JP2004274090A - Semiconductor laser device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、歪量子井戸を有する半導体レーザ素子に関する。 The present invention relates to a semiconductor laser device having a strained quantum well.
従来の歪量子井戸を有する半導体レーザ素子は、例えば図5(a)に示すような構造をしている。図中、1はn−InP基板、2はn−InPバッファ層、3は歪量子井戸を含む活性層、4a、4bはp−InPクラッド層、5はp−InP電流ブロック層、6はn−InP電流ブロック層、7はp−InGaAsコンタクト層である。この半導体レーザ素子は以下の工程で製造される。即ち、
1)n−InP基板1上に、n−InPバッファ層2、活性層3、p−InPクラッド層4aを積層する。成長方法としては、例えば有機金属気相成長法を用いる。
2)次いで、幅1.5μm程度のメサストライプをSiNx マスク(図示せず)を用いて通常のフォトリソグラフィ、ケミカルエッチングにより形成する。
3)次いで、2回目の結晶成長により、p−InP電流ブロック層5、n−InP電流ブロック層6を形成し、次いでSiNx マスクを除去した後、3回目の結晶成長により、p−InPクラッド層4b、p−InGaAsコンタクト層7を積層し、埋め込み構造を形成する。
A semiconductor laser device having a conventional strained quantum well has, for example, a structure as shown in FIG. In the figure, 1 is an n-InP substrate, 2 is an n-InP buffer layer, 3 is an active layer including a strained quantum well, 4a and 4b are p-InP cladding layers, 5 is a p-InP current blocking layer, and 6 is n -InP current blocking layer, 7 is a p-InGaAs contact layer. This semiconductor laser device is manufactured by the following steps. That is,
1) On an n-
2) Next, a mesa stripe having a width of about 1.5 μm is formed by ordinary photolithography and chemical etching using a SiNx mask (not shown).
3) Next, the p-InP current blocking layer 5 and the n-InP
図5(b)は歪量子井戸を含む活性層3のバンドダイヤグラムである。活性層3は、厚さ4nmのGaInAsP井戸層9(λg =1.4μm)を、厚さ12nmのGaInAsP光導波層8(λg =1.1μm)で挟んだ構造になっている。GaInAsP井戸層9はInP基板1に対して1%ほど格子定数が大きい組成になっており、GaInAsP井戸層9には、圧縮歪みが加わっている。この構造の半導体レーザ素子において、共振器長を150μmとし、両面に高反射コーティング(反射率:85%〜95%)を施したものについて、発光特性の温度依存性を測定した。その結果を図6に示す。この素子は、室温では2.0mAの低いしきい値電流を実現している。また、発光効率の温度依存性を図7に示す。
FIG. 5B is a band diagram of the
しかしながら、上述の半導体レーザ素子においては、図6から判るように、温度が上昇するにともない、しきい値電流が上昇し、100℃以上では発振しなくなるという問題があった。 However, in the above-described semiconductor laser device, as can be seen from FIG. 6, there is a problem that the threshold current increases as the temperature increases, and oscillation does not occur at 100 ° C. or higher.
本発明は、上記問題点を解決した半導体レーザ素子を提供するもので、本発明の半導体レーザ素子は、複数層の歪量子井戸層を含む活性層をInP基板上に有する半導体レーザ素子において、活性層は、6層以上のGaInAsP化合物半導体からなる歪量子井戸層を有し、かつ該歪量子井戸層の厚さの総計と、歪み(%)との積が20nm以上、40nm以下であって、レーザ素子として140℃まで発振することを特徴とするものである。 The present invention provides a semiconductor laser device that solves the above-described problems. The semiconductor laser device according to the present invention is an active laser device having an active layer including a plurality of strained quantum well layers on an InP substrate. The layer has six or more strained quantum well layers made of a GaInAsP compound semiconductor, and a product of the total thickness of the strained quantum well layers and the strain (%) is 20 nm or more and 40 nm or less, It is characterized by oscillating up to 140 ° C. as a laser element.
複数層の歪量子井戸層を含む活性層を有する半導体レーザ素子において、活性層に含まれる歪量子井戸層の厚さの総計と歪み(%)との積が20nm以上、40nm以下であるため、高温におけるしきい値電流の増加と発光効率の低下を防ぎ、高温における発光特性を改善することができるという優れた効果がある。 In a semiconductor laser device having an active layer including a plurality of strained quantum well layers, the product of the total thickness of strained quantum well layers included in the active layer and strain (%) is 20 nm or more and 40 nm or less. There is an excellent effect that an increase in threshold current and a decrease in luminous efficiency at a high temperature can be prevented, and luminescence characteristics at a high temperature can be improved.
半導体レーザ素子において、活性層の歪量子井戸層数を増加すると、しきい値電流密度が減少することが知られている。一方、歪量子井戸層数を増加しすぎると、歪みにともなう格子欠陥が発生する。そこで、しきい値電流密度の温度特性に及ぼす歪み量子井戸層の厚さの総計と歪みの影響を実験的に調べ、新しい知見を得た。本発明は、それに基づいた活性層の設計基準を示すものである。即ち、本発明者らの実験によれば、歪み量子井戸層の厚さの総計と歪み(%)の積が20nmよりも小さく、また、40nmよりも大きくなると、高温でしきい値電流密度が増大することがわかった。因みに、従来は、歪み量子井戸層の厚さの総計と歪み(%)の積が20nm以下で、活性層が構成されていた。 It is known that, in a semiconductor laser device, the threshold current density decreases as the number of strained quantum well layers in the active layer increases. On the other hand, if the number of strained quantum well layers is excessively increased, lattice defects due to the strain are generated. Then, the total thickness of the strained quantum well layer and the influence of the strain on the temperature characteristics of the threshold current density were experimentally investigated, and new findings were obtained. The present invention shows a design standard for an active layer based thereon. That is, according to the experiments of the present inventors, when the product of the total thickness of the strained quantum well layers and the strain (%) is smaller than 20 nm and larger than 40 nm, the threshold current density at high temperature is reduced. It was found to increase. By the way, conventionally, the active layer is constituted by a product of the total thickness of the strained quantum well layer and the strain (%) is 20 nm or less.
以下、図面に示した実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。
本実施例の半導体レーザ素子の構造は、活性層を除いて従来技術の説明に用いた図5(a)と同様である。活性層13は、図1に示すように、厚さ4nmのGaInAsP井戸層9(λg =1.4μm)と、厚さ12nmのGaInAsP障壁層10(λg =1.1μm)からなる歪多重量子井戸構造をなし、井戸層9数は6層である。この場合、歪みと井戸層の厚さの総計との積は、1%×4nm×6=24nmとなる。共振器長を170μmとし、両面の反射率を85%、95%とした。この素子の発光特性を図2に示す。図2からわかるように、しきい値電流は、室温において2.5mA、100℃において6.5mAであり、150℃以上まで発振することが確認できた。また、発光効率の温度上昇にともなう劣化は、従来に比較して小さくなった。例えば、発光効率が半分になる温度は、図3からわかるように、本実施例では145℃であるが、従来例では、図7に示すように85℃付近である。
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments shown in the drawings.
The structure of the semiconductor laser device of this embodiment is the same as that of FIG. 5A used in the description of the prior art, except for the active layer. As shown in FIG. 1, the
上記実施例において、各量子井戸層の厚さを40nm、歪みを1%として、量子井戸層の数を変えて、歪みと井戸層の厚さの総計との積としきい値電流の関係を測定した。その結果を図4に示す。図4からわかるように、歪みと井戸層の厚さの総計との積が20nmよりも小さくなると、また、40nmよりも大きくなると、しきい値電流は150℃以上の高温において急激に増加する。従って、歪みと井戸層の厚さの総計との積が20nm以上、40nm以下の範囲になるように活性層を設計することが望ましい。 In the above embodiment, the relationship between the product of the strain and the total thickness of the well layers and the threshold current was measured by changing the number of the quantum well layers while setting the thickness of each quantum well layer to 40 nm and the strain to 1%. did. The result is shown in FIG. As can be seen from FIG. 4, when the product of the strain and the total thickness of the well layer is smaller than 20 nm or larger than 40 nm, the threshold current rapidly increases at a high temperature of 150 ° C. or higher. Therefore, it is desirable to design the active layer so that the product of the strain and the total thickness of the well layers is in the range of 20 nm or more and 40 nm or less.
なお、図8は、量子井戸数の異なるウエハの液体窒素温度(77K)におけるフォトルミネッセンス測定結果である。歪みと井戸層の厚さの総計との積が40nmを越えると、半値幅の増大、ピーク波長の長波長化が顕著である。これは臨界膜厚による歪みの緩和に起因した結晶性の劣化を表したものである。この結晶性の劣化は素子の信頼性に悪影響を及ぼし、デバイスの信頼性も低下することを確認した。このような観点からも、歪みと井戸層の厚さの総計との積は40nm以下であることが重要である。
なお、本発明は上記実施例に限定されず、InGaAlAs/InP系、InGaP/AlInGaP系などにも適用できる。
FIG. 8 shows the results of photoluminescence measurement at liquid nitrogen temperature (77 K) of wafers having different numbers of quantum wells. When the product of the strain and the total thickness of the well layers exceeds 40 nm, the half-width increases and the peak wavelength becomes longer. This indicates the deterioration of crystallinity due to relaxation of strain due to the critical film thickness. It has been confirmed that the deterioration of the crystallinity has an adverse effect on the reliability of the element, and that the reliability of the device is also reduced. From such a viewpoint, it is important that the product of the strain and the total thickness of the well layers is 40 nm or less.
Note that the present invention is not limited to the above embodiment, and can be applied to an InGaAlAs / InP system, an InGaP / AlInGaP system, and the like.
1 n−InP基板
2 n−InPバッファ層
3、13 活性層
4a、4b p−InPクラッド層
5 p−InP電流ブロック層
6 n−InP電流ブロック層
7 p−InGaAsコンタクト層
8 光導波層
9 井戸層
10 障壁層
Reference Signs List 1 n-InP substrate 2 n-
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