JP2012212748A - Semiconductor laser - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光通信システムにおいて用いられる半導体レーザに関するものである。 The present invention relates to a semiconductor laser used in an optical communication system.
近年、インターネットをはじめとするマルチメディア技術の進展に伴い、通信ネットワークのトラヒック量が急速に増大している。このトラヒック量の急増に対応するため、高速での変調が可能な光モジュールの重要性が増している。 In recent years, with the progress of multimedia technologies such as the Internet, the traffic volume of communication networks is rapidly increasing. In order to cope with this sudden increase in traffic volume, the importance of optical modules capable of high-speed modulation is increasing.
通信ネットワークの中でもメトロ・アクセス系ネットワークで用いられる光モジュールは、低価格、かつ、低消費電力であることが求められる。この要求を満たすために、光モジュールの光源となる半導体レーザは、温度調整が不要で、さらに高速で直接変調が可能なことが望まれる。
具体的には、動作温度が上昇しても、発振しきい値電流の増加が少なく光出力の低下が小さい、いわゆる温度特性の良い半導体レーザが望ましく、さらに注入電流の変調のみで10 Gbps以上の速度で直接変調できる半導体レーザであることが望ましい。
Among communication networks, optical modules used in metro access networks are required to be low in price and low in power consumption. In order to satisfy this requirement, it is desired that the semiconductor laser serving as the light source of the optical module does not require temperature adjustment and can be directly modulated at a high speed.
Specifically, even if the operating temperature rises, it is desirable to use a semiconductor laser with good temperature characteristics, in which the increase in oscillation threshold current is small and the decrease in optical output is small, and more than 10 Gbps can be achieved only by modulating the injection current. A semiconductor laser that can be directly modulated at speed is desirable.
このメトロ・アクセス系ネットワークにおいて、現在用いられている、あるいは、将来用いられる可能性がある波長域は、国際電気通信連合 電気通信標準化部門(International Telecommunication Union Telecommunication Standardization Sector:ITU-T)において光通信用として勧告されている波長帯(O帯、E帯、S帯、C帯、L帯、U帯)のうち、光ファイバの監視光用に使用されるU帯を除く波長域であり、具体的には1.260μmから1.625μmまでの波長となる。 In this metro access network, the wavelength band currently used or possibly used in the future is the optical communication in the International Telecommunication Union Telecommunication Standardization Sector (ITU-T). Among the recommended wavelength bands (O-band, E-band, S-band, C-band, L-band, U-band), this is the wavelength band excluding the U band used for optical fiber monitoring light. Specifically, the wavelength is from 1.260 μm to 1.625 μm.
半導体レーザにおける温度特性や変調速度を改善するためには、その活性層としてバルク構造より量子井戸構造を用いた方が有効であることが知られている。半導体レーザにおける量子井戸構造を構成する材料として、従来は、In, Ga, As, Pからなる材料(以下、InGaAsP材料系と呼ぶ)が用いられてきた。近年は、InGaAlAsやInAlAsなどAlを含む材料(以下、InGaAlAs材料系と呼ぶ)も用いられている。 In order to improve temperature characteristics and modulation speed in a semiconductor laser, it is known that a quantum well structure is more effective than a bulk structure as an active layer. Conventionally, a material composed of In, Ga, As, and P (hereinafter referred to as an InGaAsP material system) has been used as a material constituting a quantum well structure in a semiconductor laser. In recent years, materials containing Al such as InGaAlAs and InAlAs (hereinafter referred to as InGaAlAs material system) have also been used.
半導体レーザで高速変調を可能にするための有効な手段は、量子井戸活性層の微分利得を増加させることである。この微分利得を増加させるには、有効質量が小さく、井戸層から漏れ易い電子を井戸層に効率よく閉じ込める必要がある。電子の井戸層への閉じ込めを良くすることは、動作温度の上昇に伴う電子の井戸層からの漏れ出しも抑制できるため、半導体レーザの温度特性を改善する上でも有効である。
電子の井戸層への閉じ込めを良くするためには、井戸層と障壁層のそれぞれの伝導帯のΓ点における最下点のエネルギー差を大きくする必要がある。このエネルギー差は、一般に伝導帯のバンド不連続と呼ばれており、この伝導帯のバンド不連続を大きくすることにより、半導体レーザの温度特性の改善と高速変調の両立が可能になる。
An effective means for enabling high speed modulation in a semiconductor laser is to increase the differential gain of the quantum well active layer. In order to increase the differential gain, it is necessary to efficiently confine electrons that are small in effective mass and easily leak from the well layer in the well layer. Improving the confinement of electrons in the well layer is also effective in improving the temperature characteristics of the semiconductor laser because leakage of electrons from the well layer accompanying an increase in operating temperature can be suppressed.
In order to improve the confinement of electrons in the well layer, it is necessary to increase the energy difference at the lowest point at the Γ point of each conduction band of the well layer and the barrier layer. This energy difference is generally referred to as band discontinuity in the conduction band. By increasing the band discontinuity in the conduction band, it is possible to improve both the temperature characteristics of the semiconductor laser and high-speed modulation.
半導体レーザの温度特性の改善と高速変調を可能にする手段としては、上記の電子の井戸層への閉じ込めの改善のほか、活性層である量子井戸構造の井戸層の数を増やすことが有効である(例えば、非特許文献1を参照)。
具体的には、活性層を1つの井戸層しかない単一量子井戸構造から、2つ以上の井戸層を有する多重量子井戸構造に変えることでレーザ特性の改善が可能になる。この1つの理由は、井戸層の数を増やすことにより、各井戸層においてレーザ発振させるために必要となる電子密度の低減が可能であり、その結果として電子の井戸層から漏れ出しを抑制できるためである。
In order to improve the temperature characteristics and high-speed modulation of semiconductor lasers, it is effective to increase the number of well layers in the quantum well structure, which is the active layer, in addition to improving the confinement of electrons in the well layer. Yes (see Non-Patent
Specifically, the laser characteristics can be improved by changing the active layer from a single quantum well structure having only one well layer to a multiple quantum well structure having two or more well layers. One reason for this is that by increasing the number of well layers, it is possible to reduce the electron density required for laser oscillation in each well layer, and as a result, leakage of electrons from the well layer can be suppressed. It is.
前述のようにInGaAsP材料系とInGaAlAs材料系のいずれの材料を用いる場合でも、温度特性が良く、高速変調が可能な半導体レーザの実現には、伝導帯におけるバンド不連続を大きくし、活性層となる量子井戸構造の井戸層の数を増加させることが有効である。しかしながら、InGaAsP材料系とInGaAlAs材料系のいずれの材料を活性層に用いた場合でも、それぞれ下記のような課題がある。 As described above, in order to realize a semiconductor laser having good temperature characteristics and capable of high-speed modulation regardless of whether the InGaAsP material system or InGaAlAs material system is used, the band discontinuity in the conduction band is increased, and the active layer and It is effective to increase the number of well layers of the quantum well structure. However, regardless of whether the InGaAsP material system or the InGaAlAs material system is used for the active layer, there are the following problems.
まず、InGaAsP材料系を用いた場合の課題について述べる。伝導帯におけるバンド不連続を大きくするには、障壁層のバンドギャップを大きくする必要がある。しかしながら、InGaAsP材料系を用いた場合、伝導帯のバンド不連続が増加する以上に価電子帯のバンド不連続が増加する。これは、InGaAsP材料系を用いた量子井戸構造では、価電子帯のバンド不連続と伝導帯のバンド不連続の比が3:2程度と価電子帯のバンド不連続の方が大きく、さらにこの比は井戸層と障壁層のIII族やV族の組成を変えてもほとんど変化しないためである(非特許文献2を参照)。 First, the problems when using the InGaAsP material system are described. In order to increase the band discontinuity in the conduction band, it is necessary to increase the band gap of the barrier layer. However, when the InGaAsP material system is used, the valence band band discontinuity increases more than the conduction band band discontinuity increases. This is because the ratio of the valence band discontinuity to the conduction band discontinuity is about 3: 2, and the valence band discontinuity is larger in the quantum well structure using the InGaAsP material system. This is because the ratio hardly changes even if the composition of group III or group V of the well layer and the barrier layer is changed (see Non-Patent Document 2).
正孔は電子に比べて有効質量が大きく、井戸層間の移動が困難である。このために、大きな価電子帯のバンド不連続を持つ多重量子井戸構造では、注入される正孔の密度分布がp側の光閉じ込め層に近い井戸層で高く、n側の光閉じ込め層に近い井戸層で低くなる。この状態では、レーザ発振させることができても、正孔の消費は主として誘導放出が起こったp側の光閉じ込め層に近い井戸層で起こり、n側の光閉じ込め層に近い井戸層では誘導放出を起こすまで正孔密度を増加させることが困難である。
一方、電子についても、多重量子井戸構造内で電気的中性条件を満たすように分布するために、その密度も不均一になる。
図6は、この正孔および電子の不均一な分布の様子を模式的に示したものである。
Holes have a larger effective mass than electrons and are difficult to move between well layers. Therefore, in a multiple quantum well structure having a large valence band discontinuity, the density distribution of injected holes is high in the well layer close to the p-side optical confinement layer and close to the n-side optical confinement layer. Lower in the well layer. In this state, even if laser oscillation can be performed, hole consumption mainly occurs in the well layer near the p-side optical confinement layer where stimulated emission occurs, and stimulated emission occurs in the well layer near the n-side optical confinement layer. It is difficult to increase the hole density until it occurs.
On the other hand, since the electrons are distributed so as to satisfy the electrical neutral condition in the multiple quantum well structure, the density thereof is also non-uniform.
FIG. 6 schematically shows the state of the uneven distribution of holes and electrons.
このように正孔と電子が不均一に分布した状況下では、n側の光閉じ込め層に近い活性層領域は発光よりも光吸収の方が顕著になるため、レーザの温度特性は劣化する。このために、InGaAsP材料系を用いた多重量子井戸レーザでは、障壁層のバンドギャップを大きくし過ぎると、価電子帯のバンド不連続が増加するために、逆にレーザの温度特性が劣化するという課題がある(レーザ特性の例としては、例えば、非特許文献3を参照)。 In such a situation where holes and electrons are unevenly distributed, the active layer region close to the n-side optical confinement layer is more light-absorbing than light-emitting, and the temperature characteristics of the laser deteriorate. For this reason, in a multiple quantum well laser using an InGaAsP material system, if the band gap of the barrier layer is made too large, the band discontinuity in the valence band increases, so the laser temperature characteristics deteriorate. There is a problem (for example, see Non-Patent Document 3 as an example of laser characteristics).
さらに、価電子帯のバンド不連続が大きな多重量子井戸レーザでは、正孔が井戸間を移動するのに長い時間が必要となるため、井戸層の数を増やしても高速変調することが困難であるという課題もある(例えば、前述の非特許文献1や非特許文献4を参照)。
Furthermore, in a multiple quantum well laser with a large band discontinuity in the valence band, it takes a long time for holes to move between the wells, so it is difficult to perform high-speed modulation even if the number of well layers is increased. There is also a problem (see, for example, Non-Patent
一方、InGaAlAs材料系を用いた多重量子井戸では、障壁層のバンドギャップを大きくしても、InGaAsP材料系の場合と異なり、価電子帯よりも伝導帯のバンド不連続を大きくすることが可能である。これは材料的な特性の違いによるものであり、価電子帯と伝導帯のバンド不連続の比が、InGaAsP材料系を用いた場合が前述のように3:2程度であるのに対し、InGaAlAs材料系を用いた場合は3:7程度であることに起因している(非特許文献5を参照)。 On the other hand, in the multiple quantum well using InGaAlAs material system, even if the band gap of the barrier layer is increased, the band discontinuity of the conduction band can be made larger than the valence band, unlike the case of the InGaAsP material system. is there. This is due to the difference in material characteristics. The ratio of band discontinuity between the valence band and the conduction band is about 3: 2 when using the InGaAsP material system as described above, whereas InGaAlAs. When the material system is used, it is about 3: 7 (see Non-Patent Document 5).
図7は、障壁層のバンドギャップを井戸層に対して大きくしていった場合の伝導帯と価電子帯のバンド不連続の変化を示している。図7で伝導帯のバンド不連続としてΔEcを得ようとした場合、InGaAsP材料系を用いた量子井戸構造では価電子帯のバンド不連続がΔEv,1となるが、InGaAlAs材料系の場合のバンド不連続ΔEv,2はΔEv,1の約2/7の大きさである。このため、InGaAlAs材料系を用いた多重量子井戸構造では、井戸層の数を増加させても各井戸層に均一に正孔と電子を分布させることが比較的容易である。 FIG. 7 shows the band discontinuity change between the conduction band and the valence band when the band gap of the barrier layer is made larger than that of the well layer. When ΔE c is obtained as a band discontinuity in the conduction band in FIG. 7, the band discontinuity in the valence band becomes ΔE v, 1 in the quantum well structure using the InGaAsP material system, but in the case of the InGaAlAs material system The band discontinuity ΔE v, 2 is about 2/7 as large as ΔE v, 1 . For this reason, in the multiple quantum well structure using the InGaAlAs material system, it is relatively easy to uniformly distribute holes and electrons in each well layer even if the number of well layers is increased.
図8は、多重量子井戸レーザにおいて電子及び正孔が均一に分布した理想的な状況を示したものであり、InGaAlAs材料系を用いた多重量子井戸レーザでは、InGaAsP材料系を用いた場合に比べてこのような状況を実現することが容易である。したがって、InGaAlAs材料系を用いた多重量子井戸レーザでは、InGaAsP系を用いた多重量子井戸レーザよりも温度特性が良く、さらに井戸層の数を増加させることによって微分利得を増加させることも容易である(レーザの例としては、例えば、非特許文献5、非特許文献6を参照)。
FIG. 8 shows an ideal situation in which electrons and holes are uniformly distributed in a multi-quantum well laser. In a multi-quantum well laser using the InGaAlAs material system, compared to the case where the InGaAsP material system is used. It is easy to realize such a situation. Therefore, the multiple quantum well laser using the InGaAlAs material system has better temperature characteristics than the multiple quantum well laser using the InGaAsP system, and it is easy to increase the differential gain by increasing the number of well layers. (For examples of lasers, see
このように、InGaAlAs材料系を用いた多重量子井戸レーザでは、InGaAsP材料系に場合に比べて温度特性が良く、高速変調が可能なレーザを実現することが容易である。 Thus, a multiple quantum well laser using an InGaAlAs material system has better temperature characteristics than an InGaAsP material system, and it is easy to realize a laser capable of high-speed modulation.
しかしながら、Alを含む材料では表面に安定な酸化膜が形成され、この酸化膜に起因した課題がある。具体的には、Alを含む材料の表面に形成される酸化膜は、レーザの端面を劣化させる原因となるため、長期間安定したレーザ特性を得ることが難しい。
さらに、Alを含む材料を用いたレーザでは、この酸化膜のためにレーザ構造の作製も制約される。例えば、InGaAsP材料系を用いたレーザでは、横モードの制御性向上や電極プロセスの容易さなどから、活性層の幅を1〜2μm程度に加工し、その両側にInPを再成長させた埋込型レーザ構造を用いることが一般的である。しかしながら、Alを含む材料では上記の酸化膜の除去が難しく、再成長が困難なために埋込型レーザ構造の作製が難しいといったレーザ構造の作製上の制約がある(例えば、非特許文献7を参照)。
However, a material containing Al forms a stable oxide film on the surface, and there is a problem caused by this oxide film. Specifically, an oxide film formed on the surface of a material containing Al causes deterioration of the end face of the laser, so that it is difficult to obtain stable laser characteristics for a long period of time.
Further, in the laser using a material containing Al, the production of the laser structure is also restricted due to this oxide film. For example, in a laser using an InGaAsP material system, the width of the active layer is processed to about 1 to 2 μm and InP is regrown on both sides to improve the controllability of the transverse mode and the ease of the electrode process. It is common to use a type laser structure. However, in the case of a material containing Al, it is difficult to remove the oxide film described above, and it is difficult to re-grow, so that there is a restriction on the fabrication of the laser structure such that it is difficult to fabricate an embedded laser structure (for example, Non-Patent Document 7 reference).
以上のように、温度特性が良く、高速での直接変調が可能な半導体レーザを実現しようとすると、InGaAsP材料系、InGaAlAs材料系のいずれの材料系を用いた多重量子井戸構造をレーザの活性層にした場合でも、それぞれの材料系の特性に起因した課題があった。 As described above, to achieve a semiconductor laser with good temperature characteristics and capable of direct modulation at high speed, a multiple quantum well structure using either an InGaAsP material system or an InGaAlAs material system is used as the active layer of the laser. Even in this case, there was a problem due to the characteristics of each material system.
本発明は、上記の課題を鑑みなされたものであり、通信ネットワークのトラヒック量が急増するメトロ・アクセス系ネットワークで用いられる光モジュールの光源として、温度特性が良く、高速変調が可能な半導体レーザの提供を主な目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and as a light source of an optical module used in a metro access network where the traffic volume of a communication network increases rapidly, a semiconductor laser having good temperature characteristics and capable of high-speed modulation. The main purpose is provision.
上記課題を解決する第1の発明に係る半導体レーザは、
InP基板上の半導体量子井戸構造を活性層とする半導体レーザにおいて、前記半導体量子井戸構造は、井戸層としてInGaAsPまたはInAsPまたはInGaAsを含み、障壁層はInGaPSbまたはInGaAsPSbを含むことを特徴とする。
上記課題を解決する第2の発明に係る半導体レーザは、
請求項1に記載の半導体レーザにおいて、前記活性層に含まれる前記井戸層の数が2以上であることを特徴とする。
上記課題を解決する第3の発明に係る半導体レーザは、
請求項1に記載の半導体レーザにおいて、発振波長が1.260μmから1.625μmまでの間であることを特徴とする。
上記課題を解決する第4の発明に係る半導体レーザは、
請求項1に記載の半導体レーザにおいて、前記活性層に含まれる前記障壁層は、そのV族元素中に占めるSbの組成が、0より大きく0.5より小さい範囲であることを特徴とする。
A semiconductor laser according to a first invention for solving the above-mentioned problems is as follows.
In a semiconductor laser having a semiconductor quantum well structure on an InP substrate as an active layer, the semiconductor quantum well structure includes InGaAsP, InAsP, or InGaAs as a well layer, and the barrier layer includes InGaPSb or InGaAsPSb.
A semiconductor laser according to a second invention for solving the above-described problems is as follows.
2. The semiconductor laser according to
A semiconductor laser according to a third invention for solving the above-mentioned problem is as follows.
The semiconductor laser according to
A semiconductor laser according to a fourth invention for solving the above-mentioned problems is as follows.
2. The semiconductor laser according to
本発明によれば、InP基板上の多重量子井戸構造を活性層とするレーザにおいて、井戸層にはSbを含まないInGaAsP、InAsP、InGaAsのいずれかを用い、障壁層にはSbを含むInGaPSb、InGaAsPSbのいずれかを用いることで、伝導帯のバンド不連続を大きくしても、InGaAsP材料系を用いた多重量子井戸構造に比べて、価電子帯のバンド不連続の小さくできる。このために、バンドギャップの大きなInGaAsP材料系を障壁層に用いた多重量子井戸レーザにおいて問題となる井戸層の数を増加させた際の正孔と電子の不均一な分布の発生を避けることができる。その結果として、このSbを含む材料を障壁層とする多重量子井戸構造をレーザ活性層とすることで、InGaAsP材料系を障壁層に用いる場合より温度特性の改善や高速変調を実現することが容易になる。 According to the present invention, in a laser having an active layer having a multiple quantum well structure on an InP substrate, the well layer uses any one of InGaAsP, InAsP, and InGaAs that does not contain Sb, and the barrier layer contains InGaPSb that contains Sb, By using either InGaAsPSb, even if the band discontinuity of the conduction band is increased, the band discontinuity of the valence band can be reduced as compared with the multiple quantum well structure using the InGaAsP material system. For this reason, it is necessary to avoid the generation of non-uniform distribution of holes and electrons when the number of well layers in question is increased in a multiple quantum well laser using an InGaAsP material system with a large band gap as a barrier layer. it can. As a result, the multi-quantum well structure that uses this Sb-containing material as the barrier layer is used as the laser active layer, which makes it easier to achieve improved temperature characteristics and faster modulation than when using the InGaAsP material system for the barrier layer. become.
さらに、活性層にはAlが含まれないため、活性層の表面を大気に晒してもInGaAlAs材料系のような安定な酸化膜は形成されず、その除去も容易である。その結果として、InGaAsP材料系を用いた場合と同様に埋込型レーザ等の作製も容易であり、さらに端面の酸化膜に起因した長期信頼性への影響もInGaAlAs材料系を用いた場合に比べて小さい。 Furthermore, since the active layer does not contain Al, even if the surface of the active layer is exposed to the atmosphere, a stable oxide film like the InGaAlAs material system is not formed, and its removal is easy. As a result, as with the InGaAsP material system, it is easy to fabricate an embedded laser, etc., and the long-term reliability caused by the oxide film on the end face is also greater than that using the InGaAlAs material system. Small.
本発明は、従来技術によるInGaAsP材料系やInGaAlAs材料系を用いた半導体多重量子井戸レーザの課題に着目し、温度特性が良く、高速変調が可能で、安定した長期信頼性を得られる半導体多重量子井戸レーザを提供することを目的としている。 The present invention focuses on the problems of semiconductor multi-quantum well lasers using InGaAsP material systems and InGaAlAs material systems according to the prior art, and has good temperature characteristics, high-speed modulation, and stable long-term reliability. The object is to provide a well laser.
上述した課題を解決するために、本発明に係る半導体レーザでは、InPを基板とした多重量子井戸レーザの活性層として、井戸層にはSbを含まないInGaAsP、InAsP、InGaAsのいずれかを用いているが、障壁層にはSbを含むInGaPSb、InGaAsPSbのいずれかを用いている。井戸層はSbを含んでおらず、障壁層のみにSbを含む材料を用いることで、InGaAsP材料系を用いた多重量子井戸レーザの課題である正孔および電子の不均一な分布を避けることができる。
また、井戸層、障壁層ともにAlを含まない材料系のために酸化膜の除去が容易であり、InGaAlAs材料系を用いた場合のような酸化膜に起因した作製上の制約や長期信頼性への影響も回避することができる。
In order to solve the above-described problems, in the semiconductor laser according to the present invention, as the active layer of the multiple quantum well laser using InP as a substrate, the well layer uses any one of InGaAsP, InAsP, and InGaAs that does not contain Sb. However, either InGaPSb or InGaAsPSb containing Sb is used for the barrier layer. The well layer does not contain Sb, and by using a material containing Sb only in the barrier layer, it is possible to avoid the uneven distribution of holes and electrons, which is a problem of the multiple quantum well laser using the InGaAsP material system. it can.
Also, because the well layer and barrier layer do not contain Al, it is easy to remove the oxide film, which leads to fabrication restrictions and long-term reliability caused by the oxide film as in the case of using the InGaAlAs material system. The influence of can also be avoided.
これまでにSbを含む材料系の半導体レーザは、ほとんどは発振波長が2μm以上の中赤外波長域への応用を図ったのもので、本発明の対象である1.260μmから1.625μmまでの光通信波長帯に応用したものは少なかった。Sbを含む材料系を光通信用レーザへ応用した例でも、井戸層にSbを加えることで発振波長を長波長化させる目的がほとんどで、本発明のように井戸層にはSbを加えず、障壁層のみにSbを加えることで、レーザの温度特性や変調特性を改善しようという考え方はなかった。 So far, most of the semiconductor lasers based on materials containing Sb have been applied to the mid-infrared wavelength region where the oscillation wavelength is 2 μm or more, and the optical communication wavelength from 1.260 μm to 1.625 μm, which is the object of the present invention. There were few things applied to the belt. Even in an example in which a material system containing Sb is applied to a laser for optical communication, most of the purposes are to increase the oscillation wavelength by adding Sb to the well layer, and Sb is not added to the well layer as in the present invention. There was no idea to improve the temperature characteristics and modulation characteristics of the laser by adding Sb only to the barrier layer.
本発明の障壁層のみにSbを含む材料を用いることで、正孔および電子の不均一分布を回避できる理由は、InGaAsP材料系を用いた場合に比べて価電子帯におけるバンド不連続を小さくできるためである。 The reason why the non-uniform distribution of holes and electrons can be avoided by using a material containing Sb only for the barrier layer of the present invention is that the band discontinuity in the valence band can be reduced compared to the case of using the InGaAsP material system. Because.
以下に、量子井戸構造におけるバンド不連続と、障壁層にのみSbを含むことにより価電子帯のバンド不連続を小さくできる理由について説明する。 The reason why the band discontinuity in the quantum well structure and the band discontinuity in the valence band can be reduced by including Sb only in the barrier layer will be described below.
図9は、量子井戸構造におけるバンド不連続を示したものであり、図中のΔEvとΔEcがそれぞれ価電子帯と伝導帯のバンド不連続である。ΔEvとΔEcは、障壁層及び井戸層に関する価電子帯の頂上のエネルギーとバンドギャップを用いてそれぞれ下記のように表すことができる。
ΔEv = Ev, well − Ev, barrier (1)
ΔEc = (Ev, barrier+ Eg, barrier) − (Ev, well+ Eg, well) (2)
FIG. 9 shows band discontinuity in the quantum well structure, and ΔE v and ΔE c in the figure are band discontinuities of the valence band and the conduction band, respectively. ΔE v and ΔE c can be expressed as follows using the energy of the top of the valence band and the band gap for the barrier layer and the well layer, respectively.
ΔE v = E v, well − E v, barrier (1)
ΔE c = (E v, barrier + E g, barrier ) − (E v, well + E g, well ) (2)
ここで、Ev, baiierとEv, well はそれぞれ障壁層と井戸層の価電子帯の頂上のエネルギーであり、Eg, barrierとEg, well はそれぞれ障壁層と井戸層のバンドギャップである。ΔEvとΔEcは、厳密には歪応力によるバンド構造の変化や量子準位の影響などを考慮する必要があるが、バンド不連続の概算値は、式(1)と(2)から求めることができる。
式(1)から、価電子帯のバンド不連続を求めることができる。III-V族半導体混晶では、同じV族元素を含む場合、この価電子帯の頂上のエネルギーがほぼ一致することが実験的に分かっている(共通アニオン則[Common Anion Rule]と呼ばれる、非特許文献8を参照)。さらに、この価電子帯の頂上のエネルギーは、計算によっても見積ることができ、実験と同様、含まれるV族元素が同じで有ればほぼ一致することが分かっている(例えば、非特許文献9を参照)。
Where E v, baiier and E v, well are the energy at the top of the valence band of the barrier layer and well layer, respectively, and E g, barrier and E g, well are the band gaps of the barrier layer and well layer, respectively. is there. Strictly speaking, ΔE v and ΔE c need to take into account changes in the band structure due to strain stress and the influence of quantum levels, but the approximate value of the band discontinuity is obtained from equations (1) and (2). be able to.
From equation (1), band discontinuity of the valence band can be obtained. In III-V semiconductor mixed crystals, when the same group V element is included, it has been experimentally found that the energy at the top of the valence band is almost the same (referred to as a common anion rule) (See Patent Document 8). Furthermore, the energy at the top of the valence band can be estimated by calculation, and it is known that, as in the experiment, if the V group elements included are the same, they almost coincide (for example, Non-Patent Document 9). See).
図10は、〔非特許文献9〕の結果をもとに、V族元素にP, As, およびSbを含む2元混晶について、価電子帯のΓ点における頂上のエネルギーのInPに対する相対的な位置を示した図である。この図より、価電子帯の頂上のエネルギーは、含まれるIII族元素がInかGaであるかによらず、含まれるV族元素が同じであれば、ほぼ等しくなることが分かる。 FIG. 10 shows the relative energy of the peak energy at the Γ point of the valence band to InP for a binary mixed crystal containing P, As, and Sb as group V elements based on the results of [Non-Patent Document 9] It is the figure which showed the position. From this figure, it can be seen that the energy at the top of the valence band is almost equal if the group V elements contained are the same regardless of whether the group III element contained is In or Ga.
一方、この頂上のエネルギーは、含まれるV族元素(P, As, Sb)によって大きく変化し、(Sbを含む結晶) > (Asを含む結晶) > (Pを含む結晶)の順で高くなる。このことから、III族元素にInとGaを含むIII-V族半導体混晶の場合、SbをV族元素として加えることで価電子帯の頂上のエネルギーを高くすることができる。従って、障壁層にSbを含む材料を用いることにより、前述したようなInGaAsP材料系における価電子帯のバンド不連続に起因した課題を解決することができる。
なお、図10は、2元混晶の価電子帯の頂上のエネルギーの計算例であるが、Model-solid-theoryと呼ばれる計算方法を適用することで、3元以上の混晶に関しても価電子帯の頂上のエネルギーを求めることができる(非特許文献10を参照)。
On the other hand, the energy of this peak varies greatly depending on the group V elements (P, As, Sb) contained, and increases in the order of (crystal containing Sb)> (crystal containing As)> (crystal containing P). . Therefore, in the case of a III-V semiconductor mixed crystal containing In and Ga as group III elements, the energy at the top of the valence band can be increased by adding Sb as a group V element. Therefore, the use of a material containing Sb for the barrier layer can solve the problem caused by the band discontinuity of the valence band in the InGaAsP material system as described above.
Note that FIG. 10 is an example of calculating the energy at the top of the valence band of a binary mixed crystal. By applying a calculation method called Model-solid-theory, valence electrons can be obtained for a mixed crystal of ternary or higher. The energy at the top of the belt can be obtained (see Non-Patent Document 10).
次に、このModel-solid-theoryを用いて、伝導帯のバンド不連続が等しい場合、V族元素にSbを含むInGaPSbを障壁層に用いることにより、InGaAsP障壁層を用いる場合よりも価電子帯のバンド不連続を小さくできることを示す。 Next, using this model-solid-theory, when the band discontinuities in the conduction band are equal, using InGaPSb containing Sb as the V group element for the barrier layer, the valence band is higher than when using the InGaAsP barrier layer. This shows that the band discontinuity can be reduced.
まず、比較例としてInGaAsP材料系の場合について説明する。図11は、InGaAsP障壁層とInGaAsP井戸層とに反対方向の格子歪を加え、量子井戸構造全体の歪応力を0になるようにした歪補償量子井戸構造において、障壁層のAs組成を変化させた場合の伝導帯(電子)と価電子帯(重い正孔、軽い正孔)のバンド不連続の変化を示している。
InGaAsP井戸層は、InPに対する格子歪が+0.72%(圧縮歪)、膜厚が10 nmであり、組成は一定である。一方、InGaAsP障壁層は、InPに対する格子歪が-0.72%(引っ張り歪)、膜厚が10 nmであり、As組成を変化させてもInPに対する格子歪が一定になるように、III族元素であるInとGaの組成を変えている。
First, the case of an InGaAsP material system will be described as a comparative example. FIG. 11 shows a strain compensated quantum well structure in which lattice strains in opposite directions are applied to the InGaAsP barrier layer and the InGaAsP well layer so that the strain stress of the whole quantum well structure becomes zero, and the As composition of the barrier layer is changed. The band discontinuity changes between the conduction band (electrons) and the valence band (heavy holes, light holes) are shown.
The InGaAsP well layer has a lattice strain of + 0.72% (compression strain) with respect to InP, a film thickness of 10 nm, and a constant composition. On the other hand, the InGaAsP barrier layer has a lattice strain of -0.72% (tensile strain) for InP, a film thickness of 10 nm, and is made of a group III element so that the lattice strain for InP is constant even when the As composition is changed. The composition of certain In and Ga is changed.
また、図11では、歪応力によるバンド構造の変化と量子準位による効果も入れており、井戸層における電子、重い正孔、軽い正孔の第1準位に関するバンド不連続を示している。井戸層には圧縮歪が加わっているため、価電子帯において重い正孔の方が軽い正孔よりも伝導帯に近くなる。このため、井戸層からの発光は、主として電子が伝導帯の第1準位から価電子帯における重い正孔の第1準位へ遷移するエネルギーに対応した波長(バンドギャップ波長と呼ばれる)になる。 FIG. 11 also shows the band discontinuity related to the first level of electrons, heavy holes, and light holes in the well layer, including changes in band structure due to strain stress and effects due to quantum levels. Since compressive strain is applied to the well layer, heavy holes in the valence band are closer to the conduction band than light holes. Therefore, light emitted from the well layer mainly has a wavelength (referred to as a band gap wavelength) corresponding to energy at which electrons transition from the first level of the conduction band to the first level of heavy holes in the valence band. .
図12は、バンドギャップ波長とInGaAsP障壁層のAs組成の関係を示したものであり、波長はAs組成を変えてもほぼ1.3μmのままである。 FIG. 12 shows the relationship between the band gap wavelength and the As composition of the InGaAsP barrier layer, and the wavelength remains approximately 1.3 μm even when the As composition is changed.
図11より、伝導帯(電子)と価電子帯(重い正孔)に関するバンド不連続のAs組成による変化曲線は、互いにほぼ並行であることが分かる。これは、InGaAsP材料系を障壁層に用いた量子井戸構造では、障壁層のAs組成をどのように変化させても伝導帯と価電子帯のバンド不連続の大小差がほとんど変わらないことを意味する。 From FIG. 11, it can be seen that the change curves due to the band discontinuous As composition regarding the conduction band (electrons) and the valence band (heavy holes) are almost parallel to each other. This means that in a quantum well structure using an InGaAsP material system for the barrier layer, the difference in the band discontinuity between the conduction band and the valence band hardly changes regardless of how the As composition of the barrier layer is changed. To do.
レーザ特性の改善のためには、伝導帯のバンド不連続は大きく、価電子帯のバンド不連続は小さいことが望まれる。しかしながら、InGaAsP障壁層を用いた場合、伝導帯のバンド不連続を大きくすると価電子帯のバンド不連続が大きくなり、一方でこの価電子帯のバンド不連続を小さくすると伝導帯のバンド不連続が小さくなる。レーザ構造において、前者は正孔・電子の不均一な分布を引き起こす原因となり、後者は電子の井戸層の漏れ出しを引き起こす原因となる。このため、InGaAsP障壁層を用いた場合、障壁層の組成を変えるだけでレーザ特性を改善することは難しい。 In order to improve laser characteristics, it is desirable that the band discontinuity in the conduction band is large and the band discontinuity in the valence band is small. However, when the InGaAsP barrier layer is used, increasing the band discontinuity in the conduction band increases the band discontinuity in the valence band, while reducing the band discontinuity in the valence band decreases the band discontinuity in the conduction band. Get smaller. In the laser structure, the former causes non-uniform distribution of holes and electrons, and the latter causes leakage of the electron well layer. For this reason, when an InGaAsP barrier layer is used, it is difficult to improve laser characteristics only by changing the composition of the barrier layer.
次に本発明の例を示す。図13は、本発明によるInGaPSbを障壁層に用いた歪補償量子井戸構造において、障壁層のSb組成を変化させた場合の伝導帯(電子)と価電子帯(重い正孔)のバンド不連続の変化を示している。井戸層は、図11の場合と同じく、InPに対する格子歪が+0.72%、膜厚が10 nmのInGaAsPである。InGaPSb障壁層に関しては、図11のInGaAsP障壁層の場合と同じInPに対する格子歪(-0.72%)、膜厚(10 nm)で、Sb組成を変化させてもInPに対する格子歪が一定になるようにIII族元素であるInとGaの組成を変えている。図12に示すようにこのInGaPSb障壁層を用いた場合も、井戸層からの発光波長はほぼ1.3μmである。 Next, examples of the present invention will be shown. FIG. 13 shows a band discontinuity between the conduction band (electrons) and the valence band (heavy holes) when the Sb composition of the barrier layer is changed in the strain compensated quantum well structure using InGaPSb according to the present invention as the barrier layer. Shows changes. As in the case of FIG. 11, the well layer is InGaAsP having a lattice strain of + 0.72% with respect to InP and a film thickness of 10 nm. For the InGaPSb barrier layer, the lattice strain for InP is constant even when the Sb composition is changed with the same lattice strain (-0.72%) and film thickness (10 nm) for InP as in the case of the InGaAsP barrier layer in FIG. In addition, the composition of group III elements In and Ga is changed. As shown in FIG. 12, even when this InGaPSb barrier layer is used, the emission wavelength from the well layer is approximately 1.3 μm.
図13より、InGaPSb障壁層のSb組成を増加させた場合、価電子帯(重い正孔)のバンド不連続は単調に減少していることが分かる。これに対して、伝導帯のバンド不連続は、InGaAsP障壁層の場合と異なり、Sb組成を増加させていくとSb組成に対する減少率が小さくなり、その後、増加に転じることが分かる。この図13の結果と、前述のInGaAsP障壁層を用いた図11の結果をもとに、InGaPSb障壁層を用いると、InGaAsP障壁層を用いた場合に比べて価電子帯のバンド不連続を小さくできることを示す。 FIG. 13 shows that when the Sb composition of the InGaPSb barrier layer is increased, the band discontinuity of the valence band (heavy holes) monotonously decreases. On the other hand, the band discontinuity of the conduction band is different from the case of the InGaAsP barrier layer, and it can be seen that when the Sb composition is increased, the decrease rate with respect to the Sb composition becomes smaller and then increases. Based on the result of FIG. 13 and the result of FIG. 11 using the InGaAsP barrier layer described above, the use of the InGaPSb barrier layer reduces the band discontinuity of the valence band compared to the case of using the InGaAsP barrier layer. Show what you can do.
図14は、図11と図13の結果をもとに、伝導帯のバンド不連続に対する価電子帯のバンド不連続の変化を示したものである。この図から伝導帯のバンド不連続が等しい場合、価電子帯のバンド不連続は、InGaPSb障壁層を用いた場合の方がInGaAsP障壁層を用いた場合より小さいことが分かる。
例えば、図14で伝導帯のバンド不連続が80 meVの場合、価電子帯のバンド不連続は、InGaAsP障壁層を用いた場合が160 meVであるのに対し、InGaPSb障壁層を用いた場合は125 meVである。
FIG. 14 shows the change of the valence band discontinuity with respect to the conduction band discontinuity based on the results of FIG. 11 and FIG. From this figure, it is understood that when the band discontinuities in the conduction band are equal, the band discontinuity in the valence band is smaller when the InGaPSb barrier layer is used than when the InGaAsP barrier layer is used.
For example, in FIG. 14, when the conduction band discontinuity is 80 meV, the band discontinuity of the valence band is 160 meV when the InGaAsP barrier layer is used, whereas when the InGaPSb barrier layer is used. 125 meV.
レーザにおいて、正孔に不均一な分布が発生する価電子帯バンド不連続のエネルギーは、井戸層の数、障壁層の膜厚、レーザの素子構造、動作温度などにより変わるため、数値的な限定は難しい。しかしながら、レーザ特性の劣化から、価電子帯のバンド不連続が130 meV以上で正孔の不均一な分布が起こるという報告もある(非特許文献11を参照)。図14で示したように、InGaPSb障壁層を用いれば、伝導帯のバンド不連続を変化させることなく価電子帯バンド不連続のみを小さくすることも可能であるが、価電子帯のバンド不連続が小さくなっても正孔を井戸層に閉じ込めることは容易なため、レーザ特性を改善させることはあっても、劣化させる要因は少ない。 In a laser, the valence band discontinuous energy that generates a non-uniform distribution of holes varies depending on the number of well layers, barrier layer thickness, laser device structure, operating temperature, etc. Is difficult. However, there is also a report that non-uniform distribution of holes occurs when the band discontinuity of the valence band is 130 meV or more due to degradation of laser characteristics (see Non-Patent Document 11). As shown in FIG. 14, if the InGaPSb barrier layer is used, it is possible to reduce only the valence band discontinuity without changing the band discontinuity of the conduction band. Since the hole is easy to be confined in the well layer even if the thickness is small, the laser characteristics are improved, but there are few causes for deterioration.
また、本特許のレーザでは、障壁層以外はInGaAsP材料系の井戸層を用いており、さらには障壁層における酸化膜の影響もInGaAlAs材料系と異なり小さいため、レーザの作製方法や井戸層の条件など、従来のInGaAsP材料系多重量子井戸活性層を用いた半導体レーザの技術を流用できる部分が多い。 In addition, the laser of this patent uses a well layer of InGaAsP material system other than the barrier layer, and furthermore, the influence of the oxide film in the barrier layer is small unlike the InGaAlAs material system. For example, there are many parts where the conventional semiconductor laser technology using InGaAsP material-based multiple quantum well active layers can be used.
これらの理由から、本特許を用いれば、光通信用半導体レーザの温度特性の改善や高速変調の実現が容易である。 For these reasons, the use of this patent makes it easy to improve the temperature characteristics of a semiconductor laser for optical communication and realize high-speed modulation.
図13は、井戸層に圧縮歪を有するInGaAsP、障壁層に引っ張り歪を有するInGaPSbを用いた歪補償量子井戸構造に関する結果であるが、Sbが障壁層に含まれ、井戸層に含まれなければ、InGaPSb障壁層の組成や格子歪が代わっても、また、井戸層がInGaAsPからInAsPやInGaAsに代わっても本特許は有効である。例として、井戸層をInGaAsPからInAsPに代えても、本特許が有効であることを示す。 FIG. 13 shows the results for a strain compensated quantum well structure using InGaAsP having compressive strain in the well layer and InGaPSb having tensile strain in the barrier layer. If Sb is not included in the well layer, it is included in the barrier layer. This patent is effective even if the composition and lattice strain of the InGaPSb barrier layer are changed, or the well layer is changed from InGaAsP to InAsP or InGaAs. As an example, it is shown that this patent is effective even if the well layer is changed from InGaAsP to InAsP.
図15は、井戸層に図13のInGaAsPに変えてInAsPを用いた量子井戸構造において、InGaPSb障壁層のSb組成を変化させた場合の伝導帯(電子)及び価電子帯(重い正孔)のバンド不連続の変化を示している。InAsP井戸層は、InPに対する格子歪が+1.45%、膜厚が10 nmであり、電子の第1準位と重い正孔の第1準位間のエネルギー差に対応したバンドギャップ波長は、ほぼ1.3μmである。一方、InGaPSb障壁層は、図13と同様にInPに対する格子歪が-0.72%、膜厚が10 nmであり、Sb組成を変化させてもInPに対する格子不整合が一定になるようにIII族元素であるInとGaの組成比を変化させている。 FIG. 15 shows the conduction band (electron) and valence band (heavy hole) when the Sb composition of the InGaPSb barrier layer is changed in a quantum well structure using InAsP instead of InGaAsP in FIG. The band discontinuity change is shown. The InAsP well layer has a lattice strain of + 1.45% for InP and a film thickness of 10 nm. The band gap wavelength corresponding to the energy difference between the first level of electrons and the first level of heavy holes is approximately 1.3 μm. On the other hand, the InGaPSb barrier layer has a lattice strain with respect to InP of −0.72% and a film thickness of 10 nm as in FIG. 13, and a group III element such that the lattice mismatch with InP is constant even when the Sb composition is changed. The composition ratio of In and Ga is changed.
図15のInAsP井戸層を用いた場合も、図13のInGaAsP井戸層を用いた場合と同様、InGaPSb障壁層のSb組成の増加に伴って価電子帯(重い正孔)のバンド不連続は単調に減少する。一方、InAsP井戸層を用いた場合の伝導帯(電子)に対するバンド不連続に関しても、InGaAsP井戸層を用いた場合と同様、Sb組成を増加させてくとSb組成に対する減少率が小さくなり、その後、増加に転じる。このため、InGaAsPに代えてInAsPを井戸層に用いた場合も、図13で示したInGaAsP井戸層を用いた場合と同様に価電子帯のバンド不連続を小さくできる。すなわち、井戸層にはSbを含まない材料、障壁層にはSbを含む材料を用いれば、この例のように井戸層の組成を変えても、レーザの温度特性の改善や高速変調の実現が容易になる。 In the case of using the InAsP well layer of FIG. 15, the band discontinuity of the valence band (heavy hole) is monotonous as the Sb composition of the InGaPSb barrier layer increases as in the case of using the InGaAsP well layer of FIG. To decrease. On the other hand, regarding the band discontinuity with respect to the conduction band (electrons) when using the InAsP well layer, as with the case of using the InGaAsP well layer, the decrease rate with respect to the Sb composition decreases as the Sb composition increases. It starts to increase. Therefore, even when InAsP is used for the well layer instead of InGaAsP, the band discontinuity of the valence band can be reduced as in the case of using the InGaAsP well layer shown in FIG. In other words, if a material that does not contain Sb is used for the well layer and a material that contains Sb for the barrier layer, the temperature characteristics of the laser can be improved and high-speed modulation can be realized even if the composition of the well layer is changed as in this example. It becomes easy.
また、本特許は障壁層の格子歪が変わっても有効である。このことを、InPに格子整合する障壁層の例をとって説明する。 Further, this patent is effective even when the lattice strain of the barrier layer changes. This will be described using an example of a barrier layer lattice-matched to InP.
図16は、図13の引っ張り歪を有するInGaPSb障壁層に代えてInPに格子整合するInGaPSbを用いた量子井戸構造において、InGaPSb障壁層のSb組成を変化させた場合の伝導帯(電子)と価電子帯(重い正孔)のバンド不連続の変化を示している。井戸層は、図13の場合と同様にInPに対する格子歪が+0.72%であり、膜厚が10 nmのInGaAsPである。一方、InPに格子整合するInGaPSb障壁層の膜厚は10 nmであるが、InPに格子整合させてあり、Sb組成を変化させても格子整合条件を保つようにIII族元素であるInとGaの組成比を変化させている。InPに格子整合するInGaPSb障壁層を用いた場合も、図13の引っ張り歪を有するInGaPSb障壁層を用いた場合と同様、InGaPSb障壁層のSb組成を増加させてくと、重い正孔に対するバンド不連続が単調に減少する。 FIG. 16 shows the conduction band (electrons) and valence when the Sb composition of the InGaPSb barrier layer is changed in a quantum well structure using InGaPSb lattice-matched to InP instead of the InGaPSb barrier layer having tensile strain shown in FIG. The band discontinuity change of the electron band (heavy hole) is shown. As in the case of FIG. 13, the well layer is InGaAsP having a lattice strain of + 0.72% with respect to InP and a film thickness of 10 nm. On the other hand, the film thickness of the InGaPSb barrier layer lattice-matched to InP is 10 nm, but it is lattice-matched to InP, and the group III elements In and Ga so as to maintain the lattice matching conditions even when the Sb composition is changed. The composition ratio is changed. In the case of using the InGaPSb barrier layer lattice-matched to InP, as in the case of using the InGaPSb barrier layer having tensile strain in FIG. 13, the band discontinuity for heavy holes is increased by increasing the Sb composition of the InGaPSb barrier layer. Decreases monotonously.
一方、伝導帯(電子)に対するバンド不連続に関しては、引っ張り歪のInGaPSb障壁層を用いた時と同様に、Sb組成を増加させていくとSb組成に対する減少率が小さくなり、その後、増加に転じる。このため、図16のInPに格子整合するInGaPSb障壁層を用いた場合も、図13で示した引っ張り歪みを有するInGaPSb障壁層を用いた場合と同様に、InGaAsP障壁層を用いた場合に比べて、レーザの温度特性の改善や高速変調の実現が容易になる。 On the other hand, regarding the band discontinuity with respect to the conduction band (electrons), the decrease rate with respect to the Sb composition decreases as the Sb composition increases, as in the case of using the tensile strained InGaPSb barrier layer, and then increases. . For this reason, in the case of using the InGaPSb barrier layer lattice-matched to InP in FIG. 16, as in the case of using the InGaPSb barrier layer having tensile strain shown in FIG. 13, compared to the case of using the InGaAsP barrier layer. This makes it easier to improve the temperature characteristics of the laser and realize high-speed modulation.
以上、図13から図15で示したように本発明による半導体レーザでは、障壁層にSbが含まれ、Sb組成の下限は0以上で有りさえすればレーザ特性の改善の効果が得られる。 As described above, as shown in FIGS. 13 to 15, in the semiconductor laser according to the present invention, the effect of improving the laser characteristics can be obtained as long as the barrier layer contains Sb and the lower limit of the Sb composition is 0 or more.
一方でInGaPSb障壁層のSb組成の上限に関しては、井戸層で発光した光がInGaPSb障壁層で吸収しないような組成にする必要がある。具体的には、本発明は光通信用の半導体レーザに関するものであるため、InGaPSb障壁層のバンドギャップ波長を光通信で用いられる波長よりも短くする必要がある。InGaPSbのバンドギャップ波長は、In組成を減少させていくと短くなり、In組成が0であるGaPSbで最短のバンドギャップ波長を持つ。このGaPSbのバンドギャップ波長を光通信で用いられる波長より短くしておけば、井戸層から発光した光のInGaPSb障壁層での吸収を小さくすることができる。 On the other hand, regarding the upper limit of the Sb composition of the InGaPSb barrier layer, it is necessary that the light emitted from the well layer is not absorbed by the InGaPSb barrier layer. Specifically, since the present invention relates to a semiconductor laser for optical communication, it is necessary to make the band gap wavelength of the InGaPSb barrier layer shorter than the wavelength used in optical communication. The band gap wavelength of InGaPSb becomes shorter as the In composition is decreased, and GaPSb having the In composition of 0 has the shortest band gap wavelength. If the band gap wavelength of this GaPSb is shorter than the wavelength used in optical communication, the absorption of light emitted from the well layer in the InGaPSb barrier layer can be reduced.
図17は、GaPSbに関するバンドギャップ波長のSb組成による変化を示している。図17のバンドギャップ波長は、歪み応力によるバンド構造の変化を考慮しているため、バンドギャップ波長は伝導帯〜価電子帯(重い正孔)間と伝導帯〜価電子帯(軽い正孔)間で異なる。本発明の対象である波長領域は1.260μmから1.625μmであるため、図17よりSb組成として少なくとも0.5以下にすれば波長1.26μmの光は吸収されない。このことから、InGaPSb障壁層のSb組成を0より大きく0.5より小さい範囲に設定すれば、井戸層から発光した光のInGaPSb障壁層での吸収を小さくできる。 FIG. 17 shows the change of the band gap wavelength for GaPSb depending on the Sb composition. Since the band gap wavelength in FIG. 17 considers the change in the band structure due to strain stress, the band gap wavelength is between the conduction band and the valence band (heavy hole) and between the conduction band and the valence band (light hole). Different between. Since the wavelength region that is the subject of the present invention is from 1.260 μm to 1.625 μm, light having a wavelength of 1.26 μm is not absorbed if the Sb composition is at least 0.5 or less from FIG. For this reason, if the Sb composition of the InGaPSb barrier layer is set in a range larger than 0 and smaller than 0.5, absorption of light emitted from the well layer in the InGaPSb barrier layer can be reduced.
これまでの例は、障壁層としてInGaPSbを用いた場合について説明した。本発明は、井戸層にはSbを含まない材料系、障壁層にはSbを含む材料系を用いた多重量子井戸構造を活性層とすることによりレーザの特性を改善するものであるため、障壁層はSbを含み、酸化膜の除去が容易なAlを含まない材料であれば良く、InGaPSb に変えてInGaAsPSbを障壁層に用いた場合にも同様の効果が得られることは云うまでもない。 In the examples so far, the case where InGaPSb is used as the barrier layer has been described. The present invention improves the laser characteristics by making the active layer a multi-quantum well structure using a material system that does not contain Sb in the well layer and a material system that contains Sb in the barrier layer. The layer may be any material that contains Sb and does not contain Al from which the oxide film can be easily removed. Needless to say, the same effect can be obtained when InGaAsPSb is used for the barrier layer instead of InGaPSb.
次に本発明の好適な実施例を示し、その形態について実施例に則した図面を参照しながら説明する。
まず、本発明に係る半導体レーザに用いる量子井戸構造について、障壁層のSbを加えることにより伝導帯のバンド不連続が大きくなるため、電子の井戸層内への閉じ込めが強くなり、半値幅(full width at half maximum, FWHM)の狭いホトルミネセンス(PL)発光スペクトルが得られることを示す(図1と図2)。次に、この量子井戸構造を用いたレーザの実施例について示す(図3〜図5)。
Next, preferred embodiments of the present invention will be shown, and the modes will be described with reference to the drawings according to the embodiments.
First, in the quantum well structure used in the semiconductor laser according to the present invention, by adding Sb of the barrier layer, the band discontinuity of the conduction band increases, so that the confinement of electrons in the well layer becomes stronger, and the full width at half maximum (full It shows that a photoluminescence (PL) emission spectrum having a narrow width at half maximum (FWHM) can be obtained (FIGS. 1 and 2). Next, an example of a laser using this quantum well structure is shown (FIGS. 3 to 5).
量子井戸からのPL発光スペクトルは、電子の状態密度により大きく変化し、半値幅の小さい発光ピークを得るためには、伝導帯のバンド不連続を大きくし、井戸層への電子の閉じ込めを強くした方が有利である。本特許の効果をこのPL発光スペクトルから確認するために、障壁層にInGaPSbと従来のInGaAsPを用いた多重量子井戸構造を作製し、そのPL発光スペクトルのピーク半値幅を比較する。 The PL emission spectrum from the quantum well varies greatly depending on the density of states of electrons, and in order to obtain an emission peak with a small half-value width, the band discontinuity of the conduction band is increased and the confinement of electrons in the well layer is strengthened. Is more advantageous. In order to confirm the effect of this patent from the PL emission spectrum, a multi-quantum well structure using InGaPSb and conventional InGaAsP is fabricated in the barrier layer, and the peak half-value widths of the PL emission spectrum are compared.
図1は、比較に用いた多重量子井戸構造を示したものである。作製には、III族原料ガスにトリメチルインジウム(TMIn)、トリエチルガリウム(TEGa)、V族原料ガスにホスフィン(PH3)、アルシン(AsH3)、トリスジメチルアミノアンチモン(TDMASb)を用いた有機金属分子線エピタキシー法を用いる。 FIG. 1 shows a multiple quantum well structure used for comparison. Organic metal using trimethylindium (TMIn), triethylgallium (TEGa) as group III source gas, and phosphine (PH 3 ), arsine (AsH 3 ), trisdimethylaminoantimony (TDMASb) as group V source gas Molecular beam epitaxy is used.
具体的には、n型InP基板1上に膜厚0.2μmのアンドープInP2を成長させ、引き続きInGaPSb障壁層3とInGaAsP井戸層4からなる多重量子井戸構造5を成長させ、最後に膜厚0.1μmのアンドープInP6を成長する。多重量子井戸構造5における井戸層の数は、10である。
Specifically, an
成長時の基板温度は、多重量子井戸構造5が530℃、それ以外の層が505℃である。InGaAsP井戸層4は、InPに対する格子歪が+1.58%で、膜厚が6.0 nmである。InGaPSb障壁層3は、InPに対する格子歪が-0.6%であり、膜厚が10.5 nmである。InGaPSb障壁層3は、Sb原料であるトリスジメチルアミノアンチモンの供給量を変えることにより、Sb組成が2.6%の〔試料1〕とSb組成が3.6%の〔試料2〕を検討した。InGaPSb障壁層3のバンドギャップ波長は、Sb組成が2.6%のもので1.0μm、Sb組成が3.6%のもので1.1μmである。
比較のため、障壁層にInGaAsP(InPに対する格子歪が-0.6%、膜厚が10.5 nm、バンドギャップ波長が1.1μm)、井戸層に〔試料1〕と〔試料2〕と同じ組成と膜厚のInGaAsPを持つ〔試料3〕を作製する。
The substrate temperature during growth is 530 ° C. for the multiple
For comparison, the barrier layer has InGaAsP (lattice strain of -0.6%, film thickness is 10.5 nm, band gap wavelength is 1.1 μm), and the well layer has the same composition and film thickness as [Sample 1] and [Sample 2]. [Sample 3] having InGaAsP of 1 is prepared.
PL測定は、励起光に波長532 nmのレーザを用い、レーザ発振に近いキャリア密度を実現するために高い励起密度(460 W/cm2)の状況下で行う。
図2は、作製した〔試料1〕〜〔試料3〕のPL発光スペクトルを示している。縦軸には、規格化したPL発光強度を用いているが、実際の試料間での発光強度の差も±10%以内に収まっており、発光強度の差異はほとんどない。PL発光スペクトルのピーク半値幅は、障壁層にInGaPSbを用いた〔試料1〕と〔試料2〕では31 meVであるのに対して、障壁層にInGaAsPを用いた〔試料3〕では35 meVである。このように、障壁層をInGaAsPからInGaPSbに変えることにより、PL発光スペクトルのピーク半値幅を小さくできる。井戸層の組成と膜厚は、図2のすべての試料で同じため、PL発光のピーク半値幅の差異は障壁層に起因したものである。すなわち、InGaPSb障壁層を用いた試料では、InGaAsP障壁層を用いた試料よりも伝導帯のバンド不連続が大きいため、電子を井戸層により強く閉じ込めることができ、その結果として狭い半値幅のPL発光ピークが得られることが分かる。
PL measurement is performed under the condition of high excitation density (460 W / cm 2 ) using a laser with a wavelength of 532 nm as the excitation light and realizing a carrier density close to laser oscillation.
FIG. 2 shows PL emission spectra of the produced [Sample 1] to [Sample 3]. Although the normalized PL emission intensity is used on the vertical axis, the difference in emission intensity between actual samples is within ± 10%, and there is almost no difference in emission intensity. The peak width at half maximum of the PL emission spectrum is 31 meV in [Sample 1] and [Sample 2] using InGaPSb for the barrier layer, and 35 meV in [Sample 3] using InGaAsP for the barrier layer. is there. Thus, the peak half-value width of the PL emission spectrum can be reduced by changing the barrier layer from InGaAsP to InGaPSb. Since the composition and film thickness of the well layer are the same for all the samples in FIG. 2, the difference in the half-value width of the peak of PL emission is due to the barrier layer. That is, in the sample using the InGaPSb barrier layer, the band discontinuity of the conduction band is larger than that in the sample using the InGaAsP barrier layer, so that electrons can be confined more strongly in the well layer, and as a result, PL emission with a narrow half-value width is achieved. It can be seen that a peak is obtained.
上記のように、PL発光スペクトルを調べることで、障壁層をInGaAsPからInGaPSbに変えることによる伝導帯のバンド不連続の増大を確認できる。この伝導帯のバンド不連続の増大は、前述のように量子井戸レーザで井戸層からの電子の漏れ出しを抑制するのに有効であるため、レーザの温度特性の改善や高速変調の実現を容易にするものである。 As described above, by examining the PL emission spectrum, it is possible to confirm an increase in the band discontinuity of the conduction band by changing the barrier layer from InGaAsP to InGaPSb. This increase in band discontinuity in the conduction band is effective in suppressing leakage of electrons from the well layer in the quantum well laser as described above, so it is easy to improve the temperature characteristics of the laser and realize high-speed modulation. It is to make.
本実施例では、量子井戸構造の作製方法として有機金属分子線エピタキシー法を用いた場合について説明したが、本発明は障壁層にSbが含まれ、井戸層にはSbが含まれないことを特徴とするため、作製方法は上記の量子井戸構造が作製可能であれば良く、有機金属気相エピタキシー法や分子線エピタキシー法などの他の成長方法を用いた場合も有効であることは云うまでもない。 In this example, the case where the metalorganic molecular beam epitaxy method was used as a method for forming a quantum well structure was described, but the present invention is characterized in that the barrier layer contains Sb and the well layer does not contain Sb. Therefore, as long as the above-described quantum well structure can be manufactured, the manufacturing method is effective even when other growth methods such as a metal organic vapor phase epitaxy method and a molecular beam epitaxy method are used. Absent.
次に、図3〜図5を参照にして、本発明に係る半導体レーザの実施の形態について説明する。
まず、本発明に係る半導体レーザの層構成を図3の断面図を用いて説明する。本発明に係る半導体レーザでは、まず、図3に示すようにn型InP基板7上に、膜厚0.5 μmのn型InPバッファ層8を成長した。引き続き、膜厚0.1μm、バンドギャップ波長1.0μmのInGaAsP層9を成長した後、10層のInAsP井戸層と11層のInGaPSb障壁層からなる多重量子井戸構造10を成長し、その上に膜厚0.1μm、バンドギャップ波長1.0μmのInGaAsP層11、膜厚1.5μmのp型InP層12を成長させた。最後に、p型InP層12の上にp型InGaAs層13を成長した。
Next, an embodiment of the semiconductor laser according to the present invention will be described with reference to FIGS.
First, the layer structure of the semiconductor laser according to the present invention will be described with reference to the sectional view of FIG. In the semiconductor laser according to the present invention, first, an n-type
多重量子井戸構造10を構成するInAsP井戸層は、InPに対する格子歪が+1.63%、膜厚が5 nmであり、室温におけるPL発光のピーク波長はほぼ1.3μmである。
一方、多重量子井戸構造10を構成するInGaPSb障壁層は、そのSb組成が2.6%〔試験体1〕と3.6%〔試験体2〕の異なるSb組成のInGaPSb障壁層を持つ2つ試料を検討する。こられのInGaPSb障壁層は、ともにInPに対する格子歪が-0.60%、膜厚が10.5 nmである。
成長には、有機金属分子線エピタキシー法を用い、成長時の基板温度は、InGaAsP層9、多重量子井戸構造10、InGaAsP層11が530℃、それ以外の層が500℃である。
The InAsP well layer constituting the multiple
On the other hand, as the InGaPSb barrier layer constituting the
For growth, a metalorganic molecular beam epitaxy method is used, and the substrate temperature during growth is 530 ° C. for the
p型電極14は、ウェハ前面にシリコン酸化膜を蒸着した後、ストライプ状に幅40μmの領域のシリコン酸化膜を除去した後、p型InGaAs層13におけるストライプ状の領域上に金属を蒸着した後、熱処理して形成する。
n型電極15は、n型InP基板7を薄く研磨した後、この上に金属を蒸着した後、熱処理して形成する。
レーザ構造は、へき開により共振器を形成したファブリペロー型レーザであり、共振器長は600μmである。
The p-type electrode 14 is formed by depositing a silicon oxide film on the front surface of the wafer, removing the silicon oxide film having a width of 40 μm in a stripe shape, and then depositing a metal on the stripe-like region in the p-
The n-
The laser structure is a Fabry-Perot laser in which a resonator is formed by cleavage, and the resonator length is 600 μm.
図4と図5は、それぞれSb組成が2.6%〔試験体1〕とSb組成が3.6%〔試験体2〕を、動作温度を変えてパルス駆動させた際の注入電流と光出力の関係を示している。動作温度15℃でのしきい値電流密度は、〔試験体1〕で1.33 kA/cm2、〔試験体2〕で1.05 kA/cm2であり、InGaAsP材料系を用いた多重量子井戸レーザと同等である。
半導体レーザにおける温度特性の評価には、一般に特性温度と呼ばれるパラメータを用いる。特性温度は、しきい値電流の温度変化を測定することにより、次式から求めることができる。
Jth = J0 exp (T/T0)
ここで、Jthは動作温度 T におけるしきい値電流密度、J0は定数、T0が特性温度である。
4 and 5 show the relationship between the injection current and the light output when the Sb composition is 2.6% [test body 1] and the Sb composition is 3.6% [test body 2], respectively, when pulse driving is performed at different operating temperatures. Show. The threshold current density at an operating temperature of 15 ° C. is 1.33 kA / cm 2 for [Sample 1] and 1.05 kA / cm 2 for [Sample 2], and is a multi-quantum well laser using an InGaAsP material system. It is equivalent.
For evaluation of temperature characteristics in a semiconductor laser, a parameter generally called characteristic temperature is used. The characteristic temperature can be obtained from the following equation by measuring the temperature change of the threshold current.
J th = J 0 exp (T / T 0 )
Here, J th is the threshold current density at the operating temperature T 1 , J 0 is a constant, and T 0 is the characteristic temperature.
この式から、このT0が大きいほど動作温度の上昇に対するしきい値電流密度の増加が小さいことになり、レーザの温度特性が良いことになる。InGaPSb障壁層を用いた〔試験体1〕、〔試験体2〕の特性温度は、図4と図5から、それぞれ80.6 K、73.0 Kと見積もられる。 From this equation, the larger this T 0, the smaller the increase in threshold current density with respect to the increase in operating temperature, and the better the temperature characteristics of the laser. The characteristic temperatures of [Test body 1] and [Test body 2] using the InGaPSb barrier layer are estimated to be 80.6 K and 73.0 K from FIGS. 4 and 5, respectively.
一方、一般にInGaAsP障壁層に用いた多重量子井戸レーザの特性温度は50K程度と低い。すなわち、InGaAsP障壁層を用いた場合に比べて、InGaPSb障壁層を用いることで半導体レーザの温度特性を改善できることが分かる。
このInGaPSb障壁層を用いることでレーザの温度特性が改善される理由は、前述のようにInGaAsP障壁層を用いた場合に比べて、伝導帯のバンド不連続を大きくできることと、価電子帯のバンド不連続を小さくできることによるものである。この2つは、ともにレーザの高速変調を可能にするものであり、本特許のレーザ構造を用いれば高速で直接変調できるレーザの作製も容易である。
On the other hand, the characteristic temperature of the multiple quantum well laser generally used for the InGaAsP barrier layer is as low as about 50K. That is, it can be seen that the temperature characteristics of the semiconductor laser can be improved by using the InGaPSb barrier layer compared to the case of using the InGaAsP barrier layer.
The reason why the laser temperature characteristics are improved by using this InGaPSb barrier layer is that the band discontinuity of the conduction band can be increased and the band of the valence band can be increased compared to the case of using the InGaAsP barrier layer as described above. This is because the discontinuity can be reduced. Both of these enable high-speed modulation of the laser, and if the laser structure of this patent is used, it is easy to manufacture a laser capable of direct modulation at high speed.
この実施例では、井戸層にInAsP、障壁層にInGaPSbを用い、発振波長が1.3μmとなる多重量子井戸レーザの場合について説明してきたが、実施の形態は、上述の構成に限られるものではなく、変更が可能である。
すなわち、発振波長に応じて、Sbを含まない材料系を用いた井戸層と、Sbを含む材料系を用いた障壁層を用い、それぞれの組成と膜厚を変更すれば良い。例えば、発振波長が1.625μmの多重量子井戸レーザを得ようとすれば、井戸層にInAsPに比べてバンドギャップを小さくできるInGaAs、障壁層にInGaPSbに比べてバンドギャップを小さくできるInGaAsPSbを用いても良く、本実施例と同様にInGaAsP障壁層を用いた場合に比べ、レーザにおける温度特性の改善や高速変調が容易になることは云うまでもない。
In this example, the case of a multiple quantum well laser using InAsP as a well layer and InGaPSb as a barrier layer and having an oscillation wavelength of 1.3 μm has been described, but the embodiment is not limited to the above-described configuration. Can be changed.
That is, depending on the oscillation wavelength, a well layer using a material system not containing Sb and a barrier layer using a material system containing Sb may be used, and the respective compositions and film thicknesses may be changed. For example, if a multiple quantum well laser with an oscillation wavelength of 1.625 μm is to be obtained, InGaAs can be used for the well layer, which can reduce the band gap compared to InAsP, and InGaAsPSb can be used for the barrier layer, which can reduce the band gap compared to InGaPSb. Needless to say, improvement of the temperature characteristics and high-speed modulation in the laser are easier than in the case of using the InGaAsP barrier layer as in this embodiment.
また、本実施例では、半導体レーザの作製方法として有機金属分子線エピタキシー法を用いた例を説明したが、本発明は障壁層にSbが含まれ、井戸層にはSbが含まれないことを特徴とするため、作製方法は上記の量子井戸構造が作製可能であれば良く、有機金属気相エピタキシー法や分子線エピタキシー法などの他の成長方法を用いた場合も有効であることは云うまでもない。 Further, in this embodiment, an example in which the metalorganic molecular beam epitaxy method is used as a method for manufacturing a semiconductor laser has been described. However, the present invention indicates that the barrier layer includes Sb and the well layer does not include Sb. As a feature, it is sufficient that the above-described quantum well structure can be produced, and it is effective even when other growth methods such as metal organic vapor phase epitaxy and molecular beam epitaxy are used. Nor.
本発明は、光ファイバ通信システムで用いられる光モジュールで使用される半導体レーザに好適なものであり、温度特性が良く、高速で直接変調でき、長期信頼性に優れた半導体レーザの作製が容易になる。これにより、現在および将来の通信ネットワークのトラヒック量の増加に対応した光モジュールの提供が容易になるという効果がある。 The present invention is suitable for a semiconductor laser used in an optical module used in an optical fiber communication system, has good temperature characteristics, can be directly modulated at a high speed, and can easily manufacture a semiconductor laser having excellent long-term reliability. Become. As a result, there is an effect that it becomes easy to provide an optical module corresponding to an increase in the traffic volume of the current and future communication networks.
1 n型InP基板
2 InP
3 InGaPSb障壁層
4 InGaAsP井戸層
5 多重量子井戸構造
6 InP
7 n型InP基板
8 n型InP
9 InGaAsP
10 InAsP/InGaPSb多重量子井戸
11 InGaAsP
12 p型InP
13 p型InGaAs
14 p型電極
15 n型電極
1 n-
3
7 n-type InP substrate 8 n-type InP
9 InGaAsP
10 InAsP / InGaPSb multiple
12 p-type InP
13 p-type InGaAs
14 p-type electrode 15 n-type electrode
Claims (4)
前記半導体量子井戸構造は、井戸層としてInGaAsPまたはInAsPまたはInGaAsを含み、障壁層はInGaPSbまたはInGaAsPSbを含むことを特徴とする半導体レーザ。 In a semiconductor laser having an active layer of a semiconductor quantum well structure on an InP substrate,
The semiconductor quantum well structure includes a semiconductor laser including InGaAsP, InAsP, or InGaAs as a well layer, and the barrier layer includes InGaPSb or InGaAsPSb.
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