２７】
【発明の実施の形態】以下、この発明を、添付図面を参
照して、限定しない実施形態に対して詳細に説明する。
図１は、この発明に係るレーザの第１の実施形態を概略
的に示す図である。図２は、圧電障壁を含む第２の実施
形態を概略的に示す図である。図３は、圧電障壁を含む
第３の実施形態を概略的に示す図である。
照して、限定しない実施形態に対して詳細に説明する。
図１は、この発明に係るレーザの第１の実施形態を概略
的に示す図である。図２は、圧電障壁を含む第２の実施
形態を概略的に示す図である。図３は、圧電障壁を含む
第３の実施形態を概略的に示す図である。
【００２８】この発明に係るレーザダイオードは、半導
体層（半導体基板、または、例えば、サファイア基板上
の、例えば、ＧａＮからなるバッファ層）に形成され、
レーザダイオードを駆動するためにフォワードバイアス
されるＰ−Ｉ−Ｎ接合の固有領域Ｉに形成される活性領
域を具備している。
体層（半導体基板、または、例えば、サファイア基板上
の、例えば、ＧａＮからなるバッファ層）に形成され、
レーザダイオードを駆動するためにフォワードバイアス
されるＰ−Ｉ−Ｎ接合の固有領域Ｉに形成される活性領
域を具備している。
【００２９】活性層の両側には、該活性層において生起
されたレーザ放射を閉じ込めるための１以上の閉じ込め
層が設けられている。該閉じ込め層には、前記接合内へ
の電流の入射を容易にするために、（閉じ込め層が接合
のＮ領域側にあるときにはＮ型、前記接合のＰ領域側に
あるときにはＰ型の）不純物添加を行ってもよい。
されたレーザ放射を閉じ込めるための１以上の閉じ込め
層が設けられている。該閉じ込め層には、前記接合内へ
の電流の入射を容易にするために、（閉じ込め層が接合
のＮ領域側にあるときにはＮ型、前記接合のＰ領域側に
あるときにはＰ型の）不純物添加を行ってもよい。
【００３０】図１は、棒グラフのような形態で、この発
明に係るレーザダイオードの活性領域の一例を概略的に
示しており、価電子帯が符号ＢＶで示され、伝導帯が符
号ＢＣで示されている。
明に係るレーザダイオードの活性領域の一例を概略的に
示しており、価電子帯が符号ＢＶで示され、伝導帯が符
号ＢＣで示されている。
【００３１】図１を左から右に見ていくと、基板を示す
第１の半導体層Ｓと、第１の低位封じ込め層Ｃ１と、第
２の低位封じ込め層Ｃ２と、収集量子井戸層ＣＱＷ
１と、障壁層Ｂ１と、活性量子井戸層ＡＱＷと、他の障
壁層Ｂ２と、他の収集量子井戸層ＣＱＷ２と、第１の高
位閉じ込め層Ｃ３と、第２の高位閉じ込め層Ｃ４とが連
続して示されている。ダイオードをフォワードバイアス
することができる導電層（電極）は、示されていない。
第１の半導体層Ｓと、第１の低位封じ込め層Ｃ１と、第
２の低位封じ込め層Ｃ２と、収集量子井戸層ＣＱＷ
１と、障壁層Ｂ１と、活性量子井戸層ＡＱＷと、他の障
壁層Ｂ２と、他の収集量子井戸層ＣＱＷ２と、第１の高
位閉じ込め層Ｃ３と、第２の高位閉じ込め層Ｃ４とが連
続して示されている。ダイオードをフォワードバイアス
することができる導電層（電極）は、示されていない。
【００３２】この発明に係るダイオードは、活性領域の
中央に少なくとも１つの活性量子井戸を有する。この活
性量子井戸は、その最低光学的遷移がレーザ放射を行い
かつ変調されることを意図している量子井戸である。与
えられた例では、明確にするために、単一の活性量子井
戸を有するヘテロ構造のみが記載されているが、他の例
では、２以上の活性量子井戸によって置き換えてもよ
い。
中央に少なくとも１つの活性量子井戸を有する。この活
性量子井戸は、その最低光学的遷移がレーザ放射を行い
かつ変調されることを意図している量子井戸である。与
えられた例では、明確にするために、単一の活性量子井
戸を有するヘテロ構造のみが記載されているが、他の例
では、２以上の活性量子井戸によって置き換えてもよ
い。
【００３３】図１に示した例では、活性量子井戸の両側
に収集量子井戸が存在するが、活性量子井戸の両側に２
以上の収集量子井戸を有していてもよい。
に収集量子井戸が存在するが、活性量子井戸の両側に２
以上の収集量子井戸を有していてもよい。
【００３４】各収集量子井戸は、不必要な減衰によっ
て、活性量子井戸のレーザ放射と干渉しないように、該
井戸の最低光学的遷移が、前記活性量子井戸の最低光学
的遷移よりも高いエネルギとなるように設計されてい
る。収集量子井戸の機能は、電荷キャリア（電子または
ホール）を収集しかつ閉じ込めることである。電荷キャ
リアは、以下では、単にキャリアと呼ぶことにし、別の
実施形態に対して以下に詳細に説明するメカニズムによ
って分離される。これらの分離されたキャリアは、空間
電荷電界を生成し、したがって、発せられたレーザ放射
の波長を変調する。
て、活性量子井戸のレーザ放射と干渉しないように、該
井戸の最低光学的遷移が、前記活性量子井戸の最低光学
的遷移よりも高いエネルギとなるように設計されてい
る。収集量子井戸の機能は、電荷キャリア（電子または
ホール）を収集しかつ閉じ込めることである。電荷キャ
リアは、以下では、単にキャリアと呼ぶことにし、別の
実施形態に対して以下に詳細に説明するメカニズムによ
って分離される。これらの分離されたキャリアは、空間
電荷電界を生成し、したがって、発せられたレーザ放射
の波長を変調する。
【００３５】以下に、この発明の全ての実施形態に適用
される事項を図面を参照して説明する。所定の電流密度
Ｉ０に対して活性量子井戸のレーザ効果が生ずる図１の
形式のヘテロ構造を考慮すると、このヘテロ構造は、入
射された電流の密度がＩ０の近辺で変動する場合の、好
ましくは量子閉じ込めシュタルク効果による、レーザゲ
インスペクトルの変調用に設計されている。
される事項を図面を参照して説明する。所定の電流密度
Ｉ０に対して活性量子井戸のレーザ効果が生ずる図１の
形式のヘテロ構造を考慮すると、このヘテロ構造は、入
射された電流の密度がＩ０の近辺で変動する場合の、好
ましくは量子閉じ込めシュタルク効果による、レーザゲ
インスペクトルの変調用に設計されている。
【００３６】このために、ヘテロ構造は、第１に、励起
状態において、高い空間電荷電界を生成するのに十分な
電荷密度を収集量子井戸内に蓄積できなければならな
い。例えば、１００ｋＶ／ｃｍの空間電荷電界を有する
ためには、（スクリーニング効果を無視して）収集量子
井戸内に６×１０１１ｃｍ−２の電荷密度が必要であ
る。
状態において、高い空間電荷電界を生成するのに十分な
電荷密度を収集量子井戸内に蓄積できなければならな
い。例えば、１００ｋＶ／ｃｍの空間電荷電界を有する
ためには、（スクリーニング効果を無視して）収集量子
井戸内に６×１０１１ｃｍ−２の電荷密度が必要であ
る。
【００３７】同時に、電荷分離メカニズムは、不飽和状
態、すなわち、入射された電流の密度の変動が収集量子
井戸の電荷密度の変動、したがって、波長変調の変動を
生じさせる状態になければならない。
態、すなわち、入射された電流の密度の変動が収集量子
井戸の電荷密度の変動、したがって、波長変調の変動を
生じさせる状態になければならない。
【００３８】収集量子井戸内の電荷の蓄積は、 （ａ） 電荷分離メカニズム、および （ｂ） 収集量子井戸内に収集されたキャリアの脱出時
間 に依存している。
間 に依存している。
【００３９】図１に係る構造におけるキャリアの動特性
を示す単純な方程式を解き、かつ、第２の好ましい実施
形態に関連して説明される電荷分離メカニズムを使用す
ることにより、所定の入射された電流密度Ｉ０に対して
高い変調効果を有するために必要な脱出時間の桁を得る
ことができる。
を示す単純な方程式を解き、かつ、第２の好ましい実施
形態に関連して説明される電荷分離メカニズムを使用す
ることにより、所定の入射された電流密度Ｉ０に対して
高い変調効果を有するために必要な脱出時間の桁を得る
ことができる。
【００４０】例えば、Ｉ０が１ｋＡ／ｃｍ２である場合
には、キャリアが収集量子井戸から脱出するために必要
な時間は、５０ｋＶ／ｃｍの空間電荷電界を得るため
に、約１ｎｓでなければならない。所定の例において、
脱出時間が１ｎｓよりも十分に小さい場合には、計算で
は、収集量子井戸内に十分な電荷蓄積が存在し、かつ、
変調場が弱いことが示されている。
には、キャリアが収集量子井戸から脱出するために必要
な時間は、５０ｋＶ／ｃｍの空間電荷電界を得るため
に、約１ｎｓでなければならない。所定の例において、
脱出時間が１ｎｓよりも十分に小さい場合には、計算で
は、収集量子井戸内に十分な電荷蓄積が存在し、かつ、
変調場が弱いことが示されている。
【００４１】さらに、脱出時間が非常に長い場合には、
電荷の過度の蓄積と高い空間電荷電界とを生じ、このこ
とは、活性量子井戸のレーザ効果にとって有害であり
（すなわち、電場がゲインスペクトルに取って代わり、
かつ、ゲインスペクトルを低減し、したがって、強すぎ
る電場がレーザ効果にとって有害となる。）、または、
電荷分離プロセスが飽和に達するような状態となる。
電荷の過度の蓄積と高い空間電荷電界とを生じ、このこ
とは、活性量子井戸のレーザ効果にとって有害であり
（すなわち、電場がゲインスペクトルに取って代わり、
かつ、ゲインスペクトルを低減し、したがって、強すぎ
る電場がレーザ効果にとって有害となる。）、または、
電荷分離プロセスが飽和に達するような状態となる。
【００４２】したがって、レーザダイオードを良好に作
動させるためには、キャリア脱出時間の適正な「設計」
が必要である。そのような設計は、収集量子井戸からの
キャリアの主たる脱出プロセスが、障壁を越える熱イオ
ン化放射および前記障壁を貫通するトンネル効果である
ことを考慮すれば可能である。
動させるためには、キャリア脱出時間の適正な「設計」
が必要である。そのような設計は、収集量子井戸からの
キャリアの主たる脱出プロセスが、障壁を越える熱イオ
ン化放射および前記障壁を貫通するトンネル効果である
ことを考慮すれば可能である。
【００４３】前記プロセスに大きな影響を与える、障壁
の高さおよび厚さのようなヘテロ構造のパラメータを適
当に選択することにより、キャリアの脱出レベルを数桁
の範囲で調節することができる。
の高さおよび厚さのようなヘテロ構造のパラメータを適
当に選択することにより、キャリアの脱出レベルを数桁
の範囲で調節することができる。
【００４４】さらに、収集量子井戸からのキャリアの脱
出時間は、レーザダイオードの波長切換速度を少なくと
も部分的に制御する。前記レーザダイオードは、電流密
度Ｉ ０によって制御され、かつ、それに対応する収集量
子井戸の電荷密度がＱ０であると仮定している。
出時間は、レーザダイオードの波長切換速度を少なくと
も部分的に制御する。前記レーザダイオードは、電流密
度Ｉ ０によって制御され、かつ、それに対応する収集量
子井戸の電荷密度がＱ０であると仮定している。
【００４５】電流密度Ｉ０が突然増加すると、これに続
いて電荷密度Ｑ０が急速に増加し、新たな平衡を確立す
るために必要な典型的なスイッチアップ時間は、基本的
に、数十ピコ秒のホットキャリアの緩和時間に等しい。
いて電荷密度Ｑ０が急速に増加し、新たな平衡を確立す
るために必要な典型的なスイッチアップ時間は、基本的
に、数十ピコ秒のホットキャリアの緩和時間に等しい。
【００４６】電流密度Ｉ０が突然減少すると、電荷密度
Ｑ０は減少するが、収集量子井戸からのキャリアの脱出
時間によって決定されるスイッチダウン時間が長くな
る。
Ｑ０は減少するが、収集量子井戸からのキャリアの脱出
時間によって決定されるスイッチダウン時間が長くな
る。
【００４７】前述したように、所望の脱出時間は、ヘテ
ロ構造の適正な設計によって容易に得ることができ、理
想的な設計では、例えば、１００ｐｓ〜１ｎｓとなる
が、これ以外の範囲であってもよい。
ロ構造の適正な設計によって容易に得ることができ、理
想的な設計では、例えば、１００ｐｓ〜１ｎｓとなる
が、これ以外の範囲であってもよい。
【００４８】さらに、活性量子井戸が、妥当な電流密度
に対してレーザ放射を行うには、（ａ） 入射されたキ
ャリアのほとんどが活性量子井戸内に収集され、（ｂ）
収集されたキャリアが十分に長い時間にわたって活性
量子井戸内に維持されることを保証することが必要であ
る。
に対してレーザ放射を行うには、（ａ） 入射されたキ
ャリアのほとんどが活性量子井戸内に収集され、（ｂ）
収集されたキャリアが十分に長い時間にわたって活性
量子井戸内に維持されることを保証することが必要であ
る。
【００４９】上記条件（ａ）を満たす１つの方法は、ヘ
テロ構造の価電子帯ＢＶおよび伝導帯ＢＣの基本状態が
両方とも活性量子井戸内にあることを保証することであ
る。
テロ構造の価電子帯ＢＶおよび伝導帯ＢＣの基本状態が
両方とも活性量子井戸内にあることを保証することであ
る。
【００５０】上記条件（ｂ）を満たすためには、活性量
子井戸からのキャリアの脱出時間が誘導放射または放射
の再結合時間よりも十分に長くなければならない。
子井戸からのキャリアの脱出時間が誘導放射または放射
の再結合時間よりも十分に長くなければならない。
【００５１】この発明に係るレーザダイオードの第１の
好ましい実施形態について、以下に説明する。この第１
の実施形態は、図１に概略的に示されており、すでに説
明したとおりである。その動作原理を以下に説明する。
好ましい実施形態について、以下に説明する。この第１
の実施形態は、図１に概略的に示されており、すでに説
明したとおりである。その動作原理を以下に説明する。
【００５２】活性領域は、Ｐ−Ｉ−Ｎ接合内に存在す
る。前記接合のフォワードバイアス手段は、電子ｅを領
域Ｎから、ホールｔを領域Ｐから活性領域内に入射する
ことを可能にする。
る。前記接合のフォワードバイアス手段は、電子ｅを領
域Ｎから、ホールｔを領域Ｐから活性領域内に入射する
ことを可能にする。
【００５３】前記層ＣＱＷ１は領域Ｎに近いため、該層
ＣＱＷ１によって収集された入射電子の数は、層ＡＱＷ
および層ＣＱＷ２によって収集された数より多い。さら
に、前記層ＣＱＷ２は領域Ｐに近いので、前記層ＣＱＷ
２によって収集された入射ホールの数は、層ＡＱＷおよ
び層ＣＱＷ１によって収集された入射ホールの数より多
い。
ＣＱＷ１によって収集された入射電子の数は、層ＡＱＷ
および層ＣＱＷ２によって収集された数より多い。さら
に、前記層ＣＱＷ２は領域Ｐに近いので、前記層ＣＱＷ
２によって収集された入射ホールの数は、層ＡＱＷおよ
び層ＣＱＷ１によって収集された入射ホールの数より多
い。
【００５４】したがって、層ＡＱＷにレーザ効果を誘導
することができる入射電流レベルに対して、層ＣＱＷ１
内には過剰の電子が存在し（このことは、図１に符号
（−）で示されている。）、層ＣＱＷ２には過剰のホー
ルが存在する（このことは図１に符号（＋）で示されて
いる。）。
することができる入射電流レベルに対して、層ＣＱＷ１
内には過剰の電子が存在し（このことは、図１に符号
（−）で示されている。）、層ＣＱＷ２には過剰のホー
ルが存在する（このことは図１に符号（＋）で示されて
いる。）。
【００５５】これにより、好ましくは、量子閉じ込めシ
ュタルク効果によって、層ＡＱＷのレーザ放射電子遷移
を変調する空間電荷電界が形成される。
ュタルク効果によって、層ＡＱＷのレーザ放射電子遷移
を変調する空間電荷電界が形成される。
【００５６】上記において既に示したように、変調は、
レーザ放射の波長の置換と、ゲイン変化とから構成され
ている。
レーザ放射の波長の置換と、ゲイン変化とから構成され
ている。
【００５７】入射電流がさらに増加すると、空間電荷電
界も増大し、これが変調にも適用される。このことは、
レーザダイオードのレーザ放射の波長λ０を調整するこ
とになる。
界も増大し、これが変調にも適用される。このことは、
レーザダイオードのレーザ放射の波長λ０を調整するこ
とになる。
【００５８】この電荷の分散または分離メカニズムは、
活性領域における入射電流の不均等性に大きく依存して
いる。結果的に、ヘテロ構造のパラメータを調節するこ
とにより、電荷の分離の効率に影響を与えることができ
る。例えば、各収集量子井戸と活性量子井戸との間の距
離を増大させると、電荷の分離はより効果的になる。
活性領域における入射電流の不均等性に大きく依存して
いる。結果的に、ヘテロ構造のパラメータを調節するこ
とにより、電荷の分離の効率に影響を与えることができ
る。例えば、各収集量子井戸と活性量子井戸との間の距
離を増大させると、電荷の分離はより効果的になる。
【００５９】次に、図２に概略的に示された、この発明
に係るレーザダイオードの第２の好ましい実施形態につ
いて説明する。
に係るレーザダイオードの第２の好ましい実施形態につ
いて説明する。
【００６０】図２のヘテロ構造は、図１の障壁層Ｂ１，
Ｂ２が、図２の場合には圧電障壁層ＰＢ１，ＰＢ２であ
ることを除いて、図１と同じである。半導体層Ｓおよび
層Ｃ １，Ｃ４は、図２では省略されている。
Ｂ２が、図２の場合には圧電障壁層ＰＢ１，ＰＢ２であ
ることを除いて、図１と同じである。半導体層Ｓおよび
層Ｃ １，Ｃ４は、図２では省略されている。
【００６１】この第２の好ましい実施形態において、電
荷の分散または分離プロセスのための基本的な部材は、
層ＡＱＷと層ＣＱＷ１，ＣＱＷ２との間に配置された圧
電障壁によって構成されている。
荷の分散または分離プロセスのための基本的な部材は、
層ＡＱＷと層ＣＱＷ１，ＣＱＷ２との間に配置された圧
電障壁によって構成されている。
【００６２】閃亜鉛鉱形式の結晶半導体では、ヘテロ構
造は、ｎ×ｌ×ｍ≠０となる高い結晶学的指数（ｎ，
ｌ，ｍ）を有する半導体層上に成長するように構成され
ている。なお、活性領域の他の層が圧電場を有していて
もよい。
造は、ｎ×ｌ×ｍ≠０となる高い結晶学的指数（ｎ，
ｌ，ｍ）を有する半導体層上に成長するように構成され
ている。なお、活性領域の他の層が圧電場を有していて
もよい。
【００６３】この第２の実施形態は、活性領域内の入射
電流の不均等性は、もはや、適正な電荷分離を達成する
のに必要な条件ではないという点で、第１の実施形態を
改善している。
電流の不均等性は、もはや、適正な電荷分離を達成する
のに必要な条件ではないという点で、第１の実施形態を
改善している。
【００６４】入射ホールおよび入射電子の一部は、圧電
場の働きによって、各圧電障壁層の両側に分離される。
層ＡＱＷに収集された電子およびホールは、前記層ＡＱ
Ｗのレーザ放射に直接関与し、圧電障壁層の存在によっ
て、層ＣＱＷ１内に電子、層ＣＱＷ２内にホールが蓄積
される。したがって、結果として生ずる空間電荷電界
は、層ＡＱＷのレーザ遷移を変調する。
場の働きによって、各圧電障壁層の両側に分離される。
層ＡＱＷに収集された電子およびホールは、前記層ＡＱ
Ｗのレーザ放射に直接関与し、圧電障壁層の存在によっ
て、層ＣＱＷ１内に電子、層ＣＱＷ２内にホールが蓄積
される。したがって、結果として生ずる空間電荷電界
は、層ＡＱＷのレーザ遷移を変調する。
【００６５】層ＡＱＷが圧電場を有しない場合（図２の
場合）または圧電障壁の圧電場に対向する圧電場を有す
る場合には、空間電荷電界は層ＡＱＷの遷移のより高い
波長に向かうシフトを生じる。
場合）または圧電障壁の圧電場に対向する圧電場を有す
る場合には、空間電荷電界は層ＡＱＷの遷移のより高い
波長に向かうシフトを生じる。
【００６６】層ＡＱＷが、圧電障壁層の圧電場と同じ方
向の圧電場を有する場合、空間電荷電界は、前記レーザ
遷移の短い波長に向かうシフトを引き起こす。
向の圧電場を有する場合、空間電荷電界は、前記レーザ
遷移の短い波長に向かうシフトを引き起こす。
【００６７】単に前記層の応力状態を調節することによ
り、層ＡＱＷの圧電場を制御することができる。したが
って、特定のアプリケーションのニーズによって、量子
閉じ込めシュタルク効果により調節可能で、しかもその
発せられる波長を高低いずれの波長にもシフトすること
ができるレーザダイオードを提供することができる。
り、層ＡＱＷの圧電場を制御することができる。したが
って、特定のアプリケーションのニーズによって、量子
閉じ込めシュタルク効果により調節可能で、しかもその
発せられる波長を高低いずれの波長にもシフトすること
ができるレーザダイオードを提供することができる。
【００６８】図２の圧電障壁ヘテロ構造は、文献［７］
および文献［８］に記載された、光学的に制御された光
変調器と共通する点を有している。しかしながら、該変
調器とダイオードとは、それらの機能が異なることによ
って明確に相違している。
および文献［８］に記載された、光学的に制御された光
変調器と共通する点を有している。しかしながら、該変
調器とダイオードとは、それらの機能が異なることによ
って明確に相違している。
【００６９】変調器では、実用的な理由によって、光学
的制御ビームの出力密度を数Ｗ／ｃｍ２に制限するため
に、集量子井戸の脱出時間は約１μｓである。その結
果、熱イオン化放射による脱出レベルを低減するため
に、収集量子井戸は比較的深く形成され、前記圧電障壁
は、該障壁を通したトンネル効果によって前記収集量子
井戸が迅速に空になることを防止するために比較的厚く
形成されている。
的制御ビームの出力密度を数Ｗ／ｃｍ２に制限するため
に、集量子井戸の脱出時間は約１μｓである。その結
果、熱イオン化放射による脱出レベルを低減するため
に、収集量子井戸は比較的深く形成され、前記圧電障壁
は、該障壁を通したトンネル効果によって前記収集量子
井戸が迅速に空になることを防止するために比較的厚く
形成されている。
【００７０】さらに、この発明においては、レーザ効果
が最も頻繁に生ずる約１ｋＡ／ｃｍ ２の電流密度に対し
て変調効果を有するために、収集量子井戸のキャリア脱
出時間は約１ｎｓである。したがって、収集量子井戸は
比較的浅く、圧電障壁は比較的薄く形成される。
が最も頻繁に生ずる約１ｋＡ／ｃｍ ２の電流密度に対し
て変調効果を有するために、収集量子井戸のキャリア脱
出時間は約１ｎｓである。したがって、収集量子井戸は
比較的浅く、圧電障壁は比較的薄く形成される。
【００７１】調整可能なレーザダイオードにとっては非
常に重要であるが、変調器にとっては重要ではない他の
設計的側面を以下に説明する。活性量子井戸が、妥当な
電流密度に対してレーザ放射を行うためには、入射され
たキャリアの大部分が活性量子井戸内に収集され、レー
ザ照射に関与するのに十分に長い時間だけそこに留まる
ことが望ましい。このためには、ヘテロ構造の価電子帯
および伝導帯の基本状態を確実に活性量子井戸層内にす
る方法がある。
常に重要であるが、変調器にとっては重要ではない他の
設計的側面を以下に説明する。活性量子井戸が、妥当な
電流密度に対してレーザ放射を行うためには、入射され
たキャリアの大部分が活性量子井戸内に収集され、レー
ザ照射に関与するのに十分に長い時間だけそこに留まる
ことが望ましい。このためには、ヘテロ構造の価電子帯
および伝導帯の基本状態を確実に活性量子井戸層内にす
る方法がある。
【００７２】図３に概略的に示された、この発明の第３
の好ましい実施形態は、基本的に第２の実施形態の延長
線上にあり、同じ動作原理を有している。
の好ましい実施形態は、基本的に第２の実施形態の延長
線上にあり、同じ動作原理を有している。
【００７３】図２のヘテロ構造と図３のヘテロ構造との
相違は、図３のヘテロ構造が、活性量子井戸の両側に２
以上の圧電障壁と２以上の収集量子井戸とを有している
ということである。
相違は、図３のヘテロ構造が、活性量子井戸の両側に２
以上の圧電障壁と２以上の収集量子井戸とを有している
ということである。
【００７４】図３の実施形態においては、左から右に向
かって、閉じ込め層Ｃ２、収集量子井戸層ＣＱＷ１１、
圧電障壁層ＰＢ１１、他の収集量子井戸層ＣＱＷ１２、
他の圧電障壁層ＰＢ１２、活性量子井戸層ＡＱＷ、圧電
障壁層ＰＢ２１、収集量子井戸層ＣＱＷ２１、他の圧電
障壁層ＰＢ２２、他の収集量子井戸層ＣＱＷ２２、閉じ
込め層Ｃ３が連続して設けられている。基板および他の
閉じ込め層は示されていない。
かって、閉じ込め層Ｃ２、収集量子井戸層ＣＱＷ１１、
圧電障壁層ＰＢ１１、他の収集量子井戸層ＣＱＷ１２、
他の圧電障壁層ＰＢ１２、活性量子井戸層ＡＱＷ、圧電
障壁層ＰＢ２１、収集量子井戸層ＣＱＷ２１、他の圧電
障壁層ＰＢ２２、他の収集量子井戸層ＣＱＷ２２、閉じ
込め層Ｃ３が連続して設けられている。基板および他の
閉じ込め層は示されていない。
【００７５】図３には、単に例示として、かつ、限定の
ない方法で、層ＡＱＷの中心に配されるｚ軸を基準とし
て、別々の層の厚さｚの数値例が（ｎｍ単位で）示さ
れ、ヘテロ構造の価電子帯および伝導帯に対するエネル
ギＥの数値例が（ｍｅＶ単位で）示されている。
ない方法で、層ＡＱＷの中心に配されるｚ軸を基準とし
て、別々の層の厚さｚの数値例が（ｎｍ単位で）示さ
れ、ヘテロ構造の価電子帯および伝導帯に対するエネル
ギＥの数値例が（ｍｅＶ単位で）示されている。
【００７６】図２の矢印Ｆ１は、圧電障壁におけるキャ
リア分離プロセスを示し、これは、図３においても同様
である。図３の矢印Ｆ２は、収集井戸から活性井戸への
電荷キャリアのトンネル効果による伝導プロセスを示し
ている。
リア分離プロセスを示し、これは、図３においても同様
である。図３の矢印Ｆ２は、収集井戸から活性井戸への
電荷キャリアのトンネル効果による伝導プロセスを示し
ている。
【００７７】図２のヘテロ構造と比較した図３のヘテロ
構造の改良点は、各圧電障壁層の厚さを低減すると同時
に、全ての圧電障壁層に対しては、効果的な電荷分離を
有するために十分大きな全体的厚さを保持していること
によって得られる。これにより、収集量子井戸のキャリ
アのトンネル効果の確率が大幅に増加することになる。
構造の改良点は、各圧電障壁層の厚さを低減すると同時
に、全ての圧電障壁層に対しては、効果的な電荷分離を
有するために十分大きな全体的厚さを保持していること
によって得られる。これにより、収集量子井戸のキャリ
アのトンネル効果の確率が大幅に増加することになる。
【００７８】したがって、温度に大きく依存したプロセ
ス、すなわち、熱イオン化放射により収集量子井戸のキ
ャリアの脱出時間を制御することに代えて、熱に依存し
ないプロセス、すなわち、トンネル効果によってキャリ
アの脱出時間を制御することが好ましく、よりシンプル
である。
ス、すなわち、熱イオン化放射により収集量子井戸のキ
ャリアの脱出時間を制御することに代えて、熱に依存し
ないプロセス、すなわち、トンネル効果によってキャリ
アの脱出時間を制御することが好ましく、よりシンプル
である。
【００７９】さらに、図２および図３の場合には、活性
領域への均等な電荷キャリアの導入を仮定している。し
たがって、活性井戸に対していずれの側に電子の蓄積が
行われるかは、障壁の圧電場の方向に主として依存して
いる（図２および図３では左側である。）。したがっ
て、レーザダイオードの場合には、電子が入射される側
（Ｎ）またはホールが入射される側（Ｐ）を特定する必
要はない。
領域への均等な電荷キャリアの導入を仮定している。し
たがって、活性井戸に対していずれの側に電子の蓄積が
行われるかは、障壁の圧電場の方向に主として依存して
いる（図２および図３では左側である。）。したがっ
て、レーザダイオードの場合には、電子が入射される側
（Ｎ）またはホールが入射される側（Ｐ）を特定する必
要はない。
【００８０】図３のヘテロ構造の圧電障壁層および収集
量子井戸層は、若干異なる半導体によって構成されてい
てもよい。
量子井戸層は、若干異なる半導体によって構成されてい
てもよい。
【００８１】図３の例では、トンネル効果のための好ま
しいエネルギ状態を得るために、収集量子井戸ＣＱＷ
１１，ＣＱＷ２２の禁制帯の幅は、収集量子井戸ＣＱＷ
１２，ＣＱＷ２１の禁制帯の幅よりも大きく選択されて
いる。
しいエネルギ状態を得るために、収集量子井戸ＣＱＷ
１１，ＣＱＷ２２の禁制帯の幅は、収集量子井戸ＣＱＷ
１２，ＣＱＷ２１の禁制帯の幅よりも大きく選択されて
いる。
【００８２】上述したように、レーザ放射のスペクトル
が、レーザダイオードに入射される電流によって直接制
御される場合に加えて、この電流を一定にして、パルス
状または連続的な補助のレーザビームによって波長λ０
の変調を制御する興味深い適用例を想定することができ
る。このことは、第２および第３の実施形態に従って構
成されたダイオードにおいて可能である。
が、レーザダイオードに入射される電流によって直接制
御される場合に加えて、この電流を一定にして、パルス
状または連続的な補助のレーザビームによって波長λ０
の変調を制御する興味深い適用例を想定することができ
る。このことは、第２および第３の実施形態に従って構
成されたダイオードにおいて可能である。
【００８３】前記補助のレーザビームは、以下の条件を
満足しなければならない。 （ａ） この補助のレーザビームの光子のエネルギが、
圧電障壁層の禁制帯の幅を超えていなければならないこ
と、および、（ｂ） 前記レーザビームの強度が、ヘテ
ロ構造の帯電を光学的に誘導するのに十分なほど高くな
ければならないことである。この補助のレーザビーム
は、レーザ放射を行う活性層に向けられて、該活性層に
よって吸収される。
満足しなければならない。 （ａ） この補助のレーザビームの光子のエネルギが、
圧電障壁層の禁制帯の幅を超えていなければならないこ
と、および、（ｂ） 前記レーザビームの強度が、ヘテ
ロ構造の帯電を光学的に誘導するのに十分なほど高くな
ければならないことである。この補助のレーザビーム
は、レーザ放射を行う活性層に向けられて、該活性層に
よって吸収される。
【００８４】ヘテロ構造の例を以下に示す。この発明の
重要な側面は、（ａ）特定の想定した適用例、（ｂ）レ
ーザ放射の所望の波長、（ｃ）利用可能な生産手順、に
よって任意の半導体ヘテロ構造を備えることができると
いうことである。
重要な側面は、（ａ）特定の想定した適用例、（ｂ）レ
ーザ放射の所望の波長、（ｃ）利用可能な生産手順、に
よって任意の半導体ヘテロ構造を備えることができると
いうことである。
【００８５】例えば、閃亜鉛鉱形式またはウルツ鉱形式
の結晶構造を有するＩＩＩ−Ｖ族またはＩＩ−ＶＩ族形
式の半導体を使用することも可能である。第２および第
３の実施形態では、例えば、ヘテロ構造の結晶格子のｃ
軸（すなわち、最も大きな結晶対称性を有する軸）に沿
って、ウルツ鉱形式のヘテロ構造を成長させるのに十分
である一方、閃亜鉛鉱形式のヘテロ構造を、例えば、ｎ
×ｌ×ｍ≠０となる高い結晶学的指数（ｎ，ｌ，ｍ）を
有する半導体基板のような半導体層に成長させることが
できる。
の結晶構造を有するＩＩＩ−Ｖ族またはＩＩ−ＶＩ族形
式の半導体を使用することも可能である。第２および第
３の実施形態では、例えば、ヘテロ構造の結晶格子のｃ
軸（すなわち、最も大きな結晶対称性を有する軸）に沿
って、ウルツ鉱形式のヘテロ構造を成長させるのに十分
である一方、閃亜鉛鉱形式のヘテロ構造を、例えば、ｎ
×ｌ×ｍ≠０となる高い結晶学的指数（ｎ，ｌ，ｍ）を
有する半導体基板のような半導体層に成長させることが
できる。
【００８６】以下に多数の例を示す。 （ａ） 遠距離通信波長（１，３，１．５５μｍ）でレ
ーザを発し、ＩｎＰ技術と互換性があるレーザダイオー
ドのための、ＩｎＰ基板上のヘテロ構造ＩｎＧａＡｓＰ
／ＩｎＡｌＡｓＰ、（ｂ） ０．８〜１μｍの範囲でレ
ーザを発するレーザダイオードのための、ＧａＡｓ基板
上のヘテロ構造ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓ、（ｃ）
０．５μｍでレーザを発するための、ＧａＡｓ基板上の
ヘテロ構造ＺｎＣｄＳｅ／ＺｎＳｅ、（ｄ） ０．３〜
０．４μｍの範囲でレーザを発するダイオードのため
の、サファイア基板上のＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮウルツ
鉱形式のヘテロ構造。
ーザを発し、ＩｎＰ技術と互換性があるレーザダイオー
ドのための、ＩｎＰ基板上のヘテロ構造ＩｎＧａＡｓＰ
／ＩｎＡｌＡｓＰ、（ｂ） ０．８〜１μｍの範囲でレ
ーザを発するレーザダイオードのための、ＧａＡｓ基板
上のヘテロ構造ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓ、（ｃ）
０．５μｍでレーザを発するための、ＧａＡｓ基板上の
ヘテロ構造ＺｎＣｄＳｅ／ＺｎＳｅ、（ｄ） ０．３〜
０．４μｍの範囲でレーザを発するダイオードのため
の、サファイア基板上のＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮウルツ
鉱形式のヘテロ構造。
【００８７】１．５５μｍでレーザを発するＩＩＩ−Ｖ
族ヘテロ構造の一例を以下に説明する。このヘテロ構造
はＩｎＰ（１１１）基板上にコヒーレントに成長してい
る。この例は、第２の実施形態に対応している。各層の
応力状態は、基板の結晶パラメータに対して決定され
る。閉じ込め層および活性層に対応する領域の構成は、
以下の通りである。
族ヘテロ構造の一例を以下に説明する。このヘテロ構造
はＩｎＰ（１１１）基板上にコヒーレントに成長してい
る。この例は、第２の実施形態に対応している。各層の
応力状態は、基板の結晶パラメータに対して決定され
る。閉じ込め層および活性層に対応する領域の構成は、
以下の通りである。
【００８８】格子に適用された閉じ込め層Ｃ２は、厚さ
３００ｎｍのＩｎ０．５２Ａｌ０． ４８Ａｓであり、加
圧された収集量子井戸層ＣＱＷ１は、厚さ５ｎｍのＩｎ
０．６３Ｇａ０．３ ７Ａｓであり、拡大された圧電障壁
層ＰＢ１は、厚さ２０ｎｍのＩｎ０．４２Ａｌ０．５８
Ａｓであり、加圧された活性量子井戸層ＡＱＷは、厚さ
１５ｎｍのＩｎ０．６３Ｇａ０．３ ７Ａｓであり、拡大
された圧電障壁層ＰＢ２は、厚さ２０ｎｍのＩｎ
０．４２Ａｌ０．５８Ａｓであり、加圧された収集量子
井戸層ＣＱＷ２は、厚さ５ｎｍのＩｎ０．６３Ｇａ
０．３ ７Ａｓであり、格子に適合された閉じ込め層Ｃ３
は、厚さ３００ｎｍのＩｎ０．５２Ａｌ０． ４８Ａｓで
ある。
３００ｎｍのＩｎ０．５２Ａｌ０． ４８Ａｓであり、加
圧された収集量子井戸層ＣＱＷ１は、厚さ５ｎｍのＩｎ
０．６３Ｇａ０．３ ７Ａｓであり、拡大された圧電障壁
層ＰＢ１は、厚さ２０ｎｍのＩｎ０．４２Ａｌ０．５８
Ａｓであり、加圧された活性量子井戸層ＡＱＷは、厚さ
１５ｎｍのＩｎ０．６３Ｇａ０．３ ７Ａｓであり、拡大
された圧電障壁層ＰＢ２は、厚さ２０ｎｍのＩｎ
０．４２Ａｌ０．５８Ａｓであり、加圧された収集量子
井戸層ＣＱＷ２は、厚さ５ｎｍのＩｎ０．６３Ｇａ
０．３ ７Ａｓであり、格子に適合された閉じ込め層Ｃ３
は、厚さ３００ｎｍのＩｎ０．５２Ａｌ０． ４８Ａｓで
ある。
【００８９】この発明の第３の好ましい実施形態に対応
するＩＩ−ＶＩ族ヘテロ構造の一例を以下に与える。 （２１１）Ｃｄ０．９６Ｚｎ０．０４Ｔｅ 基板 ２μｍのＣｄ０．７８Ｍｇ０．２２Ｔｅ バッファ層 ２００ｎｍのＣｄ０．５０Ｍｇ０．５０Ｔｅ 第１の低位閉じ込め層 ３００ｎｍのＣｄ０．７０Ｍｇ０．３０Ｔｅ 第２の低位閉じ込め層 ７ｎｍのＣｄ０．８５Ｍｇ０．１５Ｔｅ ＣＱＷ１１ ５ｎｍのＣｄ０．６２Ｚｎ０．０８Ｍｇ０．３０Ｔｅ ＰＢ１１ ７ｎｍのＣｄ０．９２Ｍｇ０．０８Ｔｅ ＣＱＷ１２ ５ｎｍのＣｄ０．６２Ｚｎ０．０８Ｍｇ０．３０Ｔｅ ＰＢ１２ １５ｎｍのＣｄＴｅ ＡＱＷ ５ｎｍのＣｄ０．６２Ｚｎ０．０８Ｍｇ０．３０Ｔｅ ＰＢ２１ ７ｎｍのＣｄ０．９２Ｍｇ０．０８Ｔｅ ＣＱＷ２１ ５ｎｍのＣｄ０．６２Ｚｎ０．０８Ｍｇ０．３０Ｔｅ ＰＢ２２ ７ｎｍのＣｄ０．８５Ｍｇ０．１５Ｔｅ ＣＱＷ２２ ３００ｎｍのＣｄ０．７０Ｍｇ０．３０Ｔｅ 第１の高位閉じ込め層Ｃ３ ２００ｎｍのＣｄ０．５０Ｍｇ０．５０Ｔｅ 第２の高位閉じ込め層 ５ｎｍのＣｄＴｅ 被覆層
するＩＩ−ＶＩ族ヘテロ構造の一例を以下に与える。 （２１１）Ｃｄ０．９６Ｚｎ０．０４Ｔｅ 基板 ２μｍのＣｄ０．７８Ｍｇ０．２２Ｔｅ バッファ層 ２００ｎｍのＣｄ０．５０Ｍｇ０．５０Ｔｅ 第１の低位閉じ込め層 ３００ｎｍのＣｄ０．７０Ｍｇ０．３０Ｔｅ 第２の低位閉じ込め層 ７ｎｍのＣｄ０．８５Ｍｇ０．１５Ｔｅ ＣＱＷ１１ ５ｎｍのＣｄ０．６２Ｚｎ０．０８Ｍｇ０．３０Ｔｅ ＰＢ１１ ７ｎｍのＣｄ０．９２Ｍｇ０．０８Ｔｅ ＣＱＷ１２ ５ｎｍのＣｄ０．６２Ｚｎ０．０８Ｍｇ０．３０Ｔｅ ＰＢ１２ １５ｎｍのＣｄＴｅ ＡＱＷ ５ｎｍのＣｄ０．６２Ｚｎ０．０８Ｍｇ０．３０Ｔｅ ＰＢ２１ ７ｎｍのＣｄ０．９２Ｍｇ０．０８Ｔｅ ＣＱＷ２１ ５ｎｍのＣｄ０．６２Ｚｎ０．０８Ｍｇ０．３０Ｔｅ ＰＢ２２ ７ｎｍのＣｄ０．８５Ｍｇ０．１５Ｔｅ ＣＱＷ２２ ３００ｎｍのＣｄ０．７０Ｍｇ０．３０Ｔｅ 第１の高位閉じ込め層Ｃ３ ２００ｎｍのＣｄ０．５０Ｍｇ０．５０Ｔｅ 第２の高位閉じ込め層 ５ｎｍのＣｄＴｅ 被覆層
【００９０】上述した２つの例において、層および基板
の各々の不純物添加は、Ｐ−Ｉ−Ｎ接合を形成するよう
に選択される。
の各々の不純物添加は、Ｐ−Ｉ−Ｎ接合を形成するよう
に選択される。
【００９１】上述したＩＩ−ＶＩ族ヘテロ構造の第１の
サンプルは、レーザ照射波長の調整原理を実証するため
に構成された。サンプルの厄介な操作を回避するため
に、電気的な励起ではなく、光学的な励起を採用するこ
とを決定した。サンプルは、２つの平行な面によって画
定されるバー形状の空洞を形成するために切削された。
サンプルは、レーザ照射波長の調整原理を実証するため
に構成された。サンプルの厄介な操作を回避するため
に、電気的な励起ではなく、光学的な励起を採用するこ
とを決定した。サンプルは、２つの平行な面によって画
定されるバー形状の空洞を形成するために切削された。
【００９２】レーザ照射およびパルス状のＮｄ：ＹＡＧ
５３２ｎｍレーザを使用したヘテロ構造の帯電を得るた
めに、光学的なポンピング実験が行われた。８０Ｋの温
度で作動させて、レーザしきい値の両側において、エッ
ジ照射スペクトルが前記バーについてプロットされた。
５３２ｎｍレーザを使用したヘテロ構造の帯電を得るた
めに、光学的なポンピング実験が行われた。８０Ｋの温
度で作動させて、レーザしきい値の両側において、エッ
ジ照射スペクトルが前記バーについてプロットされた。
【００９３】光学的ポンピングパワーを前記しきい値よ
りも６〜３０ｋＷ／ｃｍ２増加させることにより、８０
０ｎｍを中心としたスペクトル範囲におけるレーザ放射
の波長に対して約３〜４ｎｍ高い波長に向かってシフト
することがわかった。
りも６〜３０ｋＷ／ｃｍ２増加させることにより、８０
０ｎｍを中心としたスペクトル範囲におけるレーザ放射
の波長に対して約３〜４ｎｍ高い波長に向かってシフト
することがわかった。
【００９４】この発明は、レーザダイオード以外の装置
に適用することもできる。この発明により、結果として
レーザ空洞共振器を有しない光増幅器を製造することも
可能である。
に適用することもできる。この発明により、結果として
レーザ空洞共振器を有しない光増幅器を製造することも
可能である。
【００９５】この発明によれば、「完全に光学的な」レ
ーザを製造することもできる。したがって、Ｐ−Ｉ−Ｎ
接合は不要である。活性領域にヘテロ構造を使用するだ
けで十分である。したがって、波長変調およびゲイン
は、１または複数のレーザビームによって得ることがで
きる。
ーザを製造することもできる。したがって、Ｐ−Ｉ−Ｎ
接合は不要である。活性領域にヘテロ構造を使用するだ
けで十分である。したがって、波長変調およびゲイン
は、１または複数のレーザビームによって得ることがで
きる。
【００９６】以下の文献は、この明細書中において引用
されたものである。 [1] N.K. Dutta, W.S. Hobson, J. Lopata, G. Zydzik,
Appl. Phys. Lett. 70,1219 (1997) [2] F. Favre, D. Le Guen, J.C. Simon, B. Landousie
s, Electron Lett. 22,795 (1986) [3] S. Murata, I. Mito, Optical and Quantum Electr
onics 22, 1 (1990) [4] L.Y. Liu, E.E. Mendez, H. Meier, Appl. Phys. L
ett. 60, 2971 (1992) [5] E. Anastassakis, Phys. Rev. B 46 4744 (1992) [6] R. Andre, C. Deshayes, J. Cibert, L.S. Dang,
S. Tatarenko, K. Saminadayar, Phys. Rev. B 42, 113
92 (1990) [7] N.T. Pelekanos, EP 0681200 A および US 5698863
A [8] V. Ortiz, N.T. Pelekanos, G. Mula, Appl. Phys.
Lett. 72, 963 (1998)
されたものである。 [1] N.K. Dutta, W.S. Hobson, J. Lopata, G. Zydzik,
Appl. Phys. Lett. 70,1219 (1997) [2] F. Favre, D. Le Guen, J.C. Simon, B. Landousie
s, Electron Lett. 22,795 (1986) [3] S. Murata, I. Mito, Optical and Quantum Electr
onics 22, 1 (1990) [4] L.Y. Liu, E.E. Mendez, H. Meier, Appl. Phys. L
ett. 60, 2971 (1992) [5] E. Anastassakis, Phys. Rev. B 46 4744 (1992) [6] R. Andre, C. Deshayes, J. Cibert, L.S. Dang,
S. Tatarenko, K. Saminadayar, Phys. Rev. B 42, 113
92 (1990) [7] N.T. Pelekanos, EP 0681200 A および US 5698863
A [8] V. Ortiz, N.T. Pelekanos, G. Mula, Appl. Phys.
Lett. 72, 963 (1998)
【図１】 この発明に係るレーザの第１の実施形態を概
略的に示す図である。
略的に示す図である。
【図２】 圧電障壁を含む第２の実施形態を概略的に示
す図である。
す図である。
【図３】 圧電障壁を含む第３の実施形態を概略的に示
す図である。
す図である。
ＡＱＷ 活性量子井戸 ＣＱＷ１，ＣＱＷ２；ＣＱＷ１１〜ＣＱＷ１２，ＣＱＷ
２１〜ＣＱＷ２２ 収集量子井戸 ＰＢ１，ＰＢ２，ＰＢ１１〜ＰＢ１２，ＰＢ２１〜ＰＢ
２２ 圧電障壁
２１〜ＣＱＷ２２ 収集量子井戸 ＰＢ１，ＰＢ２，ＰＢ１１〜ＰＢ１２，ＰＢ２１〜ＰＢ
２２ 圧電障壁
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 オルティズ， ヴァランタン フランス国 38000 グルノーブル， ア ンパース ドゥ ヴィジーユ， 15テール (72)発明者 ミューラ， ギド フランス国 38100 グルノーブル， リ ュ ドゥ スターリングラード 107
Claims (20)
- 【請求項１】 半導体ヘテロ構造からなる可調整レーザ
であって、前記ヘテロ構造が、電荷キャリアの導入時に
レーザ放射を行う、活性量子井戸と呼ばれる少なくとも
１つの量子井戸（ＡＱＷ）と、該活性量子井戸の両側に
配されて導入された電荷キャリアの一部を収集して閉じ
込める、収集量子井戸と呼ばれる少なくとも１つの他の
量子井戸（ＣＱＷ１，ＣＱＷ２；ＣＱＷ１１〜ＣＱＷ
１２，ＣＱＷ２１〜ＣＱＷ２２）とを有する活性領域
と、電気光学的効果によって前記活性量子井戸のゲイン
スペクトルを変更することにより、レーザ放射を行う間
に前記活性量子井戸に作用する空間電荷電界を生成する
ように前記収集量子井戸内の電荷キャリアを分散させる
手段とを具備することを特徴とするレーザ。 - 【請求項２】 前記各収集量子井戸の最低光学的遷移
は、活性量子井戸（ＡＱＷ）の最低光学的遷移よりも高
いエネルギにおいて発生することを特徴とする請求項１
記載のレーザ。 - 【請求項３】 前記ヘテロ構造の価電子帯および伝導帯
の基本状態が、前記活性量子井戸（ＡＱＷ）内に存在す
ることを特徴とする請求項１記載のレーザ。 - 【請求項４】 前記レーザが、レーザダイオードを構成
し、前記ヘテロ構造が、フォワードバイアスのためのＰ
−Ｉ−Ｎ接合を形成するとともにＰ型領域とＮ型領域と
の間に固有領域を有し、前記活性領域が、前記固有領域
内に形成され、前記レーザ放射が、前記活性領域内への
電荷キャリアの入射中に行われることを特徴とする請求
項１記載のレーザ。 - 【請求項５】 前記電荷キャリア分散手段が、Ｐ−Ｉ−
Ｎ接合にフォワードバイアスをかける手段を具備し、前
記活性領域内の入射電流の不均等性によって、前記電荷
キャリアを分離することを特徴とする請求項４記載のレ
ーザ。 - 【請求項６】 前記電荷キャリア分散手段が、前記活性
量子井戸（ＡＱＷ）の両側にそれぞれ配置されて、それ
らの圧電場により前記活性層の両側に電子およびホール
の蓄積を生ずる圧電障壁（ＰＢ１，ＰＢ２）を具備する
ことを特徴とする請求項１記載のレーザ。 - 【請求項７】 前記活性量子井戸（ＡＱＷ）が、圧電場
を全く有しないか、または、前記圧電障壁により生成さ
れる圧電場とは反対方向の圧電場を有することを特徴と
する請求項６記載のレーザ。 - 【請求項８】 前記活性量子井戸（ＡＱＷ）が、前記圧
電障壁により生成される圧電場と同じ方向の圧電場を有
することを特徴とする請求項６記載のレーザ。 - 【請求項９】 前記収集量子井戸は、前記電荷キャリア
が、該収集量子井戸から脱出するのに約１ナノ秒かかる
ように設計されていることを特徴とする請求項６記載の
レーザ。 - 【請求項１０】 前記活性領域が、少なくとも２つの圧
電障壁（ＰＢ１１〜ＰＢ１２，ＰＢ２１〜ＰＢ２２）と
少なくとも２つの収集量子井戸（ＣＱＷ１１〜ＣＱＷ
１２，ＣＱＷ２１〜ＣＱＷ２２）を前記活性量子井戸の
両側に具備し、前記電荷キャリア分散手段が、圧電障壁
を具備することを特徴とする請求項１記載のレーザ。 - 【請求項１１】 前記活性量子井戸から最も離れた前記
各収集量子井戸（ＣＱＷ２２，ＣＱＷ１１）の禁制帯の
幅が、他の収集量子井戸（ＣＱＷ１２，ＣＱＷ２１）の
禁制帯の幅よりも大きいことを特徴とする請求項１０記
載のレーザ。 - 【請求項１２】 導入される電荷キャリアの数が一定で
あり、その光子が前記各圧電障壁の禁制帯の幅より大き
なエネルギを有しかつその強度がヘテロ構造の帯電を光
学的に誘導するのに十分に高い補助のレーザビームによ
って、前記レーザ放射の波長が制御されることを特徴と
する請求項４記載のレーザ。 - 【請求項１３】 前記電荷キャリアが、前記活性領域を
ポンピングするレーザビームによって導入されることを
特徴とする請求項１２記載のレーザ。 - 【請求項１４】 前記活性領域をポンピングするために
供給されるレーザビームも、補助のレーザビームを構成
することを特徴とする請求項１３記載のレーザ。 - 【請求項１５】 前記ヘテロ構造は、その結晶構造が閃
亜鉛鉱形式またはウルツ鉱形式からなるＩＩＩ−Ｖ族ま
たはＩＩ−ＶＩ族結晶半導体材料から構成されているこ
とを特徴とする請求項１記載のレーザ。 - 【請求項１６】 前記ヘテロ構造は、その結晶構造が閃
亜鉛鉱形式からなるＩＩＩ−Ｖ族またはＩＩ−ＶＩ族結
晶半導体材料から構成されるとともに、該ヘテロ構造
が、ｎ×ｌ×ｍが０ではない、高い結晶学的指数（ｎ，
ｌ，ｍ）を有する半導体層上に形成されることを特徴と
する請求項１記載のレーザ。 - 【請求項１７】 前記へテロ構造は、その結晶構造がウ
ルツ鉱形式からなるＩＩＩ−Ｖ族またはＩＩ−ＶＩ族結
晶半導体材料から構成されるとともに、該ヘテロ構造が
該ヘテロ構造の結晶格子のｃ軸に沿って形成されている
ことを特徴とする請求項１記載のレーザ。 - 【請求項１８】 前記電気光学的効果が、量子閉じ込め
シュタルク効果であることを特徴とする請求項１記載の
レーザ。 - 【請求項１９】 導入される電荷キャリアの数が一定で
あり、その光子が前記各圧電障壁の禁制帯の幅より大き
なエネルギを有しかつその強度が前記ヘテロ構造の帯電
を光学的に誘導するのに十分に高い補助のレーザビーム
によって、前記レーザ放射の波長が制御されることを特
徴とする請求項６記載のレーザ。 - 【請求項２０】 導入される電荷キャリアの数が一定で
あり、その光子が前記各圧電障壁の禁制帯の幅より大き
なエネルギを有しかつその強度が前記ヘテロ構造の帯電
を光学的に誘導するのに十分に高い補助のレーザビーム
によって、前記レーザ放射の波長が制御されることを特
徴とする請求項１０記載のレーザ。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR9812558 | 1998-10-07 | ||
| FR9812558A FR2784515B1 (fr) | 1998-10-07 | 1998-10-07 | Laser a semiconducteur a spectre de gain accordable |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000156546A true JP2000156546A (ja) | 2000-06-06 |
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ID=9531294
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11286681A Pending JP2000156546A (ja) | 1998-10-07 | 1999-10-07 | 調整可能なゲインスペクトルを有する半導体レ―ザ |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
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| EP (2) | EP1981136A3 (ja) |
| JP (1) | JP2000156546A (ja) |
| DE (1) | DE69938917D1 (ja) |
| FR (1) | FR2784515B1 (ja) |
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|---|---|---|---|---|
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| US6806114B1 (en) * | 2001-11-07 | 2004-10-19 | Nova Crystals, Inc. | Broadly tunable distributed bragg reflector structure processing |
| TWI225723B (en) * | 2002-04-12 | 2004-12-21 | Univ Nat Taiwan | Two-pole different width multi-layered semiconductor quantum well laser with carrier redistribution to modulate light-emission wavelength |
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| DE102007029257A1 (de) * | 2007-06-15 | 2008-12-18 | Landesstiftung Baden-Württemberg gGmbH | Laserverstärkersystem |
| DE102007044439B4 (de) * | 2007-09-18 | 2022-03-24 | OSRAM Opto Semiconductors Gesellschaft mit beschränkter Haftung | Optoelektronischer Halbleiterchip mit Quantentopfstruktur |
| CN102122687A (zh) * | 2011-01-14 | 2011-07-13 | 映瑞光电科技(上海)有限公司 | 一种多量子阱结构及其制造方法、发光二极管 |
| KR102213661B1 (ko) * | 2014-04-04 | 2021-02-08 | 삼성전자주식회사 | 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 광학 소자 |
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- 1998-10-07 FR FR9812558A patent/FR2784515B1/fr not_active Expired - Fee Related
-
1999
- 1999-09-16 US US09/397,106 patent/US6353624B1/en not_active Expired - Fee Related
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- 1999-10-04 DE DE69938917T patent/DE69938917D1/de not_active Expired - Lifetime
- 1999-10-04 EP EP99402425A patent/EP0993088B1/fr not_active Expired - Lifetime
- 1999-10-07 JP JP11286681A patent/JP2000156546A/ja active Pending
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